JP2024046825A - Liquid fuel production system and method for producing liquid fuel - Google Patents

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Abstract

【課題】 水素ガスの使用量を低減することができる液体燃料製造システム及び液体燃料の製造方法を提供する。【解決手段】 液体燃料製造システム1は、二酸化炭素及び水の電解還元によって、混合ガスと、酸素ガスとを得る電解還元装置2と、混合ガスから二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離装置3と、混合ガスから水を分離する水分離装置4と、混合ガスを、エチレンと、水素と、残余のオフガスとに分離する深冷分離装置5と、深冷分離装置で得られたエチレンのオリゴメリゼーションによって第1混合物を得る第1反応装置6と、第1混合物から軽質炭化水素を分離する第1分離装置7と、第1混合物を水素化分解及び水素化異性化することによって液体燃料を含む第2混合物を得る第2反応装置8と、第2混合物を、少なくとも液体燃料と、分解ガスと、重質炭化水素とに分離する第2分離装置9とを有する。【選択図】 図1[Problem] To provide a liquid fuel production system and a method for producing liquid fuel that can reduce the amount of hydrogen gas used. [Solution] A liquid fuel production system 1 includes an electrolytic reduction device 2 that obtains a mixed gas and oxygen gas by electrolytic reduction of carbon dioxide and water, a carbon dioxide separation device 3 that separates carbon dioxide from the mixed gas, a water separation device 4 that separates water from the mixed gas, a cryogenic separation device 5 that separates the mixed gas into ethylene, hydrogen, and remaining off-gas, a first reaction device 6 that obtains a first mixture by oligomerization of the ethylene obtained in the cryogenic separation device, a first separation device 7 that separates light hydrocarbons from the first mixture, a second reaction device 8 that obtains a second mixture containing liquid fuel by hydrocracking and hydroisomerizing the first mixture, and a second separation device 9 that separates the second mixture into at least liquid fuel, cracked gas, and heavy hydrocarbons. [Selected Figure] Figure 1

Description

本発明は、液体燃料製造システム及び液体燃料の製造方法に関する。 The present invention relates to a liquid fuel production system and a method for producing liquid fuel.

特許文献1は、二酸化炭素を用いて一酸化炭素を製造する第1工程と、一酸化炭素と水素とを用いて炭化水素からなる液体燃料を製造する第2工程とを有する液体燃料の製造方法を開示している。第1工程は、二酸化炭素と水素とを原料とした逆シフト反応、又は二酸化炭素の電解還元によって行われる。第2工程は、フィッシャー・トロプシュ反応(FT反応)によって行われる。 Patent Document 1 discloses a method for producing liquid fuel, which includes a first step of producing carbon monoxide using carbon dioxide, and a second step of producing liquid fuel consisting of hydrocarbons using carbon monoxide and hydrogen. The first step is carried out by a reverse shift reaction using carbon dioxide and hydrogen as raw materials, or by electrolytic reduction of carbon dioxide. The second step is carried out by the Fischer-Tropsch reaction (FT reaction).

国際公開WO2022/138910号International Publication No. WO2022/138910

特許文献1では、FT反応によって液体燃料を生成するため、多量の水素ガスを原料として使用する。水素ガスは、それ自体で燃料として有用な物質である。そのため、水素ガスを原料として液体燃料を製造することは効率が悪いという問題がある。 In Patent Document 1, a large amount of hydrogen gas is used as a raw material to produce liquid fuel through the FT reaction. Hydrogen gas is a substance that is useful as a fuel in itself. Therefore, there is a problem in that producing liquid fuel using hydrogen gas as a raw material is inefficient.

本発明は、以上の背景を鑑み、水素ガスの使用量を低減することができる液体燃料製造システム及び液体燃料の製造方法を提供することを課題とする。 In view of the above background, the present invention aims to provide a liquid fuel production system and a liquid fuel production method that can reduce the amount of hydrogen gas used.

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、二酸化炭素及び水の電解還元によって、少なくともエチレン及び水素を含む生成ガスと未反応の前記二酸化炭素とを少なくとも含む混合ガスと、酸素ガスとを得る電解還元装置(2)と、前記混合ガスから前記二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離装置(3)と、前記二酸化炭素が分離された前記混合ガスから水を分離する水分離装置(4)と、前記二酸化炭素及び前記水が分離された前記混合ガスを、前記エチレンと、前記水素と、残余のオフガスとに分離する深冷分離装置(5)と、前記深冷分離装置で得られた前記エチレンのオリゴメリゼーションによってα-オレフィンを含む第1混合物を得る第1反応装置(6)と、前記第1混合物から軽質炭化水素を分離する第1分離装置(7)と、前記軽質炭化水素が分離された前記第1混合物を水素化分解及び水素化異性化することによって液体燃料を含む第2混合物を得る第2反応装置(8)と、前記第2混合物を、少なくとも液体燃料と、分解ガスと、重質炭化水素とに分離する第2分離装置(9)とを有する液体燃料製造システム(1)を提供する。 In order to solve the above problems, one aspect of the present invention provides a liquid fuel production system (1) having an electrolytic reduction device (2) that obtains a mixed gas containing at least a product gas containing at least ethylene and hydrogen and unreacted carbon dioxide and oxygen gas by electrolytic reduction of carbon dioxide and water, a carbon dioxide separation device (3) that separates the carbon dioxide from the mixed gas, a water separation device (4) that separates water from the mixed gas from which the carbon dioxide has been separated, a cryogenic separation device (5) that separates the mixed gas from which the carbon dioxide and the water have been separated into the ethylene, the hydrogen, and the remaining off-gas, a first reaction device (6) that obtains a first mixture containing α-olefins by oligomerization of the ethylene obtained in the cryogenic separation device, a first separation device (7) that separates light hydrocarbons from the first mixture, a second reaction device (8) that obtains a second mixture containing liquid fuel by hydrocracking and hydroisomerizing the first mixture from which the light hydrocarbons have been separated, and a second separation device (9) that separates the second mixture into at least liquid fuel, cracked gas, and heavy hydrocarbons.

この態様によれば、二酸化炭素の電気還元によってエチレンが生成され、エチレンのオリゴメリゼーションによってα-オレフィンが生成され、α-オレフィンの水素分解及び水素化異性化によって液体燃料が生成される。そのため、FT反応により液体燃料を生成する場合に比べて、原料として使用する水素ガス量を低減することができる。また、二酸化炭素を原料として電解還元によってエチレンを生成する場合の理論電解電圧は、二酸化炭素を原料として電解還元によって一酸化炭素を生成する場合の理論電解電圧よりも小さいため、エネルギー効率を向上させることができる。 According to this embodiment, ethylene is produced by electrochemical reduction of carbon dioxide, α-olefins are produced by oligomerization of ethylene, and liquid fuel is produced by hydrocracking and hydroisomerization of α-olefins. Therefore, the amount of hydrogen gas used as a raw material can be reduced compared to when liquid fuel is produced by the FT reaction. In addition, the theoretical electrolysis voltage when ethylene is produced by electrochemical reduction using carbon dioxide as a raw material is smaller than the theoretical electrolysis voltage when carbon monoxide is produced by electrochemical reduction using carbon dioxide as a raw material, thereby improving energy efficiency.

上記の態様において、液体燃料製造システムは、前記深冷分離装置で得られた前記オフガスと、前記第1分離装置で得られた前記軽質炭化水素と、前記第2分離装置で得られた前記分解ガス及び前記重質炭化水素と、前記電解還元装置で得られた酸素とを燃焼させ、生成された二酸化炭素及び水を前記電解還元装置に原料として供給する酸素燃焼装置(11)を有してもよい。 In the above aspect, the liquid fuel production system may have an oxygen combustion device (11) that combusts the off-gas obtained in the cryogenic separation device, the light hydrocarbons obtained in the first separation device, the cracked gas and the heavy hydrocarbons obtained in the second separation device, and the oxygen obtained in the electrolytic reduction device, and supplies the generated carbon dioxide and water as raw materials to the electrolytic reduction device.

この態様によれば、液体燃料を生成するときに生じる副生物を、原料の二酸化炭素ガスとして再利用することができる。また、副生物を燃焼させるときに空気を使用しないため、窒素酸化物が発生しない。更に、二酸化炭素ガスと窒素の分離が不要になる。 According to this embodiment, the by-product generated when producing liquid fuel can be reused as the raw material carbon dioxide gas. In addition, since air is not used to combust the by-product, no nitrogen oxides are generated. Furthermore, there is no need to separate the carbon dioxide gas and nitrogen.

上記の態様において、前記酸素燃焼装置で発生した熱が、前記二酸化炭素分離装置、前記水分離装置、前記第1反応装置、前記第1分離装置及び前記第2分離装置の少なくとも1つに供給されてもよい。 In the above aspect, the heat generated in the oxygen combustion device may be supplied to at least one of the carbon dioxide separation device, the water separation device, the first reaction device, the first separation device, and the second separation device.

この態様によれば、酸素燃焼装置で発生する熱が有効利用されるため、液体燃料製造システムのエネルギー効率が向上する。 According to this aspect, the heat generated in the oxygen combustion device is effectively utilized, improving the energy efficiency of the liquid fuel production system.

上記の態様において、前記深冷分離装置で得られた前記水素が前記第2反応装置に供給されてもよい。 In the above aspect, the hydrogen obtained in the cryogenic separation device may be supplied to the second reactor.

この態様によれば、電解還元装置で副生する水素を有効利用することができる。 This aspect allows for effective use of the hydrogen by-produced in the electrolytic reduction device.

上記の態様において、前記二酸化炭素分離装置で得られた前記二酸化炭素が前記電解還元装置に原料として供給されてもよい。 In the above embodiment, the carbon dioxide obtained in the carbon dioxide separation device may be supplied to the electrolytic reduction device as a raw material.

この態様によれば、未反応の二酸化炭素を回収して電解還元装置に戻すことができる。 In this embodiment, unreacted carbon dioxide can be recovered and returned to the electrolytic reduction device.

上記の態様において、前記電解還元装置で副生する低級アルコールが前記酸素燃焼装置に燃料として供給されてもよい。 In the above embodiment, the lower alcohol produced as a by-product in the electrolytic reduction device may be supplied to the oxygen combustion device as fuel.

この態様によれば、電解還元装置において副生する低級アルコールを有効利用することができる。 According to this embodiment, the lower alcohol produced as a by-product in the electrolytic reduction device can be effectively utilized.

本発明の他の態様は、二酸化炭素及び水の電解還元によって、少なくともエチレン及び水素を含む生成ガスと未反応の前記二酸化炭素とを少なくとも含む混合ガスと、酸素ガスとを得る電解還元工程と、前記混合ガスから前記二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離工程と、前記二酸化炭素が分離された前記混合ガスから水を分離する水分離工程と、前記二酸化炭素及び前記水が分離された前記混合ガスを、前記エチレンと、前記水素と、残余のオフガスとに分離する深冷分離工程と、前記深冷分離工程で得られた前記エチレンのオリゴメリゼーションによってα-オレフィンを含む第1混合物を得る第1反応工程と、前記第1混合物から軽質炭化水素を分離する第1分離工程と、前記軽質炭化水素が分離された前記第1混合物を水素化分解及び水素化異性化することによって液体燃料を含む第2混合物を得る第2反応工程と、前記第2混合物を、少なくとも液体燃料と、分解ガスと、重質炭化水素とに分離する第2分離工程とを有する液体燃料の製造方法を提供する。 Another aspect of the present invention provides a method for producing liquid fuel, comprising: an electrolytic reduction step of obtaining a mixed gas containing at least a product gas containing at least ethylene and hydrogen and unreacted carbon dioxide, and oxygen gas, by electrolytic reduction of carbon dioxide and water; a carbon dioxide separation step of separating the carbon dioxide from the mixed gas; a water separation step of separating water from the mixed gas from which the carbon dioxide has been separated; a cryogenic separation step of separating the mixed gas from which the carbon dioxide and water have been separated into the ethylene, the hydrogen, and residual off-gas; a first reaction step of obtaining a first mixture containing α-olefins by oligomerization of the ethylene obtained in the cryogenic separation step; a first separation step of separating light hydrocarbons from the first mixture; a second reaction step of obtaining a second mixture containing liquid fuel by hydrocracking and hydroisomerizing the first mixture from which the light hydrocarbons have been separated; and a second separation step of separating the second mixture into at least liquid fuel, cracked gas, and heavy hydrocarbons.

以上の態様によれば、水素ガスの使用量を低減することができる液体燃料製造システム及び液体燃料の製造方法を提供することができる。 According to the above aspects, it is possible to provide a liquid fuel production system and a liquid fuel production method that can reduce the amount of hydrogen gas used.

液体燃料製造システムの概略説明図Schematic diagram of a liquid fuel production system 液体燃料製造システムの詳細説明図Detailed diagram of liquid fuel production system 液体燃料製造システムの詳細説明図Detailed diagram of liquid fuel production system 電解還元装置の一例を示す説明図FIG. 1 is an explanatory diagram showing an example of an electrolytic reduction device. 二酸化炭素分離装置の一例を示す説明図FIG. 1 is an explanatory diagram showing an example of a carbon dioxide separation device. 電解還元装置の他の例を示す説明図FIG. 1 is an explanatory diagram showing another example of an electrolytic reduction device. 二酸化炭素分離装置の他の例を示す説明図FIG. 1 is an explanatory diagram showing another example of a carbon dioxide separation device.

以下、本発明に係る液体燃料製造システム及び液体燃料の製造方法について説明する。図1に示すように、液体燃料製造システム1は、電解還元装置2と、二酸化炭素分離装置3と、水分離装置4と、深冷分離装置5と、第1反応装置6と、第1分離装置7と、第2反応装置8と、第2分離装置9とを有する。また、液体燃料製造システム1は、酸素燃焼装置11を有する。 The liquid fuel production system and the liquid fuel production method according to the present invention will be described below. As shown in FIG. 1, the liquid fuel production system 1 has an electrolytic reduction device 2, a carbon dioxide separation device 3, a water separation device 4, a cryogenic separation device 5, a first reaction device 6, a first separation device 7, a second reaction device 8, and a second separation device 9. The liquid fuel production system 1 also has an oxygen combustion device 11.

電解還元装置2は、二酸化炭素及び水の電解還元によって、少なくともエチレン及び水素を含む生成ガスと未反応の前記二酸化炭素とを少なくとも含む混合ガスと、酸素ガスとを得る。二酸化炭素分離装置3は、混合ガスから二酸化炭素を分離する。水分離装置4は、二酸化炭素が分離された混合ガスから水を分離する。深冷分離装置5は、二酸化炭素及び水が分離された混合ガスを、エチレンと、水素と、残余のオフガスとに分離する。第1反応装置6は、深冷分離装置5で得られたエチレンのオリゴメリゼーションによってα-オレフィンを含む第1混合物を得る。第1分離装置7は、第1混合物から軽質炭化水素を分離する。第2反応装置8は、軽質炭化水素が分離された第1混合物を水素化分解及び水素化異性化することによって液体燃料を含む第2混合物を得る。第2分離装置9は、第2混合物を、少なくとも液体燃料と、分解ガスと、重質炭化水素とに分離する。酸素燃焼装置11は、深冷分離装置5で得られたオフガスと、第1分離装置7で得られた軽質炭化水素と、第2分離装置9で得られた分解ガス及び重質炭化水素と、電解還元装置2で得られた酸素とを燃焼させ、生成された二酸化炭素及び水を電解還元装置2に原料として供給する。また、酸素燃焼装置11は、電解還元装置2で副生する低級アルコールが燃料として使用してもよい。 The electrolytic reduction device 2 obtains a mixed gas containing at least a product gas containing at least ethylene and hydrogen and unreacted carbon dioxide, and oxygen gas, by electrolytic reduction of carbon dioxide and water. The carbon dioxide separation device 3 separates carbon dioxide from the mixed gas. The water separation device 4 separates water from the mixed gas from which carbon dioxide has been separated. The cryogenic separation device 5 separates the mixed gas from which carbon dioxide and water have been separated into ethylene, hydrogen, and remaining off-gas. The first reaction device 6 obtains a first mixture containing α-olefins by oligomerization of the ethylene obtained in the cryogenic separation device 5. The first separation device 7 separates light hydrocarbons from the first mixture. The second reaction device 8 obtains a second mixture containing liquid fuel by hydrocracking and hydroisomerizing the first mixture from which the light hydrocarbons have been separated. The second separation device 9 separates the second mixture into at least liquid fuel, cracked gas, and heavy hydrocarbons. The oxygen combustion device 11 combusts the off-gas obtained in the cryogenic separation device 5, the light hydrocarbons obtained in the first separation device 7, the cracked gas and heavy hydrocarbons obtained in the second separation device 9, and the oxygen obtained in the electrolytic reduction device 2, and supplies the generated carbon dioxide and water as raw materials to the electrolytic reduction device 2. The oxygen combustion device 11 may also use lower alcohols by-produced in the electrolytic reduction device 2 as fuel.

