JP7775084B2 - fuel synthesis device - Google Patents
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Description
本発明は、水素および二酸化炭素より燃料を合成する燃料合成装置に関する。 The present invention relates to a fuel synthesis device that synthesizes fuel from hydrogen and carbon dioxide.
地球環境上の悪影響を軽減するために、自動車の排気ガス規制が一段と進んでいる。
地球環境上の悪影響を軽減するための技術として、従来、水素(H2)と二酸化炭素(CO2)とを混合し、触媒を有するリアクタ(反応筒)を通過させることで、燃料を合成することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1では、内燃機関より排出された排気中のCO2をいったん吸着した後、当該CO2を脱離させる。脱離されたCO2は、別途供給されたH2と混合されて、圧縮機で昇圧された後、触媒を有するリアクタに入れられる。リアクタを通過した流体は、気液分離により、燃料が取り出される。
In order to reduce the negative impact on the global environment, regulations on automobile exhaust gases are becoming more stringent.
As a technology for reducing adverse effects on the global environment, it has been proposed to synthesize fuel by mixing hydrogen ( H2 ) and carbon dioxide ( CO2 ) and passing the mixture through a reactor (reaction tube) equipped with a catalyst (see, for example, Patent Document 1). In Patent Document 1, CO2 in exhaust gas emitted from an internal combustion engine is first adsorbed and then desorbed. The desorbed CO2 is mixed with separately supplied H2 , pressurized by a compressor, and then introduced into a reactor equipped with a catalyst. The fluid that has passed through the reactor is subjected to gas-liquid separation to extract fuel.
H2とCO2とを反応させて燃料を合成する触媒(燃料合成触媒)として、例えば、銅-亜鉛酸化物系触媒がある。銅-亜鉛酸化物系触媒は、アルミナ(Al2O3)やシリカ(SiO2)等の酸化物からなる担体に、銅(Cu)や亜鉛(Zn)等の遷移金属からなる触媒金属の粒子が担持されたものである。当該触媒は、CO2を還元する触媒であり、メタノール(CH3OH)を合成することができる。当該触媒には、燃料を合成するのに適した温度範囲があり、その温度範囲は230~250℃である。H2とCO2とから燃料(メタノール)を合成する反応は下記式(1)のとおりであり、その生成熱は49kJ/molである。
CO2+3H2→CH3OH+H2O …(1)
An example of a catalyst (fuel synthesis catalyst) that synthesizes fuel by reacting H2 and CO2 is a copper-zinc oxide catalyst. A copper-zinc oxide catalyst is a catalyst in which catalytic metal particles made of a transition metal such as copper ( Cu ) or zinc (Zn) are supported on a carrier made of an oxide such as alumina (Al2O3) or silica ( SiO2 ). This catalyst reduces CO2 and can synthesize methanol ( CH3OH ). This catalyst has a temperature range suitable for synthesizing fuel, which is 230 to 250°C. The reaction that synthesizes fuel (methanol) from H2 and CO2 is as shown in formula (1) below, and the heat of formation is 49 kJ/mol.
CO2 + 3H2 → CH3OH + H2O ...(1)
これは非常に強い発熱反応である。そのため、触媒後段は温度が上がり、300℃以上になることもある。触媒の温度が300℃以上になると、下記式(2)に示す副反応が生じて燃料の合成反応を阻害する。また、銅は熱に弱いので触媒粒子の凝集が起こり、触媒能力を低下させる。
CO2+H2→CO+H2O …(2)
This is a very exothermic reaction. As a result, the temperature at the downstream side of the catalyst rises, sometimes reaching 300°C or higher. When the temperature of the catalyst exceeds 300°C, a side reaction occurs as shown in formula (2) below, inhibiting the fuel synthesis reaction. Furthermore, copper is sensitive to heat, so the catalyst particles aggregate, reducing catalytic activity.
CO 2 + H 2 → CO + H 2 O…(2)
そのため、従来は、触媒に対する熱対策として、水冷(工業用水)にて触媒を冷却する技術が提案されている(例えば、特許文献2参照)。 For this reason, a technology has been proposed to cool the catalyst with water (industrial water) as a heat countermeasure for the catalyst (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、特許文献2に記載の技術では、水冷を行うための別途の設備(装置)や外部からの工業用水の供給が必要である。 However, the technology described in Patent Document 2 requires separate equipment (device) for water cooling and an external supply of industrial water.
本発明は前記状況に鑑みてなされたものであり、別途の装置や工業用水を用いずに、燃料合成触媒の温度を制御できる燃料合成装置を提供することを課題とする。 The present invention was made in consideration of the above situation, and its objective is to provide a fuel synthesis device that can control the temperature of a fuel synthesis catalyst without using a separate device or industrial water.
前記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、燃料合成装置であって、主通路の上流に配置され、CO2ガスおよびH2ガスを供給する供給手段と、前記供給手段の下流に配置され、前記CO2ガスおよび前記H2ガスを化学反応させて燃料を合成する燃料合成触媒と、前記燃料合成触媒の下流に配置され、前記燃料を液体にして、前記燃料合成触媒で未反応であった前記CO2ガスおよび前記H2ガスと分離する気液分離手段と、前記気液分離手段により分離された前記液体を前記燃料合成触媒の周囲に還流し、その後、前記液体を前記気液分離手段の下流に流すことで前記燃料合成触媒を冷却させる冷却手段と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above problem, the invention of claim 1 is a fuel synthesis device comprising: a supply means arranged upstream of a main passage for supplying CO2 gas and H2 gas; a fuel synthesis catalyst arranged downstream of the supply means for chemically reacting the CO2 gas and the H2 gas to synthesize fuel; a gas-liquid separation means arranged downstream of the fuel synthesis catalyst for liquefying the fuel and separating it from the CO2 gas and H2 gas that were not reacted in the fuel synthesis catalyst; and a cooling means for returning the liquid separated by the gas-liquid separation means to the periphery of the fuel synthesis catalyst and then cooling the fuel synthesis catalyst by flowing the liquid downstream of the gas-liquid separation means.
このように、請求項1に係る発明は、燃料合成触媒で合成し、気液分離手段で液体にした燃料を燃料合成触媒の周囲に還流させるので、別途冷却装置(設備)や工業用水を用いずに、燃料合成触媒の温度を制御できる。 In this way, the invention of claim 1 recirculates fuel synthesized using a fuel synthesis catalyst and liquefied using a gas-liquid separation means around the fuel synthesis catalyst, thereby making it possible to control the temperature of the fuel synthesis catalyst without using a separate cooling device (facility) or industrial water.
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の燃料合成装置であって、前記燃料合成触媒が、前記燃料合成触媒の温度を測定する触媒温度測定手段を備えているとともに、前記冷却手段は、前記気液分離手段の下流に備えられた第1制御弁と、前記第1制御弁と接続され、前記燃料合成触媒の周囲を還流し、前記第1制御弁の下流に接続される冷却通路と、を備えており、前記第1制御弁は、前記触媒温度測定手段によって測定された前記燃料合成触媒の温度に応じて開閉制御することを特徴とする。なお、開閉制御は、温度が高くなれば開弁制御し、温度が低くなれば閉弁制御するものであり、また、必要に応じて弁の開度調整を適宜行うものである。 The invention of claim 2 is the fuel synthesis device of claim 1, wherein the fuel synthesis catalyst is equipped with a catalyst temperature measurement means for measuring the temperature of the fuel synthesis catalyst, and the cooling means is equipped with a first control valve provided downstream of the gas-liquid separation means and a cooling passage connected to the first control valve, which circulates around the fuel synthesis catalyst and is connected downstream of the first control valve, and the first control valve is controlled to open and close in accordance with the temperature of the fuel synthesis catalyst measured by the catalyst temperature measurement means. The opening and closing control is performed by opening the valve when the temperature rises and closing the valve when the temperature drops, and the valve opening is adjusted as needed.
