JP2004529056A - Method for producing hydrogen and its use - Google Patents
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Abstract
水素ガスの製造方法。水素ガスは水から酸素を除去する金属/酸化金属対を使用して、蒸気還元によって生成される。蒸気を、スズなどの希釈用金属中に溶解された鉄などの第1の反応性金属を含む溶融金属混合物と接触させる。反応性金属は水素ガスを生成しつつ酸化金属に酸化され、次いで金属または酸化金属を第2の反応器へ大きく移動させることなく、酸化金属はさらに水素を製造するために金属に還元される。反応器(400)は溶融金属混合物(404)を収容するようにされた耐火側壁(402)を含む。ランス(408)から蒸気が導入されると、金属混合物(404)中の鉄が酸化鉄に酸化され、酸化鉄は上昇してスラグ層(406)に蓄積される。蒸気と混和した水素ガスを含むガス生成物(416)が流出口(410)から採収される。Method for producing hydrogen gas. Hydrogen gas is produced by steam reduction using a metal / metal oxide pair that removes oxygen from water. The vapor is contacted with a molten metal mixture that includes a first reactive metal, such as iron, dissolved in a diluting metal, such as tin. The reactive metal is oxidized to a metal oxide while generating hydrogen gas, and the metal oxide is then reduced to the metal to produce more hydrogen without significantly transferring the metal or metal oxide to the second reactor. The reactor (400) includes a refractory side wall (402) adapted to contain a molten metal mixture (404). When steam is introduced from the lance (408), the iron in the metal mixture (404) is oxidized to iron oxide, which rises and accumulates in the slag layer (406). A gas product (416) containing hydrogen gas mixed with steam is withdrawn from the outlet (410).
Description
【技術分野】
【0001】
本発明は水素ガスの製造方法を目的とする。さらに詳細には、本発明は、蒸気を溶融金属に接触させて酸化金属および水素含有ガス流を生成させる蒸気還元によって、水素ガスを製造する方法を目的とする。次いで酸化金属はさらに水素ガスを製造するために金属に還元することが可能である。水素ガスはエネルギーの発生、または石炭の処理およびアンモニア製造などの種々の化学工程に使用し得る。
【背景技術】
【0002】
水素(H2)はアンモニアの製造およびオイル精製を含む多くの工業工程に不可欠の、価値のある必需品で特別な化学物資である。加えて、水素は燃料電池で80%に近い効率で電気に変換することが可能である。燃料電池の変換では水が副生産物の全てであり、有害な排出物質がない。これらの理由によって水素は将来の燃料であると広く考えられている。
【0003】
水素ガスは、改質、ガス化または電解など異なる技術を用いて、天然ガス、バイオマス、または水など多くの異なる原料から製造し得ることが知られている。最も普通の方法は、メタン蒸気改質(SMR)、石炭ガス化、蒸気還元、バイオマスガス化、熱分解、および電気分解である。
【0004】
メタン蒸気改質は現在可能な方法のうちで最も経済的で商業的に実行可能な方法であると考えられている。SMR工程では、メタン(CH4)を水蒸気(H2O)と反応させて水素と一酸化炭素(CO)を含むガス流を生成する。原料は一般に天然ガスであり、天然ガスのコストが全製造コストの大部分を占める。
【0005】
SMR法には少なくとも2つの大きな困難が伴う。1つの困難は水素の製造コストが天然ガスの価格に依存することである。天然ガスの価格は、供給/需要の問題から非常に不安定であり、これは将来も継続することが予測される。第2に、SMRによって製造された水素には、費用のかさむ洗浄(scrubbing)や圧力スイング吸着(pressure swing adsorption)によって部分的にのみ除去可能な大量の炭素酸化物が混入している。SMR水素に残留している炭素酸化物は燃料電池に使用される触媒および水素からのアンモニア(NH3)製造に有害である。
【0006】
石炭のガス化による水素製造は商業的に確立されたもう1つの技術であるが、天然ガスが極端に高価でない場合にのみ商業的な競争力がある。石炭のガス化方法では、蒸気と酸素(O2)が水素含有ガスを製造する石炭のガス化に使用される。次いで、水−ガスのシフト反応による合成ガスから、それに続く圧力スイング吸着または洗浄による二酸化炭素(CO2)の除去によって、高純度の水素を抽出することが可能である。また、酸性ガスなどの不純物も水素から分離しなければならない。水素は残渣オイルなどの他の炭化水素のガス化によっても生成可能である。
【0007】
蒸気還元法は蒸気から酸素を取り除く(すなわち蒸気還元する)金属の酸化を用い、それによって水素ガスを生成する。この反応は式1に示される。
xMe+yH2O→MexOy+yH2 (1)
【0008】
2段階の蒸気還元工程においてサイクルを完成させるためには、酸化金属は還元剤を使用して金属に還元しなければならない。例えば、一酸化炭素(CO)は、水素の酸素親和力と同様の酸素親和力を有し、それらは約812℃で互いに等しい。約812℃以上の温度では、COは水素よりも大きな酸素に対する親和力を有する。したがって、平衡状態でCOが金属の酸素親和力よりも大きな酸素親和力を有するならば、COは式1の酸化物を金属に還元するであろう。
MexOy+yCO→xMe+yCO2 (2)
【0009】
一般的に言われるように、金属/酸化金属対の機能は、水素製造工程の蒸気/水素を酸化金属の還元工程の一酸化炭素/二酸化炭素に接触させることなく、酸素を蒸気から還元ガス(CO)に移すことである。金属および酸化金属は工程全体で消費されることはない。
【0010】
酸素の分圧(pO2)は、(例えば蒸気によって)金属が酸化され、(例えばCOによって)酸化物が還元される容易さに関係する。数学的な表記はpH2O/pH2であり、これは酸素の分圧に比例する。また、これに等しい逆関数量は水素の分数であり、
pH2/(pH2+pH2O) (3)
のように表わされる。
【0011】
ある種の金属は水と激しく反応して水素を放出する。その金属の例としては、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)、フランシウム(Fr)、ベリリウム(Be)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)、ラジウム(Ra)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、リン(P),チタニウム(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、ランタン(La)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、およびガリウム(Ga)が含まれる。平衡状態で、これらの金属および酸化金属の酸素分圧の合計は非常に低い。酸化物が一旦生成すると、それらは一酸化炭素によっては効率的に金属に還元されない。逆に、水と反応して水素をほとんど発生しない他のグループの金属がある。これらの金属には、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、カドミウム(Cd)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、プラチナ(Pt)、金(Au)、水銀(Hg)、鉛(Pb)、ビスマス(Bi)、セレン(Se)、およびテルリウム(Te)が含まれる。平衡状態で、これらの金属および酸化金属の酸素分圧の合計は非常に高い。したがって、酸化物は一酸化炭素によって容易に還元することが可能である。
【0012】
前述の2つの金属グループの間に、水素の酸素親和力と略同じ酸素親和力によって特徴付けられる他の金属がある。この中間グループの金属には、ゲルマニウム(Ge)、鉄(Fe)、亜鉛(Zn)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、インジウム(In)、スズ(Sn)、コバルト(Co)およびアンチモン(Sb)が含まれる。これらは蒸気から容易に水素を生成し、得られる酸化物を一酸化炭素で還元し得る元素である。すなわち、これらの金属は、pH2O/pH2の平衡が十分低くて水素の製造を実施し得るような酸素親和力を有し、かつ酸化金属は通常の乾式冶金法の温度(例えば約1200℃)で炭素によって容易に還元される。これらの金属は、本明細書では、金属を蒸気によって酸化することが可能であること、および酸化金属を一酸化炭素によって還元することが可能であることの両方を意味する、反応性金属と呼ぶ。
【0013】
蒸気還元/鉄酸化法は19世紀中および20世紀初頭の水素製造の主要な工業的方法であった。高温下で鉄は水から酸素を奪い、純粋な水素を放出する。
3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2 (4)
所定量の鉄から最大の水素を製造するには過剰の水が必要である。水素を製造した後、水を凝縮させて汚染されない水素ガス流を放出させる。蒸気還元/鉄酸化法の反応生成物は純水素とウスタイト(FeO)および/またはマグネタイト(Fe3O4)である。金属を再生するには一酸化炭素または炭素が酸化鉄から酸素を捕捉し、金属鉄および一酸化炭素または二酸化炭素(CO2)を生成させる。
【0014】
初期の水素製造技術では、これらの2つの工程が異なる場所で行われた。この方法による水素製造の主要なコスト要素は、使用した鉄のコストから製造した酸化鉄で得られた価値を差し引いたもの、および反応を起こさせるために必要な過剰の蒸気の製造コスト(温度の関数)を含んでいた。このコストは蒸気から回収する過剰のエネルギーから導かれる利益によって少なくなった。前述の方法の従来技術には多くの例がある。
【0015】
アボット(Abott)の米国特許第1,345,905号(特許文献1)は複数の反応器を用いる、鉄の酸化による蒸気からの水素製造を開示している。4つの反応器の構成では1つの反応器が鉄の酸化(水素の製造)のために使用され、2つが酸化鉄の還元のために使用され、4つ目は反応物を予備加熱するために使用される。ガス流は連続的な水素製造のために反応器間を切り替えることが可能である。
【0016】
ベルケ(Belke)らの米国特許第4,343,624号(特許文献2)は、水素源として蒸気の還元を用いる3段の水素製造方法および装置を開示している。第1段では酸素および一酸化炭素を含む低BTUガスが石炭などの原料から生成される。低BTUガスは次いで第2段でマグネタイトと反応し、鉄、二酸化炭素、および蒸気を生成する。次いで鉄と蒸気が第3段で反応して水素ガスとマグネタイトを生成する。マグネタイトを原料導管を経由して連続的に第2段反応器に戻すなど、還元反応のためにマグネタイトを第2段に戻すことが可能である。少なくとも段の1つは回転流動床反応器で行われる。
【0017】
リース(Leas)の米国特許第4,555,249号(特許文献3)は、還元された形と酸化された形の間で大きく重量が異なる、鉄合金粉などの反応物粉を含有するガス分留ユニットを開示している。ユニットは、反応物粉を含有する酸化ゾーンおよび還元ゾーンの2つのゾーンを含み、水素ガスは酸化ゾーンから採収される。反応物粉が酸化された形から還元された形に変換されると粉の重量が増加し、重量の変化は還元された粉を酸化ゾーンに移し、一方酸化された粉をゾーンへ動かすために用いられる。
【0018】
ストラウスら(Straus et al)による"H2from Biosyngas via Iron reduction and Oxidation"(非特許文献1)は、バイオ合成ガスから水素を製造する方法を開示している。痕跡量のN2およびCH4を有する、H2、CO、H2O、およびCO2を含むバイオ合成ガスがマグネタイトを鉄に還元するのに使用される。次いで鉄は冷却され水素ガス発生器に送られて、そこで鉄が蒸気と接触し蒸気還元によって水素を発生する。酸化鉄は次いで冷却され、バイオ合成ガスと反応させるために酸化金属還元反応器へ戻される。
【0019】
鉄を用いる蒸気還元法の欠点は、蒸気との固形鉄の反応で酸化層がつくられ、この酸化鉄が、追加の蒸気が酸化層の下の鉄と反応することを妨げ、したがって反応速度が酸化層を通るガス拡散の速度によって制限されることである。また、反応速度は反応に利用できる鉄の表面積に依存する。しかし、表面積が大きいことは粒子サイズが小さいことと等しく、小さな粒子に加工するのは高価である。さらに、酸化鉄の還元に伴う難しさもある。酸化鉄を還元する1つの方法は、酸化物の溶解を含み、したがって鉄の高融点(1538℃)による高温の欠点をもたらす。他の方法では、酸化鉄は炭素および/または還元ガスによって固体状態で金属に還元される。しかし、この後者の方法は、非効率であり反応速度的に困難である。固体状態の還元を除いて、生成した水素1トン当たり、最低でも20.8トンの鉄と28.7トンのマグネタイトを1つの反応器(金属酸化)から他の反応器(金属還元)へ物理的に移動させなければならない。
【0020】
鉄以外の金属が蒸気還元工程に用いられてきた。アッカー(Acker)の米国特許第1,050,902号(特許文献4)はスズまたは亜鉛を蒸気還元工程に用いて水素を生成すること、および石炭で酸化金属を還元することによる金属の再生成を開示している。
スペイシル(Spacil)の米国特許第3,821,362号(特許文献5)は水素を生成するためにSn/SnO2を使用することを示している。溶融スズを微塵にして蒸気と接触させ、SnO2と水素ガスを生成させる。次いでSnO2を、石炭粉と空気の接触で生成した、H2、N2、およびCOからなる生成ガスと接触させる。SnO2は液体スズに還元され、次いで第1の反応器に移される。同様の水素製造方法がザイツラー(Seitzler)の米国特許第3,979,505号(特許文献6)に示されている。
【0021】
エリクソン(Erickson)の米国特許第4,310,503号(特許文献7)、米国特許第4,216,199号(特許文献8)はスズが蒸気から二酸化炭素への酸素キャリアーとして働く可能性についての包括的な研究を開示している。この仕事の拡張はまた、1981年2月に米国エネルギー省エネルギー関連発明局のために用意されたエリクソンによる"Hydrogen from Coal via Tin Redox"(非特許文献2)に報告されている。
【0022】
エリクソンは、所定量の石炭還元組成物から得られる水素の収量が、継続する段を蒸気との金属酸化反応の平衡pH2/pH2Oが増加するように構成した多段式工程を用いることによって増加し得ることを報告している。中間体(すなわち、金属/酸化金属対)として使用される物質の中で、純粋の固形物は、鉄、ウスタイト(FeO)、二酸化タングステン、モリブデンおよびゲルマニウム、純粋の液体はスズおよびインジウム、および溶解した液体はスズ、インジウム、ゲルマニウム、亜鉛、および鉄であり、ここで溶解したとは、中間体が単位未満の活量で存在することを意味する。溶解した液体を使用する効果は酸素の分圧が増加(すなわち水素の分圧が減少する)し、水素が少量生成することである。エリクソンは、溶解した液体の適切な溶媒を、例えば銅、鉛およびニッケルなど、酸素分圧の高い1つ以上の非活性金属から選択し得ることを開示している。また、活性金属であるスズをインジウムの溶媒として使用することが可能であると開示されている。
【0023】
スズを蒸気還元法に使用することによって水素を生成する場合、最初の反応は次式である。
Sn+2H2O→SnO2+2H2 (5)
上の反応の反応速度を適切に確保するためには、約900℃以上の温度が必要とされ、スズはその温度で液体である(Tm=232℃)。そのような高温では反応を進めるために多量の過剰の蒸気が必要であることを熱力学は示している。多量の過剰蒸気の必要性は多くの問題を惹起する。工程が経済的であるためには熱を回収しなければならず、これには蒸気を生成するための水の蒸発熱の回収が含まれる。この熱回収のほとんどは技術的に可能であるが、それを実施するのに追加の資本が必要である。また、多量の過剰蒸気は液体スズにバブリングすることなどによって物理的にスズと接触されなければならない。実際にはその接触は、蒸気および反応器が適度な圧力の下で運転する場合にのみ可能であり、一般に非常に高い圧力で運転する工程は極めて高価である。
【0024】
例えば、水素1トンの製造に8.94トンの蒸気と29.4トンのスズ(化学量論による計算)が必要である。さらに、900℃で水素1トンを製造するには、熱力学上の要求を満たすために35.7トンの蒸気を必要とする。この必要蒸気の総量(44.6トン)が化学量論による量のスズを大気圧下で通過する場合、スズで占められていない空間を通過する蒸気の速度は100メートル/秒を超える。すなわち、名目滞留時間(nominal residence time)が1/100秒未満であり、系の圧力を100気圧に上げたとしても、反応を平衡に近づけるために許されるのはわずか0.85秒である。化学量論的に必要な量よりも過剰のスズを使用することが可能であり、大きな重量(大きな体積)のスズの効果は名目滞留時間を増加させることである。しかし、増加したスズ−蒸気反応器および必要なスズの在庫量増加のために、この名目滞留時間を増加させる手法は高価である。
