JP2019123678A - Methane manufacturing device, and methane manufacturing method - Google Patents

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Abstract

To simplify a device configuration and make a methane production amount stationary in manufacturing methane using a catalyst having occlusion of carbon dioxide and reduction performance.SOLUTION: A methane manufacturing device for manufacturing methane from carbon dioxide and hydrogen, has a first reactor and a second reactor housing a slurry containing a catalyst having occlusion of carbon dioxide and reduction performance, a raw material gas supply part for supplying a raw material gas containing carbon dioxide to the first reactor, a reduction gas supply part for supplying a reduction gas containing hydrogen to the second reactor, a first flow channel formation part for forming a first flow channel for transporting a slurry from the first reactor to the second reactor, a second flow channel formation part for forming a second flow channel for transporting the slurry from the second reactor to the first reactor and a pump for circulating the slurry between the first reactor and the second reactor.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、メタン製造装置に関する。   The present invention relates to a methane production apparatus.

二酸化炭素(CO2)と水素(H2)からメタン(CH4)を製造する技術が知られている。例えば、非特許文献1には、二酸化炭素の吸蔵及び還元性能を有する触媒を収容した単一の反応器内で、原料ガスから二酸化炭素を吸蔵する第1工程と、吸蔵された二酸化炭素を還元してメタンを生成する第2工程との両方を実施することが記載されている。例えば、特許文献1には、複数の反応炉(反応器)を備え、或る反応炉で、二酸化炭素と水素を同時に供給して二酸化炭素を炭素(C)に変換する第1工程を実施し、他の反応炉で、二酸化炭素の供給を停止し水素の供給を継続して炭素をメタンに変換する第2工程を実施し、これら反応炉の役割を一定期間ごとに切り替えることが記載されている。 Techniques for producing methane (CH 4 ) from carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen (H 2 ) are known. For example, Non-Patent Document 1 discloses a first step of storing carbon dioxide from a raw material gas, and reduction of stored carbon dioxide in a single reactor containing a catalyst having a carbon dioxide storage and reduction performance. It is described to carry out both of the second step of producing methane. For example, Patent Document 1 includes a plurality of reactors (reactor), and in one reactor, carries out the first step of simultaneously supplying carbon dioxide and hydrogen to convert carbon dioxide into carbon (C). In another reactor, the second step of stopping the supply of carbon dioxide and continuing the supply of hydrogen to convert carbon to methane is performed, and it is described to switch the role of these reactors at regular intervals. There is.

Zheng, Qinghe, Robert Farrauto, and Anh Chau Nguyen,「二重機能触媒材料による排ガスCO2の吸着とメタン化:パラメトリック研究(Adsorption and Methanation of Flue Gas CO2 with Dual Functional Catalytic Materials: A Parametric Study.)」,産業&工学化学研究(Industrial & Engineering Chemistry Research),アメリカ化学会(American Chemical Society),2016年6月,55(24),p.6768−6776Zheng, Qinghe, Robert Farrauto, and Anh Chau Nguyen, "Adsorption and methanation of exhaust gas CO2 by dual-function catalytic materials: A parametric study of adsorption and methanation of Flue gas with dual functional catalytic materials: A Parametric Study." Industrial & Engineering Chemistry Research, American Chemical Society, June 2016, 55 (24), p. 6768-6776

特開平5−193920号公報JP-A-5-193920

非特許文献1では、第1工程において二酸化炭素を含む原料ガスを反応器内に供給し、第2工程において水素を含む還元ガスを反応器内に供給する。すなわち、非特許文献1では、第1,2工程間における反応器へのガスの切り替えが必須となるため、反応器に多数のバルブを設ける必要が生じ、装置構成が複雑化するという課題があった。具体的には、反応器上流には少なくとも、原料ガスの供給用バルブと還元ガスの供給用バルブとが必要であり、反応器下流には少なくとも、酸素排出用バルブとメタン排出用バルブとが必要である。また、第1,2工程間において反応器内の残留ガスを排出するパージ工程を設ける場合は、パージ用の窒素(N2)ガスを供給及び排出するための更なるバルブが必要となる。 In Non-Patent Document 1, a raw material gas containing carbon dioxide is supplied into the reactor in the first step, and a reducing gas containing hydrogen is supplied into the reactor in the second step. That is, in Non-Patent Document 1, it is necessary to switch the gas to the reactor between the first and second steps, so it is necessary to provide a large number of valves in the reactor, and there is a problem that the apparatus configuration becomes complicated. The Specifically, at least the valve for supplying the source gas and the valve for supplying the reducing gas are required upstream of the reactor, and at least the valve for discharging oxygen and the valve for discharging methane are required downstream of the reactor It is. Further, in the case of providing a purge step of discharging the residual gas in the reactor between the first and second steps, an additional valve for supplying and discharging nitrogen (N 2 ) gas for purge is required.

さらに、非特許文献1では、二酸化炭素を吸蔵する第1工程と、メタンを製造する第2工程とを、反応器へ供給するガスの種類を切り替えつつ逐次的に実施する。このため、非特許文献1では、二酸化炭素の吸蔵及び還元によって生成されるメタンの量(メタン生成量)が時間によってばらつき、定常化できないという課題があった。   Furthermore, in Non-Patent Document 1, the first step of storing carbon dioxide and the second step of producing methane are sequentially performed while switching the type of gas supplied to the reactor. For this reason, in the nonpatent literature 1, the quantity (methane production amount) of the methane produced | generated by the storage and reduction | restoration of a carbon dioxide fluctuate | varies with time, and the subject that it could not be stabilized was occurred.

特許文献1では、触媒が複数の反応炉間を移動するため、反応炉へのガスの切り替えは必ずしも必要ではなく、必ずしも多数のバルブを設ける必要がない。しかし、特許文献1では、二酸化炭素の吸蔵及び還元性能を有する触媒を用いてメタンを製造することについては、何ら記載されていない。さらに、特許文献1では、二酸化炭素を含むガスが反応炉間の触媒輸送のキャリアとなるため、二酸化炭素を炭素に変換する第1工程を実行する反応炉における、炭素の回収量が成り行きとなる。これに伴い、炭素と水素との反応によって生成されるメタンの量(メタン生成量)についても、炭素の回収量と同様に成り行きとなり、メタン生成量が定常化できないという課題があった。   In Patent Document 1, since the catalyst moves between a plurality of reactors, switching of the gas to the reactors is not necessarily required, and it is not always necessary to provide a large number of valves. However, Patent Document 1 does not describe at all the production of methane using a catalyst having carbon dioxide storage and reduction performance. Furthermore, in Patent Document 1, since the gas containing carbon dioxide serves as a carrier for catalyst transport between reactors, the amount of carbon recovered in a reactor that carries out the first step of converting carbon dioxide to carbon becomes a trend . Along with this, the amount of methane generated by the reaction of carbon and hydrogen (the amount of generated methane) also becomes the same as the amount of recovered carbon, and there is a problem that the amount of generated methane can not be stabilized.

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、二酸化炭素の吸蔵及び還元性能を有する触媒を用いたメタンの製造において、装置構成の簡略化と、メタン生成量の定常化を図ることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and in the production of methane using a catalyst having a carbon dioxide storage and reduction performance, simplification of the apparatus configuration and stabilization of the amount of methane production are realized. The purpose is to

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。   The present invention has been made to solve at least a part of the above-mentioned problems, and can be realized as the following modes.

(1)本発明の一形態によれば、二酸化炭素と水素からメタンを製造するメタン製造装置が提供される。このメタン製造装置は、二酸化炭素の吸蔵及び還元性能を有する触媒を含むスラリーを収容する第1反応器及び第2反応器と、前記第1反応器に対して二酸化炭素を含有する原料ガスを供給する原料ガス供給部と、前記第2反応器に対して水素を含有する還元ガスを供給する還元ガス供給部と、前記第1反応器から前記第2反応器へと前記スラリーを移送するための第1流路を形成する第1流路形成部と、前記第2反応器から前記第1反応器へと前記スラリーを移送するための第2流路を形成する第2流路形成部と、前記第1反応器と前記第2反応器との間で前記スラリーを循環させるポンプと、を備える。 (1) According to one aspect of the present invention, there is provided a methane production apparatus for producing methane from carbon dioxide and hydrogen. This methane production apparatus supplies a first reactor and a second reactor containing a slurry containing a catalyst having a carbon dioxide storage and reduction performance, and supplies a raw material gas containing carbon dioxide to the first reactor. A source gas supply unit, a reduction gas supply unit supplying a reduction gas containing hydrogen to the second reactor, and transferring the slurry from the first reactor to the second reactor A first flow passage forming portion forming a first flow passage, and a second flow passage forming portion forming a second flow passage for transferring the slurry from the second reactor to the first reactor; And a pump for circulating the slurry between the first reactor and the second reactor.

この構成によれば、第1反応器内では、原料ガス供給部から供給された原料ガスに含まれる二酸化炭素が、触媒に吸蔵される。第2反応器内では、還元ガス供給部から供給された還元ガスに含まれる水素が、触媒に吸蔵された二酸化炭素と反応してメタンが生成される。本構成では、第1,2反応器に収容する触媒を流動可能なスラリー状として、かつ、第1,2流路形成部及びポンプによって、第1反応器と第2反応器との間でスラリーを循環させる。このため、従来のように、単一の反応器内で、原料ガスからの二酸化炭素の吸蔵工程と、還元ガスを用いた二酸化炭素のメタン化工程との両方を実施する必要がなく、第1,2反応器にはそれぞれ常時同一のガスを供給できる。この結果、本構成によれば、反応器へのガスの切り替えと、ガスの切り替えのための機構(バルブ等)が必要ないため、メタン製造装置の装置構成を簡略化できる。さらに、この構成によれば、反応器へのガスの切り替えが必要ないため、原料ガス供給部から第1反応器への原料ガスの流量と、還元ガス供給部から第2反応器への還元ガスの流量とを定常化することで、メタン生成量を定常化できる。このように、本構成によれば、二酸化炭素の吸蔵及び還元性能を有する触媒を用いたメタンの製造において、装置構成の簡略化と、メタン生成量の定常化を図ることができる。さらに、この構成によれば、第1,2反応器内における触媒の滞留時間を、ポンプの流量を変化させることで制御できる。このため例えば、原料ガス供給部から第1反応器へ供給される原料ガスの流量や組成(二酸化炭素の含有量)が変化した場合であっても、目標とする二酸化炭素回収率を実現するために必要な滞留時間を容易に確保できる。   According to this configuration, in the first reactor, carbon dioxide contained in the raw material gas supplied from the raw material gas supply unit is stored in the catalyst. In the second reactor, hydrogen contained in the reducing gas supplied from the reducing gas supply unit reacts with carbon dioxide stored in the catalyst to generate methane. In this configuration, the catalyst contained in the first and second reactors is in the form of a slurry capable of flowing, and the slurry between the first reactor and the second reactor by the first and second flow passage forming portions and the pump. Circulate. For this reason, it is not necessary to carry out both the storage step of carbon dioxide from the raw material gas and the methanation step of carbon dioxide using a reducing gas in a single reactor as in the prior art. The same gas can always be supplied to the two reactors. As a result, according to the present configuration, switching of the gas to the reactor and a mechanism (such as a valve) for switching the gas are not necessary, so the apparatus configuration of the methane production apparatus can be simplified. Furthermore, according to this configuration, it is not necessary to switch the gas to the reactor, so the flow rate of the source gas from the source gas supply unit to the first reactor and the reducing gas from the reducing gas supply unit to the second reactor By stabilizing the flow rate of methane, it is possible to make methane production steady. As described above, according to the present configuration, simplification of the device configuration and steadyization of the amount of generated methane can be achieved in the production of methane using a catalyst having storage and reduction performance of carbon dioxide. Furthermore, according to this configuration, the residence time of the catalyst in the first and second reactors can be controlled by changing the flow rate of the pump. Therefore, for example, even when the flow rate and the composition (content of carbon dioxide) of the raw material gas supplied from the raw material gas supply unit to the first reactor change, the target carbon dioxide recovery rate is to be achieved. The residence time required for the

