WO2024013959A1 - メタン合成システム - Google Patents

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WO2024013959A1
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carbon dioxide
reaction section
methane
section
fluid
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俊雄 篠木
誠 川本
誠 谷島
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三菱電機株式会社
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01FMIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20Mixing gases with liquids
    • B01F23/23Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/232Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids using flow-mixing means for introducing the gases, e.g. baffles
    • B01F23/2326Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids using flow-mixing means for introducing the gases, e.g. baffles adding the flowing main component by suction means, e.g. using an ejector
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01FMIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/30Injector mixers
    • B01F25/31Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows
    • B01F25/312Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows with Venturi elements; Details thereof
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C1/00Preparation of hydrocarbons from one or more compounds, none of them being a hydrocarbon
    • C07C1/02Preparation of hydrocarbons from one or more compounds, none of them being a hydrocarbon from oxides of a carbon
    • C07C1/12Preparation of hydrocarbons from one or more compounds, none of them being a hydrocarbon from oxides of a carbon from carbon dioxide with hydrogen
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C9/00Aliphatic saturated hydrocarbons
    • C07C9/02Aliphatic saturated hydrocarbons with one to four carbon atoms
    • C07C9/04Methane

Definitions

  • the present disclosure relates to a methane synthesis system.
  • Patent Document 1 discloses a methane production device that produces methane using hydrogen carbonate and hydrogen.
  • the present disclosure aims to provide a methane synthesis system that can improve energy efficiency.
  • One embodiment of the methane synthesis system includes a supply path for supplying carbon dioxide and water, a carbon dioxide consumption reaction section that obtains a product using at least the carbon dioxide and the water, and a carbon dioxide consumption reaction section that uses at least the carbon dioxide and the water to obtain a product.
  • the first heat recovery section includes a methane production reaction section that is thermally connected to the carbon dioxide consumption reaction section and generates methane from the reactant and hydrogen, and a first heat recovery section that recovers heat by heat exchange with the carbon dioxide consumption reaction section.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a methane synthesis system according to an embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a methane synthesis system in an embodiment.
  • the methane synthesis system 1 includes a raw material supply path 2, a carbon dioxide consumption reaction section 3, a methane production reaction section 4, a first heat recovery section 5, a hydrogen production section 6, and a separator. 7, a second heat recovery section 8, an ejector 9, a derivation path 11, a water recovery path 12, a hydrogen supply path 13, a circulation path 14, a return path 15, and a water supply path 16. .
  • the raw material supply path 2 guides water (for example, water vapor) and carbon dioxide to the carbon dioxide consumption reaction section 3. Carbon dioxide is supplied from the introduction path 21.
  • the raw material supply path 2 leads, for example, a mixed fluid of water and carbon dioxide to the carbon dioxide consumption reaction section 3 .
  • Raw material supply route 2 is an example of a "supply route".
  • the carbon dioxide supplied from the introduction path 21 may be carbon dioxide recovered from the atmosphere by DAC (Direct Air Capture).
  • the carbon dioxide supplied from the introduction route 21 may be carbon dioxide exhausted from a solid oxide fuel cell (SOFC).
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • the carbon dioxide supplied from the introduction path 21 may be carbon dioxide exhausted from a gas water heater, boiler, or the like.
  • the carbon dioxide consumption reaction section 3 holds carbonate in a reactor, for example.
  • hydrogen carbonate is produced as a product by the reaction of water and carbon dioxide from the raw material supply path 2 with carbonate. This reaction consumes carbon dioxide.
  • This reaction proceeds, for example, according to formula (I) shown below. This reaction is exothermic. K2CO3 + CO2 + H2O ⁇ 2KHCO3 ...(I)
  • the carbonate is not limited to potassium carbonate, but may also be sodium carbonate, lithium carbonate, ammonium carbonate, etc.
  • the hydrogen carbonate is not limited to potassium hydrogen carbonate, but may also be sodium hydrogen carbonate, lithium hydrogen carbonate, ammonium hydrogen carbonate, or the like.
  • the carbon dioxide consumption reaction section 3 is thermally connected to the methane production reaction section 4. Therefore, the temperature of the carbon dioxide consumption reaction section 3 can be adjusted by heat exchange with the methane production reaction section 4. Therefore, the temperature within the carbon dioxide consuming reaction section 3 can be adjusted to a temperature suitable for the reaction shown in formula (I).
  • the hydrogen carbonate (KHCO 3 ) produced as a product is mainly solid and is retained in the reactor of the carbon dioxide consuming reaction section 3 .
  • a fluid F2 unreacted fluid, eg, unreacted gas
  • Formula (I) is a reaction that absorbs carbon dioxide.
  • the carbon dioxide consumption reaction section is also referred to as a "carbon dioxide absorption reaction section.”
  • the methane production reaction section 4 holds hydrogen carbonate in a reactor.
  • carbonate, methane, and water are produced by a reaction between hydrogen (H 2 ) from the hydrogen supply path 13 and hydrogen carbonate (reactant).
  • This reaction is a methanogenic reaction.
