(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系原料を含む混合原料を加熱して気化するための気化工程と、
上記炭化水素系原料の改質反応により、上記気化した混合原料から、水素を含有する改質ガスを生じさせるための改質反応工程と、
上記改質ガス中に混在する液成分を当該ガスから分離除去し、当該液成分をドレン水として排出するための気液分離工程と、
吸着剤が充填された吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記吸着塔に上記気液分離工程を経た改質ガスを導入して当該改質ガス中の不要成分を上記吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から水素富化ガスを導出し、且つ、上記吸着剤から上記不要成分を脱着させ、上記吸着塔内に残存する水素と上記不要成分とを含むオフガスを排出するための圧力変動吸着式ガス分離工程と、を含み、
上記気化工程では、上記吸着塔から排出されたオフガスを燃焼し、当該燃焼により生ずる燃焼ガスを熱源として上記混合原料を加熱するように実行される、水素製造におけるドレン水の処理方法であって、
上記混合原料を加熱した後の燃焼ガスを熱源として上記気液分離工程を経て排出されたドレン水を蒸発させるための蒸発工程と、
上記蒸発工程により生ずるガスに含まれる有害成分を触媒作用で分解するための分解工程と、を更に含む、ドレン水の処理方法。
【請求項２】
上記気化工程を受ける前の混合原料を、上記気液分離工程を受ける前の改質ガスと熱交換させることにより予熱する熱交換工程を更に含む、請求項１に記載のドレン水の処理方法。
【請求項３】
炭化水素系原料を含む混合原料を加熱して気化状態とするための気化器と、
上記炭化水素系原料の改質反応により、上記気化状態とされた混合原料から、水素を含有する改質ガスを生じさせるための改質反応器と、
上記改質ガス中に混在する液成分を当該ガスから分離除去し、当該液成分をドレン水として排出するための気液分離器と、
吸着剤が充填された吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記吸着塔に上記気液分離器を経た改質ガスを導入して当該改質ガス中の不要成分を上記吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から水素富化ガスを導出し、且つ、上記吸着剤から上記不要成分を脱着させ、上記吸着塔内に残存する水素と当該不要成分とを含むオフガスを排出するための圧力変動吸着式ガス分離装置と、を備え、
上記気化器は、上記吸着塔から排出されたオフガスを燃焼し、当該燃焼により生ずる燃焼ガスを熱源として上記混合原料を加熱するように構成された、水素製造システムであって、
上記混合原料を加熱した後の燃焼ガスを熱源として上記気液分離器から排出されたドレン水を蒸発させるための蒸発手段と、
上記蒸発手段により生ずるガスに含まれる有害成分を触媒作用で分解するための分解手段と、が設けられている、水素製造システム。
【請求項４】
上記蒸発手段及び上記分解手段は共通の容器内に設けられており、上記分解手段は上記蒸発手段の下流側に配置されている、請求項３に記載の水素製造システム。
【請求項５】
上記容器は、上記気液分離器からドレン水が供給されるジャケット部を外周に備えており、当該ジャケット部は上記容器内の上記蒸発手段に連通している、請求項４に記載の水素製造システム。
【請求項６】
上記蒸発手段は有底管状構造を有する蒸発塔である、請求項４に記載の水素製造システム。
【請求項７】
上記分解手段は酸化触媒を含む、請求項３に記載の水素製造システム。
【請求項８】
上記気化器に供給される前の混合原料を、上記気液分離器に供給される前の改質ガスと熱交換させることにより予熱するための熱交換器を更に含む、請求項３に記載の水素製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素系原料から水素を工業的に製造する際に生ずるドレン水の処理方法、およびドレン水の処理方法を適切に行うための水素製造システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素（高純度水素）は、金属熱処理、ガラス溶融、半導体製造、光ファイバー製造など多くの産業分野で利用されている。また、水素は、燃料電池の燃料としても使用される。【０００３】