【特許文献1】
米国特許第1,345,905号明細書
【特許文献2】
米国特許第4,343,624号明細書
【特許文献3】
米国特許第4,555,249号明細書
【特許文献4】
米国特許第1,050,902号明細書
【特許文献5】
米国特許第3,821,362号明細書
【特許文献6】
米国特許第3,979,505号明細書
【特許文献7】
米国特許第4,310,503号明細書
【特許文献8】
米国特許第4,216,199号明細書
【特許文献9】
米国特許第3,905,807号明細書
【特許文献10】
米国特許第4,251,271号明細書
【特許文献11】
米国特許第5,251,879号明細書
【特許文献12】
米国特許第5,282,881号明細書
【特許文献13】
米国特許第5,308,043号明細書
【特許文献14】
米国特許第6,066,771号明細書
【特許文献15】
米国特許第4,600,571号明細書
【特許文献16】
米国特許第4,298,588号明細書
【特許文献17】
米国特許第4,088,740号明細書
【非特許文献1】
ストラウスらによる"H2 from Biosyngas via Iron reduction and Oxidation"
【非特許文献2】
米国エネルギー省エネルギー関連発明局のために用意されたエリクソンによる"Hydrogen from Coal via Tin Redox"(1981年2月)
【非特許文献3】
ハリクマールK.C.ら(Hari Kumar,K.C.,et al.)、Calphad、第20巻、2号、139〜149ページ(1996年)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0025】
したがって、技術的に信頼でき経済的に実現性のある水素を製造する方法の必要性が残っている。蒸気/鉄工程および蒸気/スズ工程の両方とも技術的に実現性がある。しかしどちらも経済的に実現性がない。蒸気/鉄工程は、(1)水素の製造が拡散制御である、(2)金属を動かすコストが高い、および(3)鉄を少なくするのが難しい(コスト)ことから満足できるものではない。蒸気/スズ工程は低温(約800℃以下)で反応速度に劣り、高温で熱力学的に劣るので、経済性において実現性に欠ける。熱力学的に劣る結果、大量の蒸気を溶融金属を通して加工する必要があり、工程の困難さとコストが増加する。水素ガスの必要性が高いにもかかわらず、これらの要因と他の要因のため、蒸気還元法を実施可能な商業的設備を本発明者らは知らない。
【課題を解決するための手段】
【0026】
本発明の一実施形態によれば、水素含有ガス流を製造する方法が提供される。その方法は、蒸気を発生する工程、および蒸気を希釈用金属中に溶解した少なくとも約20重量%の鉄を有する溶融金属混合物と接触させる工程とを含み、鉄の少なくとも一部が酸化金属に酸化され、蒸気の少なくとも一部が還元されて水素含有ガス流を生成する。希釈用金属はスズであることが好ましい。蒸気を希釈用金属中に溶解した鉄と接触させることによって、従来の蒸気還元法に内在する熱力学および速度論的な制約に関する問題が少なくなる。
【0027】
本発明の他の実施形態によれば、水素含有ガスを製造する方法が提供され、蒸気を発生させて少なくとも1100℃の温度で溶融金属混合物に接触させる。溶融金属混合物は希釈用金属中に溶解した反応性金属を含み、反応性金属が酸化され、蒸気が還元されて水素を生成する。溶融金属混合物に少なくとも約1100℃の温度を用いることによって、好適な熱力学および速度論的な条件下で水素の製造が可能になる。
【0028】
他の実施形態によれば、蒸気を発生する工程と、蒸気を反応器中で溶融金属混合物と接触させる工程とを含む、水素含有ガス流を製造する方法が提供され、反応性金属含有粒子が溶融金属混合物に分散される。反応性金属が蒸気によって酸化されると、反応性金属含有粒子が都合良く溶融金属混合物に追加の反応性金属を供給する。
【0029】
他の実施形態によれば、蒸気を反応器中で溶融金属混合物と接触させる工程を含む、水素含有ガス流を製造する方法が提供され、溶融金属混合物が希釈用金属に溶解した反応性金属を含む。反応性金属は蒸気によって酸化金属に酸化される。酸化金属は次いで反応器中で反応性金属に還元される。
【0030】
前述にようにして製造された水素含有ガス流は種々の工程に使用され、特に石炭または廃棄物などの炭素含有物質の処理、およびアンモニアなどの化学物質の製造に適している。
【発明を実施するための最良の形態】
【0031】
本発明によれば、水素ガス(H2)は、少なくとも1つの希釈用金属に少なくとも部分的に溶解された少なくとも第1の反応性金属を含む溶融金属混合物と水蒸気(H2O)を接触させることによって生成される。希釈用金属は、蒸気との反応性を有してもよいが、定義によれば、反応性金属よりも反応性が少ないものである。したがって、蒸気からの酸素は反応性金属と優先的に反応して反応性金属を酸化金属に酸化し、蒸気の一部を還元して過剰の蒸気も含む水素含有ガス流を生成する。好ましい実施形態では、水素の製造は、溶融金属混合物中の溶解した反応性金属の濃度が、経済性から決まる最低の濃度に還元されるまで継続し、この点で蒸気の注入を終了する。次いで還元剤が、先端部浸漬ランスなどを用いる激しい攪拌条件下で反応器中に導入される。これらの条件下では、酸化金属は化学的に反応性金属に還元され、再び溶融金属混合物中へ溶解する。蒸気と還元剤の流れを2つ以上の反応器の間で切り替えることによって、実質的に連続的に水素の製造が可能である。本発明の方法は従来技術の蒸気還元法よりも大きな利点を提供する。
【0032】
水素の製造を開始するには、少なくとも第1の反応性金属および少なくとも第1の希釈用金属を含む溶融金属混合物に蒸気を接触させる。定義によれば、反応性金属は希釈用金属よりも蒸気との反応性が大きいものである。反応性金属は水素の酸素親和力と同様の酸素親和力を有し、蒸気と反応して酸化金属を生成することが好ましい。例えば、反応性金属は、ゲルマニウム(Ge)、鉄(Fe)、亜鉛(Zn)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、インジウム(In)、スズ(Sn)、コバルト(Co)およびアンチモン(Sb)から選択することが可能である。溶融金属混合物は1つ以上の反応性金属を含むことが可能である。好ましい反応性金属は、(1)希釈用金属に溶解性を有するものであり、(2)酸化/還元温度で非常に低い蒸気圧を有するものであり、および(3)蒸気と反応して酸化/還元温度で非常に低い蒸気圧を有する1つ以上の酸化物を生成するものである。本発明による特に好ましい反応性金属は鉄であり、一実施形態によれば溶融金属混合物中の反応性金属は実質的に鉄からなる。
【0033】
反応性金属は少なくとも部分的に第2の金属または金属混合物中に溶解される。反応性金属が溶解される金属は本明細書では希釈用金属と呼ぶ。希釈用金属もまた蒸気と反応性があってもよいが、その場合には、希釈用金属が反応性金属よりも反応性が低ければ、上に開示した反応性金属のグループから選択することが可能である。あるいは、希釈用金属は金属と酸化物を合わせた平衡状態での酸素分圧(pO2)が比較的高い金属から選択することが可能である。これらの金属には、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、カドミウム(Cd)、レニウム(Re)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、プラチナ(Pt)、金(Au)、水銀(Hg)、鉛(Pb)、ビスマス(Bi)、セレン(Se)、およびテルリウム(Te)が含まれる。溶融金属混合物には1つ以上の希釈用金属を用いることが可能である。希釈用金属は金属と酸化金属を合わせた平衡状態での酸素分圧が非常に低い金属であってはならない。
【0034】
好ましい希釈用金属は、(1)反応性金属と結合して400℃〜1300℃の温度範囲で液体になり、(2)この温度範囲以上では蒸気圧が非常に低く、(3)溶液中で反応性金属を保持する能力を有するものである。本発明の好ましい実施形態によれば、希釈用金属はスズであり、一実施形態では希釈用金属は実質的にスズからなる。しかし、溶融金属混合物はまた追加の希釈用金属、特に銅およびニッケルを含むことが可能である。
【0035】
本発明の蒸気還元のための特に好ましい溶融金属混合物は、反応性金属として鉄、および希釈用金属としてスズを含む。鉄は高温で溶融スズに高い溶解性があり、混合物の溶融温度は純粋な鉄の溶融温度(1538℃)よりもかなり低い。スズはまた蒸気との反応性を有するが、鉄に比べて低反応性である。
【0036】
熱力学的な理由から、水素ガスを生成する蒸気還元反応は化学量論的に必要な量よりも過剰の蒸気を必要とする。鉄に必要な蒸気の総量(製造された水素に必要な蒸気の質量比)は全ての温度でスズよりもはるかに少なく、鉄は溶融金属混合物中で優先的に酸化される。すなわち、理論的裏づけはないが、若干の反応性スズは酸化スズに酸化され、直ちにスズに還元されると考えられる。
【0037】
【0038】
660℃でのスズの熱力学的な蒸気必要量は1200℃での鉄の熱力学的な蒸気必要量に略等しい。しかし、650℃でスズを反応性金属として使用して水素を製造するのは、速度論(すなわち反応速度)が非常に劣り、したがって非常に長い滞留時間(すなわち蒸気がスズと接触している時間)が必要となるので、実際的ではない。
【0039】
1200℃ではスズおよび鉄の反応速度は優れている。しかし、スズの蒸気必要量は鉄よりもはるかに多い。本発明によれば、蒸気が反応性金属と接触する滞留時間は希釈用金属を使用することによって増加する。説明のために、純粋なスズと比較した、1200℃の温度および種々の圧力における本発明の実施形態の溶解鉄(スズ中に鉄50重量%)の熱力学的蒸気必要量および名目滞留時間の比較を表1および2に示す。表1は1200℃で1トンの水素を製造するのに必要な蒸気の総量を示す。
【0040】
【表1】
【0041】
表2は4.439トンの水素の製造速度における名目滞留時間を示す。
【表2】
【0042】
表1および2のデータから、純粋なスズ系は本発明による溶解鉄系よりも水素を製造するのに多くの蒸気を必要とすることが明らかである。また、表2は蒸気と反応することのできるスズの名目滞留時間が、蒸気と反応することのできるスズに溶解した鉄の名目滞留時間よりもかなり短いことを示している。名目上のまたは見かけの滞留時間は、蒸気(工程の反応物)が使用する反応性金属の量で占められた空間を通り抜けることのできる時間である。表2において、溶融体積は、水素製造速度が4.439トン水素/時間であるときに化学量論的に必要な金属量である。この時間中、理想的には水素は熱力学的なpH2/pH2Oの比に対応する量が製造される。化学量論的な量よりも多い反応性金属の量によって名目滞留時間を増加させることが可能であるが、結果は反応器のサイズとコストが増加する。また、圧力を高くすることは蒸気と反応性金属間で可能な反応時間を増加させるが、しかしコストの追加となる。
【0043】
したがって、本発明による希釈用金属に溶解した反応性金属を用いる1つの重要な利点は、反応性金属の質量に関して反応器中での蒸気の滞留時間が増加することである。すなわち、一定質量の鉄は純粋な鉄として第1の体積を占めようが、鉄がスズなどの希釈用金属と50重量%の混合物として存在すれば、同じ質量の鉄はその体積の約2倍に分布するであろう。
【0044】
図1はハリクマールK.C.ら、Calphad、第20巻、2号、139〜149ページ、1996年(非特許文献3)から翻案した鉄とスズの相図を示す。図1から、鉄(反応性金属)をスズ(希釈用金属)に加える1つの効果は、鉄の溶融温度をかなり低くすることであることが判る。液相の金属混合物は、約48.7重量%のスズおよび51.3重量%の鉄の溶融組成物で、1538℃(純鉄)から約1134℃へ下がる。
【0045】
一実施形態によれば、金属混合物は図1の液相線ACよりも上の温度に保つことが好ましい(例えば約1134℃)。しかしあまり高い金属−蒸気反応温度には運転コストが大きく加わる。図1に示した完全に溶融した鉄/スズ系では、溶融物を液相の温度1134℃以上の温度、より好ましくは少なくとも約1200℃の温度に保たなければならない。適正に経済的であるために、温度は約1500℃以上であってはならず、より好ましくは約1400℃以上であってはならない。完全に溶融した鉄/スズ金属混合物の特に好ましい温度範囲は、約1200℃〜1300℃である。1200℃で、約50重量%の鉄が十分な過熱(superheat)でスズに溶解し、鉄の酸化時、混合物は溶融状態を保つ。また、1200℃での純粋な水素を生成する、蒸気とスズに溶解した液体鉄の間の反応は非常に激しく、反応速度は優れている。さらに、1200℃での蒸気/鉄系の熱力学は比較的良好で、水素トン当たり約12.2トンの蒸気(水素1モル当たり蒸気1.37モル)を必要とするだけである。
【0046】
この実施形態によれば、金属混合物は溶融金属混合物中に最初に少なくとも約3重量%の鉄を含むことが好ましく、少なくとも約10重量%の鉄がより好ましく、少なくとも約20重量%の鉄がさらに好ましく、約50重量%の鉄がさらにより好ましい。さらに、溶融金属混合物中の鉄の量は約85重量%を超えないことが好ましく、約80重量%を超えないことがより好ましい。好ましい実施形態においては、金属混合物の残りは実質的にスズからなる。したがって、系中のスズの量は約97重量%を超えないことが好ましく、約90重量%を超えないことがより好ましく、約80重量%を超えないことがさらに好ましい。溶融金属混合物は少なくとも15重量%のスズを含むことが好ましく、少なくとも約20重量%のスズを含むことがより好ましい。
【0047】
本発明は溶融金属混合物の存在を必要としているが、一実施形態においては、粒子状などの不溶相が溶融金属混合物に分散されていてもよい。この溶融金属混合物と不溶相との組み合わせをスラリーと称する。一実施形態によれば、蒸気が溶融金属混合物および固体の第2相を含むスラリーと接触される。固体の第2相は反応性金属を含有する粒子を含み、溶融金属混合物に追加の反応性金属を供給する。粒子は金属性粒子(例えば酸化物粒子ではない)であることが好ましい。例えば、スラリーは鉄で飽和されている鉄/スズ溶融物中に、鉄に富む金属性粒子を含むことが可能である。蒸気還元工程が進むと、溶解した鉄は鉄の酸化によって溶融金属混合物から除去され、鉄に富む粒子からの追加の鉄が溶融金属に溶解して、鉄で飽和されたスラリーの溶融金属部を保つ。
【0048】
図1の相図を参照すれば、点A(1134℃でFe83.3重量%)、点B(1134℃でFe84重量%)、点C(895℃でFe12重量%)、および点D(895℃でFe3重量%)によって区画された二相領域における組成物は、総量約3重量%〜84重量%の鉄を有する鉄/スズ溶融物を含み、鉄の一部は溶融物中に分散した鉄に富む金属性粒子である。約895℃〜約1134℃の間の所定の温度で鉄が酸化によって溶融金属から除去されると、鉄に富む粒子からの追加の固形鉄が溶解し、それによって溶融物中の鉄のレベルを固形鉄がなくなるまでバルクの飽和状態に維持する。この鉄に富む粒子から生じる鉄による酸化されることのない鉄の置換によって、鉄の活量が高く保たれ、すなわち、水素の製造が最大になる。例えば、約950℃の温度、および約50重量%の総鉄量で、溶融金属混合物は系中に約4重量%の溶解した鉄を含むであろう。溶解した鉄が酸化されると、鉄に富む粒子からの追加の金属鉄が溶解し、溶融物中の溶解鉄を4重量%に維持する。鉄に富む粒子の溶解によって鉄の活量は変化しない。
【0049】
したがって、この実施形態によれば、溶融金属混合物と鉄含有粒子からなるスラリーは1134℃以下で少なくとも895℃、より好ましくは約900℃〜1134℃の間の液相温度に維持される。
【0050】
その方法の1つの利点は鉄の活量が、一定、実際には1に近い値に保たれ、したがって水素の製造速度が蒸気還元工程を通じて一定および最大に保たれることである。
反応性金属が一定の活量であることの望ましい効果は、工程が図1のミシビリティギャップ領域内で行われるならば観察されるであろうが、しかし鉄の活量は1よりも若干小さい。
【0051】
排ガス中の水素の分圧、反応温度、および溶融金属組成物中の鉄の重量%の間には熱力学的な関係が存在する。鉄の「活量(activity)」と称される熱力学的な量は鉄の濃度の関数として変化し、排ガス中の水に対する水素の比率に大きな影響を与える。水素の製造は、反応相と平衡な第2相を用いることにより、広い組成物領域にわたって高い鉄の活量が確立される相領域内で運転することによって最大となる。これは図1の線ACの上の液相−液相領域、同じく線ACの下、および線ABの右の固相−液相領域の両方にあてはまる。しかし、本発明は鉄に富む液相での実施を排除するものではない。
【0052】
図2は溶融金属混合物中の鉄含有量の関数で示した排ガス(off-gas)中の水素のレベルの関係を示している。図2は1225℃での反応の熱力学に基づいて計算したものである。鉄含有量が20重量%から10重量%に下がると、水素製造の速度が急速に減少することが明らかである。図3は温度および鉄含有量の関数としての水素製造を示している。
【0053】
約20重量%以下の鉄レベル、および約1134℃以上の温度で、水素の製造能力は減少する。その理由は、(1)pH2/pH2Oが大きく低下する、(2)ガス流(すなわち、蒸気と酸化金属の還元剤)を切り替える前に短い時間しかないためである。
【0054】
このようにして、蒸気が溶融金属混合物と接触して水素を発生し反応性金属を酸化金属に変換する。蒸気は良好な攪拌と溶融金属混合物との接触を促進するようにして溶融金属混合物と接触させる。例えば、蒸気は先端部浸漬ランスからの注入、または反応器の底部に配置した多孔質セラミック拡散器からの注入によって溶融金属混合物と接触させることが可能である。この件に関する好ましい反応器システムは以下に説明する。反応器の温度は流入する蒸気の温度および量を制御することによって、および/または反応器に酸素を加えることによって制御し、実質的に一定の温度に維持することが可能である。
