特許 6207835 シフト反応システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6207835

(24)【登録日】2017年9月15日

(45)【発行日】2017年10月4日

(54)【発明の名称】シフト反応システム

(51)【国際特許分類】

   C01B 3/14 20060101AFI20170925BHJP

   C10K 3/04 20060101ALI20170925BHJP

【ＦＩ】

   C01B3/14

   C10K3/04

【請求項の数】10

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2012-283941(P2012-283941)

(22)【出願日】2012年12月27日

(65)【公開番号】特開2014-125388(P2014-125388A)

(43)【公開日】2014年7月7日

【審査請求日】2015年12月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】特許業務法人 有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】舟橋 公廣

(72)【発明者】

【氏名】青木 芳明

(72)【発明者】

【氏名】三輪 靖雄

(72)【発明者】

【氏名】大畑 祐吾

【審査官】 村岡 一磨

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／００３９７７６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−１０２５３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／００４０５２７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０４４７６６８３（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開平０４−３２５４０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５５−０１０４９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００１−５１０１４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５９−１０２８０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１９１３７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５４−１１７５０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２２４４８４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０１Ｂ ３／００−３／５８

Ｃ１０Ｋ ３／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水性ガスシフト反応が行われるシフト反応器とその反応ガスが流出する反応ガス流路とが直列に複数段連結されて成るシフト反応系統と、
各段の前記反応ガス流路で反応ガスと水とを熱交換させる熱交換器を含み、水から水蒸気を生成する水蒸気生成流路と、
生成された水蒸気を一段目の前記シフト反応器へ供給する水蒸気供給流路と、
一酸化炭素を含む原料ガスを一段目の前記シフト反応器へ供給する原料ガス供給流路とを備えており、
前記水蒸気生成流路に、低圧側と高圧側の２つのスチームドラムと、低圧側スチームドラムから高圧側スチームドラムへ水を送給するポンプとが設けられており、前記２つのスチームドラムが前記熱交換器で加熱された水および水蒸気を互いに異なる温度且つ異なる圧力で貯留している、
シフト反応システム。

【請求項2】

前記シフト反応系統が、一段目シフト反応器と、前記一段目シフト反応器からの一段目の反応ガスが流出する一段目反応ガス流路と、前記一段目反応ガス流路に接続された二段目シフト反応器と、前記二段目シフト反応器からの二段目の反応ガスが流出する二段目反応ガス流路とを含み、
前記熱交換器が、前記一段目の反応ガスと水とを熱交換させる第１の熱交換器と、前記二段目の反応ガスと水とを熱交換させる第２の熱交換器とを含む、
請求項１に記載のシフト反応システム。

【請求項3】

前記シフト反応系統が、一段目シフト反応器と、前記一段目シフト反応器からの一段目の反応ガスが流出する一段目反応ガス流路と、前記一段目反応ガス流路に接続された二段目シフト反応器と、前記二段目シフト反応器からの二段目の反応ガスが流出する二段目反応ガス流路と、前記二段目反応ガス流路に接続された三段目シフト反応器と、前記三段目シフト反応器からの三段目の反応ガスが流出する三段目反応ガス流路とを含み、
前記熱交換器が、前記一段目の反応ガスと水とを熱交換させる第１の熱交換器と、前記二段目の反応ガスと水とを熱交換させる第２の熱交換器と、前記三段目の反応ガスと水とを熱交換させる第３の熱交換器とを含む、
請求項１に記載のシフト反応システム。

【請求項4】

前記水蒸気生成流路に前記スチームドラム内を一部に含む加熱回路が設けられており、前記加熱回路が前記熱交換器のいずれか一つを通っている、請求項１に記載のシフト反応システム。

【請求項5】

前記加熱回路が前記スチームドラムの底部に開口している入口から下向きに流れる流路、前記熱交換器のいずれか一つを通る流路、前記スチームドラムに開口している出口に向けて上向きに流れる流路、および前記スチームドラム内を含む循環路に形成されている、請求項４に記載のシフト反応システム。

【請求項6】

前記スチームドラムの少なくとも１つが、当該スチームドラムの内圧を検出する圧力センサと、前記スチームドラムに接続された排気路と、前記排気路に設けられた排気量調整弁とを備えており、
前記スチームドラムの内圧が所定圧力となるように、前記排気量調整弁により前記圧力センサの検出値に基づいて前記スチームドラムから前記排気路を通じて排出される水蒸気の流量が調整されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のシフト反応システム。

【請求項7】

前記排気路が、前記スチームドラムから排気された水蒸気を系内へ戻すように形成されている、請求項６に記載のシフト反応システム。

【請求項8】

前記反応ガス流路の少なくとも１つが、当該反応ガス流路から後段の前記シフト反応器へ流入する反応ガスの温度を検出する温度センサと、前記反応ガス流路と接続されており当該反応ガス流路が通る前記熱交換器をバイパスするバイパス路と、前記バイパス路に設けられた流量調整弁とを備えており、
前記反応ガス流路から後段の前記シフト反応器へ流入する反応ガスの温度が所定のシフト反応温度となるように、前記流量調整弁により前記熱交換器を通る反応ガスの流量が調整されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載のシフト反応システム。

【請求項9】

一段目の前記反応ガス流路を流れるガスと前記原料ガス供給流路を流れる原料ガスを熱交換させる予熱器を備えている、請求項１〜８のいずれか一項に記載のシフト反応システム。

【請求項10】

水性ガスシフト反応が行われるシフト反応器とその反応ガスが流出する反応ガス流路とが直列に複数段連結されて成るシフト反応系統と、
各段の前記反応ガス流路で反応ガスと水とを熱交換させる熱交換器を含み、水から水蒸気を生成する水蒸気生成流路と、
生成された水蒸気を一段目の前記シフト反応器へ供給する水蒸気供給流路と、
一酸化炭素を含む原料ガスを一段目の前記シフト反応器へ供給する原料ガス供給流路とを備えており、
前記水蒸気供給流路にノックアウトドラムが設けられている、
シフト反応システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一酸化炭素（ＣＯ）と水蒸気（Ｈ_２Ｏ）から二酸化炭素（ＣＯ_２）と水素（Ｈ_２）を生成する水性ガスシフト反応（以下、単にシフト反応という）を行うシフト反応システムに関する。詳細には、シフト反応システムにおいて、シフト反応に必要な水蒸気を生成するための技術に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、石炭ガス化ガスから水素を製造するプロセスが知られている。このプロセスは、高温高圧のガス化炉で石炭系の燃料をガス化し、生成した石炭ガス化ガス中の一酸化炭素と水蒸気をシフト反応器でシフト反応させ、生成した二酸化炭素と水素の混合ガスから二酸化炭素を分離して水素を回収するものである。このプロセスでは、生成するガス中の水素濃度を高めるためにシフト反応を利用している。なお、シフト反応は次式に示す発熱反応である。

