JP2020093945A - Hydrogen production apparatus, operation method of hydrogen production apparatus, and operation program of hydrogen production apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本開示の技術は、水素製造装置、水素製造装置の作動方法、および水素製造装置の作動プログラムに関する。 The technology of the present disclosure relates to a hydrogen production apparatus, a method for operating a hydrogen production apparatus, and an operation program for a hydrogen production apparatus.
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。 A hydrogen production device for producing hydrogen has been developed using a raw material gas such as city gas containing hydrocarbons (see Patent Document 1). The hydrogen production device mainly includes a reformer, a carbon monoxide shift converter, and a hydrogen purification device. The reformer causes hydrocarbons in the raw material gas to react with steam (steam reforming reaction) in a temperature environment of about 600° C. to 750° C. and in the presence of a reforming catalyst to form carbon monoxide and hydrogen. Is generated and output as a reformed gas to the carbon monoxide shift converter. The carbon monoxide shifter reacts carbon monoxide and steam in the reformed gas from the reformer with steam in a temperature environment of 200° C. to 450° C. and in the presence of a shift catalyst (carbon monoxide shift reaction). Then, carbon dioxide and hydrogen are generated and output as the modified gas to the hydrogen purifier.
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、規定圧、例えば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する。ここで、ＰＳＡ装置において、変成ガスからオフガスと分離することで精製された水素は、製品水素と呼ばれる。 The hydrogen purification device is a pressure that repeats an adsorption step of adsorbing impurities in the modified gas to the adsorbent layer under a pressurized environment and a desorption step of depressurizing the adsorbent layer by depressurizing it to a specified pressure, for example, normal pressure. A swing adsorption device (hereinafter, PSA (Pressure Swing Adsorption) device). The PSA device separates the shift gas from the carbon monoxide shift converter into hydrogen and off-gas containing impurities. Here, in the PSA apparatus, hydrogen purified by separating off gas from the shift gas is referred to as product hydrogen.
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。 The reformer has a burner for heating the reforming catalyst for steam reforming reaction filled in the reformer to the above temperature. The fuel of the burner is, for example, the same city gas as the raw material gas, and is supplied to the burner together with the air for combustion.
また、ＰＳＡ装置で製品水素に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。 Further, the off-gas that is produced when the product hydrogen is refined by the PSA device also contains hydrocarbons and hydrogen that serve as fuel, and is therefore used as a fuel for the burner. Specifically, as described in Patent Document 1, an offgas tank that stores offgas is provided between the PSA device and the burner. Then, the off gas is supplied to the burner through the off gas tank. A valve is provided between the off-gas tank and the burner, and by controlling the opening/closing of the valve, the supply of the off-gas to the burner and the stop of the supply of the off-gas can be switched.
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する。このため、オフガスタンク内の圧力が、バーナにオフガスを安定して供給することができる下限値よりも低くなってしまうことがあった。その場合は、オフガスタンクからバーナにオフガスを安定して供給することができなくなり、結果として製品水素の精製量が低下してしまう。 The amount of offgas generated is not constant but fluctuates. When the amount of off gas generated changes, the pressure in the off gas tank also changes. For this reason, the pressure in the off-gas tank sometimes becomes lower than the lower limit value at which the off-gas can be stably supplied to the burner. In that case, the off gas cannot be stably supplied from the off gas tank to the burner, and as a result, the amount of refined product hydrogen decreases.
本開示の技術は、製品水素の精製量の低下を抑制することが可能な水素製造装置、水素製造装置の作動方法、および水素製造装置の作動プログラムを提供することを目的とする。 An object of the technology of the present disclosure is to provide a hydrogen production apparatus capable of suppressing a reduction in the amount of refined product hydrogen, a method for operating the hydrogen production apparatus, and an operation program for the hydrogen production apparatus.
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、規定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、前記変成ガスを製品水素と前記オフガスとに分離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内の圧力を測定する圧力センサと、前記圧力センサから前記圧力を取得する取得部と、前記取得部において取得した前記圧力が下限値よりも低くなった場合、前記圧力を前記下限値以上に回復させる回復制御を行う回復制御部とを備える。 In order to achieve the above object, the hydrogen production apparatus of the present disclosure causes a raw material gas containing hydrocarbon to react with steam in the presence of a catalyst to generate carbon monoxide and hydrogen and output a reformed gas. A reformer, which has a burner for heating the catalyst, reacts carbon monoxide and steam in the reformed gas from the reformer to generate carbon dioxide and hydrogen. A carbon monoxide shifter that outputs a shift gas, and an adsorption step of adsorbing impurities in the shift gas from the carbon monoxide shifter to the adsorbent layer under a pressurized environment, and reducing the impurities to a specified pressure by the impurities. By desorbing from the adsorbent layer and repeating the desorption step of discharging the impurities as off-gas, thereby separating the shift gas into product hydrogen and the off-gas, a pressure swing adsorption device, the pressure swing adsorption device and the An off-gas tank that is connected to a burner and stores the off-gas, a pressure sensor that measures the pressure in the off-gas tank, an acquisition unit that acquires the pressure from the pressure sensor, and the pressure acquired by the acquisition unit are When it becomes lower than the lower limit value, a recovery control unit that performs recovery control for recovering the pressure to the lower limit value or more.
前記回復制御部は、前記回復制御として、前記圧力スイング吸着装置で精製される前記製品水素の要求品質を満たす範囲で、前記圧力が前記下限値以上の場合よりも、前記吸着工程の時間を短くする制御を行うことが好ましい。 As the recovery control, the recovery control unit shortens the time of the adsorption step within a range that satisfies the required quality of the product hydrogen purified by the pressure swing adsorption device, as compared with the case where the pressure is equal to or higher than the lower limit value. It is preferable to perform the control.
前記回復制御部は、前記回復制御として、前記圧力が前記下限値以上の場合よりも、前記改質器への前記原料ガスの供給量を増やす制御を行うことが好ましい。 As the recovery control, it is preferable that the recovery control unit performs control to increase the supply amount of the raw material gas to the reformer as compared with the case where the pressure is equal to or higher than the lower limit value.
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流量制御部とを備えることが好ましい。 A flow rate control valve provided between the off-gas tank and the burner, and a flow rate control unit that controls the operation of the flow rate control valve to maintain the flow rate of the off-gas supplied to the burner at a set value. And preferably.
