JP7714877B2 - 炭化水素生成システム及び炭化水素生成方法 - Google Patents

Description

本開示は、炭化水素生成システム及び炭化水素生成方法に関する。

炭化水素は、エネルギー源及び化学製品の原料などとして広く用いられており、その多くは化石燃料を原料として生成されている。しかしながら、化石燃料を由来とする生成物を燃やすと、地球温暖化の原因として問題視されている大気中の二酸化炭素濃度が増加する。一方、炭化水素は、二酸化炭素を含む原料から生成することができ、工場の排気ガスなどに含まれる二酸化炭素から炭化水素を生成することで、二酸化炭素の排出を抑制することが期待されている。

しかしながら、二酸化炭素及び水素を含む原料から炭化水素を生成する場合、生成物には、目的とする炭化水素だけでなく、未反応の二酸化炭素及び水素も含まれる。そこで、特許文献１に開示されたメタン製造装置は、水素と二酸化炭素とを含むガスからメタンを製造する第一メタネーション反応器と、第一メタネーション反応器で残留した物質からメタンを製造する第二メタネーション反応器とを有している。また、第一メタネーション反応器に流入する反応ガスの変動に応じて第一メタネーション反応器が化学平衡状態に近づくように第一メタネーション反応器に流入する反応ガスをバイパスして第二メタネーション反応器に流入させている。

特開２０１８－１３５２８３号公報

特許文献１のメタン製造装置では、第一メタネーション反応器で残留した物質からメタンを製造し、反応工程を多段階とすることで、メタンの生成効率向上を図っている。しかしながら、第一メタネーション反応器入口の圧力の変動、及び各原料を供給するためのバルブ開度のずれなどにより、第一メタネーション反応器へ供給される二酸化炭素と水素との比率が変動する場合がある。従来のメタン製造装置では、このような比率の変動を抑制することができないため、第二メタネーション反応器で生成される炭化水素を安定的に又は高純度で得ることができないおそれがある。

そこで、本開示は、炭化水素を安定的に又は高純度で生成することが可能な炭化水素生成システム及び炭化水素生成方法を提供することを目的とする。

本開示に係る炭化水素生成システムは、二酸化炭素及び水素を含む第１原料から炭化水素を生成する第１反応器と、第２原料から炭化水素を生成する第２反応器とを備えている。炭化水素生成システムは、第１原料に含まれる二酸化炭素及び水素の量に応じた量の二酸化炭素を第２反応器に供給する二酸化炭素供給部を備えている。炭化水素生成システムは、第１原料に含まれる二酸化炭素及び水素の量に応じた量の水素を第２反応器に供給する水素供給部を備えている。第２原料は、第１反応器から供給される二酸化炭素及び水素の少なくともいずれか一方、並びに、二酸化炭素供給部から供給される二酸化炭素及び水素供給部から供給される水素の少なくともいずれか一方を含んでいる。

炭化水素生成システムは第１原料に含まれる二酸化炭素の濃度を測定する二酸化炭素濃度測定部をさらに備え、第１原料に含まれる二酸化炭素の量は二酸化炭素濃度測定部によって測定された二酸化炭素の濃度であってもよい。

炭化水素生成システムは第１原料に含まれる水素の濃度を測定する水素濃度測定部をさらに備え、第１原料に含まれる水素の量は水素濃度測定部によって測定された水素の濃度であってもよい。

炭化水素生成システムは第１原料に含まれる二酸化炭素の流量を測定する二酸化炭素流量測定部をさらに備え、第１原料に含まれる二酸化炭素の量は二酸化炭素流量測定部によって測定された二酸化炭素の流量であってもよい。

炭化水素生成システムは第１原料に含まれる水素の流量を測定する水素流量測定部をさらに備え、第１原料に含まれる水素の量は水素流量測定部によって測定された水素の流量であってもよい。

二酸化炭素供給部によって供給される二酸化炭素及び水素供給部によって供給される水素の少なくともいずれか一方は、第１反応器内の温度及び圧力の少なくともいずれか一方に応じて第２反応器へ供給されてもよい。

第１反応器及び第２反応器で生成される炭化水素は炭素数が２以上の直鎖の炭化水素を含んでいてもよい。

第１反応器及び第２反応器で生成される炭化水素はメタンを含んでいてもよい。

本開示に係る炭化水素生成方法は、二酸化炭素及び水素を含む第１原料から炭化水素を第１反応器で生成する第１反応工程と、第２原料から炭化水素を第２反応器で生成する第２反応工程とを含んでいる。炭化水素生成方法は、第１原料に含まれる二酸化炭素及び水素の量に応じた量の二酸化炭素を第２反応器に供給する二酸化炭素供給工程を含んでいる。炭化水素生成方法は、第１原料に含まれる二酸化炭素及び水素の量に応じた量の水素を第２反応器に供給する水素供給工程を含んでいる。第２原料は、第１反応器から供給される二酸化炭素及び水素の少なくともいずれか一方、並びに、二酸化炭素供給工程で供給される二酸化炭素及び水素供給工程で供給される水素の少なくともいずれか一方を含んでいる。

