(57)【要約】炭化水素原料を受け入れて処理するように、そして水素含有ガス流を含む湿潤リフォーメートを放出するように、構成されている燃料改質プラント、及びこの湿潤リフォーメートを冷却するコンデンサを含む水素プラント。この水素プラントはまた、冷却された湿潤リフォーメートを受け取り、湿潤リフォーメートから水を取り除き、そして乾燥リフォーメートを放出する少なくとも１つの水分離装置をさらに含む。この水素プラントは、乾燥リフォーメートを受け取り、乾燥リフォーメートを処理し、そして純粋もしくは実質的に純粋な水素を放出する水素浄化器を含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素原料を受け入れて処理するように構成され、そして水素含有ガス流を含む湿潤リフォーメートを放出するように構成されている燃料改質プラントと、
前記湿潤リフォーメートを冷却するように構成されているコンデンサと、
前記湿潤リフォーメートを冷却するように構成されている補助冷却システムと、
冷却された前記湿潤リフォーメートを受け入れ、前記湿潤リフォーメートから水を取り除き、そして乾燥リフォーメートを放出するように構成されている少なくとも１つの水分離装置と、
前記乾燥リフォーメートを受け取り、前記乾燥リフォーメートを処理し、そして純粋もしくは実質的に純粋な水素を放出するように構成されている水素浄化装置と、
を備える、水素プラント。
【請求項２】
前記補助冷却システムは、補助冷却液を使って前記湿潤リフォーメートから熱を吸収するように構成されている第１熱交換部と、前記補助冷却液から地下環境へ放熱するように構成されている第２地下熱交換部とを含む地下冷却システムである、請求項１に記載の水素プラント。
【請求項３】
前記コンデンサは、冷却液を循環させるためのコンデンサ回路を含み、前記補助冷却システムは、前記補助冷却液を循環させるための補助回路を含み、そして前記コンデンサ及び前記補助冷却システムは分離している、請求項２に記載の水素プラント。
【請求項４】
前記コンデンサ及び前記補助冷却システムの前記第１熱交換部は、湿潤リフォーメートを冷却するための一体型熱交換器を利用する、請求項３に記載の水素プラント。
【請求項５】
前記補助冷却システムは、精製水源に接続されている注入口と、前記燃料改質プラントの精製水注入口に接続されている排出口とを含む、請求項３に記載の水素プラント。
【請求項６】
前記補助冷却システムは、精製水源に接続されている注入口と、前記燃料改質プラントの精製水注入口に接続されている排出口とを含む、請求項１に記載の水素プラント。
【請求項７】
前記補助冷却システムの前記注入口は、冷却液として給水設備からの水を利用するために、ヒートシンクとして低温地下環境を利用する前記給水設備に接続されるように構成されている、請求項６に記載の水素プラント。
【請求項８】
原水を受け取るように構成されている注入口、精製水を排出するように構成されている第１排出口、廃水を排出するように構成されている第２排出口を有する浄水装置さらに備え、前記第１排出口は前記燃料改質プラントの精製水注入口に接続しており、前記補助冷却システムは、前記浄水装置の前記第２排出口に接続される注入口及び排出口を含む、請求項１に記載の水素プラント。
【請求項９】
前記浄水装置は逆浸透浄化装置を備える、請求項８に記載の水素プラント。
【請求項１０】
前記浄水装置の前記注入口は、ヒートシンクとして低温地下環境を利用する給水設備に接続されるように構成されている、請求項８に記載の水素プラント。
【請求項１１】
原水を受け入れるように構成されている注入口と、精製水を排出するように構成されている排出口を有する浄水装置とをさらに備え、前記排出口は前記燃料改質プラントの精製水注入口に接続しており、前記補助冷却システムは、給水設備からの原水を受け入れるように構成されている注入口及び前記浄水装置の前記注入口に接続されている排出口を含む、請求項１に記載の水素プラント。
【請求項１２】
前記燃料改質プラントは、水蒸気改質装置、自己熱改質装置、部分酸化改質装置、及び熱分解改質装置の内の少なくとも１つである、請求項１に記載の水素プラント。
【請求項１３】
前記湿潤リフォーメートを冷却するように構成されている前記コンデンサは、熱交換器において前記湿潤リフォーメートから熱を吸収するための冷却液を供給するように構成されている冷却システムを使用する、請求項１に記載の水素プラント。
【請求項１４】
前記冷却システムは冷却塔である、請求項１３に記載の水素プラント。
【請求項１５】
前記冷却システムは機械式冷却装置である、請求項１３に記載の水素プラント。
【請求項１６】
前記コンデンサは、熱交換器において前記湿潤リフォーメートから熱を吸収するために大気を使って、前記湿潤リフォーメートを冷却するように構成されている、請求項１に記載の水素プラント。
【請求項１７】
前記水素浄化装置は、排出ガスを放出するように構成されており、そして前記水素プラントは、前記燃料改質プラントに前記排出ガスを供給するように構成されている導管をさらに備える、請求項１に記載の水素プラント。
【請求項１８】
前記燃料改質プラントは、前記炭化水素原料を受け入れるように構成されている燃料注入口、空気注入口、及び精製水注入口を含む、請求項１に記載の水素プラント。
【請求項１９】
前記水素浄化装置は、圧力変動吸着システムである、請求項１に記載の水素プラント。
