JP7829396B2 - Method for producing high calorific value fuel gas - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 令和3年3月5日 第127回触媒討論会講演予稿集CD、USB発行による公開Applicable under Article 30, Paragraph 2 of the Patent Law. March 5, 2021. Publication of the proceedings of the 127th Catalysis Symposium on CD and USB.
特許法第30条第2項適用 令和3年3月17日 第127回触媒討論会で発表による公開Applicable under Article 30, Paragraph 2 of the Patent Law; Publicly disclosed through presentation at the 127th Catalysis Symposium on March 17, 2021.
本発明は、エタノールを水素の共存下にメタン化して、メタンを主成分とする高発熱量燃料ガスを製造する方法に関する。 This invention relates to a method for producing a high-calorific value fuel gas mainly composed of methane by methaneating ethanol in the presence of hydrogen.
天然ガスを主成分とする都市ガスは、石油など他の化石燃料と比較して燃焼時の二酸化炭素排出量が少なく、環境負荷の小さいエネルギーであるが、地球温暖化等の環境問題が深刻化しつつある近年においては、さらなる二酸化炭素排出量の削減が望まれている。 City gas, primarily composed of natural gas, is an energy source with a low environmental impact compared to other fossil fuels such as petroleum, as it emits less carbon dioxide during combustion. However, in recent years, with environmental problems such as global warming becoming increasingly serious, further reductions in carbon dioxide emissions are desired.
近年、新たなエネルギー資源の一つとして、バイオエタノールなどのバイオマス燃料が注目されている。バイオエタノールは、サトウキビの搾汁やトウモロコシ等の穀物に含まれるデンプンの糖化により得られる糖をアルコール発酵して得られる。バイオエタノールを燃焼させても二酸化炭素は発生するが、原料の植物が生育する過程でこれに対応する量の二酸化炭素を空気中から取り込んでいるため、植物の生育過程から通算すると大気中の二酸化炭素濃度を増加させるものではないと考えることができ、このために、バイオエタノールはカーボンニュートラルな燃料とされている。 In recent years, biomass fuels such as bioethanol have attracted attention as a new energy resource. Bioethanol is obtained by alcoholic fermentation of sugars, which are produced by saccharifying starch contained in sugarcane juice or grains such as corn. Although carbon dioxide is produced when bioethanol is burned, the plants used as raw materials absorb a corresponding amount of carbon dioxide from the air during their growth process. Therefore, when considering the total amount of carbon dioxide produced during the plant's growth process, it can be said that bioethanol does not increase the overall concentration of carbon dioxide in the atmosphere. For this reason, bioethanol is considered a carbon-neutral fuel.
エタノールからメタンを主成分とする燃料ガスを効率的に製造する方法を確立することができれば、例えば、都市ガス原料としてバイオエタノールを使用することにより、二酸化炭素の排出量削減が可能となる。 If a method for efficiently producing fuel gas primarily composed of methane from ethanol can be established, it would be possible to reduce carbon dioxide emissions by, for example, using bioethanol as a raw material for city gas.
特許文献1には、炭素数2~5の脂肪族アルコール類又は該アルコール類と水との混合物をルテニウム系触媒の存在下に接触分解させる燃料ガスの製造法が開示されている。この文献によれば、接触分解反応は通常400℃~700℃、2~10kg/cm2(絶対圧)の条件で行われるとされており、エタノールを水蒸気の存在下で接触分解させて、体積基準で水素32%~44%、メタン29%~40%、二酸化炭素16%~23%を含み、4200~5050kcal/m3の燃料ガスが得られたことが示されている。 Patent Document 1 discloses a method for producing fuel gas by catalytically cracking aliphatic alcohols having 2 to 5 carbon atoms or a mixture of such alcohols and water in the presence of a ruthenium-based catalyst. According to this document, the catalytic cracking reaction is usually carried out under conditions of 400°C to 700°C and 2 to 10 kg/ cm² (absolute pressure), and it is shown that by catalytically cracking ethanol in the presence of water vapor, a fuel gas containing 32% to 44% hydrogen, 29% to 40% methane, and 16% to 23% carbon dioxide by volume, with a strength of 4200 to 5050 kcal/ m³ , was obtained.
特許文献2には、エタノールを所定の混合比で水と混合し、300℃~600℃で、ニッケルを主体とする触媒に通じるエタノールのガス化方法が開示されている。生成したガス状混合物を250℃~350℃まで冷却したのち接触メタン化工程に導入することにより、二酸化炭素除去後合成天然ガスとして使用できるメタン濃度の高い燃料ガスが得られるとの記載もあるが、接触メタン化工程に関する具体的な記載はなく、接触メタン化工程後の燃料ガス組成に関する具体的な記載もない。 Patent Document 2 discloses a method for gasifying ethanol by mixing it with water in a predetermined ratio and passing it through a nickel-based catalyst at 300°C to 600°C. It also states that by cooling the resulting gaseous mixture to 250°C to 350°C and then introducing it into a catalytic methane process, a fuel gas with a high methane concentration that can be used as synthetic natural gas after carbon dioxide removal can be obtained. However, there is no specific description of the catalytic methane process, nor is there any specific description of the fuel gas composition after the catalytic methane process.
特許文献3には、エタノールと水蒸気とを含むエタノール含有原料からメタン含有ガスを製造するメタン含有ガス製造方法であって、担体である無機酸化物の表面にロジウム又はルテニウムを担持した触媒に、前記エタノール含有原料を反応温度400℃以上で一回通過させる反応工程を包含するメタン含有ガスの製造方法が開示されている。
この文献の方法でも、得られたメタン含有ガス中のメタン濃度は55%程度に過ぎず、そのままでは都市ガス原料として使用することができない。
Patent Document 3 discloses a method for producing methane-containing gas from an ethanol-containing raw material containing ethanol and water vapor, the method comprising a reaction step of passing the ethanol-containing raw material once at a reaction temperature of 400°C or higher through a catalyst having rhodium or ruthenium supported on the surface of an inorganic oxide that serves as a carrier.
Even with the method described in this document, the methane concentration in the resulting methane-containing gas is only about 55%, making it unsuitable for use as a raw material for city gas.
都市ガス原料として一般に利用されているのは天然ガスであり、メタンを主成分とし、少量のエタン、プロパン、及びブタンを含有する。天然ガスには、水素及び一酸化炭素は通常含まれず、二酸化炭素は天然ガスの精製過程で除去される。特に、液化天然ガスを原料として製造される都市ガスの場合には、水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素は液化精製の過程でほぼ完全に除去されるので、実質的にほとんど含まれない。 Natural gas is commonly used as a raw material for city gas, and its main component is methane, with small amounts of ethane, propane, and butane. Natural gas typically does not contain hydrogen or carbon monoxide, and carbon dioxide is removed during the natural gas refining process. In particular, in the case of city gas produced using liquefied natural gas as a raw material, hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide are almost completely removed during the liquefaction and refining process, so they are practically absent.
水素、一酸化炭素及び二酸化炭素が都市ガスに含まれると以下のような問題を引き起こす可能性がある。 The presence of hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide in city gas can cause the following problems:
まず、一酸化炭素は、毒性が高いため、ガスが漏洩した場合に中毒事故の恐れを生じる。その許容濃度は200ppmとされており、安全上の観点から、燃料ガス中の濃度はこれ以下とするのが望ましく、空気による希釈を考慮しても、1000ppm以下とする必要がある。 First, carbon monoxide is highly toxic, and a gas leak poses a risk of poisoning. Its permissible concentration is 200 ppm, and from a safety standpoint, it is desirable to keep the concentration in fuel gas below this level. Even considering dilution by air, it should be kept below 1000 ppm.
次に、二酸化炭素は、不燃性であるだけでなく、燃焼を抑える働きがある。従って、燃料ガスに高濃度で混入した場合、燃料ガスの発熱量の低下に伴う導管でのガス輸送の効率を低下させるだけでなく、燃焼機器の効率の低下を引き起こす恐れもある。 Next, carbon dioxide is not only non-flammable, but it also inhibits combustion. Therefore, if it is mixed into fuel gas at high concentrations, it can not only reduce the efficiency of gas transport in pipelines due to a decrease in the calorific value of the fuel gas, but also potentially cause a decrease in the efficiency of combustion equipment.
最後に、水素は、燃料ガスではあるものの、都市ガスの主成分であるメタンと比較すると単位体積当たりの発熱量が約3分の1しかない。従って、メタン主成分の燃料ガスに水素が混入すると、単位体積当たりの発熱量が低下する。さらに水素は、燃焼速度が速いことから、燃焼機器への影響が大きいことも知られている。 Finally, although hydrogen is a fuel gas, its calorific value per unit volume is only about one-third that of methane, the main component of city gas. Therefore, when hydrogen is mixed with a fuel gas primarily composed of methane, the calorific value per unit volume decreases. Furthermore, because hydrogen burns quickly, it is known to have a significant impact on combustion equipment.
以上のように、水素、一酸化炭素及び二酸化炭素は、都市ガスに混入した場合、ガスの供給及び消費の各段階で種々の影響を及ぼすことから、都市ガス導管網に受け入れるガスの品質基準で、水素、一酸化炭素及び二酸化炭素の濃度に制約が設けられるのが一般的である。 As described above, hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide, when mixed with city gas, have various effects at each stage of gas supply and consumption. Therefore, it is common practice to impose restrictions on the concentrations of hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide in the quality standards for gas accepted into the city gas pipeline network.
天然ガス自動車向けの燃料充填所が存在する導管網にあっては、水素濃度の上限を体積基準で2%としている例が知られている(非特許文献1)。また、水素濃度を体積基準で4%以下、二酸化炭素濃度を体積基準で0.5%以下、一酸化炭素濃度を体積基準で0.05%以下と規定している例(非特許文献2)、ならびに、メタン及びエタンの合計濃度を体積基準で93%以上、かつ炭化水素以外の成分の合計濃度を体積基準で4%以下と規定した例(非特許文献3)も知られている。 In pipeline networks with fuel refueling stations for natural gas vehicles, there are known examples where the upper limit for hydrogen concentration is set at 2% by volume (Non-Patent Document 1). Furthermore, there are known examples where the hydrogen concentration is 4% or less by volume, the carbon dioxide concentration is 0.5% or less by volume, and the carbon monoxide concentration is 0.05% or less by volume (Non-Patent Document 2), as well as examples where the combined concentration of methane and ethane is 93% or more by volume, and the combined concentration of components other than hydrocarbons is 4% or less by volume (Non-Patent Document 3).
エタノールの水蒸気改質によるメタン主成分ガスの生成は以下の反応で進行すると考えられる。即ち、エタノールの水蒸気改質反応(式1)により水素及び一酸化炭素が生成する。一酸化炭素の一部はCOシフト反応(式2)により水素と二酸化炭素に転換され、残りは水素との反応によりメタンを生成する(式3)。
C2H5OH+H2O → 2CO+4H2 (式1)
0.5CO+0.5H2O → 0.5CO2+0.5H2 (式2)
1.5CO+4.5H2 → 1.5CH4+1.5H2O (式3)
総括反応式は、式4に示す通りで、エタノール1モルから、メタン1.5モルと二酸化炭素0.5モルが生成する。
C2H5OH → 1.5CH4+0.5CO2 (式4)
The production of methane, the main component gas, by steam reforming of ethanol is thought to proceed through the following reaction. Specifically, hydrogen and carbon monoxide are produced by the steam reforming reaction of ethanol (Equation 1). Some of the carbon monoxide is converted to hydrogen and carbon dioxide by the CO shift reaction (Equation 2), and the remainder reacts with hydrogen to produce methane (Equation 3).
C2H5OH + H2O → 2CO + 4H2 (Formula 1)
0.5CO+0.5H 2 O → 0.5CO 2 +0.5H 2 (Formula 2)
1.5CO+4.5H 2 → 1.5CH 4 +1.5H 2 O (Formula 3)
The overall reaction equation is as shown in Equation 4, in which 1 mole of ethanol produces 1.5 moles of methane and 0.5 moles of carbon dioxide.
C 2 H 5 OH → 1.5CH 4 +0.5CO 2 (Formula 4)
すなわち、単純にエタノールを水蒸気の共存下にメタン化反応を行った場合、理想的に反応が進行した場合でも、生成ガスはメタン75%と二酸化炭素25%の混合ガスとなり、何らかの方法で二酸化炭素を除去しない限り都市ガス原料として利用することはできない。 In other words, if ethanol is simply subjected to a methane reaction in the presence of water vapor, even under ideal conditions, the resulting gas will be a mixture of 75% methane and 25% carbon dioxide. Unless the carbon dioxide is removed by some means, it cannot be used as a raw material for city gas.
二酸化炭素の除去方法として、熱炭酸カリウム吸収法や、アミン吸収法などの方法が知られており、ナフサ等を原料とする代替天然ガス製造設備プラントでも、これらの二酸化炭素除去設備が採用された例があるが、いずれの二酸化炭素除去方法も設備費用及び運転費用が高いため、燃料ガス製造の経済性が大きく低下する課題がある。 Methods for removing carbon dioxide include the hot potassium carbonate absorption method and the amine absorption method. These carbon dioxide removal systems have been adopted in alternative natural gas production plants using naphtha and other raw materials. However, all of these carbon dioxide removal methods have high equipment and operating costs, which significantly reduces the economic viability of fuel gas production.
特許文献4には、エタノールからの水素の製造方法であって、0.1~1.0のH2/エタノールモル比、1.0~10.0の水蒸気/エタノールモル比で、300℃~600℃でニッケルを基材とする触媒に通じて、メタン、CO、CO2及びH2を含有する流れに変換する工程を含む方法が開示されている。 Patent Document 4 discloses a method for producing hydrogen from ethanol, which includes the step of passing the ethanol through a nickel-based catalyst at 300°C to 600°C at an H2 /ethanol molar ratio of 0.1 to 1.0 and a water vapor/ethanol molar ratio of 1.0 to 10.0 to convert it into a flow containing methane, CO, CO2 , and H2 .
この文献には、水蒸気/エタノールモル比2.8、水素/エタノールモル比250、400℃で、市販メタン化触媒上でのエタノールの変換を実施し、変換率90.1%、メタン選択率98.8%であったこと、水蒸気/炭素モル比3、400℃での市販メタン化触媒上でのエタノール変換において、水素を添加しない場合、短時間で炭素析出による触媒層での圧力損失の上昇が生じたのに対し、水素/エタノールモル比が0.6では圧力損失の上昇が見られなかったことが示されている。しかし、いずれの場合も、得られるガスは水素を主成分とし、メタンを含むガスであるため、都市ガス原料として利用することはできない。 This document describes the results of ethanol conversion on a commercially available methanation catalyst at 400°C with a water vapor/ethanol molar ratio of 2.8 and a hydrogen/ethanol molar ratio of 250, achieving a conversion rate of 90.1% and a methane selectivity of 98.8%. It also shows that in ethanol conversion on a commercially available methanation catalyst at 400°C with a water vapor/carbon molar ratio of 3, the absence of hydrogen resulted in a rapid increase in pressure loss in the catalyst layer due to carbon deposition, whereas no increase in pressure loss was observed with a hydrogen/ethanol molar ratio of 0.6. However, in both cases, the resulting gas is primarily hydrogen-based and contains methane, making it unsuitable for use as a raw material for city gas.
