(57)【要約】【課題】【解決手段】第一の流れ５８を蒸気改質装置４０に供給して実質的に１００％の蒸気から成る第二の流れ６０を発生させ、第一の流れ５８の分子組成が第二の流れ６０の分子組成と同一であるようにするステップを備える蒸気を発生させる方法が提供され、蒸気改質装置４０は改質装置出口５１と流体的に連通した改質装置入口４９と、改質装置入口４９と改質装置出口５１との間に配置され且つ該入口及び出口と流体的に連通した少なくとも１つの管４２とを備え、少なくとも１つの管４２は蒸気改質装置４０の加熱炉４３と熱的に連通している。蒸気を発生させる蒸気改質装置も開示されている。
2009513481.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気を発生させる方法において、
（ｉ）第一の流れを蒸気改質装置に供給する工程であって、
前記第一の流れは、ほぼ１００重量％の水から成り、約１８５℃以上の温度と、約１１５０ｋＰａ以上の圧力とを有し、
前記第一の流れの少なくとも約５０重量％は蒸気の形態をしており、
前記蒸気改質装置は、改質装置出口と流体的に連通した改質装置入口と、前記改質装置入口と前記改質装置出口との間に配置され且つ前記改質装置入口及び前記改質装置出口と流体的に連通した少なくとも１つの管とを備え、
前記少なくとも１つの管は、前記蒸気改質装置の加熱炉と熱的に接続している、工程と、
（ｉｉ）約７６０℃以上の温度と１１５０ｋＰａ以上の圧力とを有するほぼ１００重量％の蒸気から成り、前記第一の流れの分子組成と同一の分子組成を有する第二の流れを発生させるように、前記少なくとも１つの管内の蒸気流れの少なくとも一部分を加熱する工程と、
（ｉｉｉ）前記第二の流れを前記蒸気改質装置の前記出口から除去する工程と
を備える、蒸気を発生させる方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記少なくとも１つの管は、パーラロイから成る、方法。
【請求項３】
請求項１又は２の何れか１つに記載の方法において、前記少なくとも１つの管は、複数の管である、方法。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れか１つに記載の方法において、不活性な充填材料が、前記第一の流れ中に乱流を提供し得るように、前記少なくとも１つの管に対して寸法が決められ配置される、方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法において、前記充填材料は、従来の改質装置触媒を含む、方法。
【請求項６】
請求項４から請求項５の何れか１つに記載の方法において、前記充填材料は、不活性材料の粒子を含む、方法。
【請求項７】
請求項４から請求項６の何れか１つに記載の方法において、前記充填材料は、セラミックボール、シリンダ、サドル、ペレット、又はこれらの組み合わせから成る、方法。
【請求項８】
請求項４から請求項７の何れか１つに記載の方法において、前記充填材料は、約８ｍｍないし約５０ｍｍの直径を有するボール又はペレットから成る、方法。
【請求項９】
請求項４から請求項８の何れか１つに記載の方法において、前記充填材料は、自然石、砂利、又はこれらの組み合わせから成る、方法。
【請求項１０】
請求項１から請求項９の何れか１つに記載の方法において、前記第一の流れは、約１８５℃以上ないし約２３０℃の温度及び１１５０ｋＰａないし約２１７０ｋＰａの圧力の蒸気によって運ばれた約０重量％ないし約２０重量％の自由水から成る、方法。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０の何れか１つに記載の方法において、前記第一の流れは、約２０重量％以下の自由水から成る、方法。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１の何れか１つに記載の方法において、前記第一の流れは、約５ないし１５重量％の自由水から成る、方法。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２の何れか１つに記載の方法において、前記第一の流れは約、５ないし約１０重量％の自由水から成る、方法。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３の何れか１つに記載の方法において、前記第一の流れは、約１８５℃ないし約５５０℃の温度である、方法。
【請求項１５】
請求項１から請求項１４の何れか１つに記載の方法において、前記第一の流れは、約４５０℃ないし約５５０℃の温度である、方法。
【請求項１６】
請求項１から請求項１５の何れか１つに記載の方法において、前記第一の流れは、約１１５０ｋＰａないし約４６００ｋＰａの圧力である、方法。
【請求項１７】
