JP2019123678A - Methane manufacturing device, and methane manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、メタン製造装置に関する。 The present invention relates to a methane production apparatus.
二酸化炭素(CO2)と水素(H2)からメタン(CH4)を製造する技術が知られている。例えば、非特許文献1には、二酸化炭素の吸蔵及び還元性能を有する触媒を収容した単一の反応器内で、原料ガスから二酸化炭素を吸蔵する第1工程と、吸蔵された二酸化炭素を還元してメタンを生成する第2工程との両方を実施することが記載されている。例えば、特許文献1には、複数の反応炉(反応器)を備え、或る反応炉で、二酸化炭素と水素を同時に供給して二酸化炭素を炭素(C)に変換する第1工程を実施し、他の反応炉で、二酸化炭素の供給を停止し水素の供給を継続して炭素をメタンに変換する第2工程を実施し、これら反応炉の役割を一定期間ごとに切り替えることが記載されている。
Techniques for producing methane (CH 4 ) from carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen (H 2 ) are known. For example, Non-Patent
非特許文献1では、第1工程において二酸化炭素を含む原料ガスを反応器内に供給し、第2工程において水素を含む還元ガスを反応器内に供給する。すなわち、非特許文献1では、第1,2工程間における反応器へのガスの切り替えが必須となるため、反応器に多数のバルブを設ける必要が生じ、装置構成が複雑化するという課題があった。具体的には、反応器上流には少なくとも、原料ガスの供給用バルブと還元ガスの供給用バルブとが必要であり、反応器下流には少なくとも、酸素排出用バルブとメタン排出用バルブとが必要である。また、第1,2工程間において反応器内の残留ガスを排出するパージ工程を設ける場合は、パージ用の窒素(N2)ガスを供給及び排出するための更なるバルブが必要となる。
In
さらに、非特許文献1では、二酸化炭素を吸蔵する第1工程と、メタンを製造する第2工程とを、反応器へ供給するガスの種類を切り替えつつ逐次的に実施する。このため、非特許文献1では、二酸化炭素の吸蔵及び還元によって生成されるメタンの量(メタン生成量)が時間によってばらつき、定常化できないという課題があった。
Furthermore, in
特許文献1では、触媒が複数の反応炉間を移動するため、反応炉へのガスの切り替えは必ずしも必要ではなく、必ずしも多数のバルブを設ける必要がない。しかし、特許文献1では、二酸化炭素の吸蔵及び還元性能を有する触媒を用いてメタンを製造することについては、何ら記載されていない。さらに、特許文献1では、二酸化炭素を含むガスが反応炉間の触媒輸送のキャリアとなるため、二酸化炭素を炭素に変換する第1工程を実行する反応炉における、炭素の回収量が成り行きとなる。これに伴い、炭素と水素との反応によって生成されるメタンの量(メタン生成量)についても、炭素の回収量と同様に成り行きとなり、メタン生成量が定常化できないという課題があった。
In
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、二酸化炭素の吸蔵及び還元性能を有する触媒を用いたメタンの製造において、装置構成の簡略化と、メタン生成量の定常化を図ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and in the production of methane using a catalyst having a carbon dioxide storage and reduction performance, simplification of the apparatus configuration and stabilization of the amount of methane production are realized. The purpose is to
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 The present invention has been made to solve at least a part of the above-mentioned problems, and can be realized as the following modes.
(1)本発明の一形態によれば、二酸化炭素と水素からメタンを製造するメタン製造装置が提供される。このメタン製造装置は、二酸化炭素の吸蔵及び還元性能を有する触媒を含むスラリーを収容する第1反応器及び第2反応器と、前記第1反応器に対して二酸化炭素を含有する原料ガスを供給する原料ガス供給部と、前記第2反応器に対して水素を含有する還元ガスを供給する還元ガス供給部と、前記第1反応器から前記第2反応器へと前記スラリーを移送するための第1流路を形成する第1流路形成部と、前記第2反応器から前記第1反応器へと前記スラリーを移送するための第2流路を形成する第2流路形成部と、前記第1反応器と前記第2反応器との間で前記スラリーを循環させるポンプと、を備える。 (1) According to one aspect of the present invention, there is provided a methane production apparatus for producing methane from carbon dioxide and hydrogen. This methane production apparatus supplies a first reactor and a second reactor containing a slurry containing a catalyst having a carbon dioxide storage and reduction performance, and supplies a raw material gas containing carbon dioxide to the first reactor. A source gas supply unit, a reduction gas supply unit supplying a reduction gas containing hydrogen to the second reactor, and transferring the slurry from the first reactor to the second reactor A first flow passage forming portion forming a first flow passage, and a second flow passage forming portion forming a second flow passage for transferring the slurry from the second reactor to the first reactor; And a pump for circulating the slurry between the first reactor and the second reactor.
この構成によれば、第1反応器内では、原料ガス供給部から供給された原料ガスに含まれる二酸化炭素が、触媒に吸蔵される。第2反応器内では、還元ガス供給部から供給された還元ガスに含まれる水素が、触媒に吸蔵された二酸化炭素と反応してメタンが生成される。本構成では、第1,2反応器に収容する触媒を流動可能なスラリー状として、かつ、第1,2流路形成部及びポンプによって、第1反応器と第2反応器との間でスラリーを循環させる。このため、従来のように、単一の反応器内で、原料ガスからの二酸化炭素の吸蔵工程と、還元ガスを用いた二酸化炭素のメタン化工程との両方を実施する必要がなく、第1,2反応器にはそれぞれ常時同一のガスを供給できる。この結果、本構成によれば、反応器へのガスの切り替えと、ガスの切り替えのための機構(バルブ等)が必要ないため、メタン製造装置の装置構成を簡略化できる。さらに、この構成によれば、反応器へのガスの切り替えが必要ないため、原料ガス供給部から第1反応器への原料ガスの流量と、還元ガス供給部から第2反応器への還元ガスの流量とを定常化することで、メタン生成量を定常化できる。このように、本構成によれば、二酸化炭素の吸蔵及び還元性能を有する触媒を用いたメタンの製造において、装置構成の簡略化と、メタン生成量の定常化を図ることができる。さらに、この構成によれば、第1,2反応器内における触媒の滞留時間を、ポンプの流量を変化させることで制御できる。このため例えば、原料ガス供給部から第1反応器へ供給される原料ガスの流量や組成(二酸化炭素の含有量)が変化した場合であっても、目標とする二酸化炭素回収率を実現するために必要な滞留時間を容易に確保できる。 According to this configuration, in the first reactor, carbon dioxide contained in the raw material gas supplied from the raw material gas supply unit is stored in the catalyst. In the second reactor, hydrogen contained in the reducing gas supplied from the reducing gas supply unit reacts with carbon dioxide stored in the catalyst to generate methane. In this configuration, the catalyst contained in the first and second reactors is in the form of a slurry capable of flowing, and the slurry between the first reactor and the second reactor by the first and second flow passage forming portions and the pump. Circulate. For this reason, it is not necessary to carry out both the storage step of carbon dioxide from the raw material gas and the methanation step of carbon dioxide using a reducing gas in a single reactor as in the prior art. The same gas can always be supplied to the two reactors. As a result, according to the present configuration, switching of the gas to the reactor and a mechanism (such as a valve) for switching the gas are not necessary, so the apparatus configuration of the methane production apparatus can be simplified. Furthermore, according to this configuration, it is not necessary to switch the gas to the reactor, so the flow rate of the source gas from the source gas supply unit to the first reactor and the reducing gas from the reducing gas supply unit to the second reactor By stabilizing the flow rate of methane, it is possible to make methane production steady. As described above, according to the present configuration, simplification of the device configuration and steadyization of the amount of generated methane can be achieved in the production of methane using a catalyst having storage and reduction performance of carbon dioxide. Furthermore, according to this configuration, the residence time of the catalyst in the first and second reactors can be controlled by changing the flow rate of the pump. Therefore, for example, even when the flow rate and the composition (content of carbon dioxide) of the raw material gas supplied from the raw material gas supply unit to the first reactor change, the target carbon dioxide recovery rate is to be achieved. The residence time required for the