特許文献5には、触媒の存在下にエタノールを選択的に改質して水素富化生成物を製造する方法であって、水素に対するエタノールのモル比が0.2~1で脱水/水素化反応器に通じて、エタノールを脱水/水素化してエタンを生成し、生成したエタンを断熱的に改質してメタンを含む流れを生成し、生成したメタンを含む流れを水蒸気改質して、水素及び一酸化炭素を含む混合物を生成し、さらに水性ガスシフト反応を行って水素富化生成物を得る方法が記載されている。 Patent Document 5 describes a method for producing a hydrogen-enriched product by selectively reforming ethanol in the presence of a catalyst. This method involves passing ethanol at a molar ratio of 0.2 to 1 to hydrogen through a dehydration/hydrogenation reactor to dehydrate/hydrogenate the ethanol to produce ethane, adiabatically reforming the resulting ethane to create a methane-containing flow, steam reforming the methane-containing flow to produce a mixture containing hydrogen and carbon monoxide, and then performing a water-gas shift reaction to obtain the hydrogen-enriched product.
しかし、この文献は、エタノールのエタンへの転換の結果を示すのみで、メタンを含む流れにおけるメタン濃度についての具体的な記載は見られない。 However, this document only shows the results of the conversion of ethanol to ethane, and does not provide any specific information about the methane concentration in the methane-containing flow.
エタノールの水蒸気改質により、メタン主成分ガスを得るに際しての別の問題として、特許文献3及び4に記載される炭素析出の問題がある。特許文献3には、水/エタノール=0.78(重量比)における水蒸気改質でニッケル触媒を用いた場合、顕著な炭素析出が起こったことが示されている。特許文献4では、水蒸気/炭素モル比3、400℃における市販メタン化触媒上でのエタノール変換において、水素を添加しない場合、短時間で炭素析出が起こったことが示されている。水/エタノールのモル比は、特許文献3では2、特許文献4では6となる。エタノールの水蒸気改質で、炭素析出を回避するには、多量の水蒸気を添加する必要がある。エタノール1モルから、メタン1.5モルと二酸化炭素0.5モルを生成する反応(式4)は発熱反応であるが、その発熱は74kJ(25℃)に過ぎず、これを水の気化熱として用いても、およそ1.7モルの水蒸気しか生成できない。従って、エタノールの水蒸気改質により、メタン主成分ガスを安定して得るには、外部からの水蒸気の供給が必要になり、この点でも経済的に不利となる。 Another problem when obtaining methane as the main component gas by steam reforming of ethanol is the carbon deposition problem described in Patent Documents 3 and 4. Patent Document 3 shows that significant carbon deposition occurred when a nickel catalyst was used in steam reforming with a water/ethanol ratio of 0.78 (by weight). Patent Document 4 shows that carbon deposition occurred in a short time when no hydrogen was added during ethanol conversion on a commercially available methanation catalyst at 400°C with a water vapor/carbon molar ratio of 3. The water/ethanol molar ratio is 2 in Patent Document 3 and 6 in Patent Document 4. To avoid carbon deposition in steam reforming of ethanol, it is necessary to add a large amount of water vapor. The reaction that produces 1.5 moles of methane and 0.5 moles of carbon dioxide from 1 mole of ethanol (Equation 4) is an exothermic reaction, but the heat generated is only 74 kJ (at 25°C), and even if this is used as the heat of vaporization of water, only about 1.7 moles of water vapor can be produced. Therefore, obtaining methane as the main component gas stably through ethanol steam reforming requires an external supply of steam, which is also economically disadvantageous.
本発明が解決しようとする課題は、以上の問題に鑑み、エタノールのメタン化反応により都市ガスとして利用しうる高発熱量のメタン主成分ガスを得るに際して、費用のかさむ二酸化炭素分離設備を用いることなく、そのまま都市ガス原料として利用できるメタン濃度の高い高発熱量燃料ガスが得られ、炭素析出も起き難い経済的に有利な高発熱量燃料ガスの製造方法を提供することにある。 The problem that this invention aims to solve, in view of the above issues, is to provide an economically advantageous method for producing a high-calorific value fuel gas with a high methane concentration that can be used directly as a raw material for city gas, without using expensive carbon dioxide separation equipment, when obtaining a high-calorific value fuel gas with a methane main component that can be used as city gas by the methanation reaction of ethanol, and without carbon precipitation occurring easily.
本発明に係る高発熱量燃料ガスの製造方法の特徴構成は、エタノールに、水素/エタノールのモル比が2.0以上2.5以下、水蒸気/エタノールのモル比が1.2以上4以下となるように水素及び水蒸気を添加して原料ガスを調整する工程と、前記原料ガスをルテニウム又はニッケルを含有する触媒に300℃以上700℃以下で接触させる水蒸気改質工程と、前記水蒸気改質工程で得られ、冷却されたガスをルテニウム又はニッケルを含有する触媒に触媒出口温度が230℃以上330℃以下となる条件で接触させるメタン化工程と、を含み、前記水蒸気改質工程の触媒出口温度は、前記メタン化工程の触媒出口温度よりも高い点にある。 The characteristic configuration of the method for producing high-calorific value fuel gas according to the present invention includes: a step of preparing a raw material gas by adding hydrogen and water vapor to ethanol such that the molar ratio of hydrogen/ethanol is 2.0 or more and 2.5 or less, and the molar ratio of water vapor/ethanol is 1.2 or more and 4 or less; a water vapor reforming step of contacting the raw material gas with a catalyst containing ruthenium or nickel at 300°C or more and 700°C or less; and a methane step of contacting the gas obtained in the water vapor reforming step and cooled with a catalyst containing ruthenium or nickel under conditions such that the catalyst outlet temperature is 230°C or more and 330°C or less , wherein the catalyst outlet temperature of the water vapor reforming step is higher than the catalyst outlet temperature of the methane step .
本特徴構成によれば、エタノールの水蒸気改質とメタン化反応を組み合わせた従来の燃料ガスの製造方法では多量に副生する二酸化炭素が、水素との反応によりメタンに変換されるため、得られた燃料ガス中に二酸化炭素が多量に残存することが回避でき、高価な二酸化炭素除去設備を用いることなく、都市ガス原料として使用可能な高発熱量の燃料ガスが得られ、炭素析出も起き難い。 According to this characteristic configuration, the large amount of carbon dioxide produced as a by-product in conventional fuel gas production methods that combine ethanol steam reforming and methane reactions is converted to methane through reaction with hydrogen. Therefore, the large amount of carbon dioxide remaining in the resulting fuel gas can be avoided, and a high-calorific value fuel gas usable as a raw material for city gas can be obtained without the need for expensive carbon dioxide removal equipment. Furthermore, carbon deposition is less likely to occur.
本発明に係る高発熱量燃料ガスの製造方法の更なる特徴構成は、水蒸気改質工程が、触媒入口温度300℃以上の実質的に断熱条件で実施され、前記水蒸気改質工程で得られたガスが230℃以上300℃以下に冷却されたのちに、熱交換型反応器に供給されてメタン化工程が実施される点にある。 A further characteristic feature of the method for producing high-calorific value fuel gas according to the present invention is that the steam reforming step is carried out under substantially adiabatic conditions with a catalyst inlet temperature of 300°C or higher, and the gas obtained in the steam reforming step is cooled to 230°C to 300°C before being supplied to a heat exchange reactor for the methane process.
本特徴構成によれば、水蒸気改質工程が、触媒入口温度300℃以上の実質的に断熱条件で実施されるため、水蒸気改質工程における発熱により、水蒸気改質触媒層の温度が上昇して、水蒸気改質反応の進行に好適な温度に保たれることから、エタノールの改質を十分に進行させることができる。 According to this characteristic configuration, the steam reforming process is carried out under substantially adiabatic conditions with a catalyst inlet temperature of 300°C or higher. Therefore, the heat generated during the steam reforming process raises the temperature of the steam reforming catalyst layer, maintaining it at a temperature suitable for the steam reforming reaction, thus allowing for sufficient ethanol reforming.
本発明に係る高発熱量燃料ガスの製造方法の更なる特徴構成は、メタン化工程で得られた、メタンを主成分とし水素を含有する燃料ガスに、前記燃料ガス中の水素に対するモル比が0.24以上0.45以下となる量の酸素を添加したのちに、当該酸素と、前記燃料ガス中の水素とを、水素を選択的に酸化できる選択酸化触媒の存在下で反応させる選択酸化工程をさらに有する点にある。 A further characteristic feature of the method for producing high-calorific value fuel gas according to the present invention is that, after adding an amount of oxygen such that the molar ratio to hydrogen in the fuel gas is 0.24 to 0.45 to the methane-based fuel gas obtained in the methane step, the oxygen is reacted with the hydrogen in the fuel gas in the presence of a selective oxidation catalyst capable of selectively oxidizing hydrogen.
エタノールの水蒸気改質とメタン化反応を組み合わせた従来の燃料ガスの製造方法では、得られた燃料ガス中に高濃度の二酸化炭素が残存するため、高価な二酸化炭素分離設備が必要になる問題があるものの、高濃度の二酸化炭素が残存することから、メタン化反応の化学平衡の観点で、残存する水素濃度は低くなりやすい。これと比較すると、本発明の高発熱量燃料ガスの製造方法では、残存する水素濃度は高くなる場合がある。本特徴構成を採用することにより、本発明の高発熱量燃料ガスの製造方法のメタン化工程で得られた燃料ガスに残存する水素の濃度を効果的に低減して、メタン濃度の高い燃料ガスを得ることができる。 Conventional fuel gas production methods, which combine ethanol steam reforming and methane reactions, have the problem of requiring expensive carbon dioxide separation equipment because high concentrations of carbon dioxide remain in the resulting fuel gas. However, due to the high concentration of carbon dioxide, the residual hydrogen concentration tends to be low from the perspective of chemical equilibrium in the methane reaction. In contrast, the high calorific value fuel gas production method of the present invention may result in a higher residual hydrogen concentration. By adopting this characteristic configuration, the residual hydrogen concentration in the fuel gas obtained in the methane step of the high calorific value fuel gas production method of the present invention can be effectively reduced, thereby obtaining a fuel gas with a high methane concentration.
本発明に係る高発熱量燃料ガスの製造方法の更なる特徴構成は、メタン化工程で得られた、メタンを主成分とし水素を含有する燃料ガスに、前記燃料ガス中の水素に対するモル比が0.45以上0.9以下となる量のエタノールを添加したのちに、当該エタノールと、前記燃料ガス中の水素とを、脱水水素化触媒の存在下で反応させて、エタンを得る脱水水素化工程をさらに有する点にある。 A further characteristic feature of the method for producing high-calorific value fuel gas according to the present invention is that it further includes a dehydration hydrogenation step in which, after adding an amount of ethanol such that the molar ratio to hydrogen in the fuel gas is 0.45 to 0.9 to the fuel gas obtained in the methane step, the ethanol and the hydrogen in the fuel gas are reacted in the presence of a dehydration hydrogenation catalyst to obtain ethane.
本特徴構成を採用することにより、本発明の高発熱量燃料ガスの製造方法のメタン化工程で得られた燃料ガスに残存する水素の濃度を効果的に低減するとともに、メタンに加えてエタンも含んで、一般的な都市ガスの発熱量に近い高発熱量の燃料ガスを得ることができる。 By adopting this characteristic configuration, the concentration of hydrogen remaining in the fuel gas obtained in the methane stage of the present invention's method for producing high-calorific value fuel gas can be effectively reduced. Furthermore, by including ethane in addition to methane, it is possible to obtain a high-calorific value fuel gas with a calorific value close to that of typical city gas.
本発明に係る高発熱量燃料ガスの製造方法の更なる特徴構成は、前記高発熱量燃料ガスは、メタン或いはメタン及びエタンを含み、メタン或いはメタン及びエタンの占める割合が脱水後の体積基準で93%以上である点にある。 A further characteristic feature of the method for producing high-calorific value fuel gas according to the present invention is that the high-calorific value fuel gas contains methane or methane and ethane, and the proportion of methane or methane and ethane is 93% or more on a volume basis after dehydration.
本特徴構成によれば、脱水後の体積基準で93%以上のメタンを含む高発熱量燃料ガスや、脱水後の体積基準でメタン及びエタンの総量が93%以上である高発熱量燃料ガスを製造できる。 This characteristic configuration makes it possible to produce high-calorific value fuel gas containing 93% or more methane by volume after dehydration, or high-calorific value fuel gas in which the total amount of methane and ethane is 93% or more by volume after dehydration.
〔実施形態〕
以下、本発明に係る高発熱量燃料ガスの製造方法の実施形態について説明する。図1は、本発明の高発熱量燃料ガスの製造方法を示すブロックフロー図である。本実施形態に係る高発熱量燃料ガスの製造方法は、エタノールに、水素/エタノールのモル比が2.0以上2.5以下、水蒸気/エタノールのモル比が1.2以上4以下となるように水素及び水蒸気を添加して原料ガスを調整する工程(原料ガス調整部1)、ルテニウム又はニッケルを含有する触媒に前記原料ガスを300℃以上700℃以下で接触させる水蒸気改質工程(水蒸気改質反応部2)、前記水蒸気改質工程で得られたガスをルテニウム又はニッケルを含有する触媒に触媒出口温度が230℃以上330℃以下となる条件で接触させるメタン化工程(メタン化反応部3)を含む。このような構成を備えた高発熱量燃料ガスの製造方法によれば、メタンの占める割合が脱水後の体積基準で93%以上である高発熱量燃料ガスを得られる。
[Embodiment]
The following describes embodiments of the method for producing high-calorific value fuel gas according to the present invention. Figure 1 is a block flow diagram showing the method for producing high-calorific value fuel gas according to the present invention. The method for producing high-calorific value fuel gas according to this embodiment includes a step of preparing a raw material gas by adding hydrogen and water vapor to ethanol such that the molar ratio of hydrogen/ethanol is 2.0 or more and 2.5 or less, and the molar ratio of water vapor/ethanol is 1.2 or more and 4 or less (raw material gas preparation section 1); a water vapor reforming step (water vapor reforming reaction section 2) in which the raw material gas is brought into contact with a catalyst containing ruthenium or nickel at 300°C or more and 700°C or less; and a methane reaction step (methanization reaction section 3) in which the gas obtained in the water vapor reforming step is brought into contact with a catalyst containing ruthenium or nickel under conditions such that the catalyst outlet temperature is 230°C or more and 330°C or less. According to the method for producing high-calorific value fuel gas with such a configuration, a high-calorific value fuel gas can be obtained in which the proportion of methane is 93% or more on a volume basis after dehydration.
原料ガスを調整する工程で用いるエタノールは、必ずしも発酵法で製造されたものである必要はないが、カーボンニュートラルと見なしうる燃料ガスを製造するという観点では、サトウキビやトウモロコシなどを原料として製造されたバイオエタノールであることが好ましい。 The ethanol used in the process of preparing the raw material gas does not necessarily have to be produced by fermentation, but from the perspective of producing a fuel gas that can be considered carbon neutral, bioethanol produced from raw materials such as sugarcane or corn is preferable.
エタノールは、通常少量の水を含むほか、微量の有機酸やアルデヒド、チオールなどの硫黄化合物を含むことがある。このうち、水は質量基準でエタノールに対して20%~50%程度含まれていても差し支えない。原料とするエタノールに水が含まれている場合は、その量に応じて、添加する水蒸気の量を調整して、原料ガス調整工程に送入される水蒸気/エタノールのモル比が1.2以上4以下となるようにする。 Ethanol typically contains small amounts of water, and may also contain trace amounts of organic acids, aldehydes, thiols, and other sulfur compounds. Of these, water may be present at a concentration of approximately 20% to 50% by mass relative to the ethanol. If the raw material ethanol contains water, the amount of added water vapor should be adjusted accordingly so that the molar ratio of water vapor to ethanol supplied to the raw material gas preparation process is between 1.2 and 4.
