JP5798821B2 - メタノールからガソリンを製造するともに発電する方法およびシステム - Google Patents

メタノールからガソリンを製造するともに発電する方法およびシステム Download PDF

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Description

本発明は、メタノールからガソリンを製造するともに発電する方法およびシステムに関する。
メタノールをジメチルエーテル（ＤＭＥ）やＤＭＥを経てガソリンに変換する触媒は、古くから知られている（例えば、特開昭５０−０７６０２７号公報や、特開昭５１−０５７６８８号公報）。この触媒によるメタノールからＤＭＥやガソリンの合成反応は、約４００℃と非常に高い温度にする必要があり、また、この反応が発熱反応であるため、反応器を所定の温度域に維持するために絶えず冷却する必要がある。
一方、特表平１０−５０６６６８号公報には、メタノールをガソリンに変換する触媒を備えた反応器を複数段に設け、前段の反応器から排出される排出ガス生成物に、メタノールと、希釈ガスとを混合して混合ガスを生成し、この混合ガスの温度が所定の温度範囲内となるように前記希釈ガスの温度および成分を調整し、この混合ガスを後段の反応器に供給し、新たな排出ガス生成物を得るという制御を行うことが記載されている。
特開昭５０−０７６０２７号公報 特開昭５１−０５７６８８号公報 特表平１０−５０６６６８号公報
しかしながら、特表平１０−５０６６６８号公報に記載された方法では、メタノールからガソリンを製造する装置自体が複雑化かつ大型化となり得るとともに、やはり、反応器を所定の温度域に維持するための運転コストも高くなり得るという問題がある。
そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、メタノールのガソリン合成反応により発生する熱を冷却することによって発電を行い、トータル的なコストを低減した、メタノールからガソリンを製造するともに発電する方法およびシステムを提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明は、その一態様として、メタノールからガソリンを製造するとともに発電を行う方法であって、メタノールを触媒存在下で反応させてガソリンを合成するステップと、前記メタノールのガソリン合成反応により発生する熱を、冷却材で冷却して熱を回収するステップと、前記熱の回収によって前記冷却材を蒸気化し、この蒸気を用いて発電を行うステップとを含むものである。
前記冷却材は水が好ましく、前記蒸気は飽和水蒸気が好ましく、前記発電ステップは、この飽和水蒸気を用いて蒸気タービンで発電することが好ましい。また、前記発電ステップは、前記蒸気タービンを複数段に設け、前記飽和水蒸気の一部を用いて前段の蒸気タービンで発電するステップと、前記飽和水蒸気の別の一部で、前記前段の蒸気タービンの排気を過熱するステップと、前記過熱した排気を用いて後段の蒸気タービンで発電するステップとを更に含むことが好ましい。
本発明は、別の態様として、メタノールからガソリンを製造するとともに発電を行うシステムであって、メタノールからガソリンを合成するための触媒をその内部に備えるガソリン製造装置と、前記メタノールのガソリン合成反応によって発生する熱のために温度上昇をする前記ガソリン製造装置を冷却材で冷却する冷却装置と、前記ガソリン製造装置の冷却によって生じる前記冷却材の蒸気により発電を行う発電装置とを備えるものである。
前記冷却材は水が好ましく、前記蒸気は飽和水蒸気が好ましく、前記発電装置は蒸気タービンを更に備えることが好ましい。また、前記発電装置は、複数段の前記蒸気タービンを備えることが好ましく、前記飽和水蒸気の一部を前段の蒸気タービンに供給するラインと、前記前段の蒸気タービンの排気を後段の蒸気タービンに供給するラインと、前記前段の蒸気タービンの排気を前記飽和水蒸気の別の一部で過熱する過熱装置とを更に備えることが好ましい。
