(57)【要約】【課題】第１に、炭層ガスの水素等への効率的燃料化が、コスト面にも優れつつ実現され、第２に、石炭液化用の水素もその場で提供可能で、石炭液化促進にも寄与可能な、炭層ガスの改質システムを提案する。【解決手段】この改質システムは、供給された炭層ガス１の改質反応器２を備えている。炭層ガス１は、水分を随伴した湿りガスよりなり、メタンを主成分とし、エタンやプロパンも僅かに含有している。改質反応器２は、高温加熱下において触媒７のもとで、炭層ガス１と水蒸気とを反応させて水蒸気改質し、生成された改質ガス８は、水素と一酸化炭素や二酸化炭素とを主成分とする。改質ガス８として得られた水素は、各種の燃料，エネルギー源として使用されると共に、例えば石炭液化に利用され、高分子構造の石炭から低分子化された液化炭化水素を得るために使用される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭層ガスの供給手段と、供給された該炭層ガスを改質する改質反応器と、を有しており、該炭層ガスは、水分を随伴した湿りガスよりなり、該改質は、高温加熱下において触媒のもとで行われること、を特徴とする、炭層ガスの改質システム。
【請求項２】
請求項１に記載した炭層ガスの改質システムにおいて、該炭層ガスは、メタンを主成分とし、該改質反応器による該改質は、該炭層ガスと水蒸気とを反応させて改質ガスに水蒸気改質することにより行われ、該改質ガスは、水素と一酸化炭素や二酸化炭素とを主成分とすること、を特徴とする、炭層ガスの改質システム。
【請求項３】
請求項２に記載した炭層ガスの改質システムにおいて、該改質反応器による該水蒸気改質に際し、実際上必要な水分量は、該メタン重量の１．４倍以上〜３．０倍以下であり、実際上必要な供給熱量は、該メタン１モル当たり１６５．１ｋＪ以上〜２０６．２ｋＪ以下であること、を特徴とする、炭層ガスの改質システム。
【請求項４】
請求項２に記載した炭層ガスの改質システムにおいて、該改質反応器で生成された該改質ガスの水素は、石炭液化に利用され、高分子構造の該石炭を低分子化した液化炭化水素とするために使用されること、を特徴とする、炭層ガスの改質システム。
【請求項５】
請求項２に記載した炭層ガスの改質システムにおいて、該炭層ガスは、該メタンを主成分とすると共に、エタンおよびプロパンも少量含有しており、該エタンおよびプロパンも、水素と一酸化炭素や二酸化炭素とを主成分とする該改質ガスに、水蒸気改質されること、を特徴とする、炭層ガスの改質システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭層ガスの改質システムに関する。すなわち、炭層ガスを水素等に改質する改質システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
《技術的背景》
炭層ガスは、メタンを主成分とする可燃性ガスであり、石炭の炭層中に含まれている。
すなわち石炭は、埋没，堆積した植物が化学再生反応した生成物であるが、炭層ガスは、このような石炭化反応過程で分離したガスである。そして炭層ガスは、その可燃性に鑑み、採炭作業の安全確保のため、炭層から抜き出されて地上へと誘導されている。
【０００３】
《従来技術》
このように、炭層から誘導された炭層ガスは、従来、そのまま大気放出されるか、又は、そのまま燃料等として利用されていた。
まず、炭層ガスをそのまま大気放出する従来例は、最もイージーであり、以前は主流をなしていたが、最近は地球温暖化の原因として、規制強化の状況にある。すなわち、炭層ガスの主成分であるメタンは、問題視されている二酸化炭素の２１倍の温室効果があるとされている。
これに対し、炭層ガスつまりメタンを、直接そのまま燃料等として利用する従来例は、このような弊害もなく実用化されており、例えば、家庭用ガス，ボイラー，ガスタービン，ガスエンジン等の燃料として使用され、更には、カーボンブラックやメタノールの製造用にも使用されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、このような従来例については、次の課題が指摘されていた。
