JP2014125388A - シフト反応システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】シフト反応器21,22,23を多段直列に接続し、各シフト反応器21,22,23からの排出ガスと水とを熱交換器61,62,63で熱交換することにより、水から水蒸気を生成する。生成した水蒸気はシフト反応容器21へ供給する。また、シフト反応器21からの排出ガスとシフト反応器21へ供給する原料ガスとを熱交換器(予熱器41)で熱交換することにより、原料ガスを所定の温度まで予熱する。
【選択図】図2
Description
水性ガスシフト反応が行われるシフト反応器とその反応ガスが流出する反応ガス流路とが直列に複数段連結されて成るシフト反応系統と、
各段の前記反応ガス流路で反応ガスと水とを熱交換させる熱交換器を含み、水から水蒸気を生成する水蒸気生成流路と、
生成された水蒸気を一段目の前記シフト反応器へ供給する水蒸気供給流路と、
一酸化炭素を含む原料ガスを一段目の前記シフト反応器へ供給する原料ガス供給流路とを備えているものである。
図1は本発明の実施形態に係る水素製造プロセスフロー図である。図1に示すように、水素製造プロセスプラント10は、ガス化炉11と、シフト反応システム12と、H2S/CO2分離回収装置13とを備えている。
続いて、シフト反応システム12について図2を参照しながら詳細に説明する。図2は本発明の実施形態に係るシフト反応システムのプロセスフロー図である。
シフト反応システム12は、シフト反応系統と、原料ガス供給系統と、水蒸気生成系統と、水蒸気供給系統の4つの流体流路系統を備えている。以下では、各流体流路系統に分けてその構成を詳細に説明する。
シフト反応系統は、水性ガスシフト反応が行われるシフト反応器とその反応ガスが流出する反応ガス流路とが直列に多段連結されて成る。本実施の形態に係るシフト反応系統は、配管等により直列に接続された3つのシフト反応器21,22,23を備えている。各シフト反応器21,22,23は入口と出口を有し、内部にシフト反応触媒を備えた反応容器として構成されている。一段目シフト反応器21の出口は、第1反応ガス流路24により二段目シフト反応器22と接続されている。第1反応ガス流路24には第1熱交換器61と予熱器41との2つの熱交換器が設けられている。これらの熱交換器61,41はいずれも一段目シフト反応器21からの排熱を利用するものである。なお、第1反応ガス流路24において第1熱交換器61が上流側、予熱器41が下流側に配置されている。二段目シフト反応器22の出口は、第2反応ガス流路25により三段目シフト反応器23の入口と接続されている。第2反応ガス流路25には第2熱交換器62が設けられている。第2熱交換器62は二段目シフト反応器22からの排熱を利用するものである。三段目シフト反応器23の出口は、第3反応ガス流路26と接続されている。第3反応ガス流路26はシフト反応システム12から反応ガスを排出して次工程へ送る流路である。本実施の形態では、第3反応ガス流路26がH2S/CO2分離回収装置13と直接的または間接的に接続されている。第1反応ガス流路24、第2反応ガス流路25および第3反応ガス流路26の各々は1以上の配管で形成されている。
原料ガス供給系統は、一酸化炭素を含む石炭ガス化ガス(原料ガス)を一段目シフト反応器21へ供給する原料ガス供給流路27を備えている。原料ガス供給流路27は1以上の配管で形成されており、ここをガス化炉11から供給される石炭ガス化ガスが流れる。原料ガス供給流路27は混合流路28と接続されており、混合流路28は一段目シフト反応器21の入口と接続されている。原料ガス供給流路27を送られてきた石炭ガス化ガスは、混合流路28の入口で水蒸気供給流路52から送られてきた水蒸気と混合してから、一段目シフト反応器21へ流入する。
水蒸気生成系統は、水蒸気を水から生成して後述する水蒸気供給流路52へ供給する水蒸気生成流路29を備えている。水蒸気生成流路29は、各段の反応ガス流路24,25,26で反応ガスと水とを熱交換させる熱交換器61,62,63を含んでいる。そして、水蒸気生成流路29では、外部の高圧水供給源30から供給された高圧水を各段の反応ガスと熱交換させることにより加熱して、水蒸気を生成する。水蒸気生成流路29は、高圧水供給路33、低圧側スチームドラム32、低圧側加熱回路34、送液路38、ポンプ39、高圧側スチームドラム31、高圧側加熱回路43および熱交換器61,62,63等により構成されている。水蒸気生成系統では、高圧側スチームドラム31と低圧側スチームドラム32の2つのスチームドラムを設け、系統内で2種類の温度と圧力の水蒸気を生成している。そして、高圧側スチームドラム31と低圧側スチームドラム32の熱源には、異なるシフト反応器で発生する2種類の温度域の反応熱を利用している。
