JP2019155242A - 被処理ガス中のメタン除去システム及び被処理ガス中のメタン除去方法 - Google Patents

Abstract

【課題】メタン及び過剰の酸素を含む被処理ガス中のメタンの除去において、低い温度でも高いメタン分解能を発揮し、メタンの除去率を従来より高くすることが可能な、被処理ガス中のメタン除去システム及び被処理ガス中のメタン除去方法を提供する。【解決手段】メタン及び過剰の酸素を含む被処理ガス中のメタンを除去するメタン除去システムであって、被処理ガスが流通する被処理ガス路８と、被処理ガス路８に設定された触媒収容部９に収容され、被処理ガス中のメタンを除去するメタン酸化除去用触媒２と、電力供給源５を有し、触媒収容部９にプラズマを生成するプラズマ生成手段３と、プラズマ生成手段３の動作を制御する制御手段６とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、メタン及び過剰の酸素を含む被処理ガス中のメタンを除去するメタン除去システム及びメタン除去方法に関する。

炭化水素の酸化除去触媒として、白金、パラジウムなどの白金族金属を担持した触媒が
高い性能を示すことが知られている。しかしながら、このような触媒を用いても、メタン発酵ガスや天然ガスの燃焼排ガスのように、含まれる炭化水素の主成分がメタンである場合には、メタンが高い化学的安定性を有するために、十分なメタン除去が達成されないという問題がある。

近年では地球温暖化問題が強く認識されるようになり、炭鉱換気ガスのように、希薄（０．１から１％程度）なメタンを含有するガスが大量に放散されている点が問題視され、その経済的な処理も課題となっている。メタンを除去するにあたって、可能な限り低温で処理できる高活性なメタン処理システムが求められている。

このような問題を解消するものとして、特許文献１に記載された未燃焼メタンの処理方法が提案されている。この特許文献１記載の処理方法は、混合ガスに残留するメタンを処理する方法であり、プラズマ反応器内にメタンを含む混合ガスを導入し、プラズマ反応器内にプラズマを発生させる工程や、プラズマ反応器内に導入した混合ガスを触媒装置に導入する工程を行う。

この特許文献１記載の処理方法によれば、プラズマと触媒酸化とを組み合わせていることで、浄化のために混合ガスを触媒の活性温度以上に加熱することなく、未燃焼のメタンを含んだ混合ガスを浄化することができる。

特開２００８−１６８２８４号公報

上述したように、特許文献１記載の未燃焼メタンの処理方法によれば、被処理ガスの温度が触媒の活性温度より低い場合であっても、プラズマと触媒酸化とを併用することによって未燃焼メタンの除去率を従来よりも高くすることができるが、未燃焼メタンの除去率の更なる向上が求められる場合もある。

しかしながら、上記従来の処理方法ではそのような要請に十分に応えることができず、未燃焼メタンをより高いレベルで除去することのできる新たな手法の開発が望まれている。

本発明は以上の実情に鑑みなされたものであり、メタン及び過剰の酸素を含む被処理ガス中のメタンの除去において、低い温度でも高いメタン分解能を発揮し、メタンの除去率を従来よりも高くすることが可能な、被処理ガス中のメタン除去システム及び被処理ガス中のメタン除去方法の提供を、その目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る被処理ガス中のメタン除去システムの特徴構成は、メタン及び過剰の酸素を含む被処理ガス中のメタンを除去するメタン除去システムであって、
前記被処理ガスが流通する被処理ガス路と、
前記被処理ガス路に設定された触媒収容部に収容され、前記被処理ガス中のメタンを除去するメタン酸化除去用触媒と、
電力供給源を有し、前記触媒収容部にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、
前記プラズマ発生手段の動作を制御する制御手段とを備える点にある。

また、上記目的を達成するための本発明に係る被処理ガス中のメタン除去方法の特徴構成は、メタン及び過剰の酸素を含む被処理ガス中のメタンを除去するメタン除去方法であって、
被処理ガス路内に前記被処理ガスを流通させるとともに、前記被処理ガス路に設定され、前記被処理ガス中のメタンを除去するメタン酸化除去用触媒を収容した触媒収容部にプラズマ生成手段によってプラズマを生成して、前記被処理ガス中のメタンを除去する点にある。

