特表 2025-505125 空気吸入エンジン改質器の入力・出力圧力を管理するためのシステム、装置、および方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2025-02-21

(54)【発明の名称】空気吸入エンジン改質器の入力・出力圧力を管理するためのシステム、装置、および方法

(51)【国際特許分類】

   F02M 33/00 20060101AFI20250214BHJP

   C01B 3/36 20060101ALI20250214BHJP

   C07C 29/152 20060101ALN20250214BHJP

   C07C 31/04 20060101ALN20250214BHJP

【ＦＩ】

F02M33/00 D

C01B3/36

C07C29/152

C07C31/04

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024544671

(86)(22)【出願日】2023-01-28

(85)【翻訳文提出日】2024-09-26

(86)【国際出願番号】 US2023061523

(87)【国際公開番号】W WO2023147525

(87)【国際公開日】2023-08-03

(31)【優先権主張番号】63/304,463

(32)【優先日】2022-01-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】63/304,471

(32)【優先日】2022-01-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】63/304,475

(32)【優先日】2022-01-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】17/746,942

(32)【優先日】2022-05-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】17/953,056

(32)【優先日】2022-09-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】17/984,126

(32)【優先日】2022-11-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】524173176

【氏名又は名称】エムトゥーエックス エナジー インク

【氏名又は名称原語表記】Ｍ２Ｘ ＥＮＥＲＧＹ ＩＮＣ．

(74)【代理人】

【識別番号】100175983

【弁理士】

【氏名又は名称】海老 裕介

(74)【代理人】

【識別番号】100083895

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 茂

(72)【発明者】

【氏名】イェルヴィントン， ポール， イー．

(72)【発明者】

【氏名】ディーン， ジョン， アンソニー

(72)【発明者】

【氏名】ランドルフ， アンドリュー， エル．

(72)【発明者】

【氏名】ブラウン， ジョシュア， ビー．

(72)【発明者】

【氏名】ホーファー， ダグ， シー．

【テーマコード（参考）】

4G140

4H006

【Ｆターム（参考）】

4G140EA03

4G140EA07

4G140EA09

4G140EB12

4G140EB37

4G140EB39

4H006AA04

4H006AC41

4H006BC18

4H006BE20

4H006BE40

4H006BE41

(57)【要約】

部分酸化を利用して、フレアガスなどの炭化水素ガスから最終生成物を製造するシステムおよび方法が提供される。ガス液化システムにおける空気吸入エンジン改質器に必要な圧縮仕事量を最小化する方法及びシステムが提供される。ガス液化システムおよび方法における空気吸入エンジン改質器に必要とされる圧縮仕事量を、（ａ）窒素の量を減らすこと、（ｂ）エンジン改質器の背圧を標準的な１ｂａｒまたは２ｂａｒから最大５ｂａｒまで増加させること、（ｃ）ターボエキスパンダを使用して圧縮仕事の多くを回収することにより、とりわけプラントを運転するためのコストを低減すること、および（ｄ）強化合成ループを利用して、より低い全体圧力で許容可能なメタノール合成を達成すること、のうちの１つ又は複数によって最小化する方法およびシステムが提供される。一実施形態では、最終生成物はメタノールである。
【選択図】図１５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガスを最終生成物に変換する方法であって、
ａ． 組成が主としてガス状炭化水素と供給源からの不活性ガスである、炭化水素をベースとする燃料源の流れを受け入れる工程と、
ｂ． 前記燃料源を空気吸入レシプロエンジン内で部分的に酸化して、液体の合成に適したＨ_２／ＣＯ比を有する合成ガス混合気を生成する工程と、
ｃ． コンプレッサの仕事量を低減する工程を実行する工程と、
を含む、方法。

【請求項2】

前記コンプレッサの仕事量を低減する工程が、窒素の量を減らすことを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記コンプレッサの仕事量を低減する工程が、前記空気吸入レシプロエンジンの背圧を増加させることを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記背圧が５ｂａｒまで増加する、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

前記背圧が２ｂａｒより大きい、請求項３に記載の方法。

【請求項6】

前記コンプレッサの仕事量を低減する工程が、ターボエキスパンダ・熱交換器システムを使用することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記コンプレッサの仕事量を低減する工程が、反応分離合成を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

前記空気吸入レシプロエンジンがリッチバーンエンジンである、請求項１から７のいずれかに一項に記載の方法。

【請求項9】

前記空気吸入レシプロエンジンが可変圧縮比エンジンである、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項10】

前記空気吸入レシプロエンジンが圧縮点火エンジンである、請求項１から７のいずれかに一項に記載の方法。

【請求項11】

前記空気吸入レシプロエンジンが火花点火エンジンである、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項12】

ガスを最終生成物に変換するためのシステムであって、
ａ． 組成が主としてガス状炭化水素と供給源からの不活性ガスである、炭化水素をベースとする燃料源の流れを受け入れるための流入ポートであって、
ｂ． 前記燃料源を部分的に酸化して液体の合成に適したＨ_２／ＣＯ比を有する合成ガス混合気を生成するようにされた空気吸入レシプロエンジンと流体連通している流入ポートと、
ｃ． コンプレッサの仕事量を低減する手段と、
を備えるシステム。

【請求項13】

前記コンプレッサの仕事量を低減する手段が窒素の量を減らす手段を含む、請求項１２に記載のシステム。

【請求項14】

前記窒素の量を減らす手段が酸素富化ユニットを備える、請求項１３に記載のシステム。

【請求項15】

前記窒素の量を減らす手段が窒素除去ユニットを備える、請求項１３に記載のシステム。

【請求項16】

前記コンプレッサの仕事量を低減する手段が、前記空気吸入レシプロエンジンの増加した背圧を有する、請求項１２に記載のシステム。

【請求項17】

前記増加した背圧が最大５ｂａｒである、請求項１６に記載のシステム。

【請求項18】

前記増加した背圧が２ｂａｒよりも大きい、請求項１６に記載のシステム。

【請求項19】

前記コンプレッサの仕事量を低減する手段がターボエキスパンダ・コンプレッサ・熱交換器システムを使用することを含む、請求項１２に記載のシステム。

【請求項20】

前記ターボエキスパンダ・コンプレッサ・熱交換器システムが３段階で構成される、請求項１９に記載のシステム。

【請求項21】

前記ターボエキスパンダ・コンプレッサ・熱交換器システムがコンプレッサ・タービンアセンブリを備える、請求項１９に記載のシステム。

【請求項22】

前記ターボエキスパンダ・コンプレッサ・熱交換器システムが２段で構成され、各段がコンプレッサとタービンと熱交換器を備える、請求項１９に記載のシステム。

【請求項23】

前記ターボエキスパンダ・コンプレッサ・熱交換器システムが３段で構成され、各段がコンプレッサとタービンと熱交換器を備える、請求項２２に記載のシステム。

【請求項24】

前記コンプレッサの仕事量を低減する手段が反応分離合成ループを有する、請求項１２に記載のシステム。

【請求項25】

前記空気吸入レシプロエンジンがリッチバーンエンジンである、請求項１２から２４のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項26】

前記空気吸入レシプロエンジンが可変圧縮比エンジンである、請求項１２から２４のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項27】

前記空気吸入レシプロエンジンが圧縮点火エンジンである、請求項１２から２４のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項28】

前記空気吸入レシプロエンジンが火花点火エンジンである、請求項１２から２４のいずれか一向に記載のシステム。

【請求項29】

前記燃料源がフレアガスである、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。

【請求項30】

前記燃料源がフレアガスである、請求項１２から２８のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項31】

前記エンジンが、ディーゼルサイクルエンジンを含む圧縮点火エンジン、又は予混合圧縮点火エンジンである、請求項１２に記載のシステム。

【請求項32】

前記エンジンが、オットーサイクルを含む火花点火エンジンである、請求項１２に記載のシステム。

【請求項33】

前記エンジンが、対向ピストン・フリーピストン・リニア内燃エンジンである、請求項１２に記載のシステム。

【請求項34】

前記エンジンは、クランクシャフト駆動式の対向ピストン内燃エンジンであり、一方のピストンの位相を他方のピストンの位相に対して回転させて全体的な圧縮比を変更するクランクシャフト位相器を備えている、請求項１２に記載のシステム。

【請求項35】

コンプレッサの仕事量を低減させた状態でフレアガスをメタノールに変換するためのシステムであって、
ａ． 空気の流れを受け入れるための第１ライン、及びフレアガスの流れを受け入れるための第２ラインであって、
ｂ． 空気吸入エンジン改質器アセンブリと流体連通した第１及び第２ラインと、
ｃ． 第３ラインと流体連通したターボエキスパンダアセンブリであって、
ｄ． 前記エンジン改質器アセンブリが前記第３ラインと流体連通しており、
ｅ． 前記第３ラインは、前記エンジン改質器アセンブリと当該ターボエキスパンダアセンブリを連結して、前記エンジン改質器からの中間生成物を当該ターボエキスパンダアセンブリに流すことができるようにし、
ｆ． 第４ライン、第５ライン、及び第６ラインに流体連通している、ターボエキスパンダアセンブリと、
ｇ． 前記第４ライン、前記第５ライン、及び前記第６ラインと流体連通しているメタノール合成アセンブリと、を備え、
ｈ． 前記第４ラインは、前記ターボエキスパンダを前記メタノール合成アセンブリに連結して、前記ターボエキスパンダから前記メタノール合成アセンブリへの第１の流れを提供するようにされ、
ｉ． 前記第５ラインは、前記ターボエキスパンダを前記メタノール合成アセンブリに連結して、前記ターボエキスパンダアセンブリから前記メタノール合成アセンブリへの第２の流れを提供するようにされ、
ｊ． 前記第６ラインは、前記ターボエキスパンダを前記メタノール合成アセンブリに連結して、前記メタノール合成アセンブリから前記ターボエキスパンダへの第３の流れを提供するようにされた、システム。

【請求項36】

前記中間生成物が合成ガスである、請求項３５に記載のシステム。

【請求項37】

前記ターボエキスパンダから前記メタノール合成アセンブリへの前記第１の流れが合成ガスである、請求項３５に記載のシステム。

【請求項38】

前記エンジンが、バルブの開閉に作用するように吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトを回転させるカムシャフト位相器を利用して可変「有効」圧縮比を達成する従来の火花点火レシプロエンジンである、請求項１から３７のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項39】

前記エンジンが、バルブの開閉に作用するように可変リフトおよび／または可変デュレーションのバルブトレインを利用して可変「有効」圧縮比を達成する従来の火花点火レシプロエンジンである、請求項１から３７のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項40】

前記エンジンが、前記クランクシャフトを回転させる従来のコネクティングロッドの代わりにマルチリンクシステムを備え、アクチュエータモータが前記マルチリンクシステムの終点を変更する、請求項１から３７のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項41】

前記エンジンがツーストロークエンジンである、請求項１から３５のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項42】

前記エンジンがフォーストロークエンジンである、請求項１から３７のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項43】

エンジン回転数をエンジン圧縮比とともに変化させて、所望の燃焼と所望の排気ガス組成を達成するようにした、請求項１から３７のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項44】

前記入口マニホールドの空気温度をエンジン圧縮比とともに変化させて、所望の燃焼と所望の排気ガス組成を達成するようにした、請求項１から３７のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項45】

前記入口マニホールドの空気圧（例えば、ブーストレベル）をエンジン圧縮比とともに変化させて、所望の燃焼と所望の排気ガス組成を達成するようにした、請求項１から３７のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項46】

蒸気または水素を流入空気または燃料に添加し、その添加量をエンジン圧縮比とともに変化させて、所望の燃焼と所望の排気ガス組成を達成するようにした、請求項１から３７のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項47】

前記エンジンが少なくとも１．５のＥＲの下で運転される，請求項１から４６のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項48】

前記エンジンが少なくとも約２のＥＲの下で運転される、請求項１から４７のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項49】

前記エンジンが少なくとも約２．５のＥＲの下で運転される、請求項１から４８のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項50】

前記エンジンが少なくとも約３のＥＲの下で運転される、請求項１から４９のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項51】

前記エンジンが少なくとも約２．５のＥＲの下で運転される、請求項１から５０のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項52】

圧縮比が８：１から１４：１の間で制御される、請求項１から５１のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項53】

前記エンジンの下流で、統合された熱交換器、圧縮システムコンポーネント、および熱交換器を組み合わせて、前記下流の合成反応器用の合成ガスを調製するようにした、請求項１から５２のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項54】

前記エンジンの下流に、有用な液体生成物を生成するための下流合成反応器システムを有する、請求項１から５３のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項55】

ＡＩで訓練された異常検知を含むクラウドベースの遠隔監視システムが、可変バルブタイミングの変化を動的に監視し、燃料供給の異常を評価して対応する、請求項１から５４のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項56】

ＣＯ_２ｅライフサイクルアセスメントの観点から、フレアガスから製造された場合において、パイプライン天然ガスからのベースライン液体メタノール製造と比較して、最終生成物（この場合、液体メタノール）１ｋｇあたり約４０ｋｇＣＯ_２ｅの負のＣＯ_２ｅ排出をもたらすことになる、請求項１から５５のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項57】

フレアガスから製造され、パイプライン天然ガスからのベースラインメタノールと等価なｋｇのメタノールを置き換える場合において、結果として生じる前記負のＣＯ_２ｅ排出量は、最終生成物（メタノール）１ｋｇあたり約７０ｋｇＣＯ_２ｅである、請求項１から５６のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項58】

フレアガスから製造され、石炭ガス化からのベースラインメタノールと等価なｋｇを置き換える場合において、結果として生じる前記負のＣＯ_２ｅ排出量は、最終生成物（メタノール）ｋｇあたり約１３０ｋｇＣＯ_２ｅである、請求項１から５７のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項59】

前記最終生成物がメタノールを含む、請求項１から５８のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項60】

前記最終生成物が、エタノール、アンモニア、ジメチルエーテル、およびＦ－Ｔ液体からなる群から選択される材料を有する、請求項１から５９のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項61】

前記燃料源が炭化水素井からのフレアガスである、請求項１から６０のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項62】

前記燃料源が油井からのフレアガスである、請求項１から６１のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項63】

前記燃料源が、非従来型油井からのフレアガスである、請求項１から６２のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項64】

前記燃料源がフレアガスであり、前記フレアガスは、石油化学処理、精製、埋立地、廃水処理、および畜産からなる群から選択される、請求項１から６３のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項65】

前記燃料ガスの流量が約５０，０００ｓｃｆｄから約３０，０００，０００ｓｃｆｄである、請求項１から６４いずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項66】

前記燃料ガスの流量が、約５００，０００ｓｃｆｄから約２０，０００，０００ｓｃｆｄである、請求項１から６５のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項67】

前記燃料ガスの流量が、約６００，０００ｓｃｆｄから約１５，０００，０００ｓｃｆｄである、請求項１から６６のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【請求項68】

前記燃料ガスの流量が、約７００，０００ｓｃｆｄから約１０，０００，０００ｓｃｆｄである、請求項１から６７のいずれか一項に記載のシステムおよび方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は、（i）３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９条（ｅ）（１）に基づき、２０２２年１月２８日に出願された米国仮出願第６３／３０４，４６３号の出願日の利益を主張し、またその優先権の利益を主張し、（ii）２０２２年５月１７日に出願された米国出願番号１７／７４６，９４２号の一部継続出願であり、(iii)２０２２年９月２６日に出願された米国出願番号１７／９５３，０５６号の一部継続出願であり、(iv)２０２２年１１月９日に出願された米国出願番号１７／９８４，１２６号の一部継続出願であり、（v）３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）（１）に基づき、２０２２年１月２８日に出願された米国仮出願第６３／３０４，３７１号の出願日の利益を主張し、またその優先権の利益を主張し、そして（vi）３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）（１）に基づき、２０２２年１月２８日に出願された米国仮出願第６３／３０４，４７５号の出願日の利益を主張し、またその優先権の利益を主張するものであり、それぞれの開示全体は参照により本明細書に組み込まれる。

【0002】

本発明は、フレアガスなどの炭化水素ガスを回収して有用かつ経済的に実現可能な材料に変換するシステムを含む、ガス液化システムなどの改質器ベースの炭化水素処理システムに必要なコンプレッサの仕事量（例えば、コンプレッサの数およびサイズ、コンプレッサの運転に必要なエネルギーなどの圧縮要件）を低減するための新規かつ改良された方法、装置およびシステムに関する。
特に、本発明は、ガス液化システムおよびプロセスで使用されるエンジン、特に空気吸入（air-breathing）改質器を運転するための新規かつ改良された方法、装置およびシステムに関する。
「フレアガス」、「廃棄ガス」、および同様の用語は、可能な限り広範な意味が与えられ、石油・ガス生産、炭化水素井（在来型井および非在来型井を含む）、石油化学処理、精製、埋立地、廃水処理、酪農、家畜生産、およびその他の自治体、化学、工業プロセスによって、またはそれらから発生、生成、関連、または生産されるガスを含むものとする。したがって、例えばフレアガスや廃棄ガスには、ストランデッドガス（stranded gas）、随伴ガス、埋立地ガス、ベントガス、バイオガス、消化器ガス、スモールポケットガス、遠隔地ガスなどが含まれる。

