JP2021536417A - Ｃｏ２および１または複数の炭化水素を含むガス流の処理による合成ガスの製造方法 - Google Patents
Ｃｏ２および１または複数の炭化水素を含むガス流の処理による合成ガスの製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
本発明は、ＣＯ２および１または複数の炭化水素を含むガス流の処理による合成ガスの製造方法に関する。本発明によれば、この方法は、ａ）１０体積％〜５０体積％のＣＯ２、および１０体積％〜５０体積％の１または複数の炭化水素を含むガス流を供給するステップと、ｂ）非移行式アークプラズマトーチからプラズマジェットを生成するステップと、ｃ）前記プラズマトーチの下流において、前記ガス流を前記プラズマジェットと混合するステップと、ｄ）前記ガス流の合成ガスへの変換を確実にするために、前記混合物を長い反応器内に伝播するステップとを含む。
Description
本発明は、特に火力発電所、および鉄工業またはセメント工業などの工場設備から排出されるガス流における、二酸化炭素（ＣＯ２）の排出の削減の一般的な分野に関する。
本発明は、詳細には、ＣＯ２および１または複数の炭化水素を含むガス流の処理による合成ガスの製造方法を対象とする。
主要な温室効果ガスである二酸化炭素の削減は、気候の温暖化と闘うための社会の主要な問題点の１つとなっている。
しかしながら、特に人口の増加および１人あたりの平均生活水準の上昇から世界のエネルギー需要の増加が続いていることにより、今日、化石エネルギーから解放されることができなくなっている。
様々な解決策、例えば工業プロセスのエネルギー効率の改善、または最近ではＣＯ２の回収および地中貯留が採用もしくは研究されている。
新規のアプローチは、二酸化炭素を管理すべき制約ではなく、価値を高める、すなわち価値の高い製品を生成するために変換する（ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｏｕ ｃｏｎｖｅｒｔｉｒ）ことができる原料と考えることを対象とする。
このように、二酸化炭素を他の化学工業用の化学種、特にメタノール、エタノール、またはプロパノールなどに変換させるために、多くの研究が行われることとなった。
二酸化炭素からのエタノールの合成は、例えばフィッシャートロプシュ法など生体触媒による方法の実施によって行われる。
また、二酸化炭素によるメタンの改質反応も、遷移金属を主成分とする触媒（ルテニウムなど）の存在下で広く研究された。
しかしながら、これらの最先端の方法は、工業設備から排出される二酸化炭素を含んだガス流を処理するのに適していない。
それらは、確かに、具体的には高炉から発生したガス流中に、タールおよび酸性化合物など多くの不純物および微粒子を含む。
これらの方法ではまた、大きなガスの体積を処理することもできない。
ときに、これらの工場設備、特に製油所、セメント工場、および製鉄所の大気中へのガス排出は、主な二酸化炭素源である。
したがって、上記に挙げられた従来技術の欠点を克服できる、工業施設から排出されるガス流に含まれる二酸化炭素の新規の変換方法に対する喫緊の必要性がある。
本発明は、理解および操作方法が容易であり、信頼度が高く経済的であり、二酸化炭素の体積を削減可能な、ＣＯ２および１または複数の炭化水素を含むガス流の処理による合成ガスの製造方法を提案することによって、従来技術の欠点を緩和することを目的とする。
本発明の他の目的は、広い質および量の変動を示すガス流を許容できる、かかる方法である。
このため、本発明は、ＣＯ２および１または複数の炭化水素を含むガス流の処理による合成ガスの製造方法に関する。
本発明によれば、この方法は、
ａ）１０体積％〜５０体積％のＣＯ２、および１０体積％〜５０体積％の１または複数の炭化水素を含むガス流を供給するステップと、
ｂ）非移行式アークプラズマトーチからプラズマジェットを生成するステップと、
ｃ）前記プラズマトーチの下流において、前記ガス流を前記プラズマジェットと混合するステップと、
ｄ）前記ガス流の合成ガスへの変換を確実にするために、前記混合物を長い反応器内に伝播するステップと
を含む。
ａ）１０体積％〜５０体積％のＣＯ２、および１０体積％〜５０体積％の１または複数の炭化水素を含むガス流を供給するステップと、
ｂ）非移行式アークプラズマトーチからプラズマジェットを生成するステップと、
ｃ）前記プラズマトーチの下流において、前記ガス流を前記プラズマジェットと混合するステップと、
ｄ）前記ガス流の合成ガスへの変換を確実にするために、前記混合物を長い反応器内に伝播するステップと
を含む。
