JP2021531376A - 統合されたガス化と電気分解のプロセス - Google Patents

Abstract

本発明の態様は、例えば電気分解からの酸素及び水素を、ガス化及びメタン化の両方の工程を有するプロセスに供給できる柔軟性の改善、並びに、炭素質供給原料の変動に応じてそのプロセスをどのように操作するかの改善に関する。水素の理想的な量と、特定の供給源からの利用可能な量との間のオフセットは、プロセスの１つ以上の操作、特にＲＮＧ生成品ストリームにおいてメタンに変換するためにガス化装置の下流で利用可能なＣＯ及び／又はＣＯ２の量に最終的に影響を与える操作を調整することによって相殺できる。【選択図】図１

Description

関連出願への相互参照
この出願は２０１８年７月１３日に出願された米国仮出願第６２／６９７，５４０号の優先権を主張する。当該出願はその全体が参照によって組み込まれる。

技術分野
本発明の態様は、再生可能天然ガス（ＲＮＧ）を製造するためのガス化プロセスに関し、そのプロセスは酸素及び水素の供給を提供するための電気分解と統合されている。

石炭のガス化は、輸送用燃料にさらに加工できる合成ガスの製造において、１世紀以上にわたって工業的に行われてきた。温室効果ガス排出量を削減してエネルギー自立を発展させるという最近の目標は、バイオマスをガス化原料として使用することに強い関心をもたらし、それにより再生可能天然ガス（ＲＮＧ）の潜在的な供給源につなげている。多段階プロセスによれば、バイオマスのガス化は、酸素や蒸気などの他の考えられる成分を含む酸化剤ガスの存在下における部分酸化によって、最初に実行される。高温高圧でのガス化は、場合により触媒材料の存在下で、メタンと炭素酸化物（ＣＯ，ＣＯ_２）、及び水素を含む放出物を生成する。この放出物は、ＣＯ及びＨ_２含有量の観点から合成ガスと呼ばれる場合があり、通常、微粒子、アルカリ金属、硫黄化合物、及びタール（一般にベンゼンよりも高い沸点を持つ有機化合物をいう）などの多くの望ましくない成分を除去するために処理される。この処理工程により、ガス化装置放出物は、結果として生じるＲＮＧストリームのメタン含有量を増やすために、触媒メタン化による高濃度のＨ_２及びＣＯ／ＣＯ_２の下流変換に適したものになる。

木材及び別の形態のバイオマスの原子組成から理解できるように、ガス化装置放出物は通常、供給される炭素の含有量をメタンに完全に変換するのに足りる水素が不足しており、プロセス全体の経済面で考慮しなければならない過剰なＣＯ及びＣＯ_２をもたらす。したがって、メタンの生成におけるバイオマス炭素のより完全な利用を可能にするための水素の添加は、かなり興味深い。水素は、非常に安定であるが著しい量のエネルギーを必要とする技術によって、メタン及び／又は別の炭化水素の水蒸気改質から得られる生成物として、多くの場合入手できる。また化石メタンを使用してそのような水素を生成すると、純粋に再生可能な資源から天然ガスを得るという目的を妨害する。ガス化装置放出物のより完全なメタン化を可能にする潜在的な供給源としての電気分解からの水素の統合は、非特許文献１及び非特許文献２によって提案された。とはいえ、化石由来の天然ガス生産と比較した経済性を改善するためのバイオマスのガス化のさらなる開発は、ＲＮＧの生産におけるその商業規模の実施を実現するために必要である。

Ｇａｓｓｎｅｒ ｅｔ ａｌ．（Ｅｎｅｒｇｙ ３３（２００８）：１８９−１９８） Ｄａｃｅ ｅｔ ａｌ．（Ｅｎｅｒｇｙ Ｐｒｏｃｅｄｉａ ７５（２０１５）：８０１−８０６）

本発明の態様は、メタンを生成するためのガス化プロセスの発見に関し、そのプロセスに投入される供給物及び／又はそのプロセスから得られるエネルギーの管理における改善された効率性を有する。このプロセスに電解酸素と水素を供給することで、石炭やバイオマスなどの炭素質供給原料からのＲＮＧの生成に関連する全体的なカーボンフットプリント（二酸化炭素排出量）を有利に減らすことができる。例えば、電解酸素を使用して、従来の空気分離装置（ＡＳＵ）からガス化装置に供給される量を増加させることができ、一方、共生成した電解水素をメタン化反応器に供給して、メタン生成用の供給物中の炭素の利用を改善することができる。次にこれは、特に電解槽に電力を供給するために蒸気及び最終的には電気の形で回収できる発熱メタン化反応からの追加の発熱に関して、統合のさらなる機会を生み出す。

特定の態様は、ガス化とメタン化の両方の工程を有するプロセスに電解槽の酸素と水素を供給することができる柔軟性の改善、及び炭素質供給原料の変動に応じてそのプロセスをどのように操作するかの改善に関連する。この点で、典型的なＡＳＵは高い資本コストと作業コストに関連しており、その生産能力は、多くの場合、ガス化装置における純粋な酸素の必要性と整合しない。このことは、例えば、ＡＳＵが経済的な適切なサイズで利用できない場合、及び／又は、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）などの酸素補給源が十分な純度を提供できない場合に発生する場合がある。ＡＳＵとＰＳＡの両者は、酸素を生成するという見込みで認識されているが窒素も生成し、必ずしも容易に利用又は収益化できるとは限らない。水素は従来の改質から利用できるかもしれないが、この製造方法はエネルギー集約型であり、通常は化石由来の炭化水素に基づいている。したがって、電気分解は、全体的な供給炭素利用（例えば、メタン収率）及び熱統合の改善を提供することに加えて、別の方法による精製酸素及び／又は水素の生成に関連する多くの不十分な点に対処している可能性がある。

電解酸素の量は、ＡＳＵ酸素又はＰＳＡ酸素などの別の供給源と組み合わせて供給されるか否かに関わらず、主に又は完全にガス化装置への炭素質供給原料の量及び種類によって決定することができる。しかしながら、この酸素需要を満足させる際に生成される対応する電解水素の量は、通常、下流のメタン化反応器におけるガス化によって生成されるＣＯ及びＣＯ_２の完全な変換には最適ではない。有利には、水素の理想的な量と、ガス化装置の酸素需要を満足させる水の電気分解から得られる化学量論量として利用可能な量との間のそのようなオフセットは、プロセスの１つ以上の操作、特にＲＮＧ生成品ストリームにおいてメタンに変換するためのガス化装置の下流で利用可能なＣＯ及び／又はＣＯ_２の量に最終的に影響を与える操作を調整することによって相殺できる。調整されるその操作は、代替的又は追加的に、ガス化装置の下流のＣＯ／Ｈ_２モル比及び／又はＣＯ_２／Ｈ_２モル比に影響を与えることができる。別な方法では、十分な電解水素が利用可能である場合、ガス化及びメタン化を含む代表的なプロセスは、そのような操作を完全に除外し、それによってＲＮＧ生産を単純化し、関連するコストを削減することができる。

本発明の実施形態は、例えばＲＮＧ生成物としてメタンを生成するためのプロセスを対象とし、そのプロセスは、ガス化及びメタン化の両方を含む。ガス化とは、ガス化装置（又は、より具体的には、ガス化装置のガス化反応器）内の炭素質供給原料を酸素含有ガス化装置供給物と接触させて、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２、及び／又はＨ_２Ｏ、並びに通常はこれら全ての成分を含むガス化装置放出物を提供することをいう。メタン化反応器の上流ポイントで、又はそうでなければメタン化反応器内で、電解槽から得られる電解水素をガス化装置放出物と合わせることができる。追加された又は補われた電解水素、又はその少なくとも一部は、メタン化反応器内でガス化装置放出物中のＣＯ及び／又はＣＯ_２の少なくとも一部と反応してメタンを形成し、それによってＲＮＧの生産における炭素質供給原料中の炭素の利用を改善する。有利には、プロセスの操作、例えば、ガス化装置の下流及びメタン化反応器の上流のガス化装置放出物に対して実行される一連の操作の１つ以上は、全体的なプロセス効率を向上させるために、電解水素の補給量又は流量に応じて調整することができる。調整される操作は、すなわちメタン化反応器への供給物中のＣＯ及び／又はＣＯ_２の濃度に影響を与える操作であり、代表的な操作は、サワーシフト（ｓｏｕｒ ｓｈｉｆｔ）操作又は酸性ガス除去操作である。その代わりに又は追加的に、調整される操作はメタン化反応器への供給物のＣＯ／Ｈ_２モル比及び／又はＣＯ_２／Ｈ_２モル比に影響を与えることができる操作である。

