JP2008533287A - 合成炭化水素化合物を生成するためのシステム、方法、および組成物 - Google Patents

Abstract

炭化水素化合物の燃焼による生成物（二酸化炭素ガスまたは一酸化炭素ガス、あるいは両方、および水）をリサイクルする、炭化水素化合物または燃料を精製するプロセスおよびシステム。リサイクルのためのエネルギーは、好ましくは化石系燃料ではなく、核燃料または再生可能なエネルギーから得られる電気である。前記プロセスは、水を電解するステップと、水素を使用して、外部から供給された二酸化炭素ガスを一酸化炭素ガスに還元するステップと、そのようにして生成された一酸化炭素を、外部から供給された一酸化炭素および水素と共にフィッシャー・トロプシュ反応器で使用し、上流側を望ましい仕様の燃料（例えば、ガソリン、ジェット燃料、灯油、ディーゼル燃料、およびその他）に向けて改良するステップとを含む。これらのプロセスのいくつかで放出されるエネルギーは、その他のプロセスによって使用される。ガスの処理および分離のために、断熱での温度変化および等温での圧力変化を使用することによって、必要とされる多量のエネルギーを電気および熱分配線を用いて内部でリサイクルする。エネルギー効率を向上させるために、熱分配線において作動流体の相変換が使用される。本発明において、結果的な電気エネルギーの使用量は、二酸化炭素が一酸化炭素に変換される場合、そのようにして生成される炭化水素化合物の燃焼の高位発熱量の1.4倍より少なく、一酸化炭素が燃焼源である場合、0.84倍より少ない。

Description

関連する米国出願データ
本出願は、参照することによって本書に組み込まれる、2005年3月16日出願の米国仮出願番号60／661,923、2005年5月6日出願の米国仮出願番号60／678,174に基づく優先権を主張する。

発明の分野
本発明は、一般的に炭化水素化合物生成の分野、およびより具体的には、炭化水素化合物燃料を生成する、エネルギー効率の良いプロセスおよびシステムに関する。好ましい実施例において、.本発明は、電気エネルギーをガソリン、灯油、ジェット燃料、およびディーゼル燃料などの、炭化水素化合物燃料に変換する器具および方法に関するものであり、それらの炭化水素化合物燃料は、燃焼による生成物である二酸化炭素および水をリサイクルすることによって生成される。

発明の背景
合成炭化水素燃料を開発する構想は、少なくとも過去30年間、論じられているが、化石燃料の有用性、生成、輸送、および処理の容易さによって、それらを生成する必要は無かった。しかし、世界的な化石燃料の市場は、着実に増加している世界的なエネルギー需要、石油産出地域での生産集中度の高まり、および、石油依存国において、エネルギー供給がより重要視されてきていること等、多くの要因によって変化している。

化石燃料の使用には、いくつかの不利がある。第一に、化石燃料が利用できる量には限りがあるため、一度使用してしまうと再生できない。さらに、化石燃料から作られる炭化水素燃料は、極めて望ましくない硫黄、窒素、および芳香族化合物が含まれている可能性がある。これらの燃料が燃焼される際、硫黄、窒素、および微粒子は、空気中に放出され、酸性雨およびスモッグが生成される。さらに最近では、地球温暖化の引き金として、化石燃料の燃焼による二酸化炭素の排出の影響への懸念が集まっている。

一酸化炭素または二酸化炭素のようなガスを直接水素化して炭化水素燃料を生成する、いくつかの安定したプロセスがある。もっとも功を奏したものの一つは、Franz FischerおよびHans Tropschによって、1920年代にドイツで開発されたものである。

1938年には、初期のドイツの工場が、一酸化炭素および水素を触媒で反応させ、液体炭化水素および水を生成する、フィッシャー・トロプシュプロセスを用いて、年間およそ500万バレルのディーゼル油およびガソリンを生産した。このプロセスおよびその他の方法に関する問題は、石炭または天然ガスのような化石燃料を使用して、一酸化炭素を生成することにある。主原料としてのこのような化石燃料の使用は、限りある供給および排出といった化石燃料の生成の場合と同一の多くの欠点が伴う。

したがって、燃焼による生成物を炭化水素化合物燃料にリサイクルする生成システムに対する、長期的な必要性が見受けられた。本発明が主に対象としているのは、エネルギー効率に重点を置いた、そのような、炭化水素化合物を生成するシステムおよびプロセスである。

発明の概要
本発明は、合成の炭化水素化合物、特に、燃料として使用することができる炭化水素化合物を生成するためのシステム、方法、および組成物を含む。一般的に、酸化炭素の種類、一酸化炭素または二酸化炭素が、ディーゼル燃料、ガソリン、ジェット燃料、液化石油ガス、または天然ガスに見られる化合物を含む（これらに限定されない）、炭素および水素を含んだ一つまたはそれ以上の炭化水素化合物に変換される。特定のプロセスでは、電気で水素流を生成するステップ、および、その水素流の少なくとも一部の水素の存在下で、一酸化炭素流に存在する少なくとも一部の一酸化炭素を炭化水素化合物に変換するステップとを含む。

二酸化炭素の投入を伴う当該システムの好ましい実施例において、二酸化炭素を産出する炭化水素化合物燃焼エネルギーの高位発熱量に変換するために必要とされる、入力する電気エネルギーの量は、1.4から1.1の範囲内である。一酸化炭素の投入を伴う当該システムのもう一つの好ましい実施例において（よって、二酸化炭素を一酸化炭素に変換するための必要性を排除）、一酸化炭素を変換するために必要とされる、外部の電気エネルギーは、炭化水素化合物の高位発熱量の0.64から0.84の間である。すなわち、二酸化炭素を入力する、本発明の実施例において、生成される炭化水素化合物の燃焼高位発熱量よりも、より多くの電気エネルギーが必要とされるであろう。一酸化炭素を投入する、本発明のもう一つの実施例において、生成される炭化水素化合物の燃焼高位発熱量よりも、より少ない電気エネルギーが必要とされるであろう。

本発明の側面によれば、十分な電気エネルギー、一酸化炭素および／または二酸化炭素が利用可能な場合、一日約500,000ガロンまたはそれ以上の燃料を一つの設備で生産することが可能である。

本発明の一側面は、電解槽およびフィッシャー・トロプシュ反応器で構成されるシステムおよび方法を含み、いくつかの実施例においては、炭化水素化合物を生成するための逆水性ガスシフト反応器も含む。本発明は、一酸化炭素を含む（これに限定されない）酸化炭素の一種の少なくとも一部を、水素流の少なくとも一部の存在下で、フィッシャー・トロプシュプロセスを介して炭化水素化合物に変換するステップと、前記フィッシャー・トロプシュプロセスから少なくとも一部の余分な熱を前記方法またはシステムのほかのプロセス手順に、またはエネルギーを必要とする方法またはシステムの一部に、あるいは、例えば、電解槽または逆水性ガスシフト反応器といった、前記システム内の他の装置の一つに移動するステップとで構成される、炭化水素化合物を生成するための方法およびシステムを含む。

本発明において、一定のガスがガス混合物から分離されなければならない場所、または、例えば、温度および圧力のようなガスパラメータが、その一つまたは両方が上流側または下流側プロセスと適合するよう変更されなければならない場所が多くある。本発明におけるガスについてのこれらの分離または変更は、多量のエネルギーを消費する。ガスの分離および変更のためのエネルギー必要量を満たすエネルギーを本発明内で移動することができる点は、本発明の新たな側面である。本発明の一つの利点は、エネルギー効率の良いガス処理である。一般的に、ガス処理のために、二つのエネルギー効率の良い熱力学的プロセスがある。第一のプロセスは、すべての外部作業が、ガスエネルギーへ、またはガスエネルギーから変換される、断熱的プロセスである。第二のプロセスは、等温プロセスであり、そこでは、すべての外部の仕事が熱に変換されるか、熱から得られる。電気分配線を通じた外部仕事、およびいくつかの熱分配線を通じた熱をリサイクルすることによって、ガス処理におけるエネルギー損失は、大幅に低減される。また、これは、熱エネルギーを受け入れるかまたは送る熱分配線内の作動流体の相変換を用いることによって促進される。

本発明は、異なった燃料の化合物のようなさまざまな炭化水素化合物を生成することができるシステムおよび方法、ならびに合成燃料を作るための、現在利用可能な方法では見受けられない、一つまたはそれ以上の特定のタイプの炭化水素燃料を生成する上での統制度を提供するシステムおよび方法を含む。本発明におけるこれらおよびその他の目的、特性、および利点は、添付の図と併せて、以下の明細書を読むことで、より明らかなものとなるであろう。

詳細な説明
本発明は、炭化水素化合物を作るためのシステム、方法、および組成物を含む。石炭、天然ガス、液化石油ガス、エタノール、メタノール、ガソリン、灯油、ディーゼル燃料、およびその他の既知の燃料といった炭化水素燃料の完全燃焼は、主に二つの基本的な物質である、二酸化炭素および水をもたらす。このような燃料を燃焼する際の、主な反応は以下のとおりである。
C_nH_2n+2+（n+（2n+2）/2）*O₂
→燃焼エネルギー（高位発熱量）+n*CO₂+（2n+2）/2*H₂O（水） （1）
例えば、n=10の平均値に関して、二酸化炭素よりも10モル％多い水が生成される。使用される酸素のモル数は、炭素を酸化するための1モルと、水素を酸化するための1／2モルプラス10％であり、合計1.55モルとなる。本明細書で使用されるように、「高位発熱量」（HHV）は、燃焼によるすべての生成物が燃焼前の温度まで冷却され、燃焼の間に生成される水蒸気が凝結される際の、単位量の燃料が完全燃焼することによって生成される熱の量である。

本明細書に記載される本発明において、燃焼による生成物である、二酸化炭素および水素は、ディーゼルおよびガソリンを含む（これらに限定されない）、輸送燃料等の炭化水素化合物に再混合される。また、天然ガスまたは液化石油ガスのような、その他の化合物および組成物にそれらを再混合することも可能である。本明細書で使用されるように、炭化水素化合物は、燃料のようなエネルギー源として使用できる炭化水素化合物を含む。

炭化水素化合物は、フィッシャー・トロプシュプロセスを用いて、生成されてよい。本プロセスおよびシステムのこの部分において、一酸化炭素（CO）および水素は、理想的には以下のように反応する。
CO+2H₂→（-CH₂-）+H₂O （2）
ここで、（-CH₂-）は、より長い炭素鎖への重合における構成要素である。この重合による主な生成物は、線状パラフィン、C_nH_2n、さらに最後に鎖を完成させる二つの水素原子である。この反応において、一つの水素分子が、炭化水素の生成、さらにおよそ10％が最後の鎖を完成させるために使用され、もう一つの水素分子はが、一酸化炭素を炭素に還元するために使用される。

二酸化炭素から一酸化炭素を生成するためには、さまざまなプロセスがある。このうちの一つの方法は、逆水性ガスシフト反応（RWGS）と呼ばれる、化学プロセスである。この反応は、以下のとおりである。
CO₂+H₂←→CO+H₂O （3）
この反応において、水素分子が、二酸化炭素を一酸化炭素に還元するために必要となる。

ここに示される反応に関し、二酸化炭素1モルに対して1.1+1+1=3.1のモル比の水素が、炭化水素化合物を生成するために使用される。水が水素源として機能する場合、計算は以下のとおりである。
外部から供給された水 1.1*H₂O+
RWGS反応による水 H₂O+ （4）
フィッシャー・トロプシュ反応による水 H₂O+
水電解の電気エネルギー =3.1*H₂+3.1/2*O₂
理想的な状態において、放出される酸素の量は、リサイクルプロセスを完了する燃焼で消費される量と同一の量である。本明細書で教示される方法およびシステムにおいて、使用されるすべてまたは一部の水は、外部源からものであってもよい。さまざまなプロセスが、水から水素を生成するために使用されてもよく、例えば、水素を生成するために水の電解を使用してもよく、水素を生成するために光合成を使用してもよく、また、水素を生成するために水を加熱することを使用してもよい。水素を生成するするために、本発明において、当業者に既知の他の方法も考慮し得るが、水電解が、好ましい実施例において選択される。

本発明の一つの側面は、好ましくは、炭化水素化合物を生成するための電解槽、逆水性ガスシフト反応器、およびフィッシャー・トロプシュ反応器で構成される、システムおよび方法を含む。本発明は、一酸化炭素を含む（これに限定されない）少なくとも一種類の酸化炭素の一部を、少なくとも一部の水素流の存在下でのフィッシャー・トロプシュプロセスを介して一つまたはそれ以上の炭化水素化合物に変換するステップと、少なくとも余分な熱エネルギーの一部を、フィッシャー・トロプシュプロセスから、エネルギーを必要とするその方法における他のプロセスの「手順」の一つに、または例えば、電解槽あるいは逆水性ガスシフト反応器といった、システム内の他の装置の一つに移動するステップとで構成される、炭化水素化合物を生成するための方法およびシステムを含む。

水を水素ガス流および酸素ガス流に分離するために電解槽を使用してよい。

前記プロセスは、二酸化炭素等の、酸化炭素変換をさらに含むことができる。一つまたはそれ以上の種類の酸化炭素を変換するこの手順に、逆水性ガス転化（RWGS）プロセスにおいて二酸化炭素を変換するステップを含めることができる。CO₂の変換は、水素の存在下において行われ、水素は、少なくとも電解槽からの水素流からの水素の一部から提供されてよい。二酸化炭素の一酸化炭素への変換は、当業者に既知のいかなる方法によっても達成されてよく、このような方法は、本発明によって意図されている。

本発明の一酸化炭素流は、いかなる供給源より提供されてもよく、例えば、本発明とは別の、外部の供給源からの一酸化炭素流であってよい。一酸化炭素の第二の供給源は、二酸化炭素を、特に一酸化炭素に変換する、任意の反応プロセスからの出力流の一部である。このプロセスの二酸化炭素流は、本発明に含まれない二酸化炭素廃棄物等の供給源からもたらされてもよい。

フィッシャー・トロプシュプロセスからの出力物は、さまざまな液体燃料のような、望ましい炭化水素組成物へと炭化水素のスペクトルを改良する、改良プロセスを経てよい。本明細書で使用されるように、「改良」、「後処理」および「精製」または「改良する」「後処理を行う」および「精製する」という用語は区別することなく用いられ、さまざまな炭化水素化合物が、例えば、その他のプロセスでの使用に適した生成物または原料に化合物を細分化および変換するといった、フィッシャー・トロプシュ反応器における合成反応から示す化学的あるいは物理的な特徴によって、分離、単離、精製、または何らかの方法で識別することを意味する。変換プロセスの例は、オリゴマー化、水素化分解法、異性化、芳香族化、水素化、水素化異性化、およびアルキル化を含むが、これらに限定されない。

