(57)【要約】【課題】既設の製鉄プラントの排ガスを利用して加熱源とすることにより、エネルギー利用効率を向上させることができ、構造が簡素化された水素製造装置を提供する。【解決手段】水素製造装置３は、水素を含む燃料と水との混合蒸気を発生させる原料供給系６と、触媒を含み、原料供給系６からの混合蒸気から水素を生成させる反応管４と、反応管４内で生成された水素を回収する生成ガス回収系７とを備えている。このうち反応管４は、製鉄プラントの製鉄炉１からの排ガスが流れる排ガス流路ダクト２内部に設けられている。また、反応管４は、排ガス流路ダクト２内部で、排ガスにより触媒の存在下で原料供給系６からの混合蒸気を加熱しながら反応させて水素を生成させる。【選択図】図１
2008013397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む燃料と水との混合蒸気を発生させる原料供給系と、
触媒を含み、原料供給系からの混合蒸気から水素を生成させる反応管と、
反応管内で生成された水素を回収する生成ガス回収系とを備え、
反応管は、製鉄プラントの製鉄炉からの排ガスが流れる排ガス流路ダクト内部に設けられ、この排ガス流路ダクト内部で、排ガスにより触媒の存在下で原料供給系からの混合蒸気を加熱しながら反応させて水素を生成させることを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
水素を含む燃料と水との混合蒸気を発生させる原料供給系と、
触媒を含み、原料供給系からの混合蒸気から水素を生成させる反応管を有する改質器と、
改質器の反応管内で生成された水素を回収する生成ガス回収系とを備え、
改質器は、反応管全体を覆うシェルと、シェル内において反応管と接するように貯留された熱媒体油と、熱媒体油内部を通過するように設けられ、製鉄プラントの製鉄炉からの排ガスが流れる改質器用ガス管とを有し、
改質器の反応管は、改質器用ガス管内を流れる排ガスにより加熱された熱媒体油により加熱され、触媒の存在下で原料供給系からの混合蒸気を反応させて水素を生成させることを特徴とする水素製造装置。
【請求項３】
前記改質器の反応管は、両端が開口する管形状からなるとともに中央部分に前記触媒が充填され、
原料供給系からの混合蒸気は、反応管の上端開口部から流入し、触媒の存在下で水素となり、この水素は、反応管の下端開口部から生成ガス回収系に向けて流出することを特徴とする請求項２に記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記改質器の反応管は、
上端が開口するとともに下端が閉鎖された外管と、外管の中央に挿入され、両端が開口して外管との間に環状隙間を形成する内管とを有し、
この環状隙間は、前記触媒の充填された触媒充填部と、触媒充填部の下方に設けられ、触媒の充填されていない触媒非充填部とを有し、
原料供給系からの混合蒸気は、反応管の環状隙間上方から触媒充填部内に流入し、この触媒充填部において触媒の存在下で水素となり、この水素は、反応管の触媒非充填部を介して反応管の内管の下端開口部へ流入して、この内管の上端開口部から生成ガス回収系に向けて流出することを特徴とする請求項２に記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記原料供給系は、
熱媒体油が貯留された熱媒体油貯留タンクと、
熱媒体油貯留タンク内に配置された燃料蒸発器、水蒸発器および混合部と、
前記燃料を燃料蒸発器内へ供給する燃料供給機構と、
前記水を水蒸発器内へ供給する水供給器と、
熱媒体油貯留タンクの熱媒体油内に設けられ、前記製鉄プラントの製鉄炉からの排ガスが流れる燃料加熱用ガス管とを有し、
混合部は、燃料蒸発器および水蒸発器に接続され、燃料蒸発器からの燃料蒸気と水蒸発器からの水蒸気とを混合して前記混合蒸気を生成し、燃料加熱用ガス管内の排ガスにより熱媒体油貯留タンクの熱媒体油が加熱されることにより、燃料蒸発器、水蒸発器、および混合部が加熱されることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項６】
改質器の改質器用ガス管は、反応管近傍に配置された第１改質器用ガス管部と、第１改質器用ガス管部の下方であってシェル内の空間部に貯留された熱媒体油の下層部に配置された第２改質器用ガス管部とからなることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項７】
改質器の第１改質器用ガス管部および反応管に、第１改質器用ガス管部と反応管との伝熱を促進するためのプレートフィンが取付けられていることを特徴とする請求項６に記載の水素製造装置。
【請求項８】
改質器のプレートフィンに、熱媒体油の対流を促進するための流路穴または切り欠きが形成されていることを特徴とする請求項７に記載の水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、既設の製鉄プラントからの排ガスを利用して加熱源とする水素製造装置に係り、とりわけエネルギー利用効率の向上を図ることができ、熱媒体油の配管および循環装置を必要としない設備が簡素化された水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年電力産業分野においては、化石燃料が枯渇することに対する省エネルギー化や、ＣＯ２やＮＯｘの濃度が増加していることに伴う環境保全などの理由から、燃料を多様化する技術が研究開発されており、その一つに水素ガスの利用技術が存在する。
【０００３】
このような水素ガスの利用技術として、例えば、燃料電池発電プラントや水素燃焼発電プラントが存在する。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により直接電気エネルギーを発生させるものであり、例えば特開平６−１４００６５号公報など数多くの発明が開示されている。また、後者は、高圧の水素ガスと純酸素ガスを燃焼させて高温の水蒸気を発生させ、この発生した高温の水蒸気をタービンで膨張仕事させ、この際に発生する動力により発電機を駆動して発電を行うものであり、例えば、特開平１１−３６８２０号公報など数多くの発明が開示されている。これら前者および後者の水素ガスの利用技術は、ともにＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ２などの環境汚染物質や温暖化効果ガスを発生させず、極めてクリーンなエネルギーを利用しており、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。
【０００４】
ところで、このような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、水を電気分解することにより製造することが提案されている。このような水を電気分解する水素の製造方法において、水素の製造に必要なコストの大半が電力によるものである。
【０００５】
すなわち、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、水の電気分解によって水素を製造する場合、エネルギーの利用効率が極めて悪く、水素を製造するコストが高くなるという不具合、不都合が存在する。
【０００６】
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、水素を製造する際に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、中小ガス田や二酸化炭素ＣＯ２含有量の多いガス田のメタンから得られるため、その量が比較的多い。このような点に着目して提案がなされたものに下記の特許文献１が存在する。一方、製鉄所におけるエネルギー回収手段として下記の特許文献２が存在する。
【０００７】
このうち、特許文献１に記載された技術は、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である。すなわち小型の改質装置であり、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装置の技術である。また、別の実施例として記載された技術は、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。
【０００８】