前記改質器内の温度を測定する温度センサを備え、前記流量制御部は、前記温度センサで測定された前記温度に応じて前記設定値を変更することが好ましい。 It is preferable to include a temperature sensor that measures the temperature in the reformer, and the flow rate control unit change the set value according to the temperature measured by the temperature sensor.
前記設定値は、前記圧力スイング吸着装置の前記製品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。 It is preferable that the set value is a value at which the purified amount of the product hydrogen of the pressure swing adsorption device becomes a specified amount or more.
前記圧力センサで測定された前記圧力が上限値以上の場合に、前記オフガスタンク内の前記オフガスを外部に排出するベント機構を備えることが好ましい。 It is preferable to include a vent mechanism that discharges the off gas in the off gas tank to the outside when the pressure measured by the pressure sensor is equal to or higher than the upper limit value.
本開示の水素製造装置の作動方法は、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、規定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、前記変成ガスを製品水素と前記オフガスとに分離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内の圧力を測定する圧力センサとを備える水素製造装置の作動方法であって、前記圧力センサから前記圧力を取得する取得ステップと、前記取得ステップにおいて取得した前記圧力が下限値よりも低くなった場合、前記圧力を前記下限値以上に回復させる回復制御を行う回復制御ステップとを備える。 A method of operating a hydrogen production apparatus of the present disclosure is a reformer that reacts a raw material gas containing hydrocarbon with steam in the presence of a catalyst to generate carbon monoxide and hydrogen and output a reformed gas. , A reformer having a burner for heating the catalyst and carbon monoxide and steam in the reformed gas from the reformer are reacted with each other to generate carbon dioxide and hydrogen and output a shift gas. A carbon monoxide shifter, an adsorption step of adsorbing impurities in the shift gas from the carbon monoxide shifter to the adsorbent layer under a pressurized environment, and reducing the impurities to a specified pressure to adsorb the impurities to the adsorbent layer. By repeating the desorption process of desorbing the impurities and discharging the impurities as off-gas, and connected to the pressure swing adsorption device for separating the shift gas into product hydrogen and the off-gas, the pressure swing adsorption device and the burner. A method for operating a hydrogen production apparatus, comprising: an off-gas tank that stores the off-gas; and a pressure sensor that measures the pressure in the off-gas tank, wherein the acquiring step acquires the pressure from the pressure sensor, and the acquiring step. And a recovery control step of performing recovery control for recovering the pressure to be equal to or higher than the lower limit value when the pressure obtained in step 1 is lower than the lower limit value.
本開示の水素製造装置の作動プログラムは、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、規定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、前記変成ガスを製品水素と前記オフガスとに分離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内の圧力を測定する圧力センサとを備える水素製造装置の作動プログラムであって、前記圧力センサから前記圧力を取得する取得部と、前記取得部において取得した前記圧力が下限値よりも低くなった場合、前記圧力を前記下限値以上に回復させる回復制御を行う回復制御部として、コンピュータを機能させるプログラムである。 The operation program of the hydrogen generator of the present disclosure is a reformer that reacts a raw material gas containing hydrocarbon with steam in the presence of a catalyst to generate carbon monoxide and hydrogen and output a reformed gas. , A reformer having a burner for heating the catalyst and carbon monoxide and steam in the reformed gas from the reformer are reacted with each other to generate carbon dioxide and hydrogen and output a shift gas. A carbon monoxide shifter, an adsorption step of adsorbing impurities in the shift gas from the carbon monoxide shifter to the adsorbent layer under a pressurized environment, and reducing the impurities to a specified pressure to adsorb the impurities to the adsorbent layer. By repeating the desorption process of desorbing the impurities and discharging the impurities as off-gas, and connected to the pressure swing adsorption device for separating the shift gas into product hydrogen and the off-gas, the pressure swing adsorption device and the burner. An operating program of a hydrogen production apparatus comprising an off-gas tank for storing the off-gas, and a pressure sensor for measuring the pressure in the off-gas tank, the acquiring section acquiring the pressure from the pressure sensor, and the acquiring section. It is a program that causes a computer to function as a recovery control unit that performs recovery control for recovering the pressure to be equal to or higher than the lower limit value when the pressure obtained in step 1 is lower than the lower limit value.
本開示の技術によれば、製品水素の精製量の低下を抑制することが可能な水素製造装置、水素製造装置の作動方法、および水素製造装置の作動プログラムを提供することができる。 According to the technique of the present disclosure, it is possible to provide a hydrogen production apparatus, a method for operating the hydrogen production apparatus, and an operation program for the hydrogen production apparatus, which are capable of suppressing a decrease in the amount of refined product hydrogen.
［第１実施形態］
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。
[First Embodiment]
In FIG. 1, the hydrogen production apparatus 2 includes a reformer/carbon monoxide shift converter 10, a PSA apparatus 11, an offgas tank 12, a flow rate control valve 13, and a control unit 14.
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。 The reformer and carbon monoxide shifter 10 is an integrated reformer and carbon monoxide shifter. More specifically, the reformer/carbon monoxide shift converter 10 has a quadruple cylinder structure including an inner cylinder filled with a reforming catalyst and an outer cylinder filled with a shift catalyst. The reformer/carbon monoxide shift converter 10 has a raw material gas port 20 to which a raw material gas is supplied and a water port 21 to which water is supplied. The raw material gas is a gas containing a hydrocarbon, for example, a city gas containing methane as a main component. The reformer and carbon monoxide shift converter 10 turns water from the water port 21 into steam. The reformer and carbon monoxide shift converter 10 reacts the hydrocarbon in the raw material gas with steam (steam reforming reaction) in a temperature environment of about 600° C. to 750° C. and in the presence of a reforming catalyst. .. Then, carbon monoxide and hydrogen are generated and used as a reformed gas. The reforming catalyst is, for example, a nickel-based catalyst, a ruthenium-based catalyst, or the like.
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。 The reformer and carbon monoxide shift converter 10 reacts carbon monoxide in the reformed gas with steam under a temperature environment of 200° C. to 450° C. and in the presence of a shift catalyst (carbon monoxide shift conversion). React). Then, carbon dioxide and hydrogen are generated and used as the modified gas. The reformer/carbon monoxide shift converter 10 outputs the shift gas toward the PSA device 11 through the shift gas port 22. The shift catalyst is, for example, an iron-chromium catalyst, a copper-zinc catalyst, or the like.
