JP2022042136A - 合成ガスの製造装置および合成ガスの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
[2] 前記合成ガス生成部に供給される前記原料ガスの供給量(A)および前記還元ガスの供給量(B)の合計量(A+B)に対する、前記合成ガス生成部に供給される前記還元ガスの供給量(B)の含有割合(B×100/(A+B))は、0.01体積%以上である、上記[1]に記載の合成ガスの製造装置。
[3] 前記合成ガス生成部における前記触媒構造体の加熱温度は、500℃以上1150℃以下である、上記[1]または[2]に記載の合成ガスの製造装置。
[4] 前記触媒構造体の触媒活性をリフレッシュするリフレッシュ部をさらに備え、前記リフレッシュ部は、前記原料ガス供給部から前記合成ガス生成部への前記原料ガスの供給を停止し、前記還元ガスを前記触媒構造体に流通しながら前記触媒構造体を加熱する、上記[1]~[3]のいずれか1つに記載の合成ガスの製造装置。
[5] 前記合成ガス生成部における前記触媒構造体の加熱温度は、600℃以上1000℃以下である、上記[4]に記載の合成ガスの製造装置。
[6] 前記金属微粒子が、鉄(Fe)、コバルト(Co)およびニッケル(Ni)からなる群より選択される少なくとも1種の非貴金属を含んで構成される、上記[1]~[5]のいずれか1つに記載の合成ガスの製造装置。
[7] 前記通路は、前記ゼオライト型化合物の骨格構造の一次元孔、二次元孔および三次元孔のうちのいずれかと、前記一次元孔、前記二次元孔および前記三次元孔のうちのいずれとも異なる拡径部とを有し、前記触媒物質が、少なくとも前記拡径部に存在している、上記[1]~[6]のいずれか1つに記載の合成ガスの製造装置。
[8] 前記拡径部は、前記一次元孔、前記二次元孔および前記三次元孔のうちのいずれかを構成する複数の孔同士を連通している、上記[7]に記載の合成ガスの製造装置。
[9] 前記金属微粒子の平均粒径が、前記通路の平均内径よりも大きく、かつ、前記拡径部の内径以下である、上記[7]または[8]に記載の合成ガスの製造装置。
[10] 前記合成ガス生成部から排出される生成ガスから、前記合成ガスとメタンおよび二酸化炭素とを分離する分離部をさらに備える、上記[1]~[9]のいずれか1つに記載の合成ガスの製造装置。
[11] 前記分離部で分離したメタンおよび二酸化炭素を前記合成ガス生成部に供給する第1供給部をさらに備える、上記[10]に記載の合成ガスの製造装置。
[12] 前記合成ガス生成部から排出される生成ガスから、水素を分離して前記合成ガス生成部に供給する第2供給部をさらに備える、上記[1]~[11]のいずれか1つに記載の合成ガスの製造装置。
[13] 前記合成ガス生成部から排出される生成ガス中の一酸化炭素および水素を検出する検出部をさらに備える、上記[1]~[12]のいずれか1つに記載の合成ガスの製造装置。
[14] 一酸化炭素および水素を含む合成ガスを製造する合成ガスの製造方法であって、メタンおよび二酸化炭素を含む原料ガスと還元ガスとを触媒構造体に供給する工程S1と、前記原料ガスおよび前記還元ガスを前記触媒構造体に流通しながら前記触媒構造体を加熱し、前記原料ガスに含まれるメタンおよび二酸化炭素から一酸化炭素および水素を含む合成ガスを生成する工程S2と、を有し、前記触媒構造体は、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体と、前記担体に内在する少なくとも1つの触媒物質と、を備え、前記担体が、互いに連通する通路を内部に有し、前記触媒物質が、非貴金属の金属微粒子であり、前記担体の少なくとも前記通路に存在していることを特徴とする合成ガスの製造方法。
図1は、実施形態の合成ガスの製造装置および製造方法を示すブロック図である。図2は、合成ガスの製造装置および製造方法で用いられる触媒構造体の一例について、内部構造が分かるように概略的に示す斜視図(一部を横断面で示す)である。図3は、合成ガスの製造装置および製造方法で用いられる触媒構造体の一部を拡大した概略断面図である。
実施形態の合成ガスの製造方法(以下、単に製造方法ともいう)は、一酸化炭素および水素を含む合成ガスを製造するための方法であり、例えば図1に示す製造装置1を用いて行われる。
実施形態の合成ガスの製造装置および製造方法において、合成ガス生成部4に収容される触媒構造体40は、図2~3に示すように、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体41と、担体41に内在する少なくとも1つの触媒物質45とを備える。
