JP3856987B2 - 水素精製用3塔式psa装置におけるオフガスタンクからのオフガス圧力の制御方法 - Google Patents
水素精製用3塔式psa装置におけるオフガスタンクからのオフガス圧力の制御方法 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素精製用3塔式PSA装置(圧力スイング吸着装置)に付設したオフガスタンクのオフガスを炭化水素ガスの水蒸気改質による水素製造用改質器のバーナに供給するに際して、オフガスタンクからのオフガスを該バーナへ安定して供給するようにしてなる水素精製用3塔式PSA装置におけるオフガスタンクからのオフガス圧力の制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
水素は不飽和結合への水素添加用、酸水素炎用その他各種用途に供される基礎原料であり、燃料電池用の燃料としても利用される。水素の工業的製造方法の一つであるガス体燃料の変成法は通常炭化水素ガスの水蒸気改質により行われる。水蒸気改質法では改質器が用いられ、天然ガスや都市ガス等の炭化水素ガスがNi系、Ru系その他の触媒を用いる接触反応により改質ガスへ変えられる。改質器は概略加熱部と改質部とからなり、加熱部(バーナ)からの熱(ΔH)が改質部に供給され、改質部で炭化水素ガスが接触反応により改質ガスへ変えられる。
【0003】
ここで得られる改質ガスには主成分である水素のほか、CO、CO2 等の副生成分や余剰H2O、また未改質の炭化水素が含まれている。このため改質ガスを例えば燃料電池にそのまま使用したのでは電池性能を阻害してしまう。例えばリン酸型燃料電池で用いる水素ガス中のCOは1vol%程度、固体高分子型燃料電池では100ppm程度が限度であり、これらの値を越えると電池性能が著しく劣化する。また不飽和結合への水素添加用或いは酸水素炎用の水素は通常ボンベに詰めたものが使用されており、その純度は99.999vol%以上が要求されている。
【0004】
したがって改質ガスは精製しそれら副生成分を除去しておく必要がある。ところで、水素精製法の一つであるPSA法では、不純物を吸着剤相に加圧下で吸着させて分離し、常圧付近まで減圧して吸着不純物を脱着させるが、3塔式PSA法においては吸着、減圧、均圧、ブローダウン、パージ、均圧、昇圧等の工程が繰り返され、ブローダウン工程及びパージ工程ではオフガスが発生する。
【0005】
図1は、水素精製用3塔式PSA装置における各吸着塔の工程フロー及び運転シーケンスの概略を示す図である。図1中、上部の図は下部の表におけるステップ1から3までの工程を示し、下部の表には各工程の進行に伴う各吸着塔における圧力変化を示している。炭化水素の水蒸気改質器からCO変成器を経た改質ガスはA塔に供給され、ここでH2O、CO2、CO、CH4 等の不純物の吸着が行われ、吸着されない水素が精製水素となる。
【0006】
その間、B塔では減圧、均圧、ブローダウン工程が行われ、C塔ではパージ、均圧、昇圧工程が行われる。このうちC塔におけるパージから昇圧までの工程は、この段階でのB塔におけるように減圧からブローダウンまでの工程を経た後の工程である。改質ガスの供給は、A塔において不純物が飽和して破過する前に、自動的にC塔に切り替えられる。この時点で、A塔は減圧、均圧、ブローダウン工程へ切り替えられ、またB塔はパージ、均圧、昇圧工程へ切り替えられる。以降これら工程を順次自動的に繰り返して連続的に操作される。そしてブローダウン工程、パージ工程で発生するオフガスはオフガスタンクへ送られる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
オフガスタンクの圧力変動は、改質器やCO変成器等の水素製造装置系内圧力と直結しているために改質、変成、PSAすべての運転に悪影響を及ぼすために極力抑える必要がある。また、オフガスタンクに貯えられたオフガスは改質器のバーナ燃料として再利用されるため、バーナ燃焼状態を良好に保つためには、安定したオフガス流量(タンク出口の)が必要とされる。この点、3塔式PSA装置では4塔式に比べてオフガスの流量変動が大きいため、特にその制御方法には注意する必要がある。従来のオフガス制御方法としては、オフガスタンクの圧力が一定となるように制御する方法、オフガス流量が一定となるように制御する方法がある。
