JP2009023905A

JP2009023905A - デュアル・プレッシャー多段電解による水素発生方法

Info

Publication number: JP2009023905A
Application number: JP2008185030A
Authority: JP
Inventors: Edward J Lahoda; ジェイラホダエドワード; David F Mclaughlin; エフマクローリンデービッド
Original assignee: Westinghouse Electric Co LLC
Current assignee: Westinghouse Electric Co LLC
Priority date: 2007-07-17
Filing date: 2008-07-16
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2028-07-16
Also published as: EP2017371A1; KR20090008124A; CN101348917A; US20090020436A1; JP5394019B2; US7976693B2; CN101348917B; KR101450343B1

Abstract

【課題】低温度、低圧力で高効率を達成する多段圧ハイブリッド・サルファー・プロセス（２）を提供する。
【解決手段】
多段圧ハイブリッド・サルファー・プロセス（２）は少なくとも１基の電解ユニット（１６）を含み、電解ユニット（１６）は１ＭＰａ乃至９ＭＰａの圧力下に作用してガス状Ｈ_２ＳＯ_４を形成する予熱/気化反応器（２０）にＨ_２ＳＯ_４溶液を供給し、ガス状Ｈ_２ＳＯ_４は７ＭＰａ乃至９ＭＰａの圧力下に作用する分解反応器（１４）に送られて分解され、分解されたＨ_２ＳＯ_４はそれぞれが好ましくは０．１ＭＰａ乃至７ＭＰａの圧力下に作用する少なくとも１基のスクラバー・ユニット（１４）および少なくとも１基の電解槽ユニット（１６）の送られ、ユニット（１４）および（１６）は連携のランキン・サイクル出力変換ユニット（５０）によって給電される。
【選択図】図３

Description

関連出願との相互参照

本願は２００６年７月１７日付け仮出願第６０/８３１，３３２号に基づく優先権を主張する。

サルファー・サイクルは主として高温熱源からの高温熱エネルギーを利用して水素を発生させることができる１群の熱化学的製法である。図１に示すウェスチングハウス・サルファー・プロセス（ＷＳＰ；ＨｙＳまたはハイブリッド・サルファー・プロセスとしても知られている）と、図２に示すサルファーアイオダイン（Ｓ/Ｉ）プロセスとは、このカテゴリーに属する２つの製法である。高温熱源は、例えば、高温ガス冷却型原子炉（ＨＴＧＲ）または天然ガスを燃料とする燃焼器のような約８００℃を超える利用可能な熱を発生するなら、如何なる熱源でもよい。

ウェスチングハウス・サルファー・プロセスは低温電気化学的ステップにおいて水素を発生させるが、詳しくは、このステップにおいて亜硫酸から硫酸および水素が発生する。この反応は温度約６０℃、電流密度約５００ma/sq.cm, 電圧０．１７乃至０．６Ｖにおいて進めることができる。サイクルの第２ステップは７６０℃以上の温度における硫酸の高温分解ステップである。これまでにウェスチングハウスによって実施された研究によって、この反応をＰＢＭＲのようなＨＴＧＲとの協働で実施するための触媒とプロセス設計が明らかになっている。このプロセスの最終ステップは、室温で水中のＳＯ_２を吸収することによって亜硫酸およびＳＯ_２を含まないＯ_２流れを形成するステップである。これは本明細書において「標準ＷＳＰ」と定義する公知プロセスである：
(1)H₂SO₄≪SO₃+H₂O≪SO₂+0.5O₂+H₂O(必要な熱>760℃)
(2)SO₂+2H₂O+0.5O₂≪H₂SO₃+H₂O+0.5O₂(T<100℃)；および
(3)H₂O+H₂SO₃(R)H₂+H₂SO₄(約100℃以下の電解槽)

アイオダイン/サルファー・プロセスも７６０℃以上の温度で硫酸を分解することによって上記の二酸化硫黄を形成する可逆反応から始まり、次いで、二酸化硫黄をヨウ素と反応させることによってＨＩを形成する。これは本明細書において「標準Ｓ/Ｉ」と定義する公知プロセスである：

(1)H₂SO₄≪SO₃+H₂O≪SO₂+0.5O₂+H₂O(必要な熱>760℃)