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。 A first dehumidifier 23 and a compressor 24 are connected to the modified gas port 22. The first dehumidifier 23 cools the metamorphic gas from the metamorphic gas port 22, condenses water vapor contained in the metamorphic gas into dew, and returns it to water. The water thus returned by the first dehumidifier 23 is supplied to the water port 21 of the reformer/carbon monoxide shift converter 10 and is reused. The compressor 24 compresses the dehumidified metamorphic gas from the first dehumidifier 23 into a high-pressure state, and supplies the PSA apparatus 11 with the compressed gas.
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で製品水素に精製したときに出るオフガスも供給される。 The reformer/carbon monoxide shift converter 10 has a burner 25 for heating the reforming catalyst to the above temperature. The burner 25 is supplied with fuel gas and combustion air. The fuel gas is, for example, the same city gas as the raw material gas. Further, as described in detail later, the burner 25 is also supplied with off-gas that is produced when the PSA unit 11 refines the product hydrogen.
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。 An exhaust gas port 26 is provided in the reformer/carbon monoxide shift converter 10. The exhaust gas port 26 is for exhausting exhaust gas such as fuel gas, air, or steam that could not be completely consumed by the burner 25 to the outside. The exhaust gas also contains a small amount of carbon monoxide.
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。 A second dehumidifier 27 is connected to the exhaust gas port 26. Like the first dehumidifier 23, the second dehumidifier 27 cools the exhaust gas from the exhaust gas port 26, condenses water vapor contained in the exhaust gas to condense it, and returns it to water. The water returned by the second dehumidifier 27 in this manner is supplied to the water port 21 of the reformer/carbon monoxide shift converter 10 and reused, like the water returned by the first dehumidifier 23. Note that, in FIG. 1, only the water returned by the dehumidifiers 23 and 27 is drawn to be supplied to the water port 21, but in fact, the water port 21 is mainly supplied with pure water. ..
改質器兼一酸化炭素変成器１０は、器内の温度、より詳しくはバーナ２５で加熱される改質触媒の温度を測定する温度センサ２８を備えている。温度センサ２８は、例えば、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の間であって、改質触媒から改質ガスが出される箇所に取り付けられる。温度センサ２８は、測定した温度を制御部１４に出力する。 The reformer/carbon monoxide shift converter 10 includes a temperature sensor 28 for measuring the temperature inside the reformer, more specifically, the temperature of the reforming catalyst heated by the burner 25. The temperature sensor 28 is attached, for example, between the inner cylinder filled with the reforming catalyst and the outer cylinder filled with the shift catalyst, and at a position where the reformed gas is emitted from the reforming catalyst. The temperature sensor 28 outputs the measured temperature to the control unit 14.
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。 The PSA device 11 has a first adsorption tower 30A and a second adsorption tower 30B. Each of the adsorption towers 30A and 30B is filled with, for example, an adsorbent that is a combination of a zeolite-based adsorbent, activated carbon, silica gel, and the like in a layered structure.
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、規定圧、例えば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（図４参照）。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（図４参照）。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、製品水素と、不純物を主成分とするオフガスとに分離する。なお、脱着工程における規定圧は、上記の常圧に限らない。 Each of the adsorption towers 30A and 30B has an adsorption step of adsorbing impurities in the shift gas from the reformer/carbon monoxide shift converter 10 to the adsorbent layer under a pressurized environment, and reducing the pressure to a specified pressure, for example, normal pressure. Then, the desorption process of desorbing impurities from the adsorbent layer is repeated (see FIG. 4). Further, in each of the adsorption towers 30A and 30B, the adsorption step and the desorption step are alternately performed such that when one is performing the adsorption step, the other is performing the desorption step (see FIG. 4). By such an operation, the PSA device 11 separates the shift gas from the reformer/carbon monoxide shift converter 10 into product hydrogen and off-gas containing impurities as a main component. The specified pressure in the desorption process is not limited to the above normal pressure.
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。 Offgas contains hydrocarbons, carbon monoxide, and carbon dioxide. The off gas contains hydrogen. As described above, the off-gas contains hydrocarbons and hydrogen serving as fuel, and thus is supplied to the burner 25 and used as fuel for the burner.
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。 The off-gas tank 12 is connected to the PSA device 11 via a first off-gas supply passage 31 and to the burner 25 via a second off-gas supply passage 32, respectively. Offgas is supplied from the PSA device 11 to the offgas tank 12 via the first offgas supply passage 31. The off-gas tank 12 stores the supplied off-gas. The off gas stored in the off gas tank 12 is supplied to the burner 25 via the second off gas supply passage 32.
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。 An opening/closing valve 33 is provided in the first off-gas supply passage 31. The open/close valve 33 can switch between two states of fully open and fully closed.
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。 A flow rate control valve 13 is provided in the second offgas supply passage 32. The flow rate control valve 13 is a so-called mass flow controller in which a flow meter has a flow rate control function, and is capable of measuring the flow rate of offgas and adjusting the opening degree. For example, when the full opening is 10 and the full closing is 0, the opening degree can be adjusted in 0.1 steps from 0 to 10.
オフガスタンク１２には、内部の圧力を測定する圧力センサ４０が取り付けられている。圧力センサ４０は、測定した圧力を制御部１４に出力する。 A pressure sensor 40 for measuring the internal pressure is attached to the offgas tank 12. The pressure sensor 40 outputs the measured pressure to the control unit 14.
また、オフガスタンク１２には、内部のオフガスを外部に排出するベント機構４５が接続されている。ベント機構４５は、オフガスを排出するためのオフガス排出路４６と、オフガス排出路４６に設けられた開閉バルブ４７と、オフガスを焼却して無害化するフレアスタック４８とで構成される。開閉バルブ４７は、開閉バルブ３３と同じく、全開、全閉の２つの状態を切り替え可能である。なお、フレアスタック４８の代わりに三元触媒コンバータを設けて、オフガスを無害化してもよい。 Further, the off-gas tank 12 is connected to a vent mechanism 45 that discharges the internal off-gas to the outside. The vent mechanism 45 includes an offgas discharge path 46 for discharging the offgas, an opening/closing valve 47 provided in the offgas discharge path 46, and a flare stack 48 for burning the offgas to render it harmless. The open/close valve 47, like the open/close valve 33, can switch between two states of fully open and fully closed. A three-way catalytic converter may be provided instead of the flare stack 48 to render the offgas harmless.