(2)上記形態のメタン製造装置では、さらに、前記原料ガス中の二酸化炭素濃度を取得する第1濃度取得部と、前記原料ガスの流量を取得する第1流量取得部と、前記第1反応器から排出される排出ガス中の二酸化炭素濃度を取得する第2濃度取得部と、前記第1反応器から排出される前記排出ガスの流量を取得する第2流量取得部と、制御部と、を備えていてもよい。制御部は、前記第1濃度取得部、前記第1流量取得部、前記第2濃度取得部、及び前記第2流量取得部による各取得値のうちの少なくとも一部に応じて、前記ポンプと、前記還元ガス供給部からの前記還元ガスとのうちの少なくとも一方を制御してもよい。この構成によれば、制御部は、原料ガス中の二酸化炭素濃度と、原料ガスの流量と、排出ガス中の二酸化炭素濃度と、排出ガスの流量とのうちの少なくとも一部に応じて、例えば、触媒を含むスラリーを循環させるポンプの流量や動作の有無、還元ガス供給部から供給される還元ガスの流量や濃度、組成等を制御できる。このため、本構成によれば、二酸化炭素の吸蔵及び還元性能を有する触媒を用いたメタン製造において、メタン生成量の更なる定常化を図ることができる。 (2) In the methane production apparatus of the above aspect, further, a first concentration acquisition unit that acquires the concentration of carbon dioxide in the source gas, a first flow rate acquisition unit that acquires the flow rate of the source gas, and the first reaction A second concentration acquisition unit that acquires a carbon dioxide concentration in the exhaust gas discharged from the processing unit; a second flow rate acquisition unit that acquires a flow rate of the exhaust gas discharged from the first reactor; May be provided. The control unit is configured to control the pump according to at least a part of the values acquired by the first concentration acquisition unit, the first flow amount acquisition unit, the second concentration acquisition unit, and the second flow amount acquisition unit. At least one of the reducing gas from the reducing gas supply unit may be controlled. According to this configuration, the control unit, for example, responds to at least a portion of the carbon dioxide concentration in the source gas, the flow rate of the source gas, the carbon dioxide concentration in the exhaust gas, and the flow rate of the exhaust gas, for example It is possible to control the flow rate and presence / absence of operation of a pump for circulating the slurry containing the catalyst, the flow rate and concentration of the reducing gas supplied from the reducing gas supply unit, and the like. For this reason, according to the present configuration, it is possible to further stabilize the amount of generated methane in methane production using a catalyst having storage and reduction performance of carbon dioxide.

(3)上記形態のメタン製造装置において、前記制御部は、前記第1濃度取得部により取得された前記原料ガス中の二酸化炭素濃度と、前記第1流量取得部により取得された前記原料ガスの流量と、の両方に反比例させて、前記ポンプの流量を変更してもよい。この構成によれば、制御部は、原料ガス中の二酸化炭素濃度と、原料ガスの流量との両方に反比例させてポンプの流量を変更するため、第1反応器において二酸化炭素が触媒に十分吸蔵されるまでの時間、第1反応器内に触媒を滞在させることができる。この結果、第1反応器における二酸化炭素回収量を向上できる。 (3) In the methane production apparatus of the above aspect, the control unit is configured to control the concentration of carbon dioxide in the raw material gas acquired by the first concentration acquisition unit and the raw material gas acquired by the first flow rate acquisition unit. The flow rate of the pump may be changed in inverse proportion to both the flow rate. According to this configuration, the control unit changes the flow rate of the pump in inverse proportion to both the carbon dioxide concentration in the raw material gas and the flow rate of the raw material gas, so that carbon dioxide is sufficiently absorbed by the catalyst in the first reactor. The catalyst can be allowed to stay in the first reactor for a period of time until it is done. As a result, the carbon dioxide recovery amount in the first reactor can be improved.

(4)上記形態のメタン製造装置において、前記制御部は、前記第1濃度取得部により取得された前記原料ガス中の二酸化炭素濃度と、前記第1流量取得部により取得された前記原料ガスの流量とから求めた前記原料ガス中の二酸化炭素量から、前記第2濃度取得部により取得された前記排出ガス中の二酸化炭素濃度と、前記第2流量取得部により取得された前記排出ガスの流量とから求めた前記排出ガス中の二酸化炭素量を減じることで、前記第1反応器における二酸化炭素回収量を求め、求めた前記二酸化炭素回収量と、前記ポンプの流量と、の両方に比例させて、前記還元ガス供給部からの前記還元ガスの供給量を変更してもよい。この構成によれば、制御部は、第1反応器における二酸化炭素回収量と、ポンプの流量との両方に比例させて還元ガスの供給量を変更するため、都度、第2反応器における二酸化炭素の還元に過不足のない量の水素を供給できる。この結果、第2反応器におけるメタン生成量を向上できると共に、還元ガスの消費量を抑制できる。 (4) In the methane production apparatus of the above aspect, the control unit is configured to control the concentration of carbon dioxide in the raw material gas acquired by the first concentration acquisition unit and the raw material gas acquired by the first flow rate acquisition unit. The amount of carbon dioxide in the source gas determined from the flow rate, the concentration of carbon dioxide in the exhaust gas acquired by the second concentration acquisition unit, and the flow rate of the exhaust gas acquired by the second flow rate acquisition unit The carbon dioxide recovery amount in the first reactor is determined by reducing the carbon dioxide amount in the exhaust gas determined from the above and proportional to both the determined carbon dioxide recovery amount and the flow rate of the pump. Alternatively, the amount of supply of the reducing gas from the reducing gas supply unit may be changed. According to this configuration, the control unit changes the supply amount of the reducing gas in proportion to both of the carbon dioxide recovery amount in the first reactor and the flow rate of the pump, so that the carbon dioxide in the second reactor is changed each time. It is possible to supply just enough amount of hydrogen for the reduction of As a result, the amount of generated methane in the second reactor can be improved, and the amount of consumption of reducing gas can be suppressed.

(5)上記形態のメタン製造装置では、さらに、前記第1流路上に設けられ、前記スラリーを収容する第3反応器と、前記第2流路上に設けられ、前記スラリーを収容する第4反応器と、のうちの少なくともいずれか一方を備え、さらに、前記第3反応器と前記第4反応器とのうちの少なくともいずれか一方にパージガスを供給するパージガス供給部、を備えていてもよい。この構成によれば、第3反応器を用いて、第1流路上を移送されるスラリーに含まれる触媒中に残留したガス(酸素、窒素等)を排出できる。また、第4反応器を用いて、第2流路上を移送されるスラリーに含まれる触媒中に残留したガス(水素等)を排出できる。 (5) In the methane production apparatus of the above aspect, a third reactor provided on the first channel and containing the slurry, and a fourth reaction provided on the second channel and containing the slurry are further provided. And / or a purge gas supply unit for supplying a purge gas to at least one of the third reactor and the fourth reactor. According to this configuration, the third reactor can be used to discharge the gas (oxygen, nitrogen, etc.) remaining in the catalyst contained in the slurry transferred on the first flow path. In addition, the fourth reactor can be used to discharge the gas (such as hydrogen) remaining in the catalyst contained in the slurry transferred on the second flow path.

(6)上記形態のメタン製造装置では、さらに、前記第1流路上に設けられた第1気液分離器と、前記第2流路上に設けられた第2気液分離器と、のうちの少なくともいずれか一方を備えていてもよい。この構成によれば、第1気液分離器を用いて、第1流路上を移送されるスラリーに含まれる触媒中に残留したガス(酸素、窒素等)を排出できる。また、第2気液分離器を用いて、第2流路上を移送されるスラリーに含まれる触媒中に残留したガス(水素等)を排出できる。 (6) In the methane production apparatus of the above aspect, of the first gas-liquid separator provided on the first flow path and the second gas-liquid separator provided on the second flow path, At least one of them may be provided. According to this configuration, the gas (oxygen, nitrogen, etc.) remaining in the catalyst contained in the slurry transferred on the first flow path can be discharged using the first gas-liquid separator. In addition, the second gas-liquid separator can be used to discharge the gas (such as hydrogen) remaining in the catalyst contained in the slurry transferred on the second flow path.

(7)上記形態のメタン製造装置において、前記触媒は、炭酸塩を形成して二酸化炭素を吸蔵するアルカリ金属と、アルカリ土類金属と、メタン化触媒性能を持つ金属と、のうちの少なくともいずれかを含んでいてもよい。この構成によれば、二酸化炭素の吸蔵及び還元性能を有する触媒として、種々の触媒を利用できる。 (7) In the methane production apparatus of the above aspect, the catalyst is at least one of an alkali metal which forms carbonate and stores carbon dioxide, an alkaline earth metal, and a metal having methanation catalytic performance. May be included. According to this configuration, various catalysts can be used as a catalyst having carbon dioxide storage and reduction performance.

(8)本発明の一形態によれば、二酸化炭素と水素からメタンを製造するメタン製造方法が提供される。このメタン製造方法は、二酸化炭素の吸蔵及び還元性能を有する触媒を含むスラリーを収容した第1反応器に対して二酸化炭素を含有する原料ガスを供給する工程と、前記スラリーを収容した第2反応器に対して水素を含有する還元ガスを供給する工程と、前記第1反応器から前記第2反応器へと前記スラリーを移送するための第1流路と、前記第2反応器から前記第1反応器へと前記スラリーを移送するための第2流路と、を用いて、前記第1反応器と前記第2反応器との間で前記スラリーを循環させる工程と、を備える。 (8) According to one aspect of the present invention, there is provided a methane production method for producing methane from carbon dioxide and hydrogen. This methane production method comprises the steps of: supplying a raw material gas containing carbon dioxide to a first reactor containing a slurry containing a catalyst having a carbon dioxide storage and reduction performance; and a second reaction containing the slurry Supplying a reducing gas containing hydrogen to the reactor, a first flow path for transferring the slurry from the first reactor to the second reactor, and the second flow from the second reactor Circulating the slurry between the first reactor and the second reactor using the second flow path for transferring the slurry to the one reactor.

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、二酸化炭素と水素からメタンを製造するメタン製造装置、メタン製造方法、メタン製造システム、これら装置やシステムの制御のためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。   The present invention can be realized in various aspects, for example, a methane production apparatus for producing methane from carbon dioxide and hydrogen, a methane production method, a methane production system, and control of these apparatuses and systems. The present invention can be realized in the form of a computer program, a server device for distributing the computer program, and a non-temporary storage medium storing the computer program.

第1実施形態におけるメタン製造装置の概略構成を説明する図である。It is a figure explaining schematic structure of the methane production apparatus in a 1st embodiment. メタン生成量の時間変化を表す図である。It is a figure showing the time change of the amount of methane production. 第2実施形態におけるメタン製造装置の概略構成を説明する図である。It is a figure explaining schematic structure of the methane production apparatus in a 2nd embodiment. 第3実施形態におけるメタン製造装置の概略構成を説明する図である。It is a figure explaining schematic structure of the methane production apparatus in a 3rd embodiment. 第4実施形態におけるメタン製造装置の概略構成を説明する図である。It is a figure explaining schematic structure of the methane production apparatus in a 4th embodiment. ポンプ流量マップと還元ガス流量マップの概念図である。It is a conceptual diagram of a pump flow rate map and a reduction gas flow rate map. 制御部による流量制御の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of flow control by a control part.

<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の概略構成を説明する図である。本実施形態のメタン製造装置1は、二酸化炭素(CO2)の吸蔵及び還元性能を有する触媒を利用して、二酸化炭素と水素(H2)からメタン(CH4)を製造する装置である。メタン製造装置1は、第1反応器10と、第2反応器20と、原料ガス供給部15と、還元ガス供給部25と、スラリーポンプ30とを備えている。
First Embodiment
FIG. 1 is a view for explaining a schematic configuration of the methane production apparatus 1 in the first embodiment. The methane production apparatus 1 of the present embodiment is an apparatus for producing methane (CH 4 ) from carbon dioxide and hydrogen (H 2 ) using a catalyst having storage and reduction performance of carbon dioxide (CO 2 ). The methane production apparatus 1 includes a first reactor 10, a second reactor 20, a source gas supply unit 15, a reducing gas supply unit 25, and a slurry pump 30.