触媒構造体40は、上記のとおり、多孔質構造の担体41と、担体41に内在する少なくとも1つの触媒物質45とを備える。触媒構造体40は、担体41に内在する触媒物質45が流体と接触することにより、触媒物質45の機能に応じた触媒能を発揮する。具体的に、触媒構造体40の外表面41aに接触した流体は、外表面41aに形成された孔42aから担体41内部に拡散により流入して通路42内に誘導され、通路42内を通って移動し、他の孔42aを通じて触媒構造体40の外部へ出る。流体が通路42内を通って移動する経路において、通路42に存在する触媒物質45と接触することによって、触媒物質45に応じた触媒反応が生じる。また、触媒構造体40は、担体41が多孔質構造であることにより、分子篩能を有する。
以下、触媒構造体の製造方法の一例を説明する。
まず、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体を得るための前駆体材料(A)を準備する。前駆体材料(A)は、好ましくは規則性メソ細孔物質であり、触媒構造体の担体を構成するゼオライト型化合物の種類(組成)に応じて適宜選択できる。
次に、準備した前駆体材料(A)に、非貴金属の金属含有溶液を含浸させ、前駆体材料(B)を得る。
次に、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体を得るため、前駆体材料(A)に金属含有溶液が含浸された前駆体材料(B)を焼成して、前駆体材料(C)を得る。
次いで、前駆体材料(C)および構造規定剤を混合した混合溶液を調製し、前駆体材料(B)を焼成して得られた前駆体材料(C)を水熱処理して、触媒構造体を得る。
図4は、実施形態の合成ガスの製造装置および製造方法で用いられる触媒構造体の他の例を概略的に示す斜視図である。
まず、次のようにして、触媒構造体1を製造した。
合成ガス生成部に供給する原料ガス(メタンと二酸化炭素)と還元ガス(水素)とについて、表1に示す値に変更した以外は、実施例1-1と同様にして、メタン転化率および炭素量を測定した。
還元ガスを合成ガス生成部に供給せず、合成ガス生成部に供給する原料ガス(メタンと二酸化炭素)について、表1に示す値に変更した以外は、実施例1-1と同様にして、メタン転化率および炭素量を測定した。
触媒構造体1を市販のニッケル系触媒(商品コード:31276、品名:Nickel on silica-alumina,catalyst、Alfa Aesar社製)に換えて、原料ガスを合成ガス生成部に供給せず、合成ガス生成部に供給する原料ガス(メタンと二酸化炭素)について、表1に示す値に変更した以外は、実施例1-1と同様にして、メタン転化率および炭素量を測定した。比較例1-2で用いたニッケル系触媒では、Ni(金属微粒子)は、担体に内在せずに、担体の外表面にのみ担持されていた。なお、比較例1-2では、3時間以内の時点で、合成ガス生成部の内圧が非常に上昇して危険であったため、合成ガスの製造を途中で中止した。炭素量は、中止時点における、担体の外表面に担持されるNi粒子に基づいて測定した。
まず、合成ガス生成部に供給する原料ガス(メタンと二酸化炭素)と還元ガス(水素)とについて、表2に示す値に変更し、これらのガスを48時間供給した以外は、実施例1-1と同様にして、メタン転化率(リフレッシュ前)を測定した。続いて、表2に示すリフレッシュ条件で触媒構造体のリフレッシュ処理を行い、リフレッシュ後のメタン転化率(リフレッシュ後)を測定した。そして、リフレッシュ後のメタン転化率からリフレッシュ前のメタン転化率を引いた値を再賦活率として算出した。
まず、意図的に触媒構造体を酸化させて触媒活性を低下させるため、還元ガスを合成ガス生成部に供給せず、合成ガス生成部に供給する原料ガス(メタンと二酸化炭素)について、表3に示す値に変更し、これらのガスを48時間供給した以外は、実施例1-1と同様にして、メタン転化率(リフレッシュ前)を測定した。続いて、表3に示すリフレッシュ条件で触媒構造体のリフレッシュ処理を行い、リフレッシュ後のメタン転化率(リフレッシュ後)を測定した。そして、再賦活率を算出した。
まず、意図的に触媒構造体を酸化させて触媒活性を低下させるため、還元ガスを合成ガス生成部に供給せず、合成ガス生成部に供給する原料ガス(メタンと二酸化炭素)について、表4に示す値に変更し、これらのガスを48時間供給した以外は、実施例1-1と同様にして、メタン転化率(リフレッシュ前)を測定した。
2 原料ガス供給部
2a メタン供給部
2b 二酸化炭素供給部
3 還元ガス供給部
4 合成ガス生成部
4a 触媒構造体収容部
5 リフレッシュ部
6 分離部
7 第1供給部