【請求項２０】
炭化水素原料を受け入れて処理し、水素含有ガス流を含む湿潤リフォーメートを製造するための手段、
前記湿潤リフォーメートを冷却するための第１手段と、
前記湿潤リフォーメートを冷却するための第２手段と、
前記冷却された湿潤リフォーメートを受け入れ、そして前記湿潤リフォーメートから水を取り除き、乾燥リフォーメートを生成させるための手段と、
前記乾燥リフォーメートを受け入れて処理し、純粋もしくは実質的に純粋な水素を製造するための手段と、
を備える、水素プラント。
【請求項２１】
前記第２冷却手段は、補助冷却液を使って前記湿潤リフォーメートから熱を吸収するように構成されている第１熱交換部と、補助冷却液から地下環境へ放熱するように構成されている第２地下熱交換部とを含む地下冷却システムである、請求項２０に記載の水素プラント。
【請求項２２】
前記第１冷却手段は、冷却液を循環させるための回路を含み、前記第２冷却手段は、補助冷却液を循環させるための補助回路を含み、そして前記回路及び前記補助回路は分離している、請求項２１に記載の水素プラント。
【請求項２３】
前記第１冷却手段及び前記第２冷却手段の前記第１熱交換部は、湿潤リフォーメートを冷却するための一体型熱交換器を利用する、請求項２２に記載の水素プラント。
【請求項２４】
前記第２冷却手段は、精製水源に接続されている注入口と、炭化水素原料を受け入れ、処理するための前記手段の精製水注入口に接続されている排出口とを含む、請求項２２に記載の水素プラント。
【請求項２５】
前記第２冷却手段は、精製水源に接続されている注入口と、炭化水素原料を受け入れて処理するための前記手段の精製水注入口に接続されている排出口とを含む、請求項２０に記載の水素プラント。
【請求項２６】
前記第１冷却手段の前記注入口は、冷却液として給水設備からの水を利用するために、ヒートシンクとして低温地下環境を利用する前記給水設備に接続されるように構成されている、請求項２５に記載の水素プラント。
【請求項２７】
原水を受け取るように構成されている注入口と、精製水を排出するように構成されている第１排出口と、廃水を排出するように構成されている第２排出口とを有する浄水手段をさらに備え、前記第１排出口は、炭化水素原料を受け入れて処理するための前記手段の精製水注入口に接続しており、前記第２冷却手段は、前記浄水手段の前記第２排出口に接続されている注入口及び排出口を含む、請求項２０に記載の水素プラント。
【請求項２８】
前記浄水手段の前記注入口は、ヒートシンクとして低温地下環境を利用する給水設備に接続されるように構成されている、請求項２７に記載の水素プラント。
【請求項２９】
原水を受け取るように構成されている注入口、精製水を排出するように構成されている排出口を有する浄水手段さらに備え、前記第１排出口は、炭化水素原料を受け入れて処理するための前記手段の精製水注入口に接続しており、前記第２冷却手段は、給水設備からの原水を受け取るように構成されている注入口と、前記浄水手段の前記注入口に接続されている排出口とを含む、請求項２０に記載の水素プラント。
【請求項３０】
前記第１冷却手段は、熱交換器において前記湿潤リフォーメートから熱を吸収するための冷却液を供給するように構成されている冷却システムである、請求項２０に記載の水素プラント。
【請求項３１】
前記冷却システムは冷却塔である、請求項３０に記載の水素プラント。
【請求項３２】
前記冷却システムは機械式冷凍装置である、請求項３０に記載の水素プラント。
【請求項３３】
前記第１冷却手段は、熱交換器において前記湿潤リフォーメートから熱を吸収するために大気を使う、請求項２０に記載の水素プラント。
【請求項３４】
前記乾燥リフォーメートを受け入れて処理するための前記手段は、排出ガスをさらに生成し、そして前記水素プラントは、炭化水素原料を受け入れて処理するための前記手段に前記排出ガスを供給するように構成されている導管をさらに備える、請求項２０に記載の水素プラント。
【請求項３５】
炭化水素原料を処理し、水素含有ガス流を含む湿潤リフォーメートを製造することと、
コンデンサを使って前記湿潤リフォーメートを冷却することと、
補助冷却システムを使って前記湿潤リフォーメートを冷却することと、
前記湿潤リフォーメートから水を取り除き、乾燥リフォーメートを製造することと、
前記乾燥リフォーメートを処理して、純粋もしくは実質的に純粋な水素を製造することと、
を備える、精製水素の製造方法。
【請求項３６】
前記補助冷却システムは、湿潤リフォーメートを冷却する場合に、流体摩擦に耐えるために必要とする以上のエネルギー入力を必要としない、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
炭化水素原料の前記処理は、１００℃を超える温度において湿潤リフォーメートを放出する燃料改質プラントを使って行われる、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記乾燥リフォーメートは、圧力変動吸着システムを使って処理され、そして前記乾燥リフォーメートが圧力変動吸着システムに入る時点での温度は、前記コンデンサ及び前記補助冷却システムを使って制御される、請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記乾燥リフォーメートが前記圧力変動吸着システムに入る時点での温度は、４５℃未満である、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記乾燥リフォーメートが前記圧力変動吸着システムに入る時点での温度は、３５℃未満である、請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記乾燥リフォーメートが前記圧力変動吸着システムに入る時点での温度は、２５℃未満であって０℃を超えるものである、請求項３８に記載の方法。
