WO2023210104A1 - 水素製造装置、発電システム、および、製鉄システム - Google Patents

水素製造装置、発電システム、および、製鉄システム Download PDF

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WO2023210104A1
WO2023210104A1 PCT/JP2023/004436 JP2023004436W WO2023210104A1 WO 2023210104 A1 WO2023210104 A1 WO 2023210104A1 JP 2023004436 W JP2023004436 W JP 2023004436W WO 2023210104 A1 WO2023210104 A1 WO 2023210104A1
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WO
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storage tank
catalyst
raw material
aeration pipe
material gas
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PCT/JP2023/004436
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English (en)
French (fr)
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隆政 伊藤
道則 成澤
拓人 宮浦
裕信 藤吉
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株式会社Ihi
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J21/00—Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
    • B01J21/02—Boron or aluminium; Oxides or hydroxides thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/74—Iron group metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/22—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds
    • 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
    • C01B3/26—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds of hydrocarbons using catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/22—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds
    • 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
    • C01B3/30—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 using the fluidised bed technique

Definitions

  • the present disclosure relates to a hydrogen production device, a power generation system, and a steel manufacturing system.
  • This application claims the benefit of priority based on Japanese Patent Application No. 2022-073628 filed on April 27, 2022, the contents of which are incorporated into this application.
  • an apparatus As a technique for thermally decomposing hydrocarbons, an apparatus has been disclosed that includes a reactor, a raw material gas supply source, and a heating section provided outside the reactor (for example, Patent Document 1). to accommodate.
  • a feed gas supply supplies hydrocarbons to the reactor.
  • the heating section is provided around the reactor and heats the inside of the reactor.
  • the thermal decomposition reaction of hydrocarbons proceeds efficiently at 800°C or higher by using a catalyst.
  • the thermal decomposition reaction of hydrocarbons is an endothermic reaction, it is necessary to supply heat from the outside. Therefore, in the technique of heating a reactor from the outside as in Patent Document 1, in order to heat the inside of the reactor to 800°C or higher, the walls of the reactor must be heated to a temperature higher than the internal temperature (for example, 1000°C or higher). Needs to be heated. In this case, the reactor would have to be constructed of materials such as expensive heat-resistant alloys that have heat resistance of 1000°C or more and good heat conductivity, which would increase the cost of the heating equipment and reactor. be.
  • the internal catalyst is heated from the wall surface, so if the volume of the catalyst becomes large, a temperature difference will occur between the vicinity of the wall surface and the central portion. For this reason, it is difficult to uniformly and efficiently decompose hydrocarbons inside the reactor, and it is difficult to increase the size of the reactor.
  • the present disclosure aims to provide a hydrogen production device, a power generation system, and a steel manufacturing system that can thermally decompose hydrocarbons at low cost.
  • a hydrogen production device includes a storage tank, a heating section provided in the storage tank, and a first diffuser pipe provided below the heating section in the storage tank. , a second aeration pipe provided below the first aeration pipe in the storage tank, and a catalyst containing any one or more of iron, nickel, copper, and aluminum, above the heating part in the storage tank.
  • a catalyst supply section that supplies the catalyst from the formed supply port; a catalyst discharge section that discharges the catalyst from the discharge port formed below the second diffuser pipe in the storage tank;
  • a raw material gas supply unit that supplies the trachea and the second diffuser pipe.
  • the flow rate of the raw material gas supplied to the first aeration pipe by the raw material gas supply unit may be larger than the flow rate of the raw material gas supplied to the second aeration pipe.
  • the total superficial velocity ratio U0/Umf of the raw material gas diffused from the first diffuser pipe and the raw material gas diffused from the second diffuser pipe is 1.1 or more and 2.0 or less. Good too.
  • a fluidized bed of catalyst may be formed above the first aeration pipe, and a moving bed of catalyst may be formed below the first aeration pipe.
  • the storage tank has a cylindrical upper part and a lower part which is provided below the upper part and whose horizontal cross-sectional area of the internal space gradually decreases from the upper part to the lower part, and the heating part is provided in the upper part.
  • the second air diffuser may be provided within the lower part.
  • the storage tank may have one upper part and a plurality of lower parts.
  • a power generation system includes a storage tank, a heating section provided in the storage tank, a first diffuser pipe provided below the heating section in the storage tank, A second aeration pipe provided below the first aeration pipe in the storage tank and a catalyst containing one or more of iron, nickel, copper, and aluminum are formed above the heating part in the storage tank.
  • a catalyst supply section that supplies the catalyst from the supply port provided in the container, a catalyst discharge section that discharges the catalyst from the discharge port formed below the second diffuser pipe in the storage tank, and a catalyst discharge section that supplies the raw material gas containing at least hydrocarbons to the first diffuser pipe and a raw material gas supply unit that supplies the second diffuser to the second aeration pipe.
  • a steel manufacturing system includes a storage tank, a heating section provided in the storage tank, a first aeration pipe provided below the heating section in the storage tank, A second aeration pipe provided below the first aeration pipe in the storage tank and a catalyst containing one or more of iron, nickel, copper, and aluminum are formed above the heating part in the storage tank.
  • a catalyst supply section that supplies the catalyst from the supply port provided in the container, a catalyst discharge section that discharges the catalyst from the discharge port formed below the second diffuser pipe in the storage tank, and a catalyst discharge section that supplies the raw material gas containing at least hydrocarbons to the first diffuser pipe and a raw material gas supply section that supplies the second diffuser to the second aeration pipe.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an outline of a hydrogen production apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a hydrogen production apparatus according to a modification.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the power generation system according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating another power generation system according to the embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating another power generation system according to the embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a steel manufacturing system according to an embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating another iron manufacturing system according to the embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating another example of how the first air diffuser is installed.
  • FIG. 9 is a first diagram illustrating another example of the shape of the storage tank.
  • FIG. 10 is a second diagram illustrating another example of the shape of the storage tank.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an outline of a hydrogen production apparatus 100 according to the present embodiment.
  • solid arrows indicate the flow of raw material gas and generated gas.
  • dashed arrows indicate the flow of catalyst and solid carbon.
  • the heating section 120 is indicated by hatching.
  • the hydrogen production apparatus 100 includes a storage tank 110, a heating section 120, a first aeration pipe 130, a second aeration pipe 140, a catalyst supply section 150, a catalyst discharge section 160, and a raw material. and a gas supply section 170.
  • the storage tank 110 is a container (hopper) that temporarily stores the catalyst.
  • the storage tank 110 has a cylindrical shape and is installed so that the central axis direction is vertical.
  • the storage tank 110 has an upper part 112, a lower part 114, and a lid part 116.
  • the upper part 112 is a cylindrical part such as a cylinder, an elliptical cylinder, or a rectangular cylinder.
  • the horizontal cross-sectional area of the internal space of the upper part 112 is, for example, substantially constant from the top to the bottom.
  • the lower part 114 is a part provided below the upper part 112.
  • the horizontal cross-sectional area of the internal space of the lower part 114 gradually decreases from the top to the bottom.
  • the lower part 114 is a conical cylinder whose inner diameter gradually decreases from the top to the bottom.
  • the inclination angle ⁇ of the lower portion 114 is, for example, 60 degrees.
  • the lid part 116 is a part provided above the upper part 112.
  • the horizontal cross-sectional area of the internal space of the lid portion 116 gradually increases from the top to the bottom.
  • the lid portion 116 is a conical cylinder whose inner diameter gradually increases from the top to the bottom.
  • the catalyst contained in the storage tank 110 is a catalyst that promotes the thermal decomposition reaction represented by the following formula (1). CH 4 ⁇ C + 2H 2 ...Formula (1)
  • the catalyst contains one or more of iron, nickel, copper, and aluminum.
  • the catalyst is a natural mineral, for example iron ore. Note that the catalyst does not need to be a natural mineral as long as it contains any one or more of iron, nickel, copper, and aluminum.
  • the particle size of the catalyst is, for example, 50 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less, preferably 100 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less.
  • the heating unit 120 is provided within the upper portion 112 that constitutes the storage tank 110.
  • the heating unit 120 heats the catalyst to a temperature at which the thermal decomposition reaction represented by the above formula (1) is efficiently promoted.
  • the heating unit 120 heats the catalyst so that the temperature of the catalyst is, for example, 800° C. or more and 900° C. or less.
  • the heating section 120 includes a plurality of heating members 122.
  • the heating member 122 has, for example, a columnar or cylindrical shape.
  • the plurality of heating members 122 are installed in the upper part 112 so that the central axis direction is in the horizontal direction.
  • a plurality of heating members 122 are provided substantially evenly within upper portion 112 .
  • a plurality of heating members 122 are provided in parallel in the horizontal direction.
  • the plurality of heating members 122 are provided in two stages at different positions in the vertical direction.
  • the heating unit 120 is composed of, for example, an electric heater or a heat exchanger tube.
  • the heating unit 120 is constituted by an electric heater, it includes, for example, a cylindrical heat transfer body (ceramic) and a heating element built into the heat transfer body. Further, the electric heater may be supplied with one or both of electric power generated by renewable energy and electric power generated by nuclear power generation.
  • the heating part 120 is comprised by a heat exchanger tube, the heat medium which passes through the inside of a heat exchanger tube is combustion exhaust gas, for example.
  • the first aeration pipe 130 is provided below the heating section 120 in the storage tank 110.
  • the first diffuser pipe 130 is provided within the upper portion 112.
  • a plurality of first diffuser pipes 130 are provided.
