知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(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】P2024053930
(43)【公開日】2024-04-16
(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 20060101AFI20240409BHJP
C07C 9/04 20060101ALI20240409BHJP
【ＦＩ】
C07C1/12
C07C9/04
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022160459
(22)【出願日】2022-10-04
(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
4H006AA04
4H006AB44
4H006AC11
4H006BE20
4H006BE41
(57)【要約】
【課題】第二反応炉における炭素析出を抑制する
【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の上昇が想定される場合又は上昇した場合に、第一水凝縮器の水凝縮温度を、第二反応炉での炭素析出を抑制する炭素析出抑制水温まで上昇させる水温上昇工程を有する。
【選択図】図４
【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の上昇が想定される場合又は上昇した場合に、第一水凝縮器の水凝縮温度を、第二反応炉での炭素析出を抑制する炭素析出抑制水温まで上昇させる水温上昇工程を有する。
【選択図】図４
【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、
前記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の上昇が想定される場合又は上昇した場合に、前記第一水凝縮器の水凝縮温度を、前記第二反応炉での炭素析出を抑制する炭素析出抑制水温まで上昇させる水温上昇工程、を有するメタン合成装置制御方法。
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、
前記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の上昇が想定される場合又は上昇した場合に、前記第一水凝縮器の水凝縮温度を、前記第二反応炉での炭素析出を抑制する炭素析出抑制水温まで上昇させる水温上昇工程、を有するメタン合成装置制御方法。
【請求項2】
前記水温上昇工程において前記水凝縮温度を前記炭素析出抑制水温まで上昇させた後、前記第二反応炉の反応炉温度が降下又は安定した場合に、前記水凝縮温度を前記炭素析出抑制水温未満に降下させる水温降下工程、を有する請求項１に記載のメタン合成装置制御方法。
【請求項3】
前記炭素析出抑制水温が時間的に一定温度である請求項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】
本開示の技術は、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】
実際のメタン合成装置では、下流側の反応炉（第二反応炉）において、炭素が析出することがあり、炭素析出によってメタン合成反応に影響を及ぼすおそれがある。しかしながら、第二反応炉において、炭素析出を抑制することが可能なメタン合成装置制御方法は提案されていない。
【0005】
本開示の技術では、上記事実を考慮し、第二反応炉における炭素析出を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
第一態様のメタン合成装置制御方法では、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、前記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の上昇が想定される場合又は上昇した場合に、前記第一水凝縮器の水凝縮温度を、前記第二反応炉での炭素析出を抑制する炭素析出抑制水温まで上昇させる水温上昇工程、を有する。
【0007】
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つの反応炉を有するメタン合成装置を対象としている。メタン合成反応を複数段階で行うので、メタン合成反応を１段階で行う構成と比較して、第二水凝縮器で得られる第二水除去物のメタン変換率を必要に応じて高くすることが可能となる。
【0008】
ここで、第二反応炉の反応炉温度が上昇した場合に、水凝縮温度が一定であると、第二反応炉での炭素が析出することがある。しかし、このメタン合成装置制御方法では、第二反応炉の反応炉温度の上昇が想定される場合又は上昇した場合に行う水温上昇工程を有している。水温上昇工程においては、第一水凝縮器の水凝縮温度を、第二反応炉での炭素析出を抑制する炭素析出抑制水温まで上昇させる。これにより、第二反応炉での炭素析出を抑制することができる。
【0009】