(2)上記形態のメタン製造装置では、さらに、前記原料ガス中の二酸化炭素濃度を取得する第1濃度取得部と、前記原料ガスの流量を取得する第1流量取得部と、前記第1反応器から排出される排出ガス中の二酸化炭素濃度を取得する第2濃度取得部と、前記第1反応器から排出される前記排出ガスの流量を取得する第2流量取得部と、制御部と、を備えていてもよい。制御部は、前記第1濃度取得部、前記第1流量取得部、前記第2濃度取得部、及び前記第2流量取得部による各取得値のうちの少なくとも一部に応じて、前記ポンプと、前記還元ガス供給部からの前記還元ガスとのうちの少なくとも一方を制御してもよい。この構成によれば、制御部は、原料ガス中の二酸化炭素濃度と、原料ガスの流量と、排出ガス中の二酸化炭素濃度と、排出ガスの流量とのうちの少なくとも一部に応じて、例えば、触媒を含むスラリーを循環させるポンプの流量や動作の有無、還元ガス供給部から供給される還元ガスの流量や濃度、組成等を制御できる。このため、本構成によれば、二酸化炭素の吸蔵及び還元性能を有する触媒を用いたメタン製造において、メタン生成量の更なる定常化を図ることができる。 (2) In the methane production apparatus of the above aspect, further, a first concentration acquisition unit that acquires the concentration of carbon dioxide in the source gas, a first flow rate acquisition unit that acquires the flow rate of the source gas, and the first reaction A second concentration acquisition unit that acquires a carbon dioxide concentration in the exhaust gas discharged from the processing unit; a second flow rate acquisition unit that acquires a flow rate of the exhaust gas discharged from the first reactor; May be provided. The control unit is configured to control the pump according to at least a part of the values acquired by the first concentration acquisition unit, the first flow amount acquisition unit, the second concentration acquisition unit, and the second flow amount acquisition unit. At least one of the reducing gas from the reducing gas supply unit may be controlled. According to this configuration, the control unit, for example, responds to at least a portion of the carbon dioxide concentration in the source gas, the flow rate of the source gas, the carbon dioxide concentration in the exhaust gas, and the flow rate of the exhaust gas, for example It is possible to control the flow rate and presence / absence of operation of a pump for circulating the slurry containing the catalyst, the flow rate and concentration of the reducing gas supplied from the reducing gas supply unit, and the like. For this reason, according to the present configuration, it is possible to further stabilize the amount of generated methane in methane production using a catalyst having storage and reduction performance of carbon dioxide.
(3)上記形態のメタン製造装置において、前記制御部は、前記第1濃度取得部により取得された前記原料ガス中の二酸化炭素濃度と、前記第1流量取得部により取得された前記原料ガスの流量と、の両方に反比例させて、前記ポンプの流量を変更してもよい。この構成によれば、制御部は、原料ガス中の二酸化炭素濃度と、原料ガスの流量との両方に反比例させてポンプの流量を変更するため、第1反応器において二酸化炭素が触媒に十分吸蔵されるまでの時間、第1反応器内に触媒を滞在させることができる。この結果、第1反応器における二酸化炭素回収量を向上できる。 (3) In the methane production apparatus of the above aspect, the control unit is configured to control the concentration of carbon dioxide in the raw material gas acquired by the first concentration acquisition unit and the raw material gas acquired by the first flow rate acquisition unit. The flow rate of the pump may be changed in inverse proportion to both the flow rate. According to this configuration, the control unit changes the flow rate of the pump in inverse proportion to both the carbon dioxide concentration in the raw material gas and the flow rate of the raw material gas, so that carbon dioxide is sufficiently absorbed by the catalyst in the first reactor. The catalyst can be allowed to stay in the first reactor for a period of time until it is done. As a result, the carbon dioxide recovery amount in the first reactor can be improved.
(4)上記形態のメタン製造装置において、前記制御部は、前記第1濃度取得部により取得された前記原料ガス中の二酸化炭素濃度と、前記第1流量取得部により取得された前記原料ガスの流量とから求めた前記原料ガス中の二酸化炭素量から、前記第2濃度取得部により取得された前記排出ガス中の二酸化炭素濃度と、前記第2流量取得部により取得された前記排出ガスの流量とから求めた前記排出ガス中の二酸化炭素量を減じることで、前記第1反応器における二酸化炭素回収量を求め、求めた前記二酸化炭素回収量と、前記ポンプの流量と、の両方に比例させて、前記還元ガス供給部からの前記還元ガスの供給量を変更してもよい。この構成によれば、制御部は、第1反応器における二酸化炭素回収量と、ポンプの流量との両方に比例させて還元ガスの供給量を変更するため、都度、第2反応器における二酸化炭素の還元に過不足のない量の水素を供給できる。この結果、第2反応器におけるメタン生成量を向上できると共に、還元ガスの消費量を抑制できる。 (4) In the methane production apparatus of the above aspect, the control unit is configured to control the concentration of carbon dioxide in the raw material gas acquired by the first concentration acquisition unit and the raw material gas acquired by the first flow rate acquisition unit. The amount of carbon dioxide in the source gas determined from the flow rate, the concentration of carbon dioxide in the exhaust gas acquired by the second concentration acquisition unit, and the flow rate of the exhaust gas acquired by the second flow rate acquisition unit The carbon dioxide recovery amount in the first reactor is determined by reducing the carbon dioxide amount in the exhaust gas determined from the above and proportional to both the determined carbon dioxide recovery amount and the flow rate of the pump. Alternatively, the amount of supply of the reducing gas from the reducing gas supply unit may be changed. According to this configuration, the control unit changes the supply amount of the reducing gas in proportion to both of the carbon dioxide recovery amount in the first reactor and the flow rate of the pump, so that the carbon dioxide in the second reactor is changed each time. It is possible to supply just enough amount of hydrogen for the reduction of As a result, the amount of generated methane in the second reactor can be improved, and the amount of consumption of reducing gas can be suppressed.
(5)上記形態のメタン製造装置では、さらに、前記第1流路上に設けられ、前記スラリーを収容する第3反応器と、前記第2流路上に設けられ、前記スラリーを収容する第4反応器と、のうちの少なくともいずれか一方を備え、さらに、前記第3反応器と前記第4反応器とのうちの少なくともいずれか一方にパージガスを供給するパージガス供給部、を備えていてもよい。この構成によれば、第3反応器を用いて、第1流路上を移送されるスラリーに含まれる触媒中に残留したガス(酸素、窒素等)を排出できる。また、第4反応器を用いて、第2流路上を移送されるスラリーに含まれる触媒中に残留したガス(水素等)を排出できる。 (5) In the methane production apparatus of the above aspect, a third reactor provided on the first channel and containing the slurry, and a fourth reaction provided on the second channel and containing the slurry are further provided. And / or a purge gas supply unit for supplying a purge gas to at least one of the third reactor and the fourth reactor. According to this configuration, the third reactor can be used to discharge the gas (oxygen, nitrogen, etc.) remaining in the catalyst contained in the slurry transferred on the first flow path. In addition, the fourth reactor can be used to discharge the gas (such as hydrogen) remaining in the catalyst contained in the slurry transferred on the second flow path.
(6)上記形態のメタン製造装置では、さらに、前記第1流路上に設けられた第1気液分離器と、前記第2流路上に設けられた第2気液分離器と、のうちの少なくともいずれか一方を備えていてもよい。この構成によれば、第1気液分離器を用いて、第1流路上を移送されるスラリーに含まれる触媒中に残留したガス(酸素、窒素等)を排出できる。また、第2気液分離器を用いて、第2流路上を移送されるスラリーに含まれる触媒中に残留したガス(水素等)を排出できる。 (6) In the methane production apparatus of the above aspect, of the first gas-liquid separator provided on the first flow path and the second gas-liquid separator provided on the second flow path, At least one of them may be provided. According to this configuration, the gas (oxygen, nitrogen, etc.) remaining in the catalyst contained in the slurry transferred on the first flow path can be discharged using the first gas-liquid separator. In addition, the second gas-liquid separator can be used to discharge the gas (such as hydrogen) remaining in the catalyst contained in the slurry transferred on the second flow path.
