JP5706294B2 - Catalytic reactor - Google Patents
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Description
本発明は、反応管内で原料としての含炭化水素化合物を粉体触媒と攪拌混合し、含炭化水素化合物を触媒反応により熱分解させて、水素(H2)とともに超微粉炭素を生成させる触媒反応装置に関する。 The present invention is a catalytic reaction in which a hydrocarbon-containing compound as a raw material is stirred and mixed in a reaction tube with a powder catalyst, and the hydrocarbon-containing compound is thermally decomposed by catalytic reaction to produce ultrafine carbon together with hydrogen (H 2 ). Relates to the device.
ここでは、含炭化水素化合物として、低級炭化水素であるメタンを主として例に採り説明する。 Here, methane, which is a lower hydrocarbon, will be mainly described as an example of the hydrocarbon-containing compound.
なお、本願明細書および特許請求の範囲における技術用語「含炭化水素化合物」および「超微粉炭素」の意味はそれぞれ下記の通りとする。 The meanings of the technical terms “hydrocarbon compound” and “ultrafine carbon” in the present specification and claims are as follows.
「含炭化水素化合物」・・・飽和・不飽和脂肪族・脂環式および芳香族炭化水素ばかりでなく、有機溶剤として多用されている炭化水素誘導体、例えば、アルコール、酸、エステル、エーテル等も含む。また、「原料としての含炭化水素化合物」には、不純物(他成分)を含んで「含炭化水素化合物」を主体とするものも含む。 “Hydrocarbon-containing compounds”: not only saturated / unsaturated aliphatic / alicyclic and aromatic hydrocarbons, but also hydrocarbon derivatives frequently used as organic solvents, such as alcohols, acids, esters, ethers, etc. Including. In addition, the “hydrocarbon compound as a raw material” includes those mainly containing the “hydrocarbon compound” including impurities (other components).
「超微粉炭素」・・・200メッシュ(DIN)以下の微粉炭素をいい、1μm未満のナノ炭素(ナノファイバー、ナノチューブ)まで含む。 “Ultra fine carbon”: Fine carbon of 200 mesh (DIN) or less, including nano carbon (nanofibers, nanotubes) of less than 1 μm.
京都議定書によるCO2を含む温室効果ガス排出量規制の数値目標達成のために、種々のCO2削減対策が実施されている。 Various CO 2 reduction measures have been implemented in order to achieve the numerical targets for the regulation of greenhouse gas emissions including CO 2 under the Kyoto Protocol.
メタンは、天然ガス(LNG)、メタンハイドレート、炭層メタン、バイオガス等の主成分であり、その資源量が豊富であるとともに、単位発熱量あたりのCO2発生量が最も少ない炭化水素なので、それらを、従来の石炭・石油の代替燃料として使用される傾向にある。 Methane is a major component of natural gas (LNG), methane hydrate, coal seam methane, biogas, etc., and is a hydrocarbon with abundant resources and the smallest amount of CO 2 generated per unit calorific value. They tend to be used as alternative fuels for conventional coal and oil.
また、水素(H2)は、燃焼させてもCO2が発生しないので、水素燃料電池自動車や水素燃料発電の開発もすすめられている。 Further, since hydrogen (H 2 ) does not generate CO 2 when burned, development of hydrogen fuel cell vehicles and hydrogen fuel power generation is also being promoted.
しかし、メタン水蒸気改質法(CH4+2H2O=CO2+4H2)で水素を製造するに際して、CO2が副生する。このため、メタン水蒸気改質法で発生するCO2の処理が問題となる。 However, when hydrogen is produced by the methane steam reforming method (CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2 ), CO 2 is by-produced. For this reason, the treatment of CO 2 generated in the methane steam reforming method becomes a problem.
このため、メタンを水素(H2)と炭素(C)に触媒を用いて直接改質するメタン直接改質法(CH4=C+2H2)が考えられる。 For this reason, a methane direct reforming method (CH 4 = C + 2H 2 ) in which methane is directly reformed with hydrogen (H 2 ) and carbon (C) using a catalyst can be considered.
しかし、上記各反応式で示される如く、メタン直接改質法では、水素(H2)がメタン水蒸気改質法の1/2であり、また、炭素の燃焼熱(メタン水蒸気改質法は発熱反応)を利用できないので、製造コスト的見地から躊躇されているのが現状である。 However, as shown in the above reaction formulas, in the methane direct reforming method, hydrogen (H 2 ) is ½ that of the methane steam reforming method, and the combustion heat of carbon (the methane steam reforming method generates heat). (Reaction) cannot be used, so the current situation is deceived from the viewpoint of manufacturing cost.
他方、メタン直接改質法で、水素と共に得られる炭素材料がナノ炭素等の高付加価値なもの(高有価製品)となれば、全体収益は、水蒸気改質法と変わらないと考えられる。 On the other hand, if the carbon material obtained together with hydrogen in the methane direct reforming method becomes a high added value product (high value product) such as nanocarbon, the total profit is considered to be the same as the steam reforming method.
さらに、バイオマス由来メタン(以下「バイオメタン」)を直接改質すると、大気中CO2→バイオマス→バイオメタン→炭素(+水素)のルートを経由することにより、大気中のCO2を純減でき、カーボンマイナスの実現も期待できる。 Furthermore, direct reforming of biomass-derived methane (hereinafter referred to as “biomethane”) can reduce CO 2 in the atmosphere by going through the route of atmospheric CO 2 → biomass → biomethane → carbon (+ hydrogen). The realization of carbon minus can also be expected.