  • the plurality of first diffuser pipes 130 are provided in the upper part 112 so that the central axis direction is in the horizontal direction.
  • the plurality of first aeration pipes 130 are provided in parallel in the horizontal direction.
  • a plurality of holes are formed in the first diffuser pipe 130.
  • the second aeration pipe 140 is provided below the first aeration pipe 130 in the storage tank 110.
  • the second aeration pipe 140 is provided in the lower part 114 that constitutes the storage tank 110.
  • a plurality of second diffuser pipes 140 are provided.
  • the plurality of second air diffusers 140 are provided in the lower part 114 so that the central axis direction is in the horizontal direction.
  • the plurality of second air diffusers 140 are provided in parallel in the horizontal direction.
  • a plurality of holes are formed in the second diffuser pipe 140.
  • the catalyst supply section 150 supplies the catalyst from a supply port 116a formed in the lid section 116.
  • the catalyst discharge section 160 discharges the catalyst from the discharge port 114a formed on the bottom surface of the lower part 114.
  • the raw material gas supply unit 170 supplies raw material gas to the first aeration pipe 130 and the second aeration pipe 140.
  • the raw material gas is a gas containing at least a hydrocarbon (for example, methane).
  • the raw material gas is, for example, natural gas obtained by vaporizing liquefied natural gas (LNG).
  • the raw material gas supply section 170 includes a first supply pipe 172, a flow rate adjustment valve 174, a first blower 176, a second supply pipe 182, a flow rate adjustment valve 184, a second blower 186, flowmeters 190, 192, and 194.
  • the first supply pipe 172 is a pipe that connects the raw material gas supply source S and the first aeration pipe 130.
  • the first supply pipe 172 is provided with a flow rate adjustment valve 174 and a first blower 176.
  • the flow rate adjustment valve 174 adjusts the opening degree of the flow path formed within the first supply pipe 172.
  • the flow rate adjustment valve 174 is, for example, a butterfly valve.
  • the first blower 176 is provided between the flow rate adjustment valve 174 in the first supply pipe 172 and the first diffuser pipe 130.
  • the suction side of the first blower 176 is connected to the flow rate regulating valve 174 .
  • the discharge side of the first blower 176 is connected to the first diffuser pipe 130.
  • the first blower 176 boosts the pressure of the source gas.
  • the second supply pipe 182 is a pipe branched from between the first blower 176 and the first aeration pipe 130 in the first supply pipe 172 and connected to the second aeration pipe 140.
  • the second supply pipe 182 is provided with a flow rate adjustment valve 184 and a second blower 186.
  • the flow rate adjustment valve 184 adjusts the opening degree of the flow path formed within the second supply pipe 182.
  • the flow rate adjustment valve 184 is, for example, a butterfly valve.
  • the second blower 186 is provided between the flow rate adjustment valve 184 in the second supply pipe 182 and the second diffuser pipe 140.
  • the suction side of the second blower 186 is connected to the flow rate adjustment valve 184.
  • the discharge side of the second blower 186 is connected to the second diffuser pipe 140.
  • the second blower 186 further boosts the pressure of the source gas boosted by the first blower 176.
  • the flow meter 190 detects the flow rate QT of the source gas discharged from the first blower 176.
  • the flow meter 192 detects the flow rate Q1 of the raw material gas supplied to the first diffuser pipe 130.
  • the opening degree of the flow rate adjustment valve 174 and the discharge pressure of the first blower 176 and the second blower 186 are determined based on the raw material gas diffused from the first aeration pipe 130 and the raw material gas diffused from the second aeration pipe 140.
  • the superficial velocity ratio U0/Umf of the total gas is set to be 1.1 or more and 2.0 or less, preferably 1.1 or more and 1.5 or less. Note that U0 is the speed at which the raw material gas moves within the fluidized bed FB.
  • Umf is the fluidization start speed (minimum fluidization speed).
  • the opening degree of the flow rate adjustment valve 184 is set such that the flow rate Q1) of the raw material gas supplied to the first diffuser pipe 130 is larger than the flow rate Q2 of the raw material gas supplied to the second diffuser pipe 140. Ru.
  • the opening degree of the flow rate regulating valve 184 is set so that the ratio between the flow rate Q1 and the flow rate Q2 is 7:3 (flow rate Q1:flow rate Q2).
  • the catalyst supply section 150 supplies the catalyst to the storage tank 110, and the catalyst discharge section 160 discharges the catalyst from the storage tank 110. Therefore, the catalyst moves within the storage tank 110 from above to below by its own weight. As a result, a moving layer of catalyst is formed within the storage tank 110.
  • the hydrogen production apparatus 100 includes a first aeration pipe 130, a second aeration pipe 140, and a raw material gas supply section 170.
  • the raw material gas supply unit 170 has a total superficial velocity ratio U0/Umf of the raw material gas diffused from the first diffuser pipe 130 and the raw material gas diffused from the second diffuser pipe 140 of 1.
  • the raw material gas is supplied to the first aeration pipe 130 and the second aeration pipe 140 so that the value is 1 or more and 2.0 or less.
  • the hydrogen production apparatus 100 can form a fluidized bed FB of the catalyst above the first diffuser pipe 130 and a moving bed MB of the catalyst below the first diffuser pipe 130 in the storage tank 110. can. Therefore, the catalyst supplied from the catalyst supply section 150 forms the fluidized bed FB, forms the moving bed MB, and is discharged by the catalyst discharge section 160.
  • the catalyst supply section 150 and the catalyst discharge section 160 supply and discharge the catalyst so that the upper surface of the fluidized bed FB is maintained at a predetermined position above the heating section 120. Further, by controlling the supply flow rate of the catalyst by the catalyst supply section 150 and the discharge flow rate of the catalyst by the catalyst discharge section 160, the residence time of the catalyst in the storage tank 110 can be controlled.
  • the heating unit 120 is provided above the first diffuser pipe 130. Therefore, the heating section 120 is arranged within the fluidized bed FB of the catalyst. Therefore, the catalyst fluidized bed FB is heated by the heating section 120.
  • the raw material gas diffused from the first diffuser pipe 130 and the second diffuser pipe 140 is heated by the catalyst (convection heat transfer) in the process of passing through the fluidized bed FB of the catalyst.
  • the thermal decomposition reaction shown in the above formula (1) progresses, and hydrogen and solid carbon are generated from the hydrocarbons contained in the raw material gas. That is, the main thermal decomposition reaction proceeds in the fluidized bed FB.
  • the hydrogen and unreacted raw material gas thus generated are sent to the subsequent gas processing equipment T through the exhaust port 116b formed in the lid portion 116.
  • the solid carbon produced by the thermal decomposition reaction adheres to the surface of the catalyst. Therefore, the solid carbon moves together with the catalyst from the fluidized bed FB to the moving bed MB under its own weight. Then, the solid carbon forms a moving bed MB together with the catalyst, and is finally discharged to the outside by the catalyst discharge section 160.
  • the catalyst discharged to the outside and having solid carbon attached thereto may be supplied to the storage tank 110 again by the catalyst supply section 150. Further, the catalyst to which solid carbon is attached may be separated into the catalyst and solid carbon. The separated catalyst may be supplied to the storage tank 110 again by the catalyst supply unit 150.
  • the second aeration pipe 140 is provided below the first aeration pipe 130. Therefore, the second diffuser pipe 140 is disposed within the moving bed MB of the catalyst. Therefore, the raw material gas diffused from the second diffuser pipe 140 undergoes heat exchange with the catalyst constituting the moving bed MB. Thereby, the raw material gas is heated and the catalyst is cooled.
  • the hydrogen production apparatus 100 forms the catalyst fluidized bed FB above the first diffuser pipe 130 in the storage tank 110, and forms the catalyst fluidized bed FB below the second diffuser pipe 140.
  • a moving layer MB is formed.
  • the hydrogen production apparatus 100 continuously brings the catalyst and the raw material gas into contact with each other in the fluidized bed FB to continuously carry out a thermal decomposition reaction of the raw material gas, while moving the catalyst after the reaction from the fluidized bed FB.
  • the layers MB can be moved successively. That is, the hydrogen production apparatus 100 according to the present embodiment can continuously perform the thermal decomposition reaction of the raw material gas and continuously replace the catalyst in the fluidized bed FB. Therefore, in the fluidized bed FB, the new catalyst and the raw material gas are constantly in contact with each other, so that the thermal decomposition reaction can proceed efficiently.
  • the heating units 120 are provided evenly within the fluidized bed FB, so that the catalyst is substantially uniformly heated by the heating units 120 in the fluidized bed FB. Therefore, in the hydrogen production apparatus 100, there is no need to heat the storage tank 110 from the outside. Thereby, in the hydrogen production apparatus 100, there is no need to configure the furnace wall of the storage tank 110 with a high-grade material such as a heat-resistant alloy that has heat resistance of 1000° C. or more and high heat conductivity. Therefore, since the hydrogen production apparatus 100 can be constructed using a carbon steel plate lined with a refractory material, the manufacturing cost of the storage tank 110 can be reduced. Thereby, the hydrogen production apparatus 100 can thermally decompose hydrocarbons at low cost. In other words, the hydrogen production device 100 can produce hydrogen at low cost.
  • the heating parts 120 are evenly provided in the fluidized bed FB, so compared to the conventional technology that heats the inside of the storage tank from the outside, the temperature of the fluidized bed FB in the storage tank 110 can be reduced. It can be made uniform. Thereby, the hydrogen production apparatus 100 can avoid a situation where the temperature of the catalyst locally decreases in the fluidized bed FB. Therefore, the hydrogen production apparatus 100 can thermally decompose hydrocarbons efficiently. Moreover, since the hydrogen production apparatus 100 can equalize the temperature of the fluidized bed FB, it is also possible to enlarge the storage tank 110. Thereby, the hydrogen production apparatus 100 can produce a large amount of hydrogen at low cost.
