JP7196730B2 - 炭化水素製造装置、および、炭化水素製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭化水素製造装置、および、炭化水素製造方法に関する。

従来から、燃焼炉などが排出する排ガスから二酸化炭素を回収し、水素と反応させてメタンなどの炭化水素化合物を製造する炭化水素化合物製造装置が知られている。例えば、特許文献１には、排ガス中の二酸化炭素と、水電解装置から供給される水素からメタンを製造する技術が開示されている。

国際公開２０１６／０７６０４１号

従来から、メタンを安定して製造するため、反応部に供給される二酸化炭素と水素の混合ガスを一時的に貯蔵する貯蔵部が知られている。貯蔵部は、昇圧動力を用いて混合ガスを加圧することによって体格を小さくすることが可能である。しかしながら、昇圧動力が大きくなると、システム効率が低下するという問題がある。

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、炭化水素製造装置において、システム効率の低下を抑制しつつ、装置の体格を小さくする技術を提供することを目的とする。

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。

（１）本発明の一形態によれば、炭化水素製造装置が提供される。この炭化水素製造装置は、二酸化炭素と水素を用いて、炭化水素化合物を生成する主反応部と、前記主反応部に供給される二酸化炭素と水素を含む混合ガスが流通する供給流路と、前記供給流路上に設けられ、前記主反応部に供給される前の前記混合ガスを貯蔵する貯蔵部と、前記供給流路のうち、前記貯蔵部の上流側に設けられ、前記貯蔵部に貯蔵される前の前記混合ガスを用いて、炭化水素化合物を生成するプレ反応部と、を備え、前記貯蔵部には、前記プレ反応部で生成された炭化水素化合物を含む前記混合ガスが貯蔵される。

この構成によれば、貯蔵部には、プレ反応部において生成された炭化水素化合物と、プレ反応部において未反応の二酸化炭素と水素とを含む混合ガスが貯蔵される。二酸化炭素と水素の混合ガスから炭化水素化合物を生成すると、反応後の炭化水素化合物を含む混合ガスの体積は、反応前の炭化水素化合物を含まない混合ガスの体積より減少する。このことから、プレ反応部において貯蔵部に貯蔵される前の混合ガスを用いて炭化水素化合物を生成すると、貯蔵部に貯蔵される混合ガスの体積は、プレ反応部を備えていない場合より小さくなる。これにより、貯蔵部を小さくすることができる。また、貯蔵部に貯蔵される混合ガスの体積が小さくなるため、昇圧に必要な動力を少なくすることができる。したがって、システム効率の低下を抑制しつつ、装置の体格を小さくすることができる。

（２）上記形態の炭化水素製造装置において、前記供給流路のうち、前記プレ反応部と前記貯蔵部との間に設けられ、前記プレ反応部から取り出され前記貯蔵部に貯蔵される前の前記混合ガスに含まれる高沸点成分を前記混合ガスから分離する分離部を備えてもよい。この構成によれば、プレ反応部での炭化水素化合物の生成反応によって発生する高沸点成分、例えば、メタンを生成した時に発生する水分を、貯蔵部に貯蔵する前に、混合ガスから分離する。これにより、貯蔵部に貯蔵される混合ガスの体積をさらに小さくすることができるため、貯蔵部をさらに小さくすることができる。したがって、装置の体格をさらに小さくすることができる。

（３）上記形態の炭化水素製造装置において、前記供給流路のうち、前記プレ反応部と前記貯蔵部との間に設けられ、前記貯蔵部に貯蔵される前の前記混合ガスを昇圧する下流側昇圧部を備えてもよい。この構成によれば、貯蔵部に貯蔵される混合ガスを、貯蔵部に貯蔵される前に圧縮することができるため、貯蔵部に貯蔵される混合ガスの体積をさらに小さくすることができる。したがって、貯蔵部をさらに小さくすることができるため、装置の体格をさらに小さくすることができる。

（４）上記形態の炭化水素製造装置において、前記プレ反応部と前記貯蔵部との間に設けられ、前記混合ガスの濃度に関連する情報を取得する第１濃度情報取得部と、前記第１濃度情報取得部が取得した前記情報を用いて前記下流側昇圧部を制御することによって、前記貯蔵部に貯蔵される前記混合ガスの圧力を調整する下流側圧力制御部と、を備えてもよい。この構成によれば、例えば、下流側圧力制御部は、混合ガスの濃度に関連する情報を用いてプレ反応部における炭化水素化合物の反応率を推定する。下流側圧力制御部は、プレ反応部における炭化水素化合物の推定反応率が目標反応率より低い場合、貯蔵部に貯蔵される前の混合ガスを、推定反応率と目標反応率との差分に応じて圧縮されるように、下側昇圧部を制御する。これにより、目標反応率に応じて事前に設定されている大きさの貯蔵部は、主反応部に供給される混合ガスを貯蔵することができる。また、下流側圧力制御部は、プレ反応部における炭化水素化合物の推定反応率を用いて、貯蔵部から主反応部に供給される混合ガスの圧力を、主反応部で想定される変動の範囲内となるように、混合ガスの圧力を修正することができる。

（５）上記形態の炭化水素製造装置において、前記供給流路上のうち前記プレ反応部の上流側に設けられ、前記プレ反応部に供給される前記混合ガスを昇圧する上流側昇圧部を備えてもよい。この構成によれば、プレ反応部に供給される混合ガスの圧力を高めることができるため、プレ反応部での炭化水素化合物の反応率を向上することができる。これにより、貯蔵部に貯蔵される混合ガスの体積をさらに小さくすることができるため、貯蔵部をさらに小さくすることができる。したがって、装置の体格をさらに小さくすることができる。