第二態様のメタン合成装置制御方法では、第一態様のメタン合成装置制御方法において、前記水温上昇工程において前記水凝縮温度を前記炭素析出抑制水温まで上昇させた後、前記第二反応炉の反応炉温度が降下又は安定した場合に、前記水凝縮温度を前記炭素析出抑制水温未満に降下させる水温降下工程、を有する。
【0010】
第二態様のメタン合成装置制御方法では、水温上昇工程において水凝縮温度を炭素析出抑制水温まで上昇させた後、第二反応炉の反応炉温度が降下又は安定した場合には、第二反応炉での炭素析出の可能性は低くなる。この状態で水温降下工程を行い、第一水凝縮器の水凝縮温度を炭素析出抑制水温未満に降下させるので、第二反応炉で合成されるメタン濃度の低下を抑制できる。
【0011】
第三態様のメタン合成装置制御方法では、第一又は第二態様のメタン合成装置制御方法において、前記炭素析出抑制水温が時間的に一定温度である。
【0012】
このように、炭素析出抑制水温を時間的に一定とすることで、第一水凝縮器の水凝縮温度の管理及び調整が容易となる。
【発明の効果】
【0013】
本願では、第二反応炉における炭素析出を抑制することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【発明を実施するための形態】
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋（１／２）Ｏ２ ΔＨ０＝２８５.８ｋＪ／ｍｏｌ（標準状態：２５℃、１ａｔｍ） （１）
この水分解反応は、分解される水１ｍｏｌあたり２８５．８ｋＪのエネルギー供給が必要であり、このエネルギーは通常は電気エネルギーとして供給される。なお、供給するエネルギーのうち、一部は熱エネルギーとしての供給が可能である。水分解装置１４では、電源装置６４により電気エネルギーが、また、加熱装置２６により熱エネルギーが、それぞれ加えられるようになっている。水分解装置１４は、このように電気エネルギーにより水を分解する装置であり、水電解装置の一例でもある。
Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋（１／２）Ｏ２ ΔＨ０＝２８５.８ｋＪ／ｍｏｌ（標準状態：２５℃、１ａｔｍ） （１）
この水分解反応は、分解される水１ｍｏｌあたり２８５．８ｋＪのエネルギー供給が必要であり、このエネルギーは通常は電気エネルギーとして供給される。なお、供給するエネルギーのうち、一部は熱エネルギーとしての供給が可能である。水分解装置１４では、電源装置６４により電気エネルギーが、また、加熱装置２６により熱エネルギーが、それぞれ加えられるようになっている。水分解装置１４は、このように電気エネルギーにより水を分解する装置であり、水電解装置の一例でもある。
【0019】
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。第一メタネーション反応炉１８は、本開示の技術の第一反応炉の一例である。
【0020】
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。
４Ｈ２＋ＣＯ２→ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ ΔＨ０＝－１６５ｋＪ／ｍｏｌ（標準状態：２５℃、１ａｔｍ） （２）
このメタン合成反応は、生成されるメタン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。
４Ｈ２＋ＣＯ２→ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ ΔＨ０＝－１６５ｋＪ／ｍｏｌ（標準状態：２５℃、１ａｔｍ） （２）
このメタン合成反応は、生成されるメタン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。
【0021】
水分解装置１４から水素を第一メタネーション反応炉１８に送る配管には、水素ガス流量センサ５８Ａが設けられている。水素ガス流量センサ５８Ａでは、第一メタネーション反応炉１８に投入される水素ガスの量が検出される。検出された水素ガスの流量は、制御装置３８に送信される。
【0022】
また、二酸化炭素は、たとえば図示しないボンベやタンク等から第一メタネーション反応炉１８に送られる。二酸化炭素を第一メタネーション反応炉１８に送る配管には、二酸化炭素ガス流量センサ５８Ｂが設けられている。二酸化炭素ガス流量センサ５８Ｂでは、第一メタネーション反応炉１８に投入される二酸化炭素の量が検出される。検出された水素ガスの流量は、制御装置３８に送信される。
【0023】
第一メタネーション反応炉１８は、熱交換器あるいはヒーター及びクーラー等の温度調整装置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。
【0024】
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、配管を通じて第一水凝縮器２０に送られる。
【0025】
第一水凝縮器２０は、第一反応生成物から、水分を凝縮する。生成された液相の水は、第一水凝縮器２０の外部に排出されてもよいし、水分解装置１４へ供給されてもよい。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。
【0026】
