JP6797317B1 - 有機物質製造システム - Google Patents

Abstract

触媒反応装置から排出される排気ガスに蒸気、液体及び泡沫が混入している場合であっても、測定装置によって排気ガスの成分組成を連続的に測定できる有機物質製造システムを提供する。成分組成が変動する合成ガスから有機物質を生産する有機物質製造システム（１０）であって、触媒反応装置（１）と、排気ガスの成分組成を測定するための測定装置（９）と、前記触媒反応装置の排気ガス出口から前記測定装置の排気ガス入口までの間に位置する分離装置（８）と、を備え、前記分離装置（８）は、前記排気ガスからの泡沫及び液体の分離除去と、前記排気ガスからの蒸気の分離除去とを、同時に又はこの順に行う、有機物質製造システム。

Description

本発明は有機物質製造システムに関する。

近年、一酸化炭素及び水素を含む合成ガスを原料として、微生物発酵によってエタノール等の有機物質を製造する有機物質製造システムが注目されている。

特許文献１には、「廃棄物を部分酸化させることにより合成ガスを生成させる合成ガス生成炉と、前記合成ガスから有機物質を生成させる微生物を含む発酵器と、前記発酵器に対する前記合成ガスの供給量が不足する際に、固体又は液体の養分を前記発酵器に供給する養分供給部と、を備える、廃棄物からの有機物質の製造装置。」及び「合成ガス生成炉において廃棄物を部分酸化させることにより合成ガスを生成させる工程と、発酵器において、微生物に、前記合成ガスから有機物質を生成させる工程と、前記発酵器に対する前記合成ガスの供給量が不足する際に、固体又は液体の養分を前記発酵器に供給する養分供給工程と、を備える、廃棄物からの有機物質の製造方法。」が記載されている。

国際公開第２０１６／０１７５７３号

合成ガスからエタノール等の有機物質を製造する有機物質製造システムは、合成ガスの組成変動に対応するため、触媒反応装置に供給する合成ガス及び触媒反応装置から排出する排気ガスの成分組成を測定装置によって連続的に測定している。しかし、触媒反応装置から排出する排気ガスには、蒸気、液体又は泡沫が混入している場合がある。排気ガス中のこのような混入物は、測定装置の故障の原因となり、排気ガスの成分組成を連続的に測定できなくなることがある。特に、これらの混入物に有機物が含まれるときは、排気ガスの流路を閉塞してしまい、排気ガスの成分組成の連続測定ができなくなることがある。

そこで、本発明は、触媒反応装置から排出される排気ガスに蒸気、液体及び泡沫が混入している場合であっても、測定装置によって排気ガスの成分組成を連続的に測定できる有機物質製造システムを提供することを課題とする。

上記課題は、以下の構成によって解決される。
［１］合成ガスから有機物質を生産する有機物質製造システムであって、触媒反応装置と、前記触媒反応装置から排出される排気ガスの成分組成を測定するための測定装置と、前記触媒反応装置の排気ガス出口から前記測定装置の排気ガス入口までの間に位置する分離装置と、を備え、前記分離装置は、前記排気ガスからの泡沫及び液体の分離除去と、前記排気ガスからの蒸気の分離除去とを、同時に又はこの順に行う、有機物質製造システム。
［２］前記合成ガスの構成成分の合成ガスに対する含有量の変動幅が標準的な含有割合に対して±１〜３０％の範囲内である、［１］に記載の有機物質製造システム。
［３］前記分離装置は、排気ガスに含まれる蒸気の５０質量％以上、液体の８０質量％以上、及び泡沫の８０質量％以上を分離除去する、［１］又は［２］に記載の有機物質製造システム。
［４］前記測定装置に供給される前記排気ガスの流量が０．０１〜１ｍ^３／ｈｒである、［１］〜［３］のいずれか１項に記載の有機物質製造システム。

本発明によれば、触媒反応装置から排出される排気ガスに水蒸気、水及び泡沫が混入している場合であっても、測定装置によって排気ガスの成分組成を連続的に測定できる有機物質製造システムを提供できる。

