(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素および二酸化炭素を液相から気相への相変換を利用して水素化反応器に供給し水素化反応させて合成炭化水素ガスを製造する気化利用炭化水素製造システムに復水タービン発電設備を併設した発電設備併設気化利用炭化水素製造システムであって、
前記気化利用炭化水素製造システムは、液化水素を第１質量流量で供給する液化水素供給装置と、
液化二酸化炭素を第２質量流量で供給する液化二酸化炭素供給装置であって、前記第１質量流量に含まれる水素分子のモル数と前記第２質量流量に含まれる二酸化炭素分子のモル数との比が前記水素化反応する前記水素のモル数と前記二酸化炭素のモル数との比となるように前記液化二酸化炭素を供給する液化二酸化炭素供給装置と、
前記液化水素供給装置から供給される前記液化水素を水素ガスに気化させる第１気化器と、
前記液化二酸化炭素供給装置から供給される前記液化二酸化炭素を二酸化炭素ガスに気化させる第２気化器と、
前記第１気化器および前記第２気化器に連通され前記水素ガスと前記二酸化炭素ガスとを所定質量流量の混合ガスとして前記水素化反応に適した所定圧力、所定温度で流動させ、内部に充填された水素化反応触媒下で水素化反応させて前記合成炭化水素ガスと水蒸気を含む反応ガスにして流出させるように構成された反応管、および前記復水タービン発電設備から凝縮水が供給され前記水素化反応で生じる反応熱を前記凝縮水に熱移動して前記反応管内部を前記水素化触媒が活性を示す前記所定温度に維持し、前記凝縮水を高温水にして送出する冷却部を備える水素化反応器と、
前記復水タービン発電設備から流出する高温冷却水の一部が流動する高温側から不凍熱媒体が流動する低温側に熱移動する熱交換器であって、前記第１質量流量の前記液化水素を前記所定圧力で第１温度の前記水素ガスに気化させるために必要な第１単位時間当たり熱量と前記第２質量流量の前記液化二酸化炭素を前記所定圧力で第２温度の前記二酸化炭素ガスに気化させるために必要な第２単位時間当たり熱量とを加算した気化用単位時間当たり熱量を前記高温冷却水の一部から前記不凍熱媒体に熱移動する熱交換器と、
前記熱交換器の低温側と前記第１気化器との間で前記不凍熱媒体を循環させ前記第１単位時間当たり熱量を前記第１気化器に供給する第１熱量供給循環回路、および前記熱交換器の低温側と前記第２気化器との間で前記不凍熱媒体を循環させ前記第２単位時間当たり熱量を前記第２気化器に供給する第２熱量供給循環回路を備える気化用熱移送装置と、
前記反応管から供給された前記反応ガスを前記合成炭化水素ガスと水に分離するガス水分離装置と、を備え、
前記復水タービン発電設備は、蒸気タービンによって駆動される発電機と、
前記ガス水分離装置から供給された前記合成炭化水素ガスの少なくとも一部を燃焼させ、前記水素化反応器の前記冷却部から供給された前記高温水を加熱し高圧蒸気にして前記蒸気タービンに供給するボイラーと、
前記蒸気タービンから排出された低圧蒸気を冷却水供給装置から供給される冷却水によって前記凝縮水に凝縮させ、前記冷却水を前記高温冷却水に加熱して流出させる復水器と、を備える、
発電設備併設気化利用炭化水素製造システム。
【請求項２】
水素および二酸化炭素の一方を液相から気相への相変換を利用して水素化反応器に供給し、他方を気相でコンプレッサによって前記水素化反応器に供給し、水素化反応させて合成炭化水素ガスを製造する気化利用炭化水素製造システムに復水タービン発電設備を併設した発電設備併設気化利用炭化水素製造システムであって、
前記気化利用炭化水素製造システムは、前記水素および前記二酸化炭素の一方を液相で、第３質量流量で供給する液化原料供給装置と、
前記水素および前記二酸化炭素の他方を気相で、所定圧力、第４質量流量で供給する他方原料ガス供給装置であって、前記第３質量流量の液化原料および前記第４質量流量の他方原料ガスに含まれる水素のモル数と二酸化炭素のモル数との比が前記水素化反応する前記水素のモル数と前記二酸化炭素のモル数との比となるように前記他方原料ガスを供給する他方原料ガス供給装置と、
前記液化原料供給装置から供給される前記液化原料を一方原料ガスに気化させる第３気化器と、
前記第３気化器および前記他方原料ガス供給装置に連通され前記一方原料ガスと前記他方原料ガスとを所定質量流量の混合ガスとして前記水素化反応に適した前記所定圧力、所定温度で流動させ、内部に充填された水素化触媒下で水素化反応させて前記合成炭化水素ガスと水蒸気を含む反応ガスにして流出させるように構成された反応管、および前記復水タービン発電設備から凝縮水が供給され前記水素化反応で生じる反応熱を前記凝縮水に熱移動して前記反応管内部を前記水素化触媒が活性を示す前記所定温度に維持し、前記凝縮水を高温水にして送出する冷却部を備える水素化反応器と、
