JP2021045700A - 合成物生産システム及び二酸化炭素処理システム - Google Patents

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忠輝 谷岡
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和徳 藤田
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喜昌 安藤
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崇寛 加茂
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健一 入江
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Abstract

【課題】合成プラント専用の二酸化炭素の回収装置を不要とし、設備コストを低減することが可能な合成物生産システム及び二酸化炭素処理システムを提供する。【解決手段】合成物生産システムは、水素含有ガスと二酸化炭素とを合成することにより合成物を生産する合成プラントと、二酸化炭素含有ガスから前記二酸化炭素を回収するための回収装置と回収した前記二酸化炭素を地層に固定化するための圧入設備とを含む回収貯留プラントから前記合成プラントに前記二酸化炭素を供給するための二酸化炭素供給ラインと、を備える。【選択図】 図1

Description

本開示は、合成物生産システム及び二酸化炭素処理システムに関する。
地球温暖化の防止策として、化石燃料の利用に伴う二酸化炭素の排出を削減することが求められている。一つの解決策として、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を回収して、それを合成物(燃料、化学素材等)の資源として活用することが提案されている。この場合、大気への二酸化炭素の排出を抑制することができる。例えば、特許文献1には、水又は海水の電気分解によって得られた水素と、発電設備の排ガスから分離した二酸化炭素とを合成し、燃料を生成するシステムが開示されている。
また、もう一つの解決策として、二酸化炭素の活用ではなく、二酸化炭素の処理に着目した試みもある。例えば、特許文献2には、PSA装置と二酸化炭素分離膜によって、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素の回収装置が開示されている。二酸化炭素を回収した後の水素富化ガスは製品水素として利用される。一方、回収された二酸化炭素は、液化した状態で他の場所に輸送され、輸送先の地下又は海中に貯留される。
特開平11−46460号公報 特開2008−247636号公報
特許文献1のように、合成物の生産に使用する二酸化炭素のみを回収するために、専用の二酸化炭素の回収装置(すなわち合成プラント専用の二酸化炭素の回収装置)を設けると、設備コストが増加する。その結果、合成物の生産コストも高くなってしまう。特許文献2においても、このような問題の解決策について記載されていない。
上述の事情に鑑みて、本開示は、合成プラント専用の二酸化炭素の回収装置を不要とし、設備コストを低減することが可能な合成物生産システム及び二酸化炭素処理システムを提供することを目的とする。
本開示に係る合成物生産システムは、
水素含有ガスと二酸化炭素とを合成することにより合成物を生産する合成プラントと、
二酸化炭素含有ガスから前記二酸化炭素を回収するための回収装置と回収した前記二酸化炭素を地層に固定化するための圧入設備とを含む回収貯留プラントから前記合成プラントに前記二酸化炭素を供給するための二酸化炭素供給ラインと、
を備える。
本開示に係る二酸化炭素処理システムは、
上記の合成物生産システムと、
二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を回収するための回収装置と、回収した前記二酸化炭素を地層に固定化するための圧入設備とを含む回収貯留プラントと、
前記回収貯留プラントの前記回収装置のオフガスを燃焼させて発電するように構成された発電設備と、
前記合成プラントから排出される未反応ガスを再循環させるための配管から前記未反応ガスの少なくとも一部を前記発電設備に供給するための未反応ガス供給ラインと、
を備える。
本開示によれば、合成プラント専用の二酸化炭素の回収装置を不要とし、設備コストを低減することが可能な合成物生産システム及び二酸化炭素処理システムを提供することができる。
