(57)【要約】【課題】水素製造時において発生する排ガスおよび排熱を有効利用し装置全体の熱効率を改善すると同時に、余剰原料を回収することで、水素製造に用いる原料を低減することが可能な水素製造装置である。【解決手段】水素製造装置１は、含酸素炭化水素の水蒸気改質により水素を発生させる水素発生装置２と、水素発生装置２より供給される水素含有プロセス流体ａ中に含まれる余剰原料ｃを分離回収する余剰原料回収装置３と、余剰原料回収装置３より供給される水素含有プロセス流体ａ２から、製品水素ｄを生成する水素精製装置４と、製品水素ｄ製造時に発生する排熱および排ガスを、水素発生装置２、余剰原料回収装置３および水素精製装置４の少なくとも１つの装置の熱源として利用する熱再利用手段とを備えるものである。【選択図】  図１
2008195585.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
含酸素炭化水素を原料とした水蒸気改質により製品水素を製造する水素製造装置において、
含酸素炭化水素を原料とした水蒸気改質により水素含有プロセス流体を発生させる水素発生装置と、
前記水素発生装置で発生した水素含有プロセス流体中に含まれる未反応の余剰原料を分離回収する余剰原料回収装置と、
前記余剰原料回収装置より供給された水素含有プロセス流体を精製し、製品水素を生成する水素精製装置と、
製品水素製造時に発生する排熱および排ガスを、前記水素発生装置、前記余剰原料回収装置および前記水素精製装置の少なくとも１つの装置の熱源として利用する熱再利用手段とを備えたことを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記水素精製装置は、水素含有プロセス流体が精製された後、製品水素として回収されなかった水素および二酸化炭素等の排ガスを、前記水素精製装置の熱源として利用する熱再利用手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記水素精製装置は、前記余剰原料回収装置より供給された水素含有プロセス流体に含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成する一酸化炭素変成器と、
前記一酸化炭素変成器より供給された水素含有プロセス流体を精製し、製品水素を分離する水素分離器とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記水素精製装置は、前記排ガスに含まれる水素の濃度を調整する濃度調整手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記余剰原料回収装置は、前記水素発生装置で発生した水素含有プロセス流体の排熱を熱源とし含酸素炭化水素および純水からなる供給原料を加熱する原料加熱器と、
前記水素発生装置で発生した水素含有プロセス流体に含まれる未反応の余剰原料である含酸素炭化水素を分離回収する余剰原料分離回収装置とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項６】
前記余剰原料回収装置は、前記原料加熱器に供給される供給原料および前記余剰原料分離回収装置で分離された余剰原料を、前記水素発生装置から供給された水素含有プロセス流体の冷却媒体として利用する冷却手段を備えたことを特徴とする請求項５に記載の水素製造装置。
【請求項７】
前記余剰原料回収装置は、前記余剰原料および前記供給原料を混合する混合手段が備えられたことを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項８】
前記水素発生装置は、含酸素炭化水素を原料とした水蒸気改質を行う改質装置を備えたことを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項９】
前記改質装置は、熱源装置からの熱媒体を循環させる中間ループを熱伝達構造として備えたことを特徴とする請求項８に記載の水素製造装置。
【請求項１０】
前記中間ループは、熱源装置からの蒸気を熱媒体として循環させたことを特徴とする請求項９に記載の水素製造装置。
