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公開番号2025022652
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-14
出願番号2023134276
出願日2023-08-03
発明の名称メタンガス生成装置およびメタンガス生成方法
出願人個人
代理人
主分類C07C 1/12 20060101AFI20250206BHJP(有機化学)
要約【課題】メタンガスを効率よく生成するメタンガス生成装置とメタンガスの生成方法を提供する。
【解決手段】メタネーション反応によって生成する、メタンガスと水蒸気とを含む高温の混合気が保有する熱エネルギーを利用して駆動するタービンか、吸収式冷凍機、吸着式冷凍機またはターボ冷凍機の1つ以上を稼働させることにより、前記メタネーション反応させる原料ガスを断熱圧縮してメタネーション反応装置に供給することと、メタネーション反応によって生成したメタンと水蒸気の混合気を断熱膨張または冷却させること、の一方または両方を行うことによりメタネーション反応を促進し、メタンガスの製造効率を向上させる。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
メタネーション反応によってメタンガスを生成するメタンガス生成装置であって、
メタネーション反応に伴って生成された高温のメタンガスと水蒸気の混合気によって駆動されるタービンに接続された圧縮機により、前記メタンガス生成装置に供給する原料ガスを断熱圧縮することで、メタンガス生成装置に供給する原料ガスの圧力と温度を上昇させてメタンガス生成装置に供給することを特徴とする、メタンガス生成装置。
続きを表示（約 2,200 文字）【請求項２】
メタネーション反応によってメタンガスを生成するメタンガス生成装置であって、
メタネーション反応に伴って生成された高温のメタンガスと水蒸気の混合気によって駆動されるタービンに接続された膨張機により、前記メタンガス生成装置から生成されたメタンと水蒸気の混合気を断熱膨張させることで、メタンガス生成装置から生成されたメタンと水蒸気の混合気の圧力と温度を低下させることを特徴とする、メタンガス生成装置。
【請求項３】
メタネーション反応によってメタンガスを生成するメタンガス生成装置であって、
メタネーション反応に伴って生成された高温のメタンガスと水蒸気の混合気によって駆動されるタービンに接続された発電機により発電を行い、得られた発電電力を、前記のメタンガス生成装置を構成する電力消費機器に供給することを特徴とする、メタンガス生成装置。
【請求項４】
メタネーション反応によってメタンガスを生成するメタンガス生成装置であって、
請求項１、請求項２、または請求項３のいずれかに記載のタービンから排出されたメタンガスと水蒸気の混合気を熱源として、熱交換器を介して熱媒を加熱蒸発させて駆動させるバイナリー発電機によりバイナリー発電を行い、得られた発電電力を、前記のメタンガス生成装置を構成する電力消費機器に供給することを特徴とする、メタンガス生成装置。
【請求項５】
メタネーション反応によってメタンガスを生成するメタンガス生成装置であって、
メタネーション反応に伴って生成された高温のメタンガスと水蒸気の混合気か、前記の混合気からメタンガスを分離した際に得られる高温蒸気によって吸収式冷凍機を駆動させ、前記の吸収式冷凍機により得られる冷熱によって、前記メタンガス生成装置から生成されたメタンと水蒸気との混合気か、前記の混合気から水蒸気を分離した際に得られるメタンガスのいずれか、または両方を冷却することを特徴とする、メタンガス生成装置。
【請求項６】
請求項１～請求項５に記載のいずれかの方法によってメタンガスを生成するメタンガス生成装置であって、請求項１～請求項５に記載のいずれかの方法によって前記メタンガス生成装置から生成された、メタンと水蒸気との混合気が温度低下することで生じる高温の凝縮水によって吸着式冷凍機を駆動させ、前記の吸着式冷凍機により得られる冷熱によって、前記メタンガス生成装置から生成されたメタンと水蒸気との混合気か、前記の混合気から水蒸気を分離した際に得られるメタンガスのいずれか、または両方を冷却することを特徴とする、メタンガス生成装置。
【請求項７】
請求項１～請求項３のいずれかの方法によってメタンガスを生成するメタンガス生成装置であって、請求項１～請求項３に記載のいずれかの方法によって、前記メタンガス生成装置から生成されたメタンと水蒸気との混合気が保有する熱エネルギーを利用しながら前記混合気の温度を低下させた後に、請求項４または請求項５のいずれかの方法によって、前記の温度が低下した混合気または前記混合気中の水蒸気が凝縮液化した高温水が保有する熱エネルギーを利用しながら、温度が低下した混合気をさらに冷却して温度を低下させることを特徴とする、メタンガス生成装置。
【請求項８】
請求項１～請求項７のいずれかの方法によってに記載のメタンガス生成装置であって、前記メタンガス生成装置から生成されたメタンと水蒸気との混合気を冷却した際に凝縮液化した水を回収して、不純物除去または中和させた後に、水の電気分解によって前記メタンガス生成装置に供給する水素を製造する際の原料水として供給するか、不純物除去または中和させた後に放熱冷却させたうえで、請求項５に記載の吸収式冷凍機か、請求項６に記載の吸着式冷凍機のいずれか、または両方を稼働させる際の冷却塔の補水として供給することを特徴とする、メタンガス生成装置。
【請求項９】
メタネーション反応によってメタンガスを生成するメタンガス生成方法であって、
前記メタネーション反応によって発熱を伴うメタンガスと水蒸気とを含む高温の混合気を生成させる反応工程と、
