KR102009829B1 - 수소 제조 장치의 운전 방법 및 수소 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

수소 정제부를 우회하여 탈황기와 개질기와 CO 변성기의 순서로 압송 장치에 의해 가스를 반송 순환하는 폐순환 회로를 가스 유통로에 설치하고, 가스 유통로에 있어서의 압송 장치의 상류 측에 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급로를 설치하고, 정지 운전 전에, 가스 유통로 내의 가스를 퍼지 가스로 치환하고, 또한, 가스 유통로 내에 퍼지 가스를 충전하는 퍼지 공정을 행하고, 수소 정제 운전에 앞서 행하는, 가열 수단을 운전하여 가스 유통로 내의 가스를 승온시키는 기동 운전에 있어서, 폐순환 회로에 퍼지 가스 공급로로부터의 퍼지 가스 공급을 행하고, 폐순환 회로 내를 승압하는 승압 공정을 행한다.

Description

수소 제조 장치의 운전 방법 및 수소 제조 장치
본 발명은, 원료 가스를 탈황하는 탈황기와, 탈황 후의 원료 가스를 수증기와의 혼합 상태에서 가열 수단에 의해 가열하여 개질 가스를 얻는 개질기와, 개질 가스 중의 일산화탄소를 수증기와 반응시키는 CO 변성기와, 상기 CO 변성기에 의해 처리된 후의 변성 가스로부터 수소 이외의 불순물을 분리하여 수소 가스를 정제(精製)하는 수소 정제부를 설치하고,
탈황기와 개질기와 CO 변성기와 수소 정제부에 걸쳐 가스를 유통시키는 가스 유통로를 설치하고, 또한 가스 유통로에 가스를 유통시키는 압송(壓送) 장치를 설치해 두고,
가열 수단 및 압송 장치를 구동시켜 가스 유통로에 원료 가스를 공급하는 수소 정제 운전과, 가열 수단 및 압송 장치의 구동을 정지하는 정지 운전을 순서대로 행하는 수소 제조 장치의 운전 방법 및 수소 제조 장치에 관한 것이다.
최근, 천연가스나 도시가스 등을 원료 가스로서, 수소를 현장(온 사이트)에서 제조하는 수소 제조 장치의 개발이 행해지고 있다. 이와 같은 수소 제조 장치는, 공업 용도로서, 강판 등 금속의 광휘 소둔(燒鈍)이나 유리 제조에 이용되는 것 외에, 연료 전지 자동차에 수소를 보급하는 수소 스테이션으로서, 주부 국제 공항(Chubu International Airport)의 섬 내 등에 설치되어 있다.
상기 수소 제조 장치의 일례로서, 압송 장치에 의해 압송되는 원료 가스를 탈황하는 탈황기와, 탈황 후의 원료 가스를 수증기와의 혼합 상태에서 가열하여 개질 가스를 얻는 개질기와, 상기 개질기로부터의 개질 가스 중의 일산화탄소를 수증기와 반응시켜 수소 농후 가스(hydrogen-rich gas)를 얻는 CO 변성기와, 상기 수소 농후 가스로부터 수소 이외의 불순물을 분리하여 수소를 정제하는 수소 정제부(예를 들면, PSA 방식을 이용한 장치)를 포함한 것이 알려져 있다.
상기 수소 정제 장치에 의해, 수소를 제조할 때는, 탈황기를 200∼300℃ 정도로, 개질기를 700∼800℃ 정도로, CO 변성기를 200∼450℃ 정도로 유지할 필요가 있으므로, 예를 들면, 외부로부터 공급되는 연료 가스(예를 들면, 도시가스 13A)를 연소하여 개질기의 촉매를 승온(昇溫)시키는 가열 장치를 포함하고, 승온된 개질기의 촉매를 통과하여 승온된 비교적 고온의 개질 가스를, CO 변성기로 안내함으로써 상기 CO 변성기를 승온시키고, 또한 상기 CO 변성기에 병설하는 탈황기도 승온시키도록 구성되어 있다.
또한, 다른 수소 제조 장치로서, 원료 가스에 수증기를 혼합하고 가열하여 개질 가스를 얻는 개질기와, 상기 개질 가스를 승압(昇壓)하는 승압 장치와, 승압된 개질 가스를 수소와 수소 이외의 오프 가스로 분리하는 PSA식의 수소 정제부를 포함한 것이 알려져 있다(특허문헌 1 참조).
상기 특허문헌 1에 개시된 수소 제조 장치에서는, 탈황기와 개질기와 CO 변성기에 가스를 순환하는 폐순환 회로를 형성하고, 기동 운전 시에 폐순환 회로 내에 가스를 순환시켜, 상기 가스를 승온한 후, 수소 정제부에 의해 수소 정제 운전을 개시하는 구성으로 되어 있다. 이로써, 수소 정제부의 기동 시의 타임 손실을 경감하게 되어 있다.
일본공개특허 제2004-299996호
여기서, 특허문헌 1에 개시된 수소 제조 장치에 있어서 수소 정제 운전 및 개질기의 운전을 정지하기 전에는, 폐순환 회로의 가스가 수소 농후 가스로 치환되고, 상기 폐순환 회로 내에 수소 농후 가스를 충전하는 퍼지 공정이 행해진다. 상기 퍼지 공정에서는, 폐순환 회로 내에 수소 농후 가스가 충전되게 되므로, 폐순환 회로 내의 압력은 수소 농후 가스의 압력의 영향을 크게 받아, 통상, 비교적 저압 상태(예를 들면, 0.2MPaG 정도)로 된다.
폐순환 회로 내의 압력이 비교적 저압 상태로 되면, 개질기의 가열 수단에 의해 가열되어 폐순환 회로 내의 열 반송(搬送) 매체로 될 수 있는 가스량도 적은 상태로 된다. 그러면, 가열 수단에 의해 부여되는 열을 탈황기, CO 변성기까지, 충분히 운반하는 데에 보다 많은 시간을 요하게 된다.
즉, 수소 제조 장치의 작동 정지 후, 다시 수소 제조 장치를 기동하는 경우에, 신속하게 탈황기, 개질기, CO 변성기를 가열하는 기술을 제공하는 것이 요구되고 있다.
수소 제조 장치의 운전 방법의 특징 구성은,
원료 가스를 탈황하는 탈황기와, 탈황 후의 원료 가스를 수증기와의 혼합 상태에서 가열 수단에 의해 가열하여 개질 가스를 얻는 개질기와, 개질 가스 중의 일산화탄소를 수증기와 반응시키는 CO 변성기와, 상기 CO 변성기에 의해 처리된 후의 변성 가스로부터 수소 이외의 불순물을 분리하여 수소 가스를 정제하는 수소 정제부를 설치하고,
상기 탈황기와 상기 개질기와 상기 CO 변성기와 상기 수소 정제부에 걸쳐 가스를 유통시키는 가스 유통로를 설치하고, 또한 가스 유통로에 가스를 유통시키는 압송 장치를 설치해 두고,
상기 가열 수단 및 상기 압송 장치를 구동시켜 상기 가스 유통로에 원료 가스를 공급하는 수소 정제 운전과, 상기 가열 수단 및 상기 압송 장치의 구동을 정지하는 정지 운전을 순서대로 행하는 수소 제조 장치의 운전 방법으로서,
상기 수소 정제부를 우회(迂回)하여 상기 탈황기와 상기 개질기와 상기 CO 변성기의 순서로 상기 압송 장치에 의해 가스를 반송(返送) 순환하는 폐순환 회로를 상기 가스 유통로에 설치하고, 상기 가스 유통로에 있어서의 상기 압송 장치의 상류 측에 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급로를 설치하고,
상기 정지 운전 전에, 상기 가스 유통로 내의 가스를 퍼지 가스로 치환하고, 또한, 상기 가스 유통로 내에 퍼지 가스를 충전하는 퍼지 공정을 행하고,
상기 수소 정제 운전에 앞서 행하는, 상기 가열 수단을 운전하여 가스 유통로 내의 가스를 승온시키는 기동 운전에 있어서, 상기 폐순환 회로에 상기 퍼지 가스 공급로로부터의 퍼지 가스 공급을 행하고, 상기 폐순환 회로 내를 승압하는 승압 공정을 행하는 점에 있다.