本発明の別の実施形態は、ＲＮＧを生成するための統合されたガス化、メタン化、及び電気分解プロセスに関する。代表的なプロセスは、ガス化ゾーンのガス化装置において、バイオマスを酸素含有ガス化装置供給物と接触させて、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２、及び／又はＨ_２Ｏ、並びに通常これらの全ての成分を含むガス化ゾーン放出物を提供することを含む。酸素含有ガス化装置供給物は、電解槽内での水の電気分解から得られる電解酸素を含む。このプロセスは、メタン化ゾーンのメタン化反応器において、ガス化ゾーン放出物中のＣＯ及び／又はＣＯ_２の少なくとも一部をメタンに変換することをさらに含む。ＲＮＧはメタン化ゾーン放出物として得られる、又はＲＮＧはメタン化ゾーン（例えば、次の１つ以上の任意の精製工程）から回収される。ガス化ゾーンもしくはメタン化ゾーン又はその両方は、ＣＯ濃度もしくはＣＯ_２濃度に影響を与える、又はその操作への供給物からその操作の生成物においてそのような濃度変化を引き起こす少なくとも１つの操作を含む。その代わりに又は組み合わせて、ガス化ゾーンもしくはメタン化ゾーン又はその両方は、ＣＯ／Ｈ_２モル比及び／又はＣＯ_２／Ｈ_２モル比に影響を与える、又はその操作への供給物からその操作の生成物においてそのようなモル比の変化を引き起こす少なくとも１つの操作を含む。プロセスは、電解水素の補給量又は流量に応じて少なくとも１つの操作を調整することをさらに含むことができる。この補給量は、ガス化装置とメタン化反応器の間の１つ以上の場所でプロセスに追加される（例えば、ガス化ゾーンもしくはメタン化ゾーンのいずれか、又は両方に追加される）電解水素の全流量の場合があり、この補給量の一部又は全てが反応して、メタン化反応器でメタンを形成する。電解水素のこの補給量は、酸素含有ガス化装置供給物において、実質的に化学量論量であってもよいし、又はガス化装置に添加される電解酸素のモル流量の実質的に２倍であってもよい。これは１つ以上の別個のガス供給流を含むことができる。

ガス化ゾーン及び／又はメタン化ゾーンは、メタン化反応器供給物又はインレットのＣＯ濃度もしくはＣＯ_２濃度に影響を与え得る、もしくは影響を与え得ない、又は少なくとも実質的に影響を与え得る、本明細書に記載の１つ以上の操作を含むことができる。その代わりに又は組み合わせて、ガス化ゾーン及び／又はメタン化ゾーンは、メタン化反応器供給物又はインレットのＣＯ／Ｈ_２モル比及び／又はＣＯ_２／Ｈ_２モル比に影響を与え得る、もしくは影響を与え得ない、又は少なくとも実質的に影響を与え得る、本明細書に記載の１つ以上の操作を含むことができる。ガス化ゾーンは、圧縮段階によってメタン化ゾーンから分離することができる。

さらに本発明の別の実施形態はメタンを生成するためのプロセスを対象とし、そのプロセスは、炭素質供給原料をガス化して、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２、及び／又はＨ_２Ｏ、並びに通常これら全ての成分を含むガス化装置放出物を提供することを含む。このプロセスはまた、補給量の水素をメタン化反応器又はメタン化反応器の上流に導入して、補給水素の少なくとも一部をガス化装置放出物中のＣＯ及び／又はＣＯ_２の少なくとも一部と反応させてメタンを形成することを含む。そのプロセスは、水素の補給量に応じてプロセスの動作を調整することをさらに含むことができる。そうでなければ、有利には代表的なプロセスは、メタン化反応器の供給物、又はメタン化反応器インレット、ＣＯ濃度又はＣＯ_２濃度に影響を与えるであろう少なくとも１つの処理工程を除外することができる。そうでなければ、その代わりに又は組み合わせて、そのプロセスは、メタン化反応器供給物、又はメタン化反応器インレット、ＣＯ／Ｈ_２モル比及び／又はＣＯ_２／Ｈ_２モル比に影響を与えるであろう少なくとも１つの処理工程を除外することができる。濃度又はモル比へのこの影響は、例えばサワーシフト操作の場合、操作中（すなわちプロセス全体）の反応によって、ＣＯ及び／又はＣＯ_２を消費又は生成することで引き起こされる可能性がある。そうでなければ除外される処理工程は、例えば酸性ガス除去操作の場合、操作（すなわちプロセス全体）においてＣＯ及び／又はＣＯ_２を追加する、又はＣＯ及び／又はＣＯ_２を除去することにより、メタン化反応器供給物又はメタン化反応器インレット、ＣＯ濃度又はＣＯ_２濃度に影響を与えるであろうものであってもよい。そうでなければ除外される処理工程は、操作（すなわちプロセス全体）におけるＣＯ及び／又はＣＯ_２のそのような追加又は除去により、メタン化反応器供給物又はメタン化反応器インレット、ＣＯ／Ｈ_２モル比及び／又はＣＯ_２／Ｈ_２モル比に、その代わりに影響を与えるであろうもの、又は追加的に影響を与えるであろうものであってもよい。

本発明に関するこれらの及び別の実施形態、態様、及び利点は、以下の詳細な説明から明らかである。

図面の簡単な説明
本発明の例示的な実施形態及びその利点のより完全な理解は、添付の図（同一の特徴を特定するために同一の参照番号が使用される）を考慮して以下の説明を参照することによって得ることができる。

図１は、本明細書に記載する代表的なプロセスに従ってメタンを生成するための、電解槽とガス化ゾーン及びメタン化ゾーンの統合を一般的に示すフロースキームである。 図２は、図１に示すプロセスで実行できるガス化ゾーン及びメタン化ゾーン内の特定の操作を示すフロースキームである。

図１と図２の間で、同じ又は類似の要素を示すために同一の番号が使用されている。説明と理解を容易にするために、これらの図は簡略化された概要を提供する。容器、熱交換器、バルブ、計装、及びユーティリティなどの関連機器は、その特定の説明が本発明の様々な態様の実施又は理解に必須ではないため、示されていない。そのような機器は、本開示の知識を有する当業者には容易に明らかであろう。本発明の範囲内の別の実施形態による、特定のプロセスの目的に従って部分的に決定された構成及び構成要素を有するメタンを生成するための別のプロセスも同様に明らかであろう。

詳細な説明
「重量％（ｗｔ％）」及び「モル％（ｍｏｌ％）」という表現は、本明細書では、それぞれ重量パーセント及びモルパーセントを示すために使用される。「重量ｐｐｍ（ｗｔ ｐｐｍ）」及び「モルｐｐｍ（ｍｏｌ ｐｐｍ）」という表現は、それぞれ重量及びモル百万分率を示す。理想気体の場合、「ｍｏｌ％」と「ｍｏｌ ｐｐｍ」は、それぞれ体積パーセントと体積百万分率に等しくなる。

本発明の実施形態は、ガス化及びメタン化反応器内でそれぞれ実施されるガス化及びメタン化によって、炭素質供給原料からメタンを生成するプロセスを対象とする。ここでは、補給水素源がプロセスに加えられて、メタンを生成する際の炭素質供給原料中の炭素の全体的な利用が改善される（すなわち、供給される炭素の含有量に基づいたメタン収率が改善される）。補給水素の供給源が水の電気分解から得られる場合、有利には、化石炭化水素の水蒸気改質から生成される水素とは対照的に、この反応物は生成されるメタンに関連するカーボンフットプリントに寄与しない炭素を含まない資源である。したがって、いくつかの実施形態によれば、完全ではないにしても、メタンは炭素質供給原料としてのバイオマス、空気及び／又は電解酸素、並びに電解水素を含む再生可能供給物から主に生成することができる。さらに、電気分解に必要な電気エネルギーの一部又は全ては、ガス化装置又は発熱メタン化反応器から回収された熱として得ることができる。

