JP2017178810A - Methanol synthesis system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、メタノール合成システムに関する。 The present invention relates to a methanol synthesis system.
メタノールは、これまで繊維、医薬品などの化学原料として用いられており、また、メタノール燃料電池、バイオディーゼルなどに利用する開発も行われており、今後も高い需要が見込まれている。 Methanol has been used as a chemical raw material for fibers, pharmaceuticals, etc., and has been developed for use in methanol fuel cells, biodiesel, etc., and high demand is expected in the future.
現在工業的に行われているメタノール製造方法としては、天然ガス、液化石油ガスなど主成分として炭化水素を含むものを原料とした水蒸気改質法により水素を製造し、その水素を用いてメタノールを合成する方法が主流である。この方法では、以下のような製造プロセスを経てメタノールが合成される。 Currently, methanol is produced industrially by using a steam reforming method that uses natural gas, liquefied petroleum gas, etc., containing hydrocarbons as the main component, as raw materials, and using that hydrogen to produce methanol. The method of synthesis is the mainstream. In this method, methanol is synthesized through the following manufacturing process.
まず、原料となる天然ガス及び液化石油ガス中には、主成分である炭化水素以外に窒素、二酸化炭素、塩素分、硫黄分などが含まれているため、例えば、脱硫器に供給して硫黄分を除去する、あるいは、その他分離手段を用いて他の不純物を除去して原料を精製する必要がある。 First, since natural gas and liquefied petroleum gas, which are raw materials, contain nitrogen, carbon dioxide, chlorine content, sulfur content, etc. in addition to the main component hydrocarbons, for example, they are supplied to a desulfurizer and sulfur is added. It is necessary to purify the raw material by removing the impurities or by removing other impurities using other separation means.
不純物を除去した炭化水素にスチーム（水蒸気）を加え、高温かつ触媒存在下で以下のように反応させて水素、一酸化炭素及び二酸化炭素を取り出す。この過程は、吸熱反応となるため、外部から熱を供給する必要がある（例えば、非特許文献１参照）。例えば、炭化水素の水蒸気改質は、７００℃〜８００℃程度の高温条件下で行う。
ＣｎＨ２ｎ＋２＋ｎＨ２Ｏ⇔ｎＣＯ＋（２ｎ＋１）Ｈ２
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ⇔ＣＯ２＋Ｈ２
ＣＯ＋３Ｈ２⇔ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ
Steam (water vapor) is added to the hydrocarbon from which impurities have been removed, and the reaction is performed in the presence of a catalyst at a high temperature as follows to extract hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide. Since this process is an endothermic reaction, it is necessary to supply heat from the outside (see, for example, Non-Patent Document 1). For example, the steam reforming of hydrocarbon is performed under a high temperature condition of about 700 ° C to 800 ° C.
C n H 2n + 2 + nH 2 O⇔nCO + (2n + 1) H 2
CO + H 2 O⇔CO 2 + H 2
CO + 3H 2 ⇔CH 4 + H 2 O
合成ガスである水素、一酸化炭素及び二酸化炭素は圧縮され、触媒存在下で以下のように反応させてメタノールを合成させる。またメタノールから水、高級アルコールなどの不純物を蒸留して除去し、一定濃度以上の高純度のメタノールを得る。
ＣＯ＋２Ｈ２⇔ＣＨ３ＯＨ
The synthesis gas hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide are compressed and reacted in the presence of a catalyst as follows to synthesize methanol. Further, impurities such as water and higher alcohol are distilled away from methanol to obtain high-purity methanol having a certain concentration or more.
CO + 2H 2 ⇔CH 3 OH
以上のような水蒸気改質を経由し、天然ガス、液化石油ガスなどの化石燃料からメタノールを製造する方法は、広く普及しているが、製造工程にて二酸化炭素が排出されるという問題がある。 Although a method for producing methanol from fossil fuels such as natural gas and liquefied petroleum gas via steam reforming as described above is widely used, there is a problem that carbon dioxide is discharged in the production process. .
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、二酸化炭素の排出が抑制されたメタノール合成システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a methanol synthesis system in which the discharge of carbon dioxide is suppressed.
上記課題は、例えば以下の手段により解決される。
＜１＞ 再生可能エネルギーを利用して発電する発電装置と、前記発電装置での発電により生じた電力、及び再生可能エネルギーに由来する熱エネルギーが供給され、高温で水蒸気を電気分解して水素を生成する水蒸気電解装置と、前記発電装置での発電により生じた電力及び再生可能エネルギーに由来する熱エネルギーが供給され、高温で二酸化炭素を電気分解して一酸化炭素を生成する二酸化炭素電解装置と、前記水蒸気電解装置にて生成された水素及び前記二酸化炭素電解装置にて生成された一酸化炭素が供給され、メタノール合成を行うメタノール合成装置と、を備えるメタノール合成システム。
The above problem is solved by, for example, the following means.
