(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気改質を行う水蒸気改質回路と、
メタネーション反応を行うメタネーション回路と、を備え、
前記水蒸気改質回路は、
炭化水素と水蒸気とを反応させることにより水素を主成分とする水素豊富媒体を生成する水蒸気改質を行わせる水蒸気改質反応器と、
前記水蒸気改質反応器から流出した水素豊富媒体に対して外部から熱を供給することにより前記水素豊富媒体を加熱する第１加熱器と、
前記第１加熱器から流出した水素豊富媒体と、炭化水素と水蒸気とを含みかつ前記水蒸気改質反応器に流入する前の第１反応前媒体と、を熱交換させることによって前記第１反応前媒体を加熱する第１熱交換器と、を有し、
前記メタネーション回路は、
一酸化炭素及び二酸化炭素の少なくとも一方と水素とを反応させることによりメタンを主成分とするメタン豊富媒体を生成するメタネーションを行わせるメタネーション反応器と、
前記メタネーション反応器から流出したメタン豊富媒体に対して外部から熱を供給することにより前記メタン豊富媒体を加熱する第２加熱器と、
前記第２加熱器から流出したメタン豊富媒体と、一酸化炭素及び二酸化炭素の少なくとも一方と水素とを含みかつ前記メタネーション反応器に流入する前の第２反応前媒体と、を熱交換させることによって前記第２反応前媒体を加熱する第２熱交換器と、を有し、
前記第１加熱器は、前記水蒸気改質反応器から流出した水素豊富媒体の温度が、前記第１熱交換器において前記第１反応前媒体の温度を前記水蒸気改質反応器で水蒸気改質が行われる反応温度まで上昇させることが可能な温度となるように、前記水素豊富媒体を加熱し、
前記第２加熱器は、前記メタネーション反応器から流出したメタン豊富媒体の温度が、前記第２熱交換器において前記第２反応前媒体の温度を前記メタネーション反応器でメタネーションが行われる反応温度まで上昇させることが可能な温度となるように、前記メタン豊富媒体を加熱する、水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステム。
【請求項２】
請求項１に記載の水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステムにおいて、
前記メタネーション反応器と当該メタネーション反応器の周りの伝熱空間とを取り囲む形状を有する包囲部をさらに備え、
前記メタネーション反応器は、当該メタネーション反応器内でのメタネーション時の反応熱を前記伝熱空間に伝達可能に構成されている、水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステム。
【請求項３】
請求項２に記載の水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステムにおいて、
前記伝熱空間の温度が目標範囲内に収まるように、前記メタネーション反応器への前記第２反応前媒体の供給量を調整する制御部をさらに備える、水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステム。
【請求項４】
請求項３に記載の水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステムにおいて、
前記メタネーション反応器に前記第２反応前媒体を供給する第２供給流路と、
前記第２熱交換器の上流側において前記第２供給流路に設けられた第２圧縮機と、
前記第２熱交換器の上流側において前記第２供給流路に設けられた第２開閉弁と、をさらに備え、
前記制御部は、
前記伝熱空間の温度が前記目標範囲の下限値よりも小さく、かつ、前記第２供給流路の前記第２反応前媒体の流量が規定量よりも小さいときに、前記第２圧縮機の回転数を上げるとともに前記第２開閉弁の開度を大きくし、かつ、前記第２加熱器での前記メタン豊富媒体の加熱量を増やし、
前記伝熱空間の温度が前記目標範囲の下限値よりも小さく、かつ、前記第２供給流路の前記第２反応前媒体の流量が前記規定量よりも大きいときに、前記第２圧縮機の回転数を下げるとともに前記第２開閉弁の開度を小さくし、かつ、前記第２加熱器での前記メタン豊富媒体の加熱量を増やし、
前記伝熱空間の温度が前記目標範囲の上限値よりも大きいときに、前記第２圧縮機の回転数を下げるとともに前記第２開閉弁の開度を小さくし、かつ、前記第２加熱器での前記メタン豊富媒体の加熱量を減らす、水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステムにおいて、
前記第１熱交換器から流出した水素豊富媒体を膨張させる第１膨張機と、
前記第１膨張機に接続された第１動力回収機と、をさらに備える、水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステム。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステムにおいて、
前記第２熱交換器から流出したメタン豊富媒体を膨張させる第２膨張機と、
