JP2000219508A - 水素psaのオフガスからcoを製造する方法 - Google Patents

水素psaのオフガスからcoを製造する方法

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JP2000219508A JP11023967A JP2396799A JP2000219508A JP 2000219508 A JP2000219508 A JP 2000219508A JP 11023967 A JP11023967 A JP 11023967A JP 2396799 A JP2396799 A JP 2396799A JP 2000219508 A JP2000219508 A JP 2000219508A
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Yoshiaki Nagamine
義昭 長嶺
Koichi Mikami
公一 三上
Susumu Shishikura
進 宍倉
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 H2 −PSAのオフガスに含まれるCO2
COに変換して回収する、H2 −PSAのオフガスから
COを製造する方法を提供すること。 【解決手段】 炭化水素1を改質した改質ガス4を圧力
変動吸着(PSA)装置7に導入して水素(H2 )6を
分離、回収する、水素PSAプロセスから排出される、
二酸化炭素(CO2 )とH2 を含むオフガス8から一酸
化炭素(CO)を製造する方法であって、前記オフガス
8に含まれるCO2 を逆COシフト触媒の存在下、50
0℃〜850℃でH2 により接触的に還元してCOと水
蒸気(H2O)を生成させ、生成ガスを冷却して前記水
蒸気を凝縮水として分離したのち、PSA装置を用いて
COを分離、回収する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、水素PSAのオフ
ガスからCOを製造する方法に係り、特に、水素PSA
のオフガスに含まれるCO2 をCOにシフトさせたのち
分離する、水素PSAのオフガスからCOを製造する方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】COは、ポリカーボネート、ポリウレタ
ン等のプラスチック類または酢酸等の原料として有用で
ある。そして、このCOを各種プロセスから排出される
オフガスから製造できれば、地球温暖化の原因物質であ
るCO2 の発生を抑制する上でも有効な技術と考えられ
る。
【0003】ところで従来から、炭化水素をスチームリ
フォーミングにより改質して得られる、H2 、CO、C
2 、メタン(CH4 )等を含む混合ガスから水素を分
離、回収する方法として圧力変動吸着(PSA)方法が
採用されており、このプロセスは、水素(H2 )−PS
Aと呼ばれている。このようなH2 −PSAのオフガス
は、従来、スチームリフォーマー等の補助燃料として焼
却されていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、H2
PSAのオフガスは、一般に、H2 とCO2 を主成分と
し、H2 :40%〜60%、CO2 :40〜50%、C
O:5%〜10%、CH 4 :5%〜10%からなる混合
ガスであり、H2 とCO2 の混合比は、通常1〜1.5
である。従って、このオフガスをそのまま、燃料として
消費することは資源の無駄であり、前記オフガスを有効
利用する技術の開発が望まれていた。
【0005】本発明の課題は、上記要請に応え、H2
PSAにおける既設スチームリフォーマー等の大幅な改
造を行なうことなく、そのオフガスを有効利用し、該オ
フガスに含まれるCO2 をCOに変換して回収すること
ができる、H2 −PSAのオフガスからCOを製造する
方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明者は、H2 −PSAのオフガス中のH2 とC
2 との混合比に着目し、鋭意研究した結果、H2 とC
2 の混合比が約1〜1.5のH2 −PSAのオフガス
は、水性ガス変性(逆COシフト反応)によってCOを
