WO2022202037A1 - 水素製造装置 - Google Patents

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WO2022202037A1
WO2022202037A1 PCT/JP2022/006987 JP2022006987W WO2022202037A1 WO 2022202037 A1 WO2022202037 A1 WO 2022202037A1 JP 2022006987 W JP2022006987 W JP 2022006987W WO 2022202037 A1 WO2022202037 A1 WO 2022202037A1
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storage tank
heating furnace
raw material
heat
gas
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PCT/JP2022/006987
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拓人 宮浦
隆政 伊藤
陽介 坪井
玉平 劉
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株式会社Ihi
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Priority to BR112023019440A priority patent/BR112023019440A2/pt
Priority to JP2023508809A priority patent/JPWO2022202037A1/ja
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    • B01J8/18—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
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    • C01B3/24—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds of hydrocarbons
    • C01B3/28—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds of hydrocarbons using moving solid particles
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    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00504—Controlling the temperature by means of a burner
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    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/0053—Controlling multiple zones along the direction of flow, e.g. pre-heating and after-cooling

Definitions

  • Patent Document 1 As a technology for pyrolyzing hydrocarbons, an apparatus including a reactor, a raw material gas supply source, and a heating unit provided outside the reactor has been disclosed (for example, Patent Document 1). accommodate the A feed gas supply supplies hydrocarbons to the reactor. The heating unit is provided around the reactor and heats the inside of the reactor.
  • the thermal cracking reaction of hydrocarbons proceeds efficiently at 800°C or higher by using a catalyst.
  • the thermal cracking reaction of hydrocarbons is an endothermic reaction, it is necessary to supply heat from the outside. Therefore, in the technique of heating the reactor from the outside as in Patent Document 1, it is necessary to heat the wall of the reactor to 1000° C. or higher in order to heat the inside of the reactor to 800° C. or higher.
  • the reactor must be made of a material having a heat resistance of 1000° C. or more, which raises the problem of increasing the cost required for the reactor.
  • an object of the present disclosure is to provide a hydrogen production apparatus capable of thermally decomposing hydrocarbons at low cost.
  • a hydrogen production apparatus includes a first storage in which a moving layer of a catalyst containing any one or more of iron, nickel, copper, and aluminum is formed.
  • a first heating furnace having a tank, a heat transfer tube provided in the first storage tank and through which a heat medium passes, a burner for burning fuel to generate combustion exhaust gas, and a combustion exhaust gas, the first heating furnace a second storage tank in which a fluidized bed of the catalyst discharged from the second heating furnace is formed; and a raw material gas containing hydrocarbons forms the fluidized bed of the catalyst discharged from the second heating furnace.
  • a pyrolysis furnace having a third storage tank.
  • the hydrogen production apparatus includes a heat medium heat exchanger for exchanging heat between the catalyst discharged from the third storage tank of the pyrolysis furnace and the heat medium, and the heat medium heat-exchanged by the heat medium heat exchanger. may pass through the heat transfer tubes of the first heating furnace.
  • the burner of the second heating furnace may use the raw material gas as fuel.
  • the hydrogen production apparatus is provided with a hydrogen separation section for separating hydrogen from the mixed gas sent out from the third storage tank of the pyrolysis furnace, and the burner of the second heating furnace separates the hydrogen separated by the hydrogen separation section. It can also be used as fuel.
  • the catalyst discharged from the pyrolysis furnace may be introduced into the second storage tank of the second heating furnace, and the burner of the second heating furnace may burn the fuel with air having a theoretical air ratio or less.
  • the hydrogen production apparatus includes either one or both of the flue gas sent from the second storage tank of the second heating furnace and the mixed gas sent from the third storage tank of the pyrolysis furnace, A raw material heat exchanger for exchanging heat with the raw material gas may be provided, and the third storage tank of the pyrolysis furnace may form a fluidized bed of the catalyst with the raw material gas heat-exchanged by the raw material heat exchanger.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a hydrogen production device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the first heating furnace and the second heating furnace.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a pyrolysis furnace and a heat medium heat exchanger.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a hydrogen production device 100 according to this embodiment.
  • solid arrows indicate the flow of solids (solid matter).
  • dashed-dotted arrow indicates the flow of the solid-gas mixture.
  • dashed arrows indicate gas flows.
  • the hydrogen production apparatus 100 includes a first heating furnace 110, a second heating furnace 120, a first cyclone 130, a first raw material heat exchanger 132 (raw material heat exchanger), and an air heat Exchanger 134, pyrolysis furnace 140, second cyclone 150, second raw material heat exchanger 152 (raw material heat exchanger), hydrogen separating section 154, heat medium heat exchanger 160, and third cyclone 170 including.
  • the first heating furnace 110 heats the catalyst CAT at room temperature (eg, 25°C) to, for example, about 400°C.
  • Catalyst CAT is a catalyst that promotes the thermal decomposition reaction represented by the following formula (1). CH 4 ⁇ C + 2H 2 Formula (1)
  • Catalyst CAT is composed of any one or more of iron, nickel, copper, and aluminum.
  • the catalytic CAT is a natural mineral, such as iron ore.
  • the catalyst CAT does not have to be a natural mineral as long as it contains one or more of copper and aluminum.
  • the particle diameter of the catalyst CAT is, for example, 50 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less, preferably 100 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less.
  • the second heating furnace 120 further heats the catalyst CAT (about 400°C) heated by the first heating furnace 110 to about 900°C, for example.
  • the first cyclone 130 solid-gas separates the solid-gas mixture SG1 of the catalyst CAT and the combustion exhaust gas EX.
  • a solid-gas mixture SG1 is produced in the second heating furnace 120 .
  • the first raw material heat exchanger 132 exchanges heat between the flue gas EX separated by the first cyclone 130 and the raw material gas GG, which will be described later.
  • the air heat exchanger 134 exchanges heat between the flue gas EX separated by the first cyclone 130 and air.
  • the thermal decomposition furnace 140 brings the catalyst CAT (approximately 900° C.) heated by the second heating furnace 120 into contact with the raw material gas GG to allow the thermal decomposition reaction of formula (1) above to proceed.
  • the source gas GG contains at least hydrocarbons (eg, methane).
  • the source gas GG is, for example, liquefied natural gas (LNG).
  • the second cyclone 150 solid-gas separates a solid-gas mixture SG2 of a catalyst with solid carbon attached (hereinafter sometimes referred to as "attached catalyst CCAT"), hydrogen (H 2 ), and raw material gas GG.
  • a solid-gas mixture SG2 is produced in the pyrolysis furnace 140 .
  • the second raw material heat exchanger 152 heat-exchanges the mixed gas MG (hydrogen and raw material gas GG) separated by the second cyclone 150 with the raw material gas GG.
  • the hydrogen separator 154 separates the mixed gas MG into hydrogen and source gas.
  • the heat medium heat exchanger 160 exchanges heat between the adhered catalyst CCAT discharged from the pyrolysis furnace 140 and the heat medium.
  • the third cyclone 170 solid-gas separates the solid-gas mixture SG3 of the adhering catalyst CCAT and air.
