JP2009196869A - ２本のバーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法 - Google Patents
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Abstract
【課題】メタンよりＣＯ2 を発生させずに、水素を連続的に生産するための操業中絶えず必要とされる加熱による燃料効率の低さを改善し、熱損失を少なくすることを目的とする。
【解決手段】断熱材で密封した容器の中で、水素と酸素を供給する２極のバーナーを使用して水素と酸素の混合ガスで酸水素炎を作り、前記酸水素炎の中に別のバーナーから２００〜４００℃に予熱したメタンを噴入させ、メタンを急激に５００〜１０００℃に加熱させて水素と炭素粉末に熱分解させ、熱分解した混合ガスから炭素粉末を取り除いて連続的にＣＯ2 の副生なしに水素を製造するようにした酸水素炎を用いた２本のバーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法とした。
【選択図】図１
【解決手段】断熱材で密封した容器の中で、水素と酸素を供給する２極のバーナーを使用して水素と酸素の混合ガスで酸水素炎を作り、前記酸水素炎の中に別のバーナーから２００〜４００℃に予熱したメタンを噴入させ、メタンを急激に５００〜１０００℃に加熱させて水素と炭素粉末に熱分解させ、熱分解した混合ガスから炭素粉末を取り除いて連続的にＣＯ2 の副生なしに水素を製造するようにした酸水素炎を用いた２本のバーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法とした。
【選択図】図１
Description
本発明は、炭化水素と酸素だけを使って、ＣＯ2 を発生させないで水素を連続的に生産する方法で、２本のバーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法に関するものである。
本発明は、炭化水素（以下、メタンと称する）を水素と炭素に加熱分解し、水素を得るための方法に関するものである。
メタンは無酸素状態で、５００〜１０００℃に加熱すると、
Ｃn Ｈ2n+2 → nＣ＋2nＨ2 に分解するが、これは吸熱反応であり、その上、メタンの加熱と反応炉の熱損失を補うために、操業中は絶えず加熱する必要がある。この加熱のための熱量と生産される水素の熱量の差が、水素側に大きいほど有用なメタンの改質装置となる。
Ｃn Ｈ2n+2 → nＣ＋2nＨ2 に分解するが、これは吸熱反応であり、その上、メタンの加熱と反応炉の熱損失を補うために、操業中は絶えず加熱する必要がある。この加熱のための熱量と生産される水素の熱量の差が、水素側に大きいほど有用なメタンの改質装置となる。
このため、メタンの加熱分解を如何なる方法で行うか、加熱炉の熱損失を如何にして少なくするか、損失熱量の回収と利用ができるか、といった事が重要な技術的課題である。
従来法では、触媒が詰められた管状の炉を外部より加熱し、内部を７００〜１０００℃にした後、メタンを管中に導入し、加熱された触媒にメタンを触媒させ、メタンを分解させて排出口より水素と炭素を取り出すというものである（石油学会誌 40vol. No. 1,2,3 1997) 。
しかし、この方法ではメタンを外部加熱するため、燃料効率が悪く、多量のＬＰＧや電力を使用するので実用化はできなかった。
特開２００２−３１２９０４号公報
石油学会誌 40vol. No. 1,2,3 1997
メタンガスよりＣＯ2 を発生させずに、水素を連続的に生産するための操業中絶えず必要とされる加熱による燃料効率の低さを改善し、熱損失を如何にして少なくするかが課題である。
本発明は、上記の事情に鑑み、メタンよりＣＯ2 を発生させずに、水素を連続的に生産するための操業中絶えず必要とされる加熱による燃料効率の低さを改善し、熱損失を少なくすべく、断熱材で密封した容器の中で、水素と酸素を供給する２極のバーナーを使用して水素と酸素の混合ガスで酸水素炎を作り、前記酸水素炎の中に別のバーナーから２００〜４００℃に予熱したメタンを噴入させ、メタンを急激に５００〜１０００℃に加熱させて水素と炭素粉末に熱分解させ、熱分解した混合ガスから炭素粉末を取り除いて連続的にＣＯ2 の副生なしに水素を製造するようにした酸水素炎を用いた２本のバーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法とした。
本発明は、メタンよりＣＯ2 を発生させないで、水素を連続的に生産するのに、密閉容器の中で酸水素炎を使用して、メタンを直接加熱し熱分解をさせるというものであるが、これは、加熱に酸素と水素を使用することでＣＯ2 の発生がなく、熱分解のための７００℃以上の高熱が期待でき、しかも内部加熱なので抜群の熱効率化が可能となったものである。
このような密閉容器中での酸水素炎による直接熱分解によって、水素を製造するために必要な水素は、製造できる水素の約３分の１程度である。
本発明の装置は、先端にメッシュ状または針線状の金属触媒を配置した酸水素２極バーナーを備え、加熱部をセラミック製などの断熱材で覆い、全体を密閉容器中に納める。
上記酸水素２極バーナーの酸水素炎に、他のメタンバーナーからの排気ガスで予熱した２００〜４００℃のメタンを吹き込むと、メタンは酸水素炎でさらに急速加熱され、５００〜１０００℃になって炭素と水素に分解される。
金属触媒は、反応温度を下げ、熱効率を良くするためのものでニッケルを中心にパラジウム、コバルト、クロム、白金等の合金で、一例としてはパラジウム、コバルト、クロム、白金を１〜５％含むニッケル合金の水素還元体が有効である。