水素を工業的に製造するための水素製造システムとしては、例えば、下記の特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載されている水素製造システムは、気化器と、改質反応器と、気液分離器と、圧力変動吸着式ガス分離装置とを備え、炭化水素系原料を主原料として水素を製造するように構成されたものである。気化器は、メタノールや天然ガスなどの炭化水素系原料、水、および酸素を含む混合原料を、改質反応器に供給する前に加熱して気化状態とするためのものである。気化器においては、燃料の燃焼により生じる高温の燃焼ガスを熱源として、気化器内を通流する混合原料が所望の温度に加熱される。改質反応器は、気化状態とされた混合原料を改質反応させて改質ガス（水素を含む）を生じさせるためのものである。改質反応器においては、改質触媒の作用により、吸熱反応である水蒸気改質反応と発熱反応である部分酸化改質反応とが併発する。水蒸気改質反応では、例えば、メタノールおよび水から、主生成物である水素と副生成物である二酸化炭素が発生する。部分酸化改質反応では、例えば、メタノールおよび酸素から、主生成物である水素と副生成物である二酸化炭素が発生する。気液分離器は、改質反応器にて生じた改質ガスが後述する圧力変動吸着式ガス分離装置に導入される前に、改質ガス中に混在する液成分を当該ガスから分離除去し、当該液成分をドレン水として排出するためのものである。以上の水素製造システムにおいて、混合原料の組成を調整して水蒸気改質反応による吸熱量と部分酸化改質反応による発熱量とをバランスさせることにより、改質反応器内の反応温度が略一定に維持されるオートサーマル改質反応が進行する。【０００４】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００６／００６４７９号パンフレット
【０００５】
圧力変動吸着式ガス分離装置は、改質ガス中に含まれる水素以外の不要成分を吸着除去して製品ガスとしての水素富化ガスを導出するためのものであり、改質ガス中の不要成分を優先的に吸着するための吸着剤が充填された少なくとも１つの吸着塔を備える。圧力変動吸着式ガス分離装置においては、圧力変動吸着式ガス分離法（ＰＳＡ分離法）によるガス分離が実行される。ＰＳＡ分離法によるガス分離では、吸着塔において、例えば、吸着工程、脱着工程および再生工程を含む１サイクルが繰り返して実行される。吸着工程では、吸着塔に、前述の気液分離器を通過した改質ガスを導入して当該改質ガス中の不要成分を高圧条件下で吸着させ、当該吸着塔から水素富化ガスを導出する。脱着工程では、吸着塔内を減圧して吸着剤から不要成分を脱着させ、塔内に残存する水素と当該不要成分とを含むガス（オフガス）を吸着塔から排出する。再生工程では、例えば洗浄ガスが吸着塔内に通流されることにより、不要成分に対する吸着剤の吸着性能が回復される。【０００６】
上記吸着工程においては、気液分離器を通過することにより液成分が除去された改質ガスが吸着塔内に導入されるので、当該吸着塔内に、改質ガス中の液成分が導入されるのを抑制することができる。その結果、この液成分が吸着塔内の吸着剤と接触することに起因する当該吸着剤の劣化を抑制することができる。【０００７】
一方、上記吸着塔から排出されたオフガスは、燃焼用燃料（混合原料の気化用燃料）として気化器に供給される。気化器では、オフガスに含まれる水素ガスが燃焼し、当該燃焼により高温の燃焼ガスが生ずる。気化器内を通流する混合原料は、当該燃焼ガスを熱源として加熱され、気化状態となる。燃焼ガスは、このように混合原料を加熱するのに利用された後に、大気中に放出される。【０００８】
特許文献１に記載された水素製造システムでは、その稼動時にＰＳＡ分離装置から排出されて気化器に供給されるオフガスの供給量（単位時間のあたりの供給量）を調節すれば、稼動開始後から所定時間経過以降の定常稼動時において、気化器にて混合原料を加熱して所望温度の気化状態とするのに必要な燃料を、ＰＳＡ分離装置からのオフガスのみで賄うことが可能である。また、特許文献１に記載された水素製造システムでは、改質反応器で進行する炭化水素系原料の水蒸気改質反応および部分酸化改質反応の比率を調節することにより、改質反応器内が所望の反応温度に維持されている。このように、特許文献１に記載された水素製造システムは、その定常稼動時において、システム稼動に伴う自己供給熱のみにより、混合原料を加熱気化し続けるとともに、改質反応器内が所望温度に維持されている。このような熱自立型の水素製造システムによると、外部燃料を燃焼して混合原料および改質反応器内を加熱し続ける非効率な手法を回避して、効率よく水素を製造することができる。【０００９】