【請求項４２】
前記補助冷却システムは、補助冷却液を使って前記湿潤リフォーメートから熱を吸収するように構成されている第１熱交換部と、前記補助冷却液から地下環境へと放熱するように構成されている第２地下熱交換部とを含む地下冷却システムである、請求項３５に記載の方法。
【請求項４３】
前記コンデンサは、冷却液を循環させるためのコンデンサ回路を含み、前記補助冷却システムは、冷却液を循環させるための補助回路を含み、そして前記回路及び前記補助回路は分離している、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
炭化水素原料の前記処理は、燃料改質プラントを使って行われ、そして前記補助冷却システムは、精製水源に接続されている注入口と、前記燃料改質プラントの精製水注入口に接続されている排出口とを含む、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
炭化水素原料の前記処理は、燃料改質プラントを使って行われ、そして前記補助冷却システムは、精製水源に接続されている注入口と、前記燃料改質プラントの精製水注入口に接続されている排出口とを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４６】
前記補助冷却システムの前記注入口は、冷却液として給水設備からの水を利用するために、ヒートシンクとして低温地下環境を利用する前記給水設備に接続されるように構成されている、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
原水を精製して前記炭化水素原料の前記処理において使用するための精製水を放出し、そして補助冷却システムにおける冷却液として使用するための廃水を放出することとをさらに備える、請求項３５に記載の方法。
【請求項４８】
前記原水は、ヒートシンクとして低温地下環境を利用する給水設備からのものである、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記コンデンサは、熱交換器において前記湿潤リフォーメートから熱を吸収するための冷却液を供給するように構成されている冷却システムである、請求項３５に記載の方法。
【請求項５０】
前記冷却システムは冷却塔である、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記冷却システムは機械式冷却装置である、請求項４９に記載の方法。
【請求項５２】
前記コンデンサは、熱交換器において前記湿潤リフォーメートから熱を吸収するために大気を使う、請求項３５に記載の方法。
【請求項５３】
前記乾燥リフォーメートの前記処理は排出ガスを生成し、そして前記排出ガスは、前記炭化水素の処理において使われる、請求項３５に記載の方法。
【請求項５４】
圧力変動吸着装置で使われる乾燥剤の体積を最小にするための方法であって、
圧力変動吸着装置に流入する水素含有ガス流を含むリフォーメートの温度及び含水量を制御することを備え、ここで前記リフォーメートの温度及び含水量は、前記リフォーメートを冷却するためのコンデンサと、前記リフォーメートをさらに冷却するための補助冷却システムと、前記冷却されたリフォーメートから水を取り除くための水分離装置とを使って制御される、方法。
【請求項５５】
前記補助冷却システムは、湿潤リフォーメートを冷却する場合に、流体摩擦に耐えるために必要とする以上のエネルギー入力を必要としない、請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記乾燥リフォーメートが前記圧力変動吸着システムに入る時点での温度は、４５℃未満である、請求項５４に記載の方法。
【請求項５７】
前記乾燥リフォーメートが前記圧力変動吸着システムに入る時点での温度は、３５℃未満である、請求項５４に記載の方法。
【請求項５８】
前記乾燥リフォーメートが前記圧力変動吸着システムに入る時点での温度は、２５℃未満であって０℃を超えるものである、請求項５４に記載の方法。
【請求項５９】
前記補助冷却システムは、補助冷却液を使って前記湿潤リフォーメートから熱を吸収するように構成されている第１熱交換部と、前記補助冷却液から地下環境へと放熱するように構成されている第２地下熱交換部とを含む地下冷却システムである、請求項５４に記載の方法。
【請求項６０】
前記コンデンサは、冷却液を循環させるためのコンデンサ回路を含み、前記補助冷却システムは、補助冷却液を循環させるための補助回路を含み、そして前記回路及び前記補助回路は分離している、請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
