JPWO2020175426A1 - Hydrocarbon low temperature reforming system, and method for producing hydrogen and / or syngas at low temperature - Google Patents

Hydrocarbon low temperature reforming system, and method for producing hydrogen and / or syngas at low temperature Download PDF

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Abstract

【課題】700℃未満の低温廃熱を利用して、炭化水素材料を短時間で大量に改質可能なシステムを提供する。【解決手段】本発明の炭化水素低温改質システム1は、酸化された酸素キャリアM(O)と炭化水素系材料とを600℃以下で反応させ、還元された酸素キャリアM( )と水素と炭素酸化物とを生成する第1反応器10と、還元された酸素キャリアM( )と酸化剤とを反応させ、酸化された酸素キャリアM(O)を生成する第2反応器20とを備える。システム1において、酸素キャリアM(O)が第1反応器10と第2反応器20とを循環流動するケミカルループ式であってもよいし、供給するガスを交互に切り替えてスイッチングさせるサイクリックオペレーション式であってもよい。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a system capable of modifying a hydrocarbon material in a large amount in a short time by utilizing low temperature waste heat of less than 700 ° C. SOLUTION: In the hydrocarbon low temperature reforming system 1 of the present invention, an oxidized oxygen carrier M (O) and a hydrocarbon-based material are reacted at 600 ° C. or lower, and the reduced oxygen carrier M () and hydrogen are combined with each other. A first reactor 10 that produces a carbon oxide and a second reactor 20 that reacts a reduced oxygen carrier M () with an oxidizing agent to produce an oxidized oxygen carrier M (O) are provided. .. In the system 1, the oxygen carrier M (O) may be a chemical loop type in which the first reactor 10 and the second reactor 20 circulate and flow, or a cyclic operation in which the supplied gas is alternately switched and switched. It may be an expression. [Selection diagram] Fig. 1

Description

本発明は、炭化水素低温改質システム、並びに水素及び/又は合成ガスの低温での製造方法に関する。 The present invention relates to a low temperature hydrocarbon reforming system and a method for producing hydrogen and / or syngas at low temperatures.

これまで、炭化水素系材料から水素を製造する方法として、改質反応技術が知られている。水蒸気改質、COを用いるドライリフォーミング、空気・酸素による部分酸化がある。So far, a reforming reaction technique has been known as a method for producing hydrogen from a hydrocarbon-based material. There are steam reforming, dry reforming using CO 2, and partial oxidation by air and oxygen.

ところで、炭化水素材料と、水蒸気やCOとを原料にして、水素及び/又はCOを製造するための改質反応は吸熱性であり、そして反応は平衡条件下で進行するために高温を必要とする。したがって、従来の方法では、燃料の燃焼によってもたらされる極めて高いエネルギー入力が必要とされ、その結果、大量のCO排出量が生じる。By the way, the reforming reaction for producing hydrogen and / or CO from a hydrocarbon material and steam or CO 2 as raw materials is endothermic, and the reaction requires a high temperature to proceed under equilibrium conditions. And. Therefore, conventional methods require extremely high energy inputs resulting from the combustion of fuel, resulting in large CO 2 emissions.

プロセス温度を下げることで、炭化水素材料から水素への改質反応に必要なエネルギーを減らすことができる。そして、プロセス温度を下げることで、低温廃熱のエネルギーを、炭化水素材料から水素への改質反応のエネルギーに利用することも可能になり得る。 By lowering the process temperature, the energy required for the reforming reaction from hydrocarbon materials to hydrogen can be reduced. Then, by lowering the process temperature, it may be possible to utilize the energy of low-temperature waste heat as the energy of the reforming reaction from the hydrocarbon material to hydrogen.

これまで、500℃を超える高温の廃熱を回収し、廃熱エネルギーを他のプロセスに利用することが提案されている(非特許文献1参照)。しかしながら、500℃未満の低温廃熱は、ほとんど利用されることなく化学プロセスの系外に放出されており、低温廃熱の利用技術を提案することで、省エネルギー及びCO排出量削減に繋がる余地がある。So far, it has been proposed to recover waste heat at a high temperature exceeding 500 ° C. and utilize the waste heat energy for other processes (see Non-Patent Document 1). However, low-temperature waste heat of less than 500 ° C is released to the outside of the chemical process system with little use, and there is room for energy saving and reduction of CO 2 emissions by proposing a technology for using low-temperature waste heat. There is.

日本国内での500℃未満の低温廃熱の総量は年間1,018ペタジュール(PJ)と試算されている。これは、日本国内で消費される総エネルギーの約10%に相当する(非特許文献1参照)。低温廃熱の損失は、日本国内のみならず世界中で共通の課題である。 The total amount of low-temperature waste heat below 500 ° C in Japan is estimated to be 1,018 petajoules (PJ) per year. This corresponds to about 10% of the total energy consumed in Japan (see Non-Patent Document 1). Loss of low temperature waste heat is a common issue not only in Japan but all over the world.

炭化水素材料から水素への改質反応を低温で実現するには、化学平衡の課題を克服する必要がある。例えば、水を酸化剤とする水蒸気改質反応は、以下の反応式による。
+HO → CO(orCO)+H
In order to realize the reforming reaction from hydrocarbon materials to hydrogen at low temperature, it is necessary to overcome the problem of chemical equilibrium. For example, the steam reforming reaction using water as an oxidizing agent is based on the following reaction formula.
C n H m + H 2 O → CO (or CO 2 ) + H 2

しかしながら、上記反応は、吸熱反応であり、かつ、同一反応場に全ての物質(C、HO、CO、CO、H)が存在する。反応平衡の制約から、700℃以上の高温状態でないと炭化水素材料から水素への反応が進行しづらい。反応を促進するため、種々の触媒が提案されてはいるが、反応系に触媒を加えたとしても、反応平衡の制約を受けることに変わりはない。そのため、700℃未満の低温廃熱、とりわけ500℃未満の低温廃熱を熱エネルギーとして利用したとしても、水素を効率よく得ることができない。However, the reaction is an endothermic reaction, and, all materials in the same reaction field (C n H m, H 2 O, CO, CO 2, H 2) are present. Due to the restriction of reaction equilibrium, it is difficult for the reaction from the hydrocarbon material to hydrogen to proceed unless it is in a high temperature state of 700 ° C. or higher. Although various catalysts have been proposed to promote the reaction, even if a catalyst is added to the reaction system, the reaction equilibrium is still restricted. Therefore, even if low-temperature waste heat of less than 700 ° C., particularly low-temperature waste heat of less than 500 ° C. is used as heat energy, hydrogen cannot be efficiently obtained.

また、二酸化炭素を酸化剤とする改質反応は、以下の反応式による。
+CO → CO+H
The reforming reaction using carbon dioxide as an oxidizing agent is based on the following reaction formula.
C n H m + CO 2 → CO + H 2

本改質反応もまた、吸熱反応であり、かつ、同一反応場に全ての物質(C、HO、CO、CO、H)が存在する。そのため、反応平衡の制約から、水蒸気改質反応と同様の制約を受ける。This reforming reaction is also an endothermic reaction, and, all materials in the same reaction field (C n H m, H 2 O, CO, CO 2, H 2) are present. Therefore, due to the restriction of reaction equilibrium, it is subject to the same restrictions as the steam reforming reaction.

この課題を解決するため、膜反応器を利用することが考えられる。膜反応器を用いることで、反応器内の反応場を分離することができる。 In order to solve this problem, it is conceivable to use a membrane reactor. By using a membrane reactor, the reaction field in the reactor can be separated.

The Energy Conservation Center, Japan. https://www.asiaeec-col.eccj.or.jp/ (accessed 26 December 26, 2018)The Energy Conservation Center, Japan. Https://www.asiaeec-col.eccj.or.jp/ (accessed 26 December 26, 2018)

しかしながら、膜反応器を利用したとしても、膜反応器は、炭化水素材料の大量処理には適しておらず、他のアプローチによる課題解決が望ましい。 However, even if a membrane reactor is used, the membrane reactor is not suitable for mass treatment of hydrocarbon materials, and it is desirable to solve the problem by another approach.

ところで、ケミカルループという手法が古くから知られている。これにより、反応を2つに分けることが可能となり、生成物を高純度ガスとすることが可能となる。改質反応についての報告もある。また全体として弱発熱となる部分酸化についても可能である。 By the way, a method called chemical loop has been known for a long time. This makes it possible to divide the reaction into two and make the product a high-purity gas. There is also a report on the reforming reaction. It is also possible for partial oxidation, which causes weak heat generation as a whole.

しかしながら、低温でこれらの反応を行うためには、低温で駆動する酸素キャリアが必要である。それが達成できていなかったため、低温でのケミカルループによる、低温吸熱的改質反応は検討されてこなかった。 However, in order to carry out these reactions at low temperature, an oxygen carrier driven at low temperature is required. Since this has not been achieved, a low temperature endothermic reforming reaction by a low temperature chemical loop has not been investigated.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、700℃未満の低温廃熱を利用して、炭化水素材料を低温で改質することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to modify a hydrocarbon material at a low temperature by utilizing low temperature waste heat of less than 700 ° C.

本発明者らは、上記の課題を達成するために鋭意研究を重ねた結果、低温駆動酸素ナノキャリアを用いることで、酸化された酸素キャリアを用いて炭化水素系材料から水素と炭素酸化物とを生成する反応と、酸化剤を用いて還元された酸素キャリアを酸化させる反応とを個別に実行することで、上記の目的を実現できることを見出し、本発明を完成するに至った。具体的に、本発明では、以下のようなものを提供する。 As a result of diligent research to achieve the above problems, the present inventors have obtained hydrogen and carbon oxides from hydrocarbon-based materials by using oxidized oxygen carriers by using low-temperature driven oxygen nanocarriers. The present invention has been completed by finding that the above object can be achieved by individually executing the reaction for producing oxygen carriers and the reaction for oxidizing oxygen carriers reduced by using an oxidizing agent. Specifically, the present invention provides the following.

第1の特徴に係る発明は、酸化された酸素キャリアと炭化水素系材料とを600℃以下で反応させ、水素と炭素酸化物とを生成する第1反応器と、前記還元された酸素キャリアと酸化剤とを反応させ、前記酸化された酸素キャリアを生成する第2反応器とを備える、ケミカルループ式炭化水素低温改質システムを提供する。 The invention according to the first feature comprises a first reactor in which an oxidized oxygen carrier and a hydrocarbon-based material are reacted at 600 ° C. or lower to produce hydrogen and a carbon oxide, and the reduced oxygen carrier. Provided is a chemical loop type hydrocarbon low temperature reforming system including a second reactor that reacts with an oxidizing agent to generate the oxidized oxygen carrier.

第1の特徴に係る発明によると、第1反応器において、炭化水素系材料の酸化反応と、酸素キャリアの還元反応とが起きる。このとき、酸素キャリアの格子酸素が炭化水素系材料の酸化反応に使用され、その酸化反応によって水素と炭素酸化物とが生成される。第1反応器では、水を原料としていないため、単一の反応器で炭化水素材料と水とを反応させたときに生じ得る全ての物質(C、HO、CO、CO、H)が同一反応場に存在することはない。したがって、同一反応場に全ての物質(C、HO、CO、CO、H)が存在することに起因する反応平衡の制約を回避できる。According to the invention according to the first feature, in the first reactor, an oxidation reaction of a hydrocarbon-based material and a reduction reaction of oxygen carriers occur. At this time, the lattice oxygen of the oxygen carrier is used for the oxidation reaction of the hydrocarbon-based material, and hydrogen and carbon oxide are produced by the oxidation reaction. In the first reactor, since water is not a raw material, any material that can occur when reacted and water the hydrocarbon material in a single reactor (C n H m, H 2 O, CO, CO 2 , H 2 ) do not exist in the same reaction field. Thus, all materials in the same reaction field constraints (C n H m, H 2 O, CO, CO 2, H 2) caused by the presence reaction equilibrium can be avoided.

第2反応器では、酸化剤に含まれる酸素成分が酸素キャリアを酸化する。 In the second reactor, the oxygen component contained in the oxidizing agent oxidizes the oxygen carrier.

ところで、第2反応器での反応は、酸素キャリア材の種類にもよるが(酸化剤との酸化還元ポテンシャルの大きさで決まる)、例えばCeOを用いる場合には、発熱反応であり、第2反応器での反応生成物の1つである酸化された酸素キャリアは、発熱反応によって生じた熱を熱容量回収することが可能である。そして、酸素キャリアが第2反応器から第1反応器に向けて循環流動し、第1反応器にて廃熱を吸収した酸素キャリアと炭化水素系材料とを接触させることで、炭化水素系材料の吸熱反応に必要な熱が供給される。また、他のプロセスからの外部からの廃熱も利用できる。すなわち、第1の特徴に係る発明では、酸素キャリアを酸素の輸送源として機能させるだけでなく、熱の輸送源として機能させることも可能であり、これにより、外部から第1反応器に供給する熱量を抑えることが可能である。By the way, the reaction in the second reactor depends on the type of oxygen carrier material (determined by the magnitude of the redox potential with the oxidizing agent), but when CeO 2 is used, for example, it is an exothermic reaction, and the second reaction Oxidized oxygen carriers, which are one of the reaction products in the two reactors, can recover the heat generated by the exothermic reaction in terms of heat capacity. Then, the oxygen carrier circulates and flows from the second reactor to the first reactor, and the hydrocarbon material is brought into contact with the oxygen carrier that has absorbed the waste heat in the first reactor. The heat required for the endothermic reaction of is supplied. External waste heat from other processes can also be used. That is, in the invention according to the first feature, it is possible to make the oxygen carrier function not only as a transport source of oxygen but also as a transport source of heat, whereby the oxygen carrier is supplied to the first reactor from the outside. It is possible to suppress the amount of heat.

逆に、第一反応器で発熱、第二反応器で吸熱となるような材料・酸化剤の組み合わせの場合にも、同様であり、発熱を酸素キャリア材の熱容量として蓄え、その熱を吸熱反応に提供することが可能となる。 On the contrary, the same applies to the combination of a material / oxidizing agent that generates heat in the first reactor and absorbs heat in the second reactor. The heat is stored as the heat capacity of the oxygen carrier material, and the heat is endothermic. It will be possible to provide to.

加えて、膜反応器ではなく、ケミカルループ式のシステムを採用しているため、膜内の物質移動速度に律されることなく、粒子循環量で酸素移動を制御できるため、大量の炭化水素材料を処理することが可能である。 In addition, since a chemical loop system is used instead of a membrane reactor, oxygen transfer can be controlled by the amount of particle circulation without being regulated by the mass transfer rate in the membrane, resulting in a large amount of hydrocarbon material. Can be processed.

よって、第1の特徴に係る発明によると、600℃以下の低温廃熱を利用して、炭化水素材料の改質反応を短時間で大量に処理することが可能である。 Therefore, according to the invention according to the first feature, it is possible to process a large amount of the reforming reaction of the hydrocarbon material in a short time by utilizing the low temperature waste heat of 600 ° C. or lower.

第2の特徴に係る発明は、酸素キャリアが充填された複数の反応器を備え、前記複数の反応器は、炭化水素系材料又は酸化剤を導入可能に構成され、前記複数の反応器のうち、前記酸素キャリアが酸化された状態にある反応器には、前記炭化水素が導入され、600℃以下で前記炭化水素系材料を酸化させることが可能であり、前記複数の反応器のうち、前記酸素キャリアが還元された状態にある反応器には、前記酸化剤が導入され、前記酸化剤を還元させることが可能であり、前記複数の反応器のそれぞれに充填された前記酸素キャリアの状態によって、前記反応器の導入する材料を前記炭化水素系材料と前記酸化剤との間で切り替え可能である、炭化水素低温改質システムを提供する。 The invention according to the second feature includes a plurality of reactors filled with oxygen carriers, and the plurality of reactors are configured to be capable of introducing a hydrocarbon-based material or an oxidizing agent, and among the plurality of reactors. The hydrocarbon is introduced into the reactor in which the oxygen carrier is in an oxidized state, and the hydrocarbon-based material can be oxidized at 600 ° C. or lower. The oxidant is introduced into the reactor in which the oxygen carrier is in a reduced state, and the oxidant can be reduced, depending on the state of the oxygen carrier filled in each of the plurality of reactors. Provided is a low temperature hydrocarbon reforming system capable of switching the material to be introduced into the reactor between the hydrocarbon-based material and the oxidizing agent.