このように本発明によれば、メタノールのガソリン合成反応により発生する熱を冷却材で冷却する一方で、この際の反応は約４００℃であることから、冷却材が水であれば約１００ｋｇ／ｃｍ２Ｇ（３１０℃飽和）の水蒸気を得ることができる。このような蒸気であれば発電を十分に行うことができ、よって冷却に費やす設備コスト及び運転コストを発電のコストに転化することができる。したがって、ガソリン製造と発電のトータル的なコストとしては十分に採算が見込めるシステムおよび方法を提供することができる。
本発明に係るガソリンを製造するともに発電するシステムの一実施の形態を示す模式図である。 本発明に係るガソリンを製造するともに発電するシステムの別の実施の形態を示す模式図である。 本発明に係るシステムにおいて水蒸気のエンタルピとエントロピの変化を示す蒸気ｈ−ｓ線図である。
以下、添付図面を参照して、本発明の一実施の形態について説明する。図１に示すように、本実施の形態のガソリン製造発電システム１は、主に、メタノールからガソリンを合成する反応器１０と、この反応器の冷却に用いた水蒸気を用いて発電を行う一連のタービン、ここでは３つの高圧タービン３０、中圧タービン４０、低圧タービン５０とを備える。
反応器１０は、以下の式に示す反応によって原料であるメタノールからガソリンを合成する反応器である。
２ＣＨ３ＯＨ→ＣＨ３ＯＣＨ３＋Ｈ２Ｏ・・・式１
１／２ｎＣＨ３ＯＣＨ３→（ＣＨ２）ｎ＋１／２ｎＨ２Ｏ・・・式２
このようにメタノールは、式１で示すようにジメチルエーテル（ＤＭＥ）合成反応を経て、式２に示すガソリン合成反応によりガソリンとなる。反応器１０内には、ＤＭＥ合成用触媒とガソリン合成用触媒との２種類の触媒を２段階に設け、２つの反応を段階的に進めることができる。反応器１０は、これら触媒が充填された触媒層（図示省略）を備え、この触媒層内をメタノールまたはＤＭＥが流通する。ＤＭＥ合成用触媒としては、例えば、アルミノシリケート型ゼオライト系触媒などの公知の触媒を用いることができる。また、ガソリン合成用触媒としても、アルミノシリケート型ゼオライト系触媒などの公知の触媒を用いることができる。これら触媒については、特開昭５０−０７６０２７号公報や特開昭５１−０５７６８８号公報に詳しく開示されている。
メタノールからＤＭＥへの合成反応は発熱反応であり、その反応熱はメタノール１ｋｇ当たり１８５ｋｃａｌである。また、ガソリン合成反応も発熱反応であり、その反応熱はメタノール１ｋｇ当たりに換算して２３１ｋｃａｌである。よって、メタノールからガソリンを合成する場合、その反応熱はメタノール１ｋｇ当たり４１６ｋｃａｌである。この反応熱を利用して発電を行う。ＤＭＥ合成反応の条件は、３５〜４５ｋｇ／ｃｍ２Ｇの範囲の圧力が好ましく、２５０〜３００℃の範囲の温度が好ましい。また、ガソリン合成反応の条件は、３〜８ｋｇ／ｃｍ２Ｇの範囲の圧力が好ましく、３８０〜４５０℃の範囲の温度が好ましい。
反応器１０は、反応器にメタノールを供給するためのメタノール供給ライン１２と、反応器で合成したガソリンを排出するガソリン排出ライン１４とを備えている。また、反応器１０は、反応器の温度を上記範囲内に制御すべく、冷却材で冷却される。反応器１０は、触媒層（図示省略）の外周を冷却材が流通する流路（図示省略）を備える。冷却材としては、反応器１０の温度を上記範囲内に冷却できるものであれば特に限定されないが、例えば、水が好ましい。よって、このシステム１は、反応器を冷却した水蒸気を反応器から排出する冷却材排出ライン１６と、冷却に用いた水蒸気を気水分離する気水分離機２０と、この気水分離機で分離した水を再び反応器に供給する冷却材循環ライン２６を備える。
