特許ウォッチ

公開番号2025013119
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-24
出願番号2023222573
出願日2023-12-28
発明の名称メタノール改質と高効率な膜分離との連結に基づくコンパクト型船舶用炭素回収のシステム、方法及び応用
出願人浙江大学嘉興研究院,浙江大学,ZHEJIANG UNIVERSITY
代理人弁理士法人R&C
主分類B63H 21/38 20060101AFI20250117BHJP(船舶またはその他の水上浮揚構造物;関連艤装品)
要約【課題】メタノール改質と高効率な膜分離との連結に基づくコンパクト型船舶用炭素回収のシステム、方法及び応用を提供することを課題とする。
【解決手段】メタノール水溶液を原料として使用し、改質、改質生成物の分離、水素燃焼などの工程を経て船舶に推進動力を供給し、メタノール水蒸気改質を通じて水素燃料を製造し、従来技術における高圧の水素貯蔵の安全性に対する懸念を解決し、分離した二酸化炭素を圧縮・液化して貯留することにより、効率的な炭素回収を実現し、排出された排煙の余熱を利用してメタノール水蒸気改質及び燃料の予熱に熱を供給し、エネルギーの総合利用を達成する。本発明は、水素の貯蔵と輸送を必要とせずに船舶による水素エネルギーの利用を実現し、船舶産業はグリーン、低炭素、及び持続可能な発展へまい進することに寄与する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
コンパクト型改質反応装置と、コンパクト型膜分離装置と、高効率・低エネルギー消費の二酸化炭素圧縮貯留装置と、水素バッファタンクとを備える、船舶用燃焼前炭素回収システムであって、
コンパクト型改質反応装置は、メタノールと水を混合させた後で水蒸気改質反応して水素と二酸化炭素を生産することに用いられ、
コンパクト型膜分離装置は、生成した水素と二酸化炭素を分離することに用いられ、
高効率・低エネルギー消費の二酸化炭素圧縮貯留装置は、分離した二酸化炭素を圧縮及び貯留し、
水素バッファタンクは、分離した水素を貯蔵し、船舶エンジンシステムに輸送することに用いられる
ことを特徴とする、メタノール改質と高効率な膜分離との連結に基づくコンパクト型船舶用炭素回収システム。
続きを表示（約 5,200 文字）【請求項２】
前記コンパクト型改質反応装置は、順次連通されたメタノール水溶液貯蔵タンク、第１予熱器、蒸発器、過熱器、改質反応器及び第１凝縮器を備え、前記第１凝縮器は、第１予熱器、蒸発器、過熱器にもそれぞれ連通され、
前記コンパクト型膜分離装置は、順次連通された第１混合タンク、第１気液分離器、膜分離器、第１圧縮機、第２凝縮器、第２気液分離器及び加熱器を備え、前記加熱器は第１混合タンクに連通され、第２気液分離器は二酸化炭素圧縮貯留装置に連通され、
前記高効率・低エネルギー消費の二酸化炭素圧縮貯留装置は、順次連通された第２圧縮機、第１熱交換器、第３気液分離器、第３圧縮機、第２熱交換器、第４気液分離器及び第３凝縮器を備え、前記第３凝縮器は二酸化炭素貯蔵タンクに連通され、
前記水素バッファタンクの一端は膜分離器に連通され、他の一端は第１分流器に連通され、前記第１分流器はそれぞれガス焚きボイラ、エンジンに連通され、ガス焚きボイラ及びエンジンから発生した高温の排煙は第２混合タンクに入って混合し、第２混合タンクはそれぞれ第１予熱器、蒸発器、過熱器及び改質反応器にも連通される
ことを特徴とする、請求項１に記載のメタノール改質と高効率な膜分離との連結に基づくコンパクト型船舶用炭素回収システム。
【請求項３】
前記コンパクト型改質反応器の内部には、膜及び触媒ユニットを有し、膜は触媒を固定し、反応物質を均一に分散させることに用いられ、触媒ユニットは接触改質領域を含み、接触改質領域の外周が加熱領域であり、加熱領域は高温の排煙を受け取ることにより接触改質領域に必要な熱エネルギーを供給することを特徴とする、請求項２に記載のメタノール改質と高効率な膜分離との連結に基づくコンパクト型船舶用炭素回収システム。
