JP2013112769A - ガソリン又はジメチルエーテルを製造するシステム又は方法 - Google Patents

ガソリン又はジメチルエーテルを製造するシステム又は方法 Download PDF

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Abstract

【課題】天然ガスからメタノールを経由してガソリン又はＤＭＥを製造する際の発熱エネルギーを有効に廃棄せずに利用する。
【解決手段】天然ガスの水蒸気改質による改質ガスからメタノールを合成し、そのメタノールからガソリン又はジメチルエーテルを製造する場合に、天然ガスを水蒸気改質する前に予備改質するか、水蒸気改質の排ガスから二酸化炭素を回収するか、水蒸気改質に供給する燃焼用空気を、ガソリン又はジメチルエーテル合成の合成熱で予熱するかを選択する。そして、水蒸気改質で発生する排ガスからの熱回収、改質ガスからの熱回収と、メタノール合成における合成熱と、ガソリン又はジメチルエーテル合成における合成熱と、選択される、予備改質の回収熱と、二酸化炭素回収の際の回収熱と、空気予熱の回収熱とを用いシステム全体のエネルギーをセルフバランスさせる。
【選択図】なし

Description

本発明は、ガソリン又はジメチルエーテルを製造するシステム又は方法に関し、さらに詳しくは、天然ガスからメタノールを経由してガソリン又はジメチルエーテルを製造するシステム又は方法に関する。
天然ガスからメタノールを合成する場合、一般に、天然ガスを水蒸気改質して水素および一酸化炭素を含む改質ガスを生成し、この改質ガスからメタノールを合成する。このようなメタノール合成プラントでは、プラント内で必要とするスチームや熱は、水蒸気改質で発生する排ガスからの熱回収と、改質ガスからの熱回収と、メタノール合成における反応熱とを利用することで賄い、いわゆるセルフバランスを取るように設計することが行われている。
一方で、特公平４−５１５９６号公報には、メタノールからジメチルエーテル（ＤＭＥ）を経由してガソリンを合成する方法が記載されている。メタノールからＤＭＥを合成する反応は発熱反応であり、その反応熱はメタノール１ｋｇ当たりに換算して２３１ｋｃａｌである。また、メタノールからＤＭＥを経由してガソリンを合成する反応も発熱反応であり、その反応熱はメタノール１ｋｇ当たり４１６ｋｃａｌである。
特公平４−５１５９６号公報
特公平４−５１５９６号公報に記載されているようなメタノールからＤＭＥ又はガソリンを合成する合成塔をメタノール合成プラントに組み込んで天然ガスからＤＭＥ又はガソリンを製造しようとする場合、上述したようにＤＭＥ又はガソリンの合成反応は発熱反応であり、従来のメタノール合成プラントにおけるエネルギーのセルフバランスと比べて、エネルギーが余ることとなる。しかしながら、ＤＭＥ又はガソリンの合成反応で生じる発熱エネルギーは、プラント内での利用用途がなく、捨てることになるという問題が生じる。
さらに、メタノール合成プラントでは、その製造過程でメタノール中の水分を除去する蒸留操作が行われるが、メタノールからＤＭＥやガソリンを合成する目的ではこのような蒸留操作は必要なく、蒸留用に用いた熱が余剰となる。
そこで、本発明は、天然ガスからメタノールを経由してガソリン又はＤＭＥを製造する際に、ガソリン又はＤＭＥの合成により生じる発熱エネルギーやメタノール蒸留が不要となったことによる熱を廃棄せずに有効に利用することができる、天然ガスからメタノールを経由してガソリン又はＤＭＥを製造するシステム又は方法を提供することを目的とする。
本発明は、その一態様として、天然ガスからメタノールを経由してガソリン又はＤＭＥを製造するシステムであって、天然ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する水蒸気改質装置と、前記水蒸気改質器で生成した改質ガスからメタノールを合成するメタノール合成装置と、前記メタノール合成装置で合成したメタノールからガソリン又はＤＭＥを合成するガソリン又はＤＭＥ合成装置とを備えており、更に、前記天然ガスを水蒸気改質する前に予備改質する予備改質装置と、前記水蒸気改質装置の前記排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置と、前記水蒸気改質装置に供給する燃焼用空気を、前記ガソリン又はＤＭＥ合成装置で予熱する空気予熱装置とからなる群から選択される少なくとも１つの装置を備えており、前記水蒸気改質装置で発生する排ガスからの熱回収と、前記改質ガスからの熱回収と、前記メタノール合成装置における合成熱と、前記ガソリン又はＤＭＥ合成装置における合成熱と、前記選択された場合の前記予備改質装置の回収熱と、前記選択された場合の前記二酸化炭素回収装置の二酸化炭素回収熱と、前記選択された場合の前記空気予熱装置の回収熱とを用いて、本システム全体におけるエネルギーをセルフバランスさせたシステムである。
