JP2022185423A

JP2022185423A - 排ガス利用装置

Info

Publication number: JP2022185423A
Application number: JP2021093106A
Authority: JP
Inventors: 佳宏舟橋; Yoshihiro Funahashi; 勝也山際; Katsuya Yamagiwa
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2021-06-02
Filing date: 2021-06-02
Publication date: 2022-12-14

Abstract

【課題】装置を簡易にできる排ガス利用装置を提供する。【解決手段】排ガス利用装置は、排ガスに含まれる二酸化炭素を回収して、二酸化炭素を炭素化合物として再利用し燃料を製造する装置である。排ガス利用装置は、排ガスから二酸化炭素を回収する回収装置と、水素と回収装置が回収した二酸化炭素とを使って燃料を生成する生成装置と、を備える。回収装置から生成装置に供給される第１の混合ガスは、二酸化炭素と窒素とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、排ガスに含まれる二酸化炭素を使って燃料を製造する排ガス利用装置に関する。

水素と排ガスから分離回収した二酸化炭素とを使って燃料を製造する排ガス利用装置として、製造した純度の高い炭化水素燃料を都市ガス導管系に注入するものが特許文献１に開示されている。

特開２００９－７７４５７号公報

原料である二酸化炭素の不純物が少ないほど炭化水素燃料の純度は高くなるので、先行技術では、排ガスから分離回収する二酸化炭素を精製するために装置が大型化し複雑化するという問題点がある。カーボンニュートラルの実現のためには二酸化炭素の排出量を削減する技術の普及が必要だが、高純度の燃料を製造する先行技術は、装置が大型化・複雑化するので普及が難しい。

本発明はこの問題点を解決するためになされたものであり、装置を簡易にできる排ガス利用装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するために本発明の排ガス利用装置は、必要最低限の品質の燃料を獲得しながら二酸化炭素の排出量を低減する技術である。具体的には、本発明は排ガスから二酸化炭素を回収する回収装置と、水素と回収装置が回収した二酸化炭素とを使って燃料を生成する生成装置と、を備え、回収装置から生成装置に供給される第１の混合ガスは、二酸化炭素と窒素とを含む。

第１の態様によれば、回収装置から生成装置に供給される第１の混合ガスは二酸化炭素と窒素とを含む。排ガスから分離回収する二酸化炭素を精製しなくて良いので、排ガス利用装置を簡易にできる。

第２の態様によれば、第１の態様において、生成装置から排気される第２の混合ガスのうち燃料の量は、第２の混合ガスの量の５５ｖｏｌ％以上である。これにより燃料を含む第２の混合ガスの可燃性を確保できる。

第３の態様によれば、第２の態様において、第２の混合ガスは水素を含む。生成装置が金属触媒や貴金属触媒などを含む場合に、水素の還元性によって触媒能を確保できる。従って生成装置による燃料の生成を安定化できる。

第４の態様によれば、第３の態様において、第２の混合ガスに含まれる水素の量は、第２の混合ガスの量の５ｖｏｌ％以上である。生成装置による燃料の生成がさらに安定化する。

第５の態様によれば、第１から第４の態様のいずれかにおいて、第１の混合ガスに含まれる窒素の量は、第１の混合ガスの量の４５ｖｏｌ％以下である。水素と第１の混合ガスに含まれる二酸化炭素とにより、安定した燃焼を実現できる燃料を確保できる。

第６の態様によれば、第１から第５の態様のいずれかにおいて、排ガスの水分を除去する除去装置が、回収装置の二酸化炭素を濃縮する部分よりも上流側に配置される。回収装置による二酸化炭素の濃縮効率を確保できる。

第７の態様によれば、第１から第６の態様のいずれかにおいて、排ガスに含まれる窒素を分離する分離装置が、回収装置の二酸化炭素を濃縮する部分よりも上流側に配置される。回収装置による二酸化炭素の濃縮効率を確保できる。

第８の態様によれば、第１から第７の態様のいずれかにおいて、水の電気分解によって水素と酸素とを製造する電解装置が製造した水素が、生成装置に供給される。電解装置が製造する水素量は容易に調整できるので、排ガス利用装置の制御を容易にできる。

第９の態様によれば、第８の態様において、電解装置の固体酸化物形電気分解セルは、生成装置で生じた化学反応熱が加えられた水蒸気を電気分解する。排ガス利用装置のエネルギー効率を向上できる。

第１０の態様によれば、第８又は第９の態様において、電解装置が製造した酸素が助燃剤として、供給装置によって燃焼装置に供給される。電解装置が製造した酸素を活用し、さらに燃焼装置の燃料消費率を向上できる。