  • the hydrogen production apparatus 100 thermally decomposes the raw material gas to generate hydrogen and solid carbon. Therefore, the hydrogen production apparatus 100 can produce hydrogen without emitting carbon dioxide derived from the raw material gas.
  • the total superficial velocity ratio U0/Umf of the raw material gas diffused from the first diffuser pipe 130 and the raw material gas diffused from the second diffuser pipe 140 is 1.1 or more. It is 2.0 or less. Thereby, wear of the heating section 120 due to the catalyst can be suppressed. Therefore, it is possible to improve the durability of the heating section 120.
  • the second diffuser pipe 140 is provided within the moving bed MB of the catalyst.
  • heat exchange can be performed between the raw material gas diffused from the second diffuser pipe 140 and the catalyst constituting the moving bed MB. Therefore, it becomes possible to preheat (convection heat transfer) the raw material gas with the heat possessed by the catalyst constituting the moving bed MB. Therefore, the heating energy of the catalyst by the heating section 120 can be reduced.
  • the catalyst constituting the moving bed MB is heated to about 200° C. to 300° C. by the raw material gas. This makes it possible to suppress deterioration of the catalyst discharge section 160 due to the heat of the catalyst.
  • first aeration pipe 130 and the second aeration pipe 140 are provided within the moving bed MB. This makes it possible to reduce wear of the first aeration pipe 130 and the second aeration pipe 140 caused by the catalyst.
  • the flow rate of the raw material gas supplied to the first aeration pipe 130 by the raw material gas supply unit 170 is larger than the flow rate of the raw material gas supplied to the second aeration pipe 140.
  • the pressure loss of the first blower 176 increases as the layer height of the catalyst located above the first diffuser pipe 130 increases.
  • the pressure loss of the second blower 186 increases as the height of the catalyst located above the second diffuser pipe 140 increases. Therefore, the flow rate of the raw material gas supplied to the first diffuser pipe 130 in which the layer height of the catalyst located above is relatively low is supplied to the second diffuser pipe 140 in which the bed height of the catalyst located above is relatively high.
  • the horizontal cross-sectional area of the internal space of the lower part 114 of the storage tank 110 gradually decreases from the top to the bottom. This allows the catalyst to move smoothly in the lower part 114. Therefore, it is possible to reduce the number of places in the lower part 114 where the catalyst accumulates.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a hydrogen production apparatus 200 according to a modification.
  • the hydrogen production apparatus 200 includes a storage tank 210, a heating section 120, a first aeration pipe 130, a second aeration pipe 140, a catalyst supply section 150, a catalyst discharge section 160, and a raw material. and a gas supply section 170.
  • the shape of the storage tank 210 is different from the storage tank 110 of the hydrogen production device 100, and the other configurations are substantially the same as the hydrogen production device 100. For this reason, components that are substantially the same as those of the hydrogen production apparatus 100 described above are given the same reference numerals and description thereof will be omitted.
  • the storage tank 210 of the modified example has one upper part 112, a plurality of lower parts 114, and one lid part 116.
  • the lid portion 116 is formed with a plurality of supply ports 116a.
  • the number of supply ports 116a may be equal to the number of lower portions 114.
  • the storage tank 110 includes only one lower part 114 as in the hydrogen production apparatus 100 described above, in order to reduce the number of places in the upper part 112 where the catalyst stays, the bottom surface extending in the horizontal direction is eliminated, and the lower part 114 If an attempt is made to increase the size of the upper part 112 in the horizontal direction while maintaining the inclination angle of , the height of the entire storage tank 110 will increase. Therefore, the storage tank 210 of the hydrogen production device 200 according to the modification has a plurality of lower portions 114. Thereby, the height of the storage tank 210 can be reduced even if the upper part 112 is enlarged in the horizontal direction while maintaining the inclination angle of the lower part 114 while eliminating the bottom surface extending in the horizontal direction. Therefore, it is possible to reduce the height of the storage tank 210 while increasing the fluidized bed FB of the catalyst, that is, the reaction field for the thermal decomposition reaction.
  • the hydrogen production apparatus 200 according to the modification can increase the amount of raw material gas processed (the amount of thermal decomposition) per unit time by enlarging the reaction field for the thermal decomposition reaction. Therefore, the hydrogen production apparatus 200 according to the modification can increase the amount of hydrogen produced per unit time.
  • the height of the storage tank 210 can be reduced. Therefore, the hydrogen production device 200 according to the modification can reduce the construction cost of the storage tank 210.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a power generation system 500 according to this embodiment.
  • power generation system 500 includes a hydrogen production device 100 and a power generation device 510.
  • the power generation device 510 is, for example, a thermal power generation facility.
  • Power generation device 510 includes a boiler 512, a steam turbine 514, and a generator 516.
  • the boiler 512 is supplied with hydrogen produced by the hydrogen production device 100 and air. Boiler 512 burns hydrogen to generate water vapor. Note that fuel may be supplied to the boiler 512 in addition to hydrogen.
  • the fuel is, for example, coal.
  • Steam generated by the boiler 512 is supplied to the steam turbine 514.
  • Steam turbine 514 converts the energy of water vapor into rotational energy.
  • the generator 516 converts the rotational energy transmitted from the steam turbine 514 into electric power.
  • the power generation system 500 generates power using hydrogen produced by the hydrogen production apparatus 100. Thereby, the power generation system 500 can generate power at low cost.
  • the power generation device 510 may include a gas turbine instead of or in addition to the boiler 512.
  • the gas turbine burns hydrogen produced by the hydrogen production device 100 to generate rotational energy.
  • the rotational energy generated by the gas turbine is then transferred to the steam turbine 514.
  • the gas turbine may be supplied with fuel in addition to hydrogen.
  • the fuel is, for example, natural gas obtained by vaporizing liquefied natural gas.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating another power generation system 550 according to this embodiment.
  • power generation system 550 includes hydrogen production device 100 and power generation device 560.
  • the power generation device 560 is, for example, a thermal power generation facility.
  • Power generation device 560 includes an ammonia production device 562, a boiler 512, a steam turbine 514, and a generator 516. Note that components that are substantially the same as those of the power generation system 500 described above are given the same reference numerals and descriptions thereof will be omitted.
  • the ammonia production device 562 is supplied with hydrogen produced by the hydrogen production device 100 and air.
  • the ammonia production device 562 produces ammonia from hydrogen and nitrogen contained in the air. Ammonia produced by the ammonia production device 562 is supplied to the boiler 512.
  • the boiler 512 of the power generation device 560 burns ammonia to generate water vapor.
  • fuel may be supplied to the boiler 512 of the power generation device 560 in addition to ammonia.
  • the fuel is, for example, coal.
  • the power generation system 550 generates power using hydrogen produced by the hydrogen production apparatus 100. Thereby, the power generation system 550 can generate power at low cost.
  • the power generation device 560 may include a gas turbine instead of or in addition to the boiler 512.
  • the gas turbine burns ammonia produced by the ammonia production device 562 to generate rotational energy.
  • the rotational energy generated by the gas turbine is then transferred to the steam turbine 514.
  • the gas turbine may be supplied with fuel in addition to ammonia.
  • the fuel is, for example, natural gas obtained by vaporizing liquefied natural gas.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating another power generation system 600 according to this embodiment. As shown in FIG. 5, power generation system 600 includes hydrogen production device 100 and power generation device 610.
  • the power generation device 610 of the power generation system 600 includes a fuel cell 612.
  • the fuel cell 612 includes a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte provided between the fuel electrode and the air electrode. Hydrogen produced by the hydrogen production apparatus 100 is supplied to the fuel electrode of the fuel cell 612. Air is supplied to the air electrode of the fuel cell 612. The fuel cell 612 generates electric power by reacting hydrogen with oxygen contained in the air.
  • the power generation system 600 generates power using hydrogen produced by the hydrogen production device 100. Thereby, the power generation system 600 can generate power at low cost.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a steel manufacturing system 700 according to this embodiment.
  • the steel manufacturing system 700 includes a hydrogen production device 100 and a steel manufacturing device 710.
  • the hydrogen production device 100 uses iron ore as a catalyst.
  • the iron manufacturing equipment 710 includes a direct reduction furnace 712 and an electric furnace 714.
  • the direct reduction furnace 712 is supplied with hydrogen produced by the hydrogen production apparatus 100 and iron ore.
  • the direct reduction furnace 712 reduces iron ore in a solid state using hydrogen.
  • the electric furnace 714 melts and refines the iron ore reduced by the direct reduction furnace 712. In this way, iron (eg steel) is produced.
  • the iron manufacturing system 700 manufactures iron using hydrogen produced by the hydrogen production apparatus 100. Thereby, the steel manufacturing system 700 can reduce carbon dioxide (CO 2 ) emissions and manufacture iron.
  • CO 2 carbon dioxide
  • FIG. 7 is a diagram illustrating another steel manufacturing system 750 according to the present embodiment.
  • a steel manufacturing system 750 according to this embodiment includes a hydrogen production device 100 and a steel manufacturing device 760.
  • the hydrogen production device 100 uses iron ore as a catalyst.
  • the iron manufacturing apparatus 760 of the iron manufacturing system 750 includes a blast furnace 762 and a converter 764.