【0055】
蒸気還元反応器は、反応器中での適切な滞留時間が必要であれば、上述のように高圧に維持することが可能である。例えば、少なくとも約15.3気圧(225psi、15503ヘクトパスカル)に維持することが望ましいであろう。僅かに高くした圧力もまた、水素ガス流に移動のための十分な圧力(例えばライン圧力約200psi(13780ヘクトパスカル)を提供する上で有益である。しかし、圧力を非常に高くすると資本コストを増加させるため、蒸気還元反応器中の圧力は約600psi(41341ヘクトパスカル)以下であることが好ましく、約225psi(15503ヘクトパスカル)以下であることがさらに好ましい。
【0056】
本発明によれば、スラグ層が溶融金属混合物上に維持される。スラグ層は酸化鉄の反応器からの流出防止を含む多くの利点を提供する。蒸気還元反応器中の温度は、金属混合物上に形成されるスラグ層を組成物の広い範囲にわたって溶融状態に維持するのに十分でなければならない。反応性金属が酸化されると、金属混合物中の反応性金属の濃度が減少するが、反応性金属が酸化されても金属混合物は溶融状態に維持されなければならない。図1に関して説明した溶融金属の組成物範囲と同様に、十分なスラグの流動性と反応性を確保するために必要な好ましいスラグの組成、および発泡の防止は、所定の温度で必要に応じて調節することが可能である。例えば、フラックスを反応器に加えてスラグの特性を調節することが可能である。フラックス系の1つはSiO2、FeO、CaO、MgO、Na2O、およびK2Oの液体表面であると言える。しかし、硫黄および他のカチオンをこのスラグまたは他のスラグに取り込み、スラグの十分な化学的性質を確実にすることも可能である。
【0057】
蒸気還元によって発生する酸化金属(例えばウスタイトおよび/またはマグネタイト)は反応器中でスラグによって都合良く捕捉する(溶解または分散)ことが可能である。好ましい温度で、酸化鉄は金属混合物よりも軽いスラグ中に取り込まれる。したがって、溶解した鉄が溶融金属混合物からなくなると、溶融金属を通って酸化鉄が上昇し、溶融金属の頂上のスラグ層に寄与する。反応性金属が蒸気と反応して生成した酸化物は、溶融金属混合物の密度よりも低い密度を有し、それによって酸化物がスラグ層へと上昇することは、本発明のこの実施形態の1つの利点である。酸化金属の密度が溶融金属混合物よりも少なくとも約10%低いことが好ましい。これはまた、酸化金属が還元された際に、金属がスラグ層から溶融金属混合物中へ沈下することを可能にする。上述したように、スラグ中の酸化鉄の堆積は、粘度、反応性、発泡性などに関してスラグを好ましい条件に維持するために、SiO2、FeO、CaO、MgO、Na2O、K2Oまたはその混合物などのフラックスの添加を必要とするであろう。
【0058】
溶融金属混合物は、適切な反応条件を維持するために、適切な反応器内に収容されなければならない。さらに、反応物は良好な攪拌と大きな接触表面積を実現するように供給されなければならない。良好なガス/液体の接触を確立するための適切な高温の反応器は、化学、および特に冶金工業において用いられている。
【0059】
本発明の好ましい反応器システムは、蒸気を溶融金属中に注入するために先端部浸漬ランス(top-submerged lance)を用いる。その反応器は、スズ鉱石(錫石)からの工業的なスズ製造に用いられてきた。反応物を注入するための先端部浸漬ランスを用いる反応器の例は、フロイド(Floyd)らの米国特許第3,905,807号(特許文献9)、米国特許第4,251,271号(特許文献10)、米国特許第5,251,879号(特許文献11)、バルドック(Baldock)らの米国特許第5,282,881号(特許文献12)、フロイドらの米国特許第5,308,043号(特許文献13)、米国特許第6,066,771号(特許文献14)に開示されている。これらの特許の各々はその全体を本願明細書に援用している。その反応器は反応物(例えば蒸気)をマッハ1に近い高速度で溶融金属中に注入し、それによって反応物の良好な攪拌を促進する。
【0060】
蒸気を注入するランスの組み込まれた反応器を図4に示す。反応器400は、溶融金属混合物404を収容するように適合された耐火側壁402を含む。反応器400内の温度を維持するために、必要ならば、加熱手段(図示せず)を設けてもよい。先端部浸漬ランス408は上部壁412を貫通して配設され、蒸気を高速で金属混合物中に注入するようになっている。先端部浸漬ランス408は、スラグ層406の表面の下部でかつ溶融金属混合物404とスラグ層406の界面の近傍で終端し、蒸気を注入することが好ましい。蒸気がランス408を通って導入されると、金属混合物404中の鉄が酸化鉄に酸化される。酸化鉄は上昇してスラグ層406に堆積する。蒸気と混和した水素ガスを含むガス生成物416は、流出口410から採収され、その後過剰の蒸気を凝縮して実質的に純粋な水素流を生成することが可能である。
【0061】
蒸気還元工程は水素製造速度が十分低いレベルまで低下するまで継続される。その後、溶融金属混合物およびスラグを収容する反応器に還元剤が導入され、酸化鉄を金属に還元する。蒸気還元工程を停止し、勤続還元工程を開始する点は、経済的な理由に基づいて容易に決定し得る。すなわち、ある点で蒸気還元反応器中の水素製造速度が、蒸気還元を停止して酸化金属から金属の再生を開始するのが経済的に有利である点まで低下するであろう。
【0062】
スラグの還元性清浄化と考え得るこの再生工程では、スラグ中の酸化鉄が還元され鉄として溶融物に戻される。これは反応器に還元剤を導入することによって系の酸化能力を低下させることによって達成される。還元剤は系の酸化能力を低下させ、それによって鉄を溶融物の中へ押し戻す。還元剤は一酸化炭素、石炭および/または他の炭素源であることが可能である。好ましい実施形態によれば、系の酸化能力は粒子化した炭素、炭化水素または液体炭化水素を激しく攪拌した条件下で酸素含有ガスと共にスラグ中へ注入することによって低下させる。粒子化した炭素または炭化水素はコークス、石炭または他の有機材料を含むことが可能である。#6または他のオイルなどの液体炭化水素もまた使用することが可能である。廃タイヤなどの廃棄材料も使用し得る。廃タイヤは、偶発的な鉄の損失を補うために、反応器へ追加の鉄を有利に供給することが可能である。
【0063】
先端部浸漬ランスは、空気または他の酸素含有ガスを良好な攪拌を確保するようにして反応器中へ導入するのに好ましい。還元組成物を注入する前に、反応器は蒸気などでパージして、反応器から水素を全て除去することが可能である。スラグの還元性浄化が完了した後、反応器は、鉄に溶解し得る炭素の全てを除去するため、および/または蒸気が再び反応器の中へ導入されたときに生成した水素を汚染するであろう、溶融物またはスラグ中のいずれかに存在し得る他の全ての混入元素を除去するために、再び空気または蒸気でパージすることが可能である。
【0064】
本発明の好ましい実施形態では、石炭などの炭素源から誘導された還元剤、および空気または酸素リッチ空気などの酸素源が溶融金属混合物およびスラグ層中に注入される。石炭は先端部浸漬ランスを通して空気と共に注入、あるいは分離して加えることが可能である。還元剤として石炭を使用することは、石炭がオイルやガスと比べて豊富で比較的安価であるので有利である。また、石炭は加工中に失われた鉄を補うために鉄を供給することが可能である。廃タイヤおよび他の廃棄材料もまたいくらかの鉄を供給することが可能である。酸化金属還元工程は十分な量の金属鉄が溶融金属混合物中に再び溶解するまで継続される。
【0065】
酸化金属を金属に還元するモードで運転するときの反応条件は、蒸気還元の間の条件と実質的に同一であることが好ましい。すなわち、酸化金属還元反応器の温度と圧力が蒸気還元反応器の温度と圧力に等しいか非常に類似していることが好ましい。したがって、温度は少なくとも液相(例えばスズ/鉄系で約1134℃)以上が好ましく、少なくとも約1200℃以上であることがより好ましい。温度は約1400℃を超えないことが好ましく、約1300℃をこえないことがより好ましい。特に好ましい実施形態では、温度は両反応器とも約1200℃であり、圧力は蒸気還元反応器で大気圧よりも僅かに高く、酸化金属還元反応器で僅かに低い。
【0066】
図5を参照すれば、酸化金属還元モードで運転する反応器500が示されている。反応器は図4に示した蒸気還元反応器と物理的に同一であり、断熱側壁502を含むことが好ましい。いくらかの鉄もまた存在するであろうが、金属混合物504は初期には主としてスズを含む。スラグ層506は上述の蒸気還元工程中に生成した酸化鉄を含む。石炭の形などの炭素514は、酸素リッチ空気などの酸素源と共に、反応器の上部壁512を貫通して配設されたランス508を通して注入される。あるいは、炭素は反応器に分離して加えることが可能であり、ガス状酸素源はランスを通して注入することが可能である。炭素および酸素を加えることによって酸化金属還元反応器中に維持された還元条件下で、酸化鉄は鉄に還元され、次いで溶融金属混合物504内に再び溶解する。二酸化炭素および窒素などの排ガス516は流出口510を通って除去可能である。
【0067】
酸化金属還元工程で、石炭から生成された灰もまたスラグ中に取り込まれる。フラックスとしてCaOを加えるとポゾランになり得るスラグは、定期的にまたは連続的に取り出して粉砕し、ポルトランドセメントの代わりにすることが可能である。あるいは、スラグは水で急冷して部分的に顆粒にすることが可能である。顆粒化スラグは次いで排出し廃棄することが可能である。燃焼中にガス状の化学物質(二酸化硫黄、塩化水素、およびフッ化水素など)に変換された石炭中の不純物(例えば硫黄、塩素およびフッ素)は、湿式洗浄によって除去することが可能である。あるいは、硫黄は肥料化合物として有用な硫化アンモニウムに変換することが可能であり、反応して固形物になった残る不純物は廃棄に振り向けることが可能である。空気および燃料からの二酸化炭素および窒素は酸化金属還元工程からの唯一のガス状排出物である。
【0068】
スラグの酸化能力を制御することによって、鉄に還元され続いて酸化金属還元中に溶融物に伝達されるスラグ中の酸化鉄の量を制御する。これは、スラグ系に注入される石炭(または他の炭素質燃料)および酸素の量の比を制御することによって達成することが可能である。ある酸化鉄は、スラグの化学的性質によって定まる量がスラグに溶解するであろう。酸化鉄の他の部分は、スラグが酸化鉄中に飽和するならば、スラグ中にスラリー状の粒子化した固形物として存在するであろう。
【0069】
前述のように、水素製造のために2つ以上の反応器を平行に連続的に運転可能であることは明らかである。鉄が蒸気還元反応器中の溶融金属混合物からなくなり、酸化鉄が酸化金属反応器中で金属に還元されると、反応器への流入と流出を切り替えることによってそれらの機能を逆にすることが可能である。反応器の機能を逆にしても、反応器への金属または酸化金属の流出入の動きはない。このことはコストに大きなまた有利な影響を与える。反応器には蒸気を注入し、あるいは炭素と酸素を注入して一酸化炭素を生成する単一の先端部浸漬ランスを用いることが可能である。あるいは、2つのランス(1つは蒸気用、他は炭素/酸素用)を備える反応器を用いることが可能である。蒸気を注入するための追加の流入口を反応器の側部などに提供することも可能である。
【0070】
本発明による2つの反応器を用いた連続的な水素生成のフローシートが図6に示されている。
水素生成工程は2つの反応器602および604を使用し、反応器の1つは蒸気還元モードで運転し、他は酸化金属還元モードで運転する。図6に示したように、反応器602は蒸気還元モードで運転して水素を生成し、反応器604は酸化金属還元モードで運転している。
【0071】
蒸気は廃熱ボイラー606および610で水を加熱して提供される。ボイラーで加熱する前に、水は逆浸透膜および脱イオンなどを用いることによって浄化612を行い、ボイラーの運転に影響を与え、あるいは水素ガス生成物に不純物を導入する可能性のある汚染物質を除去しなければならない。蒸気はボイラー中で製造され、蒸気還元反応器602の内部を運転温度、例えば約1200℃で等温条件に維持するのに十分な過熱温度で反応器602に提供される。
【0072】
蒸気は先端部浸漬ランス608を通して反応器602に注入される。先端部浸漬ランスは良好な攪拌、および蒸気と溶融金属混合物間の高い接触面積を提供し、蒸気還元/金属酸化反応を促進する。反応器602は水素および蒸気が反応器から漏出するのを防ぐために密閉されている。また、蒸気に十分な接触時間を提供し、水素を圧力下で送達するように反応器は適度な圧力下に置くことが可能である。
【0073】
必要であれば他の材料を反応器に加えることが可能である。例えば、蒸気還元反応が金属を酸化するとき溶融金属混合物の上に生成されるスラグ層の特性を制御するために、フラックス614を加えることが可能である。可能なフラックスには、SiO2、FeO、CaO、MgO、Na2OまたはK2Oが含まれる。加えて、スズ化合物、錫鉱石などの他の材料、または鉄化合物または鉱石などの他の材料を、金属価の損失を補うために加えてもよい。特に好ましい実施形態では、錫鉱石(SnO2)がスズの損失を補うために反応器に注入される。
【0074】
水素と過剰蒸気を含む水素含有ガスは反応器602から除去される。水素含有ガスは廃熱ボイラー606を通過して追加の蒸気のために熱を提供することが可能であり、それによって熱の価値を節約する。また、水素含有ガス流ガスは、酸化スズの亜酸化物(SnO)、スズの水和亜酸化物(SnO2H2)、および溶融金属浴およびスラグから揮発し、あるいは排出されて混入した(凍結)スラグの粒子など、いくらかの汚染物質を含む可能性があり、その汚染物質はバグハウス616で除去することが可能である。例えば、揮発性スズ化合物はガス流から凝縮させ、粒子化スラグと共に廃熱ボイラーまたはバグハウスの中で捕捉させることが可能である。捕捉の後これらの材料はペレット化618し、場合によっては、金属価の回復およびスラグの化学的性質の制御のために、蒸気還元モードで運転している反応器602、または酸化金属還元モードで運転している反応器604のいずれかに提供することが可能である。汚染物質を除去した後、場合によっては、水素ガス流を凝縮器620および/または冷却器(図示せず)中で処理して水素ガス流からの過剰の蒸気を凝縮し、高純度の水素ガス流622を生成する。水素ガス流から凝縮した水は追加の蒸気製造のために再循環させることが可能である。
【0075】
同時に、酸化金属は反応器604の中で還元される。酸化金属は、石炭624(または他の炭素質材料)と酸素626を先端部浸漬ランス628を通して注入することによって生成することの可能な、COなどの還元剤で還元される。反応器602に関しては、先端部浸漬ランス628が反応物間の良好な攪拌と接触表面積を提供する。また、水素含有ガスも先端部浸漬ランスまたは同様な装置を用いて注入しなければならない。粒子状石炭は単純に石炭を反応器に投入するなど、他の手段で反応器604に加えることが可能である。
【0076】
反応性酸化金属の還元を行うために酸素と共に使用される、一般に石炭(または他の炭素質材料)の一部である灰を形成する鉱物は、反応器604中のスラグ層に貢献する。石炭624を使用し、スラグ中に十分な酸化カルシウム(CaO)があれば、スラグ層は商品性のあるポゾラン副生産物となり得る。反応器602に関しては、フラックスなどの他の材料を反応器604に注入して、例えばスラグの流動性または発泡性などのスラグの特性を制御することが可能である。
【0077】
酸化金属還元反応器604からの排ガスは二酸化炭素、窒素、および硫黄など石炭からのいくらかの汚染物質を含む可能性がある。排ガスからの熱は蒸気を発生する廃熱ボイラー610で保存される。ガス流は次いでバグハウス630中で処理し、粒子化汚染物質を除去することが可能である。残るガスは石灰石スクラバー632中で処理し、環境に優しい煙道ガスおよび石炭から生じる硫黄からの石膏を生成することが可能である。あるいは、硫黄は無水アンモニアで処理して、土壌の肥料として有用な化合物、硫化アンモニウムを生成することが可能である。
【0078】
このようにして、鉄が蒸気還元反応器602中の溶融金属混合物からなくなり、酸化鉄が酸化金属還元反応器604中で鉄に還元されると、反応器への流出入を切り替えることによってそれらの機能を逆にすることが可能である。ガス流を切り替える前に、場合によっては、反応器はパージして残留ガスおよび汚染物質を除去することが可能である。したがって、水素ガスは実質的に連続的に製造することが可能である。
【0079】
本発明によって製造される水素ガスは高純度であることが好ましい。ガス流は、主として蒸気の形の水からなる残留化合物の少なくとも約30容量%の水素を含むことが好ましい。水素の純度は、凝縮器で残留水を除去した後に、99%以上が好ましく、99.9%がより好ましい。水素ガスが、メタンの蒸気改質または石炭のガス化のいずれか、現在製造されている水素の大部分を占める2つの方法のいずれかによって製造した水素の場合のように、一酸化炭素および二酸化炭素など他のガス状化学物質から分離する必要がないことは本発明の利点である。溶融混合物中に溶解した炭素のために、炭素物質(例えばCO)が当初からガス流の中に存在する場合には、ガスを採収し、水素の純度が十分なレベルに達するまで燃料価のために燃焼することが可能である。すなわち、すべての溶解した炭素は、大量の水素が反応性金属の酸化によって製造される前に、蒸気と優先的に反応してCOを生成する。さらに、本発明の方法および装置は、低コストで大量の純粋な水素ガスの製造を可能にする。水素ガスは、約51,623BTU/lb(13,009キロカロリー)の燃料価を有し、燃焼ガスの成分として有用である。また、水素は水素化工程および半導体製造に使用することが可能である。さらに、プロトン交換膜燃料電池(PEMFC)などの燃料電池の燃料として直接使用することができる。
【0080】
本発明の一態様は、一般にエネルギー変換に伴う石炭の有害な副生産物を大気に排出することを最小にしながら、石炭からエネルギー価を生産する石炭の処理を目的とする。方法は、有害な副生産物を大気へ放出することを最小にしつつ、石炭から中間BTUガスの形で利用可能な含有エネルギーを抽出することを可能にする。
