(57)【要約】【課題】構成が簡単で小型化の可能な水素製造装置を提供することを目的とする。【解決手段】反応性粒子及び水蒸気の混合体を衝撃圧縮するべく該混合体を収容する収束管９と、該収束管９内に反応性粒子を供給する反応性粒子供給口１４と、水を加熱して水蒸気として上記収束管９内に供給するべく上記収束管９に連通する加熱室を形成する加熱管２と、該加熱管２内に水を間欠的に供給する水供給手段８と、上記加熱管２を収容せる高温排ガス流路３とを有し、該高温排ガス流路３が金属精錬炉１５の廃熱排出部に接続されている。【選択図】　図１
2004051821.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素若しくは炭素を含有する反応性粒子と水蒸気との混合体を加熱して高温にすることにより上記反応性粒子と上記水蒸気を反応させて水素含有ガスを生成させ、該水素含有ガスから水素を分離する水素製造装置において、反応性粒子及び水蒸気の混合体を衝撃圧縮するべく該混合体を収容する圧縮室と、該圧縮室内に反応性粒子を供給する反応性粒子供給手段と、水を加熱して水蒸気として上記圧縮室内に供給するべく上記圧縮室に連通する加熱室を形成する加熱管と、上記加熱室内に水を間欠的に供給する水供給手段と、上記加熱管を収容せる高温排ガスの流路とを有し、該流路が金属精錬炉の排ガス排出部に接続されていて上記加熱室がこの排ガス排出部からの高温排ガスにより加熱されており、上記水供給手段によって上記加熱室内へ供給された水が上記加熱室内で急激に加熱膨張されることによって生じる水蒸気による衝撃波を上記圧縮室内に伝播させて、反応性粒子と上記加熱室から上記圧縮室内へ移動された水蒸気との混合体を上記圧縮室内で上記衝撃波によって衝撃圧縮して高温に加熱することにより、上記混合体中の反応性粒子と水蒸気を反応させて水素含有ガスを生成させるようになっていることを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
加熱室は金属精錬炉からの高温排ガスの流路内に配されて加熱される複数の加熱管で形成され、圧縮室は上記複数の加熱管に対して共通に接続される一つの収束管で形成され、水供給手段は複数の加熱管のそれぞれに水を供給する手段を備えており、上記水供給手段によって上記各加熱管内へ供給された水が上記加熱管内で急激に加熱膨張されることによって生じる水蒸気による衝撃波を上記圧縮室内に合流伝播させて、反応性粒子と上記加熱室から上記圧縮室内へ移動された水蒸気との混合体を上記圧縮室内で上記衝撃波によって衝撃圧縮して高温に加熱することにより、上記混合体中の反応性粒子と水蒸気を反応させて水素含有ガスを生成させるようになっていることとする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項３】
加熱室は該加熱室の温度を計測する計測手段が設けられており、水供給手段は該計測手段によって検知された温度に応じて加熱室への水供給量が制御されるようになっていることとする請求項１又は請求項２に記載の水素製造装置。
【請求項４】
金属精錬炉からの高温排ガスの流路には該高温排ガスの温度変動を緩和するバッファタンクが設けられ、加熱室は該バッファタンク経由後の高温排ガスの流路内に配されていることとする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の水素製造装置。
【請求項５】
圧縮室は該圧縮室からの水素含有ガスから水素を分離する水素分離装置に接続され、該水素分離装置によって水素含有ガスから水素を分離させた後のガスが金属精錬炉に供給されるようになっていることとする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水素製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、工業用の水素製造装置としては、熱分解炉型水素製造装置、スチームリフォーマ等が知られている。
