JP5690165B2 - PSA high purity hydrogen production method - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池等に用いる高純度水素を効率良く製造する圧力スウィング吸着(以下、「PSA」という)方式高純度水素製造方法に関するものである。 The present invention relates to a pressure swing adsorption (hereinafter referred to as “PSA”) type high-purity hydrogen production method for efficiently producing high-purity hydrogen used in fuel cells and the like.
近年、地球温暖化防止対策ともあいまって、エネルギの原油依存体質からの脱却が世界的規模で重要課題となっており、環境保全に対する取組みが先行する欧州の先進国はもとより、米国や日本をはじめとするアジア諸国においても、水素ガスをエネルギ源とする燃料電池の実用化に向けての取組みが活発化している。 In recent years, coupled with measures to prevent global warming, the departure of energy from crude oil dependence has become an important issue on a global scale, and not only developed countries in Europe, where efforts for environmental conservation are ahead, but also the United States and Japan. In other Asian countries as well, efforts toward the practical application of fuel cells using hydrogen gas as an energy source have become active.
燃料電池の燃料として使用される水素ガスの製造方法についても多くの研究が進められているが、現時点で最も安価で実現性の高い製造方法は、原料として天然ガス、LPG、灯油、ガソリン、メタノール、ジメチルエーテルなどを使用し、これらを改質して水素ガスを製造する方法である。このような原料を改質して水素ガスを製造する方法、例えば天然ガスを改質して水素を製造するプロセスでは、通常水蒸気改質法が最もよく用いられている。天然ガスの主成分はメタン(CH4)であり、水蒸気改質法において以下のような2段階の反応で水素が生成する。 Much research has been carried out on the production method of hydrogen gas used as fuel for fuel cells, but the most inexpensive and highly feasible production methods are currently natural gas, LPG, kerosene, gasoline, methanol as raw materials. In this method, dimethyl ether or the like is used to reform these to produce hydrogen gas. In a method for producing hydrogen gas by reforming such raw materials, for example, a process for producing hydrogen by reforming natural gas, the steam reforming method is usually used most often. The main component of natural gas is methane (CH 4 ), and hydrogen is generated by the following two-stage reaction in the steam reforming method.
(1)改質反応
CH4+H2O → CO+3H2
(2)変成反応
CO+H2O → CO2+H2
(1) Reforming reaction
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2
(2) Metamorphic reaction
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
上記のような反応が理想的に進行すれば、生成物はH2とCO2のみであるが、実際にはメタンのコーキングによる炭素の生成防止の観点より、過剰の水蒸気を用いるために、改質反応、変性反応後のガス(以下、「改質ガス」と呼ぶ。)中には水素(H2)と合わせて水蒸気(H2O)や未反応メタン(CH4)、一酸化炭素(CO)、および二酸化炭素(CO2)が含まれることになる。通常、燃料電池自動車用の燃料水素としては5N(99.999容積%(以下、「容積%」を単に「%」と表す。))程度以上の水素純度が求められ、特にCOについては、固体高分子形燃料電池の電極用触媒に用いられる白金(Pt)の被毒劣化防止の観点から10ppm以下の濃度に下げる必要があり、燃料電池の耐久性を考えた場合、さらに0.2ppm以下程度まで濃度を低減する必要があるとされている。 If the reaction as described above proceeds ideally, the products are only H 2 and CO 2 , but actually, in order to use excess water vapor from the viewpoint of preventing carbon generation by methane coking, In the gas after the quality reaction and the modification reaction (hereinafter referred to as “reformed gas”), together with hydrogen (H 2 ), water vapor (H 2 O), unreacted methane (CH 4 ), carbon monoxide ( CO), and carbon dioxide (CO 2 ). In general, fuel hydrogen for a fuel cell vehicle is required to have a hydrogen purity of about 5N (99.999% by volume (hereinafter, "volume%" is simply referred to as "%")). From the viewpoint of preventing poisoning deterioration of platinum (Pt) used as an electrode catalyst for polymer fuel cells, it is necessary to lower the concentration to 10 ppm or less, and when considering the durability of the fuel cell, about 0.2 ppm or less. It is said that it is necessary to reduce the concentration.
改質ガスから上記のような高純度水素を製造する方法として、2段階のPSAを用いて高い回収率で水素を回収できるPSA方式高純度水素製造方法が開発されている(例えば、特許文献1を参照)。この特許文献1に開示された技術においては、1段目及び2段目の各PSA吸着塔における吸着剤の再生用洗浄ガス並びに各PSA吸着塔の昇圧用ガスとして、2段目のPSA吸着塔で得られた高純度水素(製品水素)の一部を用いることを基本としている。また、2段目のPSA吸着塔から排出されるオフガスを1段目のPSA吸着塔における吸着剤の再生用洗浄ガスとして用いる技術も開示されている。 As a method for producing high-purity hydrogen as described above from reformed gas, a PSA-type high-purity hydrogen production method that can recover hydrogen at a high recovery rate using two-stage PSA has been developed (for example, Patent Document 1). See). In the technique disclosed in Patent Document 1, the second stage PSA adsorption tower is used as a cleaning gas for regeneration of the adsorbent in the first and second stage PSA adsorption towers and as a pressure increasing gas for each PSA adsorption tower. It is based on using a part of the high purity hydrogen (product hydrogen) obtained in (1). Also disclosed is a technique in which off-gas discharged from the second stage PSA adsorption tower is used as a cleaning gas for regeneration of the adsorbent in the first stage PSA adsorption tower.
また、PSAを用いた純水素製造装置において、オフガスを触媒燃焼器やこの触媒燃焼器の下流に設けられた改質器の昇温に用いる技術も開示されている(例えば、特許文献2を参照)。 In addition, in a pure hydrogen production apparatus using PSA, a technique is also disclosed in which off-gas is used to raise the temperature of a catalytic combustor or a reformer provided downstream of the catalytic combustor (see, for example, Patent Document 2). ).
上記特許文献1に開示されたPSA方式高純度水素製造方法では、1段目及び2段目の各PSA吸着塔における吸着剤の再生用洗浄ガス並びに各PSA吸着塔の昇圧用ガスとして精製した高純度水素を消費するため、製品水素の損失が多い。また、2段目のPSA吸着塔から排出されるオフガスを1段目のPSA吸着塔における吸着剤の再生用洗浄ガスとして用いることで、上記製品水素の損失が多少軽減する。しかし、この2段目のPSA吸着塔から排出されるオフガス中にも水素がまだ含まれ、この水素が1段目のPSA吸着塔からオフガスとしてそのまま排出されてしまい、高純度水素の回収率の向上を妨げるという問題点があった。 In the PSA-type high-purity hydrogen production method disclosed in the above-mentioned Patent Document 1, the cleaning gas for regeneration of the adsorbent in each of the first and second PSA adsorption towers and the purified gas as the pressurizing gas for each PSA adsorption tower are used. Product hydrogen is lost because pure hydrogen is consumed. Further, the off-gas discharged from the second stage PSA adsorption tower is used as a cleaning gas for regeneration of the adsorbent in the first stage PSA adsorption tower, so that the loss of product hydrogen is somewhat reduced. However, hydrogen is still contained in the off gas discharged from the second stage PSA adsorption tower, and this hydrogen is discharged as it is from the first stage PSA adsorption tower as an off gas. There was a problem of preventing improvement.
また、特許文献2に開示された純水素製造装置におけるオフガスの活用の仕方では、基本的に高純度水素の回収率の向上には繋がらない。 Further, the method of utilizing off-gas in the pure hydrogen production apparatus disclosed in Patent Document 2 does not basically lead to an improvement in the recovery rate of high-purity hydrogen.
本発明の目的は、製品水素の損失を低減するとともに、改質ガスから高い回収率で高純度水素を回収可能なPSA方式高純度水素製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a PSA-type high-purity hydrogen production method capable of reducing loss of product hydrogen and recovering high-purity hydrogen from reformed gas at a high recovery rate.