  • the solid-gas mixture SG3 is the one discharged from the heat medium heat exchanger 160 .
  • the first heating furnace 110, the second heating furnace 120, the pyrolysis furnace 140, and the heat medium heat exchanger 160 will be described in detail below.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the first heating furnace 110 and the second heating furnace 120 according to this embodiment.
  • solid line arrows indicate the flow of solids (solids).
  • dashed-dotted arrow indicates the flow of the solid-gas mixture.
  • dashed arrows indicate gas flows.
  • the first heating furnace 110 includes a first storage tank 112 and heat transfer tubes 114 .
  • the first storage tank 112 is a container in which a moving bed of catalyst CAT is formed.
  • An inlet 112 a is formed in the upper portion of the first storage tank 112 .
  • a discharge port 112 b is formed in the lower portion of the first storage tub 112 .
  • the catalyst CAT is introduced into the first storage tank 112 through the inlet 112a.
  • the catalyst CAT in the first storage tank 112 is discharged from the first storage tank 112 through the discharge port 112b. Therefore, the catalyst CAT moves inside the first storage tank 112 from the top to the bottom by its own weight. Thereby, a moving bed of the catalyst CAT is formed in the first storage tank 112 .
  • the moving bed refers to a state in which solid particles are lowered by gravity.
  • the heat transfer tube 114 is provided inside the first storage tank 112 .
  • the heat transfer tube 114 is a tube through which a heat medium passes.
  • the heat medium is steam ST.
  • steam ST generated by a heat medium heat exchanger 160 described later is guided to the heat transfer pipes 114 .
  • heat exchange takes place between steam ST and catalyst CAT via partition walls constituting heat transfer tube 114 .
  • the catalyst CAT is heated to about 400.degree.
  • the catalyst CAT heated by the first heating furnace 110 is led to the second heating furnace 120 through the pipe 116 connected to the outlet 112b.
  • a pipe 116 connects the outlet 112 b of the first storage tank 112 and the inlet 212 a of the second storage tank 210 .
  • the second heating furnace 120 is, for example, a bubbling fluidized bed furnace.
  • the fluidized bed refers to a state in which solid particles are suspended in the fluid by ejecting the fluid upward. In the fluidized bed, the force of the fluid acting on the solid particles and the gravitational force are balanced, and the fluidized bed behaves like a uniform fluid as a whole.
  • the second heating furnace 120 fluidizes the catalyst CAT guided from the first heating furnace 110 with the flue gas EX.
  • the second heating furnace 120 includes a second storage tank 210 and a flue gas supply section 220 .
  • the second storage tank 210 is a container in which the fluidized bed R of the catalyst CAT discharged from the first heating furnace 110 is formed.
  • One side wall of the second storage tank 210 is provided with an inlet 212a.
  • the other side wall of the second storage tank 210 is provided with a discharge port 212b.
  • the upper surface of the second storage tank 210 is provided with a discharge port 212c.
  • the pipe 116 is connected to the inlet 212a.
  • a pipe 202 is connected to the outlet 212b.
  • the pipe 202 connects the outlet 212b of the second storage tank 210 and the inlet 312a of the third storage tank 310 of the pyrolysis furnace 140, which will be described later.
  • a pipe 204 is connected to the outlet 212c.
  • a pipe 204 connects the outlet 212 c and the first cyclone 130 .
  • the bottom surface of the second storage tank 210 is composed of a permeable distribution plate 214 .
  • the combustion exhaust gas supply unit 220 supplies the combustion exhaust gas EX from the lower part of the second storage tank 210 .
  • the flue gas supply 220 includes a compressor 222 , a compressor 224 , a burner 226 and a windbox 228 .
  • the compressor 222 supplies fuel gas FG (eg, methane) to the burner 226 .
  • the intake side of the compressor 222 is connected to a fuel gas FG supply source through a fuel supply pipe 222a.
  • the discharge side of compressor 222 is connected to burner 226 through fuel delivery pipe 222b.
  • the fuel gas FG may be the source gas GG.
  • a compressor 224 supplies air to a burner 226 .
  • the suction side of the compressor 224 is connected to an air supply source through an air supply pipe 224a.
  • the discharge side of compressor 224 is connected to burner 226 through air delivery pipe 224b.
  • the burner 226 burns the fuel gas FG to generate flue gas EX.
  • Flue gas EX (eg, above 900° C.) produced by burner 226 is fed to wind box 228 .
  • the wind box 228 is provided below the second storage tank 210 .
  • the upper part of the wind box 228 is composed of the distribution plate 214 .
  • the distribution plate 214 partitions the second storage tank 210 and the wind box 228 .
  • the flue gas EX supplied from the burner 226 to the wind box 228 is supplied into the second storage tank 210 from the bottom surface (dispersion plate 214) of the second storage tank 210. As shown in FIG.
  • the catalyst CAT introduced from the first heating furnace 110 through the inlet 212a is fluidized by the combustion exhaust gas EX, and a fluidized bed R (bubble fluidized bed) is formed in the second storage tank 210. Further, in the second storage tank 210, the catalyst CAT and the flue gas EX are brought into contact with each other, whereby heat is exchanged between the catalyst CAT and the flue gas EX. Thereby, the second heating furnace 120 heats the catalyst CAT to about 900° C., for example.
  • the heated catalyst CAT is led to the pyrolysis furnace 140 through the outlet 212b and the pipe 202.
  • the combustion exhaust gas EX after heating the catalyst CAT is guided to the first cyclone 130 through the exhaust port 212c and the pipe 204 together with part of the catalyst CAT.
  • the first cyclone 130 solid-gas separates the solid-gas mixture SG1 containing the catalyst CAT and the combustion exhaust gas EX.
  • Catalyst CAT separated by first cyclone 130 is returned to first heating furnace 110 .
  • the first raw material heat exchanger 132 exchanges heat between the flue gas EX separated by the first cyclone 130 and the raw material gas GG.
  • the first raw material heat exchanger 132 heat-exchanges the raw material gas GG heat-exchanged by the second raw material heat exchanger 152 with the flue gas EX.
  • the raw material gas GG is heated, and the combustion exhaust gas EX is gradually heated.
  • the raw material gas GG heated by the first raw material heat exchanger 132 is supplied to the thermal cracking furnace 140 which will be described later.
  • the slow-heated combustion exhaust gas EX is guided to the air heat exchanger 134 .
  • the air heat exchanger 134 exchanges heat between the flue gas EX after heat exchange by the first raw material heat exchanger 132 and air. As a result, the air is heated and the combustion exhaust gas EX is gradually heated. The heated air is supplied to burner 226 as fuel gas FG. Also, the slow-heated combustion exhaust gas EX is supplied to the burner 226 .
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the pyrolysis furnace 140 and the heat medium heat exchanger 160 according to this embodiment.
  • solid line arrows indicate flows of solids (solids) and liquids.
  • dashed-dotted arrow indicates the flow of the solid-gas mixture.
  • dashed arrows indicate gas flows.
  • the pyrolysis furnace 140 is, for example, a bubbling fluidized bed furnace.
  • the pyrolysis furnace 140 fluidizes the catalyst CAT guided from the second heating furnace 120 with the raw material gas GG.