上記観点から、特許文献1・2等において、下記内容のナノ炭素ないし水素の製造方法およびナノ炭素製造用の触媒反応装置が提案されている。
From the above viewpoints,
即ち、特許文献1には、「スクリューフィーダーにより低級炭化水素と触媒とを両者が向流または対向流の状態で接触するように連続的に供給し、前記スクリューフィーダー内の前記触媒上で前記低級炭化水素を熱分解するとともに、前記熱分解により前記触媒上に生成されたナノ炭素と触媒の複合物質をスクリューによってスクリューフィーダーの下流側に連続的に移送して前記スクリューフィーダーの下流端側でスクリューフィーダー外に送出することを特徴とするナノ炭素の製造方法及びナノ炭素製造用反応装置」が提案されている(請求項1参照)。 That is, Patent Document 1 states that “a lower hydrocarbon and a catalyst are continuously supplied by a screw feeder so as to be in contact with each other in a countercurrent or countercurrent state, and the lower hydrocarbon and the catalyst are placed on the catalyst in the screw feeder. While thermally decomposing hydrocarbons, the nanocarbon-catalyst composite material produced on the catalyst by the pyrolysis is continuously transferred to the downstream side of the screw feeder by a screw and screwed at the downstream end side of the screw feeder. There has been proposed a nanocarbon production method and a reaction apparatus for producing nanocarbon characterized by being sent out of a feeder (see claim 1).
また、特許文献2には、「低級炭化水素を触媒を使用して直接分解し、機能性ナノ炭素と水素を得る反応において、前記低級炭化水素に低濃度の酸化性ガスあるいは還元性ガスまたはそれらの混合物ガスを共存させて前記反応に供することを特徴とする低級炭化水素からの機能性ナノ炭素及び水素の製造方法。」が提案されている。
Further,
本発明は、前記特許文献1記載の「反応管内で原料としての炭化水素を粉体触媒と攪拌混合して、前記炭化水素を触媒反応により熱分解させて、前記反応管内で水素とともに超微粉炭素を生成させる触媒反応装置」を基本として改良したものであって、ナノ炭素(ナノカーボン)を含む超微粉炭素を、さらに効率的に連続して大量生産ができる新規な構成の「触媒反応装置」を提供することを目的とする。 According to the present invention described in Patent Document 1, “hydrocarbon as a raw material is stirred and mixed in a reaction tube with a powder catalyst, the hydrocarbon is thermally decomposed by catalytic reaction, and ultrafine carbon together with hydrogen in the reaction tube” "Catalytic reactor" that is improved based on the "catalytic reactor" that has a novel configuration that enables more efficient and continuous mass production of ultra-fine carbon containing nanocarbon (nanocarbon) The purpose is to provide.
本発明の他の目的は、原料としてメタン等の気体の含炭化水素化合物ばかりでなく、液体や固体の含炭化水素化合物の触媒反応による熱分解にも適用可能な触媒反応装置を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide a catalytic reactor that can be applied not only to gas-containing hydrocarbon compounds such as methane as a raw material but also to thermal decomposition by catalytic reaction of liquid or solid hydrocarbon compounds. Objective.
本発明者らは、鋭意開発に努力をした結果、下記構成の「触媒反装置」に想到した。参考のために括弧付きで図符号を付す。 As a result of diligent development, the present inventors have conceived a “catalytic reaction apparatus” having the following configuration. For reference, a figure symbol is attached in parentheses.
外部加熱手段(2)を備える反応管(3)内で原料としての含炭化水素化合物を粉体触媒と攪拌混合し、含炭化水素化合物を触媒反応により熱分解させて、前記反応管(3)内で水素とともに超微粉炭素を生成させる触媒反応装置であって、
前記反応管(3)は回転式の搬送攪拌手段(7)が内蔵され、さらに、
前記反応管(3)内に1箇所又は複数箇所で原料を気密的に供給する原料供給手段(11)と、
前記反応管(3)内に1箇所又は複数箇所で触媒を気密的に供給する触媒供給手段(17)、(19)と、
前記反応管(3)の搬送方向先端側に接続されて粉体製品を触媒とともに気密的に排出する粉体排出手段(25)と、
前記反応管(3)の上部側の1箇所又は複数箇所に接続されて気体成分を吸引排出する気体排出手段(30)、(34)(35)と、
を付設して前記反応管(3)内を減圧下として前記触媒反応を可能とされている、ことを特徴とする。
In the reaction tube (3) provided with the external heating means (2), the hydrocarbon-containing compound as a raw material is stirred and mixed with the powder catalyst, and the hydrocarbon-containing compound is thermally decomposed by a catalytic reaction, whereby the reaction tube (3) A catalytic reactor for generating ultrafine carbon together with hydrogen in the interior ,
The reaction tube (3) has a built-in rotary conveyance stirring means (7), and
A raw material supply means (11) for airtightly supplying the raw material at one or a plurality of locations in the reaction tube (3);
Catalyst supply means (17), (19) for airtightly supplying the catalyst in one or a plurality of locations in the reaction tube (3);
A powder discharge means (25) connected to the front end side in the transport direction of the reaction tube (3) and discharging the powder product together with the catalyst in an airtight manner;
Gas discharge means (30), (34) and (35) connected to one or a plurality of locations on the upper side of the reaction tube (3) to suck and discharge gas components;
Is attached to the reaction tube (3) under reduced pressure to enable the catalytic reaction.
