JPS61153136A - 太陽熱利用化学品製造法 - Google Patents

太陽熱利用化学品製造法

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JPS61153136A
JPS61153136A JP60235495A JP23549585A JPS61153136A JP S61153136 A JPS61153136 A JP S61153136A JP 60235495 A JP60235495 A JP 60235495A JP 23549585 A JP23549585 A JP 23549585A JP S61153136 A JPS61153136 A JP S61153136A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、燃料又は化学品を製造する際のプロセス熱源
として太陽エネルギーを利用する方法に関する。より詳
細には１本発明は、プロセス熱源として太陽エネルギー
を利用して吸熱反応と発熱反応とを組み合わせて連続運
転を可能にする方法に関する。
〈従来の技術〉 連続法によれば効率が高くなり、大きな資金を必要とす
る高価な設備の利用効率が高くなるので。
燃料及び化学品を製造する工程のほとんどは連続運転工
程に設計されている。太陽エネルギーは豊富であり且つ
安価であるから、燃料及び化学品の製造のために熱源と
して太陽エネルギーを使用するのが望ましい。しかしな
がら、太陽は連続的にエネルギーを供給するものでもな
く、一定量のエネルギーを供給するものでもない、ｉｋ
り空及び地球の回転による規則的な太陽の日毎の変化の
結果。
エネルギー・レベルが低下する。従って、燃料及び化学
品の製造のために太陽エネルギーを有効に使用するには
、太陽エネルギーを利用する商用工程を補償して断続す
るエネルギー低下に対処しなければならない。
覧 断続するエネルギー低下を補償する種々の方策が考えら
れる。熱伝達流体を高温度で貯蔵しておいて、夜間及び
曇天時に使用して、必要な条件に維持することもできる
。不都合なことに、雲が散る前又は夜の間に貯蔵されて
いた高温の流体が使い尽されてしまうと、プラントが停
止してしまう。
夜間運転を長く続けるために、太陽加熱反応器と化石燃
料燃焼型反応器とから成る混成システムが推奨される。
太陽加熱反応器と化石燃料燃焼型反応器の両方の運転を
調節して一定の正味熱出力を出すことができるので、こ
の種の混成システムでは熱伝達流体を不要とし又は熱伝
達流体の必要性を低減することができる。従って、太陽
エネルギーが最大であるときには、全ての熱を太陽から
供給する。逆に、夜間には、化石燃料燃焼型反応器を最
大負荷で運転して、太陽加熱反応器を停止させる。しか
しながら、この型式のシステムでは。
太陽エネルギーによって供給されるエルネギ−は必要エ
ネルギーの約３０％に過ぎない。
〈発明が解決しようとする問題点及びこの問題点を解決
するための手段〉 本発明は、補完し合う吸熱反応と発熱反応とをつなぐこ
とにより、大容量の熱伝達流体の貯蔵の必要なく、混成
システムよりも太陽熱の寄与率を高めようとするもので
ある。互いに補完し合うようにするには、両反応は二つ
の要件を満たさなければならない。第一に、吸熱反応の
生成物は１発熱反応の反応剤でなければならない、第二
に１発熱反応において生成する吸熱生成物の特定量の反
応によって供給される熱が、同量の吸熱生成物の生成に
必要な熱よりも大きくなければならない。
太陽エネルギー及び発熱工程により、吸熱反応に必要な
熱エネルギーが供給される。直接太陽エネルギーが利用
できるとき（昼間）には、吸熱反応に必要な熱を太陽エ
ネルギーによって供給する。
直接太陽エネルギーが利用できないとき（夜間及び曇り
空のとき）には、吸熱反応の生成物の形で化学エネルギ
ーとして貯えられた太陽から引き出されたエネルギーを
発熱反応に利用して、吸熱反応のための熱を発生させて
有用な製品°を製造する。
プロセス熱は、吸熱工程及び発熱工程が行なわれる両反
