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特許7557759熱電併給一体型合成ガス製造システムおよび熱電併給一体型合成ガス製造方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-09-19
(45)【発行日】2024-09-30
(54)【発明の名称】熱電併給一体型合成ガス製造システムおよび熱電併給一体型合成ガス製造方法
(51)【国際特許分類】
F02G 5/04 20060101AFI20240920BHJP
F25J 3/02 20060101ALI20240920BHJP
B01D 53/047 20060101ALI20240920BHJP
C01B 3/38 20060101ALI20240920BHJP
H01M 8/04 20160101ALI20240920BHJP
C10J 3/02 20060101ALI20240920BHJP
【ＦＩ】
F02G5/04 H
F25J3/02 Z
B01D53/047
C01B3/38
H01M8/04 Z
C10J3/02 J
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2024503345
(86)(22)【出願日】2023-10-23
(86)【国際出願番号】 JP2023038127
【審査請求日】2024-01-24
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】306047996
【氏名又は名称】株式会社 ユーリカ エンジニアリング
(74)【代理人】
【識別番号】110000604
【氏名又は名称】弁理士法人 共立特許事務所
(74)【代理人】
【識別番号】100089082
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 脩
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 信三
【審査官】廣野 知子
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１１－１０６２９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１２／１４０９９４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２００７／００４９６４８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特表２００６－５２３５９６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００５－５１７０５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１９－５０２５３３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１６－５１１２９６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００２／００４１９８６（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０２Ｇ ５／０４
Ｃ０１Ｂ ３／００－６／３４
Ｆ２５Ｊ ３／０２
Ｂ０１Ｄ ５３／０４７
Ｈ０１Ｍ ８／０４－８／０６６８
Ｃ１０Ｊ ３／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
水素ガスと純水が供給されて水蒸気と電気を生成する熱電併給装置と、メタンガスが供給され内部に触媒が充填された改質器および流体燃料が供給される加熱器を備え、前記熱電併給装置から前記水蒸気が前記改質器に供給され、前記加熱器で前記流体燃料を燃焼させて前記改質器を加熱し前記メタンガスを前記水蒸気で水蒸気改質して水素ガスと一酸化炭素ガスとからなる水蒸気改質生成ガスを生成する水蒸気改質装置と、
前記水蒸気改質装置から前記水蒸気改質生成ガスが供給され、前記水蒸気改質生成ガスを第１水蒸気改質生成ガスと第２水蒸気改質生成ガスとに設定割合で分配する分配装置と、
前記分配装置から前記第２水蒸気改質生成ガスが供給され、前記第２水蒸気改質生成ガスを水素ガスと水素分離ガスとに分離し、分離された前記水素ガスを前記熱電併給装置に供給する水素分離装置と、
前記分配装置から前記第１水蒸気改質生成ガスが供給され、前記水素分離装置から前記水素分離ガスが供給され、前記第１水蒸気改質生成ガスと前記水素分離ガスとを混合して合成ガスを生成する混合装置と、を設け、
前記設定割合は、前記混合装置で生成される前記合成ガスに含まれる水素ガスと一酸化炭素ガスとのモル比がほぼ２：１となるように設定される、
熱電併給一体型合成ガス製造システム。
【請求項2】
