JP2013537248A - 炭素質フィードストックの水添メタン化 - Google Patents
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Abstract
Description
水性ガスシフト: CO + H2O → H2 + CO2 (II)
COメタン化: CO+3H2 → CH4 + H2O (III)
水添ガス化: 2H2 + C → CH4 (IV)
2C + 2H2O → CH4 + CO2 (V)
(a)水添メタン化反応器に以下を供給すること
(1)非ガス状炭素質材料由来の炭素質フィードストック、
(2)水添メタン化触媒、
(3)過熱スチーム流、及び
(4)酸素リッチガス流、
ここで、水添メタン化反応器は、下方部分の上方に上方部分を有する流動床を含み、そしてここで、過熱スチーム流及び酸素リッチガス流は、流動床の下方部分内に導入される、
(b)水添メタン化触媒、一酸化炭素、水素及びスチームの存在下、標的操作温度で、水添メタン化反応器中で炭素質フィードストックの一部分を反応させて、メタン富化原ガス及び固体副産物のチャーを生成する、ここで、メタン富化原ガスは、メタン、一酸化炭素、水素、二酸化炭素、硫化水素、スチーム、熱エネルギー及び同伴微粉を含む;
ために、
(c)同伴微粉の実質的な部分を除くためにメタン富化原ガスを処理して、微粉が除かれたメタン富化原生成物ガス流及び回収微粉流を発生させる工程;及び
(d)炭素質フィードストックを酸素と反応させて、一酸化炭素、水素、及び熱エネルギーを生成する工程;
ここで、
(i)工程(b)の反応は、流動床の上方部分において優位を占め;
(ii)工程(d)の反応は、流動床の下方部分において優位を占め;そして
(iii)微紛流の少なくとも一部分は、流動床の下方部分にフィードされる。
本発明の一つの実施態様において、微紛が除かれたメタン富化原生成物ガス流(52)は、図1において図示された通り、結局、非ガス状炭素質材料(10)から生成される。
触媒ガス化/水添メタン化及び/又は粗生成物転換プロセス及び条件は、一般的に、例えば、以下において開示されている:米国特許第3828474号、米国特許第3998607号、米国特許第4057512号、米国特許第4092125号、米国特許第4094650号、米国特許第4204843号、米国特許第4468231号、米国特許第4500323号、米国特許第4541841号、米国特許第4551155号、米国特許第4558027号、米国特許第4606105号、米国特許第4617027号、米国特許第4609456号、米国特許第5017282号、米国特許第5055181号、米国特許第6187465号、米国特許第6790430号、米国特許第6894183号、米国特許第6955695号、米国特許出願第2003/0167961A1号、及び米国特許出願第2006/0265953A1号、並びに共同所有の米国特許出願第2007/0000177A1号、米国特許出願第2007/0083072A1号、米国特許出願第2007/0277437A1号、米国特許出願第2009/0048476A1号、米国特許出願第2009/0090056A1号、米国特許出願第2009/0090055A1号、米国特許出願第2009/0165383A1号、米国特許出願第2009/0166588A1号、米国特許出願第2009/0165379A1号、米国特許出願第2009/0170968A1号、米国特許出願第2009/0165380A1号、米国特許出願第2009/0165381A1号、米国特許出願第2009/0165361A1号、米国特許出願第2009/0165382A1号、米国特許出願第2009/0169449A1号、米国特許出願第2009/0169448A1号、米国特許出願第2009/0165376A1号、米国特許出願第2009/0165384A1号、米国特許出願第2009/0217582A1号、米国特許出願第2009/0220406A1号、米国特許出願第2009/0217590A1号、米国特許出願第2009/0217586A1号、米国特許出願第2009/0217588A1号、米国特許出願第2009/0218424A1号、米国特許出願第2009/0217589A1号、米国特許出願第2009/0217575A1号、米国特許出願第2009/0229182A1号、米国特許出願第2009/0217587A1号、米国特許出願第2009/0246120A