KR102027584B1 - 기체 처리용 용매를 냉각시키는 시스템 및 방법 - Google Patents

기체 처리용 용매를 냉각시키는 시스템 및 방법 Download PDF

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조지 프레데릭 프레이
찰스 마틴 미첼
폴 윌리암 플럼머
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

본 발명의 실시양태들은 공기 분리 유니트(12)로부터의 유체 유동(30, 32)을 사용하는 기체 처리 시스템(14)의 용매(15, 86, 222, 314)의 냉각에 관한 것이다. 한 실시양태에서, 공기 분리 유니트(12)를 포함하는 시스템(10)이 제공된다. 공기 분리 유니트(12)는 공기 유동(18)을 수용하도록 구성된 공기 입구(22), 산소 유동(152, 226, 352, 354)을 유출하도록 구성된 산소 출구(30), 질소 유동(150, 226, 318, 324)을 유출하도록 구성된 질소 출구(32), 및 공기 유동(18)을 냉각시켜 상기 공기 유동(18)이 산소 유동(30)과 질소 유동(32)으로 분리될 수 있도록 구성된 냉각 시스템(24, 210, 280, 340)을 갖되, 상기 냉각 시스템(24, 210, 280, 340)은 제1 기체 처리 시스템(14)의 제1 용매(15, 86, 222, 314)를 냉각시키도록 구성된다.

Description

기체 처리용 용매를 냉각시키는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR COOLING A SOLVENT FOR GAS TREATMENT}
본 발명은 기체 처리 시스템, 예컨대, 기화(gasification) 시스템에서의 산 기체 제거(AGR) 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 기체 처리 시스템에 사용되는 용매의 냉각에 관한 것이다.
합성기체(syngas)는 공급원료, 예컨대, 석탄의 기화에 의해 생성될 수 있고 복합 발전소에서 연료로서 사용될 수 있다. 합성기체는 일반적으로 일산화탄소와 수소의 기체 혼합물뿐만 아니라 소량의 염화수소, 불화수소, 암모니아 및 다른 기체를 포함할 수 있다. 합성기체는 공급원료의 유기물 함량에 따라 다양한 양의 산 기체, 예컨대, 황화수소 및 이산화탄소를 포함할 수 있다. 공기 오염 및 환경적 비용을 감소시키기 위해, 합성기체는 복합 발전소 내에서의 연소 전에 산 기체를 제거하도록 세정되거나 "정화될" 필요가 있을 수 있다. 산 기체 제거 공정은 합성기체로부터의 산 기체의 흡수를 용이하게 하기 위해 냉각되는 물리적 용매의 사용을 포함할 수 있다. 불운하게도, 냉각 요구는 AGR 시스템의 비용을 증가시킨다.
원래 청구된 발명과 범위가 같은 일부 실시양태들이 이하에 요약되어 있다. 이 실시양태들은 청구된 발명의 범위를 한정하기 위한 것이 아니고, 오히려 이 실시양태들은 본 발명의 가능한 형태의 간단한 요약을 제공하기 위한 것일 뿐이다. 실제로, 본 발명은 이하에 기재된 실시양태들과 유사하거나 상이할 수 있는 다양한 형태를 포괄할 수 있다.
제1 실시양태에서, 시스템은 공기 분리 유니트(unit)를 포함한다. 공기 분리 유니트는 공기 유동을 수용하도록 구성된 공기 입구, 및 산소 유동을 유출하도록 구성된 산소 출구 및 질소 유동을 유출하도록 구성된 질소 출구를 갖는다. 공기 분리 유니트는 공기 유동을 냉각시켜 공기 유동이 산소 유동과 질소 유동으로 분리될 수 있도록 구성된 냉각 시스템을 갖고, 상기 냉각 시스템은 제1 기체 처리 시스템의 제1 용매를 냉각시키도록 구성된다.
제2 실시양태에서, 시스템은 제1 기체 처리 시스템을 포함한다. 제1 기체 처리 시스템은 제1 미처리된 기체 유동을 수용하도록 구성된 제1 기체 입구 및 제1 처리된 기체 유동을 유출하도록 구성된 제1 기체 출구를 갖는다. 또한, 제1 기체 처리 시스템은 제1 기체 입구 및 제1 기체 출구에 커플링된 제1 용매-기반 처리 시스템을 갖되, 이때 상기 제1 용매-기반 처리 시스템은 제1 용매를 사용하여 제1 미처리된 기체 유동으로부터 하나 이상의 불순물을 제거하여 제1 처리된 기체 유동을 생성하도록 구성된다. 제1 기체 처리 시스템은 제1 용매-기반 처리 시스템에 커플링된 제1 냉각 시스템도 갖는데, 이때 상기 냉각 처리 시스템은 제1 공기 분리 유니트로부터 제1 냉각제를 수용하도록 구성된 제1 냉각제 입구를 포함한다.
제3 실시양태에서, 방법은 용매-기반 기체 처리 시스템과 공기 분리 유니트 사이에 유체 유동을 순환시키는 것을 포함한다. 상기 방법은 상기 유체 유동의 순환을 통해 상기 용매-기반 기체 처리 시스템의 용매를 냉각시키는 것을 추가로 포함한다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들, 양태들 및 이점들은 하기 상세한 설명이 첨부된 도면을 참조하면서 읽혀질 때 더 잘 이해될 것이고, 상기 도면에서 유사한 부호는 도면 전체에 걸쳐 유사한 부분을 나타낸다.
도 1은 공기 분리 유니트, 기체 처리 시스템 및 제어기(controller)를 갖는 시스템의 한 실시양태의 도면으로서, 상기 공기 분리 유니트의 냉각 시스템과 상기 기체 처리 시스템 사이의 유체 유동을 보여주는 도면이고;
도 2는 공기 분리 유니트, 기체 처리 시스템 및 제어기를 갖는 시스템의 한 실시양태의 도면으로서, 상기 기체 처리 시스템과 상기 공기 분리 유니트의 냉각 시스템 사이의 용매 유동을 보여주는 도면이고;
도 3은 공기 분리 유니트로부터 냉각제를 각각 수용하는 제1 기체 처리 시스템 및 제2 기체 처리 시스템의 한 실시양태의 도면이고;
도 4는 기체 처리 시스템용 용매를 냉각시키기 위해 액화된 기체를 사용하는 냉각 시스템의 한 실시양태의 도면이고;
도 5는 기체 처리용 용매를 냉각시키기 위해 액체 질소를 사용하는 냉각 시스템의 한 실시양태의 도면이고;
도 6은 기체 처리 시스템용 용매를 냉각시키기 위해 액체 산소를 사용하는 냉각 시스템의 한 실시양태의 도면이고;
도 7은 용매를 냉각시키기 위해 공기 분리 유니트로부터의 액화된 기체 유동을 사용하는 제1 기체 처리 시스템 및 제2 기체 처리 시스템의 한 실시양태의 도면이다.
본 발명의 하나 이상의 구체적인 실시양태가 이하에 기재될 것이다. 이 실시양태들의 간결한 설명을 제공하기 위한 노력에서, 실제 실시의 모든 특징들이 본 명세서에 기재되어 있지 않을 수 있다. 임의의 공학 또는 디자인 프로젝트에서와 같이 임의의 그러한 실제 실시의 개발에 있어서 실시마다 변경될 수 있는 시스템-관련된 구속 및 사업-관련된 구속에의 순응과 같은 개발자의 특정 목적을 달성하기 위해 다수의 실시-특이적 결정이 이루어져야 한다. 뿐만 아니라, 이러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적일 수 있으나, 그럼에도 불구하고 본 개시내용의 이점을 갖는 당업자에게는 디자인, 제작 및 제조의 상용적 착수가 될 것임을 인식해야 한다.
본 발명의 다양한 실시양태들의 요소들을 도입할 때, 단수형은 하나 이상의 요소들이 존재함을 의미하기 위한 것이다. 용어 "포함하는", "비롯한" 및 "갖는"은 나열된 요소들 이외에 추가의 요소들이 존재할 수 있음을 포함하고 의미하기 위한 것이다.
