KR102174805B1 - 흡열 공정을 수행하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 열-소모 공정에 대해 연간 평균적으로 요구되는 전체 에너지가 적어도 두 가지의 서로 다른 에너지원으로부터 유래하고, 이때 상기 에너지원 중의 하나는, 요구되는 전체 전력의 0 내지 100% 범위에서 전력이 변화하는 전기 에너지원이며, 3 가지의 다른 에너지 모드, 즉 (i) 독점적 전기 에너지, (ii) 전기 에너지 및 적어도 하나의 추가의 비전기적 에너지원의 혼합 에너지 또는 (iii) 독점적 비전기적 에너지가 개별적으로, 열-소모 공정에 요구되는 전체 전력을 제공할 수 있고, 이때 하나의 에너지 모드에서 다른 에너지 모드로의 변화가 완결되는 전환 시간이 30분을 초과하지 않는, 열-소모 공정을 수행하는 방법에 관한 것이다.

Description

흡열 공정을 수행하는 방법{METHOD FOR PERFORMING ENDOTHERMIC PROCESSES}
본 발명은 시간-의존성 출력(time-dependent output)을 갖는 전기 에너지가 효과적으로 이용되는 열-소모 공정을 수행하는 방법에 관한 것이다.
2011년 독일에서 이미 20%를 차지하였던, 전체 발전에 있어서의 재생가능한 에너지의 비율은, 화석 에너지 운반체에 대한 비용과 시장 규제 조치가 증가함에 따라 재생가능한 에너지에 기초한 전력 생산 기술을 경제적으로 매력적으로 만들 것이기 때문에 다음 몇 년간 상당히 증가할 것이며, 이러한 상황은 앞으로도 계속 유지될 것이다. 추가적인 기술 개발과 연관된 특정 자본 비용에 있어서의 감소도 또한 이러한 상황에 기여할 것이다. 문제는 태양, 바람 및 물의 가용성이 시간이 지남에 따라 일정하지 않고, 또한 그들의 가용성을 예측하기도 어렵다는 사실이다.
재생가능한 에너지를 저장하고 따라서 이용하는 문제는 1980년대 이후 계속 논의되어 온 문제이다. 재생가능한 에너지의 이용에도 불구하고, 에너지 사용자, 예를 들면 화학 산업에 일정한 전압의 전력을 제공하기 위하여, 특히 다음 사항들이 에너지 공급업자들에 의해 고려되었다.
미국 특허 제 4,776,171 호는 복수의 재생가능한 에너지원 및 복수의 에너지 저장 자원(energy storage sources), 및 또한, 산업계의 요구조건들을 충족시키기 위하여, 복수의 통제소 및 배전소로 이루어진 에너지 발전 및 관리 시스템을 기술하고 있다. 미국 특허 제 4,776,171 호에는, 종래의 에너지원이 전혀 사용되지 않으며, 결과적으로 전기 에너지원과 비전기적 에너지원과의 어떠한 조합도 전혀 기술되어 있지 않다.
미국 특허출원 제 2011/0081586 호도 이와 마찬가지로 재생가능한 에너지원과 전기화학 전지(electrochemical cell) 또는 전해질 전지(electrolytic cell)와의 조합을 기술하고 있으며, 여기서는 전기화학 전지 또는 전해질 전지는 재생가능한 에너지원의 변동을 보상하기 때문에 후일 연속적인 사용을 가능하게 할 수 있다. 따라서, 전기 에너지원과 비전기적 에너지원과의 조합이 개시되어 있지 않다.
미국 특허출원 제 2008/0303348 호는 오로지 재생가능한 에너지만을 기반으로 하지만, 그럼에도 불구하고 수요-의존성 통제가 가능한 발전소를 개시하고 있다. 미국 특허출원 제 2008/0303348 호는 풍력 에너지, 태양 에너지 및 바이오매스의 연소시에 유도되는 에너지의 조합을 기술하고 있다. 발전소는 언제든지 저렴하게 개별적인 수요를 보장하기 위하여 세 가지 에너지원 사이를 원활하게 자발적으로 변화시킬 수 있는 것으로 서술되어 있다. 그러나, 오로지 재생가능한 에너지만으로, 예를 들면, 화학적 고온-공정의 전체 연간 수요를 보장할 수 있을지는 의문이다.
또한, 발전소에서 미리 태양 에너지의 변동을 완화시키지 않고서 화학 공정에서 태양 에너지를 직접 이용하는 방법도 고려되어 왔다. 미국 특허 제 4,668,494 호는 탄화수소를 스팀 개질하거나 또는 탄소-함유 연료를 가스화하고, 생성물을 암모니아 합성 가스와 반응시킨 다음, 또한 암모니아 합성 가스를 암모니아로 전환시킴으로써 암모니아를 제조하는데 태양 에너지를 이용하는 공정을 기술하고 있다. 탄화수소를 스팀 개질하거나 또는 탄소-함유 연료를 가스화하는데 요구되는 열은 열 전달 유체에 의해 제공되며; 이러한 열 전달 유체는 일차적으로는 태양 에너지가 유용할 때 태양 에너지에 의해 가열되고, 이차적으로는, 태양 에너지의 전력의 함수로서, 요구되는 열의 총량을 제공하기 위하여 암모니아의 일부를 연소시킴으로써 가열시킨다. 대낮에 태양 에너지 입력이 최대일 때, 암모니아 버너는 최저로 가능한 발화율에서 동작하는 것으로 서술되어 있다. 또한, 태양 에너지가 이론적으로는 암모니아 합성의 전체 에너지 수요를 커버할 수 있다 하더라도, 암모니아 버너를 정지시키고 재시작하는 것은 전적으로 비실용적이라 서술되어 있다.