本発明に係る触媒反応装置は、原料供給及び触媒供給時、及び反応管内部、そして粉体製品の排出時においても、気体排出手段による吸引作用にて、すべての連通する装置内部は減圧され、減圧下で熱分解されるため、当該触媒反応が促進され、逆流、逆火が防止されていて安全に連続処理できる。 In the catalytic reaction apparatus according to the present invention, the inside of all communicating apparatuses is depressurized by the suction action by the gas discharge means at the time of raw material supply and catalyst supply, and at the time of discharge of the powder product and the powder product, Since it is thermally decomposed under reduced pressure, the catalytic reaction is promoted, backflow and backfire are prevented, and continuous treatment can be safely performed.
反応管から排出される水素を含む又は水素が分離された気体成分(排ガス)を、熱風加熱炉内へ導入すれば完全に熱分解できる。即ち、熱風加熱炉内は、「廃掃法」等でダイオシン類発生抑制に必要とされている燃焼温度:800℃以上、高温滞留時間:2秒以上に維持されるため、環境汚染もなく、クリーンである。 If a gaseous component (exhaust gas) containing hydrogen separated from the reaction tube or separated from hydrogen is introduced into a hot air heating furnace, it can be completely pyrolyzed. In other words, the inside of the hot air heating furnace is maintained at a combustion temperature of 800 ° C. or higher and a high temperature residence time of 2 seconds or longer, which are required for suppressing the generation of diocins by the “waste sweeping method”, etc. It is.
また、本発明に係る触媒反応装置は、水素の製造および超微粉炭素(ナノ炭素)の製造の双方の観点から、簡単な装置で、安全で、安価に大量生産が可能となる。 In addition, the catalytic reaction apparatus according to the present invention can be mass-produced safely and inexpensively with a simple apparatus from the viewpoints of both hydrogen production and ultrafine carbon (nanocarbon) production.
こうして安価に大量生産できるナノ炭素は、将来的に種々な用途が見込まれ、用途の拡大が期待できる。用途としては、例えば、粉体の場合は、高分子材料に導電性を付与したり、炭素繊維の材料としたりすることができる。また、ナノ炭素の材料特性である耐摩耗性や軽量強度性を利用して、ゴム材(タイヤ等)、金属材、アスファルト材およびセメント材等の強度補強に使用できる。さらには、高比表面積や超軽量である特性を利用して、CO2固定、水素貯蔵、ナノフィルター、燃料電池等にも利用が期待できる。 Nanocarbons that can be mass-produced at low cost in this way are expected to have various uses in the future, and can be expected to be expanded. As a use, for example, in the case of powder, the polymer material can be provided with conductivity or can be made of a carbon fiber material. In addition, it can be used for reinforcing the strength of rubber materials (tires, etc.), metal materials, asphalt materials, cement materials, etc. by utilizing the wear resistance and light weight properties that are the material characteristics of nanocarbon. Furthermore, it can be expected to be used for CO 2 fixation, hydrogen storage, nanofilters, fuel cells, etc. by utilizing the characteristics of high specific surface area and ultra-light weight.
なお、ナノ炭素を製造する観点から見れば、アーク放電法やレーザー蒸発法やCVD法がある。しかし、これらの方法は、連続大量生産には不適であり、高価である。 From the viewpoint of producing nanocarbon, there are an arc discharge method, a laser evaporation method, and a CVD method. However, these methods are not suitable for continuous mass production and are expensive.
また、原料の観点では、気体ばかりでなく液体、固体と、どのような性状のものでも含炭化水素化合物であれば適用できる。 Further, from the viewpoint of raw materials, not only gases but also liquids and solids having any properties can be applied as long as they are hydrocarbon-containing compounds.
また、生ゴミや汚泥をメタン発酵させたバイオメタンを原料とした場合は、有機廃棄物からも水素やナノ炭素が得られることとなり、CO2削減にも寄与する。 Moreover, when biomethane obtained by methane fermentation of garbage and sludge is used as a raw material, hydrogen and nanocarbon can be obtained from organic waste, which contributes to CO 2 reduction.
原料が低級炭化水素(気体原料)の場合に適用する、超微粉炭素および水素の製造設備の一実施形態について、主として、図1を例に採り説明する。 An embodiment of a production facility for ultrafine carbon and hydrogen, which is applied when the raw material is a lower hydrocarbon (gaseous material), will be mainly described with reference to FIG.
