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JP2016013937A - Method for producing hydrogen donor - Google Patents

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JP2016013937A
JP2016013937A JP2014135517A JP2014135517A JP2016013937A JP 2016013937 A JP2016013937 A JP 2016013937A JP 2014135517 A JP2014135517 A JP 2014135517A JP 2014135517 A JP2014135517 A JP 2014135517A JP 2016013937 A JP2016013937 A JP 2016013937A
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methane
hydrogen
hydrate
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JP2014135517A
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Japanese (ja)
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志村 光則
Mitsunori Shimura
光則 志村
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Chiyoda Corp
Original Assignee
Chiyoda Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a hydrogen donor which enables efficient production of a hydrogen donor by using hydrogen obtained from methane hydrate as a raw material, and can reduce carbon dioxide emissions.SOLUTION: The method for producing a hydrogen donor comprises: a methane recovery step of recovering methane from methane hydrate by using carbon dioxide; a modification step of obtaining a synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide by reacting methane recovered in the methane recovery step with a gas containing oxygen; a shift reaction step of obtaining a gas containing hydrogen and carbon dioxide by reacting carbon monoxide contained in the synthesis gas obtained in the modification step with water; a carbon dioxide separation step of separating carbon dioxide from the gas containing hydrogen and carbon dioxide obtained in the shift reaction step; a hydrogenation step of obtaining a hydrogen donor by reacting the gas from which carbon dioxide has been separated in the carbon dioxide separation step and which contains hydrogen, with a hydrogen storage body; and a carbon dioxide circulation step of circulating carbon dioxide separated in the carbon dioxide separation step into the methane recovery step to serve as carbon dioxide used in the methane recovery step.

Description

本発明は、メタンハイドレートを原料として得られる水素を用いて水素貯蔵体を水素化することにより水素供給体を製造する水素供給体の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a hydrogen supply body, in which a hydrogen supply body is manufactured by hydrogenating a hydrogen storage body using hydrogen obtained from methane hydrate as a raw material.

燃料電池等に必要な水素を貯蔵や輸送するために、トルエン等の芳香族化合物を水素化してメチルシクロヘキサン等の水素化芳香族化合物とする、いわゆる有機ケミカルハイドライド法(Organic Chemical Hydride Method)が知られている。水素を芳香族化合物と反応させて水素化芳香族化合物に変換することによって、気体状態の水素を常温・常圧で液体状態の水素化芳香族化合物として固定でき、水素を液体状態で貯蔵や輸送することができる。   In order to store and transport the hydrogen necessary for fuel cells, etc., the so-called Organic Chemical Hydride Method is known in which aromatic compounds such as toluene are hydrogenated to hydrogenated aromatic compounds such as methylcyclohexane. It has been. By reacting hydrogen with an aromatic compound to convert it to a hydrogenated aromatic compound, hydrogen in the gaseous state can be fixed as a hydrogenated aromatic compound in the liquid state at room temperature and pressure, and the hydrogen can be stored and transported in the liquid state can do.

このような有機ケミカルハイドライド法において、水素化反応の水素として、メタンを含む天然ガスの改質反応によって一酸化炭素及び水素を含む合成ガスを得て、得られた合成ガスに含まれる一酸化炭素を水と反応させるシフト反応によって水素と二酸化炭素に変換し、得られた水素を用いる技術がある(特許文献1参照)。   In such an organic chemical hydride method, carbon monoxide contained in the resultant synthesis gas is obtained by obtaining a synthesis gas containing carbon monoxide and hydrogen by a reforming reaction of natural gas containing methane as hydrogen in the hydrogenation reaction. There is a technique of converting hydrogen to carbon dioxide by a shift reaction in which water is reacted with water and using the obtained hydrogen (see Patent Document 1).

特開2011−207641号公報JP 2011-207641 A 特開平6−71161号公報JP-A-6-71161

“メタンハイドレート中のメタンとCO2の置換速度”、「日本エネルギー学会誌」、第79巻第10号(2000)、1011−1018頁"Substitution rate of methane and CO2 in methane hydrate", Journal of the Japan Institute of Energy, Vol. 79, No. 10 (2000), 1011-1018 “CO2によるメタンハイドレート中のメタンの置換速度”、「高圧力の科学と技術」、Vol.12,No.1(2002)、56−61頁“Replacement rate of methane in methane hydrate with CO 2”, “High Pressure Science and Technology”, Vol. 12, no. 1 (2002), pp. 56-61

しかしながら、天然ガスは有限であり、天然ガスに含まれるメタン以外のメタン源からも水素を製造することが望ましい。   However, natural gas is finite and it is desirable to produce hydrogen from methane sources other than methane contained in natural gas.

ここで、メタンハイドレートからメタンを得ることができる技術が開示されている(特許文献2、非特許文献1及び非特許文献2参照)。具体的には、これらの文献では、地球温暖化問題への対策として、化石燃料の使用により生じる二酸化炭素や発電所等から排出される燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を処分するために、メタンハイドレートに二酸化炭素を注入してメタンと二酸化炭素を置換することにより、二酸化炭素を二酸化炭素ハイドレートとして固定すると共にメタンを生じている。   Here, the technique which can obtain methane from methane hydrate is disclosed (refer patent document 2, nonpatent literature 1, and nonpatent literature 2). Specifically, in these documents, as a countermeasure to the global warming problem, methane hydrate is used to dispose of carbon dioxide generated by the use of fossil fuels and carbon dioxide contained in combustion exhaust gas discharged from power plants. By injecting carbon dioxide into the rate to replace methane and carbon dioxide, carbon dioxide is fixed as carbon dioxide hydrate and methane is produced.

メタンハイドレートは、日本近海の海底等に多量に存在しており、このメタンハイドレートを利用することができれば非常に有益である。   Methane hydrate is present in a large amount on the seabed and the like near Japan, and it would be very beneficial if this methane hydrate could be used.

そこで、上記技術を組み合わせる、すなわち、メタンハイドレートを用いて二酸化炭素を処分する際に生じるメタンをメタン源として、改質反応、シフト反応及び有機ケミカルハイドライド法によって、水素化芳香族化合物を製造することが考えられる。   Therefore, combining the above technologies, that is, producing hydrogenated aromatic compounds by the reforming reaction, shift reaction and organic chemical hydride method using methane generated when disposing carbon dioxide using methane hydrate as the methane source It is possible.

しかしながら、メタンハイドレートからメタンを生成するために二酸化炭素を供給する必要があるが、二酸化炭素源である化石燃料の消費地や燃焼排ガスを排出する発電所等は、一般的には、海底等に存在するメタンハイドレート層から遠く離れた位置に存在するため、長距離の輸送や貯蔵が必要となり、効率が悪いという問題が生じる。一方、シフト反応で生じる二酸化炭素は地球温暖化の原因となるため、二酸化炭素の排出量を抑制することが望ましい。   However, in order to produce methane from methane hydrate, it is necessary to supply carbon dioxide. However, in general, the bottom of the seabed, etc. Since it exists at a position far from the methane hydrate layer existing in the area, transport and storage over a long distance is required, resulting in a problem of poor efficiency. On the other hand, since carbon dioxide generated by the shift reaction causes global warming, it is desirable to suppress carbon dioxide emissions.

これらの課題に鑑み、本発明は、メタンハイドレートを原料として得られる水素を用いて水素供給体を効率よく製造でき且つ二酸化炭素の排出量を抑制することができる水素供給体の製造方法を提供することをその目的とする。   In view of these problems, the present invention provides a method for producing a hydrogen supplier that can efficiently produce a hydrogen supplier using hydrogen obtained from methane hydrate as a raw material, and that can suppress carbon dioxide emissions. The purpose is to do.

