JP5039426B2 - Hydrogen production and carbon dioxide recovery method - Google Patents

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Description

本発明は、化石燃料類などの含炭素燃料から水素を製造するとともに二酸化炭素を回収する方法に関する。   The present invention relates to a method for producing hydrogen from carbon-containing fuels such as fossil fuels and recovering carbon dioxide.

水素は将来のエネルギー媒体として期待され、製造、貯蔵・輸送、利用など広い技術分野において活発な研究開発が行われている。水素をエネルギー媒体として用いる利点としては、高いエネルギー利用効率の他、燃焼後の排出物が水だけであることが挙げられる。   Hydrogen is expected as a future energy medium, and active research and development is being carried out in a wide range of technical fields such as production, storage / transport, and utilization. Advantages of using hydrogen as an energy medium include not only high energy utilization efficiency but also only water after combustion.

現状一次エネルギーの約80%は石油、石炭、天然ガスなど化石燃料で占められ、今後再生可能エネルギーの利用増などにより漸減するにしてもその割合は高いまま推移すると予想されている。従って水素の製造において、一次エネルギー源として化石燃料を原料とするルートの重要性は当面下がることはないと言える。   Currently, about 80% of primary energy is occupied by fossil fuels such as oil, coal, and natural gas, and even if it gradually decreases due to increased use of renewable energy, the ratio is expected to remain high. Therefore, in the production of hydrogen, it can be said that the importance of the route using fossil fuel as a primary energy source will not be reduced for the time being.

しかし、化石燃料のように炭素を含有する燃料を用いて水素を製造する場合、CO2が排出される。 However, when hydrogen is produced using a fuel containing carbon such as fossil fuel, CO 2 is emitted.

地球温暖化を防止する上でCO2の排出削減は喫緊の課題と言われている。このような状況の中で、化石燃料から水素を製造する際に副生するCO2を分離・回収する技術はCO2排出削減と水素社会の早期実現を両立させるものとして重要である。 Reduction of CO 2 emissions is said to be an urgent issue in preventing global warming. Under such circumstances, a technology for separating and recovering CO 2 produced as a by-product when hydrogen is produced from fossil fuel is important as achieving both CO 2 emission reduction and early realization of a hydrogen society.

化石燃料などの含炭素燃料を原料として水素を製造するに当たり、CO2を分離する方法は従来から知られている。 In producing hydrogen using a carbon-containing fuel such as fossil fuel as a raw material, a method for separating CO 2 has been conventionally known.

このような方法のうちの第1の方法として、化石燃料を原料に水蒸気改質およびシフト反応を経て製造される水素、CO、CO2、メタンの混合物から圧力スウィング吸着(PSA)装置で高純度水素を得る一方、不純物を含むオフガスから化学吸収法によりCO2を高純度化し、分離・回収する方法を挙げることができる。しかし、有機アミン溶液を吸収液として用いる化学吸収法ではCO2の回収工程すなわち吸収液の再生工程において多大なエネルギーを要するなど、水素製造のエネルギー効率の点で優れているとは言えない。 Among these methods, the first method is high-purity using a pressure swing adsorption (PSA) device from a mixture of hydrogen, CO, CO 2 , and methane, which is produced through fossil fuel as a raw material through steam reforming and shift reaction. While obtaining hydrogen, there can be mentioned a method in which CO 2 is highly purified from offgas containing impurities by a chemical absorption method, and separated and recovered. However, the chemical absorption method using an organic amine solution as an absorbing solution cannot be said to be excellent in terms of energy efficiency of hydrogen production, for example, a great amount of energy is required in the CO 2 recovery step, that is, the absorbing solution regeneration step.

第2の方法として、特許文献1には、2段の精製装置でそれぞれのガスを精製分離するプロセスにおいて、第一段目にCO2濃縮装置を配置しCO2を主成分とするガス流を得、第二段目に配置したPSAにより前記CO2濃縮装置から排出されるCO2濃度を減じたガスを処理することで高純度水素を得ると共に、各段から得られるCO2を富化させたガス流からCO2を液化分離する方法が開示されている。しかし、水素を分離する前の水素を多量に含むガスからCO2を除去するため、CO2回収装置として極めて高い選択性を持ち、一般にエネルギー消費量の大きい方法を採用せざるを得なくなりエネルギー効率が悪化する傾向がある。 As a second method, in Patent Document 1, in a process of refining and separating each gas by a two-stage purifier, a CO 2 concentrator is arranged in the first stage and a gas flow mainly composed of CO 2 is generated. The high purity hydrogen is obtained by treating the gas with reduced CO 2 concentration discharged from the CO 2 concentrator by the PSA arranged in the second stage, and the CO 2 obtained from each stage is enriched. A method for liquefying and separating CO 2 from a gas stream is disclosed. However, since CO 2 is removed from a gas containing a large amount of hydrogen before separating hydrogen, it has to have a very high selectivity as a CO 2 recovery device and generally has to adopt a method with large energy consumption. Tend to get worse.

第3の方法として、特許文献2および3には、PSAなどの水素精製装置で高純度水素を製造すると共に、CO2、水素などを含むオフガスを燃焼した上でCO2を回収するプロセスが開示されている。しかし、この方法は水素をまだ多く含む水素精製装置オフガスを燃焼してしまうため水素収率が低下する上に、燃焼に空気を用いた場合には窒素が混入するためCO2回収の負荷が増大する。一方、燃焼に純酸素を用いることもできるがこの場合には純酸素の製造に多大なエネルギーを消費しエネルギー効率が悪化する傾向がある。 As a third method, Patent Documents 2 and 3 disclose a process for producing high-purity hydrogen using a hydrogen purifier such as PSA and recovering CO 2 after burning off gas containing CO 2 , hydrogen, and the like. Has been. However, this method burns off the hydrogen purifier off-gas that still contains a large amount of hydrogen, resulting in a decrease in hydrogen yield. In addition, when air is used for combustion, nitrogen is mixed, increasing the load of CO 2 recovery. To do. On the other hand, pure oxygen can also be used for combustion, but in this case, a great amount of energy is consumed in the production of pure oxygen and the energy efficiency tends to deteriorate.

第4の方法として、特許文献4には吸着選択性が異なる複数の吸着塔を有したシリアル構成のPSAを用いた方法が開示されている。しかし、この方法は吸収−再生のサイクルが極めて煩雑であるためシステムコストの上昇を抑えることが難しい。   As a fourth method, Patent Document 4 discloses a method using a PSA having a serial configuration having a plurality of adsorption towers having different adsorption selectivity. However, this method has a very complicated absorption-regeneration cycle, and it is difficult to suppress an increase in system cost.

第5の方法として、特許文献5および6にはPSAオフガスから膜を用いて水素を分離しこれをPSA入り口にリサイクルすることで再利用する方法が記載されている。しかし、これらの文献ではCO2は回収されることなく廃棄されるのみであり、濃縮方法などその処理方法についての記載はなされていない。
特表2004−519538号公報 特開2004−292240号公報 特開2003−81605号公報 米国特許第4、913、709号公報 米国特許第4、229、188号公報 米国特許第5、435、836号公報
As a fifth method, Patent Documents 5 and 6 describe a method of separating hydrogen from a PSA offgas using a membrane and recycling it by recycling it to the PSA inlet. However, in these documents, CO 2 is only discarded without being recovered, and there is no description about the processing method such as a concentration method.
Special table 2004-519538 gazette JP 2004-292240 A JP 2003-81605 A U.S. Pat. No. 4,913,709 U.S. Pat. No. 4,229,188 U.S. Pat. No. 5,435,836

前述のように、高純度の水素と貯留に適した高濃度のCO2を併産する方法においては、さらなる改善の余地があった。 As described above, there is room for further improvement in the method of co-producing high-purity hydrogen and high-concentration CO 2 suitable for storage.

本発明の目的は、含炭素燃料を原料として水素製造と二酸化炭素の回収を同時に実施するに際し、システムコストの上昇を抑えることができ、より効率的な方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a more efficient method that can suppress an increase in system cost when simultaneously performing hydrogen production and carbon dioxide recovery using a carbon-containing fuel as a raw material.

本発明により、以下の方法が提供される。   The present invention provides the following method.

(1)含炭素燃料から水素を製造するとともに二酸化炭素を回収する水素製造および二酸化炭素回収方法であって、
含炭素燃料を改質して水素と二酸化炭素を含有する水素含有ガスを得る水素含有ガス製造工程;
吸着剤を収容する吸着塔を備える圧力スウィング吸着装置を用いて、該水素含有ガスに含まれる水素以外の成分を吸着剤に吸着させ、水素が富化された水素富化ガスを得る吸着工程;
前記吸着剤に吸着した成分を、相対的に高圧下で脱着させる、高圧脱着工程;
前記吸着剤に吸着した成分を、相対的に低圧下で脱着させる、低圧脱着工程;および、
二酸化炭素分離膜を用いて、前記低圧脱着工程から得られるガスを、二酸化炭素が富化されたガスである二酸化炭素富化ガスと、二酸化炭素以外の成分が富化されたガスである二酸化炭素分離膜オフガスとに分離する二酸化炭素膜分離工程
を有する水素製造および二酸化炭素回収方法。
(1) A hydrogen production and carbon dioxide recovery method for producing hydrogen from a carbon-containing fuel and collecting carbon dioxide,
A hydrogen-containing gas production process for reforming a carbon-containing fuel to obtain a hydrogen-containing gas containing hydrogen and carbon dioxide;
An adsorption step in which a component other than hydrogen contained in the hydrogen-containing gas is adsorbed on the adsorbent using a pressure swing adsorption device including an adsorption tower containing the adsorbent to obtain a hydrogen-enriched hydrogen-enriched gas;
A high pressure desorption step of desorbing the component adsorbed on the adsorbent under relatively high pressure;
A low pressure desorption step of desorbing a component adsorbed on the adsorbent at a relatively low pressure; and
Using a carbon dioxide separation membrane, the gas obtained from the low-pressure desorption step is a carbon dioxide-enriched gas that is a gas enriched with carbon dioxide and carbon dioxide that is a gas enriched with components other than carbon dioxide. A hydrogen production and carbon dioxide recovery method comprising a carbon dioxide membrane separation step for separation into a separation membrane off-gas.

(2)前記吸着工程から得られた水素富化ガスを用いて前記低圧脱着工程を終えた吸着塔内部を洗浄する洗浄工程を有する(1)記載の方法。   (2) The method according to (1), further comprising a washing step of washing the inside of the adsorption tower after the low-pressure desorption step using the hydrogen-enriched gas obtained from the adsorption step.

(3)前記高圧脱着工程から得られたガスと前記洗浄工程から得られたガスとを混合して混合ガスとする混合工程を有する(1)または(2)記載の方法。   (3) The method according to (1) or (2), further comprising a mixing step in which the gas obtained from the high-pressure desorption step and the gas obtained from the cleaning step are mixed to form a mixed gas.

