JP4363969B2 - Hydrogen production equipment - Google Patents
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Description
本発明は、原子力発電プラントの熱を利用し、ジメチルエーテルを水蒸気改質して水素を製造する水素製造装置に関する。 The present invention relates to a hydrogen production apparatus for producing hydrogen by steam reforming dimethyl ether using heat of a nuclear power plant.
地球温暖化防止のために今後、水素の需要が大きく増加すると考えられる。そのため水素製造方法は多種多様化しており、安全かつ効率的な水素製造方法が必要とされている。従来、水素製造では石油、LNG(液化天然ガス)、LPG(液化石油ガス)の水蒸気改質が主流であるが、水蒸気改質は700℃以上の高温条件が必要であるため、システムに高価な耐高温材料が必要である。 In order to prevent global warming, the demand for hydrogen is expected to increase significantly in the future. Therefore, hydrogen production methods are diversified and a safe and efficient hydrogen production method is required. Conventionally, steam production of petroleum, LNG (liquefied natural gas), and LPG (liquefied petroleum gas) has been the mainstream in hydrogen production, but steam reforming requires high temperature conditions of 700 ° C. or higher, which is expensive for the system. A high temperature resistant material is required.
また、硫黄分をとるために脱硫装置が必要である。また、水の電気分解で水素を製造する方法もあるが、現状では製造コストが高く大量製造には向かないことが「水素の物性・反応の機能性化と応用」、P328−350、2001年、(株)石川島プラント建設に指摘されている。 In addition, a desulfurization apparatus is necessary to remove the sulfur content. In addition, there is a method for producing hydrogen by electrolysis of water. However, it is currently expensive to produce and is not suitable for mass production "Physical properties of hydrogen and functionalization and application of reaction", P328-350, 2001. , Has been pointed out in the construction of Ishikawajima Plant.
一方、低温で安価に水素を製造する方法としてジメチルエーテル(以下DMEと省略する)の水蒸気改質が提案される(例えば非特許文献1参照)。DMEの水蒸気改質は石油、LNG、LPG原料と比べ、300℃と低温で改質できることから有効であるが、更に安価に低温で高効率に水素を大量に生成する水素製造装置の確立が求められている。 On the other hand, steam reforming of dimethyl ether (hereinafter abbreviated as DME) is proposed as a method for producing hydrogen at a low temperature and at low cost (see, for example, Non-Patent Document 1). DME steam reforming is effective because it can be reformed at a low temperature of 300 ° C compared to petroleum, LNG, and LPG raw materials, but there is a need to establish a hydrogen production system that can produce a large amount of hydrogen at low cost and high efficiency. It has been.
さらに、天然ガス成分メタンを熱で炭素と水素に分解し、または天然ガスから合成可能DMEを水蒸気改質して水素を生成する水素製造システムが提案される(例えば特許文献1参照)。
安価に安全に水素製造するために、低温で水素製造システムを操作する必要があるが、DMEの水蒸気改質は、300℃の低温で水素製造できるため、有望な方法と考えられる。そこで、より一層、低コストで効率的な水素製造装置の提供が望まれる。 In order to safely and inexpensively produce hydrogen, it is necessary to operate a hydrogen production system at a low temperature, but steam reforming of DME is considered a promising method because it can produce hydrogen at a low temperature of 300 ° C. Therefore, it is desired to provide an efficient hydrogen production apparatus at a lower cost.
また、DMEの水蒸気改質では、反応器にDMEを導入する前に予熱が行われるが、反応器にDMEを導入する場合、予熱によりDMEが熱分解してメタンが生成する可能性がある。このメタンは水蒸気改質温度が700℃以上なので、DMEが熱分解してメタンになると低温での水素生成率を低減させる要因となることが「水素の物性・反応の機能性化と応用」、P328−350、2001年、(株)石川島プラント建設で指摘されている。このことから、予熱時のDMEのメタン化抑制が必要となる。 In the steam reforming of DME, preheating is performed before DME is introduced into the reactor. However, when DME is introduced into the reactor, DME may be thermally decomposed by preheating to generate methane. Since this methane has a steam reforming temperature of 700 ° C or higher, if DME is thermally decomposed into methane, it will be a factor to reduce the hydrogen production rate at low temperatures, "Hydrogen physical properties, functionalization of reaction and application", P328-350, 2001, indicated by Ishikawajima Plant Construction. For this reason, it is necessary to suppress the methanation of DME during preheating.
