JP2019172551A - Hydrogen production equipment - Google Patents

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Abstract

To provide a hydrogen production equipment capable of reducing heat quantity released with combustion exhaust gas.SOLUTION: The hydrogen production equipment comprises: a reforming part A which includes a reforming reaction part 2 reforming a raw material gas G into a hydrogen-rich reformed gas K by a steam reforming process and a combustion part 3 heating the reforming reaction part 2; a pressure swing absorption part B which absorbs, by an absorbent, components to be absorbed other than the hydrogen component included in the reformed gas K from the reforming reaction part A to generate a production gas H; an off-gas supply channel 4 which supplies an off-gas exhausted from the pressure swing absorption part B to the combustion part 3; and a control part M which performs feedforward control for supplying a target combustion air amount for combustion of combustion components in the off-gas to the combustion part 3 on the basis of an off-gas supply amount detected by an off-gas supply amount detection part 36 and on a hydrogen concentration and a methane concentration detected by a concentration detection part N.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

炭化水素系ガスである原料ガスを水蒸気改質処理により水素成分が多い改質ガスに改質する改質反応部及び当該改質反応部を加熱する燃焼部を備えた改質部と、当該改質部からの前記改質ガスに含まれる水素成分以外の吸着対象成分を吸着剤に吸着して製品ガスを生成する吸着塔を備えた圧力変動吸着部と、当該圧力変動吸着部から排出されるオフガスを前記燃焼部に供給するオフガス供給路とが設けられ、
前記燃焼部の作動を制御する制御部が、前記改質反応部を改質反応温度に加熱すべく、前記オフガスを前記燃焼部に供給するオフガス供給量を制御しかつ燃焼用空気を前記燃焼部に供給する燃焼用空気供給量を制御するように構成された水素製造装置に関する。
A reforming section having a reforming reaction section for reforming a raw material gas, which is a hydrocarbon-based gas, to a reformed gas having a large amount of hydrogen components by steam reforming; and a reforming section having a combustion section for heating the reforming reaction section; A pressure fluctuation adsorption part having an adsorption tower for producing a product gas by adsorbing an adsorption target component other than a hydrogen component contained in the reformed gas from a mass part to an adsorbent, and discharged from the pressure fluctuation adsorption part An off-gas supply path for supplying off-gas to the combustion section;
A control unit for controlling the operation of the combustion unit controls an off gas supply amount for supplying the off gas to the combustion unit and heats combustion air to the combustion unit so as to heat the reforming reaction unit to a reforming reaction temperature. The present invention relates to a hydrogen production apparatus configured to control the amount of combustion air supplied to the fuel.

かかる水素製造装置は、改質部によって、天然ガスやナフサ等の炭化水素系ガスである原料ガスを水蒸気改質処理により水素成分が多い改質ガスに改質し、圧力変動吸着部によって、水素成分及び水素成分以外の吸着対象成分を含む改質ガスから吸着対象成分を吸着剤に吸着することにより、水素濃度の高い製品ガスを製造するものである。   Such a hydrogen production apparatus reforms a raw material gas, which is a hydrocarbon gas such as natural gas or naphtha, into a reformed gas having a large amount of hydrogen components by a steam reforming process using a reforming unit, A product gas having a high hydrogen concentration is produced by adsorbing an adsorbing target component on an adsorbent from a reformed gas containing an adsorbing target component other than the component and the hydrogen component.

圧力変動吸着部から排出されるオフガスには、水素、メタン、一酸化炭素が可燃成分として含まれているから、改質反応部を改質反応用温度に加熱するために、圧力変動吸着部から排出されるオフガスを、改質部の改質反応部を加熱する燃焼部に供給して燃焼させることが行われている(例えば、特許文献1参照。)。   The off-gas discharged from the pressure fluctuation adsorbing part contains hydrogen, methane, and carbon monoxide as combustible components. Therefore, in order to heat the reforming reaction part to the temperature for the reforming reaction, An off-gas discharged is supplied to a combustion section that heats a reforming reaction section of the reforming section and burned (see, for example, Patent Document 1).

特開2002−53307号公報JP 2002-53307 A

オフガスには、可燃成分として、水素、メタン、一酸化炭素が含まれるが、オフガスに含まれている水素の濃度及びメタンの濃度が運転状況等によって、種々変更することになる。
ちなみに、一般に、改質ガスはCO変成器に供給されて、改質ガスに含まれている一酸化炭素が二酸化炭素に変成処理され、変成処理された改質ガスが圧力変動吸着部に供給されることになるため、オフガスに含まれる一酸化炭素の量は、微量でかつ大きく変動することがない。
The off-gas contains hydrogen, methane, and carbon monoxide as combustible components, but the concentration of hydrogen and the concentration of methane contained in the off-gas are variously changed depending on the operating conditions.
In general, the reformed gas is supplied to the CO converter, the carbon monoxide contained in the reformed gas is converted to carbon dioxide, and the reformed reformed gas is supplied to the pressure fluctuation adsorption unit. Therefore, the amount of carbon monoxide contained in the off-gas is very small and does not vary greatly.

従来では、オフガスに含まれている可燃成分の状態として、例えば、メタンの濃度が高い状態等、最も多量の燃焼用空気を必要とする状態を想定して、その想定した状態の可燃成分を燃焼するために必要となる多目の燃焼用空気量を、オフガスを燃焼させるバーナに供給するようにしていたため、多量の燃焼用空気を必要としない場合にも多目の燃焼用空気が供給されることがあった。   Conventionally, as a state of the combustible component contained in the off-gas, for example, a state where the most amount of combustion air is required, such as a state where the concentration of methane is high, the combustible component in the assumed state is burned. Since the large amount of combustion air required to do this is supplied to the burner that burns off gas, the large amount of combustion air is supplied even when a large amount of combustion air is not required. There was a thing.

つまり、燃焼用空気量は、燃焼部に供給するオフガス供給量が増加するほど増加させることになるが、オフガスの単位量当たりに供給する燃焼用空気量を、オフガスに含まれている可燃成分の状態として、最も多量の燃焼用空気を必要とする状態を想定して、その想定した状態の可燃成分を燃焼するために必要となる多目の燃焼用空気量に設定していた。   That is, the amount of combustion air increases as the off-gas supply amount supplied to the combustion section increases, but the amount of combustion air supplied per unit amount of off-gas is reduced by the combustible component contained in the off-gas. As a state, assuming a state where the most amount of combustion air is required, a larger amount of combustion air required to burn the combustible component in the assumed state is set.

このため、オフガスに含まれている可燃成分を燃焼させる燃焼用空気量として、多量の燃焼用空気を必要としない場合にも、必要以上に多目の燃焼用空気が供給されることがあり、そのような場合には、多量に発生する燃焼排ガスとともに、多く熱量が無駄に放出される不都合が発生する虞があった。   For this reason, even when a large amount of combustion air is not required as the amount of combustion air for burning the combustible components contained in the off-gas, more combustion air may be supplied than necessary. In such a case, there is a possibility that a large amount of heat is discharged in vain with a large amount of combustion exhaust gas.

本発明は、上記実状に鑑みて為されたものであって、その目的は、燃焼排ガスとともに放出される熱量を減少させることができる水素製造装置を提供する点にある。   This invention is made | formed in view of the said actual condition, The objective is to provide the hydrogen production apparatus which can reduce the calorie | heat amount discharge | released with combustion exhaust gas.

本発明の水素製造装置は、炭化水素系ガスである原料ガスを水蒸気改質処理により水素成分が多い改質ガスに改質する改質反応部及び当該改質反応部を加熱する燃焼部を備えた改質部と、当該改質部からの前記改質ガスに含まれる水素成分以外の吸着対象成分を吸着剤に吸着して製品ガスを生成する吸着塔を備えた圧力変動吸着部と、当該圧力変動吸着部から排出されるオフガスを前記燃焼部に供給するオフガス供給路とが設けられ、
前記燃焼部の作動を制御する制御部が、前記改質反応部を改質反応温度に加熱すべく、前記オフガスを前記燃焼部に供給するオフガス供給量を制御しかつ燃焼用空気を前記燃焼部に供給する燃焼用空気供給量を制御するように構成されたものであって、その特徴構成は、
前記オフガス供給量を検出するオフガス供給量検出部と、前記燃焼部に供給する前記オフガスに含まれる水素の濃度及びメタンの濃度を検出する濃度検出部とが設けられ、
前記制御部が、前記オフガス供給量検出部にて検出される前記オフガス供給量と、前記濃度検出部にて検出される前記水素の濃度及び前記メタンの濃度とに基づいて、前記オフガスに含まれる燃焼成分を燃焼させるための目標燃焼用空気量を求めて、求めた目標燃焼用空気量を前記燃焼部に供給するフィードフォワード制御を実行するように構成されている点にある。
The hydrogen production apparatus of the present invention includes a reforming reaction section that reforms a raw material gas that is a hydrocarbon-based gas into a reformed gas having a large amount of hydrogen components by steam reforming, and a combustion section that heats the reforming reaction section. A reforming unit, and a pressure fluctuation adsorption unit including an adsorption tower that adsorbs an adsorption target component other than a hydrogen component contained in the reformed gas from the reforming unit to an adsorbent, An off-gas supply path for supplying off-gas discharged from the pressure fluctuation adsorption unit to the combustion unit is provided,
A control unit for controlling the operation of the combustion unit controls an off gas supply amount for supplying the off gas to the combustion unit and heats combustion air to the combustion unit so as to heat the reforming reaction unit to a reforming reaction temperature. Is configured to control the amount of combustion air supplied to the engine.
An off-gas supply amount detection unit that detects the off-gas supply amount; and a concentration detection unit that detects a concentration of hydrogen and a concentration of methane contained in the off-gas supplied to the combustion unit;
The control unit is included in the off gas based on the off gas supply amount detected by the off gas supply amount detection unit, and the hydrogen concentration and the methane concentration detected by the concentration detection unit. The feed-forward control for obtaining the target combustion air amount for burning the combustion component and supplying the obtained target combustion air amount to the combustion section is performed.