水蒸気供給系統は、水蒸気生成系統で生成された水蒸気を一段目シフト反応器21へ供給する水蒸気供給流路52を備えている。1以上の配管から成る水蒸気供給流路52は、高圧側スチームドラム31と混合流路28を接続している。高圧側スチームドラム31の水蒸気は、水蒸気供給流路52を通じて混合流路28へ流入し、混合流路28で原料ガス供給流路27から送られてきた石炭ガス化ガスと混合してから一段目シフト反応器21へ流入する。
続いて、上記構成のシフト反応システム12のシフト反応およびこれに関連するプロセスについて説明する。以下では、設定されたシフト反応温度を約255℃とし、高圧側圧力を約5MPaとし、低圧側圧力を約3MPaとしているが、本発明はこれらの数値に限定されるものではない。また、説明中例示される反応ガス、水蒸気および石炭ガス化ガスの温度および圧力は各ガスの温度状況を平易に説明するための参考数値であって、実際は設備ごとの最適な数値となる。よって、これらについても例示された数値に限定されるものではない。
次に、上記実施形態に係る水素製造プロセスプラント10に含まれるシフト反応システム12の変形例1を説明する。上記実施形態のシフト反応系統は、シフト反応器とその反応ガスが流出する反応ガス流路とが直列に3段連結されて成るが、変形例1ではシフト反応器と反応ガス流路とが直列に2段連結されて成る。図5は変形例1に係るシフト反応システムのプロセスフロー図である。同図に示すように、変形例1に係るシフト反応システム12は、前述の実施形態に係るシフト反応システム12から、シフト反応系統と水蒸気生成系統の一部を変更したものである。よって、本変形例の説明においては、シフト反応系統と水蒸気生成系統について特に詳細に説明し、前述の実施形態と同一又は類似の構成に関しては図面に同一の符号を付し説明を省略する。
シフト反応系統は、配管等により直列に接続された2つのシフト反応器21,22を備えている。各シフト反応器21,22は入口と出口を有し、内部にシフト反応触媒を備えた反応容器として構成されている。一段目シフト反応器21の出口は、第1反応ガス流路24により二段目シフト反応器22と接続されている。第1反応ガス流路24には第1熱交換器61と予熱器41との2つの熱交換器が設けられている。二段目シフト反応器22の出口は、第2反応ガス流路25と接続されている。第2反応ガス流路25は、シフト反応システム12から反応ガスを排出して次工程へ送る流路である。本実施の形態では、第2反応ガス流路25がH2S/CO2分離回収装置13と直接的または間接的に接続されている。第1反応ガス流路24および第2反応ガス流路25はそれぞれ1以上の配管で形成されている。
水蒸気生成系統は、水蒸気を水から生成して後述する水蒸気供給流路52へ供給する水蒸気生成流路29を備えている。水蒸気生成流路29は、高圧水供給路33、スチームドラム31、ポンプ39および加熱回路43等により構成されている。
11 ガス化炉
12 シフト反応システム
13 H2S/CO2分離回収装置
21 一段目シフト反応器
22 二段目シフト反応器
23 三段目シフト反応器
24 第1反応ガス流路
25 第2反応ガス流路
26 第3反応ガス流路
27 原料ガス流路
28 混合流路
29 水蒸気生成流路
30 高圧水供給源
31 高圧側スチームドラム
32 低圧側スチームドラム
33 高圧水供給路
34 低圧側加熱回路
35 排気路
36 排気量調整弁
37 圧力センサ
38 送液路
39 ポンプ
40 流量調整弁
41 予熱器
42 液レベルセンサ
43 高圧側加熱回路
52 水蒸気供給流路
53 ノックアウトドラム
54 流量調整弁
55 圧力センサ
56 流量調整弁
57 補助水蒸気供給路
61 第1熱交換器
62 第2熱交換器
63 第3熱交換器
65 第1バイパス路
66 流量調整弁
67 温度センサ
68 予熱器バイパス路
69 流量調整弁
70 温度センサ
71 第2バイパス路
72 流量調整弁
73 温度センサ
81 排気路
82 排気量調整弁
83 導水量調整弁
84 液レベルセンサ
Claims (12)
