JP5389897B2 - アクティブな改質装置 - Google Patents

Description

本発明は合成ガスの製造方法に関する。

ガス化とは、制御された量の酸素と原料を高温で反応させることによってバイオマスのような炭素質物質を一酸化炭素と水素に変換する方法である。得られたガス混合物を合成ガス又はシンガスと呼ぶ。合成ガスは主にＣＯ（一酸化炭素）と水素からなる。これら２つの元素はアルコール類（メタノール、エタノール、プロパノールなど）の基本構成要素である。

ガス化は多くの異なるタイプの有機材料からエネルギーを抽出する効率的な方法であり、排出物の少ない廃棄物処理を可能にする。特に、処理物質に含まれる更に多くの有機物がエネルギー（更に大きな熱効率）に変換されるため、ガス化は元の燃料の直接燃焼よりも効率的である。

シンガスを内燃機関で直接燃焼することもできるし、メタノール、エタノール及びプロパノールなどのアルコール類と更に水素を生成するために使用することもできる。現在、化石燃料のガス化は発電を目的として産業規模で広く使用されている。

一般に、ガス化装置における合成ガスの製造はいくつかの処理を経る。

熱分解
最初の処理は熱分解であり、これは、酸素の欠乏した雰囲気においてガス化装置内の温度を上げ、炭素質物質を加熱するにつれて生じる。熱分解処理は、酸素含有量ゼロでの有機物のガス化である。有機材料から合成ガスを得るために、この処理はガス化処理（有機材料の部分酸化）でも熱分解（有機材料のゼロ酸化）でもよい。熱分解は、生成する合成ガスを全く酸化させないため、更に多くの合成ガスを生成する。

改質装置処理
これは高温の改質装置室内で行われ、この室は熱分解室から合成ガスを受け取る。改質装置室では、タールをより単純な炭素分子に解離するように合成ガスの温度を高温（＞９００℃）にする。蒸気が改質装置室内に加えられると水素対一酸化炭素の比が変わり、このことは水性ガスシフト反応（シフト反応）の使用によって達成される。

シフト反応は、水及び一酸化炭素が反応して二酸化炭素及び水素を形成する発熱性化学反応である。

ＣＯ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋ Ｈ_２ （１）

シフト反応は発生する水素の量を増加させる。しかしながら、シフト反応は吸熱反応であり、高温を必要とする。シフト反応は温度に敏感であり、温度が上昇するにつれて生成物にシフトする傾向がある。その結果、シフト反応は改質装置室から相当なエネルギーを吸収し、コストが非常に高くなってしまう。触媒を用いて反応温度を下げる試みはさほどうまくいっていない。

更に重要なことに、シフト反応は合成ガスから一酸化炭素の消費もしてしまう。一酸化炭素は、メタノール、エタノール及びプロパノールのようなアルコール類を発生させるために所要の水素対ＣＯ比を生じる必要がある。

よって、シフト操作には最適な範囲があり、より多くのシフトを使用するとＣＯ消費量とエネルギー使用量の双方が多くなりすぎるため有益性が低下する。

本発明は、合成ガスを製造するための改良された方法を提供しようとするものである。

従って、本発明は合成ガス製造装置を提供し、この装置は、合成ガスを発生させる熱分解室と、改質装置ユニットと、前記熱分解室と前記水性ガスシフト反応ゾーンとの間でガスを繰り返し循環させる循環ループを形成する導管手段と、水性ガスシフト反応により、ループで循環する前記ガスに水素を加える手段と、を含む。

好適な実施の形態において、改質装置ユニットは水性ガスシフト反応ゾーンを有し、前記装置は、前記改質装置ユニット内の合成ガスの水素含有量をモニタし、これに従って前記熱分解室と前記水性ガスシフト反応ゾーンとの間のガスの循環を制御する制御システムを更に含む。

好適には、前記制御システムは前記改質装置ユニット内の合成ガスの組成をモニタする手段を有し、これに従って、前記制御システムは、ガス合成装置及び蒸気発生手段のうちの少なくとも１つへの前記ガスの供給を制御するように機能することができる。

好ましくは、この装置は、前記ガス合成装置及び前記蒸気発生手段へのガスの移動を制御する手段を含み、前記制御システムは前記手段を制御し、これに従って、前記ガス合成装置及び前記蒸気発生手段のうちの少なくとも１つへの前記ガスの供給を制御することができる。