第2の特徴に係る発明によっても、第1の特徴に係る発明と同様に、600℃以下の低温廃熱を利用して、炭化水素材料の改質反応を短時間で大量に処理することが可能である。 Similar to the invention according to the first feature, the invention according to the second feature also makes it possible to process a large amount of the modification reaction of the hydrocarbon material in a short time by utilizing the low temperature waste heat of 600 ° C. or lower. It is possible.

第3の特徴に係る発明は、第1又は第2の特徴に係る発明において、前記酸化剤が水を含むシステムを提供する。 The invention according to the third feature provides a system in which the oxidizing agent contains water in the invention according to the first or second feature.

第3の特徴に係る発明によると、炭化水素系材料の水蒸気改質を実現でき、結果として、高純度の水素と、CO(CO)及びHの混合ガスとを回収できる。According to the invention according to the third feature, steam reforming of a hydrocarbon-based material can be realized, and as a result, high-purity hydrogen and a mixed gas of CO (CO 2 ) and H 2 can be recovered.

第4の特徴に係る発明は、第1又は第2の特徴に係る発明において、前記酸化剤が二酸化炭素を含むシステムを提供する。 The invention according to the fourth feature provides a system in which the oxidizing agent contains carbon dioxide in the invention according to the first or second feature.

第4の特徴に係る発明によると、炭化水素系材料のCOドライリフォーミングを実現でき、結果として、高純度のCOと、CO(CO)及びHの混合ガスとを回収できる。According to the invention according to the fourth feature, CO 2 dry reforming of a hydrocarbon-based material can be realized, and as a result, high-purity CO and a mixed gas of CO (CO 2 ) and H 2 can be recovered.

第5の特徴に係る発明は、第1又は第2の特徴に係る発明において、前記酸化剤が酸素及び/又は空気を含むシステムを提供する。 The invention according to the fifth feature provides a system in which the oxidizing agent contains oxygen and / or air in the invention according to the first or second feature.

第5の特徴に係る発明によると、炭化水素系材料の部分酸化を実現できる。この場合、空気酸化と炭化水素部分酸化とを分離できるため、空気で希釈されない高濃度COと、COとHとを回収できる。According to the invention according to the fifth feature, partial oxidation of the hydrocarbon-based material can be realized. In this case, since air oxidation and partial hydrocarbon oxidation can be separated, high-concentration CO that is not diluted with air and CO 2 and H 2 can be recovered.

第6の特徴に係る発明は、第1から第6のいずれかの特徴に係る発明における酸素キャリアが、酸化セリウム(CeO)、クロムドープ酸化セリウム(Cr−CeO)、酸化鉄−ジルコニア系複合酸化物(FeOx−ZrO)、酸化鉄(Fe)、酸化インジウム(In)、イットリウム安定化酸化ジルコニウム(YSZ)、酸化スカンジウムドープ酸化ジルコニウム(ScSZ)、酸化スカンジウム(Sc)、酸化ランタンガリウム(LaGaO)、ランタンストロンチウムマンガナイト(LSM)、ガドリニウムドープ酸化セリウム(Gd−CeO)、酸化モリブデン(MoO)、酸化マンガン(MnO)、ランタンストロンチウムコバルトフェライト(LSCF)、ランタンストロンチウムフェライト(LSF)、四酸化三コバルト(Co)、酸化コバルトII(CoO)、酸化バナジウム(V)、及びセリア・ジルコニア固溶体からなる群から選択される1種以上を含むシステムを提供する。In the invention according to the sixth feature, the oxygen carrier in the invention according to any one of the first to sixth features is cerium oxide (CeO 2 ), chromium-doped cerium oxide (Cr-CeO 2 ), iron oxide-zirconia-based composite. Oxide (FeOx-ZrO 2 ), iron oxide (Fe 2 O 3 ), indium oxide (In 2 O 3 ), yttrium-stabilized zirconium oxide (YSZ), scandium oxide-doped zirconium oxide (ScSZ), scandium oxide (Sc 2) O 3 ), lanthanum gallium oxide (LaGaO 3 ), lanthanum strontium manganite (LSM), gadolinium-doped cerium oxide (Gd-CeO 2 ), molybdenum oxide (MoO 3 ), manganese oxide (MnO 3 ), lanthanum strontium cobalt ferrite (O 3). LSCF), lanthanum strontium ferrite (LSF), tricobalt tetraoxide (Co 3 O 4 ), cobalt oxide II (CoO), vanadium oxide (V 2 O 5 ), and ceria zirconia solid solution selected from the group 1 Provide a system containing more than seeds.

炭化水素材料の改質反応において、低温状態では反応速度が小さいことが知られている。反応速度が小さいと、より大きな反応器が必要になるため、低温状態であっても反応速度をできるだけ大きくすることが好ましい。 In the reforming reaction of hydrocarbon materials, it is known that the reaction rate is low in a low temperature state. If the reaction rate is low, a larger reactor is required, so it is preferable to increase the reaction rate as much as possible even in a low temperature state.

第6の特徴に係る発明によると、酸素キャリアが特定の材料であり、600℃以下の低温領域であっても酸素キャリアの酸素移動、すなわち、第1反応器における酸素キャリアの還元反応と、第2反応器における酸素キャリアの酸化反応とを実現することができる。これにより、第3の特徴に係る発明によると、メタノール合成あるいはアンモニア合成をはじめとした公知の発熱反応によって生成された低温廃熱を炭化水素材料の改質反応に利用でき得るため、省エネルギー及びCO排出量削減に繋がる。According to the invention according to the sixth feature, the oxygen carrier is a specific material, and even in a low temperature region of 600 ° C. or lower, the oxygen transfer of the oxygen carrier, that is, the reduction reaction of the oxygen carrier in the first reactor, and the second. 2 Oxidation reaction of oxygen carriers in the reactor can be realized. As a result, according to the invention according to the third feature, the low-temperature waste heat generated by a known exothermic reaction such as methanol synthesis or ammonia synthesis can be used for the modification reaction of the hydrocarbon material, thereby saving energy and CO. 2 This will lead to a reduction in emissions.

第7の特徴に係る発明は、第1から第6のいずれかの特徴に係る発明において、前記反応器の内部に前記酸素キャリア及び金属助触媒が共存されている、及び/又は前記酸素キャリアに金属助触媒が担持されているシステムを提供する。 The invention according to the seventh feature is the invention according to any one of the first to sixth features, wherein the oxygen carrier and the metal co-catalyst coexist inside the reactor, and / or the oxygen carrier. Provided is a system in which a metal co-catalyst is supported.

第7の特徴に係る発明によると、金属助触媒の作用によって炭化水素系材料の改質反応をより効率的に進めることができる。 According to the invention according to the seventh feature, the reforming reaction of the hydrocarbon-based material can be promoted more efficiently by the action of the metal co-catalyst.

第8の特徴に係る発明は、第1から第7のいずれかの特徴に係る発明における酸素キャリアの平均一次粒子径が1μm以下であるシステムを提供する。 The invention according to the eighth feature provides a system in which the average primary particle size of the oxygen carrier in the invention according to any one of the first to seventh features is 1 μm or less.

第8の特徴に係る発明によれば、第1反応器での反応物質である炭化水素系材料及び第2反応器での反応物質である酸化剤との暴露表面積(接触可能性)が大きくなるため、酸素キャリアの酸素移動の効率が上がり、低温でも炭化水素材料の改質反応を進められるため、結果として、省エネルギー及びCO排出量削減に繋がる。According to the invention according to the eighth feature, the exposed surface area (contact possibility) between the hydrocarbon-based material which is the reactant in the first reactor and the oxidizing agent which is the reactant in the second reactor is increased. Therefore, the efficiency of oxygen transfer of the oxygen carrier is improved, and the reforming reaction of the hydrocarbon material can be promoted even at a low temperature, resulting in energy saving and reduction of CO 2 emissions.

第9の特徴に係る発明は、第1から第8のいずれかの特徴に係る発明における酸素キャリアの形状が最も活性な露出面を有する形状であるシステムを提供する。 The invention according to the ninth feature provides a system in which the shape of the oxygen carrier in the invention according to any one of the first to eighth features has the most active exposed surface.

例えば、CeOの場合、酸素キャリアの形状が略八面体及び/又は略立方体であると、酸素キャリアは、(111)面及び/又は(100)面を主な露出面として有する。酸素キャリアの(100)面は不安定であり、より大きな酸素移動性(酸素貯蔵放出能)を有する。したがって、第9の特徴に係る発明によると、低温でも炭化水素材料から水素への改質反応を進められるため、結果として、省エネルギー及びCO排出量削減に繋がる。For example, in the case of CeO 2 , if the shape of the oxygen carrier is a substantially octahedron and / or a substantially cube, the oxygen carrier has a (111) plane and / or a (100) plane as a main exposed plane. The (100) plane of the oxygen carrier is unstable and has greater oxygen mobility (oxygen storage and release capacity). Therefore, according to the invention according to the ninth feature, the reforming reaction from the hydrocarbon material to hydrogen can proceed even at a low temperature, resulting in energy saving and reduction of CO 2 emissions.

また、例えば、酸素キャリアがFeの場合、最も不安定な、そして最も活性な面は(110)面であり、その面を露出させることで同様の効果が得られる。Further, for example, when the oxygen carrier is Fe 3 O 4 , the most unstable and most active surface is the (110) surface, and the same effect can be obtained by exposing that surface.

第10の特徴に係る発明は、第1の特徴に係る発明とのカテゴリー違いに相当する。また、第11の特徴に係る発明は、第2の特徴に係る発明とのカテゴリー違いに相当する。第10及び第11の特徴に係る発明によると、600℃以下の低温廃熱を利用して、炭化水素材料の改質反応を短時間で大量に処理することが可能である。 The invention according to the tenth feature corresponds to a category difference from the invention according to the first feature. Further, the invention according to the eleventh feature corresponds to a category difference from the invention according to the second feature. According to the inventions according to the tenth and eleventh features, it is possible to process a large amount of the reforming reaction of the hydrocarbon material in a short time by utilizing the low temperature waste heat of 600 ° C. or lower.

本発明によると、600℃以下の低温廃熱を利用して、炭化水素材料の改質を短時間で大量に処理することが可能である。 According to the present invention, it is possible to process a large amount of modification of a hydrocarbon material in a short time by utilizing low temperature waste heat of 600 ° C. or lower.

図1は、本実施形態に係る水素製造システム1の構成例である。FIG. 1 is a configuration example of the hydrogen production system 1 according to the present embodiment. 図2は、クロムドープ酸化セリウム(Cr−CeO)を合成する際に用いた合成装置30の概略模式図である。FIG. 2 is a schematic schematic diagram of a synthesizer 30 used when synthesizing chromium-doped cerium oxide (Cr-CeO 2). 図3は、試験例1における低温域での酸素貯蔵放出能(OSC)の評価の結果を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the results of evaluation of oxygen storage / release capacity (OSC) in a low temperature region in Test Example 1. 図4は、試験例2におけるドープ量と酸素貯蔵放出能(OSC)との関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the doping amount and the oxygen storage / release capacity (OSC) in Test Example 2. 図5は、試験例3におけるセリウム元素の原子カラムと粒子内の酸素空孔形成性との関係を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the atomic column of the cerium element and the oxygen vacancies forming property in the particles in Test Example 3. 図6は、試験例3におけるセリウム元素のTEM像を示す。FIG. 6 shows a TEM image of the cerium element in Test Example 3. 図7は、試験例3におけるセリウム元素の空隙が拡張する割合を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the rate at which the voids of the cerium element in Test Example 3 expand. 図8は、試験例3でのセリウムナノ粒子における格子の拡張が認められる割合と、セリウム原子間に酸素空孔を形成するのに必要なエネルギーとの関係を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the rate at which lattice expansion is observed in the cerium nanoparticles in Test Example 3 and the energy required to form oxygen vacancies between cerium atoms. 図9(A)はケミカルルーピングシステムの模式図であり、図9(B)はサイクリックオペレーションプロセスの模式図である。図9(B)は、試験例4で使用したシステムである。FIG. 9A is a schematic diagram of a chemical looping system, and FIG. 9B is a schematic diagram of a cyclic operation process. FIG. 9B is the system used in Test Example 4. 図10は、試験例4における酸素キャリア(CeOナノキューブ)の反応速度評価の結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the results of reaction rate evaluation of the oxygen carrier (CeO 2 nanocube) in Test Example 4. 図11は、試験例4における酸素キャリア(クロムドープ酸化セリウム(Cr−CeO))の反応速度評価の結果を示す図である。3回繰り返して、再現性及び本酸素キャリアに劣化が生じていないことを示している。FIG. 11 is a diagram showing the results of reaction rate evaluation of the oxygen carrier (chromium-doped cerium oxide (Cr-CeO 2)) in Test Example 4. Repeated 3 times, it is shown that the reproducibility and the oxygen carrier are not deteriorated. 図12は、試験例4における酸素キャリア(クロムドープ酸化セリウム(Cr−CeO))の繰り返し回数と酸素貯蔵放出能(OSC)との関係を示す図である。25回繰り返ししても、その劣化率は10数%程度である。FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the number of repetitions of the oxygen carrier (chromium-doped cerium oxide (Cr-CeO 2 )) and the oxygen storage / release capacity (OSC) in Test Example 4. Even if it is repeated 25 times, the deterioration rate is about 10%. 図13は、試験例4における酸素キャリア(酸化鉄−ジルコニア系複合酸化物(FeOx−ZrO))の反応速度評価の結果を示す図である。20分程度で反応は終了している。FIG. 13 is a diagram showing the results of reaction rate evaluation of an oxygen carrier (iron oxide-zirconia-based composite oxide (FeOx-ZrO 2)) in Test Example 4. The reaction is completed in about 20 minutes. 図14は、試験例4における酸素キャリア(パラジウムを担持したCeOナノキューブ)の反応速度評価の結果を示す図である。量論的比率、H:CO=2:1で生成している。FIG. 14 is a diagram showing the results of reaction rate evaluation of an oxygen carrier (CeO 2 nanocube carrying palladium) in Test Example 4. It is produced at a stoichiometric ratio of H 2 : CO 2 = 2: 1. 図15は、試験例4における酸素キャリア(パラジウムを担持したCeOナノキューブ)のOSCと反応速度との関係を示す図である。FIG. 15 is a diagram showing the relationship between the OSC of the oxygen carrier (CeO 2 nanocube carrying palladium) and the reaction rate in Test Example 4. 図16は、試験例5における金属助触媒との複合化による効果を示す図である。FIG. 16 is a diagram showing the effect of compounding with the metal co-catalyst in Test Example 5. 図17は、試験例6において、二酸化炭素と水素の生成量の経時変化を示す図である。FIG. 17 is a diagram showing changes over time in the amounts of carbon dioxide and hydrogen produced in Test Example 6. 図18は、試験例7において、酸素キャリアがCeOナノキューブであるときのバッチ反応器でのメタン−酸素キャリア反応実験を行ったときの結果を示す図である。18, in Test Example 7, the oxygen carrier methane in a batch reactor at a CeO 2 nano cube - a diagram showing the results when performing an oxygen carrier response experiments. 図19は、試験例7において、酸素キャリアが酸化鉄−ジルコニア系複合酸化物(FeOx−ZrO)であるときのバッチ反応器でのメタン−酸素キャリア反応実験を行ったときの結果を示す図である。FIG. 19 is a diagram showing the results of a methane-oxygen carrier reaction experiment in a batch reactor when the oxygen carrier is iron oxide-zirconia-based composite oxide (FeOx-ZrO 2) in Test Example 7. Is.

以下、本発明の具体的な実施形態について、詳細に説明するが、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。 Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail, but the present invention is not limited to the following embodiments, and the present invention is carried out with appropriate modifications within the scope of the object of the present invention. can do.