ＣＯ２および１または複数の炭化水素の体積がガス流の合計体積の１００％に等しくない場合、ガス流の残りは、窒素、水蒸気、水素、または一酸化炭素など様々な化学種を含み得る。
表現「下流に位置する」は、プラズマジェットの伝播する方向の、その向こうに位置することを意味する。
この合成ガスの製造方法の具体的な一実施形態によれば、ステップａ）で供給されたガス流は、主に（ｍａｊｏｒｉｔａｉｒｅｍｅｎｔ）ＣＯ２および１または複数の炭化水素を含む。
表現「主にＣＯ２および１または複数の炭化水素を含むガス流」は、二酸化炭素および１または複数の炭化水素からなる集合が豊富な、すなわち３０体積％を上回るＣＯ２および１または複数の炭化水素からなる集合、より良好には５０％を上回るこの集合を含むガス流を意味する。ガス流の残りは、窒素、水蒸気、水素、または一酸化炭素など様々な化学種を含み得る。
この合成ガスの製造方法の他の一実施形態によれば、ステップａ）において、処理すべき前記ガス流を第１のガス流と第２のガス流に分離し、次にステップｂ）において、少なくとも前記第２のガス流をプラズマジーンガスとして用いて非移行式アークプラズマトーチからプラズマジェットを生成し、次にステップｃ）において、前記プラズマトーチの下流において前記第１のガス流を前記プラズマジェットと混合し、ステップｄ）において、前記第１のガス流と前記プラズマジェットの合成ガスへの変換を確実にするために、長い反応器内に前記混合物を伝播する。
有利には、プラズマトーチに供給している前記プラズマジーンガスは、第２のガス流のみからなる。代替方法として、このプラズマジーンガスは、前記第２のガス流、および空気またはこの方法の他のガス流などプラズマジーンガスの組成を調整できる少なくとも１つの他のガス流を含み得る。
好ましくは、前記プラズマジェットを生成するために前記プラズマトーチに前記プラズマジーンガスを供給する場合、前記プラズマジーンガスは、前記第２のガス流中に含まれるタールなどの重炭化水素の露点を上回る温度である。したがって、好ましくは、前記プラズマジーンガスは、２０℃〜１５０℃の範囲の温度である。
かかる温度によって、トーチの詰まりの原因となり得る炭化水素の凝縮現象を避けることができる。
さらに、この合成ガスの製造方法の他の一実施形態によれば、前記トーチは主軸を有し、前記ジェットは前記トーチの主軸と実質的に同一線上にある伝播軸を有し、前記プラズマトーチは注入装置に取り付けられ、前記注入装置の少なくとも１つの入口において前記ガス流または前記第１のガス流を受け取り、前記入口は前記プラズマトーチの下流に位置し、前記プラズマジェットとの混合を確実にするために、少なくとも部分的に前記プラズマジェットと接触できるように前記ガス流または前記第１のガス流を注入する。
さらに、この合成ガスの製造方法の他の一実施形態によれば、前記長い反応器は前記注入装置の下流に位置し、それと連通しており、前記反応器は、前記プラズマジェットの伝播軸と実質的に同一線上にある縦軸を有する。
さらに、この合成ガスの製造方法の他の一実施形態によれば、処理すべき前記ガス流は、室温を上回る温度で供給される。
言い換えれば、処理すべきガス流は、製油、製鉄、または化学プロセスから生じ得るため、典型的には１５０℃未満の温度である高温のガスである。したがって、非移行式アークプラズマトーチを用いてプラズマジェットを生成するために、このガス流の一部をプラズマジーンガスとして用いることによって、その熱量を有利に保存できる。このとき、かかる実施形態によって、ガス流処理に必要な設備量がそれに応じて削減可能であり、したがって設備の小型化が確実になる。
さらに、この合成ガスの製造方法の他の一実施形態によれば、ステップａ）において、前記ガス流は大気圧を上回る圧力で供給されており、前記非移行式アークプラズマトーチに供給されるプラズマジーンガスは、前記反応器の稼働時の圧力に少なくとも等しいプラズマジェットを生成できる供給圧力Ｐｒａｌｉｍである。
言い換えれば、前記反応器は超過圧で動作しており、前記プラズマジェットは、前記反応器内を支配する圧力以上の圧力で生成される。
さらに、この合成ガスの製造方法の他の一実施形態によれば、処理すべき前記ガス流は、１０体積％〜５０体積％のＣＯ２、および１０体積％〜５０体積％のメタン（ＣＨ４）を含み、好ましくは主にＣＯ２およびメタン（ＣＨ４）を含む。
さらに、この合成ガスの製造方法の他の一実施形態によれば、前記ガス流または前記第１のガス流と、プラズマジェットとの間に乱流混合の領域を作り出すために、前記伝播軸とは別の方向に従って、前記ガス流または前記第１のガス流を注入する。