そして、本システム１は、この反応器を冷却した水蒸気で発電を行うため、気水分離機１０で分離した飽和状態の水蒸気を高圧タービン３０に供給する発電用水蒸気ライン２２と、この高圧タービン３０で発電に用いた水蒸気を中圧タービン４０に供給する発電用水蒸気ライン３２と、この中圧タービン４０で発電に用いた水蒸気を低圧タービン５０に供給する発電用水蒸気ライン４２とを備える。タービン間の発電用水蒸気ライン３２及び発電用水蒸気ライン４２には、タービンでの発電により圧力が低下した水蒸気を過熱するための過熱器３４、４４をそれぞれ配置する。過熱器３４、４４には、気水分離機２０から温度の高い水蒸気を並列に供給する過熱用水蒸気ライン２４Ａ、２４Ｂを設ける。
低圧タービン５０で発電に用いた水蒸気を再び冷却材として使用するため、本システム１は、低圧タービンから水蒸気を回収する水蒸気回収ライン５２を備える。この水蒸気回収ライン５２には水蒸気を復水する復水器５４を備える。また、本システム１は、過熱器３４、４４により熱交換を行った水蒸気を凝縮して回収する凝縮器６０を備える。そして、本システム１は、これら復水器５４で復水した冷却材および凝縮器６０内の冷却材を気水分離機２０へと送る冷却材回収ライン６２を備える。なお、水蒸気回収ライン５２および冷却材回収ライン６２には、それぞれポンプ５６、６４を配置する。
以上の構成を備えた本システム１によれば、先ず、メタノール供給ライン１２から原料であるメタノールを反応器１０に供給する。反応器１０では、所定の温度および圧力でＤＭＥ合成反応とガソリン合成反応を行い、ＤＭＥを経てガソリンを合成する。ガソリンはガソリン排出ライン１４から排出して貯蔵設備（図示省略）に送る。また、ＤＭＥ合成反応及びガソリン合成反応はどちらも発熱反応であることから、所定の温度に維持するために反応器１０を冷却材である水で冷却する。これにより冷却材は過飽和の水蒸気となり、冷却材排出ライン１６を介して気水分離機２０へ送る。
気水分離機２０では、過飽和の水蒸気を、飽和状態の水蒸気と水に分離して、水は再び冷却材として使用するために、冷却材循環ライン２６を介して反応器１０へ送る。一方、飽和状態の水蒸気は、発電用水蒸気ライン２２を介してその一部を高圧タービン３０へ送り、また他の一部を過熱用水蒸気ライン２４を介して水蒸気過熱器３４、４４へ送る。なお、発電用水蒸気と過熱用水蒸気の比は、タービンの数や性能などにより変化することから特に限定されないが、例えば、発電用水蒸気１００重量部に対して、４５〜６５重量部とすることが好ましい。
高圧タービン３０では飽和水蒸気を膨張させて、その運動エネルギーでタービンを駆動して発電を行う。高圧タービン３０で発電に用いた水蒸気は、圧力が低下した過飽和の状態になっているので、発電用水蒸気ライン３２を介して過熱器３４で過熱し、飽和状態またはそれ以下にしてから、中圧タービン４０に供給する。
中圧タービン４０では、同様に飽和水蒸気を膨張させて、その運動エネルギーでタービンを駆動して発電を行う。中圧タービン４０で発電に用いた過飽和の水蒸気は、同様に発電用水蒸気ライン４２を介して過熱器４４で過熱し、飽和状態またはそれ以下にしてから、低圧タービン５０に供給する。中圧タービン５０でも同様にして発電を行う。
低圧タービン５０で発電に用いた水蒸気は、水蒸気回収ライン５２で回収し、復水器５４で復水する。復水した冷却材は、ポンプ５６により先ず凝縮器６０へと送る。過熱器３４、４４でそれぞれ発電用の水蒸気と熱交換を行った過熱用の水蒸気は、過熱用水蒸気ライン２４Ａ、２４Ｂを通って凝縮器６０へ送り、復水する。そして、凝縮器６０内の復水した冷却材を、冷却材回収ライン６２およびポンプ６４によって気水分離機２０へ戻し、再び反応器１０の冷却に用いる。
なお、図１に示す実施の形態では、上記の式１及び式２の２つの反応を行いメタノールからガソリンを合成する反応器１０を備える場合を示したが、図２に示すように、このようなガソリンを合成するガソリン反応器１０Ｂに併設して、上記の式１の反応のみでメタノールからジメチルエーテル（ＤＭＥ）を得るＤＭＥ反応器１０Ａを設けてもよい。これによって、ガソリンとともにＤＭＥを製造することができる。ＤＭＥは、液化石油ガス（ＬＰＧ）の代替として燃料等に用いることができる。