<1> A power generation device that generates power using renewable energy, electric power generated by the power generation by the power generation device, and thermal energy derived from renewable energy are supplied, and water is electrolyzed at high temperature to generate hydrogen. A steam electrolyzer to be generated, and a carbon dioxide electrolyzer that is supplied with electric power generated by power generation in the power generator and thermal energy derived from renewable energy, and electrolyzes carbon dioxide at a high temperature to generate carbon monoxide. A methanol synthesis system comprising: a methanol synthesizer that is supplied with hydrogen produced by the steam electrolyzer and carbon monoxide produced by the carbon dioxide electrolyzer and synthesizes methanol.
本形態に係るメタノール合成システムは、メタノール合成の原料として電解装置にて生成した水素及び一酸化炭素を使用しており、化石燃料を使用していないため、化石燃料の脱硫・精製工程が不要となる。さらに、化石燃料を原料として使用せず、かつ外部からの供給エネルギーとして再生可能エネルギーに由来の電力及び熱エネルギーを利用するため、二酸化炭素の排出を抑制することが可能である。 The methanol synthesis system according to the present embodiment uses hydrogen and carbon monoxide generated in an electrolysis apparatus as raw materials for methanol synthesis, and does not use fossil fuel, so that a desulfurization / refining process for fossil fuel is unnecessary. Become. Furthermore, since fossil fuel is not used as a raw material and electric power and thermal energy derived from renewable energy are used as externally supplied energy, it is possible to suppress the emission of carbon dioxide.
＜２＞ 前記再生可能エネルギーは、地熱である＜１＞に記載のメタノール合成システム。 <2> The methanol synthesis system according to <1>, wherein the renewable energy is geothermal heat.
地熱では、熱源からの熱エネルギーを有効利用できておらず、また、熱源が山中に位置しており、遠方に送電する必要があり、また、送電設備のコストがかかるという問題がある。本形態に係るメタノール合成システムでは、地熱により発電した電力を遠方に送電せずにシステム内で消費し、かつ、熱源の熱エネルギーを高温での電気分解による水素及び一酸化炭素の生成に利用している。よって、本形態に係るメタノール合成システムでは、地熱により生じる電力、及び熱源からの熱エネルギーを有効利用することができる。 In geothermal, there is a problem that heat energy from the heat source cannot be effectively used, the heat source is located in the mountains, and it is necessary to transmit power far away, and the cost of power transmission equipment is high. In the methanol synthesis system according to this embodiment, the electric power generated by geothermal heat is consumed in the system without being transmitted far away, and the heat energy of the heat source is used for the production of hydrogen and carbon monoxide by electrolysis at high temperature. ing. Therefore, in the methanol synthesis system according to this embodiment, it is possible to effectively use the electric power generated by geothermal heat and the thermal energy from the heat source.
＜３＞ 二酸化炭素を含有するガスから二酸化炭素を分離する分離手段をさらに備え、
前記分離手段にて分離された二酸化炭素が前記二酸化炭素電解装置に供給される＜１＞又は＜２＞に記載のメタノール合成システム。
<3> further comprising a separation means for separating carbon dioxide from the gas containing carbon dioxide,
The methanol synthesis system according to <1> or <2>, wherein carbon dioxide separated by the separation unit is supplied to the carbon dioxide electrolysis device.
本形態に係るメタノール合成システムでは、二酸化炭素を含有するガスから二酸化炭素を分離し、分離された二酸化炭素を用いた電気分解によりメタノールの原料となる一酸化炭素を生成する。したがって、例えば、工場等の二酸化炭素排出源から本来排出されていた排ガス中の二酸化炭素を再利用することができる。 In the methanol synthesis system according to this embodiment, carbon dioxide is separated from a gas containing carbon dioxide, and carbon monoxide that is a raw material of methanol is generated by electrolysis using the separated carbon dioxide. Therefore, for example, carbon dioxide in the exhaust gas originally discharged from a carbon dioxide emission source such as a factory can be reused.
本発明によれば、二酸化炭素の排出が抑制されたメタノール合成システムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a methanol synthesis system in which the discharge of carbon dioxide is suppressed.
以下、図１を参照して、本発明のメタノール合成システムの実施形態について具体的に説明する。但し、本発明は、以下に示す実施形態に制限されるものではない。 Hereinafter, an embodiment of the methanol synthesis system of the present invention will be specifically described with reference to FIG. However, the present invention is not limited to the embodiments shown below.