<<炭化水素改質システム>>
本実施形態における改質システム(以下、単に「システム」ともいう。)は、第1反応器と、第2反応器とを備える。システムは、酸素キャリアが第1反応器と第2反応器とを循環流動するケミカルループ式のシステムであってもよいし、ガスを交互に切り替えてスイッチングさせるサイクリックオペレーションシステムであってもよい。
<< Hydrocarbon reforming system >>
The reforming system (hereinafter, also simply referred to as “system”) in the present embodiment includes a first reactor and a second reactor. The system may be a chemical loop type system in which the oxygen carrier circulates and flows between the first reactor and the second reactor, or may be a cyclic operation system in which the gas is alternately switched and switched.

システムの形態は特に限定されず、2塔循環型流動層であってもよいし、固定相反応器をスイッチングオペレーションする形態であってもよい。中でも、炭化水素材料から水素への改質をより大量に処理可能であることから、システムの形態は、2塔循環型流動層であることが好ましい。 The form of the system is not particularly limited, and may be a two-column circulating fluidized bed or a form in which a stationary phase reactor is switched and operated. Above all, since it is possible to process a larger amount of modification from the hydrocarbon material to hydrogen, the form of the system is preferably a two-column circulating fluidized bed.

以下、一例として、システムがケミカルループ式の2塔循環型流動層接触反応装置である場合について図面を参照しながら説明するが、これに限るものではない。図1は、システム1が2塔循環型流動層接触反応装置である場合におけるシステム1の構成例を示す。システム1は、第1反応器10と、第2反応器20とを備える。 Hereinafter, as an example, a case where the system is a chemical loop type two-column circulating fluidized bed contact reactor will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to this. FIG. 1 shows a configuration example of the system 1 when the system 1 is a two-tower circulation type fluidized bed contact reactor. The system 1 includes a first reactor 10 and a second reactor 20.

<第1反応器10>
第1反応器10は、第1入口11と第1出口12とを有する。第1入口11からは、炭化水素系材料が供給される。そして、炭化水素系材料が第1入口11から第1出口12に向けて移動するにつれて、炭化水素系材料と、第1反応器10の内部にある酸化された酸素キャリアM(O)とが反応し、還元された酸素キャリアM( )と水素と炭素酸化物とを生成する。そして、水素と炭素酸化物は、第1出口12から排出される。一方、還元された酸素キャリアM( )は、第2反応器20の第2入口21に向けて循環流動する。
<First reactor 10>
The first reactor 10 has a first inlet 11 and a first outlet 12. A hydrocarbon-based material is supplied from the first inlet 11. Then, as the hydrocarbon-based material moves from the first inlet 11 to the first outlet 12, the hydrocarbon-based material reacts with the oxidized oxygen carrier M (O) inside the first reactor 10. Then, the reduced oxygen carrier M (), hydrogen, and carbon oxide are produced. Then, hydrogen and carbon oxide are discharged from the first outlet 12. On the other hand, the reduced oxygen carrier M () circulates and flows toward the second inlet 21 of the second reactor 20.

簡単のため、炭化水素系材料がメタンである場合で説明すると、第1反応器10では、以下の反応が進行する。
mM(O)+CH→mM( )+2H+CO
For the sake of simplicity, the case where the hydrocarbon-based material is methane will be described. In the first reactor 10, the following reaction proceeds.
mM (O) + CH 4 → mM () + 2H 2 + CO 2

上記式において、M(O)は酸化された酸素キャリアを示し、M( )は還元された酸素キャリアを示す。 In the above formula, M (O) represents an oxidized oxygen carrier and M () represents a reduced oxygen carrier.

本実施形態に記載の発明によると、第1反応器10において、炭化水素系材料の酸化反応と、酸素キャリアの還元反応とが起きる。このとき、酸素キャリアの格子酸素が炭化水素系材料の酸化反応に使用され、その酸化反応によって水素と炭素酸化物とが生成される。第1反応器10では、水を原料としていないため、単一の反応器で炭化水素材料と水とを反応させたときに生じ得る全ての物質(C、HO、CO、CO、H)が同一反応場に存在することはない。したがって、同一反応場に全ての物質(C、HO、CO、CO、H)が存在することに起因する反応平衡の制約を回避できる。According to the invention described in this embodiment, an oxidation reaction of a hydrocarbon-based material and a reduction reaction of oxygen carriers occur in the first reactor 10. At this time, the lattice oxygen of the oxygen carrier is used for the oxidation reaction of the hydrocarbon-based material, and hydrogen and carbon oxide are produced by the oxidation reaction. In the first reactor 10, since water is not a raw material, any material that can occur when reacted and water the hydrocarbon material in a single reactor (C n H m, H 2 O, CO, CO 2, H 2) will not be present in the same reaction field. Thus, all materials in the same reaction field constraints (C n H m, H 2 O, CO, CO 2, H 2) caused by the presence reaction equilibrium can be avoided.

〔酸素キャリア〕
本実施形態では、酸素キャリアの酸化還元サイクルを利用する。700℃未満で酸化還元サイクルを実現可能にするため、酸素キャリアは、固体電解質であることが好ましい。
[Oxygen carrier]
In this embodiment, the redox cycle of oxygen carriers is utilized. The oxygen carrier is preferably a solid electrolyte in order to make the redox cycle feasible below 700 ° C.

固体電解質は、ナノ粒子サイズに微細化した材料であることが好ましく、長周期型周期表で第IIIB族のホウ素(B)− 第IVB族のケイ素(Si)−第VB族のヒ素(As)−第VIB族のテルル(Te)の線を境界としてその線上にある元素並びにその境界より、長周期型周期表において左側ないし下側にあるものを例示できる。具体的には、第VIII族の元素ではFe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt等、第IB族の元素ではCu、Ag、Au等、第IIB族の元素ではZn、Cd、Hg等、第IIIB族の元素ではB、Al、Ga、In、Tl等、第IVB族の元素ではSi、Ge、Sn、Pb等、第VB族の元素ではAs、Sb、Bi等、第VIB族の元素ではTe、Po等、そして第IA〜VIIA族の元素等を例示できる。 The solid electrolyte is preferably a material finely divided into nanoparticle size, and in the long periodic table, Group IIIB boron (B) -Group IVB silicon (Si) -Group VB arsenic (As). -The elements on the line of the group Teruru (Te) of the VIB group as a boundary and the elements on the left side or the lower side of the boundary can be exemplified in the long periodic table. Specifically, the elements of Group VIII are Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, etc., the elements of Group IB are Cu, Ag, Au, etc., and the elements of Group IIB are Zn. , Cd, Hg, etc. for Group IIIB elements such as B, Al, Ga, In, Tl, etc., Group IVB elements such as Si, Ge, Sn, Pb, etc., Group VB elements such as As, Sb, Bi, etc. , Elements of Group VIB include Te, Po and the like, and elements of Groups IA to VIIA and the like.

酸素キャリアの具体例として、酸化セリウム(CeO)、クロムドープ酸化セリウム(Cr−CeO)、酸化鉄−ジルコニア系複合酸化物(FeOx−ZrO)、酸化鉄(Fe)、酸化インジウム(In)、イットリウム安定化酸化ジルコニウム(YSZ)、酸化スカンジウムドープ酸化ジルコニウム(ScSZ)、酸化スカンジウム(Sc)、酸化ランタンガリウム(LaGaO)、ランタンストロンチウムマンガナイト(LSM)、ガドリニウムドープ酸化セリウム(Gd−CeO)、酸化モリブデン(MoO)、酸化マンガン(MnO)、ランタンストロンチウムコバルトフェライト(LSCF)、ランタンストロンチウムフェライト(LSF)、四酸化三コバルト(Co)、酸化コバルトII(CoO)、酸化バナジウム(V)、及びセリア・ジルコニア固溶体からなる群から選択される1種以上を含むことが挙げられる。これらの酸素キャリアを使用すると、メタノール合成あるいはアンモニア合成をはじめとした公知の発熱反応によって生成された低温廃熱を外部から第1反応器10への熱供給源として利用でき得るため、省エネルギー及びCO排出量削減に繋がる。Specific examples of oxygen carriers include cerium oxide (CeO 2 ), chromium-doped cerium oxide (Cr-CeO 2 ), iron oxide-zirconia composite oxide (FeOx-ZrO 2 ), iron oxide (Fe 2 O 3 ), and indium oxide. (In 2 O 3 ), Ittium Stabilized Zirconium Oxide (YSZ), Scandium Oxide Doped Zirconium Oxide (ScSZ), Scandium Oxide (Sc 2 O 3 ), Lantern Gallium Oxide (LaGaO 3 ), Lantern Strontium Manganite (LSM), Gadrinium-doped cerium oxide (Gd-CeO 2 ), molybdenum oxide (MoO 3 ), manganese oxide (MnO 3 ), lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF), lanthanum strontium ferrite (LSF), tricobalt tetraoxide (Co 3 O 4 ) , Cobalt oxide II (CoO), vanadium oxide (V 2 O 5 ), and one or more selected from the group consisting of solid solutions of ceria and zirconia. When these oxygen carriers are used, low-temperature waste heat generated by a known exothermic reaction such as methanol synthesis or ammonia synthesis can be used as a heat supply source from the outside to the first reactor 10, thus saving energy and CO. 2 This will lead to a reduction in emissions.

中でも、酸素キャリアは、酸化セリウム(CeO)、クロムドープ酸化セリウム(Cr−CeO)、酸化鉄−ジルコニア系複合酸化物(FeOx−ZrO)、ランタンストロンチウムマンガナイト(LSM)及びランタンストロンチウムコバルトフェライト(LSCF)からなる群から選択される1種以上を含むことが好ましい。Among them, the oxygen carriers are cerium oxide (CeO 2 ), chromium-doped cerium oxide (Cr-CeO 2 ), iron oxide-zirconia composite oxide (FeOx-ZrO 2 ), lanthanum strontium manganite (LSM) and lanthanum strontium cobalt ferrite. It is preferable to include one or more selected from the group consisting of (LSCF).

これらの酸素キャリアは、一種単独であってもよいし、複数種を混合して用いてもよい。 These oxygen carriers may be used alone or in combination of two or more.

ここで、第1反応器10の内部において、酸素キャリア及び金属助触媒が共存されているか、あるいは酸素キャリアに金属助触媒が担持されていることが好ましい。第1反応器10での反応では、炭化水素系材料からの改質反応として、反応生成物であるHの生成のほか、Hがさらに酸化されてHOが生成する反応も生じる。金属助触媒の存在により、Hを金属に逃がすことができ、HからHOへの酸化を抑制させ、H回収量を増大させることができる。Here, it is preferable that the oxygen carrier and the metal co-catalyst coexist inside the first reactor 10, or that the metal co-catalyst is supported on the oxygen carrier. In the reaction in the first reactor 10, as a modification reaction from the hydrocarbon-based material, in addition to the production of H 2 which is a reaction product, a reaction in which H 2 is further oxidized to produce H 2 O also occurs. The presence of the metal co-catalyst allows H 2 to escape to the metal, suppresses the oxidation of H 2 to H 2 O, and increases the amount of H 2 recovered.

金属助触媒の種類は特に限定されず、遷移金属、貴金属及びこれらの合金を例示できる。具体的には、Ni、Co、Rh、Pt、FeCo、FeNi、NiCo等を例示できる。 The type of metal co-catalyst is not particularly limited, and transition metals, precious metals and alloys thereof can be exemplified. Specifically, Ni, Co, Rh, Pt, FeCo, FeNi, NiCo and the like can be exemplified.

[平均一次粒子径]
酸素キャリアの平均一次粒子径の上限は、特に限定されないが、反応物質との暴露表面積(接触可能性)の最大化、また格子歪による酸素空孔易形成性の観点から、1μm以下であることが好ましく、100nm以下であることがより好ましく、50nm以下であることがさらに好ましく、30nm以下であることがよりさらに好ましく、10nm以下であることが特に好ましい。
[Average primary particle size]
The upper limit of the average primary particle size of the oxygen carrier is not particularly limited, but it should be 1 μm or less from the viewpoint of maximizing the exposed surface area (contact possibility) with the reactant and the easiness of forming oxygen vacancies due to lattice strain. It is more preferably 100 nm or less, further preferably 50 nm or less, further preferably 30 nm or less, and particularly preferably 10 nm or less.

酸素キャリアの平均一次粒子径の下限も特に限定されない。一般には、ナノ粒子は、圧粉成型によって二次粒子化され、二次粒子を、サイクリックオペレーション用の充填層リアクターで用いられるか、あるいは循環流動層粒子として用いられる。 The lower limit of the average primary particle size of the oxygen carrier is also not particularly limited. Generally, the nanoparticles are converted into secondary particles by powder molding, and the secondary particles are used in a packed bed reactor for cyclic operation or as circulating fluidized bed particles.

本実施形態において、酸素キャリアの平均一次粒子径は、TEM(透過型電子顕微鏡)により酸素キャリア粒子の画像を撮像し、そのTEM像を画像解析・画像計測ソフトウェアにより解析して求めた値であるものとする。 In the present embodiment, the average primary particle size of the oxygen carrier is a value obtained by imaging an image of oxygen carrier particles with a TEM (transmission electron microscope) and analyzing the TEM image with image analysis / image measurement software. It shall be.

[形状]
酸素キャリアの形状は、低温でのより大きな酸素移動性(OSC)を有することから、最も活性な面を露出させることが必要であり、それによって粒子形状が決まる。最活性面は酸素キャリア材の種類によって異なるが、熱力学的に最も不安定な面であり、その情報は材料データベース等から容易に入手できる。例えばCeOの場合の酸素キャリアの形状は、略立方体であり、(100)面を主な露出面とすることが好ましい。Feの場合、(110)面を主な露出面とするのが好ましい。
[shape]
Since the shape of the oxygen carrier has greater oxygen mobility (OSC) at low temperatures, it is necessary to expose the most active surface, which determines the particle shape. The most active surface differs depending on the type of oxygen carrier material, but it is the most thermodynamically unstable surface, and its information can be easily obtained from a material database or the like. For example, in the case of CeO 2 , the shape of the oxygen carrier is substantially a cube, and it is preferable that the (100) plane is the main exposed plane. In the case of Fe 3 O 4 , it is preferable that the (110) surface is the main exposed surface.

一例として、酸素キャリアがCeOのナノ粒子である場合について説明する。CeOのナノ粒子触媒は、八面体又は立方体の形態をとりうる。また、このとき、CeOのナノ粒子触媒は、(111)面、110面 及び/又は(100)面を主な露出面として有する。As an example, the case where the oxygen carrier is a nanoparticle of CeO 2 will be described. The CeO 2 nanoparticle catalyst can take the form of an octahedron or a cube. Further, at this time, the nanoparticle catalyst of CeO 2 has the (111) plane, the 110 plane and / or the (100) plane as the main exposed planes.

ここで、酸素キャリアとしては、粒子表面の30%以上に活性面が露出している金属酸化物ナノ粒子が好ましい。なお、活性面とは、エネルギー的に最も不安定な面であり、CeOでは(100)面である。それにより、低温での酸素移動が可能となる。Here, as the oxygen carrier, metal oxide nanoparticles having an active surface exposed on 30% or more of the particle surface are preferable. The active surface is the most energetically unstable surface, and is the (100) surface in CeO 2. As a result, oxygen transfer at low temperature becomes possible.

CeOナノ粒子の表面における(100)面が露出している割合は、30%以上が好ましく、50%以上がより好ましく、70%以上がさらに好ましい。なお、CeOナノ粒子の表面における(100)面が露出している割合は、TEMにより測定される。Ratio of the surface of CeO 2 nanoparticles (100) plane is exposed is preferably 30% or more, more preferably 50% or more, further preferably 70% or more. The ratio of the (100) surface exposed on the surface of the CeO 2 nanoparticles is measured by TEM.

活性を高めるため、CeOナノ粒子には、遷移元素がドープされていることが好ましい。CeOナノ粒子にドープされる遷移元素としては、Cr、Gd、Zr等を例示できる。中でも、Cr、Gdが好ましい。In order to increase the activity, it is preferable that the CeO 2 nanoparticles are doped with a transition element. Examples of transition elements doped in CeO 2 nanoparticles include Cr, Gd, and Zr. Of these, Cr and Gd are preferable.

