JP6751708B2 - 有機物質の生産方法及び装置 - Google Patents
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Description
CO2+H2→CO+H2O (1)
逆シフト反応触媒は、Ca、Sr、又はBaからなるアルカリ土類金属の炭酸塩と、Ca、Sr、又はBaとTi、Al、Zr、Fe、W、又はMoとの複合酸化物を含有している。逆シフト反応の温度条件は、700℃以上である。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、原料ガスを低温条件下で逆シフト反応可能とし、運転コストを低減するとともに、エタノール等の有機物質の生成効率を高めることを目的とする。
前記原料ガスを逆シフト反応させる逆シフト反応工程と、
前記逆シフト反応後の原料ガスから有機物質を生成する有機物質生成工程と、
を備え、前記逆シフト反応工程では、前記原料ガスを逆シフト反応触媒に接触させ、
前記逆シフト反応触媒が、担持体と、前記担持体に担持された触媒金属とを含み、前記触媒金属が遷移金属を含むことを特徴とする。
本発明装置は、CO2及びH2を含有する原料ガスから有機物質を生成する装置であって、
前記原料ガスを逆シフト反応させる逆シフト反応部と、
前記逆シフト反応後の原料ガスから有機物質を生成する有機物質生成部と、
を備え、前記逆シフト反応部が、前記原料ガスが接触される逆シフト反応触媒を有し、
前記逆シフト反応触媒が、担持体と、前記担持体に担持された触媒金属とを含み、前記触媒金属が遷移金属を含むことを特徴とする。
前記逆シフト反応によって原料ガス中のCO2をCOに変換することができる。前記逆シフト反応触媒を用いることで変換効率を十分に高くでき、しかも、温度条件を上掲特許文献4の温度条件(700℃以上)よりも低温の、150℃〜500℃程度に設定することができる。したがって、逆シフト反応の所要エネルギーを小さくでき、運転コストを低減できる。逆シフト反応によって原料ガスをCOリッチにすることで、エタノール等の有機物質の生成効率を高めることができる。
前記触媒金属が、Feに、Al、Ga、In、Cu、Ag、Au、Pd及びMnからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属を添加してなることが好ましい。
前記触媒金属が、FeにPdを添加してなることが好ましい。
これによって、逆シフト反応の変換効率を一層高めることができる。
前記担持体は、SiO2、CeO2 、TiO2、Al2O3、MgO、ZrO2、ZSM−5(ゼオライト)からなる群より選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。
前記有機物質生成部からオフガスを排出するオフガス路を有し、前記オフガス路が、前記逆シフト反応部へ延びていることが好ましい。
これによって、有機物質生成時に発生したCO2を逆シフト反応させてCOに変換して、有機物質生成に用いることができ、CO2及びCOを循環利用することができる。
前記有機物質生成部が、液状の培地中で微生物を培養する培養槽を含み、前記微生物が、前記逆シフト反応後の原料ガスから前記有機物質を発酵生成することが好ましい。
逆シフト反応によってCO濃度を高めることで、前記微生物による有機物質の発酵生成効率を高めることができる。
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態を示したものである。有機物質生産システム1は、原料ガス生成部2と、有機物質生産装置3とを備えている。原料ガス生成部2において原料ガスg1が生成される。有機物質生産装置3において原料ガスg1から有機物質(目的物質)が生成される。原料ガスg1は、合成ガス(シンガス)である。目的物質は、例えばエタノール(C2H5OH)である。
好ましくは、触媒金属22は、Feを含み、これにAl、Ga、In、Cu、Ag、Au、Pd、及びMnのうち少なくとも1種の金属が添加されている。添加する金属は、1種でもよく、2種以上でもよい。
より好ましくは、触媒金属22は、FeにPdを添加したものである。
触媒金属22における添加成分(Al、Ga、In、Cu、Ag、Au、Pd、又はMn)の含有率は、触媒金属22全体の好ましくは0.1wt%〜1.0wt%程度であり、より好ましくは0.2wt%程度である。
