JP2021193060A - 改質ユニット及び水素製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、簡易な構成で、かつ安定して改質ガスを生成できる改質ユニット、及び安定して高純度水素ガスを製造することができる水素製造装置を提供することを課題とする。【解決手段】本発明の一態様は、水蒸気改質をする触媒層を含む反応部、及び上記触媒層を加熱する熱を用いて水蒸気を生成するボイラーを有する改質器と、上記触媒層に上記水蒸気を含む原料ガスを供給する原料ガス供給路と、上記触媒層から改質ガスを排出する改質ガス排出路と、上記ボイラーに冷却水を供給する冷却水供給路と、上記ボイラーで上記冷却水から生成した上記水蒸気を排出する水蒸気排出路とを備え、上記水蒸気排出路が、上記水蒸気の一部を上記原料ガス供給路に供給する原料ガス混合流路と、上記水蒸気の残部を上記改質ガス排出路に供給する改質ガス混合流路と、上記水蒸気を上記原料ガス混合流路及び改質ガス混合流路に分配する分配部とを有する改質ユニットである。【選択図】図１
Description
本発明は、改質ユニット及び水素製造装置に関する。
水素を製造する方法として水蒸気改質法が知られている。水蒸気改質法は、天然ガス等の原料ガスと水蒸気との混合ガスを加熱した触媒の存在下で改質して改質ガスを生成し、この改質ガスから一酸化炭素、メタン、二酸化炭素等の不純物を除去することで高純度水素ガスを得る。高純度水素ガスは、例えば燃料電池車等に利用される。改質ガスを安定して生成するには、上記原料ガスと水蒸気との混合が重要な要素の一つであり、この混合が不安定であると、結果として高純度水素ガスを安定して製造することができないおそれがある。
改質反応器から排出される改質ガスの熱を水蒸気用の純水の予熱等に用いる水素製造装置が発案されている（特開２０１１−０５１８６０号公報）。この水素製造装置は、温度一定化器を備えることにより当該水素製造装置を含む設備の廃熱利用を行っても改質反応器の温度を安定させることができるため、水素製造量及び水素の純度を向上することができるとされている。
上記水素製造装置によれば、設備の廃熱を有効に利用できるが、より簡易な構成として低コストで生産でき、かつ安定した高純度水素ガスの製造をすることができる水素製造装置が求められている。
上述のような事情に鑑みて、本発明は、簡易な構成で、かつ安定して改質ガスを生成できる改質ユニット、及び安定して高純度水素ガスを製造することができる水素製造装置を提供することを課題とする。
上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、水蒸気改質をする触媒層を含む反応部、及び上記触媒層を加熱する熱を用いて水蒸気を生成するボイラーを有する改質器と、上記触媒層に上記水蒸気を含む原料ガスを供給する原料ガス供給路と、上記触媒層から改質ガスを排出する改質ガス排出路と、上記ボイラーに冷却水を供給する冷却水供給路と、上記ボイラーで上記冷却水から生成した上記水蒸気を排出する水蒸気排出路とを備え、上記水蒸気排出路が、上記水蒸気の一部を上記原料ガス供給路に供給する原料ガス混合流路と、上記水蒸気の残部を上記改質ガス排出路に供給する改質ガス混合流路と、上記水蒸気を上記原料ガス混合流路及び改質ガス混合流路に分配する分配部とを有する改質ユニットである。
上記課題を解決するためになされた本発明の他の一態様は、上記改質ユニットと、吸着塔とを備える水素製造装置である。
本発明の改質ユニットは、簡易な構成で改質ガスを安定して生成することができる。また、本発明の水素製造装置は、簡易な構成で高純度水素ガスを安定して製造することができる。
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。
図１に、本発明の一実施形態である改質ユニット１の構成を示す。
［改質ユニット］
当該改質ユニット１は、水蒸気改質をする触媒層Ｃを含む反応部２、及び触媒層Ｃを加熱する熱を用いて水蒸気Ｓを生成するボイラー３を有する改質器４と、触媒層Ｃに水蒸気Ｓを含む原料ガスＲを供給する原料ガス供給路５と、触媒層Ｃから改質ガスＭを排出する改質ガス排出路６と、ボイラー３に冷却水Ｗを供給する冷却水供給路７と、ボイラー３で冷却水Ｗから生成した水蒸気Ｓを排出する水蒸気排出路８とを主に備える。水蒸気排出路８は、水蒸気Ｓの一部を原料ガス供給路５に供給する原料ガス混合流路８１と、水蒸気Ｓの残部を改質ガス排出路６に供給する改質ガス混合流路８２と、水蒸気Ｓを原料ガス混合流路及び改質ガス混合流路に分配する分配部８３とを有する。