請求項１から請求項１６の何れか１つに記載の方法において、前記第一の流れは、約１１５０ｋＰａないし約２１７０ｋＰａの圧力である、方法。
【請求項１８】
請求項１から請求項１７の何れか１つに記載の方法において、前記第二の流れは、実質的に過熱蒸気から成る、方法。
【請求項１９】
請求項１から請求項１８の何れか１つに記載の方法において、前記第二の流れは、約７６０℃ないし約９００℃の温度と、１１５０ｋＰａないし４６００ｋＰａの圧力とを有する、方法。
【請求項２０】
請求項１請求項１９の何れか１つに記載の方法において、前記第一の流れは、前記第一の流れを前記蒸気改質装置に提供する前に、前記蒸気改質装置の加熱炉からの排気ガスを使用して加熱される、方法。
【請求項２１】
請求項１から請求項２０の何れか１つに記載の方法において、前記第一の流れは、前記蒸気改質装置内にて加熱され、前記第二の流れを少なくとも８０％の効率にて発生させる、方法。
【請求項２２】
請求項１から請求項２１の何れか１つに記載の方法において、前記第二の流れの前記蒸気改質装置からの除去に続いて、熱交換器内の前記第二の流れを約２００℃ないし約３２０℃の温度まで冷却する工程を更に備える、方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法において、前記第二の流れは、前記熱交換器内にてボイラー給水にて冷却される、方法。
【請求項２４】
蒸気を発生させる方法において、
（ｉ）第一の流れを蒸気改質装置に供給する工程であって、
前記第一の流れは、ほぼ１００重量％の水から成り、約４５０℃ないし約５５０℃の温度と、約１１５０ｋＰａないし約４６００ｋＰａの圧力とを有し、
前記第一の流れの少なくとも約８０重量％は、蒸気の形態をしており、
前記蒸気改質装置は、改質装置出口と流体的に連通した改質装置入口と、前記改質装置入口と前記改質装置出口との間に配置され且つ前記改質装置入口及び前記改質装置出口の間にて流体連通状態にある複数の管と、を備え、
不活性な充填材料が、複数の管の各々に対し第一の流れ中に乱流を提供するように、寸法が決められて配置され、前記充填材料は、約８ｍｍないし約５０ｍｍの直径を有するセラミックボール、シリンダ、サドル、ペレット、自然石、自然の砂利、又はこれらの組み合わせから成り、前記管は、前記蒸気改質装置の加熱炉と熱的に接続されており、
（ｉｉ）約７６０℃以上の温度と１１５０ｋＰａ以上の圧力とを有する過熱された蒸気のほぼ１００重量％から成り、第一の流れの分子組成と同一の分子組成を有する第二の流れを発生させるように、前記少なくとも１つの管内にて前記第一の流れの少なくとも一部分を加熱する工程と、
（ｉｉｉ）前記第二の流れを前記蒸気改質装置の前記出口から除去する工程と
を備える、蒸気を発生させる方法。
【請求項２５】
蒸気を発生させるシステムにおいて、
第一の流れを蒸気改質装置に供給する手段を備え、
前記第一の流れはほぼ１００重量％の水から成り、約１８５℃以上の温度と、約１１５０ｋＰａ以上の圧力とを有し、前記第一の流れの少なくとも約８０重量％は蒸気の形態をしており、
前記第一の流れよりも高温度を有し前記第一の流れの分子組成と同一の分子組成を有する第二の流れを発生させるように、前記第一の流れを前記蒸気改質装置内にて加熱する手段と、
前記第二の流れを前記蒸気改質装置の出口から除去する手段と
を備える、蒸気を発生させるシステム。
【請求項２６】
改質装置出口と流体的に連通した改質装置入口と、前記改質装置出口と前記改質装置入口との間に配置され且つ前記改質装置入口及び前記改質装置出口と流体的に連通した複数の管とを備える、蒸気を発生させる蒸気改質装置において
不活性な充填材料が、前記複数の管の各々に対し、前記第一の流れ中に乱流を提供するように寸法を決められて配置され、前記充填材料は、約８ｍｍないし約５０ｍｍの直径を有する、セラミックボール、シリンダ、サドル、ペレット、自然石、自然の砂利、又はこれらの組み合わせから成っており、
前記管は、前記蒸気改質装置の加熱炉と熱的に接続している、蒸気を発生させる蒸気改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改造した蒸気改質装置を使用して蒸気を発生させるシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体状又は液体炭化水素燃料を改質する既知の方法は、触媒式蒸気改質法による。この方法において、蒸気及び炭化水素燃料の混合体は、高温度にて適正な触媒に曝される。使用される触媒は、典型的に、低二酸化ケイ素の耐火性基材上に堆積させたニッケル酸化物を保持しており、過程は、通常、約７００℃ないし約１０００℃の範囲の温度にて行われる。触媒は、典型的に、加熱炉内にて管内に配置され、反応は、気体を触媒に通すことにより実行される。メタン又はその他の炭化水素が反応装置管内にて蒸気と反応し、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ２）及び水素を形成する。
