JP7089101B2

JP7089101B2 - 水素の製造方法および製造システム

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Publication number: JP7089101B2
Application number: JP2021156622A
Authority: JP
Inventors: 和哉伊地知
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2021-09-27
Filing date: 2021-09-27
Publication date: 2022-06-21
Anticipated expiration: 2041-09-27
Also published as: JP2022029452A

Description

本発明は水素の製造方法および製造システムに関する。

エタンまたはナフサなどの炭化水素を分解し、精製することにより、水素およびオレフィンを得る技術は、周知の技術である。このとき、炭化水素を分解して得られた、水素製造の原料となる低沸ガスは、通常、メタンを含んでいる。このメタンは、メタンを含むガスとして分離され、系内または系外で燃料として用いられている。

近年、カーボンニュートラルを実現するために、温室効果ガスの排出を低減する技術が所望されている。上述のような従来技術では、副生するメタンを燃料として燃焼させる工程が、系におけるＣＯ_２の主な発生源となっている。

本発明の一態様は、炭化水素を分解し、水素を得るプロセスにおいて、ＣＯ_２の発生量を低減することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る水素の製造方法は、炭化水素を分解し、分解ガスを得る分解工程と、前記分解ガスを圧縮する圧縮工程と、圧縮された前記分解ガスから水素およびメタンを含む水素原料ガスを分離する分離工程と、前記水素原料ガスから水素を精製する水素精製工程と、前記分離工程において得られる、メタンを含むストリームの少なくとも一部を熱分解する熱分解工程と、を含む。

また、本発明の一態様に係る水素の製造システムは、炭化水素を分解する分解装置と、炭化水素が分解された分解ガスを圧縮する圧縮装置と、圧縮された前記分解ガスから、水素およびメタンを含む水素原料ガスを分離する分離装置と、前記水素原料ガスから水素を精製する水素精製装置と、熱分解装置と、を含み、前記熱分解装置は、前記分離装置から排出される、メタンを含むストリームの少なくとも一部を熱分解する。

本発明の一態様によれば、炭化水素を分解し、水素を得るプロセスにおいて、ＣＯ_２の発生量を低減することができる。

本発明の実施形態１に係る水素の製造方法の一例を示すフローチャートである。本発明の実施形態１に係る製造システムの構成を模式的に示す系統図である。本発明の実施形態２に係る製造システムの構成を模式的に示す系統図である。本発明の実施形態３に係る製造システムの構成を模式的に示す系統図である。本発明の実施形態４に係る製造システムの構成を模式的に示す系統図である。本発明の実施形態５に係る製造システムの構成を模式的に示す系統図である。本発明の実施形態６に係る製造システムの構成を模式的に示す系統図である。本発明の実施形態７に係る製造システムの構成を模式的に示す系統図である。本発明の実施形態８に係る製造システムの構成を模式的に示す系統図である。本発明の実施形態９に係る製造システムの構成を模式的に示す系統図である。比較例としての製造システムの構成を模式的に示す系統図である。

〔実施形態１〕
以下、本発明の一実施形態である水素の製造方法について、これに用いる製造装置と併せて図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る水素の製造方法の一例を示すフローチャートである。図１に示すように、本実施形態に係る水素の製造方法は、分解工程Ｓ１と、圧縮工程Ｓ２と、分離工程Ｓ３と、水素製造工程Ｓ４とを含む。水素製造工程Ｓ４は、熱分解工程Ｓ４１と、水素精製工程Ｓ４２と、を含む。

分解工程Ｓ１は、炭化水素を分解し、分解ガスを得る工程である。圧縮工程Ｓ２は、分解ガスを圧縮する工程である。分離工程Ｓ３は、前記分解ガスを、水素およびメタンと、エチレン以上の高沸成分とに分離する工程である。水素製造工程Ｓ４は、分離工程Ｓ３において得られる、メタンを含むストリームから水素を製造する工程である。熱分解工程Ｓ４１は、分離工程Ｓ３において得られる、メタンを含むストリームの少なくとも一部を熱分解する工程である。水素精製工程Ｓ４２は、メタンを含むストリームの少なくとも一部である水素原料ガスから水素を精製する工程である。

本実施形態では、一例として図１に示すフローチャートおよび当該フローチャートに示される製造フローを実現する水素の製造システム１０１（以下、単に「製造システム１０１」と称する）について説明する。本明細書の図面に記載されている工程などは典型的な例を示すにすぎず、本発明の範囲を何ら限定するものではない。このことは、以下の他の実施形態においても同様である。

