JP2004352528A - Hydrogen production system - Google Patents
Hydrogen production system Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004352528A JP2004352528A JP2003149117A JP2003149117A JP2004352528A JP 2004352528 A JP2004352528 A JP 2004352528A JP 2003149117 A JP2003149117 A JP 2003149117A JP 2003149117 A JP2003149117 A JP 2003149117A JP 2004352528 A JP2004352528 A JP 2004352528A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- combustion
- reformer
- hydrogen
- reaction
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
- Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
- Y02P20/129—Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines
Landscapes
- Feeding And Controlling Fuel (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
- Air Supply (AREA)
Abstract
【課題】燃焼ガスによる反応管の加熱を均一に行い、リフォーマ内での温度分布を均一化して水蒸気改質反応を触媒層全体で安定的に実施できる水素製造システムを提供する。
【解決方法】改質触媒が充填された複数の反応管に水素分離膜で区切られた水素透過部が設けられているとともに該反応管を加熱するための燃焼ガスの通路が備えられている、多管式反応部と、該多管式反応部を加熱する燃焼ガスを生成する、燃焼部と、該燃焼部近傍に燃焼排ガスを導入する、燃焼排ガス導入口と、を備える、水素分離型リフォーマ、および、該水素分離型リフォーマから出る燃焼排ガスの一部を、ブロワを介して循環させて該燃焼排ガス導入口から当該リフォーマに戻す、燃焼排ガス循環ライン、を含むことを特徴とする水素製造システム。
【選択図】 図1An object of the present invention is to provide a hydrogen production system capable of uniformly heating a reaction tube with a combustion gas, uniforming a temperature distribution in a reformer, and stably performing a steam reforming reaction on the entire catalyst layer.
A plurality of reaction tubes filled with a reforming catalyst are provided with a hydrogen permeable portion separated by a hydrogen separation membrane, and a combustion gas passage for heating the reaction tubes is provided. A hydrogen separation type reformer comprising: a multitubular reaction section; a combustion section for generating combustion gas for heating the multitubular reaction section; and a combustion exhaust gas inlet for introducing combustion exhaust gas in the vicinity of the combustion section. And a flue gas circulation line for circulating a part of the flue gas discharged from the hydrogen separation type reformer through a blower and returning the flue gas from the flue gas inlet to the reformer. .
[Selection diagram] Fig. 1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、本発明は水素製造システムに関し、特に水素分離型リフォーマが対流伝熱式の多管式反応器を有する場合に好適に用いられる水素製造システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
水素分離型リフォーマを用いた水素製造装置では、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、水蒸気改質反応とCOシフト反応によって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を通して選択的に分離するようにしている。水素分離膜としては、例えばパラジウムやパラジウム合金等からなる膜が用いられる。