1号、米国特許出願第2009/0259080A1号、米国特許出願第2009/0260287A1号、米国特許出願第2009/0324458A1号、米国特許出願第2009/0324459A1号、米国特許出願第2009/0324460A1号、米国特許出願第2009/0324461A1号、米国特許出願第2009/0324462A1号、米国特許出願第2010/0071262A1号、米国特許出願第2010/0076235A1号、米国特許出願第2010/0121125A1号、米国特許出願第2010/0120926A1号、米国特許出願第2010/0179232A1号、米国特許出願第2010/0168494A1号、米国特許出願第2010/0168495A1号、米国特許出願第2010/0292350A1号、米国特許出願第2010/0287836A1号、米国特許出願第2010/0287835A1号、米国特許出願第2011/0062012A1号、米国特許出願第2011/0062722A1号、米国特許出願第2011/0062721A1号、米国特許出願第2011/0064648A1号、米国特許出願第2011/0088896A1号、米国特許出願第2011/0088897A1号、米国特許出願第20110146978A1号、及び米国特許出願第2011/0146979A1号、米国特許出願シリアルナンバー第13/031、486(2011年2月21日に出願された「統合された水添メタン化燃料電池発電(INTEGRATED FUEL CELL POWER GENERATION)」という名称の、弁理士番号FN−0059、米国NP1;米国特許出願シリアルナンバー第13/039、995(2010年3月3日に出願された「統合された水添メタン化燃料電池発電(INTEGRATED HYDROMETHANATION FUEL CELL POWER GENERATION)」という名称の、弁理士番号FN−0060、米国NP1;及び、米国特許出願シリアルナンバー第13/094、438(2011年4月26日に出願された「バナジウム回収を伴う炭素質フィードストックの水添メタン化(HYDROMETHANATION OF A CARBONACEOUS FEEDSTOCK WITH VANADIUM RECOVERY)」という名称の、弁理士番号FN−0061、米国NP1);及び米国特許出願シリアルナンバー第13/211、476(2011年8月17日に出願された「炭素質フィードストックの水添メタン化」(HYDROMETHANATION OF A CARBONACEOUS FEEDSTOCK WITH VANADIUM RECOVERY)」という名称の、弁理士番号FN−0063、米国NP1)
微粉除去
水添メタン化反応器(200)の反応槽を出ていく熱いガス排出物は、係合解除領域として働く水添メタン化反応器(200)内に及び/又はその外部へと組み入れられる(サイクロンアセンブリ(360)などの)微粉除去ユニットを通過できる。あまりにも重くて、水添メタン化反応器(200)を去るガス(つまり、微粉)によって同伴されない粒子は水添メタン化反応器(200)、例えば、反応槽(例えば、流動床(202))に戻される。
水添メタン化条件に依存して、微紛の除かれたメタン富化原生成物流(52)は、約1000°F(約538℃)〜約1500°F(約816℃)、そしてより一般的には約1100°F(約593℃)〜約1400°F(約760℃)の範囲の温度、約50psig(約446kPa)〜約800psig(約5617kPa)、より一般的には約400psig(約2860kPa)〜約600psig(約4238kPa)の圧力、及び約0.5ft/sec(約0.15m/sec)〜約2.0ft/sec(約0.61m/sec)、より一般的には約1.0ft/sec(0.30m/sec)〜約1.5ft/sec(約0.46m/sec)の流速を有して生成できる。
製品の精製は、例えば、水性ガスシフトプロセス(700)、脱水(450)及び酸性ガス除去(800)、そして随意の痕跡量汚染物質除去(500)及び随意のアンモニア除去及び回収(600)を含み得る。
当業者にはよく知られている通り、ガス流、例えば、冷却されたメタン富化原生成物流(70)の汚染物質レベルは、炭素質フィードストックを製造するために使用される炭素質材料の性質に依存するであろう。例えば、Illinois #6のような或る石炭は高い硫黄含有量を有し得て、高いCOS汚染に繋がる;そしてPowder River Basinのような他の石炭は著しいレベルの水銀を含有し得て、それは水添メタン化反応器(200)において揮発され得る。