本発明の一実施形態に係るメタノール合成システム１０は、再生可能エネルギーを利用して発電する発電装置１と、高温で水蒸気を電気分解して水素を生成する水蒸気電解装置２と、高温で二酸化炭素を電気分解して一酸化炭素を生成する二酸化炭素電解装置５と、生成された水素及び生成された一酸化炭素が供給され、メタノール合成を行うメタノール合成装置６と、を備える。さらに、発電装置１の発電にて生じた電力、及び再生可能エネルギーに由来する熱エネルギーが水蒸気電解装置２及び二酸化炭素電解装置５にそれぞれ供給され、供給された電力及び熱エネルギーを使用して水蒸気及び二酸化炭素の電気分解が行われる。 A methanol synthesis system 10 according to an embodiment of the present invention includes a power generation device 1 that generates power using renewable energy, a steam electrolysis device 2 that electrolyzes steam at high temperature to generate hydrogen, and carbon dioxide at high temperature. The carbon dioxide electrolysis apparatus 5 which electrolyzes and produces | generates carbon monoxide, The produced | generated hydrogen and the produced | generated carbon monoxide are supplied, and the methanol synthesis apparatus 6 which synthesize | combines methanol is provided. Furthermore, the electric power generated by the power generation of the power generation apparatus 1 and the thermal energy derived from renewable energy are respectively supplied to the steam electrolysis apparatus 2 and the carbon dioxide electrolysis apparatus 5, and steam is supplied using the supplied power and thermal energy. And carbon dioxide electrolysis.
本実施形態に係るメタノール合成システム１０は、メタノール合成の原料として水蒸気電解装置２にて生成した水素及び二酸化炭素電解装置５にて生成した一酸化炭素を使用しており、化石燃料を使用していないため、化石燃料の脱硫・精製工程が不要となる。さらに、化石燃料を原料として使用せず、かつ外部からの供給エネルギーとして再生可能エネルギーに由来の電力及び熱エネルギーを利用するため、二酸化炭素の排出を抑制することが可能である。 The methanol synthesis system 10 according to the present embodiment uses hydrogen produced by the steam electrolysis apparatus 2 and carbon monoxide produced by the carbon dioxide electrolysis apparatus 5 as raw materials for methanol synthesis, and uses fossil fuel. This eliminates the need for desulfurization / refining processes for fossil fuels. Furthermore, since fossil fuel is not used as a raw material and electric power and thermal energy derived from renewable energy are used as externally supplied energy, it is possible to suppress the emission of carbon dioxide.
さらに、化石燃料の水蒸気改質を経由してメタノールを合成する方法では、化石燃料に含まれる窒素、二酸化炭素、塩素分、硫黄分などの不純物を除去する脱硫・精製工程が必要となる。この脱硫・精製工程は、メタノールの製造コストが上昇する要因となる。一方、本実施形態に係るメタノール合成システムでは、前述のように化石燃料を原料として使用しないため、化石燃料の脱硫・精製工程が不要であり、メタノールの製造コストを低減可能である。 Furthermore, the method of synthesizing methanol via steam reforming of fossil fuel requires a desulfurization / purification process for removing impurities such as nitrogen, carbon dioxide, chlorine and sulfur contained in the fossil fuel. This desulfurization / purification process is a factor that increases the production cost of methanol. On the other hand, in the methanol synthesis system according to the present embodiment, since fossil fuel is not used as a raw material as described above, a desulfurization / refining process of fossil fuel is unnecessary, and the manufacturing cost of methanol can be reduced.
また、本実施形態に係るメタノール合成システム１０では、水蒸気電解装置２及び二酸化炭素電解装置５は、それぞれ高温で水蒸気及び二酸化炭素を電気分解する高温型電解装置である。熱エネルギーを水蒸気及び二酸化炭素の電気分解に利用することで電解電圧を下げて電解電力の低減を図りつつ、通常の電気分解よりも高効率で水素及び一酸化炭素を生成することができる。 In the methanol synthesis system 10 according to the present embodiment, the steam electrolysis apparatus 2 and the carbon dioxide electrolysis apparatus 5 are high-temperature electrolysis apparatuses that electrolyze water vapor and carbon dioxide at high temperatures, respectively. By using thermal energy for electrolysis of water vapor and carbon dioxide, it is possible to generate hydrogen and carbon monoxide with higher efficiency than ordinary electrolysis while reducing electrolysis voltage and reducing electrolysis power.
水蒸気電解装置２及び二酸化炭素電解装置５は、高温型電解装置であり、発電装置１の再生可能エネルギーに由来する熱エネルギーが、電力とともに供給される。これにより、熱エネルギーを高温での電気分解に利用することができ、高温での電気分解に必要な熱エネルギーを低減することができる。 The steam electrolysis device 2 and the carbon dioxide electrolysis device 5 are high-temperature electrolysis devices, and thermal energy derived from the renewable energy of the power generation device 1 is supplied together with electric power. Thereby, thermal energy can be utilized for electrolysis at high temperature, and thermal energy required for electrolysis at high temperature can be reduced.