応器を通過する熔融塩等の熱伝達流体並びに太陽熱受容
器を含む高温度熱伝達回路を介して伝えられる。
使用に適した吸熱反応の例は、−次メタン水蒸気改質で
ある。この反応では、予熱されたメタンと水蒸気とが一
次水蒸気改質器内で反応して、素質的に水素と一酸化炭
素とから成る合成ガスが生成する。この合成ガスは、更
に処理された後、アンモニアに変わる。
生成したアンモニアの一部分の燃焼は、補完発熱反応に
適した反応である。アンモニア燃焼の生成物は窒素酸化
物類であり、これらの窒素酸化物類を水と混合゛して硝
酸を生成させることができる。
昼間は、太陽熱受容器で予熱された熔融塩により、メタ
ン水蒸気改質工程の熱が供給される。−次改質反応によ
って冷却された熔融塩の一部分は、アンモニアの燃焼に
よって放出される熱によって再加熱される。残りの塩は
太陽熱受容器に戻り、再加熱される。再加熱された熔融
塩は、メタン改質工程に戻る。利用できる太陽エネルギ
ーが減少すると、燃焼させるアンモニアの量を増加させ
、アンモニア燃焼反応器に向かう熔融塩の量を増加して
、水蒸気改質反応に必要な温度に加熱する。
太陽熱が利用できないときには、アンモニアの燃焼速度
を最大にして、熔融塩の全部をこの発熱反応によって加
熱する。逆に、利用できる太陽エネルギーが増大すると
、発熱反応に供給するアンモニアの量を減少させ、この
反応によって加熱される塩の量も減少させる。簡単に言
えば、直接に利用できる太陽エネルギーの量と逆比例さ
せて、アンモニア燃焼バーナーを運転する。
より詳細には、本発明は、太陽エネルギーを化学合成工
程に利用する方法であって、熱伝達流体の第一部分を太
陽熱受容器の内部で加熱し、熱伝達流体の第一部分及び
第二部分を利用する高温度発熱反応により熱伝達流体の
第二部分を加熱して発熱反応と補完し合う吸熱化学反応
に必要な熱を供給し、熱の供給に用いた熱伝達流体の少
くとも一部分を高温度発熱反応器に戻すことを特徴とす
る方法に関する。特に、本発明は、太陽エネルギ−を化
学合成工程で利用する方法であって、熔融塩を太陽熱受
容器の内部及びアンモニア燃焼工程から発生する熱で加
熱し、高温の熔融塩を利用してメタン水蒸気改質工程に
必要な熱を供給し、前記アンモニア燃焼工程においては
メタン水蒸気改質工程で生成された反応剤から製造した
アンモニアの少くとも一部分を使用することを特徴とす
る方法に関する。
〈実施例〉 第１図に示すように１本発明は３基の熱によって活性化
する部材、即ち太陽熱受容器と、２基の反応器とから成
る。太陽熱受容器と１発熱反応が行なわれる反応器Ａと
が、反応器Ｂで行なわれる吸熱反応で利用される熱を供
給する。日中は、熱伝達流体は太陽熱受容器の内部で予
熱されて、吸熱反応のための熱を供給する。夜間又は曇
り空のときには、反応器Ａで行なわれる発熱反応によっ
て必要な熱が供給される。日中は、反応器Ａの負荷を１
００％から設備能力に基づく最小値に変化させて、太陽
エネルギーによって太陽熱受容器に供給される熱の変化
に対応させる。
好ましい実施例においては、熔融塩等の高温熱伝達流体
は、日中は太陽熱受容器の内部で加熱され、夜間及び曇
り空のときには反応器Ａの内部におけるアンモニアの燃
焼によるエネルギーで加熱されて、−火水蒸気改質器（
反応器Ｂ）へ熱を伝える。予熱されたメタン及び水蒸気
は改質器の内部で加熱され、主として水素と一酸化炭素
とから成る合成ガスが生成する。合成ガスは、常法によ
って処理されて、最終的にはアンモニアに変わる。
生成したアンモニアの一部は空気と混合されて、アンモ
ニア燃焼バーナー（反応器Ａ）の内部で燃焼させられて
、窒素酸化物類をつくる。アンモニアの残部は貯蔵され
る。アンモニアの燃焼によって放出された熱は、改質工
程で冷却された熔融塩の加熱に使用される。再加熱され
た熔融塩は反応器Ｂに戻り、改質工程のための熱を供給
する。
太陽熱受容器の出力は夜間における無負荷状態から正午
における全負荷の状態の笥囲内で変動するから、アンモ
ニア燃焼バーナによって太陽熱受容器の出力の変動を補
償して、反応器Ｂで行なわれている吸熱反応のために一
