JP2020079168A - 水素製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】水素の精製量の不安定化を抑制することが可能な水素製造装置を提供する。【解決手段】水素製造装置２は、バーナ２５を有する改質器兼一酸化炭素変成器１０と、ＰＳＡ装置１１と、オフガスタンク１２と、流量制御バルブ１３と、制御部１４とを備える。ＰＳＡ装置１１から排出されたオフガスは、オフガスタンク１２に貯留され、オフガスタンク１２からバーナ２５に供給される。流量制御バルブ１３は、オフガスタンク１２とバーナ２５との間に設けられている。制御部１４は、流量制御バルブ１３の動作を制御して、バーナ２５に供給されるオフガスの流量を設定値に保つ制御をする。設定値は、ＰＳＡ装置１１からの水素の精製量が規定量以上となる値である。また、流量制御バルブ１３は、圧力損失が２０ｋＰａ以下である。【選択図】図３
Description
本開示の技術は、水素製造装置に関する。
炭化水素を含む都市ガス等を原料ガスとして、水素を製造する水素製造装置が開発されている（特許文献１参照）。水素製造装置は、主として改質器と一酸化炭素変成器と水素精製装置とで構成される。改質器は、６００℃〜７５０℃程度の温度環境下、かつ改質触媒の存在下において、原料ガス中の炭化水素と水蒸気とを反応（水蒸気改質反応）させ、一酸化炭素と水素とを生成し、改質ガスとして一酸化炭素変成器に出力する。一酸化炭素変成器は、２００℃〜４５０℃の温度環境下、かつ変成触媒の存在下において、改質器からの改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを反応（一酸化炭素変成反応）させ、二酸化炭素と水素とを生成し、変成ガスとして水素精製装置に出力する。
水素精製装置は、変成ガス中の不純物を加圧環境下で吸着剤層に吸着させる吸着工程と、常圧まで減圧して不純物を吸着剤層から脱着させる脱着工程とを繰り返す圧力スイング吸着装置（以下、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）装置）である。ＰＳＡ装置は、一酸化炭素変成器からの変成ガスを、水素と、不純物を成分とするオフガスとに分離し、水素を精製する。
改質器は、器内に充填された水蒸気改質反応用の改質触媒を上記温度に加熱するためのバーナを有している。バーナの燃料は、例えば原料ガスと同じ都市ガスであり、燃焼用の空気とともにバーナに供給される。
また、ＰＳＡ装置で水素を精製したときに出るオフガスも、燃料となる炭化水素や水素を含んでいるため、バーナの燃料として用いられる。具体的には特許文献１に記載されているように、ＰＳＡ装置とバーナとの間に、オフガスを貯留するオフガスタンクを設ける。そして、オフガスタンクを通じてオフガスをバーナに供給する。オフガスタンクとバーナとの間にはバルブが設けられており、このバルブを開閉制御することで、バーナへのオフガスの供給と供給停止とが切り替えられる。
オフガスの発生量は一定ではなく変動する。オフガスの発生量が変動すると、オフガスタンク内の圧力も変動し、オフガスタンクからバーナに供給するオフガスの流量も変動する。オフガスタンクからバーナに供給するオフガスの流量が変動すると、バーナの燃焼状態が不安定となり、結果として水素の精製量が不安定化してしまう。
