JP6353818B2 - System comprising a steam reforming circuit and a methanation circuit - Google Patents
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Description
本発明は、水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステムに関する。 The present invention relates to a system including a steam reforming circuit and a methanation circuit.
従来、水素を生成する方法として、炭化水素と水蒸気とを反応させる水蒸気改質が知られており、メタンを生成する方法として、一酸化炭素や二酸化炭素と水素とを反応させるメタネーションが知られている。例えば、特許文献1には、水蒸気改質を行う水蒸気改質回路と、メタネーションを行うメタネーション回路と、を備えるシステムが開示されている。 Conventionally, steam reforming in which hydrocarbon and steam are reacted is known as a method for generating hydrogen, and methanation in which carbon monoxide or carbon dioxide is reacted with hydrogen is known as a method for generating methane. ing. For example, Patent Document 1 discloses a system including a steam reforming circuit that performs steam reforming and a methanation circuit that performs methanation.
水蒸気改質回路は、第1圧縮機と、水蒸気改質反応器と、第1熱交換器と、を有している。第1圧縮機は、炭化水素と水蒸気とを含む第1反応前媒体を圧縮する。具体的に、第1圧縮機では、第1反応前媒体の温度が、水蒸気改質反応器で有効に水蒸気改質が行われる反応温度にまで上昇するように、当該第1反応前媒体が圧縮される。水蒸気改質反応器は、第1圧縮機から吐出された第1反応前媒体中の炭化水素と水蒸気とを反応させることにより水素を主成分とする水素豊富媒体を生成する水蒸気改質を行わせる反応器である。第1熱交換器は、水蒸気改質反応器から流出した水素豊富媒体と第1圧縮機に流入する前の第1反応前媒体とを熱交換させることによって第1反応前媒体を加熱する。なお、第1熱交換器から流出した水素豊富媒体は、冷却器及び気液分離器を経て回収される。 The steam reforming circuit has a first compressor, a steam reforming reactor, and a first heat exchanger. The first compressor compresses the first pre-reaction medium containing hydrocarbons and water vapor. Specifically, in the first compressor, the first pre-reaction medium is compressed so that the temperature of the first pre-reaction medium rises to a reaction temperature at which steam reforming is effectively performed in the steam reforming reactor. Is done. The steam reforming reactor causes steam reforming to generate a hydrogen-rich medium mainly composed of hydrogen by reacting the hydrocarbon in the first pre-reaction medium discharged from the first compressor with steam. Reactor. The first heat exchanger heats the first pre-reaction medium by exchanging heat between the hydrogen-rich medium flowing out of the steam reforming reactor and the first pre-reaction medium before flowing into the first compressor. Note that the hydrogen-rich medium flowing out from the first heat exchanger is recovered through the cooler and the gas-liquid separator.
メタネーション回路は、メタネーション反応器と、第2圧縮機と、第2熱交換器と、を有している。メタネーション反応器は、一酸化炭素や二酸化炭素と水素とを反応させることによりメタンを主成分とするメタン豊富媒体を生成するメタネーションを行わせる反応器である。第2圧縮機は、メタネーション反応器で生成されたメタン豊富媒体を圧縮する。第2熱交換器は、第2圧縮機から吐出されたメタン豊富媒体とメタネーション反応器に流入する前の第2反応前媒体(一酸化炭素や二酸化炭素と水素とを含む媒体)とを熱交換させることにより第2反応前媒体を加熱する。具体的に、第2熱交換器では、第2反応前媒体の温度がメタネーション反応器で有効にメタネーションが行われる反応温度になるように当該第2反応前媒体がメタン豊富媒体により加熱される。換言すれば、第2圧縮機では、メタネーション反応器から流出したメタン豊富媒体の温度が、第2熱交換器において第2反応前媒体の温度を前記反応温度にまで上昇させることが可能となる温度となるように、メタン豊富媒体が圧縮される。なお、第2熱交換器から流出したメタン豊富媒体は、膨張機で膨張した後、冷却器を経て回収される。 The methanation circuit has a methanation reactor, a second compressor, and a second heat exchanger. The methanation reactor is a reactor that performs methanation to produce a methane-rich medium mainly composed of methane by reacting carbon monoxide or carbon dioxide with hydrogen. The second compressor compresses the methane rich medium produced in the methanation reactor. The second heat exchanger heats the methane-rich medium discharged from the second compressor and the second pre-reaction medium (medium containing carbon monoxide, carbon dioxide, and hydrogen) before flowing into the methanation reactor. The second pre-reaction medium is heated by exchanging. Specifically, in the second heat exchanger, the second pre-reaction medium is heated by the methane-rich medium so that the temperature of the second pre-reaction medium becomes a reaction temperature at which methanation is effectively performed in the methanation reactor. The In other words, in the second compressor, the temperature of the methane-rich medium flowing out from the methanation reactor can increase the temperature of the second pre-reaction medium to the reaction temperature in the second heat exchanger. The methane rich medium is compressed to reach temperature. Note that the methane-rich medium flowing out from the second heat exchanger is recovered by a cooler after being expanded by an expander.
上記文献1に記載のシステムでは、第1圧縮機及び第2圧縮機として、耐熱性に優れたものが必要となる。具体的に、水蒸気改質反応器で有効に水蒸気改質が行われる反応温度は高温であるため、水蒸気改質反応器に流入する第1反応前媒体を圧縮する第1圧縮機は、優れた耐熱性を備えている必要がある。同様に、メタネーション反応器で有効にメタネーションが行われる反応温度は高温であるため、メタネーション反応器から流出したメタン豊富媒体を圧縮する第2圧縮機は、優れた耐熱性を備えている必要がある。このような圧縮機、すなわち、耐熱性に優れた圧縮機の製造には、高価でかつ加工が困難な材料が必要となる。 In the system described in Document 1, the first compressor and the second compressor need to have excellent heat resistance. Specifically, since the reaction temperature at which steam reforming is effectively performed in the steam reforming reactor is high, the first compressor that compresses the first pre-reaction medium flowing into the steam reforming reactor is excellent. Must have heat resistance. Similarly, since the reaction temperature at which methanation is effectively performed in the methanation reactor is high, the second compressor that compresses the methane-rich medium flowing out of the methanation reactor has excellent heat resistance. There is a need. In order to manufacture such a compressor, that is, a compressor having excellent heat resistance, an expensive material that is difficult to process is required.
本発明の目的は、耐熱性に優れた高価な圧縮機を用いることなく運転可能な水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステムを提供することである。 An object of the present invention is to provide a system including a steam reforming circuit and a methanation circuit that can be operated without using an expensive compressor having excellent heat resistance.
前記課題を解決するための手段として、本発明は、水蒸気改質を行う水蒸気改質回路と、メタネーション反応を行うメタネーション回路と、を備え、前記水蒸気改質回路は、炭化水素と水蒸気とを反応させることにより水素を主成分とする水素豊富媒体を生成する水蒸気改質を行わせる水蒸気改質反応器と、前記水蒸気改質反応器から流出した水素豊富媒体に対して外部から熱を供給することにより前記水素豊富媒体を加熱する第1加熱器と、前記第1加熱器から流出した水素豊富媒体と、炭化水素と水蒸気とを含みかつ前記水蒸気改質反応器に流入する前の第1反応前媒体と、を熱交換させることによって前記第1反応前媒体を加熱する第1熱交換器と、を有し、前記メタネーション回路は、一酸化炭素及び二酸化炭素の少なくとも一方と水素とを反応させることによりメタンを主成分とするメタン豊富媒体を生成するメタネーションを行わせるメタネーション反応器と、前記メタネーション反応器から流出したメタン豊富媒体に対して外部から熱を供給することにより前記メタン豊富媒体を加熱する第2加熱器と、前記第2加熱器から流出したメタン豊富媒体と、一酸化炭素及び二酸化炭素の少なくとも一方と水素とを含みかつ前記メタネーション反応器に流入する前の第2反応前媒体と、を熱交換させることによって前記第2反応前媒体を加熱する第2熱交換器と、を有し、前記第1加熱器は、前記水蒸気改質反応器から流出した水素豊富媒体の温度が、前記第1熱交換器において前記第1反応前媒体の温度を前記水蒸気改質反応器で水蒸気改質が行われる反応温度まで上昇させることが可能な温度となるように、前記水素豊富媒体を加熱し、前記第2加熱器は、前記メタネーション反応器から流出したメタン豊富媒体の温度が、前記第2熱交換器において前記第2反応前媒体の温度を前記メタネーション反応器でメタネーションが行われる反応温度まで上昇させることが可能な温度となるように、前記メタン豊富媒体を加熱する、水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステムを提供する。 As means for solving the above problems, the present invention comprises a steam reforming circuit that performs steam reforming and a methanation circuit that performs a methanation reaction, and the steam reforming circuit includes hydrocarbon and steam. A steam reforming reactor for performing a steam reforming to produce a hydrogen-rich medium mainly composed of hydrogen by reacting with water, and supplying heat from the outside to the hydrogen-rich medium flowing out of the steam reforming reactor A first heater that heats the hydrogen-rich medium, a hydrogen-rich medium that has flowed out of the first heater, a hydrocarbon and steam, and the first heater before flowing into the steam reforming reactor. A first heat exchanger that heats the first pre-reaction medium by exchanging heat with the pre-reaction medium, and the methanation circuit includes at least one of carbon monoxide and carbon dioxide. A methanation reactor for performing methanation to produce a methane-rich medium mainly composed of methane by reacting with the element, and supplying heat from the outside to the methane-rich medium flowing out of the methanation reactor A methane-rich medium flowing out of the second heater, at least one of carbon monoxide and carbon dioxide, and hydrogen, and flowing into the methanation reactor A second heat exchanger that heats the second pre-reaction medium by exchanging heat with the second pre-reaction medium before the first reaction medium, wherein the first heater is from the steam reforming reactor. The temperature of the hydrogen-rich medium flowing out increases the temperature of the first pre-reaction medium in the first heat exchanger to a reaction temperature at which steam reforming is performed in the steam reforming reactor. The hydrogen-rich medium is heated to a temperature that can be heated, and the second heater has a temperature of the methane-rich medium flowing out of the methanation reactor in the second heat exchanger. (2) A steam reforming circuit and a methanation circuit for heating the methane-rich medium so that the temperature of the pre-reaction medium can be increased to a reaction temperature at which the methanation is performed in the methanation reactor. A system is provided.