＜製造システムの概要＞
まず、実施形態１に係る水素の製造方法を実現するための製造システム１０１の構成について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施形態１に係る製造システム１０１の構成を模式的に示す系統図である。

本実施形態の製造システム１０１は、エタンまたはナフサなどの炭化水素を分解して得られる分解ガスを精製することにより、水素を製造するシステムである。図２に示すように、本実施形態の製造システム１０１は、分解装置１と、冷却装置２と、圧縮装置３と、分離装置４と、水素精製装置５と、テールガス圧縮装置６と、熱分解装置７と、各経路を備えて概略構成されている。各経路は配管によって形成されている。

経路Ｌ１は、炭化水素を分解装置１に供給するための経路である。経路Ｌ２は、分解装置１と冷却装置２との間に設けられる経路である。経路Ｌ３は、冷却装置２と圧縮装置３との間に設けられる経路である。経路Ｌ４は、圧縮装置３と分離装置４との間に設けられる経路である。経路Ｌ５は、分離装置４からエチレン以上の高沸成分を排出するための経路である。経路Ｌ６は、分離装置４から後述する燃料ガスＧ３を排出するための経路である。経路Ｌ６１は、経路Ｌ６から分枝された経路であり、かつ分離装置４と熱分解装置７との間に設けられる経路である。経路Ｌ６２は、熱分解装置７から炭素Ｇ９（固体炭素）を排出するための経路である。経路Ｌ６３は、熱分解装置７から水素ガスＧ８を排出するための経路である。経路Ｌ６０は、経路Ｌ６から分枝された経路であり、かつ分離装置４と分解装置１との間に設けられる経路である。経路Ｌ７は、分離装置４から、後述する水素原料ガスＧ４を排出するための経路である。経路Ｌ７は、分離装置４と水素精製装置５との間に設けられる経路である。経路Ｌ８は、分離装置４から、後述するリサイクルガスＧ５を排出するための経路である。経路Ｌ８は、分離装置４と、圧縮装置３との間に設けられる経路である。経路Ｌ９は、水素精製装置５から水素ガスＧ６を排出するための経路である。経路Ｌ１０は、水素精製装置５からテールガスＧ７を排出するための経路である。図２において、各経路上に記載されている、四角で囲まれた符号の表示は、各経路を通るストリームが、符号によって示されるガスを含んでいることを示している。

分解装置１は、原料として供給される炭化水素を分解する装置である。すなわち、分解装置１は、原料として供給される炭化水素を分解して分解ガスＧ１を得る、分解工程Ｓ１を実施するための装置である。分解装置１としては、熱分解用管式加熱炉または接触分解装置が用いられ得る。本明細書において、熱分解という用語は、化合物（例えば炭化水素原料）が、酸化を伴わずに加熱のみによって、１または２以上の他の物質に変換されることを指して用いられる。

冷却装置２は、分解ガスＧ１を冷却する装置である。冷却装置２としては、二重管式熱交換器、多管式熱交換器、直接接触式熱交換器、プレート式熱交換器または空冷式熱交換器などの公知の冷却装置を用いることができる。

圧縮装置３は、分解ガスＧ１を圧縮する装置である。すなわち、圧縮装置３は、圧縮工程Ｓ２を実施するための装置である。圧縮装置３としては、遠心式圧縮機、軸流式圧縮機、往復動式圧縮機などの公知の圧縮装置を用いることができる。

分離装置４は、分解ガスＧ１を、メタンを含むストリームと、エチレン以上の高沸成分（Ｃ２＋ガスＧ２）とに分離する装置である。より具体的には、分離装置４は、高圧かつ低温の条件下で沸点差を利用することにより、分解ガスＧ１を、メタンを含むストリームと、エチレン以上の高沸成分とに分離することができる。このとき、水素は、メタンを含むストリームに含まれる。分離装置４としては、深冷分離器または脱メタン塔などの装置を用いることができる。

分離装置４によって分離されるメタンを含むストリームは、複数のストリームに分けて取り出されてもよい。本実施形態では、メタンを含むストリームは、例えば、燃料ガスＧ３、水素原料ガスＧ４およびリサイクルガスＧ５に分けて分離装置４から取り出され得る。燃料ガスＧ３、水素原料ガスＧ４およびリサイクルガスＧ５は、それぞれ分離装置４から排出された後の用途に適した組成を有している。なお、メタンを含むストリームが分けられる数は上記３つに限定されず、４つ以上であってもよい。