図１は、本発明の有機物質製造システムの概要図である。 図２は、実施例１における排水量の測定結果を表すグラフである。 図３は、比較例１における排水量の測定結果を表すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態を、図１を参照しながら説明する。ただし、本発明は、後述する実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない限り、種々の変形が可能である。

［有機物質製造システム］
図１は、本発明の有機物質製造システムの一実施形態を表す概要図である。図１に示される有機物質製造システム１０は、合成ガスから有機物質を製造するための装置である。

製造された有機物質の用途は、特に限定されない。製造された有機物質は、例えば、プラスチック又は樹脂の原料として用いることもできるし、燃料として用いることもできる。

有機物質製造システム１０は、触媒反応装置１と、分離装置８と、測定装置９とを備えている。触媒反応装置１は、合成ガス入口と、有機物質出口と、排気ガス出口を有する（いずれも図示せず）。前記合成ガス入口は、合成ガス供給ライン２によって、合成ガス供給源（図示せず）と接続されている。前記有機物質出口は、有機物質抜取ライン３が接続されている。前記排気ガス出口には、排気ガス排出ライン４によって、流路切替器５が接続されている。流路切替器５には、排気ガス排出ライン６及び排気ガス測定ライン７が接続されている。排気ガス測定ライン７には、測定装置９が接続されている。流路切替器５と測定装置９との間の排気ガス測定ライン７の途中には、分離装置８が配置されている。流路切替器５を省略して、排気ガス排出ライン４と排気ガス測定ライン７とを直接接続してもよい。合成ガス供給源と合成ガス入口との間の合成ガス供給ライン２の途中には、測定装置９と同様の測定装置（図示せず）を配置してもよい。

触媒反応装置１は、合成ガスＡから有機物質Ｂを製造する装置である。合成ガスＡは、合成ガス供給源から、合成ガス供給ライン２を通じて、触媒反応装置１に供給される。

触媒反応装置１は、触媒を含む反応部を含む。触媒は、合成ガスＡから有機物質Ｂを生成する。触媒は、生物触媒、金属触媒等であってよいが、生物触媒が好ましい。合成ガスＡから有機物質Ｂとしてエタノールを製造する場合の生物触媒は、Clostridium autoethanogenum（クロストリジウム・オートエタノゲナム）等の合成ガス資化性細菌が好ましい。合成ガス資化性細菌を触媒として用いる場合、触媒反応装置１は、微生物発酵槽と、微生物発酵槽内の液状培地を保温するための保温手段と、微生物発酵槽内の液状培地を撹拌するための撹拌手段とを有することが好ましい。

分離装置８は、排気ガスＣから泡沫及び液体を分離除去するための泡沫液体分離装置８ａと、排気ガスＣから蒸気を分離除去するための蒸気分離装置８ｂの構成にしてもよい。泡沫液体分離装置８ａは、排気ガスＣから泡沫及び液体を分離除去できる装置であれば特に限定されない。泡沫液体分離装置８ａは、例えば、泡沫を切断して気体と液体に分離し、液体化した泡沫及び泡沫とは別に含まれていた液体を除去できる装置である。このような装置としては、気泡除去フィルター、消泡装置等が挙げられる。気泡除去フィルターとしては、具体的には、Ｈ６００シリーズインラインフィルター（ハムレット社製）が挙げられるが、これらに限定されない。８ａと８ｂは、各々を１つもしくは２つ以上有していてもよい。複数用意することで、組成変動が極端に大きい場合にも対応が可能となる。

蒸気分離装置８ｂは、排気ガスＣから蒸気を分離除去できる装置であれば特に限定されない。蒸気分離装置８ｂは、例えば、蒸気を液化して気体と分離し、液化した蒸気を除去できる装置である。このような装置としては、表面張力式気液分離装置、遠心力式気液分離装置が挙げられる。表面張力式気液分離装置としては、具体的には、ＮＲＬシリーズ表面張力応用マイクロ蛇腹溝気液分離器（日冷工業社製）が挙げられる。

測定装置９は、排気ガスＣの成分組成を測定する装置である。測定装置９は、排気ガスＣの成分組成を測定できる装置であれば特に限定されないが、例えば、ガスクロマトグラフ（ＧＣ）、質量分析計（ＭＳ）、ガスクロマトグラフ−質量分析計（ＧＣ−ＭＳ）、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）等である。

