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JP2008195585A - Hydrogen production equipment - Google Patents

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JP2008195585A
JP2008195585A JP2007034340A JP2007034340A JP2008195585A JP 2008195585 A JP2008195585 A JP 2008195585A JP 2007034340 A JP2007034340 A JP 2007034340A JP 2007034340 A JP2007034340 A JP 2007034340A JP 2008195585 A JP2008195585 A JP 2008195585A
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Japan
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hydrogen
raw material
process fluid
surplus
heat
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Pending
Application number
JP2007034340A
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Japanese (ja)
Inventor
Jun Nishikawa
絢 西川
Shinichiro Maruki
慎一郎 丸木
Katsushi Isogawa
克士 五十川
Kenji Fujiki
憲治 藤木
Kazuo Kushima
和夫 久島
Kimichika Fukushima
公親 福島
Kazuya Yamada
和矢 山田
Shigeki Yokoyama
茂樹 横山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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    • Y02E60/50—Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

【課題】水素製造時において発生する排ガスおよび排熱を有効利用し装置全体の熱効率を改善すると同時に、余剰原料を回収することで、水素製造に用いる原料を低減することが可能な水素製造装置である。
【解決手段】水素製造装置１は、含酸素炭化水素の水蒸気改質により水素を発生させる水素発生装置２と、水素発生装置２より供給される水素含有プロセス流体ａ中に含まれる余剰原料ｃを分離回収する余剰原料回収装置３と、余剰原料回収装置３より供給される水素含有プロセス流体ａ２から、製品水素ｄを生成する水素精製装置４と、製品水素ｄ製造時に発生する排熱および排ガスを、水素発生装置２、余剰原料回収装置３および水素精製装置４の少なくとも１つの装置の熱源として利用する熱再利用手段とを備えるものである。
【選択図】 図１A hydrogen production apparatus capable of improving the thermal efficiency of the entire apparatus by effectively using exhaust gas and exhaust heat generated during hydrogen production and at the same time reducing the raw materials used for hydrogen production by recovering surplus raw materials. is there.
A hydrogen production apparatus (1) includes a hydrogen generator (2) for generating hydrogen by steam reforming of an oxygen-containing hydrocarbon, and an excess raw material (c) contained in a hydrogen-containing process fluid (a) supplied from the hydrogen generator (2). The surplus raw material recovery device 3 that separates and recovers, the hydrogen purification device 4 that generates product hydrogen d from the hydrogen-containing process fluid a 2 supplied from the surplus raw material recovery device 3, and the exhaust heat and exhaust gas that are generated during production of the product hydrogen d Is used as a heat source for at least one of the hydrogen generator 2, the surplus raw material recovery device 3, and the hydrogen purification device 4.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は水素製造技術に関し、特に、水素製造装置の熱効率を改善するために、排熱および排ガスを有効利用することができる水素製造装置に関する。   The present invention relates to a hydrogen production technology, and more particularly to a hydrogen production apparatus that can effectively use exhaust heat and exhaust gas in order to improve the thermal efficiency of the hydrogen production apparatus.

従来の水素製造装置としては、例えば特許文献１が知られている。この装置を図３、図４にて説明する。図３は特許文献１における水素製造装置の構成図であり、原子力発電プラントと熱交換することにより効率的に水素が製造できるものである。図４は従来の水素製造装置の系統を簡略的に示す構成図である。   For example, Patent Document 1 is known as a conventional hydrogen production apparatus. This apparatus will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a configuration diagram of a hydrogen production apparatus in Patent Document 1, which can efficiently produce hydrogen by exchanging heat with a nuclear power plant. FIG. 4 is a configuration diagram schematically showing a system of a conventional hydrogen production apparatus.

図３，４に示される水素製造装置４０において、ジメチルエーテル（以下、ＤＭＥという。）ｍを気体として供給するＤＭＥ供給部４１と、水ｎを蒸発させた水蒸気を供給する蒸発器４２と、ＤＭＥ供給部４１から供給されたＤＭＥと蒸発器４２から供給された水蒸気とを混合して混合ガスｐを予熱する予熱器４３と、予熱器４３で予熱された混合ガスｐ１を改質して水素リッチガスｑを生成する改質器４４と、改質器４４で生成された水素リッチガスｑを精製して用途に応じた所要の濃度の製品水素ｄを得る水素精製部４５とが備えられている。 3 and 4, a DME supply unit 41 that supplies dimethyl ether (hereinafter referred to as DME) m as a gas, an evaporator 42 that supplies water vapor obtained by evaporating water n, and a DME supply. a preheater 43 for preheating the mixed gas p by mixing the water vapor supplied from the evaporator 42 and supplied DME from part 41, a mixed gas p 1 which is preheated in preheater 43 by reforming the hydrogen-rich gas A reformer 44 that generates q, and a hydrogen purification unit 45 that purifies the hydrogen-rich gas q generated by the reformer 44 to obtain a product hydrogen d having a required concentration according to the application.