燃料ガスＧ３は、分解装置１に燃料として供給することのできるガスである。そのため、分離装置において分離されたメタンを多く含む組成となっている。燃料ガスＧ３は、メタンの他に水素、一酸化炭素などの酸化炭素、メタン以外の炭化水素を含んでいてもよい。燃料ガスＧ３は、経路Ｌ６を介して分離装置４から取り出される。また、燃料ガスＧ３のうち、少なくとも一部が経路Ｌ６１を介して熱分解装置７に供給される。燃料ガスＧ３の一部は、経路Ｌ６０を介して分解装置１に供給されてもよい。なお、分離装置４から取り出された燃料ガスＧ３は、全て熱分解装置７に供給されてもよい。この場合、経路Ｌ６０は設けられなくてもよい。

水素原料ガスＧ４は、水素を得るために水素精製装置５に供給されるガスである。そのため、分離装置４において分離された水素を多く含む組成となっている。水素原料ガスＧ４は、水素およびメタンを含んでいる。水素原料ガスＧ４は、水素およびメタンの他に、メタン以外の炭化水素、一酸化炭素などの酸化炭素を含んでいてもよい。水素原料ガスＧ４は、経路Ｌ７を介して分離装置４から取り出される。すなわち、分離装置４は、分解ガスＧ１から水素およびメタンを含む水素原料ガスＧ４を分離する分離工程Ｓ３を実施する装置であると言える。

リサイクルガスＧ５は、分離装置４においてリサイクルガスとして再利用され得るガスである。リサイクルガスＧ５は、経路Ｌ８を介して分離装置４から取り出される。

燃料ガスＧ３、水素原料ガスＧ４およびリサイクルガスＧ５は、例えば、各ガスの組成比に起因する重量の差または沸点の差を利用して、分離装置４からそれぞれ取り出され得る。この場合、各ガスの単位体積当たりの重量は、軽いものから水素原料ガスＧ４、燃料ガスＧ３、リサイクルガスＧ５となる。

水素精製装置５は、水素精製装置５に供給されるガスに含まれる水素を精製し、高純度の水素を得る装置である。水素精製装置５は、水素原料ガスＧ４から水素を精製する、水素精製工程Ｓ４２を実施する装置である。水素精製装置５としては、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption：圧力スイング吸着装置）、深冷分離器または膜分離装置などの公知のガス分離装置を用いることができる。水素精製装置５により、水素精製装置５に供給される水素原料ガスＧ４は、高純度の水素ガスＧ６と、水素原料ガスＧ４中の不純物を含むテールガスＧ７とに分離される。

テールガス圧縮装置６は、テールガスＧ７を圧縮する装置である。テールガス圧縮装置６としては、遠心式圧縮機、軸流式圧縮機、往復動式圧縮機などの公知の圧縮装置を用いることができる。テールガス圧縮装置６によって圧縮されたテールガスＧ７は、燃料として用いられてもよい。

熱分解装置７は、メタンを含むガスを熱分解する装置である。すなわち、熱分解装置７は、分離工程Ｓ３において得られる、メタンを含むストリームの少なくとも一部を熱分解する熱分解工程Ｓ４１を実施する装置である。なお、分離工程Ｓ３において得られる、メタンを含むストリームの少なくとも一部と共に、炭化水素を分解して得られる成分のうち、メタンを含まない炭化水素ガスまたは炭化水素油も熱分解装置７に供給することができる。
熱分解装置７としては、管式反応器、固定床反応器、流動床反応器、バブリング型流動床反応器、循環流動床反応器、移動床反応器または循環移動床反応器などの公知の装置を用いることができる。また、熱分解装置７において用いられる熱分解法は、無触媒熱分解法、固体触媒を用いる熱分解法、または溶融塩もしくは溶融金属などの液体触媒を用いる熱分解法などの公知の方法であってよい。さらに、熱分解を行うための加熱装置として、加熱炉、スチームもしくは溶融塩などを熱媒とする熱交換装置、マイクロ波加熱装置、プラズマ加熱装置、誘導加熱装置または抵抗加熱装置などの公知の装置を用いることができる。メタンを含むストリームを熱分解することにより、炭素Ｇ９（固体炭素）と、水素ガスＧ８を得ることができる。

実施形態１に係る製造システム１０１は、炭化水素を分解する分解装置１と、前記炭化水素が分解された分解ガスＧ１を圧縮する圧縮装置３と、圧縮された分解ガスＧ１から、水素およびメタンを含む水素原料ガスＧ４を分離する分離装置４と、水素原料ガスＧ４から水素を精製する水素精製装置５と、熱分解装置７と、を含む。熱分解装置７は、分離装置４から排出される、メタンを含むストリームの少なくとも一部を熱分解する。

