３極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法
【課題】 炭化水素ガスよりＣＯ2 を発生させずに水素を連続的に生産するためには、操業中絶えず加熱が必要であった。
【解決手段】 装置全体から空気を排除する操作と、メタンを加熱分解して粗水素を作る操作と、前記粗水素を燃料として水素を生産する３極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法において、バーナーの吹管内筒と吹管外筒の先端にメッシュ状の金属触媒筒を配置し、金属触媒筒をセラミック製断熱筒で覆い、バーナーの吹管内筒と吹管外筒との間からの酸水素炎で金属触媒筒を加熱し、吹管内筒からの炭化水素を水素と炭素に分解する３極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法とした。
【解決手段】 装置全体から空気を排除する操作と、メタンを加熱分解して粗水素を作る操作と、前記粗水素を燃料として水素を生産する３極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法において、バーナーの吹管内筒と吹管外筒の先端にメッシュ状の金属触媒筒を配置し、金属触媒筒をセラミック製断熱筒で覆い、バーナーの吹管内筒と吹管外筒との間からの酸水素炎で金属触媒筒を加熱し、吹管内筒からの炭化水素を水素と炭素に分解する３極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素ガスと酸素だけを使って、ＣＯ2 を発生させないで水素を連続的に生産する方法で、３極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、炭化水素ガス（以下、メタンと称する）を水素と炭素に加熱分解し、水素を得るための方法に関するものである。
【０００３】
メタンは無酸素状態で、５００〜１０００℃に加熱すると、
Ｃn Ｈ2n+2 → nＣ＋2nＨ2 に分解するが、これは吸熱反応であり、その上、メタンの加熱と反応炉の熱損失を補うために、操業中は絶えず加熱する必要がある。この加熱のための熱量と生産される水素の熱量の差が、水素側に大きいほど有用なメタンの改質装置となる。
【０００４】
このため、メタンの加熱分解を如何なる方法で行うか、加熱炉の熱損失を如何にして少なくするか、損失熱量の回収と利用ができるか、といった事が重要な技術的課題である。
【０００５】
従来法では、触媒が詰められた管状の炉を外部より加熱し、内部を７００〜１０００℃にした後、メタンを管中に導入し、加熱された触媒にメタンを接触させ、メタンを分解させて排出口より水素と炭素を取り出すというものである（石油学会誌 40vol. No. 1,2,3 1997) 。
【０００６】
しかし、この方法ではメタンを外部加熱するため、燃料効率が悪く、多量のＬＰＧや電力を使用するので実用化は出来なかった。
【特許文献１】特開２００２−３２１９０４号公報
【非特許文献１】石油学会誌 40Vol No. 1,2,3 1997
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
炭化水素ガスよりＣＯ2 を発生させないで、水素を連続的に生産するのに、操業中絶えず加熱が必要であった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑み、炭化水素ガスよりＣＯ2 を発生させないで、水素を連続的に生産するのに、操業中必要な時だけ加熱するようにすべく、装置全体から空気を排除する操作と、メタンを加熱分解して粗水素を作る操作と、前記粗水素を燃料として水素を生産する３極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法において、バーナーの吹管内筒と吹管外筒の先端にメッシュ状の金属触媒筒を配置し、金属触媒筒をセラミック製断熱筒で覆い、バーナーの吹管内筒と吹管外筒との間からの酸水素炎で金属触媒筒を加熱し、吹管内筒からの炭化水素を水素と炭素に分解する３極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法とした。
【０００９】
また、本発明は、炭化水素の種類と分解温度範囲の多くについて対応できるようにすべく、金属触媒筒はパラジウム、ニッケル、クロム、コバルト、白金の薄板を使用した。
【００１０】
