JP2011529127A - 炭質材料の液化用装置 - Google Patents

Abstract

炭質材料液化装置は加圧された液体を高速液体として炭素質物質に向かって供給するノズル組立体を使用する。供給ライン（４６,３９）は高圧液体をノズル組立体（３８）へ供給する。高速液体は反応帯域（４０）で炭質材料（３０）と反応して処理された炭質材料を生成する。生成物戻りライン（３４、４２）は、処理された炭質材料及び同伴液体を処理プラントへ戻す。処理プラントは、熱を生成物戻りラインから供給ラインに移す熱交換器（４４）と、高圧液体を供給ラインに提供する高圧ポンプと、熱交換器の下流で生成物戻りラインにあって、ガス（５４）及び油（５６）生成物を同伴液体から分離する分離器とを含み、液体（５８）の少なくとも１部は高圧ポンプにリサイクル（６４）される。反応は、現場で、又は地上の反応容器（７０）内で行われる。
【選択図】図２

Description

本発明は、炭質材料からの炭化水素の回収のための装置に関する。

炭質材料から炭化水素の回収のために多くの提案があった。これらは、一般的に、炭質材料の採掘及び、次いで、オイル及びガスのような炭化水素を炭質材料から抽出する種々の方法での熱処理に関係している。

本発明の目的は、装置が現場にあろうと地上にあろうと、このタイプの処理に適した装置を提供することである。

用語”炭質材料”は、例えば、亜炭（褐炭としても知られる）を含む石炭、亜瀝青炭、瀝青炭、無煙炭及び黒鉛、並びに採掘されるか現場でのオイルシェール、オイルサンド（タールサンド）、重質又は瀝青質オイル堆積物、及び他の関連した物質、及びそれらの組み合わせ、のような固体、半固体或いは瀝青質の有機化石燃料化合物を指すものである。

用語”炭化水素”は、水素と炭素からなる有機化合物を指すものと当業者によって理解されるだろう。

用語”液体炭化水素”は、直接に或いは当業者に周知の方法を使用する適切な処理、転化（コンバージョン）又は改善に続いて、燃料として用いるのに適している本発明の方法によって生成された炭化水素を指すものである。液化炭化水素は、また、オイル可溶性の固体を含む或る固体或いは粒状物質を含む。本発明の液化炭化水素は、また、当業者によって、”オイル”、”灯油”、”異例のオイル”、”原油”、或いは”原油代替物”と称してもよい。

ここで用いられる用語”現場”は、炭質材料をそのもともとの場所に、すなわち、地中で自然に発見される炭質材料の地質堆積物内に、あるものとして特定するものである。当業者は、現場での炭質材料の堆積物は、オイルシェール、オイルサンド（タールサンド）、重質又は瀝青質オイル堆積物、亜炭（褐炭としても知られる）、亜瀝青炭、瀝青炭、無煙炭及び黒鉛、及びこれらの組合せを含むさまざまな形態の炭質材料をしばしば含むことを理解するであろう。

用語”液化反応”は、固体、半固体又は瀝青質の炭質材料を固体の少ない形態或いは液体の形態に変える化学反応を指すものである。液化反応では、分子中の２つの原子間の化学結合（例えば、炭質材料の分子中の２つの炭素原子間の２重結合）は、一般的に、水素原子を結合する反応によって変えられ、以前一緒に２重結合されていた２つの炭素分子は、単一結合によって結合されたままであり、今、炭素分子の一方又は両方が水素（或いは他の）原子に結合される。変形例として、液化反応では、分子が互いに分離され、今、以前の炭素或いは炭素−炭素結合は、水素原子で”キャップされ”或いは占められる。炭素−炭素（CC）結合は、特に、OH、即ち、ヒドロキシル基或いはヒドロキシルイオンから或いは種々の他の遊離基から開裂しやすい。炭化水素の炭素結合を開裂させるのに有効なヒドロキシ基及び他の遊離基は、典型的には炭化水素の熱上昇により炭化水素の揮発性成分の流動化から発生させることができ、或いは炭化水素にＯＨを含む物質を適用することによって供給することができる。超臨界水或いはいくらかの過熱水の両方が、OH源である。いったんこのOH開裂が起きると、切断されたＣＣ結合は、各切断された結合で水素原子の受入れによって急速に”キャップされ”或いは安定化させることができる。超臨界水といくらかの過熱水の両方が、炭質材料への移動或いはキャップのためのかかる水素原子を提供することができる。水からのそのような水素源は、典型的には、この例では、１つの水素原子を移動させた後H₂Oに分解するH₃Oイオンから、又は、例えば、超臨界水中のそのパートナーＯＨイオンからＨ原子がイオン化されたからである。過熱水は、一般的に、環境水で発見されるよりも１００倍の水イオンを含むと考えられ、超臨界水は、一般的に、７０％の水イオンからなると考えられる。もしそのような水素原子が、切断された炭素結合或いは切断された炭素−炭素結合に”キャップする”ために直ちに利用できなければ、切断されたC或いはCC結合が、同様の結合開裂を受けた他の分子に再び結びつく傾向又は高い見込みがあり、炭素結合を切断させた分子の”キャップされていない”結合又は再結合の分子への再結合により、炭化水素分子は更なる水素添加或いは改善に特に抵抗する。

