JP2014525956A - 合成ガスおよび燃料ガスの生成のためのシステムおよびプロセス - Google Patents

Abstract

ガスの生成、特に、水素の生成を含む合成ガスおよび燃料ガスの生成のためのシステムおよび方法が記載される。１つの実施形態において、システムおよび方法は、炭酸ナトリウムを備える材料の溶融プールを有する反応器を含む。調整された水の供給源が反応器と連通する。炭素含有材料の供給源も反応器と連通する。１つの特定の実施形態では、炭素含有材料が減圧残油（ＶＲ）を含んでもよい。水およびＶＲは、反応器内で行なわれるようになっているプロセスに適合する所望の温度および圧力に維持されてもよい。反応器へ導入されると、水、ＶＲ、および、溶融プールは、水素および他のガスの生成を含む化学反応が行なわれる環境内で均一に混合されてもよい。

Description

関連出願の相互参照
この出願は、参照することによりその全体が本願に組み入れられる、ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＰＲＯＣＥＳＳ ＦＯＲ ＴＨＥ ＰＲＯＤＵＣＴＩＯＮ ＯＦ ＳＹＮＧＡＳ ＡＮＤ ＦＵＥＬ ＧＡＳＳＥＳと題される、２０１１年７月２１日に出願された米国非仮特許出願第１３／１８８，１６７号の利益および優先権を主張する。

政府の権利
この発明は、米国エネルギー省により与えられた契約書第ＤＥ−ＡＣ０７−０５ＩＤ１４５１７号に基づき、Ｗｅｓｔｅｒｎ ＨｙｄｒｏｇｅｎとＢａｔｔｅｌｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ａｌｌｉａｎｃｅ，ＬＬＣとの間の共同研究・開発協定の下で行なわれた。米国政府は、本発明において一定の権利を有する。

本発明は、ガスの生成に関し、特に、水素の生成を含む合成ガスおよび燃料ガスの生成のためのシステムおよび方法に関する。

炭化水素系の燃料（石油生成物、天然ガスなどを含む）は、世界のエネルギー生産の主要な源となってきており、現在も依然としてそうである。世界の石油備蓄の突出、より「無害な」または環境に優しいエネルギーを提供したいという欲求、および、多くの他の問題は、可能なエネルギー生成代替物を研究するために個人、企業、および、政府を動かしてきた。これらの研究および開発の努力は、既存の公知のエネルギー源からエネルギーを生成するための改良された技術、システム、および、方法の探求を含んできた。例えば、従来の技術を使用して到達することが難しい地球物理学的な場所に位置される油を抽出できる能力に関して努力がなされてきた。また、努力は、既存のエネルギープロセスを更に効率的に、更に高い費用効率で、および、更に環境に優しく行なうべくなされてきた。

他の努力は、これまでおおかた無視されてきた埋蔵資源からのエネルギー抽出に注がれてきた。ある場合には、これらの資源または埋蔵資源は、それらが他の利用可能な資源ほど炭素が豊富でないことから、無視されてきた。他の場合には、単に、資源を使用可能なエネルギー形態へと変換することがより困難である。例えば、タールサンドやオイルシェールなどの油源から油を抽出するためにかなりの努力がなされてきた。そのような油源からのこれまでの油の抽出は、技術的には実現可能であるが、従来においては、非効率的であって環境に優しくないと考えられてきた。

現在の研究も、想定し得る新たなエネルギー源および他の既存の代替のエネルギー源の改良に焦点が合わされてきた。例えば、ソーラー技術、風力エネルギー生成、生体燃料生成、および、水素生成を改良する努力は全てが継続中である。しかしながら、当業者であれば分かるように、これらの努力の全ては、様々な何らかの経済的障害、何らかの政治的障害、および、何らかの科学的障害を伴う。

したがって、エネルギーを更に効率的に、更に豊富に、および、更に環境に優しい様式で供給するために、新規なエネルギー源を提供し、エネルギー抽出努力を向上させ、および、既存のプロセスおよび技術を改良することが継続的要望である。

本発明は、ガスの生成に関するものであり、水素およびメタンなどの合成ガスおよび燃料ガスの生成のためのシステムおよび方法を提供する。本明細書中に記載される本発明の１つの実施形態は、アルカリ金属改質（ＡＭＲ）を含むシステムおよび方法を含む。しかしながら、プロセスは、一連のエネルギー変換に適用できる。

１つの特定の実施形態によれば、ガスを生成する方法が提供される。方法は、溶融プールを反応器内に設けることを含む。溶融プールは、炭酸ナトリウムなどの材料を含んでもよい。酸化材料が溶融プールへ導入されるとともに、炭素含有材料が溶融プールへ導入される。酸化材料、炭素含有材料、および、溶融プールは、水素を備える蒸気を含む出力流を生成するべく反応する。

