JP2010280535A - Apparatus, method and program for producing hydrogen - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ジメチルエーテル(以下、DMEという)のような炭化水素系化合物を原料に用いる水素製造技術に関する。 The present invention relates to a hydrogen production technique using a hydrocarbon compound such as dimethyl ether (hereinafter referred to as DME) as a raw material.
現在、水素をエネルギー源とした燃料電池又は動力装置の実用化が推進されており、いくつかの有力な水素製造方法が提案されている。
なかでも、ジメチルエーテル(DME)の水蒸気改質による水素製造方法は、400℃以下の低温で水素発生が可能である点において好適である。
また、原料のDMEは、化学合成品であることから、天然ガスや液化石油ガスを原料とするときに問題となる硫黄などの不純物を含まず、これらの不純物を除去する必要が無い点においても好適である(例えば、特許文献1)。
さらに、反応温度が400℃以下という低温で水素を発生できることは、原子力発電プラントの廃熱利用を可能とし、水素製造コストを削減することができる(例えば、特許文献2)。
Currently, the practical use of fuel cells or power devices using hydrogen as an energy source is being promoted, and several promising hydrogen production methods have been proposed.
Especially, the hydrogen production method by steam reforming of dimethyl ether (DME) is preferable in that hydrogen can be generated at a low temperature of 400 ° C. or lower.
In addition, since the raw material DME is a chemically synthesized product, it does not contain impurities such as sulfur, which is a problem when natural gas or liquefied petroleum gas is used as a raw material, and it is not necessary to remove these impurities. It is suitable (for example, Patent Document 1).
Furthermore, the ability to generate hydrogen at a low reaction temperature of 400 ° C. or lower enables the use of waste heat from a nuclear power plant and reduces hydrogen production costs (for example, Patent Document 2).
そして、水素を燃料電池などの燃料として使用する場合、発生した水素を精製し、99.99%以上の高純度水素にする必要がある。
このために、DMEの水蒸気改質に伴う副生成物である二酸化炭素等を除去して水素を精製する工程が必須となっている(例えば、特許文献3)。
このように高純度に水素を精製する方法としては、一般的にPSA(圧力スイング吸着)法が使用されている。
このPSA法とは、不純物を吸着剤に吸着させて水素純度を上げ、吸着剤が不純物で満たされると、圧力を下げて吸着剤から不純物を脱着させて吸着剤の機能を回復させ、これを繰り返して連続的に高純度水素を得る技術である。
And when using hydrogen as fuels, such as a fuel cell, it is necessary to refine | purify the generated hydrogen and to make it high purity hydrogen of 99.99% or more.
For this reason, a process of purifying hydrogen by removing carbon dioxide or the like, which is a byproduct accompanying steam reforming of DME, is essential (for example, Patent Document 3).
As a method for purifying hydrogen in such a high purity, a PSA (pressure swing adsorption) method is generally used.
In this PSA method, impurities are adsorbed on the adsorbent to increase the hydrogen purity. When the adsorbent is filled with impurities, the pressure is lowered to desorb the impurities from the adsorbent to restore the function of the adsorbent. This is a technique for repeatedly and continuously obtaining high-purity hydrogen.
ところで、特許文献1,2に基づき製造された水素混合ガス中には、副生成物である二酸化炭素以外に、未反応DME、メタン及び一酸化炭素等が含まれている。
また、特許文献3に基づく水素の精製方法は、水素混合ガスに含まれる無機ガス成分が除去対象であり、炭化水素ガス成分(未反応DME)の除去は想定外となっている。
そして、特許文献3のような水素精製技術に、未反応のDMEなどの炭化水素ガス成分を含む水素混合ガスが供給されると、システム内部の吸着剤に、この炭化水素ガス成分が強く吸着し、その機能回復が困難になる問題がある。
By the way, in the hydrogen mixed gas manufactured based on patent document 1, 2, unreacted DME, methane, carbon monoxide, etc. are contained in addition to the carbon dioxide which is a by-product.
Further, in the hydrogen purification method based on Patent Document 3, the inorganic gas component contained in the hydrogen mixed gas is to be removed, and the removal of the hydrocarbon gas component (unreacted DME) is unexpected.
When a hydrogen mixed gas containing a hydrocarbon gas component such as unreacted DME is supplied to a hydrogen purification technique such as Patent Document 3, the hydrocarbon gas component is strongly adsorbed by the adsorbent inside the system. There is a problem that its functional recovery becomes difficult.
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、炭化水素ガス成分及び無機ガス成分を含む水素混合ガスから水素を効率的に精製させる水素製造技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a hydrogen production technique for efficiently purifying hydrogen from a hydrogen mixed gas containing a hydrocarbon gas component and an inorganic gas component.
本発明に係る水素製造装置は、炭化水素系化合物を原料に用いる水素発生部から出力された水素混合ガスを第1流路の分岐したいずれかの方向に流動させる第1開閉弁と、前記第1流路の分岐のそれぞれに並列接続され前記水素混合ガスに含まれる炭化水素ガス成分を吸着する第1吸着塔と、前記第1吸着塔から出力された水素混合ガスを第2流路の分岐したいずれかの方向に流動させる第2開閉弁と、前記第2流路の分岐のそれぞれに並列接続され前記水素混合ガスに含まれる無機ガス成分を吸着する第2吸着塔と、前記第1開閉弁又は第2開閉弁が前記流動の方向を切り替えた後で、この切り替え前に前記水素混合ガスが流動していた第1吸着塔又は第2吸着塔に、熱媒を通過させる熱媒開閉弁と、を備えることを特徴とするものである。 A hydrogen production apparatus according to the present invention includes a first on-off valve that causes a hydrogen mixed gas output from a hydrogen generation unit that uses a hydrocarbon-based compound as a raw material to flow in any direction branched from a first flow path, A first adsorption tower that is connected in parallel to each branch of one flow path and adsorbs a hydrocarbon gas component contained in the hydrogen mixed gas, and a hydrogen mixed gas output from the first adsorption tower is branched to the second flow path A second on-off valve that flows in either direction, a second adsorption tower that is connected in parallel to each branch of the second flow path and adsorbs an inorganic gas component contained in the hydrogen mixed gas, and the first on-off valve After the valve or the second opening / closing valve switches the flow direction, the heating medium opening / closing valve that allows the heating medium to pass through the first adsorption tower or the second adsorption tower in which the hydrogen mixed gas has flowed before the switching. And characterized by comprising
本発明によれば、炭化水素ガス成分及び無機ガス成分を含む水素混合ガスから水素を効率的に精製させる水素製造技術が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the hydrogen production technique which refine | purifies hydrogen efficiently from the hydrogen mixed gas containing a hydrocarbon gas component and an inorganic gas component is provided.