(2)I₂+SO₂+2H₂O+0.5O₂+余剰H₂O≪2HI+H₂SO₄+0.5O₂+余剰H_２O(発生熱約100℃乃至200℃)；および、

(3)2HI≪H₂+I₂(必要な熱400℃超)。

両プロセスに共通のステップは：
H_２SO_４≪SO_２＋H_２O+0.5O_２

上記の標準ＷＳＰプロセスおよび標準Ｓ/ＩプロセスはLahoda et al.の米国公報第ＵＳ２００６/０００２８４５Ａ１に詳しく記載されている。

２００３年１１月に米国ルイジアナ州ニューオーリンズ市で開催されたAmerican Nuclear Society Annual Winter Meetingの会報American Nuclear Society Global Paper #88017に掲載されたGoosen et al.の論文“Improvements in the Westinghouse Process for Hydrogen Production”もウェスチングハウス・サルファー・プロセスについて言及し、これをサルファー・アイオダイン・プロセスと比較している。即ち、ウェスチングハウス・プロセスの経済性について論ずるとともに、ぺブル・ベッド・モジュール炉（ＰＢＭＲ）のような高温ガス冷却型原子炉（ＨＴＧＲ）と一体化し、ＷＳＰまたはＳ/ＩプロセスのＨ_２ＳＯ_４反応器に約８００℃−９００℃の熱を供給することによって反応を促進することを記述している。

Ｈ_２ＳＯ_４分解反応器（標準ＷＰＳおよび標準Ｓ/Ｉプロセスに共通のプロセス・ステップ）に続いて、ＨＴＧＲの一次ループから、１組のガスタービンから成る出力変換ユニット（ＰＣＵ）に高温ガスが送られ、ここで残るエネルギーが抽出される。しかし、Ｈ_２ＳＯ_４分解に必要な高品質の熱が吸収された後では、ガスの温度はもはや好ましいブレイトン・サイクルのガスタービンから得られる高い効率を充分に活用できるほどの高温ではない。

このプロセスのうち、図１に参照符号１２で示す部分、即ち、硫酸を二酸化硫黄、水蒸気および酸素に分解するステップは高温下に行われる。分解反応器の生成物流れの凝縮温度は供給流れに比較して低いから、図１に参照符号２０で示す予熱/気化ユニットのＳＯ_２/Ｈ_２Ｏ/Ｏ_２出口は比較的高温、典型的には９ＭＰａで約２６０℃に維持されねばならない。（１ＭＰａ=１４５ポンド/平方インチ“ｐｓｉ”）。結果として、予熱器において回収できる熱量は制限される。図１に参照符号１４で示すＳＯ_２スクラバーへ導入され前に、ＳＯ_２/Ｏ_２/Ｈ_２Ｏ流れは最終的に約９０℃まで冷却しなければならず、この冷却は著しいエネルギー損を意味する。

図１に参照符号２０で示す予熱/気化ユニットにも材料についての厳しい問題がある。蒸発の過程で、先ず水が沸騰するから、この流れは予熱器において約３０乃至５０重量％の比較的低濃度のＨ_２ＳＯ_４溶液から、最高温度に達した時点で８０乃至９５重量％の濃縮Ｈ_２ＳＯ_４溶液に変化する。必要な温度（２００乃至７００℃）で作用できる材料もあるが、そのような材料は極めて高価である。

このプロセスにとって固有の別の非効率なところは、供給されるＨ_２ＳＯ_４と共に流入する水の蒸発および凝縮である。供給される硫酸は通常３０乃至５０重量％であるから、凝縮され且つ再循環されるだけのために多量の水が予熱され、凝縮される。この水の蒸発熱もまたエネルギーの観点から極めて不利な条件である。分解プロセスは触媒の存在に助けられるのが普通であり、分解プロセスへの供給材料中の水の存在が分解用の触媒の寿命を著しく縮める。