【０００３】
メタン又は天然ガスを改質する過程（改質過程）の場合、水素は、次の全体的な反応に従って触媒式蒸気改質過程にて遊離される。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２
第二の反応は、僅かに発熱性である一方、第一の反応は、極めて吸熱性であり、外部の熱源及び蒸気源を必要とする。要求される熱は、典型的に、精製した燃料気体、圧力スイング吸着器（ＰＳＡ）パージガス、及び（又は）その他の燃料気体を燃焼させることにより供給される。商業的な蒸気改質装置は、典型的に、外部から加熱された触媒充填管を備えており、典型的に、６０％以下の熱効率を有する。しかし、特定の蒸気改質装置は、より高い効率を有する。一例としての高効率の改質装置は、ダヴィパワーガス（Ｄａｖｙ  Ｐｏｗｅｒｇａｓ）によって製造され且つ販売されている。
【０００４】
気体状又は液体炭化水素燃料を改質する別の従来の方法は、部分酸化改質法である。部分酸化改質法において、炭化水素燃料と酸素を保持する気体との混合体は、部分酸化室内にて接触させ且つ、好ましくは、触媒の存在下にて高温度に曝される。使用される触媒は、通常、貴金属又はニッケルであり、高温度は、通常、触媒式反応のため、約７００℃ないし約１２００℃の範囲にあり、また、非触媒式反応のため、約１２００℃ないし約１７００℃の範囲にある。メタン又は天然ガスの場合、水素は、次の全体的な反応に従って部分酸化室内にて遊離される。
【０００５】
ＣＨ４＋１／２Ｏ２→ＣＯ＋２Ｈ２
この反応は、極めて発熱性であり、開始したならば、自己充足に十分な熱を発生させる。外部の熱供給又は蒸気の供給は全く不要である。触媒式部分酸化改質技術は、触媒式蒸気改質技術よりも簡単であるが、触媒式蒸気改質法ほど、熱的に効率的ではない。
【０００６】
炭化水素燃料を改質する別の方法は、自己熱改質法、すなわち「ＡＴＲ」である。自己熱改質法は、蒸気改質法と部分酸化改質法との組み合わせを使用する。部分酸化改質反応からの廃熱は、熱蒸気改質反応を加熱するため使用される。自己熱改質装置は、多くの場合、触媒蒸気改質装置又は触媒部分酸化改質装置の何れよりもより効率的である。メタン又は天然ガスを炭化水素燃料として使用して水素は、次の全体的な反応に従って遊離される。
【０００７】
ＣＨ４＋ｙＨ２Ｏ＋（１−ｙ／２）Ｏ２→ＣＯ２＋（２＋ｙ）Ｈ２、ここで  ０＜ｙ＜２
改質過程の最終製品は、典型的に、合成ガスと称される。上述した色々な改質法からの合成ガス（ｓｙｎ  ｇａｓ）は、多様な二次的過程にて使用することができる。例えば、合成ガスは、一酸化炭素と水素とを組み合わせて触媒の存在下にてメタノールを形成する過程にて使用することができる。
【０００８】
勿論、蒸気を生じさせて設備内のその他の過程用の電気を発生させるため、工業的設備にて色々な過程の熱を使用することも周知である。蒸気改質装置を使用して電気を発生させるため合成ガスを形成することを含む、色々な工業的過程からの熱間の排気ガス及び蒸気を使用する一例としてのシステムは、米国特許明細書番号６，６１９，０４１及び米国特許明細書番号５，０６６，３２５に開示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
メタノールの製造にて使用するため一酸化炭素及び水素を発生させる蒸気改質装置を有する多くの工業的設備、特に、米国におけるものは、今日、メタノールの供給源が比較的低廉に利用できる。こうした工業的設備の多くの操業者にとって、蒸気改質装置により発生された合成ガスからメタノール及び同様のものを製造するよりも、メタノール及び蒸気改質装置の下流のその他の製品を供給業者から購入する方が経済的により魅力的である。
【００１０】
従って、蒸気改質装置が設置される設備に対して有利な効果を提供しつつ、これらのシステムと関係した多額の費用を削減することができるような態様にて既存の蒸気改質装置を利用する必要性が存する。こうした型式の設備において、本明細書にて説明したシステム及び方法は、設備に対する一定の資本コストを表わす蒸気改質装置に対する経済的に魅力のある代替的な使用を提供するのに特に有用である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、色々な工業的過程にて使用するため蒸気を効率的に発生させるシステム及び方法に関する。システム及び方法は、少なくとも１つの既存の蒸気改質装置を含むシステムを改造し且つ（又は）レトロフィットすることにより提供される。本発明の１つの形態において、蒸気を発生させる方法は、
（ｉ）第一の流れを蒸気改質装置に供給するステップを備え、