炭質材料は、炭質材料が水素添加されると液化され、炭質材料がより固形状態からより液体状態に、すなわち液体炭化水素に変化することを意味する。実験的な条件下で、石炭の水素添加によって、石炭の９６％までが液化される。水素添加は、強力に発熱する処理である。用語”液化する”或いは”液化”は、また、この処理を指すものである。

用語”反応帯域”は、液化反応が起こっている現場領域を指すものである。

用語”水溶液”は、水又は水に似た液体、或いは他の化学成分が溶解され又は溶解されていてもよい水ベースの液体、を指すものである。しかしながら、液体が、過熱流体或いは超臨界流体でものよいことが認識される。本発明の水溶液のどれでも、水、過酸化水素、メタノール、エタノール、アセトン、プロパン、エチレン、及びプロピレンからなる群から選択された成分を代替的に含むことを理解すべきである。水溶液は、さらに、有機成分、ディーゼル燃料、或いは、液体炭化水素を有していてもよい。代替的に或いは加えて、水溶液は、炭質材料の水素添加を助ける触媒或いは触媒の組合せを含んでもよい。

用語”超臨界流体”は、流体の熱力学的臨界点より上の温度及び圧力での流体を示し、用語”熱力学的臨界点”は、水溶液の液相と気相の間に相境界が存在しなくなる条件（すなわち、温度及び圧力）を指す。当業者は、水溶液が、”臨界温度”及び”臨界圧力”であるとき或いはそれ以上のとき、超臨界流体であり、そのため、液相の密度が気相の密度にほぼ等しく、２つの相の間に区別がない（或いはほとんどない）、ことを理解するだろう。しかしながら、多くの研究論文は、少なくとも１つのパラメータが臨界点よりいくぶん下であるとき、超臨界流体の使用を報告する。従って、実際的な適用では、流体が超臨界流体として、或いは少なくとも１部が超臨界流体に似たものとして振る舞う、広範囲の温度及び圧力が存在し、そのため、熱力学的臨界点は、圧力及び温度の明確な点、線或いは明確な組合せではなく、流体が、”超臨界流体”として振る舞う、範囲の温度及び圧力からなる”超臨界領域”と考えることができることが当業者によって理解される。従って、本発明の”超臨界流体”は、温度或いは圧力が超臨界点に或いはその周りにあり、超臨界流体のように振る舞い、或いは、少なくとも部分的に超臨界流体の又は超臨界流体に似た特性を有する流体を指すものである。

”過熱流体”は、通常の沸点（すなわち大気圧で）と熱理学的な臨界点との間の温度で、大気圧よりも大きい圧力下の流体である。例えば、過熱水は、大気圧で１００度と、流体が超臨界範囲内にあると考えられる点と、の間の圧力範囲及び温度範囲を有する。例えば、過熱水は、１５MPaの圧力と３５０度の温度、１０MPaの圧力と３５０度の温度、０．５MPa乃至１０MPaの圧力と１５０度乃至３５０度の温度等を有してもよい。当業者は、過熱流体が広い圧力及び温度範囲に存在してもよいことを理解するだろう。

同様に、超臨界水が、３８５度の温度と２２MPaの圧力を有してもよいし、或いは、４３０度の温度と２５MPaの圧力を有してもよい。当業者は、超臨界水が広い圧力及び温度範囲に存在してもよいことを同様に認識するだろう。

いったん、流体、例えば水又は水溶液が、超臨界領域か、その代わりにその流体の超臨界点を越えるかのいずれかに入ると、過熱流体又は超臨界流体の特有且つ有用な特性を、流体がノズル又はオリフィス或いは同様の制限部を通って放出されるときの前の閉じ込め圧力を速度に換えることによって以前必要と考えられていたよりもかなり低い圧力で一定期間維持することができることが出願人によって観測された。