  • the pyrolysis furnace 140 includes a third storage tank 310 and a source gas supply section 320 .
  • the third storage tank 310 is a container in which the fluidized bed R of the catalyst CAT discharged from the second heating furnace 120 is formed.
  • An introduction port 312 a is provided on one side wall of the third storage tank 310 .
  • the other side wall of the third storage tank 310 is provided with a discharge port 312b.
  • a discharge port 312c is provided on the top surface of the third storage tank 310 .
  • the pipe 202 is connected to the inlet 312a.
  • a pipe 302 is connected to the outlet 312b.
  • the pipe 302 connects the outlet 312b of the third storage tank 310 and the inlet 412a of the fourth storage tank 410 of the heat medium heat exchanger 160, which will be described later.
  • a pipe 304 is connected to the outlet 312c.
  • a pipe 304 connects the outlet 312 c and the second cyclone 150 .
  • the bottom surface of the third storage tank 310 is composed of a permeable dispersion plate 314 .
  • the raw material gas supply unit 320 supplies the raw material gas GG from the lower part of the third storage tank 310 .
  • the source gas supply section 320 includes a compressor 322 and a wind box 324 .
  • the compressor 322 supplies the source gas GG to the wind box 324 .
  • the compressor 322 supplies the wind box 324 with the raw material gas GG heat-exchanged by the second raw material heat exchanger 152 and the first raw material heat exchanger 132 .
  • the suction side of the compressor 322 is connected to the supply source of the source gas GG through the source gas supply pipe 322a.
  • the discharge side of the compressor 322 is connected to the wind box 324 through the source gas delivery pipe 322b.
  • the second raw material heat exchanger 152 exchanges heat between the raw material gas GG passing through the raw material gas supply pipe 322a and the mixed gas MG.
  • the raw material gas GG passing through the raw material gas supply pipe 322a is supplied from the supply source to the raw material gas supply pipe 322a.
  • the first raw material heat exchanger 132 exchanges heat between the raw material gas GG passing through the raw material gas supply pipe 322a and the flue gas EX.
  • the raw material gas GG passing through the raw material gas supply pipe 322 a is the raw material gas GG after heat exchange by the second raw material heat exchanger 152 .
  • the wind box 324 is provided below the third storage tank 310 .
  • the upper part of the wind box 324 is composed of the distribution plate 314 .
  • the dispersion plate 314 partitions the third storage tank 310 and the wind box 324 .
  • the raw material gas GG supplied from the compressor 322 to the wind box 324 is supplied into the third storage tank 310 from the bottom surface (dispersion plate 314 ) of the third storage tank 310 .
  • the high-temperature (for example, about 900° C.) catalyst CAT introduced from the second heating furnace 120 through the inlet 312a is fluidized by the raw material gas GG, and the fluidized bed R (bubble fluidized bed) is formed in the third storage tank 310. is formed. Further, the thermal decomposition furnace 140 thermally decomposes the source gas GG with the heat of the fluidized bed R (catalyst CAT). That is, the thermal decomposition reaction represented by the above formula (1) proceeds in the third storage tank 310 .
  • a solid-gas mixture SG2 containing the mixed gas MG containing hydrogen and unreacted raw material gas GG and the adhered catalyst CCAT is produced.
  • the solid-gas mixture SG2 produced in the pyrolysis furnace 140 is guided to the second cyclone 150 through the outlet 312c and the pipe 304.
  • the second cyclone 150 solid-gas separates the solid-gas mixture SG2.
  • the deposited catalyst CCAT separated by the second cyclone 150 is sent to the subsequent solid carbon utilization facility.
  • Facilities using solid carbon include, for example, facilities that use carbon nanotubes, carbon black, or graphite, facilities that use solid carbon as building materials, facilities that use solid carbon as road pavement materials, and facilities that store solid carbon. is.
  • the second raw material heat exchanger 152 heat-exchanges the mixed gas MG separated by the second cyclone 150 and the raw material gas GG.
  • the second raw material heat exchanger 152 exchanges heat between the raw material gas GG supplied from the supply source and the mixed gas MG.
  • the raw material gas GG is heated, and the mixed gas MG is slowly heated.
  • the raw material gas GG heated by the second raw material heat exchanger 152 is further heated by the first raw material heat exchanger 132 and then supplied to the pyrolysis furnace 140 .
  • the slowly heated mixed gas MG is led to the hydrogen separation section 154 .
  • the hydrogen separation unit 154 separates hydrogen from the mixed gas MG gas.
  • the hydrogen separation unit 154 is, for example, a device using pressure swing adsorption (PSA) or a cryogenic separation device.
  • PSA pressure swing adsorption
  • the hydrogen separated by the hydrogen separation unit 154 is sent to the subsequent hydrogen utilization facility.
  • the unreacted raw material gas GG generated by removing hydrogen by the hydrogen separation unit 154 is heat-exchanged by the raw material gas GG (for example, the second raw material heat exchanger 152) passing through the raw material gas supply pipe 322a. It is merged with the previous raw material gas GG).
  • Heat medium heat exchanger 160 recovers the heat of the deposited catalyst CCAT led from the pyrolysis furnace 140 .
  • the heat medium heat exchanger 160 includes a fourth storage tank 410 , an air supply section 420 , heat transfer tubes 430 and a pump 432 .
  • the fourth storage tank 410 is a vessel in which the fluidized bed R of the adhered catalyst CCAT discharged from the pyrolysis furnace 140 is formed.
  • An introduction port 412 a is provided on one side wall of the fourth storage tank 410 .
  • a discharge port 412b is provided on the top surface of the fourth storage tank 410 .
  • the pipe 302 is connected to the introduction port 412a.
  • a pipe 404 is connected to the outlet 412b.
  • a pipe 404 connects the outlet 412 b and the third cyclone 170 .
  • the bottom surface of the fourth storage tank 410 is composed of a permeable dispersion plate 414 .
  • the air supply unit 420 supplies air from the bottom of the fourth storage tank 410 .
  • the air supply 420 includes a compressor 422 and a windbox 424 .
  • a compressor 422 supplies air to a wind box 424 .
  • the suction side of the compressor 422 is connected to an air supply source through an air supply pipe 422a.
  • the discharge side of compressor 422 is connected to wind box 424 through air delivery pipe 422b.
  • the wind box 424 is provided below the fourth storage tank 410 .
  • the upper part of the wind box 424 is composed of the distribution plate 414 .
  • the dispersion plate 414 partitions the fourth storage tank 410 and the wind box 424 .
  • the air supplied from the compressor 422 to the air box 424 is supplied into the fourth storage tank 410 from the bottom surface (dispersion plate 414 ) of the fourth storage tank 410 .
  • the high-temperature adhered catalyst CCAT introduced from the pyrolysis furnace 140 through the inlet 412a is fluidized by the air, and a fluidized bed R (bubble fluidized bed) is formed in the fourth storage tank 410. be done.
  • the heat transfer tube 430 is provided inside the fourth storage tank 410 .
  • Heat transfer tube 430 is a tube through which a heat medium (water and steam ST) passes.