第一の流れはほぼ１００重量％の水から成っており、
また、約１８５℃以上の温度と、
約１１５０ｋＰａ以上の圧力と、を有し、
第一の流れの少なくとも約５０重量％は蒸気の形態をしており、
蒸気改質装置は、改質装置出口と流体的に連通した改質装置入口と、改質装置入口と改質装置出口との間に配置され且つ該入口及び出口と流体的に連通した少なくとも１つの管と、を備え、
少なくとも１つの管は、蒸気改質装置の加熱炉と熱的に連通しており、
（ｉｉ）上記少なくとも１つの管内の上記第一の流れの少なくとも一部分を加熱して約７６０℃以上の温度及び１１５０ｋＰａ以上の圧力のほぼ１００重量％の蒸気から成る第二の流れを発生させ、第一の流れの分子組成は第二の流れの分子組成と同一であるようにするステップと、
（ｉｉｉ）上記第二の流れを上記蒸気改質装置の上記出口から除去するステップとを備えている。
【００１２】
本発明の別の形態において、蒸気を発生させる過程は、
（ｉ）第一の流れを蒸気改質装置に供給するステップを備え、
第一の流れは、ほぼ１００重量％の水から成り、
約４５０℃ないし約５５０℃の温度と、
約１１５０ｋＰａないし約４６００ｋＰａの圧力とを有し、
第一の流れの少なくとも約８０重量％は、蒸気の形態をしており、
蒸気改質装置は、改質装置出口と流体的に連通した改質装置入口と、改質装置入口と改質装置出口との間に配置され且つ該入口及び出口の間にて流体連通状態にある複数の管と、を備え、
不活性な充填材料は、複数の管の各々に対し第一の流れ中に乱流を提供するような寸法及び配置とされ、充填材料は、約８ｍｍないし約５０ｍｍの直径を有するセラミックボール、シリンダ、サドル、ペレット、自然石、自然の砂利、又はこれらの組み合わせから成り、管は、蒸気改質装置の加熱炉と熱的に連通しており、
（ｉｉ）少なくとも１つの管内にて上記第一の流れの少なくとも一部分を加熱して約７６０℃以上の温度及び１１５０ｋＰａ以上の圧力の過熱された蒸気のほぼ１００重量％から成る第二の流れを発生させ、第一の流れの分子組成は第二の流れの分子組成と同一であるようにするステップと、
（ｉｉｉ）上記第二の流れを上記蒸気改質装置の上記出口から除去するステップとを備えている。
【００１３】
本発明の更に別の形態において、蒸気を発生させる過程は、
第一の流れを蒸気改質装置に供給するステップを備え、第一の流れはほぼ１００重量％の水から成り、約１８５℃以上の温度と、約１１５０ｋＰａ以上の圧力とを有し、第一の流れの少なくとも約８０重量％は蒸気の形態をしており、
第一の流れを蒸気改質装置内にて加熱し、第一の流れよりも高い温度を有する第二の流れを発生させ、第一の流れの分子組成は第二の流れの分子組成と同一であるようにする手段と、
第二の流れを蒸気改質装置の出口から除去する手段とを備えている。
【００１４】
本発明の更に別の形態において、蒸気を発生させる蒸気改質装置は、改質装置出口と流体的に連通した改質装置入口と、改質装置入口と改質装置出口との間に配置され且つ該入口及び出口と流体的に連通した複数の管とを備え、
不活性な充填材料は、複数の管の各々に対し第一の流れ中に乱流を提供するような寸法及び配置とされ、充填材料は、約８ｍｍないし約５０ｍｍの直径を有する、セラミックボール、シリンダ、サドル、ペレット、自然石、自然の砂利、又はこれらの組み合わせから成っており、
管は蒸気改質装置の加熱炉と熱的に連通している。
【００１５】
説明したシステム及び過程は、かかるメタノール製造する目的のための合成ガスを発生させるべく従来から使用されている蒸気改質装置を有し、かかる合成ガスの必要性が最早、存在せず又は少なくなった設備内にて蒸気を発生させるのに特に有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、色々な工業的過程にて使用される蒸気を効率的に発生させるシステム及び過程に関する。本明細書にて説明したシステム及び過程は、多様な目的のための蒸気を発生させるべく合成ガスを製造する設計とされた蒸気改質装置を利用する。全体として、蒸気改質装置を製造し且つ維持することは極めて費用がかかる。従って、全体として、蒸気を一般的に発生させるため工業的設備にて使用するのに適したより経済的な代替例が存在する。しかし、合成ガスの製造のため、最早、既存の蒸気改質装置を使用する必要がない設備において、かかる蒸気改質装置は、多量の蒸気を効率的に発生する装置を提供することができることが判明した。このため、本明細書に記載したシステム及び過程は、色々な工業的用途用の蒸気を発生させるため少なくとも１つの既存の蒸気改質装置を含む、システムの経済的に魅力的なレトロフィット又は改造を実現する。
【００１７】
