JPS5857220B2 - エネルギイソウホウ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 清浄な化石燃料が入手しずらくなるにつれ、電気及び熱
エネルギ不足に対する代替源が増々注目を払われている
。

現在のところ、近い将来開発されるものとして最も可能
性のある候補者は核エネルギである。

核原子炉に関連した大きさが犬でなげればならぬ要件及
び用地の困難性からして、大きな距離（少なくとも約１
００マイル）にわたってエネルギ使用領域にエネルギを
伝送することが必要となる。

普通、エネルギは架空電線によって電気として移送され
る。

しかるに、都市区域ではエネルギを電力と同様に熱にも
必要とするのが通常であるから、熱エネルギを電気エネ
ルギに次いでこれを元の数エネルギに変換することは運
送の費用を考えなかったとしても効率が悪い。

そのうえ、都市での電力需要がふえているにも拘らず、
架空電力線への路線区の獲得が増々難しくなっている。

同じ電気運搬容量について見れば、地下伝送の方がずっ
と費用がかかる。

エネルギ発生源からエネルギ使用領域までの距離が数百
マイルを越えろと、非常に高電圧が必要となり、そのた
めに電力伝送の困難はもつと複雑となる。

こうした種々の困難を認め、大きな反応熱を有する可逆
化学反応を利用して高いエンタルピー容量を持った気体
生成物を生成させ、周囲温度で地下パイプラインにより
エネルギ源地点からエネルギ使用地域まで化学エネルギ
を移送することを提案したのはカーンホーシャングサン
ラージ・ジューリッチ（Ｋｅｒｎ −ｆｏｒｓｃｈｕｎ
ｇｓａｎｌａｇｅ Ｊｕｌｉｃｈ（ＫＦＡ）である。

上記のＫＦＡの尽力は次の化学反応の利用にある。

反応１は熱源（例えば高温ガス反応炉）で続行され、メ
タンと水蒸気は加熱されて触媒上を約８００〜９００℃
（１１００〜１２０００Ｋ）で通される。

反応が起ると、形成されたＣＯ１グラムモルにつき約５
４．１ Ｋ ｃａｌが吸収される。

得られた気体混合物は次いで入来するメタンと液体水と
の熱交換により急速に冷却され、それからポンプでパイ
プラインを通されエネルギ使用領域まで送られる。

ここで気体の混合物は再加熱（例えば、３００〜５００
℃）されて触媒上を通され、この際かなりの熱、即ちＣ
Ｏ１グラムモル当り約５２、７ Ｋ ｃａｌが反応２で
発生する。

エネルギ使用領域での再加熱はエネルギ供給反応炉を去
るメタン／水蒸気混合物との熱交換によって為される。

次いで、メタンは乾燥され、熱源に戻され、ここでもう
一度一酸化炭素及び水素への交換を受ける。

エネルギ使用領域にあっての要求によって、高度の熱、
電気及び低度の熱の種々なる分配がこの系から為し得る
。

反応１及び２はそれぞれ周知の（ａ）メタン−水蒸気リ
ホーミング反応及ｚｂ）ｃｏのメタン化反応である。

しかし、一酸化炭素の水素による還元によって様々な生
成物が生じうる。

各種のフツシャートロプシ−Ｌ （Ｆ ｉ ５ｃｈｅｒ
−Ｔｒｏｐｓｃｈ）合成から知られるように、触媒及
び圧力・温度の使用条件に応シテ、アルコール、ケトン
、エーテル、アルデヒド、エステル、炭化水素、油、ワ
ックス等がとり混ざって生ずることがある。

汚染の可能性があるから、パイプラインのエネルギ使用
端でのメタン化反応の際中に生ずる多量の水をこうした
如何なる汚染物をも取り除くため処理しなげればならな
いこととなる。

