特開 2023-152114 メタン合成装置制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023152114

(43)【公開日】2023-10-16

(54)【発明の名称】メタン合成装置制御方法

(51)【国際特許分類】

   C07C 1/12 20060101AFI20231005BHJP

   C07C 9/04 20060101ALI20231005BHJP

【ＦＩ】

C07C1/12

C07C9/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022062062

(22)【出願日】2022-04-01

(71)【出願人】

【識別番号】000220262

【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】赤羽 俊之輔

(72)【発明者】

【氏名】中村 和郎

(72)【発明者】

【氏名】今成 岳人

(72)【発明者】

【氏名】小笠原 慶

(72)【発明者】

【氏名】内尚 泰

(72)【発明者】

【氏名】阿部 充里

【テーマコード（参考）】

4H006

【Ｆターム（参考）】

4H006AA02

4H006AC13

4H006BC10

4H006BD20

4H006BD84

(57)【要約】

【課題】合成メタン濃度を所望の濃度に調整可能とする。
【解決手段】メタン合成装置制御方法は、二酸化炭素と水素を用いてメタン合成反応を生じさせる第一反応炉と、第一反応炉で生成された第一反応生成物から水を凝縮して除去する第一水凝縮器と、第一水凝縮器で得られた第一水除去物を用いてメタン合成反応を生じさせる第二反応炉と、第二反応炉で生成された第二反応生成物から水を凝縮して除去する第二水凝縮器と、を有するメタン合成装置に対し、第二反応炉の反応炉温度と、第一水凝縮器の水凝縮温度と、を組み合わせて制御することで、第二水凝縮器で生成される第二水除去物の合成メタン濃度を調整する。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

二酸化炭素と水素を用いてメタン合成反応を生じさせる第一反応炉と、
前記第一反応炉で生成された第一反応生成物から水を凝縮して除去する第一水凝縮器と、
第一水凝縮器で得られた第一水除去物を用いてメタン合成反応を生じさせる第二反応炉と、
前記第二反応炉で生成された第二反応生成物から水を凝縮して除去する第二水凝縮器と、
を有するメタン合成装置に対し、
前記第二反応炉の反応炉温度と、前記第一水凝縮器の水凝縮温度と、を組み合わせて制御することで、前記第二水凝縮器で生成される第二水除去物の合成メタン濃度を調整する、メタン合成装置制御方法。

【請求項2】

前記第二反応炉の反応炉温度を前記第二反応炉の触媒の劣化を抑制する所定温度未満に制御する、請求項１に記載のメタン合成装置制御方法。

【請求項3】

前記第二反応炉の反応炉温度を前記第二水除去物の合成メタン濃度に応じた反応炉温度とする請求項１又は請求項２に記載のメタン合成装置制御方法。

【請求項4】

前記第二水凝縮器の水凝縮温度を前記第二水除去物の合成メタン濃度に応じた水凝縮温度とする請求項１又は請求項２に記載のメタン合成装置制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願の開示する技術は、メタン合成装置を制御するためのメタン合成装置制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、第１反応器と第２反応器とを有するメタン製造装置が記載されている。このメタン製造装置では、第１反応器において、供給源から供給された二酸化炭素と水素とを含む原料ガスを用いて、メタン化反応を生じさせる。また、第２反応器では、第１反応器で生成されたメタンを含む反応混合ガスを用いて、メタン化反応を生じさせる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－１４２８０７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に記載の技術では、第１反応器と第２反応器との間のガス流路上に配置された反応混合ガス昇圧部によって、第２反応器に供給される反応混合ガスの圧力を、第１反応器に供給される原料ガスの圧力よりも高くしている。そしてこれにより、メタン製造装置のシステム効率の向上を図っている。

【0005】

実際のメタン合成装置では、合成されるメタンの濃度（合成メタン濃度）として、所望の濃度にすることが求められることがある。しかしながら、合成メタン濃度を所望の濃度に調整する技術については提案されていない。

【0006】

本発明は上記事実を考慮し、合成メタン濃度を所望の濃度に調整することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

第一態様は、二酸化炭素と水素を用いてメタン合成反応を生じさせる第一反応炉と、前記第一反応炉で生成された第一反応生成物から水を凝縮して除去する第一水凝縮器と、第一水凝縮器で得られた第一水除去物を用いてメタン合成反応を生じさせる第二反応炉と、前記第二反応炉で生成された第二反応生成物から水を凝縮して除去する第二水凝縮器と、を有するメタン合成装置に対し、前記第二反応炉の反応炉温度と、前記第一水凝縮器の水凝縮温度と、を組み合わせて制御することで、前記第二水凝縮器で生成される第二水除去物の合成メタン濃度を調整する、メタン合成装置制御方法である。

