(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の工程を備えた二酸化炭素ＣＯ２の一酸化炭素ＣＯへの変換方法であって、
炭化水素コンバーターにエネルギーを導入することによって炭化水素を含んだ流体を１０００℃以上の温度で炭素と水素に分解し、前記エネルギーはプラズマによって導入され、エネルギーの少なくとも一部は熱によって提供され、炭素と水素は分解工程の後に少なくとも２００℃の温度を有し、
前記分解工程によって生成された炭素の少なくとも一部を炭化水素コンバーターからＣＯ２コンバーターへ導き、
発電所または他の工業的プロセスからのＣＯ２ガスをＣＯ２コンバーターへ導入し
ＣＯ２ガスを前記分解工程によって生成された炭素の少なくとも一部と少なくとも８００℃の温度で混合し、炭素をＣＯ２ガスと混合させる際には、分解工程で得られた炭素は前記分解工程後、その温度の５０％以下の温度（℃）だけ冷却する状態であり、
前記分解工程で得られた炭素とＣＯ２ガスの少なくとも一部を８００℃から１７００℃の温度でＣＯに変換することを特徴とする二酸化炭素の一酸化炭素への変換方法。
【請求項２】
ＣＯ２変換のための８００℃から１７００℃の温度に到達することが必要な熱の少なくとも８０％は、炭化水素を含んでいる流体を分解するために提供された熱から生ずることを特徴とする請求項１記載の二酸化炭素の一酸化炭素への変換方法。
【請求項３】
前記分解工程で得られた炭素及び前記分解工程で得られた水素は共にＣＯ２ガスと混合されることを特徴とする請求項１または２記載の二酸化炭素の一酸化炭素への変換方法。
【請求項４】
炭素をＣＯ２ガスと混合させる工程の前に、前記分解工程で得られた炭素は前記分解工程で得られた水素と分離されることを特徴とする請求項１または２記載の二酸化炭素の一酸化炭素への変換方法。
【請求項５】
分解工程によって得られた炭素の少なくとも一部及び／又は分解工程によって得られた水素の一部及び／又はＣＯに変換後のＣＯの一部の熱の少なくとも一部は、ＣＯ２ガスを炭素と混合させる前にＣＯ２ガスを加熱するために用いられ及び／又はＣＯ２ガスが炭素と混合されるプロセス室を加熱するために用いられ及び／又は発電のために用いられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の二酸化炭素の一酸化炭素への変換方法。
【請求項６】
前記分解工程はクバーナー反応器によって行われることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の二酸化炭素の一酸化炭素への変換方法。
【請求項７】
分解される炭化水素含有流体は天然ガス、メタン、湿性ガス、重油又はそれらの混合物であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の二酸化炭素の一酸化炭素への変換方法。
【請求項８】
ＣＯ２は、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法によりＣＯへ変換され、
水素は前記ＣＯと混合されることを特徴とする合成ガス生成方法。
【請求項９】
水素は、少なくとも部分的には熱によるエネルギーの導入によって炭化水素含有流体を炭素と水素に分解することによって発生することを特徴とする請求項８に記載の合成ガス生成方法。
【請求項１０】
付加的な水素が合成ガスに加えられ、付加的な水素の少なくとも一部は、１０００℃以下の温度でマイクロ波プラズマによって炭化水素含有流体を分解することによって発生することを特徴とする請求項９に記載の合成ガス生成方法。
【請求項１１】
分解される炭化水素含有流体は天然ガス、メタン、湿性ガス、重油又はそれらの混合物であることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の合成ガス生成方法。
【請求項１２】
官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素生成方法であって、
請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の方法により合成ガスを最初に発生させ、合成ガスを官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素に変換するために合成ガスを適当な触媒と接触させ、触媒及び／又は合成ガスの温度は所定範囲の温度に開ループ制御又は閉ループ制御されることを特徴とする官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素生成方法。
【請求項１３】
合成ガスの変換はフィッシャー・トロプシュプロセス、ＳＭＤＳプロセス、ベルギウス・ピアプロセス、ピアプロセス、ピアプロセスとＭｔＬプロセスの組み合わせのいずれかによって実施されることを特徴とする請求項１２に記載の官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素生成方法。
【請求項１４】
分解される炭化水素含有流体は天然ガス、メタン、湿性ガス、重油又はそれらの混合物であることを特徴とする請求項１２または１３に記載の合成炭化水素生成方法。
【請求項１５】
二酸化炭素ＣＯ２の一酸化炭素ＣＯへの変換装置であって、
炭化水素含有流体を炭素と水素に分解する炭化水素コンバーターを備え、
炭化水素コンバーターは、炭化水素含有流体用の少なくとも一つの入口と炭素及び／又は水素用の少なくとも一つの出口とを有した少なくとも一つのプロセス室を備え、
炭化水素コンバーターは、少なくとも部分的に熱からなるエネルギーを、プロセス室に導入するための少なくとも一つのプラズマユニットを備え、前記少なくとも一つのプラズマユニットは、そのユニットが少なくとも局部的に１０００℃以上の温度を発生することができるように設計され、
ＣＯ２をＣＯに変換するためのＣＯ２コンバーターを備え、
ＣＯ２コンバーターは、発電所または他の工業的プロセスからＣＯ２をＣＯ２コンバーターに導入するように構成されたＣＯ２用の少なくとも一つの入口と、少なくとも炭素用の少なくとも一つの入口と、少なくとも一つの出口とを有した少なくとも一つの別のプロセス室を備え、
少なくとも炭素用の入口は、炭化水素コンバーターの少なくとも一つの出口に直接的に接続されていることを特徴とする二酸化炭素の一酸化炭素への変換装置。
【請求項１６】
エネルギーをプロセス室に導入するための少なくとも一つのプラズマユニットは、マイクロ波プラズマユニットからなることを特徴とする請求項１５に記載の二酸化炭素の一酸化炭素への変換装置。
【請求項１７】
ＣＯ２コンバーターのプロセス室は炭化水素コンバーターの出口パイプによって形成され、出口パイプはＣＯ２ガス用の入口に接続されていることを特徴とする請求項１５または１６記載の二酸化炭素の一酸化炭素への変換装置。
【請求項１８】
分解によって得られた炭素と分解によって得られた水素とを分離する分離ユニットを更に備え、この分離ユニットは分離ユニットから排出される分離された物質用の個別の出口を有し、炭素用の出口はＣＯ２コンバーターに接続されていることを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれか１項に記載の二酸化炭素の一酸化炭素への変換装置。
【請求項１９】
炭化水素コンバーターはクバーナー反応器からなることを特徴とする請求項１５乃至１８のいずれか１項に記載の二酸化炭素の一酸化炭素への変換装置。
【請求項２０】
請求項１５乃至１９のいずれか１項に記載の装置と、水素をＣＯ２コンバーター又はＣＯ２コンバーターの下流に位置する混合室に導くための少なくとも一つの個別の入口パイプを備えることを特徴とする合成ガス生成装置。
【請求項２１】
炭化水素含有流体を炭素と水素に分解する少なくとも一つの付加的な炭化水素コンバーターを有し、前記付加的な炭化水素コンバーターは、
炭化水素含有流体用の少なくとも一つの入口を有した少なくとも一つのプロセス室と、
少なくとも部分的に熱からなるエネルギーをプロセス室に導入するための少なくとも一つのユニット、
分解によって得られた炭素と分解によって得られた水素とを分離する分離ユニットとを備え、
分離ユニットは炭素と水素用の個別の出口を有し、水素用の出口は水素用の別の入口パイプに接続されていることを特徴とする請求項２０に記載の合成ガス生成装置。
【請求項２２】