【請求項４】
前記高効率・低エネルギー消費の二酸化炭素圧縮貯留装置は、第１熱交換器、第２熱交換器、吸収器、第３熱交換器、溶液ポンプ、リボイラー、発生器、吸収液回収器、第４熱交換器及びスロットル弁をさらに備え、前記第１熱交換器、第２熱交換器は海水スプレーによる冷却に用いられ、吸収器は冷凍サイクルパイプラインから冷媒を吸収することに用いられ、第３熱交換器は装置全体の温度を調整することに用いられ、溶液ポンプは液体を輸送することに用いられ、リボイラーは冷媒を加熱することに用いられ、発生器は必要な冷媒を発生することに用いられ、吸収液回収器は吸収液を収集して回収することに用いられ、第４熱交換器は装置の熱交換を制御することに用いられ、スロットル弁は流動する冷媒を調整及び制御することに用いられる
ことを特徴とする、請求項２に記載のメタノール改質と高効率な膜分離との連結に基づくコンパクト型船舶用炭素回収システム。
【請求項５】
メタノール水溶液貯蔵タンク内のメタノールと水の体積比は、６：４であることを特徴とする、請求項２に記載のメタノール改質と高効率な膜分離との連結に基づくコンパクト型船舶用炭素回収システム。
【請求項６】
請求項１～５のいずれか一項に記載のシステムを用い、以下の工程：
（１）メタノール水蒸気改質反応を利用した水素と二酸化炭素の生成：メタノールと水を混合し、温度１８０℃～２８０℃、圧力０．１ＭＰａ～３ＭＰａの条件下で、触媒を介して水蒸気改質反応を行うことで水素と二酸化炭素を生産すること、
（２）膜分離技術による生成された水素と二酸化炭素の分離：選択性と透過性を備えた膜材料を通じて、水素と二酸化炭素を分離すること、
（３）分離した二酸化炭素を圧縮と貯留することによる炭素回収の実現：膜分離過程中に発生した純度９８％以上の二酸化炭素を圧縮して液体状態の二酸化炭素に変換させ、その後、圧縮後の二酸化炭素を貯蔵タンク内に貯留し、将来二酸化炭素を封じ込めること又はその他の二酸化炭素の用途に使用されることのために備えること、及び
（４）分離した水素を船舶燃料システムに輸送し、燃料として使用：輸送管で分離した水素を船舶燃料システムに輸送し、水素をクリーンな燃料として船舶のエンジンシステムで使用し、船舶の低炭素及びゼロエミッション運航を達成すること
を含むことを特徴とする、メタノール改質と高効率な膜分離との連結に基づくコンパクト型船舶用炭素回収方法。
【請求項７】
前記工程（１）における前記触媒は、セリウム及びニオブをドープした銅－亜鉛－アルミニウム系触媒であり、前記触媒は、質量分率３０％～４５％のＣｕＯ、２５％～４５％のＺｎＯ、１０％～２０％のＡｌ
２
Ｏ
３
、０．１％～３．５％のＣｅＯ
２
及び０．１％～２．５％のＮｂ
２
Ｏ
５
を混合、乾燥、焙焼することにより調製され
前記工程（２）における前記膜材料は、ＭＯＦ改質ガス分離膜であり、前記ＭＯＦ改質ガス分離膜は次の工程を通じて調製され、
（ａ）活性化されたＭＯＦ粉末をアセトンに添加し、水浴超音波によりＭＯＦをアセトン中に分散させてＭＯＦインクを形成し、ここで、アセトンにおけるＭＯＦの濃度は５ｇ／Ｌ～３０ｇ／Ｌであり、
（ｂ）ポリフッ化ビニリデンを水に加え、撹拌して濃度６ｗｔ％～１０ｗｔ％の粘稠な膜液を形成し、
（ｃ）膜液をＭＯＦインクに加え、超音波処理を継続し、混合溶液中のアセトンを除去し、粘稠なキャスト液を得、
（ｄ）キャスト液をガラス板上に注ぎ、２００μｍ～３００μｍの膜を形成してから６０℃～８０℃のオーブンに入れて予熱し、水分が完全に蒸発した後に膜を取り外し、
（ｅ）前記工程（ｄ）の膜をテフロンプレート上のガラスリング中に入れ、事前に調製された３ｗｔ％ポリイミド溶液を加え、次にテフロンプレートを６０～９０℃のオーブンに入れ、ポリイミドを除去し、ＭＯＦ改質ガス分離膜を得る