メタン製造装置1では、CO2の吸蔵及び還元性能を有する触媒(以降、単に「触媒」とも呼ぶ)を利用する。例えば、本実施形態では、炭酸塩を形成してCO2を吸蔵するアルカリ金属と、アルカリ土類金属と、メタン化触媒性能を持つ金属と、のうちの少なくともいずれかの金属が含まれた触媒を利用できる。メタン製造装置1では、粉末状の上記触媒を、例えばシリコンオイルなどの流体と混合してスラリー状としたもの(以降、単に「スラリー」とも呼ぶ)を、CO2の吸蔵及び還元のために利用する。すなわち、メタン製造装置1において利用する触媒は、流体状(スラリー)とされている。 The methane production apparatus 1 uses a catalyst (hereinafter, also simply referred to as “catalyst”) having CO 2 storage and reduction performance. For example, in the present embodiment, a catalyst containing at least one of an alkali metal that forms carbonate and stores CO 2 , an alkaline earth metal, and a metal having methanation catalytic performance. Can be used. In the methane production apparatus 1, the above-mentioned powdery catalyst is mixed with a fluid such as silicone oil to make a slurry (hereinafter, also simply referred to as "slurry"), used for CO 2 storage and reduction Do. That is, the catalyst used in the methane production apparatus 1 is in the form of fluid (slurry).

第1反応器10は、原料ガスに含まれるCO2を触媒に吸蔵させるための反応器(容器)である。第1反応器10の内部にはスラリーが収容される。第1反応器10には、原料ガス供給部15からの原料ガスが流通する供給管11と、第1反応器10からの排出ガス(O2、N2等)が流通する排出管12と、スラリーポンプ30から第1反応器10へとスラリーを移送するための第2流路形成部31と、第1反応器10から第2反応器20へとスラリーを移送するための第1流路形成部13と、がそれぞれ接続されている。 The first reactor 10 is a reactor (container) for storing CO 2 contained in the raw material gas in the catalyst. The slurry is contained inside the first reactor 10. The first reactor 10 includes a supply pipe 11 through which the raw material gas from the raw material gas supply unit 15 flows, and a discharge pipe 12 through which the exhaust gas (O 2 , N 2, etc.) from the first reactor 10 flows. The second flow path forming unit 31 for transferring the slurry from the slurry pump 30 to the first reactor 10, and the first flow path formation for transferring the slurry from the first reactor 10 to the second reactor 20 The units 13 are connected to one another.

第2反応器20は、メタネーション反応のための反応器(容器)である。第2反応器20の内部では、スラリーに吸蔵されたCO2と、還元ガスに含まれるH2とを用いたサバティエ反応によって、CH4が生成される。第2反応器20の内部には、第1反応器10と同様にスラリーが収容される。第2反応器20には、還元ガス供給部25からの還元ガスが流通する供給管21と、第2反応器20での反応混合ガス(CH4等)が流通する排出管22と、第1反応器10から第2反応器20へとスラリーを移送するための第1流路形成部13と、第2反応器20からスラリーポンプ30へとスラリーを移送するための第2流路形成部23と、がそれぞれ接続されている。 The second reactor 20 is a reactor (container) for the methanation reaction. In the second reactor 20, CH 4 is produced by the Sabatier reaction using CO 2 stored in the slurry and H 2 contained in the reducing gas. The slurry is contained in the second reactor 20 in the same manner as the first reactor 10. In the second reactor 20, a supply pipe 21 through which the reduction gas from the reduction gas supply unit 25 flows, an exhaust pipe 22 through which the reaction mixture gas (CH 4 etc.) in the second reactor 20 flows, and A first flow path forming portion 13 for transferring slurry from the reactor 10 to the second reactor 20, and a second flow path forming portion 23 for transferring slurry from the second reactor 20 to the slurry pump 30 And are connected respectively.

なお、第1反応器10及び第2反応器20の大きさ(容器の径及び高さ)は、同じであってもよく、異なっていてもよい。第1反応器10及び第2反応器20の大きさは、触媒の特性に応じて決定されることが好ましく、例えば、CO2の還元速度が吸蔵速度に比べて遅い場合、第1反応器10よりも第2反応器20の大きさを大きく設計することが好ましい。そうすれば、触媒が第2反応器20に滞在する時間を、第1反応器10に滞在する時間と比較して長くすることができる。 The sizes (diameter and height of the container) of the first reactor 10 and the second reactor 20 may be the same or different. The sizes of the first reactor 10 and the second reactor 20 are preferably determined according to the characteristics of the catalyst. For example, when the reduction rate of CO 2 is slower than the storage rate, the first reactor 10 is It is preferable to design the size of the second reactor 20 larger than that. Then, the time for which the catalyst stays in the second reactor 20 can be made longer than the time for staying in the first reactor 10.

原料ガス供給部15は、第1反応器10に対して原料ガスを供給する装置であり、例えば、燃焼炉や原料ガスタンクによって構成されている。原料ガスには、CH4の生成に利用されるCO2の他にも、酸素(O2)、窒素(N2)等が含まれていてもよい。原料ガス供給部15には、原料ガス供給部15から第1反応器10への原料ガスが流通する供給管11が接続されている。本実施形態の原料ガス供給部15は、第1反応器10に対して常時、原料ガスの供給を行う。このため供給管11には、原料ガスの供給と遮断とを切り替える機構(バルブ等)を設けなくてもよい。 The raw material gas supply unit 15 is a device for supplying a raw material gas to the first reactor 10, and is constituted of, for example, a combustion furnace or a raw material gas tank. The source gas may contain oxygen (O 2 ), nitrogen (N 2 ), and the like in addition to CO 2 used for the generation of CH 4 . The raw material gas supply unit 15 is connected to a supply pipe 11 through which the raw material gas from the raw material gas supply unit 15 flows to the first reactor 10. The source gas supply unit 15 of the present embodiment always supplies the source gas to the first reactor 10. Therefore, the supply pipe 11 may not be provided with a mechanism (valve or the like) that switches between supply and shutoff of the source gas.

還元ガス供給部25は、第2反応器20に対して還元ガスを供給する装置であり、例えば、水電解装置や水素タンクによって構成されている。還元ガスには、CH4の生成に利用されるH2の他にも、N2等が含まれていてもよい。還元ガス供給部25には、還元ガス供給部25から第2反応器20への還元ガスが流通する供給管21が接続されている。本実施形態の還元ガス供給部25は、第2反応器20に対して常時、還元ガスの供給を行う。このため供給管11と同様に、供給管21には、還元ガスの供給と遮断とを切り替える機構(バルブ等)を設けなくてもよい。 The reducing gas supply unit 25 is a device for supplying a reducing gas to the second reactor 20, and is constituted of, for example, a water electrolysis device or a hydrogen tank. The reducing gas may contain N 2 or the like in addition to H 2 used to generate CH 4 . The reduction gas supply unit 25 is connected to a supply pipe 21 through which the reduction gas from the reduction gas supply unit 25 to the second reactor 20 flows. The reducing gas supply unit 25 of the present embodiment constantly supplies the reducing gas to the second reactor 20. Therefore, like the supply pipe 11, the supply pipe 21 may not be provided with a mechanism (such as a valve) that switches between the supply and shutoff of the reducing gas.

スラリーポンプ30は、第2流路上に設けられて、白抜き矢印及び破線ハッチングの矢印(図1)の方向にスラリーを移送することで、第1反応器10と第2反応器20との間でスラリーを循環させるポンプである。なお、「第1流路」は、第1反応器10から第2反応器20へとスラリーを移送するための流路であり、第1流路形成部13によって形成されている(図1:白抜き矢印)。「第2流路」は、第2反応器20から第1反応器10へとスラリーを移送するための流路であり、第2流路形成部23と第2流路形成部31とによって形成されている(図1:斜線ハッチングの矢印)。   Between the first reactor 10 and the second reactor 20, the slurry pump 30 is provided on the second flow path, and transfers the slurry in the direction of the white arrow and the dashed hatching arrow (FIG. 1). Is a pump that circulates the slurry. In addition, a "1st flow path" is a flow path for transferring a slurry from the 1st reactor 10 to the 2nd reactor 20, and is formed of the 1st flow path formation part 13 (FIG. 1: White arrow). The “second flow passage” is a flow passage for transferring the slurry from the second reactor 20 to the first reactor 10, and is formed by the second flow passage forming portion 23 and the second flow passage forming portion 31. (Figure 1: hatched arrows).

メタン製造装置1を利用したメタン製造方法について説明する。上述の通り、第1反応器10と第2反応器20とにはそれぞれ、CO2の吸蔵及び還元性能を有する触媒が収容されている。まず、第1反応器10内では、原料ガス供給部15から供給された原料ガスに含まれるCO2が、触媒に吸蔵される。原料ガスに含まれる他の成分(例えば、O2、N2等)は、排出ガスとして排出管12から排出される。なお、排出ガスは外部に放出されてもよく、例えばガス種別に分離されて図示しないガスタンクに蓄積されてもよい。 A methane production method using the methane production apparatus 1 will be described. As described above, each of the first reactor 10 and the second reactor 20 contains a catalyst having an ability to store and reduce CO 2 . First, in the first reactor 10, CO 2 contained in the source gas supplied from the source gas supply unit 15 is stored in the catalyst. The other components (for example, O 2 , N 2, etc.) contained in the source gas are discharged from the discharge pipe 12 as an exhaust gas. The exhaust gas may be discharged to the outside, for example, may be separated into gas types and stored in a gas tank (not shown).

CO2が吸蔵された状態の触媒は、スラリーポンプ30によって、第1反応器10から第1流路(図1:白抜き矢印)を通って、第2反応器20へと移送される。すなわち、第2反応器20には、CO2が吸蔵された状態の触媒が供給される。 The catalyst in a state in which CO 2 is stored is transferred by the slurry pump 30 from the first reactor 10 to the second reactor 20 through the first flow path (FIG. 1: white arrow). That is, the catalyst in a state in which CO 2 is stored is supplied to the second reactor 20.

次に、第2反応器20内では、還元ガス供給部25から供給された還元ガスに含まれるH2が、触媒に吸蔵されたCO2と反応(サバティエ反応)して、CH4を含む反応混合ガスが生成される。反応混合ガスは、排出管22から排出されて、そのまま又はガス種別に分離されて、図示しないガスタンクに蓄積される。 Next, in the second reactor 20, H 2 contained in the reducing gas supplied from the reducing gas supply unit 25 reacts with CO 2 stored in the catalyst (Sabatier reaction), and a reaction containing CH 4 A mixed gas is produced. The reaction mixed gas is discharged from the discharge pipe 22 and separated as it is or by the type of gas, and accumulated in a gas tank (not shown).

CO2が吸蔵された後の触媒は、スラリーポンプ30によって、第2反応器20から第2流路(図1:斜線ハッチングの矢印)を通って、再び第1反応器10へと移送される。すなわち、第1反応器10には、CO2が吸蔵されていない状態の触媒が供給される。 The catalyst after CO 2 storage is transferred from the second reactor 20 to the first reactor 10 through the second flow path (FIG. 1: hatched arrows) by the slurry pump 30. . That is, the catalyst in a state where CO 2 is not stored is supplied to the first reactor 10.

このように、本実施形態のメタン製造装置1では、第1,2反応器10,20に収容する触媒を流動可能なスラリー状として、かつ、第1,2流路形成部13,23,31及びスラリーポンプ30によって、CO2を触媒に吸蔵させるための第1反応器10と、メタネーション反応のための第2反応器20と、の間でスラリーを循環させる。このため、本実施形態のメタン製造装置1では、従来のように、単一の反応器内で、原料ガスからの二酸化炭素(CO2)の吸蔵工程と、還元ガスを用いたCO2のメタン(CH4)化工程との両方を実施する必要がなく、第1,2反応器10,20には、それぞれ常時同一のガスを供給できる。この結果、本実施形態のメタン製造装置1によれば、反応器へのガスの切り替えと、これに伴う多数のバルブが必要ないため、メタン製造装置1の装置構成を簡略化できる。 As described above, in the methane production apparatus 1 of the present embodiment, the catalyst contained in the first and second reactors 10 and 20 is made in the form of a slurry capable of flowing, and the first and second flow passage forming portions 13, 23 and 31 The slurry is circulated between the first reactor 10 for storing CO 2 in the catalyst and the second reactor 20 for the methanation reaction by the slurry pump 30. For this reason, in the methane production apparatus 1 of the present embodiment, as in the prior art, the storage step of carbon dioxide (CO 2 ) from the raw material gas and methane of CO 2 using the reducing gas in a single reactor It is not necessary to carry out both the (CH 4 ) conversion step, and the first and second reactors 10 and 20 can always be supplied with the same gas. As a result, according to the methane production apparatus 1 of the present embodiment, it is possible to simplify the apparatus configuration of the methane production apparatus 1 because it is not necessary to switch the gas to the reactor and a large number of valves associated therewith.