【０００３】
これらの水素製造装置にあっては、予め高温状態に維持された反応器内に天然ガス、プロパン等の原料を導入させることにより該原料を高温に加熱して反応させて、水素、一酸化炭素等を含有する水素含有ガスを生成させ、該水素含有ガスから水素を分離して製造する。
【０００４】
例えば、スチームリフォーマにあっては、原料として天然ガス、プロパン等の炭化水素と水蒸気との混合体を反応器内で高温状態の改質触媒に接触させることにより、水素、一酸化炭素等を含有する水素含有ガスたる改質ガスを得て、この改質ガスから水素を分離して得る。上記高温状態を得るには、熱源が必要である。
【０００５】
一方、従来、転炉、製鋼用電気炉等の金属精錬炉は、原料として例えば鉄スクラップを溶解炉に所定量毎供給し、該溶解炉内で鉄スクラップを溶解して溶鋼を得ている。上記金属精錬炉では廃熱が他の装置のための熱源として利用されずにそのまま放出処理されている。
【０００６】
すなわち、金属精錬炉では、鉄スクラップを溶解炉内へ供給し該溶解炉内で鉄スクラップを溶解して溶鋼を得るという一連の操業がバッチタイプで行なわれているため、金属精錬炉からの排ガスの温度も変動しており、この排ガスはエネルギとして連続して安定供給できない。そのため、従来では、金属精錬炉からの排ガスは、高温で十分なエネルギを有しているにもかかわらず、有効利用されていなかった。又、金属精錬炉からの排ガス中の未燃の可燃性ガスを燃焼させるために、排ガスの二次燃焼室を設けている場合もあるが、この燃焼後の排ガスも高温で十分なエネルギを有しているにもかかわらず、有効利用されていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の水素製造装置では、水素製造の反応前に予め反応器内空間全体を、別に設けられた加熱装置によって高温状態としなければならないため、装置が複雑かつコスト高となると共に、装置の立ち上げ工程や立ち下げ工程等でのエネルギーロスが大きくなってしまい、装置の運転費も高くなってしまう。
【０００８】
更に、このように装置の立ち上げから立ち下げまでの間の長時間に亘り反応器内空間全体が高温状態に維持されることとなってしまうため、耐火物を多用して装置を構成する必要があり、設備費が高くなってしまう。
【０００９】
又、上述のような装置では、立ち上げ工程や立ち下げ工程等の時間が長いために、エネルギーロスが大きくなるだけでなく時間的ロスも大きくなってしまうため、一般にこのような装置では一旦装置を立ち上げて反応器内を高温状態とした後は長時間連続して水素製造が行われるので、小規模生産、或いは、所望時の短時間生産には向かない。
【００１０】
更に、原料として天然ガス、プロパン等の純燃料が必要となってしまうため、この点でも、装置の運転費が高くなってしまう。
【００１１】
又、製造工程で製造される水素と同等量程度以上の二酸化炭素が排出されてしまうため、地球温暖化の防止上好ましくない。
【００１２】
そこで、本発明は、金属精錬炉からの高温排ガスの有効利用を図りつつ、エネルギーロスの低減化を図り安価な運転費及び設備費により低コストで水素を製造することができ、又、小規模生産を可能とし、更に、純燃料を必要とせず、二酸化炭素の排出を抑えつつ水素を製造することができる水素製造装置の提供を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る水素製造装置は、炭化水素若しくは炭素を含有する反応性粒子と水蒸気との混合体を加熱して高温にすることにより上記反応性粒子と上記水蒸気を反応させて水素含有ガスを生成させ、該水素含有ガスから水素を分離するようになっている。
【００１４】
