JP7315092B2 - 水素製造装置 - Google Patents

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Description

本開示は、水素製造装置に関する。本出願は２０２０年３月１９日に提出された日本特許出願第２０２０－０４９２９１号に基づく優先権の利益を主張するものであり、その内容は本出願に援用される。
水素を製造する技術として、メタン等の炭化水素を水蒸気改質する技術が知られている。しかし、水蒸気改質は、水素の製造過程で二酸化炭素が生じてしまう。そこで、炭化水素を熱分解して、炭素を固体として生成することで、二酸化炭素を排出しない水素を製造することが考えられる。
炭化水素を熱分解する技術として、反応炉と、原料ガス供給源と、加熱部とを備える装置が開示されている（例えば、特許文献１）、反応炉は、触媒を収容する。原料ガス供給源は、反応炉に炭化水素を供給する。加熱部は、反応炉の周囲に設けられ、反応炉内を加熱する。
特許第５８６２５５９号公報
炭化水素の熱分解反応は、触媒を用いることによって８００℃以上で効率よく進行する。しかし、炭化水素の熱分解反応は吸熱反応であるため、外部から熱を供給する必要がある。このため、上記特許文献１のような、反応炉を外部から加熱する技術において、反応炉の内部を８００℃以上にするためには、反応炉の炉壁を１０００℃以上に加熱する必要がある。そうすると、１０００℃以上の耐熱性を有する材料で反応炉を構成しなければならず、反応炉に要するコストが高くなってしまうという課題がある。
そこで、本開示は、このような課題に鑑み、炭化水素を低コストで熱分解させることが可能な水素製造装置を提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る水素製造装置は、燃料供給部によって供給される燃料を燃焼させて、触媒粒子を加熱する加熱炉と、加熱炉の下流側に接続され、触媒粒子と、燃焼排ガスとを分離するサイクロンと、サイクロンによって分離された触媒粒子を収容する収容槽と、収容槽の下部から、少なくとも炭化水素を含む原料ガスを導入する原料ガス導入部と、を有する熱分解炉と、サイクロンによって分離された燃焼排ガスと、酸化剤とを熱交換する第１熱交換部と、第１熱交換部によって熱交換された酸化剤を加熱炉に供給する酸化剤供給部と、を備える。
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る他の水素製造装置は、燃料供給部によって供給される燃料を燃焼させて、触媒粒子を加熱する加熱炉と、加熱炉の下流側に接続され、触媒粒子と、燃焼排ガスとを分離するサイクロンと、サイクロンによって分離された触媒粒子を収容する収容槽と、収容槽の下部から、少なくとも炭化水素を含む原料ガスを導入する原料ガス導入部と、を有する熱分解炉と、を備え、収容槽は、サイクロンによって分離された触媒粒子が導かれる粒子導入口と、収容槽において生成された混合ガスが送出される第１送出口と、粒子導入口と第１送出口との間に設けられ、収容槽において生成された混合ガスが送出される第２送出口と、を有し、燃料供給部は、第２送出口を通じて、収容槽から送出された混合ガスを燃料として加熱炉に供給する。
また、収容槽内に設けられ、第１送出口が設けられる第１室と、第２送出口が設けられる第２室とに収容槽内を区画する仕切板を備えてもよい。
また、収容槽から送出された混合ガスから水素を分離する水素分離部を備え、燃料供給部は、水素分離部によって分離された水素を燃料として加熱炉に供給してもよい。
また、収容槽から送出された混合ガスから水素を分離する水素分離部を備え、燃料供給部は、水素分離部によって水素が分離された後の混合ガスを燃料として加熱炉に供給してもよい。
また、収容槽から送出された混合ガスから固体炭素を除去する炭素回収部を備え、燃料供給部は、固体炭素が除去された混合ガスを燃料として加熱炉に供給してもよい。
また、収容槽から送出された混合ガスと、原料ガスとを熱交換する第２熱交換部を備え、原料ガス導入部は、第２熱交換部によって熱交換された原料ガスを収容槽に導入してもよい。
本開示によれば、炭化水素を低コストで熱分解させることが可能となる。
図１は、第１の実施形態に係る水素製造装置を説明する図である。 図２は、第１の実施形態に係る精製装置を説明する図である。 図３は、第１の変形例に係る燃料供給部を説明する図である。 図４は、第２の変形例に係る燃料供給部を説明する図である。 図５は、第３の変形例に係る加熱炉、サイクロン、熱分解炉を説明する図である。 図６は、第２の実施形態に係る水素製造装置を説明する図である。 図７は、第２の実施形態に係る精製装置を説明する図である。 図８は、触媒粒子に原料ガスであるメタンを通気した反応時間と、収容槽におけるガスの生成量との関係を説明する図である。
以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。
［第１の実施形態：水素製造装置１００］