(4)前記高圧脱着工程から得られたガスを燃焼させて発生させた燃焼熱を、前記水素含有ガス製造工程において改質のために利用する(1)または(2)記載の方法。   (4) The method according to (1) or (2), wherein combustion heat generated by burning the gas obtained from the high-pressure desorption step is used for reforming in the hydrogen-containing gas production step.

(5)前記洗浄工程から得られたガスを燃焼させて発生させた燃焼熱を、前記水素含有ガス製造工程において改質のために利用する(2)記載の方法。   (5) The method according to (2), wherein combustion heat generated by burning the gas obtained from the cleaning step is used for reforming in the hydrogen-containing gas production step.

(6)前記混合ガスを燃焼させて発生させた燃焼熱を、前記水素含有ガス製造工程において改質のために利用する(3)記載の方法。   (6) The method according to (3), wherein combustion heat generated by burning the mixed gas is used for reforming in the hydrogen-containing gas production process.

(7)前記高圧脱着工程から得られたガスを、前記吸着工程にリサイクルするリサイクル工程を有する(1)または(2)記載の方法。   (7) The method according to (1) or (2), further comprising a recycling step of recycling the gas obtained from the high pressure desorption step to the adsorption step.

(8)前記リサイクル工程において、前記高圧脱着工程から得られたガスを、水素分離膜を用いて水素濃度を高めたうえで、前記吸着工程にリサイクルする(7)記載の方法。   (8) The method according to (7), wherein in the recycling step, the gas obtained from the high-pressure desorption step is recycled to the adsorption step after increasing the hydrogen concentration using a hydrogen separation membrane.

(9)前記二酸化炭素分離膜の、水素透過係数に対する二酸化炭素透過係数の比αが、5以上である(1)から(8)の何れかに記載の方法。   (9) The method according to any one of (1) to (8), wherein the ratio α of the carbon dioxide permeability coefficient to the hydrogen permeability coefficient of the carbon dioxide separation membrane is 5 or more.

本発明によれば、含炭素燃料を原料として水素製造と二酸化炭素の回収を同時に実施するに際し、システムコストの上昇を抑えることができ、より効率的な方法が提供される。   According to the present invention, when hydrogen production and carbon dioxide recovery are simultaneously performed using a carbon-containing fuel as a raw material, an increase in system cost can be suppressed, and a more efficient method is provided.

特に断らない限り本明細書では圧力は絶対圧力を意味し、ガス組成に係る%は水蒸気を除外して計算したモル%を意味する。   Unless otherwise specified, in this specification, pressure means absolute pressure, and% relating to gas composition means mol% calculated excluding water vapor.

〔含炭素燃料〕
本発明において、水素製造の原料としては、炭素を含有する燃料である含炭素燃料を用いる。含炭素燃料としては、炭素を含有し、改質によって水素含有ガスを製造可能な物質から適宜選んで使用することができる。
[Carbon-containing fuel]
In the present invention, a carbon-containing fuel that is a fuel containing carbon is used as a raw material for hydrogen production. As the carbon-containing fuel, carbon can be appropriately selected from substances that can produce a hydrogen-containing gas by reforming.

含炭素燃料の例として、化石燃料類を挙げることができる。化石燃料類とは石油、石炭、天然ガスなど化石資源を原料として製造され得る燃料を意味し、ガス状、液状、固体状のいずれの形態でもあり得る。具体的には、メタン、エタン、プロパン、天然ガス、液化石油ガス、ナフサ、ガソリン、灯油、軽油、重油などの炭化水素類を例とすることができるが、天然ガス、液化石油ガス、ナフサ、灯油が特に好ましく用いられる。さらに、含炭素燃料としてはメタノール、ジメチルエーテル、エタノールなど化石燃料類から製造可能で酸素原子を分子中に含む含酸素化合物類も好適に使用できる。また、炭化水素類、含酸素化合物類に関わらず生物資源から得られたエタノールなど、化石資源から必ずしも製造されたものではなくても使用することができる。   Examples of carbon-containing fuels include fossil fuels. The fossil fuels mean fuels that can be produced using fossil resources such as petroleum, coal, and natural gas as raw materials, and can be in any of gaseous, liquid, and solid forms. Specific examples include hydrocarbons such as methane, ethane, propane, natural gas, liquefied petroleum gas, naphtha, gasoline, kerosene, light oil, and heavy oil. Natural gas, liquefied petroleum gas, naphtha, Kerosene is particularly preferably used. Furthermore, as the carbon-containing fuel, oxygen-containing compounds that can be produced from fossil fuels such as methanol, dimethyl ether, and ethanol and contain oxygen atoms in the molecule can be suitably used. Moreover, it can be used even if it was not necessarily manufactured from fossil resources, such as ethanol obtained from biological resources irrespective of hydrocarbons and oxygenated compounds.

〔水素含有ガス製造工程〕
水素含有ガス製造工程においては、上記含炭素燃料の改質反応を行い、水素と二酸化炭素を少なくとも含有する水素含有ガスを製造する。
[Hydrogen-containing gas production process]
In the hydrogen-containing gas production process, the carbon-containing fuel is reformed to produce a hydrogen-containing gas containing at least hydrogen and carbon dioxide.

改質反応の方法としては水蒸気改質法、オートサーマル改質法、部分酸化法など公知の改質方法を採ることができるが、空気中の窒素が混入しない方法が後段の精製工程が容易となるため好ましい。従って、水蒸気改質法、または純酸素を酸化剤とするオートサーマル改質法もしくは部分酸化法が好ましく採用され、水蒸気改質法が特に好ましく採用できる。   As a reforming reaction method, a known reforming method such as a steam reforming method, an autothermal reforming method, or a partial oxidation method can be adopted, but a method in which nitrogen in the air is not mixed facilitates the subsequent purification process. Therefore, it is preferable. Therefore, a steam reforming method, or an autothermal reforming method or a partial oxidation method using pure oxygen as an oxidizing agent is preferably employed, and a steam reforming method can be particularly preferably employed.

まず、含炭素燃料として天然ガス、液化石油ガス、ナフサ、灯油など炭化水素類を用いる場合について述べる。この時、水蒸気改質法においては、炭化水素類と水を好ましくは300℃〜1000℃、より好ましくは400℃〜900℃の温度、好ましくは大気圧〜10MPa、より好ましくは0.2MPa〜2MPaの圧力にて反応させ、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンを含む改質ガスに分解する。使用水蒸気量は、S/C(含炭素燃料中の炭素原子のモル数に対する水蒸気モル数の比)が好ましくは2〜10、より好ましくは2.5〜7の範囲で設定される。この時、後段のPSAの駆動に必要な圧力を超える圧力で改質反応を実施すると改質ガスを改めて昇圧する必要がなく好ましい。こうして得られる改質ガスの組成は温度、圧力などに依存し、通常、水素65〜75%、一酸化炭素5〜20%、二酸化炭素5〜20%、メタン0.5〜10%程度であるが、炭素−炭素結合を有する炭化水素はできる限り残存しないような条件を選択することが好ましい。   First, the case where hydrocarbons such as natural gas, liquefied petroleum gas, naphtha and kerosene are used as the carbon-containing fuel will be described. At this time, in the steam reforming method, the hydrocarbons and water are preferably at a temperature of 300 ° C. to 1000 ° C., more preferably 400 ° C. to 900 ° C., preferably atmospheric pressure to 10 MPa, more preferably 0.2 MPa to 2 MPa. It is made to react at a pressure of 1 to decompose into reformed gas containing hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide and methane. S / C (ratio of the number of moles of water vapor to the number of moles of carbon atoms in the carbon-containing fuel) is preferably set in the range of 2 to 10, more preferably 2.5 to 7. At this time, it is preferable to perform the reforming reaction at a pressure exceeding the pressure necessary for driving the subsequent stage PSA because it is not necessary to pressurize the reformed gas again. The composition of the reformed gas thus obtained depends on temperature, pressure, etc., and is usually 65 to 75% hydrogen, 5 to 20% carbon monoxide, 5 to 20% carbon dioxide, and 0.5 to 10% methane. However, it is preferable to select conditions so that hydrocarbons having a carbon-carbon bond do not remain as much as possible.

上記水蒸気改質反応には通常、触媒が用いられる。その触媒としては公知の水蒸気改質触媒を用いることができる。この触媒の例として、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、白金など周期律表8族、9族および10族の金属を挙げることができるが、その選択に際しては原料、反応条件などを総合的に考慮して適宜決定できる。オートサーマル改質法、部分酸化法についても、これらの改質方法に使用可能な公知の触媒から適宜選んで採用することができる。   A catalyst is usually used for the steam reforming reaction. As the catalyst, a known steam reforming catalyst can be used. Examples of this catalyst include metals of Group 8, Group 9 and Group 10 such as nickel, ruthenium, rhodium and platinum. It can be determined as appropriate. The autothermal reforming method and the partial oxidation method can be appropriately selected from known catalysts that can be used for these reforming methods.

水素製造工程で用いる水素製造装置は、改質反応を行う改質器を有する。また、さらに水素収率を向上させるために、改質器の後段にシフト反応器を配置した水素製造装置を用いることもできる。シフト反応器では、改質器で得られた改質ガス中のCOと水蒸気を反応させ、CO2と水素に転化する。必要であればシフト反応器の前段に水蒸気注入口を設け水蒸気を追加することができる。シフト反応器に用いる触媒としては、鉄・クロム系、銅・亜鉛系、白金などの貴金属系など、公知のシフト反応触媒を用いることができる。シフト反応器の反応温度は通常200℃〜500℃の範囲で適宜設定される。反応圧力には特に制限はないが、前記改質反応で用いた圧力付近で実施するのが簡便であり、有利である。 The hydrogen production apparatus used in the hydrogen production process has a reformer that performs a reforming reaction. Further, in order to further improve the hydrogen yield, a hydrogen production apparatus in which a shift reactor is arranged at the rear stage of the reformer can be used. In the shift reactor, CO and steam in the reformed gas obtained in the reformer are reacted and converted to CO 2 and hydrogen. If necessary, steam can be added by providing a steam inlet before the shift reactor. As the catalyst used in the shift reactor, known shift reaction catalysts such as iron / chromium, copper / zinc, and noble metals such as platinum can be used. The reaction temperature of the shift reactor is appropriately set in the range of usually 200 ° C to 500 ° C. Although there is no restriction | limiting in particular in the reaction pressure, It is simple and advantageous to implement near the pressure used by the said reforming reaction.

一方、含炭素燃料としてメタノール、ジメチルエーテル、エタノールなど含酸素化合物類を用いる場合にも上記と同様の方法を適用できる。特に、メタノールやジメチルエーテルを用いる場合には、触媒として銅−亜鉛系触媒などを用いて一酸化炭素平衡濃度が低い400℃以下、好ましくは350℃以下で改質反応を行うことで、シフト反応器が無くても優れた水素収率を達成することも可能である。この場合において水蒸気改質法を適用する場合、好ましくはS/Cが1.5〜4、より好ましくは1.5〜2.5の範囲で水蒸気量は設定される。   On the other hand, when using oxygen-containing compounds such as methanol, dimethyl ether and ethanol as the carbon-containing fuel, the same method as described above can be applied. In particular, when methanol or dimethyl ether is used, a shift reactor is obtained by performing a reforming reaction at a low carbon monoxide equilibrium concentration of 400 ° C. or lower, preferably 350 ° C. or lower, using a copper-zinc catalyst as a catalyst. It is also possible to achieve an excellent hydrogen yield without the presence of hydrogen. In this case, when the steam reforming method is applied, the amount of steam is preferably set in the range of S / C of 1.5 to 4, more preferably 1.5 to 2.5.