본 개시내용은 공기 분리 유니트(ASU)로부터의 유체 유동을 사용하여 기체 처리 시스템의 물리적 용매를 냉각시키는 기술에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시내용의 실시양태들은 산 기체 제거 공정에서의 냉각 및 공기 분리 유니트에서의 가열/증기화를 위한 요건들을 통합한다. 일반적 예로서, 공기 분리 유니트에서의 유체 유동은 산 기체 제거에서 사용되는 물리적 용매를 냉각시켜 산 기체의 물리적 흡수를 개선시키는 데 사용될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "산 기체"는 산 기체 황화수소 및 이산화탄소뿐만 아니라 다른 황 함유 화합물도 포함하나 이들로 한정되지 않는다. 용어 "물리적 흡수"는 화학적 반응을 통해서가 아니라 물리적 특성에 의해 합성기체 스트림으로부터 선택된 성분을 흡수하는 용매를 통한 흡수를 의미한다. 용어 "ASU 유체 유동"은 공기 분리 유니트 내의 임의의 극저온 스트림, 예컨대, 액체 공기, 액체 산소, 액체 질소 또는 희석 질소를 포함하나 이들로 한정되지 않거나, 또는 상기 용어는 증기화된 스트림, 예컨대, 증기화된 질소, 증기화된 산소 또는 증기화된 공기를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, ASU 유체 유동은 ASU 내부에, 기체 처리 시스템 내부에, 또는 ASU와 기체 처리 시스템 사이에 존재하는, 기체 처리 시스템(예를 들면, AGR 시스템)용 (즉, 냉각된) 용매 유동과 열을 교환할 수 있다.
도 1은 공기 분리 유니트(12) 및 기체 처리 시스템(14)을 포함하는 시스템(10)의 실시양태의 도면이다. 이하에 추가로 논의되어 있는 바와 같이, 공기 분리 유니트(12) 및 기체 처리 시스템(14)은 상기 공기 분리 유니트(12)와 상기 기체 처리 시스템(14) 사이에 유체 유동(15)을 교환하여 상기 기체 처리 시스템(14)의 물리적 용매를 냉각시키도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 유체 유동(15)은 ASU 유체 유동, 용매 유동, 또는 ASU 유체 또는 용매 이외의 다른 중간 유체 유동을 포함할 수 있다. ASU 유체는 ASU 냉각제 및 ASU 극저온 유체, 또는 액화된 기체, 예컨대, 액화된 질소, 액화된 산소 또는 액화된 공기를 포함할 수 있다. 제어기(16)는 상이한 유속을 제어하여 열 전달을 제어함으로써 물리적 용매를 냉각시키는 데 기여할 수 있다. 이하에 추가로 상세히 논의되어 있는 바와 같이, 물리적 용매를 냉각시키기 위한 열 교환은 기체 처리 시스템(14) 내의 공기 분리 유니트(12) 내에 위치할 수 있거나, 공기 분리 유니트(12)와 기체 처리 시스템(14) 사이에 위치할 수 있다. 예를 들면, 기체 처리 시스템(14)은 용매를 ASU(12)로 전달할 수 있고, 이때 ASU 유체는 상기 용매로부터 열을 전달한다. 추가로 예를 들면, ASU(12)는 ASU 유체(예를 들면, 액화된 기체)를 기체 처리 시스템(14)으로 전달할 수 있고, 이때 ASU 유체는 용매로부터 열을 전달한다. 추가로 예를 들면, ASU 유체 및 용매는 ASU(12)와 기체 처리 시스템(14) 사이에 열을 교환할 수 있다. 또 다른 예에서, 중간 유체(예를 들면, 물 또는 다른 냉각 매질)는 ASU(12) 내의 ASU 유체에 의해 냉각되어 기체 처리 시스템(14)으로 유동되고 기체 처리 시스템(14) 내의 용매로부터 열을 전달할 수 있다.
공기 분리 유니트(12)를 사용하여 대기를 그의 주요 성분들, 예컨대, 산소 및 질소로 분리할 수 있다. 일반적으로, 공기(18)는 먼저 압축기(20)에 의해 압축된다. 일부 실시양태에서, 단일 압축기(20)가 사용될 수 있는 반면, 다른 실시양태는 2개 이상의 압축기(20)를 포함할 수 있다. 그 후, 압축된 공기 유동(22)은 공기 분리 시스템(12)으로 들어가고 냉각 시스템(24)에 의해 그의 액화 온도로 냉각되어 액체 공기 유동(26)을 생성한다. 이어서, 액체 공기 유동(26)은 분리 시스템(28)에 의해 증류된다. 생성된 유출물은 대기(18)의 2가지 주요 성분들인 산소(30) 및 질소(32)이다. 일부 실시양태에서, 산소 유출물(30) 및 질소 유출물(32)은 액화될 수 있다. 다른 실시양태에서, 산소 유출물(30) 및 질소 유출물(32)은 증기화될 수 있다. 인식될 수 있는 바와 같이, 산소 유출물(30) 및 질소 유출물(32)은 다양한 온도 및 부피를 가질 수 있다. 이하에 추가로 논의되어 있는 바와 같이, 냉각 시스템(24)은 기체 처리 시스템(14)의 물리적 용매를 냉각시키도록 구성될 수 있다. 또한, 냉각 시스템(24)은 유체 유동(15)으로서 용매를 수용하고 ASU(12) 내의 용매를 냉각시키고 냉각된 용매를 유체 유동(15)으로서 기체 처리 시스템(14)으로 되돌려 보낼 수 있다. 실제로, 냉각 시스템(24)은 중간 유체의 냉각된 ASU 유체를 유체 유동(15)으로서 기체 처리 시스템(14)으로 전달할 수 있고, 상기 기체 처리 시스템(14)은 가온된 유체 유동(15)이 ASU(12)로 되돌려 보내지기 전에 상기 냉각된 유체 유동(15)을 사용하여 기체 처리 시스템(14) 내의 용매를 냉각시킨다.
기체 처리 시스템(14)을 사용하여 미처리된 합성기체로부터 산 기체를 제거할 수 있다. 전술한 바와 같이, 공급원료의 기화에 의해 생성된 합성기체는 제거될 필요가 있을 수 있는 산 기체, 예컨대, 황화수소 및 이산화탄소를 포함할 수 있다. 미처리된 합성기체(36)는 이 미처리된 합성기체(36)가 용매-기반 처리 시스템(38), 산 기체 제거 시스템(40), 탄소 포획 시스템(42) 또는 이들의 조합에 의해 세정될 수 있는 기체 처리 시스템(14)에 의해 수용된다. 일부 실시양태에서, 산 기체 제거 시스템(40) 및/또는 탄소 포획 시스템(42)은 미처리된 합성기체(36)로부터 원치 않는 산 기체 및/또는 탄소를 제거하기 위해 용매-기반 처리 시스템(38)을 포함할 수 있다. 대조적으로, 기체 처리 시스템(14)은 산 기체 제거 시스템(40) 및/또는 탄소 포획 시스템(42)을 포함하는 용매-기반 처리 시스템(38)을 가질 수 있다. 기체 처리 시스템(14)은 냉각 시스템(44)을 추가로 포함할 수 있다. 이하에 추가로 상세히 논의되어 있는 바와 같이, 냉각 시스템(44)은 공기 분리 유니트(12)의 냉각 시스템과 유체 유동(15)을 교환하도록 구성될 수 있다. 또한, 유체 유동(15)은 용매가 ASU(12), 기체 처리 시스템(14) 또는 이들 사이의 임의의 위치에서 냉각될 수 있도록 ASU 유체, 용매 또는 중간 냉각 유체일 수 있다. 일단 미처리된 합성기체(36)가 기체 처리 시스템(14)을 통과하고 세정되면, 상기 합성기체는 기체 처리 시스템(14)으로부터 처리된 기체(46)로서 유출된다. 그 다음, 처리된 기체(46)는 발전 시스템, 화학적 제조 시스템 또는 또 다른 적합한 적용으로 향할 수 있다.
전술한 바와 같이, 시스템(10)은 상이한 유속을 조절하여 열 전달을 조절함으로써 물리적 용매를 냉각시키기 위해 제어기(16)를 포함한다. 예를 들면, 제어기(16)는 펌프(48) 및 유동 밸브(50)를 작동하여 공기 분리 유니트(12)와 기체 처리 시스템(14) 사이의 유체 유동(15)의 유속을 조절할 수 있다. 예를 들면, 제어기(16)는 펌프(48)의 속도 및/또는 밸브(50)의 개방을 증가시켜 유체 유동(15)의 유속을 증가시킴으로써 열 전달을 증가시켜 용매의 온도를 감소시킬 수 있다. 또한, 제어기(16)는 피드백(feedback), 예컨대, 온도 피드백을 수용하여 용매의 최소 온도를 유지하기 위한 제어를 촉진할 수 있다. 또한, 제어기(16)는 ASU(12) 및 기체 처리 시스템(13)을 제어할 수 있고/있거나 ASU(12) 및 기체 처리 시스템(14)에 의해 제어될 수 있다. 예시된 실시양태는 하나의 펌프(48) 및 유동 밸브(50)를 포함하지만, 다른 실시양태는 2개 이상의 펌프(48) 및 유동 밸브(50)를 포함할 수 있다.