図１は、第１の実施形態に係る水素製造装置１００を説明する図である。図１に示すように、水素製造装置１００は、加熱炉１１０と、第１配管１１２と、第２配管１１４と、サイクロン１２０と、連通管１２２と、熱分解炉１３０と、第１送出管１３４と、精製装置１５０と、除塵装置１６０と、第３配管１６２と、酸化剤供給部１７０と、第１熱交換部１８０と、燃料供給部１９０とを含む。なお、図１中、実線の矢印は、ガスの流れを示す。図１中、破線の矢印は、触媒粒子ＣＡＴの流れを示す。
加熱炉１１０は、筒形状である。第１配管１１２は、加熱炉１１０の下部と、後述する熱分解炉１３０（収容槽１３２の側面）とを接続する。なお、第１配管１１２には、不図示のループシールが設けられている。加熱炉１１０には、第１配管１１２、ループシールを通じて、熱分解炉１３０から触媒粒子ＣＡＴが導入される。
触媒粒子ＣＡＴは、下記式（１）で示す熱分解反応を促進する触媒である。
ＣＨ４ →Ｃ ＋ ２Ｈ２ …式（１）
触媒粒子ＣＡＴは、例えば、鉄系の触媒（鉄、鉄鉱石）である。触媒粒子ＣＡＴの粒径は、例えば、５０μｍ以上１０００μｍ以下であり、好ましくは、１００μｍ以上３００μｍ以下である。
加熱炉１１０は、後述する燃料供給部１９０によって供給される燃料ＦＧを空気で燃焼させて、触媒粒子ＣＡＴを９００℃程度に加熱する。第２配管１１４は、加熱炉１１０の上部と、後述するサイクロン１２０とを接続する。加熱炉１１０において加熱された触媒粒子ＣＡＴおよび燃焼排ガスＥＸは、第２配管１１４を通じて、サイクロン１２０に送出される。
サイクロン１２０は、熱分解炉１３０の上方に設けられる。サイクロン１２０は、第２配管１１４を介して、加熱炉１１０の下流側に接続される。サイクロン１２０は、第２配管１１４を通じて加熱炉１１０から導入された、触媒粒子ＣＡＴと燃焼排ガスＥＸとの混合物を固気分離する。
連通管１２２は、サイクロン１２０の底部と熱分解炉１３０（収容槽１３２）とを接続する。また、連通管１２２には、不図示のループシールが設けられている。サイクロン１２０で分離された高温の触媒粒子ＣＡＴは、連通管１２２、ループシールを通過して、熱分解炉１３０に導入される。
熱分解炉１３０は、例えば、気泡流動層（バブリング流動層）炉である。熱分解炉１３０は、サイクロン１２０から導入された高温の触媒粒子ＣＡＴを、原料ガスＧＧによって流動化する。原料ガスＧＧは、少なくとも炭化水素（例えば、メタン）を含む。原料ガスＧＧは、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）である。以下、炭化水素としてメタンを例に挙げる。
具体的に説明すると、熱分解炉１３０は、収容槽１３２と、原料ガス導入部１４０とを含む。収容槽１３２は、サイクロン１２０によって分離された、高温の触媒粒子ＣＡＴを収容する容器である。収容槽１３２の上面には、粒子導入口１３２ａと、第１送出口１３２ｂが設けられる。第１送出口１３２ｂは、粒子導入口１３２ａよりも触媒粒子ＣＡＴの流れ方向の下流側に設けられる。
粒子導入口１３２ａには、連通管１２２が接続される。第１送出口１３２ｂには、第１送出管１３４が接続される。また、収容槽１３２の側面には、粒子排出口１３２ｃが設けられる。粒子排出口１３２ｃには、第１配管１１２が接続される。収容槽１３２の底面は、通気可能な分散板１４２ａで構成される。
原料ガス導入部１４０は、収容槽１３２の下部から原料ガスＧＧを導入する。本実施形態において、原料ガス導入部１４０は、風箱１４２と、ブロワ１４４とを含む。風箱１４２は、収容槽１３２の下方に設けられる。風箱１４２の上部は、分散板１４２ａで構成されている。換言すれば、分散板１４２ａは、収容槽１３２と風箱１４２とを区画する。ブロワ１４４は、風箱１４２に原料ガスＧＧを供給する。ブロワ１４４は、吸入側が原料供給管１４６を通じて、原料ガスＧＧの供給源に接続される。ブロワ１４４は、吐出側が原料送出管１４８を通じて、風箱１４２に接続される。ブロワ１４４によって風箱１４２に供給された原料ガスＧＧは、収容槽１３２の底面（分散板１４２ａ）から当該収容槽１３２内に導入される。
したがって、粒子導入口１３２ａを通じてサイクロン１２０から導入された高温の触媒粒子ＣＡＴは、原料ガスＧＧによって流動化し、収容槽１３２内において流動層Ｒ（気泡流動層）が形成される。また、熱分解炉１３０は、流動層Ｒ（触媒粒子ＣＡＴ）が有する熱で、原料ガスＧＧを熱分解する。つまり、収容槽１３２内において、上記式（１）に示す熱分解反応が進行する。
こうして、熱分解炉１３０において、水素（Ｈ２）、未反応のメタン（ＣＨ４）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、および、固体炭素（ＳＣ）を含む混合ガスＭＧが生成される。熱分解炉１３０で生成された混合ガスＭＧは、第１送出口１３２ｂ、第１送出管１３４を通じて、精製装置１５０に導入される。精製装置１５０は、混合ガスＭＧから水素を分離する。精製装置１５０については、後に詳述する。