《第１の課題について》
第１に、炭層ガスは、水分を随伴した湿りガスよりなり、ドレン抜き作業が必要であった。すなわち、石炭化反応過程での遊離水や採炭工程での注入水等により、炭層ガスは、多量の水分を随伴した湿りガスよりなり、例えば、そのまま直接燃料等として利用するこの種従来例では、ドレン抜きやメタン濃縮等の工程，設備を要していた。
そして更に、この種従来例については、炭層ガスのよりエネルギー効率の良い利用、より効率的な燃料化が望まれたいた。
【０００５】
《第２の課題について》
第２に、ところで石炭に関しては、石炭液化利用が１つのテーマとなっており、液化石炭は、発熱量が高く取扱いも容易な燃料として、注目を集めている。すなわち、水素添加により、高分子構造の石炭を低分子化した液化炭化水素とする、石炭液化の実用化が進展している。
そして、この種従来例では、石炭の液化現場（工場）に、別途生成，準備された水素をボンベ等で搬送して、石炭液化作業が行なわれていたが、もしも石炭液化現場、つまり代表的には炭鉱エリアにあることが多い石炭液化工場近くで、水素を直接生成，供給出来れば極めて効率的である、との要望が強かった。
【０００６】
《本発明について》
本発明の炭層ガスの改質システムは、このような実情に鑑み、上記従来例の課題を解決すべくなされたものである。
そして本発明は、第１に、炭層ガスの効率的燃料化が、コスト面にも優れつつ実現され、第２に、石炭液化促進にも寄与可能な、炭層ガスの改質システムを提案することを、目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
《請求項について》
このような課題を解決する本発明の技術的手段は、次のとおりである。まず、請求項１については次のとおり。請求項１の炭層ガスの改質システムは、炭層ガスの供給手段と、供給された該炭層ガスを改質する改質反応器と、を有している。そして該炭層ガスは、水分を随伴した湿りガスよりなり、該改質は、高温加熱下において触媒のもとで行われること、を特徴とする。
請求項２については次のとおり。請求項２の炭層ガスの改質システムは、請求項１において、該炭層ガスは、メタンを主成分とし、該改質反応器による該改質は、該炭層ガスと水蒸気とを反応させて改質ガスに水蒸気改質することにより行われ、該改質ガスは、水素と一酸化炭素や二酸化炭素とを主成分とすること、を特徴とする。
【０００８】
請求項３については次のとおり。請求項３の炭層ガスの改質システムは、請求項２において、該改質反応器における該水蒸気改質に際し、実際上必要な水分量は、該メタン重量の１．４倍以上〜３．０倍以下であり、実際上必要な供給熱量は、該メタン１モル当たり１６５．１ｋＪ以上〜２０６．２ｋＪ以下であること、を特徴とする。
請求項４については次のとおり。請求項４の炭層ガスの改質システムは、請求項２におおいて、該改質反応器で生成された該改質ガスの水素は、石炭液化に利用され、高分子構造の該石炭を低分子化した液化炭化水素とするために使用されること、を特徴とする。
請求項５については次のとおり。請求項５の炭層ガスの改質システムは、請求項２におおいて、該炭層ガスは、該メタンを主成分とすると共に、エタンおよびプロパンも少量含有しており、該エタンおよびプロパンも、水素と一酸化炭素や二酸化炭素とを主成分とする該改質ガスに、水蒸気改質されること、を特徴とする。
【０００９】
《作用等について》
本発明は、このような手段よりなるので、次のようになる。
（１）炭層から誘導された炭層ガスは、供給手段を介し改質反応器に供給される。
（２）炭層ガスは、水分を随伴した湿りガスよりなり、メタンを主成分とし、少量のエタンや微量のプロパンも含有している。改質反応器は、６５０℃以上例えば８００℃程度に維持されている。
（３）そこで炭層ガスは、改質反応器において、熱の作用と、内部充填された触媒の作用とに基づき、水蒸気と反応して改質される。