このように、請求項2に係る発明は、燃料合成触媒の温度に応じて第1制御弁を開閉制御し、気液分離手段により分離された液体を適宜還流できるので、燃料合成触媒の温度を適切な範囲に制御できる。 In this way, the invention according to claim 2 controls the opening and closing of the first control valve in accordance with the temperature of the fuel synthesis catalyst, and allows the liquid separated by the gas-liquid separation means to be circulated appropriately, thereby controlling the temperature of the fuel synthesis catalyst within an appropriate range.
請求項3に係る発明は、請求項2に記載の燃料合成装置であって、前記冷却通路は、前記燃料合成触媒の上流にバイパスされるバイパス通路を備えており、前記バイパス通路には第2制御弁が設けられており、前記第2制御弁は、前記触媒温度測定手段によって測定された前記燃料合成触媒の温度に応じて開閉制御し、前記燃料合成触媒に直接、前記液体を流入させることを特徴とする。 The invention of claim 3 is the fuel synthesis device of claim 2, wherein the cooling passage includes a bypass passage that bypasses the fuel synthesis catalyst upstream, and a second control valve is provided in the bypass passage, and the second control valve is controlled to open and close in accordance with the temperature of the fuel synthesis catalyst measured by the catalyst temperature measurement means, allowing the liquid to flow directly into the fuel synthesis catalyst.
このように、請求項3に係る発明は、燃料合成触媒の更なる冷却が必要である場合には、触媒温度測定手段によって測定された前記燃料合成触媒の温度に応じて第2制御弁が開閉制御して、分離された液体を直接燃料合成触媒に流入させて冷却する。したがって、請求項3に係る発明は、燃料合成触媒の温度をより迅速かつ確実に制御できる。 In this way, according to the invention of claim 3, when further cooling of the fuel synthesis catalyst is required, the second control valve opens and closes in response to the temperature of the fuel synthesis catalyst measured by the catalyst temperature measurement means, allowing the separated liquid to flow directly into the fuel synthesis catalyst to cool it. Therefore, the invention of claim 3 can more quickly and reliably control the temperature of the fuel synthesis catalyst.
請求項4に係る発明は、請求項3に記載の燃料合成装置であって、前記燃料合成触媒の上流の主通路に第3制御弁が設けられており、前記第3制御弁は、前記触媒温度測定手段によって測定された前記燃料合成触媒の温度に応じて開閉制御することを特徴とする。 The invention of claim 4 is the fuel synthesis device described in claim 3, characterized in that a third control valve is provided in the main passage upstream of the fuel synthesis catalyst, and the third control valve is controlled to open and close in accordance with the temperature of the fuel synthesis catalyst measured by the catalyst temperature measurement means.
このように、請求項4に係る発明は、燃料合成触媒の更なる冷却が必要である場合に、主通路から燃料合成触媒へ供給されるCO2ガスおよびH2ガスを制御することで、燃料合成触媒における反応を減少方向に制御できる。したがって、請求項4に係る発明は、燃料合成触媒の温度をより確実に制御できる。 In this way, when further cooling of the fuel synthesis catalyst is required, the invention according to claim 4 can reduce the reaction in the fuel synthesis catalyst by controlling the CO2 gas and H2 gas supplied to the fuel synthesis catalyst from the main passage. Therefore, the invention according to claim 4 can more reliably control the temperature of the fuel synthesis catalyst.
請求項5に係る発明は、請求項4に記載の燃料合成装置であって、前記燃料合成触媒の温度が所定温度以上となった場合に、前記第1制御弁を開閉制御するとともに、前記第2制御弁は閉弁制御し、前記第3制御弁は開弁制御する第1触媒温度制御を行い、前記第1触媒温度制御を行った後に、前記燃料合成触媒の温度が前記所定温度よりも低くならない場合には、前記第2制御弁は開閉制御するとともに、第3制御弁は閉弁制御する第2触媒温度制御を行うことを特徴とする。 The invention of claim 5 is the fuel synthesis device of claim 4, characterized in that when the temperature of the fuel synthesis catalyst reaches or exceeds a predetermined temperature, first catalyst temperature control is performed by controlling the first control valve to open and close, the second control valve to close, and the third control valve to open; and if, after performing the first catalyst temperature control, the temperature of the fuel synthesis catalyst does not fall below the predetermined temperature, second catalyst temperature control is performed by controlling the second control valve to open and close, and the third control valve to close.
このように、請求項5に係る発明は、第1触媒温度制御と第2触媒温度制御とを行うことで、燃料合成触媒の温度に応じて段階的に冷却制御を行う。これにより、請求項5に係る発明は、燃料合成触媒の温度を制御しつつ最大限燃料合成を行い、燃料合成触媒が高温であるときは、触媒反応を減少させる制御を行うことができる。したがって、請求項5に係る発明は、熱による燃料合成触媒への悪影響を抑制できる。 In this way, the invention of claim 5 performs first catalyst temperature control and second catalyst temperature control, thereby performing step-by-step cooling control according to the temperature of the fuel synthesis catalyst. As a result, the invention of claim 5 can maximize fuel synthesis while controlling the temperature of the fuel synthesis catalyst, and can perform control to reduce catalytic reaction when the fuel synthesis catalyst is at a high temperature. Therefore, the invention of claim 5 can suppress the adverse effects of heat on the fuel synthesis catalyst.
請求項6に係る発明は、請求項5に記載の燃料合成装置であって、前記燃料合成触媒の温度が前記所定温度よりも低くならない場合とは、前記第1触媒温度制御を行ったときから所定時間経過した後に前記燃料合成触媒の温度が前記所定温度以上であるとき、または前記燃料合成触媒の温度が前記所定温度より大きい第2所定温度以上であるときであることを特徴とする。 The invention of claim 6 is the fuel synthesis device of claim 5, characterized in that the case in which the temperature of the fuel synthesis catalyst does not fall below the predetermined temperature is when the temperature of the fuel synthesis catalyst is equal to or higher than the predetermined temperature after a predetermined time has elapsed since the first catalyst temperature control was performed, or when the temperature of the fuel synthesis catalyst is equal to or higher than a second predetermined temperature that is higher than the predetermined temperature.