前記復水タービン発電設備から流出する高温冷却水の一部が流動する高温側から不凍熱媒体が流動する低温側に熱移動する熱交換器であって、前記第３質量流量の前記液化原料を前記所定圧力で第３温度の前記一方原料ガスに気化させるために必要な第３単位時間当たり熱量を前記高温冷却水の一部から前記不凍熱媒体に熱移動する熱交換器と、
前記熱交換器の低温側と前記第３気化器との間で前記不凍熱媒体を循環させ前記第３単位時間当たり熱量を前記第３気化器に供給する気化用熱移送装置と、
前記反応管から供給された前記反応ガスを前記合成炭化水素ガスと水に分離するガス水分離装置と、を備え、
前記復水タービン発電設備は、蒸気タービンによって駆動される発電機と、
前記ガス水分離装置から供給された前記合成炭化水素ガスの少なくとも一部を燃焼させ、前記水素化反応器の前記冷却部から供給された前記高温水を加熱し高圧蒸気にして前記蒸気タービンに供給するボイラーと、
前記蒸気タービンから排出された低圧蒸気を冷却水供給装置から供給される冷却水によって前記凝縮水に凝縮させ、前記冷却水を前記高温冷却水に加熱して流出させる復水器と、を備える、
発電設備併設気化利用炭化水素製造システム。
【請求項３】
前記気化利用炭化水素製造システムの始動に必要な熱量を前記熱交換器の前記高温側に供給するスタートアップ用熱供給装置を備えた請求項１または２に記載の発電設備併設気化利用炭化水素製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素ガスと二酸化炭素ガスを水素化反応させて合成炭化水素ガスを製造する炭化水素製造システムに復水タービン発電設備を併設したシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化問題は深刻度を増しており、多量の二酸化炭素を排出する化石燃料を使用する火力発電等を制限する動きもある。しかし、火力発電等の化石燃料を使用する設備は稼働コストが安価であり、大気に放出される二酸化炭素の排出量を環境に悪影響を与えない程度に減少できれば有力な電力供給設備等になり得る。したがって、化石燃料の燃焼によって排出される二酸化炭素を回収し、ＣＯ２フリーな水素と反応させて合成メタンガス等の合成炭化水素ガスを安価に低エネルギーで製造する炭化水素製造装置の開発が望まれている。
特許文献１には、原料ガスの水素ガスと二酸化炭素ガスを触媒が充填された反応器にコンプレッサで供給し、メタン化反応させてメタンを合成するメタン合成装置が記載されている。
特許文献２には、蓄熱装置に蓄熱した熱で水蒸気を生成し、前記水蒸気で復水タービン発電機を駆動して発電し、発電された電力で水を電気分解して水素を製造し、化石燃料を前記復水タービンから抽出された水蒸気で水蒸気改質して反応ガスを生成し、前記反応ガスに前記水素を加えて合成炭化水素ガスを製造する装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２４１１８２号公報
【特許文献２】特開昭５５−５４３９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されたメタン合成装置は、原料ガスの水素ガスと二酸化炭素ガスをコンプレッサによって高圧にしなければならないので、原料ガスの加圧に多大なエネルギーを消費する不具合がある。
特許文献２には、復水タービン発電装置が併設された合成炭化水素製造装置が記載されているが、水素ガスと二酸化炭素ガスとを水素化反応させて合成炭化水素ガスを製造するとともに、水素化反応で生じる反応熱および前記合成炭化水素ガスの燃焼熱で高圧蒸気を生成し、前記高圧蒸気で復水タービン発電機を駆動して発電する技術は開示されていない。また、水素ガスをブロアーで成分調整炉に供給しているので水素ガスの加圧動力が大きくなる。
【０００５】
本発明は、水素と二酸化炭素の少なくとも一方を液相から気相への相変換を利用して水素化反応器の反応管に供給し、反応管で水素ガスと二酸化炭素ガスを水素化反応させて合成炭化水素ガスを生成するとともに、反応管を冷却して水素化反応熱で加熱された高温水がボイラーで合成炭化ガスの燃焼によって加熱生成された高圧蒸気で復水タービン発電機を駆動して発電することにより、低炭素由来の電力で稼働可能で、合成炭化水素ガスを低エネルギーかつ低コストで製造可能な発電設備併設気化利用炭化水素製造システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
