(57)【要約】【課題】  コーキングによる閉塞を生じさせることなく未利用重質油を安定して改質する。【解決手段】  反応容器１１の内部に設けられた反応管２１に超臨界水又は亜臨界水を反応容器１１の外部から供給部２１ａを介して供給するとともに排出部２１ｂを介して超臨界水又は亜臨界水を反応容器１１の外部に排出し、反応管２１に超臨界水又は亜臨界水を供給する供給管３２に設けられた混合器３６に未利用重質油を供給して反応管２１に供給する超臨界水又は亜臨界水と未利用重質油とを混合し、超臨界水又は亜臨界水に混合する未利用重質油を反応管２１内で超臨界水又は亜臨界水と反応させて改質油に転換し、排出部２１ｂを介して反応容器１１の外部に排出する超臨界水又は亜臨界水から改質油を分離回収する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器(11)の内部に設けられた反応管(21)に超臨界水又は亜臨界水を前記反応容器(11)の外部から供給部(21a)を介して供給するとともに排出部(21b)を介して前記超臨界水又は亜臨界水を前記反応容器(11)の外部に排出し、
前記反応管(21)に未利用重質油を供給して前記反応管(21)に供給される超臨界水又は亜臨界水と未利用重質油とを混合し、
超臨界水又は亜臨界水に混合した未利用重質油を前記反応管(21)内で超臨界水又は亜臨界水と反応させて改質油に転換し、
前記排出部(21b)を介して前記反応容器(11)の外部に排出される前記超臨界水又は亜臨界水から改質油を分離回収する
未利用重質油の改質方法。
【請求項２】
反応管(21)内の超臨界水又は亜臨界水と混合した未利用重質油の温度変化状況に基づいて前記反応管(21)に供給される超臨界水又は亜臨界水の水量を制御する請求項１記載の改質方法。
【請求項３】
反応容器(11)と、
前記反応容器(11)の内部に螺旋状に又は蛇行して設けられ両端における供給部(21a)と排出部(21b)がそれぞれ前記反応容器(11)の容器壁(13)に貫通する反応管(21)と、
前記反応容器(11)の外部から前記供給部(21a)を介して前記反応管(21)に超臨界水又は亜臨界水を供給するとともに前記排出部(21b)を介して前記超臨界水又は亜臨界水を前記反応容器(11)の外部に排出させる臨界水供給手段(31)と、
前記臨界水供給手段(31)を構成する供給管(32)に設けられた混合器(36)に未利用重質油を供給して前記反応管(21)に供給される超臨界水又は亜臨界水と未利用重質油とを混合させる重質油供給手段(37)と、
前記排出部(21b)に接続され前記排出部(21b)を介して前記反応容器(11)の外部に排出される前記超臨界水又は亜臨界水から改質油を分離回収する油水分離手段(46)と
を備え、
前記反応管(21)は、超臨界水又は亜臨界水と混合して内部を流れる未利用重質油をその超臨界水又は亜臨界水と反応させて改質油に転換させた後前記反応容器(11)の外部に導くように構成された
ことを特徴とする未利用重質油の改質装置。
【請求項４】
反応管(21)を流れる超臨界水又は亜臨界水と混合した未利用重質油の温度を測定する温度センサ(61,62)と、前記温度センサ(61,62)の検出出力により臨界水供給手段(31)を制御するコントローラ(63)とを更に備えた請求項３記載の改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、未利用重質油を超臨界水又は亜臨界水と反応させることにより改質油に転換する未利用重質油の改質方法及びその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、化石燃料である原油は常圧蒸留塔や減圧蒸留塔等により精製され、減圧蒸留塔の最低部に溜まるような超重質油はアスファルト等への利用以外には利用価値が低いとされていた。