水素製造装置
【課題】エネルギー利用効率の向上と設備簡素化が可能な水素製造装置を提供する。
【解決手段】水素製造装置１０２は、水素を含んでいる燃料と水との混合蒸気を触媒１１３の存在下で加熱しながら水素生成反応を行う改質器１０３を有する。また、他のプラントの燃焼排ガスを加熱源として回収するエネルギー回収装置１０１と、エネルギー回収装置１０１と排ガス輸送管１０９を介して接続され改質器１０３の外部容器を形成するシェル１１２と、シェル１１２内に設けられた複数の反応管１１１と、反応管１１１に混合蒸気を原料供給配管１１４を経由して供給する原料供給系１０４と、反応管１１１において生成されたガスを生成ガス回収配管１１８を経由して回収する生成ガス回収系１０５と、反応管１１１内の触媒１１３の劣化による改質能力の低下を検出し混合蒸気の流量を調整する原料流量調整弁１１５と、を有する。
【解決手段】水素製造装置１０２は、水素を含んでいる燃料と水との混合蒸気を触媒１１３の存在下で加熱しながら水素生成反応を行う改質器１０３を有する。また、他のプラントの燃焼排ガスを加熱源として回収するエネルギー回収装置１０１と、エネルギー回収装置１０１と排ガス輸送管１０９を介して接続され改質器１０３の外部容器を形成するシェル１１２と、シェル１１２内に設けられた複数の反応管１１１と、反応管１１１に混合蒸気を原料供給配管１１４を経由して供給する原料供給系１０４と、反応管１１１において生成されたガスを生成ガス回収配管１１８を経由して回収する生成ガス回収系１０５と、反応管１１１内の触媒１１３の劣化による改質能力の低下を検出し混合蒸気の流量を調整する原料流量調整弁１１５と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を含んでいる燃料を用いて水蒸気を改質する水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の電力産業分野では、化石燃料枯渇に対応する省エネルギー化、ＣＯ２やＮＯｘの濃度増加に伴う環境保全等から燃料の多様化が研究開発されており、その一つに水素ガス利用技術がある。
【０００３】
この水素ガスの利用技術には、例えば、燃料電池発電システムや水素燃焼発電プラントがある。前者の技術として、水素等の燃料と酸素に代表される酸化剤との電気化学反応で直接電気エネルギーを発生させるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、後者の技術として、高圧の水素ガスと純酸素ガスを燃焼させ高温の水蒸気を発生させ、発生した高温の水蒸気をタービンで膨張仕事をさせ、その際に発生する動力で発電機を駆動して発電を行うものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
前者、後者共にＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ２等の環境汚染物質や温暖化効果ガスを発生させない極めてクリーンなエネルギーを利用する点で、２１世紀の新エネルギー推進政策の一環として研究開発の成果が注目されている。
【０００６】
一般に、燃料電池発電プラントや水素燃焼発電プラントに燃料として供給する水素は、水の電気分解により製造することが提案されている。この水の電気分解による水素製造では、必要なコストの大半が電力である。現在の原子力発電プラントや火力発電プラントでは、熱に交換される核分裂エネルギーや石油、天然ガス等の燃料エネルギーの約５０％程度しか電力に変換されていない。特に、原子力発電プラントでの熱利用効率は３０数％である。このため水の電気分解による水素製造では、エネルギーの利用効率が極めて悪く、コスト高につながる不都合があった。
【０００７】
一方、メタノールやジメチルエーテル等の含酸素炭化水素は、低温で水蒸気改質ができるため、水素製造の際に、コスト的に有利である。また、メタノール、ジメチルエーテル、エタノール等は、中小ガス田や炭酸ガス、ＣＯ２含有量の多いガス田のメタンから製造されるために、この量が比較的多い。
【０００８】
ジメチルエーテルの場合は水蒸気によって、以下の（１）式が示すように、改質反応が行われ水素ガスを生成している。
ＣＨ３ＯＣＨ３＋３Ｈ２Ｏ→６Ｈ２＋２ＣＯ２ （１）
【０００９】
上述の反応をさせるには熱源が必要であると同時に触媒が必要である。原料が触媒と接触しつつ熱を受けながら流れることにより水素ガスが生成される。この触媒を充填した改質器は、加熱媒体との熱交換器でもある。
【００１０】
この水素製造用改質器として、多管式のシェルアンドチューブ型が使用されていることが知られている（例えば、特許文献３参照）。多管式のチューブ内に触媒が充填されて反応層を形成している。この多管式シェルアンドチューブ型の熱交換器は、発電プラントにも使用されている一般的な型式であり、効率よく大量の熱を交換するのに適している。
【００１１】
すなわち、伝熱管を多数使用することにより伝熱面積をコンパクトに増やすことにより、大量で効率良い熱交換が行われる。
【００１２】
従って、大量の水素製造を行う場合には、大量の熱を必要とするので、このような水素製造プラントの改質器にシェルアンドチューブ型の熱交換器を使用することはエネルギー利用の効率化のために有効である。
【００１３】
また、製鉄所におけるエネルギー回収手段としてのシステムが知られている（例えば、特許文献４参照）。この製鉄所の還元炉等から排出されるガスのエネルギー回収技術に係わるもので、排出される可燃性ガスを抽出し、再燃焼させて高温ガスを発生させ、この高温ガスでガスタービンを駆動して発電する技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平６−１４００６５号公報
【特許文献２】特開平１１−３６８２０号公報
【特許文献３】特開昭５９−１８４７０６公報
【特許文献４】特開平４−３１１６３２公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述した従来の水素製造装置（特許文献３参照）においては、水素製造用改質器として、多管式のシェルアンドチューブ型が使用され、多管式のチューブ内に触媒が充填されて反応層を形成している。この水素製造用改質器として多管式の熱交換器を採用することは、伝熱面積を増やすことにより、大量で効率良い熱交換が行われる点に特徴がある。
【００１６】
しかし、メタノールやジメチルエーテル等の含酸素炭化水素の水蒸気改質による水素製造法は、触媒充填体積あたりの水素製造量は触媒の性能に大きく依存する。その製造量に対応した量の原料を供給する必要がある。含酸素炭化水素は、供給量が多すぎれば反応せずに、残ガスとして生成水素と一緒に回収されて分離される。分離すれば再利用可能であるが、分離のための無駄なエネルギーを労費することになる。
【００１７】
このように、多管式の改質器の場合においては、触媒が充填された多数本の反応管内に流れる原料の量は不均一になる可能性がある。また、水素製造量が触媒の劣化等で水素製造量が少なくなった反応管と劣化が生じていない反応管が生じた場合には、水素製造量が反応管毎に不均一になり、改質されないで流出する原料が多くなるという課題があった。
【００１８】
また、上述した従来の水素製造装置においては、加熱媒体に液体の熱媒体油を使用している。この熱媒体油を使用することは、改質器の熱の安定性の観点では有効な技術である。
【００１９】
しかし、循環装置、加熱装置、この加熱装置の熱交換器が別途必要であり、過大な設備を必要とし環境負荷が増大する可能性があるという課題があった。
【００２０】
一方、製鉄所におけるエネルギー回収手段としてのシステム（例えば、特許文献４参照）は、製鉄所における排ガスエネルギー等の他目的で使用された排ガスエネルギーを再利用して有効利用を行えばエネルギー利用効率向上で環境負荷低減を図ることができる。
【００２１】
しかし、上述の製鉄所におけるエネルギー回収手段としてのシステムにおいては、直接的に水素製造利用に係る技術が存在しないという課題があった。
【００２２】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、水素製造プラント用に使用されるエネルギーの無駄を軽減し、既設の他のプラントの燃焼排ガスを加熱源とすることによるエネルギー利用効率の向上と設備簡素化による環境負荷が低減できる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】
【００２３】