少なくとも一つの付加的な炭化水素コンバーターは１０００℃以下の温度でマイクロ波プラズマによって分解を実行するタイプであることを特徴とする請求項２１に記載の合成ガス生成装置。
【請求項２３】
合成ガスを官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素に変換する装置であって、
請求項２０乃至２２のいずれか１項に記載の装置と、
触媒が位置するプロセス室と、合成ガスを触媒に接触させる手段と、触媒の温度及び／又は合成ガスの温度を所定の温度に開ループ制御又は閉ループ制御する制御ユニットとを有したＣＯコンバーターとを備えたことを特徴とする合成ガスの炭化水素への変換装置。
【請求項２４】
ＣＯコンバーターはフィッシャー・トロプシュコンバーター、ＳＭＤＳコンバーター、ベルギウス・ピアコンバーター、ピアコンバーター、ピアコンバーターとＭｔＬコンバーターの組み合わせのいずれか、からなることを特徴とする請求項２３に記載の合成ガスの炭化水素への変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素及びＣＯ２から一酸化炭素を生成する方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
気候に悪影響を及ぼすガスとしてみなされている二酸化炭素（ＣＯ２）の多くは、発電及び他の工業プロセスで発生する。二酸化炭素の発生を避けるために大きな努力が払われている。また、燃焼排ガスから発生した二酸化炭素を分離し、二酸化炭素を貯留する試みがなされている。一つの例は、ＣＯ２の貯留又は二酸化炭素回収・貯留コンセプト、ＣＣＳコンセプトと短縮され、ＣＯ２は燃焼排ガスから分離され、その後、圧縮されて適当な地質学的形態で貯蔵される。ＣＣＳプロセスは高価で、エネルギー集約型で、貯蔵容量に制限があり、いろいろな理由から各団体によって強く反対されている。少なくともドイツにおいては、技術的、且つ、政治的な実現の可能性は失敗に終わったようにみえる。
【０００３】
別の可能性は、他の工業プロセスのための出発原料として、すなわち、ＣＯ２ＲＲＥＣＴプロジェクトにおいてバイエル社によって行われているように、ポリウレタンを生成するプラスティック工業における出発原料として二酸化炭素を使用することである。問題としているＣＯ２の量に関して、このようにＣＯ２を利用して生成される最終生産物の世界的にみたトータルの生産量はあまりにも低く、放出される二酸化炭素のかなりな量を変換することはできないので、出発原料としてのＣＯ２の使用は小規模な適用のみである。
【０００４】
これらのコンセプトのいずれも、大量の二酸化炭素をとらえることができる適用、且つ、その実施が社会的に受け入れられる適用にはならない。
【０００５】
合成ガス（Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｇａｓ）、略してシンガス（ｓｙｎｇａｓ）は、二酸化炭素をも含むことができる一酸化炭素と水素の気体混合物である。例えば、合成ガスは、炭素含有燃料を所定の発熱量を有したガス状生成物、すなわち合成ガスにガス化することによって生成される。合成ガスは天然ガスのエネルギー密度の約５０％である。合成ガスは燃焼可能であり、これゆえ燃料源として使用可能である。合成ガスは、他の化学製品の生成における中間生成物としても使用することができる。例えば、合成ガスは石炭または廃棄物のガス化によって生成することができる。合成ガスの生成の際、炭素は水と反応することが可能であり、また炭化水素は酸素と反応することが可能である。工業ガス、肥料、化学製品及び他の化学製品を生成するために合成ガスを処理するための商業的に利用可能な技術がある。しかしながら、合成ガスの生成及び変換のためのもっとも知られている技術（例えば、水性シフト反応）は、必要量の水素を合成することによってより多量の余分なＣＯ２を発生させ、このＣＯ２が気候に悪影響を与えるガスとして最終的に大気に放出されるという問題がある。合成ガスを製造する別の公知の技術である、２ＣＨ４＋Ｏ２→２ＣＯ＋４Ｈ２という反応式によるメタンの部分酸化は、Ｈ２とＣＯの最大比が２．０に到達することができる。しかしながら、不利な点は、強力なエネルギーである純酸素を使用することである。
【０００６】
東独公開公報第２７６０９８号は水蒸気改質プラントにおける天然ガスのより完全な利用を記載している。特に、アークプラズマ熱分解によって、天然ガスからすすを生成するプロセスが何よりも説明されている。また、米国特許公報第４０４０９７６号は炭素質材料、特に石炭を、二酸化炭素で処理して一酸化炭素ガスを生成する処理を記載している。前記処理において、二酸化炭素は最初に炭素質材料と混合され、その後、５００℃／秒以上の割合で二酸化炭素とともに反応器内で急速に加熱され、その後、急速に冷却される。ここで、加熱段階は０．１ミリ秒から５０ミリ秒の間続き、反応物質の全体の接触時間は１０ミリ秒から５秒の時間範囲に制限される。また、プラズマ内で一酸化炭素を生成することは米国特許公報第４１９０６３６号から公知であり、プラズマは二酸化炭素から発生され、固体の炭素がプラズマ中に導入される。その結果の生成物は熱的に急冷され、フィルタに通して一酸化炭素を得る。
ヨーロッパ特許公開公報ＥＰ０２１９１６３Ａは、第一反応室において炭化水素類を炭素と水素とに分解し、炭素を第二反応室に搬送し水蒸気と反応させる合成ガスの生成方法を開示している。
英国公開公報ＧＢ８７３２１３Ａは、炭化水素を触媒によって炭素に分解し、その後、炭素と接触している触媒をＣＯ２に接触させる合成ガスの生成方法を開示している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
それゆえ、解決すべき問題点は、工業プロセスから放出される二酸化炭素の量を効率的に減らし、需要がある化学生成物の製造を可能とするＣＯ２の変換方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、請求項１、８又は１２のいずれか１項に係る方法及び請求項１５，２０又は２３のいずれか１項に係る装置を提供する。また、実施形態は従属の請求項に由来している。
【０００９】
特に、二酸化炭素の一酸化炭素への変換方法は、少なくとも一部は熱によって提供されるエネルギーの導入によって炭化水素含有流体を炭素と水素に分解することで成り立ち、炭素と水素は分解工程後に少なくとも２００℃の温度を有する。続いて、分解工程によって発生する炭素の一部はＣＯ２ガスと混合され、分解工程後、ＣＯ２ガスと混合する際に、分解工程によって生成された炭素はその温度の５０％以下の温度（℃）だけ冷却する。ＣＯ２ガスの少なくとも一部及び分解工程によって生成される炭素の一部は、８００℃から１７００℃の温度でＣＯに変換される。この方法は、単純、且つ、効率的な方法でＣＯ２をＣＯに変換することを可能とし、（炭化水素の分解によって）炭素を得るために必要なエネルギーの少なくとも一部は熱の形で変換工程において使用される。
【００１０】
分解工程が１０００℃以上の温度で起こり、少なくとも８００℃の温度で、炭素がＣＯ２と混合される場合には、ＣＯ２をＣＯに変換するために提供される付加的な熱が必要でないか、又は、ほんのわずかな付加的な熱を必要とする。好ましくは、ＣＯ２変換のために８００℃から１７００℃（特に約１０００℃）の温度に到達することが必要な熱は、炭化水素含有流体の分解のために用いられる熱によって基本的に、且つ、完全に提供される。ここで、基本的、且つ、完全にとは、必要とされる熱の少なくとも８０％、特に少なくとも９０％は分解工程から生ずるということを意味する。
【００１１】
一実施形態では、分解工程で得られた炭素及び分解工程で得られた水素はともにＣＯ２と混合される。水素は変換には影響を与えず、付加的な熱伝達物質として機能することが可能である。これは、炭素と水素が１０００℃（好ましい変換温度）以上の温度を有している場合に特に有利である。この場合、変換後のガスは純粋なＣＯではなく合成ガスである。
【００１２】
また、分解工程で得られた炭素は、ＣＯ２ガスと混合させる前に分解工程で得られた水素と分離することが可能である。
【００１３】
