JP2019156762A - メタン製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】メタン製造装置において、圧縮機の大型化を回避しつつ、原料ガスにメタンを混入させることにより反応器内の温度上昇を抑制する。【解決手段】メタン製造装置は、触媒を収容した反応器、原料ガス源から反応器へ原料ガスを供給する原料ガス供給ライン、原料ガス供給ラインに設けられた圧縮機、製品ガスタンク、反応器から出たメタンを含む生成ガスを製品ガスタンクへ送る生成ガスライン、生成ガスを原料ガス源へ供給するメタン供給ライン、及び、制御装置を備える。制御装置は、温度センサで検出された反応器内の温度が所定の温度閾値を超えると、原料ガス源へのメタン供給量を増加させるようにメタン流量制御装置の動作を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、二酸化炭素を含有する原料ガスに水素を供給し、メタンを生成するメタン製造装置に関する。

従来、二酸化炭素（ＣＯ_２）と水素（Ｈ_２）とをメタン（ＣＨ_４）に変換する触媒反応（メタネーション反応）を利用して、二酸化炭素を含有する原料ガスからメタンを製造する装置が知られている。次の化１は、メタネーション反応式である。
［化１］ ＣＯ_２＋４Ｈ_２⇔ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ

メタネーション反応は発熱反応であるため、原料ガス及びその反応ガスは、反応場を通過する間に温度が上昇する。また、メタネーション反応は可逆反応であるため、温度が上昇することにより反応の平衡が化１の左辺側（原料側）に偏る。従って、メタネーション反応を促進するためには、反応場における温度上昇の抑制が効果的である。そこで、特許文献１に例示されるように、反応器内の温度上昇を抑制する技術が提案されている。

特許文献１のメタンリッチガスの生成方法では、一酸化炭素及び水素を含む原料ガス（供給ガス）をメタン化触媒の存在下で反応させて、メタン、二酸化炭素及び水を含むメタンリッチ生成物ガスを生成し、メタンリッチ生成物ガスから二酸化炭素を除去し、メタンリッチ二酸化炭素希薄ガスを生成し、メタンリッチ二酸化炭素希薄ガスの少なくとも一部を冷却して再循環メタンリッチガスとして再循環させる。この方法では、再循環メタンリッチガスの容量を抑えて圧縮機等の負荷を抑えつつ、反応器に入る原料ガスを再循環メタンリッチガスで希釈することによって、反応器内の温度上昇を抑えるようにしている。

特表２０１２−５１４０３９号公報

特許文献１では、反応器に入る供給ガスは、常に再循環メタンリッチガスで希釈されることから、反応器に供給される原料ガスを圧縮する圧縮機は、定常時の二酸化炭素及び水素の供給量と比較して十分に大きな吸込み流量のものが要求される。その結果、圧縮機が大型化する上に、設備費が嵩む。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、水素と二酸化炭素とを含む原料ガスからメタンを製造するメタン製造装置において、圧縮機の大型化を回避しつつ、原料ガスにメタンを混入させることにより反応器内の温度上昇を抑制することにある。

本発明の一態様に係るメタン製造装置は、
水素と二酸化炭素を含む原料ガスからメタンを生成する触媒を収容した反応器と、
前記反応器の入口と接続され、原料ガス源から前記反応器へ前記原料ガスを供給する原料ガス供給ラインと、
前記原料ガス供給ラインに設けられた圧縮機と、
製品ガスタンクと、
前記反応器の出口と接続され、当該反応器から出たメタンを含む生成ガスを前記製品ガスタンクへ送る生成ガスラインと、
前記生成ガスを前記原料ガス源へ供給するメタン供給ラインと、
前記メタン供給ラインに設けられ、前記原料ガス源へのメタン供給量を調整するメタン流量制御装置と、
前記反応器内の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサで検出された温度が所定の温度閾値を超えると、前記原料ガス源へのメタン供給量を増加させるように前記メタン流量制御装置の動作を制御する制御装置とを、備えることを特徴としている。