酸素燃焼装置11で発生した熱は、二酸化炭素分離装置3、水分離装置4、第1反応装置6、第1分離装置7、第2反応装置8、及び第2分離装置9の少なくとも1つに供給される。深冷分離装置5で得られた水素が第2反応装置8に供給される。二酸化炭素分離装置3で得られた二酸化炭素は電解還元装置2に原料として供給される。 The heat generated in the oxygen combustion device 11 is supplied to at least one of the carbon dioxide separation device 3, the water separation device 4, the first reactor 6, the first separator 7, the second reactor 8, and the second separator 9. The hydrogen obtained in the cryogenic separator 5 is supplied to the second reactor 8. The carbon dioxide obtained in the carbon dioxide separator 3 is supplied to the electrolytic reduction device 2 as a raw material.

液体燃料製造システム1は、各装置を制御する制御装置12を有する。制御装置12は、プロセッサ、メモリ、プログラムを記憶する記憶装置を有し、プログラムを実行することによって各装置等を制御する。 The liquid fuel production system 1 has a control device 12 that controls each device. The control device 12 has a processor, memory, and a storage device that stores programs, and controls each device by executing the programs.

図2及び図3を参照して、液体燃料製造システム1の詳細な構成について説明する。図2及び図3は、液体燃料製造システム1を分割して示す図であり、図中の深冷分離装置5、符号A、B、Cにおいて互いに接続している。 The detailed configuration of the liquid fuel production system 1 will be described with reference to Figures 2 and 3. Figures 2 and 3 show the liquid fuel production system 1 divided into parts, with the cryogenic separation devices 5 in the figures connected to each other at A, B, and C.

電解還元装置2は、二酸化炭素及び水の供給を受け、二酸化炭素を電解還元することによって、炭化水素、一酸化炭素、及び水素の少なくとも1つを含む生成ガスと未反応の二酸化炭素とを少なくとも含む混合ガスを生成する。混合ガスは、電解還元装置2のカソード側から排出される。電解還元装置2のカソードでは、以下の化学式(1)~(4)で表されるように、電極に付加された触媒種や運転条件によって、二酸化炭素が還元されて、エチレンを主生成物として含み、一酸化炭素、メタン、水素等の副生成物を含む生成物が得られる。
2CO+12H+12e→C+4HO ...(1)
CO+8H+8e→CH+2HO ...(2)
CO+2H+2e→CO+HO ...(3)
2H+2e→H...(4)
電解還元装置2のアノードでは、以下の化学式(5)で表されるように、水が酸化されて酸素が生成される。
2HO→O+4H+4e ...(5)
The electrolytic reduction device 2 receives a supply of carbon dioxide and water, and electrolytically reduces the carbon dioxide to generate a mixed gas containing at least a product gas containing at least one of hydrocarbons, carbon monoxide, and hydrogen, and unreacted carbon dioxide. The mixed gas is discharged from the cathode side of the electrolytic reduction device 2. At the cathode of the electrolytic reduction device 2, as represented by the following chemical formulas (1) to (4), carbon dioxide is reduced depending on the catalyst species added to the electrode and the operating conditions, to obtain a product containing ethylene as a main product and including by-products such as carbon monoxide, methane, and hydrogen.
2CO2 + 12H + + 12e-C2H4 + 4H2O ... (1)
CO2 + 8H ++ 8e-CH4 + 2H2O ... (2)
CO 2 + 2H + 2e - → CO + H 2 O ... (3)
2H + +2e - →H 2 ... (4)
At the anode of the electrolytic reduction device 2, water is oxidized to generate oxygen, as represented by the following chemical formula (5).
2H2OO2 + 4H + + 4e - ... (5)

電解還元装置2は、ガス拡散電極であるカソードによって区画されたカソードガス室及びカソード液室と、セパレータによってカソード液室に対して区画され、アノードが配置されたアノード液室とを有する3室型の電解還元装置や、電解質膜等の隔膜をカソードとアノードとで挟んだ膜電極複合体(MEA)を使用した電解還元装置等であるとよい。 The electrolytic reduction device 2 may be a three-chamber electrolytic reduction device having a cathode gas chamber and a cathode liquid chamber separated by a cathode, which is a gas diffusion electrode, and an anode liquid chamber separated from the cathode liquid chamber by a separator and in which an anode is disposed, or an electrolytic reduction device using a membrane electrode assembly (MEA) in which a membrane such as an electrolyte membrane is sandwiched between a cathode and an anode.

図4に電解還元装置2の一例を示す。電解還元装置2は、膜電極複合体30によって互いに区画されたカソード室31及びアノード室32を有する電解セル34を有する。膜電極複合体30は、隔膜35と、隔膜35の一方の面に設けられたカソード36と、隔膜35の他方の面に設けられたアノード37とを有する。カソード室31には、気体の二酸化炭素が供給される。アノード室32には、電解液が供給される。カソード室31はガス室、アノード室32は液室と称してもよい。カソード36及びアノード37は直流電源39に接続されている。 Figure 4 shows an example of an electrolytic reduction device 2. The electrolytic reduction device 2 has an electrolytic cell 34 having a cathode chamber 31 and an anode chamber 32 separated from each other by a membrane electrode composite 30. The membrane electrode composite 30 has a diaphragm 35, a cathode 36 provided on one side of the diaphragm 35, and an anode 37 provided on the other side of the diaphragm 35. Gaseous carbon dioxide is supplied to the cathode chamber 31. An electrolytic solution is supplied to the anode chamber 32. The cathode chamber 31 may be called a gas chamber, and the anode chamber 32 may be called a liquid chamber. The cathode 36 and the anode 37 are connected to a DC power source 39.

電解液は、電解質が溶解した水溶液である。電解質は、カリウム、ナトリウム、リチウム、又はこれらの化合物の少なくとも1つを含む。電解質は、例えば、LiOH、NaOH、KOH、LiCO、NaCO、KCO、LiHCO、NaHCO、及びKHCOからなる群から選択される少なくとも1つを含むとよい。 The electrolytic solution is an aqueous solution in which an electrolyte is dissolved. The electrolyte includes potassium, sodium, lithium, or at least one of these compounds. The electrolyte may include at least one selected from the group consisting of LiOH, NaOH, KOH, Li2CO3, Na2CO3, K2CO3 , LiHCO3 , NaHCO3 , and KHCO3 .

隔膜35は、アニオン交換膜又はカチオン交換膜であってよい。隔膜35は、例えば、固体高分子電解質膜であってよく、イミダゾリウム基を有するスチレン系のアニオン交換膜やスルホン酸基を有するフッ素樹脂系の陽イオン交換樹脂膜であるとよい。 The diaphragm 35 may be an anion exchange membrane or a cation exchange membrane. The diaphragm 35 may be, for example, a solid polymer electrolyte membrane, and may be a styrene-based anion exchange membrane having an imidazolium group or a fluororesin-based cation exchange resin membrane having a sulfonic acid group.

カソード36は、ガス拡散電極である。カソード36は、二酸化炭素を含む気体を透過する。カソード36は、例えばカーボンペーパーやカーボンフェルト、カーボンクロス等の多孔質の導電性基材の表面に、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水性被膜を形成したものであってよい。導電性基材は、直流電源39の負極に接続され、電子の供給を受ける。カソード36には触媒が担持されている。触媒は、公知の二酸化炭素還元触媒であってよく、例えば銅等の第11族元素、亜鉛等の第12族元素、ガリウム等の第13族元素、ゲルマニウム等の第14族元素、又はこれらの金属化合物の少なくとも1種を含む。金属化合物は、酸化物、硫化物、リン化物の少なくとも1つを含む。触媒は、二酸化炭素を還元してエチレンを生成するために適したものが好ましく、例えば銅又は銅化合物に第11族元素、第12族元素、第13族元素、及び第14族元素の金属、及びそれらの金属化合物を組み合せた材料を用いることが好ましい。 The cathode 36 is a gas diffusion electrode. The cathode 36 is permeable to gases including carbon dioxide. The cathode 36 may be, for example, a porous conductive substrate such as carbon paper, carbon felt, or carbon cloth, on whose surface a water-repellent coating such as polytetrafluoroethylene is formed. The conductive substrate is connected to the negative pole of a DC power source 39 and receives a supply of electrons. A catalyst is supported on the cathode 36. The catalyst may be a known carbon dioxide reduction catalyst, and includes, for example, at least one of a Group 11 element such as copper, a Group 12 element such as zinc, a Group 13 element such as gallium, a Group 14 element such as germanium, or a metal compound thereof. The metal compound includes at least one of an oxide, a sulfide, and a phosphide. The catalyst is preferably one suitable for reducing carbon dioxide to produce ethylene, and is preferably, for example, a material in which copper or a copper compound is combined with a metal of a Group 11 element, a Group 12 element, a Group 13 element, or a Group 14 element, and a metal compound thereof.

アノード37は、例えば、チタニウム、ニッケル、イリジウム、マンガン、白金、金、等の金属材料又はこれらの金属合金材料や金属酸化物、カーボン等の炭素系材料又は導電性セラミックで構成されている。アノード37の形状は、複数の開口を備えた平板、メッシュ、及び多孔体であってよい。 The anode 37 is made of, for example, a metal material such as titanium, nickel, iridium, manganese, platinum, or gold, or an alloy material of these metals, a metal oxide, a carbon-based material such as carbon, or a conductive ceramic. The shape of the anode 37 may be a flat plate with multiple openings, a mesh, or a porous body.

直流電源39は、火力発電や原子力発電、太陽光発電、風力発電、水力発電等によって得られた電力を、必要に応じて直流に変換し、カソード36及びアノード37に供給する。二酸化炭素排出量の削減の観点から、自然エネルギー(再生可能エネルギー)を利用した太陽光発電や風力発電、水力発電等によって得られた電力を直流電源39として使用することが好ましい。直流電源39は、アノード37に対してカソード36が負電位になるように電圧を印加する。直流電源39は、参照電極を使用してカソード36の電位を取得し、カソード36の電位が所定の範囲内となるように印加する電圧を制御するとよい。 The DC power supply 39 converts the power obtained by thermal power generation, nuclear power generation, solar power generation, wind power generation, hydroelectric power generation, etc. into DC as necessary and supplies it to the cathode 36 and the anode 37. From the viewpoint of reducing carbon dioxide emissions, it is preferable to use power obtained by solar power generation, wind power generation, hydroelectric power generation, etc. that utilizes natural energy (renewable energy) as the DC power supply 39. The DC power supply 39 applies a voltage so that the cathode 36 has a negative potential with respect to the anode 37. The DC power supply 39 may obtain the potential of the cathode 36 using a reference electrode and control the voltage applied so that the potential of the cathode 36 is within a predetermined range.

カソード室31は、入口44及び出口45を有する。図2及び図4に示すように、カソード室31の入口44は、第1供給通路46を介して二酸化炭素供給源47に接続されている。二酸化炭素供給源47は、二酸化炭素ガスを供給可能な設備であれば特に限定されることは無く、好ましくは貯蔵するタンク等であるとよい。カソード室31の出口45は、ガス循環通路48を介して第1供給通路46に接続されている。 The cathode chamber 31 has an inlet 44 and an outlet 45. As shown in Figures 2 and 4, the inlet 44 of the cathode chamber 31 is connected to a carbon dioxide supply source 47 via a first supply passage 46. The carbon dioxide supply source 47 is not particularly limited as long as it is a facility capable of supplying carbon dioxide gas, and is preferably a storage tank or the like. The outlet 45 of the cathode chamber 31 is connected to the first supply passage 46 via a gas circulation passage 48.

アノード室32は、入口51及び出口52を有する。アノード室32の入口51は、第2供給通路53を介して水供給源54に接続されている。水供給源54は、液体の水を第2供給通路53に供給する。アノード室32の出口52は、電解液循環通路55を介して第2供給通路53に接続されている。また、第2供給通路53は、通路56によって第1供給通路46と接続され、水がカソード室31へ供給できるようにしてもよい。これにより、隔膜35にアニオン膜を使用した場合にアニオン膜のカソード側を湿潤することができる。 The anode chamber 32 has an inlet 51 and an outlet 52. The inlet 51 of the anode chamber 32 is connected to a water supply source 54 via a second supply passage 53. The water supply source 54 supplies liquid water to the second supply passage 53. The outlet 52 of the anode chamber 32 is connected to the second supply passage 53 via an electrolyte circulation passage 55. The second supply passage 53 may also be connected to the first supply passage 46 by a passage 56 so that water can be supplied to the cathode chamber 31. This allows the cathode side of the anion membrane to be moistened when an anion membrane is used for the diaphragm 35.

ガス循環通路48には、気液分離装置57と、内部を循環するガスの一部を排出するガス循環流量調節装置58が設けられている。気液分離装置57は、ガス循環通路48を流れる流体から液体成分を分離する。気液分離装置57で分離された液体は、通路59を介して電解液循環通路55に送られる。 The gas circulation passage 48 is provided with a gas-liquid separator 57 and a gas circulation flow rate regulator 58 that discharges a portion of the gas circulating inside. The gas-liquid separator 57 separates liquid components from the fluid flowing through the gas circulation passage 48. The liquid separated by the gas-liquid separator 57 is sent to the electrolyte circulation passage 55 via passage 59.

ガス循環流量調節装置58の排出口は、カソード出口通路60に接続されている。ガス循環流量調節装置58は、カソード出口通路60にガスを排出することによって、ガス循環通路48及びカソード室31を循環するガスの流量及び圧力を調節する。 The exhaust port of the gas circulation flow rate control device 58 is connected to the cathode outlet passage 60. The gas circulation flow rate control device 58 controls the flow rate and pressure of the gas circulating through the gas circulation passage 48 and the cathode chamber 31 by discharging gas into the cathode outlet passage 60.

電解液循環通路55には、気液分離装置61が設けられている。気液分離装置61は、電解液から気体を分離し、気体をアノード出口通路62に送出する。また、電解液循環通路55には、電解液の電解質濃度を所定の範囲に調節するための電解質濃度制御装置63が設けられているとよい。電解質濃度制御装置63は、電解液の電解質濃度を検出するセンサと、所定の濃度の新しい電解液を供給する電解質液供給機と、循環する電解液の一部を排出する排水装置とを含むとよい。 The electrolyte circulation passage 55 is provided with a gas-liquid separator 61. The gas-liquid separator 61 separates gas from the electrolyte and sends the gas to the anode outlet passage 62. The electrolyte circulation passage 55 may also be provided with an electrolyte concentration controller 63 for adjusting the electrolyte concentration of the electrolyte to a predetermined range. The electrolyte concentration controller 63 may include a sensor for detecting the electrolyte concentration of the electrolyte, an electrolyte liquid supplier for supplying new electrolyte of a predetermined concentration, and a drainage device for discharging a portion of the circulating electrolyte.

カソード室31の二酸化炭素はカソード36の内部に拡散し、還元される(化学式(1)参照)。これにより、エチレンを主生成物として含み、メタン、水素、一酸化炭素、エタノール等の低級アルコール等の副生成物を含む生成物が得られる。生成物は、カソード室31内の未反応の二酸化炭素と混合し、混合物となる。また、混合物には、膜電極複合体30を通過してカソード室31に漏出した電解液の一部が混入する。混合物は、気液分離装置57において液体の低級アルコール及び電解液が分離され、混合ガスとなる。混合ガスの主成分は、エチレン及び二酸化炭素である。混合ガスは、水、一酸化炭素、及びメタン等の炭化水素を含んでよい。気液分離装置57で分離された低級アルコール及び電解液は、通路59を介して電解液循環通路55に送られる。 The carbon dioxide in the cathode chamber 31 diffuses into the cathode 36 and is reduced (see chemical formula (1)). This results in a product containing ethylene as the main product and by-products such as methane, hydrogen, carbon monoxide, and lower alcohols such as ethanol. The product mixes with the unreacted carbon dioxide in the cathode chamber 31 to form a mixture. The mixture also contains a portion of the electrolyte that has passed through the membrane electrode assembly 30 and leaked into the cathode chamber 31. The mixture is separated into liquid lower alcohol and electrolyte in the gas-liquid separator 57, and becomes a mixed gas. The main components of the mixed gas are ethylene and carbon dioxide. The mixed gas may contain water, carbon monoxide, and hydrocarbons such as methane. The lower alcohol and electrolyte separated in the gas-liquid separator 57 are sent to the electrolyte circulation passage 55 via passage 59.

二酸化炭素の還元反応によって生成した生成物と未反応の二酸化炭素とを含む生成ガスは、ガス循環通路48を循環し、ガス循環流量調節装置58からカソード出口通路60に送出される。 The product gas, which contains the product produced by the reduction reaction of carbon dioxide and unreacted carbon dioxide, circulates through the gas circulation passage 48 and is sent from the gas circulation flow rate control device 58 to the cathode outlet passage 60.