本開示によれば、炭化水素を安定的に又は高純度で生成することが可能な炭化水素生成システム及び炭化水素生成方法を提供することができる。

一実施形態に係る炭化水素生成システムを示す概略図である。 別の実施形態に係る炭化水素生成システムを示す概略図である。 第１原料における二酸化炭素及び水素の比と、第２原料における二酸化炭素及び水素の比との関係を示すグラフである。 第１原料の二酸化炭素及び水素の比と、第２反応器へ供給される水素の供給量との関係を示すグラフである。 第１原料の二酸化炭素及び水素の比と、第２反応器へ供給される二酸化炭素の供給量との関係を示すグラフである。

以下、いくつかの例示的な実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

［第１実施形態］
まず、第１実施形態に係る炭化水素生成システム１について図１を用いて説明する。図１に示すように、本実施形態に係る炭化水素生成システム１は、第１反応器２０と、第２二酸化炭素供給部３０（二酸化炭素供給部）と、第２水素供給部３５（水素供給部）と、第２反応器４０とを備えている。炭化水素生成システム１は、第１二酸化炭素供給部１０と、第１水素供給部１３と、二酸化炭素濃度測定部Ｑ１と、水素濃度測定部Ｑ２と、圧力測定部Ｐと、温度測定部Ｔと、制御部５０とをさらに備えていてもよい。

第１二酸化炭素供給部１０は、第１反応器２０に二酸化炭素を供給する。第１二酸化炭素供給部１０は、二酸化炭素供給源１１と流量調整部１２とを含んでいる。二酸化炭素供給源１１は、例えば、発電所及び工場などのような二酸化炭素発生源から排出された二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収部を含んでいてもよい。二酸化炭素発生源から回収された二酸化炭素を炭化水素の原料とすることにより、大気中に放出される二酸化炭素の量を低減し、有用な炭化水素を生成することができる。また、二酸化炭素を原料として炭化水素を生成することができれば、有限の資源である石油の使用も低減することができる。二酸化炭素回収部は、例えば、化学吸収法、圧力スウィング吸着法、温度スウィング吸着法、膜分離濃縮法又はこれらの組み合わせなどによって二酸化炭素を回収することができる。なお、二酸化炭素供給源１１は、上記のような形態に限定されず、例えば二酸化炭素を収容したタンクであってもよい。流量調整部１２は、例えば電磁弁を含んでいてもよく、電磁弁の開閉によって第１二酸化炭素供給部１０から第１反応器２０へ供給される二酸化炭素の供給量を調整してもよい。

第１水素供給部１３は、第１反応器２０に水素を供給する。第１水素供給部１３は、水素供給源１４と流量調整部１５とを含んでいる。水素供給源１４は、例えば水素などを収容したタンクであってもよい。水素は、太陽光、風力及び水力などの再生可能エネルギーを利用し、水を電気分解して得られたものを使用してもよい。このような水素を用いることにより、炭化水素生成システム１全体として、二酸化炭素の排出量を低減することができる。流量調整部１５は、例えば電磁弁を含んでいてもよく、電磁弁の開閉によって第１水素供給部１３から第１反応器２０へ供給される水素の供給量を調整してもよい。

なお、第１二酸化炭素供給部１０から供給された二酸化炭素及び第１水素供給部１３から供給された水素を第１原料として用いているが、本実施形態に係る炭化水素生成システム１は、このような形態に限定されない。例えば、二酸化炭素及び水素が混合された第１原料がタンクに収容され、第１原料がタンクから第１反応器２０へ供給されてもよい。

第１原料中の二酸化炭素に対する水素の量の比は、適宜設定することができるが、例えばモル比で１以上であってもよく、２以上であってもよく、３以上であってもよく、３．５以上であってもよく、４以上であってもよい。また、第１原料中の二酸化炭素に対する水素の量の比は、例えばモル比で８未満であってもよく、６未満であってもよく、５未満であってもよく、４．５未満であってもよい。なお、メタネーション反応の場合、第１原料中の二酸化炭素に対する水素の量の比は、量論比である４であってもよい。

二酸化炭素と水素とを含む第１原料は、第１流路１６を介して第１反応器２０に供給される。第１流路１６には、二酸化炭素濃度測定部Ｑ１と、水素濃度測定部Ｑ２と、圧縮機１７と、熱交換器１８と、圧力測定部Ｐと、温度測定部Ｔとが設けられている。

二酸化炭素濃度測定部Ｑ１は、第１原料に含まれる二酸化炭素の濃度を測定する。炭化水素生成システム１が二酸化炭素濃度測定部Ｑ１を備えることによって、第１原料中の二酸化炭素の量を正確に把握することができる。二酸化炭素の濃度に関する信号は、例えば二酸化炭素濃度測定部Ｑ１から制御部５０へ送られる。二酸化炭素濃度測定部Ｑ１は、二酸化炭素の濃度を測定することができれば特に限定されず、公知の二酸化炭素濃度計を含んでいてもよい。二酸化炭素濃度測定部Ｑ１はガスクロマトグラフを含んでいてもよい。

水素濃度測定部Ｑ２は、第１原料に含まれる水素の濃度を測定する。炭化水素生成システム１が水素濃度測定部Ｑ２を備えることによって、第１原料中の水素の量を正確に把握することができる。水素の濃度に関する信号は、例えば水素濃度測定部Ｑ２から制御部５０へ送られる。水素濃度測定部Ｑ２は、水素の濃度を測定することができれば特に限定されず、公知の水素濃度計を含んでいてもよい。水素濃度測定部Ｑ２はガスクロマトグラフを含んでいてもよい。