このように、請求項6に係る発明は、燃料合成触媒の温度が前記所定温度よりも低くならない場合の基準に則って、燃料合成触媒の温度の変化に基づく段階的な冷却制御を確実に行うことができる。したがって、請求項6に係る発明は、燃料合成触媒の温度を制御しつつ最大限燃料合成を行い、燃料合成触媒が高温であるときは触媒反応を減少させる制御をより適切に行うことができる。したがって、請求項6に係る発明は、熱による燃料合成触媒への悪影響を抑制できる。 In this way, the invention of claim 6 can reliably perform stepwise cooling control based on changes in the temperature of the fuel synthesis catalyst, in accordance with the criteria for when the temperature of the fuel synthesis catalyst does not fall below the predetermined temperature. Therefore, the invention of claim 6 can more appropriately perform control to maximize fuel synthesis while controlling the temperature of the fuel synthesis catalyst, and reduce catalytic reactions when the fuel synthesis catalyst is at a high temperature. Therefore, the invention of claim 6 can suppress the adverse effects of heat on the fuel synthesis catalyst.
本発明によれば、別途の装置や工業用水を用いずに、燃料合成触媒の温度を制御できる燃料合成装置を提供できる。 The present invention provides a fuel synthesis device that can control the temperature of a fuel synthesis catalyst without using a separate device or industrial water.
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る燃料合成装置1について詳細に説明する。なお、以下の説明において、上流、上流側、下流および下流側という用語は、説明対象となる装置に流れる流体の流れる方向における上流側と下流側を表す。
参照する図面において、図1は、本実施形態に係る燃料合成装置1の構成を示す概略図である。図2は、第1制御弁V1、第2制御弁V2および第3制御弁V3の開閉制御を行った場合における燃料合成触媒3の温度の一例を示すグラフである。
A fuel synthesis device 1 according to an embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. In the following description, the terms "upstream,""upstreamside,""downstream," and "downstream side" refer to the upstream side and downstream side in the flow direction of a fluid flowing through the device being described.
Of the drawings to be referred to, Fig. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel synthesis device 1 according to this embodiment. Fig. 2 is a graph showing an example of the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 when the first control valve V1, the second control valve V2, and the third control valve V3 are controlled to open and close.
はじめに、燃料合成装置1が有する各通路の構成を説明する。燃料合成装置1は、供給されたガスに対する燃料の合成と燃料の分離とが行われる主通路10と、燃料の分離後の気相に残留したガスを、再び主通路10における燃料合成触媒3よりも上流側に還流させる還流通路20とを有する。主通路10は、配管11、配管12、配管13、配管14、配管15を有する。なお、燃料合成装置1は、これらの通路外に、ECU(Electronic Control Unit)60を有する。ECU60は、各通路に配置される各種センサの値に基づいて、後記する第1制御弁V1、第2制御弁V2、第3制御弁V3などの各種調整弁やその他の切替手段を制御する。また、ECU60は、各種センサの値に基づいて、圧縮機30、ヒータ40、蒸留加熱手段6などの制御を行う。 First, the configuration of each passage in the fuel synthesis device 1 will be described. The fuel synthesis device 1 has a main passage 10, which synthesizes fuel from supplied gas and separates the fuel, and a return passage 20, which returns the gas remaining in the gas phase after fuel separation to the main passage 10 upstream of the fuel synthesis catalyst 3. The main passage 10 has pipes 11, 12, 13, 14, and 15. The fuel synthesis device 1 also has an ECU (Electronic Control Unit) 60 outside these passages. The ECU 60 controls various adjustment valves, such as the first control valve V1, second control valve V2, and third control valve V3 (described below), and other switching devices based on the values of various sensors located in each passage. The ECU 60 also controls the compressor 30, heater 40, distillation heating means 6, and other devices based on the values of various sensors.
図1に示すように、燃料合成装置1は、主通路10の経路上に、供給手段2と、燃料合成触媒3と、気液分離手段4と、冷却手段5とを備えている。燃料合成装置1は、供給手段2の下流に燃料合成触媒3を備え、燃料合成触媒3の下流に気液分離手段4を備え、気液分離手段4の下流に冷却手段5を備えている。冷却手段5は、第1制御弁V1から分岐し、燃料合成触媒3に当接しつつ(より具体的には、燃料合成触媒3を収めた後述する反応筒31に当接しつつ)その周囲を螺旋状に周回する配管で形成されている。この配管の下流端は、第1制御弁V1の下流に接続されている。そして、この配管の下流端の下流に蒸留加熱手段6を備えている。なお、第1制御弁V1は、切り替え弁とすることができる。 As shown in FIG. 1, the fuel synthesis device 1 includes a supply means 2, a fuel synthesis catalyst 3, a gas-liquid separation means 4, and a cooling means 5 on the main passage 10. The fuel synthesis device 1 includes the fuel synthesis catalyst 3 downstream of the supply means 2, the gas-liquid separation means 4 downstream of the fuel synthesis catalyst 3, and the cooling means 5 downstream of the gas-liquid separation means 4. The cooling means 5 is formed by a pipe branching from the first control valve V1 and spiraling around the fuel synthesis catalyst 3 while abutting the catalyst (more specifically, while abutting the reactor tube 31 described below, which houses the catalyst 3). The downstream end of this pipe is connected downstream of the first control valve V1. A distillation heating means 6 is provided downstream of the downstream end of this pipe. The first control valve V1 may be a switching valve.
また、燃料合成装置1は、供給手段2と燃料合成触媒3との間に、ガスを圧縮する圧縮機30と、圧縮したガスを加熱するヒータ40とを備えている。圧縮機30とヒータ40とは、主通路10の配管12を介して接続されている。圧縮機30では、ガスの圧力が10MPaとなるように圧縮する。ヒータ40では、ガスの温度が230~250℃となるように加熱する。なお、ガスの圧力および温度は、燃料合成触媒3の特性などに応じて適宜設定することができる。 The fuel synthesis device 1 also includes a compressor 30 for compressing gas and a heater 40 for heating the compressed gas, located between the supply means 2 and the fuel synthesis catalyst 3. The compressor 30 and heater 40 are connected via piping 12 in the main passage 10. The compressor 30 compresses the gas to a pressure of 10 MPa. The heater 40 heats the gas to a temperature of 230 to 250°C. The gas pressure and temperature can be set appropriately depending on the characteristics of the fuel synthesis catalyst 3, etc.
供給手段2は、主通路10の配管11を介して圧縮機30と接続されている。供給手段2は、主通路10にCO2ガスおよびH2ガスを供給する。
CO2ガスは、CO2ガスを貯蔵したタンク21から供給される。CO2ガスの供給量は、ECU60によって制御される。なお、CO2ガスは、自動車等の車両における内燃機関から排出された排気中または大気中のCO2を吸着剤で吸着したものであってもよい。この場合、必要に応じてCO2を脱離させれば、CO2タンクとして用いることができる。
The supply means 2 is connected to the compressor 30 via the pipe 11 of the main passage 10. The supply means 2 supplies CO2 gas and H2 gas to the main passage 10.
The CO2 gas is supplied from a tank 21 that stores CO2 gas. The amount of CO2 gas supplied is controlled by the ECU 60. The CO2 gas may be CO2 in the exhaust gas emitted from an internal combustion engine of a vehicle such as an automobile or in the atmosphere, which has been adsorbed by an adsorbent. In this case, the CO2 can be desorbed as needed and used as a CO2 tank.
H2ガスは、H2ガスを貯蔵したタンク22から供給される。H2ガスの供給量は、ECU60によって制御される。なお、H2ガスは、燃料電池等で生成された水を電気分解して得ることもできる。 The H2 gas is supplied from a tank 22 that stores the H2 gas. The amount of H2 gas supplied is controlled by the ECU 60. The H2 gas can also be obtained by electrolyzing water produced by a fuel cell or the like.