（４）すなわち、炭層ガスの主成分であるメタンは、水蒸気と反応して、水素，一酸化炭素，二酸化炭素等の改質ガスに、水蒸気改質させる。エタンやプロパンについても、同様である。
（５）改質，生成された水素等の改質ガスは、燃料，その他の用途に広く利用される。
（６）例えば水素は、石炭液化に利用され、高分子構造の石炭を低分子化した液体燃料とするために使用される。
（７）さてそこで、本発明の炭層ガスの改質システムは、次の第１，第２の効果を発揮する。
【発明の効果】
【００１０】
《第１の効果》
第１に、炭層ガスの効率的燃料化が、コスト面にも優れつつ実現される。すなわち、本発明の炭層ガスの改質システムでは、炭層ガスのメタン等を、随伴された水分を活用しつつ水蒸気改質し、もって生成された水素等の改質ガスを、燃料等として提供可能である。特に水素は、周知のごとく広く各種の燃料，エネルギー源として、極めて優れている。
そこで、前述したこの種従来例、つまり炭層ガスのメタンを直接そのまま燃料等として利用していた従来例に比し、より効率的な燃料化、エネルギー効率の良い利用が実現される。
更に、改質反応器等の構成も簡単容易であり、随伴水分も積極的に活用される等、設備コスト面やランニングコスト面にも優れている。又、前述したこの種従来例に比し、ドレン抜きや濃縮用の工程，設備も、大幅に削減，不要化される。
【００１１】
《第２の効果》
第２に、石炭液化促進にも、寄与可能である。すなわち、本発明の炭層ガスの改質システムでは、炭層ガスを水素等に水蒸気改質するので、得られた水素を石炭液化に即使用可能である。
周知のごとく、石炭を水素化分解して得られる液化石炭は、発熱量が高く取り扱いも容易な液体燃料として注目されているが、この石炭液化に必要な水素を、石炭液化現場（工場）で直接供給することも可能となる。
前述したこの種従来例のように、別途生成，準備された水素を石炭液化現場（工場）にボンベ等で搬送するようなことはなく、現場で炭層ガスを水蒸気改質することにより、現場で必要な水素を即供給可能となり、石炭液化が大幅に効率化され促進される。つまり、石炭液化現場（工場）は、炭鉱エリアにあることが多いが、同一地域の炭鉱エリア内で生成される炭層ガスそして水素を使用できれば、非常に効率的である。
このように、この種従来例に存した課題がすべて解決される等、本発明の発揮する効果は、顕著にして大なるものがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
《図面について》
以下、本発明の炭層ガスの改質システムを、図面に示した発明を実施するための最良の形態に基づいて、詳細に説明する。
図１は、本発明を実施するための最良の形態の説明に供し、構成フロー図である。
【００１３】
《炭層ガス１について》
本発明は、炭層ガス１の改質システムに関する。そこで、まず炭層ガス１について説明する。
石炭は、埋没，堆積植物を原料とした植物有機質が、化学再生反応した生成物であり、含酸素の炭化水素化合物である。炭層ガス１は、このような石炭化反応の程度に応じ、その過程（炭層生成過程）で分離したガスである。そこで炭層ガス１は、メタンを主成分とした可燃性ガスよりなり、石炭の炭層中に含まれている。例えば、石炭１トン当たり３０ｍ３程度含まれるとされており、場合によっては６０ｍ３以上湧出することもある。
そして炭層ガス１は、その可燃性に鑑み、採炭作業の安全確保のため、つまりガス爆発事故やガス突出事故防止のため、予め抜き出しておく必要があり、採炭前や採炭中にブロアー等で吸引され、坑道に沿い配設されたパイプ等を介し、地上へと誘導されている。
【００１４】
このように誘導された炭層ガス１は、多量の水蒸気，水滴，水等の水分を随伴した、湿りガスよりなる。すなわち、石炭化反応過程（炭層生成過程）で遊離される化石水や、採炭ボーリング工程での注入水や、雨水や地下水等の坑内水の浸透により、炭層ガス１は、多量の飽和水分を随伴した湿りガスよりなる。