【0003】

（シフト反応式） ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ←→ＣＯ_２＋Ｈ_２＋Ｑkcal

【0004】

上記プロセスを利用した設備として、例えば、特許文献１に記載された石炭ガス化発電プラントがある。この石炭ガス化発電プラントでは、石炭ガス化炉とシフト反応器に加えて、ガスタービン、排熱回収ボイラ、および発電機が接続された蒸気タービンを備えている。このガスタービンでは、回収された高濃度の水素ガスを燃料として利用している。排熱回収ボイラでは、ガスタービンの排熱を回収して水蒸気を生成している。蒸気タービンでは、排熱回収ボイラで生成した水蒸気でタービンを回して発電機を駆動している。

【0005】

特許文献１に記載された石炭ガス化発電プラントでは、排熱回収ボイラで生成した水蒸気がシフト反応器へ供給されている。シフト反応器ではシフト反応に十分な水蒸気が必要であるが、シフト反応器へ供給する水蒸気量を多くすると蒸気タービンの出力が上がらず発電効率が低下するという課題がある。

【0006】

また、特許文献２に記載された石炭ガス化発電プラントは、特許文献１に記載されたものと同様の石炭ガス化発電プラントにおいて、複数段直列に連結したシフト変換部を備えている。各シフト変換部は、石炭ガス化ガスに水蒸気を供給する水蒸気供給手段、石炭ガス化ガスに水蒸気を供給した後で水スプレーを混合させる混合器、およびシフト反応器を備えている。この石炭ガス化発電プラントでは、石炭ガス化ガスに水スプレーを混合させることにより水蒸気供給手段つまり排熱回収ボイラからシフト反応器へ供給する水蒸気量を減らして、発電効率を向上させようとしている。

【0007】

ところで、シフト反応を利用した設備として、例えば、特許文献３に記載された燃料電池用燃料ガスの生成システムがある。この燃料電池用燃料ガスの生成システムでは、原料である炭化水素化合物を部分酸化部で部分酸化し、生成したガスをシフト部で水蒸気改質反応させることにより水素と二酸化炭素を発生させ、発生した水素を分離部で分離回収し、回収した水素を燃料ガスとして燃料電池へ送っている。この燃料電池用燃料ガスの生成システムでは、シフト部で利用する水蒸気を、部分酸化部から排出される生成ガスと水との熱交換によって生成している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００４−３３１７０１号公報

【特許文献2】特開２０１２−１３１８７３号公報

【特許文献3】特開２００１−２２３０１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

シフト反応には多量の高温高圧の水蒸気が必要である。しかし、この水蒸気の生成には多くの熱量が必要であり、これがシフト反応を含むプロセスの燃料費を増大させている。そこで、特許文献１−３に記載されたいずれの技術でも、排熱を有効利用して水蒸気を生成している。しかし、特許文献１，２の石炭ガス化発電プラントでは、排熱回収ボイラで生成した水蒸気をシフト反応に利用するため、発電効率が低下するという課題がある。また、特許文献３では、部分酸化反応で発生する熱量に変動が生じた場合に、その影響を受けて生成する水蒸気の温度や量に変動が生じ、水蒸気の安定供給が困難となる。特に、部分酸化反応で発生する熱量が非常に少ない場合には、水蒸気ではなく温水がシフト部へ流入することとなる。これは、ウォーターハンマー現象等の後段設備でのトラブルが発生する原因となりうる。

【0010】

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、シフト反応を行うシフト反応システムにおいて、シフト反応に必要な水蒸気を生成するために外部から導入する熱量を低減することを目的とする。ひいては、シフト反応を含むプロセスの燃料費を削減することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の一態様に係るシフト反応システムは、
水性ガスシフト反応が行われるシフト反応器とその反応ガスが流出する反応ガス流路とが直列に複数段連結されて成るシフト反応系統と、
各段の前記反応ガス流路で反応ガスと水とを熱交換させる熱交換器を含み、水から水蒸気を生成する水蒸気生成流路と、
生成された水蒸気を一段目の前記シフト反応器へ供給する水蒸気供給流路と、
一酸化炭素を含む原料ガスを一段目の前記シフト反応器へ供給する原料ガス供給流路とを備えており、
前記水蒸気生成流路に、低圧側と高圧側の２つのスチームドラムと、低圧側スチームドラムから高圧側スチームドラムへ水を送給するポンプとが設けられており、前記２つのスチームドラムが前記熱交換器で加熱された水および水蒸気を互いに異なる温度且つ異なる圧力で貯留しているものである。

【0012】

前記シフト反応システムは、例えば、前記シフト反応系統が、一段目シフト反応器と、前記一段目シフト反応器からの一段目の反応ガスが流出する一段目反応ガス流路と、前記一段目反応ガス流路に接続された二段目シフト反応器と、前記二段目シフト反応器からの二段目の反応ガスが流出する二段目反応ガス流路とを含み、前記熱交換器が、前記一段目の反応ガスと水とを熱交換させる第１の熱交換器と、前記二段目の反応ガスと水とを熱交換させる第２の熱交換器とを含むものとできる。

【0013】

また、前記シフト反応システムは、例えば、前記シフト反応系統が、一段目シフト反応器と、前記一段目シフト反応器からの一段目の反応ガスが流出する一段目反応ガス流路と、前記一段目反応ガス流路に接続された二段目シフト反応器と、前記二段目シフト反応器からの二段目の反応ガスが流出する二段目反応ガス流路と、前記二段目反応ガス流路に接続された三段目シフト反応器と、前記三段目シフト反応器からの三段目の反応ガスが流出する三段目反応ガス流路とを含み、前記熱交換器が、前記一段目の反応ガスと水とを熱交換させる第１の熱交換器と、前記二段目の反応ガスと水とを熱交換させる第２の熱交換器と、前記三段目の反応ガスと水とを熱交換させる第３の熱交換器とを含むものである。

【0014】

上記シフト反応システムによれば、水蒸気生成流路を流れる水と反応ガス流路を流れる反応ガスとが熱交換することにより、水が加熱され、反応ガスが冷却される。加熱された水は水蒸気となって水蒸気供給流路へ供給される。このように、シフト反応システムでは、シフト反応で発生する熱を利用してシフト反応で利用する水蒸気を生成することができる。換言すれば、シフト反応のために必要な熱量をシフト反応で発生する熱量で賄ったり補ったりすることが可能となる。これにより、シフト反応システムが外部から導入する熱量を低減することができ、シフト反応システムの燃料費を削減することができる。また、反応ガスが冷却されるので、反応に好適な温度の反応ガスを後段のシフト反応器に導入することができる。なお、シフト反応では、反応温度が低いほど水素転換率が高くなる。

【0016】

上記構成によれば、スチームドラムに水と生成された水蒸気が一旦貯まることによって、シフト反応器へ供給される水蒸気の圧力と温度の変動を緩和することができる。

【0018】

上記構成によれば、低圧側と高圧側の２段のスチームドラムが設けられることによって、水蒸気をより確実に目標の温度と圧力に調製することができる。

【0019】

本発明は上記シフト反応システムにおいて、前記水蒸気生成流路に前記スチームドラム内を一部に含む加熱回路が設けられており、前記加熱回路が前記熱交換器のいずれか一つを通っているものである。