水素含有ガス製造工程からは、例えば、水素65〜80%、一酸化炭素0.2〜6%、二酸化炭素10〜35%、メタン0〜10%を含むガスを得ることができる。   From the hydrogen-containing gas production process, for example, a gas containing 65 to 80% hydrogen, 0.2 to 6% carbon monoxide, 10 to 35% carbon dioxide, and 0 to 10% methane can be obtained.

なお、含炭素燃料に硫黄分が含まれる場合、硫黄分による触媒被毒を防止するために、含炭素燃料を脱硫したうえで改質器に供給することができる。   When the carbon-containing fuel contains a sulfur content, the carbon-containing fuel can be desulfurized and supplied to the reformer in order to prevent catalyst poisoning due to the sulfur content.

〔PSA装置による処理〕
吸着工程では、水素含有ガス製造工程で製造した水素含有ガスを、好ましくは脱水処理した上で、圧力スウィング吸着装置すなわちPSA(Pressure Swing Adsorption)装置に導入し、水素以外の成分をPSA装置に備わる吸着剤に吸着させ、水素が富化された水素富化ガスを得る。そしてこの吸着剤を再生する際に、吸着剤に吸着した吸着成分を相対的に高圧下で脱着させる高圧脱着工程と、吸着成分を相対的に低圧下で脱着させる低圧脱着工程とを行う(高圧脱着工程の圧力より、低圧脱着工程の圧力の方が低い)。高圧脱着工程から得られるガス(高圧脱着オフガス)と、低圧脱着工程から得られるガス(低圧脱着オフガス)とは、組成が異なる。
[Processing by PSA equipment]
In the adsorption process, the hydrogen-containing gas produced in the hydrogen-containing gas production process is preferably dehydrated and then introduced into a pressure swing adsorption apparatus, that is, a PSA (Pressure Swing Adsorption) apparatus, and components other than hydrogen are provided in the PSA apparatus. A hydrogen-enriched gas enriched with hydrogen is adsorbed on an adsorbent. When the adsorbent is regenerated, a high-pressure desorption step for desorbing the adsorbed component adsorbed on the adsorbent at a relatively high pressure and a low-pressure desorption step for desorbing the adsorbed component at a relatively low pressure are performed (high pressure The pressure in the low pressure desorption process is lower than the pressure in the desorption process). The gas obtained from the high pressure desorption process (high pressure desorption off gas) and the gas obtained from the low pressure desorption process (low pressure desorption off gas) have different compositions.

このように脱着工程を圧力によって高圧脱着工程と低圧脱着工程の二つに分けて行う。ただし脱着工程を三つ以上に分けて行うこともでき、高圧脱着工程をさらに圧力によって二以上に分割して行うこともできるし、低圧脱着工程をさらに圧力によって二以上に分割して行うこともできる。   In this way, the desorption process is divided into two steps, a high pressure desorption process and a low pressure desorption process, depending on the pressure. However, the desorption process can be performed in three or more stages, the high pressure desorption process can be further divided into two or more by pressure, or the low pressure desorption process can be further divided into two or more by pressure. it can.

PSA法とは混合ガスから特定ガスを選別分離する方法の一つであって、混合ガスを高い圧力で吸着剤を充填した吸着塔に導入し特定成分を吸着剤に吸着させることで、吸着ガス成分と非吸着ガス成分とに分離し、ついで、吸着系の圧力を下げ、必要であればパージガスを用いることによって吸着剤に吸着した吸着成分を脱離させる方法である。工業的には吸着剤を充填した塔を複数個設け、それぞれの吸着塔において、昇圧、吸着、脱圧、洗浄の一連の操作を繰り返すことにより装置全体としては連続的に分離回収を可能としたものが使用される。   The PSA method is a method for selectively separating a specific gas from a mixed gas. The mixed gas is introduced into an adsorption tower filled with an adsorbent at a high pressure, and a specific component is adsorbed on the adsorbent to thereby adsorb the gas. In this method, the adsorbed component adsorbed on the adsorbent is desorbed by separating the component into a non-adsorbed gas component, then lowering the pressure of the adsorption system, and using a purge gas if necessary. Industrially, a plurality of towers filled with adsorbents are provided, and in each adsorption tower, a series of operations such as pressurization, adsorption, depressurization, and washing are repeated, so that the entire apparatus can be separated and recovered continuously. Things are used.

PSA塔内に充填する吸着剤には、活性炭、ゼオライトなど、吸着によって水素と水素以外の成分とを分離可能な公知の充填剤を適宜使用できる。   As the adsorbent packed in the PSA tower, a known filler capable of separating hydrogen and components other than hydrogen by adsorption, such as activated carbon and zeolite, can be used as appropriate.

PSAの運転圧力はサイクルの段階により変化するが、最も高い圧力で運転される吸着時は好ましくは0.5MPa〜10MPa、より好ましくは1MPa〜5MPaの範囲である。   The operating pressure of PSA varies depending on the stage of the cycle, but it is preferably in the range of 0.5 MPa to 10 MPa, more preferably 1 MPa to 5 MPa at the time of adsorption operated at the highest pressure.

PSA法では、通常水素は上記非吸着ガス成分に相当し吸着剤には吸着されずにPSA塔を通過する。従って、PSA装置導入圧力に近い圧力の水素富化ガスを得ることができる。吸着工程で得られる水素富化ガスを製品水素とすることができる。   In the PSA method, hydrogen normally corresponds to the non-adsorbed gas component and passes through the PSA tower without being adsorbed by the adsorbent. Accordingly, a hydrogen-enriched gas having a pressure close to the PSA apparatus introduction pressure can be obtained. The hydrogen-enriched gas obtained in the adsorption process can be product hydrogen.

この水素富化ガスの水素純度は好ましくは99%以上、より好ましくは99.9%以上、さらに好ましくは99.99%以上である。さらに、製品水素は燃料電池自動車に用いることができる水素であることが好ましく、この場合その水素純度は通常99.99%以上が好ましい他、露点や他の不純物に対する要請も満足することが求められることがある。従って、必要に応じて、水素富化ガスを、さらに水分除去などの処理に付すことができる。さらに、製品水素は、燃料電池自動車への充填、あるいは水素ステーションへの輸送・貯蔵に適した形態である高圧水素あるいは液体水素などに変換することもできる。   The hydrogen purity of the hydrogen-enriched gas is preferably 99% or more, more preferably 99.9% or more, and further preferably 99.99% or more. Further, the product hydrogen is preferably hydrogen that can be used in a fuel cell vehicle. In this case, the hydrogen purity is usually preferably 99.99% or more, and the dew point and other requirements for impurities are required to be satisfied. Sometimes. Therefore, the hydrogen-enriched gas can be further subjected to a treatment such as moisture removal as necessary. Further, the product hydrogen can be converted into high-pressure hydrogen or liquid hydrogen, which is in a form suitable for filling in a fuel cell vehicle or transporting and storing in a hydrogen station.

一方、吸着塔の再生は、脱着工程(吸着塔を脱圧し、吸着剤から吸着成分を脱着させる。このとき吸着塔へのガス供給は行わない)、洗浄工程および昇圧工程の各工程からなる再生工程により行うことができ、これによって再び上記吸着工程が実施できる状態に回復される。再生工程で得られるPSAオフガスには、PSA吸着塔に吸着した成分である二酸化炭素、メタン、一酸化炭素などが含まれる。本発明では、PSAオフガスを複数の部分に分けて回収する。   On the other hand, the regeneration of the adsorption tower consists of a desorption process (depressurization of the adsorption tower and desorption of adsorbed components from the adsorbent. At this time, no gas is supplied to the adsorption tower), a regeneration process consisting of a washing process and a pressurization process. The process can be carried out by the process, whereby the adsorption process can be performed again. The PSA offgas obtained in the regeneration process includes carbon dioxide, methane, carbon monoxide, and the like, which are components adsorbed on the PSA adsorption tower. In the present invention, the PSA offgas is collected in a plurality of portions.

PSA運転におけるシーケンスの一例を示す。
1)再生された吸着剤に脱水後の水素含有ガスを通じ、水素以外の成分を吸着剤に吸着させることにより除去し、高純度水素(水素富化ガス)を通過させて得る(吸着工程)。
2)吸着塔内のガス圧を開放し、オフガスAを得る(高圧脱着工程)。
3)吸着塔内を減圧(大気圧未満の圧力)としオフガスBを得る(低圧脱着工程)。
4)吸着塔内を高純度水素で洗浄し、オフガスCを得る(洗浄工程)。吸着塔内が高純度水素で置換される。この際に、残存していた吸着成分が脱着しても構わない。
5)吸着塔に高純度水素を導入し昇圧する(昇圧工程)。
An example of the sequence in PSA operation is shown.
1) A hydrogen-containing gas after dehydration is passed through the regenerated adsorbent to remove components other than hydrogen by adsorbing the adsorbent, and high purity hydrogen (hydrogen-enriched gas) is allowed to pass through (adsorption process).
2) The gas pressure in the adsorption tower is released to obtain off-gas A (high-pressure desorption step).
3) The inside of the adsorption tower is depressurized (pressure less than atmospheric pressure) to obtain off-gas B (low pressure desorption step).
4) The inside of the adsorption tower is washed with high-purity hydrogen to obtain off-gas C (washing step). The inside of the adsorption tower is replaced with high-purity hydrogen. At this time, the remaining adsorbed component may be desorbed.
5) High-purity hydrogen is introduced into the adsorption tower and the pressure is increased (pressure increase step).

なお、洗浄工程および昇圧工程に用いる高純度水素として、吸着工程から得られた水素富化ガスを用いることができる。   Note that the hydrogen-enriched gas obtained from the adsorption process can be used as the high-purity hydrogen used in the cleaning process and the pressure-increasing process.

上記シーケンスで得られるオフガスの二酸化炭素濃度は一般に、オフガスBが高く、オフガスAおよびCは低い。オフガスAとオフガスCのどちらの二酸化炭素濃度が高いかは運転条件により異なる。また、上記シーケンスに付加的な操作を挿入することもでき、それぞれの操作で別個のオフガスが生成しうる。本発明ではこれら複数のオフガスを合わせて一つのオフガスとして処理を行うことが可能である(下に示す例ではオフガスAとCを一つにまとめて水素リッチオフガスとしている)。これはシステムの簡素化の観点から好ましい。   The off-gas carbon dioxide concentration obtained in the above sequence is generally high in off-gas B and low in off-gas A and C. Which of the off-gas A and the off-gas C has a higher carbon dioxide concentration depends on the operating conditions. In addition, additional operations can be inserted into the sequence, and a separate off gas can be generated in each operation. In the present invention, it is possible to perform processing as a single off gas by combining these plural off gases (in the example shown below, the off gases A and C are combined into a hydrogen rich off gas). This is preferable from the viewpoint of simplification of the system.