さらに、本発明は、炭化水素と酸素からだけで水素を生産するための操作および制御を容易にするために、装置全体から空気を排除する操作、炭化水素を加熱分解して粗水素を作る操作、前記の粗水素を燃料として生産する工程の全てをバルブの操作で行えるようにした。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、装置全体から空気を排除する操作と、メタンを加熱分解して粗水素を作る操作と、前記粗水素を燃料として水素を生産する３極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法において、バーナーの吹管内筒と吹管外筒の先端にメッシュ状の金属触媒筒を配置し、金属触媒筒をセラミック製断熱筒で覆い、バーナーの吹管内筒と吹管外筒との間からの酸水素炎で金属触媒筒を加熱し、吹管内筒からの炭化水素を水素と炭素に分解する３極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法であるので、炭化水素ガスよりＣＯ2 を発生させないで、水素を連続的に生産でき、操業中必要な時だけ加熱するようにした。
【００１２】
また、本発明は、金属触媒筒はパラジウム、ニッケル、クロム、コバルト、白金の薄板を使用したので、炭化水素の種類と分解温度範囲の多くについて対応できる。
【００１３】
さらに、本発明は、装置全体から空気を排除する操作、炭化水素を加熱分解して粗水素を作る操作、前記の粗水素を燃料として生産する工程の全てをバルブの操作で行えるようにしたので、炭化水素と酸素からだけで水素を生産するための操作および制御を容易にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明のメタンを水素と炭素とに分解する反応炉の縦断面図、図２は反応炉の内部を示す断面図、図３は本発明の水素生産の装置の全体図である。
【００１５】
本発明は、メタンの加熱方法として、内部加熱方式を採っている。
【００１６】
断熱材で厚く覆われたバーナーの外筒より酸水素炎を吹き出させ、内筒よりメタンを吹き込むことによってメタンを直接加熱し、同時にバーナーの炎の中に設けられた触媒によってメタンを水素と炭素に分解するという方法で、熱効率が良いばかりでなくＣＯ2 の副生がない、装置が小型で熱損失が少ないという利点がある。
【００１７】
本発明は、メタンと酸素だけでＣＯ2 の副生なしに水素を経済的に生産するものである。その操作は、次の３つの段階に分かれている。
【００１８】
第１段階 装置全体から空気を排除する操作
第２段階 メタンを加熱分解して粗水素を作る操作
第３段階 前段階が作った粗水素を燃料として水素を生産する操作
本発明の装置を起動させる第１段階は、図３に示す装置全体から空気を排除することである。アルゴンや窒素などの不活性ガスを使用して、装置内の空気を排除することもできるが、本発明ではメタンと酸素だけを使用してその目的を達成するものである。
【００１９】
まず、図１のガス投入口１３よりメタンを、別のガス投入口２２より酸素を、各ボンベより供給を受け、バルブ２５、３０、２４を徐々に開いてガス混合室２６にてメタン酸素の当量混合ガスを作り、バーナーの吹管外筒１９に送り込み、吹管外筒１９と吹管内筒２７との間の空間２０を矢印８のように吹き出させる。なお、ガス投入口３１のバルブ４３は閉じたままである。
【００２０】
点火された混合ガスは、高熱と大量のＣＯ2 を矢印４９のように発生し、図３に示す装置の全体から排気口３２より滞留空気を排出させ、全装置を空気中のＯ2 からクリアーにすることができる。
【００２１】
第２段階の操作は、前記操作による高熱のまま、排気口３２を閉じ、ガス投入口３１を開放してバーナーの吹管内筒７よりメタンを酸素メタン炎の中心に吹き込み、瞬間的に加熱し、金属触媒筒１４、１５、１６、１７、１８に入り、メタンを炭素と水素に分解する。金属触媒筒１４、１５、１６、１７、１８はメッシュ状の円筒で、金属触媒筒１８はパラジウム薄板、金属触媒筒１７はニッケル薄板、金属触媒筒１６はクロム薄板、金属触媒筒１５はコバルト薄板、金属触媒筒１４は白金薄板のように一定間隔を置いて同心円状に配置されており、矢印４９の方向に吹き抜けて炭素が滞留することのないようになっている。
【００２２】
矢印４９のように吹き出された分解ガスは、図３に示すように、サイクロン塔３８で炭素が分離され、ポンプ３６で加圧されて水洗塔３７でアルカリ薬液によって洗浄され、ＣＯ2 が除去されて、ポンプ３５で加圧してバルブ４１よりフロート式水素タンク３３に貯蔵される。
【００２３】
第３段階の操作は、前記操作により作られフロート式水素タンク３３に貯蔵された水素を、タンク上部のバルブ３４の操作により図１のガス投入口３１に送られ、バルブ４３、３０、２４が開かれ、バルブ２５が閉じられてガス混合室２６で水素と酸素の混合ガスを作り、吹管外筒１９より矢印８のように噴出させ点火される。
【００２４】
これによって、金属触媒筒１４、１５、１６、１７、１８が加熱され高温になったところでバルブ３１を開き、バーナー内筒２７より矢印１０のようにメタンが酸水素炎によって加熱された金属触媒筒１４、１５、１６、１７、１８に吹き込まれ、一瞬のうちに５００〜１０００℃に加熱、メタンは水素と炭素に分解され、矢印４９のように水素と炭素の投入口３９よりサイクロン塔３８に送り込まれ、ここで炭素を分離、サイクロン塔３８外壁の冷却ジャケット４４で冷却され、ポンプ３６で吸引、圧縮して水洗槽３７を通り、ポンプ３５で圧縮、バルブ４１を経て、フロート式水素タンク３３に貯蔵される。