【0020】

上記構成によれば、スチームドラム内の水が加熱回路を流れるうちに加熱されて水蒸気となり、水蒸気がスチームドラムに貯留される。

【0021】

上記において、前記加熱回路が前記スチームドラムの底部に開口している入口から下向きに流れる流路、前記熱交換器のいずれか一つを通る流路、前記スチームドラムに開口している出口に向けて上向きに流れる流路、および前記スチームドラム内を含む循環路に形成されていることがよい。

【0022】

上記構成によれば、自重により加熱回路の入口へ流入した水は、熱交換器で水蒸気となって流路を上昇してスチームドラムに還流する。このように、加熱回路では水の循環のためにポンプ等の動力を必要としない。よって、ポンプ等の設備費やその運転に係るエネルギーや費用を削減することができる。

【0023】

本発明は上記シフト反応システムにおいて、前記スチームドラムの少なくとも１つが、当該スチームドラムの内圧を検出する圧力センサと、前記スチームドラムに接続された排気路と、前記排気路に設けられた排気量調整弁とを備えており、前記スチームドラムの内圧が所定圧力となるように、前記排気量調整弁により前記圧力センサの検出値に基づいて前記スチームドラムから前記排気路を通じて排出される水蒸気の流量が調整されているものである。

【0024】

上記構成によれば、シフト反応で発生する熱量が変動した場合であっても、スチームドラム内の水蒸気の圧力と温度を一定に保持することが可能となる。よって、シフト反応で発生する熱量が変動した場合であっても、シフト反応器へ供給する水蒸気の温度条件および圧力条件を一定に保持することができる。これにより、シフト反応を安定させることができる。

【0025】

上記において、前記排気路が、前記スチームドラムから排気された水蒸気を系内へ戻すように形成されていることが望ましい。このように過剰の水蒸気を系内へ戻すことにより、外部へ排出される熱エネルギーを低減し、熱エネルギーを有効に利用することができる。

【0026】

本発明は上記シフト反応システムにおいて、前記反応ガス流路の少なくとも１つが、当該反応ガス流路から後段の前記シフト反応器へ流入する反応ガスの温度を検出する温度センサと、前記反応ガス流路と接続されており当該反応ガス流路が通る前記熱交換器をバイパスするバイパス路と、前記バイパス路に設けられた流量調整弁とを備えており、前記反応ガス流路から後段の前記シフト反応器へ流入する反応ガスの温度が所定のシフト反応温度となるように、前記流量調整弁により前記熱交換器を通る反応ガスの流量が調整されているものである。

【0027】

上記構成によれば、シフト反応器に流入する反応ガスの温度を所定のシフト反応温度とすることができ、シフト反応を効率的且つ経済的に行うことができる。

【0028】

本発明は上記シフト反応システムにおいて、一段目の前記反応ガス流路を流れるガスと前記原料ガス供給流路を流れる原料ガスを熱交換させる予熱器を備えているものである。

【0029】

上記構成によれば、反応ガス流路を流れる反応ガスと原料ガス供給流路を流れる原料ガスとが熱交換することにより、反応ガスが冷却され、原料ガスが加熱される。原料ガスは加熱されることにより、シフト反応により好適な温度となってシフト反応器へ供給される。このように、シフト反応システムでは、シフト反応で発生する熱を利用してシフト反応で利用する原料ガスを予熱することができる。換言すれば、シフト反応のために必要な熱量をシフト反応で発生する熱量で賄ったり補ったりすることが可能となる。これにより、シフト反応システムが外部から導入する熱量を低減することができ、シフト反応システムの燃料費を削減することができる。

【0030】

本発明の別態様に係るシフト反応システムは、
水性ガスシフト反応が行われるシフト反応器とその反応ガスが流出する反応ガス流路とが直列に複数段連結されて成るシフト反応系統と、
各段の前記反応ガス流路で反応ガスと水とを熱交換させる熱交換器を含み、水から水蒸気を生成する水蒸気生成流路と、
生成された水蒸気を一段目の前記シフト反応器へ供給する水蒸気供給流路と、
一酸化炭素を含む原料ガスを一段目の前記シフト反応器へ供給する原料ガス供給流路とを備えており、前記水蒸気供給流路にノックアウトドラムが設けられているものである。

【0031】

上記構成によれば、シフト反応器へ供給される水蒸気から液相が分離される。これによりシフト反応器へ流入する水蒸気は気相のみであり、シフト反応器への水分の流入、ウォーターハンマー現象等の後段設備でのトラブルを防止することができる。

【発明の効果】

【0032】

本発明によれば、シフト反応器から流出する反応ガスと水とが熱交換することによって、反応ガスを冷却するとともに、水を加熱して水蒸気を生成することができる。つまり、シフト反応で発生する熱をシフト反応で必要な水素の製造のために利用することができる。この結果、シフト反応に必要な水蒸気を生成するために外部から導入する熱量を低減し、シフト反応を含むプロセスの燃料費を削減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】本発明の実施形態に係る水素製造プロセスフロー図である。

【図2】本発明の実施形態に係るシフト反応システムのプロセスフロー図である。

【図3】シフト反応のエネルギー収支を説明するブロック図である。

【図4】水蒸気生成のエネルギー収支を説明するブロック図である。

【図5】変形例１に係るシフト反応システムのプロセスフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0034】

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。まず、本発明の一実施形態に係るシフト反応システムを含む水素製造プロセスプラントから説明する。

【0035】

〔水素製造プロセスプラント１０〕
図１は本発明の実施形態に係る水素製造プロセスフロー図である。図１に示すように、水素製造プロセスプラント１０は、ガス化炉１１と、シフト反応システム１２と、Ｈ_２Ｓ／ＣＯ_２分離回収装置１３とを備えている。

【0036】

ガス化炉１１は、石炭系固形燃料をガス化するものである。ガス化炉１１には、原料である石炭（Ｃ，Ｈ，Ｎ，Ｏ，Ｓ）と酸素（Ｏ_２）とが投入され、これらが高温高圧下で部分酸化や熱分解されることにより、石炭ガス化ガスが生成される。石炭ガス化ガスには、水素（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ_４）等が含まれている。

【0037】

ガス化炉１１で生成した石炭ガス化ガスは、シフト反応システム１２へ供給される。シフト反応システム１２では、外部から供給された高圧水を利用して石炭ガス化ガスをシフト反応させることにより、生成ガス中の水素量を高める。このシフト反応システム１２については後ほど詳細に説明する。

【0038】

シフト反応システム１２から排出されるガスには、高濃度の水素、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）などが含まれている。シフト反応システム１２から排出されたガスはＨ_２Ｓ／ＣＯ_２分離回収装置１３に導入されて、硫化水素と二酸化炭素が分離回収される。その結果、高濃度となった水素を回収することができる。回収された高濃度の水素は、例えば、ガスタービンやガスエンジンの燃料として利用したり、アンモニア製造に利用したりすることができる。