상기 특징 구성에 의하면, 탈황기와 개질기와 CO 변성기와 수소 정제부에 걸쳐 가스를 유통시키는 가스 유통로를 설치하고 있으므로, 가열 수단 및 압송 장치를 구동시켜 가스 유통로에 원료 가스를 공급하고, 수소 정제부에 의해 수소 가스를 정제하는 수소 정제 운전을 행할 수 있다.
또한, 가스 유통로에 있어서의 압송 장치의 상류 측에 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급로를 설치하고 있으므로, 가열 수단 및 압송 장치의 구동을 정지하는 정지 운전 전에, 가스 유통로 내의 가스를 퍼지 가스로 치환하고, 또한, 가스 유통로 내에 퍼지 가스를 충전하는 퍼지 공정을 행할 수 있고, 폐순환 회로 내의 가스를 퍼지 가스로 치환할 수 있다.
또한, 가스 유통로에, 수소 정제부를 우회하여 탈황기와 개질기와 CO 변성기의 순서로 가스를 반송 순환하는 폐순환 회로를 설치하고 있으므로, CO 변성기를 통과하는 폐순환 회로 내의 가스를, 압송 장치에 의해, 수소 정제부를 우회하여 탈황기, 개질기, CO 변성기에, 다시 순환시킬 수 있다.
여기서, 전술한 바와 같이 퍼지 공정을 행하면, 퍼지 가스가 충전된 가스 유통로 및 폐순환 회로의 내부 압력이 저하되는 경우가 있고, 상기 퍼지 공정 후에 행해지는 가열 수단 및 압송 장치의 구동을 정지하는 정지 운전에 있어서도, 가스 유통로 및 폐순환로의 내부 압력이 저하된 상태인 채로 된다.
그러므로, 상기와 같이 내부 압력이 저하된 상태에서, 수소 정제 운전에 앞서, 가열 수단을 구동하여 가스 유통로 내의 가스를 승온시키는 기동 운전을 행해도(가열 수단 및 압송 장치를 구동하여, 퍼지 가스를 폐순환 회로 내에 순환 반송해도), 가열 수단에 의해 퍼지 가스에 제공된 열은, 탈황기, CO 변성기에 전달되기 어려워져, 탈황기, CO 변성기를 충분히 가열할 때까지 보다 많은 시간을 요하게 된다.
이에 대하여, 상기 특징 구성에 의하면, 수소 정제 운전에 앞서 행하는, 가열 수단을 운전하여 가스 유통로 내의 가스를 승온시키는 기동 운전에서, 폐순환 회로에 있어서의 압송 장치의 상류 측에 퍼지 가스 공급로로부터의 퍼지 가스 공급을 행하고, 폐순환 회로 내를 승압하는 승압 공정을 행한다. 그리고, 기동 운전에서는, 폐순환 회로에 있어서 재순환된 가스가, 개질기의 가열 수단으로부터 얻은 열량을 CO 변성기, 탈황기에 순서대로 전달한다.
상기와 같이, 기동 운전에 있어서 승압 공정을 행하면, 퍼지 공정에서 저하된 폐순환 회로의 내부 압력을 승압할 수 있으므로, 폐순환 회로 내를 유통하는 가스량을 증가시킬 수 있고, 가열 수단에 의해 퍼지 가스에 제공된 열을, 퍼지 가스에 의해 효율적으로 운반하여, 탈황기, 개질기, CO 변성기에 전달할 수 있다. 따라서, 기동 운전에서, 탈황기, 개질기, CO 변성기를 승온시키 위해 필요한 열이 가열 수단으로부터 효율적으로 공급되게 되어, 탈황기, 개질기, CO 변성기를 신속하게 승온시킬 수 있게 되었다.
또한, 승압 공정에서는, 폐순환 회로에 퍼지 가스 공급로로부터의 퍼지 가스 공급을 행함으로써, 압송 장치의 압송력을 이용하여 폐순환 회로 내를 승압할 수 있으므로, 종래부터 수소 제조 장치에 갖추어져 있는 구성을 유효하게 이용하여 승압할 수 있다.
따라서, 퍼지 공정 및 정지 운전을 행한 후, 다시 수소 정제 운전을 행할 때, 신속하게 장치 전체를 가열할 수 있고, 수소 제조 장치를 재빨리 기동할 수 있게 되어, 신속하게 수소 정제 운전을 행할 수 있고, 신속한 수소의 공급 및 제조를 가능하게 하는 수소 제조 장치의 운전 방법을 실현할 수 있다.
수소 제조 장치의 운전 방법의 새로운 특징 구성은,
상기 폐순환 회로에 있어서의 상기 수소 정제부를 우회하여 가스를 반송 순환하는 반송로에, 유로 저항을 크게 하는 교축 상태와, 유로 저항을 작게 하는 교축 해제 상태로 전환하는 교축부(throttle unit)를 설치하고,
상기 교축부를 상기 교축 상태로 전환하여, 상기 승압 공정을 행하는 점에 있다.
상기 특징 구성에 의하면, 폐순환 회로에 있어서의 수소 정제부를 우회하여 가스를 반송 순환하는 반송로에, 유로 저항을 크게 하는 교축 상태와, 유로 저항을 작게 하는 교축 해제 상태로 전환하는 교축부를 설치하므로, 교축부를 유로 저항을 크게 하는 교축 상태로 전환한 상태에서, 가스를 압송 장치에 의해 폐순환 회로에 유통시키면, 상기 교축부에서 압력 손실을 받아, 상기 폐순환 회로에 있어서 교축부보다 상류 측의 압력을 하류 측의 압력에 비해 승압할 수 있게 된다.
또한, 폐순환 회로에 있어서 교축부의 상류 측이 하류 측에 비해 승압되면, 교축부의 하류 측은, 교축부의 상류 측에 비해 저압 상태로 되므로, 교축부의 하류 측에 있어서 제품 탱크로부터 퍼지 가스 공급로를 거쳐 가스 유통로에 퍼지 가스가 이동하는 것을 보조하여, 퍼지 가스의 공급을 촉진할 수 있다. 그러므로, 기동 운전에서의 승압 공정에서, 퍼지 가스를 용이하게 승압하여 공급할 수 있고, 간편하게 충분한 압력까지 승압할 수 있고, 또한 폐순환 회로의 열 운반 효율을 높게 유지할 수 있으므로, 수소 정제 운전의 재개를 신속하게 할 수 있다.
수소 제조 장치의 운전 방법의 추가의 특징 구성은,
상기 폐순환 회로 내의 내압(內壓)을 검지하는 압력 검지부를 포함하고, 상기 기동 운전을 행할 때, 상기 압력 검지부의 검지 압력이 소정 압력보다 낮은 경우에, 상기 퍼지 가스 공급로로부터 퍼지 가스를 상기 폐순환 회로 내에 공급하는 점에 있다.
이와 같이 구성하면, 기동 운전 시의 폐순환 회로 내의 압력을, 소정 압력 보다 높은 상태로 유지할 수 있다. 그러므로, 열 반송 효율이 충분히 높은 상태를 유지하면서 기동 운전을 행할 수 있게 되어, 기동 운전에 요하는 시간의 단축을 도모할 수 있다.
수소 제조 장치의 운전 방법의 추가의 특징 구성은,
상기 퍼지 가스가 수소 정제부에서 정제되고, 제품 탱크에 저류(貯留)된 수소 가스인 점에 있다.
퍼지 가스가 수소 가스이면, 기동 운전 시에 승압 공정을 행하여 신속하게 온도 상승된 후에, 퍼지 가스 공급로로부터 수소 정제부에 공급되는 가스가 수소 가스로 되므로, 수소 정제부의 기동 시에 신속하게 수소 정제부로부터 수소를 제조할 수 있게 된다. 또한, 상기 수소 가스로서, 수소 정제부에서 정제되어 제품 탱크에 저류된 수소 가스를 이용함으로써, 퍼지 가스를 용이하게 조달할 수 있고, 또한 별도로 준비하는 데에 비하여 수소 정제부로부터 제품 탱크에 제품 수소를 안내하는 배관을 유효하게 이용하여 퍼지 가스 공급로를 구성할 수 있다.
