JPWO2018173143A1 - Natural gas processing equipment - Google Patents
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Abstract
【課題】天然ガス中の二酸化炭素をメタン化するにあたって、設備の簡素化を図ると共にメタン化触媒の長寿命化及び使用量の低減化を図ること。【解決手段】水素化触媒の触媒層11を配置した水素化反応器1、硫化水素を吸着するための吸着剤層21を配置した吸着脱硫反応器2、メタン化触媒の触媒層31、41、51を各々配置したメタン化反応器3、4、5を上流側からこの順に設ける。天然ガスに水素ガスを混合し、加熱した混合ガスを水素化反応器1に供給することにより、水素化触媒にて天然ガス中の有機硫黄が水素化されて硫化水素に変わると共に、メタン化反応も起こる。脱硫された天然ガスは、メタン化反応器3、4にて夫々水素が供給され、メタン化が起こり、更に後段反応器5にてガス中の水素濃度が調整される。前処理として水素化とメタン化とが行われるので、硫黄濃度が極めて微量に抑えられ、またメタン化触媒の使用量を低減できる。【選択図】 図1An object of the present invention is to simplify the equipment, extend the life of the methanation catalyst, and reduce the amount of carbon dioxide used in methanation of natural gas. SOLUTION: A hydrogenation reactor 1 in which a catalyst layer 11 of a hydrogenation catalyst is arranged, an adsorption desulfurization reactor 2 in which an adsorbent layer 21 for adsorbing hydrogen sulfide is arranged, a catalyst layer 31, 41 of a methanation catalyst, The methanation reactors 3, 4, 5 in which 51 are respectively arranged are provided in this order from the upstream side. By mixing hydrogen gas with natural gas and supplying the heated mixed gas to the hydrogenation reactor 1, the organic sulfur in natural gas is hydrogenated by the hydrogenation catalyst to be converted to hydrogen sulfide, and the methanation reaction is performed. Also happens. Hydrogen is supplied to the desulfurized natural gas in the methanation reactors 3 and 4, respectively, where methanation occurs, and the hydrogen concentration in the gas is adjusted in the latter-stage reactor 5. Since hydrogenation and methanation are performed as pretreatments, the sulfur concentration can be kept very small and the amount of methanation catalyst used can be reduced. [Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明は、天然ガス中の二酸化炭素を水素を用いてメタン化する技術分野に関する。 The present invention relates to the technical field of methanating carbon dioxide in natural gas using hydrogen.
天然ガスは主成分のメタンに加えて、多くの場合二酸化炭素を含んだ状態で産出され、パイプラインガス(都市ガス)や液化天然ガス向けの原料としての製品ガスを得るために二酸化炭素を除去する必要がある。一般に天然ガス中の二酸化炭素は、主にアミンを用いたAGRU(Acid Gas Removal Unit)により分離除去され、大気に放出されているが、二酸化炭素は地球温暖化に及ぼす影響が最も大きな温室効果ガスであることから排出量削減が求められている。 Natural gas is produced in most cases containing carbon dioxide in addition to the main component methane, and is removed to obtain product gas as a raw material for pipeline gas (city gas) and liquefied natural gas There is a need to. Generally, carbon dioxide in natural gas is separated and removed by an AGRU (Acid Gas Removal Unit) mainly using amines and released to the atmosphere. Therefore, emission reduction is required.
一方、採算性の面から優先的に開発されてきた二酸化炭素含有量の少ない優良ガス田は枯渇に向かっており、今後はより高濃度の二酸化炭素を含む天然ガス井の開発が必要となる。このため天然ガス中の二酸化炭素の有効利用の一つとしてメタン化を行うことが考えられるが、AGRUなどの二酸化炭素分離装置により分離された高濃度二酸化炭素を原料とした場合、メタン化反応熱により反応器の急激な温度上昇が引き起こされる。また温度上昇は平衡反応であるメタン化の進行に対して不利になる。 On the other hand, good gas fields with low carbon dioxide content, which have been developed preferentially from the viewpoint of profitability, are depleting, and it is necessary to develop natural gas wells containing higher concentrations of carbon dioxide in the future. For this reason, it is conceivable to use methanation as one of the effective uses of carbon dioxide in natural gas. However, when high-concentration carbon dioxide separated by a carbon dioxide separation device such as AGRU is used as a raw material, Causes a sharp rise in the temperature of the reactor. In addition, an increase in temperature is disadvantageous for the progress of methanation, which is an equilibrium reaction.
反応器の温度上昇を抑えるためには、一般に反応器を分割して反応器間に冷却器を配置する手法、反応により生成した製品ガスを反応器の入り口に戻す(リサイクル)手法、水蒸気を希釈剤として原料ガスに添加する手法などが採用される。しかしながらこれらの手法では、反応器の数が多くなる、多量の製品ガスのリサイクルが必要となる、あるいは多量の水蒸気を原料ガスに同伴させる必要がある、といった課題がある。 In order to suppress the temperature rise in the reactor, generally, a method of dividing the reactor and arranging a cooler between the reactors, a method of returning the product gas generated by the reaction to the inlet of the reactor (recycling), a method of diluting steam A method of adding the agent to the raw material gas is used. However, these methods have problems in that the number of reactors is increased, a large amount of product gas needs to be recycled, or a large amount of steam needs to be accompanied by the raw material gas.
