JP7842001B2 - Methane synthesis apparatus control method - Google Patents
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Description
本開示の技術は、メタン合成装置を制御するためのメタン合成装置制御方法に関する。 The technology disclosed herein relates to a method for controlling a methane synthesis apparatus.
特許文献１には、第１反応器と第２反応器とを有するメタン製造装置が記載されている。このメタン製造装置では、第１反応器において、供給源から供給された二酸化炭素と水素とを含む原料ガスを用いて、メタン化反応を生じさせる。また、第２反応器では、第１反応器で生成されたメタンを含む反応混合ガスを用いて、メタン化反応を生じさせる。 Patent Document 1 describes a methane production apparatus having a first reactor and a second reactor. In this methane production apparatus, the first reactor uses a raw material gas containing carbon dioxide and hydrogen supplied from a source to carry out a methane reaction. The second reactor then uses a reaction mixture gas containing methane produced in the first reactor to carry out a methane reaction.
実際のメタン合成装置では、下流側の反応炉（第二反応炉）において、炭素が析出することがあり、炭素析出によってメタン合成反応に影響を及ぼすおそれがある。しかしながら、第二反応炉において、炭素析出を抑制することが可能なメタン合成装置制御方法は提案されていない。 In actual methane synthesis plants, carbon can precipitate in the downstream reactor (second reactor), potentially affecting the methane synthesis reaction. However, no methane synthesis plant control method has been proposed that can suppress carbon precipitation in the second reactor.
本開示の技術では、上記事実を考慮し、第二反応炉における炭素析出を抑制することを目的とする。 The technology disclosed herein aims to suppress carbon deposition in the second reactor, taking the above facts into consideration.
第一態様のメタン合成装置制御方法では、二酸化炭素と水素を用いてメタン合成反応を生じさせる第一反応炉と、前記第一反応炉で生成された第一反応生成物から水を凝縮して除去する第一水凝縮器と、前記第一水凝縮器で得られた第一水除去物を用いてメタン合成反応を生じさせる第二反応炉と、前記第二反応炉で生成された第二反応生成物から水を凝縮して除去する第二水凝縮器と、を有するメタン合成装置に対し、前記第二反応炉の反応炉温度の上昇が想定される場合又は上昇した場合に、前記第一水凝縮器の水凝縮温度を、前記第二反応炉での炭素析出を抑制する炭素析出抑制水温まで上昇させる水温上昇工程、を有する。 In the first embodiment of the methane synthesis apparatus control method, the methane synthesis apparatus comprises a first reactor that generates a methane synthesis reaction using carbon dioxide and hydrogen, a first water condenser that condenses and removes water from the first reaction product generated in the first reactor, a second reactor that generates a methane synthesis reaction using the first water removed product obtained in the first water condenser, and a second water condenser that condenses and removes water from the second reaction product generated in the second reactor. The method includes a water temperature increase step, in which, when an increase in the reactor temperature of the second reactor is anticipated or has occurred, the water condensation temperature of the first water condenser is raised to a carbon precipitation suppression water temperature that suppresses carbon precipitation in the second reactor.
第一態様のメタン合成装置制御方法では、第一反応炉と第二反応炉の２つの反応炉を有するメタン合成装置を対象としている。メタン合成反応を複数段階で行うので、メタン合成反応を１段階で行う構成と比較して、第二水凝縮器で得られる第二水除去物のメタン変換率を必要に応じて高くすることが可能となる。 The first embodiment of the methane synthesis apparatus control method applies to a methane synthesis apparatus having two reactors, a first reactor and a second reactor. Since the methane synthesis reaction is carried out in multiple stages, compared to a configuration in which the methane synthesis reaction is carried out in a single stage, it is possible to increase the methane conversion rate of the second water-removed product obtained in the second water condenser as needed.
ここで、第二反応炉の反応炉温度が上昇した場合に、水凝縮温度が一定であると、第二反応炉での炭素が析出することがある。しかし、このメタン合成装置制御方法では、第二反応炉の反応炉温度の上昇が想定される場合又は上昇した場合に行う水温上昇工程を有している。水温上昇工程においては、第一水凝縮器の水凝縮温度を、第二反応炉での炭素析出を抑制する炭素析出抑制水温まで上昇させる。これにより、第二反応炉での炭素析出を抑制することができる。 Here, if the reactor temperature of the second reactor rises while the water condensation temperature remains constant, carbon may precipitate in the second reactor. However, this methane synthesis apparatus control method includes a water temperature raising step that is performed when an increase in the reactor temperature of the second reactor is anticipated or has already occurred. In the water temperature raising step, the water condensation temperature of the first water condenser is raised to a carbon precipitation suppression water temperature that inhibits carbon precipitation in the second reactor. This suppresses carbon precipitation in the second reactor.
第二態様のメタン合成装置制御方法では、第一態様のメタン合成装置制御方法において、前記水温上昇工程において前記水凝縮温度を前記炭素析出抑制水温まで上昇させた後、前記第二反応炉の反応炉温度が降下又は安定した場合に、前記水凝縮温度を前記炭素析出抑制水温未満に降下させる水温降下工程、を有する。 The second embodiment of the methane synthesis apparatus control method includes a water temperature reduction step, in which, after raising the water condensation temperature to the carbon deposition suppression water temperature in the water temperature raising step, the water condensation temperature is lowered to below the carbon deposition suppression water temperature when the reactor temperature of the second reactor decreases or stabilizes.
第二態様のメタン合成装置制御方法では、水温上昇工程において水凝縮温度を炭素析出抑制水温まで上昇させた後、第二反応炉の反応炉温度が降下又は安定した場合には、第二反応炉での炭素析出の可能性は低くなる。この状態で水温降下工程を行い、第一水凝縮器の水凝縮温度を炭素析出抑制水温未満に降下させるので、第二反応炉で合成されるメタン濃度の低下を抑制できる。 In the second embodiment of the methane synthesis apparatus control method, after raising the water condensation temperature to the carbon deposition suppression temperature during the water temperature rise step, if the reactor temperature of the second reactor decreases or stabilizes, the possibility of carbon deposition in the second reactor decreases. In this state, the water temperature lowering step is performed, and the water condensation temperature of the first water condenser is lowered to below the carbon deposition suppression temperature, thereby suppressing the decrease in the methane concentration synthesized in the second reactor.
第三態様のメタン合成装置制御方法では、第一又は第二態様のメタン合成装置制御方法において、前記炭素析出抑制水温が時間的に一定温度である。 In the third embodiment of the methane synthesis apparatus control method, the carbon deposition suppression water temperature is constant over time, as in the first or second embodiment of the methane synthesis apparatus control method.
このように、炭素析出抑制水温を時間的に一定とすることで、第一水凝縮器の水凝縮温度の管理及び調整が容易となる。 In this way, by keeping the carbon deposition suppression water temperature constant over time, the control and adjustment of the water condensation temperature in the first water condenser becomes easier.
本願では、第二反応炉における炭素析出を抑制することが可能である。 This invention makes it possible to suppress carbon deposition in the second reactor.
以下、図面を参照して本願の実施形態の一例を詳細に説明する。 An example of an embodiment of this application will be described in detail below with reference to the drawings.
図１には、第一実施形態のメタン合成装置制御方法を適用する一例としてのメタン合成装置１２が示されている。 Figure 1 shows a methane synthesis apparatus 12 as an example to which the methane synthesis apparatus control method of the first embodiment is applied.