しかしながら、以下の説明は概略を述べているが、以前は超臨界点の領域に或いはその領域あたりに入れられ、次いでノズル又はオリフィス或いは同様の制限部を通って放出された流体の適用のための方法及び装置に制限されない。

従って、１つの形態では、本発明は、加圧液体を高速液体として炭質材料に向かって供給するノズル組立体と、高圧液体をノズル組立体へ供給する供給ラインとを含み、高速液体は炭質材料と反応して処理された炭質材料を生成し、処理された炭質材料及び同伴液体を処理プラントへ戻す生成物戻りラインを備え、処理プラントは、熱を生成物戻りラインから供給ラインに移す熱交換器と、高圧液体を供給ラインに提供する高圧ポンプと、熱交換器の下流で生成物戻りラインにあってガス及び油生成物を処理された炭質材料及び同伴液体から分離する分離器と、液体の少なくとも１部を分離器から高圧ポンプに移送するリサイクルラインと、を含む、炭質材料液化装置にあるといえる。

減圧され/速度を増した超臨界流体の送出のための本発明のノズル組立体の好ましい特徴は、ノズルが現場での適用のためにこれを囲む管状ケーシングの範囲を超えて延びることである。これは、他の現場改善、回収又は採掘法と異なり、すなわち、ノズル及びノズルに取付けられた流体供給管がこれを囲む井戸ケーシングを越えて延び、液化/化学反応を、炭質材料及び超臨界特性を有する水との接触で生じさせることができる。管と外側の井戸ケーシングとの間の管状空間を戻る戻り流を可能にする流通マンドレル又は、双ポートブリッジプラグと似た装置或いは、任意の装置のような位置決め装置が、ノズルをケーシングに対して且つケーシング内に安定させるために用いられる。高速水と炭質材料の接触点がケーシングのレベルより下であるように、ノズルをそのようなブリッジポート又はマンドレルより下に位置決めすることによって及び、ケーシングを越えて延びることによって、あらゆる反応生成物及び、水が未臨界特性に低下すると形成されるいかなる蒸気も、管とケーシングとの間の管状空間である最小の抵抗路へより容易に流れることができ、回収が容易になる。

この構成或いはケーシングに対するノズルの位置決めは、油産業で用いられ、一般的に”ジェットポンプ”と称されている、例えばノズルと管及びケーシング構成と全く異なる。これらの従来の油田ノズル/ケーシング構成では、ノズルは、常に、分離且つ心出しパッカー組立体の下ではなく上に位置決めされる。この従来の油田装置では、パッカーは、ノズルから放出される流体が炭質地質層と決して接触しないように分離多様性のものである。従来の操作では、ノズルから放出された流体は、井戸内の地質の炭質堆積物の環状空間内の戻り流れと化学的性質との反応のために決して用いられない。その代わり、従来の適用では、装置は、典型的には原油である炭化水素のリフト機構を提供するためにのみ使用される。この従来の原油の回収は、分離パッカーより上のノズルからの流体の高速放出の結果として、井戸の環状空間内に存在する減圧によって、原油を地質鉱床より上の分離パッカーの一方ポートを通して井戸の環状空間へ上方に吸い上げることによって生じる。従来の適用では、次いで、原油は、ノズルを出た液体流に物理的に同伴され、環部から液相で回収のために表面に物理的に輸送される。従来のやり方との著しい違いが、この現在の適用では、ノズル組立体がパッカー組立体より下に位置決めされる性質によって、パッカー又は安定化組立体が流通タイプのものであり及び分離タイプのものではなく、ノズル放出流体が炭質材料と直接接触する性質によって、ノズル流体の性質が炭質材料の化学反応を生じる性質によって、及び、回収流れが液体媒体でなく蒸気媒体である性質によって存在し、回収生成物の蒸気媒体への同伴は、とても効率的な生成物回収機構を可能にすることが当業者に明らかである。

開示された装置により、地質層の現場か、代替的に地面上容器内かのいずれでも、超臨界水と炭質材料との間で反応を生じさせることができることが本発明の好ましい特徴である。