なお、本実施形態では、炭化水素生成システム１が二酸化炭素濃度測定部Ｑ１及び水素濃度測定部Ｑ２を備えている例について説明している。しかしながら、炭化水素生成システム１は、このような例に限定されず、二酸化炭素濃度測定部Ｑ１又は水素濃度測定部Ｑ２のいずれか一方を備えていてもよい。また、炭化水素生成システム１は二酸化炭素及び水素の濃度を測定する一の濃度測定部を備えていてもよい。

圧縮機１７は、第１原料を圧縮する。第１原料が圧縮されて第１反応器２０に供給されることによって、第１反応器２０内の圧力を、炭化水素を生成するために適した圧力に調整することができる。

熱交換器１８は、第１原料を加熱する。第１原料が加熱されて第１反応器２０に供給されることによって、第１反応器２０内の温度を、炭化水素を生成するために適した温度に調整することができる。熱交換器１８は、第１反応器２０に供給される第１原料の熱と、第１反応器２０で生成された生成ガスの熱とを交換する。これにより、エネルギー効率に優れた炭化水素生成システム１を提供することができる。なお、熱交換器１８は、第１原料を加熱することできればよいため、上記のような熱交換器に限定されず、加熱器であってもよい。

圧力測定部Ｐは、第１反応器２０内の圧力を測定する。第１反応器２０内の圧力に関する信号は、例えば圧力測定部Ｐから制御部５０へ送られる。本実施形態に係る炭化水素生成システム１では、圧力測定部Ｐが第１流路１６に設けられているが、圧力測定部Ｐが設けられる位置は特に限定されず、第１反応器２０に設けられていてもよい。圧力測定部Ｐの種類は、第１反応器２０内の圧力を測定することができれば特に限定されず、公知の圧力計を含んでいてもよい。

温度測定部Ｔは、第１反応器２０内の温度を測定する。第１反応器２０内の温度に関する信号は、例えば温度測定部Ｔから制御部５０へ送られる。本実施形態に係る炭化水素生成システム１では、温度測定部Ｔが第１流路１６に設けられているが、温度測定部Ｔが設けられる位置は特に限定されず、第１反応器２０に設けられていてもよい。温度測定部Ｔの種類は、第１反応器２０内の温度を測定することができれば特に限定されず、公知の温度計を含んでいてもよい。

第１反応器２０は、二酸化炭素及び水素を含む第１原料から炭化水素を生成する。第１反応器２０では、例えば、第１原料が通過する流路内に触媒が配置されており、第１原料が触媒に接触することによって炭化水素が生成される。第１反応器２０での反応条件は特に限定されないが、例えば、反応温度が２００℃～４００℃であり、圧力が０．１ＭＰａ～２ＭＰａである。炭化水素は炭素数が２以上の直鎖の炭化水素を含むことが好ましい。炭化水素はメタンを含むことも好ましい。パラフィンはアルカンを意味し、オレフィンはアルケンを意味する。これらの炭化水素は、エネルギー源及び化学製品の原料として用いることができるため、利用価値が高い。炭化水素は、メタネーション反応、及び、フィッシャー－トロプシュ反応などによって生成することができる。

メタネーション反応では、二酸化炭素と水素とを含む原料からメタンと水とを含む生成物を生成することができる。そのため、生成物から水を除去することにより、メタン濃度の高い生成物を得ることができる。メタンは、工場内のエネルギー源として直接使用したり、都市ガスとして直接供給したりすることができる。メタネーション反応には、例えば、シェルアンドチューブ型反応器のような多管式反応器を含む公知の反応器を用いてもよい。

メタネーション反応で使用される触媒は、メタンを生成することができれば特に限定されず、例えばニッケル触媒又はルテニウム触媒などの公知の触媒を使用することができる。ニッケル触媒はニッケルを活性成分として含む触媒であり、ルテニウム触媒はルテニウムを活性成分として含む触媒である。活性成分の含有量は、触媒全体の０．５質量％以上であることが好ましく、１０質量％以上であることがより好ましい。ニッケルを活性成分として含む場合には、活性成分の含有量は、触媒全体の１０質量％以上であることが好ましく、ルテニウムを活性成分として含む場合には、活性成分の含有量は、触媒全体の０．５質量％以上であることが好ましい。コスト及び高いメタン選択性の観点から、メタネーション反応ではニッケル触媒が用いられることが好ましい。

フィッシャー－トロプシュ反応では、二酸化炭素と水素とを含む原料から、炭素数が２以上の直鎖の炭化水素を含む炭化水素を生成することができる。また、二酸化炭素と水素とを含む原料から、パラフィン及びオレフィンの少なくともいずれか一方の炭化水素を生成することができる。パラフィン及びオレフィンの少なくともいずれか一方は、炭素数が１から４の炭化水素を含んでいることが好ましい。炭素数が１から４のパラフィンとしては、例えば、メタン、エタン、プロパン及びブタンが挙げられる。炭素数が１から４のオレフィンとしては、例えば、エチレン、プロピレン、１－ブテン、２－ブテン、イソブテン及び１，３－ブタジエンが挙げられる。なお、これらの中でも、炭素数が２以上４以下のオレフィンは、プラスチックの原料になるため有用である。フィッシャー－トロプシュ反応によって生成される生成物は、通常、複数種類の炭化水素を含んでいる。また、フィッシャー－トロプシュ反応で生成される生成物は、上記以外の化合物を含んでいてもよい。フィッシャー－トロプシュ反応には、例えば、シェルアンドチューブ型反応器のような多管式反応器、流動層型反応器又はスラリー床型反応器を含む公知の反応器を用いてもよい。