前記第２膨張機に接続された第２動力回収機と、をさらに備える、水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素を生成する方法として、炭化水素と水蒸気とを反応させる水蒸気改質が知られており、メタンを生成する方法として、一酸化炭素や二酸化炭素と水素とを反応させるメタネーションが知られている。例えば、特許文献１には、水蒸気改質を行う水蒸気改質回路と、メタネーションを行うメタネーション回路と、を備えるシステムが開示されている。
【０００３】
水蒸気改質回路は、第１圧縮機と、水蒸気改質反応器と、第１熱交換器と、を有している。第１圧縮機は、炭化水素と水蒸気とを含む第１反応前媒体を圧縮する。具体的に、第１圧縮機では、第１反応前媒体の温度が、水蒸気改質反応器で有効に水蒸気改質が行われる反応温度にまで上昇するように、当該第１反応前媒体が圧縮される。水蒸気改質反応器は、第１圧縮機から吐出された第１反応前媒体中の炭化水素と水蒸気とを反応させることにより水素を主成分とする水素豊富媒体を生成する水蒸気改質を行わせる反応器である。第１熱交換器は、水蒸気改質反応器から流出した水素豊富媒体と第１圧縮機に流入する前の第１反応前媒体とを熱交換させることによって第１反応前媒体を加熱する。なお、第１熱交換器から流出した水素豊富媒体は、冷却器及び気液分離器を経て回収される。
【０００４】
メタネーション回路は、メタネーション反応器と、第２圧縮機と、第２熱交換器と、を有している。メタネーション反応器は、一酸化炭素や二酸化炭素と水素とを反応させることによりメタンを主成分とするメタン豊富媒体を生成するメタネーションを行わせる反応器である。第２圧縮機は、メタネーション反応器で生成されたメタン豊富媒体を圧縮する。第２熱交換器は、第２圧縮機から吐出されたメタン豊富媒体とメタネーション反応器に流入する前の第２反応前媒体（一酸化炭素や二酸化炭素と水素とを含む媒体）とを熱交換させることにより第２反応前媒体を加熱する。具体的に、第２熱交換器では、第２反応前媒体の温度がメタネーション反応器で有効にメタネーションが行われる反応温度になるように当該第２反応前媒体がメタン豊富媒体により加熱される。換言すれば、第２圧縮機では、メタネーション反応器から流出したメタン豊富媒体の温度が、第２熱交換器において第２反応前媒体の温度を前記反応温度にまで上昇させることが可能となる温度となるように、メタン豊富媒体が圧縮される。なお、第２熱交換器から流出したメタン豊富媒体は、膨張機で膨張した後、冷却器を経て回収される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】小柳  佑平（Yuhei Koyanagi）、他4名、"コプロダクション実現のための化学反応熱を用いた熱輸送システムの構築(Application of chemical heat transformer for coproduction system)"、［online］、CHEMICAL ENGINEERING TRANSACTIONS 、2010年8月、第21号、p．55−60、［平成27年5月8日検索］、インターネット〈URL：http://www.aidic.it/cet/10/21/010.pdf〉
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記文献１に記載のシステムでは、第１圧縮機及び第２圧縮機として、耐熱性に優れたものが必要となる。具体的に、水蒸気改質反応器で有効に水蒸気改質が行われる反応温度は高温であるため、水蒸気改質反応器に流入する第１反応前媒体を圧縮する第１圧縮機は、優れた耐熱性を備えている必要がある。同様に、メタネーション反応器で有効にメタネーションが行われる反応温度は高温であるため、メタネーション反応器から流出したメタン豊富媒体を圧縮する第２圧縮機は、優れた耐熱性を備えている必要がある。このような圧縮機、すなわち、耐熱性に優れた圧縮機の製造には、高価でかつ加工が困難な材料が必要となる。
【０００７】
本発明の目的は、耐熱性に優れた高価な圧縮機を用いることなく運転可能な水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、水蒸気改質を行う水蒸気改質回路と、メタネーション反応を行うメタネーション回路と、を備え、前記水蒸気改質回路は、炭化水素と水蒸気とを反応させることにより水素を主成分とする水素豊富媒体を生成する水蒸気改質を行わせる水蒸気改質反応器と、前記水蒸気改質反応器から流出した水素豊富媒体に対して外部から熱を供給することにより前記水素豊富媒体を加熱する第１加熱器と、前記第１加熱器から流出した水素豊富媒体と、炭化水素と水蒸気とを含みかつ前記水蒸気改質反応器に流入する前の第１反応前媒体と、を熱交換させることによって前記第１反応前媒体を加熱する第１熱交換器と、を有し、前記メタネーション回路は、一酸化炭素及び二酸化炭素の少なくとも一方と水素とを反応させることによりメタンを主成分とするメタン豊富媒体を生成するメタネーションを行わせるメタネーション反応器と、前記メタネーション反応器から流出したメタン豊富媒体に対して外部から熱を供給することにより前記メタン豊富媒体を加熱する第２加熱器と、前記第２加熱器から流出したメタン豊富媒体と、一酸化炭素及び二酸化炭素の少