制御部１４は、ＰＳＡ装置１１、圧縮機２４、バーナ２５、開閉バルブ３３、４７、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（図４参照）。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。 The control unit 14 controls the operation of each unit of the hydrogen production apparatus 2, such as the PSA device 11, the compressor 24, the burner 25, the opening/closing valves 33 and 47, and the flow rate control valve 13. Specifically, the control unit 14 controls the operation of the adsorption process and the desorption process by the adsorption towers 30A and 30B of the PSA device 11 and the execution timing thereof (see FIG. 4). The control unit 14 also controls the delivery pressure of the compressor 24, the ignition of the burner 25, the fire extinguishing operation, and the like. Further, the control unit 14 fully opens the open/close valve 33 when the off gas is generated from each of the adsorption towers 30A and 30B of the PSA device 11, and fully closes the open/close valve 33 when the off gas is not generated. To do.
図２において、記憶部５０には、作動プログラム５１が記憶されている。記憶部５０は、例えばハードディスクドライブである。作動プログラム５１は、本開示の技術に係る「水素製造装置の作動プログラム」の一例である。制御部１４は、作動プログラム５１を実行することで、図示しない作業メモリ等と協働して、第１取得部５５、回復制御部５６、第２取得部５７、および流量制御部５８として機能する。すなわち、制御部１４は、本開示の技術に係る「コンピュータ」の一例である。 In FIG. 2, the operation program 51 is stored in the storage unit 50. The storage unit 50 is, for example, a hard disk drive. The operation program 51 is an example of a “hydrogen production apparatus operation program” according to the technology of the present disclosure. By executing the operation program 51, the control unit 14 functions as a first acquisition unit 55, a recovery control unit 56, a second acquisition unit 57, and a flow rate control unit 58 in cooperation with a work memory or the like (not shown). .. That is, the control unit 14 is an example of a “computer” according to the technology of the present disclosure.
第１取得部５５は、圧力センサ４０からオフガスタンク１２内の圧力を取得する。すなわち、第１取得部５５は、本開示の技術に係る「取得部」の一例である。また、この第１取得部５５において圧力を取得するステップが、本開示の技術に係る「取得ステップ」の一例である。第１取得部５５は、取得した圧力を回復制御部５６に出力する。 The first acquisition unit 55 acquires the pressure in the offgas tank 12 from the pressure sensor 40. That is, the first acquisition unit 55 is an example of an “acquisition unit” according to the technology of the present disclosure. The step of acquiring the pressure in the first acquisition unit 55 is an example of the “acquisition step” according to the technique of the present disclosure. The first acquisition unit 55 outputs the acquired pressure to the recovery control unit 56.
図３のステップＳＴ−Ａに示すように、回復制御部５６は、取得部５５において取得した圧力が下限値よりも低くなった場合、圧力を下限値以上に回復させる制御（以下、回復制御）を行う。なお、ステップＳＴ−Ａは、本開示の技術に係る「回復制御ステップ」の一例である。 As shown in step ST-A of FIG. 3, when the pressure acquired by the acquisition unit 55 is lower than the lower limit value, the recovery control unit 56 recovers the pressure to the lower limit value or more (hereinafter, recovery control). I do. Note that step ST-A is an example of the “recovery control step” according to the technique of the present disclosure.
また、回復制御部５６は、圧力センサ４０で測定された圧力が上限値を下回っている場合は、開閉バルブ４７を全閉状態とする。一方、図３のステップＳＴ−Ｂに示すように、回復制御部５６は、圧力センサ４０で測定された圧力が上限値以上の場合、開閉バルブ４７を全開状態とし、オフガスタンク１２内のオフガスをベント機構４５に排出し、圧力を上限値よりも低くする。なお、開閉バルブ４７を全開状態から全閉状態に戻す時間は、オフガスタンク１２内の圧力が上限値よりも低くなるために十分な時間である。 Further, the recovery control unit 56 fully closes the open/close valve 47 when the pressure measured by the pressure sensor 40 is below the upper limit value. On the other hand, as shown in step ST-B of FIG. 3, when the pressure measured by the pressure sensor 40 is equal to or higher than the upper limit value, the recovery control unit 56 fully opens the open/close valve 47 to remove the off gas in the off gas tank 12. It is discharged to the vent mechanism 45 and the pressure is made lower than the upper limit value. The time required to return the open/close valve 47 from the fully open state to the fully closed state is sufficient for the pressure in the offgas tank 12 to become lower than the upper limit value.
図４は、回復制御部５６による回復制御の具体例を示したものである。すなわち、回復制御部５６は、圧力センサ４０で測定された圧力が下限値以上の場合は、各吸着塔３０Ａ、３０Ｂの吸着工程の時間をＴ１とする。また、脱着工程の時間も同じくＴ１とする。対して、回復制御部５６は、圧力センサ４０で測定された圧力が下限値よりも低くなった場合、各吸着塔３０Ａ、３０Ｂの吸着工程の時間を、Ｔ１よりも短いＴ２（Ｔ２＜Ｔ１）とする。また、脱着工程の時間も同じくＴ２とする。つまり、回復制御部５６は、圧力センサ４０で測定された圧力が下限値よりも低くなった場合、圧力が下限値以上の場合よりも、吸着工程の時間を短くする制御を行う。Ｔ１は例えば２分であり、Ｔ２は例えば１分５５秒である。なお、吸着工程の前には昇圧工程が、脱着工程の前には減圧工程が、それぞれ実施される。 FIG. 4 shows a specific example of recovery control by the recovery control unit 56. That is, when the pressure measured by the pressure sensor 40 is equal to or higher than the lower limit value, the recovery control unit 56 sets the adsorption process time of each of the adsorption towers 30A and 30B to T1. Further, the time of the desorption process is also T1. On the other hand, when the pressure measured by the pressure sensor 40 becomes lower than the lower limit value, the recovery control unit 56 sets the adsorption process time of each of the adsorption towers 30A and 30B to T2 shorter than T1 (T2<T1). And Also, the time of the desorption process is also T2. That is, when the pressure measured by the pressure sensor 40 is lower than the lower limit value, the recovery control unit 56 controls to shorten the adsorption process time compared to when the pressure is equal to or higher than the lower limit value. T1 is, for example, 2 minutes, and T2 is, for example, 1 minute and 55 seconds. The pressure increasing step is performed before the adsorption step, and the depressurizing step is performed before the desorption step.