  • the methanogenesis reaction proceeds, for example, according to formula (II) shown below. This reaction is endothermic. 2KHCO 3 +4H 2 ⁇ K 2 CO 3 +CH 4 +3H 2 O...(II)
  • the hydrogen carbonate is not limited to potassium hydrogen carbonate, but may also be sodium hydrogen carbonate, lithium hydrogen carbonate, ammonium hydrogen carbonate, etc.
  • the carbonate is not limited to potassium carbonate, but may also be sodium carbonate, lithium carbonate, ammonium carbonate, or the like.
  • a reactant fluid F3 for example, reactant gas
  • Carbonate (K 2 CO 3 ) is mainly solid and is retained within the reactor of the methanogenic reaction section 4 .
  • the methane production reaction section 4 is thermally connected to the carbon dioxide consumption reaction section 3. Therefore, the methane production reaction section 4 can provide thermal energy through heat exchange with the carbon dioxide consumption reaction section 3. Therefore, the temperature inside the methane production reaction section 4 can be adjusted to a temperature suitable for the methane production reaction.
  • the carbon dioxide consumption reaction section 3 and the methane production reaction section 4 have the same shape.
  • the first heat recovery section 5 recovers the heat of the carbon dioxide consuming reaction section 3 through heat exchange with the carbon dioxide consuming reaction section 3 . Specifically, the first heat recovery section 5 heats the heat medium fluid by heat exchange with the carbon dioxide consuming reaction section 3. Water is preferred as the heat transfer fluid. Water as a heat transfer fluid is supplied from the water recovery path 12, for example.
  • the first heat recovery section 5 a known heat exchanger can be used.
  • a shell-and-tube heat exchanger for example, a plate heat exchanger, a coil heat exchanger, a double-tube heat exchanger, a spiral heat exchanger, etc. can be used.
  • the first heat recovery section 5 may be configured to recover the heat of the methane production reaction section 4 through heat exchange with the methane production reaction section 4 .
  • the carbon dioxide consumption reaction section 3 and the methane production reaction section 4 constitute a composite reaction section 100.
  • the composite reaction section 100 includes a first reaction section 101 and a second reaction section 102.
  • the first reaction section 101 (the left part in FIG. 1) is the carbon dioxide consuming reaction section 3.
  • the second reaction section 102 (the right part in FIG. 1) is the methane production reaction section 4.
  • the reactant fluid F3 (reactant gas) containing methane and water obtained in the methane production reaction section 4 is led to the separator 7 through the outlet path 11.
  • the separator 7 separates a fluid F4 containing methane and a fluid F1 containing water from the reactant fluid F3.
  • the separator 7 a separation method such as liquefaction separation, membrane separation, adsorption separation, etc. is adopted.
  • the separator 7 may employ one of these separation techniques, or may use a combination of two or more.
  • the separator 7 using liquefaction separation for example, liquefies a specific component and separates it from other components (gas). Specifically, for example, a component containing water is liquefied by temperature adjustment and separated from other components (gas) containing methane.
  • the separator 7 using membrane separation uses, for example, a separation membrane through which components with small molecular sizes can pass through to separate specific components from other components. Specifically, for example, a separation membrane that selectively permeates water is used. This separation membrane separates components containing water and other components containing methane from the mixed gas.
  • the separator 7 that uses adsorption separation, for example, separates specific components by adsorbing them onto an adsorbent.
  • the adsorbent include silica gel, zeolite, and activated carbon. Specifically, by adsorbing a component containing water onto an adsorbent, this component can be separated from other components containing methane.
  • the separator 7 using adsorption separation has the function of desorbing the adsorbed material from the adsorbent.
  • the separator 7 includes, for example, a heating device.
  • the heating device desorbs the adsorbed material from the adsorbent by heating the adsorbent.
  • the separator 7 may include a pressure reducing device such as a pressure reducing pump.
  • the decompression device places the adsorbent under reduced pressure to promote desorption of the adsorbed material from the adsorbent.
  • a component containing methane (fluid F4) is led out from the separator 7 through the lead-out path 22.
  • Components containing methane are sent to gas production facilities, for example, as raw materials for city gas and the like.
  • the water recovery path 12 connects the separator 7 and the first heat recovery section 5.
  • the water-containing component water-containing fluid F1
  • the water recovery path 12 is provided with a pump 121 for sending the fluid F1 to the first heat recovery section 5.
  • the main component of fluid F1 is water.
  • the fluid F1 functions as a heat transfer fluid for recovering heat from the carbon dioxide consuming reaction section 3.
  • a water supply route 23 is connected to the water recovery route 12 .
  • the water recovery path 12 is supplied with water from the outside via a water supply path 23 as needed.
  • the second heat recovery section 8 is provided in the outlet path 11.
  • the second heat recovery section 8 recovers the heat of the reactant fluid F3 guided to the separator 7 through the outlet path 11. Specifically, the fluid F1 flowing through the water recovery path 12 is heated by heat exchange with the reactant fluid F3.
  • a known heat exchanger can be used.
  • a shell-and-tube heat exchanger for example, a plate heat exchanger, a coil heat exchanger, a double-tube heat exchanger, a spiral heat exchanger, etc. can be used.
  • the hydrogen production unit 6 obtains hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) by electrolyzing water (for example, water vapor) supplied from the water supply path 16 .
