JPWO2007114250A1 - 液体燃料合成システム - Google Patents

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Abstract

この液体燃料合成システム１は、炭化水素原料を改質して一酸化炭素ガス及び水素ガスを主成分とする合成ガスを生成する改質器１２と、合成ガスに含まれる一酸化炭素ガス及び水素ガスから液体炭化水素を合成する気泡塔型反応器３０と、改質器１２から気泡塔型反応器３０への合成ガスの供給経路としての配管１５０と、改質器１２で生成された合成ガスを少なくとも気泡塔型反応器３０における所定の反応圧力以上に圧縮する第１圧縮装置１１０とを備える。

Description

本発明は、液体燃料合成システムに関する。
本願は、２００６年３月３０日に出願された日本国特許出願第２００６−９５９３２号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
近年、天然ガスから液体燃料を合成するための方法の１つとして、天然ガスを改質して一酸化炭素ガス（ＣＯ）と水素ガス（Ｈ２）とを主成分とする合成ガスを生成し、この合成ガスを原料ガスとしてフィッシャー・トロプシュ合成反応（以下、「ＦＴ合成反応」という。）により液体炭化水素を合成し、さらにこの液体炭化水素を水素化および精製することで、ナフサ（粗ガソリン）、灯油、軽油、ワックス等の液体燃料製品を製造するＧＴＬ（Gas To Liquid：液体燃料合成）技術が開発されている。
ＧＴＬ技術を用いた液体燃料合成システムは、天然ガスを改質して一酸化炭素ガスと水素ガスが生成する改質器と、合成反応によって改質器が生成した合成ガスから液体燃料を生成する反応器などを備えている。そして、反応器における合成反応の反応率を向上させるためには、反応器に導入する合成ガスの圧力を適切に設定し、反応器内の反応圧力を適切に調整する必要がある。
しかしながら、改質器と反応器との間には、脱炭酸装置や配管、弁などが設けられることがある。従って、従来の液体燃料合成システムでは、改質器から送出された合成ガスの圧力は、これらの装置や配管などによる圧力損失によって、反応器への導入時には低下している。その結果、反応器内の反応圧力が適切な圧力とならないため、合成反応の反応率が低下する。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、反応器における合成反応に必要な安定した反応圧力を確保でき、合成反応の反応率を向上させることが可能な液体燃料合成システムを提供することを目的とする。
本発明の液体燃料合成システムは、炭化水素原料を改質して一酸化炭素ガス及び水素ガスを主成分とする合成ガスを生成する改質器と；前記合成ガスに含まれる一酸化炭素ガス及び水素ガスから液体炭化水素を合成する反応器と；前記改質器から前記反応器への前記合成ガスの供給経路と；前記供給経路に設けられ、前記改質器で生成された合成ガスを少なくとも前記反応器における所定の反応圧力以上に圧縮する第１圧縮装置と；を備える。
かかる構成により、第１圧縮装置は、改質器等から構成される合成ガス生成ユニットから送出された合成ガスの圧力以上に合成ガスを圧縮して、反応器内より高い圧力の合成ガスを反応器に導入することができる。その結果、反応器における合成反応に必要な安定した圧力を確保でき、合成反応の反応率を向上させることができる。
上記改質器で生成された合成ガスの熱を回収して水蒸気を発生させる排熱ボイラーをさらに備え、第１圧縮装置は、排熱ボイラーで発生した水蒸気を動力源として駆動してもよい。かかる構成により、排熱ボイラーは、改質器で生成された合成ガスの熱エネルギーを回収して、水蒸気を発生する。排熱ボイラーから発生した水蒸気は、第１圧縮装置に接続された蒸気タービンの動力源となり、第１圧縮装置はこの蒸気タービンによって駆動される。
上記反応器の塔頂から排出される未反応の合成ガスを、反応器の導入口に戻すリサイクル経路と、該リサイクル経路に設けられ、未反応の合成ガスを少なくとも反応器における所定の反応圧力以上に圧縮する第２圧縮装置と、をさらに備えてもよい。かかる構成により、第２圧縮装置は、反応器から送出された未反応の合成ガスの圧力以上に合成ガスを圧縮して、より高い圧力の合成ガスを反応器に再び導入することができる。
上記改質器で生成された合成ガスの熱を回収して水蒸気を発生させる排熱ボイラーをさらに備え、第２圧縮装置は、排熱ボイラーで発生した水蒸気を動力源として駆動してもよい。かかる構成により、排熱ボイラーは、改質器で生成された合成ガスの熱エネルギーを回収して、水蒸気を発生する。排熱ボイラーから発生した水蒸気は、第２圧縮装置に接続された蒸気タービンの動力源となり、第２圧縮装置はこの蒸気タービンによって駆動される。
上記改質器で生成された合成ガスの熱を回収して水蒸気を発生させる排熱ボイラーと、排熱ボイラーで発生した水蒸気を動力源として駆動し、液体燃料合成システム内の各装置に電力を供給する発電機と、をさらに備えてもよい。かかる構成により、排熱ボイラーは、改質器で生成された合成ガスの熱エネルギーを回収して、水蒸気を発生する。排熱ボイラーから発生した水蒸気は、発電機に接続された蒸気タービンの動力源となり、発電機はこの蒸気タービンによって駆動され、発電する。
上記排熱ボイラーで発生した水蒸気を、排熱ボイラーから発電機に減圧せずに直接供給してもよい。かかる構成により、排熱ボイラーから発生した水蒸気が保有するエネルギーを有効に利用することができる。