方法は、以下の平衡式にしたがって材料を反応させることを更に含んでもよい。
Ｎａ_２ＣＯ_３＋２Ｃ＋４Ｈ_２Ｏ←→Ｎａ_２ＣＯ_３＋２ＣＯ_２＋４Ｈ_２

方法は、減圧残油を炭素源として溶融プールへ導入すること、および、軟水を酸化剤として溶融プールへ導入することを更に含んでもよい。１つの実施形態では、軟水と減圧残油とが溶融プールへ導入される前に混合されてもよい。

方法は、反応器の出力生成物から水を抽出する、水をリサイクルして反応器内の溶融プールへ戻す、様々な基準にしたがって気体、液体、および、固体を分離する、および、例えば溶融プールまたは溶融プールに導入される他の成分を加熱する際に、熱エネルギーを分離プロセスから使用のために抽出するなどの他の作業を更に含んでもよい。

本発明の他の実施形態によれば、ガスを生成するためのシステムが提供される。システムは、炭酸ナトリウムを含む溶融プールを有する反応器と、反応器と連通する軟水の供給源と、反応器と連通する減圧残油の供給源とを含む。

システムは、様々な制御システムを更に含んでもよい。例えば、制御システムは、水供給源を所望の温度、所望の圧力、および、所望の流量に維持するために水供給源と関連付けられてもよい。同様に、制御システムは、減圧残油供給源を所望の温度、所望の圧力、および、所望の流量に維持するために減圧残油供給源と関連付けられてもよい。

システムは、軟水と減圧残油とをそれらを溶融プールへ導入する前に混合させるように構成されてもよい。溶融プールへ導入されると、システムは、所望の反応を行なうために、混合物を所望の温度および圧力で略均一な状態に維持するように構成されてもよい。例えば、混合物は、約９３０℃以上の温度に、且つ約１３．９ＭＰａ以上の圧力に維持されてもよい。

システムは、反応器によって生成されてもよい気体、液体、および、固体を分離するために分離システムを含んでもよい。分離システムは、出力から水を抽出するとともに、その水をリサイクルして水供給源に戻すように構成されてもよい。また、可溶性固体が、分離されて、水に溶解されて、溶融プールに戻されてもよい。

後述するように、また、当業者であれば分かるように、他の様々な構成要素および作用がこれらの方法およびシステムに含まれてもよい。

本発明の前述した利点および他の利点は、以下の詳細な説明を読むとともに、図面を参照すると、明らかになる。

本発明の１つの実施形態に係るシステムのブロック図である。 本発明で使用されてもよい水質調整、貯水、リサイクリングプロセスの一例を示すフロー図である。 本発明の１つの実施形態に係るプロセス水の導入を示すフロー図である。 本発明で使用されてもよい炭化水素受け入れ、貯蔵、リサイクリングプロセスの一例を示すフロー図である。 本発明の１つの実施形態に係るプロセス炭化水素の導入を示すフロー図である。 本発明の１つの実施形態に係る反応器調整、制御を示すフロー図である。 本発明の１つの実施形態に係る溶融プール調整、化学反応、制御に関連するフロー図である。 本発明の１つの実施形態に係る生成物相分離、調整に関連するフロー図である。 本発明の１つの実施形態に係る水抽出、調整、リサイクルに関連するフロー図である。 本発明の一実施形態に係るガス生成物の浄化および分離を示すフロー図である。 本発明の一実施形態に係る固体生成物の抽出、調整、リサイクルを示すフロー図である。

人類のエネルギー需要を満たすべく、かなりの労力がエネルギー変換、エネルギー効率、および、資源の最適な使用に注がれてきた。本開示は、ガスの生成について記載し、特に、水素の生成を含む合成ガスおよび燃料ガスの生成のためのシステムおよび方法について記載する。本明細書中に記載される本発明の１つの実施形態は、アルカリ金属改質（ＡＭＲ）を含むシステムおよび方法を含む。しかしながら、プロセスは、一連のエネルギー変換に適用できる。確かに、本発明の１つの利点は、広範囲の供給材料を更に有用なエネルギー源へと改質できるという点である。供給材料は、一般に、酸化材料、および、何らかの形状の炭化水素を含むが、純粋な炭素も使用できる。１つの実施形態では、酸化成分が水を含んでもよく、また、炭化水素が減圧残油（ＶＲ）を含んでもよい。ＶＲは、原油の減圧蒸留中に生成されるとともに経済価値が低いと一般に認識される舗装タールまたはアスファルトに類似する材料である。当業者であれば分かるように、ＶＲ組成は、主に、少ない比率の水素、非常に少量の硫黄、および、他の微量元素を伴う炭素である。

