KR101887843B1 - 발전 및 석유 고차 회수를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

EOR 및 잉여 전력을 위해 적합한 정제된 이산화탄소 생산물을 생산하는 방법은 증기 탄화수소 공급원 및 SOFC 시스템을 사용한다. SOFC 시스템은 상기 정제된 이산화탄소 생산물을 형성하도록 작동가능한 응축액 제거 시스템, 산 가스 제거 시스템, 수소화탈황 시스템, 수착층 시스템, 예비-개질기, 고체산화물 연료전지, CO2 분리 시스템 및 CO2 탈수 시스템을 포함하며, 여기서 상기 SOFC 시스템은 상기 고체산화물 연료전지에 의해 생산된 전력으로부터 잉여 전력을 생산하도록 작동가능한다. 하류 고체산화물 연료전지의 내부 개질 용량을 최대화시키기 위한 상기 예비-개질기를 작동하는 방법은 상기 고체산화물 연료전지의 상류측에 유체 연통하게 연결된 예비-개질기를 사용한다. 탄화수소-함유 지층으로부터 탄화수소 유체 회수의 향상 방법은 SOFC 시스템을 사용한다.

Description

발전 및 석유 고차 회수를 위한 시스템 및 방법 {System and Method for Generating Power and Enhanced Oil Recovery}
본 발명은 고체산화물 연료 전지 (solid oxide fuel cell) (SOFC) 공정 및 시스템에 관한 것이다. 좀더 구체적으로, 본 발명은 석유 고차 회수 (enhanced oil recovery) (EOR)를 위해 적합한 이산화탄소 및 전기를 생산하기 위해 증기 탄화수소 (vaporous hydrocarbon)를 사용하는 SOFC 공정 및 시스템의 사용에 관한 것이다.
장기간 유전 생산을 위하여, 이산화탄소를 사용하는 EOR은 일상적 작업이다. 이산화탄소 주입은 유전을 재가압하고, 부가적 탄화수소 생산을 북돋우는 탄화수소-함유 지층 (hydrocarbon-bearing formation)에서 화학 반응을 조성한다. 정제된 이산화탄소 - 적어도 95 몰 퍼센트 순도 -는 탄화수소-함유 지층에서 알려지지 않은 또는 바람직하지 않은 반응의 가능성을 최소화하기 때문에 EOR에 대해 유용하다.
원유 및 천연 가스 생산 모두 및 정제는 전력-집약 사업 (power-intensive enterprises)이다. 일반적으로 전력 이송 인프라 (power conveyance infrastructure)가 존재하지 않는, 상당한 인구집중 지역과 떨어지고 연안을 포함하는, 원거리 위치에서 발생하는, 탄화수소 물질의 회수는 비경제적이거나 또는 물리적으로 실행가능하지 않다. 이러한 경우에 있어서, 지역 전력 발생 설비가 오직 현실적 선택이다.
환경적 조건은 더 작은, 지역 전력 생산 설비에 영향을 미친다. 그날 그날의 냉각수 및 공기 온도 변화는 조작중에 몇몇 부분의 전력 발생 시스템, 예를 들어, 냉각 용량을 제한할 수 있다. 지역 탄화수소 공급원료 (feed stock)는 계절에서 변화에 기인하여 조성물에서 변화할 수 있거나 또는 불순물을 가질 수 있다. 부가적으로, 매 장소는 탄화수소, 오염물질 및 불활성 조성물에서 다소 다른 탄화수소 공급원료의 유입을 가져, "보편적" 시스템의 설계를 좀더 어렵게 만든다.
전력 발생 설비는 세 가지 주요 생산물을 생성한다: 전기, 스팀, 및 이산화탄소 오프-가스 (off-gas). (전기-발생 공정의 가열 및 냉각뿐만 아니라, 연소 연료의 공정의 일부로서 발생된) 전기 및 스팀은 탄화수소-생산 및 정제 작업의 모든 관점에서 유용하다. 엄격한 온실가스 감시 및 보고 요구사항에서, 이산화탄소는 "폐기물"로서 단순히 공기 중으로 폐기되지 않는다. 대신에, 생산된 이산화탄소에 대한 용도를 찾고 포획하거나 또는 방출된 이산화탄소의 양을 최소화하는 것이 바람직하다.
덜 정제된 증기 공급원을 취하는 능력을 포함하는, 탄화수소 공급원 (hydrocarbon feed)의 가변성을 처리할 뿐만 아니라; 원거리 장소에서 전력을 제공하는 것이 가능하고; 및 이산화탄소를 배치하는 대신에 사용하기 위해 이를 포획 및 정제하기 위한 수단을 갖는, 전력 발생 시스템 및 공정은 바람직하다.
잉여 전력 (surplus electricity) 및 석유 고차 회수 (EOR)를 위해 적합한 정제된 이산화탄소 생산물을 생산하기 위한 방법은 증기 탄화수소 공급원 및 SOFC 시스템을 사용한다. 상기 방법은 SOFC 시스템에 상기 증기 탄화수소를 도입시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 탈황 공정 가스 (desulfurized process gas)가 형성되고, 예비-개질기 (pre-reformer)로 통과하도록 SOFC 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 예비-개질기로 스팀을 도입시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 개질된 공정 가스를 형성시키는, 예비-개질 촉매의 존재하에서 및 도입 스팀을 사용하여 탈황 공정 가스에서의 비-메탄 알칸 (non-methane alkanes)을 메탄 및 탄소산화물 (carbon oxides)로 전환시키고, 상기 개질된 공정 가스를 고체산화물 연료 전지로 통과시키는 상기 예비-개질기를 작동시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 정제된 이산화탄소 생산물 및 잉여 전력이 생산되도록 SOFC 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다.
증기 탄화수소 공급원으로부터 잉여 전력 및 EOR을 위해 적합한 정제된 이산화탄소 생산물을 생산하기 위한 SOFC 시스템은 응축액 제거 (condensate removal) 시스템, 산 가스 제거 시스템, 수소화탈황 시스템, 수착층 시스템 (sorption bed system), 예비-개질기, 고체산화물 연료전지, CO2 분리 시스템 및 CO2 탈수 시스템을 포함하여 정제된 이산화탄소 생산물을 형성하도록 작동가능하고, 여기서 상기 SOFC 시스템은 고체 산화물 연료 전지에 의해 생산된 전기로부터 잉여 전력을 생산하기 위해 작동가능하다.
고체산화물 연료전지의 내부 개질 용량을 최대화하기 위해 예비-개질기를 작동하는 방법은 고체산화물 연료전지의 상류측 (upstream side) 상에 유체 연통하게 연결된(fluidly coupled) 예비-개질기를 사용한다. 상기 예비-개질기는 활성 금속 예비-개질 촉매의 존재 및 스팀을 사용하여 탈황 공정 가스에서의 비-메탄 알칸을 메탄 및 탄소산화물로 전환하도록 작동가능하고, 생산물로서 개질된 공정가스를 형성한다. 상기 방법은 상기 탈황 공정 가스를 상기 예비-개질기로 도입시키는 단계를 포함한다. 상기 탈황 공정 가스는 약 200 ℃ 내지 약 450 ℃의 범위에서 온도를 갖는다. 상기 탈황 공정 가스는 메탄 및 비-메탄 알칸을 포함한다. 상기 방법은 과열 스팀을 상기 예비-개질기로 도입시키는 단계를 포함한다. 상기 과열 스팀은 약 250 ℃ 내지 약 500 ℃의 온도 범위의 온도 및 약 8 bars 내지 약 12 bars의 범위의 압력을 갖는다. 상기 도입 과열 스팀 대 도입 탈황 공정 가스의 스팀-대-탄소 비 (SCR)는 약 0.5 내지 약 3.0의 범위이다. 상기 방법의 구현 예는 약 0.5 내지 약 1.5 범위의 SCR를 갖는다. 상기 방법의 구현 예는 약 1.5 내지 약 3.0 범위의 SCR를 갖는다. 상기 방법은 개질된 공정 가스를 형성하기 위한 상기 예비-개질기를 작동시키는 단계를 포함한다. 상기 개질된 공정 가스는 메탄, 탄소산화물, 및 수소를 포함한다. 상기 개질된 공정 가스는 약 0.90 내지 약 0.99 범위의 메탄 선택도 (selectivity)를 갖는다.
탄화수소-함유 지층으로부터 탄화수소 유체 회수 (hydrocarbon fluid recovery)를 향상시키는 방법은 SOFC 시스템을 사용한다. 상기 탄화수소-함유 지층은 수반 가스 (associated gas)를 함유하는 탄화수소 유체를 함유한다. 상기 지층은 생산 정 (production well) 및 개별 주입 정 (injection well)을 통해 모두 접근가능하다. 상기 SOFC 시스템은 상기 수반 가스로부터 잉여 전력 및 석유 고차 회수를 위해 적합한 정제된 이산화탄소 생산물을 생산하고 수반 가스를 수용하기 위해 작동할 수 있다. 상기 방법은 생산 정을 사용하여 탄화수소-함유 지층으로부터 상기 탄화수소 유체를 생산하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 생산된 탄화수소 유체로부터 상기 수반 가스를 분리하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 SOFC 시스템으로 상기 수반 가스를 도입시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 잉여 전력 및 석유 고차 회수를 위한 정제된 이산화탄소 생산물을 생산하기 위한 SOFC 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 주입 정을 사용하여 정제된 이산화탄소 생산물을 탄화수소-함유 지층으로 도입시키는 단계를 포함한다.
상기 SOFC 시스템 및 방법의 사용은 오일 및 가스 회수 및 정제를 포함하는, 다른 작동을 위해 유용한 잉여 전력 및 EOR-품질 이산화탄소 생산물 모두를 생산한다. "잉여 전력"은 고체산화물 연료전지에서 내부적으로 발생하는 전기 화학 반응을 포함하는, 상기 SOFC 시스템의 요구조건을 초과하여 생산된 전력을 의미한다. 상기 SOFC 시스템은 천연 가스, 메탄, 수반 가스 및 증기 상태에 놓인 다른 탄화수소를 포함하는, 공급원료로서 다양한 증기화된 탄화수소를 사용할 수 있는 점에서 융통성이 있다. 단일 시스템으로부터 이산화탄소 생성물 및 현장 전력 발생을 발전시키는 것은 EOR에 이산화탄소를 제공할 필요를 제거할 뿐만 아니라 시스템을 회복하기 위한 연료 및 화학물질에 대한 전체 외부 요구조건을 상당히 낮춘다. 이산화탄소 및 전기의 현장 생산은 인프라를 상당히 감소시키고, 좀더 실현 가능한 원거리 오일 및 가스 생산 부지를 활용하도록 만든다. 상기 SOFC 시스템은 또한 다른 화학 공정에 대한 공급원료로서 사용하는데 충분히 높은 순도로 이산화탄소를 정제하는 능력을 갖는다.