水素および二酸化炭素を液相から気相への相変換を利用して水素化反応器に供給し水素化反応させて合成炭化水素ガスを製造する気化利用炭化水素製造システムに復水タービン発電設備を併設した発電設備併設気化利用炭化水素製造システムであって、  前記気化利用炭化水素製造システムは、液化水素を第１質量流量で供給する液化水素供給装置と、液化二酸化炭素を第２質量流量で供給する液化二酸化炭素供給装置であって、前記第１質量流量に含まれる水素分子のモル数と前記第２質量流量に含まれる二酸化炭素分子のモル数との比が前記水素化反応する前記水素のモル数と前記二酸化炭素のモル数との比となるように前記液化二酸化炭素を供給する液化二酸化炭素供給装置と、前記液化水素供給装置から供給される前記液化水素を水素ガスに気化させる第１気化器と、前記液化二酸化炭素供給装置から供給される前記液化二酸化炭素を二酸化炭素ガスに気化させる第２気化器と、前記第１気化器および前記第２気化器に連通され前記水素ガスと前記二酸化炭素ガスとを所定質量流量の混合ガスとして前記水素化反応に適した所定圧力、所定温度で流動させ、内部に充填された水素化反応触媒下で水素化反応させて前記合成炭化水素ガスと水蒸気を含む反応ガスにして流出させるように構成された反応管、および前記復水タービン発電設備から凝縮水が供給され前記水素化反応で生じる反応熱を前記凝縮水に熱移動して前記反応管内部を前記水素化触媒が活性を示す前記所定温度に維持し、前記凝縮水を高温水にして送出する冷却部を備える水素化反応器と、前記復水タービン発電設備から流出する高温冷却水の一部が流動する高温側から不凍熱媒体が流動する低温側に熱移動する熱交換器であって、前記第１質量流量の前記液化水素を前記所定圧力で第１温度の前記水素ガスに気化させるために必要な第１単位時間当たり熱量と前記第２質量流量の前記液化二酸化炭素を前記所定圧力で第２温度の前記二酸化炭素ガスに気化させるために必要な第２単位時間当たり熱量とを加算した気化用単位時間当たり熱量を前記高温冷却水の一部から前記不凍熱媒体に熱移動する熱交換器と、前記熱交換器の低温側と前記第１気化器との間で前記不凍熱媒体を循環させ前記第１単位時間当たり熱量を前記第１気化器に供給する第１熱量供給循環回路、および前記熱交換器の低温側と前記第２気化器との間で前記不凍熱媒体を循環させ前記第２単位時間当たり熱量を前記第２気化器に供給する第２熱量供給循環回路を備える気化用熱移送装置と、前記反応管から供給された前記反応ガスを前記合成炭化水素ガスと水に分離するガス水分離装置と、を備え、前記復水タービン発電設備は、蒸気タービンによって駆動される発電機と、前記ガス水分離装置から供給された前記合成炭化水素ガスの少なくとも一部を燃焼させ、前記水素化反応器の前記冷却部から供給された前記高温水を加熱し高圧蒸気にして前記蒸気タービンに供給するボイラーと、前記蒸気タービンから排出された低圧蒸気を冷却水供給装置から供給される冷却水によって前記凝縮水に凝縮させ、前記冷却水を高温冷却水に加熱して流出させる復水器と、を備える、発電設備併設気化利用炭化水素製造システムである。
【０００７】
水素および二酸化炭素の一方のみを液相で供給する場合は、前記気化利用炭化水素製造システムは、前記水素および前記二酸化炭素の一方を液相で、第３質量流量で供給する液化原料供給装置と、前記水素および前記二酸化炭素の他方を気相で、所定圧力、第４質量流量で供給する他方原料ガス供給装置であって、前記第３質量流量の液化原料および前記第４質量流量の他方原料ガスに含まれる水素のモル数と二酸化炭素のモル数との比が前記水素化反応する前記水素のモル数と前記二酸化炭素のモル数との比となるように前記他方原料ガスを供給する他方原料ガス供給装置と、前記液化原料供給装置から供給される前記液化原料を一方原料ガスに気化させる第３気化器と、前記第３気化器および前記他方原料ガス供給装置に連通され前記一方原料ガスと前記他方原料ガスとを所定質量流量の混合ガスとして前記水素化反応に適した前記所定圧力、所定温度で流動させ、内部に充填された水素化触媒下で水素化反応させて前記合成炭化水素ガスと水蒸気を含む反応ガスにして流出させるように構成された反応管、および前記復水タービン発電設備から凝縮水が供給され前記水素化反応で生じる反応熱を前記凝縮水に熱移動して前記反応管内部を前記水素化触媒が活性を示す前記所定温度に維持し、前記凝縮水を高温水にして送出する冷却部を備える水素化反応器と、前記復水タービン発電設備から流出する高温冷却水の一部が流動する高温側から不凍熱媒体が流動する低温側に熱移動する熱交換器であって、前記第３質量流量の前記液化原料を前記所定圧力で第３温度の前記一方原料ガスに気化させるために必要な第３単位時間当たり熱量を前記高温冷却水の一部から前記不凍熱媒体に熱移動する熱交換器と、前記熱交換器の低温側と前記第３気化器との間で前記不凍熱媒体を循環させ前記第３単位時間当たり熱量を前記第３気化器に供給する気化用熱移送装置と、前記反応管から供給された前記反応ガスを前記合成炭化水素ガスと水に分離するガス水分離装置と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る発電設備併設気化利用炭化水素製造システムにおいて、気化利用炭化水素製造システムは、水素および二酸化炭素の少なくとも一方を液化原料として設定質量流量で気化器に供給する。気化器は、前記液化原料に設定熱量を供給し所定圧力の一方原料ガスに気化させて、水素化反応器の水素化触媒が充填された反応管に供給する。反応管は一方原料ガスおよび他方原料ガスを、水素ガスと二酸化炭素ガスとを成分とし水素のモル数と二酸化炭素のモル数との比が水素化反応する水素のモル数と二酸化炭素のモル数との比である混合ガスとして、水素化反応に適した前記所定圧力になるように所定質量流量で流動させ、水素化反応させて合成炭化水素ガスと水蒸気を含む反応ガスにして流出させる。このとき、反応管は、水素化反応で生じる反応熱が冷却部で反応ガスから凝縮水に熱移動されて内部を水素化触媒が活性を示す所定温度に維持する。【０００９】
