JP-2026076933-A - カーボンリサイクル設備、及びカーボンリサイクル方法

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Abstract

【課題】炭素資源化反応の反応効率を向上させることができるカーボンリサイクル設備を提供する。【解決手段】炭素含有ガスを炭素資源化反応（酸化還元反応）により資源に変換する炭素資源化装置（酸化還元装置２）と、二酸化炭素を吸蔵可能で還元を行う触媒を有する触媒還元装置３と、炭素資源化装置からの二酸化炭素を含むオフガスを触媒還元装置３へと導入するオフガスライン４１と、還元性ガスを触媒還元装置３へと導入する還元性ガスライン４３とを備え、オフガス及び還元性ガスを触媒還元装置３へと導入することで触媒の作用により生成される一酸化炭素を含むガスを、触媒還元装置３から炭素資源化装置に導入するように構成してある。【選択図】図１

Inventors

阿形葉
佐藤和宏
増田孝弘

Assignees

株式会社タクマ

Dates

Publication Date: 20260512
Application Date: 20250513
Priority Date: 20241024

Claims (14)

炭素含有ガスを炭素資源化反応により資源に変換する炭素資源化装置と、二酸化炭素を吸蔵可能で還元を行う触媒を有する触媒還元装置と、前記炭素資源化装置からの二酸化炭素を含むオフガスを前記触媒還元装置へと導入するオフガスラインと、還元性ガスを前記触媒還元装置へと導入する還元性ガスラインと、を備え、前記オフガス及び前記還元性ガスを前記触媒還元装置へと導入することで前記触媒の作用により生成される一酸化炭素を含むガスを、前記触媒還元装置から前記炭素資源化装置に導入するように構成してあるカーボンリサイクル設備。
前記炭素含有ガスは、二酸化炭素及び／又は一酸化炭素を含む請求項１に記載のカーボンリサイクル設備。
前記還元性ガスは、水素を含む請求項１又は２に記載のカーボンリサイクル設備。
前記オフガスラインに、前記オフガス中の水分を除去する水分除去装置が介設される請求項１又は２に記載のカーボンリサイクル設備。
前記オフガスラインに、前記オフガス中の水素を分離する水素分離装置が介設される請求項１又は２に記載のカーボンリサイクル設備。
前記水素分離装置で分離された水素を、前記炭素資源化装置に導入するように構成してある請求項５に記載のカーボンリサイクル設備。
前記水素分離装置で分離された水素を、前記還元性ガスとして用いるように構成してある請求項５に記載のカーボンリサイクル設備。
前記触媒によって二酸化炭素が吸蔵された後のガスが通流されるガスラインに、当該ガス中の水素を分離する水素分離装置が介設される請求項１又は２に記載のカーボンリサイクル設備。
前記水素分離装置で分離された水素を、前記還元性ガスとして用いるように構成してある請求項８に記載のカーボンリサイクル設備。
前記触媒によって二酸化炭素が吸蔵された後のガスを、前記触媒還元装置へと導入することで前記触媒の作用により一酸化炭素を生成するように構成してある請求項１又は２に記載のカーボンリサイクル設備。
前記炭素資源化装置での反応熱を利用して前記触媒還元装置での還元反応に必要な温度に保つように構成してある請求項１又は２に記載のカーボンリサイクル設備。
前記触媒は、インジウム、銅、白金、パラジウム、及び亜鉛からなる群から選択される少なくとも一つと、アルカリ金属と、担体との複合体を含む二元機能触媒である請求項１又は２に記載のカーボンリサイクル設備。
前記炭素資源化反応は、酸化還元反応である請求項１又は２に記載のカーボンリサイクル設備。
炭素含有ガスを炭素資源化反応により資源に変換する炭素資源化工程と、二酸化炭素を含むオフガスを触媒に接触させて当該触媒に二酸化炭素を吸蔵させる二酸化炭素吸蔵工程と、二酸化炭素を吸蔵させた前記触媒に還元性ガスを接触させることで一酸化炭素を生成する一酸化炭素生成工程と、を包含し、前記二酸化炭素吸蔵工程及び前記一酸化炭素生成工程の実施に伴い生成される一酸化炭素を含むガスを用いて前記炭素資源化工程を行うカーボンリサイクル方法。

