JP2022552477A - ガス化ガスおよびから不純物を除去するための方法、装置および使用 - Google Patents

Abstract

本発明は、ガス化ガスから不純物を除去するための方法および装置に関する。少なくともタールおよび／または望ましくない炭化水素を含むガス化ガス（１）が、少なくとも１つの触媒床を含む接触改質器（２）に供給され、酸素含有ガス（４）が触媒床の表面に注入され、ガス化ガス（１）が触媒床（３）を通って流れるように配置され、触媒床内の酸素含有ガス（４）と接触するように配置され、精製ガス（５）が接触改質器（２）から排出される。さらに、本発明は、この方法の使用に関する。

Description

本出願は、ガス化ガスから不純物を除去するための、請求項１に記載の方法および請求項９に記載の装置に関する。さらに、出願は、請求項１５に記載の方法の使用に関する。

従来技術から知られているのは、ガス化装置で異なるバイオマスおよび廃棄物原料をガス化し、ガス化ガスを生成することである。さらに、ガス化ガスには、タール、一部の炭化水素、その他の化合物などの不純物が含まれていることが知られている。さらに、従来技術とは異なるガス洗浄方法が知られている。ガス化ガスは、多くの洗浄工程を経て洗浄することができる。ただし、軽質炭化水素は洗浄では分離できない。さらに、ガス化ガスは、タールと炭化水素を生成物に変換することができる接触改質器によって洗浄することができることが知られている。しかし、改質器の構造は、いくつかの異なる部品とプロセスステップで複雑になっている。さらに、接触改質中に多環芳香族炭化水素（ＰＡＨ）とカーボンブラックが形成される。

目的は、上記の問題を解決することである。さらに、ガス化ガスからタールなどの不純物を除去し、ガスを精製するための新しいタイプの方法と装置を開示することを目的としている。さらに、ガス化ガスを処理し、不純物を分解するための新しいタイプの方法と装置を開示することを目的としている。さらに、ガス化ガスの品質を向上させることが目的である。

方法、装置および使用は、特許請求の範囲に提示されるものによって特徴付けられる。

この方法および装置において、少なくともタールおよび／または望ましくない炭化水素を含むガス化ガスは、少なくとも１つの触媒床を含む接触改質器で処理される。

本発明のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明のいくつかの実施形態を示し、説明とともに、本発明の原理を説明するのに役立つ。

一実施形態によるプロセスのフローチャート図である。

ガス化ガスからの変換による不純物を除去する方法において、少なくともタールおよび／または望ましくない炭化水素を含むガス化ガス（１）が、少なくとも１つの触媒床を含む接触改質器（２）に供給され、酸素含有ガス（４）が触媒床の表面に注入され、ガス化ガス（１）は、触媒床（３）を通って流れるように配置され、触媒床内の酸素含有ガス（４）と接触するように配置され、精製ガス（５）が接触改質器（２）から排出される。ガス化ガスは、触媒床での接触酸化と改質によって酸素含有ガスで処理され、不純物は変換されて精製ガス（５）が生成される。

ガス化ガスから不純物を除去するための装置は、少なくともタールおよび／または望ましくない炭化水素を含むガス化ガス（１）が供給される少なくとも１つの接触改質器（２）を備え、接触改質器（２）は少なくとも１つの触媒床を備える。さらに、装置は、触媒床の表面に酸素含有ガス（４）を注入するための少なくとも１つの注入装置を備える。改質器（２）では、ガス化ガス（１）が触媒床（３）を通って流れるように配置され、不純物を変換して精製ガスを形成するために触媒床内の酸素含有ガス（４）と接触するように配置される。