종래 기술과 비교하였을 때 미국 특허 제 4,668,494 호에 기술된 공정의 장점은 태양 에너지에 있어서의 변동을 평형화하는데 대한 발전소의 절약이다. 또한, 반응 챔버가 가열원으로부터 분리되는 것도 장점이다. 또한, 다양한 가열원의 유연한 용법 및 전체 공정의 단순한 규칙성도 장점이다. 단점은, 허용가능한 시간에 암모니아 버너를 정지시키고 다시 가동하는 상기 언급된 불가능성 이외에도, 열 전달 유체의 사용, 그들과 연관된 고가의 처리 비용 및, 특히, 고온 범위에서 발생할 수 있는 열 전달 저항에 의해 야기되는 손실이다. 또한, 미국 특허 제 4,668,494 호에 기술된 공정은 태양 복사가 없는 시간에는 표적 생성물인 암모니아를 연소시켜 전 공정을 계속 가동시켜야 한다는 단점이 있다. 예를 들면, 독일에서 일조량이 8번째인 도시인 만하임시에서 미국 특허 제 4,668,494 호에 따른 공정의 개선은 태양 에너지에 의해 약 18% 정도까지 가열될 것이며; 이는 생산되는 암모니아의 약 35%를 연소시키는데 대한 요구에 상응한다.
가까운 장래에, 태양, 바람 및 물로부터 재생 에너지의 도입 비율이 증가함으로 인하여 전력 피크가 더욱 빈번하게 발생하여 전력 소비자에 의해 단지 불완전하게 수용될 수 있을 것이며, 따라서 발전 단가보다 훨씬 더 저렴한 가격으로 또는, 에너지 함량에 기초하여, 동일한 주울 값을 갖는 화석 연료보다 더 저렴한 가격으로 또는 공짜로(즉, 무상으로) 또는 마이너스 가격으로 잉여 전력이 전력 시장에 제공될 것이다.
전압 및 주파수 변동 또는 심지어 전력망(power grid)의 고장까지도 미연에 방지하기 위하여, 그리드에 공급되는 전력의 양은 항상 전류 소비에 대응하는 것이 필요한데, 이 이유는 달리는 그리드에 연결된 전기적 부하가 손상될 수 있기 때문이다. 현재, 단기 전력 변동은 그리드 운영자를 위한 시스템 서비스의 일부로서 피크 부하 발전소(peak load power stations)에 의해 보상된다.
적합한 피크 부하 발전소는, 예를 들면, 양수 발전소 또는 압축 공기 저장 발전소(pumped or compressed air storage power stations)이다. 이들은 신속하게 조절될 수 있으며, 과량의 유용한 전기 에너지를 다른 형태의 에너지로 변환하기 위하여 발전과 전력 소비 사이에서 수분 이내에 변할 수 있다. 양수 발전소의 경우, 물은 이러한 목적을 위하여 저준위에서 고준위로 펌핑되는 반면, 압축 공기 저장소의 경우, 공기 저장소의 압력은 압축기에 의해 증가된다. 변환 손실을 차감한 이러한 에너지는 때로는 전력 수요가 기저 부하 및 중간 부하로부터 현재의 전력 생산량을 초과하는 경우에 다시 전력 생산에 이용할 수 있다. 압축 공기 저장소는 그들이 장기간에 걸쳐 전력을 소비할 수 있으며, 그들의 흡수 전력의 배수를 매우 단시간 내에 그리드로 다시 방출할 수 있다는 장점을 갖는다. 예를 들어, 전력은 주말 야간에 소비될 수 있으며, 이러한 에너지는 주중 저녁 피크 시간대의 1 - 2 시간 이내에 흡수 전력의 배수로 방출될 수 있다. 그러나, 이러한 타입의 발전소는 필수적인 지리학적 및 지질학적 전제조건 및 공식 승인이 단지 몇 곳에만 준비되어 있기 때문에 단지 제한된 개수 및 제한된 용량 내에서만 이용할 수 있다. 또한, 압축 공기 저장 발전소는 약 40 내지 50% 정도의 비교적 낮은 효율을 갖는다.
독일에서, 재생가능한 에너지 법은 생산자에게 전력망 내에 재생가능한 에너지의 우선 공급권을 보장한다. 따라서, 예를 들면, 신속하게 이용할 수 있는 모든 전력 저장 가능성이 이미 완전히 적재되어 있고 중간 부하 발전소의 적재량에 있어서의 감소도 너무 완만한 경우에 바람의 잠시 동안의 강한 발생이 전력의 과잉 공급으로 이어질 수 있다. 이러한 경우, 잉여 전력은 전력 시장에 매우 낮은 가격, 때로는 원가보다 훨씬 더 낮은 가격으로 제공된다. 이는 판매자가 때로는 전력을 입수하기 위하여 구매자에게 비용을 지불하는 것을 의미한다. 2012년도 유럽 에너지 거래소(European Energy Exchange)(EEX)의 장중 시장에서의 최저가는 약 200€/MWh 였다. 이와 대조적으로, 예를 들어 대형 발전소의 가동이 중단되는 경우에는 또한 가격이 매우 높게 상승할 수도 있다. 따라서, EEX 현물 시장에서 2012년도 최고 가격은 약 550€/MWh 였다.
모든 그리드 최적화 및 그리드 확대 조치에도 불구하고, 재생가능한 전기 발전기를 하향 조정하는 것이 생산 과잉 또는 전송 용량의 결여로 인하여 피할 수 없는 상황에 처해 있으며, 이는 그리드에서 하향 조정에 처하게 된 원인을 유발한 그리드 사업자에 의해 지불되어야만 한다. 2010년도에는, 127 GWh 가 이러한 입력 관리 대책의 영향을 받았으며, 약 천만 유로(10,000,000 €)가 보상 비용으로 지불되었다(연방 그리드 기관의 감시 보고서 2011).