本実施形態で使用する触媒反応装置は、基本的に、熱風加熱炉(外部加熱手段)2を備える反応管3と、原料供給手段(A)と、触媒供給手段(B)と、粉体排出手段(C)および吸引排出手段(D)とで構成されている。
The catalyst reaction apparatus used in this embodiment basically includes a
上記外部加熱手段は、図例では、送風機36を駆動源とするエジェクター(減圧吸引機)35を側壁に備えた熱風加熱炉2とされている。エジェクター35に反応管3からの排ガスの全部又は水素分離後の排ガスを導入することにより、排ガスの熱分解浄化および反応管3内の減圧操作を兼ねることができる。なお、外部加熱手段は、抵抗加熱、誘導加熱および高周波加熱等さらには直火バーナーでもよい。
In the illustrated example, the external heating means is a hot-
熱風加熱炉2の側壁には、上記エジェクター35に加えて、反応管3の下側に熱風を生成させるバーナー4を備えている。また天井壁には、自動排気バンパー42が設けられた排気筒43を備えている。なお、熱風加熱炉2の周壁2aは耐火材で構成されているとともに、底壁に温度センサー41が取り付けられている。該温度センサー41は、その温度信号を、バーナー4の操作弁67及び自動排気バンパー42の駆動部に送信して熱風加熱炉2内の温度制御をするものである。
In addition to the
なお、バーナー4への燃料は、後述の原料供給本管5から分岐させた燃料供給配管5Aを介して供給可能とされ、気体原料(含炭化水素化合物)と兼用できるようになっている。当然、気体原料を用いずに他の汎用燃料を別経路でバーナー4へ供給可能としてもよい。
The fuel to the burner 4 can be supplied via a
上記反応管3には、回転式の搬送攪拌機7が内蔵されている。
The
ここで、搬送攪拌機7は、中空とされた回転軸8の周面に攪拌羽根7aが形成されている(図3)。攪拌羽根7aは、図例ではスクリュー羽根であるが、リボンスクリュー羽根、パドル羽根(図3(D))等であってもよい。また、図3(C)の如く、搬送攪拌機7は2軸型でもよい。
Here, the conveying
そして、回転軸8は、減速モーター45の出力軸と連結され正・逆回転駆動されるようになっている。回転軸8の両端部は、反応管3の両端に取り付けられた軸受47、47にて回転可能に保持されるとともに、反応管3の両端内側の耐熱グランドパッキン48で密封されている。なお、回転軸8の先端側(非駆動側)はロータリージョイント9が接続されている。
The
回転軸8には、それぞれ拡散キャップが取り付けられた複数個(図例では2個)の噴射ノズル10が形成されている。
A plurality of (two in the illustrated example)
また、攪拌羽根7aの上側に沿って前記反応管3の上部内側に排気連通する排通路27を備えている。生成ガス(低比重ガス)の原料(ガス)との比重的分離を容易にするためである。図3(A)〜(E)に排通路27の各態様断面を示す。
In addition, a
そして、反応管3は、搬送攪拌機7の搬送方向元部側および搬送方向先端側の各位置に原料供給口6および排ガス出口28が形成されている。図例では、排ガス出口28は1箇所であるが、複数箇所であってもよい。複数箇所とする場合は、通常、マニーホールドを介して集合させる。
In the
ここで反応管3は、図例では水平であるが、搬送方向側に上方へ傾斜させてもよい(傾斜角度:30〜60°)。反応管3を傾斜させた場合は、粉体触媒の部分的な自重落下による粉体触媒と原料との接触混合の促進が期待できる。
Here, the
(A)原料供給手段は、反応管3に1箇所又は複数箇所で原料を気密的に供給するもので、下記の如く構成されている。
(A) The raw material supply means supplies the raw material in an airtight manner to the
気体原料(気体含炭化水素化合物)を充填する原料ボンベ11の出口は、原料供給本管5から分岐した第一・第二原料供給管5a、5bを介して、第一原料供給口6及び第二原料供給口であるロータリージョイント9に接続されている。なお、第一・第二原料供給管5a、5bには、それぞれ、流量計71、69が付設された流量調節弁70、68が配されている。
The outlet of the
(B)触媒供給手段は、反応管3の一箇所又は複数箇所(図例では1箇所)で触媒を気密的に供給するもので、下記の如く構成されている。
(B) The catalyst supply means supplies the catalyst in an airtight manner at one place or a plurality of places (one place in the illustrated example) of the
それぞれ漏斗状の触媒受入槽17と触媒供給槽19とがロータリーバルブ21を中間に設けた連結管20を介して上下二段に連結されるとともに、触媒供給槽19の出口側が反応管3の触媒供給口23に接続されている。こうして、粉体触媒を反応管3に気密的に供給可能とされている。なお、各槽17、19には押出スクリュー18、22が配設されている。各押出スクリュー18、22は、各槽17、19の天井壁内側に配されたグランドパッキン77、78で密封保持されて、減速モーター76、79の出力軸と連結されて粉体触媒の定量供給が可能とされている。
The funnel-shaped
(C)粉体排出手段は、反応管3の粉体排出口49に、接続されて粉体製品を触媒とともに気密的に排出するものであり、その構成は下記の如くである。
(C) The powder discharge means is connected to the
反応管3の粉体排出口49には粉体排出連結管50が冷却搬送管51の受入口51aに接続されており、粉体排出連結管50の途中にはロータリーバルブ53が設けられている。反応管3と冷却搬送管51との間でガスを遮断して気密的に粉体を排出させるためである。
A powder
この冷却搬送管51の外側は、冷風又は水を冷却媒体とする冷却ジャケット52で覆われている。
The outside of the cooling
冷却搬送管51の内部には、さらに、スクリュー式の搬送機57を有している。該搬送機57はその回転軸61の一端が、減速モーター59の出力軸と連結され回転駆動されるようになっている。回転軸61は、反応管3と同様、冷却搬送管51の両端に取り付けられた軸受58、58にて保持されるとともに、冷却搬送管51の両端内側にグランドパッキン62、62が配されて回転可能に密封されている。
A screw-
冷却搬送管51は、図例では水平に配されているが、搬送方向に向かって上側に傾斜させて配することが望ましい。自重による粉体の落下が期待でき粉体混合が促進されて冷却効率の向上が期待できる。この傾斜角度は、反応管3と同様、30〜60°とすることが望ましい。
The cooling
そして、冷却搬送管51の出口51bには途中にロータリーバルブ65を備えた粉体回収管64が接続されて、回収粉体収納缶66へ粉体製品(超微粉炭素/触媒)が気密的に排出されて回収可能となっている。
A
(D)気体吸引排出手段は、反応管3の上部側の1箇所又は複数箇所で気体成分を吸引排出するもので、下記の如く構成されている。
(D) The gas suction / discharge means sucks and discharges gas components at one or a plurality of locations on the upper side of the