前記補助冷却システムは、精製水源に接続されている注入口を含み、そして前記補助冷却システムの前記注入口は、冷却液として給水設備からの水を利用するために、ヒートシンクとして低温地下環境を利用する前記給水設備に接続されるように構成されている、請求項５４に記載の方法。
【請求項６２】
前記補助冷却システムは、浄水装置に接続されている注入口を含み、そして前記浄水装置は、ヒートシンクとして低温地下環境を利用する給水設備からの原水を受け入れるように構成されている注入口を含む、請求項５４に記載の方法。
【請求項６３】
前記コンデンサは、熱交換器において前記リフォーメートから熱を吸収するための冷却液を供給するように構成されている冷却システムである、請求項５４に記載の方法。
【請求項６４】
前記冷却システムは冷却塔である、請求項６３に記載の方法。
【請求項６５】
前記冷却システムは機械式冷却装置である、請求項６３に記載の方法。
【請求項６６】
前記コンデンサは、熱交換器において前記リフォーメートから熱を吸収するために大気を使う、請求項５４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素プラントにおいて改質ガス(reformate  gas)を冷却するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素は、今世紀初頭から商業的に炭化水素原料から製造されている。天然ガス、プロパンのような液化石油ガス（ＬＰＧ）、又は他の炭化水素によって燃料が供給される現代の水素プラントは、アンモニア合成、石油精製及び他の工業用途の水素の重要な供給源である。これらの水素プラントは、炭化水素原料を「リフォーメート」と呼ばれる水素含有ガスの流れに変換するために、「改質」と呼ばれる共通の群をなす処理工程を共有する。リフォーメートガスは、改質プロセスプラントから放出される場合には、通常少なくとも２５体積％の水蒸気を含む。
【０００３】
純粋な水素又は実質上純粋な水素は、リフォーメートガスから製造される。この水素は、９９％程度の純度を有し得るが、特定の用途では、より高い純度がしばしば必要とされ、全体の不純物が５ｐｐｍ未満であることもしばしば要求される。純粋な水素もしくは実質上純粋な水素の製造は、圧力変動吸着（ＰＳＡ）の使用により一般に達成できる。リフォーメートガスは、精製工程の前に高温から十分に冷却されるべきである。この冷却は、水の飽和圧を低下させ、それにより液体の水へと凝結するようにする。この液体の水は、その後、精製の前にリフォーメートガスから取り除かれる。一般的なシステムでは、リフォーメートガスは、この流れの温度及び圧力における飽和状態で、又はこの飽和状態の近くで水素精製装置に運ばれる。
【０００４】
ＰＳＡシステムで使用される吸着剤は、水蒸気に極めて敏感である。過剰の水蒸気は、非常に強くＰＳＡ吸着剤によって吸着され、効果的にそれらを非活性化することができる。したがって、ＰＳＡシステムは、一般に乾燥機能が制限された水容量を有するという状態に設計される。リフォーメートガスの最大受容温度は、必要とされる乾燥手段の大きさを決定づける。一般に、乾燥手段は、ＰＳＡ容器に組み込まれており、そして水素回収量を減少させる空隙容量を生じさせる。そのため、ＰＳＡ装置において最良の水素回収率を得るためには、リフォーメート温度の最大値を最小にすることが好ましい。
【０００５】
酸化炭素、未反応の炭化水素、窒素及び他のガスのような一般的なリフォーメート不純物を取り除くための吸着剤の容量及び選択性もまた、温度に強く依存している。低温であることは、吸着剤の選択性及び容量を大いに改善するが、極端な低温度は、吸着剤の速度パラメーターに悪影響を与え得る。そのため、リフォーメート温度の綿密な制御が、ＰＳＡ装置の適切な制御のために必要とされる。
【０００６】
リフォーメート温度が水の氷点下にまで下がる場合、水素プラントの配管は、氷によって遮断され得る。このような遮断は、安全上の問題を起こす可能性があり、そして氷による遮断を取り去るのに十分な時間をかけて水素プラントをシャットダウンする必要性を確実に生じさせるであろう。そのため、リフォーメートは、水の氷点下にまで冷却されるべきではない。
【０００７】
関連技術の水素プラントは、冷却水又は冷却液によって冷却されるコンデンサシステムを含んでいる。これらの熱交換器は、その後、冷却塔又は機械式冷却装置のような冷却システムに接続されている。このようなシステムは、高額な設備投資と運転コストに悩まされる。機械式冷却サイクルは、運転に相当量のエネルギーを必要とする。そして冷却塔又は他の蒸発冷却システムは、スケール形成、生物汚染及び腐食を防止するために綿密なメインテナンスを必要とする。このような冷却システムはまた、かなりのコスト及び廃棄負担を伴う大量の補給水をも必要とする。凍結するような天候の間、冷却塔及び蒸発クーラーは、リフォーメートコンデンサ及び配管が直面する場合と同じ氷形成問題を防止するために細心の注意を必要とする。
【０００８】
その他、関連技術の水素プラントは、リフォーメートコンデンサを冷却するために、大気による空冷を用いる。空冷は、粗末な温度調整によって高い室温を発生する地域に制限される。このことから、風冷式システムの適用性を、温帯気候を有する地域、水素純度の低い要求条件、又は高い運転温度に耐えうるＰＳＡ吸着剤に制限される。
【０００９】