また、ＤＭＥ供給部４１、蒸発器４２、予熱器４３、改質器４４および水素精製部４５の少なくとも１つが原子力発電プラント４６で発生する熱ｒを利用するように構成されている。   Further, at least one of the DME supply unit 41, the evaporator 42, the preheater 43, the reformer 44, and the hydrogen purification unit 45 is configured to use the heat r generated in the nuclear power plant 46.

この水素製造装置４０では、ＤＭＥの水蒸気改質により、３００℃の低温で水素製造でき、安価で安全に水素製造することができる。   This hydrogen production apparatus 40 can produce hydrogen at a low temperature of 300 ° C. by steam reforming of DME, and can produce hydrogen safely at low cost.

また、水素含有プロセス流体中の未反応の余剰原料を有効に回収する方法として、ＤＭＥ燃料改質器の原料回収部が知られている（特許文献２参照）。   Further, as a method for effectively recovering unreacted surplus raw material in a hydrogen-containing process fluid, a raw material recovery unit of a DME fuel reformer is known (see Patent Document 2).

これによれば、回収水を改質ガスに向けて噴射させ、改質ガス中に存在するＤＭＥやメタノールを噴射水の水滴に溶解させ、水滴を捕集することにより余剰原料を再利用し、原料損失の低減を図ることができる。
特開２００５−１７０７０７号公報 特開平１１−２２８１０３号公報 According to this, the recovered water is jetted toward the reformed gas, the DME and methanol present in the reformed gas are dissolved in the water droplets of the jet water, and the excess raw material is reused by collecting the water droplets, Reduction of raw material loss can be achieved.
JP 2005-170707 A Japanese Patent Laid-Open No. 11-228103

従来の水素製造装置においては、水素含有プロセス流体からの排熱および製品水素分離時に発生する水素および二酸化炭素等の排ガスについて、十分に有効利用がなされていない。   In a conventional hydrogen production apparatus, exhaust heat from a hydrogen-containing process fluid and exhaust gas such as hydrogen and carbon dioxide generated during product hydrogen separation are not sufficiently effectively used.

また、未反応の余剰原料についても配慮がなされていない。   Further, no consideration is given to unreacted surplus raw materials.

本発明は、かかる従来の事情に対処するためになされたものであり、水素製造時に発生する排熱および排ガスを有効利用することにより、水素製造装置全体の熱効率を向上させると同時に、未反応の余剰原料の回収再利用を促進することで、水素製造に用いる含酸素炭化水素の供給量を低減させ、低コストでより効率的に水素を製造することが可能な水素製造装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to cope with such a conventional situation. By effectively utilizing exhaust heat and exhaust gas generated during hydrogen production, the thermal efficiency of the entire hydrogen production apparatus is improved and at the same time unreacted. Providing a hydrogen production apparatus that can reduce the supply amount of oxygen-containing hydrocarbons used for hydrogen production by promoting the recovery and reuse of surplus raw materials, and that can produce hydrogen more efficiently at low cost. Objective.

本発明の水素製造装置は、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、含酸素炭化水素を原料とした水蒸気改質により製品水素を製造する水素製造装置において、含酸素炭化水素を原料とした水蒸気改質により水素含有プロセス流体を発生させる水素発生装置と、前記水素発生装置で発生した水素含有プロセス流体中に含まれる未反応の余剰原料を分離回収する余剰原料回収装置と、前記余剰原料回収装置より供給された水素含有プロセス流体を精製し、製品水素を生成する水素精製装置と、製品水素製造時に発生する排熱および排ガスを、前記水素発生装置、前記余剰原料回収装置および前記水素精製装置の少なくとも１つの装置の熱源として利用する熱再利用手段とを備えたことを特徴とするものである。   In order to solve the above-described problem, the hydrogen production apparatus of the present invention is a hydrogen production apparatus for producing product hydrogen by steam reforming using an oxygen-containing hydrocarbon as a raw material. Hydrogen generator for generating hydrogen-containing process fluid by steam reforming using hydrocarbon as raw material, and surplus raw material recovery device for separating and recovering unreacted surplus raw material contained in hydrogen-containing process fluid generated in said hydrogen generator And a hydrogen purifier for purifying the hydrogen-containing process fluid supplied from the surplus raw material recovery device to produce product hydrogen, and exhaust heat and exhaust gas generated during product hydrogen production, the hydrogen generator, the surplus raw material recovery And a heat recycling means used as a heat source for at least one of the hydrogen purifiers.

本発明によれば、水素製造時に発生する排熱および排ガスを有効利用でき、水素製造装置全体の熱効率を向上させることができる。   According to the present invention, exhaust heat and exhaust gas generated during hydrogen production can be effectively used, and the thermal efficiency of the entire hydrogen production apparatus can be improved.

また、未反応の余剰原料を再利用でき、水素製造に用いる含酸素炭化水素の供給量を低減させることができる。   Moreover, the unreacted surplus raw material can be reused, and the supply amount of the oxygen-containing hydrocarbon used for hydrogen production can be reduced.

本発明にかかる水素製造装置の実施の形態について図１、２を参照して説明する。   An embodiment of a hydrogen production apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS.

図１は、本発明にかかる水素製造装置の実施の形態を示す構成図である。   FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of a hydrogen production apparatus according to the present invention.