以上説明したように本発明によれば、反応器における合成反応に必要な安定した反応圧力を確保でき、合成反応の反応率を向上させることができる。
図１は、本発明の実施形態にかかる液体燃料合成システムの全体構成を示す概略図である。 図２は、本発明の実施形態にかかる液体燃料合成システムにおける高圧スチーム系統の構成例を示すブロック図である。 図３は、本発明の実施形態にかかる液体燃料合成システムにおける圧縮機の構成を示す概略図である。
符号の説明
１…液体燃料合成システム、３…合成ガス生成ユニット、５…ＦＴ合成反応ユニット、７…製品精製ユニット、１０…脱硫反応器、１２…改質器、１４…排熱ボイラー、１６，１８，３４，３８，５６，５８，６０…気液分離器、２０…脱炭酸装置、２２…吸収塔、２４…再生塔、２６…水素分離装置、３０…気泡塔型反応器、３２…伝熱管、３６…分離器、４０…第１精留塔、５０…ＷＡＸ分水素化分解反応器、５２…灯油・軽油留分水素化精製反応器、５４…ナフサ留分水素化精製反応器、７０…第２精留塔、７２…ナフサ・スタビライザー、１１０…第１圧縮装置、１１２…蒸気タービン、１１４…圧縮機、１１６…モータ部、１２０…第２圧縮機、１３２…蒸気タービン、１３４…発電機、１３６…蓄電設備、１３８…変電所、１４０，１４２，１４４，１４６，１５０…配管
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
まず、図１を参照して、本発明の実施形態にかかるＧＴＬ（Gas To Liquid）プロセスを実行する液体燃料合成システム１の全体構成及び動作について説明する。図１は、本実施形態にかかる液体燃料合成システム１の全体構成を示す概略図である。
図１に示すように、本実施形態にかかる液体燃料合成システム１は、天然ガス等の炭化水素原料を液体燃料に転換するＧＴＬプロセスを実行するプラント設備である。この液体燃料合成システム１は、合成ガス生成ユニット３と、ＦＴ合成ユニット５と、製品精製ユニット７とから構成される。合成ガス生成ユニット３は、炭化水素原料である天然ガスを改質して一酸化炭素ガスと水素ガスを含む合成ガスを生成する。ＦＴ合成ユニット５は、生成された合成ガスからフィッシャー・トロプシュ合成反応（以下、「ＦＴ合成反応」という。）により液体炭化水素を生成する。製品精製ユニット７は、ＦＴ合成反応により生成された液体炭化水素を水素化・精製して液体燃料製品（ナフサ、灯油、軽油等）を製造する。以下、これら各ユニットの構成要素について説明する。
まず、合成ガス生成ユニット３について説明する。合成ガス生成ユニット３は、例えば、脱硫反応器１０と、改質器１２と、排熱ボイラー１４と、気液分離器１６および１８と、脱炭酸装置２０と、水素分離装置２６とを主に備える。脱硫反応器１０は、水添脱硫装置等で構成され、原料である天然ガスから硫黄成分を除去する。改質器１２は、脱硫反応器１０から供給された天然ガスを改質して、一酸化炭素ガス（ＣＯ）と水素ガス（Ｈ２）とを主成分として含む合成ガスを生成する。排熱ボイラー１４は、改質器１２にて生成した合成ガスの排熱を回収して高圧スチームを発生する。気液分離器１６は、排熱ボイラー１４において合成ガスとの熱交換により加熱された水を気体（高圧スチーム）と液体とに分離する。気液分離器１８は、排熱ボイラー１４にて冷却された合成ガスから凝縮分を除去し気体分を脱炭酸装置２０に供給する。脱炭酸装置２０は、気液分離器１８から供給された合成ガスから吸収液を用いて炭酸ガスを除去する吸収塔２２と、当該炭酸ガスを含む吸収液から炭酸ガスを放散させて再生する再生塔２４とを有する。水素分離装置２６は、脱炭酸装置２０により炭酸ガスが分離された合成ガスから、当該合成ガスに含まれる水素ガスの一部を分離する。ただし、上記脱炭酸装置２０は場合によっては設ける必要がないこともある。
このうち、改質器１２は、例えば、下記の化学反応式（１）、（２）で表される水蒸気・炭酸ガス改質法により、二酸化炭素と水蒸気とを用いて天然ガスを改質して、一酸化炭素ガスと水素ガスとを主成分とする高温の合成ガスを生成する。なお、この改質器１２における改質法は、上記水蒸気・炭酸ガス改質法の例に限定されず、例えば、水蒸気改質法、酸素を用いた部分酸化改質法（ＰＯＸ）、部分酸化改質法と水蒸気改質法の組合せである自己熱改質法（ＡＴＲ）、炭酸ガス改質法などを利用することもできる。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２ ・・・（１）
ＣＨ４＋ＣＯ２→２ＣＯ＋２Ｈ２ ・・・（２）
また、水素分離装置２６は、脱炭酸装置２０又は気液分離器１８と気泡塔型反応器３０とを接続する主配管から分岐した分岐ラインに設けられる。この水素分離装置２６は、例えば、圧力差を利用して水素の吸着と脱着を行う水素ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption：圧力変動吸着）装置などで構成できる。この水素ＰＳＡ装置は、並列配置された複数の吸着塔（図示せず。）内に吸着剤（ゼオライト系吸着剤、活性炭、アルミナ、シリカゲル等）を有しており、各吸着塔で水素の加圧、吸着、脱着（減圧）、パージの各工程を順番に繰り返すことで、合成ガスから分離した純度の高い水素ガス（例えば９９．９９９％程度）を、連続して反応器へ供給することができる。
なお、水素分離装置２６における水素ガス分離方法としては、上記水素ＰＳＡ装置のような圧力変動吸着法の例に限定されず、例えば、水素吸蔵合金吸着法、膜分離法、或いはこれらの組合せなどであってもよい。
