JP4227801B2 - Hydrogen production apparatus and hydrogen production method - Google Patents

Hydrogen production apparatus and hydrogen production method Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素製造装置及び水素製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スチームリフォーマを用いた水素製造装置ではメタンやメタノール等の炭化水素や含酸素炭化水素からなるガスを原料として水蒸気改質反応させ、発生した水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水及び未反応ガス等を含む改質ガスを水素分離装置に供給し、水素を分離製造する。ここで、水素分離装置とは、吸着剤を用いて圧力スイング法や温度スイング法により水素を分離する吸着分離装置や、水素のみを選択的に透過する水素分離膜を用いる膜分離装置などが利用できる。ここで、水素を分離除去したオフガスは、反応器の燃焼用バーナーに供給し、バーナーで燃焼することとしていた。
また、スチームリフォーマに水素分離膜を内蔵し、水素のみを選択的に分離するようにした水素分離型リフォーマがあり、該水素分離型リフォーマでは改質ガス中の水素がリフォーマ内で連続的に分離されるため、リフォーマからは高純度水素及びオフガスが排出される。水素分離膜としては、例えばパラジウム合金からなるものが利用されている。
オフガスは、リフォーマの燃焼用バーナーに供給し、このようなバーナーで燃焼し、リフォーマで必要な加熱源としていた。
【０００３】
しかし、オフガスに含まれる水分は、６０ｍｏｌ％に達する場合があり、単位体積あたりの発熱量を低下させ、燃焼を不安定にさせることがあった。
また、従来のスチームリフォーマは、水蒸気改質用の水蒸気を多量に必要とし、例えば、原料ガスに含有される炭化水素の炭素（Ｃ）のモル当り水蒸気（Ｓ）のモル量をＳ／Ｃ比で表すと、３程度である。このため、熱効率の観点からできるだけ水蒸気を削減するなどの改善が望まれていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に対してなされたもので、改質ガス又はオフガス中の水蒸気を効率的に除去し、かつこのような水蒸気を有効に活用し、水素製造にあたっての効率を向上させるようにした水素製造装置及び水素製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明に係る水素製造装置は、炭化水素を原料ガスとし、該原料ガスと水を原料として水蒸気改質反応により水素を製造するスチームリフォーマと、水蒸気分離装置とを含み、該水蒸気分離装置を水蒸気透過膜を配設してなる膜分離装置で構成し、該膜分離装置の水蒸気発生側に上記原料ガスをスイープガスとして流通させることによって、水蒸気改質反応後得られる水蒸気を含む改質ガスから、上記膜分離装置で水蒸気を分離し、該膜分離装置で分離した水蒸気を、改質される上記原料ガスに添加し、該原料ガスの加湿と加熱を同時に行ない、さらに、水蒸気を分離した改質ガスから水素分離装置で水素を分離した後、得られるオフガスを上記スチームリフォーマで燃焼させるように構成したことを特徴とする。
また、別の形態として、本発明に係る水素製造装置は、炭化水素と水を原料として水蒸気改質反応により水素を製造するスチームリフォーマと、水蒸気分離装置とを含み、該水蒸気分離装置を水蒸気透過膜を配設してなる膜分離装置で構成し、上記スチームリフォーマが、水素のみを選択的に透過する水素透過膜を組込み高純度の水素を製造する水素分離型リフォーマであり、該膜分離装置の水蒸気発生側に上記原料ガスをスイープガスとして流通させることによって、水蒸気改質反応後得られる水蒸気を含む改質ガスから、上記膜分離装置で水蒸気を分離し、該膜分離装置で分離した水蒸気を、改質される上記原料ガスに添加し、該原料ガスの加湿と加熱を同時に行ない、上記水蒸気分離装置により水蒸気の分離されているオフガスを上記スチームリフォーマで燃焼するように構成したことを特徴とする。
【０００６】
本発明では、水蒸気分離装置で分離した水蒸気を、改質される原料に添加するように構成することが好ましい。また、水蒸気分離装置は、膜分離装置とすることが好適である。さらに、該膜分離装置の水蒸気発生側に原料ガスを流通させ、原料ガスの加湿と加熱を同時に行なうことが好適である。
またさらに、上記水蒸気分離装置の前段又は後段に上記水蒸気改質反応後得られる水蒸気を含むガスの冷却装置を設けることが好適である。ここで、水蒸気分離装置を経たガスの後段に冷却装置を設け、この冷却装置で凝結した水分を除去する装置を設けることが好ましい。
【０００７】
また、本発明に係る水素製造装置は、その好適な実施の形態で、炭化水素と水を原料として水素を製造するスチームリフォーマと、水蒸気分離装置とを含み、該水蒸気分離装置を経た改質ガスから水素を分離した後、得られるオフガスを上記スチームリフォーマで燃焼するようにしている。
またさらに、上記スチームリフォーマとして、水素のみを選択的に透過する水素透過膜を組込み高純度の水素を製造する水素分離型リフォーマを採用することも本発明に含まれる。
【０００８】
本発明は、他の側面において、水素製造方法であり、原料ガスである炭化水素と水をスチームリフォーマに供給し、水蒸気改質反応により水素を得ると共に、水蒸気改質反応後得られる水蒸気を含む改質ガスを水蒸気分離装置に供給し、該水蒸気分離装置を水蒸気透過膜を配設してなる膜分離装置で構成し、該膜分離装置の水蒸気発生側に上記原料ガスをスイープガスとして流通させることによって、水蒸気改質反応後得られる水蒸気を含む改質ガスから、上記膜分離装置で水蒸気を分離し、該膜分離装置で分離した水蒸気を、改質される上記原料ガスに添加し、該原料ガスの加湿と加熱を同時に行ない、さらに水素分離装置で上記改質ガスから水素を分離して排出されたオフガスを上記スチームリフォーマに供給して燃焼させることを含むことを特徴とする。
また、別の形態として、本発明に係る水素製造方法は、原料ガスである炭化水素と水をスチームリフォーマに供給し、水蒸気改質反応により水素を得、上記スチームリフォーマとして、水素のみを選択的に透過する水素透過膜を組込み高純度の水素を製造する水素分離型リフォーマを用い、水蒸気改質反応後得られる水蒸気を含む改質ガスを水蒸気分離装置に供給し、該水蒸気分離装置を水蒸気透過膜を配設してなる膜分離装置で構成し、該膜分離装置の水蒸気発生側に上記原料ガスをスイープガスとして流通させることによって、水蒸気改質反応後得られる水蒸気を含む改質ガスから、上記膜分離装置で水蒸気を分離し、該膜分離装置で分離した水蒸気を、改質される上記原料ガスに添加し、該原料ガスの加湿と加熱を同時に行ない、上記水蒸気分離装置により水蒸気の分離されているオフガスを上記スチームリフォーマに供給して燃焼させることを含むことを特徴とする。
【０００９】
このような水素製造方法では、水蒸気分離装置で分離した水蒸気を原料と共に、上記スチームリフォーマに供給することが好適である。さらに、上記水蒸気分離装置として膜分離装置を用い、膜分離装置の水蒸気発生側に原料ガスを流通させ、原料ガスの加湿と加熱を同時に行なうことが好適である。
またさらに、上記水蒸気分離装置の前段又は後段に設けた冷却装置により、上記水蒸気改質反応後得られる水蒸気を含むガスを冷却することが好適である。この場合、水蒸気分離装置の後段に設けた冷却装置によって、該水蒸気分離装置を経たガスを冷却し、凝結した水分を除去することをさらに含むことが好適である。
【００１０】
また、本発明に係る水素製造方法は、その好適な実施の形態で、原料と水をスチームリフォーマに供給し、水素を含む改質ガスを得ると共に、該改質ガスを水蒸気分離装置に供給して、水蒸気を分離し、さらに上記水素分離装置で水素を分離して排出されたオフガスを上記スチームリフォーマに供給して燃焼させることを含む。
【００１１】
またさらに、上記スチームリフォーマとして、水素のみを選択的に透過する水素透過膜を組込み高純度の水素を製造する水素分離型リフォーマを用い、該水素分離型リフォーマで得られるオフガスを、上記水蒸気分離装置に供給し、水蒸気を分離することも、本発明に係る水素製造方法の実施の形態に含まれる。
【００１２】
