JP5348938B2 - Carbon monoxide gas generator and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、天然ガス,プロパンガス,ガソリン,ナフサ,灯油,メタノール,バイオガス等の炭化水素系化合物ガスと水ならびに酸素系ガスを原料とし、一酸化炭素ガスを発生させる一酸化炭素ガス発生装置および方法に関するものである。 The present invention relates to a carbon monoxide gas generator that generates carbon monoxide gas from a hydrocarbon compound gas such as natural gas, propane gas, gasoline, naphtha, kerosene, methanol, and biogas, water, and oxygen-based gas. And methods.
従来から、浸炭処理等の金属表面処理の雰囲気ガスや、ポリウレタン・ポリカーボネート等の製造原料として、一酸化炭素ガスが必要とされている。 2. Description of the Related Art Conventionally, carbon monoxide gas is required as an atmosphere gas for metal surface treatment such as carburizing treatment, and as a raw material for producing polyurethane and polycarbonate.
このような一酸化炭素ガスは、従来から、原料として炭化水素ガスと酸素ガスを用い、触媒を利用して改質反応させて水素リッチで一酸化炭素ガス濃度が高い混合ガスとして一酸化炭素ガスを発生させ、この混合ガスから、PSA(Pressure Swing Adsorption:圧力スイング吸着)法等の方法によって一酸化炭素ガスを分離することによって得ることが行われている(例えば、下記の特許文献1および2)。
しかしながら、原料として炭化水素ガスと酸素ガスを用い、触媒を利用して改質させて水素リッチで一酸化炭素ガス濃度が高い混合ガスとして一酸化炭素ガスを発生させる方法では、系全体のカーボンポテンシャルを上げて一酸化炭素ガスの収率を向上させようとすると、反応器の下流でカーボンが析出してしまい、反応器で発生した熱を回収するために設けた熱交換器等を含め、装置内部がカーボン析出によって汚染されてしまうという問題がある。このため、一酸化炭素ガスの収率を犠牲にしてカーボン析出をしない条件で運転するか、あるいは析出したカーボンを除去するメンテナンスを定期的に行いながら運転する必要があった。 However, in the method in which hydrocarbon gas and oxygen gas are used as raw materials and reformed using a catalyst to generate carbon monoxide gas as a gas mixture rich in hydrogen and having a high carbon monoxide concentration, the carbon potential of the entire system If the carbon monoxide gas yield is improved by increasing the temperature, the carbon will be deposited downstream of the reactor, including a heat exchanger provided to recover the heat generated in the reactor. There is a problem that the inside is contaminated by carbon deposition. For this reason, it was necessary to operate under conditions that do not cause carbon deposition at the expense of the yield of carbon monoxide gas, or to operate while periodically performing maintenance to remove the deposited carbon.
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、一酸化炭素ガスの収率が高く、しかもメンテナンスを低減した運転を可能とする一酸化炭素ガス発生装置および方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and provides a carbon monoxide gas generation apparatus and method that enable operation with a high yield of carbon monoxide gas and reduced maintenance. For the purpose.
上記目的を達成するため、本発明の一酸化炭素ガス発生装置は、炭化水素系ガスと酸素系ガスと水蒸気が原料ガスとして導入され、上記原料ガスを触媒と接触反応させて炭化水素系ガスの燃焼反応および変成反応を生じさせることにより、水素ガスリッチでかつ一酸化炭素ガス濃度が高い混合ガスとして一酸化炭素ガスを発生させる反応器と、上記反応器で発生した混合ガスから製品ガスとして一酸化炭素ガスを分離する分離装置とを備え、
上記反応器の下流に、配管内部の金属表面でのカーボン析出を抑制するための流体として、主としてH2Oを含む流体が導入されることを要旨とする。
In order to achieve the above object, a carbon monoxide gas generator of the present invention has a hydrocarbon gas, an oxygen gas, and water vapor introduced as a raw material gas, and the raw material gas is contacted with a catalyst to react with the hydrocarbon gas. A reactor that generates carbon monoxide gas as a gas mixture rich in hydrogen gas and having a high carbon monoxide gas concentration by causing a combustion reaction and a metamorphic reaction, and a monoxide as product gas from the gas mixture generated in the reactor A separation device for separating carbon gas ,
The gist is that a fluid mainly containing H 2 O is introduced downstream of the reactor as a fluid for suppressing carbon deposition on the metal surface inside the pipe .
また、上記目的を達成するため、本発明の一酸化炭素ガス発生方法は、炭化水素系ガスと酸素系ガスと水蒸気が原料ガスとして導入され、上記原料ガスを触媒と接触反応させて炭化水素系ガスの燃焼反応および変成反応を生じさせることにより、水素ガスリッチでかつ一酸化炭素ガス濃度が高い混合ガスとして一酸化炭素ガスを発生させる反応工程と、上記反応工程で発生した混合ガスから製品ガスとして一酸化炭素ガスを分離する分離工程とを行い、
上記反応工程の下流に、配管内部の金属表面でのカーボン析出を抑制するための流体として、主としてH2Oを含む流体を導入することを要旨とする。
In order to achieve the above object, the carbon monoxide gas generation method of the present invention is a hydrocarbon-based gas, an oxygen-based gas, and water vapor introduced as a raw material gas, and the raw material gas is brought into contact with a catalyst to react with the hydrocarbon-based gas. By generating a gas combustion reaction and a metamorphic reaction, a reaction step of generating carbon monoxide gas as a mixed gas rich in hydrogen gas and having a high carbon monoxide gas concentration, and as a product gas from the mixed gas generated in the reaction step A separation step of separating carbon monoxide gas ,
The gist is to introduce a fluid mainly containing H 2 O as a fluid for suppressing carbon deposition on the metal surface inside the pipe downstream of the reaction step.