さらに、この合成ガスの製造方法の他の一実施形態によれば、前記ガス流または前記第１のガス流は、前記反応器と連通している注入装置の中に注入されており、水蒸気などステップｃ）で得られる混合物の組成を調整する少なくとも１つの流体を、前記注入装置または前記反応器の中に注入する。
例として、反応器内に水蒸気がある場合、一酸化炭素と遊離水素（Ｈ２）を生成するために炭素（Ｃ）が水（Ｈ２Ｏ）と反応し得る。
好ましくは、前記少なくとも１つの流体は、前記反応器または前記注入装置の少なくとも１つの入口から注入される。
本発明はまた、前述のような製造方法によって得られる合成ガスの処理方法に関する。本発明によれば、反応器から生じる合成ガスは、一酸化炭素（ＣＯ）と水素の混合物を含んでおり、ガス状の水素（Ｈ２）を生成するためにこの混合物を変換し、ガス状の水素（Ｈ２）を保管する。
本発明はまた、前述のような製造方法によって得られる合成ガスの処理方法に関する。本発明によれば、反応器から生じる合成ガスは、一酸化炭素（ＣＯ）と水素の混合物を含んでおり、メタノールを生成するためにこの混合物を変換する。
この処理によって、ＣＯ２分子を取り除き、２つのＣＨ３ＯＨを生成することができる。
有利には、この変換に先立って、一酸化炭素（ＣＯ）と水素のモル混合物を、２：１または２．０５：１の単位量あたりの比で生成し、次に、もっぱらメタノールを生成するためにこの混合物を変換する。
本発明はまた、前述のような製造方法によって得られる合成ガスの処理方法に関する。本発明によれば、反応器から生じる合成ガスは、一酸化炭素（ＣＯ）と水素を含んでおり、アンモニアを生成するためにこの混合物を変換する。
さらに、本発明は、ＣＯ２および１または複数の炭化水素を含むガス流の処理による合成ガスの製造方法に関する。
本発明によれば、この方法は、
ａ）主にＣＯ２および１または複数の炭化水素を含むガス流を供給するステップと、
ｂ）非移行式アークプラズマトーチからプラズマジェットを生成するステップと、
ｃ）前記プラズマトーチの下流において、前記ガス流を前記プラズマジェットに混合するステップと、
ｄ）前記ガス流の合成ガスへの変換を確実にするために、前記混合物を長い反応器内に伝播するステップと
を含む。
ａ）主にＣＯ２および１または複数の炭化水素を含むガス流を供給するステップと、
ｂ）非移行式アークプラズマトーチからプラズマジェットを生成するステップと、
ｃ）前記プラズマトーチの下流において、前記ガス流を前記プラズマジェットに混合するステップと、
ｄ）前記ガス流の合成ガスへの変換を確実にするために、前記混合物を長い反応器内に伝播するステップと
を含む。
表現「主にＣＯ２および１または複数の炭化水素を含むガス流」は、二酸化炭素および１または複数の炭化水素からなる集合が豊富な、すなわち３０体積％を上回るＣＯ２および１または複数の炭化水素なる集合、より良好には５０体積％を上回るこの集合を含むガス流を意味する。ガス流の残りは、窒素、水蒸気、水素、または一酸化炭素など様々な化学種を含み得る。
この合成ガスの製造方法の具体的な一実施形態によれば、ステップａ）において、処理すべき前記ガス流を第１のガス流と第２のガス流に分離し、次にステップｂ）において、少なくとも前記第２のガス流をプラズマジーンガスとして用いて非移行式アークプラズマトーチからプラズマジェットを生成し、次にステップｃ）において、前記プラズマトーチの下流において前記第１のガス流を前記プラズマジェットと混合し、ステップｄ）において、前記第１のガス流と前記プラズマジェットの合成ガスへの変換を確実にするために、長い反応器内に前記混合物を伝播する。
この合成ガスの製造方法の他の具体的な一実施形態によれば、プラズマトーチに供給している前記プラズマジーンガスは、前記第２のガス流のみからなる。
さらに、この合成ガスの製造方法の他の具体的な一実施形態によれば、前記プラズマジェットを生成するために前記プラズマトーチに前記プラズマジーンガスを供給する場合、前記プラズマジーンガスは、前記第２のガス流中に含まれるタールなどの重炭化水素の露点を上回る温度である。
本発明の他の利点、目的、および具体的な特徴は、以下に続く説明によって明らかになり、付属の図面に関しては、説明を目的とし、全く限定的ではない。
最初に、図が縮尺どおりになっていないことに留意されたい。
図１は、本発明の具体的な一実施形態による、より少量のＣＯ２を含む合成ガスを製造するための、ＣＯ２および１または複数の炭化水素からなる集合を含む産業ガス流の処理装置を概略的に表している。
オンラインシステムを形成するこの処理装置は、反応器２がつながれた、処理すべきガス流の注入装置１を含む。
この注入装置１および反応器２は、内部体積を壁で画定され、この壁は、内側は、例えばクロム／コランダムを主成分とする、高温耐性の耐熱材料で被覆されている。これらの耐熱材料は、特に熱損失を減少できる。
