JP2014198789A - Methane-rich gas production system - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、原料ガスに含まれる水素と一酸化炭素との割合を調整するための一酸化炭素シフト反応設備と、内部を流通するガスから硫黄分を除去する脱硫処理を行う脱硫設備と、内部を流通するガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去処理を行う二酸化炭素除去設備と、前記一酸化炭素シフト反応設備を経て水素と一酸化炭素との割合が調整された原料ガスを受け入れて、触媒反応により前記水素及び一酸化炭素からメタンを生成するメタン化反応設備とを備え、前記メタン化反応設備が一又は複数のメタン化反応器を有して構成されるとともに、当該メタン化反応器を経て生成されるメタンリッチガスを、前記原料ガスに戻すリサイクル路を備えたメタンリッチガス製造システムに関する。 The present application relates to a carbon monoxide shift reaction facility for adjusting the ratio of hydrogen and carbon monoxide contained in the raw material gas, a desulfurization facility for performing a desulfurization process for removing sulfur from the gas flowing inside, A carbon dioxide removal facility for removing carbon dioxide from the circulating gas and a raw material gas in which the ratio of hydrogen and carbon monoxide is adjusted through the carbon monoxide shift reaction facility and a catalytic reaction A methanation reaction facility for generating methane from the hydrogen and carbon monoxide, the methanation reaction facility is configured to have one or more methanation reactors, and through the methanation reactor The present invention relates to a methane rich gas production system including a recycling path for returning generated methane rich gas to the raw material gas.
今日、石炭ガス化により得られる合成ガス(石炭ガスとも呼ばれる)からメタンリッチガスを製造する技術として、触媒を用いたメタン化技術が注目されている。 Today, a methanation technique using a catalyst has attracted attention as a technique for producing methane-rich gas from synthesis gas (also called coal gas) obtained by coal gasification.
このようなメタン化を行うシステムでは、石炭ガス化により発生させた合成ガスの一酸化炭素(CO)と水素(H2)の比率をシフト反応でメタン化に適した1:3に調整し、メタン化反応を発生させてメタンリッチガスを得る。
ここでいうメタン化反応は、下記式で記載される発熱反応である。
In such a methanation system, the ratio of carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) of synthesis gas generated by coal gasification is adjusted to 1: 3 suitable for methanation by a shift reaction, A methanation reaction is generated to obtain a methane rich gas.
The methanation reaction here is an exothermic reaction described by the following formula.
CO + 3H2 ⇔ CH4 + H2O + Q(発熱反応) CO + 3H 2 CH CH 4 + H 2 O + Q (exothermic reaction)
通常、メタン化反応には触媒反応が利用されるため、その触媒の被毒を抑制するために、合成ガスからの被毒成分の除去が行われる。さらに、メタンリッチな製品ガスを得るために、その不要成分となる二酸化炭素がメタン化前に除去される。 Usually, since a catalytic reaction is used for the methanation reaction, in order to suppress poisoning of the catalyst, poisoning components are removed from the synthesis gas. Furthermore, in order to obtain methane-rich product gas, carbon dioxide, which is an unnecessary component, is removed before methanation.
特許文献1には、図示されるように、石炭ガス化設備12、触媒被毒物質の除去設備14、一酸化炭素シフト反応設備16、二酸化炭素除去設備18、メタン化反応設備20を、記載順に備えたシステムが開示されている。
このシステムでは、メタン化反応設備20より得られるメタンリッチガスの一部をメタン化反応設備20の入口部に戻すリサイクル路27が設けられている。
このシステムでは、メタン化反応設備20の上流に、触媒被毒物質の除去設備14、二酸化炭素除去設備18が備えられている。
In
In this system, a recycle path 27 for returning a part of the methane rich gas obtained from the methanation reaction facility 20 to the inlet of the methanation reaction facility 20 is provided.
In this system, a catalyst poisoning substance removal facility 14 and a carbon
特許文献2には、図1に示されるように、石炭ガス化設備(合成ガス流102の上流に設けられる)、脱硫設備104、一酸化炭素シフト反応設備112、メタン化反応設備120,160,170、二酸化炭素除去設備184を、記載順に備えたシステムが開示されている。
このシステムでは、シフト反応設備と、直列接続された複数のメタン化反応器120,160,170とを備えて構成され、初段のメタン化反応器120を経て生成されるメタンリッチガスから二酸化炭素を二酸化炭素除去ユニット114で除去した後、初段のメタン化反応器120に導入する原料ガスに戻すリサイクル路142,146が設けられている。
このシステムでは、ガス流通方向の最下流側と、リサイクル路に、それぞれ二酸化炭素除去設備184,114が設けられている。これら二酸化炭素除去設備は、「極低温冷却によって、または物理的吸収によって、または化学的溶媒抽出法で除去することができる。」と説明されている(段落〔0059〕)。
In
This system comprises a shift reaction facility and a plurality of methanation reactors 120, 160, 170 connected in series, and carbon dioxide is produced from methane-rich gas produced through the first-stage methanation reactor 120. After removal by the carbon removal unit 114, recycling paths 142 and 146 for returning to the raw material gas introduced into the first-stage methanation reactor 120 are provided.
In this system, carbon dioxide removal facilities 184 and 114 are provided on the most downstream side in the gas flow direction and on the recycling path, respectively. These carbon dioxide removal facilities are described as “can be removed by cryogenic cooling, by physical absorption, or by chemical solvent extraction methods” (paragraph [0059]).
