JPH11269109A - 炭素含有水素化合物合成プラント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高圧水素と液化二酸化炭素とを反応させて炭
素含有水素化合物の合成の際のエネルギ効率の向上を図
り、二酸化炭素の大気放出を容易に抑制する。 【解決手段】 手段１１より供給された高圧水素と、手
段１２より供給された液化二酸化炭素とを化合物合成手
段１３で反応させて炭素含有水素化合物（メタノール）
を合成し、化合物抽出手段１４によって化合物合成手段
１３から供給された炭素含有水素化合物（メタノール）
と水とを分離することにより前記炭素含有水素化合物
（メタノール）を抽出する。手段１４では、化合物合成
手段１３からの水分と炭素含有水素化合物との混合ガス
を冷却器１５により冷却し、気液分離器１６により未反
応ガスと水・炭素含有水素化合物混合液とに分離して、
分離された混合液を分離部１７により水と炭素含有水素
化合物（メタノール）とに分離する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は炭素含有水素化合物
合成プラントに係り、特に発電プラント等より排出され
た二酸化炭素を大気中に放出せずに回収し、この二酸化
炭素を水素と反応させてメタノール等の炭素含有水素化
合物を合成する炭素含有水素化合物合成プラントに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、経済活動の拡大や人工の増加に起
因する地球温暖化の危機が叫ばれているが、特に二酸化
炭素の大気中への排出は地球温暖化の主要因とされてい
る。従って、この排出二酸化炭素を如何に効率よく回収
し、如何に効率的に固定化して再資源化を図るかは、全
世界的な視野に立った最新かつ最重要な課題となってい
る。このような立場に立脚した技術の革新は種々の分野
で為されているが、特にクリーンなエネルギを作り出し
ている電力発電等の分野においては、排出二酸化炭素を
効率よく再資源化するため、例えばメタノール等の炭素
含有水素化合物を生成するプラントが注目されている。

【０００３】なお、本明細書においては、炭素含有水素
化合物の典型的な例として上記引用のメタノールを例示
して説明を行なう場合が多いが本発明はメタノールに限
定されるものではなく、メタン，エタン，エタノール，
ジメチルエーテルやその他のアルコール系の化合物の全
てを含むものとする。また、上記地球温暖化について論
じた文献として、例えば、化学工学編「最近の化学工学
４２」の「２１世紀を目指した触媒開発と化学工学」
（１９９０）の第１６３〜１９１頁に開示されている
「地球温暖化対策と触媒の寄与」がある。

【０００４】図５は、上記文献の第１８６頁に開示され
ている従来のメタノール合成プラント示すブロック図で
ある。このメタノール合成プラントは、二酸化炭素と水
素を原料としてメタノールと水が生成されるものであ
る。図５において、従来のメタノール合成プラントにお
いては、常圧で混合された二酸化炭素と水素が、圧縮機
１ａにより圧縮されて、メタノール合成器２に供給され
ている。前記メタノール合成器２内で前記二酸化炭素・
水素混合ガスの一部が反応してメタノールと水蒸気より
なるガスに変化する。その後、前記メタノール合成器２
から排出されたガスは冷却器３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，
３ｅにより冷却されて気液分離器４に供給される。前記
気液分離器４ａは、前記ガスを未反応ガスと凝縮したメ
タノール・水混合液とに分離し、未反応ガスは前記メタ
ノール合成器２に戻される。一方、分離されたメタノー
ル・水混合液は蒸留塔４ｂでメタノールと水に分離され
て、メタノールが抽出される。