関連技術の水素プラント冷却システムの制限は、フルタイムのオペレーター監視もしくは大規模なオートメーション及び首尾よい運転を確実なものとする制御を必要とする。コスト及び複雑性が受容可能な場合のより大きいキャパシティにおいては、これらの工程の方が有利であるにもかかわらず、これらの工程は、非常に小さいスケールにおいては、改質装置系水素プラントを経済的に実行可能なものとしないコストを生じさせる。
【特許文献１】米国特許第６，６２３，７１９号明細書
【特許文献２】米国特許第６，４９７，８５６号明細書
【特許文献３】米国特許出願第１０／７９１，７４６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
水素プラントの効率及び操作性を改善しようとする努力を行い、本発明者は、下に記述されるような種々の改良を設計した。例えば、本発明は、当技術での他の方法によって被るエネルギー消費及び操作の複雑さという大きな不利益なしに、高い室温条件において運転することができる改良水素プラント及び精製水素の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、炭化水素原料を受け入れて処理するように構成され、そして水素含有ガス流を含む湿潤リフォーメートを放出するように構成されている燃料改質プラント、及びこの湿潤リフォーメートを冷却するように構成されているコンデンサを含む水素プラントを有利に提供する。この水素プラントはまた、冷却された湿潤リフォーメートを受け入れ、湿潤リフォーメートから水を取り除き、そして乾燥リフォーメートを放出するように構成されている少なくとも１つの水分離装置を含む。さらに、この水素プラントは、乾燥リフォーメートを受け入れ、乾燥リフォーメートを処理し、そして純粋もしくは実質的に純粋な水素を放出するように構成されている水素浄化装置を含む。本発明は、コンデンサに加えて湿潤リフォーメートを冷却する補助冷却システムを含む。
【００１２】
本発明の１つの有利な実施形態において、補助冷却システムは、補助冷却液を使って湿潤リフォーメートから熱を吸収するように構成されている第１熱交換部、及びこの補助冷却液から地下環境へ放熱するように構成されている第２地下熱交換部を含む。
【００１３】
本発明の別の有利な実施形態においては、補助冷却システムは、精製水源に接続されている注入口、及び燃料改質プラントの精製水注入口に接続されている排出口を含む。この実施形態において、精製水は、ヒートシンクとしての低温の地下環境を利用する給水設備により、補助冷却システムの注入口に供給される。そのため、この冷却された水は、補助冷却システムにおける冷却液として使用することができる。
【００１４】
本発明のさらなる有利な実施形態においては、水素プラントは、原水を受け入れるように構成されている注入口を有する浄水装置、精製水を放出するように構成されている第１排出口、及び廃水を放出するように構成されている第２排出口を含んでいる。第１排出口は、燃料改質プラントの精製水注入口に接続している。補助冷却システムは、浄水装置の第２排出口に接続した注入口及び排出口を含む。浄水装置は、例えば、逆浸透浄化装置であり得る。浄水装置の注入口は、好ましくは、ヒートシンクとしての低温地下環境を有する給水設備に接続されるように構成されている。
【００１５】
さらに、本発明は、炭化水素原料を処理し、水素含有ガス流を含む湿潤リフォーメートを製造することと、コンデンサを使って湿潤リフォーメートを冷却することと、補助冷却システムを使って湿潤リフォーメートを冷却することを含む、精製水素の製造方法を有利に提供する。この方法はまた、水を湿潤リフォーメートから取り除き、乾燥リフォーメートを製造することと、及び乾燥リフォーメートを処理し、純粋もしくは実質的に純粋な水素を製造することを含む。
【００１６】
本発明の１つの有利な実施形態において、補助冷却システムは、湿潤リフォーメートを冷却するために、流体摩擦に耐えるために必要とする以上のエネルギー入力を必要としない。
【００１７】
本発明の別の有利な実施形態においては、炭化水素原料の処理は、１００℃を超える温度において湿潤リフォーメートを放出する燃料改質プラントを使って行われる。別の好ましい実施形態においては、乾燥リフォーメートは、圧力変動吸着システムを使って処理される。そして乾燥リフォーメートが圧力変動吸着システムに入る時点での温度は、コンデンサ及び補助冷却システムを使って制御される。好ましくは、乾燥リフォーメートが圧力変動吸着システムに入る時点での温度は、４５℃未満である。より好ましくは、乾燥リフォーメートが補助冷却システムに入る時点での温度は、２５℃未満であって０℃を超えるものである。
【００１８】
本発明のさらなる有利な実施形態において、補助冷却システムは、補助冷却液を使って湿潤リフォーメートから熱を吸収するように構成されている第１熱交換部、及びこの補助冷却液から地下環境へと熱を放出するように構成されている第２地下熱交換部を含んでいる地下冷却システムである。
【００１９】
本発明のさらに他の有利な実施形態においては、炭化水素原料の処理は、燃料改質プラントを使って行われ、そして補助冷却システムは、精製水源に接続されている注入口、及び燃料改質プラントの精製水注入口に接続されている排出口を含んでいる。この実施形態において、精製水は、ヒートシンクとしての低温地下環境を利用する給水設備により、補助冷却システムの注入口に供給される。そのため、この冷却された水は、補助冷却システムにおける冷却液として使用することができる。