  • the blast furnace 762 is supplied with hydrogen produced by the hydrogen production apparatus 100, iron ore, and coke.
  • the blast furnace 762 melts and reduces iron ore to produce pig iron.
  • Converter 764 converts pig iron to steel. In this way, iron (eg steel) is produced.
  • the iron manufacturing system 750 manufactures iron using hydrogen produced by the hydrogen production apparatus 100. This allows the steel making system 750 to reduce carbon dioxide emissions and produce steel.
  • the heating section 120 is provided in the upper part 112 .
  • the installation position of the heating unit 120 is not limited as long as it is provided above the first aeration pipe 130 in the storage tank 110, 210.
  • the installation position is not limited.
  • the case where the second air diffuser 140 is provided in the lower part 114 has been exemplified.
  • the installation position of the second air diffuser 140 is not limited as long as it is provided below the first air diffuser 130 in the storage tank 110, 210.
  • the case where the supply port 116a is formed in the lid portion 116 is exemplified.
  • the supply port 116a may be formed above the heating section 120 in the storage tank 110.
  • the discharge port 114a is formed in the lower part 114 has been exemplified.
  • the discharge port 114a may be formed below the second aeration pipe 140 in the storage tank 110.
  • the supply port 116a, the heating section 120, the first aeration pipe 130, the second aeration pipe 140, and the discharge port 114a may be provided in this order from the top to the bottom.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating another example of how the first diffuser pipe 130 is installed.
  • the hydrogen production apparatuses 100 and 200 have first aeration pipes 130A provided in parallel in the horizontal direction, and a central axis direction that intersects with the first aeration pipe 130A (
  • the first air diffuser 130B may be provided with second and first air diffusers 130B that are arranged in parallel in the horizontal direction (orthogonal).
  • a configuration in which a plurality of second diffuser pipes 140 are provided in parallel in the horizontal direction has been exemplified.
  • the hydrogen production apparatuses 100 and 200 have first and second aeration pipes 140 that are provided in parallel in the horizontal direction, and whose central axis direction intersects (for example, is orthogonal to) the first and second aeration pipes 140.
  • the second air diffuser 140 may be provided in parallel with each other in the horizontal direction.
  • the heating unit 120 includes first heating members 122 provided in parallel in the horizontal direction, and first heating members 122 provided in parallel in the horizontal direction with the central axis direction intersecting (for example, orthogonal to) the first heating members 122.
  • the second heating member 122 may also be provided.
  • the case where the flow rate of the raw material gas supplied to the first aeration pipe 130 by the raw material gas supply unit 170 is larger than the flow rate of the raw material gas supplied to the second aeration pipe 140 is exemplified. listed.
  • the flow rate of the raw material gas supplied to the first diffuser pipe 130 may be equal to or smaller than the flow rate of the raw material gas supplied to the second diffuser pipe 140.
  • the superficial velocity ratio U0/Umf of the total raw material gas diffused from the first diffuser pipe 130 and the raw material gas diffused from the second diffuser pipe 140 is 1
  • the value is .1 or more and 2.0 or less is given as an example.
  • the total superficial velocity ratio U0/Umf of the raw material gas diffused from the first diffuser pipe 130 and the raw material gas diffused from the second diffuser pipe 140 may be 1.0 or more, It may be more than 2.0.
  • the storage tanks 110 and 210 have an upper part 112 and a lower part 114 as an example.
  • the shape of the storage tanks 110, 210 there is no limitation on the shape of the storage tanks 110, 210.
  • the plurality of heating members 122 are provided in two stages at different positions in the vertical direction.
  • the plurality of heating members 122 may be provided in one stage, or may be provided in three or more stages at different positions in the vertical direction.
  • the plurality of heating members 122 may be provided in a number of stages corresponding to the height of the fluidized bed FB.
  • the horizontal cross-sectional area of the internal space of the upper part 112 of the storage tank 110 is approximately constant from the top to the bottom.
  • the shape of the internal space of the storage tank 110 is not limited.
  • FIG. 9 is a first diagram illustrating another example of the shape of the storage tank 310.
  • the upper part 312 of the storage tank 310 includes a small diameter part 312a, a large diameter part 312b, and an enlarged diameter part 312c.
  • the small diameter portion 312a continues to the upper end of the lower portion 114.
  • the horizontal cross-sectional area of the internal space of the small diameter portion 312a is substantially constant from the top to the bottom.
  • the heating section 120 and the first diffuser tube 130 are provided within the small diameter section 312a. Therefore, a fluidized bed FB is formed in the small diameter portion 312a.
  • the large diameter portion 312b is provided above the small diameter portion 312a.
  • the upper end of the large diameter portion 312b is continuous with the lid portion 116.
  • the horizontal cross-sectional area of the internal space of the large diameter portion 312b is substantially constant from the top to the bottom.
  • the horizontal cross-sectional area of the internal space of the large diameter portion 312b is larger than that of the small diameter portion 312a.
  • the enlarged diameter portion 312c is continuous with the upper end of the small diameter portion 312a and the lower end of the large diameter portion 312b.
  • the horizontal cross-sectional area of the internal space of the enlarged diameter portion 312c gradually increases from the bottom to the top.
  • the upper part 312 includes the small diameter part 312a, the large diameter part 312b, and the enlarged diameter part 312c, it is possible to reduce the flow velocity of the upward airflow toward the exhaust port 116b, and it is possible to suppress scattering of the catalyst. Become.
  • FIG. 10 is a second diagram illustrating another example of the shape of the storage tank 410.
  • the upper part 412 of the storage tank 410 includes a large diameter part 412a, a small diameter part 412b, a large diameter part 412c, a reduced diameter part 412d, and an enlarged diameter part 412e.
  • the large diameter portion 412a is continuous with the upper end of the lower portion 114.
  • the horizontal cross-sectional area of the internal space of the large diameter portion 412a is substantially constant from the top to the bottom.
  • the heating section 120 and the first diffuser tube 130 are provided within the large diameter section 412a. Therefore, a fluidized bed FB is formed in the large diameter portion 412a.
  • the small diameter portion 412b is provided above the large diameter portion 412a.
  • the horizontal cross-sectional area of the internal space of the small diameter portion 412b is smaller than that of the large diameter portion 412a.
  • the reduced diameter portion 412d is continuous with the upper end of the large diameter portion 412a and the lower end of the small diameter portion 412b.
  • the horizontal cross-sectional area of the internal space of the reduced diameter portion 412d gradually decreases from the bottom to the top.
  • the large diameter portion 412c is provided above the small diameter portion 412b.
  • the upper end of the large diameter portion 412c is continuous with the lid portion 116.
  • the horizontal cross-sectional area of the internal space of the large diameter portion 412c is larger than that of the small diameter portion 412b.
  • the enlarged diameter portion 412e is continuous with the upper end of the small diameter portion 412b and the lower end of the large diameter portion 412c.
  • the horizontal cross-sectional area of the internal space of the enlarged diameter portion 412e gradually increases from the bottom to the top.
  • the upper part 412 includes a large diameter part 412a, a small diameter part 412b, a large diameter part 412c, a reduced diameter part 412d, and an enlarged diameter part 412e.
  • the power generation systems 500, 550, and 600 may include a hydrogen production device 200 instead of the hydrogen production device 100.
  • the steel manufacturing systems 700 and 750 may include a hydrogen production device 200 instead of the hydrogen production device 100.
  • hydrogen produced by the hydrogen production devices 100 and 200 may be supplied to a gas pipeline.
  • the present disclosure can, for example, contribute to Goal 7 of the Sustainable Development Goals (SDGs) "Ensure access to affordable, reliable, sustainable and modern energy”.