復水タービン発電設備において、復水タービンが高圧蒸気で回転され発電機を駆動して発電する。復水タービンから排出される低圧蒸気は復水器で冷却水と熱交換して凝縮水になり、冷却水は高温冷却水なる。凝縮水は水素化反応器に送出され冷却部で反応熱を熱移動され高温水になってボイラーに送られる。ボイラーは、水素化反応器で生成された合成炭化水素ガスの少なくとも一部を燃焼させ高温水を高圧蒸気にして復水タービンに供給する。前記気化器は、高温冷却水の一部から前記設定熱量を供給される。【００１０】
気化利用炭化水素製造システムの水素化反応器で生成された合成炭化水素ガスおよび回収された反応熱を利用して復水タービン発電設備の復水タービンを回転させる高圧蒸気を生成するとともに、復水タービン発電設備から送出される高温冷却水を利用して液化原料を一方原料ガスに気化させ水素化反応器に供給するので、熱エネルギーを効率的に利用し、一方原料ガスの加圧動力を低減して合成炭化水素ガスと電力を低コストで製造することができる。さらに、発電設備併設気化利用炭化水素製造システムで使用する電力を低炭素由来電力で賄うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態に係る発電設備併設気化利用炭化水素製造システムの全体構成を示すブロック図である。
【図２】第２実施形態に係る発電設備併設気化利用炭化水素製造システムの全体構成を示すブロック図である。
【図３】第３実施形態に係る発電設備併設気化利用炭化水素製造システムの全体構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
１．第１実施形態の構成
第１実施形態に係る発電設備併設気化利用炭化水素製造システム１ａは、図１に示すように、水素と二酸化炭素を水素化反応させて合成炭化水素ガスを製造する気化利用炭化水素製造システム２および復水タービン発電設備３を備える。
【００１３】
気化利用炭化水素製造システム２は、液化水素を供給する液化水素供給装置１０と、液化二酸化炭素を供給する液化二酸化炭素供給装置１５と、液化水素を水素ガスに気化させる第１気化器２０と、液化二酸化炭素を二酸化炭素ガスに気化させる第２気化器２５と、水素ガスと二酸化炭素ガスとが混合した混合ガスを水素化触媒下で化学反応させて合成炭化水素ガスと水蒸気を含む反応ガスにして流出する反応管３１、および反応ガスを冷却する冷却部３２を備える水素化反応器３０と、第１質量流量Ｑ１の液化水素を気化させるために必要な第１単位時間当たり熱量と第２質量流量Ｑ２の液化二酸化炭素を気化させるために必要な第２単位時間当たり熱量とを加算した気化用単位時間当たり熱量Ｑを、復水タービン発電設備３から流出する高温冷却水の一部が流動する高温側から不凍熱媒体が流動する低温側に熱移動する熱交換器４５と、熱交換器４５の低温側から第１単位時間当たり熱量Ｃ１を第１気化器２０に供給し、第２単位時間当たり熱量Ｃ２を第２気化器２５に供給する気化用熱移送装置４６と、反応管３１から供給された反応ガスを合成炭化水素ガスと水に分離するガス水分離装置４０と、を備える。
復水タービン発電設備３は、蒸気タービン５０によって駆動される発電機５１と、蒸気タービン５０に高圧蒸気を供給するボイラー５２と、蒸気タービン５０の復水器５５と、復水器５５の冷却管５６に冷却水を供給する冷却水供給装置５７と、を備える。
【００１４】
液化水素供給装置１０は、液化水素を貯留する第１タンク１１と第１タンク１１から液化水素を吸い込んで吐出する第１ポンプ１２で構成されている。液化二酸化炭素供給装置１５は、液化二酸化炭素を貯留する第２タンク１６と第２タンク１６から液化二酸化炭素を吸い込んで吐出する第２ポンプ１７で構成されている。
【００１５】
液化水素供給装置１０の第１ポンプ１２は第１気化器２０に接続され、所定圧力Ｐで第１質量流量Ｑ１の液化水素を第１気化器２０に供給する。第１気化器２０には、第１質量流量Ｑ１の液化水素を所定圧力Ｐで第１温度Ｔ１の水素ガスに気化させるために必要な単位時間当たりの熱量である第１単位時間当たり熱量Ｃ１が、熱交換器４５の低温側から第１熱量供給循環回路４７を循環する不凍熱媒体を介して供給される。
【００１６】
液化二酸化炭素供給装置１５の第２ポンプ１７は第２気化器２５に接続され、所定圧力Ｐで第１質量流量Ｑ１に対して所定割合の第２質量流量Ｑ２の液化二酸化炭素を第２気化器２５に供給する。第２気化器２５には、第２質量流量Ｑ２の液化二酸化炭素を所定圧力Ｐで第２温度Ｔ２の二酸化炭素ガスに気化させるために必要な単位時間当たりの熱量である第２単位時間当たり熱量Ｃ２が、熱交換器４５の低温側から第２熱量供給循環回路４８を循環する不凍熱媒体を介して供給される。第１熱量供給循環回路４７および第２熱量供給循環回路４８によって気化用熱移送装置４６が構成される。