【背景技術】

【0003】

通常、フレアガスの組成は、異なるガスの混合物である。その組成は、フレアガスの発生源に依存する。例えば、石油・ガス生産時に放出されるガスは、主に天然ガスを含んでいる。天然ガスは９０％以上がメタン（ＣＨ_４）で、エタンや少量の他の炭化水素、水、Ｎ_２、ＣＯ_２も含まれる。製油所やその他の化学・製造事業からのフレアガスは、通常、炭化水素と場合によってはＨ_２の混合物である。埋立地ガス、バイオガス、消化器ガスは通常、ＣＨ_４とＣＯ_２の混合物であり、少量の他の不活性ガスも含まれる。一般に、フレアガスは、メタン、エタン、プロパン、ｎ－ブタン、イソブタン、ｎ－ペンタン、イソペンタン、ｎ－ヘキサン、エチレン、プロピレン、１－ブテン、一酸化炭素、二酸化炭素、硫化水素、水素、酸素、窒素、水のうちの１つ又は複数のガスを含む。

【0004】

フレアガスの大部分は、油田における多数の油井またはガス井、埋立地、または化学工場のような、より小規模で個々の点源から発生する。本発明以前は、フレアガス、特に炭化水素生成井戸やその他の小規模な点源から生成するフレアガスは、燃焼させて廃棄されており、場合によっては直接大気中に排出していたかも知れない。このフレアガスは経済的に回収・利用することはできなかった。炭化水素生産とその他の試みの両方から発生するフレアガスの燃焼や排出は、公害と温室効果ガスの発生に関する深刻な懸念を引き起こしている。

【0005】

本明細書では、特に断りのない限り、「シンガス」、「合成ガス」、および同様の用語は、可能な限り広い意味が与えられるべきであり、Ｈ_２とＣＯの混合物を主成分として有するガスを含み、またＣＯ_２、Ｎ_２，および水、並びに僅かな量の他の材料も含み得る。

【0006】

本明細書では、特に断りのない限り、「生成物ガス」および同様の用語は、可能な限り広い意味が与えられるべきであり、Ｈ_２、ＣＯ、およびその他の炭化水素を有し、典型的にはメタンなどのその他の炭化水素を相当量含むガスが含まれる。

【0007】

本明細書では、特に断りのない限り、「再処理ガス」という用語には、「シンガス」、「合成ガス」、「生成物ガス」が含まれる。

【0008】

特に断りのない限り、本明細書で使用される場合、「部分酸化」、「部分酸化する」及び同様の用語は、燃料及び空気の化学量論以下の混合気（すなわち、燃料が豊富な混合気）が部分的に反応（例えば、燃焼）して合成ガスを生成する化学反応を意味する。部分酸化という用語には、一般的に無触媒改質器で起こる熱部分酸化（ＴＰＯＸ）と触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）の両方が含まれる。部分酸化反応の一般式は次の通りである。

【0009】

【0010】

特に断りのない限り、本明細書で使用される値の範囲の記載は、単に、範囲内に入る各個別の値を個別に参照するための略記法としての役割を果たすことを意図している。本明細書において別段の記載がない限り、範囲内の各個別の値は、本明細書に個別に記載されているかのように本明細書に組み込まれる。

【0011】

一般に、本明細書で使用される「約」という用語は、特に断りのない限り、±１０％の分散または範囲、あるいは記載された値を得ることに関連する実験誤差または機器誤差のうち大きい方を包含することを意味する。

【0012】

別に断りがない限り、ここでは、「ＣＯ_２ｅ」という用語は、気候変動に関する政府間パネル（ＩＰＣＣ）第５次評価報告書（ＡＲ５）の方法論に基づき、２０年又は１００年の地球温暖化係数ベースで、他の、より影響力の強い温室効果ガス（例えば、メタンや亜酸化窒素）の二酸化炭素に対する等価性を定義するために使用される。「炭素強度」という用語は、生成物の単位質量当たりに発生するライフサイクルＣＯ_２ｅを意味する。

【0013】

本明細書では、特に断りのない限り、「粗メタノール」という用語は、水、溶存ガス、その他の汚染物質を取り出す前のメタノール合成ループで製造されたメタノールと定義する。粗メタノールには、５～２０ｗｔ％の水、溶存ガス（例えば、１～２ｗｔ％のＣＯ_２）および微量汚染物質（例えば、エタノール）が含まれることが多い。本明細書では、特に断りのない限り、「安定化メタノール」という用語は、溶存ガスおよびその他の軽質成分の濃度を低減するためのフラッシュ操作（例えば、１段フラッシュドラム）を経た粗メタノールと定義する。多くの場合、安定化メタノールのＣＯ_２濃度は１％未満であり、最も一般的には約０．５ｗｔ％である。本明細書では、「原料メタノール」、「初期メタノール」などの用語は、「粗メタノール」、「安定化メタノール」またはその両方を指す。本明細書では、「グレードメタノール」という用語は、ＡＳＴＭ ＡＡ規格（Ｄ１１５２）またはＩＭＰＣＡメタノール参照規格などの純度規格を満たすメタノールとして定義される。

【0014】

本明細書において、特に断りのない限り、％およびｍｏｌ％という用語は互換的に使用され、例えば、製剤、混合物、材料または生成物全体のモル数に対する第一成分のモル数の割合を指す。

【0015】

本明細書において、特に断りのない限り、重量％（略号：ｗｔ％）および質量％という用語は、例えば、製剤、混合物、材料または生成物などの全体の重量に対する第一成分の重量のパーセンテージを指す。

【0016】

本明細書では、特に断りのない限り、室温は２５℃、標準温度と標準圧力は１５℃、１気圧（１．０１３２５ｂａｒ（バール））とする。明示的に別段の記載がない限り、すべての試験、試験結果、物理的特性、および温度依存性、圧力依存性、またはその両方の値は、標準温度および標準圧力で提供されている。

【0017】

本明細書で使用する場合，特に断らない限り，「燃料対空気当量比」、「当量比」、「燃料／空気当量比」、「Φ」または「ＥＲ」、および類似のそのような用語は、同じ意味を有し、その最も広い意味を与えられ、化学量論的燃料／空気比に対する実際の燃料／空気比の比を含むものとする。化学量論的空燃比とは、理想的な化学量論的燃焼が起こるのに必要な空燃比のことで、燃料と酸素がすべて反応で消費され、生成物は二酸化炭素と水である。

地球温暖化と環境問題

【0018】

すでに深刻な問題となっている二酸化炭素と比較したときの、廃棄ガスの放出による環境への相対的な影響が図１２に示されている。

【0019】

フレアガスやベントからメタンが漏れることによる地球温暖化への影響は、決して過小評価できるものではない。国際エネルギー機関（ＩＥＡ）の２０１９年の報告書によると、２０１８年には約２０００億立方メートルの廃棄ガスやフレアガスが大気中で燃焼または大気中に放出された。約５００億立方メートルのガスが放出され、約１５００億立方メートルのガスがフレアで燃焼された。燃焼は炭化水素を二酸化炭素に変換することを目的としているが、そのピーク効率は９８％であり、風があると効率は低下する。燃焼効率の低さとガス放出とが相まって、ＣＯ_２ｅ換算で合計約１４億トンのＣＯ_２ｅが排出された。これは、年間の人為的ＣＯ_２ｅ排出源全体の約２．７％に相当する。

【0020】

この発明の背景技術の欄は、本発明の実施形態に関連する可能性がある技術のさまざまな側面を紹介することを目的としている。したがって、この欄の前述の議論は、本発明の理解を深めるための枠組みを提供する。であり、先行技術の承認とみなされるべきではない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0021】

非経済的な炭化水素系燃料（例えば、ストランデッドガス、随伴ガス、非随伴ガス、埋立地ガス、フレアガス、スモールポケットガス、遠隔地ガス、廃水処理ガス）を、付加価値のある輸送しやすい生成物（例えば、メタノール、エタノール、アンモニア、ジメチルエーテル、Ｆ－Ｔ液体、およびその他の燃料または化学物質）に変換するシステム、装置、および方法に対するニーズは、長年にわたって拡大しつつも満たされていない。炭化水素系の不経済な燃料を付加価値のある輸送しやすい生成物に変換するためのシステム、装置および方法において、改質装置として空気吸入エンジンおよびその運転が使用される場合、およびこれらのエンジンがリッチな条件下で運転される場合に、エンジンの運転、特に、入口圧力および出口圧力並びに圧力差を制御するための改良されたシステムおよび方法が引き続き必要とされてきた。本発明は、特に、本明細書で教示され、開示される製造品、装置およびプロセスを提供することにより、これらのニーズを解決する。

【0022】

一般に、ガス液化システムのいくつかの実施形態で使用される圧縮仕事に関連する重大な問題、コスト、および非効率性がある。なぜなら、合成工程で必要とされる圧力は、通常、エンジン改質器の出口の圧力よりもはるかに高いからである。例えば、メタノール合成の場合、メタノール製造装置への入口に必要な圧力は通常５０ｂａｒであるが、商用エンジンの出口の圧力は通常１ｂａｒ付近である（エンジンの出口または出力は、例えばメタノール合成装置の中間体への供給に使用される）。したがって、本発明以前は、この５０倍の差を、圧縮仕事、例えばコンプレッサによって補う必要があった。本発明の実施形態は、特に、本明細書で教示され、開示される製造品、装置およびプロセスを提供することによって、これらの問題およびニーズを解決する。

【課題を解決するための手段】

【0023】

従って、以下の１つ又は複数のものを有する又は使用する、空気吸入エンジン改質器を利用したガス液化システムに必要な圧縮仕事量を最小化する方法及びシステムが提供される。（ａ）窒素の量を減らすこと、（ｂ）エンジンの背圧を標準の１ｂａｒまたは２ｂａｒから最大５ｂａｒまで増加させること、（ｃ）ターボエキスパンダを使用して圧縮仕事の多くを回収し、他の効果のなかでもとりわけ、プラントの運転に必要なコストを低減すること、（ｄ）強化合成ループ（intensified synthesis loop）を利用して、より低い全体圧力で許容可能なメタノール合成を達成すること。

【0024】

さらに、下流の圧縮要件を低減する手段として約２ｂａｒから約５ｂａｒの圧力で中間合成ガスを生成するエンジン改質器、合成ガスを所望の下流合成圧力まで圧縮して高圧合成ガスを提供する合成ガスコンプレッサ、および高圧合成ガスを所望の生成物に変換する下流合成プロセスを有する、ガス液化システムおよび方法が提供される。

【0025】

さらに、合成反応の生成物または副生成物を未反応合成ガス（シンガス）から選択的に取り出してより低い合成圧力で高いシングルパス変換率を達成するために平衡をシフトさせる下流合成反応器を有するガス液化システムおよび方法を提供し、生成物分離が合成反応器内でその場で行なわれるか、密接に連結された態様で行なわれるか、又はその両方で行なわれ、これにより、合成反応器への再循環ループが減少または排除され、再循環ガスの再圧縮のための圧縮仕事が減少するようにされ、さらに、反応器内で反応物から生成物を分離する手段であって、吸着、吸収、膜分離、及び蒸留等のうちの１つ又は複数の手段を含むことができる。

【0026】

さらに、システムから排出される前に減圧されるガス状生成物ストリームからエネルギーを回収するために、レキュペレーターの下流にターボエキスパンダを有するガス液化システムおよび方法が提供され、回収されたエネルギーは、プロセスのための正味圧縮仕事量を低減するために使用され、それによって自立運転が可能になる。

【0027】

さらに、以下の特徴の１つ又は複数を有するこれらの方法、システム及び装置が提供される。エンジンの良好な容積効率および正味軸出力を促進するための、入口チャージ昇圧またはバルブタイミングの変更などのエンジン改質器の変更。すす、硫黄、酸素、カルボニル、および他の汚染物質を除去するための、様々な合成ガス調整工程。生成物を回収し、吸着剤／掃引材料（sweep material）を反応器に戻すための、吸着剤または掃引流を再生する手段。下流の反応性分離工程に熱、電気、軸動力、または空気圧／油圧を供給するために、エンジン改質器からの出力を使用すること。エンタルピーとターボエキスパンダの仕事量を増加させるために、高温の合成ガスの流れからターボエキスパンダの入口の流れに熱を送るための復熱熱交換器、プロセスの流れを切り離す復熱熱交換のための間接的な熱伝達ループ、熱利用を改善し、プロセスの起動を容易にし、プロセスの妨害によるフィードバックを抑制するための間接的な熱伝達ループ内の蓄熱、および多段階コンプレッサのエキスパンダーに段間熱交換器を含む統合ターボエキスパンダ。

【0028】

したがって、ガスを最終生成物に変換する方法が提供され、その方法は、主にガス状炭化水素および不活性ガスからなる組成の炭化水素系燃料源の流れを供給源から受け取る工程と、液体の合成に適したＨ_２／ＣＯ比を有する合成ガス混合気を生成するために、空気吸入レシプロエンジン内で燃料源を部分酸化する工程と、コンプレッサの仕事量を低減する工程を実行する。

【0029】

さらに、以下の特徴のうち１つ又は複数を有するこれらの方法およびシステムが提供される。コンプレッサの仕事量を低減する工程が窒素の量を減らすことを含む。コンプレッサの仕事量を低減する工程が空気吸入レシプロエンジンの背圧を増加させることを含む。背圧が５ｂａｒまで増加される。背圧が２ｂａｒより大きい。コンプレッサの仕事量を低減する工程がターボエキスパンダ・熱交換器システムを使用することを含む。空気吸入レシプロエンジンがリッチバーンエンジンである。空気吸入レシプロエンジンが可変圧縮比エンジンである。空気吸入レシプロエンジンが圧縮点火エンジンである。空気吸入レシプロエンジンが火花点火エンジンである。

【0030】

さらに、ガスを最終生成物に変換するシステムが提供され、そのシステムは、組成が主としてガス状炭化水素と供給源からの不活性ガスである、炭化水素をベースとする燃料源の流れを受け入れるための流入ポートであって、燃料源を部分的に酸化して液体の合成に適したＨ_２／ＣＯ比を有する合成ガス混合気を生成するようにされた空気吸入レシプロエンジンと流体連通している流入ポートと、コンプレッサの仕事量を低減する手段と、を備えている。

【0031】

さらに、以下の特徴のうち１つ又は複数を有するこれらの方法およびシステムが提供される。コンプレッサの仕事量を低減する手段が窒素の量を減らす手段を含む。窒素の量を減らす手段が酸素富化ユニットを含む。窒素の量を減らす手段が窒素除去ユニットを含む。コンプレッサの仕事量を低減する手段が空気吸入レシプロエンジンの増加した背圧を含む。増加した背圧が最大５ｂａｒである。増加した背圧が２ｂａｒより大きい。増加した背圧が２ｂａｒより大きい。コンプレッサの仕事量を低減する手段がターボエキスパンダ・コンプレッサ・熱交換器を使用することを含む。ターボエキスパンダ・コンプレッサ・熱交換器システムが３段階を含む。ターボエキスパンダ・コンプレッサ・熱交換器システムがコンプレッサ・タービンアセンブリを含む。ターボエキスパンダ・コンプレッサ・熱交換器システムが２段階で構成され、各段階がコンプレッサとタービンと熱交換器を有する。ターボエキスパンダ・コンプレッサ・熱交換器システムが３段階を含み、各段階がコンプレッサとタービンと熱交換器を有する。コンプレッサの仕事量を減らす手段が反応分離合成ループを含む。空気吸入レシプロエンジンはリッチバーンエンジンである。空気吸入レシプロエンジンは可変圧縮比エンジンである。空気吸入レシプロエンジンは圧縮点火エンジンである。空気吸入レシプロエンジンは火花点火エンジンである。燃料源はフレアガスである。エンジンが、ディーゼルサイクルエンジンを含む圧縮点火エンジン、または予混合圧縮点火エンジンである。エンジンが、オットーサイクルを含む火花点火エンジンである。エンジンは対向ピストン・フリーピストン・リニア内燃エンジンである。エンジンはクランクシャフト位相器を備えたクランクシャフト駆動対向ピストン内燃エンジンであり、一方のピストンの位相を他方のピストンの位相に対して回転させて全体的な圧縮比を変更するクランクシャフト位相器を備えている。

【0032】

さらに、コンプレッサの仕事量を低減させた状態でフレアガスをメタノールに変換するためのシステムが提供され、このシステムは、空気の流れを受け入れるための第１ライン、及びフレアガスの流れを受け入れるための第２ラインであって、空気吸入エンジン改質器アセンブリと流体連通した第１及び第２ラインと、第３ラインと流体連通したターボエキスパンダアセンブリであって、エンジン改質器アセンブリが第３ラインと流体連通しており、第３ラインは、エンジン改質器アセンブリとターボエキスパンダアセンブリを連結して、エンジン改質器からの中間生成物をターボエキスパンダアセンブリに流すことができるようにし、ターボエキスパンダアセンブリが第４ライン、第５ライン、及び第６ラインに流体連通している、ターボエキスパンダアセンブリと、第４ライン、第５ライン、及び第６ラインと流体連通しているメタノール合成アセンブリと、を備え、第４ラインは、ターボエキスパンダをメタノール合成アセンブリに連結して、ターボエキスパンダからメタノール合成アセンブリへの第１の流れを提供するようにされ、第５ラインは、ターボエキスパンダをメタノール合成アセンブリに連結して、ターボエキスパンダアセンブリからメタノール合成アセンブリへの第２の流れを提供するようにされ、第６ラインは、ターボエキスパンダをメタノール合成アセンブリに連結して、メタノール合成アセンブリからターボエキスパンダへの第３の流れを提供するようにされている。

