JPWO2014042042A1 - 改質装置及び改質方法、改質装置を備えた化成品の製造装置及び化成品の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
<改質装置>
本発明の第1の実施形態に係る改質装置について、図面を参照して説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係る改質装置の概略図である。図1に示すように、改質装置10は、圧縮機(圧縮部)11と、第1熱交換器(熱交換部)12と、脱硫装置(脱硫部)13と、改質器(改質部)14と、脱硝装置(脱硝部)15と、第2熱交換器16と、冷却装置17と、CO2回収装置(CO2回収部)18と、原料ガス分岐ラインL11と、燃焼排ガス排出ラインL12と、を有するものである。
CaCO3 + SO2 + 0.5H2O → CaSO3・0.5H2O + CO2 ・・・(1)
CaSO3・0.5H2O + 0.5O2 + 1.5H2O → CaSO4・2H2O ・・・(2)
CH4 + H2O → CO + 3H2 ・・・(3)
CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2 ・・・(4)
4NO+4NH3+O2 → 4N2+6H2O・・・(5)
ここで、第2熱交換器16での熱交換は、酸露点を考慮すると例えば175℃であったものが、下限値120℃まで低下させることができる。なお、下限値の120℃は水の露点を考慮して決定される排ガス温度である。
この第3熱交換器19は、蒸気発生部70に供給する供給水75を余熱する熱交換器である。この第3熱交換器19を第1熱交換器12と、第2熱交換器16との間に備えることにより、蒸気発生部70に供給する供給水75の水量及び熱量の増大を図ることができる。
本実施形態においては、原料ガス分岐ラインL11は、空気供給ラインL15と接続するように設け、天然ガス21を燃焼空気26と共に空気供給ラインL15を通って改質器14内に供給するようにしているが、これに限定されるものではなく、図6に示すように、原料ガス分岐ラインL11を改質器14に直接接続して天然ガス21と燃焼空気26とをそれぞれ別々に改質器14内に供給するようにしてもよい。
図9は、図1に示す改質装置に対応するシステム構成の一例であり、改質器14からの燃焼排ガス排出ラインL12に導入される燃焼排ガス22は、ガス煙道内に設けられた複数の熱交換部で熱交換されている。
<化成品の製造装置>
次に、上記図1に示す第1の実施形態に係る改質装置10を化成品の製造装置に適用した場合の一例について、図面を参照して説明する。化成品の製造装置は、改質装置10と、改質装置10で得られる改質ガス23を用いて化成品を製造する化成品生成部とを有するものである。本実施形態では、化成品としてアンモニア、メタノール又は尿素を製造する場合について説明する。
図11は、本発明の第2の実施形態に係る改質装置を備えた化成品製造装置の概略図である。本実施形態においては、図4に示す2段構成の改質装置を用いている。なお、上記図4に示す第1の実施形態に係る改質装置と同様の構成については同一であるため、重複した説明は省略する。本実施例では、改質器は一次改質器14が一次改質器14−1と第2改質器14−2とからなる構成としているが、本発明はこれに限定されるものではない。
図11に示すように、アンモニアを製造する化成品製造装置40は、改質装置10と、蒸気発生部70と、COシフト反応装置(COシフト反応部)41と、炭酸ガス除去装置(炭酸ガス除去部)42と、メタン化装置(メタン化部)43と、圧縮機44と、水素分離装置(水素分離部)45と、アンモニア合成部46と、冷却部72と、分離部73とを有するものである。なお、本実施形態では、COシフト反応装置41、炭酸ガス除去装置42、メタン化装置43と、圧縮機44−1、44−2、水素分離装置45、アンモニア合成部46を化成品生成部とする。
