JP2023092636A - Purge method and system - Google Patents

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Abstract

To provide a method and system for more quickly purging a flammable gas of hydrocarbons adsorbed on an adsorbent in a hydrogen production process that includes a desulfurization step and a steam reforming step.SOLUTION: The present invention provides a method for purging hydrocarbons adsorbed on an adsorbent in a hydrogen production process, the method including (i) a desulfurization step in which sulfur or sulfur compounds, which are impurities, are removed from a feed stream containing sulfur or sulfur compounds and hydrocarbons by using an adsorbent, and (ii) a steam reforming step in which the desulfurized feed stream containing hydrocarbons is subjected to steam reforming with heating by a burner in the presence of a steam reforming catalyst to obtain a mixture of carbon monoxide and hydrogen. In the purge method, a carbon dioxide-containing gas, preferably a carbon dioxide-containing combustion exhaust gas discharged from the burner in the steam reforming step, is used to purge the hydrocarbons adsorbed on the adsorbent.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、水素製造プロセスにおいて不純物を除去するための吸着材に吸着した炭化水素を効率的にパージする方法に関する。また、本発明は、水素製造装置において不純物を除去するための吸着材に吸着した炭化水素を効率的にパージするシステムに関する。 The present invention relates to a method for efficiently purging hydrocarbons adsorbed on an adsorbent for removing impurities in a hydrogen production process. The present invention also relates to a system for efficiently purging hydrocarbons adsorbed on an adsorbent for removing impurities in a hydrogen production apparatus.

近年、環境問題から新エネルギー技術が脚光を浴びており、この新エネルギー技術の一つとして燃料電池などの水素利用システムが注目されている。水素利用システムに使用される水素源としては、天然ガスを主成分とする都市ガス、天然ガス、LPG、ナフサ、灯油等の石油系の炭化水素が知られている。これらの中でも、都市ガスや、LPG等の石油系の炭化水素は、供給システムが整備されていることから、水素源として有利である。このような炭化水素を用いて水素を製造する場合、改質工程としては、一般に、水蒸気改質方式もしくは部分酸化改質方式が用いられる。水蒸気改質方式では、水蒸気改質触媒の存在下、炭化水素および水を加熱することによる改質反応によって水素および一酸化炭素が生成される。 In recent years, new energy technologies have been in the limelight due to environmental problems, and hydrogen utilization systems such as fuel cells have attracted attention as one of these new energy technologies. Petroleum hydrocarbons, such as city gas, natural gas, LPG, naphtha, and kerosene, are known as hydrogen sources used in hydrogen utilization systems. Among these, petroleum-based hydrocarbons such as city gas and LPG are advantageous as hydrogen sources because of the well-developed supply systems. When hydrogen is produced using such hydrocarbons, a steam reforming method or a partial oxidation reforming method is generally used as the reforming process. In the steam reforming method, hydrogen and carbon monoxide are produced by a reforming reaction by heating hydrocarbons and water in the presence of a steam reforming catalyst.

しかしながら、改質工程の原料となる都市ガスやLPG等の石油系炭化水素には、硫黄や、ジメチルサルファイド(DMS)、ターシャリーブチルメルカプタン(TBM)、テトラヒドロチオフェン(THT)等の硫黄化合物が含有されている。水素製造のための改質工程として水蒸気改質方式を採用する場合、水蒸気改質触媒は、これら硫黄化合物によって被毒され、著しく活性低下が進行するため、水素製造装置の改質器の前段に原料の脱硫工程を行う必要がある。このような脱硫工程としては、常温吸着脱硫方式および水添脱硫方式等の様々な硫黄化合物の除去法が提案されている。 However, petroleum hydrocarbons such as city gas and LPG, which are raw materials for the reforming process, contain sulfur and sulfur compounds such as dimethyl sulfide (DMS), tertiary butyl mercaptan (TBM), and tetrahydrothiophene (THT). It is When the steam reforming method is adopted as the reforming process for hydrogen production, the steam reforming catalyst is poisoned by these sulfur compounds, and the activity declines significantly. It is necessary to perform a desulfurization process for the raw material. As such a desulfurization process, various methods for removing sulfur compounds, such as a normal temperature adsorption desulfurization method and a hydrodesulfurization method, have been proposed.

常温吸着脱硫方式に用いられる吸着材の典型例としては、ゼオライトが挙げられる。ゼオライトとしては、例えば、Y型ゼオライトに銀を担持したAg-Y型ゼオライト等が知られている(特許文献1参照)。 Zeolite is a typical example of the adsorbent used in the normal temperature adsorption desulfurization method. As a zeolite, for example, an Ag—Y type zeolite in which silver is supported on a Y type zeolite is known (see Patent Document 1).

特許第4026700号Patent No. 4026700

ゼオライト等の吸着材は、吸着した硫黄化合物によって飽和すると原料中の硫黄化合物を除去できなくなってしまうため、飽和の都度に吸着材の抜出及び再充填作業が必要となる。都市ガスやLPG等の石油系炭化水素などの被処理炭化水素は可燃性ガスであることから、ゼオライト等の吸着材の抜出に当たっては、パージ(脱着・除去)用のガスを流通させることによって、吸着材の細孔内に吸着している炭化水素の可燃性ガスをパージし、安全性を確保する必要がある。 When an adsorbent such as zeolite becomes saturated with adsorbed sulfur compounds, it becomes impossible to remove the sulfur compounds in the raw material. Hydrocarbons to be treated, such as petroleum hydrocarbons such as city gas and LPG, are combustible gases. , it is necessary to purge the combustible gas of hydrocarbons adsorbed in the pores of the adsorbent to ensure safety.

このようにゼオライト等の吸着材の細孔内に吸着しているLPG等の炭化水素をパージ(脱着・除去)するために、常温での窒素ガスの通気が行われている。しかし、窒素ガス通気によるゼオライト等の吸着材からの炭化水素のパージには、多量のガス流量が必要であり、処理コストが大きくなる。また、炭化水素の完全な除去に至るまでかなりの長時間を要し、プロセス効率が低くなる。このように、窒素ガス通気によるゼオライト等の吸着材からの炭化水素の可燃性ガスのパージは、プロセス全体の運転効率の低下、処理コストの増大などが課題となっている。 In order to purge (desorb/remove) the hydrocarbons such as LPG adsorbed in the pores of the adsorbent such as zeolite, nitrogen gas is supplied at room temperature. However, purging hydrocarbons from an adsorbent such as zeolite by nitrogen gas flow requires a large gas flow rate, increasing the processing cost. Also, it takes a relatively long time to complete the removal of hydrocarbons, resulting in low process efficiency. Thus, the purging of hydrocarbon combustible gases from adsorbents such as zeolite by nitrogen gas flow poses problems such as a decrease in operating efficiency of the entire process and an increase in treatment costs.

従って、本発明の目的は、脱硫工程および水蒸気改質工程を含む水素製造プロセスにおいて、効率的なゼオライト等の吸着材の抜出及び再充填作業による設備稼働率の向上、ひいてはプロセス全体の運転効率向上、処理コスト削減のために、ゼオライト等の吸着材に吸着した炭化水素の可燃性ガスをより迅速にパージする方法、ならびにそのためのシステムを提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to improve the operating efficiency of the entire process by efficiently extracting and refilling an adsorbent such as zeolite in a hydrogen production process including a desulfurization process and a steam reforming process. It is an object of the present invention to provide a method and a system therefor for purging combustible gases of hydrocarbons adsorbed on an adsorbent such as zeolite more rapidly in order to improve and reduce processing costs.

鋭意研究した結果、本発明者は、意外なことに、脱硫工程および水蒸気改質工程を含む水素製造プロセスにおいて、ゼオライト等の吸着材に吸着したLPG等の炭化水素をパージ(脱着・除去)するためのパージ用ガスとして、二酸化炭素(CO)を含むガス、すなわち炭酸ガスを含む流体を用いることによって、従来のパージ用ガスである窒素ガスと比べて、格段に短い時間でゼオライト等の吸着材から炭化水素の可燃性ガスをパージすることが可能であることを見出し、本発明を完成させた。 As a result of intensive research, the present inventor unexpectedly found that in a hydrogen production process including a desulfurization process and a steam reforming process, a hydrocarbon such as LPG adsorbed on an adsorbent such as zeolite is purged (desorbed/removed). By using a gas containing carbon dioxide (CO 2 ), that is, a fluid containing carbon dioxide gas, as the purge gas for the The inventors have found that it is possible to purge combustible gases of hydrocarbons from materials, and completed the present invention.

上記目的を達成するための本発明の一態様は、以下のとおりである。
(i)不純物としての硫黄または硫黄化合物、および炭化水素を含む供給流から、吸着材を用いて硫黄または硫黄化合物を除去する脱硫工程、ならびに、(ii)前記脱硫工程にて得られた前記炭化水素を含む供給流を、水蒸気改質触媒の存在下、バーナによる加熱を伴う水蒸気改質にかけて、前記炭化水素および水または水蒸気から一酸化炭素および水素の混合物を得る水蒸気改質工程を含む水素製造プロセスにおいて、前記吸着材に吸着した前記炭化水素をパージする方法であって、
二酸化炭素を含むガスを用いて、前記吸着材に吸着した前記炭化水素をパージする、パージ方法。
One aspect of the present invention for achieving the above object is as follows.
(i) a desulfurization step of removing sulfur or sulfur compounds from a feed stream containing sulfur or sulfur compounds as impurities and hydrocarbons using an adsorbent; and (ii) said carbonization resulting from said desulfurization step. Hydrogen production comprising a steam reforming step of subjecting a feed stream containing hydrogen to steam reforming with heating by a burner in the presence of a steam reforming catalyst to obtain a mixture of carbon monoxide and hydrogen from said hydrocarbon and water or steam. A method of purging the hydrocarbon adsorbed on the adsorbent in a process, comprising:
A purging method, wherein the hydrocarbon adsorbed on the adsorbent is purged using a gas containing carbon dioxide.

ここで好ましくは、当該パージ方法は、前記二酸化炭素を含むガスとして、前記水蒸気改質工程にて前記バーナから排出された二酸化炭素を含む燃焼排ガスを用いることができる。
また好ましくは、当該パージ方法は、前記水蒸気改質工程にて前記バーナから排出された二酸化炭素を含む燃焼排ガスを用いる場合において、この二酸化炭素を含む燃焼排ガスをバッファタンクに貯留し、前記バッファタンクに貯留された前記燃焼排ガスを用いて前記吸着材に吸着した前記炭化水素をパージすることもできる。
Here, preferably, in the purging method, combustion exhaust gas containing carbon dioxide discharged from the burner in the steam reforming step can be used as the gas containing carbon dioxide.
Further preferably, in the purging method, when the flue gas containing carbon dioxide discharged from the burner in the steam reforming step is used, the flue gas containing carbon dioxide is stored in a buffer tank, and It is also possible to purge the hydrocarbons adsorbed on the adsorbent using the combustion exhaust gas stored in the .

また、上記目的を達成するための本発明の他の一態様は、以下のとおりである。
(I)吸着材が充填された脱硫器であって、不純物としての硫黄または硫黄化合物、および炭化水素を含む供給流を受入れ、この供給流から前記吸着材を用いて硫黄または硫黄化合物を除去する脱硫器、ならびに、(II)バーナを有すると共に水蒸気改質触媒が充填された水蒸気改質器であって、前記脱硫器にて得られた前記炭化水素を含む供給流および水または水蒸気を受入れ、前記炭化水素を含む供給流を前記バーナによる加熱下で水蒸気改質にかけて一酸化炭素および水素の混合物を得る水蒸気改質器を含む水素製造装置において、前記吸着材に吸着した前記炭化水素をパージするシステムであって、
二酸化炭素を含むガスを前記脱硫器に導入する導入経路を更に含み、この二酸化炭素を含むガスを前記脱硫器に導入することによって、前記吸着材に吸着した前記炭化水素がパージされるように構成された、パージシステム。
Another aspect of the present invention for achieving the above object is as follows.
(I) A desulfurizer filled with an adsorbent, which receives a feed stream containing sulfur or sulfur compounds as impurities and hydrocarbons and removes sulfur or sulfur compounds from the feed stream using said adsorbent. a desulfurizer and (II) a steam reformer having a burner and filled with a steam reforming catalyst, receiving said hydrocarbon-containing feed stream obtained in said desulfurizer and water or steam; purging the hydrocarbons adsorbed on the adsorbent in a hydrogen production apparatus comprising a steam reformer to subject the hydrocarbon-containing feed stream to steam reforming under heating by the burner to obtain a mixture of carbon monoxide and hydrogen; a system,
It further includes an introduction path for introducing a gas containing carbon dioxide into the desulfurizer, and the hydrocarbon adsorbed on the adsorbent is purged by introducing the gas containing carbon dioxide into the desulfurizer. purge system.