상기 SOFC 시스템의 일부로서 포함된 예비-개질기는 상기 증기 탄화수소 공급원의 유형, 품질 및 조건의 다양성을 고려하여, 사용할 수 있는 잠재적 공급원료의 유형 및 수를 최대화한다. 상기 SOFC 시스템에서 예비-개질기의 포함은 몇 가지 공정-관련 작동 이점을 생성한다. 고급 탄소 탄화수소 (즉, 비-메탄 탄화수소)는 메탄보다 좀더 화학적으로 반응성이 있다. 상기 비-메탄 탄화수소의 모두를 메탄으로 전환은 상기 고체산화물 연료 전지에 대한 공급원 조성물을 수소, 탄소산화물, 물 및 메탄으로 안정화시킨다. 상기 고체산화물 연료전지에 대한 상기 탄화수소 공급원 스트림의 조성적 안정성은, 차례로, 상기 고체 산화물 연료전지에서 발생하는 내부 재형성 반응 및 전기 발생을 안정화시킨다. 고급 탄소 탄화수소 대신 메탄의 공급은 또한 상기 고체산화물 연료 전지의 효율을 개선하여, 더 큰 전력 발생을 결과한다. 상기 고체산화물 연료전지에 대한 공급원의 예비-재형성은 또한 상기 고체산화물 연료전지가 가변적인 탄화수소 공급원의 전체 재형성에 대한 요구보다 더 낮은 스팀-대-탄소 비 (SCR)에서 작동하는 것을 허용한다. 수소 및 일산화탄소로 상기 고체산화물 연료전지에서 메탄의 내부 재형성은 흡열 반응이어서, 상당한 양의 열을 제거한다. 예비-개질기를 사용하지 않는 시스템에 비해 상기 SOFC 시스템에 대해 전반적으로 더 적은 냉각이 요구된다. 상기 예비-개질기는 또한 어떤 잠재적인 황 돌파구로 "희생적인 황 흡수원 (sacrificial sulfur sink)"로서 작용한다. 비록 상기 SOFC 시스템의 구현 예가 탈황 시스템을 포함할지라도, 상기 예비-개질기 촉매는 상기 고체산화물 연료전지 촉매에 대한 또 다른 보호층을 추가한다.
본 발명의 이들 및 다른 특색, 관점, 및 장점은 하기 상세한 설명, 첨부된 청구항, 및 첨부된 도면을 참조하여 더욱 이해될 것이다.
도 1은 고체산화물 연료전지 시스템의 구현 예의 공정 흐름도이다.
발명의 요약, 도면의 간단한 설명, 및 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 및 첨부된 청구항을 포함하는, 본 명세서는 본 발명의 (공정 또는 방법 단계를 포함하는) 특정한 특징에 관련한다. 기술분야의 당업자는 본 발명이 모든 가능한 조합을 포함하고, 본 명세서에 기재된 특정한 특징의 사용을 이해한다. 기술분야의 당업자는 본 발명이 본 명세서에 제공된 구현 예의 기재에 의해 제한되지 않는다는 것을 이해한다. 본 발명의 주제는 오직 본 명세서 및 첨부된 청구항의 사상 이외에 제한되지 않는다.
기술분야의 당업자는 또한 특정한 구현 예를 기재하기 위해 사용된 용어가 본 발명의 범주 또는 폭에 제한되지 않는다는 것을 이해한다. 본 명세서 및 첨부된 청구항의 해석에 있어서, 모든 용어는 각 용어의 문맥에 부합 가능한 가장 넓은 방식으로 해석되어야 한다. 본 명세서 및 첨부된 청구항에서 사용된 기술적 및 과학적 용어는 별도의 정의가 없는 한 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
본 명세서 및 첨부된 청구항에서 사용된 바와 같이, 용어들의 "단수" 또는 "복수"는 특별한 언급이 없는 한, 복수를 포함한다. 동사 "포함하는" 및 이의 연관된 형태는 비-제외된 방식에서 원소들, 성분들 또는 단계들에 관련되는 것으로 해석될 것이다. 상기 언급된 원소들, 성분들 또는 단계들은 명확히 언급되지 않는 다른 원소들, 성분들 또는 단계들과 존재, 활용, 또는 조합될 수 있다. 동사 "연결한다" 및 이의 연관된 형태는 둘 이상의 이전의 비-결합된 대상들로부터 단일 대상을 형성하기 위해 전기적, 기계적 또는 유체를 포함하는, 요구된 접합의 어떤 유형을 완성하는 것을 의미한다. 만약 제1 장치가 제2 장치에 연결된다면, 상기 연결은 직접 또는 보통 연결자를 통해 발생할 수 있다. "선택적으로" 및 이의 다양한 형태는 나중에 기재된 사건 또는 상황이 발생할 수도 또는 발생하지 않을 수도 있다는 것을 의미한다. 상기 기재는 사건 또는 상황이 발생한 예 및 이것이 발생하지 않는 예를 포함한다. "작동가능한" 및 이의 다양한 형태는 이의 적합한 기능 및 의도된 용도에 대해 적합하다는 것을 의미한다.
공간 용어는 또 다른 대상 또는 대상의 군과 비교하여 대상 또는 대상의 군의 상대적인 위치를 묘사한다. 공간 관계는 수직 및 수평 축에 따라 적용된다. "업스트림" 및 "다운스트림" 및 다른 이와 유사한 용어를 포함하는, 배향 및 관계적 단어는 별도의 지시된 바가 없는 한 설명의 편의를 위한 것이지 제한하는 것은 아니다.
본 명세서 또는 첨부된 청구항에 제공된 값의 범위에서, 이것은 상한 및 하한뿐만 아니라 상한 및 하한 사이에 중간값을 내포하는 것으로 이해한다. 본 발명은 제공된 어떤 특정 배제에 대해 더 작은 범위의 간격 대상을 포괄하고 경계를 이룬다. "실질적으로 없는"은 측정의 나타낸 단위에 의해 1% 미만, 바람직하게는 0.1% 미만을 의미한다.
기준은 둘 이상의 정의된 단계들을 포함하는 방법에 대해 본 명세서 및 첨부된 청구항에서 만들어지고, 상기 정의된 단계들은 가능성을 배제한 상황을 제외하고 어떤 순서 또는 동시에 수행될 수 있다.
도 1
도 1은 SOFC 시스템의 구현 예의 공정 흐름도를 나타낸다. 도 1은 기재의 편리성을 위한 간단한 다이어그램이다. 기술분야에서 당업자는 이러한 시스템이 부수적인 장비를 구비한 복합 구조이고, 서브시스템이 이들의 의도된 목적을 위한 이들을 작동가능하도록 제공하는 것으로 이해한다.
SOFC 시스템 (100)은 증기 탄화수소 공급원료로부터 석유 고차 회수를 위해 적합한 정제된 이산화탄소 생산물 및 잉여 전력을 발생하기 위해 작동할 수 있다. 수반 가스 도관 (2)은 EOR 품질 이산화탄소 및 잉여 전력으로 전환하기 위해 SOFC 시스템 (100)으로 수반 가스를 도입한다. 수반 가스 도관 (2)은 SOFC 시스템 (100) 외부의 유정 분리기 (wellhead separators)로 연결되고, 생산된 원유 및 액체 응축액으로부터 분리된 수반 가스를 수집한다.
수반 가스 도관 (2)은 응축액 제거 시스템 (4)의 공정 가스 주입구에 연결되고, 응축액 제거 시스템 (4)으로 수반 가스를 도입한다. 응축액 제거 시스템 (4)은 건성 사워 가스 (dry sour gas) 및 가스 응축액으로 수반 가스를 분리하기 위해 작동할 수 있다. 응축액 도관 (6)은 액체 배출구를 통해 응축액 제거 시스템 (4)에 연결되고, SOFC 시스템 (100) 외부의 응축액 공정 작동 (processing operations)으로 가스 응축액을 통과시킨다.
건성 사워 가스 도관 (8)은 산 가스 제거 시스템 (10)의 공정 가스 주입구에 응축액 제거 시스템 (4)의 공정 가스 배출구를 연결되고, 산 가스 시스템 (10)으로 건성 사워가스를 도입시킨다. 산 가스 제거 시스템 (10)은 산 가스, 이산화탄소-풍부 가스 및 스위트 공정 가스 (sweet process gas)로 상기 건성 사워 가스를 분리시킨다. 산 가스 도관 (12)은 산 가스 제거 시스템 (10)에 연결되고, SOFC 시스템 (100) 외부의 황 공정 작동으로 산 가스를 제공한다. 이산화탄소 가스 도관 (14)은 산 가스 제거 시스템 (10)에 연결되고, CO2 공정 시스템 (16)으로 이산화탄소-풍부 가스를 보낸다.
스위트 공정 가스 도관 (18)은 수소화탈황 시스템 (20)의 공정 가스 주입구에 산 가스 제거 시스템 (10)의 상기 공정 가스 배출구를 연결하고, 수소화탈황 시스템 (20)에 스위트 공정 가스를 도입한다. 시스템 재순환 도관 (22)은 CO2 분리 시스템 (24)에 수소화탈황 시스템 (20)을 연결하고, 수소화탈황 시스템 (20)으로 수소-풍부 재순환 가스를 도입한다. 수소화탈황 시스템 (20)은 시스템 재순환 도관 (22)으로부터 도입된 수소 및 스위트 공정 가스 도관 (18)으로부터 도입된 유기 황 화합물을 황화수소로 전환하기 위해 작동할 수 있다. 수소화탈황 시스템 (20)으로부터 공정 가스는, 상기 공정 가스로부터 황화수소를 제거하는, 흡착제 층 (sorbent bed) (26)을 통과시켜, 탈황 공정 가스를 형성한다.
탈황 공정 가스 도관 (28)은 예비-개질기 (30)의 공정 가스 주입구에 흡착제 층 (26)의 공정 가스 배출구를 연결하고, 예비-개질기 (30)로, 메탄 및 비-메탄 알칸 모두를 함유하는, 탈황 공정 가스를 도입한다. 과열 스팀 도관 (32)은 예비-개질기에 연결되고, SOFC 시스템 (100) 외부의 스팀 발생 시스템으로부터 예비-개질기 (30)로 과열 스팀을 도입한다. 예비-개질기 (30)는 과열 스팀으로부터의 물 및 탈황 공정 가스에서의 비-메탄 탄화수소를 메탄, 탄소산화물, 수소 및 물로 전환하도록 작동가능하여, 개질된 공정 가스를 형성한다.
개질된 공정 가스 도관 (34)은 고체 산화물 연료전지 (38)의 애노드 측 (36) 상에 상기 공정 가스 주입구와 예비-개질기 (30)의 공정 가스 배출구를 연결하고, 고체 산화물 열료 전지 (38)의 애노드 측 (36)으로 상기 개질된 공정 가스를 도입한다. 애노드 측 (36)은 내부적으로 상기 개질된 공정 가스에서의 메탄 및 물을 수소 및 탄소산화물로 개질한다.
압축 공기 도관 (40)은 고체산화물 연료전지 (38)의 캐소드 측 (42)에 연결되고, SOFC 시스템 (100) 외부의 공기 조작 시스템으로부터 캐소드 측 (42)으로 압축 공기를 도입한다. 고체산화물 연료전지 (38)는 캐소드 측 (42) 상에 압축 공기로부터 산소를 추출하여, 캐소드 측 (42) 상에 산소-결핍 공기를 형성한다. 캐소드 결핍 공기 도관 (44)은 캐소드 측 (42)에 연결되고, SOFC 시스템 (100) 외부의 공기 조작 시스템으로 상기 SOFC (38)로부터 산소-결핍 공기를 통과시킨다.
고체산화물 연료전지 (38)는 애노드 측 (36)에서 수소 및 일산화탄소와 추출된 산소 음이온의 반응을 촉진하여, 애노드 측 (36)에서 물 및 이산화탄소를 갖는 애노드 오프-가스 (anode off-gas)를 생성한다. 수소 및 산소 사이 및 일산화탄소 및 산소 사이의 전기화학적 반응은, 고체산화물 연료전지 (38)가 모으는, 전자를 자유롭게 한다. 고체산화물 연료전지 (38)는 캐소드 측 (42)에서 산소 추출을 통해 전기화학적 반응을 더욱 촉진하기 위해 약간의 자유 전자 (free electrons)를 사용한다. 전기적 도관 (46)은 고체산화물 연료 전지 (38)에 의해 제공된 전기를 통과시킨다. 전기적 도관 (46)은 SOFC 시스템 (100) 외부의 전기 분배 시스템에 잉여 전력을 제공한다.
