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JP5134252B2 - Hydrogen production apparatus and method - Google Patents

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JP5134252B2
JP5134252B2 JP2007013017A JP2007013017A JP5134252B2 JP 5134252 B2 JP5134252 B2 JP 5134252B2 JP 2007013017 A JP2007013017 A JP 2007013017A JP 2007013017 A JP2007013017 A JP 2007013017A JP 5134252 B2 JP5134252 B2 JP 5134252B2
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敬幸 小林
海洋 朴
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Toho Gas Co Ltd
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Description

本発明は,炭化水素系の燃料を水蒸気改質反応等により改質して,水素ガスを製造するための水素製造装置およびその方法に関する。さらに詳細には,改質の過程で製造される二酸化炭素を効率よく回収できる水素製造装置およびその方法に関するものである。   The present invention relates to a hydrogen production apparatus and method for producing hydrogen gas by reforming a hydrocarbon-based fuel by a steam reforming reaction or the like. More specifically, the present invention relates to a hydrogen production apparatus and method for efficiently recovering carbon dioxide produced in the reforming process.

燃料電池等の燃料ガスとなる水素に富むガスを製造する方法として,化石燃料から水蒸気改質反応を利用して製造する方法がある。これは,メタンの場合について次の式1に示すような,炭化水素の加水分解により水素と一酸化炭素を得る反応を基本とするものである。さらに,式1によって発生するCOから,式2の反応によってCO2と水素が得られる。
CH4 + H2O → CO + 3H2 …(式1)
CO + H2O → CO2 + H2 …(式2)
As a method for producing a gas rich in hydrogen, which is a fuel gas for a fuel cell or the like, there is a method for producing from a fossil fuel using a steam reforming reaction. This is based on the reaction of obtaining hydrogen and carbon monoxide by hydrolysis of hydrocarbon as shown in the following formula 1 in the case of methane. Furthermore, CO 2 and hydrogen are obtained from the CO generated by Equation 1 by the reaction of Equation 2.
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (Formula 1)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (Formula 2)

従来の一般的な水素製造装置100としては,図13に示すように,加圧器101,改質器102,CO変成器103,PSA104,燃焼部105を有しているものがある。原料ガスは,加圧器101で約0.9MPa程度まで加圧されるとともに,予熱される。この原料ガスと予熱した水蒸気とを改質器102で改質反応させると,水素,一酸化炭素,二酸化炭素を含むガスが得られる。改質器102には,改質触媒(例えば,アルミナ粒子にニッケルが担持された粒子)が充填されている。   As a conventional general hydrogen production apparatus 100, there is an apparatus having a pressurizer 101, a reformer 102, a CO converter 103, a PSA 104, and a combustion section 105 as shown in FIG. The source gas is pressurized to about 0.9 MPa by the pressurizer 101 and preheated. When this raw material gas and preheated water vapor undergo a reforming reaction in the reformer 102, a gas containing hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide is obtained. The reformer 102 is filled with a reforming catalyst (for example, particles in which nickel is supported on alumina particles).

その出力ガスは次に,CO変成器103に通され,残留する一酸化炭素に水蒸気が加えられてさらに二酸化炭素と水素とが得られる。ここでCO変成器103通過後に得られるガスの組成は例えば,次の表1の「シフト反応後ガス」欄に示すようになる。さらに,このガスを脱熱することにより脱水する。すると各成分の組成は,表1の「脱水後」欄に示した程度となる。この表1および以下の同様の表においてはいずれも,各ガスの割合をモル分率で示している。また,以下の文中における各ガスの割合についても,特記しない限りモル分率で示す。なお,図13中に示しているのは,その装置で起きる主な反応の化学式と標準的な反応温度である。   The output gas is then passed through a CO converter 103 where water vapor is added to the remaining carbon monoxide to obtain carbon dioxide and hydrogen. Here, the composition of the gas obtained after passing through the CO converter 103 is, for example, as shown in the “gas after shift reaction” column in the following Table 1. Further, the gas is dehydrated by removing heat. Then, the composition of each component is as shown in the “After dehydration” column of Table 1. In both Table 1 and the following similar tables, the ratio of each gas is shown in mole fraction. In addition, the ratio of each gas in the following sentences is also shown in mole fraction unless otherwise specified. FIG. 13 shows chemical formulas of main reactions that occur in the apparatus and standard reaction temperatures.

Figure 0005134252
Figure 0005134252

ここで得られた水素リッチガスは,PSA104によってさらに高純度な水素ガスに精製される。ここで,PSA(Pressure Swing Adsorption)104は,吸着剤を用いた水素精製装置である。PSA104では,各種ガス成分の吸着速度の差により,水素が最も吸着されにくいことを利用して,高水素の製品水素ガス(例えば99.99%程度)が精製される。   The hydrogen-rich gas obtained here is purified to a higher purity hydrogen gas by the PSA 104. Here, PSA (Pressure Swing Adsorption) 104 is a hydrogen purifier using an adsorbent. In the PSA 104, high hydrogen product hydrogen gas (for example, about 99.99%) is purified by utilizing the fact that hydrogen is hardly adsorbed due to the difference in the adsorption speed of various gas components.

PSA104で吸着されたその他のガス成分(CO,CH4,CO2など)は,適宜,脱圧により吸着剤から外され,製品水素の一部を用いて洗い流される。その際に使用される水素は,通常,製品水素の30%以上となる。また,PSA104から排出されるガス(オフガス)の組成は例えば,次の表2のようになっている。そこで,このオフガスを燃焼部105で燃焼し,その熱を改質器102の加熱や原料ガスの予熱等に用いている。 Other gas components (CO, CH 4 , CO 2, etc.) adsorbed by the PSA 104 are appropriately removed from the adsorbent by depressurization and washed away using part of the product hydrogen. The hydrogen used at that time is usually 30% or more of the product hydrogen. The composition of the gas (off gas) discharged from the PSA 104 is as shown in Table 2 below, for example. Therefore, this off-gas is combusted in the combustion unit 105, and the heat is used for heating the reformer 102, preheating the raw material gas, and the like.

Figure 0005134252
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この従来型の水素製造装置100では,トータルでの水素製造効率は約67%であった。なお,この水素製造効率とは,以下の式で算出される数値である。
水素製造効率(%) = 製品水素の熱量 / (原料の熱量 + 電力消費量)
ここで,原料とは,都市ガス等の原料ガスのことである。この水素製造効率は従来の各種エネルギーの製造効率等と比較して,非常に優れているとは言えず,さらなる高効率化が望まれていた。また,二酸化炭素排出量の削減も求められていた。
In this conventional hydrogen production apparatus 100, the total hydrogen production efficiency was about 67%. The hydrogen production efficiency is a numerical value calculated by the following formula.
Hydrogen production efficiency (%) = calorific value of product hydrogen / (caloric value of raw material + electric power consumption)
Here, the raw material is a raw material gas such as city gas. This hydrogen production efficiency is not very excellent compared to the conventional production efficiency of various energies, and further higher efficiency has been desired. There was also a need to reduce carbon dioxide emissions.

これに対し,近年,二酸化炭素吸収型の水素製造技術が提案されている(例えば,特許文献1,特許文献2参照。)。これらの文献に開示されている装置では,燃料改質を行う反応器に,燃料改質触媒とともに二酸化炭素吸収剤が充填されている。これらの文献に記載の装置を用いた水素製造方法では,反応器に原料ガスと水蒸気を導入して,水蒸気改質反応と二酸化炭素吸収反応とを並行して行わせる。   On the other hand, in recent years, a carbon dioxide absorption type hydrogen production technique has been proposed (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2). In the apparatuses disclosed in these documents, a carbon dioxide absorbent is filled together with a fuel reforming catalyst in a reactor that performs fuel reforming. In the hydrogen production method using the apparatuses described in these documents, a raw material gas and steam are introduced into a reactor, and a steam reforming reaction and a carbon dioxide absorption reaction are performed in parallel.

ここで,反応器内の二酸化炭素吸収剤によって二酸化炭素を吸収できる量には限界がある。そこで,ある程度の量の二酸化炭素を吸収させたら,吸収されている二酸化炭素を放出させて,二酸化炭素吸収剤が再び二酸化炭素を吸収できるようにする(「再生する」という)ことが必要である。これらの文献では,二酸化炭素を吸収した二酸化炭素吸収剤を昇温することによって,二酸化炭素吸収剤を再生している。これは,二酸化炭素吸収剤の吸収できる二酸化炭素の量が,温度によって異なり,高温では少なくなることを利用したものである。   Here, there is a limit to the amount of carbon dioxide that can be absorbed by the carbon dioxide absorbent in the reactor. Therefore, after absorbing a certain amount of carbon dioxide, it is necessary to release the absorbed carbon dioxide so that the carbon dioxide absorbent can absorb carbon dioxide again (referred to as “regeneration”). . In these documents, the carbon dioxide absorbent is regenerated by raising the temperature of the carbon dioxide absorbent that has absorbed carbon dioxide. This utilizes the fact that the amount of carbon dioxide that can be absorbed by the carbon dioxide absorbent varies depending on the temperature and decreases at high temperatures.

そこで,反応器内の二酸化炭素吸収剤にある程度の量の二酸化炭素を吸収させたら,二酸化炭素吸収剤が二酸化炭素を放出して再生される温度までその反応器を昇温する。そして,二酸化炭素吸収剤が再生された反応器に,再び原料ガスと水蒸気とを導入する。そうすると,さらに水蒸気改質反応を起こさせることができる。このとき,この水蒸気改質反応が吸熱反応であり,二酸化炭素吸収剤による二酸化炭素吸収反応が発熱反応であることから,水蒸気改質反応に必要な熱エネルギーの追加を二酸化炭素吸収反応による発生熱によって賄うことができる。これらの手順が繰り返されることによって,水素ガスが製造される。   Therefore, when a certain amount of carbon dioxide is absorbed by the carbon dioxide absorbent in the reactor, the temperature of the reactor is raised to a temperature at which the carbon dioxide absorbent releases carbon dioxide and is regenerated. Then, the raw material gas and water vapor are again introduced into the reactor in which the carbon dioxide absorbent has been regenerated. Then, further steam reforming reaction can be caused. At this time, the steam reforming reaction is an endothermic reaction, and the carbon dioxide absorption reaction by the carbon dioxide absorbent is an exothermic reaction. Therefore, the heat energy required for the steam reforming reaction is added to the heat generated by the carbon dioxide absorption reaction. Can be covered by By repeating these procedures, hydrogen gas is produced.

この製造方法では,反応器の温度が,改質工程および二酸化炭素吸収工程の反応温度(例えば約600℃)と二酸化炭素吸収剤の再生温度(例えば約900℃)との間で繰り返し変化される。そのため,温度スイング方式と呼ぶこととする。
特開2003−54927号公報 特開2003−212510号公報
In this production method, the temperature of the reactor is repeatedly changed between the reaction temperature of the reforming step and the carbon dioxide absorption step (for example, about 600 ° C.) and the regeneration temperature of the carbon dioxide absorbent (for example, about 900 ° C.). . Therefore, it will be called the temperature swing method.
JP 2003-54927 A JP 2003-212510 A

しかしながら,前記した温度スイング方式の二酸化炭素吸収型の水素製造装置では,以下のような問題点があった。
(1)反応温度と再生温度との間で昇降温が繰り返されるため,反応管の膨張・収縮が繰り返され,反応管自体や管内の触媒等が破損するおそれがある。
(2)二酸化炭素吸収剤の再生工程が非常に高温で行われるため,反応器の容器である反応管として,特殊材料のものを用いる必要がある。
However, the above-described temperature swing type carbon dioxide absorption type hydrogen production apparatus has the following problems.
(1) Since the temperature rise and fall is repeated between the reaction temperature and the regeneration temperature, the reaction tube is repeatedly expanded and contracted, and the reaction tube itself and the catalyst in the tube may be damaged.
(2) Since the regeneration process of the carbon dioxide absorbent is performed at a very high temperature, it is necessary to use a special material as the reaction tube which is a container of the reactor.

(3)反応管内の触媒層等の熱伝導抵抗が大きく,温度を変化させるのに時間がかかる。そのため,放熱ロスが大きい。また,時間的効率を上昇させるためには反応管を複数備えて,異なる工程を順次行わせる等の工夫が必要である。そのため,装置が全体として大型化・複雑化しがちである。
(4)この二酸化炭素吸収型の装置によって得られるガスの水素濃度は90%程度であり,製品として要求される純度(99.99%)に到達しない。そのため,PSAを通す必要があり,PSAのパージのために製品水素の一部が使用される。さらに,PSAのオフガスは反応器を加熱するための燃料として用いられる。そのため,システム全体としての水素製造効率は70%程度となり,従来の二酸化炭素回収型でない水素製造装置と比較してさほど向上していない。
(3) The heat conduction resistance of the catalyst layer in the reaction tube is large, and it takes time to change the temperature. Therefore, heat dissipation loss is large. In addition, in order to increase the time efficiency, it is necessary to devise such as providing a plurality of reaction tubes and sequentially performing different processes. As a result, the overall size of the equipment tends to increase in size and complexity.
(4) The hydrogen concentration of the gas obtained by this carbon dioxide absorption type apparatus is about 90%, and does not reach the purity (99.99%) required for the product. Therefore, it is necessary to pass PSA, and a part of product hydrogen is used for purging PSA. Furthermore, the PSA off-gas is used as a fuel to heat the reactor. Therefore, the hydrogen production efficiency of the entire system is about 70%, which is not so improved as compared with a conventional hydrogen production apparatus that is not a carbon dioxide recovery type.

本発明は,前記した従来の水素製造装置が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは,二酸化炭素の吸収・放出のサイクルを簡易な方法で実現し,装置の簡素化・低コスト化に寄与するとともに,システム全体としての水素製造効率を上昇させることのできる水素製造装置およびその方法を提供することにある。   The present invention has been made to solve the problems of the conventional hydrogen production apparatus. In other words, the problem is that the carbon dioxide absorption and release cycle can be realized by a simple method, contributing to simplification and cost reduction of the equipment, and increasing the efficiency of hydrogen production as a whole system. An object of the present invention is to provide a hydrogen production apparatus and method.

この課題の解決を目的としてなされた本発明の水素製造装置は,炭化水素と水とから水素を生成する改質反応を促進する改質触媒と,二酸化炭素吸収剤とを内蔵する改質反応管と,改質反応管に原料ガスを供給する供給部と,改質反応管から出力される改質ガスを,水素濃度を高めた製品ガスと,非水素成分の濃度を高めたオフガスとに分離する精製部と,精製部からオフガスを供給部へ戻す戻し部と,改質反応管を減圧することにより改質反応管から二酸化炭素リッチガスを取り出す二酸化炭素取り出し部とを有するものである。   The hydrogen production apparatus of the present invention made for the purpose of solving this problem is a reforming reaction tube containing a reforming catalyst for promoting a reforming reaction for generating hydrogen from hydrocarbon and water, and a carbon dioxide absorbent. And the supply section for supplying the raw material gas to the reforming reaction tube, and the reformed gas output from the reforming reaction tube is separated into a product gas with an increased hydrogen concentration and an off-gas with an increased concentration of non-hydrogen components. And a return unit for returning off-gas from the purification unit to the supply unit, and a carbon dioxide extraction unit for extracting the carbon dioxide rich gas from the reforming reaction tube by depressurizing the reforming reaction tube.