メタン合成装置１２は、水分解装置１４及びメタネーション装置１６を有している。さらに、メタネーション装置１６は、第一メタネーション反応炉１８、第一水凝縮器２０、第二メタネーション反応炉２２及び第二水凝縮器２４を有している。 The methane synthesis apparatus 12 includes a water splitting apparatus 14 and a methanation apparatus 16. Furthermore, the methanation apparatus 16 includes a first methanation reactor 18, a first water condenser 20, a second methanation reactor 22, and a second water condenser 24.
水分解装置１４では、以下の式（１）に示すように、水分解反応により、水を水素と酸素とに分解する。
Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋（１／２）Ｏ２ ΔＨ０＝２８５.８ｋＪ／ｍｏｌ（標準状態：２５℃、１ａｔｍ） （１）
この水分解反応は、分解される水１ｍｏｌあたり２８５．８ｋＪのエネルギー供給が必要であり、このエネルギーは通常は電気エネルギーとして供給される。なお、供給するエネルギーのうち、一部は熱エネルギーとしての供給が可能である。水分解装置１４では、電源装置６４により電気エネルギーが、また、加熱装置２６により熱エネルギーが、それぞれ加えられるようになっている。水分解装置１４は、このように電気エネルギーにより水を分解する装置であり、水電解装置の一例でもある。
In the water splitting apparatus 14, water is split into hydrogen and oxygen by a water splitting reaction, as shown in the following equation (1).
H 2 O → H 2 + (1/2) O 2 ΔH 0 =285.8 kJ/mol (standard condition: 25°C, 1 atm) (1)
This water splitting reaction requires an energy supply of 285.8 kJ per mole of water being split, and this energy is usually supplied as electrical energy. A portion of the supplied energy can also be supplied as thermal energy. In the water splitting apparatus 14, electrical energy is supplied by the power supply unit 64, and thermal energy is supplied by the heating unit 26. The water splitting apparatus 14 is a device that splits water using electrical energy, and is an example of a water electrolysis apparatus.
水分解装置１４で生成された水素は、メタネーション装置１６の第一メタネーション反応炉１８に送られる。第一メタネーション反応炉１８は、本開示の技術の第一反応炉の一例である。 The hydrogen produced in the water splitting unit 14 is sent to the first methanation reactor 18 of the methanation unit 16. The first methanation reactor 18 is an example of the first reactor of the technology described herein.
第一メタネーション反応炉１８では、内部に触媒を有しており、以下の式（２）に示すように、メタン合成反応によりメタンと水とが生成される。第一メタネーション反応炉１８により生成されたメタン及び水は、本願の開示の技術に係る第一反応生成物の一例である。
４Ｈ２＋ＣＯ２→ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ ΔＨ０＝－１６５ｋＪ／ｍｏｌ（標準状態：２５℃、１ａｔｍ） （２）
このメタン合成反応は、生成されるメタン１ｍｏｌあたり１６５ｋＪの発熱反応であり、投入された熱エネルギーの一部が外部に放出される。たとえば、放出される熱エネルギーの一部又は全部を水分解装置１４に作用させて、水分解反応に用いてもよい。
The first methanation reactor 18 contains a catalyst internally, and methane and water are produced by a methane synthesis reaction as shown in the following formula (2). The methane and water produced by the first methanation reactor 18 are an example of the first reaction products related to the technology disclosed in this application.
4H 2 +CO 2 → CH 4 +2H 2 O ΔH 0 = -165 kJ/mol (standard condition: 25°C, 1 atm) (2)
This methane synthesis reaction is an exothermic reaction, generating 165 kJ per mol of methane produced, and some of the thermal energy input is released to the outside. For example, some or all of the released thermal energy may be used to act on the water splitting apparatus 14 for the water splitting reaction.
水分解装置１４から水素を第一メタネーション反応炉１８に送る配管には、水素ガス流量センサ５８Ａが設けられている。水素ガス流量センサ５８Ａでは、第一メタネーション反応炉１８に投入される水素ガスの量が検出される。検出された水素ガスの流量は、制御装置３８に送信される。 A hydrogen gas flow sensor 58A is installed in the piping that sends hydrogen from the water splitting unit 14 to the first methanation reactor 18. The hydrogen gas flow sensor 58A detects the amount of hydrogen gas being introduced into the first methanation reactor 18. The detected hydrogen gas flow rate is transmitted to the control device 38.
また、二酸化炭素は、たとえば図示しないボンベやタンク等から第一メタネーション反応炉１８に送られる。二酸化炭素を第一メタネーション反応炉１８に送る配管には、二酸化炭素ガス流量センサ５８Ｂが設けられている。二酸化炭素ガス流量センサ５８Ｂでは、第一メタネーション反応炉１８に投入される二酸化炭素の量が検出される。検出された水素ガスの流量は、制御装置３８に送信される。 Furthermore, carbon dioxide is supplied to the first methanation reactor 18 from, for example, a cylinder or tank (not shown). A carbon dioxide gas flow sensor 58B is installed in the piping that supplies carbon dioxide to the first methanation reactor 18. The carbon dioxide gas flow sensor 58B detects the amount of carbon dioxide being introduced into the first methanation reactor 18. The detected hydrogen gas flow rate is transmitted to the control device 38.
第一メタネーション反応炉１８は、熱交換器あるいはヒーター及びクーラー等の温度調整装置２８により触媒の温度が調整されるようになっている。以下では、第一メタネーション反応炉１８の触媒の温度を、「メタネーション温度Ｍ１」とする。 The first methanation reactor 18 is designed so that the catalyst temperature is controlled by a temperature control device 28, such as a heat exchanger or heater and cooler. Hereafter, the catalyst temperature in the first methanation reactor 18 will be referred to as the "methanation temperature M1".
第一メタネーション反応炉１８で生成された第一反応生成物は、配管を通じて第一水凝縮器２０に送られる。 The first reaction product generated in the first methanation reactor 18 is sent to the first water condenser 20 through piping.
第一水凝縮器２０は、第一反応生成物から、水分を凝縮する。生成された液相の水は、第一水凝縮器２０の外部に排出されてもよいし、水分解装置１４へ供給されてもよい。なお、第一水凝縮器２０には、熱源３０から所定の温度に調整された冷媒が供給され、水の凝縮に必要な冷熱が供給されるようになっている。以下では、第一水凝縮器２０の冷媒の温度を「水凝縮温度Ｎ１」とする。 The first water condenser 20 condenses water from the first reaction product. The resulting liquid phase water may be discharged outside the first water condenser 20 or supplied to the water splitting unit 14. The first water condenser 20 is supplied with a refrigerant adjusted to a predetermined temperature from the heat source 30, providing the necessary cooling for water condensation. Hereinafter, the temperature of the refrigerant in the first water condenser 20 will be referred to as the "water condensation temperature N1".
このように水が除去された状態の第一反応生成物は、本開示の技術に係る第一水除去物の一例である。第一水除去物は、第二メタネーション反応炉２２に送られる。第二メタネーション反応炉２２は、本開示の技術の第二反応炉の一例である。 The first reaction product, in which water has been removed in this manner, is an example of the first water-removed product according to the technology of this disclosure. The first water-removed product is sent to the second methanation reactor 22. The second methanation reactor 22 is an example of the second reactor according to the technology of this disclosure.
さらに、第一水凝縮器２０と第二メタネーション反応炉２２とを接続する配管には、第二メタネーション反応炉２２における第一反応生成物の入口側にガス圧力センサ６０が設けられている。ガス圧力センサ６０は、第二メタネーション反応炉２２の入口において、第二メタネーション反応炉２２に供給される気体の圧力を検出可能である。検出結果は、制御装置３８に送信される。 Furthermore, a gas pressure sensor 60 is provided in the piping connecting the first water condenser 20 and the second methanation reactor 22, on the inlet side of the first reaction product in the second methanation reactor 22. The gas pressure sensor 60 can detect the pressure of the gas supplied to the second methanation reactor 22 at its inlet. The detection result is transmitted to the control device 38.