本発明者らは、鋭意研究の結果、メタンハイドレートからのメタンの回収、メタンの改質反応、シフト反応、及び水素貯蔵体の水素化反応を順に経て水素供給体を製造する際に、シフト反応で得られたガスから二酸化炭素を分離し、この分離された二酸化炭素を用いてメタンハイドレートからメタンを回収することにより、上記目的を達成できることを見出し、もって本発明を完成させた。   As a result of diligent research, the inventors of the present invention have made a shift when producing a hydrogen supplier through a sequence of methane recovery from methane hydrate, methane reforming reaction, shift reaction, and hydrogen storage hydrogenation reaction. The inventors have found that the above object can be achieved by separating carbon dioxide from the gas obtained by the reaction and recovering methane from methane hydrate using the separated carbon dioxide, thereby completing the present invention.

かかる本発明の水素供給体の製造方法は、二酸化炭素を用いてメタンハイドレートからメタンを回収するメタン回収工程と、前記メタン回収工程で回収されたメタンを酸素を含むガスと反応させて、水素及び一酸化炭素を含む合成ガスを得る改質工程と、前記改質工程で得られた合成ガスに含まれる一酸化炭素を水と反応させて、水素と二酸化炭素を含むガスを得るシフト反応工程と、前記シフト反応工程で得られた水素と二酸化炭素を含むガスから二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離工程と、前記二酸化炭素分離工程で二酸化炭素が分離され水素を含むガスを水素貯蔵体と反応させて水素供給体を得る水素化工程と、前記二酸化炭素分離工程で分離された二酸化炭素を前記メタン回収工程に循環させて該メタン回収工程において用いる二酸化炭素とする二酸化炭素循環工程とを有することを特徴とする。   Such a method for producing a hydrogen supplier of the present invention includes a methane recovery step of recovering methane from methane hydrate using carbon dioxide, and reacting the methane recovered in the methane recovery step with a gas containing oxygen to generate hydrogen. And a reforming step for obtaining a synthesis gas containing carbon monoxide, and a shift reaction step for obtaining a gas containing hydrogen and carbon dioxide by reacting carbon monoxide contained in the synthesis gas obtained in the reforming step with water. A carbon dioxide separation step for separating carbon dioxide from the gas containing hydrogen and carbon dioxide obtained in the shift reaction step; and a gas containing hydrogen separated from the carbon dioxide in the carbon dioxide separation step and reacted with a hydrogen storage body. A hydrogenation step for obtaining a hydrogen supplier, and carbon dioxide separated in the carbon dioxide separation step is circulated in the methane recovery step and used in the methane recovery step. It characterized by having a carbon dioxide circulating step of the carbon.

前記水素化工程で生じた反応熱を前記メタン回収工程に循環させて該メタン回収工程で用いる熱循環工程を有することが好ましい。   It is preferable to have a heat circulation step in which the reaction heat generated in the hydrogenation step is circulated to the methane recovery step and used in the methane recovery step.

また、前記メタン回収工程において、メタンハイドレートを分解してメタンを回収すると共に二酸化炭素ハイドレートを生成することが好ましい。   Moreover, in the said methane collection | recovery process, it is preferable to decompose | disassemble methane hydrate, collect | recover methane, and produce | generate a carbon dioxide hydrate.

前記改質工程は、直接的接触部分酸化法により行うようにしてもよい。   The reforming step may be performed by a direct contact partial oxidation method.

そして、前記改質工程、前記シフト反応工程、前記二酸化炭素分離工程及び前記水素化工程を、洋上で行うことが好ましい。   The reforming step, the shift reaction step, the carbon dioxide separation step, and the hydrogenation step are preferably performed offshore.

本発明によれば、メタンハイドレートからのメタンの回収、メタンの改質反応、シフト反応、及び水素貯蔵体の水素化反応を順に経て水素供給体を製造する際に、シフト反応で得られたガスから二酸化炭素を分離しこの分離された二酸化炭素を用いてメタンハイドレートからメタンを回収することにより、系外から二酸化炭素を供給しなくてもメタンを得ることができるため、メタンを回収するための二酸化炭素の長距離の輸送や貯蔵が不要であり効率良く水素供給体を製造することができる。また、シフト反応で生じる二酸化炭素をメタンハイドレートからのメタンの回収の際に用いて二酸化炭素ハイドレートに変換するため、二酸化炭素の排出量を抑制することができる。そして、この二酸化炭素の循環は化学量論的に非常にバランスが良く、過不足の無い量の二酸化炭素を循環し使用することができる。さらに、水素化反応で生じる反応熱をメタンハイドレートからのメタンの回収の際の反応熱として用いることにより、メタンハイドレートからのメタンの生成を促進することができる。   According to the present invention, a methane hydrate recovery, a methane reforming reaction, a shift reaction, and a hydrogen storage hydrogenation reaction are sequentially performed to produce a hydrogen supplier, which is obtained by a shift reaction. By separating carbon dioxide from gas and using this separated carbon dioxide to recover methane from methane hydrate, it is possible to obtain methane without supplying carbon dioxide from outside the system. Therefore, it is not necessary to transport and store carbon dioxide over a long distance, and the hydrogen supplier can be manufactured efficiently. In addition, since carbon dioxide generated by the shift reaction is used to recover methane from methane hydrate and converted to carbon dioxide hydrate, the amount of carbon dioxide emitted can be suppressed. This carbon dioxide circulation is very well balanced in terms of stoichiometry, and a sufficient amount of carbon dioxide can be circulated and used. Furthermore, by using the reaction heat generated in the hydrogenation reaction as the reaction heat in the recovery of methane from methane hydrate, the production of methane from methane hydrate can be promoted.

本発明の水素供給体の製造方法を適用することができる水素供給体製造設備の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the hydrogen supply body manufacturing equipment which can apply the manufacturing method of the hydrogen supply body of this invention. メタン回収工程を行うメタン回収手段の一例を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows an example of the methane collection | recovery means which performs a methane collection | recovery process. 本発明の水素供給体の製造方法を適用することができる水素供給体製造設備の他の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other example of the hydrogen supply body manufacturing equipment which can apply the manufacturing method of the hydrogen supply body of this invention.

本発明の水素供給体の製造方法は、二酸化炭素を用いてメタンハイドレートからメタンを回収するメタン回収工程と、メタン回収工程で回収されたメタンを酸素を含むガスと反応させて、水素及び一酸化炭素を含む合成ガスを得る改質工程と、改質工程で得られた合成ガスに含まれる一酸化炭素を水と反応させて、水素と二酸化炭素を含むガスを得るシフト反応工程と、シフト反応工程で得られた水素と二酸化炭素を含むガスから二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離工程と、二酸化炭素分離工程で二酸化炭素が分離され水素を含むガスを水素貯蔵体と反応させて水素供給体を得る水素化工程と、二酸化炭素分離工程で分離された二酸化炭素をメタン回収工程に循環させて該メタン回収工程において用いる二酸化炭素とする二酸化炭素循環工程とを有する。   The method for producing a hydrogen supplier of the present invention includes a methane recovery step of recovering methane from methane hydrate using carbon dioxide, and reacting the methane recovered in the methane recovery step with a gas containing oxygen to generate hydrogen and A reforming step for obtaining a synthesis gas containing carbon oxide, a shift reaction step for reacting carbon monoxide contained in the synthesis gas obtained in the reforming step with water to obtain a gas containing hydrogen and carbon dioxide, and a shift A carbon dioxide separation step for separating carbon dioxide from a gas containing hydrogen and carbon dioxide obtained in the reaction step, and a hydrogen supplier by reacting the gas containing hydrogen separated from the carbon dioxide in the carbon dioxide separation step with a hydrogen storage body. And a carbon dioxide circulation system that circulates the carbon dioxide separated in the carbon dioxide separation step to the methane recovery step to form carbon dioxide used in the methane recovery step With the door.

具体的には、まず、二酸化炭素を用いてメタンハイドレートからメタンを回収する(メタン回収工程)。   Specifically, first, methane is recovered from methane hydrate using carbon dioxide (methane recovery step).