上記両特徴構成によれば、メタン酸化除去用触媒が収容された触媒収容部にプラズマを生成するようにしているため、当該触媒収容部を通過する被処理ガス中のメタンを、メタン酸化除去用触媒による作用とプラズマによる作用とによって除去することができる。更に、上記両特徴構成によれば、触媒収容部に収容されたメタン酸化除去用触媒が存在する箇所にプラズマを生成するようにしていることで、このプラズマによってメタン酸化除去用触媒が活性化して除去作用が高まり、触媒収容部にプラズマを生成しない場合と比較して、メタンの除去率を格段に高めることができる。

更に、電気ヒータを利用してメタン酸化除去用触媒の温度を活性温度まで加熱してメタンの除去率を高めるような場合には、メタン酸化除去用触媒が活性温度に到達するまで相応の待機時間が発生する。これに対して、上記特徴構成によれば、電力供給源から電力を供給してプラズマを生成することで、メタンに瞬時にエネルギーを投入し、触媒による作用とプラズマによる作用との相乗効果によってメタンを除去することができ、電気ヒータを利用する場合と比較して、高い除去率でメタンを除去できる状態になるまでの待機時間を大幅に短縮することができる。

本明細書において、「過剰の酸素を含む」とは、メタン除去システムに導入される被処理ガスが、そこに含まれる炭化水素、一酸化炭素などの還元性成分を完全に酸化するのに必要な量以上に、酸素、窒素酸化物などの酸化性成分を含んでいることを意味する。即ち、過剰の酸素を含む被処理ガスとは、被処理ガス中の還元性成分の酸化当量よりも酸素を過剰に含む酸素濃度の被処理ガスを意味する。

また、本発明に係る被処理ガス中のメタン除去システムの更なる特徴構成は、前記制御手段は、前記電力供給源による投入電力が２０〜４０Ｗとなるように、前記プラズマ生成手段の動作を制御する点にある。

上記特徴構成によれば、電気ヒータ等によってメタン酸化除去用触媒の温度を活性温度まで加熱する必要がある場合などと比較して、投入電力を抑えることができる。

ところで、一般的なメタン酸化除去用触媒は、活性温度が４００℃以上であるため、被処理ガス中のメタンを除去するためには、メタン酸化除去用触媒が４００℃以上の被処理ガスに曝されて、活性温度と同等かそれ以上の温度に昇温する必要がある。

しかしながら、触媒収容部にプラズマを生成することによって、メタン酸化除去用触媒による作用とプラズマによる作用とによるメタンの除去だけでなく、プラズマによってメタン酸化除去用触媒も活性化されて除去能力が高まるため、メタン酸化除去用触媒の温度が活性温度以下であってもメタンが効率よく除去される。

よって、本発明に係る被処理ガス中のメタン除去システムの更なる特徴構成は、前記被処理ガスの温度が、室温以上である点にある。

また、本発明に係る被処理ガス中のメタン除去システムの更なる特徴構成は、前記被処理ガスの温度が、室温〜４００℃の範囲である点にある。

また、本発明に係る被処理ガス中のメタン除去システムの更なる特徴構成は、前記プラズマ生成手段が、前記触媒収容部を囲むように前記被処理ガス路に沿って配設された筒状の外部電極と、前記被処理ガス路内における前記外部電極と対応する位置に配設され、前記電力供給源が電気的に接続した内部電極とを備える点にある。

この特徴構成によれば、電力供給源から内部電極に電力を供給することで、内部電極と外部電極との間、即ち、触媒収容部に収容されたメタン酸化除去用触媒が存在する箇所にプラズマが生成する。これにより、メタン酸化除去用触媒の作用とプラズマの作用との相乗効果によって、メタンの除去率を高くすることができる。

第１実施形態に係る被処理ガス中のメタン除去システムの構成例を示す図である。 被処理ガスの温度とメタンの転化率との関係を示すグラフである。 総投入電力とメタンの転化率との関係を示すグラフである。 窒素プラズマの発光スペクトルを示すグラフである。 窒素プラズマの発光スペクトルを示すグラフである。 窒素プラズマの発光スペクトルを示すグラフである。

以下、図面を参照して、一実施形態に係る被処理ガス中のメタン除去システムを、メタン発酵ガスや天然ガス系都市ガスなどの燃焼排ガスや、炭鉱換気ガス、各種プロセスガスなどのメタンを含有するガス（被処理ガスの一例）中のメタン除去に用いた態様を例に説明する。