第二メタネーション反応炉２２では、第一メタネーション反応炉１８と同様に内部に触媒を有しており、式（２）に示したメタン合成反応により、メタンと水とが生成される。第二メタネーション反応炉２２により生成されたメタン及び水は、本開示の技術に係る第二反応生成物の一例である。 The second methanation reactor 22, like the first methanation reactor 18, contains a catalyst internally, and methane and water are produced by the methane synthesis reaction shown in formula (2). The methane and water produced by the second methanation reactor 22 are examples of the second reaction products related to the technology of this disclosure.
第二メタネーション反応炉２２におけるメタン合成反応も１ｍｏｌあたり１６５ｋＪの発熱反応であり、投入された熱エネルギーの一部が外部に放出される。たとえば、放出される熱エネルギーの一部又は全部を水分解装置１４に作用させて、水分解反応に用いてもよい。 The methane synthesis reaction in the second methanation reactor 22 is also an exothermic reaction with a rate of 165 kJ per mole, and a portion of the input thermal energy is released to the outside. For example, some or all of the released thermal energy may be used to act on the water splitting apparatus 14 for the water splitting reaction.
第二メタネーション反応炉２２は、熱交換器あるいはヒーター及びクーラー等の温度調整装置３２により触媒の温度が調整されるようになっている。以下では、第二メタネーション反応炉２２の触媒の温度を、「メタネーション温度Ｍ２」とする。 The second methanation reactor 22 is designed so that the catalyst temperature is controlled by a temperature control device 32, such as a heat exchanger or heater and cooler. Hereafter, the catalyst temperature in the second methanation reactor 22 will be referred to as the "methanation temperature M2".
ここで、第一メタネーション反応炉１８と第二メタネーション反応炉２２との間に配置された第一水凝縮器２０により、第一反応生成物は水分の一部が除去された状態の第一水除去物として第二メタネーション反応炉２２に送られている。したがって、第一反応生成物から水分を除去しない構成と比較して、第二メタネーション反応炉２２におけるメタンへの転換率が高くなっている。第二メタネーション反応炉２２により生成されたメタン及び水は、本開示の技術に係る第二反応生成物の一例である。 Here, the first reaction product is sent to the second methanation reactor 22 as a first water-removed product, with some of the water removed, by the first water condenser 20 located between the first methanation reactor 18 and the second methanation reactor 22. Therefore, compared to a configuration where water is not removed from the first reaction product, the conversion rate to methane in the second methanation reactor 22 is higher. The methane and water produced in the second methanation reactor 22 are examples of the second reaction product according to the technology of this disclosure.
第二メタネーション反応炉２２で生成されたメタン及び水を含む第二反応生成物は、配管を通じて第二水凝縮器２４に送られる。この配管には、第二メタネーション反応炉２２における第二反応生成物の出口側にガス流量センサ６２が設けられている。ガス流量センサ６２は、第二メタネーション反応炉２２からのガスの出口において、第二反応生成物の流量（単位時間あたりに流れるガスの体積）を検出可能である。ガス流量センサ６２によって検出された第二反応生成物の流量のデータは、制御装置３８に送信される。以下では、ガス流量センサ６２によって検出されたガスの量を「出口ガス流量」とする。 The second reaction product, containing methane and water, generated in the second methanation reactor 22, is sent to the second water condenser 24 through piping. A gas flow sensor 62 is installed on this piping at the outlet side of the second reaction product in the second methanation reactor 22. The gas flow sensor 62 can detect the flow rate of the second reaction product (the volume of gas flowing per unit time) at the gas outlet from the second methanation reactor 22. The flow rate data of the second reaction product detected by the gas flow sensor 62 is transmitted to the control device 38. Hereafter, the amount of gas detected by the gas flow sensor 62 will be referred to as the "outlet gas flow rate."
第二水凝縮器２４は、第二反応生成物から、水分を凝縮する。生成された液相の水は、第二水凝縮器２４の外部に排出されてもよいし、水分解装置１４へ供給されてもよい。第二水凝縮器２４では、メタネーション装置１６における生成物である合成メタンが得られる。なお、第一水凝縮器２０と同様に、第二水凝縮器２４にも熱源３４から所定の温度に調整された冷媒が供給され、水の凝縮に必要な冷熱が熱交換等により供給されるようになっている。以下では、第二水凝縮器２４の冷媒の温度を「水凝縮温度Ｎ２」とする。 The second water condenser 24 condenses water from the second reaction product. The resulting liquid phase water may be discharged outside the second water condenser 24 or supplied to the water splitting unit 14. Synthetic methane, the product of the methanation unit 16, is obtained in the second water condenser 24. Similar to the first water condenser 20, the second water condenser 24 is supplied with a refrigerant adjusted to a predetermined temperature from the heat source 34, and the necessary cooling energy for water condensation is supplied through heat exchange or other means. Hereafter, the temperature of the refrigerant in the second water condenser 24 will be referred to as the "water condensation temperature N2".
第二水凝縮器２４により、第二反応生成物は水が除去された状態で、合成メタンとして生成されている。したがって、第二反応生成物から水を除去しない構成と比較して、メタネーション装置１６で生成される合成メタンの濃度が高くなっている。 In the second water condenser 24, the second reaction product is produced as synthetic methane with the water removed. Therefore, compared to a configuration where water is not removed from the second reaction product, the concentration of synthetic methane produced in the methanation device 16 is higher.
第二水凝縮器２４には、排出配管が接続されている。排出配管には、第二水凝縮器２４の出口側に、ガス流量センサ３６が設けられている。ガス流量センサ３６は、第二水凝縮器２４からのガスの出口において、第二反応生成物の流量（単位時間あたりに流れるガスの体積）を検出可能である。 A discharge pipe is connected to the second water condenser 24. A gas flow sensor 36 is installed on the outlet side of the discharge pipe from the second water condenser 24. The gas flow sensor 36 can detect the flow rate of the second reaction product (the volume of gas flowing per unit time) at the gas outlet from the second water condenser 24.
ガス流量センサ３６によって検出された第二反応生成物の流量のデータは、制御装置３８に送信される。 The flow rate data of the second reaction product detected by the gas flow sensor 36 is transmitted to the control device 38.
制御装置３８では、ガス流量センサ６２により得られた第二反応生成物の流量の情報、及びこれ以外の各種の情報を基に、加熱装置２６、温度調整装置２８、３２、熱源３０、３４等を制御する。 The control device 38 controls the heating device 26, temperature control devices 28 and 32, heat sources 30 and 34, etc., based on the flow rate information of the second reaction product obtained by the gas flow sensor 62, and various other information.
図２には、制御装置３８のハードウエア構成がブロック図として示されている。 Figure 2 shows the hardware configuration of the control device 38 as a block diagram.
制御装置３８は、コンピュータ４０を有する。コンピュータ４０は、プロセッサ４２、メモリ４４、ストレージ４６、入力装置４８、出力装置５０、記憶媒体読取装置５２及び通信Ｉ／Ｆ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）５４を有する。これらの各要素は、バス５６を介して相互に通信可能に接続されている。 The control device 38 includes a computer 40. The computer 40 includes a processor 42, memory 44, storage 46, input device 48, output device 50, storage medium reader 52, and communication interface 54. These elements are interconnected via a bus 56 for communication.
