JP2013518030A - 炭素含有原料から水素を製造するための方法およびシステム - Google Patents
炭素含有原料から水素を製造するための方法およびシステム Download PDFInfo
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Abstract
【選択図】図1
Description
− 第1のいわゆるガス化反応器の中での、高温のCO2および酸素を含有するガス化のガス流を用いた、炭素含有乾燥物質のガス化であって、このガス化は、実質的に一酸化炭素(CO)の分子を含有し、最終的には二水素(H2)分子、ならびに最終的には水蒸気(H2O蒸気)を含有する第1のガス流を供給する、ガス化;
− 第2のいわゆる酸化反応器の中での、酸化された状態にある酸素担体(MeO)および酸素含有ガス流、上記第1のガス流の中に存在する一酸化炭素(CO)の分子および二水素分子(H2)による酸化であって、この酸化は、CO2、還元された状態にある酸素担体(Me)および最終的にはこの炭素含有乾燥原料の化学配合物の中に含有される水素に比例した水蒸気(H2O蒸気)を含有する高温の第2のガス流を供給する、酸化;
− 第3のいわゆる活性化反応器内での、実質的に水蒸気を含有する活性化のガス流を用いた、還元された状態にある上記酸素の担体の活性化であって、この活性化は、酸化された状態にある酸素の担体、二水素(H2)を含有する第3のガス流および過剰の熱エネルギーを供給する、活性化、
の少なくとも1回の繰り返しを含む、プロセスによって、上記の目的に到達することを可能にする。
− CO2を実質的に含む加熱ガスによる、強力な熱供給によって、この物質のコアで熱分解作用が最初に起こる。このような熱分解は炭素含有乾燥原料(MPCS)の分子を分解し、Cと分子状酸素1/2O2との間の化合による分子状炭素の一次ガス化をもたらし、COが得られる。当該分解は、当該物質の化学組成から(最終的な)分子状水素を放出し、マトリクス分子の中にその当量のガス化「酸素」を有しない炭素は残る。
− これらの炭素は、次いで、必要な1/2O2を捕捉することにより、加熱するCO2と反応し(CO2は還元されることになる)、ガス相に入ることになる。この反応は、1000℃の温度におけるブードワ(Boudouard)平衡に従って、COの中のC分子と同程度の多くの、CO中のCO2分子を転化する。
− 最初に、CO2を実質的に含む加熱ガスによる当該物質のコアへの強力な熱供給により当該炭素含有乾燥物質(MPCS)の温度が上昇し、その結果、(温度が500℃から1000℃での終末までの反応プラトーに達するかぎり)炭素は、ブードア平衡により、この加熱物質と反応する。この反応は、酸素の1つの原子を当該炭素含有乾燥原料の炭素(C)の1つの原子と交換して、CO2分子をCOへと転化(還元)し、純粋な酸素の外部供給源なしにその有機炭素および/または非晶質炭素をCOへとガス化する。
− 高温のCO2を含有するガス化のガス流および当該ガス化反応のために有用な最終的な熱補完を可能にする酸素(O2)の供給を有する、炭素含有原料についてのガス化反応器であって、このガス化反応器は、一酸化炭素(CO)分子および二水素(H2)分子(炭素含有乾燥原料の化学配合物の中に含有される分子状水素)を実質的に含有する第1のガス流を供給する、ガス化反応器と、
− 酸化された状態にある酸素担体(MeO)による、上記一酸化炭素(CO)の分子および第1のガス流の中に存在する二水素(H2)の分子の酸化のための反応器であって、この酸化反応器は、CO2および水蒸気(H2Og)、還元された状態にある酸素担体(Me)および過剰の熱水を含有する高温の第2のガス流を供給する、反応器と、
− 実質的に水蒸気を含有する活性化のガス流を用いる、還元された状態にある上記酸素担体についての活性化反応器であって、この活性化反応器は、酸化された状態にある酸素の担体および二水素(H2)を含有する第3のガス流および過剰の熱エネルギーを供給する、活性化反応器と
を具える、システムを提案する。
− 炭素含有原料をガス化するための、ガス化反応器での注入のための酸素(O2)のガス流の少なくとも一部についての回収回路;および/または
− ガス化反応器でのガス化のための、炭素含有バイオマスのうちの少なくとも一部についての回収回路
を含んでもよい。
− 植物バイオマスまたは動物バイオマス;
− 石炭;
− 泥炭;
− 褐炭;
− 有機残渣または無機残渣;
− 磨り減ったタイヤ;または
− これらの炭素含有物質のいずれかの組み合わせ。
− 炭素含有物質が、炭素含有量が80%以上でありかつ分子状の酸素も水素の成分も含有しない非晶質石炭である場合、ガス化反応器102の中の反応は、炭素含有乾燥原料MPCSの炭素の上でのCO2のCOへの転化であろう;