- 水性ガスシフト反応が行われるシフト反応器とその反応ガスが流出する反応ガス流路とが直列に複数段連結されて成るシフト反応系統と、
各段の前記反応ガス流路で反応ガスと水とを熱交換させる熱交換器を含み、水から水蒸気を生成する水蒸気生成流路と、
生成された水蒸気を一段目の前記シフト反応器へ供給する水蒸気供給流路と、
一酸化炭素を含む原料ガスを一段目の前記シフト反応器へ供給する原料ガス供給流路とを備えている、
シフト反応システム。 - 前記シフト反応系統が、一段目シフト反応器と、前記一段目シフト反応器からの一段目の反応ガスが流出する一段目反応ガス流路と、前記一段目反応ガス流路に接続された二段目シフト反応器と、前記二段目シフト反応器からの二段目の反応ガスが流出する二段目反応ガス流路とを含み、
前記熱交換器が、前記一段目の反応ガスと水とを熱交換させる第1の熱交換器と、前記二段目の反応ガスと水とを熱交換させる第2の熱交換器とを含む、
請求項1に記載のシフト反応システム。 - 前記シフト反応系統が、一段目シフト反応器と、前記一段目シフト反応器からの一段目の反応ガスが流出する一段目反応ガス流路と、前記一段目反応ガス流路に接続された二段目シフト反応器と、前記二段目シフト反応器からの二段目の反応ガスが流出する二段目反応ガス流路と、前記二段目反応ガス流路に接続された三段目シフト反応器と、前記三段目シフト反応器からの三段目の反応ガスが流出する三段目反応ガス流路とを含み、
前記熱交換器が、前記一段目の反応ガスと水とを熱交換させる第1の熱交換器と、前記二段目の反応ガスと水とを熱交換させる第2の熱交換器と、前記三段目の反応ガスと水とを熱交換させる第3の熱交換器とを含む、
請求項1に記載のシフト反応システム。 - 前記水蒸気生成流路に、前記熱交換器で加熱された水および水蒸気を貯留する1以上のスチームドラムが設けられた、請求項1〜3のいずれか一項に記載のシフト反応システム。
- 前記水蒸気生成流路に、低圧側と高圧側の2つのスチームドラムと、低圧側スチームドラムから高圧側スチームドラムへ水を送給するポンプとが設けられており、
前記2つのスチームドラムが前記熱交換器で加熱された水および水蒸気を互いに異なる温度且つ異なる圧力で貯留している、請求項1〜3のいずれか一項に記載のシフト反応システム。 - 前記水蒸気生成流路に前記スチームドラム内を一部に含む加熱回路が設けられており、前記加熱回路が前記熱交換器のいずれか一つを通っている、請求項4または5に記載のシフト反応システム。
- 前記加熱回路が前記スチームドラムの底部に開口している入口から下向きに流れる流路、前記熱交換器のいずれか一つを通る流路、前記スチームドラムに開口している出口に向けて上向きに流れる流路、および前記スチームドラム内を含む循環路に形成されている、請求項6に記載のシフト反応システム。
- 前記スチームドラムの少なくとも1つが、当該スチームドラムの内圧を検出する圧力センサと、前記スチームドラムに接続された排気路と、前記排気路に設けられた排気量調整弁とを備えており、
前記スチームドラムの内圧が所定圧力となるように、前記排気量調整弁により前記圧力センサの検出値に基づいて前記スチームドラムから前記排気路を通じて排出される水蒸気の流量が調整されている、請求項4〜7のいずれか一項に記載のシフト反応システム。 - 前記排気路が、前記スチームドラムから排気された水蒸気を系内へ戻すように形成されている、請求項8に記載のシフト反応システム。
- 前記反応ガス流路の少なくとも1つが、当該反応ガス流路から後段の前記シフト反応器へ流入する反応ガスの温度を検出する温度センサと、前記反応ガス流路と接続されており当該反応ガス流路が通る前記熱交換器をバイパスするバイパス路と、前記バイパス路に設けられた流量調整弁とを備えており、
前記反応ガス流路から後段の前記シフト反応器へ流入する反応ガスの温度が所定のシフト反応温度となるように、前記流量調整弁により前記熱交換器を通る反応ガスの流量が調整されている、請求項1〜9のいずれか一項に記載のシフト反応システム。 - 一段目の前記反応ガス流路を流れるガスと前記原料ガス供給路を流れる原料ガスを熱交換させる予熱器を備えている、請求項1〜10のいずれか一項に記載のシフト反応システム。
- 前記水蒸気供給路にノックアウトドラムが設けられている、請求項1〜11のいずれか一項に記載のシフト反応システム。
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