애노드 오프-가스 도관 (48)은 수성가스 전환 반응기 (water-gas shift reactor) (50)의 공정 가스 주입구에 고체산화물 연료전지 (38)의 애노드 측 (36)의 공정 가스 배출구를 연결하고, 수성가스 전환 반응기 (50)로, 약간의 일산화탄소 및 물을 함유하는, 애노드 오프-가스를 도입시킨다. 과열 스팀 도관 (52)은 수성가스 전환 반응기 (50)에 연결되고, SOFC 시스템 (100) 외부의 스팀 발생 시스템으로부터 수성가스 전환 반응기 (50)로 과열 스팀을 도입한다. 수성가스 전환 반응기 (50)은 상기 과열 스팀을 사용하여 상기 도입된 애노드 오프-가스에서의 일산화탄소 및 물을 이산화탄소 및 수소로 전환하도록 작동가능하여, 전환된 애노드 오프-가스를 형성한다.
전환된 애노드 오프-가스 도관 (54)은 CO2 분리 시스템 (24)의 공정 가스 주입구로 수성가스 전환 반응기 (50)의 공정 가스 배출구를 연결하고, CO2 분리 시스템 (24)으로 전환된 애노드 오프-가스를 도입한다. CO2 분리 시스템 (24)은 상기 전환된 오프-가스가 이산화탄소-풍부 가스, 이전에 기재된 상기 수소-풍부 재순환 가스 및 응축된 물로 분리되도록 작동가능하다. 시스템 재순환 도관 (22)은 수소화탈황 시스템 (20)에 CO2 분리 시스템 (24)을 연결하고, 상기 수소-풍부 재순환을 수소화탈황 시스템 (20)으로 통과시킨다. CO2 분리 시스템 (24)에 연결된, 물 응축액 도관 (56)은 고체산화물 연료전지 공정 (100) 외부의 응축액 조작으로 응축된 물을 보낸다. 물 응축액 도관 (56)은 CO2 분리 시스템 (24)에 연결되고, SOFC 시스템 (100) 외부의 응축액 조작 작동으로 응축된 물을 제공한다. 시스템 퍼지 (purge) 도관 (58)은 시스템 재순환 도관 (22)에 연결되고, CO2 분리 시스템 (24)으로부터 수소-풍부 재순환 가스의 일부에 대한 시스템 퍼지를 제공한다.
이산화탄소 가스 도관 (14)은 CO2 공정 시스템 (16)의 이산화탄소 주입구에 산 가스 제거 시스템 (10)의 이산화탄소 가스 배출구를 연결하고, CO2 공정 시스템 (16)으로 이산화탄소-풍부 가스를 도입한다. 이산화탄소 가스 도관 (60)은 CO2 공정 시스템 (16)의 이산화탄소 주입구에 CO2 분리 시스템 (24)의 이산화탄소 가스 배출구를 연결하고, CO2 공정 시스템 (16)으로 이산화탄소-풍부 가스를 도입한다. CO2 분리 시스템 (24)은 이산화탄소-풍부 가스를 분리, 정제, 탈수, 및 압축하도록 작동가능하여, 정제된 이산화탄소 생산물 및 응축된 물을 형성한다. 물 응축액 도관 (62)은 CO2 공정 시스템 (16)의 액체 배출구에 연결되고, SOFC 시스템 (100) 외부의 응축액 조작 작동으로 응축된 물을 제공한다. CO2 생산물 도관 (64)은 CO2 공정 시스템 (16)의 이산화탄소 생산물 배출구에 연결되고, SOFC 시스템 (100) 외부의 이산화탄소 조작 작동으로 정제된 이산화탄소 생산물을 통과시킨다.
증기 탄화수소
상기 SOFC 시스템은 잉여 전력 및 정제된 이산화탄소 생산물 모두를 생산하기 위한 공급원료로서 증기 탄화수소를 수용하고 처리할 수 있도록 작동가능하다. 공급원으로서 유용한 증기 탄화수소의 예는 천연가스; 기화 액체 응축액 (vaporized liquid condensates), 나프타 및 다른 경질 석유 액체 분획; 우드, 타르 및 석탄 가스를 포함하는, 합성가스; 메탄, 에탄, 프로판, 액화 석유 가스 (LPG), 부탄, 펜탄 및 다른 순수 또는 이미 정제된 가스 및 경질 액체 알칸의 혼합물, 시클로알칸 및 방향족; 및 지하의 탄화수소-함유 지층으로부터 생산된 탄화수소 유체와 연관된 탄화 수소 가스를 포함한다.
유전 분리 유닛으로부터 분리된 수반 가스 및 원유 및 액체 응축액 생산으로부터 넉아웃 포트 (knockout pots)의 오버헤드(overhead)는 증기 탄화수소 공급원이다. 석유 생산 유정(wellhead)에서 유전 분리 유닛은 액체로부터 가스의 개략적인, 물리적 분리를 제공한다. 수반 가스 공급원 헤더의 네트워크는 다중 생산 정 및 유전 녹아웃 유닛으로부터의 수반 가스를 모은다. 상기 네트워크는, 탄화수소 공급원으로서, SOFC 시스템을 포함하는, 가스 회수 및 공정 시스템 쪽으로 가스를 보낸다.
수반 가스의 대부분은 메탄이다. 수반 가스는 또한 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄, 헥산, 및 고급-탄소 알칸 및 시클로-알칸을 포함하는, 비-메탄 알칸의 일부를 포함한다. 수반 가스는 BTEX 화합물을 포함하는, 소정의 저급-탄소 방향족 화합물을 포함할 수 있다. 수반 가스는 종종 질소 및 희가스 (noble gases)를 포함하는, 소정의 불활성 가스를 포함한다. 유기 황 (예를 들어, 머캅탄, 티올 및 이황화물)을 포함하는, 이종유기 화합물 (heterorganic compounds), 산소 함유 (oxygen bearing) 및 질소 함유 화합물 (nitrogen bearing compounds)은 종종 ppm (parts per million)으로 존재한다. 통상적으로 수반 가스에 존재하는 다른 화합물은 탄소산화물, 황화 수소, 산소, 물, 및 수소를 포함한다.
응축액 제거 시스템
상기 SOFC 시스템은 선택적으로 응축액 제거 시스템을 포함한다. 몇몇 경우에 있어서, 특히 공급원료로서 수반 가스를 사용하는 경우, 상기 증기 탄화수소 공급원은 상기 공급원의 처리를 계속하기 전에 도입된 탄화수소 스트림으로부터 추출하는 것이 바람직한 고급-탄소 종을 포함한다. 상기 응축액 제거 시스템은 상기 도입된 증기 탄화수소로부터 고급-탄소 종을 분리 및 증기 탄화수소 공급원을 수용하도록 작동가능하여, 생산물로서 액체 응축액 및 건성 사워 가스 모두를 형성한다. 액체 응축액으로서 상기 공정 가스로부터 C5+ 탄화수소를 제거하는 것은 대조구에 대해 더 쉬운 상기 SOFC 공정을 만들고, 더 높은 온도 및 더 낮은 압력 공정 가스 스트림을 유지하는데 더 적은 에너지를 사용하며, 분리 공정에 대해 원재료 화학물질을 회수한다. 상기 건성 사워 가스는 유기 황, 황화수소, 불활성 및 탄소산화물을 포함하는 이종유기 화합물, 메탄, 경질 알칸으로 통상적으로 구성된 시스템 생산물이다.
상기 SOFC 시스템의 구현 예는 증기 탄화수소를 냉각시키기 위하여, 극저온 냉각 액체 (cryogenically chilled liquids), 예를 들어, 에틸렌 글리콜 및 프로판을 활용하는 응축액 제거 시스템을 포함한다. 상기 증기 탄화수소의 냉각은 상기 액체 응축액 및 건성 사워 가스를 형성한다. 상기 증기 탄화수소의 냉각은 또한 소정의 물을 제거한다. 상기 SOFC 시스템의 구현 예는 극저온 냉각 액체 응축액 제거 시스템의 성능을 향상시키기 위해 터보 확장기 (turbo expander)를 사용한다.
상기 SOFC 시스템의 구현 예는 상기 증기 탄화수소로부터 흡수제 용매로 탄화수소 응축액을 제거하는 흡수-추출 공정 (absorption-extraction process)을 활용하는 응축액 제거 시스템을 포함한다. 린 흡수 용매 (lean absorbing solvent)는 상기 증기 탄화수소로부터 고급-탄소 알칸 및 방향족 종을 선택적으로 흡수하고, 친화도를 가져, 팻 흡수 용매 (fat absorbing solvent) 및 건조 사워 공정 가스를 형성한다. 추출 타워는 상기 팻 흡수 용매로부터 액체 응축액을 회수한다. 상기 흡수-추출 공정은 극저온 공정의 사용을 요구하지 않는 장점을 갖는다.
산 가스 제거 시스템
상기 SOFC 시스템은 선택적으로 산 가스 제거 시스템을 포함한다. 몇몇 경우에 있어서, 특히 공급원료로서 수반 가스 또는 유전-추출 탄화수소를 사용한 경우, 상기 증기 탄화수소 공급원은 제거되어야 하는 황화수소를 포함한다. 황 화합물은 다운스트림 공정 유닛에서 대부분 금속 산화물 촉매를 오염시킨다. 상기 산 가스 제거 시스템은 상기 응축액 제거 시스템에 연결되고, 이로부터 공급원으로서 건성 사워 가스를 수용한다. 상기 산 가스 제거 시스템은 상기 도입된 건성 사워 가스로부터 황화수소를 추출하기 위해 작동할 수 있다. 상기 SOFC 시스템 공정의 구현 예는 도입된 건성 사워 가스로부터 이산화탄소를 추출하기 위해 작동할 수 있다. 상기 도입된 건성 사워 가스로부터 황화수소 및 이산화탄소 (및 만약 존재한다면, 약간의 일산화탄소) 모두를 선택적으로 제거함에 따라, 이산화탄소-풍부 가스, 산 가스 및 건성 스위트 가스 (dry sweet gas)가 생산물로서 형성된다. 이산화탄소는 다운스트림 공정 유닛에서 희석제로서 작용하지만 상기 SOFC 공정의 바람직한 생산물이다.
상기 산 가스 생산물은 원소 황으로 클라우스 공정 (Claus process)에 의한 전환을 포함하거나 또는 황산을 생산하는, 상기 SOFC 시스템 외부의 화학적 공정에 대해 적합한 황화수소이다. 상기 산 가스 제거 시스템의 생산물 건조 스위트 공정 가스는 통상적으로 유기 황 및 불활성을 포함하는 이종 유기 화합물, 메탄, 경질 알칸을 포함한다. 이산화탄소-풍부 가스를 생산하는 상기 SOFC 공정의 구현 예에 있어서, 상기 이산화탄소 조성물은 실질적으로 몰에 기초하여 비-이산화탄소 성분이 없다.
상기 SOFC 시스템의 구현 예는 상기 건조 사워 가스로부터 황화수소 및 이산화탄소를 추출하기 위해 반응성 액체를 활용하는 산 가스 제거 시스템을 포함하여, 건조 스위트 공정 가스를 형성한다. 반응성 액체로 적합한 아민의 예로는 모노에탄올아민 (MEA), 디에탄올아민 (DEA), 메틸디에탄올아민 (mDEA), 디이소프로필아민 (DIPA) 및 디글리콜아민 (DGA) (아미노에톡시에탄올)을 포함한다.