発生させるには好都合なガスであり、前記オフガスに含
まれるCO2 を逆COシフト触媒の存在下、500〜8
50℃に加熱し、同じく前記オフガスに含まれるH2
より接触的に還元してCOと水蒸気(H2 O)を生成さ
せ、この生成ガスを冷却して水蒸気を凝縮水として分離
したのち、COを分離、回収することにより、高純度の
COが得られることを見出し、本発明に到達した。
【0007】すなわち、本願で特許請求する発明は、以
下のとおりである。 (1)炭化水素を改質した改質ガスを圧力変動吸着(P
SA)装置に導入して水素(H2 )を分離、回収する、
水素PSAプロセスから排出される、二酸化炭素(CO
2 )とH2 を含むオフガスから一酸化炭素(CO)を製
造する方法であって、前記オフガスに含まれるCO2
逆COシフト触媒の存在下、500℃〜850℃でH2
により接触的に還元してCOと水蒸気(H2 O)を生成
させ、生成ガスを冷却して前記水蒸気を凝縮水として分
離したのち、COを分離、回収することを特徴とする、
水素PSAのオフガスからCOを製造する方法。
【0008】(2)前記逆COシフト触媒としてFeお
よびCrを活性成分とする触媒または活性アルミナ(A
2 3)を活性成分とする触媒を用いることを特徴とす
る上記(1)に記載の、水素PSAのオフガスからCO
を製造する方法。 (3)前記CO2 をH2 により接触的に還元させる反応
を、圧力1atm 〜20atm で行うことを特徴とする上記
(1)または(2)に記載の、水素PSAのオフガスか
らCOを製造する方法。 (4)前記水蒸気を凝縮水として分離した生成ガスから
COを分離、回収する方法が、圧力変動吸着(PSA)
方法であることを特徴とする上記(1)〜(3)の何れ
かに記載の、水素PSAのオフガスからCOを製造する
方法。
【0009】本発明においてH2 −PSAとは、炭化水
素を改質して得られる、H2 、CO、CO2 、CH4
を含む混合ガスから圧力変動吸着(PSA)法により水
素を分離、回収する方法またはプロセスをいう。炭化水
素源としては、例えばナフサ、ラフィネート、LPG、
天然ガス等が用いられ、炭化水素の改質方法としては、
例えば、スチームリフォーミングが挙げられる。スチー
ムリフォーミングとは、加熱手段を有する反応管に上記
炭化水素源を供給し、改質触媒の存在下にスチームと接
触させることによって炭化水素をH2 、CO、CO2
CH4 等を含む混合ガスに改質することをいう。
【0010】圧力変動吸着(PSA)方法とは、活性炭
等の吸着剤を充填した複数の吸着塔に混合ガスを導入
し、例えば吸着工程、減圧工程、パージ工程、昇圧工程
等をタイムシーケンスに従って繰り返すことにより、混
合ガス中の、吸着剤に吸着し易い成分と吸着し難い成分
とを分離するガス分離方法をいい、圧力変動吸着(PS
A)装置とは、その方法を実行させるための装置をい
う。
【0011】本発明において、逆COシフト触媒とは、
下記(1)式で示される逆COシフト反応を促進させる
ための触媒をいう。 CO2 +H2 →CO+H2 O ΔH0 298K =9.6kcal/mol …(1) ここで、ΔH0 298K は25℃における標準生成熱であ
る。
【0012】すなわち、本発明は、下記(2)式で示さ
れる、水性ガスをはじめとする、CO含有ガスを水蒸気
と作用させ、ガス中のCOをH2 とCO2 に変化させ
る、水性ガス変性を利用するものであり、(2)式にお
ける右辺→左辺の反応(逆COシフト反応)を促進させ
ることにより、H2 −PSAオフガスに含まれるCO2
をCOに変化させ、これを分離回収するものである。な
お、本発明において、式(2)における左辺→右辺の反
応をCOシフト反応、右辺→左辺の反応を逆COシフト
反応と呼ぶ。
【0013】 CO+H2 O=H2 +CO2 …(2) 逆COシフト反応は、吸熱反応であるが反応熱が小さ
く、スチームリフォーミングやCO2 リフォーミングの
反応に比べ、必要な吸熱量は1/3〜1/4である。し
たがって反応器もリフォーマーのように大きな加熱炉を
必要とせず、通常の触媒充填層反応器を使用できる。
【0014】本発明において、逆COシフト触媒として
は、例えばFe、Crを活性成分とする触媒、活性アル
