JP7392854B2 - 炭化水素生成システム - Google Patents
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Description
本開示は、炭化水素生成システムに関する。
近年、大気中の二酸化炭素濃度の上昇を抑制するため、天然ガスのような化石資源に代えてバイオマスのような再生可能エネルギーの利用が促進されている。バイオマスを利用する方法としては、バイオマスをメタン発酵して得られたメタンをエネルギー源として利用することが知られている。
しかしながら、メタン発酵により得られるバイオガスには、メタンだけでなく、通常、十～数十パーセント程度の二酸化炭素も含まれている。そのため、高濃度のメタンが要求されるような都市ガスなどの原料としてバイオガスを直接利用することは容易でない。
そこで、バイオガスのメタン濃度を高めることによって、高純度のメタンを製造する方法が開発されている。このような方法として、特許文献１には、バイオガスを物理吸収液及び化学吸収液に接触させることによって、バイオガスのメタン濃度を高める濃縮工程を含む、高純度メタンの製造方法が開示されている。
特許文献１の方法によれば、バイオガスのメタン濃度を高くすることができるため、高純度メタンを既存のガス導管に注入することによって、都市ガスとしての利用が期待される。しかしながら、上記方法では、バイオガスを吸収液に接触させるための吸収槽、及び吸収液を再生するための再生槽などが必要である。また、炭素循環や温暖化対策の観点から、バイオガスで生成される二酸化炭素は、大気中に放出することなく、有価物としてリサイクルされることが望ましい。
そこで、本開示は、バイオガスに含まれる二酸化炭素を分離せずに有価物として利用可能な炭化水素生成システムを提供することを目的とする。
本開示に係る炭化水素生成システムは、メタン及び二酸化炭素を含むバイオガスを生成するバイオリアクタを備える。炭化水素生成システムは、バイオガス及び水素を含む原料から炭化水素を生成する炭化水素生成部を備える。炭化水素生成システムは、炭化水素生成部に供給されるバイオガス中の二酸化炭素の濃度及びバイオガスの流量を計測する計測部を備える。炭化水素生成システムでは、計測部で計測される二酸化炭素の濃度及びバイオガスの流量に応じた量の水素が炭化水素生成部へ供給される。
炭化水素はパラフィン及びオレフィンの少なくともいずれか一方を含んでもよい。炭化水素生成部は、バイオガス及び水素を含む原料からメタネーションによってメタンを生成するメタネーション装置を含んでもよい。炭化水素生成部は、バイオガス及び水素を含む原料からフィッシャー－トロプシュ反応によってパラフィン及びオレフィンの少なくともいずれか一方の炭化水素を生成するＦＴ合成装置を含んでもよい。炭化水素生成部は、バイオガス及び水素を含む原料からフィッシャー－トロプシュ反応によってパラフィン及びオレフィンの少なくともいずれか一方の炭化水素を生成するＦＴ合成装置と、ＦＴ合成装置から排出される未反応の二酸化炭素及び水素を含む原料からメタネーションによってメタンを生成するメタネーション装置とを含んでもよい。炭化水素生成部は、バイオガス及び水素を含む原料からフィッシャー－トロプシュ反応によってパラフィン及びオレフィンの少なくともいずれか一方の炭化水素を生成するＦＴ合成装置と、バイオガス及び水素を含む原料からメタネーションによってメタンを生成するメタネーション装置とを含んでもよい。炭化水素生成システムは、バイオガスよりも二酸化炭素濃度が高いガス及び水素を含む原料から炭化水素を生成する炭化水素プレ生成部をさらに備え、炭化水素生成部は、炭化水素プレ生成部から排出される未反応の二酸化炭素、バイオガス及び水素を含む原料から炭化水素を生成してもよい。炭化水素プレ生成部はメタネーションによってメタンを生成するメタネーション装置を含み、炭化水素生成部はメタネーションによってメタンを生成するメタネーション装置を含んでもよい。バイオリアクタは発酵槽を含み、炭化水素生成部で生じた反応熱によって発酵槽が加温されてもよい。
本開示によれば、バイオガスに含まれる二酸化炭素を分離せずに有価物として利用可能な炭化水素生成システムを提供することができる。
以下、いくつかの例示的な実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
［第１実施形態］
まず、第１実施形態に係る炭化水素生成システム１について、図１～図３を用いて説明する。図１に示すように、本実施形態に係る炭化水素生成システム１は、バイオリアクタ１０と、精製部２０と、炭化水素生成部３０と、水素供給部４０と、計測部５０と、制御部６０とを備える。本実施形態に係る炭化水素生成システム１では、バイオリアクタ１０で生成されるバイオガスを二酸化炭素回収装置などで回収せずに、炭化水素生成部３０でバイオガスから炭化水素を生成することができる。そのため、バイオガスに含まれる二酸化炭素を分離せずに有価物として利用することができる。
まず、第１実施形態に係る炭化水素生成システム１について、図１～図３を用いて説明する。図１に示すように、本実施形態に係る炭化水素生成システム１は、バイオリアクタ１０と、精製部２０と、炭化水素生成部３０と、水素供給部４０と、計測部５０と、制御部６０とを備える。本実施形態に係る炭化水素生成システム１では、バイオリアクタ１０で生成されるバイオガスを二酸化炭素回収装置などで回収せずに、炭化水素生成部３０でバイオガスから炭化水素を生成することができる。そのため、バイオガスに含まれる二酸化炭素を分離せずに有価物として利用することができる。
（バイオリアクタ１０）