フィッシャー－トロプシュ反応で使用される触媒は、炭素数が２以上の直鎖の炭化水素を生成することができれば特に限定されず、例えば鉄触媒又はコバルト触媒などの公知の触媒を使用することができる。鉄触媒は軽質炭化水素を主に生成することができ、コバルト触媒はワックスを含む重質炭化水素を主に生成することができる。また、鉄触媒はオレフィン及びパラフィンを主として生成することができ、コバルト触媒はパラフィンを主として生成することができる。なお、鉄触媒は鉄を活性成分として含む触媒であり、コバルト触媒はコバルトを活性成分として含む触媒である。活性成分の含有量は、触媒全体の１０質量％以上であることが好ましい。フィッシャー－トロプシュ反応では鉄触媒が用いられてもよい。これにより、プラスチックの原料にもなる軽質オレフィン（低級オレフィン）を生成することができる。

第１反応器２０で生成される生成ガスには、目的とする炭化水素だけでなく、水並びに未反応の二酸化炭素及び水素の少なくともいずれか一方も含まれる。第１反応器２０で生成される生成ガスは、第２反応器４０に供給され、未反応物である二酸化炭素及び水素から炭化水素が第２反応器４０で生成される。第１反応器２０と第２反応器４０とを接続する第２流路２１には、熱交換器１８、冷却器２２、気液分離器２３、生成ガス流量測定部Ｆ１、熱交換器２４が設けられている。また、第２流路２１には、第２二酸化炭素供給部３０から二酸化炭素が供給され、第２水素供給部３５から水素が供給される。

熱交換器１８は、上述したように、第１反応器２０に供給される第１原料の熱と、第１反応器２０で生成された生成ガスの熱とを交換する。すなわち、熱交換器１８は、第１反応器２０で生成される生成ガスを冷却する。

冷却器２２は、熱交換器１８によって冷却された生成ガスをさらに冷却する。これにより、第１反応器２０で生成された生成ガス中の水蒸気をより確実に凝縮することができる。

気液分離器２３は、第１反応器２０で生成された生成ガスに含まれる水分を除去する。生成ガス中の水分を除去することにより、炭化水素が生成される方向に化学反応を進めることができるため、第２反応器４０での炭化水素の生成効率を向上させることができる。

生成ガス流量測定部Ｆ１は、第１反応器２０で生成された生成ガスの流量を測定する。生成ガスの流量を測定することによって、第１反応器２０に供給される水素及び二酸化炭素の量並びに生成ガスの流量から、生成ガスの二酸化炭素と水素との比率を算出することができる。これにより、第２反応器４０へ供給する二酸化炭素及び水素の量をより正確に算出することができる。生成ガスの流量に関する信号は、例えば生成ガス流量測定部Ｆ１から制御部５０へ送られる。生成ガス流量測定部Ｆ１は、生成ガスの流量を測定することができれば特に限定されず、公知の流量計を含んでいてもよい。なお、炭化水素生成システム１は、生成ガス流量測定部Ｆ１に代えて、生成ガス中の二酸化炭素及び水素のいずか一方の濃度を測定する濃度測定部を備えていてもよい。濃度測定部は、二酸化炭素濃度測定部Ｑ１又は水素濃度測定部Ｑ２と同様のものを用いることができる。

熱交換器２４は、第２原料を加熱する。第２原料が加熱されて第２反応器４０に供給されることによって、第２反応器４０内の温度を、炭化水素を生成するために適した温度に調整することができる。熱交換器２４は、第２反応器４０に供給される第２原料の熱と、第２反応器４０で生成された生成ガスの熱とを交換する。これにより、エネルギー効率に優れた炭化水素生成システム１を提供することができる。なお、熱交換器２４は、第２原料を加熱することできればよいため、上記のような熱交換器に限定されず、加熱器であってもよい。

第２二酸化炭素供給部３０は、第１原料に含まれる二酸化炭素及び水素の量に応じた量の二酸化炭素を第２反応器４０に供給する。第１原料に含まれる二酸化炭素の量は、例えば、二酸化炭素濃度測定部Ｑ１によって測定された二酸化炭素の濃度であってもよい。また、第１原料に含まれる水素の量は、例えば、水素濃度測定部Ｑ２によって測定された水素の濃度であってもよい。すなわち、第２二酸化炭素供給部３０は、二酸化炭素濃度測定部Ｑ１によって測定された二酸化炭素及び水素濃度測定部Ｑ２によって測定された水素の濃度に応じた量の二酸化炭素を供給してもよい。二酸化炭素及び水素の濃度に応じた量の二酸化炭素を第２反応器４０に供給することにより、より適正な量の二酸化炭素を第２反応器４０に供給することができる。

第２二酸化炭素供給部３０は、第１二酸化炭素供給部１０と同様に、二酸化炭素供給源３１と流量調整部３２とを含んでいる。二酸化炭素供給源３１は、二酸化炭素供給源１１と同様のものを採用してもよい。第１二酸化炭素供給部１０と第２二酸化炭素供給部３０とは、共通する１つの二酸化炭素供給源を含んでいてもよい。流量調整部３２は、例えば電磁弁を含んでいてもよく、電磁弁の開閉によって第２二酸化炭素供給部３０から第２反応器４０へ供給される二酸化炭素の供給量を調整してもよい。