冷却後、ＳＯ_２/Ｏ_２/Ｈ_２Ｏ流れが図１に参照符号１４で示すＳＯ_２スクラバーおよびＯ_２回収ステップに送られ、ここでＳＯ_２を水が吸収して亜硫酸を生成させる（Ｈ_２Ｏ＋ＳＯ_２≪Ｈ_２ＳＯ_３）。この亜硫酸が図１に参照符号１６で示す水相電解槽へ供給され、ここで亜硫酸が酸化されて硫酸となり、水素を発生させる（２Ｈ_２Ｏ＋ＳＯ_２≪Ｈ_２＋Ｈ_２ＳＯ_４）。電解ステップが効率的に機能するためには、ＳＯ_２が水に溶解したままの状態でなければならない。しかし、二酸化硫黄の水溶解度は比較的低い。圧力を増大させればスクラバー溶液が吸収可能なＳＯ_２の量も増大し、生成するＯ_２に混在するＳＯ_２のレベルが低下し、補給ＳＯ_２を少なくすることになる。しかし、圧力を増大させればプロセス機器のコスト、特に電解ユニットを内蔵する容器のコストも増大する。

従って、低コストのスチールを使用して効率を高めることができるように運転温度および運転圧力を低くすることが今後の課題である。本発明の主要な目的は低い温度、低い圧力で高い効率を達成することにある。

発明の概要

上記の必要性を満たし、上記の目的を達成するため、本発明はＨ_２ＳＯ_４気化ユニットと、７ＭＰａ乃至９ＭＰａの圧力において動作するＨ_２ＳＯ_４分解反応器と、生成物冷却器と、０．１ＭＰａ乃至７ＭＰａの圧力で作用してＯ_２をも生成させ、同じ圧力においてＨ_２を発生させる電解槽へ供給するＳＯ_２回収プロセスとを含むデュアル・プレッシャー・システムを含むハイブリッド・サルファー・プロセスを提供する。

本発明はまた、(a)ウェスチングハウス・サルファー・プロセスおよびサルファー・アイオダイン・プロセスから成る群から選択されたサルファー・サイクルであって、電解槽がＨ_２ＳＯ_４溶液を１ＭＰａ乃至９ＭＰａの圧力および気化したガス状Ｈ_２ＳＯ_４を生成するのに有効な温度で作用するＨ_２Ｓ_４気化反応器に供給し、気化したガス状Ｈ_２ＳＯ_４が７ＭＰａ乃至９ＭＰａの圧力で作用する分解反応器においてＨ_２Ｏ、ＳＯ_２およびＯ_２に分解され、ガスが少なくとも１基の電解槽ユニットで作用する少なくとも１基のＳＯ_２スクラバー・ユニットに送られ、少なくとも１基の電解槽ユニットに電力が入力されることによって水素ガスおよび液状Ｈ_２ＳＯ_４が生成し、少なくとも１基のＳＯ_２スクラバー・ユニットも少なくとも１基の電解槽ユニットも０．１ＭＰａ乃至７ＭＰａの圧力で作用するように構成された前記サルファー・サイクルと；(b)少なくとも電解槽ユニットに給電するランキン・サイクル出力変換ユニットと；(c)原子炉およびガス燃料燃焼器から成る群から選択され、ランキン・サイクル・ユニットおよびサルファー・サイクルに流体熱を供給する熱源を含むハイブリッド・サルファー・プロセスにある。

本発明の詳細を添付の図面と関連させながら以下に説明する。

本発明の説明に先立って、従来技術の図１および図２に戻って、図１は９００ psi未満で作用する標準的なＷＳＰプロセス２を示す。図２に示す標準的なＳ/Ｉプロセス４も９００ psi未満で作用する。図１において、約７６０℃乃至１０００℃の熱エネルギーが酸素発生/硫酸分解反応器１２に送られて図示の反応を起こし、Ｈ_２Ｏ、ＳＯ_２およびＯ_２を酸素回収/ＳＯ_２スクラバー・ユニット１４に送り、ユニット１４からのＨ_２ＯおよびＳＯ_２が直流給電される電解槽１６へ送られて、参照符号６で示すようにＨ_２を生成させる一方、生成したＨ_２ＳＯ_４は予熱器/気化器２０において熱エネルギー２２によって気化され、気化されたＨ_２ＳＯ_４が図示のように酸素発生器/硫酸分解反応器１２に供給される。