本発明の水素製造装置によれば,供給部によって改質反応管に原料ガスが供給される。その改質反応管には,改質触媒が内蔵されているので,原料ガスが改質される。さらに,改質反応管には,二酸化炭素吸収剤も内蔵されているので,改質反応によって生成された二酸化炭素が二酸化炭素吸収剤に吸収される。従って,改質反応管からは,二酸化炭素の含有量の少ない改質ガスが出力される。この改質ガスが精製部によって,水素濃度を高めた製品ガスと,非水素成分の濃度を高めたオフガスとに分離される。ここで分離されたオフガスには,二酸化炭素はほとんど含まれていないので,供給部へ戻して原料ガスと混ぜて使うことができる。そこで,戻し部によって供給部へ戻される。すなわち,製品水素が改質反応管等の加熱などのために使用されることはなく,これらの加熱のためには必要量の燃料のみを燃焼用に供給すればよい。従って,システム全体としての水素製造効率を上昇させることができる。   According to the hydrogen production apparatus of the present invention, the raw material gas is supplied to the reforming reaction tube by the supply unit. Since the reforming reaction tube contains a reforming catalyst, the source gas is reformed. Furthermore, since the carbon dioxide absorbent is also incorporated in the reforming reaction tube, the carbon dioxide generated by the reforming reaction is absorbed by the carbon dioxide absorbent. Therefore, a reformed gas with a low carbon dioxide content is output from the reforming reaction tube. The reformed gas is separated into a product gas with an increased hydrogen concentration and an off-gas with an increased concentration of non-hydrogen components by the purification unit. Since the separated off gas contains almost no carbon dioxide, it can be returned to the supply section and mixed with the raw material gas. Therefore, it is returned to the supply unit by the return unit. That is, the product hydrogen is not used for heating the reforming reaction tube or the like, and only the required amount of fuel needs to be supplied for combustion for these heating. Therefore, the hydrogen production efficiency of the entire system can be increased.

さらに,二酸化炭素吸収剤に吸収された二酸化炭素は,二酸化炭素取り出し部によって二酸化炭素リッチガスとして取り出される。これにより,二酸化炭素吸収剤が再生される。このとき,二酸化炭素取り出し部では,改質反応管を減圧することにより二酸化炭素リッチガスを取り出すので,改質反応管を特に高温にする必要はない。このため,改質反応管として特殊材料のものを用いる必要はない。従って,二酸化炭素の吸収・放出のサイクルを圧力を変化させるという簡易な方法で実現できるため,装置の簡素化・低コスト化に寄与している。   Furthermore, the carbon dioxide absorbed by the carbon dioxide absorbent is taken out as a carbon dioxide rich gas by the carbon dioxide taking-out part. Thereby, the carbon dioxide absorbent is regenerated. At this time, since the carbon dioxide rich gas is taken out by reducing the pressure of the reforming reaction tube in the carbon dioxide taking-out section, it is not necessary to make the reforming reaction tube particularly high in temperature. For this reason, it is not necessary to use a special material for the reforming reaction tube. Therefore, the carbon dioxide absorption / release cycle can be realized by a simple method of changing the pressure, contributing to simplification and cost reduction of the apparatus.

さらに本発明では,改質反応管に,原料ガスを供給して改質ガスを出力させる改質工程と,減圧して二酸化炭素リッチガスを出力させる再生工程と,昇圧させる昇圧工程とをこの順に反復して行わせる制御部を有することが望ましい。
このようにすれば,改質反応管を繰り返し使用して,改質反応と二酸化炭素吸収反応とを起こさせることができる。
Further, in the present invention, the reforming step of supplying the raw material gas to the reforming reaction tube and outputting the reformed gas, the regeneration step of reducing the pressure and outputting the carbon dioxide rich gas, and the boosting step of increasing the pressure are repeated in this order. It is desirable to have a control unit to be performed.
In this way, the reforming reaction tube and the carbon dioxide absorption reaction can be caused by repeatedly using the reforming reaction tube.

さらに本発明では,昇圧工程で改質反応管に供給するガスが,原料ガスとオフガスとの混合ガスであることが望ましい。
このようにすれば,オフガスをさらに原料の一部として使用でき,水素製造効率を上昇させることができる。
Furthermore, in the present invention, it is desirable that the gas supplied to the reforming reaction tube in the pressurization step is a mixed gas of a source gas and an off gas.
In this way, off-gas can be further used as part of the raw material, and hydrogen production efficiency can be increased.

さらに本発明では,少なくとも3基の改質反応管を有し,制御部が,第1の改質反応管に改質工程を行わせ,第2の改質反応管に再生工程を行わせ,第3の改質反応管に昇圧工程を行わせる第1モードと,第1の改質反応管に再生工程を行わせ,第2の改質反応管に昇圧工程を行わせ,第3の改質反応管に改質工程を行わせる第2モードと,第1の改質反応管に昇圧工程を行わせ,第2の改質反応管に改質工程を行わせ,第3の改質反応管に再生工程を行わせる第3モードとをこの順に反復して行うことが望ましい。   Further, in the present invention, the controller has at least three reforming reaction tubes, and the control unit causes the first reforming reaction tube to perform a reforming step and causes the second reforming reaction tube to perform a regeneration step. A first mode in which the third reforming reaction tube performs a boosting step; a first reforming reaction tube in which a regeneration step is performed; a second reforming reaction tube in which a boosting step is performed; A second mode in which a reforming step is performed in the quality reaction tube, a pressure-increasing step is performed in the first reforming reaction tube, a reforming step is performed in the second reforming reaction tube, and a third reforming reaction is performed. It is desirable to repeatedly perform the third mode in which the tube performs the regeneration process in this order.

このようなものであれば,各改質反応管ではそれぞれ,改質工程,再生工程,昇圧工程がこの順で繰り返される。さらに,第1モード,第2モード,第3モードのいずれにおいても,いずれかの改質反応管において改質工程が行われる。従って,途切れることなく改質工程が行われるので,連続して製品ガスを得ることができる。   In such a case, the reforming process, the regeneration process, and the boosting process are repeated in this order in each reforming reaction tube. Further, the reforming process is performed in any reforming reaction tube in any of the first mode, the second mode, and the third mode. Therefore, since the reforming process is performed without interruption, the product gas can be obtained continuously.

さらに本発明では,3基の改質反応管を相互に選択的に接続する循環管を有し,制御部は,各モードの前段にて,再生工程にある改質反応管から昇圧工程にある改質反応管へガスを供給することが望ましい。
例えば,改質工程において二酸化炭素吸収剤に多くの二酸化炭素が吸収され,それ以上の吸収が難しくなったときに,再生工程に移行する。そのため,再生工程に移行したときの改質反応管では,その出口近傍には改質反応の終わったガスが多少残留している。そこで,再生工程にある改質反応管から昇圧工程にある改質反応管へガスを供給することにより,その残留ガスを回収することができる。
Furthermore, in the present invention, there is a circulation pipe for selectively connecting the three reforming reaction pipes to each other, and the control unit is in the boosting process from the reforming reaction pipe in the regeneration process before each mode. It is desirable to supply gas to the reforming reaction tube.
For example, when a large amount of carbon dioxide is absorbed by the carbon dioxide absorbent in the reforming process and further absorption becomes difficult, the process proceeds to the regeneration process. For this reason, in the reforming reaction tube at the time of transition to the regeneration process, some gas that has undergone the reforming reaction remains in the vicinity of the outlet. Therefore, by supplying gas from the reforming reaction tube in the regeneration process to the reforming reaction tube in the pressure increasing process, the residual gas can be recovered.

さらに本発明では,制御部は,各モードの後段にて,改質工程にある改質反応管から昇圧工程にある改質反応管へ改質ガスの一部を供給することが望ましい。
昇圧工程において改質反応管に原料ガスを供給した場合には,その全体について改質反応がほぼ終了するまで,改質ガスの取り出しを開始することができない。そのため,昇圧工程を終了してから改質ガスを取り出すまでに若干の待機時間が必要となる。それに代えて,改質工程にある改質反応管から昇圧工程にある改質反応管へ改質ガスの一部を供給しておけば,昇圧工程の終了時には,その改質反応管内のガスに改質ガスが含まれている。従って,昇圧工程から改質工程へと移行されたときには,ほとんど待機時間を設けることなく改質ガスを取り出すことができる。
Further, in the present invention, it is desirable that the control unit supplies a part of the reformed gas from the reforming reaction tube in the reforming process to the reforming reaction tube in the pressurizing process at the subsequent stage of each mode.
When the raw material gas is supplied to the reforming reaction tube in the pressurizing step, the removal of the reformed gas cannot be started until the reforming reaction is almost completed for the whole. Therefore, some waiting time is required from the end of the pressurizing process until the reformed gas is taken out. Instead, if a part of the reformed gas is supplied from the reforming reaction tube in the reforming process to the reforming reaction tube in the pressurizing process, the gas in the reforming reaction tube is transferred at the end of the pressurizing process. Contains reformed gas. Therefore, when the process is shifted from the pressure increasing process to the reforming process, the reformed gas can be taken out with almost no waiting time.

さらに本発明では,制御部は,モードの切り換え時に一時的に,再生工程を終了した改質反応管に改質ガスを導入することが望ましい。
再生工程においては,改質反応管は減圧されて二酸化炭素リッチガスが取り出される。しかし,再生工程の終了時にも改質反応管にはわずかに二酸化炭素が残留しているかもしれない。そこで,モードの切り換え時に一時的に,再生工程を終了した改質反応管に改質ガスを導入すれば,残留している二酸化炭素があっても確実に取り出すことができる。
Furthermore, in the present invention, it is desirable that the control unit introduces the reformed gas into the reforming reaction tube that has finished the regeneration process temporarily when the mode is switched.
In the regeneration step, the reforming reaction tube is depressurized and carbon dioxide rich gas is taken out. However, a slight amount of carbon dioxide may remain in the reforming reaction tube at the end of the regeneration process. Therefore, if the reformed gas is introduced into the reforming reaction tube that has finished the regeneration process temporarily when the mode is switched, the remaining carbon dioxide can be reliably removed.

また本発明は,炭化水素と水とから水素を生成する改質反応を促進する改質触媒と,二酸化炭素吸収剤とを内蔵する改質反応管を用い,改質反応管に原料ガスと水蒸気とを供給して改質反応を起こさせ,生成した二酸化炭素を二酸化炭素吸収剤に吸収させるとともに改質ガスを出力させ,改質ガスの水素濃度を高めた製品ガスを得る改質工程と,改質工程後の改質反応管を減圧して二酸化炭素吸収剤から二酸化炭素を放出させる再生工程と,再生工程後の改質反応管に,原料ガスと,改質ガスの非水素成分の濃度を高めたオフガスとの混合ガスを供給して昇圧する昇圧工程とを行う水素製造方法にも及ぶ。   The present invention also uses a reforming reaction tube containing a reforming catalyst that promotes a reforming reaction for generating hydrogen from hydrocarbon and water, and a carbon dioxide absorbent. And a reforming step of causing a reforming reaction to absorb the generated carbon dioxide in a carbon dioxide absorbent and outputting a reformed gas to obtain a product gas having an increased hydrogen concentration of the reformed gas, Regeneration process in which the reforming reaction tube after the reforming process is decompressed to release carbon dioxide from the carbon dioxide absorbent, and the reforming reaction tube after the regeneration process has a concentration of the raw material gas and the non-hydrogen component of the reforming gas. The present invention extends to a hydrogen production method in which a mixed gas with an off-gas having an increased pressure is supplied and the pressure is increased.

また本発明は,炭化水素と水とから水素を生成する改質反応を促進する改質触媒と,二酸化炭素吸収剤とを内蔵する,少なくとも3基の改質反応管を用い,第1の改質反応管に改質工程を行わせ,第2の改質反応管に再生工程を行わせ,第3の改質反応管に昇圧工程を行わせる第1モードと,第1の改質反応管に再生工程を行わせ,第2の改質反応管に昇圧工程を行わせ,第3の改質反応管に改質工程を行わせる第2モードと,第1の改質反応管に昇圧工程を行わせ,第2の改質反応管に改質工程を行わせ,第3の改質反応管に再生工程を行わせる第3モードとをこの順に反復して行い,改質工程では,改質反応管に,原料ガスと水蒸気とを供給して改質反応を起こさせ,生成した二酸化炭素を二酸化炭素吸収剤に吸収させるとともに改質ガスを出力させ,改質ガスの水素濃度を高めた製品ガスを得,再生工程では,改質工程後の改質反応管を減圧して二酸化炭素吸収剤から二酸化炭素を放出させ,昇圧工程の前段では,再生工程にある改質反応管からガスの供給を受けて改質反応管を昇圧させ,昇圧工程の後段では,改質工程にある改質反応管から改質ガスの一部の供給を受けて改質反応管を昇圧させる水素製造方法にも及ぶ。   In addition, the present invention uses at least three reforming reaction tubes containing a reforming catalyst for promoting a reforming reaction for generating hydrogen from hydrocarbon and water, and a carbon dioxide absorbent. A first mode in which a reforming step is performed in the quality reaction tube, a regeneration step is performed in the second reforming reaction tube, and a pressure increasing step is performed in the third reforming reaction tube; A second mode in which a regeneration step is performed, a second reforming reaction tube is subjected to a boosting step, a third reforming reaction tube is subjected to a reforming step, and a first reforming reaction tube is subjected to a boosting step. And repeating the third mode in which the second reforming reaction tube performs the reforming process and the third reforming reaction tube performs the regeneration process in this order. The raw material gas and water vapor are supplied to the quality reaction tube to cause the reforming reaction, and the generated carbon dioxide is absorbed by the carbon dioxide absorbent and the reforming gas is absorbed. In the regeneration process, the reforming reaction tube after the reforming process is depressurized to release carbon dioxide from the carbon dioxide absorbent, and before the pressurizing process. Then, the supply of gas from the reforming reaction tube in the regeneration process is pressurized to raise the pressure of the reforming reaction tube. In the latter stage of the boosting process, a part of the reformed gas is supplied from the reforming reaction tube in the reforming process. It extends to a hydrogen production method in which the reforming reaction tube is pressurized.

