JP7478486B1 - ガス製造システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＯ２分子ゲート膜を用いたＣＯ２とＨ２との分離を、より高精度かつ高効率に行うことが可能なガス製造システムを提供する。【解決手段】ガス製造システム１は、ガス化炉２と、水性ガスシフト反応炉３と、減圧弁４と、ＣＯ２選択透過膜モジュール５と、を備える。ガス化炉２は、石炭およびＯ２の供給を受けてＣＯを生成する。水性ガスシフト反応炉３は、ガス化炉２で生成されたＣＯと、蒸気との供給を受け入れ、ＣＯ２／Ｈ２混合ガスを生成する。減圧弁４は、水性ガスシフト反応炉３で生成されたＣＯ２／Ｈ２混合ガスを冷却する。ＣＯ２選択透過膜モジュール５は、ＣＯ２分子ゲート膜を有するとともに、減圧弁４で冷却されたＣＯ２／Ｈ２混合ガスを受け入れ、ＣＯ２とＨ２とを分離する。減圧弁４は、ＣＯ２／Ｈ２混合ガスの温度が８５℃を範囲内に含む所定範囲内となるようにＣＯ２／Ｈ２混合ガスを減圧する。【選択図】図１

Description

本発明は、ガス製造システムに関する。

近年では、環境負荷の低減を図るため、水素ガスを用いた発電の開発が進められている非特許文献１には、発電等の燃料として用いる水素ガスを製造するためのシステムが開示されている。非特許文献１で紹介されているガス製造システムについて、図４を用いて説明する。

図４に示すように、ガス製造システム９１は、ガス化炉９２と、水性ガスシフト反応炉９３と、熱交換器９４と、ＣＯ_２選択透過膜モジュール９５と、を備える。ガス化炉９２には、石炭とＯ_２が導入され、内部でＣＯが生成される。水性ガスシフト反応炉９３には、ガス化炉９２で生成されたＣＯと、蒸気が導入され、内部でＣＯ_２とＨ_２との混合ガスが生成される。なお、水性ガスシフト反応炉９３内で生成された混合ガスは、温度が２００℃～４００℃、圧力が２～４ＭＰａである。

水性ガスシフト反応炉９２で生成された混合ガスは、熱交換器９４で所定の温度範囲まで冷却され、ＣＯ_２選択透過膜モジュール９５へと供給される。ＣＯ_２選択透過膜モジュール９５では、ＣＯ_２だけが内部のＣＯ_２分子ゲート膜を透過し、これによりＣＯ_２とＨ_２とが分離される。なお、温度が２００℃～４００℃の混合ガスをＣＯ_２選択透過膜モジュール９５へ導入した場合には、精度および効率の両方が低くなってしまう。このため、ＣＯ_２選択透過膜モジュール９５内で高精度かつ高効率にＣＯ_２とＨ_２とを分離するため、従来技術に係るガス製造システム９１では、ＣＯ_２選択透過膜モジュール９５へ導入する前の混合ガスを熱交換器９４で冷却している。

上記のように分離されたＨ_２は、発電等の燃料として活用され、ＣＯ_２は、地下深くに貯留される。

公益財団法人地球環境産業技術研究機構 化学研究グループ、次世代火力発電の早期実現に向けた協議会（第２回会合）資料２－３、「ＣＯ２分離・回収技術（固体吸収材、分離膜）の開発動向」Ｐ．１６、２０１５年６月２２日

しかしながら、上記のようなガス製造システムにおいては、さらなる高精度かつ効率的なＣＯ_２分離が求められている。具体的には、高精度かつ効率的なＣＯ_２分離を行うためには、８５℃前後の混合ガスをＣＯ_２選択透過膜モジュール９５に導入することが要求されるが、従来技術に係るガス製造システム９１のように熱交換器９４で混合ガスの冷却を行う場合には大きな温度バラツキが生じてしまう。