図2は、メタン(CH4)生成量の時間変化を表す図である。縦軸はCH4生成量[mol/min]を表し、横軸は時間を表す。図2には、本実施形態のメタン製造装置1によるCH4生成量の変化Sと、第1比較例のメタン製造装置によるCH4生成量の変化S1と、第2比較例のメタン製造装置によるCH4生成量の変化S2(1)及び(2)とを示す。第1比較例は、CO2の吸蔵及び還元性能を有する固形状の触媒層を収容した単一の反応器内で、原料ガスからCO2を吸蔵する第1工程と、吸蔵されたCO2を還元してCH4を生成する第2工程とを逐次的に実施するメタン製造装置である。第2比較例は、第1比較例と同様の構成で、反応器を多段化したメタン製造装置である。 FIG. 2 is a diagram showing time change of methane (CH 4 ) production amount. The vertical axis represents CH 4 production [mol / min], and the horizontal axis represents time. In FIG. 2, the change S of the CH 4 production amount by the methane production apparatus 1 of this embodiment, the change S 1 of the CH 4 production amount by the methane production apparatus of the first comparative example, and the methane production apparatus of the second comparative example CH 4 production amount of change S2 (1) and showing the (2). The first comparative example, in a single reactor containing a solid catalyst layer having absorbing and reduction performance of CO 2, a first step of storing CO 2 from the raw material gas, the occluded CO 2 reduced to methane production apparatus for sequentially carrying out a second step of generating a CH 4. The second comparative example is a methane production apparatus in which reactors are multi-staged in the same configuration as the first comparative example.

図2の変化S1(一点鎖線)から明らかなように、第1比較例では、原料ガスからCO2を吸蔵する第1工程が実行される時間tnからtn+1の間は、CH4の生成が行われない。なお、「n」は処理開始後の任意の時刻を意味する。さらに、第1比較例では、吸蔵されたCO2を還元してCH4を生成する第2工程が実行される時間tn+1からtn+2の間についても、メタン生成量は放物線状となり、一定値を採らない。これは、還元ガス供給用のバルブを開閉してから還元ガス流量が安定するまでの間に時間遅れが生じることや、時間経過に伴って触媒層内に吸蔵されているCO2の総量や分布に変化が生じることなどに起因する。 As apparent from the change S1 (one-dot chain line) in FIG. 2, in the first comparative example, the CH 4 is performed during the time t n to t n + 1 when the first step of storing CO 2 from the source gas is performed. Does not occur. In addition, "n" means arbitrary time after the process start. Furthermore, in the first comparative example, the methane production amount is parabolic even during time t n + 1 to t n + 2 in which the second step of reducing occluded CO 2 to generate CH 4 is performed. It does not take a fixed value. This is because there is a time delay between the opening and closing of the reducing gas supply valve and the stabilization of the reducing gas flow rate, and the total amount and distribution of CO 2 stored in the catalyst layer with the passage of time. Cause changes, etc.

図2において破線で示す変化S2(1)は、第2比較例の1段目の反応器によるメタン生成量を表し、変化S2(2)は、第2比較例の2段目の反応器によるメタン生成量を表す。反応器を多段化して第1,2工程のタイミングをずらすことにより、例えば、時間tnからtn+1の間は1段目の反応器によってCH4を生成し、時間tn+1からtn+2の間は2段目の反応器によってCH4を生成する、といった連続処理が可能となる。しかし、第2比較例においても第1比較例と同様に、各反応器におけるメタン生成量は放物線状となり、一定値を採らない。理由は上述の通りである。また、反応器を多段化した場合、上述の通り原料ガスを連続処理することは可能になるものの、時間経過に伴って触媒層内に吸蔵されているCO2の総量や分布に変化が生じるため、メタン生成量の変化S2(1)とS2(2)とは必ずしも同一軌跡の放物線とならない。 A change S2 (1) indicated by a broken line in FIG. 2 represents the amount of methane produced by the first stage reactor of the second comparative example, and a change S2 (2) occurs by the second stage reactor of the second comparative example. Represents methane production. For example, CH 4 is generated by the first stage reactor between time t n and t n + 1 by shifting the timings of the first and second steps by multi-staging the reactor, and from time t n + 1 During t n +2 , continuous processing is possible such that CH 4 is produced by the second stage reactor. However, also in the second comparative example, as in the first comparative example, the methane production amount in each reactor is parabolic and does not take a constant value. The reason is as described above. In addition, when the reactor is multistaged, although it becomes possible to continuously process the source gas as described above, the total amount and distribution of CO 2 stored in the catalyst layer change with the passage of time. The changes S2 (1) and S2 (2) of the methane production amount do not necessarily have the same locus of parabola.

これに対して、本実施形態のメタン製造装置1では、上述の通り、反応器へのガスの切り替えが必要ないため、原料ガス供給部15から第1反応器10への原料ガスの流量と、還元ガス供給部25から第2反応器20への還元ガスの流量とを定常化できる。また、第1,2反応器10,20内に収容される触媒は流動可能なスラリー状である。このため、第1,2反応器10,20の間のみならず、各反応器10,20の内部においてもスラリーが流動することによって、触媒に吸蔵されているCO2の総量や分布を均一化すると共に、反応器内の温度を均一化することができる。これらの結果、本実施形態のメタン製造装置1では、図2の変化S(実線)から明らかなように、メタン生成量を定常化することができる。すなわち、本実施形態のメタン製造装置1では、従来の構成では困難であった定常的なCH4の生成が実現でき、負荷変動に対するロバスト性を向上できる。 On the other hand, in the methane production apparatus 1 of the present embodiment, as described above, it is not necessary to switch the gas to the reactor, the flow rate of the source gas from the source gas supply unit 15 to the first reactor 10; The flow rate of the reducing gas from the reducing gas supply unit 25 to the second reactor 20 can be made steady. The catalyst contained in the first and second reactors 10 and 20 is in the form of a fluidizable slurry. Therefore, the slurry flows not only between the first and second reactors 10 and 20 but also in each of the reactors 10 and 20, so that the total amount and distribution of CO 2 stored in the catalyst are equalized. In addition, the temperature in the reactor can be made uniform. As a result of these, in the methane production apparatus 1 of the present embodiment, as is apparent from the change S (solid line) in FIG. 2, the methane production amount can be made steady. That is, in the methane production apparatus 1 of the present embodiment, the steady generation of CH 4 which is difficult in the conventional configuration can be realized, and the robustness against load fluctuation can be improved.

以上説明した通り、本実施形態のメタン製造装置1によれば、CO2の吸蔵及び還元性能を有する触媒を用いたメタンの製造において、装置構成の簡略化と、メタン生成量の定常化を図ることができる。さらに、メタン製造装置1によれば、第1,2反応器10,20内における触媒の滞留時間を、スラリーポンプ30の流量を変化させることで制御できる。このため例えば、原料ガス供給部15から第1反応器10へ供給される原料ガスの流量や組成(CO2の含有量)が変化した場合であっても、第1反応器10における目標CO2回収率を実現するために必要な滞留時間を容易に確保できる。 As described above, according to the methane production apparatus 1 of the present embodiment, simplification of the apparatus configuration and stabilization of the methane production amount are achieved in production of methane using a catalyst having CO 2 storage and reduction performance. be able to. Furthermore, according to the methane production apparatus 1, the residence time of the catalyst in the first and second reactors 10 and 20 can be controlled by changing the flow rate of the slurry pump 30. Therefore, for example, even when the flow rate and the composition (content of CO 2 ) of the raw material gas supplied from the raw material gas supply unit 15 to the first reactor 10 change, the target CO 2 in the first reactor 10 The residence time required to achieve the recovery rate can be easily secured.

<第2実施形態>
図3は、第2実施形態におけるメタン製造装置1aの概略構成を説明する図である。第2実施形態では、次の反応器へ移動する触媒中に残留したガスの排出が可能な構成について説明する。第2実施形態のメタン製造装置1aは、上述した第1実施形態の各構成に加えてさらに、第3反応器40と、第4反応器50と、第1パージガス供給部45と、第2パージガス供給部55とを備えている。以下、第1実施形態と相違する部分について説明する。
Second Embodiment
FIG. 3 is a view for explaining the schematic configuration of a methane production apparatus 1a in the second embodiment. In the second embodiment, a configuration in which the gas remaining in the catalyst moving to the next reactor can be discharged will be described. The methane production apparatus 1a of the second embodiment further includes a third reactor 40, a fourth reactor 50, a first purge gas supply unit 45, and a second purge gas, in addition to the components of the first embodiment described above. And a supply unit 55. The differences from the first embodiment will be described below.

第3反応器40は、第1流路上に設けられて、第1反応器10から第2反応器20へ移送されるスラリーに含まれる触媒中に残留したガス(O2、N2等)を排出するための反応器(容器)である。第3反応器40の内部には、第1反応器10と同様にスラリーが収容される。第3反応器40には、第1パージガス供給部45からのパージガスが流通する供給管41と、第3反応器40からの排出ガスが流通する排出管42と、第1反応器10から第3反応器40へとスラリーを移送するための第1流路形成部13aと、第3反応器40から第2反応器20へとスラリーを移送するための第1流路形成部43と、がそれぞれ接続されている。 The third reactor 40 is provided on the first flow path, and the gas (O 2 , N 2, etc.) remaining in the catalyst contained in the slurry transferred from the first reactor 10 to the second reactor 20 is It is a reactor (container) for discharging. The slurry is contained in the third reactor 40 as in the first reactor 10. The third reactor 40 includes a supply pipe 41 through which the purge gas from the first purge gas supply unit 45 flows, an exhaust pipe 42 through which the exhaust gas from the third reactor 40 flows, and the first reactor 10 to the third reactor 40. A first flow passage forming portion 13a for transferring the slurry to the reactor 40 and a first flow passage forming portion 43 for transferring the slurry from the third reactor 40 to the second reactor 20 are respectively provided. It is connected.

第4反応器50は、第2流路上に設けられて、第2反応器20から第1反応器10へ移送されるスラリーに含まれる触媒中に残留したガス(H2等)を排出するための反応器(容器)である。第4反応器50の内部には、第1反応器10と同様にスラリーが収容される。第4反応器50には、第2パージガス供給部55からのパージガスが流通する供給管51と、第4反応器50からの排出ガスが流通する排出管52と、第2反応器20から第4反応器50へとスラリーを移送するための第2流路形成部23aと、第4反応器50からスラリーポンプ30へとスラリーを移送するための第2流路形成部53と、がそれぞれ接続されている。 The fourth reactor 50 is provided on the second flow path and is for discharging a gas (such as H 2 ) remaining in the catalyst contained in the slurry transferred from the second reactor 20 to the first reactor 10. Reactor (container). The slurry is contained in the fourth reactor 50 in the same manner as the first reactor 10. In the fourth reactor 50, the supply pipe 51 through which the purge gas from the second purge gas supply unit 55 flows, the discharge pipe 52 through which the exhaust gas from the fourth reactor 50 flows, and the second reactor 20 to the fourth A second flow passage forming portion 23a for transferring the slurry to the reactor 50 and a second flow passage forming portion 53 for transferring the slurry from the fourth reactor 50 to the slurry pump 30 are connected, respectively. ing.

