(57)【要約】【課題】運転時の蒸気圧力の変動を抑制した簡易型ボイラを提供することにある。【解決手段】ボイラ内の最下限圧力である第１圧力、最上限圧力である第２圧力を検出する第１圧力検出手段２１を有し、パイロット燃焼およびメイン燃焼により水蒸気を生成する簡易ボイラ４であって、前記第１圧力および前記第２圧力の間にて、当該第１圧力近傍の第３圧力および当該第２圧力近傍の第４圧力を検出する第２圧力検出手段２２を設け、ボイラ内の圧力が前記第３圧力より高くなるとメイン燃焼を停止し、続いて前記ボイラ内の圧力が前記第４圧力より低くなるとメイン燃焼するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイラ内の最下限圧力である第１圧力、最上限圧力である第２圧力を検出する第１圧力検出手段を有し、パイロット燃焼およびメイン燃焼により水蒸気を生成する簡易ボイラであって、
前記第１圧力および前記第２圧力の間にて、当該第１圧力近傍の第３圧力および当該第２圧力近傍の第４圧力を検出する第２圧力検出手段を設け、
ボイラ内の圧力が前記第３圧力より高くなるとメイン燃焼を停止し、続いて前記ボイラ内の圧力が前記第４圧力より低くなるとメイン燃焼するようにした
ことを特徴とする簡易ボイラ。
【請求項２】
ボイラ内の最下限圧力である第１圧力、最上限圧力である第２圧力を検出する第１圧力検出手段を有し、パイロット燃焼およびメイン燃焼により水蒸気を生成する簡易ボイラであって、
前記第１圧力および前記第２圧力の間の第５圧力を検出する第３圧力検出手段を設け、
ボイラ内の圧力が前記第５圧力より高くなるとメイン燃焼を停止し、続いて前記ボイラ内の圧力が前記第２圧力より低くなるとメイン燃焼するようにした
ことを特徴とする簡易ボイラ。
【請求項３】
水蒸気や炭化水素からなる原料ガスを水蒸気改質反応およびＣＯシフト反応により水素と二酸化炭素に分解し、発生した水素をリフォーマに内蔵された水素分離膜に透過させて選択的に分離して水素を製造する水素製造装置であって、
前記水蒸気供給源として請求項１または請求項２に記載された簡易ボイラを用いた
ことを特徴とする水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、簡易ボイラおよびそれを用いた水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素製造装置として、例えば水素分離型リフォーマを用いた水素製造装置がある（例えば、特許文献１を参照）。この装置では、水蒸気やメタンやメタノール等の炭化水素や含酸素炭化水素からなる原料ガスを水蒸気改質反応およびＣＯシフト反応により主に水素と二酸化炭素に分解し、発生した水素をリフォーマに内蔵された水素分離膜に透過させて選択的に分離するようにしている。前記水蒸気の供給源として簡易ボイラが用いられている。なお、この簡易ボイラは、ゲージ圧力１ＭＰａ以下で使用され、伝熱面積が５ｍ2以下の貫流ボイラである。このような水素分離膜を用いた水素製造装置は、従来の改質反応器と異なり、圧力が高いほど水素分圧が高くなり、水素製造量が多くなるという利点を有している。
【０００３】
上述した簡易ボイラは、点火用火種として用いる小形のバーナであるパイロットバーナ（点火バーナ）と、メイン燃焼を行うメインバーナと、ボイラ内のボイラ圧力を検出する圧力センサとを有する。この簡易ボイラは、図６に示すようなフローにて制御されており、０．５ＭＰａ〜０．８ＭＰａの圧力範囲にて一般的に運転される。
【０００４】
すなわち、簡易ボイラでは、図６に示すように、最初にステップＳ３１にて、燃焼室のプレパージが行われる。
続いて、ステップＳ３２に進み、パイロットバーナが点火され、ステップＳ３３に進む。ステップＳ３３にて、メインバーナが点火され、ステップＳ３４に進む。
