JP2023019891A - Hydrogen production device and operation method of hydrogen production device - Google Patents

Hydrogen production device and operation method of hydrogen production device Download PDF

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浩之 谷口
Hiroyuki Taniguchi
賢彦 内山
Masahiko Uchiyama
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Abstract

To provide a hydrogen production device for reducing an amount of fuel consumption in an operation state other than normal operation, and an operation method of the hydrogen production device.SOLUTION: A hydrogen production device 100 comprises: a compressor 105; a desulfurizer 110; a reformer 120; a transformer 130; a liquid gas separator 140; and a hydrogen purification unit 150, in which, there is also provided hydrogen circulation operation piping L51 for circulating hydrogen to an inlet of the compressor 105, from piping L4 coupling the liquid gas separator 140 and the hydrogen purification unit 150, and in hydrogen circulation operation in standby operation time, the hydrogen is circulated through the hydrogen circulation operation piping L51 while supplying pure water PW or steam.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、水素製造装置及び水素製造装置の運転方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a hydrogen production device and a method of operating a hydrogen production device.

従来、水素製造装置は、原料ガスとして例えば天然ガス、LPGなどの炭化水素類ガスを、水蒸気とともに改質装置に供給し、改質触媒で反応させて水素含有ガスを生成するものとして知られている(例えば、特許文献1及び2参照)。工業用途の水素製造装置は、一般的に連続して水素が消費されるため、昼夜連続運転されることが多い。また、昼夜連続運転であれば、効率が高くなり、結果的に水素単価を安くすることできる。 Conventionally, a hydrogen production apparatus is known to supply a hydrocarbon gas such as natural gas or LPG as a raw material gas to a reformer together with steam, and react it with a reforming catalyst to produce a hydrogen-containing gas. (See Patent Documents 1 and 2, for example). A hydrogen production apparatus for industrial use generally consumes hydrogen continuously, so it is often operated continuously day and night. In addition, if it is operated continuously day and night, the efficiency will be high, and as a result, the unit cost of hydrogen can be reduced.

一方、燃料電池自動車に水素を充填する水素ステーションなどに用いられる水素製造装置は、特に水素ステーションの普及期において、夜間営業を行わないことが想定されるため、営業時間外には、水素製造装置を停止する方が経済的であるといえる。 On the other hand, it is assumed that the hydrogen production equipment used in hydrogen stations that fill fuel cell vehicles with hydrogen will not operate at night, especially during the period when hydrogen stations become popular. It can be said that it is more economical to stop

そこで、特許文献1及び2にみられる水素製造装置では、水素を製造しない待機運転時に、すでに製造した水素又は水素リッチガスのみを循環させるようにしている。
また、他の水素製造装置では、原料ガスの供給量を最小限に低下させ(アイドリング運転)、製造された最小限の水素を、循環させたり、改質装置の燃焼バーナーに燃料として使用したりすることで自己消費している。
Therefore, in the hydrogen production apparatuses disclosed in Patent Documents 1 and 2, only already produced hydrogen or hydrogen-rich gas is circulated during standby operation in which hydrogen is not produced.
In other hydrogen production equipment, the amount of raw material gas supplied is reduced to the minimum (idling operation), and the minimum amount of hydrogen produced is circulated or used as fuel for the combustion burner of the reformer. self-consumption by doing.

特開2015-030655号公報JP 2015-030655 A 特開2016-000675号公報JP 2016-000675 A

しかしながら、特許文献1及び2にみられる水素製造装置のように、待機運転時に水素又は水素リッチガスのみを循環させるだけでは、水素製造装置の触媒が過還元される、という問題がある。また、待機運転から通常運転に復帰する場合に、復帰までの時間を要する、という問題がある。さらに、アイドリング運転で水素を自己消費させる場合は、通常運転への移行や通常運転からの復帰を迅速に行うことができるが、アイドリング運転時でも比較的多量の燃料を消費する、という問題がある。 However, as in the hydrogen production apparatuses disclosed in Patent Documents 1 and 2, there is a problem that the catalyst of the hydrogen production apparatus is over-reduced only by circulating hydrogen or hydrogen-rich gas during standby operation. In addition, there is a problem that it takes time to return from standby operation to normal operation. Furthermore, when hydrogen is self-consumed in idling operation, it is possible to quickly shift to normal operation and return from normal operation, but there is a problem that a relatively large amount of fuel is consumed even during idling operation. .

そこで、本発明は以上の課題に鑑みてなされたものであり、待機運転における燃料消費量を低減させることができる水素製造装置及び水素製造装置の運転方法を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a hydrogen production apparatus and a method of operating the hydrogen production apparatus that can reduce fuel consumption during standby operation.

本発明に係る1つの態様の水素製造装置は、圧縮機と、脱硫器と、改質器と、変成器と、気液分離器と、水素精製装置と、を備える水素製造装置であって、前記気液分離器と前記水素精製装置との間を接続する配管から、前記圧縮機の入口側へ水素を循環させる水素循環運転配管とを、更に備え、待機運転時の水素循環運転において、純水又は水蒸気を供給しながら、前記水素循環運転配管を介して前記水素を循環させるものである。 A hydrogen production apparatus according to one aspect of the present invention includes a compressor, a desulfurizer, a reformer, a shift converter, a gas-liquid separator, and a hydrogen purification apparatus, A hydrogen circulation operation pipe for circulating hydrogen from a pipe connecting between the gas-liquid separator and the hydrogen purifier to the inlet side of the compressor, and in hydrogen circulation operation during standby operation, pure While supplying water or steam, the hydrogen is circulated through the hydrogen circulation operation pipe.