また、この場合、図２に示すように、ＤＭＥ反応器１０Ａおよびガソリン反応器１０Ｂには、それぞれ気水分離機２０Ａ、２０Ｂおよび冷却材循環ライン２６Ａ、２６ｂを設けるとともに、ガソリン反応器１０Ｂからの発電用水蒸気ライン２２Ｂは高圧タービン３０へ配設し、ＤＭＥ反応器１０Ａからの発電用水蒸気ライン２２Ａは高圧タービン３０と中圧タービン４０の間の発電用水蒸気ラインへ配設する。上述したように、ガソリン合成反応よりもＤＭＥ合成反応の方が反応温度および反応熱が低いため、ＤＭＥ反応器１０Ａを冷却した水蒸気は中圧タービン４０へ供給した方が、効率的に熱エネルギーを回収できる。
さらに、図２に示すように、過熱用水蒸気ライン２４Ａ、２４Ｂの過熱器３４、４４の後流側には、冷却材回収ライン６２を流れる復水した冷却材を過熱後の過熱用水蒸気で加熱する熱交換器６６を設けることもできる。これにより、冷却材回収ライン６２Ａ、６２Ｂの冷却材を予熱することにより、全体としての熱効率を高めることができる。
また、図１に示す実施の形態では、メタノールからガソリンを生成するためのＤＭＥ合成反応とガソリン合成反応とを１つの反応器１０で行ったが、これらの反応を別々の反応器で行うようにすることもできる。この場合、上記の式１に示すＤＭＥ合成反応を行うＤＭＥ反応器と、上記の式２に示すガソリン合成反応を行うガソリン反応器との間に、ＤＭＥを供給するラインを設ける。
また、本発明に係るガソリン製造発電システムは、原料であるメタノールの生産地、またはメタノールの原料である天然ガスの生産地に立設してもよいが、ガソリンの消費地またはその近隣地に立設することが好ましい。メタノールは常温、常圧で液体状態を維持し、取り扱いが容易であることから、中近東のような天然ガスの生産地でメタノールを生産した後、このメタノールを生産地から都市圏などのガソリンの消費地またはその近隣地へ輸送することで、天然ガスを液化して輸送することに比べて、輸送コストを大幅に低減することができる。更に、ガソリンの消費地は、通常、電気の需要も高いことから、ガソリンの消費地またはその近隣地で発電を行うことで、効率的に電気を需要者に供給することができる。
図１に示すシステムにおける発電効率についてシミュレーションを行った。その結果を表１および図３に示す。なお、反応器１０では、冷却材として水を用い、８０．９×１０６Ｋｃａｌ／ｈの熱量で冷却を行い、得られる水蒸気は１００ａｔａ、３１０℃という条件とした。この飽和水蒸気は、発電用として高圧タービン３０へ１００ｔｏｎ／ｈで供給し、過熱用として５４．６ｔｏｎ／ｈで供給する条件とした。なお、このうち、過熱器３４には２２．４ｔｏｎ／ｈ（熱量に換算すると７．３×１０６Ｋｃａｌ／ｈ）、過熱器４４には３２．２ｔｏｎ／ｈとした。低圧タービン５０からの排気は０．０５ａｔａとした。
Figure 0005798821
表１の結果を蒸気ｈ−ｓ線図にプロットしたものが図３である。図３に示すように、高圧タービン３０、中圧タービン４０、低圧タービン５０と３段階としたことで効率良く冷却材が有する熱エネルギーで発電を行うことができた。もちろん、タービンは高圧タービンと低圧タービンの２段でも良いし、４段以上にすることもできる。
そして、高圧タービン３０の発電量は３４８８ｋｗ、中圧タービン４０の発電量は１１３９５ｋｗ、低圧タービン５０の発電量は１４５３５ｋｗとなり、総出力は２９４１８ｋｗとなった。入熱は８０．９×１０６ｋｃａｌ／ｈであるので、蒸気効率を３１．３％とすることができた。