本開示の一実施形態に係る二酸化炭素処理システムの構成を概略的に示す図である。 一実施形態に係る二酸化炭素処理システムの構成を概略的に示す図である。 一実施形態に係る二酸化炭素処理システムの構成を概略的に示す図である。 一実施形態に係る二酸化炭素処理システムの構成を概略的に示す図である。 一実施形態に係る二酸化炭素処理システムの構成を概略的に示す図である。
以下、添付図面を参照して幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
図1〜図5は、それぞれ、本開示の一実施形態に係る二酸化炭素処理システム1(1A、1B、1C、1D、1E)の構成を概略的に示す図である。例えば、図1〜図5に示すように、二酸化炭素処理システム1(1A、1B、1C、1D、1E)は、合成物生産システム2と、回収貯留プラント3とを備える。
図1〜図5に示すように、合成物生産システム2は、水素含有ガスと二酸化炭素とを合成することにより合成物を生産する合成プラント10と、回収貯留プラント3から合成プラント10に二酸化炭素を供給するための二酸化炭素供給ライン11と、を備える。合成プラント10は、合成物として、メタノール、メタン、及びジメチルエーテルのうち少なくとも1種を生産するように構成される。また、合成プラント10は、合成物の副生物として水を排水する。
幾つかの実施形態では、例えば、図2及び図3に示すように、合成プラント10は、回収貯留プラント3の圧入設備30によって圧縮された二酸化炭素を精製するための精製装置12と、回収貯留プラント3の回収装置20が二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を回収した後のオフガスから水素を精製するための精製装置13とを備えていてもよい。
合成プラント10は、水素と二酸化炭素を化学反応させて合成物を生成するための触媒16と、化学反応によって生成された合成物の気液分離を行うための気液分離装置17とを備える。合成プラント10は、気液分離装置17が分離した未反応ガスを圧縮し、再び触媒16の上流側に供給するように構成された圧縮機15を備えていてもよい。すなわち、未反応ガスは再循環してもよい。また、合成プラント10は、例えば、図2、図3及び図4に示すように、気液分離装置17から排出された液体を蒸留して、水と最終生成物(高純度の合成物)に分離するように構成された蒸留装置18を備える。
合成プラント10は、触媒16の上流側において、原料供給圧縮機14を備えていてもよい。原料供給圧縮機14は、例えば図2及び図3に示すように、精製装置12、13の下流に設けられ、二酸化炭素及び水素の混合物を圧縮するように構成されてもよいし、図4に示すように、水素を圧縮するように構成されてもよい。
回収貯留プラント3は、二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を回収するための回収装置20と、回収した二酸化炭素を圧縮して地層に固定化するための圧入設備30とを含む。なお。回収貯留プラント3は、二酸化炭素を地層に固定化することのみを目的とする構成に限られない。回収貯留プラント3は、EOR(原油増進回収法)を行う構成すなわち原油を効率よく回収するために二酸化炭素を油層に圧入する構成であってもよい。
幾つかの実施形態では、圧入設備30は少なくとも一つの圧縮機(例えば図1における圧縮機31、32、33)を含み、二酸化炭素供給ライン11は、少なくとも一つの圧縮機(例えば図1における圧縮機31、32、33のいずれか一つ)より下流側に接続され、圧縮された二酸化炭素を合成プラント10に供給するように構成されていてもよい。
少なくとも一つの圧縮機は、1つの圧縮機であってもよいし、複数の圧縮機(例えば図1における3つの圧縮機31、32、33)であってもよい。少なくとも一つの圧縮機の圧縮機(例えば図1における圧縮機31、32、33)の下流側に二酸化炭素供給ライン11が接続されてもよい。なお、図1では、3つの圧縮機31、32、33が示されているが、圧縮機の数は、これに限られない。
幾つかの実施形態では、例えば、図1に示すように、圧入設備30は直列に接続された複数の圧縮機31、32、33を含み、二酸化炭素供給ライン11(11B)は、点線矢印で示すように、圧入設備30内の二酸化炭素の流路に接続され、複数の圧縮機31、32、33のうち一以上の圧縮機によって圧縮された二酸化炭素を合成プラント10に供給するように構成されていてもよい。すなわち、多段圧縮における圧縮過程の流路から二酸化炭素が合成プラント10に供給されてもよい。
