(57)【要約】【課題】設備の簡素化を図ることができるとともに、エネルギー利用効率のさらなる向上を図ることのできる水素製造装置および水素製造方法を提供する。【解決手段】水素製造部１０２の改質器１０３は、反応管１１１と、この反応管１１１を包含するシェル１１２と、このシェル１１２内の空間部に貯留された熱媒体油１１３とを具備している。この熱媒体油１１３中にヒートパイプ１１４の伝熱部１１０を浸漬し、ヒートパイプ１１４の受熱部１０９を製鉄プラントの燃焼排ガス流路に設置して、製鉄プラント等の燃焼排ガスの熱エネルギーを利用して熱媒体油１１３を加熱することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと原料水蒸気とを含む混合蒸気を触媒の存在下で加熱し水素を含む生成ガスを発生させるための複数の反応管と、
前記反応管を包含し、前記反応管の外表面の少なくとも一部と接液して前記反応管を加熱する熱媒体油を収容するためのシェルとを備えた改質器を有する水素製造装置において、
内部に熱輸送媒体が充填され、受熱部で得られた熱エネルギーを前記熱輸送媒体により伝熱部に輸送するヒートパイプであって、前記受熱部が燃焼排ガス発生プラントに配置され、前記伝熱部が前記熱媒体油中に浸漬され、前記燃焼排ガス発生プラントの燃焼排ガス流路の燃焼排ガスまたは前記燃焼排ガス発生プラントの燃焼排ガス回収利用系の燃焼排ガスの有する熱エネルギーで前記熱媒体油を加熱するためのヒートパイプを具備したことを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
請求項１記載の水素製造装置において、
前記燃焼排ガス発生プラントが、製鉄プラント、または火力発電プラント、またはごみ焼却プラントであることを特徴とする水素製造装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の水素製造装置において、
前記ヒートパイプは、前記伝熱部が前記反応管の配列の間に設置された第１ヒートパイプと、前記伝熱部が前記シェル内の、前記第１ヒートパイプより下方に配置された第２ヒートパイプとからなることを特徴とする水素製造装置。
【請求項４】
請求項３記載の水素製造装置において、
前記反応管と前記第１ヒートパイプとを接続するようにした伝熱促進のためのプレートフィンを設けたことを特徴とする水素製造装置。
【請求項５】
請求項４記載の水素製造装置において、
前記プレートフィンに、前記熱媒体油の対流促進用の流路孔または切り欠き流路を設けたことを特徴とする水素製造装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項記載の水素製造装置において、
前記反応管を、外管と前記外管内に同軸上に設けられた内管とが底部で連通された構成の二重管とし、前記外管と前記内管との間に形成された環状隙間に前記触媒を充填するとともに、前記環状隙間に充填された前記触媒の下方に前記生成ガスを再加熱するための触媒非充填部を設けたことを特徴とする水素製造装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項記載の水素製造装置において、
燃料をガス化して前記燃料ガスを生成させ予熱するための予熱器と、原料水を加熱して前記原料水蒸気を発生するための原料水蒸発器と、前記燃料ガスと前記原料水蒸気とを混合するための混合部とを備えた原料供給系と、
原料供給系用熱媒体油を貯留し、前記原料供給系用熱媒体油中に前記予熱器と前記原料水蒸発器と前記混合部とを浸漬するための原料供給系用の熱媒体油貯槽タンクと、
内部に熱輸送媒体が充填され、受熱部で得られた熱エネルギーを前記熱輸送媒体により伝熱部に輸送する原料供給系用ヒートパイプであって、前記受熱部が前記燃焼排ガス発生プラントに配置され、前記伝熱部が前記熱媒体油貯槽タンク中の前記原料供給系用熱媒体油に浸漬され、前記燃焼排ガス発生プラントの前記燃焼排ガス流路の燃焼排ガスまたは前記燃焼排ガス発生プラントの燃焼排ガス回収利用系の燃焼排ガスの有する熱エネルギーで前記原料供給系用熱媒体油を加熱するための原料供給系用ヒートパイプと
を具備することを特徴とする水素製造装置。
【請求項８】
燃料ガスと原料水蒸気とを含む混合蒸気を触媒の存在下で加熱し水素を含む生成ガスを発生させるための複数の反応管と、
前記反応管を包含し、前記反応管の外表面の少なくとも一部と接液して前記反応管を加熱する熱媒体油を収容するためのシェルとを備えた改質器を有する水素製造装置を用いた水素製造方法において、
内部に熱輸送媒体が充填され、受熱部で得られた熱エネルギーを前記熱輸送媒体により伝熱部に輸送するヒートパイプの前記受熱部を燃焼排ガス発生プラントに配置し、前記伝熱部を前記熱媒体油中に浸漬し、前記燃焼排ガス発生プラントの燃焼排ガス流路の燃焼排ガスまたは前記燃焼排ガス発生プラントの燃焼排ガス回収利用系の燃焼排ガスの有する熱エネルギーで前記熱媒体油を加熱することを特徴とする水素製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素製造装置および水素製造方法に関し、特に、ヒートパイプを用いて燃焼排ガス発生プラントの燃焼排ガス流路の燃焼排ガスまたは燃焼排ガス発生プラントの燃焼排ガス回収利用系の燃焼排ガスの有する熱エネルギーを利用する水素製造装置および水素製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の電力産業分野では、化石燃料枯渇に対応する省エネルギー化、二酸化炭素（ＣＯ２）や窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度増加に伴う環境保全などから燃料の多様化が研究開発されており、その一つに水素ガス利用技術がある。この水素ガスの利用技術には、例えば、燃料電池発電システムや水素燃焼発電プラントがある。前者は、水素などの燃料と酸素に代表される酸化剤との電気化学反応で直接電気エネルギーを発生させるものである（例えば、特許文献１参照）。また、後者は、高圧の水素ガスと純酸素ガスを燃焼させ高温の水蒸気を発生させ、発生した高温の水蒸気をタービンで膨張仕事をさせ、その際に発生する動力で発電機を駆動して発電を行うものである（例えば、特許文献２参照）。前者、後者ともに窒素酸化物、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、二酸化炭素などの環境汚染物質や温暖化効果ガスを発生させない極めてクリーンなエネルギーを利用する点で、２１世紀の新エネルギー推進政策の一環として研究開発の成果が注目されている。
【０００３】
ところで、燃料電池発電プラントや水素燃焼発電プラントに燃料として供給される水素は、水の電気分解により製造することが提案されている。この水の電気分解による水素製造では、必要なコストの大半が電力である。現在の原子力発電プラントや火力発電プラントでは、熱に交換される核分裂エネルギーや石油、天然ガスなどの燃料エネルギーの約５０％程度しか電力に変換されていない。特に、原子力発電プラントでの熱利用効率は３０数％である。このため水の電気分解による水素製造では、エネルギーの利用効率が極めて悪く、コスト高につながる不具合、不都合があった。一方、メタノールやジメチルエーテルなどの含酸素炭化水素は、低温で水蒸気改質ができるため、水素製造の際、コスト的に有利である。また、メタノール、ジメチルエーテル、エタノールなどは、中小ガス田や炭酸ガス、二酸化炭素含有量の多いガス田のメタンから製造されるため、その量が比較的多い。このような点に着目して提案された技術がある。