近年では、環境汚染物質や有害物質に対する規制が厳しくなり、また、産業廃棄物の処理方法に関しても厳格化が進む傾向にある。特許文献１に記載された水素製造システムでは、気液分離器を介して除去されるドレン水は、主として混合原料に含まれている水であり、混合原料を構成する炭化水素系原料としてメタノールが用いられる場合、当該ドレン水には未反応のメタノールが含まれ得る。この場合、昨今の有害物質等の規制に対応するためには、ドレン水の専用処理設備を別途設けるか、或は、ドレン水の貯蔵設備を設けたうえで当該貯蔵設備に溜まったドレン水を産業廃棄物として業者に引き渡すことが必要となる。【００１０】
ドレン水の専用処理設備を別途設ける場合には、当該設備の設置コストが嵩むので好ましくない。ドレン水の貯蔵設備を設けて廃棄する場合においては、当該設備の設置に係るコストが必要であることに加え、製品ガス（水素富化ガス）の生産量が増えるとこれに比例して廃棄すべきドレン水の量も増加し、結果としてドレン水の管理や廃棄のためのコストが嵩むことになるので、好ましくない。このようなドレン水の処理に関する問題は、当該水素製造システムに限るものではなく、他のガス製造などの設備ないし装置においても生じ得る問題である。
【発明の開示】
【００１１】
本発明は、このような事情の下で考え出されたものであって、定常稼動時にはシステム稼動に伴う自己供給熱のみにより混合原料を加熱気化し続けるとともに改質反応器内が所望温度に維持される、熱自立型の水素製造システムにおいて、当該システムの稼動に伴って生ずるドレン水を、処理コストを抑制しつつ効率よく処理することができる方法を提供すること目的とする。
【００１２】
本発明の他の目的は、そのような処理方法を適切に行うことができるシステムを提供することにある。
【００１３】
本発明の第１の側面によれば、炭化水素系原料を含む混合原料を加熱して気化するための気化工程と、上記炭化水素系原料の改質反応により、上記気化した混合原料から、水素を含有する改質ガスを生じさせるための改質反応工程と、上記改質ガス中に混在する液成分を当該ガスから分離除去し、当該液成分をドレン水として排出するための気液分離工程と、吸着剤が充填された吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記吸着塔に上記気液分離工程を経た改質ガスを導入して当該改質ガス中の不要成分を上記吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から水素富化ガスを導出し、且つ、上記吸着剤から上記不要成分を脱着させ、上記吸着塔内に残存する水素と上記不要成分とを含むオフガスを排出するための圧力変動吸着式ガス分離工程と、を含み、上記気化工程では、上記吸着塔から排出されたオフガスを燃焼し、当該燃焼により生ずる燃焼ガスを熱源として上記混合原料を加熱するように実行される、水素製造におけるドレン水の処理方法であって、上記混合原料を加熱した後の燃焼ガスを熱源として上記気液分離工程を経て排出されたドレン水を蒸発させるための蒸発工程を更に含む、ドレン水の処理方法が提供される。
【００１４】
このような水素製造におけるドレン水の処理方法では、気液分離工程を経て排出されるドレン水を、蒸発工程に付すことにより、ガス化して大気放出させることができる。蒸発工程においては、ドレン水を蒸発させるための熱源として、気化工程にて混合原料を加熱した後の燃焼ガスが利用される。したがって、本処理方法では、水素製造に係る自己供給熱のみを利用してドレン水の処理を行うことができるので、当該ドレン水の処理を、処理コストを抑制しつつ効率よく行うことができる。
【００１５】
好ましくは、本処理方法は、上記蒸発工程により生ずるガスに含まれる有害成分を触媒作用で分解するための分解工程を更に含む。この場合、ドレン水に有害成分が含まれていても、当該有害成分は、蒸発工程を経てガス化されたうえで分解工程により分解されて無害化される。したがって、本処理方法によると、ドレン水に有害成分が含まれている場合でも、当該ドレン水の処理を効率よく且つ適切に行うことができる。
【００１６】
好ましくは、本処理方法は、上記気化工程を受ける前の混合原料を、上記気液分離工程を受ける前の改質ガスと熱交換させることにより予熱する熱交換工程を更に含む。この熱交換工程により、高温の改質ガスの熱エネルギを気化工程を受ける前の混合原料に伝達できるので、気化工程に必要な追加の熱量を低減できる。
【００１７】