好ましくは、この装置は、前記改質装置ユニット内の前記ガスに蒸気を注入する手段を更に含み、前記制御システムは、前記改質装置ユニット内の合成ガスの水素含有量に従って前記ガスへの蒸気の注入を制御するように機能することができる。

好ましくは、この装置は、前記ガスを循環させるブロワ手段を前記導管手段内に更に含み、前記制御システムは、前記改質装置ユニット内の合成ガスの水素含有量に従って前記ブロワ手段を制御するように機能することができる。

好適には、前記改質装置ユニットは前記循環ループ内の前記水性ガスシフト反応ゾーンの下流に混合室を有し、前記制御システムは、前記混合室内の合成ガスの水素含有量をモニタし、これに従って、前記熱分解室と前記水性ガスシフト反応ゾーンとの間のガスの循環を制御するように機能することができる。

前記改質装置ユニット内の前記ガスに蒸気を注入する前記手段は、前記混合室内に蒸気を注入するように構成されていることが好ましい。

好適には、前記改質装置ユニットは前記水性ガスシフト反応ゾーンと前記ガス合成装置と前記蒸気発生手段との間に収集室を有し、前記制御システムは前記収集室内の合成ガスの組成をモニタするように機能することができる。

熱分解室をバッチ熱分解室とすることができる。

好ましくは、前記制御システムは、熱分解室と改質装置ユニットとの間で合成ガスを３回よりも多く、最大で２４回循環させるように機能することができることが。制御システムは、熱分解室と改質装置ユニットとの間で合成ガスを３回よりも多く、最大で１５回循環させるように機能することができる。

好適には、制御システムは、熱分解室と改質装置ユニットとの間で合成ガスを３回よりも多く、最大で１０回循環させるように機能することができる。

本発明は合成ガスをバッチ処理で製造する方法を更に提供し、この方法は、熱分解室内で合成ガスを発生させることと、前記ガスを前記熱分解室から水性ガスシフト反応ゾーンに通して水素含有量の豊富なシフトされたシンガスの流れを生じることと、を含み、前記熱分解室及び前記水性ガスシフト反応ゾーンはシフトされたガス循環ループ内にあり、前記シンガスは前記ループを通って複数回再循環される。

好適な実施の形態では、前記反応ゾーンにおける前記反応の際に消費されるＣＯに水素が補充される。

消費されるＣＯに連続して補充されることが好ましい。

合成ガスをバッチ熱分解室内で発生させ、合成ガスは、３回から２４回の間、好ましくは３回から１５回の間、好ましくは３回から１０回の間で前記ループを循環する。

水性ガスシフト反応ゾーンは改質装置ユニット内に都合よく設けられており、改質装置ユニットへの、そして改質装置ユニットからの合成ガスの通過はガスの加熱に使用される。

改質装置ユニットは混合室及び収集室を有することが好ましく、水性ガスシフト反応ゾーンは前記混合室内に設けられている。

１つの実施の形態では、改質された合成ガスが熱分解室内の有機物をガス化するのに使用される。合成ガスの水素含有量を決定するために合成ガスの組成が前記改質装置ユニットにおいてモニタされ、水素の発生を促すために、モニタされた水素含有量に従って蒸気が前記水性ガスシフト反応ゾーンに加えられる。

理想的には、この処理はガスの循環速度を制御することによって制御される。

合成ガスが１つ以上の所定の制御品質管理基準を達成しているかを決定するために合成ガスの各バッチが評価され、所要の品質管理基準を達成している場合、合成ガスのバッチは合成処理に放たれ、そうでない場合、バッチは合成ガスの発生を増強するために用いられる蒸気の発生に使用されることが好ましい。

本発明において提案されるのは、水性ガスシフト反応において消費されるＣＯが常に補充され、水素の発生に消費されるエネルギーが常に補充され、生じた合成ガスの品質が厳しく管理される処理である。

また、本発明において提案されるのは、有機物のガス化に使用される高温（低酸素）ガスの化学組成の調節によって熱分解処理が著しい上昇（効率の上昇）を有する処理である。

また、本発明において提案されるのは、熱分解システムの動作が改質装置の動作及び雰囲気に密接に関連した処理である。

また、ここで提案されるのは、バッチ熱分解システムと密接に動作して品質管理された合成ガスを活発に製造するバッチ改質装置である。

以下、一例として、有機材料から合成ガスを発生させるシステムを示す添付の図面を参照しながら本発明を更に説明する。

図面を参照すると、システム１０は、有機材料が通過する熱分解室１２を有する。熱分解室１２は一般に５００℃から７００℃の間の温度範囲で作動され、温度は通常は高温の合成ガスの注入によって生じる。