【０００４】
この技術は、メタノールと水の混合蒸気を触媒の存在下で熱媒体油により加熱しながら反応を行うメタノール改質反応装置に関するものである。かかる技術は、小型の改質装置に着目したもので、Ｕ字型の反応管を設置して、熱媒体油を胴側の上部に供給して下部より抜き出して外部の加熱器で加熱された熱媒体油をポンプで循環させながら反応管を加熱する技術である。また別の技術は、原料蒸発器、改質反応器、電熱加熱器、触媒燃焼器および撹拌器を同一の熱媒体油槽に入れ、撹拌器で撹拌しながら加熱する技術である（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
一方では、製鉄所におけるエネルギー回収手段がある。この技術は製鉄所の還元炉などから排出されるガスのエネルギー回収技術に係わるもので、排出ガスを燃焼させて高温ガスを発生させ、その高温ガスでガスタービンを駆動して発電する技術である（例えば、特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−１４００６５号公報
【特許文献２】特開平１１−３６８２０号公報
【特許文献３】特許第２８１７２３６号公報
【特許文献４】特開平４−３１１６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した従来の技術には、次の課題が存在する。すなわち、水素製造装置において、熱媒体油の加熱装置および循環ポンプ、配管などが改質器の外部に必要で設備の増大化、設置スペースの増加につながる恐れがある。さらに、熱媒体油用の循環ポンプや配管を省略する場合においても、加熱器、触媒燃焼器などの加熱装置および撹拌器などの循環装置が必要である。一方で、製鉄所等における排ガスエネルギーのさらなる有効利用を行えば、エネルギー利用効率が向上して環境負荷の低減につながるため、このような排ガスエネルギーのさらなる有効利用を図ることのできる技術の開発が望まれている。
【０００８】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、設備の簡素化を図ることができるとともに、エネルギー利用効率のさらなる向上を図ることのできる水素製造装置および水素製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の水素製造装置の一態様は、燃料ガスと原料水蒸気とを含む混合蒸気を触媒の存在下で加熱し水素を含む生成ガスを発生させるための複数の反応管と、前記反応管を包含し、前記反応管の外表面の少なくとも一部と接液して前記反応管を加熱する熱媒体油を収容するためのシェルとを備えた改質器を有する水素製造装置において、内部に熱輸送媒体が充填され、受熱部で得られた熱エネルギーを前記熱輸送媒体により伝熱部に輸送するヒートパイプであって、前記受熱部が燃焼排ガス発生プラントに配置され、前記伝熱部が前記熱媒体油中に浸漬され、前記燃焼排ガス発生プラントの燃焼排ガス流路の燃焼排ガスまたは前記燃焼排ガス発生プラントの燃焼排ガス回収利用系の燃焼排ガスの有する熱エネルギーで前記熱媒体油を加熱するためのヒートパイプを具備したことを特徴とする。
【００１０】
本発明の水素製造方法の一態様は、燃料ガスと原料水蒸気とを含む混合蒸気を触媒の存在下で加熱し水素を含む生成ガスを発生させるための複数の反応管と、前記反応管を包含し、前記反応管の外表面の少なくとも一部と接液して前記反応管を加熱する熱媒体油を収容するためのシェルとを備えた改質器を有する水素製造装置を用いた水素製造方法において、内部に熱輸送媒体が充填され、受熱部で得られた熱エネルギーを前記熱輸送媒体により伝熱部に輸送するヒートパイプの前記受熱部を燃焼排ガス発生プラントに配置し、前記伝熱部を前記熱媒体油中に浸漬し、前記燃焼排ガス発生プラントの燃焼排ガス流路の燃焼排ガスまたは前記燃焼排ガス発生プラントの燃焼排ガス回収利用系の燃焼排ガスの有する熱エネルギーで前記熱媒体油を加熱することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、設備の簡素化を図ることができるとともに、エネルギー利用効率のさらなる向上を図ることのできる水素製造装置および水素製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態の水素製造装置の概略系統と改質器概略構造を示す図。
【図２】本発明の第２実施形態の水素製造装置の概略系統と改質器概略構造を示す図。
【図３】本発明の第２実施形態の改質器概略構造を示す図。
【図４】本発明の第２実施形態の改質器を部分拡大して示す図。
【図５】本発明の第２実施形態の改質器を部分拡大して示す図。
【図６】本発明の第３実施形態の水素製造装置の概略系統と改質器概略構造を示す図。
【図７】本発明の第４実施形態の水素製造装置の概略系統と改質器概略構造を示す図。
【図８】本発明の第４実施形態の水素製造装置の概略系統と改質器概略構造を示す図。
【図９】本発明の第４実施形態の改質器を部分拡大して示す図。
【図１０】本発明の第４実施形態の改質器を部分拡大して示す図。
【図１１】本発明の第５実施形態の水素製造装置の概略系統と改質器概略構造を示す図。
【図１２】本発明の第６実施形態の水素製造装置の概略系統と改質器概略構造を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る水素製造装置および水素製造方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
本発明に係る水素製造装置の第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態の水素製造装置の概略系統と改質器概略構造を示す図である。
【００１４】
図１に示されるように、本第１実施形態の水素製造装置は、製鉄プラント（燃焼排ガス発生プラント）の製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１に水素製造部１０２を接続し、製鉄プラントの燃焼排ガスの熱エネルギーを利用し、水素製造部１０２において燃料を水蒸気改質させて水素を生成する構成になっている。この製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１には、排ガスでガスタービンを駆動して発電する施設などがある（例えば、特許文献４参照）。ここでは、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１と水素製造部１０２をヒートパイプ１１４で接続して、製鉄排ガスの熱を水素製造部１０２側に熱輸送して利用するものである。
【００１５】