すなわち、燃焼部に供給されるオフガス供給量、オフガスに含まれる水素の濃度及びメタンの濃度が検出され、それらの検出結果に基づいて、オフガスに含まれる燃焼成分を燃焼させるための目標燃焼用空気量を求めて、求めた目標燃焼用空気量を燃焼部に供給するフィードフォワード制御が実行されることになる。   That is, the off-gas supply amount supplied to the combustion section, the concentration of hydrogen contained in the off-gas, and the concentration of methane are detected, and the target combustion air for burning the combustion components contained in the off-gas based on the detection results The feedforward control for obtaining the amount and supplying the obtained target combustion air amount to the combustion section is executed.

説明を加えると、オフガスには、水素、メタン、一酸化炭素が可燃成分として含まれるが、オフガスに含まれる一酸化炭素の量は、微量でかつ大きく変動することがないため、オフガスに含まれる一酸化炭素を燃焼させるための燃焼用空気量は、一定の値に定めることができる。
つまり、一般に、改質ガスはCO変成器に供給されて、改質ガスに含まれている一酸化炭素が二酸化炭素に変成処理され、変成処理された改質ガスが圧力変動吸着部に供給されることになるため、オフガスに含まれる一酸化炭素の量は、微量でかつ大きく変動することがない。
In other words, off-gas contains hydrogen, methane, and carbon monoxide as combustible components, but the amount of carbon monoxide contained in the off-gas is small and does not fluctuate greatly, so it is included in the off-gas. The amount of combustion air for burning carbon monoxide can be set to a constant value.
That is, generally, the reformed gas is supplied to the CO converter, the carbon monoxide contained in the reformed gas is converted to carbon dioxide, and the reformed reformed gas is supplied to the pressure fluctuation adsorption unit. Therefore, the amount of carbon monoxide contained in the off-gas is very small and does not vary greatly.

したがって、オフガスの単位量当たりに供給する燃焼用空気量は、水素の濃度に応じて求める燃焼用空気量と、メタンの濃度に応じて求める燃焼用空気量と、一酸化炭素を燃焼させるための一定に設定する燃焼用空気量との和として求めることができる。
そして、求めたオフガスの単位量当たりに供給する燃焼用空気量とオフガス供給量との積により、オフガスに含まれる燃焼成分を燃焼させるための理論燃焼用空気量を求めることができ、その理論燃焼用空気量に対して燃焼を完結させるための過剰係数(>1)を乗算した値として、目標燃焼用空気量を求めることができる。
Therefore, the amount of combustion air supplied per unit amount of off-gas is determined based on the amount of combustion air determined according to the concentration of hydrogen, the amount of combustion air determined according to the concentration of methane, and the amount for burning carbon monoxide. It can be obtained as the sum of the amount of combustion air set to a constant value.
Then, the theoretical combustion air amount for burning the combustion components contained in the off gas can be obtained from the product of the combustion air amount supplied per unit amount of the obtained off gas and the off gas supply amount. The target combustion air amount can be obtained as a value obtained by multiplying the excess air amount (> 1) for completing the combustion with the use air amount.

したがって、オフガスに含まれる燃焼成分を燃焼させるために適正な目標燃焼用空気量が燃焼部に供給されることになるから、オフガスを燃焼部にて適切に燃焼させながらも、燃焼排ガスとともに多く熱量が無駄に放出されることを抑制できる。   Accordingly, since an appropriate target combustion air amount is supplied to the combustion unit in order to burn the combustion component contained in the off gas, a large amount of heat is generated together with the combustion exhaust gas while appropriately burning the off gas in the combustion unit. Can be prevented from being wasted.

要するに、本発明の水素製造装置の特徴構成によれば、燃焼排ガスとともに放出される熱量を減少させることができる。   In short, according to the characteristic configuration of the hydrogen production apparatus of the present invention, the amount of heat released together with the combustion exhaust gas can be reduced.

本発明の水素製造装置の更なる特徴構成は、 前記濃度検出部が、前記オフガスの比重を計測する比重検出部、前記水素の濃度を検出する水素濃度検出部、及び、前記オフガスの比重及び前記水素の濃度に基づいて、前記メタンの濃度を求めるメタン濃度演算部を備えている点にある。   The hydrogen production apparatus according to the present invention is further characterized in that the concentration detector includes a specific gravity detector that measures the specific gravity of the off gas, a hydrogen concentration detector that detects the hydrogen concentration, and the specific gravity of the off gas and the A methane concentration calculation unit for obtaining the methane concentration based on the hydrogen concentration is provided.

すなわち、計測されたオフガスの比重と計測された水素の濃度とに基づいて、メタン濃度演算部にてメタンの濃度が求められることになる。
つまり、オフガスには、水素、メタン、一酸化炭素が可燃成分として含まれ、その他、窒素や二酸化炭素が含まれることになるが、オフガスに含まれる一酸化炭素や窒素の濃度は、微量で且つ大きく変動しないため、一定であると仮定することができる。
That is, based on the measured specific gravity of the off gas and the measured hydrogen concentration, the methane concentration calculation unit obtains the methane concentration.
In other words, the off-gas contains hydrogen, methane, and carbon monoxide as combustible components, and also contains nitrogen and carbon dioxide. The concentration of carbon monoxide and nitrogen contained in the off-gas is very small and Since it does not fluctuate greatly, it can be assumed to be constant.

そして、オフガスの比重は、水素のオフガス中の割合と水素の比重との積、メタンのオフガス中の割合とメタンの比重との積、二酸化炭素のオフガス中の割合と二酸化炭素の比重との積、一酸化炭素のオフガス中の割合と一酸化炭素の比重との積、及び、窒素のオフガス中の割合と窒素の比重との積を加えた値である。(以下、オフガスの比重と各成分の比重との関係を定める式を、比重関係式と呼称する。)   And the specific gravity of off gas is the product of the ratio of hydrogen in off gas and the specific gravity of hydrogen, the product of the ratio of methane in off gas and the specific gravity of methane, the product of the ratio of carbon dioxide in the off gas and the specific gravity of carbon dioxide. The product of the ratio of carbon monoxide in the off-gas and the specific gravity of carbon monoxide and the product of the ratio of nitrogen in the off-gas and the specific gravity of nitrogen. (Hereinafter, a formula that defines the relationship between the specific gravity of off-gas and the specific gravity of each component is referred to as a specific gravity relational expression.)

また、水素のオフガス中の割合、メタンのオフガス中の割合、二酸化炭素のオフガス中の割合、一酸化炭素のオフガス中の割合、及び、窒素のオフガス中の割合を加えた値は1である。(以下、各成分の割合の関係を定める式を割合関係式と呼称する。)   The value obtained by adding the ratio of hydrogen in the off gas, the ratio of methane in the off gas, the ratio of carbon dioxide in the off gas, the ratio of carbon monoxide in the off gas, and the ratio of nitrogen in the off gas is 1. (Hereinafter, a formula that defines the relationship between the proportions of the components is referred to as a proportion relationship equation.)

そして、一酸化炭素や窒素の濃度を一定であると仮定するものであるから、一酸化炭素のオフガス中の割合と一酸化炭素の比重との積、及び、窒素のオフガス中の割合と窒素の比重との積が定数となり、同様に、一酸化炭素のオフガス中の割合、及び、窒素のオフガス中の割合が定数となる。
したがって、メタン濃度演算部が、上記した比重関係式、及び、上記した割合関係式を用いて、計測されたオフガスの比重と計測された水素の濃度とに基づいて、メタンのオフガス中の割合(メタンの濃度に相当)を求めることができる。
Since the concentration of carbon monoxide and nitrogen is assumed to be constant, the product of the ratio of carbon monoxide in the off-gas and the specific gravity of carbon monoxide, and the ratio of nitrogen in the off-gas and nitrogen The product of the specific gravity is a constant, and similarly, the ratio of carbon monoxide in the off-gas and the ratio of nitrogen in the off-gas are constants.
Therefore, the methane concentration calculation unit uses the above-described specific gravity relational expression and the above-described ratio relational expression to determine the proportion of methane in the offgas based on the measured offgas specific gravity and the measured hydrogen concentration ( Equivalent to the concentration of methane).

