JP6202930B2 - 水素製造装置、及び水素製造方法 - Google Patents
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当該水素製造装置の一例として、圧送装置により圧送される原料ガスを脱硫する脱硫器と、脱硫後の原料ガスを水蒸気との混合状態で加熱して改質ガスを得る改質器と、当該改質器からの改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させて水素リッチガスを得るCO変成器と、当該水素リッチガスから水素以外の不純物を分離して水素を精製する水素精製部(PSA方式を用いた装置)とを備えたものが知られている(特許文献1を参照)。
当該水素精製部にて、水素を精製する際には、脱硫器を200〜300℃程度に、改質器を700〜800℃程度に、CO変成器を200〜450℃程度に維持する必要があるため、外部から供給される燃料ガス(例えば、都市ガス13A)を燃焼して改質器の触媒を昇温させる加熱装置を備え、昇温された改質器の触媒を通過して昇温された比較的高温の改質ガスを、CO変成器に導くことで当該CO変成器を昇温させると共に、当該CO変成器に併設する脱硫器をも昇温させるように構成されている。
また、他の水素製造装置として、原料ガスに水蒸気を混合し加熱して改質ガスを得る改質器と、当該改質ガスを昇圧させる昇圧装置と、昇圧された改質ガスを水素と水素以外のオフガスとに分離するPSA式の水素精製部と、水素精製部からのオフガスを貯留可能なオフガス用タンクとを備えたものが知られている(特許文献2を参照)。
当該特許文献2に開示の水素製造装置では、水素製造の停止中において、水素精製部を所定の圧力に維持すべく、昇圧装置と水素精製部とオフガス用タンクとにガスを循環する閉循環回路を形成すると共に、当該閉循環回路に水素精製部で精製した水素リッチガスを循環させる水素循環運転を実行可能に構成されている。これにより、水素精製部の吸着材から水素以外のオフガスが脱離して拡散することを防止して、起動時から高い純度の水素を水素精製部から供給可能として、起動時におけるタイムロスを低減している。
しかしながら、上述したように、上記特許文献1に開示の技術のような、一般的な水素製造装置においては、改質器を700〜800℃程度に、CO変成器を200〜450℃程度に、脱硫器を200〜300℃程度に維持する必要があるため、上記特許文献1に開示の技術のように、水素精製部から起動直後に高純度の水素を送出可能な構成を採用していたとしても、起動直後には、改質器等が十分に昇温していないため、水素の製造がすぐに実行されることはなく、改善の余地があった。
圧送装置により圧送される原料ガスを脱硫する脱硫器と、脱硫後の原料ガスを水蒸気との混合状態で加熱して改質ガスを得る改質器と、当該改質器からの改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させるCO変成器と、当該CO変成器にて処理された後のガスから水素以外の不純物を分離して水素リッチガスを精製する水素精製部と、前記脱硫器と前記改質器と前記CO変成器と前記水素精製部とに亘ってガスを通流可能なガス流通路とを備えた水素製造装置であって、その特徴構成は、
外部から供給される燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱する加熱手段を備え、
前記ガス流通路が、回路切り替えにより、前記圧送装置、前記脱硫器、前記改質器、前記CO変成器、及び前記水素精製部に循環させる閉循環回路に切替自在に構成され、
水素の製造停止時において、前記加熱手段による前記改質器の加熱を維持すると共に、前記ガス流通路を前記閉循環回路に切り替えて、前記水素リッチガスを前記閉循環回路に通流させ温間保圧運転を実行する制御装置を備える点にある。