ここで好ましくは、当該パージシステムは、前記二酸化炭素を含むガスとして、前記水蒸気改質工程にて前記バーナから排出された二酸化炭素を含む燃焼排ガスを前記脱硫器に導入する導入経路を更に含み、この二酸化炭素を含む燃焼排ガスを前記脱硫器に導入することによって、前記吸着材に吸着した前記炭化水素がパージされるように構成されていてよい。
また好ましくは、当該パージシステムは、前記二酸化炭素を含むガスとして、前記水蒸気改質工程にて前記バーナから排出された二酸化炭素を含む燃焼排ガスを前記脱硫器に導入する導入経路を更に含む場合において、この導入経路中に、前記燃焼排ガスを貯留するバッファタンク、および前記バッファタンクに貯留された前記燃焼排ガスを前記脱硫器に導入する導入経路を包含していてよく、このシステムは、前記バッファタンクに貯留された前記燃焼排ガスによって、前記吸着材に吸着した前記炭化水素がパージされるように構成されていてよい。
Here, preferably, the purge system further includes an introduction path for introducing combustion exhaust gas containing carbon dioxide discharged from the burner in the steam reforming step into the desulfurizer as the gas containing carbon dioxide, The hydrocarbon adsorbed on the adsorbent may be purged by introducing the combustion exhaust gas containing carbon dioxide into the desulfurizer.
Further preferably, when the purge system further includes an introduction path for introducing combustion exhaust gas containing carbon dioxide discharged from the burner in the steam reforming step into the desulfurizer as the gas containing carbon dioxide. , the introduction route may include a buffer tank for storing the flue gas, and an introduction route for introducing the flue gas stored in the buffer tank to the desulfurizer. The hydrocarbons adsorbed on the adsorbent may be purged by the combustion exhaust gas stored in the exhaust gas.

本発明によれば、脱硫工程および水蒸気改質工程を含む水素製造プロセスにおいて、ゼオライト等の吸着材に吸着した液化石油ガス(LPG)等の炭化水素をパージするために、一般的なパージ用ガスである窒素ガスに替えて、二酸化炭素(CO)を含むガスを用いることによって、吸着材に吸着した炭化水素を、穏和な条件下で、より短時間で効率的にパージ(脱着・除去)することが可能になる。さらに、本発明によれば、プロセス全体の運転効率の向上、処理コストの削減がもたらされる。 According to the present invention, in a hydrogen production process including a desulfurization step and a steam reforming step, a common purge gas is used to purge hydrocarbons such as liquefied petroleum gas (LPG) adsorbed on an adsorbent such as zeolite. By using a gas containing carbon dioxide (CO 2 ) instead of nitrogen gas, the hydrocarbons adsorbed on the adsorbent can be efficiently purged (desorbed / removed) under mild conditions in a shorter time. it becomes possible to In addition, the present invention provides improved operating efficiency and reduced processing costs for the overall process.

本発明の好ましい態様によれば、二酸化炭素を含むガスとして、水蒸気改質工程にてバーナから排出された燃焼排ガス(CO、窒素、水蒸気を含む)を利用し、吸着材に吸着した炭化水素をパージすることによって、当該プロセス外からの二酸化炭素供給の追加設備・コストを必要とすることなく、プロセスフロー内での二酸化炭素を含む排ガスの有効活用が促進され、ひいては、より効率的かつ低コストのパージおよびゼオライト交換作業が可能となり、プロセス全体の運転効率の更なる向上を図ることができる。
また、本発明の好ましい追加的態様によれば、水蒸気改質工程のバーナから排出された二酸化炭素を含む燃焼排ガスをバッファタンクに予め貯留しておき、吸着材に吸着した炭化水素をパージする際に、バッファタンクに貯留された燃焼排ガスによってパージを行うことによって、パージのみの目的で燃料を用いてバーナを稼働させる必要がなく、燃料の消費量およびバーナの運転コストを削減することが可能になり、プロセス全体の運転効率のより一層の向上およびコストの更なる削減を図ることができる。
According to a preferred embodiment of the present invention, a combustion exhaust gas (including CO 2 , nitrogen, and water vapor) discharged from a burner in a steam reforming step is used as a gas containing carbon dioxide, and hydrocarbons adsorbed on the adsorbent are By purging, the effective use of exhaust gas containing carbon dioxide within the process flow is promoted without the need for additional equipment and costs for supplying carbon dioxide from outside the process, and as a result, it is more efficient and less expensive. Cost purging and zeolite replacement work become possible, and the operating efficiency of the entire process can be further improved.
Further, according to a preferred additional aspect of the present invention, the combustion exhaust gas containing carbon dioxide discharged from the burner in the steam reforming process is stored in advance in a buffer tank, and when purging hydrocarbons adsorbed on the adsorbent, In addition, by purging with the combustion exhaust gas stored in the buffer tank, it is not necessary to operate the burner using fuel only for the purpose of purging, and it is possible to reduce fuel consumption and burner operating costs. As a result, the operating efficiency of the entire process can be further improved and the cost can be further reduced.

図1は、本発明の一実施形態に係るパージシステムを含む水素製造装置の例である。本図には、吸着材による炭化水素含有供給流の脱硫工程、水蒸気改質工程およびCO変成工程により水素を製造するプロセスフローが示される。FIG. 1 is an example of a hydrogen production apparatus including a purge system according to one embodiment of the present invention. The figure shows a process flow for the production of hydrogen by desulphurization, steam reforming and CO conversion of a hydrocarbon-containing feed stream with an adsorbent. 図2は、図1に示されたパージシステムを含む水素製造装置の例において、吸着材に吸着された炭化水素を、水蒸気改質用のバーナからの燃焼排ガスを用いてパージするプロセスフローが示される。FIG. 2 shows a process flow of purging hydrocarbons adsorbed on an adsorbent using flue gas from a steam reforming burner in an example of a hydrogen production apparatus including the purge system shown in FIG. be 図3は、本発明の一実施形態に係るパージシステムを含む水素製造装置の応用例である。本図には、図1又は図2の例に対して、水蒸気改質用のバーナからの燃焼排ガスを貯留するバッファタンクが追加的に設けられた場合のパージのプロセスフローが示される。FIG. 3 is an application example of a hydrogen production apparatus including a purge system according to one embodiment of the present invention. This figure shows a purge process flow when a buffer tank for storing combustion exhaust gas from a steam reforming burner is additionally provided to the example of FIG. 1 or 2 . 図4は、実施例1および比較例1において、それぞれ、吸着剤としてのゼオライトから炭化水素(プロパン)をパージ(脱着・除去)するためのガスとして、二酸化炭素ガスおよび窒素ガスを用いたときの流通時間に対するゼオライト吸着器出口のプロパン濃度をプロットしたグラフである。また、図4には、パージ用ガスの流通時間初期のみの拡大図(1)、およびゼオライト吸着器出口プロパンが低濃度の部分のみの拡大図(2)を併せて示す。FIG. 4 shows the results when carbon dioxide gas and nitrogen gas are used as gases for purging (desorbing/removing) hydrocarbons (propane) from zeolite as an adsorbent in Example 1 and Comparative Example 1, respectively. 1 is a graph plotting the propane concentration at the exit of a zeolite adsorber against flow time. FIG. 4 also shows an enlarged view (1) of only the initial stage of the flow time of the purge gas, and an enlarged view (2) of only the low-concentration propane portion at the outlet of the zeolite adsorber.

本発明に係るパージ方法が適用される水素製造プロセスは、(i)不純物としての硫黄または硫黄化合物および炭化水素を含む供給流から、吸着材を用いて硫黄または硫黄化合物を除去する脱硫工程、ならびに、(ii)前記脱硫工程にて得られた前記炭化水素を含む供給流を、水蒸気改質触媒の存在下、バーナによる加熱を伴う水蒸気改質にかけて、前記炭化水素および水から一酸化炭素および水素の混合物を得る水蒸気改質工程を含む。
また同様に、本発明に係るパージシステムが適用される水素製造装置は、(I)吸着材が充填された脱硫器であって、不純物としての硫黄または硫黄化合物および炭化水素を含む供給流を受入れ、この供給流から前記吸着材を用いて硫黄または硫黄化合物を除去する脱硫器、ならびに、(II)バーナを有すると共に水蒸気改質触媒が充填された水蒸気改質器であって、前記脱硫器にて得られた前記炭化水素を含む供給流および水を受入れ、前記炭化水素を含む供給流を前記バーナによる加熱下で水蒸気改質にかけて一酸化炭素および水素の混合物を得る水蒸気改質器を含む。
The hydrogen production process to which the purging method according to the present invention is applied includes (i) a desulfurization step of removing sulfur or sulfur compounds from a feed stream containing sulfur or sulfur compounds and hydrocarbons as impurities using an adsorbent; (ii) subjecting said hydrocarbon-containing feed stream obtained in said desulfurization step to steam reforming in the presence of a steam reforming catalyst with heating by means of a burner to convert said hydrocarbons and water to carbon monoxide and hydrogen; including a steam reforming step to obtain a mixture of
Similarly, the hydrogen production apparatus to which the purge system according to the present invention is applied is (I) a desulfurizer filled with an adsorbent, which receives a feed stream containing sulfur or sulfur compounds and hydrocarbons as impurities. , a desulfurizer for removing sulfur or sulfur compounds from the feed stream using said adsorbent; and (II) a steam reformer having a burner and filled with a steam reforming catalyst, said desulfurizer comprising a steam reformer for receiving said hydrocarbon-containing feed stream and water obtained in said step and subjecting said hydrocarbon-containing feed stream to steam reforming under heating by said burner to obtain a mixture of carbon monoxide and hydrogen.

水素製造プロセス
本願明細書における水素製造プロセスでは、概して、脱硫工程として常温吸着脱硫方式を採用し、改質工程として水蒸気改質方式を採用したプロセスが対象とされる。
水素製造プロセスの供給流に含まれる炭化水素としては、特に限定されないが、炭素数1~5程度の飽和または不飽和炭化水素、典型的には、液化石油ガス(LPG)、その成分であるプロパンおよび/またはブタン、ガス井の生産流体に含まれる天然ガスなどの炭化水素混合物、ナフサ、オレフィン、都市ガス、すなわち液化天然ガス(LNG)に増熱原料としてLPGを添加したもの、その他のパラフィン等が挙げられる。最も一般的な例としては、都市ガス、天然ガス、LPGが挙げられる。
Hydrogen Production Process The hydrogen production process in the specification of the present application generally refers to a process that employs a room temperature adsorption desulfurization method as a desulfurization process and a steam reforming method as a reforming process.
Hydrocarbons contained in the feed stream of the hydrogen production process are not particularly limited, but saturated or unsaturated hydrocarbons having about 1 to 5 carbon atoms, typically liquefied petroleum gas (LPG), and its component propane and/or butane, hydrocarbon mixtures such as natural gas in the production fluids of gas wells, naphtha, olefins, town gas, i.e. liquefied natural gas (LNG) with the addition of LPG as a heating feedstock, other paraffins, etc. is mentioned. The most common examples include city gas, natural gas, and LPG.