  • a pump 432 supplies water to the heat transfer tubes 430 .
  • heat transfer tubes 430 heat exchange takes place between the water and the adhering catalyst CCAT via the partition walls forming the heat transfer tubes 430 .
  • the water is heated to about 260° C. and becomes water vapor ST.
  • the steam ST generated in the fourth storage tank 410 (heat transfer pipe 430 ) is guided to the heat transfer pipe 114 of the first heating furnace 110 and passes through the heat transfer pipe 114 .
  • the solid-gas mixture SG3 is guided to the third cyclone 170 through the pipe 404.
  • the solid-gas mixture SG3 contains the air and the adhered catalyst CCAT fluidized in the fourth storage tank 410 .
  • the third cyclone 170 solid-gas separates the solid-gas mixture SG3.
  • the air separated by the third cyclone 170 is discharged outside.
  • the deposited catalyst CCAT separated by the third cyclone 170 is delivered to the subsequent solid carbon utilization facility.
  • the hydrogen production apparatus 100 includes the first heating furnace 110, the second heating furnace 120, and the pyrolysis furnace 140. Therefore, hydrogen production apparatus 100 can thermally decompose methane (hydrocarbon) with the heat of catalyst CAT heated by first heating furnace 110 and second heating furnace 120 .
  • the heated catalyst CAT is introduced into the pyrolysis furnace 140 (inside the third storage tank 310). Therefore, the inside of the third storage tank 310 is substantially uniformly heated by the catalyst CAT. Therefore, the hydrogen production apparatus 100 does not need to heat the pyrolysis furnace 140 from the outside. As a result, the hydrogen production apparatus 100 does not need to configure the furnace wall of the pyrolysis furnace 140 with a material having heat resistance of 1000° C. or higher. Therefore, the hydrogen production device 100 can reduce the manufacturing cost of the pyrolysis furnace 140 . Therefore, the hydrogen production device 100 can thermally decompose methane (hydrocarbon) at low cost. In other words, the hydrogen production device 100 can produce hydrogen at low cost.
  • the hydrogen production apparatus 100 can make the temperature in the third storage tank 310 uniform compared to the conventional technology in which the inside of the pyrolysis furnace is heated from the outside. As a result, the hydrogen production apparatus 100 can avoid a situation in which the temperature of the catalyst CAT locally drops in the third storage tank 310 . Therefore, the hydrogen production device 100 can efficiently thermally decompose methane (hydrocarbon). In addition, since the hydrogen production apparatus 100 can equalize the temperature inside the third storage tank 310, the size of the third storage tank 310 can be increased. Thereby, the hydrogen production device 100 can produce a large amount of hydrogen at low cost.
  • the pyrolysis furnace 140 thermally decomposes the raw material gas GG to produce hydrogen and solid carbon. Therefore, the hydrogen production apparatus 100 can produce hydrogen without discharging carbon dioxide derived from the raw material gas GG.
  • the hydrogen production apparatus 100 includes the heat medium heat exchanger 160 that recovers heat from the spent deposited catalyst CCAT in the pyrolysis furnace 140 . Then, the first heating furnace 110 heats the catalyst CAT with the heat recovered by the heat medium heat exchanger 160 . Therefore, the hydrogen production apparatus 100 can reduce the amount of fuel required in the second heating furnace 120 to heat the catalyst CAT to a desired temperature (900° C., for example). Therefore, the hydrogen production device 100 can heat the catalyst CAT at low cost.
  • the hydrogen production apparatus 100 includes the first raw material heat exchanger 132 and the second raw material heat exchanger 152 . Then, the raw material gas supply unit 320 supplies the raw material gas GG heated by the first raw material heat exchanger 132 and the second raw material heat exchanger 152 to the pyrolysis furnace 140 (the third storage tank 310). That is, the hydrogen production apparatus 100 can preheat the raw material gas GG to be supplied to the pyrolysis furnace 140 . For this reason, the hydrogen production device 100 can suppress a decrease in the temperature of the pyrolysis furnace 140 . Therefore, the hydrogen production apparatus 100 can reduce the heating amount (amount of fuel) of the catalyst CAT in the second heating furnace 120 . In addition, the hydrogen production apparatus 100 can suppress non-uniformity of the temperature inside the pyrolysis furnace 140 . Therefore, the hydrogen production device 100 can efficiently thermally decompose methane (hydrocarbon).
  • the hydrogen production device 100 includes the heat medium heat exchanger 160 as an example.
  • the heat medium heat exchanger 160 is not an essential component.
  • the adhered catalyst CCAT discharged from the pyrolysis furnace 140 may be delivered as it is to the subsequent solid carbon utilization facility, or may be left in the atmosphere.
  • the case where the hydrogen separated by the hydrogen separation unit 154 is sent to the subsequent hydrogen utilization equipment is taken as an example.
  • hydrogen separated by the hydrogen separator 154 may be supplied to the burner 226 of the second heating furnace 120 .
  • the burner 226 of the second heating furnace 120 uses the hydrogen separated by the hydrogen separator 154 as fuel.
  • the flue gas generated by the second heating furnace 120 does not contain carbon dioxide. Therefore, the hydrogen production apparatus 100 can prevent the generation of carbon dioxide during heating of the catalyst CAT. Therefore, the hydrogen production device 100 can produce carbon dioxide-free hydrogen.
  • the burner 226 may use hydrogen separated by the hydrogen separator 154 and methane (for example, raw material gas GG) as fuel.
  • the hydrogen production device 100 includes the first raw material heat exchanger 132 and the second raw material heat exchanger 152 is taken as an example. However, either one or both of the first feed heat exchanger 132 and the second feed heat exchanger 152 may be omitted.
  • the adhered catalyst CCAT may be supplied again to the first heating furnace 110 to circulate (reuse) the adhered catalyst CCAT.
  • the adhered catalyst CCAT led from the pyrolysis furnace 140 may be directly led to the second storage tank 210 of the second heating furnace 120 without passing through the heat medium heat exchanger 160 (recirculated can also be used).
  • the burner 226 may burn the fuel with air below the stoichiometric air ratio.
  • the flue gas EX supplied to the second storage tank 210 of the second heating furnace 120 does not contain oxygen. Therefore, in the second heating furnace 120, it is possible to avoid a situation in which carbon dioxide is generated from the adhering catalyst CCAT. Therefore, the hydrogen production apparatus 100 can produce hydrogen without discharging carbon dioxide derived from the raw material gas GG.
  • This disclosure can contribute, for example, to Goal 7 of the Sustainable Development Goals (SDGs) "Ensure access to affordable, reliable, sustainable and modern energy”.