  • SDGs Sustainable Development Goals
  • FB Fluidized bed MB: Moving bed 100: Hydrogen production equipment 110: Accommodation tank 112: Upper part 114: Lower part 114a: Discharge port 116a: Supply port 120: Heating section 130: First diffuser pipe 140: Second diffuser pipe 150: Catalyst Supply section 160: Catalyst discharge section 170: Raw material gas supply section 200: Hydrogen production device 210: Storage tank 310: Storage tank 312: Upper part 410: Storage tank 412: Upper part 500: Power generation system 510: Power generation device 550: Power generation system 560: Power generation equipment 600: Power generation system 610: Power generation equipment 700: Steel manufacturing system 710: Steel manufacturing equipment 750: Steel manufacturing system 760: Steel manufacturing equipment

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Abstract

水素製造装置１００は、収容槽１１０と、収容槽１１０内に設けられる加熱部１２０と、収容槽１１０内における加熱部１２０の下方に設けられる第１散気管１３０と、収容槽１１０内における第１散気管１３０の下方に設けられる第２散気管１４０と、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を、収容槽１１０における加熱部１２０の上方に形成された供給口１１６ａから供給する触媒供給部１５０と、収容槽１１０における第２散気管１４０の下方に形成された排出口１１４ａから触媒を排出する触媒排出部１６０と、炭化水素を少なくとも含む原料ガスを、第１散気管１３０および第２散気管１４０に供給する原料ガス供給部１７０と、を備える。

Description

水素製造装置、発電システム、および、製鉄システム
　本開示は、水素製造装置、発電システム、および、製鉄システムに関する。本出願は、２０２２年４月２７日に提出された日本特許出願第２０２２－０７３６２８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により、二酸化炭素を排出しないで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、反応炉の炉壁を内部温度以上（例えば１０００℃以上）に加熱する必要がある。そうすると、１０００℃以上の耐熱性を有しながら伝熱性の良い高価な耐熱合金などの材料で反応炉を構成しなければならず、加熱装置および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。また、反応炉を外部から加熱する技術では、壁面から内部の触媒を加熱するため、触媒の体積が大きくなると壁面近傍と中心部とで温度差が生じてしまう。このため、反応炉の内部で均一に効率よく炭化水素を分解させることが困難であり、反応炉の大型化は困難である。
　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、発電システム、および、製鉄システム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、収容槽と、収容槽内に設けられる加熱部と、収容槽内における加熱部の下方に設けられる第１散気管と、収容槽内における第１散気管の下方に設けられる第２散気管と、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を、収容槽における加熱部の上方に形成された供給口から供給する触媒供給部と、収容槽における第２散気管の下方に形成された排出口から触媒を排出する触媒排出部と、炭化水素を少なくとも含む原料ガスを、第１散気管および第２散気管に供給する原料ガス供給部と、を備える。
　また、原料ガス供給部によって、第１散気管に供給される原料ガスの流量は、第２散気管に供給される原料ガスの流量よりも大きくてもよい。
　また、第１散気管から散気される原料ガス、および、第２散気管から散気される原料ガスの合計の空塔速度比Ｕ０／Ｕｍｆは、１．１以上２．０以下であってもよい。
　また、収容槽内において、第１散気管の上方に触媒の流動層が形成され、第１散気管の下方に触媒の移動層が形成されてもよい。
　また、収容槽は、筒形状の上部と、上部の下方に設けられ、内部空間の水平断面積が上方から下方に向かうに従って漸減する下部と、を有し、加熱部は、上部内に設けられ、第２散気管は、下部内に設けられてもよい。
　また、収容槽は、１の上部と、複数の下部とを有してもよい。
　上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る発電システムは、収容槽と、収容槽内に設けられる加熱部と、収容槽内における加熱部の下方に設けられる第１散気管と、収容槽内における第１散気管の下方に設けられる第２散気管と、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を、収容槽における加熱部の上方に形成された供給口から供給する触媒供給部と、収容槽における第２散気管の下方に形成された排出口から触媒を排出する触媒排出部と、炭化水素を少なくとも含む原料ガスを、第１散気管および第２散気管に供給する原料ガス供給部と、を有する、水素製造装置と、水素製造装置によって製造された水素を用いて発電する発電装置と、を備える。
　上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る製鉄システムは、収容槽と、収容槽内に設けられる加熱部と、収容槽内における加熱部の下方に設けられる第１散気管と、収容槽内における第１散気管の下方に設けられる第２散気管と、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を、収容槽における加熱部の上方に形成された供給口から供給する触媒供給部と、収容槽における第２散気管の下方に形成された排出口から触媒を排出する触媒排出部と、炭化水素を少なくとも含む原料ガスを、第１散気管および第２散気管に供給する原料ガス供給部と、を有する、水素製造装置と、水素製造装置によって製造された水素を用いて鉄を製造する製鉄装置と、を備える。
　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の概略を説明する図である。 図２は、変形例に係る水素製造装置を説明する図である。 図３は、実施形態に係る発電システムを説明する図である。 図４は、実施形態に係る他の発電システムを説明する図である。 図５は、実施形態に係る他の発電システムを説明する図である。 図６は、実施形態に係る製鉄システムを説明する図である。 図７は、実施形態に係る他の製鉄システムを説明する図である。 図８は、第１散気管の設置態様の他の例を説明する図である。 図９は、収容槽の形状の他の例を説明する第１の図である。 図１０は、収容槽の形状の他の例を説明する第２の図である。
　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。かか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し、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の概略を説明する図である。図１中、実線の矢印は、原料ガスおよび生成ガスの流れを示す。図１中、破線の矢印は、触媒および固体炭素の流れを示す。また、図１中、加熱部１２０をハッチングで示す。
　図１に示すように、水素製造装置１００は、収容槽１１０と、加熱部１２０と、第１散気管１３０と、第２散気管１４０と、触媒供給部１５０と、触媒排出部１６０と、原料ガス供給部１７０とを含む。
　収容槽１１０は、触媒を一時的に収容する容器（ホッパ）である。収容槽１１０は、筒形状であり、中心軸方向が鉛直方向となるように設置される。本実施形態において、収容槽１１０は、上部１１２と、下部１１４と、蓋部１１６とを有する。
　上部１１２は、円筒、楕円筒、角筒等の筒形状の部分である。上部１１２の内部空間の水平断面積は、例えば、上方から下方に亘って略一定である。
　下部１１４は、上部１１２の下方に設けられる部分である。下部１１４の内部空間の水平断面積は、上方から下方に向かうに従って漸減する。例えば、下部１１４は、上方から下方に向かうに従って内径が漸減する円錐形状の筒である。下部１１４の傾斜角θは、例えば、６０度である。
　蓋部１１６は、上部１１２の上方に設けられる部分である。蓋部１１６の内部空間の水平断面積は、上方から下方に向かうに従って漸増する。例えば、蓋部１１６は、上方から下方に向かうに従って内径が漸増する円錐形状の筒である。
　収容槽１１０に収容される触媒は、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。本実施形態において、触媒は、天然鉱物であり、例えば、鉄鉱石である。なお、触媒は、鉄、ニッケル、銅、および、アルミニウムのうちのいずれか１または複数を含んでいれば、天然鉱物でなくてもよい。触媒の粒径は、例えば、５０μｍ以上１０００μｍ以下であり、好ましくは、１００μｍ以上３００μｍ以下である。
　加熱部１２０は、収容槽１１０を構成する上部１１２内に設けられる。加熱部１２０は、上記式（１）で示す熱分解反応が効率よく促進される温度に触媒を加熱する。加熱部１２０は、触媒の温度が、例えば８００℃以上９００℃以下となるように触媒を加熱する。本実施形態において、加熱部１２０は、複数の加熱部材１２２を備える。加熱部材１２２は、例えば、円柱形状または円筒形状である。複数の加熱部材１２２は、中心軸方向が水平方向となるように上部１１２内に設置される。複数の加熱部材１２２は、上部１１２内に実質的に均等に設けられる。本実施形態において、複数の加熱部材１２２は、水平方向に並列して設けられる。また、本実施形態において、複数の加熱部材１２２は、鉛直方向の位置を異にして、２段設けられる。