メタンハイドレートは、メタンの水和物であり、水分子で形成された籠状の格子の中にメタン分子がトラップされた構造を有する固体結晶である。また、メタンハイドレートは、例えば海底下100〜1000m程度の地中に、低温・高圧状態で層状に多く存在する。   Methane hydrate is a hydrate of methane, and is a solid crystal having a structure in which methane molecules are trapped in a cage-like lattice formed of water molecules. Also, methane hydrate is often present in layers at low temperatures and high pressures, for example, in the ground at about 100 to 1000 m below the seabed.

また、二酸化炭素ハイドレートは、上記メタンハイドレートにおいてメタンが二酸化炭素になった化合物で、二酸化炭素の水和物であり、水分子で形成された籠状の格子の中に二酸化炭素分子がトラップされた構造を有する固体結晶である。そして、二酸化炭素ハイドレートは、メタンハイドレートよりも低圧で存在することができる。すなわち、二酸化炭素ハイドレートはメタンハイドレートよりも安定である。   Carbon dioxide hydrate is a compound in which methane is converted to carbon dioxide in the above methane hydrate, and is a hydrate of carbon dioxide. Carbon dioxide molecules are trapped in a cage-like lattice formed of water molecules. It is a solid crystal having the structure. Carbon dioxide hydrate can then exist at a lower pressure than methane hydrate. That is, carbon dioxide hydrate is more stable than methane hydrate.

上述したように、二酸化炭素ハイドレートは、メタンハイドレートよりも安定でありメタンハイドレートよりも低圧でも存在するため、メタンハイドレートが存在している状態で、例えば、メタンハイドレートが存在できる条件よりも低圧であって二酸化炭素ハイドレートが存在できる条件にし且つ二酸化炭素を添加することによって、メタンハイドレートが分解してメタンが生成すると共に、二酸化炭素ハイドレートが生成する。すなわち、下記式(1)で示すように、メタンハイドレート中に含まれるメタンが二酸化炭素に置換される。具体的には、例えば地中に含まれるメタンハイドレート層等のメタンハイドレートに二酸化炭素を注入すると共にメタンハイドレートが存在できなくなるまで圧力を下げることにより、メタンハイドレートが分解しメタンが生成し、メタンの代わりに二酸化炭素が取り込まれて二酸化炭素ハイドレートが生成する。なお、式(1)中、CH・nHOはメタンハイドレートであり、CO・nHOは二酸化炭素ハイドレートであり、nは水和数を表し通常6〜7である。
CH・nHO+CO→CO・nHO+CH (1)
As described above, since carbon dioxide hydrate is more stable than methane hydrate and exists at a lower pressure than methane hydrate, for example, a condition in which methane hydrate can exist in the presence of methane hydrate. By adding carbon dioxide at a lower pressure and allowing carbon dioxide hydrate to exist, methane hydrate is decomposed to produce methane and carbon dioxide hydrate is produced. That is, as shown by the following formula (1), methane contained in methane hydrate is replaced with carbon dioxide. Specifically, for example, by injecting carbon dioxide into methane hydrate such as the methane hydrate layer contained in the ground and reducing the pressure until methane hydrate can no longer exist, methane hydrate decomposes and methane is produced In addition, carbon dioxide is taken in instead of methane to produce carbon dioxide hydrate. In formula (1), CH 4 · nH 2 O is methane hydrate, CO 2 · nH 2 O is carbon dioxide hydrate, and n represents a hydration number and is usually 6 to 7.
CH 4 · nH 2 O + CO 2 → CO 2 · nH 2 O + CH 4 (1)

ここで、(1)式に示すように、化学量論的には1モルの二酸化炭素を用いることにより、1モルのメタンを生じる。したがって、十分な量を水素供給体を製造するために必要なメタンを得るためには、多量の二酸化炭素が必要である。この反応に用いる二酸化炭素源として、化石燃料の使用により生じる二酸化炭素や、発電所等から排出される燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を用いることができるが、通常は化石燃料の使用場所(消費地)や発電所は、地中に存在するメタンハイドレート層から遠く離れた場所に位置する。したがって、化石燃料の消費地や発電所から二酸化炭素を輸送・貯蔵する必要がある。しかしながら、本発明の水素供給体の製造方法においては、後段のシフト反応工程で生じる二酸化炭素をこのメタン回収工程で用いる二酸化炭素とするため、長距離の輸送や貯蔵が不要であり、効率良く水素貯蔵体を製造できる。また、理論的にはシフト反応工程で生じる二酸化炭素を排出しないようにすることができ、シフト反応で生じる二酸化炭素の排出量を抑制することができる。   Here, as shown in the formula (1), 1 mole of methane is generated by using 1 mole of carbon dioxide stoichiometrically. Accordingly, a large amount of carbon dioxide is required to obtain a sufficient amount of methane to produce a hydrogen supplier. As a carbon dioxide source used in this reaction, carbon dioxide generated by using fossil fuel or carbon dioxide contained in combustion exhaust gas discharged from a power plant or the like can be used. ) And the power plant are located far from the methane hydrate layer that exists in the ground. Therefore, it is necessary to transport and store carbon dioxide from fossil fuel consumption areas and power plants. However, in the method for producing a hydrogen supplier of the present invention, carbon dioxide generated in the subsequent shift reaction step is used as carbon dioxide used in this methane recovery step. A storage body can be manufactured. Theoretically, carbon dioxide generated in the shift reaction step can be prevented from being discharged, and the amount of carbon dioxide generated in the shift reaction can be suppressed.

二酸化炭素を用いてメタンハイドレートからメタンを回収する具体的な方法は特に限定されず、例えば、特許文献2、非特許文献1や非特許文献2に記載する方法が挙げられる。なお、メタンハイドレート層がメタンハイドレート以外の物質を含む場合は、メタン回収工程で、メタン以外の低級炭化水素(炭素数2〜4程度の炭化水素)等も得られる場合がある。   A specific method for recovering methane from methane hydrate using carbon dioxide is not particularly limited, and examples thereof include methods described in Patent Document 2, Non-Patent Document 1, and Non-Patent Document 2. When the methane hydrate layer contains a substance other than methane hydrate, lower hydrocarbons (hydrocarbons having about 2 to 4 carbon atoms) other than methane may be obtained in the methane recovery step.

次に、メタン回収工程で回収されたメタンを酸素を含むガスと反応させて、水素及び一酸化炭素を含む合成ガスを得る(改質工程)。   Next, the methane recovered in the methane recovery step is reacted with a gas containing oxygen to obtain a synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide (reforming step).

酸素を含むガスとして、例えば空気を用いることができる。空気から酸素を製造する深冷分離等の酸素製造装置で得られた酸素を含むガスとして用いてもよいが、深冷分離等の酸素製造装置を用いると設備が大きくコストも多大になってしまうため、設備を小さくコストも少なくすることができる空気を用いることが好ましい。ここで、空気中に含まれる酸素以外の主な成分は窒素等の不活性ガス、二酸化炭素であり、改質工程の後段はシフト反応工程、二酸化炭素分離工程及び水素化工程である。そして、窒素等の不活性ガスは後段の反応の阻害とはならない。また、二酸化炭素は水素化工程で、水素化反応の触媒によってシフト反応の逆反応(CO+H→CO+HO)を生じさせてしまうため、好ましくない。しかし、シフト反応工程と水素化工程の間に行う二酸化炭素分離工程で分離されるため、水素化工程の阻害とはなり難い。したがって、本発明においては、改質工程で反応させる酸素を含むガスとして、空気を用いることができる。 For example, air can be used as the gas containing oxygen. Although it may be used as a gas containing oxygen obtained by an oxygen production apparatus such as a cryogenic separation that produces oxygen from air, the use of an oxygen production apparatus such as a cryogenic separation will increase the equipment and cost. Therefore, it is preferable to use air that can reduce the equipment and reduce the cost. Here, main components other than oxygen contained in the air are an inert gas such as nitrogen and carbon dioxide, and the latter stage of the reforming process is a shift reaction process, a carbon dioxide separation process, and a hydrogenation process. An inert gas such as nitrogen does not hinder the subsequent reaction. Further, carbon dioxide is not preferable because a reverse reaction of the shift reaction (CO 2 + H 2 → CO + H 2 O) is caused by the hydrogenation reaction catalyst in the hydrogenation step. However, since it is separated in the carbon dioxide separation step performed between the shift reaction step and the hydrogenation step, it is difficult to inhibit the hydrogenation step. Therefore, in the present invention, air can be used as the gas containing oxygen to be reacted in the reforming step.