【0033】

さらに、以下の特徴の１つ又は複数を有するこれらの方法及びシステムが提供される。中間生成物が合成ガスである。ターボエキスパンダからメタノール合成アセンブリへの第１の流れが合成ガスである。エンジンが、バルブの開閉に作用するように吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトを回転させるカムシャフト位相器を利用して可変「有効」圧縮比を達成する従来の火花点火レシプロエンジンである。エンジンが、可変リフトおよび／または可変デュレーションのバルブトレインを利用して可変「有効」圧縮比を達成し、バルブ開閉に影響を与える従来の火花点火レシプロエンジンである。エンジンが、クランクシャフトを回転させる従来のコネクティングロッドの代わりにマルチリンクシステムを備え、アクチュエータモータがマルチリンクシステムの終点を変更する。エンジンがツーストロークエンジンである。エンジンがフォーストロークエンジンである。エンジン回転数をエンジン圧縮比とともに変化させて、所望の燃焼と所望の排気ガス組成を達成する。入口マニホールドの空気温度をエンジン圧縮比とともに変化させて、所望の燃焼と所望の排気ガス組成を達成する。入口マニホールドの空気圧（例えば、ブーストレベル）をエンジン圧縮比とともに変化させて、所望の燃焼と所望の排気ガス組成を達成する。ａ蒸気または水素を流入空気または燃料に添加し、その添加量をエンジン圧縮比とともに変化させて、所望の燃焼と所望の排気ガス組成を達成する。

【0034】

さらに、以下の特徴の１つ又は複数を有するこれらの方法及びシステムが提供される。エンジンが少なくとも１．５のＥＲの下で運転される。エンジンが少なくとも約２のＥＲの下で運転される。エンジンが少なくとも約２．５のＥＲの下で運転される。エンジンが少なくとも約３のＥＲの下で運転される。エンジンが少なくとも約３のＥＲの下で運転される。圧縮比が８：１から１４：１の間で制御される。エンジンの下流で、統合された熱交換器、圧縮システムコンポーネント、および熱交換器を組み合わせて、下流の合成反応器用の合成ガスを調製する。エンジンの下流に、有用な液体生成物を生成するための下流合成反応器システムを有する。ＡＩで訓練された異常検知を含むクラウドベースの遠隔監視システムが、可変バルブタイミングの変化を動的に監視し、燃料供給の異常を評価して対応する。ＣＯ_２ｅライフサイクルアセスメントの観点から、フレアガスから製造された場合において、パイプライン天然ガスからのベースライン液体メタノール製造と比較して、最終生成物（この場合、液体メタノール）１ｋｇあたり約４０ｋｇＣＯ_２ｅの負のＣＯ_２ｅ排出をもたらす。フレアガスから製造され、パイプライン天然ガスからのベースラインメタノールと等価なｋｇのメタノールを置き換える場合において、結果として生じる負のＣＯ_２ｅ排出量は、最終生成物（メタノール）１ｋｇあたり約７０ｋｇＣＯ_２ｅであ。フレアガスから製造され、石炭ガス化からのベースラインメタノールと等価なｋｇを置き換える場合において、結果として生じる負のＣＯ_２ｅ排出量は、最終生成物（メタノール）ｋｇあたり約１３０ｋｇＣＯ_２ｅである。最終生成物がメタノールを含む。最終生成物が、エタノール、アンモニア、ジメチルエーテル、およびＦ－Ｔ液体からなる群から選択される材料を有する。燃料源が炭化水素井からのフレアガスである。燃料源が油井からのフレアガスである。燃料源が、非従来型油井からのフレアガスである。燃料源がフレアガスであり、フレアガスは、石油化学処理、精製、埋立地、廃水処理、および畜産からなる群から選択される。燃料ガスの流量が約５０，０００ｓｃｆｄから約３０，０００，０００ｓｃｆｄである。燃料ガスの流量が、約５００，０００ｓｃｆｄから約２０，０００，０００ｓｃｆｄである。燃料ガスの流量が、約６００，０００ｓｃｆｄから約１５，０００，０００ｓｃｆｄである。燃料ガスの流量が、約７００，０００ｓｃｆｄから約１０，０００，０００ｓｃｆｄである。

【図面の簡単な説明】

【0035】

【図1】本発明に従って使用するメタノール合成反応の平衡定数を示すチャートであり、Ｋ１は単位atm^－２でのＣＯ水素化反応（Ｒ１）の平衡定数であり、Ｋ２はatm^－２単位でのＣＯ_２水素化反応（Ｒ２）の平衡定数であり、Ｋ３は単位無しでの逆水－ガスシフト反応（Ｒ３）の平衡定数である。

【0036】

【図2】本発明による、反応器温度および圧力の関数としての、メタノールへの平衡限界炭素（ＣＯ＋ＣＯ_２）転換率のサーフェスプロットを示すチャートである。チャートの左側のパーセンテージは、特定の温度および圧力に対応するチャート領域の各領域の炭素転換率を示す。

【0037】

【図3】本発明によるシステムおよびプロセスの一実施形態の概略フロー図である。

【0038】

【図4】メタノール合成圧力の違いを強調した、本発明によるシステムおよびプロセスの一実施形態の概略フロー図である。

【0039】

【図5】本発明に従って使用する、５０ｂａｒの下流合成圧力を達成するための、エンジン背圧の関数としてのコンプレッサ出力を示す表である。

【0040】

【図6】本発明による反応生成物分離器を有するシステムおよびプロセスの一実施形態の概略フロー図である。

【0041】

【図7】本発明による反応性副生成物分離を有するシステムおよびプロセスの一実施形態の概略フロー図である。

【0042】

【図8】本発明によるレキュペレーターおよびターボエキスパンダを有するシステムおよびプロセスの一実施形態の概略フロー図である。

【0043】

【図9】本発明によるターボエキスパンダ（エンジン背圧３ｂａｒ、メタノール合成圧力５０ｂａｒ）を使用したガスからメタノールへの変換プロセスにおけるコンプレッサの出力（総（グロス）出力および正味（ネット）出力）を示す表である。

【0044】

【図10】本発明によるガスからメタノールへの変換システムの実施形態で使用するための統合ターボエキスパンダシステムおよび方法（温度および圧力動作プロファイルを含む）の実施形態を示すシステムおよびプロセスの実施形態の概略フロー図である。

【0045】

【図11】例えばフレアガスを合成ガスに変換して付加価値のある生成物に変換する、本発明による空気吸入プロセスの一実施形態の熱力学的状態点のＴ－Ｓ線図である。

【0046】

【図12】地球温暖化係数の値を示す表である。

【0047】

【図13】本発明による火花点火レシプロエンジンを備える図８のシステムを使用して、フラッグガス（flag gas）を合成ガスに変換し、さらにメタノールに変換するプロセスの一実施形態、動作条件、および熱力学的状態点を表すＴ－Ｓ線図である。

【0048】

【図14】本発明による圧縮点火レシプロエンジンを有する図８のシステムを使用して、フラッグガスを合成ガスに変換し、さらにメタノールに変換するプロセス、動作条件、および熱力学的状態点の実施形態を示すＴ－Ｓ線図である。

【0049】

【図15】本発明による流量適合型ターボエキスパンダおよびコンプレッサを有するシステムおよびプロセスの一実施形態の概略フロー図である。

【図15A】本発明による流量適合型ターボエキスパンダおよびコンプレッサを有するシステムおよびプロセスの一実施形態の概略フロー図である。

【図15B】本発明による流量適合型ターボエキスパンダおよびコンプレッサを有するシステムおよびプロセスの一実施形態の概略フロー図である。

【図15C】本発明による流量適合型ターボエキスパンダおよびコンプレッサを有するシステムおよびプロセスの一実施形態の概略フロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0050】

本発明は概して、炭化水素ガスから利用可能な燃料を経済的に回収するシステム、装置および方法に関するものであり、特に、実施形態においては、フレアガス用のより小型で、隔離されたまたは遠隔の場所または位置でこのような回収を達成する。

【0051】

概して、本発明の実施形態は、ガス液化システムなどの改質器ベースの炭化水素処理システムに必要なコンプレッサの仕事量（例えば、コンプレッサの数やサイズ、コンプレッサの運転に必要なエネルギーなどの圧縮要件）を低減する装置およびシステムを含む。

【0052】

一般に、本発明の実施形態は、レシプロエンジン改質器ベースの炭化水素処理システム、例えばガス液化システムに必要なコンプレッサの仕事量を低減する装置およびシステムを含む。

【0053】

一般に、本発明の実施形態は、例えばフレアガスをメタノールに加工するような、ガス液化システムおよびガス液化プロセスを有するシステムおよび方法に関する。これらのシステムでは、空気吸入エンジン改質器が合成ガス中間体を生成し、その合成ガス中間体は下流の合成工程でさらにメタノールに変換される。このようなガス液化システムの例は、米国特許公開第２０２２／０３８８９３０号および米国特許出願第１７／９５３，０５６号（２０２２年９月２６日出願）および１７／９８４，１２６（２０２２年１１月９日出願）に開示されており、これらの開示全体は参照により本明細書に組み込まれる。）特に、本発明の実施形態は、これらのガス液化システムおよびガス液化プロセスにおける空気吸入エンジン改質器に関連する圧力差を改善および強化し、その結果、これらのシステムの動作に必要なコンプレッサの仕事量を削減する装置、システム、および方法に関する。したがって、レシプロエンジン改質器ベースの炭化水素処理システムに必要なコンプレッサの仕事量を低減する本装置およびシステムの実施形態は、これらのガス液化システムとともに、またはその一部として利用される。

【0054】

図１には、メタノール合成における典型的な３つの反応の平衡定数が示されている。これらの反応のうち任意の２つ（例えばＲ１とＲ２）は線形独立であり、３つ目（例えばＲ３）は他の２つの組み合わせであることに注目されたい。理想的な合成ガスの化学量論を実現することは、反応式（１）～（３）に従って下流の合成工程でメタノールを生成する直接的な方法を示す。
（Ｒ１） CO+2H₂ ⇔ CH₃OH ΔHr = -90.7kJ/mol（ＣＯ水素化）
（Ｒ２） CO₂+3H₂ ⇔ CH₃OH+H₂O ΔHr = -49.5kJ/mol（ＣＯ_２水素化）
（Ｒ３） CO₂+H₂ ⇔ CO+H₂O ΔHr = 41.2kJ/mol（逆水ガス変換）

【0055】

ＣＯとＣＯ_２からメタノールを生成する水素化反応（Ｒ１とＲ２）は発熱反応であり、ＲＷＧＳ反応（Ｒ３）は吸熱反応である。そのため、メタノールへの全体的な平衡反応は低温が好ましい。しかし、触媒活性（および関連する反応速度）は温度とともに低下するため反応器の温度には実用的な最低限の温度がある。

【0056】

図２では、反応器の温度と圧力の関数として、平衡状態における予測された一工程での炭素（ＣＯ＋ＣＯ_２）変換が示されている。高い変換率を得るには、より低い温度とより高い圧力が好ましい。これらの結果は、空気吸入改質器からの理想的な合成ガスの化学量論（Ｓ＝２）におけるＲ１～Ｒ３の測定平衡データを使用して生成された。図１と図２は、化学的および物理的な基本的な制限を明らかにしており、これまでは商業用メタノール合成プロセスにおいて比較的高い合成圧力と関連する圧縮仕事に結びついていた。これは、本発明の実施形態がコンプレッサの仕事量を低減することで対処し、改善している。

【0057】

さらに、図５を参照すると、５０ｂａｒの合成圧力下流におけるエンジン排気背圧の関数として、予測されたコンプレッサの仕事量（合計の合成ガス圧縮のみ）が示されている。これらのデータは、例えば図４に示されているようなタイプのガス液化システムおよびガス液化方法の具体化のために質量およびエネルギーバランスを実行する化学プロセスシミュレーションを使用して生成される。合成ガスコンプレッサは、中間冷却付きの３段階コンプレッサとして扱われる。このコンプレッサの等エントロピー効率は、産業用遠心式およびレシプロ式のコンプレッサの代表値として７５％と想定される。合成ガス比率調整再循環流は、第２段入口でコンプレッサに入る。エンジンの排気背圧を２ｂａｒから３ｂａｒに増加させると、圧縮の仕事量が２０．４％減少する。さらに背圧を２ｂａｒから４ｂａｒに増加させると、圧縮仕事は２８．０％減少する。したがって、図４の実施形態におけるエンジン排気背圧の収穫逓減と最適値は、圧縮仕事の減少とエンジン改質器の吸入と性能の減少とのバランスを取るために、２～５ｂａｒ範囲になるであろう。

【0058】

次に図９を参照すると、３ｂａｒのエンジン背圧と５０ｂａｒのメタノール合成圧力を想定した場合のターボエキスパンダを使用するガスからメタノールへの変換プロセスの実装例におけるコンプレッサ出力（総計（グロス）および正味（ネット））が示されている。これらのデータは、例えば図８に示されているようなタイプのガス液化システムおよびガス液化方法の具体例について、質量およびエネルギーのバランスを実行した化学プロセスシミュレーションを使用して生成されたものである。合成ガスコンプレッサ、一次再循環コンプレッサ、および入口空気コンプレッサで構成される総コンプレッサの仕事量は、合成ガスコンプレッサが大部分を占める。総コンプレッサ出力は１０５５．７ｋＷであり、エネルギー回収を行わない自立運転では通常、高すぎる。ターボエキスパンダは２９２．５ｋＷの電力を回収し、コンプレッサの必要電力を７６３．２ｋＷに削減する。これは、自立運転シナリオにおいてエンジン改質器で生成される軸出力（brake power）を使用する方が望ましい。

【0059】

本方法、装置、システムの利点には、とりわけ以下のものが含まれる。１）従来技術と比較して、設備投資および運転費用が低い。２）電力に関してプロセスが自己維持できるという利点を持つ、遠隔地や分散型アプリケーションに適している。また、従来型の商業用メタノール合成技術を改良し、未利用ガスを利用した小規模で分散型かつ自立型のアプリケーションを可能にする。

【0060】

本明細書ではメタノール合成を例として取り上げているが、本方法およびシステムは、他の類似した下流合成プロセスにも適用可能であることが理解される。したがって、概して、本明細書に記載された方法およびシステムの実施形態は、経済性のない炭化水素系燃料（例えば、ストランデッドガス、随伴ガス、埋立地ガス、フレアガス、スモールポケットガス、遠隔地ガス）を付加価値が高くて輸送が容易な生成物（例えば、メタノール、エタノール、アンモニア、ジメチルエーテル、Ｆ－Ｔ液体、およびその他の燃料または化学物質）に変換するためのシステムおよび方法とともに又はそれらと連動して利用するこができる。

【0061】

本発明の一実施形態では、システムおよび方法により、エンジンベースの改質器を備えた統合システムにおいて、ストランドガスを生成物（好ましくは付加価値の高い、輸送しやすい生成物、例えばメタノール、エタノール、アンモニア、ジメチルエーテル、Ｆ－Ｔ液体、その他の燃料または化学物質）に小規模でモジュール式に分散変換する際に、メタノール（またはアンモニアやＦ－Ｔ液体などの他の下流生成物）の合成に必要なガス圧縮要件が削減される。ガスの圧縮要件は、プロセスの全体的な設備投資および運転費用に影響を与え、モジュール式プラントの全体的な収益性に影響を与える。エンジン改質器を出た合成ガスの圧力を、下流のメタノール合成に適した値まで高めるためのコンプレッサは、プラント全体の設備投資のほぼ半分を占める可能性がある。さらに、実用化されたアプリケーションでは、外部からの電力供給をほとんど必要としない自立型のプラントが望ましい。電力要件の大半はコンプレッサを駆動させるために必要な電力が占めるため、コンプレッサの仕事量はプラントの運転費用と自立性に結びつく。

【0062】

合成ガス中間体を生成するためにエンジンベースの改質器を使用するガスからメタノールに変換するプラントの圧縮仕事に対する改善、例えば、その量の削減は、本発明の実施形態において提供される。コンプレッサの仕事量の削減は、例えば、以下の１つ又は複数の使用を通じて、いくつかの装置やプロセスによって達成することができる。（ａ）窒素の量を減らすこと。（ｂ）エンジンの背圧を標準の１または２ｂａｒから最大５ｂａｒまで増加させること。（ｃ）ターボエキスパンダを使用して圧縮仕事の大部分を回収し、プラントの運転費用を削減すること。（ｄ）強化された合成ループを使用して、より低い全体圧力で許容できるメタノール合成を実現すること。

【0063】

石油生産に伴う随伴ガスなどのストランドガス資源の収益化には、通常、ガスを常温で液体（例えば、メタノール、ＦＴ液体）または容易に凝縮可能なガス（例えば、アンモニア）である生成物または中間体に変換することが含まれる。アンモニアおよびメタノールの合成は、いずれも発熱が強く、平衡が制限され、反応中のモル数の全体的な減少を伴う。発熱性であるため、低温では良好な転換率（変換率）が得られる。しかしながら、低温では触媒活性が低下するため、より大きな反応器とより高い触媒負荷が必要となり、実用上最低限の反応器温度が要求される。反応器の圧力を高めると、平衡がより高い転換率にシフトする。実施態様では、メタノールプラントは、エンジンベースの改質器、特に空気吸入エンジンベースの改質器からの公称排気圧よりもはるかに高い公称５０ｂａｒの昇圧下でメタノール合成を行う。この高圧力は、相当な圧縮仕事を必要とし、それに伴う設備投資および運転費用も高額となる。高圧力にもかかわらず、シングルパス変換率は依然として低いため、全体的な変換率を高めるために再循環ループを使用することが可能であるが、その場合は大型の反応器や、より複雑で高額な下流分離工程が必要となる。