도 2는 공기 분리 유니트(12) 및 기체 처리 시스템(14)을 포함하는 시스템(10)의 한 실시양태의 도면이다. 도 1에 대하여 전술한 바와 같이, 대기(18)는 압축된 공기 유동(22)을 유출하는 압축기(20)에 의해 수용되고 압축된다. 그 후, 공기 분리 유니트(12)는 압축된 공기(22)를 냉각 시스템(24)으로 냉각시키고 압축된 공기(22)를 그의 2가지 주요 성분들인 산소(30)와 질소(32)로 분리한다. 더욱이, 도 1에 대하여 전술한 바와 같이, 기체 처리 시스템(14)은 미처리된 합성기체(36)를 수용하고 상기 미처리된 합성기체(36)로부터 선택된 성분들을 제거하여 처리된 합성기체(46)를 생성한다. 보다 구체적으로, 미처리된 합성기체(36)는 기화기(gasifier) 내에서의 공급원료(70), 예컨대, 석탄의 기화에 의해 생성된다. 미처리된 합성기체(36)는 일산화탄소와 수소의 기체 혼합물뿐만 아니라 다양한 양의 산 기체도 포함할 수 있다. 예시된 실시양태에 나타낸 바와 같이, 기체 처리 시스템(14)은 미처리된 합성기체(36)로부터 다양한 성분들, 예컨대, CO2(74), 황(76) 및 염(78)을 제거할 수 있다. 일례로서, 기체 처리 시스템(14)은 황화수소의 형태로 황(76)을 제거할 수 있다. 일단 처리된 합성기체(46)가 기체 처리 시스템(14)에 의해 유출되면, 상기 처리된 합성기체는 복합 발전소에서 연료로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 처리된 합성기체(46)는 화학적 제조 시스템(80), 발전 시스템(82) 또는 다른 합성기체-기반 시스템(84)으로 향할 수 있다. 예를 들면, 처리된 합성기체(46)는 기체 터빈에 공급되어 하나 이상의 적재물(loads), 예컨대, 발전기를 구동시킬 수 있다.
도 1에 대하여 전술한 바와 같이, 기체 처리 시스템(14)은 용매-기반 처리 시스템을 포함할 수 있다. 구체적으로, 용매-기반 처리 시스템 내의 용매는 미처리된 합성기체(36)로부터 산 기체를 선택적으로 흡수할 수 있다. 예를 들면, 용매는 폴리에틸렌 글리콜의 다이메틸 에테르의 혼합물, 예컨대, 미국 미시간주 미들랜드의 다우 케미칼 캄파니로부터 상업적으로 입수가능한 셀렉솔(Selexol)일 수 있다. 일단 용매가 미처리된 합성기체(36)로부터 산 기체를 흡수하면, 상기 용매는 이 용매로부터 산 기체를 탈착시키는 재생 공정을 거친다. 상기 산 기체가 탈착된 후, 상대적으로 산 기체를 갖지 않는 용매는 미처리된 합성기체(36)로부터 산 기체를 흡수하는 데 다시 사용될 수 있다. 용매의 냉각은 이러한 산 기체 흡수 공정의 효율을 증가시킨다.
예를 들면, 예시된 실시양태에서 공기 분리 유니트(12)는 기체 처리 시스템(14)용 용매의 유동을 수용하고 냉각시키고 되돌려 보내도록 구성된다. 보다 구체적으로, 가온된 용매(86)는 출구(88)를 통해 기체 처리 시스템(14)을 빠져나가고 입구(90)를 통해 공기 분리 유니트(12)로 들어간다. 그 후, 상기 가온된 용매(86)는 공기 분리 유니트(12)의 냉각 시스템(24)을 통과할 수 있다. 예시된 실시양태에서, 공기 분리 유니트(12)의 냉각 시스템(24)은 열 교환기(92)를 포함한다. 예시된 실시양태가 하나의 열 교환기(92)를 냉각 시스템(24)의 부분으로서 보여주고 있지만, 대안적 실시양태는 냉각 시스템(24) 내에 2개 이상의 열 교환기(92)를 포함할 수 있다. 인식될 수 있는 바와 같이, 공기 분리 유니트(12)로부터의 ASU 유체 유동, 예컨대, 극저온 액체 또는 다른 냉각된 생성물도 상기 냉각 시스템(24)의 열 교환기(92)를 통과할 수 있다. ASU 유체 유동은 다양한 압력 및 온도를 가질 수 있다. 나아가, ASU 유체 유동은 고압력 펌프의 사용에 의해 전달될 수 있다. 일부 실시양태에서, ASU 유체 유동은 액화된 산소, 액화된 질소 또는 액화된 공기일 수 있다. 다른 실시양태에서, ASU 유체 유동은 증기화된 산소 또는 증기화된 질소일 수 있다. 열 교환기(92) 내에서, 가온된 용매(86)로부터의 열은 공기 분리 유니트(12)로부터의 ASU 유체 유동으로 전달됨으로써 냉각된 용매(94)를 생성할 수 있다. 이하에 추가로 상세히 논의되어 있는 바와 같이, 공기 분리 유니트(12)로부터의 ASU 유체 유동은 열 교환기(92)를 통과하여 가온된 용매(86)로부터 열을 흡수한 후 액체로서 공기 분리 유니트(12) 내의 저장 유니트로 전달될 수 있다. 그러나, 열 교환 공정의 결과로서, 상기 ASU 유체 유동은 액화된 기체로부터 증기화된 기체로 변환될 수 있다. 이러한 환경에서, 상기 ASU 유체 유동은 저장 전에 공기 분리 유니트(12) 내의 냉각된 박스를 통과할 수 있다. 대안적으로, 증기화된 유체 유동은 기화 공정 내에서의 소모를 위해 기화기로 향할 수 있다. 냉각된 용매(94)는 공기 분리 유니트(12)의 출구(96)를 빠져나가고 산 기체 제거 공정에서의 연속된 사용을 위해 입구(98)를 통해 기체 처리 시스템(14)으로 다시 들어갈 수 있다.
도 2에 예시된 바와 같이, 시스템(10)은 가온된 용매(86), 냉각된 용매(94) 또는 이들 둘 다의 유속을 조절하기 위한 제어기(16)를 추가로 포함한다. 나아가, 제어기(16)는 공기 분리 유니트(12) 및 기체 처리 시스템(14)의 많은 작동 파라미터를 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제어기(16)는 기체 처리 시스템(14) 내로의 미처리된 합성기체(36)의 유속을 조절할 수 있다. 추가로 예를 들면, 제어기(16)는 냉각 시스템(24)을 통과하는 공기 분리 유니트(12)로부터의 ASU 유체 유동의 유속을 조절하여 냉각된 용매(94)에 대한 원하는 온도를 달성할 수 있다.
도 3은 공기 분리 유니트(12), 제어기(16), 제1 기체 처리 시스템(120) 및 제2 기체 처리 시스템(122)을 포함하는 시스템(10)의 한 실시양태의 도면이다. 일반적으로, 공기 분리 유니트(12)는 압축기(20)로부터 압축된 공기를 수용하고, 공기 분리 유니트(12)는 액체 질소 스트림(124) 및 액체 산소 스트림(126)을 유출시킨다. 제1 기체 처리 시스템(120)은 제1 미처리된 합성기체(128)를 수용하고 제1 처리된 합성기체(130)를 유출시킨다. 나아가, 제1 기체 처리 시스템(120)은 공기 분리 유니트(12)로부터 유체 유동을 수용하도록 구성된다. 구체적으로, 제1 기체 처리 시스템(120)은 액체 질소 스트림(124)을 수용하여 용매를 냉각시키고, 증기화된 질소(132)를 유출시킨다. 유사하게, 제2 기체 처리 시스템(122)은 제2 미처리된 합성기체(134)를 수용하고 제2 처리된 합성기체(136)를 유출시킨다. 나아가, 제2 기체 처리 시스템(122)은 공기 분리 유니트(12)로부터 유체 유동을 수용하도록 구성된다. 구체적으로, 제2 기체 처리 시스템(122)은 액체 산소 스트림(126)을 수용하여 용매를 냉각시키고, 증기화된 산소(138)를 유출시킨다.
