JP2020110769A - Carbon dioxide occlusion reduction catalyst and methane production system - Google Patents

Carbon dioxide occlusion reduction catalyst and methane production system Download PDF

Info

Publication number
JP2020110769A
JP2020110769A JP2019004159A JP2019004159A JP2020110769A JP 2020110769 A JP2020110769 A JP 2020110769A JP 2019004159 A JP2019004159 A JP 2019004159A JP 2019004159 A JP2019004159 A JP 2019004159A JP 2020110769 A JP2020110769 A JP 2020110769A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
carbon dioxide
reduction catalyst
storage reduction
sintering
hydrogen
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2019004159A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP7110995B2 (en
Inventor
陽介 水谷
Yosuke Mizutani
陽介 水谷
靖樹 廣田
Yasuki Hirota
靖樹 廣田
山内 崇史
Takashi Yamauchi
崇史 山内
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyota Central R&D Labs Inc
Priority to JP2019004159A priority Critical patent/JP7110995B2/en
Publication of JP2020110769A publication Critical patent/JP2020110769A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7110995B2 publication Critical patent/JP7110995B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

To provide a carbon dioxide occlusion reduction catalyst that can be used repeatedly, and in which, by using said catalyst, the heat generated during occlusion and desorption of carbon dioxide is efficiently utilized.SOLUTION: The carbon dioxide occlusion reduction catalyst can occlude carbon dioxide and includes a calcium oxide that desorbs occluded carbon dioxide by a supply of hydrogen, a sintering suppressing material that suppresses sintering of calcium oxide, and a methanation catalyst that promotes methane formation from carbon dioxide and hydrogen, and among the volume of calcium oxide and sintering suppressing material, the volume ratio occupied by sintering suppressing material is less than 75 percent.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、二酸化炭素吸蔵還元触媒およびメタン製造システムに関する。 The present invention relates to a carbon dioxide storage reduction catalyst and a methane production system.

燃焼ガスに含まれる二酸化炭素を分離回収して、分離回収した二酸化炭素と、水素とからメタンを生成(メタン化)するための触媒として、酸化カルシウムを含む材料(二酸化炭素吸蔵還元触媒)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、アルミナに、10質量パーセント(wt%)の酸化カルシウムを担持し、メタン化触媒であるルテニウムを5wt%添加した材料が開示されている。この材料に、摂氏320度(℃)の環境下で二酸化炭素を吸蔵させた後に、水素を供給することにより、吸蔵された二酸化炭素をメタン化できる。 A material (carbon dioxide storage reduction catalyst) containing calcium oxide is known as a catalyst for separating and recovering carbon dioxide contained in combustion gas, and producing (methane) from separated carbon dioxide and hydrogen. (For example, see Non-Patent Document 1). Non-Patent Document 1 discloses a material in which 10% by mass (wt%) of calcium oxide is supported on alumina and 5 wt% of ruthenium which is a methanation catalyst is added. By occluding carbon dioxide in this material in an environment of 320 degrees Celsius (° C.) and then supplying hydrogen, the occluded carbon dioxide can be methanated.

また、二酸化炭素を分離回収する酸化カルシウムに、焼結抑制材(「焼結防止材」とも呼ばれる)を添加することにより、二酸化炭素の吸蔵と脱離とを繰り返し実行できる技術が知られている(例えば、非特許文献2〜10参照)。非特許文献2〜10には、焼結抑制材として、マグネシア、アルミナ、シリカ、チタニア、酸化ランタン、セリア、ジルコニア、およびイットリウムなどを用いることが開示されている。 Further, there is known a technique capable of repeatedly performing absorption and desorption of carbon dioxide by adding a sintering suppressing material (also referred to as “sinter preventing material”) to calcium oxide for separating and recovering carbon dioxide. (See, for example, Non-Patent Documents 2 to 10). Non-Patent Documents 2 to 10 disclose the use of magnesia, alumina, silica, titania, lanthanum oxide, ceria, zirconia, yttrium, etc. as a sintering inhibitor.

