(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系原燃料と水蒸気とを触媒の存在下で反応させて水素リッチな改質ガスを生成するための触媒層と、燃焼排ガスを前記改質反応の加熱媒体として利用するためのバーナとを備えた改質器と、前記水蒸気を改質器に供給するために設けた水蒸気分離器と、この水蒸気分離器内の水を前記バーナの燃焼排ガスにより加熱し水蒸気を発生させるための排ガス冷却器と、前記改質ガスまたは改質原燃料を加圧するための圧縮機と、加圧された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）とを備え、このＰＳＡにおいて水素を分離除去処理した後の残ガスを前記改質器用バーナに供給して燃焼させ、かつ、前記残ガスの一部を前記バーナとは別に設けた燃焼器に供給して燃焼させ、この燃焼器における燃焼排ガスを前記バーナの燃焼排ガスとともに前記排ガス冷却器に導入してなる水素発生装置において、
前記燃焼器への残ガス供給ラインは、ガス流量調節弁とガス切替弁とを有し、かつ、前記ガス切替弁から前記燃焼器に供給する残ガスの一部をバイパスさせてフレアスタックに導入する未燃ガス放出ラインを備えてなり、
また、前記燃焼器と前記排ガス冷却器とを接続する燃焼器排ガス供給ラインは、燃焼器の出口ガス温度を検出する温度検出器と、出口ガス中の未燃ガスを検知するためのガス分析器とを有し、
さらに、前記温度検出器およびガス分析器の測定値に基づき、前記燃焼器における未燃焼ガスの大気放出や温度異常を防止するための制御信号を前記ガス流量調節弁とガス切替弁とに出力する制御装置を備えてなることを特徴とする水素発生装置。
【請求項２】
請求項１記載の水素発生装置において、前記燃焼器は、触媒燃焼器としたことを特徴とする水素発生装置。
【請求項３】
請求項２記載の水素発生装置において、前記改質器用バーナの燃焼排ガスを排ガス冷却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バーナ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の残ガスを燃焼させ、この燃焼排ガスを前記排ガス冷却器に供給してなることを特徴とする水素発生装置。
【請求項４】
請求項３記載の水素発生装置において、前記触媒燃焼器は、冷却用の空気導入ラインを備えた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】
この発明は、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）を備える水素発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
従来、水素発生装置の一つとして、天然ガス，ＬＮＧ，ＬＰＧ，メタノールなどの炭化水素系原燃料と水蒸気とを触媒の存在下で反応させて水素リッチな改質ガスを生成するための触媒層と、燃焼排ガスを前記改質反応の加熱媒体として利用するためのバーナとを備えた改質器と、前記水蒸気を改質器に供給するために設けた水蒸気分離器と、この水蒸気分離器内の水を前記バーナの燃焼排ガスにより加熱し水蒸気を発生させるための排ガス冷却器と、前記改質ガスまたは改質原燃料を加圧するための圧縮機と、加圧された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、このＰＳＡにおいて水素を分離除去処理した後の残ガスを前記改質器用バーナに供給して燃焼させるように構成した水素発生装置が知られている。
【０００４】
この種の水素発生装置に関して、本件出願人は、水素精製後のＰＳＡ残ガスを無駄に放出することなく、安全かつ合理的にエネルギー回収が可能とすることを目的とした装置を提案している（特願２０００−２６６９６６参照）。図３および図４は、上記特願２０００−２６６９６６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。
【０００５】
図３に示す水素発生装置は、まず、バーナ１ａと触媒層１ｂとを備えた改質器１と、改質ガスを加圧するための圧縮機２と、改質ガスから水素を分離精製するＰＳＡ３と、ＰＳＡ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１ａに供給するための残ガス供給配管１０と、水蒸気を改質器１に供給するために設けた水蒸気分離器４と、この水蒸気分離器４内の水を前記バーナの燃焼排ガスにより加熱し水蒸気を発生させるための排ガス冷却器７と、水循環用のポンプ５とを備える。
【０００６】