CeOナノ粒子における遷移元素のドープ量は、CeOの総質量に対して、0.1mol%以上が好ましく、4mol%以上がより好ましく、10mol%以上がさらに好ましく、15mol%以上がよりさらに好ましく、20mol%以上がいっそう好ましく、25mol%以上が特に好ましい。遷移元素のドープ量は、多ければ多いほどよいが、ドープであるには50mol%までである。The doping amount of the transition element in the CeO 2 nanoparticles is preferably 0.1 mol% or more, more preferably 4 mol% or more, further preferably 10 mol% or more, still more preferably 15 mol% or more, based on the total mass of CeO 2. , 20 mol% or more is more preferable, and 25 mol% or more is particularly preferable. The larger the doping amount of the transition element, the better, but the doping amount is up to 50 mol%.

CeOのナノ構造について、6つの(100)面が低インデックスの結晶面の中でも最も大きな表面エネルギーを有することが明らかにされている。この高い表面エネルギーは、セリウムイオン間の架橋位置になる頂部層の酸素の不安定性に起因するものである。この酸素の不安定性によって、有機物の高い転化率が達成されると考えられる。立方体CeOの頂部層の酸素が、温度及び圧力に依存して放出される。この酸素種は、反応物に移動し、これを生成物に分解することが可能である。第1反応器10での反応により、4+価状態のCeは3+価状態のCeへと転化され、不安定になる。Ce3+によってセリア酸素の空位が発生することから、後述する第2反応器での反応では、還元されたセリア表面にて形成された空位が水分子との反応を引き起こし、酸素と結合して4+価状態のCeになる。場合によって、この放出された水素分子は、分解化合物へと移送されて、水素化反応を起こす。Regarding the nanostructure of CeO 2 , it has been clarified that the six (100) planes have the largest surface energy among the low index crystal planes. This high surface energy is due to the instability of oxygen in the top layer, which is the cross-linking position between cerium ions. It is believed that this oxygen instability achieves a high conversion rate of organic matter. Oxygen in the top layer of the cube CeO 2 is released depending on temperature and pressure. This oxygen species can move to the reactants and decompose it into products. Due to the reaction in the first reactor 10, the Ce in the 4+ valence state is converted to the Ce in the 3+ valence state and becomes unstable. Since the vacancy of ceria oxygen is generated by Ce3 +, in the reaction in the second reactor described later, the vacancy formed on the surface of the reduced ceria causes a reaction with water molecules, which combines with oxygen to have a 4+ valence. It becomes Ce in the state. In some cases, the released hydrogen molecules are transferred to the degrading compound to cause a hydrogenation reaction.

(酸素キャリアの製造方法)
酸素キャリアの製造方法は、特に限定されるものでないが、酸素キャリアが金属酸化物ナノ粒子である場合、例えば、特許第3047110号(当該特許の発明者の一人は本発明者である)に開示されている方法によって製造することができる。
(Manufacturing method of oxygen carrier)
The method for producing the oxygen carrier is not particularly limited, but when the oxygen carrier is metal oxide nanoparticles, for example, it is disclosed in Japanese Patent No. 3047110 (one of the inventors of the patent is the present inventor). It can be manufactured by the methods used.

当該文献には、金属塩(IB属金属、IIA属金属、IIB属金属、IIIA属金属、IIIB属金属、IVA属金属、IVB属金属、VA属金属、VB属金属、VIB属金属、VIIB属金属、遷移金属等の金属塩)の水溶液を、水の亜臨界乃至超臨界条件である温度200℃以上、圧力160kg/cmの以上の反応帯域としての流通型反応器に連続的に供給するとともに、この金属塩の水溶液に還元性ガス(例えば水素)或いは酸化性ガス(例えば酸素)を導入することによって、金属酸化物微粒子が製造されることが開示されている。The documents include metal salts (IB metal, IIA metal, IIB metal, IIIA metal, IIIB metal, IVA metal, IVB metal, VA metal, VB metal, VIB metal, VIIB metal. An aqueous solution of a metal salt such as a metal or a transition metal) is continuously supplied to a flow reactor as a reaction zone having a temperature of 200 ° C. or higher and a pressure of 160 kg / cm 2 or higher, which are subcritical to supercritical conditions of water. At the same time, it is disclosed that metal oxide fine particles are produced by introducing a reducing gas (for example, hydrogen) or an oxidizing gas (for example, oxygen) into an aqueous solution of this metal salt.

微粒子の製造法の別法の例として、例えば、特許第3663408号(当該特許の発明者の一人は本願の発明者である)に開示されている方法が挙げられる。 As an example of another method for producing fine particles, for example, the method disclosed in Japanese Patent No. 3663408 (one of the inventors of the patent is the inventor of the present application) can be mentioned.

当該文献には、水を加圧手段と加熱手段とを経由させて超臨界状態または亜臨界状態の高温高圧水にし、流体原料を、この高温高圧水と合流させる前に、水の臨界温度よりも低温に冷却し、次いで、高温高圧水と流体原料とを混合部で合流させ混合したのち反応器へ案内する、高温高圧水を用いる微粒子製造方法が開示されている。 In the document, water is made into supercritical or subcritical high-temperature and high-pressure water via a pressurizing means and a heating means, and the fluid raw material is subjected to the critical temperature of water before being merged with the high-temperature and high-pressure water. Also disclosed is a method for producing fine particles using high temperature and high pressure water, which is cooled to a low temperature, and then the high temperature and high pressure water and a fluid raw material are merged and mixed at a mixing portion and then guided to a reactor.

また、金属酸化物ナノ粒子は、例えば、特許第3925936号(当該特許の発明者の一人は本願の発明者である)に開示されている方法によって製造後に回収・収集することができる。 Further, the metal oxide nanoparticles can be collected and collected after production by, for example, the method disclosed in Japanese Patent No. 3925936 (one of the inventors of the patent is the inventor of the present application).

当該文献に記載の方法によれば、
(i)高温高圧水を反応場として、金属化合物を水熱反応に付してCeO等の金属酸化物ナノ粒子を形成し、
(ii)高温高圧水を反応場として、金属酸化物ナノ粒子表面と有機修飾剤とを反応せしめ、置換されていてもよいし非置換のものであってよい炭化水素基を共有結合、あるいはエーテル結合、エステル結合、N原子を介した結合、S原子を介した結合、金属−C−の結合、金属−C=の結合及び金属−(C=O)−の結合からなる群から選ばれたものを介してナノ粒子の表面に結合せしめてナノ粒子の表面を有機修飾し、
(iii)(1)水溶液に分散させた金属酸化物ナノ粒子を沈殿させて回収すること、(2)水溶液に分散させた金属酸化物ナノ粒子を有機溶媒中へ移行せしめて回収すること、又は(3)有機溶媒相−水相界面に金属酸化物ナノ粒子を集めることによって、金属酸化物ナノ粒子が得られる。
According to the method described in the document.
(I) Using high-temperature and high-pressure water as a reaction field, a metal compound is subjected to a hydrothermal reaction to form metal oxide nanoparticles such as CeO 2.
(Ii) Using high-temperature and high-pressure water as a reaction field, the surface of metal oxide nanoparticles is reacted with an organic modifier, and a hydrocarbon group which may be substituted or unsubstituted is covalently bonded or ether. Selected from the group consisting of bonds, ester bonds, N-atom-mediated bonds, S-atom-mediated bonds, metal-C- bonds, metal-C = bonds and metal- (C = O) -bonds. The surface of the nanoparticles is organically modified by binding to the surface of the nanoparticles through an object.
(Iii) (1) Precipitating and recovering metal oxide nanoparticles dispersed in an aqueous solution, (2) Transferring metal oxide nanoparticles dispersed in an aqueous solution into an organic solvent and recovering, or (3) Metal oxide nanoparticles are obtained by collecting metal oxide nanoparticles at the organic solvent phase-aqueous phase interface.

以下、代表的な酸素キャリアであるCeOのナノ粒子の合成について、説明する。Hereinafter, the synthesis of nanoparticles of CeO 2 , which is a typical oxygen carrier, will be described.

八面体CeOのナノ粒子は、公知の方法で合成されうる。Octahedral CeO 2 nanoparticles can be synthesized by known methods.

立方体CeOのナノ粒子は、(1)トルエン中にて原料溶液を調製すること、(2)有機改質剤を使用し、超臨界水条件下で立方体CeOナノ粒子を合成すること、及び(3)立方体CeO2の形態を変化させずに有機改質剤を除去することを含む方法によって合成される。For cubic CeO 2 nanoparticles, (1) prepare a raw material solution in toluene, (2) use an organic modifier to synthesize cubic CeO 2 nanoparticles under supercritical water conditions, and (3) It is synthesized by a method including removing the organic modifier without changing the morphology of the cube CeO2.

具体的には、立方体CeOのナノ粒子の調製は、以下のように行うことができる。これは非限定的な例である。Specifically, the nanoparticles of cube CeO 2 can be prepared as follows. This is a non-limiting example.

トルエン中に、有機改質剤としてヘキサン酸及びCe(OH)を溶解させることにより、立方体酸化セリウムのナノ粒子前駆体溶液を調製する。その後、前駆体溶液を、清澄な溶液を得るために連続的に攪拌しつつ混合する。前駆体溶液を、脱イオン水と混合し、炉の使用により600〜700Kに急速に加熱する。次いで、その混合物を冷却する。立方体酸化セリウムのナノ粒子が、水、トルエンおよび未反応の原料の混合物中の分散物として得られる。トルエン相中のナノ粒子に、エタノールを加え、遠心分離と傾瀉により精製し、それによって未反応の有機分子を除去する。この粒子をシクロヘキサンの中で分散させた後、真空下で冷凍乾燥する。粒子の表面からいかなる有機配位子も取り除くために、収集したナノ粒子を、空気中で数時間にわたり、300℃程度の高温でか焼する。か焼されたナノ粒子を、遠心分離と傾瀉によって清浄化し、次いで減圧乾燥し、それによって立方体CeOのナノ粒子を得ることができる。A nanoparticle precursor solution of cubic cerium oxide is prepared by dissolving hexanoic acid and Ce (OH) 4 as organic modifiers in toluene. The precursor solution is then mixed with continuous stirring to obtain a clear solution. The precursor solution is mixed with deionized water and rapidly heated to 600-700 K using a furnace. The mixture is then cooled. Nanoparticles of cubic cerium oxide are obtained as a dispersion in a mixture of water, toluene and unreacted raw materials. Ethanol is added to the nanoparticles in the toluene phase and purified by centrifugation and tilting, thereby removing unreacted organic molecules. The particles are dispersed in cyclohexane and then lyophilized under vacuum. In order to remove any organic ligand from the surface of the particles, the collected nanoparticles are calcined in air for several hours at a high temperature of about 300 ° C. The calcined nanoparticles are cleaned by centrifugation and tilting and then dried under reduced pressure, whereby the nanoparticles of cubic CeO 2 can be obtained.

[炭化水素系材料]
炭化水素系材料とは、分子中に炭素と水素とを含む化合物若しくはそれらの混合物をいい、分子中に酸素等、他の元素を含んでいてもよい。炭化水素系材料の例として、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料等が挙げられる。
[Hydrocarbon materials]
The hydrocarbon-based material refers to a compound containing carbon and hydrogen in the molecule or a mixture thereof, and may contain other elements such as oxygen in the molecule. Examples of hydrocarbon-based materials include hydrocarbons, alcohols, ethers, biofuels and the like.

炭化水素類は、脂環式炭化水素、環式、非環式の脂肪族炭化水素を単一成分又は混合成分として含む材料である。脂環式炭化水素には、例えば、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサン、1,3,5−トリメチルシクロヘキサン等の単環性脂環式化合物、デカリン、メチルデカリン、テトラリン(テトラヒドロナフタレン)、メチルテトラリン等の二環性脂環式化合物、テトラデカヒドロアントラセン等の三環性脂環式化合物、等が含まれる。非環式脂肪族炭化水素には、CHからなるアルカン類(メタン、エタン、プロパン、ブタン等)が含まれる。また、炭化水素類として、天然ガス、LPG(液化石油ガス)、都市ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油等も挙げられる。 Hydrocarbons are materials containing alicyclic hydrocarbons, cyclic or acyclic aliphatic hydrocarbons as a single component or a mixed component. Examples of the alicyclic hydrocarbon include monocyclic alicyclic compounds such as cyclohexane, methylcyclohexane, dimethylcyclohexane, 1,3,5-trimethylcyclohexane, decalin, methyldecalin, tetralin (tetrahydronaphthalene), methyltetraline and the like. The bicyclic alicyclic compound of the above, a tricyclic alicyclic compound such as tetradecahydroanthracene, and the like are included. Acyclic aliphatic hydrocarbons include alkanes composed of CH (methane, ethane, propane, butane, etc.). Examples of hydrocarbons include natural gas, LPG (liquefied petroleum gas), city gas, gasoline, naphtha, kerosene, and light oil.

アルコール類として、メタノール、エタノール、2−プロパノ−ル等が挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテル等が挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェット等が挙げられる。 Examples of alcohols include methanol, ethanol, 2-propanol and the like. Examples of ethers include dimethyl ether and the like. Examples of biofuel include biogas, bioethanol, biodiesel, biojet and the like.

[第1反応器10での反応温度]
反応温度の上限は、特に限定されないが、低温廃熱を利用するため、上限は、600℃以下であることが好ましく、550℃以下であることがより好ましく、500℃以下であることがさらに好ましく、450℃以下であることがよりさらに好ましく、400℃以下であることが特に好ましい。
[Reaction temperature in the first reactor 10]
The upper limit of the reaction temperature is not particularly limited, but since low temperature waste heat is used, the upper limit is preferably 600 ° C. or lower, more preferably 550 ° C. or lower, and further preferably 500 ° C. or lower. , 450 ° C. or lower is even more preferable, and 400 ° C. or lower is particularly preferable.

反応温度の下限は、酸素キャリアが十分な酸素移動性(酸素貯蔵放出能)を有していればよく、低温廃熱を有効に活用する観点からすると、反応温度は、低ければ低いほど好ましい。反応温度の下限の一例として、室温以上、100℃以上、150℃以上、200℃以上、250℃以上等が挙げられる。 The lower limit of the reaction temperature may be such that the oxygen carrier has sufficient oxygen mobility (oxygen storage / release capacity), and from the viewpoint of effectively utilizing low-temperature waste heat, the lower the reaction temperature, the more preferable. Examples of the lower limit of the reaction temperature include room temperature or higher, 100 ° C. or higher, 150 ° C. or higher, 200 ° C. or higher, 250 ° C. or higher, and the like.

[第1反応器10での反応時間]
反応時間の上限は、特に限定されないが、よりいっそうの短縮化を実現するため、反応時間は、50分以下であることが好ましく、33分以下であることがより好ましく、25分以下であることがさらに好ましく、20分以下であることがよりさらに好ましく、10分以下であることが特に好ましい。
[Reaction time in the first reactor 10]
The upper limit of the reaction time is not particularly limited, but in order to realize further shortening, the reaction time is preferably 50 minutes or less, more preferably 33 minutes or less, and more preferably 25 minutes or less. Is even more preferable, 20 minutes or less is even more preferable, and 10 minutes or less is particularly preferable.

反応時間の下限は、特に限定されないが、第1反応器10での反応を確実に進めるため、反応時間は、4分以上であることが好ましく、5分以上であることがより好ましい。 The lower limit of the reaction time is not particularly limited, but the reaction time is preferably 4 minutes or more, and more preferably 5 minutes or more, in order to surely proceed with the reaction in the first reactor 10.

[第1反応器10の材質]
第1反応器10の材質は、特に限定されるものでなく、クロム−モリブデン鋼、ステンレス鋼のような温度耐性の高い材料に限らず、普通鋼であってもよい。
[Material of the first reactor 10]
The material of the first reactor 10 is not particularly limited, and is not limited to a material having high temperature resistance such as chromium-molybdenum steel and stainless steel, and may be ordinary steel.

従来、炭化水素材料から水素への反応は、700℃以上の高温状態であることを要し、反応器の材質も、クロム−モリブデン鋼、ステンレス鋼のような温度耐性の高い材料であることを要する。しかしながら、本実施形態に記載の発明では、低温廃熱を利用可能であり、比較的温度耐性の小さな普通鋼も利用可能である。 Conventionally, the reaction from a hydrocarbon material to hydrogen requires a high temperature state of 700 ° C. or higher, and the material of the reactor is also a material having high temperature resistance such as chromium-molybdenum steel and stainless steel. It takes. However, in the invention described in this embodiment, low temperature waste heat can be used, and ordinary steel having a relatively small temperature resistance can also be used.