しかし近年では、このような未利用重質油を超臨界水又は亜臨界水と反応させることにより改質油に転換し、その改質油をガスタービンの発電用燃料等として利用することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。ここで、亜臨界水とは２００〜３７４℃の温度でかつ１５．６８〜２１．０７ＭＰａの圧力にある水の状態を意味する。また水の超臨界状態とは３７４〜９００℃の温度でかつ２１．０７〜４９．００ＭＰａの圧力にある水の状態を意味する。従って、未利用重質油を改質させる装置にあってはそのような高温かつ高圧の超臨界水又は亜臨界水を貯留する反応容器が用いられる。
【０００３】
図３に詳しく示すように、従来の反応容器１は、上部が開口して超臨界水又は亜臨界水を貯留可能に構成された容器本体２と、その容器本体１の上部開口部２ａを開放可能に閉止する蓋体３とを備える。容器本体２にはパッキン用の下凹溝２ｄが周方向に連続して形成され、蓋体３の下凹溝２ｄに対応する部分には上凹溝３ｂが円周方向に連続して形成される。そして、上下の凹溝３ｂ，２ｄにパッキン４を装着して蓋体３により容器本体２の上部開口部２ａを閉止させている。一方、その蓋体３にはその蓋体３を貫通して高圧水供給管６と重質油供給管７と改質油排出管８が設けられ、反応容器１の周囲には、反応容器１を加熱してその反応容器１に高圧水供給管６を介して供給された高圧水を超臨界水又は亜臨界水にするヒータ９が設けられる。そして、この反応容器１では、重質油供給管８を介して反応容器１に未利用重質油を供給し、その未利用重質油を反応容器１の内部に貯留された超臨界水又は亜臨界水と反応させることにより改質油に転換した後、改質油排出管８を介してその改質油を反応容器１から排出させるようになっている。
【特許文献１】特開２００３−２８６４９１号公報（「従来の技術」の欄）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述した従来の改質装置では、ヒータ９が周囲に設けられた反応容器１の蓋体３にその蓋体３を貫通させて重質油供給管７と改質油排出管８を設けているので、ヒータ９から発せられる熱及び高温高圧の超臨界水によりその反応容器１とともに重質油供給管７と改質油排出管８も高温となる。ここで、重質油供給管７から反応容器１に供給される未利用重質油は一般的に４３０℃以上でコーキングするため、反応容器１の温度が上昇すると、その内壁近傍の重質油がコーキングを起こし、その内壁に付着する不具合がある。また、蓋体３を貫通して設けられた供給管７の温度が上昇すると、その供給管７の内部で重質油がコーキングを起こし、その供給管７を閉塞させてしまう不具合がある。特に、この現象が起こるのは通油してから４３０℃の部分では１時間〜２時間程度であるけれども、高温になるとコーキングスピードが速くなるために、更に短い時間で閉塞を起こすことも考えられ、このため従来の反応容器を用いた改質装置では、比較的長時間にわたって安定して未利用重質油を改質させることが困難であった。
本発明の目的は、コーキングによる閉塞を生じさせることなく未利用重質油を安定して改質し得る未利用重質油の改質方法及びその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、反応容器１１の内部に設けられた反応管２１に超臨界水又は亜臨界水を反応容器１１の外部から供給部２１ａを介して供給するとともに排出部２１ｂを介して超臨界水又は亜臨界水を反応容器１１の外部に排出し、反応管２１に未利用重質油を供給して反応管２１に供給される超臨界水又は亜臨界水と未利用重質油とを混合し、超臨界水又は亜臨界水に混合した未利用重質油を反応管２１内で超臨界水又は亜臨界水と反応させて改質油に転換し、排出部２１ｂを介して反応容器１１の外部に排出される超臨界水又は亜臨界水から改質油を分離回収する未利用重質油の改質方法である。
【０００６】