炭化水素と水とから水素を生成する改質反応を促進する改質触媒を内蔵する改質反応管と,改質反応管の下流に設けられ,一酸化炭素と水とから水素を生成する一酸化炭素変成反応を促進する一酸化炭素変成触媒と二酸化炭素吸収剤とを内蔵する変成器と,改質反応管に原料ガスを供給する供給部と,変成器から出力される改質ガスを,水素濃度を高めた製品ガスと,非水素成分の濃度を高めたオフガスとに分離する精製部と,精製部からオフガスを供給部へ戻す戻し部と,変成器を減圧することにより変成器から二酸化炭素リッチガスを取り出す二酸化炭素取り出し部とを有するものであってもよい。   A reforming reaction tube containing a reforming catalyst for promoting a reforming reaction for generating hydrogen from hydrocarbon and water, and a downstream of the reforming reaction tube for generating hydrogen from carbon monoxide and water. A converter containing a carbon monoxide conversion catalyst and a carbon dioxide absorbent for promoting a carbon oxide conversion reaction, a supply unit for supplying a raw material gas to the reforming reaction tube, and a reformed gas output from the converter, A refining unit that separates product gas with increased hydrogen concentration and off-gas with increased concentration of non-hydrogen components, a return unit that returns off-gas from the refining unit to the supply unit, and CO2 from the transformer by depressurizing the transformer. You may have a carbon dioxide extraction part which takes out carbon rich gas.

本発明の水素製造装置によれば,供給部によって改質反応管に原料ガスが供給される。さらに,改質反応管で改質反応されたガスは,その下流の変成器へと送られる。ここで,変成器には,二酸化炭素吸収剤が内蔵されているので,改質反応によって生成された二酸化炭素は,二酸化炭素吸収剤に吸収される。従って,変成器から出力される改質ガスは,二酸化炭素の含有量が少ないものとなっている。従って,その改質ガスから分離されたオフガスも二酸化炭素の含有量が少ない。従って,オフガスを供給部へ戻して原料ガスと混ぜて使うことができる。さらに,変成器は,減圧されることにより二酸化炭素リッチガスが取り出される。これにより,二酸化炭素吸収剤が容易に再生される。従って,このような装置であっても,二酸化炭素の吸収・放出のサイクルを簡易な方法で実現し,装置の簡素化・低コスト化に寄与するとともに,システム全体としての水素製造効率を上昇させることができる。   According to the hydrogen production apparatus of the present invention, the raw material gas is supplied to the reforming reaction tube by the supply unit. Further, the gas reformed in the reforming reaction tube is sent to the downstream transformer. Here, since the carbon dioxide absorbent is built in the transformer, the carbon dioxide produced by the reforming reaction is absorbed by the carbon dioxide absorbent. Therefore, the reformed gas output from the transformer has a low carbon dioxide content. Accordingly, the off-gas separated from the reformed gas also has a low carbon dioxide content. Accordingly, the off-gas can be returned to the supply unit and mixed with the raw material gas. Further, the transformer is decompressed to extract carbon dioxide rich gas. Thereby, the carbon dioxide absorbent is easily regenerated. Therefore, even with this type of equipment, the carbon dioxide absorption and release cycle can be realized in a simple manner, contributing to simplification and cost reduction of the equipment, and increasing the efficiency of hydrogen production as a whole system. be able to.

さらに本発明では,二酸化炭素取り出し部による変成器の減圧の際に,変成器を加熱する加熱部を有することが望ましい。
一般に一酸化炭素変成反応は,改質反応に比較して低温で進行される。例えば,400〜500℃程度で起きる。そのため,加熱部を有していれば,二酸化炭素取り出し部によって変成器を減圧して二酸化炭素リッチガスを取り出す際に,反応器の材料に特殊材料を要しない程度まで,例えば500〜600℃程度まで変成器を加熱することができる。従って,さらに効率よく二酸化炭素リッチガスを取り出すことができる。
Furthermore, in the present invention, it is desirable to have a heating section for heating the transformer when the transformer is decompressed by the carbon dioxide take-out section.
In general, the carbon monoxide shift reaction proceeds at a lower temperature than the reforming reaction. For example, it occurs at about 400 to 500 ° C. Therefore, if it has a heating part, when depressurizing the transformer by the carbon dioxide take-out part and take out the carbon dioxide rich gas, the material of the reactor does not require a special material, for example, about 500 to 600 ° C. The transformer can be heated. Therefore, the carbon dioxide rich gas can be taken out more efficiently.

さらに本発明では,少なくとも2基の変成器と,制御部とを有し,制御部は,改質反応管に改質反応を行わせつつ,2基の変成器に,改質反応で生成した二酸化炭素を二酸化炭素吸収剤に吸収させる吸収工程と,減圧して二酸化炭素リッチガスを放出させる再生工程とを入れ替わり交互に行わせることが望ましい。
このようにすれば,いずれかの変成器では吸収工程が行われているので,吸収工程が行われている変成器に改質反応管から出力されたガスを供給するようにできる。従って,連続的に改質反応を行わせることができ,連続的に製品ガスを得ることができる。さらには,少なくとも3基の変成器を有し,吸収工程,再生工程,変成器を昇圧させる昇圧工程の3工程をそれぞれ行わせるようにしてもよい。すなわち,制御部によって,改質反応管に改質反応を行わせつつ,3基の変成器に,第1の変成器に吸収工程を行わせ,第2の変成器に再生工程を行わせ,第3の変成器に昇圧工程を行わせる第4モードと,第1の変成器に再生工程を行わせ,第2の変成器に昇圧工程を行わせ,第3の変成器に吸収工程を行わせる第5モードと,第1の変成器に昇圧工程を行わせ,第2の変成器に吸収工程を行わせ,第3の変成器に再生工程を行わせる第6モードとをこの順に反復して行わせるようにしてもよい。
Furthermore, in the present invention, at least two transformers and a control unit are included, and the control unit generates the reforming reaction in the two transformers while causing the reforming reaction tube to perform the reforming reaction. It is desirable to alternately perform an absorption process in which carbon dioxide is absorbed by the carbon dioxide absorbent and a regeneration process in which the carbon dioxide rich gas is released under reduced pressure.
In this way, since the absorption process is performed in any of the transformers, the gas output from the reforming reaction tube can be supplied to the transformer in which the absorption process is performed. Therefore, the reforming reaction can be continuously performed, and the product gas can be continuously obtained. Further, at least three transformers may be provided, and each of the absorption process, the regeneration process, and the boosting process for boosting the transformer may be performed. That is, the control unit causes the reforming reaction tube to perform the reforming reaction, causes the three transformers to perform the absorption process to the first transformer, and causes the second transformer to perform the regeneration process, A fourth mode in which the third transformer performs a boosting process; a first transformer that performs a regeneration process; a second transformer that performs a boosting process; and a third transformer that performs an absorption process. And the sixth mode in which the first transformer performs the boosting process, the second transformer performs the absorption process, and the third transformer performs the regeneration process in this order. You may make it carry out.

また本発明は,炭化水素と水とから水素を生成する改質反応を促進する改質触媒を内蔵する改質反応管と,改質反応管の下流に設けられ二酸化炭素吸収剤を内蔵する変成器とを用い,改質反応管に原料ガスと水蒸気とを供給して改質反応を行わせるとともに,変成器から出力される改質ガスを,水素濃度を高めた製品ガスと,非水素成分の濃度を高めたオフガスとに分離し,変成器に,改質反応で生成した二酸化炭素を二酸化炭素吸収剤に吸収させる吸収工程と,減圧して二酸化炭素リッチガスを放出させる再生工程とを交互に行わせ,変成器が再生工程にあるときに,オフガスを改質反応管の上流側へ戻す水素製造方法にも及ぶ。   The present invention also provides a reforming reaction tube that incorporates a reforming catalyst that promotes a reforming reaction that generates hydrogen from hydrocarbon and water, and a modification that is provided downstream of the reforming reaction tube and contains a carbon dioxide absorbent. The reformer reaction is performed by supplying the raw material gas and water vapor to the reforming reaction tube, and the reformed gas output from the transformer is converted into a product gas with an increased hydrogen concentration and a non-hydrogen component. The absorption process in which the carbon dioxide produced by the reforming reaction is absorbed by the carbon dioxide absorbent and the regeneration process in which the carbon dioxide-rich gas is released under reduced pressure are alternately separated. This extends to a hydrogen production method in which off-gas is returned to the upstream side of the reforming reaction tube when the transformer is in the regeneration process.

本発明の水素製造装置およびその方法によれば,二酸化炭素の吸収・放出のサイクルを簡易な方法で実現し,装置の簡素化・低コスト化に寄与するとともに,システム全体としての水素製造効率を上昇させることができる。   According to the hydrogen production apparatus and method of the present invention, the absorption / release cycle of carbon dioxide is realized by a simple method, contributing to simplification and cost reduction of the apparatus, and improving the efficiency of hydrogen production as a whole system. Can be raised.

「第1の形態」
以下,本発明を具体化した第1の形態について,添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は,二酸化炭素回収型の改質器を使用した水素製造装置に本発明を適用したものである。
"First form"
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this embodiment, the present invention is applied to a hydrogen production apparatus using a carbon dioxide recovery type reformer.

本形態の水素製造装置1は,図1に示すように,3基の改質反応管11,12,13と,ポンプ14,15,乾燥部16,PSA17,燃焼部18および,これらを制御する制御部19を有している。3基の改質反応管11,12,13はいずれも同じ構成のものであり,内部に改質触媒と二酸化炭素吸収剤とが充填されている。改質触媒としては,例えば,アルミナ粒子にニッケルが担持された粒子が用いられる。また,二酸化炭素吸収剤としては,ここでは酸化カルシウム(CaO)を用いている。   As shown in FIG. 1, the hydrogen production apparatus 1 of this embodiment controls three reforming reaction tubes 11, 12, 13, pumps 14, 15, a drying unit 16, a PSA 17, a combustion unit 18, and these. A control unit 19 is provided. The three reforming reaction tubes 11, 12, and 13 all have the same configuration, and are filled with a reforming catalyst and a carbon dioxide absorbent. As the reforming catalyst, for example, particles in which nickel is supported on alumina particles are used. As the carbon dioxide absorbent, calcium oxide (CaO) is used here.

ポンプ14は,一般的なガス圧縮機であり,ポンプ15は,一般的な減圧機である。冷却乾燥部16は,連通されるガスを脱熱することにより脱水する構成部分である。PSA17は,背景技術の欄で説明した従来のPSA104(図13参照)と同様に,吸着剤を用いた水素精製装置である。燃焼部18は,原料ガス等を燃焼して,各改質反応管11,12,13を加熱するためのものである。なおここでの原料ガスは,例えば都市ガス等の炭化水素含有ガスと,水(水蒸気)との混合ガスである。   The pump 14 is a general gas compressor, and the pump 15 is a general decompressor. The cooling / drying unit 16 is a component that dehydrates the connected gas by removing heat. The PSA 17 is a hydrogen purifier using an adsorbent, similar to the conventional PSA 104 (see FIG. 13) described in the background art section. The combustion section 18 is for burning the raw material gas or the like and heating the reforming reaction tubes 11, 12, 13. The source gas here is a mixed gas of a hydrocarbon-containing gas such as city gas and water (water vapor).

また本形態の水素製造装置1は,各部材間を連通して各種のガスを通すために,原料ガス管21,燃焼ガス管22,オフガス管23,入力ガス管24,出力ガス管25,排出ガス管26,循環ガス管27を有している。原料ガス管21は,原料ガスである都市ガスを水素製造装置1に導入する。燃焼ガス管22は,原料ガス管21から分岐して燃焼部18へ原料ガスを導入する。オフガス管23は,PSA17のオフガスを原料ガス管21へ導入する。   In addition, the hydrogen production apparatus 1 of the present embodiment communicates between each member and allows various gases to pass therethrough, so that a raw material gas pipe 21, a combustion gas pipe 22, an off gas pipe 23, an input gas pipe 24, an output gas pipe 25, an exhaust gas A gas pipe 26 and a circulating gas pipe 27 are provided. The source gas pipe 21 introduces city gas, which is source gas, into the hydrogen production apparatus 1. The combustion gas pipe 22 branches from the raw material gas pipe 21 and introduces the raw material gas into the combustion unit 18. The off gas pipe 23 introduces the off gas of the PSA 17 into the source gas pipe 21.

入力ガス管24は,ポンプ14から送り出されたガスを各改質反応管11,12,13へ導入する。出力ガス管25は,各改質反応管11,12,13からの出力ガスを冷却乾燥部16へと導入する。排出ガス管26は,各改質反応管11,12,13からの出力ガスをポンプ15へと導入する。循環ガス管27は,各改質反応管11,12,13同士の間でガスを循環させる。まお,各所におけるガスの主な流通方向を,図1中に実線の矢印で示している。また,図中黒丸は,各管同士の接続されている箇所を示しており,流通されるガスは各黒丸の箇所で合流あるいは分岐される。   The input gas pipe 24 introduces the gas sent from the pump 14 into each reforming reaction pipe 11, 12, 13. The output gas pipe 25 introduces the output gas from each reforming reaction pipe 11, 12, 13 to the cooling and drying unit 16. The exhaust gas pipe 26 introduces the output gas from each reforming reaction pipe 11, 12, 13 to the pump 15. The circulation gas pipe 27 circulates gas between the reforming reaction pipes 11, 12, 13. The main gas flow direction at each location is indicated by solid arrows in FIG. Moreover, the black circles in the figure indicate the locations where the pipes are connected to each other, and the circulated gases merge or branch at the locations of the black circles.

さらに,各改質反応管11,12,13と入力ガス管24,出力ガス管25,排出ガス管26,循環ガス管27との間には,図1に示すように,それぞれ開閉弁が配置されている。入力ガス管24との連通・閉止のための開閉弁31,32,33,出力ガス管25との連通・閉止のための開閉弁34,35,36,排出ガス管26との連通・閉止のための開閉弁37,38,39,循環ガス管27との連通・閉止のための開閉弁40,41,42である。さらに,循環ガス管27と排出ガス管26との間は,開閉弁44を介して繋がれている。また,排出ガス管26は,開閉弁45を介してポンプ15に繋がれている。これらの開閉弁の開閉は,いずれも制御部19によって制御される。   Further, as shown in FIG. 1, on-off valves are arranged between the reforming reaction tubes 11, 12, 13 and the input gas pipe 24, output gas pipe 25, exhaust gas pipe 26, and circulation gas pipe 27, respectively. Has been. Open / close valves 31, 32, 33 for communication / closing with the input gas pipe 24, open / close valves 34, 35, 36 for communication / closing with the output gas pipe 25, and communication / closing with the exhaust gas pipe 26 Open / close valves 37, 38, 39 for opening and closing, and open / close valves 40, 41, 42 for communicating with and closing the circulating gas pipe 27. Further, the circulating gas pipe 27 and the exhaust gas pipe 26 are connected via an on-off valve 44. Further, the exhaust gas pipe 26 is connected to the pump 15 via an on-off valve 45. The opening / closing of these on / off valves is controlled by the control unit 19.