本発明に係る別の1つの態様の水素製造装置の運転方法は、圧縮機と、脱硫器と、改質器と、変成器と、気液分離器と、水素精製装置と、を備える水素製造装置の運転方法であって、前記気液分離器と前記水素精製装置との間を接続する配管から、前記圧縮機の入口側へ水素を循環させる水素循環運転配管とを、更に備え、待機運転時の水素循環運転において、純水又は水蒸気を供給しながら、前記水素循環運転配管を介して前記水素を循環させる、ものである。 According to another aspect of the present invention, there is provided a hydrogen production apparatus operating method comprising a compressor, a desulfurizer, a reformer, a shift converter, a gas-liquid separator, and a hydrogen purification apparatus. A method for operating a device, further comprising a hydrogen circulation operation pipe for circulating hydrogen from a pipe connecting between the gas-liquid separator and the hydrogen refining device to an inlet side of the compressor, and performing standby operation. In the hydrogen circulation operation, the hydrogen is circulated through the hydrogen circulation operation pipe while supplying pure water or steam.

本発明によれば、通常運転以外の運転状態における燃料消費量を低減させる水素製造装置及び水素製造装置の運転方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the hydrogen production apparatus and the operating method of a hydrogen production apparatus which can reduce the fuel consumption in the operating states other than normal operation can be provided.

図1は、本発明に係る実施形態の水素製造装置の概略を示すシステム図である。FIG. 1 is a system diagram showing an outline of a hydrogen production apparatus according to an embodiment of the present invention. 図2は、水素製造装置の運転方法における運転要領Aを示すシステム図である。FIG. 2 is a system diagram showing an operating procedure A in the operating method of the hydrogen production apparatus. 図3は、水素製造装置の運転方法における運転要領Bを示すシステム図である。FIG. 3 is a system diagram showing an operating procedure B in the operating method of the hydrogen production apparatus. 図4は、水素製造装置の運転方法における運転要領Cを示すシステム図である。FIG. 4 is a system diagram showing an operating procedure C in the operating method of the hydrogen production apparatus. 図5は、水素製造装置の運転方法における運転要領Dを示すシステム図である。FIG. 5 is a system diagram showing an operating procedure D in the operating method of the hydrogen production apparatus. 図6は、水素製造装置の運転方法における運転要領Fを示すシステム図である。FIG. 6 is a system diagram showing an operating procedure F in the operating method of the hydrogen production apparatus.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本明細書の実施形態においては、全体を通じて、同一の部材には同一の符号を付している。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, in the embodiment of this specification, the same code|symbol is attached|subjected to the same member through the whole.

まず、水素製造装置100について説明する。図1は、本発明に係る実施形態の水素製造装置100の概略を示すシステム図である。 First, the hydrogen production device 100 will be described. FIG. 1 is a system diagram showing an outline of a hydrogen production device 100 of an embodiment according to the present invention.

水素製造装置100は、脱硫器110と、改質器120と、変成器130と、気液分離器140と、水素精製装置150と、を主要な装置として備えている。図1中、符号Gは原料ガス、Gは改質ガス、Gは排出ガス、Gは変成ガス、Gは精製ガス、OGはオフガス、を各々図示する。 The hydrogen production device 100 includes a desulfurizer 110, a reformer 120, a shift converter 130, a gas-liquid separator 140, and a hydrogen purification device 150 as main devices. In FIG. 1, G1 denotes raw material gas, G2 reformed gas, G3 exhaust gas, G4 transformed gas, G5 purified gas, and OG off gas.

脱硫器110は、例えば都市ガスやLPGなどの炭化水素系燃料に付臭剤として含有している硫黄成分を除去する。硫黄成分は後工程で使用される改質器120の改質用の触媒や転化触媒などの触媒毒になるために、あらかじめ原料ガスGに含有される硫黄成分をこの脱硫器110で除去する。 The desulfurizer 110 removes sulfur components contained as odorants in hydrocarbon fuels such as city gas and LPG. Since the sulfur component poisons the reforming catalyst and conversion catalyst of the reformer 120 used in the subsequent process, the sulfur component contained in the source gas G1 is removed in advance by the desulfurizer 110. .

具体的には、脱硫器110は、例えばCo-Mo系又はNi-Mo系などの水素化触媒と、硫化水素を吸着するZnO系脱硫触媒とから構成される水添脱硫触媒が充填された流路で構成されている。この脱硫器110は原料ガスGと、水素とを供給することで、水素添加(以下「水添」という)反応させ、硫黄成分を硫化水素に変換し、硫化水素を酸化亜鉛に取り込んで、硫化亜鉛とし、硫黄成分を除去する。この水添脱硫の反応式は、下記反応式(1)、(2)のとおりである。
CmHnS+H → CmHn+HS・・・(1)
S+ZnO → HO+ZnS・・・(2)
Specifically, the desulfurizer 110 is a flow filled with a hydrodesulfurization catalyst composed of, for example, a Co—Mo-based or Ni—Mo-based hydrogenation catalyst and a ZnO-based desulfurization catalyst that adsorbs hydrogen sulfide. made up of roads. The desulfurizer 110 is supplied with the raw material gas G1 and hydrogen to cause a hydrogenation (hereinafter referred to as "hydrogenation") reaction, convert the sulfur component into hydrogen sulfide, and incorporate the hydrogen sulfide into zinc oxide. Zinc sulfide is used and the sulfur component is removed. Reaction formulas of this hydrodesulfurization are as shown in the following reaction formulas (1) and (2).
CmHnS+ H2 →CmHn+ H2S (1)
H 2 S + ZnO → H 2 O + ZnS (2)

なお、脱硫器110は、本実施形態のような水添反応でなく、常温や高温で反応する硫黄化合物用吸着剤を用いて脱硫を行うものであってもよい。また、硫黄成分を含まない原料ガスGの場合には、脱硫器110を備える必要がない。 The desulfurizer 110 may perform desulfurization using a sulfur compound adsorbent that reacts at room temperature or high temperature instead of the hydrogenation reaction as in the present embodiment. Moreover, in the case of the source gas G1 containing no sulfur component, the desulfurizer 110 is not necessary.