本明細書で使用されるように、「C₃化合物」とは、３つの炭素原子を有する化合物を意味する。例えば、プロパンはC₃炭化水素化合物である。

本明細書で使用されるように、「C₄化合物」とは、４つの炭素原子を有する化合物を意味する。例えば、ブタンは、C₄炭化水素化合物である。

本明細書で使用されるように、「C₅+化合物」とは、５つまたはそれ以上の炭素原子を有する化合物を意味する。例えば、ヘキサン、オクタン、およびベンゼンのような化合物は、C₅+炭化水素化合物である。

本発明の実施例において、燃料の燃焼による生成物（酸化炭素）から炭化水素化合物を生成するシステムおよび方法が記載され、核反応器からの電気のようなある一定の量の電気を、その電気の一部を使用して水から水素流を生成する設備に提供するステップと、炭化水素化合物を生成する水素流からの少なくとも一部の水素の存在下において、二酸化炭素および一酸化炭素といった燃料の燃焼による生成物の少なくとも一部を反応させるステップとを含み、さまざまなプロセス内で消費され、放出されるエネルギーをリサイクルすることによって、電気エネルギーの使用が最小限に抑えられる。

好ましい実施例において、本発明の方法およびシステムは、二酸化炭素が前記方法およびシステムで酸化炭素として使用される場合、1.4から1.1の間の範囲内で、入力される電気エネルギーを産出される炭化水素化合物の燃焼エネルギーの高位発熱量に変換し、一酸化炭素が前記方法およびシステムにおいて酸化炭素である場合、または二酸化炭素の一酸化炭素への変換が無い場合、0.64から0.84の間で変換する。

本発明の実施例において、二酸化炭素および／または一酸化炭素ならびに水を炭素および水素を含む炭化水素化合物に変換するために電気が使用され、水電解槽が、水素を前記変換プロセスに供給するために使用される。二酸化炭素は、前記プロセスに対し、外部から供給されてよく、また本発明の方法およびシステムにおいてさらに使用するために、一酸化炭素に変換されてもよい。また一酸化炭素も、前記プロセスに対し、外部から供給されてよく、また酸化炭素の混合物も供給されることが可能である。

本発明のシステム、方法、および設備は、プロセス、システム、または設備全体における全般的な効率性および生産性を支援する多くのサブシステムを組み込んでよい。例えば、本発明は、電気エネルギー源、電解槽、RWGS反応器、FT反応器、および後処理設備を組み込んでよい。

本発明の実施例において、核反応器の熱から生成される電気エネルギー源がある。例として、高速増殖炉がある。この炉は、再処理された核廃棄物で一度セットアップされてよく、その後その炉心は、再処理設備で再処理されてよい。これは、世界のウラン埋蔵量からのエネルギーの出力を約25倍に拡大する利点を有している。5年の典型的な再処理期間において、物理的な設備の耐用年数の最後まで、本発明に電力を供給するたくさんの初期燃料がある。もう一つの方法として、エネルギーは、核反応器の廃棄物の熱変換、熱化学プロセス、または水力、太陽光、海洋波、風力、潮力もしくは気流、およびこれらの供給源のいずれかの組み合わせといった、化石燃料を使わない電気を含むその他の供給源によって供給されてよい。

電気エネルギーは、水を電解し、水素および酸素を作り出すために使用されてよい。いくつかの実施例において、電解槽は、操作のために十分な量の熱を必要としてよい。稼動のための水とともにこの熱は、設備内のどこかから生成するスチームによって供給されてよい。

電極を使用した従来の水電解によって水素は生成されてよいが、水の熱分解（例えば、原子炉からの廃熱の使用）、熱化学プロセス、およびこれらの方法の組み合わせを含む、その他の方法も採用することが可能である。電解槽で生成された酸素は、設備の外部での使用に用いられてよい。

水素を生成するために水を電解するプロセスは、好ましくは、平均100℃以上または130℃以上の温度で作動する双極電極およびセルで構成される電解槽を含み、セル内部の圧力は、10バール以上または20バール以上である。その他の実施例は、電流密度が3,000A/m²以上であり、60V以上の電圧の積層電池が使用され、および／またはACからDC電圧整流器が、3％以下の出力電圧リップルで使用されるように構成される。

電解槽で生成される水素には、工場設備において多くの用途がある。それらのうち、水素および二酸化炭素は、一酸化炭素および水素の混合物である合成ガスを生成するRWGS反応器においてともに使用することができる。

本プロセスにおける二酸化炭素源は、副生成物としてのこのような二酸化炭素または一酸化炭素を放出する設備、特に、その酸化炭素の排出を低減することを必要とする設備である。このような設備の例には、鋼鉄を生産するために使用される高炉、および電気を生産するために石炭またはガスを使用する化石燃料発電所が含まれる。二酸化炭素、一酸化炭素、または酸化炭素、あるいは混合物は、外部のいかなる供給源から提供されること（これに限定されない）を含む、いかなる方法によって提供されてもよい。

二酸化炭素を一酸化炭素に変換する方法は、RWGS反応器を使用するものである。本発明の側面は、二酸化炭素および水素が、RWGS反応器に供給され、例えば、70％以上、さらに好ましくは、80％以上、さらに一層好ましくは、90％以上の変換といった、実質的に完全な二酸化炭素から一酸化炭素への変換を行う、方法およびシステムを含む。RWGS反応器の出力または流出流は、H₂／COの割合が0から3の間である、一酸化炭素および水素を含む。さらに、出力される二酸化炭素の一部を分離する手段、および入力用に二酸化炭素をリサイクルする手段を含む。その他の好ましい実施例は、操作温度が350〜500℃の間であり、凝結することによって蒸気の分離が行われ、一つ以上の反応器を逐次的に、連続的に接続することができることを含んでよい。実施例は、連続的に接続されるRWGS反応器間に蒸気を分離する中間段階を含んでもよい。

RWGS反応器稼動の副生成物として、電解槽に供給するために使用できる水が生成される。

合成ガスの流出物は、一般的に一酸化炭素および水素の混合物ならびにいくらかの残留する二酸化炭素であるが、RWGS反応器からFT反応器に供給される。FT反応器の出力の要求にしたがって、合成ガス、または一酸化炭素にさらに水素を加えることができる。既存の産業プロセスから排出された一酸化炭素のような一酸化炭素を使用すること、またRWGS反応器によって生成される合成ガス流の代わりに、またはRWGS反応器によって生成される合成ガス流に加え、この一酸化炭素に水素を組み合わせることも可能である。本発明の設備の側面は、二酸化炭素を一酸化炭素に変換し、RWGSプロセスをバイパスする中間手順を必要とすることなく、一酸化炭素を使用する方法を含む。

一つ以上のFT反応器を含んでよい、本発明のFT装置は、主に例えば、70％以上、さらに好ましくは80％以上、さらに一層好ましくは90％以上の変換といった、望ましい比率で、一酸化炭素および水素から炭化水素化合物への変換を提供する。本発明において、方法およびシステムは、反応熱の除去は、実質的に等温状態で行われる。さらに、例えば、メタンおよびエタンの生成を最低限にするために、水素の供給は制御される。その他の実施例は、温度および圧力の変化によって生じる凝結を利用した、スチームおよびガス状の炭化水素の出力分離が行われること、および一つ以上のFT反応器が、逐次的にまたは連続的に接続されるか、大幅に異なった温度および関連した稼動条件で作動する一つ以上の反応器を有してもよいことを含む。

FT反応用の触媒は、鉄、コバルト、ニッケル、およびその組み合わせのような金属、酸化鉄、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化ルテニウム、およびその組み合わせのような金属酸化物、アルミニウムまたはゼオライトのような支持型の金属、担持金属、合金、金属酸化物、合金酸化物、およびこれらの触媒の組み合わせ、ならびに当業者に既知のその他のものであってもよい。

FT反応器の主な出力は、電解槽への供給のようなさまざまな用途を有することが可能な副生成物としての水と炭化水素化合物の混合物である。FT反応はきわめて発熱的であり、その熱は、さまざまな方法で使用することが可能である。例えば、少なくとも熱の一部は、それによってスチームに変換される水流によって除去されることが可能で、そのスチームは必要に応じて、電解槽に供給される。

FT反応器から出る炭化水素化合物の混合物は、硫黄または窒素化合物の除去を必要としないので、既存の炭化水素燃料精製装置に類似、または既存の炭化水素燃料精製装置よりいろいろな意味で単純な後処理設備に供給されてよい。いくらかの量の水素化合物は、可燃性化合物を含む組成物を生成する後処理／精製プロセスにおいて使用することが可能である。このような組成物は、燃料として使用されてよい。

後処理時に、望ましい輸送燃料級の組成物が提供され、車両の後処理の必要性を低減し、さらに排除する組成物からなるハイオクガソリンおよびディーゼル燃料を含むことが可能である。本発明のプロセスから生成される燃料組成物は、例えば、これらの組成物には、硫黄分、窒素含有量、および芳香族化合物含有量がないといった、原油を処理する上での生来の多くの欠点を回避する。しかし、それらは高い体積エネルギー密度および重量エネルギー密度を有し、熱酸化プロセスに対する優れた抵抗性は、耐火性（つまりそれらは着火しにくい）およびすぐれた低温度特性を有する。

本発明のシステムは、例えば、熱交換器および圧縮器／膨張器の新規の独創的な組み合わせにおいて、ガス混合物内のガスを分離するための分離器を用いた方法をさらに提供する。前記システムは、混合物内の選択されたガスを凝縮するために、ガス混合物を調整するように加熱または冷却することを伴う圧縮器または膨張器の使用を含んでもよく、膨張器および圧縮器は、ガス混合物を望ましい温度に調整するために使用される。前記システムは、冷却液のその蒸気またはスチームへの相変換と共に、適時に選択されたガスを凝結または蒸発させるための熱交換器を使用してもよい。その他の実施例は、ガスの圧縮または膨張のいずれかを伴う、加熱または冷却のために使用される作動流体の相変換で構成される方法を含む。例えば、圧縮器を使用する熱ポンプのような加熱器は、低温度領域から高温度領域へ熱を移動するために使用することが可能であり、膨張器―発電機（電力生成）を使用した熱除去も、使用されてよい。

本発明は、二酸化炭素および一酸化炭素のような酸化炭素、ならびに水を生産規模で炭化水素燃料へ変換をするために、電気エネルギーのようなエネルギーを使用する、エネルギー効率の良いシステムを提供する。また本発明のシステムは、電気を生成するための内部に残留する熱の使用を含み、その電気は二酸化炭素、一酸化炭素、および水の炭化水素燃料への変換に使用される。またシステムは、ガス混合物の成分を調整および分離するために使用される、圧縮器および膨張器を含む。

本発明は、システムの構成要素間で熱、あるいはスチームを移動するように構成されている一つまたはそれ以上のサブシステムをさらに組み込む。そのサブシステムには、直接または電気エネルギーへの変換を介するかのいずれかによるFT反応器から電解槽への熱の移動、電解槽で凝縮するためのFT反応器からの反応スチームの供給、熱の交換方法の使用を介して、熱を用いる要素がシステム全体に渡って使用するためのFT反応器からの熱の移動、関連した入力／出力ガスの処理に伴うFT反応器からRWGS反応器への熱の移動、電解槽で使用するためにRWGSおよび／またはFT反応器からの反応水を加熱すること、ならびに処理されるガスおよび液体を冷却および加熱するための気体・液体相変換に熱を供給することが含まれる。

また本発明は、設備内の全般的なエネルギー使用を実質的に低減するために、電気エネルギーを受け取りおよび供給する、つまりリサイクルのための電動発電機付きのガス膨張器および電気モーター付きのガス圧縮器の使用を含む。

図1に示される本発明は、本質的に、エネルギー入力Eとしての電気を使用して、一つまたはそれ以上の種類の酸化炭素を炭化水素燃料Fに変換する方法である、本発明の方法100を含む。出力燃料Fは、例えば、ガソリン、ディーゼル、およびジェット燃料を含むことができる。図1〜4は、それ自体の新規性および独創的手順をそれぞれ具象化し、以下に記載されるように、共に図5および6に示されるような本発明の好ましいプロセス100を形成する、本発明の一般的な高レベルのシステム100を表す。

石炭およびガスから炭化水素燃料を生成することは既知であるが、変換を促進するための電気の使用は、以前は避けられていた。コストを正当化するにはエネルギー効率が単に低すぎたため、業界では、電気を用いて、酸化炭素から燃料を生成する方法を開発することを控えてきた。しかし、本発明のエネルギー効率は、60％よりも大きい、すなわち、変換を促進するために必要とされる電気Eの量に対する、燃料Fの高位発熱量の比率が、60％より大きく、より好ましくは80％より大きい。逆の比率においては、電気エネルギーの量は、およそ燃料Fの高位発熱量の1.7（1/60％）倍より低く、またより好ましくは、1.25倍よりも低いことを意味している。

図2に示されるような、本発明100のさらにもう一つの高レベルの見解において、本プロセスは、エネルギーを前記プロセスに提供するエネルギー入力手順200、一つまたはそれ以上の種類の酸化炭素を燃料Fに変換する変換手順300、および酸化炭素から燃料Fへの変換300を効率よく促進するため、水素を提供する水素入力手順400を備える。

図3に示されるような、酸化炭素を燃料Fに変換する変換手順300に関して、一つは一酸化炭素を燃料Fへ変換するための一酸化炭素変換手順320、および二つ目は本発明100のプロセスが二酸化炭素で示された場合の二酸化炭素変換手順360である、少なくとも二つのサブシステムを含むことができる。変換手順360は、二酸化炭素を一酸化炭素に変換し、その一酸化炭素を一酸化炭素変換手順320に供給する。もう一つの方法として、または変換手順360からの一酸化炭素と組み合わせて、一酸化炭素は、例えば、設備の一酸化炭素の廃棄流のような、本発明100のシステム外部から変換手順320に供給されることができ、あるいはCO₂およびCOの混合物は、CO₂をCOに変換する手順360に供給されることが可能である。

変換手順320、360の両方は、水素入力手順400からの水素の少なくとも一部を利用し、それぞれの変換を促進する。一つの好ましい実施例において、本発明100は、二酸化炭素および一酸化炭素の両方を用いて提示されるため、本発明100のプロセスは、変換手順320、360の両方を利用する。

図4において、中間手順500は、酸化炭素を変換する変換手順300の出力と最終生成物である燃料Fとの間に位置していることが示されている。一般に、変換手順300の出力は、そのうちのいくつかのみが燃料に使用されることができる、種々の炭化水素化合物HCである。したがって後処理手順500は、例えば、燃料Fのような望ましい組成物にそれらを改良するために提供される。

本発明100のさまざまなサブシステムの好ましい実施例が、図5および6に示され、炭化水素燃料の燃焼による生成物から炭化水素燃料を生成する、リサイクルプロセスおよび設備を含む。本発明は、原子炉210、好ましくは、既存の核廃棄物を消費する高速増殖炉を使用して電気を生成するステップを含む、エネルギーをプロセスに提供するエネルギー入力手順200を含む。反応器210は、再処理された核廃棄物で一度設定することができ、その炉心は、例えば、世界のウラン埋蔵量からのエネルギー出力をおそらく25倍またはそれ以上に拡大する再処理設備220にて再処理することができる。当業者によって理解されるように、5年の典型的な再処理区間においては、耐用年数の最後まで本発明に電力を供給するのに十分な初期燃料がある。

