(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒を充填した反応器を備え、メタンと二酸化炭素を含む混合ガスを原料としてその反応器で触媒反応させ、炭素と水を生成させることにより二酸化炭素を固定化する装置において、
前記原料ガスを前記反応器に供給する機構は原料ガスの組成比を調整する手段を備えておらず、
前記反応器の排出ガス出口には、その反応器から排出されるガスの一部を再びその反応器に戻す循環流路と、その反応器から排出されるガスの残部をその排出ガスのもつ総合エネルギーを取り出す機構としてのガス燃焼器及びガスタービンのうちの少なくとも１つに導く流通流路とが接続されていることを特徴とする複合型二酸化炭素固定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、触媒を充填した反応器を備え、メタンと二酸化炭素を含む混合ガスを原料としてその反応器で触媒反応させ、炭素と水を生成させることにより二酸化炭素を固定化する装置に関するものである。
この装置は化学工業や環境の分野においてメタンと二酸化炭素が発生する場合にも利用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
二酸化炭素の固定化方法の1つとして、メタンの存在化で二酸化炭素を触媒反応により還元して炭素を析出させる方法が知られている。メタンと二酸化炭素の触媒反応は次の反応により進行する。
ＣＨ4  →  Ｃ  ＋  ２Ｈ2                   （１）
ＣＯ2  ＋  ２Ｈ2  →  Ｃ  ＋  ２Ｈ2Ｏ      （２）
（１）式、（２）式の結果として次の（３）式が成立する。
ＣＨ4  ＋  ＣＯ2  →  ２Ｃ  ＋  ２Ｈ2Ｏ    （３）
【０００３】
（３）式から分かるように、メタンと二酸化炭素は等モルで反応するため、原料混合ガスのメタンと二酸化炭素のモル比が等モルでない場合は、等モルになるように不足成分を補給するか、又は過剰成分から生ずる物質を分離して系外に排出することにより、二酸化炭素を固定化する反応が等モルで進行するように調整を行なっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
原料となるメタンと二酸化炭素の混合ガス組成が等モルの状態でない場合、等モルに調整する操作は煩わしく、二酸化炭素の固定化反応を非能率的なものにしている。
そこで、本発明は反応ガスであるメタンと二酸化炭素が等モルでない場合でも等モルに調整する操作を不要にするとともに、原料混合ガスの有する総合エネルギーの有効利用を図ることを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、触媒を充填した反応器を備え、メタンと二酸化炭素を含む混合ガスを原料としてその反応器で触媒反応させ、炭素と水を生成させることにより二酸化炭素を固定化する装置であって、その反応器の排出ガス出口には、その反応器から排出されるガスの一部を再びその反応器に戻す循環流路と、その反応器から排出されるガスの残部をその排出ガスのもつ総合エネルギーを取り出す機構に導く流通流路とが接続されたものである。
【０００６】
炭素と水を生成させて二酸化炭素を固定するための反応器での反応は一般に転換率が低いが、循環流路を設けたことにより反応器から排出されたガスの一部がその循環流路を経由して反応器に戻されるので、二酸化炭素を固定する反応の転換率が向上する。
【０００７】
また、反応器から排出されたガスの残部は流通流路を経由して総合エネルギーを取り出す機構に導かれるので、反応ガスであるメタンと二酸化炭素が等モルでない場合でも組成を等モルに調整する操作を行なわずに、原料ガスのもの総合エネルギーを有効に利用することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
総合エネルギーを取り出す機構としてはガス燃焼器及びガスタービンのうちの少なくとも１つを備えている。
ガス燃焼器により反応器からのガスのエネルギーを熱の形で取り出すことができ、ガスタービンにより電力の形で取り出すことができる。
【０００９】
総合エネルギーを取り出す機構は、この複合型二酸化炭素固定装置とは別の構成として存在していてもよく、又はこの複合型二酸化炭素固定装置と一体化されていてもよい。一体化することにより、装置をコンパクトにまとめることができるようになる。
【００１０】
【実施例】
図1に一実施例を概略的に示す。
1は原料となる混合ガスを反応器３に供給する供給ポンプであり、供給される混合ガスには少なくともメタンと二酸化炭素が含まれる。供給される混合ガスは、化学工業プラントで発生するガスや、有機廃棄物を嫌気性発酵させて発生するガスなどである。有機廃棄物の嫌気性発酵から生じるメタンと二酸化炭素の混合ガスには窒素が僅かに含まれる。
【００１１】
供給ポンプ1により反応器３に供給される混合ガスを加熱するために供給ポンプ1と反応器３の間の流路に加熱器2が設けられている。加熱器2は特に限定されるものではないが、可燃性のメタンを含む原料混合ガスを加熱するものであるため、安全性の観点から、一例としては熱交換器を備えて加熱ガスにより加熱する方式の加熱器を使用する。加熱器2はその中を流通するガスを５００〜６００℃に加熱するように制御されている。