一般に、温度耐性の高い材料は、材料を製造する際に環境に与える負荷が大きい。例えば、クロムモリブデン鋼及びステンレス鋼の製造のライフサイクル(LC−GHG)における温室効果ガス排出量は、それぞれ、2.42及び4.35kg−CO当量/kg−鋼である(非特許文献2参照)。それに対し、普通鋼の製造のライフサイクル(LC−GHG)における温室効果ガス排出量は、2.11kg−CO当量/kg−鋼にとどまる(非特許文献2参照)。
〔非特許文献2〕Inventory Database for Environmental Analysis (IDEA), TCO2 Co. Ltd., 2017. http://idea-lca.com/?lang=en (accessed 26 December 2018)
In general, a material having high temperature resistance has a large load on the environment when the material is manufactured. For example, the greenhouse gas emissions in the life cycle (LC-GHG) of manufacturing chrome molybdenum steel and stainless steel are 2.42 and 4.35 kg-CO 2 equivalent / kg-steel, respectively (Non-Patent Document 2). reference). On the other hand, greenhouse gas emissions in the life cycle (LC-GHG) of ordinary steel production are limited to 2.11 kg-CO 2 equivalents / kg-steel (see Non-Patent Document 2).
[Non-Patent Document 2] Inventory Database for Environmental Analysis (IDEA), TCO2 Co. Ltd., 2017. http://idea-lca.com/?lang=en (accessed 26 December 2018)

第1反応の低温化を実現することで、低温廃熱の利用に加え、第1反応器10の材質見直しによる環境負荷低減も実現でき得る。 By realizing the low temperature of the first reaction, in addition to utilizing the low temperature waste heat, it is possible to realize the reduction of the environmental load by reviewing the material of the first reactor 10.

〔第2反応器20〕
第2反応器20は、第2入口21と第2出口22とを有する。第2入口21からは酸化剤が供給される。そして、酸化剤が第2入口21から第2出口22に向けて移動するにつれて、酸化剤と、第2反応器20の内部にある還元された酸素キャリアM( )とが反応し、酸化された酸素キャリアM(O)と酸化剤の還元生成物とを生成する。そして、酸化剤の還元生成物は、第2出口22から排出される。一方、酸化された酸素キャリアM(O)は、第1反応器10の第1入口11に向けて循環流動する。
[Second reactor 20]
The second reactor 20 has a second inlet 21 and a second outlet 22. An oxidizing agent is supplied from the second inlet 21. Then, as the oxidant moves from the second inlet 21 to the second outlet 22, the oxidant reacts with the reduced oxygen carrier M () inside the second reactor 20 to be oxidized. It produces an oxygen carrier M (O) and a reduction product of the oxidant. Then, the reduction product of the oxidizing agent is discharged from the second outlet 22. On the other hand, the oxidized oxygen carrier M (O) circulates and flows toward the first inlet 11 of the first reactor 10.

[酸化剤]
酸化剤は、還元された酸素キャリアM( )を酸化可能な材料であれば、特に限定されない。酸化剤の例として、水、二酸化炭素、酸素及び/又は空気等が挙げられる。
[Oxidant]
The oxidizing agent is not particularly limited as long as it is a material capable of oxidizing the reduced oxygen carrier M (). Examples of oxidants include water, carbon dioxide, oxygen and / or air.

(水)
酸化剤が水である場合、第2反応器20において炭化水素系材料の水蒸気改質を実現できる。
(water)
When the oxidant is water, steam reforming of the hydrocarbon-based material can be realized in the second reactor 20.

簡単のため、炭化水素系材料がメタンである場合で説明すると、第2反応器20では、以下の反応が進行する。
M( )+HO→M(O)+H
For the sake of simplicity, the case where the hydrocarbon-based material is methane will be described. In the second reactor 20, the following reaction proceeds.
M () + H 2 O → M (O) + H 2

上記式において、M( )は還元された酸素キャリアを示し、M(O)は酸化された酸素キャリアを示す。第2反応器20では、還元された酸素キャリアにて形成された空位が水分子との反応を引き起こし、酸素と結合して酸化状態の酸素キャリアになる。そして、放出された水素分子は、分解化合物へと移送されて、水素化反応を起こす。 In the above formula, M () represents a reduced oxygen carrier and M (O) represents an oxidized oxygen carrier. In the second reactor 20, the vacant position formed by the reduced oxygen carrier causes a reaction with water molecules and combines with oxygen to become an oxidized oxygen carrier. Then, the released hydrogen molecules are transferred to the decomposing compound and cause a hydrogenation reaction.

したがって、第2反応器20の出口から水素が排出されるため、システム全体として、高純度の水素と、CO(CO)及びHの混合ガスとを回収できる。Therefore, since hydrogen is discharged from the outlet of the second reactor 20, high-purity hydrogen and a mixed gas of CO (CO 2 ) and H 2 can be recovered as a whole system.

なお、第2反応器20の内部においてもまた、酸素キャリア及び金属助触媒が共存されているか、あるいは酸素キャリアに金属助触媒が担持されていることが好ましい。金属助触媒の存在により、Hを金属に逃がすことができ、HからHOへの酸化を抑制させ、H回収量を増大させることができる。It is also preferable that the oxygen carrier and the metal co-catalyst coexist inside the second reactor 20 or that the metal co-catalyst is supported on the oxygen carrier. The presence of the metal co-catalyst allows H 2 to escape to the metal, suppresses the oxidation of H 2 to H 2 O, and increases the amount of H 2 recovered.

(二酸化炭素)
酸化剤が二酸化炭素である場合、第2反応器20において炭化水素系材料のCOドライリフォーミングを実現できる。
(carbon dioxide)
When the oxidant is carbon dioxide, CO 2 dry reforming of the hydrocarbon-based material can be realized in the second reactor 20.

したがって、第2反応器20の出口から一酸化炭素が排出されるため、システム全体として、高純度のCOと、CO(CO)及びHの混合ガスとを回収できる。Therefore, since carbon monoxide is discharged from the outlet of the second reactor 20, high-purity CO and a mixed gas of CO (CO 2 ) and H 2 can be recovered as a whole system.

なお、この場合もまた、酸素キャリア及び金属助触媒が共存されているか、あるいは酸素キャリアに金属助触媒が担持されていることが好ましい。金属助触媒の存在により、COを金属に逃がすことができ、COからCOへの酸化を抑制させ、CO回収量を増大させることができる。Also in this case, it is preferable that the oxygen carrier and the metal co-catalyst coexist, or that the metal co-catalyst is supported on the oxygen carrier. The presence of the metal co-catalyst allows CO to escape to the metal, suppresses the oxidation of CO to CO 2 , and increases the amount of CO recovered.

(酸素及び/又は空気)
酸化剤が酸素及び/又は空気である場合、第2反応器20において炭化水素系材料の部分酸化を実現できる。
(Oxygen and / or air)
When the oxidizing agent is oxygen and / or air, partial oxidation of the hydrocarbon-based material can be realized in the second reactor 20.

したがって、システム全体として、空気酸化と炭化水素部分酸化とを分離できるため、空気で希釈されない高濃度COと、COとHとを回収できる。Therefore, since air oxidation and partial hydrocarbon oxidation can be separated as a whole system, high-concentration CO that is not diluted with air, and CO 2 and H 2 can be recovered.

なお、この場合もまた、酸素キャリア及び金属助触媒が共存されているか、あるいは酸素キャリアに金属助触媒が担持されていることが好ましい。金属助触媒の存在により、COを金属に逃がすことができ、COからCOへの酸化を抑制させ、CO回収量を増大させることができる。Also in this case, it is preferable that the oxygen carrier and the metal co-catalyst coexist, or that the metal co-catalyst is supported on the oxygen carrier. The presence of the metal co-catalyst allows CO to escape to the metal, suppresses the oxidation of CO to CO 2 , and increases the amount of CO recovered.

[第2反応器20での反応温度]
第2反応器20では、酸化剤に含まれる酸素成分が酸素キャリアを酸化し、それによって酸化剤の還元生成物が生成する。第2反応器20での反応は発熱反応であり、低温でも好適に反応が進行する。したがって、第2反応器20において、反応温度は特に限定されない。
[Reaction temperature in the second reactor 20]
In the second reactor 20, the oxygen component contained in the oxidant oxidizes the oxygen carrier, thereby producing a reduction product of the oxidant. The reaction in the second reactor 20 is an exothermic reaction, and the reaction proceeds suitably even at a low temperature. Therefore, in the second reactor 20, the reaction temperature is not particularly limited.

ところで、第2反応器20での反応は発熱反応であり、第2反応器20での反応生成物の1つである酸化された酸素キャリアM(O)は、発熱反応によって生じた廃熱を回収可能である。そして、酸素キャリアM(O)が第2反応器20から第1反応器10に向けて循環流動し、第1反応器10にて廃熱を吸収した酸素キャリアM(O)と炭化水素系材料とを接触させることで、炭化水素系材料の吸熱反応に必要な熱が供給される。すなわち、本実施形態に記載のシステム1は、酸素キャリアを酸素の輸送源として機能させるだけでなく、熱の輸送源として機能させることも可能であり、これにより、外部から第1反応器10に供給する熱量を抑えることが可能である。 By the way, the reaction in the second reactor 20 is an exothermic reaction, and the oxidized oxygen carrier M (O), which is one of the reaction products in the second reactor 20, dissipates the waste heat generated by the exothermic reaction. It can be recovered. Then, the oxygen carrier M (O) circulates and flows from the second reactor 20 to the first reactor 10, and the oxygen carrier M (O) and the hydrocarbon-based material absorb the waste heat in the first reactor 10. The heat required for the endothermic reaction of the hydrocarbon-based material is supplied by contacting with. That is, the system 1 described in the present embodiment can not only function the oxygen carrier as a transport source of oxygen, but also function as a transport source of heat, thereby causing the first reactor 10 to function from the outside. It is possible to reduce the amount of heat supplied.

以下、本実施形態での試験例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるもので
はない。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to the test examples in the present embodiment, but the present invention is not limited thereto.

<試験例1> 低温域での酸素貯蔵放出能の評価
〔実施例1−1〕 市販の酸化セリウムナノ粒子
酸素キャリアとして、酸化セリウムナノ粒子(一次粒子径:<25nm,製品番号:544841−25G,CAS番号:1306−38−3,アルドリッチ社)を使用した。
<Test Example 1> Evaluation of oxygen storage and release ability in a low temperature range [Example 1-1] Commercially available cerium oxide nanoparticles As an oxygen carrier, cerium oxide nanoparticles (primary particle size: <25 nm, product number: 544841-25G, CAS) Number: 1306-38-3, Aldrich) was used.

そして、CeOナノキューブについて、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃及び500℃のそれぞれについて、酸素貯蔵放出能(OSC)を測定した。結果を図3に示す。なお、OSCとは、単位質量の酸素キャリアに含まれるの酸素のモル数をいう。Then, the oxygen storage and release capacity (OSC) of the CeO 2 nanocubes was measured at 200 ° C., 250 ° C., 300 ° C., 350 ° C., 400 ° C., 450 ° C. and 500 ° C., respectively. The results are shown in FIG. The OSC refers to the number of moles of oxygen contained in a unit mass of oxygen carriers.

ここで、酸素キャリアのOSCは、以下の方法にて測定するものとする。 Here, the OSC of the oxygen carrier shall be measured by the following method.

(1)500℃にて測定系内にHeガスを流す。
(2)500℃にて測定系内にOガスを流し、試料に十分量吸着させる。
(3)500℃にて測定系内にHeガスを流す。
(4)500℃にて測定系内にHガスを流し、試料を還元し吸着Oを取り除く。
(5)500℃にて測定系内にHeガスを流す。
(6)反応温度すなわち検出温度(200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃及び500℃)にて測定系内にHeガスを流す(ここまでが前処理である。)
(7)上記検出温度にて、Heガスをキャリアガスとして、Oガスをパルスで測定系内に流す。
(8)流したパルスのOガスが検出器によって検出されなくなるまで、Oガスをパルスで測定系内に流す。
(9)Oガスの全流出量から全検出量を引いた値が、Oガスの全吸着量(cm)として見積もられる。
(10)上記(9)で求めたOガスの全吸着量(cm)と試料の仕込み量(g)からOガスの単位吸着量(cm/g)を算出し、試料1gあたりの酸素モル数を求めてOSCとする。
(1) He gas is flowed into the measurement system at 500 ° C.
(2) O 2 gas is flowed through the measurement system at 500 ° C., and a sufficient amount is adsorbed on the sample.
(3) He gas is flowed into the measurement system at 500 ° C.
(4) H 2 gas is passed through the measurement system at 500 ° C. to reduce the sample and remove the adsorbed O 2.
(5) He gas is flowed into the measurement system at 500 ° C.
(6) He gas is flowed into the measurement system at the reaction temperature, that is, the detection temperature (200 ° C., 250 ° C., 300 ° C., 350 ° C., 400 ° C., 450 ° C. and 500 ° C.) (up to this point is the pretreatment).
(7) At the above-mentioned detection temperature, He gas is used as a carrier gas, and O 2 gas is pulsed into the measurement system.
(8) to the O 2 gas flow pulse is no longer detected by the detector, flow O 2 gas in the measuring system with a pulse.
(9) O 2 minus the total detected amount from the total outflow of gas is estimated as the total amount of adsorption of O 2 gas (cm 3).
(10) The unit adsorption amount (cm 3 / g) of O 2 gas is calculated from the total adsorption amount (cm 3 ) of O 2 gas and the charge amount (g) of the sample obtained in (9) above, and per 1 g of sample. The number of moles of oxygen is calculated and used as OSC.

〔実施例1−2〕 (100)面が露出したCeOナノキューブ
酸素キャリアとして、超臨界法により合成されたヘキサン酸修飾CeOナノキューブ(株式会社アイテック製,CASNo.1306−38−3,平均一次粒子径:10nm±3nm)を使用した。このナノキューブは、酸素移動性(酸素貯蔵放出能)を高めるため、有機修飾剤(本実施例ではヘキサン酸)を用いて(100)面が主な露出面になるように制御されている。そこで、ナノキューブを300℃で2時間燃焼し、ナノキューブから有機修飾剤を除去した。以下では、有機修飾剤除去後の(100)面が露出したCeOをCeOナノキューブという。
[Example 1-2] (100) CeO 2 nanocube with exposed surface A caproic acid-modified CeO 2 nanocube synthesized by a supercritical method as an oxygen carrier (manufactured by Aitec Co., Ltd., CASNo. 1306-38-3, Average primary particle size: 10 nm ± 3 nm) was used. In order to enhance oxygen mobility (oxygen storage and release ability), the nanocube is controlled by using an organic modifier (caproic acid in this example) so that the (100) surface becomes the main exposed surface. Therefore, the nanocubes were burned at 300 ° C. for 2 hours to remove the organic modifier from the nanocubes. Hereinafter, the CeO 2 which (100) face after organic modifier removed is exposed as CeO 2 nano cube.

そして、酸素キャリアが当該CeOナノキューブであること以外は、実施例1−1と同じ手法にて酸素キャリアのOSCを測定した。結果を図3に示す。Then, the OSC of the oxygen carrier was measured by the same method as in Example 1-1 except that the oxygen carrier was the CeO 2 nanocube. The results are shown in FIG.

〔実施例1−3〕 クロムドープ酸化セリウム(Cr−CeO
[Cr−CeOの合成]
クロムドープ酸化セリウム(Cr−CeO)は、報告されている流通式超臨界水熱合成法により合成した。Cr−CeOの合成にあたっては、図2に示す装置30を用いた。
[Example 1-3] Chromium-doped cerium oxide (Cr-CeO 2 )
[Synthesis of Cr-CeO 2]
Chromium-doped cerium oxide (Cr-CeO 2 ) was synthesized by the reported supercritical hydrothermal synthesis method. In synthesizing Cr-CeO 2, the apparatus 30 shown in FIG. 2 was used.