상기 SOFC 시스템의 구현 예는 상기 건조 사워 공정 가스로부터 황화수소 및 이산화탄소 모두를 추출하기 위해 물리적 용매를 활용하는 산 가스 제거 시스템을 포함하여, 건조 스위트 공정 가스를 형성한다. 물리적 용매 및 이들을 사용하는 공정의 예로는 SELEXOL 공정에서 사용된 (UOP LLC; Des Plaines, IL) 폴리에틸렌 글리콜의 디메틸 에테르 (DEPG); RECTISOL® 공정 (Lurgi AG; Frankfurt, Germany)에 사용된 메탄올; RECTISOL® 공정 (Lurgi AG)에서 사용된, n-메틸-2-피롤리돈 (NMP); 및 FLUOR SOLVENT 공정 (Fluor Corp.; Irving TX)에 사용된 탄산 프로필렌 (PC)를 포함한다. 상기 물리적 용매를 사용하는 공정은 황화수소 및 이산화탄소를 개별적으로 또는 동시에 추출할 수 있다. 상기 SOFC 공정의 구현 예는 황화수소 및 이산화탄소를 추출하기 위해 물리적 용매를 사용하고, 그 다음 개별 이산화탄소-풍부 가스 및 산 가스 생산물을 형성하기 위해 개별적으로 황화수소 및 이산화탄소를 방출한다.
상기 SOFC 시스템의 구현 예는 상기 산 가스 제거 시스템을 상기 CO2 탈수 시스템에 연결한다. 상기 SOFC 공정의 구현 예는 정제 및 최종 사용을 위한 바이패스 스트림으로서 상기 CO2 탈수 시스템으로 직접적으로 상기 산 가스 제거 시스템에 생산된 이산화탄소-풍부 가스를 통과시킨다. 상기 이산화탄소-풍부 가스는 몰에 기초하여 적어도 95%의 이산화탄소이다. 상기 SOFC 공정의 구현 예는 상기 산 가스 제거 시스템으로부터의 이산화탄소-풍부 가스가 몰 기준으로 적어도 98% 이산화탄소인 것을 포함한다.
수소화탈황 및 수착층 시스템
상기 SOFC 시스템은 수소화탈황 시스템을 포함한다. 상기 수소화탈황 시스템은 상기 산 가스 제거 시스템으로 연결되고, 이로부터 공급원으로서 건성 스위트 가스에 수용한다. 상기 수소화탈황 시스템 (또한 소위 "수소처리첨가시설 (hydrotreater)")은 수소화처리 촉매 (hydrotreating catalyst)의 존재하에서 수소로, 도입된 건성 스위트 가스에서 이종 유기 화합물, 구체적으로 유기 황화합물을 수착층 (sorption bed)의 수착층 물질에 흡수될 수 있는 화합물 및 알칸으로 전환시키기 위해 작동할 수 있다. 분해 (cracking)시 유기 황화합물은 금속 산화물 촉매를 오염시킬 수 있다. 상기 수착층에 흡수될 수 있는 화합물은 황화수소, 암모니아 및 물을 포함한다. 흡수가능한 화합물로 이종유기 화합물의 전환은 상기 건성 스위트 가스를 황화수소, 암모니아, 물, 수소, 메탄, 및 비-메탄 알칸을 포함하는 처리된 공정 가스로 전환시킨다.
상기 수소화탈황 공정은 상기 건성 스위트 가스를 수소화처리하기 위해 수소를 사용한다. 상기 수소화탈황 시스템으로 도입된 수소는 순수하거나 또는 메탄, 비-메탄 알칸, 불활성 가스 및 탄소산화물을 포함하는 다른 성분과 혼합될 수 있다. 상기 SOFC 시스템의 구현 예는 상기 CO2 분리 시스템에서 형성된 수소-풍부 가스의 적어도 일부를 시스템 재순환으로서 상기 수소화탈황 시스템으로 통과를 허용하기 위해 상기 수소화탈황 시스템을 상기 CO2 분리 시스템으로 연결한다. 상기 SOFC 공정의 구현 예는 수소처리 공급원으로서 사용하기 위해 상기 수소화탈황 시스템으로 상기 CO2 분리 시스템에서 형성되는 수소-풍부 가스의 일부를 도입시키는 단계를 포함한다.
상기 수소첨가 반응 (hydrogenolysis reaction)은 수소처리 촉매의 존재하에서 일어난다. 유용한 수소처리 촉매의 예로는 높은-표면적 촉매 지지체 상에 몰리브덴, 루테늄, 니켈, 텅스텐 또는 코발트를 포함하는 활성 금속 성분이 있는 촉매를 포함한다. 촉매 지지체의 예로는 α- 및 γ-알루미나와 같은 금속 산화물을 포함한다.
상기 SOFC 공정의 구현 예는 300 ℃ 내지 약 400 ℃의 온도 범위로 수소화탈황 시스템에 도입하기 전에 상기 건조 스위트 공정 가스를 예열시키는 단계를 포함한다.
상기 SOFC 시스템은 수착층을 포함한다. 상기 수착층은 상기 수소화탈황 시스템으로 연결되고, 이로부터 공급원으로서 처리된 공정 가스를 수용한다. 상기 수착층은 탈황 공정 가스를 형성하기 위해 도입된 처리된 공정 가스에서 수착층에 함유된 수착층 물질 상에 흡수될 수 있는 화합물을 추출하기 위해 작동할 수 있다. 비록 ppm 농도에서 일지라도, 황 및 질소-함유 이종유기 화합물을 전환으로부터의 황화수소 및 암모니아는 연장된 기간의 노출에 걸쳐 개질 촉매 다운스트림을 오염시킬 수 있다. 상기 탈황 공정 가스는 메탄 및 비-메탄 알칼, 불활성, 및 미량의 수소, 탄소산화물 및 물을 포함한다. 상기 탈황 공정 가스는 몰에 기초하여 황 및 황-함유 화합물이 실질적으로 없다.
상기 수착층은 황화수소 및 암모니아와 결합하기 위해 작동할 수 있는 금속 산화물을 함유한다. 금속 산화물의 예로는 산화주석, 산화철 ("철 스폰지") 및 산화아연을 포함한다. 상기 금속 산화물은 또한 상기 처리된 공정 가스로부터 이산화탄소를 제거한다. 상기 금속 산화물과 황화수소의 반응은 물을 형성한다.
상기 SOFC 공정의 구현 예는 상기 수착층에서 약 200 ℃ 내지 약 450 ℃의 범위에서 상기 처리된 공정 가스 온도를 유지시키는 단계를 포함한다. 상기 온도 범위는 상기 예비-개질기를 가열할 뿐만 아니라 탈황을 촉진한다.
예비-개질기
상기 SOFC 시스템은 예비-개질기를 포함한다. 상기 예비-개질기는 상기 수착층으로 연결되고, 이로부터 공급원으로서 탈황 공정 가스를 수용한다. 상기 예비-개질기는 예비-개질 촉매의 존재하에서 스팀으로 상기 탈황 공정가스에서의 비-메탄 알칸을 메탄 및 탄소산화물로 전환하기 위해 작동할 수 있다. 상기 비-메탄 알칸을 메탄 및 이산화탄소로의 전환은 상기 탈황 공정 가스를 메탄 및 이산화탄소이 풍부하지만 수소 및 일산화탄소가 희박한 개질된 공정 가스로 전환시킨다.
상기 예비-개질기로 도입된 탈황 공정 가스는 소량의 탄소산화물 (carbon oxide), 거의 이산화탄소, 및 약간의 불활성 가스와 함께 메탄 및 비-메탄 알칸을 포함하는 탄화수소-풍부 가스 스트림이다. 상기 SOFC 공정의 구현 예는 상기 예비-개질기로 조성물의 약 51 내지 약 66 몰 퍼센트의 범위로 메탄, 상기 조성물의 약 33 내지 약 45 몰 퍼센트 범위로 비-메탄 알칸, 상기 조성물의 약 0.1 내지 약 1 몰 퍼센트 범위로 탄소산화물, 및 상기 조성물의 약 1 내지 약 3 몰 퍼센트 범위로 불활성 가스를 갖는 탈황 공정 가스를 도입시키는 단계를 포함한다. 상기 탈황 공정 가스는 몰에 기초하여 황 및 황-함유 화합물이 실질적으로 없다. 상기 탈황 공정 가스 조성물은 건조 기준이다. 상기 SOFC 공정의 구현 예는 약 1.0 내지 약 2.0 범위에서 메탄 대 비-메탄 알칸의 몰 퍼센트를 갖는 탈황 공정 가스를 도입시키는 단계를 포함한다. 상기 SOFC 공정의 구현 예는 상기 예비-개질기로 상기 탈황 공정 가스를 도입시키는 단계를 포함하고, 여기서 상기 탈황 공정 가스는 약 350 ℃ 내지 약 400 ℃ 범위의 온도를 갖는다.
상기 예비-개질 공정은 탈황 공정 가스를 개질하기 위해 스팀을 사용한다. 상기 사용된 스팀은 습식, 건조 또는 과열될 수 있다. 스팀은 개질 반응을 지지하기 위해 고유의 열뿐만 아니라 개질 반응을 위해 상기 예비-개질기로 물을 제공한다. 상기 SOFC 공정의 구현 예는 상기 예비-개질기로 과열 스팀을 도입시키는 단계를 포함하고, 여기서, 상기 과열 스팀은 약 250 ℃ 내지 약 500 ℃의 온도 범위 및 약 8 bars 내지 약 12 bars의 압력 범위를 갖는다. 바람직하게는, 상기 스팀은 상기 예비-개질기로 오염원을 도입하는 가능성을 최소화하기 위해 신선한 또는 재순환 보일러 공급수 (BFW) 또는 스팀 응축액으로부터 기원한다.
상기 스팀-대-탄소 비 (SCR)는 예비-개질기로 도입된 물의 몰 양 (스팀의 형태로) 대 상기 탈황 공정 가스를 통해 상기 예비-개질기로 도입된 탄화수소 및 다른 예비-개질기 반응물의 몰 양이다. 수학 식 1은 SCR의 값을 정의한다:
[수학 식 1]
SCR = H2O의 몰 유속 / (H2 + CO + C1-5 알칸의 몰 유속)
상기 SOFC 공정의 구현 예는 상기 SCR이 약 0.5 내지 3.0 범위의 값을 갖도록 상기 예비-개질기로 스팀을 도입시키는 단계를 포함한다. 상기 방법의 구현 예는 약 0.5 내지 약 1.5 범위의 SCR을 갖는다. 상기 방법의 구현 예는 약 0.5 내지 약 3.0 범위의 SCR을 갖는다. 이론에 제한되는 것을 의도하지는 않지만, 상기 예비-개질기에 대한 이러한 범위의 SCR은 일산화탄소 및 수소의 형성을 최소화하는 반면 고급-탄소 탄화수소로부터 메탄의 우선적인 형성을 지지한다.
상기 예비-개질기의 온도 관리는 단열 (adiabatic), 등온 (isothermal) 또는 석유 정제에서 및 고체산화물 연료 전지에서 사용하기 위한 메탄-풍부 공정 가스를 생산하기 위한 산업 공정에서 알려진 어떤 작동가능한 기술을 통할 수 있다. 상기 SOFC 공정의 구현 예는 단열적으로 상기 예비-개질기를 작동시키는 단계를 포함한다. 이론에 제한되는 것을 의도하지는 않지만, 이것은 상기 스팀을 과열시켜 도입된 물의 양을 제한하는 동안 단열적 작동이 상기 비-메탄 알칸을 메탄 및 이산화탄소로 우선적으로 개질시켜, 수소 및 일산화탄소의 상당한 형성을 방지하는 것으로 믿어지며, 이것은 전체 개질 및 합성 가스 생산의 좀더 통상적이다. 상기 SOFC 공정의 구현 예는 상기 예비-개질기에 의해 생산된 형성 개질된 공정 가스의 온도가 상기 도입 탈황 공정 가스의 온도보다 더 낮은 약 55 ℃ 내지 약 80 ℃의 범위에 있는 것을 포함한다.