第２水素供給部３５は、第１原料に含まれる二酸化炭素及び水素の量に応じた量の水素を第２反応器４０に供給する。第１原料に含まれる二酸化炭素の量は、例えば、二酸化炭素濃度測定部Ｑ１によって測定された二酸化炭素の濃度であってもよい。また、第１原料に含まれる水素の量は、例えば、水素濃度測定部Ｑ２によって測定された水素の濃度であってもよい。すなわち、第２水素供給部３５は、二酸化炭素濃度測定部Ｑ１によって測定された二酸化炭素及び水素濃度測定部Ｑ２によって測定された水素の濃度に応じた量の水素を供給してもよい。二酸化炭素及び水素の濃度に応じた量の水素を第２反応器４０に供給することにより、より適正な量の水素を第２反応器４０に供給することができる。

第２水素供給部３５は、水素供給源３６と流量調整部３７とを含んでいる。水素供給源３６は、水素供給源１４と同様のものを採用してもよい。第１水素供給部１３と第２水素供給部３５とは、共通する１つの水素供給源を含んでいてもよい。流量調整部３７は、例えば電磁弁を含んでいてもよく、電磁弁の開閉によって第２水素供給部３５から第２反応器４０へ供給される水素の供給量を調整してもよい。

第２二酸化炭素供給部３０によって供給される二酸化炭素及び第２水素供給部３５によって供給される水素の少なくともいずれか一方は、第１反応器２０内の温度及び圧力の少なくともいずれか一方に応じて第２反応器４０へ供給されてもよい。これによって、第２反応器４０での反応に適した組成を有する第２原料を、第２反応器４０に供給することができる。なお、本実施形態に係る炭化水素生成システム１では、温度は温度測定部Ｔによって測定され、圧力は圧力測定部Ｐにおいて測定される。

第２反応器４０は、第２原料から炭化水素を生成する。第２原料は、第１反応器２０から供給される二酸化炭素及び水素の少なくともいずれか一方、並びに、第２二酸化炭素供給部３０から供給される二酸化炭素及び第２水素供給部３５から供給される水素の少なくともいずれか一方を含む。第２反応器４０は、第１反応器２０と同様のものを採用することができ、メタネーション反応及びフィッシャー－トロプシュ反応などによって炭化水素を生成することができる。第２反応器４０は、第１反応器２０と第２反応器４０とで異なる反応手法を用いて炭化水素を生成してもよい。

第２反応器４０で生成され、炭化水素を含む生成ガスは、第３流路４１を介して第２反応器４０から排出される。第３流路４１には、熱交換器２４、背圧弁４２、冷却器４３及び気液分離器４４が設けられている。

熱交換器２４は、上述したように、第２反応器４０に供給される第２原料の熱と、第２反応器４０で生成された生成ガスの熱とを交換する。すなわち、熱交換器２４は、第２反応器４０で生成される生成ガスを冷却する。

背圧弁４２は、弁の開度を調整することにより、第１反応器２０内の圧力及び第２反応器４０内の圧力が所定の範囲内となるように調整する。

冷却器４３は、熱交換器２４によって冷却された生成ガスをさらに冷却する。これにより、第２反応器４０で生成された生成ガス中の水蒸気をより確実に凝縮することができる。

気液分離器４４は、第２反応器４０で生成された生成ガスに含まれる水分を除去する。生成ガス中の水分を除去することにより、高い純度の炭化水素を得ることができる。

制御部５０は、第２二酸化炭素供給部３０から供給される二酸化炭素の流量を制御する。また、制御部５０は、第２水素供給部３５から供給される水素の流量を制御する。制御部５０は、二酸化炭素濃度測定部Ｑ１、水素濃度測定部Ｑ２、圧力測定部Ｐ、温度測定部Ｔ及び生成ガス流量測定部Ｆ１からなる群より選択される少なくとも１つの要素で生成された信号に基づいて、第２二酸化炭素供給部３０が供給する二酸化炭素の供給量及び第２水素供給部３５が供給する水素の供給量を算出してもよい。制御部５０は、例えば、第２二酸化炭素供給部３０から供給される二酸化炭素の流量を流量調整部３２によって調整する。また、制御部５０は、例えば、第２水素供給部３５から供給される水素の流量を流量調整部３７によって調整する。

制御部５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）を含んでいてもよい。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されたプログラムを読み込み、プログラムに従って演算及び制御などの命令を実行することができる。プログラムには、例えば、第１原料に含まれる二酸化炭素及び水素の量から、第２反応器４０へ供給される二酸化炭素及び水素の供給量を算出する処理が含まれていてもよい。プログラムはＲＯＭ以外の記録媒体に予め格納されていてもよく、インターネット等を含む広域通信網を介して記録媒体に供給されてもよい。ＲＡＭは、二酸化炭素濃度測定部Ｑ１、水素濃度測定部Ｑ２、圧力測定部Ｐ、温度測定部Ｔ及び生成ガス流量測定部Ｆ１などから取得した情報を記憶し、ＣＰＵはＲＡＭに記憶された情報を読み出して演算などの処理に用いることができる。