また、上述した製造システム１０１を用いて実施される水素の製造方法は以下のように記載され得る。

実施形態１に係る水素の製造方法は、炭化水素を分解し、分解ガスＧ１を得る分解工程Ｓ１と、分解ガスＧ１を圧縮する圧縮工程Ｓ２と、圧縮された分解ガスＧ１から水素およびメタンを含む水素原料ガスＧ４を分離する分離工程Ｓ３と、水素原料ガスＧ４から水素を精製する水素精製工程Ｓ４２と、分離工程Ｓ３において得られる、メタンを含むストリームの少なくとも一部を熱分解する熱分解工程Ｓ４１と、を含む。

メタンを含むストリームの少なくとも一部を熱分解することにより、水素および固体炭素を得ることができる。炭化水素を分解して得られたメタンを含むストリームに含まれる炭素分の少なくとも一部が固体炭素として得られるため、製造システム１０１から排出されるＣＯ_２の量を低減することができる。さらにメタンを含むストリームから水素が得られるため、水素の生産量を向上させることができる。これにより、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の達成に貢献できる。

また、実施形態１に係る水素の製造方法は、分解工程Ｓ１の燃料として用いられる燃料ガスＧ３の少なくとも一部を熱分解する熱分解工程Ｓ４１を含む。

炭化水素を分解して生じたメタンを多く含む燃料ガスＧ３を熱分解する熱分解工程を含むことにより、製造システム１０１から排出されるＣＯ_２の量を有意に低減することができる。また、メタンの含有量が多いため、水素の生成量を向上させることができる。

なお、本願発明は水素の製造方法として記載しているが、熱分解工程Ｓ４１を含むことにより、炭素を得ることもできる。すなわち、本願発明は水素および炭素の製造方法として捉えることもできる。

〔実施形態２〕
本発明の第２の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。以下の実施形態についても同様である。

本実施形態に係る水素の製造方法のフローチャートは、図１に示す実施形態１のフローチャートと同じフローチャートによって表すことができる。図３は、本発明の実施形態２に係る製造システム１０２の構成を模式的に示す系統図である。図３では、図２に記載されている経路Ｌ６０を省略しているが、経路Ｌ６０が設けられていてもよい。

実施形態２は、熱分解装置７から得られた水素ガスＧ８（水素を含むストリーム）を、水素精製装置５に供給する水素原料ガスＧ４の一部として用いている点が実施形態１と異なる。具体的には、図３に示すように、製造システム１０２では、熱分解装置７から得られる水素ガスＧ８は、経路Ｌ６４を介して排出され、水素精製装置５に供給されている。他の構成は実施形態１と同じである。

すなわち、実施形態２に係る水素の製造方法は、分解工程Ｓ１の燃料として用いられる燃料ガスＧ３の少なくとも一部を熱分解する熱分解工程Ｓ４１を含み、熱分解工程Ｓ４１において得られる水素を含むストリームを、水素精製工程Ｓ４２において、原料の一部として供給している。

当該構成により、製造システム１０２から排出されるＣＯ_２の量を有意に低減することができる。また、熱分解装置７から得られる低純度の水素ガスＧ８を水素精製装置５に供給することにより、高純度の水素ガスＧ６を増産することができる。

〔実施形態３〕
本発明の第３の実施形態について、以下に説明する。

本実施形態に係る水素の製造方法のフローチャートは、図１に示す実施形態１のフローチャートと同じフローチャートによって表すことができる。図４は、本発明の実施形態３に係る製造システム１０３の構成を模式的に示す系統図である。図４では、図２に記載されている経路Ｌ６０を省略しているが、経路Ｌ６０が設けられていてもよい。

製造システム１０３では、水素精製装置５から得られ、圧縮されたテールガスＧ７の一部をリサイクルテールガスＧ１０として熱分解装置７に供給している点が実施形態２と異なる。その他の構成は、実施形態２と同じである。リサイクルテールガスＧ１０は、炭化水素を含むガスである。リサイクルテールガスＧ１０は、経路Ｌ１０から分枝される経路Ｌ１１を通り、燃料ガスＧ３と合流され、熱分解装置７に供給される。

すなわち、実施形態３に係る水素の製造方法は、分解工程Ｓ１の燃料として用いられる燃料ガスＧ３の少なくとも一部を熱分解する熱分解工程Ｓ４１を含み、水素精製工程Ｓ４２において分離される炭化水素を、熱分解工程に供給している。

当該構成により、製造システム１０２から排出されるＣＯ_２の量を有意に低減することができる。また、水素精製装置５から得られるテールガスの一部を熱分解装置７に供給することにより、排出されるテールガス量を低減し、高純度の水素ガスＧ６を増産することができる。

