(57)【要約】【課題】自系以外の設備から供給される高温の水蒸気の量を低減すること。【解決手段】増湿器２から出力された増湿されたプロセス流体を触媒下で反応させることにより、該プロセス流体中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成する反応器３と、反応器３において反応された後の高温のプロセス流体が流れる第２流路Ｂと、増湿器２における余剰の水分を循環させる循環路Ｃと、循環路Ｃと第２流路Ｂとが交差する位置に設けられ、反応器３において反応された後の高温のプロセス流体と循環路Ｃを循環する流体との間で熱交換を行わせる第１熱交換器７とを備える水素製造システム１を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一酸化炭素を含むプロセス流体が供給され、該プロセス流体と水蒸気とを混合する増湿器と、
増湿器から出力された増湿されたプロセス流体を触媒下で反応させることにより、該プロセス流体中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成する反応器と、
増湿された前記プロセス流体を前記増湿器から前記反応器へ供給する第１流路と、
前記反応器において反応された後の高温のプロセス流体が流れる第２流路と、
前記増湿器における余剰の水分を循環させる循環路と、
前記循環路と前記第２流路とが交差する位置に設けられ、前記反応器において反応された後の高温のプロセス流体と該循環路を循環する流体との間で熱交換を行わせる第１熱交換器と
を備える水素製造システム。
【請求項２】
前記循環路から分岐し、該第１熱交換器をバイパスする第１バイパス流路と、
前記第１バイパス流路に設けられ、前記第１熱交換器に送られる流体の流量を調整する第１流量調節弁と
を具備する請求項１に記載の水素製造システム。
【請求項３】
前記第１流路と前記第２流路とが交差する位置に設けられ、前記増湿器からのプロセス流体と前記反応器から出力された反応後の高温のプロセス流体との間で熱交換を行わせる第２熱交換器を備える請求項１または請求項２に記載の水素製造システム。
【請求項４】
前記第２流路から分岐し、前記第２熱交換器をバイパスする第２バイパス流路と、
前記第２バイパス流路に設けられ、前記第２熱交換器へ送られる前記反応後の高温のプロセス流体の流量を調整する第２流量調節弁と
を具備する請求項３に記載の水素製造システム。
【請求項５】
補給水を前記増湿器へ供給する第３流路と、
前記第３流路と前記第２流路とが交差する位置に設けられ、反応後の高温のプロセス流体と該第３流路を流れる補給水との間で熱交換を行わせる第３熱交換器と
を具備する請求項１から請求項４のいずれかに記載の水素製造システム。
【請求項６】
前記第３流路と前記第２流路とは複数の位置で交差しており、該交差位置のそれぞれには熱交換器が配置されている請求項５に記載の水素製造システム。
【請求項７】
前記第３流路に設けられ、該第３流路を流通する流体を水と水蒸気とに分離する分離器と、
前記分離器によって分離された水蒸気を前記第１流路に供給する第４流路と
を具備する請求項６に記載の水素製造システム。
【請求項８】
前記第４流路に設けられ、該第１流路に供給する水蒸気の流量を調節する第３流量調節弁を備える請求項７に記載の水素製造システム。
【請求項９】
前記第４流路に設けられ、前記第４流路を流通する水蒸気を前記反応器において発生する熱で加熱する第４熱交換器を具備する請求項７または請求項８に記載の水素製造システム。
【請求項１０】
前記第４流路から分岐し、前記第４流路を流通する水蒸気の一部を前記増湿器へ供給する第５流路を備える請求項７から請求項９のいずれかに記載の水素製造システム。
【請求項１１】
前記第５流路に設けられ、前記増湿器へ供給する水蒸気の量を調節する第４流量調節弁を備える請求項１０に記載の水素製造システム。
【請求項１２】
前記第１流量調節弁の開度及び前記第４流量調節弁の開度は、増湿器内の雰囲気温度に基づいて制御される請求項２及び請求項１１に記載の水素製造システム。
【請求項１３】
前記第４流量調節弁を全閉状態とした状態で前記第１流量調節弁を全閉状態としても、増湿器内の温度が飽和温度に達しなかった場合に、増湿器内の温度が飽和温度に達するまで前記第４流量調節弁の開度が開かれる請求項１２に記載の水素製造システム。
