合成ガス（シンガス）は、水素と一酸化炭素を様々な比率で混合したガスです[1] 。このガスには、二酸化炭素とメタンが含まれることがよくあります。主にアンモニアやメタノールの製造に使用されます。合成ガスは可燃性であり、燃料として使用することができます。[2] [3] [4]歴史的には、ガソリンの供給が制限された際にガソリンの代替品として使用されてきました。例えば、第二次世界大戦中、ヨーロッパでは木材ガスが自動車の燃料として使用されました（ドイツだけでも、50万台の自動車が木材ガスで走行するように製造または改造されました）。[5]

生産

合成ガスは、天然ガスまたは液体炭化水素の水蒸気改質または部分酸化、あるいは石炭の ガス化によって生成されます。[6]

C + H 2 O → CO + H 2 [1]
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 [1]
C + CO 2 → 2CO [1]

メタンの水蒸気改質は206 kJ/molのエネルギーを必要とする 吸熱反応です。

CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2

原理的には、バイオマスおよび関連する炭化水素原料は、廃棄物発電ガス化施設においてバイオガスおよびバイオ炭を生成するために使用できるが、実際にはほとんど利用されていない。 [7]生成されるガス（主にメタンと二酸化炭素）は合成ガスと呼ばれることもあるが、その組成は合成ガスとは異なる。廃棄物バイオマスから従来の合成ガス（主にH2とCO）を生成する研究が行われている。[8] [9]

組成、形成経路、熱化学

合成ガスの化学組成は、原料とプロセスによって異なります。石炭ガス化によって生成される合成ガスは、一般的に一酸化炭素30～60%、水素25～30%、二酸化炭素5～15%、メタン0～5%の混合物です。また、他のガスも少量含まれています。[10]合成ガスのエネルギー密度は天然ガスの半分以下です。[11]

白熱コークスと水蒸気の最初の反応は強い吸熱反応であり、一酸化炭素（CO）と水素Hを生成する。
2（古い用語では水性ガス）。コークス層が吸熱反応が進行できない温度まで冷却されると、蒸気は空気の噴射に置き換えられます。

その後、第2および第3の反応が起こり、発熱反応（最初に二酸化炭素を生成し、コークス層の温度を上昇させる）が起こります。続いて第2の吸熱反応が起こり、この反応で二酸化炭素は一酸化炭素に変換されます。反応全体は発熱反応であり、「発生源ガス」（旧用語）が生成されます。その後、蒸気を再注入し、さらに空気を注入することで、コークスが最終的に消費されるまで無限のサイクルが繰り返されます。発生源ガスは、主に大気中の窒素による希釈のため、水性ガスに比べてエネルギー価値がはるかに低くなります。希釈効果を回避するために、空気の代わりに純酸素を使用することで、はるかに高い発熱量のガスを生成することができます。

この混合物からより多くの水素を生成するために、より多くの蒸気が追加され、水性ガスシフト反応が実行されます。

CO + H 2 O → CO 2 + H 2

水素は、圧力スイング吸着（PSA）、アミンスクラビング、膜反応器によってCO2から分離できます。様々な代替技術が研究されていますが、商業的に価値のあるものはありません。[12] いくつかのバリエーションでは、二酸化炭素とメタンの組み合わせ[13] [14]や二酸化炭素の部分水素化などの新しい化学量論に焦点を当てています。他の研究では、電気分解、太陽エネルギー、マイクロ波、電気アークなど、プロセスを駆動するための新しいエネルギー源に焦点を当てています。[15] [16] [17] [18] [19] [20]

再生可能エネルギー源から発電された電力は、高温電気分解によって二酸化炭素と水を合成ガスに変換するためにも利用されます。これは、発電プロセスにおいてカーボンニュートラルを維持するための試みです。アウディは、サンファイア社と提携し、このプロセスを用いてe-ディーゼルを生成するためのパイロットプラントを2014年11月に開設しました。[21]

メタン化されていない合成ガスは通常、120 BTU/ scfという低い発熱量を持ちます。[22]未処理の合成ガスはハイブリッドタービンで稼働させることができ、運転温度が低く部品寿命が長いため、より高い効率が得られます。[22]

用途

合成ガスは、燃料としてだけでなく、水素源としても利用されている[12]（燃料電池参照）。また、鉄鉱石を海綿鉄に直接還元するためにも利用されている[23]。化学的な用途としては、酢酸や多くの酢酸塩の前駆体であるメタノール の製造、フィッシャー・トロプシュ法（以前はモービル法と呼ばれていたメタノールからガソリンを製造する方法）による液体燃料や潤滑油の製造、大気中の窒素（N2）を肥料として使用されるアンモニアに変換するハーバー法によるアンモニアの製造、中間体アルデヒドを経由するオキソアルコールの製造などが挙げられる[要出典] 。