また、特許文献２に記載された技術は、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るものであり、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。
【特許文献１】特許第２８１７２３６号公報
【特許文献２】特開平４−３１１６３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した公知技術は次の課題が存在する。すなわち、特許文献１においては、熱媒体油の加熱装置、循環ポンプ、および配管などが外部に必要となるため、設備の増大化を招き、設備の設置スペースが増加するおそれがある。一方、特許文献１において、循環ポンプおよび配管を省略するために、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も提案されている。しかしながら、この場合においても、加熱器や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とされる。
一方、製鉄所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を低減させることができる。
【００１０】
本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、水素製造装置用に独立した加熱源を設けず、既設の製鉄プラントの排ガスを利用して加熱源とすることにより、エネルギー利用効率を向上させることができ、設備を簡素化することができ、かつ熱媒体油の配管および循環装置を必要としない、構造が簡素化された水素製造装置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】
【００１１】
本発明は、水素を含む燃料と水との混合蒸気を発生させる原料供給系と、触媒を含み、原料供給系からの混合蒸気から水素を生成させる反応管と、反応管内で生成された水素を回収する生成ガス回収系とを備え、反応管は、製鉄プラントの製鉄炉からの排ガスが流れる排ガス流路ダクト内部に設けられ、この排ガス流路ダクト内部で、排ガスにより触媒の存在下で原料供給系からの混合蒸気を加熱しながら反応させて水素を生成させることを特徴とする水素製造装置である。
【００１２】
本発明は、水素を含む燃料と水との混合蒸気を発生させる原料供給系と、触媒を含み、原料供給系からの混合蒸気から水素を生成させる反応管を有する改質器と、改質器の反応管内で生成された水素を回収する生成ガス回収系とを備え、改質器は、反応管全体を覆うシェルと、シェル内において反応管と接するように貯留された熱媒体油と、熱媒体油内部を通過するように設けられ、製鉄プラントの製鉄炉からの排ガスが流れる改質器用ガス管とを有し、改質器の反応管は、改質器用ガス管内を流れる排ガスにより加熱された熱媒体油により加熱され、触媒の存在下で原料供給系からの混合蒸気を反応させて水素を生成させることを特徴とする水素製造装置である。
【００１３】
本発明は、前記改質器の反応管は、両端が開口する管形状からなるとともに中央部分に前記触媒が充填され、原料供給系からの混合蒸気は、反応管の上端開口部から流入し、触媒の存在下で水素となり、この水素は、反応管の下端開口部から生成ガス回収系に向けて流出することを特徴とする水素製造装置である。
【００１４】
本発明は、前記改質器の反応管は、上端が開口するとともに下端が閉鎖された外管と、外管の中央に挿入され、両端が開口して外管との間に環状隙間を形成する内管とを有し、この環状隙間は、前記触媒の充填された触媒充填部と、触媒充填部の下方に設けられ、触媒の充填されていない触媒非充填部とを有し、原料供給系からの混合蒸気は、反応管の環状隙間上方から触媒充填部内に流入し、この触媒充填部において触媒の存在下で水素となり、この水素は、反応管の触媒非充填部を介して反応管の内管の下端開口部へ流入して、この内管の上端開口部から生成ガス回収系に向けて流出することを特徴とする水素製造装置である。
【００１５】
本発明は、前記原料供給系は、熱媒体油が貯留された熱媒体油貯留タンクと、熱媒体油貯留タンク内に配置された燃料蒸発器、水蒸発器および混合部と、前記燃料を燃料蒸発器内へ供給する燃料供給機構と、前記水を水蒸発器内へ供給する水供給器と、熱媒体油貯留タンクの熱媒体油内に設けられ、前記製鉄プラントの製鉄炉からの排ガスが流れる燃料加熱用ガス管とを有し、混合部は、燃料蒸発器および水蒸発器に接続され、燃料蒸発器からの燃料蒸気と水蒸発器からの水蒸気とを混合して前記混合蒸気を生成し、燃料加熱用ガス管内の排ガスにより熱媒体油貯留タンクの熱媒体油が加熱されることにより、燃料蒸発器、水蒸発器、および混合部が加熱されることを特徴とする水素製造装置である。
【００１６】
本発明は、改質器の改質器用ガス管は、反応管近傍に配置された第１改質器用ガス管部と、第１改質器用ガス管部の下方であってシェル内の空間部に貯留された熱媒体油の下層部に配置された第２改質器用ガス管部とからなることを特徴とする水素製造装置である。
【００１７】
本発明は、改質器の第１改質器用ガス管部および反応管に、第１改質器用ガス管部と反応管との伝熱を促進するためのプレートフィンが取付けられていることを特徴とする水素製造装置である。
【００１８】
本発明は、改質器のプレートフィンに、熱媒体油の対流を促進するための流路穴または切り欠きが形成されていることを特徴とする水素製造装置である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、製鉄プラントの製鉄炉から発生した排ガスの熱エネルギーを水素製造装置に利用できるので、水素の製造に必要なエネルギーの大半を効率的に得ることができ、かつ製鉄プラントのエネルギー効率をより一層向上させることができる。
【００２０】
また、本発明によれば、水素製造装置の反応管が直接高温の排ガス流路ダクト内に挿入されて加熱されるので、反応管の熱交換量を大きくすることができる。このため反応管の伝熱面積を少なくすることができ、反応管の形状をコンパクトにすることができる。
【００２１】
さらに、本発明によれば、排ガスは、利用された後に製鉄排ガスエネルギー回収装置に戻されるので、排ガスを無駄なく有効に利用でき、製鉄プラントのエネルギー効率をより一層向上させることができる
【００２２】
さらにまた、本発明によれば、改質器の反応管の加熱のために熱媒体油が使用されているので、反応管を効率よく安定して加熱することができる。
【００２３】
さらにまた、本発明によれば、製鉄排ガスエネルギー回収装置で利用される高圧の排ガスは、ガス抽出管を介して改質器のシェル内に導かれるので、ガス抽出管以外に高圧となる部分が存在せず、改質器の安全性を高めることができる。
【００２４】
さらにまた、本発明によれば、改質器内部に直接高圧の排ガスが供給されることはなく、シェルを高圧仕様とする必要がないので、シェルの肉厚を薄くして軽量化を図ることができる。これにより、シェルに使用される金属資源を少なくすることができる。
【００２５】
さらにまた、本発明によれば、改質器の改質器用ガス管が、第１改質器用ガス管部と第２改質器用ガス管部とからなっているので、改質器内で熱媒体油を加熱すると同時に自然循環により熱媒体油の流れを生じさせることができる。これにより、熱媒体油内の温度分布を均一化することができる。また、熱媒体油を循環させる循環ポンプなどの循環装置が不要なものとすることができるので、水素製造装置を簡素化することができ、安全性の高いものとすることができる。
【００２６】
さらにまた、本発明によれば、第１改質器用ガス管部と反応管とに伝熱促進用のプレートフィンが取付けられているので、改質器の伝熱性能を向上させることができ、水素製造装置の水素生成効率を高めることができる。
【００２７】
さらにまた、本発明によれば、プレートフィンに流路穴または切り欠きが形成されているので、熱媒体油の自然対流を促進することができる。
【００２８】
さらにまた、本発明によれば、熱媒体油により触媒充填部が外側から加熱されるとともに、触媒非充填部で再加熱された生成ガスにより触媒充填部の内側からも加熱されるので、改質器の熱交換効率を向上させることができ、水素製造装置の水素発生効率を高くすることができる。
【００２９】
さらにまた、本発明によれば、原料供給系のうち、熱源が必要とされる燃料蒸発器、水蒸発器および混合部を熱媒体油貯留タンク内の熱媒体油中に配置し、製鉄排ガスエネルギー回収装置からの排ガスにより一括して加熱するので、加熱の際の熱効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