この方法のエネルギー効率を増すために、分解工程で得られた炭素の少なくとも一部及び／又は水素の一部の熱の少なくとも一部は、ＣＯ２ガスが炭素と混合する工程の前に、ＣＯ２ガスを加熱するために使用することが可能である、及び／又は、ＣＯ２ガスと炭素とを混合するプロセス室を加熱するために使用することが可能である。この意味で、変換後にＣＯが８００℃から１７００℃の温度を有し、且つ、そのＣＯの熱の少なくとも一部を、ＣＯ２ガスを炭素と混合する工程の前に、ＣＯ２ガスを予熱するために使用することが可能である、ということに留意すべきである。分解工程で得られた炭素の少なくとも一部及び／又は水素の一部の熱の少なくとも一部、及び／又は、変換後のＣＯの一部は、炭化水素含有流体の分解用のエネルギーを導入するためのエネルギーキャリアーとして使用することが可能である電気を発生させるために使用することも可能である。
【００１４】
好ましくは、炭化水素を分解するためのエネルギーは主としてプラズマを介して導入される。これはエネルギーを導入するために、特に直接的で、且つ、効率的な方法である。好ましくは、分解工程は、炭化水素の流れを連続的に分解することが可能なクバーナー反応器で行われる。
【００１５】
合成ガスを発生するための方法において、最初にＣＯ２は上述したようにＣＯに変換され、続いてＣＯは水素と混合される。好ましくは、水素は、少なくとも部分的に熱によって行われるエネルギーの導入によって、炭化水素含有流体を炭素と水素に分解することにより生ずる。それゆえ、分解工程は、一つの工程で、ＣＯ２変換のために必要な炭素及び必要な水素を提供することが可能である。一実施形態では、水素の少なくとも一部は、マイクロ波プラズマによって、１０００℃以下の温度、特に６００℃以下の温度で、炭素含有流体を分解する工程によって生成される。付加的な水素（ＣＯ２変換のために必要な炭素の生成によって得られる量以上の水素）が合成ガスを特定の混合比に到達させるために必要な場合、炭化水素含有流体から低温でエネルギー効率が良い前記水素を生成することが好ましい。好ましくは、合成ガス中のＣＯの水素に対する比率（ＣＯ：Ｈ２）は１：１から１：３の間の値、特に１：２．１の値に調整される。
【００１６】
官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素を生成する方法において、第一に、上述したように、合成ガスが生成され、合成ガスを官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素に変換するために合成ガスを適当な触媒と接触させる。ここで、触媒及び／又は合成ガスの温度は所定の温度範囲に（開ループ）制御又は（閉ループ）調整される。このようにして、合成ガスを触媒と接触させる前、或いは、接触させる際に、ＣＯを水素と混合することによって合成ガスを生成することが可能である。
【００１７】
一つの実施形態では、合成ガスの変換はフィッシャー・トロプシュプロセス、特にＳＭＤＳプロセスによって行われる。また、合成ガスの変換はベルギウス・ピア（Ｂｅｒｇｉｕｓ−Ｐｉｅｒ）プロセス、ピアプロセス又はピアプロセスとＭｔＬプロセス（ＭｔＬ＝ｍｅｔｈａｎｏｌ  ｔｏ  ｌｉｑｕｉｄ）の組み合わせによって行うことが可能である。官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素の性質を大きく決定するのはプロセスの選択である。
【００１８】
好ましくは、分解すべき炭化水素含有流体は、天然ガス、メタン、湿性ガス、重油又はそれらを混合したガスである。
【００１９】
二酸化炭素ＣＯ２の一酸化炭素ＣＯへの変換装置は炭化水素含有流体を炭素と水素に分解する炭化水素コンバーターを備え、炭化水素コンバーターは炭化水素含有流体用の少なくとも一つの入口及び炭素及び／又は水素用の少なくとも一つの出口を有した少なくとも一つのプロセス室と、少なくとも部分的に熱から成るエネルギーをプロセス室に導入する少なくとも一つのユニットとを備えている。また、装置はＣＯ２をＣＯへ変換するためのＣＯ２コンバーターを備え、ＣＯ２コンバーターはＣＯ２用の少なくとも一つの入口、少なくとも炭素用の少なくとも一つの入口及び少なくとも一つの出口を有した少なくとも一つの付加的なプロセス室を備え、少なくとも炭素用の入口は炭化水素コンバーターの少なくとも一つの出口に直接的に接続されている。ここで、用語「直接的に接続」とは、ＣＯ２コンバーターへの途中で、炭素を加熱するために付加的なエネルギーを使用することなく、炭化水素コンバーターから排出される炭素が、その炭素の温度（℃）の５０％以上までは冷却せず、好ましくは２０％以下の温度（℃）までしか温度が下がらない、ということを意味する。炭素を水素から分離する分離ユニットは、分解工程の位置と炭化水素コンバーターの少なくとも一つの出口との間に設けることが可能である。この分離ユニットは炭化水素コンバーターの一部を形成することが可能であるか又は分離ユニットとして炭化水素コンバーターの外側に位置することが可能である。炭化水素コンバーターの出口とＣコンバーターの入口との間の分離ユニットは、上記条件に適合する限りにおいて、直接接続の邪魔にはならない。
【００２０】
好ましくは、エネルギーをプロセス室に導入するための少なくとも一つのユニットは、そのユニットが１０００℃以上の温度、特に１５００℃以上の温度を少なくとも局部的に発生することが可能であるように構成されている。一実施形態においては、エネルギーをプロセス室に導入するための少なくとも一つのユニットはプラズマユニットである。特に、分解温度が１０００℃以下に保たれる場合には、エネルギーをプロセス室に導入するための少なくとも一つのユニットはマイクロ波プラズマユニットからなる。
【００２１】
装置の特に単純な実施形態にとっては、ＣＯ２コンバーターのプロセス室は、ＣＯ２ガス用の供給パイプに接続されている炭化水素コンバーターの出口パイプによって形成されている。
【００２２】
本発明の一つの実施形態においては、分解によって発生する炭素と水素を分離するための分離ユニットは炭化水素コンバーターの近くに設けられており、分離ユニットからの別々の出口は分離された物質のために設けられており、炭素用の出口はＣＯ２コンバーターに接続されている。
【００２３】
好ましくは、炭化水素コンバーターは、長い操作期間の間、炭素含有流体を連続的に分解するために必要な温度を提供することが出来るクバーナー反応器である。
【００２４】
合成ガス生成装置は、上述したタイプの装置と、水素をＣＯ２コンバーター又は下流の混合室に供給するための少なくとも一つの分離供給パイプとを備えている。そのような装置は、ＣＯ２及び炭化水素含有流体から合成ガスを単純、且つ、効率的に生成することを可能とする。
【００２５】
一つの実施形態では、合成ガス生成用の装置は、炭化水素含有流体を炭素と水素に分解する少なくとも一つの付加的な炭化水素コンバーターを備えている。少なくとも一つの付加的な炭化水素コンバーターは、また炭化水素含有流体用の少なくとも一つの入口を有した少なくとも一つのプロセス室と、少なくとも部分的に熱からなるエネルギーをプロセス室に導入するための少なくとも一つのユニットと、分解によって得られた炭素と水素とを分離する分離ユニットとを備え、分離ユニットは炭素と水素用の個別の出口を有し、水素用の出口は水素用の分離供給パイプに接続されている。エネルギー効率の理由から、少なくとも一つの付加的な炭化水素コンバーターは、マイクロ波プラズマによって１０００℃以下の温度、特に６００℃以下の温度で分解を行うタイプのものが好ましい。
【００２６】
合成ガスを官能基を有する及び／又は官能基を有さない炭化水素に変換する装置は、上記特定のタイプの合成ガスを発生する装置及びＣＯコンバーターを備えている。ＣＯコンバーターは、触媒を装備したプロセス室と、合成ガスを触媒と接触させる手段と、触媒及び／又は合成ガスの温度を所定の温度に（開ループ）制御又は（閉ループ）調整する制御ユニットとを備えている。こうして、合成ガスを発生する装置の部分はＣＯコンバーター、例えば、ＣＯ及び付加的な水素用の混合室に組み込むことが可能である。一実施形態では、ＣＯコンバーターはフィッシャー・トロプシュコンバーター、特にＳＭＤＳコンバーターを備えている。また、ＣＯコンバーターはベルギウス・ピアコンバーター、ピアコンバーター又はピアコンバーターとＭｔＬコンバーターの組み合わせを備えている。同一タイプ又は異なったタイプの幾つかのＣＯコンバーターが装置に設けられることも可能である。
【００２７】
好ましくは、装置はＣＯコンバーター内の合成ガスの圧力を制御又は調整する制御ユニットを備えている。
【００２８】