一実施の形態における排ガス利用装置のブロック図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照して説明する。図１は一実施の形態における排ガス利用装置１０のブロック図である。排ガス利用装置１０は、排ガスに含まれる二酸化炭素を回収して、二酸化炭素を炭素化合物として再利用し燃料を製造する装置である。

排ガス利用装置１０は、排ガス源２０が発生した排ガスから二酸化炭素を回収する回収装置１３と、水素と回収装置１３が回収した二酸化炭素とを使って燃料を生成する生成装置１４と、を備えている。排ガス源２０は、二酸化炭素を含む排ガスを排出するものであれば、特に制限はない。排ガス源２０は、発電所、工場、廃棄物処理施設、天然ガス田、油田が例示される。

回収装置１３は、排ガスに含まれる二酸化炭素を分離回収して二酸化炭素を濃縮する。回収装置１３において二酸化炭素を分離回収する方法は、化学吸着法、物理吸着法、膜分離法、物理分離法、深冷分離法が例示される。化学吸着法は、熱炭酸カリ吸収法、アミン法が例示される。物理吸着法は、ゼオライトや活性炭などを用いた圧力スイング法、温度スイング法が例示される。膜分離法で使われる膜は、多孔質膜、非多孔質膜（高分子膜）、液膜が例示される。多孔質膜は、無機多孔質膜、高分子多孔質膜、毛管凝縮膜が例示される。無機多孔質膜は、ゼオライト膜、ガラス分離膜、炭素膜、溶融炭酸塩担持膜が例示される。

回収装置１３の二酸化炭素を濃縮する部分と排ガス源２０との間（回収装置１３の二酸化炭素を濃縮する部分よりも上流側）に除去装置１１が配置される。除去装置１１は、排ガスの水分を除去する装置である。除去装置１１は、例えば排ガス源２０と回収装置１３とをつなぐ配管に配置される。回収装置１３に除去装置１１を結合しても良い。

除去装置１１において排ガスから水分（水蒸気）を除去する方法は、凝縮、物理吸着、化学反応が例示される。除去装置１１によって水分が除去された排ガスが回収装置１３に供給されるので、回収装置１３による二酸化炭素の濃縮効率を確保できる。特に、膜分離法を利用して回収装置１３が二酸化炭素を濃縮する場合に除去装置１１が配置されると、回収装置１３の効率低下を防ぎつつ回収装置１３を小型化できるので好ましい。

回収装置１３の二酸化炭素を濃縮する部分と排ガス源２０との間（回収装置１３の二酸化炭素を濃縮する部分よりも上流側）に分離装置１２が配置される。分離装置１２は、排ガスに含まれる窒素を分離する装置である。分離装置１２は、例えば排ガス源２０と回収装置１３とをつなぐ配管に配置される。回収装置１３に分離装置１２を結合しても良い。

分離装置１２において排ガスから窒素を分離する方法は、膜分離法が例示される。分離装置１２は、分離装置１２が設けられていない場合に回収装置１３が二酸化炭素を濃縮する効率に比べ、二酸化炭素の濃縮効率を向上できる。従って回収装置１３による二酸化炭素の濃縮効率を確保できる。特に、膜分離法を利用して回収装置１３が二酸化炭素を濃縮する場合に分離装置１２が配置されると、回収装置１３の効率低下を防ぎつつ回収装置１３を小型化できるので好ましい。本実施形態では、分離装置１２は除去装置１１の下流側に配置されている。これにより排ガスに含まれる水分による分離装置１２の機能の低下を低減し、分離装置１２による窒素分離の効率を確保できる。

回収装置１３において排ガスから分離回収された二酸化炭素を含む第１の混合ガスは、生成装置１４に供給される。生成装置１４は、水素と第１の混合ガスに含まれる二酸化炭素とを使って燃料を製造する。生成装置１４は、二酸化炭素を水素で還元して燃料を生成する。燃料は可燃性生成物であり、メタン、一酸化炭素、メタノール、ホルムアルデヒド等が例示される。二酸化炭素は、燃料のエネルギー準位に比べてエネルギー準位が低く、安定である。そこで生成装置１４では、例えば触媒を使って活性化エネルギーを低下させ、二酸化炭素から燃料への化学反応を進行させる。

排ガスに触媒毒が含まれる場合には、触媒毒を除去する装置が備えられていても良い。触媒により触媒毒は異なるが、触媒がＮｉの場合には、触媒毒はＳ，Ｐ，Ｓｉ等が例示される。