本発明はかかる従来の事情に対処するためになされたものであり、より低コストで効率的にDMEを水蒸気改質して水素を製造することが可能な水素製造装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to cope with such a conventional situation, and an object thereof is to provide a hydrogen production apparatus capable of producing hydrogen by steam reforming DME efficiently at a lower cost. To do.
本発明に係る水素製造装置は、上述の目的を達成するために、請求項1に記載したように、ジメチルエーテルを気体として供給するジメチルエーテル供給部と、水蒸気を供給する蒸発器と、前記ジメチルエーテル供給部から供給されたジメチルエーテルと前記蒸発器から供給された水蒸気とを混合して混合ガスを250℃〜300℃で予熱する、蓄熱体として銅系触媒または活性アルミナを充填した予熱器と、前記予熱器で予熱された混合ガスを改質して水素リッチガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された水素リッチガスを精製して所要の濃度の水素を得る水素精製部とを備え、前記ジメチルエーテル供給部、蒸発器、予熱器、改質器および水素精製部の少なくとも1つが原子力発電プラントの熱を利用するように構成したことを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, a hydrogen production apparatus according to the present invention includes, as described in
本発明に係る水素製造装置においては、より低コストで効率的にDMEを水蒸気改質して水素を製造することができる。 In the hydrogen production apparatus according to the present invention, hydrogen can be produced by steam reforming DME efficiently at lower cost.
本発明に係る水素製造装置の実施の形態について添付図面を参照して説明する。 Embodiments of a hydrogen production apparatus according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明に係る水素製造装置の実施の形態を示す構成図である。 FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of a hydrogen production apparatus according to the present invention.
水素製造装置1は、DME供給部2、蒸発器3、予熱器4、改質器5、水素精製部6を有する。水素製造装置1のDME供給部2、蒸発器3、予熱器4、改質器5、水素精製部6は、それぞれ原子力発電プラント7と熱交換可能かつ温度制御可能に設けられている。
The
DME供給部2はDMEを気体として予熱器4に供給する機能を有する。このため、DMEが液体でDME供給部2に供給された場合には、原子力発電プラント7からの熱11を利用し、DMEを0℃以上に保持することでDMEを気化させて気体の状態でDMEを予熱器4に供給できるように構成される。
The
なお、ここで原子力発電プラント7としては、軽水炉、高速増殖炉、高温ガス炉、沸騰水型原子炉、加圧水型原子炉のプラントの適用が可能である。
Here, as the
蒸発器3は、水蒸気を予熱器4に供給する機能を有する。このため、水12が蒸発器3に供給された場合には、原子力発電プラント7からの熱11を利用し、水12を蒸発させて水蒸気を予熱器4に供給できるように構成される。蒸発器3の温度は、水12を完全に蒸発させるため150℃以上が好ましい。原子力発電プラント7の熱11だけで蒸発器3が150℃以上にならない場合は、適宜炭素含有燃料および水素含有燃料の一方あるいは双方の燃料の燃焼熱を用いて蒸発器3を外部から加熱することが好ましい。
The
予熱器4はDMEと水蒸気とを混合し、原子力発電プラント7の熱11を利用してDMEと水蒸気の混合ガスを250℃〜300℃まで予熱する機能と、予熱後のDMEと水蒸気の混合ガスを改質器5に与える機能とを有する。原子力発電プラント7の熱11だけで予熱器4が250℃以上にならない場合は、適宜炭素含有燃料および水素含有燃料の一方あるいは双方の燃料の燃焼熱を用いて予熱器4を外部から加熱することが好ましい。
The preheater 4 mixes DME and steam, uses the
なお、図1において符号11は原子力発電プラント7から導入される熱を示し、通常は原子炉で発生する蒸気、ガス、加圧水等の熱媒体から選択される。また、符号13は各機器で使用され原子力発電プラント7へ導かれる熱を示し、通常は復水の形態であるが、もちろん蒸気、ガス、加圧水の形態で原子力発電プラント7に導入されてもよい。
In FIG. 1,
図2はDMEが熱分解して水素が生成される際の反応式である。 FIG. 2 is a reaction formula when DME is thermally decomposed to generate hydrogen.
