JP2020100597A - Metan manufacturing system - Google Patents

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Abstract

To efficiently utilize reaction heat generated at the time of producing methane when a methane manufacturing system produces methane using carbon dioxide contained in combustion gas.SOLUTION: A methane manufacturing system includes: a reaction pipe having a carbon dioxide storage reduction catalyst; a hydrogen supply part supplying hydrogen to the reaction pipe; and a control part controlling the supply amount of hydrogen supplied by the hydrogen supply part. The carbon dioxide storage reduction catalyst includes: a metal oxide storing and discharging the carbon dioxide; and a methanation reaction catalyst promoting the methanation reaction generating methane from hydrogen and carbon dioxide. The control part increases the supply amount more than the amount of hydrogen corresponding to a stoichiometry amount ratio based on a reaction equation of the methanation reaction.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、二酸化炭素吸蔵還元触媒を備えるメタン製造システムに関する。 The present invention relates to a methane production system including a carbon dioxide storage reduction catalyst.

二酸化炭素と、水素とを混合して、メタン化触媒を用いることにより、メタンを生成する方法が知られている。燃焼ガスに含まれる二酸化炭素を分離してメタンに変換するための触媒として、酸化カルシウムを含む材料が知られている(例えば、非特許文献1参照)。非特許文献1には、二酸化炭素の回収およびメタン化に必要な触媒の組成と作動温度とについて開示されている。 A method of producing methane by mixing carbon dioxide and hydrogen and using a methanation catalyst is known. A material containing calcium oxide is known as a catalyst for separating carbon dioxide contained in combustion gas and converting it into methane (see Non-Patent Document 1, for example). Non-Patent Document 1 discloses the composition and operating temperature of a catalyst required for carbon dioxide recovery and methanation.

M.S.Duyar et al. Dual functional materials for CO2 capture and conversion using renewable H2, Applied Catalysis B: Environmental, Volumes 168-169 (2015) pages 370-376M.S.Duyar et al. Dual functional materials for CO2 capture and conversion using renewable H2, Applied Catalysis B: Environmental, Volumes 168-169 (2015) pages 370-376.

非特許文献1に記載された技術では、二酸化炭素の回収およびメタン化の方法について開示されているが、その際に発生するメタン化の反応熱の利用について開示されていない。また、非特許文献1の方法で発生する反応熱を利用することは可能であるが、その熱の温度はメタン化の温度である320℃以下に限定されてしまうという課題があった。 The technique described in Non-Patent Document 1 discloses a method of carbon dioxide recovery and methanation, but does not disclose utilization of reaction heat of methanation generated at that time. Further, although it is possible to utilize the heat of reaction generated by the method of Non-Patent Document 1, there is a problem that the temperature of the heat is limited to 320° C. or lower which is the temperature of methanation.

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、燃焼ガスに含まれる二酸化炭素を用いてメタンを生成する際に、生成時に発生する反応熱を効率的に利用できるメタン製造システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and when methane is generated using carbon dioxide contained in combustion gas, a methane production system that can efficiently use reaction heat generated during generation. The purpose is to provide.

本発明は、上述の課題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 the above problems, and can be realized as the following modes.

(1)本発明の一形態によれば、メタン製造システムが提供される。このメタン製造システムは、二酸化炭素吸蔵還元触媒を有する反応管と、前記反応管に水素を供給する水素供給部と、前記水素供給部により供給された水素の供給量を制御する制御部と、を備え、前記二酸化炭素吸蔵還元触媒は、二酸化炭素を吸蔵し、放出する金属酸化物と、水素および二酸化炭素からメタンを生成するメタン化反応を促進するメタン化触媒と、を含み、前記制御部は、前記供給量を、前記メタン化反応の反応式に基づく化学量論比に相当する水素の量よりも大きくする。 (1) According to one aspect of the present invention, a methane production system is provided. This methane production system includes a reaction tube having a carbon dioxide storage reduction catalyst, a hydrogen supply unit that supplies hydrogen to the reaction tube, and a control unit that controls the supply amount of hydrogen supplied by the hydrogen supply unit. The carbon dioxide storage reduction catalyst includes a metal oxide that stores and releases carbon dioxide, and a methanation catalyst that promotes a methanation reaction that produces methane from hydrogen and carbon dioxide, and the control unit includes The supply amount is made larger than the amount of hydrogen corresponding to the stoichiometric ratio based on the reaction formula of the methanation reaction.

この構成によれば、金属酸化物が二酸化炭素を吸蔵して炭酸塩に変化する場合に発熱する。反応管内において、二酸化炭素を吸蔵している炭酸塩に水素が供給されると、炭酸塩が金属酸化物に変化する際に脱離した二酸化炭素と、水素供給部により供給された水素とが、メタン化触媒上で反応してメタンが生成される。供給される水素の量が、炭酸塩および水素を原料とするメタン化反応の化学量論比に相当する量よりも大きいため、炭酸塩からの二酸化炭素の脱離と、メタンの生成とが進行する。メタン化反応は、発熱反応であり、メタン化によって生じる熱は、炭酸塩から二酸化炭素を脱離する吸熱反応に利用される。これにより、メタン化反応により生じる反応熱が、エネルギー損失にならなくて済む。また、メタン化反応は、摂氏320度(℃)程度以下の環境下で進行しやすい反応である。320℃よりも高い温度だと残留する二酸化炭素の濃度が高くなり、メタン化反応が進行しにくくなる。本構成によれば、金属酸化物が二酸化炭素を吸蔵する際の温度は、320℃よりも高い温度であるため、金属酸化物による二酸化炭素の吸蔵放出を経由することにより、メタン化反応の発熱を高温下でも利用できる。また、燃料として、水素よりも単位燃焼熱あたりの容積が小さいメタンを生成することにより、燃料を小型化できる。また、メタン化反応の際に多くの水素が供給されることにより、炭酸塩に吸蔵された二酸化炭素を完全に脱離して、金属酸化物から炭酸塩への可逆変化を行う。これにより、金属酸化物が化学吸着によって二酸化炭素を吸蔵する場合と比較して、単位体積当たりの金属酸化物により多くの二酸化炭素を吸蔵でき、メタン製造システムを効率化できる。 According to this configuration, heat is generated when the metal oxide occludes carbon dioxide and changes into a carbonate. In the reaction tube, when hydrogen is supplied to the carbonate storing carbon dioxide, carbon dioxide desorbed when the carbonate changes into a metal oxide, and hydrogen supplied by the hydrogen supply unit, Reaction on the methanation catalyst produces methane. Since the amount of hydrogen supplied is larger than the amount corresponding to the stoichiometric ratio of the methanation reaction using carbonate and hydrogen as raw materials, the desorption of carbon dioxide from the carbonate and the production of methane proceed. To do. The methanation reaction is an exothermic reaction, and the heat generated by the methanation is used for an endothermic reaction that desorbs carbon dioxide from carbonate. As a result, the reaction heat generated by the methanation reaction does not cause energy loss. Further, the methanation reaction is a reaction that easily proceeds in an environment of about 320 degrees Celsius (° C.) or less. If the temperature is higher than 320° C., the concentration of residual carbon dioxide becomes high, and the methanation reaction becomes difficult to proceed. According to this configuration, since the temperature at which the metal oxide occludes carbon dioxide is higher than 320° C., the heat of the methanation reaction is generated by passing through the occluding and releasing of carbon dioxide by the metal oxide. Can be used even under high temperature. In addition, the fuel can be downsized by generating methane, which has a smaller volume per unit heat of combustion than hydrogen, as the fuel. Further, by supplying a large amount of hydrogen during the methanation reaction, carbon dioxide occluded in the carbonate is completely desorbed, and a reversible change from the metal oxide to the carbonate is performed. Thereby, as compared with the case where the metal oxide stores carbon dioxide by chemisorption, more carbon dioxide can be stored in the metal oxide per unit volume, and the efficiency of the methane production system can be improved.