従って,本形態の水素製造装置1では,原料ガス管21,ポンプ14,入力ガス管24,開閉弁31,32,33が供給部に相当する。また,PSA17が精製部に相当する。オフガス管23が戻し部に相当する。また,排出ガス管26,ポンプ15,開閉弁37,38,39,45が二酸化炭素取り出し部に相当する。   Therefore, in the hydrogen production apparatus 1 of this embodiment, the raw material gas pipe 21, the pump 14, the input gas pipe 24, and the on-off valves 31, 32, and 33 correspond to the supply unit. Moreover, PSA17 corresponds to a purification part. The off gas pipe 23 corresponds to the return portion. Further, the exhaust gas pipe 26, the pump 15, and the on-off valves 37, 38, 39, 45 correspond to a carbon dioxide take-out portion.

(水素製造方法:1基の改質反応管のみを使用)
次に,本形態の水素製造装置1において,1基の改質反応管のみを用いる場合の水素製造方法について,図2〜図4を参照して説明する。本形態の水素製造方法は,(A)改質工程(図2),(B)再生工程(図3),(C)昇圧工程(図4)の3つの工程を有している。ここでは,改質反応管11のみを使用する場合によって代表して説明するが,他の改質反応管12または13のみを使用する場合についても同様である。なお,これらの図中では,開状態の開閉弁を黒塗りで,閉状態の開閉弁を白抜きで示している。また,改質反応管12,13とそれらに連通するための流路および開閉弁23,33,35,36,38,39,40,41,42,44は,すべて省略した図として示している。
(Hydrogen production method: Use only one reforming reaction tube)
Next, a hydrogen production method using only one reforming reaction tube in the hydrogen production apparatus 1 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. The hydrogen production method of this embodiment has three steps: (A) reforming step (FIG. 2), (B) regeneration step (FIG. 3), and (C) boosting step (FIG. 4). Here, the case where only the reforming reaction tube 11 is used will be described as a representative, but the same applies to the case where only the other reforming reaction tube 12 or 13 is used. In these drawings, the open / closed valve is shown in black, and the closed open / closed valve is shown in white. In addition, the reforming reaction tubes 12 and 13 and the flow paths and on-off valves 23, 33, 35, 36, 38, 39, 40, 41, 42, and 44 for communicating with them are all shown as omitted illustrations. .

(A)改質工程は,改質反応管11に原料ガスを供給して,内部でガス改質反応と二酸化炭素吸収反応とを同時に行わせることにより,改質ガスを出力させる工程である。
(B)再生工程は,改質反応管11を減圧して二酸化炭素リッチガスを出力させ,二酸化炭素吸収剤を再生させる工程である。
(C)昇圧工程は,二酸化炭素吸収剤の再生が終了した改質反応管11を,改質工程の圧力まで昇圧させる工程である。
(A) The reforming step is a step of outputting the reformed gas by supplying the source gas to the reforming reaction tube 11 and simultaneously performing the gas reforming reaction and the carbon dioxide absorption reaction inside.
(B) The regeneration step is a step of decompressing the reforming reaction tube 11 to output a carbon dioxide rich gas to regenerate the carbon dioxide absorbent.
(C) The pressure increasing step is a step of increasing the pressure of the reforming reaction tube 11 after the regeneration of the carbon dioxide absorbent to the pressure of the reforming step.

(A)改質工程(図2)
まず,改質工程について説明する。このとき,図2に示すように,開閉弁31,34を開,開閉弁37,45は閉とする。これにより,図中矢印で示したガスの流れとなり,図中破線で示した排出ガス管26にはガスが流通されない。すなわち,原料ガスがポンプ14と開閉弁31を介して改質反応管11へ供給される。そして,改質反応管11から出力された改質ガスは,出力ガス管25を介して,冷却乾燥部16とPSA17とを順に経て製品水素ガスとして取り出される。
(A) Modification process (Fig. 2)
First, the reforming process will be described. At this time, as shown in FIG. 2, the on-off valves 31 and 34 are opened, and the on-off valves 37 and 45 are closed. As a result, the gas flows indicated by arrows in the figure, and no gas flows through the exhaust gas pipe 26 indicated by broken lines in the figure. That is, the raw material gas is supplied to the reforming reaction tube 11 through the pump 14 and the on-off valve 31. The reformed gas output from the reforming reaction tube 11 is taken out as product hydrogen gas via the output gas tube 25 through the cooling and drying unit 16 and the PSA 17 in order.

改質反応管11へ供給される原料ガスとしては,例えば都市ガスに水蒸気を混合し,予熱したものを用いる。例えば,500〜600℃程度に予熱された都市ガスに,別途予熱された水蒸気を混合したものとすればよい。都市ガスは,メタンを88%程度含むガスであり,残りはエタン,プロパン,ブタン等が含まれている。本形態では原料ガスは,原料ガス管21から供給される。そして,ポンプ14において0.9〜1MPa程度まで加圧されて,入力ガス管24へと供給される。この供給時のガス圧力は,高圧ガス保安法の制約等を考慮して,一般的には1MPa未満とすることが多い。   As the raw material gas supplied to the reforming reaction tube 11, for example, a city gas mixed with water vapor and preheated is used. For example, what is necessary is just to mix separately preheated water vapor | steam with the city gas preheated to about 500-600 degreeC. City gas is a gas containing about 88% of methane, and the remainder contains ethane, propane, butane and the like. In this embodiment, the source gas is supplied from the source gas pipe 21. The pump 14 is pressurized to about 0.9 to 1 MPa and supplied to the input gas pipe 24. In general, the gas pressure at the time of supply is generally less than 1 MPa in consideration of restrictions of the high-pressure gas safety method.

改質反応管11には改質触媒と二酸化炭素吸収剤(CaO)とが充填されているので,改質反応管11内では水蒸気改質反応(式1参照),一酸化炭素変成反応(式2参照),二酸化炭素吸収反応(式3参照)が並行して起きる。
CH4 + H2O → CO + 3H2 …(式1)
CO + H2O → CO2 + H2 …(式2)
CaO + CO2 → CaCO3 …(式3)
Since the reforming reaction tube 11 is filled with a reforming catalyst and a carbon dioxide absorbent (CaO), a steam reforming reaction (see Formula 1) and a carbon monoxide shift reaction (in Formula) 2), carbon dioxide absorption reaction (see Equation 3) occurs in parallel.
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (Formula 1)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (Formula 2)
CaO + CO 2 → CaCO 3 (Formula 3)

ここで,改質反応管11内における改質工程の初期状態での二酸化炭素のモル分率は,水蒸気を含む平均圧で10%程度である。そのため,入力される都市ガスの供給圧力を1MPa程度とすると,改質反応管11内の二酸化炭素の分圧は,約0.1MPa程度となる。改質反応管11内では改質反応によって二酸化炭素が発生するため,二酸化炭素の総量は増える。しかし,CaOの二酸化炭素吸収反応は,改質反応管11内のガス中の二酸化炭素の分圧を低下させる方向に作用する。そのため,非平衡状態となり,改質反応はさらに進む。   Here, the molar fraction of carbon dioxide in the reforming reaction tube 11 in the initial state of the reforming process is about 10% in terms of the average pressure including water vapor. Therefore, if the supply pressure of the input city gas is about 1 MPa, the partial pressure of carbon dioxide in the reforming reaction tube 11 is about 0.1 MPa. Since carbon dioxide is generated by the reforming reaction in the reforming reaction tube 11, the total amount of carbon dioxide increases. However, the carbon dioxide absorption reaction of CaO acts to reduce the partial pressure of carbon dioxide in the gas in the reforming reaction tube 11. As a result, a non-equilibrium state occurs and the reforming reaction proceeds further.

その結果,COやCO2は全体のガス組成の1%以下となり,H2が75%以上,残りの大部分はCH4となった改質ガスが得られる。改質ガスは,開閉弁34と出力ガス管25を介して出力される。ここで,改質反応(式1,式2)は吸熱反応,CaOによるCO2吸収反応(式3)は発熱反応である。さらに,この2種類の反応の熱量はほぼ同等である。改質反応管11では,これらが同時に起きるため,この段階では外部からの加熱を必要としない。従って,この改質工程では燃焼部18による加熱は不要である。適切な量の原料ガスを供給し続けるのみで,改質反応管11は約600℃に保持され,改質工程が進行する。 As a result, a reformed gas is obtained in which CO and CO 2 are 1% or less of the total gas composition, H 2 is 75% or more, and most of the remaining is CH 4 . The reformed gas is output via the on-off valve 34 and the output gas pipe 25. Here, the reforming reaction (Formula 1 and Formula 2) is an endothermic reaction, and the CO 2 absorption reaction by CaO (Formula 3) is an exothermic reaction. Furthermore, the calorific values of these two types of reactions are almost the same. Since these occur simultaneously in the reforming reaction tube 11, no external heating is required at this stage. Therefore, heating by the combustion section 18 is not necessary in this reforming process. The reforming reaction tube 11 is maintained at about 600 ° C. only by supplying an appropriate amount of source gas, and the reforming process proceeds.

このようにして得られた改質ガスは,出力ガス管25から冷却乾燥部16に送られ,降温されることにより,水分が除去される。続いて,PSA17に投入される。PSA17には,ゼオライト,活性炭等の吸着剤が封入されている。これを通すことで,純度99.99%の製品水素ガスが得られる。PSA17での吸着処理は,約20℃において実行される。本発明者のシミュレーションでは,改質反応管11から出力ガス管25に出力される改質ガス,および,冷却乾燥部16を通過した後の乾燥ガスの組成は,次の表3のようになった。   The reformed gas obtained in this manner is sent from the output gas pipe 25 to the cooling and drying unit 16 where the moisture is removed by lowering the temperature. Subsequently, it is thrown into the PSA 17. The PSA 17 contains an adsorbent such as zeolite or activated carbon. By passing this, product hydrogen gas with a purity of 99.99% can be obtained. The adsorption process with the PSA 17 is performed at about 20 ° C. In the simulation of the present inventor, the composition of the reformed gas output from the reforming reaction tube 11 to the output gas tube 25 and the drying gas after passing through the cooling drying unit 16 are as shown in Table 3 below. It was.

Figure 0005134252
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なお,この(A)改質工程では,改質反応管11の長手方向の一端から原料ガスを導入するとともに,他端から出力ガスを取り出すようにするとよい。このようにすれば,連続的に製品水素ガスを得ることができる。そのため本形態でも,図2に示すように,改質反応管11の一端に入力ガス管24等の供給系を,他端に出力ガス管25等の出力系を配置しているのである。ガスが改質反応管11内を通り抜ける間に,改質反応および二酸化炭素吸収反応が十分に進むように,改質反応管11の大きさや原料ガスの供給量等を調整する。   In this (A) reforming step, the source gas may be introduced from one end in the longitudinal direction of the reforming reaction tube 11 and the output gas may be taken out from the other end. In this way, product hydrogen gas can be obtained continuously. Therefore, also in this embodiment, as shown in FIG. 2, a supply system such as the input gas pipe 24 is disposed at one end of the reforming reaction tube 11, and an output system such as the output gas pipe 25 is disposed at the other end. While the gas passes through the reforming reaction tube 11, the size of the reforming reaction tube 11 and the supply amount of the raw material gas are adjusted so that the reforming reaction and the carbon dioxide absorption reaction proceed sufficiently.

(B)再生工程(図3)
次に,再生工程について説明する。改質反応管11においてガス改質を続けると,式3の反応が進み,改質反応管11内のCaOの残量が少なくなる。そのため,ある程度の二酸化炭素を吸収すると,それ以上の二酸化炭素を吸収する速度が低下し始める。このようになることを吸収剤が破過するという。そこで,吸収剤が破過する少し前に,この再生工程へ移行する。すなわち,改質反応管11を減圧することにより二酸化炭素吸収剤から二酸化炭素リッチガスを取り出して,再び二酸化炭素の吸収を行うことができるようにする。
(B) Regeneration process (Figure 3)
Next, the regeneration process will be described. If the gas reforming is continued in the reforming reaction tube 11, the reaction of Formula 3 proceeds and the remaining amount of CaO in the reforming reaction tube 11 decreases. Therefore, if a certain amount of carbon dioxide is absorbed, the rate of absorbing more carbon dioxide begins to decrease. This happens when the absorbent breaks through. Therefore, the regeneration process is started shortly before the absorbent breaks through. That is, by reducing the pressure of the reforming reaction tube 11, the carbon dioxide rich gas is taken out from the carbon dioxide absorbent so that carbon dioxide can be absorbed again.

再生工程では,図3に示すように,開閉弁37,45を開,開閉弁31,34を閉とされる。また,ポンプ14が停止される。これにより,改質反応管11への原料ガスの供給が停止され,改質反応が停止される。従ってこの工程では,製品水素ガスは製造されない。一方,ポンプ15が駆動され,改質反応管11内に残留しているガスが排出ガス管26を介して排出される。この排出ガスは二酸化炭素が多く含まれている二酸化炭素リッチガスである。これにより,改質反応管11内が減圧される。   In the regeneration process, as shown in FIG. 3, the on-off valves 37 and 45 are opened, and the on-off valves 31 and 34 are closed. Further, the pump 14 is stopped. Thereby, the supply of the raw material gas to the reforming reaction tube 11 is stopped, and the reforming reaction is stopped. Therefore, no product hydrogen gas is produced in this process. On the other hand, the pump 15 is driven, and the gas remaining in the reforming reaction tube 11 is discharged through the exhaust gas tube 26. This exhaust gas is a carbon dioxide rich gas containing a large amount of carbon dioxide. Thereby, the inside of the reforming reaction tube 11 is depressurized.

このとき,改質反応管11中の二酸化炭素の分圧の変化の様子を,図5を参照して説明する。図5は,横軸に温度,縦軸に二酸化炭素の分圧をとったグラフである。また,図中に実線Lで示しているのは,CaOの温度−圧力平衡曲線である。すなわち,この実線Lより図中上方の範囲内では,主に次の式3に示す吸収反応が起きる。そして実線Lより図中下方の範囲内では,主に式4の再生反応が起きる。
CaO + CO2 → CaCO3 …(式3)
CaCO3 → CaO + CO2 …(式4)
At this time, how the partial pressure of carbon dioxide in the reforming reaction tube 11 changes will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a graph with temperature on the horizontal axis and partial pressure of carbon dioxide on the vertical axis. Moreover, what is indicated by a solid line L in the figure is a temperature-pressure equilibrium curve of CaO. That is, in the range above the solid line L in the figure, an absorption reaction mainly represented by the following equation 3 occurs. In the range below the solid line L in the figure, the regeneration reaction of Formula 4 mainly occurs.
CaO + CO 2 → CaCO 3 (Formula 3)
CaCO 3 → CaO + CO 2 (Formula 4)

本形態では,上記で説明したように約600℃で(A)改質工程を行っており,改質工程中の通常状態での二酸化炭素の分圧は約105Pa(0.1MPa)程度である。この点を図5中に二重丸(改質工程)で示す。(A)改質工程を実行中の改質反応管11の内部状態は,この点付近の状態となっている。 In this embodiment, as described above, the reforming step (A) is performed at about 600 ° C., and the partial pressure of carbon dioxide in the normal state during the reforming step is about 10 5 Pa (0.1 MPa). It is. This point is indicated by a double circle (reforming step) in FIG. (A) The internal state of the reforming reaction tube 11 during the reforming step is in the vicinity of this point.