幾つかの実施形態では、例えば、図4に示すように、二酸化炭素処理システム1(1D)は、合成プラント10の上流側の位置に、水素含有ガスを圧縮するための原料供給圧縮機14を備え、二酸化炭素供給ライン11は、原料供給圧縮機14の下流側かつ合成プラント10の上流側の位置に接続されてもよい。
幾つかの実施形態では、例えば、図5に示すように、合成物生産システム2は、水素含有ガスの供給量を検出するためのセンサ51と、センサ51が検出した水素含有ガスの供給量に応じて指令を出力するように構成された制御装置52と、二酸化炭素供給ライン11に設けられ、制御装置52の指令に応じて合成プラント10に供給する二酸化炭素の量を調整するように構成された流量調整装置53とを備えていてもよい。例えば、流量調整装置53は流量を調整するための弁を備え、制御装置52が指令によってその弁の開度を制御してもよい。
幾つかの実施形態では、例えば、図2及び図3に示すように、二酸化炭素処理システム1(1B、1C)は、回収貯留プラント3の回収装置20のオフガスを燃焼させて発電するように構成された発電設備40と、合成プラント10の触媒16から排出される未反応ガス(パージガス)を再循環させるための配管から未反応ガスの少なくとも一部を発電設備40に供給するための未反応ガス供給ライン19と、を備えていてもよい。未反応ガスは、例えばメタンを含む。
二酸化炭素処理システム1は、例えば、図3に示すように、合成プラント10の停止期間中に置換ガスが注入されるパージライン63を備え、未反応ガス供給ライン19は、パージライン63に接続されてもよい。例えば、図3に示すように、置換ガスは、弁61、62が閉じているときに点線矢印で示すように注入され、その下流側の配管に充満する。。例えば、図3に示す例では、パージライン63は、弁61、62から気液分離装置17までの配管を含み、さらに未反応ガス(パージガス)を再循環させるための配管を含んでいる。置換ガスは、不活性ガス(例えば窒素ガス)である。
図1〜図5において、回収装置20に供給される二酸化炭素含有ガスは、製油所のPSA(Pressure Swing Adsorption)方式で分離されたオフガスであってもよい。水素含有ガスは、回収装置20のオフガスであってもよいし、副生水素や再生可能エネルギーを用いて生成した水素含有ガスであってもよい。
(まとめ)
上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。
(1)本開示の一実施形態に係る合成物生産システム(2)は、
水素含有ガスと二酸化炭素とを合成することにより合成物を生産する合成プラント(10)と、
二酸化炭素含有ガスから前記二酸化炭素を回収するための回収装置(20)と回収した前記二酸化炭素を地層に固定化するための圧入設備(30)とを含む回収貯留プラント(3)から前記合成プラント(10)に前記二酸化炭素を供給するための二酸化炭素供給ライン(11)と、
を備える。
二酸化炭素を貯留するための設備(例えば回収貯留プラント3)は、二酸化炭素を合成物の生成に利用するための設備(例えば合成物を生産するように構成された合成プラント10)とは異なり、二酸化炭素を貯留可能な場所に設置される必要があり、設置場所に制約がある。そのため、これらの設備を組み合わせることは考えられなかった。
しかし、二酸化炭素を貯留するための設備には、二酸化炭素の回収装置(20)が設けられる。合成に使用される二酸化炭素の量は、圧入される二酸化炭素の量に比べて少ない。このような少量の二酸化炭素のために二酸化炭素を合成物の生成に利用するための設備(例えば合成物を生産するように構成された合成プラント10)専用の二酸化炭素の回収装置(20)を設けると、設備コストが増加する。その結果、合成物の単価も高くなってしまう。この点、上記(1)に記載の構成では、合成プラント(10)が回収貯留プラント(3)によって回収される二酸化炭素を利用するため、合成プラント(10)専用の二酸化炭素の回収装置(20)を不要にすることができる。
(2)幾つかの実施形態では、上記(1)に記載の構成において、
前記圧入設備(30)は少なくとも一つの圧縮機(例えば圧縮機31、32、33の何れか一つ)を含み、
前記二酸化炭素供給ライン(11)は、前記少なくとも一つの圧縮機(例えば圧縮機31、32、33の何れか一つ)の下流側に接続され、圧縮された前記二酸化炭素を前記合成プラント(10)に供給する。
少量の二酸化炭素のために合成プラント(10)専用の二酸化炭素の圧縮機(31、32、33)を設けると、設備コストが増加する。この点、上記(2)に記載の構成によれば、合成プラントが圧入設備(30)の圧縮機(例えば圧縮機31、32、33)によって圧縮された二酸化炭素を利用するため、合成プラント(10)専用の二酸化炭素の圧縮機(31、32、33)を不要にすることができる。