水素製造装置１は、水素発生装置２、余剰原料回収装置３、水素精製装置４を備える。   The hydrogen production apparatus 1 includes a hydrogen generation apparatus 2, a surplus raw material recovery apparatus 3, and a hydrogen purification apparatus 4.

水素発生装置２は改質装置５を備え、この改質装置５で、プロセス流体用混合原料ｅを触媒を用いて改質反応させ水素含有プロセス流体ａを発生させ、発生した水素含有プロセス流体ａを余剰原料回収装置３に供給する機能を有する。   The hydrogen generator 2 includes a reformer 5, in which the process fluid mixed raw material e is reformed using a catalyst to generate a hydrogen-containing process fluid a, and the generated hydrogen-containing process fluid a Is supplied to the surplus raw material recovery apparatus 3.

改質装置５は、熱媒体を循環させる熱源装置７からの中間ループ６によりプロセス流体用混合原料ｅを加熱・保温する。熱源装置７は主蒸気等の熱媒体を中間ループ６内に循環させており、この熱源装置７には、たとえば沸騰水型原子炉の主蒸気や加圧水型原子炉の加熱流体あるいは二次蒸気を用いることができる。   The reformer 5 heats and keeps the mixed raw material e for the process fluid by the intermediate loop 6 from the heat source device 7 that circulates the heat medium. The heat source device 7 circulates a heat medium such as main steam in the intermediate loop 6, and for example, main steam of a boiling water reactor, heating fluid of a pressurized water reactor or secondary steam is supplied to the heat source device 7. Can be used.

余剰原料回収装置３は、原料加熱器８、余剰原料分離回収装置９、混合装置１０を順次備えており、水素発生装置２より供給された水素含有プロセス流体ａにより原料加熱器８で供給原料ｂを加熱する一方、加熱された水素含有プロセス流体ａ１から余剰原料分離回収装置９で未反応の余剰原料ｃである含酸素炭化水素を分離回収している。余剰原料を分離回収させた後、プロセス流体ａ２は水素精製装置４に送られ、製品水素ｄを生成するようになっている。 The surplus raw material recovery device 3 includes a raw material heater 8, a surplus raw material separation / recovery device 9, and a mixing device 10 in this order. The raw material heater 8 supplies the raw material b using the hydrogen-containing process fluid a supplied from the hydrogen generator 2. In addition, the oxygen-containing hydrocarbon, which is the unreacted surplus raw material c, is separated and recovered from the heated hydrogen-containing process fluid a 1 by the surplus raw material separation and recovery device 9. After separating and recovering the surplus raw material, the process fluid a 2 is sent to the hydrogen purifier 4 to produce product hydrogen d.

一方、分離回収された余剰原料ｃは、混合装置１０に送られ、ここで加熱された供給原料ｂと混合され混合流体となって、プロセス流体用混合原料ｅとして改質装置５に送られる。   On the other hand, the separated and recovered surplus raw material c is sent to the mixing device 10 where it is mixed with the heated feed material b to form a mixed fluid and sent to the reforming device 5 as a mixed fluid e for process fluid.

原料加熱器８は、水素発生装置２より供給される水素含有プロセス流体ａを熱源として有効利用し、例えばＵ字管やフィンなどを備える熱交換部を介して熱伝達する熱再利用手段を用い、含酸素炭化水素および純水からなる供給原料ｂを加熱する。   The raw material heater 8 effectively uses the hydrogen-containing process fluid a supplied from the hydrogen generator 2 as a heat source, and uses heat reusing means for transferring heat through a heat exchanging unit including, for example, a U-shaped tube and fins. Then, the feedstock b composed of oxygenated hydrocarbon and pure water is heated.

ここで、供給原料ｂである含酸素炭化水素には、熱源温度を考慮すると、例えば有機化合物であるＤＭＥが有効である。   Here, in consideration of the heat source temperature, for example, DME that is an organic compound is effective for the oxygen-containing hydrocarbon that is the feedstock b.

余剰原料分離回収装置９は、水素含有プロセス流体ａ１中に含まれる未反応の余剰原料を分離回収する機能を有する。余剰原料を分離する方法としては、例えば凝縮分離法、ＰＳＡ法（圧力変動吸着分離法）および深冷分離法が用いられる。 Excess material separation and recovery device 9 has a function of the excess unreacted starting materials are separated and recovered contained in the hydrogen-containing process fluid a 1. As a method for separating the surplus raw material, for example, a condensation separation method, a PSA method (pressure fluctuation adsorption separation method) and a deep cold separation method are used.

また、余剰原料を有効に回収するためには、水素含有プロセス流体ａ１は低温であることが望ましい。このため、余剰原料ｃおよび供給原料ｂを冷却媒体として有効利用し、図１に図示はされていないが、冷却手段を用いて熱交換されることにより水素含有プロセス流体ａ１の温度を下げる。 Further, in order to effectively recover the excess raw material, the hydrogen-containing process fluid a 1 is preferably a low temperature. For this reason, the surplus raw material c and the feed raw material b are effectively used as a cooling medium, and although not shown in FIG. 1, the temperature of the hydrogen-containing process fluid a 1 is lowered by heat exchange using a cooling means.