【0008】

第一態様のメタン合成装置制御方法では、第一反応炉と第二反応炉の２つの反応炉を有している。メタン合成反応を２段階で行うので、メタン合成反応を１段階で行う構成と比較して、第二水凝縮器で生成される第二水除去物のタン変換率を必要に応じて高くすることが可能となる。

【0009】

また、このメタン合成装置制御方法では、反応炉温度と、水凝縮温度と、を組み合わせて制御し、第二水凝縮器で生成される第二凝縮物の合成メタン濃度を調整する。したがって、反応炉温度のみ、又は水凝縮温度のみ、を制御して合成メタン濃度を調整する構成と比較して、合成メタン濃度を所望の濃度に調整することが可能である。たとえば、合成メタン濃度の変化の感度は、反応炉温度に対して高く、水凝縮温度に対して低い場合がある。この場合は、まず、反応炉温度を制御して合成メタン濃度を所望の値に近づけ、次いで水凝縮温度を制御して合成メタン濃度の微調整を行うことが可能である。

【0010】

第二態様は、第一態様において、前記第二反応炉の反応炉温度を前記第二反応炉の触媒の劣化を抑制する所定温度未満に制御する。

【0011】

これにより、第二反応炉での触媒の劣化を抑制することが可能である。そして、第二反応炉の反応炉温度を上げない場合でも、水凝縮温度の制御により、第二水除去物の合成メタン濃度を調整可能である。

【0012】

第三態様では、第一又は第二態様において、前記第二反応炉の反応炉温度を前記第二水除去物の合成メタン濃度に応じた反応炉温度とする。

【0013】

このように、第二反応炉の反応炉温度を制御することで、第二水除去物の合成メタン濃度を調整し、所望の合成メタン濃度に近づけることが可能である。たとえば、水凝縮温度は一定に維持しつつ、第二反応炉の反応炉温度を制御することで、第二水除去物の合成メタン濃度を調整することも可能である。

【0014】

第四態様では、第一から第三の何れか一態様において、前記第二水凝縮器の水凝縮温度を前記第二水除去物の合成メタン濃度に応じた水凝縮温度とする。

【0015】

このように、水凝縮温度を制御することで、第二水除去物の合成メタン濃度を調整し、所望の合成メタン濃度に近づけることが可能である。たとえば、第二反応炉の反応炉温度は一定に維持しつつ、水凝縮温度を制御することで、第二水除去物の合成メタン濃度を調整することも可能である。

【発明の効果】

【0016】

本願では、合成メタン濃度を所望の濃度に調整することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１は第一実施形態のメタン合成装置を示す構成図である。

【図2】図２は第一実施形態のメタン合成装置の制御装置のハードウエア構成を示すブロック図である。

【図3】図３は第一実施形態のメタン合成装置にけるメタネーション温度と合成メタン濃度との関係を示すグラフである。

【図4】図４は第一実施形態のメタン合成装置にける水凝縮温度と合成メタン濃度との関係を示すグラフである。

【図5】図５は第一実施形態のメタン合成装置における合成メタン濃度調整処理の一例を示すフローチャートである。

【図6】図６は第二実施形態のメタン合成装置を示す構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面を参照して本願の実施形態の一例を詳細に説明する。

【0019】

図１には、第一実施形態のメタン合成装置制御方法を適用する一例としてのメタン合成装置１２が示されている。

【0020】

メタン合成装置１２は、水分解装置１４及びメタネーション装置１６を有している。さらに、メタネーション装置１６は、第一メタネーション反応炉１８、第一水凝縮器２０、第二メタネーション反応炉２２及び第二水凝縮器２４を有している。

【0021】

水分解装置１４では、以下の式（１）に示すように、水分解反応により、水を水素と酸素とに分解する。
Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋（１／２）Ｏ_２ Ｑ＝＋２８０ｋＪ／ｍｏｌ （１）
この水分解反応は、水１ｍｏｌあたり２８０ｋＪの吸熱反応であり、水分解装置１４では、加熱装置２６により熱が加えられるようになっている。

【0022】

水分解装置１４で生成された水素は、メタネーション装置１６の第一メタネーション反応炉１８に送られる。

【0023】

第一メタネーション反応炉１８では、内部に触媒を有しており、以下の式（２）に示すようにメタン合成反応により、メタンと水とが生成される。第一メタネーション反応炉１８により生成されたメタン及び水は、本願の開示の技術に係る第一反応生成物の一例である。
４Ｈ_２＋ＣＯ_２→ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ Ｑ＝－１６５ｋＪ／ｍｏｌ （２）
このメタン合成反応は、メタン１ｍｏｌあたり１６５ｋＪの発熱反応であり、投入された熱エネルギーの一部が外部に放出される。たとえば、放出される熱エネルギーの一部又は全部を水分解装置１４に作用させて、水分解反応に用いてもよい。

