特開 2024-113493 ガス製造システム

(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】P2024113493

(43)【公開日】2024-08-22

(54)【発明の名称】ガス製造システム

(51)【国際特許分類】

   C01B 3/48 20060101AFI20240815BHJP

   B01D 53/22 20060101ALI20240815BHJP

   C01B 3/56 20060101ALI20240815BHJP

【ＦＩ】

C01B3/48

B01D53/22

C01B3/56 Z

【審査請求】有

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023018521

(22)【出願日】2023-02-09

(71)【出願人】

【識別番号】000137889

【氏名又は名称】株式会社ミヤワキ

(74)【代理人】

【識別番号】100115381

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 昌崇

(74)【代理人】

【識別番号】100176304

【弁理士】

【氏名又は名称】福成 勉

(72)【発明者】

【氏名】吉川 成雄

【テーマコード（参考）】

4D006

4G140

【Ｆターム（参考）】

4D006GA41

4D006KA01

4D006KB30

4D006KE16R

4D006MB04

4D006PA01

4D006PB20

4D006PB64

4D006PB66

4G140EA06

4G140EB14

4G140EB37

4G140EB39

4G140EB44

4G140FA02

4G140FB04

4G140FC01

4G140FE01

(57)【要約】

【課題】ＣＯ_２分子ゲート膜を用いたＣＯ_２とＨ_２との分離を、より高精度かつ高効率に行うことが可能なガス製造システムを提供する。
【解決手段】ガス製造システム１は、ガス化炉２と、水性ガスシフト反応炉３と、熱交換器４と、ＣＯ_２選択透過膜モジュール５と、を備える。ガス化炉２は、石炭およびＯ_２の供給を受けてＣＯを生成する。水性ガスシフト反応炉３は、ガス化炉２で生成されたＣＯと、蒸気との供給を受け入れ、ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを生成する。熱交換器４は、真空蒸気を冷媒として用い、水性ガスシフト反応炉３で生成されたＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを冷却する。ＣＯ_２選択透過膜モジュール５は、ＣＯ_２分子ゲート膜を有するとともに、冷却されたＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを受け入れ、ＣＯ_２とＨ_２とを分離する。熱交換器４は、ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスの温度を８５℃を含む所定範囲内となるように冷却する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＣＯと蒸気とを受け入れ、ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを生成するＣＯ_２／Ｈ_２混合ガス生成モジュールと、
前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガス生成モジュールで生成された前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを冷却する混合ガス冷却モジュールと、
ＣＯ_２分子ゲート膜を有するとともに、前記混合ガス冷却モジュールで冷却された前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを受け入れ、当該ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスからＣＯ_２とＨ_２とを分離するＣＯ_２選択透過膜モジュールと、
を備え、
前記混合ガス冷却モジュールは、真空蒸気を冷媒として用いる熱交換器である、
ガス製造システム。

【請求項2】

前記混合ガス冷却モジュールでは、前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスの温度が８５℃を含む所定範囲内となるように前記真空蒸気との間で熱交換が実行される、
請求項１に記載のガス製造システム。

【請求項3】

前記熱交換器は、ガスケットプレート式の熱交換器である、
請求項１または請求項２に記載のガス製造システム。

【請求項4】

前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガス生成モジュールは、水性ガスシフト反応により前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを生成する水性ガスシフト反応炉であり、
前記混合ガス冷却モジュールには、２００℃～４００℃の温度、２ＭＰａ～４ＭＰａの圧力で前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスが導入される、
請求項１または請求項２に記載のガス製造システム。

【請求項5】

前記混合ガス冷却モジュールは、前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを８５℃を含む所定範囲内となるように冷却する、
請求項１または請求項２に記載のガス製造システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガス製造システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年では、環境負荷の低減を図るため、水素ガスを用いた発電の開発が進められている。非特許文献１には、発電等の燃料として用いる水素ガスを製造するためのシステムが開示されている。非特許文献１で紹介されているガス製造システムについて、図２を用いて説明する。

