JP7816062B2 - Hydrocarbon Production Systems - Google Patents
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Description
本発明は、炭化水素生成装置と電解装置とを有する炭化水素生成システムに関する。 The present invention relates to a hydrocarbon production system having a hydrocarbon production device and an electrolysis device.
炭化水素の生成方法として、二酸化炭素と水素からメタンを生成するサバティエ反応によるメタネーションが知られている。また、水素の生成方法としては、水蒸気を電気分解反応により水素を製造する技術が知られている。 Methanation, which uses the Sabatier reaction to produce methane from carbon dioxide and hydrogen, is a known method of producing hydrocarbons. Another known method of producing hydrogen is the electrolysis of water vapor.
特許文献1には、電気分解で得られる水素をメタネーションに利用する技術が提案されている。特許文献1によれば、メタネーションが発熱反応であるため、その反応熱を水素生成に利用することにより、熱エネルギー効率を高めることができるとしている。 Patent Document 1 proposes a technology that uses hydrogen obtained by electrolysis for methanation. According to Patent Document 1, since methanation is an exothermic reaction, thermal energy efficiency can be improved by utilizing the reaction heat to generate hydrogen.
水素生成では、水蒸気の電気分解反応における吸熱反応だけでなく、水蒸気を得るためにも熱の供給が必要であるため、サバティエ反応の反応熱では必要な熱エネルギーをまかないきれない。 In hydrogen production, heat is required not only for the endothermic reaction in the electrolysis of water vapor, but also to obtain water vapor, so the reaction heat from the Sabatier reaction is insufficient to provide the required thermal energy.
具体的には、下記(1)~(3)に示すように、サバティエ反応によりメタン1molを得るためには、水素4molを供給する必要があるため、4molの水を水蒸気にする必要がある。
4H2O(液体)→4H2O(気体) ・・・(1)
4H2O(気体)→4H2+2O2 ・・・(2)
CO2+4H2→CH4+2H2O ・・・(3)
Specifically, as shown in the following (1) to (3), in order to obtain 1 mol of methane by the Sabatier reaction, 4 mol of hydrogen must be supplied, and therefore 4 mol of water must be converted into steam.
4H 2 O (liquid) → 4H 2 O (gas) ... (1)
4H 2 O (gas) → 4H 2 +2O 2 ...(2)
CO 2 +4H 2 →CH 4 +2H 2 O...(3)
例えば、25℃の4molの水を100℃まで加熱し沸騰させ、100℃の水蒸気を得るために必要な熱量(つまり、式(1)の反応に必要な熱量)は185kJであり、これは、サバティエ反応で発生する熱量(つまり、式(3)で発生する反応熱量)165kJよりも大きい。つまり、原理上、反応熱では水から水蒸気を得るために必要な熱をまかないきれない。さらに、放熱を考慮すると、反応熱を100%回収することは困難であるため、熱量差はさらに大きくなる。そのため、外部から熱エネルギーを供給する必要がある。従来のシステムでは、反応熱以外の熱を回収しきれておらず、熱収支が悪い。 For example, to heat 4 mol of water at 25°C to 100°C and boil it, the amount of heat required to produce 100°C steam (i.e., the amount of heat required for the reaction in equation (1)) is 185 kJ, which is greater than the 165 kJ of heat generated in the Sabatier reaction (i.e., the amount of reaction heat generated in equation (3)). In other words, in principle, the heat of reaction cannot cover the heat required to produce steam from water. Furthermore, when heat dissipation is taken into account, it is difficult to recover 100% of the heat of reaction, so the difference in heat amount becomes even greater. As a result, thermal energy must be supplied from an external source. Conventional systems are unable to recover all heat other than the heat of reaction, resulting in poor heat balance.
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、熱エネルギーを効率よく利用して炭化水素を生成することができる炭化水素生成システムを提供しようとするものである。 The present invention was made in consideration of these issues, and aims to provide a hydrocarbon production system that can efficiently use thermal energy to produce hydrocarbons.
本発明の一態様は、酸化炭素ガスと水素との発熱反応により炭化水素と水蒸気とを生成する炭化水素生成装置(2)と、
該炭化水素生成装置に供給する水素を原料水蒸気から生成する電解装置(3)と、
原料液水を蒸発させて上記原料水蒸気を生成すると共に該原料水蒸気を上記電解装置に供給する水蒸気供給ライン(4)と、
上記炭化水素生成装置から排出される上記水蒸気を含む生成ガスの熱を、上記水蒸気供給ラインにおける上記原料液水又は上記原料水蒸気と熱交換させる熱交換器(51)と、を有し、
上記熱交換器における上記生成ガスの水蒸気分圧P1が、上記電解装置に供給される上記原料水蒸気の圧力P2よりも高くなっている、炭化水素生成システム(1)にある。
One aspect of the present invention is a hydrocarbon production device (2) that produces hydrocarbons and water vapor by an exothermic reaction between carbon dioxide gas and hydrogen;
an electrolysis device (3) that generates hydrogen from raw steam to be supplied to the hydrocarbon generation device;
a steam supply line (4) for evaporating the raw material liquid water to generate the raw material steam and supplying the raw material steam to the electrolysis device;
a heat exchanger (51) for exchanging heat of the produced gas containing the water vapor discharged from the hydrocarbon production apparatus with the raw material liquid water or the raw material water vapor in the water vapor supply line,
In the hydrocarbon production system (1), the steam partial pressure P1 of the produced gas in the heat exchanger is higher than the pressure P2 of the raw steam supplied to the electrolysis device.
上記炭化水素生成システムは、上記のごとく、炭化水素生成装置と電解装置と水蒸気供給ラインと熱交換器とを有している。そして、熱交換器が、生成ガスの熱を、水蒸気供給ラインにおける原料液水又は原料水蒸気と熱交換させる。つまり、熱交換器により生成ガスの熱を回収し、この熱を電解装置に供給する原料水蒸気の生成に用いることができる。そのため、炭化水素生成システムにおける熱効率を高めることができる。 As described above, the hydrocarbon production system includes a hydrocarbon production device, an electrolysis device, a steam supply line, and a heat exchanger. The heat exchanger exchanges heat from the produced gas with the raw liquid water or raw steam in the steam supply line. In other words, the heat from the produced gas is recovered by the heat exchanger and can be used to generate raw steam to be supplied to the electrolysis device. This increases the thermal efficiency of the hydrocarbon production system.
また、上記炭化水素生成システムでは、熱交換器における生成ガスの水蒸気分圧P1が、電解装置に供給される原料水蒸気の圧力P2よりも高くなっている。つまり、P1-P2>0(kPa)である。これにより、生成ガスに含まれる水蒸気の凝集温度が電解装置に供給される原料水蒸気の蒸発温度よりも高くなる。そのため、炭化水素生成装置での炭化水素生成反応によって生じる生成ガス中の水蒸気の凝縮熱を電解装置に供給される水の蒸発熱として回収可能になる。かかる観点からも、炭化水素生成システムにおける熱効率を高めることができる。 In addition, in the above-mentioned hydrocarbon production system, the water vapor partial pressure P1 of the product gas in the heat exchanger is higher than the pressure P2 of the raw water vapor supplied to the electrolysis device. In other words, P1 - P2 > 0 (kPa). This makes the condensation temperature of the water vapor contained in the product gas higher than the evaporation temperature of the raw water vapor supplied to the electrolysis device. Therefore, the condensation heat of the water vapor in the product gas generated by the hydrocarbon production reaction in the hydrocarbon production device can be recovered as the evaporation heat of the water supplied to the electrolysis device. From this perspective, too, the thermal efficiency of the hydrocarbon production system can be improved.
以上のごとく、上記態様によれば、熱エネルギーを効率よく利用して炭化水素を生成することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
As described above, according to the above-described embodiment, it is possible to efficiently utilize thermal energy to produce hydrocarbons.