【0024】

第一メタネーション反応炉１８は、温度調整装置２８により触媒の温度が調整されるようになっている。以下では、第一メタネーション反応炉１８の触媒の温度を、「メタネーション温度Ｍ１」とする。

【0025】

第一メタネーション反応炉１８で生成された第一反応生成物は、第一水凝縮器２０に送られる。

【0026】

第一水凝縮器２０は、第一反応生成物から、水を凝縮し液化する。そして、生成された液体の水は、第一水凝縮器２０の外部に排出される。なお、第一水凝縮器２０には、熱源３０から所定の温度に調整された冷媒が供給され、水の凝縮に必要な冷熱が供給されるようになっている。以下では、第一水凝縮器２０の冷媒の温度を「水凝縮温度Ｎ１」とする。

【0027】

このように水が除去された状態の第一反応生成物は、第二メタネーション反応炉２２に送られる。第二メタネーション反応炉２２では、第一メタネーション反応炉１８と同様に内部に触媒を有しており、式（２）に示したメタン合成反応により、メタンと水とが生成される。第二メタネーション反応炉２２により生成されたメタン及び水は、本願の開示の技術に係る第二反応生成物の一例である。

【0028】

第二メタネーション反応炉２２におけるメタン合成反応も１ｍｏｌあたり１６５ｋＪの発熱反応であり、投入された熱エネルギーの一部が外部に放出される。たとえば、放出される熱エネルギーの一部又は全部を水分解装置１４に作用させて、水分解反応に用いてもよい。

【0029】

第二メタネーション反応炉２２は、温度調整装置３２により触媒の温度が調整されるようになっている。以下では、第二メタネーション反応炉２２の触媒の温度を、「メタネーション温度Ｍ２」とする。

【0030】

ここで、第一メタネーション反応炉１８と第二メタネーション反応炉２２との間に配置された第一水凝縮器２０により、第一反応生成物は水が除去された状態で第二メタネーション反応炉２２に送られている。したがって、第一反応生成物から水を除去しない構成と比較して、第二メタネーション反応炉２２におけるメタンへの転換率が高くなっている。第二メタネーション反応炉２２により生成されたメタン及び水は、本願の開示の技術に係る第二反応生成物の一例である。

【0031】

第二メタネーション反応炉２２で生成されたメタン及び水を含む第二反応生成物は、第二水凝縮器２４に送られる。

【0032】

第二水凝縮器２４は、第二反応生成物から、水を凝縮し液化する。そして、生成された液体の水は、第二水凝縮器２４の外部に排出され、メタネーション装置１６における生成物である合成メタンが得られる。なお、第一水凝縮器２０と同様に、第二水凝縮器２４にも熱源３４から所定の温度に調整された冷媒が供給され、水の凝縮に必要な冷熱が供給されるようになっている。以下では、第二水凝縮器２４の冷媒の温度を「水凝縮温度Ｎ２」とする。

【0033】

第二水凝縮器２４により、第二反応生成物は水が除去された状態で、合成メタンとして生成されている。したがって、第二反応生成物から水を除去しない構成と比較して、メタネーション装置１６で生成される合成メタンの濃度が高くなっている。

【0034】

第二水凝縮器２４における第二反応生成物の出口側には、ガス流量センサ３６が設けられている。ガス流量センサ３６は、第二水凝縮器２４からのガスの出口において、第二反応生成物の流量（単位時間あたりに流れるガスの量）を検出可能である。

【0035】

ガス流量センサ３６によって検出された第二反応生成物の流量は、制御装置３８に送られる。制御装置３８では、第二反応生成物の流量の情報、及びこれ以外の各種の情報を基に、温度調整装置２８、３２、熱源３０、３４等を制御する。

【0036】

図２には、制御装置３８のハードウエア構成がブロック図として示されている。

【0037】

制御装置３８は、コンピュータ４０を有する。コンピュータ４０は、プロセッサ４２、メモリ４４、ストレージ４６、入力装置４８、出力装置５０、記憶媒体読取装置５２及び通信Ｉ／Ｆ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）５４を有する。これらの各要素は、バス５６を介して相互に通信可能に接続されている。

【0038】

ストレージ４６には、後述する濃度調整処理を実行するための濃度調整プログラム５８が格納されている。プロセッサ４２は、各種のプログラムを実行したり、各要素を制御したりすることが可能である。具体的には、プロセッサ４２は、ストレージ４６からプログラムを読み出し、メモリ４４を作業領域としてプログラムを実行する。すなわち、プロセッサ４２は、ストレージ４６に格納されているプログラムに従って、各要素の制御及び各種の演算処理を行う。

【0039】

メモリ４４には、作業領域として、一時的にプログラム及び各種のデータを記憶可能である。

【0040】

ストレージ４６は、たとえば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｃ Ｄｒｉｖｅ）、及びＳＤＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等であり、各種プログラム及び各種データが格納される。このプログラムには、上記した濃度調整プログラム等のアプリケーションプログラムだけでなく、オペレーティングシステムも含まれる。