(7)上記形態のメタン製造装置において、前記触媒は、炭酸塩を形成して二酸化炭素を吸蔵するアルカリ金属と、アルカリ土類金属と、メタン化触媒性能を持つ金属と、のうちの少なくともいずれかを含んでいてもよい。この構成によれば、二酸化炭素の吸蔵及び還元性能を有する触媒として、種々の触媒を利用できる。 (7) In the methane production apparatus of the above aspect, the catalyst is at least one of an alkali metal which forms carbonate and stores carbon dioxide, an alkaline earth metal, and a metal having methanation catalytic performance. May be included. According to this configuration, various catalysts can be used as a catalyst having carbon dioxide storage and reduction performance.
(8)本発明の一形態によれば、二酸化炭素と水素からメタンを製造するメタン製造方法が提供される。このメタン製造方法は、二酸化炭素の吸蔵及び還元性能を有する触媒を含むスラリーを収容した第1反応器に対して二酸化炭素を含有する原料ガスを供給する工程と、前記スラリーを収容した第2反応器に対して水素を含有する還元ガスを供給する工程と、前記第1反応器から前記第2反応器へと前記スラリーを移送するための第1流路と、前記第2反応器から前記第1反応器へと前記スラリーを移送するための第2流路と、を用いて、前記第1反応器と前記第2反応器との間で前記スラリーを循環させる工程と、を備える。 (8) According to one aspect of the present invention, there is provided a methane production method for producing methane from carbon dioxide and hydrogen. This methane production method comprises the steps of: supplying a raw material gas containing carbon dioxide to a first reactor containing a slurry containing a catalyst having a carbon dioxide storage and reduction performance; and a second reaction containing the slurry Supplying a reducing gas containing hydrogen to the reactor, a first flow path for transferring the slurry from the first reactor to the second reactor, and the second flow from the second reactor Circulating the slurry between the first reactor and the second reactor using the second flow path for transferring the slurry to the one reactor.
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、二酸化炭素と水素からメタンを製造するメタン製造装置、メタン製造方法、メタン製造システム、これら装置やシステムの制御のためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various aspects, for example, a methane production apparatus for producing methane from carbon dioxide and hydrogen, a methane production method, a methane production system, and control of these apparatuses and systems. The present invention can be realized in the form of a computer program, a server device for distributing the computer program, and a non-temporary storage medium storing the computer program.
<第1実施形態>
図1は、第1実施形態におけるメタン製造装置1の概略構成を説明する図である。本実施形態のメタン製造装置1は、二酸化炭素(CO2)の吸蔵及び還元性能を有する触媒を利用して、二酸化炭素と水素(H2)からメタン(CH4)を製造する装置である。メタン製造装置1は、第1反応器10と、第2反応器20と、原料ガス供給部15と、還元ガス供給部25と、スラリーポンプ30とを備えている。
First Embodiment
FIG. 1 is a view for explaining a schematic configuration of the
メタン製造装置1では、CO2の吸蔵及び還元性能を有する触媒(以降、単に「触媒」とも呼ぶ)を利用する。例えば、本実施形態では、炭酸塩を形成してCO2を吸蔵するアルカリ金属と、アルカリ土類金属と、メタン化触媒性能を持つ金属と、のうちの少なくともいずれかの金属が含まれた触媒を利用できる。メタン製造装置1では、粉末状の上記触媒を、例えばシリコンオイルなどの流体と混合してスラリー状としたもの(以降、単に「スラリー」とも呼ぶ)を、CO2の吸蔵及び還元のために利用する。すなわち、メタン製造装置1において利用する触媒は、流体状(スラリー)とされている。
The
第1反応器10は、原料ガスに含まれるCO2を触媒に吸蔵させるための反応器(容器)である。第1反応器10の内部にはスラリーが収容される。第1反応器10には、原料ガス供給部15からの原料ガスが流通する供給管11と、第1反応器10からの排出ガス(O2、N2等)が流通する排出管12と、スラリーポンプ30から第1反応器10へとスラリーを移送するための第2流路形成部31と、第1反応器10から第2反応器20へとスラリーを移送するための第1流路形成部13と、がそれぞれ接続されている。
The
第2反応器20は、メタネーション反応のための反応器(容器)である。第2反応器20の内部では、スラリーに吸蔵されたCO2と、還元ガスに含まれるH2とを用いたサバティエ反応によって、CH4が生成される。第2反応器20の内部には、第1反応器10と同様にスラリーが収容される。第2反応器20には、還元ガス供給部25からの還元ガスが流通する供給管21と、第2反応器20での反応混合ガス(CH4等)が流通する排出管22と、第1反応器10から第2反応器20へとスラリーを移送するための第1流路形成部13と、第2反応器20からスラリーポンプ30へとスラリーを移送するための第2流路形成部23と、がそれぞれ接続されている。
The
なお、第1反応器10及び第2反応器20の大きさ(容器の径及び高さ)は、同じであってもよく、異なっていてもよい。第1反応器10及び第2反応器20の大きさは、触媒の特性に応じて決定されることが好ましく、例えば、CO2の還元速度が吸蔵速度に比べて遅い場合、第1反応器10よりも第2反応器20の大きさを大きく設計することが好ましい。そうすれば、触媒が第2反応器20に滞在する時間を、第1反応器10に滞在する時間と比較して長くすることができる。
The sizes (diameter and height of the container) of the
原料ガス供給部15は、第1反応器10に対して原料ガスを供給する装置であり、例えば、燃焼炉や原料ガスタンクによって構成されている。原料ガスには、CH4の生成に利用されるCO2の他にも、酸素(O2)、窒素(N2)等が含まれていてもよい。原料ガス供給部15には、原料ガス供給部15から第1反応器10への原料ガスが流通する供給管11が接続されている。本実施形態の原料ガス供給部15は、第1反応器10に対して常時、原料ガスの供給を行う。このため供給管11には、原料ガスの供給と遮断とを切り替える機構(バルブ等)を設けなくてもよい。
The raw material
還元ガス供給部25は、第2反応器20に対して還元ガスを供給する装置であり、例えば、水電解装置や水素タンクによって構成されている。還元ガスには、CH4の生成に利用されるH2の他にも、N2等が含まれていてもよい。還元ガス供給部25には、還元ガス供給部25から第2反応器20への還元ガスが流通する供給管21が接続されている。本実施形態の還元ガス供給部25は、第2反応器20に対して常時、還元ガスの供給を行う。このため供給管11と同様に、供給管21には、還元ガスの供給と遮断とを切り替える機構(バルブ等)を設けなくてもよい。
The reducing
スラリーポンプ30は、第2流路上に設けられて、白抜き矢印及び破線ハッチングの矢印(図1)の方向にスラリーを移送することで、第1反応器10と第2反応器20との間でスラリーを循環させるポンプである。なお、「第1流路」は、第1反応器10から第2反応器20へとスラリーを移送するための流路であり、第1流路形成部13によって形成されている(図1:白抜き矢印)。「第2流路」は、第2反応器20から第1反応器10へとスラリーを移送するための流路であり、第2流路形成部23と第2流路形成部31とによって形成されている(図1:斜線ハッチングの矢印)。
Between the
