JP2019069917A - メタン製造システム及びメタン製造方法 - Google Patents

メタン製造システム及びメタン製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】システム全体として消費エネルギーの少ないメタン製造システム及びメタン製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】蒸気を発生させるボイラ101と、蒸気により駆動される蒸気タービン102と、ボイラ101に水を加熱し供給する給水加熱器106と、を備える発電設備と、発電設備の排出ガスに含まれる二酸化炭素を回収及び脱離を行う二酸化炭素回収装置と、脱離された二酸化炭素と外部から供給された水素とを反応させてメタンに転換するメタン化反応器301と、を有するメタン製造システムであって、蒸気タービン102から排出された蒸気によりメタン化反応器301のメタン転換時の反応熱を昇温し、昇温された反応熱を水素、脱離された二酸化炭素及び二酸化炭素回収装置に供給した後、給水加熱器106へ供給するメタン製造システム。【選択図】 図1

Description

本発明は、消費エネルギーの少ないメタン製造システム及びメタン製造方法に関する。
世界のエネルギー消費および温暖化の原因となる二酸化炭素CO2排出量は増加し続けており、気候変動とそれによる人類の生活環境や生態系への深刻な影響が懸念されている。世界のエネルギー起源CO2排出量の約40%は発電等のエネルギー変換部門が占めており、電力産業にとってCO2削減は大きな課題である。特に、石炭を燃料とする火力発電はCO2排出量が多く、発生したCO2を分離回収し地中に戻して貯蔵する技術開発も研究されている。発生したCO2を化学的に燃料に変換して再利用できれば、全体としてのCO2排出量を抑制できることから、CO2を水素H2と反応させメタンに転換する技術が注目されている。
CO2のメタン化反応として、（数１）に示す反応式が知られている。
（数１）CO2＋4H2 → CH4＋2H2O
CO2は燃焼排ガスから分離回収し、水素は電力を利用してアルカリ水電解や固体高分子形水電解などの水の電気分解により製造することができる。近年、各国で再生可能エネルギーの開発と推進が行われ、欧州では風力発電や太陽光発電などの再生可能エネルギーを用いた発電が増加している。風力発電や太陽光発電は出力変動が大きく、時には需要以上の電力を発生し、利用できない余剰電力が生じることが問題となっている。電力を使用して水を電気分解して水素を製造し、二酸化炭素と反応させてメタン燃料に転換する技術はPower to Gasと呼ばれる。電力として余剰電力が使用できれば、CO2排出量抑制及び余剰電力有効利用の双方が期待できるので、再生可能エネルギーの余剰電力が多く発生する欧州で、とりわけドイツが国策として複数の実証プロジェクトを積極的に推進中である。生成したメタンは合成天然ガスとして、既存のインフラ設備(パイプライン、天然ガス貯蔵所)に供給される。
発電プラントと排ガスから二酸化炭素を分離回収しメタンに転換する設備を組み合わせたシステムとしては、例えば、特開2015-109767号公報（特許文献１）及び特表2016-531973号公報（特許文献２）に記載されている。
特開2015-109767号公報 特表2016-531973号公報
二酸化炭素と水素からメタンを合成する（数１）の化学反応は発熱反応であるが、反応が開始するためには原料ガスを約300℃のメタン生成反応開始温度まで予熱して供給する必要がある。また、固体吸着材を利用して排ガスから二酸化炭素を分離回収するには、固体吸着材を加熱したり冷却したりする熱操作が必要になる。これらの熱操作を個別に実施する場合は、外部熱源や冷熱源を利用すれば目的を達成することができるが、外部熱源の利用はシステム全体のエネルギー消費を増大させ効率を低下させる原因となる。