本発明は、別の態様として、天然ガスからメタノールを経由してガソリン又はＤＭＥを製造する方法であって、天然ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する水蒸気改質工程と、前記水蒸気改質工程で生成した改質ガスからメタノールを合成するメタノール合成工程と、前記メタノール合成工程で合成したメタノールからガソリン又はＤＭＥを合成するガソリン又はＤＭＥ合成工程とを含み、更に、前記天然ガスを水蒸気改質する前に予備改質する予備改質工程と、前記水蒸気改質装置の前記排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収工程と、前記水蒸気改質工程に供給する燃焼用空気を、前記ガソリン又はＤＭＥ合成の合成熱で予熱する空気予熱工程とからなる群から選択される少なくとも１つの工程を含み、前記水蒸気改質工程で発生する排ガスからの熱回収と、前記改質ガスからの熱回収と、前記メタノール合成工程における合成熱と、前記ガソリン又はＤＭＥ合成工程における合成熱と、前記選択された場合の前記予備改質工程の回収熱と、前記選択された場合の前記二酸化炭素回収工程の二酸化炭素回収熱と、前記選択された場合の前記空気予熱工程の回収熱とを用いて、天然ガスからメタノールを経由してガソリン又はＤＭＥを製造するシステムの全体におけるエネルギーをセルフバランスさせる方法である。
このように本発明によれば、天然ガスを水蒸気改質する前に予備改質する予備改質や、水蒸気改質で生じる排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収や、水蒸気改質に供給する燃焼用空気を、ガソリン又はＤＭＥ合成の合成熱で予熱する空気予熱のうち少なくとも１つを選択するとともに、水蒸気改質で発生する排ガスからの熱回収と、改質ガスからの熱回収と、メタノール合成における合成熱と、ガソリン又はＤＭＥ合成における合成熱と、前記選択した予備改質、二酸化炭素回収、空気予熱の各回収熱とを用いて、システム全体としてエネルギーをセルフバランスさせることで、ガソリン又はＤＭＥの合成により生じる発熱エネルギーを廃棄せずに有効に利用することができる。
本発明に係る天然ガスからメタノールを経由してガソリンを製造するシステムの一実施の形態を示す模式図である。 本発明に係る天然ガスからメタノールを経由してガソリンを製造するシステムの別の実施の形態を示す模式図である。 本発明に係る天然ガスからメタノールを経由してガソリンを製造するシステムの更に別の実施の形態を示す模式図である。 本発明に係る天然ガスからメタノールを経由してガソリンを製造するシステムの図１〜図３を組み合わせた実施の形態を示す模式図である。
以下、添付図面を参照して、本発明に係る天然ガスからメタノールを経由してガソリンを製造するシステムおよび方法の一実施の形態について説明する。
図１に示すように、本実施の形態に係るシステムは、天然ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成するスチームリフォーマ１０と、スチームリフォーマで生成した改質ガスからメタノールを合成するメタノール合成塔２０と、メタノール合成塔で合成したメタノールからガソリンを合成するガソリン合成塔３０と、天然ガスを水蒸気改質する前に予備改質するプレリフォーマ４０とを主に備える。