なくとも一方と水素とを含みかつ前記メタネーション反応器に流入する前の第２反応前媒体と、を熱交換させることによって前記第２反応前媒体を加熱する第２熱交換器と、を有し、前記第１加熱器は、前記水蒸気改質反応器から流出した水素豊富媒体の温度が、前記第１熱交換器において前記第１反応前媒体の温度を前記水蒸気改質反応器で水蒸気改質が行われる反応温度まで上昇させることが可能な温度となるように、前記水素豊富媒体を加熱し、前記第２加熱器は、前記メタネーション反応器から流出したメタン豊富媒体の温度が、前記第２熱交換器において前記第２反応前媒体の温度を前記メタネーション反応器でメタネーションが行われる反応温度まで上昇させることが可能な温度となるように、前記メタン豊富媒体を加熱する、水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステムを提供する。
【０００９】
本システムでは、水蒸気改質反応器から流出した水素豊富媒体は、第１加熱器により加熱された後に第１熱交換器に流入し、また、メタネーション反応器から流出したメタン豊富媒体は、第２加熱器により加熱された後に第２熱交換器に流入する。よって、水蒸気改質反応器から流出した高温の水素豊富媒体をさらに高温にするために当該水素豊富媒体を圧縮する圧縮機や、メタネーション反応器から流出した高温のメタン豊富媒体をさらに高温にするために当該メタン豊富媒体を圧縮する圧縮機、すなわち、耐熱性に優れた高価な圧縮機を用いることなく運転することが可能となる。
【００１０】
この場合において、前記メタネーション反応器と当該メタネーション反応器の周りの伝熱空間とを取り囲む形状を有する包囲部をさらに備え、前記メタネーション反応器は、当該メタネーション反応器内でのメタネーション時の反応熱を前記伝熱空間に伝達可能に構成されていることが好ましい。
【００１１】
この態様では、包囲部内において、メタネーション反応器でのメタネーション時の反応熱の輻射熱を有効に利用することができる。
【００１２】
さらにこの場合において、前記伝熱空間の温度が目標範囲内に収まるように、前記メタネーション反応器への前記第２反応前媒体の供給量を調整する制御部をさらに備えることが好ましい。
【００１３】
このようにすれば、伝熱空間の温度が目標範囲内に収まるように、メタネーション反応器への第２反応前媒体の供給量、すなわち、メタネーション時の反応熱量が調整されるので、伝熱空間において安定的にメタネーション時の反応熱を回収することができる。
【００１４】
具体的に、前記メタネーション反応器に前記第２反応前媒体を供給する第２供給流路と、前記第２供給流路に設けられた第２圧縮機と、前記第２供給流路に設けられた第２開閉弁と、をさらに備え、前記制御部は、前記伝熱空間の温度が前記目標範囲の下限値よりも小さく、かつ、前記第２供給流路の前記第２反応前媒体の流量が規定量よりも小さいときに、前記第２圧縮機の回転数を上げるとともに前記第２開閉弁の開度を大きくし、かつ、前記第２加熱器での前記メタン豊富媒体の加熱量を増やし、前記伝熱空間の温度が前記目標範囲の下限値よりも小さく、かつ、前記第２供給流路の前記第２反応前媒体の流量が前記規定量よりも大きいときに、前記第２圧縮機の回転数を下げるとともに前記第２開閉弁の開度を小さくし、かつ、前記第２加熱器での前記メタン豊富媒体の加熱量を増やし、前記伝熱空間の温度が前記目標範囲の上限値よりも大きいときに、前記第２圧縮機の回転数を下げるとともに前記第２開閉弁の開度を小さくし、かつ、前記第２加熱器での前記メタン豊富媒体の加熱量を減らすことが好ましい。
【００１５】
また、本発明において、前記第１熱交換器から流出した水素豊富媒体を膨張させる第１膨張機と、前記第１膨張機に接続された第１動力回収機と、をさらに備えることが好ましい。
【００１６】
このようにすれば、水素豊富媒体の有するエネルギーを、第１膨張機を介して第１動力回収機で有効に回収することができる。
【００１７】
また、本発明において、前記第２熱交換器から流出したメタン豊富媒体を膨張させる第２膨張機と、前記第２膨張機に接続された第２動力回収機と、をさらに備えることが好ましい。
【００１８】
このようにすれば、メタン豊富媒体の有するエネルギーを、第２膨張機を介して第２動力回収機で有効に回収することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明によれば、耐熱性に優れた高価な圧縮機を用いることなく運転可能な水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態の水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステムの構成の概略を示す図である。
【図２】メタネーション反応器と包囲部との関係を示す図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線での断面図である。
【図４】制御部の制御内容を示すフローチャートである。
【図５】制御部の制御内容の概要を示す表である。