水素製造部１０２は、図１に示されるように、改質器１０３と、水蒸気との反応により水素ガスと二酸化炭素が生成する燃料と原料水から得られた混合蒸気を供給する原料供給系１０４と、生成ガス回収系１０５とを具備している。この原料供給系１０４は、例えば、エタノール、ジメチルエーテルなどの燃料を収容する燃料タンクや燃料をガス化してかつ予熱する予熱器などを備えた燃料供給装置１０６と、原料水タンク、給水ポンプ、原料水蒸発器などを備え、原料水を蒸気にして供給する原料水蒸気供給装置１０７と、生成された燃料ガスと原料水蒸気を混合するための混合部１０８などを有する。生成ガス回収系１０５の詳細は図示しないが、混合蒸気が改質され生成された水素や二酸化炭素、ほかの生成ガスを分離回収し、水素ガスを精製する装置などで構成されている。さらに、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１側にヒートパイプ１１４の受熱部１０９が配置され、改質器１０３側にヒートパイプ１１４の伝熱部１１０が配置されている。
【００１６】
さらに改質器１０３は、図１に示されるように、複数の反応管１１１と、それを包含するシェル１１２と、シェル１１２内に貯留された熱媒体油１１３とを具備している。この反応管１１１内には、例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系などの触媒１１５が充填される。使用可能な熱媒体油１１３としては、例えば、バーレルサーム４００（商品名）などの高沸点高温用熱媒体油が挙げられる。バーレルサーム４００（商品名）は、３００℃以上の温度での使用が可能であり、その上、熱伝導性もよく、比熱が大きくて温度の変動が緩やかである。このため、バーレルサーム４００（商品名）を用いれば、効率よく安定した加熱が可能である。ヒートパイプ１１４内には受熱部１０９で気化し、伝熱部１１０の温度で凝縮する熱輸送媒体が充填されている。使用可能な熱輸送媒体としては、例えば、高圧に加圧された水または高沸点の液体が挙げられる。さらに、熱媒体油１１３を加熱するために、伝熱部１１０を熱媒体油１１３中に浸漬する構成となっている。
【００１７】
このように構成された第１実施形態において、ヒートパイプ１１４内では、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１で加熱された受熱部１０９内の熱輸送媒体が気化膨張して受熱部１０９内の圧力が上昇する。これによって受熱部１０９内に駆動力が生じ、熱輸送媒体が伝熱部１１０側に移動して熱が輸送される。この伝熱部１１０側では、熱輸送媒体が、シェル１１２内に貯留された熱媒体油１１３を加熱した後に凝縮するため、圧力が下がる。この凝縮した熱輸送媒体は、受熱部１０９へ移動する。このように、ヒートパイプの原理に基づき自然循環によって、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１の熱を改質器１０３に伝達することができる。一方、原料供給系１０４の燃料供給装置１０６からは、燃料、例えば、エタノール、ジメチルエーテルなどの含酸素炭化水素がガス化されて供給される。また、原料供給系１０４の原料水蒸気供給装置１０７で、原料水タンクから供給された原料水は蒸気化される。エタノールまたはジメチルエーテルなどの燃料ガスと原料水蒸気は、混合部１０８で混合されて混合蒸気となる。この混合蒸気は、改質器１０３の反応管１１１内に供給される。この供給された混合蒸気が、反応管１１１内の触媒１１５の充填層の空隙部を通過する際に水素生成反応が生じ水素ガスが生成される。例えば、燃料がジメチルエーテルの場合は、次の（１）式のように、水蒸気との水素生成反応により水素ガスが生成する。
ＣＨ３ＯＣＨ３＋３Ｈ２Ｏ→６Ｈ２＋２ＣＯ２・・・・・・・・・（１）
【００１８】
このようにして生成されたガスは、水素ガスの他、二酸化炭素やほかの生成ガスを含んでいる。このため、生成ガス回収系１０５で生成されたガスから水素ガスが分離され精製されて回収される。上記（１）式に示される反応は吸熱反応であるため、水素生成反応を継続するには所定の熱量を与え続ける必要がある。このため、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１の熱エネルギーをヒートパイプ１１４で輸送し、熱媒体油１１３に熱を伝達する。熱を伝達された熱媒体油１１３から熱を受けて反応管１１１内の触媒１１５および混合蒸気が加熱されるようになっている。
【００１９】
また、図１に示される改質器１０３の外部系統には、実際は流量調節用または閉止用などの弁が付設されるが図示は省略する。
【００２０】
多くの製鉄所にはエネルギー回収装置が備え付けられており、製鉄プラントで発生した排ガスの熱エネルギーが有効に利用されている。さらに、水素製造部１０２で排ガスの熱エネルギーを利用することにより、よりエネルギーの有効利用が可能になる。本第１実施形態によれば、製鉄プラントから発生した排ガスの熱エネルギーを水素製造部１０２の改質器１０３で活用できるため、水素製造に必要なエネルギーの大半を製鉄プラントから発生した排ガスの有する熱エネルギーによって賄うことができる。その上、熱輸送手段としてヒートパイプ１１４を利用しているため、循環ポンプなどの余分な輸送機器、輸送電力が不要であり、エネルギー効率がより一層向上した水素製造装置を提供することができる。さらに、熱媒体油１１３を使用しているため、効率よく安定した加熱ができる。
【００２１】
また、本第１実施形態では水素製造のために利用する熱エネルギー源を製鉄プラントの製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１の燃焼排ガスの熱としているが、火力発電プラントの燃焼排ガスまたはごみ焼却燃プラントの焼排ガスなどの熱エネルギーを利用することも可能であり、同様な効果が得られる。
【００２２】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る水素製造装置の第２実施形態について説明する。図２は、本発明の第２実施形態の水素製造装置の概略系統と改質器概略構造を示す図であり、図３は、本発明の第２実施形態の改質器概略構造を示す図であり、図４〜５は、それぞれ本発明の第２実施形態の改質器を部分拡大して示す図である。なお、前述した第１実施形態と対応する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００２３】
本発明の第２実施形態は、前述した第１実施形態の構成の内、改質器１０３の構成の変形例に関するものである。本第２実施形態について図２を用いて説明する。すなわち本第２実施形態の水素製造装置に用いられる改質器２０３は、図２に示されるように、複数の反応管２１１と、それを包含するシェル２１２と、シェル２１２内に貯留された熱媒体油１１３とを具備している。この反応管２１１内には、例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系などの触媒２１５が充填される。また使用可能な熱媒体油１１３としては、例えば、バーレルサーム４００（商品名）などの高沸点高温用熱媒体油が挙げられる。さらに、熱媒体油１１３を加熱するために、ヒートパイプ２１４の伝熱部２１０Ａ，２１０Ｂが熱媒体油１１３中に浸漬されている。一方、ヒートパイプ２１４の受熱部２０９は、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１側に配設されており、受熱部２０９と伝熱部２１０Ａ，２１０Ｂを有するヒートパイプ２１４によって、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１の熱エネルギーを改質器１０３に伝えるようになっている。このヒートパイプ２１４内には、受熱部２０９で気化し伝熱部２１０Ａ，２１０Ｂの温度で凝縮する熱輸送媒体が充填されている。なお、伝熱部２１０Ｂは熱媒体油１１３の下部に配置され、一方、伝熱部２１０Ａは反応管２１１の配列の間に配置されている。