図５（ａ）に示す向流方式の熱交換器９４でも、図５（ｂ）に示す並流方式の熱交換器９４でも、熱交換器９４内での混合ガスの温度はＴ１～Ｔ２の範囲でバラツキが生じてしまう（特性線Ｌ９１，Ｌ９２）。このため、熱交換器９４を用いて混合ガスの冷却を行う従来技術に係るガス製造システム９１では、５０℃～１５０℃の範囲でバラツキを有する混合ガスがＣＯ_２選択透過膜モジュール９５に導入されてしまう。よって、ガス製造システムには、さらなる高精度で効率的なＣＯ_２分離が求められる。

本発明は、上記のような問題の解決を図ろうとなされたものであって、ＣＯ_２分子ゲート膜を用いたＣＯ_２とＨ_２との分離を、より高精度かつ高効率に行うことが可能なガス製造システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るガス製造システムは、ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガス生成モジュールと、混合ガス冷却モジュールと、ＣＯ_２選択透過膜モジュールと、を備える。前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガス生成モジュールは、ＣＯと蒸気とを受け入れ、ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを生成する。前記混合ガス冷却モジュールは、前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガス生成モジュールで生成された前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを冷却する。前記ＣＯ_２選択透過膜モジュールは、ＣＯ_２分子ゲート膜を有するとともに、前記混合ガス冷却モジュールで冷却された前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを受け入れ、当該ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスからＣＯ_２とＨ_２とを分離する。

本態様に係るガス製造システムにおいて、前記混合ガス冷却モジュールは、前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスの温度が８５℃を含む所定範囲内となるように当該ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを減圧する減圧弁である。

上記態様に係るガス製造システムでは、ＣＯ_２選択透過膜モジュールに導入する前のＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを減圧弁で減圧して当該ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスの温度を所定範囲（８５℃を含む温度範囲）に調整する。ここで、減圧弁においてＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを減圧することによって、当該ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスの温度についても蒸気表に略合致あるいは近似する関係で冷却することができる。

また、減圧弁で上記の関係を基に冷却されたＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスは、一様な温度範囲でＣＯ_２選択透過膜モジュールへと送られる。

よって、上記態様に係るガス製造システムでは、ＣＯ_２分子ゲート膜を用いたＣＯ_２とＨ_２との分離を、より高精度かつ高効率に行うことが可能である。

上記態様に係るガス製造システムにおいて、前記混合ガス冷却モジュールには、２００℃～４００℃の温度、２ＭＰａ～４ＭＰａの圧力で前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスが導入される、としてもよい。

上記態様に係るガス製造システムでは、２００℃～４００℃の温度、２ＭＰａ～４ＭＰａの圧力のＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスが混合ガス冷却モジュールに対して導入されるが、上記のように混合ガス冷却モジュールで高精度に冷却されるので、ＣＯ_２選択透過膜モジュールで高精度かつ高効率にＣＯ_２とＨ_２とを分離可能である。

上記態様に係るガス製造システムにおいて、前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガス生成モジュールは、水性ガスシフト反応により前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを生成する水性ガスシフト反応炉であり、前記混合ガス冷却モジュールは、前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスの圧力を０．３３ＭＰａまたは０．５３ＭＰａまで減圧する、としてもよい。

本態様に係るガス製造システムで採用するＣＯ_２選択透過膜モジュールはＣＯ_２分子ゲート膜を用いるものであって、ＣＯ_２とＨ_２との分離を高精度かつ高効率に行うために目標とされる透過速度（パーミアンス）と分離係数が設定されている。この目標を達成するためには、水性ガスシフト反応炉（ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガス生成モジュール）で生成されたＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを、上記のように混合ガス冷却モジュール（減圧弁）でＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスの圧力を０．３３ＭＰａまたは０．５３ＭＰａまで減圧することが優位である。

上記態様に係るガス製造システムにおいて、前記減圧弁は、外部圧力検出方式の減圧弁である、としてもよい。

上記態様に係るガス製造システムでは、外部圧力検出方式の減圧弁を混合ガス冷却モジュールとして用いるので、ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスの温度を高精度に上記所定範囲とすることができる。即ち、外部圧力方式の減圧弁は、内部圧力検出方式（直動方式）の減圧弁に比べて高精度にガスの圧力を減圧することができ、ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスの温度を高精度に上記所定範囲とするのに優位である。