【0081】
石炭は合衆国、およびエネルギー生産基幹施設が開発途上の第三国を含む多くの他の地域に比較的豊富に存在する。石炭の使用に伴う問題の1つは、石炭が一般に硫黄を含み、その鉱物質含有物を清浄化しまたは除去しなければならならず、それにも拘らず、通常、環境基準に合致させるために燃焼後ガスの洗浄が追加として必要なことである。
【0082】
石炭原料が高硫黄石炭を含む低級の石炭、および他の低級石炭を含む可能性のあることは、本発明の利点の1つである。それらの低級石炭は容易に入手可能であり、低コストで入手可能である。本明細書に用いている用語「低級石炭」は、2重量%を超える硫黄含有量、および約10重量%を超える灰含有量を有する石炭を指す。
【0083】
一般に、本発明の方法は、石炭原料を水素化ユニットに提供し、石炭原料を前述のようにして製造したH2を含む処理ガスに接触させることを含む。揮発性のある石炭中の炭化水素は水素と反応してメタン(CH4)を生成する。水素化ユニットからの排出ガスは、必要であれば洗浄して、清浄な高BTUガス生成物を製造することが可能である。このガス生成物の一部は、発生器の高い熱−電気変換効率を利用して、複合サイクル発電機中で燃やすことが可能である。ガス生成物の他の部分は、水素化ユニット中に生成した不揮発性炭素と共に従来のボイラーで燃焼させることが可能である。水素処理ガスは強い脱硫黄剤であるので、炭素は実質的に硫黄を含まない。一実施形態では、水素化ユニットで製造された炭素の他の部分は、酸化金属還元工程に循環して戻すことが可能であり、酸化金属は反応性金属に還元される。このようにして石炭は揮発物(水素で処理された)および固定炭素(酸素と反応した)へ有利に分離される。
【0084】
図7を参照すれば、石炭702は、場合によって他の有機物と共に、最初に石炭の温度を上昇させる予備加熱器704へ運ばれる。加熱された石炭は次いで水素化ユニット706に運ばれ、石炭は上述した方法によって生成した水素ガス705と接触する。
【0085】
水素化ユニット706は、流動床反応器または粒子状石炭の処理に適した他の反応器であり得る。ユニットは約5psi(351g/cm2)以下の圧力など、大気圧または大気圧に近い圧力で運転することが好ましい。
【0086】
水素化ユニット706がかなり高い圧力で運転されないことは本発明のコスト上の利点である。著しく高い圧力は、非常に高いBTUを含有するガスである、追加のメタンを生成する。しかし、石炭を清浄なエネルギーに変換するためには、水素化工程の残留物であるコークスから、可燃焼ガスの一酸化炭素および水素を製造することがよりコスト効率がよい。コークスと蒸気(COおよびH2)間の反応から誘導されたガスは、水素化からのメタンと結合して価値のある中間BTUガスを生成する。水素化ユニット706中の反応は、少なくとも約700℃で実施することが好ましく、約800℃〜約900℃など、約1100℃を超えないことが好ましい。水素化ユニット中で起きる反応は発熱反応であり、外部熱を追加する必要は極小である。
【0087】
石炭は主として有機化合物である化学化合物の複雑な混合物である。石炭は大部分が炭化水素であるが、硫黄および窒素などの不純物が石炭には捕捉されている。石炭が燃焼すると放出されるこれらの不純物は、大気に放出されると硫酸および硝酸を生成し、一般の石炭ベースの発電所では排ガスから洗浄されねばならない。さらに、石炭が燃えるとき、炭素が大気中の酸素と結合してCO2、すなわち地球の熱を捕捉する良く知られたグリーンハウスガスを生成する。
【0088】
本発明によれば、石炭702を水素化ユニット706中で水素処理ガス705で処理するとき、石炭は燃えない。むしろ石炭中の揮発成分を除去するために加熱される。これらの揮発成分は、大部分メタンからなる高BTU製品ガスを有利に生成する。揮発分を除去した残りは水素の作用で浄化され、その浄化には硫黄および窒素の除去が含まれる。得られる浄化された炭素(例えばコークス707)は、(a)有害な過剰の副生産物を生成することなく従来のボイラー中でメタンと共に燃焼する、(b)一酸化炭素と水素に変換されて、そのガスは水素化反応器706からのメタンに加えられて中間の燃焼用BTUガスを生成する、(c)酸素と蒸気によって活性化された活性炭716を生成する、または(d)これらの組み合わせを行う。
【0089】
水素化反応から製造されたメタン含有ガス流は廃熱ボイラー708を通してガス流からの熱価を保存することが可能である。その後、石灰石、生石灰またはアンモニアスクラバーを用いてメタン含有ガス流から硫黄などの汚染物質を除去し、それによって高純度のメタン含有ガス712を製造することが可能である。石炭中の硫黄は硫化水素(H2S)を生成するであろうが、これはメタンガス流から洗浄することが可能である。場合によっては、燃焼が大量のガス流を発生するので、燃焼前にメタンガス流を洗浄することが有利である。
【0090】
メタンガスは電気を発生するために現場で燃焼することが可能であり、またはCO(もしあれば)を除去してパイプラインガスとして最終使用者へ供給することが可能である。さらにCH4の一部は、他のユニット運転へ循環して戻し、加工熱を提供することが可能である。例えば、CH4の一部は、蒸気過熱ヒータ714へ迂回させることが可能である。
【0091】
水素化処理は有利に石炭702中の不純物を除去し、清浄なコークス生成物707を生成する。コークス生成物707は、必要ならば活性化/酸化ユニット718中で処理することが可能であり、(a)活性化された清浄な炭素716、(b)清浄なコークス、(c)水素と一酸化炭素からなる混合ガス、または(d)前述のいくつかの組み合わせを生成する。
【0092】
本発明の一実施形態によれば、コークス707の一部は、酸化金属を還元するために酸化金属還元反応器(図5)に循環して戻すことが可能である。炭素はCOおよびスラグに取り込まれた灰に変換され、これは定期的に取り除くことが可能である。水素化ユニット706からの残るコークスは従来のボイラー中で追加のエネルギー製造のためにメタンと共に燃焼させることが可能である。
【0093】
さらに、蒸気の還元によって製造される水素ガス705の一部は、水素化ユニット706から迂回させ、単独でまたはメタンガスと組み合わせて直接燃料源として使用することが可能である。例えば、水素は、ボイラー、内燃機関、または燃料電池の中で直接燃やすことが可能である。
【0094】
上述のように、本発明の水素化ユニットへの主要な原料は高級石炭と同様、低級石炭であることが可能である。実際、低級石炭原料はそれらが一般に低コストで入手可能であるので有利である。一実施形態では、少なくとも1重量%の硫黄を有する低級石炭であることが好ましく、少なくとも2重量%の硫黄はさらに好ましい。石炭は粉砕して水分を除去するなどの処理を行うことが可能である。例えば、石炭を粉砕して最大粒子サイズが約1mmを超えないように小さくすることが望ましい。原料が粉砕した石炭であると、水素化工程では高純度で細かく分かれた炭素生成物が得られる。
【0095】
本発明の水素化処理によって石炭中の揮発物(例えば炭化水素)はメタンに変換される。揮発物質の少なくとも約90重量%がメタンに変換されることが好ましく、少なくとも約95重量%がより好ましく、少なくとも約99重量%がさらにより好ましい。
【0096】
上述したように、石炭は多くの場合高いレベルの硫黄を含む汚染物質を含む。本発明の方法は、残留コークスと同様石炭の揮発物質部から、有利に、また直ちに汚染物質を取り去る。例えば、硫黄は水素ガスと反応して硫化水素を生成し、これは廃棄流から容易に除去することが可能である。
【0097】
さらに、本発明の方法は、石炭原料からエネルギーを作り出すことを可能にし、同時に、生成したエネルギーのキロワット−時当たり、一般に従来の石炭燃焼発電所で生成されるよりも極めて少ない二酸化炭素を生成する。発生した電力キロワット−時に対するこの低い二酸化炭素の比率は、本発明の方法が固形燃料の石炭を中間BTUのガス状燃料に変換するので、自然に生じるものである。固体燃料の熱電変換効率(%で表される)は、20代半ばから30代前半の範囲であるが、一方ガス状燃料では熱電変換は55〜60%である。二酸化炭素放出における還元は重要な環境上の要素であり、方法にさらに価値を与える。
【0098】
上述したように、水素化ユニットで製造された炭素は活性炭である。活性炭は多くのガス、蒸気およびコロイド状固形物の高い吸着を特徴とする非晶質の形をしている。活性炭の内部表面積は数百m2/グラムを超え、密度は約0.85g/cm3を超えない。活性炭には高い価値があり、空気および水の浄化、廃棄物処理、煙道ガスからの水銀(Hg)およびSOxの除去に使用することが可能である。したがって、水素化工程は石炭に適用すると、価値のある副生産物と同様に高BTU価のガス流を提供する。
【0099】
石炭に加えて、他の炭化水素含有原料も同様に処理を行ってメタン(CH4)を含む価値のあるガス生成物を製造することが可能である。原料は水素化ユニットに供給され、そこで原料の一部がCH4に変換するように、H2を含む大量のガス組成物と高温で接触する。
【0100】
本発明の1つの利点は、原料が非常に低コスト、または負の総コストで入手可能なものを含む事実上任意の炭化水素含有原料であり得ることである。
【0101】
一実施形態では原料は自治体の廃棄物である。自治体の廃棄物には、一般家庭および産業廃棄物、有害な廃棄物、動物廃棄物、下水汚泥、自動車の細切廃棄物(ASR)、ゴムタイヤの破片、および同等品を含み得る。自治体の廃棄物は、自治体が廃棄物の撤去および破壊のために「心付け」料金を支払うので、通常負の総コストで入手可能である。
【0102】
合衆国環境保護局によれば、合衆国は1998年に2.2億トンの自治体廃棄物を発生した。1人当たりの廃棄量は1960年の1人1日当たり2.7ポンド(1.226キログラム)から1980年の1人1日当たり3.7ポンド(1.680キログラム)、1998年の1人1日当たり4.5ポンド(約2.403キログラム)へと着実に増加してきた。1998年のEPAによる合衆国の自治体廃棄物の成分(再生前)は表3に示されている。
【0103】
【表3】
【0104】
原料が自治体の廃棄物である場合、必要であれば原料を処理し分別することが可能である。例えば、鉄および鋼などの磁性金属は容易に取り除きスクラップとして売却可能である。場合によっては、セルロースベースの材料(例えば紙および木材)も原料中の酸素化合物のレベルを下げるために原料から除去することが可能である。例えば、紙および厚紙、庭の刈り込み屑および木材を含む、この軽く比較的乾燥した廃棄物部を分別するのに、例えば空気分別を使用することが可能である。食物廃棄物、プラスチック、ゴム、皮革、非鉄金属、およびガラスを含む、残る廃棄物は水式分類によって分別することが可能である。非鉄金属およびガラスは別の場所で再生することが可能である。
【0105】
上述したように、用語「自治体の固形廃棄物」は居住者および一般産業廃棄物だけではなく、自動車の細切廃棄物(ASR)や「綿ほこり(fluff)」を含み得る。主として非鉄金属成分である再生自動車のASRは、プラスチック、ゴム、繊維、未回収金属および泥の不均一な混合物である。ASRのプラスチック含有量は一般に約20重量%であり、自動車製造に使用されるプラスチックの量が増加するに伴って増加している。ASRは現在地上を埋め、ある地域ではASRを廃棄コストが劇的に増加している有害廃棄物として法の制定が提案されている。したがって、ASRを有用な製品ガスに変換することは大きな環境および環境保護の救済となるであろう。
【0106】
石炭同様、自治体廃棄物は熱を使用して揮発物と固定炭素に分別し得る。自治体廃棄物からの揮発物の化学組成物は総称CHxで表すことが可能である。すなわち、廃棄物が水素化ユニット中で大量の水素ガスと接触するときに起きる反応は次のように記述することが可能である。
0.5(4−x)H2+CHx→CH4 (9)
【0107】
大量の可燃性ガスが廃棄物および本発明の方法によって製造されるのが有利である。1トンの自治体廃棄物から約19,900,000BTU(5,014,800キロカロリー)を含む約48,550立方フィート(1,374立方メートル)のガスを発生させることが可能である。ガスは約82%の一酸化炭素、16%のメタンおよび2%の水素からなり、1立方フィート当たり約410BTU(1立方メートル当たり約3,690キロカロリー)を含む。
【0108】
他の実施形態によれば、原料は原油、タールサンドまたは類似物質などを含有する炭化水素含有物質であることが可能である。原油は燃料として使用するために地球の地殻から採収した液体炭化水素と種々の石油産出物の混合物である。原油は広範囲に変化する成分および割合の混合物であるので、物理特性は広範囲に変化し、多くの原油はオイル中に汚染物質を含むため価値が低い。本発明はその低級原油を有利に処理して有用なガス生成物を製造することを可能にする。
【0109】
タールサンドは瀝青砂とも呼ばれ、高粘度の瀝青で飽和された粗い砂または部分的に固化した砂岩の堆積物である。タールサンドから回収したオイルは一般に合成原油と呼ばれ、潜在的に大部分化石燃料の形をしている。しかし、タールサンドからのオイルの回収は困難でコストがかかる。本発明は低い価値しかないタールサンドから有用なガス生成物を製造することを可能にする。
【0110】
また、2つ以上の上述の成分を組み合わせて原料として使用し得ることも認識されよう。例えば、分別した自治体廃棄物の流れに微粉化した石炭を補足することが可能である。
【0111】
本発明のさらに他の態様は、反応物として水素ガスおよび窒素ガスを使用するアンモニアの製造を目的とする。本発明の方法の重要な態様の1つは、比較的低コストで大量の水素ガスをインシトゥーに製造することである。アンモニアを製造するための、従来技術に開示された方法の主な障害の1つは、大量の水素ガスおよび水素ガスに伴う高いコストを要することであると考えられている。本発明によれば、大量の水素ガスがin situにおいて経済的に生成される。
【0112】
本発明によれば、窒素および水素は、アンモニア(NH3)の製造を最大にするためにH2:N2のモル比が約3:1で結合される。一般のアンモニア製造方法では、水素と窒素を含むガスは約200気圧の圧力に圧縮し、約380℃〜約450℃の温度で鉄触媒の上を通過させる。
【0113】
前述の水素および窒素ガスの製造方法を組み込んだアンモニアを製造する方法は図8に示されている。水素を製造するためには、水801がボイラー802に提供され、蒸気が反応器810または812の1つに提供される。次に水素ガスは凝縮器820を通過して水が除去され、次いでアンモニア合成ループ848へ供給される。
【0114】
同時に空気800を酸化反応器811に供給して空気から酸素を取り除き、窒素ガス流825が提供される。図6に図示した実施形態では、反応器811は金属酸化反応器であり、一方反応器813は酸化金属還元反応器である。単一の反応器が還元ガスを水素製造および窒素製造ユニット運転の両方に提供するのに有利に使用し得る。
【0115】
このようにして水素ガス824および窒素ガス825がアンモニア合成ループ848に提供される。アンモニア合成ループは約200気圧に及ぶ高圧で運転することが好ましい。加えて、アンモニア合成ループ848は高温で運転され、触媒を含むことが可能である。水素および窒素からのアンモニア製造は、マッキャロル(McCarroll)らの米国特許第4,600,571号(特許文献15)、ピント(Pinto)らの米国特許第4,298,588号(特許文献16)、ゲインズ(Gaines)らの米国特許第4,088,740号(特許文献17)に示されている。前述の米国特許のいずれもその全体を本願明細書に援用している。
【0116】
得られるアンモニアは多くの用途に使用することが可能である。例えば、アンモニアは肥料に使用する尿素へ変換し得る。また、アンモニアは石炭燃焼発電所からのNOx放出を還元するのに使用し、種々のアンモニア含有化合物の製造に使用し得る。
【0117】
本発明の種々の実施形態を詳細に述べてきたが、当業者が修正ならびに翻案をなし得ることは明らかである。しかし、その修正および翻案が本発明の精神と範囲の範疇内にあることを特に理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【0118】
【図1】本発明の有用なスズ−鉄金属混合物の二成分系の相図。
【図2】本発明の一実施形態による鉄の含有量の関数として水素の生成速度を示す図。
【図3】本発明の一実施形態による鉄の含有量および反応温度の関数として水素の生成速度を示す図。
【図4】本発明の一実施形態による蒸気還元モードで運転している反応器を示す図。
【図5】本発明の一実施形態による酸化金属還元モードで運転している反応器を示す図。
【図6】本発明の連続水素製造工程フロー図。
【図7】本発明の石炭または他の有機物含有原料処理工程フロー図。
【図8】本発明のアンモニア製造工程フロー図。【Technical field】
[0001]
The present invention is directed to a method for producing hydrogen gas. More specifically, the present invention is directed to a method for producing hydrogen gas by steam reduction in which a vapor is contacted with a molten metal to produce a metal oxide and a hydrogen-containing gas stream. The metal oxide can then be reduced to metal to produce further hydrogen gas. Hydrogen gas may be used for energy generation or various chemical processes such as coal processing and ammonia production.