本発明に従って使用するのに適した型式の蒸気改質装置は、管状の改質装置と、自己熱改質装置と、断熱改質装置と、循環改質装置と、同様のものとを含む。これらの改質装置管の主要な相違点は、吸熱性改質反応のため熱が供給される態様である。管状改質装置において、熱はシリンダの壁を通して触媒材料に供給される（例えば、米国特許番号４，０９８，５８９参照）。自己熱改質装置において、熱は、改質装置に入る加熱されたガスによって直接、触媒床に供給される（例えば、米国特許番号３，９７６，５０７参照）。循環質装置において、１組みの改質装置は燃焼相（燃料及び空気が反応する）の下、連続的に作動されて水素発生相のために必要な熱を提供する一方、別の組みの改質装置は、水素発生相（炭化水素及び蒸気が反応する）の下、作動されるようにして、複数の改質装置が作動され、改質装置の温度が水素発生相にて水素を発生させるのに必要な値以下に降下したとき、相を切り換える（例えば、米国特許番号４，２９４，３１５参照）。断熱改質装置において、蒸気改質装置内に進む前に、必須の熱を蒸気及び炭化水素に供給するため従来の熱交換器が利用される。一般に、適正な蒸気改質装置は、改質装置出口と流体的に連通した改質装置入口と、改質装置入口と改質装置出口との間に配置され且つ該入口及び出口と流体的に連通した１つ又はより多くの管とを備えるだけでよい。１つ又はより多くの管は、加熱炉と又は蒸気改質装置に供給されたその他の熱源と熱的に連通していることが好ましい。従って、１つ以上の管がしばしば蒸気改質装置の火室内に配置されている。本発明の目的のため、１つ又はより多くの管は、全体として１つの改質装置部分を示すため使用され、蒸気改質装置の供給ストックは、熱の存在下にて触媒と予め接触して供給分が生産物に変換される改質過程を実行する。従って、１つ又はより多くの管は、円形の断面を有する管にのみ限定する必要はなく、構造及び表面の色々な任意の配置を含むことができ、蒸気改質装置への供給分は、典型的な蒸気改質装置の作動と適合して合成ガス又はその他の生産物に変換される。
【００１８】
本明細書に記載したシステム及び過程において、第一の流れは、蒸気改質装置の入口に供給され、次に、この流れは、蒸気改質装置内にて加熱され、第二の流れを発生させる。好ましくは、第一の流れは、約１８５℃ないし約３５０℃の温度と、約１１５０ｋＰａないし４６００ｋＰａの圧力とにて蒸気改質装置に供給されるものとする。第一の流れは、ほぼ１００重量％の水から成っており、少なくとも５０重量％、好ましくは少なくとも８０重量％の蒸気を保持し、第一の流れの残りの部分は自由（液体）水を含むことができる。
【００１９】
このことは、蒸気の形態にて約７４％の水から約７７重量％の水までを含むことができる、従来の蒸気改質装置に向けられる流れと相違する。勿論、従来の改質装置流れ中の蒸気の一部分は、改質装置内にて炭化水素流れが変換される時に消費される。しかし、全体として、合成ガスを製造するとき作動した蒸気改質装置から出る流れは、約４５重量％ないし約５３重量％の余剰な蒸気を保持する。この蒸気は、典型的に、その後の精製ステップにて蒸気改質装置内で発生された合成ガスから回収される。
【００２０】
本明細書に記載したシステム及び過程において、改質装置は、ほぼ１００重量％の水を保持して、１８５℃ないし約３５０℃の温度と、１，１５０ｋＰａないし約４，６００ｋＰａの圧力とを有し、水の約８０重量％ないし約１００重量％が蒸気の形態にあり、任意の非蒸気部分が自由水を含む第一の流れを約７６０℃ないし約９００℃の温度と、約１，１５０ｋＰａないし約４，６００ｋＰａの圧力とにてほぼ１００重量％から成る第二の流れに変換するため使用される。勿論、第一の流れ及び第二の製品流れの双方のより高温度及び高圧力は、本発明の範囲に属し、これらは、特定の蒸気改質装置が作動する環境内でのシステムの必要条件に依存する。
【００２１】
本明細書に記載したように、蒸気を全体的に発生させるため蒸気改質装置を使用することは、ボイラー等のような従来のシステムと比較して蒸気をより効率的に発生させることを可能にすることができる。蒸気の発生効率は、蒸気改質装置に供給された熱を発生させるときに使用される燃料源からの理論的に可能な熱量に比例する実際の蒸気の発生量にて決定される。かかる方法は、当該技術にて周知である。勿論、本発明に従った蒸気の発生効率は、特定の蒸気改質装置の設計に依存する。しかし、本発明に従った蒸気改質装置は、少なくとも６０％、好ましくは少なくとも７０％、好ましくは少なくとも８０％、より好ましくは少なくとも約８３％の効率にて蒸気を発生させることが好ましい。一方、ガス炊きボイラーのような従来の蒸気発生システムは、約８３％よりも低効率にて蒸気を発生させる。
【００２２】
典型的な蒸気改質装置の対流熱回収部分は、全体として蒸気を発生させるため利用される従来のボイラーと比較して過大な寸法であることが予期せずに判明した。この蒸気改質装置の属性は、従来の蒸気発生システムと比較して熱効率を向上させることを許容すると考えられる。