【請求項１１】
前記含酸素炭化水素は、アルコールおよびエーテル等の有機化合物であることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水素製造技術に関し、特に、水素製造装置の熱効率を改善するために、排熱および排ガスを有効利用することができる水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の水素製造装置としては、例えば特許文献１が知られている。この装置を図３、図４にて説明する。図３は特許文献１における水素製造装置の構成図であり、原子力発電プラントと熱交換することにより効率的に水素が製造できるものである。図４は従来の水素製造装置の系統を簡略的に示す構成図である。
【０００３】
図３，４に示される水素製造装置４０において、ジメチルエーテル（以下、ＤＭＥという。）ｍを気体として供給するＤＭＥ供給部４１と、水ｎを蒸発させた水蒸気を供給する蒸発器４２と、ＤＭＥ供給部４１から供給されたＤＭＥと蒸発器４２から供給された水蒸気とを混合して混合ガスｐを予熱する予熱器４３と、予熱器４３で予熱された混合ガスｐ１を改質して水素リッチガスｑを生成する改質器４４と、改質器４４で生成された水素リッチガスｑを精製して用途に応じた所要の濃度の製品水素ｄを得る水素精製部４５とが備えられている。
【０００４】
また、ＤＭＥ供給部４１、蒸発器４２、予熱器４３、改質器４４および水素精製部４５の少なくとも１つが原子力発電プラント４６で発生する熱ｒを利用するように構成されている。
【０００５】
この水素製造装置４０では、ＤＭＥの水蒸気改質により、３００℃の低温で水素製造でき、安価で安全に水素製造することができる。
【０００６】
また、水素含有プロセス流体中の未反応の余剰原料を有効に回収する方法として、ＤＭＥ燃料改質器の原料回収部が知られている（特許文献２参照）。
【０００７】
これによれば、回収水を改質ガスに向けて噴射させ、改質ガス中に存在するＤＭＥやメタノールを噴射水の水滴に溶解させ、水滴を捕集することにより余剰原料を再利用し、原料損失の低減を図ることができる。
【特許文献１】特開２００５−１７０７０７号公報
【特許文献２】特開平１１−２２８１０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の水素製造装置においては、水素含有プロセス流体からの排熱および製品水素分離時に発生する水素および二酸化炭素等の排ガスについて、十分に有効利用がなされていない。
【０００９】
また、未反応の余剰原料についても配慮がなされていない。
【００１０】
本発明は、かかる従来の事情に対処するためになされたものであり、水素製造時に発生する排熱および排ガスを有効利用することにより、水素製造装置全体の熱効率を向上させると同時に、未反応の余剰原料の回収再利用を促進することで、水素製造に用いる含酸素炭化水素の供給量を低減させ、低コストでより効率的に水素を製造することが可能な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】
本発明の水素製造装置は、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、含酸素炭化水素を原料とした水蒸気改質により製品水素を製造する水素製造装置において、含酸素炭化水素を原料とした水蒸気改質により水素含有プロセス流体を発生させる水素発生装置と、前記水素発生装置で発生した水素含有プロセス流体中に含まれる未反応の余剰原料を分離回収する余剰原料回収装置と、前記余剰原料回収装置より供給された水素含有プロセス流体を精製し、製品水素を生成する水素精製装置と、製品水素製造時に発生する排熱および排ガスを、前記水素発生装置、前記余剰原料回収装置および前記水素精製装置の少なくとも１つの装置の熱源として利用する熱再利用手段とを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、水素製造時に発生する排熱および排ガスを有効利用でき、水素製造装置全体の熱効率を向上させることができる。
【００１３】
