JP4385456B2 - High temperature shift converter for hydrogen production and operation method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は天然ガスやメタノール等の炭化水素を改質した後の改質ガスから高純度の水素を製造するために用いる水素製造用高温シフトコンバータ及びその運転方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
天然ガスを水蒸気改質して得た水素リッチなガスから高純度の水素を精製する従来の技術として、PSA(Pressure Swing Adsorption)が工業的に主力となっている。このPSAは、吸収塔内に導入した水素リッチなガスの圧力を変化させて吸着剤への吸着と脱着を繰り返すことにより目的のガスを分離精製する方法で、上記吸着剤としては、カーボンモレキュラーシーブ、合成ゼオライトが分離対象ガスに応じて使用され、これら吸着剤に吸着するガスの性質が異なることを利用して目的のガス分離を行うものであり、圧力が高いほど単位吸着剤に対する吸着量が多く、逆に圧力が低いほど吸着量が少ない特徴を有している。
【0003】
しかし、上記PSAによる水素製造方法の場合は、600Nm3 /Hr の水素製造装置では、吸収塔を3乃至4基設置する必要があると共に、払出しタンクの設置も必要となって設備が大型化し、コンパクトで安価に水素を製造する設備とすることができず、したがって、水素製造装置として狭いスペースに設置して水素を燃料とするシステムに適用することに難点がある。
【0004】
そのため、コンパクトな構成で高純度の水素を製造することができるものとして、図4に一例を示す如く、改質器1で天然ガスNGを水蒸気改質して得られた水素リッチなガスを高温シフトコンバータ2で、水素のみを分離させると同時にシフト反応させるようにした水素製造装置が提案されている。
【0005】
すなわち、改質触媒4を充填して天然ガスNGを流すようにした改質室3と伝熱促進用の充填物6としてアルミナボールを充填して燃焼ガス16を流すようにした加熱室5とを金属製隔壁7を介して積層してなるプレート型改質器1のほかに、金属製の隔壁8を挟んで、片側に伝熱促進用の充填物9としてアルミナボールを充填した冷却室10と、上記隔壁8の反対側に高温シフト触媒11を充填してシフト反応させるようにしたシフト反応室12と、凹凸により流路を形成したプレート型の水素ガス室13とを積層し、該水素ガス室13と上記シフト反応室12との間に、水素のみを選択的に通過させるようにする水素透過膜としてパラジウム膜又はパラジウム合金膜(以下、パラジウム膜について示す。)14を多孔質板の片面にコーティングするか又はメッキしてなる隔壁15を、パラジウム膜14がシフト反応室12側となるようにして積層してなるプレート型の高温シフトコンバータ2を設けた構成としてある。上記水素透過膜としてパラジウム膜14を使用する場合、該パラジウム膜14は水素存在下で300℃以下では脆化するので、使用温度は300〜500℃とされている。
【0006】
上記高温シフトコンバータ2の冷却室10には天然ガスライン17より天然ガスNGを導入するようにして発熱反応であるシフト反応時の冷却に使用するようにし、該冷却室10を出た天然ガスNGは天然ガスライン17にて改質器1の改質室3に導入されて改質されるようにすると共に、該改質器1の改質室3で改質された水素リッチな改質ガスRGが改質ガスライン18より熱交換器19に導かれて高温シフトコンバータ2の作動温度(触媒11の使用温度)である300〜500℃に調整されてから高温シフトコンバータ2のシフト反応室12に導入され、発熱反応によりシフト反応が行われ、反応熱により高温になるが、冷却室10により冷却されて出口ガス温度が高温シフト触媒の最高使用温度となるようにしてある。27は水蒸気を示す。
【0007】
上記提案されている水素製造設備では、プレート型の高温シフトコンバータ2や改質器1で純水素を容易に製造することができて、高温シフトコンバータ2や改質器1を水素製造装置として小スペースに設置することができるものである。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記高温シフトコンバータ2では、反応熱による温度上昇を抑えるために冷却室10が片側に設けてあるため、シフト反応室12の両側に水素ガス室13を配置することができないという問題がある。