【００１７】
水素化反応器３０は、公知の水素化触媒が充填された反応管３１と、反応管３１内部を水素化触媒が活性を示す所定温度Ｔに維持する冷却部３２を備える。反応管３１の第１流入口３３には第１気化器２０が管路２１で接続され、第２流入口３４には第２気化器２５が管路２６で接続され、第１質量流量Ｑ１の水素ガスと第２質量流量Ｑ２の二酸化炭素ガスとが反応管３１の流入口側に所定圧力Ｐで所定温度Ｔより低温の混合ガスとして所定質量流量Ｑ（＝Ｑ１＋Ｑ２）で供給される。
なお、反応管３１の入口側に反応熱が伝達される予熱部を設け、混合ガスの温度を予熱部において反応熱で所定温度Ｔ近傍に昇温させたた後に、水素化触媒が充填された反応部に流動させるようにしてもよい。
【００１８】
反応管３１は、供給された混合ガスの成分である水素ガスと二酸化炭素ガスを水素化触媒下で水素化反応させて合成炭化水素ガスと水蒸気を含む反応ガスを生成し流出口３５から送出する。所定温度Ｔより低温の混合ガスは、反応管３１に流入時に内部温度によって昇温され、水素化反応の進行に伴って水素化反応の反応熱よって昇温されるが、反応管３１が冷却部３２によって冷却され、反応管３１内を流動する混合ガスを所定温度Ｔに維持するように構成されている。即ち、復水タービン発電設備３の復水器５５から送出された凝縮水が、反応管３１の外周を包囲する冷却部３２に入口３６から流入し、反応管３１の外周に接触して水素化反応で生じた反応熱を吸収し、高温水になって出口３７から復水タービン発電設備３のボイラー５２に送出されることにより、反応熱が反応ガスから凝縮水に熱移動され、反応管３１の内部が所定温度Ｔに維持される。入口３６は反応管３１の流出口３５側に配置され、出口３７は流入口３３，３４側に配置されている。
【００１９】
このように、反応管３１は、第１気化器２０および第２気化器２５に連通され、水素ガスと二酸化炭素ガスとを所定質量流量Ｑの混合ガスとして水素化反応に適した所定圧力Ｐ、所定温度Ｔで流動させ、内部に充填された水素化反応触媒下で水素化反応させて合成炭化水素ガスと水蒸気を含む反応ガスにし、内部圧力を所定圧力Ｐに維持する絞り抵抗を備えた流出口３５を介して流出させるように構成されている。冷却部３２は、復水タービン発電設備３から凝縮水が供給され水素化反応で生じる反応熱を反応ガスから凝縮水に熱移動して反応管３１内部を水素化触媒が活性を示す所定温度Ｔに維持し、凝縮水を高温水にして送出する。所定圧力Ｐは水素化反応に適した圧力であり、所定温度Ｔは水素化触媒が活性を示す温度である。
【００２０】
例えば合成メタンガスを製造する場合、メタン化触媒としてＮｉやＲｈ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ｐｔ等を担体に担持させた触媒を用い、化学式（１）にしたがって水素化反応させる。所定圧力Ｐは、１〜５ＭＰａであり、所定温度Ｔは、２５０〜５００℃である。
ＣＯ２＋４Ｈ２＝ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ（発熱反応  １６４ｋＪ／ｍｏｌ−ＣＯ２）    （１）
合成エチレンガスは化学式（２）に示す水素化反応によって製造される。
２ＣＯ２＋６Ｈ２＝Ｃ２Ｈ４＋４Ｈ２Ｏ（発熱反応  １５２ｋＪ／ｍｏｌ−ＣＯ２）（２）
【００２１】
第１ポンプ１２から吐出される液化水素の第１質量流量Ｑ１と第２ポンプ１７から吐出される液化二酸化炭素の第２質量流量Ｑ２との所定割合Ｒ（＝Ｑ１：Ｑ２）は、水素化反応する水素のモル数と二酸化炭素のモル数との比をＭ１：Ｍ２とすると、第１質量流量Ｑ１に含まれる水素分子のモル数と第２質量流量Ｑ２に含まれる二酸化炭素分子のモル数との比がＭ１：Ｍ２となるように設定する。実際に反応管３１内で効率よく水素化反応する水素ガスのモル数と二酸化炭素ガスのモル数との比に基づいて所定割合Ｒを設定するとよい。例えば、合成メタンガス製造の場合、水素化反応する水素のモル数と二酸化炭素のモル数との比は４：１であり、水素の分子量は２、二酸化炭素の分子量は４４であるので、Ｑ１：Ｑ２＝４×２：１×４４＝２：１１である。
【００２２】
第１熱量供給循環回路４７および第２熱量供給循環回路４８を有する気化用熱移送装置４６は、熱交換器４５の低温側と第１気化器２０および第２気化器２５との間で不凍熱媒体を循環させて液化水素および液化二酸化炭素を気化させる。第１熱量供給循環回路４７は、熱交換器４５の低温側と第１気化器２０との間で不凍熱媒体を循環させ、第１単位時間当たり熱量Ｃ１を第１気化器２０に供給して所定圧力Ｐ、第１質量流量Ｑ１の液化水素を所定圧力Ｐ、第１温度Ｔ１の水素ガスに気化させる。第２熱量供給循環回路４８は、不凍熱媒体を熱交換器４５の低温側と第１気化器２５との間で循環させ、第２単位時間当たり熱量Ｃ２を第１気化器２５に供給して所定圧力Ｐ、第２質量流量Ｑ２の液化二酸化炭素を所定圧力Ｐ、第２温度Ｔ２の二酸化炭素ガスに気化させる。