本発明の一酸化炭素発生装置および方法は、反応器または反応工程で発生した混合ガスから製品ガスとして一酸化炭素ガスを分離する分離装置または工程を有するものである。そして、上記反応器または反応工程の下流に、配管内部の金属表面でのカーボン析出を抑制するための流体として、主としてH2Oを含む流体を導入することにより、反応器下流の配管内部等の金属表面でのカーボンの析出を効果的に防止する。このため、一酸化炭素ガスの発生ポテンシャルの高い条件での運転を可能とするほか、汚染物質の除去等のメンテナンスを大幅に低減できる。このように、反応器または反応工程の下流に主としてH2Oを含む流体を導入してカーボンの析出を抑えることができるため、反応器または反応工程に導入する水蒸気量を抑制することが可能となり、反応器または反応工程によって得られる改質ガスの一酸化炭素濃度を大幅に向上させ、一酸化炭素の収率を大幅に向上させることができる。 The carbon monoxide generator and method of the present invention have a separation device or process for separating carbon monoxide gas as a product gas from a mixed gas generated in a reactor or reaction step. Then, by introducing a fluid mainly containing H 2 O as a fluid for suppressing carbon deposition on the metal surface inside the pipe downstream of the reactor or the reaction step, It effectively prevents carbon deposition on the metal surface. For this reason, it is possible to operate under conditions where the generation potential of carbon monoxide gas is high, and maintenance such as removal of pollutants can be greatly reduced. As described above, since the fluid containing mainly H 2 O can be introduced downstream of the reactor or the reaction process to suppress the precipitation of carbon, the amount of water vapor introduced into the reactor or the reaction process can be suppressed. The carbon monoxide concentration of the reformed gas obtained by the reactor or the reaction process can be greatly improved, and the yield of carbon monoxide can be greatly improved.
本発明において、上記反応器の下流に反応器で発生した熱を回収する熱交換器が設けられ、上記反応器の出口と熱交換器の入口との間に主としてH2Oを含む流体が導入される場合には、反応器の熱を回収するために反応器の下流に設けられた熱交換器がカーボン析出で汚染されるのを効果的に防止し、一酸化炭素ガスの発生ポテンシャルの高い条件での運転を可能とするほか、汚染物質の除去等のメンテナンスを大幅に低減できる。 In the present invention, a heat exchanger for recovering heat generated in the reactor is provided downstream of the reactor, and a fluid mainly containing H 2 O is introduced between the outlet of the reactor and the inlet of the heat exchanger. In this case, the heat exchanger provided downstream of the reactor in order to recover the heat of the reactor is effectively prevented from being contaminated by carbon deposition, and the generation potential of carbon monoxide gas is high. In addition to enabling operation under conditions, maintenance such as removal of contaminants can be greatly reduced.
本発明において、上記反応器に導入される原料ガスが、水蒸気中のH2Oと炭化水素系ガス中のCとのモル比がH2O/Cで0.5以下となるよう、炭化水素系ガスと酸素系ガスと水蒸気の混合比が設定されるよう構成されている場合には、生成される混合ガス中の一酸化炭素ガス濃度が高くなる。また、反応器において高温が得られるため、反応器から排出された混合ガスから得られる熱を原料の加熱や反応器下流に導入する主としてH2Oを含む流体の加熱に利用できる。 In the present invention, the raw material gas introduced into the reactor, so that the molar ratio of C of between H 2 O hydrocarbon gas of water vapor becomes 0.5 or less in H 2 O / C, hydrocarbons When the mixing ratio of the system gas, the oxygen-based gas, and the water vapor is set, the carbon monoxide gas concentration in the generated mixed gas becomes high. Further, since a high temperature is obtained in the reactor, the heat obtained from the mixed gas discharged from the reactor can be used for heating the raw material and the fluid mainly containing H 2 O introduced downstream of the reactor.
本発明において、上記反応器に導入される原料ガスが、酸素系ガス中のO2と炭化水素系ガス中のCとのモル比がO2/Cで0.3以上0.5以下となるよう、炭化水素系ガスと酸素系ガスと水蒸気の混合比が設定されるよう構成されている場合には、内部燃焼反応による過剰発熱を防止し、触媒の損傷を防止するほか得られる混合ガスの組成を適正に維持することができる。 In the present invention, the raw material gas introduced into the reactor, the molar ratio of O 2 in the oxygen-based gas and C of the hydrocarbon-based gas is 0.3 to 0.5 at a O 2 / C Thus, when the mixing ratio of hydrocarbon gas, oxygen gas, and water vapor is set, excessive heat generation due to internal combustion reaction is prevented, and catalyst damage is prevented. The composition can be maintained properly.
本発明において、上記反応器は、Rh修飾(Ni−CeO2)−Pt触媒を使用することにより、炭化水素系ガスの燃焼反応と変成反応とを同じ反応領域内で同時に行なうようになっている場合には、発熱反応である燃焼反応と吸熱反応である変成反応を同じ反応領域内で同時に行うことにより、燃焼反応で発生した熱エネルギーを変成反応の熱源として利用できることから、極めてエネルギー効率がよくなる。さらに、当該反応領域では発熱反応と吸熱反応とが同時に生じることから熱的な中和が起こって熱平衡状態での運転が可能となる。したがって、例えば、反応器内に触媒燃焼反応を単独で行う領域を設ける場合に比べ、反応領域の温度上昇がかなり抑制され、反応器に用いる耐熱材料の選定や反応器自体の耐熱構造をそれほど高温仕様のものにしなくてもよくなることから、設備コストも節減できる。また、触媒層入口への原料ガス供給温度を下げることができ、炭化水素の熱分解による煤の発生を抑制し、着火の危険も回避できる。 In the present invention, the reactor uses a Rh-modified (Ni—CeO 2 ) —Pt catalyst so that the combustion reaction and the shift reaction of the hydrocarbon gas are simultaneously performed in the same reaction region. In some cases, the combustion reaction, which is an exothermic reaction, and the metamorphic reaction, which is an endothermic reaction, are simultaneously performed in the same reaction region, so that the heat energy generated by the combustion reaction can be used as a heat source for the metamorphic reaction, resulting in extremely high energy efficiency. . Furthermore, since an exothermic reaction and an endothermic reaction occur simultaneously in the reaction region, thermal neutralization occurs and operation in a thermal equilibrium state is possible. Therefore, for example, the temperature rise in the reaction region is considerably suppressed compared to the case where a region for performing the catalytic combustion reaction alone is provided in the reactor, and the selection of the heat-resistant material used for the reactor and the heat-resistant structure of the reactor itself are much higher. Equipment costs can be reduced because it is not necessary to use specifications. In addition, the temperature of the raw material gas supplied to the catalyst layer inlet can be lowered, soot generation due to thermal decomposition of hydrocarbons can be suppressed, and the risk of ignition can be avoided.