当業者にはよく知られている通り、バイオマス、或る石炭、或る石油コークスのガス化及び/又は水添メタン化反応器(200)用の酸素源としての空気の利用によって、製品流中に、著しい量のアンモニアが生産できる。場合により、ガス流、例えば、冷却されたメタン富化原生成物流(70)は、アンモニアを除去して回収するために、一つ又はそれ以上のアンモニア除去回収ユニット(600)において水によってスクラブ(scrub)できる。
メタン富化原生成物流(例えば、冷却されたメタン富化原生成物流(70))の一部分又は全てはサワーシフト反応器(700)のような水性ガスシフト反応器に供給される。
サワーシフト反応器(700)及び第二の熱交換器ユニット(401)に続いて、そして酸性ガス除去ユニット(800)の前に、水素富化原生成物流(72)が一般的に処理されて、ノックアウトドラム又は類似の水分離デバイス(450)を介して水分量が減じられる。得られた廃水流(47)(それはサワー水流であろう)は更なる処理のために、(描かれていない)廃水処理ユニットに送られ得る。得られた脱水された水素富化原生成物流(72a)は、以下に論じられるように酸性ガス除去ユニット(800)に送られる。
引き続く酸性ガス除去ユニット(800)が、脱水された水素富化原生成物流(72a)からのH2Sの実質的な部分、及びCO2の実質的な部分を除去するために、そして硫黄分の少ないガス流(80)を生成するために使用される。
水素は、深冷蒸留、モレキュラシーブ、ガス分離(例えば、セラミック)膜、及び/又は圧力スイング吸着法(PAS)技術の使用のような当業者に公知の方法によって、硫黄分の少ないガス流(80)から分離され得る。例えば、前に組み入れられた米国特許出願第2009/0259080A1号を参照。
硫黄分の少ないガス流(80)の全て又は一部分、若しくは水素が使い果たされた、硫黄分の少ないガス流(82)は、メタン製品流(99)として直接、使用され得るか又はそれらの流の全て又は一部分は更に処理され/精製されてメタン製品流(99)を生成させる。
本発明は、或る実施態様において、「パイプライン品質の天然ガス」(又は「パイプライン品質の代替天然ガス」)を非ガス状炭素質材料の水添メタン化から生成することができるプロセス及びシステムを供する。「パイプライン品質の天然ガス」とは一般的には、(1)純粋なメタン(その加熱価は標準大気条件下で1010btu/ft3である)の加熱価の±5%以内であり、(2)実質的に水を含有しない(一般的には約−40℃以下の露天)、及び(3)実質的に有毒な又は腐食性の汚染物質を含有しない、メタン−含有スチームのことである。本発明の幾つかの実施態様において、上記プロセスにおいて述べられたメタン製品流(99)はそのような要求事項を満たす。
痕跡汚染物質の除去、サワーシフト、アンモニア除去、酸性ガス除去及び/又は触媒回収のプロセスのいずれか一つ又はそれ以上から得られる排水中の残留汚染物質は、当業者に公知の如何なる方法にもよる、工場内で回収された水のリサイクル及び/又は工場プロセスからの水の廃棄を可能にする、廃水処理ユニットにおいて除去できる。原料及び反応条件に依存して、そのような残留汚染物質は、例えば、芳香族、CO、CO2、H2S、COS、HCN、アンモニア及び水銀を含み得る。例えば、H2S及びHCNは、約3のpHへの廃水の酸性化、ストリップ塔における不活性ガスを用いた酸性廃水の処理、及びpHを約10に上げて、アンモニアを除去するよう、廃水を不活性ガスにより二度目の処理をすることよって除去できる(米国特許第5236557号を参照)。H2Sは、H2Sを浮遊選鉱又は濾過によって除去され得る不溶性硫化物に転換するよう、廃水を残留コークス粒子の存在下で酸化剤を用いて処理することによって除去できる(米国特許第4478425号を参照)。芳香族は、廃水を、一価又は二価の塩基性無機化合物(例えば、固体チャー製品又は触媒回収後に使い果たされたチャー、上述)を随意に含有してなる炭素質チャーと接触させることよって、そしてpHを製造することによって除去できる(米国特許第4113615号を参照)。芳香族は有機溶媒を用いた抽出、それに続くストリップ塔における廃水処理によっても除去できる(米国特許第3972693号、米国特許第4025423、及び米国特許第4162902号を参照)。