この方法および装置の一実施形態を図１に示す。

この文脈において、ガス化ガス（１）は、不純物として少なくともタールおよび／または望ましくない炭化水素を含む、ガス化ガス、合成ガスまたは他のガス化ガスなどの任意のガス化ガスを意味する。ガス化ガスは、１または複数の主成分で構成される。ガス化ガスは、二酸化炭素、一酸化炭素、水素、および／またはメタンを主成分とすることができる。さらに、ガス化ガスは、不活性成分、ほこり、粒子状物質および／または水などの他の成分も含むことができる。さらに、ガス化ガスには他の不純物が含まれている可能性がある。一実施形態では、少なくともタールは本方法により分解される。一実施形態では、少なくとも望ましくない炭化水素、例えば、ベンゼンは、本方法で分解される。一実施形態では、ガス化ガスは、ガス化装置からの流れである。一実施形態では、ガス化ガスは、ガス化装置の後に濾過されている。

この文脈において、酸素含有ガス（４）は、少なくとも酸素を含む、反応ガスなどの任意のガスを意味する酸素含有ガスは、１または複数の主成分で構成される。一実施形態では、酸素含有ガスは、空気からなる。一実施形態では、酸素含有ガスは、酸素からなる。一実施形態では、酸素含有ガスは、少なくとも酸素および窒素を含む。一実施形態では、酸素含有ガスは、少なくとも酸素および水蒸気を含む。一実施形態では、酸素含有ガスは、少なくとも酸素および二酸化炭素を含む。一実施形態では、酸素含有ガスは、少なくとも酸素、さらに窒素、水蒸気および／または二酸化炭素を含む。一実施形態では、酸素含有ガスは、接触改質器（２）の反応物として使用される。酸素含有ガスは、酸素含有量が異なる場合がある。一実施形態では、酸素含有ガス中の酸素含有量は、１０～１００ｖｏｌ％であり、一実施形態では２０～５０ｖｏｌ％である。

一実施形態では、接触改質器（２）は、１つの触媒床（３）を備える。一実施形態では、接触改質器は、複数の触媒床（３）を備える。一実施形態では、接触改質器は、少なくとも２つの触媒床（３）を備える。一実施形態では、接触改質器は、２つの触媒床（３）を備える。

この文脈において、触媒床とは、接触改質器内の任意の触媒床または層を意味する。一実施形態では、触媒床は、触媒粒子から形成される。一実施形態では、触媒床は、要素が１つまたは複数の触媒によってコーティングされている触媒要素から形成される。

一実施形態では、触媒床（３）は、少なくとも１つの触媒を含む。一実施形態では、触媒床は、１つの触媒から形成される。一実施形態では、触媒床（３）は２つ以上の触媒を含む。一実施形態では、ガス化は、触媒床の表面ゾーンなどの表面部分で酸素と出会う。一実施形態では、触媒床は、第１の触媒から形成され、触媒床の表面は、第２の触媒から形成される。一実施形態では、ガス化は、第２の触媒のゾーンで酸素と出会う。

一実施形態では、触媒は、金属または貴金属または他の適切な触媒から選択される。一実施形態では、触媒床は、Ｎｉ触媒から形成される。一実施形態では、触媒床は、貴金属触媒から形成される。一実施形態では、触媒床は、Ｎｉ触媒および貴金属触媒から形成される。一実施形態では、触媒床の表面に配置された第２の触媒は、高温に耐えることができ、燃焼反応によって酸素を消費することができる堅牢な触媒から形成される。一実施形態では、触媒床の第１の触媒は、金属および／または貴金属触媒である。一実施形態では、触媒床の第２の触媒は、例えば第１の触媒よりもＮｉ含有量が少ないＮｉ触媒である。一実施形態では、第２の触媒は、ニッケルまたは貴金属の含有量が少ない熱シールド材料で形成されている。一実施形態では、第１の触媒は、ニッケルおよび／または貴金属から形成される。

ガス化ガス（１）は、触媒床（３）内の酸素含有ガス（４）と反応する。一実施形態では、ガス化ガス（１）は、触媒床（３）中の触媒粒子の表面の酸素含有ガス（４）と反応する。一実施形態では、ガス化ガス（１）は、触媒床（３）の触媒の細孔内の酸素含有ガス（４）と反応する。一実施形態では、ガス化ガス（１）は、触媒床の触媒粒子の表面または触媒粒子の細孔内の酸素含有ガス（４）と反応する。ガスが触媒床内の酸素含有ガスと反応する場合、ＰＡＨ化合物とカーボンブラックが形成されず、触媒の失活を回避することができる。