図２に示すように、温度に対するＳ/Ｉの反応を略示するサクリ(Sakuri)プロセスにおいて、硫酸２６は気化器２８において気化された後、約７６０℃乃至８１０℃の分解反応器３０に送られてＯ_２を発生させ、Ｏ_２、Ｈ_２ＯおよびＳＯ_２をヨウ素反応器３２へ送ると、反応器３２がＨＩを発生させ、ＨＩは第２分解反応器３４において分解され、余剰Ｉ_２分離器３６を経た後、参照符号６で示すＨ_２を生成させる。分解反応器３４はブンゼン反応器とも呼称されるヨウ素反応器３２のための、参照符号３８で示すＩ_２の主要供給源となる。

ＷＳＰまたはＳ/Ｉサイクルを終始約１４５０psi（１０．０ＭＰａ-メガパスカル）で運用することによってエネルギー的に非効率的な冷凍システムまたは過剰な水を使用することなく２０℃乃至７５℃超の温度でユニット１４においてシステムからＳＯ_２を除去することができる。詳細は米国公報第２００６/０００２８４３Ａ１号（Lahoda et al.）明細書に記載されている。

種々の改善策が提案され、これらを組み合わせることによって「発明の概要」の末尾に言及した問題の多くが解決される。先ずは好ましくは発電のための蒸気をベースとするランキン・サイクルを利用する一体化プロセスを採用することである。この奇抜なアプローチを図３に示す。

高温ガス供給源とタービンとの間の中間流体として蒸気を使用するランキン・サイクルよりもガスタービンを利用するブレイトン・サイクルの方が効率的である。しかし、高温ガス供給源の温度が約７５０℃まで低下すると、ランキン・サイクルの方がブレイトン・サイクルよりも効率的になる。これは高温熱源を使用して先ずＨ_２ＳＯ_４を分解する場合である。分解の結果として、温度が約７５０℃になり、従って、意外にもランキン・サイクルのほうがブレイトン・サイクルよりも有効である。

ＳＯ_２/Ｏ_２/Ｈ_２Ｏ混合物をＨ_２ＳＯ_４反応器１２の出口温度から９０℃まで冷却することはかなり大きい熱負荷となる（下に掲げる表１を参照）。

表１
出力変換ユニット（ＰＣＴ）に供給されるエネルギーおよび正味ＷＳＰプロセス効率に対する圧力の影響

圧力 SO_２スクラバー PCUへのMW(t)/ 水素生成率 WSPプロセス
（MPa) 冷却器への総可用MW(t) (kg/sec) の効率
SO_ｘ流れ温度(℃)
9 262 59.2/59.2 0.797 42.0%
8 259 61.4/61/4 0.778 42.0%
7 255 63.7/65.2 0.748 41.5%
6 249 60.5/66.4 0.725 40.3%
5 240 56.1/70.5 0.704 38.9%
4 229 50.7/71.2 0.682 37.3%

ＳＯ_２/Ｏ_２/Ｈ_２Ｏ混合物からの熱を図１に参照符号１４で示す水冷熱交換器/ＳＯ_２スクラバー・ユニットによって冷却すれば、高温のＳＯ_２/Ｏ_２/Ｈ_２Ｏ流れを利用して図３に示すランキン・サイクルの出力変換ユニットへの給水を予熱することにより、熱を有効に利用することができる。しかし、有効利用できる熱量はＳＯ_２/Ｏ_２/Ｈ_２Ｏ流れの入口温度とランキン・サイクルの沸騰温度とに依存する。これらの流れの温度は分解反応器およびランキン・サイクル・ボイラーにおける圧力に依存する。計算結果によれば、１８ＭＰａのランキン・サイクルのＰＣＵの場合、給水予熱に有効利用できるエネルギー％は、もし図１に参照符号１２で示す分解反応器における圧力が７乃至９ＭＰａ未満なら、１００％にはるかに届かない。

実際のランキン・サイクルには非効率性が伴う。図４のＴ-Ｓ図は実際のサイクルを示す。(1′)から(1)に至る経路は作動流体をボイラーの高圧部へポンプバックするステップを表わす。

(1)から(2)に至る経路はＳＯ_２/Ｏ_２/Ｈ_２Ｏ流れによって行なわれるボイラー給水の予熱を表わす。(2)から(3)に至る経路は分解反応器の出口からの高温Ｈｅによる水の沸騰を表わす。湿り蒸気はタービン翼を腐食させるから、通常は蒸気を状態(4)まで過熱する。膨張には効率を妨げる要因があり、断熱性も可逆性もないから、膨張ステップをエントロピーがやや増大している経路(4)-(5)で示してある。タービンを出た蒸気は飽和しないから、熱交換器の図示しない部分がステップ(5)-(5′)において蒸気から顕熱を除去する。詳細は1964年John Wiley & Sons 刊行のJames Coull and Edward Stuart著“Equilibrium Thermodynamics”に記載されている。