スチームリフォーマ１０は、水蒸気改質用の反応管１１と、この反応管１１の周囲に配置された燃焼部１２と、この燃焼部１２で発生した排ガスの廃熱を回収する廃熱回収部１５と、廃熱回収後の排ガスを大気へ開放する煙突１６とを主に備える。反応管１１は、その内部に充填された水蒸気改質用触媒を備え、以下に示す反応によってメタンを主成分とする天然ガスから水素、一酸化炭素および二酸化炭素を生成する装置である。水蒸気改質用触媒としては、例えば、ニッケル系触媒などの公知の触媒を用いることができる。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ・・・（式１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２・・・（式２）
反応管１１の入口には、天然ガスおよび水蒸気を含む原料１を供給する原料供給ライン１３を接続する。燃焼部１２は、反応管１１を加熱するための燃焼バーナ（図示省略）を備え、この燃焼バーナには、天然ガスなどの燃料２を供給する燃料供給ライン１４を接続する。反応管１１の出口には、水蒸気改質反応により生成した水素、一酸化炭素および二酸化炭素を主成分として含む改質ガスをメタノール合成塔２９に供給する改質ガス供給ライン１８を接続する。
プレリフォーマ４０は、天然ガス中の主にエタン等のＣ２以上の炭化水素をＣ１のメタンや一酸化炭素、水素に予備改質する装置である。プレリフォーマ４０は、その内部に充填された予備改質用触媒を備える。予備改質用触媒としては、ニッケル系触媒などの公知の触媒を用いることができる。
プレリフォーマ４０は、スチームリフォーマ１０の原料上流側、すなわち、原料供給ライン１３に配置する。原料供給ライン１３には、プレリフォーマ４０の更に原料上流側に、原料１を廃熱回収部１５の排ガスで予熱する第１の排ガス−原料熱交換器４１を配置し、プレリフォーマ４０の原料下流側に、プレリフォーマ４０で予備改質した原料を、廃熱回収部１５の排ガスで予熱する第２の排ガス−原料熱交換器４２を設ける。
すなわち、スチームリフォーマ１０の廃熱回収部１５は、燃焼部１２から煙突１６への排ガスの流れの順に、上述した第２の排ガス−原料熱交換器４２と第１の排ガス−原料熱交換器４１、そして、排ガス−スチーム熱交換器１７を備える。排ガス−スチーム熱交換器１７は、システム内で用いるスチーム又は熱を得るため、廃熱回収部１５内を流れる排ガスでボイラ水などを加熱して高圧のスチームを得て、排ガスの熱回収を行う装置である。
同様にシステム内で用いるスチーム又は熱を得るため、改質ガス供給ライン１８には、改質ガス−スチーム熱交換器１９を設ける。改質ガス−スチーム熱交換器１９は、改質ガスでボイラ水などを加熱して高圧のスチームを得て、改質ガスの熱回収を行う装置である。
メタノール合成塔２０は、以下に示す反応により改質ガスからメタノールを合成する装置である。
ＣＯ＋２Ｈ２→ＣＨ３ＯＨ・・・（式３）
ＣＯ２＋３Ｈ２→ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ・・・（式４）
メタノール合成塔２０は、その内部に充填されたメタノール合成触媒を備える。メタノール合成触媒としては銅系触媒などの公知の触媒を用いることができる。メタノール合成塔２０には、メタノール合成塔２０で合成したメタノールをガソリン合成塔３０に供給するメタノール供給ライン２２を接続する。なお、このメタノール供給ライン２２は、合成したメタノールの他、式４で副生する水を含む液状の粗メタノールが流れるものである。
ガソリン合成塔３０は、以下の式に示す反応によってメタノールからガソリンを合成する装置である。
２ＣＨ３ＯＨ→ＣＨ３ＯＣＨ３＋Ｈ２Ｏ・・・（式５）
１／２ｎＣＨ３ＯＣＨ３→（ＣＨ２）ｎ＋１／２ｎＨ２Ｏ・・・（式６）
このようにメタノールは、式５で示すようにジメチルエーテル（ＤＭＥ）合成反応を経て、式３に示すガソリン合成反応によりガソリンとなる。ガソリン合成塔３０内には、ＤＭＥ合成用触媒とガソリン合成用触媒との２種類の触媒を２段階に設け、２つの反応を段階的に進めることができる。ＤＭＥ合成用触媒としては、例えば、アルミノシリケート型ゼオライト系触媒などの公知の触媒を用いることができる。また、ガソリン合成用触媒としても、アルミノシリケート型ゼオライト系触媒などの公知の触媒を用いることができる。
ガソリン合成塔３０には、ガソリン合成塔３０で合成したガソリンを貯蔵設備など（図示省略）に供給するガソリン供給ライン３２を接続する。なお、図１では、ガソリン合成塔３０を示したが、ガソリン合成塔３０に替えて、式５のＤＭＥ合成反応までで留めてＤＭＥを製造するＤＭＥ合成塔を設けることもできる。