上記メタン製造装置によれば、原料ガスにメタンが混入させられることにより、反応器中でのメタネーション反応が原料側へ偏り、反応器内の温度上昇を抑制することができる。そして、原料ガスへのメタンの混入は常時行われるのではなく、反応器内の温度が温度閾値を超えたときにのみ行われるので、定常時の二酸化炭素及び水素の供給量と比較して過大な吸込み流量の圧縮機を採用する必要性が低下する。よって、圧縮機の大型化を回避しつつ、原料ガスにメタンを混入させることにより反応器内の温度上昇を抑制することができる。

上記メタン製造装置は、前記反応器へ流入する前記原料ガスの流量を検出する流量センサと、前記原料ガス源への水素供給量を調整する水素流量制御装置と、前記原料ガス源への二酸化炭素供給量を調整する二酸化炭素流量制御装置とを、更に備えてよい。そして、前記制御装置は、前記温度センサで検出された温度が前記温度閾値を超えると、前記流量センサで検出された流量が所定の流量閾値以下の間は、前記原料ガス源への水素供給量及び二酸化炭素供給量を保持しつつメタン供給量を増加させるとともに、メタン供給量の増加に伴う前記原料ガスの流量増加に対応して前記圧縮機の吸込み流量を増加させるように、前記水素流量制御装置、前記二酸化炭素流量制御装置、前記メタン流量制御装置、及び前記圧縮機の動作を制御してよい。

これにより、メタンの混入による原料ガスの流量増加は圧縮機の能力の範囲内で行われるので、圧縮機に過負荷を与えることを回避できる。

上記メタン製造装置において、前記制御装置は、前記流量センサで検出された流量が前記流量閾値を超えると、前記原料ガスの流量を増加させずに、前記原料ガス源への水素供給量及び二酸化炭素供給量を減少させ且つメタン供給量を増加させるように制御を行ってよい。

これにより、原料ガスの流量を圧縮機の能力の範囲内に抑えつつ、原料ガス中のメタンの割合を更に増やすことができる。その結果、反応器内の温度上昇を更に効果的に抑制することができる。

上記メタン製造装置は、前記生成ガスラインに設けられた前記生成ガスからメタン以外の成分を分離する分離装置を更に備え、前記メタン供給ラインの上流側端部が、前記製品ガスタンク又は前記生成ガスラインの前記分離装置よりも下流側と接続されていてよい。

これにより、メタン供給ラインを通じてメタン濃度のより高いガスを原料ガス源へ送ることができる。よって、圧縮機の負荷上昇を抑えながら、反応器内の温度上昇を効果的に抑えることができる。

上記メタン製造装置は、前記原料ガス源のガス圧力を検出する圧力センサを更に備え、前記制御装置は、前記圧力センサで検出された圧力が所定の圧力閾値を超えると、前記圧力センサで検出された圧力が前記圧力閾値以下となるまで、前記原料ガス源への水素供給量、二酸化炭素供給量、及びメタン供給量の少なくとも１つを減少させてよい。

これにより、圧縮機の過負荷を防ぐことができる。

本発明によれば、混合した水素と二酸化炭素とを含む原料ガスからメタンを製造するメタン製造装置において、圧縮機の大型化を回避しつつ、原料ガスにメタンを混入させることにより反応器内の温度上昇を抑制することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るメタン製造装置の全体的な構成を示す図である。 図２は、メタン製造装置の制御系統の構成を示すブロック図である。 図３は、反応器内の温度上昇抑制制御の流れを示すフローチャートである。 図４は、反応器内の温度上昇抑制制御の流れを示すフローチャートである。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の一実施形態に係るメタン製造装置１００の全体的な構成を示す図である。図１に示すメタン製造装置１００は、触媒を収容した反応器Ｒと、反応器Ｒへ原料ガスを供給する原料ガス供給ライン２と、製品ガスタンク７と、反応器Ｒから出た生成ガスを製品ガスタンク７へ送る生成ガスライン３と、原料ガス供給ライン２へ生成ガスを送るメタン供給ライン５と、メタン製造装置１００の制御を司る制御装置６とを備える。生成ガスには、多くのメタンが含まれる。