メタン化反応は平衡反応であり、反応温度が低いほどメタン化が進み、製造されるメタンが増加する方向に平衡がずれる。従って、メタン化反応の反応温度をできるだけ低くするのが好ましい。このような反応温度の低下(具体的にはメタン化反応器出口ガス温度の低下)を図るために、メタン化反応器出口ガスの一部をメタン化反応器の入口にリサイクルし、ガス中の原料成分であるCOとH2を希釈し、発熱反応による温度上昇を抑制することが行われる。 The methanation reaction is an equilibrium reaction, and the lower the reaction temperature, the more the methanation proceeds and the equilibrium is shifted in the direction of increasing the amount of methane produced. Therefore, it is preferable to make the reaction temperature of the methanation reaction as low as possible. In order to reduce the reaction temperature (specifically, the gas temperature at the outlet of the methanation reactor), a part of the gas at the outlet of the methanation reactor is recycled to the inlet of the methanation reactor. The raw material components CO and H 2 are diluted to suppress an increase in temperature due to an exothermic reaction.
しかしながら、発明者らの検討では、特許文献1に開示されるように、メタン化反応設備の上流側で、原料ガスから二酸化炭素を除去する構成を採用すると、原料ガスから既に二酸化炭素が除去され、原料ガス中の一酸化炭素濃度及び水素濃度がかなり高い濃度となる等の理由によりメタン化が進行し過ぎるため、メタン化反応後のガスを多量にリサイクルする必要が生じ、設備コストが上昇するとともに、その運転に多くのエネルギー(電力等)が必要となる。
However, in the study by the inventors, as disclosed in
また、メタン化触媒上での炭素析出を抑制するために、メタン化反応に供されるガスに、その炭素量に応じて一定の比率で水蒸気を混合させる必要があるが、上記のようにリサイクルガスの量が増えると、その分、投入すべき水蒸気量も増大する。結果、メタン化反応設備の上流側で二酸化炭素を除去するシステムでは、システム全体でみた場合に、設備コスト、エネルギー消費量及び供給水蒸気量の上で改良の余地がある。 In addition, in order to suppress carbon deposition on the methanation catalyst, it is necessary to mix water vapor with a certain ratio according to the amount of carbon in the gas used for the methanation reaction. As the amount of gas increases, the amount of water vapor to be added increases accordingly. As a result, in the system for removing carbon dioxide upstream of the methanation reaction facility, there is room for improvement in terms of facility cost, energy consumption, and amount of supplied water vapor when viewed as a whole system.
一方、特許文献2に開示される技術では、二酸化炭素除去設備が少なくとも2必要となるため設備コストが嵩む。さらに、リサイクル路は設けられているが、初段のメタン化反応器から引続くメタン化反応器への連通部から抜いたメタン化反応後のガスから二酸化炭素を除去した後、初段のメタン化反応器の入口部に戻す構成とされるため、本来リサイクルガスに期待されている有効な希釈効果を十分に得にくく、システム全体でみた場合に、設備コスト、エネルギー消費量、供給水蒸気量の調整の上で改良の余地がある。
On the other hand, in the technique disclosed in
本発明の目的は、メタンリッチガスの製造に当たり、システム全体でみた場合に設備コスト、エネルギー消費量、供給水蒸気量の上で、負荷が軽減されたメタンリッチガス製造システムを得ることにある。 An object of the present invention is to obtain a methane-rich gas production system in which the load is reduced in terms of equipment cost, energy consumption, and amount of supplied water vapor when producing the methane-rich gas as a whole.
上記目的を達成するための、原料ガスに含まれる水素と一酸化炭素との割合を調整するための一酸化炭素シフト反応設備と、内部を流通するガスから硫黄分を除去する脱硫処理を行う脱硫設備と、内部を流通するガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去処理を行う二酸化炭素除去設備と、前記一酸化炭素シフト反応設備を経て水素と一酸化炭素との割合が調整された原料ガスを受け入れて、触媒反応により前記水素及び一酸化炭素からメタンを生成するメタン化反応設備とを備え、前記メタン化反応設備が、一又は複数のメタン化反応器を有して構成されるとともに、当該メタン化反応器を経て生成されるメタンリッチガスを、前記原料ガスに戻すリサイクル路を備えたメタンリッチガス製造システムの特徴構成は以下のとおりである。
〔構成1〕
前記一酸化炭素シフト反応設備、前記脱硫設備、前記メタン化反応設備、前記二酸化炭素除去設備の順に、前記原料ガスを流通させる構成で、
前記原料ガスに水蒸気を導入する水蒸気導入手段を備え、
前記メタン化反応設備を構成する前記メタン化反応器であって、いずれかのメタン化反応器の出口部から送出され、二酸化炭素を含むガスの一部を、ガス成分に関してそのまま、初段のメタン化反応器の入口部位に戻すリサイクル路を備え、
前記リサイクル路の入口部に、前記いずれかのメタン化反応器から送り出されるガスを供給可能に設けるとともに、前記リサイクル路にリサイクルガスを流通させるガス流通手段を設けたことに本願請求項1の特徴がある。
In order to achieve the above object, a carbon monoxide shift reaction facility for adjusting the ratio of hydrogen and carbon monoxide contained in the raw material gas, and a desulfurization treatment for performing a desulfurization process for removing sulfur from the gas flowing inside A raw material gas in which the ratio of hydrogen and carbon monoxide is adjusted via the carbon monoxide shift reaction equipment, the carbon dioxide removal equipment that performs carbon dioxide removal treatment to remove carbon dioxide from the gas flowing through the equipment And a methanation reaction facility that generates methane from the hydrogen and carbon monoxide by a catalytic reaction, and the methanation reaction facility includes one or more methanation reactors, and The characteristic configuration of the methane rich gas production system having a recycling path for returning the methane rich gas generated through the methanation reactor to the raw material gas is as follows.