【0003】
従来の水素製造システムでは、リフォーマを出た燃焼排ガスは、原料ガスの予熱に使用した後、ベントにより排気させることが行われている(例えば、特許文献1参照)。
また、水素製造システムとして多重式円筒型のリフォーマも知られているが、輻射伝熱を主体とした加熱が行われる装置である(例えば、特許文献2)。
【0004】
【特許文献1】
特許第3035038号公報
【特許文献2】
特開平7−109104号公報
【0005】
多重円筒型のリフォーマでは、形状が大きくなるに従い内筒の板厚が厚くなるため入熱が期待できず、該リフォーマでは伝熱面積も広くとれない。
これに対して、多管式の反応管を用いたリフォーマも存在するが、このような従来のシステムに、対流伝熱式の多管式反応管を有するリフォーマを用いる場合、燃焼部からの高温の燃焼ガスが反応管の一部を局部的に加熱してしまい、燃焼部近傍の反応管が例えば700℃を越えてしまう場合がある。反応管の一部を構成している水素分離膜は、膜の耐久性から使用温度を600℃以下、好ましくは550℃以下に抑える必要があり、局部的に発生する加熱に耐えられない。
一方、燃焼部近傍の反応管温度を700℃以下に抑えるように燃焼させるとすると、反応管の一部でのみしか水蒸気改質反応が進行せず、反応効率が著しく低下してしまう。他方、高温の燃焼ガスについて燃焼に関与しない2次空気を用いて希釈するような場合には、温度は低下してもシステムの熱効率が低下してしまう。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、上記問題点に鑑み、特に多管式反応管を有する水素製造システムにおいて、燃焼ガスによる反応管の加熱を均一に行い、リフォーマ内での温度分布を均一化して水蒸気改質反応を触媒層全体で安定的に実施できるとともに、システムの熱効率を向上させることのできる水素製造システムを開発すべく、鋭意検討した。
その結果、本発明者らは、燃焼排ガスをブロワ等を用いた循環ラインで再度リフォーマに導入することによって、上記問題点が解決されることを見出した。本発明は、かかる見地より完成されたものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、水素分離型リフォーマ、および、該水素分離型リフォーマから出る燃焼排ガスの一部をブロワを介して循環させて該燃焼排ガス導入口から当該リフォーマに戻す、燃焼排ガス循環ライン、を含む水素製造システムを提供するものである。本発明の水素分離型リフォーマは、改質触媒を充填した複数の反応管に水素分離膜で区切られた水素透過部が設けられており、該反応管を加熱するために燃焼ガス通路が備えられている、多管式反応部と、該多管式反応部を加熱する燃焼ガスを生成する、燃焼部と、該燃焼部近傍に燃焼排ガスを導入する、燃焼排ガス導入口と、を備える。このリフォーマでは、燃焼部であるバーナの近傍に、燃焼排ガス導入口が設けられていることで、バーナ近傍の反応管の局部的な加熱を有効に防止することができる。そして本システムでは、リフォーマから出た燃焼排ガスの一部を、ブロアを用いてリフォーマにリサイクル循環することにより、リフォーマ内の温度分布を均一化させる。
【0008】
前記水素分離型リフォーマにおいては、燃焼部から出る燃焼ガスが多管式反応部に至る前段にて、燃焼排ガス導入部から供給される燃焼排ガスと燃焼ガスとが混合される、燃焼排ガス混合部、を備えることができる。燃焼混合部は種々の形態が考えられるが、例えばリフォーマ内部に、多管式反応管部と燃焼混合部とに分ける多孔性の仕切板を設ける態様や、燃焼排ガス混合装置を別途設置して、そこから反応部へ混合ガスを供給する態様、などが挙げられる。
【0009】
本発明の水素製造システムでは、加えて、水蒸気改質反応に用いる炭化水素ガスの一部を空気とともに導入して燃焼させ、水を加熱してスチームを製造する、ボイラをさらに含むことができる。ここで、ボイラで使用された加熱ガスは、燃焼排ガスの一部として前記燃焼排ガス循環ラインに加えることもできる。
また、本発明の水素製造システムでは、加えて、前記水素分離型リフォーマから出るオフガスを冷却した後、該オフガス中の水成分とガス成分とを分ける、気液分離器をさらに含むこともできる。
【0010】
さらに、本発明の水素製造システムでは、(1)前記燃焼部で燃焼させる空気を、前記水素分離型リフォーマから出るオフガスの熱で予熱する、熱交換器を含む態様、(2)前記炭化水素ガスおよびボイラで製造されたスチームを混合した混合ガスを、前記水素分離型リフォーマから出る燃焼排ガスの熱で予熱する、熱交換器を含む態様、(3)前記ボイラで燃焼させる空気を、前記水素分離型リフォーマから出る水素ガスの熱で予熱する、熱交換器を含む態様、あるいは、(4)前記ボイラで加熱する水を、前記水素分離型リフォーマから出る水素ガスの熱で予熱する、熱交換器を含む態様、などを用いることができる。
リフォーマから出るオフガス、燃焼排ガスおよび生成水素ガスの熱エネルギーは、リフォーマあるいはボイラへの供給成分の予熱に利用することで、水素製造システムの熱効率を向上させることができる。リフォーマから出る燃焼排ガス(約500℃)はプロセスガス(混合ガス)の予熱に用いること、リフォーマから出た製品水素ガス(約500℃)はボイラに供給する水および燃焼空気と熱交換して、予熱することが好ましい。
【0011】