【0064】

好ましい実施態様では、コンプレッサの仕事量を低減する装置およびプロセスの１つ又は複数のものが、エンジンベースの改質器と合成ガス中間体を使用して、ストランドガスを容易に輸送可能な代替可能な生成物に変換するための、小型でモジュール式の分散型自給プラントの一部として使用される。

【0065】

本発明の実施態様は、再処理ガス、好ましくは合成ガスを生成するためのレシプロエンジンを備えており、特定の状況下では有利であり、ガス液化システムおよび方法に関連する、又はそれらと共に使用されるコンプレッサの仕事量を低減するための装置およびプロセスの１つ又は複数を備えている。本システムの実施態様は、好ましくはモジュール式であり、フレアガスが発生するアクセスが困難な場所、システムの設置面積が限られている場所、およびこれらの組み合わせやバリエーションに容易に配置することができる。

【0066】

本発明の実施態様の目的は、とりわけ、自律型モジュール式システムを使用して、さもなければ非経済的な炭化水素系燃料（例えば、ストランドガス、随伴ガス、埋立地ガス、フレアガス、小規模ガス田ガス、遠隔地ガス）を付加価値の高い、輸送しやすい生成物（例えば、メタノール、エタノール、アンモニア、ジメチルエーテル、Ｆ－Ｔ液体、その他の燃料または化学物質）に変換する際に必要なコンプレッサの仕事量を削減することである。

【0067】

本発明の実施形態は、油田や埋立地から発生する燃料源（フレアガスなど）を含む燃料源の様々な燃焼特性に対応するレシプロエンジンおよびそのエンジンの運転方法に重点を置いている。これらのガスが非経済的な理由のひとつは、燃料組成が大きく変動することである。組成の変動の結果、発熱量、セタン価（燃料の点火タイミングの遅れ）、オクタン価（圧縮による予点火に対する抵抗）などの燃焼特性に影響が及ぶ。これらのばらつきは、供給源ごとに生じ、また同じ供給源でも日によって（一時的なもの）、季節によって（特にバイオガス）、そして供給源が経年変化することによっても生じる。本願の実施形態は、これらの問題に対処し、解決するものである。

【0068】

従来の空気吸入レシプロエンジンは、通常、燃料仕様が狭い燃料を使用するように設計されている。例えば、自動車用ガソリンエンジンの圧縮比は、使用する燃料の品質に合わせて選択される。米国の「レギュラー」ガソリンのオクタン価は８６～８７である。より高性能なエンジン（例えば、より高い圧縮比）では、オクタン価９１～９４のプレミアムガソリンが必要になる場合がある。

【0069】

本発明の一実施形態は、市販レシプロエンジン（例えば、市販エンジン）を燃料対空気の比が高いリッチな条件で運転して合成ガスを製造する構成、動作、およびその両方である。エンジンを意図された設計ポイントから逸脱した状態で動作させ、オクタン価およびセタン価が幅広い範囲で変動する燃料を使用しても良好に動作させるために、この発明では、圧縮比、吸気マニホールドでの空気温度、吸気マニホールドでの空気圧、エンジン速度などのエンジン動作パラメータを修正する。この実施形態は、圧縮点火エンジン（ディーゼルサイクル）と火花点火エンジン（オットーサイクル）の両方に適用される。火花点火エンジンでは、燃料の変動にエンジン動作を適応させるために、点火タイミングも使用できる。望ましくは、この実施形態は、コンプレッサの仕事量を低減するために、本装置およびプロセスの１つ又は複数のものを有するシステムで使用される。

【0070】

本発明の実施形態は、主に気体の炭化水素である非経済的な炭化水素系燃料を油井や遠隔地で採取し、より価値が高く容易に凝縮可能なガスまたは液体化合物、例えばメタノールに変換するために使用することができる。油田で副産物として生産される随伴ガスやフレアガスも燃料源となり得る。また、精製所で発生するフレアガスなどの産業プロセスで発生するフレアガスも燃料源となり得る。埋立地や嫌気性消化槽から発生するバイオガスも燃料源となり得る。

【0071】

本発明の実施形態は、１台または複数台の合成ガスエンジンを使用し、入口ガス流量６００，０００ｓｃｆｄ（標準立方フィート／日）を目標とする小規模プラントにおいて特に有用である。このようなプラントの規模は、８０，０００ｓｃｆｄから３，０００，０００ｓｃｆｄ、または２０，０００ｓｃｆｄから１００，０００ｓｃｆｄの範囲で変化し得る。

【0072】

本発明の実施形態は、中央の製造業者施設で製造されてその後現場で設置される、１つ又は複数のモジュール式で相互接続されたスキッド又はコンテナに組み込むことができる。システムは少数のモジュールで構成され、現場で接続すると統合システムを形成する。この組立のモジュール性により、現場での労力を最小限に抑えながら、幅広い入口ガス供給量で遠隔地への適用が可能になる。

【0073】

図３を参照すると、例えばフレアガスなどの廃棄ガスを、例えばメタノールなどの付加価値のある生成物に変換するためのシステムおよび方法の一般的な実施形態が示されている。システム１００は、改質段階１０１と合成段階１０２を有する。システム１００は、空気取り入れ口１１０を有し、この空気取り入れ口１１０は、空気を圧縮するコンプレッサ１１１に空気を送り込む。圧縮された空気は、熱交換器１２０ａを通ってミキサー１１３に送り込まれる。システムは、例えばフレアガスなどの廃棄ガスのための取り入れ口１１０を有する。廃棄ガスは熱交換器１２０ｂを通ってミキサー１１３に流入する。ミキサー１１３は、本明細書で教示および開示されているように、空気と廃棄ガスの所定の混合物を改質器１１４に供給する。

【0074】

ミキサー１１３で形成される燃料・空気混合気は、好ましくはリッチであり、より好ましくは、全体的な燃料対空気当量比（Φ又はＥＲ）が、１より大きく、１．５より大きく、２より大きく、３より大きく、約１．５から約４．０、約１．１から約３．５、約２から約４．５、約１．１から約３、およびそれ以上の値である。

【0075】

酸素を空気中に添加できることが理解されている。また、水又は蒸気を空気・燃料混合気中、又は空気又は燃料単体に注入することもできる。約１％から約２０％（モル）の水を注入でき、約１０％から約１５％（モル）の水、約５％から約１７％（モル）の水、５％（モル）より多い水、１０％（モル）より多い水、１５％（モル）より多い水、２５％（モル）より少ない水を注入できる。酸素濃縮後、燃焼空気は約２１％から約９０％の酸素を含むことができる。ここで使用される「空気吸入」改質器および空気吸入エンジンには、水、酸素、またはその両方を添加して改質した空気を使用するエンジンも含まれる。

【0076】

改質器１１４は、廃棄ガスと空気（例えば、フレアガスと空気）の所定の混合物を燃焼させて、再処理ガス（例えば、合成ガス）を形成する。合成ガスは、熱交換器１２０ａ、１２０ｂを通り、フィルタ１１５、例えば微粒子フィルタに流入する。

【0077】

フィルタ１１５を通過した後、再処理されたガス（例えば合成ガス）は、２つのガードベッド反応器（guard bed reactor）１１６ａ、１１６ｂを有するガードベッド反応器アセンブリ１１６に流れる。ガードベッド反応器１１６は、システム内の後続の装置やプロセスに悪影響を与えたり、阻害したり、汚染したりする可能性のある合成ガスから、汚染物質やその他の物質を除外する材料、例えば触媒を備えている。例えば、ガードベッド反応器１１６は、硫黄（例えば鉄スポンジ、酸化亜鉛または同様なもの）やハロゲン化化合物を除去するための触媒、吸着剤、またはその他の材料を含んでいてもよい。

【0078】

ガードベッド反応器１１６を出た後、再処理ガス（例えば合成ガス）は脱酸素（「デオキソ」）反応器１１７に流れる。デオキソ反応器１１７は、混合物の可燃性化合物（例えばメタン、一酸化炭素、水素）を酸化することにより、再処理ガス（例えば合成ガス）から余剰酸素を除去する。酸素は水に変換される。脱酸素反応の触媒は、白金、パラジウム、およびアルミナまたは他の触媒担体材料に担持された他の活性材料である。

【0079】

システム１００は冷却システム１５０を備え、冷却流体、例えば冷却水が冷却ライン、例えば１５１を流れる。他の冷却手段、例えば直接空冷も想定されている。

【0080】

デオキソ反応器１１７を出た後、再処理ガス（例えば合成ガス）は熱交換器１２０ｃに流れる。その後、再処理されたガス（例えば合成ガス）は、熱交換器１２０ｃから水分除去ユニット１１８、例えばウォーターノックアウトドラム、デミスタ、乾燥機、膜、サイクロン、乾燥剤または同様の装置に流れ、そこで再処理されたガス（例えば合成ガス）から水分が除去される。一般的に、ユニット１１８を出た再処理ガス（例えば、合成ガス）は、重量で約５％未満、約２％未満、約１％未満、約０．１％未満の水分を含むべきである。

【0081】

リッチな燃料・空気混合気の部分酸化による合成ガスへの全体的な（概略的な）反応は、次の式で表される。
ФCH₄ + 2[O₂ + 3.76N₂] → aCO + bH₂ + cCO₂ + dH₂O + 7.52N₂
化学量論係数ａ、ｂ、ｃ、およびｄは、化学反応速度論、原子種の保存、および反応条件によって決定される。

【0082】

改質器を出たガス中の微量成分には、合成ガスに加えて、水蒸気、二酸化炭素、およびさまざまな未燃焼炭化水素が含まれる可能性がある。

【0083】

ユニット１１８を出た後、乾燥した再処理ガス（例えば合成ガス）は合成段階１０２に送られる。段階１０２では、乾燥した再処理ガス（例えば合成ガス）はアセンブリ１３０に流れる。アセンブリ１３０は、ライン１３１から乾燥した再処理ガス（例えば合成ガス）に水素を制御しながら添加する。このようにして、合成ガスの成分の比率は、所定の比率に調整および制御される。水素は水素分離ユニット１３９から供給される。比率調整済みの乾燥再処理ガス（例えば合成ガス）は、アセンブリ１３０を出て、コンプレッサ１３２に流れ込む。コンプレッサ１３２は、本明細書で教示および開示されているように、合成ユニット１３３で使用するために、再生ガス（例えば合成ガス）を最適圧力まで圧縮する。任意の合成ユニット１３３は、第１反応器ユニット１３３ａおよび第２反応器ユニット１３３ｂを備えた２段階ユニットである。各反応器は、発熱反応においてプロセスガスが触媒層を通って流れる圧力容器である。触媒層チューブは、通常、制御された温度および圧力で冷却水のプールに浸されている。合成ユニット１３３は、熱交換器１２０ｅも備えている。

【0084】

合成ユニット１３３は、比率調整された乾燥再処理ガス（例えば合成ガス）を付加価値生成物（例えばメタノール、エタノール、混合アルコール、アンモニア、ジメチルエーテル、Ｆ－Ｔ液体、およびその他の燃料または化学物質）に変換する。付加価値生成物（例えばメタノールなど）は熱交換器１２０ｄに流入する。付加価値生成物（例えばメタノールなど）は回収ユニット１４０に流入する。回収ユニット１４０は付加価値生成物（例えばメタノールなど）を回収し、販売、保管、またはさらなる処理のためにライン１４１に流す。

【0085】

概して、合成ガスは、約１５～約１００ｂａｒ、好ましくは３０～５０ｂａｒ、約２５～約８０ｂａｒ、少なくとも約１０ｂａｒ、少なくとも約２５ｂａｒ、少なくとも約５０ｂａｒ、およびそれ以上の圧力およびそれ以下の圧力に圧縮される。加圧された合成ガスの温度は、約１５０℃から約３５０℃、好ましくは２５０℃、約２００℃から約３００℃、約２５０℃から約３７５℃、１２５℃超、１５０℃超、２００℃超、２５０℃超、３５０℃超、４００℃超、およびそれより高い温度およびそれより低い温度である。圧力と温度が制御された合成ガスは、合成ガスをメタノール、エタノール、混合アルコール、アンモニア、ジメチルエーテル、Ｆ－Ｔ液体、その他の燃料や化学物質など、より有用で輸送が容易で経済的に実現可能な生成物に変換するための反応器に供給される。好ましい実施形態では、熱交換型反応器や沸騰水型原子炉などの能動的に冷却された反応器と、Ｃｕ／ＺｎＯ／Ａｌ_２Ｏ_３などの銅含有触媒を使用し、一酸化炭素の水素化反応、二酸化炭素の水素化反応、逆水蒸気シフト反応を経て合成ガスからメタノールを生成する。

【0086】

概して、好ましい実施形態では、このシステムで使用される反応器の特性長さスケールは十分に小さく（例えば、マイクロチャネルまたはミニチャネル）、金属やその他の高温材料用の新しい３Ｄ印刷技術を使用して、従来にない形状やトポロジーに成形できるため、コンパクトなパッケージングと反応条件の厳密な制御が可能になる。また、反応器から生成物をその場でまたは密接に結合した方法で選択的に除去するなど、下流合成反応の強化に向けた他の戦略も検討できる。これにより、平衡制限反応をより高い転換率にシフトさせることができる。このプロセス強化により、大規模な再循環の流れの必要性を最小限に抑えたり、より穏やかな条件下（例えば、低圧）で反応を進行させたりすることが可能となり、プロセスの安全性のマージンを向上させ、その他の利点をもたらすことができる。

【0087】

通常、合成ガスを反応させてより高価値の生成物を形成する際に、未反応の水素も生成される。この水素は回収して販売することも、ガスタービンや第２の発電機を動かすために使用して、追加の電力を生産することもできる。

【0088】

概して、エンジンで生成された合成ガスのＨ_２／ＣＯの比率は、下流の変換プロセスに合わせて調整することができる。例えば、メタノール合成やフィッシャー・トロプシュ（Ｆ－Ｔ）合成の場合、理想的なＨ_２／ＣＯの比率は２～３である。アンモニア合成や水素製造の場合、可能な限り高いＨ_２／ＣＯの比率が望ましく、例えば水蒸気を添加して水ガス変換反応を促進することで、その比率を高めることができる。アンモニアおよび水素の生産においては、下流の合成工程ではＣＯは必要とされない。そのため、ＣＯおよびＣＯ_２の副生成物は回収、隔離、貯蔵、または他の用途に利用することができる。

【0089】

また、回収ユニット１４０は、付加価値生成物（例えばメタノールなど）から分離されたガスをバルブ１３５に流すラインも有しており、そこから水素分離ユニット１３９、再循環ループ１３６、またはその両方に送られる。再循環ループには、合成ユニット１３３に未反応合成ガスを戻すためのコンプレッサ１３４とバルブ１３８が設けられている。水素分離は、水素分離ユニット１３９における膜分離または圧力スイング吸着（ＰＳＡ）などによって行うことができる。

【0090】

好ましくは、図３のシステム及びプロセスは、コンプレッサの仕事量を低減するための１つ又は複数の装置及びプロセスを有する。従って、図３のシステム及び工程は、（ａ）窒素の量を減らすこと、（ｂ）エンジンの背圧を標準的な１又２ｂａｒから最大５ｂａｒにまで増加させること、（ｃ）ターボエキスパンダを使用して圧縮仕事の多くを回収し、その結果、プラントを運転するための他の効率の中でも特にコストを低下させること、及び（ｄ）強化合成ループを利用して、より低い全体圧力で許容可能なメタノール合成を達成すること、のうちの１つ又は複数のものを有するか又は使用することができる。コンプレッサの仕事量を低減するためのこれらの装置およびプロセスは、図３のシステムおよびプロセス、図３のシステムおよびプロセスの一部（例えば、モジュール式、一体型、およびそれらの組み合わせ）、ならびにこの態様の組み合わせおよび変形形態と関連させて使用することができる。

【0091】

燃料から有用な生成物への全体的な変換プロセスは、プロセスの空気の標準的な近似（air standard approximation）における空気の特性を用いたＴ－Ｓ線図を用いて説明することができる。図１１には、例えば図３に示すタイプのフレアガスからメタノールへの変換システムの一般的な運転と熱力学に関する温度－エントロピー（Ｔ－Ｓ）図を示されている。廃棄ガス、例えばフレアガスから有用な生成物、例えばメタノールへの全体的な変換プロセスは、図１１のＴ－Ｓ線図を用いて説明される。この図は、プロセスの空気の標準的な近似における空気の特性を使用している。図１１は、熱力学、温度および圧力の点からの、図３に示すようなシステムの一般的な解決策および動作の概要を示している。この図は、周囲条件でのプロセスの開始点、改質器でのリッチな部分酸化のための高温・高圧条件、およびメタノール合成のための高圧低温反応を示している。したがって、６０気圧の場合の破線２０１、３０気圧の場合の破線２０２、８気圧の場合の破線２０３、１気圧の場合の破線２０４の温度対エントロピーが示されている。（１気圧は１．０１３ｂａｒに相当する。）流入空気（例えば、図３の１１０）と廃棄ガス（例えば、フレアガス）の温度と圧力は、点２０６（図１１）にある。改質段階（例えば、図３、１０１）の運転条件は、ゾーン２１０（図１１）に示されている。ゾーン２１０は９００℃以上の温度を有する。ゾーン２１０は、２１０ａと２１０ｂの２つのサブゾーンを有する。サブゾーン２１０ａは低圧ゾーン（１ｂａｒ未満から約２５ｂａｒ）である。サブゾーン２１０ｂは、高圧ゾーン（約２０ｂａｒから約１００ｂａｒ）であり、特に、改質器（例えば、図３、１１４）におけるリッチな部分酸化条件のための高圧ゾーンであり、これは、本発明の実施形態にとって好ましい条件である。合成段階（例えば、図３の１３１）の最適運転は、メタノール合成のためのゾーン２１１に示されている。ゾーン２１１は、温度２００～３００℃、圧力約２０ｂａｒ～１００ｂａｒである。メタノール生成のための好ましいゾーンは、２００～３００℃および３０～１００ｂａｒの圧力である。

