JP6791177B2 - メタン製造装置、および、メタン製造方法 - Google Patents
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Description
図1は、第1実施形態におけるメタン製造装置1の概略構成を示した説明図である。メタン製造装置1は、第1CO2分離器10と、第2CO2分離器20と、排ガス供給流路30と、水素供給流路40と、反応器50と、原料ガス流路60と、熱媒体流路70と、制御部80と、を備えている。
η=802.3×Conv./(241.8×4+X)・・・(1)
ここで、Conv.は転化率を示し、Xは外部動力を示している。このシステム効率が高くなるほど、メタンの製造コストを低下させることができる。本実施形態のメタン製造装置1は、熱媒体流路70による熱供給、および、CO2分離器内へのH2噴射によって、比較例1のメタン製造装置1AよりもCO2回収エネルギーが低減される。よって、比較例1のメタン製造装置1Aよりも、外部動力割合を低下させることができ、システム効率を向上させることができる。
図9は、第2実施形態におけるメタン製造装置1Bの概略構成を示した説明図である。第2実施形態のメタン製造装置1Bは、第1実施形態のメタン製造装置1(図1)と比較すると、オイル等を循環させる熱媒体流路(第1実施形態の熱媒体流路70)を備えていない。一方、第2実施形態の水素供給流路40Bは、CO2分離器10、20に供給されるH2ガスを熱媒体として、反応器50で生じた反応熱をCO2分離器10、20に供給する。すなわち、本実施形態では、水素供給流路40Bが熱媒体流路としても機能する。
図10は、第3実施形態におけるメタン製造装置1Cの概略構成を示した説明図である。第3実施形態のメタン製造装置1Cは、第2実施形態のメタン製造装置1Bと比較すると、CO2分離器10、20の内部にH2ガスが流通する内部流路を備えていない。第3実施形態の水素供給流路40Cは、反応器50の反応熱で加熱されたH2ガスをCO2分離器10、20の内部に噴射するように構成されている。
図11は、第4実施形態のCO2分離器10Dと反応器50Dの概略構成を示した説明図である。第4実施形態のメタン製造装置1Dは、CO2分離器10Dと反応器50Dとが区画部材55を介して隣接している。より具体的には、メタン製造装置1Dは、複数のCO2分離器10Dと反応器50Dとが区画部材55を介して複数積層された構成となっている。これにより、区画部材55を介して、反応器50Dの反応熱を直接的にCO2分離器10Dに供給することができる。
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。
第1実施形態のメタン製造装置1は、吸着材11、12の代わりに、化学吸収剤の一つであるアミン系吸収液をCO2分離器10、20の内部に備えていてもよい。この構成によれば、脱水部32をより小型化、または、脱水部32を無くすことができる。一般的に化学吸収の場合には、吸着材に比べてCO2の脱離エネルギーが増加するが、システム効率は向上する。
第1実施形態のメタン製造装置1は、触媒51の代わりに、高級炭化水素およびアルコール生成触媒(Fe系触媒、その他、CuやCo等でも可)を反応器50の内部に備えていてもよい。この構成の場合、メタン化性能を有する触媒よりも反応条件を高圧化させる、もしくは、生成ガスから液体成分を分離し、残りのガスは反応器50の入り口に再循環させる構成とする。すなわち、分離した液体成分を燃料として利用する。この場合もシステム効率は向上する。
第1実施形態のメタン製造装置1は、排ガス供給源31の排熱をCO2分離器10、20に供給するように構成されていてもよい。排熱によって熱媒体流路70の熱媒体を加熱してもよいし、CO2分離器10、20に供給されるH2ガスを加熱してもよい。また、一方のCO2分離器の排熱を他方のCO2分離器に供給するように構成されていてもよい。この構成によれば、排ガス供給源31やCO2分離器の排熱をCO2の脱離エネルギーとして利用することができるため、システム効率をさらに向上させることができる。
第1実施形態のメタン製造装置1は、熱媒体としてオイルを使用している。しかし、熱媒体は、熱を供給可能であればオイルに限定されない。熱媒体は、例えば、溶融塩、ガスなどであってもよい。メタン製造装置1は、熱媒体流路70を備えていなくてもよい。この場合であっても、水素噴射部12、22においてH2を噴射することができれば、システム効率を向上させることができる。なお、メタン製造装置1は、熱媒体流路70を備えている方が好ましい。
第1実施形態の経路制御処理において、熱媒体によって吸着材を昇温させるタイミングと、H2を噴射するタイミングは上記実施形態に限定されない。例えば、H2を噴射させてから吸着材を昇温させてもよいし、これらのタイミングを任意にずらしてもよい。メタン製造装置1は、水素噴射部12、22を備えていなくてもよい。この場合であっても、熱媒体流路70によって反応器50の反応熱をCO2分離器10、20に供給することができれば、システム効率を向上させることができる。なお、メタン製造装置1は、水素噴射部12、22を備えている方が好ましい。
第1実施形態の経路制御処理の温度調整部77は、熱媒体を加熱してもよいししなくてもよい。例えば、反応器50の反応熱等によって既に熱媒体が加熱された状態である場合に、温度調整部77は、熱媒体を加熱しない構成としてもよい。