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図1に示すように水素製造装置10は、水素発生部11と、第1流路17と、第1精製部20と、第2流路18と、第2精製部30と、水素蓄積部12と、熱媒源13と、から構成されている。
このように構成される水素製造装置10は、水素発生部11で発生した水素混合ガスが第1流路17を経由して第1精製部20に導入される。そして、この第1精製部20を流動する過程において水素混合ガスに含まれる分子量の大きい不純物成分(炭化水素ガス成分)が除去される。
また、この第1精製部20を通過した水素混合ガスは、第2流路18を経由して、第2精製部30に導入される。そして、この第2精製部30を流動する過程において水素混合ガスに含まれる分子量の小さい不純物成分(無機ガス成分)が除去される。
このように、水素混合ガスから不純物成分が除去され、精製された高純度の水素ガスが水素蓄積部12に蓄積することになる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
As shown in FIG. 1, the
In the
The hydrogen mixed gas that has passed through the
Thus, impurity components are removed from the hydrogen mixed gas, and purified high-purity hydrogen gas accumulates in the
ところで、第1精製部20には複数の第1吸着塔21(21A,21B,21C)が並列に接続され、第2精製部30には複数の第2吸着塔31(31A,31B,31C)が並列に接続されている。
そして、水素発生部11から水素蓄積部12に向かって流動する水素混合ガスは、いずれか一つの第1吸着塔21及び第2吸着塔31を通過して高純度水素ガスに精製される。 また、連続的に水素混合ガスが流動して吸着した不純物成分が蓄積すると第1吸着塔21及び第2吸着塔31は、吸着機能が低下することになる。すると、第1流路17及び第2流路18は、水素混合ガスの流動方向を切り替えて、異なる他の第1吸着塔21及び第2吸着塔31を通過させるようにする。
そして、水素混合ガスの不純物成分を吸着して吸着機能が低下した第1吸着塔21及び第2吸着塔31は、熱媒源13から供給される熱媒により吸着機能が回復することになる。
By the way, a plurality of first adsorption towers 21 (21A, 21B, 21C) are connected in parallel to the
And the hydrogen mixed gas which flows toward the
Then, the adsorption function of the
水素発生部11は、炭化水素系化合物を原料として水素混合ガスを発生させるものである。この水素の発生プロセスは、反応式(1)に示すように、原料をジメチルエーテル(DME)として水蒸気改質によるものが挙げられるが、これに限定されるものでなく、炭化水素系化合物を原料とするものであれば適宜用いることができる。
なお、原料であるDMEは、反応式(2)に基づいてメタンから化学合成されるものであるために、未反応のメタンや、副反応式(3)に基づく一酸化炭素が含まれている。
このために、水素発生部11から出力される水素混合ガス中には、反応式(1)の副生成物である二酸化炭素以外に、未反応のDME、メタン及び一酸化炭素等が含まれている。
CH3OCH3 + 3H2O → 6H2 + 2CO2 (1)
2CH4 + O2 → CH3OCH3+ H2O (2)
CH4 + 1/2O2 → CO + 2H2 (3)
The
Since DME as a raw material is chemically synthesized from methane based on reaction formula (2), it contains unreacted methane and carbon monoxide based on side reaction formula (3). .
For this reason, the hydrogen mixed gas output from the
CH 3 OCH 3 + 3H 2 O → 6H 2 + 2CO 2 (1)
2CH 4 + O 2 → CH 3 OCH 3 + H 2 O (2)
CH 4 + 1 / 2O 2 → CO + 2H 2 (3)
第1精製部20は、並列に配列される複数の第1吸着塔21(21A,21B,21C)と、第1開閉弁22(22A,22B,22C)と、第1熱媒開閉弁23(23A,23B,23C)と、熱媒排気弁24(24A,24B,24C)と、エアパージ部14及び水素パージ部15のいずれか一方からのガス流動を開閉するガスパージ弁25(25A,25B,25C)とから構成されている。
このように構成される第1精製部20は、水素混合ガスに含まれる不純物のうちDMEなどの分子量の大きい物質を除去する。さらに、前記した各種弁の開閉動作により、並列に配列される複数の第1吸着塔21(21A,21B,21C)において、DME吸着工程、酸化分解工程、冷却工程の三つの工程を順番に実行するものである。
The
The
第1吸着塔21は、図2に示すように、第1吸着剤26が封入される第1封入管28と、この第1封入管28の両端を封止する一対の第1封止蓋29と、から構成されている。
このように構成される第1吸着塔21は、第1流路17(図1)の分岐した先端のそれぞれに並列接続され、水素混合ガスに含まれる炭化水素ガス成分(未反応DME)を第1吸着剤26で吸着・除去してから、この水素混合ガスを第2流路18(図1)に送るものである。
なお、図1において第1吸着塔21の配列数が三つであるのは例示であって、二つ以上に配列することができる。
As shown in FIG. 2, the
The
In addition, in FIG. 1, the number of arrangement | sequences of the
第1吸着剤26は、例えば、3〜5mmΦのペレット状の活性炭であるが、これに限定されるものではなく、通過する水素混合ガスから炭化水素ガス成分(未反応DME)を吸着する機能を有し、加熱により吸着成分を離脱させ吸着機能が回復するものであれば適宜採用することができる。
この第1吸着剤26に水素混合ガスを供給し続けると、炭化水素ガス成分(未反応DME)の吸着量が飽和状態に達し、水素混合ガスの吸着機能が低下する。
この場合、第1吸着剤26の温度を上昇させて吸着している炭化水素ガス成分(未反応DME)を脱離又は分解することができ、さらに、酸素含有ガス(エア)をパージすることにより、この分解反応を促進させることができる。
The first adsorbent 26 is, for example, pelletized activated carbon having a diameter of 3 to 5 mmΦ, but is not limited thereto, and has a function of adsorbing a hydrocarbon gas component (unreacted DME) from a passing hydrogen mixed gas. As long as it has an adsorbing component by heating and the adsorbing function is recovered, it can be appropriately employed.