誘導された炭層ガス１の（水分Ｈ２Ｏを除いた）乾きガスとしての成分は、次のとおりである。すなわち炭層ガス１は、メタンＣＨ４を主成分としており（例えば９５％程度）、更に、少量のエタンＣ２Ｈ６を含有し（例えば２％程度）、微量のプロパンＣ３Ｈ８を含有してなる（例えば０．５％程度）。なお、酸素Ｏ２，窒素Ｎ２，二酸化炭素ＣＯ２等も、含有している。
炭層ガス１は、このようになっている。
【００１５】
《改質反応器２等について》
次に、改質反応器２等について説明する。この炭層ガス１の改質システムは、炭層ガス１の供給手段３と、供給された炭層ガス１を改質する改質反応器２とを、備えている。
供給手段３は、前述したように地上に誘導されると共に、水分を随伴した湿りガスよりなる炭層ガス１を、一旦貯蔵するタンク４を備えている。そして、水分を随伴した炭層ガス１を、タンク４から管路５を介し、改質反応器２に供給する。
改質反応器２は、供給手段３のタンク４から、水分を随伴した炭層ガス１が供給されると共に、熱源６から熱量Ｈが導入され、熱通過経路が多数内部配設されており、もって内部が、６５０℃以上例えば８００℃程度に高温加熱されている。
【００１６】
そこで改質反応器２内では、改質対象であるメタンを主成分とした炭層ガス１が、このような高温加熱下での熱の作用と、内部充填された触媒７の作用とに基づき、水蒸気をガス化剤として反応して、水素，一酸化炭素，二酸化炭素を主成分とする改質ガス８に、水蒸気改質される。
このように炭層ガス１と反応する水蒸気としては、炭層ガス１に随伴していた分が使用されるが、不足する場合は適宜補充される。
又、反応促進用の改質触媒７としては、ニッケル系のものが代表的に使用され、例えば、ニッケル担持アルミナ粒状触媒（粒度６０〜８０ｍｅｓｈ）が使用されるが、その他、シリカ系，ロジウム系、ゼオライト系のものも使用可能である。触媒７は、例えば粒子固定反応層として、改質反応器２内に充填される。
そして、生成された改質ガス８は、管路５を介しタンク９へと搬出され貯蔵された後、使用に供される。
改質反応器２等は、このようになっている。
【００１７】
《メタンの水蒸気改質反応》
次に、メタンの水蒸気改質反応について、説明する。改質反応器２内では、まず、次の化１，化２の化学反応式により、炭層ガス１の主成分であるメタンＣＨ４が水蒸気改質される。
【化１】
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【化２】
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【００１８】
化１の反応式において、メタンＣＨ４は、水蒸気Ｈ２Ｏと反応して、一酸化炭素ＣＯと水素Ｈ２に水蒸気改質される。すなわち、メタンガスＣＨ４と水蒸気Ｈ２Ｏの系は、高温付与により系のエンタルピーが上がり、吸熱反応のより一酸化炭素ＣＯと水素Ｈ２の混合ガスが、改質ガス８として生成されるが、生成水素Ｈ２量（水素Ｈ２収率）は最小である。
これに対し化２の反応式では、メタンＣＨ４は、水蒸気Ｈ２Ｏと反応して、二酸化炭素ＣＯ２と水素Ｈ２に水蒸気改質される。これは、化１の反応式より多量の水蒸気Ｈ２Ｏが作用すると共に、化１の反応式の一酸化炭素ＣＯも完全に改質された場合であり、吸熱反応により二酸化炭素ＣＯ２と水素Ｈ２の混合ガスが、改質ガス８として生成され、生成水素Ｈ２量（水素Ｈ２収率）は最大となる。
すなわち、この化２の反応式では、化１の反応式で生成された一酸化炭素ＣＯが、発熱反応である次の化３のシフト反応により、水蒸気Ｈ２Ｏと反応して、二酸化炭素ＣＯ２と水素Ｈ２に改質，変換される。化２の反応式は、化１の反応式に化３の反応式を加えたものである。
【化３】
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【００１９】
《メタンの水蒸気改質の進行等について》
次に、このようなメタンの水蒸気改質の進行等について説明する。上述により、シフト反応が０％の場合は化１の反応式により、シフト反応が１００％の場合は化２の反応式により、メタンの水蒸気改質が進行する。