更に、当該温間保圧運転にあっては、例えば、吸着材等を内部に備え圧力スイング吸着法により水素リッチガスを貯留する水素精製部に対しても、圧送装置にて圧送された高い圧力の水素リッチガスを循環させ、その内部圧力を維持することができるため、水素の製造停止中においても、当該水素精製部の吸着材から水素以外のオフガスが脱離し拡散することを防止できる。結果、起動初期において、当該水素精製部から、直ちに、水素を高い濃度で取り出し供給できる。
尚、現在、一般的に知られている水素製造装置(例えば、HYSERVE30(登録商標))に対し、本発明を適用する場合、その起動時間を、1時間程度から30分程度へ短縮することができると共に、起動時に消費される原料ガスを2.5Nm3程度削減することができる。
以上より、その起動直後から、水素の供給及び製造を実行し得る水素製造装置を実現できる。
前記閉循環回路は、前記圧送装置、前記脱硫器、前記改質器、前記CO変成器、及び前記水素精製部に対し、記載の順に前記水素リッチガスを循環させる回路である点にある。
前記水素精製部から排出される水素以外の不純物を主成分とするオフガスを貯留可能なオフガスタンクと、
当該オフガスタンクから排出されるオフガスを前記加熱手段へ導くオフガス流通路とを備え、
前記閉循環回路は、前記水素精製部から前記圧送装置までの間の回路の一部に、前記オフガス流通路を用いる点にある。
また、当該構成を採用することで、水素の製造停止中においては、オフガス流通路が昇温された水素リッチガスにて予熱されることになるから、例えば、水素の製造運転が再開されたときには、加熱手段に比較的温度の高いオフガスを供給することができ、熱効率を高めることができる。
前記水素精製部から排出される水素以外の不純物を主成分とするオフガスを貯留可能なオフガスタンクを備え、
前記閉循環回路は、前記圧送装置、前記脱硫器、前記改質器、前記CO変成器、前記水素精製部、及び前記オフガスタンクに対し、記載の順に前記水素リッチガスを循環させる回路である点にある。
圧送装置にて圧送される原料ガスを脱硫器にて脱硫し、改質器にて脱硫後の原料ガスに水蒸気を混合し加熱して改質ガスを得、CO変成器にて改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させ、当該CO変成器を出た後のガスを水素精製部にて水素以外の不純物を分離して水素リッチガスを精製する水素製造方法であって、その特徴構成は、
前記水素リッチガスの製造停止中において、
前記水素リッチガスを、前記圧送装置、前記脱硫器、前記改質器、前記CO変成器、及び前記水素精製部に循環させる循環工程と、
前記改質器を加熱する加熱工程とを有する温間保圧運転を実行する点にある。
以下、図1〜3に基づいて、本願の水素製造装置100、及びそれによる水素製造方法について説明を加える。尚、図1〜3において、原料ガスや水素リッチガス等が通流している流通路については太線で示し、通流していない流通路については細線で示している。また、流通路を開閉するバルブに関し、開放状態にあるものは白抜きで示し、閉止状態にあるものは黒塗りで示している。
改質部10は、圧縮機11(圧送装置)にて圧縮された原料ガスを脱硫する脱硫器12と、脱硫後の原料ガスに水蒸気(純水)を混合し加熱して改質ガスを得る改質器13と、改質器13からの改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させるCO変成器17とを備える。
脱硫器12には、Ni−Mo系、ZnO系等の脱硫触媒が充填されており、当該脱硫触媒により、原料ガス中の付臭剤等の硫黄成分を除去している。これにより、原料ガスを、改質器13に充填された改質触媒を劣化させにくい性状としている。
改質器13は、改質器13に充填される改質触媒(例えば、ニッケル系触媒)を触媒活性温度に維持するべく、外部から供給される燃料ガス(例えば、都市ガス13A)を燃焼させて改質触媒を加熱するバーナ装置14(加熱手段の一例)を備えている。尚、また、改質器13に原料ガスを供給する第2流通路L2には、純水をその排ガスの熱により加熱する第1熱交換器15にて加熱され気化した水蒸気と原料ガスとを混合する混合部16が設けられており、原料ガスへの水蒸気の混合を促進している。