  • electrolysis can be performed using electric power generated using renewable energy (for example, solar power generation, wind power generation, etc.).
  • renewable energy for example, solar power generation, wind power generation, etc.
  • Methane obtained using renewable energy can be considered a carbon-neutral fuel that does not contribute to global warming, as no additional carbon dioxide is generated when it is combusted.
  • the hydrogen supply path 13 guides hydrogen (H 2 ) obtained in the hydrogen production section 6 to the methane production reaction section 4 .
  • the circulation path 14 guides the fluid F1 (heat medium fluid) drawn out from the first heat recovery section 5 to the raw material supply path 2.
  • the return path 15 returns the unreacted fluid F2 drawn out from the carbon dioxide consuming reaction section 3 to the raw material supply path 2 via the ejector 9.
  • the water supply path 16 guides a portion of the fluid F1 (fluid F5) flowing through the circulation path 14 to the hydrogen production section 6.
  • the ejector 9 is provided in the raw material supply path 2.
  • the ejector 9 has an inflow port 9a, a first suction port 9b, a second suction port 9c, and an outflow port 9d.
  • the fluid F1 flowing through the raw material supply path 2 flows into the ejector 9 from the inlet 9a and flows out from the outlet 9d. Fluid F1 becomes a driving fluid.
  • a nozzle for ejecting driving fluid is provided inside the ejector 9.
  • An introduction path 21 is connected to the first suction port 9b. Carbon dioxide flows into the ejector 9 as suction fluid from the first suction port 9b through the introduction path 21.
  • a return path 15 is connected to the second suction port 9c.
  • the unreacted fluid F2 led out from the carbon dioxide consuming reaction section 3 flows into the ejector 9 as a suction fluid through the return path 15 from the second suction port 9c.
  • the methane synthesis method according to this embodiment includes a supply step, a carbon dioxide consumption reaction step, a methane production reaction step, a separation step, and a hydrogen production step.
  • water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ) are introduced to the carbon dioxide consumption reaction section 3 through the raw material supply route 2 .
  • water and carbon dioxide from the raw material supply route 2 are reacted with carbonate to obtain hydrogen carbonate as a product.
  • the carbon dioxide consuming reaction step produces a fluid F2 (unreactant fluid, e.g. unreactant gas) containing unreactants such as water (e.g. water vapor).
  • the methane production reaction step carbonate, methane, and water are produced in the methane production reaction section 4 by a reaction between hydrogen (H 2 ) from the hydrogen supply path 13 and hydrogen carbonate (reactant). do.
  • the methanogenesis reaction step produces a reactant fluid F3 (eg, reactant gas) that includes methane and water.
  • Reactant fluid F3 (reactant gas) is led to separator 7 through outlet path 11.
  • the separator 7 separates the reactant fluid F3 into a fluid F4 containing methane and a fluid F1 containing water.
  • the fluid F1 is led out from the separator 7 through the water recovery path 12 and guided to the first heat recovery section 5 as a heat transfer fluid.
  • the first heat recovery section 5 heats the fluid F1 by heat exchange with the carbon dioxide consuming reaction section 3.
  • the fluid F1 led out from the first heat recovery section 5 is guided to the raw material supply path 2 through the circulation path 14.
  • the fluid F1 is guided to the carbon dioxide consumption reaction section 3 together with the carbon dioxide introduced by the ejector 9.
  • a part of the fluid F1 (fluid F5) flowing through the circulation path 14 is guided to the hydrogen production section 6 by the water supply path 16.
  • a portion of the water contained in the fluid F1 is electrolyzed in the hydrogen production section 6.
  • Hydrogen (H 2 ) obtained in the hydrogen production section 6 is guided to the methane production reaction section 4 through the hydrogen supply path 13 .
  • Oxygen (O 2 ) obtained in the hydrogen production section 6 is led out of the system through a lead-out path 24.
  • the first reaction section 101 (the left part in FIG. 1) of the composite reaction section 100 is the carbon dioxide consuming reaction section 3.
  • the second reaction section 102 (the right part in FIG. 1) is the methane production reaction section 4.
  • the carbon dioxide consumption reaction section 3 and the methane production reaction section 4 may be arranged interchangeably. That is, the first reaction section 101 may be the methane production reaction section 4 and the second reaction section 102 may be the carbon dioxide consumption reaction section 3.
  • the carbon dioxide consumption reaction section 3 and the methane production reaction section 4 can also be switched by changing the route.
  • the raw material supply route 2 and the return route 15 are connected to the first reaction section 101 (carbon dioxide consumption reaction section 3).
  • the hydrogen supply path 13 and the derivation path 11 are connected to the second reaction section 102 (methane production reaction section 4).
  • the second raw material supply route 2A branches from the raw material supply route 2 and is connected to the second reaction section 102.
  • the raw material supply path 2 is provided with a valve V1.
  • a valve V2 is provided in the second raw material supply path 2A. In the configuration shown in FIG. 1, valve V1 is open. Valve V2 is closed.
  • the second return route 15A branches off from the return route 15 and is connected to the second reaction section 102.
  • the second hydrogen supply route 13A branches from the hydrogen supply route 13 and is connected to the first reaction section 101.