また、蒸気発生部70に供給する供給水75を予備加熱する2つの第1及び第2予備加熱部76−1、76−2が、COシフト反応装置(COシフト反応部)41と、炭酸ガス除去装置(炭酸ガス除去部)42との間と、アンモニア合成部46と冷却部72との間に介装されている。なお、図11中、符号80は蒸気発生部70で得られた水蒸気を供給するスチームヘッダを図示する。なお、このスチームヘッダには補助ボイラ等からの水蒸気も導入され、ここから各水蒸気供給先に水蒸気を必要量送られるようにしている。
蒸気発生部70は、システム内のスチームヘッダ80に水蒸気24を供給するものである。蒸気発生部70は、改質ガス23の廃熱を回収する廃熱回収ボイラ(WHB)と過熱器とを備えており、供給水75を廃熱により熱加熱し、加熱蒸気を得たのち、さらに過熱器により過熱させてスチームヘッダ80に水蒸気24を送っている。なお、本システムでは、改質ガス23の通過ラインの下流側及びアンモニア合成部46の下流側に、さらに廃熱回収ボイラを設置して熱回収するようにしてもよいが、本実施例では省略している。
COシフト反応装置41は、改質ガス23中のCOをCO2に転化(シフト)し、CO2を含むシフトガス51を生成するものである。COシフト反応装置41は、例えば、COをCO2に転化(シフト)するCOシフト反応用触媒を充填した充填部を備えるCOシフト反応器などが用いられる。
CO + H2O → CO2 + H2 ・・・(6)
炭酸ガス除去装置42は、シフトガス51中の炭酸ガス(CO2)を除去するものである。炭酸ガス除去装置42としては、例えば、アミン溶剤などCO2吸収液を用いて化学吸着を利用してシフトガス51中のCO2を除去する装置、CO2を除去する触媒を備えた装置、又はシフトガス51中のCO2を分離する分離膜を備えた膜分離装置などが用いられる。炭酸ガス除去装置42で、シフトガス51中のCO2を除去して、CO2が除去されたCO2除去ガス52とを生成する。また、CO2除去ガス52のガス温度は、例えば50℃程度である。
メタン化装置43は、炭酸ガス除去装置42でCO2が除去されたCO2除去ガス52中のCO2をメタン化するものである。メタン化装置43としては、例えば、内部にメタネーション触媒を充填した触媒部を備えたメタネーション反応器(メタネータ)などが用いられる。前記触媒部での反応温度(メタネーション温度)は、メタネーション触媒が使用できる限界温度の観点から、220℃以上450℃以下であることが好ましく、より好ましくは290℃以上350℃以下である。
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O ・・・(7)
圧縮機44は、CO2除去ガス53を圧縮するものである。
アンモニア合成部46は、メタン化装置43でCO2除去ガス53中のCO2をメタン化した後、アンモニア(NH3)55を製造するものである。アンモニア合成部46は、従来より一般的に用いられているものを用いることができ、例えば、反応器内の1つ以上の床に触媒を配置したアンモニア合成反応器などが挙げられる。このアンモニア合成反応器に、窒素(N2)および水素を含有する合成ガスとしてCO2除去ガス53を流してアンモニアを合成する方法などが用いられる。
N2 + 3H2 → 2NH3 ・・・(8)
図12に示す化成品製造装置40の改質装置10では、燃焼排ガス排出ラインL12に介装された第1熱交換器12と第2熱交換器16との間に、第3熱交換器19を介装している。これにより、蒸気発生部70へ供給する供給水75を第3熱交換器19で加熱することができるので、水蒸気発生量が大幅に上昇する。また、図12に示す改質装置10では、さらに燃焼排ガス排出ラインL12に蒸気発生部70からの水蒸気24を熱交換する蒸気過熱機89を介装している。これにより、スチームヘッダ80に供給する水蒸気24を、高温(例えば890℃)の燃焼排ガス22により過熱しているので、水蒸気の温度をより高温(例えば515℃)とすることができる。
図13は、本発明の第2の実施形態に係る改質装置を備えた化成品製造装置の概略図である。