CO変成器17には、一酸化炭素変成触媒が充填され、改質ガス中の一酸化炭素が水蒸気と反応して水素と二酸化炭素に変換される。一酸化炭素変成触媒としては、高温用、中温用、低温用があり、運転温度に応じて適当なものが使用される。運転温度が300〜450℃の高温用触媒としては、例えば、鉄−クロム系触媒が挙げられ、運転温度が180〜450℃の中温用触媒、及び、190〜250℃の低温用触媒としては、例えば、銅−亜鉛系触媒が挙げられる。また、これら高温用、中温用、低温用の触媒は、2種以上を組み合わせて用いることができる。
水素分離部20は、改質部10にて改質された改質ガスから水素以外の不純物を分離すべく、圧力スイング式吸着法(以下、PSA法と略称することがある)を実行可能な構成を採用している。
説明を追加すると、水素分離部20は、複数(当該実施形態では3つ)の吸着塔20a、20b、20c(水素精製部の一例)と、オフガスタンク21とを備えている。
各吸着塔20a、20b、20cは、吸着材としてゼオライト系吸着材、活性炭、シリカゲルなどを組み合わせたものが充填されている。各吸着塔20a、20b、20cでは、通常のPSA法と同様に、吸着工程、減圧工程、パージ工程、及び昇圧程圧のプロセスを、複数の吸着塔20a、20b、20cで位相を異ならせて実行することにより、連続的に水素リッチガスを製品水素として供給可能に構成されている。詳細な説明は省略するが、上述のプロセスは、流通路に設けられる複数のバルブ(図示略)の開閉により、順次実行される。
尚、図1では、吸着塔20aに水素リッチガスを通流して昇圧する例を示している。
一方、水素分離部20で水素が分離された後のオフガスは、水素分離部20に第2バルブV2を介して接続されたオフガスタンク21に一時貯留される。オフガスタンク21に貯留されたオフガスは、水素、メタン等の可燃性ガスを含むため、オフガス流通路L8を介してバーナ装置14へ導かれ、燃料ガスとして用いられる。
図1では、製品水素である水素リッチガス側の流れのみを示しているが、製品水素の送出と、オフガスの送出は、異なった吸着塔を対象として、同時に行われるタイミングが存在する。
本願の水素製造装置100にあっては、このような起動遅延時間の短縮を図るべく、図2に示すように、製品水素の製造停止時(原料ガスの供給停止時)において、以下に示す温間保圧運転を実行する。
当該温間保圧運転において、図2に示すように、制御装置30は、まず、第1バルブV1〜第6バルブV6の開閉状態を制御して、圧縮機11、脱硫器12、改質器13、CO変成器17、第2熱交換器18、気液分離部19、吸着塔20a、20b、20cに対し、水素リッチガスを循環させる閉循環回路Cを形成すると共に、圧縮機11を働かせ、閉循環回路Cに水素リッチガスを循環させる循環工程を実行する。
説明を追加すると、閉循環回路Cは、上述した第1流通路L1、第2流通路L2、第3流通路L3、第4流通路L4、第5流通路L5に加え、オフガスタンク21をバイパスする第1バイパス流通路L9、オフガス流通路L8の一部の流通路部位(図2でL8aで示される流通路部位)、オフガス流通路L8の一部の流通路部位L8aと圧縮機11の上流側とを接続するバイパス流通路L10とから成る。
これにより、閉循環回路Cには、圧縮機11にて圧縮され昇圧した水素リッチガスを、吸着塔20a、20b、20c内に循環させ、当該吸着塔20a、20b、20cを順次保圧し、吸着塔20a、20b、20cの吸着材から水素以外のオフガスが脱離して拡散することを防止する。結果、水素の製造開始時において、直ちに、吸着塔20a、20b、20cから、製品水素を供給できる。
尚、図2においては、吸着塔20aと吸着塔20bとに水素リッチガスを通流させている例を示しているが、水素リッチガスを通流させる吸着塔は、経時的に、順次変更させる。例えば、水素リッチガスを、吸着塔20aと吸着塔20bとに通流させる第1工程と、吸着塔20bと吸着塔20cとに通流させる第2工程と、吸着塔20cと吸着塔20aとに通流させる第3工程とを、経時的に切り換えて実行する。