改質器120は、原料ガスGに水蒸気(又は純水)を加え、高温(例えば650℃から900℃)下で後述する改質触媒(以下「触媒」という)に接触させることで、原料ガスGを改質して水素や一酸化炭素などの改質ガスGを生成する。この水蒸気改質の反応式は、下記反応式(3)、(4)のとおりである。
CmHn+mHO → mCO+(m+n/2)H ・・・(3)
CO+3H ←→ CH+HO・・・(4)
The reformer 120 adds steam (or pure water) to the raw material gas G1 and brings it into contact with a reforming catalyst (hereinafter referred to as “catalyst”) described later at a high temperature (for example, 650° C. to 900° C.) to convert the raw material into The gas G1 is reformed to produce a reformed gas G2 such as hydrogen or carbon monoxide. Reaction formulas of this steam reforming are as shown in the following reaction formulas (3) and (4).
CmHn+ mH2O →mCO+(m+n/2)H2 ( 3 )
CO+3H 2 ←→ CH 4 +H 2 O (4)

これら水蒸気改質反応は、吸熱反応となる。触媒の表面上に炭素を析出させないよう、混合する水蒸気/炭素比は約3倍であるとよい。 These steam reforming reactions are endothermic reactions. The mixed steam/carbon ratio should be about 3 times to avoid depositing carbon on the surface of the catalyst.

この改質器120は、水蒸気改質用の触媒が充填された触媒反応管が備えられている。この触媒反応管は、図示しない反応炉の内部に、複数本配列されて収納されている。 This reformer 120 is equipped with a catalytic reaction tube filled with a catalyst for steam reforming. A plurality of these catalyst reaction tubes are arranged and housed inside a reaction furnace (not shown).

そして、改質器120は、原料ガスGの一部や後述する水素精製装置150からのオフガスOGを燃料ガスとして、空気ブロア125から空気とともに燃焼バーナー126に供給し、反応炉内の触媒反応管を加熱する。 Then, the reformer 120 supplies a part of the raw material gas G1 and an offgas OG from a hydrogen refining device 150 described later as fuel gas to the combustion burner 126 together with air from the air blower 125 to cause a catalytic reaction in the reactor. Heat the tube.

変成器130は、改質器120から送出された改質ガスG中の一酸化炭素を水蒸気と反応させ、更に多くの水素Hを生成するものである。このCO変成の反応式は、下記反応式(5)のとおりである。
CO+HO ←→ CO+H・・・(5)
The shift converter 130 reacts carbon monoxide in the reformed gas G2 sent from the reformer 120 with water vapor to generate more hydrogen H2 . The reaction formula for this CO conversion is as shown in the following reaction formula (5).
CO+H 2 O ←→ CO 2 +H 2 (5)

この変成器130では、例えば200℃から500℃の反応温度に応じて、例えばFe-Cr系、Cu-Zn系又はPt系の触媒が用いられる。 In this shift converter 130, for example, Fe--Cr-based, Cu--Zn-based or Pt-based catalysts are used depending on the reaction temperature, eg, 200.degree. C. to 500.degree.

気液分離器140は、改質ガスGから凝縮水を排水として分離除去するものである。 The gas-liquid separator 140 separates and removes condensed water from the reformed gas G2 as waste water.

水素精製装置150は、吸着剤を用いて、水素H以外の一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水蒸気などのガスを吸着するもので、変成ガスGから水素Hのみを分離し、最終的に水素濃度を99.999%程度までにすることが可能なものである。この水素精製装置150で発生するオフガスOGは、改質器120の加熱用の燃料として用いられることがある。 The hydrogen purifier 150 uses an adsorbent to adsorb gases other than hydrogen H2 , such as carbon monoxide, carbon dioxide, methane, and water vapor . Generally, it is possible to make the hydrogen concentration up to about 99.999%. The offgas OG generated by the hydrogen purifier 150 may be used as fuel for heating the reformer 120 .

そして、水素製造装置100は、上述した主要な装置以外に、例えば、原料ガスGを圧縮し、脱硫器110に送給する圧縮器105を備えている。 The hydrogen production apparatus 100 includes, for example, a compressor 105 that compresses the raw material gas G1 and feeds it to the desulfurizer 110, in addition to the main apparatuses described above.