一方、上記したように、熱分解炉１３０において流動化された触媒粒子ＣＡＴは、粒子排出口１３２ｃ、第１配管１１２を通じて加熱炉１１０に戻される。
このように、本実施形態に係る水素製造装置１００において、触媒粒子ＣＡＴは、加熱炉１１０、第２配管１１４、サイクロン１２０、連通管１２２、熱分解炉１３０（収容槽１３２）、第１配管１１２を、この順に移動し、再度加熱炉１１０に導入されることにより、これらを循環することとなる。
除塵装置１６０は、第３配管１６２を通じてサイクロン１２０の上部に接続される。除塵装置１６０は、燃焼排ガスＥＸを除塵する。除塵装置１６０は、例えば、バグフィルタである。除塵装置１６０によって除塵された燃焼排ガスＥＸは、大気に放散される。
酸化剤供給部１７０は、加熱炉１１０に空気を供給する。酸化剤供給部１７０は、ブロワ１７２と、酸化剤供給管１７４とを含む。ブロワ１７２は、吸入側が大気開放される。ブロワ１７２は、吐出側が酸化剤供給管１７４に接続される。酸化剤供給管１７４は、ブロワ１７２と加熱炉１１０の底部とを接続する。
第１熱交換部１８０は、サイクロン１２０によって分離された燃焼排ガスＥＸ（第３配管１６２を通過する燃焼排ガスＥＸ）と、酸化剤供給管１７４を通過する空気とを熱交換する。これにより、燃焼排ガスＥＸから熱が奪われ（冷却され）、空気が加熱される。こうして、冷却された燃焼排ガスＥＸは、除塵装置１６０に導かれる。また、加熱された空気は、酸化剤供給部１７０によって加熱炉１１０に導かれる。
燃料供給部１９０は、加熱炉１１０に燃料ＦＧを供給する。燃料供給部１９０については、後に詳述する。
［精製装置１５０］
図２は、第１の実施形態に係る精製装置１５０を説明する図である。図２に示すように、精製装置１５０は、サイクロン２１０と、第４配管２１２と、炭素回収部２２０と、第５配管２２２と、コンプレッサ２３０と、第６配管２３２と、水素分離部２４０と、第７配管２４２と、第８配管２４４と、第２熱交換部２５０とを含む。
サイクロン２１０は、第１送出管１３４を介して、収容槽１３２の第１送出口１３２ｂに接続される。サイクロン２１０は、第１送出管１３４を通じて収容槽１３２から送出された混合ガスＭＧを固気分離する。サイクロン２１０で分離された固形物（触媒粒子ＣＡＴおよび固体炭素ＳＣ）は、ナノ炭素材料として利用されたり、アスファルト、コンクリート等の構造材料に混合されたりする。
第４配管２１２は、サイクロン２１０の上部と炭素回収部２２０とを接続する。サイクロン２１０によって固形物が分離された後の混合ガスＭＧは、第４配管２１２を通じて、炭素回収部２２０に導かれる。
炭素回収部２２０は、混合ガスＭＧから固体炭素ＳＣを除去する。炭素回収部２２０は、例えば、バグフィルタ、または、サイクロンである。炭素回収部２２０によって除去された固体炭素ＳＣは、後段の固体炭素利用設備に搬送される。
第５配管２２２は、炭素回収部２２０とコンプレッサ２３０の吸入側とを接続する。コンプレッサ２３０は、炭素回収部２２０によって固体炭素ＳＣが除去された混合ガスＭＧを昇圧して水素分離部２４０に送出する。コンプレッサ２３０は、燃料供給部１９０としても機能する。第６配管２３２は、コンプレッサ２３０の吐出側と水素分離部２４０とを接続する。
水素分離部２４０は、混合ガスＭＧから水素を分離する。水素分離部２４０は、例えば、圧力スイング吸着（ＰＳＡ：Pressure Swing Adsorption）を利用した装置、または、深冷分離装置である。
第７配管２４２は、水素分離部２４０と、後段の水素利用設備とを接続する。水素分離部２４０によって分離された水素（例えば、純度９９％以上）は、水素利用設備に送出される。
第８配管２４４は、水素分離部２４０と、原料供給管１４６とを接続する。水素分離部２４０によって水素が分離された後の混合ガスＭＧは、原料ガスの供給源から導かれる原料ガスＧＧに混合され、収容槽１３２に供給される。つまり、水素分離部２４０によって水素が分離された後の混合ガスＭＧは、原料ガスＧＧとして、収容槽１３２に導かれる。水素分離部２４０によって水素が分離された後の混合ガスＭＧは、未反応のメタンおよび水素を少なくとも含む。
燃料供給部１９０は、コンプレッサ２３０と、燃料供給管１９２とを含む。燃料供給管１９２は、第７配管２４２と加熱炉１１０（図１参照）とを接続する。したがって、本実施形態において、燃料供給部１９０は、水素分離部２４０によって分離された水素を燃料ＦＧとして加熱炉１１０に供給する。
第２熱交換部２５０は、サイクロン２１０によって固気分離された混合ガスＭＧと、原料ガスＧＧとを熱交換する。本実施形態において、第２熱交換部２５０は、第４配管２１２を通過する混合ガスＭＧと、原料送出管１４８を通過する原料ガスＧＧとを熱交換する。これにより、混合ガスＭＧから熱が奪われ（冷却され）、原料ガスＧＧが加熱される。こうして、冷却された混合ガスＭＧは、炭素回収部２２０に導かれる。また、加熱された原料ガスＧＧは、原料ガス導入部１４０によって、熱分解炉１３０（収容槽１３２）に導かれる。