(3)幾つかの実施形態では、上記(1)に記載の構成において、
前記圧入設備(30)は直列に接続された複数の圧縮機(例えば圧縮機31、32、33)を含み、
前記二酸化炭素供給ライン(11)は、前記圧入設備(30)内の前記二酸化炭素の流路に接続され、一以上の前記圧縮機(例えば圧縮機31、32、33のうち一以上)によって圧縮された前記二酸化炭素を前記合成プラント(10)に供給する。
少量の二酸化炭素のために合成プラント(10)専用の二酸化炭素の圧縮機(31、32、33)を設けると、設備コストが増加する。この点、上記(3)に記載の構成によれば、合成プラントが圧入設備(30)の圧縮機(例えば圧縮機31、32、33)によって圧縮された二酸化炭素を利用するため、合成プラント(10)専用の二酸化炭素の圧縮機(31、32、33)を不要にすることができる。
また、上記(3)に記載の構成では、圧入設備(30)において複数の圧縮機(例えば圧縮機31、32、33)が多段階で圧縮を行うように構成されている。これらの圧縮機(例えば圧縮機31、32、33)による圧縮後又は圧縮過程の二酸化炭素の流路において二酸化炭素が適切な圧力を有する位置を選択して二酸化炭素供給ライン(11)を接続することにより、合成物の生産に適した圧力に圧縮された二酸化炭素を合成プラント(10)に供給することが可能となる。
(4)幾つかの実施形態では、上記(2)又は(3)に記載の構成において、合成物生産システム(2)は、
前記合成プラント(10)の上流側の位置に、前記水素含有ガスを圧縮するための原料供給圧縮機(14)を備え、
前記二酸化炭素供給ライン(11)は、前記原料供給圧縮機(14)の下流側かつ前記合成プラント(10)の上流側の位置に接続される。
上記(4)に記載の構成によれば、合成に使用する二酸化炭素を圧縮する圧縮機を合成プラント(10)の上流側に設けなくても、圧縮された二酸化炭素及び水素を含有する混合物を合成プラント(10)に供給することができる。
(5)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(4)の何れか一つに記載の構成において、
前記水素含有ガスの供給量を検出するためのセンサ(51)と、
前記センサ(51)が検出した水素含有ガスの供給量に応じて指令を出力するように構成された制御装置(52)と、
前記二酸化炭素供給ライン(11)に設けられ、前記制御装置(52)の前記指令に応じて前記合成プラント(10)に供給する前記二酸化炭素の量を調整するように構成された流量調整装置(53)と、
を備える。
二酸化炭素の排出量が膨大であるために二酸化炭素の回収量が多くなるのに対し、水素含有ガスの供給量は少ない場合がある。また、水素含有ガスが、他のプラントから副産物として排気される副生水素である場合や再生可能エネルギーを用いた水電解によって生成されるガスである場合、水素含有ガスの供給量が変動することが考えられる。このような場合、合成プラント(10)が生産する合成物の量は、水素含有ガスの供給量に依存し、二酸化炭素の回収量に余剰が生じる。この点、上記(5)に記載の構成によれば、水素含有ガスの供給量に応じて合成物の生成に必要な量の二酸化炭素を合成プラント(10)に供給し、不要な二酸化炭素が圧入されるように二酸化炭素の流量配分を調整することが可能となる。そのため、システムの運用性が向上し、回収した二酸化炭素に余剰分が生じても、それを大気に放出しないようにすることができる。
(6)幾つかの実施形態では、上記(1)乃至(5)の何れか一つに記載の構成において、前記合成プラント(10)は、前記合成物として、メタノール、メタン、及びジメチルエーテルのうち少なくとも1種を生産する。
上記(6)に記載の構成によれば、水素ガスに比べて保存性に優れる合成物が生産されため、有利である。
(7)本開示の一実施形態に係る二酸化炭素処理システム(1)は、
上記(1)乃至(6)の何れか一つに記載の合成物生産システム(2)と、
二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を回収するための回収装置(20)と、回収した前記二酸化炭素を地層に固定化するための圧入設備(30)とを含む回収貯留プラント(3)と、
前記回収貯留プラント(3)の前記回収装置(20)のオフガスを燃焼させて発電するように構成された発電設備(40)と、
排出される未反応ガスを再循環させるための配管から前記未反応ガスの少なくとも一部を前記発電設備(40)に供給するための未反応ガス供給ライン(19)と、
を備える。