  • the hydrogen supply path 13 is provided with a valve V3.
  • a valve V4 is provided in the second hydrogen supply path 13A. In the configuration shown in FIG. 1, valve V3 is open. Valve V4 is closed.
  • the second lead-out route 11A branches from the lead-out route 11 and is connected to the first reaction section 101.
  • the first reaction section 101 carbon dioxide consuming reaction section 3
  • hydrogen carbonate (KHCO 3 ) as a product.
  • carbonate (K 2 CO 3 ) is retained in the second reaction section 102 (methane production reaction section 4).
  • valve V1 When valve V1 is closed and valve V2 is opened, water and carbon dioxide can be guided to the second reaction section 102 through the second raw material supply path 2A. Thereby, the second reaction section 102 can be made into a carbon dioxide consuming reaction section.
  • the unreacted fluid F2 is led out through the second return path 15A, and guided to the raw material supply path 2 through the return path 15.
  • valve V3 When valve V3 is closed and valve V4 is opened, hydrogen (H 2 ) can be guided to the first reaction section 101 through the second hydrogen supply path 13A. Thereby, the first reaction section 101 can be used as a methane production reaction section.
  • the reactant fluid F3 is led out by the second outgoing path 11A and led to the separator 7 through the outgoing path 11.
  • the first reaction section 101 can also be returned to the carbon dioxide consuming reaction section by operating the valve in the opposite direction to that described above.
  • the second reaction section 102 can also be returned to the methane production reaction section 4. In this way, the carbon dioxide consuming reaction section and the methane production reaction section can be switched back and forth.
  • the carbon dioxide consumption reaction section 3 and the methane production reaction section 4 are thermally connected, so that the heat generated in the carbon dioxide consumption reaction section 3 can be used in the methane production reaction section 4. can.
  • the methane synthesis system 1 recovers heat from the carbon dioxide consuming reaction section 3 using the first heat recovery section 5 .
  • the recovered heat can be utilized in the carbon dioxide consuming reaction section 3. Therefore, the energy efficiency of the entire system can be improved.
  • the methane synthesis system 1 can mutually switch between the carbon dioxide consuming reaction section 3 and the methane production reaction section 4 using the method described above. By appropriately switching as the reaction progresses, the methane synthesis system 1 can be operated for a long time. The methane synthesis system 1 can effectively utilize heat between the carbon dioxide consumption reaction section 3 and the methane production reaction section 4 by switching between the carbon dioxide consumption reaction section 3 and the methane production reaction section 4 .
  • the methane synthesis system 1 Since the methane synthesis system 1 has a return path 15 that returns the unreacted fluid F2 (unreacted gas) obtained in the carbon dioxide consuming reaction section 3 to the carbon dioxide consuming reaction section 3 through the raw material supply path 2, The efficiency of the reaction in the carbon dioxide consuming reaction section 3 can be increased.
  • the heat medium fluid used in the first heat recovery section 5 is a fluid F1 containing water. Therefore, the fluid F1 can be supplied to the carbon dioxide consumption reaction section 3 as a raw material. Therefore, the reaction heat in the carbon dioxide consuming reaction section 3 can be effectively utilized. Therefore, energy efficiency can be improved.
  • the methane synthesis system 1 includes the second heat recovery section 8
  • the fluid F1 flowing through the water recovery path 12 can be heated by heat exchange with the reactant fluid F3 led to the separator 7 through the derivation path 11. . Therefore, the heat of the methane production reaction section 4 can be used effectively. Therefore, energy efficiency can be improved.
  • the methane synthesis system 1 includes the ejector 9, it is possible to save energy compared to, for example, a case where only a blower is used to guide carbon dioxide to the raw material supply path 2.
  • the technical scope of the present disclosure is not limited to the embodiments described above, and various changes can be made without departing from the spirit of the present disclosure.
  • the first heat recovery section 5 it is desirable that the structure is such that heat can be recovered from both the section 101 and the second reaction section 102.
  • the first heat recovery section 5 may be thermally connected to both the first reaction section 101 and the second reaction section 102. According to this configuration, heat can be efficiently recovered by the first heat recovery section 5 even when either the first reaction section 101 or the second reaction section 102 is a carbon dioxide consuming reaction section.