【0039】

〔シフト反応システム１２〕
続いて、シフト反応システム１２について図２を参照しながら詳細に説明する。図２は本発明の実施形態に係るシフト反応システムのプロセスフロー図である。

【0040】

＜シフト反応システム１２の構成＞
シフト反応システム１２は、シフト反応系統と、原料ガス供給系統と、水蒸気生成系統と、水蒸気供給系統の４つの流体流路系統を備えている。以下では、各流体流路系統に分けてその構成を詳細に説明する。

【0041】

（シフト反応系統）
シフト反応系統は、水性ガスシフト反応が行われるシフト反応器とその反応ガスが流出する反応ガス流路とが直列に多段連結されて成る。本実施の形態に係るシフト反応系統は、配管等により直列に接続された３つのシフト反応器２１，２２，２３を備えている。各シフト反応器２１，２２，２３は入口と出口を有し、内部にシフト反応触媒を備えた反応容器として構成されている。一段目シフト反応器２１の出口は、第１反応ガス流路２４により二段目シフト反応器２２と接続されている。第１反応ガス流路２４には第１熱交換器６１と予熱器４１との２つの熱交換器が設けられている。これらの熱交換器６１，４１はいずれも一段目シフト反応器２１からの排熱を利用するものである。なお、第１反応ガス流路２４において第１熱交換器６１が上流側、予熱器４１が下流側に配置されている。二段目シフト反応器２２の出口は、第２反応ガス流路２５により三段目シフト反応器２３の入口と接続されている。第２反応ガス流路２５には第２熱交換器６２が設けられている。第２熱交換器６２は二段目シフト反応器２２からの排熱を利用するものである。三段目シフト反応器２３の出口は、第３反応ガス流路２６と接続されている。第３反応ガス流路２６はシフト反応システム１２から反応ガスを排出して次工程へ送る流路である。本実施の形態では、第３反応ガス流路２６がＨ_２Ｓ／ＣＯ_２分離回収装置１３と直接的または間接的に接続されている。第１反応ガス流路２４、第２反応ガス流路２５および第３反応ガス流路２６の各々は１以上の配管で形成されている。

【0042】

第１反応ガス流路２４には、第１熱交換器６１をバイパスする第１バイパス路６５の両端が接続されている。第１バイパス路６５には、流量調整弁６６が設けられている。第１反応ガス流路２４の予熱器４１よりも下流側であって二段目シフト反応器２２の入口近傍には、第１反応ガス流路２４を流れる一段目反応ガスの温度を検出する温度センサ６７が設けられている。そして、二段目シフト反応器２２に流入する一段目反応ガスの温度が所定のシフト反応温度となるように、温度センサ６７で検出される一段目反応ガスの温度に基づき、流量調整弁６６により第１熱交換器６１を流れる一段目反応ガスの流量（第１バイパス路６５へ逃がす一段目反応ガスの流量）が調整されている。具体的には、温度センサ６７で検出される一段目反応ガスの温度がシフト反応温度より高ければ第１熱交換器６１を通る一段目反応ガスの流量を大きく、逆に温度センサ６７で検出される一段目反応ガスの温度がシフト反応温度よりも低ければ第１熱交換器６１を通る一段目反応ガスの流量を小さくするように流量調整弁６６が動作する。ここで「シフト反応温度」とは、シフト反応器２１，２２，２３へ流入するガスの好適な温度をいう。シフト反応では、反応温度が低いほど水素転換率が高くなるが、反応速度は反応温度が低くなるにしたがって急速に低下する。反応速度を高く維持しながら反応に必要な触媒量を経済的な量に抑えるために、シフト反応温度は２５０℃以上３５０℃以下の範囲に含まれる好適な値に設定される。本実施の形態では、シフト反応温度は２５５℃に設定している。

【0043】

第２反応ガス流路２５には、第２熱交換器６２をバイパスする第２バイパス路７１の両端が接続されている。第２バイパス路７１には、流量調整弁７２が設けられている。第２反応ガス流路２５の第２熱交換器６２よりも下流側には、三段目シフト反応器２３へ流入する二段目反応ガスの温度を検出する温度センサ７３が設けられている。そして、三段目シフト反応器２３に流入する二段目反応ガスがシフト反応温度となるように、温度センサ７３で検出される二段目反応ガスの温度に基づいて、流量調整弁７２により第２熱交換器６２を流れる二段目反応ガス流量（第２バイパス路７１へ逃がす二段目反応ガスの流量）が調整されている。具体的には、温度センサ７３で検出される二段目反応ガスの温度がシフト反応温度より高ければ第２熱交換器６２を通る二段目反応ガスの流量を大きく、逆に温度センサ７３で検出される二段目反応ガスの温度がシフト反応温度よりも低ければ第２熱交換器６２を通る二段目反応ガスの流量を小さくするように流量調整弁７２が動作する。

【0044】

（原料ガス供給系統）
原料ガス供給系統は、一酸化炭素を含む石炭ガス化ガス（原料ガス）を一段目シフト反応器２１へ供給する原料ガス供給流路２７を備えている。原料ガス供給流路２７は１以上の配管で形成されており、ここをガス化炉１１から供給される石炭ガス化ガスが流れる。原料ガス供給流路２７は混合流路２８と接続されており、混合流路２８は一段目シフト反応器２１の入口と接続されている。原料ガス供給流路２７を送られてきた石炭ガス化ガスは、混合流路２８の入口で水蒸気供給流路５２から送られてきた水蒸気と混合してから、一段目シフト反応器２１へ流入する。

【0045】

原料ガス供給流路２７は予熱器４１を経由している。予熱器４１では一段目シフト反応器２１から排出された一段目反応ガスと石炭ガス化ガスが熱交換することにより、一段目反応ガスが冷却されるとともに石炭ガス化ガスが予熱される。

【0046】

第１反応ガス流路２４には、予熱器４１をバイパスする予熱器バイパス路６８の両端が接続されている。予熱器バイパス路６８には流量調整弁６９が設けられている。混合流路２８には、一段目シフト反応器２１へ流入する石炭ガス化ガスと水蒸気の混合ガスの温度を検出する温度センサ７０が設けられている。そして、一段目シフト反応器２１へ流入する石炭ガス化ガスの温度がシフト反応温度となるように、温度センサ７０で検出される混合ガスの温度に基づいて、流量調整弁６９により予熱器４１を流れる一段目反応ガスの流量（予熱器バイパス路６８へ逃がす一段目反応ガスの流量）が調整される。具体的には、温度センサ７０で検出される混合ガスの温度がシフト反応温度より高ければ予熱器４１を通る一段目反応ガスの流量を小さく、逆に温度センサ７３で検出される混合ガスの温度がシフト反応温度よりも低ければ予熱器４１を通る一段目反応ガスの流量を大きくするように流量調整弁６９が動作する。