수소 제조 장치의 특징 구성은,
원료 가스를 탈황하는 탈황기와, 탈황 후의 원료 가스를 수증기와의 혼합 상태에서 가열 수단에 의해 가열하여 개질 가스를 얻는 개질기와, 개질 가스 중의 일산화탄소를 수증기와 반응시키는 CO 변성기와, 상기 CO 변성기에 의해 처리된 후의 변성 가스로부터 수소 이외의 불순물을 분리하여 수소 가스를 정제하는 수소 정제부를 설치하고,
상기 탈황기와 상기 개질기와 상기 CO 변성기와 상기 수소 정제부에 걸쳐 가스를 유통시키는 가스 유통로를 설치하고, 또한 가스 유통로에 가스를 유통시키는 압송 장치를 설치해 두고,
상기 가열 수단 및 상기 압송 장치를 구동시켜 상기 가스 유통로에 원료 가스를 공급하는 수소 정제 운전과, 상기 가열 수단 및 압송 장치를 정지시키는 정지 운전을 순서대로 행하는 제어 장치를 설치하고 있는 수소 제조 장치로서,
상기 수소 정제부를 우회하여 상기 탈황기와 상기 개질기와 상기 CO 변성기의 순서로 상기 압송 장치에 의해 가스를 반송 순환하는 폐순환 회로를 상기 가스 유통로에 설치하고, 상기 가스 유통로에 있어서의 상기 압송 장치의 상류 측에 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급로를 설치하고,
상기 제어 장치는, 상기 정지 운전 전에 상기 가스 유통로 내의 가스를 퍼지 가스로 치환하고, 또한, 상기 가스 유통로 내에 퍼지 가스를 충전하는 퍼지 공정을 행하고,
상기 제어 장치는, 상기 수소 정제 운전에 앞서 행하는, 상기 가열 수단을 운전하여 가스 유통로 내의 가스를 승온시키는 기동 운전에 있어서, 상기 폐순환 회로에 상기 퍼지 가스 공급로로부터의 퍼지 가스 공급을 행하고, 상기 폐순환 회로 내를 승압하는 승압 공정을 행하는 점에 있다.
상기 특징 구성에 의하면, 탈황기와 개질기와 CO 변성기와 수소 정제부에 걸쳐 가스를 유통시키는 가스 유통로를 설치하고 있으므로, 제어 장치는, 가열 수단 및 압송 장치를 구동시켜 가스 유통로에 원료 가스를 공급하고, 수소 정제부에 의해 수소 가스를 정제하는 수소 정제 운전을 행할 수 있다.
또한, 가스 유통로에 있어서의 압송 장치의 상류 측에 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급로를 설치하고 있으므로, 제어 장치는, 가열 수단 및 압송 장치의 구동을 정지하는 정지 운전 전에, 가스 유통로 내의 가스를 퍼지 가스로 치환하고, 또한, 가스 유통로 내에 퍼지 가스를 충전하는 퍼지 공정을 행할 수 있고, 폐순환 회로 내의 가스를 퍼지 가스로 치환할 수 있다.
또한, 가스 유통로에, 수소 정제부를 우회하여 탈황기와 개질기와 CO 변성기의 순서로 가스를 반송 순환하는 폐순환 회로를 설치하고 있으므로, CO 변성기를 통과하는 폐순환 회로 내의 가스를, 압송 장치에 의해, 수소 정제부를 우회하여, 탈황기, 개질기, CO 변성기에 다시 순환시킬 수 있다.
여기서, 전술한 바와 같이 퍼지 공정을 행하면, 퍼지 가스가 충전된 가스 유통로 및 폐순환 회로의 내부 압력이 저하되는 경우가 있고, 상기 퍼지 공정 후에 행해지는 가열 수단 및 압송 장치의 구동을 정지하는 정지 운전에 있어서도, 가스 유통로 및 폐순환 회로의 내부 압력이 저하된 상태인 채로 된다.
그러므로, 이와 같이 내부 압력이 저하된 상태에서, 수소 정제 운전에 앞서, 가열 수단을 구동하여 가스 유통로 내의 가스를 승온시키는 기동 운전을 행해도(가열 수단 및 압송 장치를 구동하여, 퍼지 가스를 폐순환 회로 내에 순환 반송해도), 가열 수단에 의해 퍼지 가스에 제공된 열은, 탈황기, CO 변성기에 전달되기 어려워져, 탈황기, CO 변성기를 충분히 가열할 때까지 보다 많은 시간을 요하게 된다.
이에 대하여, 상기 특징 구성에 의하면, 제어 장치는, 수소 정제 운전에 앞서 행하는, 가열 수단을 운전하여 가스 유통로 내의 가스를 승온시키는 기동 운전에 있어서, 폐순환 회로에 있어서의 압송 장치의 상류 측에 퍼지 가스 공급로로부터의 퍼지 가스 공급을 행하고, 폐순환 회로 내를 승압하는 승압 공정을 행한다. 그리고, 기동 운전에서는, 폐순환 회로에서 재순환된 가스가, 개질기의 가열 수단으로부터 얻은 열량을 CO 변성기, 탈황기에 순서대로 전달한다.
상기와 같이, 기동 운전에 있어서 승압 공정을 행하면, 퍼지 공정에서 저하된 폐순환 회로의 내부 압력을 승압할 수 있으므로, 폐순환 회로 내를 유통하는 가스량을 증가시킬 수 있고, 가열 수단에 의해 퍼지 가스에 제공된 열을, 퍼지 가스에 의해 효율적으로 운반하여, 탈황기, 개질기, CO 변성기에 전달할 수 있다. 따라서, 기동 운전에 있어서, 탈황기, 개질기, CO 변성기를 승온하는 데에 필요한 열이 가열 수단에 의해 효율적으로 공급되게 되어, 탈황기, 개질기, CO 변성기를 신속하게 승온 가능하게 되었다.
또한, 승압 공정에 있어서는, 폐순환 회로에 퍼지 가스 공급로로부터의 퍼지 가스 공급을 행함으로써, 압송 장치의 압송력을 이용하여 폐순환 회로 내를 승압할 수 있으므로, 종래부터 수소 제조 장치에 포함되어 있는 구성을 유효하게 이용하여 승압할 수 있다.
따라서, 퍼지 공정 및 정지 운전을 행한 후, 다시 수소 정제 운전을 행할 때, 신속하게 장치 전체를 가열할 수 있고, 수소 제조 장치를 재빨리 기동할 수 있게 되어, 신속하게 수소 정제 운전을 행할 수 있고, 신속한 수소의 공급 및 제조를 가능하게 하는 수소 제조 장치를 실현할 수 있다.
수소 제조 장치의 새로운 특징 구성은,
상기 폐순환 회로에 있어서의 상기 수소 정제부를 우회하여 가스를 반송 순환하는 반송로에, 유로 저항을 크게 하는 유로 단면적이 작은 제1 반송로와, 유로 저항을 작게 하는 유로 단면적이 큰 제2 반송로를 병렬로 설치하고,
상기 제1 반송로에 설치한 제1 개폐 밸브를 개방하고 또한 상기 제2 반송로에 설치한 제2 개폐 밸브를 폐쇄하여 상기 반송로의 유로 저항을 크게 하는 교축 상태와, 적어도 상기 제2 반송로에 설치한 제2 개폐 밸브를 개방하여 상기 반송로의 유로 저항을 작게 하는 교축 해제 상태로 전환하는 교축부를 설치하여, 상기 제어 장치가, 상기 교축부를 상기 교축 상태로 전환하여, 상기 승압 공정을 행하는 점에 있다.
상기 특징 구성에 의하면, 수소 정제부를 우회하여 가스를 반송 순환하는 반송로로서, 유로 저항을 크게 하는 유로 단면적이 작은 제1 반송로와, 유로 저항을 작게 하는 유로 단면적이 큰 제2 반송로를 병렬로 설치하고 있으므로, 제1 반송로에 설치한 제1 개폐 밸브를 개방하고 또한 제2 반송로에 설치한 제2 개폐 밸브를 폐쇄하여 반송로의 유로 저항을 크게 하는 교축 상태와, 적어도 제2 반송로에 설치한 제2 개폐 밸브를 개방하여 반송로의 유로 저항을 작게 하는 교축 해제 상태로 전환할 수 있다. 이로써, 각 유로의 단순한 개폐 동작에 의하여, 효율적으로 교축 상태와 교축 해제 상태를 전환하여, 교축 상태에서 승압 공정을 행할 수 있다. 또한, 교축 상태에 있어서, 단순하게 반송로를 폐쇄하는 것이 아니라, 어느 정도의 폐순환 회로 내의 가스를 순환하게 할 수 있다. 그러므로, 교축 상태에 있어서도, 반송로에는 퍼지 가스의 흐름이 유지되게 되고, 폐순환 회로를 탈황기, 개질기, CO 변성기의 순서로 가스가 흐르는 것을 정류(整流)하는 효과가 얻어진다.