さらに、水素製造装置100には、下記の構成要素が備えられている。
(1)原料供給源160と圧縮器105とを接続する原料配管Lには原料調整弁Vが設けられている。
(2)圧縮器105と脱硫器110とは第2の配管Lにより接続されており、脱硫器110と改質器120とは第3の配管Lにより接続されている。この改質器120からは排出ガスGを排出するガス排出配管Lが接続されている。
(3)気液分離器140と水素精製装置150とを接続する取出配管Lには開閉弁Vが備えられている。
(4)水素精製装置150の出口側には精製された精製ガス(水素H)Gを取り出す水素取出配管Lが設けられている。この水素取出配管Lには水素調整弁Vが備えられている。
(5)原料供給源160から燃焼バーナー126には燃料用ガスとして原料ガスGを供給する燃料配管L11が設けられており、この燃料配管L11には燃料調整弁V11が備えられている。
(6)水素精製装置150から燃焼バーナー126にはオフガスOGを供給するオフガス配管L12が設けられており、このオフガス配管L12には、オフガスホルダ190とオフガス調整弁V12とが備えられている。
(7)純水供給源170から第3の配管Lに純水配管L31が接続され、この純水配管L31には純水調整弁V31が備えられている。この純水配管L31には図示しない熱交換器が設けられ、供給された純水を水蒸気に変換している。なお、別途水蒸気を直接供給するようにしてもよい。
(8)取出配管Lにはガスを排出するベント配管L42が設けられており、取出配管L内の圧力を解放するためのベント調整弁V42が備えられている。
(9)取出配管Lから原料配管Lにループさせる水素循環運転配管L51が設けられており、この水素循環運転配管L51には、循環開閉弁V51が備えられている。
(10)原料配管Lには、水素供給源180より水素Hを添加する水添配管L61が設けられており、この水添配管L61には水添調整弁V61が備えられている。
(11)水素取出配管Lと水添配管L61とには配管L62が接続され、精製された水素の一部は水添配管L61に供給されており、配管L62には、水添開閉弁V62が備えられている。
(12)水添配管L61に接続された配管L62の接続部と水素供給源180との間には水素導入開閉弁V63が備えられている。
なお、上記以外にも、例えば、改質器120と変成器130との間などにも配管が接続されており、また、図示しないが、各種機器のメンテナンス用バイパス管や開閉弁なども適宜設けられている。
Furthermore, the hydrogen production device 100 is equipped with the following components.
(1) A raw material pipe L1 connecting the raw material supply source 160 and the compressor 105 is provided with a raw material adjusting valve V1 .
(2) The compressor 105 and the desulfurizer 110 are connected by a second pipe L2 , and the desulfurizer 110 and the reformer 120 are connected by a third pipe L3 . A gas discharge pipe L7 for discharging the exhaust gas G3 is connected to the reformer 120 .
(3) The extraction pipe L4 connecting the gas-liquid separator 140 and the hydrogen purifier 150 is provided with an on-off valve V4 .
(4) On the outlet side of the hydrogen purifier 150, a hydrogen take-out pipe L5 for taking out the refined purification gas (hydrogen H2 ) G5 is provided. This hydrogen extraction pipe L5 is equipped with a hydrogen control valve V5 .
(5) A fuel pipe L11 for supplying the raw material gas G1 as a fuel gas from the raw material supply source 160 to the combustion burner 126 is provided, and the fuel pipe L11 is provided with a fuel control valve V11 . there is
(6) An offgas pipe L12 for supplying offgas OG from the hydrogen purifier 150 to the combustion burner 126 is provided, and this offgas pipe L12 is provided with an offgas holder 190 and an offgas control valve V12 . there is
(7) A pure water pipe L 31 is connected from the pure water supply source 170 to the third pipe L 3 , and the pure water pipe L 31 is provided with a pure water regulating valve V 31 . A heat exchanger (not shown) is provided in the pure water pipe L31 to convert the supplied pure water into steam. Alternatively, steam may be directly supplied.
(8) The take-out pipe L4 is provided with a vent pipe L42 for discharging gas, and is equipped with a vent control valve V42 for releasing the pressure in the take-out pipe L4 .
(9) A hydrogen circulation operation pipe L 51 that loops from the extraction pipe L 4 to the raw material pipe L 1 is provided, and this hydrogen circulation operation pipe L 51 is provided with a circulation on-off valve V 51 .
(10) The raw material pipe L1 is provided with a hydrogenation pipe L61 for adding hydrogen H2 from the hydrogen supply source 180, and the hydrogenation pipe L61 is equipped with a hydrogenation control valve V61 . there is
(11 ) A pipe L 62 is connected to the hydrogen extraction pipe L 5 and the hydrogenation pipe L 61 , and part of the purified hydrogen is supplied to the hydrogenation pipe L 61 . An auxiliary on-off valve V62 is provided.
(12) Between the connecting portion of the pipe L 62 connected to the hydrogenation pipe L 61 and the hydrogen supply source 180, a hydrogen introduction opening/closing valve V 63 is provided.
In addition to the above, pipes are also connected, for example, between the reformer 120 and the transformer 130. Although not shown, bypass pipes for maintenance of various devices and on-off valves are also provided as appropriate. It is

このような構成により、水素製造装置100は、圧縮器105を介して原料ガスGを脱硫器110に送り、硫黄成分を除去し、その後、脱硫後の原料ガスGを純水PW(水蒸気)とともに改質器120に供給し、水素Hを含む改質ガスGを生成し、改質ガスGを変成器130に送り、さらに、水素Hを生成し変成ガスGとし、変成ガスGから気液分離器140で液体を分離し、水素精製装置150で水素H以外をオフガスOGとして吸着して、精製ガスGである水素Hを多量に製造する。 With such a configuration, the hydrogen production apparatus 100 sends the raw material gas G1 to the desulfurizer 110 through the compressor 105 to remove the sulfur component, and then converts the raw material gas G1 after desulfurization into pure water PW (water vapor ) to the reformer 120 to generate a reformed gas G2 containing hydrogen H2 , send the reformed gas G2 to the shift converter 130, further generate hydrogen H2 as a reformed gas G4 , A gas-liquid separator 140 separates the liquid from the modified gas G4 , and a hydrogen refining device 150 adsorbs off-gases other than hydrogen H2 as offgas OG to produce a large amount of hydrogen H2 as the purified gas G5 .