【0009】
そこで、本発明は、シフト反応室の片側に冷却室を置かなくても出口ガス温度を高温シフト触媒の最高使用温度程度にできるように、反応熱によりガス温度が上昇するのを抑えるようにした水素製造用高温シフトコンバータ及びその運転方法を提供しようとするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、高温シフト触媒を充填して改質ガスを流してシフト反応を行わせるようにしたシフト反応室の両側に、水素透過膜を多孔質板にコーティング又はメッキしてなる隔壁を、シフト反応室を挟むように配して、その外側に、プレート型の水素ガス室をそれぞれ積層してなり、上記シフト反応室に改質ガスを流入させるようにした構成を有する水素製造用高温シフトコンバータとする。
【0011】
シフト反応室を両側から水素ガス室で挟むようにしたことから、両側から水素を取り出すことができるようにして水素製造効率を高めることができる。
【0012】
又、高温シフト触媒を充填して改質ガスを流すようにしたシフト反応室の両側に、水素透過膜を多孔質板にコーティング又はメッキしてなる隔壁を介してプレート型の水素ガス室を積層してなる水素製造用高温シフトコンバータにおける上記隔壁の水素透過膜の厚さ及び面積を設定すると共に、改質ガスの組成、流量、圧力を設定して、シフト反応室の入口ガス温度を仮定し、しかる後、シフト反応、水素透過量を考慮した計算を行うことによりシフト反応室の出口ガス温度を解析し、反応熱により出口ガス温度が高温シフト触媒の最高使用温度程度になるように入口ガス温度を変化させる計算を行ってシフト反応室の入口ガス温度を求め、該求めた入口ガス温度で改質ガスをシフト反応室に流入させるようにすることにより、シフト反応室の片側に冷却室を置かなくても、反応熱によりガス温度が上昇するのを抑えて出口ガス温度を高温シフト触媒の最高使用温度程度にすることができるようになる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【0014】
図1は本発明の特徴をなす高温シフトコンバータ20を組み込んだ水素製造装置の実施の一形態を示すもので、図4に示す水素製造装置と同様に、改質器1で天然ガスNGを水蒸気改質して得られた水素リッチな改質ガスRGを高温シフトコンバータ20でシフト反応させた後、水素のみを分離させるようにしたものである。
【0015】
本発明のプレート型の高温シフトコンバータ20は、図1に示す如く、高温シフト触媒11を充填したシフト反応室12の両側に、水素透過膜としてのパラジウム膜又はパラジウム合金膜(以下、パラジウム膜について示す。)14を多孔質板の片面にコーティングするか又はメッキしてなる隔壁15を、シフト反応室12を挟むように配して、その外側に、プレート型の水素ガス室13をそれぞれ積層配置してなる構成としてあり、この高温シフトコンバータ20を運転して水素を得るために、図4に示したと同様な構成としてある改質器1と、熱交換器19のほかに、空気予熱器23、燃焼器24、廃熱回収ボイラ25を設置し、天然ガスNGを天然ガス供給ブロワ21で昇圧して熱交換器19に天然ガスライン17を通して導入した後に上記改質器1の改質室3に導入するようにし、該改質器1の改質室3で改質された水素リッチな改質ガスRGを、改質ガスライン18より上記熱交換器19を通して降温させてから高温シフトコンバータ20のシフト反応室12に導入するようにし、該シフト反応室12でのシフト反応により生じた水素をパラジウム膜14を表面に有する多孔質状の隔壁15を通して両側の各水素ガス室13に透過させ、該各水素ガス室13から高純度の水素が得られるようにする。又、上記空気予熱器23には、空気ブロワ22により圧縮した空気Aを導いて予熱した後、燃焼器24へ導入して、ここで上記シフト反応室12で水素が分離された残りの改質ガスRGと共に燃焼させ、その燃焼ガス16を改質器1の加熱室5に供給して、改質室3で起る吸熱による改質反応の熱源とさせるようにし、該改質器1の加熱室5を出た燃焼ガス16を空気予熱器23及び廃熱回収ボイラ25へ導いた後、大気へ放出させるようにし、一方、水Wをポンプ26により廃熱回収ボイラ25へ送って水蒸気27とし、得られた水蒸気27を天然ガスライン17の天然ガスNGに混合させて水蒸気改質を行わせるようにしてある。