本システムでは、水蒸気改質反応器から流出した水素豊富媒体は、第1加熱器により加熱された後に第1熱交換器に流入し、また、メタネーション反応器から流出したメタン豊富媒体は、第2加熱器により加熱された後に第2熱交換器に流入する。よって、水蒸気改質反応器から流出した高温の水素豊富媒体をさらに高温にするために当該水素豊富媒体を圧縮する圧縮機や、メタネーション反応器から流出した高温のメタン豊富媒体をさらに高温にするために当該メタン豊富媒体を圧縮する圧縮機、すなわち、耐熱性に優れた高価な圧縮機を用いることなく運転することが可能となる。 In this system, the hydrogen-rich medium flowing out from the steam reforming reactor flows into the first heat exchanger after being heated by the first heater, and the methane-rich medium flowing out from the methanation reactor is After being heated by the two heaters, it flows into the second heat exchanger. Therefore, in order to further increase the temperature of the high-temperature hydrogen-rich medium flowing out from the steam reforming reactor, the compressor that compresses the hydrogen-rich medium or the high-temperature methane-rich medium flowing out of the methanation reactor is further increased in temperature. Therefore, it is possible to operate without using a compressor that compresses the methane-rich medium, that is, an expensive compressor having excellent heat resistance.
この場合において、前記メタネーション反応器と当該メタネーション反応器の周りの伝熱空間とを取り囲む形状を有する包囲部をさらに備え、前記メタネーション反応器は、当該メタネーション反応器内でのメタネーション時の反応熱を前記伝熱空間に伝達可能に構成されていることが好ましい。 In this case, it further comprises an enclosure having a shape surrounding the methanation reactor and the heat transfer space around the methanation reactor, and the methanation reactor comprises methanation in the methanation reactor. It is preferable that the heat of reaction at the time be transmitted to the heat transfer space.
この態様では、包囲部内において、メタネーション反応器でのメタネーション時の反応熱の輻射熱を有効に利用することができる。 In this aspect, the radiant heat of the reaction heat at the time of methanation in the methanation reactor can be effectively used in the enclosure.
さらにこの場合において、前記伝熱空間の温度が目標範囲内に収まるように、前記メタネーション反応器への前記第2反応前媒体の供給量を調整する制御部をさらに備えることが好ましい。 Furthermore, in this case, it is preferable to further include a controller that adjusts the supply amount of the second pre-reaction medium to the methanation reactor so that the temperature of the heat transfer space falls within a target range.
このようにすれば、伝熱空間の温度が目標範囲内に収まるように、メタネーション反応器への第2反応前媒体の供給量、すなわち、メタネーション時の反応熱量が調整されるので、伝熱空間において安定的にメタネーション時の反応熱を回収することができる。 In this way, the amount of supply of the second pre-reaction medium to the methanation reactor, that is, the amount of heat of reaction at the time of methanation is adjusted so that the temperature of the heat transfer space falls within the target range. The heat of reaction during methanation can be recovered stably in the heat space.
具体的に、前記メタネーション反応器に前記第2反応前媒体を供給する第2供給流路と、前記第2供給流路に設けられた第2圧縮機と、前記第2供給流路に設けられた第2開閉弁と、をさらに備え、前記制御部は、前記伝熱空間の温度が前記目標範囲の下限値よりも小さく、かつ、前記第2供給流路の前記第2反応前媒体の流量が規定量よりも小さいときに、前記第2圧縮機の回転数を上げるとともに前記第2開閉弁の開度を大きくし、かつ、前記第2加熱器での前記メタン豊富媒体の加熱量を増やし、前記伝熱空間の温度が前記目標範囲の下限値よりも小さく、かつ、前記第2供給流路の前記第2反応前媒体の流量が前記規定量よりも大きいときに、前記第2圧縮機の回転数を下げるとともに前記第2開閉弁の開度を小さくし、かつ、前記第2加熱器での前記メタン豊富媒体の加熱量を増やし、前記伝熱空間の温度が前記目標範囲の上限値よりも大きいときに、前記第2圧縮機の回転数を下げるとともに前記第2開閉弁の開度を小さくし、かつ、前記第2加熱器での前記メタン豊富媒体の加熱量を減らすことが好ましい。 Specifically, a second supply channel that supplies the second pre-reaction medium to the methanation reactor, a second compressor that is provided in the second supply channel, and a second supply channel that are provided in the second supply channel. A second opening / closing valve, wherein the controller is configured such that the temperature of the heat transfer space is lower than a lower limit value of the target range, and the second pre-reaction medium of the second supply flow path When the flow rate is smaller than a specified amount, the rotational speed of the second compressor is increased, the opening of the second on-off valve is increased, and the heating amount of the methane-rich medium in the second heater is increased. The second compression when the temperature of the heat transfer space is smaller than the lower limit value of the target range and the flow rate of the second pre-reaction medium in the second supply flow path is larger than the specified amount. Lowering the rotational speed of the machine and reducing the opening of the second on-off valve, and When the heating amount of the methane-rich medium in the two heaters is increased and the temperature of the heat transfer space is larger than the upper limit value of the target range, the second compressor is lowered and the second on-off valve It is preferable to reduce the amount of heating of the methane-rich medium in the second heater.
また、本発明において、前記第1熱交換器から流出した水素豊富媒体を膨張させる第1膨張機と、前記第1膨張機に接続された第1動力回収機と、をさらに備えることが好ましい。 Moreover, in this invention, it is preferable to further provide the 1st expander which expands the hydrogen rich medium which flowed out from the said 1st heat exchanger, and the 1st power recovery machine connected to the said 1st expander.
このようにすれば、水素豊富媒体の有するエネルギーを、第1膨張機を介して第1動力回収機で有効に回収することができる。 If it does in this way, the energy which a hydrogen rich medium has can be effectively collect | recovered with a 1st power recovery device via a 1st expander.
また、本発明において、前記第2熱交換器から流出したメタン豊富媒体を膨張させる第2膨張機と、前記第2膨張機に接続された第2動力回収機と、をさらに備えることが好ましい。 Moreover, in this invention, it is preferable to further provide the 2nd expander which expands the methane rich medium which flowed out from the said 2nd heat exchanger, and the 2nd power recovery machine connected to the said 2nd expander.
このようにすれば、メタン豊富媒体の有するエネルギーを、第2膨張機を介して第2動力回収機で有効に回収することができる。 If it does in this way, the energy which a methane rich medium has can be effectively collected with the 2nd power recovery machine via the 2nd expansion machine.
以上のように、本発明によれば、耐熱性に優れた高価な圧縮機を用いることなく運転可能な水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステムを提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a system including a steam reforming circuit and a methanation circuit that can be operated without using an expensive compressor having excellent heat resistance.
本発明の一実施形態の水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステムについて、図1〜図5を参照しながら説明する。 A system including a steam reforming circuit and a methanation circuit according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1に示されるように、本システムは、水蒸気改質回路1と、メタネーション回路2と、を備えている。 As shown in FIG. 1, the present system includes a steam reforming circuit 1 and a methanation circuit 2.
水蒸気改質回路1は、水蒸気改質反応器R1と、第1供給流路S11と、第1回収流路S12と、第1加熱器H1と、第1熱交換器HX1と、第1気液分離器F1と、第1膨張機EX1と、第1動力回収機G1と、を有している。 The steam reforming circuit 1 includes a steam reforming reactor R1, a first supply channel S11, a first recovery channel S12, a first heater H1, a first heat exchanger HX1, and a first gas / liquid. It has a separator F1, a first expander EX1, and a first power recovery machine G1.
