JP6248987B2 - Method for reducing the molecular weight of organic substances - Google Patents
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- Production Of Liquid Hydrocarbon Mixture For Refining Petroleum (AREA)
Description
本発明は、プラスチックなどの有機物質を気体燃料などに転換するために、有機物質を改質して低分子化する方法に関する。 The present invention relates to a method for modifying an organic substance to reduce its molecular weight in order to convert the organic substance such as plastic into a gaseous fuel or the like.
廃プラスチック、含油スラッジ、廃油などの多くは焼却処理されているのが現状である。しかし、焼却処理ではCO2発生などの環境負荷が高く、また、焼却炉の熱的損傷の問題もあり、ケミカルリサイクル技術の確立が求められている。
ケミカルリサイクル技術のなかでも、有機物質を気体燃料や液体燃料に転換するための技術は、廃プラスチックを中心に従来から種々検討がなされ、例えば、以下のような提案がなされている。
At present, most of waste plastic, oil-impregnated sludge, waste oil, etc. are incinerated. However, incineration treatment has a high environmental load such as CO 2 generation, and there is a problem of thermal damage of the incinerator, and establishment of chemical recycling technology is required.
Among chemical recycling technologies, technologies for converting organic substances into gaseous fuels and liquid fuels have been variously studied mainly with respect to waste plastics. For example, the following proposals have been made.
特許文献1には、水素濃度60vol%以上、好ましくは80vol%以上、温度600℃以上のコークス炉ガス(COG)を廃プラスチックなどの有機物質と反応させることにより、有機物質を高効率で水素化分解・ガス化し、COGを増熱化する方法が開示されている。
また、特許文献2には、石油の流動接触触媒(FCC)を熱媒体兼触媒として用い、温度350〜500℃で廃プラスチックを分解して液体燃料に変換する方法が開示されている。
In
Further,
また、特許文献3には、RDFや木材などを熱分解するにあたり、熱分解で生成したガスを水蒸気改質し、この水蒸気改質により水素濃度を高くしたガスを熱分解部に循環し、水素濃度を高くしたガス雰囲気で熱分解を行う方法が開示されている。
さらに、特許文献4には、冶金炉で発生した一酸化炭素を含有する排ガスに過剰の水蒸気を添加してシフト反応を行わせることで、シフト反応で生成した水素および炭酸ガスと、シフト反応に消費されなかった水蒸気とを含む混合ガスとし、この混合ガスを有機物質に接触させ、低分子化する方法が開示されている。
Further, in
Furthermore, in Patent Document 4, hydrogen and carbon dioxide generated by the shift reaction are added to the shift reaction by adding excess water vapor to the exhaust gas containing carbon monoxide generated in the metallurgical furnace to cause the shift reaction. A method is disclosed in which a mixed gas containing water vapor that has not been consumed is brought into contact with an organic substance to reduce the molecular weight.
しかしながら、上記従来技術には、以下のような問題がある。
まず、特許文献1に関しては、COG中の水素濃度が60vol%以上となるのは石炭乾留工程のうちでも乾留末期に限られるので、特許文献1の方法では、乾留末期のタイミングでガス流路を切替え、多量のダストを含む600℃以上のCOGを廃プラスッチク水素化分解反応器に供給する必要がある。しかし、このような過酷な条件で、流路切替弁を長期間安定して作動させ続けることは困難であり、この意味で実現性に乏しい技術であると言える。さらに、廃プラスチックの効率的なガス化のためには、60vol%以上の水素を含有するCOGを連続的に水素化分解反応器に供給することが必要であるが、このためには炭化室毎に水素濃度計と流路切替弁を設置する必要があり、設備コストが増大する。
However, the above prior art has the following problems.
First, regarding
また、特許文献2の方法は、FCC触媒添加によって接触分解と芳香族化が進むものの、不活性ガスフローで反応を行っているため、重油分とコークが合計で13質量%生成しており(実施例1)、軽質燃料の製造技術として満足できる水準とは言えない。
また、特許文献3の方法で生成するガスは、H2、CO、CO2が主体で、燃焼熱が冶金炉発生排ガスのそれよりやや低い1800kcal/Nm3程度のものであり、気体燃料としての価値は限定的なものとなる。
特許文献4の方法は、常圧、400〜900℃程度という従来にない温和な反応条件で効率的に有機物質を低分子化できる優れた方法であるが、原料ガスに冶金炉発生排ガスを利用するため、低分子化反応設備の設置場所に制約がある。
Moreover, although the method of
Further, the gas generated by the method of
The method of Patent Document 4 is an excellent method capable of efficiently reducing the molecular weight of organic substances under unprecedented mild reaction conditions of about 400 to 900 ° C. under normal pressure, but uses a metallurgical furnace generated exhaust gas as a raw material gas. Therefore, there are restrictions on the installation location of the low molecular weight reaction equipment.
したがって本発明の目的は、有機物質を効率的に低分子化して高品質、高カロリーの改質物を得ることができるとともに、シフト反応用に系外から導入する一酸化炭素含有ガス量を少なくし、或いは実質的に系外から一酸化炭素含有ガスを導入しない自立型プロセスとすることができ、これにより、設備の設置場所の制約を少なくし、或いは無くすことができる有機物質の低分子化方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to efficiently reduce the molecular weight of an organic substance to obtain a high-quality, high-calorie modified product, and to reduce the amount of carbon monoxide-containing gas introduced from outside the system for the shift reaction. Alternatively, a method for reducing the molecular weight of an organic substance that can be a self-supporting process that does not substantially introduce carbon monoxide-containing gas from outside the system, thereby reducing or eliminating restrictions on the installation location of equipment. Is to provide.
本発明者らは、上記のような従来技術の課題を解決するため、シフト反応用の一酸化炭素含有ガスとして、系内で生成させたガスを利用するという着想の下に検討を行い、その結果、有機物質の低分子化により生成した気体生成物を水蒸気改質して一酸化炭素含有ガスを生成させ、このガスを、シフト反応用の一酸化炭素含有ガスとして用いるという新たな方法を創案した。
すなわち、本発明は以下を要旨とするものである。
In order to solve the problems of the prior art as described above, the present inventors have studied based on the idea of using a gas generated in the system as a carbon monoxide-containing gas for a shift reaction. As a result, a new method has been devised in which a gas product produced by reducing the molecular weight of an organic substance is steam reformed to produce a carbon monoxide-containing gas, and this gas is used as a carbon monoxide-containing gas for shift reactions. did.