こうして吸着工程および脱着工程の時間を短くする（吸着工程および脱着工程のサイクルを早くする）と、ＰＳＡ装置１１の製品水素の純度は低下する。このため、回復制御部５６は、ＰＳＡ装置１１の製品水素の要求品質を満たす範囲で、吸着工程の時間を短くする。 When the time of the adsorption process and the desorption process is shortened in this way (the cycle of the adsorption process and the desorption process is shortened), the purity of the product hydrogen of the PSA apparatus 11 is lowered. For this reason, the recovery control unit 56 shortens the time of the adsorption process within a range that satisfies the required quality of the product hydrogen of the PSA device 11.
ここで、圧力センサ４０で測定された圧力が下限値以上の場合の吸着工程および脱着工程の時間Ｔ１は、製品水素の要求品質を満たすために十分に余裕をもった値が設定されている。このため、時間Ｔ２をある程度短くしても、製品水素が要求品質から外れてしまう懸念はない。 Here, the time T1 of the adsorption step and the desorption step when the pressure measured by the pressure sensor 40 is equal to or higher than the lower limit value is set to a value with a sufficient margin to satisfy the required quality of the product hydrogen. Therefore, even if the time T2 is shortened to some extent, there is no concern that the product hydrogen will be out of the required quality.
図２において、第２取得部５７は、温度センサ２８から改質器兼一酸化炭素変成器１０内の温度を取得する。第２取得部５７は、取得した温度を流量制御部５８に出力する。 In FIG. 2, the second acquisition unit 57 acquires the temperature in the reformer/carbon monoxide shift converter 10 from the temperature sensor 28. The second acquisition unit 57 outputs the acquired temperature to the flow rate control unit 58.
流量制御部５８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。加えて、流量制御部５８は、温度センサ２８で測定された温度に応じて設定値を変更する。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。 The flow rate control unit 58 controls the operation of the flow rate control valve 13 based on the measured value of the flow rate of the off gas from the flow rate control valve 13 and controls the flow rate of the off gas supplied to the burner 25 to be a set value. In addition, the flow rate control unit 58 changes the set value according to the temperature measured by the temperature sensor 28. Here, the set value is a value at which the purified amount of product hydrogen is equal to or more than the specified amount.
図５は、流量制御部５８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−Ｃ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、流量制御部５８は、流量制御バルブ１３の開度を上げる。一方、ステップＳＴ−Ｄに示すように、測定値が設定値を上回った場合、流量制御部５８は、流量制御バルブ１３の開度を下げる。 FIG. 5 shows how the flow control unit 58 controls the operation of the flow control valve 13. As shown in step ST-C, when the measured value (shown by the solid line) of the flow rate of the offgas from the flow control valve 13 is below the set value (shown by the broken line), the flow control unit 58 causes the flow control valve 13 to operate. Increase the opening. On the other hand, as shown in step ST-D, when the measured value exceeds the set value, the flow rate control unit 58 lowers the opening degree of the flow rate control valve 13.
図６は、温度センサ２８で測定された温度（改質器温度）に対する設定値を記憶した改質器温度−設定値テーブル６０の例である。すなわち、改質器温度が定格温度の場合の設定値（正規化して１とする）から、改質器温度が定格温度からずれた量（＋１０、−１０等）に応じて、設定値が僅かずつ変更されている。流量制御部５８は、こうした改質器温度−設定値テーブル６０にしたがって設定値を変更する。なお、実際の設定値の変更量は、改質器温度が定格温度から１０℃下がった場合に、改質器温度が定格温度の場合の設定値よりも１Ｌ／ｍｉｎ（リットル／分）増やすといった程度である。 FIG. 6 is an example of a reformer temperature-set value table 60 that stores set values for the temperature (reformer temperature) measured by the temperature sensor 28. That is, from the set value when the reformer temperature is the rated temperature (normalized to 1), the set value is slightly different depending on the amount (+10, -10, etc.) where the reformer temperature deviates from the rated temperature. Have been changed one by one. The flow rate control unit 58 changes the set value according to the reformer temperature-set value table 60. It should be noted that the actual amount of change in the set value is such that when the reformer temperature drops from the rated temperature by 10° C., it is increased by 1 L/min (liter/minute) from the set value when the reformer temperature is the rated temperature. It is a degree.
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。 Next, the operation of the above configuration will be described. First, the reformer/carbon monoxide shift converter 10 is supplied with the raw material gas through the raw material gas port 20 and the water through the water port 21, respectively. The reforming catalyst filled in the reformer/carbon monoxide shift converter 10 is heated to about 600 to 750° C. by the burner 25. Water from the water port 21 is turned into steam. The raw material gas and the steam react with each other in the presence of the reforming catalyst to form a reformed gas. The reformed gas further reacts with water vapor in the presence of the shift conversion catalyst to be a shift gas.
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。 The modified gas is output to the PSA device 11 through the modified gas port 22. The metamorphic gas output from the metamorphic gas port 22 is dehumidified in the first dehumidifier 23, is then brought to a high pressure state in the compressor 24, and is supplied to the PSA device 11.
図４で示したように、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。 As shown in FIG. 4, in the PSA apparatus 11, the adsorption step and the desorption step are repeatedly and alternately performed by the adsorption towers 30A and 30B. As a result, the shift gas is separated into product hydrogen and off gas.
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。 The offgas from the PSA device 11 reaches the offgas tank 12 through the first offgas supply passage 31 and is stored in the offgas tank 12. The off gas stored in the off gas tank 12 is supplied to the burner 25 through the second off gas supply passage 32.