このように水が除去された状態の第一反応生成物は、本開示の技術に係る第一水除去物の一例である。第一水除去物は、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は、本開示の技術の第二反応炉の一例である。
【0027】
さらに、第一水凝縮器２０と第二メタネーション反応炉２２とを接続する配管には、第二メタネーション反応炉２２における第一反応生成物の入口側にガス圧力センサ６０が設けられている。ガス圧力センサ６０は、第二メタネーション反応炉２２の入口において、第二メタネーション反応炉２２に供給される気体の圧力を検出可能である。検出結果は、制御装置３８に送信される。
【0028】
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、本開示の技術に係る第二反応生成物の一例である。
【0029】
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。
【0030】
第二メタネーション反応炉２２は、熱交換器あるいはヒーター及びクーラー等の温度調整装置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。
【0031】
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分の一部が除去された状態の第一水除去物として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分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、本開示の技術に係る第二反応生成物の一例である。
【0032】
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、配管を通じて第二水凝縮器２４に送られる。この配管には、第二メタネーション反応炉２２における第二反応生成物の出口側にガス流量センサ６２が設けられている。ガス流量センサ６２は、第二メタネーション反応炉２２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体積）を検出可能である。ガス流量センサ６２によって検出された第二反応生成物の流量のデータは、制御装置３８に送信される。以下では、ガス流量センサ６２によって検出されたガスの量を「出口ガス流量」とする。
【0033】
第二水凝縮器２４は、第二反応生成物から、水分を凝縮する。生成された液相の水は、第二水凝縮器２４の外部に排出されてもよいし、水分解装置１４へ供給されてもよい。第二水凝縮器２４では、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熱交換等により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。
【0034】
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。
【0035】
第二水凝縮器２４には、排出配管が接続されている。排出配管には、第二水凝縮器２４の出口側に、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体積）を検出可能である。
【0036】
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のデータは、制御装置３８に送信される。
【0037】
制御装置３８では、ガス流量センサ６２により得られた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、加熱装置２６、温度調整装置２８、３２、熱源３０、３４等を制御する。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
ストレージ４６には、後述する水凝縮温度調整処理を実行するための水凝縮温度調整プログラム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。
【0041】
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。
【0042】
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、上記した水凝縮温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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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 Ｄａｔａ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）等の規格が用いられる。
【0047】
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、ガス圧力センサ６０及びガス流量センサ３６、６２、電源装置６４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。
【0048】
さらに、ストレージ４６には、メタネーション温度に応じた水凝縮温度と炭素析出温度との関係（図３参照）のデータが格納されている。
