JP5521193B2 - 気体化石燃料から水素を抽出する方法 - Google Patents
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この発明は、CO2の排出量を抑えて気体化石燃料から水素を抽出する新規の方法に関する。
化石燃料中の炭化水素をH2OまたはCO2によりH2とCOの混合ガスに変換する方法は、例えば非特許文献1に記載されている。このH2とCOの混合ガスを合成ガスと呼んでいる。合成ガスを製造し、これを取り扱いの便利な別の形態の炭化水素に変換する方法をC1化学と呼んでいる。C1化学で作られた液体アルコールをガソリンと混合して燃料に使用することは実用化されている（非特許文献１）。C1化学で作られたアルコール中に存在する炭素は、すべて化石燃料中の炭化水素に由来するものであり、燃焼後はすべてCO2になって大気中に放出され、地球温暖化の遠因となる。したがってC1化学経由で得られる炭化水素変換燃料を燃焼させた場合に発生するCO2の量と化石燃料中の炭化水素を直焚きする場合に発生するCO2の量との間にはまったく差がないといえる。
高温のCOを冷却してCとCO2に変換する工業的方法は存在しないが、木炭や石炭を燃焼させた場合に発生したCOガスが排気用煙突内でCとCO2に分解し、固体の炭素である煤が煙突の内壁に付着する現象は良く見られるところである。
高温のCOを冷却してCとCO2に変換する工業的方法は存在しないが、木炭や石炭を燃焼させた場合に発生したCOガスが排気用煙突内でCとCO2に分解し、固体の炭素である煤が煙突の内壁に付着する現象は良く見られるところである。
日本化学会編、化学便覧 応用化学編 第５版 第Ｉ分冊 (丸善 1995年発行)
化石燃料中の炭化水素を燃料として利用する場合、化石燃料を直焚きする場合と、一旦合成ガスに変換し、その後さらに液体燃料に変換して燃焼させる場合とがある。いずれの場合であっても、化石燃料中に存在した炭素は最終的にはCO2になって大気中に放出される。本発明は化石燃料中からH2を抽出した上、H2抽出前の炭化水素に含有されていた炭素を固体炭素として回収することにより、これまで大気中に放出されてきた化石燃料由来のCO2の放出量を削減ないしは皆無にしようとするものである。
また、C1化学においては混合ガスをH2とCOに分離する場合には隔膜を必要としているが、性能の良い隔膜が存在しないという問題点を抱えている。本発明はH2とCOの分離に隔膜の使用を不用にしようとするものである。
また、C1化学においては混合ガスをH2とCOに分離する場合には隔膜を必要としているが、性能の良い隔膜が存在しないという問題点を抱えている。本発明はH2とCOの分離に隔膜の使用を不用にしようとするものである。
以下、添付図面の符号を参照して説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
上記課題を解決するための、この出願に係る発明の水素抽出方法は、気体化石燃料と変換剤としての気体CO2をガス混合器に導入して混合することにより、原料ガスを生成する工程と、この原料ガスを700℃から1000℃の間の一定温度に保持された反応器に導いてH2、CO混合ガスに変換する工程と、このH2、CO混合ガスを-80℃以下の温度に保持されたセパレーターに導いて冷却し、固体のC、液体のCO2及び気体のH2に分解する工程と、前記セパレーター中の気体のH2を分離し、その一部を前記反応器の加熱燃料として使用し、残余を貯蔵する工程と、セパレーター中の固体のCと液体のCO2を気化器に導いて、液体のCO2を気化し、固体のCを回収する工程と、気化された気体のCO2を前記ガス混合器に戻し、変換剤として気体化石燃料と混合し循環使用する工程とを含む。
また、本発明に係る他の水素抽出方法は、気体化石燃料と変換剤としての水蒸気をガス混合器に導入して混合することにより、原料ガスを生成する工程と、この原料ガスを700℃から1000℃の間の一定温度に保持された反応器に導いてH2、CO混合ガスに変換する工程と、このH2、CO混合ガスを-80℃以下の温度に保持されたセパレーターに導いて冷却し、固体のC、液体のCO2及び気体のH2に分解する工程と、セパレーター中の気体のH2を分離し、その一部を前記反応器の加熱燃料として使用し、残余を貯蔵する工程と、セパレーター中の固体のCと液体のCO2を気化器に導いて、液体のCO2を気化して保存または大気中に放出し、固体のCを回収する工程とを含む。