In addition, the symbols in parentheses in the claims and the means for solving the problems indicate the correspondence with the specific means described in the embodiments described below, and do not limit the technical scope of the present invention.
(実施形態1)
炭化水素生成システム1に係る実施形態について、図1~図11を参照して説明する。
本明細書において「~」という表現を用いる場合、その前後に記載される数値あるいは物理値を含む意味で用いることとする。また、上限、下限として記載した数値あるいは物理値は、その値を含む意味で用いることとする。
(Embodiment 1)
An embodiment of a hydrocarbon production system 1 will be described with reference to FIGS.
In this specification, when the expression "to" is used, it is intended to include the numerical values or physical values written before and after it. Furthermore, when a numerical value or physical value is written as an upper or lower limit, it is intended to include that value.
本形態の炭化水素生成システム1は、図1に示されるように、炭化水素生成装置2と電解装置3と水蒸気供給ライン4と熱交換器51とを備える。 As shown in Figure 1, the hydrocarbon production system 1 of this embodiment comprises a hydrocarbon production device 2, an electrolysis device 3, a steam supply line 4, and a heat exchanger 51.
炭化水素生成装置2は、酸化炭素ガスと水素との発熱反応により炭化水素と水蒸気とを生成する。炭化水素生成装置2での炭化水素の生成反応は、通常200~500℃で行われ、200~500℃の生成ガスが生成される。 The hydrocarbon generator 2 generates hydrocarbons and water vapor through an exothermic reaction between carbon dioxide gas and hydrogen. The hydrocarbon generation reaction in the hydrocarbon generator 2 typically occurs at 200 to 500°C, producing product gas at 200 to 500°C.
酸化炭素ガスは、例えば一酸化炭素、二酸化炭素である。工場の燃焼炉、大気等から容易に入手可能であるという観点から、酸化炭素ガスは二酸化炭素であることが好ましく、炭化水素生成での反応性が高いという観点からは、酸化炭素ガスは一酸化炭素であることが好ましい。酸化炭素ガスとしては、二酸化炭素と一酸化炭素と併用してもよい。炭化水素としては、例えばメタン、エタンなどの飽和炭化水素である。炭化水素がメタンの場合には、炭化水素生成反応はメタネーションと呼ばれる。炭化水素の炭素数は触媒を変更することにより、制御することができる。都市ガスとして利用可能であるという観点や、後述の式(I)で示すサバティエ反応により二酸化炭素と水素から直接合成できるという観点から、炭化水素はメタンであることが好ましい。 Examples of carbon oxide gases include carbon monoxide and carbon dioxide. Carbon dioxide is preferred because it is easily available from factory furnaces, the atmosphere, etc., and carbon monoxide is preferred because of its high reactivity in producing hydrocarbons. Carbon dioxide and carbon monoxide may be used in combination as carbon oxide gases. Examples of hydrocarbons include saturated hydrocarbons such as methane and ethane. When the hydrocarbon is methane, the hydrocarbon production reaction is called methanation. The carbon number of the hydrocarbon can be controlled by changing the catalyst. Methane is preferred because it can be used as city gas and can be directly synthesized from carbon dioxide and hydrogen using the Sabatier reaction shown in formula (I) below.
炭化水素生成反応は、発熱反応である。酸化炭素ガスが二酸化炭素であり、炭化水素がメタンである場合における化学反応式は、下記式(I)で表される。なお、式(I)におけるΔHは、反応前後のエンタルピー変化を表す。
CO2+4H2→CH4+2H2O (ΔH=-165kJ/mol)・・・(I)
The hydrocarbon production reaction is an exothermic reaction. When the carbon oxide gas is carbon dioxide and the hydrocarbon is methane, the chemical reaction formula is expressed by the following formula (I): ΔH in formula (I) represents the enthalpy change before and after the reaction.
CO 2 +4H 2 →CH 4 +2H 2 O (ΔH=-165kJ/mol)...(I)
図2に示されるように、炭化水素生成装置2は、具体的には、炭化水素生成反応が行われる生成反応器22と、この生成反応器22に供給されるガスの供給量を制御するマスフローコントローラ26、27とを有する。第1マスフローコントローラ26は、CO2等の酸化炭素ガスの供給量を制御する。第2マスフローコントローラ27は、水素の供給量を制御する。炭化水素生成システム1は、さらにCO2回収機61を備えることができる。CO2回収機61は、酸化炭素ガスとして用いられる二酸化炭素を大気や燃焼炉などから回収し、貯蔵する。二酸化炭素は、電解装置3に供給されて一酸化炭素の生成に利用することもできる。 As shown in Figure 2, the hydrocarbon production device 2 specifically includes a production reactor 22 in which a hydrocarbon production reaction takes place, and mass flow controllers 26 and 27 that control the amount of gas supplied to the production reactor 22. The first mass flow controller 26 controls the amount of carbon oxide gas such as CO2 supplied. The second mass flow controller 27 controls the amount of hydrogen supplied. The hydrocarbon production system 1 can further include a CO2 recovery unit 61. The CO2 recovery unit 61 recovers and stores carbon dioxide to be used as carbon oxide gas from the atmosphere, a combustion furnace, or the like. The carbon dioxide can also be supplied to the electrolysis device 3 and used to generate carbon monoxide.
電解装置3は、炭化水素生成装置2に供給される水素を原料水蒸気から生成する。電解装置3は、具体的な構成の図示を省略するが、例えば電解反応器と、電解反応器内に収容されるセルスタックとから構成される。セルスタックは、複数の固体酸化物形電解セル(つまり、SOEC)から構成される。電解装置3の具体的な構成の図示は省略するが、電解装置3には、SOECを用いた水蒸気の電気分解や水蒸気と二酸化炭素の共電解で使用されている構成を採用することができる。電解装置3では、セルスタックにおいて、下記式(II)に示されるように水の電気分解反応が起こり、水素が生成される。
4H2O(g)→4H2+2O2 ・・・(II)
The electrolysis device 3 generates hydrogen from raw steam to be supplied to the hydrocarbon production device 2. Although the specific configuration of the electrolysis device 3 is not shown, it is composed of, for example, an electrolysis reactor and a cell stack housed in the electrolysis reactor. The cell stack is composed of a plurality of solid oxide electrolysis cells (i.e., SOEC). Although the specific configuration of the electrolysis device 3 is not shown, the electrolysis device 3 may have a configuration used in the electrolysis of steam using an SOEC or in the co-electrolysis of steam and carbon dioxide. In the electrolysis device 3, a water electrolysis reaction occurs in the cell stack as shown in the following formula (II), and hydrogen is generated.