本発明の第２の側面によれば、炭化水素系原料を含む混合原料を加熱して気化状態とするための気化器と、上記炭化水素系原料の改質反応により、上記気化状態とされた混合原料から、水素を含有する改質ガスを生じさせるための改質反応器と、上記改質ガス中に混在する液成分を当該ガスから分離除去し、当該液成分をドレン水として排出するための気液分離器と、吸着剤が充填された吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法により、上記吸着塔に上記気液分離器を経た改質ガスを導入して当該改質ガス中の不要成分を上記吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から水素富化ガスを導出し、且つ、上記吸着剤から上記不要成分を脱着させ、上記吸着塔内に残存する水素と当該不要成分とを含むオフガスを排出するための圧力変動吸着式ガス分離装置と、を備え、上記気化器は、上記吸着塔から排出されたオフガスを燃焼し、当該燃焼により生ずる燃焼ガスを熱源として上記混合原料を加熱するように構成された、水素製造システムであって、上記混合原料を加熱した後の燃焼ガスを熱源として上記気液分離器から排出されたドレン水を蒸発させるための蒸発手段が設けられている、水素製造システムが提供される。
【００１８】
以上の構成の水素製造システムによると、本発明の第１の側面の方法を適切に行うことができる。したがって、本水素製造システムによると、水素製造でのドレン水の処理過程において、本発明の第１の側面に関して上述したのと同様の効果が奏される。
【００１９】
好ましくは、本水素製造システムは、上記蒸発手段により生ずるガスに含まれる有害成分を触媒作用で分解するための分解手段を更に備える。
【００２０】
好ましくは、上記蒸発手段及び上記分解手段は共通の容器内に設けられており、上記分解手段は上記蒸発手段の下流側に配置されている。
【００２１】
好ましくは、上記容器は、上記気液分離器からドレン水が供給されるジャケット部を外周に備えており、当該ジャケット部は上記容器内の上記蒸発手段に連通している。
【００２２】
好ましくは、上記蒸発手段は有底管状構造を有する蒸発塔である。
【００２３】
好ましくは、上記分解手段は酸化触媒を含む。
【００２４】
好ましくは、上記水素製造システムは、上記気化器に供給される前の混合原料を、上記気液分離器に供給される前の改質ガスと熱交換させることにより予熱するための熱交換器を更に含む。
【００２５】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る水素製造システムを示す概略構成図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１は、本発明の一実施形態に係る水素製造システムＸ１を表す。水素製造システムＸ１は、気化器１と、改質反応器２と、熱交換器３と、気液分離器４と、圧力変動吸着式ガス分離装置（ＰＳＡ分離装置）５と、ドレン水処理器６とを備え、炭化水素系原料であるメタノールを主原料として水素を製造するように構成されている。【００２８】
気化器１は、本体容器１１と、供給管１２と、触媒燃焼部１３と、流通管１４とを有している。気化器１では、メタノールと水と酸素とを含む混合材料が加熱されて気化状態となる。図１においては、気化器１の内部構造を概略的に示している。【００２９】
本体容器１１は閉端管状構造を有し、その上端部には燃焼ガス排出口１１１が設けられている。供給管１２は、外管１２１および内管１２２からなる二重管構造を有する。外管１２１は、上端部が本体容器１１外で配管７１に連結されており、下端部が本体容器１１中で開放されている。内管１２２は、上端部が本体容器１１外で配管７３と配管８２とに連結されており、下端部が外管１２１中で開放されている。外管１２１と連結されている配管７１は、空気ブロワ７２にも連結されている。内管１２２と連結されている配管７３は、稼動開始時用の気化用燃料（例えばＬＰＧ：liquefied petroleum gas）の供給源（図示略）に連結されており、この配管７３には、自動弁７３ａが設けられている。触媒燃焼部１３は、外管１２１内の下端部に設けられており、水素や上述の稼動開始時用燃料を触媒燃焼させて高温の燃焼ガスを生じさせる。触媒燃焼部１３には燃焼用触媒が充填されている。燃焼用触媒としては、例えば白金やパラジウムなどの白金系触媒が挙げられる。流通管１４は、原料導入端１４１および原料導出端１４２を有し、供給管１２を取り囲むスパイラル部を一部に有する。原料導入端１４１は、本体容器１１の下端部から本体容器１１外に出ている。原料導出端１４２は、本体容器１１の上端部から本体容器１１外に出ている。本体容器１１内における供給管１２および流通管１４の周囲には、必要に応じて蓄熱材（図示略）が充填される。【００３０】