상기 개질 반응은 예비-개질 촉매의 존재하에서 발생한다. 상기 예비-개질기 촉매는 상기 예비-개질기 내에 촉매층에 함유되고, 조합된 스팀 및 탈황 공정 가스와 유체 접촉한다. 상기 활성 금속 개질 촉매 물질은 적어도 하나의 족 8-10 금속으로 바람직하게 포함되고, 좀더 바람직하게는 니켈이다. 활성 금속 개질 촉매로서 유용한 금속의 예로는 코발트, 란타늄, 백금, 팔라듐, 이리듐, 로듐, 오스뮴, 니켈, 철, 및 루테늄을 포함한다. 니켈은 활성, 저비용, 및 높은 가용성 때문에 바람직하다. 유용한 촉매 담체 물질의 예로는 α- 및 γ-알루미나, 산화 마그네슘-알루미늄, 산화세륨, 산화 세륨-지르코늄, 산화망간, 산화란타늄, 산화니오븀, 산화몰리브덴, 칼슘-알루미네이트, 산화아연, 산화규소 및 산화티타늄과 같은 금속 산화물 및 혼합 금속 산화물 (MMO)을 포함한다. 이론에 제한되는 것을 의도하지는 않지만, 다수의 금속 산화물 및 혼합 금속 산화물은 촉매 활성이 확실하지 않고, 따라서 개질에서 공-촉매로서 작동할 수 있다.
상기 생산된 개질된 공정 가스는 메탄 풍부 합성가스이다. 상기 SOFC 공정의 구현 예는 조성물의 약 78 내지 약 88 몰 퍼센트 범위로 메탄 조성, 상기 조성물의 약 9 내지 약 12 몰 퍼센트 범위로 탄소산화물, 상기 조성물의 약 0.5 내지 약 10 몰 퍼센트 범위로 수소, 및 상기 조성물의 약 0.5 내지 약 2 몰 퍼센트 범위로 불활성 가스를 갖는 개질된 공정 가스를 생성하는 단계를 포함한다. 상기 기재된 개질 공정 가스는 건조 기준이다. 상기 SOFC 공정의 구현 예는 상기 조성물의 적어도 10 몰 퍼센트의 이산화탄소 조성을 갖는 개질된 공정 가스를 형성시키는 단계를 포함한다. 상기 SOFC 공정의 구현 예는 몰에 기초하여 비-메탄 알칸이 실질적으로 없는 개질된 공정 가스를 형성시키는 단계를 포함한다. SOFC 공정의 구현 예는 몰에 기초하여 황 및 황-함유 화합물이 실질적으로 없는 개질된 공정 가스를 형성시키는 단계를 포함한다.
상기 개질된 공정 가스의 메탄 선택비 (MSR)는 메탄의 양 대 메탄 더하기 다른 합성 가스 생산물 (일산화탄소 및 수소)의 양이다. 상기 MSR은 상기 예비-개질기가 비-메탄 알칸을 메탄으로 전환하면서 합성가스 생산물로 완전한 개질을 피하는 효율성의 반영이다. 수학 식 2는 상기 개질된 공정 가스에 대한 MSR의 값을 정의한다:
[수학 식 2]
MSR = CH4 몰 %/(CH4 몰 % + H2 몰 % + CO 몰 %)
SOFC 공정의 구현 예는 상기 개질된 공정가스에 대한 MSR 값이 약 0.90 내지 약 0.99 범위에 있도록 상기 예비-개질기를 작동시키는 단계를 포함한다. SOFC 공정의 구현 예는 상기 개질된 공정가스에 대한 MSR 값이 약 0.93 내지 약 0.99 범위인 것을 포함한다. SOFC 공정의 구현 예는 상기 개질된 공정가스에 대한 MSR 값이 약 0.97 내지 약 0.99 범위인 것을 포함한다. 상기 개질된 공정 가스 MSR 값이 1에 접근하도록 상기 예비-개질기를 작동하는 것은 상기 고체산화물 연료전지의 내부 개질 용량을 최대화시키는데 바람직하다.
고체산화물 연료전지
상기 SOFC 시스템은 고체산화물 연료전지를 포함한다. 상기 고체산화물 연료전지는 고체 이온-전도성 물질로 유체 접촉하고 연결된 캐소드 측 및 애노드 측을 갖는다. 상기 고체 이온-전도성 물질은 캐소드 측으로부터 애노드 측으로 산소 이온을 수송하기 위해 작동할 수 있다. 상기 고체산화물 연료전지의 애노드 측은 상기 예비-개질기와 연결되고, 이로부터 공급원으로서 개질된 공정 가스를 수용한다. 상기 애노드 측은 산소 이온으로 도입된 개질된 공정가스에서의 메탄을 이산화탄소 및 물로 전환하기 위해 작동할 수 있다. 메탄의 이산화탄소 및 물로의 전환은 이산화탄소, 물, 및 선택적으로 약간의 수소, 일산화탄소 및 미반응 알칸이 풍부한 애노드 오프-가스를 형성한다. SOFC 공정의 구현 예는 상기 애노드 오프-가스의 온도가 1000 ℃ 주변의 온도를 포함한다.
상기 고체산화물 연료전지의 캐소드 측은 공급원으로서 도입된 압축 공기를 수용한다. 상기 캐소드 측은 압축 공기를 이온화하기 위해 전기 전류를 사용하여 도입된 공기에 존재하는 산소 분자로부터 산소 이온을 추출하도록 작동할 수 있다. 상기 압축된 공기 공급원으로부터 산소 이온의 추출은 산소 소모된 캐소드 오프-가스를 생산한다. 상기 추출된 산소 음이온은 상기 애노드 측으로 상기 고체 이온-전도성 물질을 통해 수송된다. SOFC 공정의 구현 예는 상기 캐소드 오프-가스가 상기 압축 공기 공급원을 예열하는 단계를 포함한다.
상기 고체산화물 연료전지는 전기를 생산하기 위해 작동할 수 있다. 메탄의 전환에 의해 방출된 자유 전자는 직류를 형성한다. 상기 전류는 상기 고체산화물 연료전지의 애노드 측으로부터 캐소드 측으로 순환하여 산소를 추출한다. 산소를 이온화할 필요에 대한 메탄 전환에 의해 생산된 과량의 전류의, 조금이라도, 적어도 일부는 상기 SOFC 공정의 잉여 전력 생산물로서 고체산화물 연료전지로부터 통과한다.
상기 도입된 개질 공정 가스의 전환은 개질 촉매 및 전기화학적 전환 촉매의 존재하에서 일어난다. 상기 SOFC 시스템의 구현 예는 상기 고체산화물 연료전지의 애노드 측에 직접 내부 개질을 허용하도록 작동가능한 SOFC 시스템을 포함한다. 직접 내부 개질에 있어서, 상기 메탄 및 물을 수소 및 탄소산화물로 전환시키는 개질 반응은 동일한 격실에서 발생하고, 여기서 산소 이온은 수소 및 탄소산화물로 침투하고, 반응하여 물 및 이산화탄소를 형성한다. 상기 SOFC 시스템의 구현 예는 상기 고체산화물 연료전지의 애노드 측에 간접 내부 개질을 허용하도록 작동가능한 SOFC 시스템을 포함한다. 간접 내부 개질 (즉, 통합 개질)에 있어서, 상기 메탄을 수소 및 탄소산화물로 개질은 개질 촉매를 함유하는 제1 섹션 또는 격실에서 일어난다. 물 및 이산화탄소로 합성 가스의 전기화학적 전환 반응은 전기화학적 전환 촉매를 함유하는 제2 섹션 또는 격실에서 일어난다. 내부 에너지 사용을 최적화하기 위하여, 상기 통합 개질 애노드 측의 구성은 상기 제1 섹션에서 흡열 반응을 조성하기 위해 제2 섹션에서 발열 반응으로부터 열을 활용한다.
수성가스 전환 반응기 시스템
상기 SOFC 시스템은 선택적으로 수성가스 전환 반응기 시스템을 포함한다. 몇몇 경우에 있어서, 상기 애노드 오프-가스는 정제된 이산화탄소 품질에 부정적인 영향을 주는 미량 (minor portion)의 일산화탄소를 함유한다. 상기 선택적 수성가스 전환 반응기는 상기 시스템으로부터 나가는 가스에서 이산화탄소 퍼센트를 개선시킨다. 상기 SOFC 시스템의 일부로서 포함된 경우, 상기 수성가스 전환 반응기는 상기 고체산화물 연료전지의 애노드 측과 연결되고, 이로부터 공급원으로서 애노드 오프-가스를 수용한다. 상기 수성가스 전환 반응기는 수성 전환 촉매 (water-gas shifting catalyst)의 존재하에서 물과 상기 애노드 오프-가스에서의 일산화탄소를 이산화탄소 및 수소로 전환하기 위해 작동할 수 있다. 이산화탄소로 일산화탄소의 전환은 상기 애노드 오프-가스를 이산화탄소, 물 및 수소를 포함하는, 전환된 애노드 오프-가스로 전환시킨다. 상기 전환된 애노드 오프-가스는 실질적으로 일산화탄소가 없다.
상기 수성 전환 반응은 적어도 하나 유형의 촉매의 존재하에서 일어난다. 고-온 전환 촉매는 일산화탄소의 높은 주입구 농도 및 높은 주입구 애노드 오프-가스 온도에 대해 유용하다. 고-온 전환 촉매의 예로는 마그네타이트 (magnetite)와 같은, 산화철과 함께, 산화크롬을 포함하는, 다른 금속 산화물 촉진제 또는 공-촉매를 포함한다. 저-온 전환 촉매는 더 낮은 온도의 공정 가스에 대해 유용하고, 더 높은 선택도를 가지며, 높은 수소 농도의 존재하에서도 물 전환 반응을 촉진시킨다. 저-온 전환 촉매의 예로는 혼합 산화아연/알루미나 담체 상에 구리-계 촉매를 포함한다.
SOFC 공정의 구현 예는 약 225 ℃ 내지 약 300 ℃ 범위의 온도로 상기 수성가스 전환 반응기 시스템으로 도입 전에 상기 애노드 오프-가스를 예비냉각시키는 단계를 포함한다.
수성가스 전환 반응기 시스템을 포함하지 않는 SOFC 시스템에 있어서, 열교환기는 상기 애노드 오프-가스에서의 증기 물이 응축되고, 가스 상의 밖으로 떨어지도록 상기 애노드 오프-가스를 냉각시킬 수 있다. 상기 수성가스 전환 반응기 시스템을 포함하지 않는 SOFC 시스템의 구현 예는 연료 활용을 완성하기 위해 상기 애노드 배면으로부터 상기 애노드 측 공급원으로 나오는 가스의 일부를 재순환시킨다.
CO2 분리 및 탈수 시스템
상기 SOFC 시스템은 CO2 분리 시스템을 포함한다. SOFC 시스템의 구현 예는 상기 고체산화물 연료전지의 애노드 측과 연결되고, 이로부터 애노드 오프-가스를 수용하는 CO2 분리 시스템을 포함한다. SOFC 시스템의 구현 예는 수성가스 전환 반응기 시스템과 연결되고, 이로부터 전환된 애노드 오프-가스를 수용하는 CO2 분리 시스템을 포함한다. (전환된 또는 그렇지 않은) 상기 애노드 오프-가스 공급원은 선택적으로 회수가능한 상당량의 이산화탄소를 함유한다. 상기 CO2 분리 시스템은 (전환된 또는 그렇지 않은) 도입된 애노드 오프-가스로부터 이산화탄소를 추출하기 위해 작동할 수 있다. 상기 SOFC 시스템 공정은 도입된 애노드 오프-가스로부터 물을 추출하기 위해 작동할 수 있다. 상기 도입된 애노드 오프-가스로부터 이산화탄소 및 물 모두를 제거하여, 이산화탄소-풍부 가스 및 수소-풍부 가스 모두는 시스템 생산물로서 형성된다. 상기 이산화탄소-풍부 가스는 몰에 기초하여 적어도 95% 이산화탄소이다.