【請求項１４】
前記循環路から分岐し、前記循環路を流通する流体の一部を外部に逃がす排出路を具備する請求項１から請求項１３のいずれかに記載の水素製造システム。
【請求項１５】
請求項１から請求項１４のいずれかに記載の水素製造システムを備える発電システム。
【請求項１６】
蒸気タービンを備え、
前記蒸気タービンに供給される高圧蒸気または中圧蒸気の一部を前記第１流路に供給する第６流路を備える請求項１５に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石炭、天然ガス、油等を利用した上流設備からのガス中に含まれる一酸化炭素を水素に変換する水素製造システムおよび発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ＣＯ２回収型のＩＧＣＣ（Integrated Gasification Combined Cycle）では、図７に示されるように、ガス化炉１０１においてガス化された石炭ガスが脱硫設備１０２において脱硫された後、水素製造設備１０３に送られる。この水素製造設備１０３では、石炭ガスと水蒸気とが触媒下で反応させられ、石炭ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に変成され、水素リッチの石炭ガスが生成される。シフト反応後の石炭ガスは、二酸化炭素の回収設備１０４に送られることにより、ガス中の二酸化炭素が回収され、水素リッチとなった精製ガスが発電設備１０５へ送られる。発電設備１０５では、精製ガスがガスタービンの燃焼器へ送られ、ガスタービンを駆動するための原動力として用いられる。
【０００３】
上記水素製造設備１０３では、水蒸気をシフト触媒として添加することにより、石炭ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）が二酸化炭素に転換される。この反応式は、以下の（１）式に示す通りである。
【０００４】
【数１】
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【０００５】
シフト触媒として添加される水蒸気が多い程、シフト反応を促進させることができるため、水素製造設備１０３には一酸化炭素を取り除くに足る十分な量の水蒸気を供給することが好ましい。
【特許文献１】特表平９−５０２６９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記水蒸気の供給元としては、例えば、発電設備における蒸気タービンを駆動させるための水蒸気等が考えられる。しかしながら、シフト反応を促進させるために、多くの水蒸気をシフト反応設備に供給してしまうと、蒸気タービンを駆動させるための水蒸気の量がその分減少してしまい、蒸気タービンの出力が下がり、ＩＧＣＣ全体の発電出力（発電効率）が低下するという結果を招く。
【０００７】
また、上記の如き問題は、上記ＩＧＣＣに限られたものではなく、例えば、炭化水素化合物を含むガス中から一酸化炭素を取り除くような反応を必要とする設備において広く議論されており、一酸化炭素の反応効率を低減させずに、自系以外の設備からの水蒸気の抽気量を低減させることのできる技術が要請されていた。
【０００８】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、自系以外の設備から供給される高温の水蒸気の量を低減することのできる水素製造システムおよび発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、一酸化炭素を含むプロセス流体が供給され、該プロセス流体と水蒸気とを混合する増湿器と、増湿器から出力された増湿されたプロセス流体を触媒下で反応させることにより、該プロセス流体中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成する反応器と、増湿された前記プロセス流体を前記増湿器から前記反応器へ供給する第１流路と、前記反応器において反応された後の高温のプロセス流体が流れる第２流路と、前記増湿器における余剰の水分を循環させる循環路と、前記循環路と前記第２流路とが交差する位置に設けられ、前記反応器において反応された後の高温のプロセス流体と該循環路を循環する流体との間で熱交換を行わせる第１熱交換器とを備える水素製造システムを提供する。