特許文献1には、天然ガスを水素分離反応器に供給して得られた水素と、天然ガス中の二酸化炭素と、をメタン化反応器内にて触媒の存在下で反応させてメタンを生成し、天然ガス中の二酸化炭素を低減することが記載されている。
また特許文献2には、二酸化炭素を含有する原料ガスに水素ガス供給ラインからの水素を混合してその混合ガスを第1反応器に供給し、次いで混合ガスに水素ガス供給ラインからの水素を混合してその混合ガスを第2反応器に供給し、更に混合ガスを、生成ガスの組成を調整するための第3反応器に供給し、原料ガス中の二酸化炭素をメタンに変える技術が記載されている。Patent Document 1 discloses that methane is produced by reacting hydrogen obtained by supplying natural gas to a hydrogen separation reactor with carbon dioxide in natural gas in the presence of a catalyst in a methanation reactor. And reduce carbon dioxide in natural gas.
特許文献1、2には、天然ガスに含まれる硫黄の含有許容量を極めて低くすることによりメタン化触媒の使用寿命の長期化を図ること、及びメタン化触媒の使用量を抑える工夫に関しては記載されていない。なお、特許文献2の段落0037の第5行以降の記載からすれば、反応器の前段で前処理用の水素を使用していることは排除されている。
本発明は、天然ガス中の二酸化炭素をメタン化するにあたって設備の簡素化を図ると共に、メタン化触媒の長寿命化及び使用量の低減化を図ることができる天然ガスの処理装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a natural gas processing apparatus capable of simplifying a facility for methanating carbon dioxide in natural gas and extending the life of a methanation catalyst and reducing the amount of use. It is in.
本発明の天然ガスの処理装置は、
原料ガスである天然ガスと水素とが供給され、天然ガス中の二酸化炭素と水素とを反応させてメタンを生成するための前段反応器と、
前記前段反応器から排出された生成ガス中に残っている水素と二酸化炭素とを反応させることにより水素濃度を調整するための後段反応器と、
前記前段反応器内及び後段反応器内の各々に設けられたメタン化触媒の触媒層と、
前記前段反応器よりも上流側に設けられ、天然ガス中の有機硫黄を水素化して硫化水素に変える主たる水素化触媒作用と共にメタン化の触媒作用を有する水素化触媒の触媒層と、
前記前段反応器よりも上流側に位置しかつ水素化触媒の触媒層よりも下流側に配置され、硫化水素を吸着するための吸着剤の吸着剤層と、を備えたことを特徴とする。The processing apparatus for natural gas of the present invention comprises:
A natural gas and hydrogen are supplied as raw material gases, and a pre-stage reactor for producing methane by reacting carbon dioxide and hydrogen in the natural gas,
A second-stage reactor for adjusting the hydrogen concentration by reacting hydrogen and carbon dioxide remaining in the product gas discharged from the first-stage reactor,
A catalyst layer of a methanation catalyst provided in each of the first-stage reactor and the second-stage reactor,
A catalyst layer of a hydrogenation catalyst that is provided on the upstream side of the former-stage reactor and has a methanation catalytic action together with a main hydrogenation catalytic action for hydrogenating organic sulfur in natural gas to convert it to hydrogen sulfide,
An adsorbent layer of an adsorbent for adsorbing hydrogen sulfide, which is located on the upstream side of the first-stage reactor and downstream of the catalyst layer of the hydrogenation catalyst.
本発明は、天然ガス中の二酸化炭素をメタン化するにあたって、天然ガスを原料ガスとして反応器に供給しているため、天然ガス中の二酸化炭素以外の成分をメタン化反応の希釈剤として使用できる。このためメタン化反応の温度上昇が抑えられるので設備の簡素化を図ることができる。またメタン化反応器の上流側にて、天然ガス中の有機硫黄を硫化水素に変えて吸着剤で吸着除去していることから、メタン化触媒の使用寿命の長期化を図れると共に、水素化触媒によりメタン化が進行することから、後段のメタン化触媒の使用量の低減化を図ることができる。 In the present invention, when carbon dioxide in natural gas is methanated, natural gas is supplied to the reactor as a raw material gas, so that components other than carbon dioxide in natural gas can be used as a diluent for the methanation reaction. . For this reason, the temperature rise of the methanation reaction can be suppressed, and the equipment can be simplified. In addition, since the organic sulfur in natural gas is converted to hydrogen sulfide and adsorbed and removed by an adsorbent on the upstream side of the methanation reactor, the service life of the methanation catalyst can be extended and the hydrogenation catalyst can be extended. As a result, methanation proceeds, so that it is possible to reduce the amount of use of the subsequent stage methanation catalyst.
[第1の実施形態]
本発明の第1の実施形態に係る天然ガスの処理装置は、図1に示すように、水素化反応器1と、硫化水素を吸着するための吸着脱硫反応器2と、各々前段反応器を構成する第1のメタン化反応器3及び第2のメタン化反応器4と、メタン化反応器である後段反応器5と、がこの順に上流側から配置されている。各反応器1〜5は、断熱反応器として構成されている。以下の説明では便宜上、水素化反応器1の上流側に接続される天然ガスの流路を「原料ガス供給路」、水素化反応器1から後段反応器5に至るまでのガスの流路を「ガス流路」、後段反応器5から取り出されるガスの流路を「生成ガス流出路」と夫々呼ぶこととする。[First Embodiment]
As shown in FIG. 1, the natural gas processing apparatus according to the first embodiment of the present invention includes a hydrogenation reactor 1, an
原料ガス供給路101は、加熱器102を介して水素化反応器1の塔頂部に接続され、加熱器102の上流側には、前処理用の水素供給路200が接続されている。点線で示すAGRU(103)については後述する。
各反応器1〜5の並びにおいて、ガスの流路について見たときに互に隣接する2つの反応器のうち上流側の反応器の塔底部と下流側の塔頂部とは、夫々ガス流路10、20、30、40により接続されている。The source
In the row of each of the reactors 1 to 5, when viewed from the gas flow path, the tower bottom part and the downstream tower top part of the upstream reactor among the two reactors adjacent to each other are respectively gas passages. They are connected by 10, 20, 30, and 40.