水素および酸素流を生成する電解槽410において、水を電解するステップを含むことができる水素入力手順400に電気が提供される。本発明のプロセス100のその他のサブシステムからの熱エネルギーとも呼ばれる熱は、効率を向上するためにこの手順に供給され得る。必要な場合、水を加熱するために直接かあるいは電解を行う電気への変換を通じてのいずれかによって供給され得る。電解槽410のいくつかの既知のタイプは、作動するためにいくらかの熱を必要とする。電解槽の作動のための水とともにこの熱は、好ましくは、主に本発明のシステム100内のどこかで生成されるスチームによって、供給される。生成された酸素のほとんどが、すべてではなくても、本発明のシステム100の外部での使用が可能となることが好ましいが、システム全体を通して、電解槽410内で生成される水素には多数の用途がある。

本発明のシステム100が、一酸化炭素および二酸化炭素の両方を処理する場合、二つの手順のプロセスである変換手順300に、少なくとも一部の水素が供給される。第一プロセスにおいて、水素と二酸化炭素を組み合わせ、合成ガス、すなわち一酸化炭素および水素の混合物を生成する逆水性ガスシフトプロセス、すなわち逆水性ガスシフト（RWGS）反応器362を含む、二酸化炭素変換手順360が採用される。RWGS反応器操作の副生成物として、電解槽410に供給されるスチームが生成される。

変換手順360用の二酸化炭素供給源は、副生成物としての二酸化炭素を放出する設備、特に二酸化炭素の排出を低減することが必要とされる設備であってよい。このような設備の典型例は、スチールを生産するために使用される高炉、および電気を生産するために石炭またはガスを使用する化石燃料発電所である。

二酸化炭素は、一酸化炭素との混合物として生じる可能性がある。この混合物は、二酸化炭素および一酸化炭素に分離されるか、二酸化炭素の一酸化炭素への変換を完了する反応器362における混合物として処理され得る。

合成ガスは、一酸化炭素および水素を組み合わせ、二重結合ラジカルに基づく種々の炭化水素を提供する、フィッシャー・トロプシュプロセスを含む、一酸化炭素変換手順320に供給される。一酸化炭素変換手順320は、フィッシャー・トロプシュ（FT）反応器322を含むことができる。FT反応器322は、手順360からの合成ガスを使用することができるが、既存の産業プロセスから排出された一酸化炭素を使用し、RWGS反応器362によって生成された合成ガスの代わりに、またはRWGS反応器362によって生成された合成ガスに加え、この排出された一酸化炭素と水素を結合させることが可能である。既知のように、特に二酸化炭素と組み合わせて一酸化炭素を生成するための多くのプロセスがある。

本発明のシステム100の一つの好ましい実施例において、これはRWGSプロセス360の必要量を物質的に排除するため、一酸化炭素のみ（二酸化炭素ではなく）が処理される。また本発明のシステム100は、このような混合物を供給する産業プロセスからの廃棄物としての、二酸化炭素および一酸化炭素の混合物を使用することもできる。付加的な水素は、FT反応器322の望ましい出力を調整するために必要に応じて、手順360の合成ガス出力へ、および／または手順320への一酸化炭素入力へ加えられ得る。

FT反応器322の主な出力は、-（CH₂）-ラジカルに基づく炭化水素化合物の混合物であり、副生成物は水であり、好ましくは、電解槽410に供給される。FT反応は極めて発熱的であるため、熱は、少なくとも水を提供することにより除去され、その水は蒸気に変換され、電解槽410へのエネルギー源として直接または間接的に使用される得る。

FT反応器からの炭化水素化合物の出力は、原油のような炭化水素化合物が既知の技術を用いて精製され燃料化合物を産出することが可能であるというという意味で、一種の原油として特徴付けることができる。したがって、炭化水素は、燃料の後処理手順を含む手順500において、燃料Fの望ましい組成物を生成するように改良または精製される。手順500は、類似しているが、一般的に既存の原油精製装置よりも単純であり、より少ないプロセス手順を要する後処理（改良）設備510を含み得る。このような精製技術は、当業者には既知である。重ねて、手順400からの水素のうちのいくらかの量は、この精製プロセス500で使用されてよい。

本発明は、複数のエネルギー分配線、ガス流のリサイクル／フィードバックループ、およびプロセス間の熱および電気交換を使用する。本発明100のそれぞれのサブシステム、およびシステム全体の効率性におけるさまざまな改善による全般的な結果によって、好ましくは、プロセスへのエネルギー入力（例えば、原子力発電所によって生成される電気から）の少なくとも60％が、最終的に燃焼の出力燃料Fの高位発熱量に含まれるシステムが提供される。

本発明のシステム100は、その出力が燃料および酸素であるため、有益な副生成物を生成する。さらに、本発明のシステム100は、二酸化炭素を低減するという重大な副次的結果を提供する。二酸化炭素は、地球温暖化への主要な引き金であるために、京都議定書のようなさまざまな世界条約、ならびに国家的および局地的な施行規則の対象である、温室効果ガスである。

記載されるように、本発明のこのリサイクルプロセス100の最終出力は、多くの望ましい輸送燃料であり、車両の後処理の必要性を低減さらには排除する組成物の、無硫黄のハイオクガソリンおよび無硫黄のディーゼル燃料を含むことができる。本発明によるこのシステム100の一つの利点は、さまざまな炭化水素化合物燃料を生成する能力である。もう一つの利点は、例えば、特定のFT反応器へ供給される一酸化炭素および水素の比率といった、本方法およびシステムの特定のパラメータを調節することによって、生成される炭化水素化合物の比率を設備のオペレータが変更することを可能とする統制度である。異なったタイプのFT反応器に供給される合成ガスの量を変更することによって、合成ガス入力の合計量からのディーゼル燃料、ガソリン、ジェット燃料、およびその他の燃料の異なった出力比率を達成することが可能である。

本発明のシステム100を、本発明のさまざまなサブシステムの好ましい実施例を含めて、以下にさらに詳しく記載する。

エネルギー分配線
本発明のシステム100は、二つの特徴的なタイプである電気および熱のエネルギー線を伴う、いくつかのエネルギー分配線を組み込む。本システムによって採用されるエネルギー分配線の例は、図7に示されている。少なくとも一つの電気エネルギー分配線（EDL）が使用される。例えば、一つのEDLは、一般的に使用される電力発電機で実践される範囲である10〜50kV範囲内の従来の相間電圧で作動する従来の三相の交流電力分配線である。しかし、その他の電圧は、当業者によって一般的に理解されるような特定の必要量によって決定される場合に使用することができる。

多数の発電機およびモーターが、このシステムのEDLに接続される。発電機は、好ましくは同期タイプであり、従来、周波数、相、および電圧振幅を適合するために制御されるため、すべて並行してEDLに供給することができる。このタイプの制御は、既存の電力の格子制御で使用される。モーターは、可制御性に向けた同期タイプのものであること、またより高い効率性を実現することが望ましいが、その他のタイプのモーターも使用することができる。

本発明の好ましいシステム100において、（電気エネルギーとは異なり、）設備全体を通じて熱または熱エネルギーを分配するその他のエネルギー分配線がある。このシステム内の熱分配線（HDL）は、熱源からの熱を受け入れ、熱を用いる要素に熱を送ることができる。

作動流体の相変換が、熱分配線において用いられる。それぞれの線は、一つは液体、もう一つはこの液体の蒸気の二つの蓄積を使用し、その両方はその作動流体の沸点温度および圧力に近い。熱の送出が必要な場合、蒸気が線の半分から取り出され、濃縮され、線の半分の液体に送られる。凝結熱は、熱を用いる要素に対し放出される。熱を取り出す必要がある場合、液体が取り出され、蒸発され、線の半分の蒸気に蒸気として送られる。外部熱は、作動流体の蒸発によって消費される。

好ましい実施例において、五つそれぞれの熱分配線に対する、五つの別個の温度がある。

第一HDLは、好ましくはRWGS反応器362の作動温度、好ましくは、280〜800℃の範囲内である。好ましい実施例において、RWGS反応器362の作動温度は、およそ400℃である。この温度では、作動流体としてエチレン・グリコール、あるいは類似した蒸発熱と、400℃での類似した沸点圧力とを持つ別の流体を用いることが望ましい。RWGS反応は吸熱性であるため、この第一HDLは、少なくともRWGS反応器に入ってくるガスを加熱するために、またこの反応器自体への熱を送るために使用される。本明細書でのさらなる記載において、この第一HDLは、「V」でその蒸気部分、「L」で液体部分を表示する、「RWGS線」としてのこの線のことを指す場合がある。

第二HDLは、好ましくは、FT反応器322の作動温度であり、好ましくは、180〜350℃の範囲である。この第二HDLの作動流体は、石炭火力発電所および原子力発電所で使用されるような水であることが望ましい。また例えば、エチレン・グリコールのようなその他の作動流体を用いて、より高温度で作動するFT反応器の別の冷却ループを使用し、この第二HDLへの熱のいくらかまたはすべてを交換することも可能である。本明細書でのさらなる記載において、この第三HDLは、「S」でその蒸気部分、「W」でその水部分を表示する、「FT線」としてのこの線のことを指す場合がある。

第三HDLは、電解槽410内の水の温度である。例えば、100〜150℃の範囲であり、好ましくは130〜140℃の範囲であることが可能である。この第三HDLの主要目的は、電解槽410に水および／またはスチームを供給することである。この第三HDLは、好ましくは作動流体として水を使用する。本明細書でのさらなる記載において、この第三HDLは、「S」でそのスチーム部分、「W」でその水部分を表示する、「E線」としてのこの線のことを指す場合がある。

第四HDLは、本システムの好ましい実施例の例において、大気温度の25℃であるが、本システムのさまざまな位置や天候状況における、その他の大気温度であり得る。作動流体は、このような大気温度で使用される一般的な冷媒であることができる。この第四HDLの主要な用途は、流入または流出する原料を処理することである。本明細書でのさらなる記載において、この第四HDLは、「V」でその蒸気部分、「L」でその液体部分を表示する、「A線」としてのこの線のことを指す場合がある。

第五HDLは、好ましくは、図8の二酸化炭素分離器372の作動温度であり、好ましくは−50から−55℃の範囲である。この温度で、エチレンのような一般的な冷媒を使用することが望ましい。この第五HDLは、二酸化炭素分離器への、および二酸化炭素分離器からのガス流を加熱および冷却するために使用される。本明細書でのさらなる記載において、この線は「V」でその蒸気部分、「L」でその液体部分を表示する、「C線」のことを指す場合がある。

さらに利用可能な熱エネルギー源は、電気エネルギーに変換することによって使用することができる、原子力発電所の廃熱である。

エネルギー分配線バランス
エネルギー分配線はバランスが取れていなければならないため、入ってくるエネルギーは、出力するエネルギーと等しくなければならない。電気分配線は、水電解のための、および圧縮器と給水ポンプを駆動する多数のモーターのための電気エネルギーを送る。それは、FT反応器内で放出されるか、または残留するガスを燃焼する際に放出される熱エネルギーを変換する膨張器を含む、電力発電機を駆動する多数のガス膨張器からの電気エネルギーを受け取る。電気エネルギーのバランスは、外部源210によって保たれる。

RWGS線は、好ましい方法で、FT反応器からのエネルギーを送る熱ポンプによって、バランスが取られる。本発明のシステム100全体を通じて、その蒸気を液体に変換することによって、この線からの熱エネルギーを使用する。

好ましい実施例において、FT線は冷却FT反応器から生じる熱によって、バランスを取られる。

好ましい実施例において、E線は冷却FT反応器から生じる熱によって、バランスを取られる。

好ましい実施例において、A線は環境にエネルギーを送ることによって、バランスを取られる。この線は、本プロセスによって消費されない、または電気に変換されない余分な熱エネルギーを収集する。主要な用途は、A線の蒸気を液体に変換することによる暖房であり、とくに寒い気候で使用される。この熱の必要性が無い場合、例えば従来の熱交換器を使用して、環境に消散されることができる。

経済的構造に関しては、空気と水の環境温度およびこの線の温度の間に典型的な温度差異がなければならない。この線における操作温度（沸点）は、圧力を制御することによって変動しうる。

好ましい実施例において、C線は余分な熱を除去し、A線に送る熱ポンプによって、バランスを取られる。

エネルギー入力
エネルギー入力手順200は、好ましくは、核プロセスによって生成される熱を使用する、発電所210を含む。多くのタイプの各プロセスが使用可能であるが、高速増殖タイプの反応器が採用されない場合、設備には周期的な核燃料の提供が必要となる。

電気を生成するその他のエネルギー源を使用することができるため、本発明のシステム100は、分裂炉の元来の熱または廃熱を使用する必要がない。例えば、本発明のシステム100の効率性および出力要件は、外部のエネルギー源から必要とされる廃熱がないため、核エネルギーだけでなく、例えば、水力発電または風力発電機によっても満たされることが可能である。最適ではないが、化石燃料発電所も使用することができる。

酸化炭素の変換
二酸化炭素の変換
二酸化炭素の変換は、好ましくは、RWGSプロセス360を通じて実行される。図8に示されるように、好ましい二酸化炭素の変換システムは、還元剤として水素を使用し、入ってくる二酸化炭素を一酸化炭素に変換する、RWGS反応器362を含む。

基本的な反応は、以下のとおりである。
CO₂+H₂←→CO+H₂O （5）
これは可逆的な反応であり、二酸化炭素を一酸化炭素に変換するその平衡係数は低い。この理由により、本発明の好ましい実施例において、入ってくる余分なガスである二酸化炭素および水素の両方が、一酸化炭素の量を増加するために使用される。

水素の量は、（i）反応器内の水への変換、および（ii）FT反応器322に供給するために望ましいレベルまでの混合物H₂／CO（合成ガス）の両方に対し十分である。この実施例において、このH₂/COの比率は約2であるため、水素モルの量は、最大で入力される二酸化炭素モルの数のおよそ3倍である。使用されるFT触媒によっては、FT反応器に供給するためのその他のH₂／CO値もまた許容可能である。

反応器362の入力の際の二酸化炭素の量は、好ましくは、反応器362の選択された作動温度で、入ってくる二酸化炭素の完全な変換を達成するのに十分な量である。例えば、一つの実施例において、RWGSプロセス360は、作動温度が400℃であり、スチームを分離する中間段階を含む三段式RWGS反応器を有する。このような設計において、出力におけるH₂／CO比率が2の値に近い条件下で、通常利用可能な入ってくる二酸化炭素とおよそ同一の量の二酸化炭素が反応器の入力の際に必要となる。したがって、この付加的な二酸化炭素の量は、図8に示されるような、この反応器アセンブリのリサイクルループによって提供される。この付加的な二酸化炭素の供給は、反応器内で消費されないが、入ってくる二酸化炭素をできる限り完全に変換するために平衡状態を変更するよう、それを循環する。その二つの二酸化炭素流（リサイクルされたものと未使用のもの）は、従来のガス混合器366内で混合され、別個の適切に設計されたノズルまたはRWGS反応器への分配器を用いて供給され得る。