ことを特徴とする、請求項６に記載のメタノール改質と高効率な膜分離との連結に基づくコンパクト型船舶用炭素回収方法。
【請求項８】
海水をメタノール水蒸気改質水素製造反応中の水源になるよう、逆浸透設備を介して海水を淡水に変換することに用いられる外部造水システムを装備し、前記外部造水システムにおける各装置の動作温度はいずれも室温に保ち、圧力を１ａｔｍに保つことを特徴とする、請求項６に記載のメタノール改質と高効率な膜分離との連結に基づくコンパクト型船舶用炭素回収方法。
【請求項９】
請求項１に記載のメタノール改質と高効率な膜分離との連結に基づくコンパクト型船舶用炭素回収システムの応用であって、以下の工程
（１）まず、プロセス全体を通じて所要の電力を供給できるようにバッテリーを事前充電すること、
（２）バッテリパックを制御して電源をオンにし、バッテリパックからメタノール改質水素製造モジュールに電力を供給して、メタノール改質水素製造プロセスを開始すること、
（３）メタノール水蒸気改質水素製造モジュールが設定温度に達した後、水素が速やかに放出され、水素バッファタンクに供給され、その後、内燃機関が起動され駆動システムに運動エネルギーを供給すること、
（４）メタノール水蒸気改質水素製造モジュールが正常に水素を送り出し始めた後、内燃機関の排煙余熱を利用して改質反応モジュールに熱を供給することで、バッテリーモジュールの出力を切断できること（このプロセス中、バッテリーモジュールはバックアップ電源とみなされ、随時待機する）、及び
（５）中央表示コンソールは、船舶のリアルタイムの状況に応じて、水素バッファタンクの水素充填及び放出の質量及び内燃機関の出力を自動的に調整し、内燃機関の輸出動力に余力がある場合、システムはバッテリーモジュールへの充電を開始すること
を含み、
上記プロセスでは、インテリジェントな制御方法によりメタノール改質と高効率な膜分離との連結に基づくコンパクト型船舶用炭素回収システムの多変数制御を行う
ことを特徴とする、メタノール改質と高効率な膜分離との連結に基づくコンパクト型船舶用炭素回収システムの応用。
【請求項１０】
前記インテリジェントな制御方法の構築手順は、次のとおりであり、
Ｓ１：水素バッファタンク、コンパクト型改質反応装置、膜分離装置、船舶エンジンを含むシステムの中核装置にオンライン監視設備を設け、さらにシステムの中核装置の設計パラメータと航行ノウハウを組み合わせて、メタノール改質、改質生成物の高効率な膜分離と船舶動力発生プロセスの重要パラメータを含むデータミドルオフィスを構築し、
Ｓ２：コンパクト型改質反応装置、コンパクト型膜分離装置、船舶動力発生、高効率・低エネルギー消費の二酸化炭素圧縮貯留装置及び水素バッファタンク間の結合関係を研究し、前記装置の低エネルギー消費・安定した動作に影響を及ぼす重要な要因を特定し、知識とデータ融合駆動型のコンパクト型船舶用炭素回収制御の重要パラメータモデルを構築し、
前記知識とデータ融合駆動型のコンパクト型船舶用炭素回収制御の重要パラメータモデルの前記パラメータには、炭素回収効率η
ＣＯ２
、過熱器の動作温度Ｔ
ｓ
、メタノール水蒸気流量Ｖ
ｍ、
改質反応の運転温度Ｔ
ｍ、
改質反応器運転圧力Ｐ
ｍ
、膜内部のガス流速Ｖ
ｓ
、エンジン出力Ｗ
ｅ、
船舶の排出ガス温度Ｔ
Ｔ
、膜分離後のＨ
２
回収量Ｌ
ｎ
が含まれ、式は次のように表され、
JPEG
2025013119000006.jpg
15
168
Ｓ３：運転状態下の効率－エネルギー消費－マテリアル消費の重要指標をさらに研究し、メタノール改質と高効率な膜分離との連結に基づくコンパクト型船舶用炭素回収システムのエネルギーフロー、マテリアルフローのコスト評価モデルを構築し、エネルギーフローのコストＥ、マテリアルフローのコストＣ評価モデルの式は次のように表され、
Ｅ＝Ｅ
ｆ
＋Ｅ
Ｐ
＋Ｅ
ｈ
＋Ｅ
ｖ
＋Ｅ
ｈ１
＋Ｅ
ｒ
＋Ｅ
ｓ
＋Ｅ
ｃ
＋Ｅ
ｈ２
＋Ｅ
