JP7296362B2 - 水素の製造のための方法および装置 - Google Patents
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Description
以下、実施の形態を記載する
[1]
精製水素ガス流を生成する方法であって、
主要成分として窒素ガス(N2)、水素ガス(H2)、および一酸化炭素(CO)を含み、初期のH2対CO比を有する供給ガスを処理ユニットに流し、二酸化炭素(CO2)を含み、前記初期のH2対CO比よりも大きい第2のH2対CO比を有する向上ガスを生成することと;
前記向上ガスを、N2を除去するN2除去ユニットとCO2除去するCO除去ユニットとを含む精製ユニットに流すこと(前記精製ユニットは、精製水素ガス流およびテールガスを生成する)と;
前記テールガスの少なくとも一部を前記N2除去ユニットの上流のポイントにリサイクルすることと、を含む、方法。
[2]
前記向上ガスを前記精製ユニットに流すことは、前記向上ガスをN2除去ユニットに流して透過流と非透過液流を生成すること、および前記透過流を前記CO2除去ユニットに流して前記精製水素ガス流と前記テールガスを生成することを含む、[1]に記載の方法。
[3]
燃料および酸化剤を合成ガス反応ユニットに流して前記供給ガスを生成することをさらに含む、[1]に記載の方法。
[4]
前記燃料は、1つ以上の炭化水素を含み、前記酸化剤は、空気を含む、[3]に記載の方法。
[5]
前記1つ以上の炭化水素は、メタンを含む、[4]に記載の方法。
[6]
前記合成ガス反応ユニットは、前記燃料を部分的に酸化して前記供給ガスを生成する、[3]に記載の方法。
[7]
前記合成ガス反応ユニットは、内燃機関である、[3]に記載の方法。
[請求項8]
燃料リッチ条件下で前記内燃機関を動作することをさらに含む、[7]に記載の方法。
[9]
前記初期のH2対CO比は、約1~約3;および約1.5~約2.5からなる群より選択される、請求項1に記載の方法。
[10]
前記第2のH2対CO比は、約10~約150;約10~約120;および約10~約50からなる群より選択される、[1]に記載の方法。
[11]
前記処理ユニットは、水性ガスシフトユニットを含み、前記供給ガスを変えてH2とCO2を生成するように構成されている、請求項1に記載の方法。
[12]
前記水性ガスシフトユニットは、高温シフトを実行するように構成されている、[11]に記載の方法。
[13]
前記水性ガスシフトユニットは、低温シフトを実行するように構成されている、[11]に記載の方法。
[14]
前記水性ガスシフトユニットは、高温シフトと低温シフトを実行するように構成されている、[11]に記載の方法。
[15]
前記水性ガスシフトユニットは、少なくとも1つの触媒を含む、[11]に記載の方法。
[16]
前記N2除去ユニットは、前記向上ガスを受け取るように構成された膜分離ユニットを含む、[2]に記載の方法。
[17]
前記膜分離ユニットは、H2選択膜を含む、[16]に記載の方法。
[18]
前記H2選択膜は、ポリマー、セラミック、炭素化合物、活性炭、および金属化合物のうちの1つ以上を含む、[17]に記載の方法。
[19]
前記透過流を前記CO2除去ユニットに流すことは、前記透過流を冷却して水を除去することを含む、[2]に記載の方法。
[20]
前記透過流を前記CO2除去ユニットに流すことは、前記透過流の圧力を高めることを含む、[2]に記載の方法。
[21]
前記供給ガスを前記処理ユニットに流すことは、約80°F~約900°F(約27℃~約482℃)の温度で行われる、[1]に記載の方法。
[22]
前記供給ガスを前記処理ユニットに流すことは、約1気圧~約10気圧(約100kPa~約1,000kPa)の圧力で行われる、[1]に記載の方法。
[23]
前記透過流を前記CO2除去ユニットに流すことは、約32°F~約122°F(約0℃~約50℃)の温度で行われる、[2]に記載の方法。
[24]
前記透過流を前記CO2除去ユニットに流すことは、約3.4気圧~約34気圧(約344kPa~約3,400kPa)の圧力で行われる、[2]に記載の方法。
[25]