供給された二酸化炭素と水素のすべてを一度に反応させることは困難であるため、通常、合成プラント(10)には、未反応ガスを再循環させるための配管が設けられる。一方で、未反応ガスを再循環させると未反応ガス中に不活性ガスも蓄積し反応効率が低下するため、未反応ガスの一部を系外に取り出す必要がある。上記(7)に記載の構成によれば、この配管から未反応ガスを取り出して未反応ガスに含まれるメタン等の燃焼性の成分を発電設備の燃料として供給することにより、システム全体のエネルギー効率を向上させることができる。
(8)幾つかの実施形態では、上記(7)に記載の構成において、二酸化炭素処理システム(2)は、前記合成プラント(10)の停止期間中に置換ガスが注入されるパージライン(63)を備え、前記未反応ガス供給ライン(19)は、前記パージライン(63)に接続される。
合成プラント(10)の停止期間中に置換ガス(例えば不活性ガス)が注入され、その後の再起動時に水素含有ガスで置換ガスをパージする構成では、通常、水素含有ガスと置換ガスの混合物は排気される。この点、上記(8)に記載の構成では、このような混合物も廃棄せずに燃料として利用することにより、システム全体のエネルギー効率を向上させることができる。
1 二酸化炭素処理システム
2 合成物生産システム
3 回収貯留プラント
10 合成プラント
11 二酸化炭素供給ライン
12,13 精製装置
14 原料供給圧縮機
15,31 圧縮機
16 触媒
17 気液分離装置
18 蒸留装置
19 未反応ガス供給ライン
20 回収装置
30 圧入設備
40 発電設備
51 センサ
52 制御装置
53 流量調整装置
61,62 弁
63 パージライン

Claims (8)

  1. 水素含有ガスと二酸化炭素とを合成することにより合成物を生産する合成プラント(CCU)と、
    二酸化炭素含有ガスから前記二酸化炭素を回収するための回収装置と回収した前記二酸化炭素を地層に固定化するための圧入設備とを含む回収貯留プラントから前記合成プラントに前記二酸化炭素を供給するための二酸化炭素供給ラインと、
    を備える合成物生産システム。
  2. 前記圧入設備は少なくとも一つの圧縮機を含み、
    前記二酸化炭素供給ラインは、前記少なくとも一つの圧縮機の下流側に接続され、圧縮された前記二酸化炭素を前記合成プラントに供給する
    請求項1に記載の合成物生産システム。
  3. 前記圧入設備は直列に接続された複数の圧縮機を含み、
    前記二酸化炭素供給ラインは、前記圧入設備内の前記二酸化炭素の流路に接続され、一以上の前記圧縮機によって圧縮された前記二酸化炭素を前記合成プラントに供給する
    請求項1に記載の合成物生産システム。
  4. 前記合成プラントの上流側の位置に、前記水素含有ガスを圧縮するための原料供給圧縮機を備え、
    前記二酸化炭素供給ラインは、前記原料供給圧縮機の下流側かつ前記合成プラントの上流側の位置に接続される
    請求項2又は3に記載の合成物生産システム。
  5. 前記水素含有ガスの供給量を検出するためのセンサと、
    前記センサが検出した水素含有ガスの供給量に応じて指令を出力するように構成された制御装置と、
    前記二酸化炭素供給ラインに設けられ、前記制御装置の前記指令に応じて前記合成プラントに供給する前記二酸化炭素の量を調整するように構成された流量調整装置と
    を備える請求項1乃至4の何れか一項に記載の合成物生産システム。
  6. 前記合成プラントは、前記合成物として、メタノール、メタン、及びジメチルエーテルのうち少なくとも1種を生産する
    請求項1乃至5の何れか一項に記載の合成物生産システム。
  7. 請求項1乃至6の何れか一項に記載の合成物生産システムと、
    二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を回収するための回収装置と、回収した前記二酸化炭素を地層に固定化するための圧入設備とを含む回収貯留プラントと、
    前記回収貯留プラントの前記回収装置のオフガスを燃焼させて発電するように構成された発電設備と、
    排出される未反応ガスを再循環させるための配管から前記未反応ガスの少なくとも一部を前記発電設備に供給するための未反応ガス供給ラインと、
    を備える二酸化炭素処理システム。
  8. 前記合成プラントの停止期間中に置換ガスが注入されるパージラインを備え、
    前記未反応ガス供給ラインは、前記パージラインに接続される
    請求項7に記載の二酸化炭素処理システム。
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