バイオリアクタ１０は、メタン及び二酸化炭素を含むバイオガスを生成する。バイオガスは、バイオマスを原料として生成することができる。バイオマスは、動植物に由来する資源であり、化石資源に代えてこのような再生可能エネルギーを利用することにより、地球温暖化の一因とされている二酸化炭素の排出を抑制することができる。バイオマスは、例えば、木材、草本、紙、家畜排せつ物、下水汚泥及び浄化槽汚泥などの生活排水、並びに食品廃棄物などの有機物を含む。バイオガスを効率的に生成するため、必要に応じ、供給される原料の粉砕及び希釈、並びに供給される原料中の異物の除去などの前処理が実施されたバイオマスがバイオリアクタ１０に供給されてもよい。
バイオリアクタ１０は、メタン及び二酸化炭素を含むバイオガスを生成する。バイオガスは、バイオマスを原料として生成することができる。バイオマスは、動植物に由来する資源であり、化石資源に代えてこのような再生可能エネルギーを利用することにより、地球温暖化の一因とされている二酸化炭素の排出を抑制することができる。バイオマスは、例えば、木材、草本、紙、家畜排せつ物、下水汚泥及び浄化槽汚泥などの生活排水、並びに食品廃棄物などの有機物を含む。バイオガスを効率的に生成するため、必要に応じ、供給される原料の粉砕及び希釈、並びに供給される原料中の異物の除去などの前処理が実施されたバイオマスがバイオリアクタ１０に供給されてもよい。
バイオリアクタ１０は、原料の供給、発酵及び排出を一単位として繰り返す回分式であってもよく、原料の供給、発酵及び排出を、連続的に同時に行う連続式であってもよい。バイオリアクタ１０は、メタン発酵処理を行う発酵槽を含んでいてもよい。バイオリアクタ１０は、単一の発酵槽のみを含んでいてもよく、複数の発酵槽を含んでいてもよい。バイオリアクタ１０は、発酵温度が最適な温度となるように発酵槽内の温度を所定の温度に加温する加温部を含んでいてもよい。
バイオリアクタ１０は発酵槽を含み、炭化水素生成部３０で生じた反応熱によって発酵槽が加温されてもよい。後述するように、炭化水素生成部３０は、メタネーション反応、及び、フィッシャー－トロプシュ反応などによって炭化水素を生成することができ、これらの反応は、一般的には発熱反応である。この反応熱によって発酵槽を加温することによって、反応によって生じた熱エネルギーを有効利用することができる。
発酵槽には、メタン発酵を行うための微生物が保持されていてもよい。微生物の保持方法としては特に限定されないが、固定床法、流動床法、又はＵＳＡＢ（上向流嫌気性汚泥床）法などが挙げられる。固定床法では、通常、微生物を担持させた担体が発酵槽内に充填される。流動床法では、通常、微生物を担持させた担体が発酵槽内に収容され、発酵槽内で流動する。ＵＳＡＢ法では、通常、担体に担持させずに微生物を凝集させたグラニュールが発酵槽内に収容される。グラニュールの粒子径は、例えば０．５～２ｍｍ程度である。
メタン発酵では、多くの嫌気性微生物により、バイオマスからメタンが生成される。具体的には、タンパク質、炭水化物及び脂質を含む有機物が加水分解され、アミノ酸、糖類及び脂肪酸が生成される。アミノ酸、糖類及び脂肪酸は、酢酸、二酸化炭素及び水素に分解される。そして、メタン生成菌によって、酢酸、二酸化炭素及び水素からメタンが生成される。また、バイオリアクタ１０では、メタン発酵によって、消化液も生成される。
メタン生成菌は、５０℃～６０℃のような高温度で活性を示す高温メタン生成菌を含んでいてもよく、３５℃～３８℃のような中温度で活性を示す中温メタン生成菌を含んでいてもよい。高温メタン生成菌を用いた場合には、メタン発酵の時間を短くすることができる。低温メタン菌を用いた場合には、発酵槽の加温に要する温度を低減することができる。
（精製部２０）
バイオガスには、上述のようにメタン及び二酸化炭素が含まれる。バイオガスに含まれる二酸化炭素は、例えば１０体積％～４０体積％である。ただし、バイオマスには、メタン及び二酸化炭素以外にも、原料となるバイオマスに含まれる成分によって硫化水素及びメチルメルカプタンなどの硫黄成分、有機ポリシロキサン、並びにアンモニアなどの不純物が含まれている場合がある。そのため、精製部２０によって上記のような不純物を除去することにより、後述する炭化水素生成部３０及び配管への不純物の付着、及び炭化水素生成部３０の触媒の被毒などを抑制することができる。なお、これらの不純物を除去する必要性が低い場合には、精製部２０が必要ないため、炭化水素生成システム１は精製部２０を備えていなくてもよい。
バイオガスには、上述のようにメタン及び二酸化炭素が含まれる。バイオガスに含まれる二酸化炭素は、例えば１０体積％～４０体積％である。ただし、バイオマスには、メタン及び二酸化炭素以外にも、原料となるバイオマスに含まれる成分によって硫化水素及びメチルメルカプタンなどの硫黄成分、有機ポリシロキサン、並びにアンモニアなどの不純物が含まれている場合がある。そのため、精製部２０によって上記のような不純物を除去することにより、後述する炭化水素生成部３０及び配管への不純物の付着、及び炭化水素生成部３０の触媒の被毒などを抑制することができる。なお、これらの不純物を除去する必要性が低い場合には、精製部２０が必要ないため、炭化水素生成システム１は精製部２０を備えていなくてもよい。
（炭化水素生成部３０）
炭化水素生成部３０は、バイオガス及び水素を含む原料から炭化水素を生成する。バイオリアクタ１０によって生成されるバイオガス及び水素供給部４０によって供給される水素を含む原料から炭化水素を生成することによって、バイオガスに含まれる二酸化炭素を有価物として利用することができ、化石資源の使用を低減することができる。生成物中の二酸化炭素量を低減することができるため、化学吸収法などを用いた二酸化炭素回収装置などで回収する必要性が低くなり、バイオガスから二酸化炭素を回収するために必要な設備の設置及び維持費用を低減することができる。