上記の各態様に係るガス製造システムでは、ＣＯ_２分子ゲート膜を用いたＣＯ_２とＨ_２との分離を、より高精度かつ高効率に行うことが可能である。

実施形態に係るガス製造システムの構成を示す模式図である。 ＣＯ_２選択透過膜モジュールに導入される混合ガスのＣＯ_２分圧と透過速度との関係を示す特性図である。 ＣＯ_２選択透過膜モジュールに導入される混合ガスのＣＯ_２分圧と分離係数との関係を示す特性図である。 従来技術に係るガス製造システムの構成を示す模式図である。 （ａ）は、向流方式の熱交換器内における２流体間の温度差を示す特性図であり、（ｂ）は、並流方式の熱交換器内における２流体間の温度差を示す特性図である。

以下では、本発明の実施形態について、図面を参酌しながら説明する。なお、以下で説明の形態は、本発明の一例を示すものであって、本発明は、その本質的な構成を除き何ら以下の形態に限定を受けるものではない。

［実施形態］
実施形態に係るガス製造システム１は、発電等の燃料として用いる水素ガス（Ｈ_２）を製造するためのシステムである。また、ガス製造システム１でＨ_２を製造する際に二酸化炭素（ＣＯ_２）も製造されるが、このＣＯ_２は地下深くに貯留される。

１．ガス製造システム１の構成
実施形態に係るガス製造システム１の構成について、図１を用いて説明する。

図１に示すように、ガス製造システム１は、ガス化炉２と、水性ガスシフト反応炉３と、減圧弁４と、ＣＯ_２選択透過膜モジュール５と、を備える。ガス化炉２は、ＣＯを生成するＣＯ生成モジュールとして備えられ、石炭とＯ_２が導入されることにより内部でＣＯを生成する。

水性ガスシフト反応炉３は、ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガス生成モジュールとして備えられ、ガス化炉２で生成されたＣＯと、蒸気とが導入されることにより内部でＨ_２とＣＯ_２との混合ガスを生成する。なお、水性ガスシフト反応炉３内で生成された混合ガスは、温度が２００℃～４００℃の範囲、圧力が２～４ＭＰａの範囲である。

水性ガスシフト反応炉３で生成された混合ガスは、減圧弁４で所定範囲（８５℃を含む範囲であって、例えば、８５℃±１℃）までガス温度が冷却される。即ち、本実施形態に係るガス製造システム１では、減圧弁４を混合ガス冷却モジュールとして備えている。詳細な図示を省略しているが、本実施形態に係るガス製造システム１が備える減圧弁４は、外部圧力検出方式の減圧弁であって、パイロット室から供給された圧力を駆動部で検出し弁部の開閉度を調整して２次側（排出側）圧力を一定に保持する減圧弁である。外部圧力検出方式の減圧弁４は、上記のようなメカニズムで減圧を行うことにより、内部圧力検出方式（直動方式）の減圧弁に比べて高精度にガスの圧力を減圧することができる。

減圧弁４で所定範囲内の温度まで冷却されたＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスは、ＣＯ_２選択透過膜モジュール５へと導入される。ＣＯ_２選択透過膜モジュール５は、ＣＯ_２分子ゲート膜を有するモジュールであって、ＣＯ_２だけがＣＯ_２分子ゲート膜を透過し、Ｈ_２はＣＯ_２分子ゲート膜を透過できない。これによりＣＯ_２とＨ_２とが分離される。

２．ＣＯ_２分子ゲート膜の分離性能とＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスの温度および圧力
ガス製造システム１では、ＣＯ_２選択透過膜モジュール５におけるＣＯ_２分子ゲート膜の分離性能を十分に活用するために、当該ＣＯ_２選択透過膜モジュール５に導入される際のＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスの温度および圧力について望ましい範囲が存在する。これについて、図２および図３を用いて説明する。

図２は、横軸にＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスの内のＣＯ_２ガスの分圧、縦軸にＣＯ_２分子ゲート膜の透過速度をとった特性図である。図２のグラフにおける特性線Ｌ１よりも上の領域Ａが精度および効率の観点から目標となる領域である。

図３は、横軸にＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスの内のＣＯ_２ガスの分圧、縦軸にＣＯ_２分子ゲート膜の分離係数をとった特性図である。図３のグラフにおける特性線Ｌ２よりも上の領域Ｂが精度および効率の観点から目標となる領域である。