図２で示したように、圧力センサ４０で測定されたオフガスタンク１２内の圧力が、第１取得部５５において取得される（取得ステップ）。そして、図３のステップＳＴ−Ａで示したように、圧力センサ４０で測定された圧力が下限値よりも低くなった場合は、回復制御部５６により回復制御が行われる（回復制御ステップ）。具体的には図４で示したように、各吸着塔３０Ａ、３０Ｂの吸着工程の時間を短くする制御が行われる。これにより、単位時間当たりのオフガスの発生量が増加し、オフガスタンク１２内の圧力が下限値以上に回復される。したがって、オフガスタンク１２からバーナ２５にオフガスを安定して供給することができるようになり、結果として製品水素の精製量の低下を抑制することが可能となる。 As shown in FIG. 2, the pressure in the offgas tank 12 measured by the pressure sensor 40 is acquired by the first acquisition unit 55 (acquisition step). Then, as shown in step ST-A of FIG. 3, when the pressure measured by the pressure sensor 40 becomes lower than the lower limit value, the recovery control unit 56 performs recovery control (recovery control step). Specifically, as shown in FIG. 4, control is performed to shorten the adsorption process time of each adsorption tower 30A, 30B. As a result, the amount of off gas generated per unit time increases, and the pressure in the off gas tank 12 is restored to the lower limit value or higher. Therefore, it is possible to stably supply the off gas from the off gas tank 12 to the burner 25, and as a result, it is possible to suppress a decrease in the amount of refined product hydrogen.
また、この各吸着塔３０Ａ、３０Ｂの吸着工程の時間を短くする制御は、回復制御部５６によって、製品水素の要求品質を満たす範囲で行われる。したがって、要求品質を外れた製品水素が出力されてしまうおそれがない。 The control for shortening the time of the adsorption process of each of the adsorption towers 30A and 30B is performed by the recovery control unit 56 within a range that satisfies the required quality of product hydrogen. Therefore, there is no possibility that product hydrogen that does not meet the required quality will be output.
ＰＳＡ装置１１のオフガスの発生量は一定ではなく変動する。このため、オフガスタンク１２内の圧力が下限値よりも低くなることがあった。また、オフガスタンク１２内の圧力が下限値よりも低くなることがあるのは、オフガスの発生量が変動するという理由に加えて、以下の理由にもよる。すなわち、改質器兼一酸化炭素変成器１０内の温度は、周囲の環境温度の影響を受けて変動する。これに伴い、バーナ２５に供給するオフガスの流量の設定値も、図６で示したように微調整する必要がある。例えば冬期で改質器兼一酸化炭素変成器１０内の温度が下がる場合には、設定値を大きくしてバーナ２５に供給するオフガスの流量を増やし、バーナ２５の燃焼力を高める必要がある。バーナ２５に供給するオフガスの流量を増やした場合、当然ながらその分オフガスタンク１２内のオフガスは減る。この減った分のオフガスが、すぐにはＰＳＡ装置１１から補充されない場合がある。こうした場合に、オフガスタンク１２内の圧力が下限値よりも低くなってしまう。さらに、何らかの突発的な外乱によって、オフガスタンク１２内の圧力が下限値よりも低くなることもある。 The off-gas generation amount of the PSA device 11 is not constant but fluctuates. Therefore, the pressure in the offgas tank 12 may be lower than the lower limit value. Further, the pressure in the off-gas tank 12 may become lower than the lower limit value due to the following reasons, in addition to the reason that the off-gas generation amount varies. That is, the temperature in the reformer/carbon monoxide shifter 10 fluctuates under the influence of the ambient environmental temperature. Along with this, the set value of the flow rate of the off gas supplied to the burner 25 also needs to be finely adjusted as shown in FIG. For example, when the temperature in the reformer/carbon monoxide shift converter 10 decreases in winter, it is necessary to increase the set value to increase the flow rate of the off gas supplied to the burner 25 and increase the combustion power of the burner 25. When the flow rate of the off gas supplied to the burner 25 is increased, the amount of the off gas in the off gas tank 12 naturally decreases accordingly. The reduced amount of off gas may not be immediately replenished from the PSA device 11. In such a case, the pressure in the offgas tank 12 becomes lower than the lower limit value. Further, the pressure in the offgas tank 12 may become lower than the lower limit value due to some sudden disturbance.
本開示の技術は、上記のような理由で下限値よりも低くなったオフガスタンク１２内の圧力を、回復制御、具体的には各吸着塔３０Ａ、３０Ｂの吸着工程の時間を短くする制御を行うことで、下限値以上に回復させる、というものである。 The technique of the present disclosure performs recovery control of the pressure in the offgas tank 12 that has become lower than the lower limit value for the reason described above, specifically, control that shortens the time of the adsorption process of each of the adsorption towers 30A and 30B. By doing so, it will recover above the lower limit.
さらに、図３で示したように、圧力センサ４０で測定された圧力が上限値以上の場合、回復制御部５６により開閉バルブ４７が全開状態とされる。これにより、オフガスタンク１２内のオフガスがベント機構４５に排出され、オフガスタンク１２内の圧力が上限値よりも低くされる。したがって、オフガスタンク１２を常に安全な圧力範囲で運用することができる。 Further, as shown in FIG. 3, when the pressure measured by the pressure sensor 40 is equal to or higher than the upper limit value, the recovery control unit 56 causes the open/close valve 47 to be fully opened. As a result, the off gas in the off gas tank 12 is discharged to the vent mechanism 45, and the pressure in the off gas tank 12 is made lower than the upper limit value. Therefore, the off-gas tank 12 can always be operated in a safe pressure range.
図５で示したように、流量制御バルブ１３は、流量制御部５８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による製品水素の精製量の不安定化を抑制することができる。 As shown in FIG. 5, the opening of the flow control valve 13 is controlled by the flow control unit 58 so that the flow rate of the off gas supplied to the burner 25 is maintained at the set value. As a result, the flow rate of the off gas supplied to the burner 25 is stabilized, and the combustion state of the burner 25 is also stabilized. When the combustion state of the burner 25 is stabilized, the temperature of the reforming catalyst is also stabilized, and the amount of hydrogen contained in the reformed gas is also stabilized. As a result, it is possible to suppress the destabilization of the purified amount of product hydrogen by the PSA device 11.
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。 Further, when the combustion state of the burner 25 is stabilized, the temperature to which the metal material around the burner 25 such as the reforming catalyst is exposed is also stabilized. Therefore, the thermal deterioration of the metal material around the burner 25 can be reduced more than when the combustion state of the burner 25 is unstable.