アノード37では、電解液中の水及び水酸化物イオンが酸化し、気体の酸素が発生する(化学式(5)参照)。気体の酸素は、電解液循環通路55の気液分離装置61によって電解液から分離され、アノード出口通路62に送出される。 At the anode 37, the water and hydroxide ions in the electrolyte are oxidized to generate gaseous oxygen (see chemical formula (5)). The gaseous oxygen is separated from the electrolyte by the gas-liquid separator 61 in the electrolyte circulation passage 55 and sent to the anode outlet passage 62.

また、電解質濃度制御装置63は、循環通路66を介して分離装置67と接続されている。電解質濃度制御装置63は、循環通路66を介して電解液の一部を分離装置67に循環させる。分離装置67は、電解液から低級アルコールを分離する。分離装置67は、例えば蒸留によって電解液から低級アルコールを分離する。分離装置67には、酸素燃焼装置11で加熱された後述するパージガスが供給される。分離装置67は、パージガスの熱量を利用して蒸留を行うとよい。分離装置67で分離された低級アルコールは通路68を介して後述する燃料通路157に送られる。 The electrolyte concentration control device 63 is also connected to the separator 67 via a circulation passage 66. The electrolyte concentration control device 63 circulates a portion of the electrolyte to the separator 67 via the circulation passage 66. The separator 67 separates lower alcohol from the electrolyte. The separator 67 separates lower alcohol from the electrolyte, for example, by distillation. The separator 67 is supplied with a purge gas (described later) heated by the oxygen combustion device 11. The separator 67 may perform distillation by utilizing the heat of the purge gas. The lower alcohol separated by the separator 67 is sent to a fuel passage 157 (described later) via a passage 68.

アノード出口通路62を流れるガスは、主に酸素である。なお、アノード出口通路62を流れるガスに、二酸化炭素が混入する場合もある。 The gas flowing through the anode outlet passage 62 is mainly oxygen. Note that carbon dioxide may also be mixed into the gas flowing through the anode outlet passage 62.

図2に示すように、電解還元装置2のカソード出口通路60から排出される混合ガスは二酸化炭素分離装置3に供給される。二酸化炭素分離装置3は、混合ガスから二酸化炭素を分離する。 As shown in FIG. 2, the mixed gas discharged from the cathode outlet passage 60 of the electrolytic reduction device 2 is supplied to the carbon dioxide separation device 3. The carbon dioxide separation device 3 separates carbon dioxide from the mixed gas.

図5に二酸化炭素分離装置3の一例を示す。図5に示すように、二酸化炭素分離装置3は、二酸化炭素ガス吸収部101と、電気化学セル102と、第1通路103と、第2通路104と、第3通路105と、気液分離装置106とを有する。 Figure 5 shows an example of a carbon dioxide separation device 3. As shown in Figure 5, the carbon dioxide separation device 3 has a carbon dioxide gas absorption section 101, an electrochemical cell 102, a first passage 103, a second passage 104, a third passage 105, and a gas-liquid separation device 106.

二酸化炭素ガス吸収部101は、酸化還元に伴ってプロトンを吸脱着する化合物を含む電解液と混合ガスとを接触させ、電解液に混合ガス中の二酸化炭素を吸収させる。 The carbon dioxide gas absorption unit 101 brings the mixed gas into contact with an electrolyte solution containing a compound that adsorbs and desorbs protons in response to oxidation and reduction, and causes the electrolyte solution to absorb the carbon dioxide in the mixed gas.

電解液は、溶質と、溶質が溶解される溶媒とから構成される。溶質は、溶媒に溶解した際に炭酸を生じるか、電離により炭酸水素イオン、炭酸イオンを生じる。溶質は、例えばアルカリ金属の炭酸水素塩、炭酸塩、アルカリ土類金属の炭酸水素塩、炭酸塩からなる群から選択される少なくとも1つを含むとよい。溶質は、具体的には、NaHCO、KHCO、LiHCO、NaCO、KCO、LiCOであるとよい。溶媒は、水であるとよい。 The electrolyte is composed of a solute and a solvent in which the solute is dissolved. The solute generates carbonic acid when dissolved in the solvent, or generates bicarbonate ions or carbonate ions by ionization. The solute may include at least one selected from the group consisting of bicarbonates and carbonates of alkali metals, bicarbonates and carbonates of alkaline earth metals. Specifically, the solute may be NaHCO 3 , KHCO 3 , LiHCO 3 , Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , or Li 2 CO 3. The solvent may be water.

電解液には、酸化還元に伴ってプロトンを吸脱着する化合物が溶解していると良い。化合物は、pH7における標準水素電極電位基準での酸化還元電位が-1.0V~1.0Vの有機化合物が良い。化合物は、例えば、キノン系化合物、インドフェノール系化合物、インディゴ系化合物等であり、キノン系化合物が好ましい。化合物は、例えば、クロラミン-T、o-トリジン、2,5-ジヒドロキシ-1,4-ベンゾキノン、p-アミノジメチルアニリン、o-キノン、1,2-ジフェノール、p-アミノフェノール、1,4-ベンゾキノン、2,6,2′-トリクロロインドフェノール、インドフェノール、フェノールブルー、2,6-ジクロロフェノールインドフェノール(DCPIP)、2,6-ジブロモ-2′-メトキシインドフェノ-ル、1,2-ナフトキノン、1-ナフトール-2-スルホン酸インドフェノール、トルイレンブルー、デヒドロアスコルビン酸/アスコルビン酸、N-メチルフェナジニウムメトサルフェート(PMS)、チオニン、フェナジンエトスルフェート、1,4-ナフトキノン、トルイジンブルー、チオインジゴジスルホン酸塩、メチレンブルー、2-メチル-1,4-ナフトキノン(ビタミンK)、インディゴテトラスルホン酸塩、メチルカプリブルー、インジゴトリスルホン酸塩、インディゴジスルホン酸塩、2-ヒドロキシ-1,4-ナフトキノン、2-アミノ-N-メチルフェナジンメトサルフェート、インディゴモノスルホン酸塩、ブリリアントアリザリンブルー、2-メチル-3-ヒドロキシ-1,4-ナフトキノン、9-メチル-イソアロキサジン、アントラキノン-2,6-ジスルフェート、ニュートラルブルー、リボフラビン、アントラキノン-1-スルフェート、フェノサフラニン、サフラニンT、リポ酸、アクリジン、ニュートラルレッド、シスチン/システイン、ベンジルビオロゲン、1-アミノアクリジン、メチルビオロゲン、2-アミノアクリジン、2,8-ジアミノアクリジン、5-アミノアクリジンの群から選択される少なくとも1つを含むと良い。 The electrolyte preferably contains a compound dissolved therein that adsorbs and desorbs protons in association with oxidation and reduction. The compound is preferably an organic compound having an oxidation-reduction potential of −1.0 V to 1.0 V based on the standard hydrogen electrode potential at pH 7. The compound is, for example, a quinone-based compound, an indophenol-based compound, an indigo-based compound, or the like, with a quinone-based compound being preferred. The compounds include, for example, chloramine-T, o-tolidine, 2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone, p-aminodimethylaniline, o-quinone, 1,2-diphenol, p-aminophenol, 1,4-benzoquinone, 2,6,2'-trichloroindophenol, indophenol, phenol blue, 2,6-dichlorophenol indophenol (DCPIP), 2,6-dibromo-2'-methoxyindophenol, 1,2-naphthoquinone, 1-naphthol-2-sulfonate indophenol, toluylene blue, dehydroascorbic acid/ascorbic acid, N-methylphenazinium methosulfate (PMS), thionine, phenazine ethosulfate, 1,4-naphthoquinone, toluidine blue, thioindigo disulfonate, methylene blue, 2-methyl-1,4-naphthoquinone (vitamin K 3 ), indigo tetrasulfonate, methyl capri blue, indigo trisulfonate, indigo disulfonate, 2-hydroxy-1,4-naphthoquinone, 2-amino-N-methylphenazine methosulfate, indigo monosulfonate, brilliant alizarin blue, 2-methyl-3-hydroxy-1,4-naphthoquinone, 9-methyl-isoalloxazine, anthraquinone-2,6-disulfate, neutral blue, riboflavin, anthraquinone-1-sulfate, phenosafranin, safranine T, lipoic acid, acridine, neutral red, cystine/cysteine, benzyl viologen, 1-aminoacridine, methyl viologen, 2-aminoacridine, 2,8-diaminoacridine, and 5-aminoacridine.

キノン系化合物は、ヒドロキシ基を含むヒドロキノン系化合物と、ヒドロキノン系化合物の酸化により得られ、かつカルボニル基を含むベンゾキノン系化合物とを含む。電解液に含まれるキノン系化合物は、酸素と比べて相対的に高い電子求引性の官能基を備えている。これにより、還元反応後のヒドロキノン系化合物がすぐさま酸素により酸化されることが回避される。即ち、電子求引基を備えたヒドロキノン系化合物は酸素による酸化に対して耐性がある。 The quinone compounds include hydroquinone compounds containing a hydroxyl group and benzoquinone compounds obtained by oxidation of hydroquinone compounds and containing a carbonyl group. The quinone compounds contained in the electrolyte have functional groups that have a relatively high electron-withdrawing ability compared to oxygen. This prevents the hydroquinone compounds from being immediately oxidized by oxygen after the reduction reaction. In other words, hydroquinone compounds that have electron-withdrawing groups are resistant to oxidation by oxygen.

キノン系化合物の官能基は、一例として、スルホン酸塩であるとよい。スルホン酸塩は、スルホ基(-SO)とアルカリ金属元素とを有し、例えばスルホン酸ナトリウム又はスルホン酸カリウムであるとよい。また、電子求引性を高める観点から官能基の数は1つ以上あればよく、2つ以上4つ以下であることが好ましい。 The functional group of the quinone compound may be, for example, a sulfonate salt. The sulfonate salt has a sulfo group (-SO 3 ) and an alkali metal element, and may be, for example, sodium sulfonate or potassium sulfonate. From the viewpoint of enhancing electron-withdrawing properties, the number of functional groups may be one or more, and is preferably two or more and four or less.

キノン系化合物は、還元反応後において、上記官能基に加えてヒドロキシ基を含むヒドロキノン系化合物である。ヒドロキシ基の数は、芳香族性の確保の観点から、2つ以上4つ以下であるとよい。ヒドロキノン系化合物は、例えば、4,5-ジヒドロキシ-1,3-ベンゼンジスルホン酸二ナトリウム(タイロン)、又はヒドロキノンスルホン酸カリウムであるとよい。 The quinone compound is a hydroquinone compound that contains a hydroxyl group in addition to the functional groups described above after the reduction reaction. The number of hydroxyl groups is preferably 2 to 4 in order to ensure aromaticity. The hydroquinone compound may be, for example, disodium 4,5-dihydroxy-1,3-benzenedisulfonate (tiron) or potassium hydroquinonesulfonate.

また、キノン系化合物は、酸化反応後において、上記官能基に加えてカルボニル基を含むベンゾキノン系化合物である。ベンゾキノン系化合物は、酸化反応により、ヒドロキシ基がカルボニル基に置換された化合物になる。以下に、ベンゾキノン系化合物の化学式(6)を示す。ここでR~Rは、H(水素)や官能基等である。

Figure 2024046825000002
Furthermore, the quinone-based compound is a benzoquinone-based compound that contains a carbonyl group in addition to the functional groups described above after the oxidation reaction. The benzoquinone-based compound becomes a compound in which the hydroxyl group is replaced with a carbonyl group through the oxidation reaction. The chemical formula (6) of the benzoquinone-based compound is shown below. Here, R 1 to R 4 are H (hydrogen), functional groups, etc.
Figure 2024046825000002

ベンゾキノン系化合物(Q)及びヒドロキノン系化合物(QH)の酸化還元反応は、以下の式(7)によって表される。
Q+2H+2e⇔QH ...(7)
The oxidation-reduction reaction of the benzoquinone compound (Q) and the hydroquinone compound (QH 2 ) is represented by the following formula (7).
Q + 2H + + 2e - ⇔ QH 2 ... (7)

ヒドロキノン系化合物(QH)が酸化されると、プロトン(H)が放出され、電解液のpHが低下する。ベンゾキノン系化合物(Q)が還元されると、プロトン(H)がヒドロキノン系化合物(QH)に吸蔵され、電解液のpHが上昇する。 When the hydroquinone-based compound ( QH2 ) is oxidized, protons (H + ) are released and the pH of the electrolyte solution decreases. When the benzoquinone-based compound (Q) is reduced, protons (H + ) are absorbed by the hydroquinone-based compound ( QH2 ) and the pH of the electrolyte solution increases.

二酸化炭素ガス吸収部101は、例えば、向流接触、並流接触、バブリング、又は二酸化炭素ガスのマイクロバブル化等によって混合ガスと電解液とを接触させるとよい。二酸化炭素ガス吸収部101は、混合ガスに向けて電解液をスプレーしてもよく、中空糸膜を使用して混合ガスと電解液とを接触させてもよい。 The carbon dioxide gas absorption unit 101 may contact the mixed gas with the electrolyte by, for example, countercurrent contact, parallel contact, bubbling, or microbubbling of carbon dioxide gas. The carbon dioxide gas absorption unit 101 may spray the electrolyte toward the mixed gas, or may contact the mixed gas with the electrolyte using a hollow fiber membrane.

二酸化炭素ガス吸収部101は、混合ガスが供給されるガス入口111と、混合ガスを排出するガス出口112と、電解液の供給を受ける電解液入口113と、電解液を排出する電解液出口114とを有する。 The carbon dioxide gas absorption section 101 has a gas inlet 111 through which the mixed gas is supplied, a gas outlet 112 through which the mixed gas is discharged, an electrolyte inlet 113 through which the electrolyte is supplied, and an electrolyte outlet 114 through which the electrolyte is discharged.

電気化学セル102は、膜電極複合体116によってカソード室117及びアノード室118に区画されている。膜電極複合体116は、電解質膜等から形成される隔膜116Aと、隔膜116Aの両面に設けられ、電源119に接続されたカソード116B及びアノード116Cとを含む。カソード116Bはカソード室117に配置され、アノード116Cはアノード室118に配置されている。カソード116Bは電源119の負極に接続され、アノード116Cは電源119の正極に接続されている。隔膜116A、カソード116B、及びアノード116Cは、電解還元装置2の隔膜35、カソード36、及びアノード37と同様の構成であってもよい。 The electrochemical cell 102 is divided into a cathode chamber 117 and an anode chamber 118 by a membrane electrode composite 116. The membrane electrode composite 116 includes a diaphragm 116A formed of an electrolyte membrane or the like, and a cathode 116B and an anode 116C provided on both sides of the diaphragm 116A and connected to a power source 119. The cathode 116B is disposed in the cathode chamber 117, and the anode 116C is disposed in the anode chamber 118. The cathode 116B is connected to the negative electrode of the power source 119, and the anode 116C is connected to the positive electrode of the power source 119. The diaphragm 116A, the cathode 116B, and the anode 116C may have the same configuration as the diaphragm 35, the cathode 36, and the anode 37 of the electrolytic reduction device 2.

第1通路103は、二酸化炭素ガス吸収部101の電解液出口114と電気化学セル102のアノード室118とを接続している。第1通路103は、電解液を二酸化炭素ガス吸収部101からアノード室118に流す。第1通路103には、電解液を輸送するためのポンプが設けられるとよい。 The first passage 103 connects the electrolyte outlet 114 of the carbon dioxide gas absorption section 101 to the anode chamber 118 of the electrochemical cell 102. The first passage 103 allows the electrolyte to flow from the carbon dioxide gas absorption section 101 to the anode chamber 118. The first passage 103 may be provided with a pump for transporting the electrolyte.

第2通路104は、アノード室118とカソード室117とを接続し、電解液をアノード室118からカソード室117に流す。第2通路104には気液分離装置106が設けられている。気液分離装置106は、電解液と電解液中のガス成分と分離する。 The second passage 104 connects the anode chamber 118 and the cathode chamber 117, and allows the electrolyte to flow from the anode chamber 118 to the cathode chamber 117. A gas-liquid separator 106 is provided in the second passage 104. The gas-liquid separator 106 separates the electrolyte from the gas components in the electrolyte.

第3通路105は、電気化学セル102のカソード室117と二酸化炭素ガス吸収部101の電解液入口113とを接続している。第3通路105は、電解液をカソード室117から二酸化炭素ガス吸収部101に流す。第3通路105には、電解液を輸送するためのポンプが設けられるとよい。 The third passage 105 connects the cathode chamber 117 of the electrochemical cell 102 to the electrolyte inlet 113 of the carbon dioxide gas absorption unit 101. The third passage 105 allows the electrolyte to flow from the cathode chamber 117 to the carbon dioxide gas absorption unit 101. The third passage 105 may be provided with a pump for transporting the electrolyte.