【００２０】
本発明のさらなる有利な実施形態においては、本方法は、原水を精製して炭化水素原料の処理での使用のための精製水を放出し、そして補助冷却システムにおける冷却液として使用するための廃水を放出することをさらに備えている。原水は、好ましくは現地の地下温度もしくは地下温度近くにおける給水設備からのものである。
【００２１】
さらに、本発明は、圧力変動吸着装置で使われる乾燥剤の体積を最小にするための方法を有利に提供する。この方法は、圧力変動吸着装置に流入する水素含有ガス流を含むリフォーメートの温度及び含水量を制御することを含んでいる。リフォーメートの温度及び含水量は、リフォーメートを冷却するためのコンデンサ、リフォーメートをさらに冷却するための補助冷却システム、及び冷却されたリフォーメートから水を取り除くための水分離装置を使って制御される。
【００２２】
さらに、本発明は、水素を生成するための改善された方法を提供する。こここで、炭素に対する蒸気の最適比が、コンデンサ単独で使用される場合に使われる最適値より高く設定されるコンデンサ及び補助冷却システムの両方。
【００２３】
本発明のより完全な理解及びこれに伴う利点の多くは、特に添付の図画と関連付けて考慮する場合、前記の発明の詳細な記述を参照として容易に明白になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明のシステムは、水素プラントにおいてリフォーメートガスを冷却するためのシステム及び方法に関する。例えば、本発明は、より小さいエネルギー、より少量の水、より少ないメインテナンスしか必要とせず、そして圧力変動吸着設計温度より高く、凝結水の氷点を下回る室温下で稼働する圧力変動吸着（ＰＳＡ）型水素プラントのためのリフォーメートガス冷却システム及びリフォーメートガス冷却方法に関する。
【００２５】
本発明の実施形態は、添付の図画を参照としてこれ以降に記述される。以下の記述において、実質的に同じ機能及び配置を有している構成要素は、同じ参照番号によって示されている。また反復的な記述は、必要な場合にのみ為されている。
【００２６】
図５は、関連技術の水素プラントを示している。図５で描写されるプラントは、原料燃料注入口２１２、空気注入口２１４及び精製水注入口２１６を有する燃料改質プラント２１０を含んでいる。蒸気改質装置、自己熱改質装置、部分酸化改質装置、熱分解改質装置、又は他の任意の適切な改質装置のような種々のタイプの燃料改質装置を使用することができる。燃料改質装置２１０は、水素、未反応炭化水素、酸化炭素、窒素、水蒸気及び種々の他の少量成分の組合せを含んでいる湿潤リフォーメート生成物を、１００℃を超える温度において製造する。湿潤リフォーメートは、導管２２０に沿って移動し、そしてコンデンサ２３０に導入されて、注入口２３２から排出口２３４に流れる熱転送液と熱交換することにより冷却される。この冷却液は、一般的に冷水、大気、冷気、蒸気冷却サイクル作動液、又は他の任意の適切な液体を含んでいる。大部分のシステムは、一般的に、個別のプロセスを介する設備において極めて正確に制御された温度に冷却された冷却水を利用する。
【００２７】
冷却されたリフォーメートは、コンデンサ注入口でのリフォーメートの温度未満に下げられた温度において導管２４０を経由してコンデンサを出て、そして凝結した液相及び気相の両方を含んでいる。コンデンサ排出口を出た冷却リフォーメートは、液相リフォーメートが分離され、凝縮水として排出口２５２経由でシステムから排出される水分離装置２５０に入る。この凝縮水はリサイクルされ、燃料改質プラント２１０の中に精製水として投入される。乾燥リフォーメートは、導管２６０を経由して水分離装置から出る。
【００２８】
乾燥リフォーメートは、ＰＳＡ水素浄化装置に入る。ＰＳＡ水素浄化装置は、排出口２７２において乾燥リフォーメートを純粋もしくは実質的に純粋な水素流に分離し、若干の水素及び大部分の他のリフォーメート成分を含むガス流を排出する。この排出ガスは、導管２８０を経由して転送され、燃料改質プラント２１０において燃料ガスとして使用することができる。
【００２９】
図５で描写される水素プラントは、前記の背景技術の項において議論されたタイプの問題に直面する。
【００３０】
図１は、原料燃料注入口１２、空気注入口１４及び精製水注入口１６を有する燃料改質プラント１０を含んでいる本発明の第１の好ましい実施形態を描写している。水蒸気改質装置、自己熱改質装置、部分酸化改質装置、熱分解改質装置、又は他の任意の適切な改質装置のような種々のタイプの燃料改質装置を使用することができる。特に好ましい改質装置は、ローマックス（Ｌｏｍａｘ）他による米国特許第６，６２３，７１９号及び第６，４９７，８５６号に開示されている。そして別の特に好ましい改質装置は、関連する米国出願連続番号第１０／７９１，７４６号に開示されている。これらの開示のすべては、それらの全体において本明細書中で援用される。燃料改質装置１０は、水素、未反応炭化水素、酸化炭素、窒素、水蒸気及び種々の他の少量成分のうちのいくつかの組合せを含んでいる湿潤リフォーメート生成物を、１００℃を超える温度において製造する。湿潤リフォーメートは、導管２０に沿って移動し、そしてコンデンサ３０に導入されて、注入口３２から排出口３４に流れる熱転送液と熱交換することにより冷却される。この冷却液は、一般的に冷水、大気、冷気、蒸気冷却サイクル作動液、又は他の任意の適切な液体を含むことができる。冷却されたリフォーメートは、コンデンサ注入口でのリフォーメートの温度未満に下げられた温度において導管４０経由でコンデンサ３０を出る。