【0041】

入力装置４８は、コンピュータ４０に対し各種の入力を行うための装置である。入力装置４８としては、操作スイッチや操作ボタン等が含まれる他、パーソナルコンピュータ等に使用されるキーボードやマウス等のポインティングデバイス等を含んでいてもよい。

【0042】

出力装置５０は、コンピュータ４０からの各種の情報を出力するための装置であり、たとえば、ディスプレイや表示ランプ、スピーカー等が含まれる。出力装置５０としてタッチパネルディスプレイを用いることも可能であり、この場合には、タッチパネルディスプレイが入力装置４８としても機能する。

【0043】

記憶媒体読取装置５２は、各種の記憶媒体に記憶されたデータの読み込み、及び、記憶媒体に対するデータの書き込みを行う装置である。記憶媒体としては、たとえば、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）－ＲＯＭ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）－ＲＯＭ、ブルーレイディスク、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）メモリ等を挙げることができる。

【0044】

通信Ｉ／Ｆ５４は、他の機器と通信するためのインターフェースである。通信のためには、たとえば、イーサネット（登録商標）、ＦＤＤＩ（Ｆｉｂｅｒ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｄｓｔａ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）等の規格が用いられる。

【0045】

本実施形態では、通信Ｉ／Ｆ５４は、加熱装置２６、温度調整装置２８、３２、熱源３０、３４のそれぞれと通信することにより、これら装置の制御及び各種状態の取得が可能である。この通信は、無線であってもよいし、有線であってもよい。

【0046】

さらに、ストレージ４６には、後述するメタネーション温度Ｍと合成メタン濃度との関係を示すデータ（図３参照）、及び水凝縮温度Ｎと合成メタン濃度との関係を示すデータ（図４参照）が格納されている。

【0047】

次に、本実施形態のメタン合成装置制御方法について説明する。

【0048】

上記したように、第一メタネーション反応炉１８におけるメタネーション温度をＭ１、第二メタネーション反応炉２２におけるメタネーション温度をＭ２とする。「メタネーション温度」とは、それぞれのメタネーション反応炉における触媒の温度である。メタネーション温度Ｍ１とメタネーション温度Ｍ２とは異なる値であってもよい。本実施形態では、Ｍ１及びＭ２のいずれも可変であり、以下ではＭ１＝Ｍ２としている。また、以下では、メタネーション温度Ｍ１及びＭ２を単に「メタネーション温度Ｍ」と表記する。

【0049】

さらに、第一水凝縮器２０における水凝縮温度をＮ１、第二水凝縮器２４における水凝縮温度をＮ２とする。「水凝縮温度」とは、それぞれの水凝縮装置における冷媒の温度である。本実施形態では、水凝縮温度Ｎ１は可変とし、水凝縮温度Ｎ２は２５℃に維持している。以下では、水凝縮温度Ｎ１を単に「水凝縮温度Ｎ」と表記する。

【0050】

ここで、図３には、水凝縮温度Ｎを２５℃、１００℃及び１５０℃のいずれかの一定温度に設定し、メタネーション温度１５０℃から５００℃まで変化させた場合の、合成メタン濃度が示されている。なお、本実施形態のメタン合成装置制御方法では、一例として、メタン合成装置１２におけるガス圧力を０．７ＭＰａＧまで高くして制御することが可能である。これにより、上記のように、１５０℃のような高温の水凝縮温度Ｎを実現可能である。

【0051】

また、図４には、メタネーション温度Ｍを３００℃、３５０℃及び４００℃のいずれかの一定温度に設定し、水凝縮温度を２５℃から１５０℃まで変化させた場合の、合成メタン濃度が示されている。

【0052】

なお、図３及び図４のグラフにおける合成メタン濃度は、第二メタネーション反応炉２２における熱平衡計算により算出される。すなわち、第二メタネーション反応炉２２において、熱平衡に達する条件は、反応ギブスエネルギーが０（ゼロ）になる条件として試算する。第二メタネーション反応炉２２において、状態Ａから状態Ｂへと化学反応が生じる場合、反応ギブスエネルギーΔrＧは、定温低圧条件における、反応標準ギブスエネルギーをΔrＧ^０、気体定数をＲ、反応進行度をｘとして
ΔrＧ＝ΔrＧ^０＋ＲＴln(ｘ/(1-ｘ)) （３）
となる。

【0053】

ここで、反応標準ギブスエネルギーΔrＧ^０、は、標準化学ポテンシャルμ^０ _Ａ、μ^０ _Ｂを用いて、
ΔrＧ^０、＝μ^０ _Ｂ－μ^０ _Ａ
と表される。

【0054】

熱平衡に達する条件では、ΔrＧ＝０（ゼロ）であるので、（３）より、
－ΔrＧ^０＝ＲＴln(ｘ/(1-ｘ)) （４）
となる。この式（４）をｘについて解くことで、反応進行度ｘが求まる。反応進行度ｘが分かれば、反応式（２）において反応がどの程度進行しているかも分かるので、第二メタネーション反応炉２２における熱平衡状態での成分組成が求まる。