そこで,(B)再生工程では,ポンプ15によって,改質反応管11を102Pa程度まで減圧する。温度は約600℃に保つ。これにより,図5中に破線の矢印p1に示すように,二酸化炭素の分圧がこの温度−圧力平衡曲線(実線L)を下回る。従って,式4の反応により,二酸化炭素が放出されてCaOが再生される。この点を図中に一重丸(再生工程)で示す。ここでは,二酸化炭素の分圧が10%程度であることから,改質反応管11を全体として103Pa程度まで減圧すればよい。 Therefore, in the (B) regeneration step, the reforming reaction tube 11 is decompressed to about 10 2 Pa by the pump 15. The temperature is kept at about 600 ° C. As a result, the partial pressure of carbon dioxide falls below this temperature-pressure equilibrium curve (solid line L), as shown by the dashed arrow p1 in FIG. Therefore, the reaction of Formula 4 releases carbon dioxide and regenerates CaO. This point is indicated by a single circle (regeneration step) in the figure. Here, since the partial pressure of carbon dioxide is about 10%, the reforming reaction tube 11 may be decompressed to about 10 3 Pa as a whole.

ポンプ15の運転を継続して改質反応管11の減圧された状態を所定時間保持することにより,十分な量のCaOが再生されたら,再生工程を終了する。すなわち,開閉弁37,45を閉止し,ポンプ15を停止する。なお,この式4の反応は吸熱反応である。そこでこの再生工程の実行中には,改質反応管11を燃焼部18によって加熱することによって,その温度を約600℃に保持する。この燃焼部18には原料ガスの一部を供給して燃焼させるとよい。   By continuing the operation of the pump 15 and maintaining the reduced pressure state of the reforming reaction tube 11 for a predetermined time, when a sufficient amount of CaO is regenerated, the regeneration process is terminated. That is, the on-off valves 37 and 45 are closed and the pump 15 is stopped. In addition, this reaction of Formula 4 is an endothermic reaction. Therefore, during the regeneration process, the reforming reaction tube 11 is heated by the combustion unit 18 to maintain the temperature at about 600 ° C. It is preferable that a part of the raw material gas is supplied to the combustion unit 18 and burned.

(C)昇圧工程(図4)
次に,昇圧工程について説明する。(B)再生工程が終了した直後は,改質反応管11は上記のように減圧された状態であり,二酸化炭素の分圧が図5中の実線Lを下回っている。そのため,このままではCaOは二酸化炭素を吸収できない。そこで,図5中に破線の矢印p2に示すように,改質反応管11を,少なくとも実線Lを上回るまで昇圧する。これが,昇圧工程である。
(C) Boosting process (FIG. 4)
Next, the boosting process will be described. (B) Immediately after the regeneration step is completed, the reforming reaction tube 11 is in a decompressed state as described above, and the partial pressure of carbon dioxide is below the solid line L in FIG. Therefore, CaO cannot absorb carbon dioxide as it is. Therefore, the pressure of the reforming reaction tube 11 is increased at least until it exceeds the solid line L, as indicated by the broken line arrow p2 in FIG. This is the boosting process.

この工程では,図4に示すように,開閉弁31を開,開閉弁34,37,45を閉とする。ポンプ14を駆動し,ポンプ15を停止する。これにより,改質反応管11に加圧された原料ガスを供給して,昇圧させる。この昇圧工程中は改質反応が不完全であるので,出力ガスを取り出さない。この昇圧工程を行うことにより,改質反応管11では,再生されたCaOによって再び二酸化炭素を吸収可能となる。十分に昇圧されたら,昇圧工程を終了する。この後は,再び(A)改質工程に戻り,改質反応管11に原料ガスを供給して製品水素ガスの製造を行わせることができる。   In this step, as shown in FIG. 4, the on-off valve 31 is opened and the on-off valves 34, 37, 45 are closed. The pump 14 is driven and the pump 15 is stopped. As a result, the pressurized source gas is supplied to the reforming reaction tube 11 to increase the pressure. Since the reforming reaction is incomplete during this pressurization step, the output gas is not taken out. By performing this pressurization step, the reforming reaction tube 11 can absorb carbon dioxide again by the regenerated CaO. When the pressure is increased sufficiently, the pressure increasing process is terminated. After this, it is possible to return to the reforming step (A) and supply the raw material gas to the reforming reaction tube 11 to produce the product hydrogen gas.

なお,PSA17では,適宜,減圧するとともに製品水素ガスの一部を導入して,PSA17にトラップされたガスをパージすることが行われている。このパージによって排出されたオフガスは,オフガス管23を介して原料ガス管21へ合流される。これは,このオフガスの組成が,主として,CH4とH2であり,COやCO2の比率が低いことから可能なのである。本発明者のシミュレーションでは,オフガスの組成は次の表4のようになった。このことから,このオフガスを改質用の原料として,原料ガスと混ぜて使用することができる。原料ガスとオフガスを混合したガスの組成は,次の表5のようであった。すなわち,原料ガスとして使用して問題のないことが分かった。 In the PSA 17, pressure is reduced as appropriate and part of the product hydrogen gas is introduced to purge the gas trapped in the PSA 17. The off gas discharged by this purge is joined to the source gas pipe 21 via the off gas pipe 23. This is possible because the off-gas composition is mainly CH 4 and H 2 and the ratio of CO and CO 2 is low. In the simulation of the present inventor, the off-gas composition is as shown in Table 4 below. Therefore, this off-gas can be used as a reforming raw material by mixing with the raw material gas. The composition of the gas obtained by mixing the source gas and the off-gas was as shown in Table 5 below. In other words, it was found that there was no problem using it as a raw material gas.

Figure 0005134252
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Figure 0005134252
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本形態の製造方法では,上記の(A)改質工程,(B)再生工程,(C)昇圧工程をこの順に繰り返すことにより,原料ガスを改質して製品水素ガスを製造することができる。このとき,上記したように,改質反応管11の内部圧力は,(B)再生工程時に減圧され,(C)昇圧工程時に昇圧される。一方,温度は約600℃のままである。そのためこの方式を,温度スイング方式に対して,圧力スイング方式と呼ぶ。温度を変化させる場合に比較して,圧力の変化は短時間でできるため,本形態の製造方法は時間的効率が高い。   In the manufacturing method of the present embodiment, the above-mentioned (A) reforming step, (B) regeneration step, and (C) boosting step are repeated in this order, so that the product hydrogen gas can be manufactured by reforming the raw material gas. . At this time, as described above, the internal pressure of the reforming reaction tube 11 is reduced during the (B) regeneration process and increased during the (C) boosting process. On the other hand, the temperature remains at about 600 ° C. For this reason, this method is called a pressure swing method as opposed to a temperature swing method. Since the pressure can be changed in a short time compared with the case where the temperature is changed, the manufacturing method of this embodiment has high time efficiency.

(水素製造方法:3基の改質反応管を使用)
さらに本形態では,この圧力スイング方式によって連続的に改質ガスを得るために,3つの改質反応管11,12,13を備えている。そして,制御部19は,これらにそれぞれ上記の3工程を順に行わせるとともに,図6に示すように,他の改質反応管と1つずつずれた工程を行わせる。すなわち,第1モードでは,改質反応管11に改質工程,改質反応管12に再生工程,改質反応管13に昇圧工程を行わせる。第2モードでは,改質反応管11に再生工程,改質反応管12に昇圧工程,改質反応管13に改質工程を行わせる。第3モードでは,改質反応管11に昇圧工程,改質反応管12に改質工程,改質反応管13に再生工程を行わせる。
(Hydrogen production method: using three reforming reaction tubes)
Furthermore, in this embodiment, three reforming reaction tubes 11, 12, 13 are provided in order to obtain reformed gas continuously by this pressure swing method. Then, the control unit 19 causes each of the above three steps to be sequentially performed, and also causes a step shifted by one from the other reforming reaction tubes as shown in FIG. That is, in the first mode, the reforming reaction tube 11 performs the reforming process, the reforming reaction tube 12 performs the regeneration process, and the reforming reaction tube 13 performs the pressure increasing process. In the second mode, the reforming reaction tube 11 is caused to perform a regeneration process, the reforming reaction tube 12 is subjected to a boosting process, and the reforming reaction tube 13 is subjected to a reforming process. In the third mode, the reforming reaction tube 11 is caused to perform a boosting step, the reforming reaction tube 12 is subjected to a reforming step, and the reforming reaction tube 13 is subjected to a regeneration step.

この第1モード,第2モード,第3モードの組が1サイクルであり,これらをこの順で反復して行う。これにより,第1モードでは改質反応管11,第2モードでは改質反応管13,第3モードでは改質反応管12においてそれぞれ,改質工程が行われていることとなる。従って,連続して製品水素ガスを得るようにすることができる。   A set of the first mode, the second mode, and the third mode is one cycle, and these are repeated in this order. Thus, the reforming process is performed in the reforming reaction tube 11 in the first mode, the reforming reaction tube 13 in the second mode, and the reforming reaction tube 12 in the third mode. Therefore, product hydrogen gas can be obtained continuously.

さらに,このように3基の改質反応管11,12,13があることから,これらを連結して,互いにガスのやりとりを行うことができる。そこで,各モードにおいて,その前段で(D)第1循環工程を,後段で(E)第2循環工程を行わせる。(D)第1循環工程は,(B)再生工程にある改質反応管から(C)昇圧工程にある改質反応管へと,(B)再生工程にある改質反応管の内部に残っているガスを供給する工程である。これは,各モードの開始からごく短時間だけ行われる。また,(E)第2循環工程は,(A)改質工程にある改質反応管から,(C)昇圧工程にある改質反応管へとその改質ガスの一部を供給する工程である。この(E)第2循環工程は,(D)第1循環工程の終了後,これに続いて当該モードの残り期間に行われる。   Furthermore, since there are three reforming reaction tubes 11, 12, and 13 as described above, these can be connected to exchange gas with each other. Therefore, in each mode, (D) the first circulation process is performed in the preceding stage, and (E) the second circulation process is performed in the subsequent stage. (D) The first circulation step is left in the reforming reaction tube in the (B) regeneration step from the reforming reaction tube in the (B) regeneration step to the reforming reaction tube in the (C) pressurization step. This is a step of supplying the gas. This is done for a very short time after the start of each mode. The (E) second circulation step is a step of supplying a part of the reformed gas from the reforming reaction tube in the (A) reforming step to the reforming reaction tube in the (C) pressurizing step. is there. This (E) second circulation step is performed during the remaining period of the mode after the completion of the (D) first circulation step.

これらは,図6に示すように,第1モードの前半で行われる第1循環工程(D−1),第1モードの後半で行われる第2循環工程(E−1),第2モードの前半で行われる第1循環工程(D−2),第2モードの後半で行われる第2循環工程(E−2),第3モードの前半で行われる第1循環工程(D−3),第3モードの後半で行われる第2循環工程(E−3)の順で反復される。   As shown in FIG. 6, these are the first circulation step (D-1) performed in the first half of the first mode, the second circulation step (E-1) performed in the second half of the first mode, and the second mode. A first circulation step (D-2) performed in the first half, a second circulation step (E-2) performed in the second half of the second mode, a first circulation step (D-3) performed in the first half of the third mode, It repeats in order of the 2nd circulation process (E-3) performed in the latter half of 3rd mode.

ここで,(D−1)第1モードの第1循環工程を図7に,(E−1)第1モードの第2循環工程を図8に,(D−2)第2モードの第1循環工程を図9にそれぞれ示す。なお,これらの図では,開放中の開閉弁を黒塗りで示し,閉止中の開閉弁を白抜きで示している。また,ガスの流通されている流路を太線で示すとともに,その流通方向を矢印で示している。ガスの流通されていない流路は,破線で示している。   Here, (D-1) the first circulation process in the first mode is shown in FIG. 7, (E-1) the second circulation process in the first mode is shown in FIG. 8, and (D-2) the first circulation process in the second mode is shown in FIG. The circulation process is shown in FIG. In these figures, the open / close valve being opened is shown in black, and the open / close valve being closed is shown in white. Further, the flow path through which the gas is circulated is indicated by a thick line, and the direction of the flow is indicated by an arrow. A flow path in which no gas is circulated is indicated by a broken line.

(D−1)第1モードの第1循環工程
図7に示すように,(D−1)第1モードの第1循環工程では,開閉弁31,34,39,41,44が開とされ,他の開閉弁は閉とされる。これにより,改質反応管11において(A)改質工程が実行されている。また,(B)再生工程中の改質反応管12と(C)昇圧工程中の改質反応管13とが連通されている。
(D-1) First Circulation Step in First Mode As shown in FIG. 7, in the first circulation step in (D-1) first mode, the on-off valves 31, 34, 39, 41, and 44 are opened. The other on-off valves are closed. As a result, the reforming step (A) is performed in the reforming reaction tube 11. Further, (B) the reforming reaction tube 12 in the regeneration step and (C) the reforming reaction tube 13 in the pressure increasing step are communicated with each other.

このモードの開始時には,改質反応管12は,改質工程終了直後で破過が近い状態であり,内部は高圧になっている。また,改質反応管12の改質ガスの出口側(図中上方)には,ほとんど改質反応が終わったガスが多少残留している。そこで,図7に示すように,改質反応管12の出口側と改質反応管13の入口側とを連通させると,改質反応管12中に残留しているガスが改質反応管13に供給される。これにより,改質反応管12を降圧するととともに,改質反応管13を昇圧できる。さらに,改質反応管12内にある二酸化炭素以外のガス成分(H2,CH4,CO)を改質反応管13に回収することができる。 At the start of this mode, the reforming reaction tube 12 is in a state of near breakthrough immediately after completion of the reforming process, and the inside is at a high pressure. In addition, the reformed reaction tube 12 has a slight amount of gas that has undergone the reforming reaction at the reformed gas outlet side (upward in the figure). Therefore, as shown in FIG. 7, when the outlet side of the reforming reaction tube 12 and the inlet side of the reforming reaction tube 13 are connected, the gas remaining in the reforming reaction tube 12 is reformed. To be supplied. As a result, the pressure of the reforming reaction tube 12 can be lowered and the pressure of the reforming reaction tube 13 can be increased. Furthermore, gas components (H 2 , CH 4 , CO) other than carbon dioxide in the reforming reaction tube 12 can be recovered in the reforming reaction tube 13.