この目的を達成するために、本発明の請求項1に記載の発明は、
改質用原料を改質して水素リッチな改質ガスを得る改質工程と、所定圧力に昇圧された前記改質ガスをCO吸着剤が充填された第1のPSA吸着塔に通じてCOを吸着除去しCO除去ガスを得るCO吸着ステップと前記CO吸着剤を再生するCO吸着剤再生ステップと前記第1のPSA吸着塔内の圧力を所定圧力に昇圧する第1の昇圧ステップとを有した第1の除去工程と、前記CO吸着ステップで得られたCO除去ガスをCO以外の不要ガス吸着剤が充填された第2のPSA吸着塔に通じてCO以外の不要ガスを吸着除去し高純度水素を得るCO以外の不要ガス吸着ステップと前記CO以外の不要ガス吸着剤を再生するCO以外の不要ガス吸着剤再生ステップと前記第2のPSA吸着塔内の圧力を所定圧力に昇圧する第2の昇圧ステップとを有した第2の除去工程と、前記第2の除去工程で得られた高純度水素を前記第2のPSA吸着塔の後段に設けられたバッファタンクに一時貯蔵する一時貯蔵工程と、前記第2のPSA吸着塔から排出されるオフガスを水素吸蔵合金が充填された水素貯蔵タンクに通じて所定温度かつ所定圧力下で前記オフガス中の水素を前記水素吸蔵合金に吸蔵させる水素吸蔵ステップとこの水素吸蔵ステップ後に所定のタイミングで前記水素吸蔵合金に吸蔵された水素を所定温度かつ所定圧力下で前記水素貯蔵タンク内に放出する水素放出ステップとを有した水素吸蔵放出工程と、を備え、
前記CO吸着剤再生ステップ並びに前記第1の昇圧ステップにおいて、前記バッファタンクに一時貯蔵された高純度水素(以下、「バッファタンク内の高純度水素」という)及び前記水素貯蔵タンクに放出された水素(以下、「水素貯蔵タンク内の水素」という)の内の少なくとも前記水素貯蔵タンク内の水素を前記CO吸着剤の再生用洗浄ガス並びに前記第1のPSA吸着塔の昇圧用ガスとして用い、
前記CO以外の不要ガス吸着剤再生ステップ並びに前記第2の昇圧ステップにおいて、前記バッファタンク内の高純度水素及び前記水素貯蔵タンク内の水素の内の少なくとも前記バッファタンク内の高純度水素を前記CO以外の不要ガス吸着剤の再生用洗浄ガス並びに前記第2のPSA吸着塔の昇圧用ガスとして用いることを特徴とするPSA方式高純度水素製造方法である。
In order to achieve this object, the invention according to claim 1 of the present invention provides:
A reforming step for reforming the reforming raw material to obtain a hydrogen-rich reformed gas, and the reformed gas whose pressure has been increased to a predetermined pressure is passed through a first PSA adsorption tower filled with a CO adsorbent to produce CO. A CO adsorption step for adsorbing and removing CO to remove CO, a CO adsorbent regeneration step for regenerating the CO adsorbent, and a first pressure increase step for increasing the pressure in the first PSA adsorption tower to a predetermined pressure. The CO removal gas obtained in the first removal step and the CO adsorption step is passed through a second PSA adsorption tower filled with an unnecessary gas adsorbent other than CO to adsorb and remove unnecessary gas other than CO. An unnecessary gas adsorption step other than CO for obtaining pure hydrogen, an unnecessary gas adsorbent regeneration step for regenerating unnecessary gas adsorbent other than CO, and a pressure in the second PSA adsorption tower are increased to a predetermined pressure. 2 boost steps and A second removal step, a temporary storage step for temporarily storing the high-purity hydrogen obtained in the second removal step in a buffer tank provided at a subsequent stage of the second PSA adsorption tower, and the second A hydrogen storage step of passing off gas discharged from the PSA adsorption tower through a hydrogen storage tank filled with a hydrogen storage alloy, and storing the hydrogen in the off gas into the hydrogen storage alloy at a predetermined temperature and pressure, and the hydrogen storage step A hydrogen storage step having a hydrogen release step of releasing the hydrogen stored in the hydrogen storage alloy at a predetermined timing after the step into the hydrogen storage tank at a predetermined temperature and a predetermined pressure, and
In the CO adsorbent regeneration step and the first pressure increase step, high-purity hydrogen temporarily stored in the buffer tank (hereinafter referred to as “high-purity hydrogen in the buffer tank”) and hydrogen released into the hydrogen storage tank (Hereinafter referred to as “hydrogen in the hydrogen storage tank”) at least the hydrogen in the hydrogen storage tank is used as the regeneration gas for the regeneration of the CO adsorbent and the pressurizing gas for the first PSA adsorption tower,
In the unnecessary gas adsorbent regeneration step other than the CO and the second boosting step, at least the high-purity hydrogen in the buffer tank and the high-purity hydrogen in the buffer tank out of the high-purity hydrogen in the buffer tank and the hydrogen in the hydrogen storage tank are converted into the CO. A PSA-type high-purity hydrogen production method characterized by being used as a cleaning gas for regeneration of an unnecessary gas adsorbent other than the above and as a pressurizing gas for the second PSA adsorption tower.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、
前記第1のPSA吸着塔内に、前記所定圧力に昇圧された改質ガス中の水蒸気(以下、「H2O」という)を吸着除去するためのH2O吸着剤がさらに充填されたことにより、
前記第1の除去工程が、COとともにH2Oを吸着除去し「CO及びH2O」除去ガスを得る「CO及びH2O」吸着ステップと、CO吸着剤及びH2O吸着剤を再生するCO吸着剤及びH2O吸着剤再生ステップと、前記第1のPSA吸着塔内の圧力を所定圧力に昇圧する第1の昇圧ステップとを有した構成となり、
前記第2の除去工程が、前記「CO及びH2O」吸着ステップで得られた「CO及びH2O」除去ガスを「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤が充填された第2のPSA吸着塔に通じて「CO及びH2O」以外の不要ガスを吸着除去し高純度水素を得る「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着ステップと、前記「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤を再生する「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤再生ステップと、前記第2のPSA吸着塔内の圧力を所定圧力に昇圧する第2の昇圧ステップとを有した構成となり、
前記CO吸着剤及びH2O吸着剤再生ステップ並びに前記第1の昇圧ステップにおいて、前記バッファタンク内の高純度水素及び前記水素貯蔵タンク内の水素の内の少なくとも前記水素貯蔵タンク内の水素を前記CO吸着剤及びH2O吸着剤の再生用洗浄ガス並びに前記第1のPSA吸着塔の昇圧用ガスとして用い、
前記「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤再生ステップ並びに前記第2の昇圧ステップにおいて、前記バッファタンク内の高純度水素及び前記水素貯蔵タンク内の水素の内の少なくとも前記バッファタンク内の高純度水素を前記「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤の再生用洗浄ガス並びに前記第2のPSA吸着塔の昇圧用ガスとして用いることを特徴とする。
The invention according to claim 2 is the invention according to claim 1,
The first PSA adsorption tower is further filled with H 2 O adsorbent for adsorbing and removing water vapor (hereinafter referred to as “H 2 O”) in the reformed gas whose pressure has been increased to the predetermined pressure. By
Play the first removal step, a "CO and H 2 O" sorbent step H 2 O was adsorbed and removed to obtain a "CO and H 2 O" stripping gas with CO, the CO adsorbent and H 2 O adsorbent A CO adsorbent and H 2 O adsorbent regeneration step, and a first pressure increasing step for increasing the pressure in the first PSA adsorption tower to a predetermined pressure,
In the second removal step, the “ CO and H 2 O ” removal gas obtained in the “ CO and H 2 O ” adsorption step is filled with an unnecessary gas adsorbent other than “ CO and H 2 O ” . and the unnecessary gas adsorption steps other than through the second PSA adsorption tower "CO and H 2 O" other unwanted gases removed by adsorption obtain high purity hydrogen "CO and H 2 O", the "CO and H 2 O and "CO and H 2 O" unnecessary gas adsorbent regeneration step except for reproducing unnecessary gas adsorption agent other than "a second boosting step which boosts the pressure of the second PSA adsorption tower at a predetermined pressure It has a configuration that
In the CO adsorbent and H 2 O adsorbent regeneration step and the first pressure increase step, at least hydrogen in the hydrogen storage tank out of high purity hydrogen in the buffer tank and hydrogen in the hydrogen storage tank is Used as a cleaning gas for regeneration of the CO adsorbent and H 2 O adsorbent and the pressure increasing gas of the first PSA adsorption tower,
In the unnecessary gas adsorbent regeneration step other than the “ CO and H 2 O ” and the second boosting step, at least the high-purity hydrogen in the buffer tank and the hydrogen in the hydrogen storage tank are in the buffer tank. High-purity hydrogen is used as a cleaning gas for regenerating unnecessary gas adsorbents other than the “ CO and H 2 O ” , and as a pressurizing gas for the second PSA adsorption tower.
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の発明において、
前記改質工程が、以下の(a)〜(e)のいずれかの工程である。
(a)改質用原料を水蒸気で改質して水素リッチな改質ガスを得る工程
(b)改質用原料を水蒸気で改質した後に変成させて水素リッチな改質ガスを得る工程
(c)炭化水素含有燃料を部分酸化により改質して水素リッチな改質ガスを得る工程
(d)炭化水素含有燃料を部分酸化により改質させると同時に水蒸気で改質して水素リッチな改質ガスを得る工程
(e)炭化水素含有燃料を水蒸気で改質した後にセラミックフィルタ等の粗製分離膜を流通させて水素濃度を高めて水素リッチな改質ガスを得る工程
The invention according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2,
The reforming step is one of the following steps (a) to (e).
(A) Step of reforming the reforming raw material with steam to obtain a hydrogen-rich reformed gas (b) Step of reforming the reforming raw material after reforming with steam to obtain a hydrogen-rich reformed gas ( c) Step of reforming a hydrocarbon-containing fuel by partial oxidation to obtain a hydrogen-rich reformed gas (d) Reforming the hydrocarbon-containing fuel by partial oxidation and simultaneously reforming with steam to hydrogen-rich reforming Step of obtaining gas (e) Step of obtaining a hydrogen-rich reformed gas by reforming a hydrocarbon-containing fuel with steam and then circulating a crude separation membrane such as a ceramic filter to increase the hydrogen concentration
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の発明において、
前記第1のPSA吸着塔、第2のPSA吸着塔及び水素貯蔵タンクは、それぞれ3つ以上備えたことを特徴とする。
The invention according to
Each of the first PSA adsorption tower, the second PSA adsorption tower, and the hydrogen storage tank includes three or more.