8 第2供給部
9 検出部
40、40a 触媒構造体
41 担体
41a 担体の外表面
42 通路
42a 孔
43 拡径部
44 小通路
45、45a 触媒物質
Claims (14)
- 一酸化炭素および水素を含む合成ガスを製造する合成ガスの製造装置であって、
メタンおよび二酸化炭素を含む原料ガスを供給する原料ガス供給部と、
還元ガスを供給する還元ガス供給部と、
前記原料ガス供給部から前記原料ガスが供給されると共に前記還元ガス供給部から前記還元ガスが供給され、前記原料ガスおよび前記還元ガスを触媒構造体に流通しながら前記触媒構造体を加熱し、前記原料ガスに含まれるメタンおよび二酸化炭素から一酸化炭素および水素を含む合成ガスを生成する合成ガス生成部と、
を備え、
前記触媒構造体は、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体と、前記担体に内在する少なくとも1つの触媒物質と、を備え、
前記担体が、互いに連通する通路を内部に有し、
前記触媒物質が、非貴金属の金属微粒子であり、前記担体の少なくとも前記通路に存在していることを特徴とする合成ガスの製造装置。 - 前記合成ガス生成部に供給される前記原料ガスの供給量(A)および前記還元ガスの供給量(B)の合計量(A+B)に対する、前記合成ガス生成部に供給される前記還元ガスの供給量(B)の含有割合(B×100/(A+B))は、0.01体積%以上である、請求項1に記載の合成ガスの製造装置。
- 前記合成ガス生成部における前記触媒構造体の加熱温度は、500℃以上1150℃以下である、請求項1または2に記載の合成ガスの製造装置。
- 前記触媒構造体の触媒活性をリフレッシュするリフレッシュ部をさらに備え、
前記リフレッシュ部は、前記原料ガス供給部から前記合成ガス生成部への前記原料ガスの供給を停止し、前記還元ガスを前記触媒構造体に流通しながら前記触媒構造体を加熱する、請求項1~3のいずれか1項に記載の合成ガスの製造装置。 - 前記合成ガス生成部における前記触媒構造体の加熱温度は、600℃以上1000℃以下である、請求項4に記載の合成ガスの製造装置。
- 前記金属微粒子が、鉄(Fe)、コバルト(Co)およびニッケル(Ni)からなる群より選択される少なくとも1種の非貴金属を含んで構成される、請求項1~5のいずれか1項に記載の合成ガスの製造装置。
- 前記通路は、前記ゼオライト型化合物の骨格構造の一次元孔、二次元孔および三次元孔のうちのいずれかと、前記一次元孔、前記二次元孔および前記三次元孔のうちのいずれとも異なる拡径部とを有し、
前記触媒物質が、少なくとも前記拡径部に存在している、請求項1~6のいずれか1項に記載の合成ガスの製造装置。 - 前記拡径部は、前記一次元孔、前記二次元孔および前記三次元孔のうちのいずれかを構成する複数の孔同士を連通している、請求項7に記載の合成ガスの製造装置。
- 前記金属微粒子の平均粒径が、前記通路の平均内径よりも大きく、かつ、前記拡径部の内径以下である、請求項7または8に記載の合成ガスの製造装置。
- 前記合成ガス生成部から排出される生成ガスから、前記合成ガスとメタンおよび二酸化炭素とを分離する分離部をさらに備える、請求項1~9のいずれか1項に記載の合成ガスの製造装置。
- 前記分離部で分離したメタンおよび二酸化炭素を前記合成ガス生成部に供給する第1供給部をさらに備える、請求項10に記載の合成ガスの製造装置。
- 前記合成ガス生成部から排出される生成ガスから、水素を分離して前記合成ガス生成部に供給する第2供給部をさらに備える、請求項1~11のいずれか1項に記載の合成ガスの製造装置。
- 前記合成ガス生成部から排出される生成ガス中の一酸化炭素および水素を検出する検出部をさらに備える、請求項1~12のいずれか1項に記載の合成ガスの製造装置。
- 一酸化炭素および水素を含む合成ガスを製造する合成ガスの製造方法であって、
メタンおよび二酸化炭素を含む原料ガスと還元ガスとを触媒構造体に供給する工程S1と、
前記原料ガスおよび前記還元ガスを前記触媒構造体に流通しながら前記触媒構造体を加熱し、前記原料ガスに含まれるメタンおよび二酸化炭素から一酸化炭素および水素を含む合成ガスを生成する工程S2と、
を有し、
前記触媒構造体は、ゼオライト型化合物で構成される多孔質構造の担体と、前記担体に内在する少なくとも1つの触媒物質と、を備え、
前記担体が、互いに連通する通路を内部に有し、
前記触媒物質が、非貴金属の金属微粒子であり、前記担体の少なくとも前記通路に存在していることを特徴とする合成ガスの製造方法。
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