【0047】

（水蒸気生成系統）
水蒸気生成系統は、水蒸気を水から生成して後述する水蒸気供給流路５２へ供給する水蒸気生成流路２９を備えている。水蒸気生成流路２９は、各段の反応ガス流路２４，２５，２６で反応ガスと水とを熱交換させる熱交換器６１，６２，６３を含んでいる。そして、水蒸気生成流路２９では、外部の高圧水供給源３０から供給された高圧水を各段の反応ガスと熱交換させることにより加熱して、水蒸気を生成する。水蒸気生成流路２９は、高圧水供給路３３、低圧側スチームドラム３２、低圧側加熱回路３４、送液路３８、ポンプ３９、高圧側スチームドラム３１、高圧側加熱回路４３および熱交換器６１，６２，６３等により構成されている。水蒸気生成系統では、高圧側スチームドラム３１と低圧側スチームドラム３２の２つのスチームドラムを設け、系統内で２種類の温度と圧力の水蒸気を生成している。そして、高圧側スチームドラム３１と低圧側スチームドラム３２の熱源には、異なるシフト反応器で発生する２種類の温度域の反応熱を利用している。

【0048】

高圧水供給源３０は、１以上の配管で形成された高圧水供給路３３によって低圧側スチームドラム３２と接続されている。高圧水供給路３３には、導水量調整弁８３が設けられている。低圧側スチームドラム３２には、低圧側スチームドラム３２内の水位を検出する液レベルセンサ８４が設けられている。そして、液レベルセンサ８４の検出値に基づいて、導水量調整弁８３により高圧水供給路３３を通じて高圧水供給源３０から低圧側スチームドラム３２への高圧水の供給量が調整される。このようにして低圧側スチームドラム３２の水位は一定に保たれる。

【0049】

高圧水供給路３３は第３熱交換器６３を経由している。この第３熱交換器６３では、高圧水供給路３３を流れる高圧水と、三段目シフト反応器２３から第３反応ガス流路２６へ流出した三段目反応ガスとが熱交換する。これにより、三段目反応ガスが冷却されるとともに高圧水が加熱される。

【0050】

低圧側加熱回路３４は、低圧側スチームドラム３２内の温水を加熱する回路であって、低圧側スチームドラム３２内をその一部に含んでいる。低圧側加熱回路３４は、低圧側スチームドラム３２の底部に開口している入口から下向きに流れる流路、第２熱交換器６２を通る流路、低圧側スチームドラム３２に開口している出口に向けて上向きに流れる流路、および低圧側スチームドラム３２内を含んで形成されている。低圧側加熱回路３４は、流れが下向きから上向きに切り替わる部分またはその近傍で第２熱交換器６２を通っている。第２熱交換器６２では、低圧側加熱回路３４を流れる温水と二段目シフト反応器２２から第２反応ガス流路２５へ流出した二段目反応ガスとが熱交換する。このように第２熱交換器６２で加熱された温水および水蒸気が低圧側スチームドラム３２に貯留されている。

【0051】

低圧側スチームドラム３２の上部には、１以上の配管で構成された排気路３５が接続されている。排気路３５には排気量調整弁３６が設けられており、低圧側スチームドラム３２には内部の圧力を検出する圧力センサ３７が設けられている。そして、低圧側スチームドラム３２の内圧が所定圧力（本実施の形態では３ＭＰａ）となるように、圧力センサ３７の検出値に基づいて、排気量調整弁３６により低圧側スチームドラム３２から排気路３５を通じて排出される水蒸気の流量が調整されている。このようにして、低圧側スチームドラム３２内の圧力が一定に保たれる。なお、低圧側スチームドラム３２から排気路３５を通じて排出された水蒸気は、外部で利用することができる。

【0052】

低圧側スチームドラム３２と高圧側スチームドラム３１は、送液路３８で接続されている。送液路３８には、水を送給するポンプ３９が設けられている。ポンプ３９が作動することにより、低圧側スチームドラム３２内の温水が送液路３８を通じて高圧側スチームドラム３１へ送られる。

【0053】

送液路３８に流量調整弁４０が設けられており、高圧側スチームドラム３１に液レベルセンサ４２が設けられている。そして、流量調整弁４０は、液レベルセンサ４２で検出された高圧側スチームドラム３１の液面高さに基づいて低圧側スチームドラム３２から高圧側スチームドラム３１へ流れる温水の流量を調整する。このようにして各スチームドラム３１，３２間の水量調整を、送液路３８に設けられたポンプ３９と流量調整弁４０で行っている。

【0054】

高圧側加熱回路４３は、高圧側スチームドラム３１内の温水を加熱する回路であって、高圧側スチームドラム３１内をその一部に含んでいる。高圧側加熱回路４３は、高圧側スチームドラム３１の底部に開口している入口から下向きに流れる流路、第１熱交換器６１を通る流路、高圧側加熱回路４３に開口している出口に向けて上向きに流れる流路、および高圧側加熱回路４３内を含んで形成されている。高圧側加熱回路４３は、流れが下向きから上向きに切り替わる部分またはその近傍で第１熱交換器６１を通っている。第１熱交換器６１では、高圧側加熱回路４３を流れる温水と一段目シフト反応器２１から第１反応ガス流路２４へ排出された一段目反応ガスとが熱交換する。このようにして、高圧側スチームドラム３１は第１熱交換器６１で加熱された温水および水蒸気を貯留している。

【0055】

（水蒸気供給系統）
水蒸気供給系統は、水蒸気生成系統で生成された水蒸気を一段目シフト反応器２１へ供給する水蒸気供給流路５２を備えている。１以上の配管から成る水蒸気供給流路５２は、高圧側スチームドラム３１と混合流路２８を接続している。高圧側スチームドラム３１の水蒸気は、水蒸気供給流路５２を通じて混合流路２８へ流入し、混合流路２８で原料ガス供給流路２７から送られてきた石炭ガス化ガスと混合してから一段目シフト反応器２１へ流入する。

【0056】

水蒸気供給流路５２に流量調整弁５４が設けられており、高圧側スチームドラム３１に内部の圧力を検出する圧力センサ５５が設けられている。そして、高圧側スチームドラム３１の内圧が所定圧力（本実施の形態では５ＭＰａ）となるように、圧力センサ５５の検出値に基づいて、流量調整弁５４により高圧側スチームドラム３１から水蒸気供給流路５２を通じて排出される水蒸気の流量が調整されている。このようにして、高圧側スチームドラム３１内の圧力が一定に保たれる。