Description

本発明は、炭素含有ガスを原料ガスとして利用したカーボンリサイクル設備、及びカーボンリサイクル方法に関する。カーボンリサイクル技術として、逆水性ガスシフト反応（ＣＯ２＋Ｈ２→ＣＯ＋Ｈ２Ｏ）と、ブードア反応（２ＣＯ→Ｃ＋ＣＯ２）とを組み合わせることにより、二酸化炭素から固体炭素を生成するものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１には、ブードア反応により一酸化炭素を固体炭素に変換する固体炭素化反応器からのオフガスを当該固体炭素化反応器に還流し循環利用する設備が開示されている。この設備において、固体炭素化反応器からのオフガスには、固体炭素に変換されなかった未反応の一酸化炭素が含まれている。このため、固体炭素化反応器からのオフガスをブードア反応の原料ガスとして循環利用することにより、固体炭素化の歩留まりを向上させることができる。特開２０２４－５４９２０号公報図１は、本発明の第一実施形態に係るカーボンリサイクル設備の概略構成を示すブロック図である。図２は、本発明の第二実施形態に係るカーボンリサイクル設備の概略構成を示すブロック図である。図３は、本発明の第三実施形態に係るカーボンリサイクル設備の概略構成を示すブロック図である。図４は、本発明の第四実施形態に係るカーボンリサイクル設備の概略構成を示すブロック図である。図５は、本発明の第五実施形態に係るカーボンリサイクル設備の概略構成を示すブロック図である。図６は、別実施形態１のカーボンリサイクル設備の概略構成を示すブロック図である。図７は、別実施形態２のカーボンリサイクル設備の概略構成を示すブロック図である。図８は、別実施形態３のカーボンリサイクル設備の概略構成を示すブロック図である。以下、本発明について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態では、炭素含有ガスを原料ガスとし、炭素資源化反応の一例として酸化還元反応により、炭素含有ガスを資源（固体炭素）に変換するカーボンリサイクル設備、及びカーボンリサイクル方法を例に挙げて説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施形態や図面に記載される構成に限定されることは意図しない。なお、以下の説明において、炭素含有ガスライン１０、ガスライン４１～４４、ガスライン５１～５５、ガスライン６１～６３は、所要の配管やダクト等によって構成されるガス管路である。〔第一実施形態〕＜全体構成＞図１は、本発明の第一実施形態に係るカーボンリサイクル設備１Ａの概略構成を示すブロック図である。図１（ａ）は、切換バルブ３３，３４が第一切換状態である場合を示す図であり、図１（ｂ）は、切換バルブ３３，３４が第二切換状態である場合を示す図である。図１（ａ）及び（ｂ）に示すカーボンリサイクル設備１Ａは、酸化還元反応装置２と、触媒還元装置３とを備えている。なお、酸化還元反応装置２が本発明の「炭素資源化装置」に対応する。＜酸化還元反応装置＞酸化還元反応装置２は、ガス導入口２ａ及びガス導出口２ｂを有し、酸化還元反応（ブードア反応）を促進させる触媒（例えば、鉄系の金属触媒）を内部に充填した反応器を主体に構成されるものであり、反応器内部で一酸化炭素の還元及び酸化の両方を行うものである。酸化還元反応装置２は、ガス導入口２ａに接続された炭素含有ガスライン１０を介して供給される炭素含有ガスを原料ガスとして、ブードア反応（２ＣＯ→Ｃ＋ＣＯ２）により、固体炭素を生成する。酸化還元反応装置２においては、一酸化炭素を反応器内部に通過させることにより、反応器内部で炭素が触媒表面に析出される。酸化還元反応装置２の内部のガス温度は、例えば、３００～１０００℃であり、好ましくは４５０～８５０℃である（本例では、５００℃程度）。なお、酸化還元反応装置２に供給される炭素含有ガスは、図示されない加熱器によって予め加熱することが好ましい。