(57)【要約】【課題】処理対象物、特に非在来型石油資源の改質処理に要する消費エネルギーを低減する。【解決手段】非在来型石油資源Ｘを水熱反応によって脱硫する脱硫反応器４と、該脱硫反応器４の処理物を当該脱硫反応器４の処理温度よりも高い処理温度の水熱反応によって低粘度化する低粘度化反応器５と、該低粘度化反応器５の処理物から油分を改質燃料Ｘ４として分離する油分分離器８とを具備する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理対象物を水熱反応によって脱硫する脱硫反応器と、
該脱硫反応器の処理物を当該脱硫反応器の処理温度よりも高い処理温度の水熱反応によって低粘度化する低粘度化反応器と、
該低粘度化反応器の処理物から油分を改質燃料として分離する油分分離器と
を具備することを特徴とする改質プラント。
【請求項２】
低粘度化反応器の処理物と脱硫反応器に供給される処理対象物とを熱交換することにより脱硫反応器に供給される処理対象物を予熱することを特徴とする請求項１記載の改質プラント。
【請求項３】
処理対象物は非在来型石油資源であることを特徴とする請求項１または２記載の改質プラント。
【請求項４】
非在来型石油資源は石油アスファルトであることを特徴とする請求項３記載の改質プラント。
【請求項５】
前段水熱反応によって処理対象物を脱硫し、
前記前段水熱反応の処理物をより高温の処理温度の後段水熱反応によって低粘度化し、
前記後段水熱反応の処理物から油分を改質燃料として分離する
ことを特徴とする改質方法。
【請求項６】
後段水熱反応の処理物と前段水熱反応に供される処理対象物とを熱交換することにより前段水熱反応に供される処理対象物を予熱する請求項５記載の改質方法。
【請求項７】
処理対象物は非在来型石油資源であることを特徴とする請求項５または６記載の改質方法。
【請求項８】
非在来型石油資源は石油アスファルトことを特徴とする請求項７記載の改質方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、改質プラント及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
例えば特開２０００−２１２５７３号公報には、流動性が低く、かつ硫黄含有量が多いために、そのまま燃焼させることが困難な粗悪燃料の改質技術が開示されている。この技術では、水熱反応器を２段構成とし、粗悪燃料を前段で軽質化した後、後段で脱硫することによって改質する技術が開示されている。この技術は、従来、個別の処理として行われていた粗悪燃料の軽質化処理と脱硫処理とを一連の処理設備として実現することにより、低コスト及び処理効率の向上を図るものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２１２５７３号公報
【０００４】
しかしながら、このような従来技術では、粗悪燃料の改質処理に必要となるエネルぎーの低減までをも考慮したものではない。より実用的な処理設備とするためには、粗悪燃料の改質処理に要する消費エネルギーを必要最小限に抑える必要がある。
【０００５】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、処理対象物の改質処理に要する消費エネルギーを低減することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、改質プラントに係わる手段として、処理対象物を水熱反応によって脱硫する脱硫反応器と、該脱硫反応器の処理物を当該脱硫反応器の処理温度よりも高い処理温度の水熱反応によって低粘度化する低粘度化反応器と、該低粘度化反応器の処理物から油分を改質燃料として分離する油分分離器とを具備する、という構成を採用する。
【０００７】
また、本発明では、改質方法に係わる手段として、前段水熱反応によって処理対象物を脱硫し、前記前段水熱反応の処理物をより高温の処理温度の後段水熱反応によって低粘度化し、前記後段水熱反応の処理物から油分を改質燃料として分離するという構成を採用する。