前記水素分離装置は、深冷分離装置であり、前記熱電併給装置は、ガスタービン式熱電併給装置であり、前記ガスタービン式熱電併給装置に装備されて発電機を駆動するガスタービンに前記深冷分離装置で分離された前記水素ガスが供給され、
前記ガスタービン式熱電併給装置は、前記純水を前記ガスタービンの排ガスで加熱して前記水蒸気を生成する、
請求項１に記載の熱電併給一体型合成ガス製造システム。
【請求項3】
前記水素分離装置は、圧力変動吸着式水素分離装置であり、前記熱電併給装置は、ガスタービン式熱電併給装置であり、前記ガスタービン式熱電併給装置に装備されたガスタービンに前記圧力変動吸着式水素分離装置で分離された前記水素ガスが供給され、
前記ガスタービン式熱電併給装置は、前記純水を前記ガスタービンの排ガスで加熱して前記水蒸気を生成する、
請求項１に記載の熱電併給一体型合成ガス製造システム。
【請求項4】
前記水蒸気改質装置の前記改質器に供給されるメタンガスを分流して前記ガスタービン式熱電併給装置のガスタービンに供給する、請求項２または請求項３に記載の熱電併給一体型合成ガス製造システム。
【請求項5】
前記熱電併給装置は、燃料電池式熱電併給装置であり、前記燃料電池式熱電併給装置に装備された燃料電池に前記水素分離装置で分離された前記水素ガスが供給され、前記燃料電池式熱電併給装置は、前記純水を前記燃料電池の冷却システムおよび水蒸気ボイラーで加熱して前記水蒸気を生成する、
請求項１に記載の熱電併給一体型合成ガス製造システム。
【請求項6】
水素ガスと純水が供給される熱電併給装置で水蒸気と電気を生成し、
メタンガスが供給され内部に触媒が充填された改質器および流体燃料が供給される加熱器を備え、前記熱電併給装置から前記水蒸気が前記改質器に供給され、前記加熱器で前記流体燃料を燃焼させて前記改質器を加熱し前記メタンガスを前記水蒸気で水蒸気改質する水蒸気改質装置で水素ガスと一酸化炭素ガスとからなる水蒸気改質生成ガスを生成し、
前記水蒸気改質装置から前記水蒸気改質生成ガスが供給される分配装置で前記水蒸気改質生成ガスを第１水蒸気改質生成ガスと第２水蒸気改質生成ガスとに設定割合で分配し、
前記分配装置から前記第２水蒸気改質生成ガスが供給される水素分離装置で前記第２水蒸気改質生成ガスを水素ガスと水素分離ガスとに分離し、分離された前記水素ガスを前記熱電併給装置に供給し、
前記分配装置から前記第１水蒸気改質生成ガスが供給され、前記水素分離装置から前記水素分離ガスが供給される混合装置で前記第１水蒸気改質生成ガスと前記水素分離ガスとを混合して合成ガスを生成し、
前記設定割合は、前記混合装置で生成される前記合成ガスに含まれる水素ガスと一酸化炭素ガスとのモル比がほぼ２：１となるように設定される、
熱電併給一体型合成ガス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、合成液体燃料を製造するのに適した合成ガスの製造に関する。
【背景技術】
【0002】
環境負荷の低減および石油価格の上昇対策の一つとして、メタンガス好ましくはカーボンニュートラルメタンガスを原料として合成液体燃料を生産する技術（ＧＴＬ：Ｇａｓ Ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄ）は世界各地で注目され実用化されている。合成液体燃料の製造工程、中でも合成ガスの製造工程は合成液体燃料製造の差別化につながる重要な工程であるので、更なる改善が求められている。
合成ガス製造工程は、次のフィッシャー・トロプシュ法で合成液体燃料を用いるＦＴ合成工程を考えると、水素と一酸化炭素のモル比がほぼ２：１の合成ガスを製造することが求められる。
特許文献1には、メタンガスと炭酸ガスと水蒸気とを選定された触媒下で反応させるスチーム／ＣＯ２ リフォーミング法で水素と一酸化炭素のモル比が１：１から５：３の合成ガスを製造する方法が記載されている。
特許文献２には、バイオマス原料を熱分解した熱分解ガスから水素ガスと一酸化炭素ガスをそれぞれ分離して個別にタンクに貯留し、水素ガスと一酸化炭素ガスの各流量を検出制御して両ガスを重合反応（ＦＴ合成）に最適な流量割合で各タンクから触媒反応器に供給する合成液体燃料製造装置が記載されている。
合成ガス製造工程は、次のフィッシャー・トロプシュ法で合成液体燃料を用いるＦＴ合成工程を考えると、水素と一酸化炭素のモル比がほぼ２：１の合成ガスを製造することが求められる。
特許文献1には、メタンガスと炭酸ガスと水蒸気とを選定された触媒下で反応させるスチーム／ＣＯ２ リフォーミング法で水素と一酸化炭素のモル比が１：１から５：３の合成ガスを製造する方法が記載されている。
特許文献２には、バイオマス原料を熱分解した熱分解ガスから水素ガスと一酸化炭素ガスをそれぞれ分離して個別にタンクに貯留し、水素ガスと一酸化炭素ガスの各流量を検出制御して両ガスを重合反応（ＦＴ合成）に最適な流量割合で各タンクから触媒反応器に供給する合成液体燃料製造装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開平５－２７０８０３号公報