（１）１５００円／ｔｏｎ－ＣＯ_２を実現するため
ＣＯ_２の回収コストを１５００円／ｔｏｎ－ＣＯ_２を実現するためには、ＣＯ_２分子ゲート膜の透過速度を３×１０^－１０とすることが必要となる。この透過速度を実現するためには、図２よりＣＯ_２の分圧を４００ｋＰａとすることが必要であることが分かる。

また、ＣＯ_２の回収コストを１５００円／ｔｏｎ－ＣＯ_２を実現するためには、ＣＯ_２分子ゲート膜の分離係数を１２５とすることが必要となる。この分離係数を実現するためには、図３よりＣＯ_２の分圧を２１０ｋＰａとすることが必要であることが分かる。

ここで、水性ガスシフト反応炉３でＣＯと上記とを反応させた場合には、ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスにおけるＣＯ_２とＨ_２との混合比率（モル分率）が４０％：６０％となる。この場合に、ＣＯ_２分子ゲート膜における３×１０^－１０の透過速度と１．２５の分離係数とを両方満足するためには、ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスの圧力を５５０ｋＰａ（０．５５ＭＰａ）とすることが必要となる。

（２）１０００円／ｔｏｎ－ＣＯ_２を実現するため
ＣＯ_２の回収コストを１００円／ｔｏｎ－ＣＯ_２を実現するためには、ＣＯ_２分子ゲート膜の透過速度を５×１０^－１０とすることが必要となる。この透過速度を実現するためには、図２よりＣＯ_２の分圧を１３０ｋＰａとすることが必要であることが分かる。

また、ＣＯ_２の回収コストを１０００円／ｔｏｎ－ＣＯ_２を実現するためには、ＣＯ_２分子ゲート膜の分離係数を１４５とすることが必要となる。この分離係数を実現するためには、図３よりＣＯ_２の分圧を１３０ｋＰａとすることが必要であることが分かる。

上記同様に、上述のようにＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスにおけるＣＯ_２とＨ_２との混合比率（モル分率）が４０％：６０％であるので、ＣＯ_２分子ゲート膜における５×１０^－１０の透過速度と１．４５の分離係数とを両方満足するためには、ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスの圧力を３３０ｋＰａ（０．３３ＭＰａ）とすることが必要となる。

（３）まとめ
上記非特許文献１で提案されているＣＯ_２分子ゲート膜を備えるＣＯ_２選択透過膜モジュールでは、当該ＣＯ_２選択透過膜モジュールに導入されるＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスの温度を８５℃前後（８５℃を範囲内に含む所定範囲）とすることが精度および効率の観点から望ましい。

以上より、ガス製造システム１において、水性ガスシフト反応炉３から吐出される２００℃～４００℃の温度、２ＭＰａ～４ＭＰａの圧力のＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを、減圧弁４にて０．３３ＭＰａ（ＣＯ_２の回収コストを１０００円／ｔｏｎ－ＣＯ_２を実現しようとする場合）あるいは０．５５ＭＰａ（ＣＯ_２の回収コストを１５００円／ｔｏｎ－ＣＯ_２を実現しようとする場合）で、８５℃を範囲内に含む所定範囲までＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを冷却してＣＯ_２選択透過膜モジュールに導入することが望ましい。

なお、上記において「８５℃を範囲内に含む所定範囲」とは、例えば、８５℃±５℃、望ましくは８５℃±３℃、より望ましくは８５℃±１℃を指す。

３．効果
本実施形態に係るガス製造システム１では、ＣＯ_２選択透過膜モジュール５に導入する前のＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを減圧弁４で減圧して当該ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスの温度を所定範囲（８５℃を範囲内に含む所定範囲）に調整する。

また、減圧弁で上記の関係を基にＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスは、一様な温度範囲（上記所定範囲）でＣＯ_２選択透過膜モジュール５へと送られる。

よって、上記態様に係るガス製造システムでは、ＣＯ_２分子ゲート膜を用いたＣＯ_２とＨ_２との分離を、より高精度かつ高効率に行うことが可能である。

また、本実施形態に係るガス製造システム１では、２００℃～４００℃の温度、２ＭＰａ～４ＭＰａの圧力のＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスが減圧弁（混合ガス冷却モジュール）４に対して導入されるが、上記のように減圧弁４で高精度に冷却されるので、ＣＯ_２選択透過膜モジュール５で高精度かつ高効率にＣＯ_２とＨ_２とを分離可能である。