図例では排ガス出口28は搬出方向側の1箇所であるが、さらに中間部に1箇所又は複数個所に設けてもよい。水素を含む低比重の生成排ガスは搬送方向の中間位置でも原料ガスから上昇分離するためである。
In the illustrated example, the
反応管3の排通路27に連通させて反応管3の上部に形成された排ガス出口28には、塵埃フィルター30が途中に設けられた排ガス配管29を介して、入口側に加圧ポンプ31が付設された水素分離装置32に接続されている。水素分離装置32としては、「水素分離膜装置」(例えば、宇部興産社製「UBE水素分離膜」)を使用するが、水素を分離できるものであれば、特に限定されない。そして、水素分離装置32の水素排出側は水素ガスホルダー33に接続されている。さらに、水素分離装置32の分離ガス排出側は吸引配管34を介してエジェクター35に接続されている。
The
また、塵埃フィルター30からの出口側の排ガス配管29には、エジェクター35と直結するバイパス配管37が接続されている。そして、バイパス配管37にバイパス切替弁38が、水素分離装置32の入口側・出口側の各配管29、34には、それぞれ入口弁39、出口弁40が設けられている。
Further, a
なお、上記製造設備において、より多くの処理能力を要する場合は、反応管3を複数段重ねて設置し、それぞれ片方の上下を連通させて連結された多段方式、横並びに反応管を複数本連結した連結管方式等により、より大量能力で対応できる。
In addition, when more processing capacity is required in the above manufacturing equipment, a plurality of
次に、上記製造設備を使用して、超微粉炭素及び水素を製造する方法について説明する。 Next, a method for producing ultrafine carbon and hydrogen using the production equipment will be described.
ここで、原料である含炭化水素化合物は、低級炭化水素(気体原料)のみのものが、触媒による熱分解が促進されて望ましい。 Here, the hydrocarbon-containing compound as the raw material is preferably only a lower hydrocarbon (gas raw material) because the thermal decomposition by the catalyst is promoted.
原料ボンベ11に充填する低級炭化水素としては、メタン、エタン、プロパン、ブタン等を主成分とする天然ガスや都市ガスやバイオメタン等を挙げることができる。
Examples of the lower hydrocarbon filled in the
エジェクター35の送風機36を起動させるとともに、同時に、バーナー4を点火して熱風加熱炉2内を所定温度(800℃以上)まで昇温させる。
While starting the
さらに、触媒受入槽17に粉体触媒を供給し、触媒供給槽19へ押出し、反応管3内に気密的に供給して反応管3の粉体排出口49近くまで充填し、かつ、連続定量供給可能としておく。図示は省略するが、ロータリーバルブ21に代えて二個のバルブにて、バルブ間に粉体触媒を供給し、相互のバルブを交互に開閉することによって、投入、排出を繰り返して供給しても、粉体触媒を気密的に供給することができる。
Further, a powder catalyst is supplied to the
ここで、粉体触媒は、遷移金属である鉄属、白金属、希土類が有効である。特に、鉄族である鉄、コバルト、ニッケルが汎用性を有して望ましい。 Here, iron powder, white metal, and rare earth, which are transition metals, are effective as the powder catalyst. In particular, iron, cobalt, and nickel, which are iron groups, are desirable because of their versatility.
加熱炉(熱風発生炉)2に取り付けられたバーナー4は、炉内温度が800〜1100℃でコントロールできるものであり、バーナー4で生じた熱風にて反応管3を加熱する。このときの、反応管内温度及び減圧度は、気体原料の性状及び触媒等の種類により異なるが、温度:800〜1100℃(さらには、800〜900℃)、減圧度:-10〜-110mmHg(さらには-50〜−90mmHg)が望ましい。
The burner 4 attached to the heating furnace (hot air generating furnace) 2 can be controlled at a furnace temperature of 800 to 1100 ° C., and heats the
こうした状態で、原料ボンベ11から気体原料を、バーナー4および第一原料供給口6及びロータリージョイント9の入口(第二原料供給口)に供給する。具体的には、調節弁68、70及び流量計69、71にて流量を確認、コントロールして、反応管3内に供給する。この際、気体原料のガス圧は、図示しないが、微圧調整減圧弁にて、設定値(例えば、0.1PaG)になるまで減圧を行う。反応管3内の減圧度のコントロールを容易にするためである。
In such a state, the gaseous material is supplied from the
こうして気体原料は、第一原料供給口6、およびロータリージョイント(第二原料供給口)9を経て複数の噴射ノズル10から反応管3内に噴出される。
Thus, the gaseous raw material is ejected from the plurality of
攪拌機7の正転・逆転(例えば、正転3回、逆転2回)により、反応管3内の滞留時間を保ち、粉体触媒と気体原料とが混合攪拌される。こうして、気体原料(含炭化水素化合物)が熱分解により、炭素と水素に分解され、粉体触媒を炭素が取り囲み、超微粉炭素が生長する。
By the forward rotation / reverse rotation of the stirrer 7 (for example,
そして、粉体触媒上で生長した超微粉炭素(ナノ炭素)は、徐々に反応管3の粉体排出口49へ搬送されて、入口および出口にロータリーバルブ53、65を備えた冷却搬送管51を経て、冷却されながら回収粉体収納缶66に気密的に排出されて回収される。
Then, the ultrafine carbon (nanocarbon) grown on the powder catalyst is gradually conveyed to the
回収した超微粉炭素から粉体触媒を除去すれば、非常に精度のよいナノ炭素を製造できる。この粉体触媒の除去には、慣用の水熱法や遠心分離法や、限外濾過法や、酸化法を使用できる。 If the powder catalyst is removed from the recovered ultrafine carbon, nanocarbon can be produced with very high accuracy. For removing the powder catalyst, a conventional hydrothermal method, centrifugal separation method, ultrafiltration method, or oxidation method can be used.