微量の有機酸やアルデヒドは、あまりに多量に含まれる場合、後段の水蒸気改質工程において、炭素析出などを引き起こす恐れがあるが、通常は問題とならない。 While trace amounts of organic acids and aldehydes may cause carbon precipitation and other problems in the subsequent steam reforming process if present in excessively large quantities, this is usually not a concern.
チオールなどの硫黄化合物は、後段の水蒸気改質工程の硫黄被毒を引き起こし、活性低下の原因となるため、硫黄化合物が多量に含まれる場合は、事前に脱硫処理を行うことが望ましい。 Sulfur compounds such as thiols can cause sulfur poisoning in the subsequent steam reforming process, leading to a decrease in activity. Therefore, if a large amount of sulfur compounds are present, it is desirable to perform desulfurization treatment beforehand.
原料ガスを調整する工程で用いる水素は、どのような製造法で製造されたものでも問題ないが、アルカリ水電解装置、固体高分子形水電解装置、固体酸化物形水電解装置などの水電解装置を用いて製造された水素は、水蒸気改質工程の障害となる不純物が通常含まれないことから好ましい。 The hydrogen used in the process of preparing the raw material gas can be produced by any method, but hydrogen produced using water electrolysis devices such as alkaline water electrolysis devices, polymer electrolyte water electrolysis devices, and solid oxide water electrolysis devices is preferred because it typically does not contain impurities that would interfere with the steam reforming process.
エタノールに対する水素と水蒸気の混合方法、混合順序には特に制約はない。 There are no particular restrictions on the method or order of mixing hydrogen and water vapor with ethanol.
水素/エタノールのモル比は、2.0以上2.5以下とする。水素/エタノールのモル比を2.05以上とすると燃料ガス中の二酸化炭素濃度を低減しやすく、2.10以下とすると燃料ガス中の水素濃度を低減しやすいことから、水素/エタノールのモル比は、2.05以上2.10以下とするのが好ましい。ただし、エタノールの脱水水素化反応を用いる脱水水素化工程を設ける場合は、水素/エタノールのモル比を2.2以上2.5以下としてもよく、この場合には燃料ガス中の二酸化炭素濃度を低減しやすい。 The hydrogen/ethanol molar ratio should be between 2.0 and 2.5. A ratio of 2.05 or higher facilitates a reduction in carbon dioxide concentration in the fuel gas, while a ratio of 2.10 or lower facilitates a reduction in hydrogen concentration. Therefore, a hydrogen/ethanol molar ratio of 2.05 to 2.10 is preferable. However, if a dehydration hydrogenation step using the dehydration hydrogenation reaction of ethanol is included, the hydrogen/ethanol molar ratio may be between 2.2 and 2.5, in which case it is easier to reduce the carbon dioxide concentration in the fuel gas.
水蒸気/エタノールのモル比は、1.2以上4以下とする。 The molar ratio of water vapor to ethanol should be between 1.2 and 4.
エタノール1モルと水素2モルから、メタン2モルと水1モルを生成する反応の発熱は156kJ(25℃)なので、これをすべて水の気化熱として用いると、およそ3.5モルの水蒸気が生成できる。 The reaction that produces 2 moles of methane and 1 mole of water from 1 mole of ethanol and 2 moles of hydrogen generates 156 kJ of heat (at 25°C). If this is entirely used as the heat of vaporization of water, approximately 3.5 moles of water vapor can be produced.
水蒸気/エタノールのモル比を1.5以上とすると炭素析出を回避しやすく、3以下とすると必要な水蒸気量が抑制されることから、経済的に有利となりやすい。従って、水蒸気/エタノールのモル比は、1.5以上3以下程度とするのが好ましい。なお、水蒸気改質触媒の出口温度を抑制するため、メタン/エタノールのモル比で0.5~1.5程度となる量のメタンを添加してもよい。この場合には、炭素析出を回避するため、水蒸気/エタノールのモル比を上記より高くすることが好ましく、2.5以上4以下程度とするのが好ましい。 Setting the water vapor/ethanol molar ratio to 1.5 or higher makes it easier to avoid carbon deposition, while setting it to 3 or lower reduces the amount of water vapor required, making it more economically advantageous. Therefore, a water vapor/ethanol molar ratio of approximately 1.5 to 3 is preferable. Furthermore, to suppress the outlet temperature of the water vapor reforming catalyst, an amount of methane resulting in a methane/ethanol molar ratio of approximately 0.5 to 1.5 may be added. In this case, to avoid carbon deposition, it is preferable to set the water vapor/ethanol molar ratio higher than the above, preferably between 2.5 and 4.
後述するように水蒸気改質工程は発熱反応であり、水蒸気改質触媒が高温にさらされることにより、その耐久性が問題となる場合がある。そのような場合には、水蒸気改質工程の出口ガスの一部を原料ガスに混合し、原料ガスを希釈することで、水蒸気改質工程における温度上昇を緩和することができる。原料ガス調整部1には、水蒸気改質反応部2の出口ガスの一部をリサイクルするためのリサイクルコンプレッサーと、リサイクル量を調整するための流量調整手段を設けてもよい。 As described later, the steam reforming process is an exothermic reaction, and the steam reforming catalyst is exposed to high temperatures, which can pose a durability issue. In such cases, the temperature rise in the steam reforming process can be mitigated by mixing a portion of the outlet gas from the steam reforming process with the raw material gas, thereby diluting the raw material gas. The raw material gas adjustment unit 1 may be equipped with a recycling compressor for recycling a portion of the outlet gas from the steam reforming reaction unit 2, and a flow rate adjustment means for adjusting the amount of recycled gas.
原料ガスは、後段の水蒸気改質工程の実施に適切な範囲に温度を調整されたのち、水蒸気改質工程に送入される。 The raw material gas is temperature-adjusted to a range suitable for the subsequent steam reforming process before being introduced into the steam reforming process.
水蒸気改質工程で用いる触媒は、ルテニウム又はニッケルをアルミナなどの無機酸化物担体に担持した触媒である。水蒸気改質工程は、断熱型の反応器で実施してもよく、熱交換型反応器を用いて、ほぼ一定の触媒層温度を保って実施してもよい。 The catalyst used in the steam reforming process is a catalyst in which ruthenium or nickel is supported on an inorganic oxide support such as alumina. The steam reforming process may be carried out in an adiabatic reactor, or in a heat exchange reactor while maintaining a nearly constant catalyst layer temperature.
なお、触媒層の一部が300℃未満となることは差し支えない。従って、触媒層入口温度を300℃未満、例えば250℃程度として原料ガスを送入し、反応を開始させてもよいが、エタノールの水蒸気改質反応を十分な速度で進行させるには、触媒層の少なくとも一部は300℃以上となっている必要がある。また、少ない触媒量でエタノールを完全に転化させるには、触媒層の少なくとも一部が400℃以上となっていることが好ましい。触媒層入口温度があまりに低いと、反応の進行が著しく遅くなり、必要となる触媒量が極端に大きくなって、経済性が悪化する恐れがある。 It is acceptable for a portion of the catalyst layer to be below 300°C. Therefore, the reaction may be initiated by introducing the raw material gas with the catalyst layer inlet temperature below 300°C, for example, around 250°C. However, to ensure the ethanol steam reforming reaction proceeds at a sufficient rate, at least a portion of the catalyst layer must be 300°C or higher. Furthermore, to completely convert ethanol with a small amount of catalyst, it is preferable that at least a portion of the catalyst layer be 400°C or higher. If the catalyst layer inlet temperature is too low, the reaction will proceed significantly slower, requiring an extremely large amount of catalyst, which may negatively impact economic efficiency.
水蒸気改質工程では、吸熱反応であるエタノールの水蒸気改質反応と、発熱反応であるメタン化反応が併発して、全体として発熱反応となる。特段の除熱機構を持たない反応器(断熱型反応器)を用い、触媒層入口温度300℃程度で原料ガスを送入して、実質的に断熱条件で反応を実施した場合、触媒層出口温度は通常500℃~700℃程度となる。
エタノールの水蒸気改質反応は、300℃程度で開始し、400℃以上では速やかに進行するため、断熱型反応器で実施した場合、エタノールの改質反応が完全に進行しやすい。
In the steam reforming process, the endothermic reaction of ethanol steam reforming and the exothermic reaction of methane formation occur simultaneously, resulting in an overall exothermic reaction. When a reactor without a special heat removal mechanism (adiabatic reactor) is used, and the raw material gas is introduced at a catalyst layer inlet temperature of around 300°C, and the reaction is carried out under essentially adiabatic conditions, the catalyst layer outlet temperature is typically around 500°C to 700°C.
The steam reforming reaction of ethanol begins at around 300°C and proceeds rapidly above 400°C; therefore, when carried out in an adiabatic reactor, the ethanol reforming reaction is more likely to proceed completely.
反応器に熱交換機能を付加した熱交換型反応器を用いると、反応による発熱を除去しながら反応を進行させることができるので、触媒層温度の上昇を抑えながら水蒸気改質反応を進行させることができ、触媒の耐久性の観点で有利である。適切に反応器を設計し、運転した場合、反応による発熱を除去して、触媒層入口温度と触媒層出口温度をほぼ一致させ、等温的に反応を行うことができる。ただし、熱交換型反応器であっても、触媒層温度には分布があり、発熱反応が進行している箇所では、断熱型反応の出口温度に近い温度まで温度上昇する場合があることには留意する必要がある。 Using a heat-exchange reactor, which incorporates a heat exchange function, allows the reaction to proceed while removing the heat generated by the reaction. This suppresses the rise in catalyst layer temperature, which is advantageous in terms of catalyst durability. When the reactor is properly designed and operated, the heat generated by the reaction can be removed, and the catalyst layer inlet and outlet temperatures can be nearly identical, allowing for isothermal reaction. However, it is important to note that even in a heat-exchange reactor, there is a temperature distribution in the catalyst layer, and in areas where exothermic reactions are occurring, the temperature may rise to a level close to that of an adiabatic reaction outlet.
メタン化工程で用いる触媒は、ルテニウム又はニッケルをアルミナなどの無機酸化物担体に担持した触媒である。メタン化工程は、断熱型の反応器で実施してもよく、熱交換型反応器を用いて、ほぼ一定の触媒層温度を保って実施してもよい。 The catalyst used in the methanation process is a catalyst in which ruthenium or nickel is supported on an inorganic oxide support such as alumina. The methanation process may be carried out in an adiabatic reactor, or in a heat exchange reactor while maintaining a nearly constant catalyst layer temperature.
メタン化工程では、発熱反応であるメタン化反応が進行するため、断熱型の反応器を用いて反応を行うと、触媒入口温度よりも高い温度で反応ガスは流出することになる。メタン化反応は、平衡的に低温ほどメタン生成側に進行するため、メタン純度の高い燃料ガスを得る観点では、触媒出口温度を低くすることが有利であり、触媒出口温度が330℃以下となる条件で実施する。一方で、低温では、メタン化触媒の活性が低下し、230℃未満では反応が進行させることが困難になる。従って、触媒出口温度は230℃以上330℃以下、より好ましくは230℃以上280℃以下とする。 In the methanation process, since the methanation reaction is an exothermic reaction, if the reaction is carried out using an adiabatic reactor, the reaction gas will flow out at a temperature higher than the catalyst inlet temperature. Because the methanation reaction proceeds more towards methane production at lower equilibrium temperatures, lowering the catalyst outlet temperature is advantageous from the viewpoint of obtaining a fuel gas with high methane purity. Therefore, the reaction is carried out under conditions where the catalyst outlet temperature is 330°C or lower. On the other hand, at low temperatures, the activity of the methanation catalyst decreases, and it becomes difficult to carry out the reaction below 230°C. Therefore, the catalyst outlet temperature should be 230°C or higher and 330°C or lower, more preferably 230°C or higher and 280°C or lower.
メタン化反応器を断熱型反応器で構成する場合には、複数の反応器を設けるとともに、反応器の間に冷却器を設けて、各反応段の入口温度を230℃以上330℃以下、より好ましくは230℃以上280℃以下として、最終段の反応器における触媒出口温度が230℃以上330℃以下となるようにする。 When a methane reactor is constructed using an adiabatic reactor, multiple reactors are provided, and coolers are installed between the reactors. The inlet temperature of each reaction stage is set to 230°C to 330°C, more preferably 230°C to 280°C, so that the catalyst outlet temperature in the final stage reactor is 230°C to 330°C.
本発明の高発熱量燃料ガスの製造方法は、メタン化工程で得られた、メタンを主成分とし水素を含有する燃料ガスに、前記燃料ガス中の水素に対するモル比が0.24以上0.45以下となる量の酸素を添加したのちに、当該酸素と、前記燃料ガス中の水素とを、水素を選択的に酸化できる選択酸化触媒の存在下で反応させる選択酸化工程(選択酸化反応部4a)をさらに有する、図2に示される構成としてもよい。このような構成でも、メタンの占める割合が脱水後の体積基準で93%以上である高発熱量燃料ガスを得られる。 The present invention's method for producing high-calorific value fuel gas may also include a configuration as shown in Figure 2, further comprising a selective oxidation step (selective oxidation reaction section 4a) in which, after adding an amount of oxygen such that the molar ratio to hydrogen in the fuel gas is 0.24 to 0.45 to the methane-based fuel gas obtained in the methane step, the oxygen reacts with the hydrogen in the fuel gas in the presence of a selective oxidation catalyst capable of selectively oxidizing hydrogen. Even with such a configuration, a high-calorific value fuel gas can be obtained in which methane accounts for 93% or more of the volume after dehydration.
選択酸化反応工程において用いる酸素は、選択酸化反応に支障ない純度及び性状のものである限り、どのような方法で製造されたものであっても差支えない。例えば、水素を水の電気分解によって得る場合、水素に対するモル比(酸素/水素)が0.5となる量の酸素が必然的に発生するので、その一部を用いることができる。水の電気分解によって得られる酸素は通常高純度であるため、この方法が経済的に有利である。 The oxygen used in the selective oxidation reaction step can be produced by any method, as long as it has sufficient purity and properties to prevent interference with the selective oxidation reaction. For example, when hydrogen is obtained by the electrolysis of water, an amount of oxygen with a molar ratio (oxygen/hydrogen) of 0.5 is inevitably produced, and a portion of this oxygen can be used. Since the oxygen obtained by the electrolysis of water is usually of high purity, this method is economically advantageous.
選択酸化反応部4aにおける反応は、以下のように進行する。
H2 + 0.5O2 → H2O (式5)
The reaction in selective oxidation reaction section 4a proceeds as follows.
H 2 + 0.5O 2 → H 2 O (Formula 5)
酸素の添加量が少ない場合、燃料ガス中の水素濃度の低減が不十分となる。一方、酸素の添加量が多い場合、燃料ガス中に酸素が残存することがあるほか、選択酸化触媒上で急激な酸化反応が進行して、触媒の劣化が問題になる場合がある。従って、酸素の添加量は、メタン化反応工程で得られた燃料ガスに含まれる水素に対する酸素のモル比(酸素/水素)を、0.24以上0.45以下とするのが好ましい。 If the amount of oxygen added is too low, the reduction in hydrogen concentration in the fuel gas will be insufficient. On the other hand, if the amount of oxygen added is too high, oxygen may remain in the fuel gas, and a rapid oxidation reaction may occur on the selective oxidation catalyst, potentially leading to catalyst degradation. Therefore, it is preferable to set the molar ratio of oxygen to hydrogen (oxygen/hydrogen) in the fuel gas obtained in the methane reaction step to 0.24 or higher and 0.45 or lower.