請求項３に係る発明は、反応容器１１と、反応容器１１の内部に螺旋状に又は蛇行して設けられ両端における供給部２１ａと排出部２１ｂがそれぞれ反応容器１１の容器壁１３に貫通する反応管２１と、反応容器１１の外部から供給部２１ａを介して反応管２１に超臨界水又は亜臨界水を供給するとともに排出部２１ｂを介して超臨界水又は亜臨界水を反応容器１１の外部に排出させる臨界水供給手段３１と、臨界水供給手段３１を構成する供給管３２に設けられた混合器３６に未利用重質油を供給して反応管２１に供給される超臨界水又は亜臨界水と未利用重質油とを混合させる重質油供給手段３７と、排出部２１ｂに接続され排出部２１ｂを介して反応容器１１の外部に排出される超臨界水又は亜臨界水から改質油を分離回収する油水分離手段４６とを備え、反応管２１は、超臨界水又は亜臨界水と混合して内部を流れる未利用重質油をその超臨界水又は亜臨界水と反応させて改質油に転換させた後反応容器１１の外部に導くように構成されたことを特徴とする未利用重質油の改質装置である。
【０００７】
この請求項１に記載された未利用重質油の改質方法及び請求項３に記載された未利用重質油の改質装置では、未利用重質油の転換を超臨界水又は亜臨界水が比較的速い速度で流れる反応管２１の内部で行わせることにより未利用重質油のコーキングを防止することができ、未利用重質油のコーキングに起因する反応管２１の閉塞を有効に回避することができる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、反応管２１内の超臨界水又は亜臨界水と混合した未利用重質油の温度変化状況に基づいて反応管２１に供給される超臨界水又は亜臨界水の水量を制御することを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項３に係る発明であって、反応管２１を流れる超臨界水又は亜臨界水と混合した未利用重質油の温度を測定する温度センサ６１，６２と、その温度センサ６１，６２の検出出力により臨界水供給手段３１を制御するコントローラ６３とを更に備えた改質装置である。
未利用重質油は一般的に４３０℃以上でコーキングが始まり、その４３０℃の部分では１時間〜２時間程度であるけれども、高温になるとコーキングスピードが速くなる。この請求項２に記載された未利用重質油の改質方法及び請求項４に記載された未利用重質油の改質装置では、反応管２１内の超臨界水又は亜臨界水が４３０℃を越える場合にその反応管２１に供給される超臨界水又は亜臨界水の水量を増加させれば、その超臨界水又は亜臨界水が反応管２１を通過する時間を短縮させることができる。これにより反応管２１の内部で重質油系成分がコーキングを起こす事態を回避することができ、反応管２１に連続的に供給される未利用重質油を連続的に改質させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、未利用重質油の転換を超臨界水又は亜臨界水が比較的速い速度で流れる反応管の内部で行わせるので、未利用重質油のコーキングを防止してそのコーキングに起因する反応管が閉塞するような事態を有効に防止することができる。そして、反応管内の超臨界水又は亜臨界水の温度が上昇する度合いに応じて反応管に供給される超臨界水又は亜臨界水の水量を増加させるように制御することにより、その超臨界水又は亜臨界水が反応管を通過する時間を短縮させることができる。これにより反応管の内部で重質油がコーキングを起こす事態を回避して、反応管に連続的に供給される未利用重質油を安定してかつ連続的に改質させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の最良の実施の形態について説明する。