炭質材料の回収流又は改善した”戻り”が、蒸気（蒸気）戻り流れに同伴され、それにより、改善した（水素化）生成物の戻り流れのための流れの制限はほとんどなく、大きな戻り流量を可能にする、ことが、本発明装置の回収方法のさらなる特徴である。これは、ノズルから放出される超臨界流体が炭質材料に接触し、炭質材料と反応し/炭質材料を改善し、その間中、超臨界流体が少なくとも部分的に改善した炭質材料になり、残りの超臨界流体が未臨界状態すなわち蒸気になる結果である。超臨界流体がノズルから排出されたとき超臨界流体が獲得する速度によって、さけられない周囲温度及び低圧力液体が液体が蒸発することを普通必然的に規定するとしても、流体は液体として或いは少なくとも液滴として存在することができる。液体が蒸発することを必然的に規定する低温及び低圧環境で存在する超臨界高速液体のこの条件は、その速度が低速に激減するまで続き、その時点で超臨界液体が未臨界になり、したがって、蒸発する。高速超臨界流体と炭質材料との接触時にこの条件に達する。その時点では、炭質材料との改善反応で使用されなかった高速超臨界流体のいくらかが、本質的に蒸発して蒸気になる。炭質材料又は周囲の地質層の同伴された含水量は、同様に蒸発して蒸気になり、蒸気は、発熱水素添加反応によって発生した熱、及び発熱酸化及び酸化還元反応から発生した熱により、高速超臨界水及びその温度にさらされることによって、且つまた、速度の運動エネルギーの移送から分子に与えられる活性化エネルギーによって、高速超臨界流体と静止している炭質材料への衝突衝撃のときに、速度の運動エネルギーの分子の内部活性エネルギーへの伝達から分子に与えられた活性化エネルギーによって、部分的に駆動される。

制限圧力の外側に存在する超臨界流体の記述は現在認識されていないので、新しい表現が、この新しい発見、すなわちWSP”超臨界特性を有する水”を記述するために、発明者によって使用されている。既存の専門用語が予見しなかった又はこの新発見の記述に適合しないので、これが必要になった。超臨界水の現在の定義は、制限、すなわち２２MPaで３７５度を必然的に伴い、低圧及び高い速度で、制限無しに超臨界の特性を維持する流体に適応しない。

炭質材料から由来される改善された炭質液体が水よりも高い沸点、典型的には３００度乃至９００度を有するので、反応から生じた石油は蒸気内に滴形態で同伴される。反応の気体生成物は、この蒸気相に同様に同伴される。この複合蒸気/炭化水素滴蒸気は、さらなる改善或いは分離のために、現場の地質層か地上容器のいずれかから、容易に輸送することができ、したがって、回収の容易さが既存の方法よりはるかに高められる。

そのように記述された装置が、反応体間の、この場合には、超臨界水と炭質材料との間の緊密な接触を可能にすることが、本発明のさらなる要素である。この緊密な接触は、炭質材料に接触する霧化した高速超臨界水から生じる。反応体間の緊密な接触は、典型的に、生炭質材料を採掘し或いは表面に導き、次いで、不純物を炭質材料から分離し、炭質材料を乾燥させ或いは炭質材料からの水分を除去し、最後に、通常静的又は低速の流れ反応流体との接触前に、炭質材料をより小さい粒径に粉砕し或いは整えることによってのみ可能になるにほかならない。この代わりに、炭質材料のより小さい粒径へのこの粉砕は、霧化した反応流体すなわち超臨界水の高速接触/衝撃によって与えられる緊密な接触によって置き換えられる。

好ましくは、装置は、さらに、開始化学薬品及び触媒を高圧液体供給ラインへ供給するために、高圧ポンプの下流又は上流に注入装置を含む。

上記の地上炭質材料液化のために、装置は、さらに、反応容器と、一定量の炭質材料を反応容器に供給する手段とを含み、生成物戻りラインは反応容器に連結され、ノズル組立体は、高速の液体を反応容器内の一定量の炭質材料に向ける。

好ましくは、装置は、さらに、反応容器から炭質材料の使用済み残留物を取り出す手段を含む。

１実施形態では、ノズル組立体は、複数のノズルを含む。

現場での炭質材料液化のための炭質材料液化装置の変形実施形態では、生成物戻りラインは、井戸ケーシングを含み、供給ラインは井戸ケーシング内に高圧管を含み、好ましくは高圧管及び取付けノズルは外側ケーシングの範囲を越えて延び、炭質材料は、石炭、オイルシェール及びタールサンドから選択される。