（６）上記形態の炭化水素製造装置において、前記プレ反応部と前記貯蔵部との間に設けられ、前記混合ガスの濃度に関連する情報を取得する第２濃度情報取得部と、前記第２濃度情報取得部が取得した前記情報を用いて前記上流側昇圧部を制御することによって、前記プレ反応部に供給される前記混合ガスの圧力を調整する上流側圧力制御部と、を備えてもよい。この構成によれば、例えば、上流側圧力制御部は、混合ガスの濃度に関連する情報を用いてプレ反応部における炭化水素化合物の反応率を推定する。上流側圧力制御部は、プレ反応部における炭化水素化合物の推定反応率が目標反応率より低い場合、プレ反応部に供給される混合ガスをさらに圧縮するように、上流側昇圧部を制御する。これにより、プレ反応部における反応率を向上させ、反応率を目標反応率とすることができる。したがって、目標反応率に応じて事前に設定されている大きさの貯蔵部は、主反応部に供給される混合ガスを貯蔵することができる。

（７）上記形態の炭化水素製造装置において、前記プレ反応部には、前記プレ反応部での炭化水素化合物の生成反応熱を回収する熱媒体が流れる熱媒体流路が形成されており、前記炭化水素製造装置は、さらに、前記プレ反応部に供給される前記混合ガスの濃度または流量に関連する情報を取得するガス情報取得部と、前記熱媒体流路を流れる熱媒体の流量を調整する流量調整部と、前記ガス情報取得部が取得した前記情報を用いて前記流量調整部を制御する流量制御部と、を備えてもよい。この構成によれば、プレ反応部に供給される混合ガスの濃度または流量に関連する情報を用いて、プレ反応部での反応率が所望の反応率となるように、プレ反応部の温度を熱媒体の流量で調整する。これにより、プレ反応部の温度を熱媒体の流量で調整することでプレ反応部での反応率を高め、貯蔵部に貯蔵される混合ガスの体積をさらに小さくすることができる。したがって、装置の体格をさらに小さくすることができる。

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、炭化水素製造装置の制御方法、この制御方法をコンピュータに実行させるコンピュータプログラム、炭化水素製造方法、炭化水素製造装置の製造方法、二酸化炭素回収装置、二酸化炭素循環システム、炭化水素を燃料とする燃料製造装置などの形態で実現することができる。

第１実施形態の炭化水素製造装置の概略構成を示した説明図である。 吸着部出口での混合ガスの流量および濃度の時間変化を示す説明図である。 メタネーション反応による体積の減少率を説明する説明図である。 比較例での反応部ガス濃度と貯蔵部体積の関係を示す説明図である。 第１実施形態での反応部ガス濃度と貯蔵部体積の関係を示す説明図である。 第１実施形態での反応部ガス濃度と貯蔵部体積の関係を示す説明図である。 第２実施形態の炭化水素製造装置の概略構成を示した説明図である。 第３実施形態の炭化水素製造装置の概略構成を示した説明図である。 プレ反応部に供給されるガス濃度と熱媒体流量の関係を示す説明図である。

＜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の概略構成を示した説明図である。メタン製造装置１は、二酸化炭素（ＣＯ₂）と水素（Ｈ₂）からメタン（ＣＨ₄）を製造する装置であり、本実施形態では、排ガスから回収したＣＯ₂を用いてＣＨ₄を製造する。メタン製造装置１は、第１吸着部１１と、第２吸着部１２と、水素供給源１３と、供給流路１５と、プレ反応部２０と、凝縮器２５と、昇圧器３０と、貯蔵部３５と、主反応部４０と、第１ＣＯ₂濃度計４６と、第２ＣＯ₂濃度計４７と、制御部５０を備える。なお、本実施形態は、ＣＨ₄以外の炭化水素化合物を製造する炭化水素製造装置にも適用可能であり、例えば、エタンやプロパンなどの炭素と水素とから構成される化合物や主に炭素と水素とから構成される化合物を「炭化水素化合物」として製造する「炭化水素製造装置」にも適用可能である。

第１吸着部１１と第２吸着部１２は、排ガスに含まれるＣＯ₂を排ガスから回収する。第１吸着部１１と第２吸着部１２には、それぞれの内部に、ＣＯ₂吸蔵性能を有する材料、例えば、ゼオライト、活性炭、シリカゲルなどの吸着材１１ａ、１２ａが収容されている。第１吸着部１１と第２吸着部１２は、ＣＯ₂を含む排ガスを排出する、例えば、燃焼炉や高炉などの、排気ガス供給源５に接続している。排気ガス供給源５が排出する排ガスは、排ガスから水分を分離する脱水部６を通って、第１吸着部１１と第２吸着部１２に流入する。