　加熱部１２０は、例えば、電気ヒータ、または、伝熱管で構成される。加熱部１２０が電気ヒータで構成される場合、例えば、円柱形状の伝熱体（セラミック）と、伝熱体内に内蔵された発熱体とを含む。また、電気ヒータは、再生可能エネルギーによって発電された電力、および、原子力発電によって発電された電力のうちいずれか一方または両方が供給されるとよい。また、加熱部１２０が伝熱管で構成される場合、伝熱管内を通過する熱媒体は、例えば、燃焼排ガスである。
　第１散気管１３０は、収容槽１１０内における加熱部１２０の下方に設けられる。本実施形態において、第１散気管１３０は、上部１１２内に設けられる。第１散気管１３０は、複数設けられる。複数の第１散気管１３０は、中心軸方向が水平方向となるように上部１１２内に設けられる。本実施形態において、複数の第１散気管１３０は、水平方向に並列して設けられる。第１散気管１３０には、複数の孔が形成される。
　第２散気管１４０は、収容槽１１０内における第１散気管１３０の下方に設けられる。本実施形態において、第２散気管１４０は、収容槽１１０を構成する下部１１４内に設けられる。本実施形態において、第２散気管１４０は、複数設けられる。複数の第２散気管１４０は、中心軸方向が水平方向となるように下部１１４内に設けられる。本実施形態において、複数の第２散気管１４０は、水平方向に並列して設けられる。第２散気管１４０には、複数の孔が形成される。
　触媒供給部１５０は、蓋部１１６に形成された供給口１１６ａから触媒を供給する。
　触媒排出部１６０は、下部１１４の底面に形成された排出口１１４ａから触媒を排出する。
　原料ガス供給部１７０は、第１散気管１３０および第２散気管１４０に原料ガスを供給する。原料ガスは、少なくとも炭化水素（例えば、メタン）を含むガスである。原料ガスは、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）が気化した天然ガスである。
　本実施形態において、原料ガス供給部１７０は、第１供給管１７２と、流量調整弁１７４と、第１ブロワ１７６と、第２供給管１８２と、流量調整弁１８４と、第２ブロワ１８６と、流量計１９０、１９２、１９４とを含む。
　第１供給管１７２は、原料ガスの供給源Ｓと第１散気管１３０とを接続する配管である。第１供給管１７２には、流量調整弁１７４、および、第１ブロワ１７６が設けられる。
　流量調整弁１７４は、第１供給管１７２内に形成される流路の開度を調整する。流量調整弁１７４は、例えば、バタフライ弁である。
　第１ブロワ１７６は、第１供給管１７２における流量調整弁１７４と第１散気管１３０と間に設けられる。第１ブロワ１７６の吸入側は流量調整弁１７４に接続される。第１ブロワ１７６の吐出側は第１散気管１３０に接続される。第１ブロワ１７６は、原料ガスを昇圧する。
　第２供給管１８２は、第１供給管１７２における第１ブロワ１７６と第１散気管１３０との間から分岐され、第２散気管１４０に接続される配管である。第２供給管１８２には、流量調整弁１８４、および、第２ブロワ１８６が設けられる。
　流量調整弁１８４は、第２供給管１８２内に形成される流路の開度を調整する。流量調整弁１８４は、例えば、バタフライ弁である。
　第２ブロワ１８６は、第２供給管１８２における流量調整弁１８４と第２散気管１４０と間に設けられる。第２ブロワ１８６の吸入側は流量調整弁１８４に接続される。第２ブロワ１８６の吐出側は第２散気管１４０に接続される。第２ブロワ１８６は、第１ブロワ１７６によって昇圧された原料ガスをさらに昇圧する。
　流量計１９０は、第１ブロワ１７６から吐出される原料ガスの流量ＱＴを検出する。流量計１９２は、第１散気管１３０に供給される原料ガスの流量Ｑ１を検出する。流量計１９４は、第２散気管１４０に供給される原料ガスの流量Ｑ２を検出する。なお、流量ＱＴ＝流量Ｑ１＋流量Ｑ２である。
　流量調整弁１７４の開度、ならびに、第１ブロワ１７６および第２ブロワ１８６の吐出圧力は、第１散気管１３０から散気される原料ガス、および、第２散気管１４０から散気される原料ガスの合計の空塔速度比Ｕ０／Ｕｍｆが、１．１以上２．０以下、好ましくは、１．１以上１．５以下となるように設定される。なお、Ｕ０は、原料ガスが流動層ＦＢ内を移動する速度である。Ｕｍｆは、流動化開始速度（最小流動化速度）である。
　また、流量調整弁１８４の開度は、第１散気管１３０に供給される原料ガスの流量Ｑ１）が、第２散気管１４０に供給される原料ガスの流量Ｑ２よりも大きくなるように設定される。本実施形態において、流量Ｑ１と流量Ｑ２との比が、流量Ｑ１：流量Ｑ２＝７：３となるように、流量調整弁１８４の開度が設定される。
［触媒および原料ガスの流れ］
　続いて、上記水素製造装置１００における触媒および原料ガスの流れについて説明する。上記したように、水素製造装置１００において、触媒供給部１５０は、収容槽１１０に触媒を供給し、触媒排出部１６０は、収容槽１１０から触媒を排出する。したがって、触媒は、収容槽１１０内を上方から下方に向かって自重で移動する。これにより、収容槽１１０内に触媒の移動層が形成される。
　また、水素製造装置１００は、第１散気管１３０、第２散気管１４０、および、原料ガス供給部１７０を備える。そして、原料ガス供給部１７０は、第１散気管１３０から散気される原料ガス、および、第２散気管１４０から散気される原料ガスの合計の空塔速度比Ｕ０／Ｕｍｆが、１．１以上２．０以下となるように原料ガスを第１散気管１３０および第２散気管１４０に供給する。これにより、水素製造装置１００は、収容槽１１０内において、第１散気管１３０の上方に触媒の流動層ＦＢを形成し、第１散気管１３０の下方に触媒の移動層ＭＢを形成することができる。したがって、触媒供給部１５０から供給された触媒は、流動層ＦＢを形成した後、移動層ＭＢを形成して、触媒排出部１６０によって排出される。
　なお、触媒供給部１５０および触媒排出部１６０は、流動層ＦＢの上面が、加熱部１２０より上方の所定の位置に維持されるように、触媒を供給したり、排出したりする。また、触媒供給部１５０による触媒の供給流量および触媒排出部１６０による触媒の排出流量を制御することにより、収容槽１１０内の触媒の滞留時間を制御することができる。
　また、加熱部１２０は、第１散気管１３０の上方に設けられる。このため、加熱部１２０は、触媒の流動層ＦＢ内に配されることになる。したがって、触媒の流動層ＦＢは、加熱部１２０によって加熱される。
　そうすると、第１散気管１３０および第２散気管１４０から散気された原料ガスは、触媒の流動層ＦＢを通過する過程で、触媒によって加熱される（対流伝熱）。これにより、上記式（１）に示される熱分解反応が進行し、原料ガスに含まれる炭化水素から水素および固体炭素が生成される。つまり、主要な熱分解反応は、流動層ＦＢにおいて進行する。
　こうして生成された水素および未反応の原料ガスは、蓋部１１６に形成された排気口１１６ｂを通じて後段のガス処理設備Ｔへ送出される。
　一方、熱分解反応によって生成された固体炭素は、触媒の表面に付着する。したがって、固体炭素は、触媒とともに、流動層ＦＢから移動層ＭＢに自重で移動する。そして、固体炭素は、触媒とともに、移動層ＭＢを形成し、最終的に、触媒排出部１６０によって外部に排出される。外部に排出された、固体炭素が付着した触媒は、触媒供給部１５０によって再度収容槽１１０に供給されてもよい。また、固体炭素が付着した触媒は、触媒と固体炭素とに分離されてもよい。分離された触媒は、触媒供給部１５０によって再度収容槽１１０に供給されてもよい。
　また、第２散気管１４０は、第１散気管１３０の下方に設けられる。このため、第２散気管１４０は、触媒の移動層ＭＢ内に配されることになる。したがって、第２散気管１４０から散気された原料ガスは、移動層ＭＢを構成する触媒と熱交換される。これにより、原料ガスが加熱され、触媒が冷却される。
　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、収容槽１１０内において、第１散気管１３０の上方に触媒の流動層ＦＢを形成し、第２散気管１４０の下方に触媒の移動層ＭＢを形成する。これにより、水素製造装置１００は、流動層ＦＢにおいて、触媒と原料ガスとの接触を連続的に行って原料ガスの熱分解反応を連続的に行いつつ、反応後の触媒を流動層ＦＢから移動層ＭＢに連続的に移動させることができる。つまり、本実施形態に係る水素製造装置１００は、原料ガスの熱分解反応を連続的に行いつつ、流動層ＦＢにおける触媒の交換を連続的に行うことが可能となる。したがって、流動層ＦＢにおいて、新たな触媒と原料ガスとが常時接触することになるため、熱分解反応を効率よく進行させることができる。
　また、本実施形態に係る水素製造装置１００では、流動層ＦＢ内に満遍なく加熱部１２０が設けられるため、流動層ＦＢにおいて触媒は、加熱部１２０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、収容槽１１０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℃以上の耐熱性と高伝熱性を有する耐熱合金などの高級材質で収容槽１１０の炉壁を構成する必要がなくなる。したがって水素製造装置１００は、耐火材内張の炭素鋼板による築炉構造を適用できるため、収容槽１１０の製造コストを低減することができる。これにより、水素製造装置１００は、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、収容槽内を外部から加熱する従来技術は、収容槽の内部温度（触媒の温度）を均一にすることが難しく、収容槽の大型化が困難である。これに対し、水素製造装置１００は、流動層ＦＢ内に満遍なく加熱部１２０が設けられるため、収容槽内を外部から加熱する従来技術と比較して、収容槽１１０内の流動層ＦＢ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、流動層ＦＢにおいて、触媒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、流動層ＦＢの温度を均一化できるため、収容槽１１０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、水素製造装置１００は、原料ガスを熱分解して、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、第１散気管１３０から散気される原料ガス、および、第２散気管１４０から散気される原料ガスの合計の空塔速度比Ｕ０／Ｕｍｆは、１．１以上２．０以下である。これにより、触媒による加熱部１２０の摩耗を抑制することができる。したがって、加熱部１２０の耐久性を向上させることが可能となる。
