(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタノール又は炭化水素を主成分とする原燃料ガスを水蒸気（スチーム）により水素リッチなガスに改質する改質器と、この改質ガスから水素を分離精製する圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ）と、水蒸気分離器と、水蒸気分離器内の水を加熱して前記スチームを発生させる水加熱器とを備え、さらに、前記水加熱器は、前記改質器の燃焼排ガスにより水蒸気分離器内の水を加熱するために設けた改質器排熱回収用熱交換器と補助電気ヒータとからなる水素発生装置において、  前記改質器排熱回収用熱交換器から排出する前記改質器の燃焼排ガスにより、前記水蒸気分離器への補給水を予熱する給水予熱器を備えることを特徴とする水素発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水素発生装置において、補助電気ヒータは、前記水蒸気分離器内の圧力を略一定に制御するための電力調整装置を備えることを特徴とする水素発生装置。
【請求項３】
請求項１または２のいずれかに記載の水素発生装置において、ＰＳＡにおいて水素を分離精製処理した後の残ガスを、前記改質器に設けたバーナに供給して燃焼させるように構成したことを特徴とする水素発生装置。
【請求項４】
請求項３に記載の水素発生装置において、前記改質器の燃焼排ガスを前記改質器排熱回収用熱交換器に供給するライン上に、前記バーナに供給する燃焼用空気を前記改質器の燃焼排ガスによって予熱するための空気予熱器と、前記ＰＳＡ残ガスの一部を燃焼させる触媒燃焼器とを設け、この触媒燃焼器において前記空気予熱器から排出された燃焼排ガスに含まれる残留酸素によって前記ＰＳＡ残ガスの一部を燃焼させ、この燃焼排ガスを前記改質器排熱回収用熱交換器に供給してなることを特徴とする水素発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
この発明は、メタノール又は天然ガス，ＬＮＧ，ＬＰＧなどの炭化水素を主成分とする原燃料ガスと水蒸気（スチーム）とから、水素を製造する水素発生装置に関する。
【従来の技術】
【０００３】
雰囲気ガスとして水素を用いる工業用装置や燃料電池発電プラントなどにおいては、水素発生装置が必要である。従来、水素発生装置の一つとして、天然ガス，ＬＮＧ，ＬＰＧ，メタノールなどの原料ガスを水蒸気とともに触媒層を通過させることにより水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、改質ガスから水素を分離精製する圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ）とで構成した水素発生装置が採用されている。
【０００４】
この種の水素発生装置に関して、本件出願人は、水素負荷の変動に伴うスチーム供給制御の制御性の向上と、全体としてエネルギー効率の向上を図ることを目的とした装置を提案している（特願２０００−２４２２８１参照）。
【０００５】
図３は、上記特願２０００−２４２２８１に記載された水素発生装置の概略システム系統図を示す。図３に示す水素発生装置は、まず触媒層を有する改質管１ａとバーナ１ｂとを備えた改質器１と、改質ガスから水素を分離精製するＰＳＡ５と、ＰＳＡ５において水素を分離除去処理した後のまだ水素を含む残ガスを前記改質器のバーナ１ｂに供給するための残ガス供給配管６を備える。
【０００６】
改質原料ガスは水蒸気とともに、改質原料ガス導入配管９から改質器１の触媒層に導入され、触媒による改質反応によって水素リッチなガスに改質され、ＣＯ変成器１０を経て、必要に応じて図示しない圧縮機により圧縮された後、ＰＳＡ５により精製され、水素濃度が高められる。前記改質反応は吸熱反応のため、外部から熱を供給する必要があり、そのために、バーナの燃焼排ガスが加熱媒体として利用される。
【０００７】