【００２３】
気化利用炭化水素製造システム２の始動時に、熱交換器４５の高温側との間で熱媒体を循環させ、始動に必要な熱量を第１気化器２０および第２気化器２５に供給するスタートアップ用熱供給装置７０が、熱交換器４５の高温側に管路７１、７２で接続されている。
【００２４】
水素化反応器３０の反応管３１の流出口３５には、水素化反応器３０で水素ガスと二酸化炭素ガスとが水素化反応して生成された反応ガスを合成炭化水素ガスと水に分離する公知のガス水分離装置４０が接続されている。分離された合成炭化水素ガスは、少なくとも一部がボイラー５２に供給され、残部は合成炭化水素ガス利用部４１に送出される。水は排出溝４２に排出される。分離された合成炭化水素ガスは、復水タービン発電設備３での発電量に応じた質量流量でボイラー５２に供給される。
【００２５】
復水タービン発電設備３は、ボイラー５２から供給された高圧蒸気によって蒸気タービン５０が回転され、蒸気タービン５０によって発電機５１が駆動されて発電する。発電された電力は、発電設備併設気化利用炭化水素製造システム１ａ用電力として使用され、余剰電力は売電される。蒸気タービン５０を回転させ圧力低下した蒸気は復水器５５で冷却されて凝縮水になり、水素化反応器３０の冷却部３２に供給される。凝縮水は冷却部３２を流動する間に反応管３１から水素化反応の反応熱を吸収して昇温し高温水（例えば、１５ＭＰａ，２５０℃）になってボイラー５２の熱交換部５３に供給される。ボイラー５２は燃焼室５４にガス水分離装置４０から合成炭化水素ガスが供給されて燃焼し、熱交換部５３に供給された高温水を加熱して高圧蒸気（例えば、１２ＭＰａ，５４０℃）を生成する。
【００２６】
復水器５５には冷却水が循環する冷却管５６が設けられ、蒸気タービン５０から排出されて復水器５５に流入した低圧蒸気が冷却水に凝縮熱を熱移動して凝縮水になる。冷却管５６には冷却水供給装置５７が接続され冷却水が循環される。冷却水供給装置５７は、例えば海水を冷却水として汲み上げるポンプ５８と、ポンプ５８が接続され海から冷却管５６に海水を送る管路５９と、冷却管５６を循環し高温に加熱された海水を高温冷却水として海に戻す管路６０を備える。管路６０は、分岐点６１で分岐して管路７１に接続され、高温冷却水の一部を熱交換器４５の高温側を循環させ、管路５９にポンプ５８より上流側の戻り点６２で接続され、熱交換器４５の高温側を循環した高温冷却水の一部をポンプ５８の上流側に戻すように構成されている。熱交換器４５は、高温冷却水の一部から気化用熱移送装置４６を循環する不凍熱媒体に第１単位時間当たり熱量Ｃ１と第２単位時間６０を管路当たり熱量Ｃ２とを加算した気化用単位時間当たり熱量Ｃを熱移動する。
冷却水供給装置５７は、河川水・湖沼水をポンプ５８で汲み上げ冷却水として冷却管５６を循環させるようにしてもよい。また、冷却塔を設け冷却塔と冷却管との間で冷却水を循環させるようにしてもよい。
【００２７】
２．第１実施形態の作動および効果
液化水素供給装置１０は、液化水素を第１ポンプ１２によって第１タンク１１から吸入し、第１質量流量Ｑ１、所定圧力Ｐで吐出する。液化二酸化炭素供給装置１５は、液化二酸化炭素を第２ポンプ１７によって第２タンク２１から吸入し、第２質量流量Ｑ２、所定圧力Ｐで吐出する。
【００２８】
第１質量流量Ｑ１の液化水素を所定圧力Ｐ１、第１温度Ｔ１の水素ガスに気化させるために必要な第１時間当たり熱量Ｃ１と、第２質量流量Ｑ２の液化二酸化炭素を所定圧力Ｐ、第２温度Ｔ２の二酸化炭素ガスに気化させるために必要な第２時間当たり熱量Ｃ２とを加算した気化用時間当たり熱量Ｃが、復水器５５の冷却管５６から送出され熱交換器４５の高温側を循環する高温冷却水の一部から熱交換器４５の低温側を循環する不凍熱媒体に熱移動される。
第１気化器２０は熱交換器４５の低温側から第１熱量供給循環回路４７を循環する不凍熱媒体によって第１単位時間当たり熱量Ｃ１を供給され、第１質量流量Ｑ１の液化水素を所定圧力Ｐ、第１温度Ｔ１の水素ガスに気化させる。第２気化器２５は熱交換器４５の低温側から第２熱量供給循環回路４８を循環する不凍熱媒体によって第２単位時間当たり熱量Ｃ２を供給され、第２質量流量Ｑ２の液化二酸化炭素を所定圧力Ｐ、第２温度Ｔ２の二酸化炭素ガスに気化させる。
【００２９】
気化した水素ガスと二酸化炭素ガスは、混合して所定圧力Ｐ、所定温度Ｔより低温の混合ガスとして反応管３１に流入するが、反応管３１の内部発熱によって温度上昇され、反応管３１を質量流量Ｑで流動する間に水素化触媒下で水素化反応して合成炭化水素ガスと水蒸気を含む反応ガスに化学変化し反応熱を放出する。このとき、冷却部３２は、復水タービン５０の復水器５５から凝縮水が供給され水素化反応で生じる反応熱を反応ガスから凝縮水に熱移動して反応管３１内部を水素化触媒が活性を示す所定温度Ｔに維持し、凝縮水を高温水にして送出する。
【００３０】