以上の構成によれば、先ず、天然ガスなどの燃料２を、燃料供給ライン１４を介してスチームリフォーマ１０の燃焼部１２に供給する。燃焼部１２では、燃料２を空気とともに燃焼して、反応管１１を約８００℃〜約９００℃の温度に加熱する。燃焼部１２で発生した二酸化炭素を含む燃焼排ガスは、廃熱回収部１５へ流れる。
一方、天然ガスおよび水蒸気を含む原料１は、スチームリフォーマ１０の廃熱回収部１５の第１の排ガス−原料熱交換器４１で約４５０℃〜約５５０℃の温度に加熱された後、プレリフォーマ４０に供給される。プレリフォーマ４０では、原料１中のエタン等のＣ２以上の炭化水素がメタン等に予備改質される。この予備改質されたガスは、再び、第２の排ガス−原料熱交換器４２で約６００℃〜約７００℃の温度に加熱された後、原料供給ライン１３を介してスチームリフォーマ１０の反応管１１に供給される。
燃焼部１２で発生した二酸化炭素を含む燃焼排ガスは、約１０００℃の温度を有するが、上述したように廃熱回収部１５の第２の排ガス−原料熱交換器４２および第１の排ガス−原料熱交換器４１で原料１を順次加熱し、そして排ガス−スチーム熱交換器１７でボイラ水などを加熱し、熱回収が行われた後、煙突１６から大気へ放出される。
スチームリフォーマ１０の反応管１１では、上記の式１および式２の反応によって、原料１が水蒸気改質され、水素、一酸化炭素、二酸化炭素を主成分とする改質ガスに転換される。この改質ガスは、改質ガス供給ライン１８を介してメタノール合成塔２０に供給されるが、その前に、改質ガス−スチーム熱交換器１９でボイラ水などを加熱して熱回収を行う。
メタノール合成塔２０では、上記の式３および式４の反応により、改質ガスからメタノールが合成される。メタノール合成反応は発熱反応である。改質ガスは、改質ガス熱交換器１９によって、メタノール合成に適した約１６０℃〜約２００℃の温度とする。メタノール合成塔２０で合成したメタノールは、水を含有する粗メタノールとして、メタノール供給ライン２２を介してガソリン合成塔３０に供給される。
ガソリン合成塔３０では、上記の式５および式６の反応により、メタノールからガソリンが合成される。このガソリン合成反応は発熱反応である。また、式６で水が副生することから、粗メタノールに水が含まれていてもよく、よって、ガソリン合成塔３０にメタノールを供給するメタノール供給ライン２２に、従来のメタノール合成プラントで必要であった、粗メタノールを蒸留して水を除去する精製装置を設ける必要はない。
このように、従来のメタノール合成プラントに対して、発熱反応であり熱エネルギーが発生するガソリン合成塔３０を設けるとともに、エネルギーを消費するメタノール蒸留塔が不要になることから、エネルギーが過剰となるものの、プレリフォーマ４０を設け、プレリフォーマ４０の前後の原料を、スチームリフォーマ１０の廃熱回収部１５の第１及び第２の排ガス−原料熱交換器４１、４２で加熱することで、スチームリフォーマ１０の燃焼部１２への燃料２の供給量を抑えることができる。また、スチームリフォーマ１０の廃熱回収部１５では、第１及び第２の排ガス−原料熱交換器４１、４２を設けることで回収熱が減少するが、この減少分をガソリン合成塔３０で発生する発熱エネルギーを利用することで、システム全体のエネルギーをセルフバランスするように設計することができる。
次に、図２に示す実施の形態について説明する。本実施の形態のシステムは、スチームリフォーマ１０と、メタノール合成塔２０と、ガソリン合成塔３０と、スチームリフォーマの燃焼排ガスからＣＯ２を除去するＣＯ２回収装置５０とを主に備える。なお、図１に示すシステムと同一の構成については同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。
ＣＯ２回収装置５０は、スチームリフォーマ１０の廃熱回収部１５を流れる燃焼排ガスに、ＣＯ２吸収液を気液接触させて、排ガス中の二酸化炭素を吸収、除去する装置である。ＣＯ２回収装置５０は、排ガス−スチーム熱交換器１７よりも排ガス下流側に配置する。なお、ＣＯ２回収装置５０には、吸収液再生装置（図示省略）が併設されている。吸収液再生装置は、二酸化炭素を吸収したＣＯ２吸収液から二酸化炭素を分離して、ＣＯ２吸収液を再生するとともに、二酸化炭素ガスを得る装置である。