装置30は、原料供給部31と、超臨界水供給部32と、原料及び超臨界水を混合する混合部33と、原料及び超臨界水の混合液を冷却し、容器に収容する冷却部34とを備える。 The device 30 cools the raw material supply unit 31, the supercritical water supply unit 32, the mixing unit 33 that mixes the raw material and supercritical water, and the cooling unit 34 that cools the mixed liquid of the raw material and supercritical water and stores them in a container. And.

原料供給部31は、原料が収容される原料収容容器31Aと、原料収容容器31Aに収容された原料を混合部33に向かって汲み上げるポンプ31Bとを有する。原料収容容器31Aとポンプ31Bとの間、ポンプ31Bと混合部33との間は、それぞれ配管で接続されている。 The raw material supply unit 31 has a raw material storage container 31A in which the raw material is stored, and a pump 31B for pumping the raw material stored in the raw material storage container 31A toward the mixing unit 33. The raw material storage container 31A and the pump 31B are connected by piping, and the pump 31B and the mixing portion 33 are connected by piping.

原料収容容器31Aには、0.010mol/lのCe(OH)/Cr(OH)(Ce:Cr=9:1(モル比))を含有する水溶液が収容されている。また、ナノ粒子の表面を修飾し、それらの異方性成長を誘導するため、原料収容容器31Aには、0.13gのデカン酸も収容されている。The raw material container 31A contains an aqueous solution containing 0.010 mol / l Ce (OH) 4 / Cr (OH) 3 (Ce: Cr = 9: 1 (molar ratio)). Further, in order to modify the surface of the nanoparticles and induce their anisotropic growth, 0.13 g of decanoic acid is also contained in the raw material container 31A.

超臨界水供給部32は、水が収容される水収容容器32Aと、水収容容器32Aに収容された水を混合部33に向かって汲み上げるポンプ32Bと、ポンプ32Bと混合部33との間に設けられ、水を超臨界状態にする加熱部32Cとを有する。水収容容器32Aとポンプ32Bとの間、ポンプ32Bと加熱部32Cとの間、加熱部32Cと混合部33との間は、それぞれ配管で接続されている。 The supercritical water supply unit 32 is located between the water storage container 32A in which water is stored, the pump 32B that pumps the water contained in the water storage container 32A toward the mixing unit 33, and the pump 32B and the mixing unit 33. It is provided and has a heating unit 32C that puts water in a supercritical state. The water storage container 32A and the pump 32B, the pump 32B and the heating unit 32C, and the heating unit 32C and the mixing unit 33 are connected by pipes, respectively.

本実施例では、水を超臨界状態にし、その後、超臨界水を混合部33に供給するため、原料と水との混合物を徐々に加熱して最終的に超臨界状態にするのではなく、原料に超臨界水を直接接触させることで、極めて短時間、混合の速度で原料を超臨界状態にまで昇温させることで、昇温中の粒子生成、成長を抑制し、超臨界場での高い過飽和度でナノ粒子を合成することができる。 In this embodiment, since water is brought into a supercritical state and then supercritical water is supplied to the mixing unit 33, the mixture of the raw material and water is not gradually heated to finally reach the supercritical state. By bringing supercritical water into direct contact with the raw material, the temperature of the raw material is raised to the supercritical state at a mixing rate for an extremely short time, thereby suppressing the formation and growth of particles during the temperature rise and in the supercritical field. Nanoparticles can be synthesized with a high degree of supersaturation.

混合部33では、温度及び圧力を制御可能である。 In the mixing unit 33, the temperature and pressure can be controlled.

本実施例では、超臨界水供給部32にて予め加熱した超臨界水を、原料収容容器31Aに設けられた配管とは別の別配管から混合部33に供給し、原料と超臨界水とを急速混合させることで、原料を超臨界状態にまで昇温した。原料には有機分子であるデカン酸が含まれているにも関わらず、超臨界状態では有機分子も無機水溶液も均一相を形成し、そこで粒子合成が生じる。混合部33における反応管出口では、冷却部34に設けられた外部水冷装置34Aにより急速冷却し、圧力はその後背圧弁(図示せず)により制御した。混合部33での反応温度は400℃、反応圧力は30MPa、反応時間は2秒以下であった。水熱反応後、反応後液が収容された容器34Bを水浴中室温で冷却した。5mlのヘキサンを用い、デカン酸変性生成物からナノ粒子(ヘキサン相)を抽出した。そして、ヘキサン相に、貧溶媒試薬として10mlのエタノールを添加し、ヘキサン相から沈殿物を沈殿させた。そして、遠心分離を行い、立方晶CrドープCeOナノ粒子を得た。In this embodiment, the supercritical water preheated by the supercritical water supply unit 32 is supplied to the mixing unit 33 from a pipe different from the pipe provided in the raw material storage container 31A, and the raw material and the supercritical water are combined. Was rapidly mixed to raise the temperature of the raw material to a supercritical state. Despite the fact that the raw material contains decanoic acid, which is an organic molecule, both the organic molecule and the inorganic aqueous solution form a uniform phase in the supercritical state, and particle synthesis occurs there. At the outlet of the reaction tube in the mixing section 33, the reaction tube was rapidly cooled by an external water cooling device 34A provided in the cooling section 34, and the pressure was subsequently controlled by a back pressure valve (not shown). The reaction temperature in the mixing unit 33 was 400 ° C., the reaction pressure was 30 MPa, and the reaction time was 2 seconds or less. After the hydrothermal reaction, the container 34B containing the post-reaction liquid was cooled in a water bath at room temperature. Nanoparticles (hexane phase) were extracted from the decanoic acid denaturing product using 5 ml of hexane. Then, 10 ml of ethanol was added to the hexane phase as a poor solvent reagent to precipitate a precipitate from the hexane phase. Then, centrifugation was performed to obtain cubic Cr-doped CeO 2 nanoparticles.

この非平衡系の合成法により、通常の低速昇温でのオートクレーブによる平衡系合成では数mol%しかドープできないCrを、数10mol%まで増大させることができた。 By this non-equilibrium system synthesis method, Cr, which can be doped only by a few mol% in the equilibrium system synthesis by an autoclave at a normal low-speed temperature rise, can be increased to several tens of mol%.

[OSCの測定]
酸素キャリアが上記の立方晶CrドープCeOナノ粒子であること以外は、実施例1−1と同じ手法にて酸素キャリアのOSCを測定した。結果を図3に示す。
[Measurement of OSC]
The OSC of the oxygen carrier was measured by the same method as in Example 1-1 except that the oxygen carrier was the above-mentioned cubic Cr-doped CeO 2 nanoparticles. The results are shown in FIG.

〔実施例1−4〕 酸化鉄−ジルコニア系複合酸化物(FeOx−ZrO
[FeOx−ZrOの合成]
酸素キャリアが酸化鉄−ジルコニア系複合酸化物(FeOx−ZrO)である場合についても、図2と同様の流通系のシステムで合成した。FeSO・7HO(0.45M)及びZrO(NO・2HO(0.18M)を含有する水溶液を室温で供給し、もう一方の流路から超臨界水を供給し、急速昇温反応させた。反応温度は400℃、反応圧力は30MPa、反応時間は2秒以下であった。
[Example 1-4] Iron oxide-zirconia-based composite oxide (FeOx-ZrO 2 )
[Synthesis of FeOx-ZrO 2 ]
The case where the oxygen carrier was an iron oxide-zirconia-based composite oxide (FeOx-ZrO 2 ) was also synthesized by the same distribution system as in FIG. FeSO 4 · 7H 2 O (0.45M ) and ZrO (NO 3) an aqueous solution containing 2 · 2H 2 O (0.18M) was supplied at room temperature, supplies a supercritical water from the other flow path, A rapid temperature rise reaction was carried out. The reaction temperature was 400 ° C., the reaction pressure was 30 MPa, and the reaction time was 2 seconds or less.

得られたナノ粒子を回収し、脱イオン化された純水を用いて遠心分離とデカンテーションのサイクルを3回繰り返すことで、ナノ粒子を洗浄した。その後、回収物を48時間かけて凍結乾燥し、FeOx−ZrOを得た。The obtained nanoparticles were recovered, and the nanoparticles were washed by repeating the cycle of centrifugation and decantation three times using deionized pure water. Then, the recovered product was freeze-dried for 48 hours to obtain FeOx-ZrO 2.

[OSCの測定]
酸素キャリアが上記の酸化鉄−ジルコニア系複合酸化物粒子であること以外は、実施例1−1と同じ手法にて酸素キャリアのOSCを測定した。結果を図3に示す。
[Measurement of OSC]
The OSC of the oxygen carrier was measured by the same method as in Example 1-1 except that the oxygen carrier was the iron oxide-zirconia-based composite oxide particles described above. The results are shown in FIG.

〔結果〕
図3は、試験例1における低温域での酸素貯蔵放出能(OSC)の評価の結果を示す図である。実施例1−1の市販のCeOと比較すると、露出面制御酸化セリウム(実施例1−2)はより高く、Crドープ酸化セリウム(実施例1−3)はさらに高く、鉄ジルコニア(実施例1−4)では、4桁近くも高い値を示している。
〔result〕
FIG. 3 is a diagram showing the results of evaluation of oxygen storage / release capacity (OSC) in a low temperature region in Test Example 1. Compared to the commercially available CeO 2 of Example 1-1, the exposed surface controlled cerium oxide (Example 1-2) was higher, the Cr-doped cerium oxide (Example 1-3) was even higher, and iron zirconia (Example 1-2). In 1-4), the value is as high as nearly four digits.

また、いずれの酸素キャリアについても、400℃以上の温度領域で10μmol−O/g−catを超えるOSCを有することが確認された。特に、実施例1−2〜1−4については、200℃であっても10μmol−O/g−catを超えるOSCを有することが確認された。 Further, it was confirmed that all oxygen carriers had an OSC exceeding 10 μmol-O / g-cat in the temperature range of 400 ° C. or higher. In particular, it was confirmed that Examples 1-2 to 1-4 had an OSC exceeding 10 μmol-O / g-cat even at 200 ° C.

また、250℃以上の温度領域において、FeOx−ZrOが特にOSCに優れ、次いで、クロムドープ酸化セリウム(Cr−CeO)、CeOナノキューブの順に優れることが確認された。Further, it was confirmed that FeOx-ZrO 2 was particularly excellent in OSC in the temperature range of 250 ° C. or higher, followed by chromium-doped cerium oxide (Cr-CeO 2 ) and CeO 2 nanocube in that order.

酸素移動度は、結晶格子の歪みと関係しており、CeOにCrがドープされたことで格子歪ができ酸素空孔を作りやすくする。これがクロムドープにより、ドープされていないCeOよりも大きな酸素移動度が得られた理由と推察される。Oxygen mobility is related to the strain of the crystal lattice, and the lattice strain is formed by doping CeO 2 with Cr, which facilitates the formation of oxygen vacancies. It is presumed that this is the reason why the chrome dope provided higher oxygen mobility than the undoped CeO 2.

そして、CeOと比較して、マグネタイト構造のFeの2価と3価との間の遷移はより生じやすいことが知られており、還元場では0価にまで還元される。これは、自動車触媒開発においても見出されていたが、さらに、Zrのドープにより、より酸素空孔が生じやすくなっているものと推察される。Then, it is known that the transition between the divalent and trivalent values of Fe having a magnetite structure is more likely to occur as compared with CeO 2, and the reduction is reduced to 0 valence in the reduction field. This was also found in the development of automobile catalysts, but it is presumed that the doping of Zr makes it easier for oxygen vacancies to occur.

以上の結果から、実施例の酸素キャリアは、いずれも、600℃以下の低温廃熱レベルでも十分なOSCが得られるといえる。 From the above results, it can be said that all of the oxygen carriers of the examples can obtain sufficient OSC even at a low temperature waste heat level of 600 ° C. or lower.

<試験例2> ドープ量とOSCとの関係
〔試験方法〕
実施例1−3と同様の手法にて、Crのドープ量が7mol%、23mol%、29mol%、30mol%であるCr−CeOを合成した。
<Test Example 2> Relationship between doping amount and OSC [Test method]
Cr-CeO 2 having Cr doping amounts of 7 mol%, 23 mol%, 29 mol%, and 30 mol% was synthesized by the same method as in Examples 1-3.

これら4種類のCr−CeOについて、300℃、400℃及び500℃のそれぞれについて、酸素貯蔵放出能(OSC)を測定した。結果を図4に示す。The oxygen storage and release capacity (OSC) of these four types of Cr-CeO 2 was measured at 300 ° C., 400 ° C., and 500 ° C., respectively. The results are shown in FIG.

〔結果〕
図4より、試験例2で用いられた酸素キャリアは、いずれも、600℃以下の低温廃熱レベルでも十分なOSCが得られるといえる。また、図4より、CrのCeOへのドープ量が多いほど、より大きな酸素移動度が得られることが確認された。図3に示すように、露出面制御CeOは、市販のものと比較して、低温でも高いOSCすなわち酸素移動度がえられた。図4におけるCr0%の縦軸上の点は、実施例1−3の結果を示す。CrのDopeにより、非常に高いOSCを得ることができる。なお、通常のオートクレーブによる、バッチ型の反応装置では、CrのDope量は数%であった。しかし、流通型急速昇温合成法による非平衡系合成法によれば、数10%もの高いDope率を達成できた。これにより、非常に高いOSCが得られた。
〔result〕
From FIG. 4, it can be said that all the oxygen carriers used in Test Example 2 can obtain sufficient OSC even at a low temperature waste heat level of 600 ° C. or lower. Further, from FIG. 4, it was confirmed that the larger the doping amount of Cr to CeO 2, the larger the oxygen mobility can be obtained. As shown in FIG. 3, the exposed surface control CeO 2 obtained a high OSC, that is, oxygen mobility even at a low temperature, as compared with a commercially available product. The points on the vertical axis of Cr 0% in FIG. 4 indicate the results of Examples 1-3. Very high OSC can be obtained by Dope of Cr. In a batch type reactor using a normal autoclave, the amount of Cr Dope was several percent. However, according to the non-equilibrium system synthesis method by the distribution type rapid temperature rise synthesis method, a high Dope rate of several tens of percent could be achieved. This resulted in a very high OSC.

<試験例3> 酸素キャリアにおける平均一次粒子径と粒子内の酸素空孔形成性との関係
〔試験方法〕
実施例1−2で用いたCeOナノキューブについて、TEM(透過型電子顕微鏡)により酸素キャリア粒子の画像を撮像し、そのTEM像を画像解析・画像計測ソフトウェアにより解析することで、平均一次粒子径と粒子内の酸素空孔形成性との関係を調べた。結果を図5〜図8に示す。
<Test Example 3> Relationship between average primary particle size in oxygen carrier and oxygen vacancies forming property in particles [Test method]
For the CeO 2 nanocube used in Example 1-2, an image of oxygen carrier particles is imaged by a TEM (transmission electron microscope), and the TEM image is analyzed by image analysis / image measurement software to obtain an average primary particle. The relationship between the diameter and the oxygen vacancies forming property in the particles was investigated. The results are shown in FIGS. 5 to 8.

〔結果〕
図5は、上段から平均一次粒子径が11nm、10nm、9nm、8nm、7nm、6nm、5nmであるときのセリウム元素の原子カラム(横軸)と、Ce3+/(Ce3++Ce4+)、すなわち粒子内の酸素空孔形成性(縦軸)との関係を示す。図5によると、平均一次粒子径が11nmである場合、表面付近で酸素欠陥が現れているのに対し、平均一次粒子径が小さくなればなるほど、セリウム元素の中心にまで酸素欠陥が現れていることが分かる。セリウム元素の内部にまで酸素空孔が広がることは、酸素原子が移動しており、ナノ粒子表面だけでなく、粒子全域の酸素が使えていることを意味する。これにより、酸素キャリアの平均一次粒子径が小さいほど、反応物質との暴露表面積(接触可能性)の最大化と、格子歪による酸素空孔易形成性とを実現できるといえる。そして、高いOSCが得られた要因がここに見られる。
〔result〕
FIG. 5 shows an atomic column (horizontal axis) of cerium element when the average primary particle diameter is 11 nm, 10 nm, 9 nm, 8 nm, 7 nm, 6 nm, and 5 nm from the upper row, and Ce 3+ / (Ce 3+ + Ce 4+ ), that is, The relationship with the oxygen vacancies forming property (vertical axis) in the particles is shown. According to FIG. 5, when the average primary particle size is 11 nm, oxygen defects appear near the surface, whereas as the average primary particle size becomes smaller, oxygen defects appear even in the center of the cerium element. You can see that. The expansion of oxygen vacancies to the inside of the cerium element means that oxygen atoms are moving and oxygen is used not only on the surface of the nanoparticles but also in the entire particle. As a result, it can be said that the smaller the average primary particle size of the oxygen carrier, the more the exposed surface area (contact possibility) with the reactant can be maximized and the oxygen vacancy easily formed by the lattice strain. And here is the reason why the high OSC was obtained.