〔原料ガス供給ライン２〕
原料ガス供給ライン２は、原料ガス源２１と第１反応器Ｒ１の入口とを接続する配管等で構成される。原料ガス供給ライン２には、圧縮機２２及び熱交換器２３が設けられている。原料ガス供給ライン２には、原料ガスの流れにおいて圧縮機２２の下流側且つ熱交換器２３の上流側に流量センサ８８が設けられている。更に、原料ガス供給ライン２には、原料ガス源２１のガス圧力を検出する圧力センサ８９が設けられている。

原料ガス源２１には、二酸化炭素供給源（図示略）と接続された二酸化炭素供給ライン２５が接続されており、二酸化炭素供給ライン２５を通じて原料ガス源２１へ二酸化炭素が供給される。二酸化炭素供給ライン２５には、制御装置６によって制御される二酸化炭素流量制御装置８３が設けられている。この二酸化炭素流量制御装置８３によって原料ガス源２１へ供給される二酸化炭素の流量が調整される。

また、原料ガス源２１には、水素供給源（図示略）と接続された水素供給ライン２４が接続されており、水素供給ライン２４を通じて原料ガス源２１へ水素が供給される。水素供給ライン２４には、制御装置６によって制御される水素流量制御装置８２が設けられている。この水素流量制御装置８２によって、水素供給ライン２４から原料ガス源２１へ供給される水素の流量が調整される。

原料ガス源２１では、水素と二酸化炭素とが所定の割合で混合して、原料ガスが調製される。原料ガスには、後述するようにメタン等が含まれることもある。なお、定常時は、水素と二酸化炭素の割合がモル比で３．２〜４．０（水素／二酸化炭素＝３．２〜４．０）となるように、原料ガス源２１へ水素及び二酸化炭素が供給される。原料ガス源２１は、供給された二酸化炭素及び水素が均一に混合するために十分な容量を有するタンクであることが望ましい。但し、原料ガス源２１の態様はこれに限定されず、原料ガス供給ライン２の一部分として配管によって形成されていてもよい。

圧縮機２２は、原料ガスをメタネーション反応に適した所定の圧力となるように圧縮する。メタネーション反応に適した圧力は、メタネーション触媒の種類や、反応器Ｒの仕様によって異なる。第１反応器Ｒ１に流入する原料ガスの圧力条件は、例えば、絶対圧で０〜３ＭＰａである。

熱交換器２３では、第１反応器Ｒ１の冷却に利用されたホットオイルと原料ガスとの熱交換が行われ、原料ガスがメタネーション反応に適した所定の温度に調整される。メタネーション反応に適した温度は、メタネーション触媒の種類や、反応器Ｒの段数によって異なる。

〔反応器Ｒ〕
原料ガスは、圧縮機２２で圧力調整され、熱交換器２３で温度調整されて、反応器Ｒへ流入する。本実施形態に係るメタン製造装置１００は、第１反応器Ｒ１及び第２反応器Ｒ２の直列的に接続された２つの反応器Ｒを備える。各反応器Ｒ１，Ｒ２・・・は実質的に同じ構成を有する。反応器Ｒの数は１又は３以上の複数であってもよい。反応器Ｒには、水素及び二酸化炭素からメタン及び水を生成するメタネーション反応を促進させる触媒（メタネーション触媒）が収容されている。触媒は、特に限定されないが、例えば、市販のＮｉ系触媒であってよい。各反応器Ｒ１，Ｒ２には、内部の温度を検出する温度センサ８６，８７が設けられている。温度センサ８６，８７では、反応器Ｒ内の触媒の温度が検出されてよい。

第１反応器Ｒ１では、原料ガス中の水素及び二酸化炭素が触媒の存在下でメタネーション反応して、メタン及び水が生成される。第１反応器Ｒ１で生成されたメタン及び水、並びに、未反応の水素及び二酸化炭素を含む生成ガスは、連通ライン１へ流出する。

連通ライン１は、第１反応器Ｒ１の出口と第２反応器Ｒ２の入口とを接続する配管等で構成される。本実施形態では、反応器Ｒの数が２つであるため連通ライン１の数は１であるが、メタン製造装置１００は反応器Ｒの数に応じた数の連通ライン１を備える。