If the hydrogen mixed gas is continuously supplied to the first adsorbent 26, the adsorption amount of the hydrocarbon gas component (unreacted DME) reaches a saturated state, and the adsorption function of the hydrogen mixed gas decreases.
In this case, the adsorbed hydrocarbon gas component (unreacted DME) can be desorbed or decomposed by raising the temperature of the first adsorbent 26, and further by purging the oxygen-containing gas (air) This decomposition reaction can be promoted.
第1封入管28は、円筒管が同心状に配置される二重管構造になっており、内側に封入される第1吸着剤26の外側にこの第1吸着剤26を加熱する熱媒を流動させる構造になっている。
第1封止蓋29は、第1封入管28の両端を封止して第1封入管28の内部を密閉状態に保持している。そして、水素混合ガスが流動する上流側の第1封止蓋29は、第1開閉弁22が設けられている第1流路17(図1)に接続し、下流側の第1封止蓋29は、第2精製部30に水素混合ガスを導く第2流路18(図1)に接続している。
The first enclosing
The
さらに、この下流側の第1封止蓋29には、エアパージ部14(図1)から供給される酸素含有ガス(エア)の流動を開閉するガスパージ弁25につながる流路が接続している。
そして、第1熱媒開閉弁23を開放状態にして熱処理を開始するのにあわせてこのガスパージ弁25が開いて、第1封入管28の内側に酸素含有ガス(エア)が導入される。
このエアは第1吸着剤26を通過して、吸着している炭化水素ガス成分(未反応DME)を酸化分解させるのに必要な酸素を供給し、この分解ガスは上流側の第1封止蓋29に接続する排気孔27から排気させる。
Further, a flow path connected to a
Then, the
This air passes through the
図1に示す第1開閉弁22(22A,22B,22C)は、常閉弁であっていずれか一つを開放状態にさせることにより、水素発生部11から出力された水素混合ガスを第1流路17の分岐したいずれかの方向に流動させるものである。
具体的に記述すると、第1開閉弁22Aを開放状態にして第1開閉弁22B,22Cを閉止状態とし、第1吸着塔21Aにのみ水素混合ガスを流動させる。そして、第1吸着塔21Aの吸着容量が飽和に達したところで、第1開閉弁22Bを開放状態にして第1開閉弁22A,22Cを閉止状態とし、第1吸着塔21Bにのみ水素混合ガスを流動させる。さらに、これを順番に繰り返す。
なお、第1吸着塔21の吸着容量が飽和に達したか否かを判定する方法としては、第2流路18を流れる水素混合ガスを分取して、残留する炭化水素ガス成分(未反応DME)の濃度を検査する方法や、第1吸着塔21を通過した水素混合ガスの量から判断する方法もある。
The first on-off valve 22 (22A, 22B, 22C) shown in FIG. 1 is a normally closed valve, and by opening any one of them, the hydrogen mixed gas output from the
More specifically, the first on-off
In addition, as a method of determining whether or not the adsorption capacity of the
第1熱媒開閉弁23(23A,23B,23C)は、常閉弁であって、第1開閉弁22が開放状態から閉止状態になって水素混合ガスが流動する方向が切り替わった後で、水素混合ガスの流動が停止した第1吸着塔21に対応する第1熱媒開閉弁23が開放状態に切り替わり熱媒を供給する。
つまり、第1熱媒開閉弁23は、水素混合ガスが流動して吸着容量が飽和した第1吸着塔21に、熱媒を通過させ第1吸着剤26(図2)に吸着したDMEを酸化分解させる。 ここで、第1熱媒開閉弁23の設けられた流路の最上流に位置する熱媒源13は、第1吸着剤26(活性炭)に吸着したDMEが酸化分解する温度の熱媒を供給するものであればよく、例えば、産業排熱や原子力発電プラントの発生熱を利用することができる。
The first heat medium opening / closing valve 23 (23A, 23B, 23C) is a normally closed valve, and after the first opening / closing
That is, the first heat medium opening / closing
熱媒排気弁24(24A,24B,24C)は、対応する第1熱媒開閉弁23(23A,23B,23C)に同期して開閉動作を行うものであって、第1吸着塔21を通過した後の熱媒を排出するものである。
この熱媒排気弁24より排出される熱媒は、活性炭の酸化熱により加熱されているので、その熱を水素発生部11又は第2吸着塔31(図示略)において再利用することができる。
The heat medium exhaust valve 24 (24A, 24B, 24C) opens and closes in synchronization with the corresponding first heat medium open / close valve 23 (23A, 23B, 23C), and passes through the
Since the heat medium discharged from the heat
ガスパージ弁25(25A,25B,25C)は、エアパージ部14及び水素パージ部15のいずれか一方からのガス流動を開閉する。
つまり、第1開閉弁22の開放状態/閉止状態が切り替わり、水素混合ガスの流動が別の第1吸着塔21に向かうのに同期して、この水素混合ガスの流動が停止した第1吸着塔21に対応するガスパージ弁25は閉止状態から開放状態に切り替わる。
The gas purge valve 25 (25A, 25B, 25C) opens and closes the gas flow from either the
That is, the first adsorbing tower in which the flow of the hydrogen mixed gas is stopped in synchronization with the flow of the hydrogen mixed gas toward another
ここで、ガスパージ弁25が開放状態になると、逆止弁(図示略)が設けられている排気孔27(図2)がパージガスの抜け道となる。
このようにパージガスの抜け道が形成されたところで、エアパージ部14の遮断弁14Aが開放状態となり、ガスパージ弁25が開放されている第1吸着塔21の内部に酸素含有ガス(エア)をパージする。
このエアパージにより、酸化分解した炭化水素ガス成分(未反応DME)は、第1吸着剤26から離脱して第1吸着塔21の外部に排出される。
Here, when the