［有機物質製造方法］
本発明の有機物質製造方法は、合成ガスを触媒反応装置に供給する合成ガス供給工程と、触媒反応装置において合成ガスから有機物質を合成する有機物質合成工程と、前記反応装置から排気ガスを排出する排気ガス排出工程と、前記排気ガスに混入している蒸気、液体及び泡沫のうち少なくとも１種を前記排気ガスから分離除去する混入物除去工程と、前記排気ガスの成分組成を測定する排気ガス測定工程とを含む。以下では、本発明の有機物質製造システム１０を用いる場合の本発明の有機物質製造方法の実施形態について詳細に説明する。

合成ガス供給工程では、合成ガスＡを、合成ガス源（図示せず）から合成ガス供給ライン２を通じて、触媒反応装置１の合成ガス入口に供給する。合成ガスＡは、例えば、一酸化炭素、水素、二酸化炭素及び窒素を含む混合ガスである。合成ガスは、廃棄物焼却炉から発生する原料ガス、製鉄所から発生する原料ガス等の原料ガスを処理して、製造したものが好ましい。合成ガスＡの触媒反応装置１への供給量は、合成ガス供給ライン２に設置した測定装置から得られる合成ガスＡの成分組成、及び排気ガス測定ライン７に設置した測定装置から得られる排気ガスＣの成分組成に基づいて、触媒反応装置１による有機物質Ｂの製造が効率的に行えるように設定することが好ましい。

合成ガスＡの成分組成は、原料ガスの組成の変動等の影響により、変動する場合がある。合成ガスＡの成分組成が変動する場合、原料ガスＡの各構成成分の原料ガスＡに対する含有割合の変動幅は、通常、標準的な含有割合に対して±１〜３０％の範囲内である。例えば、合成ガスＡが一酸化炭素を含む場合であって、合成ガスＡ中の一酸化炭素の標準的な含有割合が３０体積％であるとき、変動幅が±３０％であるとは、合成ガスＡ中の一酸化炭素の含有割合が、２１体積％（−３０％変動）〜３９体積％（＋３０変動）体積％の範囲で変動することをいう。

有機物質合成工程では、触媒反応装置１の、触媒を含む反応部において、合成ガスＡからの有機物質Ｂの合成が行われる。有機物質Ｂとしては、例えば、アルコール、有機酸、脂肪酸、油脂、ケトン、バイオマス又は糖である。アルコールの具体例はエタノールであり、有機酸の具体例は酢酸である。有機物質Ｂとしては、エタノールが特に好ましい。合成された有機物質Ｂは、触媒反応装置１の有機物質出口から、有機物質抜取ライン３を通じて、触媒反応装置１の外部に抜き取る。

排気ガス排出工程では、触媒反応装置１の排気ガス出口に接続された排気ガス排出ライン４を通じて、排気ガスＣを排出する。排気ガスＣは、合成ガスＡのうち有機物質Ｂの合成に使われなかった余剰分の他に、有機物質Ｂの副生物の少なくとも一部と、反応部に含まれる物質の一部とを含むことがある。このような有機物質Ｂの副生物の少なくとも一部及び反応部に含まれる物質の一部は、通常、蒸気、液体及び泡から選択される１種以上の状態で、混入物として、排気ガスＣに含まれる。このような混入物が、測定装置９内部に侵入すると、測定装置９の動作不良、故障の原因となる。また、このような混入物は、排気ガス測定ライン７の閉塞を引き起こし、排気ガスＣの成分組成の測定が不可能になる。