ガス化装置（又は、より具体的には、ガス化装置のガス化反応器）において、炭素質供給原料は、酸素含有ガス化装置供給物の存在下で、通常、完全燃焼に必要であろう酸素の２０〜７０％のみに制限された供給量で部分酸化を受ける。また酸素含有ガス化装置供給物は、Ｈ_２Ｏ及び／又はＣＯ_２を含む別の酸素化ガス化成分を含むことができる。炭素質供給原料に存在する炭素に由来するＣＯ、ＣＯ_２、及びメタン（ＣＨ_４）、並びにＨ_２及び／又はＨ_２Ｏ（通常、両方）と低濃度の他の成分を含むガス化装置放出物が生成される。炭素質供給原料は、石炭（例えば、高品質の無煙炭もしくは瀝青炭、又は低品質の亜瀝青炭、亜炭もしくは泥炭）、石油コークス、アスファルテン、及び／又は液体石油残留物、又は他の化石由来物質を含むことができる。好ましい実施形態では、炭素質供給原料はバイオマスを含むことができる。「バイオマス」という用語は、地球の表面上又は地球の海、川、及び／又は湖の中に生息する生物に由来する再生可能な（化石由来ではない）物質をいう。代表的なバイオマスとしては、広葉樹（例えば、白色木材の木）、針葉樹、針葉樹又は針葉樹の樹皮、リグニン、藻類、及び／又はアオウキクサ（海藻）などの任意の植物材料、又は植物材料の混合物を挙げることができる。エネルギー作物、又はその他の農業残渣（例えば、伐採残渣）又は別の種類の植物廃棄物又は植物由来廃棄物もまた植物材料として使用することができる。具体的な例示的植物材料には、スイッチグラス、ススキ、及び藻類などの「意図的な」エネルギー作物に加えて、トウモロコシ繊維、トウモロコシの葉茎、及びサトウキビバガスが含まれる。エネルギー作物などの短期輪作林業の生産物には、ハンノキ、アッシュ、サザンブナ、カバノキ、ユーカリ、ポプラ、ヤナギ、カジノキ、オーストラリアの黒檀、セイヨウカジカエデ、及びウスバギリの品種が含まれる。適切なバイオマスの別の例には、植物油、炭水化物（例えば、糖類）、古紙、建造物、解体廃棄物などの有機廃棄物、消化スラッジ、及びバイオスラッジが含まれる。したがって、代表的な炭素質供給原料は、これらの種類のバイオマスのいずれかを含む（又は含有する）。バイオマスを含む特定の炭素質供給原料には、都市固形廃棄物（ＭＳＷ）又はごみ固形燃料（ＲＤＦ）などのＭＳＷ由来の製品が含まれる。炭素質供給原料は、上記のものを含む、化石由来の物質と再生可能な物質の組み合わせを含むことができる。

ガス化装置の下流では、メタン生成物は、メタン化反応器放出物から直接得られるか、そうでなければ追加の精製及び／又は処理の後にこの放出物から回収することができる。プロセス全体におけるメタンを生成するための炭素利用、及び結果としてのメタン収率は、補給水素を添加することによって改善される（例えば、補給水素がないベースラインプロセスと比較して改善される）。例えば、炭素利用及び／又はメタン収率（例えば、バイオマス又は別の炭素質供給原料中に存在する炭素に基づく）は、補給水素（例えば、電解水素）が添加されないベースラインプロセスと比較して、少なくとも約３％、少なくとも約５％、又は少なくとも約１０％増加する場合がある。比較の目的で、そのベースラインプロセスを全てのガス化装置又はガス化ゾーンのパラメータについて同一に維持し、一方でメタン化反応器又はメタン化ゾーンは、ベースラインプロセスに従ってメタン収率を最大化するように操作することができる。

重要なことに、本明細書に記載のプロセスは、電解水素及び酸素の使用に関連する制約に対処するように操作することができ、電解酸素の必要量は、ガス化される炭素質供給物の量と種類によって全て又は主に管理することができる。一方、対応する生成された電解水素の量は、ガス化装置から得られる全てのＣＯとＣＯ_２をメタンに変換するのに準最適である可能性がある。この場合、メタン化反応器インレットのＣＯ及び／又はＣＯ_２濃度に影響を与えるプロセスの１つ以上の操作を調整又は制御して（例えば、連続フィードバックによって）、廃棄物を減らし、プロセス全体の経済性を高めることができる。調整される１つ以上の操作は、代替的に又は追加的に、メタン化反応器インレットのＣＯ／Ｈ_２及び／又はＣＯ_２／Ｈ_２モル比に影響を与えることができる。

いくつかの実施形態では、この調整又は制御を有利に使用して、メタン化反応器（又はメタン化ゾーン）におけるＣＯ及び／又はＣＯ_２の完全又は実質的に完全な変換を維持し、高品質の（例えば、それを当技術分野で理解されている「パイプライン品質」にするための特性を有する）メタン生成物を直接得るか、又は回収することができる。代表的なメタン生成物、又はバイオマスなどの再生可能な炭素質供給原料に由来する場合のＲＮＧ生成物は、以下のいずれか１つ又は任意の組み合わせとすることができる：（ｉ）少なくとも約９０モル％（例えば、約９０モル％〜約９９モル％）又は少なくとも約９５モル％（例えば、約９５モル％〜約９８モル％）のメタン濃度；（ｉｉ）約５モル％未満、又は約３モル％未満のメタン以外の炭化水素の濃度（例えば、Ｃ_２−Ｃ_６炭化水素の総濃度）；（ｉｉｉ）約０．０５モル％未満、又は約０．０１モル％未満の水素濃度；（ｉｖ）約２モル％未満、又は約１モル％未満のＣＯ_２濃度；及び／又は（ｖ）約１０モルｐｐｍ未満、又は約５モルｐｐｍ未満の硫黄濃度。パイプライン輸送に適したメタン生成品又はＲＮＧ生成品の別の特性には、純粋なメタンの５％以内の発熱量であること、及び、水や有毒性又は腐食性の汚染物質がないことが含まれる。いくつかの実施形態では、この生成物は、最大約４モル％（例えば、約１モル％〜約４モル％）の水素濃度を有する場合があるが、それにも関わらず、パイプライン品質と見なすことができる。通常、この生成物のＣＯ濃度は、約１モル％未満、例えば約０．１モル％未満である。

メタン化反応器インレットのＣＯ及び／又はＣＯ_２の量及び／又は濃度（例えば、この反応器に入る全メタン化反応器供給物又はガス内の）への影響によって、又はそうでなければ、メタン化反応器インレットのＣＯ／Ｈ_２及び／又はＣＯ_２／Ｈ_２のモル比への影響によって調整できる代表的な操作は、以下の操作を含むことができる：（ｉ）プロセスにおいてＣＯ及び／又はＣＯ_２を生成又は消費する（例えば、プロセスにおいて反応によってＣＯ及び／又はＣＯ_２を生成又は製造するか、そうでなければＣＯ及び／又はＣＯ_２を反応させ、それによってプロセスからこれらの成分の一方又は両方を消耗又は消費する）；又は、（ｉｉ）プロセス中のＣＯ又はＣＯ_２を追加及び／又は除去する（例えば、ＣＯ及び／又はＣＯ_２の追加の供給源、又はＣＯ及び／又はＣＯ_２を含む供給物をプロセスに導入するか、そうでなければこれらの成分の一方又は両方を含むストリームをプロセスから分離する）。この操作は、操作のインレットから操作のアウトレットまでのＣＯ及び／又はＣＯ_２の絶対濃度、あるいは相対量の変化（増加又は減少）（通常少なくとも約２％（例えば、約２％〜約３０％）、典型的には少なくとも約５％（例えば、約５％〜約３５％）、そして多くの場合、少なくとも約１０％（例えば、約１０％〜約３０％））を引き起こす可能性がある（操作をバイパスする流れを除く）。より具体的には、この操作は、その少なくとも一部が次にメタン化反応器内で反応する水素（例えば、電解水素）の補給量又は流量に応じて調整することができる。

したがって、ＣＯ及び／又はＣＯ_２を生成するか、そうでなければ追加する操作の場合、その操作は、比較的多量の補給水素で強化又は増加され、比較的少量の補給水素で低下又は減少され得る。反対に、ＣＯ及び／又はＣＯ_２を消費するか、そうでなければ別の方法で除去する操作の場合、その操作は、比較的多量の補給水素で低下又は減少され、比較的少量の補給水素で強化又は増加され得る。（ｉ）メタン化反応器インレットでのＣＯ及び／又はＣＯ_２の濃度又は全体量、及び／又は（ｉｉ）メタン化反応器インレットでのＣＯ／Ｈ_２及び／又はＣＯ_２／Ｈ_２モル比に影響を与える１つ以上の操作を調整する、すなわち強化又は低下させる能力は、バイオマス又は他の炭素質供給原料の炭素利用を改善するという観点から、本発明の重要な側面を構成する。