【0092】

したがって、図１１は、フレアガスから最終生成物（この場合はメタノール）への変換を行うシステムで一般的に使用される可能性のある条件を図式化したものであり、好ましくは、中立（すなわち、システムおよびプロセスの運転に必要なすべてのエネルギーを供給する、または正の余剰エネルギーを供給する）のエネルギーバランスでこれを行う。比エントロピーの軸（横軸）はｋＪ／ｋｇ℃の単位で、空気の単位質量あたりのエントロピーを表す。この種の図は、圧縮や膨張（圧力レベル間のほぼ垂直線）、熱交換（通常はほぼ一定圧力）などの物理的プロセスを示すのに便利な方法である。理想的な圧縮や膨張は等方的であり、２つの圧力レベル間でエントロピーの変化がないことを意味する。実際の機器による圧縮は、垂直でない線で示されるように非等方的である。温度軸（縦軸）は℃であり、空気と同様の特性を持つと仮定した流体の温度を表す。温度と一定圧力の線の関係は、流体の物理的特性によって支配される。Ｔ－Ｓ線図の利点のひとつは、物理的プロセスとコンポーネント間の関係を視覚的に表現できることである。

【0093】

部分酸化ウィンドウ２１０は、合成ガスを生成するための重要な部分酸化（ＰＯＸ）反応が起こる温度と圧力の領域を定義する。この領域は、改質器（例えばガスタービン）での燃焼滞留時間に見合った反応時間（通常、５～５０ミリ秒）をもたらす反応条件を定義する。一般的に、ＰＯＸ反応は下流の合成（例えばメタノール）反応よりもはるかに高い温度で起こるため、メタノール反応器の前に熱交換器で温度を下げる必要がある

【0094】

メタノール合成ウィンドウ２１１は、メタノール合成反応が起こる温度と圧力の領域を定義する。この領域は、平衡制限反応（equilibrium-limited reaction）に対して妥当な平衡転換率（equilibrium conversion）をもたらす反応条件を定義する。この発熱プロセスでは、平衡転換率を高めるには低温が望ましいが、触媒活性を十分に確保することで低温側が制限される。圧力が高くなると、反応におけるモル数の純減により平衡濃度が高くなるが、高圧化のための圧縮コストや設計が必要となる。図１１はメタノール合成ウィンドウを具体的に示しているが、例えばフィッシャー・トロプシュ合成など、他の可能性のある下流合成反応でも同様の条件が必要であることが理解できる。

【0095】

図４は、フレアガスを付加価値生成物、例えばメタノールに変換するシステムおよび方法の実施形態を示す。システム１６００は、改質段階１６０１および合成段階１６０２を有する。システム１６００は、空気をコンプレッサ１６１１に供給する空気取り入れ口を有し、コンプレッサ１６１１は空気を圧縮する。圧縮空気は熱交換器を通ってミキサーに供給される。システムはフレアガス吸気口を備えている。フレアガスは熱交換器を通ってミキサーに流れる。ミキサーは、本明細書で教示および開示されているように、空気と廃棄ガスの所定の混合物をレシプロエンジンである改質器１６１４に供給する。

【0096】

ミキサーで形成される燃料・空気混合気は、好ましくはリッチであり、より好ましくは、全体的な燃料対空気当量比（Φ又はＥＲ）が１より大きく、１．５より大きく、２より大きく、３より大きく、約１．５から約４．０、約１．１から約３．５、約２から約４．５、約１．１から約３、およびそれ以上の値である。

【0097】

空気中に酸素を添加できることが理解される。水又は蒸気は、空気・燃料混合気中、又は空気又は燃料単体に注入することもできる。約１～約２０％（モル）の水を注入でき、約１０～約１５％（モル水）、約５～約１７％（モル）の水、５％（モル）より多くの水、１０％（モル）より多くの水、１５％（モル）より多くの水、２５％（モル）未満の水、を注入することができる。酸素濃縮後、燃焼空気は約２１％（モル）から約９０％（モル）の酸素を含むことができる。ここで使用される「空気吸入」改質器および空気吸入エンジンには、水、酸素、またはその両方を添加して改質した空気を使用するエンジンも含まれる。

【0098】

レシプロエンジン１６１４は、フレアガスと空気の所定の混合物を部分燃焼させて合成ガスを生成する。合成ガスは熱交換器を通り、例えば粒子状物質フィルタなどのフィルタに流入する。

【0099】

フィルタを通過した後、合成ガスはガードベッド反応器アセンブリに流れるが、これは任意で２つのガードベッド反応器を持つ。ガードベッド反応器を出た後、合成ガスはデオキソ反応器に流れる。デオキソ反応器は、再処理されたガス（例えば合成ガス）から余分な酸素を除去する。

【0100】

このシステムには、冷却流体、例えば冷却水を使用する冷却システムが搭載されており、冷却流体は冷却ラインに流される。その他の冷却手段、例えば直接空冷も想定されている。

【0101】

デオキソ反応器を出た後、合成ガスは熱交換器に流れ、そこでガスが冷却される。再処理されたガス（例えば合成ガス）は、熱交換器から水分除去ユニット（例えば、ウォーターノックアウトドラム、デミスタ、乾燥機、膜、サイクロン、乾燥剤など）に流れ、そこで合成ガスから水分が除去される。一般的に、水分除去ユニットを出た合成ガスは、重量比で約５％未満、約２％未満、約１％未満、約０．１％未満の水分のみを含むべきである。

【0102】

水分除去ユニットを出た後、乾燥した合成ガスは合成段階１６０２に流入する。段階１６０２では、乾燥した合成ガスは、乾燥した合成ガスに水素を豊富に含むガスを制御しながら添加するアセンブリに流れ込む。このようにして、合成ガスの成分の比率は、所定の比率に調整および制御される。水素は、水素分離ユニット１６３９から供給される。比率調整後の乾燥した合成ガスは、アセンブリから出てコンプレッサ１６３２に流れ込む。コンプレッサ１６３２は、本明細書で教示および開示されているように、合成ユニット１６３３（これは任意の２段階ユニットであり、第１反応器ユニット１６３３ａおよび第２反応器ユニット１６３３ｂを備える）で使用するために、合成ガスを最適圧力まで圧縮する。合成ユニット１６３３は、再生式熱交換器も備える。

【0103】

合成ユニット１６３３は、比率調整された乾燥合成ガスを付加価値生成物、例えばメタノールに変換する。メタノールは熱交換器（すなわち冷却器）に流入し、その後、回収ユニット１６４０に流入する。回収ユニット１６４０は凝縮したメタノールを回収し、販売、保管、またはさらなる処理のためにラインを通して流れていく。

【0104】

また、回収ユニット１６４０には、メタノールから分離された未反応ガスがＴ字型コネクタに流れるラインがあり、そこから水素分離ユニット１６３９、再循環ループ、またはその両方に送られる。再循環ループには、メタノールを合成ユニット１６３３に戻すためのコンプレッサとバルブが備わっている。

【0105】

好ましくは、図４のシステムおよびプロセスは、図５に示す条件下で、上述したように動作する。実施形態では、図４のシステムおよびプロセスは、コンプレッサの仕事量を低減するための１つ又は複数の装置およびプロセスを備えることができる。したがって、図４のシステムおよびプロセスは、（ａ）窒素の量を減らすこと、（ｂ）エンジンの背圧を標準の１または２ｂａｒから最大５ｂａｒまで増加させること、（ｃ）ターボエキスパンダを使用して圧縮仕事の大部分を回収し、プラントを稼働させるためのコストを、他の効率性とともに低減すること、および（ｄ）強化合成ループを使用して、より低い全体圧力で許容可能なメタノール合成を達成すること、のうちの１つ又は複数を有したり、使用したりすることができる。これらのコンプレッサの仕事量を削減する装置およびプロセスは、例えばモジュール式、一体型、およびそれらの組み合わせなどとして、図４のシステムおよびプロセスと併用することができ、また、この組み合わせ方法の組み合わせや変形形態も可能である。

【0106】

図６を参照すると、フレアガスを付加価値生成物、例えばメタノールに変換するシステムおよび方法の実施形態が示されている。システム１８００は、エンジンの背圧を周囲圧力よりも高く、最大約５ｂａｒまで上昇させることによって、必要な圧縮仕事を低減するように構成されている。

【0107】

システム１８００は、改質段階１８０１と合成段階１８０２を備えている。システム１８００は、空気を圧縮するコンプレッサ１８１１に空気を送り込む空気取り入れ口を備えている。圧縮空気は、熱交換器を通ってミキサーに供給される。システムはフレアガス取り入れ口を備えている。フレアガスは熱交換器１８２０ｂを通ってミキサー１８１３に流れ込む。ミキサー１８１３は、この明細書で教示および開示されているように、空気と廃棄ガスの所定の混合物をレシプロエンジンである改質器１８１４に供給する。

【0108】

ミキサーで形成される燃料・空気混合気は、好ましくはリッチであり、より好ましくは、全体的な燃料対空気当量比（Φ又はＥＲ）が１より大きく、１．５より大きく、２より大きく、３より大きく、約１．５から約４．０、約１．１から約３．５、約２から約４．５、約１．１から約３、およびそれ以上の値である。

【0109】

空気中に酸素を添加できることが理解されている。水又は蒸気は、空気・燃料混合気中、又は空気又は燃料単体に注入することもできる。約１～約２０％（モル）の水を注入でき、約１０～約１５％（モル）の水、約５～約１７％（モル）の水、５％（モル）より多くの水、１０％（モル）より多くの水、１５％（モル）より多くの水、２５％（モル）未満の水が注入できる。酸素濃縮後、燃焼空気は約２１％（モル）から約９０％（モル）の酸素を含みうる。ここで使用される「空気吸入」改質器および空気吸入エンジンには、水、酸素、またはその両方を添加して改質した空気を使用するエンジンも含まれる。

【0110】

レシプロエンジン１８１４は、フレアガスと空気の所定の混合物を部分燃焼させて合成ガスを生成する。合成ガスは熱交換器を通り、例えば微粒子フィルタなどのフィルタに流入する。

【0111】

フィルタを通過した後、合成ガスはガードベッド反応器アセンブリに流れるが、これは任意に２つのガードベッド反応器を持つ。ガードベッド反応器を出た後、合成ガスはデオキソ反応器に流れる。デオキソ反応器は、再処理されたガス（例えば合成ガス）から余分な酸素を除去する。

【0112】

このシステムには、冷却流体、例えば冷却水を使用する冷却システムが搭載されており、この冷却流体は冷却ラインに流される。その他の冷却手段、例えば直接空冷も想定されている。

【0113】

デオキソ反応器を出た後、合成ガスは冷却のために熱交換器に流れる。再処理されたガス（例えば合成ガス）は、熱交換器から水分除去ユニット（例えば、ウォーターノックアウトドラム、デミスタ、乾燥機、膜、サイクロン、乾燥剤など）に流れ、そこで合成ガスから水分が除去される。一般的に、水分除去ユニットを出た合成ガスは、重量比で約５％未満、約２％未満、約１％未満、約０．１％未満の水分を含むべきである。

【0114】

水分除去ユニットを出た後、乾燥した合成ガスは合成段階１８０２に入る。段階１８０２では、乾燥した合成ガスは、乾燥した合成ガスに水素を豊富に含むガスを制御しながら添加するアセンブリに流れる。このようにして、合成ガスの成分の比率は、所定の比率に調整および制御される。水素は水素分離ユニット１８３９から供給される。比率調整済みの乾燥した合成ガスは、アセンブリから出てコンプレッサ１８３２に流れる。コンプレッサ１８３２は、本明細書で教示および開示されているように、合成ユニット１８３３（これは任意の２段階ユニットであり、第１反応器ユニット１８３３ａおよび第２反応器ユニット１８３３ｂを備える）で使用するために、合成ガスを最適圧力まで圧縮する。合成ユニット１８３３は、再生式熱交換器も備える。

【0115】

合成ユニット１８３３は、比率調整された乾燥合成ガスを付加価値生成物、例えばメタノールに変換する。メタノールは熱交換器（すなわち冷却器）に流入し、その後、回収ユニット１８４０に流入する。回収ユニット１８４０は凝縮したメタノールを回収し、販売、保管、またはさらなる処理のためにラインに流す。

【0116】

また、回収ユニット１８４０には、メタノールから分離された未反応ガスをＴ字型コネクタに流すラインがあり、そこから水素分離ユニット１８３９、再循環ループ、またはその両方に送られる。再循環ループには、メタノールを合成ユニット１８３３に戻すためのコンプレッサとバルブが備わっている。

【0117】

段階１８０２には、ユニット１８３３ｂから使用済みメタノールを回収し、熱交換器１８２０ｄに送るためのライン１８８３がある。段階１８０２には、ポンプ１８８１を備えたメタノール脱着器１８８０がある。脱着器１８８０用のライン１８８２は、メタノールリッチな生成物を熱交換器１８２０ｇに流す。

【0118】

システム１８００の動作では、好ましいプロセスは２段階のメタノール合成反応器を使用し、第２段階（Ｒｘｔｒ２）１８３３ｂのみで反応分離を行う。第１段階（Ｒｘｔｒ１）１８３３ａは一般的に平衡から遠く、反応分離は保証されない。この図に示されている例は、液体掃引（liquid sweep）による反応吸収または膜分離である。メタノールは反応器から選択的に除去され、主に未反応合成ガスを含むメタノール枯渇ガスストリームと、メタノール豊富な吸収剤ストリームが生成される。他の実施形態と比較すると、シングルパス変換が改善されているため、主再循環ループは使用されない。メタンを多く含む吸収液はバルブを通過して圧力を下げ、メタノールを脱着させる。脱着したメタノールは凝縮され、生成物ストリームに送られる。再生された吸収液は、合成反応器の圧力までポンプで戻され、反応器に再循環される。吸収液はほぼ非圧縮性であるため、合成ガス用コンプレッサの仕事量と比較すると、吸収液のポンプ仕事量は最小限に抑えられる。反応器は、吸収液をトリクルベッドまたは膜反応器（透過液側）にすることができる。吸収液に分配されないメタノールは、下流の分離ステップで気相から凝縮され、メタノール生成物ストリームと混合される。

【0119】

実施形態では、図６のシステムおよびプロセスは、コンプレッサの仕事量を低減するための装置およびプロセスの１つ又は複数を備えてもよい。したがって、図６のシステムおよびプロセスは、以下の１つ又は複数を備えてもよいし、使用してもよい。（ａ）窒素の量を減らすこと、（ｂ）エンジンの背圧を標準の１または２ｂａｒから最大５ｂａｒまで増加させること、（ｃ）ターボエキスパンダを使用して圧縮仕事の大部分を回収し、その結果、プラントを運転するためのコストを、他の効率性とともに低減すること、および（ｄ）強化された合成ループを使用して、より低い全体圧力で許容可能なメタノール合成を達成すること。これらのコンプレッサの仕事量を低減する装置およびプロセスは、例えばモジュール式、一体型、およびそれらの組み合わせなど、図６のシステムおよびプロセスの一部として、また、この関連付けの組み合わせおよび変形例として、図６のシステムおよびプロセスと併用することができる。

【0120】

実施形態では、システムおよびプロセスは反応分離を利用する。このシステムおよびプロセスは、一般的に、２段階のメタノール合成反応器を使用し、第２段階（Ｒｘｔｒ２）のみで反応分離を行う。第１段階（Ｒｘｔｒ１）は一般的に平衡から遠く、反応分離は保証されない。このシステムは、液体掃引による反応吸収または膜分離を行う。メタノールは反応器から選択的に除去され、主に未反応合成ガスを含むメタノールが減少した気体ストリームと、メタノールが豊富な吸収液ストリームが生成される。図３に示されているような他のシステムと比較すると、シングルパス変換率が向上しているため、主再循環ループは必要ない可能性があり、また、好ましくは必要ない。メタンを多く含む吸収液はバルブを通過して圧力を下げ、メタノールを脱着させる。脱着したメタノールは凝縮され、生成物ストリームに送られる。再生された吸収液は合成反応器の圧力までポンプで戻され、反応器に再循環される。吸収液はほぼ非圧縮性であるため、合成ガス用コンプレッサの仕事量と比較すると、吸収液のポンプ仕事量は最小限に抑えられる。反応器は、トリクルベッド型でも、膜透過液側に吸収液（スイープ）を配置した膜反応器でもよい。吸収液に分配されないメタノールは、下流の分離ステップで気相から凝縮され、メタノール生成物ストリームと混合される。このシステムおよびプロセスには、コンプレッサの仕事量を削減する装置やプロセスが１つ又は複数含まれていてもよい。

【0121】

図７を参照すると、フレアガスを付加価値生成物、例えばメタノールに変換するシステムおよび方法の実施形態が示されている。システム１９００は、改質段階１９０１と合成段階１９０２を備えている。システム１９００は、空気を圧縮するコンプレッサ１９１１に吸気を供給する空気取り入れ口を備えている。圧縮された空気は熱交換器を通してミキサーに供給される。システムはフレアガス吸気口を備えている。フレアガスは熱交換器１９２０ｂを通ってミキサー１９１３に流れ込む。ミキサー１９１３は、本明細書で教示および開示されているように、空気と廃棄ガスの所定の混合物をレシプロエンジンである改質器１９１４に供給する。