反応ガスは流路抵抗を備えた流出口３５を通過する間に圧力損失して反応管３１内部の圧力を所定圧力Ｐに維持した状態でガス水分離装置４０に送出される。ガス水分離装置４０は、水蒸気を凝縮させて合成炭化水素ガスと水とを分離し、合成炭化ガスを合成炭化水素ガス利用部４１に送出し、水を排出溝４２に排出する。
【００３１】
気化利用炭化水素製造システム１ａの始動時は、冷却水供給装置５７において復水器５５の冷却管５６と熱交換器４５との間の冷却水の循環を停止させ、スタートアップ用熱供給装置７０を起動し、熱交換器４５の高温側との間で熱媒体を循環させ、第１気化器２０および第２気化器２５に始動に必要な熱量を供給する。これにより、始動質量流量で供給された液化水素および液化二酸化炭素が第１気化器２０および第２気化器２５で気化され、水素ガスと二酸化炭素ガスが水素化反応器３０で水素化反応して合成炭化水素ガスと水蒸気に化学変化する。反応管３１内部が反応熱によって水素化触媒が活性を示す温度に加熱されると、スタートアップ用熱供給装置７０を停止し、復水器５５の冷却管５６と熱交換器４５の高温側との間の冷却水の循環を開始する。
【００３２】
第１実施形態に係る気化利用炭化水素製造システム１ａによれば、気化利用炭化水素製造システム２の水素化反応器３０で生成された合成炭化水素ガスの少なくとも一部および水素化反応熱を利用して復水タービン発電設備３の復水タービン５０を回転させる高圧蒸気を生成するとともに、復水タービン発電設備３から送出される高温冷却水から第１気化器２０および第２気化器２５に熱移動して液化水素および液化二酸化炭素を水素ガスおよび二酸化炭素ガスに気化させ水素化反応器３０に供給する。これにより、熱エネルギーを効率的に利用し、水素ガスおよび二酸化炭素ガスの加圧動力を低減して合成炭化水素ガスと電力を低コストで製造することができる。さらに、発電設備併設気化利用炭化水素製造システム１ａで使用する電力を低炭素由来電力で賄うことができる。
【００３３】
３．第２実施形態の構成
第２実施形態の発電設備併設気化利用炭化水素製造システム１ｂは、図２に示すように、第１実施形態において液化二酸化炭素供給装置１５および第２熱量供給循環回路４８に換えて、二酸化炭素ガス供給装置１８から供給された二酸化炭素ガスをコンプレッサ１９よって加圧して水素化反応器３０の反応管３１に流入口３４から供給する構成にした点が第１実施形態と異なる。
【００３４】
二酸化炭素ガス供給装置１８がコンプレッサ１９の吸入口に接続され、コンプレッサ１９の吐出口が水素化反応器３０の反応管３１の第２流入口３４に管路２７を介して接続されている。二酸化炭素ガス供給装置１８は、第２質量流量Ｑ２の二酸化炭素ガスをコンプレッサ１９に供給する。
【００３５】
４．第２実施形態の作動および効果
第１質量流量Ｑ１の液化水素を所定圧力Ｐ、第１温度Ｔ１の水素ガスに気化させるために必要な第１時間当たり熱量Ｑ１が、復水器５５の冷却管５６から送出され熱交換器４５の高温側を循環する高温冷却水の一部から熱交換器４５の低温側を循環する不凍熱媒体に熱移動される。第１気化器２０は熱交換器４５の低温側から第１熱量供給循環回路４７を循環する不凍熱媒体によって第１単位時間当たり熱量Ｃ１を供給され、第１質量流量Ｑ１の液化水素を所定圧力Ｐ、第１温度Ｔ１の水素ガスに気化させる。
【００３６】
二酸化炭素ガス供給装置１８から第２質量流量Ｑ２で供給された二酸化炭素ガスはコンプレッサ１９によって所定圧力Ｐに圧縮され昇温する。液化水素が気化した水素ガスおよびコンプレッサ２６で加圧された二酸化炭素ガスは、混合して所定圧力Ｐ、所定温度Ｔより低温の混合ガスとして炭化水素反応器３０の反応管３１に流入し、反応管３１の内部発熱によって温度上昇され、反応管３１を質量流量Ｑで流動する間に水素化触媒下で水素化反応して合成炭化水素ガスと水蒸気を含む反応ガスに化学変化し反応熱を放出する。反応管３１の内部の温度は、水素化反応熱の放出と冷却部３２による冷却によって、水素化触媒が活性を示す所定温度Ｔに維持される。
【００３７】
第２実施形態は第１実施形態とほぼ同様の効果を奏する。さらに、二酸化炭素ガスをコンプレッサ２６で加圧しているので、システム１ｂを安定した稼働状態に容易に制御することができる。
【００３８】
５．第３実施形態の構成
第３実施形態の発電設備併設気化利用炭化水素製造システム１ｃは、図３に示すように、第１実施形態において液化水素供給装置１０および第１熱量供給循環回路４７に換えて、水素ガス供給装置１３から供給された水素ガスをコンプレッサ１４よって加圧して水素化反応器３０の反応管３１に流入口３３から供給する構成にした点が第１実施形態と異なる。
【００３９】
水素ガス供給装置１３がコンプレッサ１４の吸入口に接続され、コンプレッサ１４の吐出口が水素化反応器３０の反応管３１の第１流入口３３に管路２８を介して接続されている。水素ガス供給装置１３は、第１質量流量Ｑ１の水素ガスをコンプレッサ１４に供給する。
【００４０】
６．第３実施形態の作動および効果