예시된 실시양태에서, 압축기(20)는 대기(18)를 수용하고 압축된 공기 유동(22)을 유출시킨다. 공기 분리 유니트(12)는 압축된 공기 유동(22)을 수용한다. 상기에 논의되어 있는 바와 같이, 공기 분리 유니트(12)는 압축된 공기 유동(22)을 그의 액화 온도로 냉각시키고, 공기 압축된 공기(22)를 그의 주요 성분들인 산소 및 질소로 증류시킨다. 보다 구체적으로, 일부 실시양태에서, 압축된 공기(22)는 공기 분리 유니트(12)로 들어가고 불순물 제거 유니트(140)를 통과할 수 있다. 인식될 수 있는 바와 같이, 불순물 제거 유니트(140)는 압축된 공기(22)로부터 불순물, 예컨대, 수증기 및 CO2를 제거하도록 구성될 수 있다. 이러한 불순물은 미처리된 압축된 공기(22)로부터 제거되지 않은 경우 동결되어 공정 장치의 내부 표면 상에 침착될 수 있다. 불순물 제거 유니트(140)는 미처리된 압축된 공기(22)로부터 불순물을 제거하기 위한 다양한 시스템(분자체 및 역전(reversing) 열 교환기를 포함하나 이들로 한정되지 않음)을 포함할 수 있다. 분자체에서, 불순물 분자는 분자체 물질의 표면 상으로 흡착된다. 역전 열 교환기에서, 가온된 공기는 동결된 물 및 CO2 상을 통과하여 물을 증기화시키고 CO2를 승화시켜 대기로 되돌려 보낸다.
예시된 실시양태에서, 처리된 압축된 공기(142)는 열 교환 유니트(144)로 공급되고, 상기 열 교환 유니트에서 냉각된 스트림을 사용하여 상기 처리된 압축된 공기(142)를 냉각시킨다. 작동에 있어서, 열 교환기(144)를 사용하여 열을 상기 처리된 압축된 공기(142)로부터 공기 분리 유니트(12)의 냉각된 스트림으로 전달한다. 예를 들면, 열 교환 유니트(144)는 처리된 압축된 공기(142)가 약 -175℃, -185℃ 또는 -195℃ 미만의 온도에서 액화된 공기(146)가 될 때까지 상기 처리된 압축된 공기(142)를 냉각시킬 수 있다. 그 다음, 증류 유니트(148)를 사용하여 상기 액화된 공기(146)를 주로 하나의 성분이 풍부할 수 있는 원하는 스트림으로 분리한다. 예를 들면, 상기 증류 유니트(148)는 원하는 스트림의 수 및 스트림의 원하는 순도에 따라 하나 이상의 증류 컬럼을 포함할 수 있다. 구체적으로, 증류 유니트(148)는 질소 풍부 스트림(150)을 생성하는 제1 증류 컬럼, 산소 풍부 스트림(152)을 생성하는 제2 증류 컬럼 및 다른 기체를 위한 추가의 증류 컬럼을 포함할 수 있다. 증류 컬럼들의 다른 조합 및 구성도 다른 실시양태에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 하나의 증류 컬럼은 질소 풍부 스트림(150) 및 산소 풍부 스트림(152) 둘 다를 생성할 수 있다. 추가로, 증류 유니트(148)의 증류 컬럼들은 트레이될(trayed) 수 있거나 팩킹될(packed) 수 있다.
그 다음, 증류 유니트(148)로부터의 하나 이상의 냉각된 생성물 스트림(154)은 열 교환 유니트(144)로 공급되어 처리된 압축된 공기(142)를 냉각시킨다. 이 열 교환은 증류 유니트(148)로 들어가기 전에 상기 처리된 압축된 공기(142)의 온도를 감소시킨다. 냉각된 생성물 스트림(154)의 수는 증류 컬럼의 수 및/또는 증류 유니트(148)의 증류 컬럼으로부터의 배출점(draw off point)의 수에 따라 변경될 수 있다. 도 3에 추가로 도시된 바와 같이, 하나 이상의 냉각된 생성물 스트림(154)은 하나 이상의 저장 유니트(156)로 향할 수 있다. 보다 구체적으로, 질소 풍부 스트림(150)은 액체 질소 저장 유니트(158)로 공급된다. 더욱이, 산소 풍부 스트림(152)은 액체 산소 저장 유니트(160)로 공급된다. 일부 실시양태에서, 공기 분리 유니트(12)는 증류 유니트((148)에 의해 생성된 각각의 독특한 순도를 위해 하나의 저장 유니트(156)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 공기 분리 유니트(12)는 증류 유니트(148)에 의해 생성된 모든 질소 풍부 스트림(150)을 위해 하나의 액체 질소 저장 유니트(158)를 포함할 수 있고 증류 유니트(148)에 의해 생성된 모든 산소 풍부 스트림(152)을 위해 하나의 액체 산소 저장 유니트(160)를 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서, 공기 분리 유니트(12)는 하나 이상의 산소 풍부 스트림(152) 또는 질소 풍부 스트림(150)을 수용하도록 구성된 다수의 저장 유니트(156)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 공기 분리 유니트(12)는 출구(159) 또한 포함하고, 이 출구를 통해 저장 유니트(156) 내에 저장된 액화된 기체가 유출될 수 있다. 도시된 바와 같이, 공기 분리 유니트(12)는 액체 질소 출구(160)를 갖고, 이 출구를 통해 액체 질소 저장 유니트(158) 내에 저장된 액체 질소가 공기 분리 유니트(12)로부터 유출될 수 있다. 유사하게, 공기 분리 유니트(12)는 액체 산소 출구(162)를 갖고, 이 출구를 통해 액체 산소 저장 유니트(160) 내에 저장된 액체 산소가 공기 분리 유니트(12)로부터 유출될 수 있다. 예시된 실시양태가 2개의 공기 분리 유니트 출구(159)를 보여주고 있지만, 다른 실시양태는 다른 적용을 위해 보다 많거나 보다 적은 출구를 포함할 수 있다.
출구(159)는 냉각제로서 액화된 기체를 제1 기체 처리 시스템(120) 및 제2 기체 처리 시스템(122)으로 전달하는 데 사용된다. 상기에 논의되어 있는 바와 같이, 기체 처리 시스템은 미처리된 합성기체를 수용하고 상기 미처리된 합성기체로부터 선택된 성분을 제거하고 복합 발전소 또는 다른 시스템에서의 사용을 위해 처리된 합성기체를 유출할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 기체 처리 시스템(120)은 입구(164)를 통해 제1 미처리된 합성기체(128)를 수용하도록 구성된다. 상기 제1 미처리된 합성기체(128)는 제1 용매-기반 처리 시스템(166)으로 들어가고, 상기 제1 용매-기반 처리 시스템에서 선택된 산 기체가 상기 제1 미처리된 합성기체(128)로부터 제거된다. 처리 공정을 거친 후, 상기 제1 미처리된 합성기체(128)는 제1 처리된 합성기체(130)로서 상기 제1 기체 처리 시스템(120)을 떠난다. 상기에 논의되어 있는 바와 같이, 제1 용매-처리 시스템(166)에서 사용되는 물리적 용매의 냉각은 ASU(12)로부터의 액화된 기체로 달성될 수 있다. 예를 들면, 제1 기체 처리 시스템(120)은 제1 가온된 용매(170)를 수용하고 열을 상기 제1 가온된 용매(170)로부터 냉각제로 전달하고 제1 냉각된 용매(172)를 제1 용매-기반 처리 시스템(166)으로 되돌려 보내도록 구성된 제1 열 교환기(168)를 포함한다. 예시된 실시양태에서, 제1 기체 처리 시스템(120)의 제1 열 교환기(168)는 공기 분리 유니트(12)로부터 냉각제를 수용하도록 구성된다. 보다 구체적으로, 제1 기체 처리 시스템(120)은 공기 분리 유니트(12)로부터 액체 질소 스트림(124)을 수용한다. 상기에 논의되어 있는 바와 같이, 액체 질소 스트림(124)은 출구(160)를 통해 공기 분리 유니트(12)를 빠져나갈 수 있다. 그 후, 액체 질소 스트림(124)은 냉각제 입구(174)를 통해 제1 기체 처리 시스템(120)의 제1 열 교환기(168)로 들어갈 수 있다. 작동에 있어서, 제1 열 교환기(168)는 열을 제1 가온된 용매(170)로부터 액체 질소 스트림(124)으로 전달한다. 액체 질소 스트림(124)의 온도는 상기 액체 질소 스트림(124)이 제1 가온된 용매(170)로부터 열을 흡수할수록 상승할 수 있다. 그 결과, 액체 질소 스트림(124)은 증기화된 질소 스트림(132)으로 변환되고 제1 기체 처리 시스템(120)을 빠져나갈 수 있다. 일부 실시양태에서, 증기화된 질소(132)는 기화 공정에서의 사용을 위해 기화기로 향할 수 있다. 대안적으로, 증기화된 질소(132)는 냉각 및 저장을 위해 공기 분리 유니트(12)로 다시 향할 수 있다.