【0122】

ミキサーで形成される燃料・空気混合気は、好ましくはリッチであり、より好ましくは、全体的な燃料対空気当量比（Φ又はＥＲ）が１より大きく、１．５より大きく、２より大きく、３より大きく、約１．５から約４．０、約１．１から約３．５、約２から約４．５、約１．１から約３、およびそれ以上の値である。

【0123】

空気中に酸素を添加できることが理解されている。水又は蒸気は、空気・燃料混合気中、又は空気又は燃料単体に注入することもできる。約１～約２０％（モル）の水を注入でき、約１０～約１５％（モル）の水、約５～約１７％（モル）の水、５％（モル）より多くの水、１０％（モル）より多くの水、１５％（モル）より多くの水、２５％（モル）未満の水、水が注入できる。酸素濃縮後、燃焼空気は約２１％（モル）から約９０％（モル）の酸素を含むことができる。ここで使用される「空気吸入」改質器および空気吸入エンジンには、水、酸素、またはその両方を添加して改質した空気を使用するエンジンも含まれる。

【0124】

レシプロエンジン１９１４は、フレアガスと空気の所定の混合物を部分燃焼させて合成ガスを生成する。合成ガスは熱交換器を通り、例えば微粒子フィルタなどのフィルタに流入する。

【0125】

フィルタを通過した後、合成ガスはガードベッド反応器アセンブリに流れるが、これは任意で２つのガードベッド反応器を備える。ガードベッド反応器を出た後、合成ガスはデオキソ反応器に流れる。デオキソ反応器は、再処理されたガス（例えば合成ガス）から余分な酸素を除去する。

【0126】

このシステムには、冷却流体、例えば冷却水を使用する冷却システムが搭載されており、これは冷却ラインに流される。その他の冷却手段、例えば直接空冷も想定されている。

【0127】

デオキソ反応器を出た後、合成ガスは熱交換器に流れ、そこでガスが冷却される。その後、処理済みのガス（例えば合成ガス）は熱交換器から水分除去ユニット（例えば、ウォーターノックアウトドラム、デミスタ、乾燥機、膜、サイクロン、乾燥剤など）に流れ、そこで合成ガスから水分が除去される。一般的に、水分除去ユニットを出た合成ガスは、重量比で約５％未満、約２％未満、約１％未満、約０．１％未満の水分を含むべきである。

【0128】

水分除去ユニットを出た後、乾燥した合成ガスは合成段階１９０２に入る。段階１９０２では、乾燥した合成ガスは、ラインから乾燥した合成ガスに水素を豊富に含むガスを制御しながら添加するアセンブリに流れる。このようにして、合成ガスの成分の比率は、所定の比率に調整および制御することができる。水素は水素分離ユニット１９３９から供給される。比率調整された乾燥した合成ガスは、アセンブリから出てコンプレッサ１９３２に流れる。コンプレッサ１９３２は、本明細書で教示および開示されているように、合成ユニット１９３３（任意の２段階ユニットであり、第１反応器ユニット１９３３ａおよび第２反応器ユニット１９３３ｂを備える）で使用するために、合成ガスを最適圧力まで圧縮する。合成ユニット１９３３は、再生式熱交換器１９２０ｅも備える。

【0129】

合成ユニット１９３３は、比率調整された乾燥合成ガスを付加価値生成物、例えばメタノールに変換する。メタノールは熱交換器（すなわち冷却器）に流入し、その後、回収ユニット１９４０に流入する。回収ユニット１９４０は凝縮したメタノールを回収し、販売、保管、またはさらなる処理のためにラインに流す。

【0130】

また、回収ユニット１９４０には、メタノールから分離された未反応ガスをＴ字型コネクタに流すラインがあり、そこから水素分離ユニット１９３９、再循環ループ、またはその両方に送られる。再循環ループには、メタノールを合成ユニット１９３３に戻すためのコンプレッサとバルブが備わっている。

【0131】

段階１９０２には、ユニット１９３３ｂから水分の少ないメタノールを取り出し、熱交換器１９２０ｄに送るためのライン１９８３がある。段階１９０２には、ユニット１８３３ｂから水分の多い生成物を取り除くライン１９８７がある。

【0132】

システム１９００は、反応分離による副生成物のガス液化プロセス用である。このプロセスでは、２段階のメタノール合成反応器を使用し、第２段階（Ｒｘｔｒ２）１９３３ｂのみで反応分離を行う。第１段階（Ｒｘｔｒ１）１８３３ａは一般的に平衡状態から遠く、反応分離は保証されない。この図に示されている例は、ガス洗浄を伴う膜分離である。水（ＣＯ_２水素化によるメタノール生成の副生成物）は、反応器１８３３ｂ（ライン１９８７経由）からその場で選択的に除去され、その結果、主に未反応合成ガスと水が豊富な洗浄ガスとを含む水が除去されたガス流が生成される。この実施形態では、シングルパス転換率が改善されているため、主たる再循環ループは使用されない。さらに、この実施形態では、掃引ストリーム（sweep stream）（例えば、この実施形態では空気）の再生は行われない。膜反応器は、水に対して透過選択性があり、膜の透過側で掃気ガス（例えば、空気）となる高分子膜またはセラミック膜材料を使用できる。水を除去すると、平衡が生成物側にシフトする。逆水－ガスシフト反応によりＣＯ_２はＣＯに変換されるため、このアプローチはＣＯ_２をより反応性の高いＣＯに変換するのにも役立つ。そのため、このアプローチは部分酸化により生成されるようなＣＯ_２を多く含む合成ガスストリームには特に魅力的である。メタノールは下流の分離ステップでガス相から凝縮され、メタノール生成物ストリームと混合される。

【0133】

実施形態では、図７のシステムおよびプロセスは、コンプレッサの仕事量を減らすための装置およびプロセスの１つ又は複数を備えることができる。したがって、図７のシステムおよびプロセスは、以下の１つ又は複数を備えるか、又は使用することができる。（ａ）窒素の量を減らすこと、（ｂ）エンジンの背圧を標準の１または２ｂａｒから最大５ｂａｒまで増加させること、（ｃ）ターボエキスパンダを使用して圧縮仕事の大部分を回収し、その結果、プラントを運転するためのコストを、他の効率性とともに低減すること、および、（ｄ）強化された合成ループを使用して、より低い全体圧力で許容可能なメタノール合成を達成すること。これらのコンプレッサの仕事量を低減する装置およびプロセスは、例えばモジュール式、一体型、およびそれらの組み合わせなど、図７のシステムおよびプロセスの一部として、また、この関連付けの組み合わせおよび変形例として、図７のシステムおよびプロセスと併用することができる。

【0134】

実施形態では、システムとプロセスは副生成物の反応分離を利用する。このプロセスでは、２段階のメタノール合成反応器を使用し、反応分離は２段階目の段階（Ｒｘｔｒ２）のみで行う。１段階目（Ｒｘｔｒ１）は一般的に平衡状態から遠く、反応分離は保証されない。この図に示されている例は、ガス洗浄による膜分離である。水（ＣＯ_２の水素化によるメタノール生成の副生成物）は、反応器からその場で選択的に除去され、主に未反応合成ガスと水が豊富な掃気ガスとを含む水が減少したガスストリームとなる。図３に示されているような他のシステムと比較すると、シングルパス変換率が改善されているため、主たる再循環ループは必要なく、また、好ましくは必要ない。さらに、図６に示すような他の実施形態と比較すると、掃引ストリーム（例えば、この実施形態では空気）の再生は必要ない可能性があり、また、好ましくは必要ない。膜反応器は、水に対して透過選択性があり、膜の透過側で掃気ガス（例えば、空気）に対して透過選択性のある高分子膜またはセラミック膜材料を使用できる。水を除去すると、平衡が生成物側にシフトする。逆水－ガスシフト反応により、ＣＯ_２はＣＯに変換されるため、このアプローチはＣＯ_２をより反応性の高いＣＯに変換するのにも役立つ。そのため、このアプローチは部分酸化により生成されるようなＣＯ_２を豊富に含む合成ガスストリームには特に魅力的である。メタノールは下流の分離ステップで気相から凝縮され、メタノール生成物ストリームと混合される。このシステムおよびプロセスには、コンプレッサの仕事量を低減する装置やプロセスが１つ又は複数含まれている可能性がある。

【0135】

図８を参照すると、フレアガスを付加価値生成物に変換するシステムおよび方法の実施形態が示されている。システム８００は、改質段階８０１と合成段階８０２を備えている。システム８００は、空気を圧縮するコンプレッサ８１１に空気を送り込む空気取り入れ口８１０を備えている。圧縮空気は、熱交換器８２０ａを通ってミキサー８１３に送り込まれる。システムはフレアガス取り込み口８８４を有する。フレアガスは熱交換器８２０ｂを通ってミキサー８１３に流入する。ミキサー８１３は、本明細書でより詳細に開示および説明されているように、空気とフレアガスの所定の混合物をレシプロエンジンである改質器８１４に供給する。

【0136】

ミキサー８１３で形成される燃料・空気混合気は、好ましくはリッチであり、より好ましくは、全体的な燃料対空気当量比（Φ又はＥＲ）が１より大きく、１．５より大きく、２より大きく、３、約１．５から約４．０、約１．１から約３．５、約２から約４．５、約１．１から約３、およびそれ以上の値である。

【0137】

空気中に酸素を添加できることが理解されている。水又は蒸気は、空気・燃料混合気中、又は空気又は燃料単体に注入することもできる。約１～約２０％（モル）の水を注入でき、約１０～約１５％（モル）の水、約５～約１７％（モル）の水、５％（モル）より多くの水、１０％（モル）より多くの水、１５％（モル）より多くの水、２５％（モル）未満の水、を注入することができる。酸素濃縮後、燃焼空気は約２１％（モル）から約９０％（モル）の酸素を含むことができる。ここで使用される「空気吸入」改質器および空気吸入エンジンには、水、酸素、またはその両方を添加して改質した空気を使用するエンジンも含まれる。

【0138】

レシプロエンジン８１４は、所定の混合物のフレアガスと空気を部分燃焼させて合成ガスを形成する。合成ガスは、熱交換器８２０ａ、８２０ｂを通り、例えば微粒子フィルタであるフィルタ８１５に流入する。

【0139】

フィルタ８１５を通過した後、合成ガスはガードベッド反応器アセンブリ８１６に流れるが、これは任意に２つのガードベッド反応器８１６ａ、８１６ｂを備える。ガードベッド反応器８１６は、例えば触媒などの材料を備えており、合成ガスから、システム内の後続の装置やプロセスに悪影響を与えたり、阻害したり、汚染したりする可能性のある汚染物質やその他の物質を除去する。例えば、ガードベッド反応器８１６は、硫黄（例えば、鉄スポンジ、酸化亜鉛または類似物）やハロゲン化化合物を除去するための触媒またはその他の材料を含んでいてもよい。

【0140】

ガードベッド反応器８１６を出た後、合成ガスはデオキソ反応器８１７に流れる。デオキソ反応器８１７では、混合物の可燃性化合物、例えばメタン、一酸化炭素、水素を酸化することにより、再処理ガス（例えば合成ガス）から余剰酸素が除去され、酸素は水に変換される。デオキソ反応用の触媒は、白金、パラジウム、およびアルミナまたは他の触媒担体材料に担持された他の活性材料である。

【0141】

システム８００は、冷却流体、例えば冷却水を使用する冷却システム８５０を備えており、この冷却流体は、例えば８５１のような冷却ラインに流される。他の冷却手段、例えば直接空冷も想定されている。

【0142】

デオキソ反応器８１７を出た後、合成ガスは熱交換器８２０ｃに流れ、そこでガスが冷却される。その後、処理済みのガス（例えば合成ガス）は熱交換器８２０ｆおよび８２０ｃから水分除去ユニット８１８、例えばウォーターノックアウトドラム、デミスタ、乾燥機、膜、サイクロン、乾燥剤または同様のものに流れ、そこで合成ガスから水分が除去される。一般的に、ユニット８１８を出る合成ガスは、重量で約５％未満、約２％未満、約１％未満、約０．１％未満の水分を含むべきである。

【0143】

ユニット８１８を出た後、乾燥した合成ガスは合成段階８０２に入る。段階８０２では、乾燥した合成ガスはアセンブリ８３０に流れる。アセンブリ８３０は、ライン８３１からの水素リッチガスを乾燥した合成ガスに制御しながら添加する。このようにして、合成ガス成分の比率は、所定の比率に調整および制御することができる。水素は水素分離ユニット８３９から供給される。比率調整済みの乾燥した合成ガスはアセンブリ８３０を出て、コンプレッサ８３２に流れ込む。コンプレッサ８３２は、本明細書で教示および開示されているように、合成ユニット８３３で使用するために、合成ガスを最適圧力まで圧縮する。望ましくは、合成ユニット８３３は、任意の第１反応器ユニット８３３ａおよび第２反応器ユニット８３３ｂを備えた２段階ユニットである。合成ユニット８３３は、再生式熱交換器８２０ｅも備えている。

【0144】

合成ユニット８３３は、比率調整された乾燥合成ガスを付加価値生成物であるメタノールに変換する。メタノールは熱交換器（すなわち冷却器）８２０ｄに流入する。メタノールは回収ユニット８４０に流入する。回収ユニット８４０は凝縮したメタノールを回収し、販売、保管、またはさらなる処理のためにライン８４１に流す。

【0145】

概して、合成ガスは約１５～約１００ｂａｒ、好ましくは約３０～５０ｂａｒ、約２５～約８０ｂａｒ、少なくとも約１０ｂａｒ、少なくとも約２５ｂａｒ、少なくとも約５０ｂａｒ、およびそれ以上の圧力およびそれ以下の圧力に圧縮される。加圧された合成ガスの温度は、約１５０℃から約３５０℃、好ましくは約２５０℃、約２００℃から約３００℃、約２５０℃から約３７５℃、１２５℃超、１５０℃超、２００℃超、２５０℃超、３５０℃超、４００℃未満、およびそれ以上の温度およびそれ以下の温度に調節される。圧力と温度が制御された合成ガスは、合成ガスをメタノール、エタノール、アンモニア、ジメチルエーテル、Ｆ－Ｔ液体、その他の燃料や化学物質など、より有用で輸送が容易で経済的に利用可能な生成物に変換するための反応器に供給される。好ましい実施形態では、熱交換反応器や沸騰水型原子炉などの能動的に冷却される反応器と、Ｃｕ／ＺｎＯ／Ａｌ_２Ｏ_３などの銅含有触媒を使用し、ＣＯの水素化反応、ＣＯ_２の水素化反応、逆水蒸気シフト反応を経て合成ガスからメタノールを生成する。

【0146】

概して、好ましい実施形態では、このシステムで使用される反応器の特性長さスケールは十分に小さく（例えば、マイクロチャネルまたはミニチャネル）、金属やその他の高温材料用の新しい３Ｄ印刷技術を使用して、従来にない形状やトポロジーに成形できるため、コンパクトなパッケージングと反応条件の厳密な制御が可能になる。また、反応器から生成物をその場で、あるいは密接に結合した状態で選択的に除去し、平衡制限反応をより高い転換率にシフトさせるなど、下流合成反応の強化に向けた他の戦略も検討できる。このプロセス強化により、大規模な再循環の流れの必要性を最小限に抑えたり、より穏やかな条件下（例えば、低圧）で反応を進行させたりすることが可能となり、それによってプロセスの安全性の余地が拡大し、その他の利点も得られる。

【0147】

概して、エンジンで生成された合成ガスのＨ_２／ＣＯの比率は、下流の変換プロセスに合わせて調整することができる。例えば、メタノール合成やフィッシャー・トロプシュ（Ｆ－Ｔ）合成の場合、理想的なＨ_２／ＣＯの比率は２～３である。アンモニア合成や水素製造の場合、可能な限り高いＨ_２／ＣＯの比率が望ましく、例えば水蒸気を添加して水ガス変換反応を促進することで、その比率を高めることができる。アンモニアおよび水素の生成においては、ＣＯは下流の合成では必要とされない。そのため、ＣＯおよびＣＯ_２の副生成物は回収、隔離、貯蔵、または他の目的での利用が可能である。

【0148】

また、回収ユニット８４０には、メタノールから分離されたガスをＴ字型コネクタ８３５に流すラインがあり、そこから水素分離ユニット８３９、再循環ループ、またはその両方に送られる。再循環ループには、メタノールを合成ユニット８３３に戻すためのコンプレッサ８３４とバルブ８３８が備わっている。水素の分離は、水素分離ユニット８３９における膜分離や圧力スイング吸着（ＰＳＡ）などによって行うことができる。

【0149】

水素分離後の残りのガスは、ループ８９０と熱交換器８２０ｆを通ってターボエキスパンダ８９１に送られ、そこでガスは排気される。ターボエキスパンダは、コンプレッサの必要電力の一部を埋め合わせる電力を生成する。