図６で示したように、設定値は、温度センサ２８で測定された改質器兼一酸化炭素変成器１０内の温度に応じて変更される。したがって、周囲の環境温度に左右されることなく、バーナ２５の燃焼状態を安定化させることができる。 As shown in FIG. 6, the set value is changed according to the temperature in the reformer/carbon monoxide shift converter 10 measured by the temperature sensor 28. Therefore, the combustion state of the burner 25 can be stabilized without being affected by the ambient environmental temperature.
なお、図６で示した改質器温度−設定値テーブル６０の代わりに、改質器温度と設定値の関係式を記憶しておく。そして、関係式に温度センサ２８で測定された温度を代入して計算することで、設定値を求めてもよい。 Instead of the reformer temperature-set value table 60 shown in FIG. 6, a relational expression between the reformer temperature and the set value is stored. Then, the set value may be obtained by substituting the temperature measured by the temperature sensor 28 into the relational expression for calculation.
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製品水素に精製することができる。 The set value is set to a value at which the purified amount of product hydrogen of the PSA device 11 becomes a specified amount or more. Therefore, if control is performed so that the flow rate of the off gas supplied to the burner 25 is maintained at the set value as described above, the PSA device 11 can surely refine the product hydrogen to a specified amount or more.
ＰＳＡ装置１１により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。 The product hydrogen purified by the PSA apparatus 11 is used, for example, in bright annealing of metals such as steel plates and glass production. Alternatively, it is supplied to the fuel cell.
［第２実施形態］
図７に示す第２実施形態では、回復制御として、改質器兼一酸化炭素変成器１０への原料ガスの供給量を増やす制御を行う。
[Second Embodiment]
In the second embodiment shown in FIG. 7, as recovery control, control is performed to increase the supply amount of the raw material gas to the reformer/carbon monoxide shift converter 10.
図７に示すように、第２実施形態においては、回復制御部５６は、圧力センサ４０で測定された圧力が下限値以上の場合は、改質器兼一酸化炭素変成器１０への原料ガスの供給量をＰ１とする。対して、回復制御部５６は、圧力センサ４０で測定された圧力が下限値よりも低くなった場合、改質器兼一酸化炭素変成器１０への原料ガスの供給量を、Ｐ１よりも多いＰ２（Ｐ２＞Ｐ１）とする。つまり、回復制御部５６は、圧力センサ４０で測定された圧力が下限値よりも低くなった場合、圧力が下限値以上の場合よりも、改質器兼一酸化炭素変成器１０への原料ガスの供給量を増やす制御を行う。 As shown in FIG. 7, in the second embodiment, when the pressure measured by the pressure sensor 40 is equal to or higher than the lower limit value, the recovery control unit 56 supplies the raw material gas to the reformer/carbon monoxide shift converter 10. The supply amount of P1 is P1. On the other hand, when the pressure measured by the pressure sensor 40 becomes lower than the lower limit value, the recovery control unit 56 sets the supply amount of the raw material gas to the reformer/carbon monoxide shift converter 10 to be larger than P1. Let P2 (P2>P1). That is, when the pressure measured by the pressure sensor 40 is lower than the lower limit value, the recovery control unit 56 supplies the raw material gas to the reformer/carbon monoxide shift converter 10 more than when the pressure is equal to or higher than the lower limit value. Control to increase the supply amount of.
このように、改質器兼一酸化炭素変成器１０への原料ガスの供給量を増やすことでも、単位時間当たりのオフガスの発生量が増加し、圧力を下限値以上に回復させることができる。そして、結果として製品水素の精製量の低下を抑制することが可能となる。 In this way, by increasing the supply amount of the raw material gas to the reformer/carbon monoxide shift converter 10 as well, the amount of off gas generated per unit time increases, and the pressure can be restored to the lower limit value or higher. As a result, it is possible to suppress a decrease in the amount of refined product hydrogen.
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。例えば、第１実施形態の吸着工程の時間を短くする制御と、第２実施形態の改質器兼一酸化炭素変成器１０への原料ガスの供給量を増やす制御とを複合して実施してもよい。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。また、ベント機構４５には、フレアスタック４８や三元触媒コンバータを設けなくてもよい。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。 The technology of the present disclosure can be appropriately combined with the above-described various embodiments and various modifications. For example, the control for shortening the time of the adsorption process of the first embodiment and the control for increasing the supply amount of the raw material gas to the reformer/carbon monoxide shift converter 10 of the second embodiment are performed in combination. Good. Further, it is needless to say that various configurations can be adopted without departing from the scope of the invention, without being limited to the above-described embodiment. For example, the reformer and the carbon monoxide shift converter may be separate bodies. The adsorption tower is not limited to two towers, and may be three towers or four towers. Further, a dehumidifier may be provided between the compressor 24 and the PSA device 11. Further, the second dehumidifier 27 may not be provided. Further, the vent mechanism 45 may not be provided with the flare stack 48 or the three-way catalytic converter. Further, the raw material gas and the fuel gas may be LP (Liquefied Petroleum) gas containing propane or the like as a main component, or may be heavy naphtha.