燃料合成触媒3は、供給手段2の下流に配置され、CO2ガスおよびH2ガスを化学反応させて燃料を合成する。合成する燃料は、例えば、メタノールである。燃料合成触媒3は、二酸化炭素還元触媒であり、主通路10に配置される反応筒31内に配置される。反応筒31は、上流側が主通路10の配管13に接続され、下流側が主通路10の配管14に接続される。主通路10において燃料合成触媒3の上流側から供給されるガスには、CO2およびH2が含まれている。CO2およびH2は、反応筒31内において、所定比で化学反応(水素化反応)が行われる。燃料合成触媒3は、CO2およびH2の存在下においてCO2を還元するとともに、燃料としてのメタノール(CH3OH)を生成するCO2の水素化反応を促進する。二酸化炭素還元触媒としては、例えば、アルミナ(Al2O3)やシリカ(SiO2)等の酸化物からなる担体に、銅(Cu)や亜鉛(Zn)等の遷移金属からなる触媒金属が担持された銅-亜鉛酸化物系触媒等の既知のものが用いられる。 The fuel synthesis catalyst 3 is disposed downstream of the supply means 2 and synthesizes fuel by chemically reacting CO2 gas and H2 gas. The fuel to be synthesized is, for example, methanol. The fuel synthesis catalyst 3 is a carbon dioxide reduction catalyst and is disposed in a reaction tube 31 disposed in the main passage 10. The upstream side of the reaction tube 31 is connected to a pipe 13 of the main passage 10 and the downstream side is connected to a pipe 14 of the main passage 10. The gas supplied from the upstream side of the fuel synthesis catalyst 3 in the main passage 10 contains CO2 and H2 . The CO2 and H2 undergo a chemical reaction (hydrogenation reaction) in a predetermined ratio in the reaction tube 31. The fuel synthesis catalyst 3 reduces CO2 in the presence of CO2 and H2 and promotes the hydrogenation reaction of CO2 to produce methanol ( CH3OH ) as a fuel. As the carbon dioxide reduction catalyst, for example, a known catalyst such as a copper - zinc oxide catalyst in which a catalytic metal made of a transition metal such as copper (Cu) or zinc ( Zn ) is supported on a carrier made of an oxide such as alumina (Al 2 O 3 ) or silica (SiO 2 ) is used.
燃料合成触媒3による燃料合成の過程は、周知の技術を用いて行うことができる。例えば、反応筒31内におけるCO2とH2の比が所定比になるように計量したH2を、タンク22から配管11に供給し、さらに、圧縮機30やヒータ40によって反応筒31内のガスを昇温、圧縮する。これにより、反応筒31内では二酸化炭素還元触媒の作用下で、CO2の水素化反応(下記式(3)参照)が進行し、燃料であるメタノール(CH3OH)が生成される。また同時に、この二酸化炭素還元触媒の作用により、逆水性ガスシフト反応(下記式(4)参照)、および一酸化炭素(CO)の水素化反応(下記式(5)参照)も進行し、メタノールを含む合成ガスが生成される。なお、圧縮機30によって高められた反応筒31内の圧力は、反応筒31に設けられたバックプレッシャーバルブ(不図示)により下げることができる。
CO2+3H2→CH3OH+H2O …(3)
CO2+H2→CO+H2O …(4)
CO+2H2→CH3OH …(5)
The fuel synthesis process using the fuel synthesis catalyst 3 can be performed using well-known techniques. For example, H 2 measured so that the ratio of CO 2 to H 2 in the reaction tube 31 is a predetermined ratio is supplied from the tank 22 to the pipe 11, and the gas in the reaction tube 31 is heated and compressed by the compressor 30 and heater 40. As a result, under the action of the carbon dioxide reduction catalyst, a CO 2 hydrogenation reaction (see formula (3) below) proceeds in the reaction tube 31, producing methanol (CH 3 OH) as fuel. At the same time, the action of the carbon dioxide reduction catalyst also proceeds with a reverse water gas shift reaction (see formula (4) below) and a carbon monoxide (CO) hydrogenation reaction (see formula (5) below), producing a synthesis gas containing methanol. The pressure in the reaction tube 31 increased by the compressor 30 can be reduced by a back pressure valve (not shown) provided in the reaction tube 31.
CO2 + 3H2 → CH3OH + H2O ...(3)
CO 2 + H 2 → CO + H 2 O…(4)
CO+ 2H2 → CH3OH ...(5)
気液分離手段4は、燃料合成触媒3の下流、具体的には、主通路10における配管14と配管15との間に配置され、燃料を液体にして、燃料合成触媒3で未反応であったCO2ガスおよびH2ガスと分離する。気液分離手段4は、熱交換によりメタノールを含む合成ガスを冷却して凝縮することで、前記した未反応のガス(気相)と、メタノールを主成分とする液体(液相)とを分離する。また、気液分離手段4は、合成ガスを膜分離することにより、メタノールを主成分とする液体(液相)を分離することもできる。気液分離手段4により分離され、メタノールを主成分とする液相は、配管15を通流して蒸留加熱手段6に供給される。気液分離手段4により分離された気相には、副成物のCO、未反応のCO2およびH2、未回収となったメタノールや水(H2O)が含まれる。気液分離手段4にて気相として分離された気体は、還流通路20を通流して燃料合成触媒3の上流に供給され、再び燃料の合成に使用される。 The gas-liquid separation means 4 is disposed downstream of the fuel synthesis catalyst 3, specifically between pipes 14 and 15 in the main passage 10, and liquefies the fuel and separates it from the CO2 gas and H2 gas that were unreacted in the fuel synthesis catalyst 3. The gas-liquid separation means 4 separates the unreacted gas (gas phase) from a liquid (liquid phase) mainly composed of methanol by cooling and condensing the methanol-containing synthesis gas through heat exchange. The gas-liquid separation means 4 can also separate the liquid (liquid phase) mainly composed of methanol by membrane separation of the synthesis gas. The liquid phase mainly composed of methanol separated by the gas-liquid separation means 4 flows through pipe 15 and is supplied to the distillation heating means 6. The gas phase separated by the gas-liquid separation means 4 contains by-product CO, unreacted CO2 and H2 , as well as unrecovered methanol and water ( H2O ). The gas separated as a gas phase by the gas-liquid separation means 4 flows through the reflux passage 20 and is supplied upstream of the fuel synthesis catalyst 3, where it is used again for fuel synthesis.
蒸留加熱手段6は、液相に含まれるメタノールと水とを、沸点の違いを利用して分離する。蒸留加熱手段6では、液相を約65℃に加熱する。これにより、液相からメタノール(CH3OH)が蒸発して得られるので、これを気体のまま、または液化し、配管16を通じて図示しない燃料タンクに供給する。残った液相はほぼ水(H2O)であるため、配管17を通じて外部に排出する。 The distillation heating means 6 separates the methanol and water contained in the liquid phase by utilizing the difference in boiling points. The distillation heating means 6 heats the liquid phase to approximately 65°C. As a result, methanol ( CH3OH ) is evaporated from the liquid phase and is obtained. This is supplied to a fuel tank (not shown) via pipe 16 either as a gas or liquefied. The remaining liquid phase is mostly water ( H2O ), and is discharged to the outside via pipe 17.