当該改質ユニット１は、水蒸気改質をする触媒層Ｃを含む反応部２、及び触媒層Ｃを加熱する熱を用いて水蒸気Ｓを生成するボイラー３を有する改質器４と、触媒層Ｃに水蒸気Ｓを含む原料ガスＲを供給する原料ガス供給路５と、触媒層Ｃから改質ガスＭを排出する改質ガス排出路６と、ボイラー３に冷却水Ｗを供給する冷却水供給路７と、ボイラー３で冷却水Ｗから生成した水蒸気Ｓを排出する水蒸気排出路８とを主に備える。水蒸気排出路８は、水蒸気Ｓの一部を原料ガス供給路５に供給する原料ガス混合流路８１と、水蒸気Ｓの残部を改質ガス排出路６に供給する改質ガス混合流路８２と、水蒸気Ｓを原料ガス混合流路及び改質ガス混合流路に分配する分配部８３とを有する。
本実施形態では、改質ユニット１は、原料ガス供給路５に原料ガスＲを送出する原料ガス送出部５３と、冷却水供給路７に冷却水Ｗを送出する冷却水送出部７１とを含む。反応部２は、触媒層Ｃを加熱する加熱器２１を有する。
原料ガスＲとしては、高純度水素ガスを生産できるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、天然ガス、ナフサ、灯油、メタノール、ＬＰＧ（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｇａｓ：液化石油ガス）等を用いることができる。
＜改質器＞
改質器４は、水蒸気改質をする触媒層Ｃ及び触媒層Ｃを加熱する加熱器２１を含む反応部２と、加熱器２１が触媒層Ｃを加熱する熱を利用し、供給される冷却水Ｗから水蒸気Ｓを生成するボイラー３とを有する。
改質器４は、水蒸気改質をする触媒層Ｃ及び触媒層Ｃを加熱する加熱器２１を含む反応部２と、加熱器２１が触媒層Ｃを加熱する熱を利用し、供給される冷却水Ｗから水蒸気Ｓを生成するボイラー３とを有する。
〔反応部〕
反応部２は、水蒸気改質をする触媒層Ｃと、触媒層Ｃを加熱する加熱器２１とを含む。
反応部２は、水蒸気改質をする触媒層Ｃと、触媒層Ｃを加熱する加熱器２１とを含む。
（触媒層）
触媒層Ｃは、原料ガスＲ及び水蒸気Ｓの混合原料ガスＲＳを改質して改質ガスＭを生成する。触媒層Ｃとしては、特に限定されず公知のものを用いることができ、例えば、酸化改質部分とシフト反応部分とを有するものとすることができる。酸化改質部分は、混合原料ガスＲＳ中の炭化水素を酸化（燃焼）させて触媒層Ｃを加熱し、加熱器２１と共に水蒸気改質反応に必要な温度を得るための酸化触媒と、炭化水素を水蒸気改質させて水素を生成するための改質触媒とを含むものとすることができる。シフト反応部分は、シフト触媒が充填される高温シフト触媒及び低温シフト触媒を含むものとすることができる。シフト反応部分は、生成中の改質ガスに残存する水蒸気と一酸化炭素との混合物を上記シフト触媒の存在下で水素と二酸化炭素とにシフト変換して水素を発生させ、生成中の改質ガス中の水素濃度を向上し、これに応じて一酸化炭素濃度を低減する。
触媒層Ｃは、原料ガスＲ及び水蒸気Ｓの混合原料ガスＲＳを改質して改質ガスＭを生成する。触媒層Ｃとしては、特に限定されず公知のものを用いることができ、例えば、酸化改質部分とシフト反応部分とを有するものとすることができる。酸化改質部分は、混合原料ガスＲＳ中の炭化水素を酸化（燃焼）させて触媒層Ｃを加熱し、加熱器２１と共に水蒸気改質反応に必要な温度を得るための酸化触媒と、炭化水素を水蒸気改質させて水素を生成するための改質触媒とを含むものとすることができる。シフト反応部分は、シフト触媒が充填される高温シフト触媒及び低温シフト触媒を含むものとすることができる。シフト反応部分は、生成中の改質ガスに残存する水蒸気と一酸化炭素との混合物を上記シフト触媒の存在下で水素と二酸化炭素とにシフト変換して水素を発生させ、生成中の改質ガス中の水素濃度を向上し、これに応じて一酸化炭素濃度を低減する。
（加熱器）
加熱器２１は、触媒層Ｃを加熱する。加熱器２１としては、特に限定されず公知のものを用いることができ、例えば、燃料及び酸素を燃焼室に供給して燃焼し、この燃焼による熱エネルギーを触媒層Ｃに伝導するバーナーとすることができる。上記燃焼用の燃料としては、当該改質ガスユニットで使用される原料ガスＲの一部を用いてもよく、当該改質ガスユニット１を含む水素製造装置から排出される高純度水素ガスを含むオフガスを用いてもよい。
加熱器２１は、触媒層Ｃを加熱する。加熱器２１としては、特に限定されず公知のものを用いることができ、例えば、燃料及び酸素を燃焼室に供給して燃焼し、この燃焼による熱エネルギーを触媒層Ｃに伝導するバーナーとすることができる。上記燃焼用の燃料としては、当該改質ガスユニットで使用される原料ガスＲの一部を用いてもよく、当該改質ガスユニット１を含む水素製造装置から排出される高純度水素ガスを含むオフガスを用いてもよい。