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
２８ 温度センサ
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 圧力センサ
４５ ベント機構
４６ オフガス排出路
４７ 開閉バルブ
４８ フレアスタック
５０ 記憶部
５１ 作動プログラム（水素製造装置の作動プログラム）
５５ 第１取得部（取得部）
５６ 回復制御部
５７ 第２取得部
５８ 流量制御部
６０ 改質器温度−設定値テーブル
ＳＴ−Ａ、ＳＴ−Ｂ、ＳＴ−Ｃ、ＳＴ−Ｄ ステップ
Ｔ１ 圧力センサで測定された圧力が下限値以上の場合の吸着工程および脱着工程の時間
Ｔ２ 圧力センサで測定された圧力が下限値よりも低くなった場合の吸着工程および脱着工程の時間
Ｐ１ 圧力センサで測定された圧力が下限値以上の場合の改質器兼一酸化炭素変成器への原料ガスの供給量
Ｐ２ 圧力センサで測定された圧力が下限値よりも低くなった場合の改質器兼一酸化炭素変成器への原料ガスの供給量
2 Hydrogen production device 10 Reformer and carbon monoxide shift converter 11 PSA device (pressure swing adsorption device)
12 Off-gas tank 13 Flow control valve 14 Control part 20 Raw material gas port 21 Water port 22 Metamorphic gas port 23 First dehumidifier 24 Compressor 25 Burner 26 Exhaust gas port 27 Second dehumidifier 28 Temperature sensor 30A First adsorption tower 30B Second Adsorption tower 31 First off-gas supply path 32 Second off-gas supply path 33 Open/close valve 40 Pressure sensor 45 Vent mechanism 46 Off-gas discharge path 47 Open/close valve 48 Flare stack 50 Storage unit 51 Operation program (operation program of hydrogen production device)
55 1st acquisition section (acquisition section)
56 Recovery control unit 57 Second acquisition unit 58 Flow rate control unit 60 Reformer temperature-set value table ST-A, ST-B, ST-C, ST-D Step T1 The pressure measured by the pressure sensor is the lower limit value or more. Adsorption process and desorption process time T2 when the pressure measured by the pressure sensor is lower than the lower limit value P1 Adsorption process and desorption process time when the pressure measured by the pressure sensor is greater than or equal to the lower limit value Amount of raw material gas supplied to the reformer and carbon monoxide shifter P2 Amount of raw material gas supplied to the reformer and carbon monoxide shifter when the pressure measured by the pressure sensor becomes lower than the lower limit value.
Claims (9)
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、規定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、前記変成ガスを製品水素と前記オフガスとに分離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内の圧力を測定する圧力センサと、
前記圧力センサから前記圧力を取得する取得部と、
前記取得部において取得した前記圧力が下限値よりも低くなった場合、前記圧力を前記下限値以上に回復させる回復制御を行う回復制御部とを備える水素製造装置。 A reformer that reacts a raw material gas containing hydrocarbon with steam in the presence of a catalyst to generate carbon monoxide and hydrogen to output a reformed gas, and has a burner for heating the catalyst. A reformer,
A carbon monoxide shift converter that reacts carbon monoxide and steam in the reformed gas from the reformer to generate carbon dioxide and hydrogen and output a shift gas,
An adsorption step of adsorbing impurities in the shift gas from the carbon monoxide shift converter to the adsorbent layer under a pressurized environment, and desorbing the impurities from the adsorbent layer by reducing the pressure to a specified pressure to remove the impurities as an off gas. A pressure swing adsorption device for separating the shift gas into product hydrogen and the off gas by repeating the desorption step of discharging as
An off-gas tank that is connected to the pressure swing adsorption device and the burner and stores the off-gas;
A pressure sensor for measuring the pressure in the off-gas tank,
An acquisition unit that acquires the pressure from the pressure sensor,
A hydrogen production apparatus comprising: a recovery control unit that performs recovery control for recovering the pressure to be equal to or higher than the lower limit value when the pressure acquired by the acquisition unit becomes lower than the lower limit value.
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流量制御部とを備える請求項１ないし３のいずれか１項に記載の水素製造装置。 A flow rate control valve provided between the off-gas tank and the burner,
The hydrogen production according to any one of claims 1 to 3, further comprising: a flow rate control unit that controls an operation of the flow rate control valve to control the flow rate of the off-gas supplied to the burner to a set value. apparatus.
前記流量制御部は、前記温度センサで測定された前記温度に応じて前記設定値を変更する請求項４に記載の水素製造装置。 A temperature sensor for measuring the temperature in the reformer,
The hydrogen production apparatus according to claim 4, wherein the flow rate control unit changes the set value according to the temperature measured by the temperature sensor.
前記圧力センサから前記圧力を取得する取得ステップと、
前記取得ステップにおいて取得した前記圧力が下限値よりも低くなった場合、前記圧力を前記下限値以上に回復させる回復制御を行う回復制御ステップとを備える水素製造装置の作動方法。 A reformer that reacts a raw material gas containing hydrocarbon with steam in the presence of a catalyst to generate carbon monoxide and hydrogen to output a reformed gas, and has a burner for heating the catalyst. A reformer, a carbon monoxide shifter for reacting carbon monoxide and steam in the reformed gas from the reformer to generate carbon dioxide and hydrogen, and outputting a shift gas, An adsorption step of adsorbing impurities in the modified gas from the carbon shifter to the adsorbent layer under a pressurized environment, and decompressing the impurities from the adsorbent layer by reducing the pressure to a specified pressure, and discharging the impurities as off-gas. By repeating the desorption process, a pressure swing adsorption device that separates the shift gas into product hydrogen and the off gas, an off gas tank that is connected to the pressure swing adsorption device and the burner, and stores the off gas, and A method for operating a hydrogen production apparatus comprising a pressure sensor for measuring the pressure in an offgas tank,
An acquisition step of acquiring the pressure from the pressure sensor,
And a recovery control step of performing recovery control for recovering the pressure to be equal to or higher than the lower limit value when the pressure acquired in the acquisition step is lower than the lower limit value.
前記圧力センサから前記圧力を取得する取得部と、
前記取得部において取得した前記圧力が下限値よりも低くなった場合、前記圧力を前記下限値以上に回復させる回復制御を行う回復制御部として、
コンピュータを機能させる水素製造装置の作動プログラム。 A reformer that reacts a raw material gas containing hydrocarbon with steam in the presence of a catalyst to generate carbon monoxide and hydrogen to output a reformed gas, and has a burner for heating the catalyst. A reformer, a carbon monoxide shifter for reacting carbon monoxide and steam in the reformed gas from the reformer to generate carbon dioxide and hydrogen, and outputting a shift gas, An adsorption step of adsorbing impurities in the modified gas from the carbon shifter to the adsorbent layer under a pressurized environment, and decompressing the impurities from the adsorbent layer by reducing the pressure to a specified pressure, and discharging the impurities as off-gas. By repeating the desorption process, a pressure swing adsorption device that separates the shift gas into product hydrogen and the off gas, an off gas tank that is connected to the pressure swing adsorption device and the burner, and stores the off gas, and A program for operating a hydrogen production apparatus comprising a pressure sensor for measuring the pressure in an off-gas tank,
An acquisition unit that acquires the pressure from the pressure sensor,
When the pressure acquired by the acquisition unit becomes lower than a lower limit value, as a recovery control unit that performs recovery control for recovering the pressure to the lower limit value or more,
A program for operating a hydrogen production device that causes a computer to function.
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