以上説明したように、本実施形態に係る水素製造装置１００は、加熱炉１１０と、熱分解炉１３０とを備える。このため、水素製造装置１００は、加熱炉１１０によって加熱された触媒粒子ＣＡＴの熱でメタン（炭化水素）を熱分解することができる。
また、水素製造装置１００では、加熱された触媒粒子ＣＡＴが熱分解炉１３０（収容槽１３２内）に導入される。このため、収容槽１３２の内部は、触媒粒子ＣＡＴによって実質的に均一に加熱される。したがって、水素製造装置１００は、熱分解炉１３０を外部から加熱する必要がない。これにより、水素製造装置１００は、１０００℃以上の耐熱性を有する材質で熱分解炉１３０の炉壁を構成する必要がなくなり、熱分解炉１３０の製造コストを低減することができる。したがって、水素製造装置１００は、メタン（炭化水素）を低コストで熱分解させることが可能となる。換言すれば、水素製造装置１００は、低コストで水素を製造することができる。
また、熱分解炉内を外部から加熱する従来技術は、熱分解炉の内部温度を均一にすることが難しく、熱分解炉の大型化が困難である。これに対し、水素製造装置１００は、熱分解炉内を外部から加熱する従来技術と比較して、収容槽１３２内の温度を均一化することができる。これにより、水素製造装置１００は、収容槽１３２内において、触媒粒子ＣＡＴの温度が局所的に低下してしまう事態を回避することが可能となる。したがって、水素製造装置１００は、効率よくメタン（炭化水素）を熱分解することができる。また、水素製造装置１００は、収容槽１３２の内部の温度を均一化できるため、収容槽１３２を大型化することも可能である。これにより、水素製造装置１００は、大量の水素を安価に製造することができる。
また、上記したように、原料ガス導入部１４０は、収容槽１３２内に触媒粒子ＣＡＴの流動層Ｒを形成する。これにより、熱分解炉１３０は、収容槽１３２内において触媒粒子ＣＡＴ同士を摺動させることができる。したがって、熱分解炉１３０は、触媒粒子ＣＡＴの表面に成長した固体炭素ＳＣを脱着させることが可能となる。このため、水素製造装置１００は、触媒粒子ＣＡＴから固体炭素ＳＣを分離するため専用の装置（例えば、化学洗浄装置）を省略することができる。
また、上記したように、水素製造装置１００は、水素分離部２４０および燃料供給部１９０を備える。これにより、水素製造装置１００は、水素を燃料ＦＧとして燃焼させて、触媒粒子ＣＡＴを加熱することができる。したがって、水素製造装置１００は、触媒粒子ＣＡＴの加熱において二酸化炭素の発生を防止することが可能となる。このため、水素製造装置１００は、二酸化炭素フリーの水素を製造することができる。
また、上記したように、水素製造装置１００は、第１熱交換部１８０を備え、酸化剤供給部１７０は、第１熱交換部１８０によって加熱された空気を加熱炉１１０に供給する。つまり、水素製造装置１００は、加熱炉１１０に供給する空気を予熱することができる。このため、水素製造装置１００は、触媒粒子ＣＡＴを所望の温度（例えば、９００℃）に加熱するために必要な燃料ＦＧの量を削減することが可能となる。したがって、水素製造装置１００は、低コストで触媒粒子ＣＡＴを加熱することができる。また、第１熱交換部１８０は、除塵装置１６０に供給する前の燃焼排ガスＥＸを冷却することが可能となる。したがって、水素製造装置１００は、除塵装置１６０の破損を防止することができる。
また、上記したように、水素製造装置１００は、第２熱交換部２５０を備え、原料ガス導入部１４０は、第２熱交換部２５０によって加熱された原料ガスＧＧを熱分解炉１３０（収容槽１３２）に導入する。つまり、水素製造装置１００は、熱分解炉１３０に供給する原料ガスＧＧを予熱することができる。このため、水素製造装置１００は、熱分解炉１３０の温度の低下を抑制することができる。したがって、水素製造装置１００は、加熱炉１１０における触媒粒子ＣＡＴの加熱量（燃料ＦＧの量）を低減することが可能となる。また、水素製造装置１００は、熱分解炉１３０内の温度の不均一化を抑制することができる。したがって、水素製造装置１００は、効率よくメタン（炭化水素）を熱分解することが可能となる。また、第２熱交換部２５０は、炭素回収部２２０に供給する前の混合ガスＭＧを冷却することが可能となる。したがって、水素製造装置１００は、炭素回収部２２０の破損を防止することができる。
［第１の変形例］
上記第１の実施形態では、燃料供給部１９０が、水素分離部２４０によって分離された水素を燃料ＦＧとして、加熱炉１１０に供給する構成を例に挙げた。しかし、燃料供給部は、他のガスを燃料ＦＧとして、加熱炉１１０に供給してもよい。
図３は、第１の変形例に係る燃料供給部３１０を説明する図である。図３に示すように、第１の変形例に係る燃料供給部３１０は、コンプレッサ２３０と、燃料供給管３１２とを含む。燃料供給管３１２は、原料送出管１４８と、加熱炉１１０（図１参照）とを接続する。したがって、第１の変形例において、燃料供給部３１０は、水素分離部２４０によって水素が取り除かれた後の混合ガスＭＧを燃料ＦＧとして加熱炉１１０に供給する。水素分離部２４０によって水素が取り除かれた後の混合ガスＭＧには、未反応のメタン、および、水素が含まれる。