제2 기체 처리 시스템(122)은 제1 기체 처리 시스템(120)과 유사한 구성을 포함한다. 구체적으로, 제2 기체 처리 시스템은 입구(176)를 통해 제2 미처리된 합성기체(134)를 수용하도록 구성된다. 제2 미처리된 합성기체(134)는 제2 용매-기반 처리 시스템(178)으로 들어가고, 상기 제2 용매-기반 처리 시스템에서 선택된 산 기체가 제2 미처리된 합성기체(134)로부터 제거된다. 처리 공정을 거친 후, 제2 미처리된 합성기체(134)는 제2 처리된 합성기체(136)로서 제2 기체 처리 시스템(122)을 떠난다. 상기에 논의되어 있는 바와 같이, 제2 용매-처리 시스템(178)에서 사용되는 물리적 용매의 냉각은 ASU(12)로부터의 액화된 기체로 달성될 수 있다. 예를 들면, 제2 기체 처리 시스템(122)은 제2 가온된 용매(182)를 수용하고 열을 상기 제2 가온된 용매(182)로부터 냉각제로 전달하고 제2 냉각된 용매(184)를 제2 용매-기반 처리 시스템(178)으로 되돌려 보내도록 구성된 제2 열 교환기(180)를 포함한다. 예시된 실시양태에서, 제2 기체 처리 시스템(122)의 제2 열 교환기(180)는 공기 분리 유니트(12)로부터 냉각제를 수용하도록 구성된다. 보다 구체적으로, 제2 기체 처리 시스템(122)은 공기 분리 유니트(12)로부터 액체 산소 스트림(126)을 수용한다. 상기에 논의되어 있는 바와 같이, 액체 산소 스트림(126)은 출구(162)를 통해 공기 분리 유니트(12)를 빠져나갈 수 있다. 그 후, 액체 산소 스트림(126)은 냉각제 입구(186)를 통해 제2 기체 처리 시스템(122)의 제2 열 교환기(180)로 들어갈 수 있다. 작동에 있어서, 제2 열 교환기(180)는 열을 제2 가온된 용매(182)로부터 액체 산소 스트림(126)으로 전달한다. 액체 산소 스트림(126)의 온도는 상기 액체 산소 스트림(126)이 제2 가온된 용매(182)로부터 열을 흡수할수록 상승할 수 있다. 그 결과, 액체 산소 스트림(126)은 증기화된 산소 스트림(138)으로 변환하고 제2 기체 처리 시스템(122)을 빠져나갈 수 있다. 일부 실시양태에서, 증기화된 산소(138)는 기화 공정에서의 사용을 위해 기화기로 향할 수 있다. 대안적으로, 증기화된 산소(138)는 냉각 및 저장을 위해 공기 분리 유니트(12)로 다시 향할 수 있다.
예시된 실시양태가 제1 기체 처리 시스템(120)의 제1 가온된 용매(170) 및 제2 기체 처리 시스템(122)의 제2 가온된 용매(182)를 냉각시키는 데 사용하기 위한 액체 질소 스트림(124) 및 액체 산소 스트림(126)을 생성하고 방출하는 공기 분리 유니트(12)를 보여주고 있지만, 상기 공기 분리 유니트(12)가 기체 처리 시스템에서 가온된 용매를 냉각시키는 데 사용하기 위한 다른 냉각제 또는 유체 유동을 생성할 수 있음을 인식하는 것이 중요하다. 예를 들면, 공기 분리 유니트(12)는 기체 처리 시스템(120 및 122)에서 용매를 냉각시키기에 적합한 액화된 공기 스트림, 증기화된 질소 스트림 또는 증기화된 산소 스트림을 생성할 수 있다. 뿐만 아니라, 예시된 실시양태가 냉각제 또는 유체 유동을 2개의 기체 처리 시스템으로 제공하는 공기 분리 유니트(12)를 보여주고 있지만, 다른 실시양태는 냉각제 또는 유체 유동을 보다 많거나 보다 적은 기체 처리 시스템으로 공급하는 공기 분리 유니트(12)를 포함할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 시스템(10)은 하나 이상의 밸브(188)를 제어하여 냉각제 또는 유체 유동의 유속을 제어하기 위한 제어기(16) 또한 포함한다. 예시된 실시양태는 액체 질소 유동 밸브(190) 및 액체 산소 유동 밸브(192)에 커플링된 제어기(16)를 보여준다. 제어기(16)는 액체 질소 스트림(124)의 유속 및 액체 산소 스트림(126)의 유속을 조절함으로써 상기 액체 질소 스트림(124)과 제1 가온된 용매(170) 사이의 열 전달, 및 상기 액체 산소 스트림(126)과 제2 가온된 용매(182) 사이의 열 전달을 조절하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제어기(16)는 액체 질소 스트림(124)의 유속을 제어하여 제1 가온된 용매(170)가 목표 온도로 냉각되도록 프로그래밍될 수 있다. 추가로, 제어기(16)는 공기 분리 유니트(12)의 하나 이상의 작동 파라미터를 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제어기(16)는 액체 질소 저장 유니트(158) 또는 액체 산소 저장 유니트(160)의 온도를 조절하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제어기(16)는 열 교환기(144)로 향하는 하나 이상의 냉각된 생성물 스트림(154)의 유속을 조절하도록 구성될 수 있다. 뿐만 아니라, 제어기(16)는 제1 기체 처리 시스템(120) 및 제2 기체 처리 시스템(122)의 하나 이상의 작동 파라미터를 조절하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제어기(16)는 제1 열 교환기(168)로 향하는 제1 가온된 용매(170)의 유속을 조절하여 상기 제1 가온된 용매(170)와 냉각제, 예컨대, 액체 질소 스트림(124) 사이의 열 전달을 조절하도록 프로그래밍될 수 있다. 유사하게, 제어기(16)는 제2 열 교환기(180)로 향하는 제2 가온된 용매(182)의 유속을 조절하여 상기 제2 가온된 용매(182)와 액체 산소 스트림(126) 사이의 열 전달을 유사하게 조절하도록 프로그래밍될 수 있다.
도 4는 기체 처리와 같은 적용에서 사용되는 용매를 위한 냉각 시스템(210)의 한 실시양태의 도면이다. 도시된 바와 같이, 냉각 시스템(210)은 공기 분리 유니트(12)로부터 액화된 기체 유동(220)(예를 들면, 액화된 공기, 액화된 질소 또는 액화된 산소)을 수용하고 기체 처리 시스템(14)으로부터 가온된 용매(222)의 유동을 수용하도록 구성된다. 나아가, 냉각 시스템(210)은 열을 가온된 용매(222)로부터 액화된 기체 유동(220)으로 전달하기 위한 하나 이상의 열 교환기를 포함한다. 상기 냉각 시스템은 기체 처리 공정에서 추가로 사용되기 위해 기체 처리 시스템(14)으로 되돌아 갈 수 있는 냉각된 용매(224) 및 하나 이상의 증기화된 유출물(226)을 유출시킨다. 또한, 냉각 시스템(210)은 복수의 밸브(228), 펌프, 또는 냉각 시스템(210)의 다른 작동 파라미터를 조절하는 제어기(16)를 포함한다. 따라서, 제어기(16)는 열 전달을 제어하여 용매의 냉각을 제어하도록 구성된다.