ストレージ４６には、後述する水凝縮温度調整処理を実行するための水凝縮温度調整プログラム５８が格納されている。プロセッサ４２は、各種のプログラムを実行したり、各要素を制御したりすることが可能である。具体的には、プロセッサ４２は、ストレージ４６からプログラムを読み出し、メモリ４４を作業領域としてプログラムを実行する。すなわち、プロセッサ４２は、ストレージ４６に格納されているプログラムに従って、各要素の制御及び各種の演算処理を行う。 The storage device 46 stores a water condensation temperature control program 58 for executing the water condensation temperature control process described later. The processor 42 can execute various programs and control various elements. Specifically, the processor 42 reads a program from the storage device 46 and executes the program using the memory 44 as a workspace. That is, the processor 42 controls each element and performs various calculations according to the program stored in the storage device 46.
メモリ４４には、作業領域として、一時的にプログラム及び各種のデータを記憶可能である。 Memory 44 can temporarily store programs and various data as a working area.
ストレージ４６は、たとえば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｃ Ｄｒｉｖｅ）、及びＳＤＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等であり、各種プログラム及び各種データが格納される。このプログラムには、上記した水凝縮温度調整プログラム等のアプリケーションプログラムだけでなく、オペレーティングシステムも含まれる。 The storage 46 includes, for example, ROM (Read Only Memory), HDD (Hard Disk Drive), and SSD (Solid State Drive), and stores various programs and data. These programs include not only application programs such as the water condensation temperature control program mentioned above, but also the operating system.
入力装置４８は、コンピュータ４０に対し各種の入力を行うための装置である。入力装置４８としては、操作スイッチや操作ボタン等が含まれる他、パーソナルコンピュータ等に使用されるキーボードやマウス等のポインティングデバイス等を含んでいてもよい。 The input device 48 is a device for providing various types of input to the computer 40. The input device 48 may include operation switches and buttons, as well as pointing devices such as keyboards and mice used with personal computers.
出力装置５０は、コンピュータ４０からの各種の情報を出力するための装置であり、たとえば、ディスプレイや表示ランプ、スピーカー等が含まれる。出力装置５０としてタッチパネルディスプレイを用いることも可能であり、この場合には、タッチパネルディスプレイが入力装置４８としても機能する。 The output device 50 is a device for outputting various types of information from the computer 40, and includes, for example, a display, indicator lights, and speakers. A touch panel display can also be used as the output device 50; in this case, the touch panel display also functions as the input device 48.
記憶媒体読取装置５２は、各種の記憶媒体に記憶されたデータの読み込み、及び、記憶媒体に対するデータの書き込みを行う装置である。記憶媒体としては、たとえば、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）－ＲＯＭ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）－ＲＯＭ、ブルーレイディスク、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）メモリ等を挙げることができる。 The storage medium reader 52 is a device that reads data stored on various storage media and writes data to storage media. Examples of storage media include CD (Compact Disc)-ROM, DVD (Digital Versatile Disc)-ROM, Blu-ray disc, and USB (Universal Serial Bus) memory.
通信Ｉ／Ｆ５４は、他の機器と通信するためのインターフェースである。通信のためには、たとえば、イーサネット（登録商標）、ＦＤＤＩ（Ｆｉｂｅｒ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｄａｔａ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）等の規格が用いられる。 Communication I/F54 is an interface for communicating with other devices. Standards such as Ethernet (registered trademark) and FDDI (Fiber Distributed Data Interface) are used for communication.
本実施形態では、通信Ｉ／Ｆ５４は、加熱装置２６、温度調整装置２８、３２、熱源３０、３４、ガス圧力センサ６０及びガス流量センサ３６、６２、電源装置６４のそれぞれと通信することにより、これら装置の制御及び各種状態の取得が可能である。この通信は、無線であってもよいし、有線であってもよい。 In this embodiment, the communication interface 54 communicates with the heating device 26, temperature control devices 28 and 32, heat sources 30 and 34, gas pressure sensor 60, gas flow sensors 36 and 62, and power supply device 64, thereby enabling control of these devices and acquisition of various statuses. This communication may be wireless or wired.
さらに、ストレージ４６には、メタネーション温度に応じた水凝縮温度と炭素析出温度との関係（図３参照）のデータが格納されている。 Furthermore, storage 46 stores data on the relationship between water condensation temperature and carbon deposition temperature depending on the methanation temperature (see Figure 3).
次に、本実施形態のメタン合成装置制御方法について説明する。 Next, the control method for the methane synthesis apparatus of this embodiment will be described.
上記したように、第一メタネーション反応炉１８におけるメタネーション温度をＭ１、第二メタネーション反応炉２２におけるメタネーション温度をＭ２とする。「メタネーション温度」とは、それぞれのメタネーション反応炉における触媒の温度である。メタネーション温度Ｍ１とメタネーション温度Ｍ２とは異なる値であってもよい。本実施形態では、Ｍ１及びＭ２のいずれも可変であり、以下ではＭ１＝Ｍ２としている。また、以下では、メタネーション温度Ｍ１及びＭ２を区別しない場合は、単に「メタネーション温度Ｍ」と表記することがある。 As described above, the methanation temperature in the first methanation reactor 18 is denoted as M1, and the methanation temperature in the second methanation reactor 22 is denoted as M2. "Methanation temperature" refers to the temperature of the catalyst in each methanation reactor. Methanation temperatures M1 and M2 may be different values. In this embodiment, both M1 and M2 are variable, and hereafter, M1 = M2. Furthermore, hereafter, when methanation temperatures M1 and M2 are not distinguished, they may simply be referred to as "methanation temperature M."
さらに、第一水凝縮器２０における水凝縮温度をＮ１、第二水凝縮器２４における水凝縮温度をＮ２とする。「水凝縮温度」とは、それぞれの水凝縮装置における冷媒の温度である。本実施形態では、水凝縮温度Ｎ１は可変とし、水凝縮温度Ｎ２は２５℃に維持している。以下では、水凝縮温度Ｎ１を単に「水凝縮温度Ｎ」と表記することがある。 Furthermore, let N1 be the water condensation temperature in the first water condenser 20, and N2 be the water condensation temperature in the second water condenser 24. "Water condensation temperature" refers to the temperature of the refrigerant in each water condensation device. In this embodiment, water condensation temperature N1 is variable, while water condensation temperature N2 is maintained at 25°C. Hereafter, water condensation temperature N1 may simply be referred to as "water condensation temperature N".
ここで、図３には、第二メタネーション反応炉２２におけるメタネーション温度Ｍ２が５００℃、４００℃及び３００℃の各場合について、水凝縮温度Ｎ１と炭素析出温度との関係が示されている。メタネーション温度Ｍ２が５００℃、４００℃及び３００℃のいずれの場合においても、水凝縮温度Ｎ１が上昇するにしたがって、炭素析出温度は上昇している。この炭素析出温度は、第二メタネーション反応炉２２におけるメタネーション温度Ｍ２との関係において、第二メタネーション反応炉２２で炭素析出が生じる境界の温度である。したがって、メタネーション温度Ｍ２が、炭素析出温度を超えている場合に、炭素析出する可能性が高い。そして、水凝縮温度Ｎ１を高くすることで炭素析出温度が高くなり、第二メタネーション反応炉２２で炭素析出を抑制できることが分かる。 Figure 3 shows the relationship between the water condensation temperature N1 and the carbon deposition temperature for the second methanation reactor 22 when the methanation temperature M2 is 500°C, 400°C, and 300°C. In all cases where the methanation temperature M2 is 500°C, 400°C, and 300°C, the carbon deposition temperature increases as the water condensation temperature N1 increases. This carbon deposition temperature is the boundary temperature at which carbon deposition occurs in the second methanation reactor 22 in relation to the methanation temperature M2. Therefore, when the methanation temperature M2 exceeds the carbon deposition temperature, carbon deposition is highly likely. It can be seen that increasing the water condensation temperature N1 raises the carbon deposition temperature, thereby suppressing carbon deposition in the second methanation reactor 22.