なお,このとき改質反応管12から改質反応管13へと供給されるガスは,必ずしも改質が完全に終了していない。そのため,図7に示すように,開閉弁39,41,44を用いたルートをとることが望ましい。しかし,開閉弁41と開閉弁42とを開として,改質反応管12の出口側と改質反応管13の出口側とを連通させてもよい。あるいは,開閉弁38と開閉弁39とを開として,改質反応管12の入口側と改質反応管13の入口側とを連通させてもよい。その場合には,開閉弁44およびその接続されている部分の流路は省略してもよい。   At this time, the gas supplied from the reforming reaction tube 12 to the reforming reaction tube 13 is not necessarily completely reformed. Therefore, it is desirable to take a route using the on-off valves 39, 41, and 44 as shown in FIG. However, the on-off valve 41 and the on-off valve 42 may be opened to allow the outlet side of the reforming reaction tube 12 and the outlet side of the reforming reaction tube 13 to communicate with each other. Alternatively, the on-off valve 38 and the on-off valve 39 may be opened to allow the inlet side of the reforming reaction tube 12 and the inlet side of the reforming reaction tube 13 to communicate with each other. In that case, the on-off valve 44 and the flow path of the connected portion may be omitted.

(E−1)第1モードの第2循環工程
(D−1)工程の次に,図8に示す(E−1)第1モードの第2循環工程が実行される。このときには,(D−1)工程の状態から開閉弁41,39,44が閉止され,開閉弁36,38,45が開放される。それ以外の開閉弁は,(D−1)工程の状態から変更されていない。この工程では,改質反応管11では(A)改質工程が行われ,改質反応管12では(B)再生工程が行われている。改質反応管13では(C)昇圧工程が行われているが,ここでは,改質反応管13に,改質反応管11から出力される出力ガスの一部が導入されている。
(E-1) Second Circulation Step in First Mode Next to (D-1) step, (E-1) second circulation step in first mode shown in FIG. 8 is executed. At this time, the on-off valves 41, 39, 44 are closed and the on-off valves 36, 38, 45 are opened from the state of the step (D-1). The other on-off valves are not changed from the state of the step (D-1). In this step, (A) the reforming step is performed in the reforming reaction tube 11, and (B) the regeneration step is performed in the reforming reaction tube 12. In the reforming reaction tube 13, (C) the pressure increasing step is performed. Here, a part of the output gas output from the reforming reaction tube 11 is introduced into the reforming reaction tube 13.

このようにすれば,改質反応管13の二酸化炭素量を増加させることなく昇圧させることができる。この状態では,改質反応管13はまだ低圧であるため,二酸化炭素吸収剤は二酸化炭素を吸収することができない。そこでこの段階では,二酸化炭素をあまり含まないガスで昇圧しておくことにより,その後の改質工程への以降がスムーズにできる。すなわち,原料ガスを供給する場合に比較して,改質工程の開始から改質ガスを取り出すことができるまでの時間が短くなる。従って,モードの切り換え時にもほぼ連続的に改質ガスを取り出すことができる。改質反応管11が破過に近くになるまで,この工程(E−1)が継続して実行される。なお,ここでは昇圧工程にある改質反応管13に出力ガスの一部を導入して昇圧しているが,原料ガスを用いて昇圧することも出来る。   In this way, the pressure can be increased without increasing the amount of carbon dioxide in the reforming reaction tube 13. In this state, since the reforming reaction tube 13 is still at a low pressure, the carbon dioxide absorbent cannot absorb carbon dioxide. Therefore, at this stage, the subsequent reforming process can be performed smoothly by increasing the pressure with a gas that does not contain much carbon dioxide. That is, the time from the start of the reforming process until the reformed gas can be taken out is shorter than when the raw material gas is supplied. Therefore, the reformed gas can be taken out almost continuously even when the mode is switched. This step (E-1) is continuously performed until the reforming reaction tube 11 is close to breakthrough. Although the pressure is increased by introducing a part of the output gas into the reforming reaction tube 13 in the pressure increasing step here, the pressure can be increased using the raw material gas.

(D−2)第2モードの第1循環工程
そして,改質反応管11が破過に近くになると,図9に示す第2モードの前半で行われる第1循環工程(D−2)に移行する。ここでは,(C)昇圧工程の終了した改質反応管13において,(A)改質工程が行われている。開閉弁33,36,38,40,44が開とされ,それ以外の開閉弁はすべて閉とされる。改質反応管11は開閉弁40,44,38を介して改質反応管12に連通される。これにより,改質反応管11の内部に残留していたガスが改質反応管12に供給される。この工程は,工程(D−1)の状態から,改質反応管11が改質反応管13に,改質反応管12が改質反応管11に,改質反応管13が改質反応管12にそれぞれ入れ替えられた状態である。
(D-2) First Circulation Step in Second Mode When the reforming reaction tube 11 is close to breakthrough, the first circulation step (D-2) performed in the first half of the second mode shown in FIG. Transition. Here, (A) the reforming step is performed in the reforming reaction tube 13 after the (C) pressurizing step. The on-off valves 33, 36, 38, 40, and 44 are opened, and the other on-off valves are all closed. The reforming reaction tube 11 is communicated with the reforming reaction tube 12 through on-off valves 40, 44, and 38. As a result, the gas remaining in the reforming reaction tube 11 is supplied to the reforming reaction tube 12. In this step, from the state of the step (D-1), the reforming reaction tube 11 is changed to the reforming reaction tube 13, the reforming reaction tube 12 is changed to the reforming reaction tube 11, and the reforming reaction tube 13 is changed to the reforming reaction tube. 12 is a state where each is replaced.

以下同様に,各改質反応管11,12,13で,第1〜第3の各モードが順に反復される。これにより,改質反応管11,改質反応管13,改質反応管12の順に,改質工程が途切れることなく連続して実行される。本発明者のシミュレーションでは,本形態による水素製造方法でのトータルの水素製造効率は,約77.2%であった。これから,本形態の水素製造方法は,従来型の水素製造装置100と比較し,かなり高効率であることが分かった。なお,工程(E−1)の後,工程(D−2)の前に,開閉弁35を短時間開放して,再生工程の終了した改質反応管12に改質ガスを導入するようにしてもよい。このようにすれば,改質反応管12中に残る二酸化炭素の多いガスを確実に排出することができる。   Similarly, the first to third modes are sequentially repeated in the reforming reaction tubes 11, 12, and 13. As a result, the reforming process is continuously performed without interruption in the order of the reforming reaction tube 11, the reforming reaction tube 13, and the reforming reaction tube 12. According to the simulation of the present inventor, the total hydrogen production efficiency in the hydrogen production method according to this embodiment is about 77.2%. From this, it was found that the hydrogen production method of this embodiment is considerably more efficient than the conventional hydrogen production apparatus 100. After the step (E-1) and before the step (D-2), the on-off valve 35 is opened for a short time so that the reformed gas is introduced into the reforming reaction tube 12 after the regeneration step. May be. In this way, the gas with a large amount of carbon dioxide remaining in the reforming reaction tube 12 can be reliably discharged.

以上詳細に説明したように,本形態の水素製造装置によれば,改質反応管11〜13に改質触媒とともに二酸化炭素吸収剤を封入しているので,二酸化炭素を吸収しつつガス改質反応が進行する。さらに,この二酸化炭素吸収剤の再生に,圧力スイング方式を使用しているので,改質反応管11〜13を高温にさらすことが無い。従って,改質反応管11〜13として特別な材料を用いる必要はなく,比較的安価に製造できる。また,改質触媒,二酸化炭素吸収剤,改質反応管11〜13等に過酷な温度条件による熱サイクルを掛けることがないので,装置の耐久性に優れている。また,温度の切り替え時間に比較して,圧力の切り替え時間は短時間で可能である。従って,切り替えによるロスタイムをごく小さくできるので,改質反応管11〜13を簡素化することができる。   As described above in detail, according to the hydrogen production apparatus of the present embodiment, the reforming reaction tubes 11 to 13 enclose the carbon dioxide absorbent together with the reforming catalyst. The reaction proceeds. Furthermore, since the pressure swing method is used for the regeneration of the carbon dioxide absorbent, the reforming reaction tubes 11 to 13 are not exposed to high temperatures. Therefore, it is not necessary to use a special material for the reforming reaction tubes 11 to 13, and the reforming reaction tubes 11 to 13 can be manufactured at a relatively low cost. Further, since the reforming catalyst, the carbon dioxide absorbent, the reforming reaction tubes 11 to 13 and the like are not subjected to a heat cycle under severe temperature conditions, the durability of the apparatus is excellent. In addition, the pressure switching time can be shortened compared to the temperature switching time. Therefore, since the loss time due to switching can be made extremely small, the reforming reaction tubes 11 to 13 can be simplified.

また,複数の改質反応管11〜13を有することから,連続的に水素ガスの製造ができるとともに,再生工程前半で改質反応管11〜13に含まれる二酸化炭素以外のガス成分を回収することができる。従って,水素製造効率を上昇させることができる。さらに,PSA17からのオフガスに二酸化炭素がほとんど含まれていないので,原料ガスと混合して使用することができる。従って,製造した水素ガスを無駄なく製品化でき,製品水素の回収率を上昇させることができる。これにより,二酸化炭素の吸収・放出のサイクルを簡易な方法で実現し,装置の簡素化・低コスト化に寄与するとともに,システム全体としての水素製造効率を上昇させることのできる水素製造装置となっている。   Moreover, since it has the some reforming reaction tubes 11-13, while being able to manufacture hydrogen gas continuously, gas components other than the carbon dioxide contained in the reforming reaction tubes 11-13 are collect | recovered in the first half of a regeneration process. be able to. Therefore, the hydrogen production efficiency can be increased. Furthermore, since the carbon dioxide is hardly contained in the off gas from the PSA 17, it can be used by being mixed with the raw material gas. Accordingly, the produced hydrogen gas can be commercialized without waste, and the product hydrogen recovery rate can be increased. As a result, a carbon dioxide absorption / release cycle can be realized by a simple method, contributing to simplification and cost reduction of the device, and to increase the hydrogen production efficiency of the entire system. ing.

「第2の形態」
以下,本発明を具体化した第2の形態について,添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は,改質反応管として二酸化炭素吸収剤が封入されていないものを使用するとともに,二酸化炭素吸収剤を封入したCO変成器を使用した水素製造装置である。第1の形態と共通の部材には,同じ符号を付して説明を省略する。
"Second form"
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present embodiment is a hydrogen production apparatus that uses a reforming reaction tube that does not contain a carbon dioxide absorbent and uses a CO converter that contains the carbon dioxide absorbent. The same members as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

本形態の水素製造装置2は,図10に示すように,第1の形態の水素製造装置1に比較して,3基の改質反応管11,12,13に代えて1基の改質反応管51と2台のCO変成器52,53を有している。この改質反応管51には,改質触媒のみが封入されており,二酸化炭素吸収剤は封入されていない。CO変成器52,53には,CO変成触媒(鉄や銅などの粒子)と二酸化炭素吸収剤(ここではCaO)とが封入されている。そして,COとH2Oとを反応させてCO2とH2とを得るCO変成反応(式2参照)と,二酸化炭素吸収反応(式3参照)とをともに進行させる。
CO + H2O → CO2 + H2 …(式2)
CaO + CO2 → CaCO3 …(式3)
なお,本形態では,燃焼部18は原料ガスを燃焼して,改質反応管51のみを加熱する。
As shown in FIG. 10, the hydrogen production apparatus 2 of this embodiment is different from the hydrogen production apparatus 1 of the first embodiment in that one reforming tube is replaced with three reforming reaction tubes 11, 12, and 13. A reaction tube 51 and two CO converters 52 and 53 are provided. In this reforming reaction tube 51, only the reforming catalyst is sealed, and no carbon dioxide absorbent is sealed. A CO conversion catalyst (particles such as iron and copper) and a carbon dioxide absorbent (here, CaO) are enclosed in the CO converters 52 and 53. Then, a CO shift reaction (see Formula 2) for reacting CO with H 2 O to obtain CO 2 and H 2 and a carbon dioxide absorption reaction (see Formula 3) are allowed to proceed together.
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (Formula 2)
CaO + CO 2 → CaCO 3 (Formula 3)
In this embodiment, the combustion unit 18 burns the raw material gas and heats only the reforming reaction tube 51.

また本形態の水素製造装置2においても,各部材間を連通して各種のガスを通すための,原料ガス管21,燃焼ガス管22,オフガス管23,入力ガス管24,出力ガス管25,排出ガス管26を有している。さらに,出力ガス管25は第1出力ガス管61と第2出力ガス管62との2つに分岐されている。それらはそれぞれ開閉弁63,64を介して,CO変成器52,53に連通されている。   Also in the hydrogen production apparatus 2 of the present embodiment, the raw material gas pipe 21, the combustion gas pipe 22, the off gas pipe 23, the input gas pipe 24, the output gas pipe 25, and the like for communicating various gases through the members. An exhaust gas pipe 26 is provided. Further, the output gas pipe 25 is branched into two, a first output gas pipe 61 and a second output gas pipe 62. They communicate with the CO transformers 52 and 53 via the on-off valves 63 and 64, respectively.

さらに,CO変成器52から出力される変成ガス管71は,第1変成ガス管72と第2変成ガス管73とに分岐され,それぞれ開閉弁74,75を介して,冷却乾燥部16とポンプ15とに連通されている。また,CO変成器53から出力される変成ガス管81は,第3変成ガス管82と第4変成ガス管83とに分岐され,それぞれ開閉弁84,85を介して,冷却乾燥部16とポンプ15とに連通されている。   Further, the shift gas pipe 71 output from the CO shifter 52 is branched into a first shift gas pipe 72 and a second shift gas pipe 73, and the cooling and drying unit 16 and the pump are respectively connected via on-off valves 74 and 75. 15 is communicated with. Also, the shift gas pipe 81 output from the CO shifter 53 is branched into a third shift gas pipe 82 and a fourth shift gas pipe 83, and the cooling and drying unit 16 and the pump are respectively connected via on-off valves 84 and 85, respectively. 15 is communicated with.

(水素製造方法:1基のCO変成器のみ使用)
次に,本形態の水素製造装置2による水素製造方法について説明する。まず,1基のCO変成器のみを使用して水素を製造する場合について説明する。本形態の製造方法では,CO変成器において,(F)吸収工程(図11)と(G)再生工程(図12)とが繰り返し行われる。ここでは,CO変成器52のみを使用する場合について代表して説明するが,CO変成器53のみを使用する場合についても同様である。なお,これらの図中では,開状態の開閉弁を黒塗りで,閉状態の開閉弁を白抜きで示している。また,CO変成器53とそれらに連通するための流路および開閉弁64,84,85はすべて省略して示している。
(Hydrogen production method: Use only one CO transformer)
Next, the hydrogen production method by the hydrogen production apparatus 2 of this embodiment will be described. First, the case where hydrogen is produced using only one CO transformer will be described. In the manufacturing method of this embodiment, (F) the absorption process (FIG. 11) and (G) the regeneration process (FIG. 12) are repeatedly performed in the CO transformer. Here, the case where only the CO transformer 52 is used will be described as a representative, but the same applies to the case where only the CO transformer 53 is used. In these drawings, the open / closed valve is shown in black, and the closed open / closed valve is shown in white. Further, the CO transformer 53 and the flow paths and on-off valves 64, 84, 85 for communicating with them are all omitted.