That is, this invention makes the following a summary.
[1]一酸化炭素濃度が5vol%以上、窒素濃度が60vol%以下である一酸化炭素を含有するガス(g0)に過剰の水蒸気を添加してシフト反応を行わせることで、シフト反応で生成した水素および炭酸ガスと、シフト反応に消費されなかった水蒸気とを含む混合ガス(g)とし、この混合ガス(g)を有機物質に接触させ、有機物質を改質して低分子化する方法であって、有機物質の低分子化により生成した気体生成物の一部に水蒸気を添加して水蒸気改質反応(A)を行わせることで一酸化炭素を含有するガスを生成させ、このガスを、一酸化炭素を含有するガス(g0)として用いることを特徴とする有機物質の低分子化方法。
[2]上記[1]の低分子化方法において、一酸化炭素を含有するガス(g0)が、一酸化炭素濃度が10vol%以上、窒素濃度が55vol%以下であることを特徴とする有機物質の低分子化方法。
[1] A shift reaction is performed by adding excess water vapor to a gas (g 0 ) containing carbon monoxide having a carbon monoxide concentration of 5 vol% or more and a nitrogen concentration of 60 vol% or less to cause a shift reaction. A mixed gas (g) containing the generated hydrogen and carbon dioxide gas and water vapor not consumed in the shift reaction is brought into contact with the organic substance, and the organic substance is modified to reduce the molecular weight. In this method, a gas containing carbon monoxide is generated by adding steam to a part of a gas product generated by lowering the molecular weight of an organic substance and performing a steam reforming reaction (A). A method for reducing the molecular weight of an organic substance, wherein the gas is used as a gas (g 0 ) containing carbon monoxide.
[2] In the method for reducing the molecular weight according to [1], the gas (g 0 ) containing carbon monoxide has a carbon monoxide concentration of 10 vol% or more and a nitrogen concentration of 55 vol% or less. A method for reducing the molecular weight of a substance.
[3]上記[1]または[2]の低分子化方法において、操業の起動時は、一酸化炭素を含有するガス(g0)として高炉ガスを用い、操業の起動時以外は、一酸化炭素を含有するガス(g0)の少なくとも一部として、水蒸気改質反応(A)で生成した一酸化炭素を含有するガスを用いることを特徴とする有機物質の低分子化方法。
[4]上記[1]〜[3]のいずれかの低分子化方法において、操業の起動時以外は、一酸化炭素を含有するガス(g0)として、水蒸気改質反応(A)で生成した一酸化炭素を含有するガスのみを用いることを特徴とする有機物質の低分子化方法。
[3] In the method for reducing the molecular weight according to [1] or [2] above, a blast furnace gas is used as a gas (g 0 ) containing carbon monoxide at the start of operation, and monoxide is oxidized except at the start of operation. A method for reducing the molecular weight of an organic substance, characterized in that a gas containing carbon monoxide generated by a steam reforming reaction (A) is used as at least a part of a gas (g 0 ) containing carbon.
[4] In the method for reducing the molecular weight according to any one of [1] to [3], the gas is generated in the steam reforming reaction (A) as a gas (g 0 ) containing carbon monoxide except when the operation is started. A method for reducing the molecular weight of an organic substance, characterized by using only a gas containing carbon monoxide.
本発明によれば、廃プラスチックなどの高分子量の有機物質を低分子化して気体燃料や液体燃料などに転換する際、有機物質を効率的に改質して低分子化し、重質分や炭素質が少なく、軽質分を多量に含有する高カロリーの改質物を得ることができるとともに、シフト反応に用いる一酸化炭素含有ガスとして、系内で生成させたガス(有機物質の低分子化により生じた気体燃料の一部を水蒸気改質して生成させたガス)を利用するため、シフト反応用に系外から導入する一酸化炭素含有ガス量を少なくし、或いは実質的に系外から一酸化炭素含有ガスを導入しない自立型プロセスとすることができ、このため、設備の設置場所の制約を少なくし、或いは無くすことができる。また、系外から導入する高炉発生排ガスなどの一酸化炭素含有ガスは相当量の窒素を含有しているが、系内で生成させたガス(有機物質の低分子化により生じた気体燃料の一部を水蒸気改質して生成させたガス)をシフト反応に利用することにより、系内の窒素濃度を低くでき、反応性を向上させることができる。 According to the present invention, when a high molecular weight organic substance such as waste plastic is reduced in molecular weight to be converted into gaseous fuel or liquid fuel, the organic substance is efficiently reformed to reduce the molecular weight, and the heavy component or carbon It is possible to obtain a high-calorie reformed product with a low quality and a large amount of light components, as well as a gas generated in the system as a carbon monoxide-containing gas used in the shift reaction (produced by lowering the molecular weight of organic substances Gas generated by steam reforming a part of the gaseous fuel), the amount of carbon monoxide-containing gas introduced from outside the system for the shift reaction is reduced, or the monoxide from outside the system is substantially reduced. A self-supporting process in which no carbon-containing gas is introduced can be achieved, and therefore, restrictions on the installation location of equipment can be reduced or eliminated. In addition, carbon monoxide-containing gas such as blast furnace-generated exhaust gas introduced from outside the system contains a considerable amount of nitrogen, but the gas generated inside the system (one of the gaseous fuels generated by low molecular weight organic substances). By using the gas generated by steam reforming the part) for the shift reaction, the nitrogen concentration in the system can be lowered and the reactivity can be improved.
また、実施設備に関しても、特別な計測器や流路切替弁などが必要なく、しかも比較的低い反応温度でも有機物質の改質を行うことができるので、比較的簡易な設備で実施することができる。
また、シフト反応によって生成するCO2は、有機物質の改質中に炭酸ガス改質反応でCOに変化するため、有機物質のケミカルリサイクルをCO2発生量を増加させることなく実施することが可能となる。
Also, with regard to the implementation equipment, there is no need for special measuring instruments or flow path switching valves, and the organic substance can be reformed even at a relatively low reaction temperature. it can.