図13は、本発明の第2の実施形態に係る尿素およびメタノールの製造システムの概略図である。図13に示すように、尿素を製造する化成品製造装置40は、図12に示す化成品製造装置40において、さらに尿素合成部61と、炭酸ガス分岐供給ラインL33とを備えたものである。
2NH3+CO2→NH2(CO)NH2+H2 ・・・(9)
図14は、本発明の第2の実施形態に係る改質装置を備えた化成品製造装置の概略図である。前述の実施形態では、アンモニア又は尿素を単独で製造していたが、本実施形態では、化成品製造装置として、アンモニアのみならず、メタノールも同時に製造できる装置を提供する。
図14に示すように、アンモニア及びメタノールを製造する化成品製造装置40は、改質装置10と、COシフト反応装置(COシフト反応部)41と、炭酸ガス除去装置(炭酸ガス除去部)42と、メタン化装置(メタン化部)43と、第1及び第2圧縮機44−1、44−2、アンモニア合成部(アンモニア合成部)46と、メタノール合成部47とを有するものである。
本実施形態の化成品製造装置40は、メタン化装置43の上流側にメタノール合成部47を設置している。また、圧縮機44を炭酸ガス除去装置42とメタノール合成部47との間に第1圧縮機44−1を設置すると共に、メタン化装置43とアンモニア合成部46との間に第2圧縮機44−2を設置している。なお、本実施例では、圧縮機44を2段構成としているが、さらに、低圧圧縮機と中圧圧縮機と高圧圧縮機との三段構成とするなど複数段としてもよい。
メタノール合成部47は、改質装置10で得られた改質ガス23中の二酸化炭素と水素とを原料としてメタノール56を合成するものである。メタノール合成部47は、従来より一般的に用いられているものを用いることができ、例えば、触媒反応器を有するメタノール合成装置などが用いられる。
ここで、メタノール製造原料である改質ガス23中の二酸化炭素は、COシフト反応装置41及び炭酸ガス除去装置42とを一部バイパスする開閉弁V1、V2を各々備えたバイパスラインL35、L36を設けることで、その含有量を調整するようにしている。
2H2 + CO → CH3OH ・・・(10)
3H2 + CO2 → CH3OH+H2O・・・(11)
図15は、本発明の第2の実施形態に係る改質装置を備えた化成品製造装置の概略図である。前述の実施形態では、アンモニア及びメタノールを製造していたが、本実施形態では、化成品製造装置として、アンモニアを原料として尿素を製造すると共にメタノールも同時に製造できる装置を提供する。
図14の化成品製造装置40において、さらにアンモニア合成部46で得られたアンモニア55を尿素合成部61に導入して、尿素を製造している。
図16は、本発明の第2の実施形態に係る改質装置を備えた化成品製造装置の概略図である。図14の実施形態では、メタノールの製造を改質ガス23により製造していたが、本実施形態では、化成品製造装置として、改質ガス23から炭酸ガス及び水素を分離して別途メタノール合成部により、メタノールを製造できる装置を提供する。
図16に示すように、第1圧縮機44−1と第2圧縮機44−2との間に、水素分離装置45を設けている。
第1圧縮機44−1と第2圧縮機44−2との間に設けられる水素分離装置45は、CO2除去ガス53からCO2除去ガス53に含まれる一部の水素(H2)を分離するものである。水素分離装置45は、水素透過性機能膜を備えた膜分離装置である。なお、本実施形態において、水素透過性機能膜とは、ガス中に含まれる少なくとも一部の水素(H2)を分離するための膜である。
メタノール合成部47は、炭酸ガス除去装置42で分離された二酸化炭素と水素分離装置45で分離された水素とを原料としてメタノール56を合成するものである。メタノール合成部47は、従来より一般的に用いられているものを用いることができ、例えば、触媒反応器を有するメタノール合成装置などが用いられる。