スチームフィードループは、熱エネルギー回収から生成した種々のプロセススチーム流(例えば、25/40及び43)を送るために供することができる。
メタン製品流(99)の一部分は、如何なる回収された水素(85)の一部分として、燃焼(980)及びスチーム生成(982)のために利用できる。上で示されたように、過剰のリサイクルスチームは、工場内で利用され得るか又は送電網上に売られ得る電気を生成するために、燃焼又はスチームタービンのような、一つ又はそれ以上の発電機(984)に供され得る。
炭素質材料の処理(100)
バイオマス及び非バイオマスのような粒子状の炭素質材料は、一つ又はそれ以上の炭素質粒子を得るための衝撃粉砕及び湿式又は乾式の粉ひきのような、当業技術において公知の如何なる方法によっても、別々に又は一緒のいずれかで粉砕及び/又は粉ひきを介して製造できる。炭素質材料源の粉砕及び/又は粉ひきのために利用される方法に依存して、得られる炭素質粒子はサイズ分けされ得て(つまり、サイズによって分離され)、触媒装填プロセス(350)において使用するための炭素質フィードストック(32)を供給して、水添メタン化反応器(200)用の触媒化された炭素質フィードストック(31+32)を形成する。
水添メタン化触媒は、少なくとも上述の反応(I)、(II)、(III)の触媒作用をすることに対して潜在的に活性である。そのような触媒は、一般的な意味において、当業者に周知のものであり、そして、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属、及び遷移金属並びにそれらの化合物及び複合体を含み得る。一般的に、水添メタン化触媒は、前に組み入れられた引例の多くに開示されたような少なくともアルカリ金属を含む。
述べられた条件下での触媒化された炭素質フィードストック(31+32)の反応によって、水添メタン化反応器(200)から、微紛の除かれたメタン富化原生成物流(52)及び固体チャー副産物(58)(及び(58a))が一般的に供される。固体チャー副産物(58)は大量の未反応炭素、無機灰分及び同伴触媒を一般的に含む。固体チャー副産物(58)は、サンプリング、パージング及び/又は触媒回収のために、チャー出口を介して水添メタン化反応器(200)から除去できる。
本発明のプロセスにおいて、各プロセスは、一つ又はそれ以上のプロセスユニットにおいて実行され得る。例えば、一つ又はそれ以上の水添メタン化反応器に、一つ又はそれ以上の触媒装填及び/又は原料製造の単位操作からの炭素質フィードストックが供給され得る。同様に、一つ又はそれ以上の水添メタン化反応器によって生成されたメタン富化原生成物流は、例えば、前に組み入れられた米国特許出願第2009/0324458A1号、米国特許出願第2009/0324459A1号、米国特許出願第2009/0324460A1号、米国特許出願第2009/0324461A1号、及び米国特許出願第2009/0324462A1号において論じられたように、具体的なシステム構成に依存して種々の下流点で、個別に又はそれらの組合せを介して処理され得るか若しくは精製され得る。
プロセスの特定の実施態様は、プロセスが連続プロセスであるもので、ここで工程(a)、(b)、(c)、及び(d)は連続的に運転される。
situでの熱発生(工程(d))によって実質的に満たされる(あるいは満たされる)ものである。
Claims (10)
- 非ガス状炭素質材料から微粉が除かれたメタン富化原生成物ガス流を発生させるための方法であって:
(a)水添メタン化反応器に
(1)非ガス状炭素質材料由来の炭素質フィードストック、
(2)水添メタン化触媒、
(3)過熱スチーム流、及び
(4)酸素リッチガス流、
を供給する工程の、水添メタン化反応器が、下方部分の上方に上方部分を有する流動床を含み、そしてここで、過熱スチーム流及び酸素リッチガス流が、流動床の下方部分内に導入される、該工程;
(b)水添メタン化触媒、一酸化炭素、水素及びスチームの存在下、標的操作温度で水添メタン化反応器中炭素質フィードストックの一部分を反応させて、メタン、一酸化炭素、水素、二酸化炭素、硫化水素、スチーム、熱エネルギー及び同伴微粉を含むメタン富化原ガス及び固体副産物のチャーを生成する工程;
(c)同伴微粉の実質的な部分を除くためにメタン富化原ガスを処理して、微粉が除かれたメタン富化原生成物ガス流及び回収微粉流を発生させる工程;及び
(d)炭素質フィードストックを酸素と反応させて、一酸化炭素、水素、及び熱エネルギーを生成する工程;