第1供給流路S11は、水蒸気改質反応器R1に対し、炭化水素と水蒸気とを含む媒体(以下、「第1反応前媒体」という。)を供給する流路である。本実施形態では、第1反応前媒体として、メタンと水蒸気とを含む媒体が供給される。 The first supply channel S11 is a channel that supplies a medium containing hydrocarbons and steam (hereinafter referred to as “first pre-reaction medium”) to the steam reforming reactor R1. In the present embodiment, a medium containing methane and water vapor is supplied as the first pre-reaction medium.
水蒸気改質反応器R1は、第1供給流路S11から供給された炭化水素と水蒸気とを反応させることにより水素豊富媒体(水素を主成分とする媒体)を生成する水蒸気改質を行わせる反応器である。この反応は、吸熱反応である。本実施形態では、水蒸気改質に必要な熱は、外部熱源から供給される。水蒸気改質反応器R1内には、触媒が配置されている。 The steam reforming reactor R1 is a reaction for performing steam reforming to generate a hydrogen-rich medium (medium containing hydrogen as a main component) by reacting the hydrocarbon supplied from the first supply channel S11 with steam. It is a vessel. This reaction is an endothermic reaction. In this embodiment, the heat required for steam reforming is supplied from an external heat source. A catalyst is disposed in the steam reforming reactor R1.
第1回収流路S12は、水蒸気改質反応器R1から流出した水素豊富媒体を回収する流路である。 The first recovery channel S12 is a channel for recovering the hydrogen-rich medium that has flowed out of the steam reforming reactor R1.
第1加熱器H1は、第1回収流路S12に設けられている。第1加熱器H1は、水蒸気改質反応器R1から流出した水素豊富媒体に対して外部から熱を供給することにより水素豊富媒体を加熱する。本実施形態では、第1加熱器H1として、電気ヒータが用いられている。ただし、第1加熱器H1として、燃焼式加熱器やIH加熱器が用いられてもよい。 The first heater H1 is provided in the first recovery flow path S12. The first heater H1 heats the hydrogen-rich medium by supplying heat from the outside to the hydrogen-rich medium flowing out from the steam reforming reactor R1. In the present embodiment, an electric heater is used as the first heater H1. However, a combustion heater or an IH heater may be used as the first heater H1.
第1熱交換器HX1は、第1加熱器H1から流出した水素豊富媒体と、水蒸気改質反応器R1に流入する前の第1反応前媒体と、を熱交換させることによって第1反応前媒体を加熱する。すなわち、第1熱交換器HX1は、第1供給流路S11と第1回収流路S12とが交差する部位に設けられている。第1熱交換器HX1では、第1反応前媒体の温度が水蒸気改質反応器R1で有効に水蒸気改質が行われる反応温度になるように、当該第1反応前媒体が水素豊富媒体により加熱される。換言すれば、第1加熱器H1では、水蒸気改質反応器R1から流出した水素豊富媒体の温度が、第1熱交換器HX1において第1反応前媒体の温度を前記反応温度まで上昇させることが可能となる温度となるように、水素豊富媒体が加熱される。 The first heat exchanger HX1 exchanges heat between the hydrogen-rich medium flowing out from the first heater H1 and the first pre-reaction medium before flowing into the steam reforming reactor R1, thereby allowing the first pre-reaction medium to be exchanged. Heat. That is, the first heat exchanger HX1 is provided at a portion where the first supply channel S11 and the first recovery channel S12 intersect. In the first heat exchanger HX1, the first pre-reaction medium is heated by the hydrogen-rich medium so that the temperature of the first pre-reaction medium becomes a reaction temperature at which steam reforming is effectively performed in the steam reforming reactor R1. Is done. In other words, in the first heater H1, the temperature of the hydrogen-rich medium flowing out from the steam reforming reactor R1 can increase the temperature of the first pre-reaction medium to the reaction temperature in the first heat exchanger HX1. The hydrogen rich medium is heated to a possible temperature.
第1気液分離器F1は、第1回収流路S12のうち第1熱交換器HX1よりも下流側の部位に設けられている。第1気液分離器F1は、水素豊富媒体から水分(第1反応媒体の未反応分)を分離する。この水分は、熱交換器HX4を経て排出される。 The 1st gas-liquid separator F1 is provided in the site | part in the downstream of 1st heat exchanger HX1 among 1st collection | recovery flow paths S12. The first gas-liquid separator F1 separates moisture (unreacted portion of the first reaction medium) from the hydrogen-rich medium. This moisture is discharged through the heat exchanger HX4.
第1膨張機EX1は、第1気液分離器F1から流出した水素豊富媒体を膨張させる。換言すれば、第1膨張機EX1は、水素豊富媒体のエネルギーにより駆動される。第1膨張機EX1から流出した水素豊富媒体は、熱交換器HX3を経て回収される。第1気液分離器F1、第1膨張機EX1、熱交換器HX3及び熱交換器HX4は、ガス分離をする必要がなく、また動力回収をしない場合には省略できる。 The first expander EX1 expands the hydrogen-rich medium that has flowed out of the first gas-liquid separator F1. In other words, the first expander EX1 is driven by the energy of the hydrogen-rich medium. The hydrogen-rich medium flowing out from the first expander EX1 is recovered via the heat exchanger HX3. The first gas-liquid separator F1, the first expander EX1, the heat exchanger HX3, and the heat exchanger HX4 do not require gas separation and can be omitted when power recovery is not performed.
第1動力回収機G1は、第1膨張機EX1に接続されている。つまり、第1動力回収機G1は、第1気液分離器F1から流出した水素豊富媒体のエネルギーを第1膨張機EX1を介して回収する。本実施形態では、第1動力回収機G1として、発電機が用いられている。 The first power recovery machine G1 is connected to the first expander EX1. That is, the first power recovery machine G1 recovers the energy of the hydrogen-rich medium flowing out from the first gas-liquid separator F1 via the first expander EX1. In the present embodiment, a generator is used as the first power recovery machine G1.
本実施形態では、第1供給流路S11のうち第1熱交換器HX1の上流側の部位には、第1開閉弁V1と第1圧縮機C1とが設けられている。第1開閉弁V1は、開度調整可能な開閉弁である。第1圧縮機C1は、回転数が調整可能であり、第1反応前媒体を水蒸気改質反応器R1に向けて送る。すなわち、第1開閉弁V1及び第1圧縮機C1は、水蒸気改質反応器R1への第1反応前媒体の供給量を調整する流量調整部として機能する。 In the present embodiment, a first on-off valve V1 and a first compressor C1 are provided in a portion of the first supply flow path S11 upstream of the first heat exchanger HX1. The first on-off valve V1 is an on-off valve whose opening degree can be adjusted. The first compressor C1 can adjust the rotation speed, and sends the first pre-reaction medium toward the steam reforming reactor R1. That is, the first on-off valve V1 and the first compressor C1 function as a flow rate adjusting unit that adjusts the supply amount of the first pre-reaction medium to the steam reforming reactor R1.
メタネーション回路2は、メタネーション反応器R2と、第2供給流路S21と、第2回収流路S22と、第2加熱器H2と、第2熱交換器HX2と、第2気液分離器F2と、第2膨張機EX2と、第2動力回収機G2と、を有している。 The methanation circuit 2 includes a methanation reactor R2, a second supply channel S21, a second recovery channel S22, a second heater H2, a second heat exchanger HX2, and a second gas-liquid separator. It has F2, 2nd expansion machine EX2, and 2nd power recovery machine G2.
第2供給流路S21は、メタネーション反応器R2に対し、一酸化炭素及び二酸化炭素の少なくとも一方と水素とを含む媒体(以下、「第2反応前媒体」という。)を供給する流路である。本実施形態では、第2反応前媒体として、一酸化炭素と水素とを含む媒体が供給される。 The second supply flow path S21 is a flow path for supplying a medium containing at least one of carbon monoxide and carbon dioxide and hydrogen (hereinafter referred to as “second pre-reaction medium”) to the methanation reactor R2. is there. In the present embodiment, a medium containing carbon monoxide and hydrogen is supplied as the second pre-reaction medium.
メタネーション反応器R2は、第2供給流路S21から供給された一酸化炭素及び二酸化炭素の少なくとも一方と水素とを反応させることによりメタン豊富媒体(メタンを主成分とする媒体)を生成するメタネーションを行わせる反応器である。この反応は、発熱反応である。本実施形態では、メタネーション時に発生する熱が有効に回収される。この点については後述する。メタネーション反応器R2内には、触媒が配置されている。 The methanation reactor R2 reacts at least one of carbon monoxide and carbon dioxide supplied from the second supply flow path S21 with hydrogen to generate a methane-rich medium (medium containing methane as a main component). It is a reactor that allows nations to perform. This reaction is an exothermic reaction. In this embodiment, the heat generated during methanation is effectively recovered. This point will be described later. A catalyst is disposed in the methanation reactor R2.
第2回収流路S22は、メタネーション反応器R2から流出したメタン豊富媒体を回収する流路である。 The second recovery channel S22 is a channel for recovering the methane-rich medium that has flowed out of the methanation reactor R2.