この水は反応１を繰り返えすためエネルギ源に帰還する
か、又は別の供給源からエネルギ源位置に供給しなげれ
ばならない。

水（液状にある）をエネルギ源に返還するときは、同じ
パイプラインを通して水とメタンの両者を帰還させると
きに遭遇する困難（固体水和物の形成、液体と気体の混
合物をポンプで送る問題、水の凍結）を避けるため第三
のパイプラインを準備して行なう必要がある。

本発明は、異った可逆化学反応を利用して上記の困難を
克服し、移送ガス１モルあたり多量の熱を放出せしめる
ため提案するものである。

例えば核原子炉の如き熱源に於いて、メタンと二酸化炭
素を反応（約８００〜９００°Ｃ）させて一酸化炭素と
水素の混合物を形成する。

この反応によって形成されたＣＯ１グラムモルにつき約
６２ Ｋ ｃａｌが吸収される。

生成した気体の混合物を入来する冷たいＣＨＪびＣＯ２
との熱交換で冷却し、次いでポンプで周囲温度にて第一
のパイプラインを介してエネルギ使用領域まで送る。

この第一のパイプラインのエネルギ使用端で気体混合物
を水蒸気及び触媒の存在下で加熱（約３５０〜５００℃
）する。

ＣＯとＨ２は発熱的に反応してＣＨ４とＣＯ２を形成し
、これによって消費Ｃ０１モル当り約６１ Ｋ ｃａｌ
を放出する。

この反応から発生された熱は熱交換機を通してプロセス
熱に使用する為、又は電気に変換する為放出されろ。

水は凝結されて気体反応物質の混合物から分離され、そ
して乾燥され冷却されたＣＨ４／ＣＯ２混合物を第二の
パイプラインによって熱源に戻し上記の閉鎖ループプロ
セスを繰り返えす。

以下に本発明の方法を行う点を図式的に説明している添
付図面に関連して詳細を記すが、これによって本発明の
本来の性質及び目的・利点が容易に理解されよう。

本発明に従ってパイプラインを介してエネルギを伝送す
るために使用する反応は次の通りである。

反応３は熱源の場所にて約８００〜９００℃の範囲の温
度で行われ、一方、反応４はエネルギ使用位置にて約３
５０〜５００℃の範囲の温度で行われる。

一つのパイプラインが一酸化炭素／水素気体混合物を熱
源からエネルギ使用位置まで導びくのに必要とされ、他
方、メタン／二酸化炭素気体混合物を熱源に戻すのにも
う一つのパイプラインを必要とする。

反応３は低圧の方が都合がよく、他方、反応４は高圧の
方が都合よい。

パイプラインと反応の圧力は１〜６０気圧の範囲内にあ
るようにされろ。

反応３からでて来る加熱媒体はなおかなり高い温度を有
しているから、これを使って水蒸気を発生させて局地の
発電にあてがうべきである。

従来からの水蒸気リホーミング触媒が反応３の実施に適
しそしてニッケル又はコバルト金属に基づく触媒系が反
応４の実施に適当であると想像されろ。

反応４は高圧水蒸気を発生させて発電、プロセス熱等と
する水蒸気ボイラと本質的に変らない物の内部にて行う
ことができる。

反応気体によって放出される熱を立方メータ当り多量に
制御し移送するためには比較的大きな熱交換表面積を提
供する比較的小さな複数の管が必要となろう。

この種の反応炉−ボイラはフィッシャートロプシュ合成
のために開発されている。

反応４によって放出された熱は熱移送媒体例えば水（水
蒸気）又はナトリウム金属によって採取されてボイラ又
はタービンに運ばれる。

炭素やタールの如き生成物は上述の条件下にあって熱力
学的に安定であるから、これ等がある程度反応４の副成
物として生成することもある。

こうした生成物の形成は、ニッケルやコバルト触媒※が
炭素生成によって効率低下を受けるからして回避されな
げればならない。

炭素の生成を最小にするには、水素／一酸化炭素気体混
合物がエネルギ使用位置で熱配給反応炉に入る前に、水
蒸気を気体混合物の一部とする。

配給反応炉内に水蒸気が存在すると、炭素形成を最小と
するうえに、良好な反応炉や触媒の性能に妨害となる局
所的な温度の遊離を吸収する追加の熱容量を与える。

又、気体混合物にＨ２Ｏを添加すると水素が若干過剰と
なって混合物の熱伝導性を改善する。

更に、水の蒸発と凝結により液体である水をポンプで運
ぶのに極めて小さな力しか必要とされず、気体混合物を
反応炉や熱交換機にポンプで通す経済的な方法が与えら
れる。