図2の式1はDMEがメタン、一酸化炭素および水素に熱分解する際の反応を示す式であり、式2は生成したメタンが水蒸気改質されて水素が生成される際の反応式である。式1および式2の反応には、700℃以上の温度が必要となる。ゆえにDMEがメタンに熱分解してしまうと低温での水素生成率を低下させる要因となることが分かる。
図3は予熱器4内におけるDMEからのメタン生成率と水蒸気添加比との関係を示す図である。 FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the methane production rate from DME in the preheater 4 and the steam addition ratio.
図3において縦軸はメタン(CH4)生成率を示し、横軸は水蒸気(H2O)の添加比を示す。また、●印、▲印、■印、◆印は、それぞれ予熱温度を350℃、300℃、250℃、200℃としたときのメタン生成率と水蒸気添加比との関係を示すデータである。図3によれば、DMEのメタン化を抑制するためには、予熱温度を250〜300℃とすれば好ましいことが分かる。 In FIG. 3, the vertical axis represents the methane (CH 4 ) production rate, and the horizontal axis represents the addition ratio of water vapor (H 2 O). The marks ●, ▲, ■, and ◆ are data showing the relationship between the methane production rate and the steam addition ratio when the preheating temperatures are 350 ° C., 300 ° C., 250 ° C., and 200 ° C., respectively. According to FIG. 3, it can be seen that it is preferable to set the preheating temperature to 250 to 300 ° C. in order to suppress the methanation of DME.
また、予熱器4内に蓄熱体として、DMEの水蒸気改質に使用する銅系触媒や活性アルミナを充填することでメタン化の抑制を行うことができる。 Moreover, methanation can be suppressed by filling the preheater 4 with a copper catalyst or activated alumina used for steam reforming of DME as a heat accumulator.
改質器5にはDMEの水蒸気改質に使用する銅系触媒や活性アルミナが充填される。そして改質器5には予熱済みDMEと水蒸気の混合ガスを原子力発電プラント7の熱を利用して予熱の場合と同様な理由から250℃〜300℃で改質し、水素リッチガスを生成する機能と、生成した水素リッチガスを水素精製部6に与える機能とが備えられる。原子力発電プラント7の熱だけで改質器5が250℃以上にならない場合は、適宜炭素含有燃料および水素含有燃料の一方あるいは双方の燃料の燃焼熱を用いて予熱器4を外部から加熱することが好ましい。
The
図4はDMEを水蒸気改質する際の反応式である。 FIG. 4 is a reaction formula when steam reforming DME.
改質器5では、図4の式3および式4の2段階の反応により予熱済みDMEと水蒸気の混合ガスから水素リッチガスが生成される。まず、図4の式3の反応によりDMEと水蒸気からメタノールが生成される。さらに、図4の式4の反応によりメタノールと水蒸気とから水素と二酸化炭素とが生成されて水素リッチガスとなる。
In the
ここで、式3のDMEと水蒸気とからメタノールが生成される反応では活性アルミナが、式4のメタノールと水蒸気とから水素と二酸化炭素が生成される反応では銅がそれぞれ触媒として反応を促進させることができる。
Here, activated alumina is used as a catalyst in the reaction in which methanol is generated from DME of
図5は図4の2段階の反応を1つの式で示した反応式である。 FIG. 5 is a reaction formula showing the two-step reaction of FIG. 4 as one formula.