廃棄物処理施設2において廃棄物を燃焼することによって原料ガスg1を生成する。
この原料ガスg1をガス供給路10へ導出する。
ガス浄化部11において、原料ガスg1中のH2S、O2、ベンゼン等の不純成分を除去する。触媒を用いて不純成分を除去してもよい。不純成分を濃縮して除去してもよい。これによって、原料ガスg1が浄化される。
続いて、原料ガスg1を逆シフト反応部12に導入する。
ヒータ12hによって、逆シフト反応部12の温度を150℃〜500℃程度に設定する。
逆シフト反応部12の圧力は、例えば0.8〜2気圧(ゲージ圧)程度に設定する。
この逆シフト反応部12において、原料ガスg1が逆シフト反応触媒20と接触する。これによって、原料ガスg1中のCO2及びH2の少なくとも一部が、下式(1)の逆シフト反応を起こす。
CO2+H2→CO+H2O (1)
したがって、原料ガスg1中のCO2をCOに変換することができる。以下、逆シフト反応後の原料ガスを「原料ガスg2」と表記する。原料ガスg2は、逆シフト反応前の原料ガスg1よりもCO濃度が高く、かつCO2濃度及びH2濃度が低い。
触媒金属22として、Pbを少量添加したFeを用いることで、変換効率を50%程度にすることも可能である。
これによって、原料ガスg2のCO濃度を十分に高くできる。
しかも、逆シフト反応の温度条件は、150℃〜500℃程度で十分であり、上掲特許文献1の温度条件(700℃以上)と比べて大幅に低温にすることができる。したがって、ヒータ12hの所要エネルギーを小さくでき、運転コストを低減できる。
逆シフト反応部12からの原料ガスg2を有機物質生成部13の液状培地に導入する。すると、液状培地中のガス資化性微生物が、原料ガスg2中のCOやH2を取り込んで発酵を行なうことによって、目的物質のエタノールを生成する。
この種のガス資化性微生物は、COをH2よりも多く摂取して発酵を行なう。したがって、逆シフト反応工程によって原料ガスg2のCO濃度を高くしておくことで、エタノールの生成効率を高めることができる。
有機物質生成部13の液状培地の一部b1を取り出して、蒸留塔からなる精製部14へ送出する。この液状培地b1を精製部14において蒸留する。これによって、エタノール(EtOH)を精製することができる。
なお、有機物質生成部13には上記送出分の培地を新たに補充することで、有機物質生成部13の培地量を一定に保つ。
上記エタノールの発酵時においては、CO2が副産物として生成される。したがって、有機物質生成部13からのオフガスg3には、CO2が多く含まれている。その他、オフガスg3には、原料ガスg2のうち発酵に利用されなかったCO,H2等も含まれている。このオフガスg3をオフガス浄化部16へ送る。オフガス浄化部16においては、オフガスg3中のH2Oや微量のH2S等の不純成分を除去する。
その後、オフガスg3をオフガス路15からガス供給路10に合流させて、ガス供給路10の原料ガスg1と混合する。これよって、オフガスg3中のCO2を原料ガスg1と共に逆シフト反応部12へ供給して逆シフト反応させることができる。要するに、発酵工程で副産物として生成されたCO2をCOに変換でき、原料ガスg2の一部として有機物質生成部13へ送ることで、発酵に供することができる。これによって、CO2及びCOを相互に変換を繰り返しながら循環利用することができる。
[第2実施形態]
図2は、本発明の第2実施形態を示したものである。第2実施形態に係る有機物質生産システム1Bの原料ガス生成部2Bは、二酸化炭素生成部4と、水素生成部5を含む。二酸化炭素生成部4としては、石炭発電プラント、LNG発電プラント、石油製品製造プラント、セメント製造プラント等が挙げられる。これらプラントでは、CO2が発生するが、H2は殆ど発生しない。
水素生成部5は、メタン(CH4)等の天然ガスの水蒸気改質プラントにて構成されている。メタンは次式(2)のようにして水蒸気改質される。
CH4+H2O→CO+3H2 (2)
この改質ガス(CO,H2)が、二酸化炭素生成部4からのCO2と混合される。これによって、CO,H2,CO2を含む原料ガスg1(合成ガス)を得ることができる。この原料ガスg1を、ガス浄化部11を経て逆シフト反応部12に供給することで、逆シフト反応を起こさせ、COリッチの原料ガスg2を得ることができる。これによって、有機物質生成部13におけるエタノール生成効率を高めることができる。