現場での炭質材料液化のための炭質材料液化装置の他の変形実施形態では、１つのノズル又は複数のノズルが管に取付けられ、両方とも表面からの管ストリング移動の制御によって炭質地質鉱床内で移動させることができる。当業者は、そのような移動可能管ストリングが、普通、さまざまなオイル及びガス操作のために用いられ、普通、コイル管ユニットと称されることを認識するだろう。液化ノズルを取り付けたコイル管ユニットのような移動可能管ストリングの実施形態では、炭質材料地質鉱床現場からの回収機構は同じままである。これは、流れが、依然として、井戸の環を経て回収され、且つほぼ蒸気相である戻りである。

１つの実施形態では、ノズル組立体は、現場の反応帯域の炭質材料に向かって可変的に向けることができる。これは、３６０度よりも小さい所定の角度のスプレーパターンを有するノズルを使用することによって達成しうる。ノズルのスプレーパターンの角度は、当業者に知られている手段によって回転され或いは前進されてもよく、或いは変形例として、ノズルは第１のノズルと異なる角度のスプレーパターンを有する他のノズルによって置き換えられてもよい。

１つの実施形態では、ノズル組立体は、高速の液体を現場の炭質材料に向かって放射状に発する複数のノズルを含む。変形例として、完全な或いはほぼ完全な３６０度角のスプレーパターンを有するノズルが用いられても良い。

１つの実施形態では、高圧液体を供給ラインに提供するための高圧ポンプが、１５MPaないし３５MPaの圧力の液体を提供する。

好ましくは、装置は、さらに、分離器からの放出過剰同伴液体を含む。

１つの実施形態では、分離器が、多段階分離器、即ち、処理された炭質材料及び同伴液体からのガスを分離するフラッシュセパレータからなる第１分離器と、処理された炭質材料及び同伴液体からオイルを分離するオイルー液体分離器からなる第２分離器と、処理された炭質材料及び同伴液体から粒状物を分離するためのフィルターと、を含む。

非常に高圧の水、適当な触媒及び開始剤等を、ノズル又は同様の制限部から放出して、放出する水の速度を同様に増大させることによって、水の高圧を閉じ込めることなく、水の超臨界特性を一定時間の間維持することによって、ノズルの下流側の圧力を減少させる、現場でか地上でかのいずれかで炭質材料を液化するための装置を提供する、ことが本発明によって理解される。

本発明は、石炭、オイルサンド及び/又はオイルシェールのような炭質材料が、炭質材料を反応帯域で液化することができる水溶液を用いて、現場で或いは地上反応器内で効率的に液化することができることがわかった。

例えば、液化反応は、例えば、水溶液、過酸化水素及び/又はメタノールのようなアルコール及び任意的に触媒を含有する水溶液のような、液化を開始することができる水溶液を炭質材料に適用することによって開始される。そのような水溶液は、発熱である液化反応を開始する。例えば、現場炭質材料層の炭質材料の断熱特性のために、液化反応が進行するにつれて炭質材料層内の反応帯域内で、温度が上昇する。いったん温度が所望温度まで上昇すると、その温度は、水溶液の熱が加熱された反応帯域内に保たれるので、加熱された水溶液に切り替わり、加熱された水溶液を用いて液化を継続させるのに効率的になる。好ましくは、加熱された水溶液は、高温まで加熱され、同時に、例えば、大気圧以上に加圧され、過熱流体或いは超臨界流体、すなわち超臨界特性を有する水を得る。反応が進行すると、液化処理を高める物質が、炭質材料から放出され、或いは反応によって生成される。そのような物質は、メタノール、過酸化水素、触媒（これらは初期に炭質材料の中に不純物としてしみこんでいた）、水、水素ガス及び/又はメタノールガス及びさまざまな遊離基を含む。水溶液を変更された従来の掘削技術を用いて回収された生成液体炭化水素に加えてもよい。特に好ましい実施形態では、水溶液が、ノズル装置を用いて加えられ、ノズル装置は、水溶液、すなわち超臨界特性を有する水を、高速で炭質材料層の切羽に当てる。ノズル装置は、また、水溶液を炭質材料層の切羽に加える直前に、水溶液を任意に或いは択一的に減圧してもよい。