〔実施形態４〕
本発明の第４の実施形態について、以下に説明する。

図５は、本発明の実施形態４に係る製造システム１０４の構成を模式的に示す系統図である。

製造システム１０４では、分離装置４から排出される燃料ガスＧ３は、分解装置１の燃料として用いられている。また、分離装置４から排出される水素原料ガスＧ４が、熱分解装置７に供給されている。燃料ガスＧ３は、経路Ｌ６を介して分解装置１に燃料として供給されている。水素原料ガスＧ４は、経路Ｌ７１を介して熱分解装置７に供給されている。実施形態４は、上述した点が実施形態１と異なっており、それ以外の構成は実施形態１と同じである。

すなわち、実施形態４に係る水素の製造方法は、水素原料ガスＧ４の少なくとも一部を熱分解する熱分解工程Ｓ４１を含む。

水素およびメタンを含む水素原料ガスＧ４を熱分解する熱分解工程を含むことにより、製造システム１０４から排出されるＣＯ_２の量を低減することができる。

なお、製造システム１０４は、水素精製装置５を含んでいない。しかしながら、製造システム１０４の構成において、熱分解装置７は、（ｉ）分離工程Ｓ３において得られる、メタンを含むストリームから水素を製造する水素製造工程Ｓ４と、（ｉｉ）分離工程Ｓ３において得られる、メタンを含むストリームの少なくとも一部を熱分解する熱分解工程Ｓ４１の両方を実施する装置であると言える。つまり、製造システム１０４も本願発明の範囲内である。

〔実施形態５〕
本発明の第５の実施形態について、以下に説明する。

本実施形態に係る水素の製造方法のフローチャートは、図１に示す実施形態１のフローチャートと同じフローチャートによって表すことができる。図６は、本発明の実施形態５に係る製造システム１０５の構成を模式的に示す系統図である。

製造システム１０５では、熱分解装置７から得られた水素ガスＧ８を水素精製装置５に供給している点が実施形態４と異なっている。水素精製装置５に供給された水素ガスＧ８は、高純度の水素ガスＧ６と、水素ガスＧ８中の不純物を含むテールガスＧ７とに分離される。他の構成については実施形態４と同じである。

すなわち、実施形態５に係る水素の製造方法は、水素原料ガスＧ４の少なくとも一部を熱分解する熱分解工程Ｓ４１を含み、熱分解工程Ｓ４１において得られる水素を含むストリームを、水素精製工程Ｓ４２において、原料の一部として供給している。

当該構成により、製造システム１０５から排出されるＣＯ_２の量を低減することができる。また、また、熱分解した後の水素ガスＧ８を水素精製装置５に供給することにより、高純度の水素ガスＧ６を増産することができるとともに、テールガス発生量およびテールガス圧縮機動力を削減することができる。

〔実施形態６〕
本発明の第６の実施形態について、以下に説明する。

本実施形態に係る水素の製造方法のフローチャートは、図１に示す実施形態１のフローチャートと同じフローチャートによって表すことができる。図７は、本発明の実施形態６に係る製造システム１０６の構成を模式的に示す系統図である。

製造システム１０６では、水素精製装置５から得られ、圧縮されたテールガスＧ７の一部をリサイクルテールガスＧ１０として熱分解装置７に供給している点が実施形態５と異なる。リサイクルテールガスＧ１０は、炭化水素を含むガスである。リサイクルテールガスＧ１０は、経路Ｌ１０から分枝される経路Ｌ１１を介して熱分解装置７に供給される。その他の構成は、実施形態５と同じである。

すなわち、実施形態６に係る水素の製造方法は、水素原料ガスＧ４の少なくとも一部を熱分解する熱分解工程Ｓ４１を含み、水素精製工程Ｓ４２において分離される炭化水素を、熱分解工程Ｓ４１に供給している。

当該構成により、製造システム１０６から排出されるＣＯ_２の量を低減することができる。また、水素精製装置５から得られるテールガスの一部を熱分解装置７に供給することにより、排出されるテールガス量を低減し、高純度の水素ガスＧ６を増産することができる。

〔実施形態７〕
本発明の第７の実施形態について、以下に説明する。

図８は、本発明の実施形態７に係る製造システム１０７の構成を模式的に示す系統図である。

製造システム１０７では、分離装置４から排出される燃料ガスＧ３は、分解装置１の燃料として用いられている。また、分離装置４から排出されるリサイクルガスＧ５が、熱分解装置７に供給されている。燃料ガスＧ３は、経路Ｌ６を介して分解装置１に燃料として供給されている。リサイクルガスＧ５は、経路Ｌ８１を介して熱分解装置７に供給されている。実施形態７は、上述した点が実施形態１と異なっており、それ以外の構成は実施形態１と同じである。