（発電装置）
本実施形態に係るメタノール合成システム１０は、再生可能エネルギーを利用して発電する発電装置１を備えている。発電装置１の発電により生じた電力、及び再生可能エネルギーに由来する熱エネルギーは、水蒸気電解装置２及び二酸化炭素電解装置５に供給される。なお、再生可能エネルギーに由来する熱エネルギーとは、再生可能エネルギーを用いた発電により生じる熱エネルギー又は発電に利用可能な再生可能エネルギーを指す。
(Power generation device)
A methanol synthesis system 10 according to this embodiment includes a power generation device 1 that generates power using renewable energy. Electric power generated by the power generation of the power generation device 1 and thermal energy derived from renewable energy are supplied to the steam electrolysis device 2 and the carbon dioxide electrolysis device 5. Note that the thermal energy derived from renewable energy refers to thermal energy generated by power generation using renewable energy or renewable energy that can be used for power generation.
再生可能エネルギーとしては、発電により電力を供給でき、かつ熱エネルギーを電解装置に供給できるものであればよく、例えば、太陽光、太陽熱、地熱、バイオマスなどが挙げられ、中でも、地熱が好ましい。また、発電装置１としては、太陽光発電装置、太陽熱発電装置、地熱発電装置又はバイオマス発電装置が挙げられ、中でも地熱発電装置が好ましい。 Any renewable energy may be used as long as it can supply electric power by power generation and can supply thermal energy to the electrolyzer. Examples thereof include sunlight, solar heat, geothermal heat, biomass, and the like, and among them, geothermal heat is preferable. Moreover, as the electric power generating apparatus 1, a solar power generation device, a solar thermal power generation apparatus, a geothermal power generation apparatus, or a biomass power generation apparatus is mentioned, Among these, a geothermal power generation apparatus is preferable.
また、発電により電力を供給できる再生可能エネルギーとして、上記以外の風力、水力、潮力、波力、海流などを利用してもよい。 In addition, wind power, hydropower, tidal power, wave power, ocean current, and the like other than the above may be used as renewable energy that can supply power by power generation.
再生可能エネルギーである地熱は、発電に寄与しない熱源が多く存在するが、熱源からの熱エネルギーを有効利用できていない。また、熱源が山中に位置しており、発電規模が小さいと送電設備のコストが割高となり、事業性がよくないという問題がある。 Geothermal heat, which is renewable energy, has many heat sources that do not contribute to power generation, but heat energy from heat sources cannot be effectively used. In addition, if the heat source is located in the mountains and the scale of power generation is small, the cost of power transmission equipment becomes high, and there is a problem that the business performance is not good.
本実施形態に係るメタノール合成システム１０は、有効利用できていない熱エネルギーが水蒸気電解装置２及び二酸化炭素電解装置５に供給されて高温での電気分解に利用される。また、発電した電力を遠方に送電する必要なく、システム内で使用され、使用された電力は、水素を経由してメタノール合成により化学エネルギー化する。そのため、メタノール合成システム１０にて再生可能エネルギーとして地熱を用いた場合、地熱により生じる電力及び地熱に由来する熱エネルギーを有効利用することができる。 In the methanol synthesis system 10 according to the present embodiment, heat energy that cannot be effectively used is supplied to the steam electrolysis apparatus 2 and the carbon dioxide electrolysis apparatus 5 and used for electrolysis at a high temperature. In addition, the generated electric power is used in the system without being transmitted to a distant place, and the used electric power is converted into chemical energy by methanol synthesis via hydrogen. Therefore, when geothermal is used as renewable energy in the methanol synthesis system 10, it is possible to effectively use electric power generated by geothermal and thermal energy derived from geothermal.
（水蒸気電解装置及び二酸化炭素電解装置）
本実施形態に係るメタノール合成システム１０は、発電装置１での発電により生じた電力、及び再生可能エネルギーに由来する熱エネルギーが供給され、水蒸気を電気分解して水素を生成する水蒸気電解装置２ならびに発電装置１での発電により生じた電力、及び再生可能エネルギーに由来する熱エネルギーが供給され、二酸化炭素を電気分解して一酸化炭素を生成する二酸化炭素電解装置５を備えている。
(Steam electrolyzer and carbon dioxide electrolyzer)
The methanol synthesis system 10 according to the present embodiment is supplied with electric power generated by power generation in the power generation apparatus 1 and thermal energy derived from renewable energy, and electrolyzes steam to generate hydrogen to generate hydrogen, The apparatus includes a carbon dioxide electrolysis device 5 that is supplied with electric power generated by power generation in the power generation apparatus 1 and thermal energy derived from renewable energy, and generates carbon monoxide by electrolyzing carbon dioxide.