上記課題を解決するための、この出願に係る発明の水素抽出方法は、気体化石燃料と変換剤としての気体CO2をガス混合器に導入して混合することにより、原料ガスを生成する工程と、この原料ガスを700℃から1000℃の間の一定温度に保持された反応器に導いてH2、CO混合ガスに変換する工程と、このH2、CO混合ガスを-80℃以下の温度に保持されたセパレーターに導いて冷却し、固体のC、液体のCO2及び気体のH2に分解する工程と、前記セパレーター中の気体のH2を分離し、その一部を前記反応器の加熱燃料として使用し、残余を貯蔵する工程と、セパレーター中の固体のCと液体のCO2を気化器に導いて、液体のCO2を気化し、固体のCを回収する工程と、気化された気体のCO2を前記ガス混合器に戻し、変換剤として気体化石燃料と混合し循環使用する工程とを含む。
また、本発明に係る他の水素抽出方法は、気体化石燃料と変換剤としての水蒸気をガス混合器に導入して混合することにより、原料ガスを生成する工程と、この原料ガスを700℃から1000℃の間の一定温度に保持された反応器に導いてH2、CO混合ガスに変換する工程と、このH2、CO混合ガスを-80℃以下の温度に保持されたセパレーターに導いて冷却し、固体のC、液体のCO2及び気体のH2に分解する工程と、セパレーター中の気体のH2を分離し、その一部を前記反応器の加熱燃料として使用し、残余を貯蔵する工程と、セパレーター中の固体のCと液体のCO2を気化器に導いて、液体のCO2を気化して保存または大気中に放出し、固体のCを回収する工程とを含む。
この出願に係る発明の方法によれば、化石燃料中からH2を抽出した上、H2抽出前の炭化水素に含有されていた炭素を固体炭素として回収することにより、これまで大気中に放出されてきた化石燃料由来のCO2の放出量を削減ないしは皆無にすることができる。また、隔膜を使用することなく、H2とCOの分離を効率的に行うことができる。
図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。
化石燃料中の炭化水素からCOやCO2を大気中へ放出することなしに、CO2を用いてH2と固体のCを抽出する本発明のプロセスの概略を図1に示す。図中の二重枠で囲ったものは装置であり、点線で囲ったものは物質である。
化石燃料中の炭化水素からCOやCO2を大気中へ放出することなしに、CO2を用いてH2と固体のCを抽出する本発明のプロセスの概略を図1に示す。図中の二重枠で囲ったものは装置であり、点線で囲ったものは物質である。
このプロセスでは、気体の化石燃料と、変換剤としての気体のCO2が、ガス混合器１に同時に導入される。気体の化石燃料とCO2の混合ガス(この混合ガスを以下「原料ガス」と呼ぶ。原料ガスを製造するために化石燃料に加えられるCO2を以下「変換剤」と呼ぶ。) は、700℃から1000℃の間の一定温度に保持された反応器２に導かれる。ここで原料ガスはH2とCOに変換される。変換されて生成したH2とCOの混合ガス(この混合ガスを以下「CO2由来の生成ガス」と呼ぶ)は、外側から-80℃(液体窒素温度)以下の温度に冷却されているセパレーター３に導かれる。
セパレーター３に導かれたCO2由来の生成ガス中のCOガスは、固体のCと液体のCO2に分解する。生成ガス中のH2は気体のままである。液体のCO2はセパレーター３の下部に溜まる。生成した固体のCは、セパレーター３の壁面に付着するか液体CO2の表面に堆積する。H2は気体のままセパレーター３の上部から系外に連続的に排出され、工業的に利用するために貯蔵される。セパレーター３の壁面に付着したCは間歇的に剥ぎ取られてセパレーター３内の下部に溜まっている液体CO2の上面に蓄積する。セパレーター３の下部に溜まった固体のCと液体のCO2は、常温に保持されている気化器４に間歇的に導かれる。気化器４に導かれた液体のCO2は、気体となってガス混合器１に戻される。気化器４の中の液体CO2がすべて気体になると、固体のCは気化器４の底に固体のまま残り回収される。ガス混合器１に戻されたCO2は化石燃料中の炭化水素を変換する変換剤として使用される。すなわち、CO2は循環利用される。
反応器２を加熱するための熱源は、セパレーター３で分離されたH2の一部を燃焼させ、その反応熱を利用して得ることができる。
