JP2012218964A

JP2012218964A - Ｃｏｇ水素回収装置

Info

Publication number: JP2012218964A
Application number: JP2011085042A
Authority: JP
Inventors: Seiji Iwamura; 岩村征治
Original assignee: AIENJI KK
Current assignee: AIENJI KK
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2012-11-12
Anticipated expiration: 2031-04-07
Also published as: JP5672548B2

Abstract

【課題】
ＣＯＧ中の炭化水素を従来の水蒸気改質法で改質しようとした場合、ＣＯＧを圧縮して高圧にしなければならないし、COG中の炭化水素もおよそ３０％と改質原料としては濃度が低いため改質量の割には装置が大きくなり経済性に問題がある。
【解決手段】
改質装置の運転圧力を５００ｍｍＡｑ以下とすることで、ＣＯＧの圧縮は必要なくなり、工場内の廃蒸気を使用することにより装置全体の熱効率を上げることができる。また反応器の構造をルーバを使用して縦型充填層にすることにより触媒の取替えが容易となり触媒の寿命をこだわる必要がなくなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＯＧ中にはおよそ３０容積％（以下容積は省略する）の炭化水素（主にメタン）と５０％あまりの水素が含まれており、この３０％の炭化水素を水蒸気改質することにより水素を増量して回収する技術に関する。

ＣＯＧから水素を回収する技術としておよそ５０％の水素をそのままＰＳＡを使って分離回収する例はあるけれども３０％のメタンガスが無駄となり、非効率的で一般的とはいえない。水素の回収率を上げるためには３０％のメタンガスを水蒸気改質して水素を増量として回収する開発は行われているがまだ実用化されていない。

一般的な水蒸気改質装置は、改質反応熱を伝熱管を通して間接的に伝えているために改質触媒の充填された多数の伝熱管内を通過するメタンガスなど炭化水素ガスは圧縮する必要があり、水蒸気も原料ガスに見合った圧力が必要となる。

また、ＣＯＧ中のメタンガス濃度が３０％と薄く含有量が少ないため、水蒸気改質を行う場合メタンガス量の割合に対し原料ガス量が多くなり、改質装置が大きくなって不経済で実用性に課題がある。

本発明の改質反応器は循環ガスとＣＯＧと水蒸気の混合ガス（以下原料ガスという）が触媒充填層に対してクロスフローするため、ガス通過面積を大きくとることができ、ガス容積を減らす必要はなく、ほとんど常圧で設備の設計が出来る。

改質反応熱を供給する手段として、オフガスを燃料としたラジアントチューブバーナを触媒充填層内に挿入し改質触媒と共に原料ガスを加熱することで改質反応器の構造を単純にできる。

ルーバ間に触媒を充填した縦型反応器は大容量のガス処理に適しており反応ガスを循環させてガス量を増大させても設備費や敷地面積への影響が少ないという特徴があり、縦型反応器を使用することで、反応ガスの一部を循環させて見かけ上の効率が悪くとも即ち低活性の触媒を利用しても一定の反応率を確保できるようにする。

請求項１の発明は、水蒸気改質装置を低圧で運転することができるためＣＯＧを圧縮するための動力を必要としない。

また、水蒸気改質を行う場合、大量の水蒸気を使用するため、水蒸気の潜熱だけで改質反応熱に近い熱量を必要としこの潜熱は回収できないが、本発明においては装置を低圧で運転するために工場内の廃蒸気を使用することが出来、改質反応用の水蒸気潜熱分の熱量を節約することができる。

従来の間接加熱方式の場合は構造的に改質触媒の取替えが難しいため、寿命の長い高品質の触媒が使われているが、本発明の改質反応器は改質触媒の取替えが容易でありまたラジアントチューブバーナを充填層内に挿入する構造のために充填量が増える（ＳＶが小さくなる）ので触媒活性は良くなくてもあるいは寿命が短くとも問題とならずより安価な触媒を使用することが出来る。

反応ガスを循環することにより反応器出口の反応ガス中のメタン濃度に対する反応器入口のメタン濃度が低下するため改質反応器の水素転化率が６０％〜７０％と低くても装置としての水素転化率を９０％以上に確保できる。

ＣＯＧ中には既に５０％の水素が存在することを考慮して、水素回収量を犠牲にしてＣＯガスの変成プロセス、あるいは反応ガスの循環プロセスのいずれか、あるいはいずれも省略することで設備費の低減を図ることもできる。