また、ガス製造システム１で採用するＣＯ_２選択透過膜モジュール５はＣＯ_２分子ゲート膜を用いるものであって、ＣＯ_２とＨ_２との分離を高精度かつ高効率に行うために目標とされる透過速度（パーミアンス）と分離係数が設定されている。この目標を達成するためには、上述したように、減圧弁４でＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスの圧力を０．３３ＭＰａまたは０．５３ＭＰａまで減圧することがＣＯ_２選択透過膜モジュール５でＣＯ_２とＨ_２との分離を実行する上で優位である。

また、本実施形態に係るガス製造システム１では、外部圧力検出方式の減圧弁４を混合ガス冷却モジュールとして用いるので、ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスの温度を高精度に上記所定範囲内とすることができる。即ち、外部圧力方式の減圧弁は、内部圧力検出方式（直動方式）の減圧弁に比べて高精度にガスの圧力を減圧することができ、ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスの温度を高精度に上記所定範囲とするのに優位である。

以上のように、本実施形態に係るガス製造システム１では、ＣＯ_２分子ゲート膜を用いたＣＯ_２とＨ_２との分離を、より高精度かつ高効率に行うことが可能である。

［変形例］
上記実施形態に係るガス製造システム１では、ＣＯ生成モジュールとしてのガス化炉２を備えることとしたが、本発明に係るガス製造システムでは、必ずしもガス化炉２を備える必要はない。例えば、工場等から排出されるＣＯを回収し、これを水性ガスシフト反応炉３へと供給する構成としてもよい。

また、上記実施形態に係るガス製造システム１では、ＣＯ_２選択透過膜モジュール５で分離されたＣＯ_２を地中深くに貯留することとしたが、本発明では、分離されたＣＯ２の利用方法はこれに限定されない。例えば、メタネーション技術を用いてメタンＣＨ_４を合成するのに用いてもよい。即ち、ＣＯ_２選択透過膜モジュール５で分離されたＣＯ_２とＨ_２とを用いてＣＨ_４を合成してもよい。

また、上記実施形態に係るガス製造システム１では、減圧弁４として外部圧力検出方式の減圧弁を用いることとしたが、本発明では、直動方式の減圧弁を用いることとしてもよい。この場合にも、従来技術のように熱交換器９４でＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを冷却する場合よりも高精度かつ高効率にガス分離を行うことができる。

１ ガス製造システム
２ ガス化炉
３ 水性ガスシフト反応路（ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガス生成モジュール）
４ 減圧弁（混合ガス冷却モジュール）
５ ＣＯ_２選択透過膜モジュール

Claims (4)

1. ＣＯと蒸気とを受け入れ、ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを生成するＣＯ_２／Ｈ_２混合ガス生成モジュールと、
   前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガス生成モジュールで生成された前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを冷却する混合ガス冷却モジュールと、
   ＣＯ_２分子ゲート膜を有するとともに、前記混合ガス冷却モジュールで冷却された前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを受け入れ、当該ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスからＣＯ_２とＨ_２とを分離するＣＯ_２選択透過膜モジュールと、
   を備え、
   前記混合ガス冷却モジュールは、前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスの温度が８５℃を範囲内に含む所定範囲内となるように当該ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを減圧する減圧弁である、
   ガス製造システム。
2. 前記混合ガス冷却モジュールには、２００℃～４００℃の温度、２ＭＰａ～４ＭＰａの圧力で前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスが導入される、
   請求項１に記載のガス製造システム。
3. 前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガス生成モジュールは、水性ガスシフト反応により前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを生成する水性ガスシフト反応炉であり、
   前記混合ガス冷却モジュールは、前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスの圧力を０．３３ＭＰａまたは０．５３ＭＰａまで減圧する、
   請求項１または請求項２に記載のガス製造システム。
4. 前記減圧弁は、外部圧力検出方式の減圧弁である、
   請求項１または請求項２に記載のガス製造システム。