上記目的を達成するため、本発明の水素製造装置は、水素を含んでいる燃料と水との混合蒸気を触媒の存在下で加熱しながら水素生成反応を行う改質器を有する水素製造装置において、他のプラントの燃焼排ガスを加熱源として回収するエネルギー回収装置と、このエネルギー回収装置と排ガス輸送管を介して接続され前記改質器の外部容器を形成するシェルと、このシェル内に設けられた複数の反応管と、この反応管に前記混合蒸気を原料供給配管を経由して供給する原料供給系と、前記反応管において生成されたガスを生成ガス回収配管を経由して回収する生成ガス回収系と、前記反応管内の前記触媒の劣化による改質能力の低下を検出し前記混合蒸気及び前記生成ガスから選択された少なくとも一流体の流量を調整する改質能力低下検出調整手段と、を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の水素製造装置によれば、他のプラントから発生した排ガスの熱エネルギーを水素を製造する改質器に利用できるので、水素製造に必要なエネルギーの大半を効果的に活用できエネルギーの有効利用を図ることができる。
【００２５】
また、反応管内の触媒の劣化による改質能力の低下を検出する改質能力低下検出調整手段を設けることにより、触媒の劣化等による改質能力低下を監視し、水素製造装置内の回収分離のための無駄なエネルギーの使用を削減することができ、環境負荷の低減をも図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施の形態の水素製造装置の概略構成を示す構成図。
【図２】本発明の第２の実施の形態の水素製造装置の概略構成を示す構成図。
【図３】図２の生成ガス回収配管を拡大して示す断面図。
【図４】図２の生成ガス回収配管の変形例を拡大して示す断面図。
【図５】本発明の第３の実施の形態の水素製造装置の概略構成を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明に係る水素製造装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２８】
図１は、本発明の第１の実施の形態の水素製造装置の概略構成を示す構成図である。
【００２９】
まず、水素製造装置１０２の基本構成について、図１を用いて説明する。この水素製造装置１０２は、水素を含んでいる燃料と水の混合蒸気を触媒の存在下で加熱しながら水素生成反応を行う改質器１０３を備えている。
【００３０】
この改質器１０３内に反応管１１１が鉛直方向に延立設され、邪魔板１１９が設けられている。また、この改質器１０３には、排ガス輸送管１０９を介して、エネルギー回収装置１０１が接続されている。このエネルギー回収装置１０１は、他のプラントの一例として、火力発電プラント、原子力発電プラント、製鉄プラント等の発電プラント（以下、製鉄プラントと省略する。）に接続され、製鉄プラントの排ガスエネルギーの回収に利用されている。この改質器１０３において、この回収した熱を利用して、燃料を水蒸気改質して水素を生成している。
【００３１】
また、水素製造装置１０２は、改質器１０３に燃料と水の混合蒸気である原料を供給する原料供給系１０４と、改質器１０３において生成されたガスを回収する生成ガス回収系１０５と、を備えている。
【００３２】
原料供給系１０４は、例えばエタノール、ジメチルエーテルなどの燃料タンクやガス化してかつ予熱する予熱器等を備えた燃料供給装置１０６と、原料水を蒸気にして供給する水タンク、ポンプや水蒸発器等を有する原料水蒸気供給装置１０７と、燃料ガスと原料水蒸気の混合部１０８等を備えている。生成ガス回収系１０５の詳細については図示しないが、混合蒸気が改質されて生成された水素ガスやほかの生成ガスを分離回収し、水素ガスを精製する装置等を備えている。
【００３３】
エネルギー回収装置１０１は、例えば、製鉄排ガスエネルギーを回収するために、排ガス輸送管１０９が接続され、この排ガス輸送管１０９には排ガスブロワー１１０が設置され、改質器１０３に排ガスを供給している。
【００３４】
上記改質器１０３は、複数の反応管１１１と、これらを包含するシェル１１２とを備えている。この反応管１１１内には、例えば、Ｃｕ−Ｚｎ等を合成した触媒１１３が充填される。
【００３５】
さらに、原料供給系１０４からの原料供給配管１１４が、複数の反応管１１１のそれぞれの底部に分岐して接続されている。また、原料供給管１１４には流量調節弁１１５が設置されている。
【００３６】
このように構成された本実施の形態において、例えば、製鉄排ガスが排ガスブロワー１１０によってエネルギー回収装置１０１を介して抽出される。この抽出された排ガスの有する熱が、改質器１０３のシェル１１２内に輸送されて改質に必要な熱エネルギーとして供給することができる。
【００３７】
一方、原料供給系１０４の燃料供給装置１０６から供給される燃料、例えば、エタノール、ジメチルエーテル等の含酸素炭化水素は燃料供給装置１０６でガス化され、また原料供給系１０４の原料水蒸気供給装置１０７から供給される水は、原料水蒸気供給装置１０７で蒸気化される。
【００３８】
このガス化されたエタノール又はジメチルエーテル等の燃料ガスと原料水蒸気は混合部１０８で混合して混合ガスとなり、改質器１０３の反応管１１１内に複数の原料供給配管１１４を介して供給される。
【００３９】
この原料供給配管１１４は、複数の反応管１１１それぞれに接続され、かつ原料流量調節弁１１５が設置されている。この原料流量調節弁１１５を介して、混合ガス原料の供給量を反応管１１１毎に調節することができるようになっている。
【００４０】
この混合ガスは、反応管１１１内の触媒１１３の充填層の空隙部を通過する間に改質反応をして水素ガスが生成される。例えば、燃料がジメチルエーテルの場合は、水蒸気によって、上述の（１）式が示すように、改質反応を行って水素ガスが生成される。
【００４１】
このようにして生成された水素ガスは、二酸化炭素ＣＯ２を含んでいるので、改質器１０３の上方に設けられた生成ガス回収配管１１８を経由して生成ガス回収系１０５に導入され分離及び精製されて回収される。また、生成ガス回収系１０５には、余剰ジメチルエーテル及び水蒸気を分離回収する装置が含まれている。
【００４２】
一般に、供給する原料の量は、触媒１１３の単位体積当たりの単位時間あたり改質能力に応じて設定される。反応管１１１毎の能力は運転初期性能において同じであり、原料は均一に供給される。しかし、触媒１１３の性能の劣化が生じた反応管１１１が存在する場合は、改質されずに余剰の混合ガスが存在することから、この余剰の混合ガスを回収するために、この分離に無駄なエネルギーが費やされる。
【００４３】
本実施の形態においては、反応管１１１毎に原料供給配管１１４と原料流量調節弁１１５が設置されているので、改質能力が低下した反応管１１１には少ない原料を供給するように調節することができる。このために、生成ガス回収系１０５から余剰ジメチルエーテル及び水蒸気を分離するための無駄なエネルギーの浪費を削減することができる。
【００４４】
図１に示すように、反応管１１１内に温度センサー１１６を設置することにより、触媒１１３の劣化等による改質能力低下を監視することができる。
【００４５】
上述の（１）式の反応は、吸熱反応であり改質反応を継続するためには所定の熱量を与え続ける必要があるので、エネルギー回収装置１０１の熱エネルギーを輸送して利用するようになっている。
【００４６】
すなわち、この改質反応は吸熱反応であり、反応が起こらないと外部の加熱用排ガスの熱によって温度上昇するので、この温度上昇を監視することにより、触媒１１３の劣化等による改質能力低下を監視することができる。
【００４７】
図１に示すように、反応管１１１内に圧力センサー１１７を設置することによっても、触媒劣化等による改質能力低下を監視することができる。
【００４８】
すなわち、上述の（１）式の反応のように、改質反応が起こると生成ガスの量が２倍に増加する。このために、正常に改質反応が行われると、ガスの量が増加することに伴い圧力が上昇する。この改質反応が低下すると圧力が下がる。この圧力の変化を圧力センサー１１７で検知して触媒１１３の劣化等による改質能力低下を監視することができる。
【００４９】
本実施の形態によれば、製鉄炉で発生した排ガスをエネルギー回収装置１０１を介して水素製造プラント１０２を接続することにより、さらにエネルギーの有効利用が可能になる。
【００５０】
すなわち、製鉄炉から発生した排ガスの熱エネルギーを水素製造プラントの改質器１０３に利用できるので水素製造に必要なエネルギーの大半を効果的に活用できるのでエネルギーの有効利用が可能になる。