前記CO2除去ユニットは、圧力スイング吸着(PSA)ユニットを含む、[2]に記載の方法。
[26]
前記PSAユニットは、1つ以上の吸着カラムを含み、前記テールガスは、前記1つ以上の吸着カラムの再生からの脱着ガスを含む、[25]に記載の方法。
[27]
前記N2除去ユニットの上流のポイントにリサイクルされる前記テールガスの部分は、前記テールガスの約50パーセント~約100パーセントである、[26]に記載の方法。
[28]
前記テールガスの少なくとも一部を前記N2除去ユニットの上流のポイントにリサイクルすることは、前記テールガスの圧力を高めることを含む、[26]に記載の方法。
[29]
前記テールガスの圧力を高めることは、前記テールガスの圧力を約1気圧~約10気圧(約100kPa~約1,000kPa)に高めることを含む、[28]に記載の方法。
[30]
前記テールガスの少なくとも一部を前記N2除去ユニットの上流のポイントにリサイクルすることは、前記精製H2ガス流の約5体積パーセント~約10体積パーセントに相当する量の前記テールガスをリサイクルすることを含む、[1]に記載の方法。
[31]
前記テールガスの少なくとも一部を前記N2除去ユニットの上流のポイントにリサイクルすることは、前記供給ガスの約15体積パーセント~約25体積パーセントに相当する量の前記テールガスをリサイクルすることを含む、[1]に記載の方法。
[32]
前記精製H2ガス流中のH2の濃度は、約75%を超える;約90%を超える;約95パーセントを超える;および約99パーセントを超えるからなる群より選択される、[1]に記載の方法。
[請求項33]
前記向上ガスに存在し、精製H2ガス流に回収されたH2の量は、約80%を超える;約90%を超える;約95パーセントを超える;および約99パーセントを超えるからなる群より選択される、[1]に記載の方法。
[34]
精製水素ガス流を生成する方法であって、
主要成分として窒素ガス(N2)、水素ガス(H2)、および一酸化炭素(CO)を含み、初期のH2対CO比を有する供給ガスを処理ユニットに流し、二酸化炭素(CO2)を含み、前記初期のH2対CO比よりも大きい第2のH2対CO比を有する向上ガスを生成することと;
前記向上ガスを、膜ユニット内の膜と接触するように流して透過流と非透過液流を生成すること(前記膜は、H2選択組成を有し、前記透過流中のH2の濃度は、前記向上ガス中のH2の濃度よりも高く、前記非透過液流は、前記向上ガスから除去されたN2を含む)と;
前記透過流を1つ以上の吸着カラム内の吸着剤と接触させて、精製H2ガス流を生成すること(前記吸着剤は、前記透過流からCO2を除去するのに有効な吸着剤化合物を含む)と;
前記1つ以上の吸着カラムの少なくとも1つの吸着剤を再生してテールガスを生成し、前記膜ユニットの上流のポイントで前記テールガスの少なくとも一部を前記向上ガス流にリサイクルすることと、を含む、方法。
[35]
前記処理ユニットは、水性ガスシフトユニットを含む、[34]に記載の方法。
[36]
前記水性ガスシフトユニットは、高温シフトを実行するように構成されている、[35]に記載の方法。
[37]
前記水性ガスシフトユニットは、低温シフトを実行するように構成されている、[35]に記載の方法。
[38]
前記水性ガスシフトユニットは、高温シフトと低温シフトを実行するように構成されている、[35]に記載の方法。
[39]
前記膜ユニットの上流のポイントで前記向上ガス流にリサイクルされる前記テールガスの部分は、前記テールガスの約50パーセント~約100パーセントである、[34]に記載の方法。
[40]
前記精製H2ガス流のH2のモル分率は、約99パーセントを超える、[34]に記載の方法。
[41]
前記向上ガスに存在し、前記精製H2ガス流に回収されたH2の量は、約80%を超える;約90%を超える;約95パーセントを超える;および約99パーセントを超えるからなる群より選択される、[34]に記載の方法。
[42]
前実施の態様のいずれかに記載の方法を実行するように構成された、ガス処理システム。
[43]
精製水素ガス流を生成するためのガス処理システムであって、
供給ガス中の水素(H2)対一酸化炭素(CO)比を増加させて、向上ガスを生成するように構成された処理ユニットと;