【文献】特開２０１０－２４８４５９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に記載された方法は、メタンガスと炭酸ガスと水蒸気とを触媒反応させて、メタンの水蒸気改質とメタンの炭酸ガス改質とを同時に行うものであるので、水素ガスと一酸化炭素ガスのモル比をほぼ２：１にコントロールすることが困難であり、触媒の選定が難しく原料組成や反応条件の設定に制約が厳しくなる。
特許文献２に記載された装置は、バイオマスの熱分解ガスから水素ガスと一酸化炭素ガスを個別に分離し、その水素ガスと一酸化炭素ガスをモル比がほぼ２となる流量比で触媒反応器に供給しＦＴ合成反応させて合成液体燃料を製造している。しかし、熱分解ガスから水素ガスと一酸化炭素ガスを個別に分離しタンクに貯留するので、装置が複雑化し、高エネルギー消費となる。
特許文献２に記載された装置は、バイオマスの熱分解ガスから水素ガスと一酸化炭素ガスを個別に分離し、その水素ガスと一酸化炭素ガスをモル比がほぼ２となる流量比で触媒反応器に供給しＦＴ合成反応させて合成液体燃料を製造している。しかし、熱分解ガスから水素ガスと一酸化炭素ガスを個別に分離しタンクに貯留するので、装置が複雑化し、高エネルギー消費となる。
【0005】
本発明は、水素ガスと一酸化炭素ガスとのモル比がほぼ２：１の合成ガスを容易かつ効率的に製造可能であるとともに電力を併せて生産することができる熱電併給一体型合成ガス製造システムおよび熱電併給一体型合成ガス製造方法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】
本発明は、水素ガスと純水が供給されて水蒸気と電気を生成する熱電併給装置と、メタンガスが供給され内部に触媒が充填された改質器および流体燃料が供給される加熱器を備え、前記熱電併給装置から前記水蒸気が前記改質器に供給され、前記加熱器で前記流体燃料を燃焼させて前記改質器を加熱し前記メタンガスを前記水蒸気で水蒸気改質して水素ガスと一酸化炭素ガスとからなる水蒸気改質生成ガスを生成する水蒸気改質装置と、前記水蒸気改質装置から前記水蒸気改質生成ガスが供給され、前記水蒸気改質生成ガスを第１水蒸気改質生成ガスと第２水蒸気改質生成ガスとに設定割合で分配する分配装置と、前記分配装置から前記第２水蒸気改質生成ガスが供給され、前記第２水蒸気改質生成ガスを水素ガスと水素分離ガスとに分離し、分離された前記水素ガスを前記熱電併給装置に供給する水素分離装置と、前記分配装置から前記第１水蒸気改質生成ガスが供給され、前記水素分離装置から前記水素分離ガスが供給され、前記第１水蒸気改質生成ガスと前記水素分離ガスとを混合して合成ガスを生成する混合装置と、を設け、前記設定割合は、前記混合装置で生成される前記合成ガスに含まれる水素ガスと一酸化炭素ガスとのモル比がほぼ２：１となるように設定される熱電併給一体型合成ガス製造システムである。
また、本発明は、水素ガスと純水が供給される熱電併給装置で水蒸気と電気を生成し、メタンガスが供給され内部に触媒が充填された改質器および流体燃料が供給される加熱器を備え、前記熱電併給装置から前記水蒸気が前記改質器に供給され、前記加熱器で前記流体燃料を燃焼させて前記改質器を加熱し前記メタンガスを前記水蒸気で水蒸気改質する水蒸気改質装置で水素ガスと一酸化炭素ガスとからなる水蒸気改質生成ガスを生成し、前記水蒸気改質装置から前記水蒸気改質生成ガスが供給される分配装置で前記水蒸気改質生成ガスを第１水蒸気改質生成ガスと第２水蒸気改質生成ガスとに設定割合で分配し、前記分配装置から前記第２水蒸気改質生成ガスが供給される水素分離装置で前記第２水蒸気改質生成ガスを水素ガスと水素分離ガスとに分離し、分離された前記水素ガスを前記熱電併給装置に供給し、前記分配装置から前記第１水蒸気改質生成ガスが供給され、前記水素分離装置から前記水素分離ガスが供給される混合装置で前記第１水蒸気改質生成ガスと前記水素分離ガスとを混合して合成ガスを生成し、前記設定割合は、前記混合装置で生成される前記合成ガスに含まれる水素ガスと一酸化炭素ガスとのモル比がほぼ２：１となるように設定される、熱電併給一体型合成ガス製造方法である。
また、本発明は、水素ガスと純水が供給される熱電併給装置で水蒸気と電気を生成し、メタンガスが供給され内部に触媒が充填された改質器および流体燃料が供給される加熱器を備え、前記熱電併給装置から前記水蒸気が前記改質器に供給され、前記加熱器で前記流体燃料を燃焼させて前記改質器を加熱し前記メタンガスを前記水蒸気で水蒸気改質する水蒸気改質装置で水素ガスと一酸化炭素ガスとからなる水蒸気改質生成ガスを生成し、前記水蒸気改質装置から前記水蒸気改質生成ガスが供給される分配装置で前記水蒸気改質生成ガスを第１水蒸気改質生成ガスと第２水蒸気改質生成ガスとに設定割合で分配し、前記分配装置から前記第２水蒸気改質生成ガスが供給される水素分離装置で前記第２水蒸気改質生成ガスを水素ガスと水素分離ガスとに分離し、分離された前記水素ガスを前記熱電併給装置に供給し、前記分配装置から前記第１水蒸気改質生成ガスが供給され、前記水素分離装置から前記水素分離ガスが供給される混合装置で前記第１水蒸気改質生成ガスと前記水素分離ガスとを混合して合成ガスを生成し、前記設定割合は、前記混合装置で生成される前記合成ガスに含まれる水素ガスと一酸化炭素ガスとのモル比がほぼ２：１となるように設定される、熱電併給一体型合成ガス製造方法である。