【００５１】
また、本実施の形態よれば、水素製造のために利用する熱エネルギー源を製鉄炉の燃焼排ガスの熱としているが、火力発電用燃焼排ガス又はごみ焼却燃焼排ガス等の熱エネルギーを利用することも可能であり、同様の効果を得ることができる。
【００５２】
さらに、反応管１１１内に温度センサー１１６を設置することにより、触媒１１３の劣化等による改質能力低下を監視することができ、また、反応管１１１内に圧力センサー１１７を設置することによっても、触媒劣化等による改質能力低下を監視することができるので、水素製造装置内の余剰ジメチルエーテル及び水蒸気を回収分離するための無駄なエネルギーの使用を低減することができ、環境負荷の低減をも図ることができる。
【００５３】
図２は、本発明の第２の実施の形態の水素製造装置の概略構成を示す構成図であり、図３は、図２の生成ガス回収配管を拡大して示す断面図であり、図４は、図２の生成ガス回収配管の変形例を拡大して示す断面図である。
【００５４】
図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００５５】
図２に示すように、水素製造装置２０２には、エネルギー回収装置１０１が設けられ、このエネルギー回収装置１０１からの排ガスエネルギーは、排ガス輸送管２０９を経由して、改質器２０３のシェル２１２に導入される。また、原料水を蒸気にして供給する水タンクやポンプや水蒸発器等を備えた原料水蒸気供給装置２０７が設けられている。さらに、改質器２０３の上部には生成ガス回収系２０５が設けられている。
【００５６】
この生成ガス回収系２０５は、上述の混合蒸気が改質されて生成された水素ガスやほかの生成ガスを分離回収し、水素ガスを精製する装置等で構成される。
【００５７】
また、エネルギー回収装置１０１には、排ガス輸送管２０９が接続され、この排ガス輸送管２０９には排ガスブロワー２１０が介在し改質器２０３に排ガスを供給している。
【００５８】
さらに、上記改質器２０３は、複数の反応管２１１と、この反応管２１１を包含するシェル２１２とを備えている。この反応管２１１内には、例えば、Ｃｕ−Ｚｎ等を合成した触媒２１３が充填される。さらに、複数のそれぞれの反応管２１１の上部（出口側）には、生成ガス回収配管２１４が接続され、そして、生成ガス回収系２０５に接続されている。生成ガス回収配管２１４には生成ガス流量調節弁２１５が設置されている。
【００５９】
このように形成された本実施の形態において、排ガスが排ガスブロワー２１０によって製鉄プラントの排ガスは、エネルギー回収装置１０１から抽出され排ガスの熱が改質器２０３のシェル２１２内の邪魔板２１９を経由して輸送される。排ガスの熱が改質に必要な熱エネルギーとして、改質器２０３に供給することができる。
【００６０】
一方、原料供給系２０４の燃料供給装置２０６から供給される燃料、例えばエタノール、ジメチルエーテル等の含酸素炭化水素は、燃料供給装置２０６でガス化される。また、原料供給系２０４から供給される水は、原料水蒸気供給装置２０７で蒸気化される。
【００６１】
上記エタノール又はジメチルエーテル等の燃料ガスと原料水蒸気は、混合部２０８で混合して混合ガスとなる。混合ガスは、改質器２０３の反応管２１１内に原料供給配管２２０を介して供給される。この混合ガスは反応管２１１内の触媒２１３の充填層の空隙部を通過する間に改質反応をして水素ガスが生成される。例えば、燃料がジメチルエーテルの場合は、水蒸気によって、上述の（１）式の反応のように、改質反応を行って水素ガスが生成される。このようにして生成された水素ガスは二酸化炭素ＣＯ２を含んでいるので、生成ガス回収系２０５で分離及び精製されて回収される。
【００６２】
一般に、生成ガス回収系２０５には、余剰ジメチルエーテル及び水蒸気を分離回収する装置が含まれている。供給する原料の量は、触媒２１３の単位体積当たりの単位時間当たり改質能力に応じて設定される。反応管２１１毎の能力は運転初期性能において同じであり、原料は均一に供給される。しかし、触媒性能の劣化が生じた反応管が存在する場合は、改質されずに余剰の混合ガスが回収されて、その分離に無駄なエネルギーが費やされる可能性があった。
【００６３】
本実施の形態によれば、反応管２１１毎に生成ガス回収配管２１４と生成ガス流量調節弁２１５が設置されているので、触媒劣化等による改質能力低下を監視することができるので、触媒２１３の改質能力が低下した反応管２１１から回収される余剰の混合ガスを少なくすると共に、供給される原料ガスも少なく供給するように調節することができる。かくして、改質されずに存在する余剰の混合ガスを回収するために、この分離のための無駄なエネルギーの浪費を抑制することができる。
【００６４】
また、図２においては、反応管２１１内に温度センサー２１６を設置することにより、触媒２１３の劣化等による改質能力低下を監視することができる。すなわち、本実施の形態に関わる改質反応は吸熱反応であり、反応が起こらないと外部の加熱用排ガスの熱によって温度上昇するのを監視することができるので、触媒２１３の改質能力が低下した反応管２１１から回収される余剰の混合ガスを少なくすると共に、供給される原料ガスも少なく供給するように調節することができ、無駄なエネルギーの浪費を抑制することができる。
【００６５】
さらに、反応管２１１に圧力センサー２１７を設置することによっても、触媒２１３の劣化等による改質能力低下を監視することができる。この変化を圧力センサー２１７で検知して触媒２１３劣化等による改質能力低下を監視することができるので、触媒２１３の改質能力が低下した反応管２１１から回収される余剰の混合ガスを少なくすると共に、供給される原料ガスも少なく供給するように調節することができ、無駄なエネルギーの浪費を抑制することができる。また、反応管２１１内に温度センサー２１６を設置することにより、触媒２１３の劣化等による改質能力低下を監視することができる。
【００６６】
図３は、図２の生成ガス回収配管２１４を拡大して示す断面図である。
【００６７】
図３に示すように、生成ガス回収配管２１４の内部に温度によって変位するバイメタル２１８が設けられている。このバイメタル２１８は、図２に示す生成ガス流量調節弁２１５と同様の働きをする。
【００６８】
すなわち、このバイメタル２１８は、温度上昇により曲がり、変形が大きくなるように形成されている。触媒２１３の改質性能が劣化すると吸熱量が低下するので改質されないで回収される余剰原料混合ガスの温度が上昇する。この温度上昇により、バイメタルの変形が大きくなり生成ガス回収配管２１４の流路が狭くなり、回収される余剰原料混合ガスの流量を低減することができる。かくして、温度上昇により自然に流量調節弁の働きを果たすことができる。
【００６９】
図４は、図２の生成ガス回収配管２１４の変形例を拡大して示す断面図である。
【００７０】
図４に示すように、生成ガス回収配管２１４の内部に浮子２１９を設けることによって生成ガスの流量調節弁の働きをさせている。また、生成ガス回収配管２１４の立上り部の内面に部分的にテーパ部２２０を形成し、挿入されている浮子２１９が落下しないようになっている。
【００７１】
改質反応が正常に行われると、上記（１）式が示すように、流量が２倍に増加して、生成ガスは矢印に示すように上向きに流れ、浮子２１９が浮遊して生成ガスは回収される。一方、触媒２１３の改質性能が劣化すると反応が少なくなり流量が低下するので、浮子２１９の浮遊高さが少なくなり余剰原料混合ガスの流出流量を低減することができる。
【００７２】
本実施の形態によれば、製鉄炉から発生した排ガスの熱エネルギーを水素製造装置２０２の改質器２０３に利用できるので、水素製造に必要なエネルギーの大半を効果的に活用できるのでエネルギーの有効利用が可能になる。
【００７３】
また、本実施の形態によれば、水素製造のために利用する熱エネルギー源を製鉄プラントの燃焼排ガスの熱を例として説明しているが、火力発電用燃焼排ガス又はごみ焼却燃焼排ガス等の熱エネルギーを利用することも可能であり、同様の効果を得ることができる。
【００７４】
さらに、反応管２１３毎に生成ガス回収配管２１４と生成ガス流量調節弁２１５が設置されているので、触媒２１３の改質能力が低下した反応管２１１から回収される余剰の混合ガスを少なくすると共に、供給される原料ガスも少なく供給するように調節することができる。かくして、改質されずに存在する余剰の混合ガスを回収するために、この分離のための無駄なエネルギーの浪費を抑制することができる。
【００７５】