混合装置１０は、原料加熱器８によって加熱された供給原料ｂと、余剰原料分離回収装置９にて分離された余剰原料ｃとを混合する機能を有する。混合装置１０は、例えば供給原料ｂと余剰原料ｃとの流れ方向の違いを利用し、Ｔ字管またはＹ字管による混合手段を用いて混合を行う。   The mixing device 10 has a function of mixing the feed material b heated by the material heater 8 and the surplus material c separated by the surplus material separation / recovery device 9. The mixing apparatus 10 performs mixing using a mixing means using a T-shaped tube or a Y-shaped tube, for example, utilizing the difference in flow direction between the feed material b and the surplus material c.

また、水素精製装置４は、前記余剰原料回収装置３より供給される水素含有プロセス流体ａ２から、製品水素ｄを生成し、製品水素ｄを、例えば水素燃料自動車の燃料として供給するようになっている。水素精製装置４は、精製時に発生する水素及び二酸化炭素等の排ガスｆを有効利用する熱再利用手段も有する。 Further, the hydrogen purification device 4 generates product hydrogen d from the hydrogen-containing process fluid a 2 supplied from the surplus raw material recovery device 3, and supplies the product hydrogen d as, for example, fuel for a hydrogen fuel vehicle. ing. The hydrogen purifier 4 also has a heat reusing means for effectively using the exhaust gas f such as hydrogen and carbon dioxide generated during purification.

図２は、水素精製装置４の構成図である。   FIG. 2 is a configuration diagram of the hydrogen purifier 4.

余剰原料回収装置３からプロセス流体ａ２が供給される水素精製装置４は、図２に示すように一酸化炭素変成器予備加熱器１６、一酸化炭素変成器１７、ガスクーラ１８、水素分離器１９を有し、この水素分離器１９から製品水素ｄを、例えば水素燃料自動車あるいは燃料電池に供給している。 As shown in FIG. 2, the hydrogen purifier 4 to which the process fluid a 2 is supplied from the surplus raw material recovery device 3 includes a carbon monoxide converter preheater 16, a carbon monoxide converter 17, a gas cooler 18, and a hydrogen separator 19. The product hydrogen d is supplied from the hydrogen separator 19 to, for example, a hydrogen fuel vehicle or a fuel cell.

水素精製装置４はさらに、排ガス分離器２０、再結合器前加熱器２１、再結合器２２、再結合器後加熱器２３を順次有し、水素分離器１９で製品水素ｄ分離時に発生する排ガスｆが有効利用できるように構成されている。   The hydrogen purifier 4 further has an exhaust gas separator 20, a precombiner heater 21, a recombiner 22, and a postcombiner heater 23 in order, and the exhaust gas generated at the time of separation of product hydrogen d by the hydrogen separator 19. It is configured so that f can be used effectively.

一酸化炭素変成器１７は、余剰原料回収装置３より供給された水素含有プロセス流体ａ２中に含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成し、水素含有プロセス流体ａ３を水素分離器１９に供給する機能を有する。製品水素ｄを水素燃料自動車の燃料として用いる場合においては、水素燃料中に一酸化炭素が含有されているのは好ましくないためである。 The carbon monoxide converter 17 converts carbon monoxide contained in the hydrogen-containing process fluid a 2 supplied from the surplus raw material recovery device 3 into carbon dioxide, and supplies the hydrogen-containing process fluid a 3 to the hydrogen separator 19. It has the function to do. This is because when the product hydrogen d is used as a fuel for a hydrogen fuel vehicle, it is not preferable that carbon monoxide is contained in the hydrogen fuel.

また、一酸化炭素変成器１７に供給される水素含有プロセス流体ａ２を、あらかじめ所定の温度まで加熱する必要がある場合、図２に示すように、一酸化炭素変成器１７前に、一酸化炭素変成器予備加熱器１６を設置する。 When the hydrogen-containing process fluid a 2 supplied to the carbon monoxide converter 17 needs to be heated to a predetermined temperature in advance, as shown in FIG. A carbon transformer preheater 16 is installed.

一方、水素精製装置４の水素分離器１９は、一酸化炭素変成器１７から供給された水素含有プロセス流体ａ３を、製品水素ｄと、水素及び二酸化炭素を主成分とする排ガスｆとに分離する機能を有する。製品水素ｄを分離する方法としては、例えばＰＳＡ法（圧力変動吸着分離法）および深冷分離法が用いられる。 On the other hand, the hydrogen separator 19 of the hydrogen purifier 4 separation, the hydrogen-containing process fluid a 3 supplied from the carbon monoxide shift converter 17, and product hydrogen d, in the exhaust gas f composed mainly of hydrogen and carbon dioxide It has the function to do. As a method for separating the product hydrogen d, for example, a PSA method (pressure fluctuation adsorption separation method) and a cryogenic separation method are used.

水素分離器１９に供給する水素含有プロセス流体ａ３を、あらかじめ所定の温度まで冷却する必要がある場合、図２に示すように、水素分離器１９前にガスクーラ１８を設置する。 The hydrogen-containing process fluid a 3 supplied to the hydrogen separator 19, if it is required to cool beforehand to a predetermined temperature, as shown in FIG. 2, placing the gas cooler 18 before the hydrogen separator 19.