When the purge gas escape path is thus formed, the
By this air purge, the oxidatively decomposed hydrocarbon gas component (unreacted DME) is released from the
このような処理により第1吸着剤26の機能が回復した後は、対応する第1熱媒開閉弁23を閉止状態に戻して熱媒の供給を停止し、さらに温度上昇した第1吸着塔21を冷却する。
この第1吸着塔21の冷却は、エアパージ部14の遮断弁14Aを閉止状態に戻し、水素パージ部15の遮断弁15Aを開放状態にして第1吸着剤26を水素パージすることにより行う。
そして、第1吸着塔21が充分に冷却され、その内部も水素で充分に置換されたところで、ガスパージ弁25は閉止状態に戻り、この第1吸着塔21は、次のDME吸着工程(第1開閉弁22が開放状態となる)の順番が巡回してくるまで待ち状態となる。
After the function of the
The cooling of the
Then, when the
図1に示すように、第2精製部30は、並列に配列される複数の第2吸着塔31(31A,31B,31C)と、第2開閉弁32(32A,32B,32C)と、第2熱媒開閉弁33(33A,33B,33C)と、熱媒排気路37(図3)と、水素パージ部15から供給される水素ガスの流動を開閉する水素パージ弁35(35A,35B,35C)と、吸引部16による減圧力を開閉する減圧弁36(36A,36B,36C)とから構成されている。
このように構成される第2精製部30は、DMEなどの分子量の大きい物質が除去された後の水素混合ガスに含まれる二酸化炭素及び一酸化炭素等の無機ガス成分並びにメタンガス、その他の低分子量ガスの不純物を除去する。
さらに、前記した各種弁の開閉動作により、並列に配列される複数の第2吸着塔31(31A,31B,31C)において、吸着工程、不純物除去工程、冷却工程の三つの工程を順番に実行するものである。
As shown in FIG. 1, the
The
Further, by the opening and closing operations of the various valves described above, the three steps of the adsorption step, the impurity removal step, and the cooling step are sequentially executed in the plurality of second adsorption towers 31 (31A, 31B, 31C) arranged in parallel. Is.
第2吸着塔31は、図3に示すように、第2吸着剤34(34A,34B,34C)が封入される第2封入管38と、この第2封入管38の両端を封止する一対の第2封止蓋39と、から構成されている。
このように構成される第2吸着塔31は、第2流路18(図1)の分岐した先端のそれぞれに並列接続され、水素混合ガスに含まれる無機ガス成分、その他の低分子ガス成分(二酸化炭素、一酸化炭素、メタン)を第2吸着剤34に吸着・除去してから、この水素混合ガスを水素蓄積部12に送るものである。
なお、図1において第2吸着塔31の配列数が三つであるのは例示であって、二つ以上に適宜配列することができる。
As shown in FIG. 3, the
The
In addition, in FIG. 1, the number of arrangement | sequences of the
第2吸着剤34(34A,34B,34C)は、例えば、1.5mmΦのペレット状のゼオライトであり、孔径の相違する複数層(図では三層)から構成されている。
そして第2吸着剤34を構成する各層は、水素混合ガスが流動する上流から下流に向かって、この孔径が小さくなるように充填される。
これにより、不純物のうち分子量の大きいものから順番に除去されるようになっている。
The second adsorbent 34 (34A, 34B, 34C) is, for example, pellets of 1.5 mmΦ, and is composed of a plurality of layers (three layers in the figure) having different pore diameters.
And each layer which comprises the 2nd adsorption agent 34 is filled so that this hole diameter may become small toward the downstream from the upstream where hydrogen mixed gas flows.
As a result, impurities having a higher molecular weight are removed in order.
なお第2吸着剤34の材質は、ゼオライトに限定されるものではなく、通過する水素混合ガスから無機ガス成分、その他の低分子ガス成分を吸着する機能を有し、加熱により吸着成分を離脱して吸着機能が回復されるものであれば適宜採用することができる。
この第2吸着剤34に水素混合ガスを供給し続けると、無機ガス成分、その他の低分子ガス成分の吸着量が飽和状態に達し、水素混合ガスの吸着機能が低下する。
この場合、第2吸着剤34の温度を上昇させて吸着している無機ガス成分、その他の低分子ガス成分を離脱させることができ、さらに、雰囲気を減圧することにより、この離脱を促進させることができる。
The material of the second adsorbent 34 is not limited to zeolite, and has a function of adsorbing inorganic gas components and other low-molecular gas components from the passing hydrogen mixed gas, and the adsorbing components are released by heating. As long as the adsorption function can be recovered, it can be adopted as appropriate.
If the hydrogen mixed gas is continuously supplied to the second adsorbent 34, the adsorption amount of the inorganic gas component and other low molecular gas components reaches a saturated state, and the adsorption function of the hydrogen mixed gas decreases.
In this case, by increasing the temperature of the second adsorbent 34, the adsorbed inorganic gas component and other low molecular gas components can be released, and further, the release is promoted by reducing the atmosphere. Can do.