水素製造プロセスの供給流には、炭化水素と共に不純物としての硫黄または硫黄化合物が含まれる。この不純物としての硫黄化合物の例としては、特に限定されないが、ジメチルサルファイド(DMS)、ターシャリーブチルメルカプタン(TBM)等のメルカプタン類、テトラヒドロチオフェン(THT)などが挙げられる。LPG(プロパン、ブタン)には、通常、付臭成分としてメルカプタン等の臭気を有する硫黄含有化合物が含まれている。なお、炭化水素を含む供給流には、硫黄または硫黄化合物以外に、メタノールまたは水等のO-H結合を有する酸素含有化合物、窒素、二酸化炭素、塩素化合物などが含まれることがある。 Hydrogen production process feed streams contain sulfur or sulfur compounds as impurities along with hydrocarbons. Examples of sulfur compounds as impurities include, but are not limited to, dimethyl sulfide (DMS), mercaptans such as tertiary butyl mercaptan (TBM), and tetrahydrothiophene (THT). LPG (propane, butane) usually contains odorous sulfur-containing compounds such as mercaptans as odorizing components. In addition to sulfur or sulfur compounds, the hydrocarbon-containing feed stream may also contain oxygen-containing compounds having O—H bonds such as methanol or water, nitrogen, carbon dioxide, chlorine compounds, and the like.

供給流である都市ガスやLPGなどに含まれる硫黄化合物は、水蒸気改質触媒の被毒および活性低下を防止するため、ゼオライト等の吸着剤が充填された脱硫器によって予め脱硫処理に付される。
上述のように、常温吸着脱硫方式に用いられる吸着材の典型例としては、ゼオライトが挙げられる。常温吸着脱硫方式に用いられる吸着材は、ゼオライトに限定されるわけではなく、それ以外に、例えば、特定の活性炭、特定の金属化合物(例えば、特公平5-58768号公報)等も知られている。また、これらの吸着剤の複数種を組み合わせて用いることもできる。
Sulfur compounds contained in supply streams such as city gas and LPG are subjected to desulfurization treatment in advance by a desulfurizer filled with an adsorbent such as zeolite in order to prevent the steam reforming catalyst from being poisoned and declining in activity. .
As described above, zeolite is a typical example of the adsorbent used in the normal temperature adsorption desulfurization method. The adsorbent used in the normal temperature adsorption desulfurization method is not limited to zeolite, and other than that, for example, specific activated carbon, specific metal compounds (for example, Japanese Patent Publication No. 5-58768), etc. are known. there is Moreover, it is also possible to use a combination of a plurality of types of these adsorbents.

ゼオライトは、その細孔径よりも小さい分子径を有する分子を吸着・分離する能力を有しているから、本発明において使用される吸着材としてのゼオライトは、パージ用ガスに含まれる二酸化炭素の分子径(3.7Å=0.37nm)よりも大きな細孔径を有し、かつ、除去対象である硫黄または硫黄化合物の分子径よりも大きな細孔径を有するべきである。このようなゼオライトの例としては、特に限定されないが、Na-X型ゼオライト、Na-Y型ゼオライト、Ag-Y型ゼオライト(上記の特許文献1参照)等が知られており、なかでもAg-Y型ゼオライトが好ましい。 Zeolite has the ability to adsorb and separate molecules having a molecular diameter smaller than its pore diameter. It should have a pore size larger than the diameter (3.7 Å=0.37 nm) and larger than the molecular diameter of the sulfur or sulfur compound to be removed. Examples of such zeolites are not particularly limited, but Na—X zeolite, Na—Y zeolite, Ag—Y zeolite (see Patent Document 1 above) and the like are known, and among them Ag- Y-type zeolites are preferred.

脱硫工程にて得られた炭化水素を含む脱硫処理済みの供給流は、水蒸気改質触媒の存在下、バーナによる加熱を伴う水蒸気改質にかけられ、炭化水素および水(水蒸気/スチーム)から、一酸化炭素および水素(および二酸化炭素)の混合物が得られる。水蒸気改質器での水蒸気改質反応の温度は、通常600℃~1000℃程度であり、典型的には700℃~900℃程度であってよい。この水蒸気改質器における反応には、改質反応(吸熱反応)に加えCO転化反応(発熱反応)も包含されるが、全体としては吸熱反応である。水蒸気改質器の運転圧力は、特に限定されないが、例えば2MPa以下であってよい。 The desulfurized feed stream containing hydrocarbons obtained in the desulphurization step is subjected to steam reforming in the presence of a steam reforming catalyst with heating by a burner to convert the hydrocarbons and water (steam/steam) into A mixture of carbon oxide and hydrogen (and carbon dioxide) is obtained. The temperature of the steam reforming reaction in the steam reformer is usually about 600°C to 1000°C, typically about 700°C to 900°C. Reactions in this steam reformer include not only reforming reactions (endothermic reactions) but also CO conversion reactions (exothermic reactions), but overall they are endothermic reactions. The operating pressure of the steam reformer is not particularly limited, but may be, for example, 2 MPa or less.

水蒸気改質器には、通常、供給される炭化水素の改質反応を行うための水蒸気改質触媒が充填された改質管と、これを加熱するためのバーナが設けられている。原料の供給管、水(水蒸気)の供給管、改質管、バーナ、廃熱の回収部材等の装置全体を水蒸気改質炉と称することがある。水蒸気改質触媒としては、アルミナなどの担体にNiを含浸させたものが一般的であるが、Pt系やRh系など公知のいずれの触媒も使用されうる。バーナには、燃料および空気が供給され、燃料の燃焼によって水蒸気改質に必要な熱エネルギーが提供される。バーナに供給される燃料としては、都市ガス、天然ガス、LPG等の炭化水素類や、後述するPSA(圧力スイング吸着)装置等の水素ガスの精製装置から排出される混合ガス(CO、水素等を含む)などが好適に使用され得る。 The steam reformer is generally provided with a reforming tube filled with a steam reforming catalyst for reforming the supplied hydrocarbons and a burner for heating the tube. The entire apparatus including a raw material supply pipe, a water (steam) supply pipe, a reforming pipe, a burner, and a waste heat recovery member is sometimes referred to as a steam reforming furnace. As the steam reforming catalyst, a carrier such as alumina impregnated with Ni is generally used, but any known catalyst such as Pt-based or Rh-based catalyst can be used. The burner is supplied with fuel and air, and combustion of the fuel provides the necessary thermal energy for steam reforming. Fuels supplied to the burner include hydrocarbons such as city gas, natural gas, and LPG, and mixed gases (CO 2 , hydrogen etc.) can be suitably used.

水蒸気改質器から得られた改質処理済みの一酸化炭素および水素(および二酸化炭素)の混合物を含む改質ガスは、廃熱ボイラなどで例えば150~350℃まで冷却され、次いで一酸化炭素(CO)変成器に送出される。この廃熱ボイラで発生したスチームの大部分は水蒸気改質用のスチームに循環・利用することができ、スチームの残りは外部に排出されうる。
CO変成工程では、改質ガス中の一酸化炭素を水(スチーム)と反応させ、さらに水素を増量生成することができる(すなわち、COおよび水から二酸化炭素および水素が生成される)。CO変成工程は、運転温度により高温CO変成、低温CO変成の二方式が採用され得る。これらはCO転化の反応平衡に関係しており、運転温度が低いほどCOの水素への転化率が上昇するが、反応速度は低くなる。例えば、ガス精製にPSA(圧力スイング吸着)方式を用いる場合には高度な精製が可能であることから、COの水素への転化率がある程度低くなっても許容されるため、運転温度が高く反応速度も大きい高温CO変成方式を採用し得る。高温のCO変成後のプロセスガスは冷却された後、ガス精製工程へ送出することができる。
The reformed gas containing a mixture of reformed carbon monoxide and hydrogen (and carbon dioxide) obtained from the steam reformer is cooled, for example, to 150 to 350° C. in a waste heat boiler or the like, and then carbon monoxide (CO) sent to the transformer. Most of the steam generated in this waste heat boiler can be recycled and used as steam for steam reforming, and the rest of the steam can be discharged to the outside.
In the CO conversion step, carbon monoxide in the reformed gas is allowed to react with water (steam) to produce an increased amount of hydrogen (ie, carbon dioxide and hydrogen are produced from CO and water). The CO shift process can employ two methods, high temperature CO shift and low temperature CO shift, depending on the operating temperature. These are related to the reaction equilibrium of CO conversion, with lower operating temperatures increasing the conversion of CO to hydrogen but lowering the reaction rate. For example, when the PSA (pressure swing adsorption) method is used for gas purification, a high degree of purification is possible, so even if the conversion rate of CO to hydrogen is lowered to some extent, it is acceptable, so the operating temperature is high and the reaction A high-temperature CO transformation scheme, which also has a high rate, can be employed. After the high-temperature CO-transformed process gas is cooled, it can be delivered to the gas refining process.

CO変成器から得られた水素を含むガスは、水素製品としての使用に供される前に更に精製処理にかけることができる。ガス精製工程は、特に限定されないが、典型的にはPSA(圧力スイング吸着)を含んでよい。CO変成器から得られた水素を含むガスは凝縮水が分離された後に、PSA装置に送出され、そこで水素ガスと他のガス(CO、CO、CH、N、HO、残余の水素などを含む)とが分離され得る。PSAで分離された水素ガスは、水素製品として水素利用システム等での使用に供される。PSAでの水素の回収率(製品水素/PSAに供給されたガスに含まれる水素)は、例えば65~95%以上の範囲であり得る。PSAから得られた水素製品の水素濃度は、例えば99%以上または99.9%以上であり得、好ましくは99.99%以上、より好ましくは99.999%(不純物10ppm以下)であってよい。PSAから分離された水素製品以外の排出ガス(CO、CO、CH、N、HO、残余の水素などを含む)は、水蒸気改質器のバーナに供給される燃料として再利用され得る。 The hydrogen-bearing gas obtained from the CO converter can be subjected to further purification processes before being used as a hydrogen product. Gas purification processes may typically include, but are not limited to, PSA (pressure swing adsorption). After the condensed water is separated, the hydrogen-bearing gas obtained from the CO transformer is sent to a PSA unit where hydrogen gas and other gases (CO, CO2 , CH4 , N2 , H2O , balance ) can be separated. The hydrogen gas separated by the PSA is used as a hydrogen product in a hydrogen utilization system or the like. The recovery of hydrogen in the PSA (product hydrogen/hydrogen contained in the gas fed to the PSA) can range, for example, from 65 to 95% or more. The hydrogen concentration of the hydrogen product obtained from the PSA may be, for example, 99% or more or 99.9% or more, preferably 99.99% or more, more preferably 99.999% (impurities of 10 ppm or less). . Exhaust gases other than hydrogen products separated from the PSA (including CO, CO2 , CH4 , N2 , H2O , residual hydrogen, etc.) are reused as fuel supplied to steam reformer burners. can be

上記水素製造装置にて得られた水素製品は、特に限定されないが、例えば、水素と酸素を電気化学的に反応させて、化学エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う燃料電池、ハーバーボッシュ法により触媒上で窒素と水素からアンモニアを合成するプロセス、水蒸気改質器にて得られた水素と一酸化炭素および二酸化炭素とを含む合成ガスから、触媒上でメタノールを合成するプロセスなど広範な用途に使用される。メタノール合成プロセスにおいては、合成工程から生じた未反応ガス(水素を含む)を分離し、合成ガス供給流路に循環させることによって、未反応ガスを有効活用する試みもされている。 The hydrogen product obtained by the hydrogen production apparatus is not particularly limited, but for example, a fuel cell that generates electricity by electrochemically reacting hydrogen and oxygen and converting chemical energy into electrical energy, Haber Bosch A wide range of processes, such as the process of synthesizing ammonia from nitrogen and hydrogen over a catalyst by a method, and the process of synthesizing methanol over a catalyst from synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide and carbon dioxide obtained in a steam reformer. used for purposes. In the methanol synthesis process, attempts have been made to effectively utilize the unreacted gas (including hydrogen) by separating the unreacted gas (including hydrogen) from the synthesis process and circulating it in the synthesis gas supply channel.