水素化反応器1内には、天然ガス中に含まれる有機硫黄を硫化水素に変えるための水素化触媒の触媒層11が配置されている。水素化触媒は例えばアルミニウムを含む無機酸化物担体と、モリブデン及びタングステンから選ばれる第1の金属成分と、コバルト、ニッケル及びクロムから選ばれる第2の金属成分と、を含み、この例では前記金属成分を硫化した状態で使用される。また水素化触媒は、天然ガス中の有機硫黄を水素化して硫化水素に変える主たる水素化触媒作用と共にメタン化の触媒作用も有している。
In the hydrogenation reactor 1, a
吸着脱硫反応器2内には、硫化水素を吸着するための吸着剤の吸着剤層21が配置されている。吸着剤としては例えば酸化亜鉛の粒状体を用いることができる。また吸着剤としては、アルミナやシリカなどの無機酸化物からなる担体に鉄や銅などの金属を担持させたものであってもよい。
In the
吸着脱硫反応器2から流出したガスを第1のメタン化反応器3に供給するためのガス流路20には、冷却器22が設けられている。吸着脱硫反応器2の出口温度よりも第1のメタン化反応器3の入口温度が低い運転条件で装置を運転する場合には、冷却器22が必要であるが、第1のメタン化反応器3の入口温度が吸着脱硫反応器2の出口温度と同じになる運転条件で装置を運転する場合には、冷却器22は必要ない。
運転条件の一例を挙げると、前段メタン化反応器(第1のメタン化反応器3、第2のメタン化反応器4)及び後段メタン化反応器5の各々の入口温度は例えば200〜300℃であり、吸着脱硫反応器2内の温度は300〜350℃である。この例では、第1のメタン化反応器3の入口温度が250℃、吸着脱硫反応器2内の温度が300℃としているため、吸着脱硫反応器2から流出したガスを冷却器22により冷却している。A
As an example of operating conditions, the inlet temperatures of the first-stage methanation reactor (
ガス流路20における冷却器22と第1のメタン化反応器3の塔頂部との間には、第1の水素供給路201及び水蒸気供給路203が接続されている。第1のメタン化反応器3内には、メタン化触媒の触媒層31が配置されている。メタン化触媒としては、ニッケルを主成分(触媒全体に対して例えば40〜60質量%)とした粒子状の触媒を用いることができる。またメタン化触媒としては、ルテニウムをアルミナやシリカなどの無機酸化物に担持してなる触媒を用いることもできる。
第2のメタン化反応器4及び後段メタン化反応器5の各々の内部にも、同様のメタン化触媒を用いた触媒層41、51が配置されている。A first
Catalyst layers 41 and 51 using the same methanation catalyst are also arranged inside each of the
第1のメタン化反応器3から流出したガスを第2のメタン化反応器4に供給するためのガス流路30には、冷却器32が設けられ、冷却器32の下流側には第2の水素供給路202が接続されている。また第2のメタン化反応器4から流出したガスを後段メタン化反応器5に供給するためのガス流路40にも冷却器42が設けられている。第1のメタン化反応器3及び第2のメタン化反応器4内においては、二酸化炭素(二酸化炭素ガス)と水素(水素ガス)とが反応してメタンが生成されるメタン化反応が起こり、この反応は発熱反応であることから、メタン化反応器3、4の各入口温度よりも各出口温度が高くなる。このためこれら冷却器32(42)によりメタン化反応器3、4の各々から流出したガスを冷却するようにしている。
既述の前処理用の水素供給路200、第1の水素供給路201及び第2の水素供給路202は、例えば共通の水素供給源に接続され、夫々流量調整用のバルブV0、V1及びV2が設けられている。また水蒸気供給路203は、流量調整用のバルブV3が設けられている。A cooler 32 is provided in a
The pretreatment
後段メタン化反応器5は、ガス中に含まれる過剰な水素を二酸化炭素と反応させて処理後の生成ガス中の水素濃度が予め設定した濃度範囲に収まるようにするために設けられている。後段メタン化反応器5の塔底部には、生成ガス流出路50の一端側が接続され、生成ガス流出路50の他端側は、冷却器52を介して気液分離ドラム53に接続されている。気液分離ドラム53は、後段メタン化反応器5から流出し、冷却された生成ガスから水分(排水)を分離除去し、水分が分離された生成ガスが例えば製品ガスとして取り出される。
The latter-
次に第1の実施形態の作用について説明する。先ず、原料ガスである天然ガスが原料ガス供給路101を通って、前処理用の水素供給路200から送られる前処理用の水素ガスと混合され、加熱器102にて例えば250℃〜350℃に加熱される。加熱された混合ガスは水素化反応器1内に供給され、水素化反応が主として起こる。即ち天然ガス中に含まれる有機硫黄が、触媒層11を構成する水素化触媒により硫化水素に変わる。水素化触媒は、既述のように水素化の触媒作用に加えてメタン化の触媒作用も備えていることから、水素化反応器1内にてメタン化反応も進行し、天然ガス中の二酸化炭素の一部が水素と反応してメタンが生成される。
Next, the operation of the first embodiment will be described. First, natural gas, which is a source gas, passes through a source
発熱反応であるメタン化反応が起こることから、水素化反応器1の出口側のガスの温度は入口側のガスの温度よりも例えば10℃〜100℃高くなる。水素化反応器1に供給する水素の量は有機硫黄の水素化に十分な量(例えば1〜2mol(モル)%)以上であり、かつ、水素化触媒の耐熱温度を考慮して例えば10mol%以下とする。水素化反応器1から流出したガスは吸着脱硫反応器2内に送られ、吸着剤層21を構成する吸着剤にガス中の硫化水素が吸着されて脱硫が行われる。これにより、吸着脱硫反応器2から流出したガス中の硫黄濃度は、0.1ppm以下となる。なお本願明細書中の濃度単位「ppm」は、mol濃度を表している。