第2封入管38は、内側に封入される第2吸着剤34の外側に熱媒を流動させるものである。
そして、水素混合ガスが流動する上流側の第2封止蓋39は、第2開閉弁32が設けられている流路に接続し、下流側の第2封止蓋39には、水素蓄積部12に水素混合ガスを導く流路に接続している。
さらに、上流側の第2封止蓋39は、第2熱媒開閉弁33を開放状態にするのにあわせて第2封入管38の内側を減圧させる吸引部16(図1)に接続している。
The
The upstream
Further, the
そして、第2熱媒開閉弁33が開放状態になって熱処理が開始されるのにあわせて減圧弁36が開いて、第2封入管38の内側の第2吸着剤34を高温・減圧雰囲気にさらすように構成されている。
このように、第2吸着剤34が高温・減圧雰囲気にさらされると、吸着している無機ガス成分、その他の低分子ガス成分は、離脱して吸引部16の方向に排出される。
さらに、この下流側の第2封止蓋39には、水素パージ部15から供給される水素ガスの流動を開閉する水素パージ弁35につながる流路が接続し、無機ガス成分等を離脱させた第2吸着剤34を水素パージする。
ここで、第2封入管38及び第2封止蓋39の構造は、それぞれ図2の第1封入管28及び第1封止蓋29の構造に対応しているので関連する記載を引用して詳細な説明を省略する。
Then, as the second heat medium opening / closing
As described above, when the second adsorbent 34 is exposed to a high temperature / depressurized atmosphere, the adsorbed inorganic gas components and other low molecular gas components are separated and discharged in the direction of the
Furthermore, a flow path connected to the
Here, the structures of the
図1に示す第2開閉弁32(32A,32B,32C)は、常閉弁であっていずれか一つを開放状態にさせることにより、第1吸着塔21から出力された水素混合ガスを第2流路18の分岐したいずれかの方向に流動させる。
具体的に記述すると、第2開閉弁32Aを開放状態にして第2開閉弁32B,32Cを閉止状態とし、第2吸着塔31Aにのみ水素混合ガスを流動させる。そして、第2吸着塔31Aの吸着容量が飽和に達したところで、第2開閉弁32Bを開放状態にして第2開閉弁32A,32Cを閉止状態とし、第2吸着塔31Bにのみ水素混合ガスを流動させる。さらに、これを順番に繰り返す。
なお、第2吸着塔31の吸着容量が飽和に達したか否かを判定する方法としては、水素蓄積部12に向かう水素ガスを分取して、残留する無機ガス成分、その他の低分子ガス成分の濃度を検査する方法や、第2吸着塔31を通過した水素混合ガスの量から判断する方法もある。
The second on-off valve 32 (32A, 32B, 32C) shown in FIG. 1 is a normally closed valve, and by opening any one of them, the hydrogen mixed gas output from the
More specifically, the second on-off
In addition, as a method for determining whether or not the adsorption capacity of the
第2熱媒開閉弁33(33A,33B,33C)は、常閉弁であって、第2開閉弁32が開放状態から閉止状態になって水素混合ガスが流動する方向が切り替わった後で、水素混合ガスの流動が停止した第2吸着塔31に対応する第2熱媒開閉弁33が開放状態に切り替わり熱媒を供給する。
つまり、第2熱媒開閉弁33は、水素混合ガスが流動して吸着容量が飽和した第2吸着塔31に、熱媒を通過させ、第2吸着剤34に吸着した無機ガス成分等を離脱させる。
ここで、第2熱媒開閉弁33の設けられた流路の最上流に位置する熱媒源13は、第2吸着剤34(ゼオライト)に吸着した無機ガス成分等を離脱させる温度(200℃程度)の熱媒を供給するものであればよく、例えば、産業排熱や原子力発電プラントの発生熱を利用することができる。
もしくは、第1吸着塔21を機能回復させる際の熱媒排気弁24からの排出ガスを利用することもできる。
The second heat medium opening / closing valve 33 (33A, 33B, 33C) is a normally closed valve, and after the second opening / closing
That is, the second heat medium opening / closing
Here, the
Alternatively, the exhaust gas from the heat
熱媒排気路37(図3)は、対応する第2熱媒開閉弁33から導入され、第2封入管38を通過した後の熱媒を排出するものである。
The heat medium exhaust passage 37 (FIG. 3) is introduced from the corresponding second heat medium opening / closing
減圧弁36(36A,36B,36C)は、吸引部16(図1)からの減圧力を開閉する。
つまり、第2開閉弁32の開放状態/閉止状態が切り替わり、水素混合ガスの流動が別の第2吸着塔31に向かうのに同期して、この水素混合ガスの流動が停止した第1吸着塔21に対応する減圧弁36は閉止状態から開放状態に切り替わる。
The pressure reducing valve 36 (36A, 36B, 36C) opens and closes the pressure reducing force from the suction unit 16 (FIG. 1).
In other words, the first adsorbing tower in which the flow of the hydrogen mixed gas is stopped in synchronization with the flow of the hydrogen mixed gas toward another
さらに、この減圧弁36が開放状態となるのに同期して、対応する第2熱媒開閉弁33が開放状態となり熱媒が第2吸着塔31に供給される。
このようにして、第2吸着剤34が高温・減圧下におかれることにより、吸着している無機ガス成分等(二酸化炭素等)は、離脱して第2吸着塔31の外部に排出される。
このときに、離脱した分子量の大きな無機ガス成分等が第2吸着剤34(図3)の孔径を塞がないように、第2吸着塔31の上流側から吸引部16による吸引を実施するようにする。
Further, in synchronization with the
In this way, when the second adsorbent 34 is placed at a high temperature and under reduced pressure, the adsorbed inorganic gas components and the like (such as carbon dioxide) are separated and discharged to the outside of the
At this time, suction by the
水素パージ弁35(35A,35B,35C)は、水素パージ部15から供給される水素ガスの流動を開閉する。
つまり、高温・減圧下で、第2吸着剤34に吸着機能が回復した後は、対応する第2熱媒開閉弁33を閉止状態に戻して熱媒の供給を停止し、加熱により温度上昇した第2吸着塔31を冷却する。
The hydrogen purge valve 35 (35A, 35B, 35C) opens and closes the flow of hydrogen gas supplied from the
That is, after the adsorption function has been restored to the second adsorbent 34 under high temperature and reduced pressure, the corresponding second heat medium opening / closing
この第2吸着塔31の冷却は、減圧弁36を閉止状態に戻し、水素パージ部15の遮断弁15B及び水素パージ弁35を開放状態にして第2吸着剤34に水素を供給することにより行う。また、第2吸着塔31の内部圧力が常圧にまで回復したあとは、さらに水素ガスのパージを継続させてもよい。
このときに、第2吸着剤34に残留している分子量の大きな無機ガス成分等が第2吸着剤34の孔径を塞がないように、第2吸着塔31の下流側から水素ガスパージを実施するようにする。
そして、第2吸着塔21が充分に冷却され、その内部も水素で充分に置換されたところで、水素パージ弁35は閉止状態に戻り、この第2吸着塔31は、次の吸着工程(第2開閉弁32が開放状態となる)の順番が巡回してくるまで待ち状態となる。
The cooling of the
At this time, a hydrogen gas purge is performed from the downstream side of the
Then, when the
図4のフローチャート(適宜図1参照)に基づいて本実施形態に係る水素製造方法を説明する。
まず、炭化水素系化合物(DME)を原料に用いて水素発生部11から水素混合ガスを出力させる(S11)。そして、第1流路17の分岐した先端に並列接続される第1吸着塔21のいずれかに水素混合ガスを流動させる(S12;第1流動ステップ)。
The hydrogen production method according to this embodiment will be described based on the flowchart of FIG. 4 (see FIG. 1 as appropriate).