  • SDGs Sustainable Development Goals
  • Hydrogen production device 110 First heating furnace 112: First storage tank 114: Heat transfer tube 120: Second heating furnace 132: First raw material heat exchanger (raw material heat exchanger) 140: Pyrolysis furnace 152: Second Raw material heat exchanger (raw material heat exchanger) 154: Hydrogen separator 160: Heat medium heat exchanger 210: Second storage tank 226: Burner 310: Third storage tank

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Abstract

水素製造装置１００は、鉄、ニッケル、銅、および、アルミニウムのうちのいずれか１または複数を含む触媒の移動層が形成される第１収容槽と、第１収容槽内に設けられ、熱媒体が通過する伝熱管と、を有する第１加熱炉１１０と、燃料を燃焼させて燃焼排ガスを生成するバーナと、燃焼排ガスにより、第１加熱炉から排出された触媒の流動層が形成される第２収容槽と、を有する第２加熱炉１２０と、炭化水素を含む原料ガスにより、第２加熱炉から排出された触媒の流動層が形成される第３収容槽を有する熱分解炉１４０と、を備える。

Description

水素製造装置
　本開示は、水素製造装置に関する。本出願は２０２１年３月２５日に提出された日本特許出願第２０２１－０５１５４３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、炭化水素の水蒸気改質は、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、二酸化炭素を排出することなく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、反応炉の外部に設けられる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、鉄、ニッケル、銅、および、アルミニウムのうちのいずれか１または複数を含む触媒の移動層が形成される第１収容槽と、第１収容槽内に設けられ、熱媒体が通過する伝熱管と、を有する第１加熱炉と、燃料を燃焼させて燃焼排ガスを生成するバーナと、燃焼排ガスにより、第１加熱炉から排出された触媒の流動層が形成される第２収容槽と、を有する第２加熱炉と、炭化水素を含む原料ガスにより、第２加熱炉から排出された触媒の流動層が形成される第３収容槽を有する熱分解炉と、を備える。
　また、上記水素製造装置は、熱分解炉の第３収容槽から排出された触媒と、熱媒体とを熱交換させる熱媒体熱交換器を備え、熱媒体熱交換器によって熱交換された熱媒体は、第１加熱炉の伝熱管を通過してもよい。
　また、第２加熱炉のバーナは、原料ガスを燃料としてもよい。
　また、上記水素製造装置は、熱分解炉の第３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、第２加熱炉のバーナは、水素分離部によって分離された水素を燃料としてもよい。
　また、第２加熱炉の第２収容槽には、熱分解炉から排出された触媒が導かれ、第２加熱炉のバーナは、理論空気比以下の空気で燃料を燃焼させてもよい。
　また、上記水素製造装置は、第２加熱炉の第２収容槽から送出された燃焼排ガス、および、熱分解炉の第３収容槽から送出された混合ガスのいずれか一方または両方のガスと、原料ガスとを熱交換させる原料熱交換器を備え、熱分解炉の第３収容槽は、原料熱交換器によって熱交換された原料ガスによって触媒の流動層を形成してもよい。
　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、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加熱炉および第２加熱炉を説明する図である。 図３は、熱分解炉および熱媒体熱交換器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。
［水素製造装置１００］
　図１は、本実施形態に係る水素製造装置１００を説明する図である。なお、図１中、実線の矢印は、固体（固形物）の流れを示す。図１中、一点鎖線の矢印は、固気混合物の流れを示す。図１中、破線の矢印は、気体の流れを示す。
　図１に示すように、水素製造装置１００は、第１加熱炉１１０と、第２加熱炉１２０と、第１サイクロン１３０と、第１原料熱交換器１３２（原料熱交換器）と、空気熱交換器１３４と、熱分解炉１４０と、第２サイクロン１５０と、第２原料熱交換器１５２（原料熱交換器）と、水素分離部１５４と、熱媒体熱交換器１６０と、第３サイクロン１７０とを含む。
　第１加熱炉１１０は、常温（例えば、２５℃）の触媒ＣＡＴを、例えば４００℃程度に加熱する。触媒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ＣＡＴは、鉄、ニッケル、銅、および、アルミニウムのうちのいずれか１または複数で構成される。本実施形態において、触媒ＣＡＴは、天然鉱物であり、例えば、鉄鉱石である。なお、触媒ＣＡＴは、銅、および、アルミニウムのうちのいずれか１または複数を含んでいれば、天然鉱物でなくてもよい。触媒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。
　第２加熱炉１２０は、第１加熱炉１１０によって加熱された触媒ＣＡＴ（４００℃程度）をさらに加熱して、例えば９００℃程度とする。第１サイクロン１３０は、触媒ＣＡＴと燃焼排ガスＥＸとの固気混合物ＳＧ１を固気分離する。固気混合物ＳＧ１は、第２加熱炉１２０において生じたものである。第１原料熱交換器１３２は、第１サイクロン１３０によって分離された燃焼排ガスＥＸと、後述する原料ガスＧＧとを熱交換する。空気熱交換器１３４は、第１サイクロン１３０によって分離された燃焼排ガスＥＸと、空気とを熱交換する。
　熱分解炉１４０は、第２加熱炉１２０によって加熱された触媒ＣＡＴ（９００℃程度）と、原料ガスＧＧとを接触させ、上記式（１）の熱分解反応を進行させる。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。
　第２サイクロン１５０は、固体炭素が付着した触媒（以下、「付着触媒ＣＣＡＴ」という場合がある）と、水素（Ｈ２）および原料ガスＧＧとの固気混合物ＳＧ２を固気分離する。固気混合物ＳＧ２は、熱分解炉１４０において生じたものである。第２原料熱交換器１５２は、第２サイクロン１５０によって分離された混合ガスＭＧ（水素および原料ガスＧＧ）と、原料ガスＧＧとを熱交換する。水素分離部１５４は、混合ガスＭＧを、水素と原料ガスとに分離する。
　熱媒体熱交換器１６０は、熱分解炉１４０から排出された付着触媒ＣＣＡＴと、熱媒体とを熱交換する。第３サイクロン１７０は、付着触媒ＣＣＡＴと空気との固気混合物ＳＧ３を固気分離する。固気混合物ＳＧ３は、熱媒体熱交換器１６０から排出されたものである。
　以下、第１加熱炉１１０、第２加熱炉１２０、熱分解炉１４０、および、熱媒体熱交換器１６０について詳述する。