【００３１】
本発明の第１の好ましい実施形態は、熱交換器９０、導管４０を介した湿潤リフォーメート注入口、冷却液注入口導管９２、及び冷却液排出口導管９４を有する追加の冷却システムもしくは補助冷却システムを含んでいる。補助冷却システムは、コンデンサ３０と連動して運転される。好ましくは、コンデンサ３０及び熱交換器９０の両方が、少なくとも若干有限量のリフォーメートの凝結をもたらすことは注目すべきである。補助冷却システムにおける冷却液は、冷却液導管排出口９４から冷却液導管注入口９２に戻って循環するときに、地下の熱交換器９６を通って移送される。地下の補助冷却システムは、公知の標準的なコンデンサ冷却システムより少ないエネルギーしか使わないため、一層効率的である。その理由は、土壌の温度は、高温気候下では室温を下回り、そして気化冷却を介した冷却塔において達成可能な温度（すなわち湿球温度）よりも下げることが有利に行えるためである。コンデンサと連動して使われる場合、補助冷却システムは、コンデンサの必要容量を減らし、そして湿潤リフォーメートの効率的な冷却を提供する。
【００３２】
冷却されたリフォーメートは、補助冷却システム注入口におけるリフォーメートの温度未満に下げられた温度で、導管９８を経由して補助冷却システム９０を出て、そして凝結した液相及び気相の両方を含んでいる。補助冷却システム排出口を出た冷却リフォーメートは、液相リフォーメートが分離され、凝縮水として排出口５２経由でシステムから排出される水分離装置５０に入る。この凝縮水はリサイクルされ、燃料改質プラント１０の中に精製水として投入される。乾燥リフォーメートは、導管６０を経由して水分離装置から出る。語句「乾燥リフォーメート」は、一般にリフォーメートが液体の水滴を有しないという意味において乾燥しているのであり、そして燃料改質プラントを出るリフォーメートと比較して乾燥しているという意味である。しかしながら、「乾燥リフォーメート」は、一般に現場の温度においては水で飽和していることは留意すべきである。
【００３３】
乾燥リフォーメートは、ＰＳＡ水素浄化装置７０に入る。ＰＳＡ水素浄化装置７０は、排出口７２において乾燥リフォーメートを純粋もしくは実質的に純粋な水素流に分離し、若干の水素及び他のリフォーメート成分の大部分を含むガス流を排出する。この排出ガスは、導管８０を経由して転送され、燃料改質プラント１０において燃料ガスとして使用することができる。
【００３４】
好ましくは圧力変動吸着システムに入る乾燥リフォーメートの温度は、４５℃未満であり、より好ましくは３５℃未満であり、最も好ましくは２５℃未満で０℃を超える。４５℃において、リフォーメートは、０．０９５ｂａｒの蒸気圧を含み得る。３５℃では、リフォーメートは、０．０５６ｂａｒの蒸気圧、単位体積あたり４０％超の少ない水蒸気しか含み得ない。２５℃においては、蒸気圧は、０．０３１７ｂａｒでしかない。１５℃においては、蒸気圧は、０．０１７ｂａｒにまで下がる。したがって、好ましい温度範囲内に乾燥リフォーメートを冷却することにより、ＰＳＡ水素精製装置７０において水素回収の改善に必要とされる乾燥システムの性能を顕著に低下させる水蒸気負荷の劇的な減少を達成することができる。
【００３５】
本発明の別の構成は、リフォーメートから熱を取る単一熱交換ユニットの中にコンデンサ３０及び補助冷却システム９０の両方を一体化させた複合熱交換器を含むことができる。このような構成においては、コンデンサ３０及び補助冷却システム９０は、任意の好ましい手法で熱を排出する個別の冷却液回路を有する。例えば、コンデンサ３０は、冷却塔を使うことによって、その中で冷却液回路から熱を放出させることができる。一方、補助冷却システム９０は、地下の熱交換器を使うことにより、その中で冷却液回路から熱を放出させることができる。複合熱交換機は、例えば、２回路ろう付けもしくは溶接板の熱交換器、又は他の同様の構成であり得る。
【００３６】
本発明の第２の実施形態は、図２に示される。図２に描写される水素プラントは、前記の図１の実施形態と同じ一般的なシステムレイアウトを使用する。しかしながら、図２の第２の好ましい実施形態においては、低温の精製水が、注入口１０２において補助冷却システム１００の中に投入される冷却液として使われる。次いで、排出口導管１０４における冷却液の排出口は、精製水注入口１６において燃料改質プラント１０に投入される。この第２の好ましい実施形態は、その水源においてもしくは水の移送の間に、上水道、工業給水、井戸水、淡水等の水源を低温の地下環境をヒートシンクとして利用する給水設備から精製水が供給され、したがって、暑い気候の期間であっても大気より一般的に低温であるという事実を利用する。湿潤リフォーメートの補助冷却のために、この精製水を利用することで、本発明のＰＳＡ回収は、他のシステムのＰＳＡ回収より向上する。加えて、注入口１０２から入る冷却液は、地下の熱交換器を通って、又は冷却液がこのような熱交換器でさらに冷却され得る場合は、補助冷却システム１００に供給される前の配管の全長を通って流すことができる。