請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の発明において、
前記水素放出ステップにおいて、水素吸蔵合金に吸蔵された水素を水素貯蔵タンク内に放出するための所定温度かつ所定圧力を得るために、前記改質工程で発生する熱が用いられることを特徴とする。
The invention according to
In the hydrogen releasing step, heat generated in the reforming step is used to obtain a predetermined temperature and a predetermined pressure for releasing the hydrogen stored in the hydrogen storage alloy into the hydrogen storage tank. .
以上のように、本発明に係るPSA方式高純度水素製造方法によれば、
第1のPSA吸着塔を用いた第1の除去工程と、この第1の除去工程の下流側に設けられた第2のPSA吸着塔を用いた第2の除去工程と、前記第2の除去工程で得られた高純度水素(製品水素)を前記第2のPSA吸着塔の後段に設けられたバッファタンクに一時貯蔵する一時貯蔵工程と、前記第2のPSA吸着塔から排出されるオフガスを水素吸蔵合金が充填された水素貯蔵タンクに通じて所定温度かつ所定圧力下で前記オフガス中の水素を前記水素吸蔵合金に吸蔵させる水素吸蔵ステップと、この水素吸蔵ステップ後に所定のタイミングで前記水素吸蔵合金に吸蔵された水素を所定温度かつ所定圧力下で前記水素貯蔵タンク内に放出する水素放出ステップとを有した水素吸蔵放出工程とを備え、
前記第1の除去工程におけるCO吸着剤再生ステップ並びに第1の昇圧ステップにおいて、前記バッファタンク内の高純度水素及び前記水素貯蔵タンク内の水素の内の少なくとも前記水素貯蔵タンク内の水素を前記CO吸着剤の再生用洗浄ガス並びに前記第1のPSA吸着塔の昇圧用ガスとして用い、
前記第2の除去工程におけるCO以外の不要ガス吸着剤再生ステップ並びに第2の昇圧ステップにおいて、前記バッファタンク内の高純度水素及び前記水素貯蔵タンク内の水素の内の少なくとも前記バッファタンク内の高純度水素を前記CO以外の不要ガス吸着剤の再生用洗浄ガス並びに前記第2のPSA吸着塔の昇圧用ガスとして用いるため、
製品水素の損失を低減するとともに、改質ガスから高い回収率で高純度水素を回収可能なPSA方式高純度水素製造方法を提供することができる。
As described above, according to the PSA method high-purity hydrogen production method according to the present invention,
A first removal step using a first PSA adsorption tower; a second removal step using a second PSA adsorption tower provided downstream of the first removal step; and the second removal. A temporary storage step of temporarily storing the high-purity hydrogen (product hydrogen) obtained in the step in a buffer tank provided at the subsequent stage of the second PSA adsorption tower; and an off-gas discharged from the second PSA adsorption tower. A hydrogen storage step for storing hydrogen in the off-gas in the hydrogen storage alloy at a predetermined temperature and a predetermined pressure through a hydrogen storage tank filled with a hydrogen storage alloy, and at a predetermined timing after the hydrogen storage step A hydrogen storage and release step having a hydrogen release step of releasing hydrogen stored in the alloy into the hydrogen storage tank at a predetermined temperature and a predetermined pressure,
In the CO adsorbent regeneration step and the first pressure increase step in the first removal step, at least hydrogen in the hydrogen storage tank out of high purity hydrogen in the buffer tank and hydrogen in the hydrogen storage tank is converted into the CO. Used as a cleaning gas for regeneration of the adsorbent and a pressure increasing gas for the first PSA adsorption tower,
In the unnecessary gas adsorbent regeneration step other than CO and the second pressure increase step in the second removal step, at least the high purity hydrogen in the buffer tank and the hydrogen in the hydrogen storage tank are high. In order to use pure hydrogen as a cleaning gas for regenerating unnecessary gas adsorbents other than CO and a pressurizing gas for the second PSA adsorption tower,
It is possible to provide a PSA type high-purity hydrogen production method capable of reducing product hydrogen loss and recovering high-purity hydrogen from reformed gas at a high recovery rate.
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1は本発明の一実施形態に係るPSA方式高純度水素製造装置の構成の概要を模式的に説明する説明図である。 FIG. 1 is an explanatory view for schematically explaining an outline of a configuration of a PSA type high-purity hydrogen production apparatus according to an embodiment of the present invention.
図1において、1は改質用原料Aを改質して水素リッチな改質ガスBを得る改質装置、2は所定圧力としての高圧{例えば、0.9MPaG(ゲージ圧)}に昇圧された改質ガスBからCOとともにH2Oを吸着除去し「CO及びH2O」除去ガスを得る第1のPSA装置、3は第1のPSA装置2の後段に設けられ、前記「CO及びH2O」除去ガスから「CO及びH2O」以外の不要ガスを吸着除去し高純度水素(製品水素)Cを得る第2のPSA装置、4は第2のPSA装置3の後段に設けられ、前記第2のPSA装置3で得られた高純度水素(製品水素)Cを一時貯蔵するバッファタンク、5は第2のPSA装置3から排出されるオフガスD中の水素を吸蔵放出するための水素吸蔵合金が充填された水素貯蔵タンク(5a、5b、5c)から構成される水素貯蔵部である。
In FIG. 1, 1 is a reformer for reforming a reforming raw material A to obtain a hydrogen-rich reformed gas B, and 2 is boosted to a high pressure {eg, 0.9 MPaG (gauge pressure)} as a predetermined pressure. reformate CO with the gas B H 2 O was adsorbed and removed "CO and H 2 O" stripping gas first PSA apparatus for obtaining, 3 is provided downstream of the first PSA unit 2, the "CO and A second PSA device for obtaining high-purity hydrogen (product hydrogen) C by adsorbing and removing unnecessary gases other than “ CO and H 2 O ” from the “ H 2 O ” removal gas, and 4 is provided in the subsequent stage of the second PSA device 3 The
また、第1のPSA装置2は、3つの第1のPSA吸着塔2a、2b、2cを有し、各第1のPSA吸着塔2a、2b、2cにはCO吸着剤及びH2O吸着剤が充填されている。このCO吸着剤として、例えばアルミナに塩化銅(I)が担持されたものが用いられ、H2O吸着剤としては、活性アルミナが用いられる。なお、CO吸着剤とH2O吸着剤は、第1のPSA吸着塔(2a、2b、2c)内において、それぞれCO吸着剤を下流側に、H2O吸着剤を上流側に設置するのが好ましい。
The first PSA apparatus 2 has three first
また、第2のPSA装置3は、3つの第2のPSA吸着塔3a、3b、3cを有し、各第2のPSA吸着塔3a、3b、3cには「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤が充填されている。この「CO及びH2O」以外の不要ガス(すなわち、CO2、CH4)吸着剤として、例えば活性炭が用いられる。
The second PSA apparatus 3 includes three second
また、水素貯蔵部5は、3つの水素貯蔵タンク5a、5b、5cを有し、各水素貯蔵タンク5a、5b、5cには水素吸蔵合金が充填されている。この水素吸蔵合金として、例えばAB5系水素吸蔵合金が用いられる。
The
ライン101は改質ガスBの導入ラインである。ライン101と各第1のPSA吸着塔2a、2b、2cとはそれぞれ弁PU−1A、弁PU−1B、弁PU−1Cを介して接続されている。
Line 101 is an introduction line of reformed gas B. The line 101 and the first