一実施形態では、触媒床（３）は、接触改質器（２）の所望の部分に配置される。

この文脈において、接触改質器（２）は、少なくとも１つの触媒床を含む任意の改質器を意味する。接触改質器（２）は、別の装置または別の装置の一部、例えばガス化装置の一部にすることができる。

一実施形態では、酸素含有ガス（４）は、触媒床（３）の表面への直接注入によって注入される。一実施形態では、注入装置は、触媒床の表面に直接注入することによって酸素含有ガス（４）を注入するように構成されている。酸素含有ガス（４）を接触改質器（２）に注入するための注入装置は、任意の注入装置、インジェクターまたは他の適切な注入装置であり得る。

一実施形態では、装置は、酸素含有ガス（４）を触媒床（３）の表面に供給するための少なくとも１つの酸素含有ガス供給入口を備える。一実施形態では、酸素含有ガスは、少なくとも２つの酸素含有ガス供給入口によって触媒床に供給される。酸素含有ガスは常に触媒床（３）の表面に供給されることが好ましい。

一実施形態では、装置は、ガス化ガス（１）を接触改質器（２）に供給するための少なくとも１つのガス化ガス供給入口を備える。ガス化ガス（１）は接触改質器（２）に供給され、触媒床を通って流れるように配置される。一実施形態では、ガス化ガス（１）は、触媒床（３）の前に供給されるか、または接触改質器（２）の触媒床（３）に直接供給される。一実施形態では、ガス化ガス供給入口は、接触改質器（２）の触媒床（３）に関連して配置される。一実施形態では、ガス化ガス供給入口は、接触改質器（２）の触媒床（３）の前に配置される。

一実施形態では、装置は、精製ガス（５）を接触改質器（２）から排出するための少なくとも１つの出口を備える。

酸素含有ガス供給入口およびガス化ガス供給入口は、それ自体が知られているパイプ、ポートなど任意の適切な入口であり得る。出口は、それ自体が知られているパイプ、出口ポートなど任意の適切な出口とすることができる。

一実施形態では、ガス化ガスが接触改質器（２）に供給される場合、ガス化ガス（１）の温度は、３００℃～９００℃であり、一実施形態では５００℃～８５０℃である。一実施形態では、精製ガス（５）の温度は、精製ガスが接触改質器（２）から排出される場合に、８００℃～９６０℃であり、一実施形態では、８５０℃～９５０℃である。

接触改質器の触媒床への酸素含有ガスの供給速度は、５ｍ／ｓ～１００ｍ／ｓである。一実施形態では、接触改質器の触媒床への酸素含有ガスの供給速度は、１０ｍ／ｓ～９５ｍ／ｓ、一実施形態では２０ｍ／ｓ～９０ｍ／ｓ、一実施形態では３０ｍ／ｓ～８０ｍ／ｓである。一実施形態では、接触改質器の触媒床へのガス化ガスの供給速度は、０．１ｍ／ｓ～３ｍ／ｓ、一実施形態では０．３ｍ／ｓ～２ｍ／ｓである。酸素含有ガスおよびガス化ガスを触媒床に供給する場合、酸素含有ガスとガス化ガスの供給速度に十分な差があることが好ましい。

精製ガス（５）、は接触改質器で生成される。一実施形態では、ガスのタール含有量を減らすことができる。一実施形態では、ガスの望ましくない炭化水素含有量を減らすことができる。

一実施形態では、精製ガス（５）は、接触改質器の後で、処理、後処理、または次のプロセスまたは次のプロセスステップに供給することができる。一実施形態では、精製ガスは濾過される。一実施形態では、精製ガスは、例えば、炭化水素を形成するためなど、所望の処理プロセスに供給することができる。