【0057】

また、水蒸気供給流路５２に排気路８１が設けられている。排気路８１には排気量調整弁８２が設けられている。生成された水蒸気量が一段目シフト反応器２１へ供給すべき水蒸気量を大きく上回った場合、つまり、高圧側スチームドラム３１内が過圧となる場合には、圧力センサ５５の検出値に基づいて水蒸気供給流路５２の水蒸気が排気路８１より排出される。排気路８１は、系外へ水蒸気を送るように形成されていてもよいが、系内、例えば、低圧側スチームドラム３２へ水蒸気を送るように形成されていることが望ましい。このように過剰の水蒸気を系内へ戻すことにより、外部へ排出される熱エネルギーを低減し、熱エネルギーを有効に利用することができる。上述のように、高圧側スチームドラム３１と低圧側スチームドラム３２では、各々に圧力センサ３７，５５と排気量調整弁３６，８２と流量調整弁５４とを備えて、それぞれの圧力を一定に保持している。したがって、例えば、シフト反応で発生する熱量が変動した場合であっても、スチームドラム３１，３２内の水蒸気の圧力と温度を一定に保持することが可能となる。よって、シフト反応で発生する熱量が変動した場合であっても、シフト反応器へ供給する水蒸気の温度条件および圧力条件を一定に保持することができ、シフト反応を安定させることができる。

【0058】

水蒸気供給流路５２には、流量調整弁５４よりも下流側にノックアウトドラム５３が設けられている。ノックアウトドラム５３では、高圧側スチームドラム３１から水蒸気供給流路５２へ流入した水蒸気から液体が分離される。よって、水蒸気供給流路５２のノックアウトドラム５３よりも下流側では完全に気相の水蒸気のみが流れる。これにより一段目シフト反応器２１へ液体が流入することや、ウォーターハンマー現象等の後段設備でのトラブルが発生したりすることを防止できる。

【0059】

また、水蒸気供給流路５２には、ノックアウトドラム５３よりも下流側に流量調整弁５６が設けられている。この流量調整弁５６で、水蒸気供給流路５２を通じて混合流路２８へ送られる水蒸気が減圧される。

【0060】

さらに、水蒸気供給流路５２には、補助水蒸気供給路５７が接続されている。補助水蒸気供給路５７には、外部のボイラ設備（図示せず）から水蒸気が供給される。そして、低負荷時などのシフト反応器２１からの排熱が水蒸気の生成に不十分なときに、補助水蒸気供給路５７を通じて外部から水蒸気供給流路５２へ補助的に水蒸気が供給される。

【0061】

＜シフト反応システム１２の動作＞
続いて、上記構成のシフト反応システム１２のシフト反応およびこれに関連するプロセスについて説明する。以下では、設定されたシフト反応温度を約２５５℃とし、高圧側圧力を約５ＭＰａとし、低圧側圧力を約３ＭＰａとしているが、本発明はこれらの数値に限定されるものではない。また、説明中例示される反応ガス、水蒸気および石炭ガス化ガスの温度および圧力は各ガスの温度状況を平易に説明するための参考数値であって、実際は設備ごとの最適な数値となる。よって、これらについても例示された数値に限定されるものではない。

【0062】

シフト反応のプロセスをシフト反応のエネルギー収支と併せて説明する。図３はシフト反応のエネルギー収支を説明するブロック図である。図３では、シフト反応に関する流体（石炭ガス化ガス、水蒸気、これらの混合ガス、および反応ガス）の温度Ｔ［℃］と圧力Ｐ［ＭＰａ］と量Ｍ［Ｋｍｏｌ／ｈｒ］とエンタルピーＥ［ＧＪ／ｈｒ］が四角内に示されており、これらが変化する様子が矢印の流れによって示されている。

【0063】

図２および３に示すように、一段目シフト反応器２１には、約２５７℃で約３．８ＭＰａの水蒸気と石炭ガス化ガスとの混合ガスが流入する。一段目シフト反応器２１では、石炭ガス化ガス中のおよそ８０％の一酸化炭素がシフト反応に利用される。よって、一段目シフト反応器２１から流出する一段目反応ガスは、一段目シフト反応器２１へ流入した混合ガスと比較して一酸化炭素の割合が減少し、二酸化炭素と水素の割合が増加している。

【0064】

シフト反応は発熱反応であり、一段目シフト反応器２１から流出する一段目反応ガスの温度は約４４０℃である。この一段目反応ガスの熱、つまり、一段目シフト反応器２１の排熱は、第１熱交換器６１と予熱器４１を通じてそれぞれ水蒸気生成と石炭ガス化ガス予熱のために利用される。第１熱交換器６１では一段目反応ガスが約４４０℃から約２９３℃まで冷却され、高圧側加熱回路４３を流れる温水が加熱される。また、予熱器４１では、一段目反応ガスが約２９３℃から約２５５℃まで冷却され、石炭ガス化ガスが約２１５℃から約２６０℃まで加熱される。このようにして、一段目反応ガスは約２５５℃まで冷却された状態で二段目シフト反応器２２へ流入する。

【0065】

二段目シフト反応器２２では、触媒の作用により一段目反応ガス中の一酸化炭素と水蒸気がシフト反応を起こし、水素と二酸化炭素を生成する。二段目シフト反応器２２では元の石炭ガス化ガス中のおよそ１０％の一酸化炭素がシフト反応に利用される。二段目シフト反応器２２から流出する二段目反応ガスの温度は約２７７℃である。この二段目反応ガスの熱、つまり、二段目シフト反応器２２の排熱は、第２熱交換器６２を通じて水蒸気生成のために利用される。第２熱交換器６２では、二段目反応ガスが約２７７℃から２５５℃まで冷却され、低圧側加熱回路３４を流れる温水が加熱される。このようにして、二段目反応ガスは２５５℃まで冷却された状態で三段目シフト反応器２３へ流入する。

【0066】

三段目シフト反応器２３では、触媒の作用により二段目反応ガス中の一酸化炭素と水蒸気がシフト反応を起こし、水素と二酸化炭素を生成する。三段目シフト反応器２３では元の石炭ガス化ガス中のおよそ５％の一酸化炭素がシフト反応に利用される。三段目シフト反応器２３から流出する三段目反応ガスの温度は約２５７℃である。この三段目反応ガスの熱、つまり、三段目シフト反応器２３の排熱は、第３熱交換器６３を通じて水蒸気生成のために利用される。第３熱交換器６３では、三段目反応ガスが約２５７℃から２０５℃まで冷却され、高圧水供給路３３を流れる高圧水が加熱される。このようにして、三段目反応ガスは２０５℃まで冷却された状態で系から排出される。

【0067】

次に、水蒸気生成のプロセスを説明する。高圧水供給路３３を通る高圧水は第３熱交換器６３で２２０℃まで加熱されて、低圧側スチームドラム３２へ流入する。低圧側スチームドラム３２内の温水は、自重により低圧側加熱回路３４へ流入し、第２熱交換器６２で加熱されてその一部が水蒸気となり、低圧側加熱回路３４の第２熱交換器６２よりも下流側を上昇して低圧側スチームドラム３２へ戻る。