【０００８】
従来の知見では、例えば粗悪燃料のように高粘度の処理対象物を直接水熱反応によって処理することによって十分な脱硫率は得られないと考えられていた。しかしながら、本願の発明者らは、従来に比較して極めて高い水充填率の水熱反応によって十分な脱硫率が得られることを見出した。すなわち、粘度が高い処理対象物を直接水熱反応処理することにより脱硫した後に低粘度化処理するという処理手順が十分に可能なことを見出した。
【０００９】
そして、脱硫処理の処理物を低粘度化するための処理温度は、脱硫処理における処理温度よりも高い温度に設定する必要があるので、処理温度が相対的に低温な脱硫処理の後に処理温度が相対的に高温な低粘度化処理を行うことによって、改質処理に必要なエネルギーを節約することができる。
【００１０】
すなわち、本発明の場合には、脱硫処理の処理物に熱量を加えることのみによって低粘度化処理を行うことが可能となるが、従来のように処理温度が相対的に高い低粘度化処理の後に処理温度が相対的に低い脱硫処理を行った場合には、低粘度化処理の処理物を冷却する必要がある、つまり当該処理物が有する熱エネルギーの一部を廃棄することになる。したがって、本発明によれば、このような熱エネルギーの廃棄がないので、処理対象物の改質処理に要する総消費エネルギーを従来よりも低減することができる。
【００１１】
また、このような本発明の基本的に手段に加えて、低粘度化処理の処理物と脱硫処理に供される処理対象物とを熱交換することにより脱硫処理に供される処理対象物を予熱するという手段を採用した場合には、総消費エネルギーをさらに低減させることが可能となる。すなわち、低粘度化処理の処理物が有する熱エネルギーは後段の処理において有効活用されるものではなく廃棄されるものであり、このような熱エネルギーを用いて脱硫処理に供される処理対象物、つまり脱硫処理のために加熱する必要がある処理対象物を予熱することにより、低粘度化処理の処理物が有する熱エネルギーを有効活用することが可能となり、よって総消費エネルギーをさらに低減させることができる。
【００１２】
なお、このような本発明は、高粘度かつ不要な硫黄分を含む非在来型石油資源を処理対象物とした場合に特に有効である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。なお、本実施形態は、非在来型石油資源の１つである石油アスファルトを処理対象物とするものである。
【００１４】
図１は、本実施形態における非在来型石油資源改質プラントのシステム構成図である。この図に示すように、本改質プラントは、混合器１、加圧ポンプ２、第１熱交換器３、脱硫反応器４、低粘度化反応器５、第２熱交換器６、圧力調節弁７、油分分離器８等から構成されている。
【００１５】
混合器１は、添加剤としての水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）が含まれた水（すなわち水酸化ナトリウム水）を処理対象物としての石油アスファルトＸに加熱しつつ混合させるものである。より具体的には、混合器１は、２５°Ｃ、１気圧（ａｔｍ）、１ｔｏｎ／ｈで供給される石油アスファルトＸと２５°Ｃ、１気圧（ａｔｍ）、１０ｔｏｎ／ｈで供給される水酸化ナトリウム水とを６８２．５×１０３ｋｃａｌ／ｈの熱量で加熱しつつ攪拌することにより混合させて加圧ポンプ２に供給する。
【００１６】
すなわち、本改質プラントでは、石油アスファルトＸに対して約１０倍（重量比率）となる多量の水を添加する。なお、上記水酸化ナトリウム水における水酸化ナトリウムの濃度（ＮａＯＨ濃度）は、３ｍｏｌ／ｌ（モル／リットル）である。このような添加剤としての水酸化ナトリウムは、脱硫反応器４及び低粘度化反応器５における各反応を促進させるためのものである。
【００１７】
加圧ポンプ２は、混合器１から９０°Ｃ、１気圧（ａｔｍ）、１１ｔｏｎ／ｈで供給される水添加石油アスファルトＸ１（水及び水酸化ナトリウムが添加されたもの）を３８０ａｔｍまで加圧して第１熱交換器３に出力する。第１熱交換器３は、水混合石油アスファルトＸ１を３７８°Ｃまで加熱して脱硫反応器４に供給するものである。より具体的には、第１熱交換器３は、加圧ポンプ２から供給された水混合石油アスファルトＸ１と低粘度化反応器５から排出される低粘度石油アスファルトＸ３とを熱交換することにより、水混合石油アスファルトＸ１を３７８°Ｃまで加熱する。