吸着脱硫反応器2における吸着剤の負荷を下げるために、天然ガス中の硫黄濃度が高い場合には、図1に点線で示すように原料ガス供給路101にAGRU(Acid Gas Removal Unit)(103)を用いてもよい。AGRU(103)は、例えばアミン接触塔の底部側から天然ガスを供給して塔頂部から流出させると共に、アミンの液体をアミン接触塔の上部側から供給して天然ガスと向流接触させるように構成されている。天然ガスがアミンの液体と接触することにより、天然ガス中の硫化水素が除去される。Since a methanation reaction which is an exothermic reaction occurs, the temperature of the gas on the outlet side of the hydrogenation reactor 1 becomes higher than the temperature of the gas on the inlet side by, for example, 10 ° C to 100 ° C. The amount of hydrogen supplied to the hydrogenation reactor 1 is an amount sufficient for hydrogenation of organic sulfur (for example, 1 to 2 mol (mol)%) or more, and is, for example, 10 mol% in consideration of the heat resistance temperature of the hydrogenation catalyst. The following is assumed. The gas flowing out of the hydrogenation reactor 1 is sent into the
When the sulfur concentration in the natural gas is high in order to reduce the load of the adsorbent in the
主として脱硫が行われ、副次的にメタン化が進行した、いわば前処理が行われたガスは、吸着脱硫反応器2から流出した後、冷却器22により例えば250℃まで冷却され、水素及び水蒸気と混合されて第1のメタン化反応器3に送られる。第1のメタン化反応器3では、メタン化触媒の触媒層31にて二酸化炭素と水素とが反応してメタンが生成されるメタン化反応が起こる。第1の水素供給路201から供給される水素の流量は、吸着脱硫反応器2から流出したガス中に残っている水素と加わってメタン化反応が起こったときに、メタン化触媒ならびにメタン化反応器材の耐熱温度を考慮し、第1のメタン化反応器3の出口側の温度が例えば540℃以下となるように調節される。
The gas, which has been subjected mainly to desulfurization and secondary methanation, that is, pretreated, flows out of the
水蒸気は、メタン化触媒のコーキングによる活性劣化を防止するために供給されるが、各メタン化反応器3、4及び5における温度を更に抑制する役割りも有する。水蒸気の供給量は、第1のメタン化反応器3の入り口において、二酸化炭素及び水素の合計に対する水蒸気のmol比が例えば0.6[水蒸気のmol濃度/(二酸化炭素のmol濃度+水素のmol濃度)]となるように設定される。なお、水蒸気は、必ず供給しなければならないというものではなく、使用しなくてもよい。
The steam is supplied to prevent the activity of the methanation catalyst from deteriorating due to coking, and also has a role of further suppressing the temperature in each of the
第1のメタン化反応器3から流出したガスは、冷却器32により例えば250℃まで冷却され、第2のメタン化反応器4に送られる。そして第2のメタン化反応器4内にて、水素濃度がガス中に残っている二酸化炭素の濃度に応じた値となるように、また第2のメタン化反応器4の出口側の温度が例えば540℃以下となるように、第2の水素供給路202から水素がガス流路30を介して第2のメタン化反応器4に補充供給される。そして触媒層41にてメタン化反応が起こり、二酸化炭素の濃度が低減されたガスが冷却器42により例えば250℃まで冷却され、後段反応器5に送られる。
The gas flowing out of the
第2のメタン化反応器4内にて昇温したガスが冷却されて後段反応器5に供給されることから、後段反応器5のメタン化触媒の触媒層51にて更にメタン化反応が進行し、二酸化炭素及び水素が減少し、製品ガス中の水素濃度が許容濃度例えば3mol%以下に調整される。後段反応器5から流出した生成ガスは冷却器52により水が凝縮する温度以下、例えば50℃まで冷却され、次いで気液分離部である気液分離ドラム53にてガスと水とが分離され、製品ガスが得られる。
以上において、各反応器1〜5内の圧力は、例えば1MPa〜8MPaに設定される。また前段反応器(上述の例では第1のメタン化反応器3及び第2のメタン化反応器4)の段数は、天然ガス中の二酸化炭素の濃度に応じて決定される。上述のように水蒸気を用いるとすると、前段反応器の数は、二酸化炭素の濃度が25mol%以下であれば1基、40mol%以下であれば2基、70mol%以下であれば3基が使用される。Since the gas heated in the
In the above, the pressure in each of the reactors 1 to 5 is set to, for example, 1 MPa to 8 MPa. Further, the number of stages of the pre-stage reactor (the
二酸化炭素の濃度が高い天然ガスを用いる場合であって、メタン化反応器の数を抑えるためには、水素化反応器1よりも上流側にて天然ガス中の二酸化炭素の一部を除去するためのユニットを設ければよい。また天然ガス中の二酸化炭素の濃度が3mol%よりも低い場合には、そのままパイプラインガスとして利用できることから、原料ガスとして使用される天然ガスは、二酸化炭素の濃度が3mol%以上であるということができる。 In the case of using natural gas having a high concentration of carbon dioxide, in order to suppress the number of methanation reactors, a part of the carbon dioxide in the natural gas is removed upstream of the hydrogenation reactor 1. Unit may be provided. When the concentration of carbon dioxide in natural gas is lower than 3 mol%, the gas can be used as it is as a pipeline gas. Therefore, the natural gas used as a raw material gas has a carbon dioxide concentration of 3 mol% or more. Can be.