In addition, since CO 2 produced by the shift reaction changes to CO during the reforming of the organic material, it is possible to carry out chemical recycling of the organic material without increasing the amount of CO 2 generated. It becomes.
本発明の有機物質の低分子化方法は、一酸化炭素濃度が5vol%以上、窒素濃度が60vol%以下である一酸化炭素を含有するガス(g0)(以下、「一酸化炭素含有ガス(g0)」という。)に過剰の水蒸気を添加してシフト反応(反応[1])を行わせることで、シフト反応で生成した水素および炭酸ガスと、シフト反応に消費されなかった水蒸気とを含む混合ガス(g)とし、この混合ガス(g)を有機物質に接触させ、有機物質を改質して低分子化(反応[2])する方法であって、有機物質の低分子化により生成した気体生成物の一部に水蒸気を添加して水蒸気改質反応(A)(反応[3])を行わせることで一酸化炭素を含有するガス(以下、「一酸化炭素含有ガス(g10)」または「ガス(g10)」という。)を生成させ、このガス(g10)をシフト反応(反応[1])用の一酸化炭素含有ガス(g0)として用いるものである。
なお、一酸化炭素含有ガス(g0)に過剰の水蒸気を添加するとは、シフト反応で消費されない余剰の水蒸気が混合ガス(g)中に残存するように水蒸気を添加するという意味である。
In the method for reducing the molecular weight of an organic substance of the present invention, a gas containing carbon monoxide having a carbon monoxide concentration of 5 vol% or more and a nitrogen concentration of 60 vol% or less (g 0 ) (hereinafter referred to as “carbon monoxide-containing gas ( g 0 ) ")) by adding an excess of water vapor to cause a shift reaction (reaction [1]) to produce hydrogen and carbon dioxide gas produced by the shift reaction and water vapor not consumed in the shift reaction. A mixed gas (g), and this mixed gas (g) is brought into contact with an organic substance, and the organic substance is modified to reduce the molecular weight (reaction [2]). A gas containing carbon monoxide (hereinafter referred to as “carbon monoxide-containing gas (g)” is obtained by adding steam to a part of the generated gas product and performing a steam reforming reaction (A) (reaction [3]). 10) "or as" gas (g 10) ".) to produce a, this gas g 10) is to use as the shift reaction (reaction [1]) for carbon monoxide-containing gas (g 0).
Note that adding excess water vapor to the carbon monoxide-containing gas (g 0 ) means adding water vapor so that excess water vapor that is not consumed in the shift reaction remains in the mixed gas (g).
上記反応[1](シフト反応)、反応[2](低分子化反応)、反応[3](水蒸気改質反応)は、以下に示す反応である。なお、反応[3]は、一例として、メタンの水蒸気改質反応を示した。
反応[1]:CO+H2O→H2+CO2
Reaction [1]: CO + H 2 O → H 2 + CO 2
反応[1]では、一酸化炭素含有ガス(g0)に過剰の水蒸気が添加されるので、シフト反応後の混合ガス(g)には、シフト反応により生成したH2、CO2と過剰添加分のH2Oが含まれることになる。ここで、一酸化炭素含有ガス(g0)に対して過剰に添加する水蒸気の過剰割合やシフト反応の反応率を適宜制御することによって、ガス中の水蒸気、水素、炭酸ガスの各濃度を制御し、有機物質改質用の混合ガス(g)とすることができる。なお、シフト反応の反応率は、シフト反応器内での滞留時間を調整することで制御することができる。例えば、滞留時間を短くするには、シフト反応器長さを小さくしたり、或いは触媒充填量を少なくする方法が一般的である。 In the reaction [1], excess water vapor is added to the carbon monoxide-containing gas (g 0 ), so the mixed gas (g) after the shift reaction is excessively added with H 2 and CO 2 generated by the shift reaction. Minute H 2 O will be included. Here, each concentration of water vapor, hydrogen and carbon dioxide in the gas is controlled by appropriately controlling the excess ratio of water vapor added excessively to the carbon monoxide containing gas (g 0 ) and the reaction rate of the shift reaction. And a mixed gas (g) for organic substance modification. The reaction rate of the shift reaction can be controlled by adjusting the residence time in the shift reactor. For example, in order to shorten the residence time, a general method is to reduce the shift reactor length or reduce the catalyst loading.
シフト反応で得られる有機物質改質用の混合ガス(g)は、水蒸気、水素および炭酸ガスを含むものであり、それらの濃度に特別な制限はないが、廃プラスチックなどの有機物質の分解率を確保する一方で、改質反応生成ガス中でのCO2の残留を抑えるなどの観点から、水蒸気濃度は5〜70vol%であることが好ましい。また、有機物質の分解率を確保する観点から、混合ガス(g)の水素濃度および炭酸ガス濃度はともに5vol%以上が好ましい。また、同様の観点から、混合ガス(g)のより好ましい組成は、水蒸気濃度:20〜70vol%、水素濃度:10〜40vol%、炭酸ガス濃度:10〜40vol%である。なお、この混合ガス(g)に、他のガス成分(例えば、窒素など)が含まれることは妨げない。 The mixed gas (g) for organic substance modification obtained by the shift reaction contains water vapor, hydrogen and carbon dioxide gas, and there are no special restrictions on their concentrations, but the decomposition rate of organic substances such as waste plastics On the other hand, the water vapor concentration is preferably 5 to 70 vol% from the viewpoint of suppressing CO 2 residue in the reforming reaction product gas. Further, from the viewpoint of ensuring the decomposition rate of the organic substance, both the hydrogen concentration and the carbon dioxide concentration of the mixed gas (g) are preferably 5 vol% or more. From the same viewpoint, the more preferable composition of the mixed gas (g) is water vapor concentration: 20 to 70 vol%, hydrogen concentration: 10 to 40 vol%, carbon dioxide concentration: 10 to 40 vol%. In addition, it does not prevent that other gas components (for example, nitrogen etc.) are contained in this mixed gas (g).