二酸化炭素分離装置3では、電解液は、二酸化炭素ガス吸収部101、第1通路103、アノード室118、第2通路104及び気液分離装置106、カソード室117、第3通路105の順番で循環する。電解液中の上記の化合物がカソード室117において還元され、pHが上昇する。 In the carbon dioxide separation device 3, the electrolyte circulates through the carbon dioxide gas absorption section 101, the first passage 103, the anode chamber 118, the second passage 104, the gas-liquid separation device 106, the cathode chamber 117, and the third passage 105 in that order. The above compounds in the electrolyte are reduced in the cathode chamber 117, and the pH increases.

二酸化炭素ガス吸収部101では、pHが比較的高い電解液と混合ガスとが接触することによって、混合ガス中の二酸化炭素ガスが電解液中に溶解する。そして、以下の化学式(8)~(10)の反応により、電解液中において二酸化炭素は炭酸水素イオンになる。化学式(8)~(10)は平衡反応である。
CO+HO⇔HCO...(8)
CO⇔H+HCO ...(9)
HCO ⇔H+CO 2- ...(10)
これにより、混合ガスから二酸化炭素ガスが除去される。二酸化炭素ガスが除去された混合ガスは、ガス出口112から排出され、通路123を介して水分離装置4に送られる。
In the carbon dioxide gas absorption unit 101, the mixed gas comes into contact with the electrolyte having a relatively high pH, and the carbon dioxide gas in the mixed gas dissolves in the electrolyte. Then, the carbon dioxide becomes hydrogen carbonate ions in the electrolyte through the reactions shown in the following chemical formulas (8) to (10). Chemical formulas (8) to (10) are equilibrium reactions.
CO2 + H2O ⇔ H2CO3 ... (8)
H2CO3 ⇔H + + HCO3- ... (9)
HCO 3 ⇔ H + + CO 3 2 − ... (10)
This removes the carbon dioxide gas from the mixed gas. The mixed gas from which the carbon dioxide gas has been removed is discharged from the gas outlet 112 and sent to the water separation device 4 via the passage 123.

二酸化炭素が溶解した電解液は第1通路103を介してアノード室118に送られる。アノード室118では、電解液中の上記の化合物が酸化され、電解液のpHが低下する。アノード室118から第2通路104に流れる電解液のpHは、カソード室117から第3通路105に流れる電解液のpHよりも低くなる。電解液のpHが低下すると、電解液中の炭酸水素イオンはプロトンを受け取り、二酸化炭素に変化する。このときの化学反応は、上記の化学式(8)~(10)と同様である。これにより、二酸化炭素は気体になって、電解液から脱離する。 The electrolyte with dissolved carbon dioxide is sent to the anode chamber 118 via the first passage 103. In the anode chamber 118, the above compounds in the electrolyte are oxidized, and the pH of the electrolyte drops. The pH of the electrolyte flowing from the anode chamber 118 to the second passage 104 becomes lower than the pH of the electrolyte flowing from the cathode chamber 117 to the third passage 105. When the pH of the electrolyte drops, the bicarbonate ions in the electrolyte receive protons and change to carbon dioxide. The chemical reaction at this time is the same as the above chemical formulas (8) to (10). As a result, the carbon dioxide becomes gas and is desorbed from the electrolyte.

アノード室118において電解液から分離した二酸化炭素ガスと電解液とは、第2通路104を介して気液分離装置106に送られる。気液分離装置106では、二酸化炭素ガスと、電解液とが分離される。電解液は気液分離装置106から第2通路104を介してカソード室117に流れる。二酸化炭素ガスは、気液分離装置106から二酸化炭素戻し通路121を介して電解還元装置2に流れる。カソード室117において、電解液中の上記の化合物が還元され電解液のpHが上昇し、再び二酸化炭素ガスを吸収可能な状態になる。 The carbon dioxide gas separated from the electrolyte in the anode chamber 118 and the electrolyte are sent to the gas-liquid separator 106 via the second passage 104. In the gas-liquid separator 106, the carbon dioxide gas and the electrolyte are separated. The electrolyte flows from the gas-liquid separator 106 to the cathode chamber 117 via the second passage 104. The carbon dioxide gas flows from the gas-liquid separator 106 to the electrolytic reduction device 2 via the carbon dioxide return passage 121. In the cathode chamber 117, the above compounds in the electrolyte are reduced, the pH of the electrolyte increases, and the electrolyte becomes capable of absorbing carbon dioxide gas again.

図2に示すように、二酸化炭素分離装置3において二酸化炭素が分離された混合ガス(以下、第1処理ガスという)は、ガス出口112から通路123を介して水分離装置4に送られる。通路123には、第1処理ガスを水分離装置4に向けて圧送する圧縮機125が設けられている。水分離装置4は、第1処理ガスから水を分離する。 As shown in FIG. 2, the mixed gas from which carbon dioxide has been separated in the carbon dioxide separation device 3 (hereinafter referred to as the first treated gas) is sent from the gas outlet 112 through a passage 123 to the water separation device 4. A compressor 125 that compresses the first treated gas toward the water separation device 4 is provided in the passage 123. The water separation device 4 separates water from the first treated gas.

水分離装置4は、水分吸着剤が充填された吸着塔であってよい。水分吸着剤は、加熱処理を受けることによって、水分を放出(脱離)する。水分吸着剤は、結晶性ゼオライト(モレキュラーシーブ)等の乾燥剤であるとよい。 The water separation device 4 may be an adsorption tower filled with a moisture adsorbent. The moisture adsorbent releases (desorbs) moisture by undergoing a heat treatment. The moisture adsorbent may be a desiccant such as crystalline zeolite (molecular sieve).

水分離装置4の入口は、通路123に接続されている。水分離装置4の出口には通路127が接続されている。通路127は、深冷分離装置5の入口に接続されている。 The inlet of the water separator 4 is connected to passage 123. The outlet of the water separator 4 is connected to passage 127. Passage 127 is connected to the inlet of the cryogenic separator 5.

また、水分離装置4は、パージガス循環通路131を介して酸素燃焼装置11に接続されている。パージガス循環通路131には、酸素燃焼装置11で加熱されるパージガスが流れている。パージガス循環通路131には、酸素燃焼装置11、流量制御弁132、水分離装置4、第1熱交換器134、第2熱交換器135、気液分離装置136、ブロア137、流量制御弁138、第1熱交換器134が記載の順序で設けられている。パージガス循環通路131の流量制御弁138と第1熱交換器134との間の部分は、通路141を介して通路127に接続されている。通路141には流量制御弁142が設けられている。パージガス循環通路131のブロア137と流量制御弁138との間の部分は、通路143を介して通路123の圧縮機125と水分離装置4との間の部分に接続されている。通路143には、流量制御弁144が設けられている。パージガス循環通路131の酸素燃焼装置11と流量制御弁132との間の部分は、通路139によって、パージガス循環通路131の第1熱交換器134と酸素燃焼装置11との間の部分に接続されている。通路139には流量制御弁133が設けられている。 The water separation device 4 is connected to the oxygen combustion device 11 via a purge gas circulation passage 131. Purge gas heated by the oxygen combustion device 11 flows through the purge gas circulation passage 131. The oxygen combustion device 11, the flow control valve 132, the water separation device 4, the first heat exchanger 134, the second heat exchanger 135, the gas-liquid separation device 136, the blower 137, the flow control valve 138, and the first heat exchanger 134 are provided in the purge gas circulation passage 131 in the order described above. The portion of the purge gas circulation passage 131 between the flow control valve 138 and the first heat exchanger 134 is connected to the passage 127 via a passage 141. The passage 141 is provided with a flow control valve 142. The portion of the purge gas circulation passage 131 between the blower 137 and the flow control valve 138 is connected to the portion of the passage 123 between the compressor 125 and the water separation device 4 via a passage 143. A flow control valve 144 is provided in the passage 143. The portion of the purge gas circulation passage 131 between the oxygen combustion device 11 and the flow control valve 132 is connected by a passage 139 to the portion of the purge gas circulation passage 131 between the first heat exchanger 134 and the oxygen combustion device 11. A flow control valve 133 is provided in the passage 139.

酸素燃焼装置11の燃焼室は、通路151を介して電解還元装置2のアノード出口通路62に接続されている。通路151には、二酸化炭素分離装置152が設けられているとよい。二酸化炭素分離装置152は、アノード出口通路62から供給される酸素ガス中の二酸化炭素を分離する。二酸化炭素分離装置152において分離された二酸化炭素ガスは、二酸化炭素戻し通路153を介して電解還元装置2の第1供給通路46に戻される。二酸化炭素分離装置152は、二酸化炭素分離装置3と同様の構成であってよい。二酸化炭素分離装置152は、必須の構成ではなく、省略されてもよい。 The combustion chamber of the oxygen combustion device 11 is connected to the anode outlet passage 62 of the electrolytic reduction device 2 via a passage 151. The passage 151 may be provided with a carbon dioxide separator 152. The carbon dioxide separator 152 separates carbon dioxide from the oxygen gas supplied from the anode outlet passage 62. The carbon dioxide gas separated in the carbon dioxide separator 152 is returned to the first supply passage 46 of the electrolytic reduction device 2 via a carbon dioxide return passage 153. The carbon dioxide separator 152 may have the same configuration as the carbon dioxide separator 3. The carbon dioxide separator 152 is not an essential component and may be omitted.

通路151の二酸化炭素分離装置152と酸素燃焼装置11との間の部分には第3熱交換器155が設けられている。通路151の電解還元装置2と第3熱交換器155との間の部分には、燃料通路157が接続されている。燃料通路157には、深冷分離装置5、第1分離装置7、第2分離装置9で分離された水素、一酸化炭素、メタン、分解ガス、重質留分等の燃料が流れる。また、燃料通路157には、燃料供給源が接続されていてもよい。燃料供給源は、天然ガスや水素等のガス燃料を供給するタンクやパイプラインであってよい。電解還元装置2から供給される酸素ガスと燃料通路157を流れる燃料とは通路151において混合され、第3熱交換器155において加熱された後に酸素燃焼装置11に供給される。通路151の二酸化炭素分離装置152と第3熱交換器155との間の部分には、酸素取り出し通路158が設けられている。酸素取り出し通路158には流量制御弁が設けられているとよい。酸素取り出し通路158は酸素を貯留するタンクに接続されてもよい。 A third heat exchanger 155 is provided in the portion of the passage 151 between the carbon dioxide separator 152 and the oxygen combustion device 11. A fuel passage 157 is connected to the portion of the passage 151 between the electrolytic reduction device 2 and the third heat exchanger 155. The fuel passage 157 carries fuels such as hydrogen, carbon monoxide, methane, cracked gas, and heavy fractions separated in the cryogenic separation device 5, the first separation device 7, and the second separation device 9. A fuel supply source may also be connected to the fuel passage 157. The fuel supply source may be a tank or a pipeline that supplies gas fuel such as natural gas or hydrogen. The oxygen gas supplied from the electrolytic reduction device 2 and the fuel flowing through the fuel passage 157 are mixed in the passage 151, heated in the third heat exchanger 155, and then supplied to the oxygen combustion device 11. An oxygen extraction passage 158 is provided in the portion of the passage 151 between the carbon dioxide separator 152 and the third heat exchanger 155. The oxygen extraction passage 158 may be provided with a flow control valve. The oxygen extraction passage 158 may be connected to a tank that stores oxygen.

酸素燃焼装置11は、酸素燃焼炉である。酸素燃焼装置11の燃焼室において、通路151から供給される酸素と、水素、一酸化炭素、及び炭化水素ガス等を含む燃料とが燃焼する。燃焼によって生じた排ガスは、主に二酸化炭素と水とを含む。排ガスは、酸素燃焼装置11から排ガス通路161を介して気液分離装置162に供給される。排ガス通路161には第3熱交換器155が設けられている。これにより、排ガス通路161を流れる排ガスと、通路151を流れる酸素ガス及び燃料とが熱交換し、排ガスは冷却され、酸素ガス及び燃料が加熱される。排ガスは、気液分離装置162において、二酸化炭素ガスと、液体の水とに分離され、二酸化炭素ガスは電解還元装置2の第1供給通路46に戻され、水は電解還元装置2の第2供給通路53に戻される。これにより、排ガスに含まれる二酸化炭素及び水が、電解還元装置2において原料の一部として再利用される。 The oxygen combustion device 11 is an oxygen combustion furnace. In the combustion chamber of the oxygen combustion device 11, oxygen supplied from the passage 151 is burned with fuel containing hydrogen, carbon monoxide, and hydrocarbon gas. The exhaust gas generated by the combustion mainly contains carbon dioxide and water. The exhaust gas is supplied from the oxygen combustion device 11 to the gas-liquid separator 162 through the exhaust gas passage 161. The exhaust gas passage 161 is provided with a third heat exchanger 155. As a result, the exhaust gas flowing through the exhaust gas passage 161 exchanges heat with the oxygen gas and fuel flowing through the passage 151, the exhaust gas is cooled, and the oxygen gas and fuel are heated. The exhaust gas is separated into carbon dioxide gas and liquid water in the gas-liquid separator 162, the carbon dioxide gas is returned to the first supply passage 46 of the electrolytic reduction device 2, and the water is returned to the second supply passage 53 of the electrolytic reduction device 2. As a result, the carbon dioxide and water contained in the exhaust gas are reused as part of the raw materials in the electrolytic reduction device 2.

水分離装置4は、複数の吸着部を有する。各吸着部は、第1処理ガスから水を吸着する吸着工程と、酸素燃焼装置11で発生した熱を受けて吸着工程において吸着した水を放出する脱離工程とを交互に切り替えて運転する。いくつかの吸着部が吸着工程を実行し、同時に他の吸着部が脱離工程を実行する。これにより、水分離装置4は、吸着工程と脱離工程とを連続的に実行することができる。水分離装置4の各吸着部は、所定の時間間隔で吸着工程及び脱離工程を切り替えるとよい。 The water separation device 4 has multiple adsorption units. Each adsorption unit operates by alternately switching between an adsorption process in which water is adsorbed from the first treated gas, and a desorption process in which the water adsorbed in the adsorption process is released by receiving heat generated in the oxygen combustion device 11. Some adsorption units perform the adsorption process, while other adsorption units perform the desorption process. This allows the water separation device 4 to perform the adsorption process and the desorption process continuously. Each adsorption unit of the water separation device 4 may switch between the adsorption process and the desorption process at a predetermined time interval.

通路123を流れる第1処理ガスは、水分離装置4を通過し、水分が除去される。水分離装置4によって水分が除去された第1処理ガスを第2処理ガスという。第2処理ガスの大部分は、通路127を介して深冷分離装置5に送られる。このとき、流量制御弁142が開くことによって、第2処理ガスの一部が通路141を通過してパージガス循環通路131に供給される。第2処理ガスの一部は、パージガスとしてパージガス循環通路131を循環する。 The first process gas flowing through passage 123 passes through water separation device 4, where moisture is removed. The first process gas from which moisture has been removed by water separation device 4 is called the second process gas. Most of the second process gas is sent to cryogenic separation device 5 via passage 127. At this time, flow control valve 142 opens, and a portion of the second process gas passes through passage 141 and is supplied to purge gas circulation passage 131. A portion of the second process gas circulates through purge gas circulation passage 131 as purge gas.

パージガス循環通路131を流れるパージガスは、酸素燃焼装置11において加熱される。このとき、パージガスは、燃料、酸素、及び排ガスと混合せずに熱交換する。 The purge gas flowing through the purge gas circulation passage 131 is heated in the oxygen combustion device 11. At this time, the purge gas exchanges heat with the fuel, oxygen, and exhaust gas without mixing with them.

流量制御弁132が開かれることによって、水分離装置4が脱離工程を実行する。これにより、酸素燃焼装置11において加熱されたパージガスは、パージガス循環通路131を介して水分離装置4に供給される。これにより、水分離装置4の水分吸着剤がパージガスによって加熱され、水分が水分吸着剤から脱離する。これにより、水分離装置4の水分吸着剤が再生される。 When the flow control valve 132 is opened, the water separation device 4 executes the desorption process. As a result, the purge gas heated in the oxygen combustion device 11 is supplied to the water separation device 4 via the purge gas circulation passage 131. As a result, the moisture adsorbent in the water separation device 4 is heated by the purge gas, and moisture is desorbed from the moisture adsorbent. As a result, the moisture adsorbent in the water separation device 4 is regenerated.

水分吸着剤から脱離した水分はパージガスと共に、第1熱交換器134及び第2熱交換器135を通過し、冷却される。第2熱交換器135は、通路145を介して深冷分離装置5と接続され、深冷分離装置5から冷媒の供給を受ける。水分を含むパージガスは、第1熱交換器134において流量制御弁138を通過した後のパージガスと熱交換して冷却される。また、水分を含むパージガスは、第2熱交換器135において更に冷却され、水分が液化する。 The moisture desorbed from the moisture adsorbent passes through the first heat exchanger 134 and the second heat exchanger 135 together with the purge gas and is cooled. The second heat exchanger 135 is connected to the cryogenic separation device 5 via a passage 145 and receives a supply of refrigerant from the cryogenic separation device 5. The purge gas containing moisture is cooled by heat exchange with the purge gas that has passed through the flow control valve 138 in the first heat exchanger 134. The purge gas containing moisture is further cooled in the second heat exchanger 135, and the moisture is liquefied.