(運転要領A)
図2は、水素製造装置100の運転方法における運転要領Aを示すシステム図である。
図2に示すように、この運転要領Aは、通常運転中の状態を示している。運転要領Aでは水素精製装置150からの精製ガスGの一部の水素Hが、脱硫器110の水素化反応のため、水添配管L61などを介して循環されている。なお、図2から図6の開閉弁又は調整弁Vnにおいて、白抜きは開状態であり、塗り潰しは、閉状態を示し、また、圧縮器105及び水素精製装置150において、白抜きはオン状態であり、塗り潰しは、オフ状態を示す。
(Operating procedure A)
FIG. 2 is a system diagram showing an operating procedure A in the operating method of the hydrogen production device 100. As shown in FIG.
As shown in FIG. 2, this operating procedure A indicates a state during normal operation. In the operating procedure A, a portion of the hydrogen H 2 of the purified gas G 5 from the hydrogen purifier 150 is circulated through the hydrogenation pipe L 61 and the like for the hydrogenation reaction of the desulfurizer 110 . 2 to 6, the open state of the on-off valve or the regulating valve Vn is shown in open state, and the solid state is shown in the closed state. Yes, solid indicates off state.

(運転要領B)
図3は、水素製造装置100の運転方法における運転要領Bを示すシステム図である。
図3に示すように、この運転要領Bは、水素製造運転から待機運転に移行する状態を示しており、原料調整弁Vを閉状態にして原料供給源160からの原料ガスG1の供給を遮断し、取出調整弁Vを閉状態にしており、水素製造装置100による水素Hの製造を停止している。
(Operating procedure B)
FIG. 3 is a system diagram showing an operating procedure B in the operating method of the hydrogen production device 100. As shown in FIG.
As shown in FIG . 3, this operating procedure B shows a state in which the hydrogen production operation is shifted to the standby operation. is shut off, the take-out regulating valve V5 is closed, and the production of hydrogen H2 by the hydrogen production device 100 is stopped.

このとき、圧縮器105及び水素精製装置150も停止する。そして、圧縮器105を停止する際に、水添調整弁V61を閉状態にし、水素精製装置150を停止する際に、開閉弁V、オフガス調整弁V12及び循環開閉弁V62を閉状態にする。 At this time, the compressor 105 and the hydrogen purifier 150 are also stopped. When the compressor 105 is stopped, the hydrogenation control valve V61 is closed, and when the hydrogen purification device 150 is stopped, the on-off valve V4 , the offgas control valve V12 , and the circulation on-off valve V62 are closed. state.

そして、図3に示すように、純水供給源170からの純水PWの供給は継続しながら、純水調整弁V31の流量調整によって純水PWの供給量を低下させる。また、原料供給源160からの燃料配管L11を介しての原料ガスG1の供給は継続し、燃焼バーナー126の燃焼を継続する。そして、改質器120の改質温度を所定温度(例えば800℃から900℃)に保持するよう、燃料調整弁V11の開度調整を行う。さらに、ベント調整弁V42より、原料配管L~取出配管Lの改質系配管の改質プロセスガスをベントガスGとして外部へ排気する。 Then, as shown in FIG. 3, while continuing to supply the pure water PW from the pure water supply source 170, the amount of pure water PW supplied is reduced by adjusting the flow rate of the pure water control valve V31 . Further, the supply of the raw material gas G 1 from the raw material supply source 160 through the fuel pipe L 11 is continued, and the combustion of the combustion burner 126 is continued. Then, the opening degree of the fuel control valve V11 is adjusted so that the reforming temperature of the reformer 120 is maintained at a predetermined temperature (for example, 800° C. to 900° C.). Further, the reforming process gas of the reforming system pipes from the raw material pipe L 1 to the extraction pipe L 4 is discharged to the outside as the vent gas G 6 from the vent control valve V 42 .

つまり、この運転要領Bでは、改質器120の加熱を維持しながら、原料調整弁Vから取出調整弁Vまでの原料配管L~取出配管Lに残されたガス(改質プロセスガス)を、強制的に開放したベント調整弁V42からベントガスGとして排気する。なお、水素精製装置150では、吸着塔が通常運転時の圧力に保持され、また、水素H以外のオフガスOGが吸着されたままの状態であるため、脱圧する。 In other words , in this operating procedure B , while maintaining the heating of the reformer 120 , the gas (reforming process gas) is exhausted as vent gas G6 through the forced open vent control valve V42 . In the hydrogen purifier 150, the adsorption tower is held at the pressure during normal operation, and since the off-gas OG other than hydrogen H2 is still adsorbed, the pressure is released.

(運転要領C)
図4は、水素製造装置100の運転方法における運転要領Cを示すシステム図である。
図4に示すように、この運転要領Cは、待機運転(水素循環運転)への移行中の状態を示しており、改質器120の温度を制御しながら、原料配管L~取出配管Lの改質系配管をパージ用水素Hで満たすように(置換)する。このパージ用の水素は水素供給源180から供給される。なお、この水素供給源180は水素ボンベであってもよいし、精製ガスGの一部の水素H2を導入するようにしてもよい。
(Operating procedure C)
FIG. 4 is a system diagram showing an operating procedure C in the operating method of the hydrogen production device 100. As shown in FIG.
As shown in FIG. 4, this operating procedure C shows a state during transition to standby operation (hydrogen circulation operation). 4 is filled (replaced) with hydrogen H 2 for purging. The hydrogen for this purge is supplied from hydrogen source 180 . The hydrogen supply source 180 may be a hydrogen cylinder, or may be introduced with a portion of the hydrogen H2 of the refined gas G5 .