第2加熱器H2は、第2回収流路S22に設けられている。第2加熱器H1は、メタネーション反応器R2から流出したメタン豊富媒体に対して外部から熱を供給することによりメタン豊富媒体を加熱する。本実施形態では、第2加熱器H2として、電気ヒータが用いられている。ただし、第2加熱器H2として、燃焼式加熱器やIH加熱器が用いられてもよい。 The second heater H2 is provided in the second recovery channel S22. The second heater H1 heats the methane-rich medium by supplying heat from the outside to the methane-rich medium flowing out from the methanation reactor R2. In the present embodiment, an electric heater is used as the second heater H2. However, a combustion heater or an IH heater may be used as the second heater H2.
第2熱交換器HX2は、第2加熱器H2から流出したメタン豊富媒体と、メタネーション反応器R2に流入する前の第2反応前媒体と、を熱交換させることによって第2反応前媒体を加熱する。すなわち、第2熱交換器HX2は、第2供給流路S21と第2回収流路S22とが交差する部位に設けられている。第2熱交換器HX2では、第2反応前媒体の温度がメタネーション反応器R2で有効にメタネーションが行われる反応温度になるように、当該第2反応前媒体がメタン豊富媒体により加熱される。換言すれば、第2加熱器H2では、メタネーション反応器R2から流出したメタン豊富媒体の温度が、第2熱交換器HX2において第2反応前媒体の温度を前記反応温度まで上昇させることが可能となる温度となるように、メタン豊富媒体が加熱される。 The second heat exchanger HX2 heat-exchanges the methane-rich medium flowing out from the second heater H2 and the second pre-reaction medium before flowing into the methanation reactor R2, thereby changing the second pre-reaction medium. Heat. That is, the second heat exchanger HX2 is provided at a portion where the second supply channel S21 and the second recovery channel S22 intersect. In the second heat exchanger HX2, the second pre-reaction medium is heated by the methane-rich medium so that the temperature of the second pre-reaction medium becomes a reaction temperature at which the methanation is effectively performed in the methanation reactor R2. . In other words, in the second heater H2, the temperature of the methane-rich medium flowing out of the methanation reactor R2 can increase the temperature of the second pre-reaction medium to the reaction temperature in the second heat exchanger HX2. The methane rich medium is heated to a temperature that becomes
第2気液分離器F2は、第2回収流路S22のうち第2熱交換器HX2よりも下流側の部位に設けられている。第2気液分離器F2は、メタン豊富媒体から水分(メタネーション時に生成される水分)を分離する。この水分は、熱交換器HX7を経て排出される。 The second gas-liquid separator F2 is provided at a site downstream of the second heat exchanger HX2 in the second recovery flow path S22. The second gas-liquid separator F2 separates water (water generated during methanation) from the methane-rich medium. This moisture is discharged through the heat exchanger HX7.
第2膨張機EX2は、第2気液分離器F2から流出したメタン豊富媒体を膨張させる。換言すれば、第2膨張機EX2は、メタン豊富媒体のエネルギーにより駆動される。第2膨張機EX2から流出したメタン豊富媒体は、熱交換器HX6を経て回収される。第2気液分離器F2、第2膨張機EX2、熱交換器HX6、熱交換器HX7は、ガス分離をする必要がなく、また動力回収をしない場合には省略できる。 The second expander EX2 expands the methane-rich medium that has flowed out of the second gas-liquid separator F2. In other words, the second expander EX2 is driven by the energy of the methane-rich medium. The methane-rich medium flowing out from the second expander EX2 is recovered via the heat exchanger HX6. The second gas-liquid separator F2, the second expander EX2, the heat exchanger HX6, and the heat exchanger HX7 do not need to be gas separated and can be omitted when power recovery is not performed.
第2動力回収機G2は、第2膨張機EX2に接続されている。つまり、第2動力回収機G2は、第2気液分離器F2から流出したメタン豊富媒体のエネルギーを第2膨張機EX2を介して回収する。本実施形態では、第2動力回収機G2として、発電機が用いられている。 The second power recovery machine G2 is connected to the second expander EX2. That is, the second power recovery machine G2 recovers the energy of the methane-rich medium flowing out from the second gas-liquid separator F2 via the second expander EX2. In the present embodiment, a generator is used as the second power recovery machine G2.
本実施形態では、第2供給流路S21のうち第2熱交換器HX2の上流側の部位には、第2開閉弁V2と第2圧縮機C2とが設けられている。第2開閉弁V2は、開度調整可能な開閉弁である。第2圧縮機C2は、回転数が調整可能であり、第2反応前媒体をメタネーション反応器R2に向けて送る。すなわち、第2開閉弁V2及び第2圧縮機C2は、メタネーション反応器R2への第2反応前媒体の供給量を調整する流量調整部として機能する。 In the present embodiment, a second on-off valve V2 and a second compressor C2 are provided in a portion of the second supply flow path S21 upstream of the second heat exchanger HX2. The second on-off valve V2 is an on-off valve whose opening degree can be adjusted. The second compressor C2 can adjust the rotation speed, and sends the second pre-reaction medium toward the methanation reactor R2. That is, the second on-off valve V2 and the second compressor C2 function as a flow rate adjusting unit that adjusts the supply amount of the second pre-reaction medium to the methanation reactor R2.
また、本実施形態では、第1供給流路S11のうち第1圧縮機C1と第1熱交換器HX1との間の部位と、第2回収流路S22のうち第2熱交換器HX2と第2気液分離器F2との間の部位と、が交差する部位には、第5熱交換器HX5が設けられている。この第5熱交換器HX5は、第1熱交換器HX1に流入する前の第1反応前媒体と第2熱交換器HX2から流出した後のメタン豊富媒体とを熱交換させることにより第1反応前媒体を加熱する。この態様では、第2熱交換器HX2から流出した後(第2熱交換器HX2において第2反応前媒体に熱を与えた後)のメタン豊富媒体の有する熱エネルギーが、第1熱交換器HX1に流入する前の第1反応前媒体に投入されるので、第1熱交換器HX1での第1反応前媒体の加熱量、つまり、第1加熱器H1での加熱量が削減される。よって、本システム全体の熱効率が向上する。 Moreover, in this embodiment, the site | part between 1st compressor C1 and 1st heat exchanger HX1 among 1st supply flow paths S11, 2nd heat exchanger HX2 and 2nd among 2nd collection | recovery flow paths S22. A fifth heat exchanger HX5 is provided at a portion where the portion between the two gas-liquid separator F2 intersects. The fifth heat exchanger HX5 performs the first reaction by exchanging heat between the first pre-reaction medium before flowing into the first heat exchanger HX1 and the methane-rich medium after flowing out from the second heat exchanger HX2. The previous medium is heated. In this aspect, the thermal energy of the methane-rich medium after flowing out from the second heat exchanger HX2 (after heat is applied to the second pre-reaction medium in the second heat exchanger HX2) is the first heat exchanger HX1. Therefore, the heating amount of the first pre-reaction medium in the first heat exchanger HX1, that is, the heating amount in the first heater H1, is reduced. Therefore, the thermal efficiency of the entire system is improved.
ここで、メタネーション反応器R2でのメタネーション時の反応熱の回収について説明する。 Here, recovery of reaction heat at the time of methanation in the methanation reactor R2 will be described.