さらに、図３においては燃焼器６を備え、改質反応に必要な熱量に対する余剰分の前記ＰＳＡの残ガスをこの燃焼器６で燃焼させた後に、この燃焼排ガスを、バーナの燃焼排ガスとともに排ガス冷却器７に導入するための燃焼器排ガス供給ライン１２を設けている。この燃焼器６および改質器用バーナ１ａには、燃焼用空気が、図示しないブロワー等により導入される。従来は、燃焼器６で燃焼させ燃焼排ガスを、大気に放出していたが、図３の構成により、改質器用バーナの燃焼排ガスと、燃焼器における燃焼排ガスの双方が排ガス冷却器に導入され、エネルギー回収できるので、従来装置に比べてエネルギー効率が大幅に向上する。
【０００７】
図３において、改質原燃料は水蒸気とともに、その導入配管から改質器１の触媒層１ｂに導入され、触媒による改質反応によって、水素，二酸化炭素，一酸化炭素を含む水素リッチなガスに改質される。この改質ガス中の一酸化炭素は、図示しない一酸化炭素変成器により、二酸化炭素と水素とに変成する。変成後の改質ガスの組成は、水素濃度７０％余り、二酸化炭素約２０％で、残余は、水蒸気，メタンと若干の一酸化炭素である。
【０００８】
この改質ガスは圧縮機２により０．６〜０．９ＭＰａ（Ｇ）程度に圧縮された後、ＰＳＡにより精製され、水素濃度が高められる。図３においては、改質器１を略大気圧で運転し、ＰＳＡ３に投入する改質ガスを圧縮機２により加圧する方式を示したが、原燃料を加圧して、高圧の水蒸気とともに改質器１に供給し、改質器１を加圧状態で運転することもできる。この場合は、改質ガス圧縮機２は不要になるが、原燃料を加圧する手段が必要となる。
【０００９】
ＰＳＡは、複数の容器に活性炭やゼオライト等の吸着剤を充填し、圧力を変動させることで特定のガス種を吸着分離する装置であり、その運転条件や性能によって異なるが、投入された水素に対して、略６５〜７５％が分離精製されて利用される。残余の水素および他の成分は下流に排出される。下流に放出されるこのＰＳＡの残ガスは、水素，メタン，一酸化炭素の可燃成分を多量に含んでいる。一方、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、このバーナの燃焼ガスとして、主に、前記したＰＳＡ３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、図示しない流量制御弁を介して残ガスが、ＰＳＡ３からバーナ１ａに供給される。
【００１０】
なお、改質器１における改質反応に必要な水蒸気量は、前記排ガス冷却器７において発生する水蒸気量のみでは不足する。そこで、必要な水蒸気量を確保するために、前記水蒸気分離器４は、電気ヒータまたはボイラー等の図示しない追加の熱源を備え、水蒸気分離器４内の圧力を検出し、この圧力が所定の圧力を維持するように追加の熱源の発生熱量を制御するようにしている。また、水蒸気分離器４には、図示しない補給水供給配管が接続されており、水蒸気使用量に見合う水が補給される。
【００１１】
図４は、前記特願２０００−２６６９６６に記載された図３とは異なる水素発生装置の概略システム系統図で、改質器バーナ１ａの燃焼排ガスを排ガス冷却器７に供給するライン１３上に、バーナ１ａに供給する燃焼用空気を前記バーナの燃焼排ガスによって予熱するための空気予熱器８を設け、さらにその下流に、触媒燃焼器６ａを設け、この触媒燃焼器６ａにおいて、空気予熱器８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の残ガスを燃焼させ、この燃焼排ガスを排ガス冷却器７に供給する構成とした点が、図３とは異なる。
【００１２】
予熱空気供給ライン１４から改質器バーナ１ａ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６ａにおける燃焼用に利用できる。また、図４の例においては、空気を冷却用として触媒燃焼器６ａに供給する冷却空気供給配管１５を設けている。この冷却空気により、常時、触媒燃焼器６ａの加熱防止を図っている。上記構成により、ＰＳＡ残ガスの組成や流量の変化ならびに余剰残ガスの程度に関わらず安定した燃焼を可能とすることができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような水素発生装置においても、安全性の観点から下記のような問題があった。
【００１４】
ＰＳＡの水素分離機能は、外気温，改質ガス組成の変化，経時的な特性変化等によって変化し、ＰＳＡ残ガスの組成や流量が変化する。そのため、前述の燃焼器に、大量のＰＳＡ残ガス（水素リッチガス）が投入された場合、燃焼器、特に触媒燃焼器の温度が急激に上昇し、例えば、８００℃まで上昇することがある。この場合には、触媒燃焼器の寿命の観点から好ましくないばかりでなく、後段の機器を破損させる危険性がある。
【００１５】
また、前記燃焼器においては、未反応のガス、即ち、未燃ガスが生ずることがあり、これを後段の機器を経由して大気に放出した場合、火災上危険であり、また、環境上も好ましくない。
