JP2004202412A

JP2004202412A - Chemical reaction method by shock wave, hydrogen production method using the same, chemical reaction device, hydrogen production device provided with the device, and hydrogen supply facility

Info

Publication number: JP2004202412A
Application number: JP2002376249A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Iwasaki; 克博岩崎; Takeshi Nakayama; 剛中山; Minoru Suzuki; 実鈴木
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2004-07-22

Abstract

【課題】高温が必要な化学反応を各種熱プロセスから排出される比較的低温の廃熱エネルギーを利用して安価に実現でき、装置の立ち上げ立ち下げが容易で運転費・設備費を抑えられる化学反応方法、それを用いた水素製造方法、並びに化学反応装置、その装置を備えた水素製造装置、及び水素供給施設を提供する。
【解決手段】熱源１１との熱交換により流体を加熱し反応前の反応装置１内の圧力に対して５倍以上の圧力の高圧ガスとする工程と、高圧ガスを瞬間的に反応装置１内に開放して衝撃波を発生させる工程と、衝撃波を発生させる前に原料を反応装置１内に供給する工程と、発生させた衝撃波により原料を衝撃圧縮して加熱し化学反応させる工程とを有する化学反応方法であり、この方法を用いた水素製造方法、並びに前記方法を実現する化学反応装置、その装置を備えた水素製造装置、及びそれを備えた水素供給施設である。
【選択図】図１A chemical reaction requiring a high temperature can be realized at a low cost by using relatively low temperature waste heat energy discharged from various thermal processes, and it is easy to start up and shut down the apparatus, thereby suppressing operation and equipment costs. Provided are a chemical reaction method, a hydrogen production method using the same, a chemical reaction device, a hydrogen production device provided with the device, and a hydrogen supply facility.
A step of heating a fluid by heat exchange with a heat source to convert the fluid into a high-pressure gas having a pressure five times or more higher than the pressure in the reaction apparatus before the reaction, and instantaneously converting the high-pressure gas into the reaction apparatus. A step of generating a shock wave by generating a shock wave, a step of supplying a raw material into the reactor 1 before generating the shock wave, and a step of shock-compressing and heating the raw material by the generated shock wave to cause a chemical reaction. This is a reaction method, a hydrogen production method using this method, a chemical reaction device for realizing the method, a hydrogen production device provided with the device, and a hydrogen supply facility provided with the same.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば製鉄所、ごみ焼却施設等の各種熱プロセスから排出される比較的低温の廃熱エネルギーを用いて高圧ガスを生成し、高圧ガスを瞬間的に開放して衝撃波を発生させてその衝撃波により例えば廃棄物などの原料を化学反応させて水素等を生成する化学反応方法およびそれを用いた水素および水素含有燃料ガスの製造方法、並びに化学反応装置およびその装置を備えた水素製造装置、および水素供給施設に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
廃棄物である原料を水蒸気で改質して水素を得る方法の一例として、加熱炉式で所定の水素分離膜を有する隔壁で仕切られた二重管型水蒸気改質反応器を用い、二重管の一方の管内に触媒を充填して原料としての軽量炭化水素および水蒸気を供給して改質反応させ、一方の管内から排出されるガスを冷却して二酸化炭素を主成分とするガス相と水分からなる液相とに気液相分離してそれぞれを取り出すとともに、生成水素を水素分離膜を介して他方の管内に連続的に流出させて取り出し、同時に生成水素の一部を酸素とともに加熱炉に供給し燃焼させて改質反応器に熱を与える環境調和型水素製造方法がある（例えば、特許文献１参照、以下「従来技術１」という）。
【０００３】
また、天然ガスのスチームリフォーマ法を用いるものにあっては、原料として天然ガス、プロパン等の炭化水素と水蒸気との混合体を反応器内で高温状態の改質触媒に接触させることにより、水素、一酸化炭素等を含有した水素含有ガスたる改質ガスを得て、この改質ガスから水素を分離して得る方法である（例えば、特許文献２参照、以下「従来技術２」という）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２７２９０４号公報（第３〜４頁、図１）
【特許文献２】
特開昭６２−１９７３０１号公報（第１〜４頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来技術１は、高温の水蒸気改質反応を進めるために、原料と水蒸気との混合体である反応物質を少なくとも４５０℃以上の高温に加熱しなければならず、そのために少なくとも６２０℃以上、概ね８００℃前後の恒常的な熱源が必要であり、その熱源を得るためには燃料が必要であった。これにより、燃料消費が省けないばかりでなく、燃料の燃焼により炭酸ガスが発生するという問題があった。また、反応器は、恒常的な高温場を維持する必要があることから、少なくとも内面を高価な耐火物製とする必要があり、設備費が高くなってしまうという問題もあった。
【０００６】
従来技術２は、水素を得る反応の前に反応器内を予め高温状態としなければならないため、装置の立ち上げ工程や立ち下げ工程等で、エネルギーロスが大きくなってしまい、装置の運転費が高くなってしまうという問題があった。また、時間的ロスも大きくなってしまうため、一旦装置を立ち上げて反応器内を高温状態とした後は長時間連続して水素製造を行うことになり、水素の供給要求が出された時だけ装置を簡単に稼動することができず、小規模生産あるいは所望時の短時間生産を行うことができないという問題があった。さらに、装置の立ち上げから立ち下げまでの間の長時間に亘り、反応器内が高温状態に維持されるため、耐火物を多用して装置を構成する必要があり、設備費が高くなってしまうという問題もあった。また、原料として天然ガス、プロパン等の純燃料が必要であるため、この点でも装置の運転費が高くなってしまうという問題があった。そして、水素を得る過程において、水素と同等量以上の二酸化炭素が排出されてしまうため、近年世界的に問題化されている地球温暖化を防止する上で好ましくない。
【０００７】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、高温が必要な化学反応を、各種熱プロセスから排出される比較的低温の廃熱エネルギーを利用し、かつ安価に実現することができるとともに、その化学反応を行う装置の立ち上げおよび立ち下げが容易で、運転費および設備費を抑えることのできる化学反応方法およびそれを用いた水素製造方法、並びに化学反応装置およびその装置を備えた水素製造装置、および水素供給施設を提供することを目的としたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る化学反応方法は、衝撃波を発生させ、衝撃波を利用する化学反応方法であって、熱源との熱交換により流体を加熱し２００℃以上で４００℃以下の高圧ガスとする工程と、高圧ガスを瞬間的に反応装置内に開放して衝撃波を発生させる工程と、衝撃波を発生させる前に原料を反応装置内に供給する工程と、発生させた衝撃波により原料を衝撃圧縮して加熱し化学反応させる工程とを有する方法である。
【０００９】
本発明に係る化学反応方法は、衝撃波を発生させ、衝撃波を利用する化学反応方法であって、熱源との熱交換により流体を加熱し反応前の反応装置内の圧力に対して５倍以上の圧力の高圧ガスとする工程と、高圧ガスを瞬間的に反応装置内に開放して衝撃波を発生させる工程と、衝撃波を発生させる前に原料を反応装置内に供給する工程と、発生させた衝撃波により原料を衝撃圧縮して加熱し化学反応させる工程とを有する方法である。
【００１０】
本発明に係る化学反応方法は、衝撃波を発生させ、衝撃波を利用する化学反応方法であって、熱源との熱交換により低沸点流体を加熱し高圧ガスとする工程と、高圧ガスを瞬間的に反応室内に開放して衝撃波を発生させる工程と、衝撃波を発生させる前に原料を反応室内に供給する工程と、発生させた衝撃波により原料を衝撃圧縮して加熱し化学反応させる工程とを有する方法である。
【００１１】
本発明に係る化学反応方法は、熱源は、５０℃以上で６００℃以下の温熱を提供する方法である。
【００１２】
本発明に係る化学反応方法は、熱源は、火力発電所、廃棄物焼却施設、廃棄物処理施設、製鉄所の製銑設備、製鉄所の製鋼設備、スクラップ溶解設備、非鉄金属精錬設備、セメント焼成設備、燃焼設備および地熱利用設備に備えられた熱発生源のうちのいずれかである方法である。
【００１３】
本発明に係る化学反応方法は、発生させた衝撃波により原料を衝撃圧縮して加熱し化学反応させる工程の化学反応は、水素生成反応である方法である。
【００１４】
本発明に係る水素製造方法は、上記化学反応方法により水素を含有する生成物を生成する水素生成工程と、生成物から水素を分離する水素分離工程とを有する方法である。
【００１５】
本発明に係る水素製造方法は、燃焼物を燃焼させて熱交換により水蒸気を発生させ、水蒸気を発電に使用する燃焼設備を熱源とし、水素の供給要求があったときに、熱源との熱交換により発生させた水蒸気の少なくとも一部を水素生成に用いる方法である。
【００１６】
本発明に係る化学反応装置は、熱源と、熱源との熱交換により流体を加熱し２００℃以上で４００℃以下の高圧ガスとする熱交換器と、高圧ガスを瞬間的に開放して衝撃波を発生させ、衝撃波により原料を衝撃圧縮して加熱し化学反応させる反応装置と、衝撃波を発生させる前に原料を反応装置内に供給する供給装置とを備えたものである。
【００１７】
本発明に係る化学反応装置は、熱源と、熱源との熱交換により流体を加熱し反応前の反応装置内の圧力に対して５倍以上の圧力の高圧ガスとする熱交換器と、高圧ガスを瞬間的に開放して衝撃波を発生させ、衝撃波により原料を衝撃圧縮して加熱し化学反応させる反応装置と、衝撃波を発生させる前に原料を反応装置内に供給する供給装置とを備えたものである。
【００１８】
本発明に係る化学反応装置は、熱源と、熱源との熱交換により低沸点流体を加熱し高圧ガスとする加熱器と、高圧ガスを瞬間的に開放して衝撃波を発生させ、衝撃波により原料を衝撃圧縮して加熱し化学反応させる反応装置と、衝撃波を発生させる前に原料を反応装置内に供給する供給装置とを備えたものである。
【００１９】
本発明に係る化学反応装置は、熱源は、５０℃以上で６００℃以下の温熱を提供するものである。
【００２０】
本発明に係る化学反応装置は、熱源は、火力発電所、廃棄物焼却施設、廃棄物処理施設、製鉄所の製銑設備、製鉄所の製鋼設備、スクラップ溶解設備、非鉄金属精錬設備、セメント焼成設備、燃焼設備および地熱利用設備に備えられた熱発生源のうちのいずれかであるものである。
【００２１】
本発明に係る化学反応装置は、反応装置による化学反応は、水素生成反応であるものである。
【００２２】
本発明に係る水素製造装置は、上記化学反応装置を備え、化学反応装置により水素を含有する生成物を生成する水素生成装置と、生成物から水素を分離する分離装置とを有するものである。
【００２３】
本発明に係る水素製造装置は、燃焼物を燃焼させて熱交換により水蒸気を発生させ、水蒸気を発電に使用する燃焼設備を熱源とし、水素の供給要求があったときに、熱源との熱交換により発生させた水蒸気の少なくとも一部を水素生成に用いるものである。
【００２４】
本発明に係る水素供給施設は、熱源と、熱源との熱交換により２００℃以上で４００℃以下の水蒸気を生成する水蒸気生成装置と、水蒸気を瞬間的に開放して衝撃波を発生させ、衝撃波により原料を衝撃圧縮して加熱し水素生成反応をさせる反応装置と、衝撃波を発生させる前に原料を反応装置内に供給する供給装置と、反応装置内で生成された水素を含む生成物から水素を分離する分離装置と、分離された水素を供給する供給装置とを備えたものである。
【００２５】
本発明に係る水素供給施設は、熱源と、熱源との熱交換により反応前の反応装置内の圧力に対して５倍以上の圧力の水蒸気を生成する水蒸気生成装置と、水蒸気を瞬間的に開放して衝撃波を発生させ、衝撃波により原料を衝撃圧縮して加熱し水素生成反応をさせる反応装置と、衝撃波を発生させる前に原料を反応装置内に供給する供給装置と、反応装置内で生成された水素を含む生成物から水素を分離する分離装置と、分離された水素を供給する供給装置とを備えたものである。
【００２６】
本発明に係る水素供給施設は、熱源と、熱源との熱交換により低沸点流体からなる高圧ガスを生成するガス生成装置と、高圧ガスを瞬間的に開放して衝撃波を発生させ、衝撃波により原料を衝撃圧縮して加熱し水素生成反応をさせる反応装置と、衝撃波を発生させる前に原料を反応装置内に供給する供給装置と、反応装置内で生成された水素を含む生成物から水素を分離する分離装置と、分離された水素を供給する供給装置とを備えたものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る水素製造装置の構成ブロック図、図２はその反応装置の断面図である。図において、１は化学反応の１つである炭化水素もしくは炭素を含む反応性粒子と水蒸気を高温下で反応させ水素を生成する水素生成反応を実現する水素製造装置２０の反応装置で、上端が大径、下端が小径で、中間部に上端から下端へ向け通路断面積が小さくなる収束部２Ａを有する収束管２を備えており、収束管２の内部空間が反応室としての圧縮室を形成している。この収束管２には、その内部に後述するボイラからの高圧水蒸気を収容する水蒸気収容室３が接続され、水蒸気収容室３と収束管２との間を瞬間的に連通、遮断する開閉弁４が配設されている。そして、開閉弁４が開いて水蒸気収容室３と収束管２との間を連通させて、水蒸気収容室３内の高圧水蒸気が瞬間的に開放されることにより、衝撃波が発生し、さらに収束管２（圧縮室）内では、複数の衝撃波が収束されて高温高圧の収束衝撃波が得られる。そして、後述する反応性粒子と水蒸気との混合体を収束衝撃波によって衝撃圧縮して高温に加熱し、混合体中の反応性粒子と水蒸気とが反応して水素含有ガスを生成する。
【００２８】
また、反応装置１の収束管２の下端部には、生成ガス取出口６および排気口７が設けられており、その先端部には所定時に開放される制御弁８，９が設けられている。さらに、生成ガス取出口６および排気口７よりも若干上方の位置に、反応性粒子を収束管２内に供給するための反応性粒子供給口１０が設けられており、その先端部には所定時に開放される制御弁１３が設けられている。
【００２９】
１１は例えばごみ焼却炉等の大型熱プロセス設備からなる熱源、１２は熱源１１から発生する排ガスの廃熱を回収して流体（例えば水）を熱交換して加熱し高圧ガスである高圧水蒸気を生成する熱交換器であるボイラで、反応装置１の上流側に接続されており、反応装置１の収束管２内にボイラ１２の高圧水蒸気を供給する。
【００３０】
そして、熱源１１は、火力発電所、廃棄物焼却施設、廃棄物処理施設、製鉄所の製銑設備、製鉄所の製鋼設備、スクラップ溶解設備、非鉄金属精錬設備、セメント焼成設備、燃焼設備および地熱利用設備などの熱発生源であり、これらの熱発生源の燃焼装置、焼却炉、高炉、転炉、石灰燃成、コークス炉、焼結機、キュプラなどから発生する排ガスの廃熱を利用して熱交換器であるボイラ１２により水（流体）を加熱し、高圧水蒸気を生成する。
【００３１】
１４は炭化水素もしくは炭素を含有する原料を他の物質と分離し破砕して粉砕し微粒子状の反応性粒子とするとともに、その反応性粒子を反応装置１に供給するフィーダで、反応装置１の反応性粒子供給口１０の上流側に接続されており、微粒子化した反応性粒子を所定時に制御弁１３を介して供給する。
【００３２】
１５は反応装置１の生成ガス取出口６の下流側に接続され、反応装置１で生成された水素含有ガスから未反応の反応性粒子、ハロゲン化物および硫黄化合物などの不純物等を除去する除塵機で、除去された未反応の反応性粒子を帰還させて再利用するためにフィーダ１４にも接続されている。１６は除塵機１５の下流側に接続され、除塵機１５からの水素含有ガスを水素ガスとＣＯガスとに分離してそれぞれ取り出すための分離機で、例えば圧力振動吸着装置（ＰＳＡ）が用いられる。なお、水素の分離は圧力振動吸着法に限らず膜分離、深冷分離、水素吸蔵体に水素を直接吸蔵させる法など、他の方法を用いてもよい。１７は制御弁９を介して排気口７に接続された排気管で、反応装置１での反応後に収束管２内に残留している水蒸気が排出される。
【００３３】
ここで、高圧水蒸気の温度は、２００℃以上で４００℃以下の範囲が好ましい。高圧水蒸気が２００℃未満では、高圧水蒸気を瞬間的に開放して発生させる衝撃波の安定性が低く、また衝撃波によって生成される高温高圧場の到達温度が低いため、反応効率が低くなる。また、４００℃を越える高圧水蒸気を得るには、熱源１１の炉等から発生する比較的低温の排ガスの廃熱のエネルギーから得るのが困難となって、専用の熱源が必要になり、排ガスの廃熱の有効利用にはならない。さらに、３００℃以上では反応効率がより高くなる。よって、３００℃以上で４００℃以下の高圧水蒸気とすることが好ましい。また、熱源１１は５０℃以上で６００℃以下の温熱を提供し、５０℃未満の温熱では得られる高圧水蒸気は圧力が低く不十分であり、６００℃を超える温熱は、高圧水蒸気が４００℃を超えてしまうとともに、それを得るために設備が大型になりプロセスも複雑になってしまう。よって、熱源１１は５０℃以上で６００℃以下の温熱を提供することにより、２００℃以上で４００℃以下の高圧水蒸気が得られる。
【００３４】
また、反応装置１に供給される高圧水蒸気の圧力は、反応前の反応装置１内の圧力に対して５倍以上の圧力が好ましい。高圧水蒸気を瞬間的に反応装置１の反応室内（収束管２内）に開放することにより衝撃波を発生させるが、その際高圧水蒸気と反応前の反応装置１内の圧力との圧力比が５以上であれば、反応性粒子と水蒸気を衝撃圧縮して高温に加熱して反応させるのに必要な衝撃波を発生させることができる。さらに、圧力比が１０以上の高圧水蒸気を用いることにより、衝撃波の安定性と衝撃波による高温場（衝撃温度）の到達温度を向上させることができるので、反応性粒子と水蒸気との反応を効率的に進めることができ、より好ましい。さらに、圧力比を２０以上または４０以上の高圧水蒸気を用いることにより、衝撃高温の到達温度をさらに向上させることができ、反応効率を向上させることができる。
【００３５】
また、高圧水蒸気と反応前の反応装置１内の圧力との圧力比が５以上の高圧水蒸気を瞬間的に開放して発生した衝撃波を、通路断面積が衝撃波の進行方向に沿って次第に小さくなっている収束部２Ａを伝播させ、複数の衝撃波を干渉させて収束衝撃波を発生させることにより、衝撃高温の到達温度をさらに高くすることができる。収束部２Ａの下流側の通路断面積の上流側の通路断面積に対する比（収縮比）が小さいほど衝撃波の収束密度が高くなり、収束衝撃波の衝撃温度の到達温度を高くなる。
【００３６】
また、反応前の反応装置１内の圧力を大気圧で操業することが、反応装置１（収束管２）への周囲からのガス等の混入を防ぐシール対策として容易である。反応装置１内の圧力を大気圧とした場合、高圧水蒸気と反応前の反応装置１内との圧力比を１０から４０とするには、高圧水蒸気の圧力を１０気圧から４０気圧にすればよく、その温度が２００℃以上で４００℃以下である高圧水蒸気を用いればよい。この温度域の高圧水蒸気は、廃棄物焼却炉の廃熱ボイラ等の余剰廃熱回収ボイラで生成される蒸気に相当し、エネルギーの有効利用ができる。また、反応装置１内を反応前に減圧しておくことにより、高圧水蒸気の圧力をそれほど高くしなくても圧力比を高くすることができる。そして、反応装置１内を減圧するには、減圧用ブロワや真空ポンプを用いる。
【００３７】
ここで、反応性粒子となる炭化水素もしくは炭素を含有する原料について説明する。
ここで用いられる原料は、水蒸気による衝撃波を利用する、つまり水蒸気が水素含有ガスを生成する原料を兼ねることを考慮したもので、
・炭化水素系化合物
・炭素系物質
・炭化水素系化合物＋炭素系物質
・炭化水素系化合物＋酸化物
・炭化水素系化合物＋炭素系物質＋酸化物
・炭化水素系化合物＋酸化物および還元剤、または酸化物か還元剤のいずれか
・炭素系物質＋酸化物および還元剤、または酸化物か還元剤のいずれか
・炭化水素系化合物＋炭素系物質＋酸化物および還元剤、または酸化物か還元剤
のいずれかがある。
【００３８】