【００２３】
しかし、既存の蒸気改質装置が高効率にて蒸気を発生させることができない場合であっても、本発明は、有用な代替例であり、それは、本明細書に記載したようにレトロフィットし、且つ（又は）作動させたかかる装置は、蒸気発生設備を拡張し又は製造する場合よりも少ない資本コストにて信頼性の高い蒸気源を提供することができるからである。
【００２４】
本発明の１つの実施の形態において、蒸気を発生させる過程は、
（ｉ）第一の流れを蒸気改質装置に供給するステップを備え、
第一の流れは、ほぼ１００重量％の水から成っており、約１８５℃ないし約３５０℃の温度と、約１１５０ｋＰａないし約４６００ｋＰａの圧力と、を有し、また、第一の流れの少なくとも約８０重量％は蒸気の形態をしており、
蒸気改質装置は、改質装置出口と流体的に連通した改質装置入口と、改質装置入口と改質装置出口との間に配置され且つ該入口及び出口と流体的に連通した少なくとも１つの管と、を備え、
少なくとも１つの管は、蒸気改質装置の加熱炉と熱的に連通しており、
（ｉｉ）上記少なくとも１つの管内の上記第一の流れの少なくとも一部分を加熱して約７６０℃ないし約９００℃の温度と、１１５０ｋＰａないし約４６００ｋＰａの圧力とのほぼ１００重量％の蒸気から成る第二の流れを発生させるステップと、
（ｉｉｉ）上記第二の流れを蒸気改質装置の出口から除去するステップと、を備えている。
【００２５】
先行技術の図１は、蒸気改質装置システムの一体部分として従来の蒸気改質装置の概略図を示す。従来の蒸気改質装置２は、典型的に、１つ又はより多くの触媒充填管４と熱的に連通した火室又は加熱炉３を含み、該触媒充填管を通って蒸気及び炭化水素の混合体を改質装置入口９から改質装置出口１１まで導くことができる。燃料ガス源６は、エネルギを提供して加熱炉３、従って改質装置２を約９００℃ないし約１，０５０℃の温度に維持する。図示した実施の形態において、燃焼空気源８は、改質装置２に提供されて、酸素を加熱炉３に供給する。
【００２６】
典型的な作動時、メタン燃料ガス流れのような炭化水素ガス流１０は、加湿器１４のような装置内にて蒸気を保持する水蒸気及び（又は）余剰な水１２と混合し且つ加熱される。次に、混合体は、混合流れ１６として加湿器１４から除去する。次に、混合流れ１６は、典型的に、加熱炉３内にて発生された蒸気改質装置２の排気ガス２０内に配置することができる熱交換器／管１８を通って流れるとき予加熱される。混合流れ１６は、加熱されて予加熱した流れ２２を発生させる。予加熱した流れ２２中の蒸気（すなわち、Ｈ２Ｏ）対炭素の分子比は、典型的に、２．６ないし３．２である。従って、予加熱した流れ２２中に存在する水は、典型的に、混合流れ１６の全重量に基づいて、７４重量％ないし７７重量％の範囲にある。次に、予加熱した流れ２２は、改質装置入口９及び触媒充填管４を通して導くことができ、この場合、混合流れ１６は改質装置２内にて加熱され、上述した改質反応が行われて合成ガスを発生させる。
【００２７】
従って、典型的な蒸気改質装置の作動下にて、触媒充填管４内にて、予加熱された流れ２２中にて送り出されたメタン、及び少量のその他の炭化水素及び水は、上述した混合法に従って一酸化炭素、二酸化炭素及び水素に変換され、余剰な蒸気を保持する湿った合成ガス流２４を発生させる。次に、余剰な蒸気は、典型的に、蒸気を水として凝縮させ水再循環流れ２６にすることにより、従来の手段によって湿った合成ガス流２４から回収することができる。次に、水再循環流れ２６は、改質装置過程又はその他の過程にて再使用することができる（例えば、再循環させて水流１２に戻すことができる）。次に、形成される濃縮した合成ガス２８は、メタノールの製造を含む、上述したように色々な過程にて使用することができる。
【００２８】
図２は、本発明に従った改変した蒸気改質装置の１つの実施の形態の概略図を示す。本明細書にて説明したシステム及び過程は、合成ガス及び余剰な蒸気に代えて、蒸気を発生させ得るように改変し又は改造した図１に示した従来の合成ガスを発生させる蒸気改質装置の配置を含む。
【００２９】
図示した実施の形態において、１つ又はより多く、典型的に、複数の管４２と熱的に連通した火室又は加熱炉４３を有する改造した改質装置４０が示されている。燃料ガス源４４及び燃焼空気源４６は、加熱炉４３内にて消費され、改造した改質装置４０を少なくとも約８５０℃、より好ましくは約８５０℃ないし約９５０℃の温度に維持すべくエネルギ（熱）を提供する。約２０重量％の自由水と、約８０重量％ないし約１００重量％の蒸気から成り、約１８５℃ないし約３５０℃の温度と、約１，０２５ｋＰａないし２，１７０ｋＰａの圧力とを有する供給流れ４８が改造した蒸気改質装置４０の入口４９に供給される。図２に示したように、供給流れ４８は、改造した改質装置４０の熱間排気ガスの出口５２内に配置された熱交換器及び管５０を通って流れるときに予加熱して、予加熱された流れ５４を発生させることができる。予加熱された流れ５４は、約４５０℃ないし約５５０℃の温度と、約１，８２５ｋＰａないし２，１７０ｋＰａの圧力とであることが好ましい。
