KR101687045B1 - 테일 가스 재순환 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 테일 가스 재순환 방법은 산성 가스 스트림 내에 존재하는 황을 황 원소로 변환하여 테일 가스를 생성하는 단계와, 테일 가스를 가스화 반응기 및 가스 제거 서브시스템 중 적어도 하나로 재순환시키는 단계를 포함한다.

Description

테일 가스 재순환 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS TO RECYCLE TAIL GAS}
본 발명은 일반적으로 가스화 시스템에 관한 것으로서, 특히, 산성 가스 제거를 통해 가스화 시스템으로 합성 가스 생산을 개선시키기 위한 테일 가스 재순환 방법 및 장치에 관한 것이다.
적어도 몇몇 공지된 가스화 플랜트는, 적어도 하나의 파워-생성 터빈 시스템과 일체형으로 구성되어 가스화 복합 발전 플랜트[integrated gasification combined cycle(IGCC) power plant]를 형성하는 가스화 시스템을 포함한다. 예를 들어, 잘 알려진 가스화 시스템은 연료, 에어, 또는 산소, 증기, 및/또는 CO2의 혼합물을 합성 가스 또는 "신가스(syngas)"로 변환한다. 신가스는 가스 터빈 엔진의 연소기로 인도되고, 가스 터빈 엔진은 전력을 전력망(power grid)에 공급하는 발전기에 동력을 공급한다. 적어도 몇몇 공지의 가스 터빈 엔진으로부터의 배기 가스는 열 회수 스팀 발생기(heat recovery steam generator; HRSG)에 공급되어, 스팀 터빈을 구동시키기 위한 스팀을 발생시킨다. 스팀 터빈에 의해 발생된 동력은 전력망에 전력을 제공하는 발전기를 또한 구동시킨다.
가스화 복합 발전 플랜트와 연계된 적어도 몇몇 공지의 가스화 시스템은 일산화탄소(CO), 수소(H2), 이산화탄소(CO2), 카보닐설파이드(COS), 및 황화수소(H2S)를 포함하는 "생(raw)" 신가스 연료를 최초에 생성한다. CO2, COS, 및 H2S는 일반적으로 산성 가스라 불린다. 산성 가스는 가스 터빈 엔진 내의 연소를 위한 "청정" 신가스 연료를 생성하기 위해 생 신가스 연료로부터 제거되는 것이 일반적이다.
일반적으로, 공지된 가스 복합 발전소에서, 탄화수소형 피드(feed)가 고순도 산소(일반적으로 순도 > 95%)와 반응하여 2200℉(1204.44℃) 내지 2700℉(1482.22℃)의 온도 범위에서 신가스를 생성한다. 생성된 신가스는 그 후 냉각되고 불순물 제거되어, 산성 가스 제거(AGR) 서브시스템에 공급하기 적합한 생 신가스를 생성한다. 산성 가스 제거는, H2S 및 COS의 대부분을 제거하기 위해 적어도 하나의 흡수재를 통상적으로 포함하는 산성 가스 제거 서브시스템을 이용하여 수행된다. 산성 가스 제거 서브시스템은 (H2S 및 COS의 형태로) 존재하는 황의 대부분과, 존재하는 CO2의 일부분을 제거한다. 이는 흡수된 H2S, COS 및 CO2를 주종으로 하여 구성되는 산성 가스 스트림 및 청정 신가스 스트림을 생성한다.
산성 가스 스트림은 황 환원 서브시스템에서 처리되어, 존재하는 황을 클라우스 반응(Claus reaction)에 의해 황 원소로 변환한다. 이 단계는 존재하는 황화수소 중 일부를 먼저 산화시켜서 이산화황을 형성하고, 이어서, 다음의 반응에 의해 황 원소를 형성한다.
2H2S + SO2 -> 3S + 2H2O
이러한 반응은 여러 개의 반응기에 걸쳐 이루어진다. 각각의 반응기 이후에, 황은 액체 산물로 제거된다. 황 환원 서브시스템으로부터의 유출물은 반응하지 않은 황화수소 및 이산화황과 함께, 이산화탄소, 질소, 및 수증기를 주종으로 구성된다. 이러한 유출물은 클라우스 테일 가스(Claus tail gas)라 불린다.
클라우스 테일 가스는 배출되기 전에 황을 제거하기 위해 추가적인 처리를 일반적으로 필요로 한다. 이 단계를 테일 가스 처리라 부른다. 가장 흔히 사용되는 프로세스는 SCOT(Shell Claus off-gas treating)라 불린다. SCOT 프로세스는 우선적으로 클라우스 테일 가스에 수소를 첨가하여 이산화황을 황화수소로 변환한다. 그 후 수소화된 가스는 냉각되어 수증기를 응축물로서 제거한다. 아민 용매를 이용하여 황화수소를 포획한다. 마지막으로, 용매가 재발생되어 황 회수 유닛으로 재순환시키기 위한 황화수소 함유 스팀을 생성한다. 흡수되지 않은 이탈 가스는 열 산화기로 전달되어 방출된다.