전술한 바와 같이, 냉각 시스템(210)은 공기 분리 유니트(12)로부터 액화된 기체 유동(220)을 수용한다. 예를 들면, 상기 액화된 기체 유동은 액화된 공기, 액화된 산소 또는 액화된 질소일 수 있다. 액화된 기체 유동(220)은 방향(230)으로 유동할 수 있고 제1 열 교환기(232)에 의해 수용될 수 있다. 또한, 액화된 기체 유동(220)은 방향(234)으로 유동할 수 있고 액화된 기체 저장 유니트(236) 내로 침착될 수 있다. 이하에 추가로 상세히 논의되어 있는 바와 같이, 액화된 기체 유동의 방향은 제어기(16)에 의해 제어되는 밸브(238)에 의해 제어될 수 있다. 또한, 제1 열 교환기(232)는 가온된 용매(222)를 수용한다. 액화된 기체 유동(220) 및 가온된 용매(222)는 열을 가온된 용매(222)로부터 액화된 기체 유동(220)으로 전달함으로써 제1 열 교환기(232) 내에서 열을 교환한다. 제1 열 교환기(232)는 기체 처리 공정에서 추가로 사용되기 위해 기체 처리 시스템(14)으로 되돌아 갈 수 있는 냉각된 용매(224)를 유출시킨다. 나아가, 제1 열 교환기(232) 내에서 가온된 용매(222)와 액화된 기체 유동(22) 사이의 열 교환 공정 동안에 액화된 기체 유동(220)의 일부는 상기 가온된 용매(222)로부터 상기 액화된 기체 유동(220)으로 전달된 열로 인해 증기화될 수 있다. 결과적으로, 제1 열 교환기(232)는 증기화된 부분 및 액화된 부분을 포함하는 유출물 유동(240)을 방출할 수 있다. 도시된 바와 같이, 냉각 시스템(210)은 상기 유동(240)이 증기화된 기체 유동(242) 및 액화된 기체 유동(244)으로 향하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 증기화된 기체 유동(242)은 증기화된 유출물(246)로서 냉각 시스템(210)을 빠져나갈 수 있고 기화 플랜트의 기화기로 공급될 수 있다. 추가로, 액화된 기체 유동(244)은 다른 곳으로 향할 수 있다. 예를 들면, 예시된 실시양태에 나타낸 바와 같이, 액화된 기체 유동(244)은 화살표(248)에 의해 표시되는 바와 같이 액화된 기체 저장 유니트(236)로 되돌아 갈 수 있거나, 또는 액화된 기체 유동(244)은 화살표(252)로 표시되는 바와 같이 제2 열 교환기(250)로 향할 수 있다. 제2 열 교환기(250)는 증기 유동(254)을 수용할 수도 있다. 일부 실시양태에서, 증기 유동(254)은 통합된 기체화 복합(IGCC) 발전소 내부의 증기 발생기 또는 다른 시스템에 의해 공급될 수 있다. 제2 열 교환기(250)를 사용하여 열을 증기 유동(254)으로부터 액화된 기체 유동(244)으로 전달할 수 있다. 그 결과, 제2 열 교환기(250)는 증기화된 유출물(256) 및 증기 축합 유출물(258)을 방출할 수 있다.
전술한 바와 같이, 냉각 시스템(210)은 이 냉각 시스템(210)의 하나 이상의 작동 파라미터 또는 요소를 조절하기 위한 제어기(16)를 포함한다. 예를 들면, 제어기(16)는 복수의 밸브(228)를 제어하여 유체 유동을 조절함으로써 상이한 유체들 사이의 열 전달을 제어할 수 있다. 예를 들면, 제어기(16)는 액화된 기체 유동(220)이 원하는 유속으로 제1 열 교환기(232)로 향하도록 밸브(238)를 조절할 수 있다. 추가로 예를 들면, 제어기(16)는 밸브(260)를 작동하여 액화된 기체 저장 유니트(236) 및/또는 열 교환기(250)로의 액화된 기체 유동(220 및 244)의 유동 방향을 조절할 수 있다. 즉, 제어기(16)는 밸브(260)를 개방하여 액화된 기체 유동(244)이 방향(248)으로 액화된 기체 저장 유니트(236)로 유동할 수 있게 한다. 대안적으로, 제어기(16)는 밸브(260)를 폐쇄하여 액화된 기체 유동(244)이 방향(252)으로 제2 열 교환기(250)로 향하게 할 수 있다. 더욱이, 제어기(16)는 밸브(262)를 조절하여 열 교환기(232)로부터 액화된 기체 저장 유니트(236) 및/또는 열 교환기(250)로의 액화된 기체 유동(244)을 조절할 수 있다. 예를 들면, 밸브(236)는 열 교환기(232)로부터의 액화된 기체 유동(244)의 존재 하에 개방될 수 있고, 열 교환기(232)로부터의 액화된 기체 유동(244)의 부재 하에 폐쇄될 수 있다.
도 5는 기체 처리와 같은 적용에서 사용되는 용매를 위한 냉각 시스템(280)의 한 실시양태의 도면이다. 냉각 시스템(280)은 (예를 들면, 공기 분리 유니트(12)로부터의) 액화된 질소 유동(290)과 (예를 들면, 기체 처리 시스템(12)으로부터의) 물리적 용매 사이에 열을 교환한다. 또한, 냉각 시스템(280)은 기화 플랜트 내의 기화기로 향할 수 있는 증기화된 기체, 및 기체 처리 시스템(14)(예를 들면, AGR 시스템)으로 되돌아 갈 수 있는 냉각된 용매를 유출시킨다. 냉각 시스템(280)은 이 냉각 시스템(280)의 하나 이상의 요소 또는 작동 파라미터를 제어할 수 있는 제어기(16) 및 복수의 열 교환기를 추가로 포함한다.
예시된 실시양태에서, 제어기(16)는 액화된 질소 유동(290)이 방향(292)으로 액화된 질소 저장 유니트(294)로 유동하고 방향(296)으로 제1 열 교환기(298)에 이어서 제2 열 교환기(300)로 유동하고/하거나 방향(302)으로 제3 열 교환기(304)로 유동하는 것을 제어하도록 구성된다. 예시된 실시양태에 나타낸 바와 같이, 액화된 질소 유동(290)은 제어기(16)에 의해 조절되는 밸브(306)에 의해 제어된다. 일부 실시양태에서, 밸브(306)는 액화된 질소 유동(290)이 방향(292), 방향(296), 방향(302) 또는 이들의 조합으로 유동할 수 있도록 6-웨이(way) 밸브일 수 있다. 더욱이, 액화된 질소 유동(290)의 방향은 일부 원하는 작동 조건(예를 들면, 용매 열 전달 속도, 액화된 질소 유속, 증기화된 질소 유출 속도 등)을 달성하도록 제어기(16)에 의해 조절될 수 있다.
전술한 바와 같이, 액화된 질소 유동(290)은 제1 열 교환기(298)에 의해 수용될 수 있다. 예시된 실시양태에서, 제1 열 교환기(298)는 공기 분리 유니트(12)로부터 가온된 스트림(308) 또한 수용한다. 가온된 스트림(308)은 대기, 증기화된 산소, 증기화된 질소 또는 임의의 다른 가온된 ASU 스트림을 포함할 수 있다. 제1 열 교환기(298) 내에서, 가온된 스트림(308)으로부터의 열은 액화된 질소 유동(290)으로 전달될 수 있다. 그 결과, 제1 열 교환기(298)는 분리 시스템(28)에서 공기 분리 유니트(12)에 의해 사용될 수 있는 냉각된 스트림(310)을 유출시킨다. 냉각된 스트림(310)은 액화된 공기, 액화된 산소, 액화된 질소 또는 임의의 다른 냉각된 ASU 스트림일 수 있다. 전술한 바와 같이, 제1 열 교환기(298) 내에서, 가온된 스트림(308)으로부터의 열은 액화된 질소 유동(290)으로 전달될 수 있다. 이것은 액화된 질소 유동(290)이 증기화된 질소 유동(312)으로 변환되는 것을 야기할 수 있다. 예시된 실시양태에서, 증기화된 질소 유동(312)은 (예를 들면, 기체 처리 시스템(14)으로부터) 가온된 용매(314)도 수용하는 제2 열 교환기(300)로 향한다. 증기화된 질소 유동(312) 및 가온된 용매(314)는 제2 열 교환기(300) 내에서 열을 교환함으로써 가온된 용매(314)를 냉각시키고 증기화된 질소 스트림(312)을 가열하여 냉각된 용매(316) 및 증기화된 질소(318)를 생성한다. 인식될 수 있는 바와 같이, 증기화된 질소 스트림(312)은 액화된 질소 스트림(290)만큼 낮은 온도를 갖지 않지만, 증기화된 질소 스트림(312)은 가온된 용매(314)로부터 충분한 열을 제거하여 상기 용매의 기체 처리 성질(예를 들면, 산 기체 흡수 성질)을 여전히 개선할 수 있다. 결과적으로, 제2 열 교환기(300)는 기체 처리 공정(예를 들면, AGR 공정)에서의 재사용을 위해 기체 처리 시스템(14)으로 되돌아 갈 수 있는 냉각된 용매(316)를 방출시킨다. 추가로, 제2 열 교환기(300)는 기화 공정에서의 사용을 위해 기화기로 향할 수 있는 증기화된 질소 유동(318)을 유출시킨다.