加えて、生成ガス回収配管２１４の内部に温度によって変位するバイメタル２１８を設け、また、生成ガス回収配管２１４の内部に浮子２１９を設けることによる生成ガスの流量調節弁の働きをさせ、触媒２１３の劣化等による改質能力低下を監視することができ、触媒劣化等による改質能力低下を監視することができるので、水素製造装置２０２内の余剰ジメチルエーテル及び水蒸気を回収分離するための無駄なエネルギーの使用を低減することができ、環境負荷の低減をも図ることができる。
【００７６】
図５は、本発明の第３の実施の形態の水素製造装置の概略構成を示す構成図である。
【００７７】
図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００７８】
図５に示すように、水素製造装置３３０は、図１に示す改質器１０３の変形例である改質器３０３を備えている。この改質器３０３は、複数の反応管３１１と、これらを包含するシェル３１２とで構成されている。
【００７９】
この反応管３１１は、二重管構成のバイオネット管から形成される。すなわち、反応管３１１は、外管３１１Ａ及び内管３１１Ｂより構成される。外管３１１Ａは、下端部が閉止し、上端部は外管フランジ蓋３２１が設置されている。この外管フランジ蓋３２１の下側に外管固定フランジ３２２が設置され、この外管固定フランジ３２２を介して、反応管３１１が、シェル３１２のシェル蓋３２３に着脱自在にボルト締結されている。内管３１１Ｂは、下端は開口し、上端部は外管フランジ蓋３２１に固定されている。
【００８０】
シェル３１２には、排ガス輸送管３２４が接続され、図１に示すエネルギー回収装置１０１から抽出した排ガスが邪魔板３１９を経由して導入されて反応管３１１を加熱するように構成されている。また、外管３１１Ａの上方部に原料供給配管３２５が接続されジメチルエーテルと水蒸気の混合ガス原料が供給される構成になっている。
【００８１】
さらに、内管３１１Ｂの上端には生成ガス回収配管３２６が接続され、改質反応により生成された水素ガス等の生成ガスがこの生成ガス回収配管３２６を経由して生成ガス回収系に回収される。
【００８２】
そして、反応管３１１の外管３１１Ａと内管３１１Ｂで形成される環状隙間には触媒３１３が充填されている。この触媒３１３の充填層は、空隙部を有し混合ガスが流れるように形成されている。
【００８３】
なお、原料供給配管３２５は、複数の反応管３１１のそれぞれに接続され、かつ原料流量調節弁（図示せず）が設置されている。この原料流量調節弁を介して、混合ガス原料の供給量を反応管３１１毎に調節することができるようになっている。
【００８４】
さらに、複数のそれぞれの反応管３１１には、生成ガス回収配管３２６が接続され、そして、生成ガス回収系（図示せず）に接続されている。生成ガス回収配管３２６には生成ガス流量調節弁（図示せず）が設置されている。この生成ガス流量調節弁を介して、混合ガス原料の供給量を反応管３１１毎に調節することができるようになっている。
【００８５】
このように構成された本実施の形態において、混合ガスがこの触媒３１３の充填層の空隙部を下降するうちに、改質生成されたガスは外管３１１Ａの下端部でＵターンして、内管３１１Ｂの下端開口部から内管３１１Ｂ内部を通って上昇して上部の生成ガス回収管３２６を経由して生成ガス回収系に回収される。
【００８６】
加えて、反応管３１１の外管３１１Ａには外管固定フランジ３２２が固定され、反応管３１１はフランジ構造による着脱自在な締結構成としたが、ネジ締結による着脱自在な構成にすることも可能である。
【００８７】
このように形成された本実施の形態において、反応管３１１が着脱自在にシェル蓋３２３にボルト締結されているので、反応管３１１の取外し、再取り付けが容易に行われる。また、反応管３１１を二重管構成のバイオネット型にしたことにより、原料供給部及び生成ガス回収部が上部に設置可能となり、かつ固定支持部も上部だけになるので、反応管３１１を引き抜くことが容易な着脱自在な構造となっている。
【００８８】
このように、反応管３１１の取り外し、再取り付けが容易になったことにより、反応管３１１の交換が可能になる。このように、触媒３１３が劣化した場合は酸化、還元処理等の再生処理が必要であったが、正常な触媒を充填した反応管３１１毎に交換可能となり、現場での還元処理が不要となり、プラント停止時間が短縮され稼動率が向上し、効率向上を図ることができる。さらに、劣化した触媒３１３を充填した反応管３１１をセットにして工場等の別の場所で再生処理を行い再利用することができる。
【００８９】
かくして、本実施の形態によれば、上述した第１及び第２の実施の形態で示した効果に加えて、触媒３１３を充填したまま反応管３１１と一体で触媒３１３の交換が可能になり、水素製造に係る触媒再生処理が不要になるので、停止時間が短くなり、プラント稼動効率が向上し、エネルギー利用効率も高い水素製造を実現することができる。
【００９０】
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は、上述したような各実施の形態に何ら限定されるものではなく、各実施の形態の構成を組み合わせて、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【符号の説明】
【００９１】
１０１…エネルギー回収装置、１０２，２０２，３３０…水素製造装置、１０３，２０３，３０３…改質器、１０４，２０４，３２５…原料供給系、１０５，２０５…生成ガス回収系、１０９，２０９，３２４…排ガス輸送管、１１０，２１０…排ガスブロワー、１１１，２１１，３１１…反応管、１１４，２２０，３２５…原料供給配管、１１５…原料流量調整弁、１１６，２１６…温度センサー、１１７，２１７…圧力センサー、１１８，２１４，３２６…生成ガス回収配管、１１９，２１９，３１９…邪魔板、２１５…生成ガス流量調節弁、３１１Ａ…外管、３１１Ｂ…内管、１１２，２１２，３１２…シェル、１１３，２１３，３１３…触媒、２１８…バイメタル、２１９…浮子、３２１…外管フランジ蓋、３２２…外管固定フランジ、３２３…シェル蓋、３２５…原料供給系、３３０…水素製造装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を含んでいる燃料を用いて水蒸気を改質する水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の電力産業分野では、化石燃料枯渇に対応する省エネルギー化、ＣＯ２やＮＯｘの濃度増加に伴う環境保全等から燃料の多様化が研究開発されており、その一つに水素ガス利用技術がある。
【０００３】
この水素ガスの利用技術には、例えば、燃料電池発電システムや水素燃焼発電プラントがある。前者の技術として、水素等の燃料と酸素に代表される酸化剤との電気化学反応で直接電気エネルギーを発生させるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、後者の技術として、高圧の水素ガスと純酸素ガスを燃焼させ高温の水蒸気を発生させ、発生した高温の水蒸気をタービンで膨張仕事をさせ、その際に発生する動力で発電機を駆動して発電を行うものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
前者、後者共にＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ２等の環境汚染物質や温暖化効果ガスを発生させない極めてクリーンなエネルギーを利用する点で、２１世紀の新エネルギー推進政策の一環として研究開発の成果が注目されている。
【０００６】
一般に、燃料電池発電プラントや水素燃焼発電プラントに燃料として供給する水素は、水の電気分解により製造することが提案されている。この水の電気分解による水素製造では、必要なコストの大半が電力である。現在の原子力発電プラントや火力発電プラントでは、熱に交換される核分裂エネルギーや石油、天然ガス等の燃料エネルギーの約５０％程度しか電力に変換されていない。特に、原子力発電プラントでの熱利用効率は３０数％である。このため水の電気分解による水素製造では、エネルギーの利用効率が極めて悪く、コスト高につながる不都合があった。
【０００７】
一方、メタノールやジメチルエーテル等の含酸素炭化水素は、低温で水蒸気改質ができるため、水素製造の際に、コスト的に有利である。また、メタノール、ジメチルエーテル、エタノール等は、中小ガス田や炭酸ガス、ＣＯ２含有量の多いガス田のメタンから製造されるために、この量が比較的多い。
【０００８】