図１を参照すると、ブロック図は、アルカリ金属改質システム１００および関連プロセスの概要を示す。システム１００は、以下で更に詳しく説明する多数のサブシステムまたはサブプロセスを含む。第１のサブシステムまたはサブプロセスは水供給２００を含む。水供給２００と関連するシステムまたはプロセスは、システム１００内の水の調整、貯蔵、および、リサイクリングなどの様々な特定の態様を含んでもよい。水供給２００には送水２５０プロセスまたはシステムが関連付けられる。フィードバックライン１０２Ａにより示されるように、送水２５０は、水をリサイクルして水供給２００に戻してもよい。なお、図１に示されるように、フィードバックライン１０２を形成するために、フィードバックライン１０２Ａがフィードバックライン１０２Ｂ、１０２Ｃと組み合わされてもよい。無論、組み合わされるように図１に示される（本願で与えられる他の図面も同様）様々なフィードバックラインは、他の形状では、個々のフィードバックラインのままであってもよい。

システム１００は、システム内で使用されるべき炭化水素を受け入れて、貯蔵し、調整する炭化水素源３００も含む。炭化水素源３００には、炭化水素送り込み３５０プロセスまたはシステムが関連付けられる。フィードバックライン１０３により示されるように、炭化水素送り込み３５０は、炭化水素材料をリサイクルして炭化水素供給３００に戻してもよい。

送水２５０および炭化水素送り込み３５０は、望ましい化学反応を行なうために必要とされる材料を反応器１０４へ供給する。反応器１０４は、反応器調整４００のためのプロセスまたはシステム制御機能、および、溶融プール調整５００のためのプロセスまたはシステム制御機能を含んでもよい。反応器は、例えば、ＢＥＬＬ ＣＯＬＵＭＮ ＤＯＷＮ ＴＵＢＥ，ＲＥＡＣＴＯＲＳ ＵＴＩＬＩＺＩＮＧ ＳＡＭＥ ＡＮＤ ＲＥＬＡＴＥＤ ＭＥＴＨＯＤＳと題される米国特許出願第１３／１８８，１２１号明細書、または、ＭＯＬＴＥＮ ＳＡＬＴ ＲＯＬＬＩＮＧ ＢＵＢＢＬＥ ＣＯＬＵＭＮ，ＲＥＡＣＴＯＲＳ ＵＴＩＬＩＺＩＮＧ ＳＡＭＥ，ＡＮＤ ＲＥＬＡＴＥＤ ＭＥＴＨＯＤＳと題される米国特許出願第１３／１８８，２０２号明細書に記載されるような構成要素を含んでもよく、これらの特許出願はいずれも２０１１年７月２１日に出願され、これらの各特許出願の開示内容は参照することによりそれらの全体が本願に組み入れられる。

反応器１０４から出る生成物は、生成物相分離６００、固体抽出７００、水抽出８００、および、ガス浄化９００などの様々なプロセスまたはシステムに晒されてもよい。なお、別個のプロセスまたはシステムとして示されるが、分離するプロセスが絡み合わされてもよく、また、図１などに示されないが、これらのプロセスの一部が反応器１０４内で行なわれてもよい。これらのプロセスまたはシステムのそれぞれについては以下で更に詳しく説明する。これらのプロセスおよびシステムの互いとの関係および相互作用は、文字Ａ〜Ｎを使用して図面全体にわたって示される。したがって、例えば、図３は、２２６において、図２に示される入力「Ａ」および「Ｂ」を参照する「ＡまたはＢ」のための接続または入力を示す。

図２は、全体のプロセスまたはシステム１００のための水供給を示す。なお、送水システムには意図的に酸化還元化学反応が存在しない（すなわち、還元化学反応がなく、または、酸化化学反応がない）。また、水供給プロセスと関連付けられるユーザ制御可能な化学反応が何ら必要ない。特定の実施形態において、水供給プロセスと関連付けられる化学反応は、従来の硬水軟化技術を含んでもよい。システム１００を通じてリサイクルされる水は、それが水供給システムまたはプロセス２００を通じて戻されるときに必ずしも再び軟化されるとは限らない。しかしながら、生成物流（例えば図１に示されるような生成物相分離６００後の生成物流）から凝縮される水の組成は、システムまたはプロセスのルーチン動作中に可溶性ナトリウム化合物以外の鉱物が加えられるべきか否かを決定するために分析されてもよい。抽出水のそのような分析中に、例えばこの水が反応プロセスへ戻されるべきでない成分を含む場合には、この水の再使用に関して決定が行なわれてもよい。

１つの実施形態において、水供給２００は、おそらくナトリウムを除く金属系鉱物の大部分を除去するために、水を調理源から軟化プロセス２１０を通じて引き出す。この軟化された水は、その後、使用のために貯蔵される。水は、その鉱物含有量を評価して軟化プロセスの有効性を監視するために、不定期チェックを必要とする場合がある。例えば、２１２に示されるように、水は、十分に処理されて必要に応じて水軟化システムへ戻されるかどうかを決定するべくチェックされてもよい。同様に、リサイクルされる水が調整を必要とする場合、その水は、望ましい処理のためにプロセス中の適切な場所へ変向されてもよい。