燃料電池には、固体高分子型(PEFC)、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)が包含される。この中でも、高分子膜を使用するPEFCは、通常200~1000℃で動作する他のタイプの燃料電池に比べて動作温度が約70~90℃と低温であること、低温動作のため起動時間が短く、間欠運転にも対応しやすいこと、小型化による効率低下が小さいことなどの利点を有するため、家庭用や自動車用の電源として広く実用化されている。燃料電池から排出される未反応ガス(水素等を含む)は、バーナの燃料として好適に使用され得る。
燃料電池の自動車への適用を促進するため、近年オンサイト型水素ステーションの普及が進められている。自動車用水素燃料には高純度なものが要求されるため、CO変成器と燃料電池の間には、水素純度を高めるためにPSAなど水素精製器が設けられてよい。上述のように、PSAから分離された排出ガス(CO、CO、CH、N、HO、残余の水素などを含む)は、水蒸気改質器のバーナに供給される燃料として再利用され得る。
Fuel cells include polymer electrolyte membrane (PEFC), phosphoric acid (PAFC), molten carbonate (MCFC), and solid oxide (SOFC). Among them, the PEFC, which uses a polymer membrane, has a low operating temperature of about 70 to 90°C compared to other types of fuel cells that normally operate at 200 to 1000°C. It has advantages such as being short, easy to handle intermittent operation, and having little efficiency loss due to miniaturization, so it is widely used as a power supply for homes and automobiles. Unreacted gas (including hydrogen and the like) discharged from the fuel cell can be suitably used as burner fuel.
In order to promote the application of fuel cells to automobiles, the spread of on-site hydrogen stations has been promoted in recent years. Since high-purity hydrogen fuel for automobiles is required, a hydrogen purifier such as a PSA may be provided between the CO shift converter and the fuel cell to increase the hydrogen purity. As mentioned above, the separated exhaust gases (including CO, CO2 , CH4 , N2 , H2O , residual hydrogen, etc.) from the PSA are recycled as fuel to the steam reformer burners. can be utilized.

脱硫器の吸着材に吸着した炭化水素のパージ(脱着・除去)
上述の水素製造プロセスにおいて、脱硫器に充填されたゼオライト等の吸着材が供給原料中の硫黄または硫黄化合物によって飽和すると、吸着材の抜出及び再充填作業が行われる。そのようなゼオライト等の吸着材の抜出に先立ち、パージ(脱着・除去)用のガスを流通させることによって、吸着材の細孔内に吸着している液化石油ガス(LPG)等の炭化水素をパージし、安全性を確保する必要がある。
本発明においてはパージ用のガスとして、一般的なパージ用ガスである窒素ガスに替えて、二酸化炭素(CO)を含むガスが用いられる。これによって、吸着材に吸着した炭化水素を、穏和な条件下で、より短時間で効率的にパージすることが可能になり、ひいてはプロセス全体の運転効率の向上、処理コストの削減がもたらされる。二酸化炭素(CO)を含むガスの通気による炭化水素のパージは、窒素ガスによるパージと比べてガス必要量およびパージの作業時間が格段に削減され得、低コストかつ高効率なプロセスが達成される。
Purging (desorption/removal) of hydrocarbons adsorbed on the adsorbent of the desulfurizer
In the hydrogen production process described above, when the adsorbent, such as zeolite, packed in the desulfurizer becomes saturated with sulfur or sulfur compounds in the feedstock, the adsorbent is unloaded and refilled. Hydrocarbons such as liquefied petroleum gas (LPG) adsorbed in the pores of the adsorbent by circulating gas for purging (desorption/removal) prior to extraction of the adsorbent such as zeolite should be purged and secured.
In the present invention, gas containing carbon dioxide (CO 2 ) is used as the purging gas instead of nitrogen gas, which is a general purging gas. This allows the hydrocarbons adsorbed on the adsorbent to be purged efficiently in a shorter time under mild conditions, which in turn improves the operating efficiency of the entire process and reduces treatment costs. Purging hydrocarbons by bubbling a gas containing carbon dioxide (CO 2 ) can significantly reduce gas requirements and purging operation times compared to purging with nitrogen gas, achieving a low cost and highly efficient process. be.

本発明におけるパージ用ガスである二酸化炭素(CO)を含むガスは、体積割合で、5体積%以上であってよく、8体積%以上であってもよく、10体積%以上であってもよく、20体積%以上または30体積%以上または40体積%以上であってもよく、50体積%以上または60体積%以上または70体積%以上または80体積%以上であってもよく、90体積%以上であってもよく、99体積%以上から100体積%以下(すなわち実質的に二酸化炭素ガスのみ)の濃度であってもよい。パージ用ガスには、二酸化炭素ガス以外に、他の不活性ガスが含まれていてよい。他の不活性ガスとしては、例えば、窒素、ヘリウム、アルゴンが挙げられる。
後述の実施例にて実証されているように、本発明によれば、予想外に有利なことに、パージ用ガスにおける二酸化炭素の濃度が10体積%程度と比較的低いときでさえも、窒素ガスによるパージ作業完了までの時間よりも大幅に短縮された時間でパージ作業が完了され得ることが分かっている。
The volume ratio of the gas containing carbon dioxide (CO 2 ), which is the purge gas in the present invention, may be 5% by volume or more, 8% by volume or more, or 10% by volume or more. well, 20% by volume or more, or 30% by volume or more, or 40% by volume or more, or 50% by volume or more, or 60% by volume or more, or 70% by volume or more, or 80% by volume or more, or 90% by volume or more, and the concentration may be from 99% by volume to 100% by volume (that is, substantially only carbon dioxide gas). The purge gas may contain other inert gas in addition to carbon dioxide gas. Other inert gases include, for example, nitrogen, helium, argon.
As demonstrated in the examples below, the present invention unexpectedly and advantageously provides nitrogen It has been found that the purge operation can be completed in significantly less time than it takes to complete the gas purge operation.

パージ用ガスとしての二酸化炭素を含むガスの脱硫器への流通量は、特に限定されず、脱硫器に収容されたゼオライト等の吸着材の重量や充填密度、ゼオライト等の吸着材の種類や吸着不純物である硫黄化合物などの種類により適宜決定され得る。例えば、二酸化炭素を含むガス(最も好ましくは二酸化炭素ガスのみ)の脱硫器への流通量は、通常、収容された吸着材1kgあたり1~100NL/分であってよく、より典型的には、収容された吸着材1kgあたり5~50NL/分であってよい。例えば、二酸化炭素を含むガスの流通開始時の吸着材の温度は5℃~40℃程度であってよく、より典型的には10℃~35℃程度であってよい。例えば、二酸化炭素を含むガスの流通中の吸着材の最高到達温度は、40℃~90℃であってよく、50℃~85℃であってもよく、60℃~80℃であってもよい。例えば、二酸化炭素を含むガスの脱硫器への流通時間は、吸着炭化水素の除去が完全に完了するまで通常3時間程度であってよく、1時間以内であってもよく、50分以内であってもよく、40分以内であってもよい。 The flow rate of the gas containing carbon dioxide as the purge gas to the desulfurizer is not particularly limited. It can be appropriately determined depending on the type of impurities such as sulfur compounds. For example, the flow rate of a gas containing carbon dioxide (most preferably only carbon dioxide gas) to the desulfurizer may usually be 1 to 100 NL/min per 1 kg of the adsorbent contained, more typically It may be from 5 to 50 NL/min/kg of adsorbent contained. For example, the temperature of the adsorbent may be about 5°C to 40°C, more typically about 10°C to 35°C, when the gas containing carbon dioxide starts to flow. For example, the maximum temperature of the adsorbent during circulation of a gas containing carbon dioxide may be 40°C to 90°C, may be 50°C to 85°C, or may be 60°C to 80°C. . For example, the flow time of the gas containing carbon dioxide to the desulfurizer may normally be about 3 hours, may be 1 hour or less, or may be 50 minutes or less until the removal of adsorbed hydrocarbons is completely completed. may be within 40 minutes.

二酸化炭素ガス(CO)は、公知の方法で製造・貯蔵することができる。例えば、二酸化炭素ガスは、アンモニア合成工業の副生ガス、製鉄所の副生ガス、重油脱硫用水素プラントの副生ガスなどの多様な工業プラントから排出される副生ガスを輸送・貯蔵して用いてもよい。 Carbon dioxide gas (CO 2 ) can be produced and stored by known methods. For example, carbon dioxide gas is transported and stored from various industrial plants, such as by-product gases from the ammonia synthesis industry, by-product gases from steel mills, and by-product gases from hydrogen plants for heavy oil desulfurization. may be used.

本発明の好ましい態様において、パージ用ガスである二酸化炭素(CO)を含むガスとして、水蒸気改質工程にてバーナから排出された燃焼排ガス(CO、窒素、水蒸気を含む)を利用することができる。
このように、水蒸気改質工程にてバーナから排出された燃焼排ガスを利用して、吸着材に吸着した炭化水素をパージすることによって、当該水素製造プロセスの外部から二酸化炭素を供給するための追加設備やコストを必要とすることなく、当該プロセスフローの内部での二酸化炭素を含む排ガスの有効活用が促進され、ひいては、より効率的かつ低コストのパージおよびゼオライト交換作業が可能となり、プロセス全体の運転効率の更なる向上が図られる。
In a preferred embodiment of the present invention, the combustion exhaust gas (including CO 2 , nitrogen, and steam) discharged from the burner in the steam reforming process is used as the purge gas containing carbon dioxide (CO 2 ). can be done.
In this way, the combustion exhaust gas discharged from the burner in the steam reforming process is used to purge the hydrocarbons adsorbed on the adsorbent, thereby supplying carbon dioxide from the outside of the hydrogen production process. Effective utilization of exhaust gas containing carbon dioxide within the process flow is promoted without requiring equipment and costs, and thus more efficient and low-cost purging and zeolite replacement operations are possible, and the overall process is improved. Further improvement in operating efficiency is achieved.

本発明の別の好ましい態様において、水素製造装置を稼働させている間に、水蒸気改質器に設けられたバーナから排出された二酸化炭素を含む燃焼排ガスを、廃ガスとして放出することなくバッファタンクに予め貯留しておくことができる。そして、吸着材に吸着した炭化水素をパージする際に、パージのみの目的でバーナを稼働させることなく、バッファタンクに貯留された燃焼排ガスによってパージ作業を行うことができる。
このように、水素製造装置の稼働中にバッファタンクに予め貯留しておいたバーナからの二酸化炭素を含む燃焼排ガスを利用してパージ作業を行うことによって、パージのみの目的で燃料を用いてバーナを稼働させる必要がなく、燃料の消費量およびバーナの運転コストを削減することが可能になり、プロセス全体の運転効率のより一層の向上およびコストの更なる削減が図られる。
In another preferred embodiment of the present invention, the combustion exhaust gas containing carbon dioxide emitted from the burner provided in the steam reformer is discharged from the burner provided in the steam reformer while the hydrogen production apparatus is in operation, without being discharged as waste gas from the buffer tank. can be stored in advance. When purging the hydrocarbons adsorbed by the adsorbent, the combustion exhaust gas stored in the buffer tank can be used for purging without operating the burner for the purpose of purging only.
In this way, by performing the purging operation using the combustion exhaust gas containing carbon dioxide from the burner, which is stored in the buffer tank in advance during the operation of the hydrogen production apparatus, the burner can be operated using the fuel only for the purpose of purging. It is possible to reduce fuel consumption and burner operating costs, thereby further improving the operating efficiency of the entire process and further reducing costs.