(運転要領D)
図5は、水素製造装置100の運転方法における運転要領Dを示すシステム図である。
図5に示すように、この運転要領Dは、待機運転(水素循環運転)中の状態を示しており、改質器120の所定の加熱温度を維持しつつ、また純水PWの供給を継続しながら、パージした水素Hを、水素循環運転配管L51を介して循環させる、水素循環運転を行う。なお、この運転要領Dにおいては、改質器120の加熱温度は通常運転時の加熱温度よりも幾分低い温度(例えば50℃から150℃)に低下させ、例えば600℃から850℃の加熱温度で運転するようにしている。これにより、原料ガスGの燃料消費量の削減を図ることができる。
(Operating procedure D)
FIG. 5 is a system diagram showing an operating procedure D in the operating method of the hydrogen production device 100. As shown in FIG.
As shown in FIG. 5, this operating procedure D shows a state during standby operation (hydrogen circulation operation), and while maintaining a predetermined heating temperature of the reformer 120, the supply of pure water PW is continued. Meanwhile, the hydrogen circulation operation is performed by circulating the purged hydrogen H 2 through the hydrogen circulation operation pipe L 51 . In this operation procedure D, the heating temperature of the reformer 120 is lowered to a temperature slightly lower than the heating temperature during normal operation (for example, 50° C. to 150° C.), for example, the heating temperature is 600° C. to 850° C. I try to drive in As a result, the fuel consumption of the source gas G1 can be reduced.

原料ガスGの供給停止後、図4に示す運転要領Cにおける水素Hによる置換が完了したら、水添調整弁V61及び水素開閉弁V63を閉状態にして、原料配管L~取出配管Lの改質系配管への水素Hの供給を停止し、水素循環運転配管L51の循環運転開閉弁V51を開状態にし、また、圧縮器105をオンにして、純水PWの供給を継続しながら、パージした水素Hを改質系配管及び水素循環運転配管L51で循環させる水素循環運転とする。 After the supply of the raw material gas G 1 is stopped, when the replacement with hydrogen H 2 in the operation procedure C shown in FIG. The supply of hydrogen H 2 to the reforming system pipe of the pipe L 4 is stopped, the circulation operation on-off valve V 51 of the hydrogen circulation operation pipe L 51 is opened, the compressor 105 is turned on, and the pure water PW While continuing the supply of , the hydrogen circulation operation is performed in which the purged hydrogen H 2 is circulated through the reforming system pipe and the hydrogen circulation operation pipe L 51 .

図5において、圧力検出器Pによる気液分離器140の出口、つまり、取出配管Lの圧力の検出値が所定圧力(例えば0.1MPaG)まで低下した場合には、図4に示す運転要領Cのように、水添調整弁V61及び水素開閉弁V63を開状態にし、圧縮器105の入口側から原料配管L~取出配管Lの改質系配管に水素供給源180からの水素Hを導入し、所定圧力まで復帰させ、パージ運転中の所定圧力(例えば0.15MPaG)を維持するようにしている。 In FIG. 5, when the pressure detected by the pressure detector P at the outlet of the gas-liquid separator 140, that is, the pressure of the extraction pipe L4 drops to a predetermined pressure (for example, 0.1 MPaG), the operating procedure shown in FIG. C, the hydrogenation control valve V 61 and the hydrogen on-off valve V 63 are opened, and from the inlet side of the compressor 105 to the reforming system pipes of the raw material pipe L 1 to the take-out pipe L 4 , the hydrogen supply source 180 Hydrogen H 2 is introduced to restore the pressure to a predetermined pressure, and the predetermined pressure (for example, 0.15 MPaG) is maintained during the purge operation.

(運転要領E)
この運転要領Eは、待機運転から通常運転への復帰への移行中の状態を示しており、図5において、純水PWの供給量を純水調整弁V31の開度を調整して増大させるとともに、改質器120を通常運転の所定の加熱温度(例えば650℃から900℃)に戻すために、原料供給源160からの原料ガスG1の供給を燃焼バーナー126に行い、改質器120内の昇温を開始する。
(Operating procedure E)
This operating procedure E shows a state during transition from standby operation to return to normal operation, and in FIG . In addition, in order to return the reformer 120 to a predetermined heating temperature (for example, 650° C. to 900° C.) for normal operation, the raw material gas G 1 is supplied from the raw material supply source 160 to the combustion burner 126, and the reformer Start heating in 120 .

(運転要領F)
図6は、水素製造装置100の運転方法における運転要領Fを示すシステム図である。
図6に示すように、この運転要領Fは、改質器120の触媒反応温度、つまり、改質器120の反応炉の温度検出器Tの検出値が所定温度(例えば800℃から900℃)に到達したら、水素循環運転開閉弁V51を閉状態にして、水素循環を停止し、原料調整弁Vを開状態にして、原料ガスG1を導入する。最終的には、水素精製装置150を運転して、水素Hの製造を開始し、図2に示す運転要領Aの運転状態に戻る。
(Operating procedure F)
FIG. 6 is a system diagram showing an operating procedure F in the operating method of the hydrogen production device 100. As shown in FIG.
As shown in FIG. 6, in this operating procedure F, the catalyst reaction temperature of the reformer 120, that is, the detected value of the temperature detector T of the reaction furnace of the reformer 120 is a predetermined temperature (for example, 800° C. to 900° C.). , the hydrogen circulation operation opening/closing valve V51 is closed to stop hydrogen circulation, the raw material control valve V1 is opened, and the raw material gas G1 is introduced. Ultimately, the hydrogen refining device 150 is operated to start producing hydrogen H 2 , and the operating state of the operating procedure A shown in FIG. 2 is restored.