ミナ(Al2 3 )を活性成分とする触媒が用いられ
る。逆COシフト触媒は、例えばFe2 3 の微粉にC
2 3 の微粉を5〜10wt%添加して混合し、湿式
で、例えば2mmφ×10mmに成形し、800℃以上
で6時間焼成した、ペレット状のものである。
【0015】このような逆COシフト触媒の存在下にオ
フガス中のCO2 とH2 の反応を行なわせると、CO2
はCOのみに変換され、CH4 はほとんど生成しない。
従って、500℃〜700℃の比較的低い温度でCO2
の40〜70%をCOに変換することができるうえ、C
Oの精製工程にかかる負担が小さくなる。
【0016】本発明において、逆COシフト反応の生成
ガスから未反応のCO2 およびCH 4 を除去してCOを
分離、回収する方法として、中間の吸着力を持つ成分を
分離、濃縮するPSA方法を採用することが好ましい。
【0017】
【発明の実施の形態】次に、本発明を実施例によりさら
に詳細に説明する。図1は、本発明であるH2 −PSA
のオフガスからCOを製造する方法の一実施例を示す装
置系統図、図2は、図1中、PSA装置12として用い
られる2塔式のPSA装置の系統図である。
【0018】図1において、この装置は、炭化水素源で
ある、例えばナフサ1を、スチーム2と接触、反応させ
て改質する改質炉(スチームリフォーマー)3と、該ス
チームリフォーマー3で生成された改質ガス4中のCO
とH2 OをH2 とCO2 にシフトさせるCOシフト反応
器5と、該COシフト反応器5の出口混合ガスからH 2
を分離、回収するH2 −PSA装置7とを有するH2
PSAプロセスと、前記H2 −PSA装置7から排出さ
れるオフガス8を加熱する加熱器9と、加熱後のオフガ
ス8中のCO2 をH2 で還元してCOにシフトさせる逆
COシフト反応器10と、該逆COシフト反応器10の
出口生成ガスと前記H2 −PSA装置7出口のオフガス
8とを熱交換する熱交換器11と、熱交換後の生成ガス
からCOを分離、回収するPSA装置12および回収し
たCOを精製するCO−PSA装置13とから主として
構成されている。
【0019】また、図2において、PSA装置12は、
吸着塔AおよびBと、各種成分ガスを貯留するバッファ
ータンク31および32と、真空ポンプ29ならびにこ
れらを連結する配管群22〜28およびこれらの配管に
設けられたバルブ群とで主として構成されている。な
お、図1において、6は、H2 、14は、CO、15
は、PSA装置12のオフガス、16は、高温ガス、1
7は、水蒸気(H2 O)である。
【0020】このような構成において、炭化水素源であ
るナフサ1は、スチーム2と共にスチームリフォーマー
3に導入され、改質触媒、例えばアルミナをベースにN
iを担持した触媒の存在下に、例えば860℃で反応し
て改質され、H2 、CO2 、CO、CH4 等の混合物か
らなる改質ガス4となる。改質ガス4は、COシフト反
応器5に流入し、ここで、COシフト触媒、例えばC
u、Zn触媒の存在下、280℃、18気圧でCOとH
2 OがH2 とCO2 に変性する。生成したH2 を含む混
合ガスは、後流のH2 −PSA装置7に流入し、高純
度、例えば純度99.999%のH2 が分離、回収され
るとともに、オフガス8が排出される。オフガス8は、
例えば30℃であり、後述する逆COシフト反応器10
出口ガスと熱交換して、例えば350℃に昇温された
後、例えばスチームリフォーマーの対流伝熱部に設置さ
れた熱交換器9に流入し、ここで、高温ガス16で、例
えば840℃まで昇温される。昇温されたオフガス8
は、例えばFeおよびCrを主成分とする逆COシフト
触媒を充填した逆COシフト反応器10に流入し、ここ
で前記オフガス8に含まれるCO2 がH2 で還元されて
COとH2 Oが生成される。生成したCOを含む、例え
ば700℃の生成ガスは、熱交換器11に流入し、ここ
で前記H2 −PSA装置7のオフガスと熱交換して、例
えば30℃まで急冷され、水分が凝縮水として分離され
たのち、吸着剤、例えば活性炭系吸着剤が充填されたP
SA装置12に流入し、ここで吸着工程、減圧工程、パ
ージ工程および昇圧工程からなるPSA法により、未反
応のCO2 およびCH4 等を除去して高濃度COが回収
される。得られたCOガスは後流のCO精製用CO−P