【図６】図１に示すシステムの変形例の構成の概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の一実施形態の水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステムについて、図１〜図５を参照しながら説明する。
【００２２】
図１に示されるように、本システムは、水蒸気改質回路１と、メタネーション回路２と、を備えている。
【００２３】
水蒸気改質回路１は、水蒸気改質反応器Ｒ１と、第１供給流路Ｓ１１と、第１回収流路Ｓ１２と、第１加熱器Ｈ１と、第１熱交換器ＨＸ１と、第１気液分離器Ｆ１と、第１膨張機ＥＸ１と、第１動力回収機Ｇ１と、を有している。
【００２４】
第１供給流路Ｓ１１は、水蒸気改質反応器Ｒ１に対し、炭化水素と水蒸気とを含む媒体（以下、「第１反応前媒体」という。）を供給する流路である。本実施形態では、第１反応前媒体として、メタンと水蒸気とを含む媒体が供給される。
【００２５】
水蒸気改質反応器Ｒ１は、第１供給流路Ｓ１１から供給された炭化水素と水蒸気とを反応させることにより水素豊富媒体（水素を主成分とする媒体）を生成する水蒸気改質を行わせる反応器である。この反応は、吸熱反応である。本実施形態では、水蒸気改質に必要な熱は、外部熱源から供給される。水蒸気改質反応器Ｒ１内には、触媒が配置されている。
【００２６】
第１回収流路Ｓ１２は、水蒸気改質反応器Ｒ１から流出した水素豊富媒体を回収する流路である。
【００２７】
第１加熱器Ｈ１は、第１回収流路Ｓ１２に設けられている。第１加熱器Ｈ１は、水蒸気改質反応器Ｒ１から流出した水素豊富媒体に対して外部から熱を供給することにより水素豊富媒体を加熱する。本実施形態では、第１加熱器Ｈ１として、電気ヒータが用いられている。ただし、第１加熱器Ｈ１として、燃焼式加熱器やＩＨ加熱器が用いられてもよい。
【００２８】
第１熱交換器ＨＸ１は、第１加熱器Ｈ１から流出した水素豊富媒体と、水蒸気改質反応器Ｒ１に流入する前の第１反応前媒体と、を熱交換させることによって第１反応前媒体を加熱する。すなわち、第１熱交換器ＨＸ１は、第１供給流路Ｓ１１と第１回収流路Ｓ１２とが交差する部位に設けられている。第１熱交換器ＨＸ１では、第１反応前媒体の温度が水蒸気改質反応器Ｒ１で有効に水蒸気改質が行われる反応温度になるように、当該第１反応前媒体が水素豊富媒体により加熱される。換言すれば、第１加熱器Ｈ１では、水蒸気改質反応器Ｒ１から流出した水素豊富媒体の温度が、第１熱交換器ＨＸ１において第１反応前媒体の温度を前記反応温度まで上昇させることが可能となる温度となるように、水素豊富媒体が加熱される。
【００２９】
第１気液分離器Ｆ１は、第１回収流路Ｓ１２のうち第１熱交換器ＨＸ１よりも下流側の部位に設けられている。第１気液分離器Ｆ１は、水素豊富媒体から水分（第１反応媒体の未反応分）を分離する。この水分は、熱交換器ＨＸ４を経て排出される。
【００３０】
第１膨張機ＥＸ１は、第１気液分離器Ｆ１から流出した水素豊富媒体を膨張させる。換言すれば、第１膨張機ＥＸ１は、水素豊富媒体のエネルギーにより駆動される。第１膨張機ＥＸ１から流出した水素豊富媒体は、熱交換器ＨＸ３を経て回収される。第１気液分離器Ｆ１、第１膨張機ＥＸ１、熱交換器ＨＸ３及び熱交換器ＨＸ４は、ガス分離をする必要がなく、また動力回収をしない場合には省略できる。
【００３１】
第１動力回収機Ｇ１は、第１膨張機ＥＸ１に接続されている。つまり、第１動力回収機Ｇ１は、第１気液分離器Ｆ１から流出した水素豊富媒体のエネルギーを第１膨張機ＥＸ１を介して回収する。本実施形態では、第１動力回収機Ｇ１として、発電機が用いられている。
【００３２】
本実施形態では、第１供給流路Ｓ１１のうち第１熱交換器ＨＸ１の上流側の部位には、第１開閉弁Ｖ１と第１圧縮機Ｃ１とが設けられている。第１開閉弁Ｖ１は、開度調整可能な開閉弁である。第１圧縮機Ｃ１は、回転数が調整可能であり、第１反応前媒体を水蒸気改質反応器Ｒ１に向けて送る。すなわち、第１開閉弁Ｖ１及び第１圧縮機Ｃ１は、水蒸気改質反応器Ｒ１への第１反応前媒体の供給量を調整する流量調整部として機能する。
【００３３】
メタネーション回路２は、メタネーション反応器Ｒ２と、第２供給流路Ｓ２１と、第２回収流路Ｓ２２と、第２加熱器Ｈ２と、第２熱交換器ＨＸ２と、第２気液分離器Ｆ２と、第２膨張機ＥＸ２と、第２動力回収機Ｇ２と、を有している。
【００３４】
第２供給流路Ｓ２１は、メタネーション反応器Ｒ２に対し、一酸化炭素及び二酸化炭素の少なくとも一方と水素とを含む媒体（以下、「第２反応前媒体」という。）を供給する流路である。本実施形態では、第２反応前媒体として、一酸化炭素と水素とを含む媒体が供給される。
【００３５】
メタネーション反応器Ｒ２は、第２供給流路Ｓ２１から供給された一酸化炭素及び二酸化炭素の少なくとも一方と水素とを反応させることによりメタン豊富媒体（メタンを主成分とする媒体）を生成するメタネーションを行わせる反応器である。この反応は、発熱反応である。本実施形態では、メタネーション時に発生する熱が有効に回収される。この点については後述する。メタネーション反応器Ｒ２内には、触媒が配置されている。
【００３６】
第２回収流路Ｓ２２は、メタネーション反応器Ｒ２から流出したメタン豊富媒体を回収する流路である。
【００３７】