第2熱交換器135を通過した水分を含むパージガスは気液分離装置136において液体の水が分離される。気液分離装置136において分離された液体の水は、通路165を介して第2供給通路53に供給され、電解還元装置2のアノード室32に送られる。 The moisture-containing purge gas that has passed through the second heat exchanger 135 is separated into liquid water in the gas-liquid separator 136. The liquid water separated in the gas-liquid separator 136 is supplied to the second supply passage 53 via the passage 165 and sent to the anode chamber 32 of the electrolytic reduction device 2.

深冷分離装置5は、第2処理ガスから炭化水素を分離する。深冷分離装置5は、第2処理ガスを、少なくともエチレンと、水素と、オフガス(残余の成分)とに分離する。オフガスは、例えば、メタン及び一酸化炭素を含む。メタン及び一酸化炭素は、互いに分離されてもよい。 The cryogenic separation device 5 separates hydrocarbons from the second process gas. The cryogenic separation device 5 separates the second process gas into at least ethylene, hydrogen, and off-gas (remaining components). The off-gas includes, for example, methane and carbon monoxide. The methane and carbon monoxide may be separated from each other.

図3に示すように、深冷分離装置5で分離されたエチレンは、通路181を介して第1反応装置6に供給される。深冷分離装置5で分離されたオフガスは、燃料通路157に供給される。深冷分離装置5で分離された水素の一部は、通路182を介して第2反応装置8に供給される。また、深冷分離装置5で分離された水素の一部は、燃料通路157に供給される。 As shown in FIG. 3, the ethylene separated in the cryogenic separator 5 is supplied to the first reactor 6 via passage 181. The off-gas separated in the cryogenic separator 5 is supplied to the fuel passage 157. A portion of the hydrogen separated in the cryogenic separator 5 is supplied to the second reactor 8 via passage 182. In addition, a portion of the hydrogen separated in the cryogenic separator 5 is supplied to the fuel passage 157.

通路181には、第4熱交換器183が設けられている。第4熱交換器183には酸素燃焼装置11で加熱されたパージガスが供給される。第4熱交換器183において、通路181を流れるエチレンはパージガスと熱交換して加熱される。 A fourth heat exchanger 183 is provided in the passage 181. The fourth heat exchanger 183 is supplied with purge gas heated by the oxygen combustion device 11. In the fourth heat exchanger 183, the ethylene flowing through the passage 181 is heated by heat exchange with the purge gas.

第1反応装置6では、エチレンのオリゴメリゼーションによってα-オレフィンが生成される。エチレンのオリゴメリゼーションは公知の手法を用いて行われるとよい。第1反応装置6には、例えば、エチレン重合用触媒として、公知のトリエチルアルミニウムやニッケル、ジルコニウム、チタニウムなどの遷移金属化合物を用いたチーグラー・ナッタ型触媒や、ジルコニウムビスフェノレート複合体触媒、鉄ピリジン複合体触媒等が設けられているとよい。代表的な反応条件は、反応温度50~250℃、反応圧力3~20MPaであり、反応器としては、槽型反応器や固定床反応器等が使用される。第1反応装置6には、酸素燃焼装置11で加熱されたパージガスが供給されている。第1反応装置6の原料ガスは、パージガスによって加熱される。 In the first reactor 6, α-olefins are produced by oligomerization of ethylene. The oligomerization of ethylene may be carried out by a known method. The first reactor 6 may be provided with, for example, a Ziegler-Natta catalyst using a known transition metal compound such as triethylaluminum, nickel, zirconium, or titanium, a zirconium bisphenolate complex catalyst, or an iron pyridine complex catalyst as an ethylene polymerization catalyst. Typical reaction conditions are a reaction temperature of 50 to 250°C and a reaction pressure of 3 to 20 MPa, and a tank reactor, a fixed bed reactor, or the like is used as the reactor. A purge gas heated by an oxygen combustion device 11 is supplied to the first reactor 6. The raw material gas in the first reactor 6 is heated by the purge gas.

第1反応装置6から排出される第1混合物には、α-オレフィンと、未反応のエチレンとが含まれる。α-オレフィンの炭素数は、例えば4~36である。α-オレフィンは、主として炭素数α-オレフィンの内で炭素数が小さいもの(プロペン、ブテン)は、室温において気体である。そのため、第1反応装置6から排出される第1混合物は、液体と気体との混合物である。 The first mixture discharged from the first reactor 6 contains α-olefins and unreacted ethylene. The carbon number of the α-olefins is, for example, 4 to 36. Among the α-olefins, those with a small carbon number (propene, butene) are mainly gaseous at room temperature. Therefore, the first mixture discharged from the first reactor 6 is a mixture of liquid and gas.

第1反応装置6から排出された第1混合物は、通路185を介して第1分離装置7に供給される。通路185には、第5熱交換器186が設けられている。第5熱交換器186には酸素燃焼装置11で加熱されたパージガスが供給される。第5熱交換器186において、通路185を流れる混合物はパージガスと熱交換して加熱される。 The first mixture discharged from the first reaction device 6 is supplied to the first separation device 7 via a passage 185. A fifth heat exchanger 186 is provided in the passage 185. The fifth heat exchanger 186 is supplied with purge gas heated in the oxygen combustion device 11. In the fifth heat exchanger 186, the mixture flowing through the passage 185 is heated by heat exchange with the purge gas.

第1分離装置7は、第1混合物から軽質炭化水素を分離する。軽質炭化水素は、例えば炭素数が6以下の炭化水素である。第1分離装置7は、蒸留装置や気液分離装置であるとよい。第1分離装置7には、酸素燃焼装置11で加熱されたパージガスが供給されている。第1分離装置7は、パージガスによって加熱される。 The first separation device 7 separates light hydrocarbons from the first mixture. The light hydrocarbons are, for example, hydrocarbons with a carbon number of 6 or less. The first separation device 7 may be a distillation device or a gas-liquid separation device. The first separation device 7 is supplied with purge gas heated by the oxygen combustion device 11. The first separation device 7 is heated by the purge gas.

第1分離装置7で分離された軽質炭化水素は、通路188を介して燃料通路157に送られる。通路188には第6熱交換器189が設けられている。第6熱交換器189には酸素燃焼装置11で加熱されたパージガスが供給される。第6熱交換器189において、通路188を流れる軽質炭化水素はパージガスと熱交換して加熱される。 The light hydrocarbons separated in the first separation device 7 are sent to the fuel passage 157 via passage 188. A sixth heat exchanger 189 is provided in passage 188. Purge gas heated in the oxygen combustion device 11 is supplied to the sixth heat exchanger 189. In the sixth heat exchanger 189, the light hydrocarbons flowing through passage 188 are heated by heat exchange with the purge gas.

第1分離装置7で軽質炭化水素が分離された第1混合物は、通路192を介して第2反応装置8に送られる。通路192には第7熱交換器191が設けられている。第7熱交換器191には酸素燃焼装置11で加熱されたパージガスが供給される。第7熱交換器191において、通路192を流れる第1混合物はパージガスと熱交換して加熱される。 The first mixture from which light hydrocarbons have been separated in the first separation device 7 is sent to the second reaction device 8 via a passage 192. A seventh heat exchanger 191 is provided in the passage 192. Purge gas heated in the oxygen combustion device 11 is supplied to the seventh heat exchanger 191. In the seventh heat exchanger 191, the first mixture flowing through the passage 192 is heated by heat exchange with the purge gas.

第2反応装置8は、α-オレフィンを含む混合物と水素とを原料としてα-オレフィンの水素化分解・水素化異性化反応を行う。水素化分解・水素化異性化反応は、石油精製プロセス、GTL(Gas To Liquid)プロセスなどで既に使用されている公知の手法を適用するとよい。第2反応装置8には、白金、ニッケル等の金属をアルミナ、シリカ・アルミナなどに担持した触媒や、ゼオライト系触媒等の水素化分解用の触媒及び水素化異性化用の触媒が設けられている。代表的な反応条件は、反応温度200~400℃、反応圧力2~10MPaであり、反応器としては、固定床反応器等が使用される。第2反応装置8において、第1混合物が水素分解及び水素化異性化されることによって第2混合物が得られる。第2混合物は、液体燃料、分解ガス、及び重質炭化水素を含む。液体燃料は、ガソリン、ジェット燃料、灯油、軽油を含む。重質炭化水素は、例えば炭素数が20以上である。分解ガスは、例えば炭素数が6以下の炭化水素である。 The second reactor 8 uses a mixture containing α-olefins and hydrogen as raw materials to carry out hydrocracking and hydroisomerization of α-olefins. The hydrocracking and hydroisomerization may be carried out by applying known methods already used in oil refining processes, GTL (Gas To Liquid) processes, etc. The second reactor 8 is provided with a catalyst for hydrocracking and a catalyst for hydroisomerization, such as a catalyst in which a metal such as platinum or nickel is supported on alumina, silica-alumina, etc., or a zeolite-based catalyst. Typical reaction conditions are a reaction temperature of 200 to 400°C and a reaction pressure of 2 to 10 MPa, and a fixed bed reactor or the like is used as the reactor. In the second reactor 8, the first mixture is hydrocracking and hydroisomerization to obtain a second mixture. The second mixture includes liquid fuel, cracked gas, and heavy hydrocarbons. The liquid fuel includes gasoline, jet fuel, kerosene, and diesel. The heavy hydrocarbons have, for example, 20 or more carbon atoms. The cracked gas is, for example, a hydrocarbon with 6 or less carbon atoms.

第2反応装置8で得られた第2混合物は、通路195を介して第2分離装置9に送られる。通路195には、第8熱交換器196が設けられている。第8熱交換器196には酸素燃焼装置11で加熱されたパージガスが供給される。第8熱交換器196において、通路195を流れる第2混合物はパージガスと熱交換して加熱される。 The second mixture obtained in the second reaction device 8 is sent to the second separation device 9 via a passage 195. An eighth heat exchanger 196 is provided in the passage 195. The eighth heat exchanger 196 is supplied with purge gas heated in the oxygen combustion device 11. In the eighth heat exchanger 196, the second mixture flowing through the passage 195 is heated by heat exchange with the purge gas.

第2分離装置9は、例えば蒸留装置(蒸留塔)であるとよい。第2分離装置9は、第2混合物を、少なくとも液体燃料と、分解ガスと、重質炭化水素とに分離する。本実施形態では、第2分離装置9は、液体燃料をガソリン、灯油(ジェット燃料)、軽油に分離する。第2分離装置9には、酸素燃焼装置11で加熱されたパージガスが供給されている。第2分離装置9に供給された第2混合物は、パージガスによって加熱される。 The second separation device 9 may be, for example, a distillation device (distillation column). The second separation device 9 separates the second mixture into at least liquid fuel, cracked gas, and heavy hydrocarbons. In this embodiment, the second separation device 9 separates the liquid fuel into gasoline, kerosene (jet fuel), and diesel. The second separation device 9 is supplied with purge gas heated by the oxygen combustion device 11. The second mixture supplied to the second separation device 9 is heated by the purge gas.

第2分離装置9で分離されたガソリン、灯油、軽油は、製品として貯蔵される。第2分離装置9で分離された分解ガス及び重質炭化水素は、通路201を介して燃料通路157に送られる。通路201には、第9熱交換器202が設けられている。第9熱交換器202には酸素燃焼装置11で加熱されたパージガスが供給される。第9熱交換器202において、通路201を流れる分解ガス及び重質炭化水素はパージガスと熱交換して加熱される。 The gasoline, kerosene, and diesel separated in the second separation device 9 are stored as products. The cracked gas and heavy hydrocarbons separated in the second separation device 9 are sent to the fuel passage 157 via passage 201. A ninth heat exchanger 202 is provided in the passage 201. Purge gas heated in the oxygen combustion device 11 is supplied to the ninth heat exchanger 202. In the ninth heat exchanger 202, the cracked gas and heavy hydrocarbons flowing through the passage 201 are heated by heat exchange with the purge gas.

深冷分離装置5で分離された水素、一酸化炭素、及びメタンと、第1分離装置7で分離された軽質炭化水素と、第2分離装置9で分離された分解ガス及び重質炭化水素とは、燃料通路157を介して酸素燃焼装置11に供給され、燃料として使用される。 The hydrogen, carbon monoxide, and methane separated in the cryogenic separation device 5, the light hydrocarbons separated in the first separation device 7, and the cracked gas and heavy hydrocarbons separated in the second separation device 9 are supplied to the oxygen combustion device 11 via the fuel passage 157 and used as fuel.

パージガス循環通路131には、第1分岐通路211が接続されている。第1分岐通路211は、パージガス循環通路131の酸素燃焼装置11と流量制御弁132との間の部分に接続された上流端と、パージガス循環通路131の第1熱交換器134と酸素燃焼装置11との間の部分に接続された下流端とを有する。第1分岐通路211には、上流側から順に、流量制御弁212、第8熱交換器196、第2分離装置9、第9熱交換器202、ポンプ213が設けられている。酸素燃焼装置11で加熱されたパージガスは、流量制御弁212、第8熱交換器196、第2分離装置9、第9熱交換器202、ポンプ213を順に通過する。 A first branch passage 211 is connected to the purge gas circulation passage 131. The first branch passage 211 has an upstream end connected to a portion of the purge gas circulation passage 131 between the oxygen combustion device 11 and the flow control valve 132, and a downstream end connected to a portion of the purge gas circulation passage 131 between the first heat exchanger 134 and the oxygen combustion device 11. The first branch passage 211 is provided with a flow control valve 212, an eighth heat exchanger 196, a second separation device 9, a ninth heat exchanger 202, and a pump 213, in this order from the upstream side. The purge gas heated by the oxygen combustion device 11 passes through the flow control valve 212, the eighth heat exchanger 196, the second separation device 9, the ninth heat exchanger 202, and the pump 213 in this order.

第1分岐通路211には、第2分岐通路221が接続されている。第2分岐通路221は、第1分岐通路211の流量制御弁212の上流側部分に接続された上流端と、第1分岐通路211の第2分離装置9と第9熱交換器202との間の部分に接続された下流端とを有する。第2分岐通路221は、上流側から順に、流量制御弁223、第4熱交換器183、第1反応装置6、第6熱交換器189が設けられている。酸素燃焼装置11で加熱されたパージガスは、流量制御弁223、第4熱交換器183、第1反応装置6、第6熱交換器189を順に通過する。 The second branch passage 221 is connected to the first branch passage 211. The second branch passage 221 has an upstream end connected to the upstream portion of the flow control valve 212 of the first branch passage 211, and a downstream end connected to a portion of the first branch passage 211 between the second separation device 9 and the ninth heat exchanger 202. The second branch passage 221 is provided with a flow control valve 223, a fourth heat exchanger 183, a first reaction device 6, and a sixth heat exchanger 189 in this order from the upstream side. The purge gas heated by the oxygen combustion device 11 passes through the flow control valve 223, the fourth heat exchanger 183, the first reaction device 6, and the sixth heat exchanger 189 in this order.

第1分岐通路211には、第3分岐通路231が接続されている。第3分岐通路231は、第1分岐通路211の第2分岐通路221の上流端と流量制御弁212との間の部分に接続された上流端と、第2分岐通路221の第6熱交換器189より下流側の部分に接続された下流端とを有する。第3分岐通路231は、上流側から順に、流量制御弁233、第5熱交換器186、第1分離装置7が設けられている。酸素燃焼装置11で加熱されたパージガスは、流量制御弁233、第5熱交換器186、第1分離装置7を順に通過する。 The third branch passage 231 is connected to the first branch passage 211. The third branch passage 231 has an upstream end connected to a portion of the first branch passage 211 between the upstream end of the second branch passage 221 and the flow control valve 212, and a downstream end connected to a portion of the second branch passage 221 downstream of the sixth heat exchanger 189. The third branch passage 231 is provided with a flow control valve 233, a fifth heat exchanger 186, and a first separation device 7, in that order from the upstream side. The purge gas heated by the oxygen combustion device 11 passes through the flow control valve 233, the fifth heat exchanger 186, and the first separation device 7 in that order.

