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合成ガスは、水素と一酸化炭素の混合物で、[1]様々な割合で存在します。このガスには二酸化炭素とメタンが含まれることが多いです。主にアンモニアやメタノールの製造に使用されます。合成ガスは可燃性があり、燃料として使用できます。[2] [3] [4]歴史的には、ガソリンの供給が限られている場合にガソリンの代替品として使用されてきました。たとえば、第二次世界大戦中、ヨーロッパでは自動車の燃料として木材ガスが使用されました（ドイツだけでも、木材ガスで走行する自動車が50万台製造または改造されました）。[5]
生産
合成ガスは、天然ガスや液体炭化水素の水蒸気改質や部分酸化、あるいは石炭の ガス化によって生成される。[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、メタン1モルあたり206 kJ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、バイオマスや関連する炭化水素原料は、廃棄物エネルギーガス化施設でバイオガスやバイオ炭を生成するために使用できますが、実際にはほとんど使用されていません。 [7]生成されたガス（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りますが、その組成は合成ガスとは異なります。廃棄物バイオマスからの従来の合成ガス（主にH 2とCO）の生成が研究されています。[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を生成します。
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。
次に 2 番目と 3 番目の反応が起こり、発熱反応(最初に二酸化炭素を生成してコークス床の温度を上昇させる) が発生します。その後、2 番目の吸熱反応が起こり、後者は一酸化炭素に変換されます。全体的な反応は発熱反応で、「発生源ガス」(古い用語) が生成されます。次に蒸気を再注入し、次に空気などを送り込むことで、コークスが最終的に消費されるまで無限のサイクルが続きます。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値が大幅に低くなります。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と、発熱量が大幅に高いガスが生成されます。
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。さまざま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は、二酸化炭素とメタン[13] [14]または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、電気アークなどの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から発電された電気は、高温電気分解によって二酸化炭素と水を合成ガスに加工するためにも使用されます。これは、発電プロセスで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、サンファイアという会社と提携して、このプロセスを使用して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、稼働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、水素源としても使用されます。[12]また、鉄鉱石を直接海綿鉄に還元するためにも使用されます。[23] 化学的な用途には、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・トロプシュ法や以前のモービルメタノールガソリン法による液体燃料や潤滑油の製造、大気中の窒素（N 2 ）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介したオキソアルコールの製造などがあります。[要出典]
参照
参考文献
- ^ 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、NY: McGraw-Hill. p. 566. ISBN 978-0-07-137433-0。
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- ^ 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。
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- ^ 「アウディ、新たなe-fuelsプロジェクトに着手：水、空気中の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』」グリーンカーコングレス。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。
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- ^ 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]
外部リンク
- 「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/