他方、水素は原料である含炭化水素化合物より軽い(水素は比重がメタンの1/4)ため、生成した水素やオフガス等の低比重ガスは優先的に気体原料(メタン等)から比重分離されて上昇する。 On the other hand, hydrogen is lighter than the hydrocarbon-containing compound that is the raw material (hydrogen has a specific gravity of 1/4 that of methane ), so the low specific gravity gas such as generated hydrogen and off-gas is preferentially separated from the gas raw material (methane, etc.) by specific gravity. Rise.
そして、生成ガスおよび未分解ガス(部分分解ガス、微量窒素ガス、都市ガスに含まれる付臭ガス等)は、反応管3の上部空間である排通路27を通り、反応管3の出口側上部の排ガス出口28より排出される。
The product gas and undecomposed gas (partially decomposed gas, trace nitrogen gas, odorous gas contained in city gas, etc.) pass through the
排ガス出口28から配管29を経て、水素や排ガスと共に流出してきたナノ炭素が粉塵フィルター30で捕獲される。このフィルター30を通過した水素や排ガスは、圧縮加圧ポンプ31にて加圧(例えば、1MPa)されて水素分離装置32に送られ、排ガス(分離後)と水素に分離され、水素は水素ガスホルダー33に貯留される。
Nanocarbon flowing out from the
上記排ガス(分離後)は、吸引配管34を通り、エジェクター(減圧吸引機)35の吸引室に吸引されて、エジェクター35内にて大気と混合され、熱風加熱炉2に送気され、熱分解浄化される。
The exhaust gas (after separation) passes through a
こうして、送風機36を駆動源とするエジェクター35により、反応管3内が、−10〜−100mmHgまで減圧される。
Thus, the inside of the
反応管3内で熱分解された水素を、熱分解用の熱源として利用する場合は、排ガス配管29の切替弁38、39、40を操作することにより、水素分離装置32への入口側の排ガス配管29及び出口側の吸引配管34を閉(非導通)状態とするともに、バイパス配管37を開(導通)状態とする。こうして、水素ガスを含む排ガス(未分離)は、水素分離装置32を通過させることなく、エジェクター35への吸引配管34にて減圧吸引させて熱風加熱炉2内へ導入して燃焼させることができる。
When hydrogen pyrolyzed in the
この場合、バーナー4も燃焼しているが、高温になり過ぎれば、温度センサー41からの信号により操作弁67を操作してバーナー4への燃料供給を少なくして、熱風加熱炉2内の温度制御をする。
In this case, the burner 4 is also burning, but if the temperature becomes too high, the
本発明の触媒反応装置は、特許文献1(以下「従来技術」という。)の如く原料の性状が限定されない。その理由は、下記の如くであると考える。 The properties of the raw materials of the catalytic reaction apparatus of the present invention are not limited as in Patent Document 1 (hereinafter referred to as “prior art”). The reason is considered as follows.
熱分解によるメタンの化学反応式は、
CH4=C+2H2−74.8kJ/mol
で表され、分解反応は体積が2倍になるとともに吸熱反応である。
The chemical reaction formula of methane by pyrolysis is
CH 4 = C + 2H 2 -74.8kJ / mol
The decomposition reaction is an endothermic reaction while the volume is doubled.
即ち、本発明では、特許文献1に記載の従来技術の如く10気圧(1.013MPa)以下の加圧下でなく、減圧しながら反応させるとともに、反応管内温度も、従来技術より高く設定できるためである。 That is, in the present invention, the reaction is carried out while reducing the pressure, not under the pressure of 10 atm (1.013 MPa) or less as in the prior art described in Patent Document 1, and the reaction tube temperature can be set higher than in the prior art. .
例えば、実施例レベルで、従来技術では650℃×0.2MPG(3気圧)であるのに対し(特許文献1段落0035)、本発明では800〜830℃(比例制御)×-1.5kPaGである。したがって、触媒反応がさらに効率化される。また、原料が液体であっても、気化し易く、低級炭化水素と同様に触媒反応が促進される。原料が粉状であっても、減圧下の高温であるため、乾留による炭化(熱分解)反応を経て生成したガス(炭化水素)がさらに触媒反応により熱分解されて超微粉炭素(ナノカーボン)が生成する。 For example, at the example level, the conventional technology has 650 ° C. × 0.2 MPG (3 atmospheres) (paragraph 0035 of Patent Document 1), while the present invention has 800-830 ° C. (proportional control) × −1.5 kPaG. Therefore, the catalytic reaction is further improved in efficiency. Moreover, even if the raw material is a liquid, it is easily vaporized, and the catalytic reaction is promoted as in the case of lower hydrocarbons. Even if the raw material is powdery, the gas (hydrocarbon) generated through carbonization (pyrolysis) reaction by dry distillation is further pyrolyzed by catalytic reaction because it is at high temperature under reduced pressure. Produces.