ステップＳ３４にて、ボイラ内の圧力の判定が行われる。すなわち、前記圧力センサにより検出されたボイラ圧力が上限値である圧力ＨＨより高い場合には、ステップＳ３５に進み、前記ボイラ圧力が圧力ＨＨ以下の場合には、再びステップＳ３４に戻る。
【０００５】
続いて、ステップＳ３５にて、パイロットバーナおよびメインバーナが消火され、ステップＳ３６に進む。
続いて、ステップＳ３６にて、燃焼室のアフターパージが行われ、ステップＳ３７に進む。
ステップＳ３７にて、簡易ボイラ内の圧力の判定が行われる。すなわち、前記圧力センサにより検出されたボイラ圧力が下限値である圧力ＬＬ以下の場合には、ステップＳ３１に進み、前記ボイラ圧力が圧力ＬＬより高い場合には、再びステップＳ３６に戻る。
簡易ボイラでは、上述したステップＳ３１からステップＳ３７までの工程が繰り返し行われている。
【０００６】
例えば、簡易ボイラにて前記圧力ＬＬを０．８２ＭＰａとし、前記圧力ＨＨを０．９２ＭＰａとして運転し、簡易ボイラから改質触媒へ流入する蒸気の流量を調整する蒸気流量制御弁においてその開度を２８％〜３６％とすることで、その流量を設定値の±１０％とし、水素製造装置における圧力を０．７５±２％ＭＰａとしていた。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３５２５２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した簡易ボイラでは、蒸気のホールド量（ボイラ内に溜めておける蒸気）が小さく、前記蒸気の流量が大きいほど圧力変動速度が大きくなるため、後流の水素製造装置の圧力・流量制御への大きな外乱要素となり、制御が困難になってしまう。
【０００９】
また、簡易ボイラ内のボイラ圧力が変動することにより前記蒸気の流量が変動するため、改質反応場である前記水素分離型リフォーマにて適切なスチーム／カーボン比を保つことができず、改質触媒の劣化を促進させたり、過剰供給された蒸気により水素分圧が低下し、水素製造量を低下させたりしてしまうことがある。
【００１０】
製造された水素と共に製造されたオフガスの前記リフォーマに設置される改質バーナへの供給量が変動するため、失火してしまう可能性がある。また、前記簡易ボイラの組み込み接点は、機械式であり、そこの差圧幅の最小が０．１ＭＰａ以上であるため、水素分離膜を使用した水素製造装置のように蒸気流量を一定に供給するには変動が大きすぎて前記蒸気の流量の調整が困難になってしまう。さらに外気温度等の外乱により、前記上記の組み込み接点の設定値が変動してしまう。
【００１１】
蒸気流量調節弁により蒸気の流量を制御しているが、この流量の安定化のためには、蒸気流量調節弁前後の圧力差を大きくする必要があり、必然的に前記リフォーマ側の圧力は低下し望ましくない。一方、簡易ボイラのボイラ圧力を１．０ＭＰａ以上に高圧化すると有資格者による運転が義務付けられ、汎用性に欠けてしまう。
【００１２】
そこで、本発明は、前述した問題に鑑み提案されたもので、運転時の蒸気圧力の変動を抑制した簡易ボイラおよびそれを用いた水素製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決する第１の発明に係る簡易ボイラは、ボイラ内の最下限圧力である第１圧力、最上限圧力である第２圧力を検出する第１圧力検出手段を有し、パイロット燃焼およびメイン燃焼により水蒸気を生成する簡易ボイラであって、前記第１圧力および前記第２圧力の間にて、当該第１圧力近傍の第３圧力および当該第２圧力近傍の第４圧力を検出する第２圧力検出手段を設け、ボイラ内の圧力が前記第３圧力より高くなるとメイン燃焼を停止し、続いて前記ボイラ内の圧力が前記第４圧力より低くなるとメイン燃焼するようにしたことを特徴とする。