【０００５】図５に示された第１の従来例は、メタノー
ル合成の原理的なフローであり、二酸化炭素と水素との
供給については特に触れられていないが、原料である二
酸化炭素と水素との生成についても言及したものとし
て、特開平３−２００７３４号公報に開示されたメタノ
ールの合成方法がある。この従来のメタノールの合成法
法は、図６に示すように、メタノールが含有されている
化石燃料（例えば、石油，石炭等）を燃焼器／改質器に
より燃焼または改質して二酸化炭素を発生させ、二酸化
炭素分離回収装置６により分離回収して、一旦二酸化炭
素ガスホルダ８ａに収容する。一方、水素の方は、水電
解装置７により水を電気分解して酸素と水素とを発生さ
せ、これも一旦酸素ガスホルダ８ｂと水素ガスホルダ８
ｃとにそれぞれ収容する。メタノール合成装置２は、そ
れぞれのホルダ８ａと８ｃとから二酸化炭素ガスと水素
ガスとを供給されて反応させ、メタノールを合成してメ
タノールタンク８ｄに収容する。この第２の従来例にお
いても、基本的には二酸化炭素と水素ガスとは常温常圧
でメタノール合成装置２に供給されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記第
１および第２の従来例においては、何れによっても次の
ような問題点があった。すなわち、第１の従来例におい
ては、常圧の二酸化炭素と水素を混合した後、メタノー
ル合成を行なうのに必要な圧力まで加圧するために例え
ば圧縮機１ａ等の動力源が必要であり、メタノール合成
に際してのエネルギ効率が低下するという問題がある。

【０００７】また、第２の従来例によれば、二酸化炭素
と水素のうちの何れか一方をメタノール合成圧力に比較
して高圧状態で供給する旨の示唆があり、具体的にはコ
ンプレッサにより二酸化炭素ガスを昇圧しているので、
上記第１の従来例と同様に、メタノール合成におけるエ
ネルギ効率が悪化するという問題があった。

【０００８】本発明は上記従来の問題を解決するために
なされたものであり、化合物合成におけるエネルギ効率
の高い炭素含有水素化合物合成プラントを提供すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る炭素含有水素化合物合成プラント
は、高圧水素を供給する高圧水素供給手段と、液化二酸
化炭素を供給する液化二酸化炭素供給手段と、前記高圧
水素と、前記液化二酸化炭素とを反応させて炭素含有水
素化合物を合成する化合物合成手段と、前記化合物合成
手段より供給された前記炭素含有水素化合物から水を分
離することにより前記炭素含有水素化合物を抽出する化
合物抽出手段と、を備えることを特徴としている。

【００１０】また、請求項２に係る炭素含有水素化合物
合成プラントは、請求項１に記載のものにおいて、前記
炭素含有水素化合物がメタノールであり、前記水素供給
手段は水素を圧縮して前記圧縮水素を生成する水素圧縮
機を含み、前記化合物合成手段は前記水素圧縮機より供
給される前記圧縮水素と前記液化二酸化炭素とを反応さ
せて前記メタノールを合成するメタノール合成反応器よ
り構成され、前記水素圧縮機は前記メタノール合成反応
器からの排熱により生成された蒸気によって作動するタ
ービンと同軸に構成されていることを特徴としている。

【００１１】また、請求項３に係る炭素含有水素化合物
合成プラントは、請求項１に記載のものにおいて、前記
水素供給手段は加圧型の水／塩水／海水電解装置を含
み、前記電解装置により生成した水素を前記水素圧縮機
へ供給して前記圧縮水素を生成することを特徴としてい
る。

【００１２】また、請求項４に係る炭素含有水素化合物
合成プラントは、請求項１に記載のものにおいて、前記
化合物抽出手段は、前記炭素含有水素化合物合成手段に
より生成された水と炭素含有水素化合物とを冷却する冷
却器と、冷却された水分と炭素含有化合物とを気液分離
する気液分離器と、気液に分離された液体を透過させて
炭素含有水素化合物分離部で分離する分離手段と、を備
えること特徴としている。

【００１３】また、本発明に係る炭素含有水素化合物合
成プラントは、請求項１に記載のものにおいて、二酸化
炭素回収型発電プラントより前記二酸化炭素の供給を受
けてメタノール合成を行ない、両プラント間で閉鎖サイ
クルが形成されていることを特徴としている。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら本
発明の好適な実施形態について詳細に説明する。まず、
本発明の基本的長い年を包含する第１実施形態に係る炭
素含有水素化合物合成プラントについて図１を用いて説
明する。