【0003】

図２に示すように、ガス製造システム９１は、ガス化炉９２と、水性ガスシフト反応炉９３と、熱交換器９４と、ＣＯ_２選択透過膜モジュール９５と、を備える。ガス化炉９２には、石炭とＯ_２が導入され、内部でＣＯが生成される。水性ガスシフト反応炉９３には、ガス化炉９２で生成されたＣＯと、蒸気が導入され、内部でＣＯ_２とＨ_２との混合ガスが生成される。なお、水性ガスシフト反応炉９３内で生成された混合ガスは、温度が２００℃～４００℃、圧力が２ＭＰａ～４ＭＰａである。

【0004】

水性ガスシフト反応炉９２で生成された混合ガスは、熱交換器９４で所定の温度範囲まで冷却され、ＣＯ_２選択透過膜モジュール９５へと供給される。ＣＯ_２選択透過膜モジュール９５では、ＣＯ_２だけが内部のＣＯ_２分子ゲート膜を透過し、これによりＣＯ_２とＨ_２とが分離される。なお、温度が２００℃～４００℃の混合ガスをＣＯ_２選択透過膜モジュール９５へ導入した場合には、精度および効率の両方が低くなってしまう。このため、ＣＯ_２選択透過膜モジュール９５内で高精度かつ高効率にＣＯ_２とＨ_２とを分離するため、ＣＯ_２選択透過膜モジュール９５へ導入する前の混合ガスを熱交換器９４で冷却している。なお、従来技術に係るガス製造システム９１では、熱交換器９４に対して冷媒として温水または水が導入される。

【0005】

上記のように分離されたＨ_２は、発電等の燃料として活用され、ＣＯ_２は、地下深くに貯留される。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】公益財団法人地球環境産業技術研究機構 化学研究グループ、次世代火力発電の早期実現に向けた協議会（第２回会合）資料２－３、「ＣＯ２分離・回収技術（固体吸収材、分離膜）の開発動向」Ｐ．１６、２０１５年６月２２日

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、上記のようなガス製造システムにおいては、さらなる高精度かつ効率的なＣＯ_２分離が求められている。具体的には、高精度かつ効率的なＣＯ_２分離を行うためには、８５℃前後の混合ガスをＣＯ_２選択透過膜モジュール９５に導入することが要求されるが、従来技術に係るガス製造システム９１のように温水等を冷媒として用いる熱交換器９４で混合ガスの冷却を行う場合には大きな温度バラツキが生じてしまう。

【0008】

図３（ａ）に示す向流方式の熱交換器９４でも、図３（ｂ）に示す並流方式の熱交換器９４でも、熱交換器９４内で冷媒との熱交換により混合ガスが冷却されるのであるが、熱交換器９４内で混合ガスの温度はＴ１～Ｔ２の範囲でバラツキが生じてしまう（特性線Ｌ９１，Ｌ９２）。これは、温水や水を冷媒として用いた熱交換では、顕熱により混合ガスの冷却が行われるため、大きな冷却ムラが生じる。このため、温水等を冷媒として用いる熱交換器９４を用いて混合ガスの冷却を行う従来技術に係るガス製造システム９１では、５０～１５０℃の範囲でバラツキを有する混合ガスがＣＯ_２選択透過膜モジュール９５に導入されてしまう。よって、ガス製造システムには、さらなる高精度で効率的なＣＯ_２分離が求められる。

【0009】

本発明は、上記のような問題の解決を図ろうとなされたものであって、ＣＯ_２分子ゲート膜を用いたＣＯ_２とＨ_２との分離を、より高精度かつ高効率に行うことが可能なガス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】

【0010】

本発明の一態様に係るガス製造システムは、ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガス生成モジュールと、混合ガス冷却モジュールと、ＣＯ_２選択透過膜モジュールと、を備える。前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガス生成モジュールは、ＣＯと蒸気とを受け入れ、ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを生成する。前記混合ガス冷却モジュールは、前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガス生成モジュールで生成された前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを冷却する。前記ＣＯ_２選択透過膜モジュールは、ＣＯ_２分子ゲート膜を有するとともに、前記混合ガス冷却モジュールで冷却された前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを受け入れ、当該ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスからＣＯ_２とＨ_２とを分離する。