特許文献１には、発電プラントと排ガスから二酸化炭素を分離回収しメタンに転換する設備を組み合わせたシステムの記載はあっても、メタン生成反応熱の回収、利用方法が明確には示されていない。また、特許文献２には、発電プラントと排ガスから二酸化炭素を分離回収しメタンに転換する設備を組み合わせたシステムの記載、およびメタン生成反応熱の回収はあっても、その利用方法が明確ではない。本発明の目的は、燃焼排ガスから二酸化炭素を分離回収しメタンを製造する設備を有する発電プラントにおいて、システム全体として、消費エネルギーの少ないメタン製造システム及びメタン製造方法を提供することである。
上記目的を達成するために本発明に係るメタン製造システムは、蒸気を発生させるボイラと、前記蒸気により駆動される蒸気タービンと、前記ボイラに水を加熱し供給する給水加熱器と、を備える発電設備と、前記発電設備の排出ガスに含まれる二酸化炭素を回収及び脱離を行う二酸化炭素回収装置と、脱離された前記二酸化炭素と外部から供給された水素とを反応させてメタンに転換するメタン化反応器と、を有するメタン製造システムであって、前記蒸気タービンから排出された蒸気により前記メタン化反応器のメタン転換時の反応熱を昇温し、昇温された前記反応熱を前記水素、前記脱離された二酸化炭素及び前記二酸化炭素回収装置に供給した後、前記給水加熱器へ供給する。
また、蒸気を発生させるボイラと、前記蒸気により駆動される蒸気タービンと、前記ボイラに水を加熱し供給する給水加熱器と、を備える発電設備と、前記発電設備の排出ガスに含まれる二酸化炭素を回収及び脱離を行う二酸化炭素回収装置と、脱離された前記二酸化炭素と外部から供給された水素とを反応させてメタンに転換するメタン化反応器と、を有するメタン製造方法であって、前記蒸気タービンから排出された蒸気により前記メタン化反応器のメタン転換時の反応熱を昇温し、昇温された前記反応熱を前記水素、前記脱離された二酸化炭素及び前記二酸化炭素回収装置に供給した後、前記給水加熱器へ供給するメタン製造方法。
本発明によれば、システム全体として消費エネルギーの少ないメタン製造システム及びメタン製造方法を提供することが可能である。
実施例１に示す本発明のシステム構成図の一例である。 実施例２に示す本発明のシステム構成図の一例である。 二酸化炭素固体吸着材吸着特性の例を示した図である。 ２工程の二酸化炭素回収装置の運用方法概念図である。 実施例3に示す本発明のシステム構成図の一例である。 実施例4に示す本発明のシステム構成図の一例である。
以下、本発明の実施の形態について実施例を挙げて説明するが、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
図１は本発明に関わる石炭焚き火力発電システムの一実施例を示したものである。ボイラ101で発生した蒸気は蒸気タービン102に導かれ、発電機103を駆動した後、復水器104で水に戻り、給水ポンプ105で加圧され、給水加熱器106で加熱されたのち、ボイラ101に供給される。ボイラで発生した排ガスは脱硝装置110、熱回収器111、電気集塵器113、湿式脱硫装置114、排ガス再加熱器112を経て排気塔130から大気に放出される。図１には、排ガス中の二酸化炭素を回収する装置200と、回収した二酸化炭素をメタンに転換する装置300が記載されている。二酸化炭素を回収する装置200では、湿式脱硫装置114から出たボイラ排ガスの一部が分岐装置120で分岐され、CO2吸着材が充填されたCO2吸着脱離塔201aに導かれる。図3は二酸化炭素の固体吸着材CeO2の吸着特性の一例を示したもので、縦軸は50℃における吸着率を100%とした相対値で示してある。図3に示すように、この固体吸着材は50℃程度の低温域のCO2吸着率が高く、150℃以上では吸着していたCO2の大部分を放出し、高温での吸着率は低い値となっている。そのため、この固体吸着材を複数個利用して、時間をずらして、50℃から150℃程度の温度範囲で昇温冷却を繰り返すことにより、排ガスからCO2を分離回収できる。