選択酸化触媒は、酸素-水素反応(式5)に活性を有するとともに、メタンの酸素による酸化やメタンの水蒸気改質反応などのメタンを消費する反応に対しては、実質的に活性を示さないことが好ましい。メタンの酸化にも高い活性を示す触媒であると、水素濃度を効果的に低減できないばかりでなく、燃料ガスとして得られるメタンの量が減少するため、燃料ガス製造の効率が低下する場合がある。メタンの水蒸気改質反応に対して活性を示す触媒を用いると、酸素との反応で水素が減少しても、メタンの水蒸気改質反応によって新たに水素が生成されるため、燃料ガス中の水素濃度を低減することができない場合がある。このような反応選択性を示す触媒として、無機酸化物担体にパラジウム又は白金の少なくとも一方が担持された触媒が例示される。 Preferably, a selective oxidation catalyst is active in the oxygen-hydrogen reaction (Equation 5) but substantially inactive in methane-consuming reactions such as the oxidation of methane by oxygen or the steam reforming of methane. A catalyst that shows high activity in methane oxidation not only fails to effectively reduce hydrogen concentration but also reduces the amount of methane obtained as fuel gas, potentially lowering the efficiency of fuel gas production. Using a catalyst active in the steam reforming of methane may result in insufficient reduction of hydrogen concentration in the fuel gas, as new hydrogen is generated by the steam reforming reaction even if hydrogen is reduced by the reaction with oxygen. An example of a catalyst exhibiting such reaction selectivity is a catalyst in which at least one of palladium or platinum is supported on an inorganic oxide support.
選択酸化触媒で、メタン主成分ガス中の水素を選択的に酸化する際の反応温度は、100℃以上400℃以下とすることが好ましい。選択酸化触媒は一般的に100℃以上の条件で良好な活性を示すので、反応温度を100℃以上とすると、酸素と水素との反応が進行しやすい。また、反応温度を400℃以下とすると、メタンの水蒸気改質反応を抑制しやすい。反応温度は、150℃以上300℃以下とすることがより好ましい。 When selectively oxidizing hydrogen in methane gas using a selective oxidation catalyst, the reaction temperature is preferably between 100°C and 400°C. Selective oxidation catalysts generally exhibit good activity at temperatures above 100°C, so a reaction temperature above 100°C facilitates the reaction between oxygen and hydrogen. Furthermore, a reaction temperature below 400°C tends to suppress the steam reforming reaction of methane. A reaction temperature of 150°C to 300°C is more preferable.
選択酸化工程に用いる反応器の形式は特に限定されず、例えば、固定床断熱反応器、リサイクルラインを有する固定床断熱反応器、熱交換型反応器、などでありうる。 The type of reactor used in the selective oxidation process is not particularly limited and may include, for example, a fixed-bed insulated reactor, a fixed-bed insulated reactor with a recycling line, a heat exchange reactor, etc.
本発明の高発熱量燃料ガスの製造方法は、メタン化工程で得られた、メタンを主成分とし水素を含有する燃料ガスに、前記燃料ガス中の水素に対するモル比が0.45以上0.9以下となる量のエタノールを添加したのちに、当該エタノールと、前記燃料ガス中の水素とを、脱水水素化触媒の存在下で反応させて、エタンを得る脱水水素化工程(脱水水素化反応部4b)をさらに有する、図3に示される構成としてもよい。このような構成とした場合、メタン及びエタンの占める割合が脱水後の体積基準で93%以上である高発熱量燃料ガスを得られる。 The present invention's method for producing a high-calorific value fuel gas may further include a dehydration hydrogenation step (dehydration hydrogenation reaction section 4b), as shown in Figure 3. This step involves adding ethanol to a fuel gas obtained in a methanation step, where methane is the main component and hydrogen is present, in an amount such that the molar ratio to hydrogen in the fuel gas is 0.45 to 0.9. The ethanol is then reacted with the hydrogen in the fuel gas in the presence of a dehydration hydrogenation catalyst to obtain ethane. With this configuration, a high-calorific value fuel gas can be obtained in which methane and ethane account for 93% or more of the volume after dehydration.
脱水水素化反応工程において用いるエタノールは、原料ガスを調整する工程で用いるものと同一でよい。 The ethanol used in the dehydration and hydrogenation reaction step may be the same as the ethanol used in the preparation of the raw material gas.
脱水水素化反応部4bにおける反応は、以下のように進行する。すなわち、脱水水素化反応部4bにおいて、エタノールの脱水反応(式6)及びエチレンの水素化反応(式7)が進行する。
C2H5OH → C2H4+H2O (式6)
C2H4 + H2 → C2H6 (式7)
The reaction in the dehydration and hydrogenation reaction section 4b proceeds as follows: In the dehydration and hydrogenation reaction section 4b, the dehydration reaction of ethanol (Equation 6) and the hydrogenation reaction of ethylene (Equation 7) proceed.
C 2 H 5 OH → C 2 H 4 +H 2 O (Formula 6)
C 2 H 4 + H 2 → C 2 H 6 (Formula 7)
エタノールの添加量が少ない場合、燃料ガス中の水素濃度の低減が不十分となる。
一方、エタノールの添加量が多い場合、水素濃度が極端に少なくなることにより、エチレンの水素化反応(式7)が十分に進行せず、燃料ガス中にエチレンが残存することがあるほか、反応中のエチレン濃度が高いことから、触媒上でエチレンが重合して、炭素析出による触媒の劣化が問題になる場合がある。従って、エタノールの添加量は、メタン化工程で得られた燃料ガスに含まれる水素に対するエタノールのモル比(エタノール)/(水素)を、0.45以上0.90以下とする。
If the amount of ethanol added is insufficient, the reduction in hydrogen concentration in the fuel gas will be inadequate.
On the other hand, if the amount of ethanol added is too large, the hydrogen concentration becomes extremely low, which can prevent the hydrogenation reaction of ethylene (Equation 7) from proceeding sufficiently, resulting in residual ethylene in the fuel gas. Furthermore, the high ethylene concentration during the reaction can lead to polymerization of ethylene on the catalyst, causing catalyst degradation due to carbon deposition. Therefore, the amount of ethanol added should be such that the molar ratio of ethanol to hydrogen in the fuel gas obtained in the methane process (ethanol)/(hydrogen) is between 0.45 and 0.90.
脱水水素化反応工程で用いる脱水水素化触媒は、エタノールの脱水反応(式6)及びオレフィンの水素化反応(式7)に活性を有するとともに、メタン及びエタンの水蒸気改質反応に対しては、実質的に活性を示さないことが好ましい。メタン及びエタンの水蒸気改質反応に対して活性を示す触媒を用いると、エチレンの水素化反応で水素が減少しても、メタン及びエタンの水蒸気改質反応によって新たに水素が生成されるため、燃料ガス中の水素濃度を低減することができない場合がある。このような反応選択性を示す触媒として、固体酸触媒にパラジウム又は白金の少なくとも一方が担持された触媒が例示される。 The dehydration hydrogenation catalyst used in the dehydration hydrogenation reaction step is preferably active in the dehydration reaction of ethanol (Equation 6) and the hydrogenation reaction of olefins (Equation 7), while being substantially inactive in the steam reforming reactions of methane and ethane. If a catalyst active in the steam reforming reactions of methane and ethane is used, even if hydrogen is reduced in the hydrogenation reaction of ethylene, new hydrogen may be generated by the steam reforming reactions of methane and ethane, making it impossible to reduce the hydrogen concentration in the fuel gas. An example of a catalyst exhibiting such reaction selectivity is a catalyst in which at least one of palladium or platinum is supported on a solid acid catalyst.
脱水水素化触媒でエタノールを水素との反応によりエタンに変換する際の反応温度は、200℃以上400℃以下とすることが好ましい。脱水水素化触媒は一般的に200℃以上の条件で良好な活性を示すので、反応温度を200℃以上とすると、エタノールと水素との反応(式6及び式7)が進行しやすい。また、反応温度を400℃以下とすると、メタン及びエタンの水蒸気改質反応を抑制しやすい。反応温度は、250℃以上350℃以下とすることがより好ましい。 The reaction temperature when converting ethanol to ethane by reaction with hydrogen using a dehydration hydrogenation catalyst is preferably between 200°C and 400°C. Since dehydration hydrogenation catalysts generally exhibit good activity at temperatures above 200°C, a reaction temperature of 200°C or higher facilitates the reaction between ethanol and hydrogen (Equations 6 and 7). Furthermore, a reaction temperature below 400°C tends to suppress the steam reforming reactions of methane and ethane. A reaction temperature of 250°C to 350°C is more preferable.
脱水水素化反応工程に用いる反応器の形式は特に限定されず、例えば、固定床断熱反応器、リサイクルラインを有する固定床断熱反応器、熱交換型反応器、などでありうる。 The type of reactor used in the dehydration and hydrogenation reaction process is not particularly limited and may include, for example, a fixed-bed insulated reactor, a fixed-bed insulated reactor with a recycling line, a heat exchange reactor, etc.
水蒸気改質工程の圧力は、0.5MPa(絶対圧、以下同様)以上であると、十分な反応速度が得られやすく、5MPa以下であると設備コストが抑制できて経済的に有利であることから、0.5MPa以上5MPa以下とするのがよく、0.5MPa以上3MPa以下とするのがより好ましい。 The pressure in the steam reforming process should be 0.5 MPa (absolute pressure, the same applies hereafter) or higher to easily obtain a sufficient reaction rate, and 5 MPa or lower to reduce equipment costs and be economically advantageous. Therefore, a pressure of 0.5 MPa to 5 MPa is preferable, and a pressure of 0.5 MPa to 3 MPa is even more preferable.
メタン化工程の圧力は、0.5MPa以上であると、十分な反応速度が得られやすく、平衡的にもメタン化が進行しやすいこと、5MPa以下であると設備コストが抑制できて経済的に有利であることから、0.5MPa以上5MPa以下とするのがよく、0.5MPa以上3MPa以下とするのがより好ましい。 The pressure in the methanation process should be 0.5 MPa or higher, as this makes it easier to obtain a sufficient reaction rate and ensures that methanation proceeds smoothly in equilibrium. A pressure of 5 MPa or lower is more economically advantageous because it reduces equipment costs. Therefore, a pressure of 0.5 MPa to 5 MPa is preferable, and a pressure of 0.5 MPa to 3 MPa is even more preferable.
選択酸化工程及び脱水水素化工程の圧力も、0.5MPa以上であると、十分な反応速度が得られやすく、5MPa以下であると設備コストが抑制できて経済的に有利であることから、0.5MPa以上5MPa以下とするのがよく、0.5MPa以上3MPa以下とするのがより好ましい。 The pressure in the selective oxidation and dehydration/hydrogenation steps should be 0.5 MPa or higher to easily obtain a sufficient reaction rate, and 5 MPa or lower to reduce equipment costs and be economically advantageous. Therefore, a pressure of 0.5 MPa to 5 MPa is preferable, and a pressure of 0.5 MPa to 3 MPa is more preferable.
水蒸気改質工程、メタン化工程、選択酸化工程及び脱水水素化工程共に、0.5MPa以上5MPa以下とするのがよく、0.5MPa以上3MPa以下とするのがより好ましいことから、各工程の間で圧力を変化させることは通常必要ないが、必要に応じて加圧や減圧の工程を付加しても差支えはない。通常は、各工程における圧力損失に応じて、反応圧力がわずかに低下していくが、特段の問題はない。 The steam reforming, methane, selective oxidation, and dehydration/hydrogenation processes are all preferably conducted at a pressure of 0.5 MPa to 5 MPa, and more preferably at 0.5 MPa to 3 MPa. Therefore, it is not usually necessary to change the pressure between each process, but pressurization or depressurization steps may be added as needed. Normally, the reaction pressure decreases slightly in accordance with the pressure loss in each process, but this does not pose any particular problem.
〔実施例及び比較例〕
以下に、プロセス計算に基づく試算例を示す。各機器及び配管における圧力損失及び放熱損失は考慮していない。
[Examples and Comparative Examples]
The following is an example of a calculation based on process calculations. Pressure loss and heat loss in each piece of equipment and piping are not considered.
〔実施例1〕
原料ガス調整部1には、エタノール、水素及び水が1:2:1.2のモル比、圧力0.7MPa(絶対圧)で供給される。原料ガス調整部1では、これらが混合され、300℃まで加熱されて、原料ガスが調整され、水蒸気改質反応部2に送入される。
[Example 1]
Ethanol, hydrogen, and water are supplied to the raw material gas adjustment unit 1 in a molar ratio of 1:2:1.2 and at a pressure of 0.7 MPa (absolute pressure). In the raw material gas adjustment unit 1, these are mixed and heated to 300°C to adjust the raw material gas, which is then sent to the steam reforming reaction unit 2.
水蒸気改質反応部2では、前記原料ガスが、断熱条件の下で水蒸気改質触媒に接触して、エタノールの水蒸気改質反応、COシフト反応及びメタン化反応が進行して、化学平衡状態に達し、生成したガスは250℃に冷却されてメタン化反応部3に送入される。 In the steam reforming reaction section 2, the raw material gas comes into contact with the steam reforming catalyst under adiabatic conditions, and the steam reforming reaction of ethanol, the CO shift reaction, and the methane reaction proceed until a chemical equilibrium state is reached. The generated gas is cooled to 250°C and supplied to the methane reaction section 3.
メタン化反応部3では、250℃の等温条件の下でCOシフト反応及びメタン化反応が進行して、化学平衡状態に達し、メタンと水蒸気を主成分とする燃料ガスが得られる。この燃料ガスを冷却し、水を凝縮分離すると、メタンを主成分とし、少量の水素と二酸化炭素を含む燃料ガスが得られる。 In the methanation reaction section 3, the CO shift reaction and methanation reaction proceed under isothermal conditions of 250°C, reaching a state of chemical equilibrium and yielding a fuel gas mainly composed of methane and water vapor. Cooling this fuel gas and separating the water through condensation yields a fuel gas mainly composed of methane, with small amounts of hydrogen and carbon dioxide.
それぞれの反応部における入口及び出口温度、並びに出口ガスの組成(脱水後の体積基準)及び炭素活量を表1に示す。ここで、炭素活量は、出口ガスの一酸化炭素及び二酸化炭素の分圧(PCO、PCO2)と、熱力学的に計算される一酸化炭素の不均化反応(式8)の平衡定数(KP)を用いて、KP/(PCO2/PCO
2)として計算され、この値が1より大きいとき、化学平衡的には炭素析出反応が進行する。
2CO → C(固体)+CO2 (式8)
Table 1 shows the inlet and outlet temperatures in each reaction chamber, as well as the composition of the outlet gas (based on volume after dehydration) and the carbon activity. Here, the carbon activity is calculated as KP /( PCO2 / PCO2 ) using the partial pressures of carbon monoxide and carbon dioxide in the outlet gas ( PCO2 , PCO2 ) and the equilibrium constant ( KP ) of the thermodynamically calculated carbon monoxide disproportionation reaction (Equation 8 ). When this value is greater than 1, the carbon deposition reaction proceeds in chemical equilibrium.