수소 제조 장치의 작동 정지 후, 다시 수소 제조 장치를 기동하는 경우에, 신속하게 탈황기, 개질기, CO 변성기를 가열할 수 있는 기술을 제공할 수 있다.
[도 1] 수소 제조 장치의 개략적인 구성도로서, 수소 정제 운전 중의 가스의 유통 상태를 나타낸 도면이다.
[도 2] 개질부의 퍼지 공정 중의 가스의 유통 상태를 나타낸 도면이다.
[도 3] 기동 운전(승압 공정) 중의 가스의 유통 상태를 나타낸 도면이다.
[도 4] 기동 운전(승온 공정) 중의 가스의 유통 상태를 나타낸 도면이다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 관한 수소 제조 장치를 설명한다. 그리고, 이하에 바람직한 실시형태를 기재하지만, 이들 실시형태는 각각, 본 발명를 더욱 구체적으로 예시하기 위해 기재된 것으로서, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에 있어서 여러 가지 변경이 가능하며, 본 발명은, 이하의 기재에 한정되는 것은 아니다.
[수소 제조 장치]
본 실시형태에 관한 수소 제조 장치(100)를, 도 1∼도 4에 나타낸다. 도면 중, 원료 가스 등의 각종 가스가 유통되고 있는 유통로에 대해서는 굵은 선으로 나타내고, 유통되고 있지 않은 유통로에 대해서는 가는 선으로 나타내고 있다. 또한, 유통로를 개폐하는 밸브에 관한 것으로, 개방 상태에 있는 것은 희게 나타내고, 폐지(閉止) 상태에 있는 것은 검게 나타내고 있다.
본 실시형태에 관한 수소 제조 장치(100)는, 도시한 바와 같이,
압송 장치(11)에 의해 압송되는 탄화수소를 포함하는 원료 가스[예를 들면, 메탄을 주성분으로 하는 도시가스(13A)]를 탈황하는 탈황기(12)와, 탈황 후의 원료 가스를 수증기와의 혼합 상태에서 가열 수단(14)에 의해 가열하여 개질 가스를 얻는 개질기(13)과, 개질 가스 중의 일산화탄소를 수증기와 반응시키는 CO 변성기(17)를 설치한 개질부(10)를 포함하고,
상기 CO 변성기(17)에 의해 처리된 후의 변성 가스로부터 수소 이외의 불순물을 분리하여 수소 가스를 정제하는 수소 정제부(22)와, 제품 탱크(23) 및 오프 가스 탱크(21)를 설치한 수소 분리부(20)를 포함하고,
압송 장치(11), 탈황기(12), 개질기(13), CO 변성기(17) 및 수소 정제부(22)에 가스를 기재된 순서로 유통시키는 가스 유통로를 포함하고,
가스 유통 동작을 제어하는 전환 장치로서 기능하고, 후술하는 수소 정제부(22)를 구성하는 PSA 장치의 밸브 개폐 동작을 포함하여, 수소 제조 장치(100) 전체의 동작을 프로그램에 기초하여 제어하는 제어 장치(30)를 포함하고 있다.
또한, 수소 정제부(22)를 우회하여 탈황기(12)와 개질기(13)와 CO 변성기(17)의 순서로 압송 장치(11)에 의해 가스를 반송 순환하는 반송로(L10)를 포함한 폐순환 회로(C)를 가스 유통로에 설치하고, 제품 탱크(23)로부터 가스 유통로에 있어서의 압송 장치(11)의 상류 측에 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급로(L11)를 설치하여 구성한다.
제어 장치(30)는, 가열 수단(14) 및 압송 장치(11)를 구동시켜 가스 유통로에 원료 가스를 공급하는 수소 정제 운전과, 가열 수단(14) 및 압송 장치(11)를 정지시키는 정지 운전을 순서대로 행한다.
제어 장치(30)는, 정지 운전 전에 가스 유통로 내의 가스를 퍼지 가스로 치환하고, 또한, 가스 유통로 내에 퍼지 가스를 충전하는 퍼지 공정을 행한다.
제어 장치(30)는, 수소 정제 운전에 앞서 행하는, 가열 수단(14)을 운전하여 가스 유통로 내의 가스를 승온시키는 기동 운전에 있어서, 폐순환 회로(C)에 퍼지 가스 공급로(L11)로부터의 퍼지 가스 공급을 행하고, 폐순환 회로 내를 승압하는 승압 공정을 행한다.
[개질부]
전술한 바와 같이, 개질부(10)는, 압송 장치(11)에 의해 압송되는 탄화수소를 포함하는 원료 가스[예를 들면, 메탄을 주성분으로 하는 도시가스(13A)]를 탈황하는 탈황기(12)와, 탈황 후의 원료 가스를 수증기와의 혼합 상태에서 가열 수단(14)에 의해 가열하여 개질 가스를 얻는 개질기(13)과, 개질 가스 중의 일산화탄소를 수증기와 반응시키는 CO 변성기(17)를 설치하여 구성된다.
[탈황기]
개질부(10)는, 가스 유통로를 구성하는 제1 유로(L1)로부터 압축기 등으로 이루어지는 압송 장치(11)에 의해 압축된 원료 가스의 공급을 받아 그 원료 가스를 탈황하는 탈황기(12)를 포함한다.
탈황기(12)에는, Ni-Mo계, ZnO계 등의 탈황 촉매가 충전되어 있고, 상기 탈황 촉매에 의해, 원료 가스 중의 부취제(odorant) 등의 유황 성분을 제거하고 있다. 이로써, 원료 가스를, 개질기(13)에 충전된 개질 촉매를 열화(劣化)시키기 어려운 성상(性狀)으로 하고 있다.
[개질기]
탈황 후의 원료 가스는 가스 유통로를 구성하는 제2 유로(L2)에 의해 개질기(13)에 공급된다. 개질기(13)는, 개질기(13)에 충전되는 개질 촉매(예를 들면, 니켈계 촉매)를 촉매 활성 온도로 유지할 수 있도록, 외부로부터 공급되는 연료 가스[예를 들면, 도시가스(13A)]를 연소시켜 개질 촉매를 가열하는 버너 장치 등으로 이루어지는 가열 수단(14)을 포함하고 있다.
개질기(13)에 원료 가스를 공급하는 제2 유로(L2)에는, 순수(純水)를 그 배기 가스의 열에 의해 가열하는 제1 열교환기(15)에 의해 가열되고 기화된 수증기와 원료 가스를 혼합하는 혼합부(16)가 형성되어 있고, 원료 가스로의 수증기의 혼합을 촉진하고 있다. 개질기(13)에서는, 수증기의 혼합된 원료 가스를 가열하고, 개질 촉매에 의해 개질하여 개질 가스를 얻는다.
[CO 변성기]
개질기(13)에 의해 얻어진 개질 가스는, 가스 유통로를 구성하는 제3 유로(L3)에 의해 개질 가스 중의 일산화탄소를 수증기와 반응시키는 CO 변성기(17)에 공급된다. CO 변성기(17)에는, 일산화탄소 변성 촉매가 충전되고, 개질 가스 중의 일산화탄소가 수증기와 반응하여 수소와 이산화탄소로 변환된다. 일산화탄소 변성 촉매로서는 고온용, 중온용, 저온용이 있고, 운전 온도에 따라, 적당한 것이 사용된다. 운전 온도가 300∼450℃인 고온용 촉매로서는, 예를 들면 철-크롬계 촉매를 들 수 있고, 운전 온도가 180∼450℃인 중온용 촉매, 및 190∼250℃인 저온용 촉매로서는, 예를 들면 구리-아연계 촉매를 들 수 있다. 또한, 이들 고온용, 중온용, 저온용 촉매는, 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
상기 CO 변성기(17)에서의 반응에 의하여, 개질 가스는 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 및 메탄을 포함하고, 또한 그 수소 농도가 64∼96 체적%의 혼합된 변성 가스로 되고, 약 300℃ 정도에서 CO 변성기(17)로부터 배출되고, 제4 유로(L4)를 경유하여 제2 열교환기(18)에 의해 냉각수와 열교환하여 강온(降溫)한 후, 또한, 기액(氣液) 분리부(19)에 의해 수증기 등이 제거되고, 제5 유로(L5)를 경유하여 수소 분리부(20)로 안내된다.