すなわち、図5に示す式5は、DMEを水蒸気改質する際の反応式を示す。式5によれば、DMEの水蒸気改質で使用される水蒸気の量はモル比でDMEの3倍必要であることが分かる。
That is,
水素精製部6は、原子力発電プラント7の熱11を利用して水素リッチガスから使用目的に応じた所要の濃度の水素を精製する機能を有する。水素精製部6には、例えば一酸化炭素変成器8が設けられる。一酸化炭素変成器8は、水素の精製により生成された水素リッチガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成する機能を有する。そして、水素精製部6に一酸化炭素変成器8を設けた場合には、一酸化炭素燃焼法により水素リッチガスから水素を精製するように構成される。この際、水素生成に用いられる一酸化炭素の濃度は水素の使用目的や濃度に応じて設定される。例えば水素が燃料電池に使用される場合には一酸化炭素の濃度は、10ppm以下に設定される。
The hydrogen purifying unit 6 has a function of purifying hydrogen having a required concentration according to the purpose of use from the hydrogen rich gas using the
水素精製部6において水素精製のために必要な熱は、原子力発電プラント7の熱が利用されるが、一酸化炭素燃焼法による水素生成では250℃に設定する必要がある。原子力発電プラント7の熱だけで一酸化炭素変成器8が250℃以上にならない場合は、適宜炭素含有燃料および水素含有燃料の一方あるいは双方の燃料の燃焼熱を用いて一酸化炭素変成器8を外部から加熱することが好ましい。
The heat required for hydrogen purification in the hydrogen purification unit 6 is the heat of the
また、水素精製部6には、必要に応じて水素リッチガスに含まれる水蒸気を除去する水蒸気除去器9や水素リッチガスに含まれる二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去器10が設けられる。そして、水蒸気除去や二酸化炭素除去、未反応のDMEの除去、中間性生物であるメタノールの除去、メタンの除去が適宜実施される。二酸化炭素除去としては、例えばアミン法、二酸化炭素分離膜、PSA法(圧力変動吸着分離法)があり、用途目的に応じた形式を選択することができる。 Further, the hydrogen purifier 6 is provided with a water vapor remover 9 for removing water vapor contained in the hydrogen rich gas and a carbon dioxide remover 10 for removing carbon dioxide contained in the hydrogen rich gas as necessary. Then, water vapor removal, carbon dioxide removal, unreacted DME removal, intermediate organism methanol removal, and methane removal are appropriately performed. Examples of the carbon dioxide removal include an amine method, a carbon dioxide separation membrane, and a PSA method (pressure fluctuation adsorption separation method), and a format corresponding to the purpose of use can be selected.
なお、蒸発器3、予熱器4、改質器5、水素精製部6の全部あるいは一部を水素含有燃料の燃焼熱を用いて外部から加熱する場合には、水素精製部6において精製した水素を利用して水素含有燃料を生成することもできる。さらに、蒸発器3、予熱器4、改質器5、水素精製部6の全部あるいは一部を外部から加熱する場合、水素精製部6で精製した水素を利用することで二酸化炭素の発生を防ぐこともできる。
When all or part of the
次に、水素製造装置1の作用について説明する。
Next, the operation of the
まず、DME供給部2にDMEが供給される。DMEが液体の場合には、DME供給部2において原子力発電プラント7からの熱11を利用してDMEを0℃以上に保持することでDMEが気化される。そして、DME供給部2からは、DMEが気体として予熱器4に与えられる。
First, DME is supplied to the
一方、蒸発器3に水あるいは水蒸気が供給される。水12が蒸発器3に供給された場合には、蒸発器3において、原子力発電プラント7からの熱11を利用して水12を蒸発させることにより水蒸気が生成される。蒸発器3の温度は、水12を完全に蒸発させるため150℃以上程度とされ、原子力発電プラント7の熱11だけで蒸発器3が150℃以上にならない場合は、適宜炭素含有燃料および水素含有燃料の一方あるいは双方の燃料の燃焼熱により外部から加熱される。そして、蒸発器3において生成された水蒸気は予熱器4に与えられる。
On the other hand, water or water vapor is supplied to the