炭化水素生成部３０は、バイオガス及び水素を含む原料から炭化水素を生成する。バイオリアクタ１０によって生成されるバイオガス及び水素供給部４０によって供給される水素を含む原料から炭化水素を生成することによって、バイオガスに含まれる二酸化炭素を有価物として利用することができ、化石資源の使用を低減することができる。生成物中の二酸化炭素量を低減することができるため、化学吸収法などを用いた二酸化炭素回収装置などで回収する必要性が低くなり、バイオガスから二酸化炭素を回収するために必要な設備の設置及び維持費用を低減することができる。
炭化水素生成部３０は、反応器を含んでおり、反応器に供給される原料が通過する流路内に触媒が配置されてもよい。原料が触媒に接触することによって炭化水素を生成することができる。炭化水素は、例えば、パラフィン及びオレフィンの少なくともいずれか一方を含むことが好ましい。パラフィンはアルカンを意味し、オレフィンはアルケンを意味する。これらの炭化水素は、エネルギー源及び化学品の原料として用いることができるため、利用価値が高い。
炭化水素は、後述するように、メタネーション反応、及び、フィッシャー－トロプシュ反応などによって生成することができる。これらの反応は、一般的には発熱反応であり、条件によっては触媒層の温度が７００℃以上にもなる。しかしながら、バイオガスにはメタンが含まれており、炭化水素により二酸化炭素の濃度が薄まるため、比較的温和な条件で反応を進めることができる。そのため、反応熱の発生を抑制することができ、触媒層及び反応器の耐熱温度を低くすることができる。これらの反応条件は、例えば反応温度が２００℃～４００℃であり、反応器内の圧力が０．１ＭＰａ～１０ＭＰａである。
炭化水素生成部３０は、バイオガス及び水素を含む原料からメタネーションによってメタンを生成するメタネーション装置３１を含んでいてもよい。メタネーション反応では、二酸化炭素と水素とを含む原料からメタンと水とを含む生成物を生成することができる。そのため、生成物から水を除去することにより、メタン濃度の高い生成物を得ることができる。したがって、炭化水素生成部３０によって得られるメタンは、工場内のエネルギー源として直接使用したり、都市ガスとして直接供給したりすることができる。メタネーション装置３１は、シェルアンドチューブ型反応器のような多管式反応器などの公知の反応装置を含んでいてもよい。
メタネーションによって生成されるメタンの選択率は高く、例えば、原料に含まれる二酸化炭素のうち、８５％以上の二酸化炭素からメタンが生成される。メタンが生成される割合は、反応条件に依存し、９０％以上である場合もあり、９５％以上である場合もある。
メタネーション装置３１で使用される触媒は、メタンを生成することができれば特に限定されず、例えばニッケル触媒又はルテニウム触媒などの公知の触媒を使用することができる。ニッケル触媒はニッケルを活性成分として含む触媒であり、ルテニウム触媒はルテニウムを活性成分として含む触媒である。活性成分の含有量は、触媒全体の０．５質量％以上であることが好ましく、１０質量％以上であることがより好ましい。ニッケルを活性成分として含む場合には、活性成分の含有量は、触媒全体の１０質量％以上であることが好ましく、ルテニウムを活性成分として含む場合には、活性成分の含有量は、触媒全体の０．５質量％以上であることが好ましい。コスト及び高いメタン選択性の観点から、メタネーション装置３１にはニッケル触媒が設けられることが好ましい。
炭化水素生成部３０は、バイオガス及び水素を含む原料からフィッシャー－トロプシュ反応によってパラフィン及びオレフィンの少なくともいずれか一方の炭化水素を生成するＦＴ合成装置３２を含んでいてもよい。フィッシャー－トロプシュ反応では、二酸化炭素と水素とを含む原料から、パラフィン及びオレフィンの少なくともいずれか一方の炭化水素を生成することができる。
パラフィン及びオレフィンの少なくともいずれか一方は、炭素数が１から４の炭化水素を含んでいることが好ましい。炭素数が１から４のパラフィンとしては、例えば、メタン、エタン、プロパン及びブタンが挙げられる。炭素数が１から４のオレフィンとしては、例えば、エチレン、プロピレン、１－ブテン、２－ブテン、イソブテン及び１，３－ブタジエンが挙げられる。なお、これらの中でも、炭素数が２以上４以下のオレフィンは、プラスチックの原料になるため有用である。また、ＦＴ合成装置３２で生成される生成物は、上記以外の化合物を含んでいてもよい。ＦＴ合成装置３２は、例えば、シェルアンドチューブ型反応器のような多管式反応器、流動層型反応器又はスラリー床型反応器などの公知の反応装置を含んでいてもよい。
フィッシャー－トロプシュ反応によって生成される生成物は、通常、複数種類の炭化水素を含んでいる。フィッシャー－トロプシュ反応によって生成される生成物には、例えば、原料に含まれる二酸化炭素のうち、２０％以上８５％未満の二酸化炭素からパラフィン及びオレフィンの少なくともいずれか一方の炭化水素が生成される。炭化水素が生成される割合は、反応条件に依存し、３５％以上である場合もあり、５０％以上である場合もある。また、炭化水素が生成される割合は、６５％以下である場合もあり、５５％以下である場合もある。
ＦＴ合成装置３２で使用される触媒は、パラフィン及びオレフィンの少なくともいずれか一方の炭化水素を生成することができれば特に限定されず、例えば鉄触媒又はコバルト触媒などの公知の触媒を使用することができる。鉄触媒は軽質炭化水素を主に生成することができ、コバルト触媒はワックスを含む重質炭化水素を主に生成することができる。また、鉄触媒はオレフィン及びパラフィンを主として生成することができ、コバルト触媒はパラフィンを主として生成することができる。なお、鉄触媒は鉄を活性成分として含む触媒であり、コバルト触媒はコバルトを活性成分として含む触媒である。活性成分の含有量は、触媒全体の１０質量％以上であることが好ましい。ＦＴ合成装置３２には鉄触媒が設けられることが好ましい。これにより、プラスチックの原料にもなる軽質オレフィン（低級オレフィン）を生成することができる。