ａ
エネルギー消費：ブースターファンの消費電力Ｅ
ｆ
、移送ポンプの消費電力Ｅ
Ｐ、
第１予熱器の消費電力Ｅ
ｈ
、蒸発器の消費電力Ｅ
ｖ
、過熱器の消費電力Ｅ
ｈ１
、改質反応器の消費電力Ｅ
ｒ
、膜分離器の消費電力Ｅ
ｓ
、第１圧縮機の消費電力Ｅ
ｃ
、加熱器の消費電力Ｅ
ｈ２、
空気輸送ファンの消費電力Ｅ
ａ、
Ｃ＝Ｃ
ｍ
＋Ｃ
ｗ
＋Ｃ
ｃ
＋Ｃ
ｓ
＋Ｃ
ｓ
＋Ｃ
ｌ
マテリアル消費：メタノールＣ
ｍ
、水Ｃ
ｗ
、触媒Ｃ
ｃ
、膜アセンブリＣ
ｓ
、冷媒Ｃ
ｌ
、
Ｓ４：確立した膜分離と組み合わせたメタノール水蒸気改質のエネルギー消費－マテリアル消費総合コスト評価モデルを利用して、負荷／運転条件の変動下で効率－エネルギー消費－マテリアル消費解析を実施し、コストの最適なパラメータの組み合わせを探すことで、効率－エネルギー消費－マテリアル消費解析の負荷／運転条件の変動下のシステムの大域的最適化パラメータモデルを構築し、システムの大域的最適化パラメータを探すことにより、異なる運転条件下のコンパクト型改質反応装置、コンパクト型膜分離装置、船舶動力発生の全てのフローの動的な運転コストをリアルタイムかつ正確に評価し、各装置の安定性及び経済性の制約条件を包括的に考慮し、粒子群や蟻コロニーを含むインテリジェントな最適化アルゴリズムを通じて求解して、エネルギー消費－マテリアル消費総合コストの最適なパラメータの組み合わせを得、

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、船舶からの二酸化炭素排出量削減の技術分野に属し、特に、メタノール改質と高効率な膜分離との連結に基づくコンパクト型船舶用炭素回収のシステム、方法及び応用に関する。
続きを表示（約 2,600 文字）【背景技術】
【０００２】
地球温暖化問題というますます深刻化する背景において、船舶から排出される二酸化炭素は環境保全分野で重要な問題となっている。したがって、新規の船舶燃料処理及び炭素回収技術の開発が特に重要である。理想的な代替燃料としての水素は、クリーンエネルギーの利用及び二酸化炭素排出問題に新たな視点をもたらす。しかし水素の貯蔵と輸送の課題は依然として残っており、メタノールを水素燃料キャリアとするのはメリットがあることになっている。このことを基にメタノールは、水蒸気改質反応により水素を生成することができるが、同時に生成される二酸化炭素を効果的に分離及び回収する必要がある。膜分離技術は、高効率と低エネルギー消費により、理想的なガス分離方法と考えられている。現在の船舶燃料処理技術は、主に化石燃料の最適化に注目し、炭素回収と燃料処理の連結問題を考慮することは滅多にない。したがってメタノール水蒸気改質と高効率な膜分離技術を連結した船舶用燃焼前炭素回収システム及び方法の開発は、船舶燃料の処理効率の向上、炭素排出量削減にとって特に重要であり、船舶産業のグリーン、低炭素、持続可能な発展の推進に寄与するが、具体的にどのように操作するかについては、多くの現実的な技術的難題を克服する必要があった。
【０００３】
特許文献１では、船舶用メタノール燃料供給システムが開示されている。該システムは、燃料ポンプでメタノール燃料タンク内のメタノール燃料をメタノール反応器に送り、次に処理されたメタノール燃料が燃焼条件を満たした後、船舶のエンジンに輸送することで船舶に動力を供給する。該システムの構造は、柔軟で、実際のニーズに応じて調整され、異なるタイプの船舶のニーズを満たすことができる。しかしながら該技術には、メタノールの発熱量が低く、着火しにくく、燃焼過程で依然として炭素を排出するといういくつかの問題がある。
【０００４】
特許文献２では、水素燃料動力船のエネルギー総合利用システムが開示されている。該システムは、圧縮水素をエネルギー源として利用し、水素燃料電池と発電機で発電して船舶を推進する。該システムは、圧縮水素の圧力エネルギーと熱交換プロセスの冷エネルギーを最大限に利用してエネルギーの効率的な利用を実現することで、明らかに普及価値がある。しかしこの技術には、水素燃料の貯蔵と輸送の難易度が大きくコストが高く、貯蔵・輸送途中に漏洩リスクがあり、安全上の懸念を引き起こすという問題もある。