リサイクルループにおける二酸化炭素の量は、水素の供給量、RWGS反応の作動温度、および反応器間にスチーム分離を備えた、連続的に接続された反応器の数に依存する。水素供給が少ない場合、または温度が低い場合、または連続した反応器が少ない場合、リサイクルループにおいては二酸化炭素の量が大幅に多くなり、逆もまた同じである。リサイクルループにおいてより少ない量のガスを有することの一つの利点は、ガスの循環および分離を維持するために必要とされる電気および熱の損失がより少ないことである。

RWGS反応器362の出力流は、まずスチーム凝結部368を通り、次に二酸化炭素分離器372を通る。一つの実施例において、スチーム凝結部は、ノックアウトドラムに続くコンデンサー（熱交換器）を含むことができる。分離器368からの凝結された水は、電解槽に返されることが可能である。分離された二酸化炭素は、入力ガス混合器366に送られる。二酸化炭素分離器372の直接出力は、効率的に変換するためのFT反応器322によって有用なものとして必要とされるものと近似したH₂／CO比率の合成ガスと、もしあれば残留する二酸化炭素である。

この器具の機能性を変更することなく、本発明で使用されることが可能な二酸化炭素を一酸化炭素に変換するためのその他のよく知られたプロセスがある。

反応器での作動圧力は、4〜30バールの範囲であることが可能で、20〜25バールが好ましい。GHSV-STP（標準温度および圧力におけるガス時空間速度）は、1,500〜15,000、好ましくは、5,000〜8,000である。

スチームは、好ましくは、高い分離比率をもたらす大気温度に近い温度で分離される。

出力からの二酸化炭素の分離は、従来の方法および現在の方法によって成し遂げることができる。現在、有力な方法は、炭化プロセス、圧力スウィング吸収、吸着、および気体透過と、さまざまなアミン吸収プロセス等を含む。さらに、適切なプロセス条件の下で、温度を下げ、圧力を増加することによって、低温分離は可能であり、例えば、−50から−55℃および50〜100バールの圧力で、一酸化炭素に対しモル／モル比率で15〜35％の二酸化炭素のみが合成ガス内に残される。

さらには、低温学を用いて、Ryan-Holmesのような溶媒を介在させるプロセス、またはCFZ（Controlled Freezing Zone：制御された凍結領域）のような三相プロセスを、二酸化炭素の含有量をさらに低減するために使用することが可能である。残留する二酸化炭素は、上流側プロセスを循環し、FTサブアセンブリ内の一定の作動条件下で、さらに有益に消費され、より多いまたは少ない二酸化炭素が、このサブアセンブリの入力に戻される。さらに、これらのプロセスのいくつかは連続的に用いることができ、例えば、一酸化炭素に対するモル／モルで測定される3〜10％のレベルにおいて合成ガスを望ましい二酸化炭素レベルに調整するCFZまたはアミン吸収のいずれかを行った後、二酸化炭素の大部分を分離するための低温の液化が可能である。低温タイプの分離器の前で、水蒸気は完全に除去されなければならない。低温プロセスにおいて、一般的に実践されているように、吸着タイプの乾燥機を使用してもよい。

もう一つの望ましい二酸化炭素の変換システムが図9に示されているが、三段式RWGSを含んでいる。図示されるように、三つのスチーム分離器部があり、それぞれが各反応器の後に設置され、プロセスの最後には二酸化炭素分離器がある。

RWGS反応は、一酸化炭素が生成される方向では弱いため、少なくとも一つの反応物質を除去する必要がある。

できる限り100％に近い変換を達成するために、本発明のシステム100は、（i）それぞれの段階の出力におけるスチーム除去、および（ii）入力におけるモル濃度の増加と併せて、三段式RWGS反応器を使用することができる。

まず、結果として生じた合成ガスが、上流側のフィッシャー・トロプシュ反応器322に対し適切なH₂／COの比率を有するよう、水素のモル濃度をある程度まで増加させる。一つの例においては、この比率は2またはそれ以上である。

RWGS反応を満足させるため、この実施例の第一RWGS反応器382は、入力二酸化炭素384のモル含有量に関連して3：1のモル比で供給される。1モルは二酸化炭素を一酸化炭素に還元するために使用され、2モルは出力した合成ガスに残される。

次に、第一RWGS反応器382への二酸化炭素入力が出力からリサイクル線386を作ることによって、またそれを変換することなく循環することによって、増加される。図9に示される構造に連続した三つのRWGS反応器382、388、394内でのおよそ100％の変換を作り出すために、およそ1モル以上が入力二酸化炭素の1モルへの循環ループに加えられる必要がある。

図9の二酸化炭素の変換システムは、スチーム除去および二酸化炭素の分離に依存している。第一スチーム分離器392は、第一RWGS反応器382の出力ガスからのスチームを除去し、そうすることによって、第二RWGS反応器388での二酸化炭素の変換を継続するための条件を作り出す。一酸化炭素は除去されていないため、第二反応器388の変換率は、第一反応器382よりも小さいであろう。

第二スチーム分離器392は、第二RWGS反応器388の出力ガスからスチームを除去し、そうすることによって、第三RWGS反応器394での二酸化炭素の変換を継続する条件を作り出す。一酸化炭素は除去されていないため、第三反応器394の変換率は、第二反応器388よりも小さいであろう。

第三スチーム分離器392は、第三RWGS反応器394の出力側に位置している。この分離器の出力において、出力ガスは、望ましいCO／H₂の比率および二酸化炭素の合成ガスを含む。したがって、二酸化炭素は分離器396を用いて分離され、リサイクル線386に配置され、ガス混合器398内で入ってくる二酸化炭素384と混合される。

合成ガスがFT反応器への上流側に供給するための必要量よりも少ない量の水素を含んでいる場合、電解槽410から付加的な水素が加えられる。

RWGS反応器
本発明のシステム100で使用されるRWGS反応器は、好ましい実施例においては、400℃が使用されているが、多くの作動温度で効率良く作動することができる。典型的な触媒は、Johnson Mattheyによって生成されたKATALCO71-5である。作動圧力は、アセンブリの全般的なサイズを低減するため、より高い値が好ましいが、4〜30バールの範囲で使用することができる。GHSV-STPは1,500〜15,000、好ましくは、5,000〜8,000が使用される。

反応は吸熱性であり、外部熱を必要とする。好ましい実施例において、本発明のシステム100は、外部源から反応帯に送られる外部熱と共に、等温操作（°Kで測定される理想的な作動温度のプラス・マイナス10％以内）を用いる。全般的な熱送出システム810の一つの例を図10に表す。作動流体の相変換が、等温的に、具体的にはRWGS線で、またはその近くで熱を送るために使用される。RWGS線の蒸気は、コンデンサーコイル812に送られる。相変換温度を維持する一方で、蒸気は凝結し、凝結熱を放出する。残留する作動流体は、RWGS線の液体部分に放出される。放出された熱は、熱交換プロセスを通じて反応器内部でガスを反応させることによって消費される。

より少ない量の二酸化炭素を一酸化炭素に変換し、より小さな容量のガス混合物を処理するため、第二および第三反応器は第一反応器より小さくてよいが、好ましくは、図9の反応器382、388、394は、同一の一般的な構造である。

このRWGSサブアセンブリは、純粋な二酸化炭素だけでなく、二酸化炭素と一酸化炭素の混合物も処理することができる。混合物は、一酸化炭素の二酸化炭素に対する比率に応じて、一つ、二つ、または三つすべての連続的に接続された反応器を通じて処理することができる。純粋な二酸化炭素の変換条件下で、この比率が第一反応器の出力におけるこの比率よりも小さい場合、三つすべての反応器が使用されるであろう。その差異は、低減された二酸化炭素の量に必要とされる低減された水素の量にある。同一の法則によって、二つまたはたった一つの反応器がこの混合物の処理に必要とされるかどうかが決定される。最終的に、一酸化炭素のみが供給される場合、反応器は必要ではない。

別の方法―二酸化炭素の変換
前に述べたように、二酸化炭素の変換は、好ましくは、RWGSプロセス360を通じて行われる。合成ガスの一酸化炭素成分の生成という成果を顕著に変更することがないこのRWGSプロセスに対する修正が数多くある。

例えば、反応器内の反応温度は、低減されることが可能である。これによって、平衡定数を減少させ、よって、リサイクル線内の二酸化炭素量、または連続して接続された反応器の数、あるいはその両方の増加をもたらす。

さらに、反応温度は増加されることが可能であり、また好ましい実施例において、十分な量の二酸化炭素の循環があれば、反応器の数を三つから二つ、または一つのみに低減し、入ってくる二酸化炭素の100％の変換を提供することが可能である。

リサイクルループ内の二酸化炭素を結果として増加させる、このプロセスに供給される水素の量を低減することもまた可能である。また、同一の温度において、連続した三つ以上の反応器を使用することによって、循環する二酸化炭素の量を低減することも可能である。

反応熱は、等温的に送られる必要はなく、適切な温度、流量、その他のパラメータを有する任意の熱めの温度の流体との熱交換を通じて提供され得る。

他のプロセスが、二酸化炭素を一酸化炭素に変換することで知られており、このようなプロセスは、本発明のシステム100において使用することができる。

一酸化炭素の変換
一酸化炭素の変換は、好ましくは、FT反応器プロセス320を通じて行われる。反応器アセンブリを図11に示す。FT反応器322の操作は、以下のとおりである。
CO+2H₂→（-CH₂-）+H₂O （6）
（-CH₂-）におけるダッシュ（−）は、水素の追加、または重合のいずれかに利用可能な結合を意味する。使用される触媒のタイプ、反応器内の作動温度、圧力、およびガス速度に応じて、フィッシャー・トロプシュ反応器で生成される、何も混ざっていない、および酸化された炭化水素化合物が数多く存在する。

一つの好ましい実施例において、例として、反応器は、220℃でコバルト触媒と共に作動し、改良後、主におよそ1：2の割合でガソリンとディーゼル燃料の混合物の生成を導く炭化水素の混合物を生成する。

本発明のその他の実施において、例えば、約330〜350℃のより高い温度でより多くのガソリンが生成され、ガソリンとディーゼルの比率はおよそ4：1である。したがって、異なった温度で操作を組み合わせることによって、ガソリンとディーゼルの比率を1：2から4：1に調節することができる。本発明によるディーゼル燃料の生成率は、温度、圧力、および滞留時間（ガス流）を調節することを含む。望ましい液体燃料に変換することが困難な残留する炭化水素の量は変化し、一般的に、より高い温度では高く、より低い温度では低い。

一つの実施例においては、H₂／COの比率が2.15、作動温度が220℃、圧力がおよそ20バール、GHSV-STPが1,500の下で、コバルト触媒が使用される。一酸化炭素の炭化水素への変換は、最大75％である。圧力は10〜30バール、およびGHSV は500から5,000の範囲内で変更可能である。

図11のFT反応器322は、さらなる処理に向けて排出される液体炭化水素と、スチームおよび入力ガス（一酸化炭素と水素）で混合されるガス状の炭化水素との両方を生成する。入力ガスの存在は、合成ガスの不完全な変換によるものである。より完全な変換のために、反応器間のスチームおよび一定の炭化水素ガスの除去と連続して、一つ以上のFT反応器を使用することができる。好ましい実施例の例においては、より高い変換効率を達成するために、二段式FT反応器が使用される。

反応器322の出力において、スチームがスチーム分離器324によって、続いて炭素番号C₅-C₆のガス状の炭化水素が分離器326によって、最後に炭素番号C₃-C₄のガス状の炭化水素が分離器328によって出力ガスから分離される。これらの分離プロセスは、分離前のガス混合物の組成に応じて組み合わせることができる。残留するガスは、おもに天然ガス化合物、メタンCH₄およびエタンC₂H₆、残留する合成ガスの一酸化炭素と水素、ならびにさまざまな量の分離されていない二酸化炭素、C₃およびC₄化合物を含む。

好ましい実施例において、合成ガスの大部分は、リサイクル線を介してFT反応器322の入力に戻され、そこで入ってくる合成ガスの炭化水素燃料への変換効率を改善する。これは、制御可能なスロットルまたはバルブ332を使用することによって、部分的に達成することが可能である。このスロットルは、出力ガスのためのリサイクル線に設置され、この出力ガスの一部を、等しいモルの割合で放出または燃焼することを可能とする。好ましい実施例において、制御パラメータは、放出前の天然ガス化合物の量である。スロットルは、所定のレベルで、この量を維持するのにちょうど十分なだけ開放されている。その他のガスを、同一の目的のために使用することができる。

リサイクル線のガス調節装置334は、RWGSアセンブリ360から生じる合成ガスの温度および圧力を適合させるよう、提供することが可能である。合成ガスは、ガス混合器336、あるいはガス混合器384に類似しているものにおいて混合される。

合成ガスの代わりに、FT反応器322は、（本発明のシステム100の外部から）排出された一酸化炭素と、電解槽410からの水素、またはこれらのガスと合成ガスとの混合物からなる外部供給源によって、供給されることが可能である。水素は電解槽410から入力に加えられ、FT反応器322によって必要とされるH₂／COの比率を調節する。好ましい実施例において、このH₂／COの比率は約2、より具体的には2から2.2の間である。

この器具に放出されたガスは、燃焼発電機に供給され、電力を生成することができる。

このFTアセンブリは、この器具の機能性を変更することなく、さまざまな従来のフィッシャー・トロプシュ反応器の設計によって、置換され得る。より詳しい、好ましい一酸化炭素の変換システムを図12に示す。二段式FT反応器システム340が示されている。このアセンブリには、二つのFT反応器342、344がある。RWGSサブアセンブリからの合成ガス、および電解槽からのいくらかの量の水素を、第一FT反応器342に供給することができる。ある一定の量の液体炭化水素が生成され、反応器から排出される。変換された合成ガス、スチーム、RWGSアセンブリからの残留する二酸化炭素、および反応温度および圧力ではガス状である反応器342で生成されるすべての炭化水素は、スチーム分離器346に供給される。大気温度で分離を行うのが好ましいが、その他の温度もまた使用することができる。いくらかの炭化水素ガスは、水によって分離されることも可能である。残留する水および炭化水素は、一般的に実践される方法、例えば、蒸留または比重により分離されてよい。

いくらかの量の炭化水素ガスを伴う残留する合成ガス、および残留する二酸化炭素は、第二FT反応器344に供給される。ある一定の量の液体炭化水素が生成され、反応器から排出される。変換されていない合成ガス、スチーム、RWGSアセンブリからの残留する二酸化炭素、および反応温度および圧力ではガス状である反応器内で生成されるすべての炭化水素は、スチーム分離器348に供給される。大気温度で分離を行うことが望ましいが、その他の温度もまた使用することができる。