  • Methane synthesis system 2 Raw material supply route (supply route) 3... Carbon dioxide consumption reaction section 4... Methane production reaction section 5... First heat recovery section 8... Second heat recovery section 9... Ejector 15... Return route F1... fluid

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Abstract

本開示に係るメタン合成システムは、二酸化炭素と水を供給する供給経路と、少なくとも前記二酸化炭素と前記水を用いて生成物を得る二酸化炭素消費反応部と、前記二酸化炭素消費反応部と熱的に接続され、被反応物と水素からメタンを生成させるメタン生成反応部と、前記二酸化炭素消費反応部との熱交換によって熱を回収する第1熱回収部と、を備える。

Description

メタン合成システム
 本開示は、メタン合成システムに関する。
 特許文献1は、炭酸水素塩と水素とを用いてメタンを製造するメタン製造装置を開示する。
特開2021-17409号公報
 前記技術では、装置全体のエネルギー効率が低くなる可能性があった。
 本開示は、上記の事情に鑑みて、エネルギー効率を高めることができるメタン合成システムを提供することを目的とする。
 本開示に係るメタン合成システムの一つの態様は、二酸化炭素と水を供給する供給経路と、少なくとも前記二酸化炭素と前記水を用いて生成物を得る二酸化炭素消費反応部と、前記二酸化炭素消費反応部と熱的に接続され、被反応物と水素からメタンを生成させるメタン生成反応部と、前記二酸化炭素消費反応部との熱交換によって熱を回収する第1熱回収部と、を備える。
 本開示によれば、エネルギー効率を高めることができるメタン合成システムを提供できる。
実施の形態に係るメタン合成システムの模式図である。
 以下、図面を参照しながら、本開示の実施の形態について説明する。なお、本開示の範囲は、以下の実施の形態に限定されず、本開示の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。
 図1は、実施の形態におけるメタン合成システムを示す模式図である。
 図1に示すように、メタン合成システム1は、原料供給経路2と、二酸化炭素消費反応部3と、メタン生成反応部4と、第1熱回収部5と、水素製造部6と、分離器7と、第2熱回収部8と、エジェクタ9と、導出経路11と、水回収経路12と、水素供給経路13と、循環経路14と、返送経路15と、水供給経路16と、を備える。
 原料供給経路2は、水(例えば、水蒸気)と、二酸化炭素とを二酸化炭素消費反応部3に導く。二酸化炭素は、導入経路21から供給される。原料供給経路2は、例えば、水と二酸化炭素との混合流体を二酸化炭素消費反応部3に導く。原料供給経路2は、「供給経路」の例である。
 導入経路21から供給される二酸化炭素は、DAC(Direct Air Capture)により大気中から回収された二酸化炭素であってもよい。導入経路21から供給される二酸化炭素は、固体酸化物燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)から排気される二酸化炭素であってもよい。導入経路21から供給される二酸化炭素は、ガス給湯器、ボイラーなどから排気される二酸化炭素であってもよい。
 二酸化炭素消費反応部3は、例えば、反応器内に炭酸塩を保持している。二酸化炭素消費反応部3では、原料供給経路2からの水および二酸化炭素と、炭酸塩との反応によって、炭酸水素塩が生成物として生じる。この反応は二酸化炭素を消費する反応である。この反応は、例えば、以下に示す式(I)に従って進行する。この反応は、発熱反応である。
 KCO+CO+HO→2KHCO ・・・(I)
 炭酸塩は炭酸カリウムに限らず、炭酸ナトリウム、炭酸リチウム、炭酸アンモニウムなどでもよい。炭酸水素塩は炭酸水素カリウムに限らず、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素リチウム、炭酸水素アンモニウムなどでもよい。
 二酸化炭素消費反応部3は、メタン生成反応部4と熱的に接続されている。そのため、二酸化炭素消費反応部3は、メタン生成反応部4との熱交換によって温度を調整することができる。したがって、二酸化炭素消費反応部3内の温度を、式(I)に示す反応に適した温度に調整することができる。
 生成物として生じた炭酸水素塩(KHCO)は、主に固体であり、二酸化炭素消費反応部3の反応器内に保持される。二酸化炭素消費反応部3では、水(例えば、水蒸気)などの未反応物を含む流体F2(未反応物流体、例えば、未反応物ガス)が生じる。
 式(I)は、二酸化炭素を吸収する反応である。二酸化炭素消費反応部は、「二酸化炭素吸収反応部」ともいう。
 メタン生成反応部4は、例えば、反応器内に炭酸水素塩を保持している。メタン生成反応部4では、水素供給経路13からの水素(H)と、炭酸水素塩(被反応物)との反応によって、炭酸塩と、メタンと、水とが生成する。この反応は、メタン生成反応である。メタン生成反応は、例えば、以下に示す式(II)に従って進行する。この反応は、吸熱反応である。
 2KHCO+4H→KCO+CH+3HO ・・・(II)