反応[2](低分子化反応)は、水素化反応、水素化分解反応、水蒸気改質反応、炭酸ガス改質反応の4反応が同時に進行するものと考えられるが、実際には、それらに加えて、熱分解反応も同時に進行して有機物質が低分子化され、種々の軽質炭化水素や一酸化炭素が生成する複雑な反応であると考えられる。ここで、水素化反応とは不飽和結合への水素付加反応の他に、COやCO2への水素付加によるメタネーション反応も含む。この反応[2]では、比較的低い反応温度でも効率的に有機物質の低分子化が促進され、水素消費量も少なく、且つ重質分や炭素質の生成もほとんど認められない。 Reaction [2] (reduction in molecular weight) is thought to involve four reactions of hydrogenation, hydrocracking, steam reforming, and carbon dioxide reforming at the same time. In addition, it is considered that the thermal decomposition reaction proceeds at the same time, the organic substance is reduced in molecular weight, and is a complex reaction in which various light hydrocarbons and carbon monoxide are generated. Here, the hydrogenation reaction includes a methanation reaction by hydrogen addition to CO or CO 2 in addition to a hydrogen addition reaction to an unsaturated bond. In this reaction [2], the reduction of the molecular weight of the organic substance is promoted efficiently even at a relatively low reaction temperature, the hydrogen consumption is small, and the generation of heavy components and carbonaceous matter is hardly observed.
本発明において、改質による低分子化の対象となる有機物質に特別な制限はないが、高分子量の有機物質が好適であり、例えば、プラスチック(通常、廃プラスチック)、含油スラッジ、廃油、バイオマス、石炭などが挙げられ、これらの1種以上を対象とすることができる。
有機物質改質時の反応温度は400〜900℃が好ましく、この温度範囲において、有機物質の種類に応じてより好適な反応温度を選択すればよい。
In the present invention, there is no particular limitation on the organic material to be reduced in molecular weight by modification, but a high molecular weight organic material is suitable, for example, plastic (usually waste plastic), oil-containing sludge, waste oil, biomass. Coal, etc., and one or more of these can be targeted.
The reaction temperature at the time of modifying the organic material is preferably 400 to 900 ° C. In this temperature range, a more suitable reaction temperature may be selected according to the type of the organic material.
反応[2]により生成した気体生成物は回収されて気体燃料などとして使用されるが、本発明では、反応[2]により生成した気体生成物の一部を分離し、これに水蒸気を添加して反応[3](水蒸気改質反応(A))を行わせることで一酸化炭素含有ガス(g10)を生成させ、このガス(g10)をシフト反応(反応[1])用の一酸化炭素含有ガス(g0)として用いる。 The gaseous product produced by the reaction [2] is recovered and used as a gaseous fuel. In the present invention, a part of the gaseous product produced by the reaction [2] is separated and steam is added thereto. Reaction [3] (steam reforming reaction (A)) is performed to generate a carbon monoxide-containing gas (g 10 ), and this gas (g 10 ) is used for the shift reaction (reaction [1]). Used as a carbon oxide-containing gas (g 0 ).
反応[3](水蒸気改質反応(A))の条件は何ら限定的ではないが、Ni系などの水蒸気改質触媒を用いる場合の反応温度は600〜900℃程度が好ましく、触媒を用いない場合の反応温度は700〜1000℃程度が好ましい。水蒸気の添加量は、水蒸気改質反応器に供給する反応[2](低分子化反応)で生成した気体生成物中に含有される炭素原子総量に対し、1倍モル以上5倍モル以下が好ましく、1倍モル以上3倍モル以下であればより好ましい。水蒸気の添加方法については任意であり、気体生成物とは別に水蒸気改質反応器に供給してもよいし、気体生成物と水蒸気を混合してから水蒸気改質反応器に供給してもよい。なお、上述の通り、水蒸気改質反応はシフト反応よりも高温であるため、水蒸気改質後の生成ガスを冷却する熱交換器等を水蒸気改質反応器の下流に設置することが好ましい。
ここで、定常操業時においては、シフト反応用の一酸化炭素含有ガス(g0)としてガス(g10)のみを用いてもよいし、シフト反応用の一酸化炭素含有ガス(g0)の一部としてガス(g10)を用い、残りは系外(プロセス外部)から導入される一酸化炭素含有ガスを用いてもよい。
The conditions of reaction [3] (steam reforming reaction (A)) are not limited at all, but the reaction temperature when using a Ni-based steam reforming catalyst is preferably about 600 to 900 ° C., and no catalyst is used. In this case, the reaction temperature is preferably about 700 to 1000 ° C. The amount of steam added is 1 to 5 moles compared to the total amount of carbon atoms contained in the gas product produced in reaction [2] (low molecular weight reaction) supplied to the steam reforming reactor. Preferably, it is more preferably 1 times mol or more and 3 times mol or less. The method for adding steam is arbitrary, and may be supplied to the steam reforming reactor separately from the gas product, or may be supplied to the steam reforming reactor after mixing the gas product and steam. . As described above, since the steam reforming reaction has a higher temperature than the shift reaction, it is preferable to install a heat exchanger or the like for cooling the product gas after steam reforming downstream of the steam reforming reactor.
Here, in a steady state operation, only the gas (g 10) may be used as a carbon monoxide-containing gas for the shift reaction (g 0), carbon monoxide-containing gas shift reaction (g 0) A gas (g 10 ) may be used as a part, and the remainder may be a carbon monoxide-containing gas introduced from outside the system (outside of the process).
一方、いずれの場合も、操業の起動時(反応[1]〜反応[3]からなるプロセスの起動時)には、系外(プロセス外部)から導入される一酸化炭素含有ガス(一酸化炭素濃度が5vol%以上、窒素濃度が60vol%以下の一酸化炭素含有ガス)をシフト反応用の一酸化炭素含有ガス(g0)として用いる。
系外(プロセス外部)から導入される一酸化炭素含有ガスをシフト反応用の一酸化炭素含有ガス(g0)として用いる場合、調達した純一酸化炭素ガスや一酸化炭素含有ガスをパイプラインにより外部から直接供給する方法、カードルボンベから供給する方法などのほかに、LNGやLPG、ナフサなどを調達して、本発明の反応[3]を実施する水蒸気改質反応器に供給して、一酸化炭素含有ガスに変換することもできる。
On the other hand, in any case, when the operation is started (when the process consisting of reaction [1] to reaction [3] is started), a carbon monoxide-containing gas (carbon monoxide) introduced from outside the system (outside the process) A carbon monoxide-containing gas having a concentration of 5 vol% or more and a nitrogen concentration of 60 vol% or less is used as the carbon monoxide-containing gas (g 0 ) for the shift reaction.