【００２５】
なお、バーナー加熱部の金属製外構部１１の内側には、セラミック製断熱筒１２が張り付けられ、加熱炉の高温が保てるようになっている。バーナーの過熱を防ぐための水冷式のジャケット２８を備えている。この金属製外構部１１は端板２１に当接固着されている。バーナー加熱部３０は、図３に示すようにサイクロン塔３８に１又は数個取付けられている。サイクロン塔３８には冷却用ジャケット４４が取付けられ、この熱は冷暖房に利用できる。なお、図中の符号４０は炭素である。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、炭化水素ガスよりＣＯ2 を発生させないで、水素を連続的に生産するのに、操業中必要な時だけ加熱するようにしたものであるが、通常の内燃機関の排気浄化にも利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のメタンを水素と炭素とに分解する反応炉の縦断面図である。
【図２】本発明の反応炉の内部を示す断面図である。
【図３】本発明の水素生産の装置の全体図である。
【符号の説明】
【００２８】
２７…吹管内筒
１９…吹管外筒
１４、１５、１６、１７、１８…金属触媒筒
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素ガスと酸素だけを使って、ＣＯ2 を発生させないで水素を連続的に生産する方法で、３極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、炭化水素ガス（以下、メタンと称する）を水素と炭素に加熱分解し、水素を得るための方法に関するものである。
【０００３】
メタンは無酸素状態で、５００〜１０００℃に加熱すると、
Ｃn Ｈ2n+2 → nＣ＋2nＨ2 に分解するが、これは吸熱反応であり、その上、メタンの加熱と反応炉の熱損失を補うために、操業中は絶えず加熱する必要がある。この加熱のための熱量と生産される水素の熱量の差が、水素側に大きいほど有用なメタンの改質装置となる。
【０００４】
このため、メタンの加熱分解を如何なる方法で行うか、加熱炉の熱損失を如何にして少なくするか、損失熱量の回収と利用ができるか、といった事が重要な技術的課題である。
【０００５】
従来法では、触媒が詰められた管状の炉を外部より加熱し、内部を７００〜１０００℃にした後、メタンを管中に導入し、加熱された触媒にメタンを接触させ、メタンを分解させて排出口より水素と炭素を取り出すというものである（石油学会誌 40vol. No. 1,2,3 1997) 。
【０００６】
しかし、この方法ではメタンを外部加熱するため、燃料効率が悪く、多量のＬＰＧや電力を使用するので実用化は出来なかった。
【特許文献１】特開２００２−３２１９０４号公報
【非特許文献１】石油学会誌 40Vol No. 1,2,3 1997
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
炭化水素ガスよりＣＯ2 を発生させないで、水素を連続的に生産するのに、操業中絶えず加熱が必要であった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑み、炭化水素ガスよりＣＯ2 を発生させないで、水素を連続的に生産するのに、操業中必要な時だけ加熱するようにすべく、装置全体から空気を排除する操作と、メタンを加熱分解して粗水素を作る操作と、前記粗水素を燃料として水素を生産する３極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法において、バーナーの吹管内筒と吹管外筒の先端にメッシュ状の金属触媒筒を配置し、金属触媒筒をセラミック製断熱筒で覆い、バーナーの吹管内筒と吹管外筒との間からの酸水素炎で金属触媒筒を加熱し、吹管内筒からの炭化水素を水素と炭素に分解する３極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法とした。
【０００９】
また、本発明は、炭化水素の種類と分解温度範囲の多くについて対応できるようにすべく、金属触媒筒はパラジウム、ニッケル、クロム、コバルト、白金の薄板を使用した。
【００１０】