(1)上記実施形態では、原料ガスとして、都市ガスを用いる例を示したが、例えば、他の例としては、ガス状炭化水素から最終沸点240℃程度の重質ナフサ等も用いることができる。
説明を追加すると、図3に示すように、制御装置30は、第1バルブV1〜第6バルブV6の開閉状態を制御して、閉循環回路Cを、第1流通路L1、第2流通路L2、第3流通路L3、第4流通路L4、第5流通路L5、オフガス流通路L8、第2バイパス流通路L10にて構成する。
これにより、上述した温間保圧運転において、水素リッチガスが、圧縮機11、脱硫器12、改質器13、CO変成器17、第2熱交換器18、気液分離部19、吸着塔20a、20b、20c、オフガスタンク21に、記載順に通流する。結果、昇圧装置11には、オフガスタンク21を通過することにより降圧した水素リッチガスを供給することができるから、入力側の圧力に比較的低い上限値が設定されているような昇圧装置11を用いるような場合であっても、その上限値よりも低い圧力の水素リッチガスを供給することができる。
として、有効に利用可能である。
12 :脱硫器
13 :改質器
14 :バーナ装置
17 :CO変成器
20a :吸着塔
20b :吸着塔
20c :吸着塔
21 :オフガスタンク
30 :制御装置
C :閉循環回路
100 :水素製造装置
Claims (5)
- 圧送装置により圧送される原料ガスを脱硫する脱硫器と、脱硫後の原料ガスを水蒸気との混合状態で加熱して改質ガスを得る改質器と、当該改質器からの改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させるCO変成器と、当該CO変成器にて処理された後のガスから水素以外の不純物を分離して水素リッチガスを精製する水素精製部と、前記脱硫器と前記改質器と前記CO変成器と前記水素精製部とに亘ってガスを通流可能なガス流通路とを備えた水素製造装置であって、
外部から供給される燃料ガスを燃焼させて前記改質器を加熱する加熱手段を備え、
前記ガス流通路が、回路切り替えにより、前記圧送装置、前記脱硫器、前記改質器、前記CO変成器、及び前記水素精製部に循環させる閉循環回路に切替自在に構成され、
水素の製造停止時において、前記加熱手段による前記改質器の加熱を維持すると共に、前記ガス流通路を前記閉循環回路に切り替えて、前記水素リッチガスを前記閉循環回路に通流させ温間保圧運転を実行する制御装置を備える水素製造装置。 - 前記閉循環回路は、前記圧送装置、前記脱硫器、前記改質器、前記CO変成器、及び前記水素精製部に対し、記載の順に前記水素リッチガスを循環させる回路である請求項1に記載の水素製造装置。
- 前記水素精製部から排出される水素以外の不純物を主成分とするオフガスを貯留可能なオフガスタンクと、
当該オフガスタンクから排出されるオフガスを前記加熱手段へ導くオフガス流通路とを備え、
前記閉循環回路は、前記水素精製部から前記圧送装置までの間の回路の一部に、前記オフガス流通路を用いる請求項1又は2に記載の水素製造装置。 - 前記水素精製部から排出される水素以外の不純物を主成分とするオフガスを貯留可能なオフガスタンクを備え、
前記閉循環回路は、前記圧送装置、前記脱硫器、前記改質器、前記CO変成器、前記水素精製部、及び前記オフガスタンクに対し、記載の順に前記水素リッチガスを循環させる回路である請求項1に記載の水素製造装置。 - 圧送装置にて圧送される原料ガスを脱硫器にて脱硫し、改質器にて脱硫後の原料ガスに水蒸気を混合し加熱して改質ガスを得、CO変成器にて改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させ、当該CO変成器を出た後のガスを水素精製部にて水素以外の不純物を分離して水素リッチガスを精製する水素製造方法であって、
前記水素リッチガスの製造停止中において、
前記水素リッチガスを、前記圧送装置、前記脱硫器、前記改質器、前記CO変成器、及び前記水素精製部に循環させる循環工程と、
前記改質器を加熱する加熱工程とを有する温間保圧運転を実行する水素製造方法。
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