換言すると、実施形態７に係る水素の製造方法は、リサイクルガスＧ５の少なくとも一部を熱分解する熱分解工程Ｓ４１を含む。

メタンを含むリサイクルガスＧ５を熱分解する熱分解工程Ｓ４１を含むことにより、製造システム１０７から排出されるＣＯ_２の量を低減することができる。また、分離装置４へのリサイクルがなくなることにより、圧縮装置３の動力を低減することができる。

〔実施形態８〕
本発明の第８の実施形態について、以下に説明する。

本実施形態に係る水素の製造方法のフローチャートは、図１に示す実施形態１のフローチャートと同じフローチャートによって表すことができる。図９は、本発明の実施形態８に係る製造システム１０８の構成を模式的に示す系統図である。

製造システム１０８では、熱分解装置７から得られた水素ガスＧ８を水素精製装置５に供給している点が実施形態７と異なっている。他の構成については実施形態７と同じである。

実施形態８に係る水素の製造方法は、リサイクルガスＧ５の少なくとも一部を熱分解する熱分解工程Ｓ４１を含み、熱分解工程Ｓ４１において得られる水素を含むストリームを、水素精製工程Ｓ４２において、原料の一部として供給している。

当該構成により、製造システム１０８から排出されるＣＯ_２の量を低減することができる。また、また、熱分解した後の水素ガスＧ８を水素精製装置５に供給することにより、高純度の水素ガスＧ６を増産することができる。

〔実施形態９〕
本発明の第９の実施形態について、以下に説明する。

本実施形態に係る水素の製造方法のフローチャートは、図１に示す実施形態１のフローチャートと同じフローチャートによって表すことができる。図１０は、本発明の実施形態９に係る製造システム１０９の構成を模式的に示す系統図である。

製造システム１０９では、水素精製装置５から得られ、圧縮されたテールガスＧ７の一部をリサイクルテールガスＧ１０として熱分解装置７に供給している点が実施形態５と異なる。リサイクルテールガスＧ１０は、炭化水素を含むガスである。リサイクルテールガスＧ１０は、経路Ｌ１０から分枝される経路Ｌ１１を介して熱分解装置７に供給される。その他の構成は、実施形態８と同じである。

換言すると、実施形態９に係る水素の製造方法は、リサイクルガスＧ５の少なくとも一部を熱分解する熱分解工程Ｓ４１を含み、水素精製工程Ｓ４２において分離される炭化水素を、熱分解工程に供給している。

当該構成により、製造システム１０９から排出されるＣＯ_２の量を低減することができる。また、水素精製装置５から得られるテールガスの一部を熱分解装置７に供給することにより、排出されるテールガス量を低減し、高純度の水素ガスＧ６を増産することができる。

〔他の実施形態〕
上述の実施形態では、燃料ガスＧ３、水素原料ガスＧ４およびリサイクルガスＧ５のいずれか１つを熱分解装置７に供給する構成について説明した。しかしながら、熱分解装置７に供給するガスは、燃料ガスＧ３、水素原料ガスＧ４およびリサイクルガスＧ５のうち１つ以上を合流させたものであってもよい。

当該構成の製造方法においても、排出されるＣＯ_２の量を低減することができる。また、水素の生成量を向上させることができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

〔プロセスシミュレーションによる実証試験〕
以下に、本発明の範囲内の構成を有する実施例と、本発明の範囲外の構成を有する比較例について、マテリアルバランスをプロセスシミュレーションにより取得した結果について説明する。

比較例は、本発明の範囲外の構成を有する製造システム９００の構成を基に行ったシミュレーションである。図１１は、比較例としての製造システム９００の構成を模式的に示す系統図である。製造システム９００は、上述した製造システム１０１～１０９と同様、エタンまたはナフサなどの炭化水素を分解して得られる分解ガスを精製することにより、水素を製造するシステムである。しかしながら、製造システム９００は、熱分解装置を有していない。すなわち、製造システム９００を用いた水素の製造方法は、熱分解工程Ｓ４１に相当する工程を含まない。なお、図１１において上述した実施形態にて説明した部材と同じ符号を付している部材は、上記実施形態と同じ機能を有する。