注入装置１および反応器２は、ここでは金属材料で作製され、圧力下の流体外部循環回路によって冷却され、この流体は例えば脱塩水である。しかしながら、装置は、処理すべきガス流中に存在する粒子の凝縮する領域が構成されるような冷温地点を示さないように考案されている。
この注入装置１は、非移行式アークプラズマトーチ３を含む。このトーチ３は、トーチ３の主軸と実質的に同一線上にある伝播軸５を有するプラズマジェット４を生成することを目的とする。
かかるトーチ３の使用によって、非常に高い、典型的には利用するトーチの出力に応じて２０００〜５０００℃の範囲の温度を示すプラズマジェット４が得られるだけではなく、注入装置１の内部体積とプラズマトーチ３との間の完全な独立も確実になる。
ここでは、処理すべき産業ガス流は、あらかじめ第１のガス流６と第２のガス流７に分離されており、プラズマジェット４は、少なくともこの第２のガス流７をプラズマジーンガスとして用いて前記トーチ３から生成される。
この注入装置１はまた、プラズマジェット４のすぐ近くに第１のガス流６を注入するために、プラズマトーチ３の下流に位置する入口８を含む。この入口８は、プラズマジェット４の伝播軸５とは別の方向に従った第１のガス流６の注入を確実にし、このプラズマジェットとこの第１のガス流６との間に乱流混合の領域を作り出すように構成されている。この乱流混合の領域によって、プラズマジェット４と第１のガス流６との間に緊密な混合が確保できる。この第１のガス流６は、ここでは、プラズマジェット４の伝播軸５に対して垂直に注入される。
プラズマジェット４の伝播軸５は、第１および第２のガス流が反応の中枢となり、これらを合成ガスに変換するように誘導する反応器２の方に第１のガス流／プラズマジェット混合物を送るように方向を決定する。
インジェクタ（図には示されていない）は、処理すべき第１のガス流とプラズマジェットの混合のときに生成された化学種の処理を補うために、１または複数の流体を注入するために注入装置１および／または反応器２に置く。これらのインジェクタは、例えば水蒸気などのガスの注入ノズルであり得る。
反応器２はほぼ円筒形の長い形を示し、その下流部において合成ガスの出口９を含む。反応器２の円筒形の幾何学形状は、反応器２の壁のレベルにおいて第１のガス流／プラズマジェット混合物の速度を有利に制限するために考案されており、この速度は、トーチ３の出口におけるプラズマジェットの速度によって誘導される（典型的には約４００ｍ／ｓ）。
この反応器２の縦軸は、このプラズマジェット４と反応器２の壁との接触を制限するように、プラズマジェット４の伝播軸５と実質的に同一線上にある。
この反応器２は、合成ガスへの変換のために産業ガス流の熱または熱化学変換の領域を構成する。この反応器２、または炉の長さは、合成すべきまたは処理すべき材料の滞留時間、熱化学反応の完了に必要な滞留時間を最適化するように決定される。
図２は、本発明の実施によって水素を生成する主要なステップを概略的に示している。
処理すべきガス流１０は、二酸化炭素（ＣＯ２）およびメタン（ＣＨ４）を含んでおり、特に２ＣＯおよび２Ｈ２を生成するために上記処理装置１１内に注入される。処理後の操作１２によって、一酸化炭素と水素が分離できる。
このようにして、ＣＯ２の除去、および１３に保管される２Ｈ２の生成が得られる。
１ 注入装置
２ 反応器
３ （非移行式アーク）プラズマトーチ
４ プラズマジェット
５ 伝播軸
６ 第１のガス流
７ 第２のガス流
８ 入口
９ 出口
１０ ガス流
１１ 処理装置
１２ 処理後の操作
１３ 保管
２ 反応器
３ （非移行式アーク）プラズマトーチ
４ プラズマジェット
５ 伝播軸
６ 第１のガス流
７ 第２のガス流
８ 入口
９ 出口
１０ ガス流
１１ 処理装置
１２ 処理後の操作
１３ 保管
Claims (15)
- ＣＯ２および１または複数の炭化水素を含むガス流の処理による合成ガスの製造方法であって、
ａ）１０体積％〜５０体積％のＣＯ２、および１０体積％〜５０体積％の１または複数の炭化水素を含むガス流を供給するステップと、
ｂ）非移行式アークプラズマトーチからプラズマジェットを生成するステップと、
ｃ）前記プラズマトーチの下流において、前記ガス流を前記プラズマジェットと混合するステップと、
ｄ）前記ガス流の合成ガスへの変換を確実にするために、前記混合物を長い反応器内に伝播するステップと