炭化水素生成部３０は、メタネーション装置３１及びＦＴ合成装置３２の少なくともいずれか一方を含んでもよい。すなわち、炭化水素生成部３０は、メタネーション装置３１のみを含んでいてもよく、ＦＴ合成装置３２のみを含んでいてもよく、メタネーション装置３１及びＦＴ合成装置３２の両方を含んでいてもよい。
炭化水素生成部３０は、例えば図２に示すように、ＦＴ合成装置３２と、メタネーション装置３１とを含んでいてもよい。ＦＴ合成装置３２は、バイオガス及び水素を含む原料からフィッシャー－トロプシュ反応によってパラフィン及びオレフィンの少なくともいずれか一方の炭化水素を生成してもよい。メタネーション装置３１は、ＦＴ合成装置３２から排出される未反応の二酸化炭素及び水素を含む原料からメタネーションによってメタンを生成してもよい。
ＦＴ合成装置３２は、二酸化炭素からパラフィン及びオレフィンの少なくともいずれか一方の炭化水素を生成することができるが、メタネーション装置３１と比較して炭化水素に変換されずにＦＴ合成装置３２から排出される未反応の二酸化炭素が多い傾向にある。そこで、ＦＴ合成装置３２の後段にメタネーション装置３１を直列に配置することにより、メタネーション装置３１によって未反応の二酸化炭素からメタンを高い選択率で生成することができる。そのため、炭化水素生成部３０から未反応物として排出される二酸化炭素の量を低減するとともに、未反応の二酸化炭素を有効利用することができる。また、生成物中の二酸化炭素の濃度を低減することができるため、生成物中の熱量を向上させることができる。なお、ＦＴ合成装置３２は、炭化水素だけでなく水も生成するため、ＦＴ合成装置３２とメタネーション装置３１との間に、水を除去可能な気液分離器が設けられていることが好ましい。
また、図３に示すように、炭化水素生成部３０は、ＦＴ合成装置３２と、メタネーション装置３１とを含んでいてもよい。ＦＴ合成装置３２は、バイオガス及び水素を含む原料からフィッシャー－トロプシュ反応によってパラフィン及びオレフィンの少なくともいずれか一方の炭化水素を生成してもよい。メタネーション装置３１は、バイオガス及び水素を含む原料からメタネーションによってメタンを生成してもよい。
このように、メタネーション装置３１とＦＴ合成装置３２とを並列に配置することにより、メタネーション装置３１によって高い選択率でメタンを生成することができる。また、ＦＴ合成装置３２によってパラフィン及びオレフィンの少なくともいずれか一方の炭化水素を生成することができる。さらに、メタネーション装置３１で生成されたメタンとＦＴ合成装置３２で生成された炭化水素を混合することにより、メタネーション装置３１で生成されたガスの熱量を調整することもできる。
なお、図２及び図３では、メタネーション装置３１とＦＴ合成装置３２とが直列又は並列に配置される形態について説明した。しかしながら、炭化水素生成部３０は、これらの組み合わせであってもよい。例えば、図３の形態のようにメタネーション装置３１とＦＴ合成装置３２とが並列に配置され、ＦＴ合成装置３２の後段に図２の形態のようにメタネーション装置３１が直列に配置されてもよい。
また、図２及び図３では、２つの異なる水素供給部４０がＦＴ合成装置３２及びメタネーション装置３１に水素を供給する例について説明したが、共通する水素供給部４０によってＦＴ合成装置３２及びメタネーション装置３１に水素が供給されてもよい。
メタネーション装置３１は、単一の反応器のみを含んでいてもよく、複数の反応器を含んでいてもよい。同様に、ＦＴ合成装置３２は、単一の反応器のみを含んでいてもよく、複数の反応器を含んでいてもよい。反応器の数は適宜定めることができるが、バイオガス中の二酸化炭素濃度が高い場合、炭化水素生成部３０は複数の反応器を含んでいることが好ましい。一方、バイオガス中の二酸化炭素濃度が低い場合、炭化水素生成部３０は単一の反応器のみを含んでいてもよい。メタネーション装置３１及びＦＴ合成装置３２が複数の反応器を含む場合、各反応器は直列に配置されてもよく、並列に配置されてもよい。
炭化水素生成部３０で生成された生成物が複数種類の炭化水素を含む場合、炭化水素生成システム１は化学構造に応じた炭化水素を分留などによって分離する分離装置を備えてもよい。分離装置は、脱メタン塔、脱エタン塔、脱エチレン塔、脱プロパン塔、脱プロピレン塔、脱ブタン塔及び脱ブテン塔のような少なくとも１つの分離塔を含んでいてもよい。これらの分離塔によって、複数種類の炭化水素を、メタン、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、ブタン及びブテンなどのような化学構造に応じて分離することができる。
（水素供給部４０）
水素供給部４０は炭化水素生成部３０に水素を供給する。水素供給部４０は、図１に示すように、水素生成部４１及び水素タンク４２を含んでいてもよい。水素生成部４１は、水素を生成することができれば特に限定されないが、再生可能エネルギーを利用して水素を生成することが好ましい。再生可能エネルギーを利用することにより、炭化水素生成システム１全体として二酸化炭素排出量を低減することができる。水素生成部４１は、例えば、太陽光、風力及び水力などの再生可能エネルギーを利用し、水を電気分解して水素を生成してもよい。また、水素供給部４０は、バイオマスをガス化して水素を生成してもよい。水素タンク４２は、水素生成部４１で生成された水素を貯蔵してもよく、水素が充填された市販の水素タンクを用いてもよい。
水素供給部４０は炭化水素生成部３０に水素を供給する。水素供給部４０は、図１に示すように、水素生成部４１及び水素タンク４２を含んでいてもよい。水素生成部４１は、水素を生成することができれば特に限定されないが、再生可能エネルギーを利用して水素を生成することが好ましい。再生可能エネルギーを利用することにより、炭化水素生成システム１全体として二酸化炭素排出量を低減することができる。水素生成部４１は、例えば、太陽光、風力及び水力などの再生可能エネルギーを利用し、水を電気分解して水素を生成してもよい。また、水素供給部４０は、バイオマスをガス化して水素を生成してもよい。水素タンク４２は、水素生成部４１で生成された水素を貯蔵してもよく、水素が充填された市販の水素タンクを用いてもよい。