操作における強化又は増加は、例えば、その操作への供給物と接触するための溶媒又は抽出剤の流量を増加させることによって、又はそうでなければ、そのような接触に利用可能な吸着剤又は触媒などの固体床材料の量を増加させることによって（例えば、その材料を含む追加の容器を作動することによって）、その能力を増加させることを含むことができる。あるいは、強化は、例えば、動作温度及び／又は圧力を増加させることによって、及び／又はそうでなければ滞留時間を増加させる（例えば、空間速度を減少させる）ことによって、動作の程度を増加させることを含むことができる。反対に、操作における低下又は減少は、例えば、その操作への供給物と接触するための溶媒又は抽出剤の流量を減少させることによって、又はそうでなければ、そのような接触に利用可能な吸着剤又は触媒などの固体床材料の量を減少させることによって（例えば、その材料を含む容器を撤去することによって）、その能力を減少させることを含むことができる。あるいは、減少は、例えば、動作温度及び／又は圧力を低下させることによって、又はそうでなければ滞留時間を減少させる（例えば、空間速度を増加させる）ことによって、動作の程度を低下させることを含むことができる。また特定の操作は、操作への供給の全て又は少なくとも一部を操作から迂回させる、例えば操作の周囲をバイパスさせる調整によって、強化又は低下させることができる。バイパスの場合、バイパスされた操作への供給物は、プロセスにおいて通常実行される次の連続する操作などの下流操作への供給物の一部になる。特定の操作への全ての供給物の完全なバイパスの場合、プロセスは基本的にその操作なしで動作するか、又はその操作を除外する。

ＣＯ及び／又はＣＯ_２を生成、又はそうでなければ追加する操作の場合、強化又は増加は、より多くのＣＯ及び／又はＣＯ_２を一方向に生成又は追加する。ＣＯ及び／又はＣＯ_２を消費、又はそうでなければ除去する操作の場合、強化又は増加は、より多くのＣＯ及び／又はＣＯ_２を一方向に消費又は除去する。反対に、ＣＯ及び／又はＣＯ_２を生成、又はそうでなければ追加する操作の場合、低下又は減少は、より少ないＣＯ及び／又はＣＯ_２を一方向に生成又は追加する。ＣＯ及び／又はＣＯ_２を消費、又はそうでなければ除去する操作の場合、低下又は減少は、より少ないＣＯ及び／又はＣＯ_２を一方向に消費又は除去する。

本開示の知識を有することにより、当業者は、プロセスに加えられる水素の量（例えば、電解水素）に基づいて、必要に応じて、その性能を強化又は低下させるために所望の動作に対して実行できる調整の全範囲を容易に理解するであろう。

また本発明の特定の態様はプロセス制御に関連し、それにより、メタン化反応器インレットのＣＯ及び／又はＣＯ_２の濃度又は全体量に影響を与える、及び／又はメタン化反応器インレットのＣＯ／Ｈ_２及び／又はＣＯ_２／Ｈ_２モル比に影響を与えるプロセスの１つ以上の操作を、水素の補給量又は流量の変化に応じて調整することができる。例えば、制御は、メタン化反応器インレットの特定の組成が設定点として維持されるべきものであってもよく、その組成は、メタンへの変換におけるＣＯ及び／又はＣＯ_２の高い利用を可能にするものである。設定点の組成は、例えば、ＣＯ及び／又はＣＯ_２の濃度に対するメタン化反応器の供給物又はインレットにおけるＨ_２の濃度に基づくことができる。特定の設定点は、［Ｈ_２］／（３・［ＣＯ］）又は［Ｈ_２］／（３・［ＣＯ］＋４・［ＣＯ_２］）（括弧は成分濃度を示すために使用される）による濃度比（又はモル比）とすることができる。制御は、この比率、及び／又は、ＣＯ及び／又はＣＯ_２が利用される効率に関連する別の何らかの尺度を、１又はほぼ１の値（例えば、通常約０．７〜約１．５の範囲内、典型的には約０．８〜約１．３の範囲内、そして多くは約０．９〜約１．１の範囲内）に維持するようにできる。その設定点のこの比率又は別の測定値からの偏差に応じて、本明細書に記載のメタン化反応器インレットでのＣＯ及び／又はＣＯ_２の濃度又は全体量に影響を与える操作を自動又は手動で調整することができる。

例えば、水素の過剰濃度（例えば、増加した補給水素の量又は流量に起因する）を示す設定点からの偏差に応じて、ＣＯ及び／又はＣＯ_２を生成するか、そうでなければ追加する操作は、強化又は増加される可能性があり、あるいはＣＯ及び／又はＣＯ_２を消費するか、そうでなければ除去する操作は、低下又は減少される可能性がある。反対に、水素の濃度不足（例えば、減少した補給水素の量又は流量に起因する）を示す設定点からの偏差に応じて、ＣＯ及び／又はＣＯ_２を生成するか、そうでなければ追加する操作は、低下又は減少される可能性があり、あるいはＣＯ及び／又はＣＯ_２を消費するか、そうでなければ除去する操作は、強化又は増加される可能性がある。操作を強化又は低下させるための調整は、本明細書で特に説明されるもののいずれかに従うことができ、その強化又は減少の程度は、自動又は手動で制御され得る。（例：例えば供給物をバイパスさせることにより操作から供給物を迂回させる程度は、ＣＯ及び／又はＣＯ_２がメタン化反応器で利用される効率に関連する設定点からの偏差に応じて自動又は手動で調整することができる。）

メタン化反応器インレットＣＯ及び／又はＣＯ_２濃度に影響を与える特定の操作は、サワーシフト操作であり、これは、硫黄化合物の存在下で触媒水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応を実行する操作をいう。したがって、この操作のＷＧＳ反応器では硫黄耐性のＷＧＳ触媒が使用される。サワーシフト操作は、ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２に従って、ＷＧＳ反応によって水素を生成するために使用される。したがって、サワーシフト操作、又はガス化装置の下流及びメタン化反応器の上流で、通常、プロセスで使用できる任意のＷＧＳ操作は、ＣＯを消費し、ＣＯ_２とＨ_２の両方を生成する操作である。上記の操作の種類に従って、サワーシフト操作又は一般的なＷＧＳ操作を特徴付ける目的で、これは「ＣＯ及び／又はＣＯ_２を消費、又はそうでなければ除去する操作」と考えることができる。この操作は、調整された場合、通常、ＷＧＳ反応によるＨ_２の共生成により、過剰な水素に応じて低下又は減少し、不足した水素に応じて強化又は増加する。逆ＷＧＳ操作の場合、硫黄化合物の存在下又は非存在下で実行されるか否かに関わらず、これは逆に「ＣＯ及び／又はＣＯ_２を生成又は追加する操作」と考えることができる。メタン化反応器インレットＣＯ及び／又はＣＯ_２濃度に影響を与える別の特定の操作は、酸性ガス除去操作であり、これは、この操作でＣＯ_２が除去されるのに対し、ＣＯの量は供給物から生成物までは通常影響を受けないため、「ＣＯ及び／又はＣＯ_２を消費するか、そうでなければ除去する操作」である。「ＣＯ及び／又はＣＯ_２を生成、又はそうでなければ追加する操作」と考えることができるさらに別の特定の操作はガス化装置である。この操作は、調整された場合、通常、過剰な水素に応じて強化又は増加され、不足した水素に応じて低下又は減少される。この操作はガス化反応の結果としてＨ_２を共生成するが、この成分は通常、メタン化反応によれば、ＣＯに対する化学量論比未満で生成される。ガス化装置の操作を調整する特定の例では、この操作が比較的少量の補給水素で（例えば、水素の濃度が不足していることを示す設定点からの偏差に応答して）低下又は減少するように、供給物はガス化装置から迂回させることができる。その供給物は、プロセスに供給される酸素の全部又は一部を含み（例えば、酸素の補給量に含まれる）、その酸素が電解酸素及び／又は空気から分離された酸素を含む酸素含有ガス化装置供給物であってもよい。

（ｉ）メタン化反応器インレットのＣＯ及び／又はＣＯ_２の濃度又は全体量、及び／又は（ｉｉ）メタン化反応器インレットのＣＯ／Ｈ_２及び／又はＣＯ_２／Ｈ_２モル比に影響を与える特定のＷＧＳ（例、サワーシフト）、逆ＷＧＳ、酸性ガス除去、もしくはガス化装置の操作、又は通常の任意のプロセスの別の操作のいずれかに関しては、そのような操作は、例えば、供給物の少なくとも一部をバイパスすることによって、上記の通り（例えば、手動又は自動制御を使用して）その操作から供給物を迂回させることによって、都合よく調整することができる。十分な水素（例えば、電解水素）の補給量又は流量の場合、ＣＯ及び／又はＣＯ_２を消費するか、そうでなければ除去する任意の操作を、その操作が全く使用されなくなるまで減らすことが好都合であろう。例えば、炭素質供給原料中の炭素の所望の利用を達成する場合、サワーシフト操作及び／又は酸性ガス除去を完全にバイパスすることができる。したがって本発明の実施形態は、炭素質供給原料（例えば、バイオマス）のガス化とそれに続くメタン化のための本明細書に記載のプロセスを対象とし、このプロセスでは、補給水素源がプロセスに追加され、該プロセスはサワーシフト操作又は酸性ガス除去操作の一方又は両方を除外することで、例えば、このプロセスではメタン化反応器の上流で（ｉ）ガス化装置放出物中のＣＯ及び／又はＣＯ_２の量を実質的に調整しない、及び／又は（ｉｉ）ガス化装置放出物中のＣＯ／Ｈ_２及び／又はＣＯ_２／Ｈ_２のモル比を実質的に調整しないことが含まれる。すなわち、ガス化装置放出物中のＣＯ及び／又はＣＯ_２の相対量は、ＣＯ及び／又はＣＯ_２を実質的に生成、追加、消費、及び／又は除去する操作が存在しないことにより、より具体的には、実質的にＣＯ及び／又はＣＯ_２を消費及び／又は除去する操作が存在しないことにより、約１０％未満、約５％未満、又はさらには約２％未満で変化し得る（例えば、これらの成分のいずれかのモル数が増加又は減少し得る）。あるいは、又は追加的に、相対的なＣＯ／Ｈ_２モル比及び／又は相対的なＣＯ_２／Ｈ_２モル比は、これらのパーセンテージ範囲によって変更され得る。このようにして、有利には、ガス化装置で生成された実質的に全てのＣＯ及び／又はＣＯ_２は、メタン生成物（例えば、ＲＮＧ）の生成のためにメタン化反応器に供給され、好ましくはそこで利用することができる。