以下、本発明を実施形態及び図面を参照して詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、一酸化炭素生成用のプラントの概略図である。
【図２】図２は、合成ガス生成用のプラントの概略図である。
【図３】図３は、官能基を有する及び／又は官能基を有さない炭化水素生成用のプラントの概略図である。
【図４】図４は、別の実施形態に係る官能基を有する及び／又は官能基を有さない炭化水素生成用の別のプラントの概略図である。
【図５】図５は、別の実施形態に係る官能基を有する及び／又は官能基を有さない炭化水素生成用のプラントの概略図である。
【図６】図６は、別の実施形態に係る官能基を有する及び／又は官能基を有さない炭化水素生成用のプラントの概略図である。
【図７】図７は、別の実施形態に係る合成ガス生成用のプラントの概略図である。
【図８】図８は、別の実施形態に係る官能基を有する及び／又は官能基を有さない炭化水素生成用のプラントの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下の説明において、頂部、底部、右及び左等の用語、及びこれらに類似した用語は、図面において示される方向及び配置に関するものであり、実施形態の説明のためにのみに意味されるものとして留意すべきである。これらの用語は限定されるものではない。また、異なった図面において、同一の符号は同一または類似した部分を説明するために使用される。
【００３１】
以下の明細書において「ホット」材料を取り扱う、または、「ホット」プロセスを実施する方法及び装置を説明する。この詳細な説明において、語句「ホット」は２００℃以上の温度、好ましくは３００℃以上の温度を意味する。
【００３２】
図１は二酸化炭素を一酸化炭素に変換するためのプラント１を示す。図１は、またこの詳細な説明による二酸化炭素を一酸化炭素に変換するための基本的な生成工程を明示する。
【００３３】
プラント１は、炭化水素入口４及び第１炭素出口５、任意の水素出口６及び任意の第２炭素出口７を有した炭化水素コンバーター３を備えている。一酸化炭素の生成用のプラント１は、水入口１０、炭素出口１１（Ｃ入口とも称す）及び出口１２を有したＣＯ２コンバーター９を備えている。炭化水素コンバーター３及びＣＯ２コンバーター９は、炭化水素コンバーター３の炭素出口５が直接接続部８を介してＣＯ２コンバーター９の炭素入口１１に接続されるように配置されており、出口５はＣＯ２コンバーター９の炭素入口１１を直接に形成している。こうして、炭素を炭化水素コンバーター３からＣＯ２コンバーター９に直接に輸送することが可能である。
【００３４】
炭化水素コンバーター３は、導入された炭化水素を炭素と水素に変換または分解することができる炭化水素コンバーターであればいずれのコンバーターであっても良い。炭化水素コンバーター３は炭化水素含有流体用の入口、分解エネルギーを流体に導入する少なくとも１つのユニットと、少なくとも１つの出口とを備えたプロセスチャンバーからなっている。分解エネルギーは、少なくとも部分的に例えばプラズマによってもたらされる熱によって提供される。それにもかかわらず、分解エネルギーは、他の手段によっても提供可能であり、分解が主に熱によって起こる場合には、流体は１０００℃以上に加熱されるべきであり、特に１５００℃以上の温度に加熱されるべきである。
【００３５】
説明される実施形態においては、クバーナー反応器が用いられ、このクバーナー反応器はプラズマアークとプラズマトーチによって必要とされる熱を提供する。しかしながら、より低い温度で特に１０００℃以下の温度で作動し、例えばマイクロ波プラズマによって熱に加えて付加的なエネルギーを炭化水素に導入する他の反応器が知られている。以下に更に説明するように、本発明は、両方のタイプの反応器（プラズマ無しに作動する反応器も）を考慮しており、特に両タイプの反応器を併用することも考慮している。１０００℃以上の温度で作動する炭化水素コンバーターは高温反応器と称するのに対し、１０００℃以下の温度、特に２００℃から１０００℃の温度で作動するコンバーターは低温反応器と称する。
【００３６】
炭化水素コンバーター内で、炭化水素（ＣｎＨｍ）は熱及び／またはプラズマによって水素と炭素に分解される。炭化水素は、好ましくはガスとして反応器に導入される。標準状態で液体の炭化水素は、反応器への導入前に気化することが可能であり、又は炭化水素は微小液滴として導入することが可能である。いずれの形態も以下において流体と示される。
【００３７】
炭化水素の分解は、酸化炭素または水の形成を抑制するために、可能であれば酸素が存在しない状態でなされるべきである。それにもかかわらず、炭化水素とともに導入される可能性のある少量の酸素はプロセスに害にはならない。
【００３８】
上述したクバーナー反応器はプラズマ燃焼器内で炭化水素含有流体を高温で純炭素（例えば、活性炭、カーボンブラック、グラファイト、工業用すすとして）と水素、および場合により不純物に分解する。炭化水素コンバーター３用の出発原料として用いられる炭化水素含有流体は、例えばメタン、天然ガス、バイオガス、湿性ガスまたは重油である。しかしながら、合成の官能基を有する及び／または官能基を有さない炭化水素も炭化水素コンバーター３用の出発原料として用いることが可能である。最初の分解工程の後、元素は、通常、混合物として、特にエアロゾルの形で存在する。この混合物は、後述するように、この形で別のプロセスに導入することが可能であるか、または混合物は分離ユニット（図示せず）において個々の元素に分離可能である。分離ユニットは個別のユニットとして構成されるけれども、本件特許出願においては、そのような分離ユニットは炭化水素コンバーター３の一部として考えられる。分離ユニットが設けられていない場合には、炭素出口５は炭化水素コンバーター３の唯一の出口であり、炭素と水素の混合物（エアロゾル）を直接にＣＯ２コンバーター９に導く。分離ユニットを設ける場合には、少なくとも部分的に水素から分離される炭素を炭素出口５を用いてＣＯ２コンバーター９に導入することが可能である。分離された水素、および場合により付加的な炭素は、任意の出口６および７によって排出可能である。
【００３９】
ＣＯ２コンバーター９は、炭素（Ｃ）および二酸化炭素（ＣＯ２）から一酸化炭素（ＣＯ）を発生することができるＣＯ２コンバーターであれば、いずれのＣＯ２コンバーターであってもよい。図１の実施形態においては、ＣＯ２コンバーター９は溶鉱炉で公知の反応の一部によって動作し、前記一部の反応は触媒を必要とすることなく約７５０℃から１２００℃の温度で起こる。好ましくは、ＣＯ２コンバーターは８００℃から１０００℃の温度で動作し、主としてその温度に到達するのに必要な熱は、後述するように炭化水素コンバーター３の出口物質によって提供される。ＣＯ２コンバーター９においてＣＯ２はホット炭素上に導入され、又はホット炭素（及び場合により水素）と混合され、化学反応式ＣＯ２＋Ｃ→２ＣＯに示すように変換される。ＣＯ２コンバーター９は、ブドワール平衡で且つ１０００℃の温度で最良に動作する。約８００℃の温度で、約９４％の一酸化炭素が得られ、約１０００℃の温度で約９９％の一酸化炭素が得られる。さらに温度を上昇させても著しい変化は起こらない。
【００４０】
二酸化炭素の一酸化炭素への変換用のプラント１の操作を図１を参照して以下に説明する。以下において、炭化水素コンバーター３はクバーナータイプの高温（ＨＴ）反応器であるとする。炭化水素含有流体（特にガス状）は炭化水素入口４を介して炭化水素コンバーター３に導入される。炭化水素が、例えば、メタン（ＣＨ４）である場合、１モルのメタンから１モルの炭素と２モルの水素が発生する。炭化水素は炭化水素コンバーター３内で約１６００℃で以下の反応式によって変換される。ここで、導入されるエネルギーは電気エネルギーによってプラズマ内で発生する熱である。
ＣｎＨｍ  ＋  エネルギー  →  ｎＣ  ＋  ｍ／２Ｈ２
【００４１】
適切なプロセスコントロールによって、クバーナー反応器はほぼ１００％の炭化水素を連続した操作でその構成要素に変換することが可能である。
【００４２】