本プロセスのこの位置において、FT反応器342の出力よりもずっと少ない量の合成ガスが残されるため、炭素番号C₅およびそれ以上の炭化水素ガスの部分的な圧力はより大きく、またそれらはスチーム内のスチームと、C₅₊分離器348で凝結する。C_nは、1分子あたりの炭素原子の数がnである炭化水素である。C_n+は、1分子あたり、nまたはそれ以上の炭素原子である炭化水素を意味する。凝結された液体は排出され、水は水分離器352内で蒸留または比重等による多くの一般的なプロセスによって分離される。

分離器348からの残留するガスは、炭素番号C₃およびC₄であるものを含む、炭化水素のもう一つの分離器354に供給される。例えば、20〜50バールで、このような化合物のほとんどが凝結されるような温度下でそれらは凝結され、この残留する混合物から分離することが可能である。この温度は、出力ガス内のその他のガスの量に依存する。分離可能なガスの容量と比較してこれらの量が大きい場合、二酸化炭素の分離に使用されるような低い温度が使用可能である。そして、C₃やC_nの炭化水素だけでなく、二酸化炭素もまた分離可能である。これらのガスは、圧力の変化、およびRWGSアセンブリの入力にリサイクルされた二酸化炭素によって、互いに簡単に分離することが可能である。出力した合成ガス、天然ガスの成分、および残留する二酸化炭素は、制御可能なレリーフ332（図11）に供給される。このレリーフの平衡状態において、合成ガスの量は大幅にその他のガスより少ないため、どんな量の混合物が放出されようと、リサイクルループよりもすっと少ない量の合成ガスを含む。リサイクルループ内の合成ガスの存在は、入ってくる合成ガスの変換の完了に対して、RWGSサブアセンブリにおけるリサイクルループ内の二酸化炭素の存在と同一の影響を与える。また放出されたガス内の合成ガスの量は、放出比率を制御するために使用することができる。

その他の好ましい実施例において、異なった作動パラメータにおいても、より多くの反応器が、合成ガスの変換率を増加させるために使用することができ、220℃や340℃といった低い温度で、より望ましい種類の炭化水素群をを作り出す。ガソリン、ジェット燃料、ディーゼル燃料等の相対量という、改良後に次々に燃料の組成に影響を与える生成された炭化水素の組成を調節するための異なった条件下で、作動する反応器に異なった量で合成ガスを導くことができる。

FT反応器
反応は極めて発熱的であり、反応器の出力は極めて温度依存的であるため、大幅な熱の除去を必要とする。好ましい実施例において、図13に示されるように、FT線における水からスチームへの相変換が、この熱を除去するために使用される。これによって、反応器がほぼ等温の操作を行うことができ、従って一貫した出力が得られる。それは、この反応器からの生成物の出力が、例えば、10℃以内といったように、極めて温度に依存するからである。

別の方法―一酸化炭素の変換
一酸化炭素の変換は、FTプロセス320によって成し遂げられてもよい。合成ガスからの炭化水素化合物の生成といった結果を変更することがない、このFTプロセスへの多くの修正があるが、生成させる生成物の組成を顕著に変更してしまうかもしれない。

例えば、反応器の温度は、150℃から350℃の範囲で、変更することができる。合成ガスの触媒のタイプ、触媒床のタイプ、圧力、滞留時間、および速度の相違は、生成される生成物の組成の程度を変化させる。より高い温度では、より軽い炭化水素の組成物が生成される。一つの例において、310〜340℃で循環触媒を使用する場合、出力の72％が、ガソリンの原料となる炭素番号C₅〜C₁₁の組成物を含み、6％が重質の炭化水素、8％が炭化水素ガス、14％がアルコール、灯油、および酸である。

FTアセンブリは、FT線の水の温度および圧力を規制することによって、異なった反応器の温度で作動するようにすることができ、FT反応器の圧力とその他の成分が、スチームと炭化水素ガスの分離に影響を与える。

触媒と触媒床のタイプは、操作の特徴の変化に適合するよう、時々変更されることも可能である。二つまたはそれ以上の反応器は、同一のまたは異なった温度、触媒、およびその他の作動条件で作動するよう使用され、連続で接続されることが可能である。また、異なったあるいは同一の条件で作動する、反応器の二つまたはそれ以上の平行したストリングがあってもよい。

このような構造であれば、本発明のシステム100を有する設備は、長年の操作にわたって、変化する市場のニーズに適応することができる。

水素の生成
本発明のシステム100は、酸化炭素から燃料Fへの変換300を促進する、水素を提供する水素入力手順400をさらに含む。電解槽が水素を提供する、好ましい装置である。

電解槽410の実施例の一部を、図14に示す。電解槽の高い電圧および低い電流スタックのため、双極電極412を使用することが好ましい。電流414は、すべての双極電極の表面を通じて電解質416に流れ、それぞれのセル内に水の電解を生じさせる。

それぞれのセルは、ガスダイヤフラム418によって分割することができる。水素および酸素がそれぞれの双極電極の反対側で放出され、電極とダイヤフラムとの間の空間で収集され、本発明のシステム100で使用されるために放出される。

好ましい実施例において、例えば、5〜20kA／m²といった、高い電流密度を有する電解槽の設計が使用される。例えば、1〜3kA／m²といった低い電流密度に比べ、このような増加によって、より小さいサイズ、重量、および費用の電解槽を実現できる。しかし、電極へのずっと大きな過電圧、および電解質の抵抗性の損失により、このような電流密度の増加には、異なったエネルギー効率が存在する。高い電流密度の電解槽は、以下のような構造と操作パラメータを使用する。

・作動温度は130℃で、150℃まで可能であり、これは電極の過電圧電位を減少させ、電解質の抵抗性を減少させる。

・作動圧力は、ガスが転化する容量を減少させて電解質の電導性を向上させ、また、水蒸気とそのリサイクルを減少させる、20〜30バールの範囲。

・電解質におけるKOHの濃度は、およそ30重量％。

・電極間のギャップは、130〜150℃の範囲の温度で、ダイヤフラム素材の使用により、より小さくすることができる。

槽電圧を、高い電流レベルで、およそその熱的中性（等温）電圧に到達させることが可能である。これは、電気エネルギーの供給があれば、この熱的中性電位に達し、槽の付加的な冷却または加熱は必要ないということを意味する。この電位がより低い場合付加的な熱が必要となり、より高い場合には冷却が必要となる。

高い電流密度の電解槽に対する反応水は、二つの方法で送ることが可能であり、一般的には液体として、あるいは槽内の水に凝結される蒸気のいずれか、または水と蒸気の組み合わせによる。その選択は、とりわけ電解槽、作動電圧に対する、電流密度、その他の補助的なサブシステムの選択等に応じた、設計固有のものである。

高い電流密度の電解槽の選択によって、より低い温度と、特に圧力の相違とによって、全般的な設備におけるその他の効率性をもたらす。

電解槽の電気の供給は、本明細書に記載される既存の装置を使用することができる。好ましい実施例において、図15は、位相シフト変圧器からそれぞれ供給される連続して接続されたいくつかの整流器の使用を表す。この回路設計によって、第一EDLのAC（交流）電圧を電解槽の操作に必要とされるDC（直流）に変換する高い効率性を有する整流器をもたらす。

電解槽の高い電圧のスタックは、構造の利便性、保守、および安全のため、平行して機能するいくつかのスタックに分割することができる。同一のことが整流器でも行われる。半導体の整流器は、より高い電流を運ぶために平行であることが可能であり、またはこのような平行の整流器のそれぞれは、別々の電解槽スタックに接続されることも可能である。同一のことが変圧器でも行われる。

図15および16に関して、三つの変圧器が使用されるが、これらの変圧器は、いかなる位相シフトを有する必要もなく、大量に使用することができる。発電所の出力電圧が、電圧を必要とするスタックに適合する場合、高い電圧の電解槽スタックは、変圧器なしで直接供給され得る。

位相シフト変圧器は、三相の電気分配で一般的であるように、0°または180°ではなく、通常120°または240°の相間位相シフトの入力において、一つ以上の相を使用する。例では、三つの入力相を伴う変圧器432は、電力分配線（EDL）によって供給される。相関係をベクトル図434に示す。これは、典型的なデルタ相配置である。

三相変圧器432の一つの相の出力（二次）巻線は、連続して接続された、典型的に二つの個別の巻線を含む。一つの巻線436は、一つの入力相の巻線上に巻かれており、他の巻線438は、もう一つの入力相の巻線上に巻かれている。それぞれの二次巻線の電圧の相は、この二次巻線に巻かれている巻線の入力電圧を伴う相である。

これら二つの巻線と極性間の回転数の比率、または変圧器比率を選択することによって、多くの望ましい位相シフトを達成することができる。図式442は、電圧の変圧と、等しい値および120°の位相シフトの基礎をなす入力相電圧から変換される電圧の極性とにおける比率を示す。相XY内の入力電圧と比較し、出力位相XY内の結合した電圧は位相シフトされる。この例において遅延がある。図式444は、この位相シフトを進み位相シフトとする出力の極性変化を示す。

整流器
本システムは、典型的な三相整流器である半導体の整流器を利用する。半導体の代わりに、ずっと大きな電流を整流することができる真空管を用いた整流器を使用することも可能である。平行した半導体の電流の妥当な共有を達成するために、既知の回路を使用して、半導体は平行としてもよい。整流器は、より多くの相脚を追加することによって、また平行したすべての位相シフト変圧器からすべての相を接続することによって、より多くの相とすることもできる。

出力電圧
本明細書に記載される位相シフト変圧器および整流器は、図15に示される回路に結合される。好ましい実施例において、三つの整流器の回路Rは連続して接続して示され、それぞれが位相シフト変圧器Tから供給される。この回路は、電解槽の電気回路におけるすべての成分のサイズを決定するために有益な1.5％の最大振幅電圧の非常に少量の脈動を有する、整流されたDC電圧を実現する。接続するためには、例えば、これら三つの回路を平行させるといった、その他の方法がある。もう一つの別の方法は、より多いまたはより少ない相と、出力電圧の対応するより低いまたはより高い脈動を有する、異なった数の回路の使用である。

結果として生じた電圧は、三つすべての整流器からの電圧の和である。図17は、一つの三相整流器からの電圧の図式452を表す。電気分配線の電圧（360°）の一つの期間において、それぞれの相の正および負の半期から、サイン波形の六つの整流された上端がある。電圧脈動の深さは、コサイン（30°）＝0.866またはピーク電圧値の13.4％である。三つの整流器を有する回路内では、位相シフトは20°の進みおよび遅延があるように相間で維持される。この場合、電圧脈動の深さは、電圧の図式454のように、コサイン（10°）＝0.985、またはピーク値の1.5％である。

この脈動は、槽の表面のより高い利用と、変圧器および整流器のより低い電力定格へと順に導く、電解槽の低い電流変動に適している。

電解槽の高い電圧スタックは、構造の利便性、保守、および安全などの課題を解決するために、平行して機能するいくつかのスタックに分割することができる。同一のことが整流器でも行われる。半導体の整流器は、より高い電流を運ぶために平行とすることが可能で、または、このような平行の整流器のそれぞれは、別々の電解槽スタックに接続することができる。同一のことが変圧器でも行われる。

後処理
典型的に、変換手順300の出力は、種々の炭化水素である。後処理手順500は、炭化水素を燃料Fの望ましい混合物に改良するよう提供される。本プロセスは、FTサブアセンブリからの炭化水素流を望ましい燃料に、また所望される場合にはその他の生成物に変換する既存の技術を使用することができる。図18は、このような設備への入力およびこのような設備からの出力を示している。典型的な改良器は、主にディーゼルおよびガソリンの範囲の燃料へのFTの重質留分（潤滑油およびワックスの範囲）の水素化分解法を含む。精製装置の水素必要量は、好ましくは、電解槽からの水素によって満たすことができることに留意しなければならない。

燃焼発電機
好ましい実施例における燃焼システム520を図19に示す。燃焼機への入力は、FT反応器アセンブリから放出されたガス、および／または精製装置からの残留物、および／または天然ガス化合物であってよい。これらすべての化合物は、電解槽からの比較的少量の酸素を伴うガスタービン発電機522で燃焼される。タービン排気からの出力ガスは、蒸気および二酸化炭素である。蒸気は、水および残留物である二酸化炭素とに分離され、後者はガス混合器に、流入する二酸化炭素とともに戻される。これは、本発明のシステム100のさらにもう一つのガスリサイクルループである。

発電機によって生成される電力は、電力線、さらには電解槽に供給される。

結果として、システムから生じる廃棄物は皆無かそれに近く、それらを燃焼するための望ましい燃料と酸素のみが生成される。

生成された電力は水素を生成するためにリサイクルされるため、この機器は、FTサブアセンブリにおける合成ガスの不完全な変換に対し感受性が低い。また二酸化炭素はRWGSサブアセンブリの入力に戻され、リサイクルされるため、この機器は、RWGSサブアセンブリでの二酸化炭素の分離における分離効率に対し感受性が低い。

一般的なガスの分離および処理
提示されるプロセスにおいて、ある一定のガスがガス混合物から分離されなければならない、または例えば、温度および圧力といった単なるガスパラメータを、上流側プロセスに適合するために調整しなければならない場合が多くある。

本システムの一つの利点は、そのエネルギー効率の良いガス処理である。基本的に二つのエネルギー効率の良い熱力学的プロセスがガス処理に使用される。一つ目は、すべての外部作業がガスエネルギーへ、またはガスエネルギーから変換される際の、断熱的プロセスである。二つ目は、すべての外部作業が熱に変換、あるいは熱から得られる場合の、等温プロセスである。

これらは理想的なプロセスであることを、当業者は理解するであろう。実践的な応用において、理想的な等温プロセスでは、いくらかの温度変化がある。これらの変化は、プロセスをほぼ等温とする。本明細書で使用されるように、「等温」という用語は、理想的な等温操作を修正する「ほぼ」、「およそ」またはその他のこのような用語である操作またはプロセスを含むものとし、さらに具体的には、理想的な等温の温度からプラス・マイナス10％の範囲で、実践的な等温プロセスにおける°Kで測定された絶対温度の変化に関連する。同様に、実践的な断熱的プロセスにおいて、主に行われる外部作業に加え、いくらかの熱エネルギーが関与する。このような「実践的な」断熱的プロセスは、同様に、「ほぼ」および／または「およそ」断熱的であり、関与する熱エネルギーもまた、理想的なプロセスからの外部作業のエネルギー量のプラス・マイナス10％の範囲である。

本発明は好ましくは、ガスの圧力を「等温的に」変化させるための一つまたはそれ以上の装置を含み、これは理想的な等温プロセスの温度からプラス・マイナス10％を含む。本発明は好ましくは、ガスの温度を「断熱的に」変化させるための一つまたはそれ以上の装置を含み、これは上記に記載した理想的な断熱的プロセスからプラス・マイナス10％の範囲を含む。