第２反応器４０で生成された生成物が複数種類の炭化水素を含む場合、炭化水素生成システム１は化学構造に応じた炭化水素を分留などによって分離する分離装置を備えてもよい。分離装置は、脱メタン塔、脱エタン塔、脱エチレン塔、脱プロパン塔、脱プロピレン塔、脱ブタン塔及び脱ブテン塔のような少なくとも１つの分離塔を含んでいてもよい。これらの分離塔によって、複数種類の炭化水素を、メタン、エタン、エチレン、プロパン、プロピレン、ブタン及びブテンなどのような化学構造に応じて分離することができる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る炭化水素生成システム１について図２を用いて説明する。本実施形態に係る炭化水素生成システム１は、二酸化炭素濃度測定部Ｑ１に代えて二酸化炭素流量測定部Ｆ２を備え、水素濃度測定部Ｑ２に代えて水素流量測定部Ｆ３を備えている。上記以外については、本実施形態に係る炭化水素生成システム１は、第１実施形態に係る炭化水素生成システム１と同様の構成をしている。

二酸化炭素流量測定部Ｆ２は、第１原料に含まれる二酸化炭素の流量を測定する。炭化水素生成システム１が二酸化炭素流量測定部Ｆ２を備えることによって、第１原料中の二酸化炭素の量を正確に把握することができる。二酸化炭素の流量に関する信号は、例えば二酸化炭素流量測定部Ｆ２から制御部５０へ送られる。二酸化炭素流量測定部Ｆ２は、二酸化炭素の流量を測定することができれば特に限定されず、公知の流量計を含んでいてもよい。

水素流量測定部Ｆ３は、第１原料に含まれる水素の流量を測定する。炭化水素生成システム１が水素流量測定部Ｆ３を備えることによって、第１原料中の水素の量を正確に把握することができる。水素の濃度に関する信号は、例えば水素流量測定部Ｆ３から制御部５０へ送られる。水素流量測定部Ｆ３は、水素の流量を測定することができれば特に限定されず、公知の流量計を含んでいてもよい。

なお、本実施形態では、炭化水素生成システム１が二酸化炭素流量測定部Ｆ２及び水素流量測定部Ｆ３を備えている例について説明している。しかしながら、炭化水素生成システム１は、このような例に限定されず、二酸化炭素流量測定部Ｆ２又は水素流量測定部Ｆ３のいずれか一方を備えていてもよい。さらに、炭化水素生成システム１は、二酸化炭素濃度測定部Ｑ１及び水素濃度測定部Ｑ２の少なくともいずれか一方をさらに備えていてもよい。

第１実施形態と同様に、第２二酸化炭素供給部３０は、第１原料に含まれる二酸化炭素及び水素の量に応じた量の二酸化炭素を第２反応器４０に供給する。第１原料に含まれる二酸化炭素の量は、例えば、二酸化炭素流量測定部Ｆ２によって測定された二酸化炭素の流量であってもよい。また、第１原料に含まれる水素の量は、例えば、水素流量測定部Ｆ３によって測定された水素の流量であってもよい。したがって、第２二酸化炭素供給部３０は、二酸化炭素流量測定部Ｆ２によって測定された二酸化炭素及び水素流量測定部Ｆ３によって測定された水素の流量に応じた量の二酸化炭素を供給してもよい。二酸化炭素及び水素の流量に応じた量の二酸化炭素を第２反応器４０に供給することにより、より適正な量の二酸化炭素を第２反応器４０に供給することができる。

同様に、第２水素供給部３５は、第１原料に含まれる二酸化炭素及び水素の量に応じた量の水素を第２反応器４０に供給する。第１原料に含まれる二酸化炭素の量は、例えば、二酸化炭素流量測定部Ｆ２によって測定された二酸化炭素の流量であってもよい。また、第１原料に含まれる水素の量は、例えば、水素流量測定部Ｆ３によって測定された水素の流量であってもよい。したがって、第２水素供給部３５は、二酸化炭素流量測定部Ｆ２によって測定された二酸化炭素及び水素流量測定部Ｆ３によって測定された水素の流量に応じた量の水素を供給してもよい。二酸化炭素及び水素の流量に応じた量の水素を第２反応器４０に供給することにより、より適正な量の水素を第２反応器４０に供給することができる。

以上、本開示では、第１実施形態及び第２実施形態に係る炭化水素生成システム１及び炭化水素生成方法について説明した。すなわち、炭化水素生成システム１は、二酸化炭素及び水素を含む第１原料から炭化水素を生成する第１反応器２０と、第２原料から炭化水素を生成する第２反応器４０とを備えている。炭化水素生成システム１は、第１原料に含まれる二酸化炭素及び水素の量に応じた量の二酸化炭素を第２反応器４０に供給する第２二酸化炭素供給部３０を備えている。炭化水素生成システム１は、第１原料に含まれる二酸化炭素及び水素の量に応じた量の水素を第２反応器４０に供給する第２水素供給部３５を備えている。第２原料は、第１反応器２０から供給される二酸化炭素及び水素の少なくともいずれか一方、並びに、第２二酸化炭素供給部３０から供給される二酸化炭素及び第２水素供給部３５から供給される水素の少なくともいずれか一方を含んでいる。

炭化水素生成方法は、二酸化炭素及び水素を含む第１原料から炭化水素を第１反応器２０で生成する第１反応工程と、第２原料から炭化水素を第２反応器４０で生成する第２反応工程とを含んでいる。炭化水素生成方法は、第１原料に含まれる二酸化炭素及び水素の量に応じた量の二酸化炭素を第２反応器４０に供給する二酸化炭素供給工程を含んでいる。炭化水素生成方法は、第１原料に含まれる二酸化炭素及び水素の量に応じた量の水素を第２反応器４０に供給する水素供給工程を含んでいる。第２原料は、第１反応器２０から供給される二酸化炭素及び水素の少なくともいずれか一方、並びに、二酸化炭素供給工程で供給される二酸化炭素及び水素供給工程で供給される水素の少なくともいずれか一方を含んでいる。

