JP2022111453A - 再生可能シクロペンタンの製造装置および製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】化石燃料を消費せずにシクロペンタンを製造する。【解決手段】装置１０は、バイオマスから炭化水素を生成する炭化水素生成装置３と、炭素数が９以下の炭化水素が得られるように、生成された炭化水素を分留する分留装置４と、炭素数が５の炭化水素が得られるように、得られた炭素数が９以下の炭化水素をクラッキングするクラッキング装置５と、シクロペンタンとシクロペンテンとシクロペンタジエンとが得られるように、得られた炭素数が５の炭化水素を精密分留する精密分留装置６と、得られたシクロペンタジエンを二量化してジシクロペンタジエンを生成する二量化装置７と、得られたシクロペンテンと生成されたジシクロペンタジエンとを水素化してシクロペンタンを生成する水素化装置８とを備える。【選択図】図３
Description
本発明は、再生可能燃料としてのシクロペンタンを製造する製造装置および製造方法に関する。
従来、石油系炭化水素油を原料としたシクロペンタンの製造方法が知られている（例えば特許文献１参照）。上記特許文献１記載の製造方法では、ナフサ、軽油、天然ガス液、原油、重油などの石油系炭化水素油を熱分解処理し、熱分解処理で得られた熱分解ガソリンからシクロペンタンを製造する。
上記特許文献１記載のシクロペンタンの製造方法では、原料として化石燃料が用いられるが、炭素排出量を削減する観点では、化石燃料の消費量を抑制することが望ましい。
本発明の一態様である再生可能シクロペンタンの製造装置は、バイオマスから炭化水素を生成する炭化水素生成装置と、炭素数が９以下の炭化水素が得られるように、炭化水素生成装置により生成された炭化水素を分留する分留装置と、炭素数が５の炭化水素が得られるように、分留装置による分留により得られた炭素数が９以下の炭化水素をクラッキングするクラッキング装置と、シクロペンタンとシクロペンテンとシクロペンタジエンとが得られるように、クラッキング装置によるクラッキングにより得られた炭素数が５の炭化水素を精密分留する精密分留装置と、精密分留装置による精密分留により得られたシクロペンタジエンを二量化してジシクロペンタジエンを生成する二量化装置と、精密分留装置による精密分留により得られたシクロペンテンと二量化装置により生成されたジシクロペンタジエンとを水素化してシクロペンタンを生成する水素化装置と、を備える。
本発明の他の態様である再生可能シクロペンタンの製造方法は、バイオマスから炭化水素を生成する炭化水素生成工程と、炭素数が９以下の炭化水素が得られるように、炭化水素生成工程で生成された炭化水素を分留する分留工程と、炭素数が５の炭化水素が得られるように、分留工程で得られた炭素数が９以下の炭化水素をクラッキングするクラッキング工程と、シクロペンタンとシクロペンテンとシクロペンタジエンとが得られるように、クラッキング工程で得られた炭素数が５の炭化水素を精密分留する精密分留工程と、精密分留工程で得られたシクロペンタジエンを二量化してジシクロペンタジエンを生成する二量化工程と、精密分留工程で得られたシクロペンテンと二量化工程で生成されたジシクロペンタジエンとを水素化してシクロペンタンを生成する水素化工程と、を含む。
本発明によれば、化石燃料を消費せずにシクロペンタンを製造することができる。
以下、図１～図４を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態に係る再生可能シクロペンタンの製造装置は、廃食油や木質バイオマスなどのバイオマスを原料としてシクロペンタンを製造する。
地球の平均気温は、大気中の温室効果ガスにより、生物に適した温暖な状態に保たれている。具体的には、太陽光で暖められた地表面から宇宙空間へと放射される熱の一部を温室効果ガスが吸収し、地表面へと再放射することで、大気が温暖な状態に保たれている。このような大気中の温室効果ガスの濃度が増加すると、地球の平均気温が上昇する（地球温暖化）。
温室効果ガスの中でも地球温暖化への寄与が大きい二酸化炭素の大気中における濃度は、バイオマスや化石燃料として地上や地中に固定された炭素と、二酸化炭素として大気中に存在する炭素とのバランスによって決定される。例えば、植物（バイオマス）の生育過程での光合成により大気中の二酸化炭素が吸収されると大気中の二酸化炭素濃度が減少し、化石燃料の消費（燃焼）により二酸化炭素が大気中に放出されると大気中の二酸化炭素濃度が増加する。地球温暖化を抑制するには、化石燃料をバイオマスに由来する再生可能燃料で代替し、炭素排出量を低減することが必要となる。