4H 2 O (g) → 4H 2 +2O 2 ...(II)
電解装置3では、下記式(III)のように、水蒸気と二酸化炭素の共電解により、水素と共に一酸化炭素を生成させることも可能である。この場合には、図2に示すように、CO2回収機61で回収されるCO2が電解装置3に供給され、水蒸気供給ライン4から供給される水蒸気と共にCO2が電解装置3で電気分解されて、水素と共に一酸化炭素が生成される。共電解では、水素と共に一酸化炭素が炭化水素生成装置2の生成反応器22に供給され、下記式(IV)に示すように、生成反応器22で一酸化炭素と水素とを反応させることによりメタンを生成することができる。この場合には、酸化炭素ガスとして反応性の高い一酸化炭素が使用されるため、炭化水素の生成反応が進行し易くなる。かかる観点から、電解装置3では、水蒸気と二酸化炭素の共電解を行うことが好ましい。また、共電解により、式(V)に示すように、メタン以外の炭化水素を製造することも可能である。なお、式(II)~(V)における括弧内のgは、物質の状態が気体であること、つまり、水が水蒸気であることを表す。式(V)におけるnは自然数である。なお、図2では、生成ガスタンク350に水素と一酸化炭素を収容する構成を示しているが、電解装置にて生成される水素と一酸化炭素とをそれぞれ別々のタンクに収容することも可能である。
CO2+3H2O(g)→CO+3H2+2O2 ・・・(III)
CO+3H2→CH4+H2O(g) ・・・(IV)
nCO+(2n+1)H2→CnH2n+2+nH2O(g) ・・・(V)
In the electrolysis device 3, it is also possible to produce carbon monoxide together with hydrogen by co-electrolysis of water vapor and carbon dioxide, as shown in the following formula (III). In this case, as shown in FIG. 2 , CO2 recovered by the CO2 recovery device 61 is supplied to the electrolysis device 3, and CO2 is electrolyzed in the electrolysis device 3 together with water vapor supplied from the water vapor supply line 4, producing carbon monoxide together with hydrogen. In co-electrolysis, carbon monoxide is supplied together with hydrogen to the production reactor 22 of the hydrocarbon production device 2, and as shown in the following formula (IV), methane can be produced by reacting carbon monoxide and hydrogen in the production reactor 22. In this case, highly reactive carbon monoxide is used as the carbon oxide gas, which facilitates the hydrocarbon production reaction. From this perspective, it is preferable to perform co-electrolysis of water vapor and carbon dioxide in the electrolysis device 3. Furthermore, hydrocarbons other than methane can also be produced by co-electrolysis, as shown in formula (V). Note that the "g" in parentheses in formulas (II) to (V) indicates that the substance is in a gaseous state, i.e., water is converted into steam. In formula (V), n is a natural number. Although Fig. 2 shows a configuration in which hydrogen and carbon monoxide are stored in the product gas tank 350, it is also possible to store the hydrogen and carbon monoxide generated in the electrolysis device in separate tanks.
CO 2 +3H 2 O (g) → CO + 3H 2 +2O 2 ...(III)
CO+3H 2 →CH 4 +H 2 O(g) ...(IV)
nCO+(2n+1)H 2 →C n H 2n+2 +nH 2 O(g) ...(V)
水蒸気供給ライン4は、式(VI)に示すように原料液水を蒸発させて原料水蒸気を生成し、原料水蒸気を電解装置3に供給する。水蒸気供給ライン4は、例えば、蒸発器41(具体的には、第1蒸発器41)と、ポンプ45とを有する。蒸発器41は、原料液水に熱エネルギーを供給することにより、原料液水を蒸発させて原料水蒸気を生成する。ポンプ45は、原料水蒸気を電解装置3に輸送する。
H2O(l)→H2O(g) ・・・(VI)
The steam supply line 4 evaporates the raw material liquid water to generate raw material steam as shown in formula (VI) and supplies the raw material steam to the electrolysis device 3. The steam supply line 4 includes, for example, an evaporator 41 (specifically, a first evaporator 41) and a pump 45. The evaporator 41 supplies thermal energy to the raw material liquid water to evaporate the raw material liquid water to generate raw material steam. The pump 45 transports the raw material steam to the electrolysis device 3.
H 2 O (l) → H 2 O (g) ... (VI)
図1示すように、熱交換器(具体的には、第1熱交換器51)は、炭化水素生成装置2から排出される水蒸気を含む生成ガスの熱エネルギーを、水蒸気供給ライン4における原料液水又は原料水蒸気と熱交換させる。生成ガスの熱は、炭化水素生成装置2の生成反応器22から排出された生成ガスが保有する熱エネルギーのことであり、生成反応器22内での炭化水素生成反応で発生する反応熱とは異なる概念である。生成ガスの排出流路における第1熱交換器51の下流側には、第1熱交換器51において放熱された生成ガスをさらに冷却するための第1冷却器513を設けることができる。冷媒は、例えば水である。 As shown in FIG. 1, the heat exchanger (specifically, the first heat exchanger 51) exchanges heat energy of the product gas containing water vapor discharged from the hydrocarbon production apparatus 2 with the feed liquid water or feed steam in the water vapor supply line 4. The heat of the product gas refers to the thermal energy contained in the product gas discharged from the production reactor 22 of the hydrocarbon production apparatus 2, and is a different concept from the reaction heat generated in the hydrocarbon production reaction within the production reactor 22. A first cooler 513 can be provided downstream of the first heat exchanger 51 in the product gas discharge flow path to further cool the product gas that has released heat in the first heat exchanger 51. The refrigerant is, for example, water.
第1熱交換器51は、炭化水素生成装置2から排出される生成ガス(具体的には、メタン等の炭化水素、水蒸気)の熱エネルギーを回収し、原料液水又は原料水蒸気に受熱させる。第1熱交換器51は、生成ガス中の少なくとも水蒸気を熱媒として利用し、この熱媒水蒸気の熱を原料液水又は原料水蒸気と熱交換させることが好ましい。この場合には、第1熱交換器51は、水蒸気の凝縮熱を水蒸気供給ライン4の水の蒸発に利用することができる。さらに、第1熱交換器51が炭化水素の熱を熱交換させる場合には、炭化水素生成システム1における熱収支をより向上させ、熱効率がより向上する。 The first heat exchanger 51 recovers thermal energy from the product gas (specifically, hydrocarbons such as methane, and water vapor) discharged from the hydrocarbon production apparatus 2 and transfers the heat to the feed liquid water or feed steam. The first heat exchanger 51 preferably uses at least the water vapor in the product gas as a heat medium and exchanges heat from this heat medium steam with the feed liquid water or feed steam. In this case, the first heat exchanger 51 can use the condensation heat of the water vapor to evaporate the water in the steam supply line 4. Furthermore, when the first heat exchanger 51 exchanges heat from the hydrocarbons, the heat balance in the hydrocarbon production system 1 is further improved, resulting in greater thermal efficiency.
炭化水素生成システム1は、炭化水素生成装置2において発生する反応熱を、熱媒油を介して回収する第2熱交換器52をさらに有することが好ましい。この場合には、生成ガスの熱エネルギーだけでなく、反応熱を回収して例えば水の蒸発に利用することができるため、炭化水素生成システム1における熱収支がより向上する。また、熱媒油は、例えば水蒸気等のガスに比べて熱容量が大きいため、上記のごとく熱媒油を用いることにより、炭化水素生成装置2での発熱量変動に対するロバスト性が高くなる。熱媒油を用いるため、第2熱交換器52には、例えばオイルヒータ522、オイルポンプ521が連結される。オイルポンプ521は熱媒油ポンプ521ともいう。また、第2熱交換器52には、冷却不足を補うための第2冷却器523を連結させることができる。冷媒は、例えば水である。図2において、熱媒油の流れは実線で表されており、流れる向きは反時計回りである。炭化水素生成反応では、反応熱と蒸発潜熱が得られ、蒸発潜熱が生成ガスの水蒸気、反応熱が熱媒油及び/又は生成ガスに分配される。したがって、生成ガスの熱は、蒸発潜熱と反応熱の一部のことを意味し、炭化水素生成システム1が第2熱交換器52を有する場合には、生成ガスの熱は、第2熱交換器52の熱媒油に回収された後の生成ガスが保有する熱ということもできる。 The hydrocarbon production system 1 preferably further includes a second heat exchanger 52 that recovers the reaction heat generated in the hydrocarbon production device 2 via thermal oil. In this case, not only the thermal energy of the produced gas but also the reaction heat can be recovered and used, for example, for evaporating water, thereby further improving the heat balance in the hydrocarbon production system 1. Furthermore, because thermal oil has a larger heat capacity than gases such as steam, using thermal oil as described above increases the robustness of the hydrocarbon production device 2 against fluctuations in heat generation. Because thermal oil is used, the second heat exchanger 52 is connected to, for example, an oil heater 522 and an oil pump 521. The oil pump 521 is also referred to as a thermal oil pump 521. A second cooler 523 can be connected to the second heat exchanger 52 to compensate for insufficient cooling. The refrigerant is, for example, water. In Figure 2, the flow of thermal oil is represented by a solid line and flows counterclockwise. The hydrocarbon production reaction generates reaction heat and latent heat of vaporization, with the latent heat of vaporization being distributed to the water vapor in the product gas and the reaction heat being distributed to the heat transfer oil and/or product gas. Therefore, the heat of the product gas refers to the latent heat of vaporization and a portion of the heat of reaction. If the hydrocarbon production system 1 has a second heat exchanger 52, the heat of the product gas can also be said to be the heat retained in the product gas after it has been recovered in the heat transfer oil in the second heat exchanger 52.
