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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WO
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storage tank
heating furnace
raw material
heat
gas
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PCT/JP2022/006987
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English (en)
French (fr)
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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 JP2023508809A priority patent/JPWO2022202037A1/ja
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    • B01J8/18Chemical 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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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J6/00Heat treatments such as Calcining; Fusing ; Pyrolysis
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    • B01J8/24Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles according to "fluidised-bed" technique
    • B01J8/26Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles according to "fluidised-bed" technique with two or more fluidised beds, e.g. reactor and regeneration installations
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/22Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds
    • C01B3/24Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds of hydrocarbons
    • C01B3/28Production 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
    • C01B3/30Production 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 using the fluidised bed technique
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    • B01J2208/00008Controlling the process
    • B01J2208/00017Controlling the temperature
    • B01J2208/00504Controlling the temperature by means of a burner
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01J2208/00008Controlling the process
    • B01J2208/00017Controlling the temperature
    • B01J2208/0053Controlling 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。
CH →C + 2H   …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(H)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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