【0011】

本態様に係るガス製造システムにおいて、前記混合ガス冷却モジュールは、真空蒸気を冷媒として用いる熱交換器である。

【0012】

上記態様に係るガス製造システムでは、真空蒸気を冷媒として用いる熱交換器を混合ガス冷却モジュールとして備えるので、温度ムラが少なく高精度に温度制御されたＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスがＣＯ_２選択透過膜モジュールへと供給される。即ち、熱交換器において真空蒸気（圧力が大気圧未満であって、温度が１００℃未満の蒸気）を冷媒として用いる場合には、伝熱面への熱の伝達が凝縮熱伝達によるものであり、温水や水を冷媒として用いる場合に比べて１．５倍～２．０倍の熱伝達効率を有する。よって、熱交換器内での冷媒の温度にムラが略なく、冷却されるＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスも高精度に制御された温度に冷却される。

【0013】

よって、上記態様に係るガス製造システムでは、ＣＯ_２分子ゲート膜を用いたＣＯ_２とＨ_２との分離を、より高精度かつ高効率に行うことが可能である。

【0014】

上記態様に係るガス製造システムにおいて、前記混合ガス冷却モジュールでは、前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスの温度が８５℃を含む所定範囲内となるように前記真空蒸気との間で熱交換が実行される、としてもよい。

【0015】

上記態様に係るガス製造システムでは、混合ガス冷却モジュールで上記所定温度内となるように冷却されたＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスがＣＯ_２選択透過膜モジュールへと送られるので、当該ＣＯ_２選択透過膜モジュールで高効率にＣＯ_２とＨ_２との分離が実行される。

【0016】

上記態様に係るガス製造システムにおいて、前記熱交換器は、ガスケットプレート式の熱交換器である、としてもよい。

【0017】

上記態様に係るガス製造システムでは、ガスケットプレート式の熱交換器が混合ガス冷却モジュールに採用されているので、当該混合ガス冷却モジュールでの高い熱交換効率での冷却が可能である。また、ガスケットプレート式の熱交換器は、空冷方式の熱交換器やシェル＆チューブ式の熱交換器などに比べてサイズが小さい。このため、システム全体のサイズを小さく抑えることもできる。さらに、ガスケットプレート式の熱交換器は、ブレージングプレート式の熱交換器などに比べてメンテナンス性に優れる。

【0018】

上記態様に係るガス製造システムにおいて、前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガス生成モジュールは、水性ガスシフト反応により前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを生成する水性ガスシフト反応炉であり、前記混合ガス冷却モジュールには、２００℃～４００℃の温度、２ＭＰａ～４ＭＰａの圧力で前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスが導入される、としてもよい。

【0019】

上記態様に係るガス製造システムでは、２００℃～４００℃の温度、２ＭＰａ～４ＭＰａの圧力のＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスが混合ガス冷却モジュールに対して導入されるが、上記のように混合ガス冷却モジュールで高精度に冷却されるので、ＣＯ_２選択透過膜モジュールで高精度かつ高効率にＣＯ_２とＨ_２とを分離可能である。

【0020】

上記態様に係るガス製造システムにおいて、前記混合ガス冷却モジュールは、前記ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを８５℃を含む所定範囲内となるように冷却する、としてもよい。

【0021】

上記態様に係るガス製造システムでは、混合ガス冷却モジュールで上記所定範囲内となるようにＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスを冷却した上で、当該ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスをＣＯ_２選択透過膜モジュールに供給するので、ＣＯ_２選択透過膜モジュールで高精度かつ高効率にＣＯ_２とＨ_２とを分離するのに更に優位である。

【発明の効果】

【0022】

上記の各態様に係るガス製造システムでは、ＣＯ_２分子ゲート膜を用いたＣＯ_２とＨ_２との分離を、より高精度かつ高効率に行うことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】実施形態に係るガス製造システムの構成を示す模式図である。