[Configuration 1]
In the configuration in which the source gas is circulated in the order of the carbon monoxide shift reaction facility, the desulfurization facility, the methanation reaction facility, and the carbon dioxide removal facility,
Provided with water vapor introduction means for introducing water vapor into the source gas,
The methanation reactor constituting the methanation reaction facility, which is sent from the outlet of any methanation reactor, and a part of the gas containing carbon dioxide is used as it is with respect to the gas components, and the first stage methanation is performed. A recycling path is provided to return to the inlet of the reactor,
The feature of
〔作用効果1〕
本願では、メタン化反応設備の上流側に脱硫設備を、下流側に二酸化炭素除去設備を配設する。従って、メタン化反応設備には、二酸化炭素が含まれたままのガスが供給される。即ち、「ガス成分に関してそのまま」とは、温度調整、気液分離等の操作は受けることがあるが、二酸化炭素に関しては除かれることなくそのままの意味である。この状態では、二酸化炭素が含まれているため、ガス中の反応成分である一酸化炭素と、水素とは比較的低濃度となっており、リサイクル路を介してリサイクルすべきガス量が低減される。さらに、リサイクル路を介してリサイクルされるガスは、本願システムにおいて二酸化炭素を除去する前のガスであり、二酸化炭素を原料ガスと同程度含むため、その意味からも、メタン化反応設備に供給されるガスの反応成分の希釈を良好に行える。
[Operation effect 1]
In the present application, a desulfurization facility is disposed upstream of the methanation reaction facility, and a carbon dioxide removal facility is disposed downstream. Therefore, the gas containing carbon dioxide is supplied to the methanation reaction facility. That is, “as it is with respect to gas components” means that operations such as temperature adjustment and gas-liquid separation may be performed, but carbon dioxide is not removed and remains as it is. In this state, since carbon dioxide is contained, carbon monoxide, which is a reaction component in the gas, and hydrogen have a relatively low concentration, and the amount of gas to be recycled through the recycling path is reduced. The Furthermore, the gas recycled through the recycling path is a gas before removing carbon dioxide in the system of the present application, and contains carbon dioxide to the same extent as the raw material gas. The gas reaction components can be diluted well.
結果、メタン化反応設備に導入されるガス量(原料ガス及びリサイクルガス量)が低減できるので、先ずメタン化反応設備の規模を縮小できる。リサイクル路を介してリサイクルするリサイクルガス量が低減できるため、リサイクル用の駆動手段を小型化可能であり、また、その運転に要するエネルギー量を低減できる。また、リサイクルガス量を低減できるので、メタン化反応設備のリサイクル用コンプレッサーの消費電力量を低減できる。 As a result, since the amount of gas introduced into the methanation reaction facility (the amount of raw material gas and recycle gas) can be reduced, the scale of the methanation reaction facility can be first reduced. Since the amount of gas recycled through the recycling path can be reduced, the driving means for recycling can be reduced in size, and the amount of energy required for the operation can be reduced. Moreover, since the amount of recycle gas can be reduced, the power consumption of the recycle compressor for the methanation reaction facility can be reduced.
さらに、これまで説明してきたように、メタン化反応設備に導入されるガス量が低減される結果、従来、炭素析出を抑制するために投入する必要があった水蒸気の量も低減でき、結果的に、水蒸気供給手段に関しても、その小型化可能であり、また、その運転に要するエネルギー量を低減できる。 Further, as described above, the amount of gas introduced into the methanation reaction facility is reduced, and as a result, the amount of water vapor that has been conventionally required to suppress carbon deposition can be reduced. In addition, the water vapor supply means can be downsized and the amount of energy required for its operation can be reduced.
よって、メタンリッチガスの製造に当たり、システム全体でみた場合に設備コスト、エネルギー消費量、供給水蒸気量の上で、負荷が軽減されたメタンリッチガス製造システムを得ることができた。 Therefore, in the production of methane rich gas, it was possible to obtain a methane rich gas production system with a reduced load in terms of equipment cost, energy consumption, and amount of supplied water vapor when viewed as a whole system.
さらに、特許文献2に記載されるように、本願構成にあっては、リサイクル路に二酸化炭素除去設備を設ける必要はなく、メタン化リッチガスを効率よく製造できる。
Furthermore, as described in
〔構成2〕
前記メタン化反応設備が、直列接続された複数のメタン化反応器を有して構成されるとともに、前記リサイクル路の入口部が、一段目のメタン化反応器と二段目のメタン化反応器との間、または最終段のメタン化反応器と前記二酸化炭素除去設備との間に設けられていることが好ましい。
[Configuration 2]
The methanation reaction facility is configured to include a plurality of methanation reactors connected in series, and an inlet portion of the recycling path includes a first-stage methanation reactor and a second-stage methanation reactor. Or between the final stage methanation reactor and the carbon dioxide removal facility.
〔作用効果2〕
この構成では、リサイクル路は、一段目のメタン化反応器と二段目のメタン化反応器との間、または最終段のメタン化反応器と二酸化炭素除去設備との間から、当該部位を流れるガスを、そのまま初段のメタン化反応器の入口部位に戻す。このリサイクルにおいて、本願で重要な二酸化炭素は、そのまま残す。このような構成を採用すると、初段のメタン化反応器に導入されるガスは、原料ガスの全量とリサイクルガスとの混合ガスとなり、COとH2成分に着目すると、実質的にCOとH2成分は、大幅に希釈化された状態とできる。
したがって、構成1で説明した作用・効果を直列接続された複数のメタン化反応器で構成されるメタン化反応設備を備えたメタンリッチガス製造システムで得ることができる。
ここで、リサイクル路の入口部を一段目のメタン化反応器と二段目のメタン化反応器との間に設ける場合は、一段目のメタン化反応器を通過した水蒸気をさらに活用できる。一方、最終段のメタン化反応器と二酸化炭素除去設備との間に設ける場合は、メタンの生産効率を高くできる。
[Operation effect 2]
In this configuration, the recycling path flows through the part from between the first-stage methanation reactor and the second-stage methanation reactor, or between the last-stage methanation reactor and the carbon dioxide removal facility. The gas is returned as it is to the inlet site of the first-stage methanation reactor. In this recycling, carbon dioxide important in the present application is left as it is. By adopting such a configuration, the gas introduced into the first stage methanation reactor, becomes a gas mixture of a total volume of the recycle gas of the raw material gas, when attention is focused on CO and H 2 component, substantially CO and H 2 The component can be in a highly diluted state.