ＣＯ２回収装置５０には、回収した二酸化炭素ガスを、メタノール合成塔２０での上記の式４に示す反応の原料として再利用するため、メタノール合成塔２０に供給するＣＯ２供給ライン５１を設ける。
以上の構成によれば、先ず、天然ガスなどの燃料２を、燃料供給ライン１４を介してスチームリフォーマ１０の燃焼部１２に供給する。燃焼部１２では、燃料２を空気とともに燃焼して、反応管１１を約８００℃〜約９００℃の温度に加熱する。燃焼部１２で発生した二酸化炭素を含む燃焼排ガスは、約１０００℃の温度を有し、廃熱回収部１５の排ガス−スチーム熱交換器１７でボイラ水などを加熱し、熱回収が行われた後、ＣＯ２回収装置５０によってＣＯ２が除去され、煙突１６から大気へ放出される。
一方、天然ガスおよび水蒸気を含む原料１は、原料供給ライン１３を介してスチームリフォーマ１０の反応管１１に供給される。スチームリフォーマ１０の反応管１１では、原料１が水蒸気改質反応によって改質ガスに転換される。改質ガスは、改質ガス−スチーム熱交換器１９でボイラ水などを加熱して熱回収が行われた後、改質ガス供給ライン１８を介してメタノール合成塔２０に供給される。また、ＣＯ２回収装置５０によって回収した二酸化炭素ガスも、ＣＯ２供給ライン５１を介してメタノール合成塔２０に供給される。
メタノール合成塔２０では、上記の式３および式４の反応により、改質ガスおよび二酸化炭素ガスからメタノールが合成される。二酸化炭素ガスが加わることで、改質ガス中の余剰水素をメタノールに転換でき、メタノールの生成量を増やすことができる。また、メタノール合成反応は発熱反応であることから、生成量の増加に従い、メタノール合成塔２０における発熱エネルギーも増加する。メタノール合成塔２０で合成したメタノールは、水を含有する粗メタノールとして、メタノール供給ライン２２を介してガソリン合成塔３０に供給される。
ガソリン合成塔３０では、上記の式５および式６の反応により、メタノールからガソリンが合成される。メタノールの供給量が増えることで、ガソリンの生成量も増えるとともに、ガソリン合成反応は発熱反応であることから、生成量の増加に従い、ガソリン合成塔３０における発熱エネルギーも増加する。
このように、従来のメタノール合成プラントに対して、発熱反応であり熱エネルギーが発生するガソリン合成塔３０を設けるとともに、エネルギーを消費するメタノール蒸留塔が不要になることから、エネルギーが過剰となるものの、エネルギーを消費するＣＯ２回収装置５０および吸収液再生装置（図示省略）を設けることで、システム全体のエネルギーをセルフバランスするように設計することができる。また、ＣＯ２回収装置５０で回収した二酸化炭素ガスを改質ガスとともにメタノール合成塔２０に供給することで、ガソリン合成塔３０におけるガソリンの生成量を増やすことができる。
図３に示す実施の形態について説明する。本実施の形態のシステムは、スチームリフォーマ１０と、メタノール合成塔２０と、ガソリン合成塔３０と、スチームリフォーマの燃焼部に供給する燃焼用空気を予熱する空気予熱装置６０とを主に備える。なお、図１及び図２に示すシステムと同一の構成については同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。
空気予熱装置６０は、燃焼用空気を送風するファン６３と、スチームリフォーマ１０の廃熱回収部１５を流れる燃焼排ガスで、燃焼用空気を予熱する排ガス−燃焼用空気熱交換器６２と、予熱した燃焼用空気を更にガソリン合成塔３０で発生する合成熱で加熱するために、ガソリン合成塔３０に導入して燃焼用空気導入ライン６１と、合成熱で加熱した燃焼用空気をスチームリフォーマ１０の燃焼部１２に供給する燃焼用空気供給ライン６４とを備える。排ガス−燃焼用空気熱交換器６２は、排ガス−スチーム熱交換器１７よりも排ガス下流側に配置する。
ガソリン合成塔３０の反応熱で燃焼用空気を加熱する手段としては、特に限定されないが、例えば、ガソリン合成塔３０の反応熱でボイラ水などを加熱してスチームを得て、このスチームで燃焼用空気を加熱することができる。又は、ガソリン合成塔３０内のＤＭＥ合成用触媒やガソリン合成用触媒が充填された反応管（図示省略）と燃焼用空気とを熱交換することができる。