本開示の技術は、水素の精製量の不安定化を抑制することが可能な水素製造装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本開示の水素製造装置は、炭化水素を含む原料ガスと水蒸気とを触媒の存在下で反応させ、一酸化炭素と水素とを生成して改質ガスを出力する改質器であり、前記触媒を加熱するためのバーナを有する改質器と、前記改質器からの改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを反応させ、二酸化炭素と水素とを生成して変成ガスを出力する一酸化炭素変成器と、前記一酸化炭素変成器からの変成ガス中の不純物を加圧環境下で吸着剤層に吸着させる吸着工程と、常圧まで減圧して前記不純物を前記吸着剤層から脱着させ、前記不純物をオフガスとして排出する脱着工程とを繰り返すことで、前記変成ガスを水素と前記オフガスとに分離し、水素を精製する圧力スイング吸着装置と、前記圧力スイング吸着装置と前記バーナとに接続され、前記オフガスを貯留するオフガスタンクと、前記オフガスタンクと前記バーナとの間に設けられた流量制御バルブと、前記流量制御バルブの動作を制御して、前記バーナに供給される前記オフガスの流量を設定値に保つ制御をする制御部とを備える。
前記設定値は、前記圧力スイング吸着装置の水素の精製量が規定量以上となる値であることが好ましい。
前記流量制御バルブは、圧力損失が２０ｋＰａ以下であることが好ましい。
本開示の技術によれば、水素の精製量の不安定化を抑制することが可能な水素製造装置を提供することができる。
図１において、水素製造装置２は、改質器兼一酸化炭素変成器１０と、ＰＳＡ装置１１と、オフガスタンク１２と、流量制御バルブ１３と、制御部１４とを備える。
改質器兼一酸化炭素変成器１０は、改質器と一酸化炭素変成器が一体化されたものである。より具体的には、改質器兼一酸化炭素変成器１０は、改質触媒が充填された内筒と、変成触媒が充填された外筒とを含む４重筒構造である。改質器兼一酸化炭素変成器１０は、原料ガスが供給される原料ガスポート２０と、水が供給される水ポート２１とを有する。原料ガスは炭化水素を含むガスであり、例えばメタンを主成分とする都市ガスである。改質器兼一酸化炭素変成器１０は、水ポート２１からの水を水蒸気とする。改質器兼一酸化炭素変成器１０は、６００℃〜７５０℃程度の温度環境下、かつ改質触媒の存在下において、原料ガス中の炭化水素と水蒸気とを反応（水蒸気改質反応）させる。そして、一酸化炭素と水素とを生成し、改質ガスとする。なお、改質触媒は、例えばニッケル系触媒、ルテニウム系触媒等である。
また、改質器兼一酸化炭素変成器１０は、２００℃〜４５０℃の温度環境下、かつ変成触媒の存在下において、改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを反応（一酸化炭素変成反応）させる。そして、二酸化炭素と水素とを生成し、変成ガスとする。改質器兼一酸化炭素変成器１０は、変成ガスポート２２を通じて、変成ガスをＰＳＡ装置１１に向けて出力する。なお、変成触媒は、例えば鉄−クロム系触媒、銅−亜鉛系触媒等である。
変成ガスポート２２には、第１除湿器２３および圧縮機２４が接続されている。第１除湿器２３は、変成ガスポート２２からの変成ガスを冷却し、変成ガス中に含まれる水蒸気を凝結して結露させ、水に戻す。こうして第１除湿器２３によって戻された水は、改質器兼一酸化炭素変成器１０の水ポート２１に供給されて再利用される。圧縮機２４は、第１除湿器２３からの除湿後の変成ガスを圧縮して高圧状態とし、ＰＳＡ装置１１に供給する。
改質器兼一酸化炭素変成器１０は、改質触媒を上記温度に加熱するためのバーナ２５を有している。バーナ２５には、燃料ガスと燃焼用の空気が供給される。燃料ガスは、例えば原料ガスと同じ都市ガスである。また、バーナ２５には、詳しくは後述するように、ＰＳＡ装置１１で水素を精製したときに出るオフガスも供給される。