[Background Art]
[0002]
Hydrogen (H Two ) Are valuable necessities and special chemicals essential to many industrial processes, including ammonia production and oil refining. In addition, hydrogen can be converted to electricity in fuel cells with efficiencies approaching 80%. In fuel cell conversion, water is all of the by-product and there are no harmful emissions. For these reasons, hydrogen is widely considered to be a future fuel.
[0003]
It is known that hydrogen gas can be produced from many different sources, such as natural gas, biomass, or water, using different technologies such as reforming, gasification or electrolysis. The most common methods are methane steam reforming (SMR), coal gasification, steam reduction, biomass gasification, pyrolysis, and electrolysis.
[0004]
Methane steam reforming is considered to be the most economical and commercially viable method currently available. In the SMR process, methane (CH Four ) With steam (H Two O) to produce a gas stream comprising hydrogen and carbon monoxide (CO). The feedstock is generally natural gas, and the cost of natural gas accounts for a large portion of the total production cost.
[0005]
The SMR technique involves at least two major difficulties. One difficulty is that the cost of producing hydrogen depends on the price of natural gas. Natural gas prices are very volatile due to supply / demand issues, which are expected to continue in the future. Second, the hydrogen produced by SMR contains a large amount of carbon oxides that can only be partially removed by costly scrubbing and pressure swing adsorption. The carbon oxides remaining in the SMR hydrogen are converted to ammonia (NH) from the catalyst and hydrogen used in the fuel cell. Three ) Harmful to manufacturing.
[0006]
Hydrogen production by coal gasification is another commercially established technology, but is only commercially competitive if natural gas is not extremely expensive. In the coal gasification method, steam and oxygen (O Two ) Is used for gasification of coal producing hydrogen-containing gas. The synthesis gas from the water-gas shift reaction is then converted to carbon dioxide (CO 2) by subsequent pressure swing adsorption or washing. Two ) Enables high-purity hydrogen to be extracted. In addition, impurities such as acid gas must be separated from hydrogen. Hydrogen can also be produced by gasification of other hydrocarbons, such as residual oil.
[0007]
Steam reduction uses the oxidation of metals that removes oxygen from steam (ie, steam reduces), thereby producing hydrogen gas. This reaction is shown in
xMe + yH Two O → Me x O y + YH Two (1)
[0008]
To complete the cycle in a two-stage steam reduction process, the metal oxide must be reduced to metal using a reducing agent. For example, carbon monoxide (CO) has an oxygen affinity similar to that of hydrogen, which is equal to each other at about 812 ° C. At temperatures above about 812 ° C., CO has a greater affinity for oxygen than hydrogen. Thus, if CO at equilibrium has an oxygen affinity that is greater than the oxygen affinity of the metal, the CO will reduce the oxide of
Me x O y + YCO → xMe + yCO Two (2)
[0009]
As is generally said, the function of the metal / metal oxide pair is to convert oxygen from the vapor into a reducing gas ( CO). Metals and metal oxides are not consumed throughout the process.
[0010]
Oxygen partial pressure (pO Two ) Relates to the ease with which the metal is oxidized (eg, by steam) and the oxide is reduced (eg, by CO). The mathematical notation is pH Two O / pH Two Which is proportional to the partial pressure of oxygen. Also, the inverse function quantity equivalent to this is the fraction of hydrogen,
pH Two / (PH Two + PH Two O) (3)
It is represented as
[0011]
Some metals react violently with water to release hydrogen. Examples of the metal include lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), francium (Fr), beryllium (Be), magnesium (Mg), and calcium (Ca). ), Strontium (Sr), barium (Ba), radium (Ra), aluminum (Al), silicon (Si), phosphorus (P), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn) ), Yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), lanthanum (La), hafnium (Hf), tantalum (Ta), and gallium (Ga). At equilibrium, the sum of the oxygen partial pressures of these metals and metal oxides is very low. Once oxides are formed, they are not efficiently reduced to metal by carbon monoxide. Conversely, there are other groups of metals that react with water and generate little hydrogen. These metals include nickel (Ni), copper (Cu), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), silver (Ag), cadmium (Cd), rhenium (Re), and osmium (Os). , Iridium (Ir), platinum (Pt), gold (Au), mercury (Hg), lead (Pb), bismuth (Bi), selenium (Se), and tellurium (Te). At equilibrium, the sum of the oxygen partial pressures of these metals and metal oxides is very high. Therefore, oxides can be easily reduced by carbon monoxide.
[0012]
Between the aforementioned two metal groups are other metals characterized by an oxygen affinity that is approximately the same as the oxygen affinity of hydrogen. Metals in this intermediate group include germanium (Ge), iron (Fe), zinc (Zn), tungsten (W), molybdenum (Mo), indium (In), tin (Sn), cobalt (Co) and antimony ( Sb) is included. These are elements that can easily generate hydrogen from steam and reduce the resulting oxide with carbon monoxide. That is, these metals have a pH Two O / pH Two Is sufficiently low to have an oxygen affinity such that the production of hydrogen can be carried out, and the metal oxide is easily reduced by carbon at the temperatures of conventional pyrometallurgy (eg, about 1200 ° C.). These metals are referred to herein as reactive metals, which means that both the metal can be oxidized by steam and the metal oxide can be reduced by carbon monoxide. .
[0013]
Steam reduction / iron oxidation processes were the major industrial methods of hydrogen production during the nineteenth and early twentieth centuries. At high temperatures, iron deprives water of oxygen and releases pure hydrogen.
3Fe + 4H Two O → Fe Three O Four + 4H Two (4)
To produce maximum hydrogen from a given amount of iron requires an excess of water. After the production of hydrogen, the water is condensed to release an unpolluted hydrogen gas stream. The reaction products of the steam reduction / iron oxidation method are pure hydrogen and wustite (FeO) and / or magnetite (Fe Three O Four ). To regenerate metal, carbon monoxide or carbon captures oxygen from iron oxide, and the metal iron and carbon monoxide or carbon dioxide (CO2 Two ) Is generated.
[0014]
In early hydrogen production techniques, these two steps were performed at different locations. The main cost components of hydrogen production by this method are the cost of iron used minus the value obtained with the iron oxide produced, and the cost of producing excess steam needed to cause the reaction (temperature Function). This cost has been reduced by the benefits derived from the excess energy recovered from the steam. There are many examples in the prior art of the above method.
[0015]
Abott U.S. Pat. No. 1,345,905 discloses the production of hydrogen from steam by oxidation of iron using multiple reactors. In a four reactor configuration, one reactor is used for iron oxidation (hydrogen production), two are used for iron oxide reduction, and the fourth is used to preheat the reactants. used. The gas stream can be switched between reactors for continuous hydrogen production.
[0016]
U.S. Pat. No. 4,343,624 to Belke et al. Discloses a three-stage method and apparatus for producing hydrogen using the reduction of steam as a hydrogen source. In the first stage, low BTU gas containing oxygen and carbon monoxide is generated from a feedstock such as coal. The low BTU gas then reacts with magnetite in a second stage to produce iron, carbon dioxide, and steam. The iron and steam then react in a third stage to produce hydrogen gas and magnetite. It is possible to return the magnetite to the second stage for the reduction reaction, such as by continuously returning the magnetite to the second stage reactor via the feedstock conduit. At least one of the stages is performed in a rotating fluidized bed reactor.
[0017]
U.S. Pat. No. 4,555,249 to Leas discloses a gas containing reactant powders, such as iron alloy powders, that differ greatly in weight between reduced and oxidized forms. 1 discloses a fractionation unit. The unit includes two zones, an oxidation zone containing the reactant powder and a reduction zone, and hydrogen gas is withdrawn from the oxidation zone. When the reactant powder is converted from the oxidized form to the reduced form, the weight of the powder increases, and the change in weight is used to transfer the reduced powder to the oxidation zone while moving the oxidized powder to the zone. Used.
[0018]
"H" by Straus et al Two from Biosyngas via Iron reduction and Oxidation "discloses a method for producing hydrogen from biosynthesis gas. Two And CH Four H Two , CO, H Two O and CO Two Biosynthesis gas containing is used to reduce magnetite to iron. The iron is then cooled and sent to a hydrogen gas generator where the iron comes in contact with steam and generates hydrogen by steam reduction. The iron oxide is then cooled and returned to the metal oxide reduction reactor for reaction with the biosynthesis gas.
[0019]
The disadvantage of the steam reduction method using iron is that the reaction of solid iron with steam creates an oxide layer that prevents additional steam from reacting with the iron under the oxide layer, thus reducing the reaction rate. It is limited by the rate of gas diffusion through the oxide layer. Also, the reaction rate depends on the surface area of iron available for the reaction. However, a large surface area is equivalent to a small particle size, and processing into small particles is expensive. In addition, there are difficulties associated with the reduction of iron oxide. One method of reducing iron oxide involves the dissolution of oxides, thus resulting in high temperature disadvantages due to the high melting point of iron (1538 ° C.). In another method, iron oxide is reduced to metal in the solid state by carbon and / or a reducing gas. However, this latter method is inefficient and kinetic difficult. Except for solid state reduction, a minimum of 20.8 tons of iron and 28.7 tons of magnetite are physically transferred from one reactor (metal oxidation) to another reactor (metal reduction) per ton of hydrogen produced. Must be moved.
[0020]
Metals other than iron have been used in the steam reduction process. Acker, U.S. Pat. No. 1,050,902, discloses the use of tin or zinc in a steam reduction process to produce hydrogen and the regeneration of metals by reducing metal oxides with coal. Is disclosed.
US Pat. No. 3,821,362 to Spacil discloses Sn / SnO for producing hydrogen. Two Is used. The molten tin is made fine dust and brought into contact with steam, Two And hydrogen gas. Then SnO Two Is produced by contact of coal powder with air, H Two , N Two , And CO. SnO Two Is reduced to liquid tin and then transferred to the first reactor. A similar method for producing hydrogen is shown in U.S. Pat. No. 3,979,505 to Seitzler.
[0021]
Erickson U.S. Pat. Nos. 4,310,503 and 4,216,199 disclose the potential of tin to act as an oxygen carrier from vapor to carbon dioxide. Discloses a comprehensive study. An extension of this work was also reported in Ericsson's "Hydrogen from Coal via Tin Redox," prepared for the US Department of Energy Conservation-Related Inventions in February 1981.
[0022]
Ericsson describes the equilibrium pH of the metal oxidation reaction with steam as the stage in which the yield of hydrogen from a given amount of coal reduction composition is continued. Two / PH Two Report that O can be increased by using a multi-step process configured to increase. Among the materials used as intermediates (ie, metal / metal oxide pairs), pure solids are iron, wustite (FeO), tungsten dioxide, molybdenum and germanium, pure liquids are tin and indium, and dissolved Dissolved liquids are tin, indium, germanium, zinc, and iron, where dissolved means that the intermediate is present in less than a unit of activity. The effect of using a dissolved liquid is that the partial pressure of oxygen increases (ie, the partial pressure of hydrogen decreases) and a small amount of hydrogen is produced. Ericsson discloses that a suitable solvent for the dissolved liquid can be selected from one or more inert metals with a high oxygen partial pressure, such as, for example, copper, lead and nickel. It is also disclosed that tin, which is an active metal, can be used as a solvent for indium.
[0023]
When producing hydrogen by using tin in a steam reduction process, the first reaction is:
Sn + 2H Two O → SnO Two + 2H Two (5)
In order to properly ensure the reaction rate of the above reaction, a temperature of about 900 ° C. or higher is required, and tin is a liquid at that temperature (T m = 232 ° C). Thermodynamics indicate that at such high temperatures a large excess of steam is required to drive the reaction. The need for large amounts of excess steam raises a number of problems. For the process to be economical, heat must be recovered, including the recovery of the heat of evaporation of water to produce steam. Most of this heat recovery is technically possible, but requires additional capital to implement. Also, a large amount of excess vapor must be physically contacted with tin, such as by bubbling liquid tin. In practice, that contact is only possible if the steam and the reactor operate under moderate pressure, and the process of operating at very high pressures is generally very expensive.
[0024]
For example, the production of one ton of hydrogen requires 8.94 tons of steam and 29.4 tons of tin (calculated by stoichiometry). Further, producing 1 ton of hydrogen at 900 ° C. requires 35.7 tonnes of steam to meet thermodynamic requirements. If this total amount of steam required (44.6 tonnes) passes through a stoichiometric amount of tin under atmospheric pressure, the speed of the steam passing through the space not occupied by tin will exceed 100 meters / second. That is, the nominal residence time is less than 1/100 second, and even when the system pressure is increased to 100 atmospheres, only 0.85 seconds is allowed to bring the reaction closer to equilibrium. It is possible to use an excess of tin over the stoichiometrically required amount, and the effect of the higher weight (larger volume) of tin is to increase the nominal residence time. However, due to the increased tin-steam reactor and the required increase in the inventory of tin, this approach to increasing the nominal residence time is expensive.
[Patent Document 1]
U.S. Pat. No. 1,345,905
[Patent Document 2]
U.S. Pat. No. 4,343,624
[Patent Document 3]
U.S. Pat. No. 4,555,249
[Patent Document 4]
U.S. Pat. No. 1,050,902
[Patent Document 5]
U.S. Pat. No. 3,821,362
[Patent Document 6]
U.S. Pat. No. 3,979,505
[Patent Document 7]
U.S. Pat. No. 4,310,503
[Patent Document 8]
U.S. Pat. No. 4,216,199
[Patent Document 9]
U.S. Pat. No. 3,905,807
[Patent Document 10]
U.S. Pat. No. 4,251,271
[Patent Document 11]
U.S. Pat. No. 5,251,879
[Patent Document 12]
U.S. Pat. No. 5,282,881
[Patent Document 13]
U.S. Pat. No. 5,308,043
[Patent Document 14]
US Pat. No. 6,066,771
[Patent Document 15]
U.S. Pat. No. 4,600,571
[Patent Document 16]
U.S. Pat. No. 4,298,588
[Patent Document 17]
U.S. Pat. No. 4,088,740
[Non-patent document 1]
"H2 from Biosyngas via Iron reduction and Oxidation" by Straus et al.
[Non-patent document 2]
Ericsson's "Hydrogen from Coal via Tin Redox" prepared for the US Department of Energy Conservation-related Inventions (February 1981)
[Non-Patent Document 3]
Harikmar K. C. (Hari Kumar, KC, et al.), Calphad, Vol. 20, No. 2, pp. 139-149 (1996)
DISCLOSURE OF THE INVENTION
[Problems to be solved by the invention]
[0025]
Therefore, there remains a need for a method for producing hydrogen that is technically reliable and economically feasible. Both steam / iron and steam / tin processes are technically feasible. But neither is economically feasible. The steam / iron process is unsatisfactory because (1) the production of hydrogen is diffusion controlled, (2) the cost of moving the metal is high, and (3) it is difficult (cost) to reduce iron. The vapor / tin process has poor reaction rate at low temperatures (less than about 800 ° C.) and poor thermodynamics at high temperatures, and thus lacks economic feasibility. Poor thermodynamic results require large volumes of steam to be processed through the molten metal, increasing process difficulties and costs. Despite the high need for hydrogen gas, we do not know of any commercial equipment capable of performing a steam reduction process due to these and other factors.