例えば、逆シフト反応触媒20の触媒金属22が、添加成分を含まず、Fe単体で構成されてもよい。
有機物質生成部13は、微生物発酵に代えて、金属触媒に原料ガスg2を接触させることで、エタノールを生成するものであってもよい。
g1 原料ガス
g2 逆シフト反応後の原料ガス
g3 オフガス
1 有機物質生産システム
2 廃棄物処理施設(原料ガス生成部)
2B 原料ガス生成部
3 有機物質生産装置
4 二酸化炭素生成部
5 水素生成部
10 ガス供給路
11 ガス浄化部
12 逆シフト反応部
12h ヒータ(温度調節手段)
13 有機物質生成部
14 精製部
15 オフガス路
16 オフガス浄化部
20 逆シフト反応触媒
21 担持体(酸化シリコン基板)
22 触媒金属
Claims (10)
- CO2及びH2を含有する原料ガスから有機物質を生成する方法であって、
前記原料ガス中のH 2 S及びO 2 及びベンゼンを除去する原料ガス浄化工程と、
前記原料ガス浄化工程後の原料ガスを逆シフト反応させる逆シフト反応工程と、
前記逆シフト反応後の原料ガスから有機物質を生成する有機物質生成工程と、
を備え、前記逆シフト反応工程では、前記原料ガスを逆シフト反応触媒に接触させ、
前記逆シフト反応触媒が、担持体と、前記担持体に担持された触媒金属とを含み、前記触媒金属が遷移金属を含み、
前記有機物質生成工程で発生したオフガスを、脱硫部及び水除去部を含むオフガス浄化部に通した後、前記原料ガス浄化工程後かつ前記逆シフト反応前の原料ガスと混合する再利用工程を更に含むことを特徴とする有機物質の生産方法。 - 前記触媒金属が、Feに、Al、Ga、In、Cu、Ag、Au、Pd及びMnからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属を添加してなることを特徴とする請求項1に記載の有機物質の生産方法。
- 前記触媒金属が、FeにPdを添加してなることを特徴とする請求項1又は2に記載の有機物質の生産方法。
- 前記逆シフト反応工程における温度条件を150℃〜500℃とすることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の有機物質の生産方法。
- 前記有機物質生成工程が、液状の培地中で微生物を培養する培養工程を含み、前記微生物が、前記逆シフト反応後の原料ガスから前記有機物質を発酵生成することを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の有機物質の生産方法。
- CO2及びH2を含有する原料ガスから有機物質を生成する装置であって、
脱硫部及び脱酸素部及び脱ベンゼン部を含み、前記原料ガスを浄化するガス浄化部と、
前記ガス浄化部からの原料ガスを逆シフト反応させる逆シフト反応部と、
前記逆シフト反応後の原料ガスから有機物質を生成する有機物質生成部と、
を備え、前記逆シフト反応部が、前記原料ガスが接触される逆シフト反応触媒を有し、
前記逆シフト反応触媒が、担持体と、前記担持体に担持された触媒金属とを含み、前記触媒金属が遷移金属を含み、
さらに、前記有機物質生成部からオフガスを排出するオフガス路を有し、前記オフガス路が、前記逆シフト反応部へ延びており、前記オフガス路上には、前記オフガスのための脱硫部及び水除去部を含むオフガス浄化部が設けられており、前記オフガス路の下流端は、前記ガス浄化部と前記逆シフト反応部との間のガス供給路に合流されていることを特徴とする有機物質の生産装置。 - 前記触媒金属が、Feに、Al、Ga、In、Cu、Ag、Au、Pd及びMnからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属を添加してなることを特徴とする請求項6に記載の有機物質の生産装置。
- 前記触媒金属が、FeにPdを添加してなることを特徴とする請求項6又は7に記載の有機物質の生産装置。
- 前記逆シフト反応部における温度条件を150℃〜500℃とすることを特徴とする請求項6〜8の何れか1項に記載の有機物質の生産装置。
- 前記有機物質生成部が、液状の培地中で微生物を培養する培養槽を含み、前記微生物が、前記逆シフト反応後の原料ガスから前記有機物質を発酵生成することを特徴とする請求項6〜9の何れか1項に記載の有機物質の生産装置。
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