本明細書中、「水蒸気改質反応後得られる水蒸気を含むガス」とは、水素分離膜を組み込んでいないスチームリフォーマでは、水蒸気を含む「改質ガス」のことを意味する。このような「改質ガス」は、水素を分離していないので、水素を含む。「オフガス」は、このような「改質ガス」から水素を除去したガス、又は水素分離型リフォーマから排出されるオフガスのように、もともと水素を含まないガスの両方の概念に相当する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面に示した実施の形態を参照しながら、本発明に係る水素製造装置及び水素製造方法を説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係る水素製造装置の一実施の形態についてその概要を示す。
この水素製造装置及びこれを用いて水素を製造する方法を、水素製造の流れを中心として説明する。
この水素製造装置では、原料ガス１を燃焼器２、ボイラ１８へ供給するガス３と、スチームリフォーマ６の改質触媒層４へ供給するガス５とに分割する。なお、原料ガス１は、天然ガス、都市ガス等の炭化水素が一般的である。もっとも、本発明の目的に反しない限りこれらに限定されるものではない。
【００１５】
スチームリフォーマ６は、ガス３と空気７の供給を受け、ガス３を燃焼させる。また、ガス５は、供給される水８に由来する水蒸気９と混合する。この混合ガス１０を改質触媒層４に導入する。改質触媒層４では以下の反応（１）〜（３）によって原料ガスが水素、一酸化炭素及び二酸化炭素に改質される。
ＣnＨm ＋ ｎＨ2Ｏ ＝ ｎＣＯ ＋ （ｎ＋ｍ／２）Ｈ2 （１）
ＣnＨm ＋ ２ｎＨ2Ｏ＝ ｎＣＯ2 ＋（２ｎ＋ｍ／２）Ｈ2 （２）
ＣnＨm ＋ ｎＣＯ2 ＝ ２ｎＣＯ ＋ ｍ／２Ｈ2 （３）
【００１６】
本実施の形態では、従来と異なり、改質ガスから水蒸気を分離した後、水素分離装置に供給して水素を分離する。すなわち、改質ガスは、空気７（一次空気）と熱交換器１５で熱交換し、空気７を加熱する。ここで、改質ガスは、約２００℃以下となる。その後、水蒸気分離装置１７で、水蒸気を分離する。
改質ガスは、水素分離装置１６に送られ、水素２２のみを分離した後、弁１１を経たガス３、上記空気７（一次空気）と同様、燃焼器２に供給される。ここで燃焼器に供給されるオフガス中の水蒸気は、予め水蒸気分離装置１７で水蒸気を除去しているので燃焼器２のバーナーによる燃焼効率を良好に保つことができる。
【００１７】
一方、ガス５は、水蒸気分離装置１７で、水蒸気が透過して来る側にスイープガスとして流す。これによって、ガス５を加湿することができる。水８は、ボイラ１８で加熱され水蒸気となって、ガス５に混合される。しかし、このように予め加湿しておくことにより、ボイラ１８の負担が軽減し、全体として熱効率が良くなる。本実施の形態から了解されるように、水蒸気分離装置１７は、水蒸気の分離を行うと同時に原料となるガス５の加湿を行うという優れた機能を発揮する。
【００１８】
さらに、この実施の形態では、燃焼器２からの燃焼排ガス１９を熱交換器２０に通し、ガス１０を加熱し、水蒸気改質反応における熱源のひとつとして燃焼排ガス１９を活用している。燃焼排ガス１９は、さらに、熱交換器２１で冷却水によって冷却した後、系外に排出される。
なお、都市ガス等のイオウ成分を含むものを原料として用いる場合には、予め図示しない脱硫器でイオウ成分を除去する。
【００１９】
水蒸気分離装置
ここで、上記水蒸気分離装置１７について、その一実施の形態を図２について説明する。
図２の実施の形態に係る水蒸気分離装置１７内には、後述するようにエレメント（水蒸気透過膜）が配設されており、該エレメントの表面は、混合物（液体又は気体）中の水分又は水蒸気を選択的に透過させる特性を有している。このため、スチームリフォーマ６から排出される改質ガスの中から、水蒸気のみが水蒸気分離装置１７内のエレメントを通過して分離される。
【００２０】
水蒸気分離装置１７の内部に設置されるエレメント（水蒸気透過膜）の構造には、中空型の円管、ハニカム構造、平板型等がある。本実施の形態は、円管型のエレメントを用いた水蒸気分離装置（膜分離装置）１７として実施している。
【００２１】
水蒸気分離装置１７は、供給した改質ガス（入口ガス）を、該改質ガス中に含まれる水蒸気（膜透過ガス）と、残りの可燃成分（空気、未反応炭化水素原料等）等とに分離する機能を有している。以下、図２（ａ）について説明を進める。この水蒸気分離装置１７は、ケーシング５１の内部に円筒状のエレメント（水蒸気透過膜）５２が設置された構成となっている。
ケーシング５１は、改質ガスを投入する入口ノズル５３と、スイープガスを投入するスイープガスノズル５４と、膜透過ガス及びスイープガスが流出する透過ガスノズル５５と、水蒸気を除去したオフガスが流出する出口ノズル５６とを備えた密閉容器である。
【００２２】
ケーシング５１の内部は、上下一対の仕切板５７、５８によって、スイープガス室５９、入口・出口ガス室６０及び透過ガス室６１の３つの空間に仕切られている。スイープガス室５９には、スイープガスノズル５４が開口し、入口・出口ガス室６０には、入口ノズル５３及び出口ノズル５６が開口し、さらに、透過ガス室６１には、透過ガスノズル５５が開口している。
なお、入口ノズル５３は、反応領域１１に連通し、改質ガスを導入し、出口ノズル５６は、出口ガス領域１２に開口して水蒸気を除去した改質ガスを流出させる。
【００２３】
エレメント５２は、一端がスイープガス室５９に開口し、かつ、他端が透過ガス室６１に開口するようにして、上下一対の仕切板５７、５８を貫通して複数設けている。このエレメント５２として、例えば、特許第１７００３８８号公報、特許第１７００３８９号公報、特許第２１１１５９３１号公報、特許第２８０８４７９号公報、特願平０８−１２８１８２号公報、特公平８−３２２９８号公報に記載されているシリカゲル膜等の無機分離膜が使用可能である。
これらに記載されているシリカゲル膜は、耐熱性や耐酸性があり、有機酸又は有機溶剤／水混合物からの水分離や、水蒸気を含むガス中から水蒸気を高性能で分離・除去することができる。
【００２４】
次に、水蒸気分離装置１７における水蒸気分離の作用を説明する。
原料及び水蒸気の供給を受けて、スチームリフォーマ６では、排出された改質ガスは、水蒸気分離装置１７の入口ガスとして、入口ノズル５３から入口・出口ガス室６０へ流れ込む。この改質ガス中に含まれている水蒸気は、出口ノズルへ向けて流れ出て行く過程で矢印６２［図２（ｂ）参照］のようにエレメント５２を透過し、エレメント５２の中空部５２ａに入り込む。この結果、改質ガスは、中空部５２ａ内の水蒸気（膜透過ガス）と、エレメント５２を透過しない水蒸気以外の他の成分（出口ガス）とに分離する。
【００２５】
このうち、可燃性ガス成分を含む水蒸気以外の出口ガス（膜非透過ガス）は、出口ノズル５６から下流側の出口ガス領域１２へ流出する。なお、水蒸気分離装置１７では、水蒸気が完全に除去されないことがあるので、出口ガスにはある程度の残存水蒸気が含まれている場合もある。この出口ガスは、図１について説明したように、燃焼器２に供給する。
【００２６】
一方、エレメント５２を透過した水蒸気は、スイープガスノズル５４から流入し、中空部５２ａを通って透過ガスノズル５５から流出するスイープガスの流れを推進力とし、このスイープガスと共に流出する。こうして分離した水蒸気及びスイープガスは、スチームリフォーマ６に供給される。図１について説明した通り、スイープガスとしてガス５を利用しており、ガス５は、加湿した状態で、スチームリフォーマ６に供給することができる。
なお、水蒸気分離装置１７に流す改質ガスとスイープガスとの量比は、都市ガスを原料として用いる場合、体積比で１．０ 〜 ５．０が好適である。最終的に、スチームリフォーマ６に供給するガス１０のＳ／Ｃ（スチーム／カーボン）比は、モル比で１．５〜 ４．０の範囲である。
【００２７】
図３に、本発明に係る水素製造装置の他の実施の形態を示す。
この実施の形態では、水蒸気分離装置１７を経たオフガス１４を熱交換器２７で冷却水によって冷却し、気液分離タンク２８で凝結した水を排水として排出している。これによって、改質ガス１４から水分をさらに除去している。なお、図１と同一の構成・機能を有する要素は、図１と同一の符号で示している。
【００２８】
図４は、本発明に係る水素製造装置の他の実施の形態についてその概要を示す。
この水素製造装置及びこれを用いて水素を製造する方法を、水素製造の流れを中心として説明する。
この水素製造装置では、スチームリフォーマとして、水素のみを選択的に透過する水素透過膜を組込み高純度の水素を製造する水素分離型リフォーマ６２を採用している。
この水素製造装置では、原料ガス１を燃焼器２、ボイラ１８へ供給するガス３と、水素分離型リフォーマ６２の改質触媒層４へ供給するガス５とに分割する。なお、原料ガス１は、天然ガス、都市ガス等の炭化水素が一般的である。もっとも、本発明の目的に反しない限りこれらに限定されるものではない。
【００２９】