図6(A)は、試験例3におけるセリウム元素のTEM像を示す。図12(B)は、原子間の歪を示す。明るく見えている部分は大きな歪を持っている部分である。 FIG. 6A shows a TEM image of the cerium element in Test Example 3. FIG. 12B shows the distortion between atoms. The part that looks bright is the part that has a large distortion.

図6の(A)のうち、左の画像は、平均一次粒子径が11nmであるセリウム元素のTEM像であり、右の画像は平均一次粒子径が6nmであるセリウム元素のTEM像である。左右それぞれのTEM像にある点がセリウム原子を示し、4つのセリウム原子に囲まれた領域が分子内に酸素を取り込み得る領域である。 In FIG. 6A, the left image is a TEM image of a cerium element having an average primary particle diameter of 11 nm, and the right image is a TEM image of a cerium element having an average primary particle diameter of 6 nm. The points on the left and right TEM images indicate cerium atoms, and the region surrounded by four cerium atoms is the region where oxygen can be taken into the molecule.

図6の(B)は、図6の(A)で示したTEM像を解析し、セリウム原子間の歪みを可視化したものである。色がグレーである場合(数値が0に近い色である場合)、原子間の歪みが小さいことを示す。そして、色が薄いほど(白色に近いほど)、原子間の空隙が拡張し、空隙に酸素を取り込み易い状態にあることを示す。他方、色が濃いほど(黒色に近いほど)、原子間の空隙が縮んでおり、空隙に酸素を取り込みづらい状態にあることを示す。図6(B)によると、平均一次粒子径が11nmであるセリウムナノ粒子では、粒子の表面では原子間の空隙の拡張が認められる一方、粒子の中心では原子間の空隙の拡張がほとんど認められない。他方、平均一次粒子径が6nmであるセリウムナノ粒子では、粒子の全体で原子間の空隙の拡張が認められる。これにより、酸素キャリアの平均一次粒子径が小さいほど、格子歪による酸素空孔易形成性を実現できるといえる。 FIG. 6B is a visualization of the strain between cerium atoms by analyzing the TEM image shown in FIG. 6A. When the color is gray (when the numerical value is close to 0), it indicates that the distortion between atoms is small. Then, the lighter the color (closer to white), the more the voids between atoms expand, indicating that oxygen can be easily taken into the voids. On the other hand, the darker the color (closer to black), the smaller the voids between atoms, indicating that it is difficult to take oxygen into the voids. According to FIG. 6 (B), in the cerium nanoparticles having an average primary particle size of 11 nm, expansion of interatomic voids is observed on the surface of the particles, while expansion of interatomic voids is hardly observed at the center of the particles. .. On the other hand, in the cerium nanoparticles having an average primary particle size of 6 nm, expansion of voids between atoms is observed throughout the particles. As a result, it can be said that the smaller the average primary particle size of the oxygen carriers, the easier it is to form oxygen vacancies due to lattice strain.

図7は、図6の(A)で示したTEM像について、セリウム元素の左から右に向かうときの格子が拡張する割合を示す。図7の(A)は、平均一次粒子径が11nmであるセリウム元素についての状態であり、図7の(B)は、平均一次粒子径が6nmであるセリウム元素についての状態である。図7からも、酸素キャリアの平均一次粒子径が小さいほど、原子間における格子の拡張が認められ、格子歪による酸素空孔易形成性を実現できることが裏付けられる。 FIG. 7 shows the rate of expansion of the lattice of the cerium element from left to right with respect to the TEM image shown in FIG. 6 (A). FIG. 7A shows a state for a cerium element having an average primary particle size of 11 nm, and FIG. 7B shows a state for a cerium element having an average primary particle size of 6 nm. From FIG. 7, it is confirmed that the smaller the average primary particle size of the oxygen carriers, the more the lattice expansion between atoms is recognized, and the oxygen vacancy easy formation property due to the lattice strain can be realized.

図8は、セリウムナノ粒子における格子の拡張が認められる割合と、セリウム原子間に酸素空孔を形成するのに必要なエネルギーとの関係を示した図である。図8によると、格子の拡張が認められる割合が大きい粒子ほど、セリウム原子間に酸素空孔を形成するのに必要なエネルギーが小さいことが分かる。したがって、酸素キャリアの平均一次粒子径が小さく、セリウム原子間における格子の拡張が元素全体に広く認められるほど、セリウム原子間に酸素空孔を形成し易いといえる。これが、図3及び図4で極めて高いOSCが得られた要因である。 FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the rate at which lattice expansion is observed in cerium nanoparticles and the energy required to form oxygen vacancies between cerium atoms. According to FIG. 8, it can be seen that the larger the rate at which the lattice expansion is observed, the smaller the energy required to form oxygen vacancies between the cerium atoms. Therefore, it can be said that the smaller the average primary particle size of the oxygen carrier and the wider the expansion of the lattice between the cerium atoms is recognized in the whole element, the easier it is to form oxygen vacancies between the cerium atoms. This is the reason why the extremely high OSC was obtained in FIGS. 3 and 4.

図5及び図6で確認できた歪ができれば、酸素空孔を作りやすいこと酸素が移動しやすいことを示しており、図3及び図4で示した高いOSCが得られたのは、露出面制御されたナノサイズの粒子が、さらに小さくなることで粒子内全体に歪が生じ、それにより酸素移動が促進されたからであることがわかる。 If the strain confirmed in FIGS. 5 and 6 is formed, it indicates that oxygen vacancies are easily formed and oxygen is easily moved, and the high OSC shown in FIGS. 3 and 4 is obtained on the exposed surface. It can be seen that as the controlled nano-sized particles become smaller, distortion occurs throughout the particles, which promotes oxygen transfer.

<試験例4> 酸素キャリアの反応速度評価
図9の(B)に示すように、第1反応器R1と、第2反応器R1とを備え、ガスを交互に切り替えてスイッチングさせるサイクリックオペレーションシステムを使用して、図9の(A)に示すケミカルループ反応を模して酸素キャリアの反応速度を評価した。
<Test Example 4> Evaluation of Reaction Rate of Oxygen Carrier As shown in (B) of FIG. 9, a cyclic operation system including a first reactor R1 and a second reactor R1 that alternately switches and switches gas. Was used to evaluate the reaction rate of oxygen carriers by simulating the chemical loop reaction shown in FIG. 9 (A).

〔実施例4−1〕 酸素キャリアがCeOナノキューブの場合
2つの反応器R1,R2に、酸素キャリアとして、実施例1−2で使用したCeOナノキューブを充填させた。反応器R1,R2は、CH又は水を導入可能に構成され、酸素キャリアが酸化された状態にある反応器では、CHを導入してCHを酸化させつつ、酸化された酸素キャリアを還元させる第1反応工程を行った。他方、酸素キャリアが還元された状態にある反応器には、水を導入し、還元された酸素キャリアを酸化させつつ、水を還元させる第2反応工程を行った。2つの反応器R1,R2のそれぞれに充填された酸素キャリアの状態によって、反応器R1,R2に導入する材料をCHと水との間で交互に切り替えた。そして、反応温度は、400℃及び350℃の2種類としてCO生成量の経時変化を測定した。結果を図10に示す。
[Example 4-1] When the oxygen carrier is a CeO 2 nanocube The two reactors R1 and R2 were filled with the CeO 2 nanocube used in Example 1-2 as an oxygen carrier. Reactors R1 and R2 are configured so that CH 4 or water can be introduced, and in a reactor in which oxygen carriers are oxidized, CH 4 is introduced to oxidize CH 4 while oxidizing oxygen carriers. The first reaction step of reducing was carried out. On the other hand, water was introduced into the reactor in which the oxygen carriers were reduced, and a second reaction step of reducing the water while oxidizing the reduced oxygen carriers was performed. Depending on the state of the oxygen carriers filled in each of the two reactors R1 and R2, the materials to be introduced into the reactors R1 and R2 were alternately switched between CH 4 and water. Then, the reaction temperature was set to 400 ° C. and 350 ° C., and the change over time in the amount of CO 2 produced was measured. The results are shown in FIG.

反応器R1,R2にCHを流すと、COが生成し、CeOの還元とともにその生成量が低下する。この反応は20〜30分で終了することから、反応温度が400℃及び350℃と低温領域であるにも関わらず、CeOの酸素移動がこの程度の短い時間で終了することが分かる。 When CH 4 is passed through the reactors R1 and R2 , CO 2 is generated, and the amount of CO 2 produced decreases with the reduction of CeO 2. Since this reaction is completed in 20 to 30 minutes, it can be seen that the oxygen transfer of CeO 2 is completed in such a short time even though the reaction temperature is in the low temperature range of 400 ° C. and 350 ° C.

〔実施例4−2〕 酸素キャリアがクロムドープ酸化セリウム(Cr−CeO)の場合
酸素キャリアを実施例1−3で使用したクロムドープ酸化セリウム(Cr−CeO)とし、反応温度を300℃として、実施例4−1と同様の手法にてCO生成量の経時変化を測定した。さらに、この測定を25回繰り返した。結果を図11及び図12に示す。
Example 4-2] oxygen carrier is a chromium-doped cerium oxide was used (Cr-CeO 2) in chromium-doped cerium oxide (Cr-CeO 2) when the oxygen carrier in Example 1-3, the reaction temperature of 300 ° C., The change over time in the amount of CO 2 produced was measured by the same method as in Example 4-1. Furthermore, this measurement was repeated 25 times. The results are shown in FIGS. 11 and 12.

図11によると、酸素キャリアがクロムドープ酸化セリウム(Cr−CeO)であると、反応温度が300℃と実施例4−1よりもさらに低温領域であるにも関わらず、20〜30分程度で反応が終了することが確認された。また、3回繰り返した場合であっても、クロムドープ酸化セリウム(Cr−CeO)の活性が維持された。According to FIG. 11, when the oxygen carrier is chromium-doped cerium oxide (Cr-CeO 2 ), the reaction temperature is 300 ° C., which is a lower temperature region than that of Example 4-1 in about 20 to 30 minutes. It was confirmed that the reaction was completed. In addition, the activity of chromium-doped cerium oxide (Cr-CeO 2) was maintained even when repeated three times.

図12は、繰り返しの回数と、OSCの安定性とを示す。初回に得られたOSC量を100%にしたとき、5回の繰り返し後には約95%、10回の繰り返し後には約90%、15回の繰り返し後には約86%、20回の繰り返し後には約84%、25回の繰り返し後には約80%のOSCを得ることができた。 FIG. 12 shows the number of repetitions and the stability of the OSC. When the amount of OSC obtained at the first time is 100%, it is about 95% after 5 repetitions, about 90% after 10 repetitions, about 86% after 15 repetitions, and after 20 repetitions. About 84%, about 80% OSC could be obtained after 25 repetitions.

〔実施例4−3〕 酸素キャリアが酸化鉄−ジルコニア系複合酸化物(FeOx−ZrO)の場合
酸素キャリアを実施例1−4で使用した酸化鉄−ジルコニア系複合酸化物(FeOx−ZrO)とし、反応温度を500℃として、実施例4−1と同様の手法にてCO生成量の経時変化を測定した。結果を図13に示す。
Example 4-3] oxygen carrier iron oxide - zirconia composite oxide iron oxide was used in (FeOx-ZrO 2) when carrying out the oxygen carrier Example 1-4 - zirconia composite oxide (FeOx-ZrO 2 ), The reaction temperature was set to 500 ° C., and the change over time in the amount of CO 2 produced was measured by the same method as in Example 4-1. The results are shown in FIG.

酸素キャリアが酸化鉄−ジルコニア系複合酸化物(FeOx−ZrO)である場合についても、20分程度と極めて短時間で反応が終了することが確認された。It was also confirmed that the reaction was completed in an extremely short time of about 20 minutes even when the oxygen carrier was an iron oxide-zirconia-based composite oxide (FeOx-ZrO 2).

〔実施例4−4〕 酸素キャリアが助触媒を担持した酸化セリウム(CeO)の場合
実施例1−1で使用した酸化セリウム(CeO)100質量部に対し、助触媒として0.1質量部のPdを担持させた。そして、Pd担持CeOを酸素キャリアとして、反応温度を400℃として、実施例4−1と同様の手法にてCO生成量の経時変化を測定するとともに、H生成量の経時変化も測定した。結果を図14に示す。
[Example 4-4] In the case of cerium oxide (CeO 2 ) in which the oxygen carrier carries an co-catalyst 0.1 mass by mass as an co-catalyst with respect to 100 parts by mass of cerium oxide (CeO 2 ) used in Example 1-1. The Pd of the portion was supported. Then, with Pd-supported CeO 2 as an oxygen carrier and a reaction temperature of 400 ° C., the change over time in the amount of CO 2 produced is measured by the same method as in Example 4-1 and the change over time in the amount of H 2 produced is also measured. bottom. The results are shown in FIG.

図14によると、酸素キャリアがPd担持CeOである場合についても、20分程度と極めて短時間で反応が終了することが確認された。また、CO生成量に対するH生成量の割合が2.22であり、量論比に近いHを生成することが確認された。According to FIG. 14, it was confirmed that the reaction was completed in an extremely short time of about 20 minutes even when the oxygen carrier was Pd-supported CeO 2. In addition, the ratio of the amount of H 2 produced to the amount of CO 2 produced was 2.22, and it was confirmed that H 2 was produced, which was close to the stoichiometric ratio.

また、これらのCO生成量からCeO中の酸素の消費量が計算できる。初めに酸化状態にありOSC分の酸素が蓄積されている。その酸素の消費積分量とOSC分とから、反応時間のそれぞれについてOSC転化率Xを評価できる。この変化速度dX/dtは反応速度であり、酸素残存率(1−X)と反応速度との関係を調べた。図15(A)は、固体側(酸素キャリア側)における反応速度を示す図である。横軸は、1−X[−]、縦軸はdX/dtである。なお、Xは、OSC転化率である。COの濃度は、CO発生速度をガス流速で割ったものであるから、気体側、メタンの反応速度も評価できる。図15(B)は、気体側(メタンの分解反応側)における反応速度を示す図である。横軸は、1−X[−]、縦軸はCH消費速度[μmol/min]である。In addition, the amount of oxygen consumed in CeO 2 can be calculated from the amount of CO 2 produced. Initially, it is in an oxidized state and oxygen for OSC is accumulated. The OSC conversion rate X can be evaluated for each reaction time from the integrated amount of oxygen consumption and the amount of OSC. This rate of change dX / dt is the reaction rate, and the relationship between the oxygen residual rate (1-X) and the reaction rate was investigated. FIG. 15A is a diagram showing the reaction rate on the solid side (oxygen carrier side). The horizontal axis is 1-X [−], and the vertical axis is dX / dt. Note that X is the OSC conversion rate. Since the CO 2 concentration is obtained by dividing the CO 2 generation rate by the gas flow velocity, the reaction rate of methane on the gas side can also be evaluated. FIG. 15B is a diagram showing the reaction rate on the gas side (methane decomposition reaction side). The horizontal axis is 1-X [−], and the vertical axis is CH 4 consumption rate [μmol / min].

図15により、固体側(酸素キャリア側)であるか気体側(メタンの分解反応側)であるかによらず、酸素キャリア濃度が低くなるにつれ、反応速度が低下することを確認できた。 From FIG. 15, it was confirmed that the reaction rate decreased as the oxygen carrier concentration decreased, regardless of whether it was on the solid side (oxygen carrier side) or the gas side (methane decomposition reaction side).