〔ボイラー〕
ボイラー３は、加熱器２１が触媒層Ｃを加熱する熱を利用し、供給される冷却水Ｗから水蒸気Ｓを生成して排出する。ボイラー３としては、特に限定されるものでなく、加熱器２１が触媒層Ｃを加熱する熱を直接的に利用するものとしてもよいし、間接的に利用するものとしてもよい。上記直接的に利用するものとしては、例えば、触媒層Ｃとボイラー３とを加熱器２１が同時に加熱するものとすることができる。上記間接的に利用するものとしては、例えば、加熱器２１が触媒層Ｃを加熱した廃熱又は余熱をダクト等を通じでボイラーに供給し、利用するものとすることができる。上記廃熱又は余熱を利用するボイラーがボイラー用加熱器を有し、このボイラー用加熱器の熱と上記廃熱又は余熱とで水蒸気Ｓを生成するものとしてもよい。
ボイラー３は、加熱器２１が触媒層Ｃを加熱する熱を利用し、供給される冷却水Ｗから水蒸気Ｓを生成して排出する。ボイラー３としては、特に限定されるものでなく、加熱器２１が触媒層Ｃを加熱する熱を直接的に利用するものとしてもよいし、間接的に利用するものとしてもよい。上記直接的に利用するものとしては、例えば、触媒層Ｃとボイラー３とを加熱器２１が同時に加熱するものとすることができる。上記間接的に利用するものとしては、例えば、加熱器２１が触媒層Ｃを加熱した廃熱又は余熱をダクト等を通じでボイラーに供給し、利用するものとすることができる。上記廃熱又は余熱を利用するボイラーがボイラー用加熱器を有し、このボイラー用加熱器の熱と上記廃熱又は余熱とで水蒸気Ｓを生成するものとしてもよい。
改質器４は、反応部２及びボイラー３を別体とするものであってもよいが、反応部２及びボイラー３が一体に構成されていることが好ましい。このようにすることで、改質器４を簡易な構成とすることができ、小型化することが容易にできる。また、反応部２及びボイラー３を一体にすることで一つの加熱器で触媒層Ｃ及びボイラー３を加熱することが容易にでき、反応部２及びボイラー３それぞれの加熱器を用意する必要がないため、改質器４及び消費エネルギーのコストを低減することができる。
反応部２及びボイラー３を一体として加熱器２１で加熱することにより、触媒層Ｃとボイラー３とを同時に昇温することができるため、改質器４、改質ユニット１、及び当該改質ユニット１を含む水素製造装置の起動時間の短縮を図ることができる。
＜原料ガス供給路＞
原料ガス供給路５は、原料ガス送出部５３が原料ガスＲを送出する原料ガス送出路５４と、原料ガスＲに水蒸気Ｓを混合する第一混合部５１と、原料ガスＲに水蒸気Ｓを混合した混合原料ガスＲＳを触媒層Ｃに供給する混合原料ガス供給路５２とを有する。
原料ガス供給路５は、原料ガス送出部５３が原料ガスＲを送出する原料ガス送出路５４と、原料ガスＲに水蒸気Ｓを混合する第一混合部５１と、原料ガスＲに水蒸気Ｓを混合した混合原料ガスＲＳを触媒層Ｃに供給する混合原料ガス供給路５２とを有する。
＜改質ガス排出路＞
改質ガス排出路６は、触媒層Ｃが改質ガスＭを送出する改質ガス送出路６２と、改質ガスＭに水蒸気Ｓを混合する第二混合部６１と、改質ガスＭに水蒸気Ｓを混合した混合改質ガスＭＳを水素製造装置の吸着塔等に供給する混合改質ガス供給路６３とを有する。
改質ガス排出路６は、触媒層Ｃが改質ガスＭを送出する改質ガス送出路６２と、改質ガスＭに水蒸気Ｓを混合する第二混合部６１と、改質ガスＭに水蒸気Ｓを混合した混合改質ガスＭＳを水素製造装置の吸着塔等に供給する混合改質ガス供給路６３とを有する。
＜冷却水供給路＞
冷却水供給路７は、ボイラー３に冷却水Ｗを供給する。冷却水Ｗは、冷却水送出部７１から冷却水供給路７に送出される。
冷却水供給路７は、ボイラー３に冷却水Ｗを供給する。冷却水Ｗは、冷却水送出部７１から冷却水供給路７に送出される。
＜凝縮器＞
当該改質ユニット１が、水蒸気Ｓを含む改質ガスＭと冷却水Ｗとが熱交換する凝縮器９を備えることが好ましい。具体的には、混合改質ガス供給路６３の一部及び冷却水供給路７の一部が凝縮器９内で構成されるように凝縮器９を配設し、凝縮器９内で高温の混合改質ガスＭＳと低温の冷却水Ｗとが熱交換するように構成されるのが好ましい。凝縮器９は、上記熱交換によって、混合改質ガスＭＳ中の水分を凝縮させ、この凝縮水を廃液として排出すると共に、ボイラー３に供給する冷却水Ｗを予熱する。このようにすることで、水素製造装置の吸着塔等に供給される混合改質ガスＭＳの品質を向上できると共に、ボイラー３による水蒸気Ｓの生成効率を向上することができる。