【発明の効果】
【0007】
本発明の熱電併給一体型合成ガス製造システムまたは熱電併給一体型合成ガス製造方法において、水蒸気改質装置は、メタンガスおよび水蒸気が改質器に供給され、加熱器に流体燃料が供給され、流体燃料の燃焼によって改質器が加熱されてメタンガスが水蒸気改質され、水素ガスと一酸化炭素ガスのモル比が３：１の水蒸気改質生成ガスが安定して生成される。分配装置は、水蒸気改質装置から供給された水蒸気改質生成ガスを第１水蒸気改質生成ガスと第２水蒸気改質生成ガスとに設定割合で分配する。水素分離装置は、分配装置から供給された第２水蒸気改質生成ガスを水素ガスと水素分離ガスとに分離する。混合装置は、分配装置から第１水蒸気改質生成ガスが供給され、水素分離装置から水素分離ガスが供給され、第１水蒸気改質生成ガスと水素分離ガスとを混合して合成ガスを生成する。水蒸気改質生成ガスを第１水蒸気改質生成ガスと第２水蒸気改質生成ガスとに分配する設定割合は、混合装置で生成される合成ガスに含まれる水素ガスと一酸化炭素ガスとのモル比がほぼ２：１となるように設定される。熱電併給装置は、水素分離装置で分離された水素ガスが供給されて電力を生成するとともに、水蒸気改質装置に供給する水蒸気を生成する。
これにより、メタンガスの水蒸気改質によって組成の安定した水蒸気改質生成ガスを生成した後は、水蒸気改質生成ガスを設定割合で二つに分配し、分配した第２水蒸気改質生成ガスから水素ガスを分離し、水素を分離された水素分離ガスと第１水蒸気改質生成ガスとを混合するという物理的な操作を行うだけで、水素ガスと一酸化炭素ガスのモル比がほぼ２：１の合成ガスを容易な制御で安定して効率的に製造することができる。さらに、分離された水素ガスで熱電併給装置を作動させて水蒸気改質装置に供給される水蒸気を生成するとともに電力を生産することができる。
これにより、メタンガスの水蒸気改質によって組成の安定した水蒸気改質生成ガスを生成した後は、水蒸気改質生成ガスを設定割合で二つに分配し、分配した第２水蒸気改質生成ガスから水素ガスを分離し、水素を分離された水素分離ガスと第１水蒸気改質生成ガスとを混合するという物理的な操作を行うだけで、水素ガスと一酸化炭素ガスのモル比がほぼ２：１の合成ガスを容易な制御で安定して効率的に製造することができる。さらに、分離された水素ガスで熱電併給装置を作動させて水蒸気改質装置に供給される水蒸気を生成するとともに電力を生産することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】第１の実施形態に係る熱電併給一体型合成ガス製造システム１ａの全体構成を示すブロック図である。
【図2】第２の実施形態に係る熱電併給一体型合成ガス製造システム１ｂの全体構成を示すブロック図である。
【図3】第３の実施形態に係る熱電併給一体型合成ガス製造システム１ｃの全体構成を示すブロック図である。
【図4】第４の実施形態に係る熱電併給一体型合成ガス製造システム１ｄの全体構成を示すブロック図である。
【図5】第１実施形態に係る熱電併給一体型合成ガス製造システム１ａのマス・エネルギーバランスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
１．第１の実施形態の構成
第１の実施形態に係る熱電併給一体型合成ガス製造システム１ａは、図１に示すように、水蒸気改質生成ガスを生成する水蒸気改質装置１０と、水蒸気改質生成ガスを設定割合α：１で第１水蒸気改質生成ガスと第２水蒸気改質生成ガスとに分配する分配装置２０と、第２水蒸気改質生成ガスを水素ガスと水素分離ガスとに分離する深冷分離装置３１と、第１水蒸気改質生成ガスと水素分離ガスとを混合して合成ガスにする混合装置４０と、分離された水素ガスが供給されて水蒸気と電気を生成するガスタービン式熱電併給装置５１を備える。設定割合α：１は、混合装置で生成される合成ガスに含まれる水素ガスと一酸化炭素ガスとのモル比がほぼ２：１となるように設定される。
第１の実施形態に係る熱電併給一体型合成ガス製造システム１ａは、図１に示すように、水蒸気改質生成ガスを生成する水蒸気改質装置１０と、水蒸気改質生成ガスを設定割合α：１で第１水蒸気改質生成ガスと第２水蒸気改質生成ガスとに分配する分配装置２０と、第２水蒸気改質生成ガスを水素ガスと水素分離ガスとに分離する深冷分離装置３１と、第１水蒸気改質生成ガスと水素分離ガスとを混合して合成ガスにする混合装置４０と、分離された水素ガスが供給されて水蒸気と電気を生成するガスタービン式熱電併給装置５１を備える。設定割合α：１は、混合装置で生成される合成ガスに含まれる水素ガスと一酸化炭素ガスとのモル比がほぼ２：１となるように設定される。