改質反応器２は、図１に示すように、本体容器２１と、改質反応部２２とを有する。この改質反応器２は、メタノールの水蒸気改質反応および部分酸化改質反応を併発させることにより、気化器１において気化状態とされた混合原料中のメタノールを改質し、水素を含有する改質ガスを生じさせる。【００３１】
本体容器２１は、閉端管状構造を有し、その下端部には原料導入口２１１が設けられ、上端部には改質ガス導出口２１２が設けられている。原料導入口２１１は、気化器１の原料導出端１４２に連結されている。改質反応部２２は、本体容器２１の内部に設けられており、改質触媒（図示略）が充填されている部位である。この改質触媒は、気化状態とされた混合原料中のメタノールについて水蒸気改質反応および部分酸化改質反応を併発させる。改質触媒としては、例えば酸化アルミニウム、酸化銅および酸化亜鉛を含む混合物を採用することができる。改質触媒における上記成分の含有比率は、例えば、ＣｕＯが４２wt％、ＺｎＯが４７wt％、およびＡｌ2Ｏ3が１０wt％である。【００３２】
熱交換器３は、メタノール水導入口３１と、メタノール水導出口３２と、改質ガス導入口３３と、改質ガス導出口３４とを有している。熱交換器３では、気化器１に供給される前のメタノール水と改質反応器２において生じた改質ガスとの熱交換により、メタノール水が予熱され且つ改質ガスが冷却される。熱交換器３内には、メタノール水導入口３１からメタノール水導出口３２にメタノール水が流れるための経路、および、改質ガス導入口３３から改質ガス導出口３４に改質ガスが流れるための経路が設けられ、これら２種類の経路の間で熱交換が行われる。この熱交換器３は、気化器１において混合原料を加熱して気化状態とする際に要する熱エネルギを低減するのに役立つ。【００３３】
メタノール水導入口３１は、メタノール水の供給源（図示略）に配管７４およびポンプ７５を介して連結されている。ポンプ７５は、メタノール水を所定の圧力で送出する。メタノール水導出口３２は、配管７６を介して、気化器１の原料導入端１４１に連結されている。配管７６には、配管７７の一端部が連結されている。配管７７の他端部は酸素含有ガス（例えば酸素富化ガスや空気）の供給源（図示略）に連結されている。また、配管７７には、酸素含有ガスの流量を調整するための流量制御弁７７ａが設けられている。改質ガス導入口３３は、配管７８を介して改質反応器２の改質ガス導出口２１２に連結されている。改質ガス導出口３４は、配管７９を介して後述の気液分離器４に連結されている。【００３４】
気液分離器４は、ドレン水排出口４１を有しており、改質ガス中に混在する液成分（例えば水や未反応のメタノール）４２を当該ガスと気液分離する。ドレン水排出口４１は、気液分離器４に回収された液成分４２をドレン水として当該気液分離器４の外部に排出する。【００３５】
ＰＳＡ分離装置５は、吸着剤が充填された少なくとも一つの吸着塔を備え、当該吸着塔を用いて行う圧力変動吸着式ガス分離法（ＰＳＡ分離法）によって改質ガスから水素富化ガスを取り出すことのできるものである。吸着塔に充填される吸着剤としては、例えば、ゼオライト系吸着剤、カーボン系吸着剤、またはアルミナ吸着剤を採用することができ、好ましくはゼオライト系吸着剤が採用される。吸着塔には、一種類の吸着剤を充填してもよいし、複数種類の吸着剤を充填してもよい。ＰＳＡ分離装置５にて実行されるＰＳＡ分離法によるガス分離では、吸着工程、脱着工程、および再生工程を含むサイクルが繰り返される。吸着工程では、塔内が所定の高圧状態にある吸着塔に改質ガスを導入して当該改質ガス中の不要成分（一酸化炭素、二酸化炭素、窒素など）を吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から水素富化ガスを導出する。脱着工程では、吸着塔内を減圧して吸着剤から不要成分を脱着させ、吸着塔内に残存する水素と当該不要成分とを含むオフガスを外部に排出する。再生工程では、吸着塔を再度の吸着工程に備えさせるべく、例えば洗浄ガスを吸着塔内に通流させることにより、不要成分に対する吸着剤の吸着性能を回復させる。このようなＰＳＡ分離装置５としては、公知のＰＳＡ水素分離装置を用いることができる。【００３６】
ドレン水処理器６は、本体容器６１と、ジャケット部６２と、蒸発塔６３と、触媒分解部６４とを有する。このドレン水処理器６は、気液分離器４から排出されるドレン水を蒸発させるとともに、当該蒸発によって生ずるガス（蒸発ガス）を触媒作用により分解する。図１においては、ドレン水処理器６の内部構造を概略的に示している。【００３７】