燃料供給部３１０は、第１の実施形態とは異なり、水素に代えて、混合ガスＭＧを加熱炉１１０に供給する。つまり、燃料供給部３１０は、第１の実施形態とは異なり、水素分離部２４０によって製造される水素を加熱炉１１０の燃焼に用いない。したがって、燃料供給部３１０は、第１の実施形態と比較して、単位原料ガスＧＧ量あたりの水素の製造量を増加させることができる。したがって、燃料供給部３１０を備える水素製造装置１００は、低コストで水素を製造することが可能となる。
［第２の変形例］
上記第１の実施形態および第１の変形例では、燃料供給部１９０、３１０が、水素分離部２４０によって分離された、水素または混合ガスＭＧを燃料ＦＧとして、加熱炉１１０に供給する構成を例に挙げた。しかし、燃料供給部は、他のガスを燃料ＦＧとして、加熱炉１１０に供給してもよい。
図４は、第２の変形例に係る燃料供給部３２０を説明する図である。図４に示すように、第２の変形例に係る燃料供給部３２０は、コンプレッサ２３０と、燃料供給管３２２とを含む。燃料供給管３２２は、第６配管２３２と、加熱炉１１０（図１参照）とを接続する。したがって、第２の変形例において、燃料供給部３２０は、炭素回収部２２０によって固体炭素が除去された混合ガスＭＧを燃料として加熱炉１１０に供給する。炭素回収部２２０によって固体炭素が除去された混合ガスＭＧには、未反応のメタン、および、水素が含まれる。
これにより、燃料供給部３２０は、水素分離部２４０に導かれる混合ガスＭＧの量を第１の実施形態よりも低減することができる。これにより、水素分離部２４０の水素分離動力を低減させることが可能となる。また、水素分離部２４０に導かれる混合ガスＭＧの主成分は、水素である。このため、燃料供給部３２０が混合ガスＭＧを燃料ＦＧとして用いることにより、炭化水素を燃料ＦＧとして用いるよりも、二酸化炭素の発生量を低減することが可能となる。
［第３の変形例］
上記第１の実施形態では、第１配管１１２および連通管１２２にループシールが設けられる構成を例に挙げた。しかし、ループシールを省略することもできる。
図５は、第３の変形例に係る加熱炉１１０、サイクロン１２０、熱分解炉１３０を説明する図である。図５中、破線は、触媒粒子ＣＡＴの流動層Ｒの上面を示す。
図５に示すように、第３の変形例において、連通管１２２は、収容槽１３２の上面を貫通し、収容槽１３２の内部まで延在する。連通管１２２の下部開口１２２ａは、収容槽１３２に形成される流動層Ｒ内に位置する。
また、収容槽１３２の側面と、加熱炉１１０の側面とは、開口１１０ａを通じて連通する。
収容槽１３２内には、第１仕切板３５０と、第２仕切板３５２とが設けられる。第１仕切板３５０は、分散板１４２ａから上端３５０ａまで鉛直方向に延在し（立設し）、両側面に亘って延在した板である。第１仕切板３５０の上端３５０ａ（先端）は、収容槽１３２の上面から離隔する。第３の変形例において、第１送出管１３４は、収容槽１３２の上面のうち、連通管１２２と第１仕切板３５０との間に接続される。
第２仕切板３５２は、第１仕切板３５０と開口１１０ａとの間に設けられる。第２仕切板３５２は、収容槽１３２の上面から下端３５２ａまで鉛直方向に延在し、両側面に亘って延在した板である。第２仕切板３５２の下端３５２ａ（先端）は、分散板１４２ａから離隔する。
第１仕切板３５０の上端３５０ａは、第２仕切板３５２の下端３５２ａよりも上方に位置する。第２仕切板３５２の下端３５２ａは、開口１１０ａの下端１１０ｂよりも下方に位置する。開口１１０ａの下端１１０ｂは、第１仕切板３５０の上端３５０ａより下方に位置する。
また、第３の変形例の風箱１４２内には、第３仕切板１４２ｂが設けられる。第３仕切板１４２ｂは、風箱１４２内における第１仕切板３５０に対応する位置に設けられる。第３仕切板１４２ｂは、原料ガスＧＧが流通不可能、または、流通困難に風箱１４２内を区画する。なお、原料送出管１４８は、風箱１４２における連通管１２２と第１仕切板３５０との間、および、第１仕切板３５０と開口１１０ａとの間に接続される。
このように、第３の変形例に係る連通管１２２は、収容槽１３２の上面を貫通し、収容槽１３２の内部まで延在する。これにより、第３の変形例は、第３配管１６２の燃焼排ガスＥＸが収容槽１３２に混入してしまう事態を回避することが可能となる。このため、第３の変形例の連通管１２２は、上記第１の実施形態とは異なり、ループシールを省略することができる。
また、第３の変形例に係る加熱炉１１０および熱分解炉１３０は、開口１１０ａ、第１仕切板３５０、第２仕切板３５２を備える。これにより、第３の変形例は、収容槽１３２の混合ガスＭＧが加熱炉１１０に混入してしまう事態を回避することが可能となる。このため、加熱炉１１０および熱分解炉１３０は、上記第１の実施形態とは異なり、第１配管１１２およびループシールを省略することができる。
このように、第３の変形例は、ループシールおよびループシールに付随する機器を省略することができる。このため、第３の変形例は、水素製造装置１００全体のコンパクト化を図ることができ、水素製造装置１００を低コスト化することが可能となる。