【００１５】図１は、本発明の第１実施形態に係る炭素
含有水素化合物合成プラントの構成を示すブロック図で
ある。図１において、炭素含有水素化合物合成プラント
１０は、高圧水素を供給する高圧水素供給手段１１と、
液化二酸化炭素を供給する液化二酸化炭素供給手段１２
と、前記高圧水素と、前記液化二酸化炭素とを反応させ
て炭素含有水素化合物を合成する化合物合成手段１３
と、前記化合物合成手段１３より供給された前記炭素含
有水素化合物から水を分離することにより前記炭素含有
水素化合物を抽出する化合物抽出手段１４と、を備えて
いる。

【００１６】また、上記炭素含有水素化合物抽出手段は
１４は、炭素含有水素化合物合成手段より供給される水
分と炭素含有水素化合物との混合ガスを冷却する冷却器
１５と、この冷却器１５により冷却されることにより気
体である未反応ガスと液体である水と炭素含有水素化合
物の混合液とに分離する気液分離器１６と、分離された
混合液を分離部を透過させることにより水と炭素含有水
素化合物とに分離する分離部等よりなる分離手段１７
と、を備えている。気液分離器１６により分離された未
反応ガスは再度冷却器１５を通過して上記炭素含有化合
物合成プラント１０からの排出ガスを冷却した後、化合
物合成手段１３に供給される。

【００１７】次に、本発明のより詳細な実施形態として
の第２実施形態に係るメタノール合成プラントについ
て、図２を用いて説明する。図２において、図１の第１
実施形態に係る炭素が入水素化合物合成プラントと同一
符号を付したものは同一又は相当する構成要素を表すも
のとして重複説明を省略する。図２において、高圧水素
供給手段１１は、水を電気分解することにより水素と酸
素を生成する水電解装置２１と、生成された水素を圧縮
して高圧水素を生成する水素圧縮機２２と、より構成さ
れている。

【００１８】化合物合成手段１３は、液化二酸化炭素供
給手段１２から供給される液化二酸化炭素と水素圧縮機
２２より供給される高圧水素とを反応させてメタノール
を合成するメタノール合成器１３Ａと、水素圧縮機２２
とと同軸で回転するタービン２３と、復水器２４と、を
備えている。また、化合物抽出手段１４は、冷却器１５
と、気液分離器１６と、膜分離手段１７と、を備えてい
る。

【００１９】上記構成において、高圧水電解装置２１で
生成した高圧水素は水素圧縮機２２でメタノール合成圧
力まで圧縮された後、メタノール合成圧力で圧送される
液体二酸化炭素と共にメタノール合成器１３Ａに供給さ
れる。前記メタノール合成器１３Ａ内で前記二酸化炭素
・水素合成ガスの一部が反応してメタノールと水蒸気に
変化する。その後、前記メタノール合成器１３Ａから排
出されたガスは冷却器１５で冷却されて気液分離器１６
に供給される。前記気液分離器１６で未反応ガスと凝縮
したメタノール・水が分離され、前記未反応ガスは前記
メタノール合成器１３Ａに戻される。

【００２０】一方、分離されたメタノール・水混合液は
膜分離器１７でメタノールと水に分離され、メタノール
は外部へ取り出される。また、前記膜分離器１７で分離
された水は前記高圧水電解装置２１へ供給される。一
方、前記メタノール合成器２にポンプ１４で供給された
加圧水は前記メタノール合成器１３Ａ内での発生熱によ
り水蒸気としてタービン２３を動かした後、復水器２４
で凝縮される。前記タービン２３により同軸に設けられ
た水素圧縮機２２を駆動する。

【００２１】以上のように構成された第１または第２実
施形態に係る化合物（メタノール）合成プラントは、上
述したように地球温暖化の要因となっている二酸化炭素
を回収して資源を有効利用するのに適しているため、図
３，図４に示すような二酸化炭素回収型発電プラント等
と組み合わせて用いることにより、利用価値の一層の向
上を図ることができる。なお、水電解の圧力を高めれ
ば、水素圧縮機はふようである。以下、図３および図４
をそれぞれ用いて本発明の第３および第４実施形態に係
る炭素含有水素化合物合成プラントおよびメタノール合
成プラントについて説明する。