図1を用いてPSAシーケンスの例についてより詳しく説明する。図1はPSA装置の構成例を示す概念図である。ここでは、PSAオフガスを、相対的に水素濃度が高い水素リッチオフガス(前記オフガスAおよびCあるいはこれらの混合物が相当する)と、相対的に二酸化炭素濃度が高いCO2リッチオフガス(前記オフガスBが相当する)とに分けて採取しつつ吸着塔を再生する方法について説明する。図1においてv1〜v24は止め弁、v25は減圧弁を表す。 An example of the PSA sequence will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 1 is a conceptual diagram showing a configuration example of a PSA apparatus. Here, the PSA offgas is divided into a hydrogen rich offgas having a relatively high hydrogen concentration (corresponding to the offgas A and C or a mixture thereof) and a CO 2 rich offgas having a relatively high carbon dioxide concentration (the offgas B is The method of regenerating the adsorption tower while collecting the samples in the same manner will be described. In FIG. 1, v1 to v24 represent stop valves, and v25 represents a pressure reducing valve.

まずv1およびv5を開放し、再生処理の済んだ吸着塔Aに対し原料である高圧の水素含有ガスを導入し高純度水素を得る吸着工程を行う。   First, v1 and v5 are opened, and an adsorption process for obtaining high-purity hydrogen is performed by introducing a high-pressure hydrogen-containing gas as a raw material into the adsorption tower A that has been regenerated.

吸着塔Aが原料水素含有ガス中の不純物により飽和に近づいた段階でv1、v5を閉じる一方、v7およびv11を開放し、吸着塔Bを用いて高純度水素の製造は継続する。吸着塔Aは引き続き再生操作を行う。まず、v2を開け吸着塔A内を脱圧すると共に第1の水素リッチオフガスを得る脱圧操作iを行う(高圧脱着工程)。脱圧操作i終了時点の圧力は吸着工程での圧力より低く設定され、好ましくは大気圧〜0.5MPa、より好ましくは大気圧〜0.2MPaの範囲である。これが大気圧以上であれば第一の水素リッチオフガス中に水素以外の成分が入りやすくなることを抑制でき、一方0.5MPa以下であれば吸着塔中に多量の水素が残存することを抑制して次に得られるCO2リッチオフガス中に多量の水素が混入することを抑制することができる。 When the adsorption tower A approaches saturation due to impurities in the raw material hydrogen-containing gas, v1 and v5 are closed, while v7 and v11 are opened, and the production of high-purity hydrogen using the adsorption tower B is continued. The adsorption tower A continues to be regenerated. First, v2 is opened to depressurize the inside of the adsorption tower A and perform a depressurization operation i to obtain a first hydrogen rich off gas (high pressure desorption step). The pressure at the end of the depressurization operation i is set lower than the pressure in the adsorption step, and is preferably in the range of atmospheric pressure to 0.5 MPa, more preferably atmospheric pressure to 0.2 MPa. If this is above atmospheric pressure, it is possible to suppress the entry of components other than hydrogen into the first hydrogen-rich off gas. On the other hand, if it is 0.5 MPa or less, it is possible to suppress a large amount of hydrogen from remaining in the adsorption tower. Thus, it is possible to prevent a large amount of hydrogen from being mixed in the CO 2 rich off gas obtained next.

脱圧操作i(高圧脱着工程)の後v2を閉じv3を開放し減圧にてさらに脱着を行い水素以外の成分をより多く含むCO2リッチオフガスを得る脱圧操作iiを行う(低圧脱着工程)。なお減圧にて脱着を行うことにより、ガスの脱着を促進することができる。このために真空ポンプPを用いることができる。脱着をより完全に行うためには本工程で吸着塔からのガス成分の脱着がなくなるまで実施するのが好ましいが、工程に要する時間なども勘案して終点は決定される。脱圧操作iiの終点における圧力は、真空ポンプを用いる場合において、好ましくは0.0001MPa〜0.05MPa、より好ましくは0.001MPa〜0.02MPaの範囲である。 After depressurization operation i (high pressure desorption step), v2 is closed and v3 is opened, and further desorption is performed under reduced pressure to perform a depressurization operation ii to obtain a CO 2 rich off gas containing more components other than hydrogen (low pressure desorption step). . Note that the desorption of gas can be promoted by performing desorption under reduced pressure. For this purpose, a vacuum pump P can be used. In order to perform desorption more completely, it is preferable to carry out until the desorption of the gas component from the adsorption tower is eliminated in this step, but the end point is determined in consideration of the time required for the step. The pressure at the end point of the depressurization operation ii is preferably in the range of 0.0001 MPa to 0.05 MPa, more preferably 0.001 MPa to 0.02 MPa when a vacuum pump is used.

脱着操作ii(低圧脱着工程)の終了後v3を閉止する一方、v6を続いてv2を開放し減圧弁v25を通った高純度水素により塔内の洗浄を行うと共に第2の水素リッチオフガスを得る洗浄工程を行う。この時の圧力は好ましくは大気圧〜0.5MPa、より好ましくは大気圧〜0.3MPaである。第1と第2の水素リッチオフガスは区別されることなく一つのガス流として取り出し、水素分離膜あるいはバーナーなど適当な処理装置に供給されることができる。また例えば、第1の水素リッチオフガスの一部と第2の水素リッチオフガスを混合することで、この混合ガスと、第1の水素リッチオフガスの残りガスを作成することもできる。あるいは第1と第2の水素リッチオフガスを全量混合した後に、この混合ガスを2個に分割することもできる。このように、必要であれば適宜混合・分割を経て2個以上のガス流として処理することもできる。   After completion of the desorption operation ii (low pressure desorption step), v3 is closed, v6 is subsequently opened, v2 is opened, the inside of the tower is washed with high-purity hydrogen that has passed through the pressure reducing valve v25, and a second hydrogen rich off gas is obtained. A cleaning process is performed. The pressure at this time is preferably atmospheric pressure to 0.5 MPa, more preferably atmospheric pressure to 0.3 MPa. The first and second hydrogen rich off gases can be taken out as a single gas stream without being distinguished from each other and supplied to an appropriate processing apparatus such as a hydrogen separation membrane or a burner. Further, for example, by mixing a part of the first hydrogen rich off gas and the second hydrogen rich off gas, it is possible to create this mixed gas and the remaining gas of the first hydrogen rich off gas. Alternatively, after the entire amount of the first and second hydrogen rich off gases is mixed, the mixed gas can be divided into two. Thus, if necessary, it can be processed as two or more gas streams through appropriate mixing and division.

洗浄工程終了後、v6、v2を閉止しv4を開放して塔内を高圧の高純度水素で満たす昇圧工程を行う。   After completion of the washing process, a pressure increasing process is performed in which v6 and v2 are closed, v4 is opened, and the inside of the tower is filled with high-pressure high-purity hydrogen.

これら、吸着工程、脱着工程(高圧脱着工程および低圧脱着工程)、洗浄工程、昇圧工程の4工程を吸着塔A〜Dにおいてそれぞれタイミングをずらしながら繰り返すことにより連続的な高純度水素、水素リッチオフガスおよびCO2リッチオフガスの製造が可能となる。これらのガス組成はPSAの運転条件や原料ガスの組成に依存するが、例えば、水素リッチオフガスの組成は水素50〜98%、一酸化炭素0〜10%、二酸化炭素2〜30%、メタン0〜10%である。CO2リッチオフガスの組成は、例えば、水素2〜15%、一酸化炭素1〜30%、二酸化炭素40〜95%、メタン1〜30%である。また、水素リッチオフガスとCO2リッチオフガスの流量比(モル基準)は好ましくは1:5〜5:1、より好ましくは1:3〜3:1の範囲である。 By repeating these adsorption process, desorption process (high-pressure desorption process and low-pressure desorption process), washing process and pressurization process in the adsorption towers A to D with different timings, continuous high-purity hydrogen and hydrogen-rich off gas are obtained. And CO 2 rich off gas can be produced. The composition of these gases depends on the operating conditions of the PSA and the composition of the raw material gas. For example, the composition of the hydrogen rich off gas is 50 to 98% hydrogen, 0 to 10% carbon monoxide, 2 to 30% carbon dioxide, 0 methane. -10%. The composition of the CO 2 rich off gas is, for example, 2-15% hydrogen, 1-30% carbon monoxide, 40-95% carbon dioxide, and 1-30% methane. The flow ratio (molar basis) of the hydrogen rich off gas to the CO 2 rich off gas is preferably in the range of 1: 5 to 5: 1, more preferably 1: 3 to 3: 1.

〔二酸化炭素膜分離工程〕
本発明では、低圧脱着工程から得られる低圧脱着ガスを、二酸化炭素分離膜を用いて、二酸化炭素濃度をさらに高めた二酸化炭素富化ガスと、二酸化炭素以外の成分が富化された二酸化炭素分離膜オフガスに分離する。好ましくは、吸着塔を減圧して脱着操作を行う際に得られるオフガスを、二酸化炭素膜分離工程に導入する。上記シーケンス例で言えばオフガスBがこれに当たる。
[CO2 membrane separation process]
In the present invention, the low-pressure desorption gas obtained from the low-pressure desorption step is separated into a carbon dioxide-enriched gas with a further increased carbon dioxide concentration and a carbon dioxide separation enriched with components other than carbon dioxide using a carbon dioxide separation membrane. Separate into membrane off-gas. Preferably, off-gas obtained when the adsorption tower is depressurized to perform the desorption operation is introduced into the carbon dioxide membrane separation step. In the above sequence example, this is off-gas B.

二酸化炭素膜分離工程では、二酸化炭素分離膜を用いて二酸化炭素を濃縮する。二酸化炭素分離膜としては、CO2を選択的に透過させることのできる公知の膜から適宜選んで採用することができる。その例としては、PowelらJounal of Membrane Science、276、1−49(2006)に記載されるような高分子素材膜、平成15年度 二酸化炭素固定化・有効利用技術等対策事業・地球環境国際研究推進事業・分子ゲート機能CO2分離膜の基盤技術研究開発成果報告書に記載されるようなデンドリマー膜、WO2006/050531号公報に記載されるようなアミン基含有膜、あるいはゼオライト膜を始めとする無機素材膜、などを挙げることができる。 In the carbon dioxide membrane separation step, carbon dioxide is concentrated using the carbon dioxide separation membrane. As the carbon dioxide separation membrane, a known membrane that can selectively permeate CO 2 can be appropriately selected and employed. Examples include polymer membranes such as those described in Powel et al., Journal of Membrane Science, 276, 1-49 (2006), FY 2003 carbon dioxide fixation / effective utilization technology countermeasure business, global environment international research, etc. Promotion business, molecular gate function CO 2 separation membrane basic technology R & D report, dendrimer membrane, amine group-containing membrane, or zeolite membrane as described in WO2006 / 0505051 An inorganic material film etc. can be mentioned.