【００２４】
このように構成された第２実施形態において、ヒートパイプ２１４内では、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１で加熱された受熱部２０９内の熱輸送媒体が気化膨張して受熱部２０９内の圧力が上昇する。これによって受熱部２０９内に駆動力が生じ、熱輸送媒体が伝熱部２１０Ａ側に移動して熱が輸送される。この伝熱部２１０Ａ側では、気化した熱輸送媒体が、シェル２１２内に貯留された熱媒体油１１３を加熱した後に凝縮するため、圧力が下がる。この凝縮した熱輸送媒体は、受熱部２０９へ移動する。このように、ヒートパイプの原理で自然循環によって製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１の熱を改質器２０３に伝達することができる。さらに、熱媒体油１１３の下部に配置された伝熱部２１０Ｂにも受熱部２０９から加熱された熱輸送媒体が流れて、熱媒体油１１３の下部が加熱される。一方、原料供給系１０４からエタノールまたはジメチルエーテルなどの燃料ガスと原料水蒸気の混合蒸気が、改質器２０３内の反応管２１１に供給される。この混合蒸気が反応管２１１内の触媒２１５の充填層の空隙部を通過する際に、水素生成反応が生じ水素ガスが生成される。例えば、燃料がジメチルエーテルの場合は、次の（１）式のように、水蒸気との水素生成反応により水素ガスが生成する。
ＣＨ３ＯＣＨ３＋３Ｈ２Ｏ→６Ｈ２＋２ＣＯ２・・・・・・・・・（１）
【００２５】
このようにして生成されたガスが、水素ガスの他、二酸化炭素やほかの生成ガスを含んでいる。このため、生成ガス回収系１０５で生成されたガスから水素ガスが分離され精製されて回収される。上記（１）式に示される反応は吸熱反応であり、水素の生成反応を継続するためには所定の熱量を与え続ける必要がある。このため、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１の熱エネルギーをヒートパイプ２１４で輸送し、熱媒体油１１３に熱を伝達する。そして、熱が伝達された熱媒体油１１３から熱を受けて反応管２１１内の触媒２１５および混合蒸気が加熱されるようになっている。一方で、この触媒２１５および混合蒸気との熱交換によって熱媒体油１１３の下部の温度が低くなり温度が低い成層ができた場合には、水素生成の反応効率が低下する恐れがある。そこで、熱媒体油１１３の下部に伝熱部２１０Ｂを設け、この伝熱部２１０Ｂと熱媒体油１１３との熱交換によって熱媒体油１１３の下部を加熱する。この加熱によって、熱媒体油１１３の下部の温度が上昇して、熱媒体油１１３の比重が軽くなり、自然対流が発生して温度の均一性が保たれる。
【００２６】
また、図２に示される改質器２０３の外部系統には、実際は流量調節用または閉止用などの弁が付設されるが図示は省略する。
【００２７】
さらに、反応管２１１への伝熱性能を向上させるために、プレート状の伝熱フィンを付設した第２実施形態の変形例について図３を参照して説明する。図３は、図２に示された構成のうち改質器２０３のみを拡大したものであり、その他の構成は同一であるので重複した説明は省略する。図３に示される改質器３０３には、反応管２１１と伝熱部２１０Ａとを接続するように構成され、反応管２１１と伝熱部２１０Ａに共有されたプレートフィン３１６が設置されている。
【００２８】
このように構成された第２実施形態の変形例では、伝熱部２１０Ａと共有されるプレートフィン３１６が反応管２１１に設けられている。それにより、本第２実施形態に示された作用に加えて、伝熱面積の向上による伝熱向上と、伝熱部２１０Ａから反応管２１１への熱伝導による伝熱が行われるので伝熱性能が向上する。前述した構成に加えて、伝熱部２１０Ｂに別のプレートフィンを設けて、伝熱特性をよくすることも可能である。
【００２９】
さらに、プレートフィン３１６を設けたことにより、図２に示された熱媒体油１１３の自然対流が損なわれないように、図４に示されるように、流路孔３１７をプレートフィン３１６に設けた構成、または、図５に示されるように、切り欠き流路３１８をプレートフィン３１６に設けた構成とすることができる。また、図示しないが、仕切り板などを設けることにより、熱媒体油１１３の上昇流れと下降流れが干渉しないようにして、熱媒体油１１３の対流を促進することも可能である。
【００３０】
このような第２実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果に加えて、改質器２０３内の熱媒体油１１３の下部を加熱することができるとともに、自然循環による熱媒体油１１３の流れを促すことができる。また、加熱用の伝熱部２１０と反応管２１１に共有された伝熱促進用のプレートフィン３１６を設ければ、さらに伝熱性能のよい改質器２０３が得られ、水素生成効率の高い水素製造装置も提供できる。
【００３１】
また、本第２実施形態では水素製造のために利用する熱エネルギー源を製鉄プラントの製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１の燃焼排ガスの熱としているが、火力発電プラントの燃焼排ガスまたはごみ焼却プラントの燃焼排ガスなどの熱エネルギーを利用することも可能であり、同様な効果がある。
【００３２】
（第３実施形態）
次に、本発明に係る水素製造装置の第３実施形態ついて説明する。図６は、本発明の第３実施形態の水素製造装置の概略系統と改質器概略構造を示す図である。なお、前述した第１実施形態または第２実施形態と対応する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００３３】
本発明の第３実施形態は、前述した第１実施形態に示された改質器１０３の構成の変形例に関するものである。すなわち改質器４０３は、図６に示されるように、複数の反応管４１１と、これを包含するシェル４１２と、シェル４１２内に貯留された熱媒体油１１３とを具備している。使用可能な熱媒体油１１３としては、例えば、バーレルサーム４００（商品名）などの高沸点高温用熱媒体油が挙げられる。反応管４１１は、二重管構成のバイオネット型とされている。反応管４１１は、外管４１１Ａと内管４１１Ｂとを備えている。外管４１１Ａの下端部は閉止し、上端部は開口して管板４１９に固定されている。内管４１１Ｂは両端共に開口し、上端部は管板４２０に固定されている。シェル４１２は、管板４１９および管板４２０によって三つの部屋、すなわち部屋４１２Ａと部屋４１２Ｂと部屋４１２Ｃとに区切られている。部屋４１２Ａに熱媒体油１１３が貯留されており、この熱媒体油１１３中に伝熱部４１０が浸漬されている。部屋４１２Ｂには原料供給系１０４から供給された原料の混合蒸気が充填される。部屋４１２Ｂは、この混合蒸気を分岐して複数の反応管４１１に供給する混合蒸気用のマニホールドの機能を有する。部屋４１２Ｃも、水素生成反応により生成された水素ガスなどの生成ガスが、反応管４１１を構成する内管４１１Ｂのそれぞれを経由して集められる生成ガス用のマニホールドの機能を有する。