第1分岐通路211には、第4分岐通路241が接続されている。第4分岐通路241は、第1分岐通路211の第3分岐通路231の上流端と流量制御弁212との間の部分に接続された上流端と、第1分岐通路211の第2分離装置9と第9熱交換器202との間の部分に接続された下流端とを有する。第4分岐通路241は、上流側から順に、流量制御弁243、第7熱交換器191、第2反応装置8が設けられている。酸素燃焼装置11で加熱されたパージガスは、流量制御弁243、第7熱交換器191、第2反応装置8を順に通過する。 The fourth branch passage 241 is connected to the first branch passage 211. The fourth branch passage 241 has an upstream end connected to a portion of the first branch passage 211 between the upstream end of the third branch passage 231 and the flow control valve 212, and a downstream end connected to a portion of the first branch passage 211 between the second separation device 9 and the ninth heat exchanger 202. The fourth branch passage 241 is provided with a flow control valve 243, a seventh heat exchanger 191, and a second reaction device 8 in this order from the upstream side. The purge gas heated by the oxygen combustion device 11 passes through the flow control valve 243, the seventh heat exchanger 191, and the second reaction device 8 in this order.

図2及び図3の各部P1~P19における各物質の重量の試算結果を表1に示す。

Figure 2024046825000003
Table 1 shows the estimated weights of the materials in the parts P1 to P19 in FIGS.
Figure 2024046825000003

本実施形態に係る液体燃料製造システム1は、次の液体燃料の製造方法を実行する。液体燃料の製造方法は、二酸化炭素及び水の電解還元によって、少なくともエチレン及び水素を含む生成ガスと未反応の前記二酸化炭素とを少なくとも含む混合ガスと、酸素ガスとを得る電解還元工程と、前記混合ガスから前記二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離工程と、前記二酸化炭素が分離された前記混合ガスから水を分離する水分離工程と、前記二酸化炭素及び前記水が分離された前記混合ガスを、前記エチレンと、前記水素と、残余のオフガスとに分離する深冷分離工程と、前記深冷分離工程で得られた前記エチレンのオリゴメリゼーションによってα-オレフィンを含む第1混合物を得る第1反応工程と、前記第1混合物から軽質炭化水素を分離する第1分離工程と、前記軽質炭化水素が分離された前記第1混合物を水素化分解及び水素化異性化することによって液体燃料を含む第2混合物を得る第2反応工程と、前記第2混合物を、少なくとも液体燃料と、分解ガスと、重質炭化水素とに分離する第2分離工程とを有する。電解還元工程は電解還元装置2によって実行され、二酸化炭素分離工程は二酸化炭素分離装置3によって実行され、水分離工程は水分離装置4によって実行され、深冷分離工程は深冷分離装置5によって実行され、第1反応工程は第1反応装置6によって実行され、第1分離工程は第1分離装置7によって実行され、第2反応工程は第2反応装置8によって実行され、第2分離工程は第2分離装置9によって実行される。 The liquid fuel production system 1 according to this embodiment executes the following liquid fuel production method. The liquid fuel production method includes an electrolytic reduction process for obtaining a mixed gas containing at least a product gas containing at least ethylene and hydrogen and unreacted carbon dioxide, and oxygen gas, by electrolytic reduction of carbon dioxide and water, a carbon dioxide separation process for separating the carbon dioxide from the mixed gas, a water separation process for separating water from the mixed gas from which the carbon dioxide has been separated, a cryogenic separation process for separating the mixed gas from which the carbon dioxide and the water have been separated into the ethylene, the hydrogen, and the remaining off-gas, a first reaction process for obtaining a first mixture containing α-olefins by oligomerization of the ethylene obtained in the cryogenic separation process, a first separation process for separating light hydrocarbons from the first mixture, a second reaction process for obtaining a second mixture containing liquid fuel by hydrocracking and hydroisomerizing the first mixture from which the light hydrocarbons have been separated, and a second separation process for separating the second mixture into at least liquid fuel, cracked gas, and heavy hydrocarbons. The electrolytic reduction process is performed by the electrolytic reduction device 2, the carbon dioxide separation process is performed by the carbon dioxide separation device 3, the water separation process is performed by the water separation device 4, the cryogenic separation process is performed by the cryogenic separation device 5, the first reaction process is performed by the first reaction device 6, the first separation process is performed by the first separation device 7, the second reaction process is performed by the second reaction device 8, and the second separation process is performed by the second separation device 9.

以上の実施形態に係る液体燃料製造システム1は、二酸化炭素の電気還元によってエチレンを生成し、エチレンのオリゴメリゼーションによってα-オレフィンを生成し、α-オレフィンを水素分解及び水素化異性化することによって液体燃料を生成する。そのため、FT反応により液体燃料を生成する場合に比べて、原料として使用する水素ガス量を低減することができる。また、二酸化炭素を原料として電解還元によってエチレンを生成する場合の理論電解電圧は、二酸化炭素を原料として電解還元によって一酸化炭素を生成する場合の理論電解電圧よりも小さいため、エネルギー効率を向上させることができる。 The liquid fuel production system 1 according to the above embodiment produces ethylene by electrochemical reduction of carbon dioxide, produces α-olefins by oligomerization of ethylene, and produces liquid fuel by hydrocracking and hydroisomerizing the α-olefins. Therefore, the amount of hydrogen gas used as a raw material can be reduced compared to when liquid fuel is produced by the FT reaction. In addition, the theoretical electrolysis voltage when producing ethylene by electrochemical reduction using carbon dioxide as a raw material is smaller than the theoretical electrolysis voltage when producing carbon monoxide by electrochemical reduction using carbon dioxide as a raw material, thereby improving energy efficiency.

また、液体燃料を生成するときに生じる副生物を、原料の二酸化炭素ガスとして再利用することができる。また、副生物を燃焼させるときに空気を使用しないため、窒素酸化物が発生しない。更に、二酸化炭素ガスと窒素の分離が不要になる。酸素燃焼装置11で発生した熱は、電解還元装置2、二酸化炭素分離装置3、水分離装置4、第1反応装置6、第1分離装置7、及び第2分離装置9に供給されて有効利用される。そのため、液体燃料製造システム1のエネルギー効率が向上する。 In addition, the by-products generated when producing liquid fuel can be reused as the raw carbon dioxide gas. In addition, since air is not used to combust the by-products, no nitrogen oxides are generated. Furthermore, separation of carbon dioxide gas and nitrogen is not required. The heat generated in the oxygen combustion device 11 is supplied to the electrolytic reduction device 2, the carbon dioxide separation device 3, the water separation device 4, the first reaction device 6, the first separation device 7, and the second separation device 9 for effective use. This improves the energy efficiency of the liquid fuel production system 1.

電解還元装置2で副生し、かつ深冷分離装置5で分離された水素が、第2反応装置8で使用される。すなわち、電解還元装置2で副生する水素が有効利用される。これにより、原料として調達する水素量を低減することができる。 The hydrogen produced as a by-product in the electrolytic reduction device 2 and separated in the cryogenic separation device 5 is used in the second reactor 8. In other words, the hydrogen produced as a by-product in the electrolytic reduction device 2 is effectively utilized. This makes it possible to reduce the amount of hydrogen procured as a raw material.

未反応の二酸化炭素ガスが二酸化炭素分離装置3で回収され、電解還元装置2に原料の二酸化炭素ガスとして供給されるため、液体燃料製造システム1から排出される二酸化炭素量を低減することができる。 Unreacted carbon dioxide gas is recovered in the carbon dioxide separation device 3 and supplied to the electrolytic reduction device 2 as raw carbon dioxide gas, thereby reducing the amount of carbon dioxide emitted from the liquid fuel production system 1.

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、電解還元装置2及び二酸化炭素分離装置3は他の様々な構成を適用してもよい。以下に、電解還元装置2及び二酸化炭素分離装置3の他の例について説明する。 Although the specific embodiment has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment and can be modified in a wide range of ways. For example, the electrolytic reduction device 2 and the carbon dioxide separation device 3 may have various other configurations. Other examples of the electrolytic reduction device 2 and the carbon dioxide separation device 3 are described below.

図6に、3室型の電解還元装置300の一例を示す。電解還元装置300は、互いに区画されたカソードガス室301、カソード液室302、及びアノード液室303を有する電解セル304を有するとよい。カソードガス室301とカソード液室302とはガス拡散電極としてのカソード306によって区画されている。カソード液室302とアノード液室303とはイオン伝導性を有する隔壁307によって区画されている。アノード308は、アノード液室303に配置されている。カソードガス室301には、気体の二酸化炭素が供給される。カソード液室302には、カソード液が供給される。アノード液室303には、アノード液が供給される。アノード308及びカソード306は直流電源309に接続されている。 Figure 6 shows an example of a three-chamber electrolytic reduction device 300. The electrolytic reduction device 300 may have an electrolytic cell 304 having a cathode gas chamber 301, a cathode liquid chamber 302, and an anode liquid chamber 303, which are partitioned from one another. The cathode gas chamber 301 and the cathode liquid chamber 302 are partitioned by a cathode 306 serving as a gas diffusion electrode. The cathode liquid chamber 302 and the anode liquid chamber 303 are partitioned by a partition wall 307 having ion conductivity. The anode 308 is disposed in the anode liquid chamber 303. The cathode gas chamber 301 is supplied with gaseous carbon dioxide. The cathode liquid chamber 302 is supplied with cathode liquid. The anode liquid chamber 303 is supplied with anode liquid. The anode 308 and the cathode 306 are connected to a DC power source 309.

アノード液及びカソード液は、電解質が溶解した水溶液である。電解質は、カリウム、ナトリウム、リチウム、又はこれらの化合物の少なくとも1つを含む。電解質は、例えば、LiOH、NaOH、KOH、LiCO、NaCO、KCO、LiHCO、NaHCO、及びKHCOからなる群の少なくとも1つを含むとよい。 The anolyte and catholyte are aqueous solutions having an electrolyte dissolved therein. The electrolyte may include at least one of potassium, sodium, lithium, or compounds thereof. For example, the electrolyte may include at least one of the group consisting of LiOH, NaOH , KOH, Li2CO3, Na2CO3, K2CO3 , LiHCO3 , NaHCO3 , and KHCO3 .

カソード306は、ガス拡散電極であり、ガス拡散層311と、マイクロポーラス層312とを有する。ガス拡散層311は、二酸化炭素を含む気体を透過するが、カソード液を含む水溶液の透過を抑制する。マイクロポーラス層312は、二酸化炭素を含む気体とカソード液を含む水溶液とを共に透過させる。ガス拡散層311及びマイクロポーラス層312はそれぞれ平面状に形成されている。ガス拡散層311はカソードガス室301側に配置され、マイクロポーラス層312はカソード液室302側に配置されている。 The cathode 306 is a gas diffusion electrode and has a gas diffusion layer 311 and a microporous layer 312. The gas diffusion layer 311 is permeable to gas containing carbon dioxide but inhibits the permeation of an aqueous solution containing cathode liquid. The microporous layer 312 is permeable to both gas containing carbon dioxide and an aqueous solution containing cathode liquid. The gas diffusion layer 311 and the microporous layer 312 are each formed in a planar shape. The gas diffusion layer 311 is disposed on the cathode gas chamber 301 side, and the microporous layer 312 is disposed on the cathode liquid chamber 302 side.

ガス拡散層311は、例えばカーボンペーパーやカーボンフェルト、カーボンクロス等の多孔質の導電性基材の表面に、ポリテトラフルオロエチレン等の撥水性被膜を形成したものであってよい。導電性基材は、直流電源309の負極に接続され、電子の供給を受ける。マイクロポーラス層312は、ガス拡散層311の表面にカーボンブラック等を用いて形成され、触媒を担持している。触媒は、公知の二酸化炭素還元触媒であってよく、例えば銅等の第11族元素、亜鉛等の第12族元素、ガリウム等の第13族元素、ゲルマニウム等の第14族元素、又はこれらの金属化合物の少なくとも1種を含む。金属化合物は、酸化物、硫化物、リン化物の少なくとも1つを含む。触媒は、二酸化炭素を還元してエチレンを生成するために適したものが好ましく、例えば銅又は銅化合物が好ましい。マイクロポーラス層312にはイオン交換樹脂等のバインダーが加えられてもよい。 The gas diffusion layer 311 may be a porous conductive substrate such as carbon paper, carbon felt, or carbon cloth on which a water-repellent coating such as polytetrafluoroethylene is formed. The conductive substrate is connected to the negative electrode of the DC power source 309 and receives a supply of electrons. The microporous layer 312 is formed on the surface of the gas diffusion layer 311 using carbon black or the like and supports a catalyst. The catalyst may be a known carbon dioxide reduction catalyst, and includes at least one of, for example, a Group 11 element such as copper, a Group 12 element such as zinc, a Group 13 element such as gallium, a Group 14 element such as germanium, or a metal compound thereof. The metal compound includes at least one of an oxide, a sulfide, or a phosphide. The catalyst is preferably one suitable for reducing carbon dioxide to produce ethylene, and is preferably, for example, copper or a copper compound. A binder such as an ion exchange resin may be added to the microporous layer 312.

アノード308は、例えば、チタニウム、ニッケル、イリジウム、マンガン、白金、金、銀、銅、鉄、鉛等の金属材料又はこれらの金属合金材料や金属酸化物、カーボン等の炭素系材料又は導電性セラミックで構成されている。アノード308の形状は、平板、複数の開口を備えた平板、メッシュ、及び多孔体であってよい。平板に形成される開口の形状は、円形、ひし形、星形等であってよい。平板は、波形や湾曲に形成されてもよく、表面に凹凸を有してもよい。アノード308には、白金やイリジウム等の酸素発生触媒が担持されている。アノード308は、隔壁307のアノード液室303側の面に設けられてもよい。 The anode 308 is made of, for example, a metal material such as titanium, nickel, iridium, manganese, platinum, gold, silver, copper, iron, or lead, or a metal alloy material of these metals, a metal oxide, a carbon-based material such as carbon, or a conductive ceramic. The shape of the anode 308 may be a flat plate, a flat plate with multiple openings, a mesh, or a porous body. The shape of the openings formed in the flat plate may be a circle, a diamond, a star, or the like. The flat plate may be formed in a corrugated or curved shape, or may have an uneven surface. The anode 308 supports an oxygen generating catalyst such as platinum or iridium. The anode 308 may be provided on the surface of the partition wall 307 facing the anode liquid chamber 303.

直流電源309は、火力発電や原子力発電、太陽光発電、風力発電、水力発電等によって得られた電力を、必要に応じて直流に変換し、カソード306及びアノード308に供給する。二酸化炭素排出量の削減の観点から、自然エネルギー(再生可能エネルギー)を利用した太陽光発電や風力発電、水力発電等によって得られた電力を直流電源309として使用することが好ましい。直流電源309は、アノード308に対してカソード306が負電位になるように電圧を印加する。直流電源309は、参照電極を使用してカソード306の電位を取得し、カソード306の電位が所定の範囲内となるように印加する電圧を制御するとよい。 The DC power supply 309 converts power obtained by thermal power generation, nuclear power generation, solar power generation, wind power generation, hydroelectric power generation, etc., into DC as necessary and supplies it to the cathode 306 and the anode 308. From the viewpoint of reducing carbon dioxide emissions, it is preferable to use power obtained by solar power generation, wind power generation, hydroelectric power generation, etc. that utilizes natural energy (renewable energy) as the DC power supply 309. The DC power supply 309 applies a voltage so that the cathode 306 has a negative potential relative to the anode 308. The DC power supply 309 may obtain the potential of the cathode 306 using a reference electrode, and control the voltage applied so that the potential of the cathode 306 is within a predetermined range.

カソードガス室301は、入口314及び出口315を有する。二酸化炭素ガスは、入口314から供給され、出口315から排出される。カソードガス室301の出口315は、ガス循環路316を介して入口314に接続されている。入口314は、第1供給通路46に接続されるとよい。 The cathode gas chamber 301 has an inlet 314 and an outlet 315. Carbon dioxide gas is supplied from the inlet 314 and discharged from the outlet 315. The outlet 315 of the cathode gas chamber 301 is connected to the inlet 314 via a gas circulation path 316. The inlet 314 may be connected to the first supply passage 46.

カソード液室302は、入口317及び出口318を有する。カソード液室302の入口317及び出口318は、カソード液循環路319によって接続されている。同様に、アノード液室303は、入口321及び出口322を有する。アノード液室303の入口321及び出口322は、アノード液循環路323によって接続されている。入口321は、第2供給通路53に接続されるとよい。カソード液循環路319には、カソード側気液分離装置325が設けられている。アノード液循環路323には、アノード側気液分離装置326が設けられている。また、カソード液循環路319及びアノード液循環路323のそれぞれには、カソード液及びアノード液の電解質濃度を所定の範囲に調節するための電解質濃度制御装置327、328が設けられているとよい。電解質濃度制御装置327、328は、カソード液及びアノード液の電解質濃度を検出するセンサと、所定の濃度の新しいカソード液及びアノード液を供給する電解質液供給機と、循環するカソード液及びアノード液の一部を排出する排水装置とを含むとよい。 The cathode fluid chamber 302 has an inlet 317 and an outlet 318. The inlet 317 and the outlet 318 of the cathode fluid chamber 302 are connected by a cathode fluid circulation path 319. Similarly, the anode fluid chamber 303 has an inlet 321 and an outlet 322. The inlet 321 and the outlet 322 of the anode fluid chamber 303 are connected by an anode fluid circulation path 323. The inlet 321 may be connected to the second supply passage 53. The cathode fluid circulation path 319 is provided with a cathode side gas-liquid separator 325. The anode fluid circulation path 323 is provided with an anode side gas-liquid separator 326. In addition, the cathode fluid circulation path 319 and the anode fluid circulation path 323 may each be provided with an electrolyte concentration control device 327, 328 for adjusting the electrolyte concentration of the cathode fluid and the anode fluid to a predetermined range. The electrolyte concentration control devices 327, 328 may include a sensor that detects the electrolyte concentration of the cathode fluid and the anode fluid, an electrolyte fluid supply device that supplies new cathode fluid and anode fluid of a predetermined concentration, and a drainage device that discharges a portion of the circulating cathode fluid and anode fluid.