【0068】

低圧側スチームドラム３２は、下部に温水が溜まり、上部に３ＭＰａの水蒸気が溜まった状態となっている。低圧側スチームドラム３２の温水は、ポンプ３９で５ＭＰａまで昇圧されて送液路３８を通じて高圧側スチームドラム３１へ送られる。高圧側スチームドラム３１の温水は、自重により高圧側加熱回路４３へ流入し、第１熱交換器６１で加熱されてその一部が水蒸気となり、高圧側加熱回路４３の第１熱交換器６１よりも下流側を上昇して高圧側スチームドラム３１へ戻る。このように、高圧側加熱回路４３および低圧側加熱回路３４では温水の循環のためにポンプ等の動力を必要としない、自然循環方式が採用されている。よって、ポンプ等の設備費やその運転に係るエネルギーや費用を削減することができる。

【0069】

続いて、水蒸気供給と水蒸気生成のプロセスを、水蒸気生成のエネルギー収支と併せて説明する。図４は水蒸気生成のエネルギー収支を説明するブロック図である。図４では、水蒸気生成に関する流体（水、水蒸気）の温度Ｔ［℃］と圧力Ｐ［ＭＰａ］と量Ｍ［Ｋｍｏｌ／ｈｒ］とエンタルピーＥ［ＧＪ／ｈｒ］が四角内に示されており、これらが変化する様子が矢印の流れによって示されている。

【0070】

図２および４に示すように、水蒸気生成系統では、低圧側スチームドラム３２の水位が所定レベルに保持されるように、高圧水供給源３０から高圧水供給路３３を通じて低圧側スチームドラム３２へ３．３ＭＰａで１０５℃の高圧水が供給される。高圧水供給路３３を通じる高圧水は、第３熱交換器６３で２２０℃まで加熱される。低圧側スチームドラム３２内の温水は低圧側加熱回路３４へ流入する。低圧側加熱回路３４へ流入した約２２８℃の温水は、第２熱交換器６２で加熱されて一部水蒸気となって低圧側スチームドラム３２内へ戻る。このようにして低圧側スチームドラム３２内には、約２．７ＭＰａで約２２８℃の温水と水蒸気とが蓄えられている。

【0071】

低圧側スチームドラム３２内の温水は、高圧側スチームドラム３１の水位が所定レベルに保持されるように、送液路３８を通じて高圧側スチームドラム３１へ送られる。温水は送液路３８を通るうちにポンプ３９によって２．７ＭＰａから５．０ＭＰａまで加圧される。高圧側スチームドラム３１内の温水は高圧側加熱回路４３へ流入する。高圧側加熱回路４３へ流入した約２６３℃の温水は、第１熱交換器６１で加熱されて一部水蒸気となって高圧側スチームドラム３１内へ戻る。以上の水蒸気生成のプロセスにより、高圧側スチームドラム３１内には、５．０ＭＰａで約２６３℃の温水と水蒸気とが蓄えられている。

【0072】

水蒸気供給系統では、高圧側スチームドラム３１からの水蒸気が水蒸気供給流路５２を通じて混合流路２８へ供給される。水蒸気供給流路５２を通じる水蒸気は、ノックアウトドラム５３を経由し、ここで液体が分離回収されて完全に気体となる。さらに、水蒸気供給流路５２を通じる水蒸気は、流量調整弁５６を経由して、３．７ＭＰａまで減圧されてから混合流路２８へ流入する。このようにして、３．７ＭＰａで２４９℃の水蒸気が混合流路２８へ供給される。

【0073】

以上説明したシフト反応システム１２では、水蒸気生成流路２９を流れる水と反応ガス流路２４，２５，２６を流れる反応ガスとが熱交換することにより、水が加熱され、反応ガスが冷却される。加熱された水は水蒸気となって水蒸気供給流路５２を通じて一段目シフト反応器２１へ供給される。このように、シフト反応システム１２では、シフト反応で発生する熱を利用してシフト反応で利用する水蒸気を生成することができる。換言すれば、シフト反応のために必要な熱量をシフト反応で発生する熱量で賄ったり補ったりすることが可能となる。これにより、シフト反応システム１２が外部から導入する熱量を低減することができ、シフト反応システムの燃料費を削減することができる。例えば、水素製造プラントに上記シフト反応システム１２が組み込まれれば、外部から導入する熱量を低減することができ水素製造コストを削減することができる。また、例えば、石炭ガス化発電プラントに上記シフト反応システム１２が組み込まれれば、排熱回収ボイラで生成した水蒸気をシフト反応に利用しないので発電効率の低下させることがなく、エネルギー収支比を向上させることができる。

【0074】

また、上記シフト反応システム１２では、シフト反応器２１，２２，２３からの反応ガスが冷却されるので、反応に好適な温度の反応ガスを後段のシフト反応器に導入することができる。なお、シフト反応では、反応温度が低いほど水素転換率が高くなるが、反応速度は反応温度が低くなるにしたがって急速に低下する。したがって、シフト反応で一旦上昇した反応ガスの温度を所定温度（シフト反応温度）まで低下させてから後段のシフト反応器へ導入することによって、反応速度を高く維持しながら反応に必要な触媒量を経済的な量に抑えることができる。

【0075】

さらに、上記シフト反応システム１２では、水蒸気生成系統において、異なるシフト反応器で発生する少なくとも２種類の温度域の反応熱を利用して、水蒸気を生成している。具体的には、水蒸気生成流路２９を流れる水が、一段目シフト反応器２１からの反応熱と、二段目シフト反応器２２からの反応熱と、三段目シフト反応器２３からの反応熱との各々の異なる温度域の反応熱を利用して加熱される。このようにして、各シフト反応器２１，２２，２３からの排熱を無駄なく利用することを可能にするとともに、水蒸気生成流路２９を流れる水をより効果的に加熱できるようにしている。

【0076】

また、上記シフト反応システム１２では、水蒸気生成系統において、高圧側スチームドラム３１と低圧側スチームドラム３２の２つのスチームドラムを設け、系統内で２種類の温度と圧力の水蒸気を生成している。水蒸気生成流路２９にスチームドラムを備えることによって、スチームドラムに水と生成された水蒸気が一旦蓄えられることとなり、シフト反応器へ供給される水蒸気の圧力と温度の変動を緩和することができる。さらに、２つのスチームドラムを設けて水蒸気を段階的に生成することにより、目標であるシフト反応に適した温度と圧力の水蒸気を確実に調整できるようにしている。これにより、シフト反応に適した温度と圧力の水蒸気を安定してシフト反応系統へ供給することができる。

【0077】

また、上述のシフト反応システム１２では、シフト反応のために必要な熱量をシフト反応で発生する熱量で賄えるようにしている。例えば、図３に示すように、５００Ｋｍｏｌ／ｈｒの石炭ガス化ガスとシフト反応するために必要な水蒸気は８５Ｋｍｏｌ／ｈｒであるが、図４に示すように、このシフト反応の排熱を利用して生成可能な水蒸気は約９６Ｋｍｏｌ／ｈｒである。つまり、上述のシフト反応システム１２においてシフト反応の排熱を利用してシフト反応に必要な水蒸気を十分に生成することができる。ただし、シフト反応で発生する熱量がシフト反応のために必要な熱量を下回るときは、外部から熱量を補ってもよい。