Melis S. Duyar et al, Dual function materials for CO2 capture and conversion using renewable H2, Applied Catalysis B: Environmental 168-169 (2015) 370-376, インターネット(URL: HYPERLINK "http://www.elsevier.com/locate/apcatb" www.elsevier.com/locate/apcatb)Melis S. Duyar et al, Dual function materials for CO2 capture and conversion using renewable H2, Applied Catalysis B: Environmental 168-169 (2015) 370-376, Internet (URL: HYPERLINK "http://www.elsevier.com/ locate/apcatb" www.elsevier.com/locate/apcatb) Rainer Filitz, Agnieszka M. Kierzkowska, Marcin Broda, and Christoph R. Muller, Highly Efficient CO2 Sorbents: Development of Synthetic, Calcium-Rich Dolomites, Environ. Sci. Technol., 2012, 46 (1), pp 559-565Rainer Filitz, Agnieszka M. Kierzkowska, Marcin Broda, and Christoph R. Muller, Highly Efficient CO2 Sorbents: Development of Synthetic, Calcium-Rich Dolomites, Environ.Sci. Technol., 2012, 46 (1), pp 559-565. Marcin Broda Christoph R. Mulle, Synthesis of Highly Efficient, Ca‐Based, Al2O3‐Stabilized, Carbon Gel‐Templated CO2 Sorbents, Volume24, Issue22, June 12, 2012, Pages 3059-3064Marcin Broda Christoph R. Mulle, Synthesis of Highly Efficient, Ca‐Based, Al2O3-Stabilized, Carbon Gel‐Templated CO2 Sorbents, Volume24, Issue22, June 12, 2012, Pages 3059-3064 J. M. Valverde, A. Perejon, and L. A. Perez-Maqueda, Enhancement of Fast CO2 Capture by a Nano-SiO2/CaO Composite at Ca-Looping Conditions, Environ. Sci. Technol. 2012, 46, 11, 6401-6408J. M. Valverde, A. Perejon, and L. A. Perez-Maqueda, Enhancement of Fast CO2 Capture by a Nano-SiO2/CaO Composite at Ca-Looping Conditions, Environ. Sci. Technol. 2012, 46, 11, 6401-6408 Masahiko Aihara, Keiko Tanaka, Mayuka Watanabe, Takashi Takeuchi, Hitoshi Habuka, Carbonation/Decarbonation of Ca-Solid Reactant Derived from Natural Limestone for Thermal-Energy Storage and Temperature Upgradem, Materials for Thermal Energy Conversion and Storage, 2007,40, 1270-1274Masahiko Aihara, Keiko Tanaka, Mayuka Watanabe, Takashi Takeuchi, Hitoshi Habuka, Carbonation/Decarbonation of Ca-Solid Reactant Derived from Natural Limestone for Thermal-Energy Storage and Temperature Upgradem, Materials for Thermal Energy Conversion and Storage, 2007,40, 1270- 1274 Cong Luo, Ying Zheng, Ning Ding, Qilong Wu, Guan Bian, and Chuguang Zheng, Development and Performance of CaO/La2O3 Sorbents during Calcium Looping Cycles for CO2 Capture, nd. Eng. Chem. Res., 2010, 49 (22), pp 11778-11784Cong Luo, Ying Zheng, Ning Ding, Qilong Wu, Guan Bian, and Chuguang Zheng, Development and Performance of CaO/La2O3 Sorbents during Calcium Looping Cycles for CO2 Capture, nd. Eng. Chem. Res., 2010, 49 (22) , pp 11778-11784 Shengping Wang, Shasha Fan, Lijing Fan, Yujun Zhao, and Xinbin Ma, Effect of Cerium Oxide Doping on the Performance of CaO-Based Sorbents during Calcium Looping Cycles, Environ. Sci. Technol., 2015, 49 (8), pp 5021-5027Shengping Wang, Shasha Fan, Lijing Fan, Yujun Zhao, and Xinbin Ma, Effect of Cerium Oxide Doping on the Performance of CaO-Based Sorbents during Calcium Looping Cycles, Environ.Sci. Technol., 2015, 49 (8), pp 5021 -5027 Hongxia Guo, Shengping Wang, Chun Li, Yujun Zhao, Qi Sun, and Xinbin Ma, Incorporation of Zr into Calcium Oxide for CO2 Capture by a Simple and Facile Sol-Gel Method, Ind. Eng. Chem. Res., 2016, 55 (29), pp 7873-7879Hongxia Guo, Shengping Wang, Chun Li, Yujun Zhao, Qi Sun, and Xinbin Ma, Incorporation of Zr into Calcium Oxide for CO2 Capture by a Simple and Facile Sol-Gel Method, Ind. Eng. Chem. Res., 2016, 55 (29), pp 7873-7879 Kwang Bok Yi, Chang Hyun Ko, Jong-Ho Park, Jong-Nam Kim, Improvement of the cyclic stability of high temperature CO2 absorbent by the addition of oxygen vacancy possessing material, Catalysis Today 146 (2009), Pages 241-247Kwang Bok Yi, Chang Hyun Ko, Jong-Ho Park, Jong-Nam Kim, Improvement of the cyclic stability of high temperature CO2 absorbent by the addition of oxygen vacancy possessing material, Catalysis Today 146 (2009), Pages 241-247 Maryam Sayyah, Emadoddin Abbasi, Yongqi Lu, Javad Abbasian, and Kenneth S. Suslick, Composite CaO-Based CO2 Sorbents Synthesized by Ultrasonic Spray Pyrolysis: Experimental Results and Modeling, Energy Fuels 2015, 29, 7, 4447-4452Maryam Sayyah, Emadoddin Abbasi, Yongqi Lu, Javad Abbasian, and Kenneth S. Suslick, Composite CaO-Based CO2 Sorbents Synthesized by Ultrasonic Spray Pyrolysis: Experimental Results and Modeling, Energy Fuels 2015, 29, 7, 4447-4452

非特許文献1〜10に記載された材料は、二酸化炭素を吸蔵し、吸蔵した二酸化炭素を脱離する。このような材料は、二酸化炭素を吸蔵する際に発熱し、二酸化炭素を脱離する際に吸熱する。また、このような材料を繰り返し使用する場合には、添加する焼結抑制材の割合を考慮する必要がある。 The materials described in Non-Patent Documents 1 to 10 occlude carbon dioxide and desorb the occluded carbon dioxide. Such materials generate heat when occluding carbon dioxide and absorb heat when desorbing carbon dioxide. Further, when such a material is repeatedly used, it is necessary to consider the proportion of the sintering inhibitor added.

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、繰り返し使用可能で、かつ、二酸化炭素の吸蔵および脱離の際に生じる熱を効率的に利用する二酸化炭素吸蔵還元触媒および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 can be repeatedly used, and a carbon dioxide occlusion reduction catalyst and methane that efficiently utilize heat generated during occlusion and desorption of carbon dioxide. The purpose is to provide a manufacturing system.

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、二酸化炭素吸蔵還元触媒が提供される。この二酸化炭素吸蔵還元触媒は、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する酸化カルシウムと、前記酸化カルシウムの焼結を抑制する焼結抑制材と、二酸化炭素および水素からのメタン生成を促進するメタン化触媒と、を備え、前記酸化カルシウムおよび前記焼結抑制材の体積の内、前記焼結防止剤の占める体積割合は、75パーセント未満である。 (1) According to one aspect of the present invention, a carbon dioxide storage reduction catalyst is provided. The carbon dioxide storage reduction catalyst is capable of storing carbon dioxide, calcium oxide that desorbs carbon dioxide stored by the supply of hydrogen, and a sintering inhibitor that suppresses the sintering of the calcium oxide, carbon dioxide and And a methanation catalyst that promotes the production of methane from hydrogen. The volume ratio of the sintering inhibitor to the volume of the calcium oxide and the sintering inhibitor is less than 75 percent.