次に、ＦＴ合成ユニット５について説明する。ＦＴ合成ユニット５は、例えば、気泡塔型反応器３０と、気液分離器３４と、分離器３６と、気液分離器３８と、第１精留塔４０とを主に備える。気泡塔型反応器３０は、上記合成ガス生成ユニット３で生成された合成ガス、即ち、一酸化炭素ガスと水素ガスとをＦＴ合成反応させて液体炭化水素を生成する。気液分離器３４は、気泡塔型反応器３０内に配設された伝熱管３２内を流通して加熱された水を、水蒸気（中圧スチーム）と液体とに分離する。分離器３６は、気泡塔型反応器３０の中央部に接続され、触媒と液体炭化水素生成物を分離処理する。気液分離器３８は、気泡塔型反応器３０の上部に接続され、未反応合成ガス及び気体炭化水素生成物を冷却処理する。第１精留塔４０は、気泡塔型反応器３０から分離器３６、気液分離器３８を介して供給された液体炭化水素を蒸留し、沸点に応じて各製品留分に分離・精製する。
このうち、気泡塔型反応器３０は、合成ガスを液体炭化水素に合成する反応器の一例であり、ＦＴ合成反応により合成ガスから液体炭化水素を合成するＦＴ合成用反応器として機能する。この気泡塔型反応器３０は、例えば、塔型の容器内部に触媒と媒体油とからなるスラリーが貯留された気泡塔型スラリー床式反応器で構成される。この気泡塔型反応器３０は、ＦＴ合成反応により合成ガスから液体炭化水素を生成する。詳細には、この気泡塔型反応器３０では、原料ガスである合成ガスは、気泡塔型反応器３０の底部の分散板から気泡となって供給され、触媒と媒体油からなるスラリー内を通過し、懸濁状態の中で下記化学反応式（３）に示すように水素ガスと一酸化炭素ガスとが合成反応を起こす。
２ｎＨ２＋ｎＣＯ→（−ＣＨ２−）ｎ＋ｎＨ２Ｏ ・・・（３）
このＦＴ合成反応は発熱反応であるため、気泡塔型反応器３０は内部に伝熱管３２が配設された熱交換器型になっており、冷媒として例えば水（ＢＦＷ：Boiler Feed Water）を供給し、上記ＦＴ合成反応の反応熱を、スラリーと水との熱交換により中圧スチームとして回収できるようになっている。
最後に、製品精製ユニット７について説明する。製品精製ユニット７は、例えば、ＷＡＸ分水素化分解反応器５０と、灯油・軽油留分水素化精製反応器５２と、ナフサ留分水素化精製反応器５４と、気液分離器５６，５８，６０と、第２精留塔７０と、ナフサ・スタビライザー７２とを備える。ＷＡＸ分水素化分解反応器５０は、第１精留塔４０の下部に接続されている。灯油・軽油留分水素化精製反応器５２は、第１精留塔４０の中央部に接続されている。ナフサ留分水素化精製反応器５４は、第１精留塔４０の上部に接続されている。気液分離器５６，５８，６０は、これら水素化反応器５０，５２，５４のそれぞれに対応して設けられている。第２精留塔７０は、気液分離器５６，５８から供給された液体炭化水素を沸点に応じて分離・精製する。ナフサ・スタビライザー７２は、気液分離器６０及び第２精留塔７０から供給されたナフサ留分の液体炭化水素を精留して、ブタンより軽い成分はフレアガス（排ガス）側へ排出し、炭素数がＣ５以上の成分は製品のナフサとして分離・回収する。
次に、以上のような構成の液体燃料合成システム１により、天然ガスから液体燃料を合成する工程（ＧＴＬプロセス）について説明する。
液体燃料合成システム１には、天然ガス田又は天然ガスプラントなどの外部の天然ガス供給源（図示せず。）から、炭化水素原料としての天然ガス（主成分がＣＨ４）が供給される。上記合成ガス生成ユニット３は、この天然ガスを改質して合成ガス（一酸化炭素ガスと水素ガスを主成分とする混合ガス）を製造する。
具体的には、まず、上記天然ガスは、水素分離装置２６によって分離された水素ガスとともに脱硫反応器１０に供給される。脱硫反応器１０は、当該水素ガスを用いて天然ガスに含まれる硫黄分を例えばＺｎＯ触媒で水添脱硫する。このようにして天然ガスを予め脱硫しておくことにより、改質器１２及び気泡塔型反応器３０等で用いられる触媒の活性が硫黄により低下することを防止できる。
このようにして脱硫された天然ガス（二酸化炭素を含んでもよい。）は、二酸化炭素供給源（図示せず。）から供給される二酸化炭素（ＣＯ２）ガスと、排熱ボイラー１４で発生した水蒸気とが混合された後で、改質器１２に供給される。改質器１２は、例えば、上述した水蒸気・炭酸ガス改質法により、二酸化炭素と水蒸気とを用いて天然ガスを改質して、一酸化炭素ガスと水素ガスとを主成分とする高温の合成ガスを生成する。このとき、改質器１２には、例えば、改質器１２が備えるバーナー用の燃料ガスと空気が供給されており、当該バーナーにおける燃料ガスの燃焼熱により、吸熱反応である上記水蒸気・炭酸ガス改質反応に必要な反応熱がまかなわれている。
このようにして改質器１２で生成された高温の合成ガス（例えば、９００℃、２．０ＭＰａＧ）は、排熱ボイラー１４に供給され、排熱ボイラー１４内を流通する水との熱交換により冷却（例えば４００℃）されて、排熱回収される。このとき、排熱ボイラー１４において合成ガスにより加熱された水は気液分離器１６に供給され、この気液分離器１６から気体分が高圧スチーム（例えば３．４〜１０．０ＭＰａＧ）として改質器１２または他の外部装置に供給され、液体分の水が排熱ボイラー１４に戻される。