【0016】
本発明の高温シフトコンバータ20は、シフト反応室12の出口ガス温度が高温シフト触媒11の最高使用温度である500℃程度に反応熱によりガス温度が上昇するような入口ガス温度を求めて、その入口ガス温度で改質ガスをシフト反応室12に導入して運転させるようにする。そのための入口ガス温度は次のようにして求めるようにする。先ず、上記水素透過膜としてのパラジウム膜14の厚さ及び面積を設定すると共に、改質ガスRGの組成、流量、圧力を設定して、シフト反応室12の入口ガス温度を仮定し、しかる後、シフト反応、水素透過量を考慮した計算を行うことによりシフト反応室12の出口ガス温度を解析し、該出口ガス温度が高温シフト触媒11の最高使用温度(500℃)程度となるように入口ガス温度を変化させる計算を行ってシフト反応室12の入口ガス温度を求めるようにする。このようにしてシフト反応室12の入口ガス温度が求められると、求められた入口ガス温度で改質ガスRGをシフト反応室12に流入させるようにする。
【0017】
上記水素透過量は、
Q=Aexp(−B/RT)(1/t)A1(√(P1)−√(P2))
ここで、Q:水素透過量
A、B:定数
R:ガス定数
T:温度
t:膜厚
A1:面積
P1:原料側水素分圧
P2:透過側水素分圧
として求めることができる。
【0018】
たとえば、シフト反応室12の出口ガス温度を500℃に設定した場合は、反応熱によりガス温度の上昇分を見て入口ガス温度を400℃とするように制御させるようにする。この場合、各部の温度状況は図2に一例を示す如くであり、20℃の天然ガスNGを天然ガス供給ブロワ21で昇圧して157℃まで昇温させた後、天然ガスNGと水蒸気27の混合ガスにすることにより152℃として熱交換器19に導入し、487℃まで加熱してから改質器1の改質室3に供給する。改質室3では、加熱室5に導入された750℃の燃焼ガス16の熱を隔壁7より伝熱して、
CH4+H2O→CO+3H2
の反応が行われて、一酸化炭素と水素が生成される。この改質ガスRGの温度は720℃位あるが、高温シフトコンバータ20の作動温度は、300〜500℃であるので、上記改質ガスRGを熱交換器19にて400℃位まで冷却させるようにし、その温度で改質ガスRGをシフト反応室12へ導入させるようにする。水素透過膜としてのパラジウム膜14の使用温度範囲は、前記したように300〜500℃であるが、高温シフトコンバータ20の作動温度と一致しているので、高温シフトコンバータ20は本来の作動温度で運転できてパラジウム膜14を劣化させることがない。シフト反応室12では、発熱反応により、
CO+H2O→CO2+H2
の反応が行われ、一酸化炭素が除去されて炭酸ガスと水素が得られるが、同時に隔壁15表面のパラジウム膜14を利用して水素のみの分離が行われ、多孔質板を通り高純度の水素H2が水素ガス室13に流出する。
【0019】
高温シフトコンバータ20のシフト反応室12で水素分離された残りの改質ガスは、設定温度である500℃として排出される。この際、改質ガス中には、H2の他にシフト反応されなかった一部のCOや一部未改質のCH4が含まれるので、燃焼器24で燃焼して改質器1の熱源として活用されることになる。
【0020】
因に、上記シフト反応室12でのシフト反応で生じた水素のみがパラジウム膜14を透過して分離される原理は、次のようになっている。
【0021】
▲1▼水素分子がパラジウム膜に吸着する。
▲2▼吸着水素分子が水素原子に解離する。
▲3▼水素原子がイオン化し、プロトンとエレクトロンに分かれる。
▲4▼プロトンがパラジウムの表面から裏面へ拡散する。
▲5▼裏面へ到達したプロトンがパラジウム膜面でエレクトロンと再結合して水素原子となる。
▲6▼水素原子が結合して水素分子となる。
▲7▼水素分子がパラジウム膜より離脱する。
【0022】
このようにプロトン状態となり得る水素のみがパラジウム膜14を透過するものであり、このような状態となり得ない不純物はパラジウム膜14を透過することはないので、純度の高い水素を精製することができる。
【0023】