二酸化炭素吸蔵還元触媒は、酸化カルシウムにより二酸化炭素が吸蔵される場合に発熱反応を行い、吸蔵した二酸化炭素を脱離する場合に吸熱反応を行う。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は、発熱反応である。二酸化炭素を吸蔵している酸化カルシウムに水素が供給されると、酸化カルシウムは、二酸化炭素を脱離する。脱離した二酸化炭素は、メタン化反応により、メタンに変換される。この際に、メタン化反応の発熱による熱は、酸化カルシウムが二酸化炭素を脱離する際の吸熱反応に利用される。そのため、酸化カルシウムは、二酸化炭素の脱離時に吸熱して、二酸化炭素の吸蔵時に発熱する蓄熱材として機能する。二酸化炭素吸蔵還元触媒には、焼結抑制材が含まれているため、酸化カルシウムは、二酸化炭素の吸蔵と脱離とを繰り返し実行できる。焼結抑制材の割合が増えるほど、繰り返し使用可能な回数が増えるが、酸化カルシウム当たりの二酸化炭素吸蔵還元触媒の熱容量が大きくなる。すなわち、焼結抑制材の割合が増えるほど、二酸化炭素吸蔵還元触媒の蓄熱材としての昇温機能が低下する。この構成によれば、酸化カルシウム焼結抑制材の体積の内、焼結防止材の占める体積割合は、75パーセント未満である。そのため、二酸化炭素吸蔵還元触媒の熱容量を従来よりも小さくして蓄熱材としての昇温機能を向上させた上で、二酸化炭素吸蔵還元触媒を繰り返し使用できる。 The carbon dioxide storage reduction catalyst performs an exothermic reaction when the carbon dioxide is stored by the calcium oxide and an endothermic reaction when the stored carbon dioxide is desorbed. The methanation reaction that produces methane from hydrogen and carbon dioxide is an exothermic reaction. When hydrogen is supplied to calcium oxide which stores carbon dioxide, the calcium oxide desorbs carbon dioxide. The desorbed carbon dioxide is converted to methane by the methanation reaction. At this time, the heat generated by the heat of the methanation reaction is used for the endothermic reaction when calcium oxide desorbs carbon dioxide. Therefore, calcium oxide functions as a heat storage material that absorbs heat when desorbing carbon dioxide and generates heat when storing carbon dioxide. Since the carbon dioxide storage reduction catalyst contains the sintering inhibitor, calcium oxide can repeatedly perform storage and desorption of carbon dioxide. As the proportion of the sintering inhibitor increases, the number of times it can be used repeatedly increases, but the heat capacity of the carbon dioxide storage reduction catalyst per calcium oxide increases. That is, as the proportion of the sintering inhibiting material increases, the temperature raising function of the carbon dioxide storage reduction catalyst as a heat storage material decreases. According to this structure, the volume ratio of the sintering preventing material in the volume of the calcium oxide sintering suppressing material is less than 75%. Therefore, it is possible to repeatedly use the carbon dioxide storage reduction catalyst after making the heat capacity of the carbon dioxide storage reduction catalyst smaller than the conventional one to improve the temperature raising function as the heat storage material.

(2)上記形態の二酸化炭素吸蔵還元触媒において、前記焼結抑制材は、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、チタン、ランタン、セリウム、ジルコニウム、およびイットリウムの内の1種類以上の元素を含む酸化物を含んでいてもよい。 (2) In the carbon dioxide occlusion reduction catalyst according to the above aspect, the sintering inhibitor includes an oxide containing at least one element selected from magnesium, aluminum, silicon, titanium, lanthanum, cerium, zirconium, and yttrium. You can leave.

(3)上記形態の二酸化炭素吸蔵還元触媒において、前記焼結抑制材は、マグネシウム、セリウム、およびジルコニウムのいずれかの酸化物を含む、または、マグネシウム、セリウム、ジルコニウム、およびカルシウムの内の2種以上の元素を含む複合酸化物を含んでいてもよい。 (3) In the carbon dioxide occluding and reducing catalyst of the above aspect, the sintering suppressing material contains an oxide of any one of magnesium, cerium, and zirconium, or two kinds of magnesium, cerium, zirconium, and calcium. It may contain a complex oxide containing the above elements.

(4)本発明の他の一形態によれば、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、上記形態の二酸化炭素吸蔵還元触媒を有する反応管と、前記反応管に二酸化炭素を含む気体を供給するガス供給部と、前記反応管に水素を供給する水素供給部と、前記ガス供給部から前記反応管に供給される気体の量と、前記水素供給部から前記反応管に供給される水素の量とを制御する制御部と、を備える。
この構成によれば、二酸化炭素吸蔵還元触媒に含まれる酸化カルシウムは、ガス供給部から供給された二酸化炭素を吸蔵し、吸蔵後に水素供給部から水素が供給されると、吸蔵していた二酸化炭素を脱離する。脱離した二酸化炭素と、供給された水素とがメタン化反応することにより、メタンが生成される。この際に、メタン化反応の発熱による熱は、酸化カルシウムが二酸化炭素を脱離する際の吸熱反応に利用される。この構成によれば、酸化カルシウムおよび焼結抑制材の体積の内、焼結防止材の占める体積割合は75パーセント未満である。そのため、二酸化炭素吸蔵還元触媒の熱容量を従来よりも小さくして吸蔵時の昇温幅を向上させた上で、焼結抑制材の機能を十分に発揮させて二酸化炭素吸蔵還元触媒を繰り返し使用できる。
(4) According to another aspect of the present invention, a methane production system is provided. This methane production system includes a reaction tube having the carbon dioxide storage reduction catalyst of the above-described embodiment, a gas supply section for supplying a gas containing carbon dioxide to the reaction tube, and a hydrogen supply section for supplying hydrogen to the reaction tube, The control unit controls the amount of gas supplied from the gas supply unit to the reaction tube and the amount of hydrogen supplied from the hydrogen supply unit to the reaction tube.
According to this configuration, the calcium oxide contained in the carbon dioxide storage reduction catalyst stores the carbon dioxide supplied from the gas supply unit, and when hydrogen is supplied from the hydrogen supply unit after storage, the stored carbon dioxide. To detach. Methane is produced by the methanation reaction of the desorbed carbon dioxide and the supplied hydrogen. At this time, the heat generated by the heat of the methanation reaction is used for the endothermic reaction when calcium oxide desorbs carbon dioxide. According to this structure, the volume ratio of the sintering inhibiting material in the volume of the calcium oxide and the sintering suppressing material is less than 75%. Therefore, the heat capacity of the carbon dioxide occlusion reduction catalyst can be made smaller than before to improve the temperature rise range during occlusion, and the carbon dioxide occlusion reduction catalyst can be repeatedly used by fully exhibiting the function of the sintering inhibitor. ..