【0010】
水蒸気改質装置１０は、内部に触媒が充填された改質器１１および流体燃料供給装置１６から流体燃料が供給される加熱器１２を備える。改質器１１には、メタンガス供給装置１５からメタンガスが供給され、ガスタービン式熱電併給装置５１から水蒸気が供給される。水蒸気改質装置１０は、改質器１１に供給されたメタンガスおよび水蒸気が加熱器１２に供給された流体燃料の燃焼によって加熱され、触媒下で化学式（１）に示すように水蒸気改質反応して水素ガスと一酸化炭素ガスのモル比が３：１の水蒸気改質生成ガスを生成する。
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ → ３Ｈ2＋ＣＯ（吸熱反応） （１）
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ → ３Ｈ2＋ＣＯ（吸熱反応） （１）
【0011】
水蒸気改質装置１０に分配装置２０が接続され、分配装置２０に水蒸気改質装置１０から供給された水蒸気改質生成ガスは第１水蒸気改質生成ガスと第２水蒸気改質生成ガスとに設定割合αで分配される。第１水蒸気改質生成ガスは第１出口２１から送出され、第２水蒸気改質生成ガスは第２出口２２から送出される。設定割合αは、混合装置４０で生成される合成ガスに含まれる水素ガスと一酸化炭素ガスとのモル比がほぼ２：１となるように設定される。
【0012】
分配装置２０の第２出口２２に公知の深冷分離装置３１が水素分離装置３０として接続されている。深冷分離装置３１は概略すると、第２水蒸気改質生成ガスを圧縮機で高圧に圧縮した後に熱交換器で冷却して液化し、液化した第２水蒸気改質生成ガスを精留塔で沸点差を利用して水素ガスと水素ガスが分離された水素分離ガスとに分離する。水素ガスは深冷分離装置３０によって水蒸気改質生成ガスからほぼ１００％の分離効率βで分離される。水素分離ガスは、ほぼ全て一酸化炭素ガスである。
【0013】
混合装置４０は、分配装置２０の第１出口２１から第１水蒸気改質生成ガスが供給され、深冷分離装置３１から水素分離ガスが供給され、第１水蒸気改質生成ガスと水素分離ガスとを混合して水素ガスと一酸化炭素ガスとのモル比がほぼ２：１の合成ガスを生成する。
【0014】
水蒸気改質装置１０から送出される水蒸気改質生成ガスの流量をＱとすると、第２水蒸気改質生成ガスの流量はＱ／（α＋１）となる。
水素ガスと一酸化炭素ガスのモル比が３：１の流量Ｑの水蒸気改質生成ガスから水素ガスを除去してモル比が２：１の合成ガスを作成するためには、Ｑ／４の水素ガスを分離する必要がある。第２水蒸気改質生成ガスに含まれる流量３Ｑ／４（α＋１）の水素ガスが深冷分離装置３０でほぼ１００％分離されるとすると、３Ｑ／４（α＋１）＝Ｑ／４からα＝２で、設定割合は２：１となる。
水素ガスと一酸化炭素ガスのモル比が３：１の流量Ｑの水蒸気改質生成ガスから水素ガスを除去してモル比が２：１の合成ガスを作成するためには、Ｑ／４の水素ガスを分離する必要がある。第２水蒸気改質生成ガスに含まれる流量３Ｑ／４（α＋１）の水素ガスが深冷分離装置３０でほぼ１００％分離されるとすると、３Ｑ／４（α＋１）＝Ｑ／４からα＝２で、設定割合は２：１となる。
【0015】
深冷分離装置３１にはガスタービン式熱電併給装置５１が熱電併給装置５０として接続されている。深冷分離装置３１は分離した水素ガスをガスタービン式熱電併給装置５１に供給する。ガスタービン式熱電併給装置５１は、ガスタービン５２、発電機５３、熱交換器５４および純水供給装置５５を備える。ガスタービン５２は、深冷分離装置３０から燃焼器に供給された水素ガスを圧縮機で圧縮された空気中で燃焼させて高温高圧ガスを生成し、高温高圧ガスでタービンを高速回転させる。発電機５３がタービンで回転駆動されて電力を送出する。タービンを高速回転させた後に排出される高温の排ガスは、純水供給装置５５から供給された純水を熱交換器５４で加熱し水蒸気を熱として生成する。熱交換器５４で生成された水蒸気は水蒸気改質装置１０の改質器１１に供給される。このように、ガスタービン式熱電併給装置５１は、水蒸気および電力を生成し、水蒸気を水蒸気改質装置１０の改質器１１に送出する。
【0016】
２．第１の実施形態の作動
水蒸気改質装置１０の改質器１１にメタンガス供給装置１５からメタンガス、ガスタービン式熱電併給装置５１から水蒸気が供給され、加熱器１２に流体燃料供給装置１６から流体燃料が供給される。改質器１１に流入したメタンガスおよび水蒸気は、加熱器での流体燃料の燃焼によって加熱され、触媒下で水蒸気改質反応して水蒸気改質生成ガスとなって分配装置２０に送出される。
水蒸気改質装置１０の改質器１１にメタンガス供給装置１５からメタンガス、ガスタービン式熱電併給装置５１から水蒸気が供給され、加熱器１２に流体燃料供給装置１６から流体燃料が供給される。改質器１１に流入したメタンガスおよび水蒸気は、加熱器での流体燃料の燃焼によって加熱され、触媒下で水蒸気改質反応して水蒸気改質生成ガスとなって分配装置２０に送出される。
【0017】