第１の実施の形態
以下、本発明の第１の実施の形態について、図１を参照して説明する。
ここで、図１は、本発明の第１の実施の形態を示す概略構造図である。
【００３１】
まず、図１により、本実施の形態による水素製造装置の概略について説明する。
図１に示すように、水素製造装置３は、水素を含む燃料と水との混合蒸気を発生させる原料供給系６と、触媒を含み、原料供給系６からの混合蒸気から水素を生成させる反応管４と、反応管４内で生成された水素を回収する生成ガス回収系７とを備えている。
このうち反応管４は、製鉄プラントの製鉄炉１からの高温の排ガスが流れる排ガス流路ダクト２内部に設けられており、この排ガス流路ダクト２内部の高温の排ガスにより、触媒の存在下で原料供給系６からの混合蒸気を加熱しながら反応させて水素を生成させるようになっている。
【００３２】
すなわち、本実施の形態において、水素製造装置３は、製鉄プラントの製鉄炉１から排出された排ガスが流れる排ガス流路ダクト２に接続されている。この水素製造装置３は、製鉄プラントの製鉄炉１からの排ガスの熱エネルギーを利用し、水素を含む燃料を水蒸気改質させて水素を生成するものである。また、水素製造装置３の反応管４が設けられた排ガス流路ダクト２は、製鉄排ガスエネルギー回収装置５に接続されている。この製鉄排ガスエネルギー回収装置５は、例えば特許文献２で示されるような、排ガスでガスタービンを駆動して発電する施設などからなっている。
【００３３】
また、水素製造装置３の原料供給系６は、燃料供給装置８と、水蒸気供給装置９と、燃料供給装置８および水蒸気供給装置９に接続された混合部１０とを有している。
このうち燃料供給装置８は、例えばエタノール、ジメチルエーテルなどの燃料が充填された燃料タンクや、このような燃料を燃料ガス化して予熱する予熱器などからなっている。
【００３４】
また、水蒸気供給装置９は、原料の水を水蒸気にして混合部１０へ供給するための装置であり、水タンク、ポンプ、および水蒸発器などからなっている。さらに、混合部１０は、燃料供給装置８からの燃料ガスと水蒸気供給装置９からの水蒸気とを混合して生成された混合蒸気を反応管４へ向けて供給する。
【００３５】
また、反応管４は、排ガス流路ダクト２内に挿入されており、排ガス流路ダクト２内を流れる製鉄プラントの製鉄炉１からの高温の排ガスにより加熱される。この反応管４は、例えばＵ字管またはバイオネット型の形状を有しており、内部に触媒が収納されている。
【００３６】
また、生成ガス回収系７は、混合蒸気が改質されることにより生成された水素や他の生成ガスを分離回収する装置や水素を精製する装置などを有している。
【００３７】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。
図１において、製鉄プラントの製鉄炉１からの排ガスは排ガス流路ダクト２内を通過して製鉄排ガスエネルギー回収装置５へと達する。この間、排ガス流路ダクト２内に設けられた反応管４は、この排ガスにより加熱される。この排ガスは例えば１０００℃程度の高温のガスからなっているため、反応管４は高温に耐えられる耐熱金属またはセラミックなどからなっている。
【００３８】
一方、原料供給系６の燃料供給装置８内において、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からなる燃料は、ガス化されて燃料ガスとなる。
また、原料供給系６の水蒸気供給装置９内において、水は蒸気化されて水蒸気となる。
【００３９】
このような燃料供給装置８からのエタノールまたはジメチルエーテルなどの燃料ガスと、水蒸気供給装置９からの水蒸気は、混合部１０で混合されて混合蒸気となり反応管４内に供給される。この混合蒸気は、反応管４内で触媒が充填された触媒充填層の空隙部を通過する間に、改質反応が行われて水素となる。例えば、燃料がジメチルエーテルからなる場合は、水蒸気によって、次の（１）式のように反応管４内で改質反応が行われて水素を含む生成ガスが生成される。
【００４０】
ＣＨ３ＯＣＨ３＋３Ｈ２Ｏ→６Ｈ２＋２ＣＯ２・・・（１）
【００４１】
このようにして反応管４内で生成された生成ガス中には、水素のほか二酸化炭素ＣＯ２を含んでいる。この二酸化炭素は、生成ガス回収系７で分離および精製されて回収される。
【００４２】
ところで、上述した（１）式に示す改質反応は吸熱反応であり、このような改質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、反応管４は、製鉄炉１からの排ガスにより加熱され続けるようになっている。
【００４３】
なお、図１に示す水素製造装置３において、反応管４は、製鉄炉１と製鉄排ガスエネルギー回収装置５との間の排ガス流路ダクト２内に配置されている。しかしながら、反応管４の位置は上述した改質反応に必要充分な熱が得られる温度領域であれば良く、反応管４の位置は図１に示すものに限定されない。すなわち、反応管４は、排ガスが製鉄排ガスエネルギー回収装置５を通過した後に流れる排ガス流路ダクト内に配置されていても良い。
【００４４】
このように、本実施の形態によれば、製鉄プラントの製鉄炉１から発生した排ガスの熱エネルギーを水素製造装置３の反応管４に供給して反応管４内における改質反応に利用できるので、水素の製造に必要なエネルギーの大半を効率的に得ることができ、かつ製鉄プラントのエネルギー効率をより一層向上させることができる。
【００４５】
すなわち、多くの製鉄プラントにおいて、製鉄炉１で発生した排ガスはエネルギー回収装置５により回収され、熱エネルギーは有効に利用されている。本実施の形態によれば、上述したような水素製造装置３が設けられていることにより、さらにエネルギーの有効利用が可能となる。
【００４６】
また、本実施の形態によれば、水素製造装置３の反応管４が直接高温の排ガス流路ダクト２内に挿入されて加熱されるので、反応管４の熱交換量を大きくすることができる。このため反応管４の伝熱面積を少なくすることができ、反応管４の形状をコンパクトにすることができる。
【００４７】
第２の実施の形態
次に、本発明の第２の実施の形態について図２を参照して説明する。
ここで、図２は、本発明の第２の実施の形態を示す概略構造図である。
【００４８】
まず、図２により本実施の形態による水素製造装置の概略について説明する。
図２に示すように、水素製造装置１０２は、水素を含む燃料と水との混合蒸気を発生させる原料供給系１０４と、触媒１１５を含み、原料供給系１０４からの混合蒸気から水素を生成させる複数の反応管１１１を有する改質器１０３と、改質器１０３の複数の反応管１１１内で生成された水素をまとめて回収する生成ガス回収系１０５とを備えている。
【００４９】
このうち改質器１０３は、反応管１１１全体を覆うシェル１１２と、シェル１１２内において反応管１１１と接するように貯留された熱媒体油１１３と、熱媒体油１１３内部を通過するように設けられ、製鉄プラントの製鉄炉からエネルギー回収装置５を介して供給される排ガスが流れる改質器用ガス管１１４とを有している。
【００５０】
このうち反応管１１１は、改質器用ガス管１１４内を流れる排ガスにより加熱された熱媒体油１１３により加熱され、触媒の存在下で原料供給系１０４からの混合蒸気を反応させて水素を生成させるようになっている。
【００５１】
すなわち、図２において、水素製造装置１０２は、製鉄排ガスエネルギー回収装置５からの排ガスによる熱エネルギーを利用し、燃料を水蒸気改質させて水素を生成する装置である。この製鉄排ガスエネルギー回収装置５は、例えば特許文献２で示されるような、排ガスでガスタービンを駆動して発電する施設などからなっている。本実施の形態において、水素製造装置１０２は、製鉄排ガスエネルギー回収装置５で利用されて比較的低温になった製鉄炉からの排ガスを抽出して利用するようになっている。
【００５２】
また、水素製造装置１０２の原料供給系１０４は、燃料供給装置１０６と、水蒸気供給装置１０７と、燃料供給装置１０６および水蒸気供給装置１０７に接続された混合部１０８とを有している。