【００１４】
上述した課題を解決する第２の発明に係る簡易ボイラは、ボイラ内の最下限圧力である第１圧力、最上限圧力である第２圧力を検出する第１圧力検出手段を有し、パイロット燃焼およびメイン燃焼により水蒸気を生成する簡易ボイラであって、前記第１圧力および前記第２圧力の間の第５圧力を検出する第３圧力検出手段を設け、ボイラ内の圧力が前記第５圧力より高くなるとメイン燃焼を停止し、続いて前記ボイラ内の圧力が前記第２圧力より低くなるとメイン燃焼するようにしたことを特徴とする。
【００１５】
上述した課題を解決する第３の発明に係る水素製造装置は、水蒸気や炭化水素からなる原料ガスを水蒸気改質反応およびＣＯシフト反応により水素と二酸化炭素に分解し、発生した水素をリフォーマに内蔵された水素分離膜に透過させて選択的に分離して水素を製造する水素製造装置であって、前記水蒸気供給源として第１または第２の発明に記載された簡易ボイラを用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
第１の発明に係る簡易ボイラによれば、ボイラ内の最下限圧力である第１圧力、最上限圧力である第２圧力を検出する第１圧力検出手段を有し、パイロット燃焼およびメイン燃焼により水蒸気を生成する簡易ボイラであって、前記第１圧力および前記第２圧力の間にて、当該第１圧力近傍の第３圧力および当該第２圧力近傍の第４圧力を検出する第２圧力検出手段を設け、ボイラ内の圧力が前記第３圧力より高くなるとメイン燃焼を停止し、続いて前記ボイラ内の圧力が前記第４圧力より低くなるとメイン燃焼するようにしたことにより、蒸気流量変動が少なくなり安定化させることができる。アフターパージおよびプレパージによる冷却がなくなるため、ボイラ効率を向上させることができる。
【００１７】
第２の発明に係る簡易ボイラによれば、ボイラ内の最下限圧力である第１圧力、最上限圧力である第２圧力を検出する第１圧力検出手段を有し、パイロット燃焼およびメイン燃焼により水蒸気を生成する簡易ボイラであって、前記第１圧力および前記第２圧力の間にて、当該第１圧力近傍の第３圧力および当該第２圧力近傍の第４圧力を検出する第２圧力検出手段を設け、ボイラ内の圧力が前記第３圧力より高くなるとメイン燃焼を停止し、続いて前記ボイラ内の圧力が前記第４圧力より低くなるとメイン燃焼するようにしたことにより、蒸気流量変動が少なくなり安定化させることができる。アフターパージおよびプレパージによる冷却がなくなるため、ボイラ効率を向上させることができる。さらに、新たに設置する圧力接点が少ないため、製造コストの増加を抑制することができる。
【００１８】
第３の発明に係る水素製造装置によれば、蒸気流量変動が少なくなるので安定化し、リフォーマの改質反応場にて適切なスチーム／カーボン比を保つことができ、前記リフォーマの劣化が防止される。また、水素分圧が一定となり水素製造量が安定化する。また、水素が製造されると同時に製造され、リフォーマの燃焼部における改質バーナに供給されるオフガスの流量が変動しないため、前記リフォーマの温度が変動しなくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明に係る簡易ボイラおよびそれを用いた水素製造装置を実施するための最良の形態を実施例に基づき具体的に説明する。
【実施例１】
【００２０】
以下に、本発明の第１の実施例に係る水素製造装置について図面を用いて説明する。
図１は、本発明の第１の実施例に係る水素製造装置の概略図であり、図２は、本発明の第１の実施例に係る水素製造装置に用いられる簡易ボイラの制御フローを示す図であり、図３は、本発明の第１の実施例に係る水素製造装置に用いられる簡易ボイラの圧力変動を示すグラフである。