ライン102は第1のPSA吸着塔2a、2b、2c内を減圧するために用いるラインで、均圧(後述の均圧ステップ参照)の終了した各第1のPSA吸着塔2a、2b、2cの圧力をさらに常圧付近(例えば、0.1MPaG)まで減圧する(後述の第1減圧ステップ参照)ために使用される。ライン102は弁V16、弁PU−3A、弁PU−3B、弁PU−3Cを介して第1のPSA吸着塔2a、2b、2cとそれぞれ接続されている。ライン102の排気ガスはオフガスEとして排気される。
The line 102 is a line used for depressurizing the inside of the first
ライン103は常圧付近までの減圧(第1減圧ステップ)が終了した各第1のPSA吸着塔2a、2b、2cをさらに大気圧以下(例えば、−0.05MPaG以下)の負圧まで減圧(後述の第2減圧ステップ参照)するラインであり、真空ポンプ6と第1のPSA吸着塔2a、2b、2cとがそれぞれ弁V17、弁PU−3A、弁PU−3B、弁PU−3Cを介して接続されている。ライン103の真空ポンプの排気ガスはオフガスEとして排気される。
The line 103 further depressurizes each first
ライン104は各第1のPSA吸着塔2a、2b、2cにて改質ガスBより「CO及びH2O」を除去して得た「CO及びH2O」除去ガスを回収し、第2のPSA吸着塔3a、3b、3cへ導入するラインであり、第1のPSA吸着塔2a、2b、2cとはそれぞれ弁PU−2A、弁PU−2B、弁PU−2Cを介して接続され、第2のPSA吸着塔3a、3b、3cとは弁V10、弁PV−1A、弁PV−1B、弁PV−1Cを介して接続されている。
The line 104 collects the “ CO and H 2 O ” removal gas obtained by removing the “ CO and H 2 O ” from the reformed gas B in the first
ライン105は第2のPSA吸着塔3a、3b、3cにて「CO及びH2O」以外の不要ガスを除去して得た高純度水素の回収ラインであり、第2のPSA吸着塔3a、3b、3cとはそれぞれ弁PV−2A、弁PV−2B、弁PV−2Cを介して接続されており、回収した高純度水素はバッファタンク4に一時的に貯蔵される。
A line 105 is a high-purity hydrogen recovery line obtained by removing unnecessary gases other than “ CO and H 2 O ” in the second
ライン106は均圧(後述の第2のPSA吸着塔3a、3b、3cにおける均圧ステップ参照)を行うためのラインであり、後述する「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着ステップの終了した第2のPSA吸着塔と後述する「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤再生ステップの終了した第2のPSA吸着塔との間でガスの均圧を行うために用いられる。具体的には弁PV−4A、弁PV−4B、弁PV−4Cのうち、均圧を行う2つの塔に接続された弁2個を開放し、他の弁を閉じることにより2つの第2のPSA吸着塔の均圧が可能となる。
The line 106 is a line for performing pressure equalization (see the pressure equalization step in the second
ライン107は第2のPSA吸着塔3a、3b、3c内を減圧するために用いるラインで、均圧(後述の均圧ステップ参照)の終了した各第2のPSA吸着塔3a、3b、3cの圧力をさらに常圧付近(例えば、0.1MPaG)まで減圧する(後述の第1減圧ステップ参照)ために使用される。ライン107は弁PV−3A、弁PV−3B、弁PV−3Cを介して第2のPSA吸着塔3a、3b、3cとそれぞれ接続されるとともに、弁V14を介してオフガスDを水素吸蔵合金が充填された水素貯蔵タンク5a、5b、5cへ導入し、オフガスD中の水素を所定温度(例えば、20℃)かつ所定圧力(例えば、0.1MPaG)下で水素吸蔵合金に吸蔵させるためのラインでもある。ライン107と水素貯蔵タンク5a、5b、5cとは弁V14、弁PW−1A、弁PW−1B、弁PW−1Cを介して接続されている。
The line 107 is a line used for depressurizing the inside of the second
ライン108は常圧付近までの減圧(第1減圧ステップ)が終了した各第2のPSA吸着塔3a、3b、3cをさらに大気圧以下(例えば、−0.05MPaG以下)の負圧まで減圧(後述の第2減圧ステップ参照)するラインであり、真空ポンプ7と第2のPSA吸着塔3a、3b、3cとがそれぞれ弁V15、弁PV−3A、弁PV−3B、弁PV−3Cを介して接続されるとともに、真空ポンプ7の排気ガスをオフガスDとして水素吸蔵合金が充填された水素貯蔵タンク5a、5b、5cへ導入し、オフガスD中の水素を所定温度(例えば、20℃)かつ所定圧力(例えば、−0.05MPaG以下)下で水素吸蔵合金に吸蔵させるためのラインでもある。また、真空ポンプ7と水素貯蔵タンク5a、5b、5cとは弁PW−1A、弁PW−1B、弁PW−1Cを介して接続されている。
The line 108 further depressurizes each of the second
ライン109は水素吸蔵合金に吸蔵された水素を所定温度(例えば、200℃)かつ所定圧力(例えば、0.9MPaG)下で水素貯蔵タンク5a、5b、5c内に放出した水素で後述する第1のPSA吸着塔2a、2b、2cのCO吸着剤及びH2O吸着剤を再生するための再生ステップ用並びに後述する第1のPSA吸着塔2a、2b、2c内の各圧力を所定圧力(例えば、0.9MPa)に昇圧する第1の昇圧ステップ用に供給するラインである。ライン109と水素貯蔵タンク5a、5b、5cとは弁V18、弁PW−2A、弁PW−2B、弁PW−2Cを介して接続されている。また、ライン109と第1のPSA吸着塔2a、2b、2cとはそれぞれ弁PU−4A、弁PU−4B、弁PU−4Cを介して接続されている。
A line 109 is a first hydrogen gas stored in the hydrogen storage alloy, which is described later with hydrogen released into the
ライン110は上述した水素貯蔵タンク5a、5b、5c内に放出した水素を後述する第2のPSA吸着塔3a、3b、3cの「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤再生ステップ用及び後述する第2のPSA吸着塔3a、3b、3c内の圧力を所定圧力(例えば、0.9MPaG)に昇圧する第2の昇圧ステップ用に供給するラインである。第2のPSA吸着塔3a、3b、3cの「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤再生ステップ用及び後述する第2のPSA吸着塔3a、3b、3c内の圧力を所定圧力(例えば、0.9MPaG)に昇圧する第2の昇圧ステップ用には、前述したライン110を経由して供給される水素とともにバッファタンク4内に一時貯蔵された高純度水素も弁V12を経由して供給される。ライン110と水素貯蔵タンク5a、5b、5cとは弁V19、弁PW−2A、弁PW−2B、弁PW−2Cを介して接続されている。また、ライン110と第2のPSA吸着塔3a、3b、3cとは、弁V13を経由してそれぞれ弁PV−5A、弁PV−5B、弁PV−5Cを介して接続されている。また、バッファタンク4と第2のPSA吸着塔3a、3b、3cとは、弁V12を経由してそれぞれ弁PV−5A、弁PV−5B、弁PV−5Cを介して接続されている。
The line 110 is used for an unnecessary gas adsorbent regeneration step other than “ CO and H 2 O ” in the second
最初に、改質工程について、説明する。 First, the reforming process will be described.
(改質工程)
本発明の改質工程には、例えば通常用いられる水蒸気改質器と変成器との組合せからなる改質装置1を用いればよい。改質器にて天然ガス等の炭化水素を含有する改質用原料Aを水蒸気で改質してH2およびCOを主成分とするガスとした後、変成器にてこのガスにさらに水蒸気を添加して変成しH2を主成分とする(水素リッチな)改質ガスBを生成する。この改質ガスB中には、H2の他、少量のCO2、CH4、H2Oなどとともに、0.9%程度のCOが残留している。なお、改質工程の後工程であるCOとともにH2Oを吸着除去する後述の第1の除去工程および「CO及びH2O」以外の不要ガスを吸着除去する後述の第2の除去工程においては低温ほど吸着反応が促進されるため、改質装置1と第1のPSA装置2との間のライン101には高温の改質ガスBを冷却するための熱交換器(図示せず)を設けるのが望ましい。
(Reforming process)
In the reforming step of the present invention, for example, a reformer 1 comprising a combination of a steam reformer and a transformer that are usually used may be used. After reforming the reforming raw material A containing hydrocarbons such as natural gas with steam in a reformer to make a gas mainly composed of H 2 and CO, steam is further added to this gas in the transformer. The reformed gas B which is added and transformed to form H 2 as a main component (hydrogen-rich) is generated. During this reformed gas B, other H 2, etc. with a small amount of CO 2, CH 4, H 2 O, remaining the CO of about 0.9%. In the first removal step described below for adsorbing and removing H 2 O together with CO, which is a subsequent step of the reforming step, and in the second removing step described later for adsorbing and removing unnecessary gases other than “ CO and H 2 O ” . Since the adsorption reaction is accelerated at lower temperatures, a heat exchanger (not shown) for cooling the high-temperature reformed gas B is provided in the line 101 between the reformer 1 and the first PSA device 2. It is desirable to provide it.