このバーナの燃焼燃料としては、主に、前記したＰＳＡ５において水素を分離除去処理した後のまだ水素を含む残ガスが用いられ、流量制御弁８を介して残ガスが、ＰＳＡ５からバーナ１ｂに供給される。残ガスのみでは、熱量が不十分の場合には、補助燃料をバーナ用補助燃料配管７から供給して燃焼させる。また、必要に応じ、改質ガスの一部を燃焼ガスとして用いる場合もある。バーナ１ｂには、空気供給配管１１から燃焼用空気が供給される。
【０００８】
次に、水蒸気および原燃料供給系統について述べる。水蒸気分離器２で気液分離された蒸気は、スチーム供給ライン１２に設けたスチーム流量制御弁１３およびスチーム流量計（または圧力計）２３を経て、エゼクタ４に導入され、原燃料ガス供給ライン１４から天然ガスなどの原燃料（ガス）を前記水蒸気流のエゼクタ吸引力により吸引して、原燃料ガスと水蒸気の混合物を改質器１に導入する。原燃料は改質器における改質反応により水素リッチなガスに改質される。
【０００９】
改質器１の燃焼排ガスラインには、改質器排熱回収用熱交換器４０を設け、水蒸気分離器２内の水をポンプ３２によりこの熱交換器４０に送って、加熱により発生したスチームを水蒸気分離器２に還流するようにし、また、補助電気ヒータ５０を上記水循環回路上に設け、水蒸気分離器２内の圧力を略一定に制御するための電力調整装置５１を設けて、電気ヒータ５０の出力を制御するようにしている。水蒸気分離器２内の圧力は、例えば、ゲージ圧で、略６．１kg/cm2（温度約１６０℃）に調整される。なお、水蒸気分離器２の下方もしくは、例えば水蒸気分離器２とポンプ３２との間の循環水系配管に対して、水供給源３５から、改質器１で消費された水蒸気に相当する量の補給水が供給される。
【００１０】
原燃料ガス供給ライン１４は、原燃料供給源１５とエゼクタ４との間に、原燃料ガス流量計２６、原燃料ガス流量制御弁１６および脱硫器１７を有し、原燃料ガス流量制御弁１６により水素負荷に応じて燃料ガス供給量が調節される。都市ガスなどの原燃料は腐臭剤としてイオウ成分を含んでいるので、これを除去するために、脱硫器１７が設けられている。
【００１１】
原燃料ガスの一部は、原燃料ガス供給ライン１４から分岐して、前述のようにバーナ用補助燃料配管７から改質器用バーナ１ｂに供給される。
【００１２】
ところで、前述のように、原燃料ガス流量制御弁１６により水素負荷に応じて燃料ガス供給量が調節されるが、原燃料ガスを増減するときは、スチーム流量も増減する必要がある。スチ−ム流量は、原燃料ガス組成によって予め設定したＳ／Ｃ（原燃料ガス中の炭素原子に対するスチームのモル数比）となるように決められる。図３における調節器２０は、予め設定したＳ／Ｃとなるように、要求水素負荷に応じて、前記原燃料ガス流量制御弁１６およびスチーム流量制御弁１３の開度を調節する機能を有する。なお、上記Ｓ／Ｃは通常、都市ガスやＬＰＧの場合には２．５〜４．０、メタノールの場合には１．３〜２．０程度の範囲に設定される。
【００１３】
即ち、図３に示す水素発生装置は、要するに、改質器１と、圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ）５と、水蒸気分離器２と水加熱器とを有する水蒸気発生装置と、改質器に原燃料ガスおよび水蒸気を供給する各ラインに設けられた原燃料ガス流量制御弁１６およびスチーム流量制御弁１３と、予め設定したＳ／Ｃとなるように、水素負荷に応じて前記各流量制御弁の開度を調節する調節器２０とを備え、さらに、前記水加熱器は、改質器の燃焼排ガスにより水蒸気分離器内の水を加熱するために設けた改質器排熱回収用熱交換器４０と補助電気ヒータ５０とからなるものとし、また、補助電気ヒータ５０は、水蒸気分離器内の圧力を略一定に制御するための電力調整装置５１を備えるものである。
【００１４】