上記主としてH2Oを含む流体は、水または水蒸気を使用することができる。 The fluid mainly containing H 2 O can use water or water vapor.
つぎに、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Next, the best mode for carrying out the present invention will be described.
図1は、本発明が適用される一酸化炭素ガス発生装置100の一例を示す構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of a carbon
この一酸化炭素ガス発生装置100は、炭化水素系ガスと酸素系ガスと水蒸気を原料ガスとし、上記原料ガスが導入されて、上記原料ガスを触媒と接触反応させて炭化水素系ガスの燃焼反応および変成反応を生じさせることにより水素ガスリッチでかつ一酸化炭素ガス濃度が高い混合ガスとして一酸化炭素ガスを発生させる反応器51を備えている。
This carbon
上記反応器51には、炭化水素供給路56から供給された炭化水素系ガスと、水蒸気供給路63から供給された水蒸気とが混合され、この混合されたガス供給される混合ガス流路64に酸素供給路59が合流し、さらに酸素ガスが混合された原料ガスとして原料ガス供給路65から反応器51に導入される。
In the
上記反応器51で反応して生成した水素ガスリッチでかつ一酸化炭素ガス濃度が高い混合ガスである改質ガスは、改質ガス路72から導出されて気液分離機71を経て第1PSA装置73、第2PSA装置74を経て、製品ガスとしての一酸化炭素ガスおよび水素ガスとして排出される。
The reformed gas, which is a gas mixture rich in hydrogen gas and having a high carbon monoxide gas concentration generated by reaction in the
上記改質ガス路72には、第1熱交換器76、第2熱交換器77、第3熱交換器78が設けられ、改質ガスの熱を回収して原料の予熱に利用したり改質ガスを冷却したりするようになっている。
The reformed
上記炭化水素系ガスは、図示しないボンベあるいは導管から供給されて圧縮機52で所定の圧力に圧縮され、流量調節バルブ54で所定の流量に調整され、第1熱交換器76で改質ガスとの熱交換を行って予熱され、炭化水素予熱ヒータ55で所定の温度まで予熱され、脱硫器53で脱硫を行なったのち炭化水素供給路56で供給される。上記脱硫器53は、水添脱硫を行なうものを採用することもできるし、活性炭やゼオライト等の吸着剤を充填した常温吸着脱硫をおこなうものを採用することもできる。
The hydrocarbon-based gas is supplied from a cylinder or a conduit (not shown), compressed to a predetermined pressure by the
上記炭化水素系ガスは、一般にプロパンガスや都市ガスのような社会インフラとして供給されている炭化水素系ガスをはじめとして、天然ガス,ブタンガス,メタンガス等の炭化水素系ガスを使用することができる。この例では、天然ガスを使用した例を説明している。 As the hydrocarbon gas, it is possible to use hydrocarbon gases such as natural gas, butane gas, methane gas, etc. as well as hydrocarbon gases that are generally supplied as social infrastructure such as propane gas and city gas. In this example, an example using natural gas is described.
上記酸素系ガスは、図示しない酸素コールドエバポレータ等から供給され、流量調節バルブ58で所定の流量に調整されて酸素供給路59で供給される。
The oxygen-based gas is supplied from an oxygen cold evaporator or the like (not shown), adjusted to a predetermined flow rate by a flow
上記酸素系ガスとしては、工業用の純酸素を好適に用いることができるが、酸素濃度が21%以上に高いものであれば、多少の不純分や他のガスを混入したものも酸素系ガスとして使用できる趣旨である。 As the oxygen-based gas, industrial pure oxygen can be preferably used. However, as long as the oxygen concentration is as high as 21% or more, oxygen-based gas may be mixed with some impurities or other gases. It can be used as
上記水蒸気は、純水をポンプ60で供給し、第2熱交換器77で改質ガスとの熱交換を行って予熱され、さらに純水ヒータ57およびスチームヒータ62で加熱されて水蒸気としたものが流量調節バルブ61で所定の流量に調整されて水蒸気供給路63で供給される。
The steam is preheated by supplying pure water with the
上記水蒸気供給路63、炭化水素供給路56および酸素供給路59は、まず上記水蒸気供給路63と炭化水素供給路56が合流した混合ガス流路64が設けられ、この混合ガス流路64と酸素供給路59とが合流して原料ガス供給路65が設けられている。これにより、上記原料ガスは、あらかじめ炭化水素ガスと水蒸気を混合しておき、そこに酸素系ガスを合流させて反応器51に導入するよう構成されている。
The
混合ガス流路64には、炭化水素系ガスと水蒸気との混合ガスを所定の予熱温度まで予熱する予熱ヒータ66が設けられている。そして、上記予熱ヒータ66で所定の温度まで予熱された混合ガスに対して酸素系ガスを添加した原料ガスを反応器51に導入するようになっている。
The mixed
なお、上記原料ガスは、あらかじめ酸素系ガスと水蒸気を混合しておき、そこに炭化水素系ガスを合流させて反応器51に導入するよう構成することもできる。また、酸素系ガスと水蒸気と炭化水素系ガスを同時に合流させて反応器51に導入するよう構成することもできる。
The source gas may be configured such that an oxygen-based gas and water vapor are mixed in advance, and a hydrocarbon-based gas is merged therein and introduced into the