次に、改質工程の後工程である第1の除去工程における「CO及びH2O」吸着除去、CO吸着剤及びH2O吸着剤再生並びに第1のPSA吸着塔内の昇圧の各操作手順を具体的に説明する。なお、以下においては第1のPSA吸着塔2aの操作手順のみについて説明するが、運転は下記表1のタイムテーブルに示すように、第1のPSA吸着塔2a、2b、2cの3塔を用いてサイクリックに行う。
Next, “ CO and H 2 O ” adsorption removal, CO adsorbent and H 2 O adsorbent regeneration and pressure increase in the first PSA adsorption tower in the first removal step, which is a subsequent step of the reforming step The procedure will be specifically described. Although only the operation procedure of the first
1)[「CO及びH2O」吸着ステップ]:上記所定圧力(0.9MPaG)に昇圧された改質ガスBを第1のPSA吸着塔2aに導入し、CO及びH2OをそれぞれCO吸着剤及びH2O吸着剤により除去し、「CO及びH2O」除去ガスを回収し、さらに前記「CO及びH2O」除去ガスを第2のPSA吸着塔3aへ導入する(弁PU−3A、弁PU−4A:閉、弁PU−1A、弁PU−2A、弁V10:開)。
1) [ “ CO and H 2 O ” adsorption step]: The reformed gas B whose pressure has been increased to the predetermined pressure (0.9 MPaG) is introduced into the first
2)[均圧ステップ]:上記「CO及びH2O」吸着ステップを終了し、第1のPSA吸着塔2aのガスの一部をCO吸着剤及びH2O吸着剤再生ステップの終了した第1のPSA吸着塔2cに移送する。ここで、例えば、第1のPSA吸着塔2aを0.9MPaGで「CO及びH2O」吸着操作を行った場合、第1のPSA吸着塔2aのCO吸着剤及びH2O吸着剤は減圧下で再生するため、本ステップで第1のPSA吸着塔2a、2cの内圧はいずれも約0.4MPaGとなる(弁V18、PU−1A、PU−2A、PU−3A、PU−1C、PU−2C、PU−3C:閉、PU−4A、PU−4C:開)。また、この均圧ステップの間に、水素貯蔵タンク5c内の水素以外の不要ガスをオフガスEとして排気し(弁V18、V19、PW−2A、PW−2B、PW−1C:閉、弁V20、PW-2C:開)、その後に水素吸蔵合金に吸蔵された水素を上記所定温度かつ所定圧力下で水素貯蔵タンク5c内に放出し(水素放出ステップ)、次の水素供給に備える。
2) [Pressure equalization step]: The above-mentioned “ CO and H 2 O ” adsorption step is completed, and a part of the gas in the first
3)[第1減圧ステップ]:均圧ステップの終了した第1のPSA吸着塔2aの内圧を常圧付近(例えば、0.1MPaG)まで減圧する(弁PU−1A、PU−2A、PU−4A:閉、弁V16、PU−3A:開)。
3) [First decompression step]: The internal pressure of the first
4)[第2減圧ステップ]:常圧付近の圧力まで減圧した第1のPSA吸着塔2aをさらに真空ポンプ6を用いて負圧(例えば、−0.05MPaG以下)まで減圧する(弁PU−1A、PU−2A、PU−4A:閉、弁V17、PU−3A:開)。
4) [Second Depressurization Step]: The first
5)[CO吸着剤及びH2O吸着剤再生ステップ]:第1のPSA吸着塔2aを減圧した状態で水素貯蔵タンク5c内の水素を第1のPSA吸着塔2a内のCO吸着剤及びH2O吸着剤の再生用洗浄ガスとして流し、CO吸着剤及びH2O吸着剤を再生する(弁V10、PU−1A、PU−2A、PW−2A、PW−2B、PW−1C:閉、弁V17、PU−3A、PU−4A、V18、PW−2C:開)。
5) [CO adsorbent and H 2 O adsorbent regeneration step]: The hydrogen in the hydrogen storage tank 5c is replaced with the CO adsorbent and H in the first
6)[均圧ステップ]:CO吸着剤及びH2O吸着剤の再生が終了した第1のPSA吸着塔2aに「CO及びH2O」吸着ステップの終了した第1のPSA吸着塔2b内のガスの一部を移送する(弁V18、PU−1A、PU−2A、PU−3A、PU−1B、PU−2B、PU−3B:閉、弁PU−4A、PU−4B:開)。また、この均圧ステップの間に、水素貯蔵タンク5a内の水素以外の不要ガスをオフガスEとして排気し(弁V18、V19、PW−1A、PW−1B、PW−2B、PW−1C、PW-2C:閉、弁V20、PW−2A:開)、その後に水素吸蔵合金に吸蔵された水素を上記所定温度かつ所定圧力下で水素貯蔵タンク5a内に放出し(水素放出ステップ)、次の水素供給に備える。
6) [pressure equalization step]: CO adsorbent and the first
7)[第1の昇圧ステップ]:第1のPSA吸着塔2a内に水素貯蔵タンク5a内の水素を昇圧用ガスとして供給し、第1のPSA吸着塔2a内の圧力を「CO及びH2O」吸着を行なうための上記所定圧力まで昇圧する(弁V10、PU−1A、PU−2A、PU−3A、PW−1A、PW−2B、PW−2C:閉、弁V18、PU−4A、PW−2A:開)。
7) [First pressurization step]: Hydrogen in the hydrogen storage tank 5a is supplied as a pressurization gas into the first
8)上記1)から7)の操作ステップを繰り返し、「CO及びH2O」吸着除去、CO吸着剤及びH2O吸着剤再生並びに第1のPSA吸着塔内の昇圧を繰り返す。 8) The above operation steps 1) to 7) are repeated, and “ CO and H 2 O ” adsorption removal, CO adsorbent and H 2 O adsorbent regeneration, and pressurization in the first PSA adsorption tower are repeated.
次に、上記第1の除去工程の後工程である第2の除去工程における「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着除去、「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤再生及び第2のPSA吸着塔内の昇圧の各操作手順を具体的に説明する。なお、以下においては第2のPSA吸着塔3aの操作手順のみについて説明するが、運転は下記表2のタイムテーブルに示すように、第2のPSA吸着塔3a、3b、3cの3塔を用いてサイクリックに行う。
Next, unnecessary gas adsorption removal other than “ CO and H 2 O ” in the second removal step, which is a step subsequent to the first removal step, regeneration of unnecessary gas adsorbent other than “ CO and H 2 O ” , and second Each operation procedure of pressure increase in the second PSA adsorption tower will be specifically described. In the following, only the operation procedure of the second
11)[「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着ステップ]:上記第1の除去工程で得られた「CO及びH2O」除去ガスを第2のPSA吸着塔3aへ導入し、「CO及びH2O」以外の不要ガスを「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤により除去し、高純度水素を回収し、さらに前記高純度水素をバッファタンク4内に一時貯蔵するとともに製品水素Cを得る(弁PV−3A、弁PV−4A、PV−5A:閉、弁V10、PV−1A、弁PV−2A:開)。
11) [ "CO and H 2 O" other unnecessary gas adsorption step: introducing the "CO and H 2 O" stripping gas obtained in the first removal step to the second
12)[均圧ステップ]:上記「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着ステップを終了し、第2のPSA吸着塔3aのガスの一部を「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤再生ステップの終了した第2のPSA吸着塔3cに移送する。ここで、例えば、第2のPSA吸着塔3aを0.9MPaGで「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着操作を行った場合、第2のPSA吸着塔3aの「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤は減圧下で再生するため、本ステップで第2のPSA吸着塔3a、3cの内圧はいずれも約0.4MPaGとなる(弁V11、PV−1A、PV−2A、PV−3A、PV−5A、PV−1C、PV−2C、PV−3C、PV−5C:閉、PV−4A、PV−4C:開)。また、この均圧ステップの間に、水素貯蔵タンク5c内の水素以外の不要ガスをオフガスEとして排気し(弁V18、V19、PW−2A、PW−2B、PW−1C:閉、弁V20、PW-2C:開)、その後に水素吸蔵合金に吸蔵された水素を上記所定温度かつ所定圧力下で水素貯蔵タンク5c内に放出し(水素放出ステップ)、次の水素供給に備える。
12) [Pressure equalization step]: The unnecessary gas adsorption step other than “ CO and H 2 O ” is finished, and a part of the gas in the second
13)[第1減圧ステップ]:均圧ステップの終了した第2のPSA吸着塔3aの内圧を常圧付近(例えば、0.1MPaG)まで減圧するとともに、オフガスDを水素吸蔵合金が充填された水素貯蔵タンク5aへ導入し、オフガスD中の水素を所定温度(例えば、20℃)かつ所定圧力(例えば、0.1MPaG)下で水素吸蔵合金に吸蔵させ(水素吸蔵ステップ)る(弁PV−1A、PV−2A、PV−4A、PV−5A、PW−2A、PW−1B、PW−2B、PW−1C、PW-2C:閉、弁V14、PV−3A、PW−1A:開)。
13) [First decompression step]: The internal pressure of the second
14)[第2減圧ステップ]:常圧付近の圧力まで減圧した第2のPSA吸着塔3aをさらに真空ポンプ7を用いて負圧(例えば、−0.05MPaG以下)まで減圧するとともに、オフガスDを水素吸蔵合金が充填された水素貯蔵タンク5aへ導入し、オフガスD中の水素を所定温度(例えば、20℃)かつ所定圧力(例えば、0.1MPaG)下で水素吸蔵合金に吸蔵させ(水素吸蔵ステップ)る(弁PV−1A、PV−2A、PV−4A、PV−5A、PW−2A、PW−1B、PW−2B、PW−1C、PW-2C:閉、弁V15、PV−3A、PW−1A:開)。
14) [Second Depressurization Step]: The second
15)[「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤再生ステップ]:第2のPSA吸着塔3aを減圧した状態でバッファタンク4内の高純度水素及び水素貯蔵タンク5c内の水素を第2のPSA吸着塔3a内の「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤の再生用洗浄ガスとして流し、「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤を再生するとともに、オフガスDを水素吸蔵合金が充填された水素貯蔵タンク5aへ導入し、オフガスD中の水素を上記所定温度かつ所定圧力下で水素吸蔵合金に吸蔵させ(水素吸蔵ステップ)る(弁V18、V20、PV−1A、PV−2A、PV−4A、PW−2A、PW−1B、PW−2B、PW−1C:閉、弁V12、V13、V15、V19、PV−5A、PV−3A、PW−1A、PW-2C:開)。
15) [Regeneration step of unnecessary gas adsorbent other than “ CO and H 2 O ” ]: The high-purity hydrogen in the
16)[均圧ステップ]:「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤の再生が終了した第2のPSA吸着塔3aに「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着ステップの終了した第2のPSA吸着塔3b内のガスの一部を移送する(弁V11、PV−1A、PV−2A、PV−3A、PV−5A、PV−1B、PV−2B、PV−3B、PV−5B:閉、弁PV−4A、PV−4B:開)。また、この均圧ステップの間に、水素貯蔵タンク5a内の水素以外の不要ガスをオフガスEとして排気し(弁V18、V19、PW−1A、PW−1B、PW−2B、PW-1C、PW-2C:閉、弁V20、PW−2A:開)、その後に水素吸蔵合金に吸蔵された水素を上記所定温度かつ所定圧力下で水素貯蔵タンク5a内に放出し(水素放出ステップ)、次の水素供給に備える。
16) [pressure equalization step: the end of the "CO and H 2 O" other than the second unnecessary gas adsorption steps other than "CO and H 2 O" in
17)[第2の昇圧ステップ]:第2のPSA吸着塔3a内にバッファタンク4内の高純度水素及び水素貯蔵タンク5a内の水素を昇圧用ガスとして供給し、第2のPSA吸着塔3a内の圧力を「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着を行なうための上記所定圧力まで昇圧する(弁V18、V20、PV−1A、PV−2A、PV−3A、PV−4A、PW−1A、PW−1B、PW−2B、PW−1C、PW−2C:閉、弁V12、V13、V19、PV−5A、PW−2A:開)。
17) [Second pressurization step]: The high-purity hydrogen in the
18)上記11)から17)の操作ステップを繰り返し、「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着除去、「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤再生及び第2のPSA吸着塔内の昇圧を繰り返す。 18) above 11) to repeat step 17), "CO and H 2 O" other unnecessary gas adsorption removal, "CO and H 2 O" other unwanted gas adsorbent regeneration and second PSA adsorption tower Repeat the boosting.