図1〜図3に示されるように、本実施形態では、メタネーション反応器R2とその周囲の伝熱空間を包囲する包囲部3を備えている。図2及び図3には、包囲部3内に複数の(本実施形態では14台の)メタネーション反応器R2が配置された例が示されている。各メタネーション反応器R2は、一方向(図3の左右方向)に沿って間欠的に並ぶように配置されている。なお、図2及び図3において上側に配置されたメタネーション反応器R2内は、同図下側に配置されたメタネーション反応器R2内に連通している。各メタネーション反応器R2は、当該メタネーション反応器R2内でのメタネーション時の反応熱を前記伝熱空間に伝達可能に構成されている。本実施形態では、各メタネーション反応器R2は、ラジアントチューブにより形成されている。また、包囲部3として加熱炉が用いられている。具体的に、上下に配置された各メタネーション反応器R2間(伝熱空間)に、一方向に沿って被熱処理材(鋼材等)が通される。これにより、被熱処理材は、各メタネーション反応器R2からの輻射熱により熱処理される。包囲部3内は、4つのゾーン(空間)に分割されている。第1ゾーン及び第2ゾーンには、それぞれ4個のメタネーション反応器R2が配置され、第3ゾーン及び第4ゾーンには、それぞれ3個のメタネーション反応器が配置されている。各ゾーンには、当該ゾーンの温度を検出可能な温度センサ5が設けられている。
As shown in FIGS. 1 to 3, the present embodiment includes an enclosing
本システムは、制御部4をさらに備えている。制御部4は、包囲部3内の伝熱空間の温度が目標範囲内に収まるように、メタネーション反応器R2への第2反応前媒体の供給量を調整する。本実施形態では、制御部4は、伝熱空間の温度が設定温度TSVとなるように、メタネーション反応器R2への第2反応前媒体の供給量を調整する。また、制御部4は、第1加熱器H1での加熱量及び第2加熱器H2での加熱量も調整する。以下、図4を参照しながら、制御部4の制御内容について説明する。
The system further includes a control unit 4. The controller 4 adjusts the supply amount of the second pre-reaction medium to the methanation reactor R2 so that the temperature of the heat transfer space in the
本システムの運転が開始されると、制御部4は、水蒸気改質反応器R1に熱を供給する外部熱源の温度Thsを検出し、その値に基づいて第1圧縮機C1の出口圧力を決定する(ステップST11)。水蒸気改質反応器R1での反応温度は、第1反応前媒体の圧力より決定されるので、前記外部熱源の温度Thsに基づいて第1圧縮機C1により第1反応前媒体の圧力(水蒸気改質反応器R1での反応温度)を決定する。なお、外部熱源の温度Thsは、当該外部熱源の温度を検出可能な温度センサ6により検出され、第1圧縮機C1の出口圧力は、第1供給流路S11のうち第1圧縮機C1と第5熱交換器HX5との間の部位に設けられた圧力センサ7により検出される。
When the operation of this system is started, the control unit 4 detects the temperature Ths of the external heat source that supplies heat to the steam reforming reactor R1, and based on this value, determines the outlet pressure of the first compressor C1. Determine (step ST11). Since the reaction temperature in the steam reforming reactor R1 is determined by the pressure of the first pre-reaction medium, the first compressor C1 uses the pressure of the first pre-reaction medium (water vapor) based on the temperature Ths of the external heat source. The reaction temperature in the reforming reactor R1) is determined. The temperature Ths of the external heat source is detected by the temperature sensor 6 that can detect the temperature of the external heat source, and the outlet pressure of the first compressor C1 is the same as that of the first compressor C1 in the first supply flow path S11. It is detected by a
次に、制御部4は、ゾーンごとに設定されている設定温度TSViと、ゾーンごとに設定されている第2反応前媒体の設定流量QSVi,S21と、を読み込む(ステップST12)。なお、「i」は、ゾーンに対応する数字である。 Next, the control unit 4 reads the set temperature T SVi set for each zone and the set flow rate Q SVi, S21 of the second pre-reaction medium set for each zone (step ST12). “I” is a number corresponding to a zone.
続いて、制御部4は、現在の伝熱空間の温度である実績温度TPViと、現在の第1供給流路S11の流量である第1実績流量QPVi,S11と、現在の第2供給流路S21の流量である第2実績流量QPVi,S21と、を検出する(ステップST13)。なお、第1実績流量QPVi,S11は、第1供給流路S11に設けられた流量計8により検出され、第2実績流量QPVi,S21は、第2供給流路S21に設けられた流量計9により検出される。
Subsequently, the control unit 4 performs the actual temperature T PVi that is the current temperature of the heat transfer space, the first actual flow rate Q PVi, S11 that is the current flow rate of the first supply flow path S11 , and the current second supply. The second actual flow rate Q PVi, S21 which is the flow rate of the flow path S21 is detected (step ST13). The first actual flow rate Q PVi, S11 is detected by the
その後、制御部4は、設定温度TSViから実績温度TPViを引いた値が0よりも大きいか否かを判断する(ステップST14)。 Thereafter, the control unit 4 determines whether or not a value obtained by subtracting the actual temperature T PVi from the set temperature T SVi is larger than 0 (step ST14).
この結果、設定温度TSViから実績温度TPViを引いた値が0よりも大きい場合(ステップST14でYES)、制御部4は、設定流量QSVi,S21から第2実績流量QPVi,S21を引いた値が0よりも大きいか否かを判断する(ステップST15)。この結果、設定流量QSVi,S21から第2実績流量QPVi,S21を引いた値が0よりも大きい場合(ステップST15でYES)、制御部4は、第1実績流量QPVi,S11及び第2実績流量QPVi,S21を増大させるべく、第1開閉弁V1の開度及び第1圧縮機C1の回転数NC1を増大させるととともに、第2開閉弁V2の開度及び第2圧縮機C2の回転数NC2を増大させ、さらに、第1加熱器H1での加熱量及び第2加熱器H2での加熱量を増大させ(ステップST16)、ステップST12に戻る。一方、設定流量QSVi,S21から第2実績流量QPVi,S21を引いた値が0以下の場合(ステップST15でNO)、制御部4は、設定流量QSVi,S21から第2実績流量QPVi,S21を引いた値が0よりも小さいか否かを判断する(ステップST17)。 As a result, when the value obtained by subtracting the actual temperature T PVi from the set temperature T SVi is larger than 0 (YES in step ST14), the control unit 4 changes the second actual flow rate Q PVi, S21 from the set flow rate Q SVi, S21 . It is determined whether or not the subtracted value is greater than 0 (step ST15). As a result, when the value obtained by subtracting the second actual flow rate Q PVi , S21 from the set flow rate Q SVi, S21 is larger than 0 (YES in step ST15), the control unit 4 determines that the first actual flow rate Q PVi, S11 and the first actual flow rate Q PVi, S11 2In order to increase the actual flow rate Q PVi, S21 , the opening degree of the first on-off valve V1 and the rotational speed NC1 of the first compressor C1 are increased, and the opening degree of the second on-off valve V2 and the second compressor The rotation speed N C2 of C2 is increased, and further, the heating amount in the first heater H1 and the heating amount in the second heater H2 are increased (step ST16), and the process returns to step ST12. On the other hand, when the value obtained by subtracting the second actual flow rate Q PVi , S21 from the set flow rate Q SVi, S21 is 0 or less (NO in step ST15), the control unit 4 determines the second actual flow rate Q from the set flow rate Q SVi, S21 . It is determined whether or not the value obtained by subtracting PVi, S21 is smaller than 0 (step ST17).
この結果、設定流量QSVi,S21から第2実績流量QPVi,S21を引いた値が0よりも小さい場合(ステップST17でYES)、制御部4は、第1実績流量QPVi,S11及び第2実績流量QPVi,S21を減少させるべく、第1開閉弁V1の開度及び第1圧縮機C1の回転数NC1を減少させるととともに、第2開閉弁V2の開度及び第2圧縮機C2の回転数NC2を減少させ、さらに、第1加熱器H1での加熱量及び第2加熱器H2での加熱量を増大させ(ステップST18)、ステップST12に戻る。一方、設定流量QSVi,S21から第2実績流量QPVi,S21を引いた値が0よりも小さくない場合(ステップST17でNO)、つまり、設定流量QSVi,S21と第2実績流量QPVi,S21とが等しい場合、制御部4は、ステップST12に戻る。 As a result, when the value obtained by subtracting the second actual flow rate Q PVi , S21 from the set flow rate Q SVi, S21 is smaller than 0 (YES in step ST17), the control unit 4 determines that the first actual flow rate Q PVi, S11 and the first actual flow rate Q PVi, S11 (2) In order to reduce the actual flow rate Q PVi, S21 , the opening degree of the first on-off valve V1 and the rotational speed NC1 of the first compressor C1 are reduced, and the opening degree of the second on-off valve V2 and the second compressor The rotational speed N C2 of C2 is decreased, the heating amount in the first heater H1 and the heating amount in the second heater H2 are increased (step ST18), and the process returns to step ST12. On the other hand, when the value obtained by subtracting the second actual flow rate Q PVi , S21 from the set flow rate Q SVi, S21 is not smaller than 0 (NO in step ST17), that is, the set flow rate Q SVi, S21 and the second actual flow rate Q PVi. , S21 are equal, the control unit 4 returns to step ST12.
また、ステップST14において、設定温度TSViから実績温度TPViを引いた値が0以下の場合(ステップST14でNO)、制御部4は、設定温度TSViから実績温度TPViを引いた値が0よりも小さいか否かを判断する(ステップST19)。この結果、設定温度TSViから実績温度TPViを引いた値が0よりも小さい場合(ステップST19でYES)、制御部4は、第1実績流量QPVi,S11及び第2実績流量QPVi,S21を減少させるべく、第1開閉弁V1の開度及び第1圧縮機C1の回転数NC1を減少させるととともに、第2開閉弁V2の開度及び第2圧縮機C2の回転数NC2を減少させ、さらに、第1加熱器H1での加熱量及び第2加熱器H2での加熱量を減少させ(ステップST20)、ステップST12に戻る。一方、設定温度TSViから実績温度TPViを引いた値が0よりも小さくない場合(ステップST19でNO)、つまり、設定温度TSViと実績温度TPViとが等しい場合、制御部4は、ステップST12に戻る。 In step ST14, when the value obtained by subtracting the actual temperature T PVi from the set temperature T SVi is 0 or less (NO in step ST14), the control unit 4 obtains a value obtained by subtracting the actual temperature T PVi from the set temperature T SVi. It is determined whether or not it is smaller than 0 (step ST19). As a result, when the value obtained by subtracting the actual temperature T PVi from the set temperature T SVi is smaller than 0 (YES in step ST19), the control unit 4 performs the first actual flow Q PVi, S11 and the second actual flow Q PVi, In order to reduce S21 , the opening degree of the first on-off valve V1 and the rotational speed N C1 of the first compressor C1 are reduced, and the opening degree of the second on-off valve V2 and the rotational speed N C2 of the second compressor C2 are reduced. Further, the heating amount in the first heater H1 and the heating amount in the second heater H2 are reduced (step ST20), and the process returns to step ST12. On the other hand, when the value obtained by subtracting the actual temperature T PVi from the set temperature T SVi is not smaller than 0 (NO in step ST19), that is, when the set temperature T SVi and the actual temperature T PVi are equal, the control unit 4 The process returns to step ST12.