ここで、一酸化炭素変成器予備加熱器１６およびガスクーラ１８間の熱交換量がほぼ等しいため、一酸化炭素変成器予備加熱器１６の熱媒体およびガスクーラ１８の冷却媒体を、図２に示すように、循環ループ２４により循環させる熱再利用手段を用いて熱交換してもよい。   Here, since the amount of heat exchange between the carbon monoxide converter preheater 16 and the gas cooler 18 is substantially equal, the heat medium of the carbon monoxide converter preheater 16 and the cooling medium of the gas cooler 18 are as shown in FIG. In addition, heat may be exchanged using a heat recycling means that is circulated by the circulation loop 24.

他方、水素精製装置４の排ガス分離器２０は、排ガスｆを有効利用するために、水素および二酸化炭素からなる排ガスｆ１と、排ガスｆ２とに分離する機能を有する。 On the other hand, the exhaust gas separator 20 of the hydrogen purification apparatus 4 has a function of separating the exhaust gas f 1 composed of hydrogen and carbon dioxide and the exhaust gas f 2 in order to effectively use the exhaust gas f.

再結合器２２は、排ガスｆ１と酸素ｏを、再結合反応することにより高温の水蒸気と、水素、二酸化炭素および酸素の混合気ｇとを生成し、再結合器後加熱器２３に供給する機能を有する。このとき、水素、二酸化炭素および酸素の混合気ｇの水素濃度は、水素の可燃限界を考慮し、４ｖｏｌ％以下に濃度調整される必要があるため、図２に図示はされていないが、水素濃度調整手段を用いて濃度調整を行う。 The recombiner 22 generates a high-temperature water vapor and a mixed gas g of hydrogen, carbon dioxide, and oxygen by recombining the exhaust gas f 1 and oxygen o, and supplies the mixture to the post-combiner heater 23. It has a function. At this time, the hydrogen concentration of the mixture g of hydrogen, carbon dioxide, and oxygen needs to be adjusted to 4 vol% or less in consideration of the flammability limit of hydrogen. Density adjustment is performed using density adjustment means.

また、再結合器２２に供給する排ガスｆ１をあらかじめ所定の温度まで加熱する必要がある場合、図２に示すように、再結合器２２前に再結合器前加熱器２１を設置する。 When it is necessary to heat the exhaust gas f 1 supplied to the recombiner 22 to a predetermined temperature in advance, a recombiner preheater 21 is installed in front of the recombiner 22 as shown in FIG.

再結合器後加熱器２３は、混合気ｇを熱源として利用し、例えばＵ字管やフィンなどを備える熱交換部を介して熱交換し、循環ループ２４を循環させる熱再利用手段を用いて熱媒体を加熱する。また混合気ｇは再結合器前加熱器２１にフィードバックされ、排ガスｆ１および酸素ｏを加熱する機能を有する。 The recombiner post-heater 23 uses the air / fuel mixture g as a heat source, uses heat reusing means for exchanging heat through a heat exchanging unit including, for example, a U-shaped tube and fins, and circulating the circulation loop 24. Heat the heating medium. The gas mixture g is fed back to the recombiner preheater 21 and has a function of heating the exhaust gas f 1 and the oxygen o.

なお、本実施の形態では供給原料ｂである含酸素炭化水素としてＤＭＥを用いたが、アルコールを用いても同様の効果を得ることができる。また、中間ループ６には加圧水型原子炉の蒸発器の主蒸気配管を用いることができる。さらに、再結合器後加熱器２３の熱源は、排ガスｆ１を燃料として用いた別途ボイラからの高温気体でもよい。 In this embodiment, DME is used as the oxygen-containing hydrocarbon that is the feedstock b, but the same effect can be obtained even if alcohol is used. The intermediate loop 6 can be a main steam pipe of an evaporator of a pressurized water reactor. Furthermore, the heat source of the recombiner post-heater 23 may be a high-temperature gas from a separate boiler using the exhaust gas f 1 as fuel.

さらにまた、水素発生装置２において、水素精製装置４から発生した排ガスｆを熱源とする熱再利用手段を用いてもよい。   Furthermore, in the hydrogen generator 2, heat reuse means using the exhaust gas f generated from the hydrogen purifier 4 as a heat source may be used.

次に、水素製造装置１の作用について説明する。   Next, the operation of the hydrogen production apparatus 1 will be described.

水素発生装置２における改質装置５は、沸騰水型原子炉の主蒸気を熱源装置７とした中間ループ６を熱源として供給されたプロセス流体用混合原料ｅを加熱・保温し、触媒による改質反応を行うことにより、水素含有プロセス流体ａを発生させ、余剰原料回収装置３に供給する。   The reformer 5 in the hydrogen generator 2 heats and keeps the mixed raw material e for the process fluid supplied using the intermediate loop 6 with the main steam of the boiling water reactor as the heat source device 7 as the heat source, and reforms by the catalyst. By carrying out the reaction, a hydrogen-containing process fluid a is generated and supplied to the surplus raw material recovery device 3.