【００２１】
本発明の第１の実施例に係る簡易ボイラを用いた水素製造装置２０は、図１に示すように、水素改質反応に用いる炭化水素ガス１の一部を空気２と共に導入して燃焼させ、水３を加熱してスチームを製造する簡易ボイラ４と、制御弁５を介して供給された前記スチームおよび原料ガスである炭化水素ガス１が混合予熱器２４（熱交換器）へ送られて混合ガスとなり、この混合ガスが導入され、水蒸気改質反応およびＣＯシフト反応により水素を製造する水素分離型リフォーマ６とを有する。なお、前記混合ガスの圧力が圧力センサ２３により計測される。
【００２２】
水素分離型リフォーマ６は反応管を有し、この反応管内には、前記水蒸気改質反応および前記ＣＯシフト反応を行う改質触媒７が充填される。改質触媒７に接して配置される水素分離膜８により、反応管内に水素透過部９が区画される。反応管の外側には、燃焼部１０および燃焼ガス通路１１が設けられる。このような水素分離型リフォーマ６では、改質触媒７において水蒸気改質反応およびＣＯシフト反応により生成した水素ガスは、水素分離膜８を通過して水素透過部９に抜き出される。水素透過部９に溜まった水素ガスは、高純度の水素ガスとして水素分離型リフォーマ６から排出され、前記高純度の水素ガスが冷却水２５を通す熱交換器２６により適切な温度まで冷却されて減圧ユニットに導入される。
【００２３】
水素製造工程にて生じるオフガス１２は、空気２により熱交換器１３にて熱交換され、さらに冷却水１４により熱交換器１５にて冷却された後、水成分１６とガス成分とに気液分離され、ガス成分のみが水素分離型リフォーマ６の燃焼部１０に供給されて、水素製造工程における燃焼に用いられる。なお、炭化水素１は水素分離型リフォーマ６の燃焼部１０に制御弁１７を介して導入される。
【００２４】
ここで、簡易ボイラ４は、点火火種となるパイロットバーナ１８と、メイン燃焼を行うメインバーナ１９と、簡易ボイラ４内の圧力を検出する第１，第２圧力センサ（第１，第２圧力検出手段）２１，２２とを有する。
第１圧力センサ２１は、機械式であり、ボイラ内の最下限圧力である第１圧力（圧力ＬＬ）、および最上限圧力である第２圧力（圧力ＨＨ）を検出する。第２圧力センサは、電気式であり、圧力ＬＬおよび圧力ＨＨの間にて、圧力ＬＬ近傍の第３圧力（圧力Ｌ）および圧力ＨＨ近傍の第４圧力（圧力Ｈ）を検出する。
【００２５】
上述した水素製造装置２０の簡易ボイラ４は、図２に示すフローにて制御される。
【００２６】
すなわち、図２に示すように、最初にステップＳ１１にて、燃焼室のプレパージが行われる。
続いて、ステップＳ１２に進み、パイロットバーナ１８が点火され、ステップＳ１３に進む。ステップＳ１３にて、メインバーナ１９が点火される。よって、ステップＳ１４に進み、パイロットバーナ１８およびメインパーナ１９が燃焼される。
【００２７】
続いて、ステップＳ１５に進み、ボイラ内の圧力の判定が行われる。ボイラ内の圧力が圧力Ｈより低い場合には、ステップＳ１４に戻る。ボイラ内の圧力が圧力Ｈより高い場合には、ステップＳ１６に進み、メインバーナ１９が消火される（メイン燃焼が停止される）。続いて、ステップＳ１７に進み、ボイラ内の圧力の判定が行われる。ボイラ内の圧力が圧力Ｌより低い場合には、ステップＳ１３に戻る。ボイラ内の圧力が圧力ＨＨより高い場合には、ステップＳ１８に進み、パイロットバーナ１８が消火される。続いて、ステップＳ１９に進み、燃焼室のアフターパージが行われる。
【００２８】
続いて、ステップＳ２０に進み、ボイラ内の圧力の判定が行われる。ボイラ内の圧力が圧力ＬＬより高い場合には、再びステップＳ２０に戻る。ボイラ内の圧力が圧力ＬＬより低い場合には、ステップＳ１１に戻る。