【0055】

図３に示すグラフからは、水凝縮温度Ｎが一定の場合、メタネーション温度Ｍの上昇に伴って合成メタン濃度が低下していることが分かる。この要因としては、メタネーション温度Ｍが上昇するとメタネーション反応が平衡状態に近づき、メタネーション反応が進みにくくなるためであると考えられる。

【0056】

図４に示すグラフからは、メタネーション温度Ｍが一定の場合、水凝縮温度Ｎの上昇に伴って合成メタン濃度が低下していることが分かる。この要因としては、水凝縮温度Ｎが上昇すると、第一反応生成物中に存在する気相の水分の量が増加し、第二メタネーション反応炉２２におけるメタネーション反応の平衡状態に達しやすくなるためであると考えられる。

【0057】

このように、メタン合成装置１２における合成メタン濃度は、メタネーション温度Ｍ及び水凝縮温度Ｎの双方に依存している。そして、本実施形態のメタン合成装置制御方法では、メタネーション温度Ｍと水凝縮温度Ｎとを組み合わせて第二メタネーション反応炉２２におけるメタネーション反応を制御することで、合成メタン濃度を所望の範囲に調整する。この組み合わせには、メタネーション温度Ｍを上下させること、及び水凝縮温度Ｎを上下させること、同時に行う方法の他、たとえば、メタネーション温度及び水凝縮温度Ｎのいずれか一方は一定温度に維持し、他方を上下させることも含む。

【0058】

具体的に、メタネーション温度Ｍと水凝縮温度Ｎとをどのように組み合わせてメタネーション反応を制御するか、という点は特に限定されない。メタン合成装置１２によって生成される合成メタンに対しては、用途に応じて望ましい合成メタン濃度が要求される。したがって、所望の合成メタン濃度を短時間で確実に得られるようにする観点から、たとえば、以下の観点での組み合わせが可能である。

【0059】

すなわち、合成メタン濃度の濃度変化の感度、すなわち単位時間あたりの濃度変化の割合は、水凝縮温度Ｎを変化させた場合よりも、メタネーション温度Ｍを変化させた場合の方が高い。これは、第二水凝縮器２４で生成水よりも、第二メタネーション反応炉２２の触媒の方が、熱伝導率が高いためである。

【0060】

したがって、短時間で合成メタン濃度を変化させたい場合は、まず水凝縮温度Ｎを一定温度に維持しつつ、メタネーション温度Ｍを所望の合成メタン濃度に応じた温度まで変化させて、短時間で合成メタン濃度を所望の濃度に近づける。次いで、メタネーション温度Ｍを一定に維持しつつ、水凝縮温度Ｎを所望の合成メタン濃度に応じた温度まであらためて変化させて、合成メタン濃度の微調整を行う制御が可能である。

【0061】

より具体的には、たとえば、図３に示すグラフから分かるように、水凝縮温度Ｎ＝１００℃、メタネーション温度Ｍ＝４００℃の場合、合成メタン濃度は約８９％である。この状態から、合成メタン濃度をたとえば９５％に変更する場合、まず、メタネーション温度Ｍを３２０℃付近まで低下させる。これにより、得られる合成メタン濃度は９０％に近い値となる。しかし、この状態では、メタネーション温度Ｍのわずかな変化により、合成メタン濃度も大きく変化してしまうことがある。すなわち、合成メタン濃度の微調整をメタネーション温度Ｍの変化で行うことは難しい。そこで、たとえば、メタネーション温度Ｍは３５０℃を維持する。そして、図４に示すグラフから分かるように、水凝縮温度Ｎを１３０℃程度として微調整することで、合成メタン濃度が９０％により近い値となるように調整する。

【0062】

また、第二メタネーション反応炉２２の触媒の劣化を抑制する観点から、メタネーション温度Ｍと水凝縮温度Ｎとの調整を組み合わせてもよい。すなわち、この触媒は、定格温度Ｔを超えた状態で運転を継続すると、劣化が進みやすい。したがって、メタネーション温度Ｍが定格温度Ｔを超えない範囲で、あるいは、超えている場合にはメタネーション温度Ｍを下げるように、メタネーション装置１６を運転する。