本発明の水素製造システムによれば、多管式反応管を有するシステムにおいて、燃焼ガスによる反応管の加熱を均一に行い、リフォーマ内での温度分布を均一化して水蒸気改質反応を触媒層全体で安定的に実施することができる。そして、リフォーマ内にて局部的に温度が高くなるホットスポットがなくなり、リフォーマの装置寿命が延びる。
また、本システムでは、燃焼排ガスを循環させるシステムとすることにより、システム全体の熱効率を向上させることが可能であり、燃焼ガス量の増大によってガス流速が大きくなり、対流伝熱を促進できる利点もある。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の水素製造システムに関して、詳細に説明する。
本発明は、都市ガスなどの炭化水素と水蒸気を原料として、水蒸気改質反応によって水素を製造するとともに、水素のみを選択的に透過する水素分離膜を用いて、高純度の水素を製造する水素分離型リフォーマシステムを提供するものである。原料ガスとしては、都市ガス、メタン、プロパン、灯油、ジメチルエーテル等の炭化水素を原料とする。
本発明のシステムは、水素分離型リフォーマと、水素分離型リフォーマから出る燃焼排ガスの一部を、ブロワを介して循環させて当該リフォーマに戻す、燃焼排ガス循環ラインと、を組み合わせた水素製造システムである。
【0013】
図1に、本発明の水素製造システムを模式的に示す。
1は水素分離型リフォーマであり、多管式反応管部を構成する各反応管は、改質触媒層11および水素分離膜12を有する。リフォーマ1の原料である炭化水素には、スチームを混合して混合ガスとする。混合ガスは、熱交換器16で予熱されて反応温度付近まで加熱される。予熱した混合ガスは、プロセスガスとして水素分離型リフォーマ1の触媒層11に導入される。
【0014】
改質触媒層11では水蒸気改質反応によって、混合ガスから水素、一酸化炭素及び二酸化炭素が生成する。例えば、原料としてメタンを用いる場合には、以下の反応式によって、水蒸気改質反応が行われる。
CH4+H2O → 3H2+CO (吸熱反応) (1)
CO+H2O → CO2+H2(発熱反応) (2)
通常、この反応は500℃以上で行われ、水とメタンの炭素Cとのモル比であるS/C(steam/carbon比)が2以上のスチームリッチの条件で行われる。上記(1)の反応は吸熱反応であるため、温度が高い方が反応が促進する。
一方、上述したように水素分離膜12は、使用温度を600℃以下、好ましくは550℃以下に抑える必要がある。よって、通常500〜600℃の範囲内で触媒反応が行われる。
【0015】
リフォーマ1で生成したガスのうち、水素ガスだけはパラジウムやパラジウム合金等からなる水素分離膜12を通して透過部14に分離される。透過部14に貯まった水素ガスは、高純度の水素ガスとして系外に取り出される。
水素を取り出した残りの主に二酸化炭素からなるガスは、オフガスとして回収され、冷却水等で冷却されてから空気とともに燃焼部13に導入して燃焼させ、水素分離型リフォーマ1の燃料とする。燃焼部13より水素分離型リフォーマ1に導入される燃焼ガスは、反応管近傍の燃焼排ガス通路15を通って、触媒層11へ反応するための熱エネルギーを供給する。
【0016】
その後、燃焼排ガスはリフォーマ1から出た後に、一部が燃焼排ガスa循環ラインに送られ、残りの排ガスが熱交換器16を通してから排出される。循環ラインには、通常ブロワ17を設けることで燃焼排ガスを循環させる。循環ラインに送られる燃焼排ガスの割合は、運転条件に合わせて任意に定めることができるが、通常50容量%以上、好ましくは60容量%以上、さらに好ましくは70容量%以上であり、燃焼排ガスの割合を高くするほど後流の熱交換器16を経た燃焼排ガスの温度は低下する。
これによって、システムにおける熱循環の割合が増加して、システムの熱効率が向上する。燃焼ガスと燃焼排ガスの熱エネルギーによって、多管式反応部は通常500〜600℃の範囲に反応管の全体が加熱されることが好ましい。
【0017】
循環ラインに送られた燃焼排ガスは、リフォーマの導入口(導入ライン)から再びリフォーマ1に戻る。この際、リフォーマ1の燃焼部13から導入される燃焼ガスと、循環再利用する燃焼排ガスとの割合は、運転条件やシステムの構成によって任意に定めることができるが、燃焼部13の極めて近傍に排ガス導入口を設けている場合には、一次空気による燃焼ガス:燃焼排ガス=1:1〜10、好ましくは1:2〜8、例えば1:5で用いることができる。
本発明のシステムでは、燃焼部13であるバーナーで燃焼させた高温の燃焼ガスを、リフォーマ1を出た燃焼排ガスの一部を用いて希釈し、温度を下げてから多管式反応部(11、12)に供給するため、リフォーマ1内の温度分布が均一化して安定する。
【0018】
図2に、本発明の水素製造システムが好適に用いられる水素分離型リフォーマ1を示す。図2(a)は、側面からみた断面図であり、(b)は、同じリフォーマを前面からみた断面を示す図である。
本リフォーマ1では、複数の反応管20に、改質触媒が充填されるとともに水素分離膜で区切られた水素透過部が設けられており、多管式反応部を形成している。反応管20の近傍には、反応管を加熱するための燃焼ガス通路24が備えられている。リフォーマ1の下部に設けられたラインバーナ22(燃焼部)からは、その上部の多管式反応部内の反応管に燃焼ガスが送られる。同時に、リフォーマ1下部には、ラインバーナ22の近傍に、一列おきに燃焼排ガス導入口を有する二次空気導入ライン21が備えられている。なお、燃焼部13に設置するバーナはラインバーナに限定されるものではなく、例えば高流速バーナやフラットフレームバーナなどの各種バーナを使用することができる。
【0019】