実施例１～９は、それぞれ上述した製造システム１０１～１０９の構成を基に行ったシミュレーションである。

比較例および各実施例についてのシミュレーションでは、以下の設定とした。
・分離装置４は、深冷分離器と脱メタン塔から構成される
・水素精製装置５は、ＰＳＡ装置を使用する
・熱分解装置７から得られる水素ガスＧ８の水素濃度は８９ｍｏｌ％（５１ｗｔ％）である
・熱分解装置７におけるメタンの転化率は８０％とする
・テールガスＧ７の一部をリサイクルする場合、水素精製装置５の出口から排出されるテールガスＧ７の半量を、リサイクルテールガスＧ１０としてリサイクルする。

＜比較例＞
比較例についてのシミュレーション結果として、各ガスの組成、ＣＯ_２発生量、分解ガス圧縮機（圧縮装置３）動力およびテールガス圧縮機（テールガス圧縮装置６）動力を以下の表１に示す。

比較例では、燃料ガスＧ３およびテールガスＧ７は、分解装置１などにおいて燃料として使用されるため、燃焼に伴うＣＯ_２が発生する。比較例において、発生するＣＯ_２は１８７．１ton/hrであるという結果となった。また、分解ガス圧縮機動力は６０７４９ｋＷ、テールガス圧縮機動力は３１０６ｋＷであった。

＜実施例１＞
実施例１についてのシミュレーション結果を以下の表２に示す。

比較例において発生するＣＯ_２は１８７．１ton/hrであったのに対し、実施例１では、５６．３ton/hrであるという結果となった。すなわち、実施形態１の製造システム１０１は、ＣＯ_２の量を有意に低減することができるというシミュレーション結果を得ることができた。

＜実施例２＞
実施例２についてのシミュレーション結果を以下の表３に示す。

比較例において発生するＣＯ_２は１８７．１ton/hrであったのに対し、実施例２では、８２．４ton/hrであるという結果となった。また、比較例において高純度の水素ガスＧ６の生成量は３．５ton/hrであったのに対し、実施例２では、１１．９ton/hrであった。すなわち、実施形態２の製造システム１０２は、排出されるＣＯ_２の量を有意に低減し、高純度の水素ガスＧ６を増産することができるというシミュレーション結果を得ることができた。

＜実施例３＞
実施例３についてのシミュレーション結果を以下の表４に示す。

比較例において発生するＣＯ_２は１８７．１ton/hrであったのに対し、実施例３では、４５．９ton/hrであるという結果となった。また、比較例においてテールガスＧ７の発生量は２１．２ton/hrであったのに対し、実施例３では、１８．２ton/hrであった。また、比較例において高純度の水素ガスＧ６の生成量は３．５ton/hrであったのに対し、実施例２では、１６．０ton/hrであった。すなわち、実施形態３の製造システム１０３は、排出されるＣＯ_２の量を有意に低減し、排出されるテールガス量を低減し、高純度の水素ガスＧ６を増産することができるというシミュレーション結果を得ることができた。

＜実施例４＞
実施例４についてのシミュレーション結果を以下の表５に示す。

比較例において発生するＣＯ_２は１８７．１ton/hrであったのに対し、実施例４では、１３０．８ton/hrであるという結果となった。すなわち、実施形態４の製造システム１０４は、ＣＯ_２の量を低減することができるというシミュレーション結果を得ることができた。

＜実施例５＞
実施例５についてのシミュレーション結果を以下の表６に示す。

比較例において発生するＣＯ_２は１８７．１ton/hrであったのに対し、実施例５では、１４２．１ton/hrであるという結果となった。すなわち、燃料ガスＧ３を熱分解する熱分解工程Ｓ４１を含むことにより、ＣＯ_２の量を低減することができるというシミュレーション結果を得ることができた。また、比較例において高純度の水素ガスＧ６の生成量は３．５ton/hrであったのに対し、実施例５では、７．０ton/hrであった。また、比較例においてテールガスＧ７の発生量は２１．２ton/hrであったのに対し、実施例５では、５．４ton/hrであった。さらに、比較例においてテールガス圧縮機動力が３１０６ｋＷであったのに対し、実施例５では、１９０７ｋＷであった。すなわち、実施形態５の製造システム１０５は、高純度の水素ガスＧ６を増産することができるとともに、テールガス発生量およびテールガス圧縮機動力を削減することができるというシミュレーション結果を得ることができた。