ところで、メタンの濃度は、メタンの濃度を検出するメタン濃度検出センサを用いて検出することができるが、オフガスには燃焼成分として水素が含まれているため、オフガス中のメタン濃度は、メタン濃度検出センサにては適切に検出し難い虞があるが、オフガスの比重と水素の濃度とを計測して、メタンの濃度を求めることによって、メタンの濃度を適切に求めることができる。   By the way, the methane concentration can be detected by using a methane concentration detection sensor that detects the methane concentration, but since off gas contains hydrogen as a combustion component, the methane concentration in the off gas is the methane concentration. Although it may be difficult to detect properly with the detection sensor, the concentration of methane can be determined appropriately by measuring the specific gravity of off gas and the concentration of hydrogen to determine the concentration of methane.

要するに、本発明の水素製造装置の更なる特徴構成によれば、メタンの濃度を適切に求めて、燃焼排ガスとともに放出される熱量を減少させることができる。   In short, according to the further characteristic configuration of the hydrogen production apparatus of the present invention, the amount of heat released together with the combustion exhaust gas can be reduced by appropriately determining the concentration of methane.

本発明の水素製造装置の更なる特徴構成は、前記燃焼部から排出される燃焼排ガスの残存酸素濃度を検出する残存酸素濃度検出部が設けられ、
前記制御部が、前記残存酸素濃度検出部にて検出される前記残存酸素濃度が設定目標値になるように前記目標燃焼用空気量を補正するフィードバック制御を実行するように構成されている点にある。
A further characteristic configuration of the hydrogen production apparatus of the present invention is provided with a residual oxygen concentration detection unit that detects a residual oxygen concentration of the combustion exhaust gas discharged from the combustion unit,
The control unit is configured to execute feedback control for correcting the target combustion air amount so that the residual oxygen concentration detected by the residual oxygen concentration detection unit becomes a set target value. is there.

すなわち、燃焼部から排出される燃焼排ガスの残存酸素濃度を検出して、残存酸素濃度が設定目標値になるように目標燃焼用空気量を補正するフィードバック制御が実行されるから、燃焼部に供給する燃焼用空気の量が、過不足となることを回避して、燃焼部に供給されるオフガスを燃焼させるために好適となる量に適切に調整されることになる。   In other words, feedback control is executed to detect the residual oxygen concentration of the flue gas discharged from the combustion section and correct the target combustion air amount so that the residual oxygen concentration becomes the set target value. The amount of combustion air to be performed is appropriately adjusted to an amount suitable for burning off-gas supplied to the combustion section while avoiding an excess or deficiency.

つまり、燃焼部に供給されるオフガス供給量、オフガス中の水素の濃度、及び、オフガス中のメタンの濃度に基づいて、オフガスに含まれる燃焼成分を燃焼させるための目標燃焼用空気量を求めて、求めた目標燃焼用空気量を燃焼部に供給するフィードフォワード制御が実行されても、燃焼部に供給する燃焼用空気量が、燃焼部に供給されるオフガスを燃焼させるために好適となる量からずれる虞があるが、そのようにずれた場合においても、燃焼部に供給する燃焼用空気の量を、燃焼部に供給されるオフガスを燃焼させるために好適となる量に適切に調整することができる。   In other words, the target combustion air amount for burning the combustion components contained in the offgas is determined based on the offgas supply amount supplied to the combustion section, the concentration of hydrogen in the offgas, and the concentration of methane in the offgas. The amount of combustion air supplied to the combustion unit is suitable for burning off-gas supplied to the combustion unit even when feedforward control for supplying the obtained target combustion air amount to the combustion unit is executed. Even in such a case, the amount of combustion air supplied to the combustion section should be appropriately adjusted to an amount suitable for burning off-gas supplied to the combustion section. Can do.

要するに、本発明の水素製造装置の更なる特徴構成によれば、燃焼部に供給する燃焼用空気の量を、燃焼部に供給されるオフガスを燃焼させるために好適となる量に適切に調整することができる。   In short, according to the further characteristic configuration of the hydrogen production apparatus of the present invention, the amount of combustion air supplied to the combustion section is appropriately adjusted to an amount suitable for burning off-gas supplied to the combustion section. be able to.

本発明の水素製造装置の更なる特徴構成は、前記制御部が、前記オフガスの不足を検出するオフガス不足検出部にて前記オフガスが不足することが検出された場合には、前記改質ガスを前記オフガス供給路に供給するように構成され、
前記濃度検出部が、前記オフガス供給路における前記改質ガスの供給箇所よりも下流側を流動する前記オフガスに含まれる前記水素の濃度及び前記メタンの濃度を検出するように構成されている点にある。
A further characteristic configuration of the hydrogen production apparatus according to the present invention is that, when the control unit detects that the off-gas shortage is detected by the off-gas shortage detection unit that detects the shortage of off-gas, the reformed gas is supplied. Configured to supply to the off-gas supply path,
The concentration detector is configured to detect the concentration of hydrogen and the concentration of methane contained in the offgas flowing downstream from the reformed gas supply location in the offgas supply path. is there.

すなわち、製品ガスの生成量を増加させるために、改質部に供給する原料ガスの供給量を増加させた直後等においては、圧力変動吸着部では、改質部に供給する原料ガスの供給量を増加させる前に改質処理された改質ガスを処理することになるため、圧力変動吸着部から排出されるオフガスの量が、改質部の改質反応部を改質反応用温度に加熱するために必要とする量よりも不足することがある。   That is, immediately after increasing the supply amount of the raw material gas supplied to the reforming unit in order to increase the production amount of the product gas, the pressure fluctuation adsorption unit supplies the supply amount of the raw material gas supplied to the reforming unit. Therefore, the amount of off-gas discharged from the pressure fluctuation adsorption part heats the reforming reaction part of the reforming part to the reforming reaction temperature. It may be less than what you need to do.

このような場合には、オフガス不足検出部にてオフガスの不足が検出されて、改質ガスがオフガス供給路に供給されることになるため、改質部の改質反応部を改質反応用温度に適切に加熱しながら、原料ガスを適正通り水蒸気改質処理することができる。   In such a case, since the shortage of offgas is detected by the offgas shortage detection unit and the reformed gas is supplied to the offgas supply path, the reforming reaction unit of the reforming unit is used for the reforming reaction. The raw material gas can be steam-reformed as appropriate while appropriately heating to the temperature.

しかも、濃度検出部が、オフガス供給路における改質ガスの供給箇所よりも下流側を流動するオフガスに含まれる水素の濃度及びメタンの濃度を検出するように構成されているから、オフガスの不足により、改質ガスをオフガス供給路に供給した状態においても、オフガスに含まれる燃焼成分を適切に燃焼させることができる。   In addition, since the concentration detection unit is configured to detect the concentration of hydrogen and the concentration of methane contained in the off-gas flowing downstream from the reformed gas supply location in the off-gas supply path, Even in the state where the reformed gas is supplied to the off-gas supply path, the combustion component contained in the off-gas can be appropriately burned.

要するに、本発明の水素製造装置の更なる特徴構成によれば、改質ガスをオフガス供給路に供給する状態においても、オフガスに含まれる燃焼成分を適切に燃焼させることができる。   In short, according to the further characteristic configuration of the hydrogen production apparatus of the present invention, the combustion component contained in the offgas can be appropriately combusted even when the reformed gas is supplied to the offgas supply path.

水素製造装置を示す全体図Overall view showing the hydrogen production system 圧力変動吸着部を示す概略図Schematic showing pressure fluctuation adsorption part 圧力変動吸着部の運転サイクルを示す図The figure which shows the operation cycle of the pressure fluctuation adsorption part 圧力変動吸着部の運転状態を示す説明図Explanatory drawing showing the operating state of the pressure fluctuation adsorption unit 圧力変動吸着部の運転状態を示す説明図Explanatory drawing showing the operating state of the pressure fluctuation adsorption unit 圧力変動吸着部の運転状態を示す説明図Explanatory drawing showing the operating state of the pressure fluctuation adsorption unit

〔実施形態〕
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(水素製造装置の全体構成)
図1に示すように、水素製造装置には、天然ガスやナフサ等の炭化水素系ガスである原料ガスGを水素成分が多い改質ガスに改質する改質部Aと、当該改質部Aからの改質ガスから水素成分以外の吸着対象成分を吸着剤に吸着して製品ガスHを生成する吸着塔1を備えた圧力変動吸着部Bと、当該圧力変動吸着部Bから排出されるオフガスを回収するオフガスタンクTと、改質部A及び圧力変動吸着部Bの運転を制御する制御部Mが設けられている。
Embodiment
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Overall configuration of hydrogen production equipment)
As shown in FIG. 1, the hydrogen production apparatus includes a reforming section A that reforms a raw material gas G that is a hydrocarbon gas such as natural gas or naphtha into a reformed gas having a large amount of hydrogen components, and the reforming section. A pressure fluctuation adsorbing portion B having an adsorption tower 1 that generates a product gas H by adsorbing an adsorbent component other than a hydrogen component from the reformed gas from A and discharged from the pressure fluctuation adsorbing portion B. An off-gas tank T that collects off-gas and a control unit M that controls the operation of the reforming unit A and the pressure fluctuation adsorption unit B are provided.