さらに、本発明は、炭化水素と酸素からだけで水素を生産するための操作および制御を容易にするために、装置全体から空気を排除する操作、炭化水素を加熱分解して粗水素を作る操作、前記の粗水素を燃料として生産する工程の全てをバルブの操作で行えるようにした。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、装置全体から空気を排除する操作と、メタンを加熱分解して粗水素を作る操作と、前記粗水素を燃料として水素を生産する３極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法において、バーナーの吹管内筒と吹管外筒の先端にメッシュ状の金属触媒筒を配置し、金属触媒筒をセラミック製断熱筒で覆い、バーナーの吹管内筒と吹管外筒との間からの酸水素炎で金属触媒筒を加熱し、吹管内筒からの炭化水素を水素と炭素に分解する３極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法であるので、炭化水素ガスよりＣＯ2 を発生させないで、水素を連続的に生産でき、操業中必要な時だけ加熱するようにした。
【００１２】
また、本発明は、金属触媒筒はパラジウム、ニッケル、クロム、コバルト、白金の薄板を使用したので、炭化水素の種類と分解温度範囲の多くについて対応できる。
【００１３】
さらに、本発明は、装置全体から空気を排除する操作、炭化水素を加熱分解して粗水素を作る操作、前記の粗水素を燃料として生産する工程の全てをバルブの操作で行えるようにしたので、炭化水素と酸素からだけで水素を生産するための操作および制御を容易にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明のメタンを水素と炭素とに分解する反応炉の縦断面図、図２は反応炉の内部を示す断面図、図３は本発明の水素生産の装置の全体図である。
【００１５】
本発明は、メタンの加熱方法として、内部加熱方式を採っている。
【００１６】
断熱材で厚く覆われたバーナーの外筒より酸水素炎を吹き出させ、内筒よりメタンを吹き込むことによってメタンを直接加熱し、同時にバーナーの炎の中に設けられた触媒によってメタンを水素と炭素に分解するという方法で、熱効率が良いばかりでなくＣＯ2 の副生がない、装置が小型で熱損失が少ないという利点がある。
【００１７】
本発明は、メタンと酸素だけでＣＯ2 の副生なしに水素を経済的に生産するものである。その操作は、次の３つの段階に分かれている。
【００１８】
第１段階 装置全体から空気を排除する操作
第２段階 メタンを加熱分解して粗水素を作る操作
第３段階 前段階が作った粗水素を燃料として水素を生産する操作
本発明の装置を起動させる第１段階は、図３に示す装置全体から空気を排除することである。アルゴンや窒素などの不活性ガスを使用して、装置内の空気を排除することもできるが、本発明ではメタンと酸素だけを使用してその目的を達成するものである。
【００１９】
まず、図１のガス投入口１３よりメタンを、別のガス投入口２２より酸素を、各ボンベより供給を受け、バルブ２５、３０、２４を徐々に開いてガス混合室２６にてメタン酸素の当量混合ガスを作り、バーナーの吹管外筒１９に送り込み、吹管外筒１９と吹管内筒２７との間の空間２０を矢印８のように吹き出させる。なお、ガス投入口３１のバルブ４３は閉じたままである。
【００２０】
点火された混合ガスは、高熱と大量のＣＯ2 を矢印４９のように発生し、図３に示す装置の全体から排気口３２より滞留空気を排出させ、全装置を空気中のＯ2 からクリアーにすることができる。
【００２１】
第２段階の操作は、前記操作による高熱のまま、排気口３２を閉じ、ガス投入口３１を開放してバーナーの吹管内筒７よりメタンを酸素メタン炎の中心に吹き込み、瞬間的に加熱し、金属触媒筒１４、１５、１６、１７、１８に入り、メタンを炭素と水素に分解する。金属触媒筒１４、１５、１６、１７、１８はメッシュ状の円筒で、金属触媒筒１８はパラジウム薄板、金属触媒筒１７はニッケル薄板、金属触媒筒１６はクロム薄板、金属触媒筒１５はコバルト薄板、金属触媒筒１４は白金薄板のように一定間隔を置いて同心円状に配置されており、矢印４９の方向に吹き抜けて炭素が滞留することのないようになっている。
【００２２】
矢印４９のように吹き出された分解ガスは、図３に示すように、サイクロン塔３８で炭素が分離され、ポンプ３６で加圧されて水洗塔３７でアルカリ薬液によって洗浄され、ＣＯ2 が除去されて、ポンプ３５で加圧してバルブ４１よりフロート式水素タンク３３に貯蔵される。
【００２３】
第３段階の操作は、前記操作により作られフロート式水素タンク３３に貯蔵された水素を、タンク上部のバルブ３４の操作により図１のガス投入口３１に送られ、バルブ４３、３０、２４が開かれ、バルブ２５が閉じられてガス混合室２６で水素と酸素の混合ガスを作り、吹管外筒１９より矢印８のように噴出させ点火される。
【００２４】
これによって、金属触媒筒１４、１５、１６、１７、１８が加熱され高温になったところでバルブ３１を開き、バーナー内筒２７より矢印１０のようにメタンが酸水素炎によって加熱された金属触媒筒１４、１５、１６、１７、１８に吹き込まれ、一瞬のうちに５００〜１０００℃に加熱、メタンは水素と炭素に分解され、矢印４９のように水素と炭素の投入口３９よりサイクロン塔３８に送り込まれ、ここで炭素を分離、サイクロン塔３８外壁の冷却ジャケット４４で冷却され、ポンプ３６で吸引、圧縮して水洗槽３７を通り、ポンプ３５で圧縮、バルブ４１を経て、フロート式水素タンク３３に貯蔵される。