【００２９】
すなわち、水素製造装置２０が停止しているとき（スタンバイ状態のとき）、および蒸気流量が微少であるあときには、ステップＳ１１〜ステップＳ２０の工程が繰り返され、従来の簡易ボイラの制御時と同じように、図３中破線で示すように、ボイラ内の圧力が圧力ＬＬと圧力ＨＨとの間で変動することとなる。また、水素製造時には、ステップＳ１３〜ステップＳ１７の工程が繰り返され、図３中実線で示すように、ボイラ内の圧力が圧力Ｌと圧力Ｈとの間で変動することとなり、従来の圧力変動幅よりも小さくなる。
【００３０】
ここで、圧力Ｌを０．９１ＭＰａとし、圧力Ｈを０．９６ＭＰａとし、蒸気流量調節弁においてその開度を２３〜２５％とすることで、その流量は設定値の±４％となり、水素製造装置での圧力は０．７５±０．５％Ｐａとなった。圧力Ｌと圧力Ｈの差は０．０５ＭＰａ程度とするのが好適な設定である。差が大きすぎると制御性に欠けるし、小さすぎるとバーナ損傷・故障など耐久性に問題がでる可能性がある。
【００３１】
また、圧力Ｌを０．９１ＭＰａとし、圧力Ｈを０．９６ＭＰａとし、蒸気流量調節弁においてその開度を３５〜３９％とすることで、その流量は設定値の±８％となり、水素製造装置での圧力は０．８５±１．２％ＭＰａとなった。
【００３２】
したがって、本発明の第１の実施例に係る水素製造装置２０によれば、蒸気流量変動が設定値の±１０％から改善されるので安定化し、改質触媒７の改質反応場にて適切なスチーム／カーボン比が保たれるため、改質触媒７の劣化が防止される。また、水素分圧が一定となり水素製造量が安定化する。また、燃焼部１０の改質バーナに供給されるオフガス１２の流量が変動しないため、水素分離型リフォーマ６の温度が変動しなくなる。
【００３３】
さらに、水素分離型リフォーマ６側の圧力変動幅が少なくなる。また、簡易ボイラ４のアフターパージおよびプレパージによる冷却がなくなるため、ボイラ効率が向上する。
【００３４】
上記では、簡易ボイラ４を水素製造装置２０に適用して説明したが、この簡易ボイラ４の適用対象は特に限定されず、このような簡易ボイラを用いることで、蒸気流量変動を少なくして安定化させることができる。
【実施例２】
【００３５】
以下に、本発明の第２の実施例に係る水素製造装置について、図を用いて具体的に説明する。第２の実施例に係る水素製造装置は、上述した第１の実施例に係る水素製造装置が有する簡易ボイラの第２圧力センサの圧力検出値を変えて、制御フローを変えたものであり、それ以外は、この水素製造装置と同じ構造を有する。第２の実施例に係る水素製造装置は、上記第１の実施例に係る水素製造装置と同じ構造なのでその説明を省略する。また、第２の実施例に係る水素製造装置に用いられる簡易ボイラの制御フローは、圧力判定以外については、上記第１の実施例に係る水素製造装置に用いられる簡易ボイラの制御フローと同じであり、同一符号を付記しその説明を省略する。
【００３６】
図４は、本発明の第２の実施例に係る水素製造装置に用いられる簡易ボイラの制御フローを示す図であり、図５は、本発明の第２の実施例に係る水素製造装置に用いられる簡易ボイラの圧力変動を示すグラフである。
【００３７】
本発明の第２の実施例に係る水素製造装置が有する簡易ボイラでは、第２圧力センサの代わりに第３圧力センサ（第３圧力検出手段）を用いる。この第３圧力センサは、前記第１圧力（圧力ＬＬ）および前記第２圧力（圧力ＨＨ）の間の第５圧力（Ｈ１）を検出する。
【００３８】
この簡易ボイラは、図４に示すフローにて制御される。
【００３９】