部屋４１２Ｃに集められた生成ガスは、生成ガス回収系１０５へ導出され分離、精製される。さらに、反応管４１１の外管４１１Ａと内管４１１Ｂの間に形成された環状隙間に、例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系などの触媒４１５が充填される。触媒４１５の充填層は空隙部を有し、混合蒸気が流れるようになっている。触媒４１５の充填層より下に、例えば、メッシュなどの孔あき受け板４２１が設置されている。受け板４２１を設けることにより、反応管４１１の環状隙間の下部領域に触媒非充填部４１１Ｃが構成されている。さらに、熱媒体油１１３を加熱するために、ヒートパイプ４１４の伝熱部４１０が熱媒体油１１３中に浸漬されている。一方、ヒートパイプ４１４の受熱部４０９は、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１側に配設されており、受熱部４０９と伝熱部４１０を有するヒートパイプ４１４によって、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１の熱エネルギーを改質器４０
３に伝えるようになっている。このヒートパイプ４１４内には、受熱部４０９で気化し伝熱部４１０の温度で凝縮する熱輸送媒体が充填されている。
【００３４】
このようにして構成された第３実施形態において、ヒートパイプ４１４内では、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１で加熱された受熱部４０９内の熱輸送媒体が気化膨張して受熱部４０９内の圧力が上昇する。これによって受熱部４０９内に駆動力が生じ、熱輸送媒体が伝熱部４１０側に移動して熱が輸送される。この伝熱部４１０側では、この熱輸送媒体が、シェル４１２内に貯留された熱媒体油１１３を加熱した後に凝縮するため、圧力が下がる。この凝縮した熱輸送媒体は、受熱部４０９へ移動する。このようにヒートパイプの原理に基づき、自然循環によって、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１の熱を改質器４０３に伝達することができる。一方、原料供給系１０４から供給された燃料、例えば、エタノール、ジメチルエーテルなどの含酸素炭化水素ガスと原料水蒸気の混合蒸気が部屋４１２Ｂ内に供給され、複数の反応管４１１それぞれに分流される。そして、この混合蒸気が触媒４１５の充填層の空隙部を通過するときに熱媒体油１１３から熱を受け、例えば、燃料がジメチルエーテルの場合は、次の（１）式のように、水蒸気との水素生成反応により水素ガスが生成する。
ＣＨ３ＯＣＨ３＋３Ｈ２Ｏ→６Ｈ２＋２ＣＯ２・・・・・・・・・（１）
【００３５】
この水素生成反応によって生成された生成ガスは、反応管４１１の下部でＵターンし、内管４１１Ｂの中を流れて部屋４１２Ｃに集まり、生成ガス回収系１０５へ導出される。上記（１）式に示される反応は吸熱反応であり、触媒４１５の充填層は、反応に必要な熱量を熱媒体油１１３から受ける。さらに、反応管４１１の下部に反応を行わない触媒非充填部４１１Ｃが設けられており、この部分で生成ガスが再加熱される。この再加熱された生成ガスが内管４１１Ｂを流れるときに、内管４１１Ｂ側からも触媒４１５の充填層を加熱することができる。それにより、より多くの熱量を触媒４１５の充填層に与えることができる。このようにして生成されたガスは、水素ガスの他、二酸化炭素やほかの生成ガスを含んでいる。このため、生成ガス回収系１０５で生成ガスから水素ガスが分離され精製されて回収される。
【００３６】
また、図６に示される改質器４０３の外部系統には、実際は流量調節用または閉止用などの弁が付設されるが図示は省略する。
【００３７】
多くの製鉄所はエネルギー回収装置を備えており、製鉄プラントで発生した排ガスの熱エネルギーが有効に利用されている。さらに、水素製造部４０２で排ガスの熱エネルギーを利用することにより、よりエネルギーの有効利用が可能になる。本第３実施形態によれば、製鉄プラントから発生した排ガスの熱エネルギーを水素製造部４０２の改質器４０３で活用できるため、水素製造に必要なエネルギーの大半を製鉄プラントから発生した排ガスの有する熱エネルギーによって賄うことができる。その上、熱輸送手段としてヒートパイプ４１４を利用しているため、循環ポンプなどの余分な輸送機器、輸送電力が不要であり、エネルギー効率がより一層向上した水素製造装置を提供することができる。また、熱媒体油１１３を使用しているので、効率よく安定した加熱ができる。さらに、本第３実施形態によれば、熱媒体油１１３による触媒４１５の充填層の外側からの加熱と、触媒非充填部４１１Ｃで再加熱された生成ガスによる触媒４１５の充填層の内側からの加熱によって、改質器４０３の熱交換効率が向上し、効率の高い水素製造装置を提供することができる。
【００３８】
また、本第３実施形態では水素製造のために利用する熱エネルギー源を製鉄プラントの製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１の燃焼排ガスの熱としているが、火力発電プラントの燃焼排ガスまたはごみ焼却プラントの燃焼排ガスなどの熱エネルギーを利用することも可能であり、同様な効果がある。
【００３９】
（第４実施形態）
次に、本発明に係る水素製造装置の第４実施形態について説明する。図７〜８は、それぞれ本発明の第４実施形態の水素製造装置の概略系統と改質器概略構造を示す図であり、図９〜１０は、それぞれ本発明の第４実施形態の改質器を部分拡大して示す図である。なお、前述した第１実施形態または第３実施形態と対応する構成には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００４０】
本発明の第４実施形態は、前述した第３実施形態に示される改質器４０３の構成の変形例に関するものである。すなわち改質器５０３は、図７に示されるように、複数の反応管５１１と、これを包含するシェル５１２と、シェル５１２内に貯留された熱媒体油１１３とを具備している。反応管５１１は、二重管構成のバイオネット型とされている。反応管５１１は、外管５１１Ａと内管５１１Ｂで構成される。外管５１１Ａの下端部は閉止し、上端部は開口して管板５１９に固定され、他方、内管５１１Ｂは両端共に開口し、上端部は管板５２０に固定されている。シェル５１２は、管板５１９および管板５２０によって三つの部屋、すなわち部屋５１２Ａと部屋５１２Ｂと部屋５１２Ｃとに区切られている。部屋５１２Ａに熱媒体油１１３が貯留されており、熱媒体油１１３中にヒートパイプ５１４の伝熱部５１０Ａと伝熱部５１０Ｂが浸漬されている。部屋５１２Ｂには、原料供給系１０４から供給された原料の混合蒸気が充填される。部屋５１２Ｂは、この混合蒸気を分岐して複数の反応管５１１に供給する混合蒸気用のマニホールドとしての機能を有する。部屋５１２Ｃも、水素生成反応により生成された水素ガスなどの生成ガスが、反応管５１１を構成する内管５１１Ｂのそれぞれを経由して集められる生成ガス用のマニホールドとしての機能を有する。部屋５１２Ｃに集められた生成ガスは、生成ガス回収系１０５へ導出され、分離精製される。さらに、反応管５１１の外管５１１Ａと内管５１１Ｂとの間に形成された環状隙間には、例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系などの触媒５１５が充填される。触媒５１５の充填層は空隙部を有し、混合蒸気が流れるようになっている。反応管５１１の環状隙間の下部領域に触媒非充填部５１１Ｃを設けるために、触媒５１５の充填層より下に、例えば、メッシュなどの孔あき受け板５２１が設置されている。伝熱部５１０Ｂは熱媒体油１１３の下部に配置され、伝熱部５１０Ａは伝熱部５１０Ｂより上方の反応管５１１の配列の間に配置されているが、ヒートパイプ５１４の受熱部５０９は、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１側に配設されている。ヒートパイプ５１４内には、受熱部５０９で気化し伝熱部４１０Ａ，５１０Ｂの温度で凝縮する熱輸送媒体が充填されている。また使用可能な熱媒体油１１３としては、例えば、バーレルサーム４００（商品名）などの高沸点