参照

参考文献

  1. ^ abcd Speight, James G. (2002). 『化学およびプロセス設計ハンドブック』 . McGraw-Hillハンドブック. ニューヨーク: McGraw-Hill. p. 566. ISBN 978-0-07-137433-0。
  2. ^ 「合成ガスコージェネレーション／熱電併給発電」クラーク・エナジー. 2012年8月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2016年2月22日閲覧。
  3. ^ Mick, Jason (2010年3月3日). 「なぜ無駄にするのか？Enerkemがゴミからガスへの計画で躍進」DailyTech . 2016年3月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2016年2月22日閲覧。
  4. ^ Boehman, André L.; Le Corre, Olivier (2008年5月15日). 「内燃機関における合成ガスの燃焼」.燃焼科学技術. 180 (6): 1193– 1206. doi :10.1080/00102200801963417. S2CID  94791479.
  5. ^ 「薪ガス車：燃料タンクに薪」LOW-TECH MAGAZINE 2010年1月18日。2010年1月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2019年6月13日閲覧。
  6. ^ Beychok, Milton R. (1974). 「石炭ガス化とフェノソルバンプロセス」(PDF) . Am. Chem. Soc., Div. Fuel Chem., Prepr.; (米国) . 19 (5). OSTI  7362109. S2CID  93526789. 2016年3月3日時点のオリジナル(PDF)からのアーカイブ。
  7. ^ “下水処理場、合成ガス試験に成功の兆し - ARENAWIRE”.オーストラリア再生可能エネルギー庁. 2019年9月11日. 2021年3月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2021年1月25日閲覧。
  8. ^ Zhang, Lu; et al. (2018). 「触媒ガス化・改質技術による都市固形廃棄物からのクリーン合成ガス製造」. Catalysis Today . 318 : 39– 45. doi :10.1016/j.cattod.2018.02.050. ISSN  0920-5861. S2CID  102872424.
  9. ^ Sasidhar, Nallapaneni (2023年11月). 「独立型バイオマス精製所からのカーボンニュートラル燃料および化学物質」(PDF) . Indian Journal of Environment Engineering . 3 (2): 1– 8. doi :10.54105/ijee.B1845.113223. ISSN  2582-9289. S2CID  265385618. 2023年12月29日閲覧.
  10. ^ 「合成ガス組成」。米国エネルギー省国立エネルギー技術研究所。2020年3月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2015年5月7日閲覧。
  11. ^ Beychok, MR (1975). SNGおよび液体燃料の製造プロセスと環境技術. 環境保護庁. OCLC  4435004117. OSTI  5364207.[ページが必要]
  12. ^ ab ヒラー, ハインツ; ライメルト, ライナー; シュトナー, ハンス＝マルティン (2011). 「ガス生産 1. はじめに」.ウルマン工業化学百科事典. doi :10.1002/14356007.a12_169.pub3. ISBN 978-3527306732。
  13. ^ “dieBrennstoffzelle.de - Kvaerner-Verfahren”. www.diebrennstoffzelle.de . 2019年12月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2019年12月17日閲覧。
  14. ^ EU特許3160899B1、Kühl, Olaf、「水素リッチ合成ガスの製造方法および装置」、2018年12月12日発行 
  15. ^ 「Sunshine to Petrol」（PDF） . サンディア国立研究所. 2013年2月19日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2013年4月11日閲覧。
  16. ^ 「統合太陽熱化学反応システム」米国エネルギー省。2013年8月19日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2013年4月11日閲覧。
  17. ^ マシュー・L・ウォルド（2013年4月10日）「新たな太陽光発電プロセスが天然ガスの有効活用を拡大」ニューヨーク・タイムズ。2020年11月30日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2013年4月11日閲覧。
  18. ^ フランシス・ホワイト. 「天然ガス発電所向けソーラーブースターショット」. パシフィック・ノースウエスト国立研究所. 2013年4月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2013年4月12日閲覧。
  19. ^ Foit, Severin R.; Vinke, Izaak C.; de Haart, Lambertus GJ; Eichel, Rüdiger-A. (2017年5月8日). 「Power-to-Syngas: An Enabling Technology for the Transition of the Energy System?」Angewandte Chemie International Edition . 56 (20): 5402– 5411. doi :10.1002/anie.201607552. PMID  27714905.
  20. ^ 米国特許5159900A、ダマン、ウィルバー・A.、「燃料として水からガスを生成する方法および手段」、1992年11月3日発行 
  21. ^ 「アウディ、新たなe-fuelsプロジェクトに着手：水、空気回収CO2、グリーン電力から合成したディーゼル燃料『ブルー・クルード』」Green Car Congress . 2014年11月14日. 2020年3月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2015年4月29日閲覧。
  22. ^ ab Oluyede, Emmanuel O.; Phillips, Jeffrey N. (2007年5月). 「ガスタービンにおける合成ガス燃焼の根本的な影響」.第3巻: Turbo Expo 2007. Proceedings of the ASME Turbo Expo 2007: Power for Land, Sea, and Air. 第3巻: Turbo Expo 2007. Montreal, Canada: ASME. pp.  175– 182. CiteSeerX 10.1.1.205.6065 . doi :10.1115/GT2007-27385. ISBN  978-0-7918-4792-3。
  23. ^ Chatterjee, Amit (2012).酸化鉄の直接還元によるスポンジ鉄の製造. PHI Learning. ISBN 978-81-203-4659-8. OCLC  1075942093.[ページが必要]
  • 「下水処理場、合成ガス試験で成功の兆し」ARENA、2020年12月6日アクセス
  • フィッシャー・トロプシュアーカイブ
  • https://www.technologyreview.com/s/508051/a-cheap-trick-enables-energy-efficient-carbon-capture/