このうち燃料供給装置１０６は、例えばエタノール、ジメチルエーテルなどの燃料が充填された燃料タンクや、このような燃料を燃料ガス化して予熱する予熱器などからなっている。また、水蒸気供給装置１０７は、原料の水を水蒸気にして混合部１０８へ供給するための装置であり、水タンク、ポンプ、および水蒸発器などからなっている。さらに、混合部１０８は、燃料供給装置１０６からの燃料ガスと水蒸気供給装置１０７からの水蒸気とを混合して生成された混合蒸気を改質器１０３の反応管１１１へ向けて供給する。
【００５３】
また、生成ガス回収系１０５は、混合蒸気が改質されることにより生成された水素や他の生成ガスを分離回収する装置や水素を精製する装置などを有している。
【００５４】
また、改質器１０３には、製鉄排ガスエネルギー回収装置５からの排ガスを改質器用ガス管１１４へ流入させるためのガス抽出管１０９と、改質器１０３からの排ガスを改質器用ガス管１１４から製鉄排ガスエネルギー回収装置５へ戻すガス戻り管１１０とが接続されている。
【００５５】
また、改質器１０３の反応管１１１は、両端が開口する管形状からなるとともに中央部分に、例えばＣｕ−Ｚｎなどを合成したものからなる触媒１１５が充填されている。
【００５６】
また、改質器１０３の熱媒体油１１３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からなり、これは３００℃以上の温度下においても使用することができる。
【００５７】
ここで、原料供給系１０４の混合部１０８からの混合蒸気は、反応管１１１の上端開口部から流入し、反応管１１１内で触媒１１５の存在下で水素となる。次に、この水素は、反応管１１１の下端開口部から生成ガス回収系１０５に向けて流出するようになっている。
【００５８】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。
図２において、製鉄排ガスエネルギー回収装置５から分岐して抽出された排ガスは、ガス抽出管１０９を通って改質器１０３の改質器用ガス管１１４へ供給され、改質器用ガス管１１４内を通過する間にシェル１１２内に貯留された熱媒体油１１３と熱交換して熱媒体油１１３を加熱する。次に、改質器用ガス管１１４内を通過した排ガスは、ガス戻り管１１０を通って製鉄排ガスエネルギー回収装置５に戻される。
【００５９】
一方、原料供給系１０４の燃料供給装置１０６から供給される燃料、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は、燃料供給装置１０６でガス化されて燃料ガスとなる。また原料供給系１０４の水蒸気供給装置１０７から供給される水は、水蒸気供給装置１０７で蒸気化されて水蒸気となる。その後、燃料供給装置１０６からのエタノールまたはジメチルエーテルなどの燃料ガスと、水蒸気供給装置１０７からの水蒸気は、混合部１０８で混合されて混合蒸気となり改質器１０３の反応管１１１内に供給される。
【００６０】
この混合蒸気は、反応管１１１内の触媒１１５の充填層の空隙部を通過する間に改質反応が行われて水素を生成する。例えば、燃料がジメチルエーテルからなる場合は、水蒸気によって、上述した（１）式のように反応管１１１内で改質反応が行われて水素を含む生成ガスが生成される。
【００６１】
このようにして反応管１１１内で生成された生成ガス中には、水素のほか二酸化炭素ＣＯ２を含んでいる。この二酸化炭素は、生成ガス回収系１０５で分離および精製されて回収される。
【００６２】
上述した（１）式に示す改質反応は吸熱反応であり、このような改質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、反応管１１１内の触媒１１５および混合蒸気は、製鉄排ガスエネルギー回収装置５からの排ガスにより加熱された熱媒体油１１３により加熱されるようになっている。
【００６３】
上述したように、熱媒体油１１３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からなっているので、反応管１１１を３００℃以上まで加熱することができる。また、熱媒体油１１３は、熱伝導性も良く、比熱が大きくて温度の変動が緩やかであるため、反応管１１１を効率よく安定して加熱することができる。
【００６４】
なお、図２において、改質器１０３の外部の系統に、図示しない流量調節用または閉止用などの弁が取付けられている。
【００６５】
このように、本実施の形態によれば、製鉄プラントの製鉄炉から発生した排ガスの熱エネルギーを水素製造装置１０２の改質器１０３の反応管１１１に利用できるので、水素の製造に必要なエネルギーの大半を効率的に得ることができる。さらにこの排ガスは、利用された後に製鉄排ガスエネルギー回収装置５に戻されるので、排ガスを無駄なく有効に利用でき、製鉄プラントのエネルギー効率をより一層向上させることができる。
【００６６】
すなわち、多くの製鉄プラントにおいて、製鉄炉で発生した排ガスはエネルギー回収装置５により回収され、熱エネルギーは有効に利用されている。本実施の形態によれば、上述したような水素製造装置１０２が設けられていることにより、さらにエネルギーの有効利用が可能となる。
【００６７】
また、本実施の形態によれば、改質器１０３の反応管１１１の加熱のために熱媒体油１１３が使用されているので、反応管１１１を効率よく安定して加熱することができる。
【００６８】
さらに、本実施の形態によれば、製鉄排ガスエネルギー回収装置５で利用される高圧の排ガスはガス抽出管１０９を介してシェル１１２内に導かれるので、配管以外に高圧となる部分が存在せず、改質器１０３の安全性を高めることができる。
【００６９】
さらにまた、本実施の形態によれば、改質器１０３内部に直接高圧の排ガスが供給されることはなく、シェル１１２を高圧仕様とする必要がないので、シェル１１２の肉厚を薄くして軽量化を図ることができる。これにより、シェル１１２に使用される金属資源を少なくすることができる。
【００７０】
第３の実施の形態
次に、本発明の第３の実施の形態について図３乃至図６を参照して説明する。
ここで、図３は、本発明の第３の実施の形態を示す概略構造図であり、図４は、本実施の形態の変形例を示す概略構造図である。また、図５は、プレートフィンに流路穴が形成されている場合におけるシェル内部の概略構造図であり、図６は、プレートフィンに切り欠きが形成されている場合におけるシェル内部の概略構造図である。
図３乃至図６に示す第３の実施の形態は、改質器用ガス管２１４の構成が異なるものであり、他の構成は上述した第２の実施の形態と略同一である。図３乃至図６において、図２に示す第２の実施の形態と同一部分には同一の部号を付して詳細な説明は省略する。
【００７１】
まず、図３により本実施の形態による水素製造装置の概略について説明する。
図３において、改質器２０３は、反応管１１１全体を覆うシェル１１２と、シェル１１２内において反応管１１１と接するように貯留された熱媒体油１１３と、熱媒体油１１３内部を通過するように設けられ、製鉄プラントの製鉄炉からエネルギー回収装置５を介して供給される排ガスが流れる改質器用ガス管２１４とを有している。
【００７２】
このうち改質器用ガス管２１４は、反応管１１１近傍に配置された第１改質器用ガス管部２１４ａと、第１改質器用ガス管部２１４ａの下方であってシェル１１２内の空間部に貯留された熱媒体油１１３の下層部に配置された第２改質器用ガス管部２１４ｂとからなっている。
【００７３】
これら改質器用ガス管２１４の第１改質器用ガス管部２１４ａおよび第２改質器用ガス管部２１４ｂには、それぞれ製鉄排ガスエネルギー回収装置５からの排ガスが供給されるガス抽出管１０９と、製鉄排ガスエネルギー回収装置５へ排ガスが戻されるガス戻り管１１０が分岐して接続され、熱媒体油１１３を加熱する排ガスが内部を流れるようになっている。
【００７４】
第２の実施の形態と同様、反応管１１１内に例えばＣｕ−Ｚｎなどを合成した触媒１１５が充填されている。
【００７５】
また、熱媒体油１１３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からなっている。この熱媒体油１１３は、３００℃以上の温度でも使用可能である。
【００７６】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。
図３において、製鉄排ガスエネルギー回収装置５から分岐して抽出された排ガスは、ガス抽出管１０９を通って改質器１０３へ供給され、改質器用ガス管２１４の第１改質器用ガス管部２１４ａ内を通過する間にシェル１１２内に貯留された熱媒体油１１３と熱交換して熱媒体油１１３を加熱する。次に、第１改質器用ガス管部２１４ａ内を通過した排ガスは、ガス戻り管１１０を通って製鉄排ガスエネルギー回収装置５に戻される。