また、未反応の余剰原料を再利用でき、水素製造に用いる含酸素炭化水素の供給量を低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明にかかる水素製造装置の実施の形態について図１、２を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明にかかる水素製造装置の実施の形態を示す構成図である。
【００１６】
水素製造装置１は、水素発生装置２、余剰原料回収装置３、水素精製装置４を備える。
【００１７】
水素発生装置２は改質装置５を備え、この改質装置５で、プロセス流体用混合原料ｅを触媒を用いて改質反応させ水素含有プロセス流体ａを発生させ、発生した水素含有プロセス流体ａを余剰原料回収装置３に供給する機能を有する。
【００１８】
改質装置５は、熱媒体を循環させる熱源装置７からの中間ループ６によりプロセス流体用混合原料ｅを加熱・保温する。熱源装置７は主蒸気等の熱媒体を中間ループ６内に循環させており、この熱源装置７には、たとえば沸騰水型原子炉の主蒸気や加圧水型原子炉の加熱流体あるいは二次蒸気を用いることができる。
【００１９】
余剰原料回収装置３は、原料加熱器８、余剰原料分離回収装置９、混合装置１０を順次備えており、水素発生装置２より供給された水素含有プロセス流体ａにより原料加熱器８で供給原料ｂを加熱する一方、加熱された水素含有プロセス流体ａ１から余剰原料分離回収装置９で未反応の余剰原料ｃである含酸素炭化水素を分離回収している。余剰原料を分離回収させた後、プロセス流体ａ２は水素精製装置４に送られ、製品水素ｄを生成するようになっている。
【００２０】
一方、分離回収された余剰原料ｃは、混合装置１０に送られ、ここで加熱された供給原料ｂと混合され混合流体となって、プロセス流体用混合原料ｅとして改質装置５に送られる。
【００２１】
原料加熱器８は、水素発生装置２より供給される水素含有プロセス流体ａを熱源として有効利用し、例えばＵ字管やフィンなどを備える熱交換部を介して熱伝達する熱再利用手段を用い、含酸素炭化水素および純水からなる供給原料ｂを加熱する。
【００２２】
ここで、供給原料ｂである含酸素炭化水素には、熱源温度を考慮すると、例えば有機化合物であるＤＭＥが有効である。
【００２３】
余剰原料分離回収装置９は、水素含有プロセス流体ａ１中に含まれる未反応の余剰原料を分離回収する機能を有する。余剰原料を分離する方法としては、例えば凝縮分離法、ＰＳＡ法（圧力変動吸着分離法）および深冷分離法が用いられる。
【００２４】
また、余剰原料を有効に回収するためには、水素含有プロセス流体ａ１は低温であることが望ましい。このため、余剰原料ｃおよび供給原料ｂを冷却媒体として有効利用し、図１に図示はされていないが、冷却手段を用いて熱交換されることにより水素含有プロセス流体ａ１の温度を下げる。
【００２５】
混合装置１０は、原料加熱器８によって加熱された供給原料ｂと、余剰原料分離回収装置９にて分離された余剰原料ｃとを混合する機能を有する。混合装置１０は、例えば供給原料ｂと余剰原料ｃとの流れ方向の違いを利用し、Ｔ字管またはＹ字管による混合手段を用いて混合を行う。
【００２６】
また、水素精製装置４は、前記余剰原料回収装置３より供給される水素含有プロセス流体ａ２から、製品水素ｄを生成し、製品水素ｄを、例えば水素燃料自動車の燃料として供給するようになっている。水素精製装置４は、精製時に発生する水素及び二酸化炭素等の排ガスｆを有効利用する熱再利用手段も有する。
【００２７】
図２は、水素精製装置４の構成図である。
【００２８】
余剰原料回収装置３からプロセス流体ａ２が供給される水素精製装置４は、図２に示すように一酸化炭素変成器予備加熱器１６、一酸化炭素変成器１７、ガスクーラ１８、水素分離器１９を有し、この水素分離器１９から製品水素ｄを、例えば水素燃料自動車あるいは燃料電池に供給している。
【００２９】
水素精製装置４はさらに、排ガス分離器２０、再結合器前加熱器２１、再結合器２２、再結合器後加熱器２３を順次有し、水素分離器１９で製品水素ｄ分離時に発生する排ガスｆが有効利用できるように構成されている。
【００３０】