なお、炭素析出温度は、メタネーション温度Ｍ２が高いほうが、全般的に高い。しかしながら、メタネーション温度Ｍ２が低温の場合、たとえば４００℃以下の場合には、炭素析出反応の反応速度が遅くなる。すなわち、炭素析出反応の進行が鈍くなるため、炭素析出が生じる可能性は低くなる。これに対し、メタネーション温度Ｍ２がたとえば４００℃超の場合には、４００℃以下の場合と比較して、炭素析出反応の反応速度が速いので、炭素析出が生じる可能性は高い。また、実際の炭素の析出は、第二メタネーション反応炉２２における触媒の種類に関係なく発生する。 Generally, carbon deposition temperatures are higher at higher methanation temperatures (M2). However, at low methanation temperatures (M2), for example below 400°C, the carbon deposition reaction slows down. That is, the carbon deposition reaction proceeds more slowly, reducing the likelihood of carbon deposition. Conversely, at temperatures above 400°C, the carbon deposition reaction is faster than at temperatures below 400°C, increasing the likelihood of carbon deposition. Furthermore, actual carbon deposition occurs regardless of the type of catalyst used in the second methanation reactor 22.
本開示のメタン合成装置制御方法では、以下に示すように、メタネーション温度Ｍ２が高い場合に、水凝縮温度Ｎ１を上昇させる水温上昇工程を行う。この水温上昇工程により、水凝縮温度Ｎ１を第二メタネーション反応炉２２において炭素析出を抑制する温度（炭素析出抑制温度）まで上昇させる。 In the methane synthesis apparatus control method of this disclosure, as shown below, when the methanation temperature M2 is high, a water temperature raising step is performed to increase the water condensation temperature N1. This water temperature raising step raises the water condensation temperature N1 to a temperature at which carbon deposition is suppressed in the second methanation reactor 22 (carbon deposition suppression temperature).
図４及び図５には、本開示のメタン合成装置制御方法における具体的な水凝縮温度調整処理の一例がフローチャートにて示されている。この水凝縮温度調整処理は、水温上昇工程を含んでいる。そして、水温上昇工程を実行することで水凝縮温度Ｎ１を、第二メタネーション反応炉２２の炭素析出を抑制するように上昇させる。 Figures 4 and 5 show a flowchart illustrating a specific example of the water condensation temperature adjustment process in the methane synthesis apparatus control method of this disclosure. This water condensation temperature adjustment process includes a water temperature increase step. By executing this water temperature increase step, the water condensation temperature N1 is raised to suppress carbon deposition in the second methanation reactor 22.
具体的な水凝縮温度調整処理では、制御装置３８は、ステップＳ１０２において、温度調整装置３２を制御し、第二メタネーション反応炉２２の昇温を行う。 In the specific water condensation temperature control process, the control device 38 controls the temperature control device 32 in step S102 to raise the temperature of the second methanation reactor 22.
制御装置３８は、ステップＳ１０４において、メタネーション温度Ｍ２がメタネーション反応の開始温度に達しているか否かを判断する。この判断が否定された場合は、ステップＳ１０２に戻り、引き続き第二メタネーション反応炉２２を昇温させる。 In step S104, the control device 38 determines whether the methanation temperature M2 has reached the methanation reaction start temperature. If this determination is negative, the process returns to step S102, and the second methanation reactor 22 continues to be heated.
制御装置３８は、ステップＳ１０４の判断が肯定された場合は、ステップＳ１０６において、メタネーション装置１６に、水素ガス及び二酸化炭素ガスが供給されているか否かを判断する。この判断が否定された場合は、ステップＳ１０８に移行し、肯定された場合は、ステップＳ１３２へ移行する。 If the determination in step S104 is affirmative, the control device 38 determines in step S106 whether hydrogen gas and carbon dioxide gas are being supplied to the methanation device 16. If this determination is negative, the process proceeds to step S108; if affirmative, the process proceeds to step S132.
制御装置３８は、ステップＳ１０８において、定格条件から、想定温度Ｍ２’及び想定圧力Ｐ２’を推定する。定格条件とは、第二メタネーション反応炉２２に導入される水素流量と二酸化炭素流量、第一水凝縮器２０の水凝縮温度Ｎ１、を含み、さらに、これらの各条件の下で第二メタネーション反応炉２２から排出されると推定される出口ガス流量を含む。後述するように、出口ガス流量の推定にあたっては、たとえば予め得ておいた試験結果やシミュレーションによる試算結果が用いられる。したがって、実際には、制御装置３８は第二メタネーション反応炉２２に水素ガス及び二酸化炭素ガスが導入されていない状態であっても、出口ガス流量を推定できる。あるいは、出口ガス流量があらかじめ設定されている場合は、この出口ガス流量となるように、第二メタネーション反応炉２２に導入される水素流量、二酸化炭素流量、及び第一水凝縮器２０の水凝縮温度Ｎ１を制御装置３８が推定する構成でもよい。なお、想定温度Ｍ２’及び想定圧力Ｐ２’を推定するにあたっては、推定時点での第二メタネーション反応炉２２のメタネーション温度Ｍ２を用いる。そして、想定温度Ｍ２’とは、これらの所定の定格条件の下で、メタネーション温度Ｍ２がどのような値をとるか、という点で想定される第二メタネーション反応炉２２のメタネーション温度である。想定圧力Ｐ２’とは、同じくこれらの所定の定格条件の下で想定される第二メタネーション反応炉２２の入口側の圧力である。 In step S108, the control device 38 estimates the assumed temperature M2' and assumed pressure P2' from the rated conditions. The rated conditions include the hydrogen flow rate and carbon dioxide flow rate introduced into the second methanation reactor 22, the water condensation temperature N1 of the first water condenser 20, and further include the estimated outlet gas flow rate discharged from the second methanation reactor 22 under these conditions. As will be described later, in estimating the outlet gas flow rate, for example, previously obtained test results or simulation results are used. Therefore, in practice, the control device 38 can estimate the outlet gas flow rate even when hydrogen gas and carbon dioxide gas are not introduced into the second methanation reactor 22. Alternatively, if the outlet gas flow rate is set in advance, the control device 38 may be configured to estimate the hydrogen flow rate, carbon dioxide flow rate, and water condensation temperature N1 of the first water condenser 20 introduced into the second methanation reactor 22 so that the outlet gas flow rate is set in advance. Furthermore, in estimating the assumed temperature M2' and assumed pressure P2', the methanation temperature M2 of the second methanation reactor 22 at the time of estimation is used. The assumed temperature M2' is the methanation temperature of the second methanation reactor 22 that is assumed to take a certain value under these predetermined rated conditions. The assumed pressure P2' is the inlet pressure of the second methanation reactor 22, also assumed under these predetermined rated conditions.