一方、排熱ボイラー１４において冷却された合成ガスは、凝縮液分が気液分離器１８において分離・除去された後、脱炭酸装置２０の吸収塔２２、又は気泡塔型反応器３０に供給される。吸収塔２２は、貯留している吸収液内に、合成ガスに含まれる炭酸ガスを吸収することで、当該合成ガスから炭酸ガスを除去する。この吸収塔２２内の炭酸ガスを含む吸収液は、再生塔２４に導入され、当該炭酸ガスを含む吸収液は例えばスチームで加熱されてストリッピング処理され、放散された炭酸ガスは、再生塔２４から改質器１２に送られて、上記改質反応に再利用される。
このようにして、合成ガス生成ユニット３で生成された合成ガスは、上記ＦＴ合成ユニット５の気泡塔型反応器３０に供給される。このとき、気泡塔型反応器３０に供給される合成ガスの組成比は、ＦＴ合成反応に適した組成比（例えば、Ｈ２：ＣＯ＝２：１（モル比））に調整されている。なお、気泡塔型反応器３０に供給される合成ガスは、脱炭酸装置２０と気泡塔型反応器３０とを接続する合成ガス供給経路の配管１５０に設けられた第１圧縮装置１１０により、ＦＴ合成反応に適切な圧力（例えば３．６ＭＰａＧ）以上に昇圧されるが、詳細は後述する。
また、上記脱炭酸装置２０により炭酸ガスが分離された合成ガスの一部は、水素分離装置２６にも供給される。水素分離装置２６は、上記のように圧力差を利用した吸着、脱着（水素ＰＳＡ）により、合成ガスに含まれる水素ガスを分離する。この分離された水素は、ガスホルダー（図示せず。）等から圧縮機（図示せず。）を介して、液体燃料合成システム１内において水素を利用して所定反応を行う各種の水素利用反応装置（例えば、脱硫反応器１０、ＷＡＸ分水素化分解反応器５０、灯油・軽油留分水素化精製反応器５２、ナフサ留分水素化精製反応器５４など）に、連続して供給される。
次いで、上記ＦＴ合成ユニット５は、上記合成ガス生成ユニット３によって生成された合成ガスから、ＦＴ合成反応により、液体炭化水素を合成する。
具体的には、上記合成ガス生成ユニット３によって生成された合成ガスは、気泡塔型反応器３０の底部から流入されて、気泡塔型反応器３０内に貯留された触媒スラリー内を上昇する。この際、気泡塔型反応器３０内では、上述したＦＴ合成反応により、当該合成ガスに含まれる一酸化炭素と水素ガスとが反応して、炭化水素が生成される。さらに、この合成反応時には、気泡塔型反応器３０の伝熱管３２内に水を流通させることで、ＦＴ合成反応の反応熱を除去し、この熱交換により加熱された水が気化して水蒸気となる。この水蒸気は、気液分離器３４で液化した水が伝熱管３２に戻されて、気体分が中圧スチーム（例えば１．０〜２．５ＭＰａＧ）として外部装置に供給される。
このようにして、気泡塔型反応器３０で合成された液体炭化水素は、気泡塔型反応器３０の中央部から取り出されて、分離器３６に導入される。分離器３６は、取り出されたスラリー中の触媒（固形分）と、液体炭化水素生成物を含んだ液体分とに分離する。分離された触媒は、その一部を気泡塔型反応器３０に戻され、液体分は第１精留塔４０に供給される。また、気泡塔型反応器３０の塔頂からは、未反応の合成ガスと、合成された炭化水素のガス分とが気液分離器３８に導入される。気液分離器３８は、これらのガスを冷却して、一部の凝縮分の液体炭化水素を分離して第１精留塔４０に導入する。一方、気液分離器３８で分離されたガス分については、未反応の合成ガス（ＣＯとＨ２）は、気泡塔型反応器３０の底部に再投入されてＦＴ合成反応に再利用され、また、製品対象外である炭素数が少ない（Ｃ４以下）の炭化水素ガスを主成分とする排ガス（フレアガス）は、外部の燃焼設備（図示せず。）に導入されて、燃焼された後に大気放出される。
一方、気液分離器３８で分離されたガス分について、製品対象外である炭素数が少ない（Ｃ４以下）の炭化水素ガス及び未反応の合成ガス（ＣＯとＨ２）は、リサイクル経路の配管１４２，１４６に設けられた第２圧縮装置１２０によって必要量を吸引され、配管１４０，１４２，１４６を経由して、気泡塔型反応器３０の底部に再導入される。このうちの未反応の合成ガス（ＣＯとＨ２）は、ＦＴ合成反応に再利用される。また、気液分離器３８で分離されたガス分の一部は、Ｃ４以下の炭化水素ガス及び未反応の合成ガスを成分とする排ガス（フレアガス）として、配管１４０，１４４を経由して、外部の燃焼設備（図示せず。）に導入されて、燃焼された後に大気放出される。
次いで、第１精留塔４０は、上記のようにして気泡塔型反応器３０から分離器３６、気液分離器３８を介して供給された液体炭化水素（炭素数は多様）を加熱して、沸点の違いを利用して分留し、ナフサ留分（沸点が約３１５℃未満）と、灯油・軽油留分（沸点が約３１５〜８００℃）と、ＷＡＸ分（沸点が約８００℃より大）とに分離・精製する。この第１精留塔４０の底部から取り出されるＷＡＸ分の液体炭化水素（主としてＣ２１以上）は、ＷＡＸ分水素化分解反応器５０に移送され、第１精留塔４０の中央部から取り出される灯油・軽油留分の液体炭化水素（主としてＣ１１〜Ｃ２０）は、灯油・軽油留分水素化精製反応器５２に移送され、第１精留塔４０の上部から取り出されるナフサ留分の液体炭化水素（主としてＣ５〜Ｃ１０）は、ナフサ留分水素化精製反応器５４に移送される。
ＷＡＸ分水素化分解反応器５０は、第１精留塔４０の下部から供給された炭素数の多いＷＡＸ分の液体炭化水素（概ねＣ２１以上）を、上記水素分離装置２６から供給された水素ガスを利用して水素化分解して、炭素数をＣ２０以下に低減する。この水素化分解反応では、触媒と熱を利用して、炭素数の多い炭化水素のＣ−Ｃ結合を切断して、炭素数の少ない低分子量の炭化水素を生成する。このＷＡＸ分水素化分解反応器５０により、水素化分解された液体炭化水素を含む生成物は、気液分離器５６で気体と液体とに分離され、そのうち液体炭化水素は、第２精留塔７０に移送され、気体分（水素ガスを含む。）は、灯油・軽油留分水素化精製反応器５２及びナフサ留分水素化精製反応器５４に移送される。