改質部Aには、原料ガスGに混合する水蒸気のモル数の原料ガス中の炭素のモル数に対する比を目標比(S/C)にするように水蒸気を混合する水蒸気混合部J、原料ガスGを水蒸気改質処理により水素成分が多い改質ガスに改質する改質反応部としての改質反応管2、及び、当該改質反応管2を改質反応用温度に加熱する燃焼部としてのバーナ3が備えられている。
そして、圧力変動吸着部Bから排出されるオフガスをバーナ3に供給するオフガス供給路4が設けられ、当該オフガス供給路4に、上述のオフガスタンクTが配設されている。
つまり、オフガスタンクTに貯留されたオフガスが、バーナ3に供給され、また、燃焼用空気をバーナ3に供給する空気供給路5が設けられている。
The reforming section A includes a steam mixing section J for mixing steam such that the ratio of the number of moles of steam mixed with the source gas G to the number of moles of carbon in the source gas is a target ratio (S / C), A reforming reaction tube 2 as a reforming reaction unit that reforms the gas G into a reformed gas having a large amount of hydrogen components by steam reforming, and a combustion unit that heats the reforming reaction tube 2 to a reforming reaction temperature. The burner 3 is provided.
An offgas supply path 4 for supplying offgas discharged from the pressure fluctuation adsorption section B to the burner 3 is provided, and the offgas tank T described above is disposed in the offgas supply path 4.
That is, the off gas stored in the off gas tank T is supplied to the burner 3, and the air supply path 5 for supplying combustion air to the burner 3 is provided.

原料ガスGを脱硫器6に搬送する原料ガス供給ライン7が設けられ、脱硫器6にて脱硫処理した原料ガスGを水混合部8に搬送する混合部搬送ライン9が設けられている。
水混合部8は、水供給ライン10を通して搬送される水を供給して、脱硫処理後の原料ガスGに混合するように構成されている。
A raw material gas supply line 7 for conveying the raw material gas G to the desulfurizer 6 is provided, and a mixing unit conveying line 9 for conveying the raw material gas G desulfurized by the desulfurizer 6 to the water mixing unit 8 is provided.
The water mixing unit 8 is configured to supply water conveyed through the water supply line 10 and mix it with the raw material gas G after the desulfurization treatment.

水混合部8にて水が混合された原料ガスGを蒸発用熱交換部11に向けて搬送する蒸発用搬送ライン12が設けられ、原料ガスGに混合された水が蒸発用熱交換部11にて加熱されて水蒸気となるように構成されている。
ちなみに、本実施形態においては、水蒸気混合部Jが、水混合部8及び蒸発用熱交換部11を主要部として構成される。
An evaporation transport line 12 for transporting the raw material gas G mixed with water in the water mixing unit 8 toward the evaporating heat exchange unit 11 is provided, and the water mixed with the raw material gas G is used for the evaporating heat exchange unit 11. It is comprised so that it may be heated and steamed.
Incidentally, in the present embodiment, the water vapor mixing section J includes the water mixing section 8 and the evaporation heat exchange section 11 as main parts.

そして、蒸発用熱交換部11にて水蒸気を含む状態(水蒸気が混合された状態)となるように加熱された原料ガスGが、反応管搬送ライン13にて改質反応管2に搬送されて、水蒸気改質処理により水素成分が多い改質ガスKに改質されるように構成されている。
つまり、改質反応管2の内部には、改質触媒が充填され、上述の如く、バーナ3により改質反応用温度(例えば、750℃)に加熱されることにより、水蒸気改質処理により水素成分が多い改質ガスKに改質するように構成されている。
Then, the raw material gas G heated so as to be in a state containing water vapor (a state where water vapor is mixed) in the evaporating heat exchange unit 11 is conveyed to the reforming reaction tube 2 through the reaction tube conveyance line 13. The reforming gas K having a large amount of hydrogen component is reformed by the steam reforming process.
In other words, the reforming reaction tube 2 is filled with the reforming catalyst and heated to the reforming reaction temperature (for example, 750 ° C.) by the burner 3 as described above, so that the hydrogen is formed by the steam reforming process. It is comprised so that it may modify | reform to the reformed gas K with many components.

ちなみに、本実施形態においては、バーナ3の燃焼ガスは、改質反応管2を加熱した後に、蒸発用熱交換部11に向けて流動して、蒸発用熱交換部11を加熱した後に、排ガス路14を通して排出されるように構成されている。   By the way, in the present embodiment, the combustion gas of the burner 3 flows toward the heat exchanger 11 for evaporation after heating the reforming reaction tube 2 and heats the heat exchanger 11 for evaporation. It is configured to be discharged through the passage 14.

改質反応管2からの改質ガスKをCO変成器15に搬送する変成器搬送ライン16が設けられ、改質ガスKに含まれている一酸化炭素がCO変成器15にて二酸化炭素に変成処理されるように構成されている。
そして、CO変成器15にて変成処理された改質ガスKが、改質ガス供給ライン17を通して圧力変動吸着部Bに供給されている。
尚、改質ガス供給ライン17には、水冷器18a及び気水分離器18bを備える水分離部18が備えられて、余分な水分を改質ガスKから除去するように構成されている。
A transformer transport line 16 for transporting the reformed gas K from the reforming reaction tube 2 to the CO converter 15 is provided, and carbon monoxide contained in the reformed gas K is converted into carbon dioxide by the CO converter 15. It is configured to be transformed.
Then, the reformed gas K that has been subjected to the transformation process in the CO transformer 15 is supplied to the pressure fluctuation adsorption section B through the reformed gas supply line 17.
The reformed gas supply line 17 includes a water separator 18 including a water cooler 18a and a steam / water separator 18b, and is configured to remove excess moisture from the reformed gas K.

(圧力変動吸着部の詳細)
本実施形態の圧力変動吸着部Bは、吸着塔1として、第1吸着塔1A、第2吸着塔1B、第3吸着塔1Cを備えている。
図2に示すように、3つの吸着塔1の夫々の下部が、改質ガス供給ライン17に対して、第1供給弁20aを備えた第1供給用分岐路21a、第2供給弁20bを備えた第2供給用分岐路21b、第3供給弁20cを備えた第3供給用分岐路21cを介して接続されている。
(Details of pressure fluctuation adsorption section)
The pressure fluctuation adsorption unit B of the present embodiment includes a first adsorption tower 1A, a second adsorption tower 1B, and a third adsorption tower 1C as the adsorption tower 1.
As shown in FIG. 2, the lower part of each of the three adsorption towers 1 has a first supply branch passage 21 a and a second supply valve 20 b provided with a first supply valve 20 a with respect to the reformed gas supply line 17. The second supply branch passage 21b and the third supply branch passage 21c provided with the third supply valve 20c are connected.

各吸着塔1には、水素成分以外の吸着対象成分を改質ガスKから吸着する吸着剤が装填充填されている。
尚、水素成分以外の吸着対象成分とは、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン、窒素等であり、一酸化炭素及びメタンは、可燃成分である。
Each adsorption tower 1 is filled with an adsorbent that adsorbs a component to be adsorbed other than the hydrogen component from the reformed gas K.
The adsorption target components other than the hydrogen component are carbon dioxide, carbon monoxide, methane, nitrogen and the like, and carbon monoxide and methane are combustible components.

また、3つの吸着塔1の夫々の上部が、製品ガス排出ライン22に対して、第1排出弁23aを備えた第1排出用分岐路22a、第2排出弁23bを備えた第2排出用分岐路22b、第3排出弁23cを備えた第3排出用分岐路22cを介して接続されている。   Further, the upper part of each of the three adsorption towers 1 is connected to the product gas discharge line 22 with a first discharge branch path 22a having a first discharge valve 23a and a second discharge valve having a second discharge valve 23b. The branch path 22b is connected via a third discharge branch path 22c having a third discharge valve 23c.

また、3つの吸着塔1の夫々の上部が、均圧ライン24に対して、第1均圧弁25aを備えた第1均圧用分岐路24a、第2均圧弁25bを備えた第2均圧用分岐路24b、第3均圧弁25cを備えた第3均圧用分岐路24cを介して接続されている。
また、製品ガス排出ライン22を流動する製品ガスHを均圧ライン24に流動させる洗浄ライン26が設けられ、その洗浄ライン26には、洗浄弁27が配設されている。
Further, the upper part of each of the three adsorption towers 1 is connected to the pressure equalizing line 24 by a first pressure equalizing branch path 24a provided with a first pressure equalizing valve 25a and a second pressure equalizing branch provided with a second pressure equalizing valve 25b. The passage 24b is connected via a third pressure equalizing branch 24c provided with a third pressure equalizing valve 25c.
A cleaning line 26 is provided for flowing the product gas H flowing through the product gas discharge line 22 to the pressure equalizing line 24, and a cleaning valve 27 is provided in the cleaning line 26.

さらに、3つの吸着塔1の夫々の下部が、オフガス排出ライン28に対して、第1オフガス弁29aを備えた第1オフガス用分岐路28a、第2オフガス弁29bを備えた第2オフガス用分岐路28b、第3オフガス弁29cを備えた第3オフガス用分岐路28cを介して接続され、オフガス排出ライン28が、オフガスタンクTに接続されている。   Furthermore, the lower part of each of the three adsorption towers 1 has a first off-gas branch path 28a having a first off-gas valve 29a and a second off-gas branch having a second off-gas valve 29b with respect to the off-gas discharge line 28. The off gas discharge line 28 is connected to the off gas tank T through the passage 28 b and the third off gas branch passage 28 c provided with the third off gas valve 29 c.