図2のリフォーマでは、多管式反応部の下部に仕切板25が設けられている。この仕切板25の下部は、燃焼排ガス混合部となる。この燃焼排ガス混合部では、燃焼部(ラインバーナ)22から出る燃焼ガスが、多管式反応部に至る前に、燃焼排ガス導入口21から供給される燃焼排ガスと混合される。これによって、上部の反応管を通る混合ガス温度は均一化され、高温の燃焼ガスが直接反応管20に到達するのを確実に回避することができる。そして、触媒層を満遍なく、反応温度に加熱して、反応管20全体で反応を進行させることができる。
【0020】
図3および図4に、本発明が好適に用いられるシステムの一例を示す。
図3のシステムでは、スチーム用の供給水は、リフォーマ1で生成した水素ガスの熱で予熱してから、ボイラ2に送られる。熱交換器9の予熱によって、供給水はボイラの前段で加熱される。ボイラ2では、炭化水素ガスの一部と空気を燃焼させる熱によって、供給水を蒸発させて、スチームを製造する。スチームは加圧下高温となり、ボイラ出口でのスチームの温度は約185℃程度である。スチームは、混合ガス予熱器6(熱交換器)へ送られ、原料ガスである炭化水素とともに導入されて混合ガスとして、リフォーマ1から出る燃焼排ガスによって予熱される。
予熱された混合ガスは、プロセスガスとして水素分離型リフォーマ1の触媒層11に導入される。このように予熱するのは、リフォーマ1では、500〜600℃で改質反応を行う必要があるからである。
【0021】
本システムで用いられる水素分離型リフォーマ1は、反応管内に、炭化水素ガスおよびスチームを原料に水蒸気改質反応を行う改質触媒11が充填されている。この反応管には、水素分離膜12で区切られた水素透過部14が設けられている。反応管の外側、例えば下部や上部には、燃焼部13が備えられ、また燃焼ガス通路15が備えられている。
触媒層11での水蒸気改質反応によって生成した水素ガスについては、水素分離膜12を通して透過部14に抜き出される。透過部14に貯まった水素ガスは、高純度の水素ガスとしてリフォーマ1から排出される。この分離した水素ガスは500℃程度の高温なので、後段の熱交換器を通して冷却する。
この際、水素ガスは、ボイラ2で燃焼するための空気を予熱させるために、ボイラ用空気予熱器8(熱交換器)を通る。次いで、水素ガスは、上記したボイラへの供給水を予熱するために、水予熱器9(熱交換器)を通る。また水素ガスは、必要に応じて、製品である水素ガスの温度(例えば40〜50℃)を適切なものにするために、冷却水を通す冷却用熱交換器10を通す。
【0022】
一方、本実施の形態のシステムでは、オフガス回収工程にて、水素製造工程から出るオフガスを冷却した後、オフガス中の水成分とガス成分とを気液分離してから、ガス成分のみを水素製造工程における燃焼に用いることもできる。
具体的には、触媒層11を出たオフガス約500℃は、燃焼部13へ送られる一次空気をバーナ用空気予熱器3(熱交換器)にて予熱することによって、約100℃程度まで温度を下げる。このオフガスは、冷却水を通す冷却用熱交換器4を通してさらに70〜80℃程度に冷却する。次いで、気液分離器5にて約50℃程度にて、水とガス成分とに分離する。水成分はボイラへの給水もしくは排水となり、残りのガス成分はリフォーマ1を加熱する燃焼成分として、燃焼部13に送られる。
上記したような本実施の形態のシステムでは、システム内において発生する廃熱を有効に利用することで、システム全体の熱効率を高めることができる。
また、図4のシステムでは、ボイラ2からの排ガスもリフォーマ1の熱に利用することによって、熱効率を向上させることができる。
【0023】
【発明の効果】
本発明のシステムによれば、多管式反応管を有するシステムにおいて、燃焼ガスによる反応管の加熱を均一に行い、リフォーマ内での温度分布を均一化して水蒸気改質反応を触媒層全体で安定的に実施することができる。また、燃焼排ガスを循環させるシステムとすることにより、廃熱を有効に回収できるため、システム全体の熱効率が高い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の水素製造システムの構成を、模式的に示すシステム図である。
【図2】本発明のシステムに好適に用いられる、多管式反応部を有する水素分離型リフォーマの一例を示す構成図である。
【図3】本発明の水素製造システムの一例を、模式的に示す構成図である。
【図4】本発明の水素製造システムの他の一例を、模式的に示す構成図である。
【符号の説明】
1 水素分離型リフォーマ
2 ボイラ
3 バーナ用空気予熱器(熱交換器)
4 熱交換器
5 気液分離器
6 混合ガス予熱器(熱交換器)
7 熱交換器
8 ボイラ用空気予熱器(熱交換器)
9 水予熱器(熱交換器)
10 熱交換器
11 改質触媒層
12 水素分離膜
13 燃焼部(バーナ)
14 水素透過部
15 燃焼ガス通路
16 熱交換器
17 ブロワ
20 反応管
21 二次空気導入ライン(燃焼排ガス導入口)
22 ラインバーナ(燃焼部)
23 ガスライン
24 燃焼ガス通路
25 仕切板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a hydrogen production system, and more particularly to a hydrogen production system suitably used when a hydrogen separation type reformer has a convection heat transfer type multi-tube reactor.