(F)吸収工程(図11)
この工程では,図11に示すように,開閉弁63,74が開,開閉弁75が閉とされる。ポンプ14は駆動され,ポンプ15は停止されている。改質反応管51にはポンプ14で加圧された原料ガス(都市ガス)と水蒸気が予熱されて供給される。改質反応管51では,改質触媒によって,原料ガスと水蒸気とから,水素,一酸化炭素,二酸化炭素が発生される。
CH4 + H2O → CO + 3H2 …(式1)
CO + H2O → CO2 + H2 …(式2)
このとき,この改質反応は吸熱反応であるので,改質反応管51は,燃焼部18によって750℃程度まで加熱される。
(F) Absorption process (FIG. 11)
In this step, as shown in FIG. 11, the on-off valves 63 and 74 are opened and the on-off valve 75 is closed. The pump 14 is driven and the pump 15 is stopped. The reforming reaction tube 51 is supplied with raw gas (city gas) and water vapor pressurized by the pump 14 after being preheated. In the reforming reaction tube 51, hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide are generated from the raw material gas and water vapor by the reforming catalyst.
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (Formula 1)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (Formula 2)
At this time, since the reforming reaction is an endothermic reaction, the reforming reaction tube 51 is heated to about 750 ° C. by the combustion unit 18.

改質反応管51からの出力ガスは,出力ガス管25から第1出力ガス管61を経て,CO変成器52に導入される。CO変成器52では,残留しているCOにさらに,上記の式2の反応を起こさせることにより,CO2とH2 とが得られる。このとき,CO変成器52にはCaOが封入されているので,次の式3の反応によってCO2が吸収される。
CaO + CO2 → CaCO3 …(式3)
The output gas from the reforming reaction tube 51 is introduced from the output gas tube 25 through the first output gas tube 61 into the CO converter 52. In the CO converter 52, CO 2 and H 2 can be obtained by causing the remaining CO to further undergo the reaction of the above formula 2. At this time, since the CO transformer 52 is filled with CaO, CO 2 is absorbed by the reaction of the following equation (3).
CaO + CO 2 → CaCO 3 (Formula 3)

ここで,出力ガスに含まれるCO2やCO変成器52から発生するCO2が順次吸収されることから,CO変成器52内のガス中の二酸化炭素の分圧が低下する。これにより,一酸化炭素変成反応が非平衡となり,さらに促進される。なお,上記の式2の反応と式3の反応とは,いずれも発熱反応である。そこで,この熱を原料ガスの予熱や燃焼用空気の予熱等に活用するとよい。そして,CO変成器52を約400℃程度に保持することが好ましい。 Here, since the CO 2 is sequentially absorbed generated from CO 2 and CO transformer 52 included in the output gas, the partial pressure of carbon dioxide in the gas in the CO transformer 52 is decreased. As a result, the carbon monoxide shift reaction becomes non-equilibrium and is further accelerated. Note that the reaction of the above formula 2 and the reaction of the formula 3 are both exothermic reactions. Therefore, this heat may be used for preheating the raw material gas or preheating the combustion air. And it is preferable to hold | maintain the CO transformer 52 at about 400 degreeC.

CO変成器52から出力されるガスは,改質反応とCO変成反応とが終わり,発生した二酸化炭素が二酸化炭素吸収剤に吸収された残りのガスである。すなわち,水素を多く含むとともに二酸化炭素をほとんど含まない改質ガスとなっている。この改質ガスは,変成ガス管71と第1変成ガス管72,開閉弁74を介して冷却乾燥部16に導入される。こうして冷却乾燥部16に導入される改質ガスは,例えば,COやCO2は全体ガス組成の1%以下であり,H2が75%以上,残りの大部分はCH4なっている。以後は,第1の形態における改質工程と同様に処理されて製品水素ガスが得られる。すなわち,冷却乾燥部16に送られた改質ガスは,降温されることにより,水分が除去される。続いて,PSA17に投入され,純度99.99%の製品水素ガスが得られる。 The gas output from the CO converter 52 is the remaining gas in which the reforming reaction and the CO conversion reaction are finished and the generated carbon dioxide is absorbed by the carbon dioxide absorbent. That is, the reformed gas contains a large amount of hydrogen and hardly contains carbon dioxide. The reformed gas is introduced into the cooling and drying unit 16 through the modified gas pipe 71, the first modified gas pipe 72, and the on-off valve 74. The reformed gas introduced into the cooling and drying unit 16 in this way, for example, CO and CO 2 are 1% or less of the total gas composition, H 2 is 75% or more, and most of the remaining is CH 4 . Thereafter, the product hydrogen gas is obtained by processing in the same manner as the reforming step in the first embodiment. That is, the reformed gas sent to the cooling and drying unit 16 is cooled to remove moisture. Subsequently, the product hydrogen gas having a purity of 99.99% is obtained by being charged into the PSA 17.

(G)再生工程(図12)
式3の反応が進むとCO変成器52中のCaOが少なくなる。そこで,破過する少し前に,(F)吸収工程を停止して(G)再生工程に移行する。(G)再生工程が開始されると,まず開閉弁63,74を閉止して,開閉弁75を開放する。これにより,改質反応管51からの出力ガスが入力されないようにする。CO変成器を1台のみ有している装置の場合は,原料ガスの供給を停止して改質反応管51による改質反応も停止することが望ましい。また,この(G)再生工程と同時に,PSA17にトラップされたオフガスを製品水素ガスの一部を用いてパージし,原料ガスに混入するとよい。
(G) Regeneration process (FIG. 12)
As the reaction of Formula 3 proceeds, CaO in the CO transformer 52 decreases. Therefore, shortly before breakthrough, (F) the absorption process is stopped and (G) the regeneration process is started. (G) When the regeneration process is started, the on-off valves 63 and 74 are first closed and the on-off valve 75 is opened. This prevents the output gas from the reforming reaction tube 51 from being input. In the case of an apparatus having only one CO converter, it is desirable to stop the reforming reaction by the reforming reaction tube 51 by stopping the supply of the raw material gas. At the same time as the (G) regeneration step, the off-gas trapped in the PSA 17 may be purged using part of the product hydrogen gas and mixed into the raw material gas.

そして,CO変成器52の内部を,変成ガス管71から第2変成ガス管73,開閉弁75,排出ガス管26を介してポンプ15に連通させる。そして,ポンプ15を作動させることにより,CO変成器52を減圧し,CO変成器52から二酸化炭素リッチガスを取り出す。これにより,第1の形態における(B)再生工程と同様に,次の式4の反応によってCaOが再生される。
CaCO3 → CaO + CO2 …(式4)
Then, the inside of the CO converter 52 is connected to the pump 15 from the shift gas pipe 71 through the second shift gas pipe 73, the on-off valve 75, and the exhaust gas pipe 26. Then, the CO converter 52 is depressurized by operating the pump 15, and the carbon dioxide rich gas is taken out from the CO converter 52. Thereby, like the (B) regeneration process in the first embodiment, CaO is regenerated by the reaction of the following formula 4.
CaCO 3 → CaO + CO 2 (Formula 4)

なお,この式4の反応は吸熱反応であるので,外部から加熱する必要がある。ここではCO変成器であるので,400〜500℃程度に保持すればよい。そこで,出力ガス管25に出力される出力ガス,あるいは燃焼部18から放出され改質反応管51を加熱した後の燃焼ガス等を用いて,CO変成器52を加熱するとよい。ただし,二酸化炭素吸収剤を変更した場合は,その活性温度条件を考慮してこの温度を設定する。   In addition, since reaction of this Formula 4 is an endothermic reaction, it is necessary to heat from the outside. Since it is a CO transformer here, what is necessary is just to hold | maintain at about 400-500 degreeC. Therefore, the CO converter 52 may be heated by using the output gas output to the output gas pipe 25 or the combustion gas discharged from the combustion section 18 and heating the reforming reaction pipe 51. However, if the carbon dioxide absorbent is changed, this temperature is set in consideration of the activation temperature condition.

またこのとき,図12に示すように,燃焼部18によってCO変成器52を加熱してもよい。その場合には,CO変成器52を減圧するとともに,500〜600℃程度まで昇温するとよい。このようにすれば,さらに効率よく再生工程を進行させることができる。この程度の昇温であれば,CO変成器52に特殊な材料を用いる必要はないので,コスト高となることはない。   At this time, the CO transformer 52 may be heated by the combustion section 18 as shown in FIG. In that case, the CO transformer 52 may be depressurized and heated to about 500-600 ° C. In this way, the regeneration process can be advanced more efficiently. If the temperature rises to such a level, it is not necessary to use a special material for the CO transformer 52, so that the cost is not increased.

(水素製造方法:2基のCO変成器をともに使用)
さらに本形態では,CO変成器52とCO変成器53とを有するので,(F)吸収工程と(G)再生工程とを交互に交替で行わせることができる。すなわち,CO変成器52に(F)吸収工程を行わせ,CO変成器53に(G)再生工程を行わせるモードと,CO変成器52に(G)再生工程を行わせ,CO変成器53に(F)吸収工程を行わせるモードとを交替で繰り返す。
(Hydrogen production method: using two CO transformers)
Furthermore, in this embodiment, since the CO transformer 52 and the CO transformer 53 are provided, the (F) absorption process and the (G) regeneration process can be alternately performed. That is, the CO transformer 52 performs the (F) absorption process, the CO transformer 53 performs the (G) regeneration process, and the CO transformer 52 performs the (G) regeneration process. (F) The mode in which the absorption process is performed is repeated alternately.

さらに,改質反応管51には,CO変成器52とCO変成器53とのうち(F)吸収工程を行わせている方が連通されているように,開閉弁63,64を切り替える。すなわち,CO変成器52に(F)吸収工程を行わせるモードでは,開閉弁63,74,85が開放され,開閉弁64,75,84が閉止される。また,CO変成器53に(F)吸収工程を行わせるモードでは,開閉弁64,75,84が開放され,開閉弁63,74,85が閉止される。ポンプ14,15はともに作動させる。   Further, the open / close valves 63 and 64 are switched so that the reforming reaction pipe 51 communicates with the CO converter 52 and the CO converter 53 that are performing the (F) absorption step. That is, in the mode in which the CO transformer 52 performs the (F) absorption process, the on-off valves 63, 74, 85 are opened, and the on-off valves 64, 75, 84 are closed. In the mode in which the CO transformer 53 performs the (F) absorption process, the on-off valves 64, 75, 84 are opened, and the on-off valves 63, 74, 85 are closed. Both pumps 14, 15 are activated.

このようにすれば,改質反応管51には連続的に改質反応を行わせることができる。出力ガス管25に出力される出力ガスは,CO変成器52とCO変成器53とのいずれかによってCO変成およびCO2の吸収が行われ,冷却乾燥部16へ送り出される。従って,連続的に製品水素ガスを製造することができる。また,CO変成器52とCO変成器53とが,一方が吸熱反応で他方が発熱反応となり,発熱反応の側から発生した熱で吸熱反応の側を加熱させれば,熱を有効利用できる。 In this way, the reforming reaction tube 51 can continuously perform the reforming reaction. The output gas output to the output gas pipe 25 undergoes CO conversion and CO 2 absorption by either the CO converter 52 or the CO converter 53 and is sent to the cooling and drying unit 16. Accordingly, product hydrogen gas can be produced continuously. Further, if the CO converter 52 and the CO converter 53 are endothermic reaction on one side and exothermic reaction on the other side and the endothermic reaction side is heated by the heat generated from the exothermic reaction side, the heat can be effectively utilized.

さらに本形態では,CO変成器を昇圧させる昇圧工程を加えてもよい。そして,3基のCO変成器を用いて,第1の形態と同様のローテーションを組んでもよい。すなわち,これらにそれぞれ吸収工程,再生工程,昇圧工程の3工程を順に行わせるとともに,他のCO変成器と1つずつずれた工程を行わせるのである。このようにすれば,さらに効率よく製品ガスを製造できる。   Further, in this embodiment, a boosting step for boosting the CO transformer may be added. Then, using the three CO transformers, the same rotation as in the first embodiment may be assembled. That is, each of them is made to perform an absorption process, a regeneration process, and a boosting process in order, and a process shifted one by one from other CO transformers. In this way, product gas can be produced more efficiently.

以上詳細に説明したように,本形態の水素製造装置2によっても,第1の形態と同様に,二酸化炭素の吸収・放出のサイクルを簡易な方法で実現し,装置の簡素化・低コスト化に寄与するとともに,システム全体としての水素製造効率を上昇させることのできる水素製造装置となっている。   As explained in detail above, the hydrogen production apparatus 2 of the present embodiment also realizes a carbon dioxide absorption / release cycle by a simple method as in the first embodiment, thereby simplifying and reducing the cost of the apparatus. This is a hydrogen production apparatus that can contribute to the improvement of the hydrogen production efficiency of the entire system.

なお,本実施の形態は単なる例示にすぎず,本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に,その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良,変形が可能である。
例えば,ポンプ15によって吸い出す代わりに,開閉弁を開放するのみでも,二酸化炭素吸収剤を減圧することはできる。また例えば,二酸化炭素吸収剤の再生のために,ポンプ15によって吸い出されたガスからさらに,二酸化炭素吸収剤等によって二酸化炭素を除いてもよい。そうすれば,その残りのガスを装置の加熱のための燃料としたり,原料ガスの一部として利用することもできる。
また例えば,上記の実施の形態では二酸化炭素吸収剤としてCaOを用いているが,他の吸収剤を使用することもできる。その場合には,その特性に合わせて各種の条件を変更するとよい。
Note that this embodiment is merely an example, and does not limit the present invention. Therefore, the present invention can naturally be improved and modified in various ways without departing from the gist thereof.
For example, the carbon dioxide absorbent can be depressurized only by opening the on-off valve instead of sucking out by the pump 15. Further, for example, in order to regenerate the carbon dioxide absorbent, carbon dioxide may be further removed from the gas sucked out by the pump 15 with a carbon dioxide absorbent or the like. Then, the remaining gas can be used as a fuel for heating the apparatus or used as part of the raw material gas.
For example, in the above embodiment, CaO is used as the carbon dioxide absorbent, but other absorbents can also be used. In that case, it is recommended to change various conditions according to the characteristics.