【0063】

たとえば、図３に示すグラフにおいて、水凝縮温度Ｎ＝１００℃、メタネーション温度Ｍ＝４００℃で、合成メタン濃度が約８９％の状態から、合成メタン濃度を低下させる場合を想定する。この場合、メタネーション温度Ｍを上げることで、合成メタン濃度を低下させることが可能である。しかしながら、メタネーション温度Ｍを上げると、第二メタネーション反応炉２２の触媒の劣化を早める可能性がある。たとえば、定格温度Ｔ＝４００℃の場合は、上記の状態において、既にメタネーション温度Ｍが定格温度Ｔに等しい状態になってしまっている。そこで、この場合には、図４のグラフから分かるように、メタネーション温度Ｍ＝４００℃を維持しつつ、水凝縮温度Ｎを上昇させて、合成メタン濃度を低下させる。合成メタン濃度を低下させるにあたってメタネーション温度Ｍを上げないので、第二メタネーション反応炉２２の触媒の劣化を抑制できる。

【0064】

このように、メタネーション温度Ｍを変化させると、合成メタン濃度を短時間で効率的に変化させられるが、メタネーション温度Ｍを上げることが触媒の劣化抑制という観点では好ましくない場合がある。これに対し、水凝縮温度Ｎについては、触媒の劣化抑制という観点での温度範囲の制限がなく、このような制限がないため、合成メタン濃度を下げる場合に、好ましく適用可能である。

【0065】

メタネーション温度Ｍを一定に維持し水凝縮温度Ｎを制御することで合成メタン濃度を調整する構成では、メタネーション温度Ｍを制御しなくて済むので、メタネーション温度Ｍの温度管理や制御が容易である。これに対し、水凝縮温度Ｎを一定に維持しメタネーション温度Ｍを制御することで合成メタン濃度を調整する構成では、水凝縮温度Ｎを制御しなくて済むので、水凝縮温度Ｎの温度管理や制御が容易である。

【0066】

図５には、合成メタン濃度を所望の濃度に近づけるための濃度調整処理のフローの一例が示されている。この濃度調整処理は、制御装置３８において、たとえば所定のタイミングで実行される。なお、この濃度調整処理では、メタネーション温度Ｍが定格温度Ｔ未満となっている状態でメタネーション装置１６を運転することを原則としている。そして、メタネーション装置１６の運転中に、メタネーション温度Ｍが定格温度Ｔ以上となっている場合には、メタネーション温度Ｍを定格温度Ｔ未満にするように調整する制御を含んでいる。この濃度調整処理が実行されるごとに、合成メタン濃度が所望の範囲内となり、且つ、メタネーション温度Ｍが定格温度Ｔを超えないように（超えている場合はメタネーション温度Ｍを下げるように）、メタネーション装置１６の運転状態が制御される。

【0067】

制御装置３８は、まず、ステップＳ１１０において、濃度調整処理に用いる基礎データを取得する。この基礎データには、水凝縮温度Ｎ、メタネーション温度Ｍ及び第二反応生成物の流量が含まれる。

【0068】

次に、制御装置３８は、ステップＳ１２０において、第二反応生成物における合成メタン濃度を算出する。第二メタネーション反応炉２２では、上記式（２）に示す反応により、メタンと水とが生成されている。したがって、ステップＳ１０４では、ステップＳ１０２において得た第二メタネーション反応炉２２に送られる第一反応生成物の量と、上記式（２）とに基づいて、合成メタンの濃度を算出する。

【0069】

次に、制御装置３８は、ステップＳ１３０において、ステップＳ１２０で得た合成メタンの濃度に対する調整をどのようにすべきかを判断する。すなわち、合成メタンの濃度について、維持、上昇及び低下のいずれとすべきかを判断する。

【0070】

制御装置３８は、ステップＳ１３０において、合成メタン濃度が所定の濃度よりも高くなっているため、合成メタン濃度を低下させるべき判断した場合、ステップＳ１４２に移行する。

【0071】

合成メタンの濃度を低下させるためには、図３のグラフに示したように、たとえばメタネーション温度Ｍを上げる方法を採り得る。しかしながら、メタネーション温度Ｍが定格温度Ｔを超えた状態でさらにメタネーション温度Ｍを上げると、第二メタネーション反応炉２２の触媒の劣化を促進するおそれがある。そこで、制御装置３８は、ステップＳ１４２において、第二メタネーション反応炉２２のメタネーション温度Ｍが定格温度Ｔを超えているか否かを判断する。

【0072】

ステップＳ１４２において、メタネーション温度Ｍが定格温度Ｔを超えていると判断した場合は、ステップＳ１４４に移行する。ステップＳ１４４では、触媒の劣化の進行を抑制すべく、メタネーション温度Ｍを定格温度Ｔ未満となるように下げる。