メタン製造装置1を利用したメタン製造方法について説明する。上述の通り、第1反応器10と第2反応器20とにはそれぞれ、CO2の吸蔵及び還元性能を有する触媒が収容されている。まず、第1反応器10内では、原料ガス供給部15から供給された原料ガスに含まれるCO2が、触媒に吸蔵される。原料ガスに含まれる他の成分(例えば、O2、N2等)は、排出ガスとして排出管12から排出される。なお、排出ガスは外部に放出されてもよく、例えばガス種別に分離されて図示しないガスタンクに蓄積されてもよい。
A methane production method using the
CO2が吸蔵された状態の触媒は、スラリーポンプ30によって、第1反応器10から第1流路(図1:白抜き矢印)を通って、第2反応器20へと移送される。すなわち、第2反応器20には、CO2が吸蔵された状態の触媒が供給される。
The catalyst in a state in which CO 2 is stored is transferred by the
次に、第2反応器20内では、還元ガス供給部25から供給された還元ガスに含まれるH2が、触媒に吸蔵されたCO2と反応(サバティエ反応)して、CH4を含む反応混合ガスが生成される。反応混合ガスは、排出管22から排出されて、そのまま又はガス種別に分離されて、図示しないガスタンクに蓄積される。
Next, in the
CO2が吸蔵された後の触媒は、スラリーポンプ30によって、第2反応器20から第2流路(図1:斜線ハッチングの矢印)を通って、再び第1反応器10へと移送される。すなわち、第1反応器10には、CO2が吸蔵されていない状態の触媒が供給される。
The catalyst after CO 2 storage is transferred from the
このように、本実施形態のメタン製造装置1では、第1,2反応器10,20に収容する触媒を流動可能なスラリー状として、かつ、第1,2流路形成部13,23,31及びスラリーポンプ30によって、CO2を触媒に吸蔵させるための第1反応器10と、メタネーション反応のための第2反応器20と、の間でスラリーを循環させる。このため、本実施形態のメタン製造装置1では、従来のように、単一の反応器内で、原料ガスからの二酸化炭素(CO2)の吸蔵工程と、還元ガスを用いたCO2のメタン(CH4)化工程との両方を実施する必要がなく、第1,2反応器10,20には、それぞれ常時同一のガスを供給できる。この結果、本実施形態のメタン製造装置1によれば、反応器へのガスの切り替えと、これに伴う多数のバルブが必要ないため、メタン製造装置1の装置構成を簡略化できる。
As described above, in the
図2は、メタン(CH4)生成量の時間変化を表す図である。縦軸はCH4生成量[mol/min]を表し、横軸は時間を表す。図2には、本実施形態のメタン製造装置1によるCH4生成量の変化Sと、第1比較例のメタン製造装置によるCH4生成量の変化S1と、第2比較例のメタン製造装置によるCH4生成量の変化S2(1)及び(2)とを示す。第1比較例は、CO2の吸蔵及び還元性能を有する固形状の触媒層を収容した単一の反応器内で、原料ガスからCO2を吸蔵する第1工程と、吸蔵されたCO2を還元してCH4を生成する第2工程とを逐次的に実施するメタン製造装置である。第2比較例は、第1比較例と同様の構成で、反応器を多段化したメタン製造装置である。
FIG. 2 is a diagram showing time change of methane (CH 4 ) production amount. The vertical axis represents CH 4 production [mol / min], and the horizontal axis represents time. In FIG. 2, the change S of the CH 4 production amount by the
図2の変化S1(一点鎖線)から明らかなように、第1比較例では、原料ガスからCO2を吸蔵する第1工程が実行される時間tnからtn+1の間は、CH4の生成が行われない。なお、「n」は処理開始後の任意の時刻を意味する。さらに、第1比較例では、吸蔵されたCO2を還元してCH4を生成する第2工程が実行される時間tn+1からtn+2の間についても、メタン生成量は放物線状となり、一定値を採らない。これは、還元ガス供給用のバルブを開閉してから還元ガス流量が安定するまでの間に時間遅れが生じることや、時間経過に伴って触媒層内に吸蔵されているCO2の総量や分布に変化が生じることなどに起因する。 As apparent from the change S1 (one-dot chain line) in FIG. 2, in the first comparative example, the CH 4 is performed during the time t n to t n + 1 when the first step of storing CO 2 from the source gas is performed. Does not occur. In addition, "n" means arbitrary time after the process start. Furthermore, in the first comparative example, the methane production amount is parabolic even during time t n + 1 to t n + 2 in which the second step of reducing occluded CO 2 to generate CH 4 is performed. It does not take a fixed value. This is because there is a time delay between the opening and closing of the reducing gas supply valve and the stabilization of the reducing gas flow rate, and the total amount and distribution of CO 2 stored in the catalyst layer with the passage of time. Cause changes, etc.
図2において破線で示す変化S2(1)は、第2比較例の1段目の反応器によるメタン生成量を表し、変化S2(2)は、第2比較例の2段目の反応器によるメタン生成量を表す。反応器を多段化して第1,2工程のタイミングをずらすことにより、例えば、時間tnからtn+1の間は1段目の反応器によってCH4を生成し、時間tn+1からtn+2の間は2段目の反応器によってCH4を生成する、といった連続処理が可能となる。しかし、第2比較例においても第1比較例と同様に、各反応器におけるメタン生成量は放物線状となり、一定値を採らない。理由は上述の通りである。また、反応器を多段化した場合、上述の通り原料ガスを連続処理することは可能になるものの、時間経過に伴って触媒層内に吸蔵されているCO2の総量や分布に変化が生じるため、メタン生成量の変化S2(1)とS2(2)とは必ずしも同一軌跡の放物線とならない。 A change S2 (1) indicated by a broken line in FIG. 2 represents the amount of methane produced by the first stage reactor of the second comparative example, and a change S2 (2) occurs by the second stage reactor of the second comparative example. Represents methane production. For example, CH 4 is generated by the first stage reactor between time t n and t n + 1 by shifting the timings of the first and second steps by multi-staging the reactor, and from time t n + 1 During t n +2 , continuous processing is possible such that CH 4 is produced by the second stage reactor. However, also in the second comparative example, as in the first comparative example, the methane production amount in each reactor is parabolic and does not take a constant value. The reason is as described above. In addition, when the reactor is multistaged, although it becomes possible to continuously process the source gas as described above, the total amount and distribution of CO 2 stored in the catalyst layer change with the passage of time. The changes S2 (1) and S2 (2) of the methane production amount do not necessarily have the same locus of parabola.