図2は、図1の超微粉炭素及び水素の製造設備において気体原料を液体原料とした場合の、変更部分図である。 FIG. 2 is a modified partial view when the gas raw material is a liquid raw material in the ultrafine carbon and hydrogen production facility of FIG. 1.
主たる変更箇所は、原料ボンベ11を、給油ポンプ13を備えた原料油タンク12とした点にある。なお、図1と同一部分については同一図符号を付して、それらの説明を省略してある。
The main change is that the
原料油としては、炭素数6〜10の炭化水素が主体である石油系燃料(ガソリン、軽油、灯油、重油)や液化石炭等、また、廃タイヤや廃プラスチックから得られる再生油、さらには、植物菌類に由来するテルペン((C5H8)n)を挙げることができる。 As the feedstock oil, petroleum-based fuels (gasoline, light oil, kerosene, heavy oil) mainly composed of hydrocarbons having 6 to 10 carbon atoms, liquefied coal, etc., recycled oil obtained from waste tires and waste plastics, Mention may be made of terpenes ((C 5 H 8 ) n ) derived from plant fungi.
そして、原料油の反応管3への供給は下記の如く行なう。
Then, the feedstock is supplied to the
原料タンク12に接続された給油ポンプ13により原料供給本管5から分岐させた燃料供給配管5Aを介してバーナー4に、原料油を燃料として供給するとともに、第一・第二原料供給管5a、5bを経て原料供給口6から原料油を反応管内に供給する。該原料供給口6の下部には液体炭化水素を微小油滴にするための有孔板又は網状物11が付設されている。図示は省略するが、原料供給口は噴射ノズルとしてもよい。
The fuel oil is supplied as fuel to the burner 4 through the
また、原料を固体含炭化水素化合物とする場合、高級炭化水素であるパラフィン以外に微粉石炭も使用可能である。固体含炭化水素化合物は、粉体とすることにより、図示は省略するが、粉体触媒と同様方式の上下二槽による供給方法で、気密的に原料を反応管内に供給することができ、また、供給箇所も搬送方向元部側の原料供給口を含めて複数としてもよい。 In addition, when the raw material is a solid hydrocarbon compound, fine coal can be used in addition to paraffin which is a higher hydrocarbon. Although the solid hydrocarbon compound is powdered, illustration is omitted, but the raw material can be supplied into the reaction tube in an airtight manner by a supply method using two upper and lower tanks in the same manner as the powder catalyst. The supply location may include a plurality of raw material supply ports on the transport direction base side.
そして、粉体原料を微粉石炭とする場合は、該高級炭化水素を石炭微粉等とともにバーナー(燃焼加熱手段)の原料とすることができる。 When the powder raw material is finely powdered coal, the higher hydrocarbon can be used as a raw material for a burner (combustion heating means) together with the coal fine powder and the like.
下記仕様の実験装置を用いて、下記運転条件で超微粉炭素及び水素の製造実験を実施した。 Using an experimental apparatus with the following specifications, production experiments of ultrafine carbon and hydrogen were conducted under the following operating conditions.
<熱分解反応管装置仕様>
1)本体設備敷設面積・・・幅1,200mm×長さ4,000mm×高さ1,500mm
2)反応管(3)寸法・・・Φ220mm×長さ3,100mm
3)搬送攪拌機(7)寸法・・・Φ200mm×長さ3,000mm
4)減速モーター(45)・・・0.2kw
5)反応管攪拌機回転数・・・0.1〜1rpm
6)熱風加熱炉(2)寸法・・・幅1,200mm×長さ2,800mm×高さ1,300mm
7)バーナー(4)・・・ガスバーナー0.25kw×300,000kcal/H
8)触媒受入槽(17)・・・8L
9)触媒第供給槽(19)・・・10L
10)塵埃フィルター(30)寸法・・・Φ50mm×250L 40μメッシュ
11)圧縮加圧ポンプ(31)・・・0.75kw×1Mpa
12)水素分離装置(32)・・・Φ100mm×2,000Lmm
13)冷却搬送管(51)・・・Φ160mm×1,500Lmm
14)搬送機(57)・・・Φ100mm×1,000Lmm
15)減速モーター(59)・・・0.1kw
16)送風機(36)・・・0.75kw
<Pyrolysis reaction tube equipment specifications>
1) Installation area of main unit: width 1,200 mm x length 4,000 mm x height 1,500 mm
2) Reaction tube (3) dimensions: Φ220mm x length 3,100mm
3) Transport stirrer (7) Dimensions: Φ200mm x Length 3,000mm
4) Deceleration motor (45) ... 0.2kw
5) Reaction tube stirrer rotation speed: 0.1 to 1 rpm
6) Hot air heating furnace (2) Dimensions: 1,200mm wide x 2,800mm long x 1,300mm high
7) Burner (4) ・ ・ ・ Gas burner 0.25kw × 300,000kcal / H
8) Catalyst receiving tank (17) ... 8L
9) Catalyst first supply tank (19) ... 10L
10) Dust filter (30) Dimensions: Φ50mm × 250L 40μ mesh
11) Compression and pressure pump (31) ・ ・ ・ 0.75kw × 1Mpa
12) Hydrogen separator (32) ・ ・ ・ Φ100mm × 2,000Lmm
13) Cooling transport pipe (51) ... Φ160mm × 1,500Lmm
14) Conveyer (57) ・ ・ ・ Φ100mm × 1,000Lmm
15) Deceleration motor (59) ... 0.1kw