生成装置１４の触媒は均一系触媒、不均一系触媒のいずれも良い。触媒の種類を変えることによって反応経路を制御できるので、生成装置１４では目的とする燃料を選択的に合成できる。触媒は、Ｃｏ系、Ｎｉ系、Ｆｅ系、Ｃｕ系、Ｚｎ系などの金属触媒、Ｒｕ系、Ｒｈ系、Ｐｔ系、Ｉｒ系、Ｐｄ系などの貴金属触媒、Ｒｕ等の金属を担持したＣｅＯ_２等の希土類酸化物、Ｎｉ－Ｌａ_２Ｏ_３－Ｒｕ等の三元複合触媒、Ｎｉ－Ｚｒ系などのアモルファス合金、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＮａＴａＯ_３、ＢａＬａ_４ＴｉＯ_１５等の光触媒などが例示される。触媒は、生成する燃料の種類に応じて選択される。

回収装置１３から生成装置１４に供給される第１の混合ガスは、二酸化炭素と窒素とを含む。第１の混合ガスには、二酸化炭素および窒素以外に、排ガスに含まれる酸素、除去装置１１が除去しきれなかった水蒸気が含まれていても良い。第１の混合ガスが二酸化炭素と窒素とを含むようにすれば、第１の混合ガスを処理して二酸化炭素の純度が高くなるように精製しなくて済む。従って排ガス利用装置１０を簡易にできる。

第１の混合ガスは、二酸化炭素以外の不純物を、第１の混合ガスの１０ｖｏｌ％以上含んでいても良い。第１の混合ガスの不純物は少ない方が、生成装置１４が排出する第２の混合ガスに含まれる燃料の割合は増えるが、第１の混合ガスから不純物を分離する装置の複雑化を招く。従って第１の混合ガスの不純物が多いほど、排ガス利用装置１０を簡易にできる。

第１の混合ガスに含まれる窒素の量は、第１の混合ガスの量の４５ｖｏｌ％以下が好ましい。生成装置１４による燃料（特にメタン）の生成効率を確保するためである。なお、第１の混合ガスに含まれる不純物の量が、第１の混合ガスの量の１０ｖｏｌ％未満であると、メタン、エタン、プロパン、ブタン等の炭化水素が含まれる第２の混合ガスの燃焼範囲が適度な広さになるので扱い易くなる。第１の混合ガスに含まれる不純物の量が、第１の混合ガスの量の５ｖｏｌ％以下であると、エタン、プロパン、ブタン等の炭素数が大きい炭化水素を生成し易くなるので好ましい。特に第１の混合ガスに含まれる不純物の量が、第１の混合ガスの量の１ｖｏｌ％以下であると、高純度の燃料とほぼ同等に第２の混合ガスを扱うことができる。

第１の混合ガスに窒素が含まれていなくても第２の混合ガスの燃焼特性に影響を与えない。但し、第１の混合ガスに窒素が５ｖｏｌ％以上含まれると回収装置１３を簡易にし易い。第１の混合ガスに窒素が１０ｖｏｌ％以上含まれると回収装置１３をさらに簡易にできる。

生成装置１４が排出する第２の混合ガスには、燃料以外に、水素および第１の混合ガスの成分（二酸化炭素、窒素、酸素、水蒸気）が含まれていても良い。第２の混合ガスのうち、燃料以外のガスの量は、第２の混合ガスの量の５－４５ｖｏｌ％が好ましい。燃料（特にメタン）を含む第２の混合ガスの可燃性を確保するためである。生成装置１４が排出する第２の混合ガスに熱量調整剤を注入して、第２の混合ガスには熱量調整の機能を有するプロパンやブタン等の炭化水素が含まれていても良い。

生成装置１４が生成した燃料を含む第２の混合ガスを、排ガス源２０を含む敷地内の施設が利用するようにすれば、ガスの運搬に係るコストを低減できるので好ましい。排ガス利用装置１０を簡易にすることにより、排ガス利用装置１０を小型化し、排ガス利用装置１０の設置に必要なスペースを小さくできる。排ガス源２０ごとに排ガス利用装置１０を設置できるので、排ガス源２０が排出する二酸化炭素を炭素資源として排ガス源２０ごとに再利用できる。排ガス利用装置１０は、販売の目的となる燃料を製造するのではなく、排ガス源２０を含む敷地内の施設が利用できる程度の必要最低限の品質の燃料を製造しながら、二酸化炭素の排出量を削減できる。