そして、炭化水素系化合物としては、例えば油脂類、アルコールやエーテル類、石油およびその誘導体製品、石炭の誘導体製品、石油精製あるいは石炭化学等で生成するタールとその他の廃棄物および種々の残渣類、メタン、天然ガスおよびプロパンガス等の炭化水素系ガス類、廃プラスチックや廃油等の炭化水素系化合物含有廃棄物、籾殻、わら屑、木屑およびその他のバイオマス類、繊維類、パルプ屑などであり、炭素系物質としては、例えば石炭、コークス、木炭、カーボンブラック、タイヤ屑、ＣＯ₂などである。また、酸化剤としては、例えば酸素、酸素含有ガス、６００℃以上の温度において炭素系物質および炭化水素系物質を酸化する性質のある酸化性ガスや酸化物、６００℃以上においては少なくともＨ₂Ｏ、Ｏ₂、ＣＯ₂を発生するような酸化物や水和物、炭酸塩、その他の化合物などであり、還元剤としては、例えば炭化水素系化合物、炭素系物質、６００℃以上でＨ₂Ｏを少なくとも部分的に還元できる物質を含有する物（例えば金属アルミニウム、金属マグネシウム、金属シリコン、その他の金属およびその化合物）などである。
【００３９】
また、原料は、反応装置１（収束管２）内に供給する前に、フィーダ１４によって他の物質と分離した後に破砕し粉砕して微粒子状に形成されるが、水蒸気と反応させるためには粒径を１００μｍ以下することが好ましい。なお、原料は微粉化に限定されず、例えば粉石炭をスラリー化して、ＣＯＭ（ＣｏａｌＯｉｌＭｉｘｔｕｒｅ）やＣＷＭ（ＣｏａｌＷａｔｅｒＭｉｘｔｕｒｅ）としたものを噴霧、あるいは廃プラスチックやタール類のような常温で固形のものを温めて溶融して噴霧するなど、液体化（溶融化）して噴霧してもよい。原料を液体化（溶融化）して反応装置１（収束管２）内に噴霧して微粒子状で供給すると、水蒸気との反応効率が向上し、水素含有ガスの生成効率も向上する。
【００４０】
このように構成された実施の形態１に係る水素製造装置２０を用いて水素ガスが次の要領で製造される。
１）まず、制御弁１３が開放されると、反応性粒子供給口１０から反応性粒子がフィーダ１４を介して反応装置１の収束管２内に供給され、その後制御弁１３が閉じられると、反応性粒子の供給が止まる。このとき、ガス取出口６および排気口７の制御弁８，９は閉じている（図３のタイミングチャート（１）参照）。
【００４１】
２）次に、反応装置１の開閉弁４が例えば１〜数ｍｓの極めて短い時間、瞬間的に開き、ボイラ１２からの高圧水蒸気が収束管２内に噴射されると、瞬間的に開放された高圧水蒸気は衝撃波を発生し、その衝撃波は収束管２の下端に向けて進行する。そして、進行する際に、収束管２の収束部２Ａで合流収束されて収束衝撃波となる（図３のタイミングチャート（２）参照）。ついで、収束衝撃波は、収束管２の下端に進行し、収束管２内に供給された反応性粒子とともに水蒸気を急激圧縮して昇温し、例えば３０００Ｋに達すると、その超高温によって反応性粒子が高圧水蒸気と瞬時に反応して水素ガスおよびＣＯガスを含む水素含有ガスを生成する。
【００４２】
この炭化水素もしくは炭素を含む反応性粒子と水蒸気とが反応して水素とＣＯを生成する反応式は、次の通りである。
Ｃ_mＨ_2n＋ｍＨ₂Ｏ → ｍＣＯ＋（ｍ＋ｎ）Ｈ₂
Ｃ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ＋Ｈ₂
【００４３】
３）ついで、生成ガス取出口６の制御弁８が開くと、反応装置１（収束管２）内の水素含有ガスが除塵機１５に送られ、除塵機１５にて未反応の反応性粒子および不純物等が除去される（図３のタイミングチャート（３）参照）。このとき、未反応の反応性粒子は再利用のためにフィーダ１４に送られる。そして、さらに分離機１６にて水素ガスとＣＯガスに分離され、それぞれ取り出される。
【００４４】
４）一方、反応装置１では、水素含有ガスが除塵機１５に送られると、ガス取出口６の制御弁８は閉じられるとともに排気口７の制御弁９が開き、収束管２内の水蒸気等が残留ガスとして排気管１７を通って外部に排気される。そして、また次の水素ガス生成に備える（図３のタイミングチャート（４）参照）。
【００４５】
また、上述の実施の形態１では、水素生成反応として炭化水素もしくは炭素を含む反応性粒子と水蒸気とが反応して水素とＣＯを生成する水素生成反応を示したが、以下に示す反応としてもよい。
炭化水素系化合物の熱分解反応、
Ｃ_mＨ_2n → ｍＣ＋ｎＨ₂
アルコールの熱分解反応、
Ｃ_mＨ_2nＯ_m → ｍＣＯ＋ｎＨ₂
炭化水素系化合物と酸化剤との反応、
Ｃ_mＨ_2n＋ｍＭ_xＯ → ｍＣＯ＋（ｍ・ｘ）Ｍ＋ｎＨ₂
金属と水との反応、
ｘＭ＋Ｈ₂Ｏ → Ｍ_xＯ＋Ｈ₂
等があげられる。なお、Ｍは金属元素、Ｍ_xＯは金属酸化物（酸化剤）である。
【００４６】
また、反応装置１内に供給される水蒸気と反応性粒子とを合わせた混合体中の含有物のモル比を所定の化学量論的比率の範囲内で制御することにより、反応の収率を向上させることができる。例えば混合体をメタン（ＣＨ₄）＋水蒸気（Ｈ₂Ｏ）として超高温で反応させる場合、誤差や変動の範囲を考慮した上での化学量論比に混合体混合比を調整しておくことにより、生成物としてのメタン中の炭素分をＣＯまでで反応を終了させるか、あるいは二酸化炭素まで反応させるかを制御することができる。その反応式は次の通りである。
ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ₂
ＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋４Ｈ₂
【００４７】
このように、化学反応の１つである水素生成反応を、例えばごみ焼却炉等の大型熱プロセス設備である熱源１１から発生する排ガスの廃熱を利用して２００℃以上で４００℃以下の高圧水蒸気を発生させ、この高圧水蒸気を反応装置１に瞬間的に噴射させて衝撃波を発生させ、さらに収束させることによって収束衝撃波を生成し、この収束衝撃波によって水蒸気と反応性粒子とを高温に加熱して反応させるようにし、この反応により水素の製造を実現するようにしたので、これまで廃棄されていた低温エネルギーを有効利用できるとともに、収束衝撃波を簡単に生成してその収束衝撃波を用いて瞬時に高温場を形成することができるため、装置の立ち上げおよび立ち下げを容易に行うことができ、水素の供給要求が出されたときだけ水素生成反応を起こすことができる水素製造方法およびその装置を得ることができる。
【００４８】
また、反応装置１は基本的にバッチ処理を繰り返して水素等の製造を行うので、装置の立ち上げおよび立ち下げを迅速に行うことができ、分離機１６も基本的にバッチ式水素分離の繰り返しを行うので、熱源の変動に対してサイクルタイムを変更するなどにより瞬時の対応を取ることができる。よって、水素の供給要求があった場合に、簡単にかつ直ちに供給することができ、高コストな水素貯蔵設備等を特に設けることなく対応することができる。これにより、安価に水素を製造することができる水素製造方法およびその装置を得ることができる。
【００４９】
なお、この実施の形態１では、原料および収束管２を予め予熱していてもよい。この場合、従来で説明したスチームリフォーマ法のように６００℃以上に加熱する必要はなく２００℃以上に予熱すればよい。そして、予め予熱をすると、収束管２内での反応効率を向上させることができるとともに、使用蒸気量を低減させることができる。
【００５０】
また、上述の実施の形態１では、フィーダ１４により反応装置１内に反応性粒子を供給する場合を示したが、供給する前に反応性粒子に含まれる不純物、例えばハロゲン化物、硫黄化合物、異物、反応に関与しないあるいは阻害する要因となる種々の物質・化合物等を除去するようにしてもよい。これにより、除塵機１５での不純物の除去が容易になるとともに、反応装置１内で生成される水素含有ガスを不純物の少ないものとして生成することができる。
【００５１】
実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２に係る水素製造装置の構成ブロック図で、この実施の形態２は、実施の形態１に係る水素製造装置２０において、熱源１１から発生する排ガスの廃熱を回収して流体（例えば水）を熱交換して加熱し高圧水蒸気を生成する熱交換器であるボイラ１２に代えて、熱源１１から発生する排ガスの廃熱を回収して低沸点流体を熱交換して加熱し高圧ガスを生成する加熱器１２Ａとしたものである。
【００５２】
そして、低沸点流体は、水より沸点の低い流体であり、ＬＮＧ、ＬＰＧ、液化炭酸ガス、アンモニア、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）、アルコール類、エーテル類などであり、この低沸点流体は、そのものが化学反応（水素製造）の原料になる場合もある。
また、ここで用いられる反応性粒子となる炭化水素もしくは炭素を含有する原料は、低沸点ガスによる衝撃波を利用する、つまり低沸点ガスが水素含有ガスを生成する原料を兼ねずに圧力媒体とすることを考慮したもので、
・炭化水素系化合物＋水
・炭素系物質＋水
・炭化水素系化合物＋炭素系物質＋水
・炭化水素系化合物＋酸化剤
・炭化水素系化合物＋炭素系物質＋酸化剤
・炭化水素系化合物＋水＋酸化剤および還元剤、または酸化物か還元剤のいずれか
・炭素系物質＋水＋酸化物および還元剤、または酸化物か還元剤のいずれか
・炭化水素系化合物＋炭素系物質＋水＋酸化物および還元剤、または酸化物か還元剤のいずれか
がある。
【００５３】
このように構成したことにより、実施の形態１とほぼ同じ作用および効果が得られるとともに、水蒸気を高圧ガスとするより、低温でまたは少ないエネルギーで低沸点流体を高圧ガスとすることができるため、これまで廃棄されていた、あるいは有効な活用方法がなかった低温エネルギーを有効利用することができる。また、生成物である水素の供給要求に応じて装置の立ち上げおよび立ち下げを容易に行うことができる安価な水素製造方法およびその装置を得ることができる。
【００５４】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３は、図１に示す実施の形態１に係る水素製造装置２０において、その熱源１１を除く熱交換器（ボイラ）１２から分離機１６までの破線で囲まれた部分を例えば自動車や列車等に積載可能な可搬型に形成したものである。
【００５５】
図１の破線で示した部分の水素製造装置２０は、衝撃加熱であるため耐火物を基本的に使用せずに高温熱化学反応を進行することができる。これにより、装置重量を軽くすることができ、装置としてコンパクト化が図れて自動車や列車等に搭載することができ、自動車や列車等の移動中あるいは停車中に水素ガス（水素含有ガス）を生成することができる。また、生成された水素ガス（水素含有ガス）は、自動車や列車等を駆動するためのタービンなどの駆動部の原動機用燃料として供給したり、燃料電池やその他の発電装置の発電用燃料、あるいは燃料電池自動車用の燃料として使用するなど、各種の燃料源として活用することができる。
【００５６】
なお、図４に示す実施の形態２に係る水素製造装置２０においても、その熱源１１を除く加熱器１２Ａから分離機１６までの部分を自動車や列車等に積載可能な可搬型に形成してもよい。この場合も同様の効果を奏する。
【００５７】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４は、実施の形態１に係る水素製造装置２０を所定の場所に設置して水素供給施設を形成し、水素製造装置２０を例えば燃料電池自動車への水素供給源として活用させるようにしたものである。
【００５８】
このように構成した水素供給施設において、例えば燃料電池自動車が水素を補給のために来ると、直ちに水素製造装置２０を駆動して水素を生成し、燃料電池自動車のタンク内に水素を供給し充填する。そして、タンクへの水素供給が終了すると水素製造装置２０の駆動を停止する。また、別の燃料電池自動車が来ると、上述したように水素製造装置２０を駆動して水素を補給する。
【００５９】
このように、水素製造装置２０を所定の場所に設置して水素供給施設を形成するようにしたので、水素を需要に応じて簡単にかつ直ちに供給・充填することができ、高コストな水素貯蔵設備等を特に設けることなく対応することができる。これにより、安価に水素を供給することができる水素供給施設を得ることができる。
【００６０】
なお、上述の実施の形態４では、実施の形態１に係る水素製造装置２０を備えた水素供給施設とした場合を示したが、実施の形態２に係る水素製造装置２０を備えた水素供給施設としてもよい。この場合も同様の効果を奏する。
【００６１】
実施の形態５．
図５は本発明の実施の形態５に係る水素製造装置の構成ブロック図で、この実施の形態５は、実施の形態１に係る水素製造装置２０の熱源１１である大型熱プロセス設備を廃棄物焼却施設とし、この廃棄物焼却施設からの水蒸気を水素の製造に使用するようにしたもので、廃棄物焼却施設にボイラ１２が設けられている。
【００６２】
廃棄物焼却施設は、廃棄物を焼却する焼却炉１８からの廃熱を利用して高圧水蒸気をボイラ１２で発生させ、発生した高圧水蒸気をボイラ１２と反応装置１との間に設けられた切換弁５の切り換えにより、反応装置１側または後述する蒸気タービン１９側に供給する。そして、蒸気タービン１９側に水蒸気が供給されると、蒸気タービン１９はその水蒸気によって駆動され、蒸気タービン１９に接続されたジェネレータ２１を駆動して発電させる。また、反応装置１側に水蒸気が供給されると、反応装置１内で衝撃波が発生し、その衝撃波により反応装置１内の反応性粒子と水蒸気とが反応して水素含有ガスを生成する。なお、蒸気タービン１９の駆動に利用された後の水蒸気は温排水施設等に有効利用される。
【００６３】
また、ボイラ１２は、焼却炉１８からボイラ１２を通過した排ガスを大気放出可能な状態に処理する排ガス処理装置２２が接続されており、排ガス処理装置２２に接続された誘引ファン２３によって焼却炉１８からの排ガスが排ガス処理装置２２に誘引される。そして、排ガスは排ガス処理装置２２で大気放出可能な状態に処理され、煙突２４を通って大気に放出される。
【００６４】
さらに、反応装置１で生成され除塵機１５で未反応の反応性粒子等が除去された水素含有ガスから水素ガスおよびＣＯガスを分離する圧力振動吸着装置（ＰＳＡ）である分離機１６は、分離工程後の水素ガスを必要に応じて供給する水素供給装置２５に接続されているとともに、分離工程後のＣＯガスを燃料として帰還させて有効利用するために焼却炉１８に接続されている。特に、廃棄物の焼却炉１８の場合はＣＯガスを燃焼開始領域に供給することにより燃焼が安定化するという効果がある。また、分離されたＣＯガスは純度が比較的高いため、化学合成原料として用いることもできる。
【００６５】
このように構成したことにより、実施の形態１とほぼ同じ作用および効果が得られ、熱源１１を廃棄物焼却施設とし、その廃棄物焼却施設のボイラ１２と反応装置１との間に反応装置１側または蒸気タービン１９側に水蒸気の供給を切り換える切換弁５を設けて、蒸気タービン１９側に供給して発電に使用される水蒸気の少なくとも一部を反応装置１側に供給して水素製造に用いることができるので、水素を供給要求がない場合は水蒸気の全てを発電に使用することができる。また、分離機１６により分離されたＣＯガスは焼却炉の燃料として有効利用することができる。これにより、ボイラ１２から生成される水蒸気の余剰変動分を有効利用することができる。また、反応装置１内の反応性粒子と高圧水蒸気とを反応させるのに必要十分な熱を短時間で効率よく供給できるため、装置の立ち上げおよび立ち下げでのエネルギーロスを軽減させることができ、設備費および運転費が安価な水素製造装置２０を得ることができる。
【００６６】
なお、上述の実施の形態５では、水素の供給要求がある場合に廃熱物焼却施設からの水蒸気の少なくとも一部を反応装置１側に供給して水素製造装置２０を駆動する場合を示したが、熱源１１からの発生熱量の増減に対応して水素を安定性よく供給するための生成物貯蔵手段を除塵機１５、分離機１６または水素供給装置２５等に設けるようにしてもよい。これにより、熱源１１からの発生熱量を反応装置１側または蒸気タービン１９側と随時調整することができ、水素製造装置２０としての経済効果を大きくすることができる。
【００６７】
また、上述の実施の形態５では、実施の形態１に係る水素製造装置２０の熱源を廃棄物焼却施設とした場合を示したが、実施の形態２に係る水素製造装置２０の熱源を廃棄物焼却施設としてもよい。この場合も同様の効果を奏する。
【００６８】
実施の形態６．
実施の形態１に係る水素製造装置２０により生成された生成物である水素含有ガスおよび水素ガスの用途を実施の形態６として説明する。
【００６９】
図６は実施の形態６に係る水素製造装置の生成物の用途についての説明図である。
図６に示すように、水素製造装置２０の反応装置１内で生成された水素含有ガスは、除塵機１５により回収されると、未反応の反応性粒子、不純物であるハロゲン化物および硫黄化合物等が除去され、未反応の反応性粒子は再利用のためにフィーダ１４に供給されるとともに、不純物等が除去された水素とＣＯを含む水素含有ガスは、化学原料、燃料、有害化合物の分解促進剤、有害化合物の生成抑制剤、抽出用媒体および還元剤として活用される。
【００７０】
水素含有ガスを化学原料として活用する場合、ここでいう化学原料とは有機化合物への水素添加改質、水素化合物の合成、メタノール、ジメチルエーテル、ジメチルカーボニルおよびその他の化合物の合成用原料であるため、低質の燃料・原料ガスの改質やＣＯ₂分解を含む化学反応原料として活用する。
【００７１】
また、水素含有ガスを燃料として活用する場合、そのまままたは他の燃料と混合して、バーナー、ガスタービン、ボイラー蒸気発電、コジェネレーションシステム、燃料電池、燃料電池自動車、ＭＨＤ（ＭａｇｎｅｔｏＨｙｄｒｏＤｙｎａｍｉｃｓ）発電およびその他の発電用燃料として活用する。
【００７２】
さらに、水素含有ガスを有害化合物の分解促進剤あるいは有害化合物の生成抑制剤として活用する場合、ここでいう有害化合物とは例えばダイオキシン類およびその他の環境影響物質や有害な有機化合物のように廃棄物や汚泥・汚染土壌等に含まれるもの、あるいはそれらの廃棄物処理中に発生するものであるので、廃棄物処理中に水素ガスを添加することにより、有害化合物の分解が促進されたり、有害化合物の生成が抑制されたりすることが期待される。
【００７３】
また、水素含有ガスを抽出用媒体として活用する場合、有価元素、有害元素およびそれらの化合物を抽出するものとして活用する。つまり、例えば汚泥焼却灰や汚染土壌並びに種々の廃棄物中に含まれるヒ素のように水素によりヒ化水素としてガス化除去することにより廃棄物の有害性を除去するとともに、純度の高い状態でヒ素を回収リサイクルできる。
【００７４】
さらに、水素含有ガスを還元剤として活用する場合、金属酸化物や金属化合物を還元する還元剤として活用できる。金属製錬炉等に還元性ガスおよび燃料ガスまたはいずれかとして吹き込むことにより、例えば鉄酸化物の還元が水素だけでは吸熱反応であるが、ＣＯにより発熱反応とすることができ、還元剤として活用することができる。このように、熱的にも分離機１６なしでＣＯ含有水素ガスを活用することは金属製錬プロセスにとって熱的にも経済的にも大きな改善になる。
【００７５】
次に、除塵機１５により未反応の反応性粒子および不純物が除去された水素含有ガスは、分離機１６に送られると、水素ガスが分離され、その水素ガスは、水素含有ガスと同様に、化学原料、燃料、有害化合物の分解促進剤、有害化合物の生成抑制剤、抽出用媒体および還元剤として活用される。また、水素ガスはプラズマの作動流体としても活用される。プラズマの作動流体として活用する場合は、プラズマ溶融炉で容易に還元性雰囲気での廃棄物の還元・溶融を行わせることができ、生成ガス中に窒素が低いことからガス回収をすることにより、これを燃料ガスあるいはその他の用途へと活用することができ、水素ガスを用いることにより、還元性雰囲気の維持・強化が図れてダイオキシン等の分解・再合成抑制が図れる。
【００７６】
また、分離されたＣＯガスは、化学工業用原料として活用する。原料の廃プラスチックや微粉炭のように種々の不純物を含む場合は、生成ガスから硫黄化合物、ハロゲン化合物あるいは灰分等の不純物を除去する必要があるが、油脂類、ＬＮＧ、ＬＰＧ、エーテル類およびアルコール類等を用いた場合は、高純度のＣＯガスが得られる。
【００７７】
なお、上述の実施の形態６では、実施の形態１に係る水素製造装置２０により生成された生成物である水素含有ガスおよび水素ガスの用途について説明したが、実施の形態２に係る水素製造装置２０により生成された生成物である水素含有ガスおよび水素ガスもほぼ同様な用途で活用される。
【００７８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、高温が必要な化学反応を、各種熱プロセスから排出される比較的低温の廃熱エネルギーを利用して安価に実現することができる。また、その化学反応方法を実現する装置は、比較的低温の廃熱エネルギーにより衝撃波を簡単に生成して瞬時に高温場を形成することができるため、装置の立ち上げおよび立ち下げを容易に行うことができ、例えば水素の供給要求が出されたときだけ水素生成反応を起こすことができる。これにより、運転費および設備費を抑えて安価に水素を製造し供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る水素製造装置の構成ブロック図である。
【図２】図１の反応装置の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る水素製造装置のタイミングチャートである。
【図４】本発明の実施の形態２に係る水素製造装置の構成ブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態５に係る水素製造設備の構成ブロック図である。
【図６】本発明の実施の形態６に係る水素製造装置の生成物の用途についての説明図である。
【符号の説明】
１反応装置
１１熱源
１２ボイラ
１２Ａ加熱器
１４フィーダ
１５除塵機
１６分離機
２０水素製造装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention generates a high-pressure gas using relatively low temperature waste heat energy discharged from various thermal processes such as a steel mill and a refuse incineration facility, and instantaneously releases the high-pressure gas to generate a shock wave. Chemical reaction method for producing hydrogen and the like by chemically reacting raw materials such as wastes by the shock wave, method for producing hydrogen and hydrogen-containing fuel gas using the same, chemical reaction apparatus and hydrogen production apparatus having the apparatus , And a hydrogen supply facility.