高温用熱媒体油が挙げられる。
【００４１】
このように構成された第４実施形態において、ヒートパイプ５１４内では、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１で加熱された受熱部５０９内の熱輸送媒体が気化膨張して受熱部５０９内の圧力が上昇する。これによって受熱部５０９内に駆動力が生じ、熱輸送媒体が伝熱部５１０側に移動して熱が輸送される。この伝熱部５１０側では、この熱輸送媒体が、シェル５１２内に貯留された熱媒体油１１３を加熱した後に凝縮するため、圧力が下がる。この凝縮した熱輸送媒体は、受熱部５０９へ移動する。このようにヒートパイプの原理に基づき、自然循環によって、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１の熱を改質器５０３に伝達することができる。さらに、熱媒体油１１３の下部に配置された伝熱部５１０Ｂも熱媒体油１１３と熱交換し、熱媒体油１１３の下部を加熱することができる。一方、原料供給系１０４から供給された燃料、例えば、エタノール、ジメチルエーテルなどの含酸素炭化水素ガスと原料水蒸気の混合蒸気が部屋５１２Ｂ内に供給され、複数の反応管５１１それぞれに分流される。そして、この混合蒸気が触媒５１５の充填層の空隙部を通過するときに熱媒体油１１３から熱を受け、例えば、燃料がジメチルエーテルの場合は、次の（１）式のように、水蒸気との水素生成反応により水素ガスが生成する。
ＣＨ３ＯＣＨ３＋３Ｈ２Ｏ→６Ｈ２＋２ＣＯ２・・・・・・・・・（１）
【００４２】
この水素生成反応によって生成された生成ガスは、反応管５１１の下部でＵターンして内管５１１Ｂの中を流れ、部屋５１２Ｃに集まり、生成ガス回収系１０５へ導出される。上記（１）式に示される反応は吸熱反応であり、触媒５１５の充填層は、反応に必要な熱量を熱媒体油１１３から受ける。さらに、反応管５１１の下部に反応を行わない触媒非充填部５１１Ｃを設け、この部分で生成ガスが再加熱される。この再加熱された生成ガスが内管５１１Ｂを流れるときに、内管５１１Ｂ側からも触媒５１５の充填層を加熱することができる。それによって、より多くの熱量を触媒５１５の充填層に与えることができる。このようにして生成されたガスは、水素ガスの他、二酸化炭素やほかの生成ガスを含んでいる。このため、生成ガス回収系１０５で生成ガスから水素ガスが分離され精製されて回収される。一方、熱交換によって熱媒体油１１３の下部の温度が低くなり温度が低い成層ができた場合には、水素生成の反応効率が低下する恐れがある。このため、熱媒体油１１３の下部に伝熱部５１０Ｂが設けられている。このように熱媒体油１１３の下部を加熱することによってこの下部の温度が上昇し、熱媒体油１１３の比重が軽くなり、自然対流が発生して温度の均一性が保たれる。
【００４３】
また、図７に示される改質器５０３の外部系統には、実際は流量調節用または閉止用などの弁が付設されるが図示は省略する。
【００４４】
さらに、反応管５１１への伝熱性能を向上させるために、プレート状の伝熱フィンを付設した第４実施形態の変形例について図８を参照して説明する。図８は、図７に示された構成のうち改質器５０３を構成する反応管５１１と伝熱部５１０Ａに共有されたプレートフィン６１６を追加したものであり、その他の構成は同一であるので重複した説明は省略する。すなわち、本第４実施形態の変形例の改質器６０３には、図８に示される反応管５１１と伝熱部５１０Ａとを接続するように構成され、反応管５１１と伝熱部５１０Ａに共有されたプレートフィン６１６が設置されている。
【００４５】
このように構成された第４実施形態によれば、図７に示された構成に加えて、伝熱部５１０Ａと共有されるプレートフィン６１６を反応管５１１に設けたことにより、伝熱面積の向上による伝熱向上と、伝熱部５１０Ａから反応管５１１の熱伝導による伝熱が行われるので伝熱性能が向上する。前述した構成に加えて、伝熱部５１０Ｂに別のプレートフィンを設けて伝熱特性をよくすることも可能である。
【００４６】
さらに、プレートフィン６１６を設けたことにより、図８に示された熱媒体油１１３の自然対流が損なわれないように、図９に示されるように、流路孔６１７をプレートフィン６１６に設けた構成、または、図１０に示されるように、切り欠き流路６１８をプレートフィン６１６に設けた構成とすることができる。また、図示しないが、仕切り板などを設けることにより熱媒体油１１３の上昇流れと下降流れが干渉しないようにして、熱媒体油１１３の対流を促進することも可能である。
【００４７】
このような第４実施形態によれば、前述した第３実施形態の効果に加えて、改質器６０３内の熱媒体油１１３の下部を加熱することができるとともに、自然循環による熱媒体油１１３の流れを促すことができる。また、加熱用の伝熱部５１０と反応管５１１に共有された伝熱促進用のプレートフィン６１６を設ければ、さらに伝熱性能のよい改質器６０３が得られ、水素生成効率の高い水素製造装置を提供できる。
【００４８】
また、本第４実施形態では、水素製造のために利用する熱エネルギー源を製鉄プラントの製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１の燃焼排ガスの熱としているが、火力発電プラントの燃焼排ガスまたはごみ焼却プラントの燃焼排ガスなどの熱エネルギーを利用することも可能であり、同様な効果がある。
【００４９】
（第５実施形態）  
次に、本発明に係る水素製造装置の第５実施形態について説明する。図１１は、本発明の第５実施形態の水素製造装置の概略系統と改質器概略構造を示す図である。なお、前述した第１実施形態または第２実施形態と対応する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００５０】
本第５実施形態の水素製造装置は、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１に水素製造部７０２を接続し、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１の製鉄排ガス熱エネルギーを利用し、水素製造部７０２において燃料を水蒸気改質させて水素を生成する構成になっている。製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１には、排ガスでガスタービンを駆動して発電する施設などがある（例えば、特許文献４参照）。ここでは、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１と水素製造部７０２を、ヒートパイプ１１４および原料供給系用ヒートパイプ７１４で接続して、製鉄排ガスの熱を水素製造部７０２側に熱輸送して利用するものである。