圧力変動吸着部Bは、制御部Mによる運転制御により、3つの吸着塔1の夫々において、図3に示すように、吸着工程、均圧(排出)工程、減圧工程、洗浄工程、均圧(受入)工程、昇圧工程からなる運転サイクルを、運転位相を異ならせた状態で、繰り返し行うことによって、改質ガスKから高純度で水素ガスを含む製品ガスHを生成するように構成されている。   As shown in FIG. 3, the pressure fluctuation adsorption unit B is controlled by the operation of the control unit M so that the adsorption process, the pressure equalization (discharge) process, the pressure reduction process, the washing process, the pressure equalization ( It is configured to generate a product gas H containing high-purity hydrogen gas from the reformed gas K by repeatedly performing an operation cycle including an acceptance process and a pressure-increasing process in a state where the operation phases are different. .

つまり、第1吸着塔1Aが吸着工程を行う第1単位周期、第2吸着塔1Bが吸着工程を行う第2単位周期及び第3吸着塔1Cが吸着工程を行う第3単位周期を繰り返し実行するように構成されている。   That is, the first unit period in which the first adsorption tower 1A performs the adsorption process, the second unit period in which the second adsorption tower 1B performs the adsorption process, and the third unit period in which the third adsorption tower 1C performs the adsorption process are repeatedly executed. It is configured as follows.

説明を加えると、第1吸着塔1Aが吸着工程を行う第1単位周期においては、第1供給弁20a及び第1排出弁23aが開弁されて、改質ガスKに含まれる吸着対象成分を吸着する吸着工程が実行され(図4〜図6参照)、第1吸着塔1Aからは製品ガスHが製品ガス排出ライン22に排出される。   In addition, in the first unit cycle in which the first adsorption tower 1A performs the adsorption process, the first supply valve 20a and the first discharge valve 23a are opened, and the adsorption target component contained in the reformed gas K is removed. An adsorption process for adsorption is performed (see FIGS. 4 to 6), and the product gas H is discharged from the first adsorption tower 1 </ b> A to the product gas discharge line 22.

第1単位周期の初期においては、第2吸着塔1Bの第2均圧弁25b及び第3吸着塔1Cの第3均圧弁25cが開弁されて、第3吸着塔1Cの内部ガスを第2吸着塔1Bに供給する均圧工程が行われることになる(図4参照)。
尚、この均圧工程は、第3吸着塔1Cにおいては、均圧(排出)工程に相当し、第2吸着塔1Bにおいては、均圧(受入)工程に相当する。
At the beginning of the first unit period, the second pressure equalizing valve 25b of the second adsorption tower 1B and the third pressure equalizing valve 25c of the third adsorption tower 1C are opened, and the internal gas of the third adsorption tower 1C is second adsorbed. A pressure equalizing step for supplying to the tower 1B is performed (see FIG. 4).
This pressure equalization step corresponds to a pressure equalization (discharge) step in the third adsorption tower 1C, and corresponds to a pressure equalization (acceptance) step in the second adsorption tower 1B.

第2吸着塔1Bにおいては、上記均圧工程が終了すると、第2均圧弁25bを閉じて、第2排出弁23bを開弁することにより、第1吸着塔1Aから排出される製品ガスHを導入する昇圧工程が、第1単位周期が終了するまで実行される(図5及び図6参照)。   In the second adsorption tower 1B, when the pressure equalizing step is completed, the second pressure equalizing valve 25b is closed, and the second exhaust valve 23b is opened, so that the product gas H discharged from the first adsorption tower 1A is discharged. The boosting step to be introduced is executed until the first unit period ends (see FIGS. 5 and 6).

第3吸着塔1Cにおいては、上記均圧工程が終了すると、第3均圧弁25cを閉じて、第3オフガス弁29cを開弁することにより、第3吸着塔1Cの内部ガスをオフガス排出ライン28に排出する減圧工程が実行され(図5参照)、その後、第3オフガス弁29cを開弁したまま、第3均圧弁25c及び洗浄弁27を開弁して、洗浄ライン26から製品ガスHを流動させる洗浄工程が実行される(図6参照)。   In the third adsorption tower 1C, when the pressure equalizing step is completed, the third pressure equalizing valve 25c is closed and the third off-gas valve 29c is opened, so that the internal gas of the third adsorption tower 1C is removed from the off-gas discharge line 28. (See FIG. 5), the third pressure equalizing valve 25c and the cleaning valve 27 are then opened while the third off-gas valve 29c is open, and the product gas H is supplied from the cleaning line 26. A cleaning process is performed (see FIG. 6).

また、減圧工程及び洗浄工程においてオフガス排出ライン28に排出されたオフガスは、オフガスタンクTに回収された後、オフガス供給路4を通して、改質部Aのバーナ3に供給されることになる。
尚、オフガスには、可燃成分として、一酸化炭素、メタン及び水素が含まれることになる。
Further, the offgas discharged to the offgas discharge line 28 in the decompression process and the cleaning process is collected in the offgas tank T and then supplied to the burner 3 of the reforming section A through the offgas supply path 4.
The off gas contains carbon monoxide, methane, and hydrogen as combustible components.

オフガスタンクTに貯留されるオフガス貯留量は、圧力変動吸着部Bの運転に伴って繰り返し増減することになる。
つまり、第1単位周期、第2単位周期、及び、第3単位周期の夫々において、減圧工程が開始されるとオフガス貯留量が急増し、その後洗浄工程が行われるときも、オフガス貯留量が増加し、均圧工程が行われると、オフガス貯留量が漸減する状態で、オフガス貯留量が繰り返し増減することになる。
The off-gas storage amount stored in the off-gas tank T is repeatedly increased and decreased with the operation of the pressure fluctuation adsorption unit B.
That is, in each of the first unit period, the second unit period, and the third unit period, the off-gas storage amount rapidly increases when the decompression process is started, and the off-gas storage amount also increases when the cleaning process is performed thereafter. When the pressure equalization step is performed, the off-gas storage amount repeatedly increases and decreases while the off-gas storage amount gradually decreases.

ちなみに、オフガスタンクTに貯留されているオフガス貯留量を検出するオフガス量検出部として、オフガスタンクTの内部圧力を検出する圧力センサPSが設けられている。
また、図1に示すように、オフガスタンクTに貯留されるオフガス貯留量が不足するときに、改質ガス供給ライン17からの改質ガスKをオフガスタンクTに供給する補給ライン19が設けられ、その補給ライン19を開閉する補給弁19Aが設けられている。
そして、オフガスタンクTに貯留されるオフガス貯留量が不足することが圧力センサPSにて検出されたときには、補給弁19Aを開いて、オフガスタンクTに貯留されるオフガス貯留量が設定基準量になることが圧力センサPSにて検出されるまで、改質ガスKをオフガスタンクTに補給するように構成されている。
尚、本実施形態においては、圧力センサPSが、オフガスの不足を検出するオフガス不足検出部として機能することになる。
Incidentally, a pressure sensor PS that detects the internal pressure of the offgas tank T is provided as an offgas amount detection unit that detects the amount of offgas stored in the offgas tank T.
Further, as shown in FIG. 1, a replenishment line 19 is provided for supplying the reformed gas K from the reformed gas supply line 17 to the offgas tank T when the amount of offgas stored in the offgas tank T is insufficient. A supply valve 19A for opening and closing the supply line 19 is provided.
When the pressure sensor PS detects that the amount of off-gas stored in the off-gas tank T is insufficient, the supply valve 19A is opened, and the amount of off-gas stored in the off-gas tank T becomes the set reference amount. Until the pressure sensor PS detects that the reformed gas K is supplied to the off-gas tank T.
In the present embodiment, the pressure sensor PS functions as an off-gas shortage detection unit that detects a shortage of off-gas.

第1吸着塔1Aが吸着工程を行う第1単位周期においては、上記の通り、第2吸着塔1Bについては、均圧(受入)工程、及び、昇圧工程が順次実行され、第3吸着塔1Cについては、均圧(排出)工程、減圧工程、洗浄工程が順次実行されることになる。
尚、第2吸着塔1Bが吸着工程を行う第2単位周期及び第3吸着塔1Cが吸着工程を行う第3単位周期は、第1吸着塔1Aが吸着工程を行う第1単位周期と同様に行われるものであるから、本実施形態においては、第2単位周期及び第3単位周期の詳細な説明を省略する。
In the first unit cycle in which the first adsorption tower 1A performs the adsorption process, as described above, the pressure equalization (acceptance) process and the pressure increase process are sequentially executed for the second adsorption tower 1B, and the third adsorption tower 1C As for, a pressure equalization (discharge) step, a pressure reduction step, and a cleaning step are sequentially executed.
The second unit period in which the second adsorption tower 1B performs the adsorption process and the third unit period in which the third adsorption tower 1C performs the adsorption process are the same as the first unit period in which the first adsorption tower 1A performs the adsorption process. In the present embodiment, detailed description of the second unit period and the third unit period is omitted.

