(57)【要約】【課題】構成が簡単で小型化可能な水素製造装置の提供を目的とする。【解決手段】炭化水素若しくは炭素を含有する反応性粒子を収容する反応室内に水蒸気を供給し、高温下で反応させて水素ガスを生成する水素製造装置において、反応室は一端から他端に向け収束する部分２Ａを有する圧縮室２により形成され、圧縮室の一端には高圧水蒸気を他端方向へ間欠的に圧縮室内へ噴射する複数のノズル４が設けられ、他端には所定時に開放されるガス取出口６と排気口７が設けられ、他端近傍に反応性粒子を所定時に圧縮室内へ供給する反応性粒子供給口１０が設けられ、圧縮室内に噴射された高圧水蒸気による複数の衝撃波を収束させて、反応性粒子と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混合体中の反応性粒子と水蒸気を反応させて水素ガスを生成させる。【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を収容する反応室内に水蒸気を供給し、反応室内を高温化して反応性粒子と水蒸気とを反応させて水素ガスを生成する水素製造装置において、反応室は一端から他端に向け収束する部分を有する圧縮室により形成され、上記圧縮室の一端には高圧水蒸気を他端方向へ間欠的に圧縮室内へ噴射する複数のノズルが設けられ、他端には所定時に開放されるガス取出口と排気口が設けられ、他端近傍に反応性粒子を所定時に圧縮室内へ供給する反応性粒子供給口が設けられ、上記圧縮室内に噴射された高圧水蒸気による複数の衝撃波を収束させて、反応性粒子と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】
複数のノズルは、間欠噴射ポンプを介して、高圧水蒸気を受けるように炉の廃熱ボイラに接続され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】
複数のノズルは、間欠噴射ポンプを介して高圧水蒸気を受けるように火力発電用ボイラに接続されていることとする請求項１に記載の水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【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。
【０００２】
【従来の技術】
炭化水素若しくは炭素を含有する反応性粒子を収容する反応室内に水を供給し、反応室内を高温化して反応性粒子と水とを反応させて水素ガスを生成する水素製造装置は公知である。
【０００３】
一方、所定の反応性物質を収容せる反応室たる管体内のガスを衝撃波で急激圧縮して高温として反応性物質とガスとを反応させて所望のガスを生成する装置が、米国特許第２８３２６６６号に開示されている。この公知の装置は、反応器として回転軸に平行な複数の管体を有しており、一つの管体へ一端側から原料たる反応性物質が供給され、上記回転軸まわりに回転して上記管体が所定位置にくるとそこで管体内に高圧ガスが供給されて衝撃波を生じ、この衝撃波によってガスを衝撃圧縮して高温化し反応性物質が該ガスと反応し、所望のガスが生成される。他の管体には、その間に、次のガス生成のために反応性物質が供給される。
【０００４】
かかる装置には、複数の管体のそれぞれに、回転軸の回転位置に対応して所定のプロセスを行なうように開閉弁を両端で備え、又その開閉のための制御装置を有している。さらには、複数の管が回転軸まわりに回転することを許容しつつ、高圧ガスや反応性物質の供給、生成ガスの取出そして排気を各管で次々に行なうための機構をも有する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記米国特許第２８３２６６６号の公知装置にあっては、多くの管体及びそれぞれ開閉弁を必要とすること、これらを回転させる装置を必要とすること、回転位置に合わせて開閉動作を行なわなくてはならないこと、さらには、管体の回転を許容しつつ原料や高圧ガスの供給そして生成ガスの取出や排気を行なわなくてはならないこと、に起因して、機構が複雑化、大型化し、ひいては装置そして生成ガスのコストアップにつながる。又、水素ガスを生成するには、どのように装置を構成すればよいのか明らかではない。
【０００６】
水素ガスの生成においては原料としての水蒸気が必要であり、上記公知装置においては衝撃波発生のために高圧ガスが必要である。一方で、火力発電所では、火力発電用ボイラに蒸気タービンたる高圧タービン、中圧タービン、低圧タービンを順次接続し、これらの蒸気タービンを駆動して発電機で発電を行なう。しかしながら、中圧タービンからの高圧水蒸気が例えば２００℃以下の低温である場合であっても、低圧タービンが駆動されて発電が行なわれるが、そのときの低圧タービンの発電効率は１０％程度に低くなってしまう。又、従来では、火力発電用ボイラで発生する高圧水蒸気の温度は変動しているので、安定して必要な電力値を得るために、火力発電用ボイラで発生する高圧水蒸気の温度の極小値が所定の設定温度以上である際に操業することとしている。そのため、高圧水蒸気の温度の極大値若しくはその近傍での高圧水蒸気は、２００℃程度に達し高温で十分なエネルギを有していても利用されることなく捨てられてしまう場合がある。
【０００７】
本発明は、かかる事情に鑑み、構成が簡単で小型化を可能とし、可動部のない装置で衝撃波を発生して、水素を製造することができる装置の提供を目的とし、更には、火力発電用ボイラからの高圧水蒸気の有効利用を図ることができる水素製造装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【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を収容する反応室内に水蒸気を供給し、反応室内を高温化して反応性粒子と水蒸気とを反応させて水素ガスを生成するようになっている。