また、酸化還元反応装置２の内部において、加熱炉等を用いて触媒を加熱しなくてもよい場合があるが、必要に応じて、加熱炉等を用いて触媒を加熱する構成を採用してもよい。本例において、炭素含有ガスは、例えば、排ガス処理がなされた廃棄物燃焼処理施設からの燃焼排ガスを原料ガスとして、二酸化炭素回収装置（図示省略）及び逆水性ガスシフト反応装置（図示省略）での処理を経て得られるものであり、炭素含有ガスライン１０を介して酸化還元反応装置２に供給される。ここで、二酸化炭素回収装置は、燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を回収するものであり、化学吸収法、膜分離法、物理吸収法、固体吸収法等を利用した装置が挙げられる。化学吸収法による二酸化炭素回収装置は、例えば、アミン吸収液を利用したものであって、排ガス中の二酸化炭素をアミンと化学結合（反応）させて、二酸化炭素だけを分離回収するように構成されている。膜分離法による二酸化炭素回収装置は、分離機能を有する固体の薄膜を用い、その透過選択性を利用して排ガス中から二酸化炭素を分離回収するように構成されている。物理吸収法による二酸化炭素回収装置は、排ガス中の二酸化炭素を液体中に溶解させることにより分離回収するように構成されている。固体吸収法による二酸化炭素回収装置は、ゼオライトや活性炭等を物理吸着の吸着剤として用い、又はアルカリ金属やアミン類を担持した無機多孔質材料を化学吸着の吸着剤として用い、排ガス中の二酸化炭素を吸着剤に吸着させて分離回収するように構成されている。一方、逆水性ガスシフト反応装置は、二酸化炭素回収装置で回収された二酸化炭素を含むガス、及び水素供給源（図示省略）からの水素を含むガスとの混合ガスを原料ガスとして、逆水性ガスシフト反応（ＣＯ２＋Ｈ２→ＣＯ＋Ｈ２Ｏ）により、一酸化炭素と水とを生成する。逆水性ガスシフト反応装置は、逆水性ガスシフト反応を促進させる触媒（例えば、銅系の金属触媒）を内部に充填した反応器を主体に構成されるものであり、反応器内部において、二酸化炭素の還元、及び水素の酸化の両方を行うものである。逆水性ガスシフト反応装置においては、二酸化炭素と水素とを反応器内部に通過させることにより、反応器内部で一酸化炭素と水（水蒸気）とが生成され、当該反応器から一酸化炭素と水（水蒸気）とが排出される。逆水性ガスシフト反応装置の内部のガス温度は、例えば、３００～１０００℃であり、好ましくは４５０～８５０℃である（本例では、５００℃程度）。なお、逆水性ガスシフト反応装置に供給される炭素含有ガスは、図示されない加熱器によって予め加熱することが好ましい。また、逆水性ガスシフト反応装置の内部において、加熱炉等を用いて触媒を加熱しなくてもよい場合があるが、必要に応じて、加熱炉等を用いて触媒を加熱する構成を採用してもよい。本例において、炭素含有ガスライン１０を介して酸化還元反応装置２へと供給される炭素含有ガスには、二酸化炭素回収装置において回収された二酸化炭素、逆水性ガスシフト反応装置での逆水性ガスシフト反応により生成された一酸化炭素、逆水性ガスシフト反応装置での逆水性ガスシフト反応に使われなかった未反応の水素、逆水性ガスシフト反応に伴い副生される水（水蒸気）等が含まれる。＜触媒還元装置＞触媒還元装置３は、第一反応器３１、第二反応器３２、第一切換バルブ３３及び第二切換バルブ３４を備えている。第一反応器３１は、ガス導入口３１ａ及びガス導出口３１ｂを有し、二酸化炭素を吸蔵可能で還元を行う触媒を内部に充填した反応器である。第二反応器３２は、基本的に第一反応器３１と同様の構成であり、ガス導入口３２ａ及びガス導出口３２ｂを有し、二酸化炭素を吸蔵可能で還元を行う触媒を内部に充填した反応器である。各反応器３１，３２においては、後述するオフガスに含まれる二酸化炭素が触媒に吸蔵され、二酸化炭素を吸蔵した触媒に、水素を含む還元性ガスが接触することによる還元反応で一酸化炭素が生成され、生成された一酸化炭素、未反応の水素、還元反応に伴い副生される水（水蒸気）等が排出される。