第２加熱器Ｈ２は、第２回収流路Ｓ２２に設けられている。第２加熱器Ｈ１は、メタネーション反応器Ｒ２から流出したメタン豊富媒体に対して外部から熱を供給することによりメタン豊富媒体を加熱する。本実施形態では、第２加熱器Ｈ２として、電気ヒータが用いられている。ただし、第２加熱器Ｈ２として、燃焼式加熱器やＩＨ加熱器が用いられてもよい。
【００３８】
第２熱交換器ＨＸ２は、第２加熱器Ｈ２から流出したメタン豊富媒体と、メタネーション反応器Ｒ２に流入する前の第２反応前媒体と、を熱交換させることによって第２反応前媒体を加熱する。すなわち、第２熱交換器ＨＸ２は、第２供給流路Ｓ２１と第２回収流路Ｓ２２とが交差する部位に設けられている。第２熱交換器ＨＸ２では、第２反応前媒体の温度がメタネーション反応器Ｒ２で有効にメタネーションが行われる反応温度になるように、当該第２反応前媒体がメタン豊富媒体により加熱される。換言すれば、第２加熱器Ｈ２では、メタネーション反応器Ｒ２から流出したメタン豊富媒体の温度が、第２熱交換器ＨＸ２において第２反応前媒体の温度を前記反応温度まで上昇させることが可能となる温度となるように、メタン豊富媒体が加熱される。
【００３９】
第２気液分離器Ｆ２は、第２回収流路Ｓ２２のうち第２熱交換器ＨＸ２よりも下流側の部位に設けられている。第２気液分離器Ｆ２は、メタン豊富媒体から水分（メタネーション時に生成される水分）を分離する。この水分は、熱交換器ＨＸ７を経て排出される。
【００４０】
第２膨張機ＥＸ２は、第２気液分離器Ｆ２から流出したメタン豊富媒体を膨張させる。換言すれば、第２膨張機ＥＸ２は、メタン豊富媒体のエネルギーにより駆動される。第２膨張機ＥＸ２から流出したメタン豊富媒体は、熱交換器ＨＸ６を経て回収される。第２気液分離器Ｆ２、第２膨張機ＥＸ２、熱交換器ＨＸ６、熱交換器ＨＸ７は、ガス分離をする必要がなく、また動力回収をしない場合には省略できる。
【００４１】
第２動力回収機Ｇ２は、第２膨張機ＥＸ２に接続されている。つまり、第２動力回収機Ｇ２は、第２気液分離器Ｆ２から流出したメタン豊富媒体のエネルギーを第２膨張機ＥＸ２を介して回収する。本実施形態では、第２動力回収機Ｇ２として、発電機が用いられている。
【００４２】
本実施形態では、第２供給流路Ｓ２１のうち第２熱交換器ＨＸ２の上流側の部位には、第２開閉弁Ｖ２と第２圧縮機Ｃ２とが設けられている。第２開閉弁Ｖ２は、開度調整可能な開閉弁である。第２圧縮機Ｃ２は、回転数が調整可能であり、第２反応前媒体をメタネーション反応器Ｒ２に向けて送る。すなわち、第２開閉弁Ｖ２及び第２圧縮機Ｃ２は、メタネーション反応器Ｒ２への第２反応前媒体の供給量を調整する流量調整部として機能する。
【００４３】
また、本実施形態では、第１供給流路Ｓ１１のうち第１圧縮機Ｃ１と第１熱交換器ＨＸ１との間の部位と、第２回収流路Ｓ２２のうち第２熱交換器ＨＸ２と第２気液分離器Ｆ２との間の部位と、が交差する部位には、第５熱交換器ＨＸ５が設けられている。この第５熱交換器ＨＸ５は、第１熱交換器ＨＸ１に流入する前の第１反応前媒体と第２熱交換器ＨＸ２から流出した後のメタン豊富媒体とを熱交換させることにより第１反応前媒体を加熱する。この態様では、第２熱交換器ＨＸ２から流出した後（第２熱交換器ＨＸ２において第２反応前媒体に熱を与えた後）のメタン豊富媒体の有する熱エネルギーが、第１熱交換器ＨＸ１に流入する前の第１反応前媒体に投入されるので、第１熱交換器ＨＸ１での第１反応前媒体の加熱量、つまり、第１加熱器Ｈ１での加熱量が削減される。よって、本システム全体の熱効率が向上する。
【００４４】
ここで、メタネーション反応器Ｒ２でのメタネーション時の反応熱の回収について説明する。
【００４５】
図１〜図３に示されるように、本実施形態では、メタネーション反応器Ｒ２とその周囲の伝熱空間を包囲する包囲部３を備えている。図２及び図３には、包囲部３内に複数の（本実施形態では１４台の）メタネーション反応器Ｒ２が配置された例が示されている。各メタネーション反応器Ｒ２は、一方向（図３の左右方向）に沿って間欠的に並ぶように配置されている。なお、図２及び図３において上側に配置されたメタネーション反応器Ｒ２内は、同図下側に配置されたメタネーション反応器Ｒ２内に連通している。各メタネーション反応器Ｒ２は、当該メタネーション反応器Ｒ２内でのメタネーション時の反応熱を前記伝熱空間に伝達可能に構成されている。本実施形態では、各メタネーション反応器Ｒ２は、ラジアントチューブにより形成されている。また、包囲部３として加熱炉が用いられている。具体的に、上下に配置された各メタネーション反応器Ｒ２間（伝熱空間）に、一方向に沿って被熱処理材（鋼材等）が通される。これにより、被熱処理材は、各メタネーション反応器Ｒ２からの輻射熱により熱処理される。包囲部３内は、４つのゾーン（空間）に分割されている。第１ゾーン及び第２ゾーンには、それぞれ４個のメタネーション反応器Ｒ２が配置され、第３ゾーン及び第４ゾーンには、それぞれ３個のメタネーション反応器が配置されている。各ゾーンには、当該ゾーンの温度を検出可能な温度センサ５が設けられている。
【００４６】