水素は、水素生成部４１から水素タンク４２を介さずに炭化水素生成部３０に直接供給されてもよく、水素タンク４２から炭化水素生成部３０に供給されてもよい。二酸化炭素と水素とを含む混合ガスは、圧縮機によって圧縮され、炭化水素生成部３０に供給されてもよい。
（計測部５０）
計測部５０は、炭化水素生成部３０に供給されるバイオガス中の二酸化炭素の濃度及びバイオガスの流量を計測する。炭化水素生成システム１では、計測部５０で計測される二酸化炭素の濃度及びバイオガスの流量に応じた量の水素が炭化水素生成部３０へ供給される。バイオガスに含まれる二酸化炭素の濃度及びバイオガスの流量は、バイオリアクタ１０、微生物及び原料に含まれるバイオマスの状態など複数の要素によって変動するおそれがある。そのため、予め定められた一定量の水素が炭化水素生成部３０に供給される場合、上記複数の要素によって炭化水素生成部３０に供給される二酸化炭素の量が変動し、目的の炭化水素を効率よく得ることができないおそれがある。また、目的の化学構造を有する炭化水素を効率よく得るためには、炭化水素生成部３０に供給される二酸化炭素と水素とを最適な比率にすることが好ましい。
計測部５０は、炭化水素生成部３０に供給されるバイオガス中の二酸化炭素の濃度及びバイオガスの流量を計測する。炭化水素生成システム１では、計測部５０で計測される二酸化炭素の濃度及びバイオガスの流量に応じた量の水素が炭化水素生成部３０へ供給される。バイオガスに含まれる二酸化炭素の濃度及びバイオガスの流量は、バイオリアクタ１０、微生物及び原料に含まれるバイオマスの状態など複数の要素によって変動するおそれがある。そのため、予め定められた一定量の水素が炭化水素生成部３０に供給される場合、上記複数の要素によって炭化水素生成部３０に供給される二酸化炭素の量が変動し、目的の炭化水素を効率よく得ることができないおそれがある。また、目的の化学構造を有する炭化水素を効率よく得るためには、炭化水素生成部３０に供給される二酸化炭素と水素とを最適な比率にすることが好ましい。
そこで、バイオガス中の二酸化炭素の濃度及びバイオガスの流量を計測し、二酸化炭素の濃度及びバイオガスの流量に応じて水素を炭化水素生成部３０に供給する。これにより、二酸化炭素と水素との比率が所定の範囲内になるように調整された混合ガスを炭化水素生成部３０に供給することができる。これにより、バイオガス中の二酸化炭素から所望の化学種の炭化水素を効率よく生成することができる。
炭化水素生成部３０に供給される二酸化炭素に対する水素の量の比は、目的とする化学種によって適宜設定することができるが、例えばモル比で１以上であってもよく、２以上であってもよい。また、炭化水素生成部３０に供給される二酸化炭素に対する水素の量の比は、例えばモル比で８未満であってもよく、５未満であってもよい。なお、メタネーションの場合、Ｈ２／ＣＯ２比＝４．０付近が好ましい。また、オレフィン合成の場合、Ｈ２／ＣＯ２＝３．０付近が好ましい。
計測部５０は、濃度計及び流量計を含んでいてもよい。濃度計は、二酸化炭素の濃度を測定することができれば特に限定されず、公知の濃度計を用いることができる。流量計は、バイオガスの流量を測定することができれば特に限定されず、公知の流量計を用いることができる。計測部５０は、濃度及び流量を測定可能な一体型の計測器を含んでいてもよく、濃度計及び流量計がそれぞれ分離した別体型の複数の計測器を含んでいてもよい。水素供給部４０は、計測部５０で生成された二酸化炭素の濃度及びバイオガスの流量に関連する信号に基づいて水素供給量を調整してもよい。
（制御部６０）
炭化水素生成システム１は、水素供給部４０から供給される水素供給量を制御する制御部６０を備えていてもよい。制御部６０は、例えば、計測部５０で生成された信号に基づいて水素供給部４０が供給する水素の量を算出してもよい。制御部６０は、算出された量の水素が炭化水素生成部３０に供給されるように水素供給部４０を制御してもよい。制御部６０は、ポンプなどの流量調整器によって炭化水素生成部３０に供給される水素の量を調整してもよい。制御部６０は、水素生成部４１及び水素タンク４２の少なくともいずれか一方の水素供給量を制御してもよい。水素供給部４０が水素生成部４１及び水素タンク４２を含む場合、制御部６０は、水素タンク４２の残量に応じて水素生成部４１が生成する水素の量を制御してもよい。
炭化水素生成システム１は、水素供給部４０から供給される水素供給量を制御する制御部６０を備えていてもよい。制御部６０は、例えば、計測部５０で生成された信号に基づいて水素供給部４０が供給する水素の量を算出してもよい。制御部６０は、算出された量の水素が炭化水素生成部３０に供給されるように水素供給部４０を制御してもよい。制御部６０は、ポンプなどの流量調整器によって炭化水素生成部３０に供給される水素の量を調整してもよい。制御部６０は、水素生成部４１及び水素タンク４２の少なくともいずれか一方の水素供給量を制御してもよい。水素供給部４０が水素生成部４１及び水素タンク４２を含む場合、制御部６０は、水素タンク４２の残量に応じて水素生成部４１が生成する水素の量を制御してもよい。
制御部６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）を含んでいてもよい。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されたプログラムを読み込み、プログラムに従って演算及び制御などの命令を実行することができる。プログラムには、例えば、二酸化炭素の濃度及びバイオガスの流量から水素の供給量を算出する処理が含まれていてもよい。プログラムはＲＯＭ以外の記録媒体に予め格納されていてもよく、インターネット等を含む広域通信網を介して記録媒体に供給されてもよい。ＲＡＭは、計測部５０などから取得した情報を記憶し、ＣＰＵはＲＡＭに記憶された情報を読み出して演算などの処理に用いることができる。