【図2】従来技術に係るガス製造システムの構成を示す模式図である。

【図3】（ａ）は、向流方式の熱交換器内における冷媒と対象ガスとの温度差を示す特性図であり、（ｂ）は、並流方式の熱交換器内における冷媒と対象ガスとの温度差を示す特性図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下では、本発明の実施形態について、図面を参酌しながら説明する。なお、以下で説明の形態は、本発明の一例を示すものであって、本発明は、その本質的な構成を除き何ら以下の形態に限定を受けるものではない。

【0025】

［実施形態］
実施形態に係るガス製造システム１は、発電等の燃料として用いる水素ガス（Ｈ_２）を製造するためのシステムである。また、ガス製造システム１でＨ_２を製造する際に二酸化炭素（ＣＯ_２）も製造されるが、このＣＯ_２は地中深くに貯留される。

【0026】

１．ガス製造システム１の構成
実施形態に係るガス製造システム１の構成について、図１を用いて説明する。

【0027】

図１に示すように、ガス製造システム１は、ガス化炉２と、水性ガスシフト反応炉３と、熱交換器４と、ＣＯ_２選択透過膜モジュール５と、を備える。ガス化炉２は、ＣＯを生成するＣＯ生成モジュールとして備えられ、石炭とＯ_２とが導入されることにより内部でＣＯを生成する。

【0028】

水性ガスシフト反応炉３は、ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガス生成モジュールとして備えられ、ガス化炉２で生成されたＣＯと、蒸気とが導入されることにより内部でＨ_２とＣＯ_２との混合ガスを生成する。なお、水性ガスシフト反応炉３内で生成された混合ガスは、温度が２００～４００℃の範囲、圧力が２～４ＭＰａの範囲である。

【0029】

水性ガスシフト反応炉３で生成された混合ガスは、熱交換器４で所定範囲（８５℃を含む範囲）までガス温度が冷却される。即ち、本実施形態に係るガス製造システム１では、熱交換器４を混合ガス冷却モジュールとして備えている。詳細な図示を省略しているが、本実施形態に係るガス製造システム１が備える熱交換器４は、ガスケットプレート式の熱交換器であって、冷媒として真空蒸気（圧力が大気圧より低い飽和状態の蒸気であって、温度が１００℃未満の蒸気）を用いる。なお、熱交換器４は、向流方式と並流方式の何れであってもよいが、本実施形態では、一例として向流方式の熱交換器である。

【0030】

熱交換器４で所定範囲内の温度まで冷却されたＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスは、ＣＯ_２選択透過膜モジュール５へと導入される。ＣＯ_２選択透過膜モジュール５は、ＣＯ_２分子ゲート膜を有するモジュールであって、ＣＯ_２だけがＣＯ_２分子ゲート膜を透過し、Ｈ_２はＣＯ_２分子ゲート膜を透過できない。これにより、ＣＯ_２とＨ_２とが分離される。

【0031】

２．熱交換器４での混合ガスの冷却
本実施形態に係るガス製造システム１では、冷媒として真空蒸気を用いる熱交換器４を備える。熱交換器４において、真空蒸気を冷媒として用いる場合には、熱交換器４内の伝熱面への熱の伝達が凝縮熱伝達によるものとすることができ、温水や水を冷媒として用いる場合に比べて１．５倍～２．０倍の熱伝達効率を有する。よって、熱交換器４では、当該熱交換器４内における冷媒流路での冷媒の温度が瞬時に均一となる。このため、本実施形態では、熱交換器４内での冷媒の温度にムラが略なく、冷却されるＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスも高精度に制御された温度に冷却される。

【0032】

また、本実施形態に係るガス製造システム１では、熱交換器４としてガスケットプレート式の熱交換器を備えているので、当該熱交換器４内での高い熱交換効率での混合ガスの冷却が可能である。また、ガスケットプレート式の熱交換器である熱交換器４は、空冷方式の熱交換器やシェル＆チューブ式の熱交換器などに比べてサイズが小さい。このため、システム１全体のサイズを小さく抑えることもできる。さらに、ガスケットプレート式の熱交換器である熱交換器４は、ブレージングプレート式の熱交換器などに比べてメンテナンス性に優れる。