 炭酸水素塩は炭酸水素カリウムに限らず、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素リチウム、炭酸水素アンモニウムなどでもよい。炭酸塩は炭酸カリウムに限らず、炭酸ナトリウム、炭酸リチウム、炭酸アンモニウムなどでもよい。
 メタン生成反応部4では、メタンと水とを含む反応物流体F3(例えば、反応物ガス)が生じる。炭酸塩(KCO)は、主に固体であり、メタン生成反応部4の反応器内に保持される。
 メタン生成反応部4は、二酸化炭素消費反応部3と熱的に接続されている。そのため、メタン生成反応部4は、二酸化炭素消費反応部3との熱交換によって熱エネルギーを与えることができる。したがって、メタン生成反応部4内の温度を、メタン生成反応に適した温度に調整することができる。
 二酸化炭素消費反応部3とメタン生成反応部4とは、同一形状であることが好ましい。
 第1熱回収部5は、二酸化炭素消費反応部3との熱交換によって、二酸化炭素消費反応部3の熱を回収する。詳しくは、第1熱回収部5は、二酸化炭素消費反応部3との熱交換によって熱媒体流体を加熱する。熱媒体流体としては、水が好ましい。熱媒体流体としての水は、例えば、水回収経路12から供給される。
 第1熱回収部5としては、公知の熱交換器を使用できる。熱交換器としては、例えば、多管式熱交換器、プレート式熱交換器、コイル式熱交換器、二重管式熱交換器、スパイラル式熱交換器等を使用できる。
 第1熱回収部5は、メタン生成反応部4との熱交換によって、メタン生成反応部4の熱を回収する構成であってもよい。
 二酸化炭素消費反応部3とメタン生成反応部4とは、複合反応部100を構成する。複合反応部100は、第1反応部101と、第2反応部102とを備える。図1に示す例では、第1反応部101(図1における左部分)は二酸化炭素消費反応部3である。第2反応部102(図1における右部分)はメタン生成反応部4である。
 メタン生成反応部4で得られたメタンと水とを含む反応物流体F3(反応物ガス)は、導出経路11を通して分離器7に導かれる。分離器7は、反応物流体F3から、メタンを含む流体F4と、水を含む流体F1とを分離する。
 分離器7には、例えば、液化分離、膜分離、吸着分離などの分離手法が採用される。分離器7では、これらの分離手法のうち1つを採用してもよいし、2以上を組み合わせてもよい。
 液化分離を用いた分離器7は、例えば、特定の成分を液化させて他の成分(気体)から分離する。具体的には、例えば、温度調整により水を含む成分を液化させて、メタンを含む他の成分(気体)から分離する。
 膜分離を用いた分離器7は、例えば、分子サイズが小さい成分が透過できる分離膜を用いて、特定の成分を他の成分から分離する。具体的には、例えば、水を選択的に透過させる分離膜を用いる。この分離膜は、混合ガスから、水を含む成分と、メタンを含む他の成分とを分離する。
 吸着分離を用いた分離器7は、例えば、特定の成分を吸着剤に吸着させて分離する。吸着剤としては、シリカゲル、ゼオライト、活性炭などが挙げられる。具体的には、水を含む成分を吸着剤に吸着させることによって、この成分を、メタンを含む他の成分と分離することができる。
 吸着分離を用いた分離器7は、吸着剤から被吸着物を脱離させる機能を有する。分離器7は、例えば、加熱装置を備える。加熱装置は、吸着剤を加熱することによって吸着剤から被吸着物を脱離させる。分離器7は、減圧ポンプなどの減圧装置を備えていてもよい。減圧装置は、吸着剤を減圧下に置くことで、吸着剤からの被吸着物の脱離を促す。
 メタンを含む成分(流体F4)は、導出経路22を通して分離器7から導出される。メタンを含む成分は、例えば、都市ガスなどの原料として、ガス製造設備などに送られる。
 水回収経路12は、分離器7と第1熱回収部5とを接続する。水を含む成分(水を含む流体F1)は、水回収経路12を通して分離器7から導出され、第1熱回収部5に導かれる。水回収経路12には、流体F1を第1熱回収部5に送るためのポンプ121が設けられている。流体F1の主成分は水である。流体F1は、二酸化炭素消費反応部3の熱を回収するための熱媒体流体として機能する。
 水回収経路12には、水供給経路23が接続されている。水回収経路12には、必要に応じて水供給経路23によって外部から水を補給する。
 第2熱回収部8は、導出経路11に設けられている。第2熱回収部8は、導出経路11を通して分離器7に導かれる反応物流体F3の熱を回収する。具体的には、反応物流体F3との熱交換によって、水回収経路12を流れる流体F1を加熱する。
 第2熱回収部8としては、公知の熱交換器を使用できる。第2熱回収部8としては、例えば、多管式熱交換器、プレート式熱交換器、コイル式熱交換器、二重管式熱交換器、スパイラル式熱交換器等を使用できる。
 水素製造部6は、水供給経路16から供給された水(例えば、水蒸気)を電気分解することにより、水素(H)および酸素(O)を得る。
 水素製造部6では、例えば、再生可能エネルギー(例えば、太陽光発電、風力発電等)を用いて生成された電力を用いて電気分解を行うことができる。再生可能エネルギーを用いて得られたメタンは、燃焼利用しても追加的な二酸化炭素の発生がないことから、地球温暖化に影響しないカーボンニュートラル燃料と考えることができる。
 水素供給経路13は、水素製造部6で得られた水素(H)をメタン生成反応部4に導く。
 循環経路14は、第1熱回収部5から導出された流体F1(熱媒体流体)を原料供給経路2に導く。
 返送経路15は、二酸化炭素消費反応部3から導出された未反応物流体F2を、エジェクタ9を介して原料供給経路2に返送する。