灯油・軽油留分水素化精製反応器５２は、第１精留塔４０の中央部から供給された炭素数が中程度である灯油・軽油留分の液体炭化水素（概ねＣ１１〜Ｃ２０）を、水素分離装置２６からＷＡＸ分水素化分解反応器５０を介して供給された水素ガスを用いて、水素化精製する。この水素化精製反応は、上記液体炭化水素の不飽和結合に水素を付加して飽和させ、直鎖状飽和炭化水素を生成する反応である。この結果、水素化精製された液体炭化水素を含む生成物は、気液分離器５８で気体と液体に分離され、そのうち液体炭化水素は、第２精留塔７０に移送され、気体分（水素ガスを含む。）は、上記水素化反応に再利用される。
ナフサ留分水素化精製反応器５４は、第１精留塔４０の上部から供給された炭素数が少ないナフサ留分の液体炭化水素（概ねＣ１０以下）を、水素分離装置２６からＷＡＸ分水素化分解反応器５０を介して供給された水素ガスを用いて、水素化精製する。この結果、水素化精製された液体炭化水素を含む生成物は、気液分離器６０で気体と液体に分離され、そのうち液体炭化水素は、ナフサ・スタビライザー７２に移送され、気体分（水素ガスを含む。）は、上記水素化反応に再利用される。
次いで、第２精留塔７０は、上記のようにしてＷＡＸ分水素化分解反応器５０及び灯油・軽油留分水素化精製反応器５２から供給された液体炭化水素を蒸留して、炭素数がＣ１０以下の炭化水素（沸点が約３１５℃未満）と、灯油（沸点が約３１５〜４５０℃）と、軽油（沸点が約４５０〜８００℃）とに分離・精製する。第２精留塔７０の下部からは軽油が取り出され、中央部からは灯油が取り出される。一方、第２精留塔７０の塔頂からは、炭素数がＣ１０以下の炭化水素ガスが取り出されて、ナフサ・スタビライザー７２に供給される。
さらに、ナフサ・スタビライザー７２では、上記ナフサ留分水素化精製反応器５４及び第２精留塔７０から供給された炭素数がＣ１０以下の炭化水素を蒸留して、製品としてのナフサ（Ｃ５〜Ｃ１０）を分離・精製する。これにより、ナフサ・スタビライザー７２の下部からは、高純度のナフサが取り出される。一方、ナフサ・スタビライザー７２の塔頂からは、製品対象外である炭素数が所定数以下（Ｃ４以下）の炭化水素を主成分とする排ガス（フレアガス）が排出される。この排ガスは、外部の燃焼設備（図示せず。）に導入されて、燃焼された後に大気放出される。
以上、液体燃料合成システム１の動作（ＧＴＬプロセス）について説明した。かかるＧＴＬプロセスにより、天然ガスを、高純度のナフサ（Ｃ５〜Ｃ１０：粗ガソリン）、灯油（Ｃ１１〜Ｃ１５：ケロシン）及び軽油（Ｃ１６〜Ｃ２０：ガスオイル）等のクリーンな液体燃料に、容易且つ経済的に転換することができる。さらに、本実施形態では、改質器１２において上記水蒸気・炭酸ガス改質法を採用しているので、原料となる天然ガスに含有されている二酸化炭素を有効に利用し、かつ、上記ＦＴ合成反応に適した合成ガスの組成比（例えば、Ｈ２：ＣＯ＝２：１（モル比））を改質器１２の１回の反応で効率的に生成することができ、水素濃度調整装置などが不要であるという利点がある。
ところで、従来の液体燃料合成システムでは、第１圧縮装置１１０や第２圧縮装置１２０が設置されておらず、改質器から送出された合成ガス及び気泡塔型反応器の塔頂から送出された合成ガスの圧力は、装置や配管などの圧力損失によって、気泡塔型反応器に導入される時までに低下するという問題があった。また、圧力が低下した合成ガスが気泡塔型反応器に導入される場合、気泡塔型反応器内の合成反応の反応率が悪化するという問題があった。
さらに、液体燃料合成システムでは、天然ガスを改質して一酸化炭素ガスと水素ガスとからなる合成ガスを生成する改質器の改質工程において、約１０００℃に近い排ガスが排出されるため、排熱ボイラーで排熱を回収して高圧かつ大量の水蒸気を発生させている。この高圧スチームは、従来、減圧した状態で、塔・槽機器類の加熱用熱源として利用することが多かった。
さらに、液体燃料合成システムは、低温の液を加熱して高温で蒸留塔へ供給したり、高温の液を低温まで冷却したりする処理操作があり、この温度落差が大きいため、加熱用水蒸気及び冷却水が大量に必要となり、液体燃料合成システム全体のエネルギー効率が悪いという問題があった。
そこで、本発明の実施形態にかかる液体燃料合成システム１において、排熱ボイラー１４で発生した水蒸気を第１圧縮装置１１０、第２圧縮装置１２０及び発電機１３４に利用する構成について、図１および図２を参照して説明する。図２は、本実施形態にかかる液体燃料合成システム１における高圧スチーム系統の構成例を示すブロック図である。
本実施形態にかかる液体燃料合成システム１は、図１及び図２に示すように、改質器１２で合成された合成ガスを圧縮する第１圧縮装置１１０と、気泡塔型反応器３０からリサイクルされる未反応の合成ガスを圧縮する第２圧縮装置１２０と、排熱ボイラー１４で発生した水蒸気を動力源とする蒸気タービン１３２によって駆動する発電機１３４とを備える。
第１圧縮装置１１０は、合成ガスが流れる供給経路の配管１５０において、脱炭酸装置２０の下流側に配置される。そして、第１圧縮装置１１０で圧縮された合成ガスが、気泡塔型反応器３０に導入されるように、第１圧縮装置１１０は気泡塔型反応器３０の合成ガス導入口の上流側に配置される。ここで、配管１５０は、合成ガスの供給経路として、排熱ボイラー１４から、気液分離器１８、脱炭酸装置２０を経由して、気泡塔型反応器３０に接続されて構成される。