〔被処理ガス中のメタン除去システム〕
図１は、一実施形態に係る被処理ガス中のメタン除去システム１の概略的な構成図である。同図に示すように、被処理ガス中のメタン除去システム１は、被処理ガス排出源１０からの被処理ガスＥｇを排出するための被処理ガス路８が内部に設定された被処理ガス管７と、被処理ガス路８に設定された触媒収容部９に層状に収容され、当該被処理ガス路８を流通する被処理ガスＥｇを除去するメタン酸化除去用触媒２と、触媒収容部９にプラズマを生成するプラズマ生成手段３と、動作を制御する制御手段６とを備えている。

〔メタン酸化除去用触媒〕
メタン酸化除去用触媒２は、酸化アルミニウムなどの担体にＰｔなどの活性金属を担持させたものを用いる。尚、担体や活性金属、さらに付加的に添加される添加成分については、種々公知のものを適用することができる。

〔プラズマ生成手段〕
プラズマ生成手段３は、触媒収容部９を囲むように被処理ガス管７の外周面に配設された筒状の外部電極４ａと、被処理ガス路８内における触媒収容部９に対応する位置に配設された内部電極４ｂと、内部電極４ｂに電気的に接続した電力供給源５とを備えており、電力供給源５及び外部電極４ａは接地されている。即ち、このプラズマ生成手段３は、電力供給源５によって内部電極４ｂに電力を供給することにより、触媒収容部９に収容されたメタン酸化除去用触媒２が存在する箇所に所謂大気圧プラズマを生成する手段である。

〔制御手段〕
制御手段６は、触媒収容部９にプラズマが生成するように、プラズマ生成手段３の電力供給源５によって内部電極４ｂに供給する電力の大きさを制御する。尚、本実施形態の被処理ガス中のメタン除去システム１においては、具体的に、電力供給源５が供給する電力が２０〜４０Ｗとなるように、制御手段６によってプラズマ生成手段３の作動を制御することが好ましい。投入する電力が上記範囲内であれば、電気ヒータ等を用いてメタン酸化除去用触媒２の温度を活性温度まで加熱する必要がある場合などと比較して、投入する電力を抑えた上で、被処理ガスＥｇ中に含まれるメタンの除去率を高めることができる。

以上の構成を備えた被処理ガス中のメタン除去システム１によるメタンを含む被処理ガスＥｇの除去処理は以下のようにして行われる。

プラズマ生成手段３の電力供給源５から内部電極４ｂに所定の電力を供給する。これにより、被処理ガス路８内を流通する被処理ガスＥｇが触媒収容部９においてプラズマ化されるとともに、生成したプラズマによってメタン酸化除去用触媒２が活性化する。そして、被処理ガスＥｇに含まれるメタンは、活性化したメタン酸化除去用触媒２による作用と生成したプラズマによる作用との相乗効果によって二酸化炭素に変換される。

ここで、本実施形態の被処理ガス中のメタン除去システム１では、上述したように、プラズマ生成手段３によって触媒収容部９にプラズマを生成することで、メタン酸化除去用触媒２が活性化される。一般的に、メタン酸化除去用触媒２の活性温度は４００℃以上であるが、メタン酸化除去用触媒２が活性化していることにより、触媒の温度が活性温度よりも低い温度（室温から４００℃程度の範囲）であっても、当該活性化したメタン酸化除去用触媒２の作用とプラズマの作用との相乗効果によって、メタンを効率よく二酸化炭素に変換して除去率を高めることができる。

更に、電気ヒータを利用してメタン酸化除去用触媒２の温度を活性温度まで加熱してメタンの除去率を高めるような場合には、メタン酸化除去用触媒２が活性温度に到達するまで相応の待機時間が発生し、また、投入する電力量も多くなる。これに対して、本実施形態の被処理ガス中のメタン除去システム１においては、プラズマを生成することで、メタン酸化除去用触媒２を活性化するとともに、当該活性化したメタン酸化除去用触媒２の作用とプラズマの作用との相乗効果によってメタンの除去を行うものである。したがって、メタン酸化除去用触媒２の温度が活性温度に到達するまでの待機時間を必要とせず、電気ヒータを利用する場合と比較して投入する電力量も抑えた上で、メタンの除去率を高めることができる。