【００３７】
本発明の第３の実施形態は、図３に示される。図３で描写される水素プラントは、前記の図１及び図２の実施形態と同じ一般的なシステムレイアウトを利用する。しかしながら、図３の第３の好ましい実施形態においては、低温の原水が、注入口１０２において補助冷却システム１００の中に注入される冷却液として使われる。次いで、排出口導管１０７における冷却液の排出口は、導管１０９を経由して燃料改質プラント１０の精製水注入口１６に入る前に、逆浸透浄化装置のような個別の浄化装置１０８を通る。この実施形態は、上水道、工業給水、井戸水、淡水等の水源を低温の地下環境をヒートシンクとして利用する給水設備からの原水が、暑い気候の期間であっても大気より一般的に低温であるという事実を利用する。湿潤リフォーメートの補助冷却のために、この精製水を利用することで、本発明のＰＳＡ回収は、他のシステムのＰＳＡ回収より大きなものとなる。
【００３８】
本発明の第４の好ましい実施形態が図４に示される。図４で描写される水素プラントは、前記の図１から図３の実施形態と同じ一般的なシステムレイアウトを利用する。しかしながら、第４の好ましい実施形態においては、注入口１３０に供給される低温の原水が、導管１２２を経由して燃料改質プラント１０の精製水注入口１６に入る前に、逆浸透浄化装置のような個別の浄化装置１２０を通る。そして排出される未浄化水は、標準的なコンデンサシステムと連動して稼動する補助冷却システム１１０の熱交換器の冷却水注入口１１２に供給される。本発明のこの実施形態は、上水道、工業給水、井戸水、淡水等の水源を低温の地下環境をヒートシンクとして利用する給水設備からの原水もまた、大気より一般的に低温であるという事実を利用する。
【００３９】
本発明の熱交換器は、現地の土壌温度が大気温より低い場所にある任意の水素プラントにおいてリフォーメートを冷却するのに有利に使用することができる。第２及び第３の例示の実施形態において、供給水もしくはプロセス用水の使用は、燃料改質プラント１０の熱効率の望ましくない低下をもたらし得る。その理由は、導管１０４、１０７、又は１２２を通って移動する精製されたプロセス用水は、その可能な最低温度よりも高く加熱されるからである。それがプロセス流を冷却するための熱交換媒体として使用される場合、熱交換の効率は、低下する。しかしながら、浄化されていない廃水が第４の実施形態で使われる場合には、効率の低下は起こらない。
【００４０】
例示的な事例は、米国特許第６，６２３，７１９号及び第６，４９７，８５６号ならびに米国出願第１０／７９１，７４６号の水蒸気改質プロセスにある。これらのプロセスにおいて、高温の燃焼生成物、すなわち燃焼排ガスは、水蒸気を生成することによって冷却される。これらのプロセスにおける燃焼排ガスは、一般にプロセス用水より高い熱の質量流束を有し、換言すれば、それは、温度変化１度あたりもっと多くのエネルギーを含んでいる。したがって、精製された用水温度が増加する場合、燃焼排ガスの排出温度は、対応して増加する。燃焼排ガスは、同じ温度増加に対するプロセス用水よりさらに多くのエネルギーを含むため、改質システムの正味の熱回収は、減少する。
【００４１】
一般に、米国特許第６，６２３，７１９号のプロセスにおける炭素モル流量に対する水蒸気モル流量の好ましい比率の範囲内で、熱効率は、炭素に対する水蒸気のより低い比率で最適化される。この最適の比率は、好ましい範囲内で選ばれた燃料、運転圧、及び運転温度に依存している。しかしながら、本発明の補助冷却システムが使用される場合には、炭素に対する水蒸気の最適の比率が、０．２５：１から１：１の間に増加することが驚くべきことに判明する。これは、より高い水流速度で改質プロセスに入る、より低温で予熱された精製水の温度に起因する。したがって、本発明の補助冷却システムを備えた改質装置システムは、気温が高い期間においては、精製プロセス水温が炭素に対する蒸気の最適比率において実質的に増加する場合に、炭素に対する水蒸気の比率が増大し、改質装置に供給される水の温度を下げ得るように有利に操作することができる。
【００４２】
本明細書中で描写及び記述された例示的な実施形態は、本発明の好ましい実施形態を説明するもので、いかなる意味においても特許請求の範囲を制限することを意図しないことは、留意すべきである。
【００４３】
本発明の多数の修正及び変形は、上記の教示を考慮することにより可能である。したがって、添付の特許請求の範囲に属する範囲内で、本発明が、本明細書中で特に記述された以外の方法で実施され得ることは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の水素プラントの第１の実施形態の概略図である。
【図２】本発明の水素プラントの第２の実施形態の概略図である。
【図３】本発明の水素プラントの第３の実施形態の概略図である。
【図４】本発明の水素プラントの第４の実施形態の概略図である。
【図５】従来技術の水素プラントの概略図である。
【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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【国際調査報告】
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