【００７７】
これと同様に、改質器用ガス管２１４の第２改質器用ガス管部２１４ｂにもガス抽出管１０９から分岐された排ガスが供給される。この排ガスは、熱媒体油１１３の貯留下層部を加熱して、その後、ガス戻り管１１０と合流して製鉄排ガスエネルギー回収装置５に戻される。
【００７８】
一方、原料供給系１０４からのエタノールまたはジメチルエーテルなどからなる燃料ガスと水蒸気との混合蒸気は、改質器２０３の反応管１１１内に供給される。この混合蒸気は反応管１１１内において触媒１１５の充填層の空隙部を通過する間に改質反応が行われて水素を含む生成ガスが生成される。
例えば燃料がジメチルエーテルの場合は、水蒸気によって、上述した（１）式のように改質反応が行われ水素を含む生成ガスが生成される。
【００７９】
このようにして反応管１１１内で生成された生成ガス中には、水素のほか二酸化炭素ＣＯ２を含んでいる。この二酸化炭素は、生成ガス回収系１０５で分離および精製されて回収される。
【００８０】
上述した（１）式に示す改質反応は吸熱反応であり、このような改質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５からの排ガスで加熱された熱媒体油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。
【００８１】
一方、仮に反応管１１１との熱交換によって熱媒体油１１３の貯留層下層部に温度が低い成層が形成された場合、反応管１１１内での改質反応の効率が低下するおそれがある。
このため、この下層部内に第２改質器用ガス管部２１４ｂを設けて製鉄排ガスエネルギー回収装置５からの排ガスを流し、この下層部を加熱する。これにより、下層部の温度が上昇して熱媒体油１１３の比重が相対的に軽くなり、熱媒体油１１３内に自然対流が発生して熱媒体油１１３の温度の均一性が保たれる。
【００８２】
上述したように、熱媒体油１１３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からなっているので、反応管１１１を３００℃以上まで加熱することができる。また、熱媒体油１１３は、熱伝導性も良く、比熱が大きくて温度の変動が緩やかであるため、反応管１１１を効率よく安定して加熱することができる。
【００８３】
なお、図３において、改質器１０３の外部の系統に、図示しない流量調節用または閉止用などの弁が取付けられている。
【００８４】
変形例
次に、図４乃至図６により本実施の形態による水素製造装置の変形例について説明する。
図４において、改質器２０３の第１改質器用ガス管部２１４ａおよび反応管１１１に、第１改質器用ガス管部２１４ａと反応管１１１との伝熱を促進するための複数のプレートフィン３１６が取付けられている。
すなわち、このプレートフィン３１６は、熱媒体油１１３から反応管１１１への伝熱性能を向上させるために設けられたプレート状の伝熱フィンである。
【００８５】
このように、改質器２０３の第１改質器用ガス管部２１４ａおよび反応管１１１にプレートフィン３１６が取付けられていることにより、反応管１１１の伝熱面積が増加し、これにより伝熱性が向上する。また、第１改質器用ガス管部２１４ａから反応管１１１へ熱伝導による伝熱が行われ、これにより伝熱性能が向上する。
【００８６】
また、第２改質器用ガス管部２１４ｂに別の伝熱フィンを設けて伝熱特性を更に向上させても良い。
【００８７】
さらに、図５に示すように、上述した改質器２０３のプレートフィン３１６に、熱媒体油１１３の対流を促進するための流路穴３１７が形成されていても良い。
同様に、図６に示すように、改質器２０３のプレートフィン３１６に、熱媒体油１１３の対流を促進するための切り欠き３１８が形成されていても良い。
【００８８】
すなわち図４に示す実施の形態において、改質器２０３の第１改質器用ガス管部２１４ａおよび反応管１１１にプレートフィン３１６が取付けられていることにより、改質器２０３内における熱媒体油１１３の自然対流が損なわれ、熱媒体油１１３内の温度が均一にならないおそれがある。このため、図５および図６に示すように、プレートフィン３１６に流路穴３１７または切り欠き３１８を形成し、これにより熱媒体油１１３の自然対流を促進するようになっている。
【００８９】
また本実施の形態において、熱媒体油１１３内に仕切り板などを設け、これにより熱媒体油１１３の上昇流と下降流とが干渉しないようにして、対流を促進しても良い。
【００９０】
このように、本実施の形態によれば、第２の実施の形態の効果に加え、改質器２０３の改質器用ガス管２１４が、第１改質器用ガス管部２１４ａと第２改質器用ガス管部２１４ｂとからなっているので、改質器２０３内で熱媒体油１１３を加熱すると同時に自然循環により熱媒体油１１３の流れを生じさせることができる。これにより、熱媒体油１１３内の温度分布を均一化することができる。また、熱媒体油１１３を循環させる循環ポンプなどの循環装置が不要となるので、水素製造装置１０２を簡素化することができ、安全性の高いものとすることができる。
【００９１】
また、本実施の形態によれば、第１改質器用ガス管部２１４ａと反応管１１１とに伝熱促進用のプレートフィン３１６が取付けられているので、改質器２０３内の熱媒体油１１３による伝熱性能を向上させることができ、水素製造装置１０２の水素生成効率を高めることができる。
【００９２】
さらに、本実施の形態によれば、プレートフィン３１６に流路穴３１７または切り欠き３１８が形成されているので、熱媒体油１１３の自然対流を促進することができる。
【００９３】
第４の実施の形態
次に、本発明の第４の実施の形態について図７を参照して説明する。
ここで、図７は、本発明の第４の実施の形態を示す概略構造図である。
図７に示す第４の実施の形態は、改質器４０３の反応管４１１の構成が異なるものであり、他の構成は上述した第２の実施の形態と略同一である。図７において、図２に示す第２の実施の形態と同一部分には同一の部号を付して詳細な説明は省略する。
【００９４】
まず、図７により本実施の形態による水素製造装置の概略について説明する。
図７に示すように、水素製造装置１０２は、水素を含む燃料と水との混合蒸気を発生させる原料供給系１０４と、触媒４１５を含み、原料供給系１０４からの混合蒸気から水素を生成させる複数の反応管４１１を有する改質器４０３と、改質器４０３の複数の反応管４１１内で生成された水素をまとめて回収する生成ガス回収系１０５とを備えている。
【００９５】
このうち改質器４０３は、反応管４１１全体を覆うシェル４１２と、シェル４１２内において反応管４１１と接するように貯留された熱媒体油１１３と、熱媒体油１１３内部を通過するように設けられ、製鉄プラントの製鉄炉からエネルギー回収装置５を介して供給される排ガスが流れる改質器用ガス管４１４とを有している。
【００９６】
このうち反応管４１１は、上端が開口するとともに下端が閉鎖された外管４１１ａと、外管４１１ａの中央に挿入され、両端が開口するとともに外管４１１ａとの間に環状隙間４２２を形成する内管４１１ｂとを有している。
【００９７】
このうち環状隙間４２２内は、例えばＣｕ−Ｚｎなどを合成した触媒４１５が充填された触媒充填部４１１ｄと、触媒充填部４１１ｄの下方に設けられ、触媒４１５の充填されていない触媒非充填部４１１ｃとからなっている。
【００９８】
ところで、原料供給系１０４からの混合蒸気は、反応管４１１の環状隙間４２２上方から触媒充填部４１１ｄ内に流入し、この触媒充填部４１１ｄにおいて触媒４１５の存在下で水素となり、この水素は、反応管４１１の触媒非充填部４１１ｃを介して内管４１１ｂの下端開口部４１１ｅへ流入して、内管４１１ｂの上端開口部４１１ｆから生成ガス回収系１０５に向けて流出する。
【００９９】
さらに、改質器用ガス管４１４にはガス抽出管１０９とガス戻り管１１０とが接続され、製鉄排ガスエネルギー回収装置５から供給される加熱用の排ガスが流れるようになっている。
【０１００】
また、反応管４１１は、二重管構成のバイオネット型形状からなっている。この反応管４１１の外管４１１ａは、下端部が閉止され、上端部は開口して管板４１９に固定されている。また、反応管４１１の内管４１１ｂは両端がともに開口し、上端部は管板４２０に固定されている。
【０１０１】