連通ライン１には、第１熱交換器１１、水分離器１２、及び、第２熱交換器１３が設けられている。第１熱交換器１１では、生成ガスと冷却水との熱交換が行われる。水分離器１２では、第１熱交換器１１で冷却されることによって凝縮した生成ガス中の水分が、生成ガスから分離される。第２熱交換器１３では、第２反応器Ｒ２の冷却に利用されたホットオイルと生成ガスとの熱交換が行われる。

第１反応器Ｒ１を出た生成ガスは、連通ライン１を通じて第２反応器Ｒ２に流入する。第２反応器Ｒ２へ流入する生成ガスの温度は、第１熱交換器１１及び第２熱交換器１３によって、メタネーション反応が開始する温度以上且つメタネーション反応が停止する温度未満に調整される。第２反応器Ｒ２でも、生成ガス中の水素及び二酸化炭素が触媒の存在下でメタネーション反応して、メタン及び水が生成される。第２反応器Ｒ２で生成されたメタン及び水、並びに、未反応の水素及び二酸化炭素を含む生成ガスは、生成ガスライン３へ流出する。

〔生成ガスライン３〕
第２反応器Ｒ２から出た生成ガスは、生成ガスライン３を通じて製品ガスタンク７へ送られる。生成ガスライン３は、最終段の反応器Ｒ２の出口と製品ガスタンク７の入口とを接続する配管等で構成される。生成ガスライン３には、熱交換器３１、水分離器３２、分離装置９、及び水素分離装置４２が設けられている。

熱交換器３１では、最終段の反応器Ｒ２から出た生成ガスと水との熱交換が行われる。水分離器３２では、熱交換器３１で冷却されることによって凝縮した生成ガス中の水分が分離される。

分離装置９では、生成ガスからメタン以外の成分が分離される。分離装置９を通過することによってメタン濃度が高められた生成ガスは、製品ガスタンク７へ送られる。生成ガスから除かれたオフガス（メタン以外の成分）は、大気へ放出される、又は、原料ガス源２１へ供給されて原料ガスの一部として再利用される。

分離装置９は、圧力変動吸着（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）法を利用する、公知の圧力変動吸着式ガス分離装置であってよい。一般に、圧力変動吸着式ガス分離装置は、吸着剤が充填された複数の吸着槽と、吸着槽へ送る元ガス（生成ガス）を加圧する圧縮機とを備える（いずれも図示略）。そして、均圧工程、吸着工程、再生工程、均圧工程が各吸着槽で交互に経時的に行われる。均圧工程では、複数の吸着槽が連通され、槽内のガスを移動させることにより圧力を回収する。吸着工程では、元ガスを吸着槽へ供給し、内部圧力を高めることと、元ガスを供給しながら吸着槽から製品ガスを取り出すこととが行われる。再生工程では、吸着槽の圧力を下げて、易吸着成分を吸着剤から脱離させ、吸着剤を再生させることが行われる。

分離装置９から出た生成ガスは、主成分はメタンであるが、僅かな水素が混入している。そこで、生成ガスライン３には、生成ガスの流れにおいて分離装置９より下流側に、生成ガスから水素を分離する水素分離装置４２が設けられている。水素分離装置４２で水素が分離されることによって、製品ガスタンク７に回収される生成ガスのメタンの純度が更に高められる。

〔メタン供給ライン５〕
メタン供給ライン５は、生成ガスライン３又は製品ガスタンク７と原料ガス源２１とを接続する配管等で構成される。メタン供給ライン５を通じて、メタンを含む生成ガスが原料ガス供給ライン２へ送られる。メタン供給ライン５には、制御装置６の制御を受けて動作するメタン流量制御装置８１が設けられている。このメタン流量制御装置８１によって、製品ガスタンク７から原料ガス供給ライン２へ供給されるメタンの流量が調整される。なお、図１に示すメタン製造装置１００では、メタン供給ライン５の上流側端部は製品ガスタンク７と接続されているが、メタン供給ライン５の上流側端部は生成ガスライン３（望ましくは、濃度のより高いメタンを原料ガス供給ライン２へ供給するために、生成ガスライン３の分離装置９よりも下流側）と接続されていてもよい。また、図１に示すメタン製造装置１００では、メタン供給ライン５の下流側端部は原料ガス源２１と接続されているが、メタン供給ライン５の下流側端部は原料ガス供給ライン２の原料ガスの流れにおいて圧縮機２２よりも上流と接続されていればよい。