本体容器６１は、上部に開放端を有する管状であり、その下端部には燃焼ガス導入口６１１が設けられている。燃焼ガス導入口６１１は、配管９１を介して気化器１の燃焼ガス排出口１１１に連結されており、当該燃焼ガス排出口１１１から排出される燃焼ガスを本体容器６１内に導入する。ジャケット部６２は、本体容器６１の外周を包囲するように環状に構成されており、その下端部にはドレン水導入口６２１が設けられている。ドレン水導入口６２１は、配管９２を介してドレン水排出口４１に連結されており、気液分離器４から排出されるドレン水をジャケット部６２に導入する。配管９２には、ドレン水の流量を調整するための流量制御弁９２ａが設けられている。蒸発塔６３は、有底管状構造を有し、本体容器６１内の下部に設けられている。蒸発塔６３は、下端部がジャケット部６２と連通管６３１を介して連結されており、上端部が本体容器６１中で開放されている。触媒分解部６４は、本体容器６１内における蒸発塔６３の上方に設けられており、蒸発ガスに含まれる有害成分を触媒作用により分解する。触媒分解部６４には、当該有害成分に対して触媒作用を発揮する分解用触媒が充填されている。分解用触媒としては、例えばメタノールを分解する場合には、白金やパラジウムなどの白金系の酸化触媒が挙げられる。【００３８】
次に、以上の構成を有する水素製造システムＸ１の動作を説明する。水素製造システムＸ１の稼動時には、ポンプ７５が作動することにより、所定濃度のメタノール水が配管７４を介してメタノール水導入口３１より熱交換器３内に導入される。熱交換器３内では、相対的に低温（例えば１０〜２５℃）のメタノール水は、熱交換器３内に導入される相対的に高温（例えば２３０〜２７０℃）の改質ガスとの熱交換により、例えば１３７℃に加熱（予熱）される。熱交換器３において予熱されたメタノール水は、メタノール水導出口３２から熱交換器３外に導出され、配管７６を通過する際に、配管７７を介して配管７６に導入される酸素含有ガス（例えば酸素富化ガスや空気）と混合される。酸素含有ガスの供給量は、流量制御弁７７ａにより調整することができる。【００３９】
このようにして得られる混合原料（メタノール、水、酸素を含む）は、気化器１の流通管１４にその原料導入端１４１から導入される。気化器１においては、混合原料は気化される。具体的には、流通管１４に導入された混合原料は、流通管１４を通過する過程で、触媒燃焼部１３にて生ずる燃焼ガスを熱源として、後の改質反応器２での改質反応において必要とされる所望の反応温度（例えば２３０〜２７０℃）まで加熱されて気化状態とされる。気化された混合原料は、流通管１４の原料導出端１４２から気化器１外に導出され、原料導入端２１１を介して改質反応器２に供給される。【００４０】
改質反応器２に供給された混合原料は改質反応部２２に導入される。改質反応部２２においては、混合原料は改質反応を受ける。具体的には、改質触媒の作用により、吸熱反応であるメタノールの水蒸気改質反応および発熱反応であるメタノールの部分酸化改質反応が併発し、気化状態の混合原料から、水素を含む改質ガスが発生する。本実施形態では、改質反応部２２内の反応温度（例えば２３０〜２７０℃）が略一定に維持されるように、各反応で消費されるメタノールの割合（即ち水蒸気改質反応と部分酸化改質反応の比率）が設定されている。このように、改質反応部２２においては、メタノールのオートサーマル改質反応が進行する。【００４１】
改質反応部２２において生じた改質ガスは、改質ガス導出口２１２から改質反応器２外に導出され、配管７８および改質ガス導入口３３を介して熱交換器３内に導入される。上述したように、熱交換器３内では、相対的に高温（例えば２３０〜２７０℃）の改質ガスは、熱交換器３内に導入される相対的に低温（例えば１０〜２５℃）のメタノール水との熱交換により、例えば４０℃に冷却される。熱交換器３において冷却された改質ガスは、改質ガス導出口３４から熱交換器３外に導出され、配管７９を介して気液分離器４に導入される。【００４２】
気液分離器４においては、改質ガスは気液分離を受ける。具体的には、気液分離器４に導入された改質ガス中に混在する液成分４２が当該改質ガスから分離される。この結果、気液分離器４の下流に位置するＰＳＡ分離装置５の吸着塔に液成分４２が導入されるのを抑制することができ、液成分４２が吸着塔に充填されている吸着剤と接触することに起因する当該吸着剤の劣化を抑制することができる。気液分離により回収された液成分４２は、ドレン水排出口４１からドレン水として気液分離器４外に排出され、配管９２および流体制御弁９２ａを介してドレン水処理器６に供給される。ドレン水の供給に必要な圧力は改質ガス自体が有する圧力により提供される。一方、気液分離器４を通過した改質ガスは、配管８０を介してＰＳＡ分離装置５に供給される。【００４３】