ジメチルエーテルの場合は水蒸気によって、以下の（１）式が示すように、改質反応が行われ水素ガスを生成している。
ＣＨ３ＯＣＨ３＋３Ｈ２Ｏ→６Ｈ２＋２ＣＯ２ （１）
【０００９】
上述の反応をさせるには熱源が必要であると同時に触媒が必要である。原料が触媒と接触しつつ熱を受けながら流れることにより水素ガスが生成される。この触媒を充填した改質器は、加熱媒体との熱交換器でもある。
【００１０】
この水素製造用改質器として、多管式のシェルアンドチューブ型が使用されていることが知られている（例えば、特許文献３参照）。多管式のチューブ内に触媒が充填されて反応層を形成している。この多管式シェルアンドチューブ型の熱交換器は、発電プラントにも使用されている一般的な型式であり、効率よく大量の熱を交換するのに適している。
【００１１】
すなわち、伝熱管を多数使用することにより伝熱面積をコンパクトに増やすことにより、大量で効率良い熱交換が行われる。
【００１２】
従って、大量の水素製造を行う場合には、大量の熱を必要とするので、このような水素製造プラントの改質器にシェルアンドチューブ型の熱交換器を使用することはエネルギー利用の効率化のために有効である。
【００１３】
また、製鉄所におけるエネルギー回収手段としてのシステムが知られている（例えば、特許文献４参照）。この製鉄所の還元炉等から排出されるガスのエネルギー回収技術に係わるもので、排出される可燃性ガスを抽出し、再燃焼させて高温ガスを発生させ、この高温ガスでガスタービンを駆動して発電する技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平６−１４００６５号公報
【特許文献２】特開平１１−３６８２０号公報
【特許文献３】特開昭５９−１８４７０６公報
【特許文献４】特開平４−３１１６３２公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述した従来の水素製造装置（特許文献３参照）においては、水素製造用改質器として、多管式のシェルアンドチューブ型が使用され、多管式のチューブ内に触媒が充填されて反応層を形成している。この水素製造用改質器として多管式の熱交換器を採用することは、伝熱面積を増やすことにより、大量で効率良い熱交換が行われる点に特徴がある。
【００１６】
しかし、メタノールやジメチルエーテル等の含酸素炭化水素の水蒸気改質による水素製造法は、触媒充填体積あたりの水素製造量は触媒の性能に大きく依存する。その製造量に対応した量の原料を供給する必要がある。含酸素炭化水素は、供給量が多すぎれば反応せずに、残ガスとして生成水素と一緒に回収されて分離される。分離すれば再利用可能であるが、分離のための無駄なエネルギーを労費することになる。
【００１７】
このように、多管式の改質器の場合においては、触媒が充填された多数本の反応管内に流れる原料の量は不均一になる可能性がある。また、水素製造量が触媒の劣化等で水素製造量が少なくなった反応管と劣化が生じていない反応管が生じた場合には、水素製造量が反応管毎に不均一になり、改質されないで流出する原料が多くなるという課題があった。
【００１８】
また、上述した従来の水素製造装置においては、加熱媒体に液体の熱媒体油を使用している。この熱媒体油を使用することは、改質器の熱の安定性の観点では有効な技術である。
【００１９】
しかし、循環装置、加熱装置、この加熱装置の熱交換器が別途必要であり、過大な設備を必要とし環境負荷が増大する可能性があるという課題があった。
【００２０】
一方、製鉄所におけるエネルギー回収手段としてのシステム（例えば、特許文献４参照）は、製鉄所における排ガスエネルギー等の他目的で使用された排ガスエネルギーを再利用して有効利用を行えばエネルギー利用効率向上で環境負荷低減を図ることができる。
【００２１】
しかし、上述の製鉄所におけるエネルギー回収手段としてのシステムにおいては、直接的に水素製造利用に係る技術が存在しないという課題があった。
【００２２】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、水素製造プラント用に使用されるエネルギーの無駄を軽減し、既設の他のプラントの燃焼排ガスを加熱源とすることによるエネルギー利用効率の向上と設備簡素化による環境負荷が低減できる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】
【００２３】
上記目的を達成するため、本発明の水素製造装置は、水素を含んでいる燃料と水との混合蒸気を触媒の存在下で加熱しながら水素生成反応を行う改質器を有する水素製造装置において、他のプラントの燃焼排ガスを加熱源として回収するエネルギー回収装置と、このエネルギー回収装置と排ガス輸送管を介して接続され前記改質器の外部容器を形成するシェルと、このシェル内に設けられた複数の反応管と、この反応管に前記混合蒸気を原料供給配管を経由して供給する原料供給系と、前記反応管において生成されたガスを生成ガス回収配管を経由して回収する生成ガス回収系と、前記反応管内の前記触媒の劣化による改質能力の低下を検出し前記混合蒸気及び前記生成ガスから選択された少なくとも一流体の流量を調整する改質能力低下検出調整手段と、を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の水素製造装置によれば、他のプラントから発生した排ガスの熱エネルギーを水素を製造する改質器に利用できるので、水素製造に必要なエネルギーの大半を効果的に活用できエネルギーの有効利用を図ることができる。
【００２５】
また、反応管内の触媒の劣化による改質能力の低下を検出する改質能力低下検出調整手段を設けることにより、触媒の劣化等による改質能力低下を監視し、水素製造装置内の回収分離のための無駄なエネルギーの使用を削減することができ、環境負荷の低減をも図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施の形態の水素製造装置の概略構成を示す構成図。
【図２】本発明の第２の実施の形態の水素製造装置の概略構成を示す構成図。
【図３】図２の生成ガス回収配管を拡大して示す断面図。
【図４】図２の生成ガス回収配管の変形例を拡大して示す断面図。
【図５】本発明の第３の実施の形態の水素製造装置の概略構成を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明に係る水素製造装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２８】
図１は、本発明の第１の実施の形態の水素製造装置の概略構成を示す構成図である。
【００２９】
まず、水素製造装置１０２の基本構成について、図１を用いて説明する。この水素製造装置１０２は、水素を含んでいる燃料と水の混合蒸気を触媒の存在下で加熱しながら水素生成反応を行う改質器１０３を備えている。
【００３０】
この改質器１０３内に反応管１１１が鉛直方向に延立設され、邪魔板１１９が設けられている。また、この改質器１０３には、排ガス輸送管１０９を介して、エネルギー回収装置１０１が接続されている。このエネルギー回収装置１０１は、他のプラントの一例として、火力発電プラント、原子力発電プラント、製鉄プラント等の発電プラント（以下、製鉄プラントと省略する。）に接続され、製鉄プラントの排ガスエネルギーの回収に利用されている。この改質器１０３において、この回収した熱を利用して、燃料を水蒸気改質して水素を生成している。
【００３１】
また、水素製造装置１０２は、改質器１０３に燃料と水の混合蒸気である原料を供給する原料供給系１０４と、改質器１０３において生成されたガスを回収する生成ガス回収系１０５と、を備えている。
【００３２】
原料供給系１０４は、例えばエタノール、ジメチルエーテルなどの燃料タンクやガス化してかつ予熱する予熱器等を備えた燃料供給装置１０６と、原料水を蒸気にして供給する水タンク、ポンプや水蒸発器等を有する原料水蒸気供給装置１０７と、燃料ガスと原料水蒸気の混合部１０８等を備えている。生成ガス回収系１０５の詳細については図示しないが、混合蒸気が改質されて生成された水素ガスやほかの生成ガスを分離回収し、水素ガスを精製する装置等を備えている。
【００３３】
エネルギー回収装置１０１は、例えば、製鉄排ガスエネルギーを回収するために、排ガス輸送管１０９が接続され、この排ガス輸送管１０９には排ガスブロワー１１０が設置され、改質器１０３に排ガスを供給している。
【００３４】
上記改質器１０３は、複数の反応管１１１と、これらを包含するシェル１１２とを備えている。この反応管１１１内には、例えば、Ｃｕ−Ｚｎ等を合成した触媒１１３が充填される。