대안적으로, 전술한 바와 같이, 액화된 질소 유동(290) 또는 액화된 질소 유동(290)의 일부는 제어기(16)에 의해 작동되는 밸브(306)에 의해 방향(302)으로 향할 수 있다. 방향(302)으로 이동하는 액화된 질소 유동(290)은 제3 열 교환기(304)에 의해 수용된다. 예시된 실시양태에 나타낸 바와 같이, 제3 열 교환기(302)는 공기 유동(302)도 수용한다. 일부 실시양태에서, 공기 유동(320)은 대기, 압축된 대기, 미처리된 대기 또는 또 다른 공기 유동일 수 있다. 제3 열 교환기(302) 내에서, 액화된 질소 유동(290)은 공기 유동(320)으로부터 열을 흡수하여 액화된 공기 유동(322) 및 증기화된 질소 유동(324)을 생성한다. 일부 실시양태에서, 증기화된 질소 유동(324)은 기화 공정에서의 사용을 위해 기화기로 향할 수 있다.
도 6은 기체 처리와 같은 적용에서의 사용을 위한 용매를 냉각시키기 위해 (예를 들면, 공기 분리 유니트(12)로부터의) 액화된 산소 유동(350)을 사용하는 냉각 시스템(340)의 한 실시양태의 도면이다. 도 6의 실시양태는 냉각 시스템(340)이 액화된 질소 유동(290)보다는 액화된 산소 유동(350)을 사용한다는 점을 제외하고 도 5의 실시양태와 유사하다. 유사하게, 도 5에 예시된 실시양태가 증기화된 질소 유출물(318 및 324)을 포함하지만, 도 6에 예시된 실시양태는 증기화된 산소 유출물(352 및 354)을 갖는다. 나아가, 예시된 실시양태는 질소 저장 유니트(294)보다는 액화된 산소 저장 유니트(356)를 갖는다. 다른 실시양태에서, 용매를 냉각시키기 위한 냉각제 유동은 액화된 공기, 액화된 질소, 증기화된 공기, 증기화된 질소 또는 증기화된 산소를 포함할 수 있다. 추가로, 일부 실시양태는 추가의 제어기(16), 밸브(306), 열 교환기, 펌프, 및 열을 용매로부터 전달하여 기체 처리 시스템(14)을 개선시키는 장치를 포함할 수 있다. 예를 들면, 제어기(16)는 제1 열 교환기(298), 제2 열 교환기(300), 제3 열 교환기(302) 또는 이들의 조합의 작동을 조절하도록 구성될 수도 있다. 예를 들면, 제어기(16)는 액화된 산소 유동(350)과 가온된 스트림(308) 사이의 원하는 열 전달 속도를 달성하여 원하는 온도 및 유속 이내에서 ASU 냉각된 스트림(310)을 생성하도록 제1 열 교환기(298)를 조절하도록 구성될 수 있다. 유사하게, 제어기(16)는 냉각된 용매(316)의 원하는 온도 및 유속을 달성하도록 제2 열 교환기(300)를 조절하도록 구성될 수 있다. 추가로 예를 들면, 제어기(16)는 제3 열 교환기(302)를 조절하여 액화된 공기(322)의 원하는 온도 및 유속을 달성하도록 구성될 수 있다.
도 7은 제1 기체 처리 시스템(382)의 용매 및 제2 기체 처리 시스템(384)의 용매를 냉각시키기 위해 (예를 들면, 공기 분리 유니트(12)로부터의) 액화된 기체 유동(300)을 사용하도록 구성된 시스템(10)의 한 실시양태의 도면이다. 시스템(10)은 증기화된 유출물(386), 증기화된 유출물(388) 및 제어기(16)를 추가로 포함한다. 이하에 추가로 상세히 논의되어 있는 바와 같이, 제어기(16)는 시스템(10) 및/또는 시스템(10)의 다양한 구성요소의 하나 이상의 작동 파라미터를 조절하도록 구성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 시스템(10)은 공기 분리 유니트(12)로부터의 액화된 기체 유동(380)을 포함한다. 일부 실시양태에서, 액화된 기체 유동(380)은 액화된 공기, 액화된 산소, 액화된 질소 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예시된 실시양태에 나타낸 바와 같이, 제어기(16)는 밸브(390)를 작동하여 액화된 기체 유동(380)의 유동을 조절할 수 있다. 예를 들면, 제어기(16) 및 밸브(390)는 상기 액화된 기체 유동을 방향(392)으로 제1 기체 처리 시스템(382) 및/또는 제2 기체 처리 시스템(384)으로 향하게 할 수 있다. 또한, 제어기(16) 및 밸브(390)는 상기 액화된 기체 유동을 방향(394)으로 증기화 유니트(396)로 향하게 할 수 있다.
전술한 바와 같이, 액화된 기체 유동(380)은 방향(392)으로 제1 기체 처리 시스템(382) 및/또는 제2 기체 처리 시스템(384)으로 유동할 수 있다. 따라서, 제어기(16)는 화살표(400)에 의해 표시되는 바와 같이 액화된 기체 유동(380)이 제1 기체 처리 시스템(382)으로 들어가고/가거나 화살표(402)에 의해 표시되는 바와 같이 제2 기체 처리 시스템(384)으로 들어가도록 밸브(398)를 작동할 수 있다. 도시된 바와 같이, 제1 기체 처리 시스템(382)으로 들어가는 액화된 기체 유동(380)은 제1 열 교환기(404)에 의해 수용되고, 상기 제1 열 교환기는 상기 제1 기체 처리 시스템(382)으로부터 제1 가온된 용매(406) 또한 수용하도록 구성된다. 제1 열 교환기(404)는 열을 제1 가온된 용매(406)로부터 액화된 기체 유동(380)으로 전달함으로써 제1 냉각된 용매(408) 및 기체 유동(410)을 생성한다. 그 후, 제1 냉각된 용매(408)는 제1 기체 처리 시스템(382) 내에서의 기체 처리 공정에서 재사용될 수 있다. 액화된 기체 유동(380) 또는 이 액화된 기체 유동(380)의 일부는 제1 열 교환기(404)에서 제1 가온된 용매(406)로부터 흡수된 열로 인해 증기화될 수 있다. 결과적으로, 제1 열 교환기(404)를 빠져나가는 기체 유동(410)은 증기화된 기체와 액화된 기체의 혼합물일 수 있다. 예시된 실시양태에서, 제1 기체 처리 시스템(382)은 기체 유동(410)을 증기화된 기체 유동(414)과 액화된 기체 유동(416)으로 분리하도록 작동하는 제1 증기/액체 분리기(412)를 포함한다. 증기화된 기체 유동(414)은 출구(418)를 통해 제1 기체 처리 시스템(382)을 빠져나갈 수 있고 IGCC 내의 또 다른 시스템, 예컨대, 기화기로 향할 수 있다. 나아가, 액화된 기체 유동(416)은 출구(420)를 통해 제1 기체 처리 시스템(382)을 빠져나간다. 이어서, 액화된 기체 유동(416)은 화살표(424)에 의해 표시되는 바와 같이 액화된 기체 유동(416)을 증기화 유니트(396)로 펌핑할 수 있는 제1 펌프(422)로 들어갈 수 있다.
전술한 바와 같이, 액화된 기체 유동(380)은 제2 기체 처리 시스템(384)에 의해 수용될 수도 있다. 도시된 바와 같이, 액화된 기체 유동(380)은 제2 기체 처리 시스템(384)으로 들어갈 수 있고 제2 열 교환기(426)를 통과할 수 있다. 또한, 제2 열 교환기(426)는 제2 기체 처리 시스템(384)으로부터 제2 가온된 용매(428)를 수용하도록 구성된다. 제2 열 교환기(426)는 열을 제2 가온된 용매(428)로부터 액화된 기체 유동(380)으로 전달함으로써 제2 냉각된 용매(430) 및 기체 유동(432)을 생성한다. 그 후, 제2 냉각된 용매(430)는 제2 기체 처리 시스템(384) 내에서의 기체 처리 공정에서 재사용될 수 있다. 액화된 기체 유동(380) 또는 이 액화된 기체 유동(380)의 일부는 제2 열 교환기(426)에서 제2 가온된 용매(428)로부터 흡수된 열로 인해 증기화될 수 있다. 결과적으로, 제2 열 교환기(426)를 빠져나가는 기체 유동(432)은 증기화된 기체와 액화된 기체의 혼합물일 수 있다. 예시된 실시양태에서, 제2 기체 처리 시스템(384)은 기체 유동(432)을 증기화된 기체 유동(436)과 액화된 기체 유동(438)으로 분리하도록 작동하는 제2 증기/액체 분리기(434)를 포함한다. 증기화된 기체 유동(436)은 출구(440)를 통해 제2 기체 처리 시스템(384)을 빠져나갈 수 있고 IGCC 발전소 내의 또 다른 시스템, 예컨대, 기화기로 향할 수 있다. 더욱이, 액화된 기체 유동(438)은 출구(442)를 통해 제2 기체 처리 시스템(384)을 빠져나간다. 이어서, 액화된 기체 유동(438)은 화살표(446)에 의해 표시되는 바와 같이 상기 액화된 기체 유동(438)을 증기화 유니트(396)로 펌핑할 수 있는 제2 펌프(444)로 들어갈 수 있다.