ＰＳＡ分離装置５においては、改質ガスは圧力変動吸着式ガス分離工程を受ける。ＰＳＡ分離装置５では、吸着工程、脱着工程、および再生工程を含むサイクルが繰り返すＰＳＡ分離法が実行される。吸着工程では、塔内が所定の高圧状態にある吸着塔に、水素を含有する改質ガスが導入される。当該吸着塔では、改質ガスに含まれる不要成分（一酸化炭素、二酸化炭素、窒素など）が吸着剤によって吸着除去され、水素富化ガス（水素濃度の高いガス）が製品ガスとして塔外へ導出される。この水素富化ガスは、配管８１を介して水素製造システムＸ１外に取り出される。脱着工程では、吸着塔内の減圧により吸着剤から不要成分が脱着され、吸着塔内に残存する水素と当該不要成分とを含むオフガスが吸着塔外に排出される。このオフガスは、当該吸着塔から配管８２を介して気化器１に気化用燃料として供給される。再生工程では、例えば洗浄ガスが吸着塔内に通流されることにより、不要成分に対する吸着剤の吸着性能が回復される。ＰＳＡ分離装置５からは、以上のようにして、水素富化ガス（製品ガス）が取り出されるとともに、オフガスが取り出される。水素富化ガスは、例えば、所定の用途に連続的に使用されるか、或は、所定のタンクに貯留される。【００４４】
気化用燃料として気化器１に供給されたオフガスは、内管１２２および外管１２１を通って触媒燃焼部１３に導入される。これとともに、触媒燃焼部１３にはブロア７２の作動により、配管７１および外管１２１を通って触媒燃焼部１３に空気が供給され続ける。この結果、触媒燃焼部１３において、その燃焼用触媒の作用により、オフガス中の水素は触媒燃焼され、高温（例えば５００〜６００℃）の燃焼ガスが生ずる。触媒燃焼部１３において生じた高温の燃焼ガスは、供給管１２の外管１２１の開放端（図中下端）から放出され、本体容器１１内にて流通管１４の周囲を通過して燃焼ガス排出口１１１から気化器１外に排出される。燃焼ガスが流通管１４の周囲を通過する際、熱源としての燃焼ガスから流通管１４に熱エネルギが伝達され、流通管１４を流通する混合原料は、所定温度（例えば２３０〜２７０℃）まで加熱されて気化状態とされる。流通管１４はスパイラル部を有しているため、流通管１４の表面積（受熱面積）を大きく確保することができる。このようにして流通管１４内を流通する混合原料への熱伝達により熱エネルギを放出した後に燃焼ガス排出口１１１から排出される燃焼ガスは、まだなお、比較的高温（例えば３００℃程度）である。【００４５】
気化器１の燃焼ガス排出口１１１から排出された比較的高温の燃焼ガスは、配管９１および燃焼ガス導入口６１１を通ってドレン水処理器６の本体容器６１内に導入される。本体容器６１内に導入された燃焼ガスは、燃焼ガス導入口６１１の上方に位置する蒸発塔６３の周囲（底面ないし側面の周囲）を通過して本体容器６１の上部に送られる。その一方、ドレン水処理器６においては、気液分離器４から排出されたドレン水が、ドレン水導入口６２１を介してジャケット部６２内に導入される。ドレン水処理器６においては、当該ドレン水は蒸発工程および分解工程を受ける。具体的には、ジャケット部６２内に導入されたドレン水は、連通管６３１を通って蒸発塔６３内に導入される。ここで、燃焼ガスが本体容器６１内を通過する際、熱源としての燃焼ガスから蒸発塔６３に熱エネルギが伝達され、蒸発塔６３内のドレン水は加熱されて蒸発する。ドレン水には水およびメタノールが含まれており、これらが蒸発して蒸発ガス（水蒸気およびメタノール蒸気）となる。当該蒸発ガスは、蒸発塔６３の上端から放出され、本体容器６１内にて燃焼ガスと混合された後に触媒分解部６４を通過する。触媒分解部６４においては、酸化触媒の作用により、蒸発ガス中のメタノール蒸気が分解されて、最終的に無害な二酸化炭素および水が生ずる。触媒分解部６４を通過したガスは、ドレン水処理器６外の大気中に放出される。【００４６】
以上説明したように、水素製造システムＸ１によると、その定常稼動時において、原料が、熱交換器３、気化器１、改質反応器２、熱交換器３、気液分離器４、およびＰＳＡ分離装置５を順次経ることにより、当該ＰＳＡ分離装置５から水素富化ガスが取り出され、且つ、ＰＳＡ分離装置５から排出されるオフガスが気化器１に供給される。気化器１ではオフガスの触媒燃焼により燃焼ガスが発生し、当該燃焼ガスは、混合原料との熱交換を経てドレン水処理器６に供給される。ドレン水処理器６では燃焼ガスにより気液分離器４から排出されたドレン水が加熱されて蒸発し、当該蒸発ガスは、これに含まれる有害成分であるメタノールが分解されたうえで大気放出される。【００４７】