(2)上記形態のメタン製造システムにおいて、さらに、前記反応管から排出される気体に含まれる二酸化炭素の濃度を取得する下流側濃度取得部を備え、前記制御部は、前記二酸化炭素吸蔵還元触媒が二酸化炭素を吸蔵している場合に、前記下流側濃度取得部により取得された二酸化炭素の濃度が、予め設定された許容値に達すると、前記二酸化炭素吸蔵還元触媒による二酸化炭素の吸蔵を終了させてもよい。
この構成によれば、下流側濃度取得部の取得値により、反応管を通過して大気に放出する燃焼ガス中の二酸化炭素濃度を管理することができる。二酸化炭素吸蔵還元触媒(吸蔵還元触媒)が二酸化炭素を吸蔵する吸蔵ステップにおいて、金属酸化物の二酸化炭素吸蔵量がその容量に近づくと、二酸化炭素の一部が吸蔵されずに反応管を通過することで、下流側の二酸化炭素濃度が徐々に上昇する。そこで、下流側濃度取得部の取得値が、設定された二酸化炭素濃度の許容値に達した時に、吸蔵ステップを終えることができ、他のステップへ移行することが可能となる。
(2) In the methane production system of the above aspect, the control unit further includes a downstream concentration acquisition unit that acquires the concentration of carbon dioxide contained in the gas discharged from the reaction tube, and the control unit is the carbon dioxide storage reduction catalyst. Is occluding carbon dioxide, when the concentration of carbon dioxide acquired by the downstream side concentration acquiring unit reaches a preset allowable value, terminating the storage of carbon dioxide by the carbon dioxide occluding and reducing catalyst. You may let me.
According to this configuration, the carbon dioxide concentration in the combustion gas that passes through the reaction tube and is released into the atmosphere can be managed by the acquired value of the downstream side concentration acquisition unit. In the storage step in which the carbon dioxide storage reduction catalyst (storage reduction catalyst) stores carbon dioxide, when the carbon dioxide storage amount of the metal oxide approaches its capacity, part of the carbon dioxide passes through the reaction tube without being stored. As a result, the carbon dioxide concentration on the downstream side gradually increases. Therefore, when the acquired value of the downstream side concentration acquisition unit reaches the set allowable value of the carbon dioxide concentration, the occlusion step can be ended and it is possible to shift to another step.

(3)上記形態のメタン製造システムにおいて、さらに、前記反応管の温度を取得する温度取得部と、前記温度取得部により取得された前記温度を用いて、前記反応管を加熱または冷却する温度調整部と、を備えてもよい。
この構成によれば、メタン化ステップにおいて、温度が過大または過小になった場合に、前記メタン化反応に好適な温度となるよう管理することができる。さらに、この構成によれば、吸蔵ステップにおいて、熱媒体の循環により発熱を回収する場合に、熱媒体の流量などの制御によって、熱回収後の熱媒体の温度が熱利用に際して好適な温度となるよう管理することができる。
(3) In the methane production system of the above aspect, a temperature acquisition unit that acquires the temperature of the reaction tube, and a temperature adjustment that heats or cools the reaction tube using the temperature acquired by the temperature acquisition unit. And a section.
According to this configuration, in the methanation step, when the temperature becomes excessively high or low, the temperature can be controlled to be a temperature suitable for the methanation reaction. Furthermore, according to this configuration, when heat is recovered by circulating the heat medium in the occlusion step, the temperature of the heat medium after heat recovery becomes a temperature suitable for heat utilization by controlling the flow rate of the heat medium. Can be managed.

(4)上記形態のメタン製造システムにおいて、前記金属酸化物は、酸化リチウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、および酸化鉛の少なくとも1つを含んでいてもよい。
これらの金属化合物を用いることにより、高温下で二酸化炭素の吸蔵による発熱反応と、低温下での吸蔵した二酸化炭素の脱離による吸熱反応とを実行できる。
(4) In the methane production system of the above aspect, the metal oxide may contain at least one of lithium oxide, magnesium oxide, calcium oxide, strontium oxide, barium oxide, and lead oxide.
By using these metal compounds, an exothermic reaction due to occlusion of carbon dioxide at a high temperature and an endothermic reaction due to desorption of the adsorbed carbon dioxide at a low temperature can be performed.

(5)上記形態のメタン製造システムにおいて、さらに、前記金属酸化物が二酸化炭素の吸蔵により発生した熱を前記反応管から他の装置へと伝達する熱伝達部と、前記反応管に二酸化炭素を含む気体を供給する供給管と、を備えていてもよい。
この構成によれば、二酸化炭素を含む高温の気体(例えば、工場での燃焼ガス)から、金属酸化物によって二酸化炭素を抽出し、メタンを生成することができる。一方で、熱伝達部により、メタン化反応が進行する環境化よりも高い温度下で発生した二酸化炭素吸蔵時の熱を他の装置へと熱伝達部により伝達できる。
(5) In the methane production system of the above aspect, further, a heat transfer part for transferring the heat generated by the metal oxide by the occlusion of carbon dioxide from the reaction tube to another device, and carbon dioxide in the reaction tube. A supply pipe for supplying a gas containing the gas may be provided.
According to this configuration, carbon dioxide can be extracted from the high-temperature gas containing carbon dioxide (for example, combustion gas in a factory) by the metal oxide to generate methane. On the other hand, the heat transfer section allows the heat transfer section to transfer the heat generated when the carbon dioxide is occluded, which is generated at a temperature higher than the environment where the methanation reaction progresses, to another device.

(6)上記形態のメタン製造システムにおいて、前記二酸化炭素吸蔵還元触媒は、前記焼結抑制材としての酸化物が添加されていてもよい。
この構成によれば、吸蔵還元触媒に添加された焼結抑制剤(「焼結防止剤」とも呼ばれる)が、金属酸化物の焼結を防止するために、金属酸化物における二酸化炭素の吸蔵および脱離を繰り返し行うことができる。
(6) In the methane production system of the above aspect, the carbon dioxide storage reduction catalyst may be added with an oxide as the sintering suppressing material.
According to this configuration, the sintering inhibitor (also referred to as “sinter inhibitor”) added to the storage reduction catalyst prevents the metal oxide from sintering by preventing the metal oxide from sintering. Desorption can be repeated.

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、二酸化炭素の分離回収装置、メタン製造システム、化学蓄熱システム、二酸化炭素の循環装置、メタン製造方法、および二酸化炭素の分離回収方法、これら装置や方法を実行する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 implemented in various modes, for example, a carbon dioxide separation/collection device, a methane production system, a chemical heat storage system, a carbon dioxide circulation device, a methane production method, and a carbon dioxide separation. The present invention can be implemented in the form of a collection method, a computer program for executing these devices and methods, a server device for distributing this computer program, a non-transitory storage medium storing the computer program, and the like.

実施形態におけるメタン製造システムのブロック図である。It is a block diagram of the methane manufacturing system in an embodiment. メタン製造のフローチャートである。It is a flowchart of methane production. 式(2)の化学反応が平衡状態の場合における水素、メタン、および水蒸気の分圧を示すグラフである。It is a graph which shows the partial pressure of hydrogen, methane, and water vapor when the chemical reaction of Formula (2) is in an equilibrium state. 本実施形態のメタン製造に伴う蓄熱効果についての説明図である。It is explanatory drawing about the heat storage effect accompanying the methane production of this embodiment.