[0002]
[Prior art]
As an example of a method for obtaining hydrogen by reforming raw material as waste with steam, using a double-tube steam reforming reactor separated by a partition having a predetermined hydrogen separation membrane in a heating furnace, A catalyst is filled in one of the tubes to supply a light hydrocarbon and steam as a raw material to cause a reforming reaction, and a gas discharged from one of the tubes is cooled to form a gas phase containing carbon dioxide as a main component. A gas-liquid phase separation into a liquid phase composed of moisture is taken out, and the produced hydrogen is continuously taken out through the hydrogen separation membrane into the other tube and taken out. There is an environmentally-friendly hydrogen production method that supplies heat to a reforming reactor by supplying it to a combustion reactor (for example, see Patent Document 1; hereinafter, referred to as “prior art 1”).
[0003]
In the case of using the natural gas steam reformer method, as a raw material, a mixture of natural gas, a hydrocarbon such as propane, and steam is brought into contact with a high-temperature reforming catalyst in a reactor, This is a method of obtaining a reformed gas that is a hydrogen-containing gas containing hydrogen, carbon monoxide, and the like, and separating and obtaining hydrogen from the reformed gas (for example, refer to Patent Document 2, hereinafter referred to as “prior art 2”). .
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-2000-272904 (pages 3 and 4, FIG. 1)
[Patent Document 2]
JP-A-62-197301 (pages 1 to 4, FIG. 1)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the prior art 1 as described above, in order to promote a high-temperature steam reforming reaction, a reactant, which is a mixture of a raw material and steam, must be heated to a high temperature of at least 450 ° C., and therefore, at least 620 A constant heat source at a temperature of at least 800C and a temperature of about 800C was required, and a fuel was required to obtain the heat source. As a result, not only fuel consumption cannot be saved, but also there is a problem that carbon dioxide gas is generated by combustion of the fuel. Further, since the reactor needs to maintain a constant high temperature field, it is necessary to make at least the inner surface thereof made of an expensive refractory material, and there is also a problem that the equipment cost increases.
[0006]
In the prior art 2, since the inside of the reactor must be brought to a high temperature state before the reaction for obtaining hydrogen, energy loss is increased in a start-up process or a shut-down process of the apparatus, and the operating cost of the apparatus is reduced. There was a problem that it would be expensive. In addition, since the time loss also increases, once the apparatus is started up and the inside of the reactor is brought to a high temperature state, hydrogen production is performed continuously for a long time, and when a hydrogen supply request is issued. However, there has been a problem that the apparatus cannot be easily operated, and small-scale production or short-time production at a desired time cannot be performed. Further, since the inside of the reactor is maintained at a high temperature for a long time from the start-up of the apparatus to the shutdown, it is necessary to configure the apparatus by using a lot of refractories, which increases equipment costs. There was also the problem of getting lost. In addition, since a pure fuel such as natural gas or propane is required as a raw material, there is a problem that the operation cost of the apparatus is also increased in this respect. In the process of obtaining hydrogen, carbon dioxide is emitted in an amount equal to or more than hydrogen, which is not preferable in preventing global warming, which has recently become a problem worldwide.
[0007]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and realizes a chemical reaction requiring a high temperature by using relatively low-temperature waste heat energy discharged from various thermal processes and at a low cost. Chemical reaction method, hydrogen production method using the same, which can easily start and shut down a device for performing the chemical reaction, and reduce operating and equipment costs, and a chemical reaction device and a device therefor It is an object of the present invention to provide a hydrogen production apparatus provided with the above and a hydrogen supply facility.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The chemical reaction method according to the present invention is a chemical reaction method that generates a shock wave and uses the shock wave, wherein a fluid is heated by heat exchange with a heat source to produce a high-pressure gas of 200 ° C. or more and 400 ° C. or less, A step of instantaneously releasing the high-pressure gas into the reaction apparatus to generate a shock wave, a step of supplying the raw material into the reaction apparatus before generating the shock wave, and shock-pressing and heating the raw material by the generated shock wave. And a step of causing a chemical reaction.
[0009]
The chemical reaction method according to the present invention is a chemical reaction method that generates a shock wave and utilizes the shock wave, and heats a fluid by heat exchange with a heat source and is at least 5 times the pressure in the reaction apparatus before the reaction. A step of converting the high-pressure gas into a high-pressure gas, a step of instantaneously releasing the high-pressure gas into the reaction apparatus to generate a shock wave, a step of supplying raw materials into the reaction apparatus before generating the shock wave, and a step of generating the generated shock wave And subjecting the raw material to shock compression and heating to cause a chemical reaction.
[0010]
The chemical reaction method according to the present invention is a chemical reaction method that generates a shock wave and utilizes a shock wave, wherein a step of heating a low-boiling fluid by heat exchange with a heat source to produce a high-pressure gas, and instantaneously transforming the high-pressure gas A method comprising the steps of: releasing into a reaction chamber to generate a shock wave; supplying a raw material into the reaction chamber before generating the shock wave; and shock-compressing and heating the raw material by the generated shock wave to cause a chemical reaction. It is.
[0011]
The chemical reaction method according to the present invention is a method in which the heat source provides a heat of not less than 50 ° C. and not more than 600 ° C.
[0012]
In the chemical reaction method according to the present invention, the heat source is a thermal power plant, a waste incineration facility, a waste treatment facility, a steelmaking facility of an ironworks, a steelmaking facility of a steelworks, a scrap melting facility, a non-ferrous metal refining facility, a cement firing. This is one of the heat generation sources provided in the facility, the combustion facility, and the geothermal utilization facility.
[0013]
In the chemical reaction method according to the present invention, the chemical reaction in the step of shock-compressing and heating the raw material by the generated shock wave to cause a chemical reaction is a hydrogen generation reaction.
[0014]
The hydrogen production method according to the present invention is a method including a hydrogen generation step of generating a hydrogen-containing product by the chemical reaction method, and a hydrogen separation step of separating hydrogen from the product.
[0015]
The method for producing hydrogen according to the present invention is characterized in that the combustion equipment burns a combustion product to generate steam by heat exchange, the combustion equipment using the steam for power generation is used as a heat source, and when a supply of hydrogen is requested, heat exchange with the heat source is performed. Is a method in which at least a part of the steam generated by the method is used for hydrogen generation.
[0016]
The chemical reaction device according to the present invention includes a heat source, a heat exchanger that heats a fluid by heat exchange with the heat source to produce a high-pressure gas of 200 ° C. or more and 400 ° C. or less, and instantaneously releases the high-pressure gas to generate a shock wave. The reactor is provided with a reactor for generating and shock-compressing the raw material by a shock wave to heat and chemically react the raw material, and a supply device for supplying the raw material into the reactor before generating the shock wave.
[0017]
The chemical reaction device according to the present invention includes a heat source, a heat exchanger that heats the fluid by heat exchange with the heat source and converts the fluid into a high-pressure gas having a pressure five times or more the pressure in the reaction device before the reaction; A reaction device that instantaneously releases and generates a shock wave, shock-compresses the material by the shock wave, heats the material, and performs a chemical reaction; and a supply device that supplies the material into the reaction device before the shock wave is generated. It is.
[0018]
The chemical reaction device according to the present invention is a heat source, a heater that heats a low-boiling fluid by a heat exchange with the heat source to produce a high-pressure gas, and instantaneously releases the high-pressure gas to generate a shock wave. The reactor is provided with a reactor for shock-compressing, heating and chemically reacting, and a supply device for supplying a raw material into the reactor before generating a shock wave.