【００１０】
本発明によれば、増湿器において水蒸気と混合されたプロセス流体は、第１流路を通じて反応器に送られる。反応器において、プロセス流体は触媒化で反応させられることにより、プロセス流体中の一酸化炭素が二酸化炭素に変成され、この反応によりプロセス流体中に包含される水素が増加する。また、反応時には反応熱が発生する。反応により高温となった水素リッチのプロセス流体は第２流路に出力される。
一方、増湿器でプロセス流体と混合されなかった余剰分の水蒸気は、例えば、水に冷やされた後、循環路を経由して増湿器へ戻る。
この場合において、循環路と第２流体との交差する位置には、高温のプロセス流体と循環路を循環する流体との間で熱交換を行わせる第１熱交換器が設けられているので、循環路を循環する流体はプロセス流体の熱によって温められて高温の流体とされ、増湿器に戻されることとなる。このように、本発明によれば、増湿器における余剰分の水蒸気（水）を循環させ、更に、この水蒸気（水）を反応器における反応熱を利用して高温にするので、増湿器において使用される水蒸気を自身の系統において供給することができる。これにより、他のシステムから供給する水蒸気の量を大幅に低減させることが可能となる。
【００１１】
上記水素製造システムは、前記循環路から分岐し、該第１熱交換器をバイパスする第１バイパス流路と、前記第１バイパス流路に設けられ、前記第１熱交換器に送られる流体の流量を調整する第１流量調節弁とを具備することとしてもよい。
【００１２】
このように、第１熱交換器をバイパスする第１バイパス流路を循環路に設けたので、第１熱交換器に送られる流体の一部をバイパスさせることが可能となる。更に、第１バイパス流路には、第１流量調節弁が設けられているので、この第１流量調節弁が適切な開度に調整されることにより、第１熱交換器へ送られる流体の流量を適切な量に調節することが可能となる。これにより、流体の温度を適切な温度に調節することができ、増湿器に戻される流体の温度を適温とすることができる。
【００１３】
上記水素製造システムは、前記第１流路と前記第２流路とが交差する位置に設けられ、前記増湿器からのプロセス流体と前記反応器から出力された反応後の高温のプロセス流体との間で熱交換を行わせる第２熱交換器を備えることとしてもよい。
【００１４】
このような構成によれば、第２熱交換器において、増湿器から反応器へ送られるプロセス流体と、反応器から出力された高温のプロセス流体との間で熱交換が行われることにより、反応器へ送られるプロセス流体の温度を高くすることができ、反応に適した温度条件により近づけることができる。
【００１５】
上記水素製造システムは、前記第２流路から分岐し、前記第２熱交換器をバイパスする第２バイパス流路と、前記第２バイパス流路に設けられ、前記第２熱交換器へ送られる前記反応後の高温のプロセス流体の流量を調整する第２流量調節弁とを具備することとしてもよい。
【００１６】
このような構成によれば、第２バイパス流路に設けられた第２流量調節弁を適度な開度に調節することにより、第２熱交換器に送られる高温のプロセス流体の流量を適量に調節することができる。これにより、第２熱交換器における熱交換の程度を調整でき、反応器へ送られるプロセス流体の温度を反応に適した温度に調節することができる。
【００１７】
上記水素製造システムは、補給水を前記増湿器へ供給する第３流路と、前記第３流路と前記第２流路とが交差する位置に設けられ、反応後の高温のプロセス流体と該第３流路を流れる補給水との間で熱交換を行わせる第３熱交換器とを具備することとしてもよい。
【００１８】
このような構成によれば、第３流路を流れる補給水は、第３熱交換器において高温のプロセス流体と熱交換されることにより温められた後に増湿器へ供給される。これにより、増湿器の温度雰囲気に好適な温度の補給水（水蒸気）を増湿器に補給することができ、増湿器内の蒸気を十分な量に保つことが可能となる。
【００１９】
上記水素製造システムにおいて、前記第３流路と前記第２流路とは複数の位置で交差しており、該交差位置のそれぞれには熱交換器が配置されていてもよい。
【００２０】
このように、第３流路と第２流路とを複数の位置で交差させ、該交差位置のそれぞれに熱交換器を設けることにより、第３流路を流れる補給水を次第に高温にしていくことができ、その一部あるいは全部を水蒸気とすることが可能となる。
【００２１】