第1実施形態のメタン製造装置1は、2つのCO2分離器10、20を備えているものとして説明した。しかし、メタン製造装置1は、CO2分離器を3つ以上備えていてもよいし、1つしか備えていなくてもよい。また、第1実施形態の第1CO2分離器10と第2CO2分離器20は、互いに同様状、同容量であるとした。しかし、第1CO2分離器10と第2CO2分離器20は、互いに形状や容量が異なっていてもよい。
第1実施形態のメタン製造装置1は、第1CO2分離器10の内部のガスを原料ガス流路60に取り出すための真空ポンプを備えていてもよい。この場合であっても、第1実施形態のメタン製造装置1であれば、真空ポンプの使用量を低減できるため、CO2回収エネルギーの増大を抑制できる。
第1実施形態では、第1CO2分離器10の内部における熱媒体の流通方向は、水素噴射部12のH2の噴射方向と反対方向とした。しかし、第1CO2分離器10の内部における熱媒体の流通方向は、水素噴射部12のH2の噴射方向と反対方向となっていなくてもよい。ただし、第1CO2分離器10の内部における熱媒体の流通方向は、水素噴射部12がH2を噴射したときのガスの流通方向下流側から上流側に向かう方向となるように構成されていることが好ましく、水素噴射部12のH2の噴射方向と反対方向となっている方がより好ましい。
10、20…CO2分離器
11、21…吸着材
12、22…水素噴射部
15、25…排出流路
16、26…排出バルブ
30…排ガス供給流路
31…排ガス供給源
32…脱水部
33、34…排ガス供給バルブ
40、40A〜40C…水素供給流路
41…水素供給源
42〜44…水素供給バルブ
45…水素付加部
50…反応器
51…触媒
55…区画部材
60、60A〜60C…原料ガス流路
61、62…原料ガスバルブ
64…真空ポンプ
70、73〜75…熱媒体流路
71、72…流路切替バルブ
76…ポンプ
77…温度調整部
80、80A、80B…制御部
91…反応混合ガス流路
92…熱交換部
94…反応ガス流路
Claims (6)
- 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であって、
二酸化炭素吸着性能を有する吸着材を収容し、二酸化炭素を含有するガスの供給源から供給されたガスから二酸化炭素を分離する分離器と、
メタン化性能を有する触媒を収容し、前記分離器から分離された二酸化炭素と、水素供給源から供給された水素とを含む原料ガスを用いて、メタン化反応を生じさせる反応器と、
前記メタン化反応によって前記反応器で生じた熱を前記分離器に供給する熱供給部と、
を備え、
前記熱供給部は、前記反応器と前記分離器との間において、流体の熱媒体を流通させることによって、前記反応器で生じた熱を前記分離器に供給するように構成されており、
前記分離器の内部における前記熱媒体の流通方向は、分離された二酸化炭素を含む被分離ガスの流通方向下流側から上流側に向かう方向である、
メタン製造装置。 - 請求項1に記載のメタン製造装置であって、
前記熱媒体は、前記原料ガスとは異なる物質であり、
前記熱供給部は、前記分離器の内部に設けられた流路のうち、前記吸着材が収容された流路とは異なる流路に前記熱媒体を供給し、前記吸着材が収容された流路には前記熱媒体を供給しない、
メタン製造装置。 - 請求項1に記載のメタン製造装置は、さらに、
水素供給源から供給される水素を前記分離器の内部に噴射して、前記吸着材から脱離した二酸化炭素を前記分離器から取り出す水素噴射部を備え、
前記分離器の内部における前記熱媒体の流通方向は、前記水素噴射部が水素を噴射したときのガスの流通方向下流側から上流側に向かう方向である、
メタン製造装置。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載のメタン製造装置は、さらに、
前記反応器に供給される前記原料ガスに対して、前記水素供給源から供給される水素を付加する水素付加部を備える、
メタン製造装置。 - 請求項4に記載のメタン製造装置は、さらに、
前記分離器から取り出された二酸化炭素と、前記水素噴射部から噴射される水素との比率に応じて、前記水素付加部によって付加される水素の量を制御し、前記反応器に供給される前記原料ガスに含まれる水素と二酸化炭素との比率を調整する制御部を備える、
メタン製造装置。 - メタン製造方法であって、
二酸化炭素吸着性能を有する吸着材が収容された分離器に、二酸化炭素を含有するガスを供給して、前記ガスから二酸化炭素を分離する工程と、
メタン化性能を有する触媒が収容された反応器に、前記ガスから分離された二酸化炭素と、水素供給源から供給された水素とを含む原料ガスを供給してメタン化反応を生じさせる工程と、
前記メタン反応によって生じた熱を前記分離器に供給する熱供給工程と、を備え、
前記熱供給工程では、前記反応器と前記分離器との間において、流体の熱媒体を流通させることによって、前記反応器で生じた熱を前記分離器に供給し、
前記分離器の内部における前記熱媒体の流通方向は、分離された二酸化炭素を含む被分離ガスの流通方向下流側から上流側に向かう方向である、
メタン製造方法。
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