図1に戻ると、CO2吸着脱離塔201aは低温排ガスによる冷却工程、CO2吸着脱離塔201bは抽気蒸気による加熱工程に対応している。湿式脱硫装置を有する石炭火力発電プラント100では、湿式脱硫装置114の出口排ガス温度は脱硫液の飽和水蒸気温度に近く、例えば40℃程度の低温になっている。この温度の低温排ガスをそのまま大気中に放出すると、気象条件によっては排ガス中の水蒸気が凝縮して白煙を発生し硫酸ミストが生じたり、浮力による排ガス上昇能力が弱いため、十分な拡散ができず、排ガスが地表付近に滞留する可能性があるため、通常は排ガス再加熱器112で排ガス温度を90℃程度以上に昇温したのち、排気塔から放出している。ただし、今回の二酸化炭素回収装置では、冷却を目的としているので、この低温排ガスの一部を排ガス供給管141で分岐して冷却に利用する。冷却に使用した後の低温排ガスは排ガス再加熱器112で昇温された高温の排ガスと、合流装置121で混合された後、排気塔130から排出される。
一方、CO2吸着脱離塔201bの加熱熱源としては、蒸気タービンの抽気蒸気を熱媒体として熱交換器を介して間接加熱する方式とする。蒸気タービンから抽気された低圧蒸気（0.4MPa、150℃）は抽気蒸気供給管151を通りメタン化反応器301でメタン転換反応の反応熱を回収し昇温する。抽気蒸気流量は蒸気流量制御装置150を使用してメタン化反応温度検出器350でメタン化反応温度が適切な値（たとえば400〜450℃）を維持できるように制御する。メタン転換反応熱を回収した抽気蒸気は、CO2予熱器303及びH2予熱器304でメタン転換の原料ガス予熱（280℃程度）およびCO2吸着脱離工程304で二酸化炭素回収装置の再生工程（150〜200℃）に利用した後、給水予熱器106に戻され、凝縮してメタン転換反応熱の余剰熱をボイラ給水に与える。具体的には、（数１）において反応熱としては-165kJ/molの発熱を行う。そのとき、メタン化反応熱および冷却回収熱としては3600kWであり、水素及びCO2予熱量としては500kW使用され、固体吸着材再生時加熱量として1600kW使用される。よって1500kWがプロセス余剰熱として、復水系給水加熱器に回収されることとなる。これは燃料削減の観点で0.2%に相当する。重量当たりのメタン発熱量は石炭の約2倍であるため、石炭火力CO2の1%をメタン化し再利用すれば石炭使用量が2%削減される。
図4は排ガスからの二酸化炭素回収装置を簡略化して示した概念図である。図４では、蒸気加熱による再生工程と低温排ガスによる冷却・吸着工程を弁203から弁207を順次切り替えることで、最も単純な2工程の二酸化炭素回収システムが構築できる例を示している。図4のグラフはCO2吸着脱離塔201aの吸着剤温度変化を概念的に示した図である。抽気蒸気で吸着材202aが加熱され温度が上昇すると吸着している二酸化炭素が脱離し放出される（再生工程）。弁が切替えられ低温排ガスが供給されると吸着材202aの温度は低下をはじめ、吸着材の温度に応じた吸着率で二酸化炭素が吸着されるようになる（冷却・吸着工程）。CO2吸着脱離塔201aとCO2吸着脱離塔201bを組合わせることで二酸化炭素回収システムになる。ここでは示さないが、必要とする二酸化炭素の純度に応じて、二酸化炭素回収システムを、再生工程、冷却工程、吸着工程に分ける3塔式や吸着装置内の気体を全量排出するパージ工程を加えた4塔式に拡張してもよい。
以上、図１で見てきたように、燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素をメタンに転換する装置を有するボイラおよび蒸気タービンを備えた発電設備において、蒸気タービンの低圧抽気蒸気を利用してメタン化反応の反応熱を回収し、その熱を各種加熱工程の熱源に使用した後、給水加熱に利用することと、二酸化炭素の固体吸着材の冷却に低温排ガスを利用することで、システム全体の消費エネルギーを低減した発電プラントを構築できる。
図2は本発明に関わる発電システムの別な一実施例を示したものである。