<実施形態>
図1は、実施形態におけるメタン製造システム100のブロック図である。メタン製造システム100は、工場の燃焼ガスに含まれる二酸化炭素を元に燃料となるメタンを生成する。また、メタン製造システム100は、燃焼ガスから二酸化炭素を抽出してメタンを生成するまでに発生する反応熱を他の装置50へと供給する。
<Embodiment>
FIG. 1 is a block diagram of a methane production system 100 according to the embodiment. The methane production system 100 produces methane as a fuel based on carbon dioxide contained in the combustion gas of a factory. Further, the methane production system 100 supplies the reaction heat generated until the carbon dioxide is extracted from the combustion gas to generate methane to the other device 50.

図1に示されるように、メタン製造システム100は、二酸化炭素吸蔵還元触媒11(以降、単に「吸蔵還元触媒11」とも呼ぶ)を内部に有する反応管10と、二酸化炭素を含む燃焼ガスを反応管10へと供給する燃焼装置20と、反応管10へと供給される水素を高圧で貯蔵している水素供給部30と、反応管10内で生成されたメタンおよび水素を含むガスを貯蔵する燃料タンク40と、反応管10で発生する反応熱が供給される熱需要としての他の装置50と、燃焼装置20と反応管10とを接続する燃焼ガス供給路(供給管)29と、水素供給部30と反応管10とを接続する水素供給路39と、反応管10と燃料タンク40とを接続する燃料供給路49と、反応管10と他の装置50とを接続する処理済み燃焼ガス供給路(熱伝達部)59と、反応管10に供給される気体および反応管10から排出される気体を制御する制御部60とを備えている。 As shown in FIG. 1, the methane production system 100 reacts a combustion gas containing carbon dioxide with a reaction tube 10 having a carbon dioxide storage reduction catalyst 11 (hereinafter, also simply referred to as “storage reduction catalyst 11”) therein. A combustion device 20 for supplying to the tube 10, a hydrogen supply unit 30 for storing hydrogen supplied to the reaction tube 10 at high pressure, and a gas containing methane and hydrogen produced in the reaction tube 10 are stored. A fuel tank 40, another device 50 as heat demand for supplying reaction heat generated in the reaction tube 10, a combustion gas supply path (supply tube) 29 connecting the combustion device 20 and the reaction tube 10, and hydrogen. Hydrogen supply path 39 connecting the supply unit 30 and the reaction tube 10, a fuel supply path 49 connecting the reaction tube 10 and the fuel tank 40, and a treated combustion gas connecting the reaction tube 10 and another device 50. A supply path (heat transfer section) 59 and a control section 60 for controlling the gas supplied to the reaction tube 10 and the gas discharged from the reaction tube 10 are provided.

本実施形態の吸蔵還元触媒11は、金属酸化物である酸化カルシウムと、焼結抑制材であるアルミナと、メタン化触媒であるルテニウムとを含む複合体である。酸化カルシウムは、燃焼ガスに含まれる二酸化炭素を吸蔵して、炭酸カルシウムへと変化する。炭酸カルシウムは、水素が供給されることにより、二酸化炭素を脱離して、酸化カルシウムへと変化する。酸化カルシウムから炭酸カルシウムへの反応は、発熱反応であり、炭酸カルシウムから酸化カルシウムへの反応は、吸熱反応である。ルテニウムは、水素と二酸化炭素からメタンが生成するメタン化反応を促進する。なお、アルミナは酸化カルシウムの焼結による劣化を抑制するために用いられ、焼結防止材とも呼ばれる。なお、他の実施形態における吸蔵還元触媒11は、焼結防止材を含んでいなくてもよい。 The storage reduction catalyst 11 of the present embodiment is a composite containing calcium oxide which is a metal oxide, alumina which is a sintering inhibitor, and ruthenium which is a methanation catalyst. Calcium oxide occludes carbon dioxide contained in combustion gas and changes to calcium carbonate. When hydrogen carbonate is supplied, calcium carbonate desorbs carbon dioxide and changes to calcium oxide. The reaction from calcium oxide to calcium carbonate is an exothermic reaction, and the reaction from calcium carbonate to calcium oxide is an endothermic reaction. Ruthenium promotes the methanation reaction that produces methane from hydrogen and carbon dioxide. Alumina is used to suppress deterioration of calcium oxide due to sintering and is also called a sintering inhibitor. In addition, the storage reduction catalyst 11 in other embodiment does not need to contain the sintering prevention material.

燃焼ガス供給路29は、燃焼装置20から排出される燃焼ガスを反応管10へと導く。本実施形態では、反応管10に導かれる燃焼ガスの温度は、300℃前後である。図1に示されるように、供給路29の途中には、燃焼装置20側から順に、燃焼ガスの流量を検出する燃焼ガス流量計21と、燃焼ガスに含まれる二酸化炭素を検出する上流側二酸化炭素センサ22と、燃焼ガスの温度を検出する上流側温度センサ23と、燃焼ガス供給路を開閉する燃焼ガスバルブ24とが配置されている。燃焼ガスバルブ24は、開閉することにより、反応管10へと供給される燃焼ガスの流量を調節する。 The combustion gas supply path 29 guides the combustion gas discharged from the combustion device 20 to the reaction tube 10. In the present embodiment, the temperature of the combustion gas introduced into the reaction tube 10 is around 300°C. As shown in FIG. 1, in the middle of the supply path 29, a combustion gas flow meter 21 that detects the flow rate of the combustion gas and an upstream side dioxide that detects carbon dioxide contained in the combustion gas are sequentially provided from the combustion device 20 side. A carbon sensor 22, an upstream temperature sensor 23 that detects the temperature of the combustion gas, and a combustion gas valve 24 that opens and closes the combustion gas supply passage are arranged. The combustion gas valve 24 is opened and closed to adjust the flow rate of the combustion gas supplied to the reaction tube 10.

水素供給路39は、水素供給部30から反応管10へと供給される水素を導く。図1に示されるように、水素供給路39の途中には、水素供給部30側から順に、水素供給路39内を流れる水素の量を検出する水素流量計31と、水素供給路39を開閉する水素供給バルブ34とが配置されている。水素供給バルブ34は、開閉することにより、反応管10へと供給される水素の量を調節する。 The hydrogen supply path 39 guides hydrogen supplied from the hydrogen supply unit 30 to the reaction tube 10. As shown in FIG. 1, in the middle of the hydrogen supply passage 39, a hydrogen flow meter 31 for detecting the amount of hydrogen flowing in the hydrogen supply passage 39 and a hydrogen supply passage 39 are opened and closed in order from the hydrogen supply unit 30 side. And a hydrogen supply valve 34 that operates. The hydrogen supply valve 34 opens and closes to control the amount of hydrogen supplied to the reaction tube 10.

燃料供給路49は、反応管10内でメタン化反応により生成されたメタンおよび水素を含むガスを燃料タンク40へと導く。図1に示されるように、燃料供給路49の途中には、反応管10側から順に、燃料供給路49内を通過する気体に含まれるメタンを検出するメタンセンサ41と、燃料供給路49内を通過する気体に含まれる水素を検出する水素センサ42と、燃料供給路49を開閉する燃料バルブ44とを備えている。燃料供給路49は、開閉することにより、燃料タンク40へと貯留されるメタンおよび水素を含むガスを調節する。 The fuel supply path 49 guides the gas containing methane and hydrogen generated by the methanation reaction in the reaction tube 10 to the fuel tank 40. As shown in FIG. 1, in the middle of the fuel supply passage 49, a methane sensor 41 for detecting methane contained in a gas passing through the fuel supply passage 49 and a fuel supply passage 49 inside the reaction pipe 10 in order. A hydrogen sensor 42 for detecting hydrogen contained in the gas passing through the fuel cell and a fuel valve 44 for opening and closing the fuel supply passage 49 are provided. The fuel supply path 49 adjusts the gas containing methane and hydrogen stored in the fuel tank 40 by opening and closing.