以上の構成によれば、先ず、天然ガスなどの燃料２を、燃料供給ライン１４を介してスチームリフォーマ１０の燃焼部１２に供給する。燃焼部１２では、燃料２を空気とともに燃焼して、反応管１１を約８００℃〜約９００℃の温度に加熱する。燃焼部１２で発生した二酸化炭素を含む燃焼排ガスは、-約１０００℃の温度を有し、廃熱回収部１５の排ガス−スチーム熱交換器１７でボイラ水などを加熱して熱回収が行われた後、約３００℃〜約４００℃の温度まで冷却される。そして、排ガス−燃焼用空気熱交換器６２にて、ファン６３からの燃焼用空気を加熱した後、煙突１６から大気へ放出される。
一方、天然ガスおよび水蒸気を含む原料１は、原料供給ライン１３を介してスチームリフォーマ１０の反応管１１に供給される。スチームリフォーマ１０の反応管１１では、原料１が水蒸気改質反応によって改質ガスに転換される。改質ガスは、改質ガス−スチーム熱交換器１９でボイラ水などを加熱して熱回収が行われた後、改質ガス供給ライン１８を介してメタノール合成塔２０に供給される。
メタノール合成塔２０では、改質ガスおよび二酸化炭素ガスからメタノールが合成される。メタノール合成塔２０で合成したメタノールは、水を含有する粗メタノールとして、メタノール供給ライン２２を介してガソリン合成塔３０に供給される。
ガソリン合成塔３０では、上記の式５および式６の反応により、メタノールからガソリンが合成される。ガソリン合成塔３０でのメタノールからＤＭＥへの合成反応は発熱反応であり、その反応熱はメタノール１ｋｇ当たり１８５ｋｃａｌである。また、ガソリン合成反応も発熱反応であり、その反応熱はメタノール１ｋｇ当たりに換算して２３１ｋｃａｌである。よって、メタノールからガソリンを合成する場合、その反応熱はメタノール１ｋｇ当たり４１６ｋｃａｌである。この反応熱を利用して、燃焼用空気導入ライン６１から導入される燃焼用空気の加熱を行う。
ガソリン合成塔３０でのＤＭＥ合成反応の条件は、２５０〜３００℃の範囲の温度が好ましい。また、ガソリン合成反応の条件は、３８０〜４５０℃の範囲の温度が好ましい。よって、燃焼用空気を約３００℃〜約３８０℃の温度まで加熱することができる。
ガソリン合成塔３０で加熱された燃焼用空気は、燃焼用空気供給ライン６４を介してスチームリフォーマ１０の燃焼部１３に燃料２とともに供給される。燃焼用空気がこのように加熱されていることから、燃焼部１３への燃料２の供給量を抑えることができる。
このように、従来のメタノール合成プラントに対して、発熱反応であり熱エネルギーが発生するガソリン合成塔３０を設けるとともに、エネルギーを消費するメタノール蒸留塔が不要になることから、エネルギーが過剰となるものの、ガソリン合成塔３０の発熱エネルギーを利用して、スチームリフォーマ１０の燃焼用空気を予め加熱するとともに、燃焼用空気が予め加熱されることで、スチームリフォーマ１０への燃料２の供給量を抑えることができ、よって、システム全体のエネルギーをセルフバランスするように設計することができる。
図４に示す実施の形態について説明する。本実施の形態のシステムは、図１〜図３の実施の形態を全て組み合わせたものである。すなわち、本システムは、スチームリフォーマ１０と、メタノール合成塔２０と、ガソリン合成塔３０と、プレリフォーマ４０と、ＣＯ２回収装置５０と、スチームリフォーマの燃焼部に供給する空気予熱装置６０とを主に備える。なお、図１〜図３に示す実施の形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳しい説明は省略する。
スチームリフォーマ１０の廃熱回収部１５は、排ガス上流側から、第２の排ガス−原料熱交換器４２、第１の排ガス−原料熱交換器４１、排ガス−スチーム熱交換器１７、排ガス−燃焼用空気熱交換器６２、ＣＯ２回収装置５０の順に配置する。
以上の構成によれば、先ず、天然ガスなどの燃料２を、燃料供給ライン１４を介してスチームリフォーマ１０の燃焼部１２に供給する。燃焼部１２では、燃料２を空気とともに燃焼して、反応管１１を約８００℃〜約９００℃の温度に加熱する。燃焼部１２で発生した二酸化炭素を含む燃焼排ガスは、約１０００℃の温度を有し、第２の排ガス−原料熱交換器４２で原料を加熱し、約４５０℃〜約５５０℃の温度まで冷却された後、第１の排ガス−原料熱交換器４１で原料を加熱し、約６００℃〜約７００℃の温度まで冷却される。次に、廃熱回収部１５の排ガス−スチーム熱交換器１７でボイラ水などを加熱し、約３００℃〜約４００℃の温度まで冷却された後、排ガス−燃焼用空気熱交換器６２で燃焼用空気を加熱して熱回収が行われる。そして、ＣＯ２回収装置５０によってＣＯ２が除去された後、煙突１６から大気へ放出される。