[0002]
[Prior art]
In a hydrogen production system using a hydrogen separation type reformer, a raw material gas consisting of hydrocarbons such as methane and methanol and oxygenated hydrocarbons is mainly decomposed into hydrogen and carbon dioxide by a steam reforming reaction and a CO shift reaction. The separated hydrogen is selectively separated through a hydrogen separation membrane built in the reformer. As the hydrogen separation membrane, for example, a membrane made of palladium, a palladium alloy, or the like is used.
[0003]
In a conventional hydrogen production system, combustion exhaust gas discharged from a reformer is exhausted by a vent after being used for preheating a source gas (for example, see Patent Document 1).
A multiplex cylindrical reformer is also known as a hydrogen production system, but is a device that performs heating mainly by radiant heat transfer (for example, Patent Document 2).
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3035038 [Patent Document 2]
JP-A-7-109104 [0005]
In the case of a multi-cylindrical reformer, heat input cannot be expected because the thickness of the inner cylinder increases as the shape increases, and the heat transfer area cannot be increased in the reformer.
On the other hand, there is a reformer using a multi-tube type reaction tube.However, when a reformer having a convection heat transfer type multi-tube type reaction tube is used in such a conventional system, the high temperature from the combustion section is high. The combustion gas locally heats a part of the reaction tube, and the temperature of the reaction tube in the vicinity of the combustion part may exceed 700 ° C., for example. The hydrogen separation membrane constituting a part of the reaction tube needs to be used at a temperature of 600 ° C. or less, preferably 550 ° C. or less in view of the durability of the membrane, and cannot withstand locally generated heating.
On the other hand, if the combustion is performed so that the temperature of the reaction tube in the vicinity of the combustion section is suppressed to 700 ° C. or less, the steam reforming reaction proceeds only in a part of the reaction tube, and the reaction efficiency is significantly reduced. On the other hand, when the high-temperature combustion gas is diluted using secondary air that does not participate in combustion, the thermal efficiency of the system decreases even if the temperature decreases.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above problems, the present inventors have found that, in a hydrogen production system having a multitubular reaction tube, in particular, the reaction tube is uniformly heated by the combustion gas, and the temperature distribution in the reformer is made uniform to perform steam reforming. We studied diligently to develop a hydrogen production system that can stably carry out the reaction over the entire catalyst layer and improve the thermal efficiency of the system.
As a result, the present inventors have found that the above problem can be solved by introducing the combustion exhaust gas into the reformer again through a circulation line using a blower or the like. The present invention has been completed from such a viewpoint.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention provides a hydrogen separation type reformer, and a combustion exhaust gas circulation line that circulates a part of the combustion exhaust gas from the hydrogen separation type reformer via a blower and returns the combustion exhaust gas from the combustion exhaust gas inlet to the reformer. And a hydrogen production system including the same. In the hydrogen separation type reformer of the present invention, a plurality of reaction tubes filled with a reforming catalyst are provided with a hydrogen permeable portion separated by a hydrogen separation membrane, and a combustion gas passage is provided for heating the reaction tubes. A multitubular reaction section, a combustion section for generating combustion gas for heating the multitubular reaction section, and a combustion exhaust gas inlet for introducing combustion exhaust gas in the vicinity of the combustion section. In this reformer, since the combustion exhaust gas inlet is provided near the burner, which is a combustion section, local heating of the reaction tube near the burner can be effectively prevented. In this system, a part of the combustion exhaust gas discharged from the reformer is recycled and circulated to the reformer by using a blower, thereby making the temperature distribution in the reformer uniform.
[0008]
In the hydrogen-separated reformer, the combustion gas emitted from the combustion section is mixed with the combustion exhaust gas and the combustion gas supplied from the combustion exhaust gas introduction section at a stage before reaching the multitubular reaction section. Can be provided. Various forms of the combustion mixing section are conceivable, for example, inside the reformer, a mode in which a porous partition plate is divided into a multitubular reaction tube section and a combustion mixing section, or a combustion exhaust gas mixing apparatus is separately installed, From there, the mixed gas is supplied to the reaction section.
[0009]
In addition, the hydrogen production system of the present invention can further include a boiler that introduces and combusts a part of the hydrocarbon gas used for the steam reforming reaction together with air, and heats water to produce steam. Here, the heating gas used in the boiler can be added to the flue gas circulation line as a part of the flue gas.
In addition, the hydrogen production system of the present invention may further include a gas-liquid separator that cools off gas discharged from the hydrogen separation type reformer and separates a water component and a gas component in the off gas.