When using carbon monoxide-containing gas introduced from outside the system (outside of the process) as a carbon monoxide-containing gas (g 0 ) for shift reaction, the purchased pure carbon monoxide gas or carbon monoxide-containing gas is externally connected via a pipeline. LNG, LPG, naphtha, etc. are procured in addition to the method of supplying directly from the tank and the method of supplying from the cardle cylinder, and the LNG, LPG, naphtha, etc. are procured and supplied to the steam reforming reactor for carrying out the reaction [3] of the present invention. It can also be converted to a carbon oxide-containing gas.
また、操業の起動時には、高炉ガスやシャフト炉ガス、あるいは、水素および炭酸ガスと水蒸気とを含む混合ガスを系外(プロセス外部)から導入し、これを有機物質改質用の混合ガス(g)として用いてもよい。系外(プロセス外部)から導入される混合ガスを有機物質改質用の混合ガス(g)として用いる場合、調達した純二酸化炭素と純水素、或いは二酸化炭素と水素を含有するガスをパイプラインにより外部からの直接供給とし、これに水蒸気を付加する方法を採ることができる。
また、設備を立ち上げた際の操業起動時は系外(プロセス外部)から一酸化炭素含有ガスや混合ガスを導入するが、その後については、定常操業の停止前に一酸化炭素含有ガスや混合ガスを一時的にホルダに溜めておき、これを起動時に使用するようにしてもよい。
At the start of operation, a blast furnace gas, a shaft furnace gas, or a mixed gas containing hydrogen, carbon dioxide gas and water vapor is introduced from outside the system (outside of the process), and this is mixed with a mixed gas (g ). When a mixed gas introduced from outside the system (outside of the process) is used as a mixed gas (g) for organic substance reforming, the purchased pure carbon dioxide and pure hydrogen, or a gas containing carbon dioxide and hydrogen is supplied through a pipeline. It is possible to adopt a method of supplying water vapor directly to the external supply.
In addition, carbon monoxide-containing gas and mixed gas are introduced from outside the system (outside of the process) at the start of operation when the equipment is started up. However, after that, carbon monoxide-containing gas and mixed gas are mixed before the steady operation is stopped. The gas may be temporarily stored in a holder and used at the time of activation.
本発明においてシフト反応に用いる一酸化炭素含有ガス(g0)は、一酸化炭素濃度が5vol%以上、窒素濃度が60vol%以下であることが好ましく、また、一酸化炭素濃度が10vol%以上、窒素濃度が55vol%以下であることが特に好ましい。ここで、シフト反応に用いる一酸化炭素含有ガス(g0)とは、水蒸気改質反応(A)により生成した一酸化炭素含有ガス(g10)のほか、系外(プロセス外部)から導入され、一酸化炭素含有ガス(g0)として用いられる一酸化炭素含有ガスも含まれる。一酸化炭素含有ガス(g0)の一酸化炭素濃度が5vol%未満ではシフト反応後の二酸化炭素濃度が低くなり、改質反応後の気体燃料中に炭化水素や一酸化炭素に比べて低カロリーのガス成分である水素が残留しやすくなる。また、窒素濃度が60vol%を超えると気体燃料のLHVの低下が顕著になるとともに、シフト反応速度も低下する。 The carbon monoxide-containing gas (g 0 ) used for the shift reaction in the present invention preferably has a carbon monoxide concentration of 5 vol% or more and a nitrogen concentration of 60 vol% or less, and a carbon monoxide concentration of 10 vol% or more, The nitrogen concentration is particularly preferably 55 vol% or less. Here, the carbon monoxide-containing gas (g 0 ) used for the shift reaction is introduced from outside the system (outside the process) in addition to the carbon monoxide-containing gas (g 10 ) generated by the steam reforming reaction (A). Carbon monoxide-containing gas used as carbon monoxide-containing gas (g 0 ) is also included. If the carbon monoxide concentration of the gas containing carbon monoxide (g 0 ) is less than 5 vol%, the carbon dioxide concentration after the shift reaction will be low, and the gas fuel after the reforming reaction will be less caloric than hydrocarbons or carbon monoxide. Hydrogen, which is a gas component, tends to remain. Moreover, when nitrogen concentration exceeds 60 vol%, while the fall of LHV of gaseous fuel will become remarkable, shift reaction rate will also fall.
なお、シフト反応用の一酸化炭素含有ガス(g0)として用いるために系外(プロセス外部)から供給される一酸化炭素含有ガスとしては、上述した好ましいガス組成の観点から、特に高炉ガスやシャフト炉ガス(一般的なガス組成はCO:10〜30vol%、CO2:10〜30vol%、N2:55〜30vol%、H2:0〜10vol%)が好ましい。その他、本発明の好適範囲内の組成であれば、他の一酸化炭素含有ガスを用いてもよい。例えば、一般的な燃焼炉から排出される排ガス、火力発電所から排出される排ガス、転炉ガスなどの冶金炉発生排ガスなどを例示することができ、これらの1種または2種以上の一酸化炭素含有ガスを用いることもできる。
As the carbon monoxide-containing gas supplied from outside the system (outside of the process) for use as a carbon monoxide-containing gas (g 0 ) for shift reaction, particularly from the viewpoint of the above-mentioned preferred gas composition, shaft furnace gas (
本発明において、操業起動時以外は系外から一酸化炭素含有ガスを導入しない自立型プロセスを構築する場合、反応[3](水蒸気改質反応(A))を行わせる気体生成物使用量は、反応[2](低分子化反応)で生成した気体生成物量の5質量%以上とすることが好ましく、10質量%以上であればさらに好ましい。反応[3]を行わせる気体生成物使用量が反応[2]で生成した気体生成物量の5質量%未満では、水蒸気改質反応後の気体生成物の量が原料として使用した一酸化炭素含有ガス(g0)よりも少なくなり、反応[2]の促進が不十分となり好ましくない。反応[3]を行わせる気体生成物使用量が多いと、反応[2]の反応率が高くなるが、使用量が多くなるにしたがって、製品として得られる気体燃料が少なくなるだけでなく、気体燃料のLHV増加効果も低くなり、非経済的である。したがって、反応[3]を行わせる気体生成物使用量の理論的上限はないが、現実的には反応[2]で生成した気体生成物量の50質量%以下が好ましく、40質量%以下であればより好ましい。 In the present invention, when constructing a self-supporting process in which carbon monoxide-containing gas is not introduced from outside the system except when the operation is started, the amount of gas product used for performing the reaction [3] (steam reforming reaction (A)) is The amount of the gas product produced in the reaction [2] (reduction in molecular weight) is preferably 5% by mass or more, more preferably 10% by mass or more. When the amount of gas product used to carry out reaction [3] is less than 5% by mass of the amount of gas product produced in reaction [2], the amount of gas product after the steam reforming reaction contains carbon monoxide used as a raw material. Less than gas (g 0 ), the reaction [2] is not promoted sufficiently, which is not preferable. When the amount of gaseous product used to carry out reaction [3] is large, the reaction rate of reaction [2] increases, but as the amount of use increases, not only the amount of gaseous fuel obtained as a product decreases, but also the gas The LHV increase effect of the fuel is also reduced, which is uneconomical. Therefore, there is no theoretical upper limit of the amount of gas product used for carrying out the reaction [3], but in practice, it is preferably 50% by mass or less, and preferably 40% by mass or less of the amount of gas product produced in the reaction [2]. More preferable.