다른 속도를 갖는 조절 회로가 전기 그리드(electric grid)내의 주파수 조절에 사용되는데; 이때 1차 조절은 30초 미만의 응답 시간을 갖고, 2차 조절은 7.5분 미만의 응답 시간을 가지며, 마지막으로 3차 조절은 그보다 더 긴 응답 시간을 허용한다. 1차 및 2차 조절은 자동적으로 작동되며, 운전중인 발전소의 동작 상태에서 직접 작용한다. 3차 조절(또는 분 단위 비축(minutes reserve))은 일반적으로 유기적인 조치에 의해 작동된다. 분 단위 응답(minutes response)은 양(+)의 값(증가된 전력이 요구되는 경우) 또는 음(-)의 값(감소된 전력이 요구되는 경우)일 수 있다. 양(+)의 값을 갖는 분 단위 비축은 일반적으로는 예비 발전소(reserve power stations)를 개폐함으로써 작동된다. 음(-)의 값을 갖는 분 단위 비축은 에너지 소비자를 필요로 한다. 현재의 기술 상태에 따르면, 양수 발전소 및 또한 대형 발전소에서의 용량 변화 및 열병합 발전소(coupled power-heat plants) 및 또한 최종 소비 장치, 예를 들면 전기 아크로(electric arc furnace) 또는 냉각 저장 장치가 이러한 목적에 사용된다. 그러나, 그들의 용량은 다른 지역으로 불균일하게 배포된다(IDOS 보고서 참조). 또한, 음의 값을 갖는 분 단위 비축에 대한 수요는 재생가능한 에너지원의 확장의 결과로서 증가할 것이라 생각할 수 있다. 2010년, 독일의 4곳의 그리드 운영자에 의해 요청된 음의 값을 갖는 분 단위 비축은 총량이 약 850 GWh에 달하였다(IDOS 보고서, 도 1 참조). 이는 대략 200,000의 주민을 가진 도시의 연평균 소비 전력에 해당한다.
상술된 문제들은 신속하게 충전 및 방전이 가능한 에너지 저장 장치를 충분히 가용함으로써 극복될 수 있다. 그러나, 현시점에서 검토된 저장 기술, 예를 들면 배터리, 플라이휠, 커패시터, 고온 저장 장치는, 일차적으로는 특정 자본 비용이 너무 높으며, 이차적으로는 자연 방전 또는 불만족스럽게 낮은 용량과 같은 기술적인 문제들이 해결되지 않았기 때문에 지금까지 시장에서 뿌리를 내리지 못하였다.
잉여 전력을 활용하고/하거나 저장하기 위하여 현 시점에서 상당하게 논의되고 있는 추가적인 기술은 물을 전기분해하고, 저장하였다가 차후 다른 시간에 전력으로 다시 변환하거나 화학적인 경로에 의해 추가적으로 더 처리할 수 있는 수소를 생산하는데 기반을 두고 있다. 예를 들면, 현재는 전기분해에 의해 수득된 수소를 이산화탄소와 반응시켜 합성 천연 가스를 수득하는 기술이 집중적으로 연구되고 있다. 그러나, 잉여 전력의 가용성에 있어서의 상술된 변동은 전기분해의 일시적인 운전 방식을 강제하며, 따라서 생성물 스트림을 그와 상응하게 강하게 변동시킨다.
전력은 현재는 다량의 열 흐름이 매우 높은 온도 수준에서 도입되는 경우의 비촉매화 가스/고체 반응 및 고체 상태 반응을 위해 주로 선택되는 에너지원이다. 대표적인 용도는 야금로(metallurgical furnaces)[울만: 야금로]이다. 유일한 적절한 기상 공정으로서는, 메탄으로부터 아세틸렌을 생산하기 위한 플라즈마 공정[참조: 바우만(Baumann), Angewandte Chemie, edition B, volume 20 (1948), pages 257-259,1948] 및 철강 산업에서 환원 가스를 생산하기 위한 공정이 산업적으로 확립되어 있다. 문헌에는 기상 공정에서 전기 에너지원을 사용하는 것이 추가적으로 지적되어 있지만, 지금까지는 공업적인 규모에서 경제적으로 사용될 수 있는 용도가 이들로부터 전혀 개발될 수 없었다.
전기 가열을 이용하는 공정은 알칸, 특히 메탄 및 암모니아로부터 시안화수소산(HCN)을 제조하는 방법에 대하여 기술되어 왔다. 미국 특허 제 2,958,584 호는 탄소 입자로 이루어진 전기적으로 가열된 유동층 내에서 프로판 및 암모니아로부터 HCN을 제조하는 방법을 개시하고 있는 반면, 미국 특허 제 6,096,173 호는 코로나 방전을 이용하여 메탄 및 암모니아의 기상 반응으로서 시안화수소산을 제조하는 방법을 기술하고 있다.
특허출원 DE　1　266　273 호는 탄화수소를 수소와 높은 순도 및 강도를 가진 코크스로 분해하는 방법을 개시하고 있다. 반응 대역의 가열은 이동층 또는 유동층으로서 기술되는 탄소층(carbon bed)을 저항으로서 이용하여 전기 저항 가열함으로써 실시한다. 또한, 고체 스트림 및 가스 스트림을 향류로 이송시키는 열 집적화가 기술되어 있다.
또한, 합성 가스를 제조하기 위한 플라즈마 발생기의 사용을 연구하여 왔으며[참조: 37 엘. 케르커(L. Kerker), 알. 뮐러(R. Muller) : "Das Plasmareforming-Verfahren zur Erzeugung von Reductionsgasen" Stahl Eisen 104, (1984) no. 22, 1137], 탄화수소의 분해를 위한 전기 또는 전자기 공정의 사용을 기술하여 왔다[참조: 하우징거 피.(Haussinger, P.), 로우뮐러, 알.(Lohmuller, R.) 및 왓슨, 에이. 엠.(Watson, A. M.), 2000, Hydrogen, 2. Production. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry]. 따라서, 열은 전력에 의해 유도적으로(DE　2　420　579) 또는 저항적으로 발생되어 탄화수소로 전달될 수 있다(DE　1　266　273). 가스가 전기 아크내에서 그의 원자 또는 분자의 이온화에 의해 플라즈마로 전환되는, 국제특허출원 WO　93/12030 호에 개시된 바와 같은 플라즈마 공정이 특히 효과적이다. 전자와 이온의 재결합에 의해 발생된 열은 탄화수소의 분해에 필요한 에너지를 제공한다.