請求項２の発明は、ラジアントチューブバーナを充填層内で使用する場合、ガス加熱の場合と異なり総括伝熱係数が低下しバーナ表面温度が上がりバーナ外筒の材質によっては燃焼ガス温度を下げる必要が出てくるがドーナツ状板をバーナ外筒に取り付けることにより伝熱面積を増加させて総括伝熱係数の低下分をカバーし、ガスを加熱する場合と同等の燃焼ガス温度で使用できるようにすると共に、ラジアントチューブバーナを改質反応器の両側壁に交互に取り付けることでラジアントチューブの表面温度のばらつきの影響を少なくすることが可能となる。

以下は本願発明のＣＯＧから水素を回収する装置に関して説明するものでオフガスの発熱量を確保する目的でＣＯ変成プロセスを省略した例を示す。

ＰＳＡ回収率を８０％と仮定し、３００Ｎｍ^３／ｈの水素を回収するとした場合
表１に示すとおり２４０Ｎｍ^３／ｈのＣＯＧと２１３Ｎｍ^３／ｈの廃蒸気が必要となり、水素転化率は（１−３２／９６）ｘ１００＝６６．７％を確保する必要がありガス出口温度を平衡温度まで上げる必要がある。

この時の循環ガス比は２０４４／５８４＝３．５である。

なお、実質の水素転化率は（１−７／７１）ｘ１００＝９０．１％である。

図１は、本発明の全体フローを示すもので相対するルーバ１１１内に改質触媒１３０を充填し、複数基のガス加熱用ラジアントチューブバーナ１２０を触媒充填層内に挿入した改質反応器１１０において原料ガスは水平にルーバ１１１および触媒充填層を横切って流れ、その間に加熱され改質反応が進む。

改質された反応ガスは一部が抽出ガスとして抜き出され、ＣＯＧ加熱器１５１によりＣＯＧと熱交換し、さらにガス冷却器１５２により冷却脱水された後、ＰＳＡ１５３により水素は分離回収される。
水素を分離回収した後のオフガスはメタン、水素、一酸化炭素を含み発熱量も高いためにガス加熱用ラジアントチューブバーナ用の燃料として使用される。

一方、残りの反応ガスは、反応ガス循環ファン１４０により昇圧され、原料用のＣＯＧと廃水蒸気と共に改質反応器１１０に導入される。
図２は、実施例における改質反応器の大きさを示す平面図で、反応器の空間速度ＳＶを２０００／Ｈ（改質反応率６７％）として触媒充填量Ｖｍ^３は、
Ｖ＝２４９５．４／２０００＝１．２５ｍ^３となり触媒充填厚さを０．８ｍとすればガス通過面積は１．５６ｍ^２となる。

本願発明により、ガス中の炭化水素濃度と水素濃度がある一定以上であればガス循環比を変更することで炭化水素を改質して水素として回収することが出来る。

反応ガス循環によるＣＯＧ水素回収装置の全体フロー図である。実施例における改質反応器の大きさを示す平断面図である。実施例における改質反応器の大きさを示す側断面図である。

１１０改質反応器１１１ルーバ
１２０ラジアントチューブバーナ１３０改質触媒
１４０反応ガス循環ファン１４１廃蒸気加熱器
１５１ＣＯＧ加熱器１５２抽出ガス冷却器
１５３ＰＳＡ１５４チラーユニット

Claims

側壁と二つの相対するルーバ（鎧状壁）に囲まれた空間に改質触媒を充填し、その充填層内にオフガスを燃料とした加熱用のラジアントチューブバーナを配備した改質反応器と反応器から出た改質反応ガスの一部を抽出してＣＯガス変成器、熱回収用熱交換器、ガス冷却器を経てＰＳＡにて水素を分離回収する水素分離回収装置と残りの改質反応ガスを循環させ、原料となるコークス炉ガス（以下ＣＯＧという）と工場内の低圧低温の廃蒸気を加えて当該改質反応器に導入するガス循環装置よりなる請求項１記載のＣＯＧ水素回収装置。
バーナ外筒にドーナツ状の板を取り付けることにより、充填層内伝熱による総括伝熱係数の低下を伝熱面積の増加でカバーするラジアントチューブバーナを相対する反応器側壁に交互に取り付けることを特徴とする改質反応器を具備した請求項１記載のＣＯＧ水素回収装置。