改質工程で行われる、メタンと酸素とを反応させて水素及び一酸化炭素を含有する合成ガスを製造する改質反応、すなわち、メタンの部分酸化反応は、下記式(2)で示される。なお、この式(2)で示される反応は、メタンと酸素から二酸化炭素及び水(水蒸気)が生成する反応(下記式(2−1))と、生成した二酸化炭素及び水(水蒸気)がそれぞれメタンと反応する反応(下記式(2−2−1)及び式(2−2−2))がほぼ同時に生じる反応である。
CH+1/2O→CO+2H (2)
CH+2O→CO+2HO (2−1)
CH+HO→CO+3H (2−2−1)
CH+CO→2CO+2H (2−2−2)
A reforming reaction performed in the reforming step to produce a synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide by reacting methane and oxygen, that is, a partial oxidation reaction of methane is represented by the following formula (2). In addition, reaction shown by this Formula (2) is a reaction (following Formula (2-1)) which produces | generates a carbon dioxide and water (steam) from methane and oxygen, and the produced | generated carbon dioxide and water (steam) are respectively It is a reaction in which reactions (reactions (2-2-1) and (2-2-2) below) that react with methane occur almost simultaneously.
CH 4 + 1 / 2O 2 → CO + 2H 2 (2)
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O (2-1)
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (2-2-1)
CH 4 + CO 2 → 2CO + 2H 2 (2-2-2)

改質工程は、上述したように、メタンと酸素とを反応させて一酸化炭素及び水素を含有する合成ガスを得ることができれば特に限定されないが、例えば、直接的接触部分酸化法(D−CPOX:Direct-Catalytic Partial Oxidation)や、オートサーマルリフォーミング法(ATR:Auto Thermal Reforming)が挙げられる。オートサーマルリフォーミング法とは、メタンの一部を酸素または空気の添加によりバーナー燃焼させ、生成した高温の燃焼ガスを触媒層に通して改質するもの、すなわち、メタンの燃焼により二酸化炭素と水を生成し、これらを触媒層中でさらにメタンと反応させて水素と一酸化炭素を生成するものである。そして、直接的接触部分酸化法は、例えば、特開2005−199263号公報に記載されている方法であり、触媒の存在下メタンを酸素により部分酸化(式(2))し、改質するものである。   As described above, the reforming step is not particularly limited as long as a synthesis gas containing carbon monoxide and hydrogen can be obtained by reacting methane and oxygen. For example, the direct contact partial oxidation method (D-CPOX) : Direct-Catalytic Partial Oxidation) and Auto Thermal Reforming (ATR). In the autothermal reforming method, a part of methane is burner-burned by adding oxygen or air, and the generated high-temperature combustion gas is reformed through a catalyst layer, that is, carbon dioxide and water by combustion of methane. These are further reacted with methane in the catalyst layer to produce hydrogen and carbon monoxide. The direct contact partial oxidation method is, for example, a method described in JP-A-2005-199263, in which methane is partially oxidized with oxygen (formula (2)) and reformed in the presence of a catalyst. It is.

このようなD−CPOXを行う装置やATRを行う装置等のメタンの部分酸化を行う装置、特にD−CPOXを行う装置は、比較的コンパクトなため、設置面積を狭くすることができる。したがって、例えば、設置面積が狭いことが求められる洋上で製造するのに適している。また、メタンの部分酸化反応は、上述したように酸素でメタンの一部を燃焼させて、生成した二酸化炭素と水を用いてメタンを改質するため、燃焼熱を使用でき、エネルギー効率がよい。   An apparatus for performing partial oxidation of methane, such as an apparatus for performing D-CPOX or an apparatus for performing ATR, particularly an apparatus for performing D-CPOX, is relatively compact, and thus can reduce the installation area. Therefore, for example, it is suitable for manufacturing offshore where a small installation area is required. In addition, as described above, in the partial oxidation reaction of methane, part of the methane is burned with oxygen, and the generated carbon dioxide and water are used to reform the methane, so that combustion heat can be used and energy efficiency is high. .

改質工程において、例えば、特開2005−199263号公報等に記載されるように触媒及び反応条件を特定のものとする、具体的には、触媒としてマグネシウム(Mg)を含むアルカリ土類金属酸化物担体にVIII属金属を担持した触媒を用い、酸素とメタンの接触時間5×10−4〜2×10−2[sec]の反応条件でメタンの直接的接触部分酸化を行うことにより、式(2−1)の反応を抑制し完全酸化を途中で抑える上記式(2)の反応のみを生じさせることができる。 In the reforming step, the catalyst and reaction conditions are specified as described in, for example, JP-A-2005-199263, specifically, alkaline earth metal oxidation containing magnesium (Mg) as a catalyst. By using a catalyst supporting a Group VIII metal on a solid support and performing direct catalytic partial oxidation of methane under the reaction conditions of oxygen and methane contact time of 5 × 10 −4 to 2 × 10 −2 [sec], the formula Only the reaction of the above formula (2) that suppresses the reaction of (2-1) and suppresses complete oxidation in the middle can be caused.

改質工程として、上記では直接接触部分酸化法やオートサーマルリフォーミング法など酸化によるメタンの改質反応を示したが、水蒸気による改質や二酸化炭素(炭酸ガス)による改質でもよい。メタンの水蒸気による改質では、メタンに水蒸気を添加して式(2−2−1)の反応を生じさせる。また、二酸化炭素による改質ではメタンに二酸化炭素を添加して式(2−2−2)の反応を生じさせる。但し、水蒸気による改質や二酸化炭素による改質では反応が吸熱反応であるため、改質反応に必要な熱を外部から供給する必要があり、製造装置が大きくなる。   As the reforming step, the reforming reaction of methane by oxidation such as a direct contact partial oxidation method or an autothermal reforming method has been described above. However, reforming by steam or reforming by carbon dioxide (carbon dioxide gas) may be used. In the reforming of methane with steam, steam is added to methane to cause the reaction of formula (2-2-1). In reforming with carbon dioxide, carbon dioxide is added to methane to cause the reaction of formula (2-2-2). However, since the reaction is an endothermic reaction in the reforming with steam or the reforming with carbon dioxide, it is necessary to supply heat necessary for the reforming reaction from the outside, and the manufacturing apparatus becomes large.

次に、改質工程で得られた合成ガスに含まれる一酸化炭素を水と反応させて、水素と二酸化炭素を含むガスを得る(シフト反応工程)。シフト反応工程は、合成ガスに含まれる一酸化炭素を水(水蒸気)と反応させて水素と二酸化炭素に変換するシフト反応を行う工程であり、下記式(3)の反応が生じる。
CO+HO→H+CO (3)
Next, carbon monoxide contained in the synthesis gas obtained in the reforming step is reacted with water to obtain a gas containing hydrogen and carbon dioxide (shift reaction step). The shift reaction step is a step of performing a shift reaction in which carbon monoxide contained in the synthesis gas is reacted with water (water vapor) to convert it into hydrogen and carbon dioxide, and the reaction of the following formula (3) occurs.
CO + H 2 O → H 2 + CO 2 (3)

シフト反応工程は、COコンバータ等で行うことができ、例えば、特許文献1に記載された製造方法等で行うことができる。   The shift reaction step can be performed by a CO converter or the like, for example, by the production method described in Patent Document 1.