本システムは、制御部４をさらに備えている。制御部４は、包囲部３内の伝熱空間の温度が目標範囲内に収まるように、メタネーション反応器Ｒ２への第２反応前媒体の供給量を調整する。本実施形態では、制御部４は、伝熱空間の温度が設定温度ＴＳＶとなるように、メタネーション反応器Ｒ２への第２反応前媒体の供給量を調整する。また、制御部４は、第１加熱器Ｈ１での加熱量及び第２加熱器Ｈ２での加熱量も調整する。以下、図４を参照しながら、制御部４の制御内容について説明する。
【００４７】
本システムの運転が開始されると、制御部４は、水蒸気改質反応器Ｒ１に熱を供給する外部熱源の温度Ｔｈｓを検出し、その値に基づいて第１圧縮機Ｃ１の出口圧力を決定する（ステップＳＴ１１）。水蒸気改質反応器Ｒ１での反応温度は、第１反応前媒体の圧力より決定されるので、前記外部熱源の温度Ｔｈｓに基づいて第１圧縮機Ｃ１により第１反応前媒体の圧力（水蒸気改質反応器Ｒ１での反応温度）を決定する。なお、外部熱源の温度Ｔｈｓは、当該外部熱源の温度を検出可能な温度センサ６により検出され、第１圧縮機Ｃ１の出口圧力は、第１供給流路Ｓ１１のうち第１圧縮機Ｃ１と第５熱交換器ＨＸ５との間の部位に設けられた圧力センサ７により検出される。
【００４８】
次に、制御部４は、ゾーンごとに設定されている設定温度ＴＳＶｉと、ゾーンごとに設定されている第２反応前媒体の設定流量ＱＳＶｉ，Ｓ２１と、を読み込む（ステップＳＴ１２）。なお、「ｉ」は、ゾーンに対応する数字である。
【００４９】
続いて、制御部４は、現在の伝熱空間の温度である実績温度ＴＰＶｉと、現在の第１供給流路Ｓ１１の流量である第１実績流量ＱＰＶｉ，Ｓ１１と、現在の第２供給流路Ｓ２１の流量である第２実績流量ＱＰＶｉ，Ｓ２１と、を検出する（ステップＳＴ１３）。なお、第１実績流量ＱＰＶｉ，Ｓ１１は、第１供給流路Ｓ１１に設けられた流量計８により検出され、第２実績流量ＱＰＶｉ，Ｓ２１は、第２供給流路Ｓ２１に設けられた流量計９により検出される。
【００５０】
その後、制御部４は、設定温度ＴＳＶｉから実績温度ＴＰＶｉを引いた値が０よりも大きいか否かを判断する（ステップＳＴ１４）。
【００５１】
この結果、設定温度ＴＳＶｉから実績温度ＴＰＶｉを引いた値が０よりも大きい場合（ステップＳＴ１４でＹＥＳ）、制御部４は、設定流量ＱＳＶｉ，Ｓ２１から第２実績流量ＱＰＶｉ，Ｓ２１を引いた値が０よりも大きいか否かを判断する（ステップＳＴ１５）。この結果、設定流量ＱＳＶｉ，Ｓ２１から第２実績流量ＱＰＶｉ，Ｓ２１を引いた値が０よりも大きい場合（ステップＳＴ１５でＹＥＳ）、制御部４は、第１実績流量ＱＰＶｉ，Ｓ１１及び第２実績流量ＱＰＶｉ，Ｓ２１を増大させるべく、第１開閉弁Ｖ１の開度及び第１圧縮機Ｃ１の回転数ＮＣ１を増大させるととともに、第２開閉弁Ｖ２の開度及び第２圧縮機Ｃ２の回転数ＮＣ２を増大させ、さらに、第１加熱器Ｈ１での加熱量及び第２加熱器Ｈ２での加熱量を増大させ（ステップＳＴ１６）、ステップＳＴ１２に戻る。一方、設定流量ＱＳＶｉ，Ｓ２１から第２実績流量ＱＰＶｉ，Ｓ２１を引いた値が０以下の場合（ステップＳＴ１５でＮＯ）、制御部４は、設定流量ＱＳＶｉ，Ｓ２１から第２実績流量ＱＰＶｉ，Ｓ２１を引いた値が０よりも小さいか否かを判断する（ステップＳＴ１７）。
【００５２】
この結果、設定流量ＱＳＶｉ，Ｓ２１から第２実績流量ＱＰＶｉ，Ｓ２１を引いた値が０よりも小さい場合（ステップＳＴ１７でＹＥＳ）、制御部４は、第１実績流量ＱＰＶｉ，Ｓ１１及び第２実績流量ＱＰＶｉ，Ｓ２１を減少させるべく、第１開閉弁Ｖ１の開度及び第１圧縮機Ｃ１の回転数ＮＣ１を減少させるととともに、第２開閉弁Ｖ２の開度及び第２圧縮機Ｃ２の回転数ＮＣ２を減少させ、さらに、第１加熱器Ｈ１での加熱量及び第２加熱器Ｈ２での加熱量を増大させ（ステップＳＴ１８）、ステップＳＴ１２に戻る。一方、設定流量ＱＳＶｉ，Ｓ２１から第２実績流量ＱＰＶｉ，Ｓ２１を引いた値が０よりも小さくない場合（ステップＳＴ１７でＮＯ）、つまり、設定流量ＱＳＶｉ，Ｓ２１と第２実績流量ＱＰＶｉ，Ｓ２１とが等しい場合、制御部４は、ステップＳＴ１２に戻る。
【００５３】
また、ステップＳＴ１４において、設定温度ＴＳＶｉから実績温度ＴＰＶｉを引いた値が０以下の場合（ステップＳＴ１４でＮＯ）、制御部４は、設定温度ＴＳＶｉから実績温度ＴＰＶｉを引いた値が０よりも小さいか否かを判断する（ステップＳＴ１９）。この結果、設定温度ＴＳＶｉから実績温度ＴＰＶｉを引いた値が０よりも小さい場合（ステップＳＴ１９でＹＥＳ）、制御部４は、第１実績流量ＱＰＶｉ，Ｓ１１及び第２実績流量ＱＰＶｉ，Ｓ２１を減少させるべく、第１開閉弁Ｖ１の開度及び第１圧縮機Ｃ１の回転数ＮＣ１を減少させるととともに、第２開閉弁Ｖ２の開度及び第２圧縮機Ｃ２の回転数ＮＣ２を減少させ、さらに、第１加熱器Ｈ１での加熱量及び第２加熱器Ｈ２での加熱量を減少させ（ステップＳＴ２０）、ステップＳＴ１２に戻る。一方、設定温度ＴＳＶｉから実績温度ＴＰＶｉを引いた値が０よりも小さくない場合（ステップＳＴ１９でＮＯ）、つまり、設定温度ＴＳＶｉと実績温度ＴＰＶｉとが等しい場合、制御部４は、ステップＳＴ１２に戻る。
【００５４】