第1の形態に係る水素製造装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the hydrogen production apparatus which concerns on a 1st form. 改質反応管において改質工程を行っている状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state which is performing the reforming process in the reforming reaction tube. 改質反応管において再生工程を行っている状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state which is performing the reproduction | regeneration process in a reforming reaction tube. 改質反応管において昇圧工程を行っている状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state which is performing the pressure | voltage rise process in a reforming reaction tube. 第1の形態による二酸化炭素の分圧の変化を示すグラフ図である。It is a graph which shows the change of the partial pressure of the carbon dioxide by a 1st form. 改質反応管が3基の場合の各工程の実行手順を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the execution procedure of each process in case there are three reforming reaction tubes. 改質反応管での各工程の実行手順(A)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the execution procedure (A) of each process in a reforming reaction tube. 改質反応管での各工程の実行手順(B)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the execution procedure (B) of each process in a reforming reaction tube. 改質反応管での各工程の実行手順(C)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the execution procedure (C) of each process in a reforming reaction tube. 第2の形態に係る水素製造装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the hydrogen production apparatus which concerns on a 2nd form. 第2の形態に係る水素製造装置において吸収工程中の状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state in the absorption process in the hydrogen production apparatus which concerns on a 2nd form. 第2の形態に係る水素製造装置において再生工程中の状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state in the reproduction | regeneration process in the hydrogen production apparatus which concerns on a 2nd form. 従来の水素製造装置の概略構成を示すフロー図である。It is a flowchart which shows schematic structure of the conventional hydrogen production apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1,2 水素製造装置
11,12,13,51 改質反応管
14,15 ポンプ
17 PSA
19 制御部
21 原料ガス管
23 オフガス管
26 排出ガス管
27 循環ガス管
52,53 CO変成器
1, 2 Hydrogen production equipment 11, 12, 13, 51 Reforming reaction tube 14, 15 Pump 17 PSA
19 Control part 21 Raw material gas pipe 23 Off-gas pipe 26 Exhaust gas pipe 27 Circulating gas pipe 52, 53 CO transformer

Claims (13)

炭化水素と水とから水素を生成する改質反応を促進する改質触媒と,二酸化炭素吸収剤とを内蔵する改質反応管と,
前記改質反応管に原料ガスを供給する供給部と,
前記改質反応管から出力される改質ガスを,水素濃度を高めた製品ガスと,非水素成分の濃度を高めたオフガスとに分離する精製部と,
前記精製部からオフガスを前記供給部へ戻す戻し部と,
前記改質反応管を減圧することにより前記改質反応管から二酸化炭素リッチガスを取り出す二酸化炭素取り出し部とを有することを特徴とする水素製造装置。
A reforming reaction tube containing a reforming catalyst for promoting a reforming reaction for generating hydrogen from hydrocarbon and water, and a carbon dioxide absorbent;
A supply unit for supplying a raw material gas to the reforming reaction tube;
A purification unit that separates the reformed gas output from the reforming reaction tube into a product gas having an increased hydrogen concentration and an off-gas having an increased concentration of non-hydrogen components;
A return unit for returning off-gas from the purification unit to the supply unit;
A hydrogen production apparatus comprising: a carbon dioxide extraction unit that extracts carbon dioxide rich gas from the reforming reaction tube by decompressing the reforming reaction tube.
請求項1に記載の水素製造装置において,
前記改質反応管に,
原料ガスを供給して改質ガスを出力させる改質工程と,
減圧して二酸化炭素リッチガスを出力させる再生工程と,
昇圧させる昇圧工程とをこの順に反復して行わせる制御部を有することを特徴とする水素製造装置。
The hydrogen production apparatus according to claim 1,
In the reforming reaction tube,
A reforming process for supplying a source gas and outputting a reformed gas;
A regeneration step of decompressing and outputting a carbon dioxide rich gas;
A hydrogen production apparatus comprising a control unit that repeatedly performs a boosting step of boosting in this order.
請求項2に記載の水素製造装置において,
昇圧工程で前記改質反応管に供給するガスが,原料ガスとオフガスとの混合ガスであることを特徴とする水素製造装置。
The hydrogen production apparatus according to claim 2,
A hydrogen production apparatus characterized in that the gas supplied to the reforming reaction tube in the pressurization step is a mixed gas of a raw material gas and an off gas.
請求項2に記載の水素製造装置において,
少なくとも3基の改質反応管を有し,
前記制御部は,
第1の改質反応管に改質工程を行わせ,第2の改質反応管に再生工程を行わせ,第3の改質反応管に昇圧工程を行わせる第1モードと,
前記第1の改質反応管に再生工程を行わせ,前記第2の改質反応管に昇圧工程を行わせ,前記第3の改質反応管に改質工程を行わせる第2モードと,
前記第1の改質反応管に昇圧工程を行わせ,前記第2の改質反応管に改質工程を行わせ,前記第3の改質反応管に再生工程を行わせる第3モードとをこの順に反復して行うことを特徴とする水素製造装置。
The hydrogen production apparatus according to claim 2,
Having at least three reforming reaction tubes,
The controller is
A first mode in which a reforming step is performed in the first reforming reaction tube, a regeneration step is performed in the second reforming reaction tube, and a pressure increasing step is performed in the third reforming reaction tube;
A second mode for causing the first reforming reaction tube to perform a regeneration step, causing the second reforming reaction tube to perform a boosting step, and causing the third reforming reaction tube to perform a reforming step;
A third mode for causing the first reforming reaction tube to perform a boosting step, causing the second reforming reaction tube to perform a reforming step, and causing the third reforming reaction tube to perform a regeneration step; A hydrogen production apparatus that is repeatedly performed in this order.
請求項4に記載の水素製造装置において,
前記3基の改質反応管を相互に選択的に接続する循環管を有し,
前記制御部は,各モードの前段にて,再生工程にある改質反応管から昇圧工程にある改質反応管へガスを供給することを特徴とする水素製造装置。
The hydrogen production apparatus according to claim 4,
A circulation pipe for selectively connecting the three reforming reaction pipes to each other;
The said control part supplies a gas from the reforming reaction tube in a regeneration process to the reforming reaction tube in a pressure | voltage rise process in the front | former stage of each mode.
請求項5に記載の水素製造装置において,
前記制御部は,各モードの後段にて,改質工程にある改質反応管から昇圧工程にある改質反応管へ改質ガスの一部を供給することを特徴とする水素製造装置。
The hydrogen production apparatus according to claim 5,
The control unit supplies a part of the reformed gas from the reforming reaction tube in the reforming process to the reforming reaction tube in the pressurizing process at the subsequent stage of each mode.
請求項6に記載の水素製造装置において,
前記制御部は,モードの切り換え時に一時的に,再生工程を終了した改質反応管に改質ガスを導入することを特徴とする水素製造装置。
The hydrogen production apparatus according to claim 6,
The said control part introduce | transduces reformed gas into the reforming reaction tube which completed the reproduction | regeneration process temporarily at the time of mode switching, The hydrogen production apparatus characterized by the above-mentioned.
炭化水素と水とから水素を生成する改質反応を促進する改質触媒と,二酸化炭素吸収剤とを内蔵する改質反応管を用い,
改質反応管に原料ガスと水蒸気とを供給して改質反応を起こさせ,生成した二酸化炭素を二酸化炭素吸収剤に吸収させるとともに改質ガスを出力させ,改質ガスの水素濃度を高めた製品ガスを得る改質工程と,
前記改質工程後の改質反応管を減圧して二酸化炭素吸収剤から二酸化炭素を放出させる再生工程と,
前記再生工程後の改質反応管に,原料ガスと,改質ガスの非水素成分の濃度を高めたオフガスとの混合ガスを供給して昇圧する昇圧工程とを行うことを特徴とする水素製造方法。
Using a reforming reaction tube that contains a reforming catalyst that promotes the reforming reaction that produces hydrogen from hydrocarbons and water, and a carbon dioxide absorbent,
The reforming reaction tube was fed with raw material gas and water vapor to cause the reforming reaction, and the generated carbon dioxide was absorbed by the carbon dioxide absorbent and the reformed gas was output to increase the hydrogen concentration of the reformed gas. A reforming process to obtain product gas;
A regeneration step of depressurizing the reforming reaction tube after the reforming step to release carbon dioxide from the carbon dioxide absorbent;
A hydrogen production characterized by performing a pressure raising step of supplying a mixed gas of a raw material gas and an off-gas having a higher concentration of the non-hydrogen component of the reformed gas to the reforming reaction tube after the regeneration step to increase the pressure. Method.
炭化水素と水とから水素を生成する改質反応を促進する改質触媒と,二酸化炭素吸収剤とを内蔵する,少なくとも3基の改質反応管を用い,
第1の改質反応管に改質工程を行わせ,第2の改質反応管に再生工程を行わせ,第3の改質反応管に昇圧工程を行わせる第1モードと,
前記第1の改質反応管に再生工程を行わせ,前記第2の改質反応管に昇圧工程を行わせ,前記第3の改質反応管に改質工程を行わせる第2モードと,
前記第1の改質反応管に昇圧工程を行わせ,前記第2の改質反応管に改質工程を行わせ,前記第3の改質反応管に再生工程を行わせる第3モードとをこの順に反復して行い,
改質工程では,改質反応管に,原料ガスと水蒸気とを供給して改質反応を起こさせ,生成した二酸化炭素を二酸化炭素吸収剤に吸収させるとともに改質ガスを出力させ,改質ガスの水素濃度を高めた製品ガスを得,
再生工程では,改質工程後の改質反応管を減圧して二酸化炭素吸収剤から二酸化炭素を放出させ,
昇圧工程の前段では,再生工程にある改質反応管からガスの供給を受けて改質反応管を昇圧させ,
昇圧工程の後段では,改質工程にある改質反応管から改質ガスの一部の供給を受けて改質反応管を昇圧させることを特徴とする水素製造方法。
Using at least three reforming reaction tubes containing a reforming catalyst that promotes a reforming reaction that generates hydrogen from hydrocarbon and water, and a carbon dioxide absorbent.
A first mode in which a reforming step is performed in the first reforming reaction tube, a regeneration step is performed in the second reforming reaction tube, and a pressure increasing step is performed in the third reforming reaction tube;
A second mode for causing the first reforming reaction tube to perform a regeneration step, causing the second reforming reaction tube to perform a boosting step, and causing the third reforming reaction tube to perform a reforming step;
A third mode for causing the first reforming reaction tube to perform a boosting step, causing the second reforming reaction tube to perform a reforming step, and causing the third reforming reaction tube to perform a regeneration step; Repeat in this order,
In the reforming process, a reforming reaction tube is supplied with a raw material gas and water vapor to cause a reforming reaction. The generated carbon dioxide is absorbed by the carbon dioxide absorbent and the reformed gas is output. To obtain product gas with increased hydrogen concentration,
In the regeneration process, the reforming reaction tube after the reforming process is depressurized to release carbon dioxide from the carbon dioxide absorbent,
In the previous stage of the pressurization process, the reforming reaction tube in the regeneration process is supplied with gas and the reforming reaction tube is pressurized,
A hydrogen production method characterized in that, after the pressurizing step, a part of the reformed gas is supplied from the reforming reaction tube in the reforming step to pressurize the reforming reaction tube.
炭化水素と水とから水素を生成する改質反応を促進する改質触媒を内蔵する改質反応管と,
前記改質反応管の下流に設けられ,一酸化炭素と水とから水素を生成する一酸化炭素変成反応を促進する一酸化炭素変成触媒と二酸化炭素吸収剤とを内蔵する変成器と,
前記改質反応管に原料ガスを供給する供給部と,
前記変成器から出力される改質ガスを,水素濃度を高めた製品ガスと,非水素成分の濃度を高めたオフガスとに分離する精製部と,
前記精製部からオフガスを前記供給部へ戻す戻し部と,
前記変成器を減圧することにより前記変成器から二酸化炭素リッチガスを取り出す二酸化炭素取り出し部とを有することを特徴とする水素製造装置。
A reforming reaction tube containing a reforming catalyst for promoting a reforming reaction for generating hydrogen from hydrocarbon and water;
A converter that is provided downstream of the reforming reaction tube and contains a carbon monoxide shift catalyst that promotes a carbon monoxide shift reaction that generates hydrogen from carbon monoxide and water, and a carbon dioxide absorbent;
A supply unit for supplying a raw material gas to the reforming reaction tube;
A purification unit that separates the reformed gas output from the transformer into a product gas having a high hydrogen concentration and an off-gas having a high concentration of non-hydrogen components;
A return unit for returning off-gas from the purification unit to the supply unit;
A hydrogen production apparatus comprising: a carbon dioxide extraction unit that extracts carbon dioxide rich gas from the transformer by depressurizing the transformer.
請求項10に記載の水素製造装置において,
前記二酸化炭素取り出し部による前記変成器の減圧の際に,前記変成器を加熱する加熱部を有することを特徴とする水素製造装置。
The hydrogen production apparatus according to claim 10,
An apparatus for producing hydrogen, comprising: a heating section that heats the transformer when the transformer is decompressed by the carbon dioxide take-out section.
請求項10に記載の水素製造装置において,
少なくとも2基の変成器と,制御部とを有し,
前記制御部は,
前記改質反応管に改質反応を行わせつつ,
前記2基の変成器に,改質反応で生成した二酸化炭素を二酸化炭素吸収剤に吸収させる吸収工程と,減圧して二酸化炭素リッチガスを放出させる再生工程とを入れ替わり交互に行わせることを特徴とする水素製造装置。
The hydrogen production apparatus according to claim 10,
Having at least two transformers and a control unit;
The controller is
While performing the reforming reaction in the reforming reaction tube,
The two transformers are configured to alternately perform an absorption process in which carbon dioxide generated by the reforming reaction is absorbed by the carbon dioxide absorbent and a regeneration process in which the carbon dioxide rich gas is released under reduced pressure. To produce hydrogen.
炭化水素と水とから水素を生成する改質反応を促進する改質触媒を内蔵する改質反応管と,前記改質反応管の下流に設けられ二酸化炭素吸収剤を内蔵する変成器とを用い,
改質反応管に原料ガスと水蒸気とを供給して改質反応を行わせるとともに,変成器から出力される改質ガスを,水素濃度を高めた製品ガスと,非水素成分の濃度を高めたオフガスとに分離し,
変成器に,改質反応で生成した二酸化炭素を二酸化炭素吸収剤に吸収させる吸収工程と,減圧して二酸化炭素リッチガスを放出させる再生工程とを交互に行わせ,
変成器が再生工程にあるときに,オフガスを改質反応管の上流側へ戻すことを特徴とする水素製造方法。
Using a reforming reaction tube containing a reforming catalyst for promoting a reforming reaction for generating hydrogen from hydrocarbon and water, and a transformer provided downstream of the reforming reaction tube and containing a carbon dioxide absorbent ,
The reforming reaction tube is supplied with raw material gas and water vapor to perform the reforming reaction, and the reformed gas output from the transformer is increased in the product gas with increased hydrogen concentration and the concentration of non-hydrogen components. Separated into off-gas,
Let the transformer alternately perform an absorption process in which carbon dioxide produced by the reforming reaction is absorbed by the carbon dioxide absorbent and a regeneration process in which the carbon dioxide-rich gas is released under reduced pressure.
A hydrogen production method characterized in that off-gas is returned to the upstream side of the reforming reaction tube when the transformer is in the regeneration step.
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