第２圧縮装置１２０は、気泡塔型反応器３０の塔頂から送出される未反応の合成ガスを気泡塔型反応器３０に再び導入するリサイクル経路としての配管１４２，１４６に配置される。具体的には、第２圧縮装置１２０は、気液分離器３８の下流側に配置される。そして、第２圧縮装置１２０は、第２圧縮装置１２０で圧縮されたガスが、気泡塔型反応器３０に再び導入されるように、気泡塔型反応器３０の合成ガス導入口の上流側に配置される。ここで、気液分離器３８に接続された配管１４０と、配管１４２，１４６は、リサイクル経路として構成される。
次に、第１圧縮装置１１０、第２圧縮装置１２０について具体的に説明する。図３は、本実施形態にかかる液体燃料合成システムにおける第１圧縮装置１１０、第２圧縮装置１２０の構成を示す概略図である。
第１圧縮装置１１０、第２圧縮装置１２０は、図３に示すように、圧縮機１１４と、モータ部１１６と、蒸気タービン１１２とからなる。
圧縮機１１４は、駆動装置によって気体を圧縮し、圧縮された気体を連続的に送出する装置である。圧縮機１１４は、気体の入口部１１４ａと出口部１１４ｂとを有し、入口部１１４ａから合成ガスを導入し、出口部１１４ｂから圧縮された合成ガスを送出する。圧縮機１１４は、例えば容積形圧縮機とターボ形圧縮機を使用できる。容積形圧縮機としては、往復動式のレシプロ圧縮機、回転式のスクリュー圧縮機などを使用でき、ターボ形圧縮機としては、遠心式のラジアル圧縮機、ターボ圧縮機、軸流式の軸流圧縮機などを使用できる。
容積形圧縮機は、まず、室内に一定容積の気体を閉じ込め、その後、気体が閉じ込められた室内の容積を縮小することにより、気体の圧力を高めて、気体を圧縮し、その圧縮された気体を外部に連続的に排出する。ターボ形圧縮機は、ケーシングに納められた羽根車を回転させて、羽根車によって生じる気体のエネルギー増加によって、気体に圧力と速度を与えて、気体を圧縮し、その圧縮された気体を外部に連続的に排出する。
モータ部１１６には、蒸気タービン１１２の回転軸と圧縮機１１４の回転軸が接続される。モータ部１１６は、蒸気タービン１１２の回転力によって駆動され、その回転力を圧縮機１１４に伝達して、圧縮機１１４を駆動させる。
蒸気タービン１１２は、水蒸気の熱エネルギーを動力に変換する熱機関である。蒸気タービン１１２は、固定された静翼と、回転する動翼とからなり、静翼で発生した高速蒸気流を動翼に当て、動翼の取り付けられたロータを回転させることによって駆動力を得る。蒸気タービン１１２には、入口側１１２ａは気体である水蒸気が導入される。蒸気タービン１１２として、背圧タービン又は復水タービン等を使用することができる。背圧タービンは、水蒸気を出口側１１２ｂに気体のまま排出し、復水タービンは、水蒸気を出口側１１２ｂで冷却器（図示せず。）によって冷却して、液体である水として排出する。
圧縮機１１４に接続される蒸気タービン１１２は、排熱ボイラー１４から排出された高圧スチームを動力源として駆動される。従って、蒸気タービン１１２には、高圧スチームを導入するための水蒸気配管が接続される。この水蒸気配管は、排熱ボイラー１４から排出された高圧スチームを取り出す気液分離器１６と、蒸気タービン１１２とを接続するように設けられる。また、蒸気タービン１１２には、エネルギー変換によって高圧スチームが凝縮した凝縮水（コンデンセート）を排出する排出口が設けられる。
次に、本実施形態にかかる液体燃料合成システム１における高圧スチームの供給先の第１圧縮装置１１０、第２圧縮装置１２０の動作について、図２及び図３を参照して説明する。まず、改質器１２で合成された合成ガスを圧縮する第１圧縮装置１１０の動作について以下説明する。合成ガスは、改質器１２から排出された後、排熱ボイラー１４を通過して冷却され、さらに脱炭酸装置２０を経由して、供給経路としての配管１５０を通過して、第１圧縮装置１１０に導入される。第１圧縮装置１１０は、この導入された合成ガスを圧縮する。具体的には、合成ガスの圧力は、改質器１２から排出された時、例えば約２．０ＭＰａＧであり、その後、脱炭酸装置２０から排出された時、例えば約１．８ＭＰａＧである。そして、第１圧縮装置１１０に導入された合成ガスの圧力は、例えば３．６ＭＰａＧまで上昇する。第１圧縮装置１１０から排出された合成ガスは、気泡塔型反応器３０に導入される。この時の合成ガス圧力は、配管などの圧力損失によって、例えば約３．２ＭＰａＧとなる。
気泡塔型反応器３０におけるＦＴ合成反応の反応率を向上させるためには、気泡塔型反応器３０に導入する合成ガスの圧力を適切に設定し、気泡塔型反応器３０内の反応圧力を適切に調整する必要がある。上述したように、本実施形態は、第１圧縮装置１１０を設置することによって、所定の反応圧力以上に昇圧した合成ガスを気泡塔型反応器３０に導入することができるので、ＦＴ合成反応の反応圧力を高めることができ、合成反応の反応率を向上させることができる。
第１圧縮装置１１０を設置しないときは、気泡塔型反応器３０内のＦＴ合成反応の反応圧力は、脱炭酸装置２０から排出した時の圧力である例えば約１．８ＭＰａＧ、またはそれ以下の値となり、ＦＴ合成反応の反応率は、例えば約５０％である。そして、本実施形態は、第１圧縮装置１１０を設置することによって、例えば約３．２ＭＰａＧまでＦＴ合成反応の反応圧力を高めることができるので、ＦＴ合成反応の反応率を例えば約６０％又はそれ以上まで上昇させることができる。