【００１２】
反応器3には触媒３ａが充填されている。触媒３ａは例えばシリカ（ＳｉＯ2）に担持されたニッケル触媒であり、触媒成分ニッケルの含有量が９０％のものである。触媒３ａは反応器の反応管にガラスウールなどの支持材により支持された固定床の状態のものでもよく、反応器3内で流動しうる流動槽の状態のものであってもよい。反応器３は加熱器２で加熱されたガスが反応器３でも５００〜６００℃を維持するように保温されている。
【００１３】
反応器３の出口流路は、反応器３からの排出ガスの一部を再び反応器３に戻す循環流路１０と、その排出ガスの残部を排出ガスのもつ総合エネルギーを取り出す機構に導く流通流路１２の２つの流路が接続されており、反応器３から出た排出ガスは一部が循環流路１０に入り、残りが流通流路１２に入る。
【００１４】
循環流路１０は供給ポンプ１と加熱器２の間の流路に接続され、その循環流路１０には循環ポンプ５が設けられている。反応器３から排出されるガスは、未反応ガス（ＣＨ4，ＣＯ2）と生成ガス（Ｈ2Ｏ，Ｈ2）及び中間生成ガス（ＣＯ）からなる。そのガスから水を系外に取り出すために、循環流路１０には反応器３と循環ポンプ５の間に凝縮器４が設けられている。
【００１５】
流通流路１２には、総合エネルギーを取り出す機構としてガス燃焼器６、水素分離器７及びガスタービン８が接続されている。ガス燃焼器６、水素分離器７及びガスタービン８のうちの２つ又は３つが接続されている場合に排出ガスが分割されてそれぞれに導かれるようになっていてもよく、切り替えていずれかの機構を使用できるようになっていてもよい。ガス燃焼器６により反応器３からのガスのエネルギーを熱の形で取り出すことができ、水素分離器７により水素を取り出すことができ、ガスタービン８により電力の形で取り出すことができる。
【００１６】
ガス燃焼器６、水素分離器７及びガスタービン８はそれぞれ汎用の独立した機構であってもよく、その場合は流通流路１２は反応器３の排出ガスをそれらの機構に導く流路配管となる。また、ガス燃焼器６、水素分離器７及びガスタービン８がこの反応装置とともに一体化された専用のものであってもよく、その場合は全体がコンパクトになるように設計することができる。
【００１７】
次に、この実施例の動作について説明する。
供給ポンプ１により供給された混合ガスは、加熱器２で５００〜６００℃に加熱されて反応器３に導かれる。反応器3内では上記の（３）式の反応が起こり、析出した炭素は反応器３内に留まる。（３）式で示された反応は、一般に転換率が２０〜３０％と低い。
【００１８】
反応器３から排出されたガスの一部は、循環流路１０を経由し、供給ポンプ１から供給された新たな反応ガスとともに加熱器２を経て反応器３に供給され、（３）式の反応に寄与する。
反応器３から排出されたガスの残部は、流通流路１２を経由してガス燃焼器６、水素分離器７又はガスタービン８に導かれ、それぞれのエネルギーとして取り出される。
【００１９】
有機廃棄物の嫌気性発酵により生ずる混合ガスを原料にする場合は、その混合ガスはメタン過剰である。メタンが過剰の場合は水素が発生する。従来は、原料の混合ガス中でのＣＨ4とＣＯ2が１対１でない場合には、外部から不足成分のガスを供給していたが、本発明では不足成分ガスの供給は行なわず、反応器３から排出されるガスの一部をガス燃焼器６、水素分離器７又はガスタービン８に導いて熱、水素又は電力の形で取り出す。
【００２０】
有機廃棄物の嫌気性発酵により生ずるガスにはわずかな窒素が含まれている。本発明では窒素が含まれていても（３）式の反応には障害とはならないので、濃縮して除去する必要はない。
実施例では反応器３に導かれる混合ガスを加熱器２で加熱するようにしているが、これに限ったものではなく、加熱器２をなくし、反応器３を電気炉で所定の温度に加熱するようにしてもよい。
本発明では、循環流路１０と流通流路１２の両方を備えているので、生成した水は徐々に流通流路１２から排出されていく。そのため、循環流路１０における凝縮器４を省略することもできる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明では、触媒を充填した反応器の排出ガス出口に、反応器から排出されるガスの一部を再び反応器に戻す循環流路と、反応器から排出されるガスの残部をその排出ガスのもつ総合エネルギーを取り出す機構に導く流通流路とが接続されているので、二酸化炭素を固定する反応の転換率が向上するとともに、反応ガスであるメタンと二酸化炭素が等モルでない場合でも不足成分を補給したりする組成比調整の操作を行なわずに、原料ガスのもの総合エネルギーを有効に利用することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１      供給ポンプ
２      加熱器
３      反応器
３ａ    触媒
４      凝縮器
５      循環ポンプ
６      ガス燃焼器
７      水素分離器
８      ガスタービン
１０      循環流路
１２      流通流路
【図１】
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