天然ガスを水素に変換する触媒

Technical information

1. FSLのメタン改質触媒は、天然ガスの主成分であるメタンを水素に変換する機能性材料です。作動温度300℃における水素の製造効率は、約120〜 200mL／g・h に達します（供給メタン濃度：10vol.%、発生水素濃度：99.99vol.%の際のデータ）
   

本触媒は現在市販されている改質触媒と比較して、変換反応後の副産物として有毒な一酸化炭素（CO）が発生しないことを特徴としおり、アルミナやカーボンを使った既存の触媒に対してCO処理に必要なコストを減じることができます。

1. 現在、水素製造プラントにおいて広く採用されている「水蒸気改質反応」は、改質反応後の排ガス中に未変換のメタン（11～20％）が発生します。通常、この残存メタンはPSAによる水素精製プロセスを経た後、水蒸気改質プラントのボイラーに燃料として利用されています。しかしながら、プラントの規模が大きくなる程（例えば水素製造能力 50m3 / h 以上のプラント）においては残存メタンの量も増加するため、残存メタンを有効に水素に変換する技術の重要性が増します。このため、PSA後のプラント終端に本触媒充填カラムを設置し、残存メタンを水素に変換することで、水素製造プラントの総合効率の5〜10％向上が期待できます。また、本触媒充填カラムの作動に必要な300℃の熱源は、プラント排熱から供給します。
   

1. 現在、国内で稼働中の天然ガスを原料としている実際の水素製造プラントにおける水蒸気改質反応を以下に示します。
   

　 CH4 ＋ H2O → 3H2 ＋ CO　吸熱反応（高温な程、右に反応進行）

  　CO ＋ H2O → H2 ＋ CO2　　 発熱反応 （高温な程、左に反応進行）　（シフト反応）

両反応をまとめると、

  　CH4＋2H2O → 4H2＋CO2  吸熱反応（高温・低圧な程メタン残存率は少ないのですが、副産物としてCOが発生します）

例えば、水蒸気改質温度が850℃で、圧力が25気圧と15気圧でプラント運転した場合、

850℃ 25気圧　水素への転化率80％（CH4残存率20％　CH4濃度 5vol％）

850℃ 15気圧　水素への転化率89%（CH4残存率11％   CH4濃度 2～3vol％）

と、15気圧の運転条件の方がメタン残存率が低いのですが、その分一酸化炭素が多量に発生するので、鉄クロム系の触媒（作動温度400℃）を使ったシフト反応装置に負担がかかります。また、25気圧、15気圧の運転条件において、残存メタンが供給メタンに対して11〜20％の割合で生じています（メタン濃度2〜5vol％）。

1. 本触媒を実際の水素製造プラントに適用するにあたっては、この残存メタンを廃熱ボイラーに戻す前に a)本触媒反応管を通すことで水素に変換することが有効です。本触媒の変換効率は b) 評価システムを用いて実験的に求めた数値です。
   

a) 本触媒反応管

1. 既存の水素製造プラントの終端に最終変換器として本触媒反応管を付加することで、水素製造プラントの総合効率を5〜20％向上させることが期待できます。 c)に既存の水蒸気改質プラントに本触媒反応管を追加した本技術の実施例を示しました。
   

c) 本触媒を水素製造プラントへ適用した例（ Blue　の部分 ）

＊参 考

世界における天然ガス資源の開発状況

【国内】産総研メタンハイドレート研究センターが、実験高圧槽に砂、水、高圧のメタンガスを順に注入することで、海底１２００～１３００メートルに存在する１７０～１８０気圧、温度十数度のメタンハイドレート層を再現、この層に井戸を掘り３０気圧に減圧することによって、メタンハイドレートを「安全かつ効果的に採取する」実験に成功した。平成２４年度には海洋実験に乗り出している。

【国外】米国、カナダ等においてシェールサンドからメタンの高効率回収が実現したことで、北米、中東、ロシアにおいてシェールがスと従来の天然ガスが同時開発されつつあり、その結果、現在のメタンの国際価格は、日本のメタン輸入価格の1/10程度に下落しており、今後、火力発電や水素製造のための原燃料としてメタンを利用できる展望が大きく広がりつつある。

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（特許第4827666, 5854993）