 水供給経路16は、循環経路14を流れる流体F1の一部(流体F5)を水素製造部6に導く。
 エジェクタ9は、原料供給経路2に設けられている。エジェクタ9は、流入口9aと、第1吸引口9bと、第2吸引口9cと、流出口9dと、を有する。原料供給経路2を流れる流体F1は、流入口9aからエジェクタ9に流入し、流出口9dから流出する。流体F1は駆動流体となる。エジェクタ9の内部には、駆動流体を噴出するノズルが設けられている。第1吸引口9bには、導入経路21が接続されている。二酸化炭素は、導入経路21を通して第1吸引口9bから吸引流体としてエジェクタ9に流入する。
 第2吸引口9cには、返送経路15が接続されている。二酸化炭素消費反応部3から導出された未反応物流体F2は、返送経路15を通して第2吸引口9cから吸引流体としてエジェクタ9に流入する。
 次に、メタン合成システム1を用いたメタン合成方法の例について説明する。
 本実施の形態に係るメタン合成方法は、供給工程と、二酸化炭素消費反応工程と、メタン生成反応工程と、分離工程と、水素製造工程と、を有する。
 供給工程では、原料供給経路2によって、水(HO)および二酸化炭素(CO)を二酸化炭素消費反応部3に導く。
 二酸化炭素消費反応工程では、二酸化炭素消費反応部3において、原料供給経路2からの水および二酸化炭素と、炭酸塩との反応によって、炭酸水素塩を生成物として得る。二酸化炭素消費反応工程では、水(例えば、水蒸気)などの未反応物を含む流体F2(未反応物流体、例えば、未反応物ガス)が生じる。
 メタン生成反応工程では、メタン生成反応部4において、水素供給経路13からの水素(H)と、炭酸水素塩(被反応物)との反応によって、炭酸塩と、メタンと、水とが生成する。メタン生成反応工程では、メタンと水とを含む反応物流体F3(例えば、反応物ガス)が生じる。反応物流体F3(反応物ガス)は、導出経路11を通して分離器7に導かれる。
 分離工程では、分離器7において、反応物流体F3から、メタンを含む流体F4と、水を含む流体F1とを分離する。
 流体F1は、水回収経路12を通して分離器7から導出され、熱媒体流体として第1熱回収部5に導かれる。第1熱回収部5は、二酸化炭素消費反応部3との熱交換によって流体F1を加熱する。
 第1熱回収部5から導出された流体F1は、循環経路14によって原料供給経路2に導かれる。流体F1は、エジェクタ9で導入された二酸化炭素とともに二酸化炭素消費反応部3に導かれる。
 循環経路14を流れる流体F1の一部(流体F5)は、水供給経路16によって水素製造部6に導かれる。流体F1に含まれる水の一部は、水素製造部6で電気分解される。
 水素製造部6で得られた水素(H)は、水素供給経路13を通してメタン生成反応部4に導かれる。水素製造部6で得られた酸素(O)は導出経路24によって系外に導出される。
 二酸化炭素消費反応部3とメタン生成反応部4との切り替えについて説明する。
 二酸化炭素消費反応工程およびメタン生成反応工程の後、二酸化炭素消費反応部3とメタン生成反応部4との間で、炭酸水素塩(KHCO)と炭酸塩(KCO)とを入れ替えることができる。
 例えば、二酸化炭素消費反応部3の炭酸水素塩(KHCO)を反応器ごとメタン生成反応部4に移動させる。メタン生成反応部4の炭酸塩(KCO)を反応器ごと二酸化炭素消費反応部3に移動させる。この手法により、二酸化炭素消費反応部3とメタン生成反応部4とを相互に切り替えることができる。
 二酸化炭素消費反応部3とメタン生成反応部4とを切り替えるには、炭酸水素塩(KHCO)を反応器から取り出してメタン生成反応部4に移動させるとともに、炭酸塩(KCO)を反応器から取り出して二酸化炭素消費反応部3に移動させてもよい。
 図1に示す形態では、複合反応部100の第1反応部101(図1における左部分)は二酸化炭素消費反応部3である。第2反応部102(図1における右部分)はメタン生成反応部4である。
 二酸化炭素消費反応部3とメタン生成反応部4とは、配置を入れ替えてもよい。すなわち、第1反応部101をメタン生成反応部4とし、かつ第2反応部102を二酸化炭素消費反応部3としてもよい。
 二酸化炭素消費反応部3とメタン生成反応部4とは、経路の変更により切り替えることもできる。
 原料供給経路2および返送経路15は、第1反応部101(二酸化炭素消費反応部3)に接続されている。水素供給経路13および導出経路11は、第2反応部102(メタン生成反応部4)に接続されている。
 第2原料供給経路2Aは、原料供給経路2から分岐し、第2反応部102に接続されている。原料供給経路2にはバルブV1が設けられている。第2原料供給経路2AにはバルブV2が設けられている。図1に示す形態では、バルブV1は開かれている。バルブV2は閉じられている。
 第2返送経路15Aは、返送経路15から分岐し、第2反応部102に接続されている。
 第2水素供給経路13Aは、水素供給経路13から分岐し、第1反応部101に接続されている。水素供給経路13にはバルブV3が設けられている。第2水素供給経路13AにはバルブV4が設けられている。図1に示す形態では、バルブV3は開かれている。バルブV4は閉じられている。
 第2導出経路11Aは、導出経路11から分岐し、第1反応部101に接続されている。
 二酸化炭素消費反応工程が終了したとき、第1反応部101(二酸化炭素消費反応部3)には、生成物である炭酸水素塩(KHCO)が保持されている。メタン生成反応工程が終了したとき、第2反応部102(メタン生成反応部4)には、炭酸塩(KCO)が保持されている。