図17は、本発明の第2の実施形態に係る改質装置を備えた化成品製造装置の概略図である。図16の実施形態では、アンモニア55及びメタノール56を製造していたが、本実施形態では、化成品製造装置として、得られたアンモニア55から尿素合成部61により、尿素を製造できる装置を提供する。
図17に示すように、本実施形態の化成品製造装置40では、図14の化成品製造装置40において、さらにアンモニア合成部46で得られたアンモニア55を尿素合成部61に導入して、尿素を製造している。
図18及び図19は、本発明の第2の実施形態に係る改質装置を備えた化成品製造装置の概略図である。前述の実施形態では、化成品製造装置としてメタノール単独の製造装置を提供する。
図18に示すように、メタノールを製造する化成品製造装置40は、改質装置10と、蒸気発生部70と、圧縮機44と、メタノール合成部47とを有するものである。
本実施形態の化成品製造装置40は、改質装置10で得られた改質ガス23中の二酸化炭素と水素とを原料としてメタノール56を合成するものである。メタノール合成部47は、従来より一般的に用いられているものを用いることができ、例えば、触媒反応器を有するメタノール合成装置などが用いられる。
11 圧縮機(第1圧縮部)
12 第1熱交換器(熱交換部)
13 脱硫装置(脱硫部)
14 改質器(改質部)
14a 本体
14b 触媒反応管
14c バーナ
14−1 第1改質器
14−2 第2改質器
14−3 プレ改質器
15 脱硝装置(脱硝部)
16 第2熱交換器(熱交換部)
17 冷却装置
18 CO2回収装置(CO2回収部)
19 第3熱交換器(熱交換部)
20 第4熱交換器(熱交換部)
21 天然ガス
22 燃焼排ガス
23 改質ガス
24 水蒸気
26 燃焼空気
28 還元剤注入器
29 還元剤
30 冷却水
40 化成品製造装置
41 COシフト反応装置(COシフト反応部)
42 炭酸ガス除去装置(炭酸ガス除去部)
43 メタン化装置(メタン化部)
44、44−1、44−2 圧縮機
45 水素分離装置
46 アンモニア合成部
47 メタノール合成部
51 シフトガス
52、53 CO2除去ガス
55 アンモニア
56 メタノール
61 尿素合成部
62 尿素
L11、L21 原料ガス分岐ライン
L12 燃焼排ガス排出ライン
L13−1〜L13−4 原料ガス供給ライン
L14 水蒸気供給ライン
L15 空気供給ライン
L31 炭酸ガス供給ライン
L32 水素供給ライン
L33 炭酸ガス分岐供給ライン
Claims (16)
- 炭化水素、硫黄を含む原料ガスを圧縮する第1圧縮部と、
圧縮された前記原料ガスを加熱する第1熱交換部と、
加熱された前記原料ガス中に含まれる硫黄分を除去する脱硫部と、
前記原料ガス中の前記炭化水素をH2及びCOとCO2との何れか一方又は両方に改質し、H2及びCOとCO2との何れか一方又は両方を含む改質ガスを生成する改質部と、
圧縮された前記原料ガスを前記原料ガスの流れ方向に対して前記脱硫部の上流側と下流側との何れか一方又は両方から一部を抜き出して、前記改質部で加熱に用いる燃焼用燃料として供給する原料ガス分岐ラインと、
前記改質部で燃焼により発生した燃焼排ガスを、前記改質部から排出する燃焼排ガス排出ラインと、
前記改質部で加熱に用いる燃焼空気を前記第1熱交換部で熱交換した前記燃焼排ガスと熱交換させる第2熱交換部と、を有し、
前記第1熱交換部が前記燃焼排ガス排出ラインに設けられ、前記燃焼排ガスは圧縮された前記原料ガスの加熱媒体として用いられると共に、
前記第2熱交換部が前記燃焼排ガス排出ラインの前記第1熱交換部の下流側に設けられ、前記第1熱交換部で熱交換した余熱で前記燃焼空気の加熱媒体として用いられることを特徴とする改質装置。 - 請求項1において、
前記改質部が、
前記原料ガスに水蒸気を供給して、前記原料ガス中の前記炭化水素をH2及びCOとCO2との何れか一方又は両方に一次改質する第1の改質部と、
燃焼空気と前記原料ガス分岐ラインから供給される圧縮された前記原料ガスとを用いて、前記第1の改質部で一次改質後の前記原料ガス中の前記炭化水素をH2及びCOとCO2との何れか一方又は両方に二次改質して改質ガスとする第2の改質部と、