を含むことを特徴とする、製造方法。 - ステップａ）において、処理すべき前記ガス流を第１のガス流と第２のガス流に分離し、次にステップｂ）において、少なくとも前記第２のガス流をプラズマジーンガスとして用いて非移行式アークプラズマトーチからプラズマジェットを生成し、次にステップｃ）において、前記プラズマトーチの下流において前記第１のガス流を前記プラズマジェットと混合し、ステップｄ）において、前記第１のガス流と前記プラズマジェットの合成ガスへの変換を確実にするために、長い反応器内に前記混合物を伝播することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記プラズマトーチに供給している前記プラズマジーンガスが、第２のガス流のみからなることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
- 前記プラズマジェットを生成するために前記プラズマトーチに前記プラズマジーンガスを供給する場合、前記プラズマジーンガスが、前記第２のガス流中に含まれるタールなどの重炭化水素の露点を上回る温度であることを特徴とする、請求項２または３に記載の方法。
- 前記プラズマジーンガスが、２０℃〜１５０℃の範囲の温度であることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
- ステップａ）において、前記ガス流が大気圧を上回る圧力で供給されており、前記非移行式アークプラズマトーチに供給される前記プラズマジーンガスが、前記反応器の稼働時の圧力に少なくとも等しいプラズマジェットを生成できる供給圧力Ｐｒａｌｉｍであることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
- 前記トーチが主軸を有し、前記ジェットが前記トーチの前記主軸と実質的に同一線上にある伝播軸を有し、前記プラズマトーチが注入装置に取り付けられ、前記注入装置の少なくとも１つの入口において前記ガス流または前記第１のガス流を受け取り、前記入口は前記プラズマトーチの下流に位置し、前記プラズマジェットとの混合を確実にするために、少なくとも部分的に前記プラズマジェットと接触できるように前記ガス流または前記第１のガス流を注入することを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
- ステップａ）において、処理すべき前記ガス流が、室温を上回る温度で供給されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
- 処理すべき前記ガス流が、主にＣＯ２およびメタン（ＣＨ４）を含むことを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
- 前記プラズマジェットと、前記ガス流または前記第１のガス流との間に乱流混合の領域を作り出すために、伝播軸とは別の方向に従って、前記ガス流または前記第１のガス流を注入することを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ガス流または前記第１のガス流が、前記反応器と連通している注入装置の中に注入されており、水蒸気などステップｃ）で得られる前記混合物の組成を調整する少なくとも１つの流体を、前記注入装置または前記反応器の中に注入することを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項１から１１のいずれか一項に記載の製造方法によって得られる合成ガスの処理方法であって、前記反応器から生じる合成ガスが、一酸化炭素（ＣＯ）と水素の混合物を含んでおり、ガス状の水素（Ｈ２）を生成するためにこの混合物を変換し、前記ガス状の水素（Ｈ２）を保管することを特徴とする、方法。
- 請求項１から１１のいずれか一項に記載の製造方法によって得られる合成ガスの処理方法であって、前記反応器から生じる合成ガスが、一酸化炭素（ＣＯ）と水素の混合物を含んでおり、メタノールを生成するためにこの混合物を変換することを特徴とする、方法。
- この変換に先立って、一酸化炭素（ＣＯ）と水素のモル混合物を、２：１または２．０５：１の単位量あたりの比で生成し、次に、もっぱらメタノールを生成するためにこの混合物を変換することを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
- 請求項１から１１のいずれか一項に記載の製造方法によって得られる合成ガスの処理方法であって、前記反応器から生じる合成ガスが、一酸化炭素（ＣＯ）と水素を含んでおり、アンモニアを生成するためにこの混合物を変換することを特徴とする、方法。
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