次に、シフト反応工程で得られた水素と二酸化炭素を含むガスから二酸化炭素を分離する(二酸化炭素分離工程)。二酸化炭素を分離する方法は特に限定されず、例えば、化学吸収法、物理吸収法や、膜分離等、通常の二酸化炭素分離方法を適用することができる。化学吸収法は、二酸化炭素を選択的に溶解できるアミン等のアルカリ溶液を吸収液とし、二酸化炭素を吸収させる方法である。アミン水溶液による二酸化炭素の吸収反応は例えば下記式(4)である。下記式(4)においてRは炭化水素基を表す。また、物理吸収法は、メタノールやポリエチレングリコール等を吸収液とし、二酸化炭素を吸収させる方法である。これらの方法では、吸収液からの二酸化炭素の回収の際に、多量の熱エネルギーが必要となる。膜分離法は、ポリイミド膜、ポリビニルアルコール膜、酢酸セルロース膜等の有機高分子膜や、ゼオライト膜、炭素膜、セラミックス多孔質膜等の無機膜等の分離膜で二酸化炭素を分離する方法である。膜による分離は、基本的に圧力のみを利用する低エネルギーの方法である。二酸化炭素は完全に分離しなくてもよいが、残存した二酸化炭素は、後段の水素化反応の阻害要因になるため、二酸化炭素はできるだけ分離することが好ましい。例えば、二酸化炭素分離工程で二酸化炭素が分離されて得られる水素を含むガス中に含まれる二酸化炭素の濃度が1.0vol%以下であることが好ましい。
R−NH+CO+HO→R−NH +HCO (4)
Next, carbon dioxide is separated from the gas containing hydrogen and carbon dioxide obtained in the shift reaction step (carbon dioxide separation step). The method for separating carbon dioxide is not particularly limited. For example, a normal carbon dioxide separation method such as a chemical absorption method, a physical absorption method, or a membrane separation can be applied. The chemical absorption method is a method of absorbing carbon dioxide using an alkaline solution such as an amine that can selectively dissolve carbon dioxide as an absorbing solution. The absorption reaction of carbon dioxide by the aqueous amine solution is, for example, the following formula (4). In the following formula (4), R represents a hydrocarbon group. The physical absorption method is a method of absorbing carbon dioxide using methanol, polyethylene glycol or the like as an absorption liquid. In these methods, a large amount of heat energy is required for the recovery of carbon dioxide from the absorbing solution. The membrane separation method is a method of separating carbon dioxide with a separation membrane such as an organic polymer membrane such as a polyimide membrane, a polyvinyl alcohol membrane, or a cellulose acetate membrane, or an inorganic membrane such as a zeolite membrane, a carbon membrane, or a ceramic porous membrane. . Membrane separation is basically a low energy method that utilizes only pressure. Carbon dioxide does not have to be completely separated, but the remaining carbon dioxide is an inhibiting factor for the subsequent hydrogenation reaction. Therefore, it is preferable to separate carbon dioxide as much as possible. For example, the concentration of carbon dioxide contained in the gas containing hydrogen obtained by separating carbon dioxide in the carbon dioxide separation step is preferably 1.0 vol% or less.
R—NH 2 + CO 2 + H 2 O → R—NH 3 + + HCO 3 (4)

次に、二酸化炭素分離工程で二酸化炭素が分離され水素を含むガスを水素貯蔵体と反応させて水素供給体を得る(水素化工程)。   Next, carbon dioxide is separated in the carbon dioxide separation step, and a gas containing hydrogen is reacted with the hydrogen storage body to obtain a hydrogen supply body (hydrogenation step).

水素化工程では、二酸化炭素分離工程で水素と二酸化炭素を含むガスから二酸化炭素が分離されたガス、すなわち、水素を含むガスを、水素貯蔵体と反応させて、水素貯蔵体を水素化することにより水素供給体を得る。水素化工程で反応させる水素は、改質工程で生じた水素や、シフト反応工程で生じた水素である。水素化は、例えば特開2007−269522号公報等に記載されるような水添触媒(水素化触媒)を用いて行なう。このように水素を水素貯蔵体と反応させて水素供給体に変換することによって、気体状態の水素を、常温常圧で液体状態の水素供給体として固定して、水素を常温常圧の液体状態で貯蔵・輸送することができるようになる。   In the hydrogenation process, a gas obtained by separating carbon dioxide from a gas containing hydrogen and carbon dioxide in the carbon dioxide separation process, that is, a gas containing hydrogen is reacted with the hydrogen storage body to hydrogenate the hydrogen storage body. To obtain a hydrogen supplier. Hydrogen to be reacted in the hydrogenation process is hydrogen generated in the reforming process or hydrogen generated in the shift reaction process. Hydrogenation is performed using a hydrogenation catalyst (hydrogenation catalyst) as described in, for example, JP-A-2007-269522. In this way, hydrogen is reacted with a hydrogen storage body and converted into a hydrogen supply body, thereby fixing hydrogen in a gaseous state as a hydrogen supply body in a liquid state at normal temperature and normal pressure, and hydrogen in a liquid state at normal temperature and normal pressure. It will be possible to store and transport.

このようにして得られた水素供給体は、常温常圧で液体状態の場合は、気体である水素のままの場合よりも貯蔵・輸送に適しており、例えば、水素の消費地まで水素供給体を輸送して該水素の消費地で水素供給体から水素を脱離させる反応を行って、水素を使用することができる。水素供給体から水素を脱離させる反応は、例えば、特開2007−269522号公報等に記載するように、脱水素触媒等を添加して行うことができる。水素の用途としては、例えば燃料電池等が挙げられる。   The hydrogen supplier thus obtained is more suitable for storage and transportation when it is in a liquid state at normal temperature and pressure than when it is in the form of hydrogen as a gas. The hydrogen can be used by carrying out a reaction to desorb hydrogen from the hydrogen supplier at the hydrogen consuming place. The reaction for desorbing hydrogen from the hydrogen supplier can be performed by adding a dehydrogenation catalyst or the like as described in, for example, JP-A-2007-269522. Examples of the use of hydrogen include a fuel cell.

水素貯蔵体としては、例えばトルエン、ベンゼン等の単環芳香族化合物や、ナフタレン等の2環以上の芳香族化合物を挙げることができる。水素貯蔵体としてトルエンを用いた場合の水素化反応を下記式(5)に示す。水素貯蔵体としてトルエンを用いる場合は、通常のベンゼンの水素化によるシクロヘキサンの製造に用いる触媒を用いることができ、Niを珪藻土、シリカ、シリカアルミナなどの無機酸化物に担持させた触媒を用いることができる。そして、これら水素貯蔵体に水素を反応させて得られる水素供給体は、例えばメチルシクロヘキサン、シクロヘキサン等の水素化芳香族化合物が挙げられる。芳香族化合物の他、芳香族化合物以外の有機化合物や、合金、ホウ素化物、金属アミド金属水素化物、金属貯蔵合金等の水素貯蔵体を用いてもよい。
CH−C+3H→CH−C11 (5)
Examples of the hydrogen store include monocyclic aromatic compounds such as toluene and benzene, and aromatic compounds having two or more rings such as naphthalene. The hydrogenation reaction when toluene is used as the hydrogen storage body is shown in the following formula (5). When toluene is used as the hydrogen reservoir, a catalyst used for the production of cyclohexane by hydrogenation of normal benzene can be used, and a catalyst in which Ni is supported on an inorganic oxide such as diatomaceous earth, silica, silica alumina, etc. Can do. Examples of the hydrogen supplier obtained by reacting hydrogen with these hydrogen storage bodies include hydrogenated aromatic compounds such as methylcyclohexane and cyclohexane. In addition to aromatic compounds, organic compounds other than aromatic compounds, and hydrogen storage bodies such as alloys, borides, metal amide metal hydrides, and metal storage alloys may be used.
CH 3 -C 6 H 5 + 3H 2 → CH 3 -C 6 H 11 (5)

一方、二酸化炭素分離工程で分離された二酸化炭素は、メタン回収工程に循環させて該メタン回収工程において用いる二酸化炭素とする(二酸化炭素循環工程)。なお、二酸化炭素分離工程で化学吸収法や物理吸収法により二酸化炭素を分離した場合は、二酸化炭素循環工程の前または途中で、吸収液に吸収された二酸化炭素を吸収液から取り出して、取り出した二酸化炭素をメタン回収工程で用いるようにしてもよい。   On the other hand, the carbon dioxide separated in the carbon dioxide separation step is circulated in the methane recovery step to be used as carbon dioxide used in the methane recovery step (carbon dioxide circulation step). In addition, when carbon dioxide was separated by the chemical absorption method or the physical absorption method in the carbon dioxide separation step, the carbon dioxide absorbed in the absorption liquid was taken out from the absorption liquid before or during the carbon dioxide circulation step and taken out. Carbon dioxide may be used in the methane recovery step.