2CO → C (solid) + CO 2 (Formula 8)
水蒸気改質反応部2の出口温度は619℃となる。水蒸気改質反応部2における出口のガス組成は、メタン39.44%、水素47.48%となり、メタン濃度は40%に満たず、高濃度の水素を含むガスとなる。 The outlet temperature of the steam reforming reaction section 2 is 619°C. The gas composition at the outlet of the steam reforming reaction section 2 is 39.44% methane and 47.48% hydrogen. The methane concentration is less than 40%, resulting in a gas containing a high concentration of hydrogen.
メタン化反応部3における出口のガス組成は、メタン96.20%、水素3.04%、二酸化炭素0.76%で、都市ガス原料として使用できる程度のメタン純度の高い燃料ガス(高発熱量燃料ガス)となる。 The gas composition at the outlet of the methanation reaction section 3 is 96.20% methane, 3.04% hydrogen, and 0.76% carbon dioxide, resulting in a fuel gas (high calorific value fuel gas) with a methane purity high enough to be used as a raw material for city gas.
水蒸気改質反応部2の出口及びメタン化反応部3の出口共に、炭素活量は1を下回っており、化学平衡的には炭素析出が回避される。 At both the outlet of the steam reforming reaction section 2 and the outlet of the methane reaction section 3, the carbon activity is less than 1, thus avoiding carbon deposition in terms of chemical equilibrium.
なお、上記では、水蒸気改質反応は断熱条件で、メタン化反応は等温条件で反応するものとしたが、断熱型反応器における反応においても、反応器表面からの放熱が一定程度生じるほか、熱交換型反応器においても局所的には温度上昇が生じることがある。その観点では、エタノール、水素及び水が1:2:1.2のモル比、圧力0.7MPaにおいて、250℃以上で断熱反応における出口温度619℃以下の全温度領域において、エタノールの水蒸気改質反応、COシフト反応及びメタン化反応が平衡に達した条件で炭素活量が1を下回ることが望ましい。 In the above, it was assumed that the steam reforming reaction occurred under adiabatic conditions and the methane reaction under isothermal conditions. However, even in adiabatic reactors, a certain amount of heat is dissipated from the reactor surface, and localized temperature increases can occur even in heat exchange reactors. From this perspective, it is desirable that the carbon activity be less than 1 when the steam reforming, CO shift, and methane reactions of ethanol reach equilibrium, under conditions where ethanol, hydrogen, and water are in a molar ratio of 1:2:1.2, at a pressure of 0.7 MPa, and the outlet temperature in the adiabatic reaction is 619°C or lower.
図4(水蒸気/エタノール=1.2)には、各温度において、化学平衡状態に達した状態での炭素活量を示している。250℃~619℃の全温度範囲において、炭素活量が1を下回っていることから、断熱条件、等温条件及びそれらの中間的な条件のいずれの場合であっても、化学平衡的には炭素析出が回避される。 Figure 4 (water vapor/ethanol = 1.2) shows the carbon activity at chemical equilibrium at various temperatures. Since the carbon activity is below 1 across the entire temperature range from 250°C to 619°C, carbon precipitation is avoided in chemical equilibrium under adiabatic, isothermal, and intermediate conditions.
〔実施例2〕
原料ガス調整部1に供給されるエタノール、水素及び水のモル比を、エタノール:水素:水=1:2:1.5とするほかは、実施例1と同様として試算した。
[Example 2]
The calculations were performed in the same manner as in Example 1, except that the molar ratio of ethanol, hydrogen, and water supplied to the raw material gas adjustment unit 1 was set to ethanol:hydrogen:water = 1:2:1.5.
それぞれの反応部における入口及び出口温度、並びに出口ガスの組成(脱水後の体積基準)及び炭素活量を表2に示す。 Table 2 shows the inlet and outlet temperatures, as well as the composition (by volume after dehydration) and carbon activity of the outlet gas in each reaction chamber.
水蒸気改質反応部2の出口温度は608℃となる。水蒸気改質反応部2における出口のガス組成は、メタン39.14%、水素47.86%となる。添加される水蒸気が増加したことにより、水を生成物とするメタン化反応が平衡的に進行し難くなり、実施例1と比較するとメタンの濃度はわずかに低下する。 The outlet temperature of the steam reforming reaction section 2 is 608°C. The gas composition at the outlet of the steam reforming reaction section 2 is 39.14% methane and 47.86% hydrogen. Due to the increased amount of added steam, the methane reaction, which produces water as a product, becomes less likely to proceed in equilibrium, resulting in a slight decrease in methane concentration compared to Example 1.
メタン化反応部3における出口のガス組成は、メタン95.90%、水素3.28%、二酸化炭素0.82%となって、メタンの濃度はわずかに低下するが、都市ガス原料として使用できる程度のメタン純度の高い燃料ガス(高発熱量燃料ガス)となる。 The gas composition at the outlet of the methanation reaction section 3 is 95.90% methane, 3.28% hydrogen, and 0.82% carbon dioxide. While the methane concentration decreases slightly, it becomes a fuel gas (high-calorific value fuel gas) with a methane purity high enough to be used as a raw material for city gas.
水蒸気改質反応部2の出口及びメタン化反応部3の出口共に、炭素活量は1を下回り、実施例1と比較しても低くなる。水蒸気の添加量が増加することで、炭素析出が起こりにくくなるためと考えられる。図4(水蒸気/エタノール=1.5)に示すように、250℃~608℃の全温度範囲において、炭素活量が1を下回り、水蒸気改質及びメタン化反応で想定される全温度領域において、平衡的には炭素析出が生じない。 At both the outlet of the steam reforming reaction section 2 and the outlet of the methanation reaction section 3, the carbon activity is below 1, which is lower than in Example 1. This is thought to be because increasing the amount of steam added makes carbon precipitation less likely. As shown in Figure 4 (steam/ethanol = 1.5), the carbon activity is below 1 throughout the entire temperature range from 250°C to 608°C, and in equilibrium, carbon precipitation does not occur in the entire temperature range expected for steam reforming and methanation reactions.
〔実施例3〕
原料ガス調整部1に供給されるエタノール、水素及び水のモル比を、エタノール:水素:水=1:2:2とするほかは、実施例1と同様として試算した。
[Example 3]
The calculations were performed in the same manner as in Example 1, except that the molar ratio of ethanol, hydrogen, and water supplied to the raw material gas adjustment unit 1 was set to ethanol:hydrogen:water = 1:2:2.
それぞれの反応部における入口及び出口温度、並びに出口ガスの組成(脱水後の体積基準)及び炭素活量を表3に示す。 Table 3 shows the inlet and outlet temperatures, as well as the composition (by volume after dehydration) and carbon activity of the outlet gas in each reaction chamber.
メタン化反応部3における出口のガス組成は、メタン95.42%、水素3.66%、二酸化炭素0.92%となって、メタンの濃度は実施例2よりもわずかに低下するが、都市ガス原料として使用できる程度のメタン純度の高い燃料ガス(高発熱量燃料ガス)となっている。 The gas composition at the outlet of the methanation reaction section 3 is 95.42% methane, 3.66% hydrogen, and 0.92% carbon dioxide. While the methane concentration is slightly lower than in Example 2, it is a fuel gas (high-calorific value fuel gas) with a methane purity high enough to be used as a raw material for city gas.
水蒸気改質反応部2の出口及びメタン化反応部3の出口共に、炭素活量は1を十分下回る。図4(水蒸気/エタノール=2)に示すように、250℃~591℃の全温度範囲において、炭素活量が1を下回り、水蒸気改質及びメタン化反応で想定される全温度領域において、平衡的には炭素析出が生じない。 At both the outlet of the steam reforming reaction section 2 and the outlet of the methanation reaction section 3, the carbon activity is well below 1. As shown in Figure 4 (steam/ethanol = 2), the carbon activity remains below 1 throughout the entire temperature range from 250°C to 591°C, and in equilibrium, no carbon precipitation occurs across the entire temperature range expected for steam reforming and methanation reactions.
〔実施例4〕
原料ガス調整部1に供給されるエタノール、水素及び水のモル比を、エタノール:水素:水=1:2:3とするほかは、実施例1と同様として試算した。
[Example 4]
The calculations were performed in the same manner as in Example 1, except that the molar ratio of ethanol, hydrogen, and water supplied to the raw material gas adjustment unit 1 was set to ethanol:hydrogen:water = 1:2:3.
それぞれの反応部における入口及び出口温度、並びに出口ガスの組成(脱水後の体積基準)及び炭素活量を表4に示す。 Table 4 shows the inlet and outlet temperatures, as well as the composition (by volume after dehydration) and carbon activity of the outlet gas in each reaction chamber.
水蒸気改質反応部2の出口温度は562℃となる。実施例1と比較すると50℃以上低下しているが、これは水蒸気の添加量が増加したことで、温度上昇が緩和されるためであり、水蒸気改質触媒の耐久性の観点では有利となる。 The outlet temperature of the steam reforming reaction section 2 is 562°C. This is a decrease of more than 50°C compared to Example 1. This is because the increased amount of steam added mitigates the temperature rise, which is advantageous from the standpoint of the durability of the steam reforming catalyst.
メタン化反応部3における出口のガス組成は、メタン94.51%、水素4.39%、二酸化炭素1.10%となって、メタンの濃度は実施例3よりもわずかに低下するが、都市ガス原料として使用できる程度のメタン純度の高い燃料ガス(高発熱量燃料ガス)となっている。 The gas composition at the outlet of the methanation reaction section 3 is 94.51% methane, 4.39% hydrogen, and 1.10% carbon dioxide. While the methane concentration is slightly lower than in Example 3, it is a fuel gas (high calorific value fuel gas) with a methane purity high enough to be used as a raw material for city gas.
水蒸気改質反応部2の出口及びメタン化反応部3の出口共に、炭素活量は1を十分下回った。また、図4(水蒸気/エタノール=3)に示すように、250℃~562℃の全温度範囲において、炭素活量が1を下回り、水蒸気改質及びメタン化反応で想定される全温度領域において、平衡的には炭素析出は生じない。 At both the outlet of the steam reforming reaction section 2 and the outlet of the methane reaction section 3, the carbon activity was well below 1. Furthermore, as shown in Figure 4 (steam/ethanol = 3), the carbon activity remained below 1 throughout the entire temperature range from 250°C to 562°C, indicating that, in equilibrium, no carbon precipitation occurs across the entire temperature range expected for steam reforming and methane reactions.
〔比較例1〕
原料ガス調整部1に供給されるエタノール、水素及び水のモル比を、エタノール:水素:水=1:2:1とするほかは、実施例1と同様として試算した。
[Comparative Example 1]
The calculations were performed in the same manner as in Example 1, except that the molar ratio of ethanol, hydrogen, and water supplied to the raw material gas adjustment unit 1 was set to ethanol:hydrogen:water = 1:2:1.
それぞれの反応部における入口及び出口温度、並びに出口ガスの組成(脱水後の体積基準)及び炭素活量を表5に示す。 Table 5 shows the inlet and outlet temperatures, as well as the composition (by volume after dehydration) and carbon activity of the outlet gas in each reaction chamber.
水蒸気改質反応部2の出口温度は628℃となる。また、水蒸気改質反応部2の出口の炭素活量は1を超えた。実施例と比較すると、水蒸気の添加量が少ないことにより、水蒸気改質反応部2の出口温度が高くなり、炭素活量も1を超えることから、熱劣化や炭素析出による水蒸気改質触媒の劣化が懸念される。 The outlet temperature of the steam reforming reaction section 2 reached 628°C. Furthermore, the carbon activity at the outlet of the steam reforming reaction section 2 exceeded 1. Compared to the example, the lower amount of steam added resulted in a higher outlet temperature and a carbon activity exceeding 1, raising concerns about deterioration of the steam reforming catalyst due to thermal degradation and carbon deposition.
図4(水蒸気/エタノール=1)に示すように、580℃以下では、平衡的には炭素析出は生じないことから、除熱しながら反応を進めることで、炭素析出を回避できる可能性があるが、局所的には断熱反応の出口温度に近い温度に達する可能性があり、その制御は一定の困難を伴う。 As shown in Figure 4 (water vapor/ethanol = 1), carbon deposition does not occur in equilibrium below 580°C. Therefore, it may be possible to avoid carbon deposition by proceeding with the reaction while removing heat. However, the temperature may locally reach a level close to the exit temperature of the adiabatic reaction, and controlling this is somewhat difficult.
〔比較例2〕
原料ガス調整部1に供給されるエタノール及び水のモル比を、エタノール:水=1:2として、水素の添加を行わないほかは、実施例1と同様として試算した。
[Comparative Example 2]
The calculations were performed in the same manner as in Example 1, except that the molar ratio of ethanol and water supplied to the raw material gas adjustment unit 1 was set to ethanol:water = 1:2, and no hydrogen was added.
それぞれの反応部における入口及び出口温度、並びに出口ガスの組成(脱水後の体積基準)及び炭素活量を表6に示す。 Table 6 shows the inlet and outlet temperatures, as well as the composition (by volume after dehydration) and carbon activity of the outlet gas in each reaction chamber.
水蒸気改質反応部2の出口温度は518℃となる。水蒸気改質反応部2における出口のガス組成は、メタン49.36%、水素25.09%となる。実施例1と比較するとメタン濃度は高いが、これは出口温度が実施例1と比較して低いため、メタン化反応が平衡的に進みやすくなるためと考えられる。 The outlet temperature of the steam reforming reaction section 2 is 518°C. The gas composition at the outlet of the steam reforming reaction section 2 is 49.36% methane and 25.09% hydrogen. The methane concentration is higher compared to Example 1, which is thought to be because the lower outlet temperature compared to Example 1 allows the methanation reaction to proceed more easily in equilibrium.
一方で、メタン化反応部3における出口のガス組成は、メタン73.87%、水素1.13%、二酸化炭素25.00%となって、二酸化炭素の除去を行わない限り、都市ガス原料として使用できない。 On the other hand, the gas composition at the outlet of the methanation reaction section 3 is 73.87% methane, 1.13% hydrogen, and 25.00% carbon dioxide. Unless the carbon dioxide is removed, it cannot be used as a raw material for city gas.
更なる問題として、水蒸気改質反応部2の出口及びメタン化反応部3の出口共に、炭素活量が1を超えており、炭素析出による水蒸気改質触媒及びメタン化触媒の劣化が懸念される。図5(水蒸気/エタノール=2.0)には、各温度において、化学平衡状態に達した状態での炭素活量を示している。700℃以下の全温度範囲において、炭素活量が1を超えていることから、断熱条件、等温条件及びそれらの中間的な条件のいずれの場合であっても、化学平衡的には炭素析出が進行する。 A further problem is that the carbon activity exceeds 1 at both the outlet of the steam reforming reaction section 2 and the outlet of the methane reaction section 3, raising concerns about degradation of the steam reforming catalyst and methane catalyst due to carbon deposition. Figure 5 (steam/ethanol = 2.0) shows the carbon activity at each temperature when chemical equilibrium is reached. Since the carbon activity exceeds 1 across the entire temperature range below 700°C, carbon deposition proceeds in chemical equilibrium under adiabatic, isothermal, and intermediate conditions.