− 炭素含有原料が、有機バイオマスならびに/または、化学組成が分子状酸素の成分および分子状水素の成分を含む物質および残渣の混合物である場合、反応器102の中の反応の結果は、その炭素含有乾燥原料MPCSのガス化であろう。その反応は、最初は熱分解であり、これと併行して炭素含有乾燥原料MPCSが分子的に分解される;最初に、炭素が、分子状酸素との反応によってガス化され、分子状水素(H2)が放出される。その後、CO2は、ガス化されるための分子状酸素の当量を有しない炭素含有乾燥物質MPCSの炭素の上でCOへと転化される。それゆえ、この効果を予測されるCO2は、1/2O2をCに供給して、炭素含有乾燥物質MPCSをCOの形でガス化し、CO2自体はCOへと転化され、従って新しいエネルギーが生成される。これらのCOは、水素(H2)の分子とともに、炭素含有乾燥原料MPCSの全エネルギーポテンシャルをシステム100の中の後続の反応セクターへ伝える。
− 50%炭素:500グラム 41.667モルのC
− 44%酸素:440グラム 13.750モルのO2
− 6%水素:60グラム 29.762モルのH2
である原料有機バイオマスを取り上げる。
CO2−1/2O2=CO+O+283kJ/モル
C+1/2O2(CO2から)=CO−111kJ/モル
すなわち、CO21モルあたり172kJの熱量損失。
− 27.5モルのCO;
− 29.762モルのH2;
− 14.17モルのC(炭素含有乾燥物質MPCSの化学配合物の中に当量のOを有しない)
が得られることになる。
− 55.84モルのCO、この結果として起こる発熱量は:
×283kJ/モル=15,802.72kJ
− 29.762モルのH2、この結果として起こる発熱量は:
×242kJ/モル=7,202.404kJ
すなわち、酸化可能な85.602モルにおいて、23,005.124kJのエネルギーポテンシャルを得ることになる。
− 55.84モルの一酸化炭素COが二酸化炭素CO2へと酸化される。この反応は発熱的であり、283kJ/モル、すなわち、15,802.72kJを放出する;
− 14.683モルの水素H2が水蒸気(H2Og)の中で酸化される。この反応は発熱的であり、242kJ/モル、すなわち、3,553.286kJを放出する(これらの14.683モルの水蒸気は、当該炭素含有原料MPCSバイオマスの中に存在する合計29.762モル(H2Og)に対するガス化のガス流FGGの熱的要求の生成によって発生される15.079モルに加えられる);
− この酸化を実施するために、70.253モルのMeOが必要とされる;上記70.253モルのMeO、活性な酸素担体、の還元は吸熱性であり、244.3kJ/モル、すなわち、17,228.669kJを吸収する。
70.523MeO−70.523 1/2O2+17,228.769kJ+55.84CO+14.683H2+70.523 1/2O2−(15,802.72+3,553.288) → 55.84CO2+14.683H2O+70.523Me=−2,127.239kJ。
− 液体の水(凝縮した)29.762モル
− 800℃の温度およびおよそ0.3MPaの圧力にある水蒸気、70.523モルのH2Ogを実質的に含む活性化のガス流FA;
(− この活性化のガス流FAの潜熱(800℃での蒸発)は、酸化反応器104の排出口で利用可能な5,802.034kJに対して、5,281.645kJ(これは、熱交換器108によって与えられることになる)である;MPCSバイオマス1kgあたり520.389kJがまだ利用可能である);
− 高温にありかつ乾燥したCO2の第3のガス流TFG
が得られることになる。
70,523Me+70.523 1/2O2−(244.30×70.523=)17,228.769kJ
70.523H2Og−70.523 1/2O2+(242×70.523=)17,066.566kJ → 70.523MeO+70.523H2−162.203kJ。
− 室温の水素のガス流FGH;
− 高温(約600℃)の活性化された酸素保有体MeO;および
− 熱的過剰分
を供給する。
− 高付加価値を有する原料(食用/医薬分子 オメガ3、バイオ石油など)を供給すること、
− 本発明のプロセスに炭素含有乾燥物質を一部は供給するバイオマス石炭(高付加価値を有する分子の抽出物の熱分解残渣)、
− CO2流TFG2の完全再利用をして、本発明のプロセスのガス回路を閉じること。
Claims (13)
- 炭素含有原料(MPCS)から水素(H2)を製造するためのプロセスであって、以下の工程:
− 第1のいわゆるガス化反応器(102)の中での、高温のCO2および酸素(O2)を含有するガス化のガス流(FGG)を用いた、炭素含有原料(MPCS)のガス化であって、前記ガス化は、一酸化炭素(CO)の分子および分子状二水素(H2)の分子を実質的に含有する第1のガス流(PFG)を供給する、ガス化;
− 第2のいわゆる酸化反応器(104)の中での、前記第1のガス流(PFG)の中に存在する前記一酸化炭素(CO)の分子および分子状二水素(104)の、酸化された状態にある酸素担体(MeO)による酸化であって、前記酸化は、CO2を含有する高温の第2のガス流(DFG)、還元された状態にある酸素担体および過剰の熱エネルギーを供給する、酸化;