水蒸気を変換剤として用いて化石燃料中の炭化水素からH2と固体のCを抽出する本発明の他の実施形態に係るプロセスの概略を図２に示す。図1と同様、図中の二重枠で囲ったものは装置であり、点線で囲ったものは物質である。
このプロセスでは、気体の化石燃料と水蒸気が同時にガス混合器１に導入される。気体の化石燃料と水蒸気の混合ガス(以下「原料ガス」という。) は、先の実施形態と同様の高温に保持された反応器２に導かれる。ここで原料ガスはH2とCOに変換される。変換されて生成したH2とCOの混合ガス(以下この混合ガスを「H2O由来の生成ガス」と呼ぶ)は、-80℃(液体窒素温度)以下の温度に冷却されているセパレーター３に導かれる。
セパレーター３に導かれたH2O由来の生成ガス中のCOは、固体のCと液体のCO2に分解する。液体のCO2はセパレーター３の下部に溜まる。生成した固体のCはセパレーター３の壁面に付着するかまたは液体のCO2の表面に堆積する。H2は気体のままセパレーター３の上部から系外に連続的に排出される。セパレーター３の壁面に付着したCは、間歇的に剥ぎ取られてセパレーター３の下部に溜まっている液体CO2の上面に蓄積する。セパレーター３に導かれたH2O由来の生成ガス中のH2は、気体のままセパレーター３の上部から系外に連続的に排出され工業的に利用するため貯蔵器に貯蔵される。セパレーター３の下部に溜まった固体のCと液体のCO2は間歇的にセパレーター３から排出される。セパレーター３から排出されたCO2は、常温に保持されている気化器４を経て気体となり、容器中に充填されて保存されるか、あるいは大気中に放出される。気化器４の中の液体CO2がすべて気体になると、固体のCは気化器４の底に固体のまま残り回収される。セパレーター３から放出されるCO2の量は、化石燃料を直焚きした場合の半分である。反応器２を加熱するための熱源は、セパレーター３で分離されたH2の一部を燃焼させ、その反応熱から得ることができる。COとH2の分離のための隔膜を必要としない。
以上のプロセスにおいて利用する化学反応を説明する。気体の化石燃料として最も良く使用されるものは天然ガスであり、天然ガスの主成分はメタンなので、メタンを例にとって説明する。
メタンの化学記号はCH4である。CO2を用いて反応器２中でメタンをH2とCOに変換する反応は(1)式で書ける。
(1)式で生成したCOがセパレーター３中でCとCO2に分解する反応は(2)式で書ける。
反応器２とセパレーター３とを組み合わせたプロセスを一つのプロセスとみなして、CO2によるメタンの変換を総括反応式として示すと、(3)式となる。
(3)式は、(1)式と(2)式の反応における各物質のモル割合が充たされていればCO2は生成しないことを示している。
H2Oを用いて反応器２中でメタンをH2とCOに変換する反応は(4)式で書ける。
(4)式で生成したCOがセパレーター中でCとCO2に分解する反応は(2)式と同じである。反応器２とセパレーター３とを組み合わせたプロセスを一つのプロセスとみなしてH2Oによるメタンの変換を総括反応式として示すと、(5)式となる。
メタンを空気中で生焚きする場合の反応式は(6)式である。
(5)式により生成したCO2と(6)式により生成したCO2のどちらもが大気中に放出されるとして、その放出CO2の量を比較すると以下のとおりである。
メタン1モルを変換したときに発生するCO2は(5)式の場合には0.5モルであるが、メタン1モルを変換せずに直焚きする場合に発生するCO2の量は(6)式から1モルとなり、直焚きの場合の放出量が変換利用の場合の2倍になる。
したがってCO2低減という観点から見ると、変換により生成したH2を利用するほうが直焚きに比べCO2発生量が少ないといえる。このプロセスでは、CO2を循環利用する部分が無いので、CO2の大気放出は避けられないが、その量を直焚きの場合の半分に減少させることができる、といえる。
メタン系炭化水素はいくつかの種類があるが、それを一般式として CnH2n+2 と書くことができる。ここでｎは正の整数である。ｎ=1の場合がメタンであり、ｎ=2がエタン、n=3がプロパンである。これをCO2で変換してH2とCOにする場合、(1)式に相当する反応は(7)式で書ける。
(7)式で生成したCOガスがセパレーター３中でCとCO2に分解する反応は(8)式で書ける。