そして、冷却手段5は、気液分離手段4の下流に配置され、気液分離手段4により分離された液体を燃料合成触媒3の周囲(より具体的には、燃料合成触媒3を収めた反応筒31の周囲)に還流し、その後、その液体を気液分離手段4の下流に流すことで燃料合成触媒3を冷却させる。なお、気液分離手段4により分離された液体は、必要に応じて熱交換や冷却等を行い、15℃程度の温度とするのがよいが、これに限定されない。このような液温とすると、冷却効果を確実に得ることができる。 The cooling means 5 is positioned downstream of the gas-liquid separation means 4 and returns the liquid separated by the gas-liquid separation means 4 to the area around the fuel synthesis catalyst 3 (more specifically, around the reaction tube 31 containing the fuel synthesis catalyst 3), after which the liquid is allowed to flow downstream of the gas-liquid separation means 4 to cool the fuel synthesis catalyst 3. The liquid separated by the gas-liquid separation means 4 is preferably subjected to heat exchange or cooling as necessary, and kept at a temperature of approximately 15°C, although this is not limited to this. Maintaining the liquid at this temperature ensures a reliable cooling effect.
このように、燃料合成装置1は、気液分離手段4により分離された液体を燃料合成触媒3の周囲に還流させるので、別途の冷却装置(設備)や工業用水を用いずに、燃料合成触媒3の温度を制御できる。
燃料合成装置1は、二酸化炭素を使用して燃料(メタノール)を合成するので二酸化炭素を削減でき、地球環境上の悪影響を軽減できる。
In this way, the fuel synthesis device 1 circulates the liquid separated by the gas-liquid separation means 4 around the fuel synthesis catalyst 3, so that the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 can be controlled without using a separate cooling device (facility) or industrial water.
The fuel synthesizing device 1 synthesizes fuel (methanol) using carbon dioxide, thereby reducing carbon dioxide emissions and mitigating adverse effects on the global environment.
以下、燃料合成装置1における好ましい態様について説明する。
燃料合成触媒3は、燃料合成触媒3の温度を測定する触媒温度測定手段32(温度センサ)を備えていてもよい。また、それとともに、冷却手段5は、気液分離手段4の下流に備えられた第1制御弁V1と、この第1制御弁V1と接続され、燃料合成触媒3の周囲を還流し、第1制御弁V1の下流に接続される冷却通路51と、を備えていてもよい。そして、この態様において、第1制御弁V1は、触媒温度測定手段32によって測定された燃料合成触媒3の温度に応じて開閉制御することができる。第1制御弁V1は、開閉制御を行うことにより、燃料合成触媒3の温度に応じて、冷却手段5に流す液体と蒸留加熱手段6に流す液体の割合を調節することができる。また、第1制御弁V1の開閉制御では、冷却手段5および蒸留加熱手段6のいずれか一方のみに液体を流すように制御することもできる。
A preferred embodiment of the fuel synthesizing device 1 will now be described.
The fuel synthesis catalyst 3 may be equipped with a catalyst temperature measuring means 32 (temperature sensor) that measures the temperature of the fuel synthesis catalyst 3. The cooling means 5 may also include a first control valve V1 provided downstream of the gas-liquid separating means 4, and a cooling passage 51 connected to the first control valve V1, which circulates around the fuel synthesis catalyst 3 and is connected downstream of the first control valve V1. In this embodiment, the first control valve V1 can be controlled to open and close in accordance with the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 measured by the catalyst temperature measuring means 32. By controlling the opening and closing of the first control valve V1, the ratio of liquid flowing to the cooling means 5 and liquid flowing to the distillation heating means 6 can be adjusted in accordance with the temperature of the fuel synthesis catalyst 3. The opening and closing of the first control valve V1 can also be controlled to allow liquid to flow to only one of the cooling means 5 and the distillation heating means 6.
このような態様とすると、燃料合成装置1は、触媒温度測定手段32で測定した燃料合成触媒3の温度に応じて第1制御弁V1を開閉制御し、気液分離手段4により分離された液体を、冷却通路51を通じて燃料合成触媒3の周囲に適宜還流できる。したがって、燃料合成装置1は、燃料合成触媒3の温度を適切な範囲に制御できる。 In this configuration, the fuel synthesis device 1 controls the opening and closing of the first control valve V1 in accordance with the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 measured by the catalyst temperature measurement means 32, and can appropriately circulate the liquid separated by the gas-liquid separation means 4 around the fuel synthesis catalyst 3 through the cooling passage 51. Therefore, the fuel synthesis device 1 can control the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 within an appropriate range.
冷却通路51は、燃料合成触媒3の上流にバイパスされるバイパス通路52を備えており、このバイパス通路52には第2制御弁V2が設けられていてもよい。第2制御弁V2は、切り替え弁とすることができる。そして、第2制御弁V2は、触媒温度測定手段32によって測定された燃料合成触媒3の温度に応じて開閉制御し、燃料合成触媒3に直接、液体を流入させることができる。第2制御弁V2による開閉制御は、弁の開操作・閉操作のみならず、燃料合成触媒3の温度に応じて弁の開度を調節できるものであり、これにより、燃料合成触媒3への液体の流入量を調節することができる。 The cooling passage 51 includes a bypass passage 52 that bypasses the fuel synthesis catalyst 3 upstream, and this bypass passage 52 may be provided with a second control valve V2. The second control valve V2 may be a switching valve. The second control valve V2 is controlled to open and close in accordance with the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 measured by the catalyst temperature measurement means 32, allowing liquid to flow directly into the fuel synthesis catalyst 3. The opening and closing control of the second control valve V2 not only allows the valve to be opened and closed, but also allows the valve opening to be adjusted in accordance with the temperature of the fuel synthesis catalyst 3, thereby adjusting the amount of liquid flowing into the fuel synthesis catalyst 3.
このような態様とすると、燃料合成装置1は、燃料合成触媒3の温度が下がらず、更なる冷却が必要である場合に、触媒温度測定手段32によって測定された燃料合成触媒3の温度に応じて第2制御弁V2を開閉制御できる。そして、バイパス通路52を通じて分離された液体が直接燃料合成触媒3に流入し、燃料合成触媒3が冷却される。また、この液体の主成分は、生成物のメタノールである(水を含む)ので、メタノールおよび水の濃度が高くなることにより化学平衡的に燃料合成触媒3での反応を停止させることができる。したがって、燃料合成装置1は、燃料合成触媒3の温度をより迅速かつ確実に制御できる。 In this configuration, when the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 does not decrease and further cooling is required, the fuel synthesis device 1 can control the opening and closing of the second control valve V2 in accordance with the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 measured by the catalyst temperature measurement means 32. The liquid separated through the bypass passage 52 then flows directly into the fuel synthesis catalyst 3, cooling it. Furthermore, since the main component of this liquid is the product methanol (which also contains water), the reaction in the fuel synthesis catalyst 3 can be stopped in chemical equilibrium by increasing the concentrations of methanol and water. Therefore, the fuel synthesis device 1 can more quickly and reliably control the temperature of the fuel synthesis catalyst 3.