改質器兼一酸化炭素変成器１０には、排ガスポート２６が設けられている。排ガスポート２６は、バーナ２５で消費しきれなかった燃料ガスや空気、あるいは水蒸気といった排ガスを外部に排出するためのものである。排ガスには、微量ではあるが一酸化炭素も含まれている。
排ガスポート２６には、第２除湿器２７が接続されている。第２除湿器２７は、第１除湿器２３と同様に、排ガスポート２６からの排ガスを冷却し、排ガス中に含まれる水蒸気を凝結して結露させ、水に戻す。こうして第２除湿器２７によって戻された水は、第１除湿器２３によって戻された水と同じく、改質器兼一酸化炭素変成器１０の水ポート２１に供給されて再利用される。なお、図１では、各除湿器２３、２７によって戻された水のみが水ポート２１に供給されるように描かれているが、実際、水ポート２１には、主に純水が供給される。
ＰＳＡ装置１１は、第１吸着塔３０Ａおよび第２吸着塔３０Ｂを有する。各吸着塔３０Ａ、３０Ｂには、例えば、ゼオライト系吸着剤、活性炭、シリカゲル等を組み合わせた吸着剤が、層構造をなして充填されている。
各吸着塔３０Ａ、３０Ｂは、改質器兼一酸化炭素変成器１０からの変成ガス中の不純物を加圧環境下で吸着剤層に吸着させる吸着工程と、常圧まで減圧して不純物を吸着剤層から脱着させる脱着工程とを繰り返す。また、各吸着塔３０Ａ、３０Ｂは、一方が吸着工程を実施しているときに他方は脱着工程を実施する、というように、吸着工程と脱着工程を互い違いに実施する。こうした動作により、ＰＳＡ装置１１は、改質器兼一酸化炭素変成器１０からの変成ガスを、水素（以下、製品水素）と、不純物を主成分とするオフガスとに分離し、製品水素を精製する。
オフガスは、炭化水素、一酸化炭素、二酸化炭素を含んでいる。また、オフガスは、水素を含んでいる。このように、オフガスは、燃料となる炭化水素や水素を含んでいるため、バーナ２５に供給されてバーナの燃料として用いられる。
オフガスタンク１２は、第１オフガス供給路３１によりＰＳＡ装置１１と、第２オフガス供給路３２によりバーナ２５と、それぞれ接続されている。オフガスタンク１２には、第１オフガス供給路３１を介して、ＰＳＡ装置１１からオフガスが供給される。オフガスタンク１２は、供給されたオフガスを貯留する。オフガスタンク１２に貯留されたオフガスは、第２オフガス供給路３２を介してバーナ２５に供給される。
第１オフガス供給路３１には、開閉バルブ３３が設けられている。開閉バルブ３３は、全開、全閉の２つの状態を切り替え可能である。
第２オフガス供給路３２には、流量制御バルブ１３が設けられている。流量制御バルブ１３は、流量計に流量制御機能をもたせたいわゆるマスフローコントローラであり、オフガスの流量の測定と開度の調整が可能である。例えば全開を１０、全閉を０とした場合に、０〜１０の間で、０．１刻みで開度の調整が可能である。
制御部１４は、ＰＳＡ装置１１、圧縮機２４、バーナ２５、開閉バルブ３３、流量制御バルブ１３といった水素製造装置２の各部の動作を制御する。具体的には、制御部１４は、ＰＳＡ装置１１の各吸着塔３０Ａ、３０Ｂによる吸着工程と脱着工程の動作およびその実施タイミングを制御する。また、制御部１４は、圧縮機２４の送出圧力、バーナ２５の点火、消火動作等を制御する。また、制御部１４は、ＰＳＡ装置１１の各吸着塔３０Ａ、３０Ｂからオフガスが発生しているときは開閉バルブ３３を全開状態とし、オフガスが発生していないときは開閉バルブ３３を全閉状態とする。
さらに、制御部１４は、流量制御バルブ１３からのオフガスの流量の測定値に基づいて流量制御バルブ１３の動作を制御して、バーナ２５に供給されるオフガスの流量を設定値に保つ制御をする。ここで設定値は、製品水素の精製量が規定量以上となる値である。