次に、余剰原料回収装置３における余剰原料分離回収装置９は、水素発生装置２から供給される水素含有プロセス流体ａに含まれる未反応の余剰原料ｃを分離回収する。   Next, the surplus raw material separation / recovery device 9 in the surplus raw material recovery device 3 separates and recovers the unreacted surplus raw material c contained in the hydrogen-containing process fluid a supplied from the hydrogen generator 2.

ここで、水素含有プロセス流体ａは余剰原料分離回収装置９に供給される前に、原料加熱器８を、例えばＵ字管やフィンなどを備える熱交換部を介して熱交換し、供給原料ｂを加熱することで有効利用される。   Here, before the hydrogen-containing process fluid a is supplied to the surplus raw material separation and recovery device 9, the raw material heater 8 is heat-exchanged via a heat exchanging unit including, for example, a U-shaped tube and fins, and the raw material b It is effectively used by heating.

一方、分離回収された余剰原料ｃは、原料加熱器８により加熱された供給原料ｂと共に混合装置１０へ供給され、改質反応を効率的に行うために均一に混合される。また、供給原料ｂおよび余剰原料ｃは余剰原料回収装置３における冷却媒体として有効利用される。   On the other hand, the separated and recovered surplus raw material c is supplied to the mixing device 10 together with the raw material b heated by the raw material heater 8, and is uniformly mixed in order to efficiently perform the reforming reaction. Further, the feed material b and the surplus material c are effectively used as a cooling medium in the surplus material recovery device 3.

次に、水素精製装置４における一酸化炭素変成器１７は、水素含有プロセス流体ａ２に含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成する。また、必要に応じて、図２に示すように、一酸化炭素変成器予備加熱器１６が設けられ、水素含有プロセス流体ａ２を所定の温度まで加熱する。 Then, the carbon monoxide shift converter 17 in the hydrogen purification unit 4 shift carbon monoxide contained in the hydrogen-containing process fluid a 2 to carbon dioxide. If necessary, as shown in FIG. 2, the carbon monoxide shift converter preheater 16 is provided to heat the hydrogen-containing process fluid a 2 to a predetermined temperature.

水素分離器１９において、水素含有プロセス流体ａ３から排ガスｆが分離され、製品水素ｄが生成される。 In the hydrogen separator 19, the exhaust gas f is separated from the hydrogen-containing process fluid a 3 to produce product hydrogen d.

また、必要に応じて、図２に示すように、ガスクーラ１８が設けられ、水素含有プロセス流体ａ３を所定の温度まで冷却する。この際、一酸化炭素変成器予備加熱器１６の熱媒体およびガスクーラ１８の冷却媒体となる媒体を、図２に示すように循環ループ２４を設けて循環させてもよい。 If necessary, as shown in FIG. 2, the gas cooler 18 is provided to cool the hydrogen-containing process fluid a 3 to a predetermined temperature. At this time, the heat medium of the carbon monoxide transformer preheater 16 and the medium serving as the cooling medium of the gas cooler 18 may be circulated by providing a circulation loop 24 as shown in FIG.

分離された排ガスｆは、さらに水素および二酸化炭素からなる排ガスｆ１と排ガスｆ２に分離される。分離された排ガスｆ１は、酸素ｏと混合され、再結合器前加熱器２１にて加熱される。 The separated exhaust gas f is further separated into exhaust gas f 1 and exhaust gas f 2 made of hydrogen and carbon dioxide. The separated exhaust gas f 1 is mixed with oxygen o and heated by the precombiner preheater 21.

さらに、再結合器２２における排ガスｆ１は、再結合反応により高温の水蒸気および水素、二酸化炭素および酸素からなる混合気ｇとなる。この際、水素濃度は濃度調整手段を用い、４ｖｏｌ％以下に濃度調整される。そして高温の混合気ｇは再結合器後加熱器２３に供給され、Ｕ字管やフィンなどを備える熱交換部を介して熱交換し、循環ループ２４および再結合器前加熱器２１の熱源となり、有効利用される。 Further, the exhaust gas f 1 in the recombiner 22 becomes an air-fuel mixture g composed of high-temperature water vapor, hydrogen, carbon dioxide, and oxygen by a recombination reaction. At this time, the hydrogen concentration is adjusted to 4 vol% or less using a concentration adjusting means. The high-temperature air-fuel mixture g is supplied to the recombiner post-heater 23 and exchanges heat through a heat exchanging unit including a U-shaped tube and fins, and becomes a heat source for the circulation loop 24 and the recombiner pre-heater 21. , Effectively used.

以上のような水素製造装置１によれば、改質装置５から供給される水素含有プロセス流体ａの排熱を原料加熱器８の熱源として有効利用することで、水素製造装置１全体における必要な熱量の約７５％をまかなえるため、水素製造装置１の熱効率を改善することができる。   According to the hydrogen production apparatus 1 as described above, the exhaust heat of the hydrogen-containing process fluid a supplied from the reforming apparatus 5 is effectively used as a heat source for the raw material heater 8, so that it is necessary for the entire hydrogen production apparatus 1. Since about 75% of the amount of heat can be covered, the thermal efficiency of the hydrogen production apparatus 1 can be improved.