を含み、
ここで、
(i)工程(b)の反応は、流動床の上方部分において優位を占め;
(ii)工程(d)の反応は、流動床の下方部分において優位を占め;そして、
(iii)微粉流の少なくとも一部分は、流動床の下方部分に供給される、
上記方法。 - (i)工程(b)の反応が合成ガス要求及び熱要求を有し、そして熱要求及び合成ガス要求が工程(d)の反応によって実質的に満たされるか;又は(ii)工程(b)の反応がスチーム要求を有し、そしてスチーム要求が、流動床の下方部分に送り込まれた過熱スチーム流、酸素リッチガス流及び微紛流中のスチーム、並びに炭素質フィードストックから発生するスチームによって満たされるか;又は(iii)(i)と(ii)の両方によって満たされる;ことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 過熱スチーム流、酸素リッチガス流、炭素質フィードストック及び水添メタン化触媒が、工程(b)の反応の標的操作温度より低い温度で水添メタン化反応器中に導入されることを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載の方法。
- 標的操作温度が、少なくとも約1000°F(約538℃)から約1500°F(約816℃)であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
- 過熱スチーム流が、約500°F(約260℃)から約950°F(約510℃)の温度で、水添メタン化反応器に送り込まれるか;又は過熱スチーム流及び酸素リッチ流を組み合わせ、水添メタン化反応器の流動床の下方セクションに送り込み、混合流の温度が、約500°F(約260℃)から900°F(約482℃)である;ことを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
- (i)メタン富化原生成物ガス流が、少なくとも約15mol%メタン(メタン富化原生成物流中のメタン、二酸化炭素、一酸化炭素及び水素のモルベースで)を含むか;又は(ii)メタン富化原生成物流が、少なくとも50mol%メタン+二酸化炭素(メタン富化原生成物流中のメタン、二酸化炭素、一酸化炭素及び水素のモルベースで)を含むか;又は(iii)(i)及び(ii)の両方である;ことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
- メタン富化原生成物流を、第1の熱交換器ユニットに導入して熱エネルギーを回収し、冷却されたメタン富化原生成物流を発生させ;冷却されたメタン富化原生成物流中の一酸化炭素の少なくとも一部分を、スチームシフトして、熱エネルギー及び水素富化原生成物流を発生させ;水素富化原生成物流を実質的に脱水して、脱水水素富化原生成物流を発生させ;二酸化炭素のかなりの部分及び硫化水素のかなりの部分を、脱水水素富化原生成物流から除去して、脱水水素富化原生成物流からの水素、一酸化炭素(脱水された水素富化原生成物流中に存在する場合)及びメタンのかなりの部分を含むスイート化ガス流を生成し;そしてスイート化ガス流に存在する一酸化炭素及び水素を、メタン化触媒の存在下、接触メタネーター中反応させて、熱エネルギー及びメタン富化スイート化ガス流を生成する;ことを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。
- 第1の熱交換器ユニットで回収された熱エネルギーを用いて、第1のプロセススチーム流を発生させ、水添メタン化反応器の中への導入用の過熱スチーム流の全て又は部分として使用するための第1のプロセススチーム流を過熱し;そして接触メタン化からの熱エネルギーを回収し、そして、回収された熱エネルギーの少なくとも一部分を利用して、第2のプロセススチーム流を発生させ、過熱する;ことを特徴とする、請求項7に記載の方法。
- 熱エネルギーをスチームシフト工程から回収し、そして回収熱エネルギーの少なくとも一部分を利用して、プロセススチームを発生させるのに使用するボイラ給水を予熱する;ことを特徴とする、請求項7に記載の方法。
- 過熱スチーム流は、実質的に第1のプロセススチーム流及び第2のプロセススチーム流からのスチームを含むことを特徴とする、請求項8に記載の方法。
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