First, a hydrogen mixed gas is output from the
これにより、水素混合ガスは、第1吸着塔21を通過する際に、含まれる炭化水素ガス成分が吸着・除去される(S13No;第1吸着ステップ)。
そして、第1吸着塔21を通過した後の水素混合ガスは、第2流路18の分岐した先端に並列接続される第2吸着塔31のいずれかを流動する(S16;第2流動ステップ)。
Thereby, when hydrogen mixed gas passes the
Then, the hydrogen mixed gas after passing through the
一方で、第1吸着塔21における炭化水素ガス成分の吸着が飽和状態に達した場合は(S13Yes)、水素混合ガスの流動方向を切り替えて別の第1吸着塔21を流動させてから(S14)、第2吸着塔31を流動させる(S16;第2流動ステップ)。
これと並行して、水素混合ガスの流動が停止した元の第1吸着塔21に熱媒を通過させて吸着機能を回復させる(S15;熱媒流動ステップ)。
On the other hand, when the adsorption of the hydrocarbon gas component in the
In parallel with this, the heat medium is passed through the original
第1吸着塔21から出力された後、水素混合ガスは、第2吸着塔31を通過する際に、含まれる無機ガス成分が吸着・除去される(S17No;第2吸着ステップ)。
そして、第2吸着塔31を通過した後の水素混合ガスは、水素蓄積部12に蓄積されることになる(S20)。
After being output from the
Then, the hydrogen mixed gas after passing through the
一方で、第2吸着塔31における無機ガス成分の吸着が飽和状態に達した場合は(S17Yes)、水素混合ガスの流動方向を切り替えて別の第2吸着塔31を流動させてから(S18)、水素蓄積部12に蓄積されることになる(S20)。
これと並行して、水素混合ガスの流動が停止した元の第2吸着塔31に熱媒を通過させて吸着機能を回復させる(S19;熱媒流動ステップ)。
そして、このS11からS20までのルーチンが水素発生部11における水素混合ガスの生成が停止されるまで継続する(S21)。
On the other hand, when the adsorption of the inorganic gas component in the
In parallel with this, the heat medium is passed through the original
The routine from S11 to S20 is continued until the generation of the hydrogen mixed gas in the
次に、本発明の効果を確認した実施例について説明する。
水素発生部11において発生した水素混合ガスに相当するものとして、水素73%、DME5%、二酸化炭素23%、メタン50ppm、一酸化炭素50ppmの組成の模擬ガスを作製した。
第1吸着塔21に相当するものとして3〜5mmΦのペレット状の活性炭30gを封入した容器(活性炭塔)を作製した。
第2吸着塔31に相当するものとして、東ソー(株)製の1.5mmΦのペレット状のゼオライト3種類、ゼオラムHAを18g、ゼオラム500Aを9g、ゼオラム600Aを65gとして上段から順番に充填した容器(ゼオライト塔)を作製した(「ゼオラム」は登録商標)。
Next, examples in which the effects of the present invention have been confirmed will be described.
A simulated gas having a composition of 73% hydrogen, 5% DME, 23% carbon dioxide, 50 ppm methane, and 50 ppm carbon monoxide was produced as the hydrogen mixed gas generated in the
A container (activated carbon tower) in which 30 g of pelletized activated carbon having a diameter of 3 to 5 mmΦ was enclosed as an equivalent to the
Corresponding to the
活性炭塔とゼオライト塔とを直列に接続して、模擬ガスを活性炭塔の側から60ml/minで30分間供給し、ゼオライト塔の側から出力されるガスを採取した。
この採取されたガスのガス濃度は、水素濃度99.99%以上、その他の成分は1ppm以下という結果であった。
The activated carbon tower and the zeolite tower were connected in series, the simulated gas was supplied from the activated carbon tower side at 60 ml / min for 30 minutes, and the gas output from the zeolite tower side was collected.
The gas concentration of the collected gas was 99.99% or more for hydrogen concentration and 1 ppm or less for other components.
次に、吸着機能の回復処理として、活性炭塔を200℃で加熱し、ゼオライト塔を0.07MPaの減圧下において200℃で加熱した。その後、冷却して、水素を50ml/minで供給し活性炭塔及びゼオライト塔の内部を水素ガスにより置換した。
このような熱処理を実施した後、先ほどと同じ条件で模擬ガスを活性炭塔の側から60ml/minで30分間供給し、ゼオライト塔の側から出力されるガスを採取した。
この採取されたガスのガス濃度は、熱処理前の結果と同じ水素濃度99.99%以上、その他の成分は1ppm以下ということであった。
これにより、活性炭塔及びゼオライト塔を直列に設け、これらを熱処理して吸着機能を回復させることにより高純度の水素を繰り返し製造することができる生産効率の高い水素製造装置が提供されることが実証された。
Next, as a recovery process of the adsorption function, the activated carbon tower was heated at 200 ° C., and the zeolite tower was heated at 200 ° C. under a reduced pressure of 0.07 MPa. Then, it cooled, hydrogen was supplied at 50 ml / min, and the inside of the activated carbon tower and the zeolite tower was substituted with hydrogen gas.