［第２の実施形態：水素製造装置４００］
図６は、第２の実施形態に係る水素製造装置４００を説明する図である。図７は、第２の実施形態に係る精製装置４５０を説明する図である。図６に示すように、水素製造装置４００は、加熱炉１１０と、第１配管１１２と、第２配管１１４と、サイクロン１２０と、連通管１２２と、熱分解炉４３０と、第１送出管１３４と、第２送出管１３６と、精製装置４５０と、除塵装置１６０と、第３配管１６２と、酸化剤供給部１７０と、第１熱交換部１８０と、燃料供給部４９０とを含む。また、図７に示すように、精製装置４５０は、サイクロン２１０と、第４配管２１２と、炭素回収部２２０と、第５配管２２２と、コンプレッサ２３０と、第６配管２３２と、水素分離部２４０と、第７配管２４２と、第８配管２４４と、第２熱交換部２５０と、サイクロン４６０と、第２熱交換部４７０とを含む。
なお、図６および図７中、実線の矢印は、ガスの流れを示す。図６中、破線の矢印は、触媒粒子ＣＡＴの流れを示す。また、上記水素製造装置１００と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
熱分解炉４３０は、収容槽１３２と、仕切板４３４と、原料ガス導入部１４０とを含む。収容槽１３２の上面には、粒子導入口１３２ａと、第１送出口１３２ｂと、第２送出口４３２ａが設けられる。第２送出口４３２ａは、粒子導入口１３２ａと第１送出口１３２ｂとの間に設けられる。つまり、第２送出口４３２ａは、粒子導入口１３２ａよりも触媒粒子ＣＡＴの流れ方向の下流側に設けられる。また、第２送出口４３２ａは、第１送出口１３２ｂよりも触媒粒子ＣＡＴの流れ方向の上流側に設けられる。第２送出口４３２ａには、第２送出管１３６が接続される。
仕切板４３４は、収容槽１３２内に設けられる。仕切板４３４は、収容槽１３２の上面から下端まで鉛直方向に延在し、両側面に亘って延在した板である。仕切板４３４の下端（先端）は、分散板１４２ａ（底部）から離隔する。仕切板４３４は、第１送出口１３２ｂが設けられる第１室４３２Ａと、粒子導入口１３２ａおよび第２送出口４３２ａが設けられる第２室４３２Ｂとに収容槽１３２内を区画する。
なお、水素製造装置１００の運転中において、仕切板４３４の下端は、触媒粒子ＣＡＴで形成される流動層Ｒ内に位置する。つまり、仕切板４３４は、収容槽１３２内に形成されるフリーボード領域を２つに区画する。
図８は、触媒粒子ＣＡＴに原料ガスＧＧであるメタンを通気した反応時間と、収容槽１３２におけるガスの生成量との関係を説明する図である。図８中、横軸は、メタン分解の反応時間の経過を示す。図８中、縦軸は、収容槽１３２におけるガスの生成量を示す。また、図８中、白い丸は、メタンを示す。図８中、白い四角は、水素を示す。図８中、黒い四角は、一酸化炭素を示す。図８中、黒い丸は、二酸化炭素を示す。
図８に示すように、メタンは、触媒粒子ＣＡＴの滞留時間が時間Ｔａに到達するまでは、熱分解反応の進行に伴って減少する。また、メタンは、触媒粒子ＣＡＴの滞留時間が時間Ｔａを超えると、わずかに漸増する。一方、水素の生成量は、触媒粒子ＣＡＴの滞留時間が時間Ｔａに到達するまでは、メタンの熱分解反応の進行に伴って増加する。また、水素の生成量は、時間Ｔａを超えると、わずかに漸減する。
一酸化炭素の生成量は、触媒粒子ＣＡＴの滞留時間が時間Ｔａよりも短い時間Ｔｂに到達するまでは増加し、時間Ｔｂを超えると漸減する。また、一酸化炭素は、時間Ｔａを超えると、生成量が約０になる。二酸化炭素の生成量は、触媒粒子ＣＡＴの滞留時間が時間Ｔｂに到達するまでにわずかに生成されるものの、時間Ｔａを超えると、生成量が約０になる。つまり、図８に示すように、触媒粒子ＣＡＴの滞留時間が時間Ｔａに到達するまでに、一酸化炭素および二酸化炭素が生成されることがわかる。
加熱炉１１０において、燃料ＦＧを燃焼させる際に用いる空気に含まれる酸素によって、触媒粒子ＣＡＴの少なくとも一部が酸化され、酸化された触媒粒子ＣＡＴが熱分解炉１３０に導かれる。そうすると、熱分解炉１３０において酸化された触媒粒子ＣＡＴがメタンによって還元され、一酸化炭素および二酸化炭素が生成されることになる。
上記したように、触媒粒子ＣＡＴは、粒子導入口１３２ａを通じて収容槽１３２内に導かれ、粒子排出口１３２ｃを通じて収容槽１３２内から排出される。つまり、触媒粒子ＣＡＴは、収容槽１３２内を図６中、右側から左側に移動する。そこで、仕切板４３４は、収容槽１３２内における、触媒粒子ＣＡＴの滞留時間が時間Ｔａ以上の所定の時間に相当する箇所に設置される。
これにより、仕切板４３４は、第２室４３２Ｂにおいて、触媒粒子ＣＡＴが還元されることにより生成される、一酸化炭素および二酸化炭素を含む混合ガスＭＧｂの第１室４３２Ａへの移動を制限することができる。
また、第２室４３２Ｂにおいて、還元された触媒粒子ＣＡＴは、仕切板４３４の下方を通過し、第１室４３２Ａに移動する。このため、熱分解炉４３０は、第１室４３２Ａにおいて、水素およびメタンを含む混合ガスＭＧａを生成することができる。