[0019]
In the chemical reaction device according to the present invention, the heat source provides a heat of not less than 50 ° C. and not more than 600 ° C.
[0020]
In the chemical reaction device according to the present invention, the heat source is a thermal power plant, a waste incineration facility, a waste treatment facility, a steelmaking facility of an ironworks, a steelmaking facility of a steelworks, a scrap melting facility, a non-ferrous metal refining facility, a cement firing. It is one of the heat generation sources provided in the facility, the combustion facility, and the geothermal utilization facility.
[0021]
In the chemical reaction device according to the present invention, the chemical reaction by the reaction device is a hydrogen generation reaction.
[0022]
A hydrogen production device according to the present invention includes the above-described chemical reaction device, and includes a hydrogen generation device that generates a product containing hydrogen by the chemical reaction device, and a separation device that separates hydrogen from the product.
[0023]
The hydrogen production apparatus according to the present invention burns a combustion product to generate steam by heat exchange, uses the combustion equipment that uses the steam for power generation as a heat source, and when a hydrogen supply request is made, heat exchange with the heat source is performed. At least a part of the steam generated by the above is used for hydrogen generation.
[0024]
The hydrogen supply facility according to the present invention is a heat source, a steam generator that generates steam at 200 ° C. or more and 400 ° C. or less by heat exchange with the heat source, and instantaneously releases the steam to generate a shock wave. A reactor that shock-compresses and heats the raw material to produce a hydrogen generation reaction, a supply device that supplies the raw material into the reactor before generating a shock wave, and hydrogen from the hydrogen-containing product generated in the reactor. It has a separation device for separating and a supply device for supplying the separated hydrogen.
[0025]
The hydrogen supply facility according to the present invention includes a heat source, a steam generation device that generates steam at a pressure five times or more higher than the pressure in the reactor before the reaction by heat exchange with the heat source, and instantaneously releases the steam. A reaction device that generates a shock wave, shock-compresses the raw material by the shock wave, heats it to generate a hydrogen reaction, a supply device that supplies the raw material into the reaction device before generating the shock wave, and a reaction device that is generated in the reaction device. A separation device for separating hydrogen from a product containing hydrogen, and a supply device for supplying the separated hydrogen.
[0026]
The hydrogen supply facility according to the present invention includes a heat source, a gas generator that generates a high-pressure gas composed of a low-boiling fluid by heat exchange with the heat source, a shock wave generated by instantaneously releasing the high-pressure gas, and Reactor that generates a hydrogen generation reaction by shock compression and heating, a supply device that supplies raw materials into the reactor before generating shock waves, and separates hydrogen from products containing hydrogen generated in the reactor And a supply device for supplying the separated hydrogen.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a configuration block diagram of a hydrogen production apparatus according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the reaction apparatus. In the figure, reference numeral 1 denotes a reactor of a hydrogen production apparatus 20 that realizes a hydrogen generation reaction of generating hydrogen by reacting a reactive particle containing hydrocarbon or carbon, which is one of the chemical reactions, with steam at a high temperature, and has an upper end. A converging tube 2 having a converging portion 2A having a large diameter and a small diameter at a lower end and a passage cross-sectional area decreasing from an upper end to a lower end is provided at an intermediate portion, and an inner space of the converging tube 2 forms a compression chamber as a reaction chamber. are doing. The converging pipe 2 is connected to a steam storing chamber 3 for storing high-pressure steam from a boiler to be described later, and an on-off valve 4 for instantaneously communicating and shutting off between the steam storing chamber 3 and the converging pipe 2. Are arranged. Then, the on-off valve 4 is opened to communicate between the water vapor storage chamber 3 and the converging pipe 2, and the high-pressure water vapor in the water vapor storage chamber 3 is momentarily released, so that a shock wave is generated and the converging pipe is further generated. In 2 (compression chamber), a plurality of shock waves are converged to obtain a converged shock wave of high temperature and high pressure. Then, a mixture of reactive particles and water vapor, which will be described later, is shock-compressed by a convergent shock wave and heated to a high temperature, and the reactive particles in the mixture react with the water vapor to generate a hydrogen-containing gas.
[0028]
Further, at the lower end of the converging pipe 2 of the reactor 1, a product gas outlet 6 and an exhaust port 7 are provided, and at the tip thereof, control valves 8, 9 which are opened at a predetermined time are provided. . Further, a reactive particle supply port 10 for supplying the reactive particles into the converging tube 2 is provided at a position slightly above the product gas outlet 6 and the exhaust port 7, and a predetermined end thereof is provided. A control valve 13 that is sometimes open is provided.
[0029]
Reference numeral 11 denotes a heat source composed of a large-scale thermal process equipment such as a refuse incinerator. Reference numeral 12 denotes waste heat of exhaust gas generated from the heat source 11, and heat-exchanges a fluid (for example, water) to heat high-pressure steam as a high-pressure gas. A boiler, which is a heat exchanger to be generated, is connected to the upstream side of the reactor 1 and supplies high-pressure steam of the boiler 12 into the converging tube 2 of the reactor 1.
[0030]
The heat source 11 includes a thermal power plant, a waste incineration facility, a waste disposal facility, a steelmaking facility of a steelworks, a steelmaking facility of a steelworks, a scrap melting facility, a non-ferrous metal refining facility, a cement burning facility, a combustion facility, and a geothermal facility. It is a heat generation source such as equipment used, and uses the waste heat of exhaust gas generated from the combustion equipment of these heat generation sources, incinerators, blast furnaces, converters, lime burning, coke ovens, sintering machines, cupra, etc. The water (fluid) is heated by the boiler 12 as a heat exchanger to generate high-pressure steam.
[0031]
Reference numeral 14 denotes a feeder which separates a raw material containing hydrocarbons or carbon from other substances, crushes and pulverizes the raw materials into fine particulate reactive particles, and supplies the reactive particles to the reactor 1. It is connected to the upstream side of the reactive particle supply port 10 and supplies the finely divided reactive particles through the control valve 13 at a predetermined time.
[0032]
A dust remover 15 is connected to the downstream side of the product gas outlet 6 of the reactor 1 and removes unreacted reactive particles, impurities such as halides and sulfur compounds from the hydrogen-containing gas generated in the reactor 1. In addition, it is also connected to the feeder 14 in order to return the removed unreacted reactive particles back to be reused. A separator 16 is connected to the downstream side of the dust remover 15 and separates the hydrogen-containing gas from the dust remover 15 into a hydrogen gas and a CO gas to take out each of them. For example, a pressure vibration adsorption device (PSA) is used. . The separation of hydrogen is not limited to the pressure vibration adsorption method, and other methods such as membrane separation, cryogenic separation, and a method of directly storing hydrogen in a hydrogen storage body may be used. Reference numeral 17 denotes an exhaust pipe connected to the exhaust port 7 via the control valve 9, and discharges steam remaining in the converging pipe 2 after the reaction in the reactor 1.
[0033]
Here, the temperature of the high-pressure steam is preferably in a range from 200 ° C. to 400 ° C. When the high-pressure steam is lower than 200 ° C., the stability of a shock wave generated by instantaneously releasing the high-pressure steam is low, and the temperature at which a high-temperature and high-pressure field generated by the shock wave reaches is low, so that the reaction efficiency is low. Further, in order to obtain high-pressure steam exceeding 400 ° C., it is difficult to obtain from relatively low-temperature exhaust gas waste heat generated from a furnace or the like of the heat source 11, and a dedicated heat source is required. It does not result in effective use of waste heat. Furthermore, at 300 ° C. or higher, the reaction efficiency becomes higher. Therefore, it is preferable to use high-pressure steam of 300 ° C. or more and 400 ° C. or less. In addition, the heat source 11 provides heat at a temperature of 50 ° C. or more and 600 ° C. or less, and high-pressure steam obtained at a heat of less than 50 ° C. has a low pressure and is insufficient. In addition to that, the equipment becomes large and the process becomes complicated to obtain it. Accordingly, the heat source 11 provides high-temperature steam of 50 ° C. or more and 600 ° C. or less, so that high-pressure steam of 200 ° C. or more and 400 ° C. or less is obtained.