(改質部の運転制御)
原料ガス供給ライン7には、原料ガスGを供給し且つ供給量を調節自在な原料ガス供給部30、及び、原料ガスGの供給量を検出する原料ガスセンサ31が設けられている。
そして、制御部Mが、製品ガスHの目標生産量を示す指示情報に基づいて、目標生産量の製品ガスHを製造するために必要となる目標原料ガス供給量の原料ガスGを供給すべく、原料ガス供給部30の作動を制御するように構成されている。
つまり、原料ガスセンサ31にて検出される原料ガスGの供給量が目標原料ガス供給量となるように、原料ガス供給部30の作動を制御するように構成されている。
(Operation control of reforming section)
The source gas supply line 7 is provided with a source gas supply unit 30 that supplies the source gas G and allows the supply amount to be adjusted, and a source gas sensor 31 that detects the supply amount of the source gas G.
Then, based on the instruction information indicating the target production amount of the product gas H, the control unit M is to supply the raw material gas G of the target raw material gas supply amount necessary for producing the target production gas amount of the product gas H. The operation of the source gas supply unit 30 is controlled.
That is, the operation of the raw material gas supply unit 30 is controlled such that the supply amount of the raw material gas G detected by the raw material gas sensor 31 becomes the target raw material gas supply amount.

ちなみに、本実施形態においては、原料ガス供給部30が、原料ガスGを供給する圧縮機30aと、圧縮機30aにて供給される原料ガスGの一部を圧縮機30aの上流側に戻す流量調節弁30bとを備える形態に構成されている。   Incidentally, in the present embodiment, the raw material gas supply unit 30 supplies the raw material gas G with the compressor 30a and the flow rate at which a part of the raw material gas G supplied by the compressor 30a is returned to the upstream side of the compressor 30a. It is comprised in the form provided with the control valve 30b.

水供給ライン10は、水処理部32にて純水に処理された水を水混合部8に供給するものであって、水供給ライン10には、水を供給する水供給ポンプ33、水供給ライン10を通して供給される水の流量を検出する水流量センサ34、及び、水供給量を調節する水流量調節弁35が設けられている。
尚、水供給ポンプ33には、水供給圧力を設定圧力に制御する圧力制御弁33aが装備されている。
The water supply line 10 supplies water treated by the water treatment unit 32 to pure water to the water mixing unit 8. The water supply line 10 includes a water supply pump 33 for supplying water, and a water supply. A water flow rate sensor 34 that detects the flow rate of water supplied through the line 10 and a water flow rate adjustment valve 35 that adjusts the water supply amount are provided.
The water supply pump 33 is equipped with a pressure control valve 33a for controlling the water supply pressure to a set pressure.

そして、制御部Mが、原料ガスGに供給する水蒸気のモル数の原料ガスG中の炭素のモル数に対する比である目標比(S/C)を、基準運転用比(例えば、3.0)にすべく、水流量調節弁35の作動を制御するように構成されている。
つまり、原料ガスGが目標原料供給量にて供給される状態において、目標比(S/C)を基準運転用比(例えば、3.0)にする目標水供給量を求めて、水流量センサ34にて検出される流量が目標水供給量となるように、水流量調節弁35の作動を制御するように構成されている。
Then, the control unit M sets the target ratio (S / C), which is the ratio of the number of moles of water vapor supplied to the source gas G to the number of moles of carbon in the source gas G, as a reference operation ratio (for example, 3.0 ), The operation of the water flow control valve 35 is controlled.
That is, in a state in which the raw material gas G is supplied at the target raw material supply amount, a target water supply amount that makes the target ratio (S / C) the reference operation ratio (for example, 3.0) is obtained, and the water flow sensor The operation of the water flow rate adjustment valve 35 is controlled so that the flow rate detected at 34 becomes the target water supply amount.

(バーナの燃焼制御)
改質反応管2の内部温度を検出する温度センサTSが設けられている。
オフガス供給路4には、バーナ3に供給するオフガス供給量に相当するオフガス流量を検出するオフガス流量センサ36(オフガス供給量検出部の一例)、及び、オフガス流量を調節するオフガス流量調節弁37が設けられている。
空気供給路5には、空気を供給し且つ供給量を調節自在な送風機38、及び、空気供給路5を流動する空気量を検出する空気流量センサ39が設けられている。
(Burner combustion control)
A temperature sensor TS for detecting the internal temperature of the reforming reaction tube 2 is provided.
The off gas supply path 4 includes an off gas flow sensor 36 (an example of an off gas supply detection unit) that detects an off gas flow corresponding to the off gas supply supplied to the burner 3, and an off gas flow control valve 37 that adjusts the off gas flow. Is provided.
The air supply path 5 is provided with a blower 38 that can supply air and adjust the supply amount, and an air flow rate sensor 39 that detects the amount of air flowing through the air supply path 5.

そして、制御部Mが、改質反応管2を改質反応用温度(例えば、750℃)に加熱すべく、オフガスをバーナ3に供給するオフガス供給量を制御しかつ燃焼用空気をバーナ3に供給する燃焼用空気供給量を制御するように構成されている。
つまり、制御部Mが、温度センサTSにて検出される検出温度と改質反応用温度とに基づいて、バーナ3に供給する目標オフガス供給量を求めて、オフガス流量センサ36にて検出されるオフガス流量が目標オフガス供給量となるように、オフガス流量調節弁37の作動を制御するように構成されている。
The control unit M controls the off gas supply amount for supplying off gas to the burner 3 and heats the combustion air to the burner 3 in order to heat the reforming reaction tube 2 to the reforming reaction temperature (for example, 750 ° C.). The combustion air supply amount to be supplied is controlled.
That is, the control unit M obtains the target offgas supply amount to be supplied to the burner 3 based on the detected temperature detected by the temperature sensor TS and the reforming reaction temperature, and is detected by the offgas flow rate sensor 36. The operation of the off gas flow rate adjustment valve 37 is controlled so that the off gas flow rate becomes the target off gas supply amount.

また、制御部Mが、目標オフガス供給量のオフガスを燃焼させるのに必要となる目標燃焼用空気量を求めて、空気流量センサ39にて検出される空気量が目標燃焼用空気量となるように、送風機38の作動を制御するように構成されている。   Further, the control unit M obtains a target combustion air amount necessary for burning off gas of the target off gas supply amount so that the air amount detected by the air flow sensor 39 becomes the target combustion air amount. Further, the operation of the blower 38 is controlled.

(目標燃焼用空気量の詳細)
次に、制御部Mによる目標燃焼用空気量を求める処理について説明する。
バーナ3に供給するオフガスに含まれる水素の濃度及びメタンの濃度を検出する濃度検出部Nが設けられている。
そして、制御部Mが、オフガス流量センサ36にて検出されるオフガス流量(オフガス供給量)と、濃度検出部Nにて検出される水素の濃度及びメタンの濃度とに基づいて、オフガスに含まれる燃焼成分を燃焼させるための目標燃焼用空気量を求めて、求めた目標燃焼用空気量をバーナ3に供給するフィードフォワード制御を実行するように構成されている。
(Details of target combustion air volume)
Next, a process for obtaining the target combustion air amount by the control unit M will be described.
A concentration detector N for detecting the concentration of hydrogen and the concentration of methane contained in the off-gas supplied to the burner 3 is provided.
Then, the control unit M is included in the off gas based on the off gas flow rate (off gas supply amount) detected by the off gas flow rate sensor 36 and the hydrogen concentration and the methane concentration detected by the concentration detection unit N. The feed-forward control for obtaining the target combustion air amount for burning the combustion components and supplying the obtained target combustion air amount to the burner 3 is executed.

つまり、本実施形態においては、一酸化炭素の濃度が一定であると仮定して、オフガスの単位量当たりに供給する燃焼用空気量を、水素の濃度に応じて求める水素用の燃焼用空気量と、メタンの濃度に応じて求めるメタン用の燃焼用空気量と、一酸化炭素を燃焼させるための一定に設定する一酸化炭素用の燃焼用空気量との和として求めるように構成されている。   That is, in this embodiment, assuming that the concentration of carbon monoxide is constant, the amount of combustion air for hydrogen obtained according to the concentration of hydrogen is determined as the amount of combustion air supplied per unit amount of offgas. And the amount of combustion air for methane determined according to the concentration of methane and the amount of combustion air for carbon monoxide set to a constant value for burning carbon monoxide. .

ちなみに、単位量の水素を燃焼させるのに必要な酸素量は、単位量の水素の1/2の酸素量であり、その酸素量の5倍の空気量を、単位量の水素を燃焼させるのに必要な燃焼用空気量とすることができる。
同様に、単位量のメタンを燃焼させるのに必要な酸素量は、単位量のメタンの2倍の酸素量であり、その酸素量の5倍の空気量を、単位量のメタンを燃焼させるのに必要な燃焼用空気量とすることができる。
さらに、単位量の一酸化炭素を燃焼させるのに必要な酸素量は、単位量の一酸化炭素の1/2の酸素量であり、その酸素量の5倍の空気量を、単位量の一酸化炭素を燃焼させるのに必要な燃焼用空気量とすることができる。
By the way, the amount of oxygen required to burn a unit amount of hydrogen is half the amount of hydrogen of a unit amount of hydrogen, and the amount of air that is five times the amount of oxygen burns a unit amount of hydrogen. The amount of combustion air required for the combustion can be made.
Similarly, the amount of oxygen required to burn a unit amount of methane is twice the amount of oxygen as the unit amount of methane, and the amount of air that is five times the oxygen amount burns the unit amount of methane. The amount of combustion air required for the combustion can be made.
Furthermore, the amount of oxygen necessary for burning the unit amount of carbon monoxide is ½ the amount of oxygen of the unit amount of carbon monoxide, and the amount of air five times the amount of oxygen is reduced to one unit amount. The amount of combustion air required for burning carbon oxide can be obtained.