【００５１】
水素製造部７０２は、図１１に示されるように、改質器１０３と、燃料と原料水から生成された混合蒸気を供給するための原料供給系７０４と、生成ガス回収系１０５とを具備している。原料供給系７０４は、例えば、エタノール、ジメチルエーテルなどの燃料を収容する燃料タンク７２２と、燃料をガス化して予熱する予熱器７２３と、原料水タンクや給水ポンプなどの原料水供給器７２４と、原料水を蒸気にして供給する原料水蒸発器７２５と、燃料ガスと原料水蒸気を混合するための混合部７２６と、原料供給系用熱媒体油７１３を貯留する原料供給系用の熱媒体油貯槽タンク７２７とを備えている。原料供給系用の熱媒体油貯槽タンク７２７には、予熱器７２３と原料水蒸発器７２５と混合部７２６が収納されており、これらが原料供給系用熱媒体油７１３中に浸漬されるようになっている。使用可能な原料供給系用熱媒体油７１３としては、例えば、バーレルサーム４００（商品名）などの高沸点高温用熱媒体油が挙げられる。生成ガス回収系１０５は、混合蒸気が改質され生成された水素ガスや二酸化炭素、ほかの生成ガスを分離回収し、水素ガスを精製する装置を具備している。
【００５２】
製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１の燃焼排ガスの熱を利用して改質器１０３に貯留された熱媒体油１１３を加熱するために、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１と改質器１０３との間にはヒートパイプ１１４が設けられている。前述したように、改質器１０３やヒートパイプ１１４は第１実施形態において説明された構成になっており、これらの構成の重複した説明は省略する。さらに、本第５実施形態では、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１と熱媒体油貯槽タンク７２７との間に、原料供給系用ヒートパイプ７１４が設けられている。この原料供給系用ヒートパイプ７１４は、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１側に配置される原料供給系用ヒートパイプ受熱部７０９と熱媒体油貯槽タンク７２７側に配置される原料供給系用ヒートパイプ伝熱部７１０とを備えている。原料供給系用ヒートパイプ伝熱部７１０は、熱媒体油貯槽タンク７２７内の底部近傍に配設されており、原料供給系用熱媒体油７１３に浸漬されている。
【００５３】
このように構成された第５実施形態において、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１から原料供給系用ヒートパイプ受熱部７０９で熱を受け、ヒートパイプの原理で熱を原料供給系用ヒートパイプ伝熱部７１０に輸送する。熱を輸送された原料供給系用ヒートパイプ伝熱部７１０は熱交換により原料供給系用熱媒体油７１３を加熱する。そして、原料供給系用熱媒体油７１３は熱媒体油貯槽タンク７２７内で自然対流によって循環する。熱媒体油貯槽タンク７２７内では、加熱された原料供給系用熱媒体油７１３によって、予熱器７２３、原料水蒸発器７２５および混合部７２６が加熱される。この加熱された予熱器７２３に燃料が供給されて、燃料ガスが生成される。さらに加熱された原料水蒸発器７２５に原料水が供給されて、原料水蒸気が生成される。生成された燃料ガスと原料水蒸気が混合部７２６で混合されて加熱される。加熱された混合蒸気が改質器１０３へ導入されて改質される。
【００５４】
一方、改質器１０３側に接続されたヒートパイプ１１４は第１実施形態で説明したと同様な作用で改質器１０３を加熱して水素生成に寄与するが、前述した第１実施形態と同一であり、重複した説明は省略する。
【００５５】
また、図１１に示される改質器１０３の外部系統には、実際は流量調節用または閉止用などの弁が付設されるが図示は省略する。
【００５６】
図示しないが、本第５実施形態において、図１１に示される構成のうち改質器１０３を第２実施形態で説明した改質器２０３、または改質器３０３で置き換えることができる。この場合、上記した作用に加えて第２実施の形態において説明された作用と同一の作用が付加される。
【００５７】
多くの製鉄所はエネルギー回収装置を備えており、製鉄プラントで発生した排ガスの熱エネルギーが有効に利用されている。さらに、水素製造部７０２で排ガスの熱エネルギーを利用することにより、よりエネルギーの有効利用が可能になる。本第５実施形態によれば、製鉄プラントから発生した排ガスの熱エネルギーを水素製造部７０２の改質器１０３で活用できるため、水素製造に必要なエネルギーの大半を製鉄プラントから発生した排ガスの有する熱エネルギーによって賄うことができる。その上、熱輸送手段としてヒートパイプ１１４を利用しているので、循環ポンプなどの余分な輸送機器、輸送電力が不要であり、エネルギー効率がより一層向上した水素製造装置を提供することができる。また、熱媒体油１１３を使用しているので、効率よく安定した加熱ができる。
【００５８】
さらに原料供給系７０４のうち、熱源を必要とする予熱器７２３、原料水蒸発器７２５および混合部７２６を熱媒体油貯槽タンク７２７内に収納して原料供給系用熱媒体油７１３中に浸漬する構成になっている。このため、予熱器７２３、原料水蒸発器７２５および混合部７２６を、原料供給系用ヒートパイプ７１４によって製鉄プラントから発生した排ガスの熱エネルギーを利用し一括して加熱できるので、さらに熱効率の向上が可能になる。
【００５９】
また、本第５実施形態では水素製造のために利用する熱エネルギー源を製鉄プラントの製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１の燃焼排ガスの熱としているが、火力発電プラントの燃焼排ガスまたはごみ焼却プラントの燃焼排ガスなどの熱エネルギーを利用することも可能であり、同様な効果がある。
【００６０】
（第６実施形態）
次に、本発明に係る水素製造装置の第６実施形態について説明する。図１２は、本発明の第６実施形態の水素製造装置の概略系統と改質器概略構造を示す図である。なお、前述した第３実施形態、第４実施形態または第５実施形態と対応する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００６１】
本発明の第６実施形態の水素製造装置は、第５実施形態で説明した構成のうち改質器１０３を、第３実施形態で説明した改質器４０３で置き換えたものである。すなわち、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１に水素製造部８０２を接続し、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１の排ガス熱エネルギーを利用し、水素製造部８０２で燃料を水蒸気改質させて水素が生成する構成になっている。製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１には、排ガスでガスタービンを駆動して発電する施設などがある（例えば、特許文献４参照）。ここでは、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１と水素製造部８０２を、ヒートパイプ４１４および原料供給系用ヒートパイプ７１４で接続し、製鉄排ガスの熱を水素製造部８０２側に熱輸送して利用するものである。