前記向上ガスから窒素ガス(N2)の大部分を除去して脱窒素ガスを生成するように構成された第1の分離ユニットと;
前記脱窒素ガスから二酸化炭素(CO2)の大部分を除去して精製H2ガス流を生成するように構成された第2の分離ユニット(前記第2の分離ユニットは、除去されたCO2を含むテールガスも生成する)と;
前記第1の分離ユニットの上流のポイントで、前記テールガスの少なくとも一部を前記向上ガスに送るためのリサイクルシステムと、を含む、ガス処理システム。
[44]
前記処理ユニットは、水性ガスシフトユニットを含み、前記供給ガスを変えてH2とCO2を生成するように構成されている、[43]に記載のガス処理システム。
[45]
前記第1の分離ユニットは、H2選択膜を含む、[43]に記載のガス処理システム。
[46]
前記第2の分離ユニットは、圧力スイング吸着(PSA)ユニットを含む、[43]に記載のガス処理システム。
[47]
前記PSAユニットは、前記脱窒素ガスからCO2を除去するのに有効な吸着剤化合物を含む、[46]に記載のガス処理システム。
[48]
前記リサイクルシステムは、前記テールガスの100%以下をリサイクルするように構成されている、[43]に記載のガス処理システム。
[49]
前記ガス処理システムは、H2のモル分率が約99%を超える前記精製H2ガス流を生成するように構成されている、[43]に記載のガス処理システム。
[50]
前記ガス処理システムは、前記向上ガス中に存在し、前記精製H2ガス流中に回収された約80%を超える;約90%を超える;約95パーセントを超える;および約99パーセントを超えるからなる群より選択されるH2の量を回収するように構成されている、[43]に記載のガス処理システム。
Claims (47)
- 精製水素ガス流を生成する方法であって、
主要成分として窒素ガス(N2)、水素ガス(H2)、および一酸化炭素(CO)を含み、初期のH2対CO比を有する供給ガスを処理ユニットに流し、二酸化炭素(CO2)を含み、前記初期のH2対CO比よりも大きい第2のH2対CO比を有する向上ガスを生成することと;
前記向上ガスを、N2を除去するN2除去ユニットとCO2を除去するCO2除去ユニットとを含む精製ユニットに流すこと(前記精製ユニットは、精製水素ガス流およびテールガスを生成する)と;
前記テールガスの少なくとも一部を前記N2除去ユニットの上流のポイントにリサイクルすることと、を含み、
ここで、前記向上ガスを前記精製ユニットに流すことは、前記向上ガスをN2除去ユニットに流して透過流と非透過液流を生成すること、および前記透過流を前記CO2除去ユニットに流して前記精製水素ガス流と前記テールガスを生成することを含み、
前記N2除去ユニットは、前記向上ガスを受け取るように構成された膜分離ユニットを含み、
前記CO2除去ユニットは、圧力スイング吸着(PSA)ユニットを含む、
方法。 - 燃料および酸化剤を合成ガス反応ユニットに流して前記供給ガスを生成することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記燃料は、1つ以上の炭化水素を含み、前記酸化剤は、空気を含む、請求項2に記載の方法。
- 前記1つ以上の炭化水素は、メタンを含む、請求項3に記載の方法。
- 前記合成ガス反応ユニットは、前記燃料を部分的に酸化して前記供給ガスを生成する、請求項2に記載の方法。
- 前記合成ガス反応ユニットは、内燃機関である、請求項2に記載の方法。
- 燃料リッチ条件下で前記内燃機関を動作することをさらに含む、請求項6に記載の方法。
- 前記初期のH2対CO比は、1~3;および1.5~2.5からなる群より選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記第2のH2対CO比は、10~150;10~120;および10~50からなる群より選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記処理ユニットは、水性ガスシフトユニットを含み、前記供給ガスを変えてH2とCO2を生成するように構成されている、請求項1に記載の方法。