図１に示すように、本発明の未利用重質油の改質装置１０は、超臨界水又は亜臨界水を貯留する反応容器１１を備える。未利用重質油としてはオイルサンド油、オイルシェール油等の超重質油や、石油精製工程から発生する利用できない超重質油が例示される。図２に詳しく示すように、反応容器１１は、上部が開口して超臨界水又は亜臨界水を貯留可能に構成された容器本体１２と、その容器本体１２の上部開口部１２ａを開放可能に閉止する蓋体１３とを備える。容器本体１２及び蓋体１３はそれぞれステンレス鋼等の金属からなるバルク体を切削加工により削り出すことにより作られる。容器本体１２の上部周囲にはフランジ部１２ｂが外側に突出して形成され、このフランジ部１２ｂには複数の雌ねじ孔１２ｃが縦方向に形成されるとともに、その上面にはパッキン用の下凹溝１２ｄが周方向に連続して形成される。
【００１１】
一方、蓋体１３はフランジ部１２ｂの外径に相応する外径を有する円板状に形成され、雌ねじ孔１２ｃに対応する位置に取付孔１３ａが形成され、下凹溝１２ｄに対応する部分には上凹溝１３ｂが円周方向に連続して形成される。上下の凹溝１３ｂ，１２ｄにはパッキン１４が装着され、この状態で取付孔１３ａに挿入された雄ねじ１６を雌ねじ孔１２ｃに螺合することにより、蓋体１３は容器本体１２の上部開口部１２ａを閉止するように構成される。
蓋体１３にはその蓋体１３を貫通して高圧水供給管１７と高圧水排出管１８が設けられる。また、反応容器１１の内部には、この反応容器１１の容器壁に離間して反応管２１が設けられる。この実施の形態における反応管２１は螺旋状を有し、その両端に供給部２１ａと排出部２１ｂが形成される。この供給部２１ａと排出部２１ｂはそれぞれ反応容器１１の容器壁である蓋体１３を貫通して設けられ、反応管２１自体はこの供給部２１ａと排出部２１ｂにより支持されて反応容器１１の内部にその容器壁に離間して設けられる。
【００１２】
図１に戻って、反応容器１１の外部の高圧水供給管１７と高圧水排出管１８の端部は水貯槽２２にそれぞれ接続され、反応容器１１と水貯槽２２との間の高圧水供給管１７には、水貯槽２２に貯留された水を反応容器１１に供給する高圧水供給ポンプ２３と、この高圧水供給管１７を流通する高圧水を調温する調温ヒータ２４がこの順序で設けられる。一方、反応容器１１と水貯槽２２との間の高圧水排出管１８には電磁弁２６が設けられ、この電磁弁２６により高圧水排出管１８を遮断した状態で高圧水供給ポンプ２３を駆動し、水貯槽２２から高圧水供給管１７を介して高圧水を供給することにより、反応容器１１は高圧水で満たすように構成される。そして、反応容器１１の外部には、反応容器１１内に供給された高圧水を加熱して超臨界水又は亜臨界水にするヒータ２７が設けられる。
【００１３】
また、反応容器１１の外部には、反応容器１１の外部から供給部２１ａを介して超臨界水又は亜臨界水を反応管２１に供給する臨界水供給手段３１が設けられる。この実施の形態における臨界水供給手段３１は、前述した水貯槽２２と、この水貯槽２２と供給部２１ａを接続する供給管３２と、この供給管３２に設けられ水貯槽２２に貯留された水を加圧して供給部２１ａに供給する臨界水供給ポンプ３３と、加圧されて供給管３２を流通する超臨界水又は亜臨界水を更に加熱する加熱器３４とを備える。そして、この臨界水供給手段３１では、臨界水供給ポンプ３３を駆動すると水貯槽２２から供給され加熱器３４により加熱された高温高圧の超臨界水又は亜臨界水が反応容器１１の外部から供給部２１ａを介して反応管２１に供給されるとともに、排出部２１ｂを介してその超臨界水又は亜臨界水を反応容器１１の外部に排出させるようになっている。
【００１４】
また、供給手段３１を構成する供給管３２には混合器３６が設けられ、反応容器１１の外部にはこの混合機３６に未利用重質油を供給して反応管２１に供給される超臨界水又は亜臨界水に未利用重質油を混合させる重質油供給手段３７が設けられる。この実施の形態における重質油供給手段３７は、反応容器１１の外部の設けられ未利用重質油を貯留する重質油貯槽３８と、この重質油貯槽３８と混合器３６を接続する重質油供給管３９と、この重質油供給管３９に設けられ重質油貯槽３８から未利用重質油を混合機３６に供給する重質油供給ポンプ４１と、この重質油供給管３９を流通する重質油を保温する保温ヒータ４２とを備える。そして、この重質油供給手段３７では、重質油供給ポンプ４１を駆動すると重質油貯槽３８から供給され保温ヒータ４２により保温された未利用重質油が供給管３２に設けられた混合器３６に供給され、混合器３６は反応管２１に供給される超臨界水又は亜臨界水とその未利用重質油とを混合するように構成される。