[0010]
Further, in the hydrogen production system of the present invention, (1) a mode including a heat exchanger for preheating air to be burned in the combustion section with heat of off-gas discharged from the hydrogen separation type reformer, (2) the hydrocarbon gas And a heat exchanger for preheating a mixed gas obtained by mixing steam produced by the boiler with heat of the combustion exhaust gas discharged from the hydrogen separation type reformer. (3) The air separated by the boiler is subjected to the hydrogen separation. A form including a heat exchanger for preheating with the heat of the hydrogen gas from the mold reformer, or (4) a heat exchanger for preheating the water heated by the boiler with the heat of the hydrogen gas coming from the hydrogen separation type reformer. And the like can be used.
The thermal efficiency of the hydrogen production system can be improved by utilizing the thermal energy of the off-gas, the combustion exhaust gas, and the generated hydrogen gas from the reformer for preheating the components supplied to the reformer or the boiler. The combustion exhaust gas (about 500 ° C) from the reformer is used for preheating the process gas (mixed gas), and the product hydrogen gas (about 500 ° C) from the reformer exchanges heat with the water and combustion air supplied to the boiler. Preheating is preferred.
[0011]
According to the hydrogen production system of the present invention, in a system having a multitubular reaction tube, the reaction tube is uniformly heated by the combustion gas, the temperature distribution in the reformer is made uniform, and the steam reforming reaction is performed on the entire catalyst layer. And can be implemented stably. Then, there is no hot spot where the temperature locally rises in the reformer, and the device life of the reformer is extended.
In addition, in this system, it is possible to improve the thermal efficiency of the entire system by circulating the combustion exhaust gas, and the gas flow velocity is increased by increasing the amount of the combustion gas, and the convection heat transfer can be promoted. is there.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the hydrogen production system of the present invention will be described in detail.
The present invention provides a method for producing hydrogen by a steam reforming reaction using hydrocarbons such as city gas and steam as raw materials, and using a hydrogen separation membrane that selectively permeates only hydrogen to produce high-purity hydrogen. A separate reformer system is provided. As the raw material gas, city gas, methane, propane, kerosene, hydrocarbon such as dimethyl ether is used as the raw material gas.
The system of the present invention is a hydrogen production system combining a hydrogen separation type reformer and a combustion exhaust gas circulation line that circulates a part of the combustion exhaust gas from the hydrogen separation type reformer through the blower and returns it to the reformer. is there.
[0013]
FIG. 1 schematically shows a hydrogen production system of the present invention.
[0014]
In the reforming
CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO (Endothermic reaction) (1)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (exothermic reaction) (2)
Usually, this reaction is performed at 500 ° C. or higher, and is performed under a steam-rich condition in which the S / C (steam / carbon ratio), which is a molar ratio of water and carbon C of methane, is 2 or more. Since the reaction of the above (1) is an endothermic reaction, a higher temperature promotes the reaction.
On the other hand, as described above, the operating temperature of the
[0015]
Of the gas generated by the
The remaining gas mainly composed of carbon dioxide from which hydrogen has been taken out is recovered as an off-gas, cooled with cooling water or the like, introduced into the
[0016]
After that, a part of the flue gas is sent to the flue gas a circulation line after leaving the
This increases the rate of heat circulation in the system and improves the thermal efficiency of the system. It is preferable that the entire tube is heated in the range of usually 500 to 600 ° C. by the thermal energy of the combustion gas and the combustion exhaust gas.
[0017]
The combustion exhaust gas sent to the circulation line returns to the
In the system of the present invention, the high-temperature combustion gas burned by the burner as the
[0018]
FIG. 2 shows a hydrogen
In the
[0019]
In the reformer shown in FIG. 2, a
[0020]
3 and 4 show an example of a system in which the present invention is suitably used.
In the system shown in FIG. 3, the steam supply water is preheated by the heat of the hydrogen gas generated by the
The preheated mixed gas is introduced into the
[0021]
In the
Hydrogen gas generated by the steam reforming reaction in the
At this time, the hydrogen gas passes through a boiler air preheater 8 (heat exchanger) in order to preheat air for combustion in the boiler 2. Next, the hydrogen gas passes through a water preheater 9 (heat exchanger) to preheat the water supplied to the boiler. The hydrogen gas is passed through a
[0022]
On the other hand, in the system of the present embodiment, in the off-gas recovery step, after the off-gas discharged from the hydrogen production step is cooled, the water component and the gas component in the off-gas are separated into gas and liquid, and then only the gas component is produced by hydrogen. It can also be used for combustion in the process.
Specifically, the temperature of the off-gas of about 500 ° C. that has exited the
In the system according to the present embodiment as described above, the thermal efficiency of the entire system can be improved by effectively using the waste heat generated in the system.