〔制御装置６〕
図２は、メタン製造装置１００の制御系統の構成を示すブロック図である。この図では、反応器Ｒ内の温度上昇抑制制御に関係する要素が示され、他の要素は省略されている。図２に示す制御装置６は、いわゆるコンピュータであって、ＣＰＵ等の演算処理部、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶部を有している（いずれも図示せず）。記憶部には、演算処理部が実行するプログラム、各種固定データ等が記憶されている。演算処理部は、外部装置とのデータ送受信を行う。また、演算処理部は、通信可能に接続された各種計器（第１温度センサ８６、第２温度センサ８７、流量センサ８８、圧力センサ８９、圧力センサ９１、及び温度センサ９２を含む）から検出信号を受け取る。演算処理部は、通信可能に接続された各種機器（メタン流量制御装置８１、水素流量制御装置８２、二酸化炭素流量制御装置８３、及び圧縮機２２を含む）へ制御信号を出力する。制御装置６では、記憶部に記憶されたプログラム等のソフトウェアを演算処理部が読み出して実行することにより、メタン製造装置１００の運転を制御するための処理が行われる。なお、制御装置６は単一のコンピュータによる集中制御により各処理を実行してもよいし、複数のコンピュータの協働による分散制御により各処理を実行してもよい。また、制御装置６は、マイクロコントローラ、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）等から構成されていてもよい。

〔反応器Ｒ内の温度上昇抑制制御〕
ここで、上記構成のメタン製造装置１００における温度上昇抑制制御について説明する。図３及び図４は、反応器内の温度上昇抑制制御の流れを示すフローチャートである。

図３に示すように、制御装置６は、第１温度センサ８６から第１反応器Ｒ１内の温度Ｔ１を取得し、第２温度センサ８７から第２反応器Ｒ２内の温度Ｔ２を取得する（ステップＳ１）。そして、制御装置６は、取得した温度Ｔ１，Ｔ２と所定の温度閾値Ｔαとを比較する（ステップＳ２）。温度閾値Ｔαは、メタネーション反応が停止する温度未満の温度であって、例えば、メタネーション反応が適当な速度で進行する温度範囲の上限値であってよい。温度閾値Ｔαは、触媒の種類に応じて定められる。

制御装置６は、取得した全ての温度Ｔ１，Ｔ２が温度閾値Ｔαを超えていなければ（ステップＳ２でＮＯ）、ステップＳ１に戻って処理を継続する。つまり、温度Ｔ１，Ｔ２が温度閾値Ｔα以下であれば、反応器Ｒ内の温度上昇抑制のための処理は行われない。なお、反応器Ｒが単数である場合には、温度閾値Ｔαと比較される温度の数も単数となる。

一方、制御装置６は、取得した温度Ｔ１，Ｔ２のうち少なくとも１つが温度閾値Ｔαを超えていれば（ステップＳ２でＹＥＳ）、二酸化炭素供給量及び水素供給量を保ちつつ、メタン供給量を所定のメタン増加量だけ増やすように、メタン流量制御装置８１を動作させる（ステップＳ３）。なお、初期段階（定常時）において、メタン供給量はゼロであってよい。これにより、原料ガス中の二酸化炭素と水素の比率は所定比に保たれるが、メタン増加量だけ原料ガスの流量が増加する。そこで、制御装置６は、メタン増加量に対応して吸込み流量が増加するように、圧縮機２２の出力を増加させる。

この間、制御装置６は、圧力センサ８９の検出値を監視している。そして、制御装置６は、圧力センサ８９の検出値が所定の圧力閾値を超えると、圧力センサ８９の検出値が圧力閾値以下となるまで原料ガス源２１へ供給される総ガス量を減少させるように、メタン流量制御装置８１、水素流量制御装置８２及び二酸化炭素流量制御装置８３を動作させる。圧力閾値は、圧縮機２２の吸込み流量の上限値と対応する圧力値であってよい。