また、本実施の形態の場合には、水素発生装置２より供給される水素含有プロセス流体ａ中に含まれる未反応である余剰原料を、余剰原料分離回収装置９により回収し、原料として再使用することにより、原料ＤＭＥおよび原料純水合算の必要モル数に対し、約９０％をまかなえるため、原料供給量を低減することができる。   In the case of the present embodiment, the unreacted surplus raw material contained in the hydrogen-containing process fluid a supplied from the hydrogen generator 2 is recovered by the surplus raw material separation and recovery device 9 and reused as a raw material. By doing this, about 90% of the required number of moles of the raw material DME and raw material pure water can be covered, so that the raw material supply amount can be reduced.

さらに、本実施の形態の場合には、水素分離器１９から供給される排ガスｆの流量のうち、約５０％を熱源として再使用することで、再結合器前加熱器２１および再結合器後加熱器２３の必要熱量をまかなうことができる。   Furthermore, in the case of the present embodiment, about 50% of the flow rate of the exhaust gas f supplied from the hydrogen separator 19 is reused as a heat source, so that the pre-combiner heater 21 and the post-recombiner The necessary heat quantity of the heater 23 can be covered.

さらにまた、混合装置１０を設けることで、供給原料ｂと余剰原料ｃが均一に混合された状態で改質装置５に供給されるため、改質反応を効率的に行うことができる。   Furthermore, the provision of the mixing device 10 allows the reforming reaction to be efficiently performed because the feed material b and the surplus material c are supplied to the reforming device 5 in a uniformly mixed state.

本発明にかかる水素製造装置の実施の形態を示す構成図。The block diagram which shows embodiment of the hydrogen production apparatus concerning this invention. 本発明にかかる水素精製装置を示す構成図。The block diagram which shows the hydrogen purification apparatus concerning this invention. 従来の水素製造装置を示す構成図。The block diagram which shows the conventional hydrogen production apparatus. 従来の水素製造装置の系統を簡略的に示す構成図。The block diagram which shows simply the system | strain of the conventional hydrogen production apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

１ 水素製造装置
２ 水素発生装置
３ 余剰原料回収装置
４ 水素精製装置
５ 改質装置
６ 中間ループ
７ 熱源装置
８ 原料加熱器
９ 余剰原料分離回収装置
１０ 混合装置
１６ 一酸化炭素変成器予備加熱器
１７ 一酸化炭素変成器
１８ ガスクーラ
１９ 水素分離器
２０ 排ガス分離器
２１ 再結合器前加熱器
２２ 再結合器
２３ 再結合器後加熱器
２４ 循環ループ
４０ 水素製造装置
４１ ジメチルエーテル（ＤＭＥ）供給部
４２ 蒸発器
４３ 予熱器
４４ 改質器
４５ 水素精製部
４６ 原子力発電プラント
ａ、ａ１、ａ２、ａ３ 水素含有プロセス流体
ｂ 供給原料
ｃ 余剰原料
ｄ 製品水素
ｅ プロセス流体用混合原料
ｆ、ｆ１、ｆ２ 排ガス
ｇ 混合気
ｍ ジメチルエーテル（ＤＭＥ）
ｎ 水
ｏ 酸素
ｐ、ｐ１ 混合ガス
ｑ 水素リッチガス
ｒ 熱 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hydrogen production apparatus 2 Hydrogen generating apparatus 3 Surplus raw material collection | recovery apparatus 4 Hydrogen purification apparatus 5 Reforming apparatus 6 Intermediate loop 7 Heat source apparatus 8 Raw material heater 9 Surplus raw material separation and recovery apparatus 10 Mixing apparatus 16 Carbon monoxide transformer preheater 17 Carbon monoxide transformer 18 Gas cooler 19 Hydrogen separator 20 Exhaust gas separator 21 Recombiner preheater 22 Recombiner 23 Recombiner postheater 24 Circulation loop 40 Hydrogen production device 41 Dimethyl ether (DME) supply unit 42 Evaporator 43 Preheater 44 Reformer 45 Hydrogen purification section 46 Nuclear power plant a, a 1 , a 2 , a 3 Hydrogen-containing process fluid b Feedstock c Surplus feed d Product hydrogen e Mixed feed for process fluid f, f 1 , f 2 Exhaust gas g Mixture m Dimethyl ether (DME)
n Water o Oxygen p, p 1 Mixed gas q Hydrogen rich gas r Heat

Claims (11)