図５には、以上の制御部４の制御内容の概略が示されている。すなわち、実績温度ＴＰＶｉが設定温度ＴＳＶｉよりも低く、かつ、第２実績流量ＱＰＶｉ，Ｓ２１が設定流量ＱＳＶｉ，Ｓ２１よりも少ない場合、制御部４は、第１実績流量ＱＰＶｉ，Ｓ１１及び第２実績流量ＱＰＶｉ，Ｓ２１を増大させ、かつ、各反応前媒体の温度を増大させるように、各種機器を調整する。具体的に、制御部４は、第１開閉弁Ｖ１の開度及び第１圧縮機Ｃ１の回転数ＮＣ１を増大させるととともに、第２開閉弁Ｖ２の開度及び第２圧縮機Ｃ２の回転数ＮＣ２を増大させ、さらに、第１加熱器Ｈ１での加熱量及び第２加熱器Ｈ２での加熱量を増大させる（ステップＳＴ１６）。
【００５５】
また、実績温度ＴＰＶｉが設定温度ＴＳＶｉよりも低い一方で第２実績流量ＱＰＶｉ，Ｓ２１が設定流量ＱＳＶｉ，Ｓ２１よりも多い場合、制御部４は、第１実績流量ＱＰＶｉ，Ｓ１１及び第２実績流量ＱＰＶｉ，Ｓ２１を減少させ、かつ、各反応前媒体の温度を増大させるように、各種機器を調整する。具体的に、制御部４は、第１開閉弁Ｖ１の開度及び第１圧縮機Ｃ１の回転数ＮＣ１を減少させるととともに、第２開閉弁Ｖ２の開度及び第２圧縮機Ｃ２の回転数ＮＣ２を減少させ、さらに、第１加熱器Ｈ１での加熱量及び第２加熱器Ｈ２での加熱量を増大させる（ステップＳＴ１８）。
【００５６】
そして、実績温度ＴＰＶｉが設定温度ＴＳＶｉよりも高い場合、制御部４は、第２実績流量ＱＰＶｉ，Ｓ２１と設定流量ＱＳＶｉ，Ｓ２１との関係にかかわらず、第１実績流量ＱＰＶｉ，Ｓ１１及び第２実績流量ＱＰＶｉ，Ｓ２１を減少させ、かつ、各反応前媒体の温度を減少させるように、各種機器を調整する。具体的に、制御部４は、第１開閉弁Ｖ１の開度及び第１圧縮機Ｃ１の回転数ＮＣ１を減少させるととともに、第２開閉弁Ｖ２の開度及び第２圧縮機Ｃ２の回転数ＮＣ２を減少させ、さらに、第１加熱器Ｈ１での加熱量及び第２加熱器Ｈ２での加熱量を減少させる（ステップＳＴ２０）。
【００５７】
次に、本システムの動作について説明する。
【００５８】
水蒸気改質回路１においては、第１供給流路Ｓ１１を通じて水蒸気改質反応器Ｒ１に第１反応前媒体が供給される。そうすると、水蒸気改質反応器Ｒ１において水蒸気改質が行われる。具体的に、外部熱源から水蒸気改質に必要な熱の供給を受けることにより、炭化水素（メタン）と水蒸気とが反応し、水素を主成分とする水素豊富媒体が生成される。この水素豊富媒体は、第１加熱器Ｈ１により加熱された後、第１熱交換器ＨＸ１において第１供給流路Ｓ１１内の第１反応前媒体を加熱する。これにより、水蒸気改質反応器Ｒ１に流入する第１反応前媒体の温度が、水蒸気改質反応器Ｒ１において有効に水蒸気改質が行われる反応温度に上昇する。第１熱交換器ＨＸ１から流出した水素豊富媒体は、第１気液分離器Ｆ１、第１膨張機ＥＸ１及び熱交換器ＨＸ３を経て回収される。
【００５９】
一方、メタネーション回路２においては、第２供給流路Ｓ２１を通じてメタネーション反応器Ｒ２に第２反応前媒体が供給される。そうすると、メタネーション反応器Ｒ２においてメタネーションが行われる。具体的に、一酸化炭素と水素が反応し、メタンを主成分とするメタン豊富媒体が生成される。このときに生じる反応熱により、包囲部３内で被熱処理材が熱処理される。メタネーション反応器Ｒ２で生成されたメタン豊富媒体は、第２加熱器Ｈ２により加熱された後、第２熱交換器ＨＸ２において第２供給流路Ｓ２１内の第２反応前媒体を加熱する。これにより、メタネーション反応器Ｒ２に流入する第２反応前媒体の温度が、メタネーション反応器Ｒ２において有効にメタネーションが行われる反応温度に上昇する。第２熱交換器ＨＸ２から流出したメタン豊富媒体は、第５熱交換器ＨＸ５において第１供給流路Ｓ１１内の第１反応前媒体を加熱する。第５熱交換器ＨＸ５から流出したメタン豊富媒体は、第２気液分離器Ｆ２、第２膨張機ＥＸ２及び熱交換器ＨＸ６を経て回収される。
【００６０】
以上に説明したように、本システムでは、水蒸気改質反応器Ｒ１から流出した水素豊富媒体は、第１加熱器Ｈ１により加熱された後に第１熱交換器ＨＸ１に流入し、また、メタネーション反応器Ｒ２から流出したメタン豊富媒体は、第２加熱器Ｈ２により加熱された後に第２熱交換器ＨＸ２に流入する。よって、水蒸気改質反応器Ｒ１から流出した高温の水素豊富媒体をさらに高温にするために当該水素豊富媒体を圧縮する圧縮機や、メタネーション反応器Ｒ２から流出した高温のメタン豊富媒体をさらに高温にするために当該メタン豊富媒体を圧縮する圧縮機、すなわち、耐熱性に優れた高価な圧縮機を用いることなくシステムを運転することが可能となる。
【００６１】
また、本実施形態では、メタネーション反応器Ｒ２及び伝熱空間を取り囲む形状を有する包囲部３（加熱炉）を備えており、メタネーション反応器Ｒ２がラジアントチューブにより構成されているので、包囲部３内において、メタネーション反応器Ｒ２でのメタネーション時の反応熱の輻射熱を有効に利用することができる。
【００６２】
また、制御部４は、包囲部３内の伝熱空間の温度が設定温度ＴＳＶｉとなるように、メタネーション反応器Ｒ２への第２反応前媒体の供給量、すなわち、メタネーション時の反応熱量を調整するので、伝熱空間における被熱処理材の熱処理が安定する。
【００６３】
また、本実施形態では、第１膨張機ＥＸ１と第１動力回収機Ｇ１とを備えているため、水素豊富媒体の有するエネルギーを、第１膨張機ＥＸ１を介して第１動力回収機Ｇ１で有効に回収することができる。
【００６４】