２１４に示されるように、プロセス中の他の場所からリサイクルされている水が導入されて貯蔵部からの水と組み合わされてもよい。リサイクルされる水は、実際には、貯蔵部内にある軟水よりも、プロセスで用いるのに良好な状態にあるかもしれない。確かに、１つの実施形態において、貯蔵部からの軟水は、ＡＭＲプロセス中に行なわれる化学反応中に消費される軟水の補給としてのみシステムに加えられてもよい。後述するように、水をリサイクルできるように、経済的に許容できる程度まで、プロセス中に生成される蒸気流から余剰水が凝縮される。

リサイクル水と水貯蔵部からの補給水とを組み合わせた後、水は、その後、２１６に示されるように、プロセスの流量要件を満たすべく十分な大きさの所要プロセス圧まで加圧されてもよい。水質調整がプロセスにとって的確であるようにするため、例えば２１８に示されるように、圧力および流量の閉ループ制御が実施されてもよい。特定の圧力要件および流量要件を満たす水は、その後、２２０に示されるように所望の温度まで加熱される。所望の温度は、化学反応の必要性およびプロセス全体の経済性を依然として満たしつつ、システム１００のハードウェアにより許容される温度である。水温度が設計要件を満たすようにするため、２２２に示されるように、閉ループ制御が実施されてもよい。所望の温度、圧力、および、流量の調整された水は、その後、２２４に示されるように、送水システムへ供給されてもよい。適切な条件でプロセスを停止または継続できるようにする水需要のための同時チェックが存在してもよい。

ここで、図３を参照すると、送水２５０と関連するプロセスまたはシステムが示される。水の特性（例えば、圧力、温度、および、流量）は、プロセス全体にとって重要であり、一定の監視および制御を必要とする場合がある。したがって、例えば、２６２に示されるように水が反応器内へ導入されるときには、２６４に示されるように、水の圧力、温度、および、流量などの特性が所望のレベルにあるかどうかを決定するために制御が使用されてもよい。水の特性が所望のレベルにない場合には、２６６に示されるように、水が調整システム２００（すなわち、図２のフロー図のポイントＡおよび／またはＢ）に戻されてもよい。水供給２００からの水がプロセスニーズに適合する状態となるように調整された後、水は、２６８に示されるように水を過熱して可能な限り反応器温度に近い蒸気を与えるためにプロセスから通常失われる熱を使用できる場所へと導入される。この場合も先と同様に、２７０および２７２に示されるように、過熱蒸気が適切な温度になるようにするために、制御が利用されてもよい。全てのパラメータが的確な動作範囲内にあるときに、２７４に示されるように、水が反応器の溶融プールへ注入されてもよい。１つの実施形態では、溶融プールがナトリウム塩を含んでもよい。

ここで、図４を参照すると、炭化水素を受け入れて、貯蔵し、調整するためのプロセスおよびシステム３００が示される。現在記載される実施形態では、炭化水素がＶＲ（減圧残油）と称されるが、他の炭化水素源が利用されてもよい。なお、１つの実施形態において、炭素質ＶＲは、ＶＲ送り込みループ３５０（図１および図５）に入る前に前処理される必要がない。これは、ＶＲ送り込み材料に関して、組成、温度、圧力、粘度、または、湿潤能力の特性に関する許容限度の定義が確立されることを必要とする場合がある。これらの特性または特徴は、他にも理由はあるが、プロセスの出力に許容生成物を依然として供給しつつ、ハードウェアおよびシステムのフローラインのコークス化や詰まりを回避するのに役立つべく定められてもよい。

ＶＲがプロセスへ導入されると、３１０に示されるように、ＶＲが貯蔵されて加熱される。３１２に示されるように、ＶＲが十分な温度になるようにするために、閉ループ制御が利用されてもよい。貯蔵状態は、ＶＲの受け入れおよび分配の両方に対応するべく監視されて制御される。これは、貯蔵の状態がＶＲ供給プロセスの状態によって影響される場合があるからである。例えば、ＶＲがトラックによりプロセス設備へ供給される場合、ＶＲは、それを貯蔵部へ移動させるべく依然として十分に流体の状態になければならない。ＶＲがパイプラインにより供給される場合、ＶＲは、パイプラインを通じて移動するために流体状態をサポートする温度に維持されなければならない。したがって、ＶＲ貯蔵部の温度および圧力は、受け入れ要件および分配要件の両方に適合しなければならない。