図5には、以上の制御部4の制御内容の概略が示されている。すなわち、実績温度TPViが設定温度TSViよりも低く、かつ、第2実績流量QPVi,S21が設定流量QSVi,S21よりも少ない場合、制御部4は、第1実績流量QPVi,S11及び第2実績流量QPVi,S21を増大させ、かつ、各反応前媒体の温度を増大させるように、各種機器を調整する。具体的に、制御部4は、第1開閉弁V1の開度及び第1圧縮機C1の回転数NC1を増大させるととともに、第2開閉弁V2の開度及び第2圧縮機C2の回転数NC2を増大させ、さらに、第1加熱器H1での加熱量及び第2加熱器H2での加熱量を増大させる(ステップST16)。 FIG. 5 shows an outline of the control contents of the control unit 4 described above. That is, when the actual temperature T PVi is lower than the set temperature T SVi and the second actual flow rate Q PVi, S21 is smaller than the set flow rate Q SVi, S21 , the control unit 4 has the first actual flow rate Q PVi, S11. And various apparatus is adjusted so that 2nd performance flow volume QPVi, S21 may be increased and the temperature of each pre-reaction medium may be increased. Specifically, the control unit 4 increases the opening degree of the first on-off valve V1 and the rotational speed N C1 of the first compressor C1, and at the same time increases the opening degree of the second on-off valve V2 and the rotation of the second compressor C2. The number N C2 is increased, and further, the heating amount in the first heater H1 and the heating amount in the second heater H2 are increased (step ST16).
また、実績温度TPViが設定温度TSViよりも低い一方で第2実績流量QPVi,S21が設定流量QSVi,S21よりも多い場合、制御部4は、第1実績流量QPVi,S11及び第2実績流量QPVi,S21を減少させ、かつ、各反応前媒体の温度を増大させるように、各種機器を調整する。具体的に、制御部4は、第1開閉弁V1の開度及び第1圧縮機C1の回転数NC1を減少させるととともに、第2開閉弁V2の開度及び第2圧縮機C2の回転数NC2を減少させ、さらに、第1加熱器H1での加熱量及び第2加熱器H2での加熱量を増大させる(ステップST18)。 Further, when the actual temperature T PVi is lower than the set temperature T SVi and the second actual flow rate Q PVi, S21 is larger than the set flow rate Q SVi, S21 , the control unit 4 determines that the first actual flow rate Q PVi, S11 and Various devices are adjusted so as to decrease the second actual flow rate Q PVi, S21 and increase the temperature of each pre-reaction medium. Specifically, the control unit 4 decreases the opening degree of the first on-off valve V1 and the rotation speed N C1 of the first compressor C1, and at the same time, the opening degree of the second on-off valve V2 and the rotation of the second compressor C2. The number N C2 is decreased, and further, the heating amount in the first heater H1 and the heating amount in the second heater H2 are increased (step ST18).
そして、実績温度TPViが設定温度TSViよりも高い場合、制御部4は、第2実績流量QPVi,S21と設定流量QSVi,S21との関係にかかわらず、第1実績流量QPVi,S11及び第2実績流量QPVi,S21を減少させ、かつ、各反応前媒体の温度を減少させるように、各種機器を調整する。具体的に、制御部4は、第1開閉弁V1の開度及び第1圧縮機C1の回転数NC1を減少させるととともに、第2開閉弁V2の開度及び第2圧縮機C2の回転数NC2を減少させ、さらに、第1加熱器H1での加熱量及び第2加熱器H2での加熱量を減少させる(ステップST20)。 When the actual temperature T PVi is higher than the set temperature T SVi , the control unit 4 controls the first actual flow Q PVi, regardless of the relationship between the second actual flow Q PVi, S21 and the set flow Q SVi, S21 . Various devices are adjusted so as to decrease S11 and the second actual flow rate Q PVi, S21 and to decrease the temperature of each pre-reaction medium. Specifically, the control unit 4 decreases the opening degree of the first on-off valve V1 and the rotation speed N C1 of the first compressor C1, and at the same time, the opening degree of the second on-off valve V2 and the rotation of the second compressor C2. The number N C2 is decreased, and further, the heating amount in the first heater H1 and the heating amount in the second heater H2 are decreased (step ST20).
次に、本システムの動作について説明する。 Next, the operation of this system will be described.
水蒸気改質回路1においては、第1供給流路S11を通じて水蒸気改質反応器R1に第1反応前媒体が供給される。そうすると、水蒸気改質反応器R1において水蒸気改質が行われる。具体的に、外部熱源から水蒸気改質に必要な熱の供給を受けることにより、炭化水素(メタン)と水蒸気とが反応し、水素を主成分とする水素豊富媒体が生成される。この水素豊富媒体は、第1加熱器H1により加熱された後、第1熱交換器HX1において第1供給流路S11内の第1反応前媒体を加熱する。これにより、水蒸気改質反応器R1に流入する第1反応前媒体の温度が、水蒸気改質反応器R1において有効に水蒸気改質が行われる反応温度に上昇する。第1熱交換器HX1から流出した水素豊富媒体は、第1気液分離器F1、第1膨張機EX1及び熱交換器HX3を経て回収される。 In the steam reforming circuit 1, the first pre-reaction medium is supplied to the steam reforming reactor R1 through the first supply flow path S11. Then, steam reforming is performed in the steam reforming reactor R1. Specifically, by receiving supply of heat necessary for steam reforming from an external heat source, hydrocarbon (methane) and steam react to generate a hydrogen-rich medium mainly composed of hydrogen. After this hydrogen-rich medium is heated by the first heater H1, the first pre-reaction medium in the first supply flow path S11 is heated in the first heat exchanger HX1. As a result, the temperature of the first pre-reaction medium flowing into the steam reforming reactor R1 rises to a reaction temperature at which steam reforming is effectively performed in the steam reforming reactor R1. The hydrogen-rich medium flowing out from the first heat exchanger HX1 is recovered through the first gas-liquid separator F1, the first expander EX1, and the heat exchanger HX3.
一方、メタネーション回路2においては、第2供給流路S21を通じてメタネーション反応器R2に第2反応前媒体が供給される。そうすると、メタネーション反応器R2においてメタネーションが行われる。具体的に、一酸化炭素と水素が反応し、メタンを主成分とするメタン豊富媒体が生成される。このときに生じる反応熱により、包囲部3内で被熱処理材が熱処理される。メタネーション反応器R2で生成されたメタン豊富媒体は、第2加熱器H2により加熱された後、第2熱交換器HX2において第2供給流路S21内の第2反応前媒体を加熱する。これにより、メタネーション反応器R2に流入する第2反応前媒体の温度が、メタネーション反応器R2において有効にメタネーションが行われる反応温度に上昇する。第2熱交換器HX2から流出したメタン豊富媒体は、第5熱交換器HX5において第1供給流路S11内の第1反応前媒体を加熱する。第5熱交換器HX5から流出したメタン豊富媒体は、第2気液分離器F2、第2膨張機EX2及び熱交換器HX6を経て回収される。
On the other hand, in the methanation circuit 2, the second pre-reaction medium is supplied to the methanation reactor R2 through the second supply channel S21. Then, methanation is performed in the methanation reactor R2. Specifically, carbon monoxide and hydrogen react to produce a methane-rich medium mainly composed of methane. The heat-treated material is heat-treated in the surrounding
以上に説明したように、本システムでは、水蒸気改質反応器R1から流出した水素豊富媒体は、第1加熱器H1により加熱された後に第1熱交換器HX1に流入し、また、メタネーション反応器R2から流出したメタン豊富媒体は、第2加熱器H2により加熱された後に第2熱交換器HX2に流入する。よって、水蒸気改質反応器R1から流出した高温の水素豊富媒体をさらに高温にするために当該水素豊富媒体を圧縮する圧縮機や、メタネーション反応器R2から流出した高温のメタン豊富媒体をさらに高温にするために当該メタン豊富媒体を圧縮する圧縮機、すなわち、耐熱性に優れた高価な圧縮機を用いることなくシステムを運転することが可能となる。 As described above, in this system, the hydrogen-rich medium flowing out from the steam reforming reactor R1 is heated by the first heater H1 and then flows into the first heat exchanger HX1, and the methanation reaction The methane-rich medium flowing out from the vessel R2 is heated by the second heater H2 and then flows into the second heat exchanger HX2. Therefore, a compressor for compressing the high-temperature hydrogen-rich medium flowing out from the steam reforming reactor R1 and a high-temperature methane-rich medium flowing out from the methanation reactor R2 to further increase the temperature Therefore, the system can be operated without using a compressor for compressing the methane-rich medium, that is, an expensive compressor having excellent heat resistance.