一実施形態では、装置は、２つ以上の接触改質器を備える。一実施形態では、少なくとも２つ以上の接触改質器が並列に配置されている。一実施形態では、少なくとも２つ以上の接触改質器が順次配置される。

一実施形態では、この方法は、連続プロセスに基づく。一実施形態では、装置は連続装置である。一実施形態では、装置が少なくとも２つの並列接触改質器を含む場合、この方法はバッチプロセスに基づくことができる。

一実施形態では、装置および方法は、ガス化ガスの精製、ガス化ガスの生成、炭化水素の生成、メタノールの生成、水素の生成、燃料の製造、またはそれらの組み合わせの中で使用および利用することができる。一実施形態では、装置および方法を使用して、加圧された高温ガスなどの高温ガスを精製することができる。一実施形態では、装置および方法を使用して、酸素ガス化または蒸気ガス化からガスを精製することができる。

本発明により、ガス化ガスを精製することができ、タールおよび／または望ましくない炭化水素を分解し、容易かつ効果的に変換することができる。さらに、カーボンブラックが形成されない、またはカーボンブラックの形成が大幅に減少する可能性がある。これにより、触媒床の目詰まりや閉塞を防ぎ、触媒床内の圧力差を小さくすることができる。酸素含有ガスを触媒床の表面に供給し、酸素含有ガスを触媒床前ではなく触媒床内のガス化ガスと接触させるように配置した場合、接触改質において触媒床前の反応と触媒の失活を回避することができる。さらに、接触改質では、酸素分圧を高くし、ガス化ガスの供給温度を高くすることができる。

この方法および装置は、ガス化ガスを精製し、精製されたガス流を形成する可能性を提供し、また、良好な特性を有する製品を容易に、そしてエネルギーおよび費用効果的に提供する。本発明は、不純物を含むガス化ガスを処理するための工業的に適用可能で、単純で、手頃な方法を提供する。さらに、接触改質器の構造を簡素化することができる。製造工程に関連して、方法と装置を簡単かつ簡単に実現することができる。

例
例１
図１に、ガス化ガスのタールや不要な炭化水素などの不純物を変換する方法および装置を示す。
この装置は、タールおよび望ましくない炭化水素を含むガス化ガス（１）が供給される接触改質器（２）を備える。接触改質器（２）は、第１の触媒から形成され、触媒の表面が第２の触媒から形成される触媒床（３）を備える。あるいは、接触改質器は、２つ以上の触媒床を備えることができる。さらに、装置は、触媒床の表面に直接注入することによって酸素含有ガス（４）を注入するための少なくとも１つの注入装置を備える。酸素含有ガスは、触媒床の表面から触媒床に供給される。接触改質器（２）では、ガス化ガス（１）が触媒床（３）に流れ、触媒床を通って流れ、触媒床内の酸素含有ガス（４）と接触するように配置されている。次に、ガス化ガスは、触媒床の酸素と反応し、ガス化ガスは、触媒床の接触酸化と改質によって処理される。不純物は、反応中に変換することができる。同時に、反応中に精製ガス（５）が生成される。精製ガスは、接触改質器（２）から排出される。

例２
この例では、大気圧蒸気ガス化で得られたガス化ガス（１）を、実施例１による別の接触改質器（２）で精製した。

木材は、７８５℃で作動する大気圧二重流動床蒸気ガス化装置でガス化された。原料ガス、すなわち ガス化ガスは、６７５℃でろ過され、例１に従って配置された２つの連続した床からなる改質器に導かれた。両方の改質床は、ニッケルベースの触媒で満たされていた。改質装置の入口の原料ガスには、１０．１ｇ／ｍ^３ｎのベンゼンが、ナフタレンより重い成分６．５ｇ／ｍ^３を含む１４．６ｇ／ｍ^３ｎのタールが含まれていた。改質器入口の軽質炭化水素ガスの含有量は、メタンＣＨ_４ ６．５５％、エチンＣ_２Ｈ_２ ０．１３％、エテンＣ_２Ｈ_４ ２．１２％、エタンＣ_２Ｈ_６ ０．４５％、Ｃ３－Ｃ５－炭化水素の合計０．０８％であった。酸素と窒素の混合物は、６１ｍ／ｓの速度で第１の触媒床に供給され、６９ｍ／ｓの速度で第２の床に供給された。第１の触媒床前のガス速度は０．３２ｍ／ｓ、第２の床前のガス速度は０．５ｍ／ｓであった。改質後の精製ガスの温度は９０６℃であった。