処理済み燃焼ガス供給路59は、吸蔵還元触媒11により、燃焼ガスから二酸化炭素が除かれた後の高温の気体を、反応管10から他の装置50へと導く。図1に示されるように、処理済み燃焼ガス供給路59には、反応管10側から順に、気体に含まれる二酸化炭素を検出する下流側二酸化炭素センサ(下流側CO2センサ)52と、処理済み燃焼ガス供給路59を開閉する出口バルブ54と、反応管10から他の装置50へと供給される気体の温度を検出する下流側温度センサ53とを備えている。出口バルブ54は、開閉することにより、反応管10から他の装置50へと供給される気体の流量を調整する。 The treated combustion gas supply path 59 guides the high-temperature gas, which is obtained by removing the carbon dioxide from the combustion gas by the storage reduction catalyst 11, from the reaction tube 10 to another device 50. As shown in FIG. 1, in the treated combustion gas supply path 59, a downstream side carbon dioxide sensor (downstream side CO 2 sensor) 52 for detecting carbon dioxide contained in the gas and a treatment are sequentially provided from the reaction tube 10 side. An outlet valve 54 that opens and closes the spent combustion gas supply path 59, and a downstream temperature sensor 53 that detects the temperature of the gas supplied from the reaction tube 10 to the other device 50 are provided. The outlet valve 54 adjusts the flow rate of the gas supplied from the reaction tube 10 to the other device 50 by opening and closing.

制御部60は、各種センサおよび各種バルブと有線で接続されている。なお、図1では、制御部60と各種バルブとの接続は、破線によって示されているが、制御部60と各種センサとの接続の図示は、省略されている。制御部60は、各種センサの検出値を取得し、各種バルブを開閉するための制御信号を各種バルブへと送信する。各種バルブは、受信した制御信号により、バルブの開閉を行う。 The control unit 60 is connected to various sensors and various valves by wire. In addition, in FIG. 1, the connection between the control unit 60 and various valves is indicated by a broken line, but the connection between the control unit 60 and various sensors is not shown. The control unit 60 acquires detection values of various sensors and sends control signals for opening and closing various valves to the various valves. Each valve opens and closes according to the received control signal.

制御部60は、図示されていないCPU(Central Processing Unit)と、RAM(Random Access Memory)と、ROM(Read Only Memory)と、ユーザの操作を受け付ける操作部とを含んでいる。操作部により受け付けられた操作に従い、CPUが、ROMに格納されている各種プログラムをRAMに展開することにより、各種プログラムが実行される。操作部は、キーボードおよびマウスといった周知の入力手段である。制御部60が行う具体的な処理については、下記に示すフローチャートに沿って説明する。 The control unit 60 includes a CPU (Central Processing Unit) (not shown), a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), and an operation unit that receives a user operation. In accordance with the operation received by the operation unit, the CPU develops various programs stored in the ROM in the RAM to execute the various programs. The operation unit is a well-known input means such as a keyboard and a mouse. The specific processing performed by the control unit 60 will be described with reference to the flowchart shown below.

図2は、メタン製造のフローチャートである。メタン製造では、初めに、制御部60が吸蔵ステップを行う(ステップS1)。吸蔵ステップでは、反応管10内に、燃焼装置20の燃焼ガスが流入する。制御部60は、水素供給バルブ34および燃料バルブ44を閉じた状態で、燃焼ガスバルブ24および出口バルブ54を開く。燃焼ガスは、二酸化炭素を含んでいるため、反応管10内の吸蔵還元触媒11は、二酸化炭素を吸蔵する。反応管10に流入した二酸化炭素と、酸化カルシウムとは、下記式(1)に示される化学反応を起こす。
CaO+CO2=CaCO3・・・(1)
この際、上記式(1)の化学反応は、300℃の環境下でも昇温させる発熱反応である。
FIG. 2 is a flowchart of methane production. In methane production, the control unit 60 first performs an occlusion step (step S1). In the occlusion step, the combustion gas of the combustion device 20 flows into the reaction tube 10. The control unit 60 opens the combustion gas valve 24 and the outlet valve 54 with the hydrogen supply valve 34 and the fuel valve 44 closed. Since the combustion gas contains carbon dioxide, the storage reduction catalyst 11 in the reaction tube 10 stores carbon dioxide. The carbon dioxide flowing into the reaction tube 10 and calcium oxide cause a chemical reaction represented by the following formula (1).
CaO+CO 2 =CaCO 3 (1)
At this time, the chemical reaction of the above formula (1) is an exothermic reaction that raises the temperature even in an environment of 300°C.

制御部60は、下流側CO2センサ52により検出される二酸化炭素の濃度が、反応管10を通過して大気に放出してもよい許容値よりも小さいか否かを判定する(ステップS2)。下流側CO2センサ52の検出値が、許容値よりも低い場合には(ステップS2:YES)、制御部60は、吸蔵ステップを続行する(ステップS1)。逆に、下流側CO2センサ52の検出値が、許容値以上である場合には(ステップS2:NO)、制御部60は、吸蔵ステップを終了して、次のステップへと移行する。この際、制御部60は、燃焼ガスバルブ24および出口バルブ54を閉じる。 The control unit 60 determines whether or not the concentration of carbon dioxide detected by the downstream CO 2 sensor 52 is smaller than the allowable value that may be released into the atmosphere through the reaction tube 10 (step S2). .. When the detection value of the downstream CO 2 sensor 52 is lower than the allowable value (step S2: YES), the control unit 60 continues the occlusion step (step S1). On the contrary, when the detection value of the downstream CO 2 sensor 52 is equal to or more than the allowable value (step S2: NO), the control unit 60 ends the occlusion step and shifts to the next step. At this time, the control unit 60 closes the combustion gas valve 24 and the outlet valve 54.

吸蔵ステップが終了すると、制御部60は、メタン化ステップを行う(ステップS3)。メタン化ステップでは、制御部60は、水素供給バルブ34および燃料バルブ44を開いて、反応管10内に水素を供給する。制御部60は、水素センサ42の検出値およびメタンセンサ41の検出値を用いて、燃料タンク40内のガス組成を算出する。反応管10内では、下記式(2)のメタンが生成される反応が起こる。
CaCO3+4H2=CaO+CH4+2H2O・・・(2)
When the occlusion step ends, the control unit 60 performs a methanation step (step S3). In the methanation step, the control unit 60 opens the hydrogen supply valve 34 and the fuel valve 44 to supply hydrogen into the reaction tube 10. The control unit 60 uses the detection value of the hydrogen sensor 42 and the detection value of the methane sensor 41 to calculate the gas composition in the fuel tank 40. In the reaction tube 10, a reaction in which methane of the following formula (2) is produced occurs.
CaCO 3 +4H 2 =CaO+CH 4 +2H 2 O (2)

図3は、式(2)の化学反応が平衡状態の場合における水素、メタン、および水蒸気の分圧を示すグラフである。平衡状態とは、上記式(2)の反応式における自由エネルギー変化がゼロであることをいう。全圧は、常に1気圧(atm)で一定とした。なお、図3では、水素の分圧を示す縦軸のスケールと、メタンおよび水蒸気の分圧を示す縦軸のスケールとが異なるように示されている。図3に示されるように、例えば、300℃の場合に式(2)の化学反応が平衡状態になると、水素の分圧は0.78atmであり、メタンの分圧は0.073atmであり、水蒸気の分圧は0.147atmである。この場合に、メタンの生成に用いられた水素の量を、供給された水素の量で除した水素利用率は、下記式(3)で表される。
0.073×4/(0.78+0.073×4)≒0.27・・・(3)
FIG. 3 is a graph showing the partial pressures of hydrogen, methane, and water vapor when the chemical reaction of formula (2) is in equilibrium. The equilibrium state means that the free energy change in the reaction formula of the above formula (2) is zero. The total pressure was constant at 1 atm (atm). In FIG. 3, the scale of the vertical axis showing the partial pressure of hydrogen and the scale of the vertical axis showing the partial pressures of methane and steam are shown to be different. As shown in FIG. 3, for example, when the chemical reaction of the formula (2) is in an equilibrium state at 300° C., the partial pressure of hydrogen is 0.78 atm and the partial pressure of methane is 0.073 atm. The partial pressure of water vapor is 0.147 atm. In this case, the hydrogen utilization rate obtained by dividing the amount of hydrogen used to generate methane by the amount of hydrogen supplied is represented by the following formula (3).
0.073×4/(0.78+0.073×4)≈0.27...(3)