【0049】
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。
【0050】
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を区別しない場合は、単に「メタネーション温度Ｍ」と表記することがある。
【0051】
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」と表記することがある。
【0052】
ここで、図３には、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Ｍ２が５００℃、４００℃及び３００℃の各場合について、水凝縮温度Ｎ１と炭素析出温度との関係が示されている。メタネーション温度Ｍ２が５００℃、４００℃及び３００℃のいずれの場合においても、水凝縮温度Ｎ１が上昇するにしたがって、炭素析出温度は上昇している。この炭素析出温度は、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Ｍ２との関係において、第二メタネーション反応炉２２で炭素析出が生じる境界の温度である。したがって、メタネーション温度Ｍ２が、炭素析出温度を超えている場合に、炭素析出する可能性が高い。そして、水凝縮温度Ｎ１を高くすることで炭素析出温度が高くなり、第二メタネーション反応炉２２で炭素析出を抑制できることが分かる。
【0053】
なお、炭素析出温度は、メタネーション温度Ｍ２が高いほうが、全般的に高い。しかしながら、メタネーション温度Ｍ２が低温の場合、たとえば４００℃以下の場合には、炭素析出反応の反応速度が遅くなる。すなわち、炭素析出反応の進行が鈍くなるため、炭素析出が生じる可能性は低くなる。これに対し、メタネーション温度Ｍ２がたとえば４００℃超の場合には、４００℃以下の場合と比較して、炭素析出反応の反応速度が速いので、炭素析出が生じる可能性は高い。また、実際の炭素の析出は、第二メタネーション反応炉２２における触媒の種類に関係なく発生する。
【0054】
本開示のメタン合成装置制御方法では、以下に示すように、メタネーション温度Ｍ２が高い場合に、水凝縮温度Ｎ１を上昇させる水温上昇工程を行う。この水温上昇工程により、水凝縮温度Ｎ１を第二メタネーション反応炉２２において炭素析出を抑制する温度（炭素析出抑制温度）まで上昇させる。
【0055】
図４及び図５には、本開示のメタン合成装置制御方法における具体的な水凝縮温度調整処理の一例がフローチャートにて示されている。この水凝縮温度調整処理は、水温上昇工程を含んでいる。そして、水温上昇工程を実行することで水凝縮温度Ｎ１を、第二メタネーション反応炉２２の炭素析出を抑制するように上昇させる。
【0056】
具体的な水凝縮温度調整処理では、制御装置３８は、ステップＳ１０２において、温度調整装置３２を制御し、第二メタネーション反応炉２２の昇温を行う。
【0057】
制御装置３８は、ステップＳ１０４において、メタネーション温度Ｍ２がメタネーション反応の開始温度に達しているか否かを判断する。この判断が否定された場合は、ステップＳ１０２に戻り、引き続き第二メタネーション反応炉２２を昇温させる。
【0058】
制御装置３８は、ステップＳ１０４の判断が肯定された場合は、ステップＳ１０６において、メタネーション装置１６に、水素ガス及び二酸化炭素ガスが供給されているか否かを判断する。この判断が否定された場合は、ステップＳ１０８に移行し、肯定された場合は、ステップＳ１３２へ移行する。
【0059】
制御装置３８は、ステップＳ１０８において、定格条件から、想定温度Ｍ２’及び想定圧力Ｐ２’を推定する。定格条件とは、第二メタネーション反応炉２２に導入される水素流量と二酸化炭素流量、第一水凝縮器２０の水凝縮温度Ｎ１、を含み、さらに、これらの各条件の下で第二メタネーション反応炉２２から排出されると推定される出口ガス流量を含む。後述するように、出口ガス流量の推定にあたっては、たとえば予め得ておいた試験結果やシミュレーションによる試算結果が用いられる。したがって、実際には、制御装置３８は第二メタネーション反応炉２２に水素ガス及び二酸化炭素ガスが導入されていない状態であっても、出口ガス流量を推定できる。あるいは、出口ガス流量があらかじめ設定されている場合は、この出口ガス流量となるように、第二メタネーション反応炉２２に導入される水素流量、二酸化炭素流量、及び第一水凝縮器２０の水凝縮温度Ｎ１を制御装置３８が推定する構成でもよい。なお、想定温度Ｍ２’及び想定圧力Ｐ２’を推定するにあたっては、推定時点での第二メタネーション反応炉２２のメタネーション温度Ｍ２を用いる。そして、想定温度Ｍ２’とは、これらの所定の定格条件の下で、メタネーション温度Ｍ２がどのような値をとるか、という点で想定される第二メタネーション反応炉２２のメタネーション温度である。想定圧力Ｐ２’とは、同じくこれらの所定の定格条件の下で想定される第二メタネーション反応炉２２の入口側の圧力である。
【0060】