上記構成によれば、従来水加熱用の熱源として供給されていた加熱用蒸気が不要となり、その分、省エネルギとなる。また、水素負荷の増減に応じて原燃料ガス流量を増減し、これに伴い改質ガス量も増減するために、必然的に改質に必要な熱量が増減し、改質器排熱量も増減する。従って、水加熱器としての改質器排熱回収用熱交換器４０における水蒸気発生量も追随して増減するので、水素負荷の増減と水蒸気発生量の増減とのマッチングにより、変動水蒸気分離器内の圧力変動が、従来装置より小となる。さらに、改質器排熱量では不足する加熱エネルギを、補助電気ヒータ５０で補い圧力変動の微調整を行うことにより、制御性の向上を図ることができるとともに、全体として、エネルギー効率が向上する。
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上記のような水素発生装置においても、エネルギー効率の観点から下記のような問題があった。
【００１６】
前記水素発生装置においては、前述のように、水蒸気分離器下方もしくは水蒸気分離器の循環水系配管に対して、改質器で消費された改質用水蒸気に相当する量の補給水が供給される。この場合、常温の補給水が供給されるので、高温の水蒸気分離器の循環水温度まで昇温させる必要があり、そのためのエネルギーが必要である。さらに、補給水と循環水との合流点の温度差に伴う熱応力の発生も、設備の信頼性の観点から好ましくない。
【００１７】
この発明は、これらの上記に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、補給水の昇温エネルギーの低減と、補給水と循環水との合流点の温度差に伴う熱応力の発生の抑制を図った水素発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前述の課題を解決するため、この発明においては、メタノール又は炭化水素を主成分とする原燃料ガスを水蒸気（スチーム）により水素リッチなガスに改質する改質器と、この改質ガスから水素を分離精製する圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ）と、水蒸気分離器と、水蒸気分離器内の水を加熱して前記スチームを発生させる水加熱器とを備え、さらに、前記水加熱器は、前記改質器の燃焼排ガスにより水蒸気分離器内の水を加熱するために設けた改質器排熱回収用熱交換器と補助電気ヒータとからなる水素発生装置において、
前記改質器排熱回収用熱交換器から排出する前記改質器の燃焼排ガスにより、前記水蒸気分離器への補給水を予熱する給水予熱器を備えるものとする（請求項１の発明）。
【００１９】
前記請求項１の発明の実施態様としては、下記が好適である。即ち、請求項１記載の水素発生装置において、補助電気ヒータは、前記水蒸気分離器内の圧力を略一定に制御するための電力調整装置を備えるものとする（請求項２の発明）。さらに、請求項１または２のいずれかに記載の水素発生装置において、ＰＳＡにおいて水素を分離精製処理した後の残ガスを、前記改質器に設けたバーナに供給して燃焼させるように構成したものとする（請求項３の発明）。
【００２０】
前記請求項１の発明によれば、改質器排熱を、水蒸気分離器の水加熱および補給水予熱に有効に利用するので、ランニングコストが低減できる。また、請求項２および３の発明によれば、制御性の向上およびエネルギー効率のさらなる向上が図れる。
【００２１】
さらに、前記請求項３に記載の水素発生装置において、前記改質器の燃焼排ガスを前記改質器排熱回収用熱交換器に供給するライン上に、前記バーナに供給する燃焼用空気を前記改質器の燃焼排ガスによって予熱するための空気予熱器と、前記ＰＳＡ残ガスの一部を燃焼させる触媒燃焼器とを設け、この触媒燃焼器において前記空気予熱器から排出された燃焼排ガスに含まれる残留酸素によって前記ＰＳＡ残ガスの一部を燃焼させ、この燃焼排ガスを前記改質器排熱回収用熱交換器に供給してなるものとする（請求項４の発明）。
【００２２】
上記請求項４の発明によれば、改質器用バーナの燃焼排ガスと、触媒燃焼器における燃焼排ガスの双方が改質器排熱回収用熱交換器に導入され、エネルギー回収できるので、エネルギー効率がさらに向上する。なお、改質器用のバーナに供給される空気量は、通常、理論空燃比の１．２〜１．５倍の空気量が供給されるので、バーナの燃焼排ガス中には、余剰の酸素が残存し、これが触媒燃焼器における燃焼用に利用できる。