改質器を出る精製ガスには、８２ｍｇ／ｍ^３ｎのベンゼンと４０ｍｇ／ ｍ^３ｎのタールが含まれており、ナフタレンより重いタールはなかった。メタン含有量は、１．３％、Ｃ２－Ｃ５－炭化水素ガスの総量は０．１％であった。Ｃ２－Ｃ５－炭化水素ガスと重質タールの計算された変換率は１００％、メタン変換率７０．３％、ベンゼン変換率９８．８％、タール変換率９９．９％であった。

この例は、クリーンウッド、樹皮、森林残留物、わら、解体木材などのさまざまなバイオマス原料を使用した合計３６６時間の運用という広範なテストキャンペーンの１つの設定点であった。改質器は、煤の発生や圧力損失の増加の兆候なしに運転され、変換効率はテスト全体を通して高いままであった。

例３
この例では、加圧蒸気酸素ガス化（１）で得られたガス化ガスを、実施例１による別の接触改質器（２）で精製した。

木材は、０．３Ｍｐａの圧力、９２０℃の床温度、およびガス化装置の上部で８７８℃で動作する加圧循環流動床ガス化装置でガス化された。供給ガスは、蒸気と酸素を使用した。ガス化ガスは、６６４℃でろ過され、改質器に送られた。改質装置は、主触媒としてニッケル触媒を使用し、ガス化ガスと酸素ガスが出会う触媒の第１層としてニッケル含有量の少ない堅牢な熱シールド材料を使用した２つの連続した固定床で構成された。第１の床前の入口ガス速度は、１．０ｍ／ｓで、酸素流の速度は、５６ ｍ／ｓであった。第２の改質床では、ガス速度は、１．３ｍ／ｓ、酸素流の速度は９０ｍ／ｓであった。酸素流は、酸素と蒸気の混合物を使用した。

精製ガスの出口温度が８３５℃になるように、改質器を比較的低温で運転した。今回の試験の目的は合成天然ガスの生産であったため、タールとメタンを除くすべての炭化水素ガスを変換することを目的とした。

入口ベンゼン含有量は、８．１ｇ／ｍ^３ｎ、タール含有量は、２．３ｇ／ｍ^３ｎであった。メタン濃度は、５．９％、Ｃ２－炭化水素ガスの総量は、０．７９％であった。改質後の精製ガスから測定した濃度は、ベンゼンが６８６ｍｇ／ｍ^３ｎとタールが２０ｍｇ／ｍ^３ｎであった。精製ガスには、メタンが３．４％含まれ、Ｃ２－炭化水素ガスの総量は０．１％未満であった。計算された変換効率は、メタン２９．８％、ベンゼン９０．０％、タール９９．０％、Ｃ２－炭化水素ガス１００．０％であった。

例３は、合計４０００時間の運転を伴う広範なテストプログラムからの１つのテストであり、加圧流動床ガス化装置に関連してさまざまな改質装置の設計がテストされた。このテストキャンペーンの最後に、例１に従って改質装置を構築して運転したが、煤の形成の兆候はなく、安定した圧力損失と一定の変換効率で改質装置は使用された。

これらの実施例で使用されるプロセスのガス化装置、接触改質器、供給装置および出口装置は、それ自体が当技術分野で知られており、したがって、これらは、この文脈においてこれ以上詳細に説明されていない。