水素分離型リフォーマ６２は、ガス３と空気７の供給を受け、ガス３を燃焼させる。また、ガス５は、供給される水８に由来する水蒸気９と混合する。この混合ガス１０を改質触媒層４に導入する。改質触媒層４では図１について説明したものと同様の反応（１）〜（３）によって原料ガスが水素、一酸化炭素及び二酸化炭素に分解される。
【００３０】
これら分解ガスのうち水素だけが例えばパラジウム合金からなる水素分離膜１２を通して透過部１３に分離される。
水素分離型リフォーマ６２の水素製造の原理そのものは、従来の水素製造装置と略同様である。
【００３１】
本実施の形態では、従来と異なり、分解ガスから水素だけを除いたオフガス１４から水蒸気を分離する。すなわち、オフガス１４は、空気７（一次空気）と熱交換器１５で熱交換し、空気７を加熱した後、ガス５を予熱器１６で予熱する。ここで、オフガス１４は、約２００℃以下となる。その後、水蒸気分離装置１７で、水蒸気を分離する。
オフガス１４は、弁１１を経たガス３、上記空気７（一次空気）と同様、燃焼器２に供給される。ここでオフガス１４からは、予め水蒸気分離装置１７で水蒸気を除去しているので燃焼器２のバーナーによる燃焼効率を良好に保つことができる。
【００３２】
一方、予熱器１６で予熱したガス５は、水蒸気分離装置１７で、水蒸気が透過して来る側にスイープガスとして流す。これによって、ガス５を加湿することができる。水８は、ボイラ１８で加熱され水蒸気となって、ガス５に混合される。しかし、このように予め加湿しておくことにより、ボイラ１８の負担が軽減し、全体として熱効率が良くなる。本実施の形態から了解されるように、水蒸気分離装置１７は、水蒸気の分離を行うと同時に原料となるガス５の加湿を行うという優れた機能を発揮する。
【００３３】
さらに、この実施の形態では、燃焼器２からの燃焼排ガス１９を熱交換器２０に通し、ガス１０を加熱し、水蒸気改質反応における熱源のひとつとして燃焼排ガス１９を活用している。燃焼排ガス１９は、さらに、熱交換器２１で冷却水によって冷却した後、系外に排出される。
【００３４】
また、得られた水素２２は、熱交換器２３、２４で、各々ボイラ用空気２５、水８と熱交換し、これらを加熱する。そして、水素２２は、熱交換器２６で冷却水によって冷却した後、燃料電池等の後段の機器に送られる。
なお、都市ガス等のイオウ成分を含むものを原料として用いる場合には、予め図示しない脱硫器でイオウ成分を除去する。
【００３５】
水蒸気分離装置
本図４の実施の形態で、水蒸気分離装置１７に関しては、上記図１の実施の形態について説明したものと同様の構造・機能を有している。したがって、図２に関して説明した内容が、図４の実施の形態でもそのまま適用される。ただし、図２の説明で改質ガスとして記載したガスは、オフガスと読み替える。図４の実施の形態では、水素分離膜１２で水素を除去したオフガスを水蒸気分離装置１７に送るからである。なお、この実施の形態では、水素分離装置１６を別途に設ける必要がないので、装置全体をコンパクトにできる利点がある。
【００３６】
図５に、図４の実施の形態を変更した形態を示す。
この実施の形態では、水蒸気分離装置１７を経たオフガス１４を熱交換器２７で冷却水によって冷却し、気液分離タンク２８で凝結した水を排水として排出している。これによって、オフガス１４から水分をさらに除去している。なお、図４と同一の構成・機能を有する要素は、図４と同一の符号で示している。
【００３７】
図６に、図４の実施の形態をさらに変更した形態を示す。
この実施の形態では、図４の実施の形態と異なり、ガス５を熱交換器２９で、燃焼排ガス１９を用いて加熱することとしている。燃焼排ガス１９の持つ熱を活用することとしている。なお、図４と同一の構成・機能を有する要素は、図４と同一の符号で示している。
【００３８】
他の実施の形態
本発明に係る水素製造装置及び水素製造方法は、上記した実施の形態に限られるものではなく、当業者にとって自明な変更・修飾・付加は、全て本発明の技術的範囲に含まれる。
【００３９】
【実施例】
実施例
上記のような実施の形態について説明した本発明による水蒸気分離装置を用いた水素製造装置と従来の水素製造装置の水蒸気発生に要するエネルギーを比較した。その結果を表１に示す。
本発明による水蒸気分離装置を用いたシステムと従来の水蒸気分離装置を用いたシステムにおいて、水素を製造するための原料の炭化水素流量を一定とし、Ｓ／Ｃ＝３になるように加湿を行なうことを想定すると、従来システムに対して、本発明のシステムでは、６０〜９０％の燃料消費量でＳ／Ｃ＝３相当の加湿が可能になる。すなわち、本発明では、水蒸気分離装置を用いて改質ガス中の水蒸気を分離し、原料の炭化水素ガスを加湿できるため、ボイラで製造する水蒸気量を低減でき、ボイラの燃料消費量の削減に繋がる。さらに、改質ガス中の水蒸気は水蒸気分離装置により分離されているため、水蒸気量は低下しており、該改質ガスを冷却するための冷却水量も削減できることになる。
【００４０】
【表１】

Figure 0004227801
【００４１】
【発明の効果】
上記したところから明らかなように、本発明によれば、水蒸気の分離されていない改質ガス又はオフガス中の水蒸気を効率的に除去し、かつこのような水蒸気を有効に活用し、水素製造にあたっての効率を向上させるようにした水素製造装置及び水素製造方法が提供される。
より具体的には、本発明に係る水素製造装置及び水素製造方法による主な利点は、以下のとおりである。
(1) 上記したように水蒸気発生用のボイラの熱量を削減できるためシステムの熱効率の向上、及びボイラ本体のコンパクト化が可能である。
(2) 改質ガスを冷却するための冷却水量を削減できる。それによって、冷却水循環用ポンプの動力低減による熱効率の向上を図ることができる。
(3) 水蒸気分離装置を用いて原料ガスを予熱できるため、予熱用の熱交換器をコンパクトにできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る水素製造装置の一実施の形態を説明する概念図である。
【図２】本発明に係る水素製造装置で採用することのできる水蒸気分離装置の一実施の形態を説明する図であり、（ａ）は、その概念図であり、（ｂ）は、その原理を説明する模式的斜視図である。
【図３】本発明に係る水素製造装置の他の実施の形態を説明する概念図である。
【図４】本発明に係る水素製造装置のうち、水素分離型リフォーマを用いた実施の形態を説明する概念図である。
【図５】本発明に係る水素製造装置のうち、水素分離型リフォーマを用いた他の実施の形態を説明する概念図である。
【図６】本発明に係る水素製造装置のうち、水素分離型リフォーマを用いたさらに他の実施の形態を説明する概念図である。
【符号の説明】
１ 原料ガス
２ 燃焼器
４ 改質触媒層
６ スチームリフォーマ
１２ 水素分離膜
１３ 透過部
１４ オフガス
１６ 水素分離装置
１７ 水蒸気分離装置
１８ ボイラ
１９ 燃焼排ガス
２８ 気液分離タンク
５１ ケーシング
５２ エレメント
５３ 入口ノズル
５４ スイープガス
５５ 透過ガスノズル
５６ 出口ノズル
５７、５８ 仕切板
５９ スイープガス室
６０ 入口・出口ガス室
６１ 透過ガス室
６２ 水素分離型リフォーマ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hydrogen production apparatus and a hydrogen production method.
[0002]
[Prior art]
Hydrogen production equipment using a steam reformer undergoes a steam reforming reaction using a gas comprising hydrocarbons or oxygen-containing hydrocarbons such as methane or methanol as raw materials, and generates hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, water, and unreacted gas. Etc. are supplied to a hydrogen separator to separate and manufacture hydrogen. Here, the hydrogen separator is an adsorption separator that uses an adsorbent to separate hydrogen by a pressure swing method or a temperature swing method, or a membrane separator that uses a hydrogen separation membrane that selectively permeates only hydrogen. it can. Here, the off-gas from which hydrogen was separated and removed was supplied to the combustion burner of the reactor and burned by the burner.