【０００９】
かかる水素製造装置において、本発明では、反応室は一端から他端に向け収束する部分を有する圧縮室により形成され、上記圧縮室の一端には高圧水蒸気を他端方向へ間欠的に圧縮室内へ噴射する複数のノズルが設けられ、他端には所定時に開放されるガス取出口と排気口が設けられ、他端近傍に反応性粒子を所定時に圧縮室内へ供給する反応性粒子供給口が設けられ、上記圧縮室内に噴射された高圧水蒸気による複数の衝撃波を収束させて、反応性粒子と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ガスを生成させるようになっていることを特徴としている。
【００１０】
このような構成の本発明では、ノズルから高圧水蒸気が間欠的に噴射されると、これが高圧であるが故に衝撃波が発生し、複数の該衝撃波が圧縮室の他端側に向け伝播し収束して反応性粒子と水蒸気を急激に圧縮するので昇温し、高温下で反応性粒子が水蒸気と瞬時に反応して水素含有ガスを生成する。水素含有ガスはガス取出口から取り出され、残留せる水蒸気は排気口から排出される。
【００１１】
本発明において、ノズルは水蒸気を同時に噴射する複数のノズルで構成されることが好ましい。ノズルから噴射される水蒸気のジェットは、その中心部にくらべて周囲部で反応性が高いのでジェットの径は小さい方が良い。そして、かかるジェットを多く有することが反応能力を高めることとなるので、ノズルは複数設けられることとするものである。さらに、複数のノズルから噴射される高圧水蒸気によって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。
【００１２】
複数のノズルは、間欠噴射ポンプを介して、高圧水蒸気を受けるように炉の廃熱ボイラに接続されているようにすることができる。こうすれば、高圧水蒸気発生装置を別途用意する必要がなく、一つの間欠噴射ポンプを開とすることによって複数のノズルから同時に水蒸気を噴射することができる。又、複数のノズルは、間欠噴射ポンプを介して高圧水蒸気を受けるように火力発電用ボイラに接続されているようにすることもできる。こうすれば、更に、火力発電用ボイラからの高圧水蒸気を有効利用して水素を製造することができる。
【００１３】
【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。
【００１４】
先ず、本実施形態における水素製造のための反応装置について図１にもとづき説明する。
【００１５】
図１の反応装置１は、上端で大径、下端で小径、そして中間部に収束部２Ａをなす収束管２を有しており、該収束管２の内部空間が反応室としての圧縮室を形成している。該収束管２は上端に半径方向に張り出すフランジ部２Ｂを有し、ここにノズル取付体３がボルト（図示せず）等により取り付けられている。上記の取付体３には、複数のノズル４が互いの間隔が等しくなるようにそして収束管に対して全体に分布するように設けられている。これらの複数のノズル４は共通な一つの間欠噴射ポンプ５に接続されている。該間欠噴射ポンプ５は、後述する廃熱ボイラから高圧水蒸気の供給を受け、これを所定の瞬時に上記ノズル４から収束管２内、すなわち反応室たる圧縮室の内方へ噴射せしめる。
【００１６】
上記収束管２の下端部には、ガス取出口６そして排気口７が形成されており、ここには所定時に開放される制御弁８，９が設けられている。さらに、これらのガス取出口６そして排気口７よりも若干上方の位置に、反応性粒子を収束管２内へ供給するための反応性粒子供給口１０が形成されている。
【００１７】
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２のごとく接続されている。
【００１８】
反応装置１の間欠噴射ポンプ５は、例えばごみ焼却炉等の大型熱プロセス設備１１の廃熱ボイラ１２から高圧水蒸気を受けるべく該廃熱ボイラ１２に接続されている。
【００１９】
次に、反応性粒子供給口１０には、反応性粒子としての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１３を介して供給するフィーダ１４が接続されている。
【００２０】
一方、ガス取出口６は制御弁８を介して除塵機１５、そして分離機（ＰＳＡ）１６に接続されている。除塵機１５は水素含有ガスから未反応の反応性粒子等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、上述のフィーダ１４に接続されている。分離機１６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）装置が用いられている。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。
【００２１】
又、排気口７は制御弁９を介して排気管１７が接続されており、反応後に残留している水蒸気を排出するものである。
【００２２】
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。
【００２３】
▲１▼　先ず、反応性粒子供給口１０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２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１０の制御弁１３は閉じられる。この時点では、他の制御弁８，９は依然として閉状態にある。
【００２４】
▲２▼　次に、間欠噴射ポンプ５が瞬間的に開き、廃熱ボイラ１２からの高圧水蒸気を複数のノズル４からパルス状ジェットとして噴射する。複数ノズル４から噴射された高圧水蒸気は、衝撃波を発生する。衝撃波が収束管２の下端へ向け進行する際に、収束管２Ａで合流収束しさらに高圧となる。この収束衝撃波は、収束管２の下端へ進行し、反応室たる収束管２内で水蒸気を反応性粒子と共に急激圧縮して昇温せしめ、例えば３０００°Ｋ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。