こうして、第２室４３２Ｂにおいて生成された、メタン、水素、一酸化炭素、および、二酸化炭素を含む混合ガスＭＧｂは、第２送出口４３２ａ、第２送出管１３６を通じて、サイクロン４６０に送出される。一方、第１室４３２Ａにおいて生成された、メタンおよび水素を含む混合ガスＭＧａは、第１送出口１３２ｂ、第１送出管１３４を通じて、サイクロン２１０に送出される。
図７に示すように、サイクロン４６０は、第２送出管１３６を介して、収容槽１３２の第２送出口４３２ａに接続される。サイクロン４６０は、第２送出管１３６を通じて収容槽１３２から送出された混合ガスＭＧｂを固気分離する。サイクロン４６０で分離された固形物（触媒粒子ＣＡＴおよび固体炭素ＳＣ）は、ナノ炭素材料として利用されたり、アスファルト、コンクリート等の構造材料に混合されたりする。
燃料供給部４９０は、第９配管４９２と、炭素回収部４９４と、第１０配管４９６と、ブロワ４９８と、燃料供給管５００とを含む。
第９配管４９２は、サイクロン４６０の上部と炭素回収部４９４とを接続する。サイクロン４６０によって固形物が分離された後の混合ガスＭＧｂは、第９配管４９２を通じて、炭素回収部４９４に導かれる。
炭素回収部４９４は、混合ガスＭＧｂから固体炭素ＳＣを除去する。炭素回収部４９４は、例えば、バグフィルタ、または、サイクロンである。炭素回収部４９４によって除去された固体炭素ＳＣは、後段の固体炭素利用設備に搬送される。
第１０配管４９６は、炭素回収部４９４とブロワ４９８の吸入側とを接続する。ブロワ４９８は、炭素回収部４９４によって固体炭素ＳＣが除去された混合ガスＭＧｂを昇圧して加熱炉１１０に送出する。燃料供給管５００は、ブロワ４９８の吐出側と加熱炉１１０とを接続する。
したがって、本実施形態において、燃料供給部４９０は、サイクロン４６０によって分離された混合ガスＭＧｂを燃料ＦＧとして加熱炉１１０に供給する。
第２熱交換部４７０は、第９配管４９２を通過する混合ガスＭＧｂと、原料送出管１４８を通過する原料ガスＧＧとを熱交換する。そして、第２熱交換部２５０は、第２熱交換部４７０によって加熱された原料ガスＧＧと、第４配管２１２を通過する混合ガスＭＧａとを熱交換する。
以上説明したように、本実施形態に係る水素製造装置４００は、仕切板４３４および第２送出管１３６を備える。これにより、水素製造装置４００は、触媒粒子ＣＡＴの還元によって生じた、一酸化炭素および二酸化炭素を、混合ガスＭＧａから分離することができる。したがって、水素製造装置４００は、水素分離部２４０に導かれる混合ガスＭＧａ中の水素濃度を増加させることが可能となる。このため、水素製造装置４００は、水素分離部２４０を小型化することができる。これにより、水素製造装置４００は、水素分離部２４０のコストを低減することが可能となる。したがって、水素製造装置４００は、低コストで水素を製造することが可能となる。
以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、上述した第１の実施形態において、燃料供給部１９０が水素のみを燃料ＦＧとして加熱炉１１０に供給する構成を例に挙げた。しかし、燃料供給部１９０は、水素に加えて、炭化水素を燃料ＦＧとして加熱炉１１０に供給してもよい。
また、上記第１の実施形態、第１の変形例、第２の変形例、および、第２の実施形態において、酸化剤供給部１７０が空気を加熱炉１１０に供給する構成を例に挙げた。しかし、酸化剤供給部１７０は、酸化剤を加熱炉１１０に供給すればよい。酸化剤供給部１７０は、例えば、酸素富化ガスを加熱炉１１０に供給してもよい。
また、上記第１の実施形態、第１の変形例、第２の変形例、および、第２の実施形態において、水素製造装置１００、４００が第１熱交換部１８０を備える構成を例に挙げた。しかし、第１熱交換部１８０は必須の構成ではない。同様に、上記第１の実施形態、第１の変形例、第２の変形例、および、第２の実施形態において、水素製造装置１００、４００が、第２熱交換部２５０を備える構成を例に挙げた。しかし、第２熱交換部２５０は必須の構成ではない。また、第２の実施形態において、水素製造装置４００が、第２熱交換部４７０を備える構成を例に挙げた。しかし、第２熱交換部４７０は必須の構成ではない。
また、上記第２の実施形態において、熱分解炉４３０が仕切板４３４を備える場合を例に挙げた。しかし、仕切板４３４は必須の構成ではない。
また、上記第２の実施形態において、仕切板４３４によって、１つの収容槽１３２の内部を２つに仕切る場合を例に挙げた。しかし、２つの収容槽１３２を備えてもよい。この場合、第１送出管１３４および第１配管１１２は、第１の収容槽１３２に接続される。また、連通管１２２および第２送出管１３６は、第２の収容槽１３２に接続される。そして、第１の収容槽１３２の側面と、第２の収容槽１３２の側面とを接続する配管およびループシールが設けられる。つまり、第１の収容槽１３２が第１室４３２Ａとして機能し、第２の収容槽１３２が第２室４３２Ｂとして機能する。