ＶＲが貯蔵部から引き出されると、ＶＲは、任意の更なる熱を加える前に、３１４に示されるように、特定のプロセス圧で圧送されて、所要流量に計測される。ＶＲの圧力および流量がプロセスにとって望ましいレベルになるようにするために、３１６に示されるように、閉ループ制御が実施されてもよい。プロセスの初期におけるＶＲの圧力および流量の制御は、下流側プロセスの変数および対応する生成物に対する望ましくない影響が少ない更に良好なプロセス制御を可能にする。例えば、プロセスの初期における特定の変数の更に正確な制御は、その後のプロセス中に更に効率的な生成物流浄化および成分分離をもたらし得る。

加圧および計測の後、３１８に示されるように、ＶＲ流が再び加熱される。ＶＲ流は、それが関連するシステムパイプ内で揮発せず且つコークス化しない温度まで加熱される。揮発およびコークス化を回避することは、大きな流れが材料のコークス化温度に近い均一な温度を有さなければならない場合には困難な課題となり得る。このプロセスにおける熱伝達表面は、バルク材料を所望の状態に維持するために、バルク材料よりもかなり高い温度でなければならない。しかしながら、これらの熱伝達表面は、コークス化のための核生成部位となる場合がある。したがって、３２０に示されるように、ＶＲの温度が所望のレベルにあることをチェックして確保するために制御が使用されてもよい。３２２に示されるように、関連する炭化水素送り込みシステム３５０（図１および図５）からの需要のチェックが存在してもよい。

ここで、図５を参照すると、炭化水素送り込みシステムまたはプロセス３５０が、反応器へのＶＲの導入と関連する事前注入作業を含めて示される。３６２に示されるようにＶＲが反応器内に進入すると、３６４に示されるように、ＶＲは、流量、圧力、および、温度などの状態がチェックされて、それらの状態がプロセス要件を満たすようにされる。ＶＲ特性が所望のレベルにない場合には、３６６に示されるように、ＶＲが調整システム３００（すなわち、図４のフロー図のポイントＣおよび／またはＤ）に戻されてもよい。圧力および流量の状態が許容できる場合には、３６８に示されるように、反応器により熱がＶＲに加えられ、それにより、ＶＲが適切な反応温度に至らされる。これは、炭素の温浸が行なわれるようになっている反応器の領域でコークスの生成をもたらす場合があるため、ＶＲは、反応器プロセスの温度を下回る温度で反応器内へ導入される。したがって、３７０および３７２に示されるように、ＶＲの温度を絶えず監視して補正するために制御が使用されてもよい。全てのパラメータが許容できる動作範囲内にあると、３７４に示されるように、ＶＲが反応器内に収容される溶融プール内へ注入されてもよい。１つの実施形態において、ＶＲは、溶融プール内への導入前に、水／蒸気の少なくとも一部と混合されてもよい。ＶＲと蒸気との混合は、熱い表面上でＶＲがコークス化しないように維持するのに役立つ。これは、ＶＲと蒸気との混合により、反応器ハードウェアの熱い表面とＶＲとの間に水蒸気境界層が形成され得るからである。他の実施形態において、ＶＲは、溶融プールへの注入前にいかなる蒸気とも混合されない。

ここで、図６を参照すると、反応器調整・制御４００と関連するプロセスおよびシステムが示される。反応器調整・制御は、主に、４１０に示されるような溶融プール内への供給物（ＶＲおよび水／蒸気）の注入、４１２に示されるような様々な成分の混合、および、４１４、４１６、４１８、４２０に示されるような反応器の温度の継続的な監視および制御を伴う。反応器の制御は、反応の温度、関連するハードウェア、および、反応成分が補正されるようにし、且つ反応器の内容物が均一に混合されるようにするべく構成されてもよい。反応器内容物の温度は、内容物が十分に撹拌されれば、均一になるはずである。略均一な混合は、蒸気が比較的小さいサイズの均一に分布される気泡としてスラリ中に存在することを意味する。一方、ＶＲは、殆どの場合、揮発蒸気と固体との混合物である。固体と気体とのこの混合物は、溶融物内で効率的な反応を行なうために均一に近づかなければならない。エネルギーを任意の特定の割合で反応スラリへとあるいは反応スラリから効率的に伝える必要性は、反応が吸熱かあるいは発熱かどうかに依存する。したがって、反応器およびその構成要素の温度を絶えず監視して制御することが望ましい。

ここで、図７を参照すると、本発明の一実施形態に係るＡＭＲプロセスに関して、溶融プールと関連付けられる調整・化学反応５００が示される。前述したように、反応器の内容物は、均一な混合をもたらして維持するために、５１０に示されるように均一に撹拌されてかき回されてもよい。５１６に示されるように、プロセスは何らかの蒸気生成をもたらす。モデリングおよび実験データに基づく反応器内で行なわれる化学反応の以下の説明は、５１２に示されるように、溶融物中で行なわれる化学反応が本質的に単純であることを前提とする。また、何らかのレベルの完了または平衡が得られるまで材料の様々な相が化学反応に影響を及ぼさないと仮定する。