【０００５】
なお、従来の船舶用燃焼後炭素回収技術では、通常回収装置、フィルター、貯留施設などを含む完全な設備の使用が必要である。これらの設備は、一般的にサイズが大きいため、船内でかなりのスペースを取る。限られた船舶スペース内では、これらの設備を船舶の他の主要施設（推進システム、船舶管理システムなど）と合理的にレイアウトする必要があり、これは間違いなく設計と組み立ての難易度を高めることになり、船の貨物積載量と旅客輸送量にも影響を与えることであろう。
【０００６】
これらの課題を解決し、高額な水素燃料の貯蔵と輸送コストを削減し、取られるスペースを減らすため、コンパクト、安全、省エネかつ低コストの貯蔵と輸送技術を開発することが一番の近道である。しかし、これには多くの技術的な難題を克服し、多数の実験を積み重ね、探求する必要がある。
【０００７】
したがって、従来技術の不足に着目し、効率的な炭素回収を実現するため、我々は構造がコンパクトでコスト効率が高く、安定かつ高効率の低炭素代替燃料の応用プロセスを研究開発することが急務となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
中国特許出願公開第１１５３０６６０８号明細書
中国特許出願公開第１１３９１４９４０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来技術の欠点と不足を克服するため、本発明は、メタノール改質と高効率な膜分離との連結に基づくコンパクト型船舶用炭素回収のシステム、方法及び応用を提供する。本発明は、メタノール水蒸気改質技術と膜分離技術を組み合わせたもので、船舶燃料としてメタノールから効率的に水素を発生し、発生した二酸化炭素を回収することで船舶の温室効果ガス排出量を削減することができる。本発明は、メタノール水蒸気改質を通じて水素燃料を製造し、危険な高圧水素の使用を避け、安全なメタノール水溶液を使用することで、従来技術における高圧の水素貯蔵の安全性に対する懸念を解決することができる。同時に改質生成物から分離した二酸化炭素を圧縮・液化貯蔵することで炭素回収を実現する。本発明は、排出された排煙の余熱を利用してメタノール水蒸気改質及び燃料予熱のため熱を供給し、エネルギーの総合利用を実現する。本発明の取る面積は小さく、限られた空間における船舶の効率的な炭素回収に適することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明が採用する技術的手段として、
メタノール改質と高効率な膜分離との連結に基づくコンパクト型船舶用炭素回収システムであって、前記船舶用燃焼前炭素回収システムは、
メタノールと水を混合させた後で改質反応して水素と二酸化炭素を生成することに用いられ、限られた船内スペースを背景にコンパクト設計で取り付けが容易で、船舶排出ガスの余熱利用プロセスを装備し、改質反応のエネルギー利用効率及び余熱利用能力を向上するコンパクト型改質反応装置と、
改質により生成する水素と二酸化炭素を効率的かつ迅速に分離することに用いられ、小型で効率的かつ迅速な分離性能を有し、最先端の分離膜技術を採用することにより、低コストで高効率なＨ
２
／ＣＯ
２
ガス分離を実現できるコンパクト型膜分離装置と、
分離した二酸化炭素を圧縮と貯留する、高効率・低エネルギー消費の二酸化炭素圧縮貯留装置と、
分離した水素を貯蔵し、船舶燃料システムに輸送し、コンパクト設計で効率が高く、効果的に水素を貯蔵と輸送することができる水素バッファタンクとを備える。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許