上記水素製造システムは、前記第３流路に設けられ、該第３流路を流通する流体を水と水蒸気とに分離する分離器と、前記分離器によって分離された水蒸気を前記第１流路に供給する第４流路とを具備することとしてもよい。
【００２２】
このような構成によれば、第３流路を流れる補給水は分離機によって水と水蒸気とに分離され、分離された水蒸気は第４流路を流れることにより第１流路に供給される。これにより、第１流路を流れるプロセス流体に対して、更に水蒸気を与えることが可能となる。
【００２３】
上記水素製造システムは、前記第４流路に設けられ、該第１流路に供給する水蒸気の流量を調節する第３流量調節弁を備えることとしてもよい。
【００２４】
これにより、第１流路に供給される水蒸気を適度な量に調節することができる。
【００２５】
上記水素製造システムは、前記第４流路に設けられ、前記第４流路を流通する水蒸気を前記反応器において発生する熱で加熱する第４熱交換器を具備することとしてもよい。
【００２６】
このような構成によれば、第４流路を流れる水蒸気の温度を高めた後に第１流路に混入させることが可能となる。また、第４流路を流れる水蒸気が反応器における反応熱を奪うことにより、反応器の温度を低下させることができ、反応を促進させることが可能となる。
【００２７】
上記水素製造システムは、前記第４流路から分岐し、前記第４流路を流通する水蒸気の一部を前記増湿器へ供給する第５流路を備えることとしてもよい。
【００２８】
このような構成によれば、第５流路からも増湿器へ水蒸気を供給することが可能となる。
【００２９】
上記水素製造システムは、前記第５流路に設けられ、前記増湿器へ供給する水蒸気の量を調節する第４流量調節弁を備えることとしてもよい。
【００３０】
第４流量調節弁により、第５流路から増湿器へ供給される水蒸気の量を調節することが可能となる。
【００３１】
上記水素製造システムにおいて、前記第１流量調節弁の開度及び前記第４流量調節弁の開度は、増湿器内の雰囲気温度に基づいて制御されることとしてもよい。
【００３２】
増湿器内の雰囲気温度は水蒸気とプロセス流体とを混合するのに適した温度に保たれることが好ましい。第１流量調節弁の開度を全開に近づけるほど、第１熱交換器に流入する流体の量が多くなるので、流体の温度を上昇させることができ、この流体が増湿器に供給されることにより、増湿器の温度を高めることができる。また、第４流量調節弁の開度を全開に近づけるほど、第５流路を介して増湿器に供給される水蒸気の量を多くすることができる。ここで、第５流路を流れる水蒸気は、反応器における反応熱によって高温とされているので、この高温の水蒸気を増湿器に供給することにより増湿器の温度を上昇させることができる。
このように、第１流量調節弁、第４流量調節弁の開度を調節することにより、増湿器内の雰囲気温度を適切な値に保つことができる。
【００３３】
上記水素製造システムにおいて、前記第４流量調節弁を全閉状態とした状態で前記第１流量調節弁を全閉状態としても、増湿器内の温度が飽和温度に達しなかった場合に、増湿器内の温度が飽和温度に達するまで前記第４流量調節弁の開度が開かれることとしてもよい。
【００３４】
このように、循環路を循環する流体の温度を上昇させる方を優先させ、循環路から供給される水蒸気によっても増湿器内の雰囲気温度が飽和温度に達しなかった場合に、第４流量調節弁を徐々に開状態とすることで、高温の水蒸気を第５流路から増湿器へ供給させる。このように優先度をつけることで、第５流路を介して供給させる水蒸気の量を極力抑制することが可能となる。これにより、第４流路を介して供給する水蒸気の量が低減することを回避することが可能となる。
【００３５】
上記水素製造システムは、前記循環路から分岐し、前記循環路を流通する流体の一部を外部に逃がす排出路を具備することとしてもよい。
【００３６】
流体を循環器によって循環させて、何度も繰り返し利用することにより、流体内に含まれる不純物は徐々に増加する。このような場合に、排出路を設けておくことにより、汚れた流体を排出することが可能となり、流体内に包含される不純物の量を低減させることが可能となる。
【００３７】
本発明は、上記いずれかの水素製造システムを備える発電システムを提供する。
【００３８】