【0008】
オフガスタンクの圧力が一定になるようにバルブ開度を制御する方法では、系内圧力の変動を抑え、装置全体の運転時の安定性を向上させるというメリットがあるが、改質器バーナ用燃料として供給されるオフガス流量の変動は大きく、このためバーナの燃焼状態は悪化する。オフガス流量を一定に制御すると、バーナの燃焼状態は良好となるが、装置系内圧力の変動は大きくなり、装置の性能上悪影響を及ぼす。
【0009】
このような問題を回避するためには、オフガスタンク内の圧力変化を可及的に抑制する必要があり、このためにはタンク容量を大きくせざるを得ない。本発明者等は、この問題点を解決すべく鋭意研究、検討した結果、各吸着塔の工程が切り替わるときの当該最小圧力を基準として、オフガスタンクの出口側流量調整バルブの開度を増減させることでオフガスの圧力変動幅を小さくでき、これによりオフガスを改質器バーナへ安定して供給し得ることを見い出した。
【0010】
すなわち、本発明は、水素精製用3塔式PSA装置に付設されたオフガスタンクのオフガスを改質器バーナに供給するに際して、各吸着塔の工程が切り替わるときの、すなわちオフガスタンクの圧力が最小となるときの当該最小圧力を基準として、オフガスタンク出口側のオフガス流量調整バルブの開度を増減させることにより、オフガスタンクからのオフガスの圧力変動を抑え、これによりオフガスを改質器バーナへ安定して供給するようにしてなるオフガスタンクからのオフガス圧力の制御方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、水素精製用3塔式PSA装置に付設されたオフガスタンクのオフガスを水素製造用改質器のバーナに供給するに際して、オフガスタンクの圧力が最小となるときの当該最小圧力を基準として、オフガスタンク下流側のオフガス流量調整バルブの開度を所定の微小刻みで増減させることによりオフガスタンクからのオフガス圧力を制御することを特徴とする水素精製用3塔式PSA装置におけるオフガスタンクからのオフガス圧力の制御方法を提供する。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明においては、オフガスタンクを付設した3塔式PSA装置において、各吸着塔の工程が切り替わるときのオフガスタンク内の圧力、すなわちオフガスタンクの最小圧力を基準として、オフガスタンクの出口側すなわち下流側のオフガス流量調整バルブの開度を所定の微小刻みで増減させる。
【0013】
図1で云えば、水素精製用3塔式PSA装置操作時の各ステップにおけるオフガスタンク内の圧力は、ステップ1〜9における3、6、9の各工程終了時に最小となる。本発明においては、オフガスタンク内の当該最小圧力を基準としてタンク出口側導管に配置されたオフガス流量調整バルブの開度をその全開に対して所定の微小刻みで増減させることでオフガスタンクからのオフガスの圧力変動を抑え、これにより該オフガスを改質器のバーナへ安定して供給する。
【0014】
図2は本発明におけるオフガス圧力の制御態様を示す図であり、オフガスタンクの出口導管に圧力計(PICA)が配置される。図2中FIは流量計である。本発明では上記最小圧力を例えば0.2kg/cm2Gにしたいとき、設定値を0.2kg/cm2Gとする。そして圧力が最小になるステップ、図1で云えば3、6、9のステップの工程終了時にその設定値との比較を行い、PICAで計測される実圧力が該設定値よりも大きければオフガス流量調整バルブZの開度をその全開に対して(該バルブの全開を100とした時に対する割合として)例えば0.1%刻みで開ける方向に制御し、PICAで計測される実圧力が該設定値よりも小さければオフガス流量調整バルブZの開度をバルブZの全開度に対して例えば0.1%刻みで閉じる方向に制御する。
【0015】