【0078】

〔変形例１〕
次に、上記実施形態に係る水素製造プロセスプラント１０に含まれるシフト反応システム１２の変形例１を説明する。上記実施形態のシフト反応系統は、シフト反応器とその反応ガスが流出する反応ガス流路とが直列に３段連結されて成るが、変形例１ではシフト反応器と反応ガス流路とが直列に２段連結されて成る。図５は変形例１に係るシフト反応システムのプロセスフロー図である。同図に示すように、変形例１に係るシフト反応システム１２は、前述の実施形態に係るシフト反応システム１２から、シフト反応系統と水蒸気生成系統の一部を変更したものである。よって、本変形例の説明においては、シフト反応系統と水蒸気生成系統について特に詳細に説明し、前述の実施形態と同一又は類似の構成に関しては図面に同一の符号を付し説明を省略する。

【0079】

（シフト反応系統）
シフト反応系統は、配管等により直列に接続された２つのシフト反応器２１，２２を備えている。各シフト反応器２１，２２は入口と出口を有し、内部にシフト反応触媒を備えた反応容器として構成されている。一段目シフト反応器２１の出口は、第１反応ガス流路２４により二段目シフト反応器２２と接続されている。第１反応ガス流路２４には第１熱交換器６１と予熱器４１との２つの熱交換器が設けられている。二段目シフト反応器２２の出口は、第２反応ガス流路２５と接続されている。第２反応ガス流路２５は、シフト反応システム１２から反応ガスを排出して次工程へ送る流路である。本実施の形態では、第２反応ガス流路２５がＨ_２Ｓ／ＣＯ_２分離回収装置１３と直接的または間接的に接続されている。第１反応ガス流路２４および第２反応ガス流路２５はそれぞれ１以上の配管で形成されている。

【0080】

第１反応ガス流路２４には、第１熱交換器６１をバイパスする第１バイパス路６５の両端が接続されている。第１バイパス路６５には、流量調整弁６６が設けられている。第１反応ガス流路２４の予熱器４１よりも下流側であって二段目シフト反応器２２の入口近傍には、第１反応ガス流路２４を流れる一段目反応ガスの温度を検出する温度センサ６７が設けられている。そして、二段目シフト反応器２２に流入する一段目反応ガスの温度が所定のシフト反応温度となるように、温度センサ６７で検出される一段目反応ガスの温度に基づき、流量調整弁６６により第１熱交換器６１を流れる一段目反応ガス流量が調整されている。

【0081】

（水蒸気生成系統）
水蒸気生成系統は、水蒸気を水から生成して後述する水蒸気供給流路５２へ供給する水蒸気生成流路２９を備えている。水蒸気生成流路２９は、高圧水供給路３３、スチームドラム３１、ポンプ３９および加熱回路４３等により構成されている。

【0082】

スチームドラム３１は、外部の高圧水供給源３０と１以上の配管で形成された高圧水供給路３３で接続されている。高圧水供給路３３には、流体を昇圧して送り出すポンプ３９が設けられており、高圧水供給路３３を通じて高圧水供給源３０からスチームドラム３１へ高圧水が供給される。高圧水供給路３３は第２熱交換器６２を経由している。この第２熱交換器６２では、高圧水供給路３３を流れる高圧水と、二段目シフト反応器２２から第２反応ガス流路２５へ流出した二段目反応ガスが熱交換する。これにより、二段目反応ガスが冷却されるとともに高圧水が加熱される。

【0083】

加熱回路４３は、スチームドラム３１内の温水を加熱する回路であって、スチームドラム３１内を一部に含んでいる。加熱回路４３は、スチームドラム３１の底部に開口している入口から下向きに流れる流路、第１熱交換器６１を通る流路、加熱回路４３に開口している出口に向けて上向きに流れる流路、および加熱回路４３内を含んで形成されている。加熱回路４３は、流れが下向きから上向きに切り替わる部分またはその近傍で第１熱交換器６１を通っている。第１熱交換器６１では、加熱回路４３を流れる温水と一段目シフト反応器２１から第１反応ガス流路２４へ排出された一段目反応ガスとが熱交換する。このようにしてスチームドラム３１には、第１熱交換器６１で加熱された温水および水蒸気を貯留している。

【0084】

次に、上記構成の水蒸気生成系統での水蒸気生成のプロセスを説明する。水蒸気生成系統では、約３．３ＭＰａで約１０５℃の高圧水が高圧水供給源３０から高圧水供給路３３へ供給される。高圧水は高圧水供給路３３を通過するうちに、ポンプ３９で５Ｍｐａまで昇圧されて、第２熱交換器６２で二段目シフト反応器２２の排熱を利用して約２５５℃まで加熱される。加熱された高圧水は、スチームドラム３１へ流入する。

【0085】

スチームドラム３１内の温水は、自重により加熱回路４３へ流入し、第１熱交換器６１で加熱されてその一部が水蒸気となり、加熱回路４３の第１熱交換器６１よりも下流側を上昇してスチームドラム３１へ戻る。このようにして、スチームドラム３１には下部に温水が溜まり、上部に約５ＭＰａの水蒸気が溜まる。そして、スチームドラム３１の約５ＭＰａで約２６３℃の水蒸気が水蒸気供給流路５２と混合流路２８を介して一段目シフト反応器２１へ供給される。

【符号の説明】

【0086】

１０ 水素製造プロセスプラント
１１ ガス化炉
１２ シフト反応システム
１３ Ｈ_２Ｓ／ＣＯ_２分離回収装置
２１ 一段目シフト反応器
２２ 二段目シフト反応器
２３ 三段目シフト反応器
２４ 第１反応ガス流路
２５ 第２反応ガス流路
２６ 第３反応ガス流路
２７ 原料ガス流路
２８ 混合流路
２９ 水蒸気生成流路
３０ 高圧水供給源
３１ 高圧側スチームドラム
３２ 低圧側スチームドラム
３３ 高圧水供給路
３４ 低圧側加熱回路
３５ 排気路
３６ 排気量調整弁
３７ 圧力センサ
３８ 送液路
３９ ポンプ
４０ 流量調整弁
４１ 予熱器
４２ 液レベルセンサ
４３ 高圧側加熱回路
５２ 水蒸気供給流路
５３ ノックアウトドラム
５４ 流量調整弁
５５ 圧力センサ
５６ 流量調整弁
５７ 補助水蒸気供給路
６１ 第１熱交換器
６２ 第２熱交換器
６３ 第３熱交換器
６５ 第１バイパス路
６６ 流量調整弁
６７ 温度センサ
６８ 予熱器バイパス路
６９ 流量調整弁
７０ 温度センサ
７１ 第２バイパス路
７２ 流量調整弁
７３ 温度センサ
８１ 排気路
８２ 排気量調整弁
８３ 導水量調整弁
８４ 液レベルセンサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】