図６には、出口ガス流量と圧力Ｐ１との関係の一例が示されており、図７には、出口ガス流量と想定最高温度との関係の一例が示されている。図６における圧力Ｐ１は、上記した定格条件の下で、出口ガス流量から想定される第二メタネーション反応炉２２の入口側の圧力である。この図６のグラフに基づいて、想定圧力Ｐ２’を推定できる。また、図７における想定最高温度とは、上記した定格条件の下で、出口ガス流量から想定されるメタネーション温度Ｍ２の最高の温度である。この図７のグラフに基づいて、第二メタネーション反応炉２２の想定温度２’を推定できる。一例として、出口ガス流量が２０Ｎｍ３／ｈである場合、これらの図６及び図７から、想定圧力Ｐ２’＝０．２ＭＰａ、想定温度Ｍ２’＝５００℃であると推定できる。 Figure 6 shows an example of the relationship between the outlet gas flow rate and pressure P1, and Figure 7 shows an example of the relationship between the outlet gas flow rate and the assumed maximum temperature. Pressure P1 in Figure 6 is the pressure at the inlet of the second methanation reactor 22, assumed from the outlet gas flow rate under the rated conditions described above. Based on the graph in Figure 6, the assumed pressure P2' can be estimated. The assumed maximum temperature in Figure 7 is the highest methanation temperature M2, assumed from the outlet gas flow rate under the rated conditions described above. Based on the graph in Figure 7, the assumed temperature M2' of the second methanation reactor 22 can be estimated. As an example, if the outlet gas flow rate is 20 Nm³ /h, then from Figures 6 and 7, it can be estimated that the assumed pressure P2' = 0.2 MPa and the assumed temperature M2' = 500°C.
なお、図６及び図７に示す関係は、たとえば、メタネーション装置１６においてあらかじめ試験を行っておいた結果である。ただし、このような試験結果に代えて、シミュレーションによって試算した結果であってもよい。 The relationships shown in Figures 6 and 7 are, for example, the results of tests conducted in advance using the methanation apparatus 16. However, instead of such test results, results calculated through simulation may also be used.
次に制御装置３８は、ステップＳ１０８で得た想定圧力Ｐ２’及び想定温度Ｍ２’から、ステップＳ１１０において設定水凝縮温度Ｎ１’を特定する。 Next, the control device 38 determines the set water condensation temperature N1' in step S110 from the assumed pressure P2' and assumed temperature M2' obtained in step S108.
図８には、メタネーション反応炉の温度が５００℃の場合及び３００℃の場合について、メタネーション反応炉の圧力と水凝縮温度との関係の一例が示されている。この水凝縮温度は、メタネーション反応炉において、炭素析出を抑制することが可能な温度の閾値である。たとえば本実施形態では、第二メタネーション反応炉２２のメタネーション温度が上記した想定温度Ｍ２’になっている場合を想定しているが、この場合、図８から、炭素析出を抑制できる水凝縮温度を知ることができる。実際には、ここでは想定温度Ｍ２’ ＝５００℃であると推定しているので、図８のグラフにおけるメタネーション温度Ｍ２＝５００℃のラインを見ればよい。さらに、想定圧力Ｐ２’＝０．２ＭＰａと推定しているので、メタネーション反応炉の圧力が０．２ＭＰａの場合に、水凝縮温度が８６℃であると特定できる。すなわち、ここで得られた水凝縮温度８６℃は、本実施形態において、第二メタネーション反応炉２２における炭素析出が生じる閾値の温度であり、「炭素析出抑制水温」の一例である。 Figure 8 shows an example of the relationship between the pressure of the methanation reactor and the water condensation temperature for the cases where the methanation reactor temperature is 500°C and 300°C. This water condensation temperature is the threshold temperature at which carbon precipitation can be suppressed in the methanation reactor. For example, in this embodiment, we assume that the methanation temperature of the second methanation reactor 22 is the assumed temperature M2' described above. In this case, we can determine the water condensation temperature at which carbon precipitation can be suppressed from Figure 8. In practice, since we estimate the assumed temperature M2' = 500°C here, we can look at the line for methanation temperature M2 = 500°C in the graph of Figure 8. Furthermore, since we estimate the assumed pressure P2' = 0.2 MPa, we can determine that the water condensation temperature is 86°C when the methanation reactor pressure is 0.2 MPa. That is, the water condensation temperature of 86°C obtained here is the threshold temperature at which carbon precipitation occurs in the second methanation reactor 22 in this embodiment, and is an example of a "carbon precipitation suppression water temperature."
次に、制御装置３８は、ステップＳ１１２において、第一水凝縮器２０の水凝縮温度Ｎ１を、上記のステップＳ１１０で得た設定水凝縮温度Ｎ１’である８６℃に上昇させる（水温上昇工程）。なお、第一水凝縮器２０の水凝縮温度Ｎ１は、設定水凝縮温度Ｎ１’を超えていてもよいが、設定水凝縮温度Ｎ１’であれば、第二メタネーション反応炉２２での炭素析出を抑制することは可能であるため、第一水凝縮器２０の水凝縮温度Ｎ１を過度に高くする必要はない。また、このように炭素析出抑制水温の一例である設定水凝縮温度Ｎ１’が設定されると、この設定水凝縮温度Ｎ１’は時間的に一定に維持される。 Next, in step S112, the control device 38 raises the water condensation temperature N1 of the first water condenser 20 to 86°C, which is the set water condensation temperature N1' obtained in step S110 (water temperature rise step). While the water condensation temperature N1 of the first water condenser 20 may exceed the set water condensation temperature N1', it is not necessary to excessively raise the water condensation temperature N1 of the first water condenser 20, as long as it is at the set water condensation temperature N1', carbon deposition in the second methanation reactor 22 can be suppressed. Furthermore, once the set water condensation temperature N1', which is an example of a carbon deposition suppression water temperature, is set, this set water condensation temperature N1' is maintained constant over time.
さらに、制御装置３８は、ステップＳ１１４において、メタネーション装置１６に導入する水素ガス流量及び二酸化炭素ガスの流量を再設定し、実際にメタネーション装置１６に導入する。上記のように第一水凝縮器２０の水凝縮温度Ｎ１が設定水凝縮温度Ｎ１’＝８６℃に設定されると、この値に基づいてメタン合成装置１２の出口ガス流量があらたに算出できる。したがって、この出口ガス流量が実現されるように、式（２）に基づいて、水素ガス流量及び二酸化炭素ガスの流量を再設定する。導入する水素ガス及び二酸化炭素の体積比率は、水素：二酸化炭素＝４：１である。 Furthermore, in step S114, the control device 38 resets the hydrogen gas flow rates and carbon dioxide gas flow rates to be introduced into the methanation device 16, and then actually introduces them into the methanation device 16. As described above, once the water condensation temperature N1 of the first water condenser 20 is set to the set water condensation temperature N1' = 86°C, the outlet gas flow rate of the methane synthesis device 12 can be newly calculated based on this value. Therefore, the hydrogen gas flow rates and carbon dioxide gas flow rates are reset based on equation (2) so that this outlet gas flow rate is achieved. The volume ratio of the hydrogen gas and carbon dioxide gas introduced is hydrogen:carbon dioxide = 4:1.
これにより、第二メタネーション反応炉２２における炭素析出を抑制しつつ、この設定水凝縮温度Ｎ１’から決まる所定の水素ガスの流量及び二酸化炭素ガスの流量で、メタネーション装置１６を運転できる。 This allows the methanation apparatus 16 to be operated at predetermined hydrogen gas flow rates and carbon dioxide gas flow rates determined by the set water condensation temperature N1', while suppressing carbon deposition in the second methanation reactor 22.