[Means for Solving the Problems]
[0026]
According to one embodiment of the present invention, a method for producing a hydrogen-containing gas stream is provided. The method includes the steps of generating steam and contacting the steam with a molten metal mixture having at least about 20% by weight of iron dissolved in a diluting metal, wherein at least a portion of the iron is oxidized to a metal oxide. And at least a portion of the steam is reduced to produce a hydrogen-containing gas stream. Preferably, the diluting metal is tin. Contacting the steam with the iron dissolved in the diluent metal reduces the problems associated with the thermodynamic and kinetic constraints inherent in conventional steam reduction processes.
[0027]
According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of producing a hydrogen-containing gas, wherein steam is generated and contacted with a molten metal mixture at a temperature of at least 1100 ° C. The molten metal mixture includes a reactive metal dissolved in a diluent metal, where the reactive metal is oxidized and the steam is reduced to produce hydrogen. Using a temperature of at least about 1100 ° C. for the molten metal mixture allows for the production of hydrogen under suitable thermodynamic and kinetic conditions.
[0028]
According to another embodiment, there is provided a method of producing a hydrogen-containing gas stream comprising generating steam and contacting the steam with a molten metal mixture in a reactor, wherein the reactive metal-containing particles are provided. Dispersed in the molten metal mixture. As the reactive metal is oxidized by the vapor, the reactive metal-containing particles advantageously provide additional reactive metal to the molten metal mixture.
[0029]
According to another embodiment, there is provided a method of producing a hydrogen-containing gas stream comprising contacting a vapor with a molten metal mixture in a reactor, the molten metal mixture comprising a reactive metal dissolved in a diluent metal. Including. The reactive metal is oxidized by the steam to a metal oxide. The metal oxide is then reduced in the reactor to a reactive metal.
[0030]
The hydrogen-containing gas stream produced as described above is used in various processes and is particularly suitable for the treatment of carbon-containing substances such as coal or waste, and for the production of chemicals such as ammonia.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0031]
According to the present invention, hydrogen gas (H Two ) Comprises a molten metal mixture comprising at least a first reactive metal at least partially dissolved in at least one diluent metal and water vapor (H Two O). The diluting metal may be reactive with the vapor, but by definition is less reactive than the reactive metal. Thus, oxygen from the vapor preferentially reacts with the reactive metal to oxidize the reactive metal to a metal oxide and reduce some of the vapor to produce a hydrogen-containing gas stream that also contains excess vapor. In a preferred embodiment, the production of hydrogen continues until the concentration of the dissolved reactive metal in the molten metal mixture is reduced to the lowest concentration determined by economics, at which point the steam injection is terminated. The reducing agent is then introduced into the reactor under vigorous stirring conditions, such as with a tip immersion lance. Under these conditions, the metal oxide is chemically reduced to the reactive metal and redissolves again in the molten metal mixture. By switching the steam and reducing agent streams between two or more reactors, a substantially continuous production of hydrogen is possible. The method of the present invention offers significant advantages over prior art steam reduction methods.
[0032]
To begin the production of hydrogen, a vapor is contacted with a molten metal mixture comprising at least a first reactive metal and at least a first diluent metal. By definition, reactive metals are those that are more reactive with steam than diluent metals. Preferably, the reactive metal has an oxygen affinity similar to that of hydrogen and reacts with the vapor to produce a metal oxide. For example, reactive metals include germanium (Ge), iron (Fe), zinc (Zn), tungsten (W), molybdenum (Mo), indium (In), tin (Sn), cobalt (Co), and antimony (Sb). ). The molten metal mixture can include one or more reactive metals. Preferred reactive metals are (1) those that are soluble in the diluent metal, (2) those that have a very low vapor pressure at the oxidation / reduction temperature, and (3) that react with the vapor to oxidize. / Produces one or more oxides with very low vapor pressure at the reduction temperature. A particularly preferred reactive metal according to the present invention is iron, and according to one embodiment the reactive metal in the molten metal mixture consists essentially of iron.
[0033]
The reactive metal is at least partially dissolved in the second metal or metal mixture. The metal in which the reactive metal is dissolved is referred to herein as the diluent metal. The diluent metal may also be reactive with the vapor, in which case if the diluent metal is less reactive than the reactive metal, it may be selected from the group of reactive metals disclosed above. It is possible. Alternatively, the diluent metal may be an oxygen partial pressure (pO Two ) Can be selected from relatively high metals. These metals include nickel (Ni), copper (Cu), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), silver (Ag), cadmium (Cd), rhenium (Re), and osmium (Os). , Iridium (Ir), platinum (Pt), gold (Au), mercury (Hg), lead (Pb), bismuth (Bi), selenium (Se), and tellurium (Te). One or more diluent metals can be used in the molten metal mixture. The diluent metal must not be a metal with a very low oxygen partial pressure at equilibrium of the metal and the metal oxide.
[0034]
Preferred diluent metals are (1) combined with the reactive metal and become liquid in the temperature range of 400 ° C. to 1300 ° C., (2) above this temperature range the vapor pressure is very low and (3) in solution It has the ability to retain reactive metals. According to a preferred embodiment of the present invention, the diluent metal is tin, and in one embodiment, the diluent metal consists essentially of tin. However, the molten metal mixture can also include additional diluent metals, especially copper and nickel.
[0035]
A particularly preferred molten metal mixture for the steam reduction of the present invention comprises iron as the reactive metal and tin as the diluent metal. Iron is highly soluble in molten tin at high temperatures, and the melting temperature of the mixture is much lower than the melting temperature of pure iron (1538 ° C.). Tin is also reactive with steam, but less reactive than iron.
[0036]
For thermodynamic reasons, the steam reduction reaction to produce hydrogen gas requires an excess of steam over the stoichiometrically required amount. The total amount of steam required for iron (the mass ratio of steam required for hydrogen produced) is much less than tin at all temperatures, and iron is preferentially oxidized in the molten metal mixture. That is, although not theoretically supported, it is considered that some reactive tin is oxidized to tin oxide and immediately reduced to tin.
[0037]
[0038]
The thermodynamic steam requirement for tin at 660 ° C. is approximately equal to the thermodynamic steam requirement for iron at 1200 ° C. However, producing hydrogen using tin as a reactive metal at 650 ° C. has very poor kinetics (ie, reaction rate) and therefore very long residence time (ie, the time that steam is in contact with tin). ) Is not practical.
[0039]
At 1200 ° C., the reaction rates of tin and iron are excellent. However, tin has a much higher steam requirement than iron. According to the invention, the residence time during which the vapor contacts the reactive metal is increased by using a diluting metal. For illustration, the thermodynamic steam requirement and nominal residence time of the dissolved iron (50% by weight iron in tin) of an embodiment of the present invention at a temperature of 1200 ° C. and various pressures compared to pure tin The comparison is shown in Tables 1 and 2. Table 1 shows the total amount of steam required to produce one ton of hydrogen at 1200 ° C.
[0040]
[Table 1]
[0041]
Table 2 shows the nominal residence time at a hydrogen production rate of 4.439 tonnes.
[Table 2]
[0042]
From the data in Tables 1 and 2, it is clear that a pure tin system requires more steam to produce hydrogen than a molten iron system according to the present invention. Table 2 also shows that the nominal residence time of tin capable of reacting with steam is significantly shorter than the nominal residence time of iron dissolved in tin capable of reacting with steam. Nominal or apparent residence time is the time that steam (the reactants of the process) can pass through the space occupied by the amount of reactive metal used. In Table 2, the molten volume is the stoichiometrically required amount of metal when the hydrogen production rate is 4.439 ton hydrogen / hour. During this time, hydrogen is ideally thermodynamically pH Two / PH Two An amount corresponding to the ratio of O is produced. It is possible to increase the nominal residence time by an amount of reactive metal that is higher than the stoichiometric amount, but the result is an increase in reactor size and cost. Also, increasing the pressure increases the possible reaction time between the steam and the reactive metal, but adds cost.
[0043]
Thus, one important advantage of using the reactive metal dissolved in the diluting metal according to the present invention is that the residence time of the vapor in the reactor with respect to the mass of the reactive metal is increased. That is, a constant mass of iron will occupy the first volume as pure iron, but if iron is present as a 50% by weight mixture with a diluent metal such as tin, the same mass of iron would be about twice its volume. Will be distributed.
[0044]
Figure 1 shows Harikmar K. C. A phase diagram of iron and tin adapted from Calphad, Vol. 20, No. 2, pp. 139-149, 1996 (Non-Patent Document 3) is shown. From FIG. 1 it can be seen that one effect of adding iron (reactive metal) to tin (dilution metal) is to significantly lower the melting temperature of iron. The liquid phase metal mixture drops from 1538 ° C. (pure iron) to about 1134 ° C. with a molten composition of about 48.7% by weight of tin and 51.3% by weight of iron.
[0045]
According to one embodiment, the metal mixture is preferably maintained at a temperature above the liquidus line AC of FIG. 1 (eg, about 1134 ° C.). However, too high a metal-steam reaction temperature adds significant operating costs. In the fully molten iron / tin system shown in FIG. 1, the melt must be maintained at a temperature of the liquid phase of 1134 ° C. or higher, more preferably at least about 1200 ° C. To be reasonably economical, the temperature should not be above about 1500 ° C, and more preferably should not be above about 1400 ° C. A particularly preferred temperature range for the fully molten iron / tin metal mixture is from about 1200C to 1300C. At 1200 ° C., about 50% by weight of iron dissolves in the tin with sufficient superheat and the mixture remains molten upon oxidation of the iron. Also, the reaction between steam and liquid iron dissolved in tin, producing pure hydrogen at 1200 ° C., is very vigorous and the reaction rate is excellent. Furthermore, the thermodynamics of the steam / iron system at 1200 ° C. is relatively good, requiring only about 12.2 tonnes of steam per ton of hydrogen (1.37 moles of steam per mole of hydrogen).
[0046]
According to this embodiment, the metal mixture preferably initially comprises at least about 3% by weight of iron in the molten metal mixture, more preferably at least about 10% by weight of iron, and at least about 20% by weight of iron. Preferably, about 50% by weight of iron is even more preferred. Further, the amount of iron in the molten metal mixture preferably does not exceed about 85% by weight, and more preferably does not exceed about 80% by weight. In a preferred embodiment, the balance of the metal mixture consists essentially of tin. Thus, the amount of tin in the system preferably does not exceed about 97% by weight, more preferably does not exceed about 90% by weight, and even more preferably does not exceed about 80% by weight. Preferably, the molten metal mixture contains at least 15% by weight tin, more preferably at least about 20% by weight tin.
[0047]
Although the present invention requires the presence of a molten metal mixture, in one embodiment, insoluble phases, such as particles, may be dispersed in the molten metal mixture. The combination of the molten metal mixture and the insoluble phase is called a slurry. According to one embodiment, the steam is contacted with a slurry comprising the molten metal mixture and a solid second phase. The solid second phase contains particles containing the reactive metal and provides additional reactive metal to the molten metal mixture. Preferably, the particles are metallic particles (eg, not oxide particles). For example, the slurry can include iron-rich metallic particles in an iron / tin melt saturated with iron. As the steam reduction process proceeds, the dissolved iron is removed from the molten metal mixture by oxidation of the iron, and additional iron from the iron-rich particles dissolves in the molten metal to remove the molten metal portion of the iron-saturated slurry. keep.
[0048]
Referring to the phase diagram of FIG. 1, point A (83.3% Fe at 1134 ° C.), point B (84% Fe at 1134 ° C.), point C (12% Fe at 895 ° C.), and point D (895% The composition in the two-phase region bounded by (3% by weight of Fe at 0 ° C.) comprises an iron / tin melt having a total amount of about 3% to 84% by weight of iron, some of the iron dispersed in the melt. It is a metallic particle rich in iron. As iron is removed from the molten metal by oxidation at a predetermined temperature between about 895 ° C. and about 1134 ° C., additional solid iron from the iron-rich particles dissolves, thereby reducing the level of iron in the melt. Maintain bulk saturation until no solid iron is present. This non-oxidative replacement of iron by the iron resulting from the iron-rich particles keeps the iron activity high, ie, maximizes the production of hydrogen. For example, at a temperature of about 950 ° C. and a total iron amount of about 50% by weight, the molten metal mixture will contain about 4% by weight dissolved iron in the system. As the dissolved iron is oxidized, additional metallic iron from the iron-rich particles dissolves, maintaining the dissolved iron in the melt at 4% by weight. Dissolution of iron-rich particles does not change the activity of iron.
[0049]
Thus, according to this embodiment, the slurry comprising the molten metal mixture and the iron-containing particles is maintained at a liquidus temperature of 1134 ° C or less and at least 895 ° C, more preferably between about 900 ° C and 1134 ° C.
[0050]
One advantage of the method is that the activity of the iron is kept constant, in practice close to 1, so that the rate of hydrogen production is kept constant and maximum throughout the steam reduction process.
The desired effect of the constant activity of the reactive metal will be observed if the process is performed within the miscibility gap region of FIG. 1, but the activity of iron is slightly less than 1. .
[0051]
A thermodynamic relationship exists between the partial pressure of hydrogen in the exhaust gas, the reaction temperature, and the weight percent of iron in the molten metal composition. The thermodynamic amount of iron, called "activity", varies as a function of iron concentration and has a significant effect on the ratio of hydrogen to water in the exhaust gas. Hydrogen production is maximized by operating in a phase region where high iron activity is established over a wide composition range by using a second phase that is in equilibrium with the reaction phase. This applies both to the liquid-liquid phase region above the line AC in FIG. 1 and also to the solid-liquid region below the line AC and to the right of the line AB. However, the invention does not preclude implementation in an iron-rich liquid phase.
[0052]
FIG. 2 shows the relationship between the level of hydrogen in the off-gas as a function of the iron content in the molten metal mixture. FIG. 2 is calculated based on the thermodynamics of the reaction at 1225 ° C. It is clear that as the iron content drops from 20% to 10% by weight, the rate of hydrogen production decreases rapidly. FIG. 3 shows hydrogen production as a function of temperature and iron content.
[0053]
At iron levels below about 20% by weight, and temperatures above about 1134 ° C., hydrogen production capacity decreases. The reason is (1) pH Two / PH Two O is greatly reduced, (2) because there is only a short time before switching the gas flow (ie, the vapor and the metal oxide reducing agent).
[0054]
In this way, the steam contacts the molten metal mixture to generate hydrogen and convert the reactive metal to a metal oxide. The steam contacts the molten metal mixture in a manner that promotes good agitation and contact with the molten metal mixture. For example, steam can be brought into contact with the molten metal mixture by injection from a head dip lance or from a porous ceramic diffuser located at the bottom of the reactor. A preferred reactor system in this regard is described below. The temperature of the reactor can be controlled by controlling the temperature and amount of incoming steam and / or by adding oxygen to the reactor and can be maintained at a substantially constant temperature.
[0055]
The steam reduction reactor can be maintained at a high pressure, as described above, if an appropriate residence time in the reactor is required. For example, it may be desirable to maintain at least about 15.3 atmospheres (225 psi, 15503 hectopascals). Slightly increased pressures are also beneficial in providing sufficient pressure for transfer to the hydrogen gas stream (eg, line pressures of about 200 psi (13780 hectopascals). However, very high pressures increase capital costs. To achieve this, the pressure in the steam reduction reactor is preferably no greater than about 600 psi (41341 hectopascals), and more preferably no greater than about 225 psi (15503 hectopascals).
[0056]
According to the invention, a slag layer is maintained on the molten metal mixture. The slag layer offers many advantages, including preventing iron oxide from escaping the reactor. The temperature in the steam reduction reactor must be sufficient to maintain the slag layer formed on the metal mixture in a molten state over a wide range of the composition. When the reactive metal is oxidized, the concentration of the reactive metal in the metal mixture decreases, but the metal mixture must be maintained in a molten state even when the reactive metal is oxidized. Similar to the molten metal composition range described with respect to FIG. 1, the preferred slag composition necessary to ensure sufficient slag fluidity and reactivity, and the prevention of foaming, may be reduced at any given temperature, as required. It is possible to adjust. For example, it is possible to add flux to the reactor to adjust the properties of the slag. One of the flux systems is SiO Two , FeO, CaO, MgO, Na Two O and K Two It can be said that it is a liquid surface of O. However, it is also possible to incorporate sulfur and other cations into this or other slag to ensure sufficient slag chemistry.