図20に示されるように、これら二つのプロセスを用いた普遍的なガス分離の図式を示す。まず、610から614の三つのプロセスは、コンデンサー616で凝結することによって、一つまたはそれ以上の成分を分離するためにガス混合物を調整する。それから618から622の三つのプロセスは、残留するガス混合物をさらに処理するために調整する。分離されたガスは、コンデンサー616において液相である。気相でのさらなる処理が望ましい場合、いくらかのガスを蒸発器624で蒸発させ、プロセス626から630によってさらに処理するために調整する。

610から614、または618から620、あるいは626から630のへプロセスのそれぞれのグループは、主たる機能において同一のものである。それらは、断熱的に処理するためにガスの調整に集中し、ガス混合物成分が液体または固体のいずかに相が変わることを避ける。それぞれのプロセスは、等温的に圧力を調節することから始まる。次に、ガスまたはガス混合物は断熱的に処理され、温度を変化させる。このプロセスの後、さらに処理に必要とされる最後の等温プロセスで圧力を変化させる。要約すれば、圧力は等温的に、また温度は断熱的に変化する。

図21は断熱的機械を示し、電気分配線からの電力を使用して圧縮することによって温度および圧力を増加させるものと、温度および圧力とその線への電力の生成とを減少させるものである。好ましい実施例において、電力線は、断熱的プロセスから送られるか、または得られる電力の供給源および受容器の両方として使用される。圧縮器632は、電気モーターによって駆動されるタービンであることが望ましく、また膨張器634は、電力発電機を駆動するタービンであることが望ましい。このような発電機は、電力線内の電圧の周波数および相に同期しなければならず、電力網に使用されるその他の発電機に非常に類似した電圧値に適合しなければならない。タービンタイプ以外のその他のタイプの圧縮器および膨張器もまた、使用することができる。

図22は等温機械を示し、圧力を増加させるものと、減少させるものである。圧力を増加させる機械において、電気モーターによって駆動される圧縮器636が使用され、電力線からの電力を受け取る結果として生じたガス混合物は、圧縮され、冷却される。熱は冷却器638によって除去される。除去された熱の量は、論理上は、電力線から送られた電気エネルギーに等しい。圧力の大きな変化のためには、いくつかの連続的に接続された等温圧力の変換器を使用することができる。この場合、それらはインターリーブ圧縮器と呼ばれる。それらは、冷却器と交互配置される。

反対のプロセスは、圧力を等温的に低減するために使用される。この場合、ガス混合物は膨張され、これによって圧力と温度の両方を低減する。温度の変化は、加熱することによって補われる。重ねて、混合物に送られる熱の量は、論理上は、膨張器640によって駆動される発電機による電力線に送られるエネルギー量に等しい。圧縮器および膨張器の両方としてタービンを使用することが望ましいが、その他のタイプも使用することができる。

本システムは、冷却器638および加熱器642を等温機械内で使用する。これらは、本質的に熱交換器である。等温操作に関して、作動流体の相変換を使用し、これらの熱交換器を通るガスへ熱を送るか、またはガスから熱を除去することが望ましい。これによって、温度変化がほぼゼロで、本システムが熱を処理することが可能となる。

図7に戻って、本発明で使用されるエネルギー分配線のいくつかの例を示す。第一に、電解槽およびすべての電気モーターといったすべての用途に電力を送り、発電所および内部のすべての電力発電機といったすべての供給源から電力を受け取る電力線である。

その他の線は、熱分配線である。それらはさまざまな供給源から熱を送るか、または熱を受け入れ、熱を使用する。それぞれの線は、好ましくは、液体部分および蒸気部分の二つの部分を含む。熱が線から送られなければならない場合、蒸気がこの熱を受け入れるために専用の熱交換器に取り込まれ、この熱交換器で凝結され、熱を放出し、凝結された液体を熱分配線のもう一方の半分に送る。熱が受け入れられなければならない場合、逆のプロセスが使用され、液体は蒸気へと蒸発する。

本プロセスにおいて、相変換が発生する温度の例は、
a）RWGS反応器―熱分配線RWGS（RWGS線）の温度、
b）FT反応器―熱分配線FT（FT線）の温度、
c）電解槽の水―熱分配線E（E線）の温度、
d）大気温度―熱分配線A（A線）、および
e）二酸化炭素の分離―熱分配線C（C線）の温度。

以下は、これらの線に対する作動流体の例である。
a）RWGS線のためのエチレン・グリコール
b）FT線のための水、またはエチレン・グリコールのようなより高い温度での代替物
c）E線のための水
d）A線のためのアンモニア、および
e）C線のためのエチレン。

図23は、コンデンサーおよび蒸発器、図20の機械616ならびに624の組み合わせを示す。コンデンサー部分は、ガス混合物が通る熱交換器652である。ガス混合物からの熱は、蒸発器654を介した作動流体の蒸発によって除去され、これによって、熱交換器652の収集部656で、このような凝結に向けてあらかじめ調整された混合物の望ましい成分を凝結する。逆プロセスでは、液化ガスは収集されて蒸発器へと取り除かれる。熱は同一の熱分配線から蒸発を行う熱交換器に送られる。論理上は、分離されたガスの凝結および蒸発を行うこのプロセスは、エネルギーに関しては何の変化もない。

図24は、どのように電気エネルギーが分配されリサイクルされるかを示す。線1は、三相電気分配線である。これは、図6の電力の主源によって供給され、望ましくは、高速増殖タイプの原子炉によって電力が供給される。また図27の発電機716によって、FT反応器に放出された残留するエネルギーからも電力が供給される。図14の電解槽は、電力の主な使用要素である。断熱的温度変化および等温圧力変化に使用されるすべての膨張器―発電機装置はこの線に供給し、断熱的温度変化および等温圧力変化に使用されるすべての圧縮器モーターはこの線から供給される。当然ながら、その他のすべての必要なモーターおよび発電機は、この線に取り付けられる。我々は、さまざまなモーターおよび発電機が使用される処理のいくつかの領域を示す。

図25は、どのように熱分配およびリサイクル線が使用されるかを示す。RWGS線において、熱は図27に示される熱ポンプ710によって送られ、熱はFT反応器に放出されたエネルギーから得られる。この熱は、図10に示されるようにRWGS反応器を加熱するために使用される。これらの反応器に入ってくるおよび出力するガスの等温圧力変化に使用される図22に示されるすべての加熱器および冷却器は、この線から熱を使用するか、またはこの線へ送る。

FT線において、熱は図27の熱交換器714を介して送られ、熱はFT反応器に放出されたエネルギーから得られる。これらの反応器に入ってくるおよび出力するガスの等温圧力変化に使用される図22に示されるすべての加熱器および冷却器は、この線から熱を使用するか、またはこの線へ送る。

電解槽線において、熱は、図27の熱交換器712を介して送られ、熱はFT反応器に放出されたエネルギーから得られる。熱の主な使用要素は、図28の電解槽水のための加熱器／ボイラーである。電解槽内に入ってくるおよび出力するガスの等温圧力変化に使用される図22に示されるすべての加熱器および冷却器は、この線から熱を使用するか、またはこの線へ送る。

図26は、さらに二つの熱分配およびリサイクル線を示す。一つは、大気温度を操作する線である。大気温度にて入ってくるおよび出力するガスの等温圧力変化に使用される図22に示されるすべての加熱器および冷却器は、この線から熱を使用するか、またはこの線へ送る。スチームのようなガス分離器の図23に示されるすべての蒸発器およびコンデンサーは、この線から熱を得るか、またはこの線に熱を送る。また、二酸化炭素の分離線から余分な熱を運ぶ熱ポンプの受信端がある。設備全般での未使用の熱のすべては、この線に送られ、主に廃熱として分散される。

図26のその他の線は、二酸化炭素の分離線である。液化による二酸化炭素の分離に近い温度で流入ガスおよび流出ガスの等温圧力変化に使用される図22に示されるすべての加熱器および冷却器は、この線からの熱を使用するか、またはこの線へと熱を送る。図23に示される二酸化炭素の分離のためのすべての蒸発器およびコンデンサーは、この線からの熱を使用するか、またはこの線へと熱を送る。二酸化炭素の分離線は、RWGS反応器の出力における出力ガスから二酸化炭素を分離するために使用されるが、C₃およびC₄の炭化水素、およびFT反応器の出力ガスに残留する二酸化炭素を分離するためにも使用される。また、二酸化炭素の分離線から大気線への余分な熱を取る熱ポンプの余熱収集端がある。

好ましいガスの分離および処理
二酸化炭素は、50バールの典型的なガスパイプラインの圧力および大気温度で、一般的にパイプラインによってこの器具に送ることができる。RWGSサブアセンブリへの入力に関し、二酸化炭素は、25バールのような作動圧力で、この実施例においては400℃であるRWGSの温度まで加熱される。これを達成するために、図20の610から614のプロセスすべてまたはいくつかを使用することができる。

電解槽からの水素は、130〜150℃の温度で、20〜30バールの圧力で生じ、RWGSサブアセンブリへそれを入力するために調整されなければならない。これを達成するために、図20の610から614のプロセスすべてまたはいくつかを使用することができる。

RWGS反応器のそれぞれの出力において、スチームは分離されなければならない。スチームのほとんどを除去するために、これは低い温度で行われなければならない。この実施例において、これは大気温度である。この分離を達成するために、図20の610を介した614のプロセスと616のプロセスすべてまたはいくつかを使用することができる。また、プロセス614および616は、一つの機械で結合することができる。分離の後、さらに処理するために、図20の618から622のプロセスすべてまたはいくつかを使用して、ガスは再調整されなければならない。

RWGSサブアセンブリの第三スチーム分離器の出力における出力流に存在する二酸化炭素は、アミン吸収、炭酸吸収、圧力スウィング吸収、吸着、気体透過、添加剤補助による低温学（例 Ryan-Holmes）、または三相低温学（CFZ）のようなさまざまなプロセスを使用して分離することができる。二酸化炭素の大部分を分離するために液化を使用する際、図20のプロセスすべてまたはいくつかを使用することができる。この実施例において、温度T_lは大気温度であり、凝結の温度T₃は、〜55℃の範囲であり、温度T₄は FT反応器の温度に等しく、この実施例においては220℃である。温度T₆ はRWGS反応器の温度に等しく、この実施例においては400℃である。

FT反応器サブアセンブリへの水素は、130〜150℃の温度で、20〜30バールの圧力で、電解槽から生じ、この実施例において好ましい220℃、20バールで調整されなければならない。これを達成するために、図20の610から614のプロセスすべてまたはいくつかを使用することができる。

一酸化炭素がFTサブアセンブリに供給される場合、典型的な圧力の50バールおよび大気温度で、パイプラインを介して送られることが多い。FTサブアセンブリへの入力に関し、一酸化炭素は、この実施例においては220℃であるFT温度まで加熱され、20バールのような作動圧力まで膨張される。これを達成するために、図20の610から614のプロセスすべてまたはいくつかを使用することができる。

FT反応器のそれぞれの出力において、スチームは、この実施例では大気温度で分離される。この分離を達成するために、図20の610から614のプロセスすべてまたはいくつか、およびプロセス616を使用することができる。また、プロセス614および616は、一つの機械で結合することができる。第二FT反応器の前での分離の後、図20の618から622のプロセスすべてまたはいくつかを使用して、さらに処理するために、ガスは再調整されなければならない。

第二FT反応器の後、残留するより重い炭化水素を伴うスチームもまた、大気温度で分離される。この分離を達成するために、図20の610から614のプロセスすべてまたはいくつか、およびプロセス616を使用することができる。また、プロセス614および616は、一つの機械で結合することができる。

この分離の後、C₃およびC₄炭化水素ガスは、図20の610から616のプロセスすべてまたはいくつかを使用して、分離されなければならない。二酸化炭素および合成ガスの含有量が低い場合、大気温度で凝結することができる。そうでなければ、より高い圧力よりもむしろより低い温度でなければならない。好ましい実施例において、二酸化炭素を凝縮するためのC線があり、この混合物内のC₃、C₄、およびCO₂を凝縮するために使用される。続いて、分離された液体の圧力を変化させることによって、CO₂が最初に蒸発し、図20のプロセス624から630を通じて処理され、RWGSアセンブリに入力される。C₃およびC₄化合物の凝縮は液体の様態で使用することができ、または所望される場合には、図20の624から630のプロセスすべてまたはいくつかを使用して、ガスへと蒸発および調整される。最後に、残留するC₁およびC₂炭化水素、合成ガス、ならびにその他のガスは、再び618から622のプロセスすべてまたはいくつかを使用して、制御可能なリリース322に入力するために調整されなければならない。

そしてFTサブアセンブリのリサイクルループにおいて、ガスは、制御可能なリリースの大気温度および圧力の入力条件から、第一FT反応器の入力条件、この実施例においては-220℃、20バール、へと変換されなければならない。重ねて、図20の610から614のプロセスすべてまたはいくつかを使用することができる。

最後に、電解槽からの酸素がこの設備の外部で使用するために送られる場合、それも調整されなければならない。それは、130〜150℃の温度、20〜30バールの圧力で電解槽から生じる。パイプラインによる送出のためには、酸素は典型的なパイプラインの圧力である50バールおよび大気温度に調整されなければならない。これを達成するために、図20の610から614のプロセスのすべてまたはいずれかを使用することができる。

同様に、燃焼発電機への酸素の送出、そこでのスチーム分離、および二酸化炭素の入力への送出に関し、このような目的のために本明細書に記載され、および図20に示されるプロセスを使用することができる。

同様に、精製するために使用される水素は、記載されるものと同一の方法だが異なった出力温度および圧力で処理することができる。

フィッシャー・トロプシュサブアセンブリからの熱のリサイクル
フィッシャー・トロプシュ反応器の反応の発熱的熱は、この設備で処理するすべてのガスを促進する主要なエネルギー源、および水電解のための付加的な電気エネルギー源である。図27では、本発明者らはFT反応器の冷却ループを示す。この実施例において、反応器を冷却するための作動流体の蒸気は、いくつかの熱機械で凝結を行うために分配される。

第一機械710は、RWGS熱分配線への蒸気の凝結から得られる熱をポンプで送り込む熱ポンプである。コンデンサーの出力において、作動流体は凝結温度では、液相である。

第二機械は、水を電解槽温度まで加熱する、熱交換器である。重ねて、この熱は、作動流体の凝結によって送られる。このプロセスは、図20の610から616のプロセスのすべてまたはいくつかを使用することができ、生成される電力は、電力分配線を通じて電解槽へ送られる。出力する液体は、FT反応器の温度および圧力に適合するように、FT線から再び加熱され、圧縮される。

このような熱がこの線の熱流のバランスを取るために必要とされる場合、第三機械は凝縮によって、熱をFT熱分配線に送る。

残留する蒸気は、好ましくは、大気レベルの出口温度で電力発電機716を駆動する。電気エネルギーは電力線へ送られ、またこの線を介して電解槽に送られ、発電所から送られたエネルギーに追加する。液化作動流体は、その他のコンデンサーから生じるこの液体の圧力および温度まで再圧縮、再加熱され、蒸発によってそれらを冷却するためにFT反応器に戻される。水は、FT熱分配線からの熱を使用して再加熱される。作動流体の例として水がある。より高いFT作動温度では、エチレン・グリコールのようなその他の流体を使用することができる。