상기 수소-풍부 가스 생산물은 불활성 및 메탄과 함께 상당부분의 수소를 함유한다. 상기 수소-풍부 가스는 외부 전력 또는 열 발생 공정에 대한, 및 내부적으로 재순환하기 위한 수소 소스로서 사용하기에 적합하다. SOFC 시스템의 구현 예는 재순환 스트림으로서 수소화탈황 시스템에 수소-풍부 가스의 적어도 일부를 제공하기 위해 CO2 분리 시스템에 상기 수소화탈황 시스템을 연결한다. SOFC 공정의 구현 예는 수소화처리를 위한 수소화탈황 시스템으로 CO2 분리 시스템에서 형성된 수소-풍부 가스의 일부를 도입시키는 단계를 포함한다.
상기 CO2 분리 시스템은 상기 애노드 오프-가스로부터 이산화탄소를 분리하기 위해 반응성 액체 또는 선택성 중합체 막 분리 시스템을 바람직하게 사용한다. SOFC 시스템의 구현 예는 상기 애노드 오프-가스로부터 이산화탄소를 추출하기 위해 반응성 액체를 활용하는 CO2 분리 시스템을 포함하여, 상기 이산화탄소-풍부 가스 및 수소-풍부 가스를 형성한다. SOFC 시스템의 구현 예는 이산화탄소를 추출하기 위해 물리적 용매를 활용하는 CO2 분리 시스템을 포함한다. 반응성 액체 및 물리적 용매의 예로는 산 가스 제거 시스템으로 이전에 기술된 것을 포함한다. SOFC 시스템의 구현 예는 상기 애노드 오프-가스로부터 이산화탄소를 추출하는 막 분리 공정을 활용하는 CO2 분리 시스템을 포함하여, 수소-풍부 가스 보유물 (retentate) 및 이산화탄소-풍부 가스 여과물 (permeate)을 형성한다. 유용한 막 분리 물질의 예로는 폴리아미드, 폴리세미카바자이드, 폴리카보네이트, 폴리아크릴레이트, 폴리(페닐렌 산화물), 폴리디메틸실록산, 폴리아닐린, 폴리피롤론, 폴리이미드, 폴리아미드-이미드 혼합물, 및 피롤화 수지로 만들어진 탄소-계 막, 계면활성제, 흑연 또는 중합체 구조물을 포함한다. 유용한 막 분리 물질 및 시스템은 수소-풍부 오프-가스로부터 이산화탄소를 분리하기 위한 Membrane Technology & Research (Newark, CA)에 의해 제공된 것들을 포함한다. SOFC 시스템의 구현 예는 응축액 제거 시스템에 관련하여 기술된 것과 유사한 극저온 냉각 액체를 활용하는 CO2 분리 시스템을 포함한다. SOFC 시스템의 구현 예는 압력 변동 흡착 (pressure swing absorption) (PSA)을 활용하는 CO2 분리 시스템을 포함하여, 이산화탄소를 추출하고 이산화탄소-풍부 생산물 스트림을 생산한다.
상기 SOFC 시스템은 CO2 탈수 시스템을 포함한다. 상기 CO2 탈수 시스템은 상기 CO2 분리 시스템에 연결되고, 이로부터 이산화탄소-풍부 가스 스트림을 수용한다. SOFC 시스템의 구현 예는 상기 산 가스 제거 시스템으로부터 이산화탄소-풍부 가스 스트림을 받아들이고, 처리하도록 작동가능한 CO2 탈수 시스템을 포함한다. 상기 CO2 탈수 시스템은 시스템 생산물로서 상기 SOFC 시스템으로부터 배출하는데 적합한 정제된 이산화탄소를 형성하기 위해 상기 이산화탄소-풍부 가스로부터 어떤 잔여수를 분리하기 위해 작동할 수 있다. 상기 정제된 이산화탄소 생산물은 석유화학 공급원료로서 또는 EOR 작동에서 사용하는데 적절하다. 상기 정제된 이산화탄소 생산물은 몰에 기초하여 적어도 95%의 이산화탄소이다. SOFC 공정의 구현 예는 정제된 이산화탄소 생산물이 몰에 기초하여 적어도 98%의 이산화탄소인 것을 포함한다. SOFC 공정의 구현 예는 정제된 이산화탄소가 몰에 기초하여 비-이산화탄소 성분이 실질적으로 없는 것을 포함한다. SOFC 공정의 구현 예는 정제된 이산화탄소가 대기 온도에서 약 150 bars 압력에서 유지되는 것을 포함한다.
SOFC 공정의 구현 예는 액체 정제된 이산화탄소를 형성하기 위해 정제된 이산화탄소 생산물을 액화시키는 단계를 포함한다. 액체 이산화탄소는 더 긴 거리에 걸쳐 수송하기가 쉽고, 증기 이산화탄소보다 저장하기가 더 쉽다. 기술 분야의 당업자는 정제된 이산화탄소를 액화시키는데 적합한 압축 및 냉각 기술을 이해하고 인지한다.
SOFC 시스템을 사용한 탄화수소-함유 지층으로부터 탄화수소 유체 회수의 향상 방법
상기 SOFC 시스템은 수반 가스를 사용하여 탄화수소 유체를 함유하는 탄화수소-함유 지층으로부터 탄화수소 유체 회수를 향상시키도록 작동가능하다. 상기 탄화수소-함유 지층은 생산 정을 통해 접근할 수 있다. 상기 생산 정은 탄화수소-함유 지층으로부터 지표(surface location)로 탄화수소 유체의 생산을 허용한다. 상기 탄화수소-함유 지층은 또한 개별 주입 정을 통해 접근할 수 있다. 상기 주입 정은 상기 탄화수소-함유 지층으로 EOR 유체의 도입을 허용하여, 상기 탄화수소 유체의 회수를 향상시킨다.
*탄화수소 유체로부터 상기 수반 가스를 사용하여 탄화수소 유체 회수를 향상시키는 방법은 상기 생산 정을 사용하여 상기 탄화수소-함유 지층으로부터 탄화수소 유체를 생산하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 생산된 탄화수소 유체로부터 상기 수반 가스를 분리하기 위한 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 SOFC 시스템으로 상기 수반 가스를 도입시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 정제된 이산화탄소 생산물을 생산하기 위해 상기 SOFC 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 주입 정을 통해 상기 탄화수소-함유 지층으로 정제된 이산화탄소 생산물을 도입시키는 단계를 포함한다.
지지 장비 (Supporting equipment)
구현 예는 기재된 장치, 공정, 방법 및 시스템을 작동가능하게 할 수 있고 만들 수 있는 다수의 부가적인 표준 성분들 또는 장비를 포함한다. 기술분야의 당업자에게 알려진 이러한 표준 장비의 예로는 열교환, 펌프, 송풍기, 재가열기, 스팀 발생, 응축액 조작, 막, 단일 및 다-단계 압축기, 분리 및 분획 장비, 밸브, 스위치, 조절기 및 압력-, 온도-, 수준- 및 흐름-센싱 장치를 포함한다.
공정 또는 방법의 일부 또는 전체 단계의 작동, 조절 및 성능은 사람의 상호작용, 미리-프로그램된 컴퓨터 조절 및 반응 시스템, 또는 이의 조합을 통하여 발생할 수 있다.
특정 구현 예의 실시 예들은 고체산화물 연료전지 시스템 및 공정의 더 나은 이해를 가능하게 한다. 하기 실시 예는 본 발명의 범주를 제한 또는 한정하지 않는다.
실시 예
표 1-4는 도 1에 나타낸 상기 SOFC 시스템의 일부에 대한 몇 가지 ASPEN 공정 시뮬레이터 (Aspen Technologies; Burlington, Mass.) 모델링 결과를 나타낸다. 구체적으로, 상기 시뮬레이션은 탈황 공정 가스 조성물, 개질 온도, 및 SCR을 포함하는, 다양한 조건에서 예비-개질기의 거동을 만든다. 상기 모델은 예상된 개질된 공정 가스 조성물을 나타낸다. 수학 식 1은 각 모델링 시뮬레이션에 대한 SCR 값을 결정하기 위한 기초이다. 수학 식 2는 각각 예상된 개질된 공정 가스 조성물에 대한 MSR의 값을 결정하기 위한 기초이다. 표 1-4는 건조 몰 퍼센트에 기초하여 유입된 및 생산된 값을 나타낸다.
제공된 탈황 공정 가스 조성물 공급원에 대한 3개의 다른 스팀-대-탄소 비 (SCR)에 따라 300 ℃의 SOFC 시스템에서 작동하는 예비-개질기를 사용하여 형성된 3개의 예상된 개질된 공정 가스 조성물.
예비-개질기 입구 및 출구 조성물
건조 mole % 기준; 온도 = 300 ℃
　 탈황 공정 가스 조성물 개질된 공정 가스 조성물
SCR: 　 0.5 1.0 1.5
　 　 　 　 　
성분 mole % mole % mole % mole %
C2H4 56.87 87.89 86.80 85.94
C2H6 22.79 0.00 0.00 0.00
C3H8 12.38 0.00 0.00 0.00
C4H10 4.27 0.00 0.00 0.00
C5H12 1.63 0.00 0.00 0.00
CO 0.00 0.03 0.01 0.01
CO2 0.42 10.36 10.51 10.62
H2 0.00 0.75 1.71 2.46
H2S 0.00 0.00 0.00 0.00
N2 1.64 0.98 0.97 0.96
S 0.00 0.00 0.00 0.00
　 　 　 　 　
MSR: 　 0.99 0.98 0.97
제공된 탈황 공정 가스 조성물 공급원에 대한 3개의 다른 스팀-대-탄소 비 (SCR)에 따라 300 ℃의 SOFC 시스템에서 작동하는 예비-개질기를 사용하여 형성된 3개의 예상된 개질된 공정 가스 조성물.
예비-개질기 입구 및 출구 조성물
건조 mole % 기준; 온도 = 300 ℃
　 탈황 공정 가스 조성물 개질된 공정 가스 조성물
SCR: 　 0.5 1.0 1.5
　 　 　 　 　
성분 mole % mole % mole % mole %
C2H4 59.73 87.56 86.47 85.59
C2H6 19.81 0.00 0.00 0.00
C3H8 11.17 0.00 0.00 0.00
C4H10 4.41 0.00 0.00 0.00
C5H12 1.90 0.00 0.00 0.00
CO 0.00 0.02 0.01 0.01
CO2 0.45 10.04 10.19 10.31
H2 0.00 0.82 1.79 2.57
H2S 0.00 0.00 0.00 0.00
N2 2.54 1.55 1.53 1.52
S 0.00 0.00 0.00 0.00
　 　 　 　 　
MSR: 　 0.99 0.98 0.97
제공된 탈황 공정 가스 조성물 공급원에 대한 3개의 다른 스팀-대-탄소 비 (SCR)에 따라 400 ℃의 SOFC 시스템에서 작동하는 예비-개질기를 사용하여 형성된 3개의 예상된 개질된 공정 가스 조성물.