【0073】

次に、制御装置３８は、ステップＳ１４６において、合成メタン濃度が所望の濃度まで低下するように水凝縮温度Ｎを必要量だけ調整する。すなわち、ステップＳ１３０において合成メタン濃度を低下させるべきと判断したにも関わらず、ステップＳ１４４では、触媒の劣化の進行を抑制すべくメタネーション温度Ｍを下げたので、合成メタン濃度は上昇してしまう。そこで、ステップＳ１４６では、水凝縮温度Ｎを上げることで、所望の合成メタン濃度が得られるようにしている。具体的には、水凝縮温度Ｎの上昇量は、たとえば、図４に示すグラフから得られる。このように、メタネーション温度Ｍを定格温度Ｔ未満とし、触媒の劣化を抑制しつつ、合成メタンの濃度を確実に低下させることができる。そして、制御装置３８は濃度調整処理を終了する。

【0074】

ステップＳ１４２においてメタネーション温度Ｍが定格温度Ｔ以下であると判断した場合は、ステップＳ１４８に移行する。ステップＳ１４８では、メタネーション温度Ｍを定格温度Ｔ未満の範囲で上げる。これにより、図３のグラフに示したように、合成メタンの濃度が低下する。水凝縮温度Ｎの変化よりも、メタネーション温度Ｍの変化の方が、合成メタンの濃度変化の感度が高いので、メタネーション温度Ｍを上げることにより、合成メタンの濃度を短時間で低下させることができる。メタネーション温度Ｍの上昇程度は、たとえば、図３に示すグラフから得る。

【0075】

ただし、メタネーション温度Ｍの上昇範囲は、定格温度Ｔ未満の範囲であるので、合成メタン濃度の低下量には限界がある。そこで、ステップＳ１４６に移行し、水凝縮温度Ｎを必要量だけ調整する。この場合、具体的には、メタネーション温度Ｍを上げることによっても合成メタン濃度を所望の濃度まで低下させることができない場合に、水凝縮温度Ｎを上げることで、合成メタン濃度をさらに低下させ所望の濃度とする。

【0076】

このように、ステップＳ１４６における水凝縮温度の調整は、ステップＳ１４４においてメタネーション温度Ｍを下げた場合、及び、ステップＳ１４８においてメタネーション温度Ｍを上げた場合のいずれにも対応し、合成メタンの濃度を微調整する処理である。そして、制御装置３８は、このように合成メタン濃度を微調整して所望の濃度とした状態で、濃度調整処理を終了する。

【0077】

以上は、メタネーション装置１６において合成メタン濃度を低下させる制御である。これに対し、制御装置３８は、ステップＳ１３０において、合成メタン濃度が所定の濃度よりも低く、上昇させるべきと判断した場合、及び、合成メタン濃度が所定の濃度になっており、濃度を維持すべきと判断した場合は、ステップＳ１５２に移行する。以下では、まず、合成メタン濃度を上昇させる場合について説明する。

【0078】

ステップＳ１５２では、第二メタネーション反応炉２２のメタネーション温度Ｍが定格温度Ｔを超えているか否かを判断する。

【0079】

合成メタン濃度を上昇させるためには、図３のグラフに示したように、たとえばメタネーション温度Ｍを下げる方法を採り得る。

【0080】

ステップＳ１５２において、メタネーション温度Ｍが定格温度Ｔを超えていると判断した場合は、ステップＳ１５４に移行する。上記したように、メタネーション温度Ｍが定格温度Ｔを超えている場合、触媒の劣化が進行しやすい。そこで、ステップＳ１５４では、メタネーション温度Ｍを下げる。これにより、図３のグラフに示すように、合成メタン濃度が上昇する。

【0081】

ただし、このようにメタネーション温度Ｍを定格温度Ｔ未満に下げると、合成メタン濃度が、所望の濃度よりも上昇してしまうことがある。そこで、ステップＳ１５６に移行し、水凝縮温度Ｎを必要量だけ調整する。この場合、具体的には、メタネーション温度Ｍを定格温度未満に下げることによって、合成メタン濃度が必要以上に上昇した場合に、水凝縮温度Ｎを上げることで、合成メタン濃度を低下させ所望の濃度とする。

【0082】

ステップＳ１５２においてメタネーション温度Ｍが定格温度Ｔ以下であると判断した場合は、ステップＳ１５６に移行する。すなわち、メタネーション温度Ｍは、触媒の劣化を抑制することができる温度範囲であるので、触媒の劣化を抑制する観点からさらにメタネーション温度Ｍを下げる必要はない。

【0083】

そして、ステップＳ１５６において、水凝縮温度Ｎを必要量だけ上げることで、合成メタン濃度を低下させ所望の濃度とする。

【0084】

次に、ステップＳ１３０において、合成メタン濃度を維持すべきと判断した場合について説明する。

【0085】

この場合も、合成メタン濃度を上昇させるべきと判断した場合と同様に、ステップＳ１５２において、第二メタネーション反応炉２２のメタネーション温度Ｍが定格温度Ｔを超えているか否かを判断する。