【００１６】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、この発明の課題は、燃焼器における未燃焼ガスの大気放出や温度異常を防止し、安全運転が可能な水素発生装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、この発明においては、炭化水素系原燃料と水蒸気とを触媒の存在下で反応させて水素リッチな改質ガスを生成するための触媒層と、燃焼排ガスを前記改質反応の加熱媒体として利用するためのバーナとを備えた改質器と、前記水蒸気を改質器に供給するために設けた水蒸気分離器と、この水蒸気分離器内の水を前記バーナの燃焼排ガスにより加熱し水蒸気を発生させるための排ガス冷却器と、前記改質ガスまたは改質原燃料を加圧するための圧縮機と、加圧された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）とを備え、このＰＳＡにおいて水素を分離除去処理した後の残ガスを前記改質器用バーナに供給して燃焼させ、かつ、前記残ガスの一部を前記バーナとは別に設けた燃焼器に供給して燃焼させ、この燃焼器における燃焼排ガスを前記バーナの燃焼排ガスとともに前記排ガス冷却器に導入してなる水素発生装置において、
前記燃焼器への残ガス供給ラインは、ガス流量調節弁とガス切替弁とを有し、かつ、前記ガス切替弁から前記燃焼器に供給する残ガスの一部をバイパスさせてフレアスタックに導入する未燃ガス放出ラインを備えてなり、また、前記燃焼器と前記排ガス冷却器とを接続する燃焼器排ガス供給ラインは、燃焼器の出口ガス温度を検出する温度検出器と、出口ガス中の未燃ガスを検知するためのガス分析器とを有し、さらに、前記温度検出器およびガス分析器の測定値に基づき、前記燃焼器における未燃焼ガスの大気放出や温度異常を防止するための制御信号を前記ガス流量調節弁とガス切替弁とに出力する制御装置を備えてなるものとする（請求項１の発明）。
【００１８】
上記請求項１の発明によれば、前記温度検出器およびガス分析器の測定値に基づき、未燃焼ガスを検知した場合に、フレアスタックにより燃焼・無害化して大気放出することができる。また、温度検知に基づき、前記燃焼器への残ガス供給量を調節することにより、前記燃焼器における温度異常を防止することができる。さらに、未燃焼ガスの検知と温度検知の両検知に基づき、残ガス供給量を調節することにより、未燃焼ガスの発生や温度異常の発生確率を、補完的に低減できる。詳細は後述する。
【００１９】
前記請求項１の発明の実施態様としては、下記請求項２ないし４の発明が好ましい。即ち、請求項１記載の水素発生装置において、前記燃焼器は、触媒燃焼器とする（請求項２の発明）。
【００２０】
また、請求項２記載の水素発生装置において、前記改質器用バーナの燃焼排ガスを排ガス冷却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バーナ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の残ガスを燃焼させ、この燃焼排ガスを前記排ガス冷却器に供給してなるものとする（請求項３の発明）。
【００２１】
さらに、前記請求項３記載の水素発生装置において、前記触媒燃焼器は、冷却用の空気導入ラインを備えるものとする（請求項４の発明）。
【００２２】
【発明の実施の形態】
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。
【００２３】
図１および２は、図３および図４を改良したこの発明のそれぞれ異なる実施例を示す概略構成図である。図１および２において、図３および図４の従来装置と同一部材については同一の符合を付して詳細説明を省略する。
【００２４】
図１と図３との相違点は、燃焼器６の前後のラインの構成が異なる。図１において、燃焼器６への残ガス供給ラインは、ガス流量調節弁２２とガス切替弁２４とを有し、かつ、前記ガス切替弁２４から前記燃焼器６に供給する残ガスの一部をバイパスさせてフレアスタック２１に導入する未燃ガス放出ライン２０を備える。なお、部番２３は逆止弁である。
【００２５】
また、燃焼器６と排ガス冷却器７とを接続する燃焼器排ガス供給ライン１２は、燃焼器の出口ガス温度を検出する温度検出器３２（例えば熱電対）と、出口ガス中の未燃ガスを検知するためのガス分析器３４とを有し、さらに、温度検出器３２およびガス分析器３４の測定値に基づき、燃焼器６における未燃焼ガスの大気放出や温度異常を防止するための制御信号を前記ガス流量調節弁２２とガス切替弁２４とに出力する制御装置４０を備える。
【００２６】
上記構成により、未燃焼ガスの大気放出や温度異常を防止するための制御は、例えば、下記のようにして行なう。温度検出器３２の温度検出値が、例えば５００℃となった場合、ガス切替弁２４の切替を行なって残ガスの一部をバイパスさせてフレアスタック２１に導入する。同時に、燃焼器６へのＰＳＡの残ガス供給量を、ガス流量調節弁２２により減少させる。その後、温度検出器３２の温度検出値が、例えば４５０℃となった場合、ガス切替弁２４の切替を行なってバイパスを停止する。ガス流量調節弁２２は、温度検出値に応じた所定の開度に調節する。