第1パージガス供給部45は、第3反応器40に対してパージガスを供給する装置であり、例えば、窒素ガス発生装置や窒素タンクによって構成されている。パージガスには、残留ガスの排出に使用されるN2のほかにも、CO2、O2等が含まれていてもよい。第1パージガス供給部45には、第1パージガス供給部45から第3反応器40へのパージガスが流通する供給管41が接続されている。本実施形態の第1パージガス供給部45は、第3反応器40に対して常時、パージガスの供給を行う。このため供給管11と同様に、供給管41には、パージガスの供給と遮断とを切り替える機構(バルブ等)は設けなくてもよい。第2パージガス供給部55は、第4反応器50に対してパージガスを供給する装置であり、詳細は第1パージガス供給部45と同様である。第2パージガス供給部55には、第2パージガス供給部55から第4反応器50へのパージガスが流通する供給管51が接続されている。 The first purge gas supply unit 45 is a device for supplying a purge gas to the third reactor 40, and is constituted of, for example, a nitrogen gas generator or a nitrogen tank. The purge gas may contain CO 2 , O 2 and the like in addition to N 2 used for discharging the residual gas. The supply pipe 41 through which the purge gas from the first purge gas supply unit 45 to the third reactor 40 flows is connected to the first purge gas supply unit 45. The first purge gas supply unit 45 of the present embodiment always supplies the purge gas to the third reactor 40. Therefore, like the supply pipe 11, the supply pipe 41 may not be provided with a mechanism (valve or the like) that switches between supply and shutoff of the purge gas. The second purge gas supply unit 55 is an apparatus for supplying a purge gas to the fourth reactor 50, and the details thereof are the same as the first purge gas supply unit 45. The second purge gas supply unit 55 is connected to a supply pipe 51 through which the purge gas from the second purge gas supply unit 55 to the fourth reactor 50 flows.

第2実施形態では、第1流路形成部13aと第1流路形成部43とが「第1流路」を形成し、第2流路形成部23aと第2流路形成部53と第2流路形成部31とが「第2流路」を形成する。なお、上述した構成において、第3反応器40及び第1パージガス供給部45と、第4反応器50及び第2パージガス供給部55と、のうちの少なくとも一方は省略してもよい。また、第1パージガス供給部45と第2パージガス供給部55とを単一のパージガス供給部により構成してもよい。この場合、単一のパージガス供給部に対して、第3反応器40へパージガスを供給する供給管41と、第4反応器50へパージガスを供給する供給管51との両方が接続される。   In the second embodiment, the first flow passage forming portion 13a and the first flow passage forming portion 43 form a "first flow passage", and the second flow passage forming portion 23a, the second flow passage forming portion 53, and the second The two flow passage forming portion 31 forms a "second flow passage". In the configuration described above, at least one of the third reactor 40 and the first purge gas supply unit 45, and the fourth reactor 50 and the second purge gas supply unit 55 may be omitted. Further, the first purge gas supply unit 45 and the second purge gas supply unit 55 may be configured by a single purge gas supply unit. In this case, both a supply pipe 41 for supplying the purge gas to the third reactor 40 and a supply pipe 51 for supplying the purge gas to the fourth reactor 50 are connected to a single purge gas supply unit.

このように、第2実施形態のメタン製造装置1aでは、上述した第1実施形態と同様の効果を奏することができる。さらに、第2実施形態のメタン製造装置1aでは、第3反応器40を用いて、第1流路上を移送されるスラリーに含まれる触媒中に残留したガス(O2、N2等)を排出できる。また、第4反応器を用いて、第2流路上を移送されるスラリーに含まれる触媒中に残留したガス(H2、N2等)を排出できる。この結果、第2実施形態のメタン製造装置1aでは、第1,2反応器10,20内においてO2とH2とが混在することを抑制できる。 Thus, in the methane production apparatus 1a of the second embodiment, the same effect as that of the above-described first embodiment can be obtained. Furthermore, in the methane production apparatus 1a of the second embodiment, the third reactor 40 is used to discharge the gas (O 2 , N 2, etc.) remaining in the catalyst contained in the slurry transferred on the first flow path. it can. Moreover, the gas (H 2 , N 2, etc.) remaining in the catalyst contained in the slurry transferred on the second flow path can be discharged using the fourth reactor. As a result, in the methane production apparatus 1a of the second embodiment, the mixture of O 2 and H 2 in the first and second reactors 10 and 20 can be suppressed.

<第3実施形態>
図4は、第3実施形態におけるメタン製造装置1bの概略構成を説明する図である。第3実施形態では、第2実施形態と同様に、次の反応器へ移動する触媒中に残留したガスの排出が可能な構成について説明する。第3実施形態のメタン製造装置1bは、上述した第1実施形態の各構成に加えてさらに、第1気液分離器60と、第2気液分離器70とを備えている。
Third Embodiment
FIG. 4 is a view for explaining the schematic configuration of a methane production apparatus 1b in the third embodiment. In the third embodiment, as in the second embodiment, a configuration capable of discharging the gas remaining in the catalyst moving to the next reactor will be described. The methane production apparatus 1b of the third embodiment further includes a first gas-liquid separator 60 and a second gas-liquid separator 70 in addition to the components of the first embodiment described above.

第1気液分離器60は、第1流路上に設けられて、第1反応器10から第2反応器20へ移送されるスラリーに含まれる触媒中に残留したガス(O2、N2等)を分離、排出するための気液分離器である。第1気液分離器60の内部には、第1反応器10と同様にスラリーが収容される。第1気液分離器60には、第1反応器10から第1気液分離器60へとスラリーを移送するための第1流路形成部13bと、第1気液分離器60から第2反応器20へとスラリーを移送するための第1流路形成部61とがそれぞれ接続されている。 The first gas-liquid separator 60 is provided on the first flow path, and the gas (O 2 , N 2, etc.) remaining in the catalyst contained in the slurry transferred from the first reactor 10 to the second reactor 20 ) Is a gas-liquid separator for separating and discharging. The slurry is contained in the first gas-liquid separator 60 as in the first reactor 10. In the first gas-liquid separator 60, a first flow path forming portion 13b for transferring the slurry from the first reactor 10 to the first gas-liquid separator 60, and a second gas-liquid separator 60 from the first gas-liquid separator 60 A first flow path forming unit 61 for transferring the slurry to the reactor 20 is connected to each other.

第2気液分離器70は、第2流路上に設けられて、第2反応器20から第1反応器10へ移送されるスラリーに含まれる触媒中に残留したガス(H2、N2等)を分離、排出するための気液分離器である。第2気液分離器70の内部には、第1反応器10と同様にスラリーが収容される。第2気液分離器70には、第2反応器20から第2気液分離器70へとスラリーを移送するための第2流路形成部23bと、第2気液分離器70からスラリーポンプ30へとスラリーを移送するための第2流路形成部71と、がそれぞれ接続されている。 The second gas-liquid separator 70 is provided on the second flow path, and the gas (H 2 , N 2, etc.) remaining in the catalyst contained in the slurry transferred from the second reactor 20 to the first reactor 10 ) Is a gas-liquid separator for separating and discharging. The slurry is contained in the second gas-liquid separator 70 as in the first reactor 10. In the second gas-liquid separator 70, a second flow path forming portion 23b for transferring the slurry from the second reactor 20 to the second gas-liquid separator 70, and a slurry pump from the second gas-liquid separator 70. A second flow path forming portion 71 for transferring the slurry to the surface 30 is connected to each other.

第3実施形態では、第1流路形成部13bと第1流路形成部61とが「第1流路」を形成し、第2流路形成部23bと第2流路形成部71と第2流路形成部31とが「第2流路」を形成する。なお、上述した構成において、第1気液分離器60及び第2気液分離器70のうちの少なくとも一方は省略してもよい。   In the third embodiment, the first flow passage forming portion 13 b and the first flow passage forming portion 61 form the “first flow passage”, and the second flow passage forming portion 23 b, the second flow passage forming portion 71, and the second flow passage forming portion The two flow passage forming portion 31 forms a "second flow passage". In the configuration described above, at least one of the first gas-liquid separator 60 and the second gas-liquid separator 70 may be omitted.

このように、第3実施形態のメタン製造装置1bでは、上述した第1実施形態と同様の効果を奏することができる。さらに、第3実施形態のメタン製造装置1bでは、第1気液分離器60を用いて、第1流路上を移送されるスラリーに含まれる触媒中に残留したガス(O2、N2等)を排出できる。また、第2気液分離器70を用いて、第2流路上を移送されるスラリーに含まれる触媒中に残留したガス(H2、N2等)を排出できる。この結果、第3実施形態のメタン製造装置1bにおいても、第1,2反応器10,20内においてO2とH2とが混在することを抑制できる。 Thus, in the methane production apparatus 1b of the third embodiment, the same effect as that of the above-described first embodiment can be obtained. Furthermore, in the methane production apparatus 1b of the third embodiment, using the first gas-liquid separator 60, gas (O 2 , N 2 etc.) remaining in the catalyst contained in the slurry transferred on the first flow path Can be discharged. In addition, the second gas-liquid separator 70 can discharge the gas (H 2 , N 2, etc.) remaining in the catalyst contained in the slurry transferred on the second flow path. As a result, also in the methane production apparatus 1b of the third embodiment, coexistence of O 2 and H 2 in the first and second reactors 10 and 20 can be suppressed.

<第4実施形態>
図5は、第4実施形態におけるメタン製造装置1cの概略構成を説明する図である。第4実施形態では、スラリーポンプ30の流量と、還元ガス供給部25からの還元ガスの供給量とを制御可能な構成について説明する。第4実施形態のメタン製造装置1cは、上述した第1実施形態の各構成に加えてさらに、第1流量計91と、第2流量計92と、第1濃度計95と、第2濃度計96と、マスフローコントローラ80と、制御部100とを備えている。
Fourth Embodiment
FIG. 5 is a view for explaining the schematic configuration of a methane production apparatus 1c in the fourth embodiment. In the fourth embodiment, a configuration capable of controlling the flow rate of the slurry pump 30 and the supply amount of reducing gas from the reducing gas supply unit 25 will be described. The methane production apparatus 1c according to the fourth embodiment further includes a first flow meter 91, a second flow meter 92, a first concentration meter 95, and a second concentration meter, in addition to the components of the first embodiment described above. A mass flow controller 80 and a control unit 100 are provided.

第1流量計91は、原料ガス供給部15から第1反応器10へと供給される原料ガスの流量を計測する流量センサであり、供給管11に設けられている。第1流量計91には種々の形式を採用でき、例えば、カルマン渦式、熱式、超音波式等を採用できる。第1流量計91は、原料ガスの流量を取得する「第1流量取得部」として機能する。なお、制御部100が、原料ガス供給部15を構成する装置(例えば、燃焼炉や原料ガスタンク)から原料ガスの流量の情報を取得可能な場合、制御部100を第1流量取得部として機能させて、第1流量計91は省略してもよい。   The first flow meter 91 is a flow sensor that measures the flow rate of the source gas supplied from the source gas supply unit 15 to the first reactor 10, and is provided in the supply pipe 11. Various types can be adopted as the first flow meter 91, and for example, a Karman vortex type, a thermal type, an ultrasonic type, etc. can be adopted. The first flow meter 91 functions as a “first flow rate acquisition unit” that acquires the flow rate of the source gas. When the control unit 100 can obtain information on the flow rate of the raw material gas from an apparatus (for example, a combustion furnace or a raw material gas tank) constituting the raw material gas supply unit 15, the control unit 100 functions as a first flow rate acquisition unit The first flow meter 91 may be omitted.

第1濃度計95は、原料ガス供給部15から第1反応器10へと供給される原料ガスのCO2濃度を計測する濃度センサであり、供給管11において原料ガス供給部15のガス噴出口の近傍に設けられている。第1濃度計95は、原料ガス中のCO2濃度を取得する「第1濃度取得部」として機能する。なお、制御部100が、原料ガス供給部15を構成する装置から原料ガス中のCO2濃度の情報を取得可能な場合、制御部100を第1濃度取得部として機能させて、第1濃度計95は省略してもよい。 The first densitometer 95 is a concentration sensor that measures the CO 2 concentration of the raw material gas supplied from the raw material gas supply unit 15 to the first reactor 10, and the gas jet port of the raw material gas supply unit 15 in the supply pipe 11 In the vicinity of the The first concentration meter 95 functions as a “first concentration acquisition unit” that acquires the CO 2 concentration in the source gas. When the control unit 100 can obtain information on the concentration of CO 2 in the raw material gas from the apparatus constituting the raw material gas supply unit 15, the control unit 100 functions as a first concentration acquisition unit to make the first concentration meter 95 may be omitted.