さらに、シェル４１２は管板４１９および管板４２０により３つの部屋４１２ａと部屋４１２ｂと部屋４１２ｃとに区画されている。このうち部屋４１２ａには、熱媒体油１１３が貯留され、熱媒体油１１３内に改質器用ガス管４１４が浸漬されている。また、部屋４１２ｂには原料供給系１０４から供給される混合蒸気が充填されており、複数の反応管４１１内に分岐するための混合蒸気のマニホールドとなっている。また、部屋４１２ｃは複数の反応管４１１内部における改質反応により生成された水素などの生成ガスが集められる生成ガスのマニホールドとなっている。このようにして、部屋４１２ｃに集められた生成ガスは生成ガス回収系１０５へ流出し、生成ガス回収系１０５で分離精製される。
【０１０２】
さらに、上述したように反応管４１１の環状隙間４２２の触媒充填部４１１ｄには触媒４１５が充填されている。触媒充填部４１１ｄは内部に空隙部を有しており、この空隙部内を混合蒸気が流れるようになっている。また、環状隙間４２２の触媒充填部４１１ｄ下方に触媒非充填部４１１ｃを設けるため、触媒充填部４１１ｄの下部に、例えばメッシュなどを有する穴あき受け板４２１が設置されている。
【０１０３】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。
製鉄排ガスエネルギー回収装置５から分岐して供給される排ガスは、ガス抽出管１０９を介して改質器４０３の改質器用ガス管４１４内へ供給され、シェル４１２内に貯留された熱媒体油１１３と熱交換して熱媒体油１１３を加熱する。次に、改質器用ガス管４１４からの排ガスは、ガス戻り管１１０を通って製鉄排ガスエネルギー回収装置５に戻される。
【０１０４】
一方、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からなる燃料と水蒸気との混合蒸気が原料供給系１０４から部屋４１２ｂ内に供給される。次に、このようにして部屋４１２ｂ内に供給された混合蒸気は、複数の反応管４１１の環状隙間４２２内にそれぞれに分流し、その後触媒４１５が充填された触媒充填部４１１ｄの空隙部内を通過する。この際、熱媒体油１１３により加熱され、例えば燃料がジメチルエーテルの場合は水蒸気により上述した（１）式のような改質反応が行われ、水素などを含む生成ガスが生成される。
【０１０５】
この生成ガスは反応管４１１の下部でＵターンし、内管４１１ｂの中を上方へ進み、部屋４１２ｃに達し、その後生成ガス回収系１０５へ流出する。
【０１０６】
ところで、反応管４１１の触媒充填部４１１ｄ内において吸熱反応が行われており、この反応に必要な熱量は、熱媒体油１１３から受ける。一方、反応管４１１の下部に吸熱反応が行われない触媒非充填部４１１ｃが設けられているので、この触媒非充填部４１１ｃ内で生成ガスは再加熱される。この再加熱された生成ガスが内管４１１ｂ内を流れる際に熱交換して、触媒充填部４１１ｄの内側からも触媒充填部４１１ｄが加熱されるので、触媒充填部４１１ｄは、より多くの熱量を受け取ることができる。
【０１０７】
このようにして反応管４１１内で生成された生成ガス中には、水素のほか二酸化炭素ＣＯ２を含んでいる。この二酸化炭素は、生成ガス回収系１０５で分離および精製されて回収される。
【０１０８】
ところで、熱媒体油１１３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からなっているので、反応管４１１を３００℃以上まで加熱することができる。また、熱媒体油１１３は、熱伝導性も良く、比熱が大きくて温度の変動が緩やかであるため、反応管４１１を効率よく安定して加熱することができる。
【０１０９】
なお、図７において、改質器４０３の外部の系統に、図示しない流量調節用または閉止用などの弁が取付けられている。
【０１１０】
このように、本実施の形態によれば、製鉄プラントの製鉄炉から発生した排ガスの熱エネルギーを改質器４０３の反応管４１１に利用できるので、水素の製造に必要なエネルギーの大半を効率的に得ることができる。さらにこの排ガスは、利用された後に製鉄排ガスエネルギー回収装置５に戻されるので、排ガスを無駄なく有効に利用でき、製鉄プラントのエネルギー効率をより一層向上させることができる。
【０１１１】
すなわち、多くの製鉄プラントにおいて、製鉄炉で発生した排ガスはエネルギー回収装置５により回収され、熱エネルギーは有効に利用されている。本実施の形態によれば、上述した水素製造装置により、さらにエネルギーの有効利用が可能となる。
【０１１２】
また、本実施の形態によれば、改質器４０３の反応管４１１の加熱のために熱媒体油１１３が使用されているので、反応管４１１を効率よく安定して加熱することができる。
【０１１３】
さらに、本実施の形態によれば、製鉄排ガスエネルギー回収装置５で利用される高圧の排ガスはガス抽出管１０９を介してシェル４１２内に導かれるので、配管以外に高圧となる部分が存在せず、改質器４０３の安全性を高めることができる。
【０１１４】
さらにまた、本実施の形態によれば、改質器４０３内部に直接高圧の排ガスが供給されることはなく、シェル４１２を高圧仕様とする必要がないので、シェル４１２の肉厚を薄くして軽量化を図ることができる。これにより、シェル４１２に使用される金属資源を少なくすることができる。
【０１１５】
さらにまた、本実施の形態によれば、熱媒体油１１３により触媒充填部４１１ｄが外側から加熱されるとともに、触媒非充填部４１１ｃで再加熱された生成ガスにより触媒充填部４１１ｄの内側からも加熱される。これにより、改質器４０３の熱交換効率を更に向上させることができ、水素製造装置の水素発生効率を高くすることができる。
【０１１６】
第５の実施の形態
次に、本発明の第５の実施の形態について図８乃至図１１を参照して説明する。
ここで、図８は、本発明の第５の実施の形態を示す概略構造図であり、図９は、本実施の形態の変形例を示す概略構造図である。また、図１０は、プレートフィンに流路穴が形成されている場合におけるシェル内部の概略構造図であり、図１１は、プレートフィンに切り欠きが形成されている場合におけるシェル内部の概略構造図である。
図８乃至図１１に示す第５の実施の形態は、改質器用ガス管４１４の構成が異なるものであり、他の構成は上述した第４の実施の形態と略同一である。図８において、図７に示す第４の実施の形態と同一部分には同一の部号を付して詳細な説明は省略する。
【０１１７】
まず、図８により本実施の形態による水素製造装置の概略について説明する。
図８に示すように、改質器４０３は、反応管４１１全体を覆うシェル４１２と、シェル４１２内において反応管４１１と接するように貯留された熱媒体油１１３と、熱媒体油１１３内部を通過するように設けられ、製鉄プラントの製鉄炉からエネルギー回収装置５を介して供給される排ガスが流れる改質器用ガス管４１４とを有している。
【０１１８】
このうち改質器用ガス管４１４は、反応管４１１近傍に配置された第１改質器用ガス管部４１４ａと、第１改質器用ガス管部４１４ａの下方であってシェル４１２内の空間部に貯留された熱媒体油４１３の下層部に配置された第２改質器用ガス管部４１４ｂとからなっている。
【０１１９】
これら改質器用ガス管４１４の第１改質器用ガス管部４１４ａおよび第２改質器用ガス管部４１４ｂには、それぞれ製鉄排ガスエネルギー回収装置５からの排ガスが供給されるガス抽出管１０９と、製鉄排ガスエネルギー回収装置５へ排ガスが戻されるガス戻り管１１０とが分岐して接続され、熱媒体油１１３を加熱する排ガスが内部を流れるようになっている。
【０１２０】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。
図８において、製鉄排ガスエネルギー回収装置５から分岐して抽出された排ガスは、ガス抽出管１０９を通って改質器４０３の改質器用ガス管４１４内へ供給され、第１改質器用ガス管部４１４ａ内を通過する間にシェル４１２内に貯留された熱媒体油１１３と熱交換して熱媒体油１１３を加熱する。次に、第１改質器用ガス管部４１４ａ内を通過した排ガスは、ガス戻り管１１０を通って製鉄排ガスエネルギー回収装置５に戻される。
【０１２１】
また同様に、熱媒体油１１３の貯留層に配置された第２改質器用ガス管部４１４ｂにもガス抽出管１０９から分岐された排ガスが供給され、この排ガスは、熱媒体油１１３の貯留下層部を加熱した後、ガス戻り管１１０と合流して製鉄排ガスエネルギー回収装置５に戻される。
【０１２２】
一方、原料供給系１０４からのエタノールまたはジメチルエーテルなどからなる燃料ガスと水蒸気との混合蒸気は、改質器４０３の反応管４１１内に供給される。この混合蒸気は反応管４１１内において触媒４１５の充填層の空隙部を通過する間に改質反応が行われ、水素を含む生成ガスが生成される。