本実施形態では、CO吸着剤及びH2O吸着剤再生ステップ並びに第1の昇圧ステップを有した第1の除去工程において、いずれかの水素貯蔵タンク5a、5b、5c内の水素をCO吸着剤及びH2O吸着剤の再生用洗浄ガス並びに第1のPSA吸着塔の昇圧用ガスとして用い、
「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤再生ステップ並びに第2の昇圧ステップを有した第2の除去工程において、バッファタンク4内の高純度水素及びいずれかの水素貯蔵タンク5a、5b、5c内の水素を「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤の再生用洗浄ガス並びに第2のPSA吸着塔の昇圧用ガスとして用いる例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。
In the present embodiment, in the first removal process having the CO adsorbent and H 2 O adsorbent regeneration step and the first pressure increase step, hydrogen in any of the
In the second removal step having the unnecessary gas adsorbent regeneration step other than “ CO and H 2 O ” and the second pressure increasing step, the high-purity hydrogen in the
すなわち、本発明の技術思想を満足させるためには、
CO吸着剤及びH2O吸着剤再生ステップ並びに第1の昇圧ステップを有した第1の除去工程において、前記バッファタンク内の高純度水素及び前記水素貯蔵タンク内の水素の内の少なくとも前記水素貯蔵タンク内の水素を前記CO吸着剤及びH2O吸着剤の再生用洗浄ガス並びに前記第1のPSA吸着塔の昇圧用ガスとして用い、
「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤再生ステップ並びに第2の昇圧ステップを有した第2の除去工程において、前記バッファタンク内の高純度水素及び前記水素貯蔵タンク内の水素の内の少なくとも前記バッファタンク内の高純度水素を前記「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤の再生用洗浄ガス並びに前記第2のPSA吸着塔の昇圧用ガスとして用いればよい。これにより、少なくともオフガスD中の水素が活用され、製品水素の損失を低減させるとともに、改質ガスから高い回収率で高純度水素を回収できる。
That is, in order to satisfy the technical idea of the present invention,
In the first removal step having a CO adsorbent and H 2 O adsorbent regeneration step and a first pressure increase step, at least the hydrogen storage in the high purity hydrogen in the buffer tank and the hydrogen in the hydrogen storage tank. Hydrogen in the tank is used as a cleaning gas for regeneration of the CO adsorbent and H 2 O adsorbent and a pressure increasing gas for the first PSA adsorption tower,
In the second removal process including the unnecessary gas adsorbent regeneration step other than “ CO and H 2 O ” and the second pressure increasing step, the high purity hydrogen in the buffer tank and the hydrogen in the hydrogen storage tank At least the high-purity hydrogen in the buffer tank may be used as a cleaning gas for regenerating unnecessary gas adsorbents other than the “ CO and H 2 O ” and a pressure increasing gas for the second PSA adsorption tower. Thereby, at least hydrogen in the off-gas D is utilized, and loss of product hydrogen can be reduced, and high-purity hydrogen can be recovered from the reformed gas at a high recovery rate.
ただし、本実施形態のような構成を採用することにより、上記第1の除去工程では前記バッファタンク内の高純度水素(すなわち、製品水素)を使用する必要がなく、かつ、上記第2の除去工程では前記バッファタンク内の高純度水素(すなわち、製品水素)の使用量を低減できるため、製品水素の損失をさらに低減させ、改質ガスからより高い回収率で高純度水素を回収するのに好適である。 However, by adopting the configuration of the present embodiment, it is not necessary to use high-purity hydrogen (that is, product hydrogen) in the buffer tank in the first removal step, and the second removal is performed. In the process, the amount of high-purity hydrogen (that is, product hydrogen) in the buffer tank can be reduced, so that loss of product hydrogen can be further reduced and high-purity hydrogen can be recovered from the reformed gas at a higher recovery rate. Is preferred.
また、本実施形態においては、第1の除去工程において、COとともにH2Oを吸着除去し、第2の除去工程において、「CO及びH2O」以外の不要ガスを吸着除去する例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、第1の除去工程において、COを吸着除去し、第2の除去工程において、CO以外の不要ガスを吸着除去する構成であっても構わない。ただし、本実施形態のような構成(すなわち、第1の除去工程において、COとともにH2Oを吸着除去する構成)を採用することにより、水素貯蔵タンクに充填された水素吸蔵合金の劣化がさらに抑えられるため、製品水素の損失を低減させながら、高純度水素を長期間に亘って高い回収率で得られる。
なお、上述した第1の除去工程における「COとともにH2Oを吸着除去」とは、COとH2Oを吸着除去できる吸着工程を経るという趣旨であり、必ずしもCOとH2Oをそれぞれ完全に除去することに限定されるものではない。また、上述した第2の除去工程における「「CO及びH2O」以外の不要ガスを吸着除去」とは、この不要ガスを吸着除去できる吸着工程を経るという趣旨であり、必ずしも前記不要ガスを完全に除去することに限定されるものではない。また、上述した第1の除去工程における「COを吸着除去」とは、COを吸着除去できる吸着工程を経るという趣旨であり、必ずしもCOを完全に除去することに限定されるものではない。また、上述した第2の除去工程における「CO以外の不要ガスを吸着除去」とは、この不要ガスを吸着除去できる吸着工程を経るという趣旨であり、必ずしも前記不要ガスを完全に除去することに限定されるものではない。
In the present embodiment, an example is described in which H 2 O is adsorbed and removed together with CO in the first removing step, and unnecessary gases other than “ CO and H 2 O ” are adsorbed and removed in the second removing step. However, it is not necessarily limited to this. For example, the configuration may be such that CO is adsorbed and removed in the first removal step, and unnecessary gases other than CO are adsorbed and removed in the second removal step. However, by adopting a configuration as in this embodiment (that is, a configuration in which H 2 O is adsorbed and removed together with CO in the first removal step), the hydrogen storage alloy filled in the hydrogen storage tank is further deteriorated. Therefore, high purity hydrogen can be obtained at a high recovery rate over a long period of time while reducing loss of product hydrogen.
Note that "H 2 O adsorbed removed with CO" in the first removal step described above, an effect that through the adsorption step which can adsorb and remove CO and H 2 O, respectively full necessarily CO and H 2 O and However, it is not limited to the removal. In addition, the term “ adsorption removal of unnecessary gases other than “ CO and H 2 O ” ” in the second removal step described above means that the unnecessary gas is passed through an adsorption step capable of adsorbing and removing the unnecessary gas. It is not limited to complete removal. Further, “CO removal by adsorption” in the first removal step described above means that an adsorption step that can absorb and remove CO is performed, and is not necessarily limited to complete removal of CO. Further, “adsorption removal of unnecessary gases other than CO” in the second removal step described above means that the unnecessary gas is passed through an adsorption step that can be removed by adsorption, and the unnecessary gas is not necessarily completely removed. It is not limited.