二酸化炭素の分離効率の観点から、二酸化炭素分離膜については、膜の水素透過係数に対する二酸化炭素透過係数の比(透過係数比)αは5以上が好ましく、10以上がより好ましく、20以上がさらに好ましい。αが5以上であると、二酸化炭素分離膜透過ガス中のCO2濃度が低くなることを抑制でき、後段に二酸化炭素液化工程を用いる場合に圧縮に必要なエネルギーが大きくなると共に液化収率が低くなることを抑制できる。 From the viewpoint of carbon dioxide separation efficiency, the ratio of the carbon dioxide permeability coefficient to the hydrogen permeability coefficient (permeability coefficient ratio) α of the membrane is preferably 5 or more, more preferably 10 or more, and further preferably 20 or more. preferable. When α is 5 or more, the CO 2 concentration in the carbon dioxide separation membrane permeate gas can be suppressed from being lowered, and when a carbon dioxide liquefaction process is used in the subsequent stage, the energy required for compression increases and the liquefaction yield increases. It can suppress becoming low.

ここで、前記透過係数比αは次式で定義されるものである。
Here, the transmission coefficient ratio α is defined by the following equation.

Figure 0005039426
Figure 0005039426

ただし、各成分の透過係数は、各成分のガスの透過速度をQ、供給側圧力(分圧)をp1、透過側圧力(分圧)をp2、膜面積をA、膜厚をLとした時、次式で定義されるものである。   However, the permeation coefficient of each component is Q for the gas permeation rate of each component, p1 for the supply side pressure (partial pressure), p2 for the permeation side pressure (partial pressure), A for the membrane area, and L for the film thickness. Is defined by the following equation.

Figure 0005039426
Figure 0005039426

どのような素材を用いる場合にも分離膜の形状には特に制限はなく、板状、筒状、中空糸状など任意の形状を選択することができる。   No matter what material is used, the shape of the separation membrane is not particularly limited, and any shape such as a plate shape, a cylindrical shape, or a hollow fiber shape can be selected.

二酸化炭素膜分離工程の供給側圧力および透過側圧力はガス組成、流量、装置の形状などに応じて適宜決定されるが、供給側圧力は好ましくは0.2〜10MPa、より好ましくは0.3〜5MPa、さらに好ましくは0.5〜2MPaの範囲である。圧力が0.2MPa以上であれば、透過速度を良好にし膜面積の増大を抑えることが容易である。一方10MPa以下であれば、分離膜にかかる圧力に耐えるための分離膜強度の上昇を抑え、その結果良好な透過性能を容易に得ることができる。一方、透過側圧力はなるべく低いほうが膜の透過性能的には好ましいが、減圧(大気圧未満の圧力)を発生させるために必要な動力、膜の耐圧強度などを総合的に勘案して決定され、好ましくは0.0001〜0.5MPa、より好ましくは0.001〜大気圧の範囲である。   The supply-side pressure and permeation-side pressure in the carbon dioxide membrane separation step are appropriately determined according to the gas composition, flow rate, apparatus shape, etc., but the supply-side pressure is preferably 0.2 to 10 MPa, more preferably 0.3. It is -5MPa, More preferably, it is the range of 0.5-2MPa. If the pressure is 0.2 MPa or more, it is easy to improve the permeation rate and suppress the increase in the membrane area. On the other hand, if it is 10 MPa or less, an increase in the strength of the separation membrane to withstand the pressure applied to the separation membrane can be suppressed, and as a result, good permeation performance can be easily obtained. On the other hand, the permeation side pressure is preferably as low as possible for the permeation performance of the membrane, but it is determined by comprehensively considering the power necessary to generate a reduced pressure (pressure less than atmospheric pressure), the pressure strength of the membrane, etc. The range is preferably 0.0001 to 0.5 MPa, more preferably 0.001 to atmospheric pressure.

膜分離の実施温度は使用する膜素材に適した温度に設定される。   The temperature at which the membrane separation is performed is set to a temperature suitable for the membrane material used.

二酸化炭素富化ガスとして二酸化炭素を回収することができる。二酸化炭素富化ガスは、そのまま地中に圧入して貯留することもできるが、二酸化炭素富化ガスをCO2液化工程に導入し液化二酸化炭素を製造することもできる。液化を行う場合、二酸化炭素富化ガスのCO2濃度はCO2液化工程の順調な操業が容易になるように高めることが好ましく、その濃度は好ましくは70%以上、より好ましくは80%以上、さらに好ましくは90%以上である。CO2濃度が70%以上の場合、液化工程に際して必要なエネルギーを小さくすることができ、また、回収される液化CO2の割合を高くすることができる。 Carbon dioxide can be recovered as a carbon dioxide enriched gas. Although the carbon dioxide-enriched gas can be stored by being injected into the ground as it is, the carbon dioxide-enriched gas can be introduced into the CO 2 liquefaction step to produce liquefied carbon dioxide. When performing liquefaction, the CO 2 concentration of the carbon dioxide-enriched gas is preferably increased so as to facilitate the smooth operation of the CO 2 liquefaction process, and the concentration is preferably 70% or more, more preferably 80% or more, More preferably, it is 90% or more. When the CO 2 concentration is 70% or more, the energy required for the liquefaction step can be reduced, and the ratio of recovered liquefied CO 2 can be increased.

CO2液化の方法としては、ジュールトムソン効果を利用する方法、圧縮しながら外部冷熱により冷却する方法など公知のCO2液化方法を適宜採用できる。二酸化炭素液化装置としても、これら公知のCO2液化方法によって二酸化炭素を液化することのできる公知の装置を適宜選んで用いることができる。こうして得られた液化CO2は陸上輸送、海上輸送あるいはパイプラインなど適当な方法で貯留場所に輸送した上で、地中あるいは海中に隔離することができるし、あるいは高いCO2濃度を持つので化学品合成など種々の原料として利用もできる。CO2液化工程で得られるオフガス(液化しなかったガス)にはまだ水素、メタンなど燃焼可能なガスが含まれるので、改質器バーナーに送付して燃料として用いることができる。 As a CO 2 liquefaction method, a known CO 2 liquefaction method such as a method using the Joule-Thompson effect or a method of cooling by external cold heat while compressing can be appropriately employed. As the carbon dioxide liquefying apparatus, a known apparatus capable of liquefying carbon dioxide by these known CO 2 liquefaction methods can be appropriately selected and used. The liquefied CO 2 obtained in this way can be sequestered in the ground or sea after being transported to a storage location by an appropriate method such as land transport, sea transport or pipeline, or it has a high CO 2 concentration and is therefore chemically It can also be used as various raw materials such as product synthesis. Since the off-gas (gas that has not been liquefied) obtained in the CO 2 liquefaction step still contains combustible gases such as hydrogen and methane, it can be sent to the reformer burner and used as fuel.

一方、二酸化炭素分離膜オフガスは、改質器バーナーに送付して燃焼させ、その保有する熱量を有効利用することができるし、メタン、一酸化炭素などの含有量が多い場合には改質器入り口に導入し改質原料として再利用することもできる。   On the other hand, carbon dioxide separation membrane off-gas can be sent to the reformer burner and burned to effectively use the amount of heat it holds, and when the content of methane, carbon monoxide, etc. is high, the reformer It can also be introduced at the entrance and reused as a reforming raw material.

〔二酸化炭素によるPSA塔洗浄〕
高圧脱着工程を終えて低圧脱着工程を始める前(上記シーケンス例では減圧操作に入る前)に、好ましくは二酸化炭素濃度70%以上、より好ましくは80%以上、さらに好ましくは90%以上の比較的高純度の二酸化炭素で塔内を洗浄することができる。ここで用いる二酸化炭素として、回収二酸化炭素を用いることができる。この操作に伴って新たなオフガス(オフガスD)が発生する。この二酸化炭素による洗浄操作は、低圧脱着ガス(上記シーケンス例ではオフガスB)中の二酸化炭素濃度を高める効果がある。
[PSA tower cleaning with carbon dioxide]
Before finishing the high pressure desorption process and starting the low pressure desorption process (before entering the pressure reducing operation in the above sequence example), the carbon dioxide concentration is preferably 70% or more, more preferably 80% or more, and further preferably 90% or more. The inside of the tower can be washed with high-purity carbon dioxide. As the carbon dioxide used here, recovered carbon dioxide can be used. Along with this operation, new off-gas (off-gas D) is generated. This cleaning operation with carbon dioxide has the effect of increasing the carbon dioxide concentration in the low-pressure desorption gas (off-gas B in the above sequence example).

オフガスDは比較的CO2濃度が高いので、CO2リッチオフガスの一部として用いることもできるし、燃焼ガスとしてバーナーの燃料に用いることもできる。 Since the off gas D has a relatively high CO 2 concentration, it can be used as a part of the CO 2 rich off gas, or can be used as a combustion gas for the burner fuel.

〔二酸化炭素分離膜に導入しないガスの利用〕
PSAの再生過程で得られるPSAオフガスのうち、二酸化炭素分離膜に導入しないガスは、改質器に備わるバーナーの燃料などとして用いることができる。特には、高圧脱着工程から得られたガス(上記シーケンス例ではオフガスA)および洗浄工程から得られたガス(上記シーケンス例ではオフガスC)の少なくとも一方(これらのガスが混合されて混合ガスとされていてもよい)を改質器に備わるバーナーの燃料として用い、水素含有ガス製造工程において改質のために利用することができる。水蒸気改質反応は大きな吸熱を伴う反応であり、バーナーにおける燃焼熱を利用して水蒸気改質反応に必要な熱を供給することができる。
[Use of gas not introduced into carbon dioxide separation membrane]
Of the PSA off-gas obtained in the PSA regeneration process, the gas that is not introduced into the carbon dioxide separation membrane can be used as fuel for a burner provided in the reformer. In particular, at least one of the gas obtained from the high pressure desorption process (off gas A in the above sequence example) and the gas obtained from the cleaning process (off gas C in the above sequence example) (these gases are mixed to form a mixed gas). May be used as fuel for the burner provided in the reformer, and used for reforming in the hydrogen-containing gas production process. The steam reforming reaction is a reaction accompanied by a large endotherm, and heat necessary for the steam reforming reaction can be supplied by using the combustion heat in the burner.

あるいは、PSAの再生過程で得られるPSAオフガスのうち、二酸化炭素分離膜に導入しないガスから水素を回収するために、この二酸化炭素分離膜に導入しないガスの少なくとも一部をPSA装置にリサイクルし、吸着工程に供することができる。特には、高圧脱着工程から得られる高圧脱着ガス(上記シーケンス例ではオフガスA)および洗浄工程から得られたガス(上記シーケンス例ではオフガスC)の少なくとも一方(これらのガスが混合されて混合ガスとされていてもよい)を、吸着工程にリサイクルすることができる。リサイクルに際しては、ガスを適宜昇圧することができる。   Alternatively, in order to recover hydrogen from the PSA offgas obtained in the PSA regeneration process that is not introduced into the carbon dioxide separation membrane, at least a part of the gas that is not introduced into the carbon dioxide separation membrane is recycled to the PSA device. It can use for an adsorption process. In particular, at least one of the high-pressure desorption gas obtained from the high-pressure desorption step (off-gas A in the above sequence example) and the gas obtained from the cleaning step (off-gas C in the above-described sequence example) (these gases are mixed together with the mixed gas) Can be recycled to the adsorption step. In recycling, the pressure of the gas can be increased as appropriate.