均一な混合物の存在は、化学反応をモデル化するための非常に簡単な手法を可能にする。したがって、この実施形態に係る本発明の化学反応を説明する目的で、想定し得る中間反応が最小限に抑えられてもよい。この説明は、例えば５１４に示されるような２つの想定し得る中間反応のみを考慮しつつ、プロセスの終点または平衡構成を記載する。

実験データおよびモデリングに基づき、第１の中間反応は、以下に記載される式１に示されるような炭酸ナトリウムと蒸気との相互作用による水酸化ナトリウムの生成である。
式１ Ｎａ_２ＣＯ_３＋Ｃ＋３Ｈ_２Ｏ→２ＮａＯＨ＋２ＣＯ_２＋２Ｈ_２

同様に、実験データおよびモデリングに基づき、第２の中間反応は、以下に記載される式２に示されるような炭酸ナトリウムおよび水素を生成するための水酸化ナトリウム、炭素、および、水の組み合わせである。
式２ ２ＮａＯＨ＋Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→Ｎａ_２ＣＯ_２＋２Ｈ_２

当業者であれば分かるように、これらの２つの反応は、必ずしも基本的な中間反応とは限らない。それは、おそらく、簡単な試験およびモデリングが明らかにしない 多くの他の中間反応が存在するからである。

最も高いレベルの平衡式は、以下に示される式３に記載されるようなものである。
式３ Ｎａ_２ＣＯ_３＋２Ｃ＋４Ｈ_２Ｏ←→Ｎａ_２ＣＯ_３＋２ＣＯ_２＋４Ｈ_２

これは、先の式１および式２に記載される中間反応の単純な和である。ギブス自由エネルギー計算に基づき、式３は、実際には、化学量論が先に記載される化学量論のように見えないような多くの想定し得る中間反応から構成される。この反応を右へ押し進めるためには、入力流の温度が上昇するように熱が加えられる。一例として、１００℃および１３９バール（１３．９ＭＰａ）の圧力で、反応は、二酸化炭素および水素を殆ど生成しないあるいは全く生成しないが、同じ圧力で温度が９３０℃まで上昇すると、水および炭素の半分が、その量の半分の二酸化炭素および水素へと変換される。水および炭素は、式の右側の生成物として残る。温度が高ければ高いほど、ギブス自由エネルギー平衡は、種が上記式中の種に限られれば、更に一層、式３のように見える。更に多くの数（例えば、２０〜３０）の種を使用すれば、平衡が式３に示される平衡から離れ、それにより、例えば、生成物流は、ＣＯ２およびＨ２の非常に少ない生成を示す。なお、プロセスが他の温度および圧力で行なわれてもよい。例えば、更に低い圧力が使用されてもよいが、その後、任意の水素生成物のために後続の事後圧縮が必要とされてもよい。また、生成されるべき最終生成物に応じて、圧力および温度が変えられてもよい。

なお、上記反応のモデリングは、極小部分の均一な混合という前提に基づく。実際には、反応は、認識を必要とする様々な利点および不利点を含む。例えば、成分の混合は、均一でなく、相と成分との複雑な混合であってもよい。気相と液相との分離は、現実の世界では容易に適用できるが、モデリングの世界で表わすことが難しい。

ここで、図８を参照すると、生成物相分離６００のためのシステムおよびプロセスが図示されて記載される。分離プロセスの一部は、実際に、反応器の反応域内で行なわれてもよい。反応域内では、蒸気から固体と液体とが更に容易に分離し、それにより、蒸気が高温溶融槽から出ることができる。混入される固体および液体は、それらを気流から除去するために、更なる労力を必要とする場合がある。それらの固体および液体は、気体が最終的にガス浄化・種分離単位へと変換される間、再処理のために反応域へ戻される。

６１０に示されるように、様々な相が最初に分離される。６１２に示されるように、液体／固体相は反応器内にとどまってもよく、この場合、６１４および６１６に示されるように固体が液体から除去され、また、６１８に示されるように液体が反応器の混合域内に保持される（または、混合域へ戻される）。固体の一部分は水溶性であると予期されるが、他の部分は水溶性でない場合がある。プロセスは、液相を反応器へ戻す前に任意の不溶性材料を液体から濾過させつつ、任意の水溶性固体を溶解することを含んでもよい。そのような手法は、水使用量を節約するとともに、システムからのナトリウムの損失を制限する。