分配装置２０は、流入した水蒸気改質生成ガスを第１水蒸気改質生成ガスと第２水蒸気改質生成ガスに２：１の設定割合で分配し、第１水蒸気改質生成ガスを第１出口２１から混合装置４０に送出し、第２水蒸気改質生成ガスを第２出口２２から深冷分離装置３１に送出する。
【0018】
深冷分離装置３１は供給された第２水蒸気改質生成ガスから含有水素ガスを分離効率βほぼ１００％で分離しガスタービン式熱電併給装置５１に送出し、水素ガスを分離した水素分離ガスを混合装置４０に送出する。
【0019】
混合装置４０は供給された第１水蒸気改質生成ガスと水素分離ガスとを混合し、水素ガスと一酸化炭素ガスとのモル比がほぼ２：１の合成ガスを生成する。
【0020】
ガスタービン式熱電併給装置５１は、深冷分離装置３１から供給された水素ガスの燃焼で生成した高温高圧ガスでタービンを回転させ発電機５２を駆動して電力を送出し、純水供給装置５５から供給された純水を熱交換器５４でガスタービン５２の排ガスで加熱して水蒸気を生成し水蒸気改質装置１０の改質器１１に送出する。
【0021】
３．第１の実施形態の効果
メタンガスの水蒸気改質によって生成された組成の安定した水蒸気改質生成ガスを分配装置２０によって第１、第２水蒸気改質生成ガスに物理的に分配し、分配した第２水蒸気改質生成ガスから水素ガスを深冷分離により沸点差を利用して分離し、第２水蒸気改質生成ガスから水素ガスを分離された水素分離ガスと第１水蒸気改質生成ガスとを物理的に混合するだけで、水素ガスと一酸化炭素ガスのモル比がほぼ２：１の合成ガスを安定して効率的に製造することができる。さらに、分離された水素ガスでガスタービン式熱電併給装置５１を作動させて水蒸気および電力を生産することができる。
メタンガスの水蒸気改質によって生成された組成の安定した水蒸気改質生成ガスを分配装置２０によって第１、第２水蒸気改質生成ガスに物理的に分配し、分配した第２水蒸気改質生成ガスから水素ガスを深冷分離により沸点差を利用して分離し、第２水蒸気改質生成ガスから水素ガスを分離された水素分離ガスと第１水蒸気改質生成ガスとを物理的に混合するだけで、水素ガスと一酸化炭素ガスのモル比がほぼ２：１の合成ガスを安定して効率的に製造することができる。さらに、分離された水素ガスでガスタービン式熱電併給装置５１を作動させて水蒸気および電力を生産することができる。
【0022】
４．第２の実施形態の構成
第２の実施形態は、分配装置２０の第２出口２２に深冷分離装置３１に代えて圧力変動吸着式水素分離装置３５が接続されている点以外は第１の実施形態と同じであるので、相違点について説明し、第１の実施形態と同じ構成要素には同一の参照番号を付して説明を省略する。
第２の実施形態は、分配装置２０の第２出口２２に深冷分離装置３１に代えて圧力変動吸着式水素分離装置３５が接続されている点以外は第１の実施形態と同じであるので、相違点について説明し、第１の実施形態と同じ構成要素には同一の参照番号を付して説明を省略する。
【0023】
図２に示すように、熱電併給一体型合成ガス製造システム１ｂは、分配装置２０の第２出口２２に圧力変動吸着（ＰＳＡ：Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）式水素分離装置３５が水素分離装置３０として接続されている。圧力変動吸着式水素分離装置３５は公知であり、分配装置２０の第２出口２２から供給された第２水蒸気改質生成ガスが吸着塔に所定圧力で所定時間滞留されて一酸化炭素ガスを主成分とする水素分離ガスが吸着剤に吸着された後に水素ガスが一方出口から送出され、一方出口の閉鎖後に吸着塔が減圧されて水素分離ガスが吸着剤から脱着されて他方出口から送出するように構成されている。水素ガスは圧力変動吸着式水素分離装置３５によって第２水蒸気改質生成ガスから０．７～０．８の分離効率βで分離される。
【0024】
水蒸気改質装置１０から送出される水蒸気改質生成ガスの流量をＱとすると、第２水蒸気改質生成ガスの流量はＱ／（α＋１）となる。
水素ガスと一酸化炭素ガスのモル比が３：１の流量Ｑの水蒸気改質生成ガスから水素ガスを除去してモル比が２：１の合成ガスを作成するためには、Ｑ／４の水素ガスを分離する必要がある。第２水蒸気改質生成ガスに含まれる流量３Ｑ／４（α＋１）の水素ガスが圧力変動吸着式水素分離装置３５によって分離効率βで分離されるとすると、３Ｑβ／４（α＋１）＝Ｑ／４からα＝３β－１で、設定割合は（３β－１）：１となる。
水素ガスと一酸化炭素ガスのモル比が３：１の流量Ｑの水蒸気改質生成ガスから水素ガスを除去してモル比が２：１の合成ガスを作成するためには、Ｑ／４の水素ガスを分離する必要がある。第２水蒸気改質生成ガスに含まれる流量３Ｑ／４（α＋１）の水素ガスが圧力変動吸着式水素分離装置３５によって分離効率βで分離されるとすると、３Ｑβ／４（α＋１）＝Ｑ／４からα＝３β－１で、設定割合は（３β－１）：１となる。
【0025】
５．第２の実施形態の作動および効果