また、システムは改質装置ユニット１４を有し、これは主室１６、混合室１８及び収集室２０を有する。改質装置の主室１６は、導管２２によってガスが熱分解室１２から改質装置の主室１６に流れ込むことができるダクト構造のループによって熱分解室１２に接続されている。混合室１８及び収集室２０は共に、主室からのガスを受け取るために改質装置の主室１６に対して開いている。

また、混合室１８からのガスの流れを熱分解室１２に戻すことができるように、混合室１８はダクト構造、即ち導管２４によって熱分解室１２に結合されている。再循環ファン２６、２７が、ガスの循環を強いるようにダクト構造２２及び２４にそれぞれ設けられている。更なるダクト構造、即ち導管２７が改質装置ユニットの回避を可能にし、再循環ファン２９がガスの循環を強いるようにダクト構造２７に設けられている。

改質装置の主室１６は一般に９００℃から１４００℃の温度で作動し、ガスは加熱され、この温度は、一般に天然ガス又は同様のものを燃焼させるバーナシステム２８によって達成され、維持される。また、熱分解室１２から導管２２を通って改質装置の主室に流れ込む合成ガスの部分酸化により改質装置の主室１６に熱が供給される。

改質装置の主室１６から収集室２０に入るガスは、収集室内の合成ガスの組成を測定する第１のサンプリング手段３０によってモニタされる。第１のサンプリング手段３０は好適には連続サンプリング装置であるとよい。ガスを、収集室２０から導管手段３４を通ってボイラ３２に送ったり、メタノール及びエタノールのようなアルコール類の合成のために導管３６を通って合成装置システム３５に向けて送ったりすることができる。

収集室２０から導管３４、３６を通るガスの移動の制御は、導管内にあるバッフル又は弁３３などの好適な手段によって行うことができ、この手段の制御は、サンプリング手段３０によって生成された信号に従ってバッフル又は弁を制御する制御システム３８によって行われる。

収集室２０内の合成ガスの組成が、高品質で所要の組成範囲内にあるものとしてサンプリング手段３０によってモニタされた場合、制御システム３８はガスを導管３６に沿って合成装置３５に向けて送るように導管３４、３６内のバッフル又は弁を制御する。組成が所望の範囲外である場合、ガスは導管３４に沿ってボイラ３２に送られる。

ボイラ３２は、導管４２を通って改質装置の混合室１８に送られる蒸気の発生に用いられる。

第２のサンプリング手段４４（これもまた好適には連続サンプリング装置であるとよい）は改質装置の混合室１８内のガスの組成をモニタし、この組成に従ってファン２６、２７を制御する。

水性ガスシフト反応は改質装置の混合室１８において生じ、改質されたガスの組成はサンプリング手段４４によってサンプリングされる。反応ゾーンにおけるシフト反応の際に消費されるＣＯのエネルギーは、熱効率の高いガスである水素により補填される。サンプリング手段４４によってモニタされたガスの組成に従って再循環ファン２６、２７が改質装置ユニット１４と熱分解室１２との間の再循環のレベルを指示するように、制御システム３８はサンプリング手段４４からの信号に従って再循環ファン２６、２７を制御する。

各再循環ファンは室間で合成ガスを押し動かす。ファンは、非常に速い速度でガスを室間で循環させることができるように大型である。一般に、再循環ファン２６、２７は、ガスがガスループから出て収集室２０に向かう前にガスを３回から２４回の間再循環させるように設計され、制御されている。

熱分解室１２内の有機材料は導管２４を通って再循環する高温ガスによって絶えず加熱されているため、熱分解室１２内のより多くの有機物をガス化することが理解されよう。熱分解室１２内のガスの温度が所望のレベルに達した場合、ガスの温度が高すぎるレベルに達するのを防ぐために、ファン２９は制御システムによって改質装置ユニットを回避するように制御される。