Further, in the system shown in FIG. 4, the exhaust gas from the boiler 2 is also used for the heat of the
[0023]
【The invention's effect】
According to the system of the present invention, in a system having a multitubular reaction tube, the reaction tube is uniformly heated by the combustion gas, the temperature distribution in the reformer is made uniform, and the steam reforming reaction is stabilized throughout the catalyst layer. It can be implemented in practice. In addition, by using a system for circulating combustion exhaust gas, waste heat can be effectively recovered, so that the overall system has high thermal efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system diagram schematically showing a configuration of a hydrogen production system of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram showing an example of a hydrogen separation type reformer having a multitubular reaction section suitably used in the system of the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram schematically showing an example of the hydrogen production system of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram schematically showing another example of the hydrogen production system of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Hydrogen separation type reformer 2
4 heat exchanger 5 gas-
7
9 Water preheater (heat exchanger)
14 Hydrogen
22 Line burner (combustion unit)
23 gas line 24
Claims (4)
該水素分離型リフォーマから出る燃焼排ガスの一部を、ブロワを介して循環させて該燃焼排ガス導入口から当該リフォーマに戻す、燃焼排ガス循環ライン、
を含むことを特徴とする水素製造システム。A plurality of reaction tubes filled with the reforming catalyst are provided with a hydrogen permeable portion separated by a hydrogen separation membrane, and a combustion gas passage is provided for heating the reaction tubes. Generating a combustion gas that heats the multitubular reaction section, a combustion section, and a combustion exhaust gas introduction port for introducing combustion exhaust gas in the vicinity of the combustion section, a hydrogen separation type reformer, and
A flue gas circulation line for circulating a part of the flue gas discharged from the hydrogen separation type reformer through a blower and returning the flue gas from the flue gas inlet to the reformer;
A hydrogen production system comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003149117A JP4381033B2 (en) | 2003-05-27 | 2003-05-27 | Hydrogen production system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003149117A JP4381033B2 (en) | 2003-05-27 | 2003-05-27 | Hydrogen production system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004352528A true JP2004352528A (en) | 2004-12-16 |
| JP4381033B2 JP4381033B2 (en) | 2009-12-09 |
Family
ID=34045314
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003149117A Expired - Fee Related JP4381033B2 (en) | 2003-05-27 | 2003-05-27 | Hydrogen production system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4381033B2 (en) |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010240637A (en) * | 2009-03-14 | 2010-10-28 | Tokyo Gas Co Ltd | Hydrogen separation system using Nb membrane and 5A group metal alloy membrane of periodic table |
| US11322766B2 (en) | 2020-05-28 | 2022-05-03 | Saudi Arabian Oil Company | Direct hydrocarbon metal supported solid oxide fuel cell |
| CN115264380A (en) * | 2022-05-26 | 2022-11-01 | 合肥通用机械研究院有限公司 | A liquid hydrogen station with an implicit high-pressure precooling/cooling storage unit and its operation method |
| US11492255B2 (en) | 2020-04-03 | 2022-11-08 | Saudi Arabian Oil Company | Steam methane reforming with steam regeneration |
| US11492254B2 (en) | 2020-06-18 | 2022-11-08 | Saudi Arabian Oil Company | Hydrogen production with membrane reformer |
| US11578016B1 (en) | 2021-08-12 | 2023-02-14 | Saudi Arabian Oil Company | Olefin production via dry reforming and olefin synthesis in a vessel |
| US11583824B2 (en) | 2020-06-18 | 2023-02-21 | Saudi Arabian Oil Company | Hydrogen production with membrane reformer |
| US11617981B1 (en) | 2022-01-03 | 2023-04-04 | Saudi Arabian Oil Company | Method for capturing CO2 with assisted vapor compression |
| US11639290B2 (en) | 2020-06-04 | 2023-05-02 | Saudi Arabian Oil Company | Dry reforming of methane with carbon dioxide at elevated pressure |
| US11718575B2 (en) | 2021-08-12 | 2023-08-08 | Saudi Arabian Oil Company | Methanol production via dry reforming and methanol synthesis in a vessel |
| US11787759B2 (en) | 2021-08-12 | 2023-10-17 | Saudi Arabian Oil Company | Dimethyl ether production via dry reforming and dimethyl ether synthesis in a vessel |
| US11999619B2 (en) | 2020-06-18 | 2024-06-04 | Saudi Arabian Oil Company | Hydrogen production with membrane reactor |
| US12220666B2 (en) | 2021-01-12 | 2025-02-11 | Saudi Arabian Oil Company | Ultrathin membrane fabrication |
| US12258272B2 (en) | 2021-08-12 | 2025-03-25 | Saudi Arabian Oil Company | Dry reforming of methane using a nickel-based bi-metallic catalyst |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101907396B1 (en) * | 2016-10-20 | 2018-10-18 | 한국에너지기술연구원 | The Oxyfuel Furnace having oxygen supply function |
-
2003