【００２５】
▲３▼　次に、制御弁８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６から取り出され、除塵機１５にて未反応の反応性粒子等が除去され、水素含有ガスは分離機１６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。
【００２６】
▲４▼　しかる後、制御弁８は閉じられると共に、制御弁９が開放されて、収束管２内の水蒸気等が残留ガスとして排気管１７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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
次に、本発明の他の実施形態について図３にもとづき説明する。尚、図３において、図２と同様の構成部分に関しては同一符号を付してある。
【００３０】
図３における装置は、火力発電用ボイラ２２からの高圧水蒸気によって蒸気タービンたる高圧タービン２３、中圧タービン２４、低圧タービン２５を駆動して、それぞれの発電機２６，２７，２８を駆動して発電させる。上記火力発電用ボイラ２２は高圧水蒸気を間欠噴射ポンプ５に供給するようになっている。反応器１内で生成された水素含有ガスは、図２と同様、除塵機１５で未反応の反応性粒子等が除去された後、分離機１６によって水素ガスとＣＯガスとに分離される。
【００３１】
火力発電用ボイラ２２は、重油等の燃料と空気を供給し燃焼させることによって得た熱エネルギによって高圧水蒸気を生成するようになっている。又、燃料として分離機１６からのＣＯガスを火力発電用ボイラ２２に供給するようにしてもよい。
【００３２】
火力発電用ボイラ２２には、火力発電用ボイラ２２から高圧水蒸気の供給を受けて駆動されるように高圧タービン２３が接続されている。高圧タービン２３には、高圧タービン２３から高圧水蒸気の供給を受けて駆動されるように中圧タービン２４が弁２９を介して接続されている。この弁２９は、高圧タービン２３からの水蒸気を中圧タービン２４に供給すると共に所定時には該水蒸気の一部を反応器１の間欠噴射ポンプ５にも供給するよう切り換えられる。中圧タービン２４には、中圧タービン２４から水蒸気の供給を受けて駆動されるように低圧タービン２５が接続されている。本実施形態では、中圧タービン２４からも高圧水蒸気が間欠噴射ポンプ５に供給可能となっており、該高圧水蒸気の供給先が低圧タービン２５又は間欠噴射ポンプ５のいずれかに所定時に切り換わるようになっている。これら高圧タービン２３、中圧タービン２４、低圧タービン２５にそれぞれに接続された発電機２６，２７，２８が高圧水蒸気によって駆動されて発電する。
【００３３】
又、火力発電用ボイラ２２には、上記燃料の燃焼後の排ガスを大気放出する前に可燃成分追い焚き、ダスト除去等の所定の処理をする排ガス処理装置３０が接続されている。該排ガス処理装置３０には、火力発電用ボイラ２２からの排ガスを排ガス処理装置３０に誘引する誘引ファン３１が接続されている。
【００３４】
ここで、図３に示す装置の操業について説明する。
【００３５】
図３に示す装置にあっては、上述の火力発電所における電力需要ピーク時には高圧タービン２３からの水蒸気の供給先が中圧タービン２４のみとなるように弁２９が切り換えられる。このとき、中圧タービン２４からの水蒸気の供給先は低圧タービン２５となる。これにより、高圧タービン２３、中圧タービン２４、低圧タービン２５の全てを駆動して発電を行ない必要な発電電力が確保される。
【００３６】
電力需要ピーク時以外には高圧タービン２３からの水蒸気の供給先が中圧タービン２４及び間欠噴射ポンプ５となるように弁２９が切り換えられる。このとき、中圧タービン２４からの水蒸気の供給先は間欠噴射ポンプ５となる。これにより、高圧タービン２３及び中圧タービン２４のみを駆動して発電を行ない必要な発電電力分だけが確保されると共に、高圧タービン２３からの一部の高圧水蒸気と中圧タービン２４からの高圧水蒸気とが、低圧タービン２５での発電よりもエネルギ効率の高い水素製造のために有効利用される。
【００３７】
【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高圧水蒸気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できるので、装置がきわめて簡単で小型化が可能となり、廃熱ボイラ等の高圧水蒸気を利用して安価に水素ガスを得る。さらには、ノズルを複数設けることとすれば、ジェットの径を小径として反応性を向上させ、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。更には、火力発電所の火力発電用ボイラからの高圧水蒸気を有効利用できる。
【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。
【図３】本発明の他の実施形態に係る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　圧縮室（収束管）
２Ａ　収束する部分
４　ノズル
６　ガス取出口
７　排気口
１０　反応性粒子供給口
１１　炉
１２　廃熱ボイラ
２２　火力発電用ボイラ
【図１】
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【図２】
2004043759.tif 000004
【図３】
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