そして、求めたオフガスの単位量当たりに供給する燃焼用空気量とオフガス流量(オフガス供給量)との積により、オフガスに含まれる燃焼成分を燃焼させるための理論燃焼用空気量を求め、その理論燃焼用空気量に対して燃焼を完結させるための過剰係数(>1)を乗算した値を、目標燃焼用空気量とするように構成されている。   Then, the theoretical amount of combustion air for burning the combustion components contained in the offgas is determined by the product of the amount of combustion air supplied per unit amount of offgas and the offgas flow rate (offgas supply amount). A value obtained by multiplying the combustion air amount by an excess coefficient (> 1) for completing combustion is set as the target combustion air amount.

また、バーナ3から排出される燃焼排ガスの残存酸素濃度を検出する残存酸素濃度検出部としての残存酸素濃度検出センサ43が、排ガス路14に設けられている。
そして、制御部Mが、残存酸素濃度検出センサ43にて検出される残存酸素濃度が設定目標値になるように目標燃焼用空気量を補正するフィードバック制御を実行するように構成されている。
本実施形態においては、設定目標値としての目標範囲が設定され、フィードバック制御として、残存酸素濃度検出センサ43にて検出される残存酸素濃度が、目標範囲の上限値や下限値を外れると、目標燃焼用空気量を設定量減少させる制御や設定量増加させる制御を実行するように構成されている。
In addition, a residual oxygen concentration detection sensor 43 as a residual oxygen concentration detection unit that detects the residual oxygen concentration of the combustion exhaust gas discharged from the burner 3 is provided in the exhaust gas passage 14.
The control unit M is configured to execute feedback control for correcting the target combustion air amount so that the residual oxygen concentration detected by the residual oxygen concentration detection sensor 43 becomes the set target value.
In the present embodiment, a target range as a set target value is set, and as a feedback control, when the residual oxygen concentration detected by the residual oxygen concentration detection sensor 43 deviates from the upper limit value or the lower limit value of the target range, the target range is set. A control for decreasing the combustion air amount by a set amount and a control for increasing the set amount are executed.

(濃度検出部の詳細)
本実施形態においては、濃度検出部Nが、水素の濃度を検出する水素濃度検出部としての水素濃度検出センサ40、オフガスの比重を計測する比重検出部としての比重検出センサ41、及び、オフガスの比重及び水素の濃度に基づいて、メタンの濃度を求めるメタン濃度演算部42を備える形態に設定されている。
(Details of concentration detector)
In the present embodiment, the concentration detection unit N includes a hydrogen concentration detection sensor 40 as a hydrogen concentration detection unit that detects the concentration of hydrogen, a specific gravity detection sensor 41 as a specific gravity detection unit that measures the specific gravity of off gas, and an off gas It is set to the form provided with the methane density | concentration calculating part 42 which calculates | requires the density | concentration of methane based on the density of specific gravity and hydrogen.

つまり、オフガスには、水素、メタン、一酸化炭素が可燃成分として含まれ、その他、窒素や二酸化炭素が含まれることになるが、オフガスに含まれる一酸化炭素や窒素の濃度は、微量で且つ大きく変動しないため、一定であると仮定する。   In other words, the off-gas contains hydrogen, methane, and carbon monoxide as combustible components, and also contains nitrogen and carbon dioxide. The concentration of carbon monoxide and nitrogen contained in the off-gas is very small and Since it does not vary greatly, it is assumed to be constant.

そして、オフガスの比重は、水素のオフガス中の割合と水素の比重との積、メタンのオフガス中の割合とメタンの比重との積、二酸化炭素のオフガス中の割合と二酸化炭素の比重との積、一酸化炭素のオフガス中の割合と一酸化炭素の比重との積、及び、窒素のオフガス中の割合と窒素の比重との積を加えた値である。(以下、オフガスの比重と各成分の比重との関係を定める式を、比重関係式と呼称する。)   The specific gravity of off-gas is the product of the ratio of hydrogen in off-gas and the specific gravity of hydrogen, the product of the ratio of methane in off-gas and the specific gravity of methane, the product of the ratio of carbon dioxide in the off-gas and the specific gravity of carbon dioxide. The product of the ratio of carbon monoxide in the off-gas and the specific gravity of carbon monoxide and the product of the ratio of nitrogen in the off-gas and the specific gravity of nitrogen. (Hereinafter, a formula that defines the relationship between the specific gravity of off-gas and the specific gravity of each component is referred to as a specific gravity relational expression.)

また、水素のオフガス中の割合、メタンのオフガス中の割合、二酸化炭素のオフガス中の割合、一酸化炭素のオフガス中の割合、及び、窒素のオフガス中の割合を加えた値は1である。(以下、各成分の割合の関係を定める式を、割合関係式と呼称する。)   The value obtained by adding the ratio of hydrogen in the off gas, the ratio of methane in the off gas, the ratio of carbon dioxide in the off gas, the ratio of carbon monoxide in the off gas, and the ratio of nitrogen in the off gas is 1. (Hereinafter, a formula that defines the relationship of the ratio of each component is referred to as a ratio relational expression.)

そして、一酸化炭素や窒素の濃度が一定であると仮定するものであるから、一酸化炭素のオフガス中の割合と一酸化炭素の比重との積、及び、窒素のオフガス中の割合と窒素の比重との積が定数となり、同様に、一酸化炭素のオフガス中の割合、及び、窒素のオフガス中の割合が定数となる。   Since the concentration of carbon monoxide and nitrogen is assumed to be constant, the product of the ratio of carbon monoxide in the off gas and the specific gravity of carbon monoxide, and the ratio of nitrogen in the off gas and nitrogen The product of the specific gravity is a constant, and similarly, the ratio of carbon monoxide in the off-gas and the ratio of nitrogen in the off-gas are constants.

従って、メタン濃度演算部42が、上記した比重関係式、及び、上記した割合関係式を用いて、オフガスの比重及び水素の濃度に基づいて、メタンのオフガス中の割合(メタンの濃度に相当)を求めるように構成されている。
尚、メタン濃度演算部42は、本実施形態においては、制御部Mを用いて構成されている。
Therefore, the methane concentration calculation unit 42 uses the above-described specific gravity relational expression and the above-described ratio relational expression to determine the proportion of methane in the offgas based on the offgas specific gravity and the hydrogen concentration (corresponding to the methane concentration). Is configured to ask for.
In addition, the methane concentration calculation part 42 is comprised using the control part M in this embodiment.

また、本実施形態においては、水素濃度検出センサ40及び比重検出センサ41が、オフガスタンクTから供給されるオフガスに対して検出作用するように構成されている。
したがって、水素濃度検出センサ40及び比重検出センサ41が、オフガスが不足した場合において、オフガス供給路4における改質ガスKの供給箇所よりも下流側を流動するオフガスに対して検出作用することになるから、オフガスが不足して改質ガスKがオフガス供給路4に供給される際にも、適正な目標燃焼用空気量を求めることができる。
In the present embodiment, the hydrogen concentration detection sensor 40 and the specific gravity detection sensor 41 are configured to detect the off gas supplied from the off gas tank T.
Therefore, when the off gas is insufficient, the hydrogen concentration detection sensor 40 and the specific gravity detection sensor 41 detect the off gas flowing downstream from the supply location of the reformed gas K in the off gas supply path 4. Therefore, an appropriate target combustion air amount can be obtained also when the offgas is insufficient and the reformed gas K is supplied to the offgas supply path 4.

〔別実施形態〕
次に、別実施形態を列記する。
(1)上記実施形態においては、圧力変動吸着部Bとして、3つの吸着塔1を備えるものを例示したが、本発明は、圧力変動吸着部Bを、2つあるいは4つ以上の吸着塔1を備える形態に構成する場合にも適用できるものである。
[Another embodiment]
Next, another embodiment is listed.
(1) In the above embodiment, the pressure fluctuation adsorption part B is exemplified as having three adsorption towers 1, but the present invention has two or four or more adsorption towers 1 as the pressure fluctuation adsorption part B. The present invention can also be applied to the case where the configuration is provided with.

(2)上記実施形態では、圧力変動吸着部Bとして、洗浄工程を行う形態に構成するものを例示したが、本発明は、圧力変動吸着部Bが、洗浄工程に代えて、真空ポンプにて吸着塔1の内部を吸引する吸引工程を行う場合にも適用できるものである。 (2) In the above embodiment, the pressure fluctuation adsorbing part B is exemplified as one configured to perform the cleaning process. However, in the present invention, the pressure fluctuation adsorbing part B is replaced with a cleaning process by a vacuum pump. The present invention can also be applied to a case where a suction process for sucking the inside of the adsorption tower 1 is performed.

(3)上記実施形態においては、水蒸気混合部Jが、原料ガスGに水を混合させた後に、混合させた水を蒸発用熱交換部11にて蒸発させるように構成される場合を例示したが、水蒸気混合部Jとしては、予め生成した水蒸気を原料ガスGに混合させる形態に構成して実施してもよい。 (3) In the said embodiment, after mixing the water vapor | steam with the raw material gas G, the case where it was comprised so that the mixed water might be evaporated in the heat exchange part 11 for evaporation was illustrated. However, the water vapor mixing section J may be configured and implemented in a form in which water vapor generated in advance is mixed with the raw material gas G.