In addition, there is a hydrogen separation reformer that incorporates a hydrogen separation membrane in the steam reformer and selectively separates only hydrogen. In the hydrogen separation reformer, hydrogen in the reformed gas is continuously contained in the reformer. Since it is separated, high purity hydrogen and off-gas are discharged from the reformer. For example, a hydrogen separation membrane made of a palladium alloy is used.
The off-gas was supplied to a reformer combustion burner, burned with such a burner, and used as a heat source necessary for the reformer.
[0003]
However, the moisture contained in the off-gas sometimes reaches 60 mol%, which may reduce the calorific value per unit volume and make combustion unstable.
The conventional steam reformer requires a large amount of steam for steam reforming. For example, the mole amount of steam (S) per mole of hydrocarbon carbon (C) contained in the raw material gas is S / C. When expressed as a ratio, it is about 3. For this reason, improvement, such as reducing water vapor as much as possible, was desired from the viewpoint of thermal efficiency.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and efficiently removes water vapor in the reformed gas or off-gas, and effectively uses such water vapor to improve the efficiency in hydrogen production. An object of the present invention is to provide a hydrogen production apparatus and a hydrogen production method.
[0005]
In order to achieve the above object, a hydrogen production apparatus according to the present invention comprises a steam reformer for producing hydrogen by a steam reforming reaction using a hydrocarbon as a raw material gas and the raw material gas and water as raw materials, and a steam separation device. The steam separation device is a membrane separation device provided with a water vapor permeable membrane, and is obtained after the steam reforming reaction by allowing the raw material gas to flow as a sweep gas on the steam generation side of the membrane separation device. From the reformed gas containing water vapor, the water vapor is separated by the membrane separation device , the water vapor separated by the membrane separation device is added to the raw material gas to be reformed, and the raw material gas is humidified and heated simultaneously. further, after separation of hydrogen in the hydrogen separator from the reformed gas separation of the water vapor, resulting off-gas, characterized by being configured to so that is combusted in the steam reformer.
As another embodiment, the hydrogen production apparatus according to the present invention, a steam reformer for producing hydrogen by a steam reforming reaction of hydrocarbon and water as raw materials, and a steam separator, steam water vapor separating device The steam reformer is a hydrogen separation reformer that produces a high-purity hydrogen by incorporating a hydrogen permeable membrane that selectively permeates only hydrogen, the membrane separator comprising a permeable membrane. By circulating the raw material gas as a sweep gas on the steam generation side of the separator, the steam is separated from the reformed gas containing steam obtained after the steam reforming reaction by the membrane separator and separated by the membrane separator. the water vapor was added to the raw material gas to be reformed, subjected to humidification and heating of the raw material gas at the same time, the off-gas are separated steam by the steam separator Characterized by being configured to combust a team reformer.