当該改質ユニット１が、水蒸気Ｓを含む改質ガスＭと冷却水Ｗとが熱交換する凝縮器９を備えることが好ましい。具体的には、混合改質ガス供給路６３の一部及び冷却水供給路７の一部が凝縮器９内で構成されるように凝縮器９を配設し、凝縮器９内で高温の混合改質ガスＭＳと低温の冷却水Ｗとが熱交換するように構成されるのが好ましい。凝縮器９は、上記熱交換によって、混合改質ガスＭＳ中の水分を凝縮させ、この凝縮水を廃液として排出すると共に、ボイラー３に供給する冷却水Ｗを予熱する。このようにすることで、水素製造装置の吸着塔等に供給される混合改質ガスＭＳの品質を向上できると共に、ボイラー３による水蒸気Ｓの生成効率を向上することができる。
＜水蒸気排出路＞
水蒸気排出路８は、ボイラー３内で熱せられた冷却水の水蒸気Ｓを排出する。水蒸気排出路８は、水蒸気Ｓの一部を原料ガス供給路５に供給する原料ガス混合流路８１と、水蒸気Ｓの残部を改質ガス排出路６に供給する改質ガス混合流路８２と、水蒸気Ｓを原料ガス混合流路８１及び改質ガス混合流路８２に分配する分配部８３とを有する。また、ボイラー３と分配部８３とを連通する水蒸気送出路８４を有する。
水蒸気排出路８は、ボイラー３内で熱せられた冷却水の水蒸気Ｓを排出する。水蒸気排出路８は、水蒸気Ｓの一部を原料ガス供給路５に供給する原料ガス混合流路８１と、水蒸気Ｓの残部を改質ガス排出路６に供給する改質ガス混合流路８２と、水蒸気Ｓを原料ガス混合流路８１及び改質ガス混合流路８２に分配する分配部８３とを有する。また、ボイラー３と分配部８３とを連通する水蒸気送出路８４を有する。
〔原料ガス混合流路〕
原料ガス混合流路８１は、水蒸気Ｓの一部を原料ガス供給路５に供給する。具体的には、原料ガス混合流路８１は、分配部８３と第一混合部５１とを連通し、水蒸気Ｓの一部を第一混合部５１で原料ガスＲに混合する。
原料ガス混合流路８１は、水蒸気Ｓの一部を原料ガス供給路５に供給する。具体的には、原料ガス混合流路８１は、分配部８３と第一混合部５１とを連通し、水蒸気Ｓの一部を第一混合部５１で原料ガスＲに混合する。
〔改質ガス混合流路〕
改質ガス混合流路８２は、水蒸気Ｓの残部を改質ガス排出路６に供給する。具体的には、改質ガス混合流路８２は、分配部８３と第二混合部６１とを連通し、水蒸気Ｓの残部を第二混合部６１で改質ガスＭに混合する。
改質ガス混合流路８２は、水蒸気Ｓの残部を改質ガス排出路６に供給する。具体的には、改質ガス混合流路８２は、分配部８３と第二混合部６１とを連通し、水蒸気Ｓの残部を第二混合部６１で改質ガスＭに混合する。
〔分配部〕
分配部８３は、水蒸気Ｓを原料ガス混合流路８１及び改質ガス混合流路８２に分配する。原料ガス混合流路８１及び改質ガス混合流路８２に分配する水蒸気Ｓの量は、触媒層Ｃに供給する原料ガスＲの供給量に対する水蒸気Ｓの混合量を決定することで原料ガス混合流路８１への水蒸気Ｓの分配量を決定し、残りの水蒸気Ｓが改質ガス混合流路８２に分配されるようにすることが好ましい。原料ガス混合流路８１への水蒸気Ｓの分配量は、例えば原料ガス混合流路８１を構成する配管の内径を選定することで調整することができる。
分配部８３は、水蒸気Ｓを原料ガス混合流路８１及び改質ガス混合流路８２に分配する。原料ガス混合流路８１及び改質ガス混合流路８２に分配する水蒸気Ｓの量は、触媒層Ｃに供給する原料ガスＲの供給量に対する水蒸気Ｓの混合量を決定することで原料ガス混合流路８１への水蒸気Ｓの分配量を決定し、残りの水蒸気Ｓが改質ガス混合流路８２に分配されるようにすることが好ましい。原料ガス混合流路８１への水蒸気Ｓの分配量は、例えば原料ガス混合流路８１を構成する配管の内径を選定することで調整することができる。
改質器４が、反応部２及びボイラー３を一体としてボイラー３が加熱器２１の熱を直接的に利用するもの、又は反応部２及びボイラー３を別体としてボイラー３が間接的に加熱器２１の熱を利用するものいずれにおいても、上記熱を一定の温度に保つことは容易ではない。上記熱の温度が変化すると、ボイラー３内の温度も変化をする。ボイラー３内の温度が上昇してボイラー３の耐熱温度に近づくと、冷却水Ｗの供給量を増加してボイラー３内の温度を低下させるが、この際に水蒸気Ｓの生成量が増大する。また、ボイラー３内の温度が低下をすると、冷却水Ｗの供給量を減少してボイラー３内の温度を水蒸気Ｓの生成に十分な温度まで上昇させるが、この際に水蒸気Ｓの生成量が低減する。このように生成される水蒸気Ｓの量が安定しないことで、原料ガスＲの量と、これに混合される水蒸気Ｓの量との比を安定させることができず、生成される改質ガスＭの品質及び最終製品である高純度水素ガスの品質も安定させることができないおそれがある。このため、水蒸気Ｓの分配量は、少なくとも過剰に原料ガスＲに混合されることを防止するため、一定の量を超えて原料ガス混合流路８１に供給されないように決定されることが好ましい。