前記反応工程で生成したメタンガスと水蒸気とを含む高温の混合気が保有する熱エネルギーを利用して、タービンか吸収式冷凍機または吸着式冷凍機の１つ以上を稼働させることで、前記メタネーション反応させる原料ガスを断熱圧縮するか、メタネーション反応によって生成したメタンと水蒸気の混合気を断熱膨張または冷却することで、前記反応工程で混合気が保有する熱エネルギーを、メタネーション反応を促進させるために変換利用する、生成混合気保有熱の変換利用工程と、
前記変換利用工程に伴って、メタンと水蒸気の混合気から回収される凝縮水の不純物除去または中和と冷却によって得た水を利用して、メタネーション反応に利用する水素を水の電気分解から生成させるか、メタンと水蒸気の混合気を冷却するための吸収式冷凍機または吸着式冷凍機のいずれか、または両方を稼働させる際の冷却塔の補水として供給する、回収水の浄化利用工程と、
を含む、メタンガスの生成方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタネーション反応によってメタンガスを生成する、メタンガスの生成装置およびメタンガスの生成方法に関するものである。
続きを表示（約 2,000 文字）【背景技術】
【０００２】
主要な温暖化ガスである二酸化炭素の排出削減にむけて、二酸化炭素と水素を反応させてメタンガスを循環利用する方法が検討され、二酸化炭素と水素を効率よく反応させてメタンガスを生成させる装置や方法（（特許文献１および特許文献２）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０２０－４０９１９号公報
特開２０２３－９８４３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記の通り従来技術によれば、二酸化炭素や水素を原料ガスとし、発熱を伴うメタン生成反応によって、メタンガス生成装置から生成されるメタンガスと水蒸気とを含む高温の混合気が保有する熱エネルギーや水蒸気を利用することでメタネーション反応の平衡状態を変化させ、生成するメタンガスの濃度を高めて効率よく生成することが可能となるが、本技術には以下に示す４つの課題がある。
【０００５】
まず特許文献１に記載の方法では、原料と生成物との主な熱交換方法が、二酸化炭素や水素の混合気と、メタンガスと水蒸気の混合気という気体どうしの熱交換であり、副次的に水蒸気の凝縮温水を介した熱交換も含むものの、メタネーション反応によって高温化した生成物となるメタンガスと水蒸気の混合気が保有する熱エネルギーを直接的に原料ガスの圧縮や予熱に利用できておらず、原料ガスの充分な予熱や、生成ガスの効率的な冷却を実現し難いという課題がある。
【０００６】
さらに、熱交換が生成物の混合気と原料ガスに限定されるため、生成物混合気の冷却限界が原料ガスの熱交換器入口温度程度までで限界となり、生成物混合気を、メタンガスの供給利用に必要となる、５～１５℃以下といった露点以下まで、生成物混合気が保有する熱エネルギーを利用して個別追加的に冷却することで、生成混合気中の水蒸気分を液化凝縮させて分離することが困難であるため、反応物である原料ガスが充分に冷却されていなければ、生成物混合気から露点以下の水分を凝縮除去することは困難である一方、充分な露点以下の水分を凝縮除去するためには、熱交換効率の低い気体の原料ガスを充分に冷却するために多量の冷却エネルギーが必要となって、メタン生成の効率が低下する課題がある。
【０００７】
また、反応物である二酸化炭素や水素の混合気を充分な低温状態で供給できる場合であっても、生成物の冷却による水分除去は容易となるが、原料ガスが低温であるがために、熱交換によって充分に予熱してメタン生成装置に供給することが難しくなり、メタネーション反応の効率が低下するか、メタネーション反応の効率を維持するためには、伝熱面積の大型化や熱交換器の複数直列化など、装置が大型化したり複雑化するという課題がある。
【０００８】
一方、特許文献２に記載の通り、メタネーション反応器に水を供給して水蒸気を生成させ、得られた水蒸気を固体酸化物型電解セルに供給して、二酸化炭素と水素および水蒸気の混合気を生成させた後に、この混合気を凝縮器で冷却して水分除去した水素と二酸化炭素の混合気とし、これを圧縮してメタネーション反応器に供給することで、メタネーションの反応熱を水の蒸発気化によって効率よく吸熱しつつ、得られた水蒸気のエネルギーを有効利用することも可能であるが、本方法では固体酸化物型電解セルで反応せずに排出される高温の未反応水蒸気を冷却して水分除去を行う工程と、水分除去後の水素と二酸化炭素の混合気を圧縮する圧縮機駆動に多量の外部エネルギー供給を必要とするため、システム全体のメタン生成効率が低下するという課題がある。
【０００９】
なお、前記の従来技術では、メタン生成装置から生成されるメタンと水蒸気の混合気が保有する高温の熱エネルギーを利用することによって、反応物を昇圧予熱したり、生成されたメタンガス混合気中の水分を露点１５℃以下まで冷却して水分除去するための具体的な方法は開示されていない。
【００１０】
本発明は、これらの課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、メタネーション反応で得られる生成物が保有する熱エネルギーを利用して、メタン生成装置に供給する反応物を昇圧予熱したり、メタン生成装置から生成されるメタンと水蒸気の混合気を冷却して水蒸気を凝縮除去させ、メタン生成反応の平衡状態を変化させてメタン生成を促進させるとともに、生成物に含まれる水蒸気を充分に除去してメタン純度を高める方法と、これらの方法を適用したメタン生成装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
（【００１１】以降は省略されています）

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