上記式(2)に基づく化学量論比に相当する量の水素が供給される場合に、式(3)より、二酸化炭素を脱離して炭酸カルシウムから酸化カルシウムへと変化する割合は、0.27となる。100パーセント(%)の炭酸カルシウムを酸化カルシウムへと変化させるためには、更なる水素が供給される必要がある。すなわち、炭酸カルシウムから完全に二酸化炭素を脱離させるためには、水素利用率の0.27の逆数である約3.65倍の水素が供給される必要がある。 When hydrogen is supplied in an amount corresponding to the stoichiometric ratio based on the above formula (2), the ratio of desorption of carbon dioxide to change from calcium carbonate to calcium oxide is 0. 27. Further hydrogen needs to be supplied in order to convert 100 percent (%) of calcium carbonate to calcium oxide. That is, in order to completely desorb carbon dioxide from calcium carbonate, it is necessary to supply about 3.65 times hydrogen, which is the reciprocal of the hydrogen utilization rate of 0.27.

ゆえに制御部60は、図2のメタン化ステップ(ステップS3)において、上記の過剰量の水素を反応管10に供給し、水素流量計31の検出値を用いて水素の供給量を管理する。制御部60は、上記式(2)に基づく化学量論比に相当する水素の量よりも過剰な量である水素を反応管10に供給する。ただし、制御部60は、供給量が所定の量に達する以前に、メタンセンサ41の取得値が一定のメタン濃度を下回る場合には、メタン化反応が停止したとみなす。すなわち、制御部60は、メタンセンサ41により取得されるメタン濃度が、一定のメタン濃度である設定値を超えているか否かを判定する。メタンセンサ41の取得値が設定値よりも大きい場合には(ステップS4:YES)、制御部60は、メタン化ステップを続行する(ステップS3)。メタンセンサ41の取得値が設定値以下の場合には(ステップS4:NO)、制御部60は、次のステップを行う。この際、制御部60は、水素供給バルブ34および燃料バルブ44を閉じる。 Therefore, in the methanation step (step S3) of FIG. 2, the control unit 60 supplies the excess amount of hydrogen to the reaction tube 10 and manages the supply amount of hydrogen using the detection value of the hydrogen flow meter 31. The control unit 60 supplies the reaction tube 10 with hydrogen, which is in excess of the amount of hydrogen corresponding to the stoichiometric ratio based on the above formula (2). However, the control unit 60 considers that the methanation reaction is stopped when the acquired value of the methane sensor 41 falls below a certain methane concentration before the supply amount reaches a predetermined amount. That is, the control unit 60 determines whether the methane concentration acquired by the methane sensor 41 exceeds a set value that is a constant methane concentration. When the acquired value of the methane sensor 41 is larger than the set value (step S4: YES), the control unit 60 continues the methanation step (step S3). When the acquired value of the methane sensor 41 is less than or equal to the set value (step S4: NO), the control unit 60 performs the next step. At this time, the control unit 60 closes the hydrogen supply valve 34 and the fuel valve 44.

メタンの貯蔵後に、制御部60は、上述した燃焼ガスに含まれる二酸化炭素を用いたメタン製造の処理を終了するか否かを判定する(ステップS5)。操作部がメタン製造を終了する所定の操作を受け付けていない場合には(ステップS5:NO)、制御部60は、ステップS1以降の処理を繰り返す。操作部が所定の操作を受け付けた場合には(ステップS5:YES)、制御部60は、メタン製造を終了する。 After the storage of methane, the control unit 60 determines whether or not to terminate the above-described methane production process using carbon dioxide contained in the combustion gas (step S5). When the operation unit has not received a predetermined operation for ending the production of methane (step S5: NO), the control unit 60 repeats the processing from step S1 onward. When the operation unit receives a predetermined operation (step S5: YES), the control unit 60 ends the methane production.

図4は、本実施形態のメタン製造に伴う蓄熱効果についての説明図である。図4には、本実施形態の実施例および比較例1,2における水素1モル(mol)あたりの燃焼熱および廃熱が示されている。実施例および比較例1は、水素1モルから生成されたメタンの燃焼熱と、生成時の廃熱とである。比較例2は、水素1モルあたりの燃焼熱である。実施例では、メタンの燃焼熱量として200キロジュール(kJ)が発生し、メタン化の廃熱として44kJが発生する。廃熱は、上記式(1)に示される炭酸カルシウムから二酸化炭素を脱離する際の吸熱反応に用いられる。そのため、メタン化の廃熱は、酸化カルシウムが燃焼ガスに含まれる二酸化炭素を吸蔵して炭酸カルシウムへと変化する発熱反応の際に用いることができる。一方で、比較例1のメタン化の廃熱は、利用されずに捨てられるため、エネルギー損失となる。比較例2では、エネルギー損失はないものの、燃焼熱として同じ熱量を得る場合に、メタンの体積の方が水素の体積よりも小さくなる。 FIG. 4 is an explanatory diagram of a heat storage effect associated with methane production according to this embodiment. FIG. 4 shows the combustion heat and the waste heat per 1 mol (mol) of hydrogen in Examples of the present embodiment and Comparative Examples 1 and 2. Example and Comparative Example 1 are the combustion heat of methane generated from 1 mol of hydrogen and the waste heat at the time of generation. Comparative Example 2 is the heat of combustion per mole of hydrogen. In the embodiment, 200 kilojoule (kJ) is generated as the combustion heat of methane, and 44 kJ is generated as the waste heat of methanation. The waste heat is used for an endothermic reaction when desorbing carbon dioxide from the calcium carbonate represented by the above formula (1). Therefore, the waste heat of methanation can be used in an exothermic reaction in which calcium oxide occludes carbon dioxide contained in combustion gas and changes to calcium carbonate. On the other hand, the waste heat of methanation of Comparative Example 1 is discarded without being used, resulting in energy loss. In Comparative Example 2, although there is no energy loss, the volume of methane is smaller than that of hydrogen when the same amount of heat as combustion heat is obtained.