일부 중요한 열-소모성 공정은 고온 공정, 즉 500 내지 2500℃ 범위의 온도에서 수행되는 공정이다. 이러한 매우 에너지-집약적인 공정의 대표적인 예로서는, 스팀 개질 공정 및 건식 개질(dry reforming) 공정, 탈수소화 공정, 예를 들면 일차 알콜에서 알데하이드로, 이차 알콜에서 케톤으로, 알칸에서 알켄으로 및 사이클로알칸에서 사이클로알켄으로의 탈수소화 공정, 메탄 및 암모니아로부터 시안화수소산의 제조 공정, 일산화질소의 제조 공정, 탄화수소의 크래킹 또는 열분해 공정 및 물의 열분해 공정이 언급될 수 있다. 스팀 개질 및 건식 개질 공정은 천연 가스, 경질 경유, 메탄올, 바이오가스 또는 바이오매스 및 또한 물 또는 이산화탄소와 같은 탄소-함유 에너지 운반체로부터 합성 가스, 즉 일산화탄소 및 수소의 혼합물을 제조하기 위한 공정이다.
공업적인 규모에서, 이들 공정은 연속적으로 진행하며, 따라서 일정한 열의 공급을 필요로 한다. 이들 공정의 공정 가열 조건은 500 내지 600 TWh일 것으로 추정된다. 현재, 상기에서 언급된 고온 공정들은 단지 산화 공정(자가열 및/또는 등온(allothermal) 공정)에 의해 공급되는 에너지원을 사용하여 배타적으로 수행된다. 이들 산화 공정의 단점, 즉 첫째 원료 의존성 및 원료의 제한된 효용 및 둘째 산화 공정과 연관된 CO2 방출(2010년 독일에서의 CO2 방출은 약 9억 6천만톤의 CO2 당량이었으며, 이는 화학 산업에서 약 5%를 기여하였다)은 적절하게 공지되어 있다.
고온 공정에서 고온을 달성하는 비용은 공정의 경제성에 있어서 중요한 요인이지만, 종래 기술에는 저렴한 잉여 전력, 특히 전기 에너지원 및 비전기적 에너지원의 조합의 사용에 대해서 아무런 언급이 되어있지 않다. 또한, 고온 공정에서 공정이 진행되는 동안에 전기 에너지원과 비전기적 에너지원 사이에서 변화가 이루어질 수 있다는 지적도 전혀 없다.
따라서, 본 발명의 목적은, 오직 시간이 지남에 따라 효과적으로 변동하는 출력으로, 즉 고도의 효율로만 이용가능한 전력을 에너지원으로서 사용할 수 있는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 전기 그리드내의 주파수를 조절하기 위한 음의 값을 갖는 분 단위 비축의 경우에 에너지 이용자로서의 화학 공정을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은, 낮은 CO2 배출량을 갖고, 따라서 화석 연료 또는 CO2 인증을 절감할 수 있는 화학적 고온 공정을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 도 1에 개략적으로 도시된 예를 참조하여 더 설명될 것이다.
도 1은 메탄이 탄소-함유 입상 재료의 층내에 배치된 고온 대역에서 수소 및 탄소로 분해되는 본 발명 방법의 하나의 변형을 도시한 것이다.
이러한 명시된 목적은 본 발명에 따라, 적어도 두 가지의 서로 다른 에너지원으로부터 유래하는 열-소모 공정에 대해 연간 평균적으로 요구되는 전체 에너지를 사용하여 열-소모 공정을 연속적으로 수행하되, 이때 에너지원 중의 하나는, 필요한 전체 전력의 0 내지 100% 범위내에서 전력이 변하는 전기 에너지원이며, 3 가지의 다른 에너지 모드, 즉 (i) 독점적 전기 에너지, (ii) 전기 에너지 및 적어도 하나의 추가의 비전기적 에너지원의 혼합 에너지 또는 (iii) 독점적 비전기적 에너지가 개별적으로, 열-소모 공정에 필요한 전체 전력을 제공할 수 있고, 이때 하나의 에너지 모드에서 다른 에너지 모드로의 변화가 완결되는 전환 시간(changeover time)은 30분을 초과하지 않는 방법에 의해 달성된다.
열-소모 공정에 사용가능한 전체 전력은 유리하게는 열-소모 공정에 제공되는 규정 값(prescribed value)으로부터 10% 미만, 바람직하게는 5% 미만, 특히 바람직하게는 3% 미만의 편차가 날 수 있다. 사용가능한 전력은 규정 값으로부터 바람직하게는 0 내지 5%, 특히 0 내지 3%의 편차가 있다.
규정 값과 허용가능한 편차는 모두, 예를 들어, 열-소모 공정이 단지 부분 부하에서 또는 과부하에서는 또한 잠시 동안 작동되어야 하는 경우에는, 시간이 흐름에 따라 변할 수 있거나, 또는 일정하게 유지될 수 있다. 열-소모 공정을 수행하는데 사용되는 장치가 작동될 수 있는 정격 출력(nominal power)이 바람직하게는 규정 값으로서 선택되며, 상기 장치가 정상 작동되는 동안 일정하게 유지된다.
적어도 하나의 비전기적 에너지원은 바람직하게는 천연 가스의 연소와 같은 산화 공정에 의해 공급된다. 그러나, 에너지원을 공급하기 위하여 지열 또는 태양 에너지의 이용도 상상해 볼 수 있다. 또한, 고온 공정은 열-소모 공정내로 도입되는 그들의 폐열에 의해 비전기적 에너지원으로서의 역할을 할 수 있다.
따라서, 본 발명은 열-소모 공정이 유리하게는 잉여 전력으로서 즉시 사용가능한 전력과 독립적으로 항상 최적의 작동 조건하에 작동가능하게 한다. 특히, 열-소모 공정이 진행되는 동안 중간 저장 없이, 즉 거의 손실 없이, 유리하게는 90% 초과, 바람직하게는 95% 초과, 특히 바람직하게는 98% 초과 범위, 즉 유리하게는 95 내지 100% 범위, 바람직하게는 98 내지 100% 범위의 효율로 잉여 전력을 사용함으로써, 특별한 제한 없이 그의 비용적인 이점을 활용할 수 있다. 그 결과, 재생가능한 에너지원으로부터 변동하는 전력을 갖는 에너지는 화학 공정에서 직접, 즉 발전소에서 종래의 평활화/보정(smoothing/compensation) 없이 사용될 수 있다.