上述実施の形態によれば、天然ガス中の二酸化炭素以外のガスを希釈ガスとしてメタン化を行い、メタン化を行う反応器を、複数段例えば2段のメタン化反応器3、4に分けて夫々に水素を供給していることから、メタン化を行うための反応器の数を抑えることができ、装置の簡素化が図れる。そして、メタン化反応器3、4の上流側にて、水素化触媒、硫化水素の吸着剤を用いて天然ガス中の硫黄濃度を0.1ppm以下にまで低減しているため、メタン化触媒の使用寿命を長くすることができる。また水素化触媒を用いていることから、ここで水素化反応に加えてメタン化反応も起こり、このためメタン化反応器3、4におけるメタン化触媒の使用量を抑えることができる。
According to the above embodiment, the methanation is performed using gas other than carbon dioxide in the natural gas as a diluting gas, and the reactor for methanation is divided into a plurality of stages, for example, two-
ここで上述の天然ガスの処理装置あるいは当該処理装置を含むシステムにおいて、エネルギーあるいはガスの有効利用を図るための構成例について列挙しておく。
気液分離ドラム53にて分離された排水を、図2に示すように冷却器22、32、42、52の冷却媒体として使用し、メタン化反応の熱により気化して得られた水蒸気を、既述の水蒸気供給路203から第1のメタン化反応器3に供給する。
同様にしてメタン化反応の熱により気化して得られた水蒸気を、図3に示すように既述の各水素供給路200、201、202の合流部位よりも上流側の水素供給路300に設けられた昇圧コンプレッサー301を駆動する蒸気タービン302に供給する。
気液分離ドラム53にて分離された排水を、電解装置にて電解し、得られた水素を、既述の各水素供給路200、201、202を介して処理系内に供給する。Here, a configuration example for achieving effective use of energy or gas in the above-described natural gas processing apparatus or a system including the processing apparatus will be listed.
The wastewater separated by the gas-
Similarly, as shown in FIG. 3, steam obtained by vaporization by the heat of the methanation reaction is provided in the
The wastewater separated by the gas-
図4に示すように、上述の天然ガスの処理装置の後段にLNG(Liquefied Natural Gas)製造設備400を配置して構成したシステムにおいて、気液分離ドラム53にて分離された排水あるいは他の水供給源から供給された水をメタン化反応の熱により気化して水蒸気を得、この水蒸気をLNG製造設備400内のAGRUの放散塔リボイラーの熱源とする。また図4に示すように、LNG製造設備400内のAGRUより回収された二酸化炭素を第1のメタン化反応器3の上流側に戻してリサイクルすることにより、二酸化炭素の排出を抑制すると共に製品ガスの生産量を増加させる。
As shown in FIG. 4, in a system in which a LNG (Liquefied Natural Gas) production facility 400 is arranged downstream of the above-described natural gas processing apparatus, the wastewater or other water separated by the gas-
[第2の実施形態]
二酸化炭素と硫黄とを含む天然ガスを水素化触媒に供給すると、硫化カルボニルが副生成物として生成することから、本発明の第2の実施形態に係る天然ガスの処理装置は、硫化カルボニル(COS)に対する対策を施した構成が採用されている。図5は、天然ガス中の二酸化炭素濃度と水素化反応後の硫化カルボニル濃度との関係を示すグラフである。天然ガス中の硫黄が1ppm、天然ガス中の二酸化炭素濃度が64mol%の場合には、硫化カルボニルの生成量は▲により示すように0.095ppmと極めて微量である。一方、天然ガス中の硫黄が10ppmの場合には、△により示すように、天然ガス中の二酸化炭素濃度が数%であっても、硫化カルボニルの生成量は0.1ppmを越えてしまい、二酸化炭素濃度が高くなるにつれて概ね比例して増加し、メタン化触媒の使用寿命が被毒により短くなってしまう。従って、硫黄濃度が高い天然ガスを原料ガスとして使用し、水素化反応器1の上流側にAGRU103を設けない場合には、硫化カルボニルの生成量がかなり多くなると予測できる。[Second embodiment]
When a natural gas containing carbon dioxide and sulfur is supplied to the hydrogenation catalyst, carbonyl sulfide is generated as a by-product. Therefore, the natural gas processing apparatus according to the second embodiment of the present invention includes a carbonyl sulfide (COS) ) Is adopted. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the concentration of carbon dioxide in natural gas and the concentration of carbonyl sulfide after the hydrogenation reaction. When the sulfur in the natural gas is 1 ppm and the carbon dioxide concentration in the natural gas is 64 mol%, the amount of carbonyl sulfide produced is extremely small at 0.095 ppm as indicated by ▲. On the other hand, when the sulfur in natural gas is 10 ppm, as shown by Δ, even if the concentration of carbon dioxide in natural gas is several percent, the amount of carbonyl sulfide generated exceeds 0.1 ppm, and As the carbon concentration increases, it increases roughly in proportion, and the service life of the methanation catalyst becomes shorter due to poisoning. Therefore, when natural gas having a high sulfur concentration is used as the raw material gas and the
そこで第2の実施形態では、図6に示すように、第1メタン化反応器3の上流側、例えば吸着脱硫反応器2と第1のメタン化反応器3との間に、硫化カルボニルを吸着する吸着剤からなる吸着層61が配置された硫化カルボニルの除去部である硫化カルボニル吸着反応器6を設けている。60はガス流路である。硫化カルボニルの吸着剤としては、例えばアルミナやシリカなどの無機酸化物からなる担体に銅を担持した吸着剤、あるいは酸化銅の粒状体あるいは成型体などの銅系のものを用いることができる。
Therefore, in the second embodiment, as shown in FIG. 6, carbonyl sulfide is adsorbed upstream of the