図1は、本発明の実施に供される有機物質の低分子化設備を模式的に示すものであり、1は一酸化炭素含有ガス(g0)と水蒸気とのシフト反応により混合ガス(g)を得るシフト反応器、2はシフト反応器1で得られた混合ガス(g)により有機物質を改質して低分子化する改質反応器、3は改質反応器2で生成した気体生成物の一部を水蒸気改質して一酸化炭素含有ガス(g10)を生成させる水蒸気改質反応器である。また、4は改質反応器2での有機物質の低分子化で生成した生成物から液体生成物を捕集・分離する液体生成物捕集器、5は改質反応器2で生成した気体生成物を冷却するガス冷却器であり、このガス冷却器5から出た気体生成物は、その一部が配管11を通じて水蒸気改質反応器3に供給されるようになっている。一方、残りの気体生成物は、気体燃料として用いるために配管12を通じて系外に取り出される。配管11には、流量調節弁13が設けられている。
FIG. 1 schematically shows a facility for reducing the molecular weight of an organic substance used in the practice of the present invention. 1 is a mixed gas (g) by a shift reaction between a carbon monoxide-containing gas (g 0 ) and water vapor. 2 is a reforming reactor that reforms an organic substance with the mixed gas (g) obtained in the
また、7は水蒸気改質反応器3で生成した一酸化炭素含有ガス(g10)を、シフト反応用の一酸化炭素含有ガス(g0)としてシフト反応器1に供給する供給管であり、この供給管7には、水蒸気改質反応器3から出た一酸化炭素含有ガス(g10)を冷却する熱交換器6が設けられている。
前記シフト反応器1は、触媒が充填された固定床反応器などのような公知のものでよい。このシフト反応器1にガス(系外から導入するガス)を供給する供給管14には、一酸化炭素含有ガス(g0)とスチームの供給量をそれぞれ調整できる流量調節弁8a,8b、一酸化炭素含有ガス(g0)にスチームを混合するスチーム混合器9、一酸化炭素含有ガス(g0)とスチームの混合ガスを予熱する予熱器10が設けられている。
Reference numeral 7 denotes a supply pipe for supplying the carbon monoxide-containing gas (g 10 ) generated in the
The
前記改質反応器2は、例えば、外熱式ロータリーキルンなどのような移動床方式反応器、流動層式反応器、固定床方式反応器などで構成される。有機物質の改質には特に触媒を必要としないが、触媒を充填して反応を行ってもよい。触媒としては、水蒸気改質活性、炭酸ガス改質活性、水素化活性、水素化分解活性をそれぞれ有する1種または2種以上の触媒を用いることができる。具体例としては、Ni系改質触媒、Ni系水素化触媒、Pt/ゼオライト系石油精製触媒などを挙げることができる。また、微細なFe粒子からなることが知られている転炉発生ダストも、改質触媒や水素化分解触媒として用いることができる。改質反応器2の入側には、スクリューコンベア方式などによる有機物質(廃プラスチックなど)の定量投入装置(図示せず)が設置される。
The reforming
前記水蒸気改質反応器3は、特に制限はないが、一般的には触媒を充填した固定床流通式反応器が用いられる。水蒸気改質反応は大きな吸熱反応であるため、外部加熱式または内部加熱式の反応器とすることが必要であるが、加熱方式についても特別な制約はなく、チューブ状の反応管の外部に加熱炉を設置した形式など公知の方法を用いることができる。
なお、シフト反応器1出側の配管とガス冷却器5の冷却後ガスの出側配管には、サンプリングポートと流量計(いずれも図示せず)を設置し、シフト反応生成ガスと気体生成物の定量分析を可能としている。
The
In addition, a sampling port and a flow meter (both not shown) are installed on the outlet side pipe of the
図1の設備の操業において、操業の起動時には、系外(プロセス外部)から一酸化炭素含有ガス(g0)に過剰のスチームが添加されたガスが供給管14を通じてシフト反応器1に供給されてシフト反応が行われる。このシフト反応後の混合ガス(g)には、シフト反応で生成した水素および炭酸ガスと、シフト反応に消費されなかった水蒸気が含まれることになる。改質反応器2には、その混合ガス(g)と有機物質が供給され、混合ガス(g)を有機物質に接触させることで有機物質を改質して低分子化する。有機物質の低分子化による生成物は、気体生成物(一酸化炭素、C1〜C4の炭化水素など)と液体生成物である。
In the operation of the facility shown in FIG. 1, when the operation is started, a gas in which excess steam is added to the carbon monoxide-containing gas (g 0 ) from outside the system (outside of the process) is supplied to the
有機物質の低分子化による生成物(気体生成物、液体生成物)から液体生成物捕集器4で液体生成物が捕集・分離され、気体生成物がガス冷却器5に送られて冷却される。ガス冷却器5を出た気体生成物は、その一部が配管11と流量調節弁13を通じて水蒸気改質反応器3に供給され、残りが配管12を通じて系外に排出され、気体燃料として利用される。水蒸気改質反応器3にはスチームが供給され、気体生成物が水蒸気改質されて一酸化炭素含有ガス(g10)が生成する。この一酸化炭素含有ガス(g10)は、途中で熱交換器6により冷却されつつ、供給管7を通じてシフト反応器1に供給され、シフト反応用の一酸化炭素含有ガス(g0)として使用される。
The liquid product is collected and separated by the liquid product collector 4 from the product (gas product, liquid product) resulting from the low molecular weight organic material, and the gas product is sent to the