混入物除去工程では、排気ガスＣに含まれる蒸気、液体及び泡沫のうち少なくとも１種の状態の混入物を排気ガスＣから分離除去する。排気ガス排出工程により排出された排気ガスＣは、排気ガス排出ライン４、流路切替器５、及び排気ガス測定ライン７を経由して、排気ガス測定ライン７の途中に配置された分離装置８に導かれる。分離装置８において、泡沫液体分離装置８ａによる排気ガスＣからの泡沫及び液体の分離除去を行い、次いで、蒸気分離装置８ｂによる排気ガスＣからの蒸気の分離除去を行う。排気ガスＣから泡沫及び液体を分離除去する方法としては、例えば、泡沫を切断して気体と液体に分離し、液体化した泡沫及び泡沫とは別に含まれていた液体を除去する方法が挙げられる。排気ガスＣから蒸気を分離除去する方法としては、例えば、蒸気を液化して気体と分離し、液化した蒸気を除去する方法が挙げられる。混入物除去工程では、分離装置８によって、排気ガスＣに含まれる蒸気の５０質量％以上、液体の８０質量％以上、及び泡沫の８０質量％以上を分離除去することが好ましい。

排気ガス測定工程では、排気ガスＣの成分組成を測定する。排気ガスＣの成分組成を分析する方法としては、例えば、ガスクロマトグラフィー（ＧＣ）法、マススペクトル（ＭＳ）法、ガスクロマトグラフィー−質量分析（ＧＣ−ＭＳ）法、フーリエ変換赤外分光（ＦＴＩＲ）法等が挙げられる。測定装置９に流入する排気ガスＣの流量は、特に限定されないが、０．０１〜１ｍ^３／ｈｒの範囲が好ましい。

本実施形態によれば、混入した蒸気、液体及び泡沫を除去した後の排気ガスＣを測定装置９に供給することによって、測定装置９が動作不良に陥ることなく、排気ガスＣの成分組成を連続的に測定できる。

上述の実施形態では、分離装置８において、泡沫液体分離装置８ａによる処理後に蒸気分離装置８ｂによる処理を行っているが、これに限定されない。例えば、ミストセパレータやノックアウトポッドを冷却し、泡と同時に蒸気も除去できる構成にすることによって、泡沫液体分離装置８ａ及び蒸気分離装置８ｂによる処理を同時に行える構成としたりしてもよい。

以下では実施例によって本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されず、本発明の要旨を変更しない限り、種々の変形が可能である。

［実施例１］
＜原料ガスの製造＞
ごみ焼却設備で一般廃棄物を燃焼して発生したガスを原料ガスとして用いた。原料ガスの成分組成は、一酸化炭素３０体積％、二酸化炭素３０体積％、水素３０体積％及び窒素１０体積％であった。

＜合成ガスの製造＞
圧力変動吸着（ＰＳＡ）装置を用いて、原料ガスを８０℃まで加温し、原料ガスに含まれる二酸化炭素を、もとの含有量（３０体積％）の６０〜８０％になるように除去した。除去後、１５０℃のスチームを用いた二重管式熱交換器によってガスを昇温し、次に、２５℃の冷却水を用いた二重管式熱交換器によってガスを再冷却して、不純物を析出させた。析出した不純物をフィルターで除去して、合成ガスを製造した。

＜微生物発酵及び排気ガスの排出＞
触媒反応装置１に液状培地を充填し、合成ガス資化性細菌Clostridium autoethanogenum（クロストリジウム・オートエタノゲナム）の種菌を添加した。液状培地の温度を３６〜３８℃に維持しながら、触媒反応装置１に合成ガス供給ライン２を通じて合成ガスを連続的に供給して、嫌気条件で発酵を行わせた。余剰の合成ガス及び発酵によって発生したガスを、排気ガス排出ライン４を通じて、排気ガスとして触媒反応装置１から排出した。

＜排気ガスからの泡沫及び液体の分離＞
触媒反応装置１から排出した排気ガスを、流路切替器５から分岐する排気ガス測定ライン７に導き、排気ガス測定ライン７上に設置した泡沫液体分離装置８ａ（インラインフィルター、ハムレット社製、１４０μｍのフィルタエレメント内蔵）を通過させて、排気ガスから泡沫及び液体を分離した。

＜排気ガスからの水蒸気の分離＞
泡沫液体分離装置８ａを通過させた排気ガスを、さらに蒸気分離装置８ｂ（気液分離装置、日冷工業社製）を通過させて、排気ガスから蒸気を除去した。