[0006]
In this invention, it is preferable to comprise so that the water vapor | steam isolate | separated with the water-vapor-separation apparatus may be added to the raw material to modify | reform. Moreover, it is preferable that the water vapor separator is a membrane separator. Furthermore, it is preferable to circulate the raw material gas on the water vapor generating side of the membrane separation apparatus and simultaneously perform humidification and heating of the raw material gas.
Furthermore, it is preferable to provide a cooling device for the gas containing the steam obtained after the steam reforming reaction in the preceding stage or the subsequent stage of the steam separation apparatus. Here, it is preferable to provide a cooling device downstream of the gas that has passed through the water vapor separation device, and to provide a device that removes moisture condensed by the cooling device.
[0007]
Further, the hydrogen production apparatus according to the present invention, in a preferred embodiment thereof, includes a steam reformer that produces hydrogen using hydrocarbons and water as raw materials, and a steam separation device, and reforming through the steam separation device. After separating hydrogen from the gas, the resulting off gas is burned by the steam reformer.
Furthermore, as the steam reformer, it is also included in the present invention to employ a hydrogen separation reformer that incorporates a hydrogen permeable membrane that selectively permeates only hydrogen and produces high-purity hydrogen.
[0008]
In another aspect, the present invention is a method for producing hydrogen , supplying hydrocarbons and water as raw material gases to a steam reformer to obtain hydrogen by a steam reforming reaction, and steam obtained after the steam reforming reaction. The reformed gas is supplied to a water vapor separator , and the water vapor separator is constituted by a membrane separator having a water vapor permeable membrane, and the raw material gas is circulated as a sweep gas to the water vapor generating side of the membrane separator. By separating the steam from the reformed gas containing steam obtained after the steam reforming reaction by the membrane separator, the steam separated by the membrane separator is added to the raw material gas to be reformed, Humidifying and heating the raw material gas at the same time, and further supplying off-gas discharged by separating hydrogen from the reformed gas with a hydrogen separator to the steam reformer and combusting. And wherein the door.
As another embodiment, the hydrogen production method according to the present invention supplies hydrocarbons and water as raw material gases to a steam reformer, obtains hydrogen by a steam reforming reaction , and uses only hydrogen as the steam reformer. Using a hydrogen separation reformer that incorporates a selectively permeable hydrogen permeable membrane to produce high-purity hydrogen, the reformed gas containing steam obtained after the steam reforming reaction is supplied to the steam separator, and the steam separator A reformed gas containing water vapor obtained after a steam reforming reaction , comprising a membrane separator having a water vapor permeable membrane, and circulating the raw material gas as a sweep gas on the water vapor generating side of the membrane separator from separated steam in the membrane separation device, performs a steam separated in said membrane separation unit was added to the raw material gas to be reformed, the humidification and heating of the raw material gas at the same time, the The off-gas being separated in the steam by the steam separator characterized in that it includes the feeding and burning to the steam reformer.
[0009]
In such a hydrogen production method, it is preferable to supply the steam separated by the steam separator together with the raw material to the steam reformer. Furthermore, it is preferable to use a membrane separation device as the water vapor separation device, distribute the raw material gas to the water vapor generation side of the membrane separation device, and simultaneously humidify and heat the raw material gas.
Furthermore, it is preferable to cool the gas containing water vapor obtained after the steam reforming reaction by a cooling device provided at the front stage or the rear stage of the steam separator. In this case, it is preferable that the method further includes cooling the gas that has passed through the water vapor separator by a cooling device provided at a subsequent stage of the water vapor separator to remove the condensed water.
[0010]
The hydrogen production method according to the present invention is, in a preferred embodiment, supplying raw material and water to a steam reformer to obtain a reformed gas containing hydrogen and supplying the reformed gas to a steam separator. Then, the water vapor is separated, and the off-gas discharged by separating the hydrogen with the hydrogen separator is supplied to the steam reformer and burned.
[0011]
Furthermore, as the steam reformer, a hydrogen separation reformer that incorporates a hydrogen permeable membrane that selectively permeates only hydrogen and produces high-purity hydrogen, and the off-gas obtained by the hydrogen separation reformer is converted into the steam separation device. Supplying to the apparatus and separating the water vapor is also included in the embodiment of the hydrogen production method according to the present invention.
[0012]
In the present specification, “a gas containing water vapor obtained after the steam reforming reaction” means “reformed gas” containing water vapor in a steam reformer not incorporating a hydrogen separation membrane. Such “reformed gas” contains hydrogen since it does not separate hydrogen. The “off gas” corresponds to the concept of both a gas obtained by removing hydrogen from such a “reformed gas” or a gas that does not contain hydrogen, such as an off gas discharged from a hydrogen separation reformer.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a hydrogen production apparatus and a hydrogen production method according to the present invention will be described with reference to embodiments shown in the accompanying drawings.
[0014]
FIG. 1 shows an outline of an embodiment of a hydrogen production apparatus according to the present invention.
This hydrogen production apparatus and a method for producing hydrogen using this apparatus will be described with a focus on the flow of hydrogen production.
In this hydrogen production apparatus, the raw material gas 1 is divided into a gas 3 supplied to the combustor 2 and the boiler 18 and a gas 5 supplied to the reforming catalyst layer 4 of the steam reformer 6. The source gas 1 is generally a hydrocarbon such as natural gas or city gas. However, the present invention is not limited to these unless it is contrary to the object of the present invention.
[0015]
The steam reformer 6 is supplied with the gas 3 and the air 7 and burns the gas 3. The gas 5 is mixed with water vapor 9 derived from the supplied water 8. This mixed gas 10 is introduced into the reforming catalyst layer 4. In the reforming catalyst layer 4, the raw material gas is reformed into hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide by the following reactions (1) to (3).
C n H m + nH 2 O = nCO + (n + m / 2) H 2 (1)
C n H m + 2nH 2 O = nCO 2 + (2n + m / 2) H 2 (2)
C n H m + nCO 2 = 2nCO + m / 2H 2 (3)
[0016]
In the present embodiment, unlike the prior art, after separating the steam from the reformed gas, it is supplied to a hydrogen separator to separate the hydrogen. That is, the reformed gas exchanges heat with the air 7 (primary air) in the heat exchanger 15 and heats the air 7. Here, the reformed gas is about 200 ° C. or less. Thereafter, the water vapor is separated by the water vapor separator 17.
The reformed gas is sent to the hydrogen separator 16, and after separating only the hydrogen 22, the reformed gas is supplied to the combustor 2 in the same manner as the gas 3 passing through the valve 11 and the air 7 (primary air). Here, since the water vapor in the off-gas supplied to the combustor is previously removed by the water vapor separator 17, the combustion efficiency by the burner of the combustor 2 can be kept good.
[0017]
On the other hand, the gas 5 is allowed to flow as a sweep gas to the side through which the water vapor permeates in the water vapor separator 17. Thereby, the gas 5 can be humidified. The water 8 is heated by the boiler 18 to become water vapor and mixed with the gas 5. However, prehumidification in this way reduces the burden on the boiler 18 and improves the overall thermal efficiency. As understood from the present embodiment, the water vapor separation device 17 exhibits an excellent function of performing the water vapor separation and simultaneously humidifying the gas 5 as a raw material.