【００３５】
さらに、原料供給系１０４からの原料供給配管１１４が、複数の反応管１１１のそれぞれの底部に分岐して接続されている。また、原料供給管１１４には流量調節弁１１５が設置されている。
【００３６】
このように構成された本実施の形態において、例えば、製鉄排ガスが排ガスブロワー１１０によってエネルギー回収装置１０１を介して抽出される。この抽出された排ガスの有する熱が、改質器１０３のシェル１１２内に輸送されて改質に必要な熱エネルギーとして供給することができる。
【００３７】
一方、原料供給系１０４の燃料供給装置１０６から供給される燃料、例えば、エタノール、ジメチルエーテル等の含酸素炭化水素は燃料供給装置１０６でガス化され、また原料供給系１０４の原料水蒸気供給装置１０７から供給される水は、原料水蒸気供給装置１０７で蒸気化される。
【００３８】
このガス化されたエタノール又はジメチルエーテル等の燃料ガスと原料水蒸気は混合部１０８で混合して混合ガスとなり、改質器１０３の反応管１１１内に複数の原料供給配管１１４を介して供給される。
【００３９】
この原料供給配管１１４は、複数の反応管１１１それぞれに接続され、かつ原料流量調節弁１１５が設置されている。この原料流量調節弁１１５を介して、混合ガス原料の供給量を反応管１１１毎に調節することができるようになっている。
【００４０】
この混合ガスは、反応管１１１内の触媒１１３の充填層の空隙部を通過する間に改質反応をして水素ガスが生成される。例えば、燃料がジメチルエーテルの場合は、水蒸気によって、上述の（１）式が示すように、改質反応を行って水素ガスが生成される。
【００４１】
このようにして生成された水素ガスは、二酸化炭素ＣＯ２を含んでいるので、改質器１０３の上方に設けられた生成ガス回収配管１１８を経由して生成ガス回収系１０５に導入され分離及び精製されて回収される。また、生成ガス回収系１０５には、余剰ジメチルエーテル及び水蒸気を分離回収する装置が含まれている。
【００４２】
一般に、供給する原料の量は、触媒１１３の単位体積当たりの単位時間あたり改質能力に応じて設定される。反応管１１１毎の能力は運転初期性能において同じであり、原料は均一に供給される。しかし、触媒１１３の性能の劣化が生じた反応管１１１が存在する場合は、改質されずに余剰の混合ガスが存在することから、この余剰の混合ガスを回収するために、この分離に無駄なエネルギーが費やされる。
【００４３】
本実施の形態においては、反応管１１１毎に原料供給配管１１４と原料流量調節弁１１５が設置されているので、改質能力が低下した反応管１１１には少ない原料を供給するように調節することができる。このために、生成ガス回収系１０５から余剰ジメチルエーテル及び水蒸気を分離するための無駄なエネルギーの浪費を削減することができる。
【００４４】
図１に示すように、反応管１１１内に温度センサー１１６を設置することにより、触媒１１３の劣化等による改質能力低下を監視することができる。
【００４５】
上述の（１）式の反応は、吸熱反応であり改質反応を継続するためには所定の熱量を与え続ける必要があるので、エネルギー回収装置１０１の熱エネルギーを輸送して利用するようになっている。
【００４６】
すなわち、この改質反応は吸熱反応であり、反応が起こらないと外部の加熱用排ガスの熱によって温度上昇するので、この温度上昇を監視することにより、触媒１１３の劣化等による改質能力低下を監視することができる。
【００４７】
図１に示すように、反応管１１１内に圧力センサー１１７を設置することによっても、触媒劣化等による改質能力低下を監視することができる。
【００４８】
すなわち、上述の（１）式の反応のように、改質反応が起こると生成ガスの量が２倍に増加する。このために、正常に改質反応が行われると、ガスの量が増加することに伴い圧力が上昇する。この改質反応が低下すると圧力が下がる。この圧力の変化を圧力センサー１１７で検知して触媒１１３の劣化等による改質能力低下を監視することができる。
【００４９】
本実施の形態によれば、製鉄炉で発生した排ガスをエネルギー回収装置１０１を介して水素製造プラント１０２を接続することにより、さらにエネルギーの有効利用が可能になる。
【００５０】
すなわち、製鉄炉から発生した排ガスの熱エネルギーを水素製造プラントの改質器１０３に利用できるので水素製造に必要なエネルギーの大半を効果的に活用できるのでエネルギーの有効利用が可能になる。
【００５１】
また、本実施の形態よれば、水素製造のために利用する熱エネルギー源を製鉄炉の燃焼排ガスの熱としているが、火力発電用燃焼排ガス又はごみ焼却燃焼排ガス等の熱エネルギーを利用することも可能であり、同様の効果を得ることができる。
【００５２】
さらに、反応管１１１内に温度センサー１１６を設置することにより、触媒１１３の劣化等による改質能力低下を監視することができ、また、反応管１１１内に圧力センサー１１７を設置することによっても、触媒劣化等による改質能力低下を監視することができるので、水素製造装置内の余剰ジメチルエーテル及び水蒸気を回収分離するための無駄なエネルギーの使用を低減することができ、環境負荷の低減をも図ることができる。
【００５３】
図２は、本発明の第２の実施の形態の水素製造装置の概略構成を示す構成図であり、図３は、図２の生成ガス回収配管を拡大して示す断面図であり、図４は、図２の生成ガス回収配管の変形例を拡大して示す断面図である。
【００５４】
図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００５５】
図２に示すように、水素製造装置２０２には、エネルギー回収装置１０１が設けられ、このエネルギー回収装置１０１からの排ガスエネルギーは、排ガス輸送管２０９を経由して、改質器２０３のシェル２１２に導入される。また、原料水を蒸気にして供給する水タンクやポンプや水蒸発器等を備えた原料水蒸気供給装置２０７が設けられている。さらに、改質器２０３の上部には生成ガス回収系２０５が設けられている。
【００５６】
この生成ガス回収系２０５は、上述の混合蒸気が改質されて生成された水素ガスやほかの生成ガスを分離回収し、水素ガスを精製する装置等で構成される。
【００５７】
また、エネルギー回収装置１０１には、排ガス輸送管２０９が接続され、この排ガス輸送管２０９には排ガスブロワー２１０が介在し改質器２０３に排ガスを供給している。
【００５８】
さらに、上記改質器２０３は、複数の反応管２１１と、この反応管２１１を包含するシェル２１２とを備えている。この反応管２１１内には、例えば、Ｃｕ−Ｚｎ等を合成した触媒２１３が充填される。さらに、複数のそれぞれの反応管２１１の上部（出口側）には、生成ガス回収配管２１４が接続され、そして、生成ガス回収系２０５に接続されている。生成ガス回収配管２１４には生成ガス流量調節弁２１５が設置されている。
【００５９】
このように形成された本実施の形態において、排ガスが排ガスブロワー２１０によって製鉄プラントの排ガスは、エネルギー回収装置１０１から抽出され排ガスの熱が改質器２０３のシェル２１２内の邪魔板２１９を経由して輸送される。排ガスの熱が改質に必要な熱エネルギーとして、改質器２０３に供給することができる。
【００６０】
一方、原料供給系２０４の燃料供給装置２０６から供給される燃料、例えばエタノール、ジメチルエーテル等の含酸素炭化水素は、燃料供給装置２０６でガス化される。また、原料供給系２０４から供給される水は、原料水蒸気供給装置２０７で蒸気化される。
【００６１】
上記エタノール又はジメチルエーテル等の燃料ガスと原料水蒸気は、混合部２０８で混合して混合ガスとなる。混合ガスは、改質器２０３の反応管２１１内に原料供給配管２２０を介して供給される。この混合ガスは反応管２１１内の触媒２１３の充填層の空隙部を通過する間に改質反応をして水素ガスが生成される。例えば、燃料がジメチルエーテルの場合は、水蒸気によって、上述の（１）式の反応のように、改質反応を行って水素ガスが生成される。このようにして生成された水素ガスは二酸化炭素ＣＯ２を含んでいるので、生成ガス回収系２０５で分離及び精製されて回収される。
【００６２】
一般に、生成ガス回収系２０５には、余剰ジメチルエーテル及び水蒸気を分離回収する装置が含まれている。供給する原料の量は、触媒２１３の単位体積当たりの単位時間当たり改質能力に応じて設定される。反応管２１１毎の能力は運転初期性能において同じであり、原料は均一に供給される。しかし、触媒性能の劣化が生じた反応管が存在する場合は、改質されずに余剰の混合ガスが回収されて、その分離に無駄なエネルギーが費やされる可能性があった。