水素製造システムＸ１の上述の動作は、ＰＳＡ分離装置５から気化器１の触媒燃焼部１３にオフガスが充分に供給されている定常稼動時についてのものである。しかしながら、例えば起動時には、ＰＳＡ分離装置５から触媒燃焼部１３にオフガスが充分に供給されない。そのような場合、例えばＰＳＡ分離装置５から触媒燃焼部１３に対してオフガスを充分に供給することができるまでの間は自動弁７３ａを開状態としておくことにより、触媒燃焼部１３において必要な気化用燃料（例えばＬＰＧ）が気化器１ないしその触媒燃焼部１３に補助的に供給される。【００４８】
以上述べた水素製造システムＸ１では、その定常稼動時にＰＳＡ分離装置５から排出されて気化器１に供給されるオフガスの供給量（単位時間あたりの供給量）を調節することにより、気化器１にて混合原料を加熱して所望温度の気化状態とするのに必要な燃料が、ＰＳＡ分離装置５からのオフガスのみで賄うことができる。また、水素製造システムＸ１では、改質反応器２の改質反応部２２で進行する炭化水素系原料の水蒸気改質反応および部分酸化改質反応の比率を調節することにより、改質反応器内が所望の反応温度に維持されている。このように、水素製造システムＸ１は、その定常稼動時において、システム稼動に伴う自己供給熱のみにより、混合原料を加熱気化し続けるとともに改質反応器２の改質反応部２２が所望温度に維持されている。【００４９】
水素製造システムＸ１におけるドレン水の処理は、当該システムＸ１の稼動に伴って生ずるドレン水を、気化器１にて混合原料を加熱した後の燃焼ガスにより加熱して蒸発させることにより行われる。即ち、当該ドレン水を蒸発させるための熱源が、混合原料を加熱した後の燃焼ガスのみで賄われる。したがって、水素製造システムＸ１おけるドレン水の処理については、当該システムＸ１の稼動に伴う自己供給熱のみを利用して自動的に行われるので、ドレン水処理のための専用設備を別途設ける場合や廃棄処理する場合に比べて、処理コストの抑制と処理効率の改善を実現することができる。【００５０】
また、水素製造システムＸ１におけるドレン水の処理では、ドレン水の加熱により生ずる蒸発ガスに含まれる有害成分であるメタノール蒸気は、触媒分解部６４を通過することにより分解されて無害化される。このように、ドレン水を蒸発させるとともに当該蒸発ガスを触媒分解部６４に通過させる方法によると、ドレン水に有害成分が含まれている場合でも、当該ドレン水の処理はシステム稼動に伴って自動的且つ適切に行われる。このようなドレン水の処理方法は、当該処理コストを抑制するうえで好適である。【００５１】
以上のように、水素製造システムＸ１を用いた水素製造では、その定常稼動時において、システム稼動に伴う自己供給熱のみにより、気化器１では混合原料を加熱気化し続けることができ、改質反応器２では改質反応を進行させるための反応温度を適切に維持することができ、ドレン水処理器６ではドレン水を蒸発し続けることができるのである。このような熱自立型の水素製造システムＸ１を用いた水素製造によると、その定常稼動時において、外部燃料などの熱源の供給を受けることなく水素を製造しながらドレン水の処理をも行なうことができるので、システム稼動に伴う環境負荷も小さい。【００５２】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の範囲は上記した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る水素製造システムの具体的な構成は、発明の思想から逸脱しない範囲内で種々に変更が可能である。例えば水素製造システムＸ１以外の設備から排出されるドレン水を当該システムＸ１のドレン水処理器６に追加的に導入して処理するように水素製造システムＸ１を変形してもよい。即ち、ドレン水処理器６にてドレン水の加熱用熱源として用いられる燃焼ガスが、水素製造システムＸ１の稼動に伴って生ずるドレン水を蒸発させても余剰の熱エネルギを有している場合には、他の設備から導入したドレン水をドレン水処理器６にて追加的に蒸発処理することもでき、かかるシステムの変形は、燃焼ガスが有する余剰の熱エネルギを有効に活用する観点から好適である。
【図１】
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