また、本実施形態においては、第1のPSA装置2、第2のPSA装置3のそれぞれにおいて、3塔を有する例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、第1のPSA装置2、第2のPSA装置3のそれぞれにおいて、2塔または4塔以上の構成でもよい。ただし、2塔で構成する場合は、均圧操作ができず、高圧化したガスの圧力エネルギを有効に回収できないので、3塔以上で構成するのが推奨される。また、本実施形態においては、水素貯蔵部5に関しても3つの水素貯蔵タンクを有する例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、少なくとも複数の水素貯蔵タンクを有すればよい。
Moreover, in this embodiment, although the example which has 3 towers in each of the 1st PSA apparatus 2 and the 2nd PSA apparatus 3 was demonstrated, it is not necessarily limited to this. For example, each of the first PSA device 2 and the second PSA device 3 may have two or four or more towers. However, in the case of two towers, pressure equalization cannot be performed, and the pressure energy of the high-pressure gas cannot be effectively recovered. In the present embodiment, the example in which the
なお、本実施形態においては、第2の除去工程における第1減圧ステップ、第2減圧ステップ及び「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤再生ステップのいずれのステップにおいてもオフガスDを水素貯蔵タンク5aへ導入する例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、少なくとも「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤再生ステップにおけるオフガスDを水素貯蔵タンク5aへ導入する構成であればよい。また、本実施形態においては、CO吸着剤として、アルミナにハロゲン化銅(I)としての塩化銅(I)が担持された材料を用いた例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、CO吸着剤としては、シリカ、アルミナ、活性炭、グラファイトおよびポリスチレン系樹脂よりなる群から選択される1種以上の担体に、ハロゲン化銅(I)および/もしくはハロゲン化銅(II)を担持させた材料、またはこの材料を還元処理したものが好適に用いられる。ただし、本実施形態で用いたアルミナ担体に塩化銅(I)を担持した材料はCOに対する選択性が高く推奨される。 In this embodiment, the off-gas D is stored in hydrogen in any of the first depressurization step, the second depressurization step, and the unnecessary gas adsorbent regeneration step other than “ CO and H 2 O ” in the second removal step. Although the example introduced into the tank 5a has been described, the present invention is not necessarily limited to this, and at least the off-gas D in the unnecessary gas adsorbent regeneration step other than “ CO and H 2 O ” is introduced into the hydrogen storage tank 5a. I just need it. Moreover, in this embodiment, although the example using the material by which copper chloride (I) as a copper halide (I) was carry | supported to alumina was demonstrated as CO adsorption agent, it is not necessarily limited to this. Absent. For example, as the CO adsorbent, copper (I) halide and / or copper (II) halide is supported on one or more carriers selected from the group consisting of silica, alumina, activated carbon, graphite and polystyrene resin. A material obtained by reducing or treating this material is preferably used. However, a material in which copper (I) chloride is supported on the alumina carrier used in this embodiment has a high selectivity for CO and is recommended.
(実施例)
本発明の効果を確認するため、図1に示すPSA方式高純度水素製造装置(上記本実施形態に同じ)を用いて水素精製実験(高純度水素製造実験)を行った。改質用原料Aはメタノールであり、このメタノールを改質装置1で改質した改質ガスBの組成は、H2:70.3%、H2O:6.2%、CO:0.9%、CO2:22.5%、CH4:0.1%である。また、第1、第2の除去工程における操作手順は、上述した本実施形態に同じである(すなわち、上記表1、表2に従う)。
<上記表1における各ステップの時間>
・「CO及びH2O」吸着ステップ:5分
・均圧ステップ:10秒
・第1減圧ステップ:50秒
・第2減圧ステップ:3分
・CO吸着剤及びH2O吸着剤再生ステップ:1分
・均圧ステップ:10秒
・第1の昇圧ステップ:4分50秒
<上記表2における各ステップの時間>
・「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着ステップ:5分
・均圧ステップ:10秒
・第1減圧ステップ:50秒
・第2減圧ステップ:3分
・「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤再生ステップ:1分
・均圧ステップ:10秒
・第2の昇圧ステップ:4分50秒
<使用吸着剤>
・H2O吸着剤:活性アルミナ(ユニオン昭和製:品番D−201)
・CO吸着剤:アルミナに塩化銅(I)を担持(当社と関西熱化学の共同開発品)
・「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤:活性炭(日本エンバイロケミカル製: 品番G2X)
<使用水素吸蔵合金>
・AB5系水素吸蔵合金
(Example)
In order to confirm the effect of the present invention, a hydrogen purification experiment (high-purity hydrogen production experiment) was performed using the PSA system high-purity hydrogen production apparatus (same as the present embodiment) shown in FIG. The reforming raw material A is methanol, and the composition of the reformed gas B obtained by reforming the methanol by the reformer 1 is H 2 : 70.3%, H 2 O: 6.2%, CO: 0.00. 9%, CO 2 : 22.5%, CH 4 : 0.1%. In addition, the operation procedure in the first and second removal steps is the same as that in the above-described embodiment (that is, according to Tables 1 and 2 above).
<Time of each step in Table 1>
- "CO and H 2 O" sorbent Step: 5 minutes - pressure equalization step: 10 seconds, a first decompression step: 50 seconds, a second pressure reduction step: 3 min - CO adsorbent and H 2 O adsorbent regeneration steps: Minute pressure equalization step: 10 seconds First pressure increase step: 4
・ Unnecessary gas adsorption step other than “ CO and H 2 O ” : 5 minutes ・ equal pressure step: 10 seconds ・ first decompression step: 50 seconds ・ second decompression step: 3 minutes ・ other than “ CO and H 2 O ” Unnecessary gas adsorbent regeneration step: 1 minute-Pressure equalization step: 10 seconds-Second pressure increase step: 4
・ H 2 O adsorbent: activated alumina (made by Union Showa: Part No. D-201)
・ CO adsorbent: Copper (I) chloride supported on alumina (co-developed by Kansai Thermochemical Co., Ltd.)
・ Unnecessary gas adsorbent other than “ CO and H 2 O ” : Activated carbon (manufactured by Nippon Enviro Chemical: product number G2X)
<Used hydrogen storage alloy>
・ AB5 hydrogen storage alloy
(比較例)
比較例が、上記実施例に対して異なるのは、何よりも水素貯蔵部5を有さない点にある。また、比較例においては、第1の除去工程におけるCO吸着剤及びH2O吸着剤の再生用洗浄ガスとして第2のPSA装置3のオフガスDを用い、第1のPSA装置2の各PSA吸着塔の昇圧用ガスとしてバッファタンク4内の高純度水素(製品水素)Cのみを用い、さらに第2の除去工程における「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤の再生用洗浄ガス及び第2のPSA装置3の各PSA吸着塔の昇圧用ガスとして共にバッファタンク4内の高純度水素(製品水素)Cのみを用いる点が、上記実施例と異なる。但し、第1、第2の除去工程の運転タイムテーブルは、基本的に上記表1及び表2に同じである。また、ここに記載した条件以外は、原則として上記実施例に同じである。
(Comparative example)
The comparative example is different from the above embodiment in that it does not have the
(実験結果)
実施例、比較例における高純度水素(99.999%)の回収率は、それぞれ90.5%、80.2%であった。このように実施例の回収率が比較例の回収率に比べて10.3%も向上したのは、オフガスD中の水素が有効に活用されたことに起因する。特に、本実施例においては、第1のPSA装置2の各PSA吸着塔2a、2b、2cの昇圧用ガスとして、バッファタンク4内の高純度水素(製品水素)Cを用いることなく、オフガスD中から抽出した水素貯蔵タンク5a、5b、5c内の水素が活用されたこと、並びに、第2の除去工程における「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤の再生用洗浄ガス及び第2のPSA装置3の各PSA吸着塔3a、3b、3cの昇圧用ガスとして、オフガスD中から抽出した水素貯蔵タンク5a、5b、5c内の水素も活用されたことにより、バッファタンク4内の高純度水素(製品水素)Cの使用量が大幅に低減したことの作用効果によるところ大である。
(Experimental result)
The recovery rates of high-purity hydrogen (99.999%) in Examples and Comparative Examples were 90.5% and 80.2%, respectively. The reason why the recovery rate of the example was improved by 10.3% as compared with the recovery rate of the comparative example was attributed to the effective utilization of hydrogen in the offgas D. In particular, in this embodiment, the off-gas D is used without using the high-purity hydrogen (product hydrogen) C in the
但し、第1の除去工程におけるCO吸着剤の再生用洗浄ガス並びに第1のPSA吸着塔2a、2b、2cの昇圧用ガスとして、バッファタンク4内の高純度水素及び水素貯蔵タンク5a、5b、5c内の水素の内の少なくとも水素貯蔵タンク5a、5b、5c内の水素を用い、第2の除去工程におけるCO以外の不要ガス吸着剤の再生用洗浄ガス及び第2のPSA装置3の各PSA吸着塔3a、3b、3cの昇圧用ガスとして、バッファタンク4内の高純度水素及び水素貯蔵タンク5a、5b、5c内の水素の内の少なくともバッファタンク4内の高純度水素を用いる構成を採用した場合であれば、上記実施例のような作用効果にまでは到達しないまでも、本発明の作用効果は奏する(すなわち、製品水素の損失を低減させるとともに、改質ガスから高い回収率で高純度水素を回収できる。)。
However, the high-purity hydrogen and
1:改質装置
2:第1のPSA装置
2a、2b、2c:第1のPSA吸着塔
3:第2のPSA装置
3a、3b、3c:第2のPSA吸着塔
4:バッファタンク
5:水素貯蔵部
5a、5b、5c:水素貯蔵タンク
A:改質用原料
B:改質ガス
C:高純度水素(製品水素)
D、E:オフガス
1: reformer 2:
D, E: Off gas
Claims (5)
前記CO吸着剤再生ステップ並びに前記第1の昇圧ステップにおいて、前記バッファタンクに一時貯蔵された高純度水素(以下、「バッファタンク内の高純度水素」という)及び前記水素貯蔵タンクに放出された水素(以下、「水素貯蔵タンク内の水素」という)の内の少なくとも前記水素貯蔵タンク内の水素を前記CO吸着剤の再生用洗浄ガス並びに前記第1のPSA吸着塔の昇圧用ガスとして用い、