[폐순환 회로]
또한, 제5 유로(L5)에는, 수소 정제부(22)를 우회하여 탈황기(12)와 개질기(13)와 CO 변성기(17)의 순서로 압송 장치(11)에 의해 가스를 반송 순환하는 반송로(L10)를 분기하여 설치하고, 제1 유로(L1)∼ 제5 유로(L5), 반송로(L10)에 의해, CO 변성기(17)를 통과한 가스를 탈황기(12), 개질기(13), CO 변성기(17), 압송 장치(11)에 반송 순환하는 폐순환 회로(C)를 형성 가능하게 구성하고 있다. 이로써, CO 변성기(17)를 통과한 가스를, 수소 정제부(22)를 우회하여 압송 장치(11)의 상류 측에 반송 가능하게 되어 있다.
또한, 가스 유통로에 있어서의 압송 장치(11)의 상류 측에 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급로(L11)를 설치하여, 가스 유통로에 있어서의 압송 장치(11)의 상류 측에 퍼지 가스를 공급할 수 있게 구성하고 있다. 구체적으로는, 퍼지 가스 공급로(L11)는, 제품 탱크(23)와 반송로(L10)에 있어서의 후술하는 교축부(S)의 하류 측에서 또한 압송 장치(11)의 상류 측의 개소(箇所)에 접속된다. 이로써, 가열 수단 및 압송 장치의 구동을 정지하는 정지 운전 전에, 가스 유통로 내의 가스를 퍼지 가스로 치환하고, 또한 가스 유통로 내에 퍼지 가스를 충전하는 퍼지 공정을 행할 수 있고, 폐순환 회로 내의 가스를 퍼지 가스로 치환할 수 있다. 이로써, 퍼지 가스를 수소 등의 일반적으로 수소 정제에 문제를 쉽게 발생시키지 않는 가스로 해 놓음으로써, 가스 공급로에 통하는 각 장소에 있어서, 원료 가스의 개질에 의해 생긴 일산화탄소 가스 등의 확산에 의한 악영향을 억제할 수 있다.
반송로(L10)에는, 유로 저항을 크게 하는 유로 단면적이 작은 제1 반송로(L10b)와, 유로 저항을 작게 하는 유로 단면적이 큰 제2 반송로(L10a)가 병렬로 설치되어 있다.
제1 반송로(L10b)에는 제1 개폐 밸브(V10b)가 설치되고, 제2 반송로(L10a)에는 제2 개폐 밸브(V10a)가 설치되고, 제1 개폐 밸브(V10b)를 개방하고 또한 제2 개폐 밸브(V10a)를 폐쇄하여 반송로(L10)의 유로 저항을 크게 하는 교축 상태와, 적어도 제2 반송로(L10a)에 설치한 제2 개폐 밸브(V10a)를 개방하여 반송로(L10)의 유로 저항을 작게 하는 교축 해제 상태로 전환하는 교축부(S)를 설치하여 구성하고 있다. 이로써, 반송로(L10)를, 유로 저항을 크게 하는 교축 상태와, 유로 저항을 작게 하는 교축 해제 상태로 전환할 수 있다.
그리고, 통상, 탈황기(12)에서의 탈황 반응은 발열 반응이고, CO 변성기(17)에서의 CO 변성 반응은 흡열 반응이므로, 이들을 일체의 반응 용기에 저장함으로써, 서로 열교환 가능하게 구성하여 반응 효율의 향상을 도모할 수 있다.
[수소 분리부]
수소 분리부(20)는, 개질부(10)에 의해 개질된 개질 가스로부터 수소 이외의 불순물을 분리하기 위하여, 압력 스윙식 흡착법(이하, PSA법 등이라고 약칭하는 경우가 있음)을 실행 가능한, 복수(상기 실시형태에서는 3개)의 흡착탑(20a, 20b, 20c)을 포함한 PSA 장치로 이루어지는 수소 정제부(22)와, 제품 탱크(23)와, 오프 가스 탱크(21)를 포함하고 있다.
[수소 정제부]
수소 정제부(22)의 각 흡착탑(20a, 20b, 20c)에는, 흡착재로서 제올라이트계 흡착재, 활성탄, 실리카겔 등을 조합한 것이 충전되어 있다. 각 흡착탑(20a, 20b, 20c)에서는, 통상의 PSA법과 마찬가지로, 흡착 공정, 감압 공정, 퍼지 공정, 및 승압 공정의 프로세스를, 복수의 흡착탑(20a, 20b, 20c)에서 위상을 상이하게 하여 실행함으로써, 연속적으로 수소 농후 가스를 제6 유로(L6)에 제품 수소로서 공급 가능하게 구성되어 있다. 상세한 설명은 생략하지만, 전술한 프로세스는 제어 장치(30)에 의하여, 특히 복수의 흡착탑(20a, 20b, 20c)에 접속되는 각 유통로에 설치되는 복수의 밸브(도시하지 않음)의 개폐를 행하여 순서대로 실행된다.
그리고, 도 1에서는, 흡착탑(20a)에 변성 가스를 유통하여 제품 수소를 얻는 흡착 공정이 행해지고 있는 상태를 나타내고 있다.
수소 정제부(22)에 의해 정제된, 수소 농도가 95∼99.9999 체적%의 수소 농후 가스는, 제6 유로(L6)의 밸브(V6)를 통하여 제품 수소로서 공급된다. 제품 수소는, 일단 제품 탱크(23)에 저류된 후 수소 사용 개소에 안정 공급된다. 또한, 폐순환 회로(C) 내에 있어서 압송 장치(11)의 상류 측과 퍼지 가스 공급로(L11)의 접속 개소의 하류 측 사이의 내압을 검지하는 압력 검지부(P)가 설치되어 있다. 압력 검지부(P)는, 제품 탱크(23)로부터 퍼지 가스 공급로(L11)를 통하여 반송로(L10)에 공급된 퍼지 가스로서의 수소 가스, 및 폐순환 회로(C)의 반송로(L10) 내를 유통하는 가스와의 혼합 유체(流體)의 압력을 검지한다. 그리고, 제품 탱크(23) 내의 압력은, 예를 들면 약 0.5MPaG로 되어 있다.
한편, 수소 분리부(20)에서 수소가 분리된 후의 오프 가스는, 수소 분리부(20)에 제7 유로(L7)의 밸브(V7)를 통하여 접속된 오프 가스 탱크(21)에 일시 저류된다. 오프 가스 탱크(21)에 저류된 오프 가스는 수소, 메탄 등의 가연성 가스를 포함하므로, 적절하게 오프 가스 유통로(L8)를 통하여 가열 수단(14)으로 안내되고, 연료 가스로서 사용된다.
도 1에서는, 제품 수소인 수소 농후 가스 측의 흐름만을 나타내고 있지만, 제품 수소의 송출과 오프 가스의 송출은, 상이한 흡착탑(20a, 20b, 20c)을 대상으로 하여, 동시에 행해지는 타이밍이 존재한다.
[수소 정제 운전]
전술한 구성에 의하여, 본 실시형태에 관한 수소 제조 장치(100)에 있어서는, 후술하는 기동 운전 후, 도 1에 나타낸 바와 같이, 밸브(V1, V5, V6)를 개방하고, 제2 개폐 밸브(V10a)를 폐쇄하고 또한 제1 개폐 밸브(V10b)를 개방하고, 가열 수단(14) 및 압송 장치(11)를 구동시켜, 압송 장치(11)에 의한 원료 가스 공급을 행한다.