Therefore, the operation and effect described in the
Here, when the inlet of the recycling path is provided between the first-stage methanation reactor and the second-stage methanation reactor, the water vapor that has passed through the first-stage methanation reactor can be further utilized. On the other hand, when it is provided between the methanation reactor in the final stage and the carbon dioxide removal facility, the production efficiency of methane can be increased.
〔構成3〕
上記の構成において、前記メタン化反応設備から前記二酸化炭素除去設備に移流するガスの保有する熱を回収して、前記脱硫設備からメタン化反応設備への導入ガスの温度を調整する熱利用手段を備えることが好ましい。
[Configuration 3]
In the above configuration, heat utilization means for recovering heat held in the gas transferred from the methanation reaction facility to the carbon dioxide removal facility and adjusting the temperature of the gas introduced from the desulfurization facility to the methanation reaction facility It is preferable to provide.
〔作用効果3〕
先にも示したように、メタン化反応は発熱反応であり、メタン化反応設備出口におけるガスは入口ガスより昇温している。これに対して、溶媒による物理吸収により脱硫を実行する脱硫設備を採用した場合、脱硫設備出口のガス温度はメタン化に適した温度より低下側に導かれることがある。そこで、熱利用手段を設けることで、メタン化反応設備の入口、出口間で熱の利用が可能となり、結果、エネルギー効率の良いシステムを構築できる。
[Operation effect 3]
As previously indicated, the methanation reaction is an exothermic reaction, and the gas at the outlet of the methanation reaction facility is heated from the inlet gas. On the other hand, when a desulfurization facility that performs desulfurization by physical absorption by a solvent is adopted, the gas temperature at the desulfurization facility outlet may be led to a lower side than the temperature suitable for methanation. Therefore, by providing heat utilization means, heat can be utilized between the inlet and outlet of the methanation reaction facility, and as a result, an energy efficient system can be constructed.
〔構成4〕
これまで説明してきた構成において、前記メタン化反応設備に流入するメタン化反応設備流入ガスのうち、一部を前記初段のメタン化反応器に導き、残部を前記初段のメタン化反応器に後続する後続段のメタン化反応器に直接導く、バイパス導入手段を設けることが、好ましい。
[Configuration 4]
In the configuration described so far, a part of the inflow gas flowing into the methanation reaction facility is led to the first-stage methanation reactor, and the remainder follows the first-stage methanation reactor. It is preferable to provide a bypass introduction means that leads directly to the subsequent methanation reactor.
〔作用効果4〕
先にも説明したように、メタン化プロセスは発熱プロセスであるため、各メタン化反応器の出口温度をできるだけ低温に抑えることが好ましいが、初段のメタン化反応器に原料ガスの全てを導入した場合、初段のメタン化反応器の出口温度が過度に上昇することも考えられる。
これに対して、バイパス導入手段を設け、初段のメタン化反応器に導入する原料ガスの量を減少、あるいは調整可能として、残部を後続のメタン化反応器に導入することで、各メタン化反応器の温度を、メタン化が進行し易い低温側の温度に保つことが可能となる。
結果的に、効率的にメタンリッチガスを製造できる。
[Operation effect 4]
As explained earlier, since the methanation process is an exothermic process, it is preferable to keep the outlet temperature of each methanation reactor as low as possible, but all the raw material gas was introduced into the first stage methanation reactor. In this case, the outlet temperature of the first-stage methanation reactor may be excessively increased.
On the other hand, by providing bypass introduction means, the amount of raw material gas introduced into the first stage methanation reactor can be reduced or adjusted, and the remainder is introduced into the subsequent methanation reactor. It becomes possible to keep the temperature of the vessel at a low temperature side at which methanation easily proceeds.
As a result, methane-rich gas can be produced efficiently.
〔構成5〕
さらに、バイパス導入手段を設ける上記構成において、前記水蒸気導入手段は、前記初段のメタン化反応器に導かれる前記メタン化反応設備流入ガスの一部に前記水蒸気を導入することとされることが好ましい。
[Configuration 5]
Furthermore, in the above-described configuration in which the bypass introduction unit is provided, it is preferable that the water vapor introduction unit introduces the water vapor into part of the methanation reaction facility inflow gas led to the first-stage methanation reactor. .