例えば燃料がジメチルエーテルの場合は、水蒸気によって、上述した（１）式のように改質反応が行われ水素を含む生成ガスが生成される。
【０１２３】
このようにして反応管４１１内で生成された生成ガス中には、水素のほか二酸化炭素ＣＯ２を含んでいる。この生成ガスは反応管４１１の下部でＵターンして、内管４１１ｂの中を通過して、部屋４１２ｃに集められ、その後生成ガス回収系１０５へ流出し、生成ガス回収系１０５で分離および精製されて回収される。
【０１２４】
上述したように、熱媒体油１１３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からなっているので、反応管４１１を３００℃以上まで加熱することができる。また、熱媒体油１１３は、熱伝導性も良く、比熱が大きくて温度の変動が緩やかであるため、反応管４１１を効率よく安定して加熱することができる。
【０１２５】
一方、反応管４１１との熱交換により、熱媒体油１１３の貯留層下層部に温度が低い成層が形成されると、反応管４１１内での改質反応の効率が低下するおそれがある。このため、この下層部内に第２改質器用ガス管部４１４ｂを設けて製鉄排ガスエネルギー回収装置５からの排ガスを流し、この下層部を加熱する。これにより、下層部の温度が上昇して熱媒体油１１３の比重が相対的に軽くなり、熱媒体油１１３内に自然対流が発生して熱媒体油１１３の温度の均一性が保たれる。
【０１２６】
なお、図８において、改質器４０３の外部の系統に、図示しない流量調節用または閉止用などの弁が取付けられている。
【０１２７】
変形例
次に、図９乃至図１１により本実施の形態による水素製造装置の変形例について説明する。
図９において、改質器４０３の第１改質器用ガス管部４１４ａおよび反応管４１１に、第１改質器用ガス管部４１４ａと反応管４１１との伝熱を促進するための複数のプレートフィン６１６が取付けられている。
このプレートフィン６１６は、熱媒体油１１３から反応管４１１への伝熱性能を向上させるためのプレート状の伝熱フィンである。
【０１２８】
このように、改質器用ガス管４１４の第１改質器用ガス管部４１４ａおよび反応管４１１に伝熱フィン６１６が取付けられていることにより、反応管４１１の伝熱面積が増加して伝熱性が向上する。また、第１改質器用ガス管部４１４ａから反応管４１１へ熱伝導による伝熱が行われ、これにより伝熱性能が向上する。
【０１２９】
また、第２改質器用ガス管部４１４ｂに別の伝熱フィンを設けて伝熱特性を更に向上させても良い。
【０１３０】
また、図１０に示すように、改質器４０３のプレートフィン６１６に、熱媒体油１１３の対流を促進するための流路穴６１７形成されていても良い。
同様に、図１１に示すように、改質器４０３のプレートフィン６１６に、熱媒体油１１３の対流を促進するための切り欠き６１８が形成されている。
【０１３１】
このように、第１改質器用ガス管部４１４ａおよび反応管４１１に伝熱促進用のプレートフィン６１６が取付けられていることにより、改質器４０３の伝熱性能を向上させることができ、水素製造装置の水素生成効率を高めることができる。
【０１３２】
また本実施の形態において、熱媒体油１１３内に仕切り板などを設け、これにより熱媒体油１１３の上昇流と下降流とが干渉しないようにして、対流を促進しても良い。
【０１３３】
このように本実施の形態によれば、第４の実施の形態の効果に加え、改質器４０３の改質器用ガス管４１４が、第１改質器用ガス管部４１４ａと第２改質器用ガス管部４１４ｂとからなっているので、改質器４０３内で熱媒体油１１３を加熱すると同時に自然循環により熱媒体油１１３の流れを生じさせることができる。これにより、熱媒体油１１３内の温度分布を均一化することができる。また、熱媒体油１１３を循環させる循環ポンプなどの循環装置が不要なものとすることができるので、水素製造装置を簡素化することができ、安全性の高いものとすることができる。
【０１３４】
第６の実施の形態
次に、本発明の第６の実施の形態について図１２を参照して説明する。
ここで、図１２は、本発明の第６の実施の形態を示す概略構成図である。
【０１３５】
まず、図１２により本実施の形態による水素製造装置の概略について説明する。
図１２に示すように、水素製造装置７０２は、水素を含む燃料と水との混合蒸気を発生させる原料供給系７０４と、原料供給系７０４からの混合蒸気から水素を生成させる改質器１０３と、改質器１０３で混合蒸気が改質されて生成された水素や他の生成ガスを分離回収し、水素ガスを精製する装置などからなる生成ガス回収系１０５とを備えている。
【０１３６】
このうち原料供給系７０４は、熱媒体油７１３が貯留された熱媒体油貯留タンク７２７と、熱媒体油貯留タンク７２７内に配置された燃料蒸発器７２３、水蒸発器７２５および混合部７２６とを有している。
【０１３７】
また燃料蒸発器７２３は、例えばエタノール、ジメチルエーテルなどの燃料をガス化して予熱するものであり、この燃料蒸発器７２３に、燃料を燃料蒸発器７２３内へ供給する燃料タンクなどからなる燃料供給機構７２２が接続されている。
【０１３８】
また、水蒸発器７２５は、原料水を蒸気にするものであり、この水蒸発器７２５に、水を水蒸発器７２５内へ供給する原料水タンクや給水ポンプなどからなる水供給器７２４が接続されている。
【０１３９】
さらに、熱媒体油貯留タンク７２７の熱媒体油７１３内に、製鉄プラントの製鉄炉から供給され、製鉄排ガスエネルギー回収装置５を介して比較的低温になった排ガスが流れる燃料加熱用ガス管７２８が設けられている。この製鉄排ガスエネルギー回収装置５は、例えば特許文献２で示されるような、排ガスでガスタービンを駆動して発電する施設などからなっている。
【０１４０】
なお、熱媒体油７１３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からなっているので、改質器１０３内を３００℃以上まで加熱することができる。この熱媒体油７１３は、熱伝導性も良く、比熱が大きくて温度の変動が緩やかであるため、効率よく安定して加熱することができる。
【０１４１】
ところで、混合部７２６は、燃料蒸発器７２３および水蒸発器７２５に接続され、燃料蒸発器７２３からの燃料蒸気と水蒸発器７２５からの水蒸気とを混合して混合蒸気を生成するようになっている。また、燃料加熱用ガス管７２８内の排ガスにより熱媒体油貯留タンク７２７の熱媒体油７１３が加熱されることにより、燃料蒸発器７２３、水蒸発器７２５、および混合部７２６が加熱されるようになっている。
【０１４２】
また、製鉄排ガスエネルギー回収装置５からの排ガスを一部抽出して改質器１０３および熱媒体油貯留タンク７２７内の熱媒体油７１３を加熱するため、製鉄排ガスエネルギー回収装置５と改質器１０３の間、および製鉄排ガスエネルギー回収装置５と熱媒体油貯留タンク７２７との間に、ガス抽出管１０９とガス戻り管１１０とが接続されている。
【０１４３】
なお、改質器１０３は、図２に示す実施の形態と同様の構成からなっている。
【０１４４】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。
製鉄排ガスエネルギー回収装置５から分岐して抽出された排ガスは、ガス抽出管１０９を通って改質器１０３側と熱媒体油貯留タンク７２７側へ分岐して流される。
【０１４５】
まず、製鉄排ガスエネルギー回収装置５から熱媒体油貯留タンク７２７側へ流された排ガスは、燃料加熱用ガス管７２８内を通って熱媒体油７１３を加熱した後、ガス戻り管１１０を経由して製鉄排ガスエネルギー回収装置５に戻される。
【０１４６】
この間、熱媒体油貯留タンク７２７内において、燃料加熱用ガス管７２８内を通過する排ガスにより加熱された熱媒体油７１３は、燃料蒸発器７２３を加熱して、これにより燃料蒸発器７２３内で燃料が加熱されて、燃料蒸気が生成される。
また、燃料加熱用ガス管７２８内を通過する排ガスにより加熱された熱媒体油７１３は、水蒸発器７２５を加熱して、これにより水蒸気が生成される。
【０１４７】
次に、燃料蒸発器７２３からの燃料ガスと水蒸発器７２５からの水蒸気とが混合部７２６内で混合され、かつ燃料加熱用ガス管７２８内を通過する排ガスにより加熱された熱媒体油７１３により加熱され、混合蒸気が生成される。次に、この混合蒸気が改質器１０３へ供給されて改質器１０３内で改質されて水素が生成される。