第２質量流量Ｑ２の液化二酸化炭素を所定圧力Ｐ、第２温度Ｔ２の二酸化炭素ガスに気化させるために必要な第２時間当たり熱量Ｑ２が、復水器５５の冷却管５６から送出され熱交換器４５の高温側を循環する高温冷却水の一部から熱交換器４５の低温側を循環する不凍熱媒体に熱移動される。第２気化器２５は熱交換器４５の低温側から第２熱量供給循環回路４８を循環する不凍熱媒体によって第２単位時間当たり熱量Ｃ２を供給され、第２質量流量Ｑ２の液化水素を所定圧力Ｐ、第２温度Ｔ２の二酸化炭素ガスに気化させる。
【００４１】
水素ガス供給装置１３から第１質量流量Ｑ１で供給された水素ガスはコンプレッサ１４によって所定圧力Ｐに圧縮され昇温する。液化二酸化炭素が気化した二酸化炭素ガスおよびコンプレッサ１４で加圧された水素ガスは、混合して所定圧力Ｐ、所定温度Ｔより低温の混合ガスとして炭化水素反応器３０の反応管３１に流入し、反応管３１の内部発熱によって温度上昇され、反応管３１を質量流量Ｑで流動する間に水素化触媒下で水素化反応して合成炭化水素ガスと水蒸気を含む反応ガスに化学変化し反応熱を放出する。反応管３１の内部の温度は、水素化反応熱の放出と冷却部３２による冷却によって、水素化触媒が活性を示す所定温度Ｔに維持される。
【００４２】
第３実施形態は第１実施形態とほぼ同様の効果を奏する。さらに、水素ガスをコンプレッサ１４で加圧しているので、システム１ｃを安定した稼働状態に容易に制御することができる。
【００４３】
水素ガスおよび炭酸ガスを水素化反応器３０の反応管３１に流入口３３，３４から別々に流入させ、反応管３１内で混合させて混合ガスにする構成に換えて、水素ガスおよび炭酸ガスを混合器で混合してから混合ガスとして水素化反応器３０の反応管３１に一つの流入口から供給する構成にしてもよい。
この場合、混合器の第１流入口に所定圧力Ｐの水素ガスが供給され、第２流入口に所定圧力Ｐの炭酸ガスが供給され、水素ガスと炭酸ガスが混合器内で混合されて所定圧力Ｐの混合ガスとなってから水素化反応器３０の反応管３１に流入口から供給される。このように水素ガスと二酸化炭素ガスとを混合した状態で反応管３１に供給するので、反応管３１内での水素化反応を円滑に行わせることができる。
また、混合器内に加熱コイルを配置し、混合ガスを反応管３１に流入する前に所定温度Ｔ近傍まで加熱するようにしてもよい。
【００４４】
上述の実施形態に係る発電設備併設気化利用炭化水素製造システムは、水素化触媒が充填された反応管３１を１段備えた水素化反応器３０で構成しているが、水素化触媒が充填された反応管を複数段直列に配置し、隣接する反応管の間に熱交換器を接続し、前段の反応管から送出された高温の反応ガスおよび未反応の混合ガスを熱交換器で冷却して後段の反応管に供給しするようにして、各反応管の内部温度を所定温度Ｔの許容範囲に維持するように構成した複数段反応器式水素化反応器に本発明を適用してもよい。この場合、復水器５５で凝縮された凝縮水を隣接する反応管の間に接続された熱交換器を循環させて高温水に加熱し、ボイラー５２に供給する。
【符号の説明】
【００４５】
１ａ〜１ｃ：発電設備併設気化利用炭化水素製造システム、２：気化利用炭化水素製造システム、３：復水タービン発電設備、１０：液化水素供給装置、１２：第１ポンプ、１３：水素ガス供給装置、１４，１９：コンプレッサ、１５：液化二酸化炭素供給装置、１７：第２ポンプ、１８：二酸化炭素ガス供給装置、２０：第１気化器、２５：第２気化器、３０：水素化反応器、３１：反応管、３２：冷却部、４０：ガス水分離装置、４５：熱交換器、４６：気化用熱移送装置、４７：第１熱量供給循環回路、４８：第２熱量供給循環回路、５０：復水タービン、５１：発電機、５２：ボイラー、５３：熱交換部、５４：燃焼室、５５：復水器、５６：冷却管、５７：冷却水供給装置、７０：スタートアップ用熱供給装置
【要約】
発電設備併設気化利用炭化水素製造システムは、水素および二酸化炭素の少なくとも一方が液体状態で供給され気化器で気化される。水素ガスと二酸化炭素ガスとの混合ガスは所定圧力、所定温度、所定質量流量で水素化反応器の反応管を流動し水素化反応触媒下で水素化反応して合成炭化水素ガスに化学変化する。反応管を冷却して水素化反応の反応熱で加熱された高温水と、反応管で生成された合成炭化水素ガスがボイラーに供給され、高温水が合成炭化水素ガスの燃焼熱によって蒸発され高圧蒸気が生成される。前記高圧蒸気が復水タービン発電機を駆動して発電する。前記発電設備併設気化利用炭化水素製造システムは、前記高圧蒸気が復水タービン発電機で発電した低炭素由来の電力で稼働可能であり、合成炭化水素ガスを低エネルギーかつ低コストで生成することができる。【図１】
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【図２】
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【図３】
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