図1に示されるように、水蒸気供給ライン4は、生成ガスの熱を利用し、第1熱交換器51から受熱する第1蒸発器41と、炭化水素生成の反応熱を利用し、第2熱交換器52から受熱する第2蒸発器42とを備えることが可能である。また、第1蒸発器41と第2蒸発器42の代わりに1つの蒸発器で第1熱交換器51及び第2熱交換器52からの受熱を行うことも可能である。 As shown in FIG. 1, the steam supply line 4 can be equipped with a first evaporator 41 that uses the heat of the produced gas and receives heat from a first heat exchanger 51, and a second evaporator 42 that uses the reaction heat of hydrocarbon production and receives heat from a second heat exchanger 52. Also, instead of the first evaporator 41 and the second evaporator 42, it is possible to use a single evaporator that receives heat from both the first heat exchanger 51 and the second heat exchanger 52.
図2に示されるように、第2熱交換器52は、ガス流路における第1熱交換器51の下流に配置されていることが好ましい。この場合には、第1熱交換器51での熱エネルギー回収量が変動しても安定した熱交換が可能になる。これは、第1熱交換器51の下流に配置された第2熱交換器52において熱容量の大きな熱媒油が用いられており、この第2熱交換器52において効率よい熱交換が行われるからである。 As shown in Figure 2, the second heat exchanger 52 is preferably located downstream of the first heat exchanger 51 in the gas flow path. In this case, stable heat exchange is possible even if the amount of thermal energy recovered in the first heat exchanger 51 fluctuates. This is because the second heat exchanger 52, located downstream of the first heat exchanger 51, uses thermal oil with a large heat capacity, allowing for efficient heat exchange in this second heat exchanger 52.
図3に示されるように、水蒸気供給ライン4における原料水蒸気の生成には、通常、原料液水を100℃まで昇温させる顕熱、100℃以上では相転移に伴う潜熱が必要となる。炭化水素生成反応での反応熱により、通常、水蒸発に必要な熱量の5~7割程度をまかなえる。一方、水の凝縮温度は、分圧に依存する。図4に示されるように、凝縮温度は、大気圧(約0.1MPa)では100℃であるが、炭化水素生成反応を高圧で行うことにより、水の分圧も上がり、凝縮温度を高くすることができる。例えば、炭化水素生成反応で炭化水素と共に生成する水蒸気の分圧が0.33MPaの場合、凝縮温度は135℃となる(図4、図5参照)。これにより、生成ガスから回収できる熱量が増加し、この回収熱量と炭化水素生成反応の反応熱とにより、原料水蒸気の生成に必要な熱エネルギーのほぼ全てをまかなうことが可能になる(図3参照)。 As shown in Figure 3, the generation of raw steam in the steam supply line 4 typically requires sensible heat to heat the raw liquid water up to 100°C, as well as latent heat associated with phase transition above 100°C. The heat of reaction from the hydrocarbon production reaction typically provides approximately 50 to 70 percent of the heat required for water evaporation. Meanwhile, the condensation temperature of water depends on its partial pressure. As shown in Figure 4, the condensation temperature is 100°C at atmospheric pressure (approximately 0.1 MPa). However, by performing the hydrocarbon production reaction at high pressure, the partial pressure of water also increases, allowing for a higher condensation temperature. For example, when the partial pressure of the steam produced along with the hydrocarbons in the hydrocarbon production reaction is 0.33 MPa, the condensation temperature is 135°C (see Figures 4 and 5). This increases the amount of heat that can be recovered from the product gas, and this recovered heat, combined with the reaction heat from the hydrocarbon production reaction, can provide almost all of the thermal energy required to generate the raw steam (see Figure 3).
炭化水素生成システム1では、第1熱交換器51における生成ガスの水蒸気分圧P1が、電解装置3に供給される原料水蒸気の圧力P2よりも高くなっている。生成ガスの水蒸気分圧P1は、例えば炭化水素生成装置2に流入する水素及び/又は二酸化炭素を圧縮することにより、高くすることができる。水素の圧縮は、図1に示すように、例えば電解装置3にて生成される水素を圧縮する圧縮機33により行われる。また、構成の図示を省略するが、二酸化炭素を圧縮するCO2圧縮機を設け、このCO2圧縮機により炭化水素生成装置に供給される二酸化炭素を加圧することによっても、水蒸気分圧P1を高くすることができる。このように、水素及び/又は二酸化炭素を圧縮することにより、生成ガスが加圧され、水蒸気分圧P1を高くすることができる。好ましくは、ガス流路における電解装置3の下流に配置される圧縮機33により、水素を圧縮して加圧することがよい。この場合には、生成ガスの水蒸気分圧P1を原料水蒸気P2よりも効率的に高めることができる。これは、電解装置3で生成される水素は圧力が低い状態であるからである。
生成ガスが加圧されていない場合(具体的には生成ガスの圧力が大気圧の場合)には、水蒸気の凝集温度が100℃であるため、生成ガスの熱量の7~8割を占める凝縮熱を蒸発潜熱には利用できなくなるおそれがあるが、顕熱には利用することができる。これに対し、生成ガスが加圧されている場合(具体的には生成ガスの圧力が大気圧よりも高い場合)には、生成ガスの水蒸気分圧P1が原料水蒸気の圧力P2よりも高くなり、凝縮熱を蒸発潜熱にも利用することができる。これにより、熱の回収量が増大し、炭化水素生成システム1における熱収支がより向上する。また、生成ガスが加圧されている場合、通常、炭化水素生成装置2の例えば生成反応器22内の圧力が高くなるため、炭化水素生成の反応率も高くなる。
In the hydrocarbon production system 1, the water vapor partial pressure P1 of the product gas in the first heat exchanger 51 is higher than the pressure P2 of the raw steam supplied to the electrolysis device 3. The water vapor partial pressure P1 of the product gas can be increased, for example, by compressing the hydrogen and/or carbon dioxide flowing into the hydrocarbon production device 2. As shown in FIG. 1 , hydrogen is compressed, for example, by a compressor 33 that compresses hydrogen produced in the electrolysis device 3. Although not shown, the water vapor partial pressure P1 can also be increased by providing a CO2 compressor that compresses carbon dioxide and pressurizing the carbon dioxide supplied to the hydrocarbon production device using this CO2 compressor. In this way, by compressing hydrogen and/or carbon dioxide, the product gas is pressurized, and the water vapor partial pressure P1 can be increased. Preferably, hydrogen is compressed and pressurized by the compressor 33 located downstream of the electrolysis device 3 in the gas flow path. In this case, the water vapor partial pressure P1 of the product gas can be increased more efficiently than the raw steam P2. This is because the hydrogen produced in the electrolysis device 3 is at a low pressure.
When the produced gas is not pressurized (specifically, when the pressure of the produced gas is atmospheric pressure), the condensation temperature of water vapor is 100°C, so the condensation heat, which accounts for 70 to 80% of the heat content of the produced gas, may not be usable as latent heat of vaporization, but it can be used as sensible heat. In contrast, when the produced gas is pressurized (specifically, when the pressure of the produced gas is higher than atmospheric pressure), the water vapor partial pressure P1 of the produced gas becomes higher than the pressure P2 of the feed steam, and the condensation heat can also be used as latent heat of vaporization. This increases the amount of heat recovered and further improves the heat balance in the hydrocarbon production system 1. Furthermore, when the produced gas is pressurized, the pressure inside, for example, the production reactor 22 of the hydrocarbon production apparatus 2 usually increases, and the reaction rate of hydrocarbon production also increases.