本発明では、高温シフトコンバータ20のシフト反応室12の出口ガス温度が高温シフト触媒11の最高使用温度程度となるように入口ガス温度を求めて、その温度でシフト反応室12に改質ガスRGを流すようにするので、図4に示すような冷却室10をシフト反応室12の片側に設置することを不要とすることができ、したがって、シフト反応室12の両側に水素ガス室13を配置することができて水素分離効率をあげて、効率よく水素を製造することができる。
【0024】
次に、図3は本発明の実施の他の形態を示すもので、改質器1に代えて、内部に改質室30、加熱室31のほかに改質ガスRGを冷却するための冷却室(熱交換室)32を設けた改質器29を用い、天然ガスNGを天然ガスライン17により熱交換室19を通して昇温させてから改質器29の改質室30に導入するようにし、該改質器29の改質室30で改質された改質ガスRGを冷却室32で冷却した後に高温シフトコンバータ20のシフト反応室12に導入するようにして、水素透過とシフト反応を同時に行わせるようにし、未透過の改質ガスは燃焼器24によって燃焼させ、改質器29の加熱室31に導入して改質反応の熱源とさせるようにし、又、加熱室31を出たガスは、熱交換器19で天然ガスNGと水蒸気27の混合ガスと熱交換させた後、空気予熱器23を通して空気Aの予熱に用いてから、廃熱回収ボイラ25によって水蒸気発生の熱源として使用させるようにしたものである。なお、図1と同一部分には同一符号が付してある。
【0025】
図3に示す水素製造装置において高温シフトコンバータ20の運転を行う場合も、図1に示したと同様な運転方法を実施することにより、高温シフトコンバータ20のシフト反応室12の片側に冷却室を置かなくても、反応熱によりガス温度が上昇するのを抑えて出口ガス温度を高温シフト触媒11の最高使用温度程にすることができる。
【0026】
【発明の効果】
以上述べた如く、本発明の水素製造用高温シフトコンバータによれば、高温シフト触媒を充填して改質ガスを流してシフト反応を行わせるようにしたシフト反応室の両側に、水素透過膜を多孔質板にコーティング又はメッキしてなる隔壁を、シフト反応室を挟むように配して、その外側に、プレート型の水素ガス室をそれぞれ積層してなり、上記シフト反応室に改質ガスを流入させるようにした構成としてあるので、従来シフト反応室の片側に配設してあった冷却室を不要とすることができて、シフト反応室の両側に水素ガス室を積層することができ、コンパクトにできると共に、水素を分離して取り出す効率をあげることができ、又、上記シフト反応室の出口ガス温度から入口ガス温度を求めるに際して、先ず、水素透過膜の厚さ及び面積を設定すると共に、改質ガスの組成、流量、圧力を設定して、シフト反応室の入口ガス温度を仮定し、しかる後、シフト反応、水素透過量を考慮した計算を行うことによりシフト反応室の出口ガス温度を解析し、反応熱により出口ガス温度が高温シフト触媒の最高使用温度程度となるように入口ガス温度を変化させる計算を行ってシフト反応室の入口ガス温度を求めるようにし、該求めた入口ガス温度で改質ガスをシフト反応室に流入させるようにすることにより、シフト反応室の片側に冷却室を置かなくても反応熱によりガス温度が上昇するのを抑えることができて、出口ガス温度を高温シフト触媒の最高使用温度程度にすることができる、という優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の水素製造用高温シフトコンバータの実施の一形態を示す水素製造装置の概要図である。
【図2】図1の水素製造装置において高温シフトコンバータを運転する際の各部の温度状況を示す一例図である。
【図3】本発明の他の実施の形態を示す概要図である。
【図4】水素製造装置の一例を示す概要図である。
【符号の説明】
1 改質器
11 高温シフト触媒
12 シフト反応室
13 水素ガス室
14 パラジウム膜(水素透過膜)
15 隔壁
20 高温シフトコンバータ
29 改質器
NG 天然ガス
RG 改質ガス[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high-temperature shift converter for producing hydrogen used for producing high-purity hydrogen from a reformed gas after reforming a hydrocarbon such as natural gas or methanol, and an operating method thereof.