【００６３】
本実施の形態によれば、反応管２１１毎に生成ガス回収配管２１４と生成ガス流量調節弁２１５が設置されているので、触媒劣化等による改質能力低下を監視することができるので、触媒２１３の改質能力が低下した反応管２１１から回収される余剰の混合ガスを少なくすると共に、供給される原料ガスも少なく供給するように調節することができる。かくして、改質されずに存在する余剰の混合ガスを回収するために、この分離のための無駄なエネルギーの浪費を抑制することができる。
【００６４】
また、図２においては、反応管２１１内に温度センサー２１６を設置することにより、触媒２１３の劣化等による改質能力低下を監視することができる。すなわち、本実施の形態に関わる改質反応は吸熱反応であり、反応が起こらないと外部の加熱用排ガスの熱によって温度上昇するのを監視することができるので、触媒２１３の改質能力が低下した反応管２１１から回収される余剰の混合ガスを少なくすると共に、供給される原料ガスも少なく供給するように調節することができ、無駄なエネルギーの浪費を抑制することができる。
【００６５】
さらに、反応管２１１に圧力センサー２１７を設置することによっても、触媒２１３の劣化等による改質能力低下を監視することができる。この変化を圧力センサー２１７で検知して触媒２１３劣化等による改質能力低下を監視することができるので、触媒２１３の改質能力が低下した反応管２１１から回収される余剰の混合ガスを少なくすると共に、供給される原料ガスも少なく供給するように調節することができ、無駄なエネルギーの浪費を抑制することができる。また、反応管２１１内に温度センサー２１６を設置することにより、触媒２１３の劣化等による改質能力低下を監視することができる。
【００６６】
図３は、図２の生成ガス回収配管２１４を拡大して示す断面図である。
【００６７】
図３に示すように、生成ガス回収配管２１４の内部に温度によって変位するバイメタル２１８が設けられている。このバイメタル２１８は、図２に示す生成ガス流量調節弁２１５と同様の働きをする。
【００６８】
すなわち、このバイメタル２１８は、温度上昇により曲がり、変形が大きくなるように形成されている。触媒２１３の改質性能が劣化すると吸熱量が低下するので改質されないで回収される余剰原料混合ガスの温度が上昇する。この温度上昇により、バイメタルの変形が大きくなり生成ガス回収配管２１４の流路が狭くなり、回収される余剰原料混合ガスの流量を低減することができる。かくして、温度上昇により自然に流量調節弁の働きを果たすことができる。
【００６９】
図４は、図２の生成ガス回収配管２１４の変形例を拡大して示す断面図である。
【００７０】
図４に示すように、生成ガス回収配管２１４の内部に浮子２１９を設けることによって生成ガスの流量調節弁の働きをさせている。また、生成ガス回収配管２１４の立上り部の内面に部分的にテーパ部２２０を形成し、挿入されている浮子２１９が落下しないようになっている。
【００７１】
改質反応が正常に行われると、上記（１）式が示すように、流量が２倍に増加して、生成ガスは矢印に示すように上向きに流れ、浮子２１９が浮遊して生成ガスは回収される。一方、触媒２１３の改質性能が劣化すると反応が少なくなり流量が低下するので、浮子２１９の浮遊高さが少なくなり余剰原料混合ガスの流出流量を低減することができる。
【００７２】
本実施の形態によれば、製鉄炉から発生した排ガスの熱エネルギーを水素製造装置２０２の改質器２０３に利用できるので、水素製造に必要なエネルギーの大半を効果的に活用できるのでエネルギーの有効利用が可能になる。
【００７３】
また、本実施の形態によれば、水素製造のために利用する熱エネルギー源を製鉄プラントの燃焼排ガスの熱を例として説明しているが、火力発電用燃焼排ガス又はごみ焼却燃焼排ガス等の熱エネルギーを利用することも可能であり、同様の効果を得ることができる。
【００７４】
さらに、反応管２１３毎に生成ガス回収配管２１４と生成ガス流量調節弁２１５が設置されているので、触媒２１３の改質能力が低下した反応管２１１から回収される余剰の混合ガスを少なくすると共に、供給される原料ガスも少なく供給するように調節することができる。かくして、改質されずに存在する余剰の混合ガスを回収するために、この分離のための無駄なエネルギーの浪費を抑制することができる。
【００７５】
加えて、生成ガス回収配管２１４の内部に温度によって変位するバイメタル２１８を設け、また、生成ガス回収配管２１４の内部に浮子２１９を設けることによる生成ガスの流量調節弁の働きをさせ、触媒２１３の劣化等による改質能力低下を監視することができ、触媒劣化等による改質能力低下を監視することができるので、水素製造装置２０２内の余剰ジメチルエーテル及び水蒸気を回収分離するための無駄なエネルギーの使用を低減することができ、環境負荷の低減をも図ることができる。
【００７６】
図５は、本発明の第３の実施の形態の水素製造装置の概略構成を示す構成図である。
【００７７】
図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
【００７８】
図５に示すように、水素製造装置３３０は、図１に示す改質器１０３の変形例である改質器３０３を備えている。この改質器３０３は、複数の反応管３１１と、これらを包含するシェル３１２とで構成されている。
【００７９】
この反応管３１１は、二重管構成のバイオネット管から形成される。すなわち、反応管３１１は、外管３１１Ａ及び内管３１１Ｂより構成される。外管３１１Ａは、下端部が閉止し、上端部は外管フランジ蓋３２１が設置されている。この外管フランジ蓋３２１の下側に外管固定フランジ３２２が設置され、この外管固定フランジ３２２を介して、反応管３１１が、シェル３１２のシェル蓋３２３に着脱自在にボルト締結されている。内管３１１Ｂは、下端は開口し、上端部は外管フランジ蓋３２１に固定されている。
【００８０】
シェル３１２には、排ガス輸送管３２４が接続され、図１に示すエネルギー回収装置１０１から抽出した排ガスが邪魔板３１９を経由して導入されて反応管３１１を加熱するように構成されている。また、外管３１１Ａの上方部に原料供給配管３２５が接続されジメチルエーテルと水蒸気の混合ガス原料が供給される構成になっている。
【００８１】
さらに、内管３１１Ｂの上端には生成ガス回収配管３２６が接続され、改質反応により生成された水素ガス等の生成ガスがこの生成ガス回収配管３２６を経由して生成ガス回収系に回収される。
【００８２】
そして、反応管３１１の外管３１１Ａと内管３１１Ｂで形成される環状隙間には触媒３１３が充填されている。この触媒３１３の充填層は、空隙部を有し混合ガスが流れるように形成されている。
【００８３】
なお、原料供給配管３２５は、複数の反応管３１１のそれぞれに接続され、かつ原料流量調節弁（図示せず）が設置されている。この原料流量調節弁を介して、混合ガス原料の供給量を反応管３１１毎に調節することができるようになっている。
【００８４】
さらに、複数のそれぞれの反応管３１１には、生成ガス回収配管３２６が接続され、そして、生成ガス回収系（図示せず）に接続されている。生成ガス回収配管３２６には生成ガス流量調節弁（図示せず）が設置されている。この生成ガス流量調節弁を介して、混合ガス原料の供給量を反応管３１１毎に調節することができるようになっている。
【００８５】
このように構成された本実施の形態において、混合ガスがこの触媒３１３の充填層の空隙部を下降するうちに、改質生成されたガスは外管３１１Ａの下端部でＵターンして、内管３１１Ｂの下端開口部から内管３１１Ｂ内部を通って上昇して上部の生成ガス回収管３２６を経由して生成ガス回収系に回収される。
【００８６】
加えて、反応管３１１の外管３１１Ａには外管固定フランジ３２２が固定され、反応管３１１はフランジ構造による着脱自在な締結構成としたが、ネジ締結による着脱自在な構成にすることも可能である。
【００８７】
このように形成された本実施の形態において、反応管３１１が着脱自在にシェル蓋３２３にボルト締結されているので、反応管３１１の取外し、再取り付けが容易に行われる。また、反応管３１１を二重管構成のバイオネット型にしたことにより、原料供給部及び生成ガス回収部が上部に設置可能となり、かつ固定支持部も上部だけになるので、反応管３１１を引き抜くことが容易な着脱自在な構造となっている。
【００８８】