　また、上記したように、第２散気管１４０は、触媒の移動層ＭＢ内に設けられる。これにより、第２散気管１４０から散気された原料ガスと、移動層ＭＢを構成する触媒とで熱交換を行うことができる。したがって、移動層ＭＢを構成する触媒が有する熱で原料ガスを予熱（対流伝熱）することが可能となる。このため、加熱部１２０による触媒の加熱エネルギーを削減することができる。また、移動層ＭＢを構成する触媒は、原料ガスによって２００℃～３００℃程度に抜熱される。これにより、触媒が有する熱による触媒排出部１６０の劣化を抑制することが可能となる。
　また、第１散気管１３０および第２散気管１４０は、移動層ＭＢ内に設けられる。これにより、触媒による第１散気管１３０および第２散気管１４０の摩耗を低減することが可能となる。
　また、上記したように、原料ガス供給部１７０によって第１散気管１３０に供給される原料ガスの流量は、第２散気管１４０に供給される原料ガスの流量よりも大きい。第１ブロワ１７６の圧力損失は、第１散気管１３０の上方に位置する触媒の層高が高いほど大きくなる。同様に、第２ブロワ１８６の圧力損失は、第２散気管１４０の上方に位置する触媒の層高が高いほど大きくなる。したがって、上方に位置する触媒の層高が相対的に低い第１散気管１３０に供給される原料ガスの流量を、上方に位置する触媒の層高が相対的に高い第２散気管１４０に供給される原料ガスの流量よりも大きくすることで、第２ブロワ１８６の動力を低減することが可能となる。
　また、上記したように、収容槽１１０の下部１１４の内部空間の水平断面積は、上方から下方に向かうに従って漸減する。これにより、下部１１４において触媒を円滑に移動させることができる。したがって、下部１１４内において触媒が滞留してしまう箇所を削減することが可能となる。
［変形例］
　図２は、変形例に係る水素製造装置２００を説明する図である。図２に示すように、水素製造装置２００は、収容槽２１０と、加熱部１２０と、第１散気管１３０と、第２散気管１４０と、触媒供給部１５０と、触媒排出部１６０と、原料ガス供給部１７０とを含む。変形例に係る水素製造装置２００は、収容槽２１０の形状が水素製造装置１００の収容槽１１０と異なり、他の構成は水素製造装置１００と実質的に等しい。このため、上記水素製造装置１００と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
　変形例の収容槽２１０は、１の上部１１２と、複数の下部１１４と、１の蓋部１１６とを有する。変形例において、蓋部１１６には、複数の供給口１１６ａが形成される。供給口１１６ａの数は、下部１１４の数と等しくてもよい。
　上記水素製造装置１００のように、収容槽１１０が下部１１４を１つのみ備える場合、上部１１２内において触媒が滞留する箇所を削減するために、水平方向に延在する底面をなくしつつ、下部１１４の傾斜角を維持したまま、上部１１２を水平方向に大きくしようとすると、収容槽１１０全体の高さが高くなってしまう。そこで、変形例に係る水素製造装置２００の収容槽２１０は、複数の下部１１４を有する。これにより、水平方向に延在する底面をなくしつつ、下部１１４の傾斜角を維持したまま、上部１１２を水平方向に大きくしても、収容槽２１０の高さを低くすることができる。したがって、触媒の流動層ＦＢ、つまり、熱分解反応の反応場を大きくしつつ、収容槽２１０の高さを低くすることが可能となる。
　変形例に係る水素製造装置２００は、熱分解反応の反応場を大きくすることにより、単位時間当たりの原料ガスの処理量（熱分解量）を増加させることができる。したがって、変形例に係る水素製造装置２００は、単位時間当たりの水素の製造量を増加させることが可能となる。
　また、変形例に係る水素製造装置２００は、収容槽２１０の高さを低くすることができる。これにより、変形例に係る水素製造装置２００は、収容槽２１０の建造コストを低減することが可能となる。
［発電システム５００］
　図３は、本実施形態に係る発電システム５００を説明する図である。図３に示すように、発電システム５００は、水素製造装置１００と、発電装置５１０とを含む。発電装置５１０は、例えば、火力発電設備である。発電装置５１０は、ボイラ５１２と、蒸気タービン５１４と、発電機５１６とを含む。
　ボイラ５１２には、水素製造装置１００によって製造された水素、および、空気が供給される。ボイラ５１２は、水素を燃焼させて、水蒸気を生成する。なお、ボイラ５１２には、水素に加えて、燃料が供給されてもよい。燃料は、例えば、石炭である。
　蒸気タービン５１４には、ボイラ５１２によって生成された水蒸気が供給される。蒸気タービン５１４は、水蒸気が有するエネルギーを回転エネルギーに変換する。
　発電機５１６は、蒸気タービン５１４から伝達された回転エネルギーを電力に変換する。
　以上説明したように、本実施形態に係る発電システム５００は、水素製造装置１００によって製造された水素を用いて発電する。これにより、発電システム５００は、低コストで発電することができる。
　なお、発電装置５１０は、ボイラ５１２に代えて、または、ボイラ５１２に加えて、ガスタービンを備えていてもよい。この場合、ガスタービンは、水素製造装置１００によって製造された水素を燃焼させて、回転エネルギーを生成する。そして、ガスタービンによって生成された回転エネルギーは、蒸気タービン５１４に伝達される。また、ガスタービンには、水素に加えて、燃料が供給されてもよい。燃料は、例えば、液化天然ガスが気化した天然ガスである。
［発電システム５５０］
　図４は、本実施形態に係る他の発電システム５５０を説明する図である。図４に示すように、発電システム５５０は、水素製造装置１００と、発電装置５６０とを含む。発電装置５６０は、例えば、火力発電設備である。発電装置５６０は、アンモニア製造装置５６２と、ボイラ５１２と、蒸気タービン５１４と、発電機５１６とを含む。なお、上記発電システム５００と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
　アンモニア製造装置５６２には、水素製造装置１００によって製造された水素、および、空気が供給される。アンモニア製造装置５６２は、水素と、空気に含まれる窒素とからアンモニアを製造する。アンモニア製造装置５６２によって製造されたアンモニアは、ボイラ５１２に供給される。
　発電装置５６０のボイラ５１２は、アンモニアを燃焼させて、水蒸気を生成する。なお、発電装置５６０のボイラ５１２には、アンモニアに加えて、燃料が供給されてもよい。燃料は、例えば、石炭である。
　以上説明したように、本実施形態に係る発電システム５５０は、水素製造装置１００によって製造された水素を用いて発電する。これにより、発電システム５５０は、低コストで発電することができる。
　なお、発電装置５１０と同様に、発電装置５６０は、ボイラ５１２に代えて、または、ボイラ５１２に加えて、ガスタービンを備えていてもよい。この場合、ガスタービンは、アンモニア製造装置５６２によって製造されたアンモニアを燃焼させて、回転エネルギーを生成する。そして、ガスタービンによって生成された回転エネルギーは、蒸気タービン５１４に伝達される。また、ガスタービンには、アンモニアに加えて、燃料が供給されてもよい。燃料は、例えば、液化天然ガスが気化した天然ガスである。
［発電システム６００］
　図５は、本実施形態に係る他の発電システム６００を説明する図である。図５に示すように、発電システム６００は、水素製造装置１００と、発電装置６１０とを含む。
　発電システム６００の発電装置６１０は、燃料電池６１２を含む。燃料電池６１２は、燃料極と、空気極と、燃料極と空気極との間に設けられた電解質とを備える。燃料電池６１２の燃料極には、水素製造装置１００によって製造された水素が供給される。燃料電池６１２の空気極には、空気が供給される。燃料電池６１２は、水素と、空気に含まれる酸素とを反応させて電力を生成する。
　以上説明したように、本実施形態に係る発電システム６００は、水素製造装置１００によって製造された水素を用いて発電する。これにより、発電システム６００は、低コストで発電することができる。
［製鉄システム７００］
　図６は、本実施形態に係る製鉄システム７００を説明する図である。図６に示すように、製鉄システム７００は、水素製造装置１００と、製鉄装置７１０とを含む。本実施形態において、水素製造装置１００は、鉄鉱石を触媒として用いる。
　製鉄装置７１０は、直接還元炉７１２と、電炉７１４とを含む。
　直接還元炉７１２には、水素製造装置１００によって製造された水素、および、鉄鉱石が供給される。直接還元炉７１２は、水素によって鉄鉱石を固体のまま還元する。
　電炉７１４は、直接還元炉７１２によって還元された鉄鉱石を溶融して精錬する。こうして、鉄（例えば、鋼鉄）が製造される。
　以上説明したように、本実施形態に係る製鉄システム７００は、水素製造装置１００によって製造された水素を用いて鉄を製造する。これにより、製鉄システム７００は、二酸化炭素（ＣＯ２）排出量を削減して、鉄を製造することができる。
［製鉄システム７５０］
　図７は、本実施形態に係る他の製鉄システム７５０を説明する図である。図７に示すように、本実施形態に係る製鉄システム７５０は、水素製造装置１００と、製鉄装置７６０とを含む。本実施形態において、水素製造装置１００は、鉄鉱石を触媒として用いる。
　製鉄システム７５０の製鉄装置７６０は、高炉７６２と、転炉７６４とを含む。高炉７６２には、水素製造装置１００によって製造された水素と、鉄鉱石と、コークスとが供給される。高炉７６２は、鉄鉱石を溶融しつつ還元して、銑鉄を生成する。転炉７６４は、銑鉄を鋼に転換する。こうして、鉄（例えば、鋼）が製造される。
　以上説明したように、本実施形態に係る製鉄システム７５０は、水素製造装置１００によって製造された水素を用いて鉄を製造する。これにより、製鉄システム７５０は、二酸化炭素排出量を削減して、鉄を製造することができる。
　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、上述した実施形態および変形例において、加熱部１２０が上部１１２内に設けられる場合を例に挙げた。しかし、加熱部１２０は、収容槽１１０、２１０内における第１散気管１３０の上方に設けられれば、設置位置に限定はない。
　同様に、上述した実施形態および変形例において、第１散気管１３０が上部１１２内に設けられる場合を例に挙げた。しかし、第１散気管１３０は、収容槽１１０、２１０内における加熱部１２０と第２散気管１４０との間に設けられれば、設置位置に限定はない。
　同様に、上述した実施形態および変形例において、第２散気管１４０が下部１１４内に設けられる場合を例に挙げた。しかし、第２散気管１４０は、収容槽１１０、２１０内における第１散気管１３０の下方に設けられれば、設置位置に限定はない。
　同様に、上記実施形態および変形例において、供給口１１６ａが蓋部１１６に形成される場合を例に挙げた。しかし、供給口１１６ａは、収容槽１１０における加熱部１２０の上方に形成されればよい。