[0002]
[Prior art]
As a conventional technique for purifying high-purity hydrogen from a hydrogen-rich gas obtained by steam reforming natural gas, PSA (Pressure Swing Adsorption) has become industrially main. This PSA is a method of separating and purifying the target gas by changing the pressure of the hydrogen-rich gas introduced into the absorption tower and repeating adsorption and desorption on the adsorbent. The adsorbent includes a carbon molecular sieve. Synthetic zeolite is used according to the gas to be separated, and the target gas separation is performed by utilizing the different properties of the gas adsorbed on these adsorbents. The higher the pressure, the more adsorbed the unit adsorbent. On the contrary, the lower the pressure, the smaller the amount of adsorption.
[0003]
However, in the case of the hydrogen production method using PSA, in the hydrogen production apparatus of 600 Nm 3 / Hr, it is necessary to install 3 to 4 absorption towers and installation of a discharge tank. It cannot be a compact and inexpensive facility for producing hydrogen, and therefore there is a difficulty in applying it to a system using hydrogen as fuel by installing it in a narrow space as a hydrogen production apparatus.
[0004]
Therefore, it is assumed that high-purity hydrogen can be produced with a compact configuration. As shown in FIG. 4, for example, the hydrogen-rich gas obtained by steam reforming natural gas NG in the reformer 1 is heated to a high temperature. There has been proposed a hydrogen production apparatus in which the
[0005]
That is, the reforming
[0006]
Natural gas NG is introduced into the
[0007]
In the proposed hydrogen production facility, pure hydrogen can be easily produced with the plate-type high-
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the high
[0009]
Therefore, the present invention suppresses an increase in the gas temperature due to reaction heat so that the outlet gas temperature can be set to the maximum operating temperature of the high temperature shift catalyst without placing a cooling chamber on one side of the shift reaction chamber. A high-temperature shift converter for producing hydrogen and an operation method thereof are provided.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a porous plate coated with a hydrogen permeable membrane on both sides of a shift reaction chamber filled with a high temperature shift catalyst and subjected to a shift reaction by flowing a reformed gas. A structure in which the partition walls formed by plating are arranged so as to sandwich the shift reaction chamber, and plate-type hydrogen gas chambers are laminated on the outside thereof so that the reformed gas can flow into the shift reaction chamber. A high temperature shift converter for hydrogen production having
[0011]
Since the shift reaction chamber is sandwiched between the hydrogen gas chambers from both sides, the hydrogen production efficiency can be increased by allowing hydrogen to be taken out from both sides.
[0012]
In addition, a plate-type hydrogen gas chamber is laminated on both sides of a shift reaction chamber filled with a high-temperature shift catalyst so that the reformed gas flows and through a partition wall formed by coating or plating a porous plate with a hydrogen permeable membrane. In the high-temperature shift converter for hydrogen production, the thickness and area of the hydrogen permeable membrane of the partition wall are set, and the composition, flow rate, and pressure of the reformed gas are set, and the inlet gas temperature of the shift reaction chamber is assumed. After that, the shift reaction and the calculation considering the hydrogen permeation amount are performed to analyze the outlet gas temperature of the shift reaction chamber, and the inlet gas is adjusted so that the outlet gas temperature becomes about the maximum operating temperature of the high temperature shift catalyst by the reaction heat. The shift reaction chamber is calculated by calculating the temperature of the shift reaction chamber to obtain the inlet gas temperature of the shift reaction chamber, and allowing the reformed gas to flow into the shift reaction chamber at the determined inlet gas temperature. Without place cooling chamber on one side, by suppressing the gas temperature rises so the outlet gas temperature can be set to about the maximum operating temperature of the high-temperature shift catalyst by reaction heat.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0014]
FIG. 1 shows an embodiment of a hydrogen production apparatus incorporating a high-
[0015]
As shown in FIG. 1, a plate type high
[0016]
The high
[0017]
The hydrogen permeation amount is
Q = Aexp (−B / RT) (1 / t) A 1 (√ (P 1 ) −√ (P 2 ))
Here, Q: hydrogen permeation amount A, B: constant R: gas constant T: temperature t: film thickness A 1 : area P 1 : raw material side hydrogen partial pressure P 2 : permeation side hydrogen partial pressure.