【００１８】
脱硫反応器４は、上記第１熱交換器３から供給された水混合石油アスファルトＸ１をさらに加熱することにより石油アスファルトＸから硫黄分を除去（脱硫）し、脱硫石油アスファルトＸ２として低粘度化反応器５に供給するものである。この脱硫反応器４は、水混合石油アスファルトＸ１に１４４０×１０３ｋｃａｌ／ｈの熱量を加えて４３０°Ｃまで加熱することにより水分を超臨界水状態とする。そして、この超臨界水によって石油アスファルトＸから硫黄分を脱離させる。
【００１９】
低粘度化反応器５は、脱硫反応器４から供給される脱硫石油アスファルトＸ２をさらに加熱することにより脱硫石油アスファルトＸ２を低粘度化し、低粘度石油アスファルトＸ３として第１熱交換器３に供給するものである。この低粘度化反応器５は、脱硫石油アスファルトＸ２に１３００×１０３ｋｃａｌ／ｈの熱量を加えて４８０°Ｃまで加熱することにより水分をさらに高温の超臨界水状態とし、この高温の超臨界水によって脱硫石油アスファルトＸ２を軽質化して粘度を低下させる。
【００２０】
第１熱交換器３は、上記低粘度化反応器５から供給された低粘度石油アスファルトＸ３を３２５°Ｃまで冷却して第２熱交換器６に供給する。第２熱交換器６は、低粘度石油アスファルトＸ３から２７４０×１０３ｋｃａｌ／ｈの熱量を奪うことにより９０°Ｃまで冷却して圧力調節弁７に供給する。すなわち、第２熱交換器６は、９０°Ｃ、３８０ａｔｍの低粘度石油アスファルトＸ３を１１ｔｏｎ／ｈの流量で圧力調節弁７に供給する。
【００２１】
圧力調節弁７は、このような低粘度石油アスファルトＸ３を１ａｔｍに減圧して油分分離器８に供給する。油分分離器８は、低粘度石油アスファルトＸ３から油分と水分と固形物とを分離して外部に排出するものである。より具体的には、油分分離器８は、９０°Ｃ、１ａｔｍ、１０ｔｏｎ／ｈの水分、９０°Ｃ、１ａｔｍ、０．４ｔｏｎ／ｈの固形物、及び９０°Ｃ、１ａｔｍ、０．６ｔｏｎ／ｈの油分を改質燃料Ｘ４として排出する。この改質燃料Ｘ４は、硫黄含有率及び粘度においてＡ重油と同等の性状を持つものである。
【００２２】
次に、このように構成された本改質プラントの動作について、図２〜図４をも参照して詳しく説明する。
【００２３】
本改質プラントでは、石油アスファルトＸは、混合器１で水酸化ナトリウム水が混合されることによって水混合石油アスファルトＸ１となる。この水混合石油アスファルトＸ１は、石油アスファルトＸと水酸化ナトリウム水との重量比率が１対１０に設定されており、水分比率が極めて高いものである。このような水混合石油アスファルトＸ１は、加圧ポンプ２によって３８０ａｔｍまで加圧された後、第１熱交換器３を経由して脱硫反応器４に供給される。
【００２４】
すなわち、加圧ポンプ２から出力された９０°Ｃの水混合石油アスファルトＸ１は、第１熱交換器３において４８０°Ｃの低粘度石油アスファルトＸ３と熱交換することによって３７８°Ｃまで予熱される。つまり、水混合石油アスファルトＸ１は、第２熱交換器６によって冷却されるばかりの低粘度石油アスファルトＸ３が有する利用性のない熱量を利用して予熱される。このような予熱によって、脱硫反応器４で水混合石油アスファルトＸ１に加える熱量を節約することが可能であり、よって石油アスファルトＸの改質に要する消費エネルギーを節約できる。
【００２５】
そして、このような水混合石油アスファルトＸ１は、脱硫反応器４で脱硫処理された後に低粘度化反応器５で低粘度化処理される。このような脱硫処理と低粘度化処理の順番は、上述した従来技術と明確に相違する点である。従来技術では、低粘度化処理の後でなければ十分な脱硫率が得られないという観点から、低粘度化処理の後に脱硫処理を行っている。しかしながら、本改質プラントでは、処理対象物である石油アスファルトＸに対する水分の充填率（水充填率）を従来よりも飛躍的に大きくした超臨界水を用いることにより十分な脱硫率を得ている。