【００１５】
一方、反応管２１は、超臨界水又は亜臨界水に混合されて内部を流れる未利用重質油をその超臨界水又は亜臨界水と反応させて改質油に転換させた後反応容器１１の外部に導くように構成され、反応容器１１の外部には反応管２１の排出部２１ｂに接続されその排出部２１ｂを介して反応容器１１の外部に排出する超臨界水又は亜臨界水からその超臨界水又は亜臨界水に混合する改質油を分離回収する油水分離手段４６が設けられる。この実施の形態における油水分離手段４６は、反応容器１１の外部に設けられ炭化水素系の重質系改質油を分離するフラッシュ分離槽４７と、このフラッシュ分離槽４７と排出部２１ｂを接続する臨界水排出管４８と、フラッシュ分離槽４７と冷却器５２ａを介して接続されフラッシュ分離槽４７で重質系改質油が分離された液体をガスと軽質系改質油と水に分離する気油水分離槽５２と、臨界水排出管４８に設けられた減圧弁５１とを備える。なお、減圧弁５１より上流側の臨界水排出管４８には熱の有効利用の観点から熱交換機４９が別に設けられる。
【００１６】
更に、反応管２１の供給部２１ａにはこの供給部２１ａ内の超臨界水又は亜臨界水と混合した未利用重質油の温度を測定する第１温度センサ６１が設けられ、反応管２１の排出部２１ｂにはこの排出部２１ｂ内の超臨界水又は亜臨界水と混合した改質油の温度を測定する第２温度センサ６２が設けられる。また、反応容器１１には、この反応容器１１内の超臨界水又は亜臨界水の温度を測定する第３温度センサ６４が更に設けられる。この第１及び第２温度センサ６１，６２並びにこの第３温度センサ６４の各検出出力はコントローラ６３の入力端子に接続され、コントローラ６３の制御出力は高圧水供給ポンプ２３、臨界水供給ポンプ３３、重質油供給ポンプ４１、電磁弁２６及びヒータ２７に接続される。そして、このコントローラ６３は第１温度センサ６１及び第２温度センサ６２の各検出出力により臨界水供給ポンプ３３及び重質油供給ポンプ４１を制御するように構成され、第３温度センサ６４の検出出力により高圧水供給ポンプ２３、電磁弁２６及びヒータ２７を制御するように構成される。
【００１７】
次に、このような未利用重質油の改質装置を用いた本発明の未利用重質油の改質方法を説明する。
(a)  超臨界水又は亜臨界水の供給工程
反応容器１１の内部に設けられた反応管２１に超臨界水又は亜臨界水を反応容器１１の外部から供給部２１ａを介して供給する。但し、その前提として反応管２１の周囲である反応容器１１の内部に超臨界水又は亜臨界水を満たしておく。この反応容器１１を満たす超臨界水又は亜臨界水は、高圧水供給管１７を介して高圧水供給ポンプ２３により反応容器１１内に供給された高圧水をヒータ２７により加熱することにより得られたものである。このように反応容器１１の内部に超臨界水又は亜臨界水を満たしておくと、その反応管２１の周囲にも高温高圧の超臨界水又は亜臨界水が存在することになり、反応管２１に供給される超臨界水又は亜臨界水と均衡が保たれ、その均衡が崩れることに起因する反応管２１の破損を有効に防止することができる。
なお、超臨界水又は亜臨界水の供給は臨界水供給手段３１により行われ、臨界水供給ポンプ３３を駆動することにより水貯槽２２から供給され加熱器３４により加熱された超臨界水又は亜臨界水を反応容器１１の外部から供給部２１ａを介して反応管２１に供給させる。そして、供給された超臨界水又は亜臨界水は反応管２１を通過して排出部２１ｂに至り、この排出部２１ｂから反応容器１１の外部に排出する。