【００３０】
水流５６はまた、予加熱された流れ５４に水を提供して第一の流れ５８を発生させることもできる。１つの実施の形態において、水流５６は、第一の流れ５８中にて２０重量％までの自由水を発生させるのに十分な量にて水を予加熱された流れ５４に提供する。好ましくは、水流５６により提供された水量は、第一の流れ５８中にて２０重量％の自由水を提供するのに必要な量に等しく又はそれ未満の量とするものとする。
【００３１】
特定の実施の形態において、水流５６により提供される水量は、飽和状態にて第一の流れ５８を発生させるのに十分な量である。その他の実施の形態において、水流５６により提供される水量は、第一の流れ５８に対し約１重量％ないし約２０重量％の自由水を提供するのに十分な量である。追加的な実施の形態において、水流５６により提供される水量は、第一の流れ５８に対し約５重量％ないし約１５重量％の自由水を提供するのに十分な量である。更にその他の実施の形態において、水流５６により提供される水量は、第一の流れ５８に対して約５重量％ないし約１０重量％の自由水を提供するのに十分な量である。
【００３２】
改質装置入口４９に提供された第一の流れ５８は、１８５℃以上の温度を有することが好ましく、好ましくは、第一の流れ５８は約１８５℃ないし約５５０℃の温度を有し、より好ましくは、第一の流れ５８は約４５０℃ないし約５５０℃の温度を有するものとする。
【００３３】
第一の流れ５８は、少なくとも約１１５０ｋＰａの圧力を有し、好ましくは、第一の流れ５８は、約１１５０ｋＰａないし約４６００ｋＰａの圧力を有し、約１，８２５ｋＰａないし約２，１７０ｋＰａの圧力を有することがより好ましい。
【００３４】
次に、第一の流れ５８の少なくとも一部分、好ましくは、第一の流れ５８の全てが改質装置入口４９、複数の管４２を通して導かれ、次に、改質装置出口５１を通って改造された改質装置４０から除去されるようにする。本明細書にて説明した過程及びシステムにおいて、改造した改質装置４０内の管４２は、第一の流れ５８が改造された改質装置４０の加熱炉４３内にて発生された熱エネルギを吸収して蒸気の形態、好ましくは、改質装置出口５１を通って改造された改質装置４０から出る過熱された蒸気の形態にて約１００重量％の水から成る第二の流れ６０を発生させる滞留空間を提供するようにする。
【００３５】
好ましい実施の形態にて、第二の流れ６０のほぼ全ては、過熱された蒸気である。好ましくは、第二の流れ６０は、少なくとも約７６０℃、好ましくは、約７６０℃ないし約９００℃の温度、また、少なくとも約１１５０ｋＰａ、より好ましくは、１，１５０ｋＰａないし約４，６００ｋＰａの圧力を有するものとする。
【００３６】
管４２は、熱源と熱的に連通している必要がある。従って、管４２は伝熱性材料から成るものとする必要がある。管４２は、鉄合金（スチール）、好ましくは、防食性で、十分な熱伝達を実現するいわゆる超合金から成ることが好ましい。１つの実施の形態において、管４２は、耐熱性合金、好ましくは、メルボルン、ドンカスターズ  リミテッド（Ｄｏｎｃａｓｔｅｒｓ  Ｌｔｄ）から入手可能なパーアロイ（Ｐａｒａｌｌｏｙ）又は同様のものから成るものとすることができる。
【００３７】
１つの実施の形態において、管４２は触媒反応を提供しない。従って、第一の流れ５８の分子組成は、第二の流れ６０の分子組成と同一である。改造した蒸気改質装置４０内にて行われる唯一の過程は、温度の上昇及び（又は）液体水から蒸気への相変換である。
【００３８】
別の実施の形態において、管４２は、管４２内にて加熱されるとき、第一の流れ５８中に乱流を提供する充填材料４５を含むものとすることができる。従って、充填材料４５は、加熱炉４３（従って管４２）と、第一の流れ５８との間の熱伝達を向上させる任意の材料を含むことができる。１つの実施の形態において、充填材料４５は、従来の改質装置触媒を含むことができる。このように、充填材料４５は、第一の流れ５８の混合及び均一な加熱を保証する機能を果たす流れ特徴を管４２内にて提供することができる。管４２は、表面積を増大させ、乱流又は同様のものを付与して加熱炉４３と第一の流れ５８との間の熱伝達効率を向上させることもできる。
【００３９】
別の実施の形態において、充填材料４５は、管４２内に位置決めされ且つ配置されて、乱流を提供し、従って、第一の流れ５４への均一な熱伝達を保証する不活性材料の粒子から成るものとすることができる。１つの実施の形態において、充填材料は、ノートンケミカルプロダクト事業部（Ｎｏｒｔｏｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｒｏｄｕｃｔ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ）からデンストーン（Ｄｅｎｓｔｏｎｅ）という名称にて市販されているものを含んで、セラミックボール、シリンダ、サドル、ペレット及び（又は）同様のものを含むことができる。