클라우스 테일 가스를 가스화 반응기로 재순환시킴으로써 테일 가스 처리 유닛을 제거할 수 있다는 점이 현재 발견되어 있다. 이러한 프로세스는 클라우스 테일 가스 처리의 비용 및 복잡성 문제를 제거하는데 도움이 된다. 추가적으로, 가스화 반응기로 테일 가스가 재순환되기 때문에, 낮은 수준의 회수, 예를 들어, 더 적은 단계의 회수를 이용하여 비용 절감된 클라우스 유닛이 사용될 수 있다. 본 발명은 산성 가스 제거 및 황 환원 처리된 가스를 중간의 수소화 단계 없이 시스템의 가스화 유닛으로 재순환시키는 것을 포함하는, 예컨대 IGCC 시스템과 같은, 가스화 반응기에서 생성된 가스를 처리하는 방법 및 장치를 제공한다.
일 형태에서, 테일 가스 재순환 방법이 제공된다. 이 방법은, 산성 가스 스트림 내에 존재하는 황을 황 원소로 변환하여 테일 가스를 생성하는 단계와, 상기 테일 가스를 가스화 반응기 및 가스 제거 서브시스템 중 적어도 하나로 재순환시키는 단계를 포함한다.
다른 형태에서, 가스화 반응기에 의해 생성되는 가스 처리 방법은, 가스화 반응기에 의해 생성되는 생 가스를 가스 제거 서브시스템 내로 지향시키는 단계를 포함한다. 상기 생 가스로부터 성분들을 제거하여 산성 가스 스트림 및 청정 가스 스트림을 생성한다. 생성된 산성 가스 스트림을 황 환원 서브시스템 내로 지향시키고 산성 가스 스트림 내에 존재하는 황을 황 원소로 변환시켜서 테일 가스를 생성한다. 상기 테일 가스를 상기 가스화 반응기 및 상기 가스 제거 서브시스템 중 적어도 하나로 재순환시킨다.
또 다른 형태에서, 가스화 복합 발전 플랜트가 제공된다. 가스화 복합 발전 플랜트는 산성 가스를 포함하는 생 가스 스트림을 발생시키도록 구성된 적어도 하나의 가스화 반응기를 포함한다. 적어도 하나의 가스 제거 서브시스템이 상기 적어도 하나의 가스화 반응기와 유체 연통되도록 연결된다. 상기 적어도 하나의 가스 제거 서브시스템은 상기 생 가스 스트림으로부터 산성 가스의 적어도 일부분을 제거하도록 구성된다. 적어도 하나의 황 환원 서브시스템은 상기 적어도 하나의 가스 제거 서브시스템과 유체 연통하도록 연결된다. 상기 적어도 하나의 황 환원 서브시스템은 가스 스트림 내의 황 농도 감소를 촉진시켜서, 상기 적어도 하나의 가스화 반응기 및 상기 적어도 하나의 가스 제거 서브시스템 중 적어도 하나로의 재순환을 위한 테일 가스를 생성한다.
도 1은 예시적인 가스화 복합 발전 플랜트의 개략적 도면,
도 2는 종래의 가스화 유닛 및 이러한 가스화 유닛에 의해 생성되는 가스를 처리하는 방법의 개략적 도면,
도 3은 예시적인 가스화 유닛 및 이러한 가스화 유닛에 의해 생성되는 가스를 처리하는 방법의 개략적 도면.
도 1은 예시적인 가스화 복합 발전 플랜트(100)의 개략적 도면이다. 예시적인 실시예에서, 가스화 복합 발전 플랜트(100)는 가스 터빈 엔진(110)을 포함한다. 가스 터빈 엔진(110)은 제 1 로터(120)를 통해 제 1 발전기(118)에 회전 가능하게 연결되는 터빈(114)을 포함한다. 터빈(114)은 적어도 하나의 연료 공급원 및 적어도 하나의 공기 공급원(둘 모두 아래에서 더욱 상세하게 설명됨)과 유체 연통하도록 연결되고, 연료 공급원 및 공기 공급원으로부터 각각 연료 및 공기를 수용하도록 구성된다. 터빈(114)은, 공기 및 연료를 혼합시키고 고온 연소 가스(도시되지 않음)를 생성하며 가스 내의 열 에너지를 회전 에너지로 변환시키도록 구성된다. 회전 에너지는 로터(120)를 통해 발전기(118)에 전달되며, 발전기(118)는 회전 에너지를, 전력망(도시되지 않음)을 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 적어도 하나의 부하에 전달하기 위한 전기 에너지로 변환하는 작업을 촉진시키도록 구성된다.
가스화 복합 발전 플랜트(100)는 스팀 터빈 엔진(130)을 또한 포함한다. 예시적인 실시예에서, 엔진(130)은 제 2 로터(136)를 통해 제 2 발전기(134)에 연결되는 스팀 터빈(132)을 포함한다.
가스화 복합 발전 플랜트(100)는 스팀 발생 시스템(140)을 더 포함한다. 예시적인 실시예에서, 시스템(140)은 적어도 하나의 가열 보일러 공급수 도관(146)을 통해 적어도 하나의 열 전달 장치(144)와 유체 연통하도록 연결되는 적어도 하나의 열 회수 스팀 발생기(HRSG)(142)를 포함한다. HRSG(142)는 보일러 공급수를 스팀이 되도록 가열하기 위해, 장치(144)로부터 도관(146)을 통해 보일러 공급수(도시되지 않음)를 수용한다. HRSG(142)는 터빈(114)으로부터 배기 가스 도관(도시되지 않음)을 통해 배기 가스(도시되지 않음)를 또한 수용하여, 보일러 공급수를 또한 스팀이 되게 한다. HRSG(142)는 스팀 도관(150)과 유체 연통된다. 배기 가스 및 스팀은 HRSG(142)로부터 스택 가스 도관(152)을 통해 대기로 배출된다.
도관(150)은 HRSG(142)로부터 터빈(132)까지 스팀(도시되지 않음)을 인도한다. 터빈(132)은 HRSG(142)로부터 스팀을 수용하여 스팀의 열 에너지를 회전 에너지로 변환한다. 회전 에너지는 로터(136)를 통해 발전기(134)에 전달되고, 발전기(134)는 회전 에너지를, 전력망을 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 적어도 하나의 부하에 전달하기 위한 전기 에너지로 변환한다. 스팀은 응축되고 응축 도관(도시되지 않음)을 통해 보일러 공급수로서 회수된다.
가스화 복합 발전 플랜트(100)는 가스화 시스템(200)을 또한 포함한다. 예시적인 실시예에서, 시스템(200)은 공기 도관(204)을 통해 공기 공급원과 유체 연통되도록 연결되는 적어도 하나의 공기 분리 유닛(202)을 포함한다. 이러한 공기 공급원은 전용 공기 압축기 및 압축된 공기 저장 유닛(두 가지 모두 도시되지 않음)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 공기 분리 유닛(202)은 공기를 산소(O2)와 질소(N2) 및 벤트(도시되지 않음)를 통해 배출되는 그외 다른 성분(어느 것도 도시되지 않음)으로 분리한다. 질소는 N2 도관을 통해 가스 터빈(114)으로 인도되어 연소를 촉진시킨다.
시스템(200)은 공기 분리 유닛(202)으로부터 O2 도관(210)을 통해 인도되는 산소를 수용하기 위해 공기 분리 유닛(202)과 유체 연통되도록 연결되는 가스화 반응기(208)를 포함한다. 시스템(200)은 석탄 분쇄 및 슬러링 유닛(211)(coal grinding and slurrying)을 또한 포함한다. 유닛(211)은 석탄 공급 도관(212) 및 물 공급 도관(213)을 통해 각각 석탄 공급원 및 물 공급원(도시되지 않음)과 유체 연통하도록 연결된다. 유닛(211)은 석탄 및 물을 혼합하여, 석탄 슬러리 도관(214)을 통해 반응기(208)로 인도되는 석탄 슬러리 스트림(도시되지 않음)을 형성한다.
반응기(208)는 도관(214, 210)을 통해 각각 석탄 슬러리 스트림 및 O2 스트림을 수용한다. 반응기(208)는 일산화탄소(CO), 수소(H2), 이산화탄소(CO2), 황화카르보닐(COS), 및 황화수소(H2S)를 포함하는 고온의 생 합성 가스(신가스) 스트림(도시되지 않음)을 생성한다. CO2, COS, 및 H2S가 통상적으로 산성 가스 또는 생 신가스의 산성 가스 성분으로 집합적으로 불리지만, CO2는 나머지 산성 가스 성분들과 구분하여 논의될 것이다. 더욱이, 반응기(208)는 신가스 생성의 부산물로서 고온 슬래그 스트림(도시되지 않음)을 또한 생성한다. 슬래그 스트림은 고온 슬래그 도관(216)을 통해 슬래그 취급 유닛(215)에 인도된다. 슬래그 취급 유닛(215)은 담금질 처리를 하고 슬래그를 작은 조각들로 분리하며, 슬래그 제거 스트림이 생성되고 도관(217)을 통해 인도된다.
반응기(208)는 고온 신가스 도관(218)을 통해 열 전달 장치(144)와 유체 연통하도록 연결된다. 장치(144)는 고온의 생 신가스 스트림을 수용하고, 이 열의 적어도 일부분을 도관(146)을 통해 HRSG(142)로 전달한다. 이어서, 장치(144)는 신가스 도관(219)을 통해 스크러버 및 저온 가스 냉각(LTGC) 유닛(221)으로 인도되는 냉각된 생 신가스 스트림(도시되지 않음)을 생성한다. 유닛(221)은 생 신가스 스트림 내에 있는 미립자를 제거하고 플라이 애시 도관(fly ash conduit)(222)을 통해 제거된 미립자를 방출한다. 유닛(221)은 생 신가스 스트림의 냉각을 촉진시키고, 생 신가스 스트림 내 COS의 적어도 일부분을 가수분해를 통해 H2S 및 CO2로 변환한다.
시스템(200)은 산성 가스 제거 서브시스템(300)을 또한 포함하고, 산성 가스 제거 서브시스템(300)은 유닛(221)과 유체 연통하도록 연결되고 생 신가스 도관(220)을 통해 냉각된 생 신가스 스트림을 수용한다. 서브시스템(300)은 아래 더 설명되는 바와 같이, 생 신가스 스트림으로부터 산성 성분(도시되지 않음)의 적어도 일부분을 제거한다. 이러한 산성 가스 성분은 CO2, COS, 및 H2S를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 서브시스템(300)은 산성 가스 성분의 적어도 일부분을 CO2, COS, 및 H2S를 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 성분으로 또한 분리한다. 더욱이, 서브시스템(300)은 도관(223)을 통해 황 환원 서브시스템(400)과 유체 연통하도록 연결된다. 서브시스템(400)은 산성 가스 성분의 적어도 일부분을 수용하여, CO2, COS, 및 H2S를 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 성분으로 분리한다. 더욱이, 서브시스템(400)은 서브시스템(300) 및 최종 복합 가스 스트림 도관(224)을 통해 반응기(208)에 최종 복합 가스 스트림(도시되지 않음)을 인도한다. 최종 복합 가스 스트림은 아래 더 설명되는 바와 같이, 이전의 복합 가스 스트림(도시되지 않음)으로부터 나타나는 지정 농도의 CO2, COS, 및 H2S를 포함한다.
서브시스템(300)은 도관(224)을 통해 반응기(208)와 유체 연통되도록 연결되고, 최종 복합 가스 스트림은 반응기(208)의 지정 부분에 인도된다. 서브시스템(300, 400)을 통한 CO2, COS, 및 H2S의 분리 및 제거는 청정 신가스 도관(228)을 통해 가스 터빈(114)에 인도되는 청정 신가스 스트림(도시되지 않음)의 생성을 촉진시킨다.
작동시, 공기 분리 유닛(202)은 도관(204)을 통해 공기를 수용한다. 공기는 O2, N2, 및 그외 다른 성분으로 분리된다. 그외 다른 성분은 벤트를 통해 배출되고, N2는 도관(206)을 통해 터빈(114)에 인도되며, O2는 도관(210)을 통해 가스화 반응기(208)에 인도된다. 또한, 작동시, 석탄 분쇄 및 슬러링 유닛(211)은 도관(212, 213)을 통해 각각 석탄 및 물을 수용하고, 석탄 슬러리 스트림을 형성하며, 석탄 슬러리 스트림을 도관(214)을 통해 반응기(208)에 인도한다.
반응기(208)는 도관(210)을 통해 O2를, 도관(214)을 통해 석탄을, 그리고, 도관(224)을 통해 서브시스템(300)으로부터 최종 복합 가스 스트림을 수용한다. 반응기(208)는 도관(218)을 통해 장치(144)에 인도되는 고온의 생 신가스 스트림을 생성한다. 반응기(208)에서 형성되는 슬래그 부산물은 슬래그 취급 유닛(215) 및 도관(216, 217)을 통해 제거된다. 장치(144)는 고온의 생 신가스 스트림의 냉각을 촉진시켜서, 도관(219)을 통해 스크러버 및 LTGC 유닛(221)에 인도되는 냉각된 생 신가스 스트림을 생성하며, 플라이 애시 도관(219)을 통해 신가스로부터 미립자가 제거되고, 신가스가 더 냉각되어, COS의 적어도 일부분이 가수분해를 통해 H2S 및 CO2로 변환된다. 냉각된 생 신가스 스트림은 산성 가스 제거 서브시스템(300)에 인도되고, 산성 가스 성분이 실질적으로 제거되어, 청정 신가스 스트림이 형성되고 도관(228)을 통해 터빈(114)에 인도된다.
더욱이, 작동 중, 신가스 스트림으로부터 제거된 산성 성분의 적어도 일부분은 도관(223)을 통해 서브시스템(400)에 인도되고, 산성 성분은 제거되고 분리되어, 최종 복합 가스 스트림이 서브시스템(300) 및 도관(224)을 통해 반응기(208)에 인도된다. 추가적으로, 터빈 엔진(110)은 도관(206, 228)을 통해 각각 N2 및 청정 신가스를 수용한다. 가스 터빈 엔진(110)은 신가스 연료를 연소시키고, 고온 연소 가스를 생성하며, 고온 연소 가스를 하향으로 인도하여, 로터(120)를 통해 제 1 발전기(118)를 회전시키는 터빈(114)의 회전을 유도한다.
고온 신가스로부터 열 전달 장치(144)를 통해 제거되는 열의 적어도 일부분은 도관(146)을 통해 HRSG(142)에 인도되고, 열은 물을 끓이는데 사용되어 스팀을 형성한다. 스팀은 도관(150)을 통해 스팀 터빈(132)에 인도되고, 터빈(132)의 회전을 유도한다. 터빈(132)은 제 2 로터(136)를 통해 제 2 발전기(134)를 회전시킨다.
도 2는 예를 들어, 가스화 복합 발전 플랜트(100)(도 1에 도시됨)와 같은 가스화 시스템의 가스화 반응기(208)에 의해 생성되는 가스를 처리하는 종래의 가스화기 및 방법의 개략도이다. 종래에는 가스화 반응기(208)에서 생성되는 신가스가 냉각되고 종래의 스크러빙 유닛(도시되지 않음)에서 스크러빙되어, 산성 가스 제거(AGR) 서브시스템(300)에 공급되는 생 신가스를 생성하였다. AGR 서브시스템(300)은 소정 양의 이산화탄소와 함께, 황화수소 및 COS 형태로 황을 흡수하여, 도관(228)을 통해 청정 신가스를, 그리고, 도관(223)을 통해 산성 가스 스트림을 생성하며, 산성 가스 스트림은 흡수된 황화수소, COS, 및 이산화탄소를 주종으로 구성된다. 산성 가스는 존재하는 황을 클라우스 반응을 통해 황 원소로 변환하는데 이용하기 위해 황 환원 서브시스템(400)에 인도된다. 클라우스 반응에서, 최초에 존재하는 황화수소의 일부분이 산화되어 이산화황을 형성한다. 황 원소가 또한 형성되며, 약 95 내지 99%의 수득률로 회수될 수 있다. 클라우스 반응은 여러개의 반응기에 걸쳐 이루어지고, 예를 들어, 3개의 직렬 반응기에 걸쳐 이루어진다. 직렬로 된 각각의 반응기에서, 황은 액체 산물로 제거된다. 황 환원 서브시스템으로부터 방출되는 유출물(412)은 반응하지 않은 황화수소 및 이산화황과 함께, 이산화탄소, 질소, 및 수증기를 주종으로 구성된다. 클라우스 테일 가스라 불리는 유출물(412)은 일반적으로 황 제거를 위해 추가적인 공정을 필요로 한다. 이 프로세스는 테일 가스 처리라 불리며, 가장 흔히 이용되는 방법은 SCOT라고 불린다. 이러한 프로세스에서, 유출물(412)은 수소화 유닛(414)으로 인도되고, 클라우스 테일 가스(412)가 수소화되어 이산화황을 황화수소로 변환한다. 수소화된 가스는 그 후 냉각 유닛(416)에서 냉각되어, 수증기를 응축물(418)로 제거되게 하고, 냉각된 가스는 아민 접촉 유닛(420)에 인도되어 황화수소가 포획된다. 용매가 재발생되어 황화수소 함유 스트림(422)을 생성하고, 황화수소 함유 스트림(422)은 황 환원 서브시스템(400)으로 재순환된다. 흡수되지 않은 가스는 열 산화기(424)로 전달된다.
도 3은 (도 1에 도시되는) 유닛(200)과 같은, 가스화 유닛(205)에 의해 생성되는 가스 처리 방법 및 예시적인 가스화 유닛(205)을 도시한다. 예시적인 실시예에서, 수소화 유닛(414)은 선택적인 사항이고(점선 박스로 도시됨), 아민 접촉 유닛(420)(도 2에 도시됨)은 제거되며, 클라우스 테일 가스(412)는 가스화 반응기(208) 및 산성 가스 제거 서브시스템(300) 중 적어도 하나로 재순환된다.
더욱이, 예시적인 실시예에서, 가스화 반응기(208)에서 생성되는 신가스는 산성 가스 제거 서브시스템(300)에 인도되는 생 신가스를 생성하도록 냉각 및 스크러빙된다. 산성 가스 제거 서브시스템(300)은 소정 양의 이산화탄소와 함께, 황을 황화수소 및 COS로 흡수한다. 청정 신가스 스트림이 도관(228)을 통해 생성되고, 산성 가스 스트림이 도관(223)을 통해 생성된다. 산성 가스 스트림은 흡수된 황화수소, COS 및 이산화탄소를 주종으로 포함한다. 산성 가스는 도관(223)을 통해 황 환원 서브시스템(400)에 공급되고, 황 환원 서브시스템(400)은 위에서 상세하게 설명한 바와 같이, 존재하는 황을 클라우스 반응을 통해 황 원소로 변환한다. 예를 들어, 하나, 2개, 또는 3개의 직렬 반응기가 이 반응용으로 사용될 수 있다. 각각의 반응기 이후에, 황이 액체 산물로 제거된다. 황 환원 서브시스템(400)으로부터 방출되는 유출물 클라우스 테일 가스(412)는 반응하지 않은 황화수소 및 이산화황과 함께, 이산화탄소, 질소, 및 수증기를 주종으로 포함한다. 일 실시예에서, 유출물 테일 가스(412)는 그 후, 중간 수소화 단계 없이, 그리고, 아민과의 접촉 없이, 냉각 유닛(416)으로 인도되거나 지향된다. 대안의 실시예에서, 유출물 테일 가스(412)는 수소화 유닛(414) 내로 지향되고, 테일 가스는 수소화되어 아민과의 접촉 없이 이산화황을 황화수소로 변환하고, 다시 냉각 유닛(416)으로 지향된다. 냉각 유닛(416) 내에서는, 가스가 냉각되어 응축물(418)로 수증기를 효과적으로 제거한다.
냉각된 테일 가스는 그 후 가스 건조 유닛(430)(예를 들어, 글리콜 또는 메탄올 접촉기)에 공급되어, 나머지 미량의 물의 제거를 촉진시키고 테일 가스의 부식성 효과를 최소화시킨다. 가스 건조 유닛(430)에서 건조 후, 테일 가스는 압축기(426)로 이동하여, 가스화 반응기(208) 및 산성 가스 제거 서브시스템(300) 중 적어도 하나로 재순환되기 전에 압축된다.
일 실시예에서, 재순환되는 모든 가스는 가스화 반응기(208)로 지향된다. 다른 실시예에서, 재순환되는 모든 가스는 산성 가스 제거 서브시스템(300)으로 지향된다. 추가적인 실시예에서, 재순환되는 가스의 일부분이 가스화 반응기(208)로 지향되고, 재순환되는 가스의 대응하는 일부분이 산성 가스 제거 서브시스템(300)으로 지향된다. 예를 들어, 재순환되는 가스의 25%가 가스화 반응기(208)로 지향될 경우, 재순환되는 가스의 대응하는 75%가 산성 가스 제거 서브시스템(300)으로 지향된다.
예시적인 실시예에서, 생성되는 테일 가스를 재순환하기 위한 방법이 제공된다. 이 프로세스에서, 산성 가스 스트림에 존재하는 황은 중간 수소화 단계 없이 황 원소로 변환되어 테일 가스를 생성하고, 테일 가스는 가스화 반응기(208) 및 산성 가스 서브시스템(300) 중 적어도 하나로 재순환된다. 가스화 반응기(208)에 의해 생성되는 생 가스는 산성 가스 제거 서브시스템(300) 내로 지향되고, 생 가스로부터의 성분들의 일부분은 제거되어 산성 가스 스트림 및 청정 가스 스트림을 생성한다. 산성 가스 스트림은 황 환원 서브시스템(400) 내로 이동하고, 산성 가스 스트림 내에 존재하는 황은 황 원소로 변환되어 테일 가스를 생성한다. 일 실시예에서, 테일 가스는 냉각 유닛(416) 내로 지향되어 테일 가스의 작동 온도 감소를 촉진시킨다. 대안의 실시예에서, 유출물 테일 가스(412)가 수소화 유닛(414) 내로 지향되어 테일 가스가 수소화되고, 이산화황이 아민과의 접촉 없이 황화수소로 변환되며, 그 후 테일 가스가 냉각 유닛(416) 내로 지향된다. 냉각 유닛(416) 내에서, 테일 가스가 냉각되어 수증기를 응축물(418)로서 효과적으로 제거하게 된다. 냉각된 테일 가스는 냉각 유닛(416)으로부터 가스 건조 유닛(430) 내로 지향되어 테일 가스 건조를 촉진시킨다.
다른 예시적 실시예에서, 본 발명에 따른 방법은 황 환원 서브시스템(400)으로부터 압축기(426)로 테일 가스를 지향시키는 단계를 포함한다. 압축기(426)는, 가스화 반응기(208) 및 산성 가스 제거 서브시스템(300) 중 적어도 하나로 테일 가스가 재순환되기 전에, 테일 가스를 압축한다.
예시적인 실시예에서, 산성 가스 제거 서브시스템(300)으로부터 재순환되는 이산화탄소(428)가 압축기(426)를 향해 선택적으로 이동할 수 있고, 가스화 반응기(208) 및 산성 가스 제거 서브시스템(300) 중 적어도 하나로 이러한 가스가 재순환되기 전에 테일 가스와 함께 압축될 수 있다. 대안으로서, 테일 가스는 가스화 반응기(208) 및 산성 가스 제거 서브시스템(300) 중 적어도 하나에 유입되기 전에, 아민과의 접촉 없이, 재순환될 수 있다.
다른 예시적인 실시예에서, 테일 가스 내 소량의 이산화황이 반응하지 않거나 변환되지 않은 채로 남겨질 수 있기 때문에, COS 가수분해 촉매가 첨가되어, 모든 황이 반응하거나 변환되어 황화수소를 형성하는 것을 보장할 수 있다.
가스화 반응기(208) 및 산성 가스 제거 서브시스템(300) 중 적어도 하나로 테일 가스 스트림을 재순환시키면, 종래의 플랜트에서 흔히 사용되는 바와 같이, 수소화 유닛 및 아민 접촉 유닛 내에서 클라우스 테일 가스를 처리하는 비용 및 복잡도가 제거된다. 더욱이, 테일 가스가 가스화 반응기(208) 및 산성 가스 제거 서브시스템(300) 중 적어도 하나로 재순환되기 때문에, 비용 절감된 클라우스 반응이 낮은 수준의 회수, 예를 들어, 적은 단계의 회수와 함께 이용될 수 있다. 최소한의 단계만으로, 예를 들어, 약 90-95%의 황 회수 수득율을 달성하기 위해, 풍부한 공기를 이용하는 것보다는 풀-산소 블로우 클라우스 반응(full oxygen blown Claus reaction)을 이용함으로써 비용이 또한 절감된다.
선택적인 테일 가스 수소화 유닛과 관련된 절감 및, 필요할 경우, 아민 접촉 유닛의 제거는 기존 COS 유닛에 수소화 촉매를 첨가함과 관련된 비용과, 가스 건조 및 압축을 수행함과 관련된 비용보다 큰 것으로 나타난다. 추가적으로, 건식 테일 가스의 압축은 높은 신뢰도를 가져야만 하고, 열 산화기(424)를 그 방출물과 함께 제거할 수 있어야 하며, 명목적인 연료 가스 에너지 소모를 제거할 수 있어야 한다. 더욱이, 산성 가스 제거 유닛으로부터 테일 가스로의 이산화탄소 첨가와, 가스화 유닛 및 산성 가스 제거 서브시스템 중 적어도 하나로의 고함량 이산화탄소의 재순환은 탄소 변환 및 CO 생성 증가를 촉진시켜서 자체 IGCC 효율을 추가적으로 증가시키게 된다.
여기서 설명되는 합성 가스 또는 신가스 생성 방법 및 장치는 가스화 복합 발전 플랜트의 작동을 촉진시키고, 구체적으로, 신가스 생성 시스템의 작동을 촉진시킨다. 구체적으로, 신가스 유체 생성 스트림으로부터 황화수소(H2S) 및 황화 카르보닐(COS) 제거의 증가는 신가스 생성 효율을 증가시킨다. 더욱 구체적으로, 가스화 반응기에 대한 이산화탄소(CO2) 피드 스트림 내 H2S 및 COS 농도 감소는 가스 터빈으로 인도되는 청정 신가스 내 불순물 농도의 감소를 촉진시킨다. 더욱이, 여기서 설명되는 바와 같이, 실질적으로 연속적인 방식으로 H2S 및 COS를 제거하기 위해 일체형 흡수기를 구성함으로써, 신가스 생성 프로세스를 최적으로 작동시킬 수 있게 되어 가스화 복합 발전 플랜트 제작 효율을 개선시킬 수 있으며, 따라서, 작동 비용을 절감할 수 있게 된다. 더욱이, H2S 및 COS의 농도 감소가 이러한 화합물의 환경적 순응 임계치에 대한 작동 마진을 증가시킬 수 있기 때문에, 이러한 방법은 부적절한 방출물 배출의 방지를 촉진할 수 있다. 테일 가스를 주위로 배기하지 않음으로써, 실질적으로 모든 가스가 가스화 반응기 및 산성 가스 제거 서브시스템 중 적어도 하나로 재순환된다. 또한, 여기서 설명되는 바와 같이 이러한 신가스를 생성하기 위한 방법 및 장비는, 이러한 가스화 복합 발전 플랜트의 제작과 관련된 비용의 감소를 촉진시킨다.
가스화 복합 발전 플랜트와 관련된 신가스 생성의 예시적인 실시예들이 위에서 상세하게 설명되었다. 이러한 방법, 장치, 및 시스템은 여기서 설명되는 특정 실시예나 도시되는 특정 가스화 복합 발전 플랜트만으로 제한되지 않는다. 더욱이, 이러한 방법, 장치, 및 시스템은 가스화 복합 발전 플랜트만으로 국한되지 않으며, 수소 생성, 피셔-트롭스(Fisher-Tropsch) 연료 생성 프로세스, 및 가스화 시스템과 가스 세정 시스템을 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 설비 내에 구성될 수 있다.
본 발명이 다양한 특정 실시예에 비추어 설명되었으나, 당업자라면 청구범위의 사상 및 범위 내의 변형예와 함께 구현될 수 있다.
서면을 통한 본 설명은 예들을 이용하여, 최적 모드를 포함하여, 본 발명을 개시하였고, 임의의 장치나 시스템의 제작 및 이용과, 채택된 임의의 방법의 수행을 포함하여, 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 하였다. 본 발명의 특허가능한 범위는 특허청구범위에 의해 규정되며, 당업자에게 이루어지는 다른 예들을 포함할 수 있다. 이러한 다른 예들은 청구범위의 글자 그대로의 기재와 다르지 않은 구조적 요소들을 가질 경우 또는 특허청구범위의 글자 그대로의 기재와 실질적 차이가 없는 대등한 구조적 요소들을 포함할 경우, 특허청구범위의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.

Claims (20)

  1. 테일 가스를 재순환시키는 방법에 있어서,
    산성 가스 스트림 내에 존재하는 황을 황 원소로 변환하여 테일 가스를 생성하는 단계와,
    상기 테일 가스의 제 1 스트림을 가스화 반응기로 재순환시키고 상기 테일 가스의 제 2 스트림을 가스 제거 서브시스템으로 재순환시키는 단계를 포함하며,
    상기 산성 가스 스트림도 상기 테일 가스도, 재순환되기 전에 상기 산성 가스 스트림 및 테일 가스로부터 황화수소를 분리하도록 처리되지 않는
    테일 가스 재순환 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스화 반응기에 의해 생성되는 생 가스(raw gas)를 상기 가스 제거 서브시스템 내로 지향시키는 단계와,
    상기 가스화 반응기에 의해 생성되는 생 가스로부터 산성 가스 성분들을 제거하여 산성 가스 스트림 및 청정 가스 스트림을 생성하는 단계를 더 포함하는
    테일 가스 재순환 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 테일 가스를 냉각 유닛 내로 지향시켜서 상기 테일 가스의 작동 온도의 감소를 촉진하는 단계를 더 포함하는
    테일 가스 재순환 방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    황 환원 서브시스템으로부터 압축기로 상기 테일 가스를 지향시키는 단계를 더 포함하는
    테일 가스 재순환 방법.
  6. 삭제
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 테일 가스는 상기 테일 가스의 재순환 이전에 상기 가스 제거 서브시스템으로부터의 이산화탄소와 함께 압축되는
    테일 가스 재순환 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 테일 가스는 재순환되기 전에 아민과 접촉하지 않는
    테일 가스 재순환 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 산성 가스 스트림 내에 존재하는 황은 중간 수소화 단계 없이 황 원소로 변환되어 상기 테일 가스를 생성하는
    테일 가스 재순환 방법.
  10. 가스화 반응기에 의해 생성되는 테일 가스를 재순환시키는 방법에 있어서,
    상기 가스화 반응기에 의해 생성되는 생 가스를 가스 제거 서브시스템 내로 지향시키는 단계와,
    상기 생 가스로부터 산성 가스 성분들을 제거하여 산성 가스 스트림 및 청정 가스 스트림을 생성하는 단계와,
    생성된 산성 가스 스트림을 황 환원 서브시스템 내로 지향시키고 산성 가스 스트림 내에 존재하는 황을 황 원소로 변환시켜서 테일 가스를 생성하는 단계와,
    상기 테일 가스를 분리된 스트림을 통해서 상기 가스화 반응기 및 상기 가스 제거 서브시스템으로 재순환시키는 단계를 포함하며,
    상기 산성 가스 스트림도 상기 테일 가스도, 상기 가스화 반응기 및 상기 가스 제거 서브시스템 중 적어도 하나로 재순환되기 전에, 상기 산성 가스 스트림 및 테일 가스로부터 황화수소를 분리하도록 처리되지 않는
    테일 가스 재순환 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 테일 가스를 냉각 유닛 내로 지향시켜서 상기 테일 가스의 작동 온도의 감소를 촉진하는 단계를 더 포함하는
    테일 가스 재순환 방법.
  12. 삭제
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 테일 가스는 상기 가스화 반응기 및 상기 가스 제거 서브시스템 중 적어도 하나로 재순환되기 전에 아민과 접촉하지 않는
    테일 가스 재순환 방법.
  14. 삭제
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 테일 가스는 중간 수소화 단계 없이 상기 가스화 반응기 및 상기 가스 제거 서브시스템 중 적어도 하나로 재순환되는
    테일 가스 재순환 방법.
  16. 가스화 복합(IGCC) 발전 플랜트에 있어서,
    산성 가스를 포함하는 생 가스 스트림을 발생시키도록 구성된 적어도 하나의 가스화 반응기와,
    상기 적어도 하나의 가스화 반응기와 유체 연통하도록 연결되고, 상기 생 가스 스트림으로부터 산성 가스의 적어도 일부분을 제거하도록 구성된 적어도 하나의 가스 제거 서브시스템과,
    가스 스트림을 수용하기 위해 상기 적어도 하나의 가스 제거 서브시스템과 유체 연통하도록 연결되고, 테일 가스를 생성하기 위한 상기 가스 스트림 내의 황 농도 감소를 촉진시키며, 상기 테일 가스를 분리된 스트림을 통해서 상기 적어도 하나의 가스화 반응기 및 상기 적어도 하나의 가스 제거 서브시스템으로 재순환시키기 위해 상기 적어도 하나의 가스화 반응기 및 상기 적어도 하나의 가스 제거 서브시스템과 유체 연통하도록 또한 연결되는 적어도 하나의 황 환원 서브시스템을 포함하는
    가스화 복합 발전 플랜트.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가스 제거 서브시스템 및 상기 적어도 하나의 황 환원 서브시스템은 상기 테일 가스를 수소화 유닛 내로 지향시키는 일이 없이 상기 테일 가스를 상기 적어도 하나의 가스화 반응기 및 상기 적어도 하나의 가스 제거 서브시스템 중 적어도 하나로 재순환시키는
    가스화 복합 발전 플랜트.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가스 제거 서브시스템 및 상기 적어도 하나의 황 환원 서브시스템은 상기 테일 가스를 재순환되기 전에 아민과 접촉시키는 일이 없이 상기 테일 가스를 상기 적어도 하나의 가스화 반응기 및 상기 적어도 하나의 가스 제거 서브시스템 중 적어도 하나로 재순환시키는
    가스화 복합 발전 플랜트.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가스 제거 서브시스템 및 상기 적어도 하나의 황 환원 서브시스템은 상기 테일 가스를 아민 접촉 유닛 내로 지향시키는 일이 없이 상기 테일 가스를 재순환시키는
    가스화 복합 발전 플랜트.
  20. 삭제
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