水素の補給量に応じて調整できる代表的な操作では、主にＣＯ及び／又はＣＯ_２以外の成分を除去するために使用される操作を除外できるが、それでも操作のインレット（又は操作への供給物の投入）から操作のアウトレット（又は操作から取り出された生成物）へのＣＯ及び／又はＣＯ_２の量及び／又は濃度の変化は最小限に抑えられる。除外され得るそのような操作（すなわち、本明細書に記載の通りに調整されない操作）は、タール、固体粒子、及び硫黄の除去に使用される操作を含み、具体的な操作は、タール変換操作、ガス濾過／スクラビング操作、追加の洗浄操作、及び硫黄除去操作である。これについては、以下に詳細に説明する。これらの操作はいずれも、ガス化ゾーン又は下流のメタン化ゾーンのどちらに属すると考えられかに関わらず、メタン化反応器に導入する前に、ガス化装置放出物に対して実行できる。

図１は、一般的な、メタンを生成するための、電解槽３５と、ガス化ゾーン１００及びメタン化ゾーン２００の統合を示す。このメタンは、すなわち、メタン化ゾーン２００からのメタン化反応器放出物２５中に存在し、ガス化ゾーン１００のガス化装置に供給される炭素質供給原料１０中の炭素から生成される。また、このゾーンに供給されるのは、補給量の酸素１４であり、完全に電解酸素１９として得ることができるか、そうでなければ電解酸素１９と、ＡＳＵ４５における補給空気４０の分離から得られる任意の空気分離ユニット（ＡＳＵ）酸素３２との組み合わせとして提供することができる。ＡＳＵ４５は、例えば、少なくとも約９０モル％、好ましくは少なくとも約９５モル％の酸素濃度を有するＡＳＵ酸素３２及び／又は補給量の酸素１４を得るためなどに、純粋な又は実質的に純粋な酸素を分離する任意の技術を含むことができる。したがって、ＡＳＵは、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）又は真空圧力スイング吸着（ＶＰＳＡ）、膜分離、及び／又は溶融塩ベースの酸素分離を含むか、又は備えることができる。補給空気４０から不活性窒素を除去するためのＡＳＵ４５の使用は、ガス化装置及び下流の処理操作に関連する装置を含む装置のサイズを縮小し、ガス化装置放出物と下流の生成品（本明細書に記載される例示的な下流操作及び生成品）の発熱量を改善するという点で有益である可能性がある。

酸素１４の補給量は、炭素質供給原料１０の補給量に基づいて少なくとも部分的に（例えば、大部分は、又は、まさに全体的に）決定することができる。いくつかの実施形態によれば、酸素１４の補給量は、炭素質供給原料の補給量及び種類（特に炭素質供給原料１０の特性（例えば、その炭素含有量）の有意な変化が特定の操作の過程で発生する場合）の両方に基づいて決定することができる。例えば、酸素の補給量は、ＣＯ_２への酸化に必要な化学量論的酸素のパーセンテージなど、炭素質供給原料中に存在する炭素の所望の程度の酸化に必要な量とすることができる。代表的な実施形態では、酸素の補給量は、例えば、通常、この化学量論的必要量の約２０％〜約９５％、典型的には約３０％〜約９０％、そして多くの場合、約４０％〜約８０％とすることができる。

図２により明確に示されるように、酸素含有ガス化装置供給物１４ａとして、酸素１４の補給量の全部又は一部をガス化ゾーン１００のガス化装置１０５に供給し、この補給量の任意の一部１４ｂをタール変換操作１１０に使用することができる。したがって、酸素含有ガス化装置供給物１４ａは、電解槽３５から得られる電解酸素１９を含むことができ、任意に、ＡＳＵ４５から得られるＡＳＵ酸素３２をさらに含むことができる。酸素含有ガス化装置供給物１４ａは、ガス化装置１０５の上流又は内部で混ぜ合わせるか否かに関わらず、ガス化装置１０５に供給又は添加される全てのガスを指すことができる。例えば、酸素含有ガス化装置供給物１４ａは、ガス化装置１０５の上流で電解酸素１９及び／又はＡＳＵ酸素３２と混ぜ合わせることができる、あるいは別のＨ_２Ｏ及び／又はＣＯ_２含有供給物１２としてガス化ゾーン１００又はより具体的にはガス化装置１０５に導入されるＨ_２Ｏ及び／又はＣＯ_２などの別の酸素化ガス成分をさらに含むことができる。

図１のより一般的なフロースキームにさらに示されるように、電解酸素１９に加えて、また電解槽は、例えば添加された水３０の電解から、電解酸素に対して化学量論量である補給量（例えば、電解酸素１モル当たり２モルの電解水素）で、電解水素１８をも生成する。電解水素１８は、ガス化ゾーン放出物１６の少なくとも一部と混ぜ合わされ、組み合わせたメタン化ゾーン供給物２０を提供することができる。あるいは、電解水素１８はメタン化ゾーン２００内で、例えば、図２のより詳細なフロースキームに示される操作などのメタン化ゾーン２００の操作のいずれかまたは任意の組み合わせへの供給物と組み合わせることができる。好ましい実施形態によれば、電解水素１８はメタン化反応器供給物２１２と組み合わされるか、そうでなければメタン化反応器２２５に直接添加される。電解水素１８がプロセスに添加される場所（例えば、ガス化ゾーン１００もしくはその構成操作１０５、１１０、１１５、１２０及び／又は１２５のいずれかへの供給物、又はメタン化ゾーン又はその構成操作２１０、２１５、２２０及び／又は２２５のいずれかへの供給物）に関わらず、電解水素１８は、炭素質供給原料１０のガス化から生成される炭素酸化物（ＣＯ及び／又はＣＯ_２）との反応によって、メタン化反応器放出物２５中で得られるメタンの収率を改善することができる。

図１によると、さらなるプロセス統合は、ガス化ゾーン１００からのガス化ゾーンエネルギー１５及び／又はメタン化ゾーン２００からのメタン化ゾーンエネルギー１７の回収によって実現することができる。このエネルギーは、電気エネルギーの形態で電解槽３５に提供され、電解槽３５の必要量のいくらか又は全てを満たすことができる。図２に示されるように、ガス化装置１０５で使用される高温を考慮して、メタン化反応器２２５で発生する高発熱反応に加えて、これらの操作１０５、２２５の下流の生成物から熱を回収することができる。例えば、ガス化装置熱回収操作１１５（例えば、熱交換器を備える）を使用して、ガス化ゾーンエネルギー１５を電気の形で生成する発電機１２１に渡される高圧蒸気の形態などで、ガス化装置の熱１１８を回収することができる。同様に、メタン化反応器熱回収操作２３０（例えば、熱交換器を備える）を使用して、メタン化ゾーンエネルギー１７を電気の形で生成する発電機２２１に渡される高圧蒸気の形態などで、メタン化反応器の熱２１８を回収することができる。図２に示される実施形態では、ガス化器熱回収操作１１５は、高温タール変換生成物１０６から熱を回収する。一方、メタン化反応器熱回収操作２３０は、高温メタン化生成物２１６から熱を回収する。熱及び多くの低品質熱は、例えば、電気分解に使用される水３０を予熱及び／又は前処理する目的で、ガス化装置熱回収操作１１５及び／又はメタン化反応器熱回収操作２３０を使用して、プロセスから回収することができる。本開示の知識を有する当業者は、様々な形態の熱が、本明細書に記載される統合されたプロセスのいくつかの流れのいずれかから回収及び利用できることを理解するであろう。プロセス統合のさらに別の可能性は、水、例えば、ガス化装置１０５に供給される及び／又はガス化装置１０５で生成される水をプロセスから回収することから生じ得る。そのような水は、高温メタン化生成物２１６及び／又はメタン化反応器放出物２５を含む、本明細書に記載の任意の操作の放出物から、より具体的に回収（例えば、凝縮）することができる（例えば、メタン化反応器熱回収操作２３０の結果として）。回収された水は、例えばプロセスにおいて外部の水が必要とされない方法で、電気分解に使用される水３０の全部又は一部を有利に提供することができる（すなわち、プロセスは水の消費必要量を満たすため、水の回収が十分であるという点で自立している）。