逆説的には、炭化水素生成システム1における熱収支が向上するという観点から、第1熱交換器51は、第1熱交換器51において受熱する原料液水の一部又は全部を蒸発させるよう構成されており、生成ガス中の水蒸気の凝縮熱を、原料液水の蒸発潜熱に利用するよう構成されていることが好ましいといえる。水蒸気の凝縮熱を原料液水に利用するための具体的な構成としては、上述のように水素及び/又は二酸化炭素を圧縮するための圧縮機が挙げられる。 Paradoxically, from the perspective of improving the heat balance in the hydrocarbon production system 1, it is preferable that the first heat exchanger 51 be configured to evaporate some or all of the feed liquid water that receives heat in the first heat exchanger 51, and that the condensation heat of the water vapor in the produced gas be used as the latent heat of evaporation of the feed liquid water. A specific example of a configuration for utilizing the condensation heat of water vapor for the feed liquid water is a compressor for compressing hydrogen and/or carbon dioxide, as described above.
式(VI)~式(VIII)に、炭化水素生成システム1での主要な化学反応を例示する。
H2O(液体、25℃)→H2O(気体、100℃) (ΔH=46.3kJ/mol) ・・・(VI)
H2O→H2+1/2O2 ・・・(VII)
CO2+4H2→CH4+2H2O (ΔH=-165kJ/mol)・・・(VIII)
Equations (VI) through (VIII) illustrate the main chemical reactions in hydrocarbon production system 1.
H 2 O (liquid, 25° C.) → H 2 O (gas, 100° C.) (ΔH=46.3 kJ/mol) (VI)
H2O → H2 +1/2O2 ... (VII)
CO 2 +4H 2 →CH 4 +2H 2 O (ΔH=-165kJ/mol)...(VIII)
式(VI)~(VIII)に示されるように、例えば、CH4を1mol/secの速度で合成するには、水を4mol/secの速度で蒸発させる必要がある。CH4を1mol/sec合成したときに発生する熱量は165kw(=165kJ/sec)になる。一方、水の蒸発に必要な熱量は185kw(=46.3×4kw=185kJ/sec)となる。そのため、炭化水素生成反応(具体的にはメタネーション)の発熱量だけでは、水の蒸発に必要な熱量の全てをまかなうことができない。また、放熱が起こるため通常発熱量の全てを回収することは困難であり、実際に回収できる熱量は炭化水素生成反応での発熱量165kwの内の7割程度である。 As shown in equations (VI) to (VIII), for example, to synthesize CH4 at a rate of 1 mol/sec, water must be evaporated at a rate of 4 mol/sec. The amount of heat generated when CH4 is synthesized at 1 mol/sec is 165 kW (= 165 kJ/sec). Meanwhile, the amount of heat required to evaporate water is 185 kW (= 46.3 × 4 kW = 185 kJ/sec). Therefore, the heat generated by the hydrocarbon production reaction (specifically, methanation) alone cannot cover all of the heat required to evaporate water. Furthermore, because heat dissipation occurs, it is usually difficult to recover all of the heat generated; the amount of heat that can actually be recovered is approximately 70% of the 165 kW generated by the hydrocarbon production reaction.
炭化水素生成反応では水蒸気が発生するため、水蒸気の凝縮熱も利用可能である。メタネーション反応で発生する水蒸気の凝縮熱は、圧力にも依存するが、メタン1mol/secの合成において概ね80kw程度である。しかし、メタネーションで生成された水蒸気圧力と、電解装置に供給される原料水蒸気の圧力とに差を設けない場合、メタネーションで生成した水蒸気の凝縮温度と、電解装置3に供給される水の蒸発温度が拮抗するため、温度差が生じない。熱交換器での熱交換量Qは、下記式(IX)で表されるが、温度差が生じない場合(つまり、ΔT=0の場合)、熱交換面積を大きくとっても、熱交換を行うことができない。なお、式(IX)において、Aは熱交換面積、Uは総括伝熱係数、ΔT:対数平均温度差を表す。
Q=A×U×ΔT ・・・(IX)
Because water vapor is generated in the hydrocarbon production reaction, the condensation heat of the water vapor can also be utilized. The condensation heat of water vapor generated in the methanation reaction depends on the pressure, but is approximately 80 kW when synthesizing 1 mol/sec of methane. However, if there is no difference between the pressure of the water vapor generated by methanation and the pressure of the raw water vapor supplied to the electrolysis device, the condensation temperature of the water vapor generated by methanation and the evaporation temperature of the water supplied to the electrolysis device 3 are in competition, so no temperature difference occurs. The heat exchange amount Q in the heat exchanger is expressed by the following formula (IX). However, if no temperature difference occurs (i.e., when ΔT = 0), heat exchange cannot be performed even if the heat exchange area is large. In formula (IX), A represents the heat exchange area, U represents the overall heat transfer coefficient, and ΔT represents the logarithmic mean temperature difference.
Q=A×U×ΔT...(IX)
つまり、メタネーションで生成した水蒸気の凝縮熱は、電解装置3に供給される水の沸点までの予熱には利用できるが、蒸発熱に利用することはできない。その結果、回収できる熱量は、全凝縮熱量の20%程度になる。 In other words, the condensation heat of the water vapor generated by methanation can be used to preheat the water supplied to the electrolysis device 3 up to its boiling point, but it cannot be used as evaporation heat. As a result, the amount of heat that can be recovered is approximately 20% of the total condensation heat.
これに対し、生成ガスを加圧することにより、メタネーションの生成ガスに含まれる水蒸気の凝縮温度が電解装置3に供給される水の蒸発温度よりも高くなる。そのため、メタネーションの生成ガスに含まれる水蒸気の凝縮熱を電解装置3に供給される水の蒸発熱として回収可能になる。 In contrast, by pressurizing the product gas, the condensation temperature of the water vapor contained in the methanation product gas becomes higher than the evaporation temperature of the water supplied to the electrolysis device 3. As a result, the condensation heat of the water vapor contained in the methanation product gas can be recovered as the evaporation heat of the water supplied to the electrolysis device 3.
図10に熱交換器の熱交換面積と凝縮熱回収量との関係を示す。図10の縦軸は、1mol/secでメタンを合成したときに、水蒸気から回収できる熱量を示す。なお、図10における80kw以上のプロットは、凝集後の液水からの熱回収量を意味する。 Figure 10 shows the relationship between the heat exchange area of the heat exchanger and the amount of heat recovered from condensation. The vertical axis of Figure 10 shows the amount of heat that can be recovered from water vapor when methane is synthesized at 1 mol/sec. Note that plots above 80 kW in Figure 10 represent the amount of heat recovered from liquid water after condensation.
図10より理解されるように、水蒸気の圧力差0では熱交換面積を増やしても、水蒸気の持つ凝縮熱の20%程度しか熱交換ができない。一方、圧力差が大きくなるほど、凝縮温度と蒸発温度との温度差が大きくなるため、例えば単位熱交換面積に対する熱交換量が大きくなる。その結果、熱交換器の小型化を行うことができる。 As can be seen from Figure 10, when the pressure difference of the water vapor is 0, even if the heat exchange area is increased, only about 20% of the condensation heat of the water vapor can be exchanged. On the other hand, as the pressure difference increases, the temperature difference between the condensation temperature and the evaporation temperature also increases, and therefore, for example, the amount of heat exchanged per unit heat exchange area increases. As a result, the heat exchanger can be made smaller.