잉여 전력은 그의 생산 원가보다 상당히 낮은 가격으로 또는, 그의 에너지 함량(energy content)에 기초하여, 동일한 주울 값을 갖는 화석 연료보다 더 저렴한 가격으로 또는 공짜로(즉, 무상으로) 또는 심지어는 마이너스 가격으로 전력 시장에 제공되는 전력으로서 정의된다.
본 발명에 따르면, 열-소모 공정은 유리하게는 흡열 고온 공정, 바람직하게는 그의 반응 대역에서의 에너지 소모량이 0.5 MW/㎥ 초과, 특히 바람직하게는 1 MW/㎥ 초과, 특히는 2 MW/㎥ 초과인 공정이다. 예를 들면, 반응 대역에서의 에너지 소모량은 0.5 내지 10 MW/㎥의 범위일 수 있다.
본 발명을 위하여, 반응 대역(reaction zone)이란 용어는 반응기에서 흡열량(endothermy), 즉 반응의 열 요구량이 유리하게는 10 kW/㎥, 바람직하게는 100 kW/㎥, 특히는 500 kW/㎥을 초과하는 그러한 영역을 지칭한다. 이는 대략적으로는 반응기에서 500℃를 초과하는 온도를 갖는 영역에 상응한다.
반응 대역의 최대 온도는 유리하게는 500℃ 초과, 바람직하게는 800℃ 초과이다. 예를 들면, 반응 대역의 온도는 500 내지 2500℃, 바람직하게는 700 내지 1800℃ 범위로서, 예를 들어 탈수소화 반응의 경우에는 500 내지 800℃ 범위, 예를 들어 개질 반응의 경우에는 700 내지 1000℃ 범위, 예를 들어 스팀 크래킹 반응의 경우에는 800 내지 1100℃ 범위, 예를 들어 열분해 반응의 경우에는 800 내지 1500℃ 범위, 예를 들어 탄소 가스화 반응의 경우에는 800 내지 1200℃ 범위이다.
흡열 고온 공정의 에너지 소모량의 예가 하기 표 1에 나타나 있다.
생성물 입열 온도 수준
[℃]		 용량 GER
[백만 미터톤/a]		 열 요구량
[GWh/a]		 CO2 당량
[백만 미터톤/a]
수소 900 0.535 5572.9 2.25
프로펜 1050 3.9 3224.2 1.30
스티렌 720 1.3 420.1 0.17
본 발명의 방법을 수행할 시의 엑서지 손실(exergy loss)은 도입된 전기 에너지의 바람직하게는 60% 미만, 보다 바람직하게는 50% 미만, 특히 바람직하게는 40% 미만, 특히는 25% 미만이다. 엑서지는 엔트로피의 증가 없이 기계적 에너지로 전환될 수 있는 시스템의 내부 에너지의 비율이다. 전기 에너지는 거의 모든 엑서지이다.
본 발명의 방법은 특히 바람직하게는 합성 가스, 수소, 스티렌, 프로펜, 부텐 및/또는 벤젠, 아세틸렌, 일산화탄소, 시안화수소산, 일산화질소의 제조시에 및 수산화알루미늄의 소성시에 사용된다. 하기에 제시되어 있는 공정에 바람직하다: 스팀 개질 및 건식 개질 공정, 물의 열분해 공정, 에틸벤젠에서 스티렌으로, 프로판에서 프로펜으로, 부탄에서 부텐으로 및/또는 사이클로헥산에서 벤젠으로의 탈수소화 공정, 고정층 또는 유동층 공정에서의 탄화수소의 열분해 및 크래킹 공정, 특히 메탄, 에탄, 프로판 및/또는 부탄의 열분해 공정, 및 아세틸렌의 열분해 제조 공정, 메탄으로부터 벤젠을 제조하는 공정, 이산화탄소를 일산화탄소로 환원하는 공정 및 메탄 및 암모니아로부터 시안화수소산을 제조하는 공정 및 또한 질소 및 산소로부터 일산화질소를 제조하는 공정.
본 발명에 따른 고온 공정은 유리하게는 결합 위치로 에너지-통합되며; 이러한 에너지 통합은 별도로 작동되는 고온 공정과 비교하였을 때 사용되는 열의 효율의 2% 절대값(absolute), 바람직하게는 3% 절대값, 매우 바람직하게는 5% 절대값, 특히 바람직하게는 10% 절대값 만큼의 증가가 가능하게 한다.
본 발명의 방법은 유리하게는 연속적으로 또는 가연속적으로 수행된다.
연간 평균적으로, 사용되는 전기 에너지의 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 75%, 보다 더 바람직하게는 적어도 90%, 특히 바람직하게는 적어도 95% 이상이 잉여 전력 및/또는 심야 전력(여기서, 심야 전력은 야간에, 예를 들면 22시에서 익일 6시 사이에 공급되는 전기 에너지로서 정의되며, 저렴한 요금 체계를 갖는다), 바람직하게는 잉여 전력에 의해 제공되는 것이 바람직하다.
연간 평균적으로, 사용되는 전기 에너지의 50 내지 100%, 바람직하게는 75 내지 내지 100%, 보다 더 바람직하게는 90 내지 100%, 특히 바람직하게는 95 내지 100%가 잉여 전력에 의해 제공되는 것이 바람직하다. 그러나, 전기를 통하여 공정내로 도입되는 모든 에너지가 잉여 전력 및/또는 심야 전력, 바람직하게는 잉여 전력에 의해 제공되는 것이 특히 바람직하다.
연간 평균적으로, 열-소모 공정에 요구되는 전체 에너지의 바람직하게는 적어도 10%, 보다 바람직하게는 적어도 15%, 매우 바람직하게는 적어도 20%, 특히 바람직하게는 적어도 25%는 바람직하게는 변동 전력을 갖는 전기 에너지원으로부터 수득된다.