以上説明したように、本実施形態に係る炭化水素生成システム１は、メタン及び二酸化炭素を含むバイオガスを生成するバイオリアクタ１０と、バイオガス及び水素を含む原料から炭化水素を生成する炭化水素生成部３０とを備える。炭化水素生成部３０では二酸化炭素から炭化水素が生成されるため、バイオガスに含まれる二酸化炭素を、化学吸収法などを用いた二酸化炭素回収装置などで分離せずに有価物として利用することができる。そのため、二酸化炭素回収装置に必要な設置及び維持費用を低減することができる。また、バイオガスを原料とするため、天然ガスなどの化石資源の使用を低減することもできる。
また、本実施形態に係る炭化水素生成システム１は、炭化水素生成部３０に供給されるバイオガス中の二酸化炭素の濃度及びバイオガスの流量を計測する計測部５０をさらに備える。そして、計測部５０で計測される二酸化炭素の濃度及びバイオガスの流量に応じた量の水素が炭化水素生成部３０へ供給される。そのため、二酸化炭素と水素との比率が所定の範囲内になるように調整された混合ガスを炭化水素生成部３０に供給することができ、バイオガス中の二酸化炭素から目的とする炭化水素を効率よく生成することができる。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る炭化水素生成システム１について図４を用いて説明する。
次に、第２実施形態に係る炭化水素生成システム１について図４を用いて説明する。
図４に示すように、炭化水素生成システム１は、第１実施形態に係る炭化水素生成システム１と同様に、バイオリアクタ１０、精製部２０、炭化水素生成部３０、水素供給部４０、計測部５０及び制御部６０を備えている。さらに、本実施形態に係る炭化水素生成システム１は、二酸化炭素回収装置７０、炭化水素プレ生成部３５、水素供給部４５、計測部５１及び制御部６１を備えている。
バイオリアクタ１０、精製部２０、炭化水素生成部３０、水素供給部４０、計測部５０及び制御部６０については、第１実施形態に係る炭化水素生成システム１と同様であるため、説明を省略する。また、炭化水素プレ生成部３５、水素供給部４５、計測部５１、及び制御部６１については、上述した炭化水素生成部３０、水素供給部４０、計測部５０及び制御部６０と同様であるため、説明を省略する。また、水素供給部４５は水素生成部４６及び水素タンク４７を含んでおり、水素生成部４６及び水素タンク４７は、水素生成部４１及び水素タンク４２と同様であるため、説明を省略する。
二酸化炭素回収装置７０は、二酸化炭素発生源から排出される二酸化炭素を含有するガスから二酸化炭素を回収する。二酸化炭素発生源は、例えば、燃料が燃焼されることによって二酸化炭素を排出する発電所及び工場などである。二酸化炭素回収装置７０は、回収対象となる二酸化炭素を含有するガスから、回収対象となるガスよりも高い二酸化炭素濃度のガスを放散する。二酸化炭素回収装置７０は、例えば、化学吸収法、圧力スウィング吸着法、温度スウィング吸着法、又は膜分離濃縮法などによって二酸化炭素を回収することができる。
二酸化炭素回収装置７０から放散される二酸化炭素の濃度は、バイオガス中の二酸化炭素濃度よりも大きくてもよい。二酸化炭素回収装置７０によって放散されるガスは、例えばモル比で９０％以上の二酸化炭素を含有する。二酸化炭素回収装置７０から放散される二酸化炭素の濃度は、モル比で９５％以上であることが好ましく、９９％以上であることがより好ましい。
二酸化炭素回収装置７０から放散される高濃度の二酸化炭素は、炭化水素プレ生成部３５に供給される。炭化水素プレ生成部３５に供給されるガス中の二酸化炭素の濃度及びバイオガスの流量は、計測部５１によって計測される。水素供給部４５は、水素供給部４０と同様に、計測部５１で生成された二酸化炭素の濃度及びバイオガスの流量に関連する信号に基づいて水素供給量を調整してもよい。制御部６１は、制御部６０と同様に、計測部５１で生成された信号に基づいて水素供給部４５が供給する水素の量を算出してもよい。制御部６１は、制御部６０と同様に、算出された量の水素が炭化水素プレ生成部３５に供給されるように水素供給部４５を制御してもよい。制御部６１は、制御部６０と同様に、水素生成部４６及び水素タンク４７の少なくともいずれか一方の水素供給量を制御してもよい。そして、計測部５１で計測される二酸化炭素の濃度及びバイオガスの流量に応じた量の水素は、炭化水素プレ生成部３５へ供給される。
炭化水素プレ生成部３５は、バイオガスよりも二酸化炭素濃度が高いガス及び水素を含む原料から炭化水素を生成してもよい。炭化水素プレ生成部３５で生成される炭化水素は、パラフィン及びオレフィンの少なくともいずれか一方を含んでいてもよい。炭化水素プレ生成部３５は、炭化水素生成部３０と同様に、メタネーション装置及びＦＴ合成装置の少なくともいずれか一方を含んでもよい。また、メタネーション装置は、単一の反応器のみを含んでいてもよく、複数の反応器を含んでいてもよい。同様に、ＦＴ合成装置は、単一の反応器のみを含んでいてもよく、複数の反応器を含んでいてもよい。メタネーション装置及びＦＴ合成装置が複数の反応器を含む場合、各反応器は直列に配置されてもよく、並列に配置されてもよい。
炭化水素プレ生成部３５と炭化水素生成部３０とを接続する配管には冷却器８１及び気液分離器８２が設けられていてもよい。炭化水素プレ生成部３５で生成された生成物は、冷却器８１によって冷却され、生成物に含まれる水分が凝縮し、気液分離器８２で生成物から水分が除去される。水分が除去された生成物は炭化水素生成部３０に供給される。