 バルブV1を閉じ、バルブV2を開くと、水および二酸化炭素を、第2原料供給経路2Aによって第2反応部102に導くことができる。これにより、第2反応部102を二酸化炭素消費反応部とすることができる。未反応物流体F2は、第2返送経路15Aによって導出され、返送経路15によって原料供給経路2に導かれる。
 バルブV3を閉じ、バルブV4を開くと、水素(H)を、第2水素供給経路13Aによって第1反応部101に導くことができる。これにより、第1反応部101をメタン生成反応部とすることができる。反応物流体F3は、第2導出経路11Aによって導出され、導出経路11を通して分離器7に導かれる。
 前述とは逆のバルブ操作によって、第1反応部101を二酸化炭素消費反応部に戻すこともできる。第2反応部102をメタン生成反応部4に戻すこともできる。
 このようにして、二酸化炭素消費反応部とメタン生成反応部とを相互に切り替えることができる。
 メタン合成システム1は、二酸化炭素消費反応部3とメタン生成反応部4とが熱的に接続されているため、二酸化炭素消費反応部3で生じた熱をメタン生成反応部4で利用することができる。メタン合成システム1は、第1熱回収部5によって二酸化炭素消費反応部3の熱を回収する。流体F1を原料供給経路2によって二酸化炭素消費反応部3に導くことによって、回収した熱を二酸化炭素消費反応部3で利用することができる。よって、システム全体のエネルギー効率を向上させることができる。
 メタン合成システム1は、前述の手法により二酸化炭素消費反応部3とメタン生成反応部4とを相互に切り替えることができる。反応の進行に合わせて適切に切り替えを行うことによって、長時間にわたってメタン合成システム1を稼働させることができる。
 メタン合成システム1は、二酸化炭素消費反応部3とメタン生成反応部4との相互に切り替えによって、二酸化炭素消費反応部3とメタン生成反応部4と間で熱を有効に利用できる。
 メタン合成システム1は、二酸化炭素消費反応部3で得られた未反応物流体F2(未反応物ガス)を、原料供給経路2を通して二酸化炭素消費反応部3に返送する返送経路15を有するため、二酸化炭素消費反応部3における反応の効率を高めることができる。
 第1熱回収部5で用いられる熱媒体流体は、水を含む流体F1である。そのため、流体F1を原料として二酸化炭素消費反応部3に供給できる。したがって、二酸化炭素消費反応部3における反応熱を有効に利用できる。よって、エネルギー効率を向上させることができる。
 メタン合成システム1は、第2熱回収部8を備えるため、導出経路11を通して分離器7に導かれる反応物流体F3との熱交換によって、水回収経路12を流れる流体F1を加熱することができる。したがって、メタン生成反応部4の熱を有効に利用することができる。よって、エネルギー効率を向上させることができる。
 メタン合成システム1は、エジェクタ9を備えるため、例えば、ブロワのみを用いて二酸化炭素を原料供給経路2に導く場合と比較して、省エネルギー化が可能である。
 なお、本開示の技術的範囲は前記実施の形態に限定されず、本開示の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
 例えば、メタン合成システム1において、第1反応部101と第2反応部102を、二酸化炭素消費反応部とメタン生成反応部として交互に切り替え使用する場合、第1熱回収部5は、第1反応部101と第2反応部102の両方から熱を回収できるように構成されていることが望ましい。例えば、第1熱回収部5は、第1反応部101と第2反応部102の両方と熱的に接続されている構成を採用できる。この構成によれば、第1反応部101と第2反応部102のいずれが二酸化炭素消費反応部である場合でも、第1熱回収部5によって効率よく熱を回収することができる。
 1…メタン合成システム 2…原料供給経路(供給経路) 3…二酸化炭素消費反応部 4…メタン生成反応部 5…第1熱回収部 8…第2熱回収部 9…エジェクタ 15…返送経路 F1…流体

Claims (6)

  1.  二酸化炭素と水を供給する供給経路と、
     少なくとも前記二酸化炭素と前記水を用いて生成物を得る二酸化炭素消費反応部と、
     前記二酸化炭素消費反応部と熱的に接続され、被反応物と水素からメタンを生成させるメタン生成反応部と、
     前記二酸化炭素消費反応部との熱交換によって熱を回収する第1熱回収部と、を備える、
     メタン合成システム。
  2.  前記二酸化炭素消費反応部と前記メタン生成反応部とは相互に切り替えできる、
     請求項1に記載のメタン合成システム。
  3.  前記二酸化炭素消費反応部で得られた未反応物を前記二酸化炭素消費反応部に返送する返送経路を備える、
     請求項1または2に記載のメタン合成システム。
  4.  前記第1熱回収部は、前記二酸化炭素消費反応部との熱交換によって熱媒体流体を加熱し、
     前記熱媒体流体は、水を含む流体である、
     請求項1~3のうちいずれか1項に記載のメタン合成システム。
  5.  前記メタン生成反応部で得られたメタンを含む流体との熱交換によって前記熱媒体流体を加熱する第2熱回収部をさらに備える、
     請求項4記載のメタン合成システム。
  6.  前記供給経路に、前記水を駆動流体として前記二酸化炭素を吸引するエジェクタが設けられている、
     請求項1~5のうちいずれか1項に記載のメタン合成システム。
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