含酸素炭化水素を原料とした水蒸気改質により製品水素を製造する水素製造装置において、
含酸素炭化水素を原料とした水蒸気改質により水素含有プロセス流体を発生させる水素発生装置と、
前記水素発生装置で発生した水素含有プロセス流体中に含まれる未反応の余剰原料を分離回収する余剰原料回収装置と、
前記余剰原料回収装置より供給された水素含有プロセス流体を精製し、製品水素を生成する水素精製装置と、
製品水素製造時に発生する排熱および排ガスを、前記水素発生装置、前記余剰原料回収装置および前記水素精製装置の少なくとも１つの装置の熱源として利用する熱再利用手段とを備えたことを特徴とする水素製造装置。 In a hydrogen production device that produces product hydrogen by steam reforming using oxygenated hydrocarbons as a raw material,
A hydrogen generator for generating a hydrogen-containing process fluid by steam reforming using oxygen-containing hydrocarbon as a raw material;
A surplus raw material recovery device that separates and recovers unreacted surplus raw material contained in the hydrogen-containing process fluid generated by the hydrogen generation device;
A hydrogen purifier that purifies the hydrogen-containing process fluid supplied from the surplus raw material recovery device and generates product hydrogen;
A heat recycle means for utilizing exhaust heat and exhaust gas generated during the production of product hydrogen as a heat source for at least one of the hydrogen generator, the surplus raw material recovery device, and the hydrogen purification device is provided. Hydrogen production equipment. 前記水素精製装置は、水素含有プロセス流体が精製された後、製品水素として回収されなかった水素および二酸化炭素等の排ガスを、前記水素精製装置の熱源として利用する熱再利用手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。 The hydrogen purifier includes a heat reusing means for using hydrogen and exhaust gas such as carbon dioxide, which are not recovered as product hydrogen after the hydrogen-containing process fluid is purified, as a heat source of the hydrogen purifier. The hydrogen production apparatus according to claim 1, wherein the apparatus is a hydrogen production apparatus. 前記水素精製装置は、前記余剰原料回収装置より供給された水素含有プロセス流体に含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成する一酸化炭素変成器と、
前記一酸化炭素変成器より供給された水素含有プロセス流体を精製し、製品水素を分離する水素分離器とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。 The hydrogen purification apparatus includes a carbon monoxide converter that converts carbon monoxide contained in the hydrogen-containing process fluid supplied from the surplus raw material recovery apparatus into carbon dioxide,
The hydrogen production apparatus according to claim 1, further comprising a hydrogen separator that purifies the hydrogen-containing process fluid supplied from the carbon monoxide converter and separates product hydrogen. 前記水素精製装置は、前記排ガスに含まれる水素の濃度を調整する濃度調整手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。 The hydrogen production apparatus according to claim 1, wherein the hydrogen purification apparatus includes a concentration adjusting unit that adjusts a concentration of hydrogen contained in the exhaust gas. 前記余剰原料回収装置は、前記水素発生装置で発生した水素含有プロセス流体の排熱を熱源とし含酸素炭化水素および純水からなる供給原料を加熱する原料加熱器と、
前記水素発生装置で発生した水素含有プロセス流体に含まれる未反応の余剰原料である含酸素炭化水素を分離回収する余剰原料分離回収装置とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。 The surplus raw material recovery device is a raw material heater that heats a feedstock consisting of oxygenated hydrocarbons and pure water using the exhaust heat of the hydrogen-containing process fluid generated in the hydrogen generator as a heat source;
2. The hydrogen according to claim 1, further comprising a surplus raw material separation and recovery device that separates and recovers oxygen-containing hydrocarbons, which are unreacted surplus raw materials contained in the hydrogen-containing process fluid generated in the hydrogen generation device. Manufacturing equipment. 前記余剰原料回収装置は、前記原料加熱器に供給される供給原料および前記余剰原料分離回収装置で分離された余剰原料を、前記水素発生装置から供給された水素含有プロセス流体の冷却媒体として利用する冷却手段を備えたことを特徴とする請求項５に記載の水素製造装置。 The surplus raw material recovery device uses the raw material supplied to the raw material heater and the surplus raw material separated by the surplus raw material separation and recovery device as a cooling medium for the hydrogen-containing process fluid supplied from the hydrogen generator. The hydrogen production apparatus according to claim 5, further comprising a cooling unit. 前記余剰原料回収装置は、前記余剰原料および前記供給原料を混合する混合手段が備えられたことを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。 2. The hydrogen production apparatus according to claim 1, wherein the surplus raw material recovery apparatus is provided with a mixing unit that mixes the surplus raw material and the supply raw material. 前記水素発生装置は、含酸素炭化水素を原料とした水蒸気改質を行う改質装置を備えたことを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。 The hydrogen production apparatus according to claim 1, wherein the hydrogen generator includes a reformer that performs steam reforming using oxygen-containing hydrocarbon as a raw material. 前記改質装置は、熱源装置からの熱媒体を循環させる中間ループを熱伝達構造として備えたことを特徴とする請求項８に記載の水素製造装置。 9. The hydrogen production apparatus according to claim 8, wherein the reformer includes an intermediate loop that circulates a heat medium from a heat source device as a heat transfer structure. 前記中間ループは、熱源装置からの蒸気を熱媒体として循環させたことを特徴とする請求項９に記載の水素製造装置。 The hydrogen production apparatus according to claim 9, wherein the intermediate loop circulates steam from a heat source device as a heat medium. 前記含酸素炭化水素は、アルコールおよびエーテル等の有機化合物であることを特徴とする請求項１に記載の水素製造装置。 The hydrogen production apparatus according to claim 1, wherein the oxygen-containing hydrocarbon is an organic compound such as alcohol and ether.
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