図１は、原料が異なるナフサ（粗製ガソリン）の炭素強度について説明するための図であり、単位発熱量のナフサが製造されて消費されるまでに排出される二酸化炭素量の一例を示す。図１に示すように、化石燃料である石油に由来するナフサの炭素強度には、炭素含有量がそのまま反映されるとともに、原油からの製造過程で投入されるエネルギーが反映される。一方、バイオマスである森林残渣や廃食油に由来するナフサの炭素強度には、生育過程で大気中の二酸化炭素を吸収するバイオマスの炭素含有量そのものは反映されず、原料からの製造過程（ＦＴ合成、水素化など）で投入されるエネルギーのみが反映される。
図２Ａは、バイオマスに含まれる脂肪酸エステルの水素化により得られる代替燃料について説明するための図である。図２Ａに示すように、脂肪酸エステルを含む植物油や植物油を調理に利用した後の廃食油を、水素ガス共存下で触媒反応により水素化すると、炭素数が３～２０の飽和炭化水素（バイオマス由来のナフサ）が得られる。
図２Ｂは、バイオマスのガス化およびＦＴ（フィッシャー・トロプシュ）合成により得られる代替燃料について説明するための図である。図２Ｂに示すように、都市ゴミや木質バイオマスを水蒸気共存化で加熱すると、一酸化炭素ガスおよび水素ガスが得られ、得られたガスを水素ガス共存下で触媒反応によりＦＴ合成すると、炭素数が４～２０の飽和炭化水素（バイオマス由来のナフサ）が得られる。
図２Ａおよび図２Ｂに示すように、バイオマス由来のナフサを沸点の大まかな範囲に応じて分留すると、炭素数が１４～２０の留分、炭素数が９～１４の留分、炭素数が４～９の留分、およびガス成分（プロパンガス）が得られる。このうち、炭素数が１４～２０の留分はディーゼルエンジンの代替燃料（再生可能軽油）として、炭素数が９～１４の留分はジェットエンジンの代替燃料（再生可能灯油）として、そのまま利用することができる。
一方、炭素数が４～９の留分は、鎖状飽和炭化水素が主であるためオクタン価が低く、そのままガソリンエンジンの代替燃料（再生可能ガソリン）として利用するとエンジンの燃焼性能を損なうおそれがある。そこで、本実施形態では、低オクタン価の再生可能ガソリンから、炭素数が５の環状飽和炭化水素であるシクロペンタンを単離、生成し、高オクタン価の再生可能ガソリンとして利用できるよう、以下のように再生可能シクロペンタンの製造装置を構成する。
図３は、本発明の実施形態に係る再生可能シクロペンタンの製造装置（以下、装置）１０の構成の一例を概略的に示すブロック図である。図３に示すように、装置１０は、発電装置１と、水電解装置２と、炭化水素生成装置３と、分留装置４と、クラッキング装置５と、精密分留装置６と、二量化装置７と、水素化装置８とを有する。
発電装置１は、例えば、半導体素子により太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽光発電装置や、風車により風力エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電装置として構成され、再生可能電力を生成する。水電解装置２は、発電装置１により生成された再生可能電力により水を電気分解して水素を生成する。
炭化水素生成装置３は、バイオマス原料から炭素数が２０以下の炭化水素（バイオマス由来のナフサ）を生成する。炭化水素生成装置３は、植物油や廃食油をバイオマス原料とする場合は水添塔として構成され、脂肪酸エステルの水素化を行う（図２Ａ）。炭化水素生成装置３は、都市ゴミや木質バイオマスをバイオマス原料とする場合はガス化およびＦＴ合成を行う（図２Ｂ）。脂肪酸エステルの水素化には、水電解装置２により生成された再生可能水素が利用される。水電解装置２により生成された再生可能水素は、ＦＴ合成にも利用することができる。
分留装置４は、蒸留塔として構成され、炭化水素生成装置３により生成された炭素数が２０以下の炭化水素を分留する。分留装置４による分留では、炭素数が１４～２０の炭化水素（軽油）と、炭素数が９～１４の炭化水素（灯油）と、炭素数が９以下の炭化水素（低オクタン価ガソリン）とが分離して得られる（図２Ａ、図２Ｂ）。
クラッキング装置５は、熱分解炉５ａと第１蒸留塔５ｂと第２蒸留塔５ｃとを含んで構成され、分留装置４による分留により得られた炭素数が９以下の炭化水素をクラッキングする。クラッキング装置５によるクラッキングでは、炭素数が５の炭化水素が得られる。より具体的には、熱分解炉５ａでは、炭化水素が高温で加熱され、より炭素数が小さい炭化水素（熱分解成分）に分解される。第１蒸留塔５ｂでは、熱分解炉５ａによる熱分解により得られた熱分解成分が蒸留され、ガス成分が分離される。第２蒸留塔５ｃでは、第１蒸留塔５ｂによる蒸留によりガス成分が分離された後の熱分解成分がさらに蒸留され、炭素数が６以上の炭化水素と、炭素数が５の炭化水素とが分離して得られる。
精密分留装置６は、多段の蒸留塔として構成され、クラッキング装置５によるクラッキングにより得られた炭素数が５の炭化水素を、沸点の細かな差異に応じて精密分留する。精密分留装置６による精密分留では、シクロペンタジエンと、シクロペンテンと、シクロペンタンとが分離して得られる。