第１吸着部１１と第２吸着部１２は、排ガスが交互に流入することで、排ガスからＣＯ₂を回収する。具体的には、第１吸着部１１に排ガスを流入させ吸着材１１ａの吸着によってＣＯ₂を排ガスから分離しているとき、第２吸着部１２に、後述する水素供給源１３が供給するＨ₂を流入させる。第２吸着部１２では、Ｈ₂の流入によって、吸着材１２ａにすでに吸着しているＣＯ₂が吸着材１２ａから脱離する。吸着材１２ａから脱離したＣＯ₂は、Ｈ₂と混合される。また、第２吸着部１２に排ガスを流入させ吸着材１２ａの吸着によってＣＯ₂を排ガスから分離しているとき、第１吸着部１１に、水素供給源１３が供給するＨ₂を流入させる。第１吸着部１１では、Ｈ₂の流入によって吸着材１２ａから脱離したＣＯ₂とＨ₂とが混合される。このように、第１吸着部１１と第２吸着部１２は、交互に吸着と脱離とを繰り返すことで、排ガスからＣＯ₂を回収するとともに、ＣＯ₂とＨ₂を混合させた混合ガスを生成する。

水素供給源１３は、例えば、水電解装置や水素タンクによって構成される。水素供給源１３は、水素流路１３ａを介して、第１吸着部１１と第２吸着部１２に接続している。水素流路１３ａを介して供給されるＨ₂は、第１吸着部１１内および第２吸着部１２内をパージするとともに、ＣＯ₂とプレ反応部２０に供給される混合ガスを構成する。水素供給源１３は、水素流路１３ｂを介して、後述する貯蔵部３５と主反応部４０との間の供給流路１５に接続している。水素流路１３ｂには、水素供給源１３が供給流路１５に供給するＨ₂を昇圧するための昇圧器１３ｃが配置されている。水素流路１３ｂを介して供給されるＨ₂は、主反応部４０に供給される直前の混合ガスに合流し、主反応部４０でのメタネーション反応に利用される。

供給流路１５は、第１吸着部１１および第２吸着部１２と、主反応部４０とを接続する流路であり、第１吸着部１１および第２吸着部１２において混合されたＣＯ₂とＨ₂を含む混合ガスを、主反応部４０に供給する。本実施形態では、供給流路１５上には、プレ反応部２０と、凝縮器２５と、昇圧器３０と、貯蔵部３５とが、この順番で設けられている。

プレ反応部２０は、内部においてメタネーション反応によりＣＨ₄を生成するための略筒形状の容器であり、二重管によって構成されている。プレ反応部２０の内側の管内には、メタン化触媒性能を有する金属を含んでいる触媒２１が配置されている。メタン化触媒性能を有する金属としては、例えば、ＲｕやＮｉを例示することができる。プレ反応部２０の外側の管内には、メタネーション反応によって発生する熱を回収可能な熱媒体が流れる熱媒体流路２２が形成されている。

プレ反応部２０の上流側には、第１吸着部１１および第２吸着部１２が設けられ、下流側には凝縮器２５が設けられている。プレ反応部２０にＣＯ₂とＨ₂を含む混合ガスが供給されると、混合ガスの一部にメタネーション反応が進行し、ＣＨ₄が生成される。生成されたＣＨ₄と「高沸点成分」としてのＨ₂Ｏ、および、未反応のＣＯ₂とＨ₂を含む混合ガスは、供給流路１５を通って、凝縮器２５に供給される。

凝縮器２５は、流体を冷却可能な熱交換器であり、プレ反応部２０で生成されたＣＨ₄とＨ₂Ｏ、および、未反応のＣＯ₂とＨ₂を含む混合ガスを冷却する。凝縮器２５での冷却によって、混合ガスに含まれるＨ₂Ｏが凝縮し、水となって混合ガスから分離される。水が分離された混合ガスは、供給流路１５を通って、昇圧器３０に供給される。

昇圧器３０は、流体を加圧可能なポンプであり、凝縮器２５において水が分離された混合ガスを昇圧する。本実施形態では、昇圧器３０での昇圧の程度は、後述する制御部５０によって設定される。昇圧器３０で昇圧された混合ガスは、供給流路１５を通って、貯蔵部３５に供給される。

貯蔵部３５は、流体を貯蔵するタンクであり、昇圧器３０によって昇圧された混合ガスを貯蔵する。貯蔵部３５に貯蔵された混合ガスは、供給流路１５において、水素供給源１３が供給するＨ₂と合流し、主反応部４０に供給される。

主反応部４０は、プレ反応部２０と同様の形状をなしている容器であり、内側の管内には、触媒４１が配置されている。触媒４１は、触媒２１と同様に、メタン化触媒性能を有する金属を含んでいる。主反応部４０の外側の管内には、メタネーション反応によって発生する熱を回収可能な熱媒体が流れる熱媒体流路４２が形成されている。

主反応部４０には、貯蔵部３５において一時的に貯蔵されたＣＨ₄やプレ反応部２０では未反応だったＣＯ₂とＨ₂を含む混合ガスが供給流路１５から供給される。主反応部４０の内部では、未反応のＣＯ₂とＨ₂を用いたメタネーション反応によって、ＣＨ₄が生成される。主反応部４０で生成されたＣＨ₄とＨ₂Ｏを含む生成ガスは、主反応部４０の下流側に接続する生成ガス流路１６を経由して、メタン製造装置１の外部の装置に供給される。

第１ＣＯ₂濃度計４６は、凝縮器２５と昇圧器３０との間の供給流路１５を流れる混合ガスのＣＯ₂濃度を検出する。第１ＣＯ₂濃度計４６は、検出した混合ガスのＣＯ₂濃度を、制御部５０に出力する。