定の熱を供給しなければならない。バーナーの燃料燃焼
速度とバーナーへの塩の流量とを変化させて補償を行な
う、アンモニア燃焼バーナーでの燃焼を連続的に塩の流
量の減少と応答させて変動させて、アンモニア燃焼バー
ナーの出口温度が一定に保持されるよう燃焼を制御する
。従って、アンモニア燃焼バーナー及び硝酸プラントを
連続運転布せる場合には、出力又は生成物は利用できる
太陽熱によって変わる。
夜間には、アンモニア燃焼バーナーが全負荷テ稼動する
。塩が太陽熱受容器の内部で予熱される日中は、アンモ
ニア燃焼バーナーは全負荷以下の稼動率で運転されるが
、負荷率又は稼動率は利用できる太陽エネルギーによっ
て変動する。たとえば最大量の太陽エネルギーが利用で
きる正午においては、熔融塩を還流させるアンモニア燃
焼バーナーの燃焼速度を許容最低値にする。理論的には
正午の太陽熱が最高値であるときにはアンモニア燃焼バ
ーナーを停止させることができるが、毎日プランドの停
止及び始動を行なうのは現実的ではない。冬期には、燃
焼速度を上げる６ アンモニア燃焼バーナーで生成する窒素酸化物類を水と
混合して硝酸をつくる。多種の化合物類を製造する基本
的なブロックを含む反応であるから、アンモニア、硝酸
及び合成ガスを従来法の設備で更に処理して、硝酸アン
モニウム、尿素、水素及びメタノール等の他の生成物を
つくることもできる。
第２図は、上記の工程を示す概略説明図である。
太陽熱受容器１により熔融塩は日中は約８１６乃至１０
９３℃（１５００乃至２０００°Ｆ）の温度に加熱され
る。このように増大した熱によって。
−火水蒸気改質器３の内部におけるメタン水蒸気改質工
程の熱が供給される。−火水蒸気改質器の内部では約４
２７乃至約５３８℃（約８００乃至約１０００°Ｆ）の
予熱されたメタンと水蒸気とが反応して、約７０４乃至
９８２℃（約１３．００乃至１８００°Ｆ）の温度の合
成ガスが生成する。この反応により、熔融塩の温度は約
４８２乃至５９３℃（約９００乃至１１００°Ｆ）の温
度に冷却される。最大の太陽熱が利用できる場合には、
反応器５のアンモニア燃焼の発熱によって加熱される冷
却熔融塩は約２０乃至３０％である。改質ガスから生成
するアンモニアは約１４９乃至２０４℃（約３００乃至
４００°Ｆ）の温度でアンモニア燃焼バーナーに導入さ
れて、空気とともに燃焼して熱を放出して熔融塩に与え
、熔融塩の温度を約８１６乃至１０９３℃（約１５９０
乃至２０００°Ｆ）に高める。加熱された熔融塩は一次
水蒸気改質器に戻り、吸熱工程の熱を与える。
第３図は、−水氷蒸気改質の代わりに石炭のガス化を吸
熱反応として利用する工程の概略説明図である。水蒸気
及び空気は熱交換器７で加熱されて、約７０４乃至８１
６℃（約１３００乃至１５００″Ｆ）の温度の水蒸気に
なる。酸素及び水蒸気が、ガス化器（水性ガス発生器）
９で起る石炭のガス化に必要な熱と水素とを与える。ガ
ス化器９で生成した石炭ガスを従来法で処理して、ア・
ンモニア合成に使用することができる。上述のメタン水
蒸気改質法について説明したと同様にして、太陽熱受容
器１１又はアンモニア燃焼バーナー１３の内部で熔融塩
を加熱する。
本発明の場合、吸熱工程及び発熱工程を高温度で行なう
と、エネルギーが最も効率良く使用される。従って、ア
ンモニア燃焼バーナーを約９８２’Ｃ（１８００°Ｆ）
で運転し、水蒸気改質を約８７１℃（１６００下）の温
度で行なうのが好ましい。
しかしながら、高温度操作に伴う技術的困難性（たとえ
ば建造上の諸問題）のために（効率は低くとも）低温度
で運転することが技術的には適している６本発明によれ
ばアンモニア燃焼バーナーを約１０９３乃至８１６℃（
２０００乃至１５００°Ｆ）の温度で作動させ、対応す
る一次水蒸気改質器を約９８２乃至７６０℃（１８００
乃至１４００°Ｆ）で作動させる。
好ましい反応温度にするためには、熱伝達回路内の熔融
塩の最高温度を約９２７乃至８１６℃（１７００乃至１
５００°Ｆ）にしなければならない。吸熱反応により塩
は４８２乃至５９３℃（９００乃至１１００″Ｆ）の温
度に冷却されるから、熔融塩を少くとも摂氏温度で約２