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、二酸化炭素吸蔵還元触媒、二酸化炭素の分離回収材、化学蓄熱材、メタン製造システム、化学蓄熱システム、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 realized in various modes, for example, a carbon dioxide occlusion reduction catalyst, a carbon dioxide separation and recovery material, a chemical heat storage material, a methane production system, a chemical heat storage system, and 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. 実施例の吸蔵還元触媒の熱容量と、比較例の吸蔵還元触媒の熱容量とを比較する説明図である。It is explanatory drawing which compares the heat capacity of the storage reduction catalyst of an Example, and the heat capacity of the storage reduction catalyst of a comparative example. 吸蔵還元触媒の温度上昇幅の説明図である。It is explanatory drawing of the temperature rise width of the storage reduction catalyst. 変形例の吸蔵還元触媒の温度上昇幅の説明図である。It is explanatory drawing of the temperature rise width of the storage reduction catalyst of a modification. 変形例の吸蔵還元触媒の温度上昇幅の説明図である。It is explanatory drawing of the temperature rise width of the storage reduction catalyst of a modification. 吸蔵還元触媒の昇温幅の改善指標値の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the improvement index value of the temperature rise width of the storage reduction catalyst.

<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、燃焼装置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 the combustion device. 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(ガス供給部)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”) inside. 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 (gas supply section) 29 connecting the combustion device 20 and the reaction tube 10, Hydrogen supply path 39 connecting the hydrogen 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 connecting the reaction tube 10 and another device 50. A gas supply path (heat transfer section) 59 and a control section 60 for controlling the gas supplied to the reaction tube 10 are provided.

本実施形態の吸蔵還元触媒11は、酸化カルシウム(CaO)と、焼結抑制材としてのセリウムの酸化物であるセリア(CeO2)と、メタン化触媒であるルテニウム(Ru)とを含む複合体である。本実施形態において、吸蔵還元触媒11に含まれるセリアの物質量比(モル比)およびルテニウムの物質量比のそれぞれは、酸化カルシウムの1/15と、酸化カルシウムの1/2とである。吸蔵還元触媒11に含まれ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反応を促進する。なお、アルミニウムを含む酸化物である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。 The storage reduction catalyst 11 of the present embodiment is a complex containing calcium oxide (CaO), ceria (CeO 2 ) which is an oxide of cerium as a sintering inhibitor, and ruthenium (Ru) which is a methanation catalyst. Is. In the present embodiment, the material ratio (molar ratio) of ceria and the material ratio of ruthenium contained in the storage reduction catalyst 11 are 1/15 of calcium oxide and 1/2 of calcium oxide, respectively. The calcium oxide contained in the storage reduction catalyst 11 stores carbon dioxide contained in the combustion gas and changes into 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 reaction of hydrogen and carbon dioxide to produce methane. Alumina, which is an oxide containing aluminum, is used to suppress deterioration of calcium oxide due to sintering and is also called a sintering inhibitor.

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。図1に示されるように、燃焼ガス供給路29の途中には、工場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(上流側CO2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. As shown in FIG. 1, in the middle of the combustion gas supply path 29, a combustion gas flow meter 21 for detecting the flow rate of the combustion gas and an upstream side for detecting carbon dioxide contained in the combustion gas are sequentially installed from the factory 20 side. A carbon dioxide sensor (upstream CO 2 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を調節する。 The fuel supply path 49 guides the gas containing methane 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 methane 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 transmits control signals for opening and closing various valves to 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)
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)

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。なお、排出された燃焼ガスは、熱需要である他の装置50へと供給されずに、所定の処理を施された後に、大気へと排出されてもよい。 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 detected value of the downstream side CO 2 sensor 52 is not less 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. The discharged combustion gas may be discharged to the atmosphere after being subjected to a predetermined process without being supplied to the other device 50 which has a heat demand.

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。反応管10内では、下記式(2)のメタンが生成されるメタン化反応が起こる。
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. In the reaction tube 10, a methanation reaction in which methane of the following formula (2) is produced occurs.
CaCO 3 +4H 2 =CaO+CH 4 +2H 2 O (2)

制御部60は、メタン化ステップにおいて、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。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、水素供給バルブ34および燃料バルブ44を閉じる。 In the methanation step, the control unit 60 supplies hydrogen to the reaction tube 10 and manages the hydrogen supply amount using the detection value of the hydrogen flow meter 31. 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 hydrogen supply valve 34 and the fuel valve 44 are closed.

メタンの貯蔵後に、制御部60は、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、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 to end the process of methane production using carbon dioxide (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, the control unit 60 ends the methane production.

図3は、実施例の吸蔵還元触媒11の熱容量と、比較例の吸蔵還元触媒13の熱容量とを比較する説明図である。図3には、実施例の吸蔵還元触媒11および比較例の吸蔵還元触媒13を構成する各物質が1ケルビン(K)上昇するために必要な熱量(キロジュール:kJ)が示されている。なお、図3では、酸化カルシウム1モル当たりで換算した吸蔵還元触媒11,13において、99%の酸化カルシウムが炭酸カルシウムに変化した場合の熱容量が示されている。比較例の吸蔵還元触媒13は、アルミナに対して、10質量パーセント(wt%)の酸化カルシウムが担持され、5wt%のルテニウムが添加された複合材料である。 FIG. 3 is an explanatory diagram comparing the heat capacity of the storage reduction catalyst 11 of the example with the heat capacity of the storage reduction catalyst 13 of the comparative example. FIG. 3 shows the amount of heat (kilojoule: kJ) required for each substance constituting the storage reduction catalyst 11 of the example and the storage reduction catalyst 13 of the comparative example to rise by 1 Kelvin (K). It should be noted that FIG. 3 shows the heat capacity when 99% of calcium oxide is changed to calcium carbonate in the storage reduction catalysts 11 and 13 converted per mol of calcium oxide. The storage reduction catalyst 13 of the comparative example is a composite material in which 10 mass% (wt%) of calcium oxide is supported on alumina and 5 wt% of ruthenium is added.