에너지원/에너지 모드의 변경은 유리하게는 열-소모 공정을 수행하는 도중에 실시된다. 본 발명을 위하여, 에너지원/에너지 모드의 변경은 에너지원 중의 하나를 연결하거나 차단하는 것으로, 즉 에너지원에 있어서의 변경은 모드 (i), (ii) 및 (iii) 사이에서 혼합하는 것이다.
에너지원의 변경은 유리하게는 열-소모 공정을 수행하는데 거의 악영향을 미치지 않는다.
공정에 공급되는 열 흐름은 유리하게는 전환시간 도중에 10% 이하, 바람직하게는 5% 이하, 특히 바람직하게는 1% 이하 감소하거나 변동한다.
전환 시간(changeover time)은, 본 발명을 위해서는, 에너지원/에너지 모드의 변경(하나의 에너지 모드에서 다른 에너지 모드로의 변경)이 완결되는 시간이다. 전환 시간은, 예를 들면, 모든 에너지원의 전력의 합에 의해 또는 반응 대역내의 온도에 의해 측정될 수 있으며; 전환 시간 밖에서 (및 임의적으로는 공정의 가동 기간 또는 정지 기간 밖에서), 반응 대역내의 온도는 바람직하게는, 예를 들어 열-소모 공정의 연속 동작 모드의 경우에는 일정하거나, 또는 예를 들어 열-소모 공정의 주기적 동작 모드의 경우에는 주기적 온도 수준(periodic temperature level)을 갖는다.
반응 대역내의 온도는 유리하게는, 전환 시간 동안, 20K 이하, 바람직하게는 10K 이하, 보다 바람직하게는 5K 이하, 특히 1K 이하로 변화한다. 전형적인 화학적 고온 공정은 온도 변화에 있어서 1 K/s의 동역학 (dynamics)을 갖는다.
열-소모 공정의 전환은 유리하게는, 전환 시간 동안, 2% 이하, 바람직하게는 1% 이하, 보다 바람직하게는 0.5% 이하, 특히 바람직하게는 0.2% 이하로 변화한다.
전환 시간은 유리하게는 전기 전력망내의 분 단위 비축에 요구되는 응답 시간보다 더 짧고, 바람직하게는 2차 조절에 요구되는 응답 시간(<7.5분)보다 더 짧으며, 특히 바람직하게는 1차 조절에 요구되는 응답 시간(<30초)보다 더 짧다. 전환 시간은 유리하게는 15분보다 짧고, 바람직하게는 7.5분보다 짧고, 보다 바람직하게는 5분보다 짧고, 보다 더 바람직하게는 60초보다 짧으며, 특히 바람직하게는 30초보다 짧다. 전환 시간은 유리하게는 0초 내지 15분 범위, 바람직하게는 0.2초 내지 7.5분 범위, 보다 바람직하게는 0.5초 내지 5분 범위, 보다 더 바람직하게는 1초 내지 60초 범위, 특히 바람직하게는 1초 내지 30초 범위이다.
예를 들면, 종래 기술에서 통상적으로 사용되는 버너의 전력은 임의적으로는 "꺼짐(off)" 상태에서 수초 내에 도달하는 온도, 예를 들면, 2000℃ 까지의 광범위한 범위에서 변할 수 있다[예를 들면, 셀라스-린데(Selas-Linde)의 제품 범위 참조).
에너지 모드가 변화하는 도중, 고온 공정의 부산물 선택성은 유리하게는 단지 약간 변화하며; 부산물 선택성은 바람직하게는 1% 이하, 보다 바람직하게는 0.5% 이하, 특히 바람직하게는 0.2% 이하(절대값)로 증가한다.
반응기, 특히 반응 대역에서의 온도 프로파일은 유리하게는 상기에서 언급된 3 가지 에너지 모드와는 독립적으로 일정하다. 열 유속(heat flux)은 에너지 모드가 변화하는 도중 바람직하게는 10% 미만, 보다 바람직하게는 5% 미만, 특히 바람직하게는 2% 미만으로 변화한다.
출발 물질 조성은 유리하게는 상기에서 언급된 에너지 모드와는 독립적으로 일정하다. 출발 물질의 체적 유량은 에너지 모드가 변화하는 도중 바람직하게는 20% 미만, 보다 바람직하게는 10% 미만, 보다 더 바람직하게는 5% 미만, 특히 바람직하게는 2% 미만으로 변화한다.
전력을 통하여 열-소모 공정에 열 에너지를 제공하기 위하여, 다양한 경로를 따를 수 있다. 본원에서 언급될 수 있는 예는 유도 가열 또는 저항 가열 방법, 플라즈마 공정, 전기전도성 발열체/접촉 면적에 의한 가열 또는 마이크로파에 의한 가열 방법이다.
공정 스트림내로의 열 에너지의 도입은, 예를 들면, 반응기 외측에서는 열-소모 공정 단계, 예를 들면 공급물 예열 단계가 수행되는 구역에서 및/또는 반응기내측에서는 반응 대역의 외측과 내부 모두에서 수행될 수 있다.
예를 들면, 열은 공정 스트림, 즉 열 전달 매질(여기서, 상기 열 전달 매질은 또한 생성물 스트림의 일부일 수도 있다)을 처리할 하나 이상의 전기전도성 발열체내의 전기 전류에 의해 발생될 수 있거나, 또는 공급 스트림을 직접 접촉시킴으로써 가열할 수 있다. 열 전달 매질 또는 공급 스트림이 전기적으로 가열된 발열체와의 직접 접촉에 의해 가열되는 경우, 이는 그 이후에 직접 접촉에 의해 및/또는 열교환기를 통하여 다른 공정 스트림으로 열을 전달할 수 있다.