水蒸気電解装置２は、固体酸化物電解質を中間層として両側にそれぞれ配置された陰極と陽極とを含む固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）を備える電解装置である。水蒸気電解装置２では、陰極側に水蒸気が供給されて以下に示す反応（１）により水素及び酸素イオンが生成され、生成された酸素イオンが固体酸化物電解質を透過し、陽極側では以下に示す反応（２）により酸素が生成される。
陰極：Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→Ｈ２＋Ｏ２− ・・・（１）
陽極：Ｏ２−→１／２Ｏ２＋２ｅ− ・・・（２）
The water vapor electrolysis apparatus 2 is an electrolysis apparatus including a solid oxide electrolysis cell (SOEC) including a cathode and an anode, which are disposed on both sides with a solid oxide electrolyte as an intermediate layer. In the water vapor electrolysis apparatus 2, water vapor is supplied to the cathode side, hydrogen and oxygen ions are generated by the reaction (1) shown below, and the generated oxygen ions permeate the solid oxide electrolyte. Oxygen is produced by reaction (2).
Cathode: H 2 O + 2e − → H 2 + O 2− (1)
Anode: O 2− → 1 / 2O 2 + 2e − (2)
二酸化炭素電解装置５は、固体酸化物電解質を中間層として両側にそれぞれ配置された陰極と陽極とを含む固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）を備える電解装置である。二酸化炭素電解装置５では、陰極側に二酸化炭素が供給されて以下に示す反応（３）により一酸化炭素及び酸素イオンが生成され、生成された酸素イオンが固体酸化物電解質を透過し、陽極側では酸素が生成される。
陰極：２ＣＯ２＋２ｅ−→２ＣＯ＋Ｏ２− ・・・（３）
陽極：Ｏ２−→１／２Ｏ２＋２ｅ− ・・・（４）
The carbon dioxide electrolysis device 5 is an electrolysis device including a solid oxide electrolytic cell (SOEC) including a cathode and an anode, which are respectively disposed on both sides with a solid oxide electrolyte as an intermediate layer. In the carbon dioxide electrolysis device 5, carbon dioxide is supplied to the cathode side, carbon monoxide and oxygen ions are generated by the following reaction (3), and the generated oxygen ions permeate the solid oxide electrolyte, and the anode side Then oxygen is produced.
Cathode: 2CO 2 + 2e − → 2CO + O 2− (3)
Anode: O 2− → 1 / 2O 2 + 2e − (4)
水蒸気電解装置２及び二酸化炭素電解装置５は、高温型電解装置であり、発電装置１の再生可能エネルギーに由来する熱エネルギーが、電力とともに供給される。通常、高温型電解装置にて水蒸気の電気分解を行う場合、８００℃〜９００℃程度の高温が必要となる。本実施形態に係るメタノール合成システム１０では、再生可能エネルギー由来の熱エネルギーを高温での電気分解に利用して必要な熱の一部を賄うことができ、高温での電気分解に必要な熱エネルギーを低減することができる。 The steam electrolysis device 2 and the carbon dioxide electrolysis device 5 are high-temperature electrolysis devices, and thermal energy derived from the renewable energy of the power generation device 1 is supplied together with electric power. Usually, when water vapor electrolysis is performed in a high-temperature electrolyzer, a high temperature of about 800 ° C. to 900 ° C. is required. In the methanol synthesis system 10 according to the present embodiment, heat energy derived from renewable energy can be used for electrolysis at high temperatures to cover part of the necessary heat, and heat energy necessary for electrolysis at high temperatures. Can be reduced.
水蒸気電解装置２に供給されて電気分解される水蒸気としては、発電装置１での発電にて生じた水蒸気、例えば、地熱発電にて生じた高温の水蒸気であってもよい。 The steam supplied to the steam electrolysis apparatus 2 and electrolyzed may be steam generated by power generation in the power generation apparatus 1, for example, high-temperature steam generated by geothermal power generation.
二酸化炭素電解装置５に供給されて電気分解される二酸化炭素は、本実施形態では、工場３から排出された排ガス中に含まれ、分離手段（第１分離手段）の一種である分離膜４によって分離された二酸化炭素である。 In the present embodiment, the carbon dioxide supplied to the carbon dioxide electrolysis device 5 and electrolyzed is contained in the exhaust gas discharged from the factory 3, and is separated by a separation membrane 4 which is a kind of separation means (first separation means). Separated carbon dioxide.
水蒸気電解装置２及び二酸化炭素電解装置５としては、従来公知の高温水蒸気電解装置を用いることができる。水蒸気電解装置及び二酸化炭素電解装置は、別々の電解装置であってもよく、水蒸気及び二酸化炭素の電気分解を行う一つの電解装置であってもよい。 As the steam electrolyzer 2 and the carbon dioxide electrolyzer 5, a conventionally known high-temperature steam electrolyzer can be used. The steam electrolyzer and the carbon dioxide electrolyzer may be separate electrolyzers or one electrolyzer that performs electrolysis of water vapor and carbon dioxide.
本実施形態に係るメタノール合成システム１０では、工場３から排出された排ガスに含まれる二酸化炭素を分離膜４によって分離し、分離された二酸化炭素を二酸化炭素電解装置５に供給している。 In the methanol synthesis system 10 according to the present embodiment, carbon dioxide contained in the exhaust gas discharged from the factory 3 is separated by the separation membrane 4, and the separated carbon dioxide is supplied to the carbon dioxide electrolysis device 5.