- 前記水性ガスシフトユニットは、高温シフトを実行するように構成されている、請求項10に記載の方法。
- 前記水性ガスシフトユニットは、低温シフトを実行するように構成されている、請求項10に記載の方法。
- 前記水性ガスシフトユニットは、高温シフトと低温シフトを実行するように構成されている、請求項10に記載の方法。
- 前記水性ガスシフトユニットは、少なくとも1つの触媒を含む、請求項10に記載の方法。
- 前記膜分離ユニットは、H2選択膜を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記H2選択膜は、ポリマー、セラミック、炭素化合物、活性炭、および金属化合物のうちの1つ以上を含む、請求項15に記載の方法。
- 前記透過流を前記CO2除去ユニットに流すことは、前記透過流を冷却して水を除去することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記透過流を前記CO2除去ユニットに流すことは、前記透過流の圧力を高めることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記供給ガスを前記処理ユニットに流すことは、80°F~900°F(27℃~482℃)の温度で行われる、請求項1に記載の方法。
- 前記供給ガスを前記処理ユニットに流すことは、1気圧~10気圧(100kPa~1,000kPa)の圧力で行われる、請求項1に記載の方法。
- 前記透過流を前記CO2除去ユニットに流すことは、32°F~122°F(0℃~50℃)の温度で行われる、請求項1に記載の方法。
- 前記透過流を前記CO2除去ユニットに流すことは、3.4気圧~34気圧(344kPa~3,400kPa)の圧力で行われる、請求項1に記載の方法。
- 前記PSAユニットは、1つ以上の吸着カラムを含み、前記テールガスは、前記1つ以上の吸着カラムの再生からの脱着ガスを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記N2除去ユニットの上流のポイントにリサイクルされる前記テールガスの部分は、前記テールガスの50パーセント~100パーセントである、請求項23に記載の方法。
- 前記テールガスの少なくとも一部を前記N2除去ユニットの上流のポイントにリサイクルすることは、前記テールガスの圧力を高めることを含む、請求項23に記載の方法。
- 前記テールガスの圧力を高めることは、前記テールガスの圧力を1気圧~10気圧(100kPa~1,000kPa)に高めることを含む、請求項25に記載の方法。
- 前記テールガスの少なくとも一部を前記N2除去ユニットの上流のポイントにリサイクルすることは、前記精製H2ガス流の5体積パーセント~10体積パーセントに相当する量の前記テールガスをリサイクルすることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記テールガスの少なくとも一部を前記N2除去ユニットの上流のポイントにリサイクルすることは、前記供給ガスの15体積パーセント~25体積パーセントに相当する量の前記テールガスをリサイクルすることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記精製H2ガス流中のH2の濃度は、75%を超える;90%を超える;95パーセントを超える;および99パーセントを超えるからなる群より選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記向上ガスに存在し、精製H2ガス流に回収されたH2の量は、80%を超える;90%を超える;95パーセントを超える;および99パーセントを超えるからなる群より選択される、請求項1に記載の方法。
- 精製水素ガス流を生成する方法であって、
主要成分として窒素ガス(N2)、水素ガス(H2)、および一酸化炭素(CO)を含み、初期のH2対CO比を有する供給ガスを処理ユニットに流し、二酸化炭素(CO2)を含み、前記初期のH2対CO比よりも大きい第2のH2対CO比を有する向上ガスを生成することと;