− 第3のいわゆる活性化反応器(106)の中での、高温の水蒸気(H2O蒸気)を実質的に含有する活性化のガス流(FA)による、前記還元された状態にある酸素担体(Me)の活性化であって、前記活性化は、酸化された状態にある酸素担体(MeO)、二水素(H2)を含有する第3のガス流(FGH)および過剰の熱エネルギーを供給する、活性化
の少なくとも1回の繰り返しを含むことを特徴とするプロセス。 - 一方で、水からの前記活性化のガス流(FA)のうちの少なくとも一部の製造のための、前記第2のガス流(DFG)の熱エネルギーおよび/または前記酸化/活性化の熱的過剰分の使用を含む、請求項1に記載のプロセス。
- 以降のサイクルのために、前記ガス化のガス流(FGG)のうちの少なくとも一部を構成するための、前記第2のガス流(DFG)の中に存在するCO2の少なくとも一部(TFG1)の回収を含む、請求項1または請求項2に記載のプロセス。
- 前記活性化のガス流(FA)のうちの少なくとも一部を構成するための、最終的には前記第2のガス流(DFG)の中に存在する前記水蒸気(H2O蒸気)のうちの少なくとも一部の回収を含む、請求項1または請求項2に記載のプロセス。
- 以降のサイクルのために、前記ガス化のガス流(FGG)をガス化温度にするために、酸素担体による前記第1のガス流(PFG)の酸化および前記酸素担体の活性化の熱的過剰分の少なくとも一部、ならびに前記ガス化の間に発生される前記熱エネルギーの一部を用いた前記ガス化のガス流(FGG)の温度の上昇も含む、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のプロセス。
- 他方、微細藻類培養物バイオリアクター(202)の中での、前記第2のガス流(DFG)の中に存在するCO2の一部(TFG2)の光合成による再利用を含み、前記バイオリアクター(202)は、一方で酸素のガス流(FO2)を、他方で炭素含有バイオマス(BC)を供給する、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のプロセス。
- 前記炭素含有原料(MPCS)をガス化するための、前記ガス化反応器(102)の中での、前記酸素のガス流(FO2)のうちの少なくとも一部の使用を含む、請求項6に記載のプロセス。
- 前記ガス化反応器(102)の中でのガス化のために、前記炭素含有バイオマス(BC)のうちの少なくとも一部の回収を含む、請求項6または請求項7に記載のプロセス。
- 炭素含有原料(MPC)から水素(H2)を製造するためのシステム(100、200)であって、
− 高温のCO2および酸素(O2)を含有するガス化のガス流(FGG)を有する、炭素含有乾燥原料(MPCS)のためのガス化反応器(102)であって、前記ガス化反応器(102)は、一酸化炭素(CO)の分子を実質的に含有する高温の第1のガス流(PFG)を供給する、ガス化反応器(102);
− 前記第1のガス流(PFG)の中に存在する前記一酸化炭素(CO)の分子および分子状二水素(H2)の、酸化された状態にある酸素担体(MeO)による酸化反応器(104)であって、前記酸化反応器(104)は、CO2を含有する高温の第2のガス流(DFG)、還元された状態にある酸素担体(Me)および過剰の熱エネルギーを供給する、酸化反応器(104);
− 高温の水蒸気(H2O蒸気)を実質的に含有する活性化のガス流(FA)による、前記還元された状態にある酸素担体(Me)の活性化反応器(106)であって、前記活性化反応器(106)は、酸化された状態にある酸素担体(MeO)、二水素(106)を含有する室温の第3のガス流(FGH)および過剰の熱エネルギーを供給する、活性化反応器(106)
を具えることを特徴とするシステム(100、200)。 - 他方で、少なくとも、水からの前記活性化のガス流(FA)のうちの少なくとも一部ならびに前記第2のガス流(DFG)の熱エネルギーおよび/または前記活性化の前記熱的過剰分のうちの少なくとも一部を供給する熱交換器(108)を具える、請求項9に記載のシステム。
- 次のサイクルのための前記ガス化のガス流(FGG)のうちの少なくとも一部を構成するための、前記第2のガス流(DFG)の中に存在するCO2の少なくとも一部(TFG1)の再利用回路を含む、請求項9または請求項10に記載のシステム。
- 前記第2のガス流(DFG)の中に存在するCO2の一部(TFG2)の、光合成による再利用のための微細藻類培養物バイオリアクター(202)をも具え、前記バイオリアクター(202)は、一方で酸素のガス流(FO2)を、他方で炭素含有バイオマス(BC)を供給する、請求項9から請求項11のいずれか1項に記載のシステム。
- − 前記炭素含有原料(MPCS)をガス化するための、前記ガス化反応器(102)での注入のための、前記酸素のガス流(FO2)のうちの少なくとも一部のための回収回路;および/または
− 前記ガス化反応器(102)でのガス化のための前記炭素含有バイオマス(BC)のうちの少なくとも一部のための回収回路
を具える、請求項12に記載のシステム。
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