（流量調整機構）
分配部８３が、水蒸気Ｓの圧力及び温度に基づいて原料ガス混合流路８１への水蒸気Ｓの流量を調整する流量調整機構を有することが好ましい。具体的には、分配部８３が、水蒸気排出路８に配設される圧力計８５及び温度計８６と、流量調整弁８７と、制御部（不図示）とを含むことが好ましい。このようにすることで、より安定して水蒸気Ｓを原料ガスＲに混合することができる。圧力計８５、温度計８６、及び流量調整弁８７それぞれと、制御部とは電気的に接続されている。
分配部８３が、水蒸気Ｓの圧力及び温度に基づいて原料ガス混合流路８１への水蒸気Ｓの流量を調整する流量調整機構を有することが好ましい。具体的には、分配部８３が、水蒸気排出路８に配設される圧力計８５及び温度計８６と、流量調整弁８７と、制御部（不図示）とを含むことが好ましい。このようにすることで、より安定して水蒸気Ｓを原料ガスＲに混合することができる。圧力計８５、温度計８６、及び流量調整弁８７それぞれと、制御部とは電気的に接続されている。
より具体的には、圧力計８５及び温度計８６は、分配部８３より上流側の水蒸気送出路８４に配設され、水蒸気Ｓの圧力及び温度を計測する。圧力計８５及び温度計８６は、分配部８３より下流側に配設することもできるが、分配部８３より上流側に配設してボイラー３が生成した直後の水蒸気Ｓの圧力及び温度を計測することが好ましい。圧力計８５及び温度計８６としては、特に限定されるものではないが、例えば、配管に付設して上記配管内の圧力及び温度を計測できるものとすることができる。又は、分配部８３が圧力計８５及び温度計８６を内蔵してもよい。圧力計８５及び温度計８６は、一体に形成され、圧力及び温度を計測できるものであってもよい。
制御部は、分配部８３内に配設されてもよいし、分配部８３と分離して配置されてもよい。制御部は、圧力計８５及び温度計８６が計測する水蒸気Ｓの圧力及び温度の計測値を電気信号として受信し、上記計測値に応じて原料ガス混合流路８１内の水蒸気Ｓの流量が予め定められた所定の量となるように水蒸気Ｓの流量を調整するための指示を流量調整弁８７に対して出力する。
流量調整弁８７は、分配部８３より下流側で、改質ガス混合流路８２に配設される。流量調整弁８７としては、特に限定されるものではないが、例えば、上記制御部からの指示を受信して弁の開口面積を拡縮することにより水蒸気Ｓの流量を調整できるものとすることができる。
水蒸気Ｓの圧力及び温度の計測値が低下すると、制御部は流量調整弁８７に弁の開口を縮小する指示を出力して改質ガス混合流路８２中の水蒸気Ｓの流量を減少させる。改質ガス混合流路８２中の水蒸気Ｓの流量を減少することで、ボイラー３から排出される水蒸気Ｓの量に対する原料ガス混合流路８１中の水蒸気Ｓの流量を相対的に増大させ、所定量の水蒸気Ｓを原料ガスＲに混合することができる。上記計測値が増加すると、制御部は流量調整弁８６に弁の開口を拡大する指示を出力して改質ガス混合流路８２中の水蒸気Ｓの流量を増加させる。改質ガス混合流路８２中の水蒸気Ｓの流量を増加することで、原料ガス混合流路８１中の水蒸気Ｓの流量が相対的に低減し、所定量の水蒸気Ｓを原料ガスＲに混合することができる。
このように、分配部８３が流量調整機構を有することで、ボイラー３が生成する水蒸気Ｓの量が増減しても原料ガス混合流路８１中の水蒸気Ｓの流量を一定とすることができる。すなわち、ボイラー３内の温度変化に応じてボイラー３への冷却水Ｗの供給量を増減することにより生成される水蒸気Ｓの量が増減しても、水蒸気Ｓと原料ガスＲとの混合比を常に一定とすることができ、高品質な改質ガスＭを安定して生成することができる。
ボイラー３の耐熱温度が触媒層Ｃの活性温度以下であることが好ましい。耐熱温度が触媒層Ｃの活性温度以下のボイラーを用いることで、改質ユニット１の低コスト化を図ることが容易にできる。