[0018]
Further, in this embodiment, the combustion exhaust gas 19 from the combustor 2 is passed through the heat exchanger 20 to heat the gas 10 and the combustion exhaust gas 19 is utilized as one of the heat sources in the steam reforming reaction. The combustion exhaust gas 19 is further cooled with cooling water by the heat exchanger 21 and then discharged out of the system.
In addition, when using what contains sulfur components, such as city gas, as a raw material, a sulfur component is removed beforehand with a desulfurizer which is not illustrated.
[0019]
Steam Separator Here, an embodiment of the steam separator 17 will be described with reference to FIG.
In the water vapor separation device 17 according to the embodiment of FIG. 2, an element (water vapor permeable membrane) is disposed as described later, and the surface of the element is water or water vapor in the mixture (liquid or gas). Has a characteristic of selectively transmitting the light. For this reason, only the steam is separated from the reformed gas discharged from the steam reformer 6 through the element in the steam separator 17.
[0020]
Examples of the structure of the element (water vapor permeable membrane) installed inside the water vapor separator 17 include a hollow circular tube, a honeycomb structure, and a flat plate type. The present embodiment is implemented as a water vapor separation device (membrane separation device) 17 using a circular tube type element.
[0021]
The steam separator 17 converts the supplied reformed gas (inlet gas) into water vapor (membrane permeation gas) contained in the reformed gas, the remaining combustible components (air, unreacted hydrocarbon raw material, etc.), etc. Has the function of separating. Hereinafter, description will be given with reference to FIG. The water vapor separator 17 has a configuration in which a cylindrical element (water vapor permeable membrane) 52 is installed inside a casing 51.
The casing 51 includes an inlet nozzle 53 for introducing reformed gas, a sweep gas nozzle 54 for supplying sweep gas, a permeating gas nozzle 55 for flowing out the membrane permeating gas and the sweep gas, and an outlet nozzle 56 for discharging off-gas from which water vapor has been removed. Is a closed container.
[0022]
The inside of the casing 51 is divided into three spaces, that is, a sweep gas chamber 59, an inlet / outlet gas chamber 60, and a permeate gas chamber 61 by a pair of upper and lower partition plates 57 and 58. A sweep gas nozzle 54 is opened in the sweep gas chamber 59, an inlet nozzle 53 and an outlet nozzle 56 are opened in the inlet / outlet gas chamber 60, and a permeate gas nozzle 55 is opened in the permeate gas chamber 61. Yes.
The inlet nozzle 53 communicates with the reaction region 11 and introduces the reformed gas, and the outlet nozzle 56 opens into the outlet gas region 12 and causes the reformed gas from which water vapor has been removed to flow out.
[0023]
A plurality of elements 52 are provided through a pair of upper and lower partition plates 57, 58 so that one end opens into the sweep gas chamber 59 and the other end opens into the permeate gas chamber 61. This element 52 is described in, for example, Japanese Patent No. 1700388, Japanese Patent No. 1700309, Japanese Patent No. 21115931, Japanese Patent No. 2808479, Japanese Patent Application No. 08-128182, and Japanese Patent Publication No. 8-32298. An inorganic separation membrane such as a silica gel membrane can be used.
The silica gel membranes described therein have heat resistance and acid resistance, and can separate water from organic acids or organic solvents / water mixtures, and can separate and remove water vapor from gas containing water vapor with high performance. .
[0024]
Next, the action of water vapor separation in the water vapor separator 17 will be described.
In response to the supply of the raw material and steam, in the steam reformer 6, the discharged reformed gas flows from the inlet nozzle 53 into the inlet / outlet gas chamber 60 as the inlet gas of the steam separator 17. The steam contained in the reformed gas permeates the element 52 as indicated by an arrow 62 [see FIG. 2B] in the process of flowing out toward the outlet nozzle, and enters the hollow portion 52a of the element 52. . As a result, the reformed gas is separated into water vapor (membrane permeation gas) in the hollow portion 52 a and other components (exit gas) other than water vapor that does not permeate the element 52.
[0025]
Among these, outlet gas (membrane non-permeating gas) other than water vapor containing a combustible gas component flows out from the outlet nozzle 56 to the outlet gas region 12 on the downstream side. In the water vapor separator 17, since the water vapor may not be completely removed, the outlet gas may contain some residual water vapor. This outlet gas is supplied to the combustor 2 as described for FIG.
[0026]
On the other hand, the water vapor that has passed through the element 52 flows in from the sweep gas nozzle 54, flows out of the permeated gas nozzle 55 through the hollow portion 52a, and flows out with the sweep gas. The water vapor and the sweep gas thus separated are supplied to the steam reformer 6. As described with reference to FIG. 1, the gas 5 is used as the sweep gas, and the gas 5 can be supplied to the steam reformer 6 in a humidified state.
In addition, when the city gas is used as a raw material, the volume ratio between the reformed gas and the sweep gas that flows to the water vapor separator 17 is preferably 1.0 to 5.0 in volume ratio. Finally, the S / C (steam / carbon) ratio of the gas 10 supplied to the steam reformer 6 is in the range of 1.5 to 4.0 in terms of molar ratio.
[0027]
FIG. 3 shows another embodiment of the hydrogen production apparatus according to the present invention.
In this embodiment, the off-gas 14 that has passed through the water vapor separator 17 is cooled with cooling water by the heat exchanger 27, and water condensed in the gas-liquid separation tank 28 is discharged as waste water. As a result, moisture is further removed from the reformed gas 14. Elements having the same configuration and function as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
[0028]
FIG. 4 shows an outline of another embodiment of the hydrogen production apparatus according to the present invention.
This hydrogen production apparatus and a method for producing hydrogen using this apparatus will be described with a focus on the flow of hydrogen production.
In this hydrogen production apparatus, a hydrogen separation reformer 62 that incorporates a hydrogen permeable membrane that selectively permeates only hydrogen and produces high-purity hydrogen is used as a steam reformer.
In this hydrogen production apparatus, the raw material gas 1 is divided into a gas 3 that is supplied to the combustor 2 and the boiler 18, and a gas 5 that is supplied to the reforming catalyst layer 4 of the hydrogen separation reformer 62. The source gas 1 is generally a hydrocarbon such as natural gas or city gas. However, the present invention is not limited to these unless it is contrary to the object of the present invention.
[0029]
The hydrogen separation type reformer 62 receives the supply of the gas 3 and the air 7 and burns the gas 3. The gas 5 is mixed with water vapor 9 derived from the supplied water 8. This mixed gas 10 is introduced into the reforming catalyst layer 4. In the reforming catalyst layer 4, the raw material gas is decomposed into hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide by the same reactions (1) to (3) as those described with reference to FIG.
[0030]
Of these cracked gases, only hydrogen is separated into the permeation section 13 through a hydrogen separation membrane 12 made of, for example, a palladium alloy.
The principle of hydrogen production of the hydrogen separation reformer 62 is substantially the same as that of a conventional hydrogen production apparatus.
[0031]
In the present embodiment, unlike the prior art, water vapor is separated from the off-gas 14 obtained by removing only hydrogen from the cracked gas. That is, the off gas 14 exchanges heat with the air 7 (primary air) with the heat exchanger 15, heats the air 7, and then preheats the gas 5 with the preheater 16. Here, the off gas 14 is about 200 ° C. or less. Thereafter, the water vapor is separated by the water vapor separator 17.