各反応器３１，３２の内部のガス温度は、例えば、２００～７００℃であり、好ましくは３００～５００℃である（本例では、３５０℃程度）。なお、各反応器３１，３２に供給されるガスは、図示されない加熱器によって予め加熱することが好ましい。また、各反応器３１，３２の内部において、加熱炉等を用いて触媒を加熱しなくてもよい場合があるが、必要に応じて、加熱炉等を用いて触媒を加熱する構成を採用してもよい。＜触媒＞各反応器３１，３２において充填される触媒としては、オフガスに含まれる二酸化炭素を吸蔵する吸蔵機能と、吸蔵した二酸化炭素を一酸化炭素に還元する還元機能とを有する二元機能触媒を用いることが好ましい。当該二元機能触媒は、インジウム、銅、白金、パラジウム、及び亜鉛からなる群から選択される少なくとも一つと、アルカリ金属と、担体との複合体を含む。より具体的には、当該二元機能触媒は、インジウム、銅、白金、パラジウム、及び亜鉛からなる群から選択される少なくとも一つと、アルカリ金属とが担体上に担持されてなる複合体である。当該二元機能触媒は、通常、粉体又は粒状体である。＜インジウム、銅、白金、パラジウム、亜鉛＞インジウム（Ｉｎ）は、周期表における第１３族第５周期の元素である。銅（Ｃｕ）は、周期表における第１１族第４周期の元素である。白金（Ｐｔ）は、周期表における第１０族第６周期の元素である。パラジウム（Ｐｄ）は、周期表における第１０族第５周期の元素である。亜鉛（Ｚｎ）は、周期表における第１２族第４周期の元素である。インジウム、銅、白金、パラジウム、及び亜鉛からなる群から選択される少なくとも一つは、アルカリ金属とともに、担体上に担持されている。インジウム、銅、白金、パラジウム、及び亜鉛からなる群から選択される少なくとも一つは、アルカリ金属とともに活性点となって、逆水性ガスシフト反応において、上記吸蔵機能及び上記還元機能を発揮することができる。しかも、被処理ガスが二酸化炭素だけでなく一酸化炭素を含む場合であっても、上記吸蔵機能及び上記還元機能に優れるため、二酸化炭素から、より多くの一酸化炭素を生成することができる。インジウム、銅、白金、パラジウム、亜鉛のうち、インジウム、銅が好ましく、インジウムがより好ましい。複合体がインジウム、銅を含むことにより、副生成物であるメタン等の収率を低下させることができるため、相対的に一酸化炭素の収率が高められ、その結果、上記還元機能がより高められたものとなる。これら元素は、一種を単独で使用することができるが、二種以上の混合物として使用することもできる。二元機能触媒におけるインジウム、銅、白金、パラジウム、及び亜鉛からなる群から選択される少なくとも一つの含有量は、１～７０質量％が好ましく、１～３０質量％がより好ましく、２～２５質量％がさらに好ましく、５～２５質量％が一層好ましく、１０～２０質量％が特に好ましい。インジウム、銅、白金、パラジウム、及び亜鉛からなる群から選択される少なくとも一つの含有量を上記範囲に設定することにより、上記吸蔵機能及び上記還元機能がより高められる。＜アルカリ金属＞アルカリ金属は、周期表における第１族の元素である。アルカリ金属は、インジウム、銅、白金、パラジウム、及び亜鉛からなる群から選択される少なくとも一つとともに、担体上に担持されている。アルカリ金属は、インジウム、銅、白金、パラジウム、及び亜鉛からなる群から選択される少なくとも一つとともに活性点となって、逆水性ガスシフト反応において、上記吸蔵機能及び上記還元機能を発揮することができる。しかも、オフガスが二酸化炭素に加えて一酸化炭素を含む場合であっても、上記吸蔵機能及び上記還元機能に優れるため、二酸化炭素から、より多くの一酸化炭素を生成することができる。アルカリ金属は、上記吸蔵機能及び上記還元機能を発揮するための活性点となり得るものであればよく、特に