　同様に、上記実施形態および変形例において、排出口１１４ａが下部１１４に形成される場合を例に挙げた。しかし、排出口１１４ａは、収容槽１１０における第２散気管１４０の下方に形成されればよい。
　いずれにせよ、供給口１１６ａ、加熱部１２０、第１散気管１３０、第２散気管１４０、排出口１１４ａが、上方から下方に亘ってこの順で設けられていればよい。
　また、上記実施形態および変形例において、複数の第１散気管１３０が、水平方向に並列して設けられる構成を例に挙げた。しかし、複数の第１散気管１３０の設置態様に限定はない。図８は、第１散気管１３０の設置態様の他の例を説明する図である。図８に示すように、例えば、水素製造装置１００、２００は、水平方向に並列して設けられる第１の第１散気管１３０Ａと、中心軸方向が第１の第１散気管１３０Ａと交差（例えば、直交）して、水平方向に並列して設けられる第２の第１散気管１３０Ｂとを備えてもよい。
　同様に、上記実施形態および変形例において、複数の第２散気管１４０が、水平方向に並列して設けられる構成を例に挙げた。しかし、複数の第２散気管１４０の設置態様に限定はない。例えば、水素製造装置１００、２００は、水平方向に並列して設けられる第１の第２散気管１４０と、中心軸方向が第１の第２散気管１４０と交差（例えば、直交）して、水平方向に並列して設けられる第２の第２散気管１４０とを備えてもよい。
　同様に、上記実施形態および変形例において、加熱部１２０を構成する複数の加熱部材１２２が、水平方向に並列して設けられる構成を例に挙げた。しかし、複数の加熱部材１２２の設置態様に限定はない。例えば、加熱部１２０は、水平方向に並列して設けられる第１の加熱部材１２２と、中心軸方向が第１の加熱部材１２２と交差（例えば、直交）して、水平方向に並列して設けられる第２の加熱部材１２２とを備えてもよい。
　また、上記実施形態および変形例において、原料ガス供給部１７０によって第１散気管１３０に供給される原料ガスの流量が、第２散気管１４０に供給される原料ガスの流量よりも大きい場合を例に挙げた。しかし、第１散気管１３０に供給される原料ガスの流量は、第２散気管１４０に供給される原料ガスの流量と等しくてもよいし、小さくてもよい。
　また、上記実施形態および変形例において、第１散気管１３０から散気される原料ガス、および、第２散気管１４０から散気される原料ガスの合計の空塔速度比Ｕ０／Ｕｍｆは、１．１以上２．０以下である場合を例に挙げた。しかし、第１散気管１３０から散気される原料ガス、および、第２散気管１４０から散気される原料ガスの合計の空塔速度比Ｕ０／Ｕｍｆは、１．０以上であればよく、２．０超であってもよい。
　また、上記実施形態および変形例において、収容槽１１０、２１０は、上部１１２および下部１１４を有する場合を例に挙げた。しかし、収容槽１１０、２１０の形状に限定はない。
　また、上記実施形態および変形例において、複数の加熱部材１２２が、鉛直方向の位置を異にして、２段設けられる場合を例に挙げた。しかし、複数の加熱部材１２２は、１段であってもよいし、鉛直方向の位置を異にして、３段以上設けられてもよい。複数の加熱部材１２２は、流動層ＦＢの層高に応じた段数で設けられればよい。
　また、上記実施形態および変形例において、収容槽１１０の上部１１２の内部空間の水平断面積が、上方から下方に亘って略一定である場合を例に挙げた。しかし、収容槽１１０の内部空間の形状に限定はない。
　図９は、収容槽３１０の形状の他の例を説明する第１の図である。図９に示すように、収容槽３１０の上部３１２は、小径部３１２ａと、大径部３１２ｂと、拡径部３１２ｃとを含む。小径部３１２ａは、下部１１４の上端に連続する。小径部３１２ａの内部空間の水平断面積は、上方から下方に亘って略一定である。加熱部１２０および第１散気管１３０は、小径部３１２ａ内に設けられる。このため、小径部３１２ａにおいて流動層ＦＢが形成される。
　大径部３１２ｂは、小径部３１２ａの上方に設けられる。大径部３１２ｂの上端は、蓋部１１６に連続する。大径部３１２ｂの内部空間の水平断面積は、上方から下方に亘って略一定である。大径部３１２ｂの内部空間の水平断面積は、小径部３１２ａよりも大きい。拡径部３１２ｃは、小径部３１２ａの上端と大径部３１２ｂの下端とに連続する。拡径部３１２ｃの内部空間の水平断面積は、下方から上方に向かうに従って漸増する。上部３１２が、小径部３１２ａ、大径部３１２ｂ、および、拡径部３１２ｃを含むことにより、排気口１１６ｂに向かう上昇気流の流速を低減することができ、触媒の飛散を抑制することが可能となる。
　図１０は、収容槽４１０の形状の他の例を説明する第２の図である。図１０に示すように、収容槽４１０の上部４１２は、大径部４１２ａと、小径部４１２ｂと、大径部４１２ｃと、縮径部４１２ｄと、拡径部４１２ｅとを含む。大径部４１２ａは、下部１１４の上端に連続する。大径部４１２ａの内部空間の水平断面積は、上方から下方に亘って略一定である。加熱部１２０および第１散気管１３０は、大径部４１２ａ内に設けられる。このため、大径部４１２ａにおいて流動層ＦＢが形成される。
　小径部４１２ｂは、大径部４１２ａの上方に設けられる。小径部４１２ｂの内部空間の水平断面積は、大径部４１２ａよりも小さい。縮径部４１２ｄは、大径部４１２ａの上端と小径部４１２ｂの下端とに連続する。縮径部４１２ｄの内部空間の水平断面積は、下方から上方に向かうに従って漸減する。
　大径部４１２ｃは、小径部４１２ｂの上方に設けられる。大径部４１２ｃの上端は、蓋部１１６に連続する。大径部４１２ｃの内部空間の水平断面積は、小径部４１２ｂよりも大きい。拡径部４１２ｅは、小径部４１２ｂの上端と大径部４１２ｃの下端とに連続する。拡径部４１２ｅの内部空間の水平断面積は、下方から上方に向かうに従って漸増する。上部４１２が、大径部４１２ａ、小径部４１２ｂ、大径部４１２ｃ、縮径部４１２ｄ、および、拡径部４１２ｅを含むことにより、水平方向において散気流量に差をつけ、例えば、中央部分の散気流量を小さくし、中央部分の外周部分の散気流量を大きくすることで、触媒を中央に集約することができる。
　また、上記発電システム５００、５５０、６００は、水素製造装置１００に代えて、水素製造装置２００を備えてもよい。同様に、上記製鉄システム７００、７５０は、水素製造装置１００に代えて、水素製造装置２００を備えてもよい。
　また、水素製造装置１００、２００によって製造された水素は、ガスパイプラインに供給されてもよい。
　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。
ＦＢ：流動層　ＭＢ：移動層　１００：水素製造装置　１１０：収容槽　１１２：上部　１１４：下部　１１４ａ：排出口　１１６ａ：供給口　１２０：加熱部　１３０：第１散気管　１４０：第２散気管　１５０：触媒供給部　１６０：触媒排出部　１７０：原料ガス供給部　２００：水素製造装置　２１０：収容槽　３１０：収容槽　３１２：上部　４１０：収容槽　４１２：上部　５００：発電システム　５１０：発電装置　５５０：発電システム　５６０：発電装置　６００：発電システム　６１０：発電装置　７００：製鉄システム　７１０：製鉄装置　７５０：製鉄システム　７６０：製鉄装置

Claims (8)

  1. 　収容槽と、
    　前記収容槽内に設けられる加熱部と、
    　前記収容槽内における前記加熱部の下方に設けられる第１散気管と、
    　前記収容槽内における前記第１散気管の下方に設けられる第２散気管と、
    　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を、前記収容槽における前記加熱部の上方に形成された供給口から供給する触媒供給部と、
    　前記収容槽における前記第２散気管の下方に形成された排出口から前記触媒を排出する触媒排出部と、
    　炭化水素を少なくとも含む原料ガスを、前記第１散気管および前記第２散気管に供給する原料ガス供給部と、
    を備える、水素製造装置。
  2. 　前記原料ガス供給部によって前記第１散気管に供給される前記原料ガスの流量は、前記第２散気管に供給される前記原料ガスの流量よりも大きい、請求項１に記載の水素製造装置。
  3. 　前記第１散気管から散気される前記原料ガス、および、前記第２散気管から散気される前記原料ガスの合計の空塔速度比Ｕ０／Ｕｍｆは、１．１以上２．０以下である、請求項１に記載の水素製造装置。
  4. 　前記収容槽内において、
    　前記第１散気管の上方に前記触媒の流動層が形成され、
    　前記第１散気管の下方に前記触媒の移動層が形成される、請求項１に記載の水素製造装置。
  5. 　前記収容槽は、
    　筒形状の上部と、
    　前記上部の下方に設けられ、内部空間の水平断面積が上方から下方に向かうに従って漸減する下部と、
    を有し、
    　前記加熱部は、前記上部内に設けられ、
    　前記第２散気管は、前記下部内に設けられる、請求項１に記載の水素製造装置。
  6. 　前記収容槽は、１の前記上部と、複数の前記下部とを有する、請求項５に記載の水素製造装置。
  7. 　収容槽と、前記収容槽内に設けられる加熱部と、前記収容槽内における前記加熱部の下方に設けられる第１散気管と、前記収容槽内における前記第１散気管の下方に設けられる第２散気管と、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を、前記収容槽における前記加熱部の上方に形成された供給口から供給する触媒供給部と、前記収容槽における前記第２散気管の下方に形成された排出口から前記触媒を排出する触媒排出部と、炭化水素を少なくとも含む原料ガスを、前記第１散気管および前記第２散気管に供給する原料ガス供給部と、を有する、水素製造装置と、
    　前記水素製造装置によって製造された水素を用いて発電する発電装置と、
    を備える、発電システム。
  8. 　収容槽と、前記収容槽内に設けられる加熱部と、前記収容槽内における前記加熱部の下方に設けられる第１散気管と、前記収容槽内における前記第１散気管の下方に設けられる第２散気管と、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を、前記収容槽における前記加熱部の上方に形成された供給口から供給する触媒供給部と、前記収容槽における前記第２散気管の下方に形成された排出口から前記触媒を排出する触媒排出部と、炭化水素を少なくとも含む原料ガスを、前記第１散気管および前記第２散気管に供給する原料ガス供給部と、を有する、水素製造装置と、
    　前記水素製造装置によって製造された水素を用いて鉄を製造する製鉄装置と、
    を備える、製鉄システム。
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