[0057]
Metal oxides generated by steam reduction (eg wustite and / or magnetite) can be conveniently captured (dissolved or dispersed) by slag in the reactor. At the preferred temperature, the iron oxide is incorporated into the slag, which is lighter than the metal mixture. Thus, as the dissolved iron disappears from the molten metal mixture, the iron oxide rises through the molten metal and contributes to the slag layer on top of the molten metal. The oxide formed by the reaction of the reactive metal with the steam has a lower density than the density of the molten metal mixture, which causes the oxide to rise into the slag layer. There are two advantages. Preferably, the density of the metal oxide is at least about 10% lower than the molten metal mixture. This also allows the metal to sink from the slag layer into the molten metal mixture as the metal oxide is reduced. As mentioned above, the deposition of iron oxide in the slag can be achieved by maintaining the slag in favorable conditions with respect to viscosity, reactivity, foamability, etc. Two , FeO, CaO, MgO, Na Two O, K Two It will require the addition of a flux such as O or a mixture thereof.
[0058]
The molten metal mixture must be contained in a suitable reactor to maintain the proper reaction conditions. In addition, the reactants must be provided to achieve good agitation and a large contact surface area. Suitable high temperature reactors for establishing good gas / liquid contact are used in the chemistry, and especially in the metallurgy industry.
[0059]
The preferred reactor system of the present invention uses a top-submerged lance to inject steam into the molten metal. The reactor has been used for industrial tin production from tin ore (tinite). Examples of reactors using a tip immersion lance for injecting reactants are described in US Pat. No. 3,905,807 to Floyd et al., US Pat. No. 4,251,271 (US Pat. No. 4,251,271). U.S. Pat. No. 5,251,879, U.S. Pat. No. 5,251,879, Baldock et al., U.S. Pat. No. 5,282,881, U.S. Pat. No. 4,043 (Patent Document 13) and US Pat. No. 6,066,771 (Patent Document 14). Each of these patents is incorporated herein in its entirety. The reactor injects the reactants (eg, steam) at a high velocity near
[0060]
A reactor incorporating a lance for injecting steam is shown in FIG. Reactor 400 includes a refractory side wall 402 adapted to receive a molten metal mixture 404. In order to maintain the temperature in the reactor 400, a heating means (not shown) may be provided if necessary. A tip immersion lance 408 is disposed through the top wall 412 to inject steam at a high rate into the metal mixture. The tip immersion lance 408 preferably terminates below the surface of the slag layer 406 and near the interface between the molten metal mixture 404 and the slag layer 406 and injects steam. As steam is introduced through lance 408, iron in metal mixture 404 is oxidized to iron oxide. The iron oxide rises and deposits on the slag layer 406. A gaseous product 416 comprising hydrogen gas mixed with the steam is withdrawn from outlet 410, whereupon excess steam can be condensed to produce a substantially pure hydrogen stream.
[0061]
The steam reduction process is continued until the hydrogen production rate drops to a sufficiently low level. Thereafter, a reducing agent is introduced into the reactor containing the molten metal mixture and the slag to reduce iron oxide to metal. The point at which the steam reduction process is stopped and the service reduction process is started can be easily determined based on economic reasons. That is, at some point, the rate of hydrogen production in the steam reduction reactor will be reduced to the point where it is economically advantageous to stop steam reduction and begin metal regeneration from the metal oxide.
[0062]
In this regeneration step, which can be considered a reductive cleaning of the slag, the iron oxide in the slag is reduced and returned to the melt as iron. This is achieved by reducing the oxidizing capacity of the system by introducing a reducing agent into the reactor. The reducing agent reduces the oxidizing capacity of the system, thereby forcing the iron back into the melt. The reducing agent can be carbon monoxide, coal and / or other carbon sources. According to a preferred embodiment, the oxidizing capacity of the system is reduced by injecting the particulate carbon, hydrocarbon or liquid hydrocarbon under vigorous stirring conditions with the oxygen-containing gas into the slag. Particulate carbon or hydrocarbon can include coke, coal or other organic materials. Liquid hydrocarbons such as # 6 or other oils can also be used. Waste materials such as waste tires may also be used. Waste tires can advantageously supply additional iron to the reactor to compensate for accidental iron loss.
[0063]
A tip immersion lance is preferred for introducing air or other oxygen containing gas into the reactor to ensure good agitation. Prior to injecting the reducing composition, the reactor can be purged, such as with steam, to remove any hydrogen from the reactor. After the reductive cleaning of the slag is completed, the reactor may be used to remove any carbon that may be dissolved in iron and / or contaminate the hydrogen produced when steam is re-introduced into the reactor. It is possible to purge again with air or steam to remove any other contaminants that may be present either in the melt or in the slag.
[0064]
In a preferred embodiment of the invention, a reducing agent derived from a carbon source, such as coal, and an oxygen source, such as air or oxygen-rich air, are injected into the molten metal mixture and slag layer. Coal can be injected with the air through the tip immersion lance or added separately. The use of coal as a reducing agent is advantageous because coal is abundant and relatively inexpensive compared to oil and gas. Coal can also supply iron to make up for iron lost during processing. Waste tires and other waste materials can also provide some iron. The metal oxide reduction step is continued until a sufficient amount of metallic iron is redissolved in the molten metal mixture.
[0065]
The reaction conditions when operating in the mode of reducing metal oxides to metal are preferably substantially the same as those during the steam reduction. That is, it is preferred that the temperature and pressure of the metal oxide reduction reactor be equal or very similar to the temperature and pressure of the steam reduction reactor. Accordingly, the temperature is preferably at least a liquid phase (eg, about 1134 ° C. for a tin / iron system), and more preferably at least about 1200 ° C. Preferably, the temperature does not exceed about 1400 ° C, more preferably it does not exceed about 1300 ° C. In a particularly preferred embodiment, the temperature is about 1200 ° C. in both reactors and the pressure is slightly above atmospheric pressure in the steam reduction reactor and slightly lower in the metal oxide reduction reactor.
[0066]
Referring to FIG. 5, a reactor 500 operating in a metal oxide reduction mode is shown. The reactor is physically the same as the steam reduction reactor shown in FIG. The metal mixture 504 initially contains primarily tin, although some iron may also be present. The slag layer 506 includes iron oxide generated during the above-described steam reduction step. Carbon 514, such as in the form of coal, is injected with a source of oxygen, such as oxygen-rich air, through a lance 508 disposed through the top wall 512 of the reactor. Alternatively, the carbon can be added separately to the reactor and the source of gaseous oxygen can be injected through a lance. Under reducing conditions maintained in the metal oxide reduction reactor by adding carbon and oxygen, the iron oxide is reduced to iron and then redissolved in the molten metal mixture 504. Exhaust gases 516, such as carbon dioxide and nitrogen, can be removed through outlet 510.
[0067]
Ash produced from coal in the metal oxide reduction step is also incorporated into the slag. Slag that can become pozzolans when CaO is added as a flux can be removed and ground periodically or continuously to replace Portland cement. Alternatively, the slag can be quenched with water and partially granulated. The granulated slag can then be discharged and discarded. Impurities (eg, sulfur, chlorine, and fluorine) in the coal that have been converted to gaseous chemicals (such as sulfur dioxide, hydrogen chloride, and hydrogen fluoride) during combustion can be removed by wet scrubbing. Alternatively, the sulfur can be converted to ammonium sulfide, which is useful as a fertilizer compound, and the remaining impurities that have reacted to solids can be directed to waste. Carbon dioxide and nitrogen from air and fuel are the only gaseous emissions from the metal oxide reduction process.
[0068]
By controlling the oxidizing capacity of the slag, the amount of iron oxide in the slag that is reduced to iron and subsequently transferred to the melt during metal oxide reduction is controlled. This can be achieved by controlling the ratio of the amount of coal (or other carbonaceous fuel) and oxygen injected into the slag system. Certain iron oxides will dissolve in the slag in amounts determined by the slag chemistry. Other parts of the iron oxide will be present as a slurried particulate solid in the slag if the slag is saturated in the iron oxide.
[0069]
As mentioned above, it is clear that two or more reactors can be operated continuously in parallel for hydrogen production. Once iron is removed from the molten metal mixture in the steam reduction reactor and iron oxide is reduced to metal in the metal oxide reactor, their functions can be reversed by switching in and out of the reactor. It is possible. There is no movement of metal or metal oxide into or out of the reactor when the function of the reactor is reversed. This has a significant and beneficial effect on cost. It is possible to use a single tip immersion lance that injects steam or injects carbon and oxygen to produce carbon monoxide. Alternatively, a reactor with two lances (one for steam and the other for carbon / oxygen) can be used. Additional inlets for injecting steam may be provided, such as on the sides of the reactor.
[0070]
A flow sheet for continuous hydrogen production using two reactors according to the present invention is shown in FIG.
The hydrogen production process uses two
[0071]
Steam is provided by heating water in
[0072]
Steam is injected into reactor 602 through tip immersion lance 608. The tip dip lance provides good agitation and a high contact area between the vapor and the molten metal mixture and promotes the vapor reduction / metal oxidation reaction. Reactor 602 is sealed to prevent hydrogen and vapor from leaking out of the reactor. Also, the reactor can be placed under moderate pressure to provide sufficient contact time with the vapor and deliver hydrogen under pressure.
[0073]
Other materials can be added to the reactor if needed. For example, a
[0074]
Hydrogen-containing gas containing hydrogen and excess steam is removed from reactor 602. The hydrogen-containing gas can pass through the
[0075]
At the same time, the metal oxide is reduced in
[0076]
Ash-forming minerals, which are typically part of coal (or other carbonaceous materials) used with oxygen to effect reduction of reactive metal oxides, contribute to the slag layer in
[0077]
The exhaust gas from metal
[0078]
In this way, once the iron has been removed from the molten metal mixture in the steam reduction reactor 602 and the iron oxide has been reduced to iron in the metal
[0079]
The hydrogen gas produced by the present invention is preferably of high purity. Preferably, the gas stream contains at least about 30% by volume of hydrogen of the residual compound, consisting mainly of water in the form of steam. After removing residual water with a condenser, the purity of hydrogen is preferably 99% or more, more preferably 99.9%. The hydrogen gas is carbon monoxide and carbon dioxide, as in the case of hydrogen produced by either methane steam reforming or coal gasification, either of two methods that make up the majority of hydrogen currently produced. It is an advantage of the present invention that there is no need to separate from other gaseous chemicals such as carbon. If a carbon material (eg, CO) is initially present in the gas stream due to carbon dissolved in the molten mixture, the gas is withdrawn and the fuel value is reduced until the hydrogen purity reaches a sufficient level. It is possible to burn for. That is, all dissolved carbon reacts preferentially with steam to produce CO before large amounts of hydrogen are produced by oxidation of the reactive metal. Further, the method and apparatus of the present invention allows for the production of large amounts of pure hydrogen gas at low cost. Hydrogen gas has a fuel value of about 51,623 BTU / lb (13,009 kcal) and is useful as a component of combustion gases. Hydrogen can also be used in hydrogenation processes and semiconductor manufacturing. Further, it can be directly used as a fuel for a fuel cell such as a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC).
[0080]
One aspect of the present invention is directed to the treatment of coal to produce energy values from coal, while minimizing emissions of harmful by-products of the coal, typically associated with energy conversion, to the atmosphere. The method allows extracting available content of energy in the form of intermediate BTU gas from coal while minimizing the release of harmful by-products to the atmosphere.
[0081]
Coal is relatively abundant in the United States and in many other areas, including third countries where energy production infrastructure is developing. One of the problems with the use of coal is that coal generally contains sulfur, whose mineral content must be cleaned or removed, and nevertheless usually burned to meet environmental standards. Post-gas cleaning is additionally required.
[0082]
One of the advantages of the present invention is that the coal feedstock may include lower coals, including high sulfur coals, and other lower coals. These lower grade coals are readily available and available at low cost. As used herein, the term "low coal" refers to coal having a sulfur content greater than 2% by weight and an ash content greater than about 10% by weight.
[0083]
In general, the method of the present invention provides a coal feed to a hydrogenation unit, and the coal feed is made from H Two And contacting with a processing gas containing. Hydrocarbons in volatile coal react with hydrogen to produce methane (CH Four ). The exhaust gas from the hydrogenation unit can be cleaned if necessary to produce a clean high BTU gas product. Some of this gaseous product can be burned in a combined cycle generator, taking advantage of the high thermo-electric conversion efficiency of the generator. Other parts of the gaseous product can be combusted in a conventional boiler with the non-volatile carbon generated in the hydrogenation unit. Since the hydroprocessing gas is a strong desulfurizer, the carbon is substantially free of sulfur. In one embodiment, other portions of the carbon produced in the hydrogenation unit can be recycled back to the metal oxide reduction step, where the metal oxide is reduced to a reactive metal. In this way, the coal is advantageously separated into volatiles (treated with hydrogen) and fixed carbon (reacted with oxygen).
[0084]
Referring to FIG. 7,
[0085]
Hydrogenation unit 706 can be a fluidized bed reactor or other reactor suitable for treating particulate coal. Unit is about 5 psi (351 g / cm Two It is preferred to operate at or near atmospheric pressure, such as at the following pressures:
[0086]
It is a cost advantage of the present invention that the hydrogenation unit 706 does not operate at significantly higher pressures. Significantly higher pressures produce additional methane, a gas containing a very high BTU. However, in order to convert coal to clean energy, it is more cost effective to produce combustible gaseous carbon monoxide and hydrogen from coke, which is the residue of the hydrogenation process. Coke and steam (CO and H Two The gas derived from the reaction between (1) and (2) combines with methane from the hydrogenation to produce a valuable intermediate BTU gas. The reaction in the hydrogenation unit 706 is preferably performed at at least about 700 ° C, and preferably does not exceed about 1100 ° C, such as from about 800 ° C to about 900 ° C. The reactions that take place in the hydrogenation unit are exothermic and the need for additional external heat is minimal.
[0087]
Coal is a complex mixture of chemical compounds, mainly organic compounds. Coal is largely hydrocarbon, but impurities such as sulfur and nitrogen are trapped in the coal. These impurities, which are released when coal is burned, produce sulfuric acid and nitric acid when released to the atmosphere, and must be cleaned from off-gas in typical coal-based power plants. In addition, when coal burns, carbon combines with atmospheric oxygen to form CO2 Two That is, it produces the well-known greenhouse gas that captures the heat of the earth.
[0088]
According to the present invention, when treating
[0089]
The methane-containing gas stream produced from the hydrogenation reaction can preserve the heat value from the gas stream through the
[0090]
The methane gas can be burned on site to generate electricity, or can be stripped of CO (if any) and provided to the end user as pipeline gas. Further CH Four Can be circulated back to other unit operations to provide processing heat. For example, CH Four Can be bypassed to the steam superheater 714.
[0091]
The hydrotreating advantageously removes impurities in the
[0092]
According to one embodiment of the present invention, a portion of
[0093]
Further, a portion of the hydrogen gas 705 produced by the reduction of the steam can be bypassed from the hydrogenation unit 706 and used alone or in combination with methane gas as a direct fuel source. For example, hydrogen can be burned directly in boilers, internal combustion engines, or fuel cells.
[0094]
As mentioned above, the primary feed to the hydrogenation unit of the present invention can be a low grade coal as well as a high grade coal. In fact, lower coal feedstocks are advantageous because they are generally available at lower cost. In one embodiment, it is preferably a lower coal having at least 1% by weight of sulfur, more preferably at least 2% by weight of sulfur. Coal can be pulverized to remove water and the like. For example, it is desirable to pulverize the coal so that the maximum particle size does not exceed about 1 mm. If the raw material is pulverized coal, the hydrogenation process will yield a finely divided and finely divided carbon product.
[0095]
By the hydrotreating of the present invention, volatiles (for example, hydrocarbons) in coal are converted to methane. Preferably, at least about 90% by weight of the volatiles is converted to methane, more preferably at least about 95% by weight, and even more preferably at least about 99% by weight.
[0096]
As mentioned above, coal often contains pollutants that contain high levels of sulfur. The process of the present invention advantageously and immediately removes contaminants from the volatiles portion of the coal as well as residual coke. For example, sulfur reacts with hydrogen gas to produce hydrogen sulfide, which can be easily removed from waste streams.
[0097]
In addition, the method of the present invention allows for the production of energy from coal feedstocks while at the same time producing much less carbon dioxide per kilowatt-hour of energy produced than typically produced in conventional coal-fired power plants. . This low ratio of carbon dioxide to kilowatt-hours of power generated is a natural occurrence as the process of the present invention converts solid fuel coal to intermediate BTU gaseous fuel. The thermoelectric conversion efficiencies (expressed in%) of solid fuels range from the mid-20s to early 30s, while the thermoelectric conversion for gaseous fuels is 55-60%. Reduction in carbon dioxide emissions is an important environmental factor and adds further value to the process.