〔作用効果5〕
この構成では、バイパス導入手段を備え、初段のメタン化反応器に導入する原料ガスの量を減少、あるいは調整可能とすることで、初段のメタン化反応器に導入されるガス量が制限される。但し、基本的に、複数備えられるメタン化反応器において、最も炭素析出の可能性が高い反応器が初段のメタン化反応器とすることに関しては、その運転上、避けられない。ただし、これまでも説明してきたように、本願では、二酸化炭素除去設備をメタン化反応設備より下流側に配置することで一次的に、さらに、バイパス導入手段を備えることで二次的に、初段のメタン化反応器に導入される炭素析出の原因となる炭素量が低減されるため、結果的に、前記水蒸気導入手段は、前記初段のメタン化反応器に導かれる前記メタン化反応設備流入ガスの一部に前記水蒸気を導入することとして、水蒸気量をさらに低減することが可能となる。
[Operation effect 5]
In this configuration, by-pass introduction means is provided, and the amount of gas introduced into the first-stage methanation reactor is limited by reducing or adjusting the amount of raw material gas introduced into the first-stage methanation reactor. . However, basically, in a plurality of methanation reactors, it is inevitable in operation that the reactor having the highest possibility of carbon deposition is the first-stage methanation reactor. However, as described so far, in the present application, the carbon dioxide removal facility is disposed primarily downstream from the methanation reaction facility, and further, by providing a bypass introduction means, secondarily, the first stage. As a result, the water vapor introduction means is supplied to the methanation reaction facility inflow gas led to the first-stage methanation reactor. By introducing the water vapor into a part of the water vapor, the amount of water vapor can be further reduced.
〔構成6〕
これまで説明してきた構成において、前記原料ガスは、石炭ガス化設備により石炭をガス化して得られる合成ガスであり、二酸化炭素を30体積%以上含むことが好ましい。
〔作用効果6〕
一般に、石炭ガス化により生成される合成ガスは、比較的多くの二酸化炭素を含み、一酸化炭素シフト反応においても二酸化炭素が生成される場合がある。
このように比較的多量の二酸化炭素を含有する合成ガスを原料ガスとして、エネルギー効率の良好なシステムを使用して、メタンリッチガスを製造することができる。
[Configuration 6]
In the configuration described so far, the raw material gas is a synthesis gas obtained by gasifying coal with a coal gasification facility, and preferably contains 30% by volume or more of carbon dioxide.
[Operation effect 6]
Generally, synthesis gas produced by coal gasification contains a relatively large amount of carbon dioxide, and carbon dioxide may be produced even in a carbon monoxide shift reaction.
Thus, methane-rich gas can be produced by using a system with good energy efficiency, using a synthesis gas containing a relatively large amount of carbon dioxide as a raw material gas.
本願に係るメタンリッチガス製造システム100の構成を図1に基づいて説明する。
このメタンリッチガス製造システム100は、石炭ガス化設備1、一酸化炭素シフト反応設備2、脱硫設備3、メタン化反応設備4、二酸化炭素除去設備5の順に、ガスが流通する構成が使用されている。
このメタンリッチガス製造システム100は、石炭ガス化設備1から発生される水素、メタン、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素等を含む合成ガスを原料ガスとして、そのメタン分を増加させて、メタンリッチガスを製造する。この製造に当たっては、少なくとも、一酸化炭素シフト反応設備2及びメタン化反応設備4において、水蒸気vが反応に使用される。
The structure of the methane rich
The methane rich
This methane rich
〔石炭ガス化設備〕
本実施形態で採用する石炭ガス化設備1は、炭素質供給物である石炭cを微粉化してガス化炉1a内に供給して、高圧下で酸化剤である酸素含有ガス等(例えば空気air、あるいはO2)により部分酸化させて瞬時に高温の合成ガスを得る設備である。
ここで、炭素質供給物としては、褐炭、瀝青炭、亜瀝青炭、無煙炭等の石炭が使用される。酸化剤として空気、酸素富化空気、酸素、二酸化炭素(一酸化炭素を生成する反応において)またはこれらの混合物が使用される。炭素質供給物としては石油等の炭素を主成分とする液状物も採用することができる。
このようにして製造される合成ガス(本願における原料ガスである)は、二酸化炭素を30体積%以上含む。
[Coal gasification equipment]
The
Here, coal, such as lignite, bituminous coal, subbituminous coal, anthracite, is used as the carbonaceous feed. Air, oxygen-enriched air, oxygen, carbon dioxide (in the reaction producing carbon monoxide) or a mixture thereof is used as the oxidant. As the carbonaceous feed, a liquid material mainly composed of carbon such as petroleum can be used.
The synthesis gas produced in this way (the raw material gas in the present application) contains 30% by volume or more of carbon dioxide.
〔一酸化炭素シフト反応設備〕
本実施形態で採用する一酸化炭素シフト反応設備2は、触媒反応により一酸化炭素と水蒸気vとを反応させて、水素及び二酸化炭素に変換する。触媒としては、Cu−Zn系、Pt系の触媒が使用される。この反応は、高温域(350℃〜420℃)で起こる。
このシフト反応は、下記式で示される発熱反応である。
[Carbon monoxide shift reaction equipment]
The carbon monoxide
This shift reaction is an exothermic reaction represented by the following formula.
CO+H2O ⇔ H2+ CO2+ Q(発熱反応) CO + H 2 O⇔H 2 + CO 2 + Q (exothermic reaction)
本願システムは、後続のメタン化反応設備4で、主に一酸化炭素と水素を所定の割合で供給してメタン化反応を行うため、石炭ガス化設備1から供給される原料ガスにおける一酸化炭素に対する水素の割合を検出し、モル比で両者間が1対3となるように、水素量を調整する。基本的には、水素量が不足の状態で供給される場合に、シフト反応を促進して、所定のモル比を満足するように制御する。
The system of the present application performs the methanation reaction by supplying carbon monoxide and hydrogen mainly at a predetermined ratio in the subsequent
〔脱硫設備〕
本実施形態で採用する脱硫設備3は、原料ガスに含まれる硫黄分を除去する硫化水素吸収装置として構成されている。除去に際しては、原料ガスに含まれる硫化水素或いは原料ガスに含まれる硫黄分の硫化水素化を実行し(図示省略)、それら硫化水素を物理吸収可能な溶媒に吸収させて硫黄分を除去する。ここで、溶媒としては、具体的には、ポリエチレングリコール等を挙げることができる。
溶媒としては、ポリエチレングリコール単体の他、N−メチルピロリドン、ポリエチレングリコールのジアルキルエーテル、リン酸トリブチル、テトラメチレンスルホン、プロピレンカーボネート、メタノール、アルカノールピリジン、およびテトラヒドロチオフェン−1,1−ジオキシド、さらには、ポリプロピレングリコールのジメチルエーテル等も採用できる。
[Desulfurization equipment]
The
Examples of the solvent include polyethylene glycol alone, N-methylpyrrolidone, polyethylene glycol dialkyl ether, tributyl phosphate, tetramethylene sulfone, propylene carbonate, methanol, alkanol pyridine, and tetrahydrothiophene-1,1-dioxide, Polypropylene glycol dimethyl ether can also be used.