［第１加熱炉１１０、第２加熱炉１２０］
　図２は、本実施形態に係る第１加熱炉１１０および第２加熱炉１２０を説明する図である。なお、図２中、実線の矢印は固体（固形物）の流れを示す。図２中、一点鎖線の矢印は、固気混合物の流れを示す。図２中、破線の矢印は、気体の流れを示す。
　図２に示すように、第１加熱炉１１０は、第１収容槽１１２と、伝熱管１１４とを含む。第１収容槽１１２は、触媒ＣＡＴの移動層が形成される容器である。第１収容槽１１２の上部には、導入口１１２ａが形成される。第１収容槽１１２の下部には、排出口１１２ｂが形成される。触媒ＣＡＴは、導入口１１２ａを通じて、第１収容槽１１２内に導かれる。第１収容槽１１２内の触媒ＣＡＴは、排出口１１２ｂを通じて、第１収容槽１１２から排出される。したがって、触媒ＣＡＴは、第１収容槽１１２内を上部から下部へ自重で移動する。これにより、第１収容槽１１２内において触媒ＣＡＴの移動層が形成される。なお、移動層は、重力によって固体粒子を降下させる状態をいう。
　伝熱管１１４は、第１収容槽１１２内に設けられる。伝熱管１１４は、熱媒体が通過する管である。本実施形態において、熱媒体は、水蒸気ＳＴである。また、伝熱管１１４には、後述する熱媒体熱交換器１６０によって生成された水蒸気ＳＴが導かれる。伝熱管１１４内における水蒸気ＳＴの通過過程において、伝熱管１１４を構成する隔壁を介して、水蒸気ＳＴと触媒ＣＡＴとの間で熱交換が行われる。これにより、触媒ＣＡＴは、４００℃程度まで加熱される。
　第１加熱炉１１０によって加熱された触媒ＣＡＴは、排出口１１２ｂに接続された配管１１６を通じて、第２加熱炉１２０に導かれる。配管１１６は、第１収容槽１１２の排出口１１２ｂと、第２収容槽２１０の導入口２１２ａとを接続する。
［第２加熱炉１２０］
　第２加熱炉１２０は、例えば、気泡流動層（バブリング流動層）炉である。なお、流動層は、上向きに流体を噴出させることによって、固体粒子を流体中に懸濁浮遊させた状態をいう。流動層において、固体粒子に働く流体の力と重力とがつりあい、流動層は、全体が均一な流体のような挙動を示す。第２加熱炉１２０は、第１加熱炉１１０から導かれた触媒ＣＡＴを燃焼排ガスＥＸによって流動化する。
　図２に示すように、第２加熱炉１２０は、第２収容槽２１０と、燃焼排ガス供給部２２０とを含む。
　第２収容槽２１０は、第１加熱炉１１０から排出された触媒ＣＡＴの流動層Ｒが形成される容器である。第２収容槽２１０の一方の側壁には、導入口２１２ａが設けられる。第２収容槽２１０の他方の側壁には、排出口２１２ｂが設けられる。また、第２収容槽２１０の上面には、排出口２１２ｃが設けられる。導入口２１２ａには、上記配管１１６が接続される。排出口２１２ｂには、配管２０２が接続される。配管２０２は、第２収容槽２１０の排出口２１２ｂと、後述する熱分解炉１４０の第３収容槽３１０の導入口３１２ａとを接続する。排出口２１２ｃには、配管２０４が接続される。配管２０４は、排出口２１２ｃと、第１サイクロン１３０とを接続する。また、第２収容槽２１０の底面は、通気可能な分散板２１４で構成される。
　燃焼排ガス供給部２２０は、第２収容槽２１０の下部から燃焼排ガスＥＸを供給する。本実施形態において、燃焼排ガス供給部２２０は、コンプレッサ２２２と、コンプレッサ２２４と、バーナ２２６と、風箱２２８とを含む。
　コンプレッサ２２２は、燃料ガスＦＧ（例えば、メタン）をバーナ２２６に供給する。コンプレッサ２２２の吸入側は、燃料供給管２２２ａを通じて、燃料ガスＦＧの供給源に接続される。コンプレッサ２２２の吐出側は、燃料送出管２２２ｂを通じて、バーナ２２６に接続される。なお、燃料ガスＦＧは、原料ガスＧＧであってもよい。
　コンプレッサ２２４は、空気をバーナ２２６に供給する。コンプレッサ２２４の吸入側は、空気供給管２２４ａを通じて、空気の供給源に接続される。コンプレッサ２２４の吐出側は、空気送出管２２４ｂを通じて、バーナ２２６に接続される。
　バーナ２２６は、燃料ガスＦＧを燃焼させて燃焼排ガスＥＸを生成する。バーナ２２６によって生成された燃焼排ガスＥＸ（例えば、９００℃超）は、風箱２２８に供給される。
　風箱２２８は、第２収容槽２１０の下方に設けられる。風箱２２８の上部は、分散板２１４で構成されている。換言すれば、分散板２１４は、第２収容槽２１０と風箱２２８とを区画する。バーナ２２６から風箱２２８に供給された燃焼排ガスＥＸは、第２収容槽２１０の底面（分散板２１４）から当該第２収容槽２１０内に供給される。
　したがって、導入口２１２ａを通じて第１加熱炉１１０から導入された触媒ＣＡＴは、燃焼排ガスＥＸによって流動化し、第２収容槽２１０内において流動層Ｒ（気泡流動層）が形成される。また、第２収容槽２１０内において、触媒ＣＡＴと、燃焼排ガスＥＸとが接触することにより、触媒ＣＡＴと燃焼排ガスＥＸとで熱交換が為される。これにより、第２加熱炉１２０は、触媒ＣＡＴを例えば９００℃程度まで加熱する。
　こうして、加熱された触媒ＣＡＴは、排出口２１２ｂ、配管２０２を通じて、熱分解炉１４０に導かれる。
　また、触媒ＣＡＴを加熱した後の燃焼排ガスＥＸは、一部の触媒ＣＡＴとともに、排出口２１２ｃ、配管２０４を通じて、第１サイクロン１３０に導かれる。上記したように、第１サイクロン１３０は、触媒ＣＡＴと燃焼排ガスＥＸとを含む固気混合物ＳＧ１を固気分離する。第１サイクロン１３０によって分離された触媒ＣＡＴは、第１加熱炉１１０に返送される。
　第１原料熱交換器１３２は、第１サイクロン１３０によって分離された燃焼排ガスＥＸと、原料ガスＧＧとを熱交換させる。第１原料熱交換器１３２は、第２原料熱交換器１５２によって熱交換された原料ガスＧＧと、燃焼排ガスＥＸとを熱交換する。これにより、原料ガスＧＧは加熱され、燃焼排ガスＥＸは徐熱される。第１原料熱交換器１３２によって加熱された原料ガスＧＧは、後述する熱分解炉１４０に供給される。一方、徐熱された燃焼排ガスＥＸは、空気熱交換器１３４に導かれる。
　空気熱交換器１３４は、第１原料熱交換器１３２によって熱交換された後の燃焼排ガスＥＸと、空気とを熱交換する。これにより、空気は加熱され、燃焼排ガスＥＸは徐熱される。加熱された空気は、燃料ガスＦＧとしてバーナ２２６に供給される。また、徐熱された燃焼排ガスＥＸは、バーナ２２６に供給される。
［熱分解炉１４０］
　図３は、本実施形態に係る熱分解炉１４０および熱媒体熱交換器１６０を説明する図である。なお、図３中、実線の矢印は固体（固形物）および液体の流れを示す。図３中、一点鎖線の矢印は、固気混合物の流れを示す。図３中、破線の矢印は、気体の流れを示す。
　熱分解炉１４０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１４０は、第２加熱炉１２０から導かれた触媒ＣＡＴを原料ガスＧＧによって流動化する。図３に示すように、熱分解炉１４０は、第３収容槽３１０と、原料ガス供給部３２０とを含む。
　第３収容槽３１０は、第２加熱炉１２０から排出された触媒ＣＡＴの流動層Ｒを形成される容器である。
　第３収容槽３１０の一方の側壁には、導入口３１２ａが設けられる。第３収容槽３１０の他方の側壁には、排出口３１２ｂが設けられる。また、第３収容槽３１０の上面には、排出口３１２ｃが設けられる。導入口３１２ａには、上記配管２０２が接続される。排出口３１２ｂには、配管３０２が接続される。配管３０２は、第３収容槽３１０の排出口３１２ｂと、後述する熱媒体熱交換器１６０の第４収容槽４１０の導入口４１２ａとを接続する。排出口３１２ｃには、配管３０４が接続される。配管３０４は、排出口３１２ｃと、第２サイクロン１５０とを接続する。また、第３収容槽３１０の底面は、通気可能な分散板３１４で構成される。