また、ガス循環路316には内部を循環するガスの一部を排出するガス循環流量調節装置330が設けられている。ガス循環流量調節装置330の排出口は、カソード側出口通路331に接続されている。カソード側出口通路331には、カソード側気液分離装置325のガス排出通路が接続されている。ガス循環流量調節装置330は、カソード側出口通路331にガスを排出することによって、ガス循環路316及びカソードガス室301を循環するガスの流量及び圧力を調節する。ガス循環流量調節装置330によって、カソードガス室301のガス圧は、カソード液室302の液圧よりも所定値高くなるように維持されている。これにより、カソード液室302のカソード液がカソード306を通過してカソードガス室301に流入することが抑制されている。カソードガス室301内のガスの一部は、カソード306を通過してカソード液室302に流入する。カソードガス室301内からカソード液室302に流入するガスの量は、少ないことが好ましい。 The gas circulation path 316 is provided with a gas circulation flow rate control device 330 that discharges a portion of the gas circulating inside. The exhaust port of the gas circulation flow rate control device 330 is connected to the cathode side outlet passage 331. The cathode side outlet passage 331 is connected to the gas exhaust passage of the cathode side gas-liquid separation device 325. The gas circulation flow rate control device 330 adjusts the flow rate and pressure of the gas circulating through the gas circulation path 316 and the cathode gas chamber 301 by discharging the gas to the cathode side outlet passage 331. The gas circulation flow rate control device 330 maintains the gas pressure in the cathode gas chamber 301 at a predetermined value higher than the liquid pressure in the cathode liquid chamber 302. This prevents the cathode liquid in the cathode liquid chamber 302 from passing through the cathode 306 and flowing into the cathode gas chamber 301. A portion of the gas in the cathode gas chamber 301 passes through the cathode 306 and flows into the cathode liquid chamber 302. It is preferable that the amount of gas flowing from the cathode gas chamber 301 into the cathode liquid chamber 302 be small.

カソードガス室301の二酸化炭素はカソード306のガス拡散層311の内部に拡散し、マイクロポーラス層312において還元され、生成物が得られる。生成物は、エチレン及びメタンを主生成物として含み、水素、一酸化炭素、エタノール、ギ酸等の副生成物を微小量含む。生成物の大部分は、カソード306のカソードガス室301側に発生する。なお、生成物の一部は、カソード306のカソード液室302側に発生する。カソード液室302内の生成物には、カソード液室302内に流入した未反応の二酸化炭素が混入する。同様に、カソードガス室301内の生成物には、未反応の二酸化炭素が混入する。 The carbon dioxide in the cathode gas chamber 301 diffuses into the gas diffusion layer 311 of the cathode 306 and is reduced in the microporous layer 312 to obtain products. The products contain ethylene and methane as main products, and also contain minute amounts of by-products such as hydrogen, carbon monoxide, ethanol, and formic acid. Most of the products are generated on the cathode gas chamber 301 side of the cathode 306. Some of the products are generated on the cathode liquid chamber 302 side of the cathode 306. The products in the cathode liquid chamber 302 are mixed with unreacted carbon dioxide that has flowed into the cathode liquid chamber 302. Similarly, the products in the cathode gas chamber 301 are mixed with unreacted carbon dioxide.

カソード306のカソード液室302側に発生した生成物の内、エチレン、メタン、水素、一酸化炭素は気体であり、未反応の二酸化炭素と共にカソード液循環路319のカソード側気液分離装置325によってカソード液から分離され、カソード側出口通路331に流れる。生成物の内のエタノール、ギ酸は、液体でありカソード液と共にカソード液循環路319を循環し、電解質濃度制御装置327からカソード液と共に排出される。カソード液中のエタノールは蒸留等によって分離され、酸素燃焼装置11に供給されるとよい。 Of the products generated on the cathode liquid chamber 302 side of the cathode 306, ethylene, methane, hydrogen, and carbon monoxide are gases, and are separated from the cathode liquid together with unreacted carbon dioxide by the cathode side gas-liquid separator 325 of the cathode liquid circulation path 319, and flow to the cathode side outlet passage 331. Among the products, ethanol and formic acid are liquids, and circulate through the cathode liquid circulation path 319 together with the cathode liquid, and are discharged together with the cathode liquid from the electrolyte concentration control device 327. The ethanol in the cathode liquid may be separated by distillation or the like, and supplied to the oxygen combustion device 11.

カソード306のカソードガス室301側に発生した生成物の内、エチレン、メタン、水素、一酸化炭素は、未反応の二酸化炭素と共にガス循環路316を循環し、ガス循環流量調節装置330からカソード側出口通路331に排出される。カソード側出口通路331は、二酸化炭素分離装置3に接続されるとよい。 Of the products generated on the cathode gas chamber 301 side of the cathode 306, ethylene, methane, hydrogen, and carbon monoxide circulate through the gas circulation path 316 together with unreacted carbon dioxide, and are discharged from the gas circulation flow rate control device 330 to the cathode side outlet passage 331. The cathode side outlet passage 331 may be connected to the carbon dioxide separation device 3.

アノード308では、アノード液中の水及び水酸化物イオンが酸化され、酸素が発生する。酸素は、気体であり、アノード液循環路323のアノード側気液分離装置326によってアノード液から分離され、アノード側出口通路332に流れる。アノード側出口通路332は、二酸化炭素分離装置152に接続されるとよい。 At the anode 308, the water and hydroxide ions in the anode fluid are oxidized to generate oxygen. The oxygen is a gas, and is separated from the anode fluid by the anode-side gas-liquid separator 326 in the anode fluid circulation path 323, and flows to the anode-side outlet passage 332. The anode-side outlet passage 332 may be connected to the carbon dioxide separator 152.

図7に、二酸化炭素分離装置3の他の例を示す。二酸化炭素分離装置400は、カソードである第1ガス拡散電極401と、アノードである第2ガス拡散電極402と、第1ガス拡散電極401及び第2ガス拡散電極402の間に形成され、酸化還元に伴ってプロトンを吸脱着する化合物を含む電解液が供給される液室403と、第1ガス拡散電極401によって液室403に対して区画され、生成ガスが供給される第1室404と、第2ガス拡散電極402によって液室403に対して区画され、生成ガスから分離された二酸化炭素が流れる第2室405とを有する。本実施形態では、二酸化炭素分離装置400は、第2ガス拡散電極402、液室403、第1ガス拡散電極401の順に配置された第1ユニットと、第1ガス拡散電極401、液室403、第2ガス拡散電極402の順に配置された第2ユニットとが互いに間隔をおいて交互に複数積層されたスタック409を有する。互いに隣り合う2つの第1ガス拡散電極401の間には第1室404が形成され、互いに隣り合う2つの第2ガス拡散電極402の間には第2室405が形成されている。 7 shows another example of the carbon dioxide separation device 3. The carbon dioxide separation device 400 has a first gas diffusion electrode 401 as a cathode, a second gas diffusion electrode 402 as an anode, a liquid chamber 403 formed between the first gas diffusion electrode 401 and the second gas diffusion electrode 402, to which an electrolyte solution containing a compound that adsorbs and desorbs protons in association with oxidation and reduction is supplied, a first chamber 404 partitioned from the liquid chamber 403 by the first gas diffusion electrode 401 and to which a generated gas is supplied, and a second chamber 405 partitioned from the liquid chamber 403 by the second gas diffusion electrode 402 and through which carbon dioxide separated from the generated gas flows. In this embodiment, the carbon dioxide separation device 400 has a stack 409 in which a first unit arranged in the order of the second gas diffusion electrode 402, the liquid chamber 403, and the first gas diffusion electrode 401, and a second unit arranged in the order of the first gas diffusion electrode 401, the liquid chamber 403, and the second gas diffusion electrode 402 are alternately stacked at intervals from each other. A first chamber 404 is formed between two adjacent first gas diffusion electrodes 401, and a second chamber 405 is formed between two adjacent second gas diffusion electrodes 402.

第1ガス拡散電極401及び第2ガス拡散電極402のそれぞれは、多孔質導電体を有する。多孔質導電体は、反応面積を増大させるために比表面積が大きいことが好ましい。好ましくは、多孔質導電体の比表面積はBET吸着測定において1m/g以上、より好ましくは100m/g以上、更に好ましくは500m/g以上である。多孔質導電体の表面抵抗は低いほど好ましく、1kΩ/□以下、より好ましくは200Ω/□以下である。多孔質導電体は、例えば、カーボンシート、カーボンクロス、カーボンペーパーであるとよい。 Each of the first gas diffusion electrode 401 and the second gas diffusion electrode 402 has a porous conductor. The porous conductor preferably has a large specific surface area in order to increase the reaction area. The specific surface area of the porous conductor is preferably 1 m 2 /g or more, more preferably 100 m 2 /g or more, and even more preferably 500 m 2 /g or more, as measured by BET adsorption measurement. The surface resistance of the porous conductor is preferably as low as possible, and is preferably 1 kΩ/□ or less, and more preferably 200 Ω/□ or less. The porous conductor may be, for example, a carbon sheet, a carbon cloth, or a carbon paper.

第1ガス拡散電極401及び第2ガス拡散電極402は、溶液抵抗による電圧降下(IRドロップ)をできる限り小さくするため、互いに接触しない程度の距離で可能な限り近接させることが好ましい。第1ガス拡散電極401及び第2ガス拡散電極402の間に、セパレータが挿入されてもよい。セパレータは、絶縁性を有し、かつ電解液を透過させる。セパレータは、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンに代表されるポリオレフィン多孔質膜、ポリエステル、脂肪族ポリアミド、芳香族ポリアミドの多孔質膜及び不織布等から選択されるとよい。 In order to minimize the voltage drop (IR drop) due to solution resistance, it is preferable that the first gas diffusion electrode 401 and the second gas diffusion electrode 402 are as close as possible to each other without touching each other. A separator may be inserted between the first gas diffusion electrode 401 and the second gas diffusion electrode 402. The separator has insulating properties and allows the electrolyte to pass through. The separator may be selected from, for example, a porous membrane of polyolefin such as polyethylene or polypropylene, a porous membrane of polyester, aliphatic polyamide, or aromatic polyamide, and a nonwoven fabric.

複数の第1ガス拡散電極401は直流電源411の負極に接続され、複数の第2ガス拡散電極402は直流電源411の正極に接続されている。 The multiple first gas diffusion electrodes 401 are connected to the negative electrode of a DC power source 411, and the multiple second gas diffusion electrodes 402 are connected to the positive electrode of the DC power source 411.

電解還元装置2のカソード出口通路60は、混合ガス入口通路412を介して各第1室404の入口に接続されている。混合ガス入口通路412の下流部は、各第1室404に対応して分岐している。混合ガス入口通路412の上流部には、生成ガスを各第1室404に向けて送出するブロア413が設けられている。 The cathode outlet passage 60 of the electrolytic reduction device 2 is connected to the inlet of each first chamber 404 via the mixed gas inlet passage 412. The downstream portion of the mixed gas inlet passage 412 branches out corresponding to each first chamber 404. The upstream portion of the mixed gas inlet passage 412 is provided with a blower 413 that sends out the generated gas toward each first chamber 404.

各第1室404の出口のそれぞれは、複数の第1生成ガス出口通路414を介して第1ベッセル415に接続されている。第1ベッセル415は、第2生成ガス出口通路416に接続されている。各第1室404から排出された生成ガスは、複数の第1生成ガス出口通路414のいずれか1つ、第1ベッセル415、第2生成ガス出口通路416を通過して二酸化炭素分離装置400から排出される。第2生成ガス出口通路416には、第1ベッセル415側から順に圧力制御弁418、圧力制御弁419が設けられている。各第1室404の出口のそれぞれは、各第1室404の入口のそれぞれより上方に配置されているとよい。 Each of the outlets of the first chambers 404 is connected to a first vessel 415 via a plurality of first generated gas outlet passages 414. The first vessel 415 is connected to a second generated gas outlet passage 416. The generated gas discharged from each of the first chambers 404 passes through one of the plurality of first generated gas outlet passages 414, the first vessel 415, and the second generated gas outlet passage 416, and is discharged from the carbon dioxide separation device 400. The second generated gas outlet passage 416 is provided with a pressure control valve 418 and a pressure control valve 419, in that order from the first vessel 415 side. It is preferable that each of the outlets of the first chambers 404 is located above each of the inlets of the first chambers 404.

各第2室405の入口と出口とは、二酸化炭素循環通路421によって接続されている。各第2室405の出口のそれぞれは、各第2室405の入口のそれぞれよりも下方に配置されているとよい。二酸化炭素循環通路421には、第2室405の出口側から入口側にかけて、第2ベッセル422、ブロア423、第3ベッセル424が順に設けられている。各第2室405及び二酸化炭素循環通路421には、主として二酸化炭素ガスが流れている。 The inlet and outlet of each second chamber 405 are connected by a carbon dioxide circulation passage 421. The outlet of each second chamber 405 is preferably located lower than the inlet of each second chamber 405. In the carbon dioxide circulation passage 421, a second vessel 422, a blower 423, and a third vessel 424 are provided in this order from the outlet side to the inlet side of the second chamber 405. Carbon dioxide gas mainly flows through each second chamber 405 and the carbon dioxide circulation passage 421.

第2ベッセル422は、気液分離装置として機能する。第2ベッセル422の底部は各第2室405の出口のそれぞれよりも下方に配置され、二酸化炭素循環通路421は各第2室405の出口のそれぞれから第2ベッセル422に向けて下っているとよい。これにより、各液室403から各第2室405に電解質液が漏出した場合、漏出した液体は第2ベッセル422の底部に滞留する。 The second vessel 422 functions as a gas-liquid separator. The bottom of the second vessel 422 is preferably positioned below the outlets of the second chambers 405, and the carbon dioxide circulation passage 421 extends from the outlets of the second chambers 405 downward toward the second vessel 422. As a result, if electrolyte liquid leaks from each liquid chamber 403 into each second chamber 405, the leaked liquid will remain at the bottom of the second vessel 422.

第2ベッセル422内の気体成分は、第2ベッセル422の頂部からブロア423に流れる。ブロア423は、二酸化炭素循環通路421内のガスを第3ベッセル424側に向けて送出する。二酸化炭素循環通路421には、循環する二酸化炭素ガスを電解還元装置2のカソード室31の入口44に戻すための二酸化炭素戻し通路425が接続されている。二酸化炭素戻し通路425は、第3ベッセル424と第1供給通路46とに接続されているとよい。二酸化炭素戻し通路425には、圧力制御弁426が設けられている。 The gas components in the second vessel 422 flow from the top of the second vessel 422 to the blower 423. The blower 423 sends the gas in the carbon dioxide circulation passage 421 toward the third vessel 424. The carbon dioxide circulation passage 421 is connected to a carbon dioxide return passage 425 for returning the circulating carbon dioxide gas to the inlet 44 of the cathode chamber 31 of the electrolytic reduction device 2. The carbon dioxide return passage 425 is preferably connected to the third vessel 424 and the first supply passage 46. The carbon dioxide return passage 425 is provided with a pressure control valve 426.

各液室403の入口のそれぞれは、電解液供給通路431を介して電解液タンク432に接続されている。電解液供給通路431は、各液室403に対応して分岐している。電解液供給通路431には、電解液タンク432側から順に、ポンプ433、流量制御弁(圧力制御弁)434、及び温度調節器435が設けられている。ポンプ433は、電解液を電解液タンク432から各液室403に送出する。温度調節器435は、電解液の温度を調節する。温度調節器435は、電解液を例えば常温から80℃以下に調節する。各液室403の出口のそれぞれは、第1電解液戻し通路437を介して電解液タンク432に接続されている。これにより、電解液は、電解液タンク432、電解液供給通路431、各液室403、及び第1電解液戻し通路437を循環する。 Each of the inlets of the liquid chambers 403 is connected to the electrolyte tank 432 via an electrolyte supply passage 431. The electrolyte supply passage 431 branches out corresponding to each liquid chamber 403. The electrolyte supply passage 431 is provided with a pump 433, a flow control valve (pressure control valve) 434, and a temperature regulator 435 in this order from the electrolyte tank 432 side. The pump 433 sends the electrolyte from the electrolyte tank 432 to each liquid chamber 403. The temperature regulator 435 regulates the temperature of the electrolyte. The temperature regulator 435 regulates the electrolyte, for example, from room temperature to 80°C or less. Each of the outlets of the liquid chambers 403 is connected to the electrolyte tank 432 via a first electrolyte return passage 437. As a result, the electrolyte circulates through the electrolyte tank 432, the electrolyte supply passage 431, each liquid chamber 403, and the first electrolyte return passage 437.