また、図２に示すシステムにおける発電効率のシミュレーション結果を表２に示す。なお、ＤＭＥ反応器１０Ａは９８．０×１０６Ｋｃａｌ／ｈの熱量で、ガソリン反応器１０Ｂは１２２．４×１０６Ｋｃａｌ／ｈの熱量でそれぞれ冷却を行い、ＤＭＥ反応器１０Ａでは３０ａｔａ、２３３℃の水蒸気が、ガソリン反応器１０Ｂでは１００ａｔａ、３１０℃の水蒸気が得られる条件とした。ＤＭＥ反応器１０Ａからの発電用の飽和水蒸気は１８８．４ｔｏｎ／ｈで供給し、ガソリン反応器１０Ｂからの発電用の飽和水蒸気は１００ｔｏｎ／ｈで供給する条件とした。また、ガソリン反応器１０Ｂからの過熱用の飽和水蒸気は１３３．８ｔｏｎ／ｈで供給し、過熱器３４には４２．２ｔｏｎ／ｈ（熱量に換算すると１３．８×１０６Ｋｃａｌ／ｈ）、過熱器４４に９１．６ｔｏｎ／ｈ（熱量に換算すると２９．９×１０６Ｋｃａｌ／ｈ）で供給する条件とした。低圧タービン５０からの排気は０．０５ａｔａとした。熱交換器６６での熱量は１７．６×１０６Ｋｃａｌ／ｈとした。
Figure 0005798821
図２のシステムでは、高圧タービン３０の発電量は３４８８ｋｗ、中圧タービン４０の発電量は３２４００ｋｗ、低圧タービン５０の発電量は４１３４０ｋｗとすることができ、総出力は７７２２８ｋｗとなった。入熱の合計は２２０．４×１０６ｋｃａｌ／ｈであるので、蒸気効率を３０．１％とすることができた。
１ ガソリン製造発電システム
１０ 反応器
１０Ａ ＤＭＥ反応器
１０Ｂ ガソリン反応器
１２ メタノール供給ライン
１４ ガソリン排出ライン
１６ 冷却材排出ライン
１８ ＤＭＥ排出ライン
２０ 気水分離機
２２、３２、４２ 発電用水蒸気ライン
２４ 過熱用水蒸気ライン
２６ 冷却材循環ライン
３０ 高圧タービン
３４、４４ 過熱器
４０ 中圧タービン
５０ 低圧タービン
５２ 水蒸気回収ライン
５４ 復水器
５６、６４ ポンプ
６０ 凝縮器
６２ 冷却材回収ライン
６６ 熱交換器

Claims (2)

  1. メタノールからガソリンを製造するとともに発電を行う方法であって、
    メタノールを、触媒存在下で反応させてガソリンを合成するステップと、
    前記メタノールのガソリン合成反応により発生する熱を、冷却材として水で冷却して熱を回収するステップと、
    前記熱の回収によって前記冷却材を蒸気化し、過飽和の水蒸気を得るステップと、
    前記過飽和の水蒸気を飽和状態の水蒸気と水とに分離するステップと、
    複数段の蒸気タービンを用いて発電を行うステップであって、前記飽和状態の水蒸気の一部を前段の蒸気タービンに供給して発電するとともに、この前段の蒸気タービンから排気される過飽和の水蒸気を、前記飽和状態の水蒸気の別の一部で過熱し、この過熱により飽和状態またはそれ以下となった水蒸気を後段の蒸気タービンに供給して発電する、ステップと
    を含む方法。
  2. メタノールからガソリンを製造するとともに発電を行うシステムであって、
    メタノールからガソリンを合成するための触媒層をその内部に備えるガソリン製造装置と、
    前記メタノールのガソリン合成反応によって発生する熱のために温度上昇をする前記ガソリン製造装置を冷却材で冷却する冷却装置と、
    前記ガソリン製造装置の冷却に使用した前記冷却材を前記ガソリン製造装置から排出する冷却材排出ラインであって、この冷却した冷却剤は過飽和の水蒸気である、冷却材排出ラインと、
    前記過飽和の水蒸気を飽和状態の水蒸気と水とに分離する気水分離機と、
    複数段の蒸気タービンにより発電を行う発電装置であって、この発電装置は、前記飽和状態の水蒸気の一部が供給される前段の蒸気タービンと、この前段の蒸気タービンから排気される過飽和の水蒸気を、前記飽和状態の水蒸気の別の一部で過熱する過熱装置と、この過熱により飽和状態またはそれ以下となった水蒸気が供給して発電する後段の蒸気タービンとを備える発電装置と
    を備えるシステム。
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