炭化水素生成部３０は、炭化水素プレ生成部３５から排出される未反応の二酸化炭素、バイオガス及び水素を含む原料から炭化水素を生成してもよい。炭化水素生成部３０で生成される炭化水素は、パラフィン及びオレフィンの少なくともいずれか一方を含んでいてもよい。炭化水素生成部３０は、上記実施形態と同様に、メタネーション装置３１及びＦＴ合成装置３２の少なくともいずれか一方を含んでもよい。また、メタネーション装置３１は、単一の反応器のみを含んでいてもよく、複数の反応器を含んでいてもよい。同様に、ＦＴ合成装置３２は、単一の反応器のみを含んでいてもよく、複数の反応器を含んでいてもよい。メタネーション装置３１及びＦＴ合成装置３２が複数の反応器を含む場合、各反応器は直列に配置されてもよく、並列に配置されてもよい。
炭化水素生成部３０で生成された生成物を排出する排出口には、接続配管が設けられ、接続配管には冷却器８３及び気液分離器８４が設けられていてもよい。炭化水素生成部３０で生成された生成物は、冷却器８３によって冷却されて水分が凝縮し、気液分離器８４で水分が除去される。
炭化水素生成部３０で生成された生成物には高濃度の炭化水素が含まれているため、そのまま工場内のエネルギー源として使用したり、都市ガスとして直接供給したりすることができる。また、オレフィンなどの炭化水素は、プラスチックの原料として使用することができる。炭化水素生成部３０は上述したような分離装置で各種炭化水素が分離されてもよい。
以上説明したように、本実施形態に係る炭化水素生成システム１は、メタン及び二酸化炭素を含むバイオガスを生成するバイオリアクタ１０と、バイオガス及び水素を含む原料から炭化水素を生成する炭化水素生成部３０とを備える。炭化水素生成部３０では二酸化炭素から炭化水素が生成されるため、バイオガスに含まれる二酸化炭素を、化学吸収法などを用いた二酸化炭素回収装置などで分離せずに有価物として利用することができる。また、バイオガスを原料とするため、天然ガスなどの化石資源の使用を低減することもできる。
また、炭化水素生成システム１は、バイオガスよりも二酸化炭素濃度が高いガス及び水素を含む原料から炭化水素を生成する炭化水素プレ生成部３５をさらに備えてもよい。炭化水素生成部３０は、炭化水素プレ生成部３５から排出される未反応の二酸化炭素、バイオガス及び水素を含む原料から炭化水素を生成してもよい。
これにより、炭化水素プレ生成部３５で二酸化炭素が消費され、炭化水素プレ生成部３５に供給されるよりも低い二酸化炭素濃度のガスが炭化水素生成部３０に供給される。炭化水素プレ生成部３５での二酸化炭素の分圧は高いため、炭化水素を効率的に生成することができる。また、炭化水素プレ生成部３５から未反応の二酸化炭素も排出されるため、バイオガスに近い組成のガスを炭化水素生成部３０に供給することができる。
また、炭化水素プレ生成部３５はメタネーションによってメタンを生成するメタネーション装置を含み、炭化水素生成部３０はメタネーションによってメタンを生成するメタネーション装置を含んでもよい。これにより、高濃度の二酸化炭素を含むガス及びバイオガスから高濃度のメタンを含むガスを効率的に生成することができる。したがって、このようなガスを既存のガス導管に注入することによって、都市ガスとしての利用することが容易になる。
炭化水素プレ生成部３５がメタネーション装置を含み、炭化水素プレ生成部３５での二酸化炭素転化率を７０％、８０％及び９０％とした場合の炭化水素生成部３０の入口のガス組成は以下の通りである。なお、ガス組成は、ＣＯ２＋４Ｈ２→ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏの反応式に基づいてモル比で算出し、水は気液分離器８２によって除去されたものと仮定した。
表１に示すように、炭化水素プレ生成部３５から炭化水素生成部３０に供給されるガスには、バイオガスと同様に、メタン及び二酸化炭素が含まれる。そのため、炭化水素プレ生成部３５で生成される生成物を炭化水素生成部３０に供給することにより、炭化水素プレ生成部３５に供給されるガスよりもバイオガスに近い二酸化炭素濃度のガスを炭化水素生成部３０に供給することができる。なお、バイオガスの組成に近づける観点から、炭化水素プレ生成部３５の二酸化炭素転化率は８０％以上であることが好ましい。
炭化水素プレ生成部３５は単一の反応器を含み、単一の反応器によって炭化水素生成部３０に供給されるガスをバイオガスの組成に近づけてもよい。また、炭化水素プレ生成部３５は複数の反応器を含み、複数の反応器によって炭化水素生成部３０に供給されるガスをバイオガスの組成に近づけてもよい。なお、バイオガスの組成が近いとは、例えば、炭化水素プレ生成部３５で生成され、炭化水素生成部３０に供給されるガス中のメタン濃度が、バイオガスのメタン濃度に対して－１０％～＋１０％の範囲内であることを意味する。
なお、本実施形態においては、水素供給部４０から炭化水素生成部３０に供給される水素の供給量が制御部６０によって制御されており、水素供給部４５から炭化水素プレ生成部３５に供給される水素の供給量が制御部６１によって制御されている。しかしながら、共通する１つの水素供給部から炭化水素生成部３０及び炭化水素プレ生成部３５に水素が供給されてもよい。同様に、共通する１つの制御部によって水素供給部４０及び水素供給部４５の水素供給量が制御されてもよい。また、二酸化炭素回収装置７０から排出されるガス中の二酸化炭素濃度は、バイオガス中の二酸化炭素濃度よりも変動が小さい傾向にある。そのため、炭化水素生成システム１は、計測部５１及び制御部６１を備えていなくてもよい。
また、本実施形態に係る炭化水素生成システム１は、メタン及び二酸化炭素を含むバイオガスを生成するバイオリアクタ１０と、バイオガス及び水素を含む原料から炭化水素を生成する炭化水素生成部３０とを備える。これにより、バイオガスに含まれる二酸化炭素を分離せずに有価物として利用することができる。そのため、炭化水素生成システム１は、計測部５０及び制御部６０を備えていなくてもよい。