二量化装置７は、ヒータを含んで構成され、精密分留装置６による精密分留により得られたシクロペンタジエンを加熱して二量化し、ジシクロペンタジエンを生成する。
水素化装置８は、水添塔として構成され、精密分留装置６による精密分留により得られたシクロペンテンおよび二量化装置７により生成されたジシクロペンタジエンを水素化してシクロペンタンを生成する。シクロペンテンおよびジシクロペンタジエンの水素化には、水電解装置２により生成された再生可能水素が利用される。
炭化水素生成装置３による水素化またはガス化およびＦＴ合成、分留装置４、クラッキング装置５および精密分留装置６による蒸留、クラッキング装置５および二量化装置７による加熱の各工程でも、発電装置１により生成された再生可能電力が利用される。
このように、化石燃料を消費することなくバイオマス原料を利用して製造された再生可能シクロペンタンは、高オクタン価の再生可能ガソリンとして利用することができる。また、水素化の工程で再生可能水素を利用し、水素化や蒸留などの各工程で再生可能電力を利用することで、製造される再生可能シクロペンタンの炭素強度を一層低減することができる。
図４は、装置１０の変形例である装置１０Ａの構成の一例を示すブロック図である。図４に示すように、装置１０Ａは、図３の装置１０の構成に加え、低オクタン価ガソリンを改質する改質装置９を有する。発明者らは、シクロペンタンを添加することで、低オクタン価ガソリンのアンチノック性能が向上することを知見した。改質装置９は、低オクタン価ガソリンに、水素化装置８により生成されたシクロペンタンを添加して改質し、高オクタン価の改質ガソリンを生成する。再生可能シクロペンタンを添加して改質を行うことで、改質ガソリンの炭素強度を低下させることができる。
本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）装置１０は、バイオマスから炭化水素を生成する炭化水素生成装置３と、炭素数が９以下の炭化水素が得られるように、炭化水素生成装置３により生成された炭化水素を分留する分留装置４と、炭素数が５の炭化水素が得られるように、分留装置４による分留により得られた炭素数が９以下の炭化水素をクラッキングするクラッキング装置５と、シクロペンタンとシクロペンテンとシクロペンタジエンとが得られるように、クラッキング装置５によるクラッキングにより得られた炭素数が５の炭化水素を精密分留する精密分留装置６と、精密分留装置６による精密分留により得られたシクロペンタジエンを二量化してジシクロペンタジエンを生成する二量化装置７と、精密分留装置６による精密分留により得られたシクロペンテンと二量化装置７により生成されたジシクロペンタジエンとを水素化してシクロペンタンを生成する水素化装置８と、を備える（図３）。これにより、化石燃料を消費することなく、バイオマス原料を利用して再生可能シクロペンタンを製造することができる。
（１）装置１０は、バイオマスから炭化水素を生成する炭化水素生成装置３と、炭素数が９以下の炭化水素が得られるように、炭化水素生成装置３により生成された炭化水素を分留する分留装置４と、炭素数が５の炭化水素が得られるように、分留装置４による分留により得られた炭素数が９以下の炭化水素をクラッキングするクラッキング装置５と、シクロペンタンとシクロペンテンとシクロペンタジエンとが得られるように、クラッキング装置５によるクラッキングにより得られた炭素数が５の炭化水素を精密分留する精密分留装置６と、精密分留装置６による精密分留により得られたシクロペンタジエンを二量化してジシクロペンタジエンを生成する二量化装置７と、精密分留装置６による精密分留により得られたシクロペンテンと二量化装置７により生成されたジシクロペンタジエンとを水素化してシクロペンタンを生成する水素化装置８と、を備える（図３）。これにより、化石燃料を消費することなく、バイオマス原料を利用して再生可能シクロペンタンを製造することができる。
（２）炭化水素生成装置３は、バイオマスを水素化して炭化水素を生成する。この場合、脂肪酸エステルを含む植物油や廃食油をバイオマス原料として再生可能シクロペンタンを製造することができる。
（３）装置１０は、再生可能電力により水を電気分解して水素を生成する水電解装置２をさらに備える（図３）。炭化水素生成装置３は、水電解装置２により生成された再生可能水素によりバイオマスを水素化する。水素化装置８は、水電解装置２により生成された再生可能水素によりシクロペンテンとジシクロペンタジエンとを水素化する。太陽光発電などの再生可能エネルギーにより製造した水素を利用することで、再生可能シクロペンタンの炭素強度を一層低減することができる。