この方法および装置は、ガス化ガスの不純物を変換し、ガス化ガスを精製し、精製ガスを形成するための異なる実施形態に適している。

本発明は、単に上記の実施例に限定されるものではない。代わりに、特許請求の範囲によって定義される本発明のアイデアの範囲内で多くの変形が可能である。

１ ガス化ガス
２ 接触改質器
３ 触媒床
４ 酸素含有ガス
５ 精製ガス

Claims (15)

1. ガス化ガスから不純物を除去する方法であって、
   少なくともタールおよび／または望ましくない炭化水素を含む前記ガス化ガス（１）が少なくとも１つの触媒床を備える接触改質器（２）に供給され、
   酸素含有ガス（４）が前記触媒床の表面に注入され、前記接触改質器の前記触媒床への前記酸素含有ガスの供給速度は、５ｍ／ｓ～１００ｍ／ｓであり、
   前記ガス化ガス（１）は、前記触媒床（３）を通り流れるように配置され、かつ前記触媒床内の前記酸素含有ガス（４）に接触するよう配置され、
   精製ガス（５）が前記接触改質器（２）から排出されることを特徴とする方法。
2. 前記ガス化ガス（１）は、前記触媒床（３）の触媒粒子の表面上、または前記触媒粒子の細孔内の前記酸素含有ガス（４）と反応することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記触媒床（３）が第１の触媒から形成され、前記触媒床の表面が第２の触媒から形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ガス化ガス（１）が、前記接触改質器（２）の前記触媒床（３）の前に、または前記触媒床（３）に直接供給されることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記酸素含有ガス（４）が前記触媒床の表面への直接注入によって注入されることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記酸素含有ガス内の酸素含有量は、１０～１００ｖｏｌ％であることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記接触改質器の前記触媒床への前記酸素含有ガスの供給速度が３０ｍ／ｓ～８０ｍ／ｓであることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記接触改質器の前記触媒床への前記ガス化ガスの供給速度が０．１ｍ／ｓ～３ｍ／ｓであることを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
9. ガス化ガスから不純物を除去する装置であって、
   少なくともタールおよび／または望ましくない炭化水素を含む前記ガス化ガス（１）が供給される少なくとも１つの接触改質器（２）であって、少なくとも１つの触媒床を備える少なくとも１つの接触改質器（２）と、
   酸素含有ガス（４）を前記触媒床の表面に注入するための少なくとも１つの注入装置であって、前記接触改質器の前記触媒床への前記酸素含有ガスの供給速度は、５ｍ／ｓ～１００ｍ／ｓである、少なくとも１つの注入装置と、
   を備え、
   前記接触改質器（２）において、前記ガス化ガス（１）は、前記触媒床（３）を通り流れるように配置され、かつ前記触媒床の前記酸素含有ガス（４）と接触するように配置されることを特徴とする、装置。
10. 前記注入装置が前記触媒床の表面への直接注入によって酸素含有ガス（４）を注入するよう構成されていることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
11. 前記装置は、前記ガス化ガス（１）を前記接触改質器（２）に供給するための少なくとも１つのガス化ガス供給入口を備え、前記ガス化ガス供給入口は、前記接触改質器（２）の前記触媒床（３）に関連して配置されていることを特徴とする、請求項９または１０に記載の装置。
12. 前記装置は、前記ガス化ガス（１）を前記接触改質器（２）に供給するための少なくとも１つのガス化ガス供給入口を備え、前記ガス化ガス供給入口は、前記接触改質器（２）の前記触媒床（３）より前に配置されていることを特徴とする、請求項９～１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記触媒床（３）が第１の触媒から形成され、前記触媒床の表面が第２の触媒から形成されていることを特徴とする、請求項９～１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記接触改質器が２つの触媒床（３）を備えることを特徴とする、請求項９～１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 前記方法が前記ガス化ガスの精製、前記ガス化ガスの生成、炭化水素の生成、メタノールの生成、水素の生成、燃料の製造、またはこれらの組み合わせにおいて使用されることを特徴とする、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法の使用。

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