SA装置13に流入し、ここで精製され、例えば純度9
9%以上のCOとなる。
【0021】次に、図2を用いてPSA装置12におけ
るCOの分離、回収方法について説明する。図1の逆C
Oシフト反応器10から流出した生成ガスは、水分が分
離されたのち、図2の管路21を経てPSA装置12の
吸着塔Aに流入し、塔内の吸着剤、例えば活性炭系吸着
剤にCO、CH4 、CO2 およびH2 Oが吸着し、H 2
が管路22を経て流出し、バッファータンク31に回収
される(吸着工程)。次いで、流出するCOとH2 の混
合ガスは管路22、23を経てCO−PSAに送られ、
高純度COに精製される。次いで真空ポンプ29が起動
され、主としてCO2 、CH4 を多く含むガスが管路2
4から排出される。この混合ガスは管路25を経て管路
21の原料フィードガスにリサイクルされる。次に、吸
着工程で回収されたH2 ガスの一部が上記吸着工程のフ
ローと反対方向に管路26を経て供給され、吸着塔A内
に吸着されているCO2 、CH4 および残存H2 Oが管
路24、27を経て脱着、除去され、例えば燃料ガスと
して使用される(パージ工程)。次に、上記パージ工程
終了後に、所定のバルブ操作によって吸着塔A内が回収
2 ガスの一部によって昇圧される(昇圧工程)。吸着
塔Bにおいても同様に操作され、吸着工程の後半におい
て分離、回収された濃度50〜70%のCOは後流のC
O精製用のCO−PSA装置13(図1)に流入し、同
様にして精製され、例えば純度99.0%のCOとな
る。
【0022】本実施例において、スチームリフォーミン
グにより高純度(純度99.999%)H2 を1000
0Nm2 /Hrで製造した場合の、H2 −PSA7のオ
フガス8の流量は、6704Nm3 /Hr、逆COシフ
ト反応器10出口生成ガス流量は、6034Nm3 /H
r、製品であるCO−PSA装置13出口CO流量は、
1420Nm2 /Hr(純度99%)、PSA装置12
のオフガス流量は、4614Nm3 /Hrであった。
【0023】本実施例におけるガス収支を表1に示し
た。
【表1】 表1において、本実施例によれば、純度99%の高濃度
COが効率よく製造できることが分かる。本実施例によ
れば、従来大気中に放出されていたCO2 の約半分をC
Oとして回収することができる。
【0024】本実施例において、熱交換器9の熱源とし
ては、COを回収するPSA装置12のオフガス15、
リフォーマーの燃焼ガスまたは高温のプロセスガスを利
用できる。また大型ボイラーの排ガスや他のプロセスの
加熱炉排ガス等を利用することもできる。PSA装置1
2のオフガス15は、CO2 とH2 の混合ガスであり、
リサイクルして原料ガスの一部として使用することも可
能である。
【0025】本実施例において、凝縮水を分離した、P
SA装置12入口ガスのガス組成は、H2 :30.4
%、CO2 :24.5%、CO:32.5%、CH4
12.6%であり、逆COシフト反応器10に供給した
CO2 の46%がCOに変換されていた。
【0026】本実施例において、CO−PSA装置と
は、PSA装置12で回収したCOを精製する装置であ
り、各成分の分離は、PSA装置12に準じて行われ
る。CO−PSA装置13のオフガスは、H2 を主成分
とするものであり、例えばPSA装置12のパージガス
として使用するか、CO2 とともに回収して原料にリサ
イクルすることもできる。
【0027】本実施例においては、PSA装置12の後
流にCO精製用のCO−PSA装置13を設けたが、目
的とするCO濃度によってはCO精製用のCO−PSA
装置を省略してもよい。 実施例2 図1の装置における、スチームリフォーマー3の加熱炉
を改造して炉の壁面近傍に反応管9本を増設して(改造
前は28本)加熱器9とし、逆COシフト反応器10に
代えて前記加熱器9の反応管に逆COシフト触媒として
活性アルミナを充填したものを用いた以外は上記実施例
1と同様にしてH2 −PSAのオフガスからCOを製造
したところ、純度99%のCOが2365Nm2 /Hr
で得られた。
【0028】このとき、反応管出口の温度は800℃、
生成ガス流量は7085Nm2 /Hr、ガス組成は
2 :40.7%、CO2 :13.5%、CO:42.