さきに述べたように、定常操業時においては、シフト反応用の一酸化炭素含有ガス(g0)として水蒸気改質反応器3から供給される一酸化炭素含有ガス(g10)のみを用いてもよいし、シフト反応用の一酸化炭素含有ガス(g0)の一部として水蒸気改質反応器3から供給される一酸化炭素含有ガス(g10)を用い、残りは系外(プロセス外部)から導入される一酸化炭素含有ガスを用いてもよい。したがって、前者の場合には、供給管14を通じてシフト反応器1に供給されるのはスチームだけである。一方、後者の場合には、供給管14を通じてシフト反応器1に供給されるのは、系外(プロセス外部)から導入される一酸化炭素含有ガス(g0)にスチームを添加したガスであるが、水蒸気改質反応器3から供給される一酸化炭素含有ガス(g10)の分、系外(プロセス外部)から導入される一酸化炭素含有ガス(g0)の量は絞られる。以上のような供給管14を通じたガスの供給量の制御は、流量調節弁8a,8bにより行う。
As described above, during the steady operation, only the carbon monoxide-containing gas (g 10 ) supplied from the
図1に示すような装置構成を有する設備を用い、操業起動時と定常操業時にそれぞれ相当する廃プラスチックの改質(低分子化)を行った。この設備では、改質反応器2として外熱式流動層式反応器を用いた。
まず、操業起動時に相当する廃プラスチックの改質(低分子化)を以下のようにして行った。
系外(プロセス外部)から供給する一酸化炭素含有ガス(g0)の平均組成は、高炉ガスに相当するガス組成であるH2:4vol%、CO:23vol%、CO2:23vol%、H2O:0vol%、N2:50vol%であった。スチーム混合器9に対して一酸化炭素含有ガス(g0)を74Nm3/h、水蒸気として圧力10kg/cm2Gのスチームを67Nm3/h供給し、この混合ガスをシフト反応器1に導入してシフト反応を行なわせ、ガス組成がH2:14vol%、CO:0vol%、CO2:24vol%、H2O:35vol%、N2:27vol%の混合ガス(g)(シフト反応生成ガス)が得られた。この混合ガス(g)は、流量が141Nm3/h(質量流量では155kg/h)、シフト反応器出口ガス温度が306℃であった。
The equipment having the apparatus configuration as shown in FIG. 1 was used to modify (decrease in molecular weight) the waste plastics corresponding to the start-up and the steady operation. In this facility, an external heating fluidized bed reactor was used as the reforming
First, the modification (reduction in molecular weight) of waste plastic corresponding to the start of operation was performed as follows.
The average composition of the carbon monoxide-containing gas (g 0 ) supplied from outside the system (outside of the process) is a gas composition corresponding to the blast furnace gas: H 2 : 4 vol%, CO: 23 vol%, CO 2 : 23 vol%, H 2 O: 0vol%, N 2 : it was 50 vol%. A carbon monoxide-containing gas (g 0 ) is supplied to the steam mixer 9 at 74 Nm 3 / h, and steam at a pressure of 10 kg / cm 2 G is supplied as 67 Nm 3 / h, and this mixed gas is introduced into the
改質反応器2である外熱式流動層式反応器は予め500℃に予熱されており、この改質反応器2に、上記混合ガス(g)(シフト反応生成ガス)を導入するとともに、廃プラスチックのモデル物質として粒状に破砕処理したポリエチレンを880kg/hで供給し、計画反応温度である800℃まで昇温させた。800℃に到達後、液体生成物捕集器4に捕集されていた液体生成物を払い出し、その後1時間、廃プラスチックの改質反応を継続した。
改質反応器2から出た気体生成物分は、ガス冷却器5による冷却後のガス分析結果から、同じく液体生成物分は、液体生成物捕集器4に捕集された液体生成物の分析結果から、それぞれ生成量と組成を求め、また、気体生成物についてはLHVを求めた。それらの結果を表1に示す。
The externally heated fluidized bed reactor which is the reforming
From the gas analysis result after cooling by the
次に、定常操業時に相当する廃プラスチックの改質(低分子化)を以下のようにして行った。
改質反応器2から出た気体生成物(表1に示した気体生成物)の一部を27.8kg/h(20.8Nm3/h)水蒸気改質反応器3に導入し、この水蒸気改質反応器3に水蒸気を添加して水蒸気改質反応を行い、一酸化炭素含有ガス(g10)を生成させた。したがって、表1に示した気体燃料のうちの7.3質量%を水蒸気改質反応器3に導入して一酸化炭素含有ガス(g10)の生成に使用したことになる。なお、水蒸気の添加量は20kg/h(25Nm3/h)とした。この水蒸気改質で得られた一酸化炭素含有ガス(g10)を熱交換器6で407℃まで冷却した後、供給管7を通じてシフト反応器1に導入してさらに水蒸気を添加し、シフト反応を行った。なお、水蒸気の添加量は14kg/h(17Nm3/h)とした。このシフト反応で得られた混合ガス(g)を改質反応器2(外熱式流動層式反応器)に導入した。この改質反応器2には、廃プラスチックのモデル物質として粒状に破砕処理したポリエチレンを880kg/hで供給し、計画反応温度である800℃まで昇温させた。800℃に到達後、液体生成物捕集器4に捕集されていた液体生成物を払い出し、その後1時間、廃プラスチックの改質反応を継続した。
改質反応器2から出た気体生成物分は、ガス冷却器5による冷却後のガス分析結果から、同じく液体生成物分は液体生成物捕集器4に捕集された液体生成物の分析結果から、それぞれ生成量と組成を求め、また、気体生成物についてはLHVを求めた。それらの結果を表2に示す。
Next, waste plastic modification (reduction in molecular weight) corresponding to the steady operation was performed as follows.