[0034]
Further, the pressure of the high-pressure steam supplied to the reactor 1 is preferably at least 5 times the pressure in the reactor 1 before the reaction. A shock wave is generated by instantaneously releasing the high-pressure steam into the reaction chamber of the reactor 1 (inside the converging tube 2), and the pressure ratio between the high-pressure steam and the pressure in the reactor 1 before the reaction is 5 or more. If so, the reactive particles and the water vapor can be shock-compressed and heated to a high temperature to generate a shock wave necessary to cause a reaction. Furthermore, by using high-pressure steam having a pressure ratio of 10 or more, it is possible to improve the stability of the shock wave and the temperature at which a high-temperature field (shock temperature) is reached by the shock wave, so that the reaction between the reactive particles and the steam is efficiently performed. And more preferred. Further, by using high-pressure steam having a pressure ratio of 20 or more or 40 or more, it is possible to further improve the ultimate temperature of the impact high temperature, and to improve the reaction efficiency.
[0035]
In addition, the shock wave generated by instantaneously releasing the high-pressure steam having a pressure ratio of the high-pressure steam and the pressure in the reaction apparatus 1 before the reaction of 5 or more, gradually reduces the cross-sectional area of the passage along the traveling direction of the shock wave. By causing the converging portion 2A to propagate and causing a plurality of shock waves to interfere with each other to generate a converged shock wave, the ultimate temperature of the high impact temperature can be further increased. The smaller the ratio (shrinkage ratio) of the cross-sectional area of the passage on the downstream side of the converging portion 2A to the cross-sectional area of the passage on the upstream side, the higher the convergence density of the shock wave and the higher the ultimate temperature of the shock temperature of the convergent shock wave.
[0036]
Further, it is easy to operate the reactor 1 at the atmospheric pressure before the reaction as a sealing measure for preventing gas and the like from the surroundings from being mixed into the reactor 1 (the converging pipe 2). When the pressure in the reactor 1 is set to the atmospheric pressure, the pressure ratio of the high-pressure steam to the pressure in the reactor 1 before the reaction is set to 10 to 40 by setting the pressure of the high-pressure steam to 10 to 40 atm. High-pressure steam whose temperature is 200 ° C. or higher and 400 ° C. or lower may be used. The high-pressure steam in this temperature range corresponds to steam generated in a surplus waste heat recovery boiler such as a waste heat boiler of a waste incinerator, and energy can be effectively used. In addition, by reducing the pressure in the reactor 1 before the reaction, the pressure ratio can be increased without increasing the pressure of the high-pressure steam so much. Then, in order to decompress the inside of the reaction apparatus 1, a depressurizing blower or a vacuum pump is used.
[0037]
Here, a raw material containing a hydrocarbon or carbon that becomes a reactive particle will be described.
The raw material used here uses a shock wave due to water vapor, that is, considering that water vapor also serves as a raw material that generates a hydrogen-containing gas,
・ Hydrocarbon compounds
・ Carbon-based substances
・ Hydrocarbon compounds + carbon materials
・ Hydrocarbon compounds + oxides
・ Hydrocarbon compounds + carbon materials + oxides
.Hydrocarbon compounds + oxides and reducing agents, or oxides or reducing agents
.Carbon-based substances + oxides and reducing agents, or oxides or reducing agents
・ Hydrocarbon compounds + carbon materials + oxides and reducing agents, or oxides or reducing agents
There is one.
[0038]
And, as the hydrocarbon compound, for example, fats and oils, alcohols and ethers, petroleum and its derivatives products, coal derivative products, tar and other wastes and various residues generated in petroleum refining or coal chemistry, Hydrocarbon-based gases such as methane, natural gas and propane gas, wastes containing hydrocarbon-based compounds such as waste plastics and waste oil, rice husk, straw waste, wood waste and other biomass, fibers, pulp waste, etc. Examples of the carbon-based material include coal, coke, charcoal, carbon black, tire waste, and CO._TwoAnd so on. Examples of the oxidizing agent include oxygen, an oxygen-containing gas, an oxidizing gas or oxide having a property of oxidizing a carbon-based material and a hydrocarbon-based material at a temperature of 600 ° C. or more, and at least H at 600 ° C. or more._TwoO, O_Two, CO_TwoOxides, hydrates, carbonates, and other compounds that generate hydrogen. Examples of the reducing agent include a hydrocarbon-based compound, a carbon-based material, and H 2 at 600 ° C. or higher._TwoMaterials containing a substance capable of at least partially reducing O (for example, metal aluminum, metal magnesium, metal silicon, other metals and compounds thereof), and the like.
[0039]
Before the raw material is supplied into the reactor 1 (the converging tube 2), the raw material is separated from other substances by the feeder 14 and then crushed and pulverized to form fine particles. It is preferable that the particle size is 100 μm or less. The raw material is not limited to pulverization. For example, powdered coal is slurried and sprayed with COM (Coal Oil Mixture) or CWM (Coal Water Mixture), or solid at room temperature such as waste plastic or tar. The liquid may be liquefied (melted) and sprayed, for example, by heating and melting and spraying. When the raw material is liquefied (melted) and sprayed into the reactor 1 (converging tube 2) and supplied in the form of fine particles, the efficiency of reaction with water vapor and the efficiency of generating a hydrogen-containing gas are improved.
[0040]
Using the hydrogen production apparatus 20 according to Embodiment 1 configured as described above, hydrogen gas is produced in the following manner.
1) First, when the control valve 13 is opened, the reactive particles are supplied from the reactive particle supply port 10 into the converging tube 2 of the reactor 1 via the feeder 14, and thereafter, when the control valve 13 is closed, The supply of the reactive particles stops. At this time, the control valves 8 and 9 of the gas outlet 6 and the exhaust port 7 are closed (see timing chart (1) in FIG. 3).
[0041]
2) Next, the on-off valve 4 of the reactor 1 is momentarily opened, for example, for a very short time of, for example, 1 to several ms, and when the high-pressure steam from the boiler 12 is injected into the converging pipe 2, it is momentarily opened. The high-pressure steam generates a shock wave, and the shock wave proceeds toward the lower end of the converging tube 2. Then, at the time of progressing, they are merged and converged at the converging portion 2A of the converging tube 2 to become a converged shock wave (see timing chart (2) in FIG. 3). Next, the convergent shock wave travels to the lower end of the converging tube 2 and rapidly compresses water vapor together with the reactive particles supplied into the converging tube 2 to increase the temperature. Reacts instantaneously with high-pressure steam to produce a hydrogen-containing gas containing hydrogen gas and CO gas.
[0042]
The reaction formula in which the reactive particles containing hydrocarbons or carbon react with water vapor to generate hydrogen and CO is as follows.
C_mH_2n+ MH_TwoO → mCO + (m + n) H_Two
C + H_TwoO → CO + H_Two
[0043]
3) Then, when the control valve 8 of the product gas outlet 6 is opened, the hydrogen-containing gas in the reactor 1 (the converging pipe 2) is sent to the dust remover 15, where the unreacted reactive particles and The impurities and the like are removed (see timing chart (3) in FIG. 3). At this time, the unreacted reactive particles are sent to the feeder 14 for reuse. Then, the hydrogen gas and the CO gas are further separated by the separator 16 and taken out.
[0044]
4) On the other hand, in the reactor 1, when the hydrogen-containing gas is sent to the dust remover 15, the control valve 8 of the gas outlet 6 is closed and the control valve 9 of the exhaust port 7 is opened, so that water vapor or the like in the converging pipe 2 is opened. Is exhausted to the outside through the exhaust pipe 17 as residual gas. Then, another hydrogen gas is prepared (see timing chart (4) in FIG. 3).
[0045]
Further, in the above-described first embodiment, a hydrogen generation reaction in which reactive particles containing hydrocarbons or carbon and water vapor react with each other to generate hydrogen and CO has been described as a hydrogen generation reaction. Good.
Thermal decomposition reaction of hydrocarbon compounds,
C_mH_2n → mC + nH_Two
Thermal decomposition reaction of alcohol,
C_mH_2nO_m → mCO + nH_Two
Reaction of a hydrocarbon compound with an oxidizing agent,
C_mH_2n+ MM_xO → mCO + (mx) M + nH_Two
Reaction between metal and water,
xM + H_TwoO → M_xO + H_Two
And the like. M is a metal element, M_xO is a metal oxide (oxidizing agent).
[0046]
The reaction yield is controlled by controlling the molar ratio of the content of the mixture of the steam and the reactive particles supplied into the reactor 1 within a predetermined stoichiometric ratio. Can be improved. For example, if the mixture is methane (CH_Four) + Water vapor (H_TwoWhen the reaction is performed at an ultra-high temperature as O), the carbon content in methane as a product is reduced to CO by adjusting the mixture ratio of the mixture to the stoichiometric ratio in consideration of the range of error and fluctuation. To terminate the reaction or to react to carbon dioxide. The reaction formula is as follows.