【0086】

ステップＳ１５２において、メタネーション温度Ｍが定格温度Ｔを超えていると判断した場合は、ステップＳ１５４に移行し、ステップＳ１５４では、メタネーション温度Ｍを下げる。これにより、触媒の劣化の進行は抑制されるが、図３のグラフに示すように、合成メタン濃度が上昇する。

【0087】

そこで、ステップＳ１５６において、水凝縮温度Ｎを必要量だけ上げることで、合成メタン濃度を低下させ、結果的に合成メタン濃度が維持させるようにする。

【0088】

ステップＳ１５２においてメタネーション温度Ｍが定格温度Ｔ以下であると判断した場合は、ステップＳ１５６に移行する。実質的には、ステップＳ１５６では、水凝縮温度Ｎを上下させる必要はなく、一定温度を維持すれば、合成メタン濃度は一定に維持される。そして、制御装置３８は濃度調整処理を終了する。

【0089】

次に、第二実施形態について説明する。第二実施形態において、第一実施形態と同様の要素、部材等については同一符号を付して、詳細な説明を省略する。

【0090】

図６に示すように、第二実施形態のメタン合成装置６２では、第一実施形態のガス流量センサ３６に代えて、切替バルブ６４及びサンプリング容器６６を有している。そして、制御装置３８が切替バルブ６４を制御することで、第二メタネーション反応炉２２における第二生成物の一部を、サンプリング容器６６に送ることが可能とされている。

【0091】

第二実施形態のメタン合成装置６２において、合成メタン濃度の調整を行うには、以下の方法を例示できる。

【0092】

すなわち、所望のメタン合成濃度となるように、メタネーション温度Ｍ及び水凝縮温度Ｎを一定の温度に調整しておく。そして、所定のタイミングあるいは条件下で、メタン合成装置６２の運転中に切替バルブ６４を制御し、第二反応生成物の一部をサンプリング容器６６に送る。

【0093】

これにより、サンプリング容器６６には第二反応生成物が存在しているので、この第二反応生成物の合成メタン濃度を測定する。合成メタン濃度を測定にあたっては、メタン合成装置６２とは別に用意した測定装置を用いる。測定装置の具体的構成は限定されない。たとえば、サンプルの第二反応生成物を所定量だけ燃焼させ、燃焼により発生した熱量を特定することで、第二反応生成物の合成メタン濃度を測定できる。

【0094】

そして、測定した合成メタン濃度に基づき、合成メタン濃度が所望の範囲となるように、水凝縮温度Ｎを制御する。なお、この場合の合成メタン濃度の調整において、メタネーション温度Ｍを制御してもよい。すなわち、図３のグラフに示したメタネーション温度Ｍと合成メタン濃度との関係から、メタネーション温度Ｍを決定する。

【0095】

ただし、触媒の劣化を抑制する観点からは、上記したように、メタネーション温度Ｍは定格温度Ｔを超えないようにすることが好ましいのに対し、水凝縮温度Ｎについては、露点温度以下の範囲内において、自由に設定できる。そして、図４のグラフに示したように、水凝縮温度Ｎの変化に対し合成メタン濃度の変化の感度は低い。したがって、水凝縮温度Ｎを制御することで、触媒の劣化を抑制しつつ、合成メタン濃度の微調整を容易に行うことが可能である。

【0096】

これに対し、第一実施形態では、第二反応生成物の合成メタ濃度をメタン合成装置１２の運転と並行してリアルタイムで知ることができる。

【0097】

なお、第二反応生成物のメタン合成装置６２において合成メタン濃度を知る構成は、上記第一実施形態及び第二実施形態に限定されない。たとえば、第一実施形態のガス流量センサ３６に代えて、あるいは併用して、第二反応生成物の合成メタン濃度を直接的に検出する濃度センサを設けてもよい。

【0098】

本願の開示の技術では、第二メタネーション反応炉２２におけるメタネーション温度Ｍと、第一水凝縮器２０における水凝縮温度Ｎとを制御することで、合成メタン濃度を所望の濃度に調整できる。

【0099】

また、合成メタン濃度を所望の濃度に調整するために、第二メタネーション反応炉２２におけるメタネーション温度Ｍと、第一水凝縮器２０における水凝縮温度Ｎとを制御すれば足り、たとえば、合成メタンガスの製造後に、メタンガスを精製する等の複雑な制御や構成を要しない。このため、低コストで所望の合成メタン濃度を有するガスを精製できる。

【符号の説明】

【0100】

１２ メタン合成装置
１４ 水分解装置
１６ メタネーション装置
１８ 第一メタネーション反応炉
２０ 第一水凝縮器
２２ 第二メタネーション反応炉
２４ 第二水凝縮器
２６ 加熱装置
２８ 温度調整装置
３０ 熱源
３２ 温度調整装置
３４ 熱源
３６ ガス流量センサ
３８ 制御装置
６２ メタン合成装置
６４ 切替バルブ
６６ サンプリング容器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】