工場３は、排ガスとして二酸化炭素を含むガスを排出する施設であればよく、各種工場以外にも、例えば、排気物処理施設、火力発電所などの発電所、熱利用施設、都市インフラ設備であってもよい。 The factory 3 may be any facility that emits carbon dioxide-containing gas as exhaust gas. In addition to various types of factories, the factory 3 includes, for example, an exhaust treatment facility, a power plant such as a thermal power plant, a heat utilization facility, and an urban infrastructure facility. May be.
分離膜４は、分離手段の一種であり、工場から排出された排ガス中に含まれる二酸化炭素を分離するための膜である。分離膜４としては、二酸化炭素を分離可能な膜であれば特に限定されず、例えば、有機高分子膜、無機材料膜、有機高分子−無機材料複合膜、液体膜が挙げられる。また、分離膜４としては、従来公知の分離膜を用いてもよい。 The separation membrane 4 is a kind of separation means and is a membrane for separating carbon dioxide contained in the exhaust gas discharged from the factory. The separation membrane 4 is not particularly limited as long as it is a membrane capable of separating carbon dioxide, and examples thereof include an organic polymer membrane, an inorganic material membrane, an organic polymer-inorganic material composite membrane, and a liquid membrane. As the separation membrane 4, a conventionally known separation membrane may be used.
排ガス中の二酸化炭素を分離する分離手段としては、分離膜に限定されず、例えば、二酸化炭素を吸収する吸収液、二酸化炭素を吸着する吸着材、圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）を利用して加圧、減圧を繰り返す際のガス成分の着脱によりガス分離を行うＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）装置などを分離手段として用いてもよい。 Separation means for separating carbon dioxide in exhaust gas is not limited to a separation membrane. For example, an absorption liquid that absorbs carbon dioxide, an adsorbent that adsorbs carbon dioxide, or a pressure fluctuation adsorption method (PSA method) is used. A PSA (Pressure Swing Adsorption) apparatus that performs gas separation by attaching and detaching gas components when repeating pressurization and decompression may be used as the separation means.
分離膜４にて排ガス中から分離された二酸化炭素は、二酸化炭素電解装置５に供給され、二酸化炭素電解装置５にて一酸化炭素が生成される。 The carbon dioxide separated from the exhaust gas by the separation membrane 4 is supplied to the carbon dioxide electrolysis device 5, and carbon monoxide is generated by the carbon dioxide electrolysis device 5.
分離膜４により排ガス中の二酸化炭素を分離することで、本来排出されていた二酸化炭素をメタノール合成に再利用することができ、二酸化炭素排出量の低減に寄与する。 By separating the carbon dioxide in the exhaust gas by the separation membrane 4, the carbon dioxide originally discharged can be reused for methanol synthesis, which contributes to the reduction of carbon dioxide emission.
なお、本発明において、工場などの二酸化炭素排出源及び二酸化炭素を分離する分離手段は必須の構成ではなく、システム外から二酸化炭素を調達し、二酸化炭素電解装置５に供給してもよい。また、工場などの二酸化炭素排出源から排出される熱エネルギーを水蒸気電解装置２又は二酸化炭素電解装置５に供給してもよい。 In the present invention, a carbon dioxide emission source such as a factory and a separation means for separating carbon dioxide are not essential, and carbon dioxide may be procured from outside the system and supplied to the carbon dioxide electrolysis apparatus 5. Further, thermal energy discharged from a carbon dioxide emission source such as a factory may be supplied to the steam electrolysis apparatus 2 or the carbon dioxide electrolysis apparatus 5.
本実施形態に係るメタノール合成システム１０では、水蒸気電解装置２にて生成された水素及び二酸化炭素電解装置５にて生成された一酸化炭素がメタノール合成装置６に供給される。メタノール合成装置６は、供給された水素及び一酸化炭素を用いてメタノールを合成する装置である。 In the methanol synthesis system 10 according to the present embodiment, hydrogen produced by the steam electrolysis apparatus 2 and carbon monoxide produced by the carbon dioxide electrolysis apparatus 5 are supplied to the methanol synthesis apparatus 6. The methanol synthesizer 6 is an apparatus that synthesizes methanol using supplied hydrogen and carbon monoxide.
メタノール合成装置６では、水素及び一酸化炭素が供給され、触媒存在下で以下に示す反応（５）によりメタノールが合成される。
ＣＯ＋２Ｈ２⇔ＣＨ３ＯＨ・・・（５）
In the methanol synthesizer 6, hydrogen and carbon monoxide are supplied, and methanol is synthesized by the following reaction (5) in the presence of a catalyst.