かかる水素製造装置において、本発明では、反応性粒子及び水蒸気の混合体を衝撃圧縮するべく該混合体を収容する圧縮室と、該圧縮室内に反応性粒子を供給する反応性粒子供給手段と、水を加熱して水蒸気として上記圧縮室内に供給するべく上記圧縮室に連通する加熱室を形成する加熱管と、上記加熱室内に水を間欠的に供給する水供給手段と、上記加熱管を収容せる高温排ガスの流路とを有し、該流路が金属精錬炉の排ガス排出部に接続されていることを特徴としている。
【００１５】
上記加熱管は金属精錬炉からの高温排ガスの流路内に配されて加熱されており、上記水供給手段によって上記加熱室内へ供給された水が上記加熱室内で急激に加熱膨張されることによって生じる水蒸気による衝撃波を上記圧縮室内に伝播させて、反応性粒子と上記加熱室から上記圧縮室内へ移動された水蒸気との混合体を上記圧縮室内で上記衝撃波によって衝撃圧縮して高温に加熱することにより、上記混合体中の反応性粒子と水蒸気を反応させて水素含有ガスを生成させるようになっている。
【００１６】
このような構成の本発明にあっては、排ガス流路内の高温排ガスによって加熱された加熱室のそれぞれの内部空間へ水供給手段が間欠的に水を供給することによって、該水が上記加熱室内で急激に加熱膨張されて水蒸気化される際に衝撃波が生ずる。この衝撃波は、上記加熱室内から共通の一つの圧縮室内に合流伝播されて、反応性粒子と上記加熱室から上記圧縮室内へ移動された水蒸気との混合体を上記圧縮室内で衝撃圧縮する。上記混合体は急激に圧縮されるために温度が上昇して高温となって、上記反応性粒子と上記水蒸気が反応して水素含有ガスを生成させる。
【００１７】
このような本発明にあっては、加熱室を形成する加熱管は金属精錬炉からの高温排ガスの流路内に複数配設することが好ましい。その際、複数の加熱管に対して共通な一つの収束管を接続し、水供給手段は複数の加熱管のそれぞれに水を供給する手段を備えるようにする。こうすることによって、上記水供給手段によって上記各加熱管内へ供給された水が上記加熱管内で急激に加熱膨張されることによって生じる水蒸気による衝撃波を上記圧縮室内に合流伝播させて、反応性粒子と上記加熱室から上記圧縮室内へ移動された水蒸気との混合体を上記圧縮室内で上記衝撃波によって衝撃圧縮して高温に加熱することにより、上記混合体中の反応性粒子と水蒸気を反応させて水素含有ガスを生成させる。この場合、複数の加熱管のそれぞれは、直径が小さい方が、そして数の多い方が好ましい。直径が小さいということは、高温排ガスによる加熱効率が大きいので水の水蒸気化を効率よく行わしめ、数が多いということは水蒸気化の能力を向上させる。さらに複数の加熱管で発生した衝撃波を収束させるので高温高圧化を達成できる。
【００１８】
又、加熱室は該加熱室の温度を計測する計測手段が設けられており、水供給手段は該計測手段によって検知された温度に応じて加熱室への水供給量が制御されるようになっていることが好ましい。こうすることにより、高温排ガスを効率よく利用できるだけでなく、加熱室の温度を安定化することができるので装置の熱負荷が低減される。
【００１９】
更に、金属精錬炉からの高温排ガスの流路には該高温排ガスの温度変動を緩和するバッファタンクが設けられ、加熱室は該バッファタンク経由後の高温排ガスの流路内に配されていると、金属精錬炉での高温排ガスの温度変動に同期させることなく安定して連続水素製造が可能となる。又、加熱室の温度の安定化が図られるので装置の熱負荷が低減される。
【００２０】
又、圧縮室は該圧縮室からの水素含有ガスから水素を分離する水素分離装置に接続され、該水素分離装置によって水素含有ガスから水素を分離させた後のＣＯガスが金属精錬炉に供給されるようにし、該ＣＯガスを金属精錬炉の助燃材として有効利用することもできる。金属精錬炉の排ガス排出部以降に排ガスの二次燃焼室が設けられている場合は、該二次燃焼室の排ガス排出部の高温排ガス流路にバッファタンク、加熱室を設けても良い。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面にもとづき、本発明の実施の形態を説明する。