열 전달 매질은 유리하게는 생성물 및 출발 물질로부터 완전히 분리될 수 있다. 열 전달 매질은 유리하게는 각각의 열-소모 공정에 대해 종래 기술에서 공지된 공정 스트림과 비교하였을 때 부가적인 물질이 아니다. 탄화수소, 특히 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 사이클로헥산 및/또는 에틸벤젠, 물, 수소, 이산화탄소, 일산화탄소, 암모니아 및/또는 산소, 및/또는 질소와 같은 불활성 가스를 포함하는 공정 스트림을 제공하는 것이 바람직하다. 메탄, 에틸렌 및/또는 수소를 포함하는 공정 스트림을 제공하는 것이 특히 바람직하다. 특히, 수소가 공정 스트림으로서 바람직하다.
열을 발생시키기 위하여, 전력을 유리하게는 열이 저항적으로 발생되는 열 전도체로 구성된 발열체에 통과시킬 수 있다. 전류가 교류인 경우, 유리하게는 교류에 의해 교류 자기장이 발생될 수 있으며, 이를 위하여 전류를 유도 코일에 통과시킨다. 유도 코일로부터 전기적으로 절연된 전기전도성 발열체는 유리하게는 교류 자기장에 의해 와전류가 유도되어 저항 손실의 결과로서 발열체의 가열을 초래하도록 정렬된다.
본 발명의 다른 실시태양에서, 전력은 가스상 공정 스트림의 적어도 일부를 부분 이온화에 의해 플라즈마로 전환시키기 위하여 사용된다. 전자 및 이온의 재결합시에 방출된 에너지는, 그 자체가 가열된 공급 스트림이고/이거나 이어서 그의 열이 직접 접촉에 의해 및/또는 열교환기를 통하여 열-소모 공정의 공급 스트림, 예를 들면 분해시킬 탄화수소로 전달되는 열 전달 매질로서 작용하는 가열된 공정 스트림을 생성하도록, 대부분 가스 원자 또는 분자로 전달된다. 가스상 공정 스트림의 적어도 일부는, 그 안으로 냉각된 가스 스트림이 도입되고 그로부터 가열된 가스 스트림이 이탈하는, 플라즈마 발생기를 통하여 이송하는 것이 유리하다. 플라즈마 발생기를 통과하는 서브스트림(substream)의 규모는 전달할 열의 양에 의해 결정된다.
에너지 모드(ii)에서 본 발명의 방법을 수행할 경우, 시간이 지남에 따라 변동하는 전력을 가진 전기 에너지원으로부터 흡수된 열 에너지는, 예를 들면, 일정한 흐름(constant flow)을 가지며 그의 온도가 시간이 지남에 따라 가열하는데 즉시 이용할 수 있는 전력의 함수로서 변동하는 가열된 공정 스트림, 임의적으로는 열 전달 매질을 생산하는데 사용된다. 대안으로서, 공정 스트림, 임의적으로는 열 전달 매질의 온도가, 적어도 넓은 범위에서, 그를 가열하는데 이용할 수 있는 전력과 독립적이 되도록 공정 스트림, 임의적으로는 열 전달 매질의 흐름이 조절될 수 있다.
본 발명의 방법을 수행할 경우에 제 1 가열 단계에서 공정 스트림에 공급되는 전기 에너지원으로부터 열 에너지를 제공하는 것이 바람직하다. 전기 에너지원의 순시 전력(instantaneous power)이 충분하지 않은 경우, 공정 스트림의 온도는 적어도 하나의 제 2 단계에서 적어도 하나의 비전기적 에너지원으로부터 열 에너지를 도입함으로써 더 하류에서 원하는 값까지 상승시킨다. 공정 스트림의 가열은 또한 역순으로 일어날 수도 있는데, 즉 공정 스트림을 일차적으로 적어도 하나의 비전기적 에너지원으로부터의 열 에너지를 사용하여 예열시키고 이어서 전기적으로 발생된 열을 사용하여 원하는 온도로 가열한다.
2 가지 이상의 에너지원의 직렬 연결에 대한 대안으로서, 이들 에너지원은 또한 병렬로 연결될 수 있으며, 2 가지 이상의 공정 스트림은 열 에너지와 병렬로 공급된다.
플라즈마 발생기가 산화 공정과 조합되어 전기 에너지원으로서 이용되는 경우, 연도 가스에 의한 플라즈마 버너의 오염을 피해야만 한다. 따라서, 공정 스트림은 바람직하게는 플라즈마 발생기에 의해 일차적으로 (사전)가열된 다음, 이어서 산화 공정에 의해 목적하는 온도에 이르게 된다. 대안으로서, 플라즈마 발생기와 산화 공정이 병렬로 작동된다.
열 에너지가 산화적으로 발생되는 비전기적 에너지원이 본 발명의 방법을 수행하는데 사용되는 경우, 이는 바람직하게는 수소, 천연 가스, 석탄 또는 또 다른 탄화수소-함유 에너지 운반체와 같은 연료의 완전 연소 또는 부분 연소에 의해 영향을 받는다. 이어서, 여기에서 형성되는 고온 연도 가스의 열은 직접 접촉에 의해 및/또는 열교환기를 통하여 출발 물질, 예를 들면 분해할 탄화수소로, 및/또는 열 전달 매질로 전달된다.
수소 또는 탄화수소, 바람직하게는 메탄과 같은 산화가능한 성분을 포함하는 가스, 예를 들면 전형적으로는 천연 가스 공급원에 따라 천연 가스중의 메탄 함량이 75 내지 99 몰%인 천연 가스가, 그의 열 함량이 바람직하게는 전기 예열 이후에 산화가능한 성분들의 산화에 의해 증가될 수 있도록, 공정 스트림으로서 대용적으로 사용된다. 이러한 목적으로 위하여, 공정 스트림은 바람직하게는 버너내로 도입되고 거기에서 공기 또는 산소가 풍부한 공기 또는 순수 산소와 같은 산화제와 혼합된다. 산화제는 정량 조절하에 도입되며, 버너 하류에서 설정되는 공정 스트림의 온도가 조절 변수로서 사용된다. 따라서, 공정 스트림의 온도는 예정된 값으로 설정될 수 있으며, 특히 그를 가열하는데 즉시 이용할 수 있는 전력과는 대체로 독립적으로 일정하게 유지될 수 있다.