이로써, 원료 가스는 밸브(V1)를 통과한 후, 압송 장치(11)에 의해 압송되고, 제1 유로(L1)를 유통하여 탈황기(12)에 안내되어 탈황되고, 수증기를 혼합하는 혼합부(16)가 설치되는 제2 유로(L2)를 통하여 개질기(13)에 안내되어 개질되고, 제3 유로(L3)를 유통하여 CO 변성기(17)에서 변성되고, 제2 열교환기(18)가 설치되는 제4 유로(L4)를 통하여 기액 분리부(19)에 안내된 후, 제5 유로(L5)를 통하여 수소 분리부(20)에 안내된다. 그리고, 수소 제조 장치(100)에 있어서 수소 정제 운전이 실행된다. 수소 정제 운전 시에는, 수소 정제부(22)(PSA 장치)가, 수소 이외의 불순물을 흡착 제거하는 흡착재를 사용한 압력 요동 흡착 운전에 의하여, 수소 정제를 행한다. 또한, 수소 정제 운전 시에는, 제1 개폐 밸브(V10b)를 개방하고 있으므로, CO 변성기(17)를 통과하여 수소 함유율이 높여진 가스의 일부가, 상시, 탈황기(12)에 공급되는 상태로 되어 있고, 탈황기(12)에서의 촉매의 재생을 도모하게 되어 있다. 그리고, 여기서는, 제어 장치(30)가 각 밸브(V1)∼V12의 개폐 제어를 행함으로써, 제어 장치(30)가 가열 수단(14) 및 압송 장치(11)를 구동시켜 가스 유통로에 원료 가스를 공급하는 수소 정제 운전을 실행하는 상태와, 압송 장치(11) 및 개질기(13)의 가열 수단(14)의 구동을 정지하는 정지 운전을 실행하는 상태를 전환한다.
[정지 운전]
수소 정제 운전 상태에 있는 수소 제조 장치(100)를 운전 정지하는 경우에는, 개질기(13)의 가열 수단(14) 및 압송 장치(11)의 구동을 정지한다.
그리고, 정지 운전 전에, 가스 유통로 내의 가스를 퍼지 가스로 치환하고, 또한, 가스 유통로 내에 퍼지 가스를 충전하는 퍼지 공정을 행한다. 퍼지 공정에 있어서는, 수소 정제부(22)의 퍼지 공정과 개질부(10)의 퍼지 공정을 행한다.
[수소 정제부의 퍼지 공정]
수소 제조 장치(100)의 가동(稼動)을 정지할 때는, 먼저 제6 유로(L6)의 밸브(V6) 및 제7 유로(L7)의 밸브(V7)를 개방하고, 제5 유로(L5)의 밸브(V5)를 폐쇄한다. 그 후, 반송로(L10)의 제2 개폐 밸브(V10a)를 개방하고, 또한 원료 공급로의 밸브(V1)를 폐쇄함으로써, 상기 폐순환 회로(C)를 형성한다. 그리고, 수소 정제부(22)에 대하여 제품 탱크(23)로부터 수소 가스를 퍼지 가스로서 공급한다. 퍼지 가스의 공급은 흡착탑(20a, 20b, 20c) 중, 탈압 재생이 행해지지 않고, 또한, 다음에 수소 정제 운전을 재개하는 경우에 최초로 흡착 공정을 행하는 흡착탑에 대하여 행한다. 그 흡착탑의 내부의 가스는, 오프 가스 탱크(21)에 회수되거나, 또는 폐기된다.
상기와 같은 구성에 의하여, 수소 정제부(22)의 내부를 수소 가스로 치환해 놓으면, 흡착탑 내의 공극(空隙) 가스는 순도 높은 수소 가스가 충전된 상태로 유지된다. 따라서, 그대로 수소 정제부(22)의 동작을 정지시킨 경우에는, 흡착재에 일단 흡착된 수소 가스 이외의 잡다한 가스가 확산되어, 제품 가스의 순도를 저하시킨다고 하는 상태가 발생하기 어렵게 되어, 수소 정제부(22)의 운전을 재개한 경우에도, 신속하게 고농도의 수소를 공급할 수 있는 상태로 대기할 수 있게 된다.
[개질부의 퍼지 공정]
수소 제조 장치(100)를 장기간에 걸쳐(예를 들면, 수일 정도) 정지하는 경우에는, 전술한 수소 정제부(22)의 퍼지 공정을 행한 후, 개질부(10)에 있어서, 가스 유통로 내의 가스를 퍼지 가스로 치환하고, 또한 가스 유통로 내에 퍼지 가스를 충전하는 퍼지 공정(개질부의 퍼지 공정)을 행한다. 개질부(10)의 퍼지 공정은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 개질부(10)에 대한 원료 가스의 공급을 정지하여, 밸브(V1, V5, V7)를 폐쇄하고, 밸브(V11, V12)를 개방한 후, 제1 개폐 밸브(V10b) 및 제2 개폐 밸브(V10a)를 폐쇄하여, 개질부(10)에 제품 탱크(23)로부터 퍼지 가스 공급로(L11) 및 반송로(L10)를 통하여 퍼지 가스로서의 수소 가스(0.5MPaG 정도)를 공급한다. 개질부(10)의 퍼지 공정에서는, 개질부(10) 내부의 가스는 개방된 밸브(V12)를 통하여 외부로 배기된다. 그 후, 개질기(13)의 가열 수단(14)에 의한 가열이나, 수증기의 공급, 나아가 압송 장치(11)의 구동도 정지하여, 장치 전체를 정지 상태로 한다. 개질부(10)의 퍼지 공정이 행해진 후의 정지 운전에서는, 폐순환 회로(C)의 내부 압력은 0.2MPaG 정도로 되어 있다.
[기동 운전]
장치 전체가 정지 상태로 된 후, 다시 수소 정제 운전을 재개하는 경우에는, 수소 정제 운전에 앞서, 개질기(13)의 가열 수단(14)을 운전하여 가스 유통로 내의 가스를 승온시키는 기동 운전을 행한다. 기동 운전에 있어서, 폐순환 회로(C)에 퍼지 가스 공급로(L11)로부터의 퍼지 가스 공급을 행하여, 폐순환 회로(C) 내의 압력을 수소 제조 장치(100)의 운전 정지 시의 압력(예를 들면, 0.2MPaG 정도)보다 높게 하는 승압 공정(예를 들면, 0.7MPaG∼1.0MPaG 정도)을 행하고, 그 승압 공정과 간섭하지 않는 타이밍에서, 개질기(13)를 가열 수단(14)에 의해 가열하는 승온 공정을 개시한다.
[승압 공정]
기동 운전에 있어서, 승압 공정은, 제품 탱크(23)로부터의 퍼지 가스로서의 수소 가스(0.5MPaG 정도)를, 퍼지 가스 공급로(L11)로부터 가스 유통로에 있어서의 압송 장치(11)의 상류 측에 공급한다. 이 때, 밸브(V1, V5, V12)를 폐쇄하고, 밸브(V11)를 개방하고, 제1 개폐 밸브(V10b)를 폐쇄하고, 제2 개폐 밸브(V10a)를 개방함으로써, 반송로(L10)[교축부(S)]의 유로 저항을 작게 하는 교축 해제 상태로 하여, 퍼지 가스의 공급에 의해 가스 유통로 내의 압력이 제품 탱크(23)의 내압으로 승압 가능한 범위에서는, 제품 탱크(23)의 내압에 의해 가스 유통로에 퍼지 가스가 공급된다. 퍼지 가스에 의한 가스 유통로의 내압이 어느 정도 상승하면, 도 3에 나타낸 바와 같이, 제1 개폐 밸브(V10b)를 개방하고, 제2 개폐 밸브(V10a)를 폐쇄함으로써, 반송로(L10)의 유로 저항을 크게 하는 교축 상태로 하여, 압송 장치(11)에 의해 퍼지 가스를 가스 유통로 내에 공급하여 승압한다. 구체적으로는, 제품 탱크(23)로부터의 퍼지 가스 공급을 지속한 상태에서, 압송 장치(11)의 동작을 개시함으로써 폐순환 회로(C) 내의 교축부(S)보다 상류 측에서 또한 압송 장치(11)의 하류 측의 내압을 상승시킬 수 있다. 이 때, 교축부(S)의 하류 측 또한 압송 장치(11)의 상류 측은, 교축부(S)의 상류 측에 비하여 저압 상태로 되므로, 교축부(S)의 하류 측에 있어서 제품 탱크(23)로부터 퍼지 가스 공급로(L11)를 거쳐 폐순환 회로(C)에 퍼지 가스가 이동하는 것을 보조하여, 퍼지 가스의 공급을 촉진할 수 있다.