改質装置の混合室１８内の合成ガスは、存在する水素の割合が高くなるように前述の処理によって改質される。この更に高い割合の水素は熱分解室１２内の有機材料のガス化にも用いられ、はるかに高い伝熱能力を生じる。６００℃の温度で作動する熱分解室において、１．７６Ｋｊ／Ｋｇ−Ｋである天然ガス(oxy-fuel combustion gases：酸素燃焼ガス）の比熱に比べ、水素の比熱は１４．７６Ｋｊ／Ｋｇ−Ｋに等しい。伝熱能力が高まることで有機材料への熱伝達がはるかに大きくなり、これによって有機材料の放出が更に速くなり、ガス化にかかる時間が大幅に短くなる。従って、ガス化効率増大の効果は、従来の加熱式ガス処理に比べて燃料効率が大幅に改良され、有機物処理能力が大幅に改良されたことにある。

制御システム３８は更に、サンプリング手段４４の結果に従って、導管４２を通る改質装置の混合室１８への蒸気の注入を制御する。この制御は弁４３によって都合よく行われる。室１８内の合成ガスの水素含有量はサンプリング手段４４によってモニタされ、その結果に従って制御システム３８は蒸気の注入を制御し、蒸気の量及び水素ガスの発生の増減を行う。制御システム３８は再循環ファン２６、２７の制御も行い、よってガスの循環速度を制御する。

収集室２０の利点は、製造されて収集室に入った合成ガスがサンプリング手段３０によってサンプリングされるような適切な品質のものである場合、合成ガスは導管３６を通って合成処理に向けて放出されるだけでよいことにある。品質が適切でない場合、合成ガスはボイラ３２による蒸気の発生に用いられ、これによって合成ガスの製造が高められる。一般に、このシステムは、ガスが導管２２、２４のループから出て収集室２０に向かい、次に続く処理が行われる前に、このループをまわって熱分解室１２及び改質装置ユニット１４を経るガスの通過を最小で１０回から２００回の間行うように設計されている。

本発明は、生じた合成ガスの品質をかなりのレベルで制御することができる。前述のようなシステムをめぐる合成ガスの複数回の通過は、熱分解室内のより多くの有機物をガス化するのに使用できるという点で有利である。

Claims (12)