次に、予熱器4は原子力発電プラント7の熱11を利用してDMEと水蒸気の混合ガスを250℃〜300℃まで予熱する。原子力発電プラント7の熱11だけで予熱器4が250℃以上にならない場合は、適宜炭素含有燃料および水素含有燃料の一方あるいは双方の燃料の燃焼熱により外部から予熱器4が加熱される。さらに、予熱器4は予熱後のDMEと水蒸気の混合ガスを改質器5に与える。
Next, the preheater 4 preheats the mixed gas of DME and water vapor to 250 ° C. to 300 ° C. using the
次に、改質器5において、原子力発電プラント7の熱を利用して、予熱済みDMEと水蒸気の混合ガスが250℃〜300℃に制御されて改質され、水素リッチガスが生成される。原子力発電プラント7の熱だけで改質器5が250℃以上にならない場合は、適宜炭素含有燃料および水素含有燃料の一方あるいは双方の燃料の燃焼熱を用いて外部から改質器5が加熱せしめられる。さらに、水素リッチガスは、水素精製部6に与えられる。
Next, in the
次に、水素精製部6において、原子力発電プラント7の熱を利用して水素リッチガスから使用目的に応じた濃度の水素が精製される。水素精製部6には、例えば一酸化炭素変成器8が設けられ、一酸化炭素燃焼法により水素リッチガスから水素が精製される。この際、水素生成に用いられる一酸化炭素の濃度は水素の使用目的や濃度に応じて設定され、例えば水素が燃料電池に使用される場合には一酸化炭素の濃度は、10ppm以下に設定される。
Next, in the hydrogen purification unit 6, hydrogen having a concentration corresponding to the purpose of use is purified from the hydrogen-rich gas using the heat of the
また、水素精製部6には、必要に応じて水蒸気除去器9や二酸化炭素除去器10が設けられ、水素リッチガスに含まれる水蒸気や二酸化炭素が除去される。 In addition, the hydrogen purifier 6 is provided with a water vapor remover 9 and a carbon dioxide remover 10 as necessary to remove water vapor and carbon dioxide contained in the hydrogen rich gas.
水素精製部6において水素精製のために必要な熱は、原子力発電プラント7の熱が利用されるが、一酸化炭素燃焼法による水素生成では250℃に設定する必要がある。原子力発電プラント7の熱だけで一酸化炭素変成器8が250℃以上にならない場合は、適宜炭素含有燃料および水素含有燃料の一方あるいは双方の燃料の燃焼熱を用いて外部から一酸化炭素変成器8が加熱される。
The heat required for hydrogen purification in the hydrogen purification unit 6 is the heat of the
さらに、このようにして精製された水素は、水素ステーション等の需要先に供給され、水素の一部は必要に応じて蒸発器3、予熱器4、改質器5、水素精製部6の全部あるいは一部を外部から加熱するための水素含有燃料として利用されるとともに、二酸化炭素の発生防止用に利用される。
Furthermore, the hydrogen refined in this way is supplied to a demand destination such as a hydrogen station, and a part of the hydrogen is entirely contained in the
以上のような水素製造装置1によれば、原子力発電プラント7における余剰熱を利用してDMEを水蒸気改質することで、より低コストで効率的にDMEを水蒸気改質して水素を製造することができる。この際、原子力発電プラント7と水素製造装置1と間の熱交換における温度を適切に制御することにより、低温で安全に水素を製造することができる。
According to the
さらに、水素製造装置1によれば、DMEの予熱温度を制御することでDMEのメタン化を抑制し、低温での水素生成能を向上させることができる。
Furthermore, according to the
すなわち、原料ガスであるDMEを予熱せずに改質器5に与えると、DMEの温度が十分とならず水素生成率の低下に繋がるが、水素製造装置1では予熱器4によりDMEが予め十分に予熱されるため水素生成率の低下を回避させることができる。しかし、逆に予熱温度が高すぎるとDMEが熱分解してメタン化してしまい水蒸気改質して水素を生成するためには700℃以上の温度が必要となる。
That is, if the raw material gas DME is supplied to the
一方、水素製造装置1では予熱温度が250℃〜300℃に制御されるため、DMEのメタン化による低温での水素生成率の低下を抑制することができる。
On the other hand, in the
さらに、水素製造装置1では予熱器4に蓄熱体としてDMEの水蒸気改質に使用する銅系触媒や活性アルミナが充填されるため、メタン化抑制の効果が向上する。
Furthermore, in the
1 水素製造装置
2 DME(ジメチルエーテル)供給部
3 蒸発器
4 予熱器
5 改質器
6 水素精製部
7 原子力発電プラント
8 一酸化炭素変成器
9 水蒸気除去器
10 二酸化炭素除去器
11 原子力発電プラントから導入される熱
12 水
13 各機器で使用され原子力発電プラントへ導かれる熱
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