上記発電システムは、蒸気タービンを備え、前記蒸気タービンに供給される高圧蒸気または中圧蒸気の一部を前記第１流路に供給する第６流路を備えることとしてもよい。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、自系以外の設備から供給される高温の水蒸気の量を低減することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下に、本発明に係る水素製造システムおよび発電システムの一実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態に係る水素製造システムは、例えば、炭化水素化合物を含むガス中から一酸化炭素を取り除くような反応を必要とする設備を必要とするプラントに広く適用されるものであり、特に、図７に示したＣＯ２回収型のＩＧＣＣにおける水素製造設備として適用されるのに好適である。
【００４１】
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る水素製造システムの概略構成を示した図である。
図１に示すように、本実施形態に係る水素製造システム１は、一酸化炭素を含むプロセス流体が供給され、該プロセス流体と水蒸気とを混合する増湿器２と、増湿器２から出力された増湿されたプロセス流体を触媒下で反応させることにより、該プロセス流体中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成する反応器３とを備えている。
増湿器２と反応器３とは第１流路Ａにより接続されており、増湿器２において増湿されたプロセス流体が第１流路Ａを流れて反応器３へ供給されるようになっている。
反応器３において反応された後の高温のプロセス流体は、第２流路Ｂに出力される。
増湿器２には、プロセス流体と混合されなかった余剰分の水分であるドレイン水を循環させる循環路Ｃが設けられている。
【００４２】
循環路Ｃと第２流路Ｂとが交差する位置には、反応器３において反応された後の高温のプロセス流体と該循環路Ｃを循環する流体との間で熱交換を行わせる第１熱交換器７が設けられている。
循環路Ｃにおいて、第１熱交換器７の上流側には、循環路Ｃから分岐し第１熱交換器７をバイパスする第１バイパス流路Ｄが設けられている。この第１バイパス流路Ｄには、第１熱交換器７に送られる流体の流量を調整する第１流量調節弁８が設けられている。
また、循環路Ｃには、循環路Ｃから分岐し、循環路Ｃを流通するドレイン水の一部を外部に逃がす排出路Ｃ１が設けられている。また、この排出路Ｃ１には、外部へ排出させるドレイン水の量を調整するための調節弁が設けられている。
【００４３】
第１流路Ａと第２流路Ｂとが交差する位置には、増湿器２からのプロセス流体と反応器３から出力された反応後の高温のプロセス流体との間で熱交換を行わせる第２熱交換器９が設けられている。
第２流路Ｂにおいて、第２熱交換器９の上流側には、第２流路Ｂから分岐し、第２熱交換器９をバイパスする第２バイパス流路Ｅが設けられている。この第２バイパス流路Ｅには、第２熱交換器９へ送られる反応後の高温のプロセス流体の流量を調整するための第２流量調節弁１０が設けられている。
【００４４】
また、水素製造システム１には、補給水を増幅器２へ供給する第３流路Ｆが設けられている。この第３流路Ｆは、第２流路Ｂと少なくとも１箇所、好ましくは、複数の箇所で交差するように形成されている。図１では、３箇所で交差する場合を図示している。
第２流路Ｂと第３流路Ｆとが交差する位置には、第２流路Ｂを流れる反応後の高温のプロセス流体と第３流路Ｆを流れる補給水との間で熱交換を行わせる３つの第３熱交換器１１，１２，１３が設けられている。
第３流路Ｆにおいて、第３熱交換器１１，１２の上流側には、第３流路Ｆから分岐し、第３熱交換器１１，１２をバイパスする第３バイパス流路Ｇ１，Ｇ２がそれぞれ設けられている。また、第３バイパス流路Ｇ１，Ｇ２には、第３熱交換器１１，１２へ送られる補給水の流量を調整するための第３流量調節弁１５，１６がそれぞれ設けられている。
【００４５】
また、第２流路Ｂを流れるプロセス流体は、循環路Ｃを流れる流体や第３流路Ｆを流れる補給水等と熱交換して冷やされることにより、プロセス流体中の水蒸気が水に変化し、水分が発生する。このプロセス流体中に含まれている水分を回収するために、第２流路Ｂには、少なくとも１つの気液分離器が設けられている。図１では、２つの気液分離器１８，１９を図示している。