以上説明したように、本実施形態におけるメタン製造システム100は、反応管10内に、二酸化炭素を吸蔵可能であると共に、供給される水素および吸蔵した二酸化炭素からメタンを生成する吸蔵還元触媒11を備えている。制御部60は、反応管10内に、水素供給部30から水素を供給し、水素の供給量を上記式(2)が平衡状態になるよりも多い量に制御する。そのため、本実施形態のメタン製造システム100では、メタン化反応の際に供給される水素の量がメタン化反応の平衡状態よりも多いため、炭酸カルシウムからの二酸化炭素の脱離と、メタンの生成とが進行する。メタン化反応の発熱は、炭酸カルシウムが酸化カルシウムに変化する際の吸熱反応に利用される。これにより、メタン化反応の発熱量がエネルギー損失にならなくて済む。また、燃焼ガスに含まれる二酸化炭素を酸化カルシウムが吸蔵する際の発熱反応は、メタン化反応が進行しやすい温度よりも高い温度でも進行するため、メタン化反応による発熱を、より高い温度で利用できる。また、メタン化反応時に供給される水素の量が平衡状態よりも多いことにより、炭酸カルシウムからの二酸化炭素の脱離を十分に行うことができ、酸化カルシウムから炭酸カルシウムへの変化を可逆的に行える。これにより、酸化カルシウムが化学吸着によって二酸化炭素を吸蔵する場合と比較して、酸化カルシウムは、より多くの二酸化炭素を吸蔵できる。また、図4に示される比較例2と比べて、燃焼熱として同じ熱量を得る場合に、メタンの方が水素よりも体積が小さくなるため、燃料を保存する燃料タンク40を小型化できる。 As described above, the methane production system 100 according to the present embodiment is capable of storing carbon dioxide in the reaction tube 10, and at the same time, the storage reduction catalyst 11 that produces methane from supplied hydrogen and stored carbon dioxide. I have it. The control unit 60 supplies hydrogen from the hydrogen supply unit 30 into the reaction tube 10 and controls the supply amount of hydrogen to a larger amount than the above equation (2) becomes in an equilibrium state. Therefore, in the methane production system 100 of the present embodiment, since the amount of hydrogen supplied during the methanation reaction is larger than the equilibrium state of the methanation reaction, desorption of carbon dioxide from calcium carbonate and generation of methane. And proceed. The heat generated by the methanation reaction is used for the endothermic reaction when calcium carbonate changes into calcium oxide. As a result, the calorific value of the methanation reaction does not cause energy loss. Further, since the exothermic reaction when calcium oxide stores carbon dioxide contained in the combustion gas proceeds even at a temperature higher than the temperature at which the methanation reaction easily proceeds, the heat generated by the methanation reaction is used at a higher temperature. it can. Further, since the amount of hydrogen supplied during the methanation reaction is larger than that in the equilibrium state, desorption of carbon dioxide from calcium carbonate can be sufficiently performed, and the change from calcium oxide to calcium carbonate can be reversibly performed. You can do it. Thereby, as compared with the case where calcium oxide stores carbon dioxide by chemisorption, calcium oxide can store more carbon dioxide. Further, as compared with Comparative Example 2 shown in FIG. 4, when obtaining the same amount of heat as combustion heat, methane has a smaller volume than hydrogen, so that the fuel tank 40 for storing fuel can be downsized.

また、本実施形態における燃料製造システム100は、メタン化反応後に反応管10から排出される気体に含まれる二酸化炭素を検出する下流側CO2センサ52を備えている。制御部60は、下流側CO2センサ52の検出値から、反応管10を通過して大気に放出される燃焼ガス中の二酸化炭素の濃度を管理できる。図2に示される吸蔵ステップ(ステップS1)において、酸化カルシウムが吸蔵している二酸化炭素の量が、酸化カルシウムが吸蔵可能な量に近づくと、下流側CO2センサ52が検出する二酸化炭素の濃度が高くなる。制御部60は、検出される二酸化炭素の濃度が予め設定された許容値以上の場合に、吸蔵ステップを終了して、メタン化ステップ(ステップS3)に移行する。これにより、二酸化炭素を吸蔵しきれなくなった吸蔵還元触媒11に、必要以上の燃焼ガスを供給しなくても済む。 Further, the fuel production system 100 according to the present embodiment includes the downstream CO 2 sensor 52 that detects carbon dioxide contained in the gas discharged from the reaction tube 10 after the methanation reaction. The control unit 60 can manage the concentration of carbon dioxide in the combustion gas that passes through the reaction tube 10 and is released to the atmosphere from the detection value of the downstream CO 2 sensor 52. In the storage step (step S1) shown in FIG. 2, when the amount of carbon dioxide stored by calcium oxide approaches the amount that can be stored by calcium oxide, the concentration of carbon dioxide detected by the downstream CO 2 sensor 52. Becomes higher. When the detected carbon dioxide concentration is equal to or higher than the preset allowable value, the control unit 60 ends the occlusion step and shifts to the methanation step (step S3). As a result, it is not necessary to supply more than necessary combustion gas to the storage reduction catalyst 11 that has been unable to store carbon dioxide.

また、本実施形態における制御部60は、メタン化反応の際に反応管10内へと供給する水素の量を、上記式(2)に基づく化学量論比に相当する量と、上記式(3)で示される水素利用率の逆数との積の量に設定する。これにより、炭酸カルシウムを完全に酸化カルシウムへと変化させるために必要な水素を供給する。 Further, the control unit 60 in the present embodiment sets the amount of hydrogen supplied into the reaction tube 10 during the methanation reaction to an amount corresponding to the stoichiometric ratio based on the above equation (2) and the above equation ( It is set to the amount of the product of the reciprocal of the hydrogen utilization rate shown in 3). This supplies the hydrogen required to completely transform calcium carbonate into calcium oxide.

また、本実施形態におけるメタン製造システム100は、二酸化炭素を含む燃焼ガスを反応管10へと供給する燃焼ガス供給路29と、吸蔵還元触媒11が二酸化炭素を吸蔵する際に発生した熱を含む気体を他の装置50へと供給する処理済み燃焼ガス供給路59とを備えている。そのため、吸蔵還元触媒11が二酸化炭素を吸蔵する発熱反応に生じた熱は、熱需要である他の装置50へと移動させられる。また、吸蔵還元触媒11は、焼結抑制材としてのアルミナが添加されている。そのため、吸蔵還元触媒11は、二酸化炭素の吸蔵および脱離を繰り返し行うことができる。 Further, the methane production system 100 in the present embodiment includes the combustion gas supply path 29 for supplying the combustion gas containing carbon dioxide to the reaction tube 10 and the heat generated when the storage reduction catalyst 11 stores the carbon dioxide. And a treated combustion gas supply passage 59 for supplying gas to another device 50. Therefore, the heat generated in the exothermic reaction in which the storage reduction catalyst 11 stores carbon dioxide is transferred to another device 50 which is a heat demander. Further, the storage reduction catalyst 11 is added with alumina as a sintering suppressing material. Therefore, the storage reduction catalyst 11 can repeat the storage and desorption of carbon dioxide.

<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 modes without departing from the scope of the invention, and the following modifications are possible, for example.

[変形例]
上記実施形態では、一例としてのメタン製造システム100について説明したが、メタン製造システムについては、種々変形可能である。メタン製造システム100は、二酸化炭素を吸蔵して、水素を用いてメタンを製造する吸蔵還元触媒11を有する反応管10と、反応管10に供給する燃焼ガスの量を検出する燃焼ガス流量計21と、反応管10に水素を供給する水素供給部30と、水素の供給量を制御する制御部60とを備えていればよい。そのため、メタン製造システム100は、例えば、メタンセンサ41を備えていなくてもよい。制御部60は、上記式(2)に基づく化学量論比に相当する量と、上記式(3)で示される水素利用率の逆数との積で表される水素の量を、反応管10に供給することが好ましい。
[Modification]
In the above embodiment, the methane production system 100 has been described as an example, but the methane production system can be variously modified. The methane production system 100 includes a reaction tube 10 having an occlusion reduction catalyst 11 for occluding carbon dioxide and producing methane using hydrogen, and a combustion gas flow meter 21 for detecting the amount of combustion gas supplied to the reaction tube 10. It suffices to include a hydrogen supply unit 30 that supplies hydrogen to the reaction tube 10 and a control unit 60 that controls the supply amount of hydrogen. Therefore, the methane production system 100 may not include the methane sensor 41, for example. The control unit 60 determines the amount of hydrogen represented by the product of the amount corresponding to the stoichiometric ratio based on the above equation (2) and the reciprocal of the hydrogen utilization rate indicated by the above equation (3). Is preferably supplied to

上記実施形態における制御部60によるメタン製造における各種バルブの制御については、一例であり、種々変形可能である。上記実施形態のメタン製造では、燃焼ガスバルブ24および出口バルブ54と、水素供給バルブ34および燃料バルブ44との一方の2つのバルブが開いている場合に、もう一方の2つのバルブが閉じていた。他の実施形態では、各バルブの開閉は、吸蔵還元触媒11による二酸化炭素の吸着および脱離と、メタンの製造とが行われる範囲において、自由に制御されてよい。 The control of various valves in the methane production by the control unit 60 in the above embodiment is an example, and can be variously modified. In the methane production of the above-described embodiment, when the two valves, the combustion gas valve 24 and the outlet valve 54, and the hydrogen supply valve 34 and the fuel valve 44, are open, the other two valves are closed. In other embodiments, the opening and closing of each valve may be freely controlled within a range where adsorption and desorption of carbon dioxide by the storage reduction catalyst 11 and production of methane are performed.