酸化カルシウムが炭酸カルシウムに変化した際の発熱量は、171.3kJ/molである。そのため、図3に示される吸蔵還元触媒11,13の内の99%の酸化カルシウムが炭酸カルシウムに変化すると、本実施例の吸蔵還元触媒11の温度上昇幅は、摂氏413度(℃)である。一方で、比較例の吸蔵還元触媒13の温度上昇幅は、184℃である。そのため、320℃の燃焼ガスが反応管10内に流入した場合に、本実施例の吸蔵還元触媒11の温度は、320℃から733℃まで上昇する。一方で、比較例の吸蔵還元触媒13の温度は、320℃から504℃までしか上昇しない。 The calorific value when calcium oxide is changed to calcium carbonate is 171.3 kJ/mol. Therefore, when 99% of calcium oxide in the storage reduction catalysts 11 and 13 shown in FIG. 3 is changed to calcium carbonate, the temperature increase width of the storage reduction catalyst 11 of the present embodiment is 413 degrees Celsius (° C.). .. On the other hand, the temperature rise width of the storage reduction catalyst 13 of the comparative example is 184°C. Therefore, when the combustion gas at 320° C. flows into the reaction tube 10, the temperature of the storage reduction catalyst 11 of the present embodiment rises from 320° C. to 733° C. On the other hand, the temperature of the storage reduction catalyst 13 of the comparative example rises only from 320°C to 504°C.

図4は、吸蔵還元触媒11の温度上昇幅の説明図である。図4には、吸蔵還元触媒11に含まれる酸化カルシウムおよびセリアの体積の内のセリアが占める体積割合と、吸蔵還元触媒11の温度上昇幅との関係が示されている。具体的には、セリウム(Ce)に対するカルシウムの物質量比(mol比)と、セリア(CeO2)の体積割合と、酸化カルシウム(CaO)の反応率と、吸蔵還元触媒11の昇温幅との対応表が示されている。図4の対応表では、酸化カルシウムの反応率は、吸蔵還元触媒11が熱の吸収放出サイクルを18回行った場合の値が示されている。図4に示されるように、焼結抑制材であるセリアの体積割合が小さくなるにつれて、酸化カルシウムの反応率が低下する。それに対して、セリアの体積割合が14vol%のときに、吸蔵還元触媒11の昇温幅が表中における極大値である380℃となる。セリアの体積割合が14vol%から大きくなるにつれて、または、小さくなるにつれて、吸蔵還元触媒11の昇温幅は小さくなる。なお、本実施形態における吸蔵還元触媒11に含まれるセリアの物質量比は、酸化カルシウムの1/15である。そのため、図4に示されるように、酸化カルシウムおよび焼結抑制材であるセリアの体積の内、セリアの占める体積割合は、9vol%である。 FIG. 4 is an explanatory diagram of the temperature rise width of the storage reduction catalyst 11. FIG. 4 shows the relationship between the volume ratio of ceria in the volume of calcium oxide and ceria contained in the storage reduction catalyst 11 and the temperature rise width of the storage reduction catalyst 11. Specifically, a substance amount ratio (mol ratio) of calcium to cerium (Ce), a volume ratio of ceria (CeO 2 ), a reaction rate of calcium oxide (CaO), and a temperature rise range of the storage reduction catalyst 11. Corresponding table is shown. In the correspondence table of FIG. 4, the reaction rate of calcium oxide is a value when the storage reduction catalyst 11 has performed 18 heat absorption/desorption cycles. As shown in FIG. 4, the reaction rate of calcium oxide decreases as the volume ratio of ceria, which is the sintering inhibitor, decreases. On the other hand, when the volume ratio of ceria is 14 vol %, the temperature increase width of the storage reduction catalyst 11 becomes 380° C., which is the maximum value in the table. As the volume ratio of ceria increases from 14 vol% or decreases, the temperature increase width of the storage reduction catalyst 11 decreases. The substance amount ratio of ceria contained in the storage reduction catalyst 11 in the present embodiment is 1/15 of that of calcium oxide. Therefore, as shown in FIG. 4, the volume ratio of ceria in the volume of calcium oxide and ceria, which is the sintering suppressing material, is 9 vol %.

以上説明したように、本実施形態の吸蔵還元触媒11において、酸化カルシウムおよび焼結抑制材であるセリアの体積の内、セリアの占める体積割合は、9vol%(75vol%未満)である。体積割合が9vol%の場合の吸蔵還元触媒11の温度上昇幅は、図4に示されるように、約370℃である。この温度上昇幅は、焼結抑制材としてのセリアが全く添加されていない(0vol%)の吸蔵還元触媒の温度上昇幅228℃よりも142℃も高い。さらに、図4の酸化カルシウムの反応率に示されるように、18回目の二酸化炭素の吸収放出サイクルであっても、吸蔵還元触媒11に含まれる酸化カルシウムの89%が二酸化炭素を吸収する。そのため、吸蔵還元触媒11において、酸化カルシウムおよび焼結抑制材の体積の内、焼結抑制材の占める体積割合を75vol%未満にすることにより、繰り返し二酸化炭素回収サイクルを行い、かつ、二酸化炭素を吸蔵する際の吸蔵還元触媒11の温度上昇幅を向上させることができる。 As described above, in the storage reduction catalyst 11 of the present embodiment, the volume ratio of ceria in the volume of calcium oxide and the ceria that is the sintering suppressing material is 9 vol% (less than 75 vol %). The temperature rise width of the storage reduction catalyst 11 when the volume ratio is 9 vol% is about 370° C. as shown in FIG. This temperature rise width is 142° C. higher than the temperature rise width 228° C. of the occlusion reduction catalyst to which ceria as a sintering inhibitor is not added (0 vol %). Further, as shown by the reaction rate of calcium oxide in FIG. 4, 89% of the calcium oxide contained in the storage reduction catalyst 11 absorbs carbon dioxide even in the 18th carbon dioxide absorption/desorption cycle. Therefore, in the occlusion reduction catalyst 11, the volume ratio of the sintering suppressing material in the volume of calcium oxide and the sintering suppressing material is set to less than 75 vol% to repeatedly perform the carbon dioxide recovery cycle, and The temperature rise width of the storage reduction catalyst 11 at the time of storage can be improved.