第2流量計92は、第1反応器10から排出される排出ガスの流量を計測する流量センサであり、排出管12に設けられている。第2流量計92は、第1流量計91と同様に種々の形式を採用できる。第2流量計92は、排出ガスの流量を取得する「第2流量取得部」として機能する。第2濃度計96は、第1反応器10から排出される排出ガス中のCO2濃度を計測する濃度センサであり、排出管12において第1反応器10のガス噴出口の近傍に設けられている。第2濃度計96は、排出ガス中のCO2濃度を取得する「第2濃度取得部」として機能する。 The second flow meter 92 is a flow sensor that measures the flow rate of the exhaust gas discharged from the first reactor 10, and is provided to the discharge pipe 12. Similar to the first flow meter 91, the second flow meter 92 can adopt various types. The second flow meter 92 functions as a “second flow rate acquisition unit” that acquires the flow rate of the exhaust gas. The second concentration meter 96 is a concentration sensor that measures the concentration of CO 2 in the exhaust gas discharged from the first reactor 10, and is provided in the vicinity of the gas outlet of the first reactor 10 in the discharge pipe 12 There is. The second concentration meter 96 functions as a “second concentration acquisition unit” that acquires the CO 2 concentration in the exhaust gas.

マスフローコントローラ80は、図示しない流量センサや流量制御バルブ等を含み、還元ガス供給部25から第2反応器20へと供給される還元ガスの流量を制御する装置であり、供給管21に設けられている。   The mass flow controller 80 is a device that includes a flow rate sensor, a flow rate control valve, and the like (not shown) and controls the flow rate of the reducing gas supplied from the reducing gas supply unit 25 to the second reactor 20. ing.

制御部100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、メタン製造装置1cの各部を制御する。制御部100は、第1,2流量計91,92、第1,2濃度計95,96と電気的に接続され、各流量計及び各濃度計の計測値を取得する。また、制御部100は、スラリーポンプ30、マスフローコントローラ80と電気的に接続され、スラリーポンプ30とマスフローコントローラ80とを制御する。制御部100には、スラリーポンプ30の制御に使用されるポンプ流量マップ101と、マスフローコントローラ80の制御に使用される還元ガス流量マップ102とが予め記憶されている。   The control unit 100 is a computer configured to include a ROM, a RAM, and a CPU, and controls each unit of the methane production apparatus 1c. The control unit 100 is electrically connected to the first and second flow meters 91 and 92, and the first and second densitometers 95 and 96, and acquires measurement values of each flow meter and each densitometer. Further, the control unit 100 is electrically connected to the slurry pump 30 and the mass flow controller 80, and controls the slurry pump 30 and the mass flow controller 80. The control unit 100 stores in advance a pump flow rate map 101 used to control the slurry pump 30 and a reducing gas flow rate map 102 used to control the mass flow controller 80.

図6は、ポンプ流量マップ101と還元ガス流量マップ102の概念図である。図6(A)には、ポンプ流量マップ101の概念図を示す。ポンプ流量マップ101において、縦軸は原料ガス中のCO2濃度(XCO2_in)を表し、横軸は原料ガスの流量(Qin[slm])を表す。マップの濃淡はスラリーポンプ30の流量を表し、色が濃いほどスラリーポンプ30の流量が多く、薄いほどスラリーポンプ30の流量が少ないことを意味する。 FIG. 6 is a conceptual view of the pump flow rate map 101 and the reduction gas flow rate map 102. As shown in FIG. FIG. 6A shows a conceptual diagram of the pump flow rate map 101. As shown in FIG. In pump flow map 101, the vertical axis represents the concentration of CO 2 in the feed gas (X CO2 _ in), the abscissa represents the flow rate of the source gas (Q in [slm]). The density of the map represents the flow rate of the slurry pump 30, and the darker the color, the higher the flow rate of the slurry pump 30, and the thinner the color, the smaller the flow rate of the slurry pump 30.

原料ガス中のCO2濃度が高ければ高いほど、また、第1反応器10へ単位時間あたりに供給される原料ガスの流量が多ければ多いほど、触媒によるCO2の吸蔵に時間を要するため、スラリーポンプ30の流量は少なくする必要がある。このため、ポンプ流量マップ101では、スラリーポンプ30の流量を、原料ガス中のCO2濃度と、原料ガスの流量との両方に反比例させている。ポンプ流量マップ101は、実験等により事前に求められ、制御部100内の記憶部(ROM等)に記憶されている。 As the concentration of CO 2 in the source gas is higher, and as the flow rate of the source gas supplied to the first reactor 10 per unit time is larger, it takes more time for CO 2 storage by the catalyst, The flow rate of the slurry pump 30 needs to be reduced. Therefore, in the pump flow rate map 101, the flow rate of the slurry pump 30 is inversely proportional to both the CO 2 concentration in the source gas and the flow rate of the source gas. The pump flow rate map 101 is obtained in advance by an experiment or the like, and stored in a storage unit (ROM or the like) in the control unit 100.

図6(B)には、還元ガス流量マップ102の概念図を示す。還元ガス流量マップ102において、縦軸は第1反応器10におけるCO2回収量(Qad[slm])を表し、横軸はスラリーポンプ30の流量(Qs[slm])を表す。マップの濃淡はマスフローコントローラ80により制御される還元ガスの流量を表し、色が濃いほど還元ガスの流量が多く、薄いほど還元ガスの流量が少ないことを意味する。 FIG. 6B shows a conceptual diagram of the reducing gas flow rate map 102. As shown in FIG. In the reducing gas flow rate map 102, the vertical axis represents the amount of recovered CO 2 (Q ad [slm]) in the first reactor 10, and the horizontal axis represents the flow rate (Q s [slm]) of the slurry pump 30. The density of the map represents the flow rate of the reducing gas controlled by the mass flow controller 80. The darker the color, the higher the flow rate of the reducing gas, and the thinner the color, the smaller the flow rate of the reducing gas.

第1反応器10におけるCO2回収量(触媒中に吸蔵されたCO2の量)は、第2反応器20において還元を要するCO2の量を意味する。また、スラリーポンプ30の流量は、第2反応器20に対して単位時間あたりに供給される触媒の量を意味する。このため、第1反応器10におけるCO2回収量が多ければ多いほど、また、スラリーポンプ30の流量が多ければ多いほど、CO2還元のためのH2を多く消費するため、還元ガスの流量を多くする必要がある。このため、還元ガス流量マップ102では、還元ガスの流量を、第1反応器10におけるCO2回収量と、スラリーポンプ30の流量との両方に比例させている。還元ガス流量マップ102は、ポンプ流量マップ101と同様に実験等により事前に求められ、制御部100内の記憶部(ROM等)に記憶されている。 CO 2 recovery amount in the first reactor 10 (the amount of CO 2 that is occluded in the catalyst) is meant the amount of CO 2 that requires reduction in the second reactor 20. Further, the flow rate of the slurry pump 30 means the amount of catalyst supplied to the second reactor 20 per unit time. Therefore, as the amount of recovered CO 2 in the first reactor 10 increases and as the flow rate of the slurry pump 30 increases, more H 2 for CO 2 reduction is consumed, so the flow rate of the reducing gas Need to do more. Therefore, in the reducing gas flow rate map 102, the flow rate of the reducing gas is made proportional to both the CO 2 recovery amount in the first reactor 10 and the flow rate of the slurry pump 30. Similar to the pump flow rate map 101, the reduction gas flow rate map 102 is obtained in advance by experiments and the like, and is stored in a storage unit (ROM or the like) in the control unit 100.

なお、図6に示したポンプ流量マップ101及び還元ガス流量マップ102は、使用する触媒におけるCO2の吸蔵速度及び還元速度、使用する第1反応器10及び第2反応器20の大きさ、目標とするCO2の回収率、原料ガス及び還元ガスの組成によって変動する。このため、以降の流量制御においてこれらの各条件を変更したい場合、ポンプ流量マップ101と還元ガス流量マップ102とは再作成を要する。 The pump flow rate map 101 and the reduction gas flow rate map 102 shown in FIG. 6 indicate the CO 2 storage rate and reduction rate in the catalyst used, the size of the first reactor 10 and the second reactor 20 used, and the target It fluctuates depending on the recovery rate of CO 2 and the composition of the source gas and the reducing gas. Therefore, when it is desired to change each of these conditions in the subsequent flow control, the pump flow map 101 and the reduction gas flow map 102 need to be re-created.

図7は、制御部100による流量制御の手順を示すフローチャートである。流量制御は、メタン製造装置1cの動作開始後に実行され、メタン製造装置1cの動作中は絶えず実行されている。なお、以降の説明では、原料ガス供給部15として燃焼炉を例示し、原料ガス中のCO2濃度と、原料ガスの流量とが絶えず変動する場合を例示する。 FIG. 7 is a flowchart showing the flow control procedure by the control unit 100. The flow control is performed after the start of the operation of the methane production apparatus 1c, and is constantly performed during the operation of the methane production apparatus 1c. In the following description, a combustion furnace is illustrated as the source gas supply unit 15, and the case where the concentration of CO 2 in the source gas and the flow rate of the source gas constantly fluctuate is illustrated.

ステップS10において制御部100は、制御に使用する時間変数t[秒]を0に初期化する。ステップS12において制御部100は、第1流量計91により計測された原料ガスの流量Qin(t)[slm]と、第1濃度計95により計測された原料ガス中のCO2濃度XCO2_in(t)と、を取得する。ステップS14において制御部100は、ポンプ流量マップ101を参照し、ステップS12での各取得値を用いて、スラリーポンプ30の流量Qs(t)[slm]を求める。ステップS16において制御部100は、スラリーポンプ30の流量を、ステップS14で求めた流量Qs(t)へと変更する。 In step S10, the control unit 100 initializes a time variable t [seconds] used for control to zero. Control unit in step S12 100 includes a flow rate Q in (t) [slm] of the raw material gas measured by the first flow meter 91, CO 2 concentration in the feed gas measured by the first densitometer 95 X CO2 _ Get in (t) and In step S14, the control unit 100 refers to the pump flow rate map 101 and obtains the flow rate Q s (t) [slm] of the slurry pump 30 using each acquired value in step S12. In step S16, the control unit 100 changes the flow rate of the slurry pump 30 to the flow rate Q s (t) obtained in step S14.

ステップS18において制御部100は、第2流量計92により計測された第1反応器10からの排出ガスの流量Qout(t)[slm]と、第2濃度計96により計測された第1反応器10からの排出ガス中のCO2濃度XCO2_out(t)と、を取得する。ステップS20において制御部100は、ステップS18での各取得値を用いて、次の数式1から第1反応器10におけるCO2回収量Qad(t)[slm]を求める。 In step S18, the control unit 100 controls the flow rate Q out (t) [slm] of the exhaust gas from the first reactor 10 measured by the second flow meter 92 and the first reaction measured by the second densitometer 96. and CO 2 concentration in the exhaust gas from the vessel 10 X CO2 _ out (t) , to obtain the. In step S20, the control unit 100 obtains the CO 2 recovery amount Q ad (t) [slm] in the first reactor 10 from the following equation 1 using each acquired value in step S18.

Figure 2019123678
Figure 2019123678

ステップS22において制御部100は、還元ガス流量マップ102を参照し、ステップS20で求めたCO2回収量Qad(t)と、ステップS14で求めたスラリーポンプ30の流量Qs(t)とを用いて、還元ガスの流量Qr(t)[slm]を求める。ステップS24において制御部100は、マスフローコントローラ80からの還元ガスの流量を、ステップS22で求めた流量Qr(t)へと変更する。 In step S22, the control unit 100 refers to the reducing gas flow rate map 102 and calculates the CO 2 recovery amount Q ad (t) determined in step S20 and the flow rate Q s (t) of the slurry pump 30 determined in step S14. Using this, the flow rate Q r (t) [slm] of the reducing gas is obtained. In step S24, the control unit 100 changes the flow rate of the reducing gas from the mass flow controller 80 to the flow rate Q r (t) obtained in step S22.