この場合、バルブZの開度は全工程において基本的には一定開度であるが、3、6、9のステップの工程終了時の実圧力すなわちPICAで計測される圧力値だけを瞬時に設定圧力と比較して、小さく開けたり、小さく閉じたりする。バルブアクションが起こるのは、ステップ3、6、9の終了時の一瞬であり、しかもその制御は例えば0.1%という微小で微妙なコントロールを行う。これによってオフガスタンクから改質器バーナまでの全体の圧力バランスを崩すことなく制御することができる。以上の制御は別途設けたマイクロコンピュータ等により行ってもよく、圧力計にそのための制御機構を併置してもよい。
【0016】
図3は上記のような本発明による制御を行った場合におけるオフガス圧力の経時的変動を示した図である。図3中最下部に“圧力”として示す部分がオフガスタンクからのオフガスの圧力変動の経過である。図3のとおり、オフガス圧力に上下の変動はあるが、大きな変動はなく抑えられる。これによりオフガスタンクからのオフガスを圧力変動を少なくして改質器の燃料として使用することができるため、改質器におけるバーナの燃焼状態を悪化させることがない。
【0017】
【実施例】
以下、実施例に基づき本発明をさらに詳しく説明するが、本発明が実施例に限定されないことはもちろんである。図4は実施例において使用した装置の概略を示す図である。比較例として従来のように調整バルブ(弁)Y、Zの開度を一定とした場合を併せて記載している。
【0018】
吸着塔A、B、Cのそれぞれに混合床として活性炭、ゼオライトを充填した。原料ガスとして都市ガスを水蒸気改質する改質器からCO変成器を経た改質ガスを用いた。図5中、Tはオフガスタンク、Fはバーナ燃料ガス導管、Kはバーナ燃焼用空気導管である。なお、図中CO変成器の記載は省略している。
【0019】
水素製造用改質器からの改質ガスは、水素を主成分とし、CO、CH4、CO2、N2 などが含まれており、温度は20〜40℃の範囲である。各吸着塔A〜Cにおける吸着時間は200〜300sec、減圧及びパージ時間は80〜120sec、ブローダウン時間は60〜110sec、均圧時間は15〜40secの範囲とした。吸着時の圧力は4〜9.9kg/cm2G、減圧時の圧力は2〜6kg/cm2G、均圧時の圧力は1〜5kg/cm2G、ブローダウン時の圧力は0〜2kg/cm2G、昇圧時の圧力は4〜9.9kg/cm2Gの範囲で実施した。
【0020】
(1)A塔=吸着、B塔=減圧、C塔=パージ
弁A1、A2を開とし、改質ガスをA塔に供給して吸着操作を実施した。その間、B塔では順次減圧、均圧、ブローダウン工程を行い、C塔では順次パージ、均圧、昇圧工程を行った。その間弁B4、X、C3、C5を開とし、バルブY、バルブZの開度を一定とした。この操作中、これら以外の弁は閉状態である。この間タンクTのオフガスを改質器の燃料として供給したが、改質器におけるバーナの燃焼状態を悪化させてしまった。
【0021】
そこで、各吸着塔の工程が切り替わるときのタンクTからの出口側導管中の圧力、すなわちタンク下流側の圧力を圧力計PICAにより計測したところ約0.2kg/cm2Gであった。この最小圧力を基準設定圧力として、PICAで計測される圧力値だけを瞬時に設定圧力と比較して、実圧力が該設定圧力よりも大きければオフガス流量調整バルブZの開度を、該バルブの全開を100とした時に対して、0.1%刻みで開ける方向に制御し、実圧力が該設定値よりも小さければオフガス流量調整バルブZの開度を、該バルブの全開を100とした時に対して、0.1%刻みで閉じる方向に制御した。これにより改質器バーナへ供給するオフガスの圧力変動が抑えられ、バーナの燃焼状態に変化はなかった。
【0022】
(2)A塔=吸着、B塔=均圧、C塔=均圧
A塔での吸着操作を続けながら、弁B4、X、C3は開のままとし、弁C5を開から閉へ切り替えて、B塔での減圧工程とC塔でのパージ工程を均圧工程に切り替え、この工程を所定時間保持した。
【0023】
(3)A塔=吸着、B塔=ブローダウン、C塔=昇圧