一酸化炭素変成器１７は、余剰原料回収装置３より供給された水素含有プロセス流体ａ２中に含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成し、水素含有プロセス流体ａ３を水素分離器１９に供給する機能を有する。製品水素ｄを水素燃料自動車の燃料として用いる場合においては、水素燃料中に一酸化炭素が含有されているのは好ましくないためである。
【００３１】
また、一酸化炭素変成器１７に供給される水素含有プロセス流体ａ２を、あらかじめ所定の温度まで加熱する必要がある場合、図２に示すように、一酸化炭素変成器１７前に、一酸化炭素変成器予備加熱器１６を設置する。
【００３２】
一方、水素精製装置４の水素分離器１９は、一酸化炭素変成器１７から供給された水素含有プロセス流体ａ３を、製品水素ｄと、水素及び二酸化炭素を主成分とする排ガスｆとに分離する機能を有する。製品水素ｄを分離する方法としては、例えばＰＳＡ法（圧力変動吸着分離法）および深冷分離法が用いられる。
【００３３】
水素分離器１９に供給する水素含有プロセス流体ａ３を、あらかじめ所定の温度まで冷却する必要がある場合、図２に示すように、水素分離器１９前にガスクーラ１８を設置する。
【００３４】
ここで、一酸化炭素変成器予備加熱器１６およびガスクーラ１８間の熱交換量がほぼ等しいため、一酸化炭素変成器予備加熱器１６の熱媒体およびガスクーラ１８の冷却媒体を、図２に示すように、循環ループ２４により循環させる熱再利用手段を用いて熱交換してもよい。
【００３５】
他方、水素精製装置４の排ガス分離器２０は、排ガスｆを有効利用するために、水素および二酸化炭素からなる排ガスｆ１と、排ガスｆ２とに分離する機能を有する。
【００３６】
再結合器２２は、排ガスｆ１と酸素ｏを、再結合反応することにより高温の水蒸気と、水素、二酸化炭素および酸素の混合気ｇとを生成し、再結合器後加熱器２３に供給する機能を有する。このとき、水素、二酸化炭素および酸素の混合気ｇの水素濃度は、水素の可燃限界を考慮し、４ｖｏｌ％以下に濃度調整される必要があるため、図２に図示はされていないが、水素濃度調整手段を用いて濃度調整を行う。
【００３７】
また、再結合器２２に供給する排ガスｆ１をあらかじめ所定の温度まで加熱する必要がある場合、図２に示すように、再結合器２２前に再結合器前加熱器２１を設置する。
【００３８】
再結合器後加熱器２３は、混合気ｇを熱源として利用し、例えばＵ字管やフィンなどを備える熱交換部を介して熱交換し、循環ループ２４を循環させる熱再利用手段を用いて熱媒体を加熱する。また混合気ｇは再結合器前加熱器２１にフィードバックされ、排ガスｆ１および酸素ｏを加熱する機能を有する。
【００３９】
なお、本実施の形態では供給原料ｂである含酸素炭化水素としてＤＭＥを用いたが、アルコールを用いても同様の効果を得ることができる。また、中間ループ６には加圧水型原子炉の蒸発器の主蒸気配管を用いることができる。さらに、再結合器後加熱器２３の熱源は、排ガスｆ１を燃料として用いた別途ボイラからの高温気体でもよい。
【００４０】
さらにまた、水素発生装置２において、水素精製装置４から発生した排ガスｆを熱源とする熱再利用手段を用いてもよい。
【００４１】
次に、水素製造装置１の作用について説明する。
【００４２】
水素発生装置２における改質装置５は、沸騰水型原子炉の主蒸気を熱源装置７とした中間ループ６を熱源として供給されたプロセス流体用混合原料ｅを加熱・保温し、触媒による改質反応を行うことにより、水素含有プロセス流体ａを発生させ、余剰原料回収装置３に供給する。
【００４３】
次に、余剰原料回収装置３における余剰原料分離回収装置９は、水素発生装置２から供給される水素含有プロセス流体ａに含まれる未反応の余剰原料ｃを分離回収する。
【００４４】
ここで、水素含有プロセス流体ａは余剰原料分離回収装置９に供給される前に、原料加熱器８を、例えばＵ字管やフィンなどを備える熱交換部を介して熱交換し、供給原料ｂを加熱することで有効利用される。
【００４５】
一方、分離回収された余剰原料ｃは、原料加熱器８により加熱された供給原料ｂと共に混合装置１０へ供給され、改質反応を効率的に行うために均一に混合される。また、供給原料ｂおよび余剰原料ｃは余剰原料回収装置３における冷却媒体として有効利用される。