16) Blower (36) ... 0.75kw
<運転条件>
1)原料ガス・・・都市ガス(13A)
2)ガスバーナー・・・供給圧力 2.0kPa
3)原料ガス供給量・・・30Nm3/H
4)熱風加熱炉内温度・・・800〜850℃(比例制御)
5)反応管内温度・・・800〜830℃
6)金属粉末触媒・・・鉄触媒
7)触媒供給量・・・1kg/H
<Operating conditions>
1) Raw gas: City gas (13A)
2) Gas burner: Supply pressure 2.0kPa
3) Source gas supply amount: 30 Nm 3 / H
4) Hot air heating furnace temperature: 800-850 ° C (proportional control)
5) Temperature in the reaction tube: 800-830 ° C
6) Metal powder catalyst: Iron catalyst
7) Catalyst supply amount: 1kg / H
<実験結果>
1) 水素生成量・・・60m3/H
2) 生成炭化物・・・16.9kg/H
<Experimental result>
1) Hydrogen production: 60m 3 / H
2) Generated carbide: 16.9kg / H
<実施例結果>
得られた水素は純度99%以上のものであった。また、得られた超微粉炭素は、鉄触媒への絡み合いを起点として成長したナノ炭素(ナノファイバーやナノチューブ)であった。
<Example results>
The obtained hydrogen had a purity of 99% or more. In addition, the obtained ultrafine carbon was nanocarbon (nanofiber or nanotube) grown starting from entanglement with the iron catalyst.
なお、ナノファイバーは数ナノメートルから数百ナノメートルの大きさの繊維状であった。 The nanofiber was in the form of a fiber having a size of several nanometers to several hundred nanometers.
2 熱風加熱炉(外部加熱手段)
3 反応管
4 バーナー
7 搬送攪拌機(搬送攪拌手段)
8 中空回転軸
10 原料ボンベ
12 原料油タンク
17 触媒受入槽
19 触媒供給槽
21 ロータリーバルブ
27 排通路
28 排ガス出口
30 塵埃フィルター
32 水素分離装置
33 水素ホルダー
35 エジェクター(減圧吸引機)
51 冷却搬送管
66 回収粉体収納缶
2 Hot air heating furnace (external heating means)
3 Reaction tube 4
DESCRIPTION OF
51
Claims (6)
前記反応管は回転式の搬送攪拌手段が内蔵され、さらに、
前記反応管内に1箇所又は複数箇所で原料を気密的に供給する原料供給手段と、
前記反応管内に1箇所又は複数箇所で触媒を気密的に供給する触媒供給手段と、
前記反応管の搬送方向先端側に接続されて粉体製品を触媒とともに気密的に排出する粉体排出手段と、
前記反応管の上部側の1箇所又は複数箇所で接続されて気体成分を減圧吸引機で吸引排出する吸引排出手段と備えて、
前記反応管内を減圧下として前記触媒反応を可能とされているとともに、
前記外部加熱手段がバーナ及びエジェクターを備えた熱風加熱炉とされるとともに、前記減圧吸引機が前記エジェクターとされている、
ことを特徴とする触媒反応装置。 In a reaction tube equipped with an external heating means, the hydrocarbon compound as a raw material is stirred and mixed with a powder catalyst, and the hydrocarbon compound is thermally decomposed by a catalytic reaction to produce ultrafine carbon together with hydrogen in the reaction tube. A catalytic reactor,
The reaction tube has a built-in rotary conveying stirring means, and
A raw material supply means for airtightly supplying the raw material at one or a plurality of locations in the reaction tube;
Catalyst supply means for airtightly supplying the catalyst at one or a plurality of locations in the reaction tube;
A powder discharging means connected to the front end side of the reaction tube in the conveying direction and discharging the powder product together with the catalyst in an airtight manner;
A suction / discharge means connected at one or a plurality of locations on the upper side of the reaction tube and sucking and discharging a gas component with a vacuum suction machine;
The catalytic reaction is made possible by reducing the inside of the reaction tube under reduced pressure ,
The external heating means is a hot air heating furnace equipped with a burner and an ejector, and the vacuum suction machine is the ejector.
A catalytic reactor characterized by the above.
前記吸引排出手段が、さらに、水素分離装置を備えるとともに、該水素分離装置の分離排ガスの出口側が前記エジェクターに接続されて、前記気体成分から水素を分離回収可能とされていることを特徴とする超微粉炭素および水素の製造設備。 A facility for producing ultrafine carbon and hydrogen using the catalytic reactor according to claim 1 ,
The suction / discharge unit further includes a hydrogen separator, and an outlet side of the separation exhaust gas of the hydrogen separator is connected to the ejector so that hydrogen can be separated and recovered from the gas component. Production facility for ultrafine carbon and hydrogen.
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