図６には、出口ガス流量と圧力Ｐ１との関係の一例が示されており、図７には、出口ガス流量と想定最高温度との関係の一例が示されている。図６における圧力Ｐ１は、上記した定格条件の下で、出口ガス流量から想定される第二メタネーション反応炉２２の入口側の圧力である。この図６のグラフに基づいて、想定圧力Ｐ２’を推定できる。また、図７における想定最高温度とは、上記した定格条件の下で、出口ガス流量から想定されるメタネーション温度Ｍ２の最高の温度である。この図７のグラフに基づいて、第二メタネーション反応炉２２の想定温度２’を推定できる。一例として、出口ガス流量が２０Ｎｍ３／ｈである場合、これらの図６及び図７から、想定圧力Ｐ２’＝０．２ＭＰａ、想定温度Ｍ２’＝５００℃であると推定できる。
【0061】
なお、図６及び図７に示す関係は、たとえば、メタネーション装置１６においてあらかじめ試験を行っておいた結果である。ただし、このような試験結果に代えて、シミュレーションによって試算した結果であってもよい。
【0062】
次に制御装置３８は、ステップＳ１０８で得た想定圧力Ｐ２’及び想定温度Ｍ２’から、ステップＳ１１０において設定水凝縮温度Ｎ１’を特定する。
【0063】
図８には、メタネーション反応炉の温度が５００℃の場合及び３００℃の場合について、メタネーション反応炉の圧力と水凝縮温度との関係の一例が示されている。この水凝縮温度は、メタネーション反応炉において、炭素析出を抑制することが可能な温度の閾値である。たとえば本実施形態では、第二メタネーション反応炉２２のメタネーション温度が上記した想定温度Ｍ２’になっている場合を想定しているが、この場合、図８から、炭素析出を抑制できる水凝縮温度を知ることができる。実際には、ここでは想定温度Ｍ２’ ＝５００℃であると推定しているので、図８のグラフにおけるメタネーション温度Ｍ２＝５００℃のラインを見ればよい。さらに、想定圧力Ｐ２’＝０．２ＭＰａと推定しているので、メタネーション反応炉の圧力が０．２ＭＰａの場合に、水凝縮温度が８６℃であると特定できる。すなわち、ここで得られた水凝縮温度８６℃は、本実施形態において、第二メタネーション反応炉２２における炭素析出が生じる閾値の温度であり、「炭素析出抑制水温」の一例である。
【0064】
次に、制御装置３８は、ステップＳ１１２において、第一水凝縮器２０の水凝縮温度Ｎ１を、上記のステップＳ１１０で得た設定水凝縮温度Ｎ１’である８６℃に上昇させる（水温上昇工程）。なお、第一水凝縮器２０の水凝縮温度Ｎ１は、設定水凝縮温度Ｎ１’を超えていてもよいが、設定水凝縮温度Ｎ１’であれば、第二メタネーション反応炉２２での炭素析出を抑制することは可能であるため、第一水凝縮器２０の水凝縮温度Ｎ１を過度に高くする必要はない。また、このように炭素析出抑制水温の一例である設定水凝縮温度Ｎ１’が設定されると、この設定水凝縮温度Ｎ１’は時間的に一定に維持される。
【0065】
さらに、制御装置３８は、ステップＳ１１４において、メタネーション装置１６に導入する水素ガス流量及び二酸化炭素ガスの流量を再設定し、実際にメタネーション装置１６に導入する。上記のように第一水凝縮器２０の水凝縮温度Ｎ１が設定水凝縮温度Ｎ１’＝８６℃に設定されると、この値に基づいてメタン合成装置１２の出口ガス流量があらたに算出できる。したがって、この出口ガス流量が実現されるように、式（２）に基づいて、水素ガス流量及び二酸化炭素ガスの流量を再設定する。導入する水素ガス及び二酸化炭素の体積比率は、水素：二酸化炭素＝４：１である。
【0066】
これにより、第二メタネーション反応炉２２における炭素析出を抑制しつつ、この設定水凝縮温度Ｎ１’から決まる所定の水素ガスの流量及び二酸化炭素ガスの流量で、メタネーション装置１６を運転できる。
【0067】
そして、制御装置３８は、ステップＳ１１６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Ｍ２が、定格温度になっているか否かを判断する。この段階における定格温度は、ステップＳ１０８で得た想定温度Ｍ２’と異なる値である。たとえば、ステップＳ１０６では想定温度Ｍ２’＝５００℃であったが、ステップＳ１１６では、定格温度＝４００℃あるいはそれ以下としてもよい。メタネーション温度Ｍ２が、定格温度になっている場合は、メタネーション温度Ｍ２が降下した場合の一例である。ステップＳ１１６の判断には、このようにメタネーション温度Ｍ２が降下した場合の他に、メタネーション温度Ｍ２が一定の温度範囲内で安定している場合も含む。
【0068】
このように、第二メタネーション反応炉２２のメタネーション温度Ｍ２を低くすると、炭素析出開始温度が低くなる。しかし、メタネーション温度Ｍ２が低いと、炭素析出反応の反応速度が遅くなる（反応の進行が鈍くなる）ため、炭素析出が生じる可能性は低くなる。すなわち、第二メタネーション反応炉２２のメタネーション温度Ｍ２として定格温度を維持しつつ、炭素析出を抑制することが可能である。
【0069】
ステップＳ１１６の判断が否定された場合、制御装置３８は、ステップＳ１１８において、温度調整装置３２を制御し、メタネーション温度Ｍ２が定格温度となるように調整する。
【0070】
ステップＳ１１６の判断が肯定された場合は、制御装置３８は、ステップＳ１２０において、熱源３０を制御し、水凝縮温度Ｎ１を定格条件の温度となるように降下させる（水温降下工程）。この場合の水凝縮温度Ｎ１は、炭素析出抑制水温未満の温度であり、たとえば２５℃である。このように水凝縮温度Ｎ１を低くしても、第二メタネーション反応炉２２のメタネーション温度Ｍ２が低くなっている（たとえば上記した定格温度である４００℃である）条件では、炭素析出を抑制できる。
【0071】