【００２７】
また、ガス分析器３４が、未燃焼ガスを検知した場合には、直ちに、ガス切替弁２４の切替を行なって残ガスの燃焼器６への投入を停止し、フレアスタック２１に導入して自然拡散燃焼させ、無害化した上で、大気に放出する。同時に、燃焼器６へのＰＳＡの残ガス供給量を、ガス流量調節弁２２により所定の割合減少させる操作を行う。その後、再度、ガス切替弁２４の切替を行なってバイパスを停止する。残ガス供給量を減少後も、なおかつ未燃焼ガスを検知した場合には、上記と同様の操作を行なう。
【００２８】
上記のようにして、未燃焼ガスの大気放出や異常温度上昇を防止することができる。
【００２９】
図２は、図４の改良に関わる図１とは異なる実施例を示す。図２と図４との相違点は、図１と図３との相違点と同様に、燃焼器６ａへの残ガス供給ラインが、ガス流量調節弁２２とガス切替弁２４とを有し、かつ、ガス切替弁２４から燃焼器に供給する残ガスの一部をバイパスさせてフレアスタック２１に導入する未燃ガス放出ライン２０を備える点と、また、燃焼器６ａと排ガス冷却器７とを接続する燃焼器排ガス供給ラインが、燃焼器の出口ガス温度を検出する温度検出器３２と、出口ガス中の未燃ガスを検知するためのガス分析器３４とを有し、さらに、温度検出器３２およびガス分析器３４の測定値に基づき、燃焼器６ａにおける未燃焼ガスの大気放出や温度異常を防止するための制御信号を前記ガス流量調節弁とガス切替弁とに出力する制御装置４０を備える点で異なる。
【００３０】
図２においては、図１とは異なり、改質器バーナ１ａの燃焼排ガスを排ガス冷却器７に供給するライン１３上に、バーナ１ａに供給する燃焼用空気を前記バーナの燃焼排ガスによって予熱するための空気予熱器８を設け、さらにその下流に、触媒燃焼器６を設け、この触媒燃焼器６において、空気予熱器８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の残ガスを燃焼させ、この燃焼排ガスを排ガス冷却器７に供給する構成としているので、ＰＳＡ残ガスの組成や流量の変化ならびに余剰残ガスの程度に関わらず安定した燃焼を可能とすることができる（詳細は、前記特願２０００−２６６９６６参照）。
【００３１】
【発明の効果】
上記のように、この発明によれば、炭化水素系原燃料と水蒸気とを触媒の存在下で反応させて水素リッチな改質ガスを生成するための触媒層と、燃焼排ガスを前記改質反応の加熱媒体として利用するためのバーナとを備えた改質器と、前記水蒸気を改質器に供給するために設けた水蒸気分離器と、この水蒸気分離器内の水を前記バーナの燃焼排ガスにより加熱し水蒸気を発生させるための排ガス冷却器と、前記改質ガスまたは改質原燃料を加圧するための圧縮機と、加圧された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）とを備え、このＰＳＡにおいて水素を分離除去処理した後の残ガスを前記改質器用バーナに供給して燃焼させ、かつ、前記残ガスの一部を前記バーナとは別に設けた燃焼器に供給して燃焼させ、この燃焼器における燃焼排ガスを前記バーナの燃焼排ガスとともに前記排ガス冷却器に導入してなる水素発生装置において、
前記燃焼器への残ガス供給ラインは、ガス流量調節弁とガス切替弁とを有し、かつ、前記ガス切替弁から前記燃焼器に供給する残ガスの一部をバイパスさせてフレアスタックに導入する未燃ガス放出ラインを備えてなり、また、前記燃焼器と前記排ガス冷却器とを接続する燃焼器排ガス供給ラインは、燃焼器の出口ガス温度を検出する温度検出器と、出口ガス中の未燃ガスを検知するためのガス分析器とを有し、さらに、前記温度検出器およびガス分析器の測定値に基づき、前記燃焼器における未燃焼ガスの大気放出や温度異常を防止するための制御信号を前記ガス流量調節弁とガス切替弁とに出力する制御装置を備えてなるものとすることにより、
燃焼器における未燃焼ガスの大気放出や温度異常を防止し、安全運転が可能な水素発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を示す水素発生装置の概略構成図
【図２】この発明の図１とは異なる実施例を示す水素発生装置の概略構成図
【図３】従来の改良された水素発生装置の概略構成図
【図４】従来の図３とは異なる水素発生装置の概略構成図
【符号の説明】
１：改質器、１ａ：バーナ、１ｂ：触媒層、２：圧縮機、３：圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ）、４：水蒸気分離器、６，６ａ：燃焼器、７：排ガス冷却器、８：空気予熱器、２０：未燃ガス放出ライン、２１：フレアスタック、２２：ガス流量調節弁、２４：ガス切替弁、３２：温度検出器、３４：ガス分析器、４０：制御装置。
【図１】
0004147446.tif 000002
【図２】
0004147446.tif 000003
【図３】
0004147446.tif 000004
【図４】
0004147446.tif 000005