예비-개질기 입구 및 출구 조성물
건조 mole % 기준; 온도 = 400 ℃
　 탈황 공정 가스 조성물 개질된 공정 가스 조성물
SCR: 　 0.5 1.0 1.5
　 　 　 　 　
성분 mole % mole % mole % mole %
C2H4 56.87 85.58 81.79 78.98
C2H6 22.79 0.01 0.00 0.00
C3H8 12.38 0.00 0.00 0.00
C4H10 4.27 0.00 0.00 0.00
C5H12 1.63 0.00 0.00 0.00
CO 0.00 0.35 0.19 0.16
CO2 0.42 10.41 11.02 11.41
H2 0.00 2.70 6.07 8.55
H2S 0.00 0.00 0.00 0.00
N2 1.64 0.96 0.93 0.90
S 0.00 0.00 0.00 0.00
　 　 　 　 　
MSR: 　 0.97 0.93 0.90
제공된 탈황 공정 가스 조성물 공급원에 대한 3개의 다른 스팀-대-탄소 비 (SCR)에 따라 400 ℃의 SOFC 시스템에서 작동하는 예비-개질기를 사용하여 형성된 3개의 예상된 개질된 공정 가스 조성물.
예비-개질기 입구 및 출구 조성물
건조 mole % 기준; 온도 = 400 ℃
　 탈황 공정 가스 조성물 개질된 공정 가스 조성물
SCR: 　 0.5 1.0 1.5
　 　 　 　 　
성분 mole % mole % mole % mole %
C2H4 59.73 85.05 81.26 78.40
C2H6 19.81 0.01 0.00 0.00
C3H8 11.17 0.00 0.00 0.00
C4H10 4.41 0.00 0.00 0.00
C5H12 1.90 0.00 0.00 0.00
CO 0.00 0.31 0.18 0.15
CO2 0.45 10.14 10.75 11.15
H2 0.00 2.97 6.35 8.87
H2S 0.00 0.00 0.00 0.00
N2 2.54 1.51 1.46 1.42
S 0.00 0.00 0.00 0.00
　 　 　 　 　
MSR: 　 0.96 0.93 0.90
4: 응축액 제거 시스템 10: 산 가스 제거 시스템
16: CO2 공정 시스템 20: 수소화탈황 시스템
24: CO2 분리 시스템 26: 흡착제 층
30: 예비-개질기 36: 애노드
42: 캐소드 50: 수성가스 전환 반응기
100: SOFC 시스템

Claims (32)

  1. 생산 정(production well, 生産 井)을 사용하여 탄화수소-함유 지층(hydrocarbon-bearing formation)으로부터 탄화수소 유체를 생산하는 단계, 상기 탄화수소-함유 지층은 생산 유정(wellhead)에서 상기 생산 정을 통해서 접근 가능하며, 상기 생산 정은 상기 탄화수소-함유 지층으로부터 지표(surface location)로의 탄화수소 유체의 생산을 가능하게 함;
    상기 생산된 탄화수소 유체로부터 유정 분리기(wellhead separator)를 이용하여 수반 가스를 분리시켜 증기 탄화수소 공급원을 생산하는 단계, 상기 수반 가스는 생산된 원유 및 액체 응축액으로부터 분리됨;
    고체산화물 연료전지 (SOFC) 시스템으로 증기 탄화수소 공급원을 도입시키는 단계;
    상기 SOFC 시스템의 예비-개질기로 스팀을 도입시키는 단계; 및
    상기 증기 탄화수소 공급원이 산 가스 제거 시스템을 통해서 통과되며, 스위트 공정 가스가 상기 산 가스 제거 시스템에서 형성되고 수소화탈황 시스템으로 통과되며; 제1의 이산화탄소-풍부 가스가 상기 산 가스 제거 시스템에서 형성되고 CO2 공정 시스템으로 통과되며; 상기 수소화탈황 시스템에서 탈황 공정 가스가 형성되고 예비-개질기로 통과되며; 예비-개질 촉매 존재하에서 상기 탈황 공정 가스 내의 비-메탄 알칸을 메탄 및 탄소산화물로 전환시켜 개질된 공정 가스가 상기 예비-개질기에서 형성되고, 여기서 비-메탄 알칸으로부터 메탄 및 이산화탄소로 우선적으로 개질시킴으로써 상기 개질된 공정 가스에는 메탄 및 이산화탄소가 풍부한 한편 수소 및 일산화탄소가 희박하며; 상기 개질된 공정 가스는 0.90 내지 0.99 범위의 메탄 선택도를 가지며; 상기 개질된 공정 가스가 상기 예비-개질기로부터 상기 고체산화물 연료전지로 통과되며; 상기 고체 산화물 연료전지는 잉여 전력을 생산하며; 상기 개질된 공정 가스 내의 메탄을 이산화탄소로 전환시켜 상기 고체 산화물 연료전지에서 애노드 오프-가스가 형성되며; 상기 고체산화물 연료전지로부터 나가는 애노드 오프-가스는 수성가스 전환 반응기로 직접 흐르고 수성가스 전환 반응기에 의해 개선되어 상기 고체산화물 연료전지로부터 나가는 애노드 오프-가스에서 이산화탄소의 조성물 퍼센트를 증가시키고; 일산화탄소 및 물을 이산화탄소 및 수소로 전환시킴으로써 상기 수성가스 전환 반응기에서 전환된 오프-가스가 형성되며; 상기 전환된 오프-가스는 CO2 분리 시스템으로 통과되며; 제2의 이산화탄소-풍부 가스가 상기 CO2 분리 시스템에서 형성되며; 상기 제2의 이산화탄소-풍부 가스는 몰 기준으로 적어도 95%의 이산화탄소를 가지며; 상기 CO2 분리 시스템에서 수소-풍부 재순환 가스가 형성되고 상기 수소화탈황 시스템으로 통과되며; 상기 제2의 이산화탄소-풍부 가스가 상기 CO2 공정 시스템으로 통과되며; 그리고 상기 CO2 공정 시스템이 몰 기준으로 적어도 98% 이산화탄소를 갖는 정제된 이산화탄소 생산물을 생산하도록, 상기 SOFC 시스템을 작동시키는 단계,
    여기서 상기 SOFC 시스템은 상기 증기 탄화수소 공급원을 수용하고, 석유 고차 회수(EOR)를 위한 정제된 이산화탄소 생산물 및 잉여 전력을 생산하도록 작동가능하며, 여기서 상기 SOFC 시스템은 산 가스 제거 시스템, 수소화탈황 시스템, 예비-개질기, 고체산화물 연료전지, 수성가스 전환 반응기, CO2 분리 시스템, 및 CO2 공정 시스템을 포함하며, 여기서 상기 산 가스 제거 시스템은 상기 수소화탈황 시스템의 상류측 및 상기 CO2 공정 시스템의 상류측으로 유체 연통하게 연결되며(fluidly coupled), 여기서 상기 수소화탈황 시스템은 상기 예비-개질기의 상류측으로 유체 연통하게 연결되며, 여기서, 상기 예비-개질기는 상기 고체산화물 연료전지의 상류측으로 유체 연통하게 연결되며, 상기 탈황 공정 가스를 수용하고 활성 금속 예비-개질 촉매의 존재하에서 스팀을 사용하여 상기 비-메탄 알칸을 메탄 및 탄소산화물로 전환되도록 작동가능하며, 상기 고체산화물 연료전지는 상기 수성가스 전환 반응기의 상류측으로 유체 연통하게 연결되고 전력을 생산하도록 작동가능하며, 여기서 상기 수성가스 전환 반응기는 상기 CO2 분리 시스템의 상류측으로 유체 연통하게 연결되며, 그리고 여기서 상기 CO2 분리 시스템은 상기 CO2 공정 시스템의 상류측 및 상기 수소화탈황 시스템의 상류측으로 유체 연통하게 연결됨; 및
    주입 정(injection well)을 사용하여 탄화수소-함유 지층으로 상기 정제된 이산화탄소 생산물을 도입시키는 단계;
    를 포함하고;
    여기서 상기 탄화수소-함유 지층은 상기 주입 정을 통해서 접근 가능하며, 상기 주입 정은 상기 석유 고차 회수 유체를 상기 탄화수소-함유 지층 내로 도입시키는 것을 가능하게 하며,
    여기서, 상기 탄화수소-함유 지층은 상기 탄화수소 유체를 함유하고, 상기 생산 정 및 상기 주입 정을 통하여 개별적으로 접근 가능하며, 여기서 상기 탄화수소 유체의 일부는 상기 증기 탄화수소 공급원을 포함하는,
    SOFC 시스템을 이용하여 증기 탄화수소 공급원으로부터 잉여 전력 및 석유 고차 회수 (EOR)를 위한 정제된 이산화탄소 생산물을 제조하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 도입 스팀은 과열 스팀이고, 250 ℃ 내지 500 ℃ 범위의 온도 및 8 bars 내지 12 bars 범위의 압력을 갖는 정제된 이산화탄소 생산물을 제조하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 탈황 공정 가스는 200 ℃ 내지 450 ℃ 범위의 온도를 갖는 정제된 이산화탄소 생산물을 제조하는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 도입 스팀 대 상기 도입 탈황 공정 가스의 스팀-대-탄소 비 (SCR)는 1.5 내지 3.0 범위인 정제된 이산화탄소 생산물을 제조하는 방법.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 탈황 공정 가스는, 상기 탈황 공정 가스의 건조 기준으로 각각, 조성물의 51 내지 66 몰 퍼센트 범위의 메탄 및 상기 조성물의 33 내지 45 몰 퍼센트 범위의 비-메탄 알칸을 포함하는 정제된 이산화탄소 생산물을 제조하는 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 탈황 공정 가스는 1.0 내지 2.0의 범위에서 메탄 대 비-메탄 알칸의 몰 퍼센트 비를 갖는 정제된 이산화탄소 생산물을 제조하는 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 개질된 공정 가스는, 상기 개질된 공정 가스의 건조 기준으로 각각, 조성물의 78 내지 88 몰 퍼센트 범위의 메탄, 상기 조성물의 9 내지 12 몰 퍼센트 범위의 탄소산화물, 및 상기 조성물의 0.5 내지 10 몰 퍼센트 범위의 수소를 포함하는 정제된 이산화탄소 생산물을 제조하는 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 개질된 공정 가스는 몰 기준으로 비-메탄 알칸을 함유하지 않는 정제된 이산화탄소 생산물을 제조하는 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 개질된 공정 가스는 몰 기준으로 황 및 황-함유 화합물을 함유하지 않는 정제된 이산화탄소 생산물을 제조하는 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 정제된 이산화탄소 생산물은 몰 기준으로 비-이산화탄소 성분을 함유하지 않는 정제된 이산화탄소 생산물을 제조하는 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 증기 탄화수소 공급원으로부터 석유 고차 회수 (EOR)를 위한 정제된 이산화탄소 생산물 및 잉여 전력을 제조하는 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템으로서,
    탄화수소-함유 지층에 위치된 생산 정, 상기 탄화수소-함유 지층은 생산 유정에서 상기 생산 정을 통해서 접근 가능하며, 여기서 상기 생산 정은 상기 탄화수소-함유 지층으로부터 지표로의 탄화수소 유체의 생산을 가능하게 함;