第２ＣＯ₂濃度計４７は、貯蔵部３５と主反応部４０との間の供給流路１５を流れる混合ガスであって、水素供給源１３が供給するＨ₂が合流する前の混合ガスのＣＯ₂濃度を検出する。第２ＣＯ₂濃度計４７は、検出した混合ガスのＣＯ₂濃度を、制御部５０に出力する。

制御部５０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、排気ガス供給源５から送られる排ガスに対する第１吸着部１１と第２吸着部１２との切り替えなど、メタン製造装置１の全体の制御をおこなう。制御部５０は、圧力制御部５０ａと、流量制御部５０ｂなどを有している。

圧力制御部５０ａは、第１ＣＯ₂濃度計４６と昇圧器３０とに電気的に接続している。圧力制御部５０ａは、第１ＣＯ₂濃度計４６が検出した混合ガスのＣＯ₂濃度を用いて、プレ反応部２０におけるＣＨ₄の反応率を推定する。圧力制御部５０ａは、推定されたＣＨ₄の反応率を用いて昇圧器３０を制御し、貯蔵部３５に供給される混合ガスの圧力を調整する。

流量制御部５０ｂは、第２ＣＯ₂濃度計４７と、供給流路１５に配置されている流量調整器４８と、水素流路１３ｂに配置されている流量調整器１３ｄとに電気的に接続している。流量調整器４８は、貯蔵部３５と主反応部４０との間の供給流路１５を流れる混合ガスであって、水素供給源１３が供給するＨ₂が合流する前の混合ガスの流量を検出する。流量制御部５０ｂは、第２ＣＯ₂濃度計４７が検出した混合ガスのＣＯ₂濃度と、流量調整器４８が検出した混合ガスの流量とを用いて、主反応部４０に供給される混合ガスに必要なＨ₂の量を推定する。流量制御部５０ｂは、流量調整器１３ｄを制御し、推定した量のＨ₂が、貯蔵部３５から主反応部４０に供給される混合ガスに加えられるように、水素供給源１３が供給するＨ₂の流量を調整する。

本実施形態では、ＣＨ₄を製造するとき、上述したように、第１吸着部１１と第２吸着部１２の２つの吸着部を切り替えて、排ガスからＣＯ₂を回収している。この２つの吸着部を用いたＣＯ₂の回収では、第１吸着部１１と第２吸着部１２のいずれか一方の吸着部でＣＯ₂を吸着する吸着工程を実施しているとき、第１吸着部１１と第２吸着部１２のいずれか他方の吸着部では、吸着材に吸着されているＣＯ₂を脱離させる脱離工程を実施している。

図２は、脱璃工程における吸着部出口での混合ガスの流量および濃度の時間変化を示す説明図である。図２には、脱離工程における吸着部出口（図１の点Ｐ１）での流量およびＨ₂／ＣＯ₂濃度の時間変化の一例を示している。なお、図２での脱離工程では、第１吸着部１１と第２吸着部１２とのそれぞれに供給されるＨ₂流量は、一定としている。図２には、排ガスに対する第１吸着部１１と第２吸着部１２との切り替えタイミングを、時刻ｔ０で示す。

図２に示すように、吸着部を切り替えた直後は、吸着材に吸着されているＣＯ₂の排出が容易であるため、流量は増加する一方、Ｈ₂／ＣＯ₂濃度は低下する（図２の時刻ｔ０以降）。その後、吸着材でのＣＯ₂の脱離が進行すると吸着量が減少するため、脱離するＣＯ₂の量も減少するため、Ｈ₂／ＣＯ₂濃度は上昇する（図２の時刻ｔ１以降）。Ｈ₂／ＣＯ₂濃度が上昇したのち、脱離工程中に図示しない減圧ポンプによる吸着部内の減圧やヒータによる吸着材の加熱などによって、ＣＯ₂の排出を促進させると、再びＨ₂／ＣＯ₂濃度は低下する（図２の時刻ｔ２以降）。しかしながら、時間が経過すると、Ｈ₂／ＣＯ₂濃度は、再び上昇するため、吸着部の切り替えを行い、別の吸着部で脱離工程を実施する。

このように、吸着材によって回収したＣＯ₂を用いてＣＨ₄を製造する場合、ＣＯ₂の供給量および流量の変動が比較的大きくなる。そこで、本実施形態では、第１吸着部１１および第２吸着部１２において混合されたＣＯ₂とＨ₂との混合ガスを、貯蔵部３５に一時的に貯蔵することによって、主反応部４０での反応率の変動を抑制する。

さらに、本実施形態では、貯蔵部３５に貯蔵される前のＣＯ₂とＨ₂との混合ガスを用いて、貯蔵部３５の上流側に設けられるプレ反応部２０においてＣＨ₄を生成するとともに、プレ反応部２０でのメタネーション反応によって生成される水分を凝縮器２５によって混合ガスから分離し回収する。これにより、貯蔵部３５に貯蔵される混合ガスの体積を小さくする。

図３は、メタネーション反応による体積の減少率を説明する説明図である。図３（ａ）は、図３（ｂ）に示す反応部１０ａと、反応部１０ａが排出する生成ガスから水分を分離する凝縮器１０ｂとから構成されるメタン製造装置４における物質収支を示している。図３（ｂ）の反応部１０ａは、本実施形態でのプレ反応部２０とみなすことができ、凝縮器１０ｂは、本実施形態で凝縮器２５とみなすことができる。