第２の混合ガスは水素を含むのが好ましい。生成装置１４が金属触媒や貴金属触媒などを含む場合に、水素の還元性によって触媒の酸化を低減し、触媒能を確保できるからである。これにより生成装置１４による燃料の生成を安定化できる。第２の混合ガスが水素を含む場合に、第２の混合ガスに含まれる水素の量は、第２の混合ガスの量の５ｖｏｌ％以上が好ましい。触媒能を確保し、生成装置１４による燃料の生成をさらに安定化するためである。

本実施形態では、電解装置１５が製造した水素が、生成装置１４に供給される。電解装置１５は、水の電気分解によって水素と酸素とを製造する。電解装置１５が製造する水素量は電力によって容易に調整できるので、排ガス利用装置１０の制御を容易にできる。

電解装置１５において水を電気分解する方法は、アルカリ水電解、固体高分子電解質水電解、高温水蒸気電解が例示される。高温水蒸気電解は、アルカリ水電解や固体高分子電解質水電解に比べ、少ない電力で多くの水素が製造できるので好ましい。電解装置１５が固体酸化物形電気分解セルを用いた高温水蒸気電解を行うものであり、その水蒸気の生成に、生成装置１４で生じた化学反応熱を利用していると、排ガス利用装置１０のエネルギー効率を向上できるので好ましい。

電解装置１５への電力供給は、集中型電源、分散型電源のいずれも良い。二酸化炭素の排出削減のため、電解装置１５へ供給される電力は、再生可能エネルギー由来の電力が好ましい。再生可能エネルギー由来の電力を出力する発電装置は、太陽光発電装置、風力発電装置、水力発電装置、波力発電装置、地熱発電装置、バイオマス発電装置が例示される。

供給装置１６は、電解装置１５が製造した酸素を、助燃剤として燃焼装置２１に供給する。これにより電解装置１５が製造した酸素を有効活用できる。燃焼装置２１は助燃剤が供給されることで燃料消費率が向上する。供給装置１６はポンプ、ブロワが例示される。燃焼装置２１はボイラー、燃焼炉が例示される。燃焼装置２１は生成装置１４が製造した燃料を燃焼する装置でも良いし、生成装置１４が製造した燃料とは異なる別の燃料を燃焼する装置でも良い。排ガス源２０が燃焼装置２１であっても良い。電解装置１５が製造した酸素を助燃剤として排ガス源２０を含む敷地内の施設が利用すれば、酸素の運搬に係るコストを低減できるので好ましい。

本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

（試験１）
直径５ｍｍ、長さ５ｍｍのペレット状の触媒を体積０．１Ｌの容器に充填した。容器内を温度５００℃、圧力１２２ｋＰａに保ち、二酸化炭素と水素とを種々の割合で混ぜた混合ガスを給気口から容器に供給し、触媒を混合ガスに曝し、混合ガスを容器の排気口から排気する試験を１０００時間行った。混合ガスの流量は２０Ｌ／ｍｉｎであった。試験はＮｉ、Ｃｕ－ＺｒＯの２種類の触媒について行った。

試験後、給気口に近い上流部、排気口に近い下流部、上流部と下流部との間の中間部に触媒を区分けしながら容器から取り出した。上流部、中流部および下流部からそれぞれ無作為に触媒を抽出し、触媒が酸化しているか否かをＸ線回折法により調べた。触媒が全く酸化していなかったものをＡと判定し、触媒が一部でも酸化していたものをＢと判定した。表１に結果を示す。表１に示す水素の割合（ｖｏｌ％）は、容器の排気口から排出する混合ガスの水素濃度から求めた。

表１に示すように混合ガスに含まれる水素の量が、混合ガスの量の５ｖｏｌ％以上の場合に判定がＡであった。

本実施例によれば、混合ガスに含まれる水素の量が、混合ガスの量の５ｖｏｌ％以上であると、触媒の酸化を低減できることが明らかになった。生成装置１４において、２種類の触媒のうちＮｉはメタン化触媒として有効であり、Ｃｕ－ＺｎＯはメタノール化触媒として有効である。混合ガスに含まれる水素の量が、混合ガスの量の５ｖｏｌ％以上であると、生成装置１４において触媒の酸化が低減し触媒能が確保されるので、燃料の生成を安定化できることが明らかになった。

（試験２）
燃料（メタン又はメタノール）、空気および窒素からなる種々の混合ガスを作製した。メタノールは常温常圧下で液体なので、容積約１Ｌの真空デシケータ（圧力１ｋＰａ）に所定量の空気および窒素を注入後、噴霧により真空デシケータに所定量のメタノールを注入して、気化したメタノールを含む混合ガスを作製した。