燃料合成触媒3の上流の主通路10に第3制御弁V3が設けられていてもよい。そして、第3制御弁V3は、触媒温度測定手段32によって測定された燃料合成触媒3の温度に応じて開閉制御することができる。 A third control valve V3 may be provided in the main passage 10 upstream of the fuel synthesis catalyst 3. The third control valve V3 can be controlled to open or close in response to the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 measured by the catalyst temperature measuring means 32.
このような態様とすると、燃料合成装置1は、燃料合成触媒3の温度が下がらず、燃料合成触媒3の更なる冷却が必要である場合に、第3制御弁V3を開閉制御(例えば、弁の開度を調節)することで、主通路10から燃料合成触媒3へ供給されるCO2ガスおよびH2ガスを制御できる。したがって、燃料合成装置1は、燃料合成触媒3における反応を減少方向に制御でき、燃料合成触媒3の温度をより確実に制御できる。 In this configuration, when the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 does not decrease and further cooling of the fuel synthesis catalyst 3 is required, the fuel synthesis device 1 can control the CO2 gas and H2 gas supplied from the main passage 10 to the fuel synthesis catalyst 3 by controlling the opening and closing of the third control valve V3 (for example, adjusting the valve opening). Therefore, the fuel synthesis device 1 can control the reaction in the fuel synthesis catalyst 3 to decrease, and can more reliably control the temperature of the fuel synthesis catalyst 3.
また、好ましい一態様として、下記の第1触媒温度制御および第2触媒温度制御を行うことが挙げられる。
第1触媒温度制御は、燃料合成触媒3の温度が所定温度以上となった場合に、第1制御弁V1を開閉制御するとともに、第2制御弁V2は閉弁制御し、第3制御弁V3は開弁制御するというものである。
第2触媒温度制御は、前記した第1触媒温度制御を行った後に、燃料合成触媒3の温度が所定温度よりも低くならない場合には、第2制御弁V2は開閉制御するとともに、第3制御弁V3は閉弁制御するというものである。
第1触媒温度制御および第2触媒温度制御における所定温度は、例えば、300℃などとすることができるが、これに限定されない。この所定温度は、用いる燃料合成触媒3の性質・性能、燃料の合成率、副成物の生成率などを考慮して任意に設定できる。
In addition, as a preferred embodiment, the following first catalyst temperature control and second catalyst temperature control are performed.
The first catalyst temperature control is performed by controlling the opening and closing of the first control valve V1, controlling the closing of the second control valve V2, and controlling the opening of the third control valve V3 when the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 reaches or exceeds a predetermined temperature.
In the second catalyst temperature control, if the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 does not fall below a predetermined temperature after the first catalyst temperature control described above is performed, the second control valve V2 is controlled to open and close, and the third control valve V3 is controlled to close.
The predetermined temperature in the first catalyst temperature control and the second catalyst temperature control may be, for example, but is not limited to, 300° C. This predetermined temperature can be set arbitrarily taking into consideration the properties and performance of the fuel synthesis catalyst 3 used, the fuel synthesis rate, the by-product generation rate, etc.
第1触媒温度制御を行った場合、第1制御弁V1を開閉制御し、第2制御弁V2は閉弁制御し、第3制御弁V3は開弁制御するので、例えば、図2において破線で示すように、燃料合成触媒3の温度を低くすることができる。燃料合成触媒3の温度が低い状態を維持できるようであれば、第1制御弁V1を閉弁制御して冷却手段5への液体の供給を停止し、気液分離手段4で分離された液体を全量蒸留加熱手段6に供給する。 When first catalyst temperature control is performed, the first control valve V1 is controlled to open/close, the second control valve V2 is controlled to close, and the third control valve V3 is controlled to open, so that the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 can be lowered, for example, as shown by the dashed line in Figure 2. If the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 can be maintained at a low level, the first control valve V1 is controlled to close, stopping the supply of liquid to the cooling means 5, and all of the liquid separated by the gas-liquid separation means 4 is supplied to the distillation heating means 6.
しかし、第1触媒温度制御を行った場合であっても、例えば、図2において一点鎖線で示すように、燃料合成触媒3の温度が低くならない場合があり得る。その場合は、前記した第2触媒温度制御を行い、第2制御弁V2を開閉制御し、第3制御弁V3は閉弁制御することによって、燃料合成触媒3の温度を低くすることができる。その後、燃料合成触媒3の温度が低くなれば、第1制御弁V1および第2制御弁V2を閉弁制御し、第3制御弁V3を開弁制御して燃料の合成を再開させる。燃料合成触媒3の温度が低くならない場合は、何らかの異常(例えば、温度制御不良や熱暴走など)が発生している可能性があるので、ユーザに向けて異常が発生している可能性ある旨の警告を発し、燃料合成装置1を停止する。警告は、音声、警告音、画面への表示などで行うことができる。 However, even when the first catalyst temperature control is performed, there may be cases where the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 does not decrease, as shown by the dashed line in Figure 2. In such cases, the second catalyst temperature control described above is performed, controlling the second control valve V2 to open or close and the third control valve V3 to close, thereby lowering the temperature of the fuel synthesis catalyst 3. Thereafter, once the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 decreases, the first control valve V1 and the second control valve V2 are closed and the third control valve V3 is opened to resume fuel synthesis. If the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 does not decrease, an abnormality (e.g., poor temperature control or thermal runaway) may have occurred. Therefore, a warning is issued to the user to indicate this, and the fuel synthesis device 1 is stopped. The warning can be issued by voice, beep, or displayed on a screen.
このような態様とすると、燃料合成装置1は、第1触媒温度制御と第2触媒温度制御とを行うことで、燃料合成触媒3の温度に応じて段階的に冷却制御を行うことができる。これにより、燃料合成装置1は、燃料合成触媒3の温度を制御しつつ最大限燃料合成を行い、燃料合成触媒3が高温であるときは、触媒反応を減少させる制御を行うことができる。したがって、燃料合成装置1は、熱による燃料合成触媒3への悪影響を抑制できる。 In this configuration, the fuel synthesis device 1 performs first catalyst temperature control and second catalyst temperature control, allowing for stepwise cooling control according to the temperature of the fuel synthesis catalyst 3. This allows the fuel synthesis device 1 to maximize fuel synthesis while controlling the temperature of the fuel synthesis catalyst 3, and to perform control that reduces catalytic reactions when the fuel synthesis catalyst 3 is at a high temperature. Therefore, the fuel synthesis device 1 can suppress the adverse effects of heat on the fuel synthesis catalyst 3.
ここで、燃料合成触媒3の温度が所定温度よりも低くならない場合とは、第1触媒温度制御を行ったときから所定時間経過した後に燃料合成触媒3の温度が所定温度以上であるとき、または燃料合成触媒3の温度が所定温度より大きい第2所定温度以上であるときである。ここで、所定時間は、例えば、1分間、2分間、3分間、4分間、5分間、10分間、15分間、20分間、30分間、40分間、50分間または60分間などとすることができるが、これらに限定されず、任意に設定することができる。第2所定温度は、例えば、310℃、320℃、330℃などとすることができるが、これらに限定されず、燃料合成触媒3の性質・性能などに応じて任意に設定することができる。 Here, the case where the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 does not fall below the predetermined temperature refers to when the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 is equal to or higher than the predetermined temperature after a predetermined time has elapsed since the first catalyst temperature control was performed, or when the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 is equal to or higher than a second predetermined temperature that is higher than the predetermined temperature. Here, the predetermined time can be, for example, 1 minute, 2 minutes, 3 minutes, 4 minutes, 5 minutes, 10 minutes, 15 minutes, 20 minutes, 30 minutes, 40 minutes, 50 minutes, or 60 minutes, but is not limited to these and can be set as desired. The second predetermined temperature can be, for example, 310°C, 320°C, or 330°C, but is not limited to these and can be set as desired depending on the properties and performance of the fuel synthesis catalyst 3.