上述のように、水素精製装置であるPSAから分離された排出ガス(CO、CO、CH、N、HO、残余の水素などを含む)は、水蒸気改質器のバーナに供給される燃料として再利用され得るが、それに加えて、このPSAからの排出ガスは二酸化炭素を豊富に含むので、脱硫器に供給されるパージ用ガス中の二酸化炭素の濃度調整のために有効活用することもできる。 As described above, the exhaust gas (including CO, CO 2 , CH 4 , N 2 , H 2 O, residual hydrogen, etc.) separated from the hydrogen purifier PSA is supplied to the steam reformer burner. In addition, since the exhaust gas from this PSA is rich in carbon dioxide, it can be effectively used for adjusting the concentration of carbon dioxide in the purge gas supplied to the desulfurizer. You can also

本発明の一変形態様において、脱硫運転モードと吸着剤の抜出・再充填時の運転休止モードとが切替え可能なように、ゼオライト等の吸着材が充填された脱硫器を並列に複数設置することができる。このように構成することによって、例えば2つの脱硫器が並列に設置されている場合において、第1の脱硫器を脱硫運転しながら(すなわち全体的な水素製造を継続しながら)、第2の脱硫器を休止させて炭化水素のパージおよび吸着剤の抜出・再充填に供することが可能であり、また、同様に第2の脱硫器を脱硫運転しながら(すなわち全体的な水素製造を継続しながら)、第1の脱硫器を休止させて炭化水素のパージおよび吸着剤の抜出・再充填に供することも可能になる。脱硫器を並列に複数設置することで、このような操作モードの切替えにより、ゼオライト等の吸着剤の抜出・再充填時に水素製造の操業を停止する必要がないため、プロセスの運転効率は益々高められる。 In one modified aspect of the present invention, a plurality of desulfurizers filled with an adsorbent such as zeolite are installed in parallel so that the desulfurization operation mode and the operation suspension mode at the time of extracting and refilling the adsorbent can be switched. be able to. With this configuration, for example, when two desulfurizers are installed in parallel, while the first desulfurizer is in desulfurization operation (that is, while continuing the overall hydrogen production), the second desulfurization It is possible to take the desulfurizer out of service for purging hydrocarbons and withdrawing and refilling the adsorbent, and similarly while the second desulfurizer is in desulfurization operation (i.e., continuing overall hydrogen production). However, it is also possible to deactivate the first desulfurizer to serve for hydrocarbon purging and adsorbent draining and recharging. By installing multiple desulfurizers in parallel, it is not necessary to stop the hydrogen production operation when the adsorbent such as zeolite is withdrawn or refilled by switching the operation mode, so the operation efficiency of the process is further improved. Increased.

本発明の一態様において、脱硫器の出口に、パージされた炭化水素濃度の検出器を設置してよい。このような検出器を用い、炭化水素濃度がゼロまたは爆発下限界の1/20未満に達した以降の所定時間以内に(すなわち吸着炭化水素の除去が確実に完了した時点で)、二酸化炭素を含むガスの脱硫器への流通が自動的に停止され得るように処理プログラムを設定することができる。これにより、二酸化炭素を含むガスの供給量を最小限に抑制し、コスト削減をより進めることができる。 In one aspect of the invention, a purged hydrocarbon concentration detector may be placed at the outlet of the desulfurizer. Using such a detector, carbon dioxide is released within a predetermined time after the hydrocarbon concentration reaches zero or less than 1/20th of the lower explosive limit (i.e., when the removal of adsorbed hydrocarbons is reliably complete). The treatment program can be set so that the flow of containing gas to the desulfurizer can be automatically stopped. As a result, the supply amount of the gas containing carbon dioxide can be minimized, and the cost can be further reduced.

本発明の一態様において、二酸化炭素を含むガスの流通によって脱硫器からパージ(脱着・除去)された炭化水素のガス成分、特には流通時間初期にパージされた炭化水素のガス成分を、脱硫器に導入される前の炭化水素を含む原料供給流と合わせるリサイクル経路をさらに形成してもよい。あるいは代替的に、脱硫器からパージされた炭化水素のガス成分、特には流通時間初期にパージされた炭化水素のガス成分を、水蒸気改質器への送出経路に接続してもよい。二酸化炭素を含むガス(例えばガス中の二酸化炭素濃度が約100体積%である場合)の流通によって脱硫器からパージされた炭化水素のガス成分は、特に流通時間の初期においてパージ用ガスである二酸化炭素ガスを殆ど(あるいは全く)含んでおらず純度が高いため、利用価値が高く、リサイクルに好適であり、資源の効率的利用に資することになる。 In one aspect of the present invention, the hydrocarbon gas components purged (desorbed/removed) from the desulfurizer by the flow of the gas containing carbon dioxide, particularly the hydrocarbon gas components purged at the beginning of the flow time, are removed from the desulfurizer. A recycle path may also be formed to combine with the hydrocarbon-containing feed stream prior to introduction into the reactor. Alternatively, the hydrocarbon gas component purged from the desulfurizer, particularly the hydrocarbon gas component purged early in the flow time, may be connected to the delivery path to the steam reformer. The gaseous components of the hydrocarbons purged from the desulfurizer by passage of a gas containing carbon dioxide (e.g., when the carbon dioxide concentration in the gas is about 100% by volume) are the purging gas, dioxide Since it contains little (or no) carbon gas and has high purity, it has high utility value, is suitable for recycling, and contributes to the efficient use of resources.

二酸化炭素を含むガスの流通によって脱硫器から炭化水素のガス成分をパージ(脱着・除去)することにより、流通時間初期において急速に除去が進行し得る。完全なパージを行うためには、流通時間の初期以降もある程度の時間にわたり、二酸化炭素を含むガスの流通を継続させることが望ましい。このとき、約100体積%濃度の二酸化炭素ガスが用いられている場合、実質的に純粋な、すなわち100体積%濃度の二酸化炭素ガスが排出されることになり得る。このように排出された実質的に純粋な二酸化炭素ガスは、回収して再利用することが可能であり、プロセスの効率化、コスト削減および温室効果ガス排出抑制につながり得る。 By purging (desorbing/removing) hydrocarbon gas components from the desulfurizer by circulating the gas containing carbon dioxide, the removal can proceed rapidly at the beginning of the circulating time. In order to perform complete purging, it is desirable to continue the circulation of the gas containing carbon dioxide for a certain amount of time after the initial circulation time. At this time, if approximately 100% by volume carbon dioxide gas is used, substantially pure or 100% by volume carbon dioxide gas may be discharged. Substantially pure carbon dioxide gas thus emitted can be recovered and reused, leading to process efficiencies, cost savings and greenhouse gas emission control.

図面を参照した本発明の実施形態の説明
本発明のより具体的な実施形態を、図面を参照して説明する。これらの実施形態は例示であって、本発明はそれによって限定されない。当業者は、本発明の範囲内で、適宜、これらの実施形態の一部のみを利用し、あるいは部分的に変更・変形し、またはそれらを組み合わせて実施することも可能である。
Description of Embodiments of the Present Invention with Reference to Drawings A more specific embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. These embodiments are illustrative and the invention is not limited thereby. A person skilled in the art can appropriately use only a part of these embodiments, or partially change or modify them, or combine them to implement them within the scope of the present invention.

本発明の一実施形態を、図1及び図2を参照して説明する。
本実施形態は、水素利用システム(非限定的な一例としては燃料電池)において本発明による水素製造プロセスを適用した例である。この水素製造プロセスは、常温吸着脱硫方式による脱硫工程、水蒸気改質方式による水蒸気改質工程、および水蒸気を用いて一酸化炭素(CO)を二酸化炭素(CO)に変成する一酸化炭素変成器(以下では「CO変成器」と称する)を含む。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG.
This embodiment is an example in which the hydrogen production process according to the present invention is applied to a hydrogen utilization system (a non-limiting example is a fuel cell). This hydrogen production process includes a desulfurization step by a normal temperature adsorption desulfurization method, a steam reforming step by a steam reforming method, and a carbon monoxide transformer that transforms carbon monoxide (CO) into carbon dioxide (CO 2 ) using steam. (hereinafter referred to as the "CO transformer").

図1は、本発明の一実施形態に係るパージシステムを含む水素製造装置を用いて水素を製造し、この水素を水素利用システムに使用するプロセスフローの一例である。
このプロセスフローは、吸着材が充填された脱硫器1において、不純物としての硫黄または硫黄化合物および炭化水素を含む供給流から硫黄または硫黄化合物を除去する脱硫工程と、バーナ3を有し水蒸気改質触媒が充填された水蒸気改質器2において、脱硫済みの供給流をバーナによる加熱を伴う水蒸気改質にかけて、炭化水素および水から一酸化炭素および水素(および二酸化炭素)の混合物を得る水蒸気改質工程と、CO変成器4において、水蒸気を用いてこの改質流中の一酸化炭素を変成して二酸化炭素および水素を生成するCO変成工程と、このようにして得られた水素を水素利用システム5にて使用する工程を含む。
FIG. 1 is an example of a process flow for producing hydrogen using a hydrogen producing apparatus including a purge system according to one embodiment of the present invention and using this hydrogen in a hydrogen utilization system.
This process flow includes a desulfurization step in a desulfurizer 1 filled with adsorbent to remove sulfur or sulfur compounds from a feed stream containing sulfur or sulfur compounds as impurities and hydrocarbons, and a steam reforming with a burner 3. steam reforming of the desulfurized feed stream with heating by a burner in a catalyst-filled steam reformer 2 to obtain a mixture of carbon monoxide and hydrogen (and carbon dioxide) from hydrocarbons and water; a CO transformation step in which carbon monoxide in the reformed stream is transformed with water vapor in the CO transformation unit 4 to produce carbon dioxide and hydrogen; 5.

図1において、水素利用システム5にて使用するための水素製造を行うとき、原料供給バルブV10、脱硫処理済み原料の供給バルブV11、水供給バルブV12、水蒸気改質処理済みガスの供給バルブV13、CO変成処理済みガスの供給バルブV14、燃料供給バルブV15、空気供給バルブV16は開放され、水蒸気改質器バーナの燃焼排ガスの供給バルブV17、排気ガス放出バルブV18は閉止される。 In FIG. 1, when producing hydrogen for use in the hydrogen utilization system 5, the raw material supply valve V10, the desulfurized raw material supply valve V11, the water supply valve V12, the steam reformed gas supply valve V13, The CO-transformed gas supply valve V14, the fuel supply valve V15 and the air supply valve V16 are opened, and the combustion exhaust gas supply valve V17 and the exhaust gas release valve V18 of the steam reformer burner are closed.

不純物としての硫黄または硫黄化合物および炭化水素(都市ガス、天然ガス、LPG等)を含む原料の供給流は、ライン10を経由してゼオライト等の吸着材が充填された脱硫器1へ供給され、ここで硫黄または硫黄化合物が吸着材によって吸着・除去される。この脱硫処理済みの炭化水素を含む流れは、次いでライン11を経由して水蒸気改質器2へ供給され、同時にライン12を経由して水が供給される。ここで、ライン12を経由して水蒸気改質器2に供給される水は、水(液体)に替えて水蒸気の適用も可能である。水蒸気改質器2では、水蒸気改質触媒の存在下、バーナ3で加熱することにより、脱硫処理済みの炭化水素および水から、改質反応の生成物である水素および一酸化炭素(CO)および二酸化炭素(CO)を含む流れが生成される。バーナ3には、燃料の供給ライン15および空気の供給ライン16が接続されており、水蒸気改質に必要な熱エネルギーが提供される。燃料の供給ライン15からのバーナの燃料としては、都市ガス、天然ガス、LPG等を含む炭化水素類以外に、水素利用システム5から排出される混合ガス(CO、水素を含む)も好適に使用され得る。水蒸気改質器2から得られた水素および一酸化炭素(CO)を含む流れは、次いでライン13を経由してCO変成器4へ供給される。CO変成器4では、変成触媒の存在下、一酸化炭素(CO)および水蒸気から水素および二酸化炭素(CO)が生成される。次いで、CO変成器4から得られた流れ、すなわち水蒸気改質器2からの水素およびCO変成器4からの水素を含む流れは、ライン14を経由して(及び、必要に応じて、図示されていない精製処理に供された後)水素利用システム5へ供給される(図1中のボールドライン参照)。例えば、水素利用システム5が燃料電池である場合には、ここで水素を用いた発電が行われる。 A raw material feed stream containing sulfur or sulfur compounds as impurities and hydrocarbons (city gas, natural gas, LPG, etc.) is supplied via a line 10 to a desulfurizer 1 filled with an adsorbent such as zeolite, Here, sulfur or sulfur compounds are adsorbed and removed by the adsorbent. This desulfurized hydrocarbon-containing stream is then fed via line 11 to the steam reformer 2 and simultaneously with water via line 12 . Here, the water supplied to the steam reformer 2 via the line 12 can be replaced with water (liquid) and can be steam. In the steam reformer 2, by heating with the burner 3 in the presence of the steam reforming catalyst, hydrogen and carbon monoxide (CO), which are the products of the reforming reaction, are converted from the desulfurized hydrocarbon and water. A stream containing carbon dioxide (CO 2 ) is produced. A fuel supply line 15 and an air supply line 16 are connected to the burner 3 to provide thermal energy necessary for steam reforming. As the fuel for the burner from the fuel supply line 15, in addition to hydrocarbons including city gas, natural gas, LPG, etc., the mixed gas (including CO 2 and hydrogen) discharged from the hydrogen utilization system 5 is also suitable. can be used. A stream containing hydrogen and carbon monoxide (CO) obtained from steam reformer 2 is then fed via line 13 to CO converter 4 . In the CO shift converter 4, hydrogen and carbon dioxide (CO 2 ) are produced from carbon monoxide (CO) and water vapor in the presence of a shift catalyst. The resulting stream from CO shift converter 4, i.e., a stream containing hydrogen from steam reformer 2 and hydrogen from CO shift converter 4, is then passed via line 14 (and, if desired, After being subjected to a refining process that has not been treated), it is supplied to the hydrogen utilization system 5 (see the bold line in FIG. 1). For example, when the hydrogen utilization system 5 is a fuel cell, power generation using hydrogen is performed here.