すなわち、炭化水素生成システム１は、メタン及び二酸化炭素を含むバイオガスを生成するバイオリアクタ１０と、バイオガスよりも二酸化炭素濃度が高いガス及び水素を含む原料から炭化水素を生成する炭化水素プレ生成部３５とを備えていてもよい。さらに、炭化水素生成システム１は、炭化水素プレ生成部３５から排出される未反応の二酸化炭素、バイオガス及び水素を含む原料から炭化水素を生成する炭化水素生成部３０を備えていてもよい。このような炭化水素生成システム１によっても、バイオガスに含まれる二酸化炭素を分離せずに有価物として利用することができる。また、炭化水素を効率的に生成することができ、バイオガスに近い組成のガスを炭化水素生成部３０に供給することができる。
特願２０２０－１０６８００号（出願日：２０２０年６月２２日）の全内容は、ここに援用される。
いくつかの実施形態を説明したが、上記開示内容に基づいて実施形態の修正または変形をすることが可能である。上記実施形態のすべての構成要素、及び請求の範囲に記載されたすべての特徴は、それらが互いに矛盾しない限り、個々に抜き出して組み合わせてもよい。
１ 炭化水素生成システム
１０ バイオリアクタ
３０ 炭化水素生成部
３１ メタネーション装置
３２ ＦＴ合成装置
３５ 炭化水素プレ生成部
５０ 計測部
１０ バイオリアクタ
３０ 炭化水素生成部
３１ メタネーション装置
３２ ＦＴ合成装置
３５ 炭化水素プレ生成部
５０ 計測部
Claims (12)
- メタン及び二酸化炭素を含むバイオガスを生成するバイオリアクタと、
前記バイオガスよりも二酸化炭素濃度が高いガス及び水素を含む原料からメタネーションによってメタンを生成するメタネーション装置を含む炭化水素プレ生成部と、
前記炭化水素プレ生成部から排出される未反応の二酸化炭素、前記バイオガス及び水素を含む原料から炭化水素を生成する炭化水素生成部と、
前記炭化水素生成部に供給される前記バイオガス中の二酸化炭素の濃度及び前記バイオガスの流量を計測する計測部と、
を備え、
前記計測部で計測される二酸化炭素の濃度及び前記バイオガスの流量に応じた量の水素が前記炭化水素生成部へ供給され、
前記炭化水素プレ生成部の二酸化炭素転化率は８０％以上である、炭化水素生成システム。 - 前記炭化水素はパラフィン及びオレフィンの少なくともいずれか一方を含む、請求項１に記載の炭化水素生成システム。
- 前記炭化水素生成部は、前記炭化水素プレ生成部から排出される未反応の二酸化炭素、前記バイオガス及び水素を含む原料からメタネーションによってメタンを生成するメタネーション装置を含む、請求項１に記載の炭化水素生成システム。
- 前記炭化水素生成部は、前記炭化水素プレ生成部から排出される未反応の二酸化炭素、前記バイオガス及び水素を含む原料からフィッシャー－トロプシュ反応によってパラフィン及びオレフィンの少なくともいずれか一方の炭化水素を生成するＦＴ合成装置を含む、請求項１に記載の炭化水素生成システム。
- 前記炭化水素生成部は、前記炭化水素プレ生成部から排出される未反応の二酸化炭素、前記バイオガス及び水素を含む原料からフィッシャー－トロプシュ反応によってパラフィン及びオレフィンの少なくともいずれか一方の炭化水素を生成するＦＴ合成装置と、前記ＦＴ合成装置から排出される未反応の二酸化炭素及び水素を含む原料からメタネーションによってメタンを生成するメタネーション装置とを含む、請求項１に記載の炭化水素生成システム。
- 前記炭化水素生成部は、前記炭化水素プレ生成部から排出される未反応の二酸化炭素、前記バイオガス及び水素を含む原料からフィッシャー－トロプシュ反応によってパラフィン及びオレフィンの少なくともいずれか一方の炭化水素を生成するＦＴ合成装置と、前記炭化水素プレ生成部から排出される未反応の二酸化炭素、前記バイオガス及び水素を含む原料からメタネーションによってメタンを生成するメタネーション装置とを含む、請求項１に記載の炭化水素生成システム。
- メタン及び二酸化炭素を含むバイオガスを生成するバイオリアクタと、
前記バイオガス及び水素を含む原料からフィッシャー－トロプシュ反応によってパラフィン及びオレフィンの少なくともいずれか一方を含む炭化水素を生成するＦＴ合成装置を含む炭化水素生成部と、
前記炭化水素生成部に供給される前記バイオガス中の二酸化炭素の濃度及び前記バイオガスの流量を計測する計測部と、
を備え、
前記計測部で計測される二酸化炭素の濃度及び前記バイオガスの流量に応じた量の水素が前記炭化水素生成部へ供給される、炭化水素生成システム。 - 前記炭化水素生成部は前記ＦＴ合成装置から排出される未反応の二酸化炭素及び水素を含む原料からメタネーションによってメタンを生成するメタネーション装置を含む、請求項７に記載の炭化水素生成システム。
- 前記炭化水素生成部は前記バイオガス及び水素を含む原料からメタネーションによってメタンを生成するメタネーション装置を含む、請求項７に記載の炭化水素生成システム。
- 前記バイオガスよりも二酸化炭素濃度が高いガス及び水素を含む原料から炭化水素を生成する炭化水素プレ生成部をさらに備え、
前記炭化水素生成部は、前記炭化水素プレ生成部から排出される未反応の二酸化炭素、前記バイオガス及び水素を含む原料から炭化水素を生成する、請求項７に記載の炭化水素生成システム。 - 前記炭化水素プレ生成部は、メタネーションによってメタンを生成するメタネーション装置を含む、請求項１０に記載の炭化水素生成システム。
- 前記バイオリアクタは発酵槽を含み、前記炭化水素生成部で生じた反応熱によって前記発酵槽が加温される、請求項１～１１のいずれか一項に記載の炭化水素生成システム。
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