(8)式により生成したCO2はメタンを例にした場合と同様に循環使用できるので、炭化水素と変換剤であるCO2の間の化学量論数に過不足が無い限り大気中に放出されるCO2は発生しない。
メタンの化学記号はCH4である。CO2を用いて反応器２中でメタンをH2とCOに変換する反応は(1)式で書ける。
H2Oを用いて反応器２中でメタンをH2とCOに変換する反応は(4)式で書ける。
メタン1モルを変換したときに発生するCO2は(5)式の場合には0.5モルであるが、メタン1モルを変換せずに直焚きする場合に発生するCO2の量は(6)式から1モルとなり、直焚きの場合の放出量が変換利用の場合の2倍になる。
したがってCO2低減という観点から見ると、変換により生成したH2を利用するほうが直焚きに比べCO2発生量が少ないといえる。このプロセスでは、CO2を循環利用する部分が無いので、CO2の大気放出は避けられないが、その量を直焚きの場合の半分に減少させることができる、といえる。
メタン系炭化水素はいくつかの種類があるが、それを一般式として CnH2n+2 と書くことができる。ここでｎは正の整数である。ｎ=1の場合がメタンであり、ｎ=2がエタン、n=3がプロパンである。これをCO2で変換してH2とCOにする場合、(1)式に相当する反応は(7)式で書ける。
(1)式、(5)式あるいは(7)式で書かれる炭化水素の変換反応は吸熱反応であり、(2)式あるいは(8)式で書かれるCOの分解反応は発熱反応である。したがって変換剤としてCO2を使用する場合でも、H2Oを使用する場合でも、反応器２に熱を供給しないと変換反応は進行しない。メタン系炭化水素の分解熱を生成したH2の一部を燃焼させて得られる燃焼熱で補充した場合と外部の別のエネルギー源から供給された熱エネルギーで補充する場合に産業用に使用できるH2のモル数を表1に示す。炭化水素の分解熱およびH2の燃焼熱は熱力学データブック（I.Barin、Thermochemical Data of Pure Substances 3rd.Edition （VCH・1995））を利用して計算した。熱計算に当たって熱効率は考慮していない。
メタン系炭化水素の分解熱をH2の燃焼熱で補充するとした場合と、外部から熱供給を受ける場合の産業用に使用できるH2の量の比較を表2に示した。
表2に示した利用可能なH2の比は(9)式で定義した。
ここで計算した3種類のメタン系炭化水素において産業用に利用できるH2エネルギーの量は、分解熱を生成したH2の燃焼により補償する場合は外部から熱を供給する場合の40%弱となる。
１ ガス混合器
２ 反応器
３ セパレーター
４ 気化器
２ 反応器
３ セパレーター
４ 気化器
Claims (2)
- 気体化石燃料と変換剤としての気体CO2をガス混合器に導入して混合することにより、原料ガスを生成する工程と、
この原料ガスを700℃から1000℃の間の一定温度に保持された反応器に導いてH2、CO混合ガスに変換する工程と、
このH2、CO混合ガスを-80℃以下の温度に保持されたセパレーターに導いて冷却し、固体のC、液体のCO2及び気体のH2に分解する工程と、
前記セパレーター中の気体のH2を分離し、その一部を前記反応器の加熱燃料として使用し、残余を貯蔵する工程と、
前記セパレーター中の固体のCと液体のCO2を気化器に導いて、液体のCO2を気化し、固体のCを回収する工程と、
気化された前記気体のCO2を前記ガス混合器に戻し、前記変換剤として気体化石燃料と混合し循環使用する工程とを含むことを特徴とする水素の抽出方法。 - 気体化石燃料と変換剤としての水蒸気をガス混合器に導入して混合することにより、原料ガスを生成する工程と、
この原料ガスを700℃から1000℃の間の一定温度に保持された反応器に導いてH2、CO混合ガスに変換する工程と、
このH2、CO混合ガスを-80℃以下の温度に保持されたセパレーターに導いて冷却し、固体のC、液体のCO2及び気体のH2に分解する工程と、
前記セパレーター中の気体のH2を分離し、その一部を前記反応器の加熱燃料として使用し、残余を貯蔵する工程と、
前記セパレーター中の固体のCと液体のCO2を気化器に導いて、液体のCO2を気化して保存または大気中に放出し、固体のCを回収する工程とを含むことを特徴とする水素の抽出方法。
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