また、本実施形態では、メタネーション反応器R2及び伝熱空間を取り囲む形状を有する包囲部3(加熱炉)を備えており、メタネーション反応器R2がラジアントチューブにより構成されているので、包囲部3内において、メタネーション反応器R2でのメタネーション時の反応熱の輻射熱を有効に利用することができる。 Further, in this embodiment, the enclosure portion 3 (heating furnace) having a shape surrounding the methanation reactor R2 and the heat transfer space is provided, and the methanation reactor R2 is configured by a radiant tube. 3, the radiant heat of the reaction heat at the time of methanation in the methanation reactor R2 can be used effectively.
また、制御部4は、包囲部3内の伝熱空間の温度が設定温度TSViとなるように、メタネーション反応器R2への第2反応前媒体の供給量、すなわち、メタネーション時の反応熱量を調整するので、伝熱空間における被熱処理材の熱処理が安定する。
In addition, the control unit 4 supplies the second pre-reaction medium supply to the methanation reactor R2, that is, the reaction during methanation, so that the temperature of the heat transfer space in the
また、本実施形態では、第1膨張機EX1と第1動力回収機G1とを備えているため、水素豊富媒体の有するエネルギーを、第1膨張機EX1を介して第1動力回収機G1で有効に回収することができる。 In the present embodiment, since the first expander EX1 and the first power recovery machine G1 are provided, the energy of the hydrogen-rich medium is effective in the first power recovery machine G1 via the first expander EX1. Can be recovered.
同様に、第2膨張機EX2と第2動力回収機G2とを備えているため、メタン豊富媒体の有するエネルギーを、第2膨張機EX2を介して第2動力回収機G2で有効に回収することができる。 Similarly, since the second expander EX2 and the second power recovery machine G2 are provided, the energy of the methane-rich medium is effectively recovered by the second power recovery machine G2 via the second expander EX2. Can do.
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and further includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims for patent.
例えば、上記実施形態では、包囲部3として加熱炉が例示されたが、包囲部3は、加熱炉に限られない。
For example, in the said embodiment, although the heating furnace was illustrated as the
また、図6に示されるように、第5熱交換器HX5は、省略されてもよい。 Moreover, as FIG. 6 shows, the 5th heat exchanger HX5 may be abbreviate | omitted.
以下、上記実施形態の水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステムの実施例について、比較例と合わせて説明する。 Hereinafter, the Example of the system provided with the steam reforming circuit and methanation circuit of the said embodiment is described with a comparative example.
まず、実施例について説明する。この例では、第1供給流路S11を通じて供給される第1反応前媒体の流量が7.2kg−mol/hrであり、第1反応前媒体中のメタン及び水蒸気の組成がそれぞれ50%に設定されている。また、第2供給流路S21を通じて供給される第2反応前媒体の流量が16.09kg−mol/hrであり、第2反応前媒体中の一酸化炭素及び水素の組成がそれぞれ25%,75%に設定されている。また、反応後の圧力は、平衡定数が1となるように設定されている。 First, examples will be described. In this example, the flow rate of the first pre-reaction medium supplied through the first supply flow path S11 is 7.2 kg-mol / hr, and the composition of methane and water vapor in the first pre-reaction medium is set to 50%, respectively. Has been. Further, the flow rate of the second pre-reaction medium supplied through the second supply flow path S21 is 16.09 kg-mol / hr, and the compositions of carbon monoxide and hydrogen in the second pre-reaction medium are 25% and 75, respectively. % Is set. The pressure after the reaction is set so that the equilibrium constant is 1.
水蒸気改質回路1においては、第1供給流路S11内を300K,0.1MPaの状態で供給された第1反応前媒体は、第5熱交換器HX5及び第1熱交換器HX1において加熱されることにより893K(反応温度),0.1MPa(反応圧力)の状態になり、その後、外部熱源から620℃の熱を回収しながら水蒸気改質反応器R1において水蒸気改質を行う。そして、水蒸気改質反応器R1から流出した水素豊富媒体は、第1加熱器H1によって1052K,0.1MPaの状態となるように加熱された後、第1熱交換器HX1において第1反応前媒体に熱を与えることにより351K,0.1MPaの状態となる。第1熱交換器HX1から流出した水素豊富媒体は、第1気液分離器F1、第1膨張機EX1及び熱交換器HX3を経て300K,0.1MPaの状態となる。 In the steam reforming circuit 1, the first pre-reaction medium supplied in the state of 300K and 0.1 MPa in the first supply flow path S11 is heated in the fifth heat exchanger HX5 and the first heat exchanger HX1. As a result, the temperature reaches 893 K (reaction temperature) and 0.1 MPa (reaction pressure), and then steam reforming is performed in the steam reforming reactor R 1 while recovering heat at 620 ° C. from an external heat source. The hydrogen-rich medium flowing out from the steam reforming reactor R1 is heated by the first heater H1 to be in the state of 1052K and 0.1 MPa, and then the first pre-reaction medium in the first heat exchanger HX1. Heat is applied to 351K and 0.1 MPa. The hydrogen-rich medium flowing out from the first heat exchanger HX1 is in a state of 300 K and 0.1 MPa through the first gas-liquid separator F1, the first expander EX1, and the heat exchanger HX3.
一方、メタネーション回路2においては、第2供給流路S21内を300K,0.1MPaの状態で供給された第2反応前媒体は、第2圧縮機C2に圧縮されることによって377K,0.22MPaの状態となった後、第2熱交換器HX2において加熱されることにより943K(反応温度),0.1MPa(反応圧力)の状態になる。その後、メタネーション反応器R2において発熱しながらメタネーションを行う。そして、メタネーション反応器R2から流出したメタン豊富媒体は、第2加熱器H2によって1011.5K,0.22MPaの状態となるように加熱された後、第2熱交換器HX2において第2反応前媒体に熱を与えることにより387K,0.22MPaの状態となる。第2熱交換器HX2から流出したメタン豊富媒体は、第5熱交換器HX5、第2気液分離器F2、第2膨張機EX2及び熱交換器HX6を経て300K,0.1MPaの状態となる。 On the other hand, in the methanation circuit 2, the second pre-reaction medium supplied in the state of 300K and 0.1 MPa in the second supply flow path S21 is compressed by the second compressor C2 to be 377K, 0. After becoming 22 MPa, it will be in the state of 943K (reaction temperature) and 0.1 MPa (reaction pressure) by heating in the 2nd heat exchanger HX2. Thereafter, methanation is performed while generating heat in the methanation reactor R2. The methane-rich medium flowing out from the methanation reactor R2 is heated to a state of 1011.5K and 0.22 MPa by the second heater H2, and then before the second reaction in the second heat exchanger HX2. By applying heat to the medium, the state becomes 387K, 0.22 MPa. The methane-rich medium flowing out from the second heat exchanger HX2 is in a state of 300 K and 0.1 MPa through the fifth heat exchanger HX5, the second gas-liquid separator F2, the second expander EX2, and the heat exchanger HX6. .
この実施例において投入が必要なエネルギーは、炉全体の断熱効率が80%の場合において、1システム当たり32.9kWである。よって、14台のシステムによって炉温を943Kとするのに必要な投入熱量の合計は、約0.5MWとなる。 In this embodiment, the energy required to be input is 32.9 kW per system when the heat insulation efficiency of the entire furnace is 80%. Therefore, the total amount of input heat required to set the furnace temperature to 943 K by the 14 systems is about 0.5 MW.
次に、比較例について説明する。 Next, a comparative example will be described.
比較例では、包囲部3(加熱炉)内に配置された各ラジアントチューブ内に燃料が供給され、バーナによる燃焼加熱が行われる。比較例において、実施例と同様の炉温(943K)を実現する場合、第1ゾーン及び第2ゾーンにそれぞれバーナが10台(投入熱量が440kW)必要となり、第3ゾーン及び第4ゾーンにそれぞれバーナが6台(投入熱量が330kW)必要となる。この場合、炉内への投入熱量は、1.5MWとなる。 In the comparative example, fuel is supplied into each radiant tube arranged in the surrounding portion 3 (heating furnace), and combustion heating is performed by a burner. In the comparative example, when realizing the furnace temperature (943K) similar to that in the embodiment, 10 burners are necessary for the first zone and the second zone (the amount of input heat is 440 kW), respectively, Six burners (input heat amount 330 kW) are required. In this case, the amount of heat input into the furnace is 1.5 MW.
つまり、実施例では、比較例に比べて必要な投入熱量が約3分の1となる。 That is, in the embodiment, the required input heat amount is about one-third that of the comparative example.
以上の実施例及び比較例の結果を表1に示す。 The results of the above examples and comparative examples are shown in Table 1.