水の蒸発の為の熱は、熱配給反応炉を去る気体混合物中
に存在する水蒸気の凝結の熱による熱交換によって供給
される。

熱放出反応の実施にあたって、炭素を含有する低揮発性
の何等かの副生成物が形成されるときには、これ等生成
物は帰還パイプラインに於ける気体輸送には不適当であ
るから、凝結水が熱配給反応炉に入る前に水蒸気発生の
為熱交換機への水供給流中へ再循環されるに先立って、
これ等生成物を凝結水から取り除く。

こうして回収された副生成物は溶媒、燃料、油等として
価値がある。

触媒物質の選択が不完全な場合は、たとえ熱配給反応炉
への供給物が２ＣＯ＋２Ｈ２であったとしても、反応２
の挙動もある程度起って、望ましくないことに少量（約
２容量％）の水蒸気が形成されることとなる。

ＣＯ対Ｈ２の比を増すとこの少量の水の形成を更に減少
せしめよう。

最良の比は常規の実験によって容易に決定できる。

この表は反応３によるＣＨ４のＣＯへの転換に対する圧
力と温度の影響を説明している。

この表は約４２７℃に於いて水蒸気の存在下に於ける反
応４で生成した気体混合物の組成に及ぼす圧力の影響を
示している。

ＣＯとＨ２との間の反応について使用できる最良の触媒
系はイオウによって毒作用を受けるから、イオウは入力
及び補給ＣＨ４ガスから除かれなくてはならない。

このＣＨ，ガスは任意の便宜な源例えば石炭、油、天然
ガス等から調製される。

ＣＯ及びＨ２の冷温混合物は水蒸気、圧縮空気又は水よ
りも立方メータ当りはるかに多いエネルギを貯蔵するか
らエネルギ貯蔵媒体としては傑出した働きをなす。

需要が低い期間にはこの混合物を貯蔵所に貯蔵しておき
、需要が頂点に達した期間に於いてこれを放出すること
ができる。

同じみそを気体に対する出立パイプラインと帰還パイプ
ラインの両者並びに他の導管例えば電力線に使える。

ＣＯ２／ＣＨ４混合物の温度が約１５下以上である限り
、圧力の如何に拘らず混合物からＣＯ２が凝結すること
はない。

しかし、熱放出反応の間に生じたメタン、二酸化炭素及
び水蒸気の混合物から凝結した水の中に少量のＣＯ２及
び更に少量のメタンが溶解している可能性がある。

所望されるときは、この二酸化炭素及び／又はメタンを
水から脱離して熱源反応炉に再循環されている大吉の気
体流と共に該反応炉に戻してもよい。

しかし、ＣＯ２の全へてを取り除く必要はないのであっ
て、熱放出反応炉への供給物に少量の二酸化炭素が存在
すると炭素形成を抑制しかつ一炭化炭素の水蒸気による
望ましくない酸化を減少するのに役立つ。

水と共に熱放出反応炉へ又は該炉から循環される二酸化
炭素の量は、出て行く気体混合物と接触しティる水の最
終温度並びに系にかかる圧力によって調節できる。

約１０〜約１００気圧の範囲内の圧力に於いては、はぼ
全部の一酸化炭素が熱放出反応４で使用しつくされて少
量を別にすれば理論的に期待される全収量のメタンをも
たらす。