本実施形態に係る炭化水素生成システム１は、二酸化炭素及び水素を含む第１原料から炭化水素を生成する第１反応器２０と、第２原料から炭化水素を生成する第２反応器４０とを備えている。そのため、第１反応器２０で未反応であった二酸化炭素及び水素を原料として第２反応器４０へ供給し、より高純度の炭化水素を得ることができる。しかしながら、第１反応器２０入口の圧力の変動、及び流量調整部１２及び流量調整部１５のバルブ開度のずれなどにより、第１反応器２０へ供給される二酸化炭素と水素との比率が変動する場合がある。また、第１反応器２０で生成された生成ガスに含まれる水を分離する場合、二酸化炭素が水中に溶解し、第２反応器４０に供給される二酸化炭素と水素との比率が、理想とする比率から外れるおそれがある。このような場合、第１反応器２０での転化率が想定よりも低下してしまい、第２反応器４０で生成される生成ガス中の炭化水素の濃度が所望の値を下回ってしまうおそれがある。

しかしながら、本実施形態に係る炭化水素生成システム１は、第１原料に含まれる二酸化炭素及び水素の量に応じた量の二酸化炭素を第２反応器４０に供給する第２二酸化炭素供給部３０を備えている。また、炭化水素生成システム１は、第１原料に含まれる二酸化炭素及び水素の量に応じた量の水素を第２反応器４０に供給する第２水素供給部３５を備えている。これにより、第１反応器２０に供給される第１原料中の二酸化炭素と水素との比率が所望の範囲から外れた場合であっても、第２二酸化炭素供給部３０及び第２水素供給部３５によって二酸化炭素及び水素をそれぞれ第２反応器４０に補完することができる。そのため、第２原料の二酸化炭素と水素との比率を、理想とする比率に調整することができる。これにより、第２反応器４０で生成される生成ガス中の炭化水素濃度が、所定の範囲内となるように調整される。したがって、本開示によれば、炭化水素を安定的に又は高純度で生成することが可能な炭化水素生成システム１及び炭化水素生成方法を提供することができる。

また、第２原料には第１反応器２０で生成された炭化水素が多く含まれており、第２反応器４０で生成される炭化水素の量は、第１反応器２０で生成される炭化水素の量に対して少なくなる傾向にある。すなわち、第２反応器４０で生成される炭化水素の量は、炭化水素生成システム１全体として多くはないため、炭化水素を安定的に又は高純度で生成するための制御が比較的容易である。

なお、大阪瓦斯株式会社の小売託送供給約款（２０１９年１１月１３日実施）によれば、受け入れられるメタン含有ガスの組成は、水素が４体積％以下であり、二酸化炭素が０．５体積％以下であることが求められている。このような条件を満たすガスを第１反応器２０及び第２反応器４０で生成するために必要な原料の供給量を算出した結果を図３に示す。具体的には、第１原料における水素の二酸化炭素に対する比（Ｈ_２／ＣＯ_２比）が３．６から４．４の範囲において、第２反応器４０で上記組成のメタン含有ガスが生成可能となる第２原料のＨ_２／ＣＯ_２比を算出した。なお、第１反応器２０及び第２反応器４０の反応条件は、温度３２５℃かつ圧力０．７ＭＰａＧとしている。

図３に示すように、第２原料のＨ_２／ＣＯ_２比を上限から下限の範囲にすれば、求められる組成のメタン含有ガスを生成可能であることが分かる。反応式：ＣＯ_２＋４Ｈ_２→ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏによれば、１モルのメタンは、１モルの二酸化炭素と４モルの水素から生成される。第２原料のＨ_２／ＣＯ_２比が４以上となっているのは、二酸化炭素の許容量が０．５体積％以下であるのに対し、水素の許容量が４体積％以下と許容範囲が広いことも理由として考えられる。

次に、第２反応器４０で上記メタン含有ガスを生成するための二酸化炭素及び水素の供給量の上限及び下限をそれぞれ算出した。第１原料のＨ_２／ＣＯ_２比と、第１反応器２０へ供給される二酸化炭素の供給量に対する第２反応器４０へ供給される水素の供給量の割合との関係を表１及び図４に示す。また、第１原料のＨ_２／ＣＯ_２比と、第１反応器２０へ供給される二酸化炭素の供給量に対する第２反応器４０へ供給される二酸化炭素の供給量の割合との関係を表２及び図５に示す。なお、第１反応器２０及び第２反応器４０の反応条件は、温度３２５℃かつ圧力０．７ＭＰａＧとしている。

表１及び表２並びに図３～図５に示すように、第１原料に含まれる二酸化炭素及び水素の量に応じた量の二酸化炭素又は水素を第２反応器４０に供給することにより、上記のような組成のメタン含有ガスを生成することが可能であることが分かる。また、これらの結果から、第１反応器２０に供給される第１原料のＨ_２／ＣＯ_２比が変動した場合であっても、二酸化炭素又は水素を第２反応器４０に供給することにより、炭化水素を安定的に又は高純度で生成することができることが分かる。