２２度（華氏温度で約４００度）高めるに十分な熱が太
陽エネルギー及び発熱反応から発生しなければならない
ことになる。
このように高温度である好ましい温度下における熔融塩
の解離を避けるためには、炭酸塩類の共融混合物（炭酸
リチウム４３．５モル％、炭酸ナトリウム３１．５モル
％、炭酸カリウム２５．０モル％）が好ましい、この共
融混合物は３９７℃（７４７°Ｆ）で熔解し、１０９３
℃（２０００’Ｆ）付近まで安定である。当業者は、上
述の運転温度に適した他の塩配合物又はナトリウムやリ
チウム等の金属を選択することができる。適宜な物質（
たとえば酸化鉄、酸化ニッケル及び酸化コバルト）を添
加することにより、熔融塩を黒色にして塩フィルムの吸
収率を高めることもできる。
本発明で用いる吸熱反応及び発熱反応は従来公知の技術
ではあるが、高温で操業し熔融塩を使用するため、特に
設計した設備を使用する必要が・でて来る可能性がある
。たとえば、熔融塩を約１０９３℃（２０００’Ｆ）の
温度に加熱するためには、直接吸収キャビティ型式の太
陽熱受容器を使用しなければならない。この型式の受容
器を第４図に示す。図示した受容器は、上部壁１７及び
下部壁１９、傾斜後部壁２１、並びに前面孔部２３から
成るキャビティ１５を有する。傾斜後部壁の上部には、
入口マニホルド２５が設けられている。出口マニホルド
２７は、壁部下方に設けられている。
有効加熱壁部は耐火性材料で被覆され、熱損失を少くす
るためにキャビティは完全熱絶縁されている。熔融塩は
、入口マニホルド２５に導入され、フィルム状でキャビ
ティ１５の傾斜後部壁２１上を流れ落ちて複数のへりオ
ドスタット（ｈｅｌｉｏｔｓ−ｔａｔ）からの入射光束
によって加熱される。加熱された熔融塩は、出口マニホ
ルド２７を通ってキャビティから出て、吸熱反応器に還
流する。
第５図に、熔融塩によって加熱される一次水蒸気改質器
に適した設計を図示する。図示した水蒸気改質器は、−
回流過量で管用向流型式である。
改質器は、浮遊ヘッド３１及び三分割バッフル（邪魔板
）３３を有する。下側胴部ヘッド３７とプロセス・ガス
入口ノズル３９とに溶接で取り付けられた引伸し自在の
ベロー３５により、管束と胴部の熱膨張が異なっていて
も許容される。
高温度の塩は熱交換胴部４３のノズル４１に入り、分配
スロット４５を通って流れ、改質器の複数の管４７と接
触する。冷却された塩は、塩出口４９を介して反応器か
ら出る。プロセス・ガスは入口３９から入り、改質器の
複数の管４７を通って熱交換器を通過し、胴部ヘッド５
０の内部の鉛直中心位置にあるノズルを通って熱交換器
から出る。改質器の管には、常法の一次水蒸気改質工程
で使用する触媒が充填されている。熔融塩を使用するの
で、反応器は、インコネル（ｉｎｃｏｎｅｌ）　　又は
インコロイ（ｉｎｃｏｌｙ）のような熔融塩に対する耐
性を持つ材料から製造しなければならない。
発熱反応であるアンモニア燃焼工程のアンモニア燃焼バ
ーナーの設計は、硝酸製造プラントで使用されている従
来法のユニットと同様の設計であるが、ユニットの高温
度側には水／水蒸気ではなく熔融塩が還流する設計にな
っている。
本発明のアンモニア燃焼バーナー及び従来法のアンモニ
ア燃焼バーナーの何れでもアンモニアを燃焼させること
には変りがないから、燃焼ガス流速、炉の容積、及びガ
スの流断面積等は類似している。熔融塩を用いるアンモ
ニア燃焼バーナーの場合も、従来法のアンモニア燃焼バ
ーナーの場合と同様、煙道ガス側部条件（ｆｌｕｅ−ｇ
ａｓ−ｓｉｄｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ）によって管表面
の寸法が定まる。加えて、熔融塩を使用するアンモニア
燃焼バーナーの場合においても、従来法のアンモニア燃
焼バーナーと同じ煙道ガスを使用するので、ガスの輻射
能も同等である。しかしながら、管の内部により高温度
の熔融塩が流れているので、アンモニア燃焼バーナーの
外側管壁温度が高くなり、熔融塩を用いるアンモニア燃
焼バーナーの場合には外側の管の放射熱伝導係数が小さ