こうして、エネルギ使用領域に送られた気体のモル当り
につき高い熱放出が起こる。

少量の一酸化炭素が水蒸気と反応して余分な二酸化炭素
と水素を形成し、しかして約４７．５気圧で行われた熱
放出反応による生成気体は脱水後１ ： ２．０５０
： １．０３５のＣ：Ｈ：０モル比を有することとなる
。

このＣ：Ｈ：Ｏ比はパイプラインを通って到達して来た
無水の供給気体のＣ：Ｈ：０モル比１：２：１よりも水
素と酸素に若干富んでいる。

第二のパイプラインを経て帰還し熱源反応炉を通過した
後の４７．５気圧の生成物気体は少量の二酸化炭素と水
を含んだＣＯとＨ２を形成する。

しかして、実際には循環気体混合物は若干酸化される。

循環気体が次いで系を通過するにつれて酸化の発生もか
なり少なくなっていき、ついには定常状態に達する。

熱放出反応炉を４７．５気圧の代りに約９４気圧で運転
するとこの反応炉から出て来る気体混合物は見たところ
酸化されていない。

いずれにしても、運転圧力及び温度にかかわりなく、熱
放出反応炉内に於いては当該系に対する定常運転条件が
達成できる。

図に開示した簡略フローシートは本発明の方法を行う為
の好ましい配置を示している。

即ち、熱供給反応炉１１は高温例えばヘリウムガスを
。

９００〜９５０℃で生成する核原子炉に隣接して位置づ
けられている。

ヘリウムガスとの向流熱交換によって、供給反応炉１１
は最高約９２５°Ｃまで加熱される。

ＣＨ，及びＣＯ２の混合物が該反応炉に受容されると、
反応３が起る。

反応生成物である一酸化炭素と水素が供給反応炉１１か
ら導管１２を経て熱交換機１３に達し、ここでこれ等の
反応生成物が約４０℃以下の温度まで冷却される。

生成物気体混合物のこの冷却は同時にパイプライン１４
から入ってくる冷たいメタン／二酸化炭素流を加熱する
。

そして、この加熱されたメタン／二酸化炭素混合物は導
管１６を経て供給反応炉１１に導入される。

一方、反応炉１１で熱を提供し、その為、その入口温度
から約６５０℃の温度に冷却されているヘリウムの流れ
をボイラ１７に導びき、ここでヘリウムの流れの温度を
約２００℃に減じ、この放出熱を利用して水蒸気を発生
させて地域的な加熱や電力要求に応する。

冷却された一酸化炭素と水素ガスの混成流はコンプレッ
サ１８で加圧され、その後パイプライン１９に入ってエ
ネルギ使用地域まで長旅を続ける。

エネルギ使用領域に於ける需要が低いときには、圧縮さ
れた水素／一酸化炭素気体混合物の一部又は全部を管路
２２及び弁２３（弁２４を適当に設定する）を介して貯
蔵所２１に入れておく。

一般に、配給（熱放出）反応炉２７に於ける反応４を行
う為に要する加圧の要求を満たすためには、追加のコン
プレッサ２６を１個又はそれ以上必要とする。

水素と一酸化炭素の混合物は好ましくは約４５〜１００
気圧に加圧されていて、熱交換機２８に入る。

水も又導管２９を介して熱交換機２８に導入され、水と
気体の混合物は好ましくは約３５０°Ｃに加熱されてい
る。

加熱され加圧された気体と水蒸気の混合物が導管３１を
経て配給反応炉２７に達すると、アルミナ上に支持され
たニッケル金属触媒上で起る発熱反応４によって熱が放
出される。

この放出熱は反応容積内の反応気体と向流熱交換関係に
ある別の流体流によって採取され、この加熱された流体
流好ましくは水蒸気によってこの熱が最終用途例えばプ
ロセス熱として又は地区発電の為にボイラ又はタービン
まで運ばれる。

