(57)【要約】【課題】天然ガスから二酸化炭素を容易に分離し得る二酸化炭素の処理方法を提供する。【解決手段】カソード９とアノード１０の間に溶融炭酸塩の電解質板１１を備える分離セル１２を備える分離装置２を用い、カソード９に流れ込んだ天然ガスの二酸化炭素は、【化１】２ＣＯ２＋２ｅ−→ＣＯ＋ＣＯ３２−の電気化学反応を行い、且つカソード９で生成した炭酸イオンは電解質板１１を介してアノード１０に移動し、アノード１０で二酸化炭素と酸素を生じて排出され、カソード９では天然ガスから二酸化炭素を分離して天然ガスをカソード排出ライン１６より排出する。【選択図】　　　　図２
2004099660.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードとアノードの間に溶融炭酸塩の電解質板を備える分離セルと、二酸化炭素を含む天然ガスを前記カソードに流すカソード供給ラインと、前記カソードに接続されたカソード排出ラインと、前記アノードに接続されたアノード排出ラインとを備える分離装置を用い、
前記カソード供給ラインからカソードに流れ込んだ天然ガスの二酸化炭素は、
【化１】
２ＣＯ２＋２ｅ−→ＣＯ＋ＣＯ３２−
の電気化学反応を行い、且つ前記カソードで生成した炭酸イオンは電解質板を介してアノードに移動し、前記アノードで二酸化炭素と酸素を生じてアノード排出ラインより排出され、
前記カソードでは天然ガスから二酸化炭素を分離して天然ガスをカソード排出ラインより排出することを特徴とする二酸化炭素の処理方法。
【請求項２】
カソードとアノードの間に配置される溶融炭酸塩の電解質板と、二酸化炭素を含む天然ガスを前記カソードに流すカソード供給ラインと、前記カソードに接続されたカソード排出ラインと、天然ガスの炭化水素類を前記アノードに流すアノード供給ラインと、前記アノードに接続されたアノード排出ラインとを備える燃料電池を用い、
前記カソード供給ラインからカソードに流れ込んだ天然ガスの二酸化炭素は、
【化２】
ＣＯ２＋２ｅ−→ＣＯ＋ＣＯ３２−
の電気化学反応を行い、且つ前記カソードで生成した炭酸イオンが電解質板を介してアノードに移動し、
前記アノードに移動した炭酸イオンは、アノード供給ラインより供給された炭化水素類と電気化学反応を行い、二酸化炭素と水を生じてアノード排出ラインより排出され、
前記カソードでは天然ガスから二酸化炭素を分離して天然ガスをカソード排出ラインより排出することを特徴とする二酸化炭素の処理方法。
【請求項３】
アノードに供給された炭化水素類はメタンであり、二酸化炭素に対して、
【化３】
４ＣＯ３２−＋ＣＨ４→５ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
の電気化学反応を行う請求項２記載の二酸化炭素の処理方法。
【請求項４】
アノードから排出された二酸化炭素を地中の油層に注入する請求項１、２又は３記載の二酸化炭素の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、天然ガスから二酸化炭素を分離する二酸化炭素の処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ガス田及び油田等の地中の油層から回収される天然ガス中には、メタン等の炭化水素類を主成分とすると共に高濃度の二酸化炭素を含有しているものがあり、このような天然ガスは、高濃度の二酸化炭素によりカロリーや品質が低いため、天然ガスから二酸化炭素を分離してカロリーや品質を向上させるよう、アミン法や膜分離法等が用いられている。
【０００３】
アミン法は、アミン吸収剤に二酸化炭素を化学反応で吸収させ、それを加熱等することにより二酸化炭素を分離、回収する方法であり、膜分離法は、高分子膜に対する気体の透過速度の違いを利用することにより、高分子膜に燃焼排ガスを通して二酸化炭素を分離、回収する方法である。又、下記のような方法もある（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−３３３４０号公報
【特許文献２】
特開平１１−１９１４２７号公報
【特許文献３】
特開平１１−２２３４７５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アミン法及び膜分離法は多大な動力や手間が掛かり、コストが上昇するという問題があった。
【０００６】
本発明は、天然ガスから二酸化炭素を容易に分離し得る二酸化炭素の処理方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１は、カソードとアノードの間に溶融炭酸塩の電解質板を備える分離セルと、二酸化炭素を含む天然ガスを前記カソードに流すカソード供給ラインと、前記カソードに接続されたカソード排出ラインと、前記アノードに接続されたアノード排出ラインとを備える分離装置を用い、