【００６２】
水素製造部８０２は、図１２に示されるように、改質器４０３と、燃料と原料水から生成された混合蒸気を供給するための原料供給系７０４と、生成ガス回収系１０５とを具備している。ここで、原料供給系７０４は、例えば、エタノール、ジメチルエーテルなどの燃料を収容する燃料タンク７２２と、燃料をガス化して予熱する予熱器７２３と、原料水タンクや給水ポンプなどの原料水供給器７２４と、この原料水を蒸気にして供給する原料水蒸発器７２５と、生成された燃料ガスと原料水蒸気を混合するための混合部７２６と、原料供給系用熱媒体油７１３を貯留する熱媒体油貯槽タンク７２７を備えている。熱媒体油貯槽タンク７２７には、予熱器７２３と原料水蒸発器７２５と混合部７２６が収納されており、これらが原料供給系用熱媒体油７１３中に浸漬されるようになっている。使用可能な原料供給系用熱媒体油７１３としては、例えば、バーレルサーム４００（商品名）などの高沸点高温用熱媒体油が挙げられる。生成ガス回収系１０５は、混合蒸気が改質され生成された水素ガスや二酸化炭素、ほかの生成ガスを分離回収し、水素ガスを精製する装置を具備している。
【００６３】
製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１の燃焼排ガスの熱を利用して改質器４０３に貯留された熱媒体油１１３を加熱するために、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１と改質器４０３との間にヒートパイプ４１４が設けられている。このように、改質器４０３やヒートパイプ４１４は第３実施形態において説明された構成になっており、これらの構成の重複した説明は省略する。本第６実施形態では、さらに、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１と熱媒体油貯槽タンク７２７との間に、原料供給系用ヒートパイプ７１４が設けられている。この原料供給系用ヒートパイプ７１４は、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１側に配置される原料供給系用ヒートパイプ受熱部７０９と熱媒体油貯槽タンク７２７側に配置される原料供給系用ヒートパイプ伝熱部７１０とを備えている。原料供給系用ヒートパイプ伝熱部７１０は、熱媒体油貯槽タンク７２７内の低部近傍に配設されており、原料供給系用熱媒体油７１３に浸漬されている。
【００６４】
このように構成された本第６実施形態において、製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１から原料供給系用ヒートパイプ受熱部７０９で熱を受け、ヒートパイプの原理に基づいて熱を原料供給系用ヒートパイプ伝熱部７１０に輸送する。熱を輸送された原料供給系用ヒートパイプ伝熱部７１０は熱交換により原料供給系用熱媒体油７１３を加熱する。そして、原料供給系用熱媒体油７１３は、熱媒体油貯槽タンク７２７内で自然対流によって循環する。熱媒体油貯槽タンク７２７内では、加熱された原料供給系用熱媒体油７１３によって、予熱器７２３、原料水蒸発器７２５および混合部７２６が加熱される。加熱された予熱器７２３に燃料が供給され、燃料ガスが生成される。また加熱された原料水蒸発器７２５に原料水が供給され、原料水蒸気が生成される。生成された燃料ガスと原料水蒸気が混合部７２６で混合されて加熱される。加熱された混合蒸気が改質器４０３へ導入されて改質される。
【００６５】
一方、改質器４０３側に接続されたヒートパイプ４１４は、第３実施形態で説明したと同様な作用で改質器４０３を加熱して水素生成に寄与し、前述した第３実施形態と同一であり重複した説明は省略する。
【００６６】
図１２に示される改質器４０３の外部系統には、実際は流量調節用または閉止用などの弁が付設されるが図示は省略する。
【００６７】
図示しないが、本第６実施形態において、図１２に示される構成のうち改質器４０３を第４実施形態で説明した改質器５０３、または改質器６０３で置き換えることができる。この場合、上記した作用に加えて第４実施形態において説明された作用と同一の作用が付加される。
【００６８】
多くの製鉄所はエネルギー回収装置を備えており、製鉄プラントで発生した排ガスの熱エネルギーが有効に利用されている。さらに、水素製造部８０２で排ガスの熱エネルギーを利用することにより、よりエネルギーの有効利用が可能になる。本第６実施形態によれば、製鉄プラントから発生した排ガスの熱エネルギーを水素製造部８０２の改質器４０３で活用できるため、水素製造に必要なエネルギーの大半を製鉄プラントから発生した排ガスの有する熱エネルギーによって賄うことができる。その上、熱輸送手段としてヒートパイプ４１４を利用しているので、循環ポンプなどの余分な輸送機器、輸送電力が不要であり、エネルギー効率がより一層向上した水素製造装置を提供することができる。また、熱媒体油１１３を使用しているので、効率よく安定した加熱ができる。
【００６９】
さらに、原料供給系７０４のうち、熱源を必要とする予熱器７２３、原料水蒸発器７２５および混合部７２６を熱媒体油貯槽タンク７２７内に収納して原料供給系用熱媒体油７１３中に浸漬する構成になっている。このため、予熱器７２３、原料水蒸発器７２５および混合部７２６を、原料供給系用ヒートパイプ７１４によって製鉄プラントから発生した排ガスの熱エネルギーを利用し一括して加熱できるので、さらに熱効率向上が可能になる。
【００７０】
また、本第６実施形態では水素製造のために利用する熱エネルギー源を製鉄プラントの製鉄排ガスエネルギー回収装置１０１の燃焼排ガスの熱としているが、火力発電プラントの燃焼排ガスまたはごみ焼却プラントの燃焼排ガスなどの熱エネルギーを利用することも可能であり、同様な効果がある。
【符号の説明】
【００７１】
１０１…製鉄排ガスエネルギー回収装置、１０２，２０２，４０２，７０２，８０２…水素製造部、１０３，２０３，３０３，４０３，５０３，６０３…改質器、１０４，７０４…原料供給系、１０５…生成ガス回収系、１０６…燃料供給装置、１０７…原料水蒸気供給装置、１０９，２０９，４０９，５０９…ヒートパイプ受熱部、７０９…原料供給系用ヒートパイプ受熱部、１１０，２１０Ａ，２１０Ｂ，４１０，５１０Ａ，５１０Ｂ…ヒートパイプ伝熱部、７１０…原料供給系用ヒートパイプ伝熱部、１１１，２１１，４１１，５１１…反応管、１１２，２１２，４１２，５１２…シェル、１１３…熱媒体油、７１３…原料供給系用熱媒体油、１１４，２１４，４１４…ヒートパイプ、７１４…原料供給系用ヒートパイプ、１１５，２１５，４１５，５１５…触媒、３１６，６１６…プレートフィン、３１７，６１７…流路孔、３１８，６１８…切り欠き流路、７２３…予熱器、７２５…原料水蒸発器、７２６…混合部、７２７…熱媒体油貯槽タンク。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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