【００２６】
図２〜４は、脱硫反応器４における脱硫率の各パラメータに対する依存性（実験結果）を示すグラフである。図２は、上記水充填率に対する脱硫率の依存性を示している。この実験結果は、脱硫反応器４内における水充填率が４０％以上あれば３０％以上の脱硫率が得られることを示している。石油アスファルトＸの場合、３０％の脱硫率が可能になれば、Ａ重油並の硫黄含有率となる。
【００２７】
続いて、図３は、脱硫反応器４における処理温度に対する脱硫率の依存性を示している。この実験結果によれば、処理温度を４３０°Ｃに設定すれば、３０％の脱硫率が十分に得られることが分かる。また、図４は、上述したＮａＯＨ濃度に対する脱硫率の依存性を示している。本実施形態では、ＮａＯＨ濃度を３ｍｏｌ／ｌ（モル／リットル）としたが、この実験結果によれば、１．５ｍｏｌ／ｌ（モル／リットル）程度から脱硫率が飽和することが分かる。
【００２８】
このように、脱硫反応器４における水充填率を従来よりも飛躍的に大きく設定することにより、石油アスファルトＸに対して十分な脱硫率が得られる。石油アスファルトＸは非在来型石油資源の中でも脱硫し難いものである。したがって、石油アスファルトＸについて十分な脱硫率が得られたので、他の非在来型石油資源についても十分な脱硫率が得られる。
【００２９】
そして、処理温度が４３０°Ｃに設定された脱硫反応器４において十分に脱硫された脱硫石油アスファルトＸ２は、処理温度が４８０°Ｃに設定された低粘度化反応器５において低粘度化されて第１熱交換器３に供給される。すなわち、本改質プラントでは、処理温度が低粘度化反応器５よりも低温の脱硫反応器４で脱硫処理した後に、低粘度化反応器５で軽質化処理するので、低粘度化反応器５では、脱硫石油アスファルトＸ２の熱量を有効利用して４８０°Ｃの処理温度を実現することが可能であり、これによっても石油アスファルトＸの改質に要する消費エネルギーを節約できる。
【００３０】
このようにしてエネルギー効率良く改質処理された低粘度石油アスファルトＸ３は、第１熱交換器３及び第２熱交換器６で冷却され、さらに圧力調節弁７で大気圧まで減圧された後、油分分離器８でＡ重油と同等の性状を持つ改質燃料Ｘ４として分離される。
【００３１】
なお、上記実施形態は処理対象物を石油アスファルトとしたものであるが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、石油アスファルト以外の非在来型石油資源、さらには一般に燃料と認定されているものの中で高粘度かつ硫黄分を含むものについても適用可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、処理温度が相対的に低温な脱硫処理の後に処理温度が相対的に高温な低粘度化処理を行うので、処理対象物の改質処理に要する消費エネルギーを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わる非在来型石油資源改質プラントのシステム構成図である。
【図２】本発明の一実施形態において水充填率に対する脱硫率の依存性を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施形態において処理温度に対する脱硫率の依存性を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施形態においてＮａＯＨ濃度に対する脱硫率の依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
１……  混合器
２……  加圧ポンプ
３……  第１熱交換器
４……  脱硫反応器
５……  低粘度化反応器
６……  第２熱交換器
７……  圧力調節弁
８……  油分分離器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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