図2は、図1に示された、本発明の一実施形態に係るパージシステムを含む水素製造装置の適用例において、吸着材に吸着された炭化水素を、水蒸気改質用のバーナからの燃焼排ガスを用いてパージするプロセスフローである。
このプロセスフローは、図1に示された水素製造において、脱硫器1に充填されたゼオライト等の吸着材が供給原料中の硫黄または硫黄化合物によって飽和し、吸着材の抜出及び再充填作業を行う必要が生じた際に、水蒸気改質器2に設けられたバーナ3から排出された二酸化炭素を含む燃焼排ガスを利用して、脱硫器1に充填されたゼオライト等の吸着材に吸着した前記炭化水素をパージすることを含む。このようなパージ作業は、吸着材の細孔内に吸着している炭化水素をパージすることで、吸着材の抜出及び再充填作業を行う際の安全性を確保するために行われる。
なお、この実施形態においては、二酸化炭素を含むガスとして水蒸気改質器2に設けられたバーナ3から排出された二酸化炭素を含む燃焼排ガスを利用するが、本発明におけるパージ用ガスはこれに限定されるわけではなく、二酸化炭素を含むガスはいずれでも使用され得る。
FIG. 2 shows an application example of a hydrogen production apparatus including a purge system according to one embodiment of the present invention shown in FIG. 1 is a process flow of purging with exhaust gas;
In this process flow, in hydrogen production shown in FIG. When the need arises, the combustion exhaust gas containing carbon dioxide discharged from the burner 3 provided in the steam reformer 2 is used to adsorb the adsorbent such as zeolite filled in the desulfurizer 1. Including purging hydrocarbons. Such a purging operation is performed to purge the hydrocarbons adsorbed in the pores of the adsorbent, thereby ensuring safety when the adsorbent is extracted and refilled.
In this embodiment, the combustion exhaust gas containing carbon dioxide discharged from the burner 3 provided in the steam reformer 2 is used as the gas containing carbon dioxide, but the purge gas in the present invention is limited to this. Any gas containing carbon dioxide can be used.

図2において、図1に示された水素製造に続いて、吸着材に吸着された炭化水素を、水蒸気改質用のバーナからの燃焼排ガスを用いてパージするとき、原料供給バルブV10、脱硫処理済み原料の供給バルブV11、水供給バルブV12、水蒸気改質処理済みガスの供給バルブV13、CO変成処理済みガスの供給バルブV14は閉止され(すなわち、水素製造プロセスが停止され)、燃料供給バルブV15、空気供給バルブV16、水蒸気改質器バーナの燃焼排ガスの供給バルブV17、排気ガス放出バルブV18は開放される。 In FIG. 2, following the hydrogen production shown in FIG. The raw material supply valve V11, the water supply valve V12, the steam reformed gas supply valve V13, and the CO-transformed gas supply valve V14 are closed (that is, the hydrogen production process is stopped), and the fuel supply valve V15 is closed. , the air supply valve V16, the flue gas supply valve V17 of the steam reformer burner, and the exhaust gas discharge valve V18 are opened.

バーナ3にて、ライン16からの供給空気を用いてライン15からの供給燃料(都市ガス、天然ガス、LPG等を含む炭化水素類や、水素利用システム5から排出されるCO、水素を含む混合ガス)の燃焼が行われる。その燃焼排ガス(CO、窒素、水蒸気を含む)が、パージ用ガスとしてライン17を経由して脱硫器1に供給され、これによって、脱硫器1に充填されたゼオライト等の吸着材に吸着している水素製造原料である炭化水素(都市ガス、天然ガス、LPG等)が迅速にパージされる(図2中のボールドライン参照)。パージされた炭化水素は、フレアに送気され、そこで燃焼処理され得る(図示せず)。脱硫器1からの排気ガス放出ライン18において、炭化水素成分が検出されなくなった時点で、あるいは爆発下限界の1/20未満に達した時点でパージ完了とし、全バルブが閉止されたうえで、ゼオライトの抜出・交換作業が行われる。 In the burner 3, using the air supplied from the line 16, the fuel supplied from the line 15 (hydrocarbons including city gas, natural gas, LPG, etc., CO 2 discharged from the hydrogen utilization system 5, including hydrogen) mixed gas) is burned. The combustion exhaust gas (including CO 2 , nitrogen, and water vapor) is supplied to the desulfurizer 1 via a line 17 as a purge gas, and is thereby adsorbed by an adsorbent such as zeolite filled in the desulfurizer 1. Hydrocarbons (city gas, natural gas, LPG, etc.), which are the raw materials for hydrogen production, are quickly purged (see the bold line in FIG. 2). The purged hydrocarbons are sent to a flare where they may be combusted (not shown). When the hydrocarbon component is no longer detected in the exhaust gas discharge line 18 from the desulfurizer 1, or when it reaches less than 1/20 of the lower explosive limit, the purge is completed, all the valves are closed, Extraction and exchange work of zeolite is performed.

本実施形態によれば、ゼオライト等の吸着材に吸着した炭化水素をパージするために二酸化炭素(CO)を含むガスを用いることによって、炭化水素を、穏和な条件下で、より短時間で効率的にパージすることが可能になり、ひいてはプロセス全体の運転効率の向上、処理コストの削減がもたらされる。二酸化炭素(CO)を含むガスによる炭化水素のパージによって、窒素ガスによるパージと比べ、ガス必要量およびパージの作業時間が格段に削減され得、低コストかつ高効率なプロセスが達成される。
また、本実施形態によれば、炭化水素のパージ用ガスとして水蒸気改質器のバーナから排出された燃焼排ガス(CO、窒素、水蒸気を含む)を利用することによって、当該プロセス外からの二酸化炭素供給の追加設備・コストを必要とすることなく、プロセスフロー内での二酸化炭素を含む排ガスの有効活用が促進され、ひいては、より効率的かつ低コストのパージおよびゼオライト交換作業が可能となり、プロセス全体の運転効率の更なる向上を図ることができる。
According to this embodiment, hydrocarbons can be removed under mild conditions in a shorter time by using a gas containing carbon dioxide (CO 2 ) to purge hydrocarbons adsorbed on an adsorbent such as zeolite. Efficient purging becomes possible, which in turn improves the operational efficiency of the entire process and reduces processing costs. Purging hydrocarbons with a gas containing carbon dioxide (CO 2 ) can significantly reduce gas requirements and purging operation times compared to purging with nitrogen gas, resulting in a low cost and highly efficient process.
Further, according to the present embodiment, the combustion exhaust gas (including CO 2 , nitrogen, and water vapor) discharged from the burner of the steam reformer is used as the purging gas for the hydrocarbons, thereby eliminating the carbon dioxide from outside the process. It promotes the effective use of exhaust gas containing carbon dioxide in the process flow without the need for additional equipment and costs of carbon supply, which in turn enables more efficient and low-cost purging and zeolite replacement operations, resulting in improved process efficiency. It is possible to further improve the overall operating efficiency.

図3は、図1または図2に示された、本発明の一実施形態に係るパージシステムを含む水素製造装置の適用例に対して、水蒸気改質用のバーナからの燃焼排ガスを貯留するバッファタンクを追加的に設け、そこに貯留された燃焼排ガスを用いて吸着材に吸着された炭化水素をパージするプロセスフローである。
図3のプロセスフローは、図1に示された水素製造(図3も水素製造プロセス自体は共通)において、脱硫器1に充填されたゼオライト等の吸着材が供給原料中の硫黄または硫黄化合物によって飽和し、吸着材の抜出及び再充填作業を行う必要が生じた際に、水蒸気改質器2に設けられたバーナ3の稼働を停止しつつ(すなわち、バーナ3への燃料を消費することなく、バーナ3の運転コストを生じることなく、また、燃料の燃焼による余分な温室効果ガスの排出を生じることもなく)、バッファタンク6に予め貯留しておいた二酸化炭素を含むバーナ3の燃焼排ガスを利用して、吸着材に吸着した炭化水素をパージすることを含む。
FIG. 3 shows a buffer for storing flue gas from a steam reforming burner for an application example of a hydrogen production apparatus including a purge system according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 1 or FIG. 1 is a process flow in which a tank is additionally provided and flue gas stored therein is used to purge hydrocarbons adsorbed on the adsorbent.
In the process flow of FIG. 3, in the hydrogen production shown in FIG. 1 (the hydrogen production process itself is also common in FIG. 3), the adsorbent such as zeolite filled in the desulfurizer 1 is When the adsorbent is saturated and it becomes necessary to remove and refill the adsorbent, the operation of the burner 3 provided in the steam reformer 2 is stopped (that is, the fuel to the burner 3 is consumed. without incurring operating costs of the burner 3, and without generating excess greenhouse gas emissions due to combustion of the fuel), the combustion of the burner 3 containing carbon dioxide previously stored in the buffer tank 6 This includes using the exhaust gas to purge hydrocarbons adsorbed on the adsorbent.

図3において、水素製造時、水蒸気改質器2に設けられたバーナ3を稼働させる際に、水蒸気改質器2に設けられたバーナ3から燃料の燃焼によって排出された二酸化炭素を含む燃焼排ガスは、ライン19を経由してバッファタンク6に予め貯留される。このようなバーナ3の燃焼排ガスの貯留操作の際には、水蒸気改質器バーナの燃焼排ガスのバッファタンクへの供給バルブV19は開放され、バッファタンクに貯留された燃料排ガスの脱硫器への供給バルブV20は閉止される。 In FIG. 3, when the burner 3 provided in the steam reformer 2 is operated during hydrogen production, the combustion exhaust gas containing carbon dioxide emitted from the burner 3 provided in the steam reformer 2 by burning the fuel is preliminarily stored in the buffer tank 6 via the line 19 . During the storage operation of the combustion exhaust gas of the burner 3, the supply valve V19 of the combustion exhaust gas of the steam reformer burner to the buffer tank is opened, and the fuel exhaust gas stored in the buffer tank is supplied to the desulfurizer. Valve V20 is closed.

図3において、水素製造に続いて、吸着材に吸着された炭化水素を、バッファタンク6に予め貯留しておいた二酸化炭素を含むバーナ3の燃焼排ガスを用いてパージするとき、原料供給バルブV10、脱硫処理済み原料の供給バルブV11、水供給バルブV12、水蒸気改質処理済みガスの供給バルブV13、CO変成処理済みガスの供給バルブV14、燃料供給バルブV15、空気供給バルブV16は閉止され(すなわち、バーナ3の稼働を含めた水素製造プロセスの全体が停止され)、更に、水蒸気改質器バーナの燃焼排ガスのバッファタンクへの供給バルブV19も閉止されると共に、排気ガス放出バルブV18およびバッファタンクに貯留された燃料排ガスの脱硫器への供給バルブV20は開放される。 In FIG. 3, following hydrogen production, when the hydrocarbons adsorbed by the adsorbent are purged using the combustion exhaust gas of the burner 3 containing carbon dioxide stored in advance in the buffer tank 6, the raw material supply valve V10 is closed. , the desulfurized raw material supply valve V11, the water supply valve V12, the steam reformed gas supply valve V13, the CO-transformed gas supply valve V14, the fuel supply valve V15, and the air supply valve V16 are closed (that is, , the entire hydrogen production process including the operation of the burner 3 is stopped), the supply valve V19 for the combustion exhaust gas of the steam reformer burner to the buffer tank is also closed, and the exhaust gas release valve V18 and the buffer tank are closed. The supply valve V20 for supplying the fuel exhaust gas stored in the desulfurizer is opened.