【０１４８】
このようにして、熱媒体油７１３は、熱媒体油貯留タンク７２７内で自然対流によって循環し、燃料加熱用ガス管７２８内を流れる排ガスと熱交換される。
【０１４９】
なお、改質器１０３へ供給される排ガスは、第２の実施の形態に示したのと同様の作用により改質器１０３を加熱し、これにより改質器１０３内で水素が生成されるが、詳細な説明は省略する。
【０１５０】
また、図１２において、改質器１０３の外部の系統に、図示しない流量調節用または閉止用などの弁が取付けられている。
【０１５１】
なお、図１２において、改質器１０３を図３乃至図６の実施の形態に示す改質器２０３と置き換えても良い。
【０１５２】
このように、本実施の形態によれば、製鉄プラントの製鉄炉から発生した排ガスの熱エネルギーを水素製造装置７０２の改質器１０３に利用できるので、水素の製造に必要なエネルギーの大半を効率的に得ることができる。さらにこの排ガスは、利用された後に製鉄排ガスエネルギー回収装置５に戻されるので、排ガスを無駄なく有効に利用でき、製鉄プラントのエネルギー効率をより一層向上させることができる。
【０１５３】
すなわち、多くの製鉄プラントにおいて、製鉄炉で発生した排ガスはエネルギー回収装置５により回収され、熱エネルギーは有効に利用されている。本実施の形態によれば、上述したような水素製造装置７０２が設けられていることにより、さらにエネルギーの有効利用が可能となる。
【０１５４】
また、本実施の形態によれば、改質器１０３の加熱のために熱媒体油７１３が使用されているので、改質器１０３を効率よく安定して加熱することができる。
【０１５５】
さらに、本実施の形態によれば、製鉄排ガスエネルギー回収装置５で利用される高圧の排ガスはガス抽出管１０９を介して改質器１０３内に導かれるので、配管以外に高圧となる部分が存在せず、改質器１０３の安全性を高めることができる。
【０１５６】
さらにまた、本実施の形態によれば、原料供給系７０４のうち、熱源が必要とされる燃料蒸発器７２３、水蒸発器７２５および混合部７２６を熱媒体油貯留タンク７２７内の熱媒体油７１３中に浸漬させ、製鉄排ガスエネルギー回収装置５からの加熱された排ガスで一括して加熱するので、加熱の際の熱効率を向上させることができる。
【０１５７】
第７の実施の形態
次に、本発明の第７の実施の形態について図１３を参照して説明する。
ここで、図１３は、本発明の第７の実施の形態を示す概略構造図である。
図１３に示す第７の実施の形態は、改質器４０３の構成が異なるものであり、他の構成は上述した第６の実施の形態と略同一である。図１３において、図１２に示す第６の実施の形態と同一部分には同一の部号を付して詳細な説明は省略する。
【０１５８】
まず、図１３により本実施の形態による水素製造装置の概略について説明する。
図１３に示すように、水素製造装置７０２は、水素を含む燃料と水との混合蒸気を発生させる原料供給系７０４と、原料供給系７０４からの混合蒸気から水素を生成させる改質器４０３と、改質器４０３で混合蒸気が改質されて生成された水素や他の生成ガスを分離回収し、水素ガスを精製する装置などからなる生成ガス回収系１０５とを備えている。
【０１５９】
このうち原料供給系７０４は、熱媒体油７１３が貯留された熱媒体油貯留タンク７２７と、熱媒体油貯留タンク７２７内に配置された燃料蒸発器７２３、水蒸発器７２５および混合部７２６とを有している。
【０１６０】
このうち燃料蒸発器７２３に燃料供給機構７２２が接続され、水蒸発器７２５に水供給器７２４が接続されている。
【０１６１】
また、熱媒体油貯留タンク７２７の熱媒体油７１３内に、製鉄プラントの製鉄炉から供給され、製鉄排ガスエネルギー回収装置５を介して比較的低温になった排ガスが流れる燃料加熱用ガス管７２８が設けられている。
【０１６２】
ところで、混合部７２６は、燃料蒸発器７２３および水蒸発器７２５に接続され、燃料蒸発器７２３からの燃料蒸気と水蒸発器７２５からの水蒸気とを混合して混合蒸気を生成するようになっている。また、燃料加熱用ガス管７２８内の排ガスにより熱媒体油貯留タンク７２７の熱媒体油７１３が加熱されることにより、燃料蒸発器７２３、水蒸発器７２５、および混合部７２６が加熱されるようになっている。
【０１６３】
また、製鉄排ガスエネルギー回収装置５からの排ガスを一部抽出して改質器４０３および熱媒体油貯留タンク７２７内の熱媒体油７１３を加熱するため、製鉄排ガスエネルギー回収装置５と改質器４０３の間、および製鉄排ガスエネルギー回収装置５と熱媒体油貯留タンク７２７との間に、ガス抽出管１０９とガス戻り管１１０とが接続されている。
【０１６４】
なお、改質器４０３は、図７に示す実施の形態と同様の構成からなっているが、図８乃至図１１に示す実施の形態と同様の構成を有していても良い。
【０１６５】
このように、本実施の形態によれば、原料供給系７０４のうち、熱源が必要とされる燃料蒸発器７２３、水蒸発器７２５および混合部７２６を熱媒体油貯留タンク７２７内の熱媒体油７１３中に浸漬させ、製鉄排ガスエネルギー回収装置５からの加熱された排ガスで一括して加熱するので、これらの加熱に要する加熱の際の熱効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１６６】
【図１】本発明による水素製造装置の第１の実施の形態を示す概略構造図。
【図２】本発明による水素製造装置の第２の実施の形態を示す概略構造図。
【図３】本発明による水素製造装置の第３の実施の形態を示す概略構造図。
【図４】本発明による水素製造装置の第３の実施の形態の変形例を示す概略構造図。
【図５】プレートフィンに流路穴が形成されている場合におけるシェル内部の概略構造図。
【図６】プレートフィンに切り欠きが形成されている場合におけるシェル内部の概略構造図。
【図７】本発明による水素製造装置の第４の実施の形態を示す概略構造図。
【図８】本発明による水素製造装置の第５の実施の形態を示す概略構造図。
【図９】本発明による水素製造装置の第５の実施の形態の変形例を示す概略構造図。
【図１０】プレートフィンに流路穴が形成されている場合におけるシェル内部の概略構造図。
【図１１】プレートフィンに切り欠きが形成されている場合におけるシェル内部の概略構造図。
【図１２】本発明による水素製造装置の第６の実施の形態を示す概略構造図。
【図１３】本発明による水素製造装置の第７の実施の形態を示す概略構造図。
【符号の説明】
【０１６７】
１  製鉄炉
２  排ガス流路ダクト
３  水素製造装置
４  反応管
５  製鉄排ガスエネルギー回収装置
６  原料供給系
７  生成ガス回収系
８  燃料供給装置
９  水蒸気供給装置
１０  混合部
１０２、７０２  水素製造装置
１０３、２０３、４０３  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  水蒸気供給装置
１０８  混合部
１０９  ガス抽出管
１１０  ガス戻り管
１１１、４１１  反応管
１１２、４１２  シェル
１１３、７１３  熱媒体油
１１４、２１４，４１４  蒸気管
１１５、４１５  触媒
２１４ａ、４１４ａ  第１改質器用ガス管部
２１４ｂ、４１４ｂ  第２改質器用ガス管部
３１６、６１６  プレートフィン
３１７、６１７  流路穴
３１８、６１８  切り欠き流路
４１１ａ  外管
４１１ｂ  内管
４１１ｃ  触媒非充填部
４１１ｄ  触媒充填部
４１１ｅ  下端開口部
４１１ｆ  上端開口部
４１２ａ、４１２ｂ、４１２ｃ  部屋
４２２  環状隙間
７２３  燃料蒸発器
７２４  水供給器
７２５  水蒸発器
７２６  混合部
７２７  熱媒体油貯留タンク
７２８  燃料加熱用ガス管
【図１】
2008013397.tif 000003
【図２】
2008013397.tif 000004
【図３】
2008013397.tif 000005
【図４】
2008013397.tif 000006
【図５】
2008013397.tif 000007
【図６】
2008013397.tif 000008
【図７】
2008013397.tif 000009
【図８】
2008013397.tif 000010
【図９】
2008013397.tif 000011
【図１０】
2008013397.tif 000012
【図１１】
2008013397.tif 000013
【図１２】
2008013397.tif 000014
【図１３】
2008013397.tif 000015