図２は、図１に示されるプロセスのより詳細な説明を提供するが、ガス化装置１０５の下流、且つ、メタン化反応器２２５の上流で実行される操作を示す。これは、すなわち、ガス化装置放出物１０３に対して実行されると考えられる連続操作であり、メタン化反応器供給物２１２を提供する。個々の操作は、その操作への供給物と比較して、その操作の生成物の少なくとも１つの特性（例えば、組成、温度、及び／又は圧力）が変更されているそれぞれの供給物及び生成物の流れに関連付けて考えることができる。また、ひとつの操作の結果は、次に続く操作への供給物と考えることができる。上記の通り、操作は、メタン化反応器供給物２１２のＣＯ及び／又はＣＯ_２濃度（メタン化反応器インレットＣＯ濃度又はメタン化インレットＣＯ_２濃度）に影響を与える場合もあれば、影響を与えない場合もあり、又は実質的に影響を与える場合もあれば、実質的に影響を与えない場合もある（例えば、それらは上記の範囲で、操作のインレットから操作のアウトレットまで（操作をバイパスする流れを除く）のＣＯ及び／又はＣＯ_２の絶対濃度、あるいは相対量の変化（増加又は減少）を引き起こす可能性がある）。あるいは、又はさらに、操作は、メタン化反応器供給物２１２のＣＯ／Ｈ_２モル比及び／又はＣＯ_２／Ｈ_２モル比（メタン化反応器インレットＣＯ／Ｈ_２モル比又はメタン化インレットＣＯ_２／Ｈ_２モル比）に影響を与える場合もあれば、影響を与えない場合もあり、又は実質的に影響を与える場合もあれば、実質的に影響を与えない場合もある（例えば、それらは上記の範囲で、操作のインレットから操作のアウトレットまで（操作をバイパスする流れを除く）のＣＯ／Ｈ_２及び／又はＣＯ_２／Ｈ_２の絶対モル比、あるいは相対モル比の変化（増加又は減少）を引き起こす可能性がある）。

図２の実施形態では、いくつかの操作はガス化ゾーン１００で実行されるように示され、一方、別の操作はメタン化ゾーン２００で実行されるように示される。これらのゾーン１００と２００の間の境界はコンプレッサー２０５であり、これにより、プロセス圧力がガス化装置１０５の条件に関連する圧力（ガス化装置１０５とコンプレッサー２０５の間の機器で発生する圧力損失を差し引いたもの）から、メタン化反応器２２５の条件に関連する圧力（コンプレッサー２０５とメタン化反応器２２５の間の機器で発生する圧力損失を加えたもの）に増加する。したがって、いくつかの実施形態によれば、ガス化ゾーン１００における操作は、比較的低い圧力で、例えば、通常約０．１メガパスカル（ＭＰａ）（１４．５ｐｓｉ）から約３ＭＰＡ（４３５）の絶対圧力で実行でき、一方、メタン化ゾーン２００における操作は、比較的高い圧力、例えば、約２ＭＰＡ（２９０ｐｓｉ）から約６．５ＭＰＡ（９４３ｐｓｉ）の絶対圧力で実行できると理解できる。しかしながら、本開示の知識を有する当業者は、ガス化ゾーン１００に示される操作のうちの１つ以上が、代替的に、メタン化ゾーン２００で実行できること、及び逆の場合も同じであることを認識するであろう。操作は、示されている順序とは異なる順序で実行される場合と、除外される場合がある。さらに、図示された操作は、特定の図示された操作の上流及び／又は下流で生じる１つ以上の追加の工程又は操作（例えば、反応（例えば、ＣＯＳ加水分解）、熱の投入又は回収、水の除去、補助供給物ストリームとの混合、中間生成物ストリームの分離（例えば、ＮＨ_３除去のため）、プロセスの一部を用いたバイパスされた１つ以上の操作、及び／又は、同じ操作もしくは上流操作に戻るプロセスストリームの一部のリサイクル）の可能性を妨げない。

したがって代表的なプロセスは、炭素質供給原料１０の特性及びガス化装置１０５内の状態（両方とも影響を与える）並びにガス化装置放出物１０３の組成に少なくとも部分的に依存する図２に示される特定の操作のうちの１つ以上と、その結果ガス化ゾーン１００及び／又はメタン化ゾーン２００で必要とされる、メタン化反応器供給物２１２の適切な組成を提供するための後続の処理操作を含むことができる。図２に示される特定の実施形態では、図２に示されるように、（ｉ）代替的にタール変換供給物であるガス化装置放出物１０３は、タール変換操作１１０で処理されて、タール濃度が低減された高温タール変換生成物１０６を提供する；（ｉｉ）代替的にガス化装置熱回収供給物である高温タール変換生成物１０６は、ガス化装置熱回収操作１１５で冷却され、上記の通り、ガス化装置の熱１１８に加えて、より低い温度を有するガス化装置熱回収生成物１０９を提供する。；（ｉｉｉ）代替的にガス濾過／スクラビング供給物であるガス化装置熱回収生成物１０９は、ガス濾過／スクラビング操作１２０で処理され、固体粒子含有量が低減されたガス濾過／スクラビング生成物１１２を提供する；（ｉｖ）代替的に追加の洗浄供給物であるガス濾過／スクラビング生成物１１２は、追加の洗浄操作１２５で処理されて、例えば上記の通り、凝縮性炭化水素（例えば、ベンゼン及び／又はナフタレン）の濃度が低減されたガス化ゾーン放出物として追加の洗浄生成物１６を提供する；（ｖ）代替的にメタン化ゾーン供給物（又は、電解水素１８の少なくとも一部と混ぜ合わされた場合、上記の通り組み合わせたメタン化ゾーン供給物２０）であるガス化ゾーン放出物１６は、コンプレッサー２０５で圧縮されて、より高い圧力を有する圧縮生成物２０３を提供する。；（ｖｉ）代替的にサワーシフト供給物である圧縮生成物２０３は、サワーシフト操作２１０で処理されて、より高いＨ_２濃度を有するサワーシフト生成物２０６を提供する；（ｖｉｉ）代替的に硫黄除去供給物であるサワーシフト生成物２０６は、硫黄除去操作２１５で処理されて、硫黄化合物（例えば、Ｈ_２Ｓ及び／又はＣＯＳ）の濃度が低減された硫黄除去生成物２０９を提供する；及び（ｖｉｉｉ）代替的に酸性ガス除去供給物である硫黄除去生成物２０９は、酸性ガス除去操作２２０において生成され、例えば上記の通り、メタン化反応器供給物２１２としてＣＯ_２濃度がより低い酸性ガス除去生成物を提供する。上記の通り、メタン化反応器供給物２１２は、メタン化反応器２２５で処理されて、ＣＯ及びＣＯ_２をＨ_２と反応させ、それにより、より高濃度のメタンを有する高温メタン化生成物２１６を提供する。メタン化反応器２２５の下流で、代替的にメタン化反応器熱回収供給物である高温メタン化生成物２１６は、メタン化反応器熱回収操作２３０で冷却され、上記の通りメタン化反応器の熱２１８に加えて、より低い温度のメタン化反応器放出物２５を提供する。高温メタン化生成物２１６及び／又はメタン化反応器放出物２５は、乾燥に供することができ、乾燥工程で除去された水は、上記の通り回収及び使用されて、電気分解のための水３０の全部又は一部を提供することができる。

図２に示されるように、補給水素の例示的な供給源としての電解水素１８は、ガス化ゾーン放出物１６と組み合わせることができ、その結果、単一のコンプレッサー２０５のみが下流のメタン化に必要とすることができる。あるいは上記の通り、電解水素１８は、例えば、追加の圧縮源（図示せず）を使用して、圧縮生成物２０３、サワーシフト生成物２０６、硫黄除去生成物２０９、及び／又はメタン化反応器供給物２１２のいずれかと組み合わせることができる。例えば、電解水素１８をサワーシフト生成物２０６と組み合わせると、ＷＧＳ反応の平衡限界を考慮して、サワーシフト操作２１０における水素への変換を改善することができる。電解水素１８を硫黄除去生成物２０９、及び／又はメタン化反応器供給物２１２のいずれかと組み合わせると、硫黄除去操作２１５及び／又は酸性ガス除去操作２２０を通る全体の流れが減少し、それにより、これらの操作に対応して機器のサイズが縮小されるため、資本コストと作業コストを削減できる。