例えば図２の仕様表４０に示すように、流量制御バルブ１３は、圧力損失が５ｋＰａである。このように、流量制御バルブ１３の圧力損失は、好ましくは２０ｋＰａ以下、より好ましくは１０ｋＰａ以下、さらに好ましくは５ｋＰａ以下である。
図３は、制御部１４による流量制御バルブ１３の動作制御の様子を示す。ステップＳＴ−Ａに示すように、流量制御バルブ１３からのオフガスの流量の測定値（実線で示す）が設定値（破線で示す）を下回った場合、制御部１４は、流量制御バルブ１３の開度を上げる。一方、ステップＳＴ−Ｂに示すように、測定値が設定値を上回った場合、制御部１４は、流量制御バルブ１３の開度を下げる。
次に、上記構成による作用について説明する。まず、改質器兼一酸化炭素変成器１０に、原料ガスポート２０を介して原料ガスが、水ポート２１を介して水が、それぞれ供給される。改質器兼一酸化炭素変成器１０内に充填された改質触媒は、バーナ２５によって、６００℃〜７５０℃程度に加熱されている。水ポート２１からの水は水蒸気とされる。原料ガスと水蒸気とは、改質触媒の存在下において反応し、改質ガスとされる。改質ガスは、さらに変成触媒の存在下において水蒸気と反応し、変成ガスとされる。
変成ガスは、変成ガスポート２２を通じてＰＳＡ装置１１に向けて出力される。変成ガスポート２２から出力された変成ガスは、第１除湿器２３において除湿された後、圧縮機２４において高圧状態とされ、ＰＳＡ装置１１に供給される。
ＰＳＡ装置１１では、各吸着塔３０Ａ、３０Ｂによって、吸着工程と脱着工程が繰り返しかつ互い違いに実施される。これにより、変成ガスが製品水素とオフガスとに分離される。
ＰＳＡ装置１１からのオフガスは、第１オフガス供給路３１を通ってオフガスタンク１２に至り、オフガスタンク１２に貯留される。オフガスタンク１２に貯留されたオフガスは、第２オフガス供給路３２を通ってバーナ２５に供給される。
ここで、流量制御バルブ１３の圧力損失が比較的大きい場合、その分オフガスタンク１２とバーナ２５間の差圧を大きくとる必要がある。このため、オフガスタンク１２を比較的高い圧力範囲で運用することが必要となる。そうすると、ＰＳＡ装置１１の脱着工程において圧力が下がらず、吸着剤層から不純物が脱着しにくくなり、吸着剤層に多くの不純物が残存することとなる。そして、残存した不純物が製品水素に混入することとなる。したがって、流量制御バルブ１３の圧力損失が比較的大きい場合は、結果として製品水素の純度が低下してしまう。
対して本実施形態では、図２で示したように、流量制御バルブ１３の圧力損失が２０ｋＰａ以下である。このため、流量制御バルブ１３の圧力損失が比較的大きい場合とは逆に、オフガスタンク１２を比較的低い圧力範囲で運用することができる。そして、ＰＳＡ装置１１の脱着工程において、比較的多くの不純物を吸着剤層から脱着することができる。したがって、製品水素に混入する不純物が少なくなり、結果として製品水素の純度を高めることができる。この効果は、当然ながら流量制御バルブ１３の圧力損失が小さい程大きくなる。
図３で示したように、流量制御バルブ１３は、制御部１４によって、バーナ２５に供給されるオフガスの流量が設定値に保たれるよう開度が制御される。これにより、バーナ２５に供給されるオフガスの流量が安定化し、バーナ２５の燃焼状態も安定化する。バーナ２５の燃焼状態が安定化すると、改質触媒の温度も安定化し、改質ガス中に含まれる水素の量も安定化する。結果として、ＰＳＡ装置１１による水素の精製量の不安定化を抑制することができる。