また、上記第２の実施形態において、第２熱交換部２５０は、第２熱交換部４７０によって熱交換された後の原料ガスＧＧを熱交換する構成を例に挙げた。しかし、第２熱交換部４７０は、第２熱交換部２５０によって熱交換された後の原料ガスＧＧを熱交換してもよい。
また、燃料供給部は、水素分離部２４０によって分離された水素、水素分離部２４０によって水素が分離された後の混合ガス、炭素回収部２２０によって固体炭素が除去された混合ガス、および、第２送出口４３２ａを通じて収容槽１３２から送出された混合ガスのうちの２種類以上のガスを燃料として加熱炉１１０に供給してもよい。
また、水素製造装置１００、４００は、スートブロワ、または、ガスの噴流を供給する装置を収容槽１３２に備えてもよい。これにより、触媒粒子ＣＡＴから固体炭素ＳＣの脱着を効率よく行うことができる。
また、上記したように、混合ガスＭＧ、ＭＧａ、ＭＧｂの流れに伴い、熱分解炉１３０から触媒粒子ＣＡＴの一部が送出される。このため、水素製造装置１００に触媒粒子ＣＡＴが適宜追加されるとよい。なお、加熱炉１１０、第１配管１１２、第２配管１１４、サイクロン１２０、連通管１２２を通じて、収容槽１３２内に触媒粒子ＣＡＴが追加されるとよい。これにより、新規の触媒粒子ＣＡＴを効率よく加熱することができる。したがって、常温程度の新規の触媒粒子ＣＡＴが収容槽１３２に供給される事態を回避することが可能となる。このため、常温程度の新規の触媒粒子ＣＡＴによる熱分解反応の抑制を回避することができる。
１００：水素製造装置 １１０：加熱炉 １２０：サイクロン １３０：熱分解炉 １３２：収容槽 １３２ａ：粒子導入口 １３２ｂ：第１送出口 １４０：原料ガス導入部 １７０：酸化剤供給部 １８０：第１熱交換部 １９０：燃料供給部 ２２０：炭素回収部 ２４０：水素分離部 ２５０：第２熱交換部 ３１０：燃料供給部 ３２０：燃料供給部 ４００：水素製造装置 ４３０：熱分解炉 ４３２Ａ：第１室 ４３２Ｂ：第２室 ４３２ａ：第２送出口 ４３４：仕切板 ４９０：燃料供給部

Claims (7)

  1. 燃料供給部によって供給される燃料を燃焼させて、触媒粒子を加熱する加熱炉と、
    前記加熱炉の下流側に接続され、前記触媒粒子と、燃焼排ガスとを分離するサイクロンと、
    前記サイクロンによって分離された前記触媒粒子を収容する収容槽と、前記収容槽の下部から、少なくとも炭化水素を含む原料ガスを導入する原料ガス導入部と、を有する熱分解炉と、
    前記サイクロンによって分離された前記燃焼排ガスと、酸化剤とを熱交換する第１熱交換部と、
    前記第１熱交換部によって熱交換された前記酸化剤を前記加熱炉に供給する酸化剤供給部と、
    を備える水素製造装置。
  2. 燃料供給部によって供給される燃料を燃焼させて、触媒粒子を加熱する加熱炉と、
    前記加熱炉の下流側に接続され、前記触媒粒子と、燃焼排ガスとを分離するサイクロンと、
    前記サイクロンによって分離された前記触媒粒子を収容する収容槽と、前記収容槽の下部から、少なくとも炭化水素を含む原料ガスを導入する原料ガス導入部と、を有する熱分解炉と、
    を備え、
    前記収容槽は、
    前記サイクロンによって分離された前記触媒粒子が導かれる粒子導入口と、
    前記収容槽において生成された混合ガスが送出される第１送出口と、
    前記粒子導入口と前記第１送出口との間に設けられ、前記収容槽において生成された混合ガスが送出される第２送出口と、を有し、
    前記燃料供給部は、前記第２送出口を通じて、前記収容槽から送出された前記混合ガスを前記燃料として前記加熱炉に供給する水素製造装置。
  3. 前記収容槽内に設けられ、前記第１送出口が設けられる第１室と、前記第２送出口が設けられる第２室とに前記収容槽内を区画する仕切板を備える請求項２に記載の水素製造装置。
  4. 前記収容槽から送出された混合ガスから水素を分離する水素分離部を備え、
    前記燃料供給部は、前記水素分離部によって分離された前記水素を前記燃料として前記加熱炉に供給する請求項１から３のいずれか１項に記載の水素製造装置。
  5. 前記収容槽から送出された混合ガスから水素を分離する水素分離部を備え、
    前記燃料供給部は、前記水素分離部によって水素が分離された後の前記混合ガスを前記燃料として前記加熱炉に供給する請求項１から４のいずれか１項に記載の水素製造装置。
  6. 前記収容槽から送出された混合ガスから固体炭素を除去する炭素回収部を備え、
    前記燃料供給部は、前記固体炭素が除去された前記混合ガスを前記燃料として前記加熱炉に供給する請求項１から５のいずれか１項に記載の水素製造装置。
  7. 前記収容槽から送出された混合ガスと、前記原料ガスとを熱交換する第２熱交換部を備え、
    前記原料ガス導入部は、前記第２熱交換部によって熱交換された前記原料ガスを前記収容槽に導入する請求項１から６のいずれか１項に記載の水素製造装置。
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