After performing such heat treatment, a simulated gas was supplied from the side of the activated carbon tower at 60 ml / min for 30 minutes under the same conditions as before, and the gas output from the side of the zeolite tower was collected.
The gas concentration of the collected gas was 99.99% or more of the same hydrogen concentration as the result before the heat treatment, and 1 ppm or less for other components.
As a result, it is proved that an activated carbon tower and a zeolite tower are provided in series, and a high-efficiency hydrogen production apparatus capable of repeatedly producing high-purity hydrogen by heat treating them to recover the adsorption function is demonstrated. It was done.
<比較例>
次に比較例として、活性炭塔を用いずゼオライト塔のみで、模擬ガスの水素精製を試みる。
図5は、比較例におけるゼオライト塔から出力されるガスにおけるDME濃度の時間変化を示している。ここで、▽印で示される時点の直前において、ゼオライト塔の吸着容量が飽和に達し、▽印で示される時点においてゼオライト塔の熱処理が実行されている。
なお、図5における縦軸、及び横軸はそれぞれ任意スケールで示されている。
<Comparative example>
Next, as a comparative example, hydrogen purification of the simulated gas is attempted using only the zeolite tower without using the activated carbon tower.
FIG. 5 shows the time change of the DME concentration in the gas output from the zeolite tower in the comparative example. Here, immediately before the time point indicated by ▽, the adsorption capacity of the zeolite tower reaches saturation, and the heat treatment of the zeolite tower is performed at the time point indicated by 印.
In addition, the vertical axis | shaft and horizontal axis | shaft in FIG. 5 are each shown by the arbitrary scale.
図5によると、比較例においてDME濃度は、試験開始直後から吸着容量が飽和に達するまでは、実施例と遜色のない結果を示している。しかし、一度、吸着容量が飽和するとその後、熱処理をしてもゼオライト塔の吸着機能は回復していない。
一方、実施例のように活性炭容器がゼオラム容器の前段に直列に接続されている場合は、熱処理によって、図5における試験開始直後と同じDME濃度の軌跡が繰り返されることが確かめられている。
According to FIG. 5, in the comparative example, the DME concentration shows a result comparable to that of the example from the start of the test until the adsorption capacity reaches saturation. However, once the adsorption capacity is saturated, the adsorption function of the zeolite tower has not recovered even after heat treatment.
On the other hand, when the activated carbon container is connected in series with the preceding stage of the zeolite container as in the example, it has been confirmed that the same DME concentration trajectory is repeated by the heat treatment as in FIG.
本発明は前記した実施形態に限定されるものでなく、共通する技術思想の範囲内において、適宜変形して実施することができる。
例えば、水素製造装置におけるガス流動を規定する弁の配列は、実施形態に示されたものに限定されるものでなく、所望のガス流動を実現させるものであれば適宜採用される。また、ガス流動の切り替えもそのような弁の開閉動作に基づくものに限定されるものでもない。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be appropriately modified and implemented within the scope of the common technical idea.
For example, the arrangement of the valves that regulate the gas flow in the hydrogen production apparatus is not limited to that shown in the embodiment, and may be appropriately adopted as long as a desired gas flow is realized. Further, the switching of the gas flow is not limited to that based on such valve opening / closing operation.
そのようなガス流動を切り替えるための弁の種類、及びその開閉操作については、公知のものが適用される。また、この弁制御の操作主体が、コンピュータであって、プラグラムに基づいて指定された弁の開閉動作を実行するものである場合も含まれる。
なお、記載を省略しているが、各流路には、逆流を防止するための逆止弁が適宜設けられている。
Known types of valves for switching the gas flow and their opening / closing operations are applied. In addition, the case where the operating subject of the valve control is a computer and executes a valve opening / closing operation designated based on a program is also included.
In addition, although description is abbreviate | omitted, in each flow path, the check valve for preventing a backflow is provided suitably.
10…水素製造装置、11…水素発生部、12…水素蓄積部、13…熱媒源、14…エアパージ部、14A…遮断弁、15…水素パージ部、15A…遮断弁、15B…遮断弁、16…吸引部、17…第1流路、18…第2流路、20…第1精製部、21(21A,21B,21C)…第1吸着塔、22(22A,22B,22C)…第1開閉弁、23(23A,23B,23C)…第1熱媒開閉弁(熱媒開閉弁)、24…熱媒排気弁、25…ガスパージ弁、26…第1吸着剤、27…排気孔、28…第1封入管、29…第1封止蓋、30…第2精製部、31(31A,31B,31C)…第2吸着塔、32(32A,32B,32C)…第2開閉弁、33(33A,33B,33C)…第2熱媒開閉弁(熱媒開閉弁)、34(34A,34B,34C)…第2吸着剤、35…水素パージ弁、36…減圧弁、37…熱媒排気路、38…第2封入管、39…第2封止蓋。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記第1流路の分岐のそれぞれに並列接続され前記水素混合ガスに含まれる炭化水素ガス成分を吸着する複数の第1吸着塔と、
前記第1吸着塔から出力された水素混合ガスを第2流路の分岐したいずれかの方向に流動させる第2開閉弁と、
前記第2流路の分岐のそれぞれに並列接続され前記水素混合ガスに含まれる無機ガス成分を吸着する複数の第2吸着塔と、
前記第1開閉弁又は第2開閉弁が前記流動の方向を切り替えたことにより前記水素混合ガスの流動が停止した第1吸着塔又は第2吸着塔に、熱媒を通過させる熱媒開閉弁と、を備えることを特徴とする水素製造装置。 A first on-off valve for flowing a hydrogen mixed gas output from a hydrogen generation unit using a hydrocarbon-based compound as a raw material in any direction branched from the first flow path;
A plurality of first adsorption towers connected in parallel to each of the branches of the first flow path to adsorb hydrocarbon gas components contained in the hydrogen mixed gas;
A second on-off valve that causes the hydrogen mixed gas output from the first adsorption tower to flow in any direction branched from the second flow path;
A plurality of second adsorption towers connected in parallel to each of the branches of the second flow path and adsorbing inorganic gas components contained in the hydrogen mixed gas;
A heating medium opening / closing valve for allowing a heating medium to pass through the first adsorption tower or the second adsorption tower in which the flow of the hydrogen mixed gas is stopped by switching the flow direction of the first opening / closing valve or the second opening / closing valve; A hydrogen production apparatus comprising:
内側に封入される第1吸着剤の外側に前記熱媒を流動させる第1封入管と、
前記熱媒開閉弁を開放状態にするのにあわせて前記第1封入管の内側に酸素含有ガスをパージさせるガスパージ弁に接続する第1封止蓋と、を有する請求項1に記載の水素製造装置。 The first adsorption tower is
A first enclosing tube for allowing the heat medium to flow outside the first adsorbent encapsulated inside;
2. The hydrogen production according to claim 1, further comprising: a first sealing lid connected to a gas purge valve that purges oxygen-containing gas inside the first sealed pipe in accordance with opening the heat medium opening / closing valve. apparatus.