本発明のプロセスにとって極めて重要なのはデュアル・プレッシャー・システムの提案である。図１に参照符号１２で示す分解反応器は７乃至９ＭＰａで運転され、ＳＯ_ｘ冷却デューティの殆どすべてをＰＣＵ-ランキン・サイクル-給水予熱用として回収することができる。ＳＯ_２スクラッビング-電解プロセスに要するコストを大きく軽減するため、図１のユニット１４、１６に相当するシステム部分の圧力を分解反応器１２の圧力７乃至９ＭＰａ未満に低下させる。但し、図１に示すハイブリッド・サルファー・プロセスの低圧側１４-１６は分解反応器１２において生成し、電解槽への供給溶液中に含まれるＳＯ_２を吸収するのに充分な高い圧力レベルを維持しなければならない。さもなければ、過剰なＳＯ_２がＯ_２と共に失われ、下に掲げる表２に示すような問題を惹起する：

表２
圧力および吸収/電解回数に応じたＯ_２流れ中ＳＯ_２の損失
圧力（ＭＰａ）単一段/３段の場合の単一段/３段の場合の
Ｏ_２生成量中ＳＯ_２損失(kg/hr) Ｏ_２中のＳＯ_２％
9 0.46/0.006 6.7%/0.094%
8 0.755/0.020 11%/0.32%
7 1.4/0.111 19%/1.18%
6 2.6/0.472 31%/7.5%
5 5.0/1.57 47%/22%
4 11.0/4.11 66%/43%

特記すべきは、この問題を解決するための好ましい実施形態として図６に示すような多段ＳＯ_２吸収/電解プロセスを提案する。図６は３つの並列ＳＯ_２吸収/電解段１４’、１４’、１４’・１６’、１６’、１６’を有するシステムを示す。但し、所要のＯ_２中ＳＯ_２レベルを生成させるのに必要な段数を使用することができ、並列であることが好ましい。この重要なアプローチにおいては、ＳＯ_２が複数段に亘って吸収され、電解される。従って、それぞれの電解段を出るごとに硫酸中に含まれるＳＯ_２が減少し、後続の吸収段において酸がスクラッビング液として有効に利用されることになる。このアプローチは分解反応器において必要とされる圧力（表１参照）よりもはるかに低い圧力下で作用しながらＯ_２中のＳＯ_２損失を激減させる。従って、現実的な見地からしてこのアプローチは圧力を低下させることによって電解領域における設備コストを著しく軽減し、プロセス全体を商業的に採用し易くする。

図３は熱エネルギー損を最小限に抑制するＰＣＵ-ハイブリッド・サルファー・システムを示す。図３ではＰＢＭＲとして示す原子炉またはガス燃料燃焼器は９５０℃の流体熱、ここではＨｅを第１中間熱交換器４４に供給し、熱交換器４４は熱４６を図１または図２に示すようなハイブリッド・サルファー・プロセス、ここではＷＳＰ２に送る一方、約７７６℃の熱４８をランキン・サイクルＰＣＵ５０に送る。ＷＳＰ２からの流体熱５２は再び第１中間熱交換器４４に戻される。ランキン・サイクル５０からの電力は図１に示すユニット１６、即ち、ＷＳＰ２における電解槽への給電に利用される。Ｈｅ温度を含むエネルギー・データを詳細に示す図３から明らかなように、ランキン・サイクルは冷却された流体熱５６をＰＢＭＲに戻す。