また吸着脱硫反応器2と硫化カルボニル吸着反応器6とを別々に設けることに代えて、吸着脱硫反応器2に使用されている吸着脱硫剤として、銅系の吸着剤のみを使用し、硫化水素と硫化カルボニルとを当該吸着剤に吸着させるようにしてもよい。しかし銅系の吸着剤のコストが高額であることから、コストの観点からは、図6に示した構成を採用し、吸着脱硫反応器2には亜鉛系の吸着剤、例えば酸化亜鉛からなる吸着剤を用いると共に、硫化カルボニル吸着反応器6には、例えば銅系の吸着剤を用いることが有利であり、この場合銅系の吸着剤の使用量が抑えられる。また硫化カルボニル吸着反応器6を設けることに代えて、吸着脱硫反応器2内に、亜鉛系の吸着剤と銅系の吸着剤とを上流側からこの順に配置するようにしてもよい。
更にまた図6に示した構成に代えて、硫化カルボニルの吸着剤を第1のメタン化反応器3内における触媒層31の上部に設けるようにしてもよい。Instead of providing the
Further, instead of the configuration shown in FIG. 6, a carbonyl sulfide adsorbent may be provided above the
図7は、第2の実施形態の変形例を示しており、この例においては、硫化カルボニルを吸着剤により吸着することに代えて、硫化カルボニルを加水分解して除去するための加水分解反応器7を第1のメタン化反応器3の上流側、例えば水素化反応器1と吸着脱硫反応器2との間に設け、水蒸気供給路204により加水分解反応器7に水蒸気を供給するようにしている。加水分解反応器7内に設けられる触媒層71を構成する触媒としては、例えばアルミナや酸化チタンの担体にクロムなどを担持させたものを用いることができる。加水分解反応器7の運転温度は水素化反応器1及び吸着脱硫反応器2の各々の運転温度よりも低いため、加水分解反応器7の上流側に冷却器72を設け、下流側に加熱器73を設けている。70はガス流路である。
第2の実施形態によれば、水素化触媒にて副生成した硫化カルボニルを除去しているため、メタン化触媒の被毒が抑えられる。FIG. 7 shows a modification of the second embodiment. In this example, instead of adsorbing carbonyl sulfide with an adsorbent, a hydrolysis reactor for hydrolyzing and removing carbonyl sulfide is used. 7 is provided on the upstream side of the
According to the second embodiment, poisoning of the methanation catalyst is suppressed because carbonyl sulfide by-produced by the hydrogenation catalyst is removed.
以下にシミュレーションにより天然ガスを処理した例(実施例及び比較例)について記載する。
[実施例1]
実施例1は、二酸化炭素を40mol%、硫黄を1ppm含有する天然ガスを第1の実施形態により処理して、二酸化炭素濃度が2mol%の製品ガスを得る例である。図8は、実施例1における処理の態様(ガス中の成分の濃度、温度等)を示す説明図である。
原料天然ガスに水素化反応器1の入口において10mol% 水素となるように水素を混合し、加熱器102により250℃まで加熱し、水素化反応器1に供給した。水素化反応器1においてメタン化反応が起こることで水素化反応器1の出口温度は340℃まで上昇し、二酸化炭素濃度は35mol%となった。
水素化反応器1の出口において硫黄は硫化水素の形態であり、吸着脱硫反応器2で吸着除去され、吸着脱硫反応器2の出口での硫黄濃度は0.1ppm以下であることが確認された。これにより下流のメタン化触媒は2〜4年使用することができる。Hereinafter, examples (examples and comparative examples) of processing natural gas by simulation will be described.
[Example 1]
Example 1 is an example in which a natural gas containing 40 mol% of carbon dioxide and 1 ppm of sulfur is treated according to the first embodiment to obtain a product gas having a carbon dioxide concentration of 2 mol%. FIG. 8 is an explanatory diagram illustrating a mode of processing (concentration of components in gas, temperature, and the like) in Example 1.
Hydrogen was mixed with the raw natural gas at the inlet of the hydrogenation reactor 1 so as to be 10 mol% hydrogen, heated to 250 ° C. by the
Sulfur was in the form of hydrogen sulfide at the outlet of the hydrogenation reactor 1 and was adsorbed and removed by the
吸着脱硫反応器2を経たガスを第1のメタン化反応器3の入口温度が250℃となるように冷却し、第1のメタン化反応器3の出口温度が540℃となる量の水素と、水蒸気と、を混合し、第1のメタン化反応器3に供給した。水蒸気の供給量(混合量)は、第1のメタン化反応器3の入口において二酸化炭素及び水素の合計に対する水蒸気のmol比が0.6となる量に設定した。
第1のメタン化反応器3を経たガスを第2のメタン化反応器4の入口温度が250℃となるように冷却し、製品ガスの二酸化炭素濃度を2mol%に調整できる量の水素を混合し、第2のメタン化反応器4に供給した。第2のメタン化反応器4の出口温度はメタン化反応により464℃に上昇し、第2のメタン化反応器4から流出したガスを、後段メタン化反応器5の入口温度が250℃になるように冷却した後、後段メタン化反応器5に供給した。
後段メタン化反応器5では、残存する水素と二酸化炭素が反応し、出口温度は304℃に上昇した。後段メタン化反応器5から流出したガスを冷却器502により50℃まで冷却した後、気液分離ドラム53により水を分離し、二酸化炭素濃度2mol%、水素濃度3mol%の製品ガスを得ることができた。The gas that has passed through the
The gas that has passed through the
In the latter-
[実施例2]
実施例2は、二酸化炭素を40mol%、硫黄を10ppm含有する天然ガスを、第2の実施形態における硫化カルボニル吸着反応器6を用いて処理して、二酸化炭素濃度が2mol%の製品ガスを得る例である。図9は、実施例2における処理の態様を示す説明図である。
原料天然ガスに水素化反応器1の入口において10mol% 水素となるように水素を混合し、加熱器102により250℃まで加熱し、水素化反応器1に供給した。水素化反応器1においてメタン化反応が起こることで水素化反応器1の出口温度は340℃まで上昇し、二酸化炭素濃度は35mol%となった。水素化反応器1の出口において、硫黄は硫化水素の形態に加え、副生成された硫化カルボニルとしてガス中に含まれており、当該ガス中の硫化カルボニルの濃度は0.7ppmであった。
吸着脱硫反応器2により硫化水素は吸着除去されるが、吸着脱硫反応器2の出口からは、吸着されなかった硫化カルボニルが流出した。吸着脱硫反応器2から流出したガスを下流の硫化カルボニル吸着反応器6に供給することで、硫化カルボニル吸着反応器6の出口の硫黄濃度は0.1ppm以下となった。
硫化カルボニル吸着反応器6よりも下流側の処理については、実施例1と同一である。[Example 2]