図３（ａ）は、横軸に示すＨ₂／ＣＯ₂濃度に対する、メタン製造装置４に流入する混合ガスの体積Ｖｉと流出する生成ガスの体積Ｖｏとの比を示している。図３（ａ）には、複数のＣＨ₄の反応率（ＣＯ₂のＣＨ₄への変換率）のそれぞれにおけるＨ₂／ＣＯ₂濃度に対する体積比Ｖｏ／Ｖｉの関係を示している。生成ガスの体積Ｖｏは、図３（ｂ）に示すように、反応部１０ａから排出されたガスから、凝縮器１０ｂによって水分を除去した値を示している。

二酸化炭素と水素とのメタネーション反応の反応式は、以下の式（１）となる。
ＣＯ₂＋４Ｈ₂ → ＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ ・・・（１）
式（１）に示すように、１ｍｏｌのＣＯ₂と４ｍｏｌのＨ₂とが反応すると、１ｍｏｌのＣＨ₄と２ｍｏｌのＨ₂Ｏが生成される。メタン製造装置４では、凝縮器１０ｂによって、２ｍｏｌのＨ₂Ｏが分離されるため、体積Ｖｉに対応するガスは、１ｍｏｌのＣＨ₄となる。したがって、メタン製造装置４では、５ｍｏｌの混合ガスが投入されると、最も少ない値で、１ｍｏｌのガスが排出されることとなる。

図３（ａ）に示すように、メタネーション反応が進行することによって、反応率が１０％程度であっても、体積比Ｖｏ／Ｖｉは、１より小さい値となる。例えば、Ｈ₂／ＣＯ₂濃度が４であって、反応率が１００％である場合、体積比Ｖｏ／Ｖｉは、最小の０．２となる。このように、メタン製造装置では、メタネーション反応によってガスの体積は小さくなる。

図４は、比較例のメタン製造装置における、反応部入口のＨ₂／ＣＯ₂濃度と貯蔵部の体積との関係を説明する説明図である。比較例のメタン製造装置では、ＣＯ₂とＨ₂を含む混合ガスを反応部に供給する供給流路には、混合ガスを一時的に貯蔵する貯蔵部が設けられているものの、本実施形態のプレ反応部のような、貯蔵前の混合ガスでＣＨ₄を生成する装置は設けられていない。図４に示すように、貯蔵部の体積が大きいほど、反応部入口のＨ₂／ＣＯ₂濃度の変動が緩和されることが分かる。なお、貯蔵部内の最大圧力を高くするほど、貯蔵部の体積を小さくすることはできるが、より大きな昇圧動力が必要となるため、システム効率の低下につながる。

図５は、メタン製造装置１において、主反応部４０の入口（図１の点Ｐ２）のＨ₂／ＣＯ₂濃度と貯蔵部３５の体積との関係を説明する説明図である。図５は、プレ反応部２０での反応率が４０％のときのＨ₂／ＣＯ₂濃度の時間変化を示している。図５に示す「貯蔵部体積」の値は、図４で示した比較例のメタン製造装置が備える貯蔵部の体積に対する比率を示している。図５に示すように、貯蔵部の体積を、比較例の貯蔵部の０．６７倍や０．８３倍にしても、主反応部４０の入口でのＨ₂／ＣＯ₂濃度の変動は、比較例の貯蔵部体積が１．０と同程度に緩和されていることがわかる。

図６は、メタン製造装置１において、主反応部４０の入口のＨ₂／ＣＯ₂濃度と貯蔵部３５の体積との関係を説明する説明図である。図６は、プレ反応部２０での反応率が７０％のときのＨ₂／ＣＯ₂濃度の時間変化を示している。図６に示すように、貯蔵部の体積を、比較例の貯蔵部の０．５倍にしても、主反応部４０の入口でのＨ₂／ＣＯ₂濃度の変動は、比較例の貯蔵部体積が１．０と同程度に緩和されていることがわかる。

また、本実施形態のメタン製造装置１では、圧力制御部５０ａは、第１ＣＯ₂濃度計４６が検出した混合ガスのＣＯ₂濃度を用いて、プレ反応部２０におけるＣＨ₄の反応率を推定する。圧力制御部５０ａは、プレ反応部２０におけるＣＨ₄の目標反応率と推定反応率との差分を算出し、この差分をカバーするのに必要な昇圧器３０の制御圧力を、図示しない記憶部に事前に記憶されている制御マップや推定式などから決定する。圧力制御部５０ａは、貯蔵部３５に貯蔵される混合ガスの圧力が、決定した制御圧力となるように、昇圧器３０を制御し、貯蔵部３５に貯蔵される前の混合ガスを適度に圧縮する。

以上説明した、第１実施形態のメタン製造装置１によれば、主反応部４０に供給される混合ガスを貯蔵する貯蔵部３５の上流側に、貯蔵部３５に貯蔵される前の混合ガスを用いてＣＨ₄を生成するプレ反応部２０が設けられている。貯蔵部３５には、プレ反応部２０において生成されたＣＨ₄と、プレ反応部２０において未反応のＣＯ₂とＨ₂を含む混合ガスが貯蔵される。ＣＯ₂とＨ₂の混合ガスからＣＨ₄を生成すると、反応後のＣＨ₄を含む混合ガスの体積は、反応前のＣＨ₄含まない混合ガスの体積より減少する。このことから、プレ反応部２０において貯蔵部３５に貯蔵される前の混合ガスを用いてＣＨ₄を生成すると、貯蔵部３５に貯蔵される混合ガスの体積は、プレ反応部２０を備えていない場合より小さくなる。これにより、貯蔵部３５を小さくすることができる。また、貯蔵部３５に貯蔵される混合ガスの体積が小さくなるため、昇圧に必要な動力を少なくすることができる。したがって、システム効率の低下を抑制しつつ、装置の体格を小さくすることができる。なお、第１実施形態のメタン製造装置１は、ＣＨ₄を製造するとしているが、「炭化水素製造装置」が製造する炭化水素化合物は、ＣＨ₄だけでなく、例えば、エタンやプロパンなどの炭素と水素とから構成される化合物や、主に炭素と水素とを含む化合物を含んでもよい。