<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1]
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、吸蔵還元触媒11を有する反応管10と、反応管10に二酸化炭素を含む気体を供給する燃焼ガス供給路29と、反応管10に水素を供給する水素供給部30と、水素の供給量および燃焼ガスの供給量を制御する制御部60とを備えていればよい。また、他の実施形態のメタン製造システムは、上記実施形態のメタン製造システム100が備えていない構成を備えていてもよい。例えば、メタン製造システムは、メタンセンサ41を備えていなくてもよい。
[Modification 1]
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, a combustion gas supply path 29 for supplying a gas containing carbon dioxide to the reaction tube 10, and a hydrogen supply unit 30 for supplying hydrogen to the reaction tube 10. It suffices to include a control unit 60 that controls the supply amount of hydrogen and the supply amount of combustion gas. Further, the methane production system of another embodiment may have a configuration that the methane production system 100 of the above embodiment does not have. For example, the methane production system may not include the methane sensor 41.

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、自由に制御されてもよい。反応管10は、複数の吸蔵還元触媒11を備えていてもよく、酸化カルシウムを含む異なる複合材料の吸蔵還元触媒を備えていてもよい。 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. The reaction tube 10 may include a plurality of occlusion reduction catalysts 11 or may include occlusion reduction catalysts of different composite materials containing calcium oxide.

[変形例2]
上記実施形態では、吸蔵還元触媒11に含まれる焼結抑制材として、セリウムの酸化物であるセリアが例に挙げられたが、その他の材料であってもよい。例えば、焼結抑制材としては、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、チタン、ランタン、セリウム、ジルコニウム、および、イットリウムの内の1種類以上の元素を含む酸化物を含んでいればよい。また、焼結抑制材は、マグネシウム、セリウム、およびジルコニウムのいずれかの酸化物を含んでいてもよいし、マグネシウム、セリウム、ジルコニウム、およびカルシウムの内の2種以上の元素を含む複合酸化物を含んでいてもよい。
[Modification 2]
In the embodiment described above, ceria, which is an oxide of cerium, has been described as an example of the sintering suppressing material included in the storage reduction catalyst 11, but other materials may be used. For example, the sintering suppressing material may include an oxide containing at least one element selected from magnesium, aluminum, silicon, titanium, lanthanum, cerium, zirconium, and yttrium. Further, the sintering suppressor may contain any oxide of magnesium, cerium, and zirconium, or a composite oxide containing two or more kinds of elements of magnesium, cerium, zirconium, and calcium. May be included.

図5は、変形例の吸蔵還元触媒11aの温度上昇幅の説明図である。図5には、吸蔵還元触媒11aに含まれる酸化カルシウムおよび焼結抑制材であるマグネシア(マグネシウムの酸化物)の体積の内のマグネシウムが占める体積割合と、吸蔵還元触媒11aの温度上昇幅との関係が示されている。図6は、変形例の吸蔵還元触媒11bの温度上昇幅の説明図である。図6には、変形例の吸蔵還元触媒11bに含まれる酸化カルシウムおよび焼結抑制材であるカルシウムジルコネート(CaZrO3)の体積の内におけるCaZrO3が占める体積割合と、吸蔵還元触媒11bの温度上昇幅との関係が示されている。なお、CaZrO3は、酸化カルシウム(CaO)に二酸化ジルコニウムを添加した場合に、自発的な複合酸化物の形成により生成される酸化物である。 FIG. 5: is explanatory drawing of the temperature rise width of the storage reduction catalyst 11a of a modification. FIG. 5 shows the volume ratio of magnesium in the volume of calcium oxide contained in the storage reduction catalyst 11a and the volume of magnesia (magnesium oxide) that is a sintering inhibitor, and the temperature rise width of the storage reduction catalyst 11a. Relationships are shown. FIG. 6 is an explanatory diagram of the temperature rise width of the storage reduction catalyst 11b of the modified example. FIG. 6 shows a volume ratio of CaZrO 3 in the volumes of calcium oxide and calcium zirconate (CaZrO 3 ) which is a sintering inhibitor contained in the storage reduction catalyst 11b of the modified example, and the temperature of the storage reduction catalyst 11b. The relationship with the rise is shown. Note that CaZrO 3 is an oxide generated by spontaneous formation of a complex oxide when zirconium dioxide is added to calcium oxide (CaO).

図5に示されるマグネシアが添加された吸蔵還元触媒11aの昇温幅は、マグネシアの体積割合が24vol%の場合に表中における極大値の362℃になる。また、図6に示されるCaZrO3が添加された吸蔵還元触媒11bの昇温幅は、CaZrO3が11vol%の場合に表中における極大値の383℃になる。変形例の吸蔵還元触媒11aおよび吸蔵還元触媒11bにおける酸化カルシウム反応率は、セリアが添加された吸蔵還元触媒11と同じように、焼結抑制材の体積割合が下がるにつれて低下する。なお、図5における酸化カルシウム反応率は、24回目の吸収放出サイクルの値であり、図6における酸化カルシウム反応率は、18回目の吸収放出サイクルの値である。 The temperature increase width of the storage reduction catalyst 11a containing magnesia shown in FIG. 5 is 362° C., which is the maximum value in the table when the volume ratio of magnesia is 24 vol %. Further, the temperature increase range of the storage reduction catalyst 11b to which CaZrO 3 is added shown in FIG. 6 becomes 383° C. which is the maximum value in the table when CaZrO 3 is 11 vol %. The calcium oxide reaction rates of the storage reduction catalyst 11a and the storage reduction catalyst 11b of the modified example decrease as the volume ratio of the sintering suppressing material decreases, like the storage reduction catalyst 11 to which ceria is added. The calcium oxide reaction rate in FIG. 5 is the value of the 24th absorption-release cycle, and the calcium oxide reaction rate in FIG. 6 is the value of the 18th absorption-release cycle.