分配装置２０は、第２水蒸気改質生成ガスを流量Ｑ／３βで圧力変動吸着式水素分離装置３５に供給し、圧力変動吸着式水素分離装置３５は、分離した水素ガスを流量Ｑ／４でガスタービン式熱電併給装置５１に供給する。混合装置４０は、水素分離ガスと第１水蒸気改質生成ガスを混合して合成ガスを生成する。合成ガスに含まれる水素ガスの流量は、２Ｑ／４となり、一酸化炭素ガスの流量は、Ｑ／４となる。
分配装置２０は、第２水蒸気改質生成ガスを流量Ｑ／３βで圧力変動吸着式水素分離装置３５に供給し、圧力変動吸着式水素分離装置３５は、分離した水素ガスを流量Ｑ／４でガスタービン式熱電併給装置５１に供給する。混合装置４０は、水素分離ガスと第１水蒸気改質生成ガスを混合して合成ガスを生成する。合成ガスに含まれる水素ガスの流量は、２Ｑ／４となり、一酸化炭素ガスの流量は、Ｑ／４となる。
【0026】
第２の実施形態は、水素分離装置３０を圧力変動吸着式水素分離装置３５にしたことにより、第１の実施形態と同様の効果を奏する。
【0027】
６．第３の実施形態の構成、作動および効果
第３の実施形態は、メタンガス供給装置１５からメタンガスがガスタービン式熱電併給装置５１のガスタービン５２に供給される点以外は第１または第２の実施形態と同じであるので、相違点について説明し、第１または第２の実施形態と同じ構成要素には同一の参照番号を付して説明を省略する
第３の実施形態は、メタンガス供給装置１５からメタンガスがガスタービン式熱電併給装置５１のガスタービン５２に供給される点以外は第１または第２の実施形態と同じであるので、相違点について説明し、第１または第２の実施形態と同じ構成要素には同一の参照番号を付して説明を省略する
【0028】
水蒸気改質反応での水蒸気とメタンガスのモル比は理論上１：１であるが、実際には水蒸気改質の推進と炭素の析出を防ぐために、３：１以上が推奨されている。第１、第２実施形態においては、水蒸気改質装置１０で生成された水蒸気改質生成ガスから分離された水素ガスの燃焼に基づいてガスタービン式熱電併給装置５０で生成される水蒸気と、水蒸気改質装置１０に供給されるメタンガスとのモル比は２．８：１であるが、第３の実施形態にかかる熱電併給一体型合成ガス製造システム１ｃでは、ガスタービン式熱電併給装置５１のガスタービン５３の燃焼器を混焼型にし、ガスタービン５３にメタンガスを追加供給して水素ガスとメタンガスを混焼させ、純水供給装置５４から供給される純水を増量して水蒸気を増量しメタンガスと水蒸気のモル比を３：１以上にしている。このため、図３に示すように、メタンガス供給装置１５は、水蒸気改質装置１０の改質器１１とガスタービン式熱電併給装置５１のガスタービン５２の混焼型燃焼器とに接続されている。
これにより、第３の実施形態では、第１または第２の実施形態と同様の効果を奏するとともに、水蒸気改質装置１０の改質器１１内での水蒸気とメタンガスのモル比を３：１以上にして水蒸気改質の推進と炭素の析出を防ぐことができる。
これにより、第３の実施形態では、第１または第２の実施形態と同様の効果を奏するとともに、水蒸気改質装置１０の改質器１１内での水蒸気とメタンガスのモル比を３：１以上にして水蒸気改質の推進と炭素の析出を防ぐことができる。
【0029】
７．第４の実施形態の構成、作動および効果
第４の実施形態は、熱電併給装置５０をガスタービン式熱電併給装置５１に代えて燃料電池式熱電併給装置６０にする点以外は第１または第２の実施形態と同じであるので、相違点について説明し、第１または第２の実施形態と同じ構成要素には同一の参照番号を付して説明を省略する
第４の実施形態は、熱電併給装置５０をガスタービン式熱電併給装置５１に代えて燃料電池式熱電併給装置６０にする点以外は第１または第２の実施形態と同じであるので、相違点について説明し、第１または第２の実施形態と同じ構成要素には同一の参照番号を付して説明を省略する
【0030】
第４の実施形態にかかる熱電併給一体型合成ガス製造システム１ｄは、水素分離装置３０に燃料電池式熱電併給装置６１が熱電併給装置５０として接続されている。水素分離装置３０は、分離した水素ガスを燃料電池式熱電併給装置６１に供給する。燃料電池式熱電併給装置６１は、燃料電池６２、冷却システム６３、純水供給装置６４、熱交換器６５および蒸気ボイラー６６を備える。燃料電池６２は、水素分離装置３０から供給された水素ガスと外部から供給された空気に含まれる酸素とを電気化学反応させて電力および水を生成する。電気化学反応で生じた反応熱は燃料電池６２の冷却システム６３の冷却水に熱伝達される。冷却水は反応熱を純水供給装置６４から供給された純水に熱交換器６５で放熱し純水を加熱して高温水を生成する。高温水は蒸気ボイラー６６に送出され、蒸気ボイラー６６は、メタンガス供給装置１５から供給されたメタンガスを燃焼させて高温水を加熱し水蒸気を生成し水蒸気改質装置１０の改質器１１に送出する。このように、燃料電池式熱電併給装置６１は、純水供給装置６４から供給される純水に燃料電池６２の電気化学反応で生じた反応熱を熱伝達して生成した高温水を蒸気ボイラー６６で加熱することによってメタンガスを水蒸気改質するために必要な大量の水蒸気を生成するとともに、燃料電池６２によって電力を生産することができる。