従来、炭化水素化合物の生成に用いられる混合ガスを一時的に貯蔵する貯蔵部を設ける場合、貯蔵部に貯蔵されている混合ガスの圧力を、少なくとも反応部内の圧力よりも高くすることで、反応部への混合ガスの供給量を制御することが可能となる。貯蔵部は、貯蔵部内の圧力を高くするほど、貯蔵される混合ガスの体積が小さくなるため、貯蔵部を小さくすることができる。しかしながら、混合ガスを高圧にするための昇圧動力が大きくなるため、システム効率が低下する。一方、貯蔵部の体格を大きくするとシステム効率は高くなるが、メタン製造装置の体格が大きくなる。第１実施形態のメタン製造装置１では、貯蔵部３５に貯蔵される前の混合ガスを用いてメタンを生成することによって混合ガスの体積を小さくする。これにより、主反応部４０で用いられる混合ガスを余分に昇圧することなく、比較的小さい貯蔵部３５に貯蔵することができる。

また、第１実施形態のメタン製造装置１によれば、貯蔵部３５に貯蔵される前の混合ガスに含まれる水分を混合ガスから分離する凝縮器２５を備える。これにより、プレ反応部２０でのＣＨ₄の生成反応によって発生する水分を、貯蔵部３５に貯蔵する前に、混合ガスから分離することができる。したがって、貯蔵部３５に貯蔵される混合ガスの体積を小さくすることができるため、貯蔵部３５をさらに小さくすることができる。

また、第１実施形態のメタン製造装置１によれば、貯蔵部３５に貯蔵される前の混合ガスを昇圧する昇圧器３０を備える。これにより、貯蔵部３５に貯蔵される混合ガスを、貯蔵部３５に貯蔵される前に圧縮することができるため、貯蔵部３５に貯蔵される混合ガスの体積をさらに小さくすることができる。したがって、貯蔵部３５をさらに小さくすることができるため、装置の体格をさらに小さくすることができる。

また、第１実施形態のメタン製造装置１によれば、圧力制御部５０ａは、第１ＣＯ₂濃度計４６が検出した混合ガスのＣＯ₂濃度を用いて、プレ反応部２０におけるＣＨ₄の反応率を推定する。圧力制御部５０ａは、プレ反応部２０におけるＣＨ₄の推定反応率が目標反応率より低い場合、貯蔵部３５に貯蔵される前の混合ガスを、推定反応率と目標反応率との差分に応じて圧縮されるように、昇圧器３０を制御する。これにより、目標反応率に応じて事前に設定されている大きさの貯蔵部３５は、主反応部４０に供給される混合ガスを貯蔵することができる。

また、第１実施形態のメタン製造装置１によれば、圧力制御部５０ａは、プレ反応部２０におけるＣＨ₄の推定反応率を用いて、貯蔵部３５から主反応部４０に供給される混合ガスの圧力を、主反応部４０で想定される変動の範囲内となるように、混合ガスの圧力を修正することができる。

＜第２実施形態＞
図７は、第２実施形態におけるメタン製造装置２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２は、第１実施形態のメタン製造装置１（図１）と比較すると、貯蔵部３５の上流側に配置されている昇圧器６０が、プレ反応部２０の上流側に設けられている点が異なる。

メタン製造装置２は、第１吸着部１１と、第２吸着部１２と、水素供給源１３と、供給流路１５と、昇圧器６０と、プレ反応部２０と、凝縮器２５と、貯蔵部３５と、主反応部４０と、第１ＣＯ₂濃度計４６と、第２ＣＯ₂濃度計４７と、制御部５０を備える。

昇圧器６０は、図７に示すように、供給流路１５上のうち、プレ反応部２０の上流側に設けられている。昇圧器６０は、圧力制御部５０ａに電気的に接続している。昇圧器６０は、プレ反応部２０に供給される混合ガスを、第１ＣＯ₂濃度計４６が検出した混合ガスのＣＯ₂濃度に基づく圧力制御部５０ａの指令に応じて適度に昇圧する。

以上説明した、第２実施形態のメタン製造装置２によれば、供給流路１５上のうちプレ反応部２０の上流側に設けられる昇圧器６０は、プレ反応部２０に供給される混合ガスを昇圧する。これにより、プレ反応部２０でのＣＨ₄の反応率を向上することができる。したがって、貯蔵部３５に貯蔵される混合ガスの体積をさらに小さくすることができるため、貯蔵部の体積をさらに小さくすることができる。