【００２２】図３は、本発明の化合物合成プラントを二
酸化炭素回収型発電プラントと併せて用いる際の原理的
な構成を示すブロック図である。図３において、二酸化
炭素回収型発電プラント２５は発生した二酸化炭素をな
るべくプラント外部の大気中に放出しないように、閉鎖
サイクルにより循環させて、タービンの冷却や、燃焼ガ
スへの還流等の管路を設けて再利用しているが、完全に
発電プラント２５内のみで再利用するには限界がある。
このため、どうしても発電プラント２５内で消化しきれ
ない二酸化炭素を例えばメタノール等の炭素含有水素化
合物合成プラント１０に連結しておく。炭素含有水素化
合物合成プラント１０においては、図２を用いて説明し
た第２実施形態のような構成によりメタノール等の炭素
含有水素化合物を生成し、生成された水は高圧水電解装
置２１等に循環させている。

【００２３】なお、二酸化炭素回収型発電プラント２５
が、燃料としてメタノール等の合成プラント１０で合成
された化合物を用いている場合は、点線のような循環路
により発電プラント２５の燃料供給路に付加してやれば
よい。また、高圧水電解装置２１により生成された酸素
は、発電プラント２５の燃焼促進剤や酸化剤等として用
いられる酸素や空気等に付加して再利用することによ
り、両プラントの生成物を無駄にすることなく、循環再
利用を図ることができる。

【００２４】次に、本発明の第４実施形態に係るメタノ
ール合成プラントについて図４を参照しながら説明す
る。図４においても図１ないし図３と同一符号を付した
ものは第１ないし第３実施形態のプラントと同一の構成
要素を示すものとして、重複説明を省略する。図４にお
いては、二酸化炭素回収型発電プラント２５がガスター
ビン発電手段を備えている例を示している。発電プラン
ト２５は、燃料と酸素とを燃焼させて燃焼ガスを生成す
る燃焼器２６と、燃焼器２６より供給される燃焼ガスに
より回転させられるガスタービン２７と、タービン２７
と同軸に設けられタービンの回転により電気エネルギを
発生させる発電機２８と、タービン２７から排出される
燃焼ガスの排熱を回収する排熱回収ボイラ２９と、燃焼
ガスを凝縮させて二酸化炭素を回収する凝縮器３０と、
凝縮器３０により回収された二酸化炭素を圧縮して再び
燃焼器２６に供給する圧縮機３１と、を備えている。

【００２５】以上の構成の発電プラント２５の凝縮器３
０より圧縮機３１に供給される二酸化炭素の一部をメタ
ノール合成プラント１０に供給することにより両プラン
ト間でのより効率の高いサイクルを形成している。すな
わち、凝縮器３０より供給される二酸化炭素をさらに凝
縮させる凝縮器１８より液化二酸化炭素を供給すると共
に、水電解手段２１および圧縮機２２により高圧水素を
生成して供給する。液化二酸化炭素と高圧水素は、メタ
ノール合成手段１３に供給され、ここでメタノール反応
によりメタノールが合成される。以下の動作は第２実施
形態に係るメタノール合成プラントの動作と同じなので
重複説明を省略する。

【００２６】なお、第３実施形態においても説明したよ
うに、分離部７により分離されたメタノールを図４の点
線のように燃料にフィードバックしてやっても良いし、
また水電解手段２１により水素の生成と共に生成された
酸素も図４の点線のように発電プラント２５の燃焼器に
供給される酸素と合流させて供給するようにしても良
い。このように構成することにより、発電プラントとメ
タノール合成プラントと間で、より有機的な連携を図り
ながら地球温暖化の原因となる二酸化炭素の大気中への
放出を極力抑えることが可能となる。

