JP5632096B2 - 合成ガスからの二酸化炭素の製造 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

国内先願の優先権の主張
本出願は、２０１０年１２月１５日出願の米国特許出願第６１／４２３，３２８号の優先権を主張するものである。

本発明は、ガスの分離に関する。より詳細には、本発明は、酸性ガス、二酸化炭素、硫化水素、および一酸化炭素を除去することによる、合成ガス（シンガス）流などの水素リッチ流の精製に関する。本発明はさらに、先行技術のプロセスと比較して必要とされるエネルギーが非常に低い二酸化炭素除去のための方法にも関する。

二酸化炭素の排出を理由として、化石燃料の燃焼に関する懸念が世界中で高まりつつある。大気中のＣＯ_２は、地表からの放射熱を閉じ込めることで「温室効果」を発生させる能力を有し、それによって地球温暖化に寄与するものと考えられている。大気中へのＣＯ_２の排出は、まだ法規制されていないが、この課題は、将来的な法規制の可能性が非常に高い注目されつつある政治的な関心事項であり、新しい技術および発明によってこの問題に対処するに値するものである。多くの技術フォーラムにおいて、化石燃料からのＣＯ_２の排出を制限するための方法は、化石燃料のエネルギーを水素の製造に用いることであることが提案されており、水素が燃焼時に排出するのは水蒸気のみである。水素の製造の過程で、化石燃料中の炭素はＣＯ_２に変換される。現行の提案下では、ＣＯ_２は、次に水素から分離され、高圧に圧縮されて廃棄される。この高圧は、最も一般的に提案される廃棄法である地中深くまたは海底深くに閉じ込めることによる隔離を行うために必要である。精製水素およびＣＯ_２を製造するための多くの商業的プロセスが利用可能であるが、分離プロセスおよびＣＯ_２圧縮プロセスの両方の実施によって消費されるエネルギーは、非常に高く、そのことが、現行のプロセスを商業的に魅力のないものにしている。発明者らの発明は、このエネルギー消費を大きく低減する方法を提案する。

化石燃料から水素を生成するためのプロセスは周知である。このようなプロセスの１つの広いクラスは、ガス化であり、この場合、炭素質燃料（例：石炭）は、水蒸気の存在下、高温および高圧にて部分酸化され、主として一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ_２）が形成される。次に、周知の水性ガス転化反応により、一酸化炭素が触媒上にて水蒸気と反応し、さらなる水素および二酸化炭素が形成される。化石燃料中の硫黄は、ガス化の過程にて、主として硫化水素に転換される。次に、水素は、一般的に酸性ガス除去と称される（化合物ＣＯ_２およびＨ_２Ｓが水中でイオン化して温和な酸性溶液を形成することからこのように称される）周知の処理方法によって精製されて、ＣＯ_２およびＨ_２Ｓが除去される。

酸性ガス除去のための数多くの方法が存在する。商業的に適用されているほとんどのプロセスは、酸性ガスに対して親和性を有する何らかの形態の溶媒を用いる。溶媒は、広く様々であり、モノエタノールアミン水溶液、冷メタノール、または水中でイオン化された熱炭酸カリウムなどの化学物質が挙げられる。参考文献であるGas Purification, fifth editionには、酸性ガス除去のための溶媒ベースのプロセスが十数種類挙げられている。通常、酸性ガスは、吸収塔中にて溶媒に吸収され、酸性ガスリッチの溶媒流が形成される。次に、酸性ガスは、減圧下でのフラッシング、窒素もしくはスチームの媒体によるストリッピング、および／または溶媒の蒸留の何らかの組み合わせにより、このリッチ溶媒から除去される。この時点で酸性ガスが希薄となった溶媒は、続いて、吸収塔へと戻される。

このような溶媒ベースの酸性ガス除去プロセスの主たる欠点は、スチームまたは電気のいずれかの形態にて、著しい量のエネルギーが溶媒の再生に必要であることである。溶媒中にて酸性ガスを希釈するという操作自体が、酸性ガスを純粋流として再構成する際に著しいエネルギーを必要とすることを意味している。このエネルギー上のマイナス面は、酸性ガスを隔離のために加圧する必要のある場合に、さらに悪化する。減圧下における溶媒のフラッシングの過程での圧力の損失は、続いて、酸性ガスの圧縮によって回復させなければならない。ＣＯ_２の隔離の前にＨ_２ＳをＣＯ_２から分離する必要のある場合、なおさらなるエネルギーを消費しなければならない（環境法令による解決がなされていない課題）。