内側に封入される第2吸着剤の外側に前記熱媒を流動させる第2封入管と、
前記熱媒開閉弁を開放状態にするのにあわせて前記第2封入管の内側を減圧させる吸引部に接続する第2封止蓋と、を有する請求項1又は請求項2に記載の水素製造装置。 The second adsorption tower is
A second enclosing tube for allowing the heat medium to flow outside the second adsorbent encapsulated inside;
3. The hydrogen production according to claim 1, further comprising: a second sealing lid connected to a suction unit that depressurizes the inside of the second enclosure tube in accordance with opening the heat medium opening / closing valve. apparatus.
前記第1開閉弁又は第2開閉弁が前記流動の方向を切り替えたことにより前記水素混合ガスの流動が停止した第1吸着塔又は第2吸着塔に水素ガスをパージさせるパージ弁を、備える請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の水素製造装置。 The first adsorption tower or the second adsorption tower is
A purge valve for purging the hydrogen gas to the first adsorption tower or the second adsorption tower in which the flow of the hydrogen mixed gas has stopped due to the first on-off valve or the second on-off valve switching the flow direction. The hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 3.
前記第1流路の分岐のそれぞれに並列接続される複数の第1吸着塔のいずれかに前記水素混合ガスを通過させて含まれる炭化水素ガス成分を吸着させる第1吸着ステップと、
前記第1吸着塔を通過した後の前記水素混合ガスを第2流路の分岐したいずれかの方向に流動させる第2流動ステップと、
前記第2流路の分岐のそれぞれに並列接続される複数の第2吸着塔のいずれかに前記水素混合ガスを通過させて含まれる無機ガス成分を吸着させる第2吸着ステップと、
前記第1流動ステップ又は第2流動ステップにおいて前記流動の方向を切り替えたことにより前記水素混合ガスの流動が停止した第1吸着塔又は第2吸着塔に、熱媒を通過させる熱媒流動ステップと、を含むことを特徴とする水素製造方法。 A first flow step for flowing a hydrogen mixed gas output from a hydrogen generation section using a hydrocarbon-based compound as a raw material in any direction branched from the first flow path;
A first adsorption step of adsorbing a hydrocarbon gas component contained by passing the hydrogen mixed gas through any of a plurality of first adsorption towers connected in parallel to each of the branches of the first flow path;
A second flow step of flowing the hydrogen mixed gas after passing through the first adsorption tower in any direction branched from the second flow path;
A second adsorption step of adsorbing the inorganic gas component contained by passing the hydrogen mixed gas through any of a plurality of second adsorption towers connected in parallel to each of the branches of the second flow path;
A heat medium flow step for passing a heat medium through the first adsorption tower or the second adsorption tower in which the flow of the hydrogen mixed gas is stopped by switching the flow direction in the first flow step or the second flow step; The hydrogen production method characterized by including these.
炭化水素系化合物を原料に用いる水素発生部から出力された水素混合ガスを第1流路の分岐したいずれかの方向に流動させる第1流動手段、
前記第1流路の分岐のそれぞれに並列接続される複数の第1吸着塔のいずれかに前記水素混合ガスを通過させて含まれる炭化水素ガス成分を吸着させる第1吸着手段、
前記第1吸着塔を通過した後の前記水素混合ガスを第2流路の分岐したいずれかの方向に流動させる第2流動手段、
前記第2流路の分岐のそれぞれに並列接続される複数の第2吸着塔のいずれかに前記水素混合ガスを通過させて含まれる無機ガス成分を吸着させる第2吸着手段、
前記第1流動手段又は第2流動手段において前記流動の方向を切り替えたことにより前記水素混合ガスの流動が停止した第1吸着塔又は第2吸着塔に、熱媒を通過させる熱媒流動手段、として機能させることを特徴とする水素製造プログラム。 Computer
A first flow means for flowing a hydrogen mixed gas output from a hydrogen generation section using a hydrocarbon-based compound as a raw material in any direction branched from the first flow path;
A first adsorbing means for adsorbing a hydrocarbon gas component contained by passing the hydrogen mixed gas through any one of a plurality of first adsorbing towers connected in parallel to each of the branches of the first flow path;
Second flow means for flowing the hydrogen mixed gas after passing through the first adsorption tower in any direction branched from the second flow path;
A second adsorbing means for adsorbing the inorganic gas component contained by allowing the hydrogen mixed gas to pass through any of a plurality of second adsorption towers connected in parallel to each of the branches of the second flow path;
A heat medium flow means for passing a heat medium through the first adsorption tower or the second adsorption tower in which the flow of the hydrogen mixed gas is stopped by switching the flow direction in the first flow means or the second flow means; Hydrogen production program characterized by functioning as
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- 2009-06-05 JP JP2009135770A patent/JP2010280535A/en active Pending
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