1. 合成ガスを製造するためのバッチ処理装置であって、
   酸素の欠乏した雰囲気において有機材料を加熱することによって前記有機材料を熱分解し、ＣＯ及びＨ _２ をほぼ含む合成ガスを発生させる熱分解室と、
   ＣＯが消費されてＨ _２ が生じる反応である水性ガスシフト反応を生じさせる水性ガスシフト反応ゾーンを有し、前記合成ガス内のタールをより単純な炭素分子に解離するように前記熱分解室において生成された前記合成ガスの温度を上昇させる改質装置ユニットと、
   前記熱分解室と前記水性ガスシフト反応ゾーンとの間で合成ガスを繰り返し循環させる循環ループを形成する導管循環手段と、
   水性ガスシフト反応によってＣＯが消費されてＨ _２ が生じるように、前記水性ガスシフト反応ゾーンに蒸気を注入して水性ガスシフト反応により、前記合成ガス中に存在するＨ _２ の割合を高める注入手段と、
   前記改質装置ユニットに並行し、合成ガスを前記改質装置ユニットに通さずに前記熱分解室へと循環させるバイパス導管と、
   を含む、
   前記装置。
2. 前記改質装置ユニット内の前記合成ガスの水素含有量をモニタし、これに従って、前記合成ガスが繰り返し前記熱分解室と前記水性ガスシフト反応ゾーンとの間を循環するように、前記導管循環手段を介した合成ガスの循環を制御する制御システムを更に含む、請求項１に記載の装置。
3. 制御システムを含み、前記制御システムは前記改質装置ユニット内の前記合成ガスの組成をモニタする手段を有し、これに従って、前記制御システムは、前記合成ガスを用いたアルコールの合成のためのガス合成システム及び前記合成ガスを用いることによって蒸気を発生するボイラを備える蒸気発生手段のうちの少なくとも１つへの前記合成ガスの供給を制御するため供給手段を制御し、前記制御システムは、前記モニタされた前記合成ガスの組成が目標の組成でない場合、前記合成ガスが前記改質装置ユニットから前記蒸気発生手段に供給されると共に、前記モニタされた前記合成ガスの組成が目標の組成の場合、前記合成ガスが前記ガス合成システムに供給されるように、前記供給手段を制御する、請求項１に記載の装置。
4. 前記改質装置ユニット内の前記合成ガスの水素含有量に従って前記ガスへの蒸気の注入を制御する制御システムを更に含む、請求項１に記載の装置。
5. 前記改質装置ユニットは、主室と、前記循環ループ内の前記主室の下流に混合室を有し、
   前記注入手段は、前記蒸気を前記混合室に注入し、
   前記混合室の前記合成ガスの水素含有量をモニタするモニタ手段と、前記モニタされた前記合成ガスの水素含有量に従って、前記合成ガスが前記熱分解室と前記水性ガスシフト反応ゾーンとの間を繰り返し循環するように前記導管循環手段を制御しかつ前記注入の量が変化するように前記注入手段を制御する制御装置と、を備えた制御システムを更に備えた請求項１に記載の装置。
6. 前記熱分解室と前記改質装置ユニットとの間で前記合成ガスを３回よりも多く、最大で２４回循環させることができる制御システムを更に備えた、請求項１に記載の装置。
7. 合成ガスを製造するためのバッチ処理方法であって、
   管循環手段が、酸素の欠乏した雰囲気において有機材料を加熱することによって前記有機材料を熱分解し、ＣＯ及びＨ_２をほぼ含む合成ガスを発生させる熱分解室と、ＣＯが消費されてＨ_２が生じる反応である水性ガスシフト反応を生じさせる水性ガスシフト反応ゾーンを有し、前記合成ガス内のタールをより単純な炭素分子に解離するように前記熱分解室において生成された前記合成ガスの温度を上昇させる改質装置ユニットにおける前記水性ガスシフト反応ゾーンと、の間で合成ガスを繰り返し循環させる循環ループを形成すること、
   注入手段が、水性ガスシフト反応によってＣＯが消費されてＨ_２が生じるように、前記水性ガスシフト反応ゾーンに蒸気を注入して水性ガスシフト反応により、前記合成ガス中に存在するＨ_２の割合を高めること、
   前記改質装置ユニットに並行するバイパス導管が、合成ガスを前記改質装置ユニットに通さずに前記熱分解室へと循環させること、
   を含む、
   前記方法。
8. 制御システムが、前記改質装置ユニット内の前記合成ガスの水素含有量をモニタすること、
   制御システムが、前記モニタされた前記合成ガスの水素含有量に従って、前記合成ガスが繰り返し前記熱分解室と前記水性ガスシフト反応ゾーンとの間を循環するように、前記導管循環手段を介した合成ガスの循環を制御すること、
   を更に含む、請求項７に記載の方法。
9. 制御システムが有するモニタする手段が、前記改質装置ユニット内の前記合成ガスの組成をモニタすること、
   前記制御システムが、前記モニタされた前記合成ガスの組成が目標の組成でない場合、前記合成ガスが、前記改質装置ユニットから、前記合成ガスを用いることによって蒸気を発生するボイラを備える蒸気発生手段に供給されると共に、前記モニタされた前記合成ガスの組成が目標の組成の場合、前記合成ガスが、前記合成ガスを用いたアルコールの合成のためのガス合成システムに供給されるように、前記ガス合成システム及び蒸気発生手段のうちの少なくとも１つへの前記合成ガスの供給を制御するため供給手段を制御すること、
   を更に含む請求項７に記載の方法。
10. 制御システムが、前記改質装置ユニット内の前記合成ガスの水素含有量に従って前記ガスへの蒸気の注入を制御することを更に含む、請求項７に記載の方法。
11. 前記改質装置ユニットは、主室と、前記循環ループ内の前記主室の下流に混合室を有し、
    前記注入手段は、前記蒸気を前記混合室に注入し、
    モニタ手段が、前記混合室の前記合成ガスの水素含有量をモニタすること、
    制御装置が、前記モニタされた前記合成ガスの水素含有量に従って、前記合成ガスが前記熱分解室と前記水性ガスシフト反応ゾーンとの間を繰り返し循環するように前記導管循環手段を制御しかつ前記注入の量が変化するように前記注入手段を制御すること、
    を更に備えた請求項７に記載の方法。
12. 前記熱分解室と前記改質装置ユニットとの間で前記合成ガスを３回よりも多く、最大で２４回循環させる、請求項７に記載の方法。

Images