上記原料ガスにおける炭化水素系ガス、酸素系ガス、水蒸気の混合比は、流量調節バルブ54,58,61によって炭化水素系ガス、酸素系ガス、水の流量をそれぞれ調整することにより設定する。
The mixing ratio of the hydrocarbon-based gas, oxygen-based gas, and water vapor in the raw material gas is set by adjusting the flow rates of the hydrocarbon-based gas, oxygen-based gas, and water using the flow
すなわち、上記原料ガスは、酸素系ガス中のO2と炭化水素系ガス中のCとのモル比がO2/Cで0.3以上0.5以下となり、水蒸気中のH2Oと炭化水素系ガス中のCとのモル比がH2O/Cで0.5以下となるよう、炭化水素系ガスと酸素系ガスと水蒸気の混合比が設定されるよう構成されている。すなわち、COの収率を上げるためには低いほうがよく、温度との関係である程度のH2Oが必要であるため、H2O/Cは0.5以下とするのが好ましい。また、O2/Cが0.5を超えると水素の燃焼領域に入ってしまい温度が高温になってしまうため、O2/Cで0.3以上0.5以下とするのが好ましい。なお、水蒸気中のH2Oと炭化水素系ガス中のCとのモル比は、H2O/Cで0.05以上0.3以下となるよう設定するのが好ましい。 That is, the raw material gas, and O 2 of the oxygen-based gas molar ratio of C hydrocarbon gas becomes 0.3 to 0.5 in O 2 / C, and of H 2 O water vapor carbide The mixing ratio of hydrocarbon-based gas, oxygen-based gas, and water vapor is set so that the molar ratio with C in the hydrogen-based gas is 0.5 or less in terms of H 2 O / C. That is, in order to increase the yield of CO, it is better to be low, and a certain amount of H 2 O is necessary in relation to the temperature. Therefore, H 2 O / C is preferably 0.5 or less. Further, if O 2 / C exceeds 0.5, the hydrogen enters the hydrogen combustion region and the temperature becomes high, so it is preferable that O 2 / C be 0.3 or more and 0.5 or less. The molar ratio of C of between H 2 O hydrocarbon gas in the steam is preferably set to be 0.05 to 0.3 with H 2 O / C.
例えば、炭化水素ガスがメタンガス(CH4)である場合、メタン中のCは1なので、下記の式(1)(2)により混合比を決定する。O2/Cが0.3〜0.5すなわち、メタン1モルに対してO2を0.3〜0.5モルの比で混合し、H2O/C=0.5以下すなわち、メタン1モルに対してH2Oを0.5モル以下となるよう混合する。
O2/C=[O2]/(1×[CH4])=0.3〜0.5 …(1)
H2O/C=[H2O]/(1×[CH4])≦0.5 …(2)
[O2]:O2のモル数
[CH4]:CH4のモル数
[H2O]:H2Oのモル数
For example, when the hydrocarbon gas is methane gas (CH 4 ), since C in methane is 1, the mixing ratio is determined by the following equations (1) and (2). O 2 / C is 0.3 to 0.5, that is, O 2 is mixed at a ratio of 0.3 to 0.5 mol with respect to 1 mol of methane, and H 2 O / C = 0.5 or less, that is, methane H 2 O is mixed to 0.5 mol or less with respect to 1 mol.
O 2 / C = [O 2 ] / (1 × [CH 4 ]) = 0.3 to 0.5 (1)
H 2 O / C = [H 2 O] / (1 × [CH 4 ]) ≦ 0.5 (2)
[O 2 ]: Number of moles of O 2 [CH 4 ]: Number of moles of CH 4 [H 2 O]: Number of moles of H 2 O
同様に、例えば、炭化水素ガスがプロパンガス(C3H8)である場合、プロパン中のCは3なので、下記の式(3)(4)により混合比を決定する。O2/Cが0.3〜0.5すなわち、プロパン1モルに対してO2を0.9〜1.5モルの比で混合し、H2O/C=0.5以下すなわち、プロパン1モルに対してH2Oを1.5モル以下となるよう混合する。
O2/C=[O2]/(3×[C3H8])=0.3〜0.5 …(3)
H2O/C=[H2O]/(3×[C3H8])≦0.5 …(4)
[O2]:O2のモル数
[C3H8]:C3H8のモル数
[H2O]:H2Oのモル数
Similarly, for example, when the hydrocarbon gas is propane gas (C 3 H 8 ), C in propane is 3, so the mixing ratio is determined by the following formulas (3) and (4). O 2 / C is 0.3 to 0.5, that is, O 2 is mixed at a ratio of 0.9 to 1.5 mol with respect to 1 mol of propane, and H 2 O / C = 0.5 or less, that is, propane of H 2 O are mixed so as to be 1.5 mol or less relative to 1 mol.