以下において、炭素と水素は炭化水素コンバーター３内で分離され、前記炭素と前記水素は分離された状態で排出されると考えられる。しかしながら、分離されず、炭素と水素が混合物として排出されてＣＯ２コンバーター９に導入されることも可能である。水素はＣＯ２コンバーター９内での変換プロセスの障害にはならず、付加的な熱伝達物質として機能する。炭素は少なくとも一部は炭素出口５からＣＯ２コンバーター９の炭素入口１１に直接に導かれる。炭化水素コンバーター３の出口５からＣＯ２コンバーター９の炭素入口１１に「直接」導くということは、導かれる物質の温度が５０％以上（好ましくは２０％以上）の冷却を受けないような全ての形態を含んでいる。炭化水素コンバーター３から排出された炭素は高温であり、好ましくは１０００℃以上であるので、炭素が持っている熱エネルギーは好ましくは約１０００℃の温度で作動するＣＯ２コンバーター９における変換プロセスに必要な温度を維持するために使うことができる。
【００４３】
炭化水素コンバーター３とＣＯ２コンバーター９とを接続する接続部８は、炭素が炭化水素コンバーター３からＣＯ２コンバーター９に行く間にあまり冷却されない（温度に関して５０％以下、好ましくは２０％以下）ように設計されている。例えば、接続部８は特別に絶縁されるか及び／または積極的に加熱され、装置は好ましくは付加的な熱が供給されず、すなわち炭化水素コンバーター３における熱導入に加えて付加的な熱が供給されることはない。炭化水素コンバーター３内の操作温度のために、炭化水素コンバーター３で発生する水素も熱エネルギーを持っている。それゆえ、接続部８を加熱する１つの可能性としては、炭化水素コンバーター３とＣＯ２コンバーター９間の接続部８を熱交換器ユニットを介して直接的にまたは間接的に加熱するために、水素出口６から排出される水素の熱エネルギーを使用することである。
【００４４】
ＣＯ２コンバーター内に、ＣＯ２コンバーター９のＣＯ２入口１０を通して導入されるＣＯ２、特に蒸気の形で導入される水は、ホット炭素上に導かれ及び／又はホット炭素と混合される。ＣＯ２コンバーターは、ホット炭素と二酸化炭素が反応している間に起こるブドワール平衡で操作されるのが最良である。反応が圧力と温度に依存することは当業者には公知であるので詳細には説明しない。ＣＯ２コンバーター９に導入されるＣＯ２の量または炭素の量は、いずれも適切な手段によって制御可能である（開ループ）及び／又は調整可能である（閉ループ）。
ＣＯ２  +  Ｃ  →  ２ＣＯ          ΔＨ  ＝  ＋１７２．４５ｋＪ／ｍｏｌ
【００４５】
ＣＯ２は、例えば、発電所（石炭、ガス及び／又は油で稼働する）又は適当な量のＣＯ２を発生させる別の工業プロセス（例えば、鉄鋼又はセメント製造）から発生する。ＣＯ２コンバーター９が８００℃から１２００℃の温度で動作するので、ＣＯ２源からのＣＯ２の温度によって、ＣＯ２コンバーター９のＣＯ２入口１０に導入されるＣＯ２を予熱することが有利である。例えば、水の予熱は熱交換器ユニットを介して直接的にまたは間接的にホット水素中に含まれる熱エネルギーを用いて行うことが可能である。好ましくは、炭素中に含まれる熱はＣＯ２を所望の温度に加熱するためには十分である。炭化水素コンバーター３で発生する熱が約１０００℃の所望の変換温度に到達するために十分でない場合のみにおいて、ＣＯ２コンバーター９またはＣＯ２コンバーター内に含まれる元素を加熱するための任意の付加的な加熱ユニットを設けることが可能である。そのようなユニットは、ＣＯ２または炭素用の供給ラインの近くに予熱ユニットとして設けることも可能である。そのようなユニットは、装置が所望の温度状態により早く到達するようにＣＯ２コンバーター９またはプラントの媒体を含んでいる部分を開始温度にするためにプラントの立ち上げ段階のためのみに設けることが可能である。炭化水素コンバーター３で発生する熱を介して全ての媒体を含んでいる部分をもっぱら加熱することは最初は長い時間がかかる可能性がある。
【００４６】
約８００℃から１０００℃の温度（ＣＯ２コンバーター９の作動温度による）を有した一酸化炭素（ＣＯ）はＣＯ２コンバーター９から排出される。ＣＯ２コンバーター９から排出される一酸化炭素は、ＣＯ２入口１０に導入されるＣＯ２を熱交換器ユニット（図１では図示せず）を介して、例えば、直接にまたは間接的に予熱するために用いることが可能である熱エネルギーを保有している。
【００４７】
上述したように、炭化水素コンバーター３は炭素を排出するための第２炭素出口７を備えることが可能である。炭化水素コンバーター３で生成される炭素は、ＣとＨ２各々の分離工程の後に（またはＣ−Ｈ２混合物として）第１炭素出口５および第２炭素出口７を介して異なった割合で排出することが可能である。第２炭素出口７は、生成された炭素のうち一酸化炭素を発生させるためにＣＯ２コンバーター９で使用されない炭素の一部を排出するために使用される。第２炭素出口７を通して排出される炭素は、活性炭、グラファイト、カーボンブラックもしくはカーボンコーンやカーボンディスク等の別の形態として排出することが可能である。排出された炭素の形態及び品質に応じて、排出された炭素は化学工業またはエレクトロニクス工業用の原料として使用することが可能である。例えば半導体の製造、タイヤ、インク、トナーまたは類似の製品の製造に使用することが可能である。炭化水素コンバーター３によって生成された炭素は極めて良好に処理可能である高純度の原料である。
【００４８】
二酸化炭素をＣＯへ変換するための上述の方法によって、工業プロセスから出た排出ガスからの温かい又は熱い二酸化炭素でＣＯ２コンバーター９において炭化水素コンバーター３から出たホット炭素を外部エネルギー供給が無い状態であるいは少なくとも相当量の外部エネルギーの供給が無い状態でＣＯに変換することが可能である。好ましくは変換温度に到達するのに必要な熱の少なくとも８０％、特に少なくとも９０％は炭化水素コンバーター３から発生する熱によることができる。
【００４９】
図２は合成ガスを生成するためのプラント２０を示し、プラント２０は一酸化炭素を生成するためのプラント１の上述の要素および混合室２１を備えている。混合室２１は一酸化炭素を導入するためのＣＯ入口２２および水素を導入するためのＨ２入口２３、および合成ガスを排出するための合成ガス出口２４を備えている。ＣＯ入口２２はＣＯ２コンバーター９のＣＯ出口１２に接続されている。混合室２１のＨ２入口２３は炭化水素コンバーター３のＨ２出口６に接続されている。当業者にとって明らかなように、Ｃ−Ｈ２混合物を炭素出口５を介してＣＯ２コンバーター９に導入する実施例では、約１：１のＣＯ−Ｈ２の混合比を有する合成ガスが自動的に生成される。そのような場合、混合室２１は無くてもよいかまたは混合室２１は異なった混合比を生成するために使用しても良い。
【００５０】
混合室２１はガスを混合するために適切な装置であればいずれの装置であっても良く、単純な場合には混合室２１は適切な入口および出口を有したパイプの形状をしていても良い。混合室２１によって、および、特に混合ユニット２１のＨ２入口２３を介して導入される（付加的な）水素量を制御／調整（開／閉ループ）することによって、合成ガス出口２４での合成ガスの混合物は、後続のプロセスに適合した組成が得られるように影響されうる。
【００５１】
多くのプロセスのために、たとえば、フィッシャー・トロプシュ合成のために、ＣＯに対する水素の比は高くあるべきである。混合室２１によって、ＣＯに対する水素の所望の比率が合成ガス出口２４で達成することができる。ＣＯの一部及び／又は水素の一部分のみ混合室２１に導入され、混合室に導入されないＣＯおよび水素の一部が各々純ガスとしてプロセスから排出されるということが考えられる。
それゆえ、例えば、ａ）ＣＯのみを排出すること、ｂ）水素のみを排出すること、ｃ）ＣＯと水素の合成ガス混合物を排出すること、またはｄ）ＣＯの流れ、水素の流れ、および合成ガス混合物（ＣＯと水素）の流れを排出することが可能である。
【００５２】
また、図２において合成ガスを生成するプラント２０は、第１熱交換器ユニット２５、第２熱交換器ユニット２６および第３熱交換器ユニット２７を備えている。第１熱交換器ユニット２５は、炭化水素コンバーター３とＣＯ２コンバーター９との間の接続部８と熱的に伝導して接触状態にあり、必要な場合には、ＣＯ２コンバーター９において変換温度に到達するために必要とされない余分な熱を接続部から引き出すようになっているか、または必要であればプラントの他の領域から熱を導入するようになっている。
【００５３】
第２熱交換器ユニット２６は、ＣＯ２コンバーター９と混合室２１との間の接続部と熱的に伝導して接触しており、余分な熱を接続部から引き出しおよびホットＣＯに含まれる余分な熱を引き出すようになっている。引き出された余剰の熱は、例えばＣＯ２コンバーター９に導入されるＣＯ２を予熱するために使用可能である。この熱移送のためには、当該技術分野で知られているように、いわゆる向流熱交換器ユニットが特に適切である。