＜排水量の測定＞
蒸気分離装置８ｂから２０ｍ離れた場所に設置した測定装置９の直前の位置からの排水量を１日２〜５回測定した。排気ガス測定ライン７の測定装置９の直前の位置の温度は−１０〜４５℃（外気温）であった。図２に測定結果を示す。

＜排気ガスの測定結果＞
排気ガスの測定結果を評価した。排気ガスから泡沫、液体及び蒸気が分離できている場合は、測定装置９による排気ガスの測定結果が良好（○）である。排気ガスから泡沫、液体及び蒸気が分離できていない場合は、測定装置９による排気ガスの測定結果が不良（×）である。排気ガス測定ライン７が閉塞した場合は、排気ガスの測定が不能（−）である。

［比較例１］
泡沫液体分離装置８ａ及び蒸気分離装置８ｂを使用しなかった点を除いて、実施例１と同様にして排水量の測定及び排気ガスの測定結果を評価した。図３に排水量の測定結果を示す。

［比較例２］
蒸気分離装置８ｂを使用しなかった点を除いて、実施例１と同様にして排気ガスの測定結果を評価した。

［比較例３］
泡沫液体分離装置８ａを使用しなかった点を除いて、実施例１と同様にして排気ガスの測定結果を評価した。

［比較例４］
泡沫液体分離装置８ａと蒸気分離装置８ｂの順序を逆に変更した点を除いて、実施例１と同様にして排気ガスの測定結果を評価した。

［結果の説明］
実施例１では、有機物を含む泡沫及び液体を排気ガスと分離でき、排気ガスの連続測定ができた。これに対して、比較例１では、泡沫及び液体が測定装置に侵入してしまい、排気ガスの連続測定ができなかった。比較例２〜４では、有機物を含む泡及び液体の分離が不十分であり、測定結果が得られなかった。このことから、前段として泡沫液体分離装置による泡沫及び液体の分離及び除去を行い、後段として蒸気分離装置による蒸気の分離及び除去を行うことで、測定装置に泡沫及び液体が侵入することがなく、排気ガスの連続的な測定を行えることがわかる。

本発明の有機物質製造システムは、触媒反応装置から排出する排気ガスの成分組成を連続的に測定できるので、合成ガスの成分組成の変動に対応した有機物質の生産を可能とする。そのため、エタノール等の有機物質を高効率で製造することができ、合成ガスの利用率を高めることができる。

１ 触媒反応装置
２ 合成ガス供給ライン
３ 有機物質抜取ライン
４、６ 排気ガス排出ライン
５ 流路切替器
７ 排気ガス測定ライン
８ 分離装置
８ａ 泡沫液体分離装置
８ｂ 蒸気分離装置
９ 測定装置
１０ 有機物質製造システム

Claims (5)

1. 合成ガスから有機物質を生産する有機物質製造システムであって、触媒反応装置と、前記触媒反応装置から排出される排気ガス中の前記合成ガスの一酸化炭素、二酸化炭素、水素及び窒素の成分組成を測定するための測定装置と、前記触媒反応装置の排気ガス出口から前記測定装置の排気ガス入口までの間に位置する分離装置と、を備え、前記分離装置は、前記排気ガスからの泡沫及び液体の分離除去と、前記排気ガスからの蒸気の分離除去とを、同時に又はこの順に行う、有機物質製造システム。
2. 前記触媒反応装置は、合成ガス資化性細菌を生物触媒として含む反応部である微生物発酵槽を有し、
   前記泡沫は、前記有機物質の副生物の少なくとも一部及び前記反応部に含まれる物質の一部を含む、
   請求項１に記載の有機物質製造システム。
3. 前記合成ガスの構成成分の合成ガスに対する含有量の変動幅が標準的な含有割合に対して±１〜３０％の範囲内である、請求項１又は２に記載の有機物質製造システム。
4. 前記分離装置は、排気ガスに含まれる蒸気の５０質量％以上、液体の８０質量％以上、及び泡沫の８０質量％以上を分離除去する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の有機物質製造システム。
5. 前記測定装置に供給される前記排気ガスの流量が０．０１〜１ｍ^３／ｈｒである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の有機物質製造システム。

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