CH_Four+ H_TwoO → CO + 3H_Two
CH_Four+ 2H_TwoO → CO_Two+ 4H_Two
[0047]
As described above, the hydrogen generation reaction, which is one of the chemical reactions, is performed at a high pressure of 200 ° C. or higher and 400 ° C. or lower using waste heat of exhaust gas generated from the heat source 11 which is a large-scale thermal process facility such as a refuse incinerator. Steam is generated, and the high-pressure steam is instantaneously injected into the reactor 1 to generate a shock wave, and further converges to generate a convergent shock wave. The convergent shock wave heats the steam and the reactive particles to a high temperature. To produce hydrogen by this reaction, so that low-temperature energy that had been discarded can be used effectively, and a convergent shock wave can be easily generated and used instantaneously using the convergent shock wave. Since a high-temperature field can be formed, the start-up and shut-down of the equipment can be performed easily, and hydrogen is generated only when a hydrogen supply request is issued. It is possible to obtain a hydrogen production method and apparatus can cause response.
[0048]
In addition, since the reactor 1 basically produces hydrogen and the like by repeating the batch process, it is possible to quickly start up and shut down the device, and the separator 16 is basically capable of repeating the batch-type hydrogen separation. Therefore, instantaneous measures can be taken by changing the cycle time with respect to fluctuations in the heat source. Therefore, when there is a request for supplying hydrogen, the hydrogen can be supplied easily and immediately, and it is possible to respond without particularly providing a high-cost hydrogen storage facility or the like. This makes it possible to obtain a hydrogen production method and apparatus capable of producing hydrogen at low cost.
[0049]
In the first embodiment, the raw material and the converging tube 2 may be preheated. In this case, it is not necessary to heat to 600 ° C. or more as in the steam reformer method described in the related art, and it is sufficient to preheat to 200 ° C. or more. When preheating is performed in advance, the reaction efficiency in the converging tube 2 can be improved, and the amount of used steam can be reduced.
[0050]
Further, in the first embodiment described above, the case where the reactive particles are supplied into the reactor 1 by the feeder 14 has been described. However, impurities such as halides, sulfur compounds, Alternatively, various substances / compounds which do not participate in or inhibit the reaction may be removed. This facilitates the removal of impurities in the dust remover 15 and also allows the hydrogen-containing gas generated in the reactor 1 to be generated with less impurities.
[0051]
Embodiment 2 FIG.
FIG. 4 is a configuration block diagram of a hydrogen production apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. In Embodiment 2, in the hydrogen production apparatus 20 according to Embodiment 1, waste heat of exhaust gas generated from heat source 11 is removed. In place of the boiler 12, which is a heat exchanger that generates heat and heat-exchanges a fluid (eg, water) by heat exchange of a fluid (for example, water), waste heat of exhaust gas generated from the heat source 11 is collected to exchange heat with a low-boiling fluid. And a heater 12A that generates high-pressure gas by heating.
[0052]
The low-boiling fluid is a fluid having a boiling point lower than that of water, such as LNG, LPG, liquefied carbon dioxide, ammonia, DME (dimethyl ether), alcohols, and ethers. (Hydrogen production) in some cases.
The hydrocarbon or carbon-containing raw material used as the reactive particles used herein uses a shock wave generated by a low-boiling gas, that is, the low-boiling gas serves as a pressure medium without being used as a raw material that generates a hydrogen-containing gas. Considering that
・ Hydrocarbon compounds + water
・ Carbon-based substance + water
・ Hydrocarbon compounds + carbon materials + water
・ Hydrocarbon compounds + oxidizing agents
・ Hydrocarbon compounds + carbon materials + oxidizing agents
・ Hydrocarbon compounds + water + oxidizing and reducing agents, or oxides or reducing agents
.Carbon-based substance + water + oxide and reducing agent, or oxide or reducing agent
・ Hydrocarbon compounds + carbon materials + water + oxides and reducing agents, or oxides or reducing agents
There is.
[0053]
With this configuration, substantially the same operation and effect as those of the first embodiment can be obtained, and a low-boiling fluid can be converted into a high-pressure gas at a low temperature or with less energy than when a high-pressure gas is used as steam. Low-temperature energy that has been discarded or has not been used effectively can be effectively used. Further, it is possible to obtain an inexpensive hydrogen production method and an inexpensive hydrogen production method capable of easily starting and shutting down an apparatus in response to a supply request of hydrogen as a product.
[0054]
Embodiment 3 FIG.
In the third embodiment of the present invention, in the hydrogen production apparatus 20 according to the first embodiment shown in FIG. 1, a portion surrounded by a broken line from the heat exchanger (boiler) 12 excluding the heat source 11 to the separator 16 is shown. For example, it is formed in a portable type that can be loaded on a car or a train.
[0055]
Since the hydrogen production device 20 indicated by the broken line in FIG. 1 is impact heating, the high temperature thermochemical reaction can proceed without basically using a refractory. As a result, the weight of the device can be reduced, the device can be made compact and mounted on a car or train, and hydrogen gas (hydrogen-containing gas) can be generated while the car or train is moving or stopped. can do. In addition, the generated hydrogen gas (hydrogen-containing gas) is supplied as a fuel for a motor of a drive unit such as a turbine for driving an automobile or a train, a fuel for power generation of a fuel cell or other power generation device, or It can be used as various fuel sources such as used as fuel for fuel cell vehicles.
[0056]
In the hydrogen production apparatus 20 according to Embodiment 2 shown in FIG. 4, the portion from the heater 12 </ b> A to the separator 16 excluding the heat source 11 may be formed as a portable type that can be loaded on an automobile, a train, or the like. Good. In this case, the same effect can be obtained.
[0057]
Embodiment 4 FIG.
In the fourth embodiment of the present invention, the hydrogen production apparatus 20 according to the first embodiment is installed at a predetermined location to form a hydrogen supply facility, and the hydrogen production apparatus 20 is used, for example, as a hydrogen supply source for a fuel cell vehicle. It is intended to be.
[0058]
In the hydrogen supply facility configured as described above, for example, when a fuel cell vehicle comes to supply hydrogen, the hydrogen production device 20 is immediately driven to generate hydrogen, and hydrogen is supplied and filled into the tank of the fuel cell vehicle. I do. When the supply of hydrogen to the tank is completed, the driving of the hydrogen production device 20 is stopped. When another fuel cell vehicle arrives, the hydrogen generator 20 is driven to supply hydrogen as described above.
[0059]
As described above, since the hydrogen production apparatus 20 is installed at a predetermined location to form a hydrogen supply facility, hydrogen can be supplied and filled easily and immediately according to demand, and high-cost hydrogen storage can be performed. It is possible to cope without providing any equipment or the like. Thus, a hydrogen supply facility that can supply hydrogen at low cost can be obtained.
[0060]
In the above-described fourth embodiment, a case has been described in which the hydrogen supply facility is provided with the hydrogen production apparatus 20 according to the first embodiment, but the hydrogen supply facility is provided with the hydrogen production apparatus 20 according to the second embodiment. It may be. In this case, the same effect can be obtained.
[0061]
Embodiment 5 FIG.
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a hydrogen production apparatus according to Embodiment 5 of the present invention. In Embodiment 5, a large-scale thermal process facility as heat source 11 of hydrogen production apparatus 20 according to Embodiment 1 is disposed of as waste. An incineration facility is used in which steam from the waste incineration facility is used for producing hydrogen. A boiler 12 is provided in the waste incineration facility.
[0062]
The waste incineration facility generates high-pressure steam in the boiler 12 using waste heat from an incinerator 18 for incinerating waste, and the generated high-pressure steam is switched between the boiler 12 and the reactor 1. By switching the valve 5, the gas is supplied to the reactor 1 side or the steam turbine 19 side described later. When steam is supplied to the steam turbine 19, the steam turbine 19 is driven by the steam and drives the generator 21 connected to the steam turbine 19 to generate power. Further, when steam is supplied to the reaction device 1 side, a shock wave is generated in the reaction device 1, and the reactive particles in the reaction device 1 react with the steam by the shock wave to generate a hydrogen-containing gas. The steam used for driving the steam turbine 19 is effectively used for a hot drainage facility or the like.
[0063]
The boiler 12 is connected to an exhaust gas treatment device 22 that treats exhaust gas that has passed through the boiler 12 from the incinerator 18 so that the exhaust gas can be released to the atmosphere. The incinerator 18 is connected to the exhaust gas treatment device 22 by an attraction fan 23. From the exhaust gas is attracted to the exhaust gas treatment device 22. Then, the exhaust gas is processed by the exhaust gas treatment device 22 so that it can be released to the atmosphere, and is discharged to the atmosphere through the chimney 24.