CO + 2H 2 ⇔CH 3 OH (5)
水素及び一酸化炭素を用いてメタノールを合成するときの条件は、一般的なメタノール合成と同様であり、例えば、銅−亜鉛−アルミニウム系触媒を用い、５０気圧〜１００気圧、２４０℃〜２６０℃で水素及び一酸化炭素を反応させてメタノールを合成してもよい。 The conditions for synthesizing methanol using hydrogen and carbon monoxide are the same as those for general methanol synthesis. For example, using a copper-zinc-aluminum catalyst, 50 to 100 atm, 240 to 260 ° C. Alternatively, hydrogen may be reacted with carbon monoxide to synthesize methanol.
なお、図１に示すように、メタノール合成装置６に水素及び一酸化炭素を供給する際は、水蒸気電解装置２にて生成された水素及び二酸化炭素電解装置５にて生成された一酸化炭素を混合した後に、水素及び一酸化炭素の混合ガスをメタノール合成装置６に供給することが好ましい。すなわち、水素を流通する経路及び一酸化炭素を流通する経路が合流し、水素及び一酸化炭素の混合ガスがメタノール合成装置６に供給される構成とすることが好ましい。このとき、二酸化炭素電解装置５にて生成された一酸化炭素は、二酸化炭素電解装置５の作動温度が８００℃〜９００℃程度と高温であるが、この高温の状態で水素及び一酸化炭素が混合される。 As shown in FIG. 1, when supplying hydrogen and carbon monoxide to the methanol synthesizer 6, hydrogen produced by the steam electrolyzer 2 and carbon monoxide produced by the carbon dioxide electrolyzer 5 are used. After mixing, it is preferable to supply a mixed gas of hydrogen and carbon monoxide to the methanol synthesizer 6. In other words, it is preferable that a path through which hydrogen flows and a path through which carbon monoxide flow are merged so that a mixed gas of hydrogen and carbon monoxide is supplied to the methanol synthesizer 6. At this time, the carbon monoxide generated by the carbon dioxide electrolysis device 5 has a high operating temperature of the carbon dioxide electrolysis device 5 of about 800 ° C. to 900 ° C., but hydrogen and carbon monoxide are in this high temperature state. Mixed.
ここで、水蒸気電解装置２にて生成された水素が流通する経路及び二酸化炭素電解装置５にて生成された一酸化炭素が流通する経路をそれぞれ設け、水素及び一酸化炭素を別々の経路を通じてメタノール合成装置６に供給する場合、二酸化炭素電解装置５にて生成された一酸化炭素の温度をメタノール合成温度（例えば、２５０℃）まで下げる際に、一酸化炭素の分圧が高すぎることでコーキング（炭素析出）が発生するおそれがある。一方、上述のように、水素及び一酸化炭素が高温の状態で混合されることで、混合ガスの温度をメタノール合成温度まで下げる際に、一酸化炭素の分圧をより低くできるため、コーキングの発生を好適に抑制することができる。 Here, a path through which hydrogen generated in the steam electrolysis apparatus 2 flows and a path through which carbon monoxide generated in the carbon dioxide electrolysis apparatus 5 flows are provided, and methanol and hydrogen monoxide are passed through separate paths. When supplying to the synthesizer 6, when the temperature of the carbon monoxide generated in the carbon dioxide electrolyzer 5 is lowered to the methanol synthesis temperature (for example, 250 ° C.), the carbon monoxide partial pressure is too high so that the coking is performed. (Carbon deposition) may occur. On the other hand, as described above, since hydrogen and carbon monoxide are mixed in a high temperature state, when the temperature of the mixed gas is lowered to the methanol synthesis temperature, the partial pressure of carbon monoxide can be further reduced. Generation | occurrence | production can be suppressed suitably.
本実施形態に係るメタノール合成システム１０は、化石燃料を使用せずに再生可能エネルギーを利用してメタノールを合成するシステムである。そのため、二酸化炭素排出量を削減することができる。 The methanol synthesis system 10 according to the present embodiment is a system that synthesizes methanol using renewable energy without using fossil fuel. Therefore, carbon dioxide emission can be reduced.
また、メタノール合成の原料として化石燃料を使用した場合、例えば、硫黄分、塩素分などの不純物が水蒸気改質触媒又はメタノール合成触媒を腐食するおそれがあるため、化石燃料の脱硫・精製工程が必要となる。 In addition, when fossil fuel is used as a raw material for methanol synthesis, for example, impurities such as sulfur and chlorine may corrode the steam reforming catalyst or methanol synthesis catalyst, so a fossil fuel desulfurization and purification process is required. It becomes.
一方、本実施形態では、メタノール合成の原料として化石燃料を使用しないため、化石燃料の脱硫・精製工程が不要となる。したがって、本実施形態に係るメタノール合成システム１０では、製造工程が簡略化でき、メタノール製造コストを低減することができる。 On the other hand, in this embodiment, since a fossil fuel is not used as a raw material for methanol synthesis, a fossil fuel desulfurization / refining step is not required. Therefore, in the methanol synthesis system 10 according to the present embodiment, the manufacturing process can be simplified and the methanol manufacturing cost can be reduced.