〔比較例3〕
原料ガス調整部1に供給されるエタノール及び水のモル比を、エタノール:水=1:2.5としたほかは、比較例2と同様として試算した。
[Comparative Example 3]
The calculations were performed in the same manner as in Comparative Example 2, except that the molar ratio of ethanol and water supplied to the raw material gas adjustment unit 1 was set to ethanol:water = 1:2.5.
それぞれの反応部における入口及び出口温度、並びに出口ガスの組成(脱水後の体積基準)及び炭素活量を表7に示す。 Table 7 shows the inlet and outlet temperatures, as well as the composition (by volume after dehydration) and carbon activity of the outlet gas in each reaction chamber.
水蒸気改質反応部2の出口の温度は502℃となり、炭素活量は1を下回った。 The temperature at the outlet of the steam reforming reaction section 2 reached 502°C, and the carbon activity fell below 1.
メタン化反応部3における出口のガス組成は、メタン73.66%、水素1.33%、二酸化炭素25.00%となって、二酸化炭素の除去を行わない限り、都市ガス原料として使用できない。またメタン化反応部3における出口の炭素活量は1を超えており、炭素析出によるメタン化触媒の劣化が懸念される。図5(水蒸気/エタノール=2.5)には、各温度において、化学平衡状態に達した状態での炭素活量を示している。340℃以下では、炭素活量が1を超えていることから、メタン化を進行させるために低温でメタン化反応を行うと、化学平衡的には炭素析出が進行する。 The gas composition at the outlet of the methanation reaction section 3 is 73.66% methane, 1.33% hydrogen, and 25.00% carbon dioxide. Unless the carbon dioxide is removed, it cannot be used as a raw material for city gas. Furthermore, the carbon activity at the outlet of the methanation reaction section 3 exceeds 1, raising concerns about degradation of the methanation catalyst due to carbon deposition. Figure 5 (water vapor/ethanol = 2.5) shows the carbon activity at chemical equilibrium at various temperatures. Below 340°C, the carbon activity exceeds 1, indicating that if the methanation reaction is carried out at low temperatures to promote methanation, carbon deposition will proceed in chemical equilibrium.
〔比較例4〕
原料ガス調整部1に供給されるエタノール及び水のモル比を、エタノール:水=1:3としたほかは、比較例2と同様として試算した。
[Comparative Example 4]
The calculations were performed in the same manner as in Comparative Example 2, except that the molar ratio of ethanol and water supplied to the raw material gas adjustment unit 1 was set to ethanol:water = 1:3.
それぞれの反応部における入口及び出口温度、並びに出口ガスの組成(脱水後の体積基準)及び炭素活量を表8に示す。 Table 8 shows the inlet and outlet temperatures, as well as the composition (by volume after dehydration) and carbon activity of the outlet gas in each reaction chamber.
水蒸気改質反応部2の出口の温度は488℃となった。 The temperature at the outlet of the steam reforming reaction section 2 reached 488°C.
メタン化反応部3における出口のガス組成は、メタン73.46%、水素1.54%、二酸化炭素25.00%となって、二酸化炭素の除去を行わない限り、都市ガス原料として使用できない。水蒸気改質反応部2の出口及びメタン化反応部3の出口共に、炭素活量は1を下回っており、化学平衡的には炭素析出が回避される。比較例2~4の結果は、水素を共存させない単純なエタノールの水蒸気改質では、平衡的に炭素析出を回避するには、エタノールに対する水蒸気のモル比が3以上(生成するメタンに対するモル比では2以上)となるように水蒸気を添加する必要があることを示している。なお、図5(水蒸気/エタノール=3.0)に示す通り、245℃以下では、炭素活量が1を超えるので、メタン化を進行させるために245℃以下でメタン化反応を行うと、化学平衡的には炭素析出が進行する可能性がある。 The gas composition at the outlet of the methanation reaction section 3 is 73.46% methane, 1.54% hydrogen, and 25.00% carbon dioxide. Unless carbon dioxide is removed, it cannot be used as a raw material for city gas. At both the outlet of the steam reforming reaction section 2 and the outlet of the methanation reaction section 3, the carbon activity is below 1, and carbon deposition is avoided in chemical equilibrium. The results of Comparative Examples 2-4 indicate that in simple steam reforming of ethanol without the presence of hydrogen, to avoid carbon deposition in equilibrium, it is necessary to add steam so that the molar ratio of steam to ethanol is 3 or more (the molar ratio to the produced methane is 2 or more). Note that, as shown in Figure 5 (steam/ethanol = 3.0), below 245°C, the carbon activity exceeds 1. Therefore, if the methanation reaction is carried out below 245°C to promote methanation, carbon deposition may proceed in chemical equilibrium.
〔実施例5〕
選択酸化工程を有する燃料ガス製造プロセスの試算例を示す。プロセスフローを図6に示す。
[Example 5]
An example of a fuel gas production process with a selective oxidation step is shown. The process flow is shown in Figure 6.
原料ガス調整工程が行われる原料ガス調整部1には、温度25℃、圧力0.8MPaで、エタノール、水素及び水がそれぞれ1mol/s、2.08mol/s、2.5mol/sの流量で供給される。原料ガス調整部1は、熱交換器11~14とリサイクルコンプレッサー15を備えている。 The raw material gas adjustment unit 1, where the raw material gas adjustment process takes place, is supplied with ethanol, hydrogen, and water at flow rates of 1 mol/s, 2.08 mol/s, and 2.5 mol/s, respectively, at a temperature of 25°C and a pressure of 0.8 MPa. The raw material gas adjustment unit 1 is equipped with heat exchangers 11-14 and a recycling compressor 15.
エタノール、水素及び水は、加熱、混合され、さらに水蒸気改質反応器21の出口からのリサイクルガスと混合され、300℃まで加熱されて、原料ガスとなり、水蒸気改質反応部2に送入される。 Ethanol, hydrogen, and water are heated and mixed, then further mixed with the recycled gas from the outlet of the steam reforming reactor 21, heated to 300°C, and become the raw material gas, which is then supplied to the steam reforming reaction section 2.
水蒸気改質工程が行われる水蒸気改質反応部2は、水蒸気改質反応器21と熱交換器22を備える。原料ガスは水蒸気改質反応器21に送入され、断熱的にエタノールの水蒸気改質反応、COシフト反応及びメタン化反応が進行する。水蒸気改質反応器21の出口ガスは、熱交換器22において240℃まで冷却されたのち、その1/3が、原料ガス調整工程に返送され、リサイクルコンプレッサー15を通じて原料ガスに混合される。残りはメタン化反応部3に送入される。 The steam reforming reaction unit 2, where the steam reforming process takes place, comprises a steam reforming reactor 21 and a heat exchanger 22. The raw material gas is fed into the steam reforming reactor 21, where the steam reforming reaction of ethanol, the CO shift reaction, and the methane reaction proceed adiabatically. The outlet gas from the steam reforming reactor 21 is cooled to 240°C in the heat exchanger 22, after which one-third is returned to the raw material gas adjustment process and mixed with the raw material gas through the recycling compressor 15. The remainder is fed into the methane reaction unit 3.
メタン化工程が行われるメタン化反応部3は、第1メタン化反応器31、熱交換器32、第2メタン化反応器33、熱交換器34、第3メタン化反応器35及び熱交換器36を備える。 The methanation reaction unit 3, where the methanation process takes place, comprises a first methanation reactor 31, a heat exchanger 32, a second methanation reactor 33, a heat exchanger 34, a third methanation reactor 35, and a heat exchanger 36.
第1、第2及び第3メタン化反応器31,33,35はいずれも断熱型の反応器であり、第1及び第2メタン化反応器31,33の出口ガスは、それぞれ熱交換器32及び34で240℃まで冷却されたのち、順次次段の反応器に送入される。第3メタン化反応器35の出口ガスは熱交換器36で200℃まで冷却されて、選択酸化工程に送入される。 The first, second, and third methanation reactors 31, 33, and 35 are all adiabatic reactors. The outlet gases from the first and second methanation reactors 31 and 33 are cooled to 240°C in heat exchangers 32 and 34, respectively, before being sequentially supplied to the next stage reactors. The outlet gas from the third methanation reactor 35 is cooled to 200°C in heat exchanger 36 before being supplied to the selective oxidation process.
選択酸化工程が行われる選択酸化反応部4aは、選択酸化反応器41aと熱交換器42aを備える。選択酸化反応部4aでは、第3メタン化反応器35の出口ガスに、温度200℃の酸素0.02mol/sが添加されて、選択酸化反応器41aに充填された選択酸化触媒上で第3メタン化反応器35の出口ガスに含まれる水素が酸素と反応して水蒸気となり、水素濃度が低減された燃料ガスが得られる。この燃料ガスを熱交換器42aで冷却して、水を分離して脱水すると、メタンを主成分とする燃料ガスが得られる。 The selective oxidation reaction section 4a, where the selective oxidation process takes place, comprises a selective oxidation reactor 41a and a heat exchanger 42a. In the selective oxidation reaction section 4a, 0.02 mol/s of oxygen at 200°C is added to the outlet gas of the third methanation reactor 35. On the selective oxidation catalyst packed in the selective oxidation reactor 41a, the hydrogen contained in the outlet gas of the third methanation reactor 35 reacts with the oxygen to form water vapor, yielding a fuel gas with reduced hydrogen concentration. This fuel gas is cooled in the heat exchanger 42a, and water is separated and dehydrated to obtain a fuel gas mainly composed of methane.
プロセスの主要な箇所における、温度及び流量を表9に示す。 Table 9 shows the temperature and flow rate at key points in the process.
得られる燃料ガスの組成(脱水後の体積基準)は、メタン95.83%、水素3.72%、二酸化炭素0.45%、一酸化炭素2ppmとなる。本発明の方法により、プロパン等で熱量調整を行うだけで都市ガスとして利用できる、メタン純度の高い燃料ガス(高発熱量燃料ガス)が得られることがわかる。 The composition of the resulting fuel gas (by volume after dehydration) is 95.83% methane, 3.72% hydrogen, 0.45% carbon dioxide, and 2 ppm carbon monoxide. This demonstrates that the method of the present invention can produce a fuel gas with high methane purity (high calorific value fuel gas) that can be used as city gas simply by adjusting the calorific value with propane or the like.
また、各反応器の出口において、炭素活量は1を下回っており、化学平衡的には炭素析出が回避される。 Furthermore, the carbon activity at the outlet of each reactor is less than 1, thus avoiding carbon deposition in terms of chemical equilibrium.
〔実施例6〕
脱水水素化工程を有する燃料ガス製造プロセスの試算例を示す。プロセスフローを図7に示す。
[Example 6]
An example of a fuel gas production process that includes a dehydration and hydrogenation step is shown. The process flow is shown in Figure 7.
原料ガス調整工程には、温度25℃、圧力0.8MPaで、エタノール、水素及び水がそれぞれ1mol/s、2.25mol/s、2.5mol/sの流量で供給される。原料ガス調整工程では、これらが220℃まで加熱、混合されるとともに、水蒸気改質反応器21の出口からのリサイクルガスと混合され、300℃まで加熱されて、原料ガスとなり、水蒸気改質工程に送入される。 In the raw material gas preparation process, ethanol, hydrogen, and water are supplied at a temperature of 25°C and a pressure of 0.8 MPa, at flow rates of 1 mol/s, 2.25 mol/s, and 2.5 mol/s, respectively. In the raw material gas preparation process, these are heated to 220°C and mixed, then mixed with the recycled gas from the outlet of the steam reforming reactor 21. This mixture is then heated to 300°C to become the raw material gas, which is then sent to the steam reforming process.
水蒸気改質工程では、原料ガスが水蒸気改質反応器21に送入され、断熱的に反応が進行する。水蒸気改質反応器21の出口ガスは240℃まで冷却されたのち、その1/3が、リサイクルコンプレッサー15を通じて原料ガス調整工程に返送され、残りは第1メタン化反応器31に送入される。第1、第2メタン化反応器31,33はいずれも断熱型の反応器であり、第1メタン化反応器31の出口ガスは240℃まで冷却されたのち、第2メタン化反応器33に送入される。第2メタン化反応器33の出口ガスは250℃まで冷却されて、脱水水素化反応工程に送入される。 In the steam reforming process, the raw material gas is introduced into the steam reforming reactor 21, where the reaction proceeds adiabatically. After the outlet gas from the steam reforming reactor 21 is cooled to 240°C, one-third of it is returned to the raw material gas adjustment process via the recycling compressor 15, and the remainder is introduced into the first methanation reactor 31. The first and second methanation reactors 31 and 33 are both adiabatic reactors. The outlet gas from the first methanation reactor 31 is cooled to 240°C before being introduced into the second methanation reactor 33. The outlet gas from the second methanation reactor 33 is cooled to 250°C before being introduced into the dehydration and hydrogenation reaction process.
脱水水素化反応工程では、第2メタン化反応器33の出口ガスに、温度250℃のエタノール0.25mol/sが添加されて、脱水水素化触媒が充填された脱水水素化反応器41bに送入される。脱水水素化触媒上で第2メタン化反応器33の出口ガスに含まれる水素がエタノールと反応してエタンとなり、水素濃度が低減され、エタンを含む燃料ガスが得られる。この燃料ガスを冷却すると、メタンを主成分し、エタンを含む燃料ガスが得られる。 In the dehydration hydrogenation reaction step, 0.25 mol/s of ethanol at 250°C is added to the outlet gas of the second methanation reactor 33 and sent to the dehydration hydrogenation reactor 41b, which is filled with a dehydration hydrogenation catalyst. On the dehydration hydrogenation catalyst, the hydrogen contained in the outlet gas of the second methanation reactor 33 reacts with the ethanol to form ethane, reducing the hydrogen concentration and yielding a fuel gas containing ethane. Cooling this fuel gas yields a fuel gas mainly composed of methane, also containing ethane.
プロセスの主要な箇所における、温度及び流量を表10に示す。 Table 10 shows the temperature and flow rate at key points in the process.
得られる燃料ガスの組成(脱水後の体積基準)は、メタン86.82%、エタン10.91%、水素1.82%、二酸化炭素0.45%、エチレン161ppm、一酸化炭素12ppmとなる。本発明の方法により、わずかな熱量調整を行うだけで都市ガスとして利用できる、メタン及びエタンを含む高発熱量の燃料ガス(高発熱量燃料ガス)が得られることがわかる。 The composition of the resulting fuel gas (by volume after dehydration) is 86.82% methane, 10.91% ethane, 1.82% hydrogen, 0.45% carbon dioxide, 161 ppm ethylene, and 12 ppm carbon monoxide. This demonstrates that the method of the present invention can produce a high-calorific value fuel gas containing methane and ethane that can be used as city gas with only minor adjustments to its calorific value.
また、各反応器の出口において、炭素活量は1を下回っており、化学平衡的には炭素析出が回避される。 Furthermore, the carbon activity at the outlet of each reactor is less than 1, thus avoiding carbon deposition in terms of chemical equilibrium.
以下に示す試験例は、本発明の高発熱量燃料ガス製造方法のうち、水蒸気改質工程に関する試験例である。 The following test examples relate to the steam reforming step in the high-calorific value fuel gas production method of the present invention.