小さい穴のあいたゴム栓をゴム風船の口に取り付け、ゴム栓の穴にシリンジを差し込み、混合ガスをシリンジからゴム風船の中に約２０ｍＬ注入した。混合ガスが漏れないようにゴム風船の口をつまみ、ゴム栓からシリンジを抜き、シリンジの代わりに、電気仕掛けの点火装置がついた気密性を有する棒状体をゴム栓の穴に差し込んだ。点火装置を作動して、風船内部の混合ガスに火がつくか否かを調べる試験を行った。試験は３回行った。

表２に、燃料の種類、混合ガス中の燃料、空気および窒素の体積（ｖｏｌ％）、着火の有無を記した。混合ガス中の燃料と酸素とがほぼ過不足なく反応するように、メタンが燃料の場合、混合ガス中の燃料と空気との割合は１：１１（体積比）とし、メタノールが燃料の場合、混合ガス中の燃料と空気との割合は２：１５（体積比）とした。表２に記す窒素は、空気中の窒素を含まない。表２において、＋は３回の試験の全てが着火したことを示し、－は３回の試験において着火しないことがあったことを示す。

表２に示すように混合ガスに含まれる窒素の量が、混合ガスの４５ｖｏｌ％以下の場合に、混合ガスに安定に着火することが明らかになった。

回収装置１３から生成装置１４に供給される第１の混合ガスは二酸化炭素と窒素とを含む。生成装置１４では二酸化炭素を還元して燃料を製造する。第１の混合ガスに含まれる窒素は、二酸化炭素の還元反応に関係しない。燃料であるメタンやメタノールの分子１つの中に存在するＣ原子の数は１つであり、燃料の原料である二酸化炭素の分子１つの中に存在するＣ原子の数も１つである。二酸化炭素が燃料に変化する前後で、分子１つの中に存在するＣ原子の数は変化しない。従って試験２の結果は、第１の混合ガスに含まれる窒素の量が、第１の混合ガスの量の４５ｖｏｌ％以下であると、メタンやメタノールを燃料として含む第２の混合ガスの着火性を確保できることを示している。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

実施形態では、電解装置１５によって、生成装置１４に供給する水素を製造する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。例えばタンクや水素吸蔵材料に貯蔵した水素を生成装置１４に供給しても良い。

１０排ガス利用装置
１１除去装置
１２分離装置
１３回収装置
１４生成装置
１５電解装置
１６供給装置
２１燃焼装置

Claims

排ガスから二酸化炭素を回収する回収装置と、水素と前記回収装置が回収した前記二酸化炭素とを使って燃料を生成する生成装置と、を備える排ガス利用装置であって、
前記回収装置から前記生成装置に供給される第１の混合ガスは、前記二酸化炭素と窒素とを含む排ガス利用装置。
前記生成装置から排気される第２の混合ガスのうち、前記生成装置が生成した前記燃料の量は、前記第２の混合ガスの量の５５ｖｏｌ％以上である請求項１記載の排ガス利用装置。
前記第２の混合ガスは水素を含む請求項２記載の排ガス利用装置。
前記第２の混合ガスに含まれる前記水素の量は、前記第２の混合ガスの量の５ｖｏｌ％以上である請求項３記載の排ガス利用装置。
前記第１の混合ガスに含まれる前記窒素の量は、前記第１の混合ガスの量の４５ｖｏｌ％以下である請求項１から４のいずれかに記載の排ガス利用装置。
前記排ガスの水分を除去する除去装置をさらに備え、
前記除去装置は、前記回収装置の二酸化炭素を濃縮する部分よりも上流側に配置されている請求項１から５のいずれかに記載の排ガス利用装置。
前記排ガスに含まれる窒素を分離する分離装置をさらに備え、
前記分離装置は、前記回収装置の二酸化炭素を濃縮する部分よりも上流側に配置されている請求項１から６のいずれかに記載の排ガス利用装置。
水の電気分解によって水素と酸素とを製造する電解装置をさらに備え、
前記生成装置は、前記電解装置が製造した前記水素が供給される請求項１から７のいずれかに記載の排ガス利用装置。
前記電解装置は、水蒸気を電気分解する固体酸化物形電気分解セルを含み、
前記生成装置で生じた化学反応熱が前記水蒸気に加えられている請求項８記載の排ガス利用装置。
前記電解装置が製造した前記酸素を助燃剤として燃焼装置に供給する供給装置をさらに備える請求項８又は９に記載の排ガス利用装置。