水蒸気の存在下での反応４からもたらされた気体混合物
（主に、メタン、二酸化炭素及び水蒸気で、圧力４７．
５及び９４気圧に対して表２に示したとおりである）が
反応炉２７から導管３２を経て熱交換機２８に導びかれ
て冷却され、同時にパイプライン１９及び導管２９から
の流体を加熱する。

水蒸気の殆んどは凝結して熱交換機２８を出て導管３３
を通り、生成した可能性のある少量の炭素含有副生物と
少ない量のメタンとＣＯ２がこれに伴なう。

この水はストリッパ３４に入りここで副生成物が水から
分離され、次いで水を導管２９を介して再循環させる。

気体混合物（メタン、二酸化炭素及び水蒸気）は熱交換
機２８から導管３７を経て乾燥機３６に行き導管３８を
経てストリッパ３４から来るメタン／ＣＯ２と一緒にな
る。

気体流から除かれた水は導管２９へ案内され、そして冷
たい（４０℃以下）ＣＨ４／ＣＯ２気体混合物はパイプ
ライン１４により帰還の旅を始める。

パイプライン１９の場合のようにして、この冷たい気体
混合物のある量を所望な時点で貯蔵所３９内に貯蔵ない
し取り出してもよい。

冷たいＣＨ４／ＣＯ２気体混合物は熱源位置に到達中に
あって、反応３の働きのために供給反応炉１１に入るに
先立って熱交換機１３で加熱される準備がととのってい
る。

適当なＣ：Ｈ：０モル比を持った補給気体が矢印４００
所で供給される。

【図面の簡単な説明】

図は簡略化したフロー・シートであって本発明の方法を
行うための好ましい配置を示している。 図中、１１・・・・・・熱供給反応炉、１３・・・・・
−熱交換機、２８・・°・・・熱交換機、２７・・・・
・・配給（熱放出）反応炉、３４・・・・・・ストリッ
パ、３６・・・・・・乾燥機、２１及び３９・・・・・
・貯蔵所、４０・・・・・−補給ガス源、１７・・・・
・・発電装置、１８及び２６・・・・・−コンプレッサ
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱源からエネルギ使用領域までエネルギを移送する
   方法に於いて、（ａ）メタン及び二酸化炭素から主に成
   る第一の気体混合物を前記熱源の近くに於いて約６５０
   ℃を越える温度で反応させて主に一酸化炭素と水素から
   成る第二の気体混合物を生成させ、（ｂ）前記第二の気
   体混合物を約４０℃以下の温度まで冷却し、（ｅ）前記
   第二の気体混合物を加圧して第一の導管により前記エネ
   ルギ使用領域まで移送し、（ｄ）前記第二の気体混合物
   を加熱し、（ｅ）少なくとも約３５０℃の温度及び少な
   くとも約１０気圧の圧力に於いて前記第二の気体混合物
   を水蒸気及び触媒の存在下で反応させて熱を放出させか
   つ主にメタンと二酸化炭素を生成させ、（ｆ）メタン、
   二酸化炭素及び水蒸気を含む得られた混合物を水蒸気の
   凝結温度以下に冷却し、（ｇ）前記工程ｅで形成された
   水及び副生成物をメタン、二酸化炭素及び水蒸気を含む
   混合物から分離して前記第一の気体混合物を生成させ、
   （ｈ）この乾燥された第一の気体混合物を第二の導管を
   介して前記熱源まで導き、（ｉ）この乾燥された第一の
   気体混合物を加熱し、そして（ｊ）上記の一連の工程を
   繰り返すことからなる前記の方法。 ２ 工程すで放出される熱を熱交換手段により工程ｉに
   使用する前項の方法。 ３ 第一の気体混合物が約９２５℃まで加熱される前記
   第１項の方法。 ４ 第二の気体混合物が４５〜ｉｏｏ気圧の範囲の圧力
   にて反応させる前記第１項の方法。 ５ 工程ｆで放出された熱を熱交換手段により工程ｄに
   使用する前記第１項の方法。