本願においては、図1に示すように、原料ガスが供給される脱硫設備3と、二酸化炭素除去設備5に設けられる二酸化炭素吸収装置5aとの間で、当該溶媒が循環する構成が採用されており、この循環路で、脱硫設備3と二酸化炭素吸収装置5aと間に、硫黄再生装置52が設けられている。この装置52において循環溶媒から硫化水素(硫黄分)を除去することができる。
In the present application, as shown in FIG. 1, a configuration is adopted in which the solvent circulates between a
脱硫に関係する溶媒の循環経路に関して説明すると、脱硫設備3の下部から取り出される硫化水素濃度の高い溶媒は、濃溶液送り路51を経て硫黄再生装置52に送られて当該装置52により再生され、二酸化炭素吸収装置5aの頭部からその内部に送り込まれる。二酸化炭素濃度が上昇し、装置底部から取り出された溶媒の一部が分岐路62を介して分流ポンプ63に送られるとともに、脱硫設備3の頭部に帰還路64を介して戻される。
The solvent circulation path related to desulfurization will be described. The solvent with a high hydrogen sulfide concentration taken out from the lower part of the
〔メタン化反応設備〕
本実施形態で採用するメタン化反応設備4は、触媒反応により一酸化炭素と水素とを反応させて、メタン及び水とに変換する。触媒としては、Ni系、Ru系等の触媒が使用される。この反応は、強い発熱反応であり(200℃〜400℃)で起こる。
このメタン化反応は、下記式で示される発熱反応である。
[Methanation reactor]
The
This methanation reaction is an exothermic reaction represented by the following formula.
CO + 3H2 ⇔ CH4 + H2O + Q(発熱反応) CO + 3H 2 CH CH 4 + H 2 O + Q (exothermic reaction)
よく知られているように、メタン化反応は強い発熱反応であるため、本願では、メタン化反応器4aを3段として、それぞれの反応器出口に冷却器4bを設けている。このようにして、メタン化反応器入口温度を低下させて、可能な限りメタン化が進行するように制御している。さらに、本願にあっては、原料ガスとして合成ガスを使用するためガス中の二酸化炭素の濃度が高い。そこで、メタン化反応設備4に導入されるガスに、炭素の析出を防止する目的等から水蒸気vを添加している。メタン化工程に添加する水蒸気モル数は、メタン化工程に供給する炭素モル数の0.8〜4.5倍が適当である。この目的から、メタン化反応設備4(特に初段のメタン化反応器4a)に挿入する原料ガスとしての合成ガスに水蒸気vを導入する水蒸気導入手段40が備えられている。
As is well known, since the methanation reaction is a strongly exothermic reaction, in the present application, the
複数3段に備えられるメタン化反応器4aに関して、最終段(第3段)のメタン化反応器4a3から送出され、冷却器4bを経て冷却されるとともに、分岐部4cで分岐されたガスである、二酸化炭素を含むガスの一部を、ガス成分に関してそのまま、初段(第1段)のメタン化反応器4a1の入口部位に戻すリサイクル路4dが備えられている。このように、本願では、ガスに含まれる二酸化炭素を除去することなくそのまま原料ガスに戻す。この構成を採用するため、初段のメタン化反応器4a1に供給されるガスが炭素分に関して希釈化され、初段のメタン化反応器4a1に供給すべき水蒸気量を抑えることができる。
Regarding the
リサイクル路4dの入口部は、最終段のメタン化反応器4a3と二酸化炭素除去設備5との間に設けられるとともに、リサイクル路4dにリサイクルガスを流通させるガス流通手段としてのリサイクルコンプレッサー4eが設けられている。
The inlet of the
さらに、この実施形態で示すメタン化反応設備4では、流入する原料ガスであるメタン化反応設備流入ガスのうち、一部を初段(第1段)のメタン化反応器4a1に導き、残部を初段のメタン化反応器4a1に後続する後続段のメタン化反応器4a2(図示する例では第2段)に直接導く、バイパス導入手段4gが設けられている。このバイパス導入手段4gは、初段のメタン化反応器4a1をバイパスするバイパス路4g1と、このバイパス路4g1を流れるガスの流量を制御する流量制御弁4g2とから構成され、この流量制御弁4g2の開度を調整することでバイパス量を調整できる。このようなバイパス導入手段を設ける目的は、初段のメタン化反応器4a1の出口温度が過度に上昇するのを防止するためである。尚、図示しないが、メタン化反応器4a1の入り口部に別の流量制御弁をさらに備える構成としてもよい。この構成により、流量制御の調整をさらに広範囲に行うことができる。
Further, in the
また、本願にあっては、前記水蒸気導入手段40による水蒸気vの導入は、前記バイパス路4g1の分岐後、即ち、初段のメタン化反応器4aへ流入するガスに対してのみ行うようにしている。結果、この構成からも水蒸気量を低減することとなる。無論、バイパス路4g1の分岐前に、原料ガス全体を対象として水蒸気を供給できるようにしても良い。
In the present application, the introduction of the water vapor v by the water