さらに、このリサイクルするガスを、水素分離膜を用いて水素濃度を高めたうえで、吸着工程にリサイクルすることができる。特には、高圧脱着ガス等の水素リッチガスを、水素分離膜を用い、水素が富化されたガス(第二の水素富化ガス)と、水素以外の成分が富化されたガス(水素分離膜オフガス)とに分離し、第二の水素富化ガスを吸着工程にリサイクルすることができる。   Further, the gas to be recycled can be recycled to the adsorption process after increasing the hydrogen concentration using a hydrogen separation membrane. In particular, a hydrogen rich gas such as a high pressure desorption gas, a hydrogen enriched gas (second hydrogen enriched gas) and a gas enriched with components other than hydrogen (hydrogen separation membrane) Off-gas) and the second hydrogen-enriched gas can be recycled to the adsorption step.

上記シーケンス例で言えばオフガスA、オフガスC、またはオフガスAとCを合わせたものを、好ましくは下記に述べる水素分離膜などを用いて水素濃度を高めたうえで、吸着工程にリサイクルすることができる。   In the above sequence example, off-gas A, off-gas C, or a combination of off-gas A and C can be recycled to the adsorption process, preferably after increasing the hydrogen concentration using a hydrogen separation membrane described below. it can.

吸着工程にリサイクルするガスの二酸化炭素濃度は好ましくは30%以下、より好ましくは20%以下、さらに好ましくは10%以下であり、一方水素濃度は好ましくは70%以上、より好ましくは80%以上、さらに好ましくは90%以上である。   The carbon dioxide concentration of the gas recycled to the adsorption step is preferably 30% or less, more preferably 20% or less, and even more preferably 10% or less, while the hydrogen concentration is preferably 70% or more, more preferably 80% or more, More preferably, it is 90% or more.

本発明では上記のように必要であれば水素膜分離工程を設けることができる。この時用いることができる水素分離膜としては、水素を選択的に透過させることが可能な公知の膜を適宜選んで採用することができる。水素分離膜としては、パラジウムなどの金属膜、ポリイミドなどの高分子膜、多孔質シリカ、ゼオライト、多孔質炭素などの多孔質膜などを例とすることができる。操作のしやすさ、コストなどから高分子膜が好ましく使用される。   In the present invention, a hydrogen membrane separation step can be provided if necessary as described above. As a hydrogen separation membrane that can be used at this time, a known membrane capable of selectively permeating hydrogen can be appropriately selected and employed. Examples of the hydrogen separation membrane include metal membranes such as palladium, polymer membranes such as polyimide, porous membranes such as porous silica, zeolite, and porous carbon. From the viewpoint of ease of operation and cost, a polymer film is preferably used.

どのような素材を用いる場合にも分離膜の形状には特に制限はなく、板状、筒状、中空糸状など任意の形状を選択することができる。   No matter what material is used, the shape of the separation membrane is not particularly limited, and any shape such as a plate shape, a cylindrical shape, or a hollow fiber shape can be selected.

水素膜分離工程における供給側圧力は0.2〜10MPa、好ましくは0.3〜5MPa、さらに好ましくは0.5〜2MPaの範囲である。圧力が0.2MPa以上であると、透過速度を良好にし膜面積の増大を抑えることが容易である。一方10MPa以下であると、分離膜にかかる圧力に耐えるための分離膜強度の上昇を抑え、良好な透過性能を容易に得ることができる。一方、透過側圧力はなるべく低いほうが膜の透過性能的には好ましいが、減圧(大気圧未満の圧力)を発生させるために必要な動力、膜の耐圧強度などを総合的に勘案して決定され、好ましくは0.0001〜0.5MPa、より好ましくは0.001〜大気圧の範囲である。   The supply side pressure in the hydrogen membrane separation step is in the range of 0.2 to 10 MPa, preferably 0.3 to 5 MPa, and more preferably 0.5 to 2 MPa. When the pressure is 0.2 MPa or more, it is easy to improve the permeation rate and suppress an increase in film area. On the other hand, when it is 10 MPa or less, an increase in the strength of the separation membrane to withstand the pressure applied to the separation membrane can be suppressed, and good permeation performance can be easily obtained. On the other hand, the permeation side pressure is preferably as low as possible for the permeation performance of the membrane, but it is determined by comprehensively considering the power necessary to generate a reduced pressure (pressure less than atmospheric pressure), the pressure strength of the membrane, etc. The range is preferably 0.0001 to 0.5 MPa, more preferably 0.001 to atmospheric pressure.

膜分離の実施温度は使用する膜素材に適した温度に設定され、例えばパラジウム膜であれば250〜500℃、ポリイミド膜であれば室温〜150℃程度が好適である。   The temperature at which the membrane separation is performed is set to a temperature suitable for the membrane material to be used. For example, about 250 to 500 ° C. for a palladium membrane and about room temperature to about 150 ° C. for a polyimide membrane.

水素膜分離工程で得られる水素が富化されたガス(第二の水素富化ガス)を上記PSA入り口にリサイクルすることで水素回収率を高めることが可能である。一方、水素膜分離工程で、水素以外の成分が富化されたガス(水素分離膜オフガス)は、改質器バーナーに送って燃焼させることにより保有熱量を有効利用することが可能である。   It is possible to increase the hydrogen recovery rate by recycling the hydrogen-enriched gas (second hydrogen-enriched gas) obtained in the hydrogen membrane separation step to the PSA inlet. On the other hand, in the hydrogen membrane separation step, the gas enriched with components other than hydrogen (hydrogen separation membrane off-gas) can be sent to the reformer burner and burned to effectively use the retained heat.

〔プロセス〕
以下図面を用いて本発明を実施するに好適なプロセスについて説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。
〔process〕
Hereinafter, processes suitable for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto.

図2に示すように、水素製造装置は、改質器1−1と、改質器の下流に接続されたシフト反応器1−2を有する。改質器には改質反応管1−1aと、これを外側から加熱するためのバーナー1−1bが備わる。含炭素燃料がライン100から改質器、特には改質反応管に供給される。改質反応に必要な水蒸気や酸素なども適宜改質器に供給される(不図示)。含炭素燃料が液体や固体である場合には、含炭素燃料を適宜予め気化することができる。必要に応じて含炭素燃料を脱硫器(不図示)で脱硫した後に改質器に供給することもできる。   As shown in FIG. 2, the hydrogen production apparatus has a reformer 1-1 and a shift reactor 1-2 connected downstream of the reformer. The reformer is provided with a reforming reaction tube 1-1a and a burner 1-1b for heating it from the outside. Carbon-containing fuel is supplied from a line 100 to a reformer, particularly a reforming reaction tube. Water vapor, oxygen and the like necessary for the reforming reaction are also appropriately supplied to the reformer (not shown). When the carbon-containing fuel is liquid or solid, the carbon-containing fuel can be appropriately vaporized in advance. If necessary, the carbon-containing fuel can be supplied to the reformer after being desulfurized with a desulfurizer (not shown).

含炭素燃料は改質反応管の内部で改質され、改質器から改質ガスが排出される(ライン101)。シフト反応器では、改質ガス中のCOと水蒸気がCO2と水素に転換される。 The carbon-containing fuel is reformed inside the reforming reaction tube, and the reformed gas is discharged from the reformer (line 101). In the shift reactor, CO and water vapor in the reformed gas are converted into CO 2 and hydrogen.

水素製造装置から得られる水素含有ガス(ライン102)は、ライン103を経てPSA装置2に供給される。具体的には、水素含有ガスは吸着工程を行っているPSA塔に投入され、水素含有ガスに含まれる水素以外の成分が吸着剤に吸着され、水素富化ガス(第一の水素富化ガス)が製品水素として取り出される(ライン104)。一方、再生工程を行っているPSA塔からはPSAオフガスが水素リッチオフガス(ライン112)とCO2リッチオフガス(ライン106)とに分けられて排出される。 The hydrogen-containing gas (line 102) obtained from the hydrogen production apparatus is supplied to the PSA apparatus 2 via the line 103. Specifically, the hydrogen-containing gas is introduced into a PSA tower that is performing an adsorption process, and components other than hydrogen contained in the hydrogen-containing gas are adsorbed by the adsorbent, and a hydrogen-enriched gas (first hydrogen-enriched gas) is obtained. ) Is removed as product hydrogen (line 104). On the other hand, from the PSA tower that is performing the regeneration process, the PSA off-gas is divided into a hydrogen rich off gas (line 112) and a CO 2 rich off gas (line 106) and discharged.

CO2リッチガスはライン106、昇圧機7、ライン107を経てCO2分離膜5に導入される。二酸化炭素分離膜を透過したガスとして二酸化炭素富化ガス(ライン109)が得られ、これが昇圧機9で昇圧されて二酸化炭素液化装置6に供給される(ライン110)。二酸化炭素分離膜を透過せずに排出された二酸化炭素分離膜オフガス(ライン108)は、ライン118を経て改質器のバーナー1−1bに燃料として供給される。 The CO 2 rich gas is introduced into the CO 2 separation membrane 5 through the line 106, the booster 7, and the line 107. Carbon dioxide-enriched gas (line 109) is obtained as gas that has permeated the carbon dioxide separation membrane, and this is pressurized by the booster 9 and supplied to the carbon dioxide liquefier 6 (line 110). The carbon dioxide separation membrane off-gas (line 108) discharged without passing through the carbon dioxide separation membrane is supplied as fuel to the burner 1-1b of the reformer via the line 118.

二酸化炭素液化装置から製品液化二酸化炭素が回収される(ライン111)。二酸化炭素液化装置から排出された、液化しなかったガス(ライン116)は、水素分離膜オフガス(ライン114)と合流し(ライン117)、さらに二酸化炭素分離膜オフガス(ライン108)と合流してライン118からバーナー1−1bに供給される。   Product liquefied carbon dioxide is recovered from the carbon dioxide liquefier (line 111). The non-liquefied gas (line 116) discharged from the carbon dioxide liquefier joins with the hydrogen separation membrane off gas (line 114) (line 117), and further joins with the carbon dioxide separation membrane off gas (line 108). It is supplied from the line 118 to the burner 1-1b.

ライン118から供給されるガス中の可燃分がバーナー1−1bにて燃焼し、ライン124から燃焼ガスが排気される。この燃焼熱は改質反応管を加熱するために利用される。   The combustible component in the gas supplied from the line 118 is combusted by the burner 1-1b, and the combustion gas is exhausted from the line 124. This combustion heat is used to heat the reforming reaction tube.