O 2 / C = [O 2 ] / (3 × [C 3 H 8 ]) = 0.3 to 0.5 (3)
H 2 O / C = [H 2 O] / (3 × [C 3 H 8 ]) ≦ 0.5 (4)
[O 2 ]: Number of moles of O 2 [C 3 H 8 ]: Number of moles of C 3 H 8 [H 2 O]: Number of moles of H 2 O
また、この装置は、上記流量調節バルブ54における炭化水素系ガスの流量変動を検知して、炭化水素系ガスの供給量の変動に応じて上記混合比率を保つよう、酸素ガスの流量調節バルブ58および水の流量調節バルブ61を調節し、酸素系ガスおよび水の供給量を自動的に変動させるよう原料ガスの供給量を制御する流量制御機(図示していない)を備えている。
In addition, this apparatus detects the flow rate variation of the hydrocarbon gas in the flow
上記反応器51には、触媒としてRh修飾(Ni−CeO2)−Pt触媒が充填されている。そして、上記Rh修飾(Ni−CeO2)−Pt触媒を使用することにより、炭化水素系ガスの燃焼反応と変成反応とを同じ反応領域内で同時に行なうようになっている。
The
そして、上記反応器51には、上記原料ガスの反応器51への供給温度すなわち入口側の温度を検知し、上記予熱ヒータ66を原料ガスの供給温度が250〜450℃になるよう制御する温度制御器68を備えている。
The
また、上記反応器51には、装置の始動時に、図示しない窒素ガスボンベから供給される窒素ガスを流しながら触媒が充填された反応領域を予熱する始動ヒータ69が設けられている。上記始動ヒータ69により、装置の始動時には内部温度が、原料ガスの反応開始に必要な200〜300℃程度になるまで加熱され、同様に上記温度制御器68で制御される。
The
上記反応器51では、Rh修飾(Ni−CeO2)−Pt触媒により、炭化水素の燃焼反応と変成反応とを、1つの反応領域で炭化水素の燃焼反応と変成反応が同時に行なわれる。
In the
すなわち、炭化水素の一部を完全燃焼させて炭化水素をCOとH2Oとに変換させる燃焼反応と、この燃焼反応により生成したCO2およびH2Oのそれぞれをさらに残余の炭化水素と反応させてH2とCOとに変換させる変成反応とを、前記触媒上で進行させ、炭化水素をH2とCOとに変換させて改質を行うのである。 That is, a combustion reaction in which part of the hydrocarbon is completely burned to convert the hydrocarbon into CO and H 2 O, and each of CO 2 and H 2 O generated by this combustion reaction is further reacted with the remaining hydrocarbon. The reforming reaction that converts H 2 into CO is allowed to proceed on the catalyst, and the hydrocarbon is converted into H 2 and CO for reforming.
例えば、炭化水素がメタンの場合を例にあげて説明すると、その反応は全体として下記の式(5)のように表わされるが、実際は(6)〜(8)式のように、燃焼反応で生成したCO2とH2OがさらにCH4と変成反応を起こしてCOとH2に変換するという逐次反応となっている。
CH4+2O2→4CO+8H2 …(5)
CH4+2O2→CO2+2H2O …(6)
CH4+CO2→2CO+2H2 …(7)
2CH4+2H2O→2CO+6H2 …(8)
For example, the case where the hydrocarbon is methane will be described as an example, and the reaction is generally expressed as the following equation (5), but in reality, it is a combustion reaction as expressed by equations (6) to (8). It is a sequential reaction in which the produced CO 2 and H 2 O further undergo a metamorphic reaction with CH 4 to convert to CO and H 2 .
CH 4 + 2O 2 → 4CO + 8H 2 (5)
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O (6)
CH 4 + CO 2 → 2CO + 2H 2 (7)
2CH 4 + 2H 2 O → 2CO + 6H 2 (8)
上記のCH4とO2との接触反応に際しては、さらに系にCO2や2H2Oを供給することもできる。この場合は、CO2や2H2Oの供給量に見合ってO2の供給量を減ずることができる。 In the contact reaction between CH 4 and O 2 , CO 2 or 2H 2 O can be further supplied to the system. In this case, the supply amount of O 2 can be reduced in accordance with the supply amount of CO 2 or 2H 2 O.
反応温度は350〜900℃、殊に400〜800℃程度が適当である。CH4とO2の燃焼反応は発熱反応であり、CH4とH2Oの変成反応は吸熱反応である。上述したように、装置の起動時に反応器51内の反応領域を200〜300℃に予熱するとともに、原料ガスの供給温度を250〜450℃となるように制御することにより、燃焼反応と変成反応が熱平衡状態となってその後同時進行する。なお、反応温度の不足分を外部加熱してもよい。また、反応圧力は通常は加圧条件(例えば0.3〜0.4MPa)が採用されるが、常圧条件でもよい。
The reaction temperature is preferably 350 to 900 ° C, particularly 400 to 800 ° C. The combustion reaction of CH 4 and O 2 is an exothermic reaction, and the modification reaction of CH 4 and H 2 O is an endothermic reaction. As described above, the reaction region in the
上記燃焼反応と変成反応との改質によって得られる改質ガスの組成は、天然ガスを原料とした場合、ドライベースで大略64%H2+26%CO+6%CO2+4%CH4、残部は不純分である。上記反応器51の出口部分の改質ガスの温度は、約700〜800℃程度である。
The composition of the reformed gas obtained by reforming the combustion reaction and the shift reaction is approximately 64% H 2 + 26% CO + 6% CO 2 + 4% CH 4 on a dry basis when natural gas is used as a raw material, and the remainder is impure. Minutes. The temperature of the reformed gas at the outlet of the
上記Rh修飾(Ni-CeO2)-Pt触媒は、例えば、適当な空隙率を有するアルミナ担体表面にRhを担持させ、ついでPtを担持させ、さらにNiとCeO2とを同時担持させることにより得られる。ただし、担体の材質や形状の選択、被覆物形成の有無またはその材質の選択は、種々のバリエーションが可能である。 The Rh-modified (Ni—CeO 2 ) —Pt catalyst is obtained, for example, by supporting Rh on an alumina support surface having an appropriate porosity, then supporting Pt, and further supporting Ni and CeO 2 simultaneously. It is done. However, various variations are possible for the selection of the material and shape of the carrier, the presence / absence of coating formation, and the selection of the material.
Rhの担持は、Rhの水溶性塩の水溶液を含浸後、乾燥、焼成、水素還元することにより行われる。また、Ptの担持は、Ptの水溶性塩の水溶液を含浸後、乾燥、焼成、水素還元することにより行われる。NiおよびCeO2の同時担持は、Niの水溶性塩およびCeの水溶性塩の混合水溶液を含浸後、乾燥、焼成、水素還元することにより行われる。 Rh is supported by impregnating an aqueous solution of a water-soluble salt of Rh, followed by drying, firing, and hydrogen reduction. Pt is supported by impregnating an aqueous solution of a Pt water-soluble salt, followed by drying, firing, and hydrogen reduction. Simultaneous loading of Ni and CeO 2 is performed by impregnating a mixed aqueous solution of a water-soluble salt of Ni and a water-soluble salt of Ce, followed by drying, firing, and hydrogen reduction.