前記カソード供給ラインからカソードに流れ込んだ天然ガスの二酸化炭素は、
【化４】
２ＣＯ２＋２ｅ−→ＣＯ＋ＣＯ３２−
の電気化学反応を行い、且つ前記カソードで生成した炭酸イオンは電解質板を介してアノードに移動し、前記アノードで二酸化炭素と酸素を生じてアノード排出ラインより排出され、
前記カソードでは天然ガスから二酸化炭素を分離して天然ガスをカソード排出ラインより排出することを特徴とする二酸化炭素の処理方法に係るものである。
【０００８】
本発明の請求項２は、カソードとアノードの間に配置される溶融炭酸塩の電解質板と、二酸化炭素を含む天然ガスを前記カソードに流すカソード供給ラインと、前記カソードに接続されたカソード排出ラインと、天然ガスの炭化水素類を前記アノードに流すアノード供給ラインと、前記アノードに接続されたアノード排出ラインとを備える燃料電池を用い、
前記カソード供給ラインからカソードに流れ込んだ天然ガスの二酸化炭素は、
【化５】
ＣＯ２＋２ｅ−→ＣＯ＋ＣＯ３２−
の電気化学反応を行い、且つ前記カソードで生成した炭酸イオンが電解質板を介してアノードに移動し、
前記アノードに移動した炭酸イオンは、アノード供給ラインより供給された炭化水素類と電気化学反応を行い、二酸化炭素と水を生じてアノード排出ラインより排出され、
前記カソードでは天然ガスから二酸化炭素を分離して天然ガスをカソード排出ラインより排出することを特徴とする二酸化炭素の処理方法に係るものである。
【０００９】
本発明の請求項３は、アノードに供給された炭化水素類はメタンであり、二酸化炭素に対して、
【化６】
４ＣＯ３２−＋ＣＨ４→５ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
の電気化学反応を行う請求項２記載の二酸化炭素の処理方法に係るものである。
【００１０】
本発明の請求項４は、アノードから排出された二酸化炭素を地中の油層に注入する請求項１、２又は３記載の二酸化炭素の処理方法に係るものである。
【００１１】
このように、請求項１によれば、分離装置を用いて二酸化炭素を電気化学反応により回収又は変成するので、天然ガスから二酸化炭素を容易に分離し、結果的に天然ガスのカロリー及び品質を向上させる処理に対し、多大な動力や手間を不要にしてコストを低減することができる。
【００１２】
請求項２、請求項３によれば、燃料電池で炭化水素類を燃料として二酸化炭素を電気化学反応により回収又は変成するので、天然ガスから二酸化炭素を容易に分離し、結果的に天然ガスのカロリー及び品質を向上させる処理に対し、多大な動力や手間を不要にしてコストを低減することができる。又、天然ガスの炭化水素類を燃料電池の燃料にし得るので、燃料の供給を容易にして一層コストを低減することができる。更にアノードから排出される二酸化炭素を高濃度にするので、回収する二酸化炭素の利用を容易にすることができる。
【００１３】
請求項４によれば、アノードから排出された二酸化炭素を地中の油層に注入するので、天然ガスや石油を二次的に回収し、油層からの天然ガスや石油の全体回収量を向上させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。
【００１５】
図１、図２は本発明の二酸化炭素の処理方法を実施する形態の第一例を示したものである。
【００１６】
第一例の二酸化炭素の処理方法は、天然ガスや原油を地中の油層１から回収する設置場所に二酸化炭素の分離装置２を配置しており、分離装置２には、地中の油層１から回収された天然ガスやオフガスを受け入れる導入ライン３と、油層１に二酸化炭素を戻す二酸化炭素排出ライン４と、処理した天然ガスをコージェネレイション等の燃焼機関５へ排出する天然ガス排出ライン６とを備えている。なお図１中、７は精油所、８は原油等を輸送するタンカーを示している。
【００１７】
回収場所に設置された二酸化炭素の分離装置２は、多孔質体のカソード９とアノード１０の間に溶融炭酸塩の電解質板１１を備える分離セル１２と、カソード９及びアノード１０に電位を与えるよう直流電源１３を設けた回路１４とを備え、カソード９には、二酸化炭素を含む天然ガスを導入ライン３から受け入れるカソード供給ライン１５を接続すると共に、処理した天然ガスを天然ガス排出ライン６へ排出し得るカソード排出ライン１６を接続し、アノード１０には、二酸化炭素を二酸化炭素排出ライン４へ排出し得るアノード排出ライン１７を接続している。又、分離装置２には、電解質板１１の溶融炭酸塩が反応に使用し得るよう５００℃〜８００℃の高温域に加熱するヒータ（図示せず）を備えており、アノード排出ライン１７の下流には二酸化炭素等を回収する回収手段（図示せず）を備えている。
【００１８】