図7は、吸蔵還元触媒の昇温幅の改善指標値の変化を示すグラフである。図7には、吸蔵還元触媒に添加された焼結抑制材の体積割合に応じて変化する昇温幅の改善指標値が示されている。図7に示される昇温幅の改善指標値は、吸蔵還元触媒の昇温幅を、焼結抑制材が添加されていない場合(0vol%)における吸蔵還元触媒の昇温幅で除して規格化した値である。図7には、セリアが添加された吸蔵還元触媒11における昇温幅の改善指標値が実線で示され、マグネシアが添加された吸蔵還元触媒11aにおける昇温幅の改善指標値が破線で示され、二酸化ジルコニウムが添加された吸蔵還元触媒11bにおける昇温幅の改善指標値が一点鎖線で示されている。また、比較例の吸蔵還元触媒13の改善指標値が、一点のみ示されている。図7に示されるように、いずれの吸蔵還元触媒11,11a,11bの昇温幅も、焼結抑制材がおよそ5〜25vol%の場合に極大値になる。そして、酸化カルシウムの反応率を考慮すると、酸化カルシウムおよび焼結抑制材の体積の内、焼結抑制材の占める体積割合は、5vol%以上が好ましい。また、焼結抑制材の占める体積割合は、75vol%未満において、60vol%以下が好ましく、さらに、35vol%以下が好ましい。 FIG. 7 is a graph showing changes in the improvement index value of the temperature rise range of the storage reduction catalyst. FIG. 7 shows the improvement index value of the temperature rise range that changes depending on the volume ratio of the sintering suppressor added to the storage reduction catalyst. The improvement index value of the temperature increase range shown in FIG. 7 is the standard obtained by dividing the temperature increase range of the storage reduction catalyst by the temperature increase range of the storage reduction catalyst when no sintering inhibitor is added (0 vol %). It is the converted value. In FIG. 7, the improvement index value of the temperature rise range in the storage reduction catalyst 11 containing ceria is shown by a solid line, and the improvement index value of the temperature rise range in the storage reduction catalyst 11a containing magnesia is shown by a broken line. The improvement index value of the temperature rise range in the storage reduction catalyst 11b to which zirconium dioxide is added is indicated by the one-dot chain line. Further, only one improvement index value of the storage reduction catalyst 13 of the comparative example is shown. As shown in FIG. 7, the temperature increase width of any of the storage reduction catalysts 11, 11a, 11b reaches a maximum value when the sintering inhibitor is about 5 to 25 vol %. In consideration of the reaction rate of calcium oxide, the volume ratio of the sintering suppressing material in the volume of calcium oxide and the sintering suppressing material is preferably 5 vol% or more. In addition, the volume ratio of the sintering suppressing material is preferably 60 vol% or less, and more preferably 35 vol% or less when the volume ratio is less than 75 vol%.

上記実施形態では、吸蔵還元触媒11に含まれる酸化カルシウムおよびセリアの体積の内、セリアの占める体積割合が9vol%であったが、体積割合が75vol%未満である範囲で、焼結抑制材の添加量を変更可能である。例えば、セリアの体積割合は、74vol%であってもよい。 In the above embodiment, the volume ratio of ceria in the volume of calcium oxide and ceria contained in the storage reduction catalyst 11 was 9 vol %, but the volume ratio of the ceria is less than 75 vol %. The addition amount can be changed. For example, the volume ratio of ceria may be 74 vol%.

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
11,11a,11b…二酸化炭素吸蔵還元触媒
13…比較例の吸蔵還元触媒
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
24…燃焼ガスバルブ
29…燃焼ガス供給路(ガス供給部)
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
53…下流側温度センサ
54…出口バルブ
59…処理済み燃焼ガス供給路
60…制御部
100…メタン製造システム
10 ... reaction tube 11, 11a, 11b ... carbon dioxide storage reduction catalyst 13 ... Comparative example storage-reduction catalyst 20 ... combustion device 21 ... combustion gas flowmeter 22 ... upstream CO 2 sensor 23 ... upstream temperature sensor 24 ... combustion gas valve 29... Combustion gas supply path (gas supply section)
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 53... Downstream temperature sensor 54... Outlet valve 59... Treated combustion gas supply path 60... Control unit 100... Methane production system

Claims (4)