電解槽への給水
図28では、電解槽に給水する処理を示す。水は複数の供給源から生じる。具体的にはRWGS反応器のスチーム分離器から、FT反応器のスチーム分離器から、燃焼発電機のスチーム分離器から、および整流するステップにおいて収集された水といった、この設備のその他のプロセスから多くの水をリサイクルするのが望ましい。ほとんどが大気温度であるが、これらの流水および入ってくる水のすべては、異なった温度であり、電解槽水は130〜150℃で、20〜30バールに圧縮される。さらに、ある一定以上の高い電流密度では電解槽は冷却されなければならず、ある一定以下の電流密度では電解槽は加熱されなければならない。

好ましい実施例においては、この水が電解槽の余分な熱を吸収するか、あるいは余分な熱を送るように水の加熱／沸騰、および圧縮を行い、この水をこのような温度および電解槽の圧力に調整する。熱の送出状態にある場合、その一部は蒸発され、凝結を介し、より多くの熱を電解槽水に送ることもできる。熱の吸収状態にある場合、水の温度は電解槽よりも低い。蒸気の圧縮に関して、図20の610から614のプロセスのすべてまたはいくつかを使用することができる。水の加熱に関しては、E線の熱を使用する。

主制御
電子制御は、本発明のシステム100に本来備わっている。制御には物理層が含まれており、制御アルゴリズムを組み込むソフトウェアを有するコンピュータを制御する。物理層は、センサーとアクチュエータを含む。本発明100のそれぞれの機能的なブロックは、特にガス流量、または特定のガスもしくは液体の流量、圧力、温度、速度といった、その機能に関するセンサーを有する。

アクチュエータは、コンデンサーおよび蒸発器、膨張タービンによって駆動される電気発電機、圧縮器を駆動する電気モーター、ガスおよび液体の流量スロットルまたはバルブ、タービン内の可変静翼のような機械調節器、およびその他のある一定の機能の性能に必要なもののためのポンプである。

安全および制御の適時性を保証するための冗長性を有する、分配されたコンピュータプロセスを使用するのが望ましい。

この発明100の主制御機能のリストには、以下を含む。
・RWGSアセンブリにおける、入ってくる二酸化炭素の一酸化炭素への完全な変換の制御
・この出力流内の所定のレベルの炭化水素またはその他のガスを維持するための、フィッシャー・トロプシュアセンブリの出力におけるガス放電の制御
・RWGSアセンブリの入力への水素供給の制御
・FTアセンブリの入力への水素供給の制御

図29〜32は、本発明100の制御プロセス1500のさまざまなシステムを表す。図29は、RWGSアセンブリの制御を表す。RWGSアセンブリの制御の本質的な目的は、フィードバック制御を使用して、入ってくる二酸化炭素を一酸化炭素にできる限り多く変換することである。

入ってくる二酸化炭素の流量は、駆動体1504によって駆動される規制要素を有するスロットリング装置1502を介して制御される。流量計1506は、スロットル1502の後において、入ってくる二酸化炭素のために提供される。第二流量計1508は、RWGSアセンブリの出力における一酸化炭素のために提供される。両方の流量計の出力は、示されている誤差増幅器1512の入力に供給され、それらの入力はモル速度で測定される。この増幅器の出力は、駆動体1504を駆動する。

一酸化炭素の量が二酸化炭素よりも少なくなった場合、誤差増幅器の出力はスロットルの駆動を低減し、より少ない二酸化炭素が、この負のフィードバックループの誤差帯域で両方の流量の差異を小さくしながら流れる。

図30は、FTアセンブリの制御を示す。FTアセンブリの制御の本質的な目的は、FTアセンブリのリサイクルループの合成ガス排出を最小限にするという最終的な目的と共に、アセンブリの出力において、ある一定のレベルの炭化水素または合成ガスのようなその他のガスを維持することである。

FTサブアセンブリの出力における制御ガス流量計1522は、スプリッタ322の前に位置する。この流量計からの信号は誤差増幅器1526に供給され、そこで基準レベルと比較する。この増幅器の出力は、スプリッタ322の流量制御要素1532を制御する駆動体1528を供給する。

これは、負のフィードバックループであり、定常状態にある流量制御装置1532は、制御ガスの量が基準レベルによって定義されたように定常であり続けることができるよう、十分な出力ガスが漏れるのを可能にする。より多くの制御ガスがある場合、流量制御装置はさらに開き、余分を低減するが、逆もまた同じである。

図31は、RWGSサブアセンブリへの水素供給の制御を示す。この制御の本質的な目的は、十分な水素をRWGSサブアセンブリの出力における望ましいH₂／CO比率のために供給することである。

入ってくる二酸化炭素の流量は、同一の流量計1506によって測定される。水素のもう一つの流量計1544がある。二酸化炭素の流量計の出力は、RWGSサブアセンブリの入力において、水素対二酸化炭素の望ましい比率によって信号を乗算する、乗算器1546に供給される。好ましい実施例において、それは1.5から3.2の間である。乗算器および水素流量計からの信号は誤差増幅器1548に供給され、それらの入力はモル速度で測定される。この増幅器の出力は駆動体1552に供給され、スロットルのように単純であることが可能な水素流量調整弁1554を制御する。

水素は電解槽から供給される。それは負のフィードバックループである。増幅器1548からの出力がゼロの場合、その静的な状態によって、水素が流れ込むことを可能にする。二酸化炭素の供給量が減少した場合、増幅器1548の出力において信号が発せられ、1554を介して流量を低減する。逆もまた事実である。

図32は、FTサブアセンブリの入力における水素供給の制御を示す。この制御の本質的な目的は、FTサブアセンブリでの炭化水素の望ましい生成のために、分離器328とスプリッタ332間の一酸化炭素に対する水素の比率を規制することである。

一酸化炭素の流量は流量計1562によって測定され、水素の流量は流量計1564によって測定される。両方の流量計は、モル速度によって測定される。流量計1562からの信号は乗算器1566に提供され、ここで乗算器の計数は、出力における一酸化炭素に対する水素の望ましい比率を表す。好ましい実施例において、それはおよそ2であり、FTサブアセンブリの入力における比率に類似しており、本明細書に記載されるFT反応器の特定のタイプの作動条件に応じて変化する。

乗算器1566および流量計1564の出力は、誤差増幅器1568に供給される。この増幅器の出力は、スロットルのように単純であってよい水素流量制御装置1574の規制機構に電力を提供する、制御駆動体1572に供給する。水素は、電解槽からこの流量制御装置1574を通じて、FTサブアセンブリの入力側に供給される。

これは負のフィードバックループである。増幅器1568がゼロ出力の場合、FTサブアセンブリに送られる水素の量は、乗算器の望ましい係数にふさわしい。FTサブアセンブリの出力において、より多くの水素が検出された場合、流量制御装置1574は、より少ない水素を通すため規制され、逆もまた同じである。

また、タブ内には水レベル制御装置がある。これは配水管に設置された排水溝を規制する。それは排水によって、貯蔵タンク内の液体レベルを維持するために使用される従来の制御装置である。

電気エネルギーの使用
集計表である表1は、本明細書に記載される効率性および電気エネルギーの使用の計算を表す。

表1において、計算は二種類の二酸化炭素に対して示されている。それぞれの種類に関し、以下の例をあげて説明されているすべての値で最小の効率を生じるものを一つの列でまとめ、また最大の効率を生じるものを他の列でまとめてある。効率は、外部供給源からプロセスおよび設備に供給される電気エネルギーの合計（TEE）に対する炭化水素化合物の燃焼の高位発熱量（HHV）の比率として定義される。電気エネルギーの使用は、効率性の相互値、HHVに対するTEEとして、定義される。

表1の最後の行において、電気エネルギーの余分または不足を示す。例えば、入力として二酸化炭素を使用し、最低限の効率性を有する場合、生成された炭化水素化合物の燃焼の高位発熱量よりもさらに40％以上の電気エネルギーが必要とされる。入力として二酸化炭素を使用し、最大限の効率性を有する場合、さらに10％の電気エネルギーのみが必要とされる。

入力として一酸化炭素を使用した場合、一酸化炭素はある一定の燃焼エネルギー（逆に二酸化炭素は何も有していない）を有するため、大幅により少ない電気エネルギーが必要とされるのは明らかである。この理由により、入力として一酸化炭素を使用し、最低限の効率性を有する場合、生成された炭化水素化合物の燃焼の高位発熱量よりもさらに16％少ない電気エネルギーが必要とされる。入力として一酸化炭素を使用し、最大限の効率性を有する場合には、36％少ない。

以下は、表1の項目の記載であり、簡略化のため、すべてのエネルギーは、炭化水素化合物に変換される二酸化炭素1モルあたりについて示されている。

水の電解に必要とされる電気エネルギーは、等温操作を提供する電流密度の下、温度に応じて、水素1モルあたり274から286kJの間である。好ましい実施例において、これは275kJであると推測される。3.1モルの水素が、1モルの二酸化炭素をリサイクルするために必要とされるため、等温操作のために853kJの電気が必要とされる。より低い電流密度に関し、この電気エネルギーの量はより低くなり、例では最大100kJ低い。このような場合、この不足分は、この設備におけるその他のプロセスから供給される。当然ながら、より高い電流密度に関して、より多い電気エネルギーが必要となり、付加的な熱は除去されなければならない。この熱のいくらかは、電力の生成を通じて電気的に電解槽への供給にリサイクルされることができる。当然ながら、すべての熱を回復することはできず、エネルギー消費の合計は増加する。

RWGS反応は適度に吸熱性があり、作動条件に応じて、変換された二酸化炭素の1モルあたり37〜41kJが必要となる。これは、この設備で生成される熱を使用することができるもう一つのプロセスである。

フィッシャー・トロプシュ反応は極めて発熱的であって、変換された一酸化炭素1モルあたり146〜176kJを生成する。この反応は、この設備、方法およびシステムにおいて熱の主要な供給源である。

その他のエネルギーの必要量は、ベアリング、電気モーター、変圧器、整流器での損失、放射および対流損失等を回復するのが困難なプロセスで分散されるエネルギーから、また入ってくるおよび出力する生成物のエンタルピーにおける差異から生じる。図20の処理のために、重要なのは、ガスおよび液体の可逆的な処理における損失のみであることに留意することが大切である。この理由により、これらの損失は、二酸化炭素1モルあたり150〜200kJの範囲であると推測される。

FT反応器からの出力は、異なった燃焼エネルギーを有する炭化水素化合物の混合物である。この推測には、水がリサイクルのために使用されるため、燃焼の高位発熱量が使用される。化合物の混合物内では、このエネルギーは変換された二酸化炭素1モルあたりおよそ670〜680kJである。

すべてのこれらの値を使用して、入力電気エネルギーの量は、本明細書に記載されるプロセスおよびシステムにおけるその電気エネルギーを使用して生成される炭化水素化合物の燃焼の高位発熱量について計算される。二酸化炭素のみが入力において使用される際、この範囲は1.4から1.1の間である。言い換えると、これは、本システムが、最終生成物の二酸化炭素および水に伴う炭化水素化合物の燃焼エネルギーの高位発熱量に含まれるものより10から40％多い、外部供給源からの電気エネルギーを必要とする、ということを意味する。

このエネルギー使用は、好ましくは、2.5の範囲である、石炭から液体への変換によるエネルギー使用、および1.7の範囲のガスの液化（GTL）エネルギー使用に匹敵する。両方の場合において、入力は石炭またはガスのいずれかの高位発熱量である。

本システムにおいて、二酸化炭素の使用に対して、外部供給源から一酸化炭素が使用された場合、電気エネルギーの使用はずっと低い。この場合、本システムは1モル少ない水素を必要とし、逆水性ガスシフト反応器のための熱は必要としない。そして、水電解に必要とされるエネルギーは275kJ／molの範囲であり、2.1モルでは578kJとなる。さらに、ガス処理における損失は、RWGSプロセスおよび二酸化炭素の分離プロセスの排除によって少なくとも1／3低減されるため、100から130kJとなる。外部電気エネルギーの必要量におけるこの結果は、0.64から0.84の間の炭化水素化合物の高位発熱量となる。

このように有益な、外部から供給される電気の低い使用を達成するため、以下の主要な内部エネルギーの流れが提供される。
・熱ポンプを使用して、フィッシャー・トロプシュからRWGSへ、
・必要な場合、スチームの凝結熱として、フィッシャー・トロプシュから電解槽へ、
・フィッシャー・トロプシュからすべてのプロセスでの熱使用へ、
・電力生成の余熱を使用して、フィッシャー・トロプシュから電解槽へ、
・内部ガス膨張器―発電機から内部圧縮器―モーターへ、および
・作動流体の相変換を使用して、内部ガス／液体冷却器から内部ガス／液体加熱器へ。

システム全体の好ましい別の方法
合成ガスを液体燃料に変換するFT反応器の使用に加え、天然ガス、メタンの主要な成分を生成することが望ましい。これは触媒を用いた下記の反応を使用することによって、達成される。
CO+3H₂→CH₄+H₂O （7）
さらに、当業者に一般的に知られているように、その他のさまざまな炭化水素物質は、このような合成ガスから生成することができる。

もう一つの本発明の好ましい実施例において、二酸化炭素を取り込み、CH₄を送るために、設備は天然ガス田に近接して位置することができる。多くのガス井戸内には相当量の二酸化炭素があり、おそらくそれらのいくらかは、そういった理由によって閉ざされている。開示されるRWGSおよびFTプロセスは、場合によっては下記のSabatier反応を使用して回避することができる。
CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O （8）
このプロセスにおいて、FTプロセスと類似した量の熱が放出され（二酸化炭素1モルあたり）、およそ300℃で変換が行われる。

二つの異なった反応を、開示されたFTおよびRWGSプロセスに替えて使用することができる。一つ目は、Carnolプロセスとしても知られるLurgiプロセスである。二つ目は、Methanol-to-Gasoline（MTG）プロセスである。

逆水性ガスシフト反応の間、二酸化炭素は水素と反応し、一酸化炭素と水を生成し、LurgiまたはCarnolプロセスは、異なった触媒および反応条件で、逆水性ガスシフト反応と同一の反応物質を使用し、メタノールを生成する。したがって本発明のもう一つの実施例において、RWGS反応は以下のLurgiまたはCarnolプロセスに代替可能である。
CO₂+3H₂→CH₃OH+H₂O （9）
この反応から生成されたメタノールは、ガソリンの主成分を形成する軽質炭化水素に対して高い選択性を有するMTGプロセスで使用される。

本発明は、その好ましい形態において開示されてきたが、本発明の精神と範囲、および以下の請求項に記載の同等のものから逸脱することなく、本明細書において多くの修正、追加、および削除を行うことが可能であることは、当業者には明らかであろう。