（４）炭化水素生成装置３は、バイオマスをガス化して一酸化炭素と水素とを生成し、生成された一酸化炭素と水素とからＦＴ合成により炭化水素を生成する。この場合、都市ゴミや木質バイオマスをバイオマス原料として再生可能シクロペンタンを製造することができる。
（５）装置１０は、低オクタン価ガソリンに、水素化装置８により生成されたシクロペンタンを添加して改質する改質装置９をさらに備える（図４）。再生可能シクロペンタンを添加して低オクタン価ガソリンを改質することで、改質ガソリンの炭素強度を低下させることができる。
上記実施形態では、図３、図４などで装置１０、装置１０Ａの具体的な構成を例示して説明したが、再生可能シクロペンタンの製造装置は、このようなものに限定されない。例えば、再生可能電力として水力発電や地熱発電などを利用してもよい。バイオマス原料として汚泥や廃材などを利用してもよい。水素化工程で利用される水素の一部を再生可能水素としてもよく、各工程で利用される電力の一部を再生可能電力としてもよい。各工程で再生可能電力に代えて熱などの再生可能エネルギーそのものを利用してもよい。
以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。
１ 発電装置、２ 水電解装置、３ 炭化水素生成装置、４ 分留装置、５ クラッキング装置、６ 精密分留装置、７ 二量化装置、８ 水素化装置、９ 改質装置、１０，１０Ａ 再生可能シクロペンタンの製造装置（装置）
Claims (7)
- バイオマスから炭化水素を生成する炭化水素生成装置と、
炭素数が９以下の炭化水素が得られるように、前記炭化水素生成装置により生成された炭化水素を分留する分留装置と、
炭素数が５の炭化水素が得られるように、前記分留装置による分留により得られた炭素数が９以下の炭化水素をクラッキングするクラッキング装置と、
シクロペンタンとシクロペンテンとシクロペンタジエンとが得られるように、前記クラッキング装置によるクラッキングにより得られた炭素数が５の炭化水素を精密分留する精密分留装置と、
前記精密分留装置による精密分留により得られたシクロペンタジエンを二量化してジシクロペンタジエンを生成する二量化装置と、
前記精密分留装置による精密分留により得られたシクロペンテンと前記二量化装置により生成されたジシクロペンタジエンとを水素化してシクロペンタンを生成する水素化装置と、を備えることを特徴とする再生可能シクロペンタンの製造装置。 - 請求項１に記載の再生可能シクロペンタンの製造装置において、
前記炭化水素生成装置は、バイオマスを水素化して炭化水素を生成することを特徴とする再生可能シクロペンタンの製造装置。 - 請求項２に記載の再生可能シクロペンタンの製造装置において、
再生可能電力により水を電気分解して水素を生成する水電解装置をさらに備え、
前記炭化水素生成装置は、前記水電解装置により生成された水素によりバイオマスを水素化し、
前記水素化装置は、前記水電解装置により生成された水素によりシクロペンテンとジシクロペンタジエンとを水素化することを特徴とする再生可能シクロペンタンの製造装置。 - 請求項１に記載の再生可能シクロペンタンの製造装置において、
前記炭化水素生成装置は、バイオマスをガス化して一酸化炭素と水素とを生成し、生成された一酸化炭素と水素とからフィッシャー・トロプシュ合成により炭化水素を生成することを特徴とする再生可能シクロペンタンの製造装置。 - 請求項４に記載の再生可能シクロペンタンの製造装置において、
再生可能電力により水を電気分解して水素を生成する水電解装置をさらに備え、
前記水素化装置は、前記水電解装置により生成された水素によりシクロペンテンとジシクロペンタジエンとを水素化することを特徴とする再生可能シクロペンタンの製造装置。 - 請求項１～５のいずれか１項に記載の再生可能シクロペンタンの製造装置において、
低オクタン価ガソリンに、前記水素化装置により生成されたシクロペンタンを添加して改質する改質装置をさらに備えることを特徴とする再生可能シクロペンタンの製造装置。 - バイオマスから炭化水素を生成する炭化水素生成工程と、
炭素数が９以下の炭化水素が得られるように、前記炭化水素生成工程で生成された炭化水素を分留する分留工程と、
炭素数が５の炭化水素が得られるように、前記分留工程で得られた炭素数が９以下の炭化水素をクラッキングするクラッキング工程と、
シクロペンタンとシクロペンテンとシクロペンタジエンとが得られるように、前記クラッキング工程で得られた炭素数が５の炭化水素を精密分留する精密分留工程と、
前記精密分留工程で得られたシクロペンタジエンを二量化してジシクロペンタジエンを生成する二量化工程と、
前記精密分留工程で得られたシクロペンテンと前記二量化工程で生成されたジシクロペンタジエンとを水素化してシクロペンタンを生成する水素化工程と、を含むことを特徴とする再生可能シクロペンタンの製造方法。
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