以上のように、本実施形態に係る被処理ガス中のメタン除去システム１によれば、触媒収容部９にプラズマを生成することによって、メタン酸化除去用触媒２が活性化されるとともに、この活性化したメタン酸化除去用触媒２の作用とプラズマの作用との相乗効果によって、被処理ガスＥｇ中に含まれるメタンを効率よく除去することができる。

更に、この被処理ガス中のメタン除去システム１によれば、メタンを効率よく除去するためにメタン酸化除去用触媒２の温度を活性温度まで加熱する必要がないため、当該メタン酸化除去用触媒２の温度が活性温度に到達するまでの待機時間を必要とせず、電気ヒータを利用する場合と比較して投入する電力量を抑えた上で、メタンを効率よく除去することができる。

以下、触媒収容部にプラズマを生成してメタンの除去を行う実験例と、プラズマを生成することなくメタンの除去を行う実験例とにより本発明の効果を示す。

具体的に、メタン酸化除去用触媒として、γ−酸化アルミニウム（γ−Ａｌ_２Ｏ_３）からなる担体に、質量パーセント濃度が１質量％となるように活性金属としてのプラチナ（Ｐｔ）を担持させたものを使用し、このメタン酸化除去用触媒を石英ガラスからなる被処理ガス管内に設定された触媒収容部に層状に収容した。そして、窒素を主成分とし、メタン濃度が３０００ｐｐｍ、体積にして８％の酸素を含む疑似的な被処理ガスを流量が７５６ｍＬ／ｍｉｎ、ＳＶが１００００ｈ^−１となるように被処理ガス管内に導入し、触媒収容部に収容された触媒の層（触媒層）を通過したガスをガスクロマトグラフィで分析してメタンの転化率を算出した。

図２は、電気ヒータにより被処理ガスの温度を約２００℃に定常化させた状態で、所定の電力を内部電極に供給して常圧下において触媒収容部にプラズマを生成するようにした場合（プラズマ有）及び、プラズマを生成することなく、電気ヒータによって被処理ガスの温度を約２００℃、３００℃、４００℃、５００℃で定常化させた場合（プラズマ無）について、熱電対により計測した被処理ガスの温度と、メタンの入排出量をベースに算出したメタン転化率との関係を表したグラフである。

図２に示すように、プラズマを生成しない場合には、被処理ガスの温度が高くなるにつれてメタンの転化率も高くなっており、被処理ガスの温度が３００℃以下である場合には、転化率は数％未満と極めて低くなっているのに対し、被処理ガスの温度が約４００℃で転化率は１０％程度に上昇し、約５００℃であれば転化率は５５％となった。一方、プラズマを生成する場合では、被処理ガスの温度が２００℃程度であるにもかかわらず、転化率は８０％であった。これらの結果から、本発明のように触媒収容部に収容されたメタン酸化除去用触媒が存在する箇所にプラズマを生成することによって、被処理ガスの温度が活性温度よりも低い場合であってもメタンの除去率を高くできることが分かる。

図３は、被処理ガスの温度が約２００℃で定常化するように電気ヒータに電力を供給した状態で、内部電極に供給する電力を変えた場合（プラズマ有）及び、プラズマを生成することなく、電気ヒータに供給する電力を変えた場合（プラズマ無）について、総投入電力（電気ヒータに供給した電力と内部電極に供給した電力の和）と、メタンの入排出量をベースに算出したメタン転化率及び二酸化炭素の入排出量をベースに算出したメタン転化率との関係を表したグラフである。

また、図４〜図６は、触媒収容部にプラズマを生成した際の窒素プラズマ由来の発光スペクトルである。図４はプラズマ投入電力が１６Ｗ（総投入電力は２９．５Ｗ）、図５はプラズマ投入電力が２０Ｗ（総投入電力は３３．５Ｗ）、図６はプラズマ投入電力が２８Ｗ（総投入電力は４１．５Ｗ）の場合の結果を表している。

図３〜図６に示すように、総投入電力が大きくなるほど、窒素プラズマに由来する３００〜４００ｎｍの発光が強くなり、メタンの転化率も増加している。このことから、プラズマを生成することにより、メタン酸化除去用触媒による作用とプラズマによる作用との相乗効果によってメタンの除去率が高くなることが確認できる。