石炭を燃料とする発電プラントでは、実施例１に示したように湿式脱硫装置を設置することが主流となっているが、天然ガスや低硫黄燃料を使用した発電プラントでは湿式脱硫装置は設置されないので、燃焼排ガス温度は100℃以上となっている場合が多い。このような状況では、排ガスによる二酸化炭素固体吸着材の冷却は期待できない。そこで、排ガスの一部を分岐装置120で分岐し冷却器115により排ガス温度を排ガス中の水蒸気露点温度（たとえば40℃）近くまで冷却してから二酸化炭素吸着塔201aの冷却に使用する。冷却に使用した後の低温排ガスは、分岐しなかった排ガスと合流装置121で混合した後、排気塔130から排出する。また、図２では、水蒸気凝縮器305が設置されていない例を示している。メタン化反応器301に供給する原料ガスは二酸化炭素と水素であるが、固体吸着材を利用して排ガスから二酸化炭素を分離回収する場合、吸着材にはいくらかの水蒸気も吸着し、供給する二酸化炭素に水蒸気が含まれることが考えられる。そのため図１の実施例１では、二酸化炭素と混合している水蒸気を凝縮させ除去する目的で水蒸気凝縮器305を設置した例を示した。一方、固体吸着材の種類によっては二酸化炭素のみを選択的に吸着し、水蒸気は吸着しない場合も考えられる。図２は二酸化炭素回収装置からの供給ガスに水蒸気がほとんど含まれない場合を想定し、この場合には水蒸気凝縮器305が不要になるため水蒸気凝縮器305を設置していない。当然ながら、実施例２においても、二酸化炭素回収装置からの供給ガスに水蒸気が含まれ、それを除去したい場合には水蒸気凝縮器305を設置してもかまわない。
図5は本発明に関わる発電システムのさらに別な一実施例を示す。
図1の実施例１との違いは、蒸気タービンからの抽気蒸気を抽気蒸気供給管151の途中で蒸気分岐装置310により分岐し、直接、二酸化炭素回収装置201bに向かうバイパス経路を設けたことである。システム起動時に、機器の熱容量が相対的に大きな場合は、安定状態に達するまでに長時間を要することが想定される。そのような場合に供給蒸気量を個別に調整できるように抽気蒸気供給管156を設けた。これによりシステムが安定して静定するまでの時間を短縮でき、全体としてのシステム効率を向上できる。
図6は本発明に関わる発電システムのさらに別な一実施例を示す。
図5の実施例3との違いは、熱交換をした後の戻り抽気蒸気管155の途中でメタン化反応器301の温度を調整するメタン化反応器冷却器302の熱を回収する蒸気分岐管157を設けたことである。メタン化反応器301では（数１）に示すように、二酸化炭素1モルからメタン1モルと水蒸気2モルが製造される。生成ガスは水蒸気を多量に含んだ約400℃の混合ガスであるため、このガスの熱を回収する。回収されたガスを蒸気タービン給水に与えることを目的に、蒸気分岐管157を設けた。これによりシステム全体としての熱回収効率が期待できる。
以上より、上記実施例記載の発明によって、本発明によれば、燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素をメタンに転換する装置を有するボイラおよび蒸気タービンを備えた発電設備において、二酸化炭素と水素を原料としたメタン製造に必要な加熱熱量をメタン化反応の反応熱でまかなうことができ、余剰熱を蒸気タービン系の給水加熱で回収できるので、ボイラの燃料消費量を削減でき発電プラントの効率を改善することができる。
100…発電システム、101…ボイラ、102…蒸気タービン、103…発電機、104…復水器、105…給水ポンプ、106…給水加熱器、110…排ガス脱硝装置、111…排ガス熱回収器、112…排ガス再加熱器、113…電気集塵器、114…湿式脱硫装置、115…冷却器、120…分岐装置、121…合流装置、130…排気塔、141…排ガス供給管、142…排ガス排出管、150…蒸気流量制御装置、151…抽気蒸気供給管、152…抽気蒸気供給管、153…抽気蒸気供給管、154…抽気蒸気戻り管、155…抽気蒸気戻り管、156…蒸気分岐管、157…蒸気分岐管、200…CO2吸着脱離システム、201…CO2吸着脱離塔、202…CO2吸着材、203…排ガス入口側弁、204…排ガス出口側弁、205…CO2出口側弁、206…再生蒸気入口側弁、207…再生蒸気出口側弁、212…CO2排出管、300…メタン化システム、301…メタン化反応器、302…冷却器、303…CO2予熱器、304…H2予熱器、305…水蒸気凝縮器、306…H2供給装置、310…蒸気分岐装置、311…蒸気合流装置、320…蒸気分岐装置、321…蒸気合流装置、350…メタン化反応温度検出器