図11には、水蒸気の圧力差と、凝縮熱を全て回収するために必要な熱交換面積との関係を示す。図11より理解されるように、圧力差50kPa以上では、圧力をあげても必要な熱交換面積の下げ代が小さくなる。そして、熱交換器51における生成ガスの水蒸気分圧P1と電解装置に供給される原料水蒸気の圧力P2との圧力差P1-P2を50kPa以上とすることにより、単位熱交換面積に対する熱交換量を十分に大きくすることができる。図10、図11はいずれも電解装置3の水蒸気圧力100kPa(大気圧相当)を基準にしたときに計算したデータをプロットしているが、電解装置3の基準の水蒸気圧力が変化しても図10、図11と同様の傾向を示す。なお、熱交換器の耐圧強度の観点から、圧力差P1-P2は1000kPa以下であることが好ましい。 Figure 11 shows the relationship between the pressure difference of the steam and the heat exchange area required to recover all of the condensation heat. As can be seen from Figure 11, when the pressure difference is 50 kPa or more, increasing the pressure reduces the required heat exchange area. Furthermore, by setting the pressure difference P1-P2 between the steam partial pressure P1 of the generated gas in the heat exchanger 51 and the pressure P2 of the raw steam supplied to the electrolysis device to 50 kPa or more, the heat exchange amount per unit heat exchange area can be sufficiently increased. Both Figures 10 and 11 plot data calculated based on a steam pressure of 100 kPa (equivalent to atmospheric pressure) in the electrolysis device 3. However, even if the base steam pressure of the electrolysis device 3 changes, the same trends as Figures 10 and 11 are observed. From the perspective of the pressure resistance of the heat exchanger, it is preferable that the pressure difference P1-P2 be 1,000 kPa or less.
炭化水素生成装置2から排出される生成ガスの熱の一部を、炭化水素生成装置2に供給される酸化炭素ガスと水素の加熱に利用するように構成されていることが好ましい。この場合には、水蒸気供給ライン4にて使用されない、生成ガスの余剰の熱エネルギーを炭化水素生成反応に利用することができる。そのため、熱収支がより向上する。生成ガスの熱の一部を酸化炭素ガスと水素の加熱に利用するための具体的な構成としては、図1に示されるように、熱交換器(具体的には、第3熱交換器53)が挙げられる。第3熱交換器53は、生成ガスの熱の一部を回収し、酸化炭素ガスと水素に回収熱を受熱させる。なお、図1では、図説の便宜のため、2つの第3熱交換器が図示されているが、これらは実際には1つの熱交換器を表している。 It is preferable that a portion of the heat of the product gas discharged from the hydrocarbon generator 2 be used to heat the carbon oxide gas and hydrogen supplied to the hydrocarbon generator 2. In this case, the excess thermal energy of the product gas that is not used in the steam supply line 4 can be used for the hydrocarbon production reaction, further improving the heat balance. A specific configuration for using a portion of the heat of the product gas to heat the carbon oxide gas and hydrogen is a heat exchanger (specifically, the third heat exchanger 53), as shown in Figure 1. The third heat exchanger 53 recovers a portion of the heat of the product gas and allows the carbon oxide gas and hydrogen to receive the recovered heat. Note that, for ease of illustration, two third heat exchangers are shown in Figure 1, but in reality, they represent a single heat exchanger.
炭化水素生成システム1は、電解装置3で生成される水素を圧縮する圧縮機33を有することが好ましい。この場合には、圧縮により加圧された水素を炭化水素生成装置2に供給することができるため、炭化水素生成装置2での炭化水素生成反応の反応効率が向上する。また、この場合には、生成ガスの水蒸気分圧P1を原料水蒸気の圧力P2よりも高くすることができる。 The hydrocarbon production system 1 preferably has a compressor 33 that compresses the hydrogen produced in the electrolysis device 3. In this case, pressurized hydrogen can be supplied to the hydrocarbon production device 2, improving the reaction efficiency of the hydrocarbon production reaction in the hydrocarbon production device 2. In addition, in this case, the water vapor partial pressure P1 of the produced gas can be made higher than the pressure P2 of the feed water vapor.
図6~図9に示す動作フロー図により、本形態の炭化水素生成システム1の動作を説明する。なお、以降の説明において、T1、T2、T3は、図1に示される各温度センサを示す。温度センサは、例えば温度計であってもよい。フロー図は、240~260℃の範囲で熱媒油温度を制御する場合の例であり、温度は変更可能である。動作フローは、例えば、図示しない制御部により制御される。 The operation of the hydrocarbon production system 1 of this embodiment will be explained using the operational flow diagrams shown in Figures 6 to 9. In the following explanation, T1, T2, and T3 represent the temperature sensors shown in Figure 1. The temperature sensors may be thermometers, for example. The flow diagram shows an example in which the thermal oil temperature is controlled in the range of 240 to 260°C, and the temperature is changeable. The operational flow is controlled, for example, by a control unit (not shown).
<起動工程>
図6に示すように、炭化水素生成システム1が動作を開始すると、熱媒油ポンプ521が始動し熱媒油を循環させる(S11)。オイルヒータ522が熱媒油の加熱を開始し(S12)、T2の温度が250℃を超えたらオイルヒータ522が加熱を停止する(S13、S14)。
<Start-up process>
6, when the hydrocarbon production system 1 starts operation, the thermal oil pump 521 starts to circulate the thermal oil (S11). The oil heater 522 starts to heat the thermal oil (S12), and when the temperature of T2 exceeds 250°C, the oil heater 522 stops heating (S13, S14).
<水素生成の制御>
図7に示すように、水素生成が開始されると、水蒸気供給ライン4のポンプ45が起動する(S21)。ポンプ45は、水素生成量の指令値に基づき、指定量の水(具体的には原料液水)を第1熱交換器51、第2熱交換器52に送り出す(S22)。第1熱交換器51及び第2熱交換器52では水が蒸発し、原料水蒸気が生成し、原料液水が電解装置3に送られる。電解装置3では水の電気分解が行われ、水素が生成される(S23)。水素は、後処理機37にて脱水され、圧縮機33により圧縮されて昇圧が行われ、H2タンク35に貯蔵される(図1参照)。
<Control of hydrogen generation>
As shown in Fig. 7, when hydrogen generation starts, the pump 45 of the steam supply line 4 is activated (S21). The pump 45 sends a designated amount of water (specifically, raw liquid water) to the first heat exchanger 51 and the second heat exchanger 52 based on a command value for the amount of hydrogen generated (S22). The water evaporates in the first heat exchanger 51 and the second heat exchanger 52, generating raw steam, and the raw liquid water is sent to the electrolysis device 3. In the electrolysis device 3, water is electrolyzed to generate hydrogen (S23). The hydrogen is dehydrated in the post-treatment device 37, compressed and pressurized by the compressor 33, and stored in the H2 tank 35 (see Fig. 1).
<炭化水素生成の制御>
図8に示すように、炭化水素生成が開始されると、炭化水素生成量(例えばメタン生成量)の指令値に基づき、水素、CO2が生成反応器22へ供給される(S31)。水素は、H2タンク35から供給され、CO2は、回収機61から供給される。生成反応器22では、例えばメタン化反応が実施され、メタンと水(水蒸気)が生成される(S32)。生成ガスは、第1熱交換器51に供給され冷却され、水を凝縮させる(S33)。冷却不足分は第1冷却器513により冷やされ、水を凝縮させる(S34)。凝縮水は、例えば気液分離機65により分離され、高濃度のメタンが生成される(S35)。
Control of hydrocarbon production
As shown in Fig. 8, when hydrocarbon production is started, hydrogen and CO2 are supplied to the production reactor 22 based on a command value for the amount of hydrocarbon production (e.g., the amount of methane produced) (S31). Hydrogen is supplied from the H2 tank 35, and CO2 is supplied from the recovery device 61. In the production reactor 22, for example, a methanation reaction is carried out to produce methane and water (water vapor) (S32). The produced gas is supplied to the first heat exchanger 51 and cooled, condensing the water (S33). The insufficient cooling is made up by cooling the first cooler 513, condensing the water (S34). The condensed water is separated, for example, by the gas-liquid separator 65, and high-concentration methane is produced (S35).