そして、制御装置３８は、ステップＳ１１６において、第二メタネーション反応炉２２のメタネーション温度Ｍ２が、定格温度になっているか否かを判断する。この段階における定格温度は、ステップＳ１０８で得た想定温度Ｍ２’と異なる値である。たとえば、ステップＳ１０６では想定温度Ｍ２’＝５００℃であったが、ステップＳ１１６では、定格温度＝４００℃あるいはそれ以下としてもよい。メタネーション温度Ｍ２が、定格温度になっている場合は、メタネーション温度Ｍ２が降下した場合の一例である。ステップＳ１１６の判断には、このようにメタネーション温度Ｍ２が降下した場合の他に、メタネーション温度Ｍ２が一定の温度範囲内で安定している場合も含む。 Then, in step S116, the control device 38 determines whether the methanation temperature M2 of the second methanation reactor 22 is at the rated temperature. The rated temperature at this stage is a different value from the assumed temperature M2' obtained in step S108. For example, in step S106, the assumed temperature M2' was 500°C, but in step S116, the rated temperature may be 400°C or lower. When the methanation temperature M2 is at the rated temperature, this is an example of a case where the methanation temperature M2 has decreased. The determination in step S116 also includes cases where the methanation temperature M2 is stable within a certain temperature range, in addition to cases where the methanation temperature M2 has decreased in this way.
このように、第二メタネーション反応炉２２のメタネーション温度Ｍ２を低くすると、炭素析出開始温度が低くなる。しかし、メタネーション温度Ｍ２が低いと、炭素析出反応の反応速度が遅くなる（反応の進行が鈍くなる）ため、炭素析出が生じる可能性は低くなる。すなわち、第二メタネーション反応炉２２のメタネーション温度Ｍ２として定格温度を維持しつつ、炭素析出を抑制することが可能である。 Thus, lowering the methanation temperature M2 of the second methanation reactor 22 lowers the carbon deposition initiation temperature. However, a lower methanation temperature M2 slows down the carbon deposition reaction rate (the reaction proceeds more slowly), thus reducing the likelihood of carbon deposition. In other words, it is possible to suppress carbon deposition while maintaining the rated temperature M2 of the second methanation reactor 22.
ステップＳ１１６の判断が否定された場合、制御装置３８は、ステップＳ１１８において、温度調整装置３２を制御し、メタネーション温度Ｍ２が定格温度となるように調整する。 If the judgment in step S116 is rejected, the control device 38 controls the temperature control device 32 in step S118 to adjust the methanation temperature M2 to the rated temperature.
ステップＳ１１６の判断が肯定された場合は、制御装置３８は、ステップＳ１２０において、熱源３０を制御し、水凝縮温度Ｎ１を定格条件の温度となるように降下させる（水温降下工程）。この場合の水凝縮温度Ｎ１は、炭素析出抑制水温未満の温度であり、たとえば２５℃である。このように水凝縮温度Ｎ１を低くしても、第二メタネーション反応炉２２のメタネーション温度Ｍ２が低くなっている（たとえば上記した定格温度である４００℃である）条件では、炭素析出を抑制できる。 If the determination in step S116 is affirmed, the control device 38 controls the heat source 30 in step S120 to lower the water condensation temperature N1 to the rated temperature (water temperature reduction step). In this case, the water condensation temperature N1 is below the carbon precipitation suppression temperature, for example, 25°C. Even with such a low water condensation temperature N1, carbon precipitation can be suppressed under conditions where the methanation temperature M2 of the second methanation reactor 22 is low (for example, the rated temperature of 400°C as described above).
以上が、ステップＳ１０６の判断が否定された場合に実行される処理である。これに対し、ステップＳ１０６の判断が肯定された場合には、図５に示すステップＳ１３２に移行する。 The above describes the process executed when the judgment in step S106 is denied. Conversely, if the judgment in step S106 is affirmed, the process proceeds to step S132, as shown in Figure 5.
制御装置３８は、ステップＳ１３２において、メタネーション装置１６に導入される水素ガス及び二酸化炭素ガスの流量に変動があるか否かを判断する。この判断においては、たとえば、水素ガス流量センサ５８Ａ及び二酸化炭素ガス流量センサ５８Ｂから送信される水素ガス流量及び二酸化炭素ガス流量の時間変化を用いることで、変動があったか否かを判断可能である。あるいは、水素ガス流量の時間変動であれば、水分解装置１４のモニター信号を制御装置３８で受信し、モニター信号の変化から検出することが可能である。また、二酸化炭素ガス流量の時間変化であれば、二酸化炭素ガスの貯蔵装置における圧力センサのモニター信号を制御装置３８で受信し、モニター信号の変化から検出することが可能である。 In step S132, the control device 38 determines whether there is a fluctuation in the flow rates of hydrogen gas and carbon dioxide gas introduced into the methanation device 16. This determination can be made, for example, by using the time-dependent changes in the hydrogen gas flow rates and carbon dioxide gas flow rates transmitted from the hydrogen gas flow rate sensor 58A and the carbon dioxide gas flow rate sensor 58B. Alternatively, if the change is due to a time-dependent fluctuation in the hydrogen gas flow rate, the control device 38 can receive the monitoring signal from the water splitting device 14 and detect the change from the change in the monitoring signal. Similarly, if the change is due to a time-dependent fluctuation in the carbon dioxide gas flow rate, the control device 38 can receive the monitoring signal from the pressure sensor in the carbon dioxide gas storage device and detect the change from the change in the monitoring signal.
また、ステップＳ１３２における判断においては、メタネーション装置１６に導入される水素ガス又は二酸化炭素ガスの流量変動を、上記とは別の手段により推定してもよい。たとえば、水分解装置１４に投入される電力に時間変動が生じると、水分解装置１４で生成される水素ガスの量が変動する。特に、水分解装置１４が、再生エネルギー発電システムからの電力により運転される構成では、電力需要の大小に応じて水分解装置１４への供給電力の時間変動が分かっている場合がある。この場合には、水分解装置１４への供給電力の変動から、メタネーション装置１６に導入される水素ガスの流量変動を推定できる。また、たとえば、水分解装置１４及びメタネーション装置１６への各種の入力信号等から、メタネーション装置１６に導入される水素ガス及び二酸化炭素ガスの流量変化を、変化前あるいは変化途中の状態で推定するようにしてもよい。 Furthermore, in the determination in step S132, the flow rate fluctuations of hydrogen gas or carbon dioxide gas introduced into the methanation device 16 may be estimated by means other than those described above. For example, if there are time fluctuations in the electricity supplied to the water splitting device 14, the amount of hydrogen gas produced in the water splitting device 14 will fluctuate. In particular, in a configuration where the water splitting device 14 is operated by electricity from a renewable energy power generation system, the time fluctuations of the electricity supplied to the water splitting device 14 may be known depending on the magnitude of the electricity demand. In this case, the flow rate fluctuations of hydrogen gas introduced into the methanation device 16 can be estimated from the fluctuations in the electricity supplied to the water splitting device 14. Alternatively, for example, the flow rate changes of hydrogen gas and carbon dioxide gas introduced into the methanation device 16 may be estimated before or during the change, based on various input signals to the water splitting device 14 and the methanation device 16.
ステップＳ１３２の判断が否定された場合、すなわち、メタネーション装置１６に導入される水素ガス及び二酸化炭素ガスの流量に変動がなかった場合は、ステップＳ１３４に移行する。 If the judgment in step S132 is rejected, that is, if there is no change in the flow rates of hydrogen gas and carbon dioxide gas introduced into the methanation device 16, the process proceeds to step S134.