このような態様とすると、燃料合成装置1は、燃料合成触媒3の温度が所定温度よりも低くならない場合の基準に則って、燃料合成触媒3の温度の変化に基づく段階的な冷却制御を確実に行うことができる。したがって、燃料合成装置1は、燃料合成触媒3の温度を制御しつつ最大限燃料合成を行い、燃料合成触媒3が高温であるときは触媒反応を減少させる制御をより適切に行うことができる。したがって、燃料合成装置1は、熱による燃料合成触媒3への悪影響を抑制できる。 In this configuration, the fuel synthesis device 1 can reliably perform stepwise cooling control based on changes in the temperature of the fuel synthesis catalyst 3, in accordance with the criteria for when the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 does not fall below a predetermined temperature. Therefore, the fuel synthesis device 1 can maximize fuel synthesis while controlling the temperature of the fuel synthesis catalyst 3, and more appropriately perform control to reduce catalytic reactions when the fuel synthesis catalyst 3 is at a high temperature. Therefore, the fuel synthesis device 1 can suppress the adverse effects of heat on the fuel synthesis catalyst 3.
次に、図3を参照して、本実施形態に係る燃料合成装置1における燃料合成触媒3の温度制御の好ましい態様について説明する。図3は、本実施形態に係る燃料合成装置1における燃料合成触媒3の温度を制御するためのフローチャートである。 Next, a preferred mode of temperature control of the fuel synthesis catalyst 3 in the fuel synthesis device 1 according to this embodiment will be described with reference to Figure 3. Figure 3 is a flowchart for controlling the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 in the fuel synthesis device 1 according to this embodiment.
図3に示すように、燃料合成装置1が運転を開始する。燃料合成装置1は、通常運転時、第1制御弁V1は閉弁しており、気液分離手段4で分離された液体は主通路10を通流して蒸留加熱手段6に供給され、還流通路20に流入しないようになっている。また、第2制御弁V2は閉弁しており、気液分離手段4で分離された液体がバイパス通路52から主通路10に流入しないようになっている。また、第3制御弁V3は開弁しており、CO2ガスおよびH2ガスが通流できるようになっている。 As shown in Figure 3, the fuel synthesizer 1 starts operating. During normal operation of the fuel synthesizer 1, the first control valve V1 is closed, and the liquid separated by the gas-liquid separation means 4 flows through the main passage 10 and is supplied to the distillation heating means 6, and does not flow into the reflux passage 20. The second control valve V2 is closed, and the liquid separated by the gas-liquid separation means 4 does not flow from the bypass passage 52 into the main passage 10. The third control valve V3 is open, and CO2 gas and H2 gas can flow through.
燃料合成装置1が運転を開始すると、触媒温度測定手段32は燃料合成触媒3の温度を測定する(ステップS1)。そして、ステップS1で燃料合成触媒3の温度が所定温度(例えば、300℃)以下である場合、ECU60は、第1制御弁V1を閉弁のままとする制御を行う(ステップS2)。また、ECU60は、第2制御弁V2および第3制御弁V3を不動、つまり、第2制御弁V2を閉弁のままとし、第3制御弁V3を開弁のままとする制御を行う(ステップS3)。この場合、燃料合成触媒3の温度に問題はないので、ステップS1に戻って燃料合成装置1の運転および触媒温度測定手段32による燃料合成触媒3の温度の測定を継続する。 When the fuel synthesis device 1 begins operation, the catalyst temperature measurement means 32 measures the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 (step S1). If the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 is below a predetermined temperature (e.g., 300°C) in step S1, the ECU 60 controls the first control valve V1 to remain closed (step S2). The ECU 60 also controls the second control valve V2 and the third control valve V3 to remain immobile, i.e., to keep the second control valve V2 closed and the third control valve V3 open (step S3). In this case, there is no problem with the temperature of the fuel synthesis catalyst 3, so the process returns to step S1 and the operation of the fuel synthesis device 1 and the measurement of the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 by the catalyst temperature measurement means 32 continue.
一方、ステップS1で燃料合成触媒3の温度が所定温度(例えば、300℃)を超える場合、ECU60は、燃料合成触媒3の温度に応じて第1制御弁V1を開閉制御する(ステップS4)。これにより、燃料合成装置1は、燃料合成触媒3の周囲に液体を還流させ、燃料合成触媒3を冷却する。また、ECU60は、第2制御弁V2および第3制御弁V3を不動、つまり、第2制御弁V2を閉弁のままとし、第3制御弁V3を開弁のままとする制御を行う(ステップS5)。次いで、触媒温度測定手段32が燃料合成触媒3の温度を測定する(ステップS6)。 On the other hand, if the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 exceeds a predetermined temperature (e.g., 300°C) in step S1, the ECU 60 controls the opening and closing of the first control valve V1 in accordance with the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 (step S4). As a result, the fuel synthesis device 1 circulates liquid around the fuel synthesis catalyst 3, cooling it. The ECU 60 also controls the second control valve V2 and the third control valve V3 to remain immobile, i.e., to keep the second control valve V2 closed and the third control valve V3 open (step S5). Next, the catalyst temperature measurement means 32 measures the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 (step S6).
そして、ステップS6で燃料合成触媒3の温度が所定温度(例えば、300℃)以下である場合、ECU60は、第1制御弁V1を閉弁制御し(ステップS7)、液体を還流させることによる燃料合成触媒3の冷却を停止する。また、ECU60は、第2制御弁V2および第3制御弁V3を不動、つまり、第2制御弁V2を閉弁のままとし、第3制御弁V3を開弁のままとする制御を行う(ステップS8)。この場合、燃料合成触媒3の温度に問題はないので、ステップS1に戻って燃料合成装置1の運転および触媒温度測定手段32による燃料合成触媒3の温度の測定を継続する。 If the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 is below a predetermined temperature (e.g., 300°C) in step S6, the ECU 60 closes the first control valve V1 (step S7) and stops cooling the fuel synthesis catalyst 3 by refluxing the liquid. The ECU 60 also controls the second control valve V2 and the third control valve V3 to remain immobile, i.e., the second control valve V2 remains closed and the third control valve V3 remains open (step S8). In this case, there is no problem with the temperature of the fuel synthesis catalyst 3, so the process returns to step S1 and the operation of the fuel synthesis device 1 and measurement of the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 by the catalyst temperature measurement means 32 continue.