以上説明したとおり、本発明に係る実施形態の水素製造装置100は、圧縮器105と、脱硫器110と、改質器120と、変成器130と、気液分離器140と、水素精製装置150と、を備える水素製造装置100であって、気液分離器140と水素精製装置150との間を接続する取出配管Lから、圧縮器105の入口側へループする水素循環運転配管L51とを、更に備え、待機運転時の水素循環運転において、純水PW又は水蒸気を供給しながら、水素循環運転配管L51を介して水素Hを循環させるものである。 As described above, the hydrogen production device 100 according to the embodiment of the present invention includes the compressor 105, the desulfurizer 110, the reformer 120, the shift converter 130, the gas-liquid separator 140, and the hydrogen purification device 150. and a hydrogen circulation operation pipe L 51 that loops from the extraction pipe L 4 connecting between the gas-liquid separator 140 and the hydrogen purification device 150 to the inlet side of the compressor 105 is further provided, and hydrogen H2 is circulated through the hydrogen circulation operation pipe L51 while supplying pure water PW or steam in hydrogen circulation operation during standby operation.

これにより、通常運転以外の運転状態、例えば待機運転時における原料ガスG1の燃料消費量を大幅に低減させることができる。この待機運転時の原料ガスG1(例えば都市ガス)消費量は、水素製造装置100の定格運転時を100とすると、1/10以下の7.5であり、非常に少なくすることができ、原料ガスGの使用量の削減効果を発揮することができた。なお、水素製造量を低くしたアイドル運転時は、定格運転時100に対して18~20程度であった。 As a result, it is possible to significantly reduce the fuel consumption of the raw material gas G1 in an operating state other than normal operation, for example, during standby operation. The raw material gas G 1 (for example, city gas) consumption during this standby operation is 7.5, which is 1/10 or less when the rated operation of the hydrogen production device 100 is 100, and can be greatly reduced. The effect of reducing the amount of raw material gas G1 used could be exhibited. It should be noted that during idling with a low hydrogen production rate, it was about 18 to 20 compared to 100 during rated operation.

また、実施形態の水素製造装置100では、起動から通常運転への起動時間は、4時間程度であったのに対して、待機運転から通常運転への復帰時間は、1時間程度と復帰時間を早くすることができた。さらに、水素H以外に水蒸気も供給されているため、改質器120や変成器130の各々の触媒が、過還元されることもない。 In addition, in the hydrogen production apparatus 100 of the embodiment, the startup time from startup to normal operation was about 4 hours, whereas the recovery time from standby operation to normal operation was about 1 hour. I was able to do it quickly. Furthermore, since water vapor is also supplied in addition to the hydrogen H2 , the catalysts of the reformer 120 and the shift converter 130 are not overreduced.

実施形態では、待機運転時の水素循環運転において、改質器120の加熱温度を例えば600℃以上850℃以下としてもよく、理想的には通常時(水素製造時)と同じ温度に保持するとよい。これにより、原料ガスGの消費量を抑えながら、改質器120の温度を高温に保持することができる。そのため、水素製造装置100を構成する構成部材110~140の各種機器や図示していない熱交換器などの熱負荷を低減させることができ、装置・機器などの寿命を延ばすことができる。ただし、改質器120の加熱温度は、低い方が燃料消費量を抑えられるため、待機運転時の加熱温度(保持温度)は、待機運転の頻度や時間を考慮して適宜設定するとよい。 In the embodiment, in the hydrogen circulation operation during the standby operation, the heating temperature of the reformer 120 may be, for example, 600° C. or higher and 850° C. or lower, and ideally the same temperature as during normal operation (during hydrogen production). . Thereby, the temperature of the reformer 120 can be kept high while suppressing the consumption of the source gas G1 . Therefore, it is possible to reduce the heat load on various devices of the constituent members 110 to 140 constituting the hydrogen production device 100 and heat exchangers (not shown), thereby extending the life of the devices and devices. However, since the lower the heating temperature of the reformer 120, the more fuel consumption can be suppressed, the heating temperature (holding temperature) during standby operation should be appropriately set in consideration of the frequency and time of standby operation.

さらに、改質器120で加熱された水素H及び水蒸気を供給させることで、変成器130も間接的に加熱することができる。さらに別途ヒータを設置している場合は、ヒータで加熱することで温度を200℃から350℃程度に維持するようにしてもよい。 Further, by supplying the hydrogen H 2 and steam heated by the reformer 120, the shift converter 130 can also be indirectly heated. Furthermore, when a separate heater is installed, the temperature may be maintained at about 200° C. to 350° C. by heating with the heater.