ここで、溶融炭酸塩の電解質板１１は、リチウムアルミネート（ＬｉＡｌＯ２）等により構成したマトリックスに、電解質である炭酸塩を含浸させたものを用いており、炭酸塩には、Ｌｉ２ＣＯ３、Ｋ２ＣＯ３、Ｎａ２ＣＯ３等のアルカリ金属の炭酸塩及びＭｇＣＯ３、ＣａＣＯ３等のアルカリ土類金属の炭酸塩を単独若しくは混合物で使用している。又、カソード９及びアノード１０には、高温で且つ酸化雰囲気に耐えられる導電性金属酸化物になるよう、夫々、酸化ニッケル、酸化鉄、あるいは、酸化銅及びその他金属酸化物が単独又は混合されたものにリチウムがドープされた多孔質体を用いている。
【００１９】
以下、本発明を実施する形態の第一例の作用を説明する。
【００２０】
二酸化炭素を含む天然ガスを処理する際には、分離装置２を５００℃〜８００℃の高温に維持し、天然ガスをカソード供給ライン１５から分離装置２のカソード９に流し込んで処理する。カソード９では、天然ガスの二酸化炭素が、
【化７】
２ＣＯ２＋２ｅ−→ＣＯ＋ＣＯ３２−
の電気化学反応を行って炭酸イオンを生じており、炭酸イオンは電解質板１１を介してアノード１０に移動し、且つ二酸化炭素が分離された天然ガスはカソード排出ライン１６より排出されて天然ガス排出ライン６に送られる。ここで、カソード９のカソード排出ライン１６には、低濃度の二酸化炭素と共に、他の反応に関係しない窒素等を排出しており、カソード９で生じた一酸化炭素は酸素と反応して二酸化炭素になっている。
【００２１】
一方、アノード１０では、炭酸イオンが、
【化８】
ＣＯ３２−→ＣＯ２＋１／２Ｏ２＋２ｅ−
の反応により高濃度の二酸化炭素と酸素を生じ、アノード排出ライン１７より排出される。ここで、アノード排出ライン１７に排出された二酸化炭素は、酸素を除去した後、回収手段（図示せず）により回収される。
【００２２】
このように、第一例の二酸化炭素の処理方法によれば、分離装置２を用いて天然ガス中の二酸化炭素を電気化学反応により回収又は変成するので、天然ガスから二酸化炭素を容易に分離し、結果的に天然ガスのカロリー及び品質を向上させる処理に対し、多大な動力や手間を不要にしてコストを低減することができる。
【００２３】
天然ガスや石油の回収量が低減した枯渇状態の地中の油層１等に対して、アノード１０から排出された二酸化炭素を、分離装置２のアノード排出ライン１７から二酸化炭素排出ライン４を介して地中の油層１に注入するので、ＥＯＲ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ　Ｏｉｌ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ）として二次的に天然ガスや石油を回収し、地中の油層１からの天然ガスや石油の全体回収量を向上させることができる。
【００２４】
図３、図４は本発明の二酸化炭素の処理方法を実施する形態の第二例を示したものであり、図１、図２と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。
【００２５】
第二例の二酸化炭素の処理方法は、天然ガスや原油を地中の油層１から回収する設置場所に第一例の分離装置２の代わりに燃料電池１８を配置している。
【００２６】
回収場所に設置された燃料電池１８は、多孔質体のカソード１９とアノード２０の間に配置される第一例と略同様な溶融炭酸塩の電解質板２１と、カソード１９及びアノード２０に接続して負荷体２２へ電荷を供給し得る回路２３とを備え、カソード１９には、二酸化炭素を含む天然ガスを受け入れるカソード供給ライン２４を接続すると共に、処理した天然ガスを天然ガス排出ライン６へ排出し得るカソード排出ライン２５を接続し、アノード２０には、天然ガス中の炭化水素類を受け入れるアノード供給ライン２６を接続すると共に、二酸化炭素を二酸化炭素排出ライン４へ排出し得るアノード排出ライン２７を接続している。又、燃料電池１８には、電解質板２１の溶融炭酸塩が反応に使用し得るよう５００℃〜８００℃の高温域に加熱するヒータ（図示せず）を備えており、アノード排出ライン２７の下流には二酸化炭素等を回収する回収手段（図示せず）を備えている。ここで、カソード１９に送る天然ガスと、アノード２０に送る炭化水素類のメタンは、導入ライン３の中途位置で分離処理することにより、天然ガス及びメタンとして別々に送給されてもよいし、両方とも分離処理することなく天然ガスの状態で送給されてもよい。
【００２７】
以下、本発明を実施する形態の第二例の作用を説明する。
【００２８】
二酸化炭素を含む排気ガス等の天然ガスを処理する際には、燃料電池１８を５００℃〜８００℃の高温に維持し、天然ガスをカソード供給ライン２４から燃料電池１８のカソード１９に流し込んで処理する。カソード１９では、第一例と略同様に、天然ガスの二酸化炭素が、
【化９】
２ＣＯ２＋２ｅ−→ＣＯ＋ＣＯ３２−