また、第２実施形態のメタン製造装置２によれば、圧力制御部５０ａは、第１ＣＯ₂濃度計４６が検出した混合ガスのＣＯ₂濃度を用いてプレ反応部２０におけるＣＨ₄の反応率を推定する。圧力制御部５０ａは、プレ反応部２０での目標反応率と推定反応率との差分に応じて昇圧器６０を制御する。圧力制御部５０ａは、プレ反応部２０におけるＣＨ₄の推定反応率が目標反応率より低い場合、プレ反応部２０に供給される混合ガスをさらに圧縮するように、昇圧器６０を制御する。これにより、プレ反応部２０における反応率を向上させ、反応率を目標反応率とすることができる。したがって、目標反応率に応じて事前に設定されている大きさの貯蔵部３５は、主反応部４０に供給される混合ガスを貯蔵することができる。

また、第２実施形態のメタン製造装置２によれば、圧力制御部５０ａによる昇圧器６０の制御によってプレ反応部２０でより高圧でのメタネーション反応が可能となるため、プレ反応部２０の体格を小さくすることができる。これにより、装置の体格を小さくすることができる。

＜第３実施形態＞
図８は、第３実施形態におけるメタン製造装置３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３は、第１実施形態のメタン製造装置１（図１）と比較すると、プレ反応部２０の熱媒体流路２２を流れる熱媒体流量を制御する点が異なる。

メタン製造装置３は、第１吸着部１１と、第２吸着部１２と、水素供給源１３と、供給流路１５と、プレ反応部２０と、凝縮器２５と、昇圧器３０と、貯蔵部３５と、主反応部４０と、第１ＣＯ₂濃度計４６と、第２ＣＯ₂濃度計４７と、ガス情報取得部６５と、制御部５０を備える。

ガス情報取得部６５は、プレ反応部２０の上流側での混合ガスのＨ₂／ＣＯ₂濃度および混合ガスの流量を検出する。ガス情報取得部６５が検出した混合ガスに関連する情報は、制御部５０が有する流量制御部５０ｃに出力される。流量制御部５０ｃは、ガス情報取得部６５が検出した混合ガスのＨ₂／ＣＯ₂濃度および混合ガスの流量を用いて、プレ反応部２０の熱媒体流路２２を流れる熱媒体の流量を、熱媒体流量調整器６６を制御することによって調整する。

図９は、プレ反応部２０に供給される混合ガスのＨ₂／ＣＯ₂濃度と熱媒体の流量との関係を示す説明図である。図９では、横軸に、プレ反応部２０に供給される混合ガスのＨ₂／ＣＯ₂濃度を示し、縦軸に、プレ反応部２０に供給される熱媒体の相対流量を示している。縦軸に示す熱媒体の相対流量では、混合ガスのＨ₂／ＣＯ₂濃度が４．０のときの定格負荷での熱媒体の相対流量を１．０としている。図９に示すように、Ｈ₂／ＣＯ₂濃度の増加に伴って熱媒体の流量を増加させることで、ＣＨ₄の反応率を高めることができることが分かる。これは、プレ反応部２０の触媒２１の温度をメタネーション反応に適正な温度とすることができるためである。

以上説明した、第３実施形態のメタン製造装置３によれば、プレ反応部２０に供給される混合ガスのＨ₂／ＣＯ₂濃度および流量を用いて、プレ反応部２０の熱媒体流路２２を流れる熱媒体の流量を調節する。プレ反応部２０でのメタネーション反応は発熱反応であるため、反応平衡上、高温ほど反応率が低下する。そのため、触媒２１を冷却して熱を除去する必要がある一方、過度に冷却するとメタネーション反応が失活する。そこで、本実施形態では、プレ反応部２０に供給される混合ガスのＨ₂／ＣＯ₂濃度および流量に対応した熱媒体の流量制御によってプレ反応部２０の温度をメタネーション反応に最適な温度とし、プレ反応部２０での反応率を高める。このように、プレ反応部２０の温度を熱媒体の流量で調整することでプレ反応部２０での反応率を高め、貯蔵部３５に貯蔵される混合ガスの体積をさらに小さくすることができる。したがって、装置の体格をさらに小さくすることができる。

＜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。

［変形例１］
上述の実施形態では、「炭化水素製造装置」としてのメタン製造装置は、「炭化水素化合物」としてのＣＨ₄を製造するとした。しかしながら、炭化水素製造装置が製造する炭化水素化合物は、ＣＨ₄だけでなく、例えば、エタンやプロパンなどの炭素と水素とから構成される化合物や、主に炭素と水素とから構成される化合物を含んでもよい。

［変形例２］
上述の実施形態では、メタン製造装置は、混合ガスに含まれる水分を混合ガスから分離する凝縮器や、混合ガスを昇圧する昇圧器を備えるとした。しかしながら、凝縮器や昇圧器を備えていなくてもよい。

［変形例３］
上述の実施形態では、２つの吸着部を用いて排ガスから回収したＣＯ₂と、Ｈ₂とからＣＨ₄を製造するとした。しかしながら、ＣＯ₂を供給する方法は、これに限定されない。また、吸着部を用いて排ガスからＣＯ₂を回収する方法も、上述の実施形態には限定されない。

［変形例４］
第１実施形態および第２実施形態では、混合ガスのＣＯ₂濃度の情報を取得し、ＣＯ₂濃度から推定されたプレ反応部２０の反応率を用いて、昇圧器を制御した。しかしながら、昇圧器を制御するための情報は、これに限定されない。混合ガスのＨ₂濃度やＣＨ₄濃度であってもよい。