すなわち、この図に示すように、ステップＳ１４にて、パイロットバーナ１８およびメインバーナ１９が燃焼され、ステップＳ２５に進む。ステップＳ２５にて、ボイラ内の圧力の判定が行われる。ボイラ内の圧力が圧力Ｈ１より低い場合には、ステップＳ１４に戻る。ボイラ内の圧力が圧力Ｈ１より高い場合には、ステップＳ１６に進み、メインバーナ１９が消火される（メイン燃焼が停止される）。続いて、ステップＳ２７に進み、ボイラ内の圧力の判定が行われる。ボイラ内の圧力が圧力ＬＬより低い場合には、ステップＳ１３に戻る。ボイラ内の圧力が圧力ＨＨより高い場合には、ステップＳ１８に進み、パイロットバーナ１８が消火される。
【００４０】
すなわち、水素製造装置２０が停止しているとき（スタンバイ状態のとき）、および蒸気流量が微少であるあときには、ステップＳ１１〜Ｓ１４，Ｓ２５，Ｓ１６，Ｓ２７，Ｓ１８〜Ｓ２０の工程が繰り返され、従来の簡易ボイラ制御時と同じように、図５中破線で示すように、ボイラ内の圧力が圧力ＬＬと圧力ＨＨとの間で変動することとなる。また、水素製造時には、ステップＳ１３、Ｓ１４，Ｓ２５，Ｓ１６，Ｓ２７の工程が繰り返され、図５中実線で示すように、ボイラ内の圧力が圧力ＬＬと圧力Ｈ１との間で変動することとなり、従来の圧力変動幅よりも小さくなる。圧力ＬＬと圧力Ｈ１との差は、０．０５ＭＰａ程度とするのが好適な設定である。差が大きすぎると制御性に欠けるし、小さすぎるとバーナ損傷・故障など耐久性に問題がでる可能性がある。
【００４１】
したがって、本発明の第２の実施例に係る水素製造装置によれば、上述した第１の実施例に係る水素製造装置と同様な作用効果を奏する他、新たに設置する圧力接点が少ないため、製造コストの増加を抑制することができる。
【００４２】
上記では、簡易ボイラを水素製造装置に適用して説明したが、この簡易ボイラの適用対象は特に限定されず、このような簡易ボイラを用いることで、蒸気流量変動を少なくして安定化させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、簡易ボイラおよびそれを用いた水素製造装置に利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施例に係る水素製造装置の概略図である。
【図２】本発明の第１の実施例に係る水素製造装置に用いられる簡易ボイラの制御フローを示す図である。
【図３】本発明の第１の実施例に係る水素製造装置に用いられる簡易ボイラの圧力変動を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施例に係る水素製造装置に用いられる簡易ボイラの制御フローを示す図である。
【図５】本発明の第２の実施例に係る水素製造装置に用いられる簡易ボイラの圧力変動を示すグラフである。
【図６】従来の水素製造装置に用いられるボイラの制御フローを示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１      炭化水素ガス
２      空気
３      水
４      簡易ボイラ
５      制御弁
６      水素分離型リフォーマ
７      改質触媒
８      水素分離膜
９      水素透過部
１０    燃焼部
１１    燃焼ガス通路
１２    オフガス
１３    熱交換器
１４    冷却水
１５    熱交換器
１６    水
１７    制御弁
１８    パイロットバーナ
１９    メインバーナ
２０    水素製造装置
２１    第１圧力センサ
２２    第２圧力センサ
【図１】
2007139259.tif 000003
【図２】
2007139259.tif 000004
【図３】
2007139259.tif 000005
【図４】
2007139259.tif 000006
【図５】
2007139259.tif 000007
【図６】
2007139259.tif 000008