なお、メタンハイドレートは、海底下の地中に層状に存在することが多いため、改質工程、シフト反応工程、二酸化炭素分離工程及び水素化工程は、メタンハイドレート層の上、すなわち、洋上や地表面で行うことが好ましい。例えば、海洋上に浮かべた船の上に設置される移動可能なフローティングプラント(Floating Plant)、すなわち洋上プラントで、改質工程、シフト反応工程、二酸化炭素分離工程及び水素化工程を行う。   Note that methane hydrate is often present in layers below the seabed, so the reforming process, shift reaction process, carbon dioxide separation process, and hydrogenation process are performed on the methane hydrate layer, that is, offshore. Or on the ground surface. For example, a reforming process, a shift reaction process, a carbon dioxide separation process, and a hydrogenation process are performed in a movable floating plant (floating plant) installed on a ship floating on the ocean, that is, an offshore plant.

このように本発明の水素供給体の製造方法においては、シフト反応工程で生じる二酸化炭素を循環させてメタン回収工程で用いる二酸化炭素とするため、二酸化炭素の長距離の輸送が不要であり、効率良く水素貯蔵体を製造することができる。同時に、シフト反応で生じる二酸化炭素の排出を抑制することができる。   Thus, in the method for producing a hydrogen supplier of the present invention, since carbon dioxide generated in the shift reaction step is circulated into carbon dioxide used in the methane recovery step, long-distance transportation of carbon dioxide is unnecessary, and efficiency A hydrogen storage body can be manufactured well. At the same time, the emission of carbon dioxide generated by the shift reaction can be suppressed.

そして、本発明の水素供給体の製造方法においては、メタン回収工程では1モルの二酸化炭素から1モルのメタンが生じ(式(1))、改質工程では1モルのメタンから1モルの一酸化炭素が生じ(式(2))、シフト反応工程では1モルの一酸化炭素から1モルの二酸化炭素が生じる(式(3))。このシフト反応工程で生じた1モルの二酸化炭素をメタン回収工程に循環させてメタン回収工程で使用すると、再び1モルのメタンが生じる。すなわち、本発明の水素供給体の製造方法は、化学量論的に非常にバランスが良く、過不足無い量の二酸化炭素を循環し使用するものである。   In the method for producing a hydrogen supplier of the present invention, 1 mol of methane is generated from 1 mol of carbon dioxide in the methane recovery step (formula (1)), and 1 mol of 1 mol of methane is generated in the reforming step. Carbon oxide is produced (formula (2)), and 1 mol of carbon dioxide is produced from 1 mol of carbon monoxide in the shift reaction step (formula (3)). When 1 mol of carbon dioxide generated in this shift reaction step is circulated to the methane recovery step and used in the methane recovery step, 1 mol of methane is generated again. In other words, the method for producing a hydrogen supplier of the present invention is one that circulates and uses an amount of carbon dioxide that is very stoichiometrically balanced and that is not excessive or insufficient.

また、水素化工程で生じる反応熱をメタン回収工程で用いることが好ましい。すなわち、水素化工程で生じた反応熱をメタン回収工程に循環させて該メタン回収工程で用いる熱循環工程を有することが好ましい。二酸化炭素ハイドレートは、メタンハイドレートよりも熱力学的に安定である。メタンハイドレートが分解してメタンを生じる反応は吸熱反応であり、二酸化炭素から二酸化炭素ハイドレートが生成する反応は発熱反応である。そして、吸熱反応であるメタンハイドレートの分解に必要な反応熱よりも、二酸化炭素ハイドレートの生成熱は大きい。したがって、メタンハイドレートが存在する環境下において、メタンハイドレートに二酸化炭素を注入し必要に応じて減圧等すれば、メタンハイドレートが分解してメタンが生成し且つ二酸化炭素ハイドレートが生成する。しかしながら、これらメタンハイドレートの分解及び二酸化炭素ハイドレートの生成の反応(すなわち、メタンハイドレートにおいてメタンと二酸化炭素を置換する反応)は、メタンハイドレートと二酸化炭素の界面のみで生じる非常にゆるやかな反応である。したがって、メタンハイドレートにおいて、十分な量のメタンと二酸化炭素を置換するには、多大なエネルギー(時間や反応熱)が必要であり、コスト等の観点から実用化にあたり大きな障害となりうる。   Moreover, it is preferable to use the heat of reaction generated in the hydrogenation step in the methane recovery step. That is, it is preferable to have a heat circulation step in which reaction heat generated in the hydrogenation step is circulated to the methane recovery step and used in the methane recovery step. Carbon dioxide hydrate is more thermodynamically stable than methane hydrate. The reaction in which methane hydrate decomposes to produce methane is an endothermic reaction, and the reaction in which carbon dioxide hydrate is generated from carbon dioxide is an exothermic reaction. And the heat of formation of carbon dioxide hydrate is larger than the reaction heat required for the decomposition of methane hydrate, which is an endothermic reaction. Therefore, in an environment where methane hydrate exists, if carbon dioxide is injected into methane hydrate and decompression is performed as necessary, methane hydrate is decomposed to produce methane and carbon dioxide hydrate is produced. However, these methane hydrate decomposition and carbon dioxide hydrate formation reactions (that is, reactions that replace methane and carbon dioxide in methane hydrate) are very slow occurring only at the interface of methane hydrate and carbon dioxide. It is a reaction. Accordingly, in order to replace a sufficient amount of methane and carbon dioxide in methane hydrate, a great amount of energy (time and heat of reaction) is required, which can be a major obstacle to practical use from the viewpoint of cost and the like.

一方、水素化反応は発熱反応なので、水素化工程において反応熱が生じる。したがって、水素化工程で生じた反応熱を、メタンハイドレートの分解に必要な反応熱として用いることにより、メタンハイドレートの分解反応の速度を速めることができると共に、メタンの二酸化炭素の置換が進み二酸化炭素ハイドレートも速く生成することができる。よって、実用化が容易である。   On the other hand, since the hydrogenation reaction is an exothermic reaction, reaction heat is generated in the hydrogenation process. Therefore, by using the reaction heat generated in the hydrogenation process as the reaction heat necessary for the decomposition of methane hydrate, the speed of the decomposition reaction of methane hydrate can be increased and the replacement of methane with carbon dioxide proceeds. Carbon dioxide hydrate can also be generated quickly. Therefore, practical application is easy.

このような本発明の水素供給体の製造方法を適用可能な水素供給体製造設備について、図1を用いて説明する。図1は、本発明の水素供給体の製造方法を適用可能な水素供給体製造設備の一例を示す模式図である。   A hydrogen supply production facility to which the method for producing a hydrogen supply of the present invention can be applied will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a hydrogen supplier manufacturing facility to which the method for manufacturing a hydrogen supplier of the present invention can be applied.