均圧工程後、同じくA塔での吸着操作を続けながら、弁B4を開から閉に切り替え、弁B5を開へ切り替えてB塔での均圧工程をブローダウン工程へ切り替えるとともに、弁W、C4を閉に切り替え、弁W、C3を開としてC塔での均圧工程を精製水素による昇圧工程へ切り替えた。B塔でのブローダウン工程からのオフガスは弁Yの開度を一定としてタンクTへ供給した。この間タンクTのオフガスを流量調整バルブZを一定として改質器の燃料として供給したが、改質器におけるバーナの燃焼状態を不安定にし悪化させてしまった。
【0024】
そこで、最小圧力約0.2kg/cm2Gを基準設定圧力として、PICAで計測される圧力値だけを瞬時に設定圧力と比較して、実圧力が該設定圧力よりも大きければオフガス流量調整バルブZの開度を0.1%刻みで開ける方向に制御し、実圧力が該設定値よりも小さければオフガス流量調整バルブZの開度を0.1%刻みで閉じる方向に制御した。これにより改質器バーナへ供給するオフガスの圧力変動が抑えられ、バーナの燃焼状態に変化はなかった。
【0025】
A塔での吸着操作をC塔での吸着操作に切り替え、上記(1)〜(3)と同様にして操作し、A塔でのブローダウン時、B塔でのパージ(A塔で減圧しながらこれに連なるB塔でパージ)に、最小圧力約0.2kg/cm2Gを基準設定圧力として、PICAで計測される圧力値だけを瞬時に設定圧力と比較して、実圧力が該設定圧力よりも大きければオフガス流量調整バルブZの開度を0.1%刻みで開ける方向に制御し、実圧力が該設定値よりも小さければオフガス流量調整バルブZの開度を0.1%刻みで閉じる方向に制御した。これにより改質器バーナへ供給するオフガスの圧力変動が抑えられ、バーナの燃焼状態に変化はなかった。
【0026】
さらに、C塔での吸着操作をB塔での吸着操作に切り替え、上記と同様にしてC塔でのブローダウン時、A塔でのパージ(C塔で減圧しながら、これに連なるB塔でパージ)に、最小圧力約0.2kg/cm2Gを基準設定圧力として、PICAで計測される圧力値だけを瞬時に設定圧力と比較して、実圧力が該設定圧力よりも大きければオフガス流量調整バルブZの開度を0.1%刻みで開ける方向に制御し、実圧力が該設定値よりも小さければオフガス流量調整バルブZの開度を0.1%刻みで閉じる方向に制御した。これにより改質器バーナへ供給するオフガスの圧力変動が抑えられ、バーナの燃焼状態に変化はなかった。
【0027】
【発明の効果】
本発明によれば、水素精製用3塔式PSA装置におけるオフガスタンクからのオフガスの圧力変動を抑えることができ、これにより、該オフガスを改質器の燃料として供給するに際してバーナの燃焼状態を安定化させることができる。この効果はオフガスタンク下流側のオフガス流量調整バルブの開度を予め設定された基準値に対して微小刻みで増減させるだけで得られるため、装置構成上も非常に有利である。
【図面の簡単な説明】
【図1】3塔式PSA装置における各吸着塔の工程フロー及び運転シーケンスの概略を示す図。
【図2】本発明によるオフガスタンクからのオフガス圧力制御の態様を示す図。
【図3】本発明による制御を行った場合のオフガスの圧力変動の経時的経過を示した図。
【図4】実施例において使用した装置の概略を示す図。
【符号の説明】
PICA 圧力計
FI 流量計
A〜C 吸着塔
T オフガスタンク
F バーナ燃料ガス導管
K バーナ燃焼用空気導管
Claims (2)
- 水素精製用3塔式PSA装置に付設されたオフガスタンクのオフガスを水素製造用改質器のバーナに供給するに際して、各吸着塔間の工程が切り替わるときのオフガスタンクからの出口側導管中の最小圧力を基準設定圧力とし、オフガスタンクからの出口側導管中の実圧力が基準設定圧力よりも大きければオフガス流量調整バルブの開度を所定の微小刻みで増加させ、実圧力が基準設定圧力よりも小さければオフガス流量調整バルブの開度を所定の微小刻みで減少させる制御を行うことを特徴とする水素精製用3塔式PSA装置におけるオフガスタンクからのオフガス圧力の制御方法。
- 上記オフガス流量調整バルブの開度の所定の微小刻みの増減が、該バルブの全開に対して0.1%刻みの増減であることを特徴とする請求項1に記載の水素精製用3塔式PSA装置におけるオフガスタンクからのオフガス圧力の制御方法。
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