を有することを特徴とする改質装置。 - 請求項1又は2において、
前記第1熱交換部と前記第2熱交換部との間に、蒸気発生部に供給する供給水を前記燃焼排ガスと熱交換させる第3熱交換器を有することを特徴とする改質装置。 - 請求項3において、
前記原料ガス分岐ラインに設けられ、前記第1熱交換部に導入する前の圧縮された前記原料ガスを、分岐した前記原料ガスの一部と熱交換させる第4熱交換器を有することを特徴とする改質装置。 - 請求項1乃至4のいずれか一つにおいて、
前記燃焼排ガス排出ラインの前記改質部と前記熱交換部との間に設けられ、前記改質部で生成された燃焼排ガス中に含まれるNOxを除去する脱硝部と、
前記燃焼排ガス排出ラインの前記燃焼排ガスの流れ方向に対して前記熱交換部よりも下流側に設けられ、前記燃焼排ガス中に含まれるCO2を除去するCO2回収部と、
の何れか一方又は両方を有することを特徴とする改質装置。 - 請求項1乃至5の何れか一つに記載の改質装置と、
前記改質ガスを用いて化成品を製造する化成品生成部と、
を有することを特徴とする化成品の製造装置。 - 請求項6において、
前記化成品生成部が、改質された前記改質ガスを用いてアンモニアを合成するアンモニア合成部であることを特徴とする化成品の製造装置。 - 請求項7において、
前記化成品生成部が、得られた前記アンモニアを用いて尿素を合成する尿素合成部であることを特徴とする化成品の製造装置。 - 請求項6において、
前記化成品生成部が、改質された改質ガスを用いてメタノールを合成するメタノール合成部であることを特徴とする化成品の製造装置。 - 圧縮された炭化水素、硫黄を含む原料ガスを加熱する第1熱交換工程と、
加熱された前記原料ガス中に含まれる硫黄分を除去する脱硫工程と、
前記原料ガス中の前記炭化水素をH2及びCOとCO2との何れか一方又は両方に改質し、H2及びCOとCO2との何れか一方又は両方を含む改質ガスを生成する改質工程と、
前記改質工程で加熱に用いる燃焼空気を前記第1熱交換工程で熱交換した前記燃焼排ガスと熱交換させる第2熱交換工程と、を有し、
圧縮された前記原料ガスを前記原料ガスの流れ方向に対して前記脱硫工程の上流側と下流側との何れか一方又は両方から抜き出して、前記改質工程で加熱に用いる燃焼用燃料として供給し、
前記改質工程で燃焼により発生した燃焼排ガスを、前記改質工程から排出すると共に、該燃焼排ガスを、圧縮された前記原料ガスの加熱媒体として用いて第1の熱交換をし、前記圧縮された前記原料ガスを熱交換した後の余熱の前記燃料排ガスを、前記燃焼空気の加熱媒体として第2の熱交換をすることを特徴とする改質方法。 - 請求項10において、
前記第1熱交換工程と前記第2熱交換工程との間に、蒸気発生手段に供給する供給水を前記燃焼排ガスと熱交換させる第3熱交換工程を有することを特徴とする改質方法。 - 請求項11において、
前記原料ガス分岐ラインに設けられ、前記第1熱交換工程に導入する圧縮された前記原料ガスを、前記分岐した原料ガスの一部と熱交換させる第4熱交換工程を有することを特徴とする改質方法。 - 請求項10乃至12の何れか一つに記載の改質工程と、
前記改質ガスを用いて化成品を製造する化成品生成工程と、
を有することを特徴とする化成品の製造方法。 - 請求項13において、
前記化成品生成工程が、改質された前記改質ガスを用いてアンモニアを合成するアンモニア合成工程であることを特徴とする化成品の製造方法。 - 請求項14において、
前記化成品生成工程が、得られた前記アンモニアを用いて尿素を合成する尿素合成工程であることを特徴とする化成品の製造方法。 - 請求項13において、
前記化成品生成工程が、改質された前記改質ガスを用いてメタノールを合成するメタノール合成工程であることを特徴とする化成品の製造方法。
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