이 때, 승압은 반송로(L10)에 설치한 압력 검지부(P)의 검지 압력에 기초하여 행해지고, 제어 장치(30)는, 검지 압력이 소정 압력보다 낮은 경우에는, 퍼지 가스 공급로(L11)로부터 퍼지 가스를 폐순환 회로(C) 내에 공급하는 제어를 행한다. 구체적으로는, 수소 정제 운전 시, 가스 유통로에는 0.5MPaG의 원료 가스가 공급되고, 정지 운전 후 퍼지 공정에서 폐순환 회로(C) 내는 대기압에 가까운 압력(0.2MPaG)으로 되지만, 승압 공정에서 0.7MPaG까지 승압된다.
[승온 공정]
그 후, 가스 유통로 내의 가스를 폐순환 회로(C) 내에 순환시키고, 가열 수단(14)에 연료 가스를 공급하여 개질부(10)의 가열을 개시한다. 구체적으로는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 제1 개폐 밸브(V10b)를 폐쇄하고, 제2 개폐 밸브(V10a)를 개방함으로써, 반송로(L10)의 유로 저항을 작게 하는 교축 해제 상태의 폐순환 회로(C)를 형성하고, 압송 장치(11)에 의해 폐순환 회로(C) 내의 퍼지 가스를 순환시킨다.
그렇게 하면, 가열 수단(14)에 의해 개질기(13)에 제공된 열은, 퍼지 가스에 전달되고, 폐순환 회로(C) 내를 순환하면서, CO 변성기(17), 탈황기(12)의 순서로 열을 공급한다. 이로써, 개질부(10) 전체[특히, CO 변성기(17)]의 승온이 도모되고, 또한 원료 가스의 개질이 신속하게 행해지고, 수소 분리부(20)에서 수소 정제 운전을 개시할 수 있는 상태로 할 수 있다. 구체적으로는, 승압 운전을 행하지 않고 기동 운전을 행한 경우, 기동 운전 개시로부터 승온 완료까지 3시간 45분의 시간을 요하는 바, 본 실시형태에 관한 기동 운전(승압 운전 있음)을 행한 결과, 2시간 30분으로 승온을 완료할 수 있음을 알 수 있었다.
[다른 실시형태]
(1) 상기 실시형태에서는, 원료 가스로서 도시가스를 사용하는 예를 나타냈으나, 예를 들면, 다른 예로서는 가스 상태 탄화수소로부터 최종 비점(沸点) 240℃ 정도의 중질 나프타 등도 사용할 수 있다.
(2) 압송 장치(11)의 장소, 열교환기의 배치 등에 대해서는, 상기 실시형태의 배치에 한정되지 않고, 여러 가지 공지의 것을 채용할 수 있다. 즉, 도 1, 도 2에 있어서는, 압송 장치(11)를 탈황기(12)보다 상류 측(원료 공급측)에 설치하였으나, 개질기(13)의 하류 측에 있어도 되고, 요컨대 수소 정제 운전에 있어서 원료 가스를 반송할 수 있고, 또한, 폐순환 회로(C)에서 가스를 유통할 수 있게 설치되어 있으면 된다. 또한, 압송 장치(11)는 복수 있어도 된다. 또한, 탈황기(12)와 CO 변성기(17)가 열교환하도록 배치하였으나, 별도로 설치되어 있어도 된다.
(3) 또한, 수소 정제부(22)로서는 PSA 장치를 사용하였지만, 막 분리 장치나, 심랭(深冷) 분리 장치 등 각종 수소 정제 장치를 단수 또는 복수 조합하여 설치할 수 있다. 또한, PSA 장치의 형식에 대해서도, 3탑식인 것을 도시하고 있지만, 이에 한정되지 않고 2탑, 또는 4탑 이상의 구성이어도 되고, 그 운전 형태에 대해서도 임의의 것을 채용할 수 있다.
(4) 상기 실시형태에서는, 퍼지 가스를 제품 탱크(23)로부터의 수소 가스로 하였으나, 수소 가스에 한정되는 것은 아니고, 별도 설치되는 수소 탱크로부터 수소 가스를 공급하는 형태이어도 되고, 수소 정제부(22)로부터 공급되는 수소 가스를 그대로 사용하는 형태이어도 된다. 단, 제품 탱크(23)를 사용하면, 퍼지 가스로서의 수소를 안정 공급할 수 있고, 또한 기존의 배관에 추가하여 퍼지 가스 공급로(L11)를 설치하는 것만으로 되므로, 장치 구성을 비교적 간략화할 수 있으므로 바람직하다. 또한, 수소 대신에 불활성 가스를 사용할 수도 있다. 단, 불활성 가스 등 수소 가스 이외의 가스를 사용한 경우, 기동 운전 후, 수소 정제 운전의 개시 시에, 불활성 가스가 배출되는 데에 요하는 기간, 수소 정제부(22)에서 수소 정제가 행해지지 않게 되므로, 수소 가스를 사용하는 것이 바람직하다.
(5) 상기 실시형태에서는, 폐순환 회로(C)에 있어서의 수소 정제부(22)를 우회하여 가스를 반송 순환하는 반송로(L10)로서, 유로 단면적이 작은 제1 반송로(L10b)와, 유로 단면적이 큰 제2 반송로(L10a)를 병렬로 설치하고, 제1 반송로(L10b)에 설치한 제1 개폐 밸브(V10b)를 개방하고 또한 제2 반송로(L10a)에 설치한 제2 개폐 밸브(V10a)를 폐쇄하여 반송로(L10)의 유로 저항을 크게 하는 교축 상태와, 제1 개폐 밸브(V10b)를 폐쇄하고 또한 제2 개폐 밸브(V10a)를 개방하여 반송로(L10)의 유로 저항을 작게 하는 교축 해제 상태로 전환하는 교축부(S)를 구성하였다. 이것을 개변(改變)하여, 단일의 반송로(L10)에 유량 조정 밸브를 설치함으로써 교축부(S)를 구성할 수도 있다. 단, 교축 상태와, 교축 해제 상태를 단지 밸브의 개폐 전환에 의해 전환할 수 있는 것, 소(小)유량의 교축 상태와, 대(大)유량의 교축 해제 상태에 걸쳐 양호한 정밀도로 유량 변경 가능한 유량 조정 밸브는 고가이고, 제어도 복잡해질 수 밖에 없다는 실정으로부터, 전자의 구성이 바람직하다. 또한, 제2 반송로(L10a)를 설치하고 있으면, 탈황기(12)에 탈황 촉매 재생용 수소 가스를 상시 반송하는 반송로(L10)로서 기능시키는 것도 가능하다.
또한, 상기 교축부(S)에 있어서의 교축 해제 상태에서는, 적어도 제2 개폐 밸브(V10a)를 개방하여 상기 반송로의 유로 저항을 작게 하는 구성으로 하면 되고, 제1 개폐 밸브(V10b)를 폐쇄하지 않는 구성으로 할 수도 있다.
(6) 또한, 상기 실시형태에서는, 기동 운전에 있어서 승압 공정과, 승온 공정을 순서대로 행하는 형태로 하였으나, 승압의 완료를 기다리지 않고 가열을 개시하는 것도 가능하고, 동시에 개시할 수도 있다. 승압 공정과, 승온 공정을 순서대로 행하는 형태이면, 퍼지 가스의 열팽창 등을 고려하지 않고 안전한 운전이 가능해지고, 동시에 개시하면, 신속한 기동 운전이 가능해진다. 그리고, 개질기(13)에 대한 수증기의 공급 시기를 고려하면, 승압 공정에서는 수증기 공급을 행하지 않고, 승온 공정 시에 수증기 공급을 개시하는 것이 바람직하므로, 승압 공정과, 승온 공정은 순서대로 행하는 형태가 바람직하다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명의 수소 제조 장치 및 그 운전 방법은, 수소 제조 장치의 작동 정지 후, 다시 수소 제조 장치를 기동하는 경우에, 신속하게 탈황기, 개질기, CO 변성기를 가열하는 기술로서, 유효하게 이용 가능하다.