更に、図３に示すように、総投入電力が約４０Ｗにおいて、プラズマを生成する場合にはメタンの転化率が約８０％であるのに対し、プラズマを生成しない場合にはメタンの転化率は３０％にも満たない。このことから、触媒収容部にプラズマを生成することによって、電気ヒータのみを利用する場合と比較して、総投入電力が同程度であってもメタンの除去率が格段に高くなることが確認できる。

また、メタンの入排出量をベースに算出したメタン転化率と二酸化炭素の入排出量をベースに算出したメタン転化率とが同程度であることから、メタン酸化除去用触媒によってメタンの大部分が二酸化炭素に変換されていることも確認できる。

〔別実施形態〕
〔１〕
上記実施形態では、被処理ガス中のメタン除去システム１の構成について具体例を挙げて説明したが、その構成は適宜変更可能である。例えば、上記実施形態では、メタン発酵ガスや天然ガス系都市ガスなどの燃焼排ガスや、炭鉱換気ガス、各種プロセスガスなどのメタンを含有するガスの排出源を用いる態様を例にとって説明したが、これに限られるものではなく、本発明に係る被処理ガス中のメタン除去システムは、メタン及び過剰の酸素を含む被処理ガス中のメタンの除去に好適に用いることができる。

〔２〕
上記実施形態において、プラズマ生成手段３によりプラズマを生成する態様としては、電力供給源５からマイクロ波を印加する態様や、高周波を印加する態様を例示することができるが、プラズマ生成手段３は、プラズマを生成可能な手段であれば、特に限定されるものではなく、種々公知のものを適用することができる。

〔３〕
上記実施形態では、被処理ガスの温度が低いことで触媒が活性温度よりも低い温度（室温から３００℃程度の範囲）にしかならない場合に、未燃焼メタンを二酸化炭素に変換する態様を示したが、本発明の被処理ガス中のメタン除去システムによれば、被処理ガスの温度が高く、触媒が活性温度と同等又はそれ以上の温度に昇温する場合、即ち、被処理ガスの温度が室温以上の場合あれば、当然、未燃焼メタンを二酸化炭素に変換することができる。

尚、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

本発明は、メタン及び過剰の酸素を含む被処理ガスに含まれるメタンの除去率を従来よりも高くすることが可能な被処理ガス中のメタン除去システム及び被処理ガス中のメタン除去方法に利用できる。

１ 被処理ガス中のメタン除去システム
２ メタン酸化除去用触媒
３ プラズマ生成手段
４ａ 外部電極
４ｂ 内部電極
５ 電力供給源
６ 制御手段
７ 被処理ガス管
８ 被処理ガス路
９ 触媒収容部
１０ 被処理ガス排出源
Ｅｇ 被処理ガス

Claims (6)

1. メタン及び過剰の酸素を含む被処理ガス中のメタンを除去するメタン除去システムであって、
   前記被処理ガスが流通する被処理ガス路と、
   前記被処理ガス路に設定された触媒収容部に収容され、前記被処理ガス中のメタンを除去するメタン酸化除去用触媒と、
   電力供給源を有し、前記触媒収容部にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、
   前記プラズマ生成手段の動作を制御する制御手段とを備える、被処理ガス中のメタン除去システム。
2. 前記制御手段は、前記電力供給源による投入電力が２０〜４０Ｗとなるように、前記プラズマ生成手段の動作を制御する請求項１に記載の、被処理ガス中のメタン除去システム。
3. 前記被処理ガスの温度は、室温以上である請求項１又は２に記載の、被処理ガス中のメタン除去システム。
4. 前記被処理ガスの温度は、室温から４００℃の範囲である請求項１又は２に記載の、被処理ガス中のメタン除去システム。
5. 前記プラズマ生成手段は、
   前記触媒収容部を囲むように前記被処理ガス路に沿って配設された筒状の外部電極と、
   前記被処理ガス路内における前記触媒収容部に対応する位置に配設され、前記電力供給源が電気的に接続した内部電極とを備える請求項１〜４のいずれか一項に記載の、被処理ガス中のメタン除去システム。
6. メタン及び過剰の酸素を含む被処理ガス中のメタンを除去するメタン除去方法であって、
   被処理ガス路内に前記被処理ガスを流通させるとともに、前記被処理ガス路に設定され、前記被処理ガス中のメタンを除去するメタン酸化除去用触媒を収容した触媒収容部にプラズマ生成手段によってプラズマを生成して、前記被処理ガス中のメタンを除去する、被処理ガス中のメタン除去方法。
   

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