(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】炭化水素若しくは炭素を含有する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と、上記加熱室内に水を間欠的に供給する水供給手段とを備え、上記加熱室は高温排ガスの流路３内に配されて加熱を受ける複数の加熱管２で形成され、圧縮室は上記複数の加熱管２に対して共通に接続される一つの収束管９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８を備えている。【選択図】　図１
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【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と、上記加熱室内に水を間欠的に供給する水供給手段とを備え、上記加熱室は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を特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
複数の加熱管は、管の軸線に対して直角な面における配置が千鳥状で等間隔と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】
加熱管の温度を計測する手段を備え、加熱管の温度が水の突沸温度以上のとき加熱管に水を供給するように水供給手段を制御することとする請求項１に記載の水素製造装置。
【請求項４】
高温排ガスの流路は焼却炉の廃熱ボイラ、該廃熱ボイラからの排ガス流路又は火力発電用ボイラからの排ガス流路のいずれかであることとす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。
【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、焼却炉等の炉装置の廃熱を利用した廃熱ボイラや火力発電用のボイラからの高温の排ガスは、高温で十分なエネルギを有しているにもかかわらず、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、有効利用されていなかった。
【０００６】
【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。
【０００７】
又、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。
【０００８】
更に、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。
【０００９】
又、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。
【００１０】
更に、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。
【００１１】
一方で、二酸化炭素を排出してしまう熱源を水素製造のためだけに新たに設置することは地球温暖化の防止上好ましくないだけでなく装置の運転費が高くなってしまう。このため、上述のように有効利用されずに焼却炉の廃熱ボイラや火力発電所の火力発電用ボイラ等から放出される排ガスのエネルギを熱源として用いることが望まれる。
【００１２】
そこで、本発明は、他の装置からの高温排ガスを有効利用しつつ、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と、上記加熱室内に水を間欠的に供給する水供給手段とを備えることを特徴としている。
【００１５】
上記加熱室は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、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。
【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複数の加熱管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、該水が上記各加熱管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、上記各加熱管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】
複数の加熱管は、管の軸線に対して直角な面における配置が千鳥状で等間隔となっていることが望ましい。こうすることにより排ガス流路中の高温排ガスの流れは、各加熱管に対してほぼ等しく接触するようになり、各加熱管の加熱状況が均一となる。又、複数の加熱管のそれぞれは、直径の小さい方が、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なわしめ、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することができる。
【００１８】
本発明において、加熱管の温度を計測する手段を備え、加熱管の温度が水の突沸温度以上のとき加熱管に水を供給するように水供給手段を制御することが望ましい。こうすることにより加熱管内で確実に水蒸気化を行うことができる。
【００１９】
又、高温排ガスの流路としては廃棄物焼却炉等の焼却炉の廃熱ボイラ、該廃熱ボイラからの排ガス流路又は火力発電用ボイラからの排ガス流路のいずれかを利用できる。こうすることにより、焼却炉の廃熱ボイラや火力発電用ボイラからの高温排ガスをエネルギとして有効利用できる。
【００２０】
【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。
【００２１】
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内に配置されている。高温排ガス流路３は廃棄物焼却炉の廃熱ボイラや火力発電用ボイラなど３００〜６００℃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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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１５を介して供給するフィーダ１６が接続されている。
【００２９】
一方、ガス取出口１２は制御弁１０を介して除塵機１７、そして分離機（ＰＳＡ）１８に接続されている。除塵機１７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１６に接続されている。分離機１８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。
【００３０】
又、排気口１３は制御弁１１を介して排気管１９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。
【００３１】
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。
【００３２】
▲１▼　先ず、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１５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。
【００３３】
▲２▼　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。
【００３４】
▲３▼　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１７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１８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。
【００３５】
▲４▼　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１９を経て排気される。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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
【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、焼却炉の廃熱ボイラや火力発電用ボイラ等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、焼却炉等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】
2004043758.tif 000003
【図２】
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【図３】
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