4%、CH4 :3.4%であり、オフガス8中に含まれ
るCO2 の62%がCOに変換されていた。
【0029】実施例2におけるガス収支を表2に示す。
【表2】 表2において、本実施例によっても純度99%の高濃度
COが効率よく製造できたことが分かる。
【0030】
【発明の効果】本願の請求項1記載の発明によれば、水
素PSAプロセスから排出されるオフガス中のCO2
逆COシフト触媒の存在下、H2 で還元することによ
り、比較的低温で、CH4 を生成することなくCO2
COに転化することができるので、H2 −PSAプロセ
スのオフガスを利用して効率よく高純度のCOを製造す
ることができる。また、逆COシフト反応に必要な熱量
は比較的少ないので、反応物自身のもつ熱量で反応を進
行させることができるので、リフォーマーの改造なしに
簡単なガス熱交換器と触媒を充填した反応器を増設する
ことでH2 −PSAのオフガスからCOを生産すること
ができる。
【0031】本願の請求項2記載の発明によれば、逆C
Oシフト触媒としてFeおよびCrを活性成分とするC
Oシフト触媒または活性アルミナ(Al2 3)を活性成
分とするCOシフト触媒を用いることにより、上記発明
の効果に加え、CO2 のCOへの変性効率が向上し、C
Oをより効率よく製造することができる。
【0032】本願の請求項3記載の発明によれば、反応
圧力を1atm 〜20atm としたことにより、生成したC
Oの分離、回収が容易になり、COをさらに効率よく製
造することができる。
【0033】本願の請求項4記載の発明によれば、生成
ガスからCOを分離、回収する方法を、圧力変動吸着
(PSA)方法としたことにより、上記発明の効果に加
え、余剰のH2 を効果的に利用し、COを効率よく分
離、回収できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す装置系統図。
【図2】図1のPSA装置の系統を示す図。
【符号の説明】
1…ナフサ、2…スチーム、3…スチームリフォーマ
ー、4…改質ガス、5…COシフト反応器、6…H2
7…H2 −PSA装置、8…オフガス、9…加熱器、1
0…逆COシフト反応器、11…熱交換器、12…PS
A装置、13…CO−PSA装置、14…CO、15:
オフガス、16…高温ガス、17…H2 O、21〜28
…配管、29…真空ポンプ、31、32…バッファータ
ンク。
フロントページの続き (72)発明者 宍倉 進 千葉県市原市八幡海岸通1番地 三井造船 株式会社千葉事業所内 Fターム(参考) 4D012 CA20 CB16 CD07 CG01 CH05 CJ02 CK01 4G046 JA04 JB12 JB14 JC05 4G069 BA01A BC49A BC58A CC29

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 炭化水素を改質した改質ガスを圧力変動
    吸着(PSA)装置に導入して水素(H2 )を分離、回
    収する、水素PSAプロセスから排出される、二酸化炭
    素(CO2 )とH2 を含むオフガスから一酸化炭素(C
    O)を製造する方法であって、前記オフガスに含まれる
    CO2 を逆COシフト触媒の存在下、500℃〜850
    ℃でH2 により接触的に還元してCOと水蒸気(H
    2 O)を生成させ、生成ガスを冷却して前記水蒸気を凝
    縮水として分離したのち、COを分離、回収することを
    特徴とする、水素PSAのオフガスからCOを製造する
    方法。
  2. 【請求項2】 前記逆COシフト触媒としてFeおよび
    Crを活性成分とする触媒または活性アルミナ(Al2
    3)を活性成分とする触媒を用いることを特徴とする請
    求項1に記載の、水素PSAのオフガスからCOを製造
    する方法。
  3. 【請求項3】 前記CO2 をH2 により接触的に還元さ
    せる反応を、圧力1atm 〜20atm で行うことを特徴と
    する請求項1または2に記載の、水素PSAのオフガス
    からCOを製造する方法。
  4. 【請求項4】 前記水蒸気を凝縮水として分離した生成
    ガスからCOを分離、回収する方法が、圧力変動吸着
    (PSA)方法であることを特徴とする請求項1〜3の
    何れかに記載の、水素PSAのオフガスからCOを製造
    する方法。
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