Ｈ_２Ｓの分離およびＣＯ_２の除去を行ってそれぞれの純粋流とするための吸収技術を用いる典型的なガス化設計では、生成されたＣＯ_２は、ＣＯ_２を、地質中への隔離または増加石油回収（ＥＯＲ）用途のために十分な圧力とするのに多大な圧縮を必要とするような圧力である。このＣＯ_２圧縮の必要性は、吸収ユニット自体に要するエネルギーの３から４倍に相当することが見出されている。設備および運転費の両方におけるこのコストは、法外なものである。

先行技術の設計の別の問題は、産業界が、ＣＯ_２の不純物に関して、より厳しい仕様を要求し始めていることである。加えて、産業界は、近年、ＣＯ_２を隔離することができない場合の環境排出に基づいて、精製ＣＯ_２流のＣＯ含有量に関して、非常に厳格な仕様を提案している。

先行技術の設計では、リサイクルフラッシュドラムを用いて減圧下にてＣＯ（Ｈ_２、ＣＨ_４などと共に）をフラッシング除去し、ＣＯ_２吸収装置のカラムへ圧縮して戻すことによって、この問題を解決する試みを行った。これは、残りの中圧および低圧ＣＯ_２フラッシュドラムにて大部分のＣＯ_２にフラッシング除去処理を施す前に行われる。この先行技術の設計での問題は、ＣＯ_２リサイクルシステムの運転および設備費用が非常に掛かり、ＣＯ_２中のＣＯの仕様が非常に低い場合、この費用は法外なものとなる。明らかに、高圧の精製ＣＯ_２を提供するより低コストの手段があれば、非常に高価値となるであろう。

本発明は、先行技術のいくつかの要素を改変せずに用いる。本発明は、明確にこれを含むわけではないが、Ｈ_２Ｓ吸収装置の最上部から排出されるシンガスからＣＯ_２を除去する一連の処理工程の使用が関与する。これらには、圧力を７５８４ｋＰａ（１１００ｐｓｉｇ）まで増加させる圧縮工程、水を除去する脱水工程、およびシンガス流からＣＯ_２を除去する低温液化および分離が含まれるが、これらに限定されない。この一連の工程は、シンガス流からＣＯ_２の８０％を除去し、それを高圧高純度の濃密相流として設備境界（battery limits）へ供給する。この時点で高圧であるシンガスは、ＣＯ_２除去のために続いてＣＯ_２吸収装置へと送られるものであり、これにより、より低い溶媒率および設備サイズが可能となることで、高められた圧力から大きな恩恵が得られる。ＣＯ_２吸収装置中へと送られるシンガス中に残留するＣＯ_２は、一連のフラッシュドラムにて前述のようにして除去される。本発明は、フラッシュドラムからの二酸化炭素を別に廃棄するのではなく、すべてのフラッシュドラムからのＣＯ_２を一連の処理工程へ戻すリサイクルの一体化を明確に含む。

本発明の有益性は、設備費用の大幅な低減および運転費用の大幅な低減である。１つの分析では、運転費用の削減は、電気単独で、４０メガワットに近いものであり得る。本発明は、二酸化炭素生成物流が低一酸化炭素レベルを有することが所望される状況において、特定の用途を有する。

Claims (6)

1. 合成ガスを処理するための方法であって：
   ａ）合成ガスから硫化水素を除去すること；
   ｂ）前記合成ガスを圧縮して、合成ガスの圧縮流を生成すること；
   ｃ）前記合成ガスの圧縮流を脱水して、合成ガスの乾燥圧縮流を生成すること；
   ｄ）前記合成ガスの乾燥圧縮流を冷却して、前記合成ガスの乾燥圧縮流から大部分の二酸化炭素を除去し、合成ガスの部分精製流および二酸化炭素の生成物流を生成すること；
   ｅ）前記合成ガスの部分精製流をまず、二酸化炭素吸収装置へ送って、精製合成ガスの流れおよび二酸化炭素を含む流れを生成すること；及び、
   ｆ）前記二酸化炭素を含む流れを、工程（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）へ戻して、前記二酸化炭素の生成物流へ追加の二酸化炭素を加えること、
   を含む、方法。
2. 前記二酸化炭素を含む流れが、前記工程（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）へ戻される前に、まず圧縮される、請求項１に記載の方法。
3. 前記合成ガスが、７５８４ｋＰａ（１１００ｐｓｉｇ）まで圧縮される、請求項１に記載の方法。
4. 前記二酸化炭素を含む流れが、前記工程（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）へ送られる前に、前記二酸化炭素吸収装置から、少なくとも１つのフラッシュドラムへ送られる、請求項１に記載の方法。
5. 前記少なくとも１つのフラッシュドラムが、少なくとも１つのリサイクルフラッシュドラム、少なくとも１つの中圧フラッシュドラム、および少なくとも１つの低圧フラッシュドラムを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記少なくとも１つのフラッシュドラムを通された後、前記二酸化炭素が、圧縮されて、二酸化炭素の圧縮流を形成する、請求項４に記載の方法。