以上が、ステップＳ１０６の判断が否定された場合に実行される処理である。これに対し、ステップＳ１０６の判断が肯定された場合には、図５に示すステップＳ１３２に移行する。
【0072】
制御装置３８は、ステップＳ１３２において、メタネーション装置１６に導入される水素ガス及び二酸化炭素ガスの流量に変動があるか否かを判断する。この判断においては、たとえば、水素ガス流量センサ５８Ａ及び二酸化炭素ガス流量センサ５８Ｂから送信される水素ガス流量及び二酸化炭素ガス流量の時間変化を用いることで、変動があったか否かを判断可能である。あるいは、水素ガス流量の時間変動であれば、水分解装置１４のモニター信号を制御装置３８で受信し、モニター信号の変化から検出することが可能である。また、二酸化炭素ガス流量の時間変化であれば、二酸化炭素ガスの貯蔵装置における圧力センサのモニター信号を制御装置３８で受信し、モニター信号の変化から検出することが可能である。
【0073】
また、ステップＳ１３２における判断においては、メタネーション装置１６に導入される水素ガス又は二酸化炭素ガスの流量変動を、上記とは別の手段により推定してもよい。たとえば、水分解装置１４に投入される電力に時間変動が生じると、水分解装置１４で生成される水素ガスの量が変動する。特に、水分解装置１４が、再生エネルギー発電システムからの電力により運転される構成では、電力需要の大小に応じて水分解装置１４への供給電力の時間変動が分かっている場合がある。この場合には、水分解装置１４への供給電力の変動から、メタネーション装置１６に導入される水素ガスの流量変動を推定できる。また、たとえば、水分解装置１４及びメタネーション装置１６への各種の入力信号等から、メタネーション装置１６に導入される水素ガス及び二酸化炭素ガスの流量変化を、変化前あるいは変化途中の状態で推定するようにしてもよい。
【0074】
ステップＳ１３２の判断が否定された場合、すなわち、メタネーション装置１６に導入される水素ガス及び二酸化炭素ガスの流量に変動がなかった場合は、ステップＳ１３４に移行する。
【0075】
制御装置３８は、ステップＳ１３４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Ｍ２が、定格温度になっているか否かを判断する。この判断が肯定された場合は、ステップＳ１０４（図４参照）に戻る。この判断が否定された場合には、制御装置３８は、ステップＳ１３６において、温度調整装置３２を制御し、メタネーション温度Ｍ２が定格温度となるように調整する。そして、ステップＳ１３４に戻る。
【0076】
これに対し、ステップＳ１３２の判断が肯定された場合は、制御装置３８は、ステップＳ１３８において、メタネーション装置１６に導入される水素ガス流量の変動量、二酸化炭素ガス流量の変動量及び出口流量から、想定圧力Ｐ２’及び想定温度Ｍ２’を推定する。
【0077】
その後、制御装置３８は、ステップＳ１１０（図４参照）に移行する。すなわち、制御装置３８は、ステップＳ１３８で得た想定圧力Ｐ２’及び想定温度Ｍ２’から、ステップＳ１１０において適切な設定水凝縮温度Ｎ１’を特定する。第一水凝縮器２０の水凝縮温度Ｎ１を、この設定水凝縮温度Ｎ１’に設定することで、第二メタネーション反応炉２２における炭素析出を抑止しつつ、メタン合成装置１２を運転することが可能である。
【0078】
以上説明したように、本開示の技術に係るメタン合成装置制御方法では、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Ｍ２が上昇した場合に、第一水凝縮器２０の水凝縮温度Ｎ１を上昇させている。具体的には、水凝縮温度Ｎ１は、第二メタネーション反応炉２２において、炭素の析出を抑制する温度である設定水凝縮温度Ｎ１’である。このため、第二メタネーション反応炉２２において、炭素の析出を抑制しつつ、メタン合成装置１２を運転することができる。
【0079】
また、上記実施形態では、水凝縮温度Ｎ１を設定水凝縮温度Ｎ１’に上昇させた後、第二メタネーション反応炉２２のメタネーション温度Ｍ２が安定した場合には、水温降下工程を行う。水温降下工程では、設定水凝縮温度Ｎ１’未満に低下させている。このため、第二メタネーション反応炉２２において生成される合成メタンの濃度、すなわち、メタン合成装置１２で合成できるメタン濃度の低下を抑制できる。
【0080】
特に、上記実施形態では、水温降下工程を行う場合には、第二メタネーション反応炉２２のメタネーション温度Ｍ２を、炭素析出の可能性が低い温度（上記の例では４００℃）まで低下させている。したがって、水温降下工程によって水凝縮温度Ｎ１を降下させた場合であっても、第二メタネーション反応炉２２において、炭素の析出を抑制することができる。
【0081】
設定水凝縮温度Ｎ１’は、一定である必要はないが、上記実施形態では時間的に一定の水温としている。これにより、設定水凝縮温度Ｎ１’の設定及び管理が容易となる。
【符号の説明】
【0082】
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
６４ 電源装置
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
６４ 電源装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