また、第１圧縮装置１１０の上流側の排熱ボイラー１４や脱炭酸装置２０の動作や配管、弁などの圧力損失などによって、合成ガスの圧力の変動や脈動が配管内部に生じても、第１圧縮装置１１０は、上流側の合成ガスの圧力変動等を緩衝することができる。そのため、第１圧縮装置１１０は、第１圧縮装置１１０の下流側に、昇圧した合成ガスを安定して供給することができる。従って、本実施形態は、気泡塔型反応器３０の合成ガス導入側の上流に第１圧縮装置１１０を設置することによって、気泡塔型反応器３０に安定した圧力の合成ガスを供給することができる。その結果、気泡塔型反応器３０内のＦＴ合成反応の反応圧力も安定するため、ＦＴ合成反応を安定させることができる。
さらに、第１圧縮装置１１０は、排熱ボイラー１４から発生した高圧スチームを動力源として駆動される。上述したとおり、液体燃料合成システム１では、多量の余剰高圧スチームが存在するため、この高圧スチームを第１圧縮装置１１０に接続された蒸気タービン１１２の動力源として利用することができる。さらに、第１圧縮装置１１０の動力を電力とする場合に比べて、電力の消費を抑えられる。その結果、本実施形態は、液体燃料合成システム１全体のエネルギー効率を高めることができる。
次に、気泡塔型反応器３０から送出された未反応の合成ガスを圧縮する第２圧縮装置１２０について説明する。気泡塔型反応器３０では、導入された合成ガスが全て反応するのではなく、例えば約４０％の未反応ガスが存在する。未反応の合成ガスは、気泡塔型反応器３０の塔頂から送出された後、気液分離器３８を経由し、配管１４０，１４２，１４６を通過して、気泡塔型反応器３０の上流側に再び導入される。第２圧縮装置１２０は、この未反応の合成ガスを圧縮する。具体的には、気泡塔型反応器３０の塔頂から送出されて、第２圧縮装置１２０に導入される前の合成ガスの圧力は・BR>A例えば約３．０ＭＰａＧである。そして、第２圧縮装置１２０によって圧縮された合成ガスの圧力は、例えば３．６ＭＰａＧまで上昇する。その結果、上述した第１圧縮装置１１０の場合と同様に、昇圧した合成ガスを気泡塔型反応器３０に導入することができ、気泡塔型反応器３０内のＦＴ合成反応の反応圧力を高めることができる。そして、ＦＴ合成反応の反応率を向上させることができる。
また、第２圧縮装置１２０は、第１圧縮装置１１０と同様に、上流側の圧力変動などを緩衝することができ、下流側である気泡塔型反応器３０の導入口に安定した圧力の合成ガスを供給することができる。その結果、気泡塔型反応器３０内の圧力が安定するので、ＦＴ合成反応を安定させることができる。
第２圧縮装置１２０は、排熱ボイラー１４から発生した高圧スチームを動力源とした蒸気タービン１１２によって駆動される。第１圧縮装置１１０の場合と同様に、液体燃料合成システム１における余剰高圧スチームを有効に利用し、電力の消費を抑えることができるので、液体燃料合成システム１全体のエネルギー効率を高めることができる。
次に、蒸気タービン１３２によって駆動する発電機１３４について説明する。まず、蒸気タービン１３２は、高圧スチームが流れる水蒸気配管系統に接続される。具体的には、水蒸気配管は、排熱ボイラー１４から排出された高圧スチームを取り出す気液分離器１６と、蒸気タービン１３２とを接続するように設けられる。そして、蒸気タービン１３２が高圧スチームによって得られた動力を発電機１３４に伝達できるように、蒸気タービン１３２と発電機１３４は、互いに接続して設置される。
蒸気タービン１３２は、排熱ボイラー１４から発生した高圧スチームを動力源として駆動される。そして、蒸気タービン１３２が回転することによって、発電機１３４を駆動させ、電力を発生させることができる。このとき、高圧スチームを減圧せずに、直接蒸気タービン１３２を回転させることができるので、高圧スチームが保有するエネルギーを有効に利用することができる。また、排熱ボイラー１４から排出された余剰高圧スチームを有効に利用することができるため、液体燃料合成システム１全体のエネルギー効率を上昇させることができる。
発電機１３４によって得られる電気は、例えば液体燃料合成システム１の蓄電設備１３６に供給され、蓄電される。蓄電設備１３６は、発電機１３４によって得られる電力を蓄電するように、発電機１３４と電気的に接続されて設置される。また、変電所１３８は、蓄電設備１３６に蓄えられた電力を受電して、液体燃料合成システム１の各装置に電力を供給するように、液体燃料合成システム１の各装置と電気的に接続されて、設置される。
蓄電設備１３６で蓄電された電気は、変電所１３８を通じて液体燃料合成システム１における各装置へ供給される。具体的には、発電機１３４で発生した電気は、第１圧縮装置１１０や第２圧縮装置１２０、流体を流すためのポンプ、改質器１２から排ガスを排出するときのブロワなどに使用できる。また、脱炭酸装置２０における二酸化炭素吸収液を再生する際に使用される例えばポンプ等の回転機器にも上記の電気が使用できる。その結果、液体燃料合成システム１全体のエネルギー効率が向上する。
また、蓄電設備１３６に電気を蓄電することによって、液体燃料合成システム１に安定的に電力を供給することができる。即ち、液体燃料合成システム１の起動時やメンテナンス時に、蓄電された電気を使用することができる。さらに、蓄電設備１３６の設置は、停電等の緊急時に、液体燃料合成システム１を破損させないための措置をとることができる。例えば、水蒸気を循環させる系統において、停電時にも、連続してポンプを運転させ、冷却を行うことができるので、機器類、反応器の温度上昇及び温度上昇による機器類、反応器の破損を防止することができる。