図1に示すように、水素供給体製造設備10は、二酸化炭素が供給されると共にメタンハイドレートからメタンを回収するメタン回収手段11と、酸素を含むガスが供給されると共にメタン回収手段11から排出されたメタンを酸素と反応させて、水素及び一酸化炭素を含む合成ガスを得る酸化改質手段12と、水蒸気が供給されると共に酸化改質手段12から排出された合成ガスに含まれる一酸化炭素を水と反応させて、水素と二酸化炭素を含むガスを得るシフト反応手段13と、シフト反応手段13から排出された水素と二酸化炭素を含むガスから二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離手段14と、水素貯蔵体が供給されると共に二酸化炭素分離手段14で二酸化炭素が分離され水素を含むガスを水素貯蔵体と反応させて水素供給体を得る水素化手段15と、二酸化炭素分離手段14から排出された二酸化炭素をメタン回収手段11に循環させる二酸化炭素循環手段16とを有する。   As shown in FIG. 1, the hydrogen supplier manufacturing facility 10 includes a methane recovery unit 11 that recovers methane from methane hydrate while being supplied with carbon dioxide, and a methane recovery unit 11 that is supplied with gas containing oxygen. Oxidation reforming means 12 for reacting the discharged methane with oxygen to obtain a synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide, and steam contained in the synthesis gas discharged from the oxidation reforming means 12 Shift reaction means 13 for reacting carbon oxide with water to obtain a gas containing hydrogen and carbon dioxide, and carbon dioxide separation means 14 for separating carbon dioxide from the gas containing hydrogen and carbon dioxide discharged from the shift reaction means 13. The hydrogen storage body is supplied, and the carbon dioxide is separated by the carbon dioxide separation means 14 and the gas containing hydrogen is reacted with the hydrogen storage body to obtain a hydrogen supply body. Having a hydrogenation unit 15, the carbon dioxide circulating means 16 for circulating the carbon dioxide discharged from the carbon dioxide separation unit 14 to the methane recovery unit 11.

メタン回収手段11の一例を図2を用いて説明する。図2は、メタン回収工程を行うメタン回収手段の一例を示す模式的断面図である。図2に示すように、メタン回収手段11は、例えば海面から海底深くに存在するメタンハイドレート層まで貫通しメタンハイドレート層に二酸化炭素を注入する二酸化炭素注入管21と、二酸化炭素注入管21を囲うように設けられメタンハイドレートが分解することにより生成したメタンを海面まで運ぶメタン排出管22とを有する二重構造の配管からなる。勿論、メタン回収手段11は、二重構造の配管でなくてもよく、二酸化炭素を供給する配管とメタンを回収する配管を別々に設けてもよい。   An example of the methane recovery unit 11 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of methane recovery means for performing the methane recovery step. As shown in FIG. 2, the methane recovery means 11 includes, for example, a carbon dioxide injection pipe 21 that penetrates from the sea surface to a methane hydrate layer existing deep in the sea bottom and injects carbon dioxide into the methane hydrate layer, and a carbon dioxide injection pipe 21. And a methane discharge pipe 22 that carries methane generated by decomposition of methane hydrate to the sea surface. Of course, the methane recovery means 11 may not be a double-structured pipe, and a pipe for supplying carbon dioxide and a pipe for recovering methane may be provided separately.

酸化改質手段12としては、例えば、直接的接触部分酸化法を行うD−CPOX装置や、オートサーマルリフォーミング法を行うATR装置が挙げられる。直接的接触部分酸化法を行うD−CPOX装置としては、例えば、特開2006−62925号公報等、反応塔(反応器)に触媒を充填し、充填した触媒層においてメタンと酸素とを反応させる装置が挙げられる。   Examples of the oxidation reforming means 12 include a D-CPOX apparatus that performs a direct contact partial oxidation method and an ATR apparatus that performs an autothermal reforming method. As a D-CPOX apparatus for performing the direct contact partial oxidation method, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-62925 and the like, a reaction tower (reactor) is filled with a catalyst, and methane and oxygen are reacted in the filled catalyst layer. Apparatus.

シフト反応手段13としては、通常の一酸化炭素及び水蒸気から水素及び二酸化炭素を生成するシフト反応を行うことができる装置、例えば、COコンバータ等が挙げられる。   Examples of the shift reaction means 13 include an apparatus capable of performing a shift reaction for generating hydrogen and carbon dioxide from normal carbon monoxide and water vapor, such as a CO converter.

二酸化炭素分離手段14としては、アルカリ溶液等の吸収液を用いた化学吸収装置、メタノールやポリエチレングリコール等の吸収液を用いた物理吸収装置や、膜を通して二酸化炭素を分離する膜分離装置、または、これらを組み合わせた装置が挙げられる。   As the carbon dioxide separation means 14, a chemical absorption device using an absorption solution such as an alkaline solution, a physical absorption device using an absorption solution such as methanol or polyethylene glycol, a membrane separation device that separates carbon dioxide through a membrane, or A device that combines these is mentioned.

水素化手段15は、二酸化炭素分離手段14から供給された水素を水素貯蔵体と反応させて水素供給体を製造する装置である。水素化手段15は、水素化反応の触媒を添加する水素化触媒添加手段を必要に応じて有していてもよい。   The hydrogenation means 15 is an apparatus for producing a hydrogen supply body by reacting hydrogen supplied from the carbon dioxide separation means 14 with a hydrogen storage body. The hydrogenation means 15 may have a hydrogenation catalyst addition means for adding a hydrogenation reaction catalyst, if necessary.

二酸化炭素循環手段16は、例えば、二酸化炭素分離手段14で分離された二酸化炭素をメタン回収手段11に供給する配管からなり、この配管がメタン回収手段11の二酸化炭素注入管21と接続されている。   The carbon dioxide circulation means 16 is composed of, for example, a pipe that supplies the carbon dioxide separated by the carbon dioxide separation means 14 to the methane recovery means 11, and this pipe is connected to the carbon dioxide injection pipe 21 of the methane recovery means 11. .

なお、各手段は、ポンプ等の搬送手段が必要に応じて設けられた配管等で接続されており、各手段における原料や生成物が各手段間を移送できる構成となっている。   In addition, each means is connected with piping etc. in which conveyance means, such as a pump, were provided as needed, and it has the structure which can transfer the raw material and product in each means between each means.

メタンハイドレートは海底下の地中に層状に存在することが多いため、水素供給体製造設備10は、洋上プラントであることが好ましい。   Since methane hydrate is often present in layers in the ground below the seabed, the hydrogen supplier production facility 10 is preferably an offshore plant.

このような水素供給体製造設備10では、まず、メタンハイドレート層に、メタン回収手段11を構成する二酸化炭素注入管21から二酸化炭素が注入される。これにより、メタンハイドレート中のメタンが二酸化炭素に置換されて、メタンが生成すると共に二酸化炭素ハイドレートが生成する。生成したメタンは、メタン排出管22を経由して海面上まで運ばれる。海面上に運ばれたメタンは、酸化改質手段12に供給され、酸化改質手段12に供給された空気に含まれる酸素と反応することにより、一酸化炭素と水素を含む合成ガスを生成する。続いて、酸化改質手段12で生成した一酸化炭素と水素を含む合成ガスは、シフト反応手段13に供給され、シフト反応手段13に供給された水と反応して、水素と二酸化炭素を含むガスを生成する。シフト反応手段から排出された水素と二酸化炭素を含むガスは、二酸化炭素分離手段14に供給され、二酸化炭素分離手段14で二酸化炭素が分離・除去される。   In such a hydrogen supplier manufacturing facility 10, first, carbon dioxide is injected into a methane hydrate layer from a carbon dioxide injection pipe 21 constituting the methane recovery means 11. Thereby, methane in the methane hydrate is replaced with carbon dioxide, so that methane is generated and carbon dioxide hydrate is generated. The produced methane is transported to the sea level via the methane discharge pipe 22. Methane carried on the sea surface is supplied to the oxidation reforming means 12 and reacts with oxygen contained in the air supplied to the oxidation reforming means 12 to generate synthesis gas containing carbon monoxide and hydrogen. . Subsequently, the synthesis gas containing carbon monoxide and hydrogen produced by the oxidation reforming means 12 is supplied to the shift reaction means 13 and reacts with the water supplied to the shift reaction means 13 to contain hydrogen and carbon dioxide. Generate gas. The gas containing hydrogen and carbon dioxide discharged from the shift reaction means is supplied to the carbon dioxide separation means 14, and the carbon dioxide is separated and removed by the carbon dioxide separation means 14.