＜実施例６＞
実施例６についてのシミュレーション結果を以下の表７に示す。

比較例において発生するＣＯ_２は１８７．１ton/hrであったのに対し、実施例６では、１３７．２ton/hrであるという結果となった。比較例において高純度の水素ガスＧ６の生成量は３．５ton/hrであったのに対し、実施例６では、８．０ton/hrであった。比較例においてテールガスＧ７の発生量は２１．２ton/hrであったのに対し、実施例６では、３．１ton/hrであった。すなわち、実施形態６の製造システム１０６は、ＣＯ_２の量を低減し、排出されるテールガス量を低減し、かつ高純度水素を増産することができるというシミュレーション結果を得ることができた。

＜実施例７＞
実施例７についてのシミュレーション結果を以下の表８に示す。

比較例において発生するＣＯ_２は１８７．１ton/hrであったのに対し、実施例７では、１６６．２ton/hrであるという結果となった。また、比較例において分解ガス圧縮機動力が６０７４９ｋＷであったのに対し、実施例７では、５９７８０ｋＷであった。すなわち、実施形態７の製造システム１０６は、ＣＯ_２の量を低減し、分解ガス圧縮機の動力を低減することができるというシミュレーション結果を得ることができた。

＜実施例８＞
実施例８についてのシミュレーション結果を以下の表９に示す。

比較例において発生するＣＯ_２は１８７．１ton/hrであったのに対し、実施例９では、１７０．７ton/hrであるという結果となった。また、比較例において高純度の水素ガスＧ６の生成量は３．５ton/hrであったのに対し、実施例８では、４．９ton/hrであった。すなわち、実施形態８の製造システム１０８は、ＣＯ_２の量を低減し、高純度の水素ガスＧ６を増産することができるというシミュレーション結果を得ることができた。

＜実施例９＞
実施例９についてのシミュレーション結果を以下の表１０に示す。

比較例において発生するＣＯ_２は１８７．１ton/hrであったのに対し、実施例９では、１４４．６ton/hrであるという結果となった。また、比較例において高純度の水素ガスＧ６の生成量は３．５ton/hrであったのに対し、実施例９では、７．５ton/hrであった。さらに、比較例においてテールガスＧ７の生成量は２１．２ton/hrであったのに対し、実施例９では、１２．６ton/hrであった。すなわち、実施形態９の製造システム１０９は、ＣＯ_２の量を低減し、排出されるテールガス量を低減し、水素を増産することができるというシミュレーション結果を得ることができた。

１分解装置
２冷却装置
３圧縮装置
４分離装置
５水素精製装置
６テールガス圧縮装置
７熱分解装置
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、９００製造システム
Ｇ１分解ガス
Ｇ２Ｃ２＋ガス
Ｇ３燃料ガス
Ｇ４水素原料ガス
Ｇ５リサイクルガス
Ｇ６水素ガス（高純度）
Ｇ７テールガス
Ｇ８水素ガス（低純度）
Ｇ９炭素
Ｇ１０リサイクルテールガス
Ｓ１分解工程
Ｓ２圧縮工程
Ｓ３分離工程
Ｓ４水素製造工程
Ｓ４１熱分解工程
Ｓ４２水素精製工程

Claims

炭化水素を分解し、分解ガスを得る分解工程と、
前記分解ガスを圧縮する圧縮工程と、
圧縮された前記分解ガスから水素およびメタンを含む水素原料ガスを分離する分離工程と、
前記水素原料ガスから水素を精製する水素精製工程と、
前記分離工程において得られる、（ｉ）前記分解工程の燃料として用いられる燃料ガス、（ｉｉ）前記水素原料ガス、および（ｉｉｉ）前記圧縮工程に再び供給されるリサイクルガスのうち、前記水素原料ガスの少なくとも一部を熱分解する熱分解工程と、を含み、
前記熱分解工程において得られる水素を含むストリームを、前記水素精製工程において、原料の一部として供給する、水素の製造方法。
前記水素精製工程において分離される炭化水素を、前記熱分解工程に供給する、請求項１に記載の水素の製造方法。
炭化水素を分解する分解装置と、
前記炭化水素が分解された分解ガスを圧縮する圧縮装置と、
圧縮された前記分解ガスから、水素およびメタンを含む水素原料ガスを分離する分離装置と、
前記水素原料ガスから水素を精製する水素精製装置と、
熱分解装置と、を含み、
前記熱分解装置は、前記分離装置から排出される、（ｉ）前記分解装置の燃料として用いられる燃料ガス、（ｉｉ）前記水素原料ガス、および（ｉｉｉ）前記圧縮装置に再び供給されるリサイクルガスのうち、前記水素原料ガスの少なくとも一部を熱分解し、
前記熱分解装置から得られる水素を含むストリームを、前記水素精製装置の原料の一部として供給する、水素の製造システム。