【0150】

図８のシステムの一実施形態では、改質器８１４は火花点火（オットーサイクル）レシプロエンジンである。このシステムは、図１３のＴ－Ｓ線図に示されるように好適に動作させることができる。参照点（図８の番号８１、８２、８３、８４、８５、８６、８７、８８、８９）は、図８のシステムのそれらの位置におけるプロセス条件、すなわち状態点に対応し、それらのプロセス条件は、図１３の対応する参照点によって示される。状態点８４ａ’から８４ｂ’への線は、より反応性の高いフレアガス燃料に応じて生じる圧縮比の減少を表している。状態点８５ｂは、ターボチャージャーの拡張後に合成ガス改質器を出る合成ガスに関連する。８５から８５ｂへの拡張はターボチャージャー内で生じる。このプロセスの開始時の比エントロピーは点８１、８２（６．９ｋＪ／ｋｇ°Ｃ）であり、このプロセスの最終的な比エントロピーポイントは点８９（６．９５ｋＪ／ｋｇ°Ｃ）である。したがって、開始時と最終的な比エントロピーの差は０．０５ｋＪ／ｋｇ°Ｃである。

【0151】

図８のシステムの一実施形態では、改質器８１４は圧縮点火（ディーゼルサイクル）レシプロエンジンである。このシステムは、図１４のＴ－Ｓ線図に示されているように、好適に動作させることができる。参照点（図８の番号８１、８２、８３、８４、８５、８６、８７、８８、８９）は、図８のシステムのそれらの位置におけるプロセス条件、すなわち状態点に対応し、それらのプロセス条件は図１４の対応する参照点によって示される。状態点８４ａ’から８４ｂ’への線は、より反応性の高いフレアガス燃料に応じて生じる圧縮比の減少を表している。状態点８５ｂは、ターボチャージャーの拡張後に合成ガス改質器を出る合成ガスに関連する。８５から８５ｂへの拡張はターボチャージャー内で生じる。このプロセスの開始時の比エントロピーは点８１、８２（６．９ｋＪ／ｋｇ°Ｃ）であり、このプロセスの最終的な比エントロピーポイントは点８９（６．９５ｋＪ／ｋｇ°Ｃ）である。したがって、開始時と最終的な比エントロピーの差は０．０５ｋＪ／ｋｇ°Ｃである。

【0152】

好ましくは、図８のシステムおよびプロセスの火花点火（オットーサイクル）レシプロエンジンおよび圧縮点火（ディーゼルサイクル）レシプロエンジンの実施形態は、コンプレッサを低減する装置およびプロセスの１つ又は複数を備える。したがって、図８のシステムおよびプロセスは、以下の１つ又は複数を備えるか、又は使用することができる。（ａ）窒素の量を減らすこと、（ｂ）エンジンの背圧を標準の１または２ｂａｒから最大５ｂａｒまで増加させること、（ｃ）ターボエキスパンダを使用して圧縮仕事の大部分を回収し、その結果、プラントを運転するためのコストを、他の効率性とともに低減すること、および（ｄ）強化された合成ループを使用して、より低い全体圧力で許容可能なメタノール合成を達成すること。これらのコンプレッサの仕事量を低減する装置およびプロセスは、例えばモジュール式、一体型、およびそれらの組み合わせなど、図８のシステムおよびプロセスの一部として、また、この関連付けの組み合わせおよび変形例として、図８のシステムおよびプロセスと併用することができる。

実施例

【0153】

以下に、廃棄燃料、例えばフレアガスの変換システム、装置、およびプロセスの様々な実施形態を例示する実施例を挙げる。これらの実施例は例示目的であり、予言的である可能性があり、本発明の範囲を限定するものと見なすべきではなく、また、それ以外にも限定するものではない。

【0154】

実施例１

【0155】

図１０を参照すると、ガス液化システムなどの改質器ベースの炭化水素処理システムに必要なコンプレッサの仕事量を低減するためのターボエキスパンダ・熱交換器システムの実施形態が示されている。システム１０００は３つの段階１１００、１２００、１３００を有する。各段階は、コンプレッサとタービンのアセンブリ、および熱交換器を有する。段階１１００はタービン１１０２によって駆動されるコンプレッサ１１０１と熱交換器１１０３を有する。段階１２００には、タービン１２０２によって駆動されるコンプレッサ１２０１と熱交換器１２０３がある。段階１３００には、タービン１３０２によって駆動されるコンプレッサ１３０１と熱交換器１３０３がある。運転時には、通常はガス液化システムによって分離された排ガスである生成物６００が段階１３００に供給される。生成物６００は、５０ｂａｒ以上の圧力と２５０℃未満の温度を有することができる。生成物６００は、図に示されているように、段階１３００、１２００、１１００を流れる。改質器の出力によって供給される材料、例えば合成ガスである反応物５００は、段階１１００に供給され、図示されているように段階１２００および１３００を通って流れ、２５０℃および５０ｂａｒの付近で出て行く。グラフ１０００ｂは、生成物６００ｂおよび反応物５００ｂが段階１１００ａ、１２００ａ、１３００ａを通過する際の圧力および圧力変化を示している。グラフ１０００ｃは、段階１１００ａ、１２００ａ、１３００ａを通過する生成物６００ｃおよび反応物５００ｃの温度および温度変化を示す。グラフ１０００ｂの軸上の１および５は、ｂａｒ単位の圧力を示す。

【0156】

図１０の実施形態は３段階であるが、１段階、２段階、４段階、５段階又はそれ以上の段階が考えられる。システム１０００は、図３、４、６、７、または８のシステムのようなガス液化システムの不可欠な一部とすることができる。また、ガス液化システムに動作可能に接続された（例えば、パイプ、バルブ、制御システム）別個のモジュール（例えば、スキッド搭載）とすることもできる。

【0157】

実施例２

【0158】

一実施形態では、図３のシステム１００は、例えば図１０にコンプレッサ１３２として示されているようなターボエキスパンダ・コンプレッサ・熱交換器システムを備えている。この実施形態では、図１０の生成物６００は水素分離ユニット１３９からの排ガスである。そして、図１０の反応物５００は、アセンブリ８３０を出る比率調整乾燥再処理ガス（例えば合成ガス）である。

【0159】

実施例２

【0160】

図３のシステム１００の一実施形態では、高圧の液体および気体の生成物ストリームは、ジュール・トムソン（実質的に等温等圧）膨張プロセスにおいてバルブ（または背圧レギュレータ）を介して膨張される。この構成では、自己充足のための十分な電力がないため、圧縮には補助電力が必要である。

【0161】

実施例４

【0162】

一実施形態では、図４のシステム１６００は、例えば図１０にコンプレッサ１６３２として示されているようなターボエキスパンダ・コンプレッサ・熱交換器システムを備えている。この実施形態では、図１０の生成物６００は水素分離ユニット１６３９からの排ガスである。そして、図１０の反応物５００は、コンプレッサ１６３２に供給される比率調整乾燥再処理ガス（例えば合成ガス）である。

【0163】

実施例５

【0164】

一実施形態では、図８のシステム８００は、例えば図１０にコンプレッサ８３２として示されているようなターボエキスパンダ・コンプレッサ・熱交換器システムを備えている。この実施形態では、図１０の生成物６００は水素分離ユニット８３９からの排ガスである。そして、図１０における反応物５００は、アセンブリ８３０を出る比率調整乾燥再処理ガス（例えば合成ガス）である。この実施形態では、ターボエキスパンダ８９１を使用しない場合もあるが、図１０のターボエキスパンダ・コンプレッサ・熱交換器の動作に使用されない余剰排ガスに対しては、依然として使用される場合もある。

【0165】

実施例６

【0166】

図３、４、６、７、８、または１５に示すタイプのモジュール式システムおよび方法の実施形態では、システムおよび方法は、リッチ条件下で動作し、加圧合成ガスを生成する手段を有する名目上の空気吸入エンジンを利用する。この合成ガスは、エンジン改質器から排出される際の圧力が１ｂａｒ超、２ｂａｒ超、３ｂａｒ超、４ｂａｒ超、５ｂａｒ超、約２ｂａｒから約５ｂａｒ、約３ｂａｒから約５ｂａｒとなる可能性がある。このシステムでは、例えば、水冷式ノックアウトを出た合成ガスがコンプレッサに入る際の温度が約５０℃の場合、４０℃から６０℃、あるいはそれ以上、あるいはそれ以下である。

【0167】

実施例７

【0168】

図３、４、６、７、８、または１５に示すタイプのモジュール式システムおよび方法の実施形態では、システムおよび方法は、リッチ条件下で動作し、加圧合成ガスを生成する手段を有する名目上の空気吸入エンジンを利用する。さらに、このシステムには、酸素富化ユニット、空気分離ユニット、又は合成ガスから窒素を除去する窒素除去ユニットなどの窒素量を削減する手段がある。このシステムでは、例えば窒素を１０％又は２０％又はそれ以上削減する。

【0169】

実施例８

【0170】

図３、４、６、７、８、または１５に示すタイプのモジュール式システムおよび方法の実施形態では、システムおよび方法は、リッチ条件下で動作し、加圧合成ガスを生成する手段を有する、名目上の空気吸入エンジンを利用する。このシステムにはさらに、余剰の高圧ガスを使用して膨張させ、仕事を生み出すタービン駆動シャフトなどのターボエキスパンダまたは膨張タービンが備わっている。このシステムでは、例えばタービン入口は約５０ｂａｒ、タービン出口は約３ｂａｒである。

【0171】

実施例９

【0172】

図３、４、６、７、８、または１５に示すタイプのモジュール式システムおよび方法の実施形態では、システムおよび方法は、リッチ条件下で動作し、加圧合成ガスを生成する手段を有する名目上の空気吸入エンジンを利用する。さらに、このシステムは、生成物または副生成物の反応分離など、より低圧でのメタノール合成のための強化合成ループを備えている。このシステムでは、例えば、シングルパスメタノール合成の変換率が５％または１０％あるいはそれ以上またはそれ以下の割合で増加する。

【0173】

実施例１０

【0174】

一実施形態では、エンジン改質器の排気背圧を増加させて、下流の合成ガスの圧縮要件を低減する。排気圧は、大気圧付近の典型的な値（約１ｂａｒ）から５ｂａｒまたはそれ以上に合理的に増加できると予想される。下流の合成圧力が通常５０ｂａｒに設定されていることを考慮すると、エンジン改質器の排気背圧を高めることで合成ガスの圧縮に必要な全体的な圧力比が減少し、コンプレッサの仕事量（ｋＪ／ｋｇ）または出力（ｋＷ）が減少する。エンジン改質器は自立しているため、排気背圧を高めても上流の圧縮仕事には直接影響しない。しかし、背圧を高めるとエンジンの容積効率とエンジンの純牽引力が影響を受ける。これらのトレードオフを考慮すると、中間値の最適な背圧が示唆される。背圧は下流プロセスの流量抵抗によって決定される。エンジン改質器（例えば、エンジン改質器の入口空気のターボチャージ、バルブオーバーラップを低減または排除するためのエンジンバルブタイミングの変更）のさまざまな改良により、排気背圧の上昇に伴う許容可能なエンジン性能の維持が期待される。

【0175】

実施例１１

【0176】

一実施形態では、ルシャトリエの原理に従って平衡を生成物側にシフトさせるために、反応生成物（または副生成物）を選択的に除去する反応分離が用いられる。生成物（例えばメタノール）または副生成物（例えば水）は、その場で、または密結合型方式で合成反応器から除去される。密結合型とは、高価でエネルギー集約的な下流分離を行わずにループ内で分離することを意味する。分離は、吸着、吸収、膜分離、蒸留などによって行うことができる。反応分離により、良好なシングルパス変換が可能となり、エネルギー集約型で設備投資の必要な分離および再循環ループの必要性を低減または排除することができる。さらに重要なのは、このソリューションの観点では、反応分離により反応器の圧力を高める必要がなくなるため、結果としてプロセスに必要な圧縮仕事を低減できることである。吸着分離には、メタノールまたは水に対して選択性のある様々な吸着剤（例えばシリカアルミナ）や、様々な吸着装置（例えば充填層、移動層、移動層シミュレーター）を使用することができる。吸収分離では、様々な吸収剤（例えば、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、一般的にＴＧＤＥまたはテトラグリメ、またはスクアラン）を様々な吸収装置（例えば、滴下床、バブルコラム）で使用することができる。膜分離では、様々な膜モジュール構成（例えば中空繊維束、スパイラル型、プレート型）において、メタノールまたは水を分離除去するために、様々な高分子材料（例えばナフィオン（登録商標）のようなスルホン化テトラフルオロエチレンベースのフッ素ポリマー共重合体）またはセラミック材料（例えばゼオライト）を使用することができる。任意の選択として、透過液側にガス（例えば空気）または液体（例えばＴＧＤＥ）の掃引ストリームを使用して膜分離を行うことができる。反応蒸留（ＲＤ）も、揮発性の違いに基づいて反応物からメタノールを選択的に除去するために使用できる。任意のＲＤでは、様々な改良型（例えば、分割壁カラム蒸留）またはハイブリッド型（例えば、ＴＧＤＥなどとの抽出蒸留）の蒸留アプローチを使用できる。

【0177】

実施例１２

【0178】

一実施形態では、ルシャトリエの原理に従って平衡を生成物側にシフトさせるために、反応生成物（または副生成物）を選択的に除去する反応分離が用いられる。生成物（例えばメタノール）または副生成物（例えば水）は、その場で、または密結合型方式で合成反応器から除去される。密結合型とは、高価でエネルギー集約的な下流分離を行わずにループ内で分離することを意味する。分離は、吸着、吸収、膜分離、蒸留などによって行うことができる。反応分離により、良好なシングルパス変換が可能となり、エネルギー集約型で設備投資の必要な分離および再循環ループの必要性を低減または排除することができる。さらに重要なのは、このソリューションの観点では、反応分離により反応器の圧力を高める必要がなくなるため、結果としてプロセスに必要な圧縮仕事を低減できることである。吸着分離には、メタノールまたは水に対して選択性のある様々な吸着剤（例えばシリカアルミナ）や、様々な吸着装置（例えば充填層、移動層、移動層シミュレーター）を使用することができる。吸収分離では、様々な吸収剤（例えば、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、一般的にＴＧＤＥまたはテトラグリメ、またはスクアラン）を様々な吸収装置（例えば、滴下床、バブルコラム）で使用することができる。膜分離では、様々な膜モジュール構成（例えば中空繊維束、スパイラル型、プレート型）において、メタノールまたは水を分離除去するために、様々な高分子材料（例えばナフィオン（登録商標）のようなスルホン化テトラフルオロエチレンベースのフッ素ポリマー共重合体）またはセラミック材料（例えばゼオライト）を使用することができる。任意の選択として、透過液側にガス（例えば空気）または液体（例えばＴＧＤＥ）の掃引ストリームを使用して膜分離を行うことができる。反応蒸留（ＲＤ）も、揮発性の違いに基づいて反応物からメタノールを選択的に除去するために使用できる。任意のＲＤでは、様々な改良型（例えば、分割壁カラム蒸留）またはハイブリッド型（例えば、ＴＧＤＥなどとの抽出蒸留）の蒸留アプローチを使用できる。

【0179】

実施例１３

【0180】

小規模プラントで、入口ガス流量３，０００，０００標準立方フィート／日（ｓｃｆｄ）をターゲットとする。このようなプラントの規模は、５０，０００ｓｃｆｄから１５，０００，０００ｓｃｆｄまで様々である。プラントは、１つ又は複数のモジュール式で相互接続されたスキッド又はコンテナに組み込まれ、中央の製作工場で組み立てられた後、現場に設置される。システムは少数のモジュールで構成されており、現場で接続すると統合システムとなる。モジュール式の組み立てにより、さまざまな流入ガス供給量に対応し、現場での労力を最小限に抑えながら、遠隔地への適用が可能となる。モジュール式の特性により、これらの資産の展開や再展開の柔軟性がさらに向上し、初期資本支出とプロジェクトの財務リスクが低減され、プロセス処理量をフレアガス供給量に一致させることができ、モジュールの製造と現場準備を並行して行うことで市場投入までの時間を短縮できる。このプラントには、（ａ）窒素の量を減らすこと、（ｂ）エンジンの背圧を標準の１ｂａｒ又は２ｂａｒから最大５ｂａｒまで増加させること、（ｃ）ターボエキスパンダを使用して圧縮仕事の大部分を回収し、プラントの運転コストを削減すること、（ｄ）強化された合成ループを使用して、より低い全体圧力で許容可能なメタノール合成を実現すること、のうちの１つ又は複数の機能がある。

【0181】

実施例１４

【0182】

実施例１０および１２で説明したコンポーネントを含むシステムの実施形態では、質量流量とエネルギーの観点でバランスが取れた完全なシステムが図１５に示されている。

【0183】

図１５、および図１５Ａから図１５Ｃを参照すると、ガス液化システム１４００における実施例１０および１３の実施形態を利用するシステムおよびプロセスシステムの概略が示されている。システムおよびプロセス１４００は、改質器サブシステム１４４０、メタノールサブシステム１４６０、およびターボエキスパンダ（例えば、ターボコンプレッサ）サブシステム１４８０を有する。改質器サブシステム１４４０の拡大図（および他の構成要素）は、図１５Ａに示されている。メタノールサブシステム１４６０の拡大図は図１５Ｂに示されている。ターボエキスパンダサブシステム１４８０の拡大図は図１５Ｃに示されている。（ラインまたはパイプＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、３つのサブシステム間の流体フローおよび流体通信を提供する。）

【0184】

図１５Ａを参照すると、改質器サブシステム１４４０は、空気の流れを受けるための空気取り入れ口１４４５と、炭化水素ガス（例えばフレアガス）の流れを受けるための炭化水素ガス取り入れ口１４４６（例えばフレアガス取り入れ口）とを有する。改質器サブセクションは、過給機１４４１、空気予熱器１４４２、空気吸入改質器１４４９、ミキサー１４４４、脱硫ユニット１４４７を備える。さらに、改質器サブシステム１４４０からターボエキスパンダサブシステム１４８０へのライン上に、デオキソユニット１４３３が示されている。矢印は、システムおよびプロセスにおける流れの方向を示している。