ガス化ゾーン１００は、通常約５００℃（９３２°Ｆ）〜約１０００℃（１８３２°Ｆ）、及び典型的には約７５０℃（１３８２°Ｆ）〜約９５０℃（１７４２°Ｆ）の温度を含むガス化装置の条件（例えば、ガス化反応器に存在する条件）の下で動作する１つ以上のガス化装置（例えば、直列又は並列で動作する）を含むことができる。多くの場合、ガス化装置は、炭素質供給原料の粒子の流動床を有するガス化反応器で操作され、酸素含有ガス化装置供給物、及び任意にＨ_２Ｏ及び／又はＣＯ_２含有供給物が粒子床を通して上方に供給される。別のガス化反応器の構成には、向流固定床（「上向通気」）、並流固定床（「下向通気」）、及び同伴プラズマが含まれる。ガス化装置の条件には、大気圧又は高圧、例えば、通常約０．１メガパスカル（ＭＰａ）（１４．５ｐｓｉ）から約１０ＭＰａ（１４５０ｐｓｉ）、典型的には約１ＭＰａ（１４５ｐｓｉ）から約３ＭＰａ（４３５ｐｓｉ）の絶対圧力も含まれる。ドロマイトの固体粒子、担持ニッケル、アルカリ金属、並びに、アルカリ金属炭酸塩、重炭酸塩、及び水酸化物などのアルカリ金属化合物を含む、様々な触媒材料をガス化反応器で使用することができる。タール還元、Ｈ_２収率の向上、及び／又はＣＯ_２収率の低下など、ガス化における１つ以上の所望の機能に対して異なる活性を有する様々な触媒を使用することができる。石灰石は、例えば、分解によるタールの減少を促進するために、ガス化反応器に添加することができる。合成ガスとも呼ばれるガス化装置放出物には、通常、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２、水、メタン、硫黄化合物（Ｈ_２Ｓ及び／又はＣＯＳなど）、窒素化合物（ＮＨ_３など）、タール、及び固体微粒子が含まれる。代表的な実施形態によれば、ガス化装置放出物のＨ_２濃度は、通常、約１０モル％〜約５５モル％であり、典型的には、約２０モル％〜約４５モル％である。ＣＯ及びＣＯ_２濃度は、それぞれ、通常、約５モル％〜約５０モル％であり、典型的には、約１５モル％〜約３５モル％である。メタン濃度は、通常、約１モル％〜約１５モル％であり、典型的には、約２モル％〜約１０モル％である。ガス化装置放出物は、主に（例えば、少なくとも約７５モル％、少なくとも約８０モル％、又は少なくとも約８５モル％の合計濃度で）成分ＣＯ、ＣＯ_２、水、及びＨ_２を含み得る。

タール変換操作１１０を使用して、ガス化によって生成されるガス化装置放出物中のタール（ベンゼンの沸点温度よりも高い沸点温度を有する有機化合物）の濃度を低減することができる。タール変換又はタール改質によって除去される化合物には、Ｃ_６ ^＋炭化水素（例えば、トルエン及び／又はナフタレン）及びフェノールなどの酸素化物が含まれる。タールの変換がない場合、バイオマスのガス化によって生成されるタールの量は、時間の経過とともに、腐食及び／又は詰まりなどの下流の機器に深刻な問題を引き起こすのに十分な場合がある。タール変換操作は、例えばガス化装置の下流の二次流動床の形態で、固体もしくは担持Ｎｉ、固体もしくは担持Ｆｅ、及び／又はドロマイトを含む触媒床を含む別個の反応器を含むことができる。タール変換のための別の触媒には、かんらん石、石灰石、ゼオライト、さらにはガス化から生成される金属含有炭化物が含まれる。あるいは、タールは非触媒部分酸化によって変換することができる。一実施形態によれば、タールは、分解と水蒸気改質の両方によって変換されて、多くの場合、最初に得られるメタンの収率を維持しながら、最初にガス化から得られるＨ_２及びＣＯ_２の収率を有益に増加させることができる。タール変換反応は、ガス化装置で使用される温度よりも高い温度、例えば、１０００℃超（例えば、約１０００℃（１８３２°Ｆ）〜約１２５０℃（２２８２°Ｆ））で実施することができる。

ガス濾過／スクラビング操作１２０を使用して、ガス化装置放出物中の固体粒子（微粒子）を除去することができる。バイオマスのガス化の場合、形成される固体粒子には、炭化物、タール、煤、及び灰が含まれ、これらのいずれもが、通常、ナトリウムなどのアルカリ金属を含む可能性がある。塩化物、ヒ素、及び／又は水銀などの腐食性及び／又は有害な種もまた、その微粒子に含まれる可能性がある。例えば金属又はセラミックフィルターの束を使用する高温濾過は、通常、ガス化装置放出物中の微粒子の含有量を１重量ｐｐｍ未満、場合によっては０．１重量ｐｐｍ未満に減らすのに十分な可能性がある。いくつかの実施形態では、ガス濾過／スクラビング操作１２０は、タール変換操作１１０の上流で（前に）実行されて、後者がより効果的に動作することを可能にできる。

追加の洗浄操作１２５を使用して、例えば、炭素床などの固体の「研磨」材料と接触させることにより、ガス化装置放出物のタール及び全体的な炭化水素含有量をさらに低減することができる。これは、ベンゼン、ナフタレン、トルエン、フェノール、並びに、別の点でコンプレッサー２０５の動作に有害な可能性がある、及び／又は、メタン化反応器で使用される触媒上に堆積し、それによって触媒の失活を引き起こす（例えば、触媒の触媒的に活性なＮｉ部位の遮断による）可能性がある別の凝縮性種のより完全な除去を提供することができる。

サワーシフト操作２１０は、硫黄化合物の存在下でＷＧＳ反応を実行するために使用することができ、それにより、ガス化装置から得られる最初のガス化装置放出物中の濃度と比較してＨ_２の濃度（又はＨ_２：ＣＯモル比）を増加させる。この操作は、コバルト−モリブデン触媒などの、Ｈ_２Ｓ及び／又はＣＯＳの存在下での失活に耐性のある適切な触媒を有する１つ以上のＷＧＳ反応器（例えば、直列又は並列で動作する）を含むことができる。この目的のための別の触媒には、銅含有及び／又は亜鉛含有触媒に基づくもの、例えば、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ；クロム含有触媒；酸化鉄；亜鉛フェライト；マグネタイト；酸化クロム；及びそれらの任意の組み合わせ（例えば、Ｆｅ_２Ｏ_３−Ｃｒ_２Ｏ_３触媒）が含まれる。触媒ＷＧＳ反応の条件には、約１５０℃（３０２°Ｆ）〜約４００℃（７５２℃）の温度が含まれる。

硫黄除去操作２１５は、ガス化装置放出物中のＨ_２Ｓ、ＣＯＳ、及び／又はＳＯ_２を含む硫黄化合物の濃度を低減するために使用することができる。バイオマスを含む炭素質供給原料中の微量の硫黄の存在によるこれらの化合物は、例えば、触媒の触媒的に活性なＮｉ部位での硫化ニッケルの形成に起因して、メタン化反応器で使用される触媒に有害（例えば、毒）である可能性がある。硫黄除去操作は、プロセスの任意の段階（例えば、図２に示されるサワーシフト操作の下流）で、本質的に硫黄を含まない（例えば、全硫黄が１重量ｐｐｍ未満、例えば０．１重量ｐｐｍ未満である）生成物を得るのに適したガード床とガス化装置放出物を接触させることを含むことができる。適切なガード床材料には、鉄含有吸着剤（鉄「スポンジ」）材料及び／又は酸化亜鉛などの水処理で使用される材料が含まれる。

酸性ガス除去操作２２０は、ガス化装置から得られるガス化装置放出物中の最初のそれぞれの濃度に対して、及び／又は、サワーシフト生成物で得られるそれぞれの濃度に対して、ＣＯ_２及び／又は別の酸性ガス（例えば、Ｈ_２Ｓ）の濃度を低減するために使用することができる。酸性ガス除去操作は、Ｓｅｌｅｘｏｌ（商標）（ポリエチレングリコールのジメチルエーテル）、Ｒｅｃｔｉｓｏｌ（商標）（冷メタノール）、又はそれらの組み合わせなどの物理的溶媒と接触する１つ以上の工程を利用することができる。モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、メチルジエタノールアミン、ジイソプロピルアミン、もしくはジグリコールアミンなどの１つ以上のアミン溶媒、又はメタノール、炭酸カリウム、アミノ酸のナトリウム塩の溶液なども使用して、酸性ガスの少なくとも一部を除去することができる。メタン化反応器の上流の酸性ガス除去生成物は、通常約２モル％から約４０モル％、典型的には約５モル％から約２０モル％のＣＯ_２濃度を有する場合があり、また総硫黄濃度は約０．１ｍｏｌ−ｐｐｍ未満の場合がある。