〔試験例1〕
ステンレス製反応管(内径20mm)の中心部に温度計測用のさや管(外径6mm)を通し、反応管とさや管の間に、活性アルミナ担体(2~4mmの球状)に2質量%のルテニウムを担持した触媒12mL(約9g)を充填し、触媒層を形成した。触媒層の上下いずれにも、アルミナボールを30mmの高さに充填した。この反応管を電気炉内に装填して、触媒層上のアルミナボール層の中心部の温度が250℃となるよう加熱しながら、窒素ガスに2%の水素ガス(体積基準)を混合した還元ガスを流通し、1時間還元処理を行った。
[Test Example 1]
A temperature measuring sheath tube (6 mm outer diameter) was passed through the center of a stainless steel reaction tube (20 mm inner diameter). 12 mL (approximately 9 g) of catalyst, consisting of activated alumina supports (2-4 mm spherical), bearing 2% by mass of ruthenium, was packed between the reaction tube and the sheath tube to form a catalyst layer. Alumina balls were packed to a height of 30 mm both above and below the catalyst layer. This reaction tube was loaded into an electric furnace, and while heating until the temperature of the center of the alumina ball layer above the catalyst layer reached 250°C, a reducing gas mixture of nitrogen gas and 2% hydrogen gas (by volume) was circulated, and the reduction treatment was carried out for 1 hour.
上記還元処理後、反応管内の圧力を0.7MPa(絶対圧)に保って、触媒層上のアルミナボール層の中心部、すなわち触媒層上端より15mm上の温度が250℃となるよう加熱しながら、エタノール200mL/分(0℃、1気圧の標準状態における体積、以下同様)、水素400mL/分、水蒸気400mL/分を混合したガスを触媒層に、上から下に向けて流通した。触媒層出口ガスは、氷冷トラップで凝縮成分(水、エタノール)を分離したのち、ガス中の一酸化炭素、二酸化炭素、水素及び窒素を、ガスクロマトグラフ(アジレント製Micro-GC、TCD検出器付き)で、炭化水素(メタン、エチレン、エタン、プロピレン、プロパン、ブタン)及びエタノールをガスクロマトグラフ(島津製作所製GC-2014、FID検出器付き)で分析した。また、氷冷トラップで凝縮した凝縮水中のエタノールは、ガスクロマトグラフ(島津製作所製GC-2014、FID検出器付き)で分析した。 After the reduction treatment described above, the pressure inside the reaction tube was maintained at 0.7 MPa (absolute pressure), and a mixture of ethanol (200 mL/min at standard conditions of 0°C and 1 atm, 15 mm above the top of the catalyst layer), hydrogen (400 mL/min), and water vapor (400 mL/min) was flowed through the catalyst layer from top to bottom while heating the center of the alumina ball layer on the catalyst layer, i.e., 15 mm above the top of the catalyst layer, to reach a temperature of 250°C. The gas at the outlet of the catalyst layer was separated from condensed components (water, ethanol) using an ice-cooled trap. Carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, and nitrogen in the gas were analyzed using a gas chromatograph (Agilent Micro-GC with TCD detector), and hydrocarbons (methane, ethylene, ethane, propylene, propane, butane) and ethanol were analyzed using a gas chromatograph (Shimadzu GC-2014 with FID detector). Furthermore, the ethanol in the condensed water obtained using the ice-cooled trap was analyzed using a gas chromatograph (Shimadzu GC-2014, with FID detector).
なお、温度制御点を触媒層内部ではなく、触媒層上端より上のアルミナボール層の部分としたのは、触媒層内部では反応に伴う発熱により正確に温度を計測することが難しいためである。アルミナボール層内では、反応は進行しないため、触媒層入口のガス温度はアルミナボール層の中心部とほぼ一致する。以下では、触媒入口温度と記載した場合、触媒層上のアルミナボール層の中心部の温度を指すものとする。なお、触媒層内部(上部、中部、下部の3点)の温度もさや管内に挿入した熱電対を用いて計測した。 The temperature control point was chosen to be the alumina ball layer above the top of the catalyst layer, rather than inside the catalyst layer itself, because accurately measuring the temperature inside the catalyst layer is difficult due to the heat generated by the reaction. Since the reaction does not proceed within the alumina ball layer, the gas temperature at the catalyst layer inlet is approximately the same as that at the center of the alumina ball layer. In the following, "catalyst inlet temperature" refers to the temperature at the center of the alumina ball layer above the catalyst layer. The temperatures inside the catalyst layer (at three points: top, middle, and bottom) were also measured using thermocouples inserted into the sheath tube.
250℃での測定が終わった後、試験ガスを流通したまま、触媒入口温度を300℃、350℃、400℃に順次変更し、同様に触媒層出口ガスをガスクロマトグラフで分析した。 After the measurement at 250°C was completed, the catalyst inlet temperature was sequentially changed to 300°C, 350°C, and 400°C while the test gas was still flowing, and the catalyst outlet gas was analyzed similarly using gas chromatography.
反応におけるエタノール転化率を次の式により計算した。触媒層出口ガスに含まれるエタノールには、氷冷トラップを通過したガスに加えて、氷冷トラップで凝縮した水に溶解しているエタノールも含んでいる。
エタノール転化率[%]=100×{1-(触媒層出口ガスに含まれるエタノールの単位時間当たりの物質量)/(触媒層に供給したエタノールの単位時間当たりの物質量)}
The ethanol conversion rate in the reaction was calculated using the following formula. The ethanol contained in the catalyst outlet gas includes not only the gas that passed through the ice-cooled trap, but also the ethanol dissolved in the water condensed in the ice-cooled trap.
Ethanol conversion rate [%] = 100 × {1 - (amount of ethanol per unit time contained in the catalyst outlet gas) / (amount of ethanol per unit time supplied to the catalyst layer)}
触媒入口温度ごとの、触媒層上部、中部及び下部温度、並びに凝縮水分離後のガス組成の分析結果、エタノール転化率を表11に示す。 Table 11 shows the temperatures of the upper, middle, and lower parts of the catalyst layer at each catalyst inlet temperature, as well as the analysis results of the gas composition after condensate separation and the ethanol conversion rate.
触媒入口温度250℃のとき、生成したガスは、メタン88.7%、水素9.3%と二酸化炭素2.0%を含むメタン主成分のガスとなった。エタノール転化率は98.0%であり、凝縮水中に若干のエタノールが残存していた。触媒層内の最高温度は339℃(上部)で、触媒層出口では284℃であった。メタンの生成に伴う発熱で、触媒層内の温度は触媒入口温度より高くなるものの、触媒層が十分に断熱されていないため、触媒層内で放熱により温度が低下することがわかる。 At a catalyst inlet temperature of 250°C, the generated gas was primarily methane, containing 88.7% methane, 9.3% hydrogen, and 2.0% carbon dioxide. The ethanol conversion rate was 98.0%, with a small amount of ethanol remaining in the condensate. The maximum temperature within the catalyst layer was 339°C (upper part), and it was 284°C at the catalyst layer outlet. Although the temperature within the catalyst layer rises above the catalyst inlet temperature due to the heat generated by methane production, it can be seen that the temperature decreases within the catalyst layer due to heat dissipation because the catalyst layer is not sufficiently insulated.
触媒入口温度300℃のとき、生成したガスは、メタン87.6%を含むメタン主成分のガスとなった。エタノール転化率は100%であり、ガス中にも凝縮水中にもエタノールは検出されなかった。触媒層内の最高温度は371℃であった。触媒層入口温度250℃のときに比べて、触媒層内の最高温度が高くなったため、エタノールの完全転化が達成されたと考えられる。なお、表3に示した断熱での水蒸気改質のプロセス計算の結果では、触媒層出口温度は591℃であったが、本試験例の条件では、放熱が大きいため、触媒層内の最高温度は371℃にとどまったと考えられる。一方、触媒層下部温度が319℃と低くなったため、メタン化反応が平衡的に進行しやすくなり、生成ガスのメタン濃度は、表3(38.83%)と比べて大幅に高くなった。 At a catalyst inlet temperature of 300°C, the generated gas was primarily methane, containing 87.6% methane. The ethanol conversion rate was 100%, and no ethanol was detected in either the gas or the condensed water. The maximum temperature within the catalyst layer was 371°C. Compared to the case with a catalyst inlet temperature of 250°C, the higher maximum temperature within the catalyst layer suggests that complete ethanol conversion was achieved. Note that in the process calculations for adiabatic steam reforming shown in Table 3, the catalyst layer outlet temperature was 591°C. However, under the conditions of this test example, the high heat dissipation likely resulted in the maximum temperature within the catalyst layer remaining at 371°C. On the other hand, the lower catalyst layer temperature was 319°C, which facilitated the methanation reaction to proceed in equilibrium, resulting in a significantly higher methane concentration in the generated gas compared to Table 3 (38.83%).
触媒入口温度を、350℃、400℃とすると、触媒出口温度が高くなることにより、生成ガスのメタン濃度は、触媒入口温度300℃のときと比較して、やや低くなった。 When the catalyst inlet temperature was set to 350°C and 400°C, the methane concentration of the generated gas was slightly lower compared to when the catalyst inlet temperature was 300°C, due to the higher catalyst outlet temperature.
〔試験例2〕
触媒層に供給するガスのうち水素の半量を窒素に置き換えて、エタノール200mL/分、水素200mL/分、窒素200mL/分、水蒸気400mL/分としたほかは、試験例1と同様に試験した。窒素は、単位時間当たりに触媒に供給するガスの合計流量を試験例1と同じとするため添加したものである。
[Test Example 2]
The experiment was conducted in the same manner as in Test Example 1, except that half of the hydrogen supplied to the catalyst layer was replaced with nitrogen, resulting in a flow rate of 200 mL/min of ethanol, 200 mL/min of hydrogen, 200 mL/min of nitrogen, and 400 mL/min of water vapor. Nitrogen was added to ensure that the total flow rate of gas supplied to the catalyst per unit time was the same as in Test Example 1.
触媒入口温度ごとの、触媒層上部、中部及び下部温度、並びに凝縮水分離後のガス組成の分析結果、エタノール転化率を表12に示す。 Table 12 shows the temperatures of the upper, middle, and lower parts of the catalyst layer at each catalyst inlet temperature, as well as the analysis results of the gas composition after condensate separation and the ethanol conversion rate.
触媒入口温度250℃のとき、生成したガスは、メタン51.6%、水素5.9%、二酸化炭素8.7%と、微量(0.02%以下)のエタン及びプロパンを含むメタン主成分のガスとなった。窒素を除いても、生成ガス中には二酸化炭素が多量に残存したが、これは量論的に、エタノールに含まれるすべての炭素をメタン化するには水素が不足するためである。エタノール転化率は97.8%であり、凝縮水に加えて、ガスにも若干のエタノールが残存していた。触媒層内の最高温度は363℃(上部)で、触媒層下部では336℃であった。触媒入口温度300℃以上では、エタノール転化率は100%となり、生成ガス中の炭化水素はメタンのみとなった。 At a catalyst inlet temperature of 250°C, the generated gas consisted of 51.6% methane, 5.9% hydrogen, and 8.7% carbon dioxide, with trace amounts (less than 0.02%) of ethane and propane, resulting in a methane-dominant gas. Even after removing nitrogen, a large amount of carbon dioxide remained in the generated gas; this is because, stoichiometrically, there was insufficient hydrogen to convert all the carbon in the ethanol into methane. The ethanol conversion rate was 97.8%, and in addition to condensed water, some ethanol remained in the gas. The maximum temperature within the catalyst layer was 363°C (upper part), and 336°C in the lower part of the catalyst layer. At catalyst inlet temperatures above 300°C, the ethanol conversion rate reached 100%, and the only hydrocarbon in the generated gas was methane.
〔試験例3〕
触媒層に供給するガスの水素の全量を窒素に置き換えて、エタノール200mL/分、窒素400mL/分、水蒸気400mL/分としたほかは、試験例1と同様に試験した。
[Test Example 3]
The test was conducted in the same manner as in Test Example 1, except that the entire amount of hydrogen supplied to the catalyst layer was replaced with nitrogen, resulting in ethanol at 200 mL/min, nitrogen at 400 mL/min, and water vapor at 400 mL/min.
触媒入口温度ごとの、触媒層上部、中部及び下部温度、並びに凝縮水分離後のガス組成の分析結果、エタノール転化率を表13に示す。 Table 13 shows the temperatures of the upper, middle, and lower parts of the catalyst layer at each catalyst inlet temperature, as well as the analysis results of the gas composition after condensate separation and the ethanol conversion rate.
触媒入口温度250℃のとき、エタノール転化率は11.5%にとどまった。触媒入口温度の上昇とともに、エタノール転化率は上昇したが、触媒入口温度400℃でもエタノール転化率は64.6%にとどまった。また、いずれの温度でも生成ガス(窒素を控除した後)は水素が主成分で、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンと、少量(0.02%~4.0%)のC2~C4炭化水素(エチレン、エタン、プロピレン、プロパン及びブタン)を含んでいた。 At a catalyst inlet temperature of 250°C, the ethanol conversion rate was only 11.5%. While the ethanol conversion rate increased with increasing catalyst inlet temperature, it remained at 64.6% even at 400°C. Furthermore, at all temperatures, the generated gas (after excluding nitrogen) was primarily hydrogen, containing carbon monoxide, carbon dioxide, methane, and small amounts (0.02% to 4.0%) of C2-C4 hydrocarbons (ethylene, ethane, propylene, propane, and butane).
〔試験例1~3の評価〕
本発明に従い、エタノールに、水素/エタノールのモル比2.0、水蒸気/エタノールのモル比2.0となるように水素及び水蒸気を添加して、ルテニウムを含有する触媒に接触させた試験例1では、触媒入口温度250℃以上であれば、エタノールはほぼ転化し、メタンを主成分とするガスが得られる。また、触媒入口温度300℃以上、触媒層内の最高温度が370℃以上となる条件で接触させると、エタノールは完全にメタン主成分ガスに転化することができる。
[Evaluation of Test Examples 1-3]
In Test Example 1, according to the present invention, hydrogen and water vapor were added to ethanol so that the molar ratio of hydrogen/ethanol was 2.0 and the molar ratio of water vapor/ethanol was 2.0, and the mixture was brought into contact with a ruthenium-containing catalyst. When the catalyst inlet temperature was 250°C or higher, the ethanol was almost completely converted, and a gas mainly composed of methane was obtained. Furthermore, when the mixture was brought into contact with the catalyst under conditions where the catalyst inlet temperature was 300°C or higher and the maximum temperature in the catalyst layer was 370°C or higher, the ethanol could be completely converted into a gas mainly composed of methane.
一方、水素/エタノールのモル比を1.0にした試験例2では、エタノールの転化率は水素/エタノールのモル比2.0の場合と同程度であるものの、生成したガス中に多量の二酸化炭素が残存する。 On the other hand, in Test Example 2, where the hydrogen/ethanol molar ratio was 1.0, the ethanol conversion rate was about the same as in the case of a hydrogen/ethanol molar ratio of 2.0, but a large amount of carbon dioxide remained in the generated gas.
また、水素を添加しない試験例3では、エタノールは触媒入口温度400℃(触媒層内部温度392℃~398℃)でも完全転化しない。特許文献3に開示されているように、水素を添加しない単なるエタノールの水蒸気改質反応で、十分なエタノール転化率を得るには、400℃またはそれより高い温度が必要となる。 Furthermore, in Test Example 3, where hydrogen was not added, ethanol did not completely convert even at a catalyst inlet temperature of 400°C (catalyst layer internal temperature of 392°C to 398°C). As disclosed in Patent Document 3, a temperature of 400°C or higher is required to obtain a sufficient ethanol conversion rate in a simple ethanol steam reforming reaction without hydrogen addition.