しかしこれは、理論上，リミット上であり、実際上は、一酸化炭素濃度を低減する化３のシフト反応の発生程度等に従い、化１と化２の中間の反応式により、水蒸気改質が進行する可能性が高く、この場合は、一酸化炭素と二酸化炭素と水素の混合ガスが、改質ガス８として生成される。
すなわち、熱の供給が十分で、メタンが一酸化炭素と二酸化炭素と水素の３ガスの改質ガス８に完全分解されれば、水素のモル分率は、最低の化１の反応式の状態から、最高の化２の反応式の状態まで推移する。従って、生成された改質ガス８中の水素比（ｖｏｌ．％）は、７５％〜８０％（３／４〜４／５）であり、水素が改質ガス８の主成分となっている。
【００２０】
このような水蒸気改質に際し、必要な水蒸気量については、次のとおり。すなわち、メタン１モル（１６ｇ）に対し、理論上必要な水蒸気量は、化１と化２の反応式により１〜２モル（１８ｇ〜３６ｇ）であり、メタン重量の１．１倍〜２．３倍である。
このような理論上の必要量に対し、実際上の必要量は通常その１．３倍とされている。そこで、実際上必要な水蒸気量は、メタン重量の１．４倍〜３．０倍となる。このような水蒸気としては、前述したように、炭層ガス１に随伴されていた分が使用され、不足した場合は適宜補充される。
又、このような水蒸気改質に際し、必要な熱量Ｈについては、次のとおり。すなわち、メタン１モル（１６ｇ）当たり理論上必要な供給熱量Ｈは、化１，化２，化３の反応式により、最高２０６．２ｋＪ（約５０ｋｃａｌ、メタン１ｇ当たり約３ｋｃａｌ）であるが、遂次シフト反応の発熱分４１．１ｋＪが加わるので、最低１６５．１ｋＪ（約４０ｋｃａｌ、メタン１ｇ当たり約２．５ｋｃａｌ）である。外系である熱源６からは、これに対応した熱量Ｈが、改質反応器２に供給される。
メタンの水蒸気改質は、このように行われる。
【００２１】
《エタンやプロパンの水蒸気改質反応について》
改質対象である炭層ガス１は、メタンを主成分としており、その水蒸気改質反応については、上述したとおりである。ところで炭層ガス１は、更に少量のエタンや微量のプロパンも含有しているが、その水蒸気改質反応については、次のとおり。
改質反応器２内では、次の化４，化５の反応式により、炭層ガス１中のエタンが水蒸気改質される。又、次の化６，化７の反応式により、炭層ガス１中のプロパンが水蒸気改質される。
【化４】
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【化５】
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【化６】
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【化７】
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【００２２】
エタンＣ２Ｈ６は、化４の反応式（シフト反応が０％の場合）や、化５の反応式（シフト反応が１００％の場合）に基づき、一酸化炭素ＣＯや二酸化炭素ＣＯ２と水素Ｈ２とに水蒸気改質され、改質ガス８が生成される。
プロパンＣ３Ｈ８は、化６の反応式（シフト反応が０％の場合）や、化７の反応式（シフト反応が１００％の場合）に基づき、一酸化炭素ＣＯや二酸化炭素ＣＯ２と水素Ｈ２とに水蒸気改質され、改質ガス８が生成される。
すなわち、エタンＣ２Ｈ６やプロパンＣ３Ｈ８も、メタンＣＨ４について前述したところに準じ、一酸化炭素ＣＯ，二酸化炭素ＣＯ２，水素Ｈ２を主成分とする混合ガスが、改質ガス８として生成される。その他、エタンＣ２Ｈ６やプロパンＣ３Ｈ８の水蒸気改質については、メタンＣＨ４について前述したところに準じるので、その説明は省略する。
エタンやプロパンの水蒸気改質は、このように行われる。
【００２３】
《作用等》
本発明の炭層ガス１の改質システムは、以上説明したように構成されている。そこで、以下のようになる。
（１）炭層ガス１は、炭層から抜き出されて誘導され、供給手段３の貯蔵タンク４を経由して、改質反応器２に供給される。
【００２４】