【発明の実施の形態】
【００２３】
図面に基づき、本発明の実施の形態について以下にのべる。
【００２４】
図１は、この発明に関わる実施例を示す水素発生装置の概略システム系統図で、図３に示す系統図と同一構成部材には同一番号を付して説明を省略する。
【００２５】
図１と図３の主な相違点は、図１においては、改質器排熱回収用熱交換器４０から排出する改質器の燃焼排ガスにより、水蒸気分離器２への補給水を予熱する給水予熱器６４を備える点である。
【００２６】
図１において、補給水は、補給水ライン６０から給水予熱器６４を経て、水蒸気分離器２とポンプ３２との間の循環水系配管に対して、給水ポンプ６２によって供給される。補給水ライン６０は、水を純化するための水処理装置６１と逆止弁６３とを備える。
【００２７】
上記構成によれば、補給水を予熱する分、エネルギー効率が向上する。
【００２８】
図２は、図１とは異なる実施例に関わる水素発生装置の概略システム系統図を示す。図１と図２の主な相違点は、図２においては、触媒燃焼器７０と空気予熱器７２とを備える点である。
【００２９】
前述のように、改質器の燃焼排ガスを改質器排熱回収用熱交換器４０に供給するライン上に、改質器のバーナ１ｂに供給する燃焼用空気を前記改質器の燃焼排ガスによって予熱するための空気予熱器７２を設け、この空気予熱器７２から排出した改質器の燃焼排ガスと、ＰＳＡ残ガスの一部を分岐ライン７４から触媒燃焼器７０に通流して燃焼させた燃焼排ガスとを、改質器排熱回収用熱交換器４０に供給することにより、エネルギー効率がさらに向上する。
【００３０】
なお、必要に応じて、触媒燃焼器７０への空気供給ライン７６を設ける。
【発明の効果】
【００３１】
上記のとおり、この発明によれば、メタノール又は炭化水素を主成分とする原燃料ガスを水蒸気（スチーム）により水素リッチなガスに改質する改質器と、この改質ガスから水素を分離精製する圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ）と、水蒸気分離器と、水蒸気分離器内の水を加熱して前記スチームを発生させる水加熱器とを備え、さらに、前記水加熱器は、前記改質器の燃焼排ガスにより水蒸気分離器内の水を加熱するために設けた改質器排熱回収用熱交換器と補助電気ヒータとからなる水素発生装置において、
前記改質器排熱回収用熱交換器から排出する前記改質器の燃焼排ガスにより、前記水蒸気分離器への補給水を予熱する給水予熱器を備えるものとしたので、
補給水の昇温エネルギーの低減により、改良された従来の水素発生装置に比較して、エネルギー効率のさらなる向上を図ることができる。また、補給水と循環水との合流点の温度差に伴う熱応力の発生の抑制を図ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】  この発明の実施例に関わる水素発生装置の概略システム系統図
【図２】  図１とは異なる実施例に関わる水素発生装置の概略システム系統図
【図３】  改良された従来の水素発生装置の概略システム系統図
【符号の説明】
【００３３】
１：改質器、２：水蒸気分離器、４：エゼクタ、５：圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ）、６：残ガス供給配管、１２：スチーム供給ライン、１３：スチーム流量制御弁、１４：原燃料ガス供給ライン、１６：原燃料ガス流量制御弁、３２：ポンプ、４０：改質器排熱回収用熱交換器、５０：補助電気ヒータ、５１：電力調整装置、６０：補給水ライン、６４：給水予熱器、７０：触媒燃焼器、７２：空気予熱器。
【図１】
0004196249.tif 000002
【図２】
0004196249.tif 000003
【図３】
0004196249.tif 000004