電解液供給通路431におけるポンプ433と流量制御弁434との間の部分は、循環通路438を介して電解液タンク432に接続されている。 The portion of the electrolyte supply passage 431 between the pump 433 and the flow control valve 434 is connected to the electrolyte tank 432 via a circulation passage 438.

電解液タンク432は、電解液補給通路441を介して高濃度電解液タンク442に接続されている。高濃度電解液タンク442には、高濃度電解液が貯留されている。高濃度電解液は、電解液タンク432に貯留されている電解液よりも電解質及び後述する酸化還元に伴ってプロトンを吸脱着する化合物の濃度が高い。電解液補給通路441には、高濃度電解液を高濃度電解液タンク442から電解液タンク432に向けて送出するポンプ443が設けられている。 The electrolyte tank 432 is connected to the high-concentration electrolyte tank 442 via an electrolyte supply passage 441. The high-concentration electrolyte tank 442 stores a high-concentration electrolyte. The high-concentration electrolyte has a higher concentration of electrolytes and compounds that adsorb and desorb protons in association with oxidation-reduction, which will be described later, than the electrolyte stored in the electrolyte tank 432. The electrolyte supply passage 441 is provided with a pump 443 that sends the high-concentration electrolyte from the high-concentration electrolyte tank 442 to the electrolyte tank 432.

第2ベッセル422の底部は、第2電解液戻し通路445を介して電解液タンク432に接続されている。第2電解液戻し通路445には、第2ベッセル422から電解液タンク432に向けて電解液を送出するポンプ446が設けられている。これにより、二酸化炭素ガスから分離され、第2ベッセル422の底部に溜まった電解液は、第2電解液戻し通路445を介して電解液タンク432に戻される。 The bottom of the second vessel 422 is connected to the electrolyte tank 432 via a second electrolyte return passage 445. A pump 446 is provided in the second electrolyte return passage 445 to pump the electrolyte from the second vessel 422 to the electrolyte tank 432. As a result, the electrolyte that has been separated from the carbon dioxide gas and accumulated at the bottom of the second vessel 422 is returned to the electrolyte tank 432 via the second electrolyte return passage 445.

電解液タンク432の頂部は、ガス戻し通路447を介して第2生成ガス出口通路416における圧力制御弁418と圧力制御弁419との間の部分に接続されている。ガス戻し通路447には温度調節器448が設けられている。電解液タンク432の気相の圧力は、圧力制御弁419によって制御され、電解液タンク432内のガスは第2生成ガス出口通路416に流れる。 The top of the electrolyte tank 432 is connected to the portion of the second product gas outlet passage 416 between the pressure control valve 418 and the pressure control valve 419 via a gas return passage 447. A temperature regulator 448 is provided in the gas return passage 447. The pressure of the gas phase of the electrolyte tank 432 is controlled by the pressure control valve 419, and the gas in the electrolyte tank 432 flows to the second product gas outlet passage 416.

電解液は、二酸化炭素分離装置3の電解液と同様であってよい。また、電解液には、酸化還元に伴ってプロトンを吸脱着する化合物が溶解しているとよい。電解液に溶解した化合物は、二酸化炭素分離装置3の電解液に溶解した化合物と同様であってよい。 The electrolyte may be the same as the electrolyte in the carbon dioxide separator 3. In addition, it is preferable that a compound that adsorbs and desorbs protons in association with oxidation and reduction is dissolved in the electrolyte. The compound dissolved in the electrolyte may be the same as the compound dissolved in the electrolyte in the carbon dioxide separator 3.

次に、図7を参照して二酸化炭素分離装置400の動作について説明する。各液室403のカソードとしての第1ガス拡散電極401では、上記の化学式(7)のように、電解液中のベンゾキノン系化合物(Q)が還元してヒドロキノン系化合物(QH)になる。 Next, the operation of the carbon dioxide separation device 400 will be described with reference to Fig. 7. In the first gas diffusion electrode 401 serving as the cathode of each liquid chamber 403, the benzoquinone-based compound (Q) in the electrolyte is reduced to a hydroquinone-based compound ( QH2 ) as shown in the above chemical formula (7).

このとき、第1ガス拡散電極401の近傍においてプロトン(H)がヒドロキノン系化合物に吸蔵されるため、第1ガス拡散電極401の近傍の電解液のpHが還元反応前と比べて相対的に高くなる。pHが相対的に高くなると、二酸化炭素は、その性質により、電解液の溶媒としての水に溶け易くなる。これにより、各第1室404の生成ガス中の二酸化炭素が第1ガス拡散電極401を介して各液室403内の電解液に溶解する。そして、上記の化学式(8)~(10)の反応により、電解液中において二酸化炭素は炭酸水素イオンになる。 At this time, protons (H + ) are absorbed in the hydroquinone-based compound near the first gas diffusion electrode 401, so the pH of the electrolyte near the first gas diffusion electrode 401 becomes relatively higher than that before the reduction reaction. When the pH becomes relatively higher, carbon dioxide, due to its nature, becomes more soluble in water, which is the solvent of the electrolyte. As a result, carbon dioxide in the generated gas in each first chamber 404 dissolves in the electrolyte in each liquid chamber 403 via the first gas diffusion electrode 401. Then, through the reactions of the above chemical formulas (8) to (10), carbon dioxide becomes bicarbonate ions in the electrolyte.

各液室403のアノードとしての第2ガス拡散電極402では、電解液中のヒドロキノン系化合物(QH)が酸化してベンゾキノン系化合物(Q)になる。 In the second gas diffusion electrode 402 serving as the anode of each liquid chamber 403, the hydroquinone-based compound (QH 2 ) in the electrolyte is oxidized to a benzoquinone-based compound (Q).

このとき、第2ガス拡散電極402の近傍においてヒドロキノン系化合物由来のプロトン(H)が放出されるため、第2ガス拡散電極402の近傍の電解液のpHが酸化反応前と比べて相対的に低くなる。pHが相対的に低くなると、上記の化学式(8)~(10)において、炭酸水素イオン、炭酸の平衡状態が炭酸側に偏る。これにより、二酸化炭素が生成される。これにより、電解液中の二酸化炭素が、各第2ガス拡散電極402を介して各第2室405に放出される。このようにして、各第1室404内の混合ガス中の二酸化炭素ガスが、各第2室405にガス状態で分離される。このとき、混合ガス中の炭化水素、酸素、水素等は電解液に溶解せず、第1室404に維持される。これにより、二酸化炭素分離装置400は、混合ガスから二酸化炭素を分離することができる。 At this time, protons (H + ) derived from the hydroquinone-based compound are released near the second gas diffusion electrode 402, so that the pH of the electrolyte near the second gas diffusion electrode 402 becomes relatively lower than that before the oxidation reaction. When the pH becomes relatively lower, the equilibrium state of bicarbonate ions and carbonic acid in the above chemical formulas (8) to (10) is biased toward the carbonic acid side. This generates carbon dioxide. As a result, carbon dioxide in the electrolyte is released into each second chamber 405 through each second gas diffusion electrode 402. In this way, the carbon dioxide gas in the mixed gas in each first chamber 404 is separated in a gaseous state into each second chamber 405. At this time, the hydrocarbons, oxygen, hydrogen, and the like in the mixed gas are not dissolved in the electrolyte and are maintained in the first chamber 404. This allows the carbon dioxide separation device 400 to separate carbon dioxide from the mixed gas.

キノン系化合物の酸化還元反応により、第1ガス拡散電極401側のpHが相対的に高くなり、第2ガス拡散電極402側のpHが相対的に低くなる。これにより、電解液においてpH勾配が形成され、炭酸水素イオン、炭酸、炭酸イオンを第2ガス拡散電極402側に移動させることができる。これにより、第2室405に分離することができる二酸化炭素のガス流量を増加させることができる。 Due to the oxidation-reduction reaction of the quinone compound, the pH on the first gas diffusion electrode 401 side becomes relatively high, and the pH on the second gas diffusion electrode 402 side becomes relatively low. This creates a pH gradient in the electrolyte, and bicarbonate ions, carbonic acid, and carbonate ions can be moved to the second gas diffusion electrode 402 side. This increases the gas flow rate of carbon dioxide that can be separated into the second chamber 405.

二酸化炭素が分離された混合ガス(生成ガス)は、各第1室404から第1ベッセル415を介して第2生成ガス出口通路416に流れる。第2室405に分離された二酸化炭素ガスは、二酸化炭素循環通路421及び各第2室405を循環する。このとき、第2ベッセル422において電解液が二酸化炭素ガスから分離され、第2電解液戻し通路445を介して電解液タンク432に戻される。二酸化炭素循環通路421を流れる二酸化炭素ガスは、圧力制御弁426が開かれることによって、二酸化炭素戻し通路425及び第1供給通路46を介して電解還元装置2に戻される。電解還元装置2は、二酸化炭素分離装置400において生成ガスから分離された二酸化炭素を原料の一部として使用する。 The mixed gas (produced gas) from which carbon dioxide has been separated flows from each first chamber 404 through the first vessel 415 to the second produced gas outlet passage 416. The carbon dioxide gas separated in the second chamber 405 circulates through the carbon dioxide circulation passage 421 and each second chamber 405. At this time, the electrolyte is separated from the carbon dioxide gas in the second vessel 422 and returned to the electrolyte tank 432 through the second electrolyte return passage 445. The carbon dioxide gas flowing through the carbon dioxide circulation passage 421 is returned to the electrolytic reduction device 2 through the carbon dioxide return passage 425 and the first supply passage 46 by opening the pressure control valve 426. The electrolytic reduction device 2 uses the carbon dioxide separated from the produced gas in the carbon dioxide separation device 400 as part of the raw material.

1 :液体燃料製造システム
2 :電解還元装置
3 :二酸化炭素分離装置
4 :水分離装置
5 :深冷分離装置
6 :第1反応装置
7 :第1分離装置
8 :第2反応装置
9 :第2分離装置
11 :酸素燃焼装置
1: Liquid fuel production system 2: Electrolytic reduction device 3: Carbon dioxide separation device 4: Water separation device 5: Cryogenic separation device 6: First reactor 7: First separator 8: Second reactor 9: Second separator 11: Oxygen combustion device

Claims (7)

二酸化炭素及び水の電解還元によって、少なくともエチレン及び水素を含む生成ガスと未反応の前記二酸化炭素とを少なくとも含む混合ガスと、酸素ガスとを得る電解還元装置と、
前記混合ガスから前記二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離装置と、
前記二酸化炭素が分離された前記混合ガスから水を分離する水分離装置と、
前記二酸化炭素及び前記水が分離された前記混合ガスを、前記エチレンと、前記水素と、残余のオフガスとに分離する深冷分離装置と、
前記深冷分離装置で得られた前記エチレンのオリゴメリゼーションによってα-オレフィンを含む第1混合物を得る第1反応装置と、
前記第1混合物から軽質炭化水素を分離する第1分離装置と、
前記軽質炭化水素が分離された前記第1混合物を水素化分解及び水素化異性化することによって液体燃料を含む第2混合物を得る第2反応装置と、
前記第2混合物を、少なくとも液体燃料と、分解ガスと、重質炭化水素とに分離する第2分離装置とを有する液体燃料製造システム。
an electrolytic reduction device for obtaining a mixed gas containing at least a product gas containing at least ethylene and hydrogen and unreacted carbon dioxide, and oxygen gas by electrolytic reduction of carbon dioxide and water;
a carbon dioxide separator that separates the carbon dioxide from the mixed gas;
a water separation device that separates water from the mixed gas from which the carbon dioxide has been separated;
a cryogenic separation device that separates the mixed gas from which the carbon dioxide and the water have been separated into the ethylene, the hydrogen, and a remaining off-gas;
a first reactor for obtaining a first mixture containing α-olefins by oligomerization of the ethylene obtained in the cryogenic separation device;
a first separation device for separating light hydrocarbons from the first mixture;
a second reactor for hydrocracking and hydroisomerizing the first mixture from which the light hydrocarbons have been separated to obtain a second mixture containing a liquid fuel;
A liquid fuel production system comprising a second separation device for separating the second mixture into at least liquid fuel, cracked gases, and heavy hydrocarbons.
前記深冷分離装置で得られた前記オフガスと、前記第1分離装置で得られた前記軽質炭化水素と、前記第2分離装置で得られた前記分解ガス及び前記重質炭化水素と、前記電解還元装置で得られた酸素とを燃焼させ、生成された二酸化炭素及び水を前記電解還元装置に原料として供給する酸素燃焼装置を有する請求項1に記載の液体燃料製造システム。 The liquid fuel production system according to claim 1, further comprising an oxygen combustion device that combusts the off-gas obtained in the cryogenic separation device, the light hydrocarbons obtained in the first separation device, the cracked gas and the heavy hydrocarbons obtained in the second separation device, and the oxygen obtained in the electrolytic reduction device, and supplies the generated carbon dioxide and water as raw materials to the electrolytic reduction device. 前記酸素燃焼装置で発生した熱が、前記二酸化炭素分離装置、前記水分離装置、前記第1反応装置、前記第1分離装置及び前記第2分離装置の少なくとも1つに供給される請求項2に記載の液体燃料製造システム。 The liquid fuel production system according to claim 2, wherein heat generated in the oxygen combustion device is supplied to at least one of the carbon dioxide separation device, the water separation device, the first reaction device, the first separation device, and the second separation device. 前記深冷分離装置で得られた前記水素が前記第2反応装置に供給される請求項1~3のいずれか1つの項に記載の液体燃料製造システム。 A liquid fuel production system according to any one of claims 1 to 3, in which the hydrogen obtained in the cryogenic separation device is supplied to the second reactor. 前記二酸化炭素分離装置で得られた前記二酸化炭素が前記電解還元装置に原料として供給される請求項1~3のいずれか1つの項に記載の液体燃料製造システム。 The liquid fuel production system according to any one of claims 1 to 3, wherein the carbon dioxide obtained in the carbon dioxide separation device is supplied as a raw material to the electrolytic reduction device. 前記電解還元装置で副生する低級アルコールが前記酸素燃焼装置に燃料として供給される請求項2又は3に記載の液体燃料製造システム。 The liquid fuel production system according to claim 2 or 3, wherein a lower alcohol by-produced in the electrolytic reduction device is supplied as fuel to the oxygen combustion device. 二酸化炭素及び水の電解還元によって、少なくともエチレン及び水素を含む生成ガスと未反応の前記二酸化炭素とを少なくとも含む混合ガスと、酸素ガスとを得る電解還元工程と、
前記混合ガスから前記二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離工程と、
前記二酸化炭素が分離された前記混合ガスから水を分離する水分離工程と、
前記二酸化炭素及び前記水が分離された前記混合ガスを、前記エチレンと、前記水素と、残余のオフガスとに分離する深冷分離工程と、
前記深冷分離工程で得られた前記エチレンのオリゴメリゼーションによってα-オレフィンを含む第1混合物を得る第1反応工程と、
前記第1混合物から軽質炭化水素を分離する第1分離工程と、
前記軽質炭化水素が分離された前記第1混合物を水素化分解及び水素化異性化することによって液体燃料を含む第2混合物を得る第2反応工程と、
前記第2混合物を、少なくとも液体燃料と、分解ガスと、重質炭化水素とに分離する第2分離工程とを有する液体燃料の製造方法。
an electrolytic reduction step of obtaining a mixed gas containing at least a product gas containing at least ethylene and hydrogen and unreacted carbon dioxide, and oxygen gas by electrolytic reduction of carbon dioxide and water;
a carbon dioxide separation step of separating the carbon dioxide from the mixed gas;
a water separation step of separating water from the mixed gas from which the carbon dioxide has been separated;
a cryogenic separation step of separating the mixed gas from which the carbon dioxide and the water have been separated into the ethylene, the hydrogen, and a remaining off-gas;
a first reaction step of obtaining a first mixture containing α-olefins by oligomerization of the ethylene obtained in the cryogenic separation step;
a first separation step of separating light hydrocarbons from the first mixture;
a second reaction step of hydrocracking and hydroisomerizing the first mixture from which the light hydrocarbons have been separated to obtain a second mixture containing a liquid fuel;
A method for producing liquid fuel, comprising: a second separation step of separating the second mixture into at least liquid fuel, cracked gas, and heavy hydrocarbons.
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