一方、天然ガスおよび水蒸気を含む原料１は、原料供給ライン１３を介してスチームリフォーマ１０の反応管１１に供給される。スチームリフォーマ１０の反応管１１では、原料１が水蒸気改質反応によって改質ガスに転換される。改質ガスは、改質ガス−スチーム熱交換器１９でボイラ水などを加熱して熱回収が行われた後、改質ガス供給ライン１８を介してメタノール合成塔２０に供給される。また、ＣＯ２回収装置５０によって回収した二酸化炭素ガスも、ＣＯ２供給ライン５１を介してメタノール合成塔２０に供給される。
メタノール合成塔２０では、上記の式３および式４の反応により、改質ガスおよび二酸化炭素ガスからメタノールが合成される。二酸化炭素ガスが加わることで、メタノール合成塔２０では、メタノールの生成量および発熱エネルギーを増やすことができる。メタノール合成塔２０で合成したメタノールは、水を含有する粗メタノールとして、メタノール供給ライン２２を介してガソリン合成塔３０に供給される。
ガソリン合成塔３０では、上記の式５および式６の反応により、メタノールからガソリンが合成される。メタノールの供給量が増えることで、ガソリン合成塔３０では、ガソリンの生成量および発熱エネルギーを増やすことができる。ガソリン合成塔３０では、その反応熱によって燃焼用空気導入ライン６１から導入される燃焼用空気の加熱を行う。
このように、従来のメタノール合成プラントに対して、発熱反応であり熱エネルギーが発生するガソリン合成塔３０を設けるとともに、エネルギーを消費するメタノール蒸留塔が不要になることから、エネルギーが過剰となるものの、プレリフォーマ４０、ＣＯ２回収装置５０および吸収液再生装置（図示省略）、ガソリン合成塔３０の反応熱による燃焼用空気の空気予熱装置６０を設けることによって、プレリフォーマ４０の前後の原料を、スチームリフォーマ１０の廃熱回収部１５の第１及び第２の排ガス−原料熱交換器４１、４２で加熱することで、スチームリフォーマ１０への燃料２の供給量を抑えることができ、また、燃焼用空気が予め加熱されることでも、スチームリフォーマ１０への燃料２の供給量を抑えることができる。また、スチームリフォーマ１０の廃熱回収部１５では、第１及び第２の排ガス−原料熱交換器４１、４２を設けることで回収熱が減少するが、この減少分をガソリン合成塔３０で発生する発熱エネルギーを利用することができ、よって、システム全体のエネルギーをセルフバランスするように設計することができる。ＣＯ２回収装置５０で回収した二酸化炭素ガスを改質ガスとともにメタノール合成塔２０に供給することで、ガソリン合成塔３０におけるガソリンの生成量を増やすことができる。さらに、ＣＯ２回収装置５０で回収した二酸化炭素ガスの全部または一部を、一酸化炭素ガスに変換して燃料２とともにスチームリフォーマ１０の燃焼部１２に供給することで、燃料２の供給量を抑えることができ、これによってもセルフバランスを図ることができる。
図１〜図３の各実施の形態、および図１〜図３のうちの２つを組み合わせた各実施の形態、並びに図１〜図３の全てを組み合わせた図４の実施の形態について、エネルギーの収支バランスのシミュレーションを行った。その結果を表１に示す。なおシミュレーションは、メタノールの生産量を１日当たり２５００トンの場合で行った。原料および燃料は、どちらも天然ガスを使用する条件とした。また、比較のため、天然ガスからメタノールを合成する従来例と、天然ガスからメタノールを経由してＤＭＥまたはガソリンを合成する参考例の結果も表１に示す。
Figure 2013112769
表１に示すように、メタノールを合成する従来例は、システム全体として残エネルギーが０ｋｃａｌ／Ｈであり、セルフバランスが図られている。一方、メタノールを経由してＤＭＥまたはガソリンを合成する参考例１、２では、ＤＭＥまたはガソリン（ＭＴＧ）の合成熱が増え、メタノールの蒸留熱が不要になったことから、余剰のエネルギーが発生している。