【００４０】
充填材料４５は、約８ｍｍないし約５０ｍｍの直径を有するボール又はペレットを含むことが好ましい。別の実施の形態において、管４２は、自然石又は砂利を含む充填材料４５から成るものとすることができる。
【００４１】
改質装置出口５１を通って改造した改質装置４０から出たとき、次に、第二の流れ６０を使用して、工業的コンプレックスの全体にわたって色々な用途に対する蒸気及び熱源を提供することができる。
【００４２】
図２に示した実施の形態において、第二の流れ６０は、熱交換器６２に導かれる状態にて示されており、ここで、第二の流れ６０のエネルギ値の一部分は、約９０℃ないし約３００℃の温度と、約１，８２５ｋＰａないし約４，６００ｋＰａの圧力とのボイラー給水流れとすることができる設備流れ６４に伝達される。次に、設備流れ６４は、改造した改質装置４０の排気ガス５２内に設けられた別の熱交換器６６に向けて、設備流れ６４の温度を更に上昇させることができる。最終的に、次に、設備流れ６４は、流れ分離装置６８に導くことができ、ここで、設備流れ６４を補給水と組み合わせて供給流れ４８を発生させることができる。これを行なうとき、第二の流れ６０により提供される熱の少なくとも一部分は、再循環させて改造した改質装置４０内に戻すことができる。
【００４３】
図２に示したように、熱交換器６２から出たとき、流れ６０は、約２２５℃ないし約３５０℃の温度と、約１１５０ｋＰａないし約２１７０ｋＰａの圧力とを有し、また、改質装置がその内部に配置された工業的コンプレックスの全体にわたって色々な用途のため蒸気源として効果的に使用するのに十分な熱含量を有することが好ましい第三の流れ７０となる。１つの実施の形態において、流れ７０は、設備の蒸気システムの供給分として全体的に又は部分的に使用される。
【００４４】
図３に示した実施の形態は、本明細書に記載されたシステム及び過程の別の実施の形態の概略図を提供し、この場合、図１の従来の合成ガス発生改質装置は蒸気を発生させ得るよう変更されている。
【００４５】
図２と同様に、第二の流れ６０は、熱交換器６２を通って送られ、第三の流れ７０は、次に、別の熱交換器７２を通って送り、ボイラー給水流れとすることができる、設備水流６４に一層均一な熱を伝達することができる。熱交換器６２内にて見ることができるような顕熱伝達機構に代えて、熱交換器７２は、潜熱交換器、凝縮液熱交換器又は同様のものとすることができる。熱交換器７２から出る凝縮されない最終流れ７６は、依然として、改質装置がその内部に配置される工業的コンプレックスの全体にわたって色々な用途のための蒸気源として効果的に使用するのに十分な熱含量を有することができる。１つの実施の形態において、最終流れ７６は、全体として又は部分的に設備蒸気システムの供給分として使用される。
【００４６】
図２に示した設計のモデリングは、１９７８年の頃の設計と一致する、標準的な「ディビィ改質装置（Ｄａｖｅｙ  Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）」を使用して行なった。モデリングは、２億９千百万ＢＴＵ／時間の改質装置を使用して２７５℃にて１，８２５ｋＰａの蒸気を７７，０００ｋｇ／時ないし１１３，０００ｋｇ／時を発生させることができることを示す。必要とされる熱入力は、約６０ＭＷないし８８ＭＷであると決定した。その他の寸法の改質装置は、同様の比率とした熱入力に対して比例する出力を有することになろう。
【００４７】
本明細書に記載した色々な範囲に関して、上述した任意の上限値は、勿論、選んだ範囲以下に対する任意の下限値と組み合わせることができる。
色々な実施の形態及びそれらの有利な効果について詳細に説明したが、特許請求の範囲に規定された本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、色々な変更例、置換及び変形を為すことが可能であることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】従来の改質装置システムの概略図である。
【図２】本明細書にて説明した改質装置システムの１つの実施の形態を示す概略図である。
【図３】本明細書にて説明した改質装置システムの１つの実施の形態を示す概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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