【００５４】
第３熱交換器ユニット２７は炭化水素コンバーター３と混合室２１との間の接続部と熱的に伝導して接触状態にあり、余分な熱を接触部から引き出し、これゆえ接触部内にあるホット水素から引き出すようになっている。第１、第２又は第３熱交換器ユニットの１つで引き出された熱はプラントの他の領域を加熱するために使用され、特にＣＯ２コンバーターを保温するため、またはＣＯ２コンバーターに導入されるＣＯ２を予熱するために使用可能である。前記熱交換器ユニットで引き出された熱の一部は、例えば蒸気発生器および蒸気タービンまたは他の適切な装置によって電気に変換することが可能である。
【００５５】
プラント２０により合成ガスを生成する操作は、炭化水素コンバーター３およびＣＯ２コンバーター９の操作に関して、図１によるプラント１の上述の操作に類似している。合成ガスを発生するプラント２０において、水素とＣＯの所望の混合比率は、合成ガスの所望の組成に応じて混合室内で設定され、且つ、混合室の合成ガス出口２４を介して排出される。好ましくは、しかしながら必ずしもそうではないが、水素は、上述したように、炭化水素コンバーター３によってもたらされる。他の水素源も考えられ、特に第２炭化水素コンバーター３、特に低温炭化水素コンバーターが考えられる。ＣＯの得られる量の全体及び／又はＨ２の得られる量の全体を使わない場合には、混合室で混合されないガス、例えば、ＣＯ及び／又はＨ２の一部は別途処理可能である。
【００５６】
図３は官能基を有する及び／または官能基を有さない合成炭化水素の生成用のプラント３０を示し、プラント３０は（図１に示すような）二酸化炭素を一酸化炭素に変換するためのプラント１およびＣＯコンバーター３１を備えている。プラント１に対応するプラントの構成要素は重複した説明を避けるために説明しない。ＣＯコンバーター３１はＣＯ２コンバーター９の下流に位置しており、ＣＯコンバーター３１はＣＯを導入するためのＣＯ入口３２、水素を導入するためのＨ２入口３３、および官能基を有する及び／または官能基を有さない合成炭化水素を排出するための炭化水素出口３４を備えている。ＣＯコンバーター３１のＣＯ入口３２はＣＯ接続部３５によってＣＯ２コンバーター９のＣＯ出口１２に接続されている。ＣＯコンバーター３１のＨ２入口３３はＨ２接続部３６によって炭化水素コンバーター３のＨ２出口６に接続されている。
【００５７】
随意的に炭化水素を生成するためのプラント３０もまたプラント２０（図２）に関連して説明した熱交換器ユニット２５，２６，２７を備えており、これら全ての動作は上述した通りである（図２の説明参照）。
【００５８】
ＣＯコンバーター３１は官能基を有した及び／または官能基を有さない合成炭化水素を生成するためのＣＯコンバーターであればいずれのＣＯコンバーターであっても良い。図３に示す実施形態においては、適切な触媒および温度及び／又は圧力用の制御ユニットを備えたＣＯコンバーターは、好ましくはフィッシャー・トロプシュコンバーター、ベルギウス・ピアコンバーターまたはピアコンバーターである。
【００５９】
１つの実施形態ではＣＯコンバーター３１はフィッシャー・トロプシュコンバーターからなる。フィッシャー・トロプシュコンバーターは、触媒を使用して合成ガスを炭化水素と水に変換する。フィッシャー・トロプシュ反応器およびフィッシャー・トロプシュプロセスの幾つかの実施形態は当業者には公知であるので説明しない。主たる反応式は以下の様である：
ｎＣＯ  ＋（２ｎ＋１）Ｈ２→  ＣｎＨ２ｎ＋２  ＋  ｎＨ２Ｏ    アルカン用
ｎＣＯ  ＋（２ｎ）Ｈ２→  ＣｎＨ２ｎ  ＋  ｎＨ２Ｏ    アルケン用
ｎＣＯ  ＋（２ｎ）Ｈ２→ＣｎＨ２ｎ＋１ＯＨ  ＋（ｎ−１）Ｈ２Ｏ    アルコール用
【００６０】
フィッシャー・トロプシュプロセスは高温プロセスまたは低温プロセスとして実行可能であり、プロセス温度は通常２００℃から４００℃の範囲である。フィッシャー・トロプシュプロセスの公知の変形例は、高負荷合成、シントール合成およびシェル社のＳＭＤＳプロセス（ＳＭＤＳ＝Ｓｈｅｌｌ  Ｍｉｄｄｌｅ  Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｅ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ）である。フィッシャー・トロプシュコンバーターは典型的には湿性ガス（プロパン、ブタン）、ガソリン、ケロシン、軟パラフィン、固形パラフィン、メタノール、メタン、ディーゼル燃料またはこれら幾つかのガスを混合した炭化水素混合物を生成する。フィッシャー・トロプシュ合成が発熱反応であるということは当業者には公知である。フィッシャー・トロプシュプロセスからの反応熱は、例えば、熱交換器ユニット（図示せず）によってＣＯ２を予熱するために使用可能である。例えば、ＣＯ２コンバーター９に導入されるＣＯ２を２段予熱するプロセスが考えられ、この場合、第１予熱工程はＣＯコンバーター３１の予熱によって実現され（フィッシャー・トロプシュコンバーターの実施形態において）、そして熱交換器ユニット２５，２６，２７の１つ以上からの熱によってＣＯ２を加熱する次の工程がある。
【００６１】
別の実施形態では、ＣＯコンバーター３１はベルギウス・ピアコンバーターまたはＭｔＬコンバーター（ＭｔＬ＝Ｍｅｔｈａｎｏｌ−ｔｏ−Ｌｉｑｕｉｄ）とピアコンバーターの組み合わせからなっている。
【００６２】
ベルギウス・ピア反応器において、当業者に周知であるベルギウス・ピアプロセスが実行され、炭化水素は炭素を水素により水素化することによって発熱的化学反応で発生する。ベルギウス・ピアプロセスからの生成物の範囲は反応条件と反応プロセスの制御に依存する。主として液体の生成物が得られ、この液体の生成物は輸送燃料、例えば重油とミーディアムオイル（中粘度油）として使うことが可能である。ベルギウス・ピアプロセスの公知の変形例としては、例えば、コンソールプロセスおよびＨ−ｃｏａｌプロセスがある。
【００６３】
ピアコンバーターとＭｔＬコンバーターの上述の組み合わせにおいて、最初に合成ガスはピアプロセスによってメタノールに変換される。ＭｔＬコンバーターはメタノールをガソリンに変換するコンバーターである。広く行き渡ったプロセスはエクソンモービル社またはエッソ社のＭｔＬプロセスである。ＭｔＬコンバーターの出発原料は、典型的にはメタノールであり、例えばピアコンバーターからのメタノールである。ＭｔＬコンバーターによって生成する出口生成物はガソリンであり、このガソリンはオットーエンジンの運転のために適切である。
【００６４】
要約すると、上述した動作原理にかかわらず、ＣＯコンバーター３１は、出力物すなわち最終生成物として、ＣＯとＨ２から官能基を有する及び／または官能基を有さない合成炭化水素を生成するということができる。熱交換器ユニットによって、ＣＯコンバーター３１における発熱性の変換反応の間に生成されるプロセス熱は、プラントの異なった部分を加熱するために用いることが可能であり、または上述のプラントの効率を増加するための電気を発生するために用いることが可能である。
【００６５】
分離及び精製後の最終生成物として直接に更に処理することができない又は収益性の高い販売ができない炭化水素の混合物がＣＯコンバーター３１の出口生成物として得られる限りにおいて、これらの炭化水素、例えばメタンまたは短鎖パラフィンは上述したプロセスにおいて再利用することが可能である。この目的のために、プラント３０は、合成的に生成された炭化水素の一部を炭化水素コンバーター３の炭化水素入口４に返送することができるリサイクル接続部３９を備えている。再利用される合成的に生成された炭化水素の組成によって不適当な炭化水素が炭化水素入口４に導入されないように、不適当な炭化水素の処理または分離工程が実施される。
【００６６】
図４は官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素を生成するためのプラント４０の別の実施形態を示す。プラント４０は合成ガスを生成するための上述したプラント２０および図３の実施形態で説明したＣＯコンバーター３１を備えている。混合室２１の合成ガス出口２４はＣＯコンバーター３１に接続されている。混合室２１は、使用中のＣＯコンバーター３１のニーズに適合している合成ガスを合成ガス出口２４で提供するように設定されている。プラント４０の他の構成要素は、上述したものと同様であり、個々の構成要素の動作は上述した方法と同様である。