改質ガスＭを効率的に生成するのには触媒層Ｃの温度を７００℃以上とすることが好ましい。これに対して、水蒸気Ｓを生成するには、ボイラー３内を概ね２００℃以上４００℃以下とすることが好ましい。一般に、ボイラーは、耐熱温度が高くなると共にコストが高くなる。このため、触媒層Ｃの活性温度と同等の耐熱温度を有するボイラーを用いると、改質器４、改質ユニット１及び当該改質ユニット１を含む水素製造装置の低コスト化を図ることが困難になるおそれがある。耐熱温度が低いボイラーを用いると、ボイラー３内の温度が上記耐熱温度を超えないように、冷却水Ｗの供給量を多くかつ細目に調整することを要する。当該改質ユニット１は、水蒸気排出路８に原料ガス混合流路８１と改質ガス混合流路８２とを有するため、低コストで耐熱温度が低いボイラー３を用いることで冷却水Ｗの供給量が多くかつ頻繁に変動する場合でも所定量の水蒸気Ｓを原料ガスＲに混合することができる。
［水素製造装置］
本発明の他の一態様である水素製造装置は、改質ユニット１と、吸着塔とを主に備える。また、水素製造装置は、改質ガスＭを一時貯蔵する改質ガスバッファタンク、製品となる高純度水素ガスを貯蔵する製品ガスバッファタンク、上記吸着塔に含まれる吸着剤を再生する際に排出されるオフガスを貯蔵するオフガスバッファタンク、これらのバッファタンクと吸着塔等とを連通する各ガスの流通路等を有する。当該水素製造装置は、上記吸着塔を複数備えるのが好ましい。
本発明の他の一態様である水素製造装置は、改質ユニット１と、吸着塔とを主に備える。また、水素製造装置は、改質ガスＭを一時貯蔵する改質ガスバッファタンク、製品となる高純度水素ガスを貯蔵する製品ガスバッファタンク、上記吸着塔に含まれる吸着剤を再生する際に排出されるオフガスを貯蔵するオフガスバッファタンク、これらのバッファタンクと吸着塔等とを連通する各ガスの流通路等を有する。当該水素製造装置は、上記吸着塔を複数備えるのが好ましい。
＜吸着塔＞
吸着塔は、改質ガスＭ中の特定成分を圧力スウィング吸着法により吸着除去する。吸着塔は、ＴＳＡ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｗｉｎｇ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）法又はＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）法で再生可能な吸着剤が充填され、この吸着剤で改質ガスＭ中の水素以外の不純物を吸着して高純度の水素ガスを排出する。上記不純物としては、例えば、メタン、一酸化炭素、二酸化炭素、水分等である。
吸着塔は、改質ガスＭ中の特定成分を圧力スウィング吸着法により吸着除去する。吸着塔は、ＴＳＡ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｗｉｎｇ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）法又はＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）法で再生可能な吸着剤が充填され、この吸着剤で改質ガスＭ中の水素以外の不純物を吸着して高純度の水素ガスを排出する。上記不純物としては、例えば、メタン、一酸化炭素、二酸化炭素、水分等である。
吸着塔に充填される吸着剤としては、上記不純物を吸着し、水素を吸着しないものであれば特に限定されるものではない。また、上記不純物に応じて複数の吸着剤を吸着塔に充填してもよい。
［高純度水素ガスの製造方法］
当該水素製造装置で高純度水素ガスを製造する方法は、水蒸気Ｓを原料ガスＲに混合する工程と、水蒸気Ｓを含む原料ガスＲを反応部２に供給する工程と、水蒸気Ｓを含む原料ガスＲを改質して改質ガスＭを生成する工程と、水蒸気Ｓを改質ガスＭに混合して吸着塔に供給する工程と、吸着塔で水蒸気Ｓを混合した改質ガスＭ中の不純物を除去する工程とを主に有する。
当該水素製造装置で高純度水素ガスを製造する方法は、水蒸気Ｓを原料ガスＲに混合する工程と、水蒸気Ｓを含む原料ガスＲを反応部２に供給する工程と、水蒸気Ｓを含む原料ガスＲを改質して改質ガスＭを生成する工程と、水蒸気Ｓを改質ガスＭに混合して吸着塔に供給する工程と、吸着塔で水蒸気Ｓを混合した改質ガスＭ中の不純物を除去する工程とを主に有する。
＜原料ガス混合工程＞
原料ガスＲ混合工程では、原料ガスＲに水蒸気Ｓを混合する。具体的には、原料ガス送出部５１から送出された原料ガスＲと、ボイラー３で生成され、分配部８３で原料ガス混合流路８１に分配された水蒸気Ｓとを第一混合部５１で混合する。
原料ガスＲ混合工程では、原料ガスＲに水蒸気Ｓを混合する。具体的には、原料ガス送出部５１から送出された原料ガスＲと、ボイラー３で生成され、分配部８３で原料ガス混合流路８１に分配された水蒸気Ｓとを第一混合部５１で混合する。
＜原料ガス供給工程＞