かくして、液体炭化水素を生成するために、現場で又は反応炉内で炭質材料を液化する方法であって、

（a）第１水溶液を炭質材料に当てて、炭質材料層内の反応帯域での初期の液化反応を容易にし、炭質材料を液体炭化水素に液化し、且つ反応帯域を所望温度まで加熱し、第１水溶液が、水、０．１%乃至７０%の濃度範囲（w/w）の過酸化水素、０．１%乃至３０%の濃度範囲（w/w）のメタノール、及び第１触媒からなるグループから選択された成分を含み、
（b）いったん反応帯域が所望温度に達すると、第２水溶液、すなわち超臨界特性を有する水を反応帯域に適用し、第２水溶液は、炭質材料を液化する連続的な液化反応を容易にして、液体炭化水素を生成し、第２水溶液が、水、０．１%乃至７０%の濃度範囲（w/w）の過酸化水素、０．１%乃至３０%の濃度範囲（w/w）のメタノール、及び第２触媒からなる群から選択された成分を含み、第２水溶液は、加熱された流体、過熱された流体、超臨界流体及び高速過熱流体からなる群から選択された流体である、ことを特徴とする前記方法が提供される。

当業者は、上述した初期液化反応を用いて反応帯域を加熱する必要がなく、反応帯域を当業者に知られている任意の手段によって予熱されてもよいことを理解するだろう。変形として、加熱された水溶液を適用することによっても、反応が進行するにつれて反応帯域を加熱するので、反応帯域を最初に加熱することなく加熱された水溶液を適用することが可能である。本出願人は、高速過熱流体を用いて、液体炭化水素を生成すべく炭質材料を液化することが、現場で炭質材料を液体炭化水素に液化する効率的な手段を提供することを理解した。

かくして、第２側面では、高速過熱流体を用いて現場で或いは反応器内で炭質材料を液化して、液化炭化水素を生成する方法であって、
(a)水溶液を加熱及び加圧して、過熱流体又は超臨界流体を得るステップと、
(b)過熱水溶液又は超臨界水溶液を、水溶液を炭質材料に適用する前に、超臨界水をおおよそ０．５MPa乃至１０MPaの範囲に減圧することを容易にし、且つ、また、水溶液を５０m/sec乃至４５０m/secの範囲の速度で炭質材料に適用することを容易にする、ノズル装置に通し、水溶液が、液体炭化水素を生成すべく、炭質材料の液化を容易にする高速過熱流体或いは超臨界流体であり、水溶液は、水、０．１％乃至７０％の過酸化水素、０．１％乃至３０％のメタノール及び触媒からなる群から選択された成分を含む、ことを特徴とする、前記方法が提供される。

ついで、これは本発明を一般的に記載するが、理解を助けるために、本発明の好ましい実施形態を示す添付図面を参照する。

本発明の１実施形態による処理の概略構成図である。 本発明の現場で処理する実施形態に適した装置の概略図である。 本発明による炭質材料の地上での液化に適した装置の概略図である。 本発明の現場で処理する装置の一部分の詳細を示す図である。

今、本発明を、発明の実施形態を示す添付図面を参照して以後により完全に記載する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で実施されてもよく、且つここに開示された実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。

むしろ、ここに提示する実施形態は、本開示が、徹底的且つ完全であり、本発明の範囲を当業者に完全に伝えるために提供される。

図１を見ると、本発明の概略装置が入力装置セクション２と出力装置セクション４を含むことが分かる。入力装置セクション２と出力装置セクション４の間には液化段階６がある。

入力装置セクション２には、高圧で水溶液のような高圧液体を供給する高圧ポンプ装置手段１０が設けられる。高圧液体は、ライン１２に沿って向けられ、触媒、開始剤及び/又は他の成分が供給源１６からライン１４を通して加えられる。また、随意に、高圧液体を所望温度に加熱するヒーター装置１７がライン１２に設けられる。ライン１８は、高圧の水溶液のような高圧流体を、液化段階６に供給する。

液化段階６では、水溶液は、単一ノズルでも多ノズルでもよいノズル組立体を通して、高速度流体、例えば高速過熱又は超臨界流体として、炭質材料に差し向けられる。ノズルは、水溶液を減圧することができる。水溶液が超臨界状態に或いは超臨界状態近くに加熱且つ加圧され、そして、減圧されるとき、水溶液は、超臨界特性が維持された状態で、高速過熱流体として、炭質材料に送出される。水溶液が炭質材料と反応し、且つ炭質材料の液化を引き起こし 同伴液体及び粒状残留物とともに炭化水素液体及びガスよりなる改善され或いは液化された炭質材料を生成する。これらはライン２０によって出力装置セクション４に移送される。液化ステージ６からの生成物は、ライン２０によって回収装置２２に出て行き、生成物からガス２４、固体２６及び油２８が抽出される。過剰な液体は、廃液タンク３０に移送され、いくらかの液体がリサイクルライン３２で、入力装置ステージ２内の高圧ポンプ装置手段１０に戻すことができる。