【００２５】
なお、バーナー加熱部の金属製外構部１１の内側には、セラミック製断熱筒１２が張り付けられ、加熱炉の高温が保てるようになっている。バーナーの過熱を防ぐための水冷式のジャケット２８を備えている。この金属製外構部１１は端板２１に当接固着されている。バーナー加熱部３０は、図３に示すようにサイクロン塔３８に１又は数個取付けられている。サイクロン塔３８には冷却用ジャケット４４が取付けられ、この熱は冷暖房に利用できる。なお、図中の符号４０は炭素である。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、炭化水素ガスよりＣＯ2 を発生させないで、水素を連続的に生産するのに、操業中必要な時だけ加熱するようにしたものであるが、通常の内燃機関の排気浄化にも利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のメタンを水素と炭素とに分解する反応炉の縦断面図である。
【図２】本発明の反応炉の内部を示す断面図である。
【図３】本発明の水素生産の装置の全体図である。
【符号の説明】
【００２８】
２７…吹管内筒
１９…吹管外筒
１４、１５、１６、１７、１８…金属触媒筒
【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置全体から空気を排除する操作と、メタンを加熱分解して粗水素を作る操作と、前記粗水素を燃料として水素を生産する３極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法において、バーナーの吹管内筒と吹管外筒の先端にメッシュ状の金属触媒筒を配置し、金属触媒筒をセラミック製断熱筒で覆い、バーナーの吹管内筒と吹管外筒との間からの酸水素炎で金属触媒筒を加熱し、吹管内筒からの炭化水素を水素と炭素に分解する３極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法。
【請求項２】
炭化水素の種類と分解温度範囲の多くについて対応できるように、金属触媒筒はパラジウム、ニッケル、クロム、コバルト、白金の薄板を使用した請求項１記載の３極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法。
【請求項３】
炭化水素と酸素からだけで水素を生産するための操作および制御を容易にするために、装置全体から空気を排除する操作、炭化水素を加熱分解して粗水素を作る操作、前記の粗水素を燃料として生産する工程の全てをバルブの操作で行えるようにした水素を生産する請求項１記載の３極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法。
【請求項１】
装置全体から空気を排除する操作と、メタンを加熱分解して粗水素を作る操作と、前記粗水素を燃料として水素を生産する３極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法において、バーナーの吹管内筒と吹管外筒の先端にメッシュ状の金属触媒筒を配置し、金属触媒筒をセラミック製断熱筒で覆い、バーナーの吹管内筒と吹管外筒との間からの酸水素炎で金属触媒筒を加熱し、吹管内筒からの炭化水素を水素と炭素に分解する３極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法。
【請求項２】
炭化水素の種類と分解温度範囲の多くについて対応できるように、金属触媒筒はパラジウム、ニッケル、クロム、コバルト、白金の薄板を使用した請求項１記載の３極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法。
【請求項３】
炭化水素と酸素からだけで水素を生産するための操作および制御を容易にするために、装置全体から空気を排除する操作、炭化水素を加熱分解して粗水素を作る操作、前記の粗水素を燃料として生産する工程の全てをバルブの操作で行えるようにした水素を生産する請求項１記載の３極バーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−１０２１８４（Ｐ２００９−１０２１８４Ａ）
【公開日】平成２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２７３８９１（Ｐ２００７−２７３８９１）
【出願日】平成１９年１０月２２日（２００７．１０．２２）
【出願人】（５０７１４７９７６）日本水素株式会社 (18)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月２２日（２００７．１０．２２）
【出願人】（５０７１４７９７６）日本水素株式会社 (18)
【Ｆターム（参考）】
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