原料ガス供給工程では、水蒸気Ｓを含む原料ガスＲを反応部２に供給する。具体的には、反応部２に含まれ、加熱器２１により加熱された触媒層Ｃに水蒸気Ｓを含む原料ガスＲを供給する。
原料ガス供給工程では、水蒸気Ｓを含む原料ガスＲを反応部２に供給する。具体的には、反応部２に含まれ、加熱器２１により加熱された触媒層Ｃに水蒸気Ｓを含む原料ガスＲを供給する。
＜改質工程＞
改質工程では、反応部２に供給された水蒸気Ｓを含む原料ガスＲを改質して改質ガスＭを生成する。具体的には、触媒層Ｃに供給された水蒸気Ｓを含む原料ガスＲが触媒層Ｃに含まれる酸化触媒、改質触媒、シフト触媒等を通過することにより水素濃度の高いガスに改質されて改質ガスＭが生成される。
改質工程では、反応部２に供給された水蒸気Ｓを含む原料ガスＲを改質して改質ガスＭを生成する。具体的には、触媒層Ｃに供給された水蒸気Ｓを含む原料ガスＲが触媒層Ｃに含まれる酸化触媒、改質触媒、シフト触媒等を通過することにより水素濃度の高いガスに改質されて改質ガスＭが生成される。
＜改質ガス供給工程＞
改質ガス供給工程では、水蒸気Ｓを改質ガスＭに混合して吸着塔に供給する。具体的には、触媒層Ｃで改質した改質ガスＭと、分配部８３で改質ガス混合流路８２に分配された水蒸気Ｓとを第二混合部６１で混合して吸着塔に供給する。水蒸気Ｓを含む改質ガスＭは、凝縮器９によって冷却されるのが好ましい。
改質ガス供給工程では、水蒸気Ｓを改質ガスＭに混合して吸着塔に供給する。具体的には、触媒層Ｃで改質した改質ガスＭと、分配部８３で改質ガス混合流路８２に分配された水蒸気Ｓとを第二混合部６１で混合して吸着塔に供給する。水蒸気Ｓを含む改質ガスＭは、凝縮器９によって冷却されるのが好ましい。
＜不純物除去工程＞
不純物除去工程では、水蒸気Ｓを含む改質ガスＭ中の不純物を吸着塔で除去する。具体的には、吸着塔に含まれる吸着剤が水蒸気Ｓを含む改質ガスＭ中の不純物を吸着して高純度水素ガスに精製する。高純度水素ガスは吸着塔から排出されて、製品ガスとして利用される。
不純物除去工程では、水蒸気Ｓを含む改質ガスＭ中の不純物を吸着塔で除去する。具体的には、吸着塔に含まれる吸着剤が水蒸気Ｓを含む改質ガスＭ中の不純物を吸着して高純度水素ガスに精製する。高純度水素ガスは吸着塔から排出されて、製品ガスとして利用される。
上記吸着塔は、吸着、減圧、洗浄及び均圧、昇圧、並びに吸着の一連の工程を順次切り替えて運転される。具体的には、上記不純物を吸着剤で吸着する吸着工程の終了後、吸着塔内の圧力を減圧する工程、及び得られた高純度水素ガスで吸着剤を洗浄する工程により、吸着した不純物を除去し、上記吸着剤を再生する。その後、上記吸着剤を再生した吸着塔を昇圧して高純度水素ガスの精製に再び供する。当該水素ガス製造装置が複数の吸着塔を備える場合、稼働中に少なくとも１の吸着塔が吸着工程となるように上記一連の工程のタイミングを各吸着塔でずらして行うことで、吸着と再生とを異なる吸着塔で同時に行うことが可能となり、連続的に高純度水素ガスを製造できる。
不純物除去工程では、水蒸気Ｓを含む改質ガスＭを冷媒により冷却しながら精製を行うとよい。このように吸着時に吸着塔内部に流通するガスを冷却することで、吸着剤による不純物の有効吸着量が増加し、吸着剤の必要量が低減することができ、当該水素製造装置を小型化することができる。
［利点］
当該改質ユニット１は、ボイラー３内の温度変化に応じて冷却水Ｗの供給量を増減することにより水蒸気Ｓの生成量が変動しても、原料ガスＲへの水蒸気Ｓの混合量を一定とすることが比較的容易にできる。よって、改質ガスＭを安定して生成することができる。
当該改質ユニット１は、ボイラー３内の温度変化に応じて冷却水Ｗの供給量を増減することにより水蒸気Ｓの生成量が変動しても、原料ガスＲへの水蒸気Ｓの混合量を一定とすることが比較的容易にできる。よって、改質ガスＭを安定して生成することができる。
また、当該改質ユニット１は、反応部２の加熱器２１の熱で水蒸気Ｓを生成するため、消費されるエネルギーを低減することができ、高品質な改質ガスＭを低コストで生成することができる。
当該水素製造装置は、改質ユニット１から高品質な改質ガスＭの安定した供給を受けることができるため、効率的に高純度水素ガスを生産することができる。
当該改質ユニット１の反応部２及びボイラー３を一体とすることで、当該改質ユニット１及び水素製造装置の小型化、低コスト及び起動時間の短縮を図ることが容易にできる。よって、当該改質ユニット１及び水素製造装置は、汎用性が高く、オフサイト型の水素ステーション、オンサイト型水素ステーションいずれに用いることができ、特に、営業日毎に起動及び停止を行う小規模のオンサイト型水素ステーションに好適に用いることができる。