【００２７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に係
る炭素含有水素化合物合成プラントによれば、従来大気
中に放出されていた二酸化炭素を液化して高圧水素と反
応させることにより、炭素含有水素化合物を生成して再
利用を図ることができるので、地球温暖化の要因となる
二酸化炭素を簡単な構成により容易に回収することがで
き、資源の有効利用を図ることもできる。

【００２８】また、原料とする水素を高圧水素供給手段
から供給することにより、炭素含有水素化合物（メタノ
ール）の合成圧力までの昇圧動力を低減することがで
き、さらに、原料とする二酸化炭素を液体で供給するこ
とによっても昇圧動力を小さくできる。また、生成した
炭素含有水素化合物（メタノール）と水との分離を膜分
離手段で行なうことにより気液分離後も存在する圧力を
有効活用できる。この結果、水素の圧縮動力を化合物
（メタノール）合成器での発熱により賄うことができ、
外部からの動力を減らすことができ、化合物（メタノー
ル）合成のエネルギ効率を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本概念としての第１実施形態に係る
炭素含有水素化合物合成プラントの構成を示すブロック
図である。

【図２】本発明の第２実施形態に係るメタノール合成プ
ラントの構成を示すブロック図である。

【図３】本発明の第３実施形態に係る炭素含有水素化合
物合成プラントの構成を示すブロック説明図である。

【図４】本発明の第４実施形態に係るメタノール合成プ
ラントの構成を示すブロック図である。

【図５】メタノール合成プラントの第１の従来例を示す
ブロック図である。

【図６】メタノール合成プラントの第２の従来例を示す
ブロック図である。

【符号の説明】

１１ 高圧水素供給手段 １２ 液化二酸化炭素供給手段 １３ （炭素含有水素）化合物合成手段 １３Ａ メタノール合成器 １４ （炭素含有水素）化合物抽出手段 １５ 冷却器 １６ 気液分離器 １７ 分離手段（膜） １８ 凝縮器 ２１ 高圧水電解装置 ２２ 水素圧縮機 ２３ タービン ２４ 復水器 ２５ 二酸化炭素回収型発電プラント

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【手続補正書】

【提出日】平成１０年３月２５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福 田 雅 文 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水素を供給する高圧水素供給手段と、 液化二酸化炭素を供給する液化二酸化炭素供給手段と、 前記水素と、前記液化二酸化炭素とを反応させて炭素含
   有水素化合物を合成する化合物合成手段と、 前記化合物合成手段より供給された前記炭素含有水素化
   合物から水を分離することにより前記炭素含有水素化合
   物を抽出する化合物抽出手段と、 を備えることを特徴とする炭素含有水素化合物合成プラ
   ント。
2. 【請求項２】前記炭素含有水素化合物はメタノールであ
   り、前記水素供給手段は水素を圧縮して前記圧縮水素を
   生成する水素圧縮機を含み、前記化合物合成手段は前記
   水素圧縮機より供給される前記圧縮水素と前記液化二酸
   化炭素とを反応させて前記メタノールを合成するメタノ
   ール合成反応器より構成され、前記水素圧縮機は前記メ
   タノール合成反応器からの排熱により生成された蒸気に
   よって作動するタービンと同軸に構成されていることを
   特徴とする請求項１に記載の炭素含有水素化合物合成プ
   ラント。
3. 【請求項３】前記水素供給手段は加圧型の水／塩水／海
   水電解装置を含み、前記電解装置により生成した水素を
   前記水素圧縮機へ供給して前記圧縮水素を生成すること
   を特徴とする請求項１に記載の炭素含有水素化合物合成
   プラント。
4. 【請求項４】前記化合物抽出手段は、前記炭素含有水素
   化合物合成手段により生成された水と炭素含有水素化合
   物とを冷却する冷却器と、冷却された水分と炭素含有化
   合物とを気液分離する気液分離器と、気液に分離された
   液体を透過させて炭素含有水素化合物分離部により分離
   する分離手段と、を備えること特徴とする炭素含有水素
   化合物合成プラント。