[0018]
For example, when the outlet gas temperature of the
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2
These reactions are performed to produce carbon monoxide and hydrogen. Although the temperature of the reformed gas RG is about 720 ° C., the operating temperature of the high
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
In this reaction, carbon monoxide is removed and carbon dioxide and hydrogen are obtained. At the same time, only the hydrogen film is separated using the
[0019]
The remaining reformed gas separated by hydrogen in the
[0020]
Incidentally, the principle that only hydrogen generated by the shift reaction in the
[0021]
(1) Hydrogen molecules are adsorbed on the palladium membrane.
(2) Adsorbed hydrogen molecules dissociate into hydrogen atoms.
(3) Hydrogen atoms are ionized and separated into protons and electrons.
(4) Proton diffuses from the front surface to the back surface of palladium.
(5) Protons reaching the back surface recombine with electrons on the palladium film surface to form hydrogen atoms.
(6) Hydrogen atoms are combined to form hydrogen molecules.
(7) Hydrogen molecules are detached from the palladium membrane.
[0022]
Thus, only hydrogen that can be in a proton state permeates the
[0023]
In the present invention, the inlet gas temperature is determined so that the outlet gas temperature of the
[0024]
Next, FIG. 3 shows another embodiment of the present invention. Instead of the reformer 1, the cooling for cooling the reformed gas RG in addition to the reforming
[0025]
Also when the high
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the high temperature shift converter for hydrogen production of the present invention, the hydrogen permeable membrane is provided on both sides of the shift reaction chamber filled with the high temperature shift catalyst and allowed to flow the reformed gas to perform the shift reaction. A partition formed by coating or plating the porous plate is arranged so as to sandwich the shift reaction chamber, and a plate-type hydrogen gas chamber is laminated on the outside thereof, and the reformed gas is introduced into the shift reaction chamber. Since it is configured to flow in, a cooling chamber that has been conventionally disposed on one side of the shift reaction chamber can be eliminated, and hydrogen gas chambers can be stacked on both sides of the shift reaction chamber, In addition to being able to be compact, it is possible to increase the efficiency of separating and taking out hydrogen, and when determining the inlet gas temperature from the outlet gas temperature of the shift reaction chamber, first, the thickness and area of the hydrogen permeable membrane As well as setting the reforming gas composition, flow rate, and pressure, assuming the gas temperature at the inlet of the shift reaction chamber, and then calculating the shift reaction chamber by calculating the shift reaction and hydrogen permeation amount. Analyze the outlet gas temperature, and calculate the inlet gas temperature in the shift reaction chamber by calculating the inlet gas temperature so that the outlet gas temperature is about the maximum operating temperature of the high temperature shift catalyst by the reaction heat. By allowing the reformed gas to flow into the shift reaction chamber at the inlet gas temperature, it is possible to prevent the gas temperature from rising due to the reaction heat without placing a cooling chamber on one side of the shift reaction chamber, An excellent effect that the outlet gas temperature can be set to the maximum operating temperature of the high temperature shift catalyst is exhibited.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a hydrogen production apparatus showing an embodiment of a high temperature shift converter for producing hydrogen according to the present invention.
2 is an example diagram showing a temperature state of each part when operating a high-temperature shift converter in the hydrogen production apparatus of FIG. 1; FIG.
FIG. 3 is a schematic diagram showing another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of a hydrogen production apparatus.
[Explanation of symbols]
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