【0185】

図１５Ｂを参照すると、メタノール合成サブシステム１４６０は、コンプレッサ１４６１、ミキサー１４６２、ＣＯ_２膜ユニット１４６３、および水素膜ユニット１４６４を有する。サブシステム１４６０は、反応器ユニット１４６９、熱交換器１４７４を有する。サブシステム１４６０はさらに、熱交換器１４７１、１４７２およびメタノール凝縮器１４６５、メタノール脱気器１４６６を有する。このシステムには、供給空気１４６８の排ガス酸化ユニット１４６７と、関連する熱交換器１４７５がある。システム１４６０には、コンプレッサ１４７３、熱交換器１４７４、およびミキサー１４７０がある。システムには、システムおよびプロセスの流れの方向を示す矢印がある。

【0186】

図１５Ｃを参照すると、ターボエキスパンダサブシステム１４８０は、熱交換器１４８１、熱交換器１４８１、およびノックアウトドラム１４８３を備えている。サブシステム１４８０はさらに、コンプレッサ１４８４およびタービン１４８５を備えている。タービン（ターボエキスパンダ）１４８５は、バランスバルブ１４８６およびミキサー１４８７も備えている。サブシステム１４８０は、熱交換器１４８８およびウォーターノックアウトドラム１４３９を備えている。サブシステム１４８０は、コンプレッサ１４９０とタービン（ターボ抽出器）１４９３を備え、これにはバランスバルブ１４９１と熱交換器１４９２が関連付けられている。サブシステム１４８０は、スプリッター１４９４、熱交換器１４９５、熱交換器１４９６、および水抜きドラム１４９７も有する。システムには、システムおよびプロセスにおける流れの方向を示す矢印がある。

【0187】

このシステムは、化学プロセスから得られる高圧の流れと、プロセスで利用可能な熱エネルギー（熱）を利用して、ターボエキスパンダを介して軸仕事を作り出す。この軸仕事は、流入するプロセス流体のための最初の圧縮システムを駆動する。タービン側で段階の間に再加熱を加えることで、追加のタービン仕事が生み出される。圧縮の段階間にインタークーリングを行うことで、圧縮の仕事量が削減される。ターボコンプレッサの制御には、個別のバイパス（ウェイストゲート）制御バルブが使用される。初期圧縮システムの排出口の圧力は、水素分離ユニットからの保持ガス（排ガス）の排出口の圧力と一致しており、流れを１つの圧縮装置に統合してメタノールプロセスに必要な圧力まで圧力を高めることができる。このターボコンプレッサシステムは、通常５８ｋｇ／ｈの炭化水素ガスを処理するシステムの場合、電動モーターなどによる外部軸出力を９８ｋＷ_ｅから６０ｋＷ_ｅに削減する。プロセス流体の凝縮温度は３０℃から６０℃に引き上げられ、その結果、冷却器の負荷は２５８ｋＷ_ｔｈから２０ｋＷ_ｔｈに削減される。

【0188】

本発明の実施形態の対象または関連する、新規かつ画期的な生成速度、性能、またはその他の有益な機能や特性の基礎となる理論を提供または説明する必要はない。しかし、この重要な分野、特に炭化水素の探査、生成、および下流変換の分野における技術をさらに発展させるため、本明細書ではさまざまな理論が提示されている。これらの理論は、本明細書で提示されているが、明示的に別段の記載がない限り、特許請求の範囲に記載された発明に与えられる保護の範囲を制限、制約、狭めるものではない。これらの理論は、本発明を利用するために必要とされるものでも、実施されるものでもない。さらに、本発明は、本発明の方法、物品、材料、装置およびシステムの実施形態の動作、活動、資源生成、化学、機能的特徴を説明する、新しい、これまで知られていなかった理論につながる可能性があることが理解される。また、そのような後に開発された理論は、本発明に与えられる保護の範囲を限定するものではない。

【0189】

本明細書に記載された装置、システム、活動、方法および業務の様々な実施形態は、本明細書に記載された図の実施形態および開示されたものに加えて、様々なプロセス、産業および業務において、それらとともに、それらの中で、またはそれらによって使用される可能性がある。本明細書に記載された装置、システム、方法、活動、および操作の様々な実施形態は、今後開発される可能性のある他のプロセス、産業、および操作と併用できる可能性がある。また、本明細書の教示に基づいて部分的に修正される可能性のある既存のプロセス、産業、および操作と併用できる可能性がある。さらに、他のタイプのガス回収および価値安定化システムおよび方法と併用できる可能性もある。さらに、本明細書に記載された装置、システム、活動、方法、および操作の様々な実施形態は、異なる様々な組み合わせで互いに使用することができる。したがって、例えば、本明細書の様々な実施形態に記載された構成は、互いに使用することができる。例えば、Ａ、Ａ’、およびＢを有する実施形態の構成要素と、Ａ’、Ｃ、およびＤを有する実施形態の構成要素は、単独で、または互いに、例えば、Ａ、Ｃ、Ｄ、およびＡ、Ａ’、Ｃ、Ｄ、およびＡ’、Ｂ、およびＤなど、本明細書の教示に従って様々な組み合わせで使用することができる。したがって、本発明に与えられる保護の範囲は、特定の実施形態、実施例、または特定の図における実施形態に記載されている特定の実施形態、構成、または配置に限定されるべきではない。

【0190】

本明細書に具体的に開示されたもの以外の形態で、その精神または実質的な特徴から逸脱することなく、本発明を具現化することができる。本明細書に記載された実施形態は、あらゆる面において、例示的なものとしてのみ考慮され、制限的なものではない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図15A】

【図15B】

【図15C】

【手続補正書】

【提出日】2024-12-20

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガスを最終生成物に変換する方法であって、
ａ． 組成が主としてガス状炭化水素と供給源からの不活性ガスである、炭化水素をベースとする燃料源の流れを受け入れる工程と、
ｂ． 前記燃料源を空気吸入レシプロエンジン内で部分的に酸化して、液体の合成に適したＨ２／ＣＯ比を有する合成ガス混合気を生成する工程と、
ｃ． コンプレッサの仕事量を低減する工程を実行する工程と、
を含む、方法。

【請求項2】

前記コンプレッサの仕事量を低減する工程が、窒素の量を減らすことを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記コンプレッサの仕事量を低減する工程が、前記空気吸入レシプロエンジンの背圧を増加させることを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記背圧が５ｂａｒまで増加する、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

前記背圧が２ｂａｒより大きい、請求項３に記載の方法。

【請求項6】

前記コンプレッサの仕事量を低減する工程が、ターボエキスパンダ・熱交換器システムを使用することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記コンプレッサの仕事量を低減する工程が、反応分離合成を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

前記空気吸入レシプロエンジンがリッチバーンエンジンである、請求項１から７のいずれかに一項に記載の方法。

【請求項9】

前記空気吸入レシプロエンジンが可変圧縮比エンジンである、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項10】

前記空気吸入レシプロエンジンが圧縮点火エンジンである、請求項１から７のいずれかに一項に記載の方法。

【請求項11】

前記空気吸入レシプロエンジンが火花点火エンジンである、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項12】

ガスを最終生成物に変換するためのシステムであって、
ａ． 組成が主としてガス状炭化水素と供給源からの不活性ガスである、炭化水素をベースとする燃料源の流れを受け入れるための流入ポートであって、
ｂ． 前記燃料源を部分的に酸化して液体の合成に適したＨ_２／ＣＯ比を有する合成ガス混合気を生成するようにされた空気吸入レシプロエンジンと流体連通している流入ポートと、
ｃ． コンプレッサの仕事量を低減する手段と、
を備えるシステム。

【請求項13】

前記コンプレッサの仕事量を低減する手段が窒素の量を減らす手段を含む、請求項１２に記載のシステム。

【請求項14】

前記窒素の量を減らす手段が酸素富化ユニットを備える、請求項１３に記載のシステム。

【請求項15】

前記窒素の量を減らす手段が窒素除去ユニットを備える、請求項１３に記載のシステム。

【請求項16】

前記コンプレッサの仕事量を低減する手段が、前記空気吸入レシプロエンジンの増加した背圧を有する、請求項１２に記載のシステム。

【請求項17】

前記増加した背圧が最大５ｂａｒである、請求項１６に記載のシステム。

【請求項18】

前記増加した背圧が２ｂａｒよりも大きい、請求項１６に記載のシステム。

【請求項19】

前記コンプレッサの仕事量を低減する手段がターボエキスパンダ・コンプレッサ・熱交換器システムを使用することを含む、請求項１２に記載のシステム。

【請求項20】

前記ターボエキスパンダ・コンプレッサ・熱交換器システムが３段階で構成される、請求項１９に記載のシステム。

【請求項21】

前記ターボエキスパンダ・コンプレッサ・熱交換器システムがコンプレッサ・タービンアセンブリを備える、請求項１９に記載のシステム。

【請求項22】

前記ターボエキスパンダ・コンプレッサ・熱交換器システムが２段で構成され、各段がコンプレッサとタービンと熱交換器を備える、請求項１９に記載のシステム。

【請求項23】

前記ターボエキスパンダ・コンプレッサ・熱交換器システムが３段で構成され、各段がコンプレッサとタービンと熱交換器を備える、請求項２２に記載のシステム。

【請求項24】

前記コンプレッサの仕事量を低減する手段が反応分離合成ループを有する、請求項１２に記載のシステム。

【請求項25】

前記空気吸入レシプロエンジンがリッチバーンエンジンである、請求項１２から２４のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項26】

前記空気吸入レシプロエンジンが可変圧縮比エンジンである、請求項１２から２４のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項27】

前記空気吸入レシプロエンジンが圧縮点火エンジンである、請求項１２から２４のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項28】

前記空気吸入レシプロエンジンが火花点火エンジンである、請求項１２から２４のいずれか一向に記載のシステム。

【請求項29】

前記燃料源がフレアガスである、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項30】

前記燃料源がフレアガスである、請求項１２から２４のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項31】

前記空気吸入レシプロエンジンが、ディーゼルサイクルエンジンを含む圧縮点火エンジン、又は予混合圧縮点火エンジンである、請求項１２に記載のシステム。

【請求項32】

前記空気吸入レシプロエンジンが、オットーサイクルを含む火花点火エンジンである、請求項１２に記載のシステム。

【請求項33】

前記空気吸入レシプロエンジンが、対向ピストン・フリーピストン・リニア内燃エンジンである、請求項１２に記載のシステム。

【請求項34】

前記空気吸入レシプロエンジンは、クランクシャフト駆動式の対向ピストン内燃エンジンであり、一方のピストンの位相を他方のピストンの位相に対して回転させて全体的な圧縮比を変更するクランクシャフト位相器を備えている、請求項１２に記載のシステム。

【請求項35】

コンプレッサの仕事量を低減させた状態でフレアガスをメタノールに変換するためのシステムであって、
ａ． 空気の流れを受け入れるための第１ライン、及びフレアガスの流れを受け入れるための第２ラインであって、
ｂ． 空気吸入エンジン改質器アセンブリと流体連通した第１及び第２ラインと、
ｃ． 第３ラインと流体連通したターボエキスパンダアセンブリであって、
ｄ． 前記空気吸入エンジン改質器アセンブリが前記第３ラインと流体連通しており、
ｅ． 前記第３ラインは、前記空気吸入エンジン改質器アセンブリと当該ターボエキスパンダアセンブリを連結して、前記空気吸入エンジン改質器アセンブリからの中間生成物を当該ターボエキスパンダアセンブリに流すことができるようにし、
ｆ． 第４ライン、第５ライン、及び第６ラインに流体連通している、ターボエキスパンダアセンブリと、
ｇ． 前記第４ライン、前記第５ライン、及び前記第６ラインと流体連通しているメタノール合成アセンブリと、を備え、
ｈ． 前記第４ラインは、前記ターボエキスパンダアセンブリを前記メタノール合成アセンブリに連結して、前記ターボエキスパンダアセンブリから前記メタノール合成アセンブリへの第１の流れを提供するようにされ、
ｉ． 前記第５ラインは、前記ターボエキスパンダアセンブリを前記メタノール合成アセンブリに連結して、前記ターボエキスパンダアセンブリから前記メタノール合成アセンブリへの第２の流れを提供するようにされ、
ｊ． 前記第６ラインは、前記ターボエキスパンダアセンブリを前記メタノール合成アセンブリに連結して、前記メタノール合成アセンブリから前記ターボエキスパンダアセンブリへの第３の流れを提供するようにされた、システム。

【請求項36】

前記中間生成物が合成ガスである、請求項３５に記載のシステム。

【請求項37】

前記ターボエキスパンダアセンブリから前記メタノール合成アセンブリへの前記第１の流れが合成ガスである、請求項３５に記載のシステム。

【請求項38】

前記空気吸入レシプロエンジンが、バルブの開閉に作用するように吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトを回転させるカムシャフト位相器を利用して可変「有効」圧縮比を達成する従来の火花点火レシプロエンジンである、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項39】

前記空気吸入レシプロエンジンが、バルブの開閉に作用するように可変リフトおよび／または可変デュレーションのバルブトレインを利用して可変「有効」圧縮比を達成する従来の火花点火レシプロエンジンである、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項40】

前記空気吸入レシプロエンジンが、クランクシャフトを回転させる従来のコネクティングロッドの代わりにマルチリンクシステムを備え、アクチュエータモータが前記マルチリンクシステムの終点を変更する、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項41】

前記空気吸入レシプロエンジンがツーストロークエンジンである、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項42】

前記空気吸入レシプロエンジンがフォーストロークエンジンである、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項43】

エンジン回転数をエンジン圧縮比とともに変化させて、所望の燃焼と所望の排気ガス組成を達成するようにした、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項44】

入口マニホールドの空気温度をエンジン圧縮比とともに変化させて、所望の燃焼と所望の排気ガス組成を達成するようにした、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項45】

入口マニホールドの空気圧（例えば、ブーストレベル）をエンジン圧縮比とともに変化させて、所望の燃焼と所望の排気ガス組成を達成するようにした、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項46】

蒸気または水素を流入空気または燃料に添加し、その添加量をエンジン圧縮比とともに変化させて、所望の燃焼と所望の排気ガス組成を達成するようにした、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項47】

前記空気吸入レシプロエンジンが少なくとも１．５のＥＲの下で運転される，請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項48】

前記空気吸入レシプロエンジンが少なくとも約２のＥＲの下で運転される、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項49】

前記空気吸入レシプロエンジンが少なくとも約２．５のＥＲの下で運転される、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項50】

前記空気吸入レシプロエンジンが少なくとも約３のＥＲの下で運転される、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項51】

前記空気吸入レシプロエンジンが少なくとも約２．５のＥＲの下で運転される、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項52】

圧縮比が８：１から１４：１の間で制御される、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項53】

前記空気吸入レシプロエンジンの下流で、統合された熱交換器、圧縮システムコンポーネント、および熱交換器を組み合わせて、前記下流の合成反応器用の合成ガスを調製するようにした、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項54】

前記空気吸入レシプロエンジンの下流に、有用な液体生成物を生成するための下流合成反応器システムを有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項55】

ＡＩで訓練された異常検知を含むクラウドベースの遠隔監視システムが、可変バルブタイミングの変化を動的に監視し、燃料供給の異常を評価して対応する、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項56】

ＣＯ_２ｅライフサイクルアセスメントの観点から、フレアガスから製造された場合において、パイプライン天然ガスからのベースライン液体メタノール製造と比較して、最終生成物（この場合、液体メタノール）１ｋｇあたり約４０ｋｇＣＯ_２ｅの負のＣＯ_２ｅ排出をもたらすことになる、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項57】

フレアガスから製造され、パイプライン天然ガスからのベースラインメタノールと等価なｋｇのメタノールを置き換える場合において、結果として生じる負のＣＯ_２ｅ排出量は、最終生成物（メタノール）１ｋｇあたり約７０ｋｇＣＯ_２ｅである、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項58】

フレアガスから製造され、石炭ガス化からのベースラインメタノールと等価なｋｇを置き換える場合において、結果として生じる負のＣＯ_２ｅ排出量は、最終生成物（メタノール）ｋｇあたり約１３０ｋｇＣＯ_２ｅである、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項59】

前記最終生成物がメタノールを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項60】

前記最終生成物が、エタノール、アンモニア、ジメチルエーテル、およびＦ－Ｔ液体からなる群から選択される材料を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項61】

前記燃料源が炭化水素井からのフレアガスである、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項62】

前記燃料源が油井からのフレアガスである、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項63】

前記燃料源が、非従来型油井からのフレアガスである、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項64】

前記燃料源がフレアガスであり、前記フレアガスは、石油化学処理、精製、埋立地、廃水処理、および畜産からなる群から選択される、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項65】

前記燃料源の流量が約５０，０００ｓｃｆｄから約３０，０００，０００ｓｃｆｄである、請求項１から７いずれか一項に記載の方法。

【請求項66】

前記燃料源の流量が、約５００，０００ｓｃｆｄから約２０，０００，０００ｓｃｆｄである、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項67】

前記燃料源の流量が、約６００，０００ｓｃｆｄから約１５，０００，０００ｓｃｆｄである、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項68】

前記燃料源の流量が、約７００，０００ｓｃｆｄから約１０，０００，０００ｓｃｆｄである、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。

【国際調査報告】