例えば、図１に示すような本発明のハイブリッド・サルファー・プロセスにおいて、ＷＳＰは（１）サルファー・サイクル、好ましくはウェスチングハウスサルファープロセス２と；（２）ランキン・サイクル出力変換ユニット５０と；（３）ランキンサイクルユニット５０およびサルファー・サイクルに流体熱を供給する原子炉およびガス燃料燃焼炉から成るグループから選択される熱源４０とから成る。サルファー・サイクルは、１ＭＰａ乃至９ＭＰａの圧力および熱源１０-熱エネルギーを利用して気化状態のＨ_２ＳＯ_４を発生させるに充分な温度において作用する図１に示すＨ_２ＳＯ_４予熱/気化/分解反応器２０にＨ_２ＳＯ_４を供給する電解槽１６を含み、Ｈ_２Ｏ、ＳＯ_２およびＯ_２から成る分解されたＨ_２ＳＯ_４が好ましくは、図６に示すように複数の電解槽ユニット１６’と並列に運転される複数のＳＯ_２スクラバーユニット１４’に送られ、電解槽ユニットが給電されると水素ガスが発生し、ＳＯ_２スクラバー・ユニットも電解槽ユニットも０．１ＭＰａ乃至７ＭＰａの圧力下に作用してデュアル・プレッシャー・システムを構成する。ランキン・サイクル出力変換ユニット５０はサルファー・サイクルおよび複数の電解槽ユニットに給電する。熱源は原子炉であることが好ましい。

図５は高温のＳＯ_２/Ｏ_２/Ｈ_２Ｏ流れをまとめて図３に参照符号５０で示すランキン・サイクルを運転する態様を示す。図５はまた、分解反応器から排出されるガスからの熱を利用して給水ポンプからの給水を加熱して水蒸気にする態様をも示す。図５は過熱および再加熱の２段ランキン・タービン・サイクルを示すが、本発明の範囲を逸脱することなく、好適な過熱および予熱段を含む任意の数の蒸気タービン段を使用することができる。図５において、参照符号６０は複数のＳＯ_２吸収段を通過する常温ＳＯ_２/Ｏ_２/Ｈ_２Ｏを示し、参照符号６２は分解反応器の出口からの高温ＳＯ_２/Ｏ_２/Ｈ_２Ｏを示す。

分解反応器への供給システムに直接接触熱交換器およびＨ_２ＳＯ_４濃縮器を使用することも本発明の特徴である。従来型熱交換器は極めて広い熱交換面積を必要とし、その結果、多大のコストと部品数が必要になる。間接熱交換器の使用は内部温度臨界点、即ち、予熱器の両側で起こる相変化が原因で高温側の流体温度が低温側の流体温度に接近する熱交換器における点によって制限される。しかし、本発明のプロセスは図１に参照符号１２で示す分解反応器に供給される極めて高濃度（８０％乃至９５％）のＨ_２ＳＯ_４を生成させる(余剰水を気化するためのエネルギー負荷を著しく軽減する）ことによって分解反応器による生成流と供給流との間の効率的なエネルギー交換を可能にする。図１に参照符号２０で示すＨ_２ＳＯ_４濃縮器/気化器/予熱器を図７に示すように物理的に図１に参照符号１２で示す分解反応器の上方に配置すれば、反応器への供給液は反応器から排出される生成物よりもはるかに濃密であるから、分解反応器への供給にポンプを使用する必要がなくなる。図７は分解反応器との重力関係において上方に位置する直接接触濃縮器の具体例を示す。

最後に、もう１つの設計上の特徴として、再循環硫酸の圧力を吸収/電解部における圧力よりもさらに大気圧まで低下させる。これにより酸貯蔵タンクのコストを軽減し、溶解Ｏ_２および還元ＳＯ_２を酸から排気することができ、このように供給液からの余計な生成物を排除することによって分解反応器への供給液の腐食性を軽減するとともにＨ_２ＳＯ_４からＳＯ_２/Ｏ_２/Ｈ_２Ｏへの変換を促進することができる。

好ましい実施形態を以上に説明したが、後記する特許請求の範囲内において、本発明を上記以外の形態で実施することができる。

ウェスチングハウス・サルファー・プロセスの従来技術ブロックダイヤグラムである。サルファー・アイオダイン・プロセスの従来技術ブロックダイヤグラムである。本発明の代表的な実施例として、ランキン・サイクルおよび水素生成を利用するハイブリッド・サルファー・プロセスの総合的なフローダイヤグラムである。実際のランキン・サイクルの動向を示すグラフである。熱エネルギー損を最小限に抑制するためのＰＣＵとハイブリッド・サルファー・システムの相互連結を示すブロックダイヤグラムである。並列多段ＳＯ_２吸収電解システムを示すブロックダイヤグラムである。一体化されたＨ_２ＳＯ_４濃縮反応器およびＨ_２Ｓ分解反応器を示す簡略図である。