【００１８】
(b)  重質油供給転換工程
次に、反応管２１に超臨界水又は亜臨界水を供給する供給管３２に設けられた混合器３６に未利用重質油を供給して反応管２１に供給される超臨界水又は亜臨界水と未利用重質油とを混合させ、この超臨界水又は亜臨界水に混合した未利用重質油を反応管２１内でその超臨界水又は亜臨界水と反応させて改質油に転換させる。即ち、未利用重質油の転換を超臨界水又は亜臨界水が比較的速い速度で流れる反応管２１の内部で行わせることにより未利用重質油のコーキングを防止し、未利用重質油のコーキングに起因する反応管２１が閉塞するような事態を有効に防止する。ここで、未利用重質油の供給は重質油供給手段３７により行われ、その重質油供給ポンプ４１を駆動することにより重質油貯槽３８から保温ヒータ４２により保温された未利用重質油が混合器３６に供給され、その未利用重質油は混合器３６において反応管２１に供給される超臨界水又は亜臨界水と混合する。
【００１９】
なお、反応管２１内の超臨界水又は亜臨界水の温度変化状況に基づいて反応管２１に供給される超臨界水又は亜臨界水の水量は制御される。この制御はコントローラ６３により行われ、このコントローラ６３は第１温度センサ６１及び第２温度センサ６２の各検出出力により臨界水供給ポンプ３３を制御して反応管２１に供給される超臨界水又は亜臨界水の水量を制御する。ここで、未利用重質油は一般的に４３０℃以上でコーキングが始まり、その４３０℃の部分では１時間〜２時間程度であるけれども、高温になるとコーキングスピードが速くなる。このため、コントローラ６３は反応管２１内の超臨界水又は亜臨界水が４３０℃を越える度合いに応じて反応管２１に供給される超臨界水又は亜臨界水の水量を増加させるように制御し、その超臨界水又は亜臨界水が反応管２１を通過する時間を短縮させる。これにより反応管２１の内部で重質油系成分がコーキングを起こす事態を回避して、反応管２１に連続的に供給される未利用重質油を連続的に改質させることができる。
【００２０】
(c)  改質油の回収工程
排出部２１ｂから反応容器１１の外部に排出する超臨界水又は亜臨界水からその超臨界水又は亜臨界水に混合する改質油を分離回収する。この改質油の分離回収は油水分離手段４６により行われ、排出部２１ｂを介して超臨界水又は亜臨界水とともに排出された改質油はその後超臨界水又は亜臨界水とともに熱交換器４９で冷却され、減圧弁５１で減圧される。このように減圧冷却された超臨界水又は亜臨界水と改質油からなる混合流体はフラッシュ分離槽４７に送られて炭化水素系の重質系改質油が先ず分離される。フラッシュ分離槽４７において重質系改質油が分離された残余の液体は冷却器５２ａにより更に冷却されてその後気油水分離槽５２においてガスと軽質系改質油と水に分離される。分離されたガスは図示しない発電用のボイラーの燃料等として使用される。また分離された重質系改質油と軽質系改質油は、図示しないボイラー用の燃料等として使用されるか、或いは石油精製プラントの中間原料として使用される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の改質装置を示す構成図である。
【図２】それに用いられる反応容器の構造を示す拡大断面図である。
【図３】従来の反応容器を示す図２に対応する断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１１  反応容器
１３  蓋体（容器壁）
２１  反応管
２１ａ  供給部
２１ｂ  排出部
３１  臨界水供給手段
３２  供給管
３６  混合器
３７  重質油供給手段
４６  油水分離手段
６１，６２  温度センサ
６３  コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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