以上のとおり、液体燃料合成システム１では、改質器１２から排出された高温（例えば９００〜１０００℃）の合成ガスを冷却する（例えば約４００℃に冷却する）ために、排熱ボイラー１４において多量の水を循環させる。そのため、一般のプラント設備に比べて、高圧スチームが多く発生する。この高圧スチームは、上述したとおり、液体燃料合成システム１では、改質器１２へ供給されて、改質器１２における天然ガスの改質に利用される。また、高圧スチームは、減圧された後、配管のトレースや、プラント設備各所の昇温にも利用されている。
さらに、液体燃料合成システム１では、高圧スチームが多量に発生するため、上記の利用だけでは、なお余剰高圧スチームが残存する。そこで、余剰高圧スチームは、水として回収されて、廃棄されていたが、この場合、高圧スチームの持つ熱エネルギーを無駄に消費することとなってしまう。そこで、排熱ボイラー１４から発生した高圧スチームを、第１圧縮装置１１０、第２圧縮装置１２０、発電機１３４の蒸気タービン１３２に供給することとした。その結果、高圧スチームの熱エネルギーを動力に変換することができ、高圧スチームを有効に利用することができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、上記実施形態では、液体燃料合成システム１に供給される炭化水素原料として、天然ガスを用いたが、かかる例に限定されず、例えば、アスファルト、残油などその他の炭化水素原料を用いてもよい。
また、上記実施形態では、気泡塔型反応器３０における合成反応として、ＦＴ合成反応により液体炭化水素を合成したが、本発明はかかる例に限定されない。気泡塔型反応器における合成反応としては、例えば、オキソ合成（ヒドロホルミル化反応）「Ｒ・ＣＨ＝ＣＨ２＋ＣＯ＋Ｈ２→Ｒ・ＣＨ２ＣＨ２ＣＨＯ」、メタノール合成「ＣＯ＋２Ｈ２→ＣＨ３ＯＨ」、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）合成「３ＣＯ＋３Ｈ２→ＣＨ３ＯＣＨ３＋ＣＯ２」などにも適用することができる。
また、上記実施形態では、合成ガスを液体炭化水素に合成する反応器として、気泡塔型スラリー床式反応器を用いたが、本発明はかかる例に限定されず、例えば、固定床式反応器などを用いてＦＴ合成反応を行ってもよい。
また、上記実施形態では、第１圧縮装置１１０、第２圧縮装置１２０を高圧スチームを動力とした蒸気タービン１１２によって駆動する例を示したが、この例に限定されず、第１圧縮装置１１０のモータ部１１６に電源が接続されて、第１圧縮装置１１０、第２圧縮装置１２０は電力によって駆動されてもよく、さらに水蒸気と電力の併用によって駆動されてもよい。
また、上記実施形態では、第１圧縮装置１１０、第２圧縮装置１２０に接続された蒸気タービン１１２は、排熱ボイラー１４から排出された高圧スチームを動力源とする例について示したが、この例に限定されず、気泡塔型反応器３０の伝熱管を通過して発生する中圧スチームを動力源としてもよい。
本発明は、炭化水素原料を改質して一酸化炭素ガス及び水素ガスを主成分とする合成ガスを生成する改質器と；前記合成ガスに含まれる一酸化炭素ガス及び水素ガスから液体炭化水素を合成する反応器と；前記改質器から前記反応器への前記合成ガスの供給経路と；前記供給経路に設けられ、前記改質器で生成された合成ガスを少なくとも前記反応器における所定の反応圧力以上に圧縮する第１圧縮装置と；を備える液体燃料合成システムに関する。
本発明の液体燃料合成システムによれば、反応器における合成反応に必要な安定した反応圧力を確保でき、合成反応の反応率を向上させることができる。

Claims (6)

  1. 炭化水素原料を改質して一酸化炭素ガス及び水素ガスを主成分とする合成ガスを生成する改質器と； 前記合成ガスに含まれる一酸化炭素ガス及び水素ガスから液体炭化水素を合成する反応器と；
    前記改質器から前記反応器への前記合成ガスの供給経路と；
    前記供給経路に設けられ、前記改質器で生成された合成ガスを少なくとも前記反応器における所定の反応圧力以上に圧縮する第１圧縮装置と；を備える液体燃料合成システム。
  2. 前記改質器で生成された合成ガスの熱を回収して水蒸気を発生させる排熱ボイラーをさらに備え、
    前記第１圧縮装置は、前記排熱ボイラーで発生した水蒸気を動力源として駆動する請求項１に記載の液体燃料合成システム。
  3. 前記反応器から排出される未反応の合成ガスを、前記反応器の導入口に戻すリサイクル経路と；
    前記リサイクル経路に設けられ、前記未反応の合成ガスを少なくとも前記反応器における所定の反応圧力以上に圧縮する第２圧縮装置と；をさらに備える請求項１に記載の液体燃料合成システム。
  4. 前記改質器で生成された合成ガスの熱を回収して水蒸気を発生させる排熱ボイラーをさらに備え、
    前記第２圧縮装置は、前記排熱ボイラーで発生した水蒸気を動力源として駆動する請求項３に記載の液体燃料合成システム。
  5. 前記改質器で生成された合成ガスの熱を回収して水蒸気を発生させる排熱ボイラーと；
    前記排熱ボイラーで発生した水蒸気を動力源として駆動し、前記液体燃料合成システム内の各装置に電力を供給する発電機と；をさらに備える請求項１に記載の液体燃料合成システム。
  6. 前記排熱ボイラーで発生した水蒸気を、前記排熱ボイラーから前記発電機に減圧せずに直接供給する請求項５に記載の液体燃料合成システム。
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