A part of the gas product (gas product shown in Table 1) from the reforming
The gas product from the reforming
表2によると、生成した気体生成物のLHVは7.0Mcal/Nm3と、表1に示す操業起動時における気体生成物(5.0Mcal/Nm3)に比べ増熱していた。また、生成した気体生成物の窒素濃度は4vol%と、表1に示す操業起動時における窒素濃度(25vol%)に比べ、低くなっていた。
改質反応器2で生成した気体生成物のLHVについて、操業起動時から定常操業に至るまでの経時変化を図2に示す。また、改質反応器2で生成した気体生成物の窒素濃度について、操業起動時から定常操業に至るまでの経時変化を図3に示す。
According to Table 2, the LHV of the generated gas product was 7.0 Mcal / Nm 3, which was higher than that of the gas product (5.0 Mcal / Nm 3 ) at the start of operation shown in Table 1. Moreover, the nitrogen concentration of the produced | generated gas product was 4 vol%, and was low compared with the nitrogen concentration at the time of the operation start-up shown in Table 1 (25 vol%).
With respect to the LHV of the gas product generated in the reforming
1 シフト反応器
2 改質反応器
3 水蒸気改質反応器
4 液体生成物捕集器
5 ガス冷却器
6 熱交換器
7 供給管
8a,8b 流量調節弁
9 スチーム混合器
10 予熱器
11 配管
12 配管
13 流量調節弁
14 供給管
DESCRIPTION OF
Claims (7)
有機物質の低分子化により生成した気体生成物の一部に水蒸気を添加して水蒸気改質反応(A)を行わせることで一酸化炭素を含有するガスを生成させ、
操業の起動時は、一酸化炭素を含有するガス(g 0 )として高炉ガスを用い、
操業の起動時以外は、一酸化炭素を含有するガス(g 0 )の少なくとも一部として、水蒸気改質反応(A)で生成した一酸化炭素を含有するガスを用いることを特徴とする有機物質の低分子化方法。 Hydrogen produced by the shift reaction by adding excess water vapor to a gas (g 0 ) containing carbon monoxide having a carbon monoxide concentration of 5 vol% or more and a nitrogen concentration of 60 vol% or less to cause a shift reaction. And mixed gas (g) containing carbon dioxide gas and water vapor not consumed in the shift reaction, contacting the mixed gas (g) with an organic substance, and modifying the organic substance to reduce the molecular weight. And
A gas containing carbon monoxide is generated by adding water vapor to a part of the gas product generated by lowering the molecular weight of the organic substance and performing a steam reforming reaction (A) ,
At the start of operation, blast furnace gas is used as the gas (g 0 ) containing carbon monoxide ,
An organic substance characterized by using a carbon monoxide-containing gas generated by the steam reforming reaction (A) as at least a part of the gas (g 0 ) containing carbon monoxide, except at the start of operation. Of low molecular weight.
有機物質の低分子化により生成した気体生成物の一部に水蒸気を添加して水蒸気改質反応(A)を行わせることで一酸化炭素を含有するガスを生成させ、
操業の起動時は、一酸化炭素を含有するガス(g 0 )として高炉ガスを用い、
操業の起動時以外は、一酸化炭素を含有するガス(g 0 )の少なくとも一部として、水蒸気改質反応(A)で生成した一酸化炭素を含有するガスを用いることを特徴とする燃料製造方法。 Hydrogen produced by the shift reaction by adding excess water vapor to a gas (g 0 ) containing carbon monoxide having a carbon monoxide concentration of 5 vol% or more and a nitrogen concentration of 60 vol% or less to cause a shift reaction. And a mixed gas (g) containing carbon dioxide gas and water vapor not consumed in the shift reaction. The mixed gas (g) is brought into contact with an organic substance, and the organic substance is reformed to have a low molecular weight and become a fuel. A fuel production method for obtaining a reformate,
A gas containing carbon monoxide is generated by adding water vapor to a part of the gas product generated by lowering the molecular weight of the organic substance and performing a steam reforming reaction (A) ,
At the start of operation, blast furnace gas is used as the gas (g 0 ) containing carbon monoxide ,
Fuel production characterized by using carbon monoxide-containing gas produced in the steam reforming reaction (A) as at least part of the gas (g 0 ) containing carbon monoxide except when the operation is started Method.
該シフト反応器(1)から供給された混合ガス(g)を有機物質に接触させ、有機物質を改質して低分子化する改質反応器(2)と、
該改質反応器(2)における有機物質の低分子化で生成した生成物(但し、気体生成物及び液体生成物)から液体生成物を捕集・分離する液体生成物捕集器(4)と、
該液体生成物捕集器(4)から出た気体生成物を冷却するガス冷却器(5)と、
該ガス冷却器(5)で冷却された気体生成物の一部が供給され、その気体生成物に水蒸気を添加して水蒸気改質反応を行わせることで一酸化炭素を含有するガスを生成させる水蒸気改質反応器(3)と、
該水蒸気改質反応器(3)で生成した一酸化炭素を含有するガスをシフト反応器(1)に供給する供給管(7)を備えることを特徴とする有機物質の低分子化設備。
Gas mixture containing carbon monoxide (g 0 ) is allowed to perform a shift reaction by adding excess water vapor, and a mixed gas containing hydrogen and carbon dioxide gas generated by the shift reaction and water vapor not consumed in the shift reaction ( a shift reactor (1) to obtain g);
A reforming reactor (2) for bringing the mixed gas (g) supplied from the shift reactor (1) into contact with an organic substance and reforming the organic substance to reduce the molecular weight;
Liquid product collector (4) for collecting / separating liquid products from products (however, gaseous products and liquid products) generated by reducing the molecular weight of organic substances in the reforming reactor (2) When,
A gas cooler (5) for cooling the gaseous product exiting the liquid product collector (4);
A part of the gas product cooled by the gas cooler (5) is supplied, and a gas containing carbon monoxide is generated by adding steam to the gas product and performing a steam reforming reaction. A steam reforming reactor (3);
A facility for reducing the molecular weight of an organic substance, comprising a supply pipe (7) for supplying a gas containing carbon monoxide produced in the steam reforming reactor (3) to the shift reactor (1).
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