液化段階６からの生成物は、ライン２０によって回収装置２２に出て行き、生成物からガス２４、固体２６及び油２８が抽出される。過剰液体は、廃液タンク３０に移送され、いくらかの液体がリサイクルライン３２で、入力装置ステージ２内の高圧ポンプ構成手段１０に戻すことができる。

高圧液体は、本質的には水であるが、必要に応じて、開始剤、触媒、等のような他の化合物を含むことができる。

図２は、石炭のような炭質材料の現場での液化用の本発明の装置を示す。この実施形態では、炭層３０が、表土層３２の下に位置する。井戸ケーシング３４が、表土層３２を通って炭層３０に延ばされる。井戸ケーシング３４のより下に延びるノズル３８付きの高圧管３６が、井戸ケーシング３４を貫いて延びる。井戸ケーシングと高圧管３６の間の空間は、現場の反応帯域４０からの生成物のための環状戻り空間３９を提供する。

装置の地上部分では、環状空間３９を通って流出する、（液体炭化水素のような）処理された炭質材料の反応生成物は、パイプ４２を介して熱交換器４４に移送される。熱交換器では、反応生成物からの熱が、高圧液体パイプ４６内の水溶液に移され、水溶液を、随意に、高圧で、高圧管３６に指し向ける。高圧水溶液は、高圧ポンプ４８によって供給される。次いで、水溶液は、随意に、ボイラーによって所望温度に加熱されてもよい。

反応成分及び触媒が、液化反応を容易にするため、供給源５０から高圧ライン４６に供給される。ノズル３８は、高圧流体を低圧流体に減圧することができ、例えば、２５MPa(メガパスカル)の超臨界流体として0.5MPa乃至10MPaの圧力を有する流体に減圧することができる。ノズル３８は、また、流体を高速度で、例えば50乃至450m/secで送出することができる。ノズル３８は、また、流体を高速スプレーとして送出することができる。

反応生成物は、熱交換器４４で冷却された後、ガス、液体及びオイル分離機５２に進み、分離機で、ガス５４、オイル５６及び液体５８が分離され、固体残留物６０が濾過される。

液体５８の一部分は、ライン６４によって、再利用のために高圧ポンプに移送され、そして残りは廃液に進む。炭質材料層は、しばしば高い水分含有量を有し、それ故に、回収する或いは廃棄に送られる過剰の水がある。

図３は、本発明による地上装置を示す。本実施形態では、同じ参照番号が、図２に示す品目に対応する品目に使用される。本実施形態では、反応容器７０は、入力装置７２及び残留物取出装置７４を有する。入力装置７２及び残留物取出装置７４には、圧力損失及び所望の反応生成無しに炭質材料を、反応容器に連続的に供給できる供給ベーン７６が設けられる。また、他の形態の供給及び除去装置を、本発明により使用してもよい。ノズル組立体７８は、反応容器７０内の炭質材料と接触する、高圧液体の多噴射８０を提供する。引取管（テークオフ）８２が、反応チャンバから反応生成物を取り出す。

反応チャンバを出る処理された炭質材料の反応生成物は、管４２を介して熱交換器４４に移送される。熱交換器では、反応生成物からの熱が、高圧液体パイプ４６内の液体に移され、高圧液体を反応チャンバ７０に差し向ける。高圧液体は、高圧ポンプ４８によって供給される。

開始化学薬品及び触媒は、供給源５０から高圧ライン４６に提供される。

反応生成物が熱交換器４４内で冷却された後、それがガス、液体及びオイル分離機５２に進み、ガス５４、オイル５６及び液体５８が分離され且つまたいくらかの固体残留物６０が濾過される。

液体５８の一部分は、ライン６４によって、再利用のため高圧ポンプに移送され、そして残りは廃棄に進む。炭質材料は、しばしば、高い水分含有量を有し、それ故に、廃棄に送る過剰の水がある。