［その他の実施形態］
上記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、上記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて上記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。
上記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、上記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて上記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。
上記実施形態において、配設部８３が有する流量調整機構の流量調整弁８７が改質ガス混合流路８２に配設されるものについて説明したが、流量調整弁８７は、原料ガス混合流路８１に配設してもよく、改質ガス混合流路８２及び原料ガス混合流路８１それぞれに配設してもよい。
本発明に係る改質ユニット及び水素製造装置は、高純度な水素ガスを製造する水素ガスステーション等に特に好適に利用することができる。
１ 改質ユニット
２ 反応部
２１ 加熱器
３ ボイラー
４ 改質器
５ 原料ガス供給路
５１ 第一混合部
５２ 混合原料ガス供給路
５３ 原料ガス送出部
５４ 原料ガス送出路
６ 改質ガス排出路
６１ 第二混合部
６２ 改質ガス送出路
６３ 混合改質ガス供給路
７ 冷却水供給路
７１ 冷却水送出部
８ 水蒸気排出路
８１ 原料ガス混合流路
８２ 改質ガス混合流路
８３ 分配部
８４ 水蒸気送出路
８５ 圧力計
８６ 温度計
８７ 流量調整弁
９ 凝縮器
Ｃ 触媒層
Ｍ 改質ガス
ＭＳ 混合改質ガス
Ｒ 原料ガス
ＲＳ 混合原料ガス
Ｓ 水蒸気
Ｗ 冷却水
２ 反応部
２１ 加熱器
３ ボイラー
４ 改質器
５ 原料ガス供給路
５１ 第一混合部
５２ 混合原料ガス供給路
５３ 原料ガス送出部
５４ 原料ガス送出路
６ 改質ガス排出路
６１ 第二混合部
６２ 改質ガス送出路
６３ 混合改質ガス供給路
７ 冷却水供給路
７１ 冷却水送出部
８ 水蒸気排出路
８１ 原料ガス混合流路
８２ 改質ガス混合流路
８３ 分配部
８４ 水蒸気送出路
８５ 圧力計
８６ 温度計
８７ 流量調整弁
９ 凝縮器
Ｃ 触媒層
Ｍ 改質ガス
ＭＳ 混合改質ガス
Ｒ 原料ガス
ＲＳ 混合原料ガス
Ｓ 水蒸気
Ｗ 冷却水
Claims (6)
- 水蒸気改質をする触媒層を含む反応部、及び上記触媒層を加熱する熱を用いて水蒸気を生成するボイラーを有する改質器と、
上記触媒層に上記水蒸気を含む原料ガスを供給する原料ガス供給路と、
上記触媒層から改質ガスを排出する改質ガス排出路と、
上記ボイラーに冷却水を供給する冷却水供給路と、
上記ボイラーで上記冷却水から生成した上記水蒸気を排出する水蒸気排出路と
を備え、
上記水蒸気排出路が、
上記水蒸気の一部を上記原料ガス供給路に供給する原料ガス混合流路と、
上記水蒸気の残部を上記改質ガス排出路に供給する改質ガス混合流路と、
上記水蒸気を上記原料ガス混合流路及び改質ガス混合流路に分配する分配部と
を有する改質ユニット。 - 上記分配部が、上記水蒸気の圧力及び温度に基づいて上記原料ガス混合流路への上記水蒸気の流量を調整する流量調整機構を含む請求項１に記載の改質ユニット。
- 上記ボイラーの耐熱温度が上記触媒層の活性温度以下である請求項１又は請求項２に記載の改質ユニット。
- 上記反応部及びボイラーが一体に構成されている請求項１、請求項２又は請求項３に記載の改質ユニット。
- 上記水蒸気を含む上記改質ガスと、上記冷却水とが熱交換する凝縮器をさらに備える請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の改質ユニット。
- 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の改質ユニットと、
吸着塔と
を備える水素製造装置。
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| WO2017134940A1 (ja) * | 2016-02-01 | 2017-08-10 | 株式会社ルネッサンス・エナジー・リサーチ | 水蒸気改質システム及び発電システム |
-
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