実施例7及び比較例5は、長尺の反応管の入口側と出口側に触媒を2段に充填し、エタノール、水素及び水蒸気を含むガスを異なる温度で触媒に接触させて、入口側で水蒸気改質反応を、出口側でメタン化反応を行い、高発熱量燃料ガスの製造を試みた例である。 Examples 7 and Comparative Example 5 are examples in which catalysts were packed in two stages at the inlet and outlet ends of a long reaction tube, and gases containing ethanol, hydrogen, and water vapor were brought into contact with the catalysts at different temperatures to carry out a water vapor reforming reaction at the inlet end and a methane reaction at the outlet end, in an attempt to produce a high-calorific value fuel gas.
〔実施例7〕
ステンレス製反応管(内径20mm)の中心部に温度計測用のさや管(外径6mm)を通し、反応管とさや管の間に、活性アルミナ担体(2~4mmの球状)に2質量%のルテニウムを担持した触媒12mL(約9g)を充填し、水蒸気改質触媒層を形成した。水蒸気改質触媒層の上には、アルミナボールを30mmの高さに充填した。水蒸気改質触媒層の下には、アルミナボールを145mmの高さに充填し、水蒸気改質触媒を出たガスを冷却するための冷却ゾーンとし、そのさらに下に活性アルミナ担体(2~4mmの球状)に2質量%のルテニウムを担持した触媒43mL(約33g)を充填し、メタン化触媒層を形成した。さや管内の、水蒸気改質触媒層の上のアルミナボール層の中心部に当たる位置と、水蒸気改質触媒層の上部、中部及び下部にあたる位置、並びにメタン化触媒層の上部、中部及び下部にあたる位置に温度計測用の熱電対を設けた。
[Example 7]
A temperature measuring sheath tube (6 mm outer diameter) was passed through the center of a stainless steel reaction tube (20 mm inner diameter). Between the reaction tube and the sheath tube, 12 mL (approximately 9 g) of catalyst, in which 2 mass% of ruthenium was supported on activated alumina supports (2-4 mm spherical), was packed to form a steam reforming catalyst layer. Above the steam reforming catalyst layer, alumina balls were packed to a height of 30 mm. Below the steam reforming catalyst layer, alumina balls were packed to a height of 145 mm to form a cooling zone for cooling the gas emitted from the steam reforming catalyst. Further below that, 43 mL (approximately 33 g) of catalyst, in which 2 mass% of ruthenium was supported on activated alumina supports (2-4 mm spherical), was packed to form a methanation catalyst layer. Thermocouples for temperature measurement were installed inside the sheath tube at the center of the alumina ball layer above the steam reforming catalyst layer, at the upper, middle, and lower parts of the steam reforming catalyst layer, and at the upper, middle, and lower parts of the methane catalyst layer.
この反応管を電気炉に装填した。電気炉は、上段、中段、下段の3ゾーンからなっており、それぞれの加熱出力を個別に制御可能となっている。水蒸気改質触媒層の下端が、電気炉の上段ヒーターの下端と同じ高さに位置し、下段ヒーターの上下端がメタン化触媒層の上下端と同じ高さに位置するように、反応管を電気炉に装填した。 The reaction tube was loaded into the electric furnace. The electric furnace consists of three zones: upper, middle, and lower, with the heating output of each zone individually controllable. The reaction tube was loaded into the electric furnace so that the lower end of the steam reforming catalyst layer was at the same height as the lower end of the upper heater, and the upper and lower ends of the lower heater were at the same height as the upper and lower ends of the methane catalyst layer.
上段ヒーターは、水蒸気改質触媒層の上のアルミナボール層の中心部の温度が約250℃となるよう制御し、下段ヒーターは、メタン化触媒層出口部の温度が250℃となるよう制御し、窒素ガスに2%の水素ガス(体積基準)を混合した還元ガスを流通して、1時間還元処理を行った。 The upper heater was controlled to maintain a temperature of approximately 250°C at the center of the alumina ball layer above the steam reforming catalyst layer, and the lower heater was controlled to maintain a temperature of 250°C at the outlet of the methane catalyst layer. A reducing gas, a mixture of nitrogen gas and 2% hydrogen gas (by volume), was then circulated, and the reduction treatment was performed for one hour.
上記還元処理後、反応管内の圧力を0.7MPa(絶対圧)に保って、上段ヒーターは、水蒸気改質触媒層の上のアルミナボール層の中心部の温度(水蒸気改質触媒入口温度)が300℃となるよう制御し、下段ヒーターは、メタン化触媒層出口部(下部)の温度が270℃となるよう制御しながら、エタノール200mL/分、水素400mL/分、水蒸気400mL/分を混合したガスを上から下に向けて触媒層に流通した。触媒層出口ガスは、試験例1と同様にして分析した。 After the reduction treatment described above, the pressure inside the reaction tube was maintained at 0.7 MPa (absolute pressure). The upper heater was controlled to maintain a temperature of 300°C at the center of the alumina ball layer above the steam reforming catalyst layer (steam reforming catalyst inlet temperature), while the lower heater was controlled to maintain a temperature of 270°C at the outlet (bottom) of the methane catalyst layer. A mixture of 200 mL/min of ethanol, 400 mL/min of hydrogen, and 400 mL/min of steam was circulated from top to bottom through the catalyst layer. The catalyst layer outlet gas was analyzed in the same manner as in Test Example 1.
反応開始から1,2,3,4時間経過時点での、水蒸気改質触媒入口温度、水蒸気改質触媒層上部、中部及び下部温度、メタン化触媒層上部、中部及び下部温度、並びに凝縮水分離後のガス組成の分析結果、エタノール転化率を表14に示す。 Table 14 shows the steam reforming catalyst inlet temperature, the upper, middle, and lower temperatures of the steam reforming catalyst layer, the upper, middle, and lower temperatures of the methane catalyst layer, and the analysis results of the gas composition after condensate separation, as well as the ethanol conversion rate, at 1, 2, 3, and 4 hours after the start of the reaction.
反応開始から1時間後には、水蒸気改質触媒入口温度は295℃で、水蒸気改質触媒上部温度は392℃、メタン化触媒出口温度(下部)は269℃であった。凝縮水分離後のガスは、メタン94.2%、水素5.3%、二酸化炭素0.5%となり、メタンを主成分とし、少量の水素と二酸化炭素を含むメタン主成分ガスとなっていた。エタノール転化率は100%であった。 One hour after the start of the reaction, the steam reforming catalyst inlet temperature was 295°C, the upper steam reforming catalyst temperature was 392°C, and the methanation catalyst outlet temperature (lower part) was 269°C. The gas after condensate separation consisted of 94.2% methane, 5.3% hydrogen, and 0.5% carbon dioxide, resulting in a methane-dominant gas with small amounts of hydrogen and carbon dioxide. The ethanol conversion rate was 100%.
反応開始から2時間以降は、水蒸気改質触媒入口温度は299~300℃で安定に制御され、水蒸気改質触媒層上部温度は397~401℃、メタン化触媒出口温度(下部)は270~271℃で、反応は安定して継続した。凝縮水分離後のガスは、メタン95%、水素4%、二酸化炭素1%で安定して推移し、都市ガス原料として利用しやすい、メタン純度の高いガスが得られた。エタノール転化率は100%で推移した。 From two hours after the start of the reaction, the steam reforming catalyst inlet temperature was stably controlled at 299–300°C, the upper steam reforming catalyst layer temperature was 397–401°C, and the methanation catalyst outlet temperature (lower part) was 270–271°C, allowing the reaction to continue stably. The gas after condensate separation remained stable at 95% methane, 4% hydrogen, and 1% carbon dioxide, yielding a high-purity methane gas suitable for use as a raw material for city gas. The ethanol conversion rate remained at 100%.
〔比較例5〕
触媒層に供給するガスを、エタノール200mL/分、水素200mL/分、水蒸気400mL/分を混合したガスとしたほかは、実施例7と同様に試験した。
[Comparative Example 5]
The test was conducted in the same manner as in Example 7, except that the gas supplied to the catalyst layer was a mixture of ethanol (200 mL/min), hydrogen (200 mL/min), and water vapor (400 mL/min).
反応開始から1,2,3,4時間経過時点での、水蒸気改質触媒入口温度、水蒸気改質触媒層上部、中部及び下部温度、メタン化触媒層上部、中部及び下部温度、並びに凝縮水分離後のガス組成の分析結果、エタノール転化率を表15に示す。 Table 15 shows the steam reforming catalyst inlet temperature, the upper, middle, and lower temperatures of the steam reforming catalyst layer, the upper, middle, and lower temperatures of the methane catalyst layer, and the analysis results of the gas composition after condensate separation, as well as the ethanol conversion rate, at 1, 2, 3, and 4 hours after the start of the reaction.
エタノール転化率は100%で安定に推移した。凝縮水分離後のガスの組成は、メタン85.5%、水素1.9%、二酸化炭素12.6%で安定して推移した。得られたガスは、メタンが主成分であるが、二酸化炭素濃度が高いことから、何らかの二酸化炭素除去工程を経なければ、都市ガス原料として利用することは難しい。 The ethanol conversion rate remained stable at 100%. The gas composition after condensate separation remained stable at 85.5% methane, 1.9% hydrogen, and 12.6% carbon dioxide. Although the obtained gas is primarily methane, its high carbon dioxide concentration makes it difficult to use as a raw material for city gas without some kind of carbon dioxide removal process.
〔その他の実施形態〕
最後に、本発明に係る高発熱量燃料ガスの製造方法のその他の実施形態について説明する。なお、以下のそれぞれの実施形態で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することも可能である。
[Other Embodiments]
Finally, other embodiments of the method for producing high-calorific value fuel gas according to the present invention will be described. Note that the configurations disclosed in each of the following embodiments can be applied in combination with configurations disclosed in other embodiments, as long as no inconsistencies arise.
実施例1~6の実施形態では、水蒸気改質工程に用いる水蒸気改質反応器を断熱型の反応器で構成した例について特に説明した。しかし、本発明に係る水蒸気改質工程において用いる反応器は、特に限定されず、熱交換型反応器で構成してもよい。 In the embodiments of Examples 1 to 6, examples in which the steam reforming reactor used in the steam reforming process is configured as an adiabatic reactor were particularly described. However, the reactor used in the steam reforming process according to the present invention is not particularly limited and may be configured as a heat exchange reactor.
実施例1~6の実施形態では、水蒸気改質反応器とメタン化工程に用いるメタン化反応器とが別個の反応器に収容され、さらに熱交換器を備えて、水蒸気改質反応器を出たガスが熱交換器に通じて冷却されたのち、メタン化反応器に挿入されるよう構成した例について、特に説明した。しかし、本発明に係る水蒸気改質反応器とメタン化反応器とは、一体で構成されていてもよく、例えば、単一の反応器に、同一又は異なる触媒を充填して、入口付近には熱交換器を設けないか、あるいは出口付近に対して、入口付近の熱交換能力を小さく設計することにより、反応器の前半部では断熱あるいはそれに近い条件で反応を進行させ、後半部では等温あるいはそれに近い条件で反応を進行させてもよい。この場合、原料ガスが300℃で水蒸気改質反応器に導入され、前半部では断熱的に反応が進行して、触媒層温度のピークが例えば400℃程度となるようにし、後半部では水蒸気改質反応で生成したガスが徐々に冷却されて、メタン化反応が進行し、230℃以上330℃以下となって反応器を出るように設計してもよい。この場合、反応器の前半部で、水蒸気改質工程が行われ、反応器の後半部でメタン化反応工程が実施されることになる。 In the embodiments of Examples 1 to 6, examples were particularly described in which the steam reforming reactor and the methane reactor used in the methane process are housed in separate reactors, and further equipped with a heat exchanger, so that the gas exiting the steam reforming reactor is cooled by passing it through the heat exchanger before being inserted into the methane reactor. However, the steam reforming reactor and the methane reactor according to the present invention may be configured as a single unit. For example, by filling a single reactor with the same or different catalysts, and by not providing a heat exchanger near the inlet, or by designing the heat exchange capacity near the inlet to be smaller than that near the outlet, the reaction may proceed under adiabatic or near-adiabatic conditions in the first half of the reactor, and under isothermal or near-adiabatic conditions in the second half. In this case, the raw material gas is introduced into the steam reforming reactor at 300°C. The reaction proceeds adiabatically in the first half, with the catalyst layer temperature peaking at, for example, around 400°C. In the second half, the gas produced by the steam reforming reaction is gradually cooled, and the methane reaction proceeds, with the reactor exiting at a temperature between 230°C and 330°C. In this scenario, the steam reforming process takes place in the first half of the reactor, and the methane reaction process is carried out in the second half.
また、本発明は、従来公知のメタン転化率の向上手段の併用を排除するものではなく、例えば、多段型反応の途中段で、反応ガスを冷却して水蒸気の一部を凝縮、分離する構成としてもよい。この場合でも、本発明の方法を用いると、水蒸気を極端に除去することなく、燃料ガス中の水素及び二酸化炭素濃度を低下させることができる。 Furthermore, the present invention does not exclude the use of conventionally known methods for improving methane conversion rates. For example, a configuration may be used in which the reaction gas is cooled in an intermediate stage of a multi-stage reaction to condense and separate a portion of the water vapor. Even in this case, the method of the present invention can reduce the concentrations of hydrogen and carbon dioxide in the fuel gas without excessively removing water vapor.
なお、上記実施形態(別実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。 Furthermore, the configurations disclosed in the above embodiments (including other embodiments, the same applies hereinafter) can be applied in combination with configurations disclosed in other embodiments, provided that no inconsistencies arise. Moreover, the embodiments disclosed herein are illustrative, and the embodiments of the present invention are not limited thereto; they can be modified as appropriate without departing from the purpose of the present invention.
本発明は、たとえば、都市ガスとして供給するための燃料ガスを製造する方法として利用することができる。 This invention can be used, for example, as a method for producing fuel gas for supply as city gas.
1 :原料ガス調整部
2 :水蒸気改質反応部
3 :メタン化反応部
4a :選択酸化反応部
4b :脱水水素化反応部
1: Raw material gas adjustment section 2: Steam reforming reaction section 3: Methanation reaction section 4a: Selective oxidation reaction section 4b: Dehydration and hydrogenation reaction section
Claims (5)
前記原料ガスをルテニウム又はニッケルを含有する触媒に300℃以上700℃以下で接触させる水蒸気改質工程と、
前記水蒸気改質工程で得られ、冷却されたガスをルテニウム又はニッケルを含有する触媒に触媒出口温度が230℃以上330℃以下となる条件で接触させるメタン化工程と、を含み、
前記水蒸気改質工程の触媒出口温度は、前記メタン化工程の触媒出口温度よりも高い高発熱量燃料ガスの製造方法。 A process of preparing a raw material gas by adding hydrogen and water vapor to ethanol such that the molar ratio of hydrogen/ethanol is 2.0 or more and 2.5 or less, and the molar ratio of water vapor/ethanol is 1.2 or more and 4 or less.
A steam reforming step in which the aforementioned raw material gas is brought into contact with a catalyst containing ruthenium or nickel at a temperature of 300°C to 700°C,
The process includes a methanation step in which the gas obtained in the steam reforming step and cooled is brought into contact with a catalyst containing ruthenium or nickel under conditions that the catalyst outlet temperature is between 230°C and 330°C.
A method for producing a high-calorific value fuel gas , wherein the catalyst outlet temperature of the steam reforming step is higher than the catalyst outlet temperature of the methane step .
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