図1に示すように、本実施形態に示すシステムにあっては、各メタン化反応器4aの間及び最終段のメタン化反応器4aの後段において、ガスの冷却を行っている。
As shown in FIG. 1, in the system shown in the present embodiment, gas cooling is performed between the
一方、脱硫設備3からメタン化反応設備4に導入されるガスと、当該メタン化反応設備4においてメタン化処理を受け、分岐部4cで分岐された残部ガス(リサイクルされなかった残部ガス)との熱交換も行なっている。即ち、本願にあっては、図1に示すように、少なくともメタン化反応設備4から二酸化炭素除去設備5に移流するガスの保有する熱を回収して、脱硫設備3からメタン化反応設備4への導入ガスの温度を反応に適切な温度とする熱利用手段30を設けている。結果、本願のように、メタン化反応設備4を挟んで、脱硫設備3及び二酸化炭素除去設備5を配列するシステム構成において、エネルギーの有用な利用を図ることができる。
On the other hand, the gas introduced into the
〔二酸化炭素除去設備〕
本実施形態で採用する二酸化炭素除去設備5としては、先に脱硫設備3で説明したように、溶媒に硫化水素及び二酸化炭素を吸収させて個々に除去する構成を採用している。
以下、図1に基づいて説明する。
シフト反応設備2を通ってきた原料ガスは、原料ガス/製品ガス熱交換器99を介して、溶媒が分散流下される硫化水素吸収装置である脱硫設備3の底部近傍に入り、溶媒が、ガスの流れと接触することによって硫化水素および他のイオウ化合物を吸収して除去する。溶媒は、脱硫設備3の底部から取り出され、濃溶媒送り路51を経て硫黄再生装置52に送られ、硫化水素が除去される。除去後の溶媒は、戻り路54、溶液ポンプ53を介して二酸化炭素除去装置5aの頭部近傍に戻される。一方、脱硫設備3の頭部から送出されるガスは低温(例えば0℃)となっており、先に説明した熱利用手段30である熱交換器を経て昇温されて、メタン化反応設備4に送り込まれる。
[CO2 removal equipment]
The carbon
Hereinafter, a description will be given based on FIG.
The raw material gas that has passed through the
当該メタン化反応設備4でメタン化処理を受けて、高温(例えば300℃)となったガスの保有する熱の一部は、蒸気発生用に使用されるとともに、一部、分岐部4cで本願独特のリサイクル路4dに供給される。残部は、熱利用手段30で熱回収され、静的ミキサー56に送られる。当該静的ミキサー56で、二酸化炭素吸収装置5aの底部から循環ポンプ57により取り出された溶媒と混合され、次いで、混合流が戻し路58を介して二酸化炭素吸収装置5aの底部に戻される。二酸化炭素を吸収した溶媒は、二酸化炭素吸収装置5aの底部を出て、一連のフラッシュドラム(70、80、90)に続く流路61と、分流ポンプ63に至る分岐流路62に分離される。流路61側を流れる溶媒は、高圧フラッシュCO2フラッシュドラム70まで進み、その頭部放出路71から、二酸化炭素が放出される。溶媒は、さらに中圧フラッシュCO2フラッシュドラム80、低圧フラッシュCO2フラッシュドラム90に至り、順次、二酸化炭素が、頭部送出路81、91を介して放出される。二酸化炭素を放出して、その吸収能が増した希溶媒は、流路95、循環ポンプ96、流路97を介して二酸化炭素吸収装置5aの中間部位まで戻される。分岐路62側を流れる溶媒は分流ポンプ63、帰還路64を介して、脱硫設備3の頭部に戻される。
精製された製品ガスは、二酸化炭素吸収装置5aの頭部を出て、原料ガス/製品ガス熱交換器99まで進み熱交換後、製品として、後工程に回される。
Part of the heat held by the gas that has undergone methanation treatment at the
The purified product gas leaves the head of the carbon
〔別実施形態〕
(1)上記の実施形態にあっては、一部を初段のメタン化反応器4aに導き、残部をバイパスするバイパス導入手段を備える例を示したが、このようなバイパス導入手段を設けることなく、原料ガスの全量を初段のメタン化反応器4a1に導入してメタンリッチガスを製造する構成としてもよい。
[Another embodiment]
(1) In the above-described embodiment, an example is shown in which a part of the first
〔検討〕
以上が、本願に係るメタンリッチガス製造システムの説明であるが、以下に、発明者らが、本願に関連して行った検討の結果について説明する。
この検討にあっては、図2(a)に示す本願システムと図2(b)に示す従来システムを検討対象とした。
〔Consideration〕
The above is the description of the methane-rich gas production system according to the present application. Hereinafter, the results of the studies conducted by the inventors in connection with the present application will be described.
In this examination, the subject system shown in FIG. 2A and the conventional system shown in FIG.