<試験例5> 金属助触媒との複合化による効果
〔実施例5−1〕 酸素キャリアが酸化セリウム(CeO)の場合
実施例1−1で使用した酸化セリウム(CeO)を酸化状態にし、1台の反応器に充填した。そして、CHを導入し、300℃でCHを酸化させ、二酸化炭素及び水素の生成量の経時変化を測定した。その際、反応圧力は、0.15MPaであった。結果を図16(A)に示す。
And <Test Example 5> metal promoter and cerium oxide effect compounding Example 5-1] oxygen carrier is used in the case of Example 1-1 cerium oxide (CeO 2) of a (CeO 2) in the oxidation state One reactor was filled. Then, CH 4 was introduced, CH 4 was oxidized at 300 ° C., and the change over time in the amount of carbon dioxide and hydrogen produced was measured. At that time, the reaction pressure was 0.15 MPa. The results are shown in FIG. 16 (A).

〔実施例5−2〕 酸素キャリアが助触媒を担持した酸化セリウム(CeO)の場合
実施例1−1で使用した酸化セリウム(CeO)100質量部に対し、助触媒として10質量部のNiを担持させた。そして、Ni担持CeOを酸素キャリアとして、実施例5−1と同様の手法にて二酸化炭素及び水素の生成量の経時変化を測定した。結果を図16(B)に示す。
[Example 5-2] In the case of cerium oxide (CeO 2 ) in which the oxygen carrier carries an co-catalyst 10 parts by mass as an co-catalyst with respect to 100 parts by mass of cerium oxide (CeO 2) used in Example 1-1. Ni was supported. Then, using Ni-supported CeO 2 as an oxygen carrier, changes over time in the amounts of carbon dioxide and hydrogen produced were measured by the same method as in Example 5-1. The results are shown in FIG. 16 (B).

〔結果〕
実施例5−1に関し、CeOとの反応で、理論的には、HがCOに対して2倍の量で生成するはずであるところ、H生成量がCOの生成量よりも少ない。その理由は、生成したHが燃焼し、HOになったためと推察される。
〔result〕
With respect to Example 5-1 in the reaction with CeO 2 , theoretically, H 2 should be produced in an amount twice as much as that of CO 2 , but the amount of H 2 produced is larger than the amount of CO 2 produced. There are few. It is presumed that the reason is that the generated H 2 was burned to become H 2 O.

それに対し、酸素キャリアに金属助触媒が担持されていると、Hが遥かに多く生成される(実施例5−2)。理由として、金属助触媒の存在により、Hを金属に逃がすことができ、HからHOへの酸化を抑制させ、H回収量を増大させたためと推察される。On the other hand, when a metal co-catalyst is supported on the oxygen carrier, much more H 2 is produced (Example 5-2). It is presumed that the reason is that the presence of the metal co-catalyst allowed H 2 to escape to the metal, suppressed the oxidation of H 2 to H 2 O, and increased the amount of H 2 recovered.

<試験例6> 反応圧力とガス生成量との関係
実施例5−2で用いたNi担持CeOを酸素キャリアとし、反応圧力を0.15MPa、0.3MPa、0.6MPa、0.9MPaの4種類として、実施例5−1と同様の手法にて二酸化炭素及び水素の生成量の経時変化を測定した。反応時間はそれぞれ20分であった。結果を図17に示す。
<Test Example 6> Relationship between reaction pressure and gas production amount The Ni-supported CeO 2 used in Example 5-2 was used as an oxygen carrier, and the reaction pressures were 0.15 MPa, 0.3 MPa, 0.6 MPa, and 0.9 MPa. As four types, the time course of the amount of carbon dioxide and hydrogen produced was measured by the same method as in Example 5-1. The reaction time was 20 minutes each. The results are shown in FIG.

図17より、二酸化炭素及び水素の生成量、すなわちメタンと酸素キャリア間の反応速度が、メタン濃度(圧力)に対し1次で増大することを確認できた。 From FIG. 17, it was confirmed that the amount of carbon dioxide and hydrogen produced, that is, the reaction rate between methane and the oxygen carrier increased in the first order with respect to the methane concentration (pressure).

<試験例7> バッチ反応器でのメタン−酸素キャリア反応実験
〔試験例7−1〕 酸素キャリアが酸化セリウム(CeO)の場合
[CO生成]
実施例1−1で使用した酸化セリウム(CeO)を酸化状態にし、1台の反応器に充填した。そして、CHを導入し、300℃でCHを酸化させ、二酸化炭素の生成量の経時変化を測定した。その際、反応圧力は、0.6MPaであった。結果を図18(A)に示す。
<Test Example 7> Methane-oxygen carrier reaction experiment in a batch reactor [Test Example 7-1] When the oxygen carrier is cerium oxide (CeO 2 ) [CO 2 generation]
The cerium oxide (CeO 2 ) used in Example 1-1 was brought into an oxidized state and filled in one reactor. Then, CH 4 was introduced, CH 4 was oxidized at 300 ° C., and the change over time in the amount of carbon dioxide produced was measured. At that time, the reaction pressure was 0.6 MPa. The results are shown in FIG. 18 (A).

[H生成]
実施例1−1で使用した酸化セリウムを還元状態にし、1台の反応器に充填した。そして、水蒸気を導入し、300℃で還元状態の酸化セリウムを酸化させ、水素の生成量の経時変化を測定した。その際、反応圧力は、8MPaであった。結果を図18(B)に示す。
[H 2 generation]
The cerium oxide used in Example 1-1 was reduced and filled in one reactor. Then, water vapor was introduced to oxidize the reduced cerium oxide at 300 ° C., and the change over time in the amount of hydrogen produced was measured. At that time, the reaction pressure was 8 MPa. The results are shown in FIG. 18 (B).

〔試験例7−2〕 酸素キャリアが酸化鉄−ジルコニア系複合酸化物(FeOx−ZrO)の場合
[CO生成]
実施例4−3で使用した酸化鉄−ジルコニア系複合酸化物(FeOx−ZrO)を酸化状態にし、1台の反応器に充填した。そして、CHを導入し、400℃でCHを酸化させ、二酸化炭素の生成量の経時変化を測定した。その際、反応圧力は、0.6MPaであった。結果を図19(A)に示す。
[Test Example 7-2] When the oxygen carrier is an iron oxide-zirconia-based composite oxide (FeOx-ZrO 2 ) [CO 2 formation]
The iron oxide-zirconia-based composite oxide (FeOx-ZrO 2 ) used in Example 4-3 was put into an oxidized state and filled in one reactor. Then, CH 4 was introduced, CH 4 was oxidized at 400 ° C., and the change over time in the amount of carbon dioxide produced was measured. At that time, the reaction pressure was 0.6 MPa. The results are shown in FIG. 19 (A).

[H生成]
実施例4−3で使用した酸化鉄−ジルコニア系複合酸化物を還元状態にし、1台の反応器に充填した。そして、水蒸気を導入し、400℃で還元状態の複合酸化物を酸化させ、水素の生成量の経時変化を測定した。その際、反応圧力は、8MPaであった。結果を図19(B)に示す。
[H 2 generation]
The iron oxide-zirconia-based composite oxide used in Example 4-3 was reduced and filled in one reactor. Then, water vapor was introduced, the composite oxide in the reduced state was oxidized at 400 ° C., and the change over time in the amount of hydrogen produced was measured. At that time, the reaction pressure was 8 MPa. The results are shown in FIG. 19 (B).

〔結果〕
酸素キャリアが酸化セリウム(CeO)の場合、CHから二酸化炭素の生成反応における反応速度定数kは、0.060[min−1]であり、水蒸気から水素の生成反応における反応速度定数kは、0.044[min−1]であった。それに対し、酸素キャリアが酸化鉄−ジルコニア系複合酸化物の場合、CHから二酸化炭素の生成反応における反応速度定数kは、0.07[min−1]であり、水蒸気から水素の生成反応における反応速度定数kは、0.135[min−1]であった。このことからも、本反応系において、酸化鉄−ジルコニア系複合酸化物が酸素キャリアとして特に優れることが裏付けられる。
〔result〕
When the oxygen carrier is cerium oxide (CeO 2 ), the reaction rate constant k in the reaction for producing carbon dioxide from CH 4 is 0.060 [min -1 ], and the reaction rate constant k in the reaction for producing hydrogen from water vapor is , 0.044 [min -1 ]. On the other hand, when the oxygen carrier is an iron oxide-zirconia-based composite oxide, the reaction rate constant k in the reaction for producing carbon dioxide from CH 4 is 0.07 [min -1 ], and in the reaction for producing hydrogen from water vapor. The reaction rate constant k was 0.135 [min -1 ]. This also supports that the iron oxide-zirconia-based composite oxide is particularly excellent as an oxygen carrier in this reaction system.

1 炭化水素低温改質システム
10 第1反応器
11 第1入口
12 第1出口
20 第2反応器
21 第2入口
22 第2出口

1 Hydrocarbon low temperature reforming system 10 1st reactor 11 1st inlet 12 1st outlet 20 2nd reactor 21 2nd inlet 22 2nd outlet

Claims (11)

酸化された酸素キャリアと炭化水素系材料とを600℃以下で反応させ、水素と炭素酸化物とを生成する第1反応器と、
前記還元された酸素キャリアと酸化剤とを反応させ、前記酸化された酸素キャリアを生成する第2反応器とを備える、ケミカルループ式炭化水素低温改質システム。
A first reactor that produces hydrogen and carbon oxide by reacting an oxidized oxygen carrier with a hydrocarbon-based material at 600 ° C. or lower.
A chemical loop type low temperature reforming system for hydrocarbons, comprising a second reactor that reacts the reduced oxygen carrier with an oxidizing agent to generate the oxidized oxygen carrier.
酸素キャリアが充填された複数の反応器を備え、
前記複数の反応器は、炭化水素系材料又は酸化剤を導入可能に構成され、
前記複数の反応器のうち、前記酸素キャリアが酸化された状態にある反応器には、前記炭化水素が導入され、600℃以下で前記炭化水素系材料を酸化させることが可能であり、
前記複数の反応器のうち、前記酸素キャリアが還元された状態にある反応器には、前記酸化剤が導入され、前記酸化剤を還元させることが可能であり、
前記複数の反応器のそれぞれに充填された前記酸素キャリアの状態によって、前記反応器の導入する材料を前記炭化水素系材料と前記酸化剤との間で切り替え可能である、炭化水素低温改質システム。
Equipped with multiple reactors filled with oxygen carriers,
The plurality of reactors are configured to be capable of introducing a hydrocarbon-based material or an oxidizing agent.
Among the plurality of reactors, the hydrocarbon is introduced into the reactor in which the oxygen carrier is in an oxidized state, and the hydrocarbon-based material can be oxidized at 600 ° C. or lower.
Among the plurality of reactors, the oxidant can be introduced into the reactor in which the oxygen carrier has been reduced to reduce the oxidant.
A hydrocarbon low-temperature reforming system capable of switching between the hydrocarbon-based material and the oxidizing agent depending on the state of the oxygen carriers filled in each of the plurality of reactors. ..
前記酸化剤が水を含む、請求項1又は2に記載のシステム。 The system according to claim 1 or 2, wherein the oxidizing agent contains water. 前記酸化剤が二酸化炭素を含む、請求項1又は2に記載のシステム。 The system according to claim 1 or 2, wherein the oxidizing agent contains carbon dioxide. 前記酸化剤が酸素及び/又は空気を含む、請求項1又は2に記載のシステム。 The system according to claim 1 or 2, wherein the oxidizing agent contains oxygen and / or air. 前記酸素キャリアは、酸化セリウム(CeO)、クロムドープ酸化セリウム(Cr−CeO)、酸化鉄−ジルコニア系複合酸化物(FeOx−ZrO)、酸化鉄(Fe)、酸化インジウム(In)、イットリウム安定化酸化ジルコニウム(YSZ)、酸化スカンジウムドープ酸化ジルコニウム(ScSZ)、酸化スカンジウム(Sc)、酸化ランタンガリウム(LaGaO)、ランタンストロンチウムマンガナイト(LSM)、ガドリニウムドープ酸化セリウム(Gd−CeO)、酸化モリブデン(MoO)、酸化マンガン(MnO)、ランタンストロンチウムコバルトフェライト(LSCF)、ランタンストロンチウムフェライト(LSF)、四酸化三コバルト(Co)、酸化コバルトII(CoO)、酸化バナジウム(V)、及びセリア・ジルコニア固溶体からなる群から選択される1種以上を含む、請求項1から5のいずれか1項に記載のシステム。The oxygen carriers include cerium oxide (CeO 2 ), chromium-doped cerium oxide (Cr-CeO 2 ), iron oxide-zirconia composite oxide (FeOx-ZrO 2 ), iron oxide (Fe 2 O 3 ), and indium oxide (In). 2 O 3 ), yttrium-stabilized zirconium oxide (YSZ), scandium oxide-doped zirconium oxide (ScSZ), scandium oxide (Sc 2 O 3 ), lanthanum gallium oxide (LaGaO 3 ), lanthanum strontium manganate (LSM), gadolinium dope Cerium oxide (Gd-CeO 2 ), molybdenum oxide (MoO 3 ), manganese oxide (MnO 3 ), lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF), lanthanum strontium ferrite (LSF), tricobalt tetraoxide (Co 3 O 4 ), oxidation The system according to any one of claims 1 to 5, comprising one or more selected from the group consisting of cobalt II (CoO), vanadium oxide (V 2 O 5), and ceria zirconia solid solution. 前記反応器の内部に前記酸素キャリア及び金属助触媒が共存されている、及び/又は前記酸素キャリアに金属助触媒が担持されている、請求項1から6のいずれか1項に記載のシステム。 The system according to any one of claims 1 to 6, wherein the oxygen carrier and the metal co-catalyst coexist inside the reactor, and / or the metal co-catalyst is supported on the oxygen carrier. 前記酸素キャリアの一次粒子の平均粒子径が1μm以下である、請求項1から7のいずれか1項に記載のシステム。 The system according to any one of claims 1 to 7, wherein the average particle size of the primary particles of the oxygen carrier is 1 μm or less. 前記酸素キャリアの形状が最も活性な露出面を有する形状である、請求項1から8のいずれか1項に記載のシステム。 The system according to any one of claims 1 to 8, wherein the shape of the oxygen carrier has the most active exposed surface. 酸化された酸素キャリアと炭化水素系材料とを600℃以下で反応させ、水素と炭素酸化物とを生成する第1反応工程と、
前記還元された酸素キャリアと酸化剤とを反応させ、前記酸化された酸素キャリアを生成する第2反応工程とを含む、水素及び/又は合成ガスの低温での製造方法。
The first reaction step of reacting an oxidized oxygen carrier with a hydrocarbon-based material at 600 ° C. or lower to produce hydrogen and carbon oxide, and
A method for producing hydrogen and / or syngas at a low temperature, which comprises a second reaction step of reacting the reduced oxygen carrier with an oxidizing agent to produce the oxidized oxygen carrier.
酸素キャリアが充填された複数の反応器を備え、
前記複数の反応器は、炭化水素系材料又は酸化剤を導入可能に構成され、
前記複数の反応器のうち、前記酸素キャリアが酸化された状態にある反応器では、前記炭化水素を導入し、600℃以下で前記炭化水素系材料を酸化させる第1反応工程を行い、
前記複数の反応器のうち、前記酸素キャリアが還元された状態にある反応器には、前記酸化剤が導入され、前記酸化剤を還元させる第2反応工程を行い、
前記複数の反応器のそれぞれに充填された前記酸素キャリアの状態によって、前記反応器の導入する材料を前記炭化水素系材料と前記酸化剤との間で切り替える切替工程を含む、水素及び/又は合成ガスの低温での製造方法。

Equipped with multiple reactors filled with oxygen carriers,
The plurality of reactors are configured to be capable of introducing a hydrocarbon-based material or an oxidizing agent.
Among the plurality of reactors, in the reactor in which the oxygen carrier is in an oxidized state, the hydrocarbon is introduced, and the first reaction step of oxidizing the hydrocarbon-based material at 600 ° C. or lower is performed.
Among the plurality of reactors, the oxidant is introduced into the reactor in which the oxygen carrier is reduced, and a second reaction step of reducing the oxidant is performed.
Hydrogen and / or synthesis comprising a switching step of switching between the hydrocarbon-based material and the oxidizing agent depending on the state of the oxygen carrier filled in each of the plurality of reactors. A method for producing gas at low temperature.

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