　原料ガス供給部３２０は、第３収容槽３１０の下部から原料ガスＧＧを供給する。本実施形態において、原料ガス供給部３２０は、コンプレッサ３２２と、風箱３２４とを含む。
　コンプレッサ３２２は、原料ガスＧＧを風箱３２４に供給する。本実施形態において、コンプレッサ３２２は、第２原料熱交換器１５２および第１原料熱交換器１３２によって熱交換された原料ガスＧＧを風箱３２４に供給する。コンプレッサ３２２の吸入側は、原料ガス供給管３２２ａを通じて、原料ガスＧＧの供給源に接続される。コンプレッサ３２２の吐出側は、原料ガス送出管３２２ｂを通じて、風箱３２４に接続される。
　なお、第２原料熱交換器１５２は、原料ガス供給管３２２ａを通過する原料ガスＧＧと、混合ガスＭＧとを熱交換する。原料ガス供給管３２２ａを通過する原料ガスＧＧは、供給源から原料ガス供給管３２２ａに供給されたものである。また、第１原料熱交換器１３２は、原料ガス供給管３２２ａを通過する原料ガスＧＧと、燃焼排ガスＥＸとを熱交換する。原料ガス供給管３２２ａを通過する原料ガスＧＧは、第２原料熱交換器１５２によって熱交換された後の原料ガスＧＧである。
　風箱３２４は、第３収容槽３１０の下方に設けられる。風箱３２４の上部は、分散板３１４で構成されている。換言すれば、分散板３１４は、第３収容槽３１０と風箱３２４とを区画する。コンプレッサ３２２から風箱３２４に供給された原料ガスＧＧは、第３収容槽３１０の底面（分散板３１４）から第３収容槽３１０内に供給される。
　したがって、導入口３１２ａを通じて第２加熱炉１２０から導入された高温（例えば、９００℃程度）の触媒ＣＡＴは、原料ガスＧＧによって流動化し、第３収容槽３１０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１４０は、流動層Ｒ（触媒ＣＡＴ）が有する熱で、原料ガスＧＧを熱分解する。つまり、第３収容槽３１０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１４０において、水素および未反応の原料ガスＧＧを含む混合ガスＭＧと、付着触媒ＣＣＡＴとを含む固気混合物ＳＧ２が生成される。熱分解炉１４０で生成された固気混合物ＳＧ２は、排出口３１２ｃ、配管３０４を通じて、第２サイクロン１５０に導かれる。上記したように、第２サイクロン１５０は、固気混合物ＳＧ２を固気分離する。第２サイクロン１５０によって分離された付着触媒ＣＣＡＴは、後段の固体炭素利用設備に送出される。固体炭素利用設備は、例えば、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、または、黒鉛を利用する設備、建築材として固体炭素を利用する設備、道路の舗装材として固体炭素を利用する設備、固体炭素を貯留する設備である。
　第２原料熱交換器１５２は、第２サイクロン１５０によって分離された混合ガスＭＧと、原料ガスＧＧとを熱交換させる。第２原料熱交換器１５２は、供給源から供給される原料ガスＧＧと、混合ガスＭＧとを熱交換する。これにより、原料ガスＧＧが加熱され、混合ガスＭＧが徐熱される。第２原料熱交換器１５２によって加熱された原料ガスＧＧは、第１原料熱交換器１３２によってさらに加熱された後、熱分解炉１４０に供給される。一方、徐熱された混合ガスＭＧは、水素分離部１５４に導かれる。
　水素分離部１５４は、混合ガスＭＧガスから水素を分離する。水素分離部１５４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。水素分離部１５４によって分離された水素は、後段の水素利用設備に送出される。また、水素分離部１５４によって水素が取り除かれることで生成される未反応の原料ガスＧＧは、原料ガス供給管３２２ａを通過する原料ガスＧＧ（例えば、第２原料熱交換器１５２によって熱交換される前の原料ガスＧＧ）に合流される。
［熱媒体熱交換器１６０］
　熱媒体熱交換器１６０は、熱分解炉１４０から導かれた付着触媒ＣＣＡＴの熱を回収する。図３に示すように、本実施形態に係る熱媒体熱交換器１６０は、第４収容槽４１０と、空気供給部４２０と、伝熱管４３０と、ポンプ４３２とを含む。
　第４収容槽４１０は、熱分解炉１４０から排出された付着触媒ＣＣＡＴの流動層Ｒを形成される容器である。
　第４収容槽４１０の一方の側壁には、導入口４１２ａが設けられる。また、第４収容槽４１０の上面には、排出口４１２ｂが設けられる。導入口４１２ａには、上記配管３０２が接続される。排出口４１２ｂには、配管４０４が接続される。配管４０４は、排出口４１２ｂと、第３サイクロン１７０とを接続する。また、第４収容槽４１０の底面は、通気可能な分散板４１４で構成される。
　空気供給部４２０は、第４収容槽４１０の下部から空気を供給する。本実施形態において、空気供給部４２０は、コンプレッサ４２２と、風箱４２４とを含む。
　コンプレッサ４２２は、空気を風箱４２４に供給する。コンプレッサ４２２の吸入側は、空気供給管４２２ａを通じて、空気の供給源に接続される。コンプレッサ４２２の吐出側は、空気送出管４２２ｂを通じて、風箱４２４に接続される。
　風箱４２４は、第４収容槽４１０の下方に設けられる。風箱４２４の上部は、分散板４１４で構成されている。換言すれば、分散板４１４は、第４収容槽４１０と風箱４２４とを区画する。コンプレッサ４２２から風箱４２４に供給された空気は、第４収容槽４１０の底面（分散板４１４）から第４収容槽４１０内に供給される。
　したがって、導入口４１２ａを通じて熱分解炉１４０から導入された高温（例えば、５００℃程度）の付着触媒ＣＣＡＴは、空気によって流動化し、第４収容槽４１０内において流動層Ｒ（気泡流動層）が形成される。
　伝熱管４３０は、第４収容槽４１０内に設けられる。伝熱管４３０は、熱媒体（水および水蒸気ＳＴ）が通過する管である。ポンプ４３２は、伝熱管４３０に水を供給する。伝熱管４３０内における水の通過過程において、伝熱管４３０を構成する隔壁を介して、水と付着触媒ＣＣＡＴとの間で熱交換が行われる。これにより、水は、２６０℃程度まで加熱されて水蒸気ＳＴとなる。こうして、第４収容槽４１０（伝熱管４３０）において生成された水蒸気ＳＴは、第１加熱炉１１０の伝熱管１１４に導かれ、伝熱管１１４を通過する。
　また、固気混合物ＳＧ３は、配管４０４を通じて、第３サイクロン１７０に導かれる。固気混合物ＳＧ３は、第４収容槽４１０において付着触媒ＣＣＡＴを流動化させた空気および付着触媒ＣＣＡＴを含む。上記したように、第３サイクロン１７０は、固気混合物ＳＧ３を固気分離する。第３サイクロン１７０によって分離された空気は、外部に廃棄される。また、第３サイクロン１７０によって分離された付着触媒ＣＣＡＴは、後段の固体炭素利用設備に送出される。