同様に、第２膨張機ＥＸ２と第２動力回収機Ｇ２とを備えているため、メタン豊富媒体の有するエネルギーを、第２膨張機ＥＸ２を介して第２動力回収機Ｇ２で有効に回収することができる。
【００６５】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００６６】
例えば、上記実施形態では、包囲部３として加熱炉が例示されたが、包囲部３は、加熱炉に限られない。
【００６７】
また、図６に示されるように、第５熱交換器ＨＸ５は、省略されてもよい。
【実施例】
【００６８】
以下、上記実施形態の水蒸気改質回路及びメタネーション回路を備えるシステムの実施例について、比較例と合わせて説明する。
【００６９】
まず、実施例について説明する。この例では、第１供給流路Ｓ１１を通じて供給される第１反応前媒体の流量が７．２ｋｇ−ｍｏｌ／ｈｒであり、第１反応前媒体中のメタン及び水蒸気の組成がそれぞれ５０％に設定されている。また、第２供給流路Ｓ２１を通じて供給される第２反応前媒体の流量が１６．０９ｋｇ−ｍｏｌ／ｈｒであり、第２反応前媒体中の一酸化炭素及び水素の組成がそれぞれ２５％，７５％に設定されている。また、反応後の圧力は、平衡定数が１となるように設定されている。
【００７０】
水蒸気改質回路１においては、第１供給流路Ｓ１１内を３００Ｋ，０．１ＭＰａの状態で供給された第１反応前媒体は、第５熱交換器ＨＸ５及び第１熱交換器ＨＸ１において加熱されることにより８９３Ｋ（反応温度），０．１ＭＰａ（反応圧力）の状態になり、その後、外部熱源から６２０℃の熱を回収しながら水蒸気改質反応器Ｒ１において水蒸気改質を行う。そして、水蒸気改質反応器Ｒ１から流出した水素豊富媒体は、第１加熱器Ｈ１によって１０５２Ｋ，０．１ＭＰａの状態となるように加熱された後、第１熱交換器ＨＸ１において第１反応前媒体に熱を与えることにより３５１Ｋ，０．１ＭＰａの状態となる。第１熱交換器ＨＸ１から流出した水素豊富媒体は、第１気液分離器Ｆ１、第１膨張機ＥＸ１及び熱交換器ＨＸ３を経て３００Ｋ，０．１ＭＰａの状態となる。
【００７１】
一方、メタネーション回路２においては、第２供給流路Ｓ２１内を３００Ｋ，０．１ＭＰａの状態で供給された第２反応前媒体は、第２圧縮機Ｃ２に圧縮されることによって３７７Ｋ，０．２２ＭＰａの状態となった後、第２熱交換器ＨＸ２において加熱されることにより９４３Ｋ（反応温度），０．１ＭＰａ（反応圧力）の状態になる。その後、メタネーション反応器Ｒ２において発熱しながらメタネーションを行う。そして、メタネーション反応器Ｒ２から流出したメタン豊富媒体は、第２加熱器Ｈ２によって１０１１．５Ｋ，０．２２ＭＰａの状態となるように加熱された後、第２熱交換器ＨＸ２において第２反応前媒体に熱を与えることにより３８７Ｋ，０．２２ＭＰａの状態となる。第２熱交換器ＨＸ２から流出したメタン豊富媒体は、第５熱交換器ＨＸ５、第２気液分離器Ｆ２、第２膨張機ＥＸ２及び熱交換器ＨＸ６を経て３００Ｋ，０．１ＭＰａの状態となる。
【００７２】
この実施例において投入が必要なエネルギーは、炉全体の断熱効率が８０％の場合において、１システム当たり３２．９ｋＷである。よって、１４台のシステムによって炉温を９４３Ｋとするのに必要な投入熱量の合計は、約０．５ＭＷとなる。
【００７３】
次に、比較例について説明する。
【００７４】
比較例では、包囲部３（加熱炉）内に配置された各ラジアントチューブ内に燃料が供給され、バーナによる燃焼加熱が行われる。比較例において、実施例と同様の炉温（９４３Ｋ）を実現する場合、第１ゾーン及び第２ゾーンにそれぞれバーナが１０台（投入熱量が４４０ｋＷ）必要となり、第３ゾーン及び第４ゾーンにそれぞれバーナが６台（投入熱量が３３０ｋＷ）必要となる。この場合、炉内への投入熱量は、１．５ＭＷとなる。
【００７５】
つまり、実施例では、比較例に比べて必要な投入熱量が約３分の１となる。
【００７６】
以上の実施例及び比較例の結果を表１に示す。
【００７７】
【表１】
0006353818.tif 000002
【００７８】
本実施例のシステムは、包囲部３（加熱炉）全体ではなく、包囲部３の一部にのみ適用されてもよい。その場合の効果は、表１に示されるとおりである。
【符号の説明】
【００７９】
１      水蒸気改質回路
２      メタネーション回路
３      包囲部
４      制御部
Ｃ１    第１圧縮機
Ｃ２    第２圧縮機
ＥＸ１  第１膨張機
ＥＸ２  第２膨張機
Ｆ１    第１気液分離器
Ｆ２    第２気液分離器
Ｇ１    第１動力回収機
Ｇ２    第２動力回収機
Ｈ１    第１加熱器
Ｈ２    第２加熱器
Ｒ１    水蒸気改質反応器
Ｒ２    メタネーション反応器
Ｓ１１  第１供給流路
Ｓ１２  第１回収流路
Ｓ２１  第２供給流路
Ｓ２２  第２回収流路
Ｖ１    第１開閉弁
Ｖ２    第２開閉弁
【図１】
0006353818.tif 000003
【図２】
0006353818.tif 000004
【図３】
0006353818.tif 000005
【図４】
0006353818.tif 000006
【図５】
0006353818.tif 000007
【図６】
0006353818.tif 000008