上に例示した手順により、目的とするRh修飾(Ni−CeO2)−Pt触媒が得られる。各成分の組成は重量比で、Rh:Ni:CeO2:Pt=(0.05−0.5):(3.0−10.0):(2.0−8.0):(0.3−5.0)、望ましくは、Rh:Ni:CeO2:Pt=(0.1−0.4):(4.0−9.0):(2.0−5.0):(0.3−3.0)に設定することが好ましい。 The target Rh-modified (Ni—CeO 2 ) -Pt catalyst is obtained by the procedure exemplified above. The composition of each component is Rh: Ni: CeO 2 : Pt = (0.05-0.5) :( 3.0-10.0) :( 2.0-8.0) :( 0 .3-5.0), preferably Rh: Ni: CeO 2 : Pt = (0.1-0.4) :( 4.0-9.0) :( 2.0-5.0): It is preferable to set to (0.3-3.0).
なお、上記における各段階での水素還元処理を省略し、実際の使用に際して触媒を高温で水素還元して用いることもできる。各段階で水素還元処理を行ったときも、さらに使用に際して触媒を高温で水素還元して用いることができる。 It should be noted that the hydrogen reduction treatment at each stage in the above may be omitted, and the catalyst may be used after hydrogen reduction at a high temperature in actual use. Even when the hydrogen reduction treatment is performed in each stage, the catalyst can be further reduced with hydrogen at a high temperature before use.
そして、本実施形態の一酸化炭素発生装置および方法では、水蒸気供給路63のスチームヒータ62よりも下流側に分岐路が形成され、上記反応器51または反応工程の下流に主としてH2Oを含む流体として水蒸気を導入する水蒸気導入路67が設けられている。これにより、反応器51から排出された高温の改質ガスに、スチームヒータ62で加熱された水蒸気を導入しうるようになっている。上記反応器51または反応工程の下流に導入する水蒸気の流量は、水蒸気導入路67に設けられた流量調節バルブ70により調節される。
In the carbon monoxide generation apparatus and method of the present embodiment, a branch path is formed downstream of the
上記改質ガス路72に対する水蒸気導入路67の合流位置は、改質ガス路72に設けられた複数の熱交換器76,77,78のうち最も上流側の第1熱交換器76の入口と反応器51の出口との間に配置されている。
The joining position of the
上記のようにして得られた改質ガスすなわち水素ガスリッチでかつ一酸化炭素ガス濃度が高い混合ガスは、冷却用の第3熱交換器78で冷却され、気液分離器71で水分を除去したのち、第1PSA装置73に導入される。
The reformed gas obtained as described above, that is, the mixed gas rich in hydrogen gas and having a high carbon monoxide gas concentration, is cooled by the
上記水素ガスリッチでかつ一酸化炭素ガス濃度が高い混合ガスは、第1PSA装置73でH2O、CO2、CH4等を除去したのち、第2PSA装置74で製品一酸化炭素ガスと水素ガスに分離される。
The mixed gas rich in hydrogen gas and having a high carbon monoxide gas concentration removes H 2 O, CO 2 , CH 4, etc. by the
上記第1PSA装置73は、複数(この例では4本)の吸着塔79が並列に配置されて構成されている。上記各吸着塔79の内部には、活性炭、モレキュラーシーブ、ゼオライト等の吸着剤が充填され、上記反応器51で生成された水素ガスリッチでかつ一酸化炭素ガス濃度が高い混合ガスを吸着剤層に通過させることにより、H2O、CO2、CH4等を吸着剤に吸着させて除去するようになっている。上記H2O、CO2、CH4等が吸着剤に吸着された吸着塔79は、真空ポンプ80で吸着塔79内を吸引することにより、H2O、CO2、CH4等を吸着剤から脱着させてオフガスとして排出する。
The
上記混合ガスは、第1PSA装置73によりH2O、CO2、CH4等が吸着除去されて主として一酸化炭素ガスと水素ガスとの混合ガスとなり、第2PSA装置74に導入される。
H 2 O, CO 2 , CH 4, etc. are adsorbed and removed by the
第2PSA装置74は、複数(この例では4本)の吸着塔81が並列に配置されて構成されている。上記各吸着塔81の内部には、活性炭、モレキュラーシーブ、ゼオライト等の吸着剤が充填され、上記第1PSA装置73から排出された一酸化炭素ガスと水素ガスとの混合ガスを吸着剤層に通過させることにより、一酸化炭素ガスを吸着剤に吸着させて分離するようになっている。一酸化炭素ガスの吸着分離は、吸着塔81から排出されたガスを循環圧縮機86で再び吸着塔81に導入して複数回繰り返し循環させることにより行い、一酸化炭素濃度が十分に低下して残った水素ガスを製品水素ガスとして回収する。
The
上記各吸着塔81で吸着分離された一酸化炭素ガスは、真空ポンプ82で吸着塔81内を吸引することにより、一酸化炭素を吸着剤から脱着させ、バッファタンク83、圧縮機84を経て製品タンク85に製品一酸化炭素ガスとして貯留される。
The carbon monoxide gas adsorbed and separated in each of the adsorption towers 81 is sucked into the
以上のように、本実施形態の一酸化炭素ガス発生装置および方法は、上記反応器51または反応工程の下流に水蒸気を導入することにより、反応器51下流の配管内部等の金属表面でのカーボンの析出を効果的に防止する。このため、一酸化炭素ガスの発生ポテンシャルの高い条件での運転を可能とするほか、汚染物質の除去等のメンテナンスを大幅に低減できる。このように、反応器51または反応工程の下流に水蒸気を導入してカーボンの析出を抑えることができるため、反応器51または反応工程に導入する水蒸気量を抑制することが可能となり、反応器51または反応工程によって得られる改質ガスの一酸化炭素濃度を大幅に向上させ、一酸化炭素の収率を大幅に向上させることができる。
As described above, the carbon monoxide gas generation apparatus and method according to the present embodiment introduces water vapor into the