ステップS26において制御部100は、第1時間(Δt)[秒]が経過したか否かを判定する。なお、第1時間Δtは予め任意に決定することができ、例えば0.1〜5秒程度の任意の値とできる。第1時間が経過していない場合(ステップS26:NO)、制御部100は処理をステップS26に遷移させ、第1時間の経過を監視する。第1時間が経過した場合(ステップS26:YES)、制御部100は処理をステップS28へ遷移させる。   In step S26, the control unit 100 determines whether the first time (Δt) [seconds] has elapsed. The first time Δt can be arbitrarily determined in advance, and can be an arbitrary value of, for example, about 0.1 to 5 seconds. If the first time has not elapsed (step S26: NO), the control unit 100 shifts the process to step S26 and monitors the elapse of the first time. When the first time has elapsed (step S26: YES), the control unit 100 shifts the process to step S28.

ステップS28において制御部100は、第1時間経過後の原料ガスの流量Qin(t+Δt)と、原料ガス中のCO2濃度XCO2_in(t+Δt)と、を第1流量計91及び第1濃度計95から取得する。ステップS30において制御部100は、ステップS12での各取得値とステップS28での各取得値とから、第1時間経過後の原料ガスの流量Qin(t+Δt)の増減、及び、第1時間経過後の原料ガス中のCO2濃度XCO2_in(t+Δt)の増減について、次の数式2に示す条件を満たすか否かを判定する。ここで、αは流量及び濃度の増減量[%]を表す閾値であり、例えば1〜20程度の任意の値とできる。数式2では、原料ガスの流量Qin(t+Δt)の増減と、原料ガス中のCO2濃度XCO2_in(t+Δt)の増減とに同じ閾値αを使用しているが、これらは異なる閾値が利用されてもよい。 In step S28, the control unit 100 sets the flow rate Q in (t + Δt) of the source gas after the first time has elapsed and the CO 2 concentration X CO2 _ in (t + Δt) in the source gas to the first flow meter 91 and the first flow meter. Acquired from a densitometer 95. In step S30, the control unit 100 increases or decreases the flow rate Q in (t + Δt) of the source gas after the first time elapses from each acquired value in step S12 and each acquired value in step S28, and the first time elapses. the increase or decrease in the feed gas of CO 2 concentration X CO2 _ in (t + Δt ) after, it is judged whether or not the condition shown in the following equation 2. Here, α is a threshold value representing an increase / decrease amount [%] of the flow rate and concentration, and can be an arbitrary value of, for example, about 1 to 20. In Equation 2, the increase and decrease of the raw material gas flow rate Q in (t + Δt), but to the increase or decrease in the raw material gas of the CO 2 concentration X CO2 _ in (t + Δt ) using the same threshold alpha, it has different thresholds It may be used.

Figure 2019123678
Figure 2019123678

数式2に示す条件を満たす場合(ステップS30:YES)、制御部100は処理をステップS14に遷移させ、第1時間経過後の原料ガスの流量Qin(t+Δt)と、原料ガス中のCO2濃度XCO2_in(t+Δt)とによるスラリーポンプ30の流量Qs(t+Δt)を求め、スラリーポンプ30の流量を変更する。その後、制御部100は、ステップS16以降の処理を継続する。 If the condition shown in Formula 2 is satisfied (step S30: YES), the control unit 100 shifts the process to step S14, and the flow rate Q in (t + Δt) of the source gas after the first time elapses, and CO 2 in the source gas The flow rate Q s (t + Δt) of the slurry pump 30 based on the concentration X CO 2 — in (t + Δt) is determined, and the flow rate of the slurry pump 30 is changed. After that, the control unit 100 continues the processing after step S16.

一方、数式2に示す条件を満たさない場合(ステップS30:NO)、制御部100は処理をステップS32に遷移させ、第2時間(Δtw)[秒]が経過したか否かを判定する。なお、第2時間Δtwは予め任意に決定することができ、例えば30〜600秒程度の任意の値とできる。第2時間が経過していない場合(ステップS32:NO)、制御部100は処理をステップS32に遷移させ、第2時間の経過を監視する。第2時間が経過した場合(ステップS32:YES)、制御部100は処理をステップS28へ遷移させ、再び、その時刻における第1流量計91と第1濃度計95との取得値を用いて、数式2に示す条件が成立するか否かを判定する。 On the other hand, when the condition shown in Formula 2 is not satisfied (step S30: NO), the control unit 100 shifts the process to step S32 and determines whether a second time (Δt w ) [seconds] has elapsed. The second time Δt w can be arbitrarily determined in advance, and can be an arbitrary value of, for example, about 30 to 600 seconds. When the second time has not elapsed (step S32: NO), the control unit 100 shifts the process to step S32 and monitors the elapse of the second time. When the second time has elapsed (step S32: YES), the control unit 100 shifts the process to step S28, and again using the acquired values of the first flow meter 91 and the first densitometer 95 at that time, It is determined whether the condition shown in Formula 2 is satisfied.

このように、第4実施形態のメタン製造装置1cでは、上述した第1実施形態と同様の効果を奏することができる。さらに、メタン製造装置1cの流量制御(図7)のステップS12〜S16によれば、制御部100は、第1濃度計95(第1濃度取得部)により取得された原料ガス中のCO2濃度と、第1流量計91(第1流量取得部)により取得された原料ガスの流量と、の両方に反比例させて、ポンプの流量を変更する(図6(A))。このため、第4実施形態のメタン製造装置1cによれば、第1反応器10においてCO2が触媒に十分吸蔵されるまでの時間、第1反応器10内に触媒を滞在させることができる。この結果、第1反応器10におけるCO2回収量を向上できる。 Thus, in the methane production apparatus 1c of the fourth embodiment, the same effect as that of the above-described first embodiment can be obtained. Furthermore, according to steps S12 to S16 of the flow control (FIG. 7) of the methane production apparatus 1c, the control unit 100 controls the CO 2 concentration in the source gas acquired by the first densitometer 95 (first concentration acquisition unit). The flow rate of the pump is changed in inverse proportion to both the flow rate of the raw material gas acquired by the first flow meter 91 (first flow rate acquisition unit) (FIG. 6A). For this reason, according to the methane production apparatus 1c of the fourth embodiment, the catalyst can be kept in the first reactor 10 for a time until the CO 2 is sufficiently stored in the catalyst in the first reactor 10. As a result, the CO 2 recovery amount in the first reactor 10 can be improved.

また、メタン製造装置1cの流量制御(図7)のステップS18〜S24によれば、制御部100は、第1濃度計95(第1濃度取得部)により取得された原料ガス中のCO2濃度と、第1流量計91(第1流量取得部)により取得された原料ガスの流量とから求めた「原料ガス中のCO2量」から、第2濃度計96(第2濃度取得部)により取得された排出ガス中のCO2濃度と、第2流量計92(第2流量取得部)により取得された排出ガスの流量とから求めた「排出ガス中の二酸化炭素量」を減じることで(数式1)、第1反応器10におけるCO2回収量Qadを求める。制御部100は、求めた第1反応器10におけるCO2回収量と、スラリーポンプ30の流量との両方に比例させて、マスフローコントローラ80の流量を変更することによって、原料ガス供給部15からの還元ガスの供給量を変更する。このため、第4実施形態のメタン製造装置1cによれば、都度、第2反応器20におけるCO2の還元に過不足のない量のH2を供給できる。この結果、第2反応器20におけるメタン生成量を向上できると共に、還元ガスの消費量を抑制できる。 Further, according to steps S18 to S24 of the flow control of the methane production apparatus 1c (FIG. 7), the control unit 100 controls the CO 2 concentration in the raw material gas acquired by the first concentration meter 95 (first concentration acquisition unit). And “the amount of CO 2 in the source gas” determined from the flow rate of the source gas acquired by the first flow meter 91 (first flow rate acquiring unit) by the second concentration meter 96 (second concentration acquisition unit) By reducing “the amount of carbon dioxide in the exhaust gas” obtained from the acquired CO 2 concentration in the exhaust gas and the flow rate of the exhaust gas acquired by the second flow meter 92 (second flow rate acquisition unit) ( Formula 1) The CO 2 recovery amount Q ad in the first reactor 10 is determined. The control unit 100 changes the flow rate of the mass flow controller 80 in proportion to both the obtained amount of recovered CO 2 in the first reactor 10 and the flow rate of the slurry pump 30, thereby changing the flow rate from the source gas supply unit 15 Change the reduction gas supply amount. For this reason, according to the methane production apparatus 1c of the fourth embodiment, it is possible to supply an amount of H 2 that is just enough for reduction of CO 2 in the second reactor 20 each time. As a result, the methane production amount in the second reactor 20 can be improved, and the consumption amount of the reducing gas can be suppressed.

なお、図7で説明した制御部100の制御内容はあくまで一例である。制御部100は、第1流量計91から取得した原料ガスの流量Qinと、第1濃度計95から取得した原料ガス中のCO2濃度XCO2_inと、第2流量計92から取得した第1反応器10からの排出ガスの流量Qoutと、第2濃度計96から取得した第1反応器10からの排出ガス中のCO2濃度XCO2_outと、のうちの少なくとも一部を用いて、スラリーポンプ30やマスフローコントローラ80に対する種々の制御を実施できる。例えば、制御部100は、スラリーポンプ30の流量を変更することに代えて、スラリーポンプ30の駆動、停止を制御してもよい。例えば、制御部100は、還元ガスの流量を変更することに代えて、還元ガスの濃度や組成を変更してもよく、原料ガスの流量、濃度、組成を変更してもよい。このようにすれば、CO2の吸蔵及び還元性能を有する触媒を用いたメタン製造において、メタン生成量の更なる定常化を図ることができる。 The control content of the control unit 100 described in FIG. 7 is merely an example. Control unit 100, and the flow rate Q in the feed gas obtained from the first flow meter 91, and the CO 2 concentration X CO2 _ in the feed gas obtained from the first concentration meter 95, obtained from the second flow meter 92 and the flow rate Q out of the exhaust gas from the first reactor 10, the CO 2 concentration X CO2 _ out in the exhaust gas from the first reactor 10 acquired from the second densitometer 96, at least a portion of the Various controls for the slurry pump 30 and the mass flow controller 80 can be implemented using this. For example, instead of changing the flow rate of the slurry pump 30, the control unit 100 may control the drive and stop of the slurry pump 30. For example, instead of changing the flow rate of the reducing gas, the control unit 100 may change the concentration and the composition of the reducing gas, or may change the flow rate, the concentration, and the composition of the source gas. In this way, in methane production using a catalyst having CO 2 storage and reduction performance, it is possible to further stabilize the methane production amount.

<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。
<Modification of this embodiment>
The present invention is not limited to the above embodiment, and can be implemented in various aspects without departing from the scope of the present invention. For example, the following modifications are possible.

[変形例1]
上記第1〜4実施形態では、メタン製造装置の構成の一例を示した。しかし、メタン製造装置の構成は種々の変形が可能である。例えば、第1反応器と、第2反応器と、のうちの少なくともいずれか一方は複数設けられていてもよい。第1反応器又は第2反応器を複数設ける場合、これら反応器の接続は直列でもよく、並列でもよい。例えば、第2反応器を直列接続にて複数設けた場合、1段目の第2反応器と2段目の第2反応器との間において、例えば気液分離器を設けて反応混合ガスからH2Oを分離させてもよい。例えば、第4実施形態のメタン製造装置において、原料ガス供給部から第1反応器への供給管に、原料ガスの流量を制御するためのマスフローコントローラを設けてもよい。
[Modification 1]
In the said 1st-4th embodiment, an example of a structure of the methane production apparatus was shown. However, the configuration of the methane production apparatus can be variously modified. For example, a plurality of at least one of the first reactor and the second reactor may be provided. When a plurality of first reactors or second reactors are provided, these reactors may be connected in series or in parallel. For example, when a plurality of second reactors are connected in series, for example, a gas-liquid separator is provided between the first reactor of the second stage and the second reactor of the second stage to obtain a reaction mixture gas. H 2 O may be separated. For example, in the methane production apparatus of the fourth embodiment, a mass flow controller for controlling the flow rate of the source gas may be provided in the supply pipe from the source gas supply unit to the first reactor.