前記向上ガスを、膜ユニット内の膜と接触するように流して透過流と非透過液流を生成すること(前記膜は、H2選択組成を有し、前記透過流中のH2の濃度は、前記向上ガス中のH2の濃度よりも高く、前記非透過液流は、前記向上ガスから除去されたN2を含む)と;
前記透過流を1つ以上の吸着カラム内の吸着剤と接触させて、精製H2ガス流を生成すること(前記吸着剤は、前記透過流からCO2を除去するのに有効な吸着剤化合物を含む)と;
前記1つ以上の吸着カラムの少なくとも1つの吸着剤を再生してテールガスを生成し、前記膜ユニットの上流のポイントで前記テールガスの少なくとも一部を前記向上ガス流にリサイクルすることと、を含む、方法。 - 前記処理ユニットは、水性ガスシフトユニットを含む、請求項31に記載の方法。
- 前記水性ガスシフトユニットは、高温シフトを実行するように構成されている、請求項32に記載の方法。
- 前記水性ガスシフトユニットは、低温シフトを実行するように構成されている、請求項32に記載の方法。
- 前記水性ガスシフトユニットは、高温シフトと低温シフトを実行するように構成されている、請求項32に記載の方法。
- 前記膜ユニットの上流のポイントで前記向上ガス流にリサイクルされる前記テールガスの部分は、前記テールガスの50パーセント~100パーセントである、請求項31に記載の方法。
- 前記精製H2ガス流のH2のモル分率は、99パーセントを超える、請求項31に記載の方法。
- 前記向上ガスに存在し、前記精製H2ガス流に回収されたH2の量は、80%を超える;90%を超える;95パーセントを超える;および99パーセントを超えるからなる群より選択される、請求項31に記載の方法。
- 請求項1ないし38のいずれかに記載の方法を実行するように構成された、ガス処理システム。
- 精製水素ガス流を生成するためのガス処理システムであって、
供給ガス中の水素(H2)対一酸化炭素(CO)比を増加させて、向上ガスを生成するように構成された処理ユニットと;
前記向上ガスから窒素ガス(N2)の大部分を除去して脱窒素ガスを生成するように構成された第1の分離ユニットと;
前記脱窒素ガスから二酸化炭素(CO2)の大部分を除去して精製H2ガス流を生成するように構成された第2の分離ユニット(前記第2の分離ユニットは、除去されたCO2を含むテールガスも生成する)と;
前記第1の分離ユニットの上流のポイントで、前記テールガスの少なくとも一部を前記向上ガスに送るためのリサイクルシステムと、を含み、
ここで、前記向上ガスを精製ユニットに流すことは、前記向上ガスをN2除去ユニットに流して透過流と非透過液流を生成すること、および前記透過流をCO2除去ユニットに流して前記精製水素ガス流と前記テールガスを生成することを含み、
前記N2除去ユニットは、前記向上ガスを受け取るように構成された膜分離ユニットを含み、
前記CO2除去ユニットは、圧力スイング吸着(PSA)ユニットを含む、ガス処理システム。 - 前記処理ユニットは、水性ガスシフトユニットを含み、前記供給ガスを変えてH2とCO2を生成するように構成されている、請求項40に記載のガス処理システム。
- 前記第1の分離ユニットは、H2選択膜を含む、請求項40に記載のガス処理システム。
- 前記第2の分離ユニットは、圧力スイング吸着(PSA)ユニットを含む、請求項40に記載のガス処理システム。
- 前記PSAユニットは、前記脱窒素ガスからCO2を除去するのに有効な吸着剤化合物を含む、請求項43に記載のガス処理システム。
- 前記リサイクルシステムは、前記テールガスの50%~100%をリサイクルするように構成されている、請求項40に記載のガス処理システム。
- 前記ガス処理システムは、H2のモル分率が99%を超える前記精製H2ガス流を生成するように構成されている、請求項40に記載のガス処理システム。
- 前記ガス処理システムは、前記向上ガス中に存在し、前記精製H2ガス流中に回収された80%を超える;90%を超える;95パーセントを超える;および99パーセントを超えるからなる群より選択されるH2の量を回収するように構成されている、請求項40に記載のガス処理システム。
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