制御装置３８は、ステップＳ１３４では、第二メタネーション反応炉２２のメタネーション温度Ｍ２が、定格温度になっているか否かを判断する。この判断が肯定された場合は、ステップＳ１０４（図４参照）に戻る。この判断が否定された場合には、制御装置３８は、ステップＳ１３６において、温度調整装置３２を制御し、メタネーション温度Ｍ２が定格温度となるように調整する。そして、ステップＳ１３４に戻る。 In step S134, the control device 38 determines whether the methanation temperature M2 of the second methanation reactor 22 is at the rated temperature. If this determination is affirmative, the process returns to step S104 (see Figure 4). If this determination is negative, the control device 38 controls the temperature control device 32 in step S136 to adjust the methanation temperature M2 to the rated temperature. Then, the process returns to step S134.
これに対し、ステップＳ１３２の判断が肯定された場合は、制御装置３８は、ステップＳ１３８において、メタネーション装置１６に導入される水素ガス流量の変動量、二酸化炭素ガス流量の変動量及び出口流量から、想定圧力Ｐ２’及び想定温度Ｍ２’を推定する。 If the judgment in step S132 is affirmed, the control device 38 estimates the assumed pressure P2' and assumed temperature M2' in step S138 from the fluctuations in the hydrogen gas flow rate, the carbon dioxide gas flow rate, and the outlet flow rate introduced into the methanation device 16.
その後、制御装置３８は、ステップＳ１１０（図４参照）に移行する。すなわち、制御装置３８は、ステップＳ１３８で得た想定圧力Ｐ２’及び想定温度Ｍ２’から、ステップＳ１１０において適切な設定水凝縮温度Ｎ１’を特定する。第一水凝縮器２０の水凝縮温度Ｎ１を、この設定水凝縮温度Ｎ１’に設定することで、第二メタネーション反応炉２２における炭素析出を抑止しつつ、メタン合成装置１２を運転することが可能である。 Subsequently, the control device 38 proceeds to step S110 (see Figure 4). That is, in step S110, the control device 38 determines an appropriate set water condensation temperature N1' from the assumed pressure P2' and assumed temperature M2' obtained in step S138. By setting the water condensation temperature N1 of the first water condenser 20 to this set water condensation temperature N1', it is possible to operate the methane synthesis apparatus 12 while suppressing carbon deposition in the second methanation reactor 22.
以上説明したように、本開示の技術に係るメタン合成装置制御方法では、第二メタネーション反応炉２２におけるメタネーション温度Ｍ２が上昇した場合に、第一水凝縮器２０の水凝縮温度Ｎ１を上昇させている。具体的には、水凝縮温度Ｎ１は、第二メタネーション反応炉２２において、炭素の析出を抑制する温度である設定水凝縮温度Ｎ１’である。このため、第二メタネーション反応炉２２において、炭素の析出を抑制しつつ、メタン合成装置１２を運転することができる。 As explained above, in the methane synthesis apparatus control method according to the technology of this disclosure, when the methanation temperature M2 in the second methanation reactor 22 rises, the water condensation temperature N1 of the first water condenser 20 is increased. Specifically, the water condensation temperature N1 is the set water condensation temperature N1' in the second methanation reactor 22, which is the temperature at which carbon precipitation is suppressed. Therefore, the methane synthesis apparatus 12 can be operated while suppressing carbon precipitation in the second methanation reactor 22.
また、上記実施形態では、水凝縮温度Ｎ１を設定水凝縮温度Ｎ１’に上昇させた後、第二メタネーション反応炉２２のメタネーション温度Ｍ２が安定した場合には、水温降下工程を行う。水温降下工程では、設定水凝縮温度Ｎ１’未満に低下させている。このため、第二メタネーション反応炉２２において生成される合成メタンの濃度、すなわち、メタン合成装置１２で合成できるメタン濃度の低下を抑制できる。 Furthermore, in the above embodiment, after raising the water condensation temperature N1 to the set water condensation temperature N1', a water temperature reduction process is performed once the methanation temperature M2 of the second methanation reactor 22 has stabilized. In the water temperature reduction process, the temperature is lowered to below the set water condensation temperature N1'. Therefore, the decrease in the concentration of synthesized methane produced in the second methanation reactor 22, i.e., the decrease in the methane concentration that can be synthesized in the methane synthesis apparatus 12, can be suppressed.
特に、上記実施形態では、水温降下工程を行う場合には、第二メタネーション反応炉２２のメタネーション温度Ｍ２を、炭素析出の可能性が低い温度（上記の例では４００℃）まで低下させている。したがって、水温降下工程によって水凝縮温度Ｎ１を降下させた場合であっても、第二メタネーション反応炉２２において、炭素の析出を抑制することができる。 In particular, in the above embodiment, when the water temperature reduction process is performed, the methanation temperature M2 of the second methanation reactor 22 is lowered to a temperature at which carbon deposition is unlikely (400°C in the above example). Therefore, even when the water condensation temperature N1 is lowered by the water temperature reduction process, carbon deposition can be suppressed in the second methanation reactor 22.
設定水凝縮温度Ｎ１’は、一定である必要はないが、上記実施形態では時間的に一定の水温としている。これにより、設定水凝縮温度Ｎ１’の設定及び管理が容易となる。 The set water condensation temperature N1' does not need to be constant, but in the above embodiment, it is kept constant over time. This makes setting and managing the set water condensation temperature N1' easier.
１２ メタン合成装置
１４ 水分解装置
１６ メタネーション装置
１８ 第一メタネーション反応炉
２０ 第一水凝縮器
２２ 第二メタネーション反応炉
２４ 第二水凝縮器
２６ 加熱装置
２８ 温度調整装置
３０ 熱源
３２ 温度調整装置
３４ 熱源
３６ ガス流量センサ
３８ 制御装置
６４ 電源装置
12 Methane synthesis apparatus 14 Water splitting apparatus 16 Methanation apparatus 18 First methanation reactor 20 First water condenser 22 Second methanation reactor 24 Second water condenser 26 Heating apparatus 28 Temperature control apparatus 30 Heat source 32 Temperature control apparatus 34 Heat source 36 Gas flow sensor 38 Control device 64 Power supply
Claims (3)
前記第一反応炉で生成された第一反応生成物から水を凝縮して除去する第一水凝縮器と、
前記第一水凝縮器で得られた第一水除去物を用いてメタン合成反応を生じさせる第二反応炉と、
前記第二反応炉で生成された第二反応生成物から水を凝縮して除去する第二水凝縮器と、
を有するメタン合成装置に対し、
前記第二反応炉の反応炉温度の上昇が想定される場合又は上昇した場合に、前記第一水凝縮器の水凝縮温度を、前記第二反応炉での炭素析出を抑制する炭素析出抑制水温まで上昇させる水温上昇工程、を有するメタン合成装置制御方法。 The first reactor uses carbon dioxide and hydrogen to produce a methane synthesis reaction,
A first water condenser that condenses and removes water from the first reaction product generated in the first reactor,
A second reactor for generating a methane synthesis reaction using the first water-removed product obtained in the first water condenser,
A second water condenser for condensing and removing water from the second reaction product generated in the second reactor,
For a methane synthesis apparatus having the following features:
A methane synthesis apparatus control method comprising a water temperature rise step, which, when an increase in the reactor temperature of the second reactor is anticipated or has increased, raises the water condensation temperature of the first water condenser to a carbon precipitation suppression water temperature that suppresses carbon precipitation in the second reactor.
The methane synthesis apparatus control method according to claim 1 or claim 2, wherein the carbon deposition suppression water temperature is constant over time.
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