上記反応器51の下流に反応器51で発生した熱を回収する熱交換器76,77,78が設けられ、上記反応器51の出口と最も上流側の第1熱交換器76の入口との間に水蒸気が導入される場合には、反応器51の熱を回収するために反応器51の下流に設けられた熱交換器76,77,78がカーボン析出で汚染されるのを効果的に防止し、一酸化炭素ガスの発生ポテンシャルの高い条件での運転を可能とするほか、汚染物質の除去等のメンテナンスを大幅に低減できる。
上記反応器51に導入される原料ガスが、水蒸気中のH2Oと炭化水素系ガス中のCとのモル比がH2O/Cで0.5以下となるよう、炭化水素系ガスと酸素系ガスと水蒸気の混合比が設定されるよう構成されている場合には、生成される混合ガス中の一酸化炭素ガス濃度が高くなる。また、反応器51において高温が得られるため、反応器51から排出された混合ガスから得られる熱を原料の加熱や反応器下流に導入する水蒸気の加熱に利用できる。
Raw material gas introduced into the
上記反応器51に導入される原料ガスが、酸素系ガス中のO2と炭化水素系ガス中のCとのモル比がO2/Cで0.3以上0.5以下となるよう、炭化水素系ガスと酸素系ガスと水蒸気の混合比が設定されるよう構成されている場合には、内部燃焼反応による過剰発熱を防止し、触媒の損傷を防止するほか得られる混合ガスの組成を適正に維持することができる。
Raw material gas introduced into the
上記反応器51は、Rh修飾(Ni−CeO2)−Pt触媒を使用することにより、炭化水素系ガスの燃焼反応と変成反応とを同じ反応領域内で同時に行なうようになっている場合には、発熱反応である燃焼反応と吸熱反応である変成反応を同じ反応領域内で同時に行うことにより、燃焼反応で発生した熱エネルギーを変成反応の熱源として利用できることから、極めてエネルギー効率がよくなる。さらに、当該反応領域では発熱反応と吸熱反応とが同時に生じることから熱的な中和が起こって熱平衡状態での運転が可能となる。したがって、例えば、反応器51内に触媒燃焼反応を単独で行う領域を設ける場合に比べ、反応領域の温度上昇がかなり抑制され、反応器51に用いる耐熱材料の選定や反応器51自体の耐熱構造をそれほど高温仕様のものにしなくてもよくなることから、設備コストも節減できる。また、触媒層入口への原料ガス供給温度を下げることができ、炭化水素の熱分解による煤の発生を抑制し、着火の危険も回避できる。
When the
上記原料ガスを、あらかじめ炭化水素ガスと水蒸気を混合しておき、そこに酸素系ガスを合流させて反応器51に導入するよう構成されている場合には、可燃性ガスである炭化水素系ガスと酸素系ガスとの混合ガスが通過する流路を短縮することができ、安全面で有利となる。
In the case where the raw material gas is configured so that hydrocarbon gas and water vapor are mixed in advance, and oxygen-based gas is merged therein and introduced into the
上記原料ガスを、あらかじめ酸素系ガスと水蒸気を混合しておき、そこに炭化水素系ガスを合流させて反応器51に導入するよう構成されている場合には、可燃性ガスである炭化水素系ガスを合流させた混合ガスの酸素濃度が低くなるため、爆発限界がより低下し、安全面で有利である。
In the case where the raw material gas is configured such that an oxygen-based gas and water vapor are mixed in advance, and the hydrocarbon-based gas is merged therein and introduced into the
上記原料ガスの供給量を、炭化水素系ガスの供給量の変動に応じて酸素系ガスおよび水の供給量を自動的に変動させるよう制御する場合には、常にほぼ一定のCO濃度のガスを得ながら、生成量を変動させることができる。 When the supply amount of the raw material gas is controlled so as to automatically change the supply amount of the oxygen-based gas and water according to the change of the supply amount of the hydrocarbon-based gas, a gas having a substantially constant CO concentration is always used. The yield can be varied while obtaining.
反応器51に導入する原料ガスを予熱する予熱ヒータ66を備え、上記予熱ヒータ66を上記原料ガスの反応器51への供給温度が250〜450℃になるよう制御する場合には、常に効率のよい熱平衡状態での運転が可能となる。
A preheating
また、反応器51または反応工程の下流に水蒸気を導入してカーボンの析出を抑えることができるため、反応器51または反応工程に導入する水蒸気量を抑制することが可能となり、運転条件によっては、第1PSA装置73の上流側に配置された気液分離器71を省略することも可能となる。
Further, since it is possible to suppress the precipitation of carbon by introducing water vapor downstream of the
図2は、本発明の第2実施形態の一酸化炭素ガス発生装置および方法を説明する図である。 FIG. 2 is a diagram illustrating a carbon monoxide gas generation apparatus and method according to the second embodiment of the present invention.
この例では、上記反応器51または反応工程の下流に主としてH2Oを含む流体として純水を導入する純水導入路88および純水吹込器87が設けられている。これにより、反応器51から排出された高温の改質ガスに、純水を導入しうるようになっている。それ以外は、上記実施形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。この例でも、上記実施形態と同様の作用効果を奏する。
In this example, a pure
図3は、上記一酸化炭素ガス発生装置100において、プロパンガスを原料とし、水蒸気中のH2Oと炭化水素系ガス中のCとのモル比H2O/Cを変化させて一酸化炭素ガスを発生させた結果を示す。なお、このときのO2/Cは0.40に設定し、原料ガスの供給温度を400℃、改質圧力を0.3MPaに設定した。
FIG. 3 shows the carbon monoxide
図からわかるとおり、H2O/Cが0.5以下のときに発生した改質ガス中のCO濃度が高く、COの収率を上げることができた。 As can be seen from the figure, the CO concentration in the reformed gas generated when H 2 O / C was 0.5 or less was high, and the CO yield could be increased.