更に、制御装置６は、流量センサ８８から原料ガスの流量Ｆ、圧力センサ９１から原料ガスの圧力Ｐ、温度センサ９２から原料ガスの温度Ｔ０を、それぞれ取得する（ステップＳ４）。

制御装置６は、流量Ｆと所定の流量閾値Ｆαとを比較する（ステップＳ５）。流量閾値Ｆαは、例えば、圧縮機２２に用いられる電動機の定格出力の７０〜９０％に対応する圧縮機２２の吐出し量を、圧力Ｐ、温度Ｔ０、及び所与の湿度に基づいて圧縮機２２の吐出側の流量に補正した値であってよい。温度閾値Ｔαは、圧縮機２２の能力に応じて定められる。ここでは、流量閾値Ｆαを圧力Ｐ、温度Ｔ０、及び所与の湿度によって補正された値としているが、流量Ｆが圧力Ｐ、温度Ｔ０、及び所与の湿度によって吸込み流量に換算されてもよい。また、圧力Ｐ及び温度Ｔ０は、検出値ではなく、予め与えられた推定値が用いられてもよい。

制御装置６は、流量Ｆが流量閾値Ｆα以下であれば（ステップＳ５でＮＯ）、ステップＳ１へ戻って処理を継続する。一方、制御装置６は、流量Ｆが流量閾値Ｆαを超えていれば（ステップＳ５でＹＥＳ）、処理を流量保持ステージへ移行する。

図４に示すように、流量保持ステージにおいて、制御装置６は、先ず、時間計測を開始する（ステップＳ１１）。そして、制御装置６は、二酸化炭素供給量を所定の二酸化炭素減少量だけ減らし、水素供給量を所定の水素減少量だけ減らし、メタン供給量を所定のメタン増加量だけ増やすように、メタン流量制御装置８１、水素流量制御装置８２、及び二酸化炭素流量制御装置８３を動作させる（ステップＳ１３）。これにより、原料ガス中の二酸化炭素及び水素の割合が減少し、メタンの割合が増加するが、原料ガス供給ライン２を流れる原料ガスの流量（即ち、圧縮機２２の吸込み流量）が変化しないように、二酸化炭素減少量、水素減少量、及びメタン増加量が調整される。

制御装置６は、第１温度センサ８６から第１反応器Ｒ１内の温度Ｔ１を取得し、第２温度センサ８７から第２反応器Ｒ２内の温度Ｔ２を取得する（ステップＳ１３）。そして、制御装置６は、取得した温度Ｔ１，Ｔ２と所定の温度閾値Ｔαとを比較する（ステップＳ１４）。

制御装置６は、取得した全ての温度Ｔ１，Ｔ２が温度閾値Ｔαを超えていなければ（ステップＳ１４でＮＯ）、二酸化炭素供給量及び水素供給量を増やして初期状態（又は所定の標準状態）へ戻し、メタン供給量を減らして初期状態へ戻すように、メタン流量制御装置８１、水素流量制御装置８２、及び二酸化炭素流量制御装置８３を動作させる（ステップＳ１７）。加えて、制御装置６は、原料ガス供給ライン２を流れる原料ガスの流量の減少に応じて圧縮機２２の出力を下げ、ステップＳ１に戻って処理を繰り返す。

一方、取得した温度Ｔ１，Ｔ２のうち少なくとも１つが温度閾値Ｔαを超えていれば（ステップＳ１４でＹＥＳ）、制御装置６は、時間計測を開始してからの経過時間ｋと所定の時間閾値ｋαとを比較する（ステップＳ１５）。時間閾値ｋαは、流量保持ステージの継続許容時間であり、任意の値であってよい。

制御装置６は、経過時間ｋが時間閾値ｋα以下であれば（ステップＳ１５でＮＯ）、ステップＳ１２に戻って処理を継続する。一方、制御装置６は、経過時間ｋが時間閾値ｋαを超えていれば（ステップＳ１５でＹＥＳ）、メタン製造装置１００の運転を強制停止して（ステップＳ１６）、処理を終了する。なお、メタン製造装置１００の運転を強制停止することは、原料ガス源２１への二酸化炭素及び水素の供給を停止することを意味し、温度Ｔ１，Ｔ２が温度閾値Ｔα以下となるまでメタンの供給は継続される。