一方、ステップS6で燃料合成触媒3の温度が所定温度(例えば、300℃)を超える場合(所定温度よりも低くならない場合)、ECU60は、第1制御弁V1を開閉制御するとともに、燃料合成触媒3の温度に応じて第2制御弁V2を開閉制御する(ステップS9)。また、ECU60は、第3制御弁V3を閉弁制御し(ステップS10)、燃料合成触媒3へのCO2ガスおよびH2ガスの供給量を停止する。次いで、燃料合成装置1の運転を停止する(ステップS11)。燃料合成装置1の運転の停止にあたって、前記したように、ユーザに向けて警告を発してもよい。 On the other hand, if the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 exceeds a predetermined temperature (e.g., 300°C) in step S6 (if it does not fall below the predetermined temperature), the ECU 60 controls the opening and closing of the first control valve V1 and also controls the opening and closing of the second control valve V2 depending on the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 (step S9). The ECU 60 also controls the closing of the third control valve V3 (step S10) to stop the supply of CO2 gas and H2 gas to the fuel synthesis catalyst 3. Next, the operation of the fuel synthesis device 1 is stopped (step S11). When the operation of the fuel synthesis device 1 is stopped, a warning may be issued to the user, as described above.
以上のように、本実施形態に係る燃料合成装置1は、気液分離手段4により分離された液体を燃料合成触媒3の周囲に還流し、その後、液体を気液分離手段4の下流に流すことで燃料合成触媒3を冷却させる冷却手段5を備えている。そのため、燃料合成装置1は、別途の冷却装置(設備)や工業用水を用いずに、燃料合成触媒3の温度を制御できる。 As described above, the fuel synthesis device 1 according to this embodiment is equipped with a cooling device 5 that returns the liquid separated by the gas-liquid separation device 4 to the periphery of the fuel synthesis catalyst 3, and then cools the fuel synthesis catalyst 3 by flowing the liquid downstream of the gas-liquid separation device 4. Therefore, the fuel synthesis device 1 can control the temperature of the fuel synthesis catalyst 3 without using a separate cooling device (facility) or industrial water.
本発明は、以上に説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。また、構造的に可能な範囲において、上述の実施形態を組み合わせることができる。 The present invention is not limited to the embodiments described above and can be implemented in various forms. Furthermore, the above embodiments can be combined to the extent structurally possible.
1 燃料合成装置
2 供給手段
3 燃料合成触媒
4 気液分離手段
5 冷却手段
6 蒸留加熱手段
10 主通路
11~17 配管
20 還流通路
21、22 タンク
30 圧縮機
31 反応筒
32 触媒温度測定手段
40 ヒータ
51 冷却通路
52 バイパス通路
60 ECU
V1 第1制御弁
V2 第2制御弁
V3 第3制御弁
REFERENCE SIGNS LIST 1 fuel synthesis device 2 supply means 3 fuel synthesis catalyst 4 gas-liquid separation means 5 cooling means 6 distillation heating means 10 main passage 11 to 17 piping 20 reflux passage 21, 22 tank 30 compressor 31 reaction tube 32 catalyst temperature measuring means 40 heater 51 cooling passage 52 bypass passage 60 ECU
V1 First control valve V2 Second control valve V3 Third control valve
Claims (6)
前記供給手段の下流に配置され、前記二酸化炭素ガスおよび前記水素ガスを化学反応させて燃料を合成する燃料合成触媒と、
前記燃料合成触媒の下流に配置され、前記燃料を液体にして、前記燃料合成触媒で未反応であった前記二酸化炭素ガスおよび前記水素ガスと分離する気液分離手段と、
前記気液分離手段により分離された前記液体を前記燃料合成触媒の周囲に還流し、その後、前記液体を前記気液分離手段の下流に流すことで前記燃料合成触媒を冷却させる冷却手段と、
を備えることを特徴とする燃料合成装置。 a supply means disposed upstream of the main passage for supplying carbon dioxide gas and hydrogen gas;
a fuel synthesis catalyst disposed downstream of the supply means for chemically reacting the carbon dioxide gas and the hydrogen gas to synthesize a fuel;
a gas-liquid separation means disposed downstream of the fuel synthesis catalyst for converting the fuel into a liquid and separating the liquid from the carbon dioxide gas and the hydrogen gas that have not reacted in the fuel synthesis catalyst;
a cooling means for returning the liquid separated by the gas-liquid separation means to the periphery of the fuel synthesis catalyst, and then causing the liquid to flow downstream of the gas-liquid separation means to cool the fuel synthesis catalyst;
A fuel synthesis device comprising:
前記冷却手段は、前記気液分離手段の下流に備えられた第1制御弁と、前記第1制御弁と接続され、前記燃料合成触媒の周囲を還流し、前記第1制御弁の下流に接続される冷却通路と、を備えており、
前記第1制御弁は、前記触媒温度測定手段によって測定された前記燃料合成触媒の温度に応じて開閉制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料合成装置。 the fuel synthesis catalyst is provided with a catalyst temperature measuring means for measuring the temperature of the fuel synthesis catalyst;
the cooling means includes a first control valve provided downstream of the gas-liquid separation means, and a cooling passage connected to the first control valve, for circulating around the fuel synthesis catalyst, and connected downstream of the first control valve;
2. The fuel synthesis device according to claim 1, wherein the first control valve is controlled to open or close in accordance with the temperature of the fuel synthesis catalyst measured by the catalyst temperature measuring means.
前記バイパス通路には第2制御弁が設けられており、
前記第2制御弁は、前記触媒温度測定手段によって測定された前記燃料合成触媒の温度に応じて開閉制御し、前記燃料合成触媒に直接、前記液体を流入させる
ことを特徴とする請求項2に記載の燃料合成装置。 the cooling passage includes a bypass passage that bypasses the fuel synthesis catalyst upstream,
a second control valve is provided in the bypass passage;
3. The fuel synthesis device according to claim 2, wherein the second control valve is controlled to open or close in accordance with the temperature of the fuel synthesis catalyst measured by the catalyst temperature measuring means, and causes the liquid to flow directly into the fuel synthesis catalyst.
前記第3制御弁は、前記触媒温度測定手段によって測定された前記燃料合成触媒の温度に応じて開閉制御する
ことを特徴とする請求項3に記載の燃料合成装置。 a third control valve is provided in the main passage upstream of the fuel synthesis catalyst;
4. The fuel synthesis device according to claim 3, wherein the third control valve is controlled to open or close in accordance with the temperature of the fuel synthesis catalyst measured by the catalyst temperature measuring means.
前記第1触媒温度制御を行った後に、前記燃料合成触媒の温度が前記所定温度よりも低くならない場合には、前記第2制御弁は開閉制御するとともに、第3制御弁は閉弁制御する第2触媒温度制御を行う
ことを特徴とする請求項4に記載の燃料合成装置。 When the temperature of the fuel synthesis catalyst reaches or exceeds a predetermined temperature, first catalyst temperature control is performed in which the first control valve is controlled to open and close, the second control valve is controlled to close, and the third control valve is controlled to open;
5. The fuel synthesis device according to claim 4, wherein, if the temperature of the fuel synthesis catalyst does not become lower than the predetermined temperature after the first catalyst temperature control is performed, a second catalyst temperature control is performed in which the second control valve is controlled to open and close and the third control valve is controlled to close.
ことを特徴とする請求項5に記載の燃料合成装置。 6. The fuel synthesis device according to claim 5, wherein the case where the temperature of the fuel synthesis catalyst does not become lower than the predetermined temperature is when the temperature of the fuel synthesis catalyst is equal to or higher than the predetermined temperature after a predetermined time has elapsed since the first catalyst temperature control was performed, or when the temperature of the fuel synthesis catalyst is equal to or higher than a second predetermined temperature that is higher than the predetermined temperature.
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