図4は、上記一酸化炭素ガス発生装置100において、プロパンガスを原料とし、上記原料ガス中の酸素系ガス中のO2と炭化水素系ガス中のCとのモル比O2/Cを変化させて一酸化炭素ガスを発生させた結果を示す。なお、このときのH2O/Cは0.5に設定し、原料ガスの供給温度を400℃、改質圧力を0.3MPaに設定した。
FIG. 4 shows that in the carbon
図からわかるとおり、O2/Cが0.3以上0.5以下のときに発生した改質ガス中のCO濃度が高く、COの収率を上げることができた。 As can be seen from the figure, the CO concentration in the reformed gas generated when O 2 / C was 0.3 or more and 0.5 or less was high, and the yield of CO could be increased.
図5は、上記一酸化炭素ガス発生装置100において、天然ガスを原料とし、水蒸気中のH2Oと炭化水素系ガス中のCとのモル比H2O/Cを変化させて一酸化炭素ガスを発生させた結果を示す。なお、このときのO2/Cは0.40に設定し、原料ガスの供給温度を400℃、改質圧力を0.3MPaに設定した。
FIG. 5 shows carbon monoxide
図からわかるとおり、H2O/Cが0.5以下のときに発生した改質ガス中のCO濃度が高く、COの収率を上げることができた。 As can be seen from the figure, the CO concentration in the reformed gas generated when H 2 O / C was 0.5 or less was high, and the CO yield could be increased.
図6は、上記一酸化炭素ガス発生装置100において、天然ガスを原料とし、上記原料ガス中の酸素系ガス中のO2と炭化水素系ガス中のCとのモル比O2/Cを変化させて一酸化炭素ガスを発生させた結果を示す。なお、このときのH2O/Cは0.5に設定し、原料ガスの供給温度を400℃、改質圧力を0.3MPaに設定した。
6, in the carbon
図からわかるとおり、O2/Cが0.3以上0.5以下のときに発生した改質ガス中のCO濃度が高く、COの収率を上げることができた。 As can be seen from the figure, the CO concentration in the reformed gas generated when O 2 / C was 0.3 or more and 0.5 or less was high, and the yield of CO could be increased.
51:反応器
52:圧縮機
53:脱硫器
54:流量調節バルブ
55:炭化水素予熱ヒータ
56:炭化水素供給路
57:純水ヒータ
58:流量調節バルブ
59:酸素供給路
60:ポンプ
61:流量調節バルブ
62:スチームヒータ
63:水蒸気供給路
64:混合ガス流路
65:原料ガス供給路
66:予熱ヒータ
67:水蒸気導入路
68:温度制御器
69:始動ヒータ
70:流量調節バルブ
71:気液分離器
72:改質ガス路
73:第1PSA装置
74:第2PSA装置
76:第1熱交換器
77:第2熱交換器
78:第3熱交換器
79:吸着塔
80:真空ポンプ
81:吸着塔
82:真空ポンプ
83:バッファタンク
84:圧縮機
85:製品タンク
86:循環圧縮機
87:純水吹込器
88:純水導入路
100:一酸化炭素ガス発生装置
51: Reactor 52: Compressor 53: Desulfurizer 54: Flow rate adjusting valve 55: Hydrocarbon preheating heater 56: Hydrocarbon supply path 57: Pure water heater 58: Flow rate adjusting valve 59: Oxygen supply path 60: Pump 61: Flow rate Control valve 62: Steam heater 63: Water vapor supply path 64: Mixed gas flow path 65: Raw material gas supply path 66: Preheating heater 67: Water vapor introduction path 68: Temperature controller 69: Starter heater 70: Flow rate adjustment valve 71: Gas-liquid Separator 72: Reformed gas path 73: First PSA device 74: Second PSA device 76: First heat exchanger 77: Second heat exchanger 78: Third heat exchanger 79: Adsorption tower 80: Vacuum pump 81: Adsorption tower 82: vacuum pump 83: buffer tank 84: compressor 85: product tank 86: recycle compressor 87: pure water bubbler 88: pure water introducing passage 100: carbon monoxide gas generator
Claims (6)
上記反応器の下流に、配管内部の金属表面でのカーボン析出を抑制するための流体として、主としてH2Oを含む流体が導入されることを特徴とする一酸化炭素ガス発生装置。 A hydrocarbon gas, an oxygen gas, and water vapor are introduced as a raw material gas, and the raw material gas is brought into contact with a catalyst to cause a combustion reaction and a shift reaction of the hydrocarbon gas. A reactor for generating carbon monoxide gas as a mixed gas having a high gas concentration, and a separation device for separating carbon monoxide gas as a product gas from the mixed gas generated in the reactor ,
A carbon monoxide gas generator, wherein a fluid mainly containing H 2 O is introduced downstream of the reactor as a fluid for suppressing carbon deposition on the metal surface inside the pipe .
上記反応工程の下流に、配管内部の金属表面でのカーボン析出を抑制するための流体として、主としてH2Oを含む流体を導入することを特徴とする一酸化炭素ガス発生方法。 A hydrocarbon gas, an oxygen gas, and water vapor are introduced as a raw material gas, and the raw material gas is brought into contact with a catalyst to cause a combustion reaction and a shift reaction of the hydrocarbon gas. Performing a reaction step of generating carbon monoxide gas as a mixed gas having a high gas concentration, and a separation step of separating carbon monoxide gas as a product gas from the mixed gas generated in the reaction step ,
A carbon monoxide gas generation method characterized by introducing a fluid mainly containing H 2 O as a fluid for suppressing carbon deposition on the metal surface inside the pipe downstream of the reaction step.
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