これに対して、本実施形態のメタン製造装置1では、上述の通り、反応器へのガスの切り替えが必要ないため、原料ガス供給部15から第1反応器10への原料ガスの流量と、還元ガス供給部25から第2反応器20への還元ガスの流量とを定常化できる。また、第1,2反応器10,20内に収容される触媒は流動可能なスラリー状である。このため、第1,2反応器10,20の間のみならず、各反応器10,20の内部においてもスラリーが流動することによって、触媒に吸蔵されているCO2の総量や分布を均一化すると共に、反応器内の温度を均一化することができる。これらの結果、本実施形態のメタン製造装置1では、図2の変化S(実線)から明らかなように、メタン生成量を定常化することができる。すなわち、本実施形態のメタン製造装置1では、従来の構成では困難であった定常的なCH4の生成が実現でき、負荷変動に対するロバスト性を向上できる。
On the other hand, in the
以上説明した通り、本実施形態のメタン製造装置1によれば、CO2の吸蔵及び還元性能を有する触媒を用いたメタンの製造において、装置構成の簡略化と、メタン生成量の定常化を図ることができる。さらに、メタン製造装置1によれば、第1,2反応器10,20内における触媒の滞留時間を、スラリーポンプ30の流量を変化させることで制御できる。このため例えば、原料ガス供給部15から第1反応器10へ供給される原料ガスの流量や組成(CO2の含有量)が変化した場合であっても、第1反応器10における目標CO2回収率を実現するために必要な滞留時間を容易に確保できる。
As described above, according to the
<第2実施形態>
図3は、第2実施形態におけるメタン製造装置1aの概略構成を説明する図である。第2実施形態では、次の反応器へ移動する触媒中に残留したガスの排出が可能な構成について説明する。第2実施形態のメタン製造装置1aは、上述した第1実施形態の各構成に加えてさらに、第3反応器40と、第4反応器50と、第1パージガス供給部45と、第2パージガス供給部55とを備えている。以下、第1実施形態と相違する部分について説明する。
Second Embodiment
FIG. 3 is a view for explaining the schematic configuration of a
第3反応器40は、第1流路上に設けられて、第1反応器10から第2反応器20へ移送されるスラリーに含まれる触媒中に残留したガス(O2、N2等)を排出するための反応器(容器)である。第3反応器40の内部には、第1反応器10と同様にスラリーが収容される。第3反応器40には、第1パージガス供給部45からのパージガスが流通する供給管41と、第3反応器40からの排出ガスが流通する排出管42と、第1反応器10から第3反応器40へとスラリーを移送するための第1流路形成部13aと、第3反応器40から第2反応器20へとスラリーを移送するための第1流路形成部43と、がそれぞれ接続されている。
The
第4反応器50は、第2流路上に設けられて、第2反応器20から第1反応器10へ移送されるスラリーに含まれる触媒中に残留したガス(H2等)を排出するための反応器(容器)である。第4反応器50の内部には、第1反応器10と同様にスラリーが収容される。第4反応器50には、第2パージガス供給部55からのパージガスが流通する供給管51と、第4反応器50からの排出ガスが流通する排出管52と、第2反応器20から第4反応器50へとスラリーを移送するための第2流路形成部23aと、第4反応器50からスラリーポンプ30へとスラリーを移送するための第2流路形成部53と、がそれぞれ接続されている。
The
第1パージガス供給部45は、第3反応器40に対してパージガスを供給する装置であり、例えば、窒素ガス発生装置や窒素タンクによって構成されている。パージガスには、残留ガスの排出に使用されるN2のほかにも、CO2、O2等が含まれていてもよい。第1パージガス供給部45には、第1パージガス供給部45から第3反応器40へのパージガスが流通する供給管41が接続されている。本実施形態の第1パージガス供給部45は、第3反応器40に対して常時、パージガスの供給を行う。このため供給管11と同様に、供給管41には、パージガスの供給と遮断とを切り替える機構(バルブ等)は設けなくてもよい。第2パージガス供給部55は、第4反応器50に対してパージガスを供給する装置であり、詳細は第1パージガス供給部45と同様である。第2パージガス供給部55には、第2パージガス供給部55から第4反応器50へのパージガスが流通する供給管51が接続されている。
The first purge
第2実施形態では、第1流路形成部13aと第1流路形成部43とが「第1流路」を形成し、第2流路形成部23aと第2流路形成部53と第2流路形成部31とが「第2流路」を形成する。なお、上述した構成において、第3反応器40及び第1パージガス供給部45と、第4反応器50及び第2パージガス供給部55と、のうちの少なくとも一方は省略してもよい。また、第1パージガス供給部45と第2パージガス供給部55とを単一のパージガス供給部により構成してもよい。この場合、単一のパージガス供給部に対して、第3反応器40へパージガスを供給する供給管41と、第4反応器50へパージガスを供給する供給管51との両方が接続される。
In the second embodiment, the first flow
このように、第2実施形態のメタン製造装置1aでは、上述した第1実施形態と同様の効果を奏することができる。さらに、第2実施形態のメタン製造装置1aでは、第3反応器40を用いて、第1流路上を移送されるスラリーに含まれる触媒中に残留したガス(O2、N2等)を排出できる。また、第4反応器を用いて、第2流路上を移送されるスラリーに含まれる触媒中に残留したガス(H2、N2等)を排出できる。この結果、第2実施形態のメタン製造装置1aでは、第1,2反応器10,20内においてO2とH2とが混在することを抑制できる。
Thus, in the
<第3実施形態>
図4は、第3実施形態におけるメタン製造装置1bの概略構成を説明する図である。第3実施形態では、第2実施形態と同様に、次の反応器へ移動する触媒中に残留したガスの排出が可能な構成について説明する。第3実施形態のメタン製造装置1bは、上述した第1実施形態の各構成に加えてさらに、第1気液分離器60と、第2気液分離器70とを備えている。
Third Embodiment
FIG. 4 is a view for explaining the schematic configuration of a
第1気液分離器60は、第1流路上に設けられて、第1反応器10から第2反応器20へ移送されるスラリーに含まれる触媒中に残留したガス(O2、N2等)を分離、排出するための気液分離器である。第1気液分離器60の内部には、第1反応器10と同様にスラリーが収容される。第1気液分離器60には、第1反応器10から第1気液分離器60へとスラリーを移送するための第1流路形成部13bと、第1気液分離器60から第2反応器20へとスラリーを移送するための第1流路形成部61とがそれぞれ接続されている。
The first gas-
第2気液分離器70は、第2流路上に設けられて、第2反応器20から第1反応器10へ移送されるスラリーに含まれる触媒中に残留したガス(H2、N2等)を分離、排出するための気液分離器である。第2気液分離器70の内部には、第1反応器10と同様にスラリーが収容される。第2気液分離器70には、第2反応器20から第2気液分離器70へとスラリーを移送するための第2流路形成部23bと、第2気液分離器70からスラリーポンプ30へとスラリーを移送するための第2流路形成部71と、がそれぞれ接続されている。
The second gas-
第3実施形態では、第1流路形成部13bと第1流路形成部61とが「第1流路」を形成し、第2流路形成部23bと第2流路形成部71と第2流路形成部31とが「第2流路」を形成する。なお、上述した構成において、第1気液分離器60及び第2気液分離器70のうちの少なくとも一方は省略してもよい。
In the third embodiment, the first flow
このように、第3実施形態のメタン製造装置1bでは、上述した第1実施形態と同様の効果を奏することができる。さらに、第3実施形態のメタン製造装置1bでは、第1気液分離器60を用いて、第1流路上を移送されるスラリーに含まれる触媒中に残留したガス(O2、N2等)を排出できる。また、第2気液分離器70を用いて、第2流路上を移送されるスラリーに含まれる触媒中に残留したガス(H2、N2等)を排出できる。この結果、第3実施形態のメタン製造装置1bにおいても、第1,2反応器10,20内においてO2とH2とが混在することを抑制できる。
Thus, in the
<第4実施形態>
図5は、第4実施形態におけるメタン製造装置1cの概略構成を説明する図である。第4実施形態では、スラリーポンプ30の流量と、還元ガス供給部25からの還元ガスの供給量とを制御可能な構成について説明する。第4実施形態のメタン製造装置1cは、上述した第1実施形態の各構成に加えてさらに、第1流量計91と、第2流量計92と、第1濃度計95と、第2濃度計96と、マスフローコントローラ80と、制御部100とを備えている。
Fourth Embodiment
FIG. 5 is a view for explaining the schematic configuration of a
第1流量計91は、原料ガス供給部15から第1反応器10へと供給される原料ガスの流量を計測する流量センサであり、供給管11に設けられている。第1流量計91には種々の形式を採用でき、例えば、カルマン渦式、熱式、超音波式等を採用できる。第1流量計91は、原料ガスの流量を取得する「第1流量取得部」として機能する。なお、制御部100が、原料ガス供給部15を構成する装置(例えば、燃焼炉や原料ガスタンク)から原料ガスの流量の情報を取得可能な場合、制御部100を第1流量取得部として機能させて、第1流量計91は省略してもよい。
The
第1濃度計95は、原料ガス供給部15から第1反応器10へと供給される原料ガスのCO2濃度を計測する濃度センサであり、供給管11において原料ガス供給部15のガス噴出口の近傍に設けられている。第1濃度計95は、原料ガス中のCO2濃度を取得する「第1濃度取得部」として機能する。なお、制御部100が、原料ガス供給部15を構成する装置から原料ガス中のCO2濃度の情報を取得可能な場合、制御部100を第1濃度取得部として機能させて、第1濃度計95は省略してもよい。
The