In Example 2, a natural gas containing 40 mol% of carbon dioxide and 10 ppm of sulfur is treated using the carbonyl
Hydrogen was mixed with the raw natural gas at the inlet of the hydrogenation reactor 1 so as to be 10 mol% hydrogen, heated to 250 ° C. by the
Hydrogen sulfide was adsorbed and removed by the
The processing downstream of the carbonyl
[実施例3]
実施例3は、二酸化炭素を40mol%、硫黄を10ppm含有する天然ガスを、第2の実施形態における硫化カルボニルの加水分解反応器7を用いて処理して、二酸化炭素濃度が2mol%の製品ガスを得る例である。図10は、実施例2における処理の態様を示す説明図である。
原料天然ガスに水素化反応器1の入口において水素濃度が10mol%となるように水素を混合し、加熱器102により250℃まで加熱し、水素化反応器1に供給した。水素化反応器1においてメタン化反応が起こることで水素化反応器1の出口温度は340℃まで上昇し、二酸化炭素濃度は35mol%となった。[Example 3]
In Example 3, a natural gas containing 40 mol% of carbon dioxide and 10 ppm of sulfur was treated using the carbonyl sulfide hydrolysis reactor 7 in the second embodiment, and the product gas having a carbon dioxide concentration of 2 mol% was used. This is an example of obtaining. FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating a mode of processing according to the second embodiment.
Hydrogen was mixed with the raw material natural gas at the inlet of the hydrogenation reactor 1 so that the hydrogen concentration became 10 mol%, heated to 250 ° C. by the
水素化反応器1の出口において、硫黄は硫化水素の形態に加え、副生成された硫化カルボニルとしてガス中に含まれており、当該ガス中の硫化カルボニルの濃度は0.7ppmであった。
水素化反応器1から流出したガスを冷却器72により、加水分解反応器7の入口温度が150℃となるように冷却した後、水蒸気濃度が5mol%となるように水蒸気を混合し、加水分解反応器7に供給した。硫化カルボニルが加水分解(硫化水素に転換)されることで、加水分解反応器7の出口の硫化カルボニル濃度は0.1ppm以下となった。
加水分解反応器7から流出したガスを加熱器73により350℃まで加熱し、吸着脱硫反応器2に供給した。硫化水素は吸着除去され、吸着脱硫反応器2の出口での硫黄濃度は0.1ppm以下となった。
吸着脱硫反応器2よりも下流側の処理については、実施例1と同一である。At the outlet of the hydrogenation reactor 1, sulfur was contained in gas as by-product carbonyl sulfide in addition to the form of hydrogen sulfide, and the concentration of carbonyl sulfide in the gas was 0.7 ppm.
After the gas flowing out of the hydrogenation reactor 1 is cooled by the cooler 72 so that the inlet temperature of the hydrolysis reactor 7 becomes 150 ° C., steam is mixed so that the steam concentration becomes 5 mol%, and hydrolysis is performed. It was supplied to the reactor 7. As the carbonyl sulfide was hydrolyzed (converted to hydrogen sulfide), the carbonyl sulfide concentration at the outlet of the hydrolysis reactor 7 became 0.1 ppm or less.
The gas flowing out of the hydrolysis reactor 7 was heated to 350 ° C. by the
The processing downstream of the
[比較例1]
比較例1は、二酸化炭素を40mol%、硫黄を1ppm含有する実施例1と同一の原料天然ガスを、水素化反応器1ならびに吸着脱硫反応器2を適用することなく、二酸化炭素濃度が2mol%の製品ガスを得る例である。図11は、図1に示す構成から水素化反応器1ならびに吸着脱硫反応器2を除いた装置を用いた、比較例1における処理の態様を示す説明図である。
実施例1に比較して高濃度に二酸化炭素を含むガスがメタン化反応部に供給されることからメタン化反応による発熱が多く、第2のメタン化反応器4の出口温度は487℃、後段メタン化反応器5の出口温度は316℃となった。
温度上昇により平衡反応であるメタン化反応が阻害され、二酸化炭素濃度が2mol%の製品ガスを得るために、過剰に水素を供給することが必要となり、製品ガスの水素濃度は実施例1より高い4mol%となった。実施例1の製品ガスの水素濃度を達成するためには第3のメタン化反応器の追加が必要であった。
また、原料天然ガスが脱硫されていないため、メタン化触媒は硫黄により失活し、数か月ごとの交換が必要となった。[Comparative Example 1]
Comparative Example 1 uses the same raw natural gas as in Example 1 containing 40 mol% of carbon dioxide and 1 ppm of sulfur, and has a carbon dioxide concentration of 2 mol% without using the hydrogenation reactor 1 and the
Since a gas containing carbon dioxide at a high concentration is supplied to the methanation reaction section as compared with Example 1, a large amount of heat is generated by the methanation reaction, and the outlet temperature of the
The methanation reaction, which is an equilibrium reaction, is inhibited by the temperature rise, and it is necessary to supply an excessive amount of hydrogen to obtain a product gas having a carbon dioxide concentration of 2 mol%, and the hydrogen concentration of the product gas is higher than that in Example 1. It became 4 mol%. To achieve the hydrogen concentration of the product gas of Example 1, an additional third methanation reactor was required.