【００６７】
プラントのサイズによって、所望の変換能力を得るために複数の炭化水素コンバーターを並列に運転することが考えられる。上述したように、炭化水素コンバーターは高温炭化水素コンバーター及び／又は低温炭化水素コンバーターとして構成することが可能である。高温炭化水素コンバーターは１０００℃以上の温度で作動し、低温炭化水素コンバーターは２００°から１０００℃の温度で作動する。ここで、炭化水素のカーボンおよび水素への分解を行うため、付加的なエネルギー源、例えばマイクロ波ユニットを、エネルギーを炭化水素に直接に入力するために設けることが可能である。
【００６８】
複数の並列して作動する炭化水素コンバーターを有したプラントの例として、図５は官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素を生成するためのプラント３０の別の実施形態を示す。図５は同一または類似した構成要素が説明されている限りにおいて先の実施形態と同一の参照符合を用いている。図５で示される実施形態において、高温炭化水素コンバーター３ａと低温炭化水素コンバーター３ｂの組み合わせが単一の炭化水素コンバーター３の代わりに示されている。
【００６９】
高温炭化水素コンバーター３ａは炭化水素入口４ａ、炭素を排出する第１出口５ａおよび水素を排出する第２出口６ａを備えている。また、単一の出口５ａは炭素と水素の混合物（特にエアロゾル）のために設けることが可能である。出口５ａは接続部８によってＣＯ２コンバーター９の入口１１に接続されている。高温炭化水素コンバーター３ａの任意の出口６ａはＣＯコンバーター３１のＨ２入口３３に接続されている。高温炭化水素コンバーター３ａは炭素用の別の出口（図５では図示せず）を任意的に備えることが可能である。
【００７０】
低温炭化水素コンバーター３ｂは、炭化水素入口４ｂを有したプロセス室、炭素を排出する第１出口５ｂ、水素を排出する第２出口６ｂ、および炭素を排出する任意の第３出口７ｂを備えている。好ましくは、低温炭化水素コンバーター３ｂは、分解後に水素と炭素を分離し、且つ、水素とカーボンを各々の出口に導くための分離ユニットを備えている。第１出口５ｂは、任意的に接続部８を介してＣＯ２コンバーター９の入口１１に接続されているが、炭素集積ユニットにも接続されている。低温炭化水素コンバーター３ｂの出口６ｂはＣＯコンバーター３１のＨ２入口３３に接続されている。任意の第３出口７ｂは炭素集積ユニットに接続され、この炭素集積ユニットから集積された炭素を例えばカーボンブラック、活性炭または別の形態で引き出すことが可能である。
【００７１】
炭化水素入口４ａに導入された炭化水素および炭化水素入口４ｂに導入された炭化水素は同一の炭化水素であってもよく、また、異なった炭化水素であってもよい。第１炭化水素源からの炭化水素は炭化水素入口４ａに導入してもよく、例えば天然ガス源から天然ガスを炭化水素入口４ａに導入してもよい。しかしながら、例えば、合成的に生成された官能基を有する及び／又は官能基を有さない炭化水素は、例えば先に説明した任意のリサイクル接続部３９を介して低温炭化水素コンバーター３ｂの炭化水素入口４ｂに導入することが可能である。幾つかの並行に運転される炭化水素コンバーター３ａ，３ｂを利用するために、プラント３０は、その規模を簡単に大きくしたり小さくしたり、より制御が簡単であり、且つ、異なった種類の炭素を生成可能である。
【００７２】
また、高温炭化水素コンバーター３ａはＣＯ２コンバーター９における変換プロセスのために好ましくは１０００℃以上の温度でホット炭素を生成するために有利に使用可能である。特に、分解によって得られるＣ−Ｈ２混合物は直接的にＣＯ２コンバーターに導入可能であるので、高温炭化水素コンバーター３ａは分離ユニットが無くても動作可能である。この場合、ＣＯ２コンバーター９は出口で、例えば、約１：１のＣ−Ｈ２混合比を有した合成ガスを生成する。
【００７３】
しかしながら、低温炭化水素コンバーター３ｂは、ＣＯコンバーター３１において合成ガス生成用又は１：１より大きな、特に１：２より大きなＣ−Ｈ２混合比を有するＣ−Ｈ２混合物生成用の付加的な水素を提供するために主として使用される。低温炭化水素コンバーター３ｂから次のプロセスへの熱伝達は必要では無いため、低温炭化水素コンバーター３ｂは１０００℃以下の温度好ましくは可能な限り最も低い温度で有利に操作可能である。
【００７４】
これゆえ、炭化水素コンバーター３ａ，３ｂ（好ましくは高温炭化水素コンバーター３ａ）において生成される炭素の一部は、プラント３０の運転中にＣＯ２コンバーター９に導入可能であるのに対し、別の一部の炭素（好ましくは低温炭化水素コンバーター３ｂからの一部）は、更なる生成物を生成するための原料としてプロセスから排出することも可能である。そのような生成物は、例えば、カーボンブラックまたは工業用すす、活性炭、カーボンディスクやカーボンコーンといった、黒い粉末状固形物として得られる特殊炭素等である。
この炭素は、ゴム工業における充填材、カラー印刷、インク、塗料用の色のついたすすとして、または例えば、亜鉛炭素電池、及び陰極または陽極の生成用の電気部品の生成のための出発原料として使用可能である工業的に重要な生成物である。余剰の水素は化学工業のために排出可能であり、また、電気（燃焼によって）を発生するために使用可能である。ここで、低温炭化水素コンバーター３ｂは、好ましくは低温炭化水素コンバーター３ｂが必要な付加的な水素を提供するのみであるように操作される。
【００７５】
図６は官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素を生成するための上記プラント４０の別の実施形態を示し、この別の実施形態においては複数の並行に運転される高温及び／又は低温炭化水素コンバーターが同様に設けられている。
【００７６】
図６に示す炭化水素を生成するプラント４０は、混合室２１がＣＯコンバーター３１の上流に位置している点で図５に示すプラント３０とは異なっている。混合室２１はＣＯコンバーター３１に特に適合する合成ガスを混合し、ＣＯコンバーター３１に合成ガスを提供する。図６に示す構成要素は既に説明しており、上述した原理に従って作動する。それゆえ、重複した説明を避けるために詳細な説明は省略する。
【００７７】
図７及び８はプラント２０及び３０の実施形態を示し、プラント２０及び３０は第１熱交換器ユニット２５、第２熱交換器ユニット２６及び第３熱交換器ユニット２７を備えており、各熱交換器ユニットはエンジン／発電機装置４５に接続されている。エンジン／発電機装置４５はプラントの異なった部分からの余剰の熱から少なくとも部分的に電気を発生するために適当であり、前記電気は高圧線配線網に供給することが可能であるか又はプラント２０、特に炭化水素コンバーターを運転するために使うことが可能である。また、エンジン／発電機装置４５は熱交換器ユニット（図８では図示せず）に接続可能であり、この熱交換器ユニットはＣＯコンバーター３１内で起こる発熱性変換プロセスによって発生する熱を放散する。これゆえ、一方では、ＣＯコンバーターを制御され調整された方法で冷却することが可能であり、このことはプロセスの操作のためには有利であり、他方では電気を発生させることが可能である。エンジン／発電機装置４５は熱エネルギーを電気に変えるために適当である装置であればいずれの装置でもあってもよく、例えば蒸気タービンと発電機の組み合わせ又はピストンエンジンと発電機の組み合わせ等である。
【００７８】
運転中、エンジン／発電機装置４５はプラントの余剰の熱を電気に変換し、すなわち、ＣＯ２変換に必要でない熱を電気に変換する。
【００７９】
エンジン／発電機装置４５及び熱交換器ユニット２５，２６及び２７は上述した全てのプラントで使用することが可能な任意の構成要素である。各々の炭化水素コンバーター３，３ａ，３ｂにおける作動温度によって、各第２出口７，７ａ，７ｂから排出された炭素は相当量の熱エネルギーを含んでいる。排出された炭素の所望の温度によって、大量の熱エネルギーを熱交換器ユニット（図示せず）によって放散することが可能であり、この熱はここで説明されるプロセスで再利用することが可能であり及び／又はエンジン／発電機装置４５を用いて電気に変換することが可能である。