- 2003-05-27 JP JP2003149117A patent/JP4381033B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010240637A (en) * | 2009-03-14 | 2010-10-28 | Tokyo Gas Co Ltd | Hydrogen separation system using Nb membrane and 5A group metal alloy membrane of periodic table |
| US12084346B2 (en) | 2020-04-03 | 2024-09-10 | Saudi Arabian Oil Company | Steam methane reforming with steam regeneration |
| US11492255B2 (en) | 2020-04-03 | 2022-11-08 | Saudi Arabian Oil Company | Steam methane reforming with steam regeneration |
| US11322766B2 (en) | 2020-05-28 | 2022-05-03 | Saudi Arabian Oil Company | Direct hydrocarbon metal supported solid oxide fuel cell |
| US11639290B2 (en) | 2020-06-04 | 2023-05-02 | Saudi Arabian Oil Company | Dry reforming of methane with carbon dioxide at elevated pressure |
| US11492254B2 (en) | 2020-06-18 | 2022-11-08 | Saudi Arabian Oil Company | Hydrogen production with membrane reformer |
| US11583824B2 (en) | 2020-06-18 | 2023-02-21 | Saudi Arabian Oil Company | Hydrogen production with membrane reformer |
| US11999619B2 (en) | 2020-06-18 | 2024-06-04 | Saudi Arabian Oil Company | Hydrogen production with membrane reactor |
| US12365587B2 (en) | 2020-06-18 | 2025-07-22 | Saudi Arabian Oil Company | Hydrogen production with membrane reactor |
| US12220666B2 (en) | 2021-01-12 | 2025-02-11 | Saudi Arabian Oil Company | Ultrathin membrane fabrication |
| US11578016B1 (en) | 2021-08-12 | 2023-02-14 | Saudi Arabian Oil Company | Olefin production via dry reforming and olefin synthesis in a vessel |
| US11718575B2 (en) | 2021-08-12 | 2023-08-08 | Saudi Arabian Oil Company | Methanol production via dry reforming and methanol synthesis in a vessel |
| US11787759B2 (en) | 2021-08-12 | 2023-10-17 | Saudi Arabian Oil Company | Dimethyl ether production via dry reforming and dimethyl ether synthesis in a vessel |
| US12258272B2 (en) | 2021-08-12 | 2025-03-25 | Saudi Arabian Oil Company | Dry reforming of methane using a nickel-based bi-metallic catalyst |
| US11617981B1 (en) | 2022-01-03 | 2023-04-04 | Saudi Arabian Oil Company | Method for capturing CO2 with assisted vapor compression |
| CN115264380B (en) * | 2022-05-26 | 2024-01-26 | 合肥通用机械研究院有限公司 | A liquid hydrogen station with an implicit high-pressure precooling/storage unit and its operation method |
| CN115264380A (en) * | 2022-05-26 | 2022-11-01 | 合肥通用机械研究院有限公司 | A liquid hydrogen station with an implicit high-pressure precooling/cooling storage unit and its operation method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4381033B2 (en) | 2009-12-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4336554B2 (en) | Steam reforming method | |
| EP1094030B1 (en) | Reforming method and apparatus for hydrogen production | |
| US9180419B2 (en) | Synthesis gas method and apparatus | |
| JP4381033B2 (en) | Hydrogen production system | |
| US7569085B2 (en) | System and method for hydrogen production | |
| JP4427173B2 (en) | Syngas production method | |
| JP2010513834A (en) | Heat transfer unit for steam generation and gas preheating | |
| US7481859B2 (en) | Process for cooling an exothermic reaction zone and reactor unit | |
| JP3035038B2 (en) | Hydrogen production method | |
| JP4043383B2 (en) | Membrane reactor and synthesis gas production method using the same | |
| JP3978016B2 (en) | Hydrogen production equipment | |
| KR20160045738A (en) | Multitube reformer for a hydrocarbon- and alcohol-reforming system and hydrocarbon- and alcohol-reforming system comprising same, and associated method | |
| JP4443858B2 (en) | Hydrogen production system and hydrogen production method | |
| JP2006097526A (en) | Temperature increasing device for on-vehicle type hydrogen production system | |
| JP3789677B2 (en) | Fuel cell reformer | |
| JP2002029705A (en) | Reforming device | |
| JP4227801B2 (en) | Hydrogen production apparatus and hydrogen production method | |
| JP2004115320A (en) | Reformer | |
| JP2004262691A (en) | Fuel reformer | |
| JP2006104007A (en) | Warming apparatus for vehicle-loadable hydrogen production system and warming method | |
| JP2004137116A (en) | Reformer | |
| JP5315801B2 (en) | Reformer | |
| JPS5973403A (en) | Reforming device for hydrocarbon gas | |
| JPH06305702A (en) | Method for starting gas reformer | |
| JP2733308B2 (en) | Apparatus and method for producing reformed gas containing hydrogen as a main component |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060327 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20090223 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090310 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090507 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20090828 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20090915 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121002 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4381033 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121002 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131002 Year of fee payment: 4 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313115 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |