KR100260461B1 - 합성가스와 전력의 조합식 발생방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은
연소공기를 갖는 제2의 연료흐름을 연도가스로 연소시키고 열교환 반응기에서 탄화수소 원료의 증기 개질 반응과 관련한 열전도시 연도가스를 통과시켜 합성가스를 발생시키는 단계, 및
가스 터빈 연소실에서 연소공기를 갖는 제1의 연료흐름을 연도가스로 연소시키고 가스터빈에서 연도가스를 팽창시켜 전력을 발생시키는 단계;
를 적어도 포함하고,
이 단계들중 한 단계의 연도가스가 다른 단계에서는 연소공기로 사용되는 합성가스와 전력의 조합식 발생방법을 제공한다.

Description

합성가스와 전력의 조합식 발생방법{METHOD FOR COMBINED GENERATION OF SYNTHESIS GAS AND POWER}
본 발명은 열교환 개질장치로 연소공기를 공급하는데 있어서 가스 터빈을 포함하여, 전력과 합성가스의 조합식 발생을 지향하고 있다.
특히 본 발명은 탄화수소원료로부터 합성가스를 발생시키기 위해 열교환 증기 개질장치(HER)에서 열공급을 위한 연소공기로서 대기압이나 상승압 근처에서 가스터빈으로부터 고온의 배기가스를 사용함으로써 고효율의 전력을 발생시키는 방법을 제공한다.
대안으로, 본 발명 공정에 의해 가스터빈 공기 압축기로부터 압축된 공기는 가스가 가스터빈 팽창기에서 팽창되기 전에 먼저 HER에서, 후속으로 HER로부터 연도가스(flue gas)온도를 상승시키기 위한 2차 연소에서 연소공기로서 사용될 수도 있다.
HER은 종래의 유용한 탄화수소 개질 기법이다. HER 개질장치의 이점은 개질노에서 유사한 복사에 의한 열전달과 비교하여 고도한 대류 열전달에 있다. 이것은 연도가스온도를 제한하는 과잉량의 상당한 연소공기에 의해 얻어진다.
종래의 HER은 증기와 혼합되어 예열된 탈황화시킨 탄화수소 흐름을 공급한다.
개질공정은 HER에 배치된 개질 촉매의 존재에서 실행된다. 증기 개질공정은 하기 반응으로 진행된다:
Figure pat00001
Figure pat00002
HER의 개념은 냉각시킴으로써 개질장치 촉매장치로부터의 유출물이 개질공정에 필요한 열의 일부를 제공하는 방식으로 흡열반응이 시행되는 것을 의미한다. 필요한 개질장치 총효율의 잔사를 HER 연소실에서 연료를 연소시키고 고온의 연도가스 흐름을 발생시켜 공급하고, 이 흐름은 대기압이나 상승압 근처의 장치에서 상기의 증기 개질반응과 관련한 열 전도시 촉매장치벽의 외부를 통과한다.
적절한 연도가스 온도를 확보하기 위해 연소는 과잉량의 공기로 실행하여 촉매장치벽을 통해 촉매로의 현저한 대류 열전달을 얻는다.
HER에서 발생된 합성가스는 메탄올등의 몇몇 합성 또는 저흐름 공정 섹션으로 일산화탄소 또는 수소의 발생에 이용할 수 있다.
종래의 설계에서, HER은 연소 공기 압축기에 과잉량의 연소공기를 공급한다. HER 기초 설비에서 해당 및 다른 혼합장치(즉, 압축기, 송풍기, 펌프등)에 필요한 전력은 증기터빈이나 가스터빈에 의해 전형적으로 현장발생 전력 또는 유입전력으로 통상 공급될 것이다.
HER과 유사한 가스 터빈은 유의하게 과잉량의 연소공기를 필요로 하여 연도가스온도를 제어한다.
HER 개질장치 및 가스터빈 둘다가 연도가스 온도의 제어를 필요로 한다는 사실에 기초하여 본 발명자들은 개선된 공정효율이 HER로부터 산소를 소모시킨 배기가스가 가스터빈내의 연소공기로서 사용되고, 그 역으로도 사용될 때, 이루어진다는 것을 발견하였다. 주위온도로 떨어지는 제1공정으로부터 배기가스의 총발열 에너지는 엔트로피의 손실이 없는 후속의 연소공정에서 연소공기 예열 총효율로 전환된다.
따라서, 본 발명은
연소공기를 갖는 제2의 연료흐름을 연도가스로 연소시키고 열교환 반응기에서 탄화수소 원료의 증기 개질 반응과 관련한 열전도시 연도가스를 통과시켜 합성가스를 발생시키는 단계, 및
가스 터빈 연소실에서 연소공기를 갖는 제1의 연료흐름을 연도가스로 연소시키고 가스터빈에서 연도가스를 팽창시켜 전력을 발생시키는 단계;
를 적어도 포함하고,
이 단계들중 한 단계의 연도가스가 다른 단계에서는 연소공기로 사용되는 합성가스와 전력의 조합식 발생방법을 제공한다.
본 발명 방법에 의해 전력은 열교환 개질장치와 조합하여 가스 터빈에서 고효율로 발생된다. 전력과 합성가스가 같이 발생되는데 필요한 연료량은 약 80-90%의 효율로 전환되고 이것은 별도의 전력발생에 의해서는 이루어질 수 없다.
다른 이점으로서, 연소공기의 후속사용은 2개의 별도의 회수섹션 대신에 하나의 공통의 연도가스 폐열회수 섹션에서만 필요해지고, 이로써 연도가스의 전체 흐름은 상당히 감소된다.
본 발명의 공정에 의해, HER에 사용하는 연소 공기는 액체나 가스연료흐름을 연소시키고, 전력 및 고온의 산소함유 배기가스를 발생시키는 가스 터빈을 통과하고;
다음에 산소 함유 배기가스를 HER 연소실로 통과시키고 이것은 개질장치와 공통의 폐열 회수 섹션에서 열매질로서 적당한 연도가스흐름을 공급하는 추가의 연료를 연소시키는데 사용되고, 대안으로 연소공기를 가스터빈 압축기로 통과시키고, 이것은 개질장치중 열매질로서 적당한 연도가스흐름을 공급하는 액체 또는 가스 연료 흐름을 연소시키는데 사용하기 위해 압축되어 HER 연소실로 보내지고;
HER로부터의 산소 함유 유출물은 배기가스를 발생하는 추가의 연료흐름의 연소에 사용되고, 이것은 가스터빈 팽창기와 최종적으로 공통의 폐열회수섹션을 통해 통과된다.
도 1은 본 발명의 특정 구체예이다.
도 2는 본 발명의 다른 구체예이다.
도 3은 종래의 HER을 나타낸다.
도 1에서 특정구체예를 위해 나타낸 본 발명의 방법 조작에서, 주위공기(2)가 가스터빈(GT) 압축기를 통과하여 하나 이상의 스테이지에서 가스터빈 공기 압축기에서 압축된다. 다음에 압축된 공기를 가스 터빈 연소실에서 산소원으로서 과잉량의 액체 또는 가스 연료 흐름(11)과 혼합하고 반응시킨다.
연소실로부터의 연도가스(8)는 실질적으로 산소의 잔류량을 함유하고 다음에 가스터빈 팽창기(GT 팽창기)를 통과하고, 여기서 연도가스는 HER 연소공기에 적당하게 대기압 또는 상승압 근처에서 감압된다.
산소 함유 연도 가스 흐름(12)을 HER에 통과시키고 HER 연소실(9)에서 산소원으로서 과잉량의 액체 또는 가스 연료(6)와 한번더 반응시키고, HER의 촉매실(14)에서 발생하는 열을 필요로 하는 흡열 개질 공정에 열을 공급하기 위해 고유량 및 충분한 고온(전형적으로 1300℃)에서 제2의 연도가스흐름을 제공한다.
열을 흡수하는 HER 개질 섹션(14)에서 연도가스측에서 냉각되어 있는 HER로부터의 연도가스(10)를 공통의 연도가스 폐열회수섹션(WHS)에서 더 냉각시킨다.
가스 터빈은 샤프트 전력을 발생하고, 이것은 터보발생기 또는 압축기등(도시되지 않음)을 구동시키는데 임의로 사용된다.
도 2에 나타낸 본 발명의 다른 구체예에서, 주위공기(20)를 가스터빈 공기 압축기(GT 압축기)에 통과시키고 하나 이상의 스테이지에서 압축시킨다.
압축된 공기(22)를 HER 연소실(90)에 통과시키고 산소원으로서 과잉량의 액체 또는 가스연료흐름(60)과 혼합하고 반응시키고, HER 개질 섹션(140)에서 발생하는 열을 흡수하는 흡열 개질 공정에 열을 공급하기 위해 고 유량 및 충분한 고온(전형적으로 1300℃)에서의 연도가스를 제공한다.
연도가스(80)는 열을 흡수하는 HER 개질 섹션(140)에서 연도가스측에서 냉각되고;
산소의 잔류량을 함유하는 HER은 다음에 연소실(120)을 통과하고 연도가스(100)를 발생하는, 산소원으로서 과잉량의 액체 또는 가스연료(110)와 한번 더 반응시킨다.
연도가스(100)를 가스터빈 팽창기에 통과시키고 대기압으로 밀폐된 터빈에서 감압시킨다.
다음에 감압시킨 연도가스흐름(160)을 공통의 폐열 회수 섹션(WHS)을 통해 보낸다.
가스터빈은 샤프트 전력을 발생하고, 이것은 터보 발생기 또는 압축기등(도시되지 않음)을 구동시키는데 임의로 사용한다.
도 1 및 도 2에 나타낸 두 구체예에서 공기 압축기로부터 압축된 연소공기를 2차 연소실로 직접 통과시킬 수도 있다.
도 1 및 도 2에 나타낸 구체예에서 사용한 조건 및 얻어진 결과를 각각 표 1 및 표 2에서 요약한다.
도 3에 나타내고 표 3에서 요약된 바와 같이 가스 터빈이 없는 HER에서 종래의 합성 가스 발생과 비교하여 상당한 에너지 절약이 본 발명에 의해 얻어진다. 반면에 도 3에 나타낸 종래의 HER은 8.9MWh/h의 전력 유입을 필요로 하고, 과잉량의 전력이 합성가스와 전력의 조합식 발생으로 얻어진다. 도 1의 구체예에 의해, 29g MWh/h 전력이 설비로부터 유출된다. 합성가스와 전력의 조합식 발생에 필요한 추가 연료에 있어 종래의 효율은 표 1에서 보는 바와 같이 89%이다. 도 2에 나타낸 구체예는 94%의 추가 연료의 전환 효율에서 76MWh/h의 전력 유출을 하게 한다(표 2 참조).
도 1에서의 위치 2 4 6 8 10
P[kg/cm2g] 0 20 20 15 0
T[℃] 15 25 25 1000 619
유량[Nm3/h] 538967 31181 19769 551661 573652
LHV[kcl/Nm3] 9856 9856
조성물(부피%):
N2 76.92 0.48 0.48 75.16 72.3
CO2 0.03 1.56 1.56 2.55 6.65
O2 20.69 15.47 6.97
Ar 0.93 0.91 0.87
H2O 1.43 0.14 0.14 5.91 13.21
탄화수소 97.82 97.82
전력유출[MWh/h] = 29.9
도 2에서의 위치 20 40 60 80 100
P[kg/cm2g] 0 20 20 14.7 14.6
T[℃] 15 25 25 559 1270
유량[Nm3/h] 523687 35249 18339 544086 562896
LHV[kcl/Nm3] 9856 9856
조성물:
N2 76.92 0.48 0.48 74.05 71.59
CO2 0.03 1.56 1.56 4.14 7.66
O2 20.69 12.18 4.89
Ar 0.93 0.89 0.86
H2O 1.43 0.14 0.14 8.74 15
탄화수소 97.82 97.82
전력유출[MWh/h] = 76
추가연료의 전환효율 [%] = 94
도 3에서의 위치 2 4 6 8 10
P[kg/cm2g] 0 20 0
T[℃] 15 25 619
유량[Nm3/h] 548604 27380 579060
LHV[kcl/Nm3] 9856
조성물:
N2 76.92 0.48 72.9
CO2 0.03 1.56 5.79
O2 20.69 8.76
Ar 0.93 0.88
H2O 1.43 0.14 11.67
탄화수소 97.82
전력유입[MWh/h] = 8.9

Claims (4)

  1. 연소공기를 갖는 제2의 연료흐름을 연도가스로 연소시키고 열교환 반응기에서 탄화수소 원료의 증기 개질 반응과 관련한 열전도시 연도가스를 통과시켜 합성가스를 발생시키는 단계, 및
    가스 터빈 연소실에서 연소공기를 갖는 제1의 연료흐름을 연도가스로 연소시키고 가스터빈에서 연도가스를 팽창시켜 전력을 발생시키는 단계;
    를 적어도 포함하고,
    이 단계들중 한 단계의 연도가스가 다른 단계에서는 연소공기로 사용되는 합성가스와 전력의 조합식 발생방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 가스터빈으로부터 팽창된 연도가스는 증기 개질 단계에서 연료의 제2의 흐름으로 연소되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 증기 개질 단계로부터의 연도가스는 전력 발생 단계에서 제1의 연료흐름으로 연소되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 증기 개질 단계중의 연소공기는 가스터빈 압축기로부터 가압된 공기인 것을 특징으로 하는 방법.
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