本発明は、断熱材で密封した容器の中で、水素と酸素を供給する２極のバーナーを使用して水素と酸素の混合ガスで酸水素炎を作り、前記酸水素炎の中に別のバーナーから２００〜４００℃に予熱したメタンを噴入させ、メタンを急激に５００〜１０００℃に加熱させて水素と炭素粉末に熱分解させ、熱分解した混合ガスから炭素粉末を取り除いて連続的にＣＯ2 の副生なしに水素を製造するようにした酸水素炎を用いた２本のバーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法であるので、メタンよりＣＯ2 を発生させずに、水素を連続的に生産するために操業中絶えず必要とされる加熱による燃料効率の低さを改善し、熱損失を少なくすることができる。
図１は、本発明のメタンを水素と炭素とに分解する分解炉の縦断面図、図２は、本発明の水素生産装置の全体図である。
本発明は、メタンの加熱方法として、内部加熱方式を採っている。
断熱材１２で厚く覆われたバーナーの先端より、酸水素炎を吹き出させ、この炎の中に別のバーナーの先端より２００〜４００℃に予熱したメタンを吹き込むことによってメタンを分解炉３９の内部で直接加熱し、同時にバーナーの炎の中に設けられた触媒１４の働きもあって、メタンを水素と炭素とに分解するという方法で、熱効率が良いばかりでなく、ＣＯ2 の副生がなく、装置が小型で熱損失が少ないという利点がある。
本発明は、メタンと酸素だけでＣＯ2 の副生なしに水素を経済的に生産するものである。その操作は次の３段階に分かれている。
第１段階：装置全体から空気を排除する操作
第２段階：メタンを水素と酸素よりできる酸水素炎で高熱にしてメタンを水素と炭素 とに分解する操作
第３段階：生成した炭素粉末を水素から除去・精製する操作
本発明の装置を起動させる第１段階は、図２に示す装置全体から空気を排除することである。アルゴンや窒素などの不活性ガスを使用して装置内の空気を排除する。
第２段階：メタンを水素と酸素よりできる酸水素炎で高熱にしてメタンを水素と炭素 とに分解する操作
第３段階：生成した炭素粉末を水素から除去・精製する操作
本発明の装置を起動させる第１段階は、図２に示す装置全体から空気を排除することである。アルゴンや窒素などの不活性ガスを使用して装置内の空気を排除する。
第２段階の操作は、予め、フロート式水素タンク３３に貯蔵された水素を、タンク上部のバルブ３４の操作により、図１の水素投入口３１に送る。一方、酸素投入口２２のバルブ２４とバルブ４３とを徐々に開き、ガス混合室２６で水素と酸素の混合ガスを作り、吹管７を通して吹管先端１９で点火、矢印１０のように酸水素炎を噴出させる。符号５１、符号５２はトラップである。
他方、メタンバーナー３の吹管２の頂部にあるメタン投入口１３よりバルブ３０を経て、矢印１７から矢印１６を経てメタンが送られる。バルブ１８によって熱交換器１５に圧入され、２００〜４００℃に加熱されたメタンは、熱メタンパイプ５を経て、メタンバーナー３の先端部より矢印２７のように矢印１０の酸水素炎の中に吹き込まれ、一瞬のうちに５００〜１０００℃に昇温し、メタンは水素と炭素に分解され、矢印４９のようにサイクロン塔３８に送り込まれる。符号５３はトラップである。
第３段階の操作は、サイクロン塔３８に入ってくるメタンの分解ガスは、サイクロン塔３８で炭素粉末が分離され、サイクロン塔３８内壁のジャケットで冷却され、ポンプ３６で吸引・圧縮して水洗槽３７を通り、バルブ４１を経てポンプ３５にて吸引し、フロート式水素タンク３３に貯蔵される。符号３２は不活性ガス排出用のバルブである。
なお、分解炉３９の金属製外構部１１の内側にはセラミック製断熱材２２が張り付けられ、分解炉３９の高温が保てるようになっている。この金属製外構部１１はサイクロン３８の外壁板２１に取付けられている。
他方、バーナーの過熱を防ぐための水冷式ジャケット２８・２９を備えている。
バーナーを取付けた分解炉３９は、サイクロン塔３８に数個取付けることも可能である。
サイクロン塔３８の冷却用ジャケットの熱は、冷暖房に利用されるが、分解炉３９の排気ガスの高熱、高温の流れを利用して、発電や水蒸気ボイラーとして利用することもできる。なお、図中の符号４０は炭素粉末である。
バルブ２５は、熱交換器１５を使用しない時やその熱メタンバイプ５に炭素が付着するなどした時は開の位置にある。
本発明は、それぞれの段階を経てメタンを分解し、水素を製造するものであるが、それらは連続しており、それぞれの工程の全てを電磁バルブの操作で可能であり、コンピューターによる一元管理が可能である。
本発明は、炭化水素ガスよりＣＯ2 を発生させないで水素を連続的に生産するのに、熱損失を少なくしてメタンを直接過熱して熱分解させるものであり、ＣＯ2 フリーの発電やボイラーにも利用できる。
２２…断熱材（セラミックス製断熱材）
３１…水素投入口
２２…酸素投入口
２６…ガス混合室
１３…メタン投入口
１５…熱交換器
３８…サイクロン塔
４０…炭素粉末
３７…水洗塔
３３…フロート式水素タンク
５１…トラップ
５２…トラップ
５３…トラップ
３１…水素投入口
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Claims (1)
- 断熱材で密封した容器の中で、水素と酸素を供給する２極のバーナーを使用して水素と酸素の混合ガスで酸水素炎を作り、前記酸水素炎の中に別のバーナーから２００〜４００℃に予熱したメタンを噴入させ、メタンを急激に５００〜１０００℃に加熱させて水素と炭素粉末に熱分解させ、熱分解した混合ガスから炭素粉末を取り除いて連続的にＣＯ2 の副生なしに水素を製造するようにした酸水素炎を用いた２本のバーナーを使用した酸水素炎による炭化水素改質法。
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