なお、二酸化炭素電解装置５にて生成された一酸化炭素は、未反応の二酸化炭素と混合した状態で得られる。そのため、一酸化炭素が流通する経路に、混合ガス中の二酸化炭素を分離する分離手段（第２分離手段）を配置し、分離手段にて二酸化炭素が分離された一酸化炭素を含むガスをメタノール合成装置６に供給する構成としてもよい。なお、混合ガス中の二酸化炭素を分離する分離手段は、一酸化炭素が流通する経路に配置されていれば特に配置場所は限定されない。上述のように、水素が流通する経路及び一酸化炭素が流通する経路が合流する場合、混合ガス中の二酸化炭素を分離する分離手段は、水素が流通する経路と合流する地点よりも上流に配置されていてもよく、下流に配置されていてもよい。 In addition, the carbon monoxide produced | generated with the carbon dioxide electrolysis apparatus 5 is obtained in the state mixed with the unreacted carbon dioxide. Therefore, a separation means (second separation means) for separating carbon dioxide in the mixed gas is disposed in a route through which carbon monoxide flows, and the gas containing carbon monoxide from which carbon dioxide has been separated by the separation means is methanol. It is good also as a structure supplied to the synthesizing | combining apparatus 6. FIG. In addition, the arrangement | positioning location in particular will not be limited if the separation means which isolate | separates the carbon dioxide in mixed gas is arrange | positioned in the path | route through which carbon monoxide distribute | circulates. As described above, when the route through which hydrogen circulates and the route through which carbon monoxide circulates, the separation means for separating carbon dioxide in the mixed gas is disposed upstream from the point where it joins with the route through which hydrogen circulates. It may be arranged downstream.
混合ガス中の二酸化炭素を分離する分離手段を設けることで、二酸化炭素濃度が低減され、メタノール合成装置６に供給される一酸化炭素の純度を高めることができる。さらに、この分離手段より分離された二酸化炭素を、二酸化炭素電解装置５に供給して再度電気分解に利用する構成としてもよい。 By providing a separation means for separating carbon dioxide in the mixed gas, the concentration of carbon dioxide is reduced, and the purity of carbon monoxide supplied to the methanol synthesizer 6 can be increased. Furthermore, it is good also as a structure which supplies the carbon dioxide isolate | separated by this isolation | separation means to the carbon dioxide electrolysis apparatus 5, and uses again for electrolysis.
混合ガス中の二酸化炭素を分離する分離手段（第２分離手段）としては、前述の分離手段（第１分離手段）と同様の構成であってもよく、例えば、混合ガス中の二酸化炭素を分離する分離膜であってもよい。 The separation means (second separation means) for separating carbon dioxide in the mixed gas may have the same configuration as the above-described separation means (first separation means). For example, carbon dioxide in the mixed gas is separated. It may be a separation membrane.
１ 発電装置
２ 水蒸気電解装置
３ 工場
４ 分離膜（分離手段）
５ 二酸化炭素電解装置
６ メタノール合成装置
１０ メタノール合成システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power generator 2 Steam electrolysis apparatus 3 Factory 4 Separation membrane (separation means)
5 Carbon dioxide electrolysis device 6 Methanol synthesis device 10 Methanol synthesis system
Claims (3)
前記発電装置での発電により生じた電力、及び再生可能エネルギーに由来する熱エネルギーが供給され、高温で水蒸気を電気分解して水素を生成する水蒸気電解装置と、
前記発電装置での発電により生じた電力、及び再生可能エネルギーに由来する熱エネルギーが供給され、高温で二酸化炭素を電気分解して一酸化炭素を生成する二酸化炭素電解装置と、
前記水蒸気電解装置にて生成された水素及び前記二酸化炭素電解装置にて生成された一酸化炭素が供給され、メタノール合成を行うメタノール合成装置と、
を備えるメタノール合成システム。 A power generator that generates power using renewable energy;
A steam electrolyzer that is supplied with electric power generated by power generation in the power generator and thermal energy derived from renewable energy, and electrolyzes steam at a high temperature to generate hydrogen;
A carbon dioxide electrolysis device that is supplied with electric power generated by power generation in the power generation device and thermal energy derived from renewable energy, and electrolyzes carbon dioxide at a high temperature to generate carbon monoxide,
A methanol synthesizer that is supplied with hydrogen produced by the steam electrolyzer and carbon monoxide produced by the carbon dioxide electrolyzer, and performs methanol synthesis;
A methanol synthesis system comprising:
前記分離手段にて分離された二酸化炭素が前記二酸化炭素電解装置に供給される請求項１又は請求項２に記載のメタノール合成システム。 Further comprising a separation means for separating carbon dioxide from a gas containing carbon dioxide,
The methanol synthesis system according to claim 1 or 2, wherein the carbon dioxide separated by the separation means is supplied to the carbon dioxide electrolysis device.
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