第2流量計92は、第1反応器10から排出される排出ガスの流量を計測する流量センサであり、排出管12に設けられている。第2流量計92は、第1流量計91と同様に種々の形式を採用できる。第2流量計92は、排出ガスの流量を取得する「第2流量取得部」として機能する。第2濃度計96は、第1反応器10から排出される排出ガス中のCO2濃度を計測する濃度センサであり、排出管12において第1反応器10のガス噴出口の近傍に設けられている。第2濃度計96は、排出ガス中のCO2濃度を取得する「第2濃度取得部」として機能する。
The
マスフローコントローラ80は、図示しない流量センサや流量制御バルブ等を含み、還元ガス供給部25から第2反応器20へと供給される還元ガスの流量を制御する装置であり、供給管21に設けられている。
The
制御部100は、ROM、RAM、およびCPUを含んで構成されるコンピュータであり、メタン製造装置1cの各部を制御する。制御部100は、第1,2流量計91,92、第1,2濃度計95,96と電気的に接続され、各流量計及び各濃度計の計測値を取得する。また、制御部100は、スラリーポンプ30、マスフローコントローラ80と電気的に接続され、スラリーポンプ30とマスフローコントローラ80とを制御する。制御部100には、スラリーポンプ30の制御に使用されるポンプ流量マップ101と、マスフローコントローラ80の制御に使用される還元ガス流量マップ102とが予め記憶されている。
The
図6は、ポンプ流量マップ101と還元ガス流量マップ102の概念図である。図6(A)には、ポンプ流量マップ101の概念図を示す。ポンプ流量マップ101において、縦軸は原料ガス中のCO2濃度(XCO2_in)を表し、横軸は原料ガスの流量(Qin[slm])を表す。マップの濃淡はスラリーポンプ30の流量を表し、色が濃いほどスラリーポンプ30の流量が多く、薄いほどスラリーポンプ30の流量が少ないことを意味する。
FIG. 6 is a conceptual view of the pump
原料ガス中のCO2濃度が高ければ高いほど、また、第1反応器10へ単位時間あたりに供給される原料ガスの流量が多ければ多いほど、触媒によるCO2の吸蔵に時間を要するため、スラリーポンプ30の流量は少なくする必要がある。このため、ポンプ流量マップ101では、スラリーポンプ30の流量を、原料ガス中のCO2濃度と、原料ガスの流量との両方に反比例させている。ポンプ流量マップ101は、実験等により事前に求められ、制御部100内の記憶部(ROM等)に記憶されている。
As the concentration of CO 2 in the source gas is higher, and as the flow rate of the source gas supplied to the
図6(B)には、還元ガス流量マップ102の概念図を示す。還元ガス流量マップ102において、縦軸は第1反応器10におけるCO2回収量(Qad[slm])を表し、横軸はスラリーポンプ30の流量(Qs[slm])を表す。マップの濃淡はマスフローコントローラ80により制御される還元ガスの流量を表し、色が濃いほど還元ガスの流量が多く、薄いほど還元ガスの流量が少ないことを意味する。
FIG. 6B shows a conceptual diagram of the reducing gas
第1反応器10におけるCO2回収量(触媒中に吸蔵されたCO2の量)は、第2反応器20において還元を要するCO2の量を意味する。また、スラリーポンプ30の流量は、第2反応器20に対して単位時間あたりに供給される触媒の量を意味する。このため、第1反応器10におけるCO2回収量が多ければ多いほど、また、スラリーポンプ30の流量が多ければ多いほど、CO2還元のためのH2を多く消費するため、還元ガスの流量を多くする必要がある。このため、還元ガス流量マップ102では、還元ガスの流量を、第1反応器10におけるCO2回収量と、スラリーポンプ30の流量との両方に比例させている。還元ガス流量マップ102は、ポンプ流量マップ101と同様に実験等により事前に求められ、制御部100内の記憶部(ROM等)に記憶されている。
CO 2 recovery amount in the first reactor 10 (the amount of CO 2 that is occluded in the catalyst) is meant the amount of CO 2 that requires reduction in the
なお、図6に示したポンプ流量マップ101及び還元ガス流量マップ102は、使用する触媒におけるCO2の吸蔵速度及び還元速度、使用する第1反応器10及び第2反応器20の大きさ、目標とするCO2の回収率、原料ガス及び還元ガスの組成によって変動する。このため、以降の流量制御においてこれらの各条件を変更したい場合、ポンプ流量マップ101と還元ガス流量マップ102とは再作成を要する。
The pump
図7は、制御部100による流量制御の手順を示すフローチャートである。流量制御は、メタン製造装置1cの動作開始後に実行され、メタン製造装置1cの動作中は絶えず実行されている。なお、以降の説明では、原料ガス供給部15として燃焼炉を例示し、原料ガス中のCO2濃度と、原料ガスの流量とが絶えず変動する場合を例示する。
FIG. 7 is a flowchart showing the flow control procedure by the
ステップS10において制御部100は、制御に使用する時間変数t[秒]を0に初期化する。ステップS12において制御部100は、第1流量計91により計測された原料ガスの流量Qin(t)[slm]と、第1濃度計95により計測された原料ガス中のCO2濃度XCO2_in(t)と、を取得する。ステップS14において制御部100は、ポンプ流量マップ101を参照し、ステップS12での各取得値を用いて、スラリーポンプ30の流量Qs(t)[slm]を求める。ステップS16において制御部100は、スラリーポンプ30の流量を、ステップS14で求めた流量Qs(t)へと変更する。
In step S10, the
ステップS18において制御部100は、第2流量計92により計測された第1反応器10からの排出ガスの流量Qout(t)[slm]と、第2濃度計96により計測された第1反応器10からの排出ガス中のCO2濃度XCO2_out(t)と、を取得する。ステップS20において制御部100は、ステップS18での各取得値を用いて、次の数式1から第1反応器10におけるCO2回収量Qad(t)[slm]を求める。
In step S18, the
ステップS22において制御部100は、還元ガス流量マップ102を参照し、ステップS20で求めたCO2回収量Qad(t)と、ステップS14で求めたスラリーポンプ30の流量Qs(t)とを用いて、還元ガスの流量Qr(t)[slm]を求める。ステップS24において制御部100は、マスフローコントローラ80からの還元ガスの流量を、ステップS22で求めた流量Qr(t)へと変更する。
In step S22, the
ステップS26において制御部100は、第1時間(Δt)[秒]が経過したか否かを判定する。なお、第1時間Δtは予め任意に決定することができ、例えば0.1〜5秒程度の任意の値とできる。第1時間が経過していない場合(ステップS26:NO)、制御部100は処理をステップS26に遷移させ、第1時間の経過を監視する。第1時間が経過した場合(ステップS26:YES)、制御部100は処理をステップS28へ遷移させる。
In step S26, the
ステップS28において制御部100は、第1時間経過後の原料ガスの流量Qin(t+Δt)と、原料ガス中のCO2濃度XCO2_in(t+Δt)と、を第1流量計91及び第1濃度計95から取得する。ステップS30において制御部100は、ステップS12での各取得値とステップS28での各取得値とから、第1時間経過後の原料ガスの流量Qin(t+Δt)の増減、及び、第1時間経過後の原料ガス中のCO2濃度XCO2_in(t+Δt)の増減について、次の数式2に示す条件を満たすか否かを判定する。ここで、αは流量及び濃度の増減量[%]を表す閾値であり、例えば1〜20程度の任意の値とできる。数式2では、原料ガスの流量Qin(t+Δt)の増減と、原料ガス中のCO2濃度XCO2_in(t+Δt)の増減とに同じ閾値αを使用しているが、これらは異なる閾値が利用されてもよい。
In step S28, the
数式2に示す条件を満たす場合(ステップS30:YES)、制御部100は処理をステップS14に遷移させ、第1時間経過後の原料ガスの流量Qin(t+Δt)と、原料ガス中のCO2濃度XCO2_in(t+Δt)とによるスラリーポンプ30の流量Qs(t+Δt)を求め、スラリーポンプ30の流量を変更する。その後、制御部100は、ステップS16以降の処理を継続する。
If the condition shown in
一方、数式2に示す条件を満たさない場合(ステップS30:NO)、制御部100は処理をステップS32に遷移させ、第2時間(Δtw)[秒]が経過したか否かを判定する。なお、第2時間Δtwは予め任意に決定することができ、例えば30〜600秒程度の任意の値とできる。第2時間が経過していない場合(ステップS32:NO)、制御部100は処理をステップS32に遷移させ、第2時間の経過を監視する。第2時間が経過した場合(ステップS32:YES)、制御部100は処理をステップS28へ遷移させ、再び、その時刻における第1流量計91と第1濃度計95との取得値を用いて、数式2に示す条件が成立するか否かを判定する。
On the other hand, when the condition shown in
このように、第4実施形態のメタン製造装置1cでは、上述した第1実施形態と同様の効果を奏することができる。さらに、メタン製造装置1cの流量制御(図7)のステップS12〜S16によれば、制御部100は、第1濃度計95(第1濃度取得部)により取得された原料ガス中のCO2濃度と、第1流量計91(第1流量取得部)により取得された原料ガスの流量と、の両方に反比例させて、ポンプの流量を変更する(図6(A))。このため、第4実施形態のメタン製造装置1cによれば、第1反応器10においてCO2が触媒に十分吸蔵されるまでの時間、第1反応器10内に触媒を滞在させることができる。この結果、第1反応器10におけるCO2回収量を向上できる。
Thus, in the
また、メタン製造装置1cの流量制御(図7)のステップS18〜S24によれば、制御部100は、第1濃度計95(第1濃度取得部)により取得された原料ガス中のCO2濃度と、第1流量計91(第1流量取得部)により取得された原料ガスの流量とから求めた「原料ガス中のCO2量」から、第2濃度計96(第2濃度取得部)により取得された排出ガス中のCO2濃度と、第2流量計92(第2流量取得部)により取得された排出ガスの流量とから求めた「排出ガス中の二酸化炭素量」を減じることで(数式1)、第1反応器10におけるCO2回収量Qadを求める。制御部100は、求めた第1反応器10におけるCO2回収量と、スラリーポンプ30の流量との両方に比例させて、マスフローコントローラ80の流量を変更することによって、原料ガス供給部15からの還元ガスの供給量を変更する。このため、第4実施形態のメタン製造装置1cによれば、都度、第2反応器20におけるCO2の還元に過不足のない量のH2を供給できる。この結果、第2反応器20におけるメタン生成量を向上できると共に、還元ガスの消費量を抑制できる。