【0031】
８．第５の実施形態の構成、作動および効果
第５の実施形態にかかる熱電併給一体型合成ガス製造システム１eは、メタンガス供給装置１５がカーボンニュートラルなメタンガスを水蒸気改質装置１０に原料として供給するとともに、流体燃料供給装置１６に燃料として供給する。その他の点は第１乃至第４の実施形態と同様であるので詳細な説明および図面を省略する。第５の実施形態によればカーボンニュートラルな合成ガスおよび電力を製造することができる。
第５の実施形態にかかる熱電併給一体型合成ガス製造システム１eは、メタンガス供給装置１５がカーボンニュートラルなメタンガスを水蒸気改質装置１０に原料として供給するとともに、流体燃料供給装置１６に燃料として供給する。その他の点は第１乃至第４の実施形態と同様であるので詳細な説明および図面を省略する。第５の実施形態によればカーボンニュートラルな合成ガスおよび電力を製造することができる。
【0032】
次に、図５に示す第１実施形態のマス・エネルギーバランスの検討例について説明する。
Ａ．想定条件
１．水蒸気改質反応は、ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ → ３Ｈ2＋ＣＯ－２，２０７ｋｃａｌ／Ｎｍ3－ＣＨ4とする。
２．深冷分離は、分離効率β１００％、電力使用率０．４５ｋＷ／Ｎｍ3－ＣＯとする。
３．ガスタービン式熱電併給装置５１は、発電効率２７．５％、水蒸気の生成２．３ｋｇ／Ｎｍ3－Ｈ2とする。
４．ガス物性は、ＣＯ沸点－１９２℃、ＣＯ比熱０．２５ｋｃａｌ／ｋｇ、Ｈ2沸点－２５３℃、Ｈ2比熱３．４１ｋｃａｌ／ｋｇとする。
Ｂ．ガスタービン式熱電併給装置５１を使用した熱電併給一体型合成ガス製造システムの効果
メタンガスを流量１０，０００Ｎｍ3／ｈ、流体燃料を２２Ｇｃａｌ／ｈ、純水を２３，０００ｋｇ／ｈで供給すると、各装置から送出される生成物の流量は図５に示す通りになり、熱電併給一体型合成ガス製造システム１ａの生産物は次のようになる。
１．合成ガスの収量は、３０，０００Ｎｍ3／ｈ
２．電力は、約８，３００ｋＷ
Ａ．想定条件
１．水蒸気改質反応は、ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ → ３Ｈ2＋ＣＯ－２，２０７ｋｃａｌ／Ｎｍ3－ＣＨ4とする。
２．深冷分離は、分離効率β１００％、電力使用率０．４５ｋＷ／Ｎｍ3－ＣＯとする。
３．ガスタービン式熱電併給装置５１は、発電効率２７．５％、水蒸気の生成２．３ｋｇ／Ｎｍ3－Ｈ2とする。
４．ガス物性は、ＣＯ沸点－１９２℃、ＣＯ比熱０．２５ｋｃａｌ／ｋｇ、Ｈ2沸点－２５３℃、Ｈ2比熱３．４１ｋｃａｌ／ｋｇとする。
Ｂ．ガスタービン式熱電併給装置５１を使用した熱電併給一体型合成ガス製造システムの効果
メタンガスを流量１０，０００Ｎｍ3／ｈ、流体燃料を２２Ｇｃａｌ／ｈ、純水を２３，０００ｋｇ／ｈで供給すると、各装置から送出される生成物の流量は図５に示す通りになり、熱電併給一体型合成ガス製造システム１ａの生産物は次のようになる。
１．合成ガスの収量は、３０，０００Ｎｍ3／ｈ
２．電力は、約８，３００ｋＷ
【0033】
本発明にかかる熱電併給一体型合成ガス製造方法は、第１の実施形態の構成に記載された熱電併給一体型合成ガス製造システム１ａを第１の実施形態の作動に記載されたように作動させることによって構成することができ、第１の実施形態の効果と同様の作用効果を奏する。
【符号の説明】
【0034】
１０：水蒸気改質装置、１１：改質器、１２：加熱器、２０：分配装置、２１：第１出口、２２：第２出口、３０：水素分離装置、３１：深冷分離装置、３５：圧力変動吸着式水素分離装置、４０：混合装置、５０：熱電併給装置、５１：ガスタービン式熱電併給装置、５２：ガスタービン、５３：発電機、５４：熱交換器：５５：純水供給装置、６１：燃料電池式熱電併給装置、６２：燃料電池、６３：冷却システム：６４：純水供給装置、６５：熱交換器、６６：蒸気ボイラー。
【要約】
水蒸気改質装置は、メタンガスおよび水蒸気を水蒸気改質して水素ガスと一酸化炭素ガスのモル比が３：１の水蒸気改質生成ガスを生成する。分配装置は、水蒸気改質生成ガスを第１水蒸気改質生成ガスと第２水蒸気改質生成ガスとに設定割合で分配する。水素分離装置は、分配装置から供給された第２水蒸気改質生成ガスを水素ガスと水素分離ガスとに分離する。混合装置は、分配装置から第１水蒸気改質生成ガスが供給され、水素分離装置から水素分離ガスが供給され、混合して合成ガスを生成する。水蒸気改質生成ガスを第１、第２水蒸気改質生成ガスに分配する設定割合は、混合装置で生成される合成ガスに含まれる水素ガスと一酸化炭素ガスとのモル比がほぼ２：１となるように設定される。ガスタービン式熱電併給装置は、水素分離装置で分離された水素ガスが供給されて電力を生成するとともに、水蒸気改質装置に供給する水蒸気を生成する。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】