以上に説明したように、本実施形態に係るメタン製造装置１００は、水素と二酸化炭素を含む原料ガスからメタンを生成する触媒を収容した反応器Ｒと、反応器Ｒの入口と接続され、原料ガス源２１から反応器Ｒへ原料ガスを供給する原料ガス供給ライン２と、原料ガス供給ライン２に設けられた圧縮機２２と、製品ガスタンク７と、反応器Ｒの出口と接続され、当該反応器Ｒから出たメタンを含む生成ガスを製品ガスタンク７へ送る生成ガスライン３と、生成ガスを原料ガス源２１へ供給するメタン供給ライン５とを備える。生成ガスには、多くのメタンが含まれる。

そして、上記のメタン製造装置１００は、メタン供給ライン５に設けられ、原料ガス源２１へのメタン供給量を調整するメタン流量制御装置８１と、反応器内の温度を検出する温度センサ８６，８７と、温度センサ８６，８７の検出値に基づいて、温度センサ８６，８７で検出された温度が所定の温度閾値を超えると、原料ガス源２１へのメタン供給量を増加させるようにメタン流量制御装置８１の動作を制御する制御装置６とを備える。

上記メタン製造装置１００によれば、原料ガスにメタンが混入させられることにより、原料ガス中のメタンの割合が増加し、反応器Ｒ中でのメタネーション反応が原料側へ偏り、反応器Ｒ内の温度上昇を抑制することができる。そして、原料ガスへのメタンの混入は常時行われるのではなく、反応器Ｒ内の温度が温度閾値を超えたときにのみ行われるので、定常時の二酸化炭素及び水素の供給量と比較して過大な吸込み流量の圧縮機２２を採用する必要性が低下する。よって、圧縮機２２の大型化を回避しつつ、原料ガスにメタンを混入させることにより反応器Ｒ内の温度上昇を抑制することができる。

本実施形態に係るメタン製造装置１００は、反応器Ｒへ流入する原料ガスの流量を検出する流量センサ８８と、原料ガス源２１への水素供給量を調整する水素流量制御装置８２と、原料ガス源２１への二酸化炭素供給量を調整する二酸化炭素流量制御装置８３とを、更に備える。そして、制御装置６は、温度センサ８６，８７で検出された温度Ｔ１，Ｔ２が所定の温度閾値Ｔαを超えると、流量センサ８８で検出された流量Ｆが所定の流量閾値Ｆα以下の間は、原料ガス源２１への水素供給量及び二酸化炭素供給量を保持しつつメタン供給量を増加させるとともに、メタン供給量の増加に伴う原料ガスの流量増加に対応して圧縮機２２の吸込み流量を増加させるように、水素流量制御装置８２、二酸化炭素流量制御装置８３、メタン流量制御装置８１、及び圧縮機２２の動作を制御する。

これにより、メタンの混入による原料ガスの流量増加は圧縮機２２の能力の範囲内で行われるので、圧縮機２２に過負荷を与えることを回避できる。

また、本実施形態に係るメタン製造装置１００において、制御装置６は、流量センサ８８で検出された流量Ｆが流量閾値Ｆαを超えると、原料ガスの流量を増加させずに、原料ガス源２１への水素供給量及び二酸化炭素供給量を減少させ且つメタン供給量を増加させるように制御を行う。

これにより、原料ガスの流量を圧縮機２２の能力の範囲内に抑えつつ、原料ガス中のメタンの割合を更に増やすことができる。その結果、反応器Ｒ内の温度上昇を更に効果的に抑制することができる。

また、本実施形態に係るメタン製造装置１００は、生成ガスライン３に設けられた生成ガスからメタン以外の成分を分離する分離装置９を更に備え、メタン供給ライン５の上流側端部が、製品ガスタンク７又は生成ガスライン３の分離装置９よりも下流側と接続されている。

これにより、メタン供給ライン５を通じてメタン濃度のより高いガスを原料ガス源２１へ送ることができる。よって、圧縮機２２の負荷上昇を抑えながら、反応器Ｒ内の温度上昇を効果的に抑えることができる。