二酸化炭素分離手段14で二酸化炭素が分離・除去されたガス、すなわち、水素を含むガスは、水素化手段15に供給され、必要に応じて添加される水素化触媒の存在下で、水素化手段15に供給されたトルエン等の水素貯蔵体と反応して、メチルシクロヘキサン等の水素貯蔵体を生成する。このように生成された水素貯蔵体は、通常常温・常圧で液体状態のため、気体状態の水素と比較して、輸送や貯蔵が非常に容易である。   The gas from which carbon dioxide has been separated and removed by the carbon dioxide separation means 14, that is, the gas containing hydrogen is supplied to the hydrogenation means 15, and in the presence of a hydrogenation catalyst added as necessary, the hydrogenation means. It reacts with a hydrogen storage body such as toluene supplied to 15 to produce a hydrogen storage body such as methylcyclohexane. Since the hydrogen storage body thus produced is usually in a liquid state at normal temperature and pressure, it is very easy to transport and store as compared with hydrogen in a gaseous state.

一方、二酸化炭素分離手段14で分離された二酸化炭素は、二酸化炭素循環手段16を経て、メタン回収手段11を構成する二酸化炭素注入管21に供給される。二酸化炭素循環手段16を経て二酸化炭素注入管21に供給された二酸化炭素は、メタンハイドレート層に注入され、メタンハイドレート層のメタンを置換して、メタンを生成すると共に二酸化炭素ハイドレートを生成する。   On the other hand, the carbon dioxide separated by the carbon dioxide separation means 14 is supplied to the carbon dioxide injection pipe 21 constituting the methane recovery means 11 through the carbon dioxide circulation means 16. Carbon dioxide supplied to the carbon dioxide injection pipe 21 via the carbon dioxide circulation means 16 is injected into the methane hydrate layer, and replaces methane in the methane hydrate layer to generate methane and carbon dioxide hydrate. To do.

また、本発明の水素供給体の製造方法を適用できる水素供給体製造装置は、水素化手段15で生じる反応熱をメタン回収手段11に循環させる反応熱循環手段を有していてもよい。図3は、図1の構成に加えて、さらに水素化手段15で得られた反応熱をメタン回収手段11に循環させた構成であり、図1と同じ構成には同じ番号を付し重複する説明は省略する。   Further, the hydrogen supply production apparatus to which the method for producing a hydrogen supply of the present invention can be applied may have a reaction heat circulation means for circulating reaction heat generated in the hydrogenation means 15 to the methane recovery means 11. FIG. 3 is a configuration in which the heat of reaction obtained by the hydrogenation means 15 is further circulated to the methane recovery means 11 in addition to the configuration of FIG. 1. The same configurations as those in FIG. Description is omitted.

図3に示すように、水素供給体製造装置20は、反応熱循環手段として、例えば、水素化手段15を冷却水によって冷却する冷却手段17を有する。冷却手段17は、水素化手段15を冷却することにより加温された冷却水が、二酸化炭素循環手段16の途中に設けられた熱交換器18を経由して、再び水素化手段15に循環される構成である。水素化手段15で生じた反応熱は、冷却水、熱交換器18、及び、二酸化炭素循環手段16で循環される二酸化炭素等を経て、メタン回収手段11を構成する二酸化炭素注入管21に供給される。   As shown in FIG. 3, the hydrogen supplier manufacturing apparatus 20 includes a cooling unit 17 that cools the hydrogenating unit 15 with cooling water, for example, as a reaction heat circulation unit. In the cooling means 17, the cooling water heated by cooling the hydrogenation means 15 is circulated again to the hydrogenation means 15 via a heat exchanger 18 provided in the middle of the carbon dioxide circulation means 16. This is a configuration. The reaction heat generated in the hydrogenation means 15 is supplied to the carbon dioxide injection pipe 21 constituting the methane recovery means 11 through the cooling water, the heat exchanger 18 and the carbon dioxide circulated in the carbon dioxide circulation means 16. Is done.

メタン回収手段11で生じるメタンハイドレートからメタンを生成する反応は吸熱反応であるため、水素化手段15で得られた反応熱をメタン回収手段11に供給することにより、メタンハイドレートからメタンを生成する反応を促進することができる。   Since the reaction for generating methane from the methane hydrate generated by the methane recovery means 11 is an endothermic reaction, the reaction heat obtained by the hydrogenation means 15 is supplied to the methane recovery means 11 to generate methane from the methane hydrate. Reaction can be promoted.

10、20 水素供給体製造設備
11 メタン回収手段
12 メタン酸化改質手段
13 シフト反応手段
14 二酸化炭素分離手段
15 水素化手段
16 二酸化炭素循環手段
17 冷却手段
18 熱交換器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 20 Hydrogen supply body manufacturing equipment 11 Methane collection | recovery means 12 Methane oxidation reforming means 13 Shift reaction means 14 Carbon dioxide separation means 15 Hydrogenation means 16 Carbon dioxide circulation means 17 Cooling means 18 Heat exchanger

Claims (5)

二酸化炭素を用いてメタンハイドレートからメタンを回収するメタン回収工程と、
前記メタン回収工程で回収されたメタンを酸素を含むガスと反応させて、水素及び一酸化炭素を含む合成ガスを得る改質工程と、
前記改質工程で得られた合成ガスに含まれる一酸化炭素を水と反応させて、水素と二酸化炭素を含むガスを得るシフト反応工程と、
前記シフト反応工程で得られた水素と二酸化炭素を含むガスから二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離工程と、
前記二酸化炭素分離工程で二酸化炭素が分離され水素を含むガスを水素貯蔵体と反応させて水素供給体を得る水素化工程と、
前記二酸化炭素分離工程で分離された二酸化炭素を前記メタン回収工程に循環させて該メタン回収工程において用いる二酸化炭素とする二酸化炭素循環工程とを有することを特徴とする水素供給体の製造方法。
A methane recovery process for recovering methane from methane hydrate using carbon dioxide,
A reforming step of reacting the methane recovered in the methane recovery step with a gas containing oxygen to obtain a synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide;
A shift reaction step of reacting carbon monoxide contained in the synthesis gas obtained in the reforming step with water to obtain a gas containing hydrogen and carbon dioxide;
A carbon dioxide separation step for separating carbon dioxide from a gas containing hydrogen and carbon dioxide obtained in the shift reaction step;
A hydrogenation step in which carbon dioxide is separated in the carbon dioxide separation step and a gas containing hydrogen is reacted with a hydrogen storage body to obtain a hydrogen supply body;
And a carbon dioxide circulation step for circulating the carbon dioxide separated in the carbon dioxide separation step into the methane recovery step to obtain carbon dioxide used in the methane recovery step.
前記水素化工程で生じた反応熱を前記メタン回収工程に循環させて該メタン回収工程で用いる熱循環工程を有することを特徴とする請求項1に記載する水素供給体の製造方法。   The method for producing a hydrogen supplier according to claim 1, further comprising a heat circulation step of circulating the reaction heat generated in the hydrogenation step to the methane recovery step and using the heat in the methane recovery step. 前記メタン回収工程において、メタンハイドレートを分解してメタンを回収すると共に二酸化炭素ハイドレートを生成することを特徴とする請求項1又は2に記載する水素供給体の製造方法。   The method for producing a hydrogen supplier according to claim 1 or 2, wherein in the methane recovery step, methane hydrate is decomposed to recover methane and to generate carbon dioxide hydrate. 前記改質工程は、直接的接触部分酸化法により行うことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載する水素供給体の製造方法。   The said reforming process is performed by the direct contact partial oxidation method, The manufacturing method of the hydrogen supply body as described in any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. 前記改質工程、前記シフト反応工程、前記二酸化炭素分離工程及び前記水素化工程を洋上で行うことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載する水素供給体の製造方法。   The method for producing a hydrogen supplier according to any one of claims 1 to 4, wherein the reforming step, the shift reaction step, the carbon dioxide separation step, and the hydrogenation step are performed offshore.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115608316A (en) * 2022-09-16 2023-01-17 北京泓龙科技有限公司 Hydrogen collecting device for high-voltage pulse hydrogen production

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