（２）この炭層ガス１は、水分Ｈ２Ｏを随伴した湿りガスよりなり、メタンＣＨ４を主成分とし、少量のエタンＣ２Ｈ６や微量のプロパンＣ３Ｈ８も含有している。
改質反応器２には、熱源６から熱量Ｈが導入され、内部が６５０℃以上例えば８００℃程度に維持されている。
【００２５】
（３）そこで、供給された炭層ガス１は、この改質反応器２内において、熱の作用と、内部充填された触媒７の作用とに基づき、水蒸気Ｈ２Ｏと反応して改質される。
【００２６】
（４）すなわち、炭層ガス１の主成分であるメタンＣＨ４は、前述した化１，化２，化３の反応式により、水蒸気Ｈ２Ｏと反応して、水素Ｈ２，一酸化炭素ＣＯ，二酸化炭素ＣＯ２等の改質ガス８に、水蒸気改質される。
エタンＣ２Ｈ６やプロパンＣ３Ｈ８も、前述した化４，化５，化６，化７等の反応式に基づき、メタンＣＨ４に準じて水蒸気改質される。
【００２７】
（５）このように改質，生成された改質ガス８は、タンク９へと供給された後、燃料，エネルギー源として提供，使用される。特に、改質ガス８の主成分である水素Ｈ２は、広く各種用途に活用される。
【００２８】
（６）例えば、このように生成された水素Ｈ２は、石炭液化に使用される。すなわち例えば、微粉状石炭に油が添加されたスラリーに、高温，高圧下で添加され、もって高分子構造の石炭を、低分子化した液体燃料とするために使用される。
石炭は、多核芳香環（クラスターユニット）を、短い鎖状炭化水素で繋いだ高分子構造よりなるが、このような高分子構造を水素Ｈ原子添加により切断，分解して、低分子化された液体炭化水素とするために使用される。
【００２９】
（７）さて、この炭層ガス１の改質システムでは、以上説明したように、炭層ガス１のメタンＣＨ４等を、随伴された水分Ｈ２Ｏを活用しつつ水蒸気改質し、もって、生成された水素Ｈ２や一酸化炭素ＣＯ等の改質ガス８を、燃料等として提供可能である。
つまり、炭層ガス１のメタンＣＨ４を、直接そのまま燃料等として使用するよりも、遥かに優れたエネルギー源を提供可能となる。
【００３０】
（８）更に、この改質システムを採用すると、改質ガス８として得られた水素Ｈ２を、その場で、石炭液化に使用可能である。
すなわち、炭層から抜き出されて地上に誘導された炭層ガス１を、水蒸気改質することにより、石炭液化の現場で、必要とされる水素Ｈ２を即供給可能となる。つまり、同一炭鉱エリア内に立地することが多い石炭液化工場に対し、水素Ｈ２を直接供給可能となる。
【００３１】
（９）又、この改質システムでは、炭層ガス１が、多量の水分Ｈ２Ｏを随伴した湿りガスよりなることに着目し、その水分Ｈ２Ｏを水蒸気改質に、積極活用する。更にこの改質システムは、改質反応器２を中心に、熱源６，タンク４，９等の設備構成よりなり、構成が簡単容易である。
このように、この改質システムは、ランニングコストや設備コスト面にも優れている。
【００３２】
（１０）更に、この改質システムでは、炭層ガス１のメタンＣＨ４が、大気放出されることなく、水蒸気改質されてしまう。もって、地球温暖化防止にも寄与することになる。
【実施例】
【００３３】
炭層ガス１の１例について、構成成分の計測データは次のとおり。このデータは、水分Ｈ２Ｏを除く乾きガスに関し、サンプルの相加平均である。
・メタンＣＨ４      ：９４．４％
・エタンＣ２Ｈ６ 
：１．７％
・プロパンＣ３Ｈ８ 
：０．３％
・酸素Ｏ２          ：０．３％
・窒素Ｎ２          ：３．１％
・二酸化炭素ＣＯ２  ：０．３％
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る炭層ガスの改質システムについて、発明を実施するための最良の形態の説明に供し、構成フロー図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  炭層ガス
２  改質反応器
３  供給手段
４  タンク
５  管路
６  熱源
７  触媒
８  改質ガス
９  タンク
Ｈ  熱量
【図１】
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