各気液分離器１８，１９において回収された水分は、配管Ｈ，Ｉをそれぞれ通じて補給水が流通する第３流路Ｆに供給されるようになっている。
【００４６】
第３流路Ｆにおいて、最も下流側に設けられている第３熱交換器１３の更に下流側には、第３流路Ｆを流通する流体を気相と液相とに分離する気液分離器２０が設けられている。また、気液分離器２０には、気液分離機２０によって分離された水蒸気を第１流路Ａに供給する第４流路Ｊが接続されている。
第４流路Ｊには、第１流路Ａに供給する水蒸気の流量を調節するための第４流量調節弁２１が設けられている。更に、第４流路Ｊには、第４流路Ｊを流通する水蒸気を反応器３において発生する熱で加熱する第４熱交換器２２が設けられている。
また、第１流路Ａには、他の系から蒸気を供給するための蒸気供給配管６が接続されている。蒸気の供給元としては、例えば、ＩＧＣＣにおける蒸気タービンを駆動させるための水蒸気等が考えられる。この蒸気供給配管６は、本系統における水蒸気が不足した場合、例えば、後述するように、第４流路Ｊ等から蒸気が供給されたとしても、なお蒸気量が不足した場合に、その不足分を補うために使用される。
【００４７】
また、第４流路Ｊには、第４流路Ｊから分岐し、第４流路Ｊを流通する水蒸気の一部を増湿器２へ供給する第５流路Ｋが設けられている。この第５流路Ｋには、増湿器２へ供給する水蒸気の量を調節するための第４流量調節弁２３が設けられている。
【００４８】
上述したような水素製造システムにおいては、一酸化炭素を含有するプロセス流体が増湿器２に供給され、増湿器２において水蒸気と混合されるとともに、飽和温度まで熱せられる。増湿器２において水蒸気と混合されたプロセス流体は、第１流路Ａを通じて反応器３に送られる。反応器３において、プロセス流体は触媒化で反応させられることにより、プロセス流体中の一酸化炭素が二酸化炭素に変成され、この反応によりプロセス流体中に包含される水素が増加する。また、反応時には反応熱が発生する。このときの反応式については、上述の（１）式の通りである。
反応により、水素リッチとなった高温のプロセス流体は第２流路Ｂに出力される。
【００４９】
第２流路Ｂに放出された高温のプロセス流体は、第２熱交換器９において、第１流路Ａを流れる反応前のプロセス流体と熱交換される。このとき、第２熱交換器９に送られる反応後のプロセス流体は、第２流量調節弁１０の開度によって調整される。この第２流量調節弁１０の開度を、第１流路Ａを流れる反応前のプロセス流体の温度に応じて調節することで、反応器３に送られる反応前のプロセス流体の温度を反応に適した値に調整することができる。このように、反応器３の入口温度を最適化することにより、反応器３における反応を促進させることが可能となる。
【００５０】
第２熱交換器９において熱交換された後の反応後のプロセス流体は、第２流路Ｂを流通し第３熱交換器１３に送られる。第３熱交換器１３では、第３流路Ｆを流通する補給水との間で熱交換が行われることにより、プロセス流体は更に冷やされる。その後、プロセス流体は、第２流路Ｂを流通し、第１熱交換器７に送られる。
【００５１】
第１熱交換器７には、増湿器２においてプロセス流体と混合されなかった余剰分の水蒸気が冷やされたドレイン水が循環路Ｃを通じて供給される。第１熱交換器７において、第２流路Ｂを流通する高温のプロセス流体と循環路Ｃを流通するドレイン水との間で熱交換が行われ、高温とされたドレイン水は循環路Ｃを通じて増湿器２に再び戻され、一方、熱交換により熱量が奪われたプロセス流体は、第２流路Ｂを流通して第３熱交換器１２に送られる。
【００５２】
この場合において、第１熱交換器７に送られるドレイン水の流量は、第１バイパス流路Ｄに設けられた第１流量調節弁８の開度によって調整される。第１流量調節弁８の開度を増湿器２内の雰囲気温度に応じて調節することで、増湿器２に送られるドレイン水の温度を増湿器２の雰囲気温度に適した値（例えば、飽和温度）に調整することが可能となる。これにより、増湿器２の雰囲気温度を最適な値に保つことが可能となる。
【００５３】
第３熱交換器１２に送られたプロセス流体は、第３流路Ｆを流れる補給水との間で熱交換を行うことで更に冷やされ、その後、気液分離器１８に送られる。気液分離器１８では、プロセス流体中に含まれていた水分が回収され、この水分は配管Ｈを通じて第３流路Ｆに供給される。気液分離器１８において水分が回収された後のプロセス流体は、第３熱交換器１１に送られ、再び補給水との間で熱交換が行われる。熱交換後のプロセス流体は、気液分離器１９に送られ、水分が回収された後、下流側に設けられている他の設備へ供給される。