図４は、現場での炭質材料の液化に適した装置の地下部分の詳細を示す。装置は、井戸ケーシング３４を含み、井戸ケーシング３４の端より下に延びるノズル３８付きの高圧管３６が井戸ケーシング３４を通して差し向けられる。井戸ケーシング内のスペーサ９０は、井戸ケーシング内に高圧管を支持し且つ反応した生成物を環状空間３９に戻すための開口９２を有する。本実施形態では、ノズル３８は、井戸ケーシングから離れて横方向に向けられ且つ、処理されることができる炭質材料の領域を変えることができるように、高圧管を矢印９４によって指示されるように回転させ且つ矢印９６によって指示されるように高圧管を垂直方向に移動させる手段が設けられる。

Claims (14)

1. 炭質材料液化装置であって、過熱特性或いは超臨界特性を有する加圧液体を高速液体として炭質材料に向かって供給するノズル組立体と、前記高圧液体を前記ノズル組立体へ供給する供給ラインとを含み、前記高速液体は炭質材料と反応して改善され或いは液化された炭質材料を生成し、処理された炭質材料及び同伴液体を処理プラントへ戻す生成物戻りラインを含み、処理プラントは、熱を前記生成物戻りラインから前記供給ラインに移す熱交換器と、高圧液体を供給ラインに提供する高圧ポンプと、熱交換器の下流で生成物戻りラインにあってガス及び油生成物を処理された炭質材料及び同伴された液体から分離する分離器と、液体の少なくとも１部を分離器から高圧ポンプに移送するリサイクルラインとを含む、ことを特徴とする、前記炭質材料液化装置。
2. 開始化学薬品及び触媒を前記高圧液体供給ラインへ供給するために、高圧ポンプの下流に注入装置をさらに含む、請求項１に記載の炭質材料液化装置。
3. 反応容器と、一定量の炭質材料を反応容器に供給する手段とをさらに含み、前記生成物戻りラインは前記反応容器に連結され、前記ノズル組立体は、過熱特性又は超臨界特性を有する高速液体を一定量の炭質材料に向かって差し向ける、地上炭質材料の液化のための、請求項１に記載の炭質材料液化装置。
4. 前記反応容器から炭質材料の使用済み残留物を取り出す手段をさらに含む、請求項３に記載の炭質材料液化装置。
5. 前記ノズル組立体は、複数のノズルを含む、請求項３に記載の炭質材料液化装置。
6. 前記生成物戻りラインは、井戸ケーシングからなり、前記供給ラインは前記井戸ケーシング内の高圧管からなり、前記高圧管はこの管に取付けられた前記ノズル組立体を有し、前記管内の流体を減じた圧力及び増大させた速度で前記ノズルから流出させ、したがって、一定時間過熱水或いは超臨界水の特性を維持し、炭質材料は、石炭、オイルシェール及びタールサンドから選択される、現場での炭質材料液化のための、請求項１に記載の炭質材料液化装置。
7. 前記ノズル組立体は、現場の反応帯域の炭質材料に向けられることができる、請求項６に記載の炭質材料液化装置。
8. 前記ノズル組立体は、高速液体を現場の炭質材料に向かって放射状に発する複数のノズルを含む、請求項６に記載の炭質材料液化装置。
9. 高圧液体を前記供給ラインに提供するための高圧ポンプが、１５MPa乃至３５MPaの圧力の液体を提供する、請求項１に記載の炭質材料液化装置。
10. 前記分離器からの流出過剰同伴液体をさらに含む、請求項１に記載の炭質材料液化装置。
11. 前記分離器が、多段階分離器、即ち、処理された炭質材料からのガス及び同伴された液体を分離するフラッシュセパレータからなる第１分離器と、処理された炭質材料からのオイル及び同伴液体を分離するオイル−液体分離器からなる第２分離器と、処理された炭質材料からの粒状物質及び同伴液体を分離するためのフィルターとを含む、請求項１に記載の炭質材料液化装置。
12. 前記生成物戻りライン中の改善され又は液化された炭質材料は、全体が又は一部がほぼ蒸気相であり、前記蒸気相は、液体及び固体の粒子又はしずくを同伴し、蒸気相回収が 改善された又は液化された炭質材料のために、従来の液体相回収機構よりも効率的な回収装置を提供する、請求項１に記載の炭質材料液化装置。
13. 水の過熱特性又は超臨界特性が、前記ノズル組立体を出た後一定時間維持され、化学反応/液化反応が、超臨界特性有する水と前記炭質材料との接触時に生じることができる、請求項１に記載の炭質材料液化装置。
14. 前記ノズル組立体は、炭質材料内で移動可能であり且つ、その移動が表面から制御できる管又は供給ラインに取付けられる１つ又は複数のノズルを含む、請求項６に記載の炭質材料液化装置。

Images