図１は、好ましい実施例による、本発明の一般的な、高レベルのシステムを表す。 図２は、好ましい実施例による、本発明の一般的な、高レベルのシステムを表す。 図３は、好ましい実施例による、本発明の一般的な、高レベルのシステムを表す。 図４は、好ましい実施例による、本発明の一般的な、高レベルのシステムを表す。 図５は、図１〜４のシステムを組み込んだ、本発明の好ましい実施例を表す。 図６は、図１〜４のシステムを組み込んだ、本発明の好ましい実施例を表す。 図７は、本発明のエネルギー分配線のさまざまな構成を示す。 図８は、本発明の好ましい実施例による、RWGS反応器サブアセンブリの操作の原理を示す。 図９は、本発明の好ましい実施例による、二酸化炭素のリサイクルを行う、三段式RWGS反応器を示す。 図１０は、本発明の好ましい実施例による、加熱器を有する、RWGS反応器を示す。 図１１は、本発明の好ましい実施例による、FT反応器サブアセンブリの操作の原理を示す。 図１２は、本発明の好ましい実施例による、二段式FT反応器を示す。 図１３は、本発明の好ましい実施例による、水冷却器を有するFT反応器を表す。 図１４は、好ましい実施例による、本発明の水素装置である、電解槽セルの一部を示す。 図１５は、好ましい実施例による、本発明の電解槽への電力供給の例を表す。 図１６は、位相シフト変圧器のさまざまな巻線配置を表す。 図１７は、本発明の好ましい実施例による、電解槽電圧のグラフである。 図１８は、本発明の好ましい実施例による、燃料の後処理システムを示す。 図１９は、本発明の好ましい実施例による、燃焼システムを表す。 図２０は、エネルギー効率の良い、電気・機械的なガス分離プロセスのフローチャートを表す。 図２１は、本発明の好ましい実施例による、断熱的機械を示す。 図２２は、本発明の好ましい実施例による、等温のガス混合物の圧力変換器を示す。 図２３は、本発明の好ましい実施例による、結合コンデンサーおよび蒸発器を表す。 図２４は、本発明の好ましい実施例による、電気エネルギー配分およびリサイクル線を表す。 図２５は、本発明の好ましい実施例による、熱分配およびリサイクル線を表す。 図２６は、本発明の好ましい実施例による、熱分配およびリサイクル線を表す。 図２７は、本発明の好ましい実施例による、FT反応器の冷却ループを示す。 図２８は、本発明の好ましい実施例による、電解槽へのスチーム／水の供給を示す。 図２９は、本発明の好ましい実施例による、RWGSサブアセンブリのメインループ制御を示す。 図３０は、本発明の好ましい実施例による、FTサブアセンブリのメインループ制御を示す。 図３１は、本発明の好ましい実施例による、RWGSサブアセンブリの水素供給制御を示す。 図３２は、本発明の好ましい実施例による、FTサブアセンブリの水素供給制御を示す。

Claims (56)

1. 炭化水素化合物を生成するプロセスであって、
   a）水から水素ガスを生成するステップと、
   b）炭化水素化合物および熱エネルギーの混合物を生成するステップであって、前記炭化水素化合物が、少なくとも一酸化炭素ガスおよび水素ガスから生成されるステップと、
   c）当該プロセスにおいて、前記ガスの温度もしくは圧力、またはその両方を変化させるステップと、
   d）前記熱エネルギーの少なくとも一部を、前記プロセスの一つまたはそれ以上のプロセスに移動させるステップ
   とを含むプロセス。
2. 前記水素ガスの一部を二酸化炭素ガスと組み合わせて使用し、一酸化炭素ガスを生成するステップをさらに含む、請求項1に記載のプロセス。
3. 前記一酸化炭素ガスを生成する前記ステップで、逆水性ガスシフト反応器を使用する、請求項2に記載のプロセス。
4. 前記ガス圧力の変化が、少なくともほぼ等温的に行われる、請求項1から3のいずれか１項に記載のプロセス。
5. 炭化水素化合物を生成するプロセスであって、
   a）水から水素ガスを生成するステップと、
   b）炭化水素化合物の混合物および熱エネルギーを生成するステップであって、前記炭化水素化合物が、少なくとも一酸化炭素ガスおよび水素ガスから生成されるステップと、
   c）当該プロセスにおいて前記ガスの温度および圧力を変化させるステップであって、前記ガスの圧力を変化させるステップが、少なくともほぼ等温的であるステップ
   とを含むプロセス。
6. 前記水素ガスの一部を二酸化炭素ガスと組み合わせて使用し、一酸化炭素ガスを生成するステップをさらに含む、請求項5に記載のプロセス。
7. 前記一酸化炭素ガスを生成する前記ステップで、逆水性ガスシフト反応器を使用する、請求項6に記載のプロセス。
8. 前記熱エネルギーの少なくとも一部が、当該プロセス内で移動させられる、請求項5から請求項7のいずれか１項に記載のプロセス。
9. 前記熱エネルギーの少なくとも一部が、反応器内で行われる前記逆水性ガスシフトプロセスに移動させられる、請求項3に記載のプロセス。
10. 前記水素ガスが、電気エネルギーの使用により水から生成される、請求項1から9のいずれか１項に記載のプロセス。
11. 前記熱エネルギーの少なくとも一部が、前記電気エネルギーの一部に変換される、請求項10に記載のプロセス。
12. 前記ガス温度の変化が、少なくともほぼ断熱的に行われる、請求項1から11のいずれか１項に記載のプロセス。
13. 前記炭化水素化合物が、前記水素ガスを使用して精製装置内で改良され、炭化水素燃料を生成する、請求項1から12のいずれか１項に記載のプロセス。
14. 前記水素ガスが、水電解槽の使用により生成される、請求項1から13のいずれか１項に記載のプロセス。
15. 前記電解槽に供給される電力が、3つ以上の相を有する多相の電源に接続された整流器を含む、請求項14に記載のプロセス。
16. 二酸化炭素ガスを一酸化炭素ガスに変換するために、前記逆水性ガスシフト反応器に、二酸化炭素ガスより化学量論的に多い量の水素ガスが供給される、請求項3、4、および7から15のいずれか１項に記載のプロセス。
17. 前記逆水性ガスシフト反応器が、スチームを分離する中間段階と連続的に接続される一つまたはそれ以上の反応器を含む、請求項3、4、および7から16のいずれか１項に記載のプロセス。
18. 少なくとも一つの逆水性ガスシフト反応器からの出力流内における、少なくとも一部の二酸化炭素ガスを分離するステップと、また、それを少なくとも一つの逆水性ガスシフト反応器の入力に戻すステップとをさらに含む、請求項3、4および7から17のいずれか１項に記載のプロセス。
19. 炭化水素化合物の混合物を生成するプロセスが、少なくとも一つのフィッシャー・トロプシュ反応器を含む、請求項1から18のいずれか１項に記載のステップ。
20. 前記フィッシャー・トロプシュ反応器が、少なくともスチームを分離する中間段階と連続的に接続された一つまたはそれ以上のフィッシャー・トロプシュ反応器を含む、請求項19に記載のプロセス。
21. 個々のフィッシャー・トロプシュ反応器が、異なった温度で作動する、請求項19または20に記載のプロセス。
22. 前記一酸化炭素ガスおよび前記水素ガスが、前記フィッシャー・トロプシュ反応器にさまざまな量で供給され、さまざまな割合の炭化水素化合物を作り出す、請求項21に記載のプロセス。
23. 燃焼発電機内で一つまたはそれ以上の前記炭化水素化合物を燃焼し、少なくとも一部の前記電気エネルギーを生成するプロセスをさらに含む、請求項1から22のいずれか１項に記載のプロセス。
24. 前記熱エネルギーの一部からの熱を前記逆水性ガスシフト反応器によって必要とされる熱に移動させる熱ポンププロセスをさらに含む、請求項3、4および7から23のいずれか１項に記載のプロセス。
25. 前記プロセスへの熱または前記プロセスからの熱を受け取るかまたは供給し、外部から供給されるそのような熱または熱エネルギーの均衡の必要性を低減するための、二つまたはそれ以上の前記プロセスを接続する熱分配線から構成された、熱分配プロセスをさらに含む、請求項1から24のいずれか１項に記載のプロセス。
26. 少なくともいくつかの熱分配線が、一つまたはそれ以上の前記プロセスにおいて使用される熱または熱エネルギーを交換するための熱交換器を通過し、熱または熱エネルギーを送る熱分配線の作動流体が、前記熱交換器の上流側で気相状態であり、また前記熱交換器の下流側で液相状態である、請求項25に記載のプロセス。
27. 前記熱エネルギーの前記使用によって提供されない前記プロセスの前記電気エネルギーの必要量が、前記炭化水素化合物の高位発熱量の1.7倍より小さい、請求項1から26のいずれか１項に記載のプロセス。
28. 前記熱エネルギーの前記使用によって提供されない前記プロセスの前記電気エネルギーの必要量が、前記炭化水素化合物の高位発熱量の1.25倍より小さい、請求項1から26のいずれか１項に記載のプロセス。
29. 炭化水素化合物を生成するシステムであって、
    水から水素ガスを生成する装置と、
    炭化水素化合物の混合物および熱エネルギーを生成する装置であって、前記炭化水素化合物が、少なくとも一酸化炭素ガスおよび水素ガスから生成される装置と、
    一つまたはそれ以上の前記装置間で、前記ガスの温度および／または圧力を変化させる装置と、
    少なくとも一部の前記熱エネルギーを、一つまたはそれ以上の前記装置に移動させる導管
    とを含むシステム。
30. 前記水素ガスの一部を二酸化炭素ガスと組み合わせて使用し、一酸化炭素ガスを生成する装置をさらに含む、請求項29に記載のシステム。
31. 前記一酸化炭素ガスを生成する前記装置が、逆水性ガスシフト反応器である、請求項30に記載のシステム。
32. 前記ガス圧力の変化が、少なくともほぼ等温的に行われる、請求項29から32のいずれか１項に記載のシステム。
33. 炭化水素化合物を生成するシステムであって、
    水から水素ガスを生成する装置と、
    炭化水素化合物の混合物および熱エネルギーを生成する装置であって、前記炭化水素化合物が、少なくとも一酸化炭素ガスおよび水素ガスから生成される装置と、
    一つまたはそれ以上の前記装置間で、前記ガスの温度および／または圧力を変化させる装置と、
    少なくともほぼ等温的に前記ガスの圧力を変化させる導管
    とを含むシステム。
34. 前記水素ガスの一部を二酸化炭素ガスと組み合わせて使用し、一酸化炭素ガスを生成する装置をさらに含む、請求項33に記載のシステム。
35. 前記一酸化炭素ガスを生成する前記装置が、逆水性ガスシフト反応器である、請求項34に記載のシステム。
36. 前記熱エネルギーの少なくとも一部が、一つまたはそれ以上の前記装置に移動される、請求項33から35のいずれか１項に記載のシステム。
37. 前記熱エネルギーの少なくとも一部が、前記逆水性ガスシフト反応器に移動される、請求項31に記載のシステム。
38. 前記水素ガスが、電気エネルギーの使用によって、水から生成される、請求項29から37のいずれか１項に記載のシステム。
39. 前記熱エネルギーの少なくとも一部が、前記電気エネルギーの一部に変換される、請求項38に記載のシステム。
40. 前記ガス温度の変化が、少なくともほぼ断熱的に行われる、請求項29から39のいずれか１項に記載のシステム。
41. 前記炭化水素化合物が、前記水素ガスを用いて精製装置で改良され、炭化水素燃料を生成する、請求項29から40のいずれか１項に記載のシステム。
42. 前記水素ガスが、水電解槽の使用によって生成される、請求項29から41のいずれか１項に記載のシステム。
43. 前記電解槽へ供給される電力が、三相を超える多相の電源に接続された整流器を含む、請求項42に記載のシステム。
44. 二酸化炭素ガスを一酸化炭素に変換するために、前記逆水性ガスシフト反応器に、二酸化炭素ガスより化学量論的に多い量の水素ガスが供給される、請求項31、32および35から43のいずれか１項に記載のシステム。
45. 前記逆水性ガスシフト反応器が、スチームを分離する中間段階と連続的に接続される一つまたはそれ以上の反応器を含む、請求項31、32および35から44のいずれか１項に記載のシステム。
46. 少なくとも一つの逆水性ガスシフト反応器からの前記出力流内における少なくとも一部の二酸化炭素ガスを分離し、それを少なくとも一つの反応器の入力に戻す装置をさらに含む、請求項31、32および35から45のいずれか１項に記載のシステム。
47. 炭化水素化合物の混合物を生成する装置が、少なくとも一つのフィッシャー・トロプシュ反応器を含む、請求項29から46のいずれか１項に記載のシステム。
48. 前記フィッシャー・トロプシュ反応器が、少なくともスチームの中間分離段階と連続的に接続された一つまたはそれ以上のフィッシャー・トロプシュ反応器を含む、請求項47に記載のシステム。
49. 個々のフィッシャー・トロプシュ反応器が、異なった温度で作動する、請求項47または48に記載のシステム。
50. 前記一酸化炭素ガスおよび前記水素ガスが、前記フィッシャー・トロプシュ反応器にさまざまな量で供給され、さまざまな割合の炭化水素化合物を作り出す、請求項49に記載のシステム。
51. 燃焼発電機内で一つまたはそれ以上の前記炭化水素化合物を燃焼し、少なくとも一部の前記電気エネルギーを生成する装置をさらに含む、請求項29から50のいずれか１項に記載のシステム。
52. 前記熱エネルギーの一部からの熱を前記逆水性ガスシフト反応器によって必要とされる熱に移動させる熱ポンプをさらに含む、請求項31、請求項32、および35から51のいずれか１項に記載のシステム。
53. 前記プロセスへの熱または前記プロセスからの熱を受け取るかまたは供給し、外部から供給されるそのような熱または熱エネルギーの均衡の必要性を低減するための、二つまたはそれ以上の前記プロセスを接続する熱分配線をさらに含む、請求項1から52のいずれか１項に記載のシステム。
54. 少なくともいくつかの熱分配線が、一つまたはそれ以上の前記プロセスにおいて使用される熱または熱エネルギーを交換するための熱交換器を通過し、熱または熱エネルギーを送る熱分配線の作動流体が、前記熱交換器の上流側で気相状態であり、また前記熱交換器の下流側で液相状態である、請求項53に記載のシステム。
55. 前記熱エネルギーの前記使用によって提供されない前記プロセスの前記電気エネルギーの必要量が、前記炭化水素化合物の高位発熱量の1.7倍より小さい、請求項29から54のいずれか１項に記載のプロセス。
56. 前記熱エネルギーの前記使用によって提供されない前記プロセスの前記電気エネルギーの必要量が、前記炭化水素化合物の高位発熱量の1.25倍より小さい、請求項29から54のいずれか１項に記載のプロセス。

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