バッファタンク6に予め貯留された二酸化炭素を含むバーナ3の燃焼排ガス(CO、窒素、水蒸気を含む)が、パージ用ガスとしてライン20およびバルブV20を経由して脱硫器1に供給され、これによって、脱硫器1に充填されたゼオライト等の吸着材に吸着している水素製造原料である炭化水素(都市ガス、天然ガス、LPG等)が迅速にパージされる(図3中のボールドライン参照)。パージされた炭化水素は、フレアに送気され、そこで燃焼処理され得る(図示せず)。脱硫器1からの排気ガス放出ライン18において、炭化水素成分が検出されなくなった時点で、または爆発下限界の1/20未満に達した時点でパージ完了とし、全バルブが閉止されたうえで、ゼオライトの抜出・交換作業が行われる。 Combustion exhaust gas (including CO 2 , nitrogen, and water vapor) of the burner 3 containing carbon dioxide stored in advance in the buffer tank 6 is supplied as a purge gas to the desulfurizer 1 via a line 20 and a valve V20. , the hydrocarbons (city gas, natural gas, LPG, etc.) that are the raw materials for hydrogen production adsorbed on the adsorbent such as zeolite packed in the desulfurizer 1 are quickly purged (see the bold line in FIG. 3). ). The purged hydrocarbons are sent to a flare where they may be combusted (not shown). When the hydrocarbon component is no longer detected in the exhaust gas discharge line 18 from the desulfurizer 1, or when it reaches less than 1/20 of the lower explosion limit, the purge is completed, all valves are closed, Extraction and exchange work of zeolite is performed.

本実施形態によれば、バッファタンクに貯留された水蒸気改質工程のバーナの燃焼排ガスによって、吸着材に吸着した炭化水素のパージを行うので、パージ作業を実施するだけの目的でバーナを稼働させる必要がなく、燃料および電力の消費量、バーナの運転およびメンテナンスコストを大幅に削減することが可能になる。これにより、プロセス全体の運転効率のより一層の向上およびコストの更なる削減を図ることができると共に、資源の節約、温室効果ガスの排出削減にもつながる。 According to this embodiment, the combustion exhaust gas of the burner in the steam reforming process stored in the buffer tank is used to purge the hydrocarbons adsorbed on the adsorbent, so the burner is operated only for the purpose of performing the purging operation. It is not necessary, and fuel and power consumption, burner operation and maintenance costs can be greatly reduced. As a result, the operating efficiency of the entire process can be further improved and the cost can be further reduced, and at the same time, resources can be saved and greenhouse gas emissions can be reduced.

以下に実施例を参照して本発明を例証するが、本発明はこの実施例によって何ら限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be illustrated with reference to examples below, but the present invention is not limited to these examples.

炭化水素吸着ゼオライトからのパージ挙動の比較実験(実施例1および比較例1)
内径151mmのゼオライト吸着器(ゼオライト収容部を含む)に、吸着剤として2.23kgのNaX型ゼオライトを高さ200mmで収容した。
このゼオライト吸着器の底部から液体のLPG(プロパンのみ)を流入させ、ゼオライトを液体LPGに十分浸漬させることによって完全な吸着状態とした。ゼオライトに対するLPGの完全吸着の後、液抜き及び脱圧(大気圧まで)を行い、LPG吸着ゼオライトの試料を得た。
Comparative Experiment of Purge Behavior from Hydrocarbon Adsorbing Zeolite (Example 1 and Comparative Example 1)
2.23 kg of NaX-type zeolite as an adsorbent was accommodated at a height of 200 mm in a zeolite adsorber (including a zeolite accommodating portion) having an inner diameter of 151 mm.
Liquid LPG (propane only) was flowed from the bottom of this zeolite adsorber, and the zeolite was sufficiently immersed in the liquid LPG to achieve a complete adsorption state. After complete adsorption of LPG on the zeolite, the liquid was drained and depressurized (to atmospheric pressure) to obtain a sample of LPG-adsorbed zeolite.

本発明に従うパージ操作を例証する実施例1として、LPG吸着ゼオライト試料が収容されたゼオライト吸着器に、パージ(脱着・除去)用ガスとして二酸化炭素ガス(100体積%CO)を、線速度1.32m/分で22NL/分の流量にて流通させた。
ゼオライト吸着器内部の温度(すなわち収容されたゼオライトの温度)は、二酸化炭素ガスの流通の開始前の約20℃から流通開始直後に約60℃にまで急上昇し、次いで流通中に最高で約70℃に達したものの、それより上昇することはなく短時間で急下降に転じ、流通が停止されたときは約20℃にまで再び低下した。
As Example 1 illustrating the purge operation according to the present invention, a zeolite adsorber containing an LPG-adsorbed zeolite sample was charged with carbon dioxide gas (100% by volume CO 2 ) as a purge (desorption/removal) gas at a linear velocity of 1. Flow rate of 22 NL/min at 0.32 m/min.
The temperature inside the zeolite adsorber (that is, the temperature of the stored zeolite) rapidly rises from about 20°C before the start of the carbon dioxide gas flow to about 60°C immediately after the start of the flow, and then rises to about 70°C at maximum during the flow. °C, it did not rise above that level, and in a short period of time, the temperature dropped sharply, and when the flow was stopped, the temperature dropped again to about 20°C.

他方、比較例1として、LPG吸着ゼオライト試料が収容されたゼオライト吸着器に、パージ(脱着・除去)用ガスとして窒素ガス(N)を、線速度1.26m/分で21NL/分の流量にて流通させた。
窒素ガスの流通の開始から停止に至るまでのゼオライト吸着器内部の温度は約20℃で一定であった。
On the other hand, as Comparative Example 1, a zeolite adsorber containing an LPG-adsorbed zeolite sample was supplied with nitrogen gas (N 2 ) as a purge (desorption/removal) gas at a linear velocity of 1.26 m/min and a flow rate of 21 NL/min. circulated in
The temperature inside the zeolite adsorber was constant at about 20° C. from the start to the stop of the flow of nitrogen gas.

パージ用ガスとして、二酸化炭素ガス(100体積%CO)を用いた上記実施例、および窒素ガス(N)を用いた上記比較例について、パージ用ガスの流通時間を横軸にとり、ゼオライト吸着器出口のプロパン(C)濃度(体積%)を縦軸にとったグラフを図4に示す。また、図4には、パージ用ガスの流通時間初期の1時間のみの拡大図(1)、およびゼオライト吸着器出口プロパンが3体積%以下の低濃度である部分のみの拡大図(2)を併せて示す。 Regarding the above example using carbon dioxide gas (100% by volume CO 2 ) as the purging gas and the above comparative example using nitrogen gas (N 2 ), the horizontal axis represents the flow time of the purging gas, and the zeolite adsorption FIG. 4 shows a graph in which the vertical axis represents the propane (C 3 H 8 ) concentration (% by volume) at the outlet of the reactor. In addition, FIG. 4 shows an enlarged view (1) of only one hour at the beginning of the flow time of the purge gas, and an enlarged view (2) of only the portion where the zeolite adsorber outlet propane has a low concentration of 3% by volume or less. Also shown.

図4のグラフから、以下の事項が把握される。
・パージ(脱着・除去)用ガスとして二酸化炭素ガスを用いたときに、パージ用ガスとして窒素ガスを用いたときと比較して、プロパンのパージの作業時間(出口プロパン濃度が0.1体積%未満、つまり爆発下限界の1/20未満に達するまでの時間)が約1/50になった。これにより、プロセス効率が高められ、ひいてはゼオライト抜出作業の短縮および設備の稼働率の向上が達成され得る。
・パージ用ガスとして二酸化炭素ガスを用いたときに、パージ用ガスとして窒素ガスを用いたときと比較して、ガスの必要量が約1/30になった。これにより、パージ用ガスのコストが大幅に削減され得る。
・図4の拡大図(1)に示されているように、パージ用ガスの流通時間初期におけるゼオライト吸着器出口のプロパン濃度の低下プロファイルおよび低下速度は、パージ用ガスとして二酸化炭素ガスを用いたときと窒素ガスを用いたときとで大きく異なっていた。すなわち、パージ用ガスとして二酸化炭素ガスを用いたときには、ゼオライト吸着器出口から、最初の約10分は二酸化炭素ガスを全くあるいは殆ど含まない約100%濃度(すなわち高純度の)プロパンが排出され、次いでプロパン濃度が急低下した。パージ用ガスの流通開始直後に排出されるガスは、コンプレッサー等の簡便な昇圧手段で容易に製品として回収できフレア処理による温室効果ガスの削減が可能となる。これに対して、パージ用ガスとして窒素ガスを用いたときには、ゼオライト吸着器出口のプロパン濃度は流通開始直後からほぼ一定の割合で漸減が継続するため、低い濃度のプロパンが排出され製品としての回収は困難となる。
・図4の拡大図(1)と併せて拡大図(2)に示されているように、パージ用ガスとして二酸化炭素ガスを用いたときには、流通開始から約20分で、ゼオライト吸着器出口のプロパン濃度が0.1体積%未満、つまり爆発下限界の1/20未満に達した。それに対して、パージ用ガスとして窒素ガスを用いたときには、ゼオライト吸着器出口のプロパン濃度が0.1体積%未満、つまり爆発下限界の1/20未満に達するまで約16時間もの長時間を要した。
From the graph of FIG. 4, the following matters are grasped.
・When carbon dioxide gas is used as the purge (desorption/removal) gas, the working time for propane purging (when the outlet propane concentration is 0.1% by volume) is shorter than when nitrogen gas is used as the purge gas. time to reach less than 1/20 of the lower explosive limit) was reduced to about 1/50. Thereby, the process efficiency can be enhanced, which in turn can shorten the zeolite extraction work and improve the availability of the equipment.
- When carbon dioxide gas is used as the purging gas, the necessary amount of gas is reduced to about 1/30 of that when nitrogen gas is used as the purging gas. This can significantly reduce the cost of purging gas.
・As shown in the enlarged view (1) of FIG. 4, the decrease profile and decrease rate of the propane concentration at the outlet of the zeolite adsorber at the beginning of the flow time of the purging gas were obtained using carbon dioxide gas as the purging gas. There was a large difference between when nitrogen gas was used and when nitrogen gas was used. That is, when carbon dioxide gas is used as the purging gas, approximately 100% concentration (that is, high purity) propane containing no or little carbon dioxide gas is discharged from the outlet of the zeolite adsorber for the first approximately 10 minutes, The propane concentration then dropped sharply. The gas that is discharged immediately after the purge gas starts to flow can be easily recovered as a product by a simple pressurizing means such as a compressor, making it possible to reduce greenhouse gases by flaring. On the other hand, when nitrogen gas is used as the purging gas, the propane concentration at the outlet of the zeolite adsorber continues to decrease gradually at an almost constant rate immediately after the start of circulation, so low-concentration propane is discharged and recovered as a product. becomes difficult.
・As shown in the enlarged view (2) together with the enlarged view (1) of FIG. 4, when carbon dioxide gas is used as the purge gas, the outlet of the zeolite adsorber is discharged in about 20 minutes from the start of the flow. The propane concentration reached less than 0.1% by volume, ie less than 1/20 of the lower explosive limit. On the other hand, when nitrogen gas was used as the purge gas, it took about 16 hours for the propane concentration at the outlet of the zeolite adsorber to reach less than 0.1% by volume, that is, less than 1/20 of the lower explosion limit. bottom.