メタン化ゾーン２００は、１つ以上のメタン化反応器（例えば、直列又は並列で動作する）を含み、ＣＯ及び／又はＣＯ_２を水素と反応させ、それによって高温のメタン化生成物、及び／又は、最終的に、ガス化装置から得られるガス化装置放出物中の最初のメタン濃度と比較して、著しく高いメタン濃度を有するメタン化反応器放出物を提供することができる。メタン化反応器での使用に適した触媒には、ルテニウム及び／又は別の貴金属などの担持金属、並びにモリブデン及びタングステンが含まれる。しかしながら、一般的に、担持ニッケル触媒が最も費用効果が高い。多くの場合、メタン化反応器は、触媒の固定床を使用して操作される。メタン化反応器に適した別の条件には、通常、約２５０℃（４８２°Ｆ）〜約６００℃（１１１２°Ｆ）、及び典型的には、約３５０℃（６６２°Ｆ）〜約５００℃（９３２°Ｆ）の温度が含まれる。メタン化条件には、通常、約１．４（ＭＰａ）（２０３ｐｓｉ）〜約６．９ＭＰａ（１０００ｐｓｉ）、及び典型的には、約２．８ＭＰａ（４０６ｐｓｉ）〜約５．５ＭＰａ（７９８ｐｓｉ）の絶対圧力も含まれる。メタン化反応器放出物（例えば、ＲＮＧ生成物）、又はこの放出物から回収される生成物中のメタンの濃度は、通常、少なくとも約６０モル％（例えば、約６０モル％〜約９９．９モル％）、及び典型的には、少なくとも約８０モル％（例えば、約８０モル％〜約９９モル％）の場合がある。その放出物及び／又は生成物は、上記の通り、「パイプライン品質」のメタンの別の特性を有する場合がある。

全体として、本発明の態様は、水素、例えば、化学量論量の電解酸素と組み合わせて、メタンの生成のための統合されたガス化とメタン化プロセスに供給される補給源としての電解水素の利用の改善に関する。本開示の知識を有する当業者は、本開示の範囲から逸脱することなく、これらの利点及び別の利点を達成するためのこれらのプロセスに様々な変更を加えることができることを認識するであろう。すなわち、本開示の特徴は、改変及び／又は置換を受けやすく、本明細書に例示及び記載される特定の実施形態は、例示のみを目的とし、添付の特許請求の範囲に記載される本発明を限定するものではないと理解されるべきである。

Claims (21)

1. 以下の工程を含むメタンを生成するためのプロセス：
   ガス化装置において、炭素質供給物を酸素含有ガス化装置供給物と接触させて、ＣＯ、ＣＯ_２及びＨ_２を含むガス化装置放出物を提供する工程；
   メタン化反応器において、電解槽から得られる電解水素を、ガス化装置放出物中のＣＯ及び／又はＣＯ_２の少なくとも一部と反応させて、メタンを形成する工程；
   電解水素の補給量に応じて、プロセスの操作を調整し、メタン化反応器インレットのＣＯ濃度又はメタン化反応器インレットのＣＯ_２濃度に影響を与える工程。
2. メタン生成物をメタン化反応器放出物として得ること、又はメタン生成物をメタン化反応器放出物から回収することをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
3. メタン化反応器インレットのＣＯ濃度又はメタン化反応器インレットのＣＯ_２濃度に影響を与えるプロセスの操作が（ｉ）プロセスにおいてＣＯもしくはＣＯ_２を消費もしくは生成する、又は（ｉｉ）プロセス中のＣＯもしくはＣＯ_２を追加もしくは除去する、請求項１又は２に記載のプロセス。
4. メタン化反応器インレットのＣＯ濃度又はメタン化反応器インレットのＣＯ_２濃度に影響を与えるプロセスの操作が、プロセスでＣＯを消費しＣＯ_２を生成するサワーシフト操作、又はプロセスでＣＯ及びＣＯ_２を除去する酸性ガス除去操作である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプロセス。
5. 操作が、該操作への供給物の少なくとも一部をバイパスすることによって調整される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプロセス。
6. 約０．７〜約１．５のメタン化反応器インレット比［Ｈ_２］／（３・［ＣＯ］＋４・［ＣＯ_２］）を得るために操作を調整する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のプロセス。
7. 炭素質供給物が石炭又はバイオマスを含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載のプロセス。
8. 酸素含有ガス化装置供給物が電解槽から得られる電解酸素を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載のプロセス。
9. 酸素含有ガス化装置供給物が空気分離ユニットから得られるＡＳＵ酸素をさらに含む、請求項８に記載のプロセス。
10. 電解酸素及びＡＳＵ酸素が、炭素質供給原料の補給量に基づいて少なくとも部分的に決定される酸素の補給量を提供する、請求項９に記載のプロセス。
11. 酸素含有ガス化装置供給物がさらにＨ_２Ｏ及び／又はＣＯ_２を含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のプロセス。
12. ガス化装置の下流、且つ、メタン化反応器の上流の１つ以上の操作をさらに含み、該１つ以上の操作がガス化装置放出物に対してそれぞれ１つ以上の処理工程を実行し、該処理工程が、タール変換、熱の回収、濾過／スクラビング、追加の洗浄、及び硫黄除去からなる群から選択される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のプロセス。
13. 再生可能天然ガスを製造するための統合されたガス化、メタン化、及び電気分解プロセスであって、以下の工程を含み：
    ガス化ゾーンのガス化装置において、バイオマスを、電解槽内での水の電気分解から得られる電解酸素を含む酸素含有ガス化装置供給物と接触させて、ＣＯ、ＣＯ_２及びＨ_２を含むガス化ゾーン放出物を提供する工程；
    メタン化ゾーンのメタン化反応器において、ガス化ゾーン放出物中のＣＯ及び／又はＣＯ_２の少なくとも一部をメタンに変換する工程；及び、
    再生可能天然ガスをメタン化ゾーン放出物として得る、又は再生可能天然ガスをメタン化ゾーン放出物から回収する工程；
    ガス化ゾーン又はメタン化ゾーンが、ＣＯ濃度又はＣＯ_２濃度に影響を与える少なくとも１つの操作を含み、
    さらに電解槽から得られる電解水素の補給量に応じて操作を調整する工程を含む、プロセス。
14. ガス化ゾーンが、ガス化装置に加えて、タール変換操作、ガス化装置熱回収操作、ガス濾過／スクラビング操作、及び追加の洗浄操作からなる群から選択される１つ以上の操作を含む、請求項１３に記載のプロセス。
15. メタン化ゾーンが、メタン化反応器に加えて、サワーシフト操作、硫黄除去操作、酸性ガス除去操作、及びメタン化反応器熱回収操作からなる群から選択される１つ以上の操作を含む、請求項１３又は１４に記載のプロセス。
16. ＣＯ濃度又はＣＯ_２濃度に影響を与える少なくとも１つの操作が、サワーシフト操作、又は酸性ガス除去操作である、請求項１５に記載のプロセス。
17. ガス化ゾーン放出物の少なくとも一部を電解槽から得られる電解水素と合わせてメタン化ゾーンで反応させ、メタン化ゾーン放出物中のメタンの少なくとも一部を提供することをさらに含む、請求項１３〜１６のいずれか一項に記載のプロセス。
18. 電解水素が、バイオマス中に存在する炭素に基づくメタン収率を、電解水素が添加されないで実行されるベースラインプロセスと比較して、少なくとも約１０％増加させる、請求項１７に記載のプロセス。
19. メタン化ゾーン放出物として得られる、又はメタン化ゾーン放出物から回収される再生可能天然ガスが、パイプライン品質の天然ガスである、請求項１３〜１８のいずれか一項に記載のプロセス。
20. 以下の工程を含むメタンを生成するためのプロセス：
    炭素質供給原料をガス化して、ＣＯ、ＣＯ_２、及びＨ_２を含むガス化装置放出物を提供する工程；
    補給量の水素をメタン化反応器又はメタン化反応器の上流に導入して、補給水素の少なくとも一部をガス化装置放出物中のＣＯ及び／又はＣＯ_２の少なくとも一部と反応させてメタンを形成する工程；及び、
    水素の補給量に応じてプロセスの動作を調整する工程。
21. ガス化装置放出物の処理工程である、サワーシフト又は酸性ガスの除去のうち少なくとも１つの処理工程を除外する、請求項２０に記載のプロセス。

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