なお、上記実施形態では、炭化水素生成システム１が第１反応器２０及び第２反応器４０の２つの反応器を備える例について説明したが、炭化水素生成システム1は３つ以上の反応器を備えていてもよい。炭化水素生成システム１が３つ以上の反応器を備える場合、１段目の反応器を第１反応器２０とし、２段目の反応器を第２反応器４０としてもよく、２段目の反応器を第１反応器２０とし、３段目の反応器を第２反応器４０としてもよい。

いくつかの実施形態を説明したが、上記開示内容に基づいて実施形態の修正または変形をすることが可能である。上記実施形態のすべての構成要素、及び請求の範囲に記載されたすべての特徴は、それらが互いに矛盾しない限り、個々に抜き出して組み合わせてもよい。

本開示は、例えば、国際連合が主導する持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標７『すべての人々の、安価かつ信頼できる持続可能な近代的エネルギーへのアクセスを確保する』及び目標１３『気候変動及びその影響を軽減するための緊急対策を講じる』に貢献することができる。

１ 炭化水素生成システム
２０ 第１反応器
３０ 第２二酸化炭素供給部（二酸化炭素供給部）
３５ 第２水素供給部（水素供給部）
４０ 第２反応器
Ｑ１ 二酸化炭素濃度測定部
Ｑ２ 水素濃度測定部
Ｆ２ 二酸化炭素流量測定部
Ｆ３ 水素流量測定部

Claims (7)

1. 二酸化炭素及び水素を含む第１原料からフィッシャー－トロプシュ反応によって炭化水素を生成する第１反応器と、
   第２原料からフィッシャー－トロプシュ反応によって炭化水素を生成する第２反応器と、
   前記第１反応器に供給される前記第１原料中の二酸化炭素と水素との比率に応じた量の二酸化炭素を前記第２反応器に供給する二酸化炭素供給部と、
   前記第１反応器に供給される前記第１原料中の二酸化炭素と水素との比率に応じた量の水素を前記第２反応器に供給する水素供給部と、
   を備え、
   前記第２原料は、前記第１反応器から供給される二酸化炭素及び水素の少なくともいずれか一方、並びに、前記二酸化炭素供給部から供給される二酸化炭素及び前記水素供給部から供給される水素の少なくともいずれか一方を含み、
   前記第１反応器で生成される炭化水素は、前記第１原料が鉄触媒又はコバルト触媒に接触することによって生成された炭素数が２以上４以下の炭化水素を含み、
   前記第２反応器で生成される炭化水素は、前記第２原料が鉄触媒又はコバルト触媒に接触することによって生成された炭素数が２以上４以下の炭化水素を含む、炭化水素生成システム。
2. 前記第１原料に含まれる二酸化炭素の濃度を測定する二酸化炭素濃度測定部をさらに備え、前記第１原料に含まれる二酸化炭素の量は前記二酸化炭素濃度測定部によって測定された二酸化炭素の濃度である、請求項１に記載の炭化水素生成システム。
3. 前記第１原料に含まれる水素の濃度を測定する水素濃度測定部をさらに備え、前記第１原料に含まれる水素の量は前記水素濃度測定部によって測定された水素の濃度である、請求項１又は２に記載の炭化水素生成システム。
4. 前記第１原料に含まれる二酸化炭素の流量を測定する二酸化炭素流量測定部をさらに備え、前記第１原料に含まれる二酸化炭素の量は前記二酸化炭素流量測定部によって測定された二酸化炭素の流量である、請求項１～３のいずれか一項に記載の炭化水素生成システム。
5. 前記第１原料に含まれる水素の流量を測定する水素流量測定部をさらに備え、前記第１原料に含まれる水素の量は前記水素流量測定部によって測定された水素の流量である、請求項１～４のいずれか一項に記載の炭化水素生成システム。
6. 前記二酸化炭素供給部によって供給される二酸化炭素及び前記水素供給部によって供給される水素の少なくともいずれか一方は、前記第１反応器内の温度及び圧力の少なくともいずれか一方に応じて前記第２反応器へ供給される、請求項１～５のいずれか一項に記載の炭化水素生成システム。
7. 二酸化炭素及び水素を含む第１原料からフィッシャー－トロプシュ反応によって炭化水素を第１反応器で生成する第１反応工程と、
   第２原料からフィッシャー－トロプシュ反応によって炭化水素を第２反応器で生成する第２反応工程と、
   前記第１反応器に供給される前記第１原料中の二酸化炭素と水素との比率に応じた量の二酸化炭素を前記第２反応器に供給する二酸化炭素供給工程と、
   前記第１反応器に供給される前記第１原料中の二酸化炭素と水素との比率に応じた量の水素を前記第２反応器に供給する水素供給工程と、
   を含み、
   前記第２原料は、前記第１反応器から供給される二酸化炭素及び水素の少なくともいずれか一方、並びに、前記二酸化炭素供給工程で供給される二酸化炭素及び前記水素供給工程で供給される水素の少なくともいずれか一方を含み、
   前記第１反応器で生成される炭化水素は、前記第１原料が鉄触媒又はコバルト触媒に接触することによって生成された炭素数が２以上４以下の炭化水素を含み、
   前記第２反応器で生成される炭化水素は、前記第２原料が鉄触媒又はコバルト触媒に接触することによって生成された炭素数が２以上４以下の炭化水素を含む、炭化水素生成方法。