予備改質を行うプレリフォーマを設けた実施例１では、スチームリフォーマでの燃料の供給量および排ガス熱回収量が減少し、参考例１、２と比べて、セルフバランスが図られている。また、ＣＯ２回収装置を設けた実施例２では、ＣＯ２回収熱が必要となり、また、ガソリンの生成量も増加し、参考例１、２と比べて、セルフバランスが図られている。燃焼用空気でガソリン合成熱（ＭＴＧ熱）の回収を図った実施例３では、スチームリフォーマでの燃料の供給量および排ガス熱回収量が減少し、参考例１、２と比べて、セルフバランスが図られている。これらの組み合わせである実施例４〜実施例７も同様に、参考例１、２と比べて、より顕著にセルフバランスが図られている。
１０ スチームリフォーマ
１１ 反応管
１２ 燃焼部、
１３ 原料供給ライン
１４ 燃料供給ライン
１５ 廃熱回収部
１６ 煙突
１７ 排ガス−スチーム熱交換器
１８ 改質ガス供給ライン
１９ 改質ガス熱交換器
２０ メタノール合成塔
２２ メタノール供給ライン
３０ ガソリン合成塔
３２ ガソリン供給ライン
４０ プレリフォーマ
４１ 第１の排ガス−原料熱交換器
４２ 第２の排ガス−原料熱交換器
５０ ＣＯ２回収装置
５１ ＣＯ２供給ライン
６０ 空気予熱装置
６１ 燃焼用空気導入ライン
６２ 排ガス−燃焼用空気熱交換器
６３ ファン
６４ 燃焼用空気供給ライン

Claims (2)

  1. 天然ガスからメタノールを経由してガソリン又はジメチルエーテルを製造するシステムであって、
    天然ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する水蒸気改質装置と、
    前記水蒸気改質装置で生成した改質ガスからメタノールを合成するメタノール合成装置と、
    前記メタノール合成装置で合成したメタノールからガソリン又はジメチルエーテルを合成するガソリン又はジメチルエーテル合成装置と
    を備えており、更に、
    前記天然ガスを水蒸気改質する前に予備改質する予備改質装置と、
    前記水蒸気改質装置の前記排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置と、
    前記水蒸気改質装置に供給する燃焼用空気を、前記ガソリン又はジメチルエーテル合成装置で予熱する空気予熱装置と
    からなる群から選択される少なくとも１つの装置を備えており、
    前記水蒸気改質装置で発生する排ガスからの熱回収と、前記改質ガスからの熱回収と、前記メタノール合成装置における合成熱と、前記ガソリン又はジメチルエーテル合成装置における合成熱と、前記選択された場合の前記予備改質装置の回収熱と、前記選択された場合の前記二酸化炭素回収装置の二酸化炭素回収熱と、前記選択された場合の前記空気予熱装置の回収熱とを用いて、前記システム全体におけるエネルギーをセルフバランスさせたシステム。
  2. 天然ガスからメタノールを経由してガソリン又はジメチルエーテルを製造する方法であって、
    天然ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する水蒸気改質工程と、
    前記水蒸気改質工程で生成した改質ガスからメタノールを合成するメタノール合成工程と、
    前記メタノール合成工程で合成したメタノールからガソリン又はジメチルエーテルを合成するガソリン又はジメチルエーテル合成工程と
    を含み、更に、
    前記天然ガスを水蒸気改質する前に予備改質する予備改質工程と、
    前記水蒸気改質工程の前記排ガスから二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収工程と、
    前記水蒸気改質工程に供給する燃焼用空気を、前記ガソリン又はジメチルエーテル合成の合成熱で予熱する空気予熱工程と
    からなる群から選択される少なくとも１つの工程を含み、
    前記水蒸気改質工程で発生する排ガスからの熱回収と、前記改質ガスからの熱回収と、前記メタノール合成工程における合成熱と、前記ガソリン又はジメチルエーテル合成工程における合成熱と、前記選択された場合の前記予備改質工程の回収熱と、前記選択された場合の前記二酸化炭素回収工程の二酸化炭素回収熱と、前記選択された場合の前記空気予熱工程の回収熱とを用いて、前記天然ガスからメタノールを経由してガソリン又はジメチルエーテルを製造する方法を行うシステムの全体におけるエネルギーをセルフバランスさせる方法。
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