本実施例のシステムは、包囲部3(加熱炉)全体ではなく、包囲部3の一部にのみ適用されてもよい。その場合の効果は、表1に示されるとおりである。
The system of the present embodiment may be applied only to a part of the
1 水蒸気改質回路
2 メタネーション回路
3 包囲部
4 制御部
C1 第1圧縮機
C2 第2圧縮機
EX1 第1膨張機
EX2 第2膨張機
F1 第1気液分離器
F2 第2気液分離器
G1 第1動力回収機
G2 第2動力回収機
H1 第1加熱器
H2 第2加熱器
R1 水蒸気改質反応器
R2 メタネーション反応器
S11 第1供給流路
S12 第1回収流路
S21 第2供給流路
S22 第2回収流路
V1 第1開閉弁
V2 第2開閉弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Steam reforming circuit 2
Claims (6)
メタネーション反応を行うメタネーション回路と、を備え、
前記水蒸気改質回路は、
炭化水素と水蒸気とを反応させることにより水素を主成分とする水素豊富媒体を生成する水蒸気改質を行わせる水蒸気改質反応器と、
前記水蒸気改質反応器から流出した水素豊富媒体に対して外部から熱を供給することにより前記水素豊富媒体を加熱する第1加熱器と、
前記第1加熱器から流出した水素豊富媒体と、炭化水素と水蒸気とを含みかつ前記水蒸気改質反応器に流入する前の第1反応前媒体と、を熱交換させることによって前記第1反応前媒体を加熱する第1熱交換器と、を有し、
前記メタネーション回路は、
一酸化炭素及び二酸化炭素の少なくとも一方と水素とを反応させることによりメタンを主成分とするメタン豊富媒体を生成するメタネーションを行わせるメタネーション反応器と、
前記メタネーション反応器から流出したメタン豊富媒体に対して外部から熱を供給することにより前記メタン豊富媒体を加熱する第2加熱器と、
前記第2加熱器から流出したメタン豊富媒体と、一酸化炭素及び二酸化炭素の少なくとも一方と水素とを含みかつ前記メタネーション反応器に流入する前の第2反応前媒体と、を熱交換させることによって前記第2反応前媒体を加熱する第2熱交換器と、を有し、
前記第1加熱器は、前記水蒸気改質反応器から流出した水素豊富媒体の温度が、前記第1熱交換器において前記第1反応前媒体の温度を前記水蒸気改質反応器で水蒸気改質が行われる反応温度まで上昇させることが可能な温度となるように、前記水素豊富媒体を加熱し、
前記第2加熱器は、前記メタネーション反応器から流出したメタン豊富媒体の温度が、前記第2熱交換器において前記第2反応前媒体の温度を前記メタネーション反応器でメタネーションが行われる反応温度まで上昇させることが可能な温度となるように、前記メタン豊富媒体を加熱する、水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステム。 A steam reforming circuit for steam reforming;
A methanation circuit for performing a methanation reaction,
The steam reforming circuit is
A steam reforming reactor for performing steam reforming to produce a hydrogen-rich medium mainly composed of hydrogen by reacting hydrocarbons with steam;
A first heater for heating the hydrogen-rich medium by supplying heat from the outside to the hydrogen-rich medium flowing out of the steam reforming reactor;
Before the first reaction, the hydrogen-rich medium flowing out from the first heater and the first pre-reaction medium containing hydrocarbons and steam and before flowing into the steam reforming reactor are subjected to heat exchange. A first heat exchanger for heating the medium,
The methanation circuit
A methanation reactor that performs methanation to produce a methane-rich medium mainly composed of methane by reacting hydrogen with at least one of carbon monoxide and carbon dioxide;
A second heater for heating the methane-rich medium by supplying heat from the outside to the methane-rich medium flowing out of the methanation reactor;
Heat exchange between the methane-rich medium flowing out from the second heater and the second pre-reaction medium containing at least one of carbon monoxide and carbon dioxide and hydrogen and flowing into the methanation reactor. A second heat exchanger for heating the second pre-reaction medium by
In the first heater, the temperature of the hydrogen-rich medium flowing out of the steam reforming reactor is the same as that of the first pre-reaction medium in the first heat exchanger. Heating the hydrogen-rich medium to a temperature that can be raised to the reaction temperature to be performed,
In the second heater, the temperature of the methane-rich medium flowing out from the methanation reactor is the same as that of the second pre-reaction medium in the second heat exchanger. A system comprising a steam reforming circuit and a methanation circuit for heating the methane-rich medium to a temperature that can be raised to a temperature.
前記メタネーション反応器と当該メタネーション反応器の周りの伝熱空間とを取り囲む形状を有する包囲部をさらに備え、
前記メタネーション反応器は、当該メタネーション反応器内でのメタネーション時の反応熱を前記伝熱空間に伝達可能に構成されている、水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステム。 In a system comprising the steam reforming circuit and methanation circuit according to claim 1,
An enclosure having a shape surrounding the methanation reactor and the heat transfer space around the methanation reactor;
The methanation reactor is a system including a steam reforming circuit and a methanation circuit configured to be able to transfer reaction heat at the time of methanation in the methanation reactor to the heat transfer space.
前記伝熱空間の温度が目標範囲内に収まるように、前記メタネーション反応器への前記第2反応前媒体の供給量を調整する制御部をさらに備える、水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステム。 In a system comprising the steam reforming circuit and methanation circuit according to claim 2,
A steam reforming circuit and a methanation circuit, further comprising a control unit that adjusts the supply amount of the second pre-reaction medium to the methanation reactor so that the temperature of the heat transfer space falls within a target range. system.
前記メタネーション反応器に前記第2反応前媒体を供給する第2供給流路と、
前記第2熱交換器の上流側において前記第2供給流路に設けられた第2圧縮機と、
前記第2熱交換器の上流側において前記第2供給流路に設けられた第2開閉弁と、をさらに備え、
前記制御部は、
前記伝熱空間の温度が前記目標範囲の下限値よりも小さく、かつ、前記第2供給流路の前記第2反応前媒体の流量が規定量よりも小さいときに、前記第2圧縮機の回転数を上げるとともに前記第2開閉弁の開度を大きくし、かつ、前記第2加熱器での前記メタン豊富媒体の加熱量を増やし、
前記伝熱空間の温度が前記目標範囲の下限値よりも小さく、かつ、前記第2供給流路の前記第2反応前媒体の流量が前記規定量よりも大きいときに、前記第2圧縮機の回転数を下げるとともに前記第2開閉弁の開度を小さくし、かつ、前記第2加熱器での前記メタン豊富媒体の加熱量を増やし、
前記伝熱空間の温度が前記目標範囲の上限値よりも大きいときに、前記第2圧縮機の回転数を下げるとともに前記第2開閉弁の開度を小さくし、かつ、前記第2加熱器での前記メタン豊富媒体の加熱量を減らす、水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステム。 In a system comprising the steam reforming circuit and methanation circuit according to claim 3,
A second supply channel for supplying the second pre-reaction medium to the methanation reactor;
A second compressor provided in the second supply channel on the upstream side of the second heat exchanger ;
A second on-off valve provided in the second supply channel on the upstream side of the second heat exchanger ,
The controller is
When the temperature of the heat transfer space is smaller than the lower limit value of the target range and the flow rate of the second pre-reaction medium in the second supply flow path is smaller than a specified amount, the second compressor rotates. Increasing the number and increasing the opening of the second on-off valve, and increasing the heating amount of the methane-rich medium in the second heater,
When the temperature of the heat transfer space is smaller than the lower limit value of the target range and the flow rate of the second pre-reaction medium in the second supply flow path is larger than the specified amount, the second compressor Lowering the rotational speed and reducing the opening of the second on-off valve, and increasing the amount of heating of the methane-rich medium in the second heater,
When the temperature of the heat transfer space is larger than the upper limit value of the target range, the rotational speed of the second compressor is decreased, the opening of the second on-off valve is decreased, and the second heater A system comprising a steam reforming circuit and a methanation circuit for reducing the amount of heating of the methane-rich medium.
前記第1熱交換器から流出した水素豊富媒体を膨張させる第1膨張機と、
前記第1膨張機に接続された第1動力回収機と、をさらに備える、水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステム。 In a system comprising the steam reforming circuit and methanation circuit according to any one of claims 1 to 4,
A first expander for expanding the hydrogen-rich medium flowing out of the first heat exchanger;
A system comprising a steam reforming circuit and a methanation circuit, further comprising a first power recovery machine connected to the first expander.
前記第2熱交換器から流出したメタン豊富媒体を膨張させる第2膨張機と、
前記第2膨張機に接続された第2動力回収機と、をさらに備える、水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステム。 In a system comprising the steam reforming circuit and methanation circuit according to any one of claims 1 to 5,
A second expander for expanding the methane-rich medium flowing out of the second heat exchanger;
A system comprising a steam reforming circuit and a methanation circuit, further comprising: a second power recovery unit connected to the second expander.
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