【００２２】
図１において、本実施形態の反応装置１の加熱管２が高温排ガス流路３内に複数配置されている。該加熱管２は内部に加熱室を形成する。高温排ガス流路３は後述の転炉、製鉄電気炉等の金属精錬炉からの高温排ガスが流通する流路であり、その一部が加熱管２の配置に好都合な空間４を有するように形成されている。
【００２３】
上記空間４内には、縦方向に複数の加熱管２が取り付けられている。複数の加熱管２は、図２に見られるごとく管の軸線に直角な面での配列が等間隔で千鳥状をなしており、両端で取付板５，６で支持されている。
【００２４】
各加熱管２には、取付板５に取り付けられたノズル７が水を上記加熱管２内へ下方に向け噴射するように指向している。これらのノズル７は一個の共通な間欠噴射ポンプ８に接続されていて、間欠的に瞬時に全ノズル７から同時に水をパルスジェット状に噴射する。このジェットは噴霧状であることが好ましい。
【００２５】
又、加熱管２の温度を計測する熱電対を備え、加熱管の温度を計測して水の突沸温度以上のとき加熱管に水を噴射し、瞬時に水蒸気化するように、水を供給するタイミング等を制御する。
【００２６】
上記複数の加熱管２の下端には、全加熱管２に対し共通の一個の収束管９が接続され圧縮室を形成している。該収束管９は上端で上記複数の加熱管２と連通しており、下端には二つの制御弁１０，１１が取り付けられたガス取出口１２、排気口１３が形成されている。又、上記ガス取出口１２、排気口１３の若干上方位置には、炭化水素若しくは炭素を含有する反応性粒子を収束管９内へ供給する反応性粒子供給口１４が設けられている。上記収束管９は、上端側が大径で下端側が小径となっており、中間部に形成された収束部９Ａでその直径を次第に変化するようになっている。収束管９の大部分は高温排ガス流路３内にあるように設けられるのが、収束管９が外側からも加熱され、反応効率が高くなるので望ましい。
【００２７】
このような図１の反応装置１は水素ガスの製造のための他諸装置と図３のごとく接続されている。本実施形態では、高温排ガス流路３が金属精錬炉１５の排ガス排出部に接続されており、該高温排ガス流路３には、金属精錬炉１５から反応装置１への高温排ガスの温度変動を抑えるバッファタンク１６が設けられている。このバッファタンク１６が金属精錬炉１５からの高温排ガスの温度変動を抑えて平滑化することにより、金属精錬炉１５での高温排ガスの温度変動に同期させることなく安定した連続水素製造を可能としている。
【００２８】
反応装置１の間欠噴射ポンプ８は、水供給源（図示せず）に接続されている。
【００２９】
次に、反応性粒子供給口１４には、廃プラスチックを他物質と分離後に破砕そして粉砕して廃プラスチック粉とした後に、これを所定時に制御弁１７を介して供給するフィーダ１８が接続されている。
【００３０】
一方、ガス取出口１２は制御弁１０を介して除塵機１９、そして分離機（ＰＳＡ）２０に接続されている。除塵機１９は水素含有ガスから未反応の反応性粒子を除去するものであり、除去された未反応の反応性粒子を帰還させて再利用するための上述のフィーダ１８に接続されている。分離機２０は水素含有ガスを水素ガスとＣＯガスとに分離してそれぞれ取り出すためのものであり、圧力振動吸着（ＰＳＡ）装置が用いられる。又、水素の分離は圧力振動吸着法にかぎらず膜分離等の他の方法を用いてもよい。
【００３１】
又、排気口１３は制御弁１１を介して排気管２１が接続されており、反応後に残留している水蒸気を排気するものである。
【００３２】
かかる本実施形態装置にあっては、水素ガスは次の要領で製造される。
【００３３】
▲１▼　金属精錬炉１５から排出された高温排ガスはバッファタンク１６で温度変動が抑制されて、温度が時間に対して平滑化された状態で、高温排ガス流路３を流れ、加熱管２を加熱する。