【００８０】
官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素を生成するためのプラント３０及び４０において、炭化水素コンバーター３，３ａ，３ｂからの水素の冷却及び／又はＣＯ２コンバーター９からのＣＯの冷却は、炭化水素及び水素の温度がＣＯコンバーター３１の動作温度以下に低下しない範囲で行われる。ＣＯコンバーター３１の動作温度は、選択されるプロセスによるが通常２００℃から４００℃の間である。
【００８１】
上述した全てのプラントにおいて、炭化水素コンバーター３は１０００℃以上の温度で作動する高温反応器（例えば、クバーナー高温反応器）または２００℃から１０００℃の間の温度で作動する低温反応器（例えば、クバーナー低温反応器）である。現時点でテストされた低温反応器は３００℃から８００℃の温度で作動する。２００℃から８００℃の温度で作動する低温反応器の場合、ＣＯ２コンバーター９が８００℃から１０００℃の間の温度で作動するので、導入された炭素は炭化水素コンバーター３とＣＯ２コンバーター９の間の接続部８で予熱されると考えられる。高温コンバーター及び／又は低温コンバーターとの組み合わせは上述の全てのプラント１，２０，３０及び４０において使用可能であるということは図７及び図８から明らかとなる。
【００８２】
上述した全てのプラント１，２０，３０及び４０において、炭化水素コンバーター３，３ａ，３ｂで生成する炭素の一部がプラント１，２０，３０及び４０のＣＯ２コンバーター９において転換されない限り、前記炭素の一部はカーボンブラック、活性炭或いは他の原料として排出可能である。炭化水素コンバーター３内で生成される水素の一部もまた直接的に工程外に排出され、商品として販売されるということが更に留意される。また、上記全てのプラント３０及び４０において、ＣＯコンバーター３１で生成される望ましくない官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素は戻され、炭化水素コンバーター３の炭化水素入口４，４ａ，４ｂに供給されることが可能である。
【００８３】
ＣＯ２コンバーター９に導入されるＣＯ２、は燃焼式発電所からの排ガスであるか又はＣＯ２は別の工業プロセスにおいて発生すると考えられる。最近、ＣＯ２が気候的に汚染物質と見られているので、環境へのＣＯ２の放出量をより少なくすることに重点が置かれている。上述の排ガスにおいて、ＣＯ２は空気に由来する他のガスとりわけ多量の窒素等と混じりあって合っている。ＣＯ２と他のガスの混合物をＣＯ２コンバーター９に導入する前に、上述したプラント１，２０，３０，４０のいずれかで窒素を分離する必要はない。これらの他のガスが少量だけ存在する限りにおいて、又は、これらの他のガスが化学的に不活性（例えば、窒素）である限り、ＣＯ２コンバーター９の操作は付加的なガスによる影響は受けない。残りの成分である酸素は、炭素の存在下で高い操作温度でＣＯ２コンバーターにおいて燃焼される。
【００８４】
更なる明確化のために幾つかの例を挙げる：
例１：ＣＯ２天然ガス発電所
炭化水素コンバーター３としてのクバーナー反応器によって、メタンは炭素と水素に分解される。炭素の各原子あたり水素の２分子が得られる（ＣＨ４  →  Ｃ  ＋  ２Ｈ２）。従来の天然ガス発電所、例えば、５６１ＭＷの公称容量を有したシーメンス社で製造されたイルシング第４発電所のタイプをみると、排ガスに含まれるＣＯ２がＣＯ２コンバーター９に導入される−１年に１５０万トン。天然ガス発電所の排ガス中のＣＯ２は、炭化水素コンバーター３から排出される炭素の半分に減らされる。炭化水素コンバーター３からの水素は冷却され、放散された熱はエンジン／発電機装置４５によって電気に変換される。天然ガス発電所からのＣＯ２は、ＣＯ２コンバーター９内のホット炭素上に導かれ、ブドワール平衡（ＣＯ２＋Ｃ→２ＣＯ）に従って２倍の量の一酸化炭素に変換される。ＣＯ２コンバーター９から排出されるホット一酸化炭素は冷却され、放散された熱は電気に変換される。ＣＯ２コンバーター９（ブドワール平衡）からの一酸化炭素と炭化水素コンバーター３（クバーナープロセス）からの水素は、ＣＯコンバーター３１（フィッシャー・トロプシュプラント）において変換され、炭化水素を形成する。シェルによるＳＭＤＳプロセス（Ｓｈｅｌｌ  Ｍｉｄｄｌｅ  Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｅ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  プロセス）から後段の重質パラフィン変換モジュールに接続される重質パラフィン合成モジュールが好ましい。プロセスからの熱は電気に変換される。結果物としての炭化水素の性質は、選択されたフィッシャー・トロプシュプロセスに依存し、シェルＳＭＤＳプロセスにおいて変化する。
６０．４％の効率を有した特定の天然ガス発電所（５６１ＭＷ）においてプロセス熱を電気に変換するときの効率を６０％とし、且つ、放散された熱を電気に変換するときの効率を５０％とすると、プロセスは次のパラメーターを有する：
メタンの消費量                ２，５１５，０００，０００  Ｎｍ３  ＣＨ４／年間
電気の発生量                  ３１３ＭＷ
カーボンブラックの生成量      ４４７，０００トン／年間
パラフィンの生成量            １，０００，０００トン／年間
ＣＯ２の放出量                ほとんど無し
効率                          天然ガス発電所      ３３．７％
トータル            ６６．８％
例２：ガス−トゥ−リキッド（ＧｔＬ）プラント
例１からのプラントがプロセス熱及び放散熱を電気に変換することなく操作される場合、電気はほとんど発生しない。この場合の例はガス状物質（一酸化炭素及びメタン）を液体燃料（オットー及びディーゼル燃料、ケロシン）に変換するプロセスであり、いわゆるガス−トゥ−リキッドプラント又はＧｔＬプラントと呼ばれるものである。この例では、炭素の付加的な量が生成される。
パラメーターは以下の通りである：
メタンの消費量                ２，５１５，０００，０００  Ｎｍ３  ＣＨ４／年間
電気の発生量                  ０  ＭＷ
カーボンブラックの生成量      ４４７，０００トン／年間
パラフィンの生成量            １，０００，０００トン／年間
ＣＯ２の放出量                ほとんど無し
【００８５】
本発明は特定の実施形態及び例に関して詳細に説明したが、これらの例に限定されることはない。特に、個々の実施形態の構成要素は、互換性がある場合、互いに組み合わせることが可能であり及び／又は互いに交換することが可能である。当業者は以下のクレームの範囲内において多数の改良及び変更が可能である。官能基を有する及び／又は官能基を有さない合成炭化水素を発生するプラントの特別の簡易な実施形態においては、ＣＯ２コンバーターは単純なパイプとして（例えば、分離ユニットが無く、高温の炭化水素コンバーターの出口パイプとして）設計可能であり、ＣＯ２パイプは前記パイプに通じる。ＣＯ２パイプは、二つのガスの流れが良好に混合しあうように前記パイプに合流するべきである。パイプを（特に操作の最初で）動作温度に加熱するために、パイプは、例えば、入口部分で断熱することが好ましく、加熱ユニットに接続しても良い。また、下流で、パイプは、余剰の熱を引き出して、プラントの他の部分を加熱するため及び／又は発電するため、この熱を使用するようになっている熱交換器ユニットに接続されることが好ましい。加えて、パイプは、同一のパイプがＣＯ２コンバーターとして機能するのみならず、合成ガスを生成するための混合室としても機能するように、水素用の入口パイプ（例えば、熱交換器ユニットの下流で）からなっていてもよい。水素用の入口パイプは低温炭化水素コンバーター（分離ユニットを備える）の水素用の出口から始まっても良い。この場合、所定の混合比を有した合成ガスが排出されるパイプの出力端はＣＯコンバーター内で終わってもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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