예시된 실시양태에서, 액화된 기체 유동(416)(화살표(424))과 액화된 기체 유동(438)(화살표(446))은 조합되어 증기화 유니트(396)로의 액화된 기체 유동(448)을 형성한다. 추가로, 제어기(16)는 밸브(450)를 제어하여 증기화 유니트(396)로의 액화된 기체 유동(448)의 유속을 조절할 수 있다. 도시된 바와 같이, 증기화 유니트(396)는 제3 열 교환기(452) 및 복귀 스트림(454)을 포함한다. 화살표(456)에 의해 표시되는 바와 같이, 액화된 기체 유동(448)은 제3 열 교환기(452)로 들어갈 수 있다. 제3 열 교환기(452)는 공기 유동(458) 또한 수용한다. 일부 실시양태에서, 공기 유동(458)은 대기, 압축된 공기, 미처리된 공기, 처리된 공기 또는 또 다른 공기 유동일 수 있다. 제3 열 교환기(452)는 열을 공기 유동(452)으로부터 액화된 기체 유동(448)으로 전달함으로써 액화된 기체 유동(460) 및 기체 유동(462)을 생성한다. 일부 환경에서, 기체 유동(462)은 액화된 기체 성분 및 증기화된 기체 성분을 포함할 수 있다. 증기화된 기체 성분은 화살표(464)에 의해 표시되는 바와 같이 IGCC 발전소 내의 또 다른 시스템, 예컨대, 기화기로 향할 수 있다. 액화된 기체 성분은 화살표(466)에 의해 표시되는 바와 같이 복귀 스트림(454)으로 향할 수 있다. 도시된 바와 같이, 복귀 스트림(454)은 화살표(468)에 의해 표시되는 바와 같이 액화된 기체 성분이 증기화 유니트(396)의 제3 열 교환기(452)로 다시 들어가게 하여 공기 유동(458)을 추가로 냉각시키고 공기 유동(458)으로부터 열을 흡수하여 증기화될 수 있다. 나아가, 전술한 바와 같이, 제어기(16)는 밸브(390)를 조절하여 액화된 기체 유동(380)이 방향(394)으로 증기화 유니트((396)로 향하게 할 수 있고, 제어기(16)는 밸브(450)를 작동하여 액화된 기체 유동(380 및 448)이 증기화 유니트(396)로 향하게 할 수 있다. 따라서, 액화된 기체 유동(380, 448 및 454) 각각이 증기화 유니트(396) 및 제3 열 교환기(452)에 의해 사용되어 액체 공기(460) 및 증기화된 유출물(388)을 생성할 수 있다.
전술한 바와 같이, 시스템(10)은 이 시스템(10)의 다양한 밸브들(390, 398 및 450)을 작동하여 다양한 유체들 사이의 열 전달을 제어하도록 구성된 제어기(16)를 포함한다. 예시된 실시양태에 나타낸 바와 같이, 제어기(16)는 제1 기체 처리 시스템(382) 및/또는 제2 기체 처리 시스템(384)의 하나 이상의 작동 파라미터를 작동하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제어기(16)는 제1 열 교환기(404)를 통과하는 제1 가온된 용매(406)의 유속을 조절하여 제1 가온된 용매(406)와 액화된 기체 유동(380) 사이의 열 전달의 원하는 속도를 달성하도록 구성될 수 있다. 추가로 예를 들면, 제어기(16)는 제2 가온된 용매(428)와 액화된 기체 유동(380) 사이의 열 전달의 원하는 속도를 달성하도록 제2 열 교환기(426)를 통과하는 액화된 기체 유동(380)의 유속을 조절하도록 구성될 수 있다. 따라서, 제어기(16)는 냉각된 용매(408 및 430)의 적합한 유속 및 온도를 제공함으로써 기체 처리 공정(예를 들면, AGR 공정) 및 기체 처리 시스템(382 및 384)의 효율을 개선할 수 있다.
본 명세서는 최적 모드를 비롯한 본 발명을 개시하기 위해, 및 임의의 당업자에 의한 임의의 장치 또는 시스템의 제조 및 사용 및 임의의 도입된 방법의 실시를 비롯한 본 발명의 실시를 가능하게 하기 위해 예를 사용한다. 본 발명의 특허가능한 범위는 특허청구범위에 의해 정의되고, 당업자에게 인식될 다른 예들을 포함한다. 이러한 다른 예들은 이들이 본 특허청구범위의 문언적 표현과 상이한 구조적 요소들을 갖거나 본 특허청구범위의 문언적 표현과 비실질적으로 상이한 등가의 구조적 요소를 포함하는 경우 본 특허청구범위 내에 있다.

Claims (15)

  1. 공기 유동(18)을 수용하도록 구성된 공기 입구(22);
    산소 유동(152, 226, 352, 354)을 유출하도록 구성된 산소 출구(30);
    질소 유동(150, 226, 318, 324)을 유출하도록 구성된 질소 출구(32); 및
    공기 유동(18)을 냉각시켜 공기 유동(18)이 산소 유동(152, 226, 352, 354)과 질소 유동(150, 226, 318, 324)으로 분리될 수 있도록 구성된 냉각 시스템(24, 210, 280, 340)
    을 포함하는 공기 분리 유니트(12), 및
    냉각 시스템(24, 210, 280, 340)의 하나 이상의 냉각제 유동을 제어하여 제1 기체 처리 시스템(14)의 제1 용매(15, 86, 222, 314)를 냉각시키도록 구성된 제어기
    를 포함하는 시스템(10)으로서,
    냉각 시스템(24, 210, 280, 340)이 극저온 냉각 시스템을 포함하고,
    냉각 시스템(24, 210, 280, 340)이 열 교환기(92, 232, 300)를 포함하고, 상기 열 교환기(92, 232, 300)가 열을 제1 용매(15, 86, 222, 314)로부터 제1 액화된 기체 유동(30, 32, 220, 290, 350)으로 전달하도록 구성되고,
    열 교환기(92, 232, 300)가 열을 제1 용매(15, 86, 222, 314)로부터, 제1 액화된 기체 유동(30, 32, 220, 290, 350)으로서의, 액화된 공기 유동(220), 액화된 질소 유동(32, 220 및 290) 또는 액화된 산소 유동(32, 220, 290), 또는 이들의 조합으로 전달하도록 구성되고,
    상기 제어기가, 제1 액화된 기체 유동을 제어하여, 상기 제1 액화된 기체 유동을 증기화시켜 제1 증기 유동을 형성하도록 구성된, 시스템(10).
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  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어기가, 냉각 시스템(24, 210, 280, 340)의 하나 이상의 냉각제 유동을 제어하여 제2 기체 처리 시스템(14, 120, 122)의 제2 용매(15, 86, 222, 314)를 냉각시키도록 구성된, 시스템(10).
  8. 제7항에 있어서,
    냉각 시스템(24, 210, 280, 340)이 제1 액화된 기체(30, 32, 220, 290, 350)를 사용하여 제1 용매(15, 86, 222, 314)를 냉각시키도록 구성되고, 냉각 시스템(24, 210, 280, 340)이 제2 액화된 기체(30, 32, 220, 290, 350)를 사용하여 제2 용매(15, 86, 222, 314)를 냉각시키도록 구성되고, 상기 제1 액화된 기체 및 제2 액화된 기체(30, 32, 220, 290, 350)가 서로 상이한, 시스템(10).
  9. 제1항에 있어서,
    상기 시스템(10)은 제1 기체 처리 시스템(14)를 포함하고,
    상기 제1 기체 처리 시스템(14)은
    제1 미처리된 기체 유동을 수용하도록 구성된 제1 기체 입구;
    제1 처리된 기체 유동을 유출하도록 구성된 제1 기체 출구; 및
    상기 제1 기체 입구 및 상기 제1 기체 출구에 커플링된 제1 용매-기반 처리 시스템으로서, 제1 용매를 사용하여 제1 미처리된 기체 유동으로부터 하나 이상의 불순물을 제거하여 제1 처리된 기체 유동을 생성하도록 구성된 제1 용매-기반 처리 시스템
    을 포함하는, 시스템(10).
  10. 제9항에 있어서,
    제1 기체 처리 시스템(14)이 제1 산 기체 제거 시스템(166, 178)을 포함하는, 시스템(10).
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