Also, since the raw natural gas has not been desulfurized, the methanation catalyst has been deactivated by sulfur, necessitating replacement every few months.
[比較例2]
比較例1において、メタン化反応器を追加することに代えて、水蒸気により原料天然ガスを希釈することで実施例1と同等の水素濃度を達成する例を比較例2とする。図12は、比較例2における処理の態様を示す説明図である。
第1のメタン化反応器3の入口において、原料天然ガスに二酸化炭素及び水素の合計に対する水蒸気のmol比が実施例1より高い0.76となる量の水蒸気を混合し、被処理ガスを希釈することで、製品ガスの水素濃度2.9mol%を達成できた。
比較例2では実施例1よりも多くの水蒸気が必要であった。また、原料天然ガスが脱硫されていないため、メタン化触媒は硫黄により失活し、数か月ごとの交換が必要となった。[Comparative Example 2]
In Comparative Example 1, an example in which the raw material natural gas is diluted with steam to achieve a hydrogen concentration equivalent to that in Example 1 instead of adding a methanation reactor is referred to as Comparative Example 2. FIG. 12 is an explanatory diagram illustrating a mode of processing in Comparative Example 2.
At the inlet of the
Comparative Example 2 required more water vapor than Example 1. Also, since the raw natural gas has not been desulfurized, the methanation catalyst has been deactivated by sulfur, necessitating replacement every few months.
[実施例及び比較例の評価]
実施例及び比較例からわかるように、メタン化反応器3の上流側にて、水素化触媒の触媒層11を配置した水素化反応器1を用いることで、高濃度の二酸化炭素を含む天然ガスを原料とする場合には、水素化反応器1を用いない場合と比較して、メタン化反応器の設置段数を減らすことができ、また水蒸気の使用量も抑えることができる。背景技術の項目にて述べたように、今後は高濃度の二酸化炭素を含む天然ガス井の開発が必要となることから、本発明は極めて有用な技術であることが理解される。そして水素化触媒を用いることにより、水素化反応に加えてメタン化反応も起こり、メタン化反応器おけるメタン化触媒の使用量の低減化を期待できる。また水素化触媒を用いることにより硫化カルボニルが副生成することから、硫化カルボニルの除去部を設けることは有効である。
[Evaluation of Examples and Comparative Examples]
As can be seen from the examples and comparative examples, by using the hydrogenation reactor 1 in which the
Claims (5)
前記前段反応器から排出された生成ガス中に残っている水素と二酸化炭素とを反応させることにより水素濃度を調整するための後段反応器と、
前記前段反応器内及び後段反応器内の各々に設けられたメタン化触媒の触媒層と、
前記前段反応器よりも上流側に設けられ、天然ガス中の有機硫黄を水素化して硫化水素に変える主たる水素化触媒作用と共にメタン化の触媒作用を有する水素化触媒の触媒層と、
前記前段反応器よりも上流側に位置しかつ水素化触媒の触媒層よりも下流側に配置され、硫化水素を吸着するための吸着剤の吸着剤層と、を備えたことを特徴とする天然ガスの処理装置。A natural gas and hydrogen are supplied as raw material gases, and a pre-stage reactor for producing methane by reacting carbon dioxide and hydrogen in the natural gas,
A second-stage reactor for adjusting the hydrogen concentration by reacting hydrogen and carbon dioxide remaining in the product gas discharged from the first-stage reactor,
A catalyst layer of a methanation catalyst provided in each of the first-stage reactor and the second-stage reactor,
A catalyst layer of a hydrogenation catalyst that is provided on the upstream side of the former-stage reactor and has a methanation catalytic action together with a main hydrogenation catalytic action for hydrogenating organic sulfur in natural gas to convert it to hydrogen sulfide,
An adsorbent layer of an adsorbent for adsorbing hydrogen sulfide, which is located on the upstream side of the first-stage reactor and on the downstream side of the catalyst layer of the hydrogenation catalyst. Gas treatment equipment.
前記第1のメタン化反応器の入口側に水素を供給する第1の水素供給路と、前記第2のメタン化反応器の入口側に水素を供給する第2の水素供給路と、を備えたことを特徴とする請求項1記載の天然ガスの処理装置。The first-stage reactor includes a first methanation reactor, and a second methanation reactor provided downstream of the first methanation reactor,
A first hydrogen supply path for supplying hydrogen to an inlet side of the first methanation reactor; and a second hydrogen supply path for supplying hydrogen to an inlet side of the second methanation reactor. The natural gas processing apparatus according to claim 1, wherein:
前記前処理用の反応器の入口側に水素を供給する前処理用の水素供給路を備えたことを特徴とする請求項1記載の天然ガスの処理装置。The catalyst layer of the hydrogenation catalyst and the adsorbent layer are disposed in a pretreatment reactor provided on the upstream side of the pre-stage reactor,
2. The natural gas processing apparatus according to claim 1, further comprising a pretreatment hydrogen supply path for supplying hydrogen to an inlet side of the pretreatment reactor.
The carbonyl sulfide removing section for removing carbonyl sulfide by-produced in the catalyst layer of the hydrogenation catalyst is provided upstream of the catalyst layer of the methanation catalyst. Natural gas processing equipment.
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