[0064]
Further, a separator 16 which is a pressure vibration adsorption device (PSA) for separating hydrogen gas and CO gas from the hydrogen-containing gas from which the unreacted reactive particles and the like have been removed by the dust remover 15 generated in the reactor 1 is provided. It is connected to a hydrogen supply device 25 that supplies the hydrogen gas after the process as needed, and is connected to the incinerator 18 for returning the CO gas after the separation process as fuel for effective use. In particular, in the case of the waste incinerator 18, there is an effect that the combustion is stabilized by supplying the CO gas to the combustion start region. Further, since the separated CO gas has a relatively high purity, it can be used as a raw material for chemical synthesis.
[0065]
With this configuration, substantially the same operation and effect as those of the first embodiment can be obtained. The heat source 11 is a waste incineration facility, and the reactor 1 is disposed between the boiler 12 and the reactor 1 of the waste incineration facility. A switching valve 5 for switching the supply of steam is provided on the side or the steam turbine 19 side, and at least a part of the steam supplied to the steam turbine 19 and used for power generation is supplied to the reactor 1 side and used for hydrogen production. Therefore, when there is no demand for supplying hydrogen, all of the steam can be used for power generation. The CO gas separated by the separator 16 can be effectively used as fuel for the incinerator. Thereby, the surplus fluctuation amount of the steam generated from the boiler 12 can be effectively used. In addition, since heat necessary and sufficient to react the reactive particles in the reaction device 1 with the high-pressure steam can be efficiently supplied in a short time, energy loss at startup and shutdown of the device can be reduced. Thus, it is possible to obtain the hydrogen production apparatus 20 with low equipment costs and low operation costs.
[0066]
In the above-described fifth embodiment, a case has been described in which, when there is a hydrogen supply request, at least a portion of the steam from the waste heat incineration facility is supplied to the reaction device 1 to drive the hydrogen production device 20. However, a product storage means for supplying hydrogen with high stability in response to an increase or decrease in the amount of heat generated from the heat source 11 may be provided in the dust remover 15, the separator 16, the hydrogen supply device 25, or the like. Thereby, the amount of heat generated from the heat source 11 can be adjusted as needed with the reactor 1 side or the steam turbine 19 side, and the economic effect as the hydrogen production apparatus 20 can be increased.
[0067]
Further, in the above-described fifth embodiment, the case where the heat source of the hydrogen production apparatus 20 according to the first embodiment is a waste incineration facility is described, but the heat source of the hydrogen production apparatus 20 according to the second embodiment is a waste source. It may be an incineration facility. In this case, the same effect can be obtained.
[0068]
Embodiment 6 FIG.
An application of the hydrogen-containing gas and the hydrogen gas, which are products generated by the hydrogen production apparatus 20 according to the first embodiment, will be described as a sixth embodiment.
[0069]
FIG. 6 is an explanatory diagram of the use of the product of the hydrogen production apparatus according to the sixth embodiment.
As shown in FIG. 6, when the hydrogen-containing gas generated in the reactor 1 of the hydrogen generator 20 is recovered by the dust remover 15, unreacted reactive particles, impurities such as halides and sulfur compounds, etc. Is removed, the unreacted reactive particles are supplied to the feeder 14 for reuse, and the hydrogen-containing gas containing hydrogen and CO from which impurities and the like have been removed is used to accelerate the decomposition of chemical raw materials, fuels, and harmful compounds. It is used as an agent, a production inhibitor for harmful compounds, an extraction medium, and a reducing agent.
[0070]
When utilizing a hydrogen-containing gas as a chemical raw material, the chemical raw material here is a raw material for hydrogenation reforming of an organic compound, synthesis of a hydrogen compound, synthesis of methanol, dimethyl ether, dimethyl carbonyl, and other compounds, Reforming of low-quality fuel and raw material gas and CO_TwoUse as a raw material for chemical reactions including decomposition.
[0071]
When a hydrogen-containing gas is used as a fuel, a burner, a gas turbine, a boiler steam power generator, a cogeneration system, a fuel cell, a fuel cell vehicle, a MHD (Magneto Hydrodynamics) power generator, Use as other fuel for power generation.
[0072]
Furthermore, when the hydrogen-containing gas is used as a decomposition accelerator for harmful compounds or an inhibitor for the formation of harmful compounds, the harmful compounds referred to here include wastes such as dioxins and other environmentally harmful substances and harmful organic compounds. Is contained in wastewater, sludge, contaminated soil, etc., or is generated during waste treatment.By adding hydrogen gas during waste treatment, decomposition of harmful compounds is promoted, Is expected to be suppressed.
[0073]
When the hydrogen-containing gas is used as an extraction medium, it is used to extract valuable elements, harmful elements and their compounds. In other words, the harmfulness of waste is removed by gasifying and removing it as hydrogen arsenic with hydrogen, such as arsenic contained in sludge incineration ash, contaminated soil and various wastes, and arsenic in a high purity state Can be collected and recycled.
[0074]
Further, when a hydrogen-containing gas is used as a reducing agent, it can be used as a reducing agent for reducing metal oxides and metal compounds. By injecting reducing gas and / or fuel gas into a metal smelting furnace, etc., for example, reduction of iron oxide is an endothermic reaction with hydrogen alone, but can be made an exothermic reaction with CO and used as a reducing agent can do. Thus, utilizing the CO-containing hydrogen gas both thermally and without the separator 16 is a significant thermal and economic improvement for the metal smelting process.
[0075]
Next, the hydrogen-containing gas from which unreacted reactive particles and impurities have been removed by the dust remover 15 is sent to the separator 16, where the hydrogen gas is separated, and the hydrogen gas is, like the hydrogen-containing gas, It is used as a chemical raw material, fuel, harmful compound decomposition accelerator, harmful compound formation inhibitor, extraction medium and reducing agent. Hydrogen gas is also used as a working fluid for plasma. When used as a working fluid for plasma, it is possible to easily reduce and melt waste in a reducing atmosphere in a plasma melting furnace, and to recover gas because nitrogen is low in the generated gas. This can be utilized for fuel gas or other uses. By using hydrogen gas, a reducing atmosphere can be maintained and strengthened, and decomposition and resynthesis of dioxin and the like can be suppressed.
[0076]
The separated CO gas is used as a raw material for the chemical industry. When the raw material contains various impurities such as waste plastics or pulverized coal, it is necessary to remove impurities such as sulfur compounds, halogen compounds or ash from the produced gas. However, fats and oils, LNG, LPG, ethers and alcohol In the case of using such a gas, high-purity CO gas can be obtained.
[0077]
In the above-described sixth embodiment, the use of the hydrogen-containing gas and the hydrogen gas, which are the products generated by the hydrogen production apparatus 20 according to the first embodiment, has been described. However, the hydrogen production apparatus according to the second embodiment has been described. The hydrogen-containing gas and hydrogen gas, which are the products produced by the method 20, are utilized in almost the same applications.
[0078]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a chemical reaction requiring a high temperature can be realized at a low cost by using relatively low temperature waste heat energy discharged from various thermal processes. In addition, since the device for realizing the chemical reaction method can easily generate a shock wave with relatively low temperature waste heat energy and instantaneously form a high temperature field, the device can be easily started and shut down. For example, a hydrogen generation reaction can be caused only when a request for supplying hydrogen is issued. As a result, hydrogen can be produced and supplied at low cost while suppressing operating and equipment costs.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration block diagram of a hydrogen production apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view of the reaction apparatus of FIG.
FIG. 3 is a timing chart of the hydrogen production apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 4 is a configuration block diagram of a hydrogen production apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 5 is a configuration block diagram of a hydrogen production facility according to Embodiment 5 of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a use of a product of a hydrogen production apparatus according to Embodiment 6 of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 reactor
11 Heat source
12 Boiler
12A heater
14 Feeder
15 Dust remover
16 Separator
20 Hydrogen production equipment