The off gas 14 is supplied to the combustor 2 in the same manner as the gas 3 passing through the valve 11 and the air 7 (primary air). Here, since the water vapor is previously removed from the off-gas 14 by the water vapor separator 17, the combustion efficiency by the burner of the combustor 2 can be kept good.
[0032]
On the other hand, the gas 5 preheated by the preheater 16 is made to flow as a sweep gas by the water vapor separator 17 to the side through which water vapor permeates. Thereby, the gas 5 can be humidified. The water 8 is heated by the boiler 18 to become water vapor and mixed with the gas 5. However, prehumidification in this way reduces the burden on the boiler 18 and improves the overall thermal efficiency. As understood from the present embodiment, the water vapor separation device 17 exhibits an excellent function of performing the water vapor separation and simultaneously humidifying the gas 5 as a raw material.
[0033]
Further, in this embodiment, the combustion exhaust gas 19 from the combustor 2 is passed through the heat exchanger 20 to heat the gas 10 and the combustion exhaust gas 19 is utilized as one of the heat sources in the steam reforming reaction. The combustion exhaust gas 19 is further cooled with cooling water by the heat exchanger 21 and then discharged out of the system.
[0034]
Moreover, the obtained hydrogen 22 is heat-exchanged with the boiler air 25 and the water 8 by the heat exchangers 23 and 24, respectively, and these are heated. The hydrogen 22 is cooled with cooling water by the heat exchanger 26 and then sent to a subsequent device such as a fuel cell.
In addition, when using what contains sulfur components, such as city gas, as a raw material, a sulfur component is removed beforehand with a desulfurizer which is not illustrated.
[0035]
Steam Separator In the embodiment of FIG. 4, the steam separator 17 has the same structure and function as those described in the embodiment of FIG. Therefore, the contents described with reference to FIG. 2 are also applied as they are to the embodiment of FIG. However, the gas described as the reformed gas in the description of FIG. 2 is read as off-gas. This is because in the embodiment of FIG. 4, off-gas from which hydrogen has been removed by the hydrogen separation membrane 12 is sent to the water vapor separation device 17. In this embodiment, it is not necessary to separately provide the hydrogen separation device 16, so that there is an advantage that the entire device can be made compact.
[0036]
FIG. 5 shows a modification of the embodiment of FIG.
In this embodiment, the off-gas 14 that has passed through the water vapor separator 17 is cooled with cooling water by the heat exchanger 27, and water condensed in the gas-liquid separation tank 28 is discharged as waste water. As a result, moisture is further removed from the off-gas 14. Elements having the same configuration and function as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
[0037]
FIG. 6 shows a further modification of the embodiment of FIG.
In this embodiment, unlike the embodiment of FIG. 4, the gas 5 is heated by the heat exchanger 29 using the combustion exhaust gas 19. The heat of the combustion exhaust gas 19 is used. Elements having the same configuration and function as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
[0038]
Other Embodiments The hydrogen production apparatus and the hydrogen production method according to the present invention are not limited to the above-described embodiments, and all modifications, modifications, and additions obvious to those skilled in the art are within the technical scope of the present invention. included.
[0039]
【Example】
EXAMPLE The energy required for steam generation in the hydrogen production apparatus using the water vapor separation apparatus according to the present invention described above for the embodiment and the conventional hydrogen production apparatus was compared. The results are shown in Table 1.
In the system using the steam separator according to the present invention and the system using the conventional steam separator, humidification is performed so that the hydrocarbon flow rate of the raw material for producing hydrogen is constant and S / C = 3. As compared with the conventional system, the system of the present invention enables humidification corresponding to S / C = 3 with a fuel consumption of 60 to 90%. That is, in the present invention, the water vapor in the reformed gas can be separated using the water vapor separator and the raw material hydrocarbon gas can be humidified, so the amount of water vapor produced in the boiler can be reduced, and the fuel consumption of the boiler can be reduced. Connected. Further, since the water vapor in the reformed gas is separated by the water vapor separator, the amount of water vapor is reduced, and the amount of cooling water for cooling the reformed gas can be reduced.
[0040]
[Table 1]
Figure 0004227801
[0041]
【The invention's effect】
As is apparent from the above, according to the present invention, the steam in the reformed gas or off-gas from which steam is not separated is efficiently removed, and such steam is effectively used to produce hydrogen. Provided are a hydrogen production apparatus and a hydrogen production method that improve the efficiency of the process.
More specifically, the main advantages of the hydrogen production apparatus and the hydrogen production method according to the present invention are as follows.
(1) As described above, since the amount of heat of the steam generating boiler can be reduced, the thermal efficiency of the system can be improved and the boiler body can be made compact.
(2) The amount of cooling water for cooling the reformed gas can be reduced. Thereby, it is possible to improve the thermal efficiency by reducing the power of the cooling water circulation pump.
(3) Since the raw material gas can be preheated using a steam separator, the heat exchanger for preheating can be made compact.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram for explaining an embodiment of a hydrogen production apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining an embodiment of a steam separator that can be employed in the hydrogen production apparatus according to the present invention, wherein (a) is a conceptual diagram thereof, and (b) is a principle thereof. It is a typical perspective view explaining these.
FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating another embodiment of the hydrogen production apparatus according to the present invention.
FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating an embodiment using a hydrogen separation reformer in a hydrogen production apparatus according to the present invention.
FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating another embodiment using a hydrogen separation type reformer in the hydrogen production apparatus according to the present invention.