【００３４】
▲２▼　次に、反応性粒子供給口１４から反応性粒子としての廃プラスチック粉が反応室たる収束管９内へ供給される。この反応性粒子の供給後、反応性粒子供給口１４の制御弁１７は閉じられる。この時点では、他の制御弁１０，１１は依然として閉状態にある。
【００３５】
▲３▼　次に、加熱管の温度が水の突沸温度（例えば３００℃）以上であることを確認した後、間欠噴射ポンプ８が瞬間的に開き、水をパルス状水霧ジェットとして噴射する。各ノズル７から噴射された水噴霧は、各加熱管２の下端へ向け進行する際に、該加熱管２で加熱されて急激に水蒸気化して膨張し、高圧となって衝撃波を生ずる。この衝撃波は、加熱管２の下端へ進行し、反応室たる共通な一つの収束管９内で合流収束して収集衝撃波となりより高圧化して水蒸気を反応性粒子と共に圧縮して昇温せしめ、例えば２０００℃、４ＭＰａに達する。それによって反応が生じ、水素ガスそしてＣＯガスが生成される。
【００３６】
▲４▼　次に、制御弁１０が開き、水素ガスとＣＯガスが混在する水素含有ガスがガス取出口１２から取り出され、除塵機１９にて未反応の反応性粒子等が除去された後、水素含有ガス分離機２０にて水素ガスとＣＯガスとに分離されてそれぞれ取り出される。
【００３７】
▲５▼　しかる後、制御弁１０は閉じられると共に、制御弁１１が開放されて、収束管９内の水蒸気等が残留ガスとして排気管２１を経て排気される。ＣＯガスは金属精錬炉１５に供給されて助燃材として再利用される。かくして、水素ガス生成のための一回のサイクルを終了し、次のサイクルへ備える。
【００３８】
又、反応性粒子としては、廃プラスチック粉の他に粉コークスなど炭化水素や炭素を含有する物質を利用可能である。
【００３９】
又、反応性粒子の粒径が大きく加熱が不十分となり反応効率が低い場合には、圧縮室内に空気又は酸素を供給して反応性粒子の部分燃焼を伴うようにすると、反応に十分な高温となって反応を促進することができる。
【００４０】
又、バッファタンク１６を省略して、金属精錬炉１５からの排ガス温度がバッチ運転により変動しても、高温排ガス流路３内の加熱管２が配置された空間４内の温度を計測し、温度変動に対応して、加熱管２に水を噴射する流量、タイミング等を制御することにより、金属精錬炉１５からの高温排ガスのエネルギーを有効利用できる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は、以上のごとく、反応性粒子を収容する反応室内へ水を瞬間的にパルス状ジェットとしてノズルから噴射するだけで衝撃波を発生させ、これによって水素ガスを生成するのに十分な反応温度まで昇温できるので、装置がきわめて簡単で小型化が可能となり、金属精錬炉の高温排ガスの流路を利用して安価に水素ガスを得る。しかも、衝撃波を発生するよう水を高温排ガスにより加熱して水蒸気化させて急膨張させるため、水を加熱するのに特段の加熱装置を設けることなく、金属精錬炉の排ガス流路を用いればよいので装置の簡単化そしてコストの低減化が図れる。さらには、ノズルを小径のものとすれば、ジェットの径を小径として水蒸気化を向上させ、その数を増やすことによって能力を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としての水素製造装置のための反応装置を示す断面図である。
【図２】図１装置の加熱管の配列を示す図である。
【図３】図１の反応装置を用いた水素製造装置の全体構成を示す図である。
【符号の説明】
１　反応装置
２　加熱管（加熱室）
３　排ガス流路
８　水供給装置（間欠噴射ポンプ）
９　収束管（圧縮室）
【図１】
2004051821.tif 000003
【図２】
2004051821.tif 000004
【図３】
2004051821.tif 000005