本願システムでは、メタン化反応設備4の上流側に脱硫設備3を、メタン化反応設備4の下流側に二酸化炭素除去設備5をそれぞれ備え、メタン化反応設備4内に、先に示した例と同様に、最終段のメタン化反応器4a3の流出側から初段のメタン化反応器の入口4a1へメタンリッチガスをリサイクルする構成としている。この例では、メタン化反応設備4は、先に説明したバイパス導入手段4gを備えず、原料ガス(水素、一酸化炭素及び二酸化炭素を含む)の全量を初段のメタン化反応器4a1に受け入れ、その全量を順次メタン化反応器4a2、4a3でメタン化処理する構成とした。
従って、メタン化反応設備4には、水素と一酸化炭素との量比が調整され、脱硫処理のみがされ、二酸化炭素を含むガスが供給され、3段のメタン化反応器4a1、4a2、4a3でメタン化がされた後、二酸化炭素を含んだままその一部がリサイクルされる。
In the present system, a
Therefore, the
従来システムでは、メタン化反応設備4の上流側に脱硫設備3及び二酸化炭素除去設備5を備え、メタン化反応設備4内に、最終段のメタン化反応器4a3の下流側から初段のメタン化反応器4a1の入口へメタンリッチガスをリサイクルする構成としている。このメタン化反応設備4も、先に説明したバイパス導入手段4gを備えず、原料ガス(水素、一酸化炭素を含み二酸化炭素を除かれた)の全量を初段のメタン化反応器4a1に受け入れ、その全量を順次メタン化反応器4a2、4a3で処理する構成のものである。
従って、メタン化反応設備4には、水素と一酸化炭素との量比が調整され、脱硫処理及び二酸化炭素除去処理が行われ、二酸化炭素が除去されたガスが供給され、3段のメタン化反応器でメタン化がされた後、その一部がリサイクルされる。
In the conventional system, a
Therefore, the
これらの検討において、検討基準は、製造されるメタンリッチガス(ほぼメタン100%)の量を同一とした(図3、図4から判明するように、0.37Nm3/h)。 In these examinations, the examination criteria were the same amount of methane-rich gas (approximately 100% methane) produced (0.37 Nm 3 / h as can be seen from FIGS. 3 and 4).
本願システムでは、図3に示すように、メタン化反応設備のリサイクル量=0.9Nm3/h(従来システムより55%減)、リサイクルコンプレッサー消費電力=3.1W(従来システムより58%減)、メタン化反応に必要な水蒸気量=1.2kg/h(従来システムより30%減)であった。これによりメタン化反応設備のリサイクルガスが通過する設備は従来システムより55%減程度規模を縮小することができた。 In the system of the present application, as shown in FIG. 3, the recycling amount of the methanation reaction equipment = 0.9 Nm 3 / h (55% reduction from the conventional system), the recycling compressor power consumption = 3.1 W (58% reduction from the conventional system) The amount of water vapor required for the methanation reaction was 1.2 kg / h (30% reduction from the conventional system). As a result, the facility through which the recycle gas of the methanation reaction facility passes could be reduced by about 55% compared to the conventional system.
一方、従来システムでは、図4に示すように、メタン化反応設備のリサイクル量=1.9Nm3/h、リサイクルコンプレッサー消費電力=7.4W、メタン化反応に必要な水蒸気量=1.7kg/hであった。 On the other hand, in the conventional system, as shown in FIG. 4, the recycle amount of the methanation reaction equipment = 1.9 Nm 3 / h, the recycle compressor power consumption = 7.4 W, the water vapor amount necessary for the methanation reaction = 1.7 kg / h h.
メタンリッチガスの製造に当たり、システム全体でみた場合に設備コスト、エネルギー消費量、供給水蒸気量の上で、負荷が軽減されたメタンリッチガス製造システムを得ることができた。 In producing methane-rich gas, we were able to obtain a methane-rich gas production system with reduced load in terms of equipment cost, energy consumption, and amount of water vapor supply when viewed as a whole system.
1 :石炭ガス化設備
2 :一酸化炭素シフト反応設備
3 :脱硫設備
4 :メタン化反応設備
4a :メタン化反応器
4b :冷却器
4d :リサイクル路
4e :リサイクルコンプレッサー
5 :二酸化炭素除去設備
1: Coal gasification facility 2: Carbon monoxide shift reaction facility 3: Desulfurization facility 4:
Claims (6)
前記一酸化炭素シフト反応設備、前記脱硫設備、前記メタン化反応設備、前記二酸化炭素除去設備の順に、前記原料ガスを流通させる構成で、
前記原料ガスに水蒸気を導入する水蒸気導入手段を備え、
前記メタン化反応設備を構成する前記メタン化反応器であって、いずれかのメタン化反応器の出口部から送出され、二酸化炭素を含むガスの一部を、ガス成分に関してそのまま、初段のメタン化反応器の入口部位に戻すリサイクル路を備え、
前記リサイクル路の入口部に、前記いずれかのメタン化反応器から送り出されるガスを供給可能に設けるとともに、前記リサイクル路にリサイクルガスを流通させるガス流通手段を設けたメタンリッチガス製造システム。 A carbon monoxide shift reaction facility for adjusting the ratio of hydrogen and carbon monoxide contained in the raw material gas, a desulfurization facility for performing a desulfurization process for removing sulfur from the gas flowing inside, and a gas flowing inside Carbon dioxide removal equipment for removing carbon dioxide from the carbon dioxide removal equipment and the carbon monoxide shift reaction equipment through which the raw material gas in which the ratio of hydrogen and carbon monoxide is adjusted is received, and the hydrogen is produced by catalytic reaction. And a methanation reaction facility for producing methane from carbon monoxide, the methanation reaction facility is configured to have one or a plurality of methanation reactors, and is generated through the methanation reactor. A methane rich gas production system including a recycling path for returning the methane rich gas to the raw material gas,
In the configuration in which the source gas is circulated in the order of the carbon monoxide shift reaction facility, the desulfurization facility, the methanation reaction facility, and the carbon dioxide removal facility,
Provided with water vapor introduction means for introducing water vapor into the source gas,
The methanation reactor constituting the methanation reaction facility, which is sent from the outlet of any methanation reactor, and a part of the gas containing carbon dioxide is used as it is with respect to the gas components, and the first stage methanation is performed. A recycling path is provided to return to the inlet of the reactor,
A methane rich gas production system in which an inlet portion of the recycle path is provided so as to be able to supply a gas sent out from any of the methanation reactors, and a gas distribution means for circulating the recycle gas through the recycle path is provided.
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