また、制御部60は、上流側CO2センサ22の検出値と、下流側CO2センサ52の検出値とを用いて、吸蔵還元触媒11に吸蔵された二酸化炭素を算出してもよい。制御部60は、下流側CO2センサ52の検出値を用いて、吸蔵ステップの終了判定を行わなくてもよい。制御部60は、算出した二酸化炭素の吸蔵量に基づいて、メタン化反応に必要な水素の量を供給してもよい。なお、制御部60による水素の供給量の制御については、種々変形可能である。例えば、制御部60は、上流側CO2センサ22または下流側CO2センサ52を備え、センサの検出値を用いて、水素の供給量を制御してもよい。 Further, the control unit 60 may calculate the carbon dioxide stored in the storage reduction catalyst 11 by using the detected value of the upstream CO 2 sensor 22 and the detected value of the downstream CO 2 sensor 52. The control unit 60 does not have to determine the end of the occlusion step using the detection value of the downstream CO 2 sensor 52. The control unit 60 may supply the amount of hydrogen required for the methanation reaction based on the calculated storage amount of carbon dioxide. The control of the hydrogen supply amount by the control unit 60 can be modified in various ways. For example, the control unit 60 may include the upstream CO 2 sensor 22 or the downstream CO 2 sensor 52, and may control the supply amount of hydrogen using the detection value of the sensor.

上記実施形態では、制御部60は、上記式(2)に基づく化学量論比に相当する水素の量から、反応管10内へと供給される水素の量を制御したが、化学量論比以外の指標値に基づいて、水素の供給量を決定してもよい。例えば、制御部60は、メタンセンサ41の検出値を用いてメタンの生成量を算出する。制御部60は、算出したメタンの生成量に基づいて、水素の供給量を制御してもよい。また、制御部60は、各種センサの検出値とは関係なく、所定の開度で所定時間だけ水素供給バルブ34を開いてもよい。 In the above embodiment, the control unit 60 controls the amount of hydrogen supplied into the reaction tube 10 from the amount of hydrogen corresponding to the stoichiometric ratio based on the above formula (2). The supply amount of hydrogen may be determined based on index values other than. For example, the control unit 60 uses the detection value of the methane sensor 41 to calculate the production amount of methane. The control unit 60 may control the supply amount of hydrogen based on the calculated production amount of methane. Further, the control unit 60 may open the hydrogen supply valve 34 at a predetermined opening degree for a predetermined time regardless of the detection values of various sensors.

制御部60は、図3に示される各分圧の関係を記憶していてもよい。制御部60は、上流側温度センサ23の検出値と下流側温度センサ53の検出値との平均値を、反応管10内の温度として扱ってもよい。なお、この場合に、制御部60と、上流側温度センサ23および下流側温度センサ53とは、温度取得部として機能する。これにより、図3に示される平衡状態の各分圧に応じて、メタン化を進行させるために必要な水素の供給量が反応管10内へと供給される。 The control unit 60 may store the relationship between the partial pressures shown in FIG. The control unit 60 may treat the average value of the detection values of the upstream temperature sensor 23 and the downstream temperature sensor 53 as the temperature inside the reaction tube 10. In this case, the control unit 60 and the upstream temperature sensor 23 and the downstream temperature sensor 53 function as a temperature acquisition unit. As a result, the supply amount of hydrogen required for advancing methanation is supplied into the reaction tube 10 in accordance with each partial pressure in the equilibrium state shown in FIG.

吸蔵還元触媒11の温度を特定する手段は、種々変形可能である。例えば、メタン製造システム100は、上流側温度センサ23または下流側温度センサ53を備え、いずれかの検出値を吸蔵還元触媒11の温度として扱ってもよい。また、反応管10または吸蔵還元触媒11に温度センサが取り付けられ、当該温度センサの検出値が吸蔵還元触媒11の温度として扱われてもよい。また、メタン製造システム100は、上流側温度センサ23などにより取得された反応管10の温度を用いて、反応管10を加熱または冷却する温度調整部を備えていてもよい。温度調整部としては、周知のヒータやクーラを採用できる。 The means for specifying the temperature of the storage reduction catalyst 11 can be variously modified. For example, the methane production system 100 may include the upstream temperature sensor 23 or the downstream temperature sensor 53, and treat any detected value as the temperature of the storage reduction catalyst 11. Further, a temperature sensor may be attached to the reaction tube 10 or the storage reduction catalyst 11, and the detection value of the temperature sensor may be treated as the temperature of the storage reduction catalyst 11. Further, the methane production system 100 may include a temperature adjusting unit that heats or cools the reaction tube 10 using the temperature of the reaction tube 10 acquired by the upstream temperature sensor 23 or the like. A well-known heater or cooler can be used as the temperature adjusting unit.

上記実施形態では、吸蔵還元触媒11が含有する金属酸化物の一例として、酸化カルシウムについて説明したが、金属酸化物は、二酸化炭素を吸蔵可能であり、水素の供給により吸蔵した二酸化炭素を脱離できる化合物であればよい。なお、金属酸化物は、酸化カルシウム以外で、酸化リチウム、酸化マグネシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、および酸化鉛の少なくとも1つを含むことが好ましい。なお、反応管10は、複数の金属酸化物を備えていてもよく、異なる物性の金属酸化物を備えていてもよい。また、吸蔵還元触媒11には、焼結抑制材としてのアルミナが添加されていたが、アルミナが添加されていなくてもよいし、他の焼結抑制材が添加されていてもよい。他の焼結抑制材としては、例えば、セリアなどであってもよい。吸蔵還元触媒11は、金属酸化物、焼結抑制材、およびメタン化触媒からなる複合体としたが、焼結抑制材を添加した金属酸化物と、メタン化触媒とが反応管10内で別々に配置されてもよい。 In the above embodiment, calcium oxide has been described as an example of the metal oxide contained in the storage reduction catalyst 11, but the metal oxide can store carbon dioxide and desorbs the stored carbon dioxide by supplying hydrogen. Any compound can be used. The metal oxide preferably contains at least one of lithium oxide, magnesium oxide, strontium oxide, barium oxide, and lead oxide other than calcium oxide. The reaction tube 10 may include a plurality of metal oxides or may include metal oxides having different physical properties. Further, although alumina as a sintering suppressing material was added to the storage reduction catalyst 11, alumina may not be added, or another sintering suppressing material may be added. The other sintering suppressing material may be, for example, ceria. The storage reduction catalyst 11 is a composite of a metal oxide, a sintering suppressing material, and a methanation catalyst. However, the metal oxide added with the sintering suppressing material and the methanation catalyst are separated in the reaction tube 10. May be located at.

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。 Although the present aspect has been described above based on the embodiment and the modified examples, the embodiment of the aspect described above is intended to facilitate understanding of the present aspect and does not limit the present aspect. The present embodiment can be modified and improved without departing from the spirit and scope of the claims, and the present embodiment includes the equivalents thereof. If the technical features are not described as essential in this specification, they can be deleted as appropriate.