Claims

A chemical reaction method that generates a shock wave and uses the shock wave,
Heating the fluid by heat exchange with a heat source to produce a high-pressure gas of 200 ° C. or more and 400 ° C. or less;
A step of instantaneously releasing the high-pressure gas into the reactor to generate a shock wave;
Supplying a raw material into the reactor before generating the shock wave;
A step of shock-compressing and heating the raw material by the generated shock wave to cause a chemical reaction.

A chemical reaction method that generates a shock wave and uses the shock wave,
A step of heating the fluid by heat exchange with a heat source to produce a high-pressure gas having a pressure five times or more the pressure in the reaction apparatus before the reaction;
A step of instantaneously releasing the high-pressure gas into the reactor to generate a shock wave;
Supplying a raw material into the reactor before generating the shock wave;
A step of shock-compressing and heating the raw material by the generated shock wave to cause a chemical reaction.

A chemical reaction method that generates a shock wave and uses the shock wave,
Heating the low-boiling fluid by heat exchange with a heat source to produce a high-pressure gas;
A step of instantaneously releasing the high-pressure gas into the reaction chamber to generate a shock wave;
Supplying a raw material into the reaction chamber before generating the shock wave;
A step of shock-compressing and heating the raw material by the generated shock wave to cause a chemical reaction.

The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the heat source provides a heat of 50C or more and 600C or less.

The heat source is a thermal power plant, a waste incineration facility, a waste treatment facility, a steelmaking facility of a steelworks, a steelmaking facility of a steelworks, a scrap melting facility, a non-ferrous metal refining facility, a cement burning facility, a combustion facility and a geothermal utilization facility. The chemical reaction method according to any one of claims 1 to 4, wherein the chemical reaction method is any one of the heat generation sources provided in (1).

The chemical reaction method according to any one of claims 1 to 5, wherein the chemical reaction in the step of shock-compressing and heating the raw material by the generated shock wave to cause a chemical reaction is a hydrogen generation reaction.

A hydrogen generation step of generating a hydrogen-containing product by the chemical reaction method according to claim 6,
A hydrogen separation step of separating hydrogen from the product.

Combustion products are burned to generate steam by heat exchange, and the combustion equipment that uses the steam for power generation is used as a heat source, and when there is a request for hydrogen supply, at least steam generated by heat exchange with the heat source is used. The method for producing hydrogen according to claim 7, wherein a part is used for hydrogen generation.

Heat source,
A heat exchanger that heats the fluid by heat exchange with the heat source to produce a high-pressure gas of 200 ° C. or more and 400 ° C. or less,
A reaction device for instantaneously releasing the high-pressure gas to generate a shock wave, shock-compressing the raw material by the shock wave, heating and chemically reacting,
A supply device for supplying the raw material into the reaction device before the shock wave is generated.

Heat source,
A heat exchanger that heats the fluid by heat exchange with the heat source and converts the fluid into a high-pressure gas at least five times the pressure in the reactor before the reaction,
A reaction device for instantaneously releasing the high-pressure gas to generate a shock wave, shock-compressing the raw material by the shock wave, heating and chemically reacting,
A supply device for supplying the raw material into the reaction device before the shock wave is generated.

Heat source,
A heater that heats a low-boiling fluid by heat exchange with the heat source to produce a high-pressure gas,
A reaction device for instantaneously releasing the high-pressure gas to generate a shock wave, shock-compressing the raw material by the shock wave, heating and chemically reacting,
A supply device for supplying the raw material into the reaction device before the shock wave is generated.

The chemical reaction device according to any one of claims 9 to 11, wherein the heat source provides a heat of 50C or more and 600C or less.

The heat source is a thermal power plant, a waste incineration facility, a waste treatment facility, a steelmaking facility of a steelworks, a steelmaking facility of a steelworks, a scrap melting facility, a non-ferrous metal refining facility, a cement burning facility, a combustion facility and a geothermal utilization facility. The chemical reaction device according to any one of claims 9 to 12, wherein the chemical reaction device is any one of the heat generation sources provided in (1).

14. The chemical reaction device according to claim 9, wherein the chemical reaction by the reaction device is a hydrogen generation reaction.

A hydrogen generator comprising the chemical reaction device according to claim 14, wherein the chemical reaction device generates a hydrogen-containing product.
A hydrogen separator for separating hydrogen from the product.

Combustion products are burned to generate steam by heat exchange, and the combustion equipment that uses the steam for power generation is used as a heat source, and when there is a request for hydrogen supply, at least steam generated by heat exchange with the heat source is used. The hydrogen production apparatus according to claim 15, wherein a part of the apparatus is used for hydrogen generation.

Heat source,
A steam generator that generates steam at 200 ° C. or higher and 400 ° C. or lower by heat exchange with the heat source,
A reactor that instantaneously releases the water vapor to generate a shock wave, shock-compresses the raw material by the shock wave and heats it to cause a hydrogen generation reaction;
A supply device for supplying the raw material into the reaction device before generating the shock wave,
A separator for separating hydrogen from a product containing hydrogen generated in the reactor,
A supply device for supplying the separated hydrogen.

Heat source,
A steam generator for generating steam at a pressure five times or more higher than the pressure in the reactor before the reaction by heat exchange with the heat source;
A reactor that instantaneously releases the water vapor to generate a shock wave, shock-compresses the raw material by the shock wave and heats it to cause a hydrogen generation reaction;
A supply device for supplying the raw material into the reaction device before generating the shock wave,
A separator for separating hydrogen from a product containing hydrogen generated in the reactor,
A supply device for supplying the separated hydrogen.

Heat source,
A gas generator that generates a high-pressure gas composed of a low-boiling fluid by heat exchange with the heat source,
A reactor for instantaneously releasing the high-pressure gas to generate a shock wave, shock-compressing and heating the raw material by the shock wave to cause a hydrogen generation reaction,
A supply device for supplying the raw material into the reaction device before generating the shock wave,
A separator for separating hydrogen from a product containing hydrogen generated in the reactor,
A supply device for supplying the separated hydrogen.