一方、PSA装置2の水素リッチオフガス(ライン112)は昇圧機8、ライン113を経て水素分離膜4に供給される。水素分離膜を透過したガスとして第二の水素富化ガスが得られ、これはライン115、昇圧機10、ライン119を経てPSA装置(特には吸着を行っている吸着塔)にリサイクルされる。水素分離膜を透過せずに排出された水素分離膜オフガス(ライン114)は、前述の通り改質器バーナーに送られる。   On the other hand, the hydrogen rich off gas (line 112) of the PSA device 2 is supplied to the hydrogen separation membrane 4 through the booster 8 and the line 113. A second hydrogen-enriched gas is obtained as the gas that has permeated through the hydrogen separation membrane, and is recycled to the PSA device (particularly, the adsorption tower performing adsorption) via the line 115, the booster 10, and the line 119. The hydrogen separation membrane off-gas (line 114) discharged without passing through the hydrogen separation membrane is sent to the reformer burner as described above.

含炭素燃料の改質反応で生成するガスは水素、二酸化炭素を含み、さらにはメタン、一酸化炭素などの成分を含む混合ガスである。この混合ガスから高純度の水素を得る方法としてPSA法は有効である。しかし、PSAを用いて水素に加えて二酸化炭素をも高濃度化することは容易ではなかった。本発明によれば、PSAに過度の負担をかけることなく、簡便な装置で高純度水素を製造すると共に二酸化炭素を濃縮できる。   The gas generated by the reforming reaction of the carbon-containing fuel is a mixed gas containing components such as hydrogen and carbon dioxide, and further including components such as methane and carbon monoxide. The PSA method is effective as a method for obtaining high purity hydrogen from this mixed gas. However, it has not been easy to increase the concentration of carbon dioxide in addition to hydrogen using PSA. According to the present invention, high-purity hydrogen can be produced with a simple apparatus and carbon dioxide can be concentrated without imposing an excessive burden on PSA.

本発明によれば、化石燃料類等の含炭素燃料を原料として、高純度水素の製造と並行して貯留に適した形態の二酸化炭素を製造するに際し、消費エネルギーを抑えることができる。また水素収率を向上させることができる。しかも比較的簡易な装置で水素製造および二酸化炭素回収を行うことができ、システムコストの上昇を抑えることもできる。従って、水素社会の実現および地球温暖化の防止のために貢献するものである。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when manufacturing carbon dioxide of the form suitable for storage using carbon-containing fuels, such as fossil fuels, as a raw material in parallel with manufacture of high purity hydrogen, energy consumption can be suppressed. In addition, the hydrogen yield can be improved. In addition, hydrogen production and carbon dioxide recovery can be performed with a relatively simple apparatus, and an increase in system cost can be suppressed. Therefore, it contributes to the realization of a hydrogen society and the prevention of global warming.

本発明によって、例えば燃料電池自動車の燃料として供給可能な純度を持つ高純度水素を得ることができる。一方、二酸化炭素は地中貯留、海洋貯留に適した形態である液化二酸化炭素の形で回収するに好適な濃度にすることができる。   According to the present invention, for example, high-purity hydrogen having a purity that can be supplied as fuel for a fuel cell vehicle can be obtained. On the other hand, carbon dioxide can have a concentration suitable for recovery in the form of liquefied carbon dioxide, which is a form suitable for underground storage and ocean storage.

〔実施例1〕
図2に示した構成のプロセスにつき、熱物質収支をとった。ナフサ215kg/h(ライン100)と水蒸気946kg/h(不図示)を、Ni系触媒を充填し出口温度830℃、圧力2MPaにて水蒸気改質反応を行う改質器1−1に供給し、引き続くFe−Cr系触媒を充填し入口温度360℃出口温度425℃にてシフト反応を行うシフト反応器1−2により、総流量54.2kmol/h、CO2濃度20.5%、水素濃度72.4%、圧力2MPaの混合ガス(ライン102)を得る。これを脱水器(不図示)により脱水した後、4塔式PSA装置2にて吸着工程を行い純度99.99%の高純度水素を35.9kmol/hの流量にて得る(ライン104)。この時の圧力は混合ガス(ライン102)と同じ2MPaである。
[Example 1]
A thermal mass balance was taken for the process having the configuration shown in FIG. Naphtha 215 kg / h (line 100) and steam 946 kg / h (not shown) are supplied to a reformer 1-1 which is charged with a Ni-based catalyst and performs a steam reforming reaction at an outlet temperature of 830 ° C. and a pressure of 2 MPa, The total flow rate was 54.2 kmol / h, the CO 2 concentration was 20.5%, the hydrogen concentration was 72 by the shift reactor 1-2 in which the Fe—Cr catalyst was charged and the shift reaction was performed at an inlet temperature of 360 ° C. and an outlet temperature of 425 ° C. A mixed gas (line 102) with a pressure of 4% and a pressure of 2 MPa is obtained. This is dehydrated by a dehydrator (not shown), and an adsorption process is performed by the four-column PSA apparatus 2 to obtain high-purity hydrogen having a purity of 99.99% at a flow rate of 35.9 kmol / h (line 104). The pressure at this time is 2 MPa which is the same as that of the mixed gas (line 102).

高圧脱着工程では塔内が大気圧まで降圧されこの時第1の水素リッチオフガスが得られる。さらに低圧脱着工程にて塔内を減圧にすることによりCO2リッチオフガス(ライン106)を得る。続いて製品高純度水素の一部を0.2MPaに減圧したガスを用いて塔内を洗浄しこの時のオフガスとして第2の水素リッチオフガスを得る。第1と第2の水素リッチオフガスは混合され、CO2濃度19%、水素濃度80%、流量7.4kmol/hの水素リッチオフガス(ライン112)となる。このガスは圧縮機8で1MPaにまで昇圧され、CO2/水素の透過係数比αが0.11のポリイミド膜を備えた水素分離膜4に導入される。水素分離膜の透過側に水素濃度96%、0.1MPaのガス(ライン115)を3.5kmol/hにて得、これは圧縮機10を経てPSA装置2の上流にリサイクルする。水素分離膜の非透過側ガス(ライン114)は改質器バーナーへと送付される。 In the high pressure desorption process, the pressure in the tower is reduced to atmospheric pressure, and at this time, a first hydrogen rich off gas is obtained. Further, CO 2 rich off gas (line 106) is obtained by reducing the pressure in the tower in the low pressure desorption process. Subsequently, the inside of the tower is washed with a gas obtained by reducing a part of the product high-purity hydrogen to 0.2 MPa, and a second hydrogen-rich off-gas is obtained as an off-gas at this time. The first and second hydrogen rich off gases are mixed to form a hydrogen rich off gas (line 112) having a CO 2 concentration of 19%, a hydrogen concentration of 80%, and a flow rate of 7.4 kmol / h. This gas is pressurized to 1 MPa by the compressor 8 and introduced into the hydrogen separation membrane 4 including a polyimide membrane having a CO 2 / hydrogen permeability coefficient ratio α of 0.11. A gas with a hydrogen concentration of 96% and 0.1 MPa (line 115) is obtained at 3.5 kmol / h on the permeate side of the hydrogen separation membrane, and this is recycled to the upstream of the PSA device 2 via the compressor 10. The non-permeate side gas (line 114) of the hydrogen separation membrane is sent to the reformer burner.

PSAオフガスのうちのCO2濃度69%、水素濃度5%、流量14.3kmol/hの前記CO2リッチオフガス(ライン106)は昇圧機7で1MPaに昇圧されCO2/水素の透過係数比αが30の膜を備えるCO2分離膜5に導入される。 Of the PSA off-gas, the CO 2 rich off-gas (line 106) having a CO 2 concentration of 69%, a hydrogen concentration of 5%, and a flow rate of 14.3 kmol / h is boosted to 1 MPa by the booster 7, and the CO 2 / hydrogen permeability coefficient ratio α Is introduced into the CO2 separation membrane 5 having 30 membranes.

CO2分離膜の透過側ガス(ライン109)はCO2濃度95%であり、これは圧縮機9でCO2が液化する圧力(本実施例の場合約8MPa)にまで加圧された後、CO2液化装置6に送入され、9.5kmol/hの液化CO2流(ライン111)を得る。一方、前記CO2分離膜のオフガス(非透過側ガス)(ライン108)、水素分離膜のオフガス(非透過側ガス)(ライン114)およびCO2液化装置のオフガス(ライン116)を合わせたガス流(ライン118)は改質器バーナー1−1bに送られ燃料として利用される。 The permeate side gas (line 109) of the CO 2 separation membrane has a CO 2 concentration of 95%, which is pressurized to a pressure at which CO 2 is liquefied by the compressor 9 (about 8 MPa in this embodiment), It is fed into the CO 2 liquefier 6 to obtain a 9.5 kmol / h liquefied CO 2 stream (line 111). On the other hand, a gas combining the off gas (non-permeate side gas) (line 108) of the CO 2 separation membrane, the off gas (non-permeate side gas) of the hydrogen separation membrane (line 114), and the off gas (line 116) of the CO 2 liquefier. The stream (line 118) is sent to the reformer burner 1-1b and used as fuel.

このプロセスの圧縮機で消費されるエネルギー(回収された液化二酸化炭素1kmolあたり)は10.8kW/kmol−回収CO2、シフト反応器出口ガス(ライン102)中に含まれるCO2量を基準とした時の、液化CO2としての二酸化炭素回収率は85%である。 The energy consumed by the compressor of this process (per 1 kmol of recovered liquefied carbon dioxide) is 10.8 kW / kmol-recovered CO 2 , based on the amount of CO 2 contained in the shift reactor outlet gas (line 102). In this case, the carbon dioxide recovery rate as liquefied CO 2 is 85%.

二酸化炭素分離膜の透過係数比α、高純度水素回収量、二酸化炭素回収量、および回収された液化二酸化炭素1kmolあたりの圧縮機の消費エネルギー(合計)を表1に示す。熱物質収支を表5に示す。   Table 1 shows the permeability coefficient ratio α of the carbon dioxide separation membrane, the high-purity hydrogen recovery amount, the carbon dioxide recovery amount, and the energy consumption (total) of the compressor per 1 kmol of the recovered liquefied carbon dioxide. Table 5 shows the thermal mass balance.

〔実施例2〜4〕
CO2分離膜装置5に使用する膜(透過係数比α)を変化させた以外は実施例1と同様に熱物質収支をとった。二酸化炭素分離膜の透過係数比α、高純度水素回収量、二酸化炭素回収量および圧縮機の消費エネルギー(合計)を表1に示す。
[Examples 2 to 4]
The heat and mass balance was taken in the same manner as in Example 1 except that the membrane (permeation coefficient ratio α) used in the CO 2 separation membrane device 5 was changed. Table 1 shows the permeability coefficient ratio α of the carbon dioxide separation membrane, the amount of high purity hydrogen recovered, the amount of carbon dioxide recovered, and the energy consumption (total) of the compressor.