二酸化炭素吸蔵還元触媒であって、
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する酸化カルシウムと、
前記酸化カルシウムの焼結を抑制する焼結抑制材と、
二酸化炭素および水素からのメタン生成を促進するメタン化触媒と、を備え、
前記酸化カルシウムおよび前記焼結抑制材の体積の内、前記焼結抑制材の占める体積割合は、75パーセント未満である、二酸化炭素吸蔵還元触媒。
A carbon dioxide storage reduction catalyst,
Calcium oxide capable of storing carbon dioxide and desorbing the stored carbon dioxide by supplying hydrogen,
A sintering suppressing material that suppresses the sintering of the calcium oxide,
A methanation catalyst that promotes methane production from carbon dioxide and hydrogen,
The carbon dioxide storage reduction catalyst, wherein the volume ratio of the sintering suppressor in the calcium oxide and the sintering suppressor is less than 75%.
請求項1に記載の二酸化炭素吸蔵還元触媒であって、
前記焼結抑制材は、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、チタン、ランタン、セリウム、ジルコニウム、およびイットリウムの内の1種類以上の元素を含む酸化物を含む、二酸化炭素吸蔵還元触媒。
The carbon dioxide storage reduction catalyst according to claim 1, wherein
The carbon dioxide storage reduction catalyst, wherein the sintering inhibitor contains an oxide containing at least one element selected from magnesium, aluminum, silicon, titanium, lanthanum, cerium, zirconium, and yttrium.
請求項2に記載の二酸化炭素吸蔵還元触媒であって、
前記焼結抑制材は、
マグネシウム、セリウム、およびジルコニウムのいずれかの酸化物を含む、または、
マグネシウム、セリウム、ジルコニウム、およびカルシウムの内の2種以上の元素を含む複合酸化物を含む、二酸化炭素吸蔵還元触媒。
The carbon dioxide storage reduction catalyst according to claim 2,
The sintering suppressor is
Including any of the oxides of magnesium, cerium, and zirconium, or
A carbon dioxide storage-reduction catalyst containing a composite oxide containing two or more elements selected from magnesium, cerium, zirconium, and calcium.
メタン製造システムであって、
請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の二酸化炭素吸蔵還元触媒を有する反応管と、
前記反応管に二酸化炭素を含む気体を供給するガス供給部と、
前記反応管に水素を供給する水素供給部と、
前記ガス供給部から前記反応管に供給される気体の量と、前記水素供給部から前記反応管に供給される水素の量とを制御する制御部と、を備える、メタン製造システム。
A methane production system,
A reaction tube having the carbon dioxide storage reduction catalyst according to any one of claims 1 to 3,
A gas supply unit for supplying a gas containing carbon dioxide to the reaction tube,
A hydrogen supply unit for supplying hydrogen to the reaction tube,
A methane production system comprising: a control unit that controls the amount of gas supplied from the gas supply unit to the reaction tube and the amount of hydrogen supplied from the hydrogen supply unit to the reaction tube.
JP2019004159A 2019-01-15 2019-01-15 Carbon dioxide storage reduction catalyst and methane production system Active JP7110995B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019004159A JP7110995B2 (en) 2019-01-15 2019-01-15 Carbon dioxide storage reduction catalyst and methane production system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019004159A JP7110995B2 (en) 2019-01-15 2019-01-15 Carbon dioxide storage reduction catalyst and methane production system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2020110769A true JP2020110769A (en) 2020-07-27
JP7110995B2 JP7110995B2 (en) 2022-08-02

Family

ID=71667535

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019004159A Active JP7110995B2 (en) 2019-01-15 2019-01-15 Carbon dioxide storage reduction catalyst and methane production system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7110995B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023181678A1 (en) * 2022-03-23 2023-09-28 国立大学法人九州大学 Carbon dioxide separation/conversion device

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100196259A1 (en) * 2009-02-05 2010-08-05 Air Products And Chemicals, Inc. CO2-Sorptive Pellets and Uses Thereof
JP2012236847A (en) * 2005-04-15 2012-12-06 Univ Of Southern California Efficient and selective chemical recycling of carbon dioxide to methanol, dimethyl ether and derived products

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012236847A (en) * 2005-04-15 2012-12-06 Univ Of Southern California Efficient and selective chemical recycling of carbon dioxide to methanol, dimethyl ether and derived products
US20100196259A1 (en) * 2009-02-05 2010-08-05 Air Products And Chemicals, Inc. CO2-Sorptive Pellets and Uses Thereof

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MATERIALS TODAY SUSTAINABILITY, vol. Volumes 1-2, JPN6022025132, 2018, pages 1 - 27, ISSN: 0004803384 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023181678A1 (en) * 2022-03-23 2023-09-28 国立大学法人九州大学 Carbon dioxide separation/conversion device

Also Published As

Publication number Publication date
JP7110995B2 (en) 2022-08-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101541398A (en) Calcium looping process for high purity hydrogen production
Cunha et al. Sorption-enhanced steam reforming of ethanol on a novel K–Ni–Cu–hydrotalcite hybrid material
Ochoa-Fernández et al. Effects of steam addition on the properties of high temperature ceramic CO 2 acceptors
US7059277B2 (en) Gas engine
Diglio et al. Feasibility of CaO/CuO/NiO sorption-enhanced steam methane reforming integrated with solid-oxide fuel cell for near-zero-CO2 emissions cogeneration system
CN101443267B (en) Hydrogen production system and method of controlling flow rate of offgas in the system
Anderson et al. Carbon dioxide separation and dry reforming of methane for synthesis of syngas by a dual‐phase membrane reactor
Ni et al. High purity hydrogen production from sorption enhanced chemical looping glycerol reforming: Application of NiO-based oxygen transfer materials and potassium promoted Li2ZrO3 as CO2 sorbent
JP6891869B2 (en) Methane production system
JP7110995B2 (en) Carbon dioxide storage reduction catalyst and methane production system
Symonds et al. CO2 capture from syngas via cyclic carbonation/calcination for a naturally occurring limestone: Modelling and bench-scale testing
JP2021035909A (en) Production method for methane and production facility therefor
Harrison et al. Low-carbon monoxide hydrogen by sorption-enhanced reaction
Jo et al. A fundamental study of CO2 capture and CH4 production in a rapid cyclic system using nickel-lithium-silicate as a catal-sorbent
JP4648566B2 (en) Autothermal reforming catalyst and method for producing fuel gas for fuel cell
Hu et al. Efficiency analysis of sorption-enhanced method in steam methane reforming process
JP7338577B2 (en) Carbon dioxide recovery device and carbon dioxide recovery method
CN1418387A (en) Device for producing hydrogen and method of operating the same
KR102199485B1 (en) Method of preparing catalyst for single stage water gas shift reaction
KR20230088681A (en) hydrogen process
Chein et al. Thermodynamic analysis of sorption‐enhanced water–gas shift reaction using syngases
JP2022528126A (en) Hydrogen generation by integrated CO2 capture
Mohammadi et al. Reactivity stabilization and capacity study of fabricated alumina and zirconia‐supported CaO‐based sorbents for high‐temperature CO2 capture in a fixed‐bed reactor
JP2005034682A (en) Co modification catalyst and its production method
JP2019135378A (en) Internal combustion engine

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20211008

TRDD Decision of grant or rejection written
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20220615

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20220621

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20220704

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7110995

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150