また、バーナ２５の燃焼状態が安定化すると、改質触媒といったバーナ２５の周囲の金属材料が晒される温度も安定化する。したがって、バーナ２５の燃焼状態が不安定な場合よりも、バーナ２５の周囲の金属材料の熱劣化を低減することができる。
設定値は、ＰＳＡ装置１１の製品水素の精製量が規定量以上となる値とされている。したがって、上記のようにバーナ２５に供給されるオフガスの流量が設定値に保たれる制御がなされれば、ＰＳＡ装置１１において確実に規定量以上の水素を精製することができる。
ＰＳＡ装置１１で精製された製品水素は、例えば、鋼板等の金属の光輝焼鈍やガラス製造に利用される。あるいは、燃料電池に供給される。
本開示の技術は、上述の種々の実施形態や種々の変形例を適宜組み合わせることも可能である。また、上記実施形態に限らず、要旨を逸脱しない限り種々の構成を採用し得ることはもちろんである。例えば、改質器と一酸化炭素変成器は別体でもよい。吸着塔は２塔に限らず、３塔でも４塔でもよい。また、圧縮機２４とＰＳＡ装置１１との間に除湿器を設けてもよい。また、第２除湿器２７は設けなくてもよい。さらに、原料ガスおよび燃料ガスは、プロパン等を主成分とするＬＰ（Liquefied Petroleum）ガスでもよいし、重質ナフサでもよい。
２ 水素製造装置
１０ 改質器兼一酸化炭素変成器
１１ ＰＳＡ装置（圧力スイング吸着装置）
１２ オフガスタンク
１３ 流量制御バルブ
１４ 制御部
２０ 原料ガスポート
２１ 水ポート
２２ 変成ガスポート
２３ 第１除湿器
２４ 圧縮機
２５ バーナ
２６ 排ガスポート
２７ 第２除湿器
３０Ａ 第１吸着塔
３０Ｂ 第２吸着塔
３１ 第１オフガス供給路
３２ 第２オフガス供給路
３３ 開閉バルブ
４０ 仕様表
ＳＴ−Ａ、ＳＴ−Ｂ ステップ
１０ 改質器兼一酸化炭素変成器
１１ ＰＳＡ装置（圧力スイング吸着装置）
１２ オフガスタンク
１３ 流量制御バルブ
１４ 制御部
２０ 原料ガスポート
２１ 水ポート
２２ 変成ガスポート
２３ 第１除湿器
２４ 圧縮機
２５ バーナ
２６ 排ガスポート
２７ 第２除湿器
３０Ａ 第１吸着塔
３０Ｂ 第２吸着塔
３１ 第１オフガス供給路
３２ 第２オフガス供給路
３３ 開閉バルブ
４０ 仕様表
ＳＴ−Ａ、ＳＴ−Ｂ ステップ
Claims (3)
- 炭化水素を含む原料ガスと水蒸気とを触媒の存在下で反応させ、一酸化炭素と水素とを生成して改質ガスを出力する改質器であり、前記触媒を加熱するためのバーナを有する改質器と、
前記改質器からの改質ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを反応させ、二酸化炭素と水素とを生成して変成ガスを出力する一酸化炭素変成器と、
前記一酸化炭素変成器からの変成ガス中の不純物を加圧環境下で吸着剤層に吸着させる吸着工程と、常圧まで減圧して前記不純物を前記吸着剤層から脱着させ、前記不純物をオフガスとして排出する脱着工程とを繰り返すことで、前記変成ガスを水素と前記オフガスとに分離し、水素を精製する圧力スイング吸着装置と、
前記圧力スイング吸着装置と前記バーナとに接続され、前記オフガスを貯留するオフガスタンクと、
前記オフガスタンクと前記バーナとの間に設けられた流量制御バルブと、
前記流量制御バルブの動作を制御して、前記バーナに供給される前記オフガスの流量を設定値に保つ制御をする制御部とを備える水素製造装置。 - 前記設定値は、前記圧力スイング吸着装置の水素の精製量が規定量以上となる値である請求項１に記載の水素製造装置。
- 前記流量制御バルブは、圧力損失が２０ｋＰａ以下である請求項１または２に記載の水素製造装置。
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