(4)上記実施形態では、オフガス不足検出部として、オフガスタンクの内部圧力を検出する圧力センサPSを設ける場合を例示したが、オフガス不足検出部としては、オフガスタンクTに回収されるオフガスの流量を積算して、オフガスタンクTに回収されるオフガスの回収積算量を求め、オフガスタンクTから排出されるオフガスの流量を積算して、オフガスタンクTから排出されるオフガスの排出積算量を求め、回収積算量と排出積算量とからオフガスの不足を検出する形態で実施してもよい。 (4) In the above-described embodiment, the case where the pressure sensor PS that detects the internal pressure of the offgas tank is provided as the offgas shortage detection unit. However, as the offgas shortage detection unit, the flow rate of the offgas recovered in the offgas tank T To calculate the integrated amount of off-gas recovered in the off-gas tank T, integrate the flow rate of off-gas discharged from the off-gas tank T, and determine the integrated amount of off-gas discharged from the off-gas tank T, You may implement in the form which detects the shortage of off gas from the collection | recovery integrated amount and the discharge | emission integrated amount.

(5)上記実施形態では、メタンの濃度を、水素の濃度とオフガスの比重とに基づいて、メタン濃度演算部42にて演算する場合を例示したが、メタン濃度検出センサにて計測する形態で実施してもよい。 (5) In the above embodiment, the case where the methane concentration is calculated by the methane concentration calculation unit 42 based on the concentration of hydrogen and the specific gravity of off-gas is exemplified. You may implement.

(6)上記実施形態では、オフガスの単位量当たりに供給する燃焼用空気量を求めて、その燃焼用空気量とオフガス流量(オフガス供給量)との積により、オフガスに含まれる燃焼成分を燃焼させるための理論燃焼用空気量を求めるようにしたが、バーナ3に供給するオフガス供給量に含まれる水素量を燃焼させる水素用の燃焼用空気量と、バーナ3に供給するオフガス供給量に含まれるメタン量を燃焼させるメタン用の燃焼用空気量と、バーナ3に供給するオフガス供給量に含まれる一酸化炭素量を燃焼させる一酸化炭素用の燃焼用空気量とを加えて、オフガスに含まれる燃焼成分を燃焼させるための理論燃焼用空気量を求めるようにする形態で実施してもよい。 (6) In the above embodiment, the amount of combustion air supplied per unit amount of off gas is obtained, and the combustion component contained in the off gas is burned by the product of the amount of combustion air and the off gas flow rate (off gas supply amount). The amount of theoretical combustion air to be obtained is calculated, but is included in the amount of hydrogen combustion air for burning the amount of hydrogen contained in the amount of off gas supplied to the burner 3 and the amount of off gas supplied to the burner 3 Included in the off-gas by adding the combustion air amount for methane that burns the amount of methane produced and the combustion air amount for carbon monoxide that burns the amount of carbon monoxide contained in the off-gas supply amount supplied to the burner 3 You may implement in the form which calculates | requires the air quantity for theoretical combustion for burning the combustion component to be burned.

なお、上記実施形態(別実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。   Note that the configurations disclosed in the above-described embodiments (including other embodiments, the same applies hereinafter) can be applied in combination with the configurations disclosed in the other embodiments as long as no contradiction arises. The embodiment disclosed in this specification is an exemplification, and the embodiment of the present invention is not limited to this. The embodiment can be appropriately modified without departing from the object of the present invention.

1 吸着塔
2 改質反応部
3 燃焼部
4 オフガス供給路
36 オフガス供給量検出部
40 水素濃度検出部
41 比重検出部
42 メタン濃度演算部
43 残存酸素濃度検出部
A 改質部
B 圧力変動吸着部
G 原料ガス
H 製品ガス
K 改質ガス
M 制御部
PS オフガス不足検出部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Adsorption tower 2 Reforming reaction part 3 Combustion part 4 Off gas supply path 36 Off gas supply amount detection part 40 Hydrogen concentration detection part 41 Specific gravity detection part 42 Methane concentration calculation part 43 Residual oxygen concentration detection part A Reformation part B Pressure fluctuation adsorption part G Raw material gas H Product gas K Reformed gas M Control unit PS Off-gas shortage detection unit

Claims (4)

炭化水素系ガスである原料ガスを水蒸気改質処理により水素成分が多い改質ガスに改質する改質反応部及び当該改質反応部を加熱する燃焼部を備えた改質部と、当該改質部からの前記改質ガスに含まれる水素成分以外の吸着対象成分を吸着剤に吸着して製品ガスを生成する吸着塔を備えた圧力変動吸着部と、当該圧力変動吸着部から排出されるオフガスを前記燃焼部に供給するオフガス供給路とが設けられ、
前記燃焼部の作動を制御する制御部が、前記改質反応部を改質反応温度に加熱すべく、前記オフガスを前記燃焼部に供給するオフガス供給量を制御しかつ燃焼用空気を前記燃焼部に供給する燃焼用空気供給量を制御するように構成された水素製造装置であって、
前記オフガス供給量を検出するオフガス供給量検出部と、前記燃焼部に供給する前記オフガスに含まれる水素の濃度及びメタンの濃度を検出する濃度検出部とが設けられ、
前記制御部が、前記オフガス供給量検出部にて検出される前記オフガス供給量と、前記濃度検出部にて検出される前記水素の濃度及び前記メタンの濃度とに基づいて、前記オフガスに含まれる燃焼成分を燃焼させるための目標燃焼用空気量を求めて、求めた目標燃焼用空気量を前記燃焼部に供給するフィードフォワード制御を実行するように構成されている水素製造装置。
A reforming section having a reforming reaction section for reforming a raw material gas, which is a hydrocarbon-based gas, to a reformed gas having a large amount of hydrogen components by steam reforming; and a reforming section having a combustion section for heating the reforming reaction section; A pressure fluctuation adsorption part having an adsorption tower for producing a product gas by adsorbing an adsorption target component other than a hydrogen component contained in the reformed gas from a mass part to an adsorbent, and discharged from the pressure fluctuation adsorption part An off-gas supply path for supplying off-gas to the combustion section;
A control unit for controlling the operation of the combustion unit controls an off gas supply amount for supplying the off gas to the combustion unit and heats combustion air to the combustion unit so as to heat the reforming reaction unit to a reforming reaction temperature. A hydrogen production apparatus configured to control a combustion air supply amount to be supplied to
An off-gas supply amount detection unit that detects the off-gas supply amount; and a concentration detection unit that detects a concentration of hydrogen and a concentration of methane contained in the off-gas supplied to the combustion unit;
The control unit is included in the off gas based on the off gas supply amount detected by the off gas supply amount detection unit, and the hydrogen concentration and the methane concentration detected by the concentration detection unit. A hydrogen production apparatus configured to perform feedforward control for obtaining a target combustion air amount for burning a combustion component and supplying the obtained target combustion air amount to the combustion unit.
前記濃度検出部が、前記オフガスの比重を計測する比重検出部、前記水素の濃度を検出する水素濃度検出部、及び、前記オフガスの比重及び前記水素の濃度に基づいて、前記メタンの濃度を求めるメタン濃度演算部を備えている請求項1に記載の水素製造装置。   The concentration detection unit obtains the methane concentration based on the specific gravity detection unit that measures the specific gravity of the off gas, the hydrogen concentration detection unit that detects the concentration of hydrogen, and the specific gravity of the off gas and the concentration of hydrogen. The hydrogen production apparatus according to claim 1, further comprising a methane concentration calculation unit. 前記燃焼部から排出される燃焼排ガスの残存酸素濃度を検出する残存酸素濃度検出部が設けられ、
前記制御部が、前記残存酸素濃度検出部にて検出される前記残存酸素濃度が設定目標値になるように前記目標燃焼用空気量を補正するフィードバック制御を実行するように構成されている請求項1又は2に記載の水素製造装置。
A residual oxygen concentration detection unit for detecting the residual oxygen concentration of the combustion exhaust gas discharged from the combustion unit is provided;
The control unit is configured to execute feedback control for correcting the target combustion air amount so that the residual oxygen concentration detected by the residual oxygen concentration detection unit becomes a set target value. The hydrogen production apparatus according to 1 or 2.
前記制御部が、前記オフガスの不足を検出するオフガス不足検出部にて前記オフガスが不足することが検出された場合には、前記改質ガスを前記オフガス供給路に供給するように構成され、
前記濃度検出部が、前記オフガス供給路における前記改質ガスの供給箇所よりも下流側を流動する前記オフガスに含まれる前記水素の濃度及び前記メタンの濃度を検出するように構成されている請求項1〜3のいずれか1項に記載の水素製造装置。
The controller is configured to supply the reformed gas to the offgas supply path when it is detected that the offgas is insufficient by an offgas shortage detector that detects the shortage of offgas.
The concentration detector is configured to detect a concentration of the hydrogen and a concentration of the methane contained in the off-gas flowing downstream from the reformed gas supply location in the off-gas supply path. The hydrogen production apparatus according to any one of 1 to 3.
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