    증기 탄화수소 공급원으로부터 고급-탄소 화합물을 분리시켜 건성 사워 가스가 형성되도록 작동가능한 응축액 제거 시스템;
    상기 응축액 제거 시스템에 유체 연통하게 연결되고, 상기 건성 사워 가스로부터 황화수소를 추출하여 건성 스위트 가스가 형성되고 상기 건성 사워 가스로부터 이산화탄소를 추출하여 제1의 이산화탄소-풍부 가스가 형성되도록 작동가능한 산 가스 제거 시스템;
    상기 산 가스 제거 시스템 및 CO2 분리 시스템에 유체 연통하게 연결되고, 수소화처리 촉매의 존재하에서 상기 CO2 분리 시스템에 형성된 수소-풍부 재순환 가스로부터 수소를 사용하여 상기 건성 스위트 가스 내의 이종유기 화합물을 수착층 물질 상에 흡착되는 화합물로 전환시켜 처리된 공정 가스가 형성되도록 작동가능한 수소화탈황 시스템;
    상기 수소화탈황 시스템에 유체 연통하게 연결되고, 상기 처리된 공정 가스로부터 상기 수착층 물질 상에 흡착되는 화합물을 추출하여 탈황 공정 가스가 형성되도록 작동가능한 수착층 시스템;
    상기 수착층 시스템에 유체 연통하게 연결되고, 활성 예비-개질 촉매의 존재하에서 스팀을 사용하여 상기 탈황 공정 가스 내의 비-메탄 알칸을 메탄 및 탄소산화물로 전환시켜 개질된 공정 가스가 형성되도록 작동가능한 예비-개질기, 여기서 비-메탄 알칸으로부터 메탄 및 이산화탄소로 우선적으로 개질시킴으로써 상기 개질된 공정 가스에는 메탄 및 이산화탄소가 풍부한 한편 수소 및 일산화탄소가 희박하며, 상기 개질된 공정 가스는 0.90 내지 0.99 범위의 메탄 선택도를 가짐;
    상기 예비-개질기에 유체 연통하게 연결되고, 개질 촉매 및 전기화학적 전환 촉매의 존재하에서 산소를 사용하여 상기 개질된 공정 가스 내의 메탄을 이산화탄소 및 물로 전환시켜 애노드 오프-가스가 형성되도록 작동가능하며 전력을 생산하는 고체산화물 연료전지;
    애노드 오프-가스 도관에 의해 상기 고체산화물 연료전지에 직접 유동 연결되며, 애노드 오프-가스 내의 이산화탄소 조성물 퍼센트를 증가시키는 수성가스 전환 반응기;
    상기 수성가스 전환 반응기에 유체 연통하게 연결되고, 상기 애노드 오프-가스로부터 이산화탄소를 추출하여 제2의 이산화탄소-풍부 가스가 형성되고, 상기 애노드 오프-가스로부터 수소를 추출하여 수소-풍부 재순환 가스가 형성되도록 작동가능한 CO2 분리 시스템, 여기서 상기 제2의 이산화탄소-풍부 가스는 몰 기준으로 적어도 95%의 이산화탄소를 가짐;
    상기 CO2 분리 시스템 및 산 가스 제거 시스템에 유체 연통하게 연결되고, 상기 제1의 이산화탄소-풍부 가스 및 제2의 이산화탄소-풍부 가스로부터 물을 추출하여 상기 정제된 이산화탄소 생산물을 형성하도록 작동가능한 CO2 공정 시스템, 여기서 상기 정제된 이산화탄소 생산물은 몰 기준으로 적어도 98% 이산화탄소를 가짐; 및
    주입 정;
    을 포함하고,
    상기 탄화수소-함유 지층은 상기 주입 정을 통해서 접근 가능하며, 상기 주입 정은 석유 고차 회수 유체를 상기 탄화수소-함유 지층 내로 도입시키는 것을 가능하게 하며,
    여기서 상기 SOFC 시스템은 상기 고체산화물 연료전지에 의해 생산된 전력으로부터 잉여 전력을 생산하도록 작동가능한,
    증기 탄화수소 공급원으로부터 석유 고차 회수 (EOR)를 위한 정제된 이산화탄소 생산물 및 잉여 전력을 제조하는 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 응축액 제거 시스템은 상기 증기 탄화수소 공급원으로부터 고급-탄소 화합물을 분리시키기 위해 극저온 냉각 액체를 활용하는 정제된 이산화탄소 생산물을 제조하는 SOFC 시스템.
  19. 청구항 15에 있어서,
    상기 응축액 제거 시스템은 상기 증기 탄화수소 공급원으로부터 고급-탄소 화합물을 분리시키기 위해 흡수-추출 공정을 활용하는 정제된 이산화탄소 생산물을 제조하는 SOFC 시스템.
  20. 청구항 15에 있어서,
    상기 산 가스 제거 시스템은 황화수소를 추출하기 위해 반응성 액체를 활용하는 정제된 이산화탄소 생산물을 제조하는 SOFC 시스템.
  21. 청구항 15에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지의 애노드 측은 메탄의 간접 내부 개질을 위해 작동가능한 정제된 이산화탄소 생산물을 제조하는 SOFC 시스템.
  22. 청구항 15에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지의 애노드 측은 메탄의 직접 내부 개질을 위해 작동가능한 정제된 이산화탄소 생산물을 제조하는 SOFC 시스템.
  23. 청구항 15에 있어서,
    상기 CO2 분리 시스템은 이산화탄소를 분리하기 위해 압력 변동 흡착(pressure swing adsorption)을 활용하는 정제된 이산화탄소 생산물을 제조하는 SOFC 시스템.
  24. 청구항 15에 있어서,
    상기 CO2 공정 시스템은 상기 정제된 이산화탄소 생산물이 액화되도록 부가적으로 작동가능한 정제된 이산화탄소 생산물을 제조하는 SOFC 시스템.
  25. 청구항 15에 있어서,
    상기 증기 탄화수소 공급원은 수반 가스인 정제된 이산화탄소 생산물을 제조하는 SOFC 시스템.
  26. 생산 정을 사용하여 탄화수소-함유 지층으로부터 탄화수소 유체를 생산하는 단계, 상기 탄화수소-함유 지층은 생산 유정에서 상기 생산 정을 통해서 접근 가능하며, 상기 생산 정은 상기 탄화수소-함유 지층으로부터 지표로의 탄화수소 유체의 생산을 가능하게 함;
    상기 생산된 탄화수소 유체로부터 수반 가스를 분리하여 공정 가스를 생산하는 단계;
    산 가스 제거 시스템에 의해 상기 공정 가스로부터 스위트 공정 가스를 형성하는 단계;
    수소화탈황 시스템에 의해 상기 스위트 공정 가스를 탈황시키는 단계;
    상기 탈황된 공정 가스를 예비-개질기로 도입시키는 단계, 상기 탈황 공정 가스는 200 ℃ 내지 450 ℃의 온도 범위를 가지며, 상기 탈황 공정 가스의 건조 기준으로 각각, 조성물의 51 내지 66 몰 퍼센트 범위의 메탄 및 상기 조성물의 33 내지 45 몰 퍼센트 범위의 비-메탄 알칸을 포함함;
    상기 예비-개질기로 과열 스팀을 도입시키는 단계, 상기 과열 스팀은 250 ℃ 내지 500 ℃ 범위의 온도 및 8 bars 내지 12 bars 범위의 압력을 가지며, 상기 도입 과열 스팀 대 상기 도입 탈황 공정 가스의 스팀-대-탄소 비 (SCR)가 0.5 내지 1.5의 범위임;
    개질된 공정 가스가 상기 탈황 공정 가스 및 상기 과열 스팀으로부터 형성되고, 여기서 비-메탄 알칸으로부터 메탄 및 이산화탄소로 우선적으로 개질시킴으로써 상기 개질된 공정 가스에는 메탄 및 이산화탄소가 풍부한 한편 수소 및 일산화탄소가 희박하며, 상기 개질된 공정 가스가 상기 개질된 공정 가스의 건조 기준으로 각각, 상기 조성물의 78 내지 88 몰 퍼센트 범위의 메탄, 상기 조성물의 9 내지 12 몰 퍼센트 범위의 탄소산화물, 및 상기 조성물의 0.5 내지 10 몰 퍼센트 범위의 수소를 포함하도록, 상기 예비-개질기를 작동시키는 단계,
    여기서 상기 개질된 공정 가스는 0.90 내지 0.99 범위의 메탄 선택도를 가지며, 여기서 상기 예비-개질기는 고체산화물 연료전지의 상류측에 유체 연통하게 연결되며, 활성 금속 예비-개질 촉매 존재하에서 스팀을 사용하여 상기 비-메탄 알칸을 메탄 및 탄소산화물로 전환되도록 작동가능함;
    상기 고체산화물 연료전지로부터 나가는 가스는 수성가스 전환 반응기로 직접 흐르고 수성가스 전환 반응기에 의해 개선되어 상기 고체산화물 연료전지로부터 나가는 가스에서 이산화탄소의 조성물 퍼센트를 증가시켜 전환된 오프-가스를 형성하는 단계;
    상기 전환된 오프-가스를 CO2 분리 시스템에 도입시켜 이산화탄소-풍부 가스 및 수소-풍부 재순환 가스를 형성하는 단계, 여기서 상기 이산화탄소-풍부 가스는 몰 기준으로 적어도 95%의 이산화탄소를 가짐;
    상기 수소-풍부 재순환 가스를 상기 수소화탈황 시스템으로 도입시키는 단계;
    상기 CO2 분리 시스템으로부터의 이산화탄소-풍부 가스 및 상기 산 가스 제거 시스템으로부터 추출된 이산화탄소 모두를 CO2 공정 시스템으로 도입시켜 정제된 이산화탄소 생산물을 형성하는 단계, 여기서 상기 정제된 이산화탄소 생산물은 몰 기준으로 적어도 98%의 이산화탄소를 가짐; 및
    주입 정을 사용하여 탄화수소-함유 지층으로, 상기 탄소산화물로부터 생산된, 상기 정제된 이산화탄소 생산물을 도입시키는 단계;
    를 포함하고;
    여기서 상기 탄화수소-함유 지층은 상기 주입 정을 통해서 접근 가능하며, 상기 주입 정은 석유 고차 회수 유체를 상기 탄화수소-함유 지층 내로 도입시키는 것을 가능하게 하며,
    여기서, 상기 탄화수소-함유 지층은 상기 탄화수소 유체를 함유하고, 상기 생산 정 및 상기 주입 정을 통하여 개별적으로 접근 가능하며, 여기서 상기 탄화수소 유체의 일부는 상기 공정 가스를 포함하는,
    고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템을 이용하여 증기 탄화수소 공급원으로부터 잉여 전력 및 석유 고차 회수 (EOR)를 위한 정제된 이산화탄소 생산물을 제조하는 방법.
  27. 청구항 26에 있어서,
    상기 예비-개질기를 작동시키는 단계는 상기 예비-개질기를 단열적으로 작동시키는 단계를 더욱 포함하는 정제된 이산화탄소 생산물을 제조하는 방법.
  28. 청구항 26 또는 27에 있어서,
    상기 생산된 개질된 공정 가스의 온도는 상기 도입 탈황 공정 가스의 온도보다 낮은 55 ℃ 내지 80 ℃ 범위인 정제된 이산화탄소 생산물을 제조하는 방법.
  29. 청구항 26 또는 27에 있어서,
    상기 탈황 공정 가스에서 메탄 대 비-메탄 알칸의 몰 퍼센트 비는 1.0 내지 2.0 범위인 정제된 이산화탄소 생산물을 제조하는 방법.
  30. 청구항 26 또는 27에 있어서,
    상기 개질된 공정 가스는 상기 조성물의 건조 기준으로 적어도 10 몰 퍼센트의 이산화탄소를 포함하는 정제된 이산화탄소 생산물을 제조하는 방법.
  31. 청구항 26 또는 27에 있어서,
    상기 개질된 공정 가스는 몰 기준으로 비-메탄 알칸을 함유하지 않는 정제된 이산화탄소 생산물을 제조하는 방법.
  32. 청구항 26 또는 27에 있어서,
    상기 개질된 공정 가스는 몰 기준으로 황 및 황-함유 화합물을 함유하지 않는 정제된 이산화탄소 생산물을 제조하는 방법.
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