このように、反応管３１１の取り外し、再取り付けが容易になったことにより、反応管３１１の交換が可能になる。このように、触媒３１３が劣化した場合は酸化、還元処理等の再生処理が必要であったが、正常な触媒を充填した反応管３１１毎に交換可能となり、現場での還元処理が不要となり、プラント停止時間が短縮され稼動率が向上し、効率向上を図ることができる。さらに、劣化した触媒３１３を充填した反応管３１１をセットにして工場等の別の場所で再生処理を行い再利用することができる。
【００８９】
かくして、本実施の形態によれば、上述した第１及び第２の実施の形態で示した効果に加えて、触媒３１３を充填したまま反応管３１１と一体で触媒３１３の交換が可能になり、水素製造に係る触媒再生処理が不要になるので、停止時間が短くなり、プラント稼動効率が向上し、エネルギー利用効率も高い水素製造を実現することができる。
【００９０】
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は、上述したような各実施の形態に何ら限定されるものではなく、各実施の形態の構成を組み合わせて、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【符号の説明】
【００９１】
１０１…エネルギー回収装置、１０２，２０２，３３０…水素製造装置、１０３，２０３，３０３…改質器、１０４，２０４，３２５…原料供給系、１０５，２０５…生成ガス回収系、１０９，２０９，３２４…排ガス輸送管、１１０，２１０…排ガスブロワー、１１１，２１１，３１１…反応管、１１４，２２０，３２５…原料供給配管、１１５…原料流量調整弁、１１６，２１６…温度センサー、１１７，２１７…圧力センサー、１１８，２１４，３２６…生成ガス回収配管、１１９，２１９，３１９…邪魔板、２１５…生成ガス流量調節弁、３１１Ａ…外管、３１１Ｂ…内管、１１２，２１２，３１２…シェル、１１３，２１３，３１３…触媒、２１８…バイメタル、２１９…浮子、３２１…外管フランジ蓋、３２２…外管固定フランジ、３２３…シェル蓋、３２５…原料供給系、３３０…水素製造装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含んでいる燃料と水との混合蒸気を触媒の存在下で加熱しながら水素生成反応を行う改質器を有する水素製造装置において、
他のプラントの燃焼排ガスを加熱源として回収するエネルギー回収装置と、
このエネルギー回収装置と排ガス輸送管を介して接続され前記改質器の外部容器を形成するシェルと、
このシェル内に設けられた複数の反応管と、
この反応管に前記混合蒸気を原料供給配管を経由して供給する原料供給系と、
前記反応管において生成されたガスを生成ガス回収配管を経由して回収する生成ガス回収系と、
前記反応管内の前記触媒の劣化による改質能力の低下を検出し前記混合蒸気及び前記生成ガスから選択された少なくとも一流体の流量を調整する改質能力低下検出調整手段と、
を有することを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記他のプラントは、製鉄プラント、火力発電プラント又はごみ焼却プラントであること、を特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記改質能力低下検出調整手段は、前記原料供給配管に設けられ前記混合蒸気の流量を検知しさらに調整する原料流量調整弁を具備すること、を特徴とする請求項１又は２に記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記改質能力低下検出調整手段は、前記生成ガス回収配管に設けられ前記生成ガスの流量を検知しさらに調整する生成ガス量調節弁を具備すること、を特徴とする請求項１又は２に記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記改質能力低下検出調整手段は、前記反応管内に設けられた温度センサーを具備すること、を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の水素製造装置。
【請求項６】
前記改質能力低下検出調整手段は、前記反応管内の圧力を検知する圧力センサーを具備すること、を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の水素製造装置。
【請求項７】
前記改質能力低下検出調整手段は、前記生成ガス回収配管内に設けられ温度によって変位するバイメタルを具備すること、を特徴とする請求項１又は２に記載の水素製造装置。
【請求項８】
前記改質能力低下検出調整手段は、前記生成ガス回収配管内に設けられ前記生成ガスの流量を検知しさらに調整する浮子を具備すること、を特徴とする請求項１又は２に記載の水素製造装置。
【請求項９】
前記反応管は、外管と内管を有する二重管構成のバイオネット管と、この二重管の環状隙間に充填された触媒と、を備え、前記シェルの上部に着脱自在に設けられていること、を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の水素製造装置。
【請求項１】
水素を含んでいる燃料と水との混合蒸気を触媒の存在下で加熱しながら水素生成反応を行う改質器を有する水素製造装置において、
他のプラントの燃焼排ガスを加熱源として回収するエネルギー回収装置と、
このエネルギー回収装置と排ガス輸送管を介して接続され前記改質器の外部容器を形成するシェルと、
このシェル内に設けられた複数の反応管と、
この反応管に前記混合蒸気を原料供給配管を経由して供給する原料供給系と、
前記反応管において生成されたガスを生成ガス回収配管を経由して回収する生成ガス回収系と、
前記反応管内の前記触媒の劣化による改質能力の低下を検出し前記混合蒸気及び前記生成ガスから選択された少なくとも一流体の流量を調整する改質能力低下検出調整手段と、
を有することを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記他のプラントは、製鉄プラント、火力発電プラント又はごみ焼却プラントであること、を特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記改質能力低下検出調整手段は、前記原料供給配管に設けられ前記混合蒸気の流量を検知しさらに調整する原料流量調整弁を具備すること、を特徴とする請求項１又は２に記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記改質能力低下検出調整手段は、前記生成ガス回収配管に設けられ前記生成ガスの流量を検知しさらに調整する生成ガス量調節弁を具備すること、を特徴とする請求項１又は２に記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記改質能力低下検出調整手段は、前記反応管内に設けられた温度センサーを具備すること、を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の水素製造装置。
【請求項６】
前記改質能力低下検出調整手段は、前記反応管内の圧力を検知する圧力センサーを具備すること、を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の水素製造装置。
【請求項７】
前記改質能力低下検出調整手段は、前記生成ガス回収配管内に設けられ温度によって変位するバイメタルを具備すること、を特徴とする請求項１又は２に記載の水素製造装置。
【請求項８】
前記改質能力低下検出調整手段は、前記生成ガス回収配管内に設けられ前記生成ガスの流量を検知しさらに調整する浮子を具備すること、を特徴とする請求項１又は２に記載の水素製造装置。
【請求項９】
前記反応管は、外管と内管を有する二重管構成のバイオネット管と、この二重管の環状隙間に充填された触媒と、を備え、前記シェルの上部に着脱自在に設けられていること、を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の水素製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−２０７６５４（Ｐ２０１１−２０７６５４Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７６５２４（Ｐ２０１０−７６５２４）
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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