くなり、熱伝導面積を増す必要が出て来る。
最も重要なことは、管内部に熔融塩が流れるので、管壁
の温度が、従来法の水／水蒸気型アンモニア燃焼バーナ
ーの管壁温度よりも摂氏で２７８度（華氏で５００’Ｆ
）も高くなることである。従って、管材料として、イン
コネル又はインコロイ等の耐高温度材料を使用しなけれ
ばならない。
熔融塩を用いるバーナーの還流効率条件も、従来法のバ
ーナーとは異なる。従来法のアンモニア燃焼バーナーは
、１日に２４時間１週に７日間の定常状態運転を行なう
ように設計されているのに対し、本発明におけるアンモ
ニア燃焼バーナーの燃焼速度は夜間における全負荷状態
と昼間における約２０％乃至３０％の負荷状態との間で
変動する、ユニットの運転及び制御については、従来法
の発電プラント用の汎用ボイラーにおけると同様に、金
属の温度変化が最小になるように設計しなければならな
い、アンモニア燃焼バーナーの燃焼は、塩の出口温度が
一定に保たれるよう、即ち金属の温度変化が最小になる
ように制御しなければならない。
本発明で使用するに適した熔融塩を用いるアンモニア燃
焼バーナーを第６図に示す。ユニットの壁部はコイル状
の管５１から成り、溶融塩冷却区域を形成している。ア
ンモニア・ガスは、反応器の上部の触媒バスケット５３
の内部で、触媒の存在下で空気で燃焼させられる。生成
したＮＯｘガ　。
ス類は上記燃焼区域から下向きに流れ、熱回収区域に入
り、熱回収区域で燃焼熱が熔融塩に伝えられる。この熱
回収区域における主たる伝熱手段は対流であるから、比
較的近接させた複数の管を用いる。冷却されたＮ　Ｏｘ
ガス類は下向きに流れ続けて、アンモニア燃焼反応器５
７から出る。
Ｎ　Ｏｘガス類中に残留する熱は、従来法により関連す
る工程への熱の供給に利用することができる。
上述の説明では、主としてアンモニアの燃焼を水蒸気改
質又は石炭のガス化と組み合せた方法について説明して
きたが、当業者は他の補完し合う複数の反応を選択でき
ることは言うまでもない。
たとえば、硝酸製造のためのアンモニアの、燃焼の代わ
りに、硝酸製造のための硫黄の燃焼を組み込むこともで
きる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の概略全体工程図である１図中、シス
テムの構成部分はブロックで示し、これらを接続する線
は熔融塩を収納した高温度熱伝達回路を示す。 第２図は、本発明の一実施例の概略工程図であり、本実
施例の吸熱反応はメタン水蒸気改質であり、発熱反応は
アンモニアの燃焼である。 第３図は、本発明の別の実施例の概略工程図であり、本
実施例の吸熱反応は石炭の気化であり発熱反応はアンモ
ニアの燃焼である。 第４図は、推奨できる太陽熱受容器の概略説明図である
。 第５図は、熔融塩水蒸気改質器を示す説明図である。 第６図は、熔融塩アンモニア燃焼器を示す説明図である
。 １．１１・・太陽熱受容器、３，１３・・−火水蒸気改
質器、５・・アンモニア燃焼バーナー。 ７・・熱交換器、９・・石炭ガス化装置。 １．１１・・・太陽熱受容器 ３．１３・・・−火水蒸気改質器 ５・・・アンモニア燃焼バーナー ７・・・熱交換器 ９・・・石炭ガス化装置 Ｆ／σ、５゜ 合成；ｎ°スーロ Ｆｌに、　６゜ アンモニア２を洗Ｊ〈−ナー

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 化学合成工程で太陽エネルギーを利用する方法であって
    、 （ａ）熱伝達流体の第一部分を太陽熱受容器中で加熱し
    、 （ｂ）前記熱伝達流体の第二部分を高温度発熱反応によ
    って加熱し、 （ｃ）前記熱伝達流体の前記の第一部分及び第二部分を
    利用して、前記発熱反応と補完し合う吸熱化学反応に必
    要な熱を供給し、 （ｄ）前記発熱反応が行なわれている高温度発熱反応器
    に前記の熱の供給に使用した熱伝達流体の少くとも一部
    分を戻すことを特徴とする方法。
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