の電気化学反応を行って炭酸イオンを生じており、炭酸イオンは電解質板２１を介してアノード２０に移動し、且つ二酸化炭素が分離された天然ガスはカソード排出ライン２５より排出されて天然ガス排出ライン６に送られる。ここで、カソード１９のカソード排出ライン２５には、低濃度の二酸化炭素と共に、他の反応に関係しない窒素等を排出しており、カソード１９で生じた一酸化炭素は酸素と反応して二酸化炭素になっている。
【００２９】
一方、アノード２０では、炭酸イオンが、アノード供給ライン２６より供給された炭化水素類のメタンに対して
【化１０】
４ＣＯ３２−＋ＣＨ４→５ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
の電気化学反応を行って二酸化炭素と水を生じ、アノード排出ライン２７より排出される。ここで、アノード排出ライン２７に排出された二酸化炭素は、水を除去した後、回収手段（図示せず）により回収される。
【００３０】
このように、第二例の二酸化炭素の処理方法によれば、燃料電池１８で炭化水素類（主にメタン）を燃料として二酸化炭素を電気化学反応により回収又は変成するので、天然ガスから二酸化炭素を容易に分離し、結果的に天然ガスのカロリー及び品質を向上させる処理に対し、多大な動力や手間を不要にしてコストを低減することができる。又、天然ガスの炭化水素類を燃料電池１８の燃料にし得るので、燃料の供給を容易にして一層コストを低減することができる。更にアノード２０から排出される二酸化炭素を高濃度にするので、回収する二酸化炭素の利用を容易にすることができる。
【００３１】
又、第一例と略同様に、天然ガスや石油の回収量が低減した枯渇状態の地中の油層１等に対して、アノード２０から排出された二酸化炭素を、燃料電池１８のアノード排出ライン２７から二酸化炭素排出ライン４を介して油層１に注入するので、ＥＯＲ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ　Ｏｉｌ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ）として二次的に天然ガスや石油を回収し、油層１からの天然ガスや石油の全体回収量を向上させることができる。
【００３２】
なお、本発明の二酸化炭素の処理方法は、上述の実施の形態例に限定されるものではなく、炭化水素類はメタンに限定されるものではなくエタン、プロパン、ブタン等でもよいこと、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の二酸化炭素の処理方法によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。
【００３４】
Ｉ）請求項１によれば、分離装置を用いて二酸化炭素を電気化学反応により回収又は変成するので、天然ガスから二酸化炭素を容易に分離し、結果的に天然ガスのカロリー及び品質を向上させる処理に対し、多大な動力や手間を不要にしてコストを低減することができる。
【００３５】
ＩＩ）請求項２、請求項３によれば、燃料電池で炭化水素類を燃料として二酸化炭素を電気化学反応により回収又は変成するので、天然ガスから二酸化炭素を容易に分離し、結果的に天然ガスのカロリー及び品質を向上させる処理に対し、多大な動力や手間を不要にしてコストを低減することができる。又、天然ガスの炭化水素類を燃料電池の燃料にし得るので、燃料の供給を容易にして一層コストを低減することができる。更にアノードから排出される二酸化炭素を高濃度にするので、回収する二酸化炭素の利用を容易にすることができる。
【００３６】
ＩＩＩ）請求項４によれば、アノードから排出された二酸化炭素を地中の油層に注入するので、天然ガスや石油を二次的に回収し、油層からの天然ガスや石油の全体回収量を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の二酸化炭素の処理方法を実施する形態の第一例を示す概念図である。
【図２】
第一例における二酸化炭素の分離装置を示す概念図である。
【図３】
本発明の二酸化炭素の処理方法を実施する形態の第二例を示す概念図である。
【図４】
第二例における燃料電池を示す概念図である。
【符号の説明】
１　　油層
２　　分離装置
９　　カソード
１０　　アノード
１１　　電解質板
１２　　分離セル
１５　　カソード供給ライン
１６　　カソード排出ライン
１７　　アノード排出ライン
１８　　燃料電池
１９　　カソード
２０　　アノード
２１　　電解質板
２４　　カソード供給ライン
２５　　カソード排出ライン
２６　　アノード供給ライン
２７　　アノード排出ライン
【図１】
2004099660.tif 000003
【図２】
2004099660.tif 000004
【図３】
2004099660.tif 000005
【図４】
2004099660.tif 000006