[0098]
As mentioned above, the carbon produced in the hydrogenation unit is activated carbon. Activated carbon is in an amorphous form characterized by high adsorption of many gases, vapors and colloidal solids. The internal surface area of activated carbon is several hundred m Two / G and a density of about 0.85 g / cm Three Does not exceed. Activated carbon has high value, including air and water purification, waste disposal, mercury (Hg) and flue gas from flue gas. x Can be used for the removal of Thus, the hydrogenation process, when applied to coal, provides a high BTU gas stream as well as valuable by-products.
[0099]
In addition to coal, other hydrocarbon-containing raw materials are similarly treated to produce methane (CH Four ) Can be produced. The feed is fed to a hydrogenation unit where a portion of the feed is CH Four To convert to Two At high temperatures with large amounts of gas compositions containing
[0100]
One advantage of the present invention is that the feed can be very low cost, or virtually any hydrocarbon containing feed, including those available at a negative total cost.
[0101]
In one embodiment, the raw material is municipal waste. Municipal waste may include household and industrial waste, hazardous waste, animal waste, sewage sludge, automotive shredded waste (ASR), rubber tire debris, and the like. Municipal waste is usually available at a negative total cost, as the municipality pays a "care" fee for the removal and destruction of waste.
[0102]
According to the United States Environmental Protection Agency, the United States generated 220 million tons of municipal waste in 1998. Per capita waste from 2.7 pounds (1.226 kilograms) per person in 1960 to 3.7 pounds (1.680 kilograms) per person in 1980, 4 per person per day in 1998 It has steadily increased to 0.5 pounds. The components of US municipal waste according to the 1998 EPA (prior to regeneration) are shown in Table 3.
[0103]
[Table 3]
[0104]
If the raw material is municipal waste, the raw material can be processed and separated if necessary. For example, magnetic metals such as iron and steel can be easily removed and sold as scrap. In some cases, cellulose-based materials (eg, paper and wood) can also be removed from the feed to reduce the level of oxygen compounds in the feed. For example, air separation can be used to separate this light, relatively dry waste portion, including paper and cardboard, garden trim and wood, for example. Remaining waste, including food waste, plastics, rubber, leather, non-ferrous metals, and glass, can be separated by water classification. Non-ferrous metals and glass can be recycled elsewhere.
[0105]
As mentioned above, the term "municipal solid waste" may include not only resident and municipal industrial waste, but also automotive shredded waste (ASR) and "cotton fluff". Recycled vehicle ASR, which is primarily a non-ferrous metal component, is a heterogeneous mixture of plastic, rubber, fiber, unrecovered metal and mud. The plastic content of ASR is typically about 20% by weight, and increases as the amount of plastic used in automobile manufacturing increases. The ASR is now burying the ground, and in some areas legislation has been proposed for ASR as a hazardous waste that has dramatically increased the cost of disposal. Therefore, converting ASR to a useful product gas would be a significant environmental and environmental protection remedy.
[0106]
Like coal, municipal waste can be separated into volatiles and fixed carbon using heat. The chemical composition of volatiles from municipal waste is generically CH x Can be represented by That is, the reaction that occurs when waste contacts large amounts of hydrogen gas in the hydrogenation unit can be described as follows.
0.5 (4-x) H Two + CHx → CH Four (9)
[0107]
Advantageously, large quantities of combustible gas are produced by the waste and the method of the invention. One ton of municipal waste can generate about 48,550 cubic feet (1,374 cubic meters) of gas, including about 19,900,000 BTU (5,014,800 kcal). The gas consists of about 82% carbon monoxide, 16% methane and 2% hydrogen and contains about 410 BTU per cubic foot (about 3,690 kcal per cubic meter).
[0108]
According to other embodiments, the feed can be a hydrocarbon-containing material, including crude oil, tar sands or the like. Crude oil is a mixture of liquid hydrocarbons and various petroleum products collected from the earth's crust for use as fuel. Because crude oil is a mixture of widely varying components and proportions, its physical properties vary widely and many crude oils are of low value due to the inclusion of contaminants in the oil. The present invention advantageously allows the lower crude to be processed to produce useful gas products.
[0109]
Tar sands, also called bituminous sands, are sediments of coarse sand or partially solidified sandstone saturated with high viscosity bitumen. Oil recovered from tar sands is commonly referred to as synthetic crude, potentially in the form of mostly fossil fuels. However, recovering oil from tar sands is difficult and costly. The invention makes it possible to produce useful gas products from tar sands of low value.
[0110]
It will also be appreciated that two or more of the above components may be used in combination as raw materials. For example, it is possible to supplement finely divided coal to the separated municipal waste stream.
[0111]
Yet another aspect of the invention is directed to the production of ammonia using hydrogen gas and nitrogen gas as reactants. One important aspect of the method of the present invention is to produce large amounts of hydrogen gas in situ at relatively low cost. It is believed that one of the major obstacles to the methods disclosed in the prior art for producing ammonia is the high cost associated with large amounts of hydrogen gas and hydrogen gas. According to the present invention, a large amount of hydrogen gas is produced economically in situ.
[0112]
According to the present invention, nitrogen and hydrogen are converted to ammonia (NH Three H) to maximize production Two : N Two Are combined in a molar ratio of about 3: 1. In a typical method for producing ammonia, a gas containing hydrogen and nitrogen is compressed to a pressure of about 200 atmospheres and passed over an iron catalyst at a temperature of about 380C to about 450C.
[0113]
A method for producing ammonia incorporating the method for producing hydrogen and nitrogen gas described above is shown in FIG. To produce hydrogen, water 801 is provided to a
[0114]
At the same time,
[0115]
In this manner,
[0116]
The resulting ammonia can be used for many applications. For example, ammonia can be converted to urea for use in fertilizers. Ammonia also emits NO from coal-fired power plants. x Used to reduce emissions and can be used to produce various ammonia-containing compounds.
[0117]
While various embodiments of the present invention have been described in detail, it will be apparent that those skilled in the art can make modifications and adaptations. However, it should be particularly understood that modifications and adaptations are within the spirit and scope of the invention.
[Brief description of the drawings]
[0118]
FIG. 1 is a phase diagram of a binary tin-iron metal mixture useful in the present invention.
FIG. 2 illustrates hydrogen production rate as a function of iron content according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 illustrates the rate of hydrogen production as a function of iron content and reaction temperature according to one embodiment of the present invention.
FIG. 4 shows a reactor operating in a steam reduction mode according to one embodiment of the present invention.
FIG. 5 illustrates a reactor operating in a metal oxide reduction mode according to one embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a flow chart of a continuous hydrogen production process of the present invention.
FIG. 7 is a flow chart of a coal or other organic-containing raw material processing step of the present invention.
FIG. 8 is a flowchart of an ammonia production process of the present invention.
Claims (89)
(a)蒸気を発生させる工程と、
(b)第1の希釈用金属に溶解された少なくとも約20重量%の鉄を含む溶融金属混合物に反応器中で前記蒸気を接触させる工程であって、前記鉄の少なくとも一部が酸化鉄に酸化され、前記蒸気の少なくとも一部が還元されて水素を生成する、前記蒸気を接触させる工程と、
(c)前記反応器から水素含有ガス流を抜き取る工程とからなることを特徴とする水素含有ガス流の製造方法。In a method for producing a hydrogen-containing gas stream,
(A) generating steam;
(B) contacting the vapor in a reactor with a molten metal mixture comprising at least about 20% by weight of iron dissolved in a first diluent metal, wherein at least a portion of the iron is bound to iron oxide. Oxidizing, at least a portion of the steam is reduced to produce hydrogen, contacting the steam;
(C) extracting the hydrogen-containing gas stream from the reactor.
(a)蒸気を発生させる工程と、
(b)第1の希釈用金属に溶解した第1の反応性金属からなる溶融金属混合物に反応器中で前記蒸気を接触させる工程であって、前記溶融金属混合物が少なくとも約1100℃の温度にあり、前記第1の反応性金属の少なくとも一部が第1の酸化金属へ酸化され、前記蒸気の少なくとも一部が還元されて水素を生成する、前記蒸気を接触させる工程と、
(c)前記水素含有ガス流を前記反応器から抜き取る工程とからなることを特徴とする水素含有ガス流の製造方法。In a method for producing a hydrogen-containing gas stream,
(A) generating steam;
(B) contacting the vapor in a reactor with a molten metal mixture comprising a first reactive metal dissolved in a first diluent metal, wherein the molten metal mixture is brought to a temperature of at least about 1100 ° C. Contacting the steam, wherein at least a portion of the first reactive metal is oxidized to a first metal oxide and at least a portion of the steam is reduced to produce hydrogen;
(C) extracting the hydrogen-containing gas stream from the reactor.
(a)蒸気を発生させる工程と、
(b)第1の希釈用金属に溶解した第1の反応性金属からなる溶融金属混合物に反応器中で前記蒸気を接触させる工程であって、反応性金属含有粒子が前記溶融金属混合物中に分散され、前期希釈用金属に溶解した第1の反応性金属の少なくとも一部が第1の酸化金属に酸化され、前記蒸気の少なくとも一部が還元されて水素を生成する、前記蒸気を接触させる工程と、
(c)前記水素含有ガス流を前記反応器から抜き取る工程とからなり、
前記第1の反応性金属が酸化されると、前記反応性金属含有粒子が少なくとも部分的に前記溶融金属混合物中に溶解することを特徴とする水素含有ガス流の製造方法。In a method for producing a hydrogen-containing gas stream,
(A) generating steam;
(B) contacting the vapor in a reactor with a molten metal mixture comprising a first reactive metal dissolved in a first diluting metal, wherein the reactive metal-containing particles are contained in the molten metal mixture; At least a portion of the first reactive metal dispersed and dissolved in the diluting metal is oxidized to a first metal oxide, and at least a portion of the vapor is reduced to produce hydrogen, wherein the vapor is contacted Process and
(C) withdrawing the hydrogen-containing gas stream from the reactor;
A method for producing a hydrogen-containing gas stream, wherein when the first reactive metal is oxidized, the reactive metal-containing particles are at least partially dissolved in the molten metal mixture.
(a)蒸気を発生させる工程と、
(b)溶融スズに溶解した溶融鉄からなる溶融金属混合物に反応器中で前記蒸気を接触させ、前記蒸気が前記溶融鉄と反応して水素および酸化鉄を生成する工程と、
(c)前記水素含有ガス流を前記反応器から抜き取る工程とからなることを特徴とする水素含有ガス流の製造方法。In a method for producing a hydrogen-containing gas stream,
(A) generating steam;
(B) contacting the steam with a molten metal mixture consisting of molten iron dissolved in molten tin in a reactor, wherein the steam reacts with the molten iron to produce hydrogen and iron oxide;
(C) extracting the hydrogen-containing gas stream from the reactor.
(a)蒸気を、第1の溶融希釈用金属に溶解した第1の溶融反応性金属からなる溶融金属混合物と反応器中で接触させ、前記第1の反応性金属の少なくとも一部を第1の酸化金属に酸化して水素含有ガス流を生成させる工程と、
(b)前記水素含有ガス流を抜き取る工程と、
(c)前記第1の酸化金属を、前記反応器中に粒子状石炭および酸素含有ガスを注入することによって、前記反応器内で前記第1の反応性金属に還元する工程とからなる、水素ガスの製造方法。In the method for producing hydrogen gas,
(A) contacting a vapor in a reactor with a molten metal mixture comprising a first molten reactive metal dissolved in a first molten diluting metal, wherein at least a portion of the first reactive metal is a first molten metal; Oxidizing to a metal oxide of to produce a hydrogen-containing gas stream;
(B) extracting the hydrogen-containing gas stream;
(C) reducing the first metal oxide to the first reactive metal in the reactor by injecting particulate coal and an oxygen-containing gas into the reactor. Gas production method.
(a)蒸気を発生させる工程と、
(b)前記蒸気を、溶融スズ中に溶解した溶融鉄からなる反応器中に収容された溶融金属混合物に、水素含有ガス流および前記溶融金属混合物の上部の酸化鉄からなるスラグ層を形成するのに十分な条件下で注入する工程と、
(c)前記水素含有ガス流を前記反応器から抜き取る工程と、
(d)前記蒸気の注入を停止する工程と、
(e)粒子化炭素源および酸素含有ガスを前記反応器中に注入して、前記酸化鉄を金属鉄に還元する工程とからなることを特徴とする水素含有ガス流の製造方法。In a method for producing a hydrogen-containing gas stream,
(A) generating steam;
(B) forming a slag layer comprising a hydrogen-containing gas stream and iron oxide on top of the molten metal mixture in a molten metal mixture contained in a reactor comprising molten iron dissolved in molten tin; Injecting under conditions sufficient to
(C) withdrawing the hydrogen-containing gas stream from the reactor;
(D) stopping the injection of the steam;
(E) injecting a particulate carbon source and an oxygen-containing gas into the reactor to reduce the iron oxide to metallic iron.
(a)蒸気を発生させる工程と、
(b)前記蒸気を、第2の溶融金属中に溶解した第1の溶融金属を含む、反応器に収容された溶融金属混合物中に注入する工程であって、前記蒸気が前記第1の溶融金属と反応して、水素、および前記溶融金属混合物より少なくとも約10%低い密度を有する第1の酸化金属を生成し、それによって前記第1の酸化金属が前記溶融金属混合物中を前記溶融金属混合物上に配置されたスラグ層へと上昇する工程と、
(c)前記反応器から水素含有ガスを抜き取る工程とからなることを特徴とする水素含有ガス流の製造方法。In a method for producing a hydrogen-containing gas stream,
(A) generating steam;
(B) injecting the steam into a molten metal mixture contained in a reactor, the molten metal mixture including a first molten metal dissolved in a second molten metal; Reacting with a metal to produce hydrogen and a first metal oxide having a density at least about 10% lower than the molten metal mixture, whereby the first metal oxide flows through the molten metal mixture in the molten metal mixture Ascending to a slag layer arranged above,
(C) extracting a hydrogen-containing gas from the reactor.
(b)前記スラグ層中の前記第1の酸化金属を前記第1の溶融金属に還元し、前記第1の溶融金属が前記溶融金属混合物中に再び溶解する工程とをさらに含む請求項82に記載の方法。(A) stopping the injection of the steam;
83. The method of claim 82, further comprising: (b) reducing the first metal oxide in the slag layer to the first molten metal and redissolving the first molten metal in the molten metal mixture. The described method.
(a)水素含有ガス流を発生させる工程であって、
(i)蒸気を発生させる工程と、
(ii)前記蒸気を、溶融スズ中に溶解した溶融鉄を含み、第1の反応器に収容された溶融金属混合物中に、前記溶融鉄の一部を酸化鉄に酸化して水素含有ガス流を生成するのに十分な条件下で注入する工程と、
(iii)前記水素含有ガス流を前記第1の反応器から抜き取る工程とからなる方法によって行なわれる前記水素含有ガス流を発生させる工程と、
(b)前記水素含有ガス流を第2の反応器中の粒子状石炭に少なくとも約700℃の温度で接触させる工程と、
(c)メタン含有ガス流を前記第2の反応器から抜き取る工程とからなる、石炭の処理方法。In the method of treating coal,
(A) generating a hydrogen-containing gas stream,
(I) generating steam;
(Ii) oxidizing a portion of the molten iron to iron oxide in the molten metal mixture contained in the first reactor, wherein the hydrogen-containing gas stream contains molten iron dissolved in molten tin; Injecting under conditions sufficient to produce
(Iii) generating the hydrogen-containing gas stream performed by a method comprising withdrawing the hydrogen-containing gas stream from the first reactor;
(B) contacting the hydrogen-containing gas stream with particulate coal in a second reactor at a temperature of at least about 700 ° C;
(C) withdrawing a methane-containing gas stream from said second reactor.
(a)水素含有ガス流を発生させる工程であって、
(i)蒸気を発生させる工程と、
(ii)前記蒸気を、溶融スズ中に溶解した溶融鉄を含み、第1の反応器に収容された溶融金属混合物中に、前記溶融鉄の一部を酸化鉄に酸化して水素含有ガス流を生成するのに十分な条件下で注入する工程と、
(iii)前記水素含有ガス流を前記第1の反応器から抜き取る工程とからなる方法によって行なわれる前記水素含有ガス流を発生させる工程と、
(b)前記水素含有ガス流を窒素含有ガス流と接触させてアンモニアを生成する工程からなるアンモニアの製造方法。In the method for producing ammonia,
(A) generating a hydrogen-containing gas stream,
(I) generating steam;
(Ii) oxidizing a portion of the molten iron to iron oxide in the molten metal mixture contained in the first reactor, wherein the hydrogen-containing gas stream contains molten iron dissolved in molten tin; Injecting under conditions sufficient to produce
(Iii) generating the hydrogen-containing gas stream performed by a method comprising withdrawing the hydrogen-containing gas stream from the first reactor;
(B) A method for producing ammonia, comprising the step of contacting the hydrogen-containing gas stream with a nitrogen-containing gas stream to produce ammonia.
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