Claims

原子炉または天然ガス燃料燃焼器から得られる熱によるＨ_２ＳＯ_４のＨ_２Ｏ、ＳＯ_２およびＯ_２への分解を利用して水素を発生させるデュアル・プレッシャー・ハイブリッド・サルファー・プロセスにおいて、
(a)７ＭＰａ乃至９ＭＰａの圧力において動作するＨ_２ＳＯ_４分解反応器と；
(b)０．１ＭＰａ乃至７ＭＰａの圧力で行なわれる少なくとも１つのＳＯ_２回収プロセスと；
(c)液状Ｈ_２ＳＯ_４を生成させる少なくとも１つの電解槽と；
(d)ハイブリッド・サルファー・プロセスに電力を供給するランキン・サイクルを含むデュアル・プレッシャー・ハイブリッド・サルファー・プロセス。
デュアル・プレッシャー・ハイブリッド・サルファー・プロセスにおいて、
(a)ウェスチングハウス・サルファー・プロセスおよびサルファー・アイオダイン・プロセスから成る群から選択されたサルファー・サイクルであって、電解槽がＨ_２ＳＯ_４溶液を気化したガス状Ｈ_２ＳＯ_４を生成するのに有効な圧力及び温度で作用するＨ_２Ｓ_４気化反応器に供給し、気化したガス状Ｈ_２ＳＯ_４が７ＭＰａ乃至９ＭＰａの圧力で作用する分解反応器においてＨ_２Ｏ、ＳＯ_２およびＯ_２に分解され、ガスが少なくとも１基の電解槽ユニットで作用する少なくとも１基のＳＯ_２スクラバー・ユニットに送られ、少なくとも１基の電解槽ユニットに電力が入力されることによって水素ガスおよび液状Ｈ_２ＳＯ_４が生成し、少なくとも１基のＳＯ_２スクラバー・ユニットも少なくとも１基の電解槽ユニットも０．１ＭＰａ乃至７ＭＰａの圧力で作用するように構成された前記サルファー・サイクルと；
(b)少なくとも電解槽ユニットに給電するランキン・サイクル出力変換ユニットと；
(c)原子炉およびガス燃料燃焼器から成る群から選択され、ランキン・サイクル・ユニットおよびサルファー・サイクルに流体熱を供給する熱源を含むデュアル・プレッシャー・ハイブリッド・サルファー・プロセス。
熱交換器とＨ_２ＳＯ_４気化器の組み合わせを使用することによって流入する硫酸溶液を予熱してこれを８０％乃至９５％のＨ_２ＳＯ_４溶液に濃縮し、高温の高濃度Ｈ_２ＳＯ_４を分解反応器に供給する請求項２に記載のハイブリッド・サルファー・プロセス。
Ｈ_２ＳＯ_４気化反応器を分解反応器の上方に配置することによって、高濃度/ガス状Ｈ_２ＳＯ_４の重力流動を可能にして分解反応器へのポンプによる供給を不要にする請求項３に記載のハイブリッド・サルファー・プロセス。
複数のＳＯ_２スクラバー・ユニットおよび電解槽ユニットが存在する請求項２に記載のハイブリッド・サルファー・プロセス。
複数の段階に亘ってＳＯ_２を吸収および電解して、Ｈ_２ＳＯ_４がそれぞれの電解槽ユニットを出るごとにこれに混在するＳＯ_２を激減させることにより、後続の吸収段階のためのスクラッブ溶液における酸を有効に使用できるようにする請求項５に記載のハイブリッド・サルファー・プロセス。
ランキン・サイクルが蒸気をベースとする請求項２に記載のハイブリッド・サルファー・プロセス。
分解反応器を約７５０-７６０℃で運転することによって連携するランキン・サイクルの効率を高める請求項２に記載のハイブリッド・サルファー・プロセス。
熱源が原子炉である請求項２に記載のハイブリッド・サルファー・プロセス。
原子炉からの流体熱を先ず熱交換器に通した後、ランキン・サイクルへ導入する請求項９に記載のハイブリッド・サルファー・プロセス。