実施例2
二酸化炭素を12.9体積%濃度で含有するガスをパージ(脱着・除去)用ガスとして線速度1.15m/分で19NL/分の流量にて流通させた以外は実施例1と同様に、LPG吸着ゼオライト試料が収容されたゼオライト吸着器にこの二酸化炭素含有ガスを流通させ、パージ用ガスの流通時間とゼオライト吸着器出口のプロパン(C)濃度(体積%)との関係をモニタリングした。
その結果、意外なことに、パージ用ガスにおける二酸化炭素濃度が12.9体積%と比較的低いときでさえも、約3時間でパージ作業が完了し(出口プロパン濃度が0.1体積%未満、つまり爆発下限界の1/20未満に達し)、窒素ガスによるパージ作業完了までの時間である約16時間に比べて大幅に短縮されていることが分かった。
Example 2
In the same manner as in Example 1, except that a gas containing carbon dioxide at a concentration of 12.9% by volume was flowed as a purge (desorption/removal) gas at a linear velocity of 1.15 m/min and a flow rate of 19 NL/min. This carbon dioxide-containing gas is passed through the zeolite adsorber containing the LPG-adsorbed zeolite sample, and the relationship between the flow time of the purge gas and the propane (C 3 H 8 ) concentration (% by volume) at the outlet of the zeolite adsorber is monitored. bottom.
As a result, surprisingly, even when the carbon dioxide concentration in the purging gas is relatively low at 12.9 vol. , that is, less than 1/20 of the lower explosive limit), which was found to be greatly shortened compared to the time required to complete the purging operation with nitrogen gas, which was about 16 hours.

本発明によるパージ方法およびシステムは、水素製造プロセスにおいて不純物を除去するための吸着材に吸着した炭化水素を効率的にパージすることが可能であり、ひいてはプロセス全体の運転効率の向上、処理コストの削減がもたらされるため、燃料電池、ハーバーボッシュ法によるアンモニアを合成するプロセス、合成ガスからのメタノール合成プロセスなど様々な水素利用システムに適用するために、幅広く有効に利用され得る。 The purging method and system according to the present invention can efficiently purge hydrocarbons adsorbed on an adsorbent for removing impurities in a hydrogen production process, thereby improving the operating efficiency of the entire process and reducing the treatment cost. Because of the reduction, it can be widely and effectively used for application to various hydrogen utilization systems such as fuel cells, processes for synthesizing ammonia by the Haber-Bosch process, and processes for synthesizing methanol from syngas.

1:脱硫器
2:水蒸気改質器
3:水蒸気改質器のバーナ
4:CO変成器
5:水素利用システム
6:バッファタンク
10:脱硫器への原料の供給ライン
11:脱硫器からの脱硫処理済み原料の排出ライン
12:水蒸気改質器への水の供給ライン
13:水蒸気改質器からの水蒸気改質処理済みガスの排出ライン
14:CO変成器からのCO変成処理済みガスの排出ライン
15:水蒸気改質器バーナへの燃料の供給ライン
16:水蒸気改質器バーナへの空気の供給ライン
17:水蒸気改質器バーナの燃焼排ガスの脱硫器への供給ライン
18:脱硫器からの排気ガス放出ライン
19:水蒸気改質器バーナの燃焼排ガスのバッファタンクへの供給ライン
20:バッファタンクに貯留された燃料排ガスの脱硫器への供給ライン
V10:原料供給バルブ
V11:脱硫処理済み原料の供給バルブ
V12:水供給バルブ
V13:水蒸気改質処理済みガスの供給バルブ
V14:CO変成処理済みガスの供給バルブ
V15:燃料供給バルブ
V16:空気供給バルブ
V17:水蒸気改質器バーナの燃焼排ガスの供給バルブ
V18:排気ガス放出バルブ
V19:水蒸気改質器バーナの燃焼排ガスのバッファタンクへの供給バルブ
V20:バッファタンクに貯留された燃料排ガスの脱硫器への供給バルブ
1: Desulfurizer 2: Steam reformer 3: Steam reformer burner 4: CO shift converter 5: Hydrogen utilization system 6: Buffer tank 10: Raw material supply line to desulfurizer 11: Desulfurization treatment from desulfurizer Finished raw material discharge line 12: Water supply line to steam reformer 13: Steam reformed gas discharge line from steam reformer 14: CO converted gas discharge line from CO shift converter 15 : Fuel supply line to steam reformer burner 16: Air supply line to steam reformer burner 17: Steam reformer burner flue gas supply line to desulfurizer 18: Exhaust gas from desulfurizer Release line 19: Supply line for combustion exhaust gas of steam reformer burner to buffer tank 20: Supply line for fuel exhaust gas stored in buffer tank to desulfurizer V10: Raw material supply valve V11: Supply valve for desulfurized raw material V12: Water supply valve V13: Steam-reformed gas supply valve V14: CO-transformed gas supply valve V15: Fuel supply valve V16: Air supply valve V17: Steam reformer burner flue gas supply valve V18 : Exhaust gas release valve V19: Supply valve for combustion exhaust gas of steam reformer burner to buffer tank V20: Supply valve for fuel exhaust gas stored in buffer tank to desulfurizer

ここで好ましくは、当該パージシステムは、前記二酸化炭素を含むガスとして、前記水蒸気改質にて前記バーナから排出された二酸化炭素を含む燃焼排ガスを前記脱硫器に導入する導入経路を更に含み、この二酸化炭素を含む燃焼排ガスを前記脱硫器に導入することによって、前記吸着材に吸着した前記炭化水素がパージされるように構成されていてよい。
また好ましくは、当該パージシステムは、前記二酸化炭素を含むガスとして、前記水蒸気改質にて前記バーナから排出された二酸化炭素を含む燃焼排ガスを前記脱硫器に導入する導入経路を更に含む場合において、この導入経路中に、前記燃焼排ガスを貯留するバッファタンク、および前記バッファタンクに貯留された前記燃焼排ガスを前記脱硫器に導入する導入経路を包含していてよく、このシステムは、前記バッファタンクに貯留された前記燃焼排ガスによって、前記吸着材に吸着した前記炭化水素がパージされるように構成されていてよい。
Here, preferably, the purge system further includes an introduction path for introducing combustion exhaust gas containing carbon dioxide discharged from the burner in the steam reformer into the desulfurizer as the gas containing carbon dioxide, The hydrocarbon adsorbed on the adsorbent may be purged by introducing the combustion exhaust gas containing carbon dioxide into the desulfurizer.
Further preferably, the purge system further includes an introduction path for introducing combustion exhaust gas containing carbon dioxide discharged from the burner in the steam reformer into the desulfurizer as the gas containing carbon dioxide. , the introduction route may include a buffer tank for storing the flue gas, and an introduction route for introducing the flue gas stored in the buffer tank to the desulfurizer. The hydrocarbons adsorbed on the adsorbent may be purged by the combustion exhaust gas stored in the exhaust gas.

Claims (6)

(i)不純物としての硫黄または硫黄化合物、および炭化水素を含む供給流から、吸着材を用いて硫黄または硫黄化合物を除去する脱硫工程、ならびに、(ii)前記脱硫工程にて得られた前記炭化水素を含む供給流を、水蒸気改質触媒の存在下、バーナによる加熱を伴う水蒸気改質にかけて、前記炭化水素および水または水蒸気から一酸化炭素および水素の混合物を得る水蒸気改質工程を含む水素製造プロセスにおいて、前記吸着材に吸着した前記炭化水素をパージする方法であって、
二酸化炭素を含むガスを用いて、前記吸着材に吸着した前記炭化水素をパージする、パージ方法。
(i) a desulfurization step of removing sulfur or sulfur compounds from a feed stream containing sulfur or sulfur compounds as impurities and hydrocarbons using an adsorbent; and (ii) said carbonization resulting from said desulfurization step. Hydrogen production comprising a steam reforming step of subjecting a feed stream containing hydrogen to steam reforming with heating by a burner in the presence of a steam reforming catalyst to obtain a mixture of carbon monoxide and hydrogen from said hydrocarbon and water or steam. A method of purging the hydrocarbon adsorbed on the adsorbent in a process, comprising:
A purging method, wherein the hydrocarbon adsorbed on the adsorbent is purged using a gas containing carbon dioxide.
前記二酸化炭素を含むガスとして、前記水蒸気改質工程にて前記バーナから排出された二酸化炭素を含む燃焼排ガスを用いる、請求項1に記載の方法。 2. The method according to claim 1, wherein the gas containing carbon dioxide is exhaust gas containing carbon dioxide discharged from the burner in the steam reforming step. 前記水蒸気改質工程にて前記バーナから排出された二酸化炭素を含む燃焼排ガスをバッファタンクに貯留し、前記バッファタンクに貯留された前記燃焼排ガスを用いて、前記吸着材に吸着した前記炭化水素をパージする、請求項2に記載の方法。 The flue gas containing carbon dioxide discharged from the burner in the steam reforming step is stored in a buffer tank, and the hydrocarbon adsorbed on the adsorbent is removed using the flue gas stored in the buffer tank. 3. The method of claim 2, purging. (I)吸着材が充填された脱硫器であって、不純物としての硫黄または硫黄化合物、および炭化水素を含む供給流を受入れ、この供給流から前記吸着材を用いて硫黄または硫黄化合物を除去する脱硫器、ならびに、(II)バーナを有すると共に水蒸気改質触媒が充填された水蒸気改質器であって、前記脱硫器にて得られた前記炭化水素を含む供給流および水または水蒸気を受入れ、前記炭化水素を含む供給流を前記バーナによる加熱下で水蒸気改質にかけて一酸化炭素および水素の混合物を得る水蒸気改質器を含む水素製造装置において、前記吸着材に吸着した前記炭化水素をパージするシステムであって、
二酸化炭素を含むガスを前記脱硫器に導入する導入経路を更に含み、この二酸化炭素を含むガスを前記脱硫器に導入することによって、前記吸着材に吸着した前記炭化水素がパージされるように構成された、パージシステム。
(I) A desulfurizer filled with an adsorbent, which receives a feed stream containing sulfur or sulfur compounds as impurities and hydrocarbons and removes sulfur or sulfur compounds from the feed stream using said adsorbent. a desulfurizer and (II) a steam reformer having a burner and filled with a steam reforming catalyst, receiving said hydrocarbon-containing feed stream obtained in said desulfurizer and water or steam; purging the hydrocarbons adsorbed on the adsorbent in a hydrogen production apparatus comprising a steam reformer to subject the hydrocarbon-containing feed stream to steam reforming under heating by the burner to obtain a mixture of carbon monoxide and hydrogen; a system,
It further includes an introduction path for introducing a gas containing carbon dioxide into the desulfurizer, and the hydrocarbon adsorbed on the adsorbent is purged by introducing the gas containing carbon dioxide into the desulfurizer. purge system.
前記二酸化炭素を含むガスとして、前記水蒸気改質工程にて前記バーナから排出された二酸化炭素を含む燃焼排ガスを前記脱硫器に導入する導入経路を更に含み、この二酸化炭素を含む燃焼排ガスを前記脱硫器に導入することによって、前記吸着材に吸着した前記炭化水素がパージされるように構成された、請求項4に記載のシステム。 Further comprising an introduction path for introducing the flue gas containing carbon dioxide discharged from the burner in the steam reforming step into the desulfurizer as the gas containing carbon dioxide, wherein the flue gas containing carbon dioxide is introduced into the desulfurizer. 5. The system of claim 4, wherein said hydrocarbon adsorbed on said adsorbent is purged by introducing it into a vessel. 前記水蒸気改質工程にて前記バーナから排出された二酸化炭素を含む燃焼排ガスを前記脱硫器に導入する導入経路中に、前記燃焼排ガスを貯留するバッファタンク、および前記バッファタンクに貯留された前記燃焼排ガスを前記脱硫器に導入する導入経路を包含し、前記バッファタンクに貯留された前記燃焼排ガスによって、前記吸着材に吸着した前記炭化水素がパージされるように構成された、請求項5に記載のシステム。 A buffer tank for storing the combustion exhaust gas, and the combustion stored in the buffer tank, in an introduction path for introducing the combustion exhaust gas containing carbon dioxide discharged from the burner in the steam reforming step into the desulfurizer. 6. The desulfurizer according to claim 5, comprising an introduction path for introducing exhaust gas into said desulfurizer, wherein said hydrocarbon adsorbed on said adsorbent is purged by said combustion exhaust gas stored in said buffer tank. system.
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