Further, according to steps S18 to S24 of the flow control of the
なお、図7で説明した制御部100の制御内容はあくまで一例である。制御部100は、第1流量計91から取得した原料ガスの流量Qinと、第1濃度計95から取得した原料ガス中のCO2濃度XCO2_inと、第2流量計92から取得した第1反応器10からの排出ガスの流量Qoutと、第2濃度計96から取得した第1反応器10からの排出ガス中のCO2濃度XCO2_outと、のうちの少なくとも一部を用いて、スラリーポンプ30やマスフローコントローラ80に対する種々の制御を実施できる。例えば、制御部100は、スラリーポンプ30の流量を変更することに代えて、スラリーポンプ30の駆動、停止を制御してもよい。例えば、制御部100は、還元ガスの流量を変更することに代えて、還元ガスの濃度や組成を変更してもよく、原料ガスの流量、濃度、組成を変更してもよい。このようにすれば、CO2の吸蔵及び還元性能を有する触媒を用いたメタン製造において、メタン生成量の更なる定常化を図ることができる。
The control content of the
<本実施形態の変形例>
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
<Modification of this embodiment>
The present invention is not limited to the above embodiment, and can be implemented in various aspects without departing from the scope of the present invention. For example, the following modifications are possible.
[変形例1]
上記第1〜4実施形態では、メタン製造装置の構成の一例を示した。しかし、メタン製造装置の構成は種々の変形が可能である。例えば、第1反応器と、第2反応器と、のうちの少なくともいずれか一方は複数設けられていてもよい。第1反応器又は第2反応器を複数設ける場合、これら反応器の接続は直列でもよく、並列でもよい。例えば、第2反応器を直列接続にて複数設けた場合、1段目の第2反応器と2段目の第2反応器との間において、例えば気液分離器を設けて反応混合ガスからH2Oを分離させてもよい。例えば、第4実施形態のメタン製造装置において、原料ガス供給部から第1反応器への供給管に、原料ガスの流量を制御するためのマスフローコントローラを設けてもよい。
[Modification 1]
In the said 1st-4th embodiment, an example of a structure of the methane production apparatus was shown. However, the configuration of the methane production apparatus can be variously modified. For example, a plurality of at least one of the first reactor and the second reactor may be provided. When a plurality of first reactors or second reactors are provided, these reactors may be connected in series or in parallel. For example, when a plurality of second reactors are connected in series, for example, a gas-liquid separator is provided between the first reactor of the second stage and the second reactor of the second stage to obtain a reaction mixture gas. H 2 O may be separated. For example, in the methane production apparatus of the fourth embodiment, a mass flow controller for controlling the flow rate of the source gas may be provided in the supply pipe from the source gas supply unit to the first reactor.
[変形例2]
上記第4実施形態では、メタン製造装置の制御部による制御内容の一例を示した。しかし、制御部による制御内容は種々の変形が可能である。例えば、ステップS12〜S16のスラリーポンプの流量制御と、ステップS18〜S24の還元ガスの流量制御とのうちの少なくとも一方を省略してもよい。ステップS18〜S24の還元ガスの流量制御を省略する場合、図5に示したメタン製造装置のうち、マスフローコントローラは省略してもよい。例えば、説明しない更なる処理を追加してもよい。更なる処理としては、例えば、原料ガスの流量制御、還元ガスの濃度制御、還元ガスの組成制御等を採用できる。
[Modification 2]
In the said 4th Embodiment, an example of the control content by the control part of the methane production apparatus was shown. However, the control contents by the control unit can be variously modified. For example, at least one of the flow rate control of the slurry pump in steps S12 to S16 and the flow rate control of the reducing gas in steps S18 to S24 may be omitted. When the flow control of the reducing gas in steps S18 to S24 is omitted, the mass flow controller may be omitted in the methane production apparatus shown in FIG. For example, additional processing not described may be added. As the further processing, for example, flow rate control of the source gas, concentration control of the reducing gas, composition control of the reducing gas, and the like can be adopted.
[変形例3]
第1〜4実施形態のメタン製造装置の構成、及び上記変形例1〜2のメタン製造装置の構成は、適宜組み合わせてもよい。例えば、第2,3実施形態のメタン製造装置において、第1,2流量計、第1,2濃度計、制御部を備える構成とし、第4実施形態で説明した制御部による制御を実施してもよい。例えば、第2実施形態のメタン製造装置においてさらに、第3実施形態で説明した気液分離器を備えてもよい。
[Modification 3]
You may combine suitably the structure of the methane production apparatus of 1st-4th embodiment, and the structure of the methane production apparatus of the said modification 1-2. For example, in the methane production apparatus of the second and third embodiments, the first and second flow meters, the first and second densitometers, and the control unit are provided, and the control by the control unit described in the fourth embodiment is performed. It is also good. For example, the methane production apparatus of the second embodiment may further include the gas-liquid separator described in the third embodiment.
以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。 As mentioned above, although this aspect was demonstrated based on embodiment and a modification, embodiment of the above-mentioned aspect is for making an understanding of this aspect easy, and does not limit this aspect. The present embodiment can be modified and improved without departing from the spirit and the scope of the claims, and the present embodiment includes the equivalents thereof. In addition, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.