【0033】

３．効果
上述のように、本実施形態に係るガス製造システム１では、真空蒸気を冷媒として用いる熱交換器４を混合ガス冷却モジュールとして備えるので、温度ムラが少なく高精度に温度制御されたＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスがＣＯ_２選択透過膜モジュール５へと供給される。よって、ガス製造システム１では、ＣＯ_２分子ゲート膜を有するＣＯ_２選択透過膜モジュール５でのＣＯ_２とＨ_２との分離を、より高精度かつ高効率に行うことが可能である。

【0034】

なお、熱交換器４では、ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスの温度を８５℃を含む所定範囲まで冷却して、ＣＯ_２選択透過膜モジュール５へと供給することがＣＯ_２とＨ_２との分離における精度および効率の両観点から望ましい。「８５℃を含む所定範囲」とは、例えば、８５℃±５℃、望ましくは８５℃±３℃、より望ましくは８５℃±１℃を指す。

【0035】

また、本実施形態に係るガス製造システム１では、熱交換器４としてガスケットプレート式の熱交換器が採用されているので、当該熱交換器４での高い熱交換効率での冷却が可能である。また、ガスケットプレート式の熱交換器は、空冷方式の熱交換器やシェル＆チューブ式の熱交換器などに比べてサイズが小さい。このため、ガス製造システム１における全体のサイズを小さく抑えることもできる。さらに、ガスケットプレート式の熱交換器は、ブレージングプレート式の熱交換器などに比べてメンテナンス性に優れる。

【0036】

また、本実施形態に係るガス製造システム１では、２００℃～４００℃の温度、２ＭＰａ～４ＭＰａの圧力のＣＯ_２／Ｈ_２混合ガスが熱交換器４に対して導入されるが、上記のように熱交換器４で上記所定範囲（８５℃を含む範囲）まで高精度に冷却されるので、ＣＯ_２選択透過膜モジュール５で高精度かつ高効率にＣＯ_２とＨ_２とを分離可能である。

【0037】

以上のように、本実施形態に係るガス製造システム１では、ＣＯ_２分子ゲート膜を有するＣＯ_２選択透過膜モジュール５でＣＯ_２とＨ_２との分離を、より高精度かつ高効率に行うことが可能である。

【0038】

［変形例］
上記実施形態に係るガス製造システム１では、混合ガス冷却モジュールとしてガスケットプレート式の熱交換器４を備えることとしたが、本発明は、真空蒸気を冷媒とするものであれば熱交換器の種類に関してこれに限定を受けるものではない。例えば、空冷式の熱交換器、ブレージングプレート式の熱交換器、シェル＆チューブ式の熱交換器、浸漬型の熱交換器、ジャケットタンク式の熱交換器など種々の熱交換器を採用することができる。

【0039】

また、上記実施形態に係るガス製造システム１では、ＣＯ生成モジュールとしてのガス化炉２を備えることとしたが、本発明に係るガス製造システムでは、必ずしもガス化炉２を備える必要はない。例えば、工場等から排出されるＣＯを回収し、これを水性ガスシフト反応炉３へと供給する構成としてもよい。

【0040】

また、上記実施形態に係るガス製造システム１では、ＣＯ_２選択透過膜モジュール５で分離されたＣＯ_２を地中深くに貯留することとしたが、本発明では、分離されたＣＯ_２の利用方法はこれに限定されない。例えば、メタネーション技術を用いてメタンＣＨ_４を合成するのに用いてもよい。即ち、ＣＯ_２選択透過膜モジュール５で分離されたＣＯ_２とＨ_２とを用いてＣＨ_４を合成してもよい。

【符号の説明】

【0041】

１ ガス製造システム
２ ガス化炉
３ 水性ガスシフト反応炉（ＣＯ_２／Ｈ_２混合ガス生成モジュール）
４ 熱交換器（混合ガス冷却モジュール）
５ ＣＯ_２選択透過膜モジュール

【図1】

【図2】

【図3】