【００５４】
一方、第３流路Ｆを流れる補給水は、上述したように、第３熱交換器１１，１２，１３において、プロセス流体との間で熱交換が行われることにより、徐々に温められ、その一部が水蒸気とされた状態で気液分離器２０に送られる。
気液分離器２０では、水蒸気と水とが分離され、補給水は第３流路Ｆを通じて増湿器２に供給される。一方、水蒸気は、第４流路Ｊを流通することにより、第４熱交換器２２へ送られる。第４熱交換器２２では、反応器３における反応熱により第４流路Ｊを流通する水蒸気が熱せられる。
【００５５】
これにより、反応器３において反応時に発生する熱量を消費させることができ、反応器３内の雰囲気温度を抑制することが可能となる。反応器３における一酸化炭素濃度と温度とは、図２に示すような相関関係を有している。つまり、温度が低いほど、プロセス流体内に含まれている一酸化炭素を二酸化炭素に変成することができ、プロセス流体内の一酸化炭素の量を低減させることができる。従って、反応器３における温度上昇を抑制することにより、反応器３における反応を促進させることが可能となる。
【００５６】
反応時に発生する熱を用いて高温とされた水蒸気は、その一部が第５流路Ｋを通じて増湿器２に供給されるとともに、残りが第４流路Ｊを通じて第１流路Ａを流れるプロセス流体に混入させられる。ここで、第５流路Ｋを通じて増幅器２に供給される水蒸気の流量は、第５流路Ｋに設けられている第４流量調節弁２３の開度によって調整される。
【００５７】
ここで、増湿器２内の雰囲気温度は、プロセス流体と水蒸気とを混合させるのに適した値に保持されることが好ましい。増湿器２内の雰囲気温度は、上述したように、循環路Ｃの第１バイパス流路Ｄに設けられている第１流量調節弁８の開度を調整することにより行われるが、第１流量調節弁８の弁開度を全閉にして、循環路Ｃを流れるドレイン水を全て第１熱交換器７に供給したとしても、熱量が十分ではなく、増湿器２内における雰囲気温度を好適な値に保持できないことが懸念される。
このような場合であっても、第４流路Ｊを流れる高温の水蒸気を増湿器２に供給するルートである第５流路Ｋを設けておくことで、上記熱量の不足を解消することが可能となる。
【００５８】
上記第１流量調節弁８の開度および第４流量調節弁２３の開度は、例えば、図３に示されるように制御される。つまり、増湿器２においてそれほど熱量が必要とされない場合には、第４流量調節弁２３を全閉とした状態で、第１流量調節弁８の開度を調節する。これに対し、第１流量調節弁８を全閉とし、循環路Ｃを流れる全てのドレイン水を第１熱交換器７に投入しても熱量が足りない場合には、第４流量調節弁２３の開度を調整することにより、第５流路から増湿器２へ高温の水蒸気を供給し、増湿器２における熱量を補償する。
【００５９】
以上、説明してきたように、本実施形態に係る水素製造システム１によれば、増湿器２において余剰となった水蒸気を冷却し、ドレイン水として循環させる循環路Ｃと、循環路Ｃを循環するドレイン水を反応後のプロセス流体の熱によって温める第１熱交換器７とを備えるので、増湿器２において使用される水蒸気を自身の系統において供給することが可能となる。これにより、他のシステムから供給する水蒸気の量を大幅に低減させることが可能となる。この結果、例えば、図７に示したようなＣＯ２回収型のＩＧＣＣに適用された場合には、発電設備において蒸気タービンを駆動するのに用いられる高圧水蒸気を当該水素製造システム１に供給する必要がなくなり（或いは、その供給量を大幅に低減することができ）、蒸気タービンの発電効率を低下させることを抑制することができる。
【００６０】
なお、上述のように、第３流路Ｆから増湿器２にドレイン水を供給し、第４流路Ｊから高温の水蒸気を第１流路Ａに供給し、更に、第５流路Ｋから高温の水蒸気を増湿器２に供給したとしても、なお熱量、或いは、水蒸気の流量が不足する場合が懸念される場合には、蒸気供給配管６から高圧の水蒸気（例えば、蒸気タービンの駆動に使用される高圧水蒸気）を第１流路Ａに対して供給するとよい。
【００６１】
〔変形例１〕