10 : 개질부
11 : 압송 장치
12 : 탈황기
13 : 개질기
13A : 도시가스
14 : 가열 수단
15 : 제1 열교환기
16 : 혼합부
17 : CO 변성기
18 : 제2 열교환기
19 : 기액 분리부
20 : 수소 분리부
20a : 흡착탑
20b : 흡착탑
20c : 흡착탑
21 : 오프 가스 탱크
22 : 수소 정제부
23 : 제품 탱크
30 : 제어 장치
100 : 수소 제조 장치
C : 폐순환 회로
L1∼L7 : 제1 유로∼제7 유로
L8 : 오프 가스 유통로
L10 : 반송로
L10a : 제2 반송로
L10b : 제1 반송로
L11 : 퍼지 가스 공급로
L12 : 배기로
P : 압력 검지부
S : 교축부
V1∼V12: 밸브
V10a : 제2 개폐 밸브
V10b : 제1 개폐 밸브

Claims (6)

  1. 원료 가스를 탈황하는 탈황기; 탈황 후의 원료 가스를 수증기와의 혼합 상태에서 가열 수단에 의해 가열하여 개질 가스를 얻는 개질기; 개질 가스 중의 일산화탄소를 수증기와 반응시키는 CO 변성기; 및 상기 CO 변성기에 의해 처리된 후의 변성 가스로부터 수소 이외의 불순물을 분리하여 수소 가스를 정제(精製)하는 수소 정제부를 설치하고,
    상기 탈황기와 상기 개질기와 상기 CO 변성기와 상기 수소 정제부에 걸쳐 가스를 유통시키는 가스 유통로를 설치하고, 또한 상기 가스 유통로에 가스를 유통시키는 압송(壓送) 장치를 설치해 두고,
    상기 가열 수단 및 상기 압송 장치를 구동시켜 상기 가스 유통로에 원료 가스를 공급하는 수소 정제 운전과, 상기 가열 수단 및 상기 압송 장치의 구동을 정지하는 정지 운전을 순서대로 행하는 수소 제조 장치의 운전 방법으로서,
    상기 수소 정제부를 우회하여 상기 탈황기와 상기 개질기와 상기 CO 변성기의 순서로 상기 압송 장치에 의해 가스를 반송(返送) 순환하는 폐순환 회로를 상기 가스 유통로에 설치하고, 상기 가스 유통로에 있어서의 상기 압송 장치의 상류 측에 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급로를 설치하고,
    상기 정지 운전 전에, 상기 가스 유통로 내의 가스를 퍼지 가스로 치환하고, 또한 상기 가스 유통로 내에 퍼지 가스를 충전하는 퍼지 공정을 행하고,
    상기 수소 정제 운전에 앞서 행하는, 상기 가열 수단을 운전하여 상기 가스 유통로 내의 가스를 승온(昇溫)시키는 기동 운전에 있어서, 상기 압송 장치를 구동시킨 상태에서, 상기 폐순환 회로에 상기 퍼지 가스 공급로로부터의 퍼지 가스 공급을 행하고, 상기 폐순환 회로 내를 승압(昇壓)하는 승압 공정과, 상기 압송 장치 및 상기 가열 수단을 구동시켜서 승온하는 승온 공정을 순차로 행하고,
    상기 폐순환 회로에 있어서의 상기 수소 정제부를 우회하여 가스를 반송 순환하는 반송로에, 유로 저항을 크게 하는 교축 상태와, 유로 저항을 작게 하는 교축 해제 상태로 전환하는 교축부(throttle unit)를 설치하고,
    상기 교축부를 상기 교축 상태로 전환하여, 상기 승압 공정을 행하고, 또 상기 교축부를 상기 교축 해제 상태로 전환하여 상기 승온 공정을 행하는,
    수소 제조 장치의 운전 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반송로에, 유로 저항을 크게 하는, 유로 단면적이 작은 제1 반송로와, 유로 저항을 작게 하는, 유로 단면적이 큰 제2 반송로를 병렬로 설치하고,
    상기 교축부가, 상기 제1 반송로에 설치한 제1 개폐 밸브를 개방함과 함께 상기 제2 반송로에 설치한 제2 개폐 밸브를 폐쇄하여 상기 반송로의 유로 저항을 크게 하는 상기 교축 상태와, 적어도 상기 제2 반송로에 설치한 제2 개폐 밸브를 개방하여 상기 반송로의 유로 저항을 작게 하는 상기 교축 해제 상태로 전환하는,
    수소 제조 장치의 운전 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 폐순환 회로 내의 내압을 검지하는 압력 검지부를 포함하고, 상기 기동 운전을 행할 때, 상기 압력 검지부의 검지 압력이 소정 압력보다 낮은 경우에, 상기 퍼지 가스 공급로로부터 퍼지 가스를 상기 폐순환 회로 내에 공급하는, 수소 제조 장치의 운전 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 퍼지 가스가 상기 수소 정제부에서 정제되고, 제품 탱크에 저류(貯留)된 수소 가스인, 수소 제조 장치의 운전 방법.
  5. 원료 가스를 탈황하는 탈황기; 탈황 후의 원료 가스를 수증기와의 혼합 상태에서 가열 수단에 의해 가열하여 개질 가스를 얻는 개질기; 개질 가스 중의 일산화탄소를 수증기와 반응시키는 CO 변성기; 및 상기 CO 변성기에 의해 처리된 후의 변성 가스로부터 수소 이외의 불순물을 분리하여 수소 가스를 정제하는 수소 정제부를 설치하고,
    상기 탈황기와 상기 개질기와 상기 CO 변성기와 상기 수소 정제부에 걸쳐 가스를 유통시키는 가스 유통로를 설치하고, 또한 상기 가스 유통로에 가스를 유통시키는 압송 장치를 설치해 두고,
    상기 가열 수단 및 상기 압송 장치를 구동시켜 상기 가스 유통로에 원료 가스를 공급하는 수소 정제 운전과, 상기 가열 수단 및 압송 장치를 정지시키는 정지 운전을 순서대로 행하는 제어 장치를 설치하고 있는 수소 제조 장치로서,
    상기 수소 정제부를 우회하여 상기 탈황기와 상기 개질기와 상기 CO 변성기의 순서로 상기 압송 장치에 의해 가스를 반송 순환하는 폐순환 회로를 상기 가스 유통로에 설치하고, 상기 가스 유통로에 있어서의 상기 압송 장치의 상류 측에 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급로를 설치하고,
    상기 제어 장치는, 상기 정지 운전 전에 상기 가스 유통로 내의 가스를 퍼지 가스로 치환하고, 또한, 상기 가스 유통로 내에 퍼지 가스를 충전하는 퍼지 공정을 행하고,
    상기 제어 장치는, 상기 수소 정제 운전에 앞서 행하는, 상기 가열 수단을 운전하여 상기 가스 유통로 내의 가스를 승온시키는 기동 운전에 있어서, 상기 압송 장치를 구동시킨 상태에서, 상기 폐순환 회로에 상기 퍼지 가스 공급로로부터의 퍼지 가스 공급을 행하고, 상기 폐순환 회로 내를 승압하는 승압 공정과, 상기 압송 장치 및 상기 가열 수단을 구동시켜 승온하는 승온 공정을 행하고,
    상기 폐순환 회로에 있어서의 상기 수소 정제부를 우회하여 가스를 반송 순환하는 반송로에, 유로 저항을 크게 하는 교축 상태와, 유로 저항을 작게 하는 교축 해제 상태로 전환하는 교축부(throttle unit)를 설치하고,
    상기 교축부를 상기 교축 상태로 전환하여, 상기 승압 공정을 행하고, 또 상기 교축부를 상기 교축 해제 상태로 전환하여 상기 승온 공정을 행하는,
    수소 제조 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 반송로에, 유로 저항을 크게 하는 유로 단면적이 작은 제1 반송로와, 유로 저항을 작게 하는 유로 단면적이 큰 제2 반송로를 병렬로 설치하고,
    상기 교축부가, 상기 제1 반송로에 설치한 제1 개폐 밸브를 개방하고 또한 상기 제2 반송로에 설치한 제2 개폐 밸브를 폐쇄하여 상기 반송로의 유로 저항을 크게 하는 교축 상태와, 적어도 상기 제2 반송로에 설치한 제2 개폐 밸브를 개방하여 상기 반송로의 유로 저항을 작게 하는 교축 해제 상태로 전환하는,
    수소 제조 장치.
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