FIG. 6 is a conceptual diagram for explaining still another embodiment using a hydrogen separation reformer in the hydrogen production apparatus according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Raw material gas 2 Combustor 4 Reforming catalyst layer 6 Steam reformer 12 Hydrogen separation membrane 13 Permeation | transmission part 14 Off gas 16 Hydrogen separator 17 Steam separator 18 Boiler 19 Combustion exhaust gas 28 Gas-liquid separation tank 51 Casing 52 Element 53 Inlet nozzle 54 Sweep gas 55 Permeating gas nozzle 56 Outlet nozzle 57, 58 Partition plate 59 Sweep gas chamber 60 Inlet / outlet gas chamber 61 Permeating gas chamber 62 Hydrogen separation reformer

Claims (8)

炭化水素を原料ガスとし、該原料ガスと水を原料として水蒸気改質反応により水素を製造するスチームリフォーマと、水蒸気分離装置とを含み、
該水蒸気分離装置を水蒸気透過膜を配設してなる膜分離装置で構成し、
該膜分離装置の水蒸気発生側に上記原料ガスをスイープガスとして流通させることによって、水蒸気改質反応後得られる水蒸気を含む改質ガスから、上記膜分離装置で水蒸気を分離し、該膜分離装置で分離した水蒸気を、改質される上記原料ガスに添加し、該原料ガスの加湿と加熱を同時に行ない、さらに、水蒸気を分離した改質ガスから水素分離装置で水素を分離した後、得られるオフガスを上記スチームリフォーマで燃焼させるように構成したことを特徴とする水素製造装置。A steam reformer for producing hydrogen by a steam reforming reaction using a hydrocarbon as a raw material gas, and using the raw material gas and water as a raw material, and a steam separator;
The water vapor separation device is constituted by a membrane separation device in which a water vapor permeable membrane is disposed,
By separating the raw material gas as a sweep gas on the water vapor generating side of the membrane separation device, the membrane separation device separates the water vapor from the reformed gas containing the water vapor obtained after the steam reforming reaction, and the membrane separation device. Obtained by adding the water vapor separated in step (b) to the raw material gas to be reformed, simultaneously humidifying and heating the raw material gas, and further separating hydrogen from the reformed gas separated from the water vapor using a hydrogen separator. off the hydrogen production apparatus characterized by being configured to so that is combusted in the steam reformer. 炭化水素と水を原料として水蒸気改質反応により水素を製造するスチームリフォーマと、水蒸気分離装置とを含み、
該水蒸気分離装置を水蒸気透過膜を配設してなる膜分離装置で構成し、
上記スチームリフォーマが、水素のみを選択的に透過する水素透過膜を組込み高純度の水素を製造する水素分離型リフォーマであり、
該膜分離装置の水蒸気発生側に上記原料ガスをスイープガスとして流通させることによって、水蒸気改質反応後得られる水蒸気を含む改質ガスから、上記膜分離装置で水蒸気を分離し、該膜分離装置で分離した水蒸気を、改質される上記原料ガスに添加し、該原料ガスの加湿と加熱を同時に行ない、
上記水蒸気分離装置により水蒸気の分離されているオフガスを上記スチームリフォーマで燃焼するように構成したことを特徴とする水素製造装置。A steam reformer that produces hydrogen by a steam reforming reaction using hydrocarbons and water as raw materials, and a steam separator,
The water vapor separation device is constituted by a membrane separation device in which a water vapor permeable membrane is disposed,
The steam reformer is a hydrogen separation reformer that incorporates a hydrogen permeable membrane that selectively permeates only hydrogen to produce high purity hydrogen,
By separating the raw material gas as a sweep gas on the water vapor generating side of the membrane separation device, the membrane separation device separates the water vapor from the reformed gas containing the water vapor obtained after the steam reforming reaction, and the membrane separation device. The water vapor separated in step 1 is added to the raw material gas to be reformed, and the raw material gas is humidified and heated at the same time,
Hydrogen production apparatus characterized by the off-gas are separated steam is configured to combust at the steam reformer by the water vapor separation device. 上記水蒸気分離装置の前段又は後段に上記水蒸気改質反応後得られる水蒸気を含むガスの冷却装置を設けたことを特徴とする請求項1 又は２のいずれかの水素製造装置。 3. The hydrogen production apparatus according to claim 1 , wherein a cooling device for a gas containing water vapor obtained after the steam reforming reaction is provided in a front stage or a rear stage of the steam separation apparatus. 上記水蒸気分離装置を経たガスの後段に設けた冷却装置と、該冷却装置で凝結した水分を除去する装置とを備えることを特徴とする請求項３の水素製造装置。The hydrogen production apparatus according to claim 3 , comprising a cooling device provided at a subsequent stage of the gas that has passed through the water vapor separation device, and a device that removes moisture condensed by the cooling device. 原料ガスである炭化水素と水をスチームリフォーマに供給し、水蒸気改質反応により水素を得ると共に、水蒸気改質反応後得られる水蒸気を含む改質ガスを水蒸気分離装置に供給し、
該水蒸気分離装置を水蒸気透過膜を配設してなる膜分離装置で構成し、
該膜分離装置の水蒸気発生側に上記原料ガスをスイープガスとして流通させることによって、水蒸気改質反応後得られる水蒸気を含む改質ガスから、上記膜分離装置で水蒸気を分離し、該膜分離装置で分離した水蒸気を、改質される上記原料ガスに添加し、該原料ガスの加湿と加熱を同時に行ない、
さらに水素分離装置で上記改質ガスから水素を分離して排出されたオフガスを上記スチームリフォーマに供給して燃焼させることを含むことを特徴とする水素製造方法。 Supply hydrocarbon and water as raw material gas to a steam reformer, obtain hydrogen by steam reforming reaction, and supply reformed gas containing steam obtained after steam reforming reaction to a steam separator,
The water vapor separation device is constituted by a membrane separation device in which a water vapor permeable membrane is disposed,
By separating the raw material gas as a sweep gas on the water vapor generating side of the membrane separation device, the membrane separation device separates the water vapor from the reformed gas containing the water vapor obtained after the steam reforming reaction, and the membrane separation device. The water vapor separated in step 1 is added to the raw material gas to be reformed, and the raw material gas is humidified and heated at the same time,
The method for producing hydrogen further comprises supplying off-gas discharged from the reformed gas after being separated from the reformed gas by a hydrogen separator to the steam reformer . 原料ガスである炭化水素と水をスチームリフォーマに供給し、水蒸気改質反応により水素を得、上記スチームリフォーマとして、水素のみを選択的に透過する水素透過膜を組込み高純度の水素を製造する水素分離型リフォーマを用い、
水蒸気改質反応後得られる水蒸気を含む改質ガスを水蒸気分離装置に供給し、
該水蒸気分離装置を水蒸気透過膜を配設してなる膜分離装置で構成し、
該膜分離装置の水蒸気発生側に上記原料ガスをスイープガスとして流通させることによって、水蒸気改質反応後得られる水蒸気を含む改質ガスから、上記膜分離装置で水蒸気を分離し、該膜分離装置で分離した水蒸気を、改質される上記原料ガスに添加し、該原料ガスの加湿と加熱を同時に行ない、
上記水蒸気分離装置により水蒸気の分離されているオフガスを上記スチームリフォーマに供給して燃焼させることを含むことを特徴とする水素製造方法。 Hydrocarbon and water as raw material gas are supplied to a steam reformer, hydrogen is obtained by a steam reforming reaction , and high purity hydrogen is produced as a steam reformer by incorporating a hydrogen permeable membrane that selectively transmits only hydrogen. Using a hydrogen separation reformer,
Supplying a reformed gas containing steam obtained after the steam reforming reaction to the steam separator;
The water vapor separation device is constituted by a membrane separation device in which a water vapor permeable membrane is disposed,
By separating the raw material gas as a sweep gas on the water vapor generating side of the membrane separation device, the membrane separation device separates the water vapor from the reformed gas containing the water vapor obtained after the steam reforming reaction, and the membrane separation device. The water vapor separated in step 1 is added to the raw material gas to be reformed, and the raw material gas is humidified and heated at the same time,
A method for producing hydrogen, comprising: supplying off-gas from which water vapor is separated by the water vapor separator to the steam reformer and burning it. 上記水蒸気分離装置の前段又は後段に設けた冷却装置により、上記水蒸気改質反応後得られる水蒸気を含むガスを冷却するようにしたことを特徴とする請求項５又は６のいずれかの水素製造方法。The method for producing hydrogen according to claim 5 or 6 , wherein a gas containing water vapor obtained after the steam reforming reaction is cooled by a cooling device provided at a front stage or a rear stage of the water vapor separator. . 上記水蒸気分離装置の後段に設けた冷却装置によって、該水蒸気分離装置を経たガスを冷却し、凝結した水分を除去することをさらに含むことを特徴とする請求項７の水素製造方法。The method for producing hydrogen according to claim 7 , further comprising cooling the gas that has passed through the water vapor separation device and removing condensed water by a cooling device provided at a subsequent stage of the water vapor separation device.
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