前記CO以外の不要ガス吸着剤再生ステップ並びに前記第2の昇圧ステップにおいて、前記バッファタンク内の高純度水素及び前記水素貯蔵タンク内の水素の内の少なくとも前記バッファタンク内の高純度水素を前記CO以外の不要ガス吸着剤の再生用洗浄ガス並びに前記第2のPSA吸着塔の昇圧用ガスとして用いることを特徴とするPSA方式高純度水素製造方法。 A reforming step for reforming the reforming raw material to obtain a hydrogen-rich reformed gas, and the reformed gas whose pressure has been increased to a predetermined pressure is passed through a first PSA adsorption tower filled with a CO adsorbent to produce CO. A CO adsorption step for adsorbing and removing CO to remove CO, a CO adsorbent regeneration step for regenerating the CO adsorbent, and a first pressure increase step for increasing the pressure in the first PSA adsorption tower to a predetermined pressure. The CO removal gas obtained in the first removal step and the CO adsorption step is passed through a second PSA adsorption tower filled with an unnecessary gas adsorbent other than CO to adsorb and remove unnecessary gas other than CO. An unnecessary gas adsorption step other than CO for obtaining pure hydrogen, an unnecessary gas adsorbent regeneration step for regenerating unnecessary gas adsorbent other than CO, and a pressure in the second PSA adsorption tower are increased to a predetermined pressure. 2 boost steps and A second removal step, a temporary storage step for temporarily storing the high-purity hydrogen obtained in the second removal step in a buffer tank provided at a subsequent stage of the second PSA adsorption tower, and the second A hydrogen storage step of passing off gas discharged from the PSA adsorption tower through a hydrogen storage tank filled with a hydrogen storage alloy, and storing the hydrogen in the off gas into the hydrogen storage alloy at a predetermined temperature and pressure, and the hydrogen storage step A hydrogen storage step having a hydrogen release step of releasing the hydrogen stored in the hydrogen storage alloy at a predetermined timing after the step into the hydrogen storage tank at a predetermined temperature and a predetermined pressure, and
In the CO adsorbent regeneration step and the first pressure increase step, high-purity hydrogen temporarily stored in the buffer tank (hereinafter referred to as “high-purity hydrogen in the buffer tank”) and hydrogen released into the hydrogen storage tank (Hereinafter referred to as “hydrogen in the hydrogen storage tank”) at least the hydrogen in the hydrogen storage tank is used as the regeneration gas for the regeneration of the CO adsorbent and the pressurizing gas for the first PSA adsorption tower,
In the unnecessary gas adsorbent regeneration step other than the CO and the second boosting step, at least the high-purity hydrogen in the buffer tank and the high-purity hydrogen in the buffer tank out of the high-purity hydrogen in the buffer tank and the hydrogen in the hydrogen storage tank are converted into the CO. A PSA-type high-purity hydrogen production method, characterized by being used as a cleaning gas for regeneration of an unnecessary gas adsorbent other than the above and as a pressurizing gas for the second PSA adsorption tower.
前記第1の除去工程が、COとともにH2Oを吸着除去し「CO及びH2O」除去ガスを得る「CO及びH2O」吸着ステップと、CO吸着剤及びH2O吸着剤を再生するCO吸着剤及びH2O吸着剤再生ステップと、前記第1のPSA吸着塔内の圧力を所定圧力に昇圧する第1の昇圧ステップとを有した構成となり、
前記第2の除去工程が、前記「CO及びH2O」吸着ステップで得られた「CO及びH2O」除去ガスを「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤が充填された第2のPSA吸着塔に通じて「CO及びH2O」以外の不要ガスを吸着除去し高純度水素を得る「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着ステップと、前記「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤を再生する「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤再生ステップと、前記第2のPSA吸着塔内の圧力を所定圧力に昇圧する第2の昇圧ステップとを有した構成となり、
前記CO吸着剤及びH2O吸着剤再生ステップ並びに前記第1の昇圧ステップにおいて、前記バッファタンク内の高純度水素及び前記水素貯蔵タンク内の水素の内の少なくとも前記水素貯蔵タンク内の水素を前記CO吸着剤及びH2O吸着剤の再生用洗浄ガス並びに前記第1のPSA吸着塔の昇圧用ガスとして用い、
前記「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤再生ステップ並びに前記第2の昇圧ステップにおいて、前記バッファタンク内の高純度水素及び前記水素貯蔵タンク内の水素の内の少なくとも前記バッファタンク内の高純度水素を前記「CO及びH2O」以外の不要ガス吸着剤の再生用洗浄ガス並びに前記第2のPSA吸着塔の昇圧用ガスとして用いることを特徴とする請求項1に記載のPSA方式高純度水素製造方法。 The first PSA adsorption tower is further filled with H 2 O adsorbent for adsorbing and removing water vapor (hereinafter referred to as “H 2 O”) in the reformed gas whose pressure has been increased to the predetermined pressure. By
Play the first removal step, a "CO and H 2 O" sorbent step H 2 O was adsorbed and removed to obtain a "CO and H 2 O" stripping gas with CO, the CO adsorbent and H 2 O adsorbent A CO adsorbent and H 2 O adsorbent regeneration step, and a first pressure increasing step for increasing the pressure in the first PSA adsorption tower to a predetermined pressure,
In the second removal step, the “ CO and H 2 O ” removal gas obtained in the “ CO and H 2 O ” adsorption step is filled with an unnecessary gas adsorbent other than “ CO and H 2 O ” . and the unnecessary gas adsorption steps other than through the second PSA adsorption tower "CO and H 2 O" other unwanted gases removed by adsorption obtain high purity hydrogen "CO and H 2 O", the "CO and H 2 O and "CO and H 2 O" unnecessary gas adsorbent regeneration step except for reproducing unnecessary gas adsorption agent other than "a second boosting step which boosts the pressure of the second PSA adsorption tower at a predetermined pressure It has a configuration that
In the CO adsorbent and H 2 O adsorbent regeneration step and the first pressure increase step, at least hydrogen in the hydrogen storage tank out of high purity hydrogen in the buffer tank and hydrogen in the hydrogen storage tank is Used as a cleaning gas for regeneration of the CO adsorbent and H 2 O adsorbent and the pressure increasing gas of the first PSA adsorption tower,
In the unnecessary gas adsorbent regeneration step other than the “ CO and H 2 O ” and the second boosting step, at least the high-purity hydrogen in the buffer tank and the hydrogen in the hydrogen storage tank are in the buffer tank. 2. The PSA system according to claim 1, wherein high-purity hydrogen is used as a cleaning gas for regenerating an unnecessary gas adsorbent other than the “ CO and H 2 O ” and a pressurizing gas for the second PSA adsorption tower. High purity hydrogen production method.
(a)改質用原料を水蒸気で改質して水素リッチな改質ガスを得る工程
(b)改質用原料を水蒸気で改質した後に変成させて水素リッチな改質ガスを得る工程
(c)炭化水素含有燃料を部分酸化により改質して水素リッチな改質ガスを得る工程
(d)炭化水素含有燃料を部分酸化により改質させると同時に水蒸気で改質して水素リッチな改質ガスを得る工程
(e)炭化水素含有燃料を水蒸気で改質した後にセラミックフィルタ等の粗製分離膜を流通させて水素濃度を高めて水素リッチな改質ガスを得る工程 The PSA system high-purity hydrogen production method according to claim 1 or 2, wherein the reforming step is one of the following steps (a) to (e).
(A) Step of reforming the reforming raw material with steam to obtain a hydrogen-rich reformed gas (b) Step of reforming the reforming raw material with steam and then modifying to obtain a hydrogen-rich reformed gas ( c) Step of reforming the hydrocarbon-containing fuel by partial oxidation to obtain a hydrogen-rich reformed gas (d) Reforming the hydrocarbon-containing fuel by partial oxidation and simultaneously reforming with steam to hydrogen-rich reforming Step for obtaining gas (e) Step for obtaining a hydrogen-rich reformed gas by reforming a hydrocarbon-containing fuel with steam and then circulating a crude separation membrane such as a ceramic filter to increase the hydrogen concentration
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