また、本実施形態に係るメタン製造装置１００は、原料ガス源２１のガス圧力を検出する圧力センサ８９を更に備える。そして、制御装置６は、圧力センサ８９で検出された圧力が所定の圧力閾値を超えると、圧力センサ８９で検出された圧力が圧力閾値以下となるまで、原料ガス源２１への水素供給量、二酸化炭素供給量、及びメタン供給量の少なくとも１つを減少させるように、メタン流量制御装置８１、水素流量制御装置８２、及び二酸化炭素流量制御装置８３の動作を制御する。

これにより、圧縮機２２の過負荷を防ぐことができる。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明の思想を逸脱しない範囲で、上記実施形態の具体的な構造及び／又は機能の詳細を変更したものも本発明に含まれ得る。

１ ：連通ライン
２ ：原料ガス供給ライン
３ ：生成ガスライン
５ ：メタン供給ライン
６ ：制御装置
７ ：製品ガスタンク
９ ：分離装置
２１ ：原料ガス源
２２ ：圧縮機
２３ ：熱交換器
２４ ：水素供給ライン
２５ ：二酸化炭素供給ライン
８１ ：メタン流量制御装置
８２ ：水素流量制御装置
８３ ：二酸化炭素流量制御装置
８６，８７ ：温度センサ
８８ ：流量センサ
８９，９１ ：圧力センサ
９２ ：温度センサ
１００ ：メタン製造装置
Ｒ，Ｒ１，Ｒ２ ：反応器

Claims (5)

1. 水素と二酸化炭素を含む原料ガスからメタンを生成する触媒を収容した反応器と、
   前記反応器の入口と接続され、原料ガス源から前記反応器へ前記原料ガスを供給する原料ガス供給ラインと、
   前記原料ガス供給ラインに設けられた圧縮機と、
   製品ガスタンクと、
   前記反応器の出口と接続され、当該反応器から出たメタンを含む生成ガスを前記製品ガスタンクへ送る生成ガスラインと、
   前記生成ガスを前記原料ガス源へ供給するメタン供給ラインと、
   前記メタン供給ラインに設けられ、前記原料ガス源へのメタン供給量を調整するメタン流量制御装置と、
   前記反応器内の温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサで検出された温度が所定の温度閾値を超えると、前記原料ガス源へのメタン供給量を増加させるように前記メタン流量制御装置の動作を制御する制御装置とを、備える
   メタン製造装置。
2. 前記反応器へ流入する前記原料ガスの流量を検出する流量センサと、前記原料ガス源への水素供給量を調整する水素流量制御装置と、前記原料ガス源への二酸化炭素供給量を調整する二酸化炭素流量制御装置とを、更に備え、
   前記制御装置は、前記温度センサで検出された温度が前記温度閾値を超えると、前記流量センサで検出された流量が所定の流量閾値以下の間は、前記原料ガス源への水素供給量及び二酸化炭素供給量を保持しつつメタン供給量を増加させるとともに、メタン供給量の増加に伴う前記原料ガスの流量増加に対応して前記圧縮機の吸込み流量を増加させるように、前記水素流量制御装置、前記二酸化炭素流量制御装置、前記メタン流量制御装置、及び前記圧縮機の動作を制御する、
   請求項１に記載のメタン製造装置。
3. 前記制御装置は、前記流量センサで検出された流量が前記流量閾値を超えると、前記原料ガスの流量を増加させずに、前記原料ガス源への水素供給量及び二酸化炭素供給量を減少させ且つメタン供給量を増加させる、
   請求項２に記載のメタン製造装置。
4. 前記生成ガスラインに設けられた前記生成ガスからメタン以外の成分を分離する分離装置を更に備え、
   前記メタン供給ラインの上流側端部が、前記製品ガスタンク又は前記生成ガスラインの前記分離装置よりも下流側と接続されている、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のメタン製造装置。
5. 前記原料ガス源のガス圧力を検出する圧力センサを更に備え、
   前記制御装置は、前記圧力センサで検出された圧力が所定の圧力閾値を超えると、前記圧力センサで検出された圧力が前記圧力閾値以下となるまで、前記原料ガス源への水素供給量、二酸化炭素供給量、及びメタン供給量の少なくとも１つを減少させる、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のメタン製造装置。

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