1,1a〜1c…メタン製造装置
10…第1反応器
11…供給管
12…排出管
13,13a,13b…第1流路形成部
15…原料ガス供給部
20…第2反応器
21…供給管
22…排出管
23,23a,23b…第2流路形成部
25…還元ガス供給部
30…スラリーポンプ
31…第2流路形成部
40…第3反応器
41…供給管
42…排出管
43…第1流路形成部
45…第1パージガス供給部
50…第4反応器
51…供給管
52…排出管
53…第2流路形成部
55…第2パージガス供給部
60…第1気液分離器
61…第1流路形成部
70…第2気液分離器
71…第2流路形成部
80…マスフローコントローラ
91…第1流量計
92…第2流量計
95…第1濃度計
96…第2濃度計
100…制御部
101…ポンプ流量マップ
102…還元ガス流量マップ
1, 1a to 1c: Methane production apparatus 10: first reactor 11: supply pipe 12:
Claims (8)
二酸化炭素の吸蔵及び還元性能を有する触媒を含むスラリーを収容する第1反応器及び第2反応器と、
前記第1反応器に対して二酸化炭素を含有する原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
前記第2反応器に対して水素を含有する還元ガスを供給する還元ガス供給部と、
前記第1反応器から前記第2反応器へと前記スラリーを移送するための第1流路を形成する第1流路形成部と、
前記第2反応器から前記第1反応器へと前記スラリーを移送するための第2流路を形成する第2流路形成部と、
前記第1反応器と前記第2反応器との間で前記スラリーを循環させるポンプと、
を備える、メタン製造装置。 A methane production apparatus that produces methane from carbon dioxide and hydrogen,
A first reactor and a second reactor containing a slurry containing a catalyst having carbon dioxide storage and reduction performance;
A source gas supply unit configured to supply a source gas containing carbon dioxide to the first reactor;
A reducing gas supply unit for supplying a reducing gas containing hydrogen to the second reactor;
A first flow passage forming part forming a first flow passage for transferring the slurry from the first reactor to the second reactor;
A second flow passage forming part forming a second flow passage for transferring the slurry from the second reactor to the first reactor;
A pump for circulating the slurry between the first reactor and the second reactor;
, A methane production unit.
前記原料ガス中の二酸化炭素濃度を取得する第1濃度取得部と、
前記原料ガスの流量を取得する第1流量取得部と、
前記第1反応器から排出される排出ガス中の二酸化炭素濃度を取得する第2濃度取得部と、
前記第1反応器から排出される前記排出ガスの流量を取得する第2流量取得部と、
前記第1濃度取得部、前記第1流量取得部、前記第2濃度取得部、及び前記第2流量取得部による各取得値のうちの少なくとも一部に応じて、前記ポンプと、前記還元ガス供給部からの前記還元ガスとの少なくとも一方を制御する制御部と、
を備える、メタン製造装置。 The methane production apparatus according to claim 1, further comprising:
A first concentration acquisition unit that acquires a carbon dioxide concentration in the raw material gas;
A first flow rate acquiring unit that acquires a flow rate of the raw material gas;
A second concentration acquisition unit configured to acquire a carbon dioxide concentration in the exhaust gas discharged from the first reactor;
A second flow rate acquiring unit for acquiring a flow rate of the exhaust gas discharged from the first reactor;
The pump and the reduction gas supply according to at least a part of the values acquired by the first concentration acquisition unit, the first flow rate acquisition unit, the second concentration acquisition unit, and the second flow rate acquisition unit. A control unit that controls at least one of the reducing gas from the control unit;
, A methane production unit.
前記制御部は、前記第1濃度取得部により取得された前記原料ガス中の二酸化炭素濃度と、前記第1流量取得部により取得された前記原料ガスの流量と、の両方に反比例させて、前記ポンプの流量を変更する、メタン製造装置。 The methane production apparatus according to claim 2, wherein
The control unit is inversely proportional to both the carbon dioxide concentration in the source gas acquired by the first concentration acquisition unit and the flow rate of the source gas acquired by the first flow rate acquisition unit. Methane production equipment that changes the flow rate of the pump.
前記制御部は、
前記第1濃度取得部により取得された前記原料ガス中の二酸化炭素濃度と、前記第1流量取得部により取得された前記原料ガスの流量とから求めた前記原料ガス中の二酸化炭素量から、前記第2濃度取得部により取得された前記排出ガス中の二酸化炭素濃度と、前記第2流量取得部により取得された前記排出ガスの流量とから求めた前記排出ガス中の二酸化炭素量を減じることで、前記第1反応器における二酸化炭素回収量を求め、
求めた前記二酸化炭素回収量と、前記ポンプの流量と、の両方に比例させて、前記還元ガス供給部からの前記還元ガスの供給量を変更する、メタン製造装置。 The methane production apparatus according to claim 2 or 3, wherein
The control unit
The amount of carbon dioxide in the source gas determined from the concentration of carbon dioxide in the source gas acquired by the first concentration acquisition unit and the flow rate of the source gas acquired by the first flow rate acquisition unit By reducing the amount of carbon dioxide in the exhaust gas determined from the concentration of carbon dioxide in the exhaust gas acquired by the second concentration acquisition unit and the flow rate of the exhaust gas acquired by the second flow rate acquisition unit Determining the carbon dioxide recovery amount in the first reactor,
The methane production apparatus which changes the supply amount of the said reduction gas from the said reduction gas supply part in proportion to both the calculated | required amount of said carbon dioxide collection | recovery and the flow volume of the said pump.
前記第1流路上に設けられ、前記スラリーを収容する第3反応器と、
前記第2流路上に設けられ、前記スラリーを収容する第4反応器と、
のうちの少なくともいずれか一方を備え、さらに、
前記第3反応器と前記第4反応器とのうちの少なくともいずれか一方にパージガスを供給するパージガス供給部、
を備える、メタン製造装置。 The methane production apparatus according to any one of claims 1 to 4, further comprising:
A third reactor provided on the first channel and containing the slurry;
A fourth reactor provided on the second flow path and containing the slurry;
And at least one of the
A purge gas supply unit for supplying a purge gas to at least one of the third reactor and the fourth reactor;
, A methane production unit.
前記第1流路上に設けられた第1気液分離器と、
前記第2流路上に設けられた第2気液分離器と、
のうちの少なくともいずれか一方を備える、メタン製造装置。 The methane production apparatus according to any one of claims 1 to 5, further comprising:
A first gas-liquid separator provided on the first flow path;
A second gas-liquid separator provided on the second flow path;
An apparatus for producing methane, comprising at least one of the following.
前記触媒は、炭酸塩を形成して二酸化炭素を吸蔵するアルカリ金属と、アルカリ土類金属と、メタン化触媒性能を持つ金属と、のうちの少なくともいずれかを含む、メタン製造装置。 A methane production apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein
The said catalyst is a methane production apparatus containing at least any one of the alkali metal which forms carbonate, and occludes a carbon dioxide, alkaline-earth metal, and the metal which has methanation catalyst performance.
二酸化炭素の吸蔵及び還元性能を有する触媒を含むスラリーを収容した第1反応器に対して二酸化炭素を含有する原料ガスを供給する工程と、
前記スラリーを収容した第2反応器に対して水素を含有する還元ガスを供給する工程と、
前記第1反応器から前記第2反応器へと前記スラリーを移送するための第1流路と、前記第2反応器から前記第1反応器へと前記スラリーを移送するための第2流路と、を用いて、前記第1反応器と前記第2反応器との間で前記スラリーを循環させる工程と、
を備える、メタン製造方法。 A methane production method for producing methane from carbon dioxide and hydrogen, comprising:
Supplying a raw material gas containing carbon dioxide to a first reactor containing a slurry containing a catalyst having carbon dioxide storage and reduction performance;
Supplying a reducing gas containing hydrogen to a second reactor containing the slurry;
A first flow path for transferring the slurry from the first reactor to the second reactor, and a second flow path for transferring the slurry from the second reactor to the first reactor Circulating the slurry between the first reactor and the second reactor using
A method for producing methane, comprising:
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