10…反応管
11…二酸化炭素吸蔵還元触媒
20…燃焼装置
21…燃焼ガス流量計
22…上流側CO2センサ
23…上流側温度センサ(温度取得部)
24…燃焼ガスバルブ
29…燃焼ガス供給路(供給管)
30…水素供給部
31…水素流量計
34…水素供給バルブ
39…水素供給路
40…燃料タンク
41…メタンセンサ
42…水素センサ
44…燃料バルブ
49…燃料供給路
50…装置
52…下流側CO2センサ(下流側濃度取得部)
53…下流側温度センサ(温度取得部)
54…出口バルブ
59…処理済み燃焼ガス供給路(熱伝達部)
60…制御部
100…メタン製造システム
10 ... the reaction tube 11 ... carbon dioxide storage-reduction catalyst 20 ... combustion device 21 ... combustion gas flowmeter 22 ... upstream CO 2 sensor 23 ... upstream temperature sensor (temperature acquisition unit)
24... Combustion gas valve 29... Combustion gas supply path (supply pipe)
30... Hydrogen supply part 31... Hydrogen flow meter 34... Hydrogen supply valve 39... Hydrogen supply path 40... Fuel tank 41... Methane sensor 42... Hydrogen sensor 44... Fuel valve 49... Fuel supply path 50... Device 52... Downstream CO 2 Sensor (downstream concentration acquisition unit)
53... Downstream temperature sensor (temperature acquisition unit)
54... Outlet valve 59... Treated combustion gas supply path (heat transfer section)
60... Control unit 100... Methane production system

Claims (6)

メタン製造システムであって、
二酸化炭素吸蔵還元触媒を有する反応管と、
前記反応管に水素を供給する水素供給部と、
前記水素供給部により供給された水素の供給量を制御する制御部と、を備え、
前記二酸化炭素吸蔵還元触媒は、
二酸化炭素を吸蔵し、放出する金属酸化物と、
水素および二酸化炭素からメタンを生成するメタン化反応を促進するメタン化触媒と、を含み、
前記制御部は、前記供給量を、前記メタン化反応の反応式に基づく化学量論比に相当する水素の量よりも大きくする、メタン製造システム。
A methane production system,
A reaction tube having a carbon dioxide storage reduction catalyst;
A hydrogen supply unit for supplying hydrogen to the reaction tube,
A control unit for controlling the amount of hydrogen supplied by the hydrogen supply unit,
The carbon dioxide storage reduction catalyst,
A metal oxide that absorbs and releases carbon dioxide,
A methanation catalyst that promotes a methanation reaction that produces methane from hydrogen and carbon dioxide,
The said control part is a methane manufacturing system which makes the said supply amount larger than the amount of hydrogen equivalent to the stoichiometric ratio based on the reaction formula of the said methanation reaction.
請求項1に記載のメタン製造システムであって、さらに、
前記反応管から排出される気体に含まれる二酸化炭素の濃度を取得する下流側濃度取得部を備え、
前記制御部は、前記二酸化炭素吸蔵還元触媒が二酸化炭素を吸蔵している場合に、前記下流側濃度取得部により取得された二酸化炭素の濃度が、予め設定された許容値に達すると、前記二酸化炭素吸蔵還元触媒による二酸化炭素の吸蔵を終了させる、メタン製造システム。
The methane production system according to claim 1, further comprising:
A downstream concentration acquisition unit for acquiring the concentration of carbon dioxide contained in the gas discharged from the reaction tube,
The control unit, when the carbon dioxide storage reduction catalyst is storing carbon dioxide, when the concentration of carbon dioxide acquired by the downstream concentration acquisition unit reaches a preset allowable value, A methane production system that terminates the storage of carbon dioxide by a carbon storage reduction catalyst.
請求項1または請求項2に記載のメタン製造システムであって、さらに、
前記反応管の温度を取得する温度取得部と、
前記温度取得部により取得された前記温度を用いて、前記反応管を加熱または冷却する温度調整部と、を備える、メタン製造システム。
The methane production system according to claim 1 or 2, further comprising:
A temperature acquisition unit for acquiring the temperature of the reaction tube,
A temperature control unit that heats or cools the reaction tube using the temperature acquired by the temperature acquisition unit.
請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載のメタン製造システムであって、
前記金属酸化物は、酸化リチウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、および酸化鉛の少なくとも1つを含む、メタン製造システム。
The methane production system according to any one of claims 1 to 3,
The methane production system, wherein the metal oxide contains at least one of lithium oxide, magnesium oxide, calcium oxide, strontium oxide, barium oxide, and lead oxide.
請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載のメタン製造システムであって、さらに、
前記金属酸化物が二酸化炭素の吸蔵により発生した熱を前記反応管から他の装置へと伝達する熱伝達部と、
前記反応管に二酸化炭素を含む気体を供給する供給管と、を備える、メタン製造システム。
The methane production system according to any one of claims 1 to 4, further comprising:
A heat transfer unit for transferring the heat generated by the metal oxide by occlusion of carbon dioxide from the reaction tube to another device,
A supply pipe for supplying a gas containing carbon dioxide to the reaction pipe.
請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載のメタン製造システムであって、
前記二酸化炭素吸蔵還元触媒は、前記焼結抑制材としての酸化物が添加されている、メタン製造システム。
The methane production system according to any one of claims 1 to 5, wherein:
The carbon dioxide occlusion reduction catalyst is a methane production system to which an oxide as the sintering suppressing material is added.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022022908A (en) * 2020-07-10 2022-02-07 株式会社豊田中央研究所 Carbon dioxide recovery apparatus and carbon dioxide recovery method
JP7041443B1 (en) 2020-10-09 2022-03-24 由城 紫垣 Regeneration process for endothermic reaction equipment and endothermic materials that use endothermic reaction to remove heat of reaction
WO2022075336A1 (en) * 2020-10-09 2022-04-14 由城 紫垣 Methanation reaction device using endothermic reaction for removal of reaction heat and regeneration process for heat-absorbing material
JP7487590B2 (en) 2020-07-10 2024-05-21 株式会社豊田中央研究所 Carbon dioxide capture device and carbon dioxide capture method

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016007825A1 (en) * 2014-07-11 2016-01-14 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Methods, systems, and materials for capturing carbon dioxide and converting it to a chemical product
JP2016530983A (en) * 2013-06-14 2016-10-06 ゼグ パワー アーエス Method for sustainable energy generation in a power plant with a solid oxide fuel cell
JP2018168205A (en) * 2017-03-29 2018-11-01 株式会社日立製作所 Method and facility for producing methane

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016530983A (en) * 2013-06-14 2016-10-06 ゼグ パワー アーエス Method for sustainable energy generation in a power plant with a solid oxide fuel cell
WO2016007825A1 (en) * 2014-07-11 2016-01-14 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Methods, systems, and materials for capturing carbon dioxide and converting it to a chemical product
JP2018168205A (en) * 2017-03-29 2018-11-01 株式会社日立製作所 Method and facility for producing methane

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022022908A (en) * 2020-07-10 2022-02-07 株式会社豊田中央研究所 Carbon dioxide recovery apparatus and carbon dioxide recovery method
JP7338577B2 (en) 2020-07-10 2023-09-05 株式会社豊田中央研究所 Carbon dioxide recovery device and carbon dioxide recovery method
JP7487590B2 (en) 2020-07-10 2024-05-21 株式会社豊田中央研究所 Carbon dioxide capture device and carbon dioxide capture method
JP7041443B1 (en) 2020-10-09 2022-03-24 由城 紫垣 Regeneration process for endothermic reaction equipment and endothermic materials that use endothermic reaction to remove heat of reaction
WO2022075336A1 (en) * 2020-10-09 2022-04-14 由城 紫垣 Methanation reaction device using endothermic reaction for removal of reaction heat and regeneration process for heat-absorbing material
JP2022063237A (en) * 2020-10-09 2022-04-21 由城 紫垣 Methanation reaction device using endothermic reaction in removal of reaction heat and regeneration processing of endothermic material

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