　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、第１加熱炉１１０、第２加熱炉１２０、および、熱分解炉１４０を備える。このため、水素製造装置１００は、第１加熱炉１１０および第２加熱炉１２０によって加熱された触媒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ＣＡＴが熱分解炉１４０（第３収容槽３１０内）に導入される。このため、第３収容槽３１０の内部は、触媒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１４０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１４０の炉壁を構成する必要がなくなる。このため、水素製造装置１００は、熱分解炉１４０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、第３収容槽３１０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、第３収容槽３１０内において、触媒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、第３収容槽３１０の内部の温度を均一化できるため、第３収容槽３１０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、熱分解炉１４０は、原料ガスＧＧを熱分解して、水素および固体炭素を生成する。したがって、水素製造装置１００は、原料ガスＧＧ由来の二酸化炭素を排出することなく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、熱分解炉１４０において使用済みの付着触媒ＣＣＡＴの熱を回収する熱媒体熱交換器１６０を備える。そして、第１加熱炉１１０は、熱媒体熱交換器１６０で回収された熱で触媒ＣＡＴを加熱する。このため、水素製造装置１００は、触媒ＣＡＴを所望の温度（例えば、９００℃）に加熱するために、第２加熱炉１２０において必要な燃料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ＣＡＴを加熱することができる。
　また、上記したように、水素製造装置１００は、第１原料熱交換器１３２および第２原料熱交換器１５２を備える。そして、原料ガス供給部３２０は、第１原料熱交換器１３２および第２原料熱交換器１５２によって加熱された原料ガスＧＧを熱分解炉１４０（第３収容槽３１０）に供給する。つまり、水素製造装置１００は、熱分解炉１４０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１４０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、第２加熱炉１２０における触媒ＣＡＴの加熱量（燃料の量）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１４０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。
　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、上述した実施形態において、水素製造装置１００が熱媒体熱交換器１６０を備える場合を例に挙げた。しかし、熱媒体熱交換器１６０は、必須の構成ではない。例えば、熱分解炉１４０から排出された付着触媒ＣＣＡＴは、そのまま後段の固体炭素利用設備に送出されてもよいし、大気中に放置されてもよい。
　また、上記実施形態において、水素分離部１５４によって分離された水素が、後段の水素利用設備に送出される場合を例に挙げた。しかし、水素分離部１５４によって分離された水素は、第２加熱炉１２０のバーナ２２６に供給されてもよい。この場合、第２加熱炉１２０のバーナ２２６は、水素分離部１５４によって分離された水素を燃料とする。これにより、第２加熱炉１２０が生成する燃焼排ガスに二酸化炭素が含まれなくなる。したがって、水素製造装置１００は、触媒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。なお、バーナ２２６は、水素分離部１５４によって分離された水素とメタン（例えば、原料ガスＧＧ）とを燃料としてもよい。
　また、上記実施形態において、水素製造装置１００が、第１原料熱交換器１３２および第２原料熱交換器１５２を備える場合を例に挙げた。しかし、第１原料熱交換器１３２および第２原料熱交換器１５２のいずれか一方または両方を省略することもできる。
　また、上記実施形態において、使用された付着触媒ＣＣＡＴがすべて後段の固体炭素利用設備に送出される場合を例に挙げた。しかし、付着触媒ＣＣＡＴを再度、第１加熱炉１１０に供給して、付着触媒ＣＣＡＴを循環させて（再利用して）もよい。また、熱分解炉１４０から導かれた付着触媒ＣＣＡＴは、熱媒体熱交換器１６０を経由せずに、第２加熱炉１２０の第２収容槽２１０に直接導かれてもよい（再循環されてもよい）。この場合、バーナ２２６は、理論空気比以下の空気で燃料を燃焼させてもよい。これにより、第２加熱炉１２０の第２収容槽２１０に供給される燃焼排ガスＥＸに酸素が含まれなくなる。したがって、第２加熱炉１２０において、付着触媒ＣＣＡＴから二酸化炭素が発生してしまう事態を回避することが可能となる。このため、水素製造装置１００は、原料ガスＧＧ由来の二酸化炭素を排出することなく水素を製造することができる。
　本開示は、例えば、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標７「手ごろで信頼でき、持続可能かつ近代的なエネルギーへのアクセスを確保する」に貢献することができる。
１００：水素製造装置　１１０：第１加熱炉　１１２：第１収容槽　１１４：伝熱管　１２０：第２加熱炉　１３２：第１原料熱交換器（原料熱交換器）　１４０：熱分解炉　１５２：第２原料熱交換器（原料熱交換器）　１５４：水素分離部　１６０：熱媒体熱交換器　２１０：第２収容槽　２２６：バーナ　３１０：第３収容槽

Claims (6)

  1. 　鉄、ニッケル、銅、および、アルミニウムのうちのいずれか１または複数を含む触媒の移動層が形成される第１収容槽と、前記第１収容槽内に設けられ、熱媒体が通過する伝熱管と、を有する第１加熱炉と、
    　燃料を燃焼させて燃焼排ガスを生成するバーナと、前記燃焼排ガスにより、前記第１加熱炉から排出された前記触媒の流動層が形成される第２収容槽と、を有する第２加熱炉と、
    　炭化水素を含む原料ガスにより、前記第２加熱炉から排出された前記触媒の流動層が形成される第３収容槽を有する熱分解炉と、
    を備える水素製造装置。
  2. 　前記熱分解炉の前記第３収容槽から排出された前記触媒と、前記熱媒体とを熱交換させる熱媒体熱交換器を備え、
    　前記熱媒体熱交換器によって熱交換された前記熱媒体は、前記第１加熱炉の前記伝熱管を通過する請求項１に記載の水素製造装置。
  3. 　前記第２加熱炉の前記バーナは、前記原料ガスを前記燃料とする請求項１または２に記載の水素製造装置。
  4. 　前記熱分解炉の前記第３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、
    　前記第２加熱炉の前記バーナは、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. 　前記第２加熱炉の前記第２収容槽には、前記熱分解炉から排出された前記触媒が導かれ、
    　前記第２加熱炉の前記バーナは、理論空気比以下の空気で前記燃料を燃焼させる請求項１から４のいずれか１項に記載の水素製造装置。
  6. 　前記第２加熱炉の前記第２収容槽から送出された前記燃焼排ガス、および、前記熱分解炉の前記第３収容槽から送出された混合ガスのいずれか一方または両方のガスと、前記原料ガスとを熱交換させる原料熱交換器を備え、
    　前記熱分解炉の前記第３収容槽は、前記原料熱交換器によって熱交換された前記原料ガスによって前記触媒の流動層を形成する請求項１から５のいずれか１項に記載の水素製造装置。
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