［変形例５］
第１実施形態のメタン製造装置１に、第２実施形態でのプレ反応部２０の上流側に設けられる昇圧器６０を設けてもよい。この場合、昇圧器６０は、プレ反応部２０での反応率の向上を促進することに用いられる一方、昇圧器３０は、貯蔵部３５に貯蔵される混合ガスの体積を小さくすることに用いられる。

［変形例６］
第３実施形態のガス情報取得部６５が取得する情報に基づいてプレ反応部２０の反応率を向上させる方法は、第２実施形態に適用されてもよい。

［変形例７］
第３実施形態では、ガス情報取得部６５は、プレ反応部２０の上流側での混合ガスのＨ₂／ＣＯ₂濃度および混合ガスの流量を検出するとした。しかしながら、ガス情報取得部６５が取得する情報はこれに限定されない。混合ガスのＨ₂／ＣＯ₂濃度または混合ガスの流量だけでもよく、プレ反応部２０におけるＣＨ₄の反応率を推定可能な情報であればよい。

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。

１、２、３、４…メタン製造装置
５…排気ガス供給源
６…脱水部
１０ａ…反応部
１０ｂ、２５…凝縮器
１１…第１吸着部
１１ａ、１２ａ…吸着材
１２…第２吸着部
１３…水素供給源
１３ａ、１３ｂ…水素流路
１３ｃ、３０、６０…昇圧器
１３ｄ…流量調整器
１５…供給流路
１６…生成ガス流路
２０…プレ反応部
２１、４１…触媒
２２、４２…熱媒体流路
３５…貯蔵部
４０…主反応部
４６…第１ＣＯ₂濃度計
４７…第２ＣＯ₂濃度計
４８…流量調整器
５０…制御部
５０ａ…圧力制御部
５０ｂ、５０ｃ…流量制御部
６５…ガス情報取得部
６６…熱媒体流量調整器

Claims (8)

1. 炭化水素製造装置であって、
   二酸化炭素と水素を用いて、炭化水素化合物を生成する主反応部と、
   前記主反応部に供給される二酸化炭素と水素を含む混合ガスが流通する供給流路と、
   前記供給流路上に設けられ、前記主反応部に供給される前の前記混合ガスを貯蔵する貯蔵部と、
   前記供給流路のうち、前記貯蔵部の上流側に設けられ、前記貯蔵部に貯蔵される前の前記混合ガスを用いて、炭化水素化合物を生成するプレ反応部と、を備え、
   前記貯蔵部には、前記プレ反応部で生成された炭化水素化合物を含む前記混合ガスが貯蔵される、
   炭化水素製造装置。
2. 請求項１に記載の炭化水素製造装置は、さらに、
   前記供給流路のうち、前記プレ反応部と前記貯蔵部との間に設けられ、前記プレ反応部から取り出され前記貯蔵部に貯蔵される前の前記混合ガスに含まれる高沸点成分を前記混合ガスから分離する分離部を備える、
   炭化水素製造装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の炭化水素製造装置は、さらに、
   前記供給流路のうち、前記プレ反応部と前記貯蔵部との間に設けられ、前記貯蔵部に貯蔵される前の前記混合ガスを昇圧する下流側昇圧部を備える、
   炭化水素製造装置。
4. 請求項３に記載の炭化水素製造装置は、さらに、
   前記プレ反応部と前記貯蔵部との間に設けられ、前記混合ガスの濃度に関連する情報を取得する第１濃度情報取得部と、
   前記第１濃度情報取得部が取得した前記情報を用いて前記下流側昇圧部を制御することによって、前記貯蔵部に貯蔵される前記混合ガスの圧力を調整する下流側圧力制御部と、を備える、
   炭化水素製造装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の炭化水素製造装置は、さらに、
   前記供給流路上のうち前記プレ反応部の上流側に設けられ、前記プレ反応部に供給される前記混合ガスを昇圧する上流側昇圧部を備える、
   炭化水素製造装置。
6. 請求項５に記載の炭化水素製造装置は、さらに、
   前記プレ反応部と前記貯蔵部との間に設けられ、前記混合ガスの濃度に関連する情報を取得する第２濃度情報取得部と、
   前記第２濃度情報取得部が取得した前記情報を用いて前記上流側昇圧部を制御することによって、前記プレ反応部に供給される前記混合ガスの圧力を調整する上流側圧力制御部と、を備える、
   炭化水素製造装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の炭化水素製造装置であって、
   前記プレ反応部には、前記プレ反応部での炭化水素化合物の生成反応熱を回収する熱媒体が流れる熱媒体流路が形成されており、
   前記炭化水素製造装置は、さらに、
   前記プレ反応部に供給される前記混合ガスの濃度または流量に関連する情報を取得するガス情報取得部と、
   前記熱媒体流路を流れる熱媒体の流量を調整する流量調整部と、
   前記ガス情報取得部が取得した前記情報を用いて前記流量調整部を制御する流量制御部と、を備える、
   炭化水素製造装置。
8. 炭化水素製造方法であって、
   二酸化炭素と水素を含む混合ガスを用いて、炭化水素化合物を生成するプレ反応工程と、
   前記プレ反応工程で生成された炭化水素化合物を含む前記混合ガスを貯蔵する貯蔵工程と、
   前記貯蔵工程で貯蔵された前記混合ガスを用いて、炭化水素化合物を生成する反応工程と、を備える、
   炭化水素製造方法。

Images