Claims (9)

  1. 蒸気を発生させるボイラと、
    前記蒸気により駆動される蒸気タービンと、
    前記ボイラに水を加熱し供給する給水加熱器と、を備える発電設備と、
    前記発電設備の排出ガスに含まれる二酸化炭素を回収及び脱離を行う二酸化炭素回収装置と、
    脱離された前記二酸化炭素と外部から供給された水素とを反応させてメタンに転換するメタン化反応器と、を有するメタン製造システムであって
    前記蒸気タービンから排出された蒸気により前記メタン化反応器のメタン転換時の反応熱を昇温し、昇温された前記反応熱を前記水素、前記脱離された二酸化炭素及び前記二酸化炭素回収装置に供給した後、前記給水加熱器へ供給するメタン製造システム。
  2. 請求項１に記載のメタン製造システムであって、
    前記反応熱で前記水素及び前記脱離された二酸化炭素を前記メタン転換反応の開始に適正な温度まで加熱することを特徴とするメタン製造システム。
  3. 請求項１または２に記載のメタン製造システムであって、
    前記二酸化炭素回収装置を前記排ガスで冷却することを特徴とするメタン製造システム。
  4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のメタン製造システムであって、
    前記二酸化炭素回収装置内の回収材と前記蒸気とが接触しないことを特徴とするメタン製造システム。
  5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載のメタン製造システムであって、
    前記発電設備が石炭焚き火力発電プラントであることを特徴とするメタン製造システム。
  6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載のメタン製造システムであって、
    前記脱離された二酸化炭素を冷却し、前記二酸化炭素と混合している水蒸気を凝縮させる冷却器を有することを特徴とするメタン製造システム。
  7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載のメタン製造システムであって、
    前記蒸気タービンから排出された蒸気が前記二酸化炭素回収装置に供給されることを特徴とするメタン製造システム。
  8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載のメタン製造システムであって、
    メタン化反応器の温度を冷却するメタン化反応器冷却器を備え、前記メタン化反応器冷却器により回収された反応熱を前記給水加熱器へ供給するメタン製造システム。
  9. 蒸気を発生させるボイラと、
    前記蒸気により駆動される蒸気タービンと、
    前記ボイラに水を加熱し供給する給水加熱器と、を備える発電設備と、
    前記発電設備の排出ガスに含まれる二酸化炭素を回収及び脱離を行う二酸化炭素回収装置と、
    脱離された前記二酸化炭素と外部から供給された水素とを反応させてメタンに転換するメタン化反応器と、を有するメタン製造方法であって、
    前記蒸気タービンから排出された蒸気により前記メタン化反応器のメタン転換時の反応熱を昇温し、昇温された前記反応熱を前記水素、前記脱離された二酸化炭素及び前記二酸化炭素回収装置に供給した後、前記給水加熱器へ供給するメタン製造方法。
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