[変形例2]
上記第4実施形態では、メタン製造装置の制御部による制御内容の一例を示した。しかし、制御部による制御内容は種々の変形が可能である。例えば、ステップS12〜S16のスラリーポンプの流量制御と、ステップS18〜S24の還元ガスの流量制御とのうちの少なくとも一方を省略してもよい。ステップS18〜S24の還元ガスの流量制御を省略する場合、図5に示したメタン製造装置のうち、マスフローコントローラは省略してもよい。例えば、説明しない更なる処理を追加してもよい。更なる処理としては、例えば、原料ガスの流量制御、還元ガスの濃度制御、還元ガスの組成制御等を採用できる。
[Modification 2]
In the said 4th Embodiment, an example of the control content by the control part of the methane production apparatus was shown. However, the control contents by the control unit can be variously modified. For example, at least one of the flow rate control of the slurry pump in steps S12 to S16 and the flow rate control of the reducing gas in steps S18 to S24 may be omitted. When the flow control of the reducing gas in steps S18 to S24 is omitted, the mass flow controller may be omitted in the methane production apparatus shown in FIG. For example, additional processing not described may be added. As the further processing, for example, flow rate control of the source gas, concentration control of the reducing gas, composition control of the reducing gas, and the like can be adopted.

[変形例3]
第1〜4実施形態のメタン製造装置の構成、及び上記変形例1〜2のメタン製造装置の構成は、適宜組み合わせてもよい。例えば、第2,3実施形態のメタン製造装置において、第1,2流量計、第1,2濃度計、制御部を備える構成とし、第4実施形態で説明した制御部による制御を実施してもよい。例えば、第2実施形態のメタン製造装置においてさらに、第3実施形態で説明した気液分離器を備えてもよい。
[Modification 3]
You may combine suitably the structure of the methane production apparatus of 1st-4th embodiment, and the structure of the methane production apparatus of the said modification 1-2. For example, in the methane production apparatus of the second and third embodiments, the first and second flow meters, the first and second densitometers, and the control unit are provided, and the control by the control unit described in the fourth embodiment is performed. It is also good. For example, the methane production apparatus of the second embodiment may further include the gas-liquid separator described in the third embodiment.

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。   As mentioned above, although this aspect was demonstrated based on embodiment and a modification, embodiment of the above-mentioned aspect is for making an understanding of this aspect easy, and does not limit this aspect. The present embodiment can be modified and improved without departing from the spirit and the scope of the claims, and the present embodiment includes the equivalents thereof. In addition, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.

1,1a〜1c…メタン製造装置
10…第1反応器
11…供給管
12…排出管
13,13a,13b…第1流路形成部
15…原料ガス供給部
20…第2反応器
21…供給管
22…排出管
23,23a,23b…第2流路形成部
25…還元ガス供給部
30…スラリーポンプ
31…第2流路形成部
40…第3反応器
41…供給管
42…排出管
43…第1流路形成部
45…第1パージガス供給部
50…第4反応器
51…供給管
52…排出管
53…第2流路形成部
55…第2パージガス供給部
60…第1気液分離器
61…第1流路形成部
70…第2気液分離器
71…第2流路形成部
80…マスフローコントローラ
91…第1流量計
92…第2流量計
95…第1濃度計
96…第2濃度計
100…制御部
101…ポンプ流量マップ
102…還元ガス流量マップ
1, 1a to 1c: Methane production apparatus 10: first reactor 11: supply pipe 12: discharge pipe 13, 13a, 13b: first flow path forming unit 15: raw material gas supply unit 20: second reactor 21: supply Pipe 22 ... discharge pipe 23, 23a, 23b ... second flow path forming part 25 ... reducing gas supply part 30 ... slurry pump 31 ... second flow path forming part 40 ... third reactor 41 ... supply pipe 42 ... discharge pipe 43 ... 1st flow path formation part 45 ... 1st purge gas supply part 50 ... 4th reactor 51 ... supply pipe 52 ... discharge pipe 53 ... 2nd flow path formation part 55 ... 2nd purge gas supply part 60 ... 1st gas-liquid separation 61: First flow path forming portion 70: second gas-liquid separator 71: second flow path forming portion 80: mass flow controller 91: first flow meter 92: second flow meter 95: first densitometer 96: first density meter 2 Concentration meter 100 ... Control section 101 ... Pump flow map 102 ... Reduction gas flow rate map

Claims (8)

二酸化炭素と水素からメタンを製造するメタン製造装置であって、
二酸化炭素の吸蔵及び還元性能を有する触媒を含むスラリーを収容する第1反応器及び第2反応器と、
前記第1反応器に対して二酸化炭素を含有する原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
前記第2反応器に対して水素を含有する還元ガスを供給する還元ガス供給部と、
前記第1反応器から前記第2反応器へと前記スラリーを移送するための第1流路を形成する第1流路形成部と、
前記第2反応器から前記第1反応器へと前記スラリーを移送するための第2流路を形成する第2流路形成部と、
前記第1反応器と前記第2反応器との間で前記スラリーを循環させるポンプと、
を備える、メタン製造装置。
A methane production apparatus that produces methane from carbon dioxide and hydrogen,
A first reactor and a second reactor containing a slurry containing a catalyst having carbon dioxide storage and reduction performance;
A source gas supply unit configured to supply a source gas containing carbon dioxide to the first reactor;
A reducing gas supply unit for supplying a reducing gas containing hydrogen to the second reactor;
A first flow passage forming part forming a first flow passage for transferring the slurry from the first reactor to the second reactor;
A second flow passage forming part forming a second flow passage for transferring the slurry from the second reactor to the first reactor;
A pump for circulating the slurry between the first reactor and the second reactor;
, A methane production unit.
請求項1に記載のメタン製造装置であって、さらに、
前記原料ガス中の二酸化炭素濃度を取得する第1濃度取得部と、
前記原料ガスの流量を取得する第1流量取得部と、
前記第1反応器から排出される排出ガス中の二酸化炭素濃度を取得する第2濃度取得部と、
前記第1反応器から排出される前記排出ガスの流量を取得する第2流量取得部と、
前記第1濃度取得部、前記第1流量取得部、前記第2濃度取得部、及び前記第2流量取得部による各取得値のうちの少なくとも一部に応じて、前記ポンプと、前記還元ガス供給部からの前記還元ガスとの少なくとも一方を制御する制御部と、
を備える、メタン製造装置。
The methane production apparatus according to claim 1, further comprising:
A first concentration acquisition unit that acquires a carbon dioxide concentration in the raw material gas;
A first flow rate acquiring unit that acquires a flow rate of the raw material gas;
A second concentration acquisition unit configured to acquire a carbon dioxide concentration in the exhaust gas discharged from the first reactor;
A second flow rate acquiring unit for acquiring a flow rate of the exhaust gas discharged from the first reactor;
The pump and the reduction gas supply according to at least a part of the values acquired by the first concentration acquisition unit, the first flow rate acquisition unit, the second concentration acquisition unit, and the second flow rate acquisition unit. A control unit that controls at least one of the reducing gas from the control unit;
, A methane production unit.
請求項2に記載のメタン製造装置であって、
前記制御部は、前記第1濃度取得部により取得された前記原料ガス中の二酸化炭素濃度と、前記第1流量取得部により取得された前記原料ガスの流量と、の両方に反比例させて、前記ポンプの流量を変更する、メタン製造装置。
The methane production apparatus according to claim 2, wherein
The control unit is inversely proportional to both the carbon dioxide concentration in the source gas acquired by the first concentration acquisition unit and the flow rate of the source gas acquired by the first flow rate acquisition unit. Methane production equipment that changes the flow rate of the pump.
請求項2または請求項3に記載のメタン製造装置であって、
前記制御部は、
前記第1濃度取得部により取得された前記原料ガス中の二酸化炭素濃度と、前記第1流量取得部により取得された前記原料ガスの流量とから求めた前記原料ガス中の二酸化炭素量から、前記第2濃度取得部により取得された前記排出ガス中の二酸化炭素濃度と、前記第2流量取得部により取得された前記排出ガスの流量とから求めた前記排出ガス中の二酸化炭素量を減じることで、前記第1反応器における二酸化炭素回収量を求め、
求めた前記二酸化炭素回収量と、前記ポンプの流量と、の両方に比例させて、前記還元ガス供給部からの前記還元ガスの供給量を変更する、メタン製造装置。
The methane production apparatus according to claim 2 or 3, wherein
The control unit
The amount of carbon dioxide in the source gas determined from the concentration of carbon dioxide in the source gas acquired by the first concentration acquisition unit and the flow rate of the source gas acquired by the first flow rate acquisition unit By reducing the amount of carbon dioxide in the exhaust gas determined from the concentration of carbon dioxide in the exhaust gas acquired by the second concentration acquisition unit and the flow rate of the exhaust gas acquired by the second flow rate acquisition unit Determining the carbon dioxide recovery amount in the first reactor,
The methane production apparatus which changes the supply amount of the said reduction gas from the said reduction gas supply part in proportion to both the calculated | required amount of said carbon dioxide collection | recovery and the flow volume of the said pump.
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のメタン製造装置であって、さらに、
前記第1流路上に設けられ、前記スラリーを収容する第3反応器と、
前記第2流路上に設けられ、前記スラリーを収容する第4反応器と、
のうちの少なくともいずれか一方を備え、さらに、
前記第3反応器と前記第4反応器とのうちの少なくともいずれか一方にパージガスを供給するパージガス供給部、
を備える、メタン製造装置。
The methane production apparatus according to any one of claims 1 to 4, further comprising:
A third reactor provided on the first channel and containing the slurry;
A fourth reactor provided on the second flow path and containing the slurry;
And at least one of the
A purge gas supply unit for supplying a purge gas to at least one of the third reactor and the fourth reactor;
, A methane production unit.
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のメタン製造装置であって、さらに、
前記第1流路上に設けられた第1気液分離器と、
前記第2流路上に設けられた第2気液分離器と、
のうちの少なくともいずれか一方を備える、メタン製造装置。
The methane production apparatus according to any one of claims 1 to 5, further comprising:
A first gas-liquid separator provided on the first flow path;
A second gas-liquid separator provided on the second flow path;
An apparatus for producing methane, comprising at least one of the following.
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のメタン製造装置であって、
前記触媒は、炭酸塩を形成して二酸化炭素を吸蔵するアルカリ金属と、アルカリ土類金属と、メタン化触媒性能を持つ金属と、のうちの少なくともいずれかを含む、メタン製造装置。
A methane production apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein
The said catalyst is a methane production apparatus containing at least any one of the alkali metal which forms carbonate, and occludes a carbon dioxide, alkaline-earth metal, and the metal which has methanation catalyst performance.
二酸化炭素と水素からメタンを製造するメタン製造方法であって、
二酸化炭素の吸蔵及び還元性能を有する触媒を含むスラリーを収容した第1反応器に対して二酸化炭素を含有する原料ガスを供給する工程と、
前記スラリーを収容した第2反応器に対して水素を含有する還元ガスを供給する工程と、
前記第1反応器から前記第2反応器へと前記スラリーを移送するための第1流路と、前記第2反応器から前記第1反応器へと前記スラリーを移送するための第2流路と、を用いて、前記第1反応器と前記第2反応器との間で前記スラリーを循環させる工程と、
を備える、メタン製造方法。
A methane production method for producing methane from carbon dioxide and hydrogen, comprising:
Supplying a raw material gas containing carbon dioxide to a first reactor containing a slurry containing a catalyst having carbon dioxide storage and reduction performance;
Supplying a reducing gas containing hydrogen to a second reactor containing the slurry;
A first flow path for transferring the slurry from the first reactor to the second reactor, and a second flow path for transferring the slurry from the second reactor to the first reactor Circulating the slurry between the first reactor and the second reactor using
A method for producing methane, comprising:
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