本実施形態では、待機運転時の水素循環運転において、水素循環運転配管L51の圧力を、大気圧から通常運転圧の範囲内で、例えば0.3MPaG以下より好ましくは0.2MPaGとしてもよい。つまり、待機運転時には水素精製装置150を使用していないので、循環系配管の圧力を低圧にすることができる。そのため、待機運転時の水素循環運転において、圧力をより低くする方が、水素循環に使用する圧縮器105の動力を低減することができ、好ましい。 In this embodiment, in the hydrogen circulation operation during the standby operation, the pressure of the hydrogen circulation operation pipe L51 may be set within the range from the atmospheric pressure to the normal operation pressure, for example, 0.3 MPaG or less, preferably 0.2 MPaG. That is, since the hydrogen purifier 150 is not used during the standby operation, the pressure in the circulation pipe can be reduced. Therefore, in the hydrogen circulation operation during the standby operation, it is preferable to lower the pressure so that the power of the compressor 105 used for hydrogen circulation can be reduced.

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications, Change is possible.

100 水素製造装置
105 圧縮器
110 脱硫器
120 改質器
125 空気ブロア
126 燃焼バーナー
130 変成器
140 気液分離器
150 水素精製装置
160 原料供給源
170 純水供給源
180 水素供給源
190 オフガスホルダ
Vn 開閉弁又は調整弁
Ln 配管
原料ガス
改質ガス
排出ガス
変成ガス
精製ガス
ベントガス
OG オフガス
PW 純水
P 圧力検出器
T 温度検出器
100 Hydrogen production device 105 Compressor 110 Desulfurizer 120 Reformer 125 Air blower 126 Combustion burner 130 Shift converter 140 Gas-liquid separator 150 Hydrogen refining device 160 Raw material supply source 170 Pure water supply source 180 Hydrogen supply source 190 Offgas holder Vn Opening and closing Valve or regulating valve Ln Piping G 1 Source gas G 2 Reformed gas G 3 Exhaust gas G 4 Transformed gas G 5 Purified gas G 6 Vent gas OG Off gas PW Pure water P Pressure detector T Temperature detector

Claims (7)

圧縮機と、脱硫器と、改質器と、変成器と、気液分離器と、水素精製装置と、を備える水素製造装置であって、
前記気液分離器と前記水素精製装置との間を接続する配管から、前記圧縮機の入口側へ水素を循環させる水素循環運転配管とを、更に備え、
待機運転時の水素循環運転において、純水又は水蒸気を供給しながら、前記水素循環運転配管を介して前記水素を循環させる、
ことを特徴とする水素製造装置。
A hydrogen production device comprising a compressor, a desulfurizer, a reformer, a shift converter, a gas-liquid separator, and a hydrogen purification device,
Further comprising a hydrogen circulation operation pipe for circulating hydrogen from a pipe connecting between the gas-liquid separator and the hydrogen purification device to the inlet side of the compressor,
In the hydrogen circulation operation during standby operation, the hydrogen is circulated through the hydrogen circulation operation pipe while supplying pure water or steam.
A hydrogen production device characterized by:
待機運転時の水素循環運転において、前記改質器の加熱温度を600℃以上850℃以下とする、
ことを特徴とする請求項1に記載の水素製造装置。
In hydrogen circulation operation during standby operation, the heating temperature of the reformer is set to 600 ° C. or higher and 850 ° C. or lower,
The hydrogen production apparatus according to claim 1, characterized by:
待機運転時の水素循環運転において、前記水素循環運転配管の圧力を0.3MPaG以下とする、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の水素製造装置。
In hydrogen circulation operation during standby operation, the pressure of the hydrogen circulation operation pipe is set to 0.3 MPaG or less,
3. The hydrogen production device according to claim 1 or 2, characterized in that:
前記水素製造装置は、前記脱硫器と前記改質器とを接続する配管に純水を供給する純水供給源と、
前記純水の供給量を調整する純水調整弁と、を更に備える、
ことを特徴とする請求項1から3までのいずれか1項に記載の水素製造装置。
The hydrogen production apparatus includes a pure water supply source that supplies pure water to a pipe connecting the desulfurizer and the reformer;
and a pure water adjustment valve that adjusts the supply amount of the pure water,
The hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 3, characterized in that:
圧縮機と、脱硫器と、改質器と、変成器と、気液分離器と、水素精製装置と、を備える水素製造装置の運転方法であって、
前記気液分離器と前記水素精製装置との間を接続する配管から、前記圧縮機の入口側へ水素を循環させる水素循環運転配管とを、更に備え、
待機運転時の水素循環運転において、純水又は水蒸気を供給しながら、前記水素循環運転配管を介して前記水素を循環させる、
ことを特徴とする水素製造装置の運転方法。
A method of operating a hydrogen production device comprising a compressor, a desulfurizer, a reformer, a shift converter, a gas-liquid separator, and a hydrogen purification device,
Further comprising a hydrogen circulation operation pipe for circulating hydrogen from a pipe connecting between the gas-liquid separator and the hydrogen purification device to the inlet side of the compressor,
In the hydrogen circulation operation during standby operation, the hydrogen is circulated through the hydrogen circulation operation pipe while supplying pure water or steam.
A method for operating a hydrogen production apparatus, characterized by:
待機運転時の水素循環運転において、前記改質器の加熱温度を600℃以上850℃以下とする、
ことを特徴とする請求項5に記載の水素製造装置の運転方法。
In hydrogen circulation operation during standby operation, the heating temperature of the reformer is set to 600 ° C. or higher and 850 ° C. or lower,
The operating method of the hydrogen production apparatus according to claim 5, characterized in that:
待機運転時の水素循環運転において、前記水素循環運転配管の圧力を0.3MPaG以下とする、
ことを特徴とする請求項5又は6に記載の水素製造装置の運転方法。
In hydrogen circulation operation during standby operation, the pressure of the hydrogen circulation operation pipe is set to 0.3 MPaG or less,
7. The operating method of the hydrogen production apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that:
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