Figure 0005039426
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〔実施例5〜8〕
実施例1〜4においては、ポリイミド膜を備えた水素分離膜4の透過側に得られる第二の水素富化ガスをPSA装置2の上流にリサイクルした。ここでは水素分離膜4は使用せずPSAオフガスの内、水素リッチオフガスはそのまま改質器バーナー燃料として用いた。つまり図3に示すように、図1に示したプロセス構成から、昇圧機8および水素分離膜4を取り去り、またリサイクルライン119および昇圧機10を取り去ったプロセスについて、熱物質収支をとった。このとき、CO2分離膜の透過係数比αを表2に示すように変化させ、実施例5〜8とした。二酸化炭素分離膜の透過係数比α、高純度水素回収量、二酸化炭素回収量および圧縮機の消費エネルギー(合計)を表2に示す。水素をリサイクルした表1と比べ圧縮機で消費されるエネルギーは少ないが回収高純度水素量、回収液化CO2は若干少なくなる。
[Examples 5 to 8]
In Examples 1 to 4, the second hydrogen-enriched gas obtained on the permeation side of the hydrogen separation membrane 4 provided with a polyimide membrane was recycled upstream of the PSA device 2. Here, the hydrogen separation membrane 4 was not used, and the hydrogen rich off-gas in the PSA off-gas was used as the reformer burner fuel as it was. That is, as shown in FIG. 3, the heat and mass balance was taken for the process in which the booster 8 and the hydrogen separation membrane 4 were removed from the process configuration shown in FIG. 1, and the recycle line 119 and the booster 10 were removed. At this time, the permeability coefficient ratio α of the CO 2 separation membrane was changed as shown in Table 2 to obtain Examples 5 to 8. Table 2 shows the permeability coefficient ratio α of the carbon dioxide separation membrane, the amount of high-purity hydrogen recovered, the amount of carbon dioxide recovered, and the energy consumption (total) of the compressor. Although less energy is consumed in the compressor than in Table 1 where hydrogen is recycled, the amount of recovered high-purity hydrogen and the amount of recovered liquefied CO 2 are slightly decreased.

また、実施例7について、熱物質収支を表5に示す。   In addition, for Example 7, the thermal mass balance is shown in Table 5.

Figure 0005039426
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〔比較例1〜4〕
図4に示すプロセスにつき、熱物質収支をとった。実施例1〜8では、脱着工程を高圧脱着工程と低圧脱着工程とに分け、低圧脱着工程から得られるPSAオフガス(CO2リッチオフガス)をCO2分離膜で処理し、高圧脱着工程および洗浄工程から得られるPSAオフガス(水素リッチオフガス)はCO2分離膜で処理しない。これに対し図4に示すプロセスでは、脱着工程を高圧脱着工程と低圧脱着工程とに分けず、再生工程で得られるPSAオフガスをまとめてCO2分離膜に送り、CO2分離膜オフガス(ライン108)をバーナー1−1bに燃料として供給した。その他は実施例5と同様に実施した。このとき、CO2分離膜の透過係数比αを表3に示すように変化させ、比較例1〜4とした。その結果を表3に示す。比較例1〜4は、実施例5〜8(水素透過膜を用いず水素のリサイクルを行わないがPSAオフガスを分割して取得する)と比較して、水素収量は同様であるが、回収液化CO2量が少ない。また、圧縮機で消費されるエネルギーも多く必要となっており、これは特にαの小さな分離性能が高くないCO2分離膜を用いた場合において顕著である。
[Comparative Examples 1-4]
A thermal mass balance was taken for the process shown in FIG. In Examples 1 to 8, the desorption process is divided into a high pressure desorption process and a low pressure desorption process, and PSA offgas (CO 2 rich offgas) obtained from the low pressure desorption process is treated with a CO 2 separation membrane, and the high pressure desorption process and the cleaning process. The PSA off-gas (hydrogen-rich off-gas) obtained from is not treated with a CO 2 separation membrane. In the process hand shown in FIG. 4, without separating the desorption process into a high pressure desorption step and the low pressure desorption step, collectively PSA off-gas obtained in the regeneration step the feed to the CO 2 separation membrane, CO 2 separation membrane off-gas (line 108 ) Was supplied to the burner 1-1b as fuel. Others were carried out in the same manner as in Example 5. At this time, the permeability coefficient ratio α of the CO 2 separation membrane was changed as shown in Table 3 to obtain Comparative Examples 1 to 4. The results are shown in Table 3. Comparative Examples 1 to 4 are similar to Examples 5 to 8 (the hydrogen yield is not obtained but the hydrogen is not recycled, but the PSA off-gas is divided and obtained). The amount of CO 2 is small. Further, a lot of energy consumed by the compressor is required, and this is particularly remarkable when a CO 2 separation membrane having a small separation performance of α and not high is used.

Figure 0005039426
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本発明は、高純度の水素を製造するとともに、高濃度の二酸化炭素を回収するために好適に用いられる。製造した水素は燃料電池などの燃料として好適であり、回収した二酸化炭素は地中や海中に貯留するに好適である。また、副生物として比較的高純度の水素を得ることもできこれは有機化合物の水素化など合成反応に用いることができる。   The present invention is suitably used for producing high-purity hydrogen and recovering high-concentration carbon dioxide. The produced hydrogen is suitable as a fuel for a fuel cell or the like, and the recovered carbon dioxide is suitable for storage in the ground or in the sea. In addition, relatively high purity hydrogen can be obtained as a by-product, which can be used for synthesis reactions such as hydrogenation of organic compounds.

本発明において用いることのできるPSA装置の例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the example of the PSA apparatus which can be used in this invention. 本発明を実施することのできる装置の例の概要を説明するためのフロー図である。It is a flowchart for demonstrating the outline | summary of the example of the apparatus which can implement this invention. 本発明を実施することのできる装置の別の例の概要を説明するためのフロー図である。It is a flowchart for demonstrating the outline | summary of another example of the apparatus which can implement this invention. 比較例におけるプロセスを説明するためのフロー図である。It is a flowchart for demonstrating the process in a comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

1:水素製造装置
1−1:改質器
1−1a:改質反応管
1−1b:バーナー
1−2:シフト反応器
2:PSA装置
4:水素分離膜
5:二酸化炭素分離膜
6:二酸化炭素液化装置
7、8、9、10:昇圧機
A、B、C、D:吸着塔
P:真空ポンプ
1: Hydrogen production device 1-1: Reformer 1-1a: Reformation reaction tube 1-1b: Burner 1-2: Shift reactor 2: PSA device 4: Hydrogen separation membrane 5: Carbon dioxide separation membrane 6: Dioxide Carbon liquefaction equipment 7, 8, 9, 10: Booster A, B, C, D: Adsorption tower P: Vacuum pump

Claims (9)

含炭素燃料から水素を製造するとともに二酸化炭素を回収する水素製造および二酸化炭素回収方法であって、
含炭素燃料を改質して水素と二酸化炭素を含有する水素含有ガスを得る水素含有ガス製造工程;
吸着剤を収容する吸着塔を備える圧力スウィング吸着装置を用いて、該水素含有ガスに含まれる水素以外の成分を吸着剤に吸着させ、水素が富化された水素富化ガスを得る吸着工程;
前記吸着剤に吸着した成分を、相対的に高圧下で脱着させる、高圧脱着工程;
前記吸着剤に吸着した成分を、相対的に低圧下で脱着させる、低圧脱着工程;および、
二酸化炭素分離膜を用いて、前記低圧脱着工程から得られるガスを、二酸化炭素が富化されたガスである二酸化炭素富化ガスと、二酸化炭素以外の成分が富化されたガスである二酸化炭素分離膜オフガスとに分離する二酸化炭素膜分離工程
を有する水素製造および二酸化炭素回収方法。
A hydrogen production and carbon dioxide recovery method for producing hydrogen from a carbon-containing fuel and collecting carbon dioxide,
A hydrogen-containing gas production process for reforming a carbon-containing fuel to obtain a hydrogen-containing gas containing hydrogen and carbon dioxide;
An adsorption step in which a component other than hydrogen contained in the hydrogen-containing gas is adsorbed on the adsorbent using a pressure swing adsorption device including an adsorption tower containing the adsorbent to obtain a hydrogen-enriched hydrogen-enriched gas;
A high pressure desorption step of desorbing the component adsorbed on the adsorbent under relatively high pressure;
A low pressure desorption step of desorbing a component adsorbed on the adsorbent at a relatively low pressure; and
Using a carbon dioxide separation membrane, the gas obtained from the low-pressure desorption step is a carbon dioxide-enriched gas that is a gas enriched with carbon dioxide and carbon dioxide that is a gas enriched with components other than carbon dioxide. A hydrogen production and carbon dioxide recovery method comprising a carbon dioxide membrane separation step for separation into a separation membrane off-gas.
前記吸着工程から得られた水素富化ガスを用いて前記低圧脱着工程を終えた吸着塔内部を洗浄する洗浄工程を有する請求項1記載の方法。   The method according to claim 1, further comprising a washing step of washing the inside of the adsorption tower after the low-pressure desorption step using the hydrogen-enriched gas obtained from the adsorption step. 前記高圧脱着工程から得られたガスと前記洗浄工程から得られたガスとを混合して混合ガスとする混合工程を有する請求項1または2記載の方法。   The method according to claim 1, further comprising a mixing step of mixing the gas obtained from the high-pressure desorption step and the gas obtained from the cleaning step into a mixed gas. 前記高圧脱着工程から得られたガスを燃焼させて発生させた燃焼熱を、前記水素含有ガス製造工程において改質のために利用する請求項1または2記載の方法。   The method according to claim 1 or 2, wherein the combustion heat generated by burning the gas obtained from the high-pressure desorption step is used for reforming in the hydrogen-containing gas production step. 前記洗浄工程から得られたガスを燃焼させて発生させた燃焼熱を、前記水素含有ガス製造工程において改質のために利用する請求項2記載の方法。   The method according to claim 2, wherein combustion heat generated by burning the gas obtained from the cleaning step is used for reforming in the hydrogen-containing gas production step. 前記混合ガスを燃焼させて発生させた燃焼熱を、前記水素含有ガス製造工程において改質のために利用する請求項3記載の方法。   The method according to claim 3, wherein combustion heat generated by burning the mixed gas is used for reforming in the hydrogen-containing gas production process. 前記高圧脱着工程から得られたガスを、前記吸着工程にリサイクルするリサイクル工程を有する請求項1または2記載の方法。   The method according to claim 1, further comprising a recycling step of recycling the gas obtained from the high-pressure desorption step to the adsorption step. 前記リサイクル工程において、前記高圧脱着工程から得られたガスを、水素分離膜を用いて水素濃度を高めたうえで、前記吸着工程にリサイクルする請求項7記載の方法。   The method according to claim 7, wherein in the recycling step, the gas obtained from the high pressure desorption step is recycled to the adsorption step after increasing the hydrogen concentration using a hydrogen separation membrane. 前記二酸化炭素分離膜の、水素透過係数に対する二酸化炭素透過係数の比αが、5以上である請求項1から8の何れか一項記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 8, wherein the carbon dioxide separation membrane has a ratio α of a carbon dioxide permeability coefficient to a hydrogen permeability coefficient of 5 or more.
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