上述した第１の実施形態においては、反応器３を１機のみ備える場合について例示したが、例えば、図４に示すように、複数の反応器３を備えていても良い。この場合には、上流側に配置された反応器３において反応された反応後のプロセス流体が交流側に配置されている反応器３に順次供給される構成とされる。
このように、複数の反応器３を設けることにより、プロセス流体における一酸化炭素の含有量を更に低下させることができる。
【００６２】
なお、このように２機以上の反応器３を備える場合には、各反応器３で発生する反応熱をそれぞれ異なる流体との間で熱交換させてもよい。例えば、図４では、上流側に配置されている反応器３においては、第４流路Ｊを流れる水蒸気と反応熱とを熱交換させるとともに、下流側に配置されている反応器３においては、第３流路Ｆを流れる補給水と反応熱とを熱交換させている。
【００６３】
〔変形例２〕
上述した第１の実施形態においては、反応器３における反応熱を第４流路Ｊを流れる水蒸気と熱交換させることで、反応器３の温度上昇を抑制していたが、これに代えて、図５に示すように、反応器３における熱と循環路Ｃを流れるドレイン水とを熱交換させる第５熱交換器３０を設けることとしてもよい。このように、循環路Ｃを流れるドレイン水との間で熱交換を行わせることで、反応器３の温度上昇を抑制することとしてもよい。
また、このとき、循環路Ｃに、第５熱交換器３０をバイパスする第４バイパス流路Ｌを設け、この第４バイパス流路Ｌに、第５熱交換器３０に送るドレイン水の流量を調整するための流量調節弁３１を設けることとしてもよい。これにより、反応器３内の温度を反応に適切な値に保持することができる。
【００６４】
なお、反応器３において発生する反応熱の消費方法としては、上述したドレイン水との熱交換に限られず、例えば、第３流路Ｆを流れる補給水との間で熱交換を行わせることとしてもよい。
【００６５】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について、図６を用いて説明する。
本実施形態の水素製造システムが第１の実施形態と異なる点は、図１に示した水素製造システムから後段の設備へ送られ、該後段の設備においてプロセス流体中の二酸化炭素が排除されたクリーンガスを流通させる第６流路Ｍを備え、更に、第６流路Ｍと第２流路Ｂとを少なくも１箇所で交差させて、この交差位置に第６熱交換器４０，４１を設けた点である。
このように、水素製造システムの後段に配置されている設備で生成されたプロセス流体と熱交換を行わせる第６熱交換器４０，４１を設けることにより、反応器３において発生した熱量を更に有効に利用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る水素製造システムの概略構成を示した図である。
【図２】反応器における一酸化炭素濃度と温度との関係における平衡曲線を示した図である。
【図３】第１流量調節弁および第４流量調節弁の弁開度制御について示した図である。
【図４】本発明の変形例１に係る水素製造システムの概略構成を示した図である。
【図５】本発明の変形例２に係る水素製造システムの概略構成を示した図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る水素製造システムの概略構成を示した図である。
【図７】一般的なＣＯ２回収型のＩＧＣＣの全体構成を示した概略構成図である。
【符号の説明】
【００６７】
１  水素製造システム
２  増湿器
３  反応器
７  第１熱交換器
８  第１流量調節弁
９  第２熱交換器
１０  第２流量調節弁
１１，１２，１３  第３熱交換器
１５，１６  第３流量調節弁
１８，１９，２０  気液分離器
２１  第４流量調節弁
２２  第４熱交換器
２３  第４流量調節弁
３０  第５熱交換器
３１  流量調節弁
４０，４１  第６熱交換器
１０１  ガス化炉
１０２  脱硫設備
１０３  水素製造設備
１０４  二酸化炭素の回収設備
１０５  発電設備
Ａ  第１流路
Ｂ  第２流路
Ｃ  循環路
Ｄ  第１バイパス流路
Ｅ  第２バイパス流路
Ｆ  第３流路
Ｇ１，Ｇ２  第３バイパス流路
Ｈ，Ｉ  配管
Ｊ  第４流路
Ｋ  第５流路
Ｌ  第４バイパス流路
【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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