【００４６】
次に、水素精製装置４における一酸化炭素変成器１７は、水素含有プロセス流体ａ２に含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成する。また、必要に応じて、図２に示すように、一酸化炭素変成器予備加熱器１６が設けられ、水素含有プロセス流体ａ２を所定の温度まで加熱する。
【００４７】
水素分離器１９において、水素含有プロセス流体ａ３から排ガスｆが分離され、製品水素ｄが生成される。
【００４８】
また、必要に応じて、図２に示すように、ガスクーラ１８が設けられ、水素含有プロセス流体ａ３を所定の温度まで冷却する。この際、一酸化炭素変成器予備加熱器１６の熱媒体およびガスクーラ１８の冷却媒体となる媒体を、図２に示すように循環ループ２４を設けて循環させてもよい。
【００４９】
分離された排ガスｆは、さらに水素および二酸化炭素からなる排ガスｆ１と排ガスｆ２に分離される。分離された排ガスｆ１は、酸素ｏと混合され、再結合器前加熱器２１にて加熱される。
【００５０】
さらに、再結合器２２における排ガスｆ１は、再結合反応により高温の水蒸気および水素、二酸化炭素および酸素からなる混合気ｇとなる。この際、水素濃度は濃度調整手段を用い、４ｖｏｌ％以下に濃度調整される。そして高温の混合気ｇは再結合器後加熱器２３に供給され、Ｕ字管やフィンなどを備える熱交換部を介して熱交換し、循環ループ２４および再結合器前加熱器２１の熱源となり、有効利用される。
【００５１】
以上のような水素製造装置１によれば、改質装置５から供給される水素含有プロセス流体ａの排熱を原料加熱器８の熱源として有効利用することで、水素製造装置１全体における必要な熱量の約７５％をまかなえるため、水素製造装置１の熱効率を改善することができる。
【００５２】
また、本実施の形態の場合には、水素発生装置２より供給される水素含有プロセス流体ａ中に含まれる未反応である余剰原料を、余剰原料分離回収装置９により回収し、原料として再使用することにより、原料ＤＭＥおよび原料純水合算の必要モル数に対し、約９０％をまかなえるため、原料供給量を低減することができる。
【００５３】
さらに、本実施の形態の場合には、水素分離器１９から供給される排ガスｆの流量のうち、約５０％を熱源として再使用することで、再結合器前加熱器２１および再結合器後加熱器２３の必要熱量をまかなうことができる。
【００５４】
さらにまた、混合装置１０を設けることで、供給原料ｂと余剰原料ｃが均一に混合された状態で改質装置５に供給されるため、改質反応を効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明にかかる水素製造装置の実施の形態を示す構成図。
【図２】本発明にかかる水素精製装置を示す構成図。
【図３】従来の水素製造装置を示す構成図。
【図４】従来の水素製造装置の系統を簡略的に示す構成図。
【符号の説明】
【００５６】
１  水素製造装置
２  水素発生装置
３  余剰原料回収装置
４  水素精製装置
５  改質装置
６  中間ループ
７  熱源装置
８  原料加熱器
９  余剰原料分離回収装置
１０  混合装置
１６  一酸化炭素変成器予備加熱器
１７  一酸化炭素変成器
１８  ガスクーラ
１９  水素分離器
２０  排ガス分離器
２１  再結合器前加熱器
２２  再結合器
２３  再結合器後加熱器
２４  循環ループ
４０  水素製造装置
４１  ジメチルエーテル（ＤＭＥ）供給部
４２  蒸発器
４３  予熱器
４４  改質器
４５  水素精製部
４６  原子力発電プラント
ａ、ａ１、ａ２、ａ３  水素含有プロセス流体
ｂ  供給原料
ｃ  余剰原料
ｄ  製品水素
ｅ  プロセス流体用混合原料
ｆ、ｆ１、ｆ２  排ガス
ｇ  混合気
ｍ  ジメチルエーテル（ＤＭＥ）
ｎ  水
ｏ  酸素
ｐ、ｐ１  混合ガス
ｑ  水素リッチガス
ｒ  熱
【図１】
2008195585.tif 000003
【図２】
2008195585.tif 000004
【図３】
2008195585.tif 000005
【図４】
2008195585.tif 000006