起動の初めに、蒸気性生成物が１つ以上の材料特性の特定の許容限界外である場合があり、そのため、それらの生成物を廃棄する必要がある。１つの費用効率が高い方法は、６２０に示されるように、気体を燃焼させることを含んでもよい。燃焼は、更なるガス浄化および分離のために経路付けられてもよい流れが所望の値を有するまで行なわれてもよい。６２２に示されるように、固体粒子が気相から分離されてもよい。１つの実施形態では、粒子が気体から濾過された後に更に処理されてもよい。例えば、６２４に示されるように、固体粒子を気体状態へ転移させるために、固体粒子が高温に晒されてもよく、その場合、結果として生じる気体は、６２６に示されるように、既に分離された気体と再結合される。結合された気流は、図１０に関して以下で更に詳しく説明するように、必要に応じて更なる浄化および処理に晒されてもよい。気体は、６２８および６３０に示されるようなプロセスによって生成されるべき気体の含有量および品質を決定するために監視されてもよい。気化されない固体は、例えば、水に溶けない灰を含んでもよい。そのような灰は、６３２に示されるように、コンクリートにおける道路充填としてのその後の使用のためにあるいは他の適切な材料と共に使用するために処理されてもよい。さもなければ、そのような灰は、工業用埋立地に配置されてもよい。

ここで、図９を参照すると、水抽出７００と関連するプロセスおよびシステムが示される。前述した高温気体が熱回復ユニットを通じて運ばれてもよく、このユニットにおいて、システム圧力を維持しつつ気体の温度が低下される。これにより、７１０に示されるように、大きな割合の水蒸気が気流から凝縮できる。その後、７１２に示されるように、水の液相および気相の相分離が行なわれてもよい。７１４に示されるように、水が再び反応器内に戻されて使用されてもよく、また、７１６に示されるように、蒸気がガス浄化プロセスへと運ばれる。７１８に示されるように、水を凝縮するプロセス７１０および液体／蒸気分離７１２のプロセスから解放されるエネルギーまたは熱が、捕捉されて、プロセスへと至らされる材料の温度を上げるために使用されてもよい。

図１０を参照すると、本発明の１つの実施形態に係るガス処理８００が示される。最も簡単なケースにおいて、気流は、主に、水素、炭素、一酸化物、二酸化炭素、メタン、硫化水素、および、少量の他の硫黄を担持する蒸気である。１つの実施形態では、大きな圧力降下を受けることなく気体成分を分離することが望ましい場合がある。

８１０に示されるように、水素およびメタンが最初に気流から分離されてもよい。その後、８１２に示されるように、水素およびメタンが互いから分離されてもよく、また、水素が他のプロセスへと進められてもよい一方で、メタンが他の場所で使用するために燃料ガスとして送られる。

残りの気流、すなわち、水素およびメタンがそこから分離されてしまった気流は、８１４に示されるように、二酸化炭素を残りの成分から分離するために処理されてもよい。加圧された二酸化炭素は、比較的純粋な生成物流として使用するためにパイプラインまたは貯蔵部へ導入されてもよい。残りの気流成分は、８１６に示されるように、硫化水素、二酸化硫黄、または、他の気体などの硫黄を担持する気体を除去するためのプロセスに晒されてもよい。これにより、硫黄を回収できるとともに、存在する気体と気体の関連する発熱量とに応じて残りの気体を燃料として使用できる。

図１１は、９１０に示されるように反応から抽出される可溶性固体が水に溶解される固体抽出システムまたはプロセス９００を描く。その後、９１２に示されるように、結果として生じる溶液から不溶性固体材料が分離されてもよい。融けない固体は、材料が溶融プロセスに値する場合には、任意の数の溶融プロセスを使用して、９１４に示されるように現場で処理されてもよく、あるいは、９１６に示されるように処理のために現場から離れて輸送されてもよい。融ける材料は、溶解された固体から分離されて、９１８に示されるようにプロセスへ戻されてもよい。例えば、１つの実施形態において、可溶性固体は、ナトリウムを含んでもよく、また、反応溶融物がナトリウム系であることからプロセスへと戻されてもよい。

本発明は様々な変更および代替形態を受け入れる余地があるが、特定の実施形態が図面で一例として示されて本明細書中で詳しく説明されてきた。しかしながら、言うまでもなく、本発明は、開示された特定の形態に限定されるように意図されていない。むしろ、本発明は、以下の添付の特許請求の範囲により規定される本発明の思想および範囲内に入る全ての変更、等価物、および、代替物を含む。

Claims (29)