<熱媒油の温度制御>
図9に示すように、熱媒油の温度制御は、熱媒油ポンプ521により熱媒油を循環させた状態で、冷却工程S41~S45及び加熱工程S46~S49を制御することにより行われる。冷却工程S41~S45では、T1温度判定S42とT2温度判定S44(ただし、冷却時)を行う。T1温度判定S42では、T1の温度判定を行い、T1の温度が例えば260℃を超える場合に、第2冷却器523を作動させ、冷媒により熱媒油を冷却する(S43)。T2温度判定S44では、T2の温度判定を行い、T2の温度が例えば250℃未満の場合に第2冷却器523を停止する(S45)。一方、T1温度判定S42でT1の温度が例えば260℃以下の場合には、加熱工程を行い、T2温度判定S44でT2の温度が例えば250℃以上の場合には、第2冷却器523の冷媒により、熱媒油を冷却する。
次に、加熱工程S46~S49では、T2温度判定S46(ただし、加熱時)とT3温度判定S48とを行う。T2温度判定S46では、T2の温度判定を行い、T2の温度が例えば240℃未満の場合に、オイルヒータ522を作動させて熱媒油を加熱する(S47)。T3温度判定S48では、T3の温度が例えば250℃超える場合にオイルヒータ522を停止する(S49)。オイルヒータ522の停止後、冷却工程でのT1温度判定S42が行われる。一方、T2温度判定S46でT2の温度が例えば240℃以上の場合には、冷却工程のT1温度判定S42を行い、T3温度判定S48でT3の温度が例えば250℃以下の場合には、オイルヒータ522により熱媒油を加熱する(S47)。
なお、図9では、冷却工程が先に行われるフローを示しているが、冷却工程と加熱工程との順序は入れ替えることができる。
<Thermal oil temperature control>
As shown in FIG. 9 , the thermal oil temperature is controlled by controlling the cooling steps S41-S45 and the heating steps S46-S49 while the thermal oil is circulated by the thermal oil pump 521. During the cooling steps S41-S45, the T1 temperature determination S42 and the T2 temperature determination S44 (only during cooling) are performed. In the T1 temperature determination S42, the T1 temperature is determined. If the T1 temperature exceeds, for example, 260°C, the second cooler 523 is activated and the thermal oil is cooled with the refrigerant (S43). In the T2 temperature determination S44, the T2 temperature is determined. If the T2 temperature is below, for example, 250°C, the second cooler 523 is stopped (S45). On the other hand, if the T1 temperature is below, for example, 260°C in the T1 temperature determination S42, the heating step is performed. If the T2 temperature is above, for example, 250°C in the T2 temperature determination S44, the thermal oil is cooled with the refrigerant of the second cooler 523.
Next, in the heating steps S46 to S49, the T2 temperature determination S46 (during heating) and the T3 temperature determination S48 are performed. In the T2 temperature determination S46, the T2 temperature is determined. If the T2 temperature is below, for example, 240°C, the oil heater 522 is activated to heat the thermal oil (S47). In the T3 temperature determination S48, if the T3 temperature exceeds, for example, 250°C, the oil heater 522 is stopped (S49). After the oil heater 522 is stopped, the T1 temperature determination S42 for the cooling step is performed. On the other hand, if the T2 temperature is above, for example, 240°C in the T2 temperature determination S46, the T1 temperature determination S42 for the cooling step is performed. If the T3 temperature is below, for example, 250°C in the T3 temperature determination S48, the thermal oil is heated by the oil heater 522 (S47).
Although FIG. 9 shows a flow in which the cooling step is performed first, the order of the cooling step and the heating step can be reversed.
本形態の炭化水素生成システム1は、第1熱交換器51が、生成ガスの熱を、水蒸気供給ライン4における原料液水又は原料水蒸気と熱交換させる。これにより、第1熱交換器51により生成ガスの熱を回収し、この熱を電解装置3に供給する原料水蒸気の生成に用いることができる。そのため、炭化水素生成システム1における熱効率を高めることができる。 In this embodiment of the hydrocarbon production system 1, the first heat exchanger 51 exchanges heat from the produced gas with the raw liquid water or raw steam in the steam supply line 4. This allows the first heat exchanger 51 to recover heat from the produced gas and use it to generate raw steam that is supplied to the electrolysis device 3. This increases the thermal efficiency of the hydrocarbon production system 1.
(実施形態2)
次に、2つの炭化水素生成装置2を備える炭化水素生成システム1の実施形態について図12を参照しながら説明する。なお、実施形態2以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
(Embodiment 2)
Next, an embodiment of a hydrocarbon production system 1 including two hydrocarbon production devices 2 will be described with reference to Fig. 12. Note that, among the symbols used in the second and subsequent embodiments, the same symbols as those used in the previous embodiments represent the same components as those in the previous embodiments, unless otherwise specified.
図12に示すように、本形態の炭化水素生成システム1は、炭化水素生成装置2を2つ備え、これらが直列に接続されている。具体的には、各炭化水素生成装置2のガス流路が直列に連結されている。2つの炭化水素生成装置2は、炭化水素の生成反応器22をそれぞれ有する。図12では、ガス流路における上流側に第1生成反応器221が設けられ、第1生成反応器221よりも下流側に第2生成反応器222が設けられている。2つの炭化水素生成装置2は、相互に同様の構成を備え、さらにそれぞれが実施形態1と同様の構成を有する。第3冷却器543は、第2生成反応器222から排出され、第3熱交換器53で熱交換された生成ガスを冷却し、水蒸気を液化させる。その他の構成は、実施形態1と同様である。 As shown in FIG. 12, the hydrocarbon production system 1 of this embodiment includes two hydrocarbon production apparatuses 2, which are connected in series. Specifically, the gas flow paths of each hydrocarbon production apparatus 2 are connected in series. Each of the two hydrocarbon production apparatuses 2 includes a hydrocarbon production reactor 22. In FIG. 12, a first production reactor 221 is provided upstream of the gas flow path, and a second production reactor 222 is provided downstream of the first production reactor 221. The two hydrocarbon production apparatuses 2 have the same configuration as each other, and each has the same configuration as in embodiment 1. The third cooler 543 cools the production gas discharged from the second production reactor 222 and heat exchanged in the third heat exchanger 53, and liquefies the water vapor. The other configurations are the same as in embodiment 1.
第1熱交換器51は、各炭化水素生成装置2から排出される生成ガスの熱を水蒸気供給ライン4における上記原料液水又は上記原料水蒸気と熱交換させることができる。好ましくは、第1熱交換器51は、最も上流側にある炭化水素生成装置2(具体的には第1生成反応器221)から排出される生成ガスの熱を水蒸気供給ライン4における原料液水又は原料水蒸気と熱交換させる。この場合には、炭化水素生成システム1の熱効率がより向上する。反応率が最も高いのが第1生成反応器221であり、生成ガス中に水蒸気が最も多く含まれるためである。その他の構成は、実施形態1と同様とすることでき、実施形態1と同様の効果を奏する。 The first heat exchanger 51 can exchange heat from the product gas discharged from each hydrocarbon production unit 2 with the feed liquid water or feed steam in the steam supply line 4. Preferably, the first heat exchanger 51 exchanges heat from the product gas discharged from the hydrocarbon production unit 2 located most upstream (specifically, the first production reactor 221) with the feed liquid water or feed steam in the steam supply line 4. In this case, the thermal efficiency of the hydrocarbon production system 1 is further improved. This is because the first production reactor 221 has the highest reaction rate and contains the most water vapor in the product gas. The rest of the configuration can be the same as in embodiment 1, and the same effects as embodiment 1 are achieved.