1. ガスを生成する方法であって、
   炭酸ナトリウムを備える溶融プールを反応器内に設けるステップと、
   酸化材料を前記溶融プールへ導入するステップと、
   炭素含有材料を前記溶融プールへ導入するステップと、
   前記酸化材料、前記炭素含有材料、および、前記溶融プールを反応させて、水素を含有する蒸気を含む出力流を生成するステップと、
   を備える方法。
2. 前記酸化材料、前記炭素含有材料、および、前記溶融プールを反応させて、水素を含有する蒸気を生成する前記ステップは、以下の平衡反応にしたがって材料を反応させることを更に含む、
   Ｎａ_２ＣＯ_３＋２Ｃ＋４Ｈ_２Ｏ←→Ｎａ_２ＣＯ_３＋２ＣＯ_２＋４Ｈ_２
   請求項１に記載の方法。
3. 炭素含有材料を前記溶融プールへ導入する前記ステップは、減圧残油を前記溶融プールへ導入することを含む請求項１に記載の方法。
4. 酸化材料を前記溶融プールへ導入する前記ステップは、軟水を前記溶融プールへ導入することを含む請求項３に記載の方法。
5. 前記軟水と前記減圧残油とを前記溶融物へ導入する前に混合させるステップを更に備える請求項４に記載の方法。
6. 前記出力流から水を抽出するとともに、当該水をリサイクルして前記反応器内の前記溶融プールへ戻すステップを更に備える請求項４に記載の方法。
7. 前記水を前記溶融プールへ導入する前に前記軟水を加熱して蒸気を生成するステップを更に備える請求項４に記載の方法。
8. 前記溶融プール、前記減圧残油、および、前記軟水の略均一な混合をもたらすステップを更に備える請求項４に記載の方法。
9. 略均一な混合をもたらす前記ステップは、前記溶融プール、前記減圧残油、および、前記軟水を撹拌させることを更に含む請求項８に記載の方法。
10. 出力流を生成する前記ステップは、前記反応器によって生成される液体と気体とを分離することを更に含む請求項１に記載の方法。
11. 液体を前記反応器内に保持するとともに、前記水素に加えて少なくともメタンガスおよび二酸化炭素ガスを含む前記出力流として気流を生成するステップを更に備える請求項１０に記載の方法。
12. 任意の混入された固体を前記気流から分離するステップを更に備える請求項１１に記載の方法。
13. 前記二酸化炭素および任意の更なるガスから前記水素ガスおよび前記メタンガスを分離するステップを更に備える請求項１２に記載の方法。
14. 前記水素ガスから前記メタンガスを分離するステップを更に備える請求項１３に記載の方法。
15. 前記出力流中の任意の他の残存ガスから前記二酸化炭素ガスを分離するステップを更に備える請求項１３に記載の方法。
16. 融ける任意の分離された固体を溶解して、それらの固体を前記溶融プールへ戻すステップを更に備える請求項１２に記載の方法。
17. 前記酸化材料、前記炭素含有材料、および、前記溶融プールを約９３０℃以上の温度で反応させるステップを更に備える請求項１に記載の方法。
18. 前記酸化材料、前記炭素含有材料、および、前記溶融プールを約１３．９ＭＰａ以上の圧力で反応させるステップを更に備える請求項１７に記載の方法。
19. ガスを生成するためのシステムであって、
    炭酸ナトリウムを含む溶融プールを有する反応器と、
    前記反応器と連通する軟水の供給源と、
    前記反応器と連通する減圧残油の供給源と、
    を備えるシステム。
20. 前記水供給源を所望の温度、所望の圧力、および、所望の流量に維持するために前記水供給源と関連する制御システムを更に備える請求項１９に記載のシステム。
21. 前記水供給源を所望の温度、所望の圧力、および、所望の流量に維持するために前記水供給源と関連する制御システムを更に備える請求項２０に記載のシステム。
22. 軟水の前記供給源と前記反応器との間の第１の流路と、減圧残油の前記供給源と前記反応器との間の第２の流路とを更に備え、前記第１の流路および前記第２の流路は、水および減圧残油が前記反応器の前記溶融プールに入る前に前記水供給源により与えられる水と前記減圧残油供給源により与えられる減圧残油との混合を収容する請求項１９に記載のシステム。
23. 前記反応器により出力として生成される気体、液体、および、固体を分離するように構成される分離システムを更に備える請求項１９に記載のシステム。
24. 前記分離システムは、水素、メタン、および、二酸化炭素の出力ガス流を生成するように構成される請求項２３に記載のシステム。
25. 前記分離システムは、前記反応器の出力から水を抽出するとともに、その抽出水をリサイクルして前記水供給源に戻すように構成される請求項２３に記載のシステム。
26. 前記分離システムは、前記反応器の出力の任意の可溶性固体を溶解させるとともに、その溶解された固体を前記溶融プールへとリサイクルするように構成される請求項２３に記載のシステム。
27. 前記反応器は、前記溶融プールと該溶融プールに加えられる任意の軟水および減圧残油との略均一な混合を維持して、以下の平衡式に示される化学反応を行なうように構成される、
    Ｎａ_２ＣＯ_３＋２Ｃ＋４Ｈ_２Ｏ←→Ｎａ_２ＣＯ_３＋２ＣＯ_２＋４Ｈ_２
    請求項１９に記載のシステム。
28. 前記溶融プールと該溶融プールに加えられる任意の軟水および減圧残油とが約９３０℃の温度に維持される請求項１９に記載のシステム。
29. 前記溶融プールと該溶融プールに加えられる任意の軟水および減圧残油とが約１３．９ＭＰａの圧力に維持される請求項２８に記載のシステム。

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