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、炭化水素生成システム1により、アルミ溶解炉などの工場におけるカーボンニュートラルを実現できる。具体的には、炭化水素生成システム1におけるCO2回収機61により、アルミ溶解炉などから排出される二酸化炭素が回収され、炭化水素生成装置2でメタンなどの炭化水素の生成に利用される。そして、炭化水素は、アルミ溶解炉の燃焼熱に利用される。このようにしてカーボンニュートラルな環境を実現することができる。アルミ溶解炉は一例であり、燃焼を利用する様々な工場、設備、装置などで利用可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and can be applied to various embodiments without departing from the spirit of the present invention. For example, the hydrocarbon production system 1 can achieve carbon neutrality in factories such as aluminum melting furnaces. Specifically, the CO2 capture device 61 in the hydrocarbon production system 1 captures carbon dioxide emitted from the aluminum melting furnace and uses it to produce hydrocarbons such as methane in the hydrocarbon production device 2. The hydrocarbons are then used as combustion heat for the aluminum melting furnace. In this way, a carbon neutral environment can be achieved. The aluminum melting furnace is one example, and the present invention can be used in various factories, facilities, devices, and the like that use combustion.
本発明の特徴を以下の通り示す。
[1]酸化炭素ガスと水素との発熱反応により炭化水素と水蒸気とを生成する炭化水素生成装置(2)と、
該炭化水素生成装置に供給する水素を原料水蒸気から生成する電解装置(3)と、
原料液水を蒸発させて上記原料水蒸気を生成すると共に該原料水蒸気を上記電解装置に供給する水蒸気供給ライン(4)と、
上記炭化水素生成装置から排出される上記水蒸気を含む生成ガスの熱を、上記水蒸気供給ラインにおける上記原料液水又は上記原料水蒸気と熱交換させる熱交換器(51)と、を有し、
上記熱交換器における上記生成ガスの水蒸気分圧P1が、上記電解装置に供給される上記原料水蒸気の圧力P2よりも高くなっている、炭化水素生成システム(1)。
[2]上記水蒸気分圧P1と上記原料水蒸気の圧力P2との圧力差P1-P2が、50kPa以上である、[1]に記載の炭化水素生成システム。
[3]上記熱交換器が、該熱交換器において受熱する原料液水の一部又は全部を蒸発させるよう構成されており、上記生成ガス中の上記水蒸気の凝縮熱を、上記原料液水の蒸発潜熱に利用するよう構成されている、[1]又は[2]に記載の炭化水素生成システム。
[4]さらに、上記電解装置で生成される水素を圧縮する圧縮機(33)を有する、[1]~[3]のいずれかに記載の炭化水素生成システム。
[5]上記熱交換器が第1熱交換器(51)であり、上記炭化水素生成システムは、上記炭化水素生成装置において発生する反応熱を、熱媒油を介して回収する第2熱交換器(52)をさらに有し、該第2熱交換器がガス流路における上記第1熱交換器の下流に配置されている、[1]~[4]のいずれかに記載の炭化水素生成システム。
[6]上記炭化水素生成装置から排出される上記生成ガスの熱の一部を、上記炭化水素生成装置に供給される酸化炭素ガスと水素の加熱に利用するように構成された、[1]~[5]のいずれかに記載の炭化水素生成システム。
[7]互いに直列に接続された複数の上記炭化水素生成装置を有し、上記熱交換器は、複数の上記炭化水素生成装置のうち、ガス流路における最も上流側の上記炭化水素生成装置から排出される上記生成ガスの熱を、上記水蒸気供給ラインにおける上記原料液水又は上記原料水蒸気と熱交換させる、[1]~[6]のいずれかに記載の炭化水素生成システム。
The features of the present invention are as follows.
[1] A hydrocarbon generator (2) for generating hydrocarbons and water vapor by an exothermic reaction between carbon dioxide gas and hydrogen;
an electrolysis device (3) that generates hydrogen from raw steam to be supplied to the hydrocarbon generation device;
a steam supply line (4) for evaporating the raw material liquid water to generate the raw material steam and supplying the raw material steam to the electrolysis device;
a heat exchanger (51) for exchanging heat of the produced gas containing the water vapor discharged from the hydrocarbon production apparatus with the raw material liquid water or the raw material water vapor in the water vapor supply line,
A hydrocarbon production system (1), wherein a steam partial pressure P1 of the produced gas in the heat exchanger is higher than a pressure P2 of the raw steam supplied to the electrolysis device.
[2] The hydrocarbon production system according to [1], wherein the pressure difference P1-P2 between the steam partial pressure P1 and the raw steam pressure P2 is 50 kPa or more.
[3] A hydrocarbon production system described in [1] or [2], wherein the heat exchanger is configured to evaporate part or all of the raw material liquid water received in the heat exchanger, and the condensation heat of the water vapor in the produced gas is utilized as the latent heat of evaporation of the raw material liquid water.
[4] The hydrocarbon production system according to any one of [1] to [3], further comprising a compressor (33) for compressing hydrogen produced in the electrolysis device.
[5] The hydrocarbon production system according to any one of [1] to [4], wherein the heat exchanger is a first heat exchanger (51), and the hydrocarbon production system further includes a second heat exchanger (52) that recovers reaction heat generated in the hydrocarbon production device via thermal oil, and the second heat exchanger is disposed downstream of the first heat exchanger in the gas flow path.
[6] A hydrocarbon production system according to any one of [1] to [5], configured to utilize a portion of the heat of the produced gas discharged from the hydrocarbon production device to heat carbon dioxide gas and hydrogen supplied to the hydrocarbon production device.
[7] A hydrocarbon production system according to any one of [1] to [6], which has a plurality of the hydrocarbon production apparatuses connected in series with each other, and the heat exchanger exchanges heat of the produced gas discharged from the hydrocarbon production apparatus that is the most upstream of the plurality of the hydrocarbon production apparatuses in the gas flow path with the raw material liquid water or the raw material steam in the steam supply line.
1 炭化水素生成システム
2 炭化水素生成装置
3 電解装置
4 水蒸気供給ライン
5 熱交換器
1 Hydrocarbon production system 2 Hydrocarbon production device 3 Electrolysis device 4 Steam supply line 5 Heat exchanger
Claims (7)
該炭化水素生成装置に供給する水素を原料水蒸気から生成する電解装置(3)と、
原料液水を蒸発させて上記原料水蒸気を生成すると共に該原料水蒸気を上記電解装置に供給する水蒸気供給ライン(4)と、
上記炭化水素生成装置から排出される上記水蒸気を含む生成ガスの熱を、上記水蒸気供給ラインにおける上記原料液水又は上記原料水蒸気と熱交換させる熱交換器(51)と、を有し、
上記熱交換器における上記生成ガスの水蒸気分圧P1が、上記電解装置に供給される上記原料水蒸気の圧力P2よりも高くなっている、炭化水素生成システム(1)。 a hydrocarbon generator (2) for generating hydrocarbons and water vapor by an exothermic reaction between carbon dioxide gas and hydrogen;
an electrolysis device (3) that generates hydrogen from raw steam to be supplied to the hydrocarbon generation device;
a steam supply line (4) for evaporating the raw material liquid water to generate the raw material steam and supplying the raw material steam to the electrolysis device;
a heat exchanger (51) for exchanging heat of the produced gas containing the water vapor discharged from the hydrocarbon production apparatus with the raw material liquid water or the raw material water vapor in the water vapor supply line,
A hydrocarbon production system (1), wherein a steam partial pressure P1 of the produced gas in the heat exchanger is higher than a pressure P2 of the raw steam supplied to the electrolysis device.
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