열이 시간이 지남에 따라 변동하는 전력을 갖는 전류에 의해 발열체에서 발생되는 경우, 버너내에서 연도 가스로서 생성되는 고온의 가스상 공정 스트림내에 이들 발열체를 배치하는 것이 유리할 수 있다. 열-소모 공정이 탄화수소의 열분해인 경우, 탄화수소는 유리하게는 열역학적 평형을 달성하기 위하여 그들의 분해온도 이상으로, 즉 반응 대역내의 체류 시간이 열역학적 평형에 도달하기에 충분히 길어서 그들이 수소 및 탄소로 분해되도록 가열된다. 그러나, 또한 열역학적 평형이 성립되지 않도록 분해온도 이상에서의 시간을 짧게 만들 수도 있다. 이는 수소 및 탄소 뿐만 아니라 불포화 탄화수소 화합물 및 방향족 화합물을 메탄 및/또는 에탄과 같은 미반응 포화 탄화수소와 함께 포함하는 생성물 가스 스트림을 제공한다.
본 발명의 다른 실시태양에서, 공정 스트림은 유리하게는 반응 대역내에서 가열된다. 예를 들면, 저항 막대 및 연관식 라디에이터(fired radiator tube)가 반응 대역내에 배치될 수 있다. 라디에이터 튜브는 바람직하게는 관류식 또는 축열식 버너와 결합된다[참조: J.A. Wunning, J.G. Wunning: Regenerator brenner fur Strahlheizrohre. Deutscher Flammentag, Berlin, 2007]. 버너의 연료 공급 장치는 유리하게는 오작동 파라미터 연결을 통하여 전기 에너지원의 전력이 변화는 경우에 반응 대역내의 온도에 대한 규정 값을 따를 수 있도록 하는 방식으로 조절된다. 이러한 구성에서, 공정 스트림은 산화적 연소의 연도 가스로부터 분리된다. 열은 라디에이터 튜브의 벽을 통하여 간접적으로 전달된다. 이러한 방식에서, 공정 스트림의 오염은 전기적 가열 및 산화적 가열의 조합에 의해 효과적으로 방지된다. 예를 들면, 전기 가열식 복사 튜브 및 산화 가열식 복사 튜브가 반응 공간내에 교대로 배치될 수 있다.
그 내용이 완전히 본 특허 출원에서 참고로 인용된, 독일 특허상표청에 출원번호 제 DE102011106645.8 호로 출원된 특허 출원에는 분해될 탄화수소가 입상 재료의 층내에 배치된 고온 대역을 통하여 이송되고 거기에서 수소 및 탄소로 열분해되는 탄화수소의 분해 공정이 기술되어 있다. 상기 입상 재료는 유리하게는 금속, 세라믹, 탄소 및/또는 코크스, 바람직하게는 탄소 및/또는 50 내지 100 중량% 범위의 탄소 함량을 갖는 코크스를 포함하는 입자로 구성된다. 이러한 공정의 실시태양은 전력에 의해 및/또는 산화적으로 제공되는 분해에 요구되는 에너지를 제공한다. 이러한 타입의 탄화수소 분해가 본 발명의 방법을 수행하는데 특히 적합한 것으로 생각되기 때문에, 전력이 잉여 전력의 형태로 공급되고, 시간에 지남에 따라 변동하는 그의 전력이 탄화수소의 분해에 이용할 수 있는 전체 전력이 항상 규정된 값에 상응하거나 규정된 값에 근사하도록 하는 방식으로 산화적으로 발생되고 탄화수소 분해에 이용될 수 있는, 시간이 지남에 따라 변하는 전력을 갖는 열 에너지에 의해 보상되는 것으로 제안되어 있다.
예를 들면, 본 발명의 공정에서 100 kg의 수소에 대한 CO2 방출량은 유리하게는 6.6kg CO2/kg H2 미만, 바람직하게는 6.4kg CO2/kg H2 미만, 특히 바람직하게는 6.2kg CO2/kg H2 미만이다.
본 발명의 공정에서 CO2 방출량은 유리하게는 산화 에너지원을 사용하는 종래 기술의 유사한 공정과 비교하였을 때 10 내지 20% 정도 감소된다.
본 발명의 방법은 고온 공정이 전력 그리드내의 주파수 조절시에 음의 값을 갖는 분 단위 비축으로서 이용되는 것을 가능하게 한다. 본 발명의 방법의 결과로서, 이러한 고온 공정은 신속하게 스위치온 될 수 있으며, 또한 500 내지 600 TWh의 다량의 에너지를 흡수할 수 있다. 연속적으로 작동하였을 때, 이러한 공정은 허용 잉여 전력, 예를 들면 심야 전력을 계속 이용할 수 있다.
전기 에너지를 열로 전환하면 단지 소량의 엑서지 손실만을 야기하기 때문에, 고온 공정은 전기 에너지를 사용하는데 특히 적합하다. 열로 전환하면 엑서지의 일부가 무효화된다. 이러한 비율은 본 발명의 흡열 고온 공정의 경우 히트 싱크의 온도 레벨이 증가함에 따라 감소한다. 이러한 공정은 에너지 비용 측면에서 결합 부위로 대형으로 통합되기 때문에, 기술적으로 가능한 최대 비율의 생성물 스트림의 내부 에너지가 엑서지, 예를 들면 고압 스팀의 형태로 재전환될 수 있다.
따라서, 본 발명은 고온 공정, 예를 들면 탄화수소의 분해 공정을 특정 시간에 이용가능한 전기 에너지와 독립적으로 최적의 운전 조건하에서 항상 수행가능하게 한다. 특히, 발전소에서 중간 저장 또는 선행 평활화/보상 없이 저렴한 잉여 전력을 사용함으로써 상당한 제약 없이 그의 비용적인 장점을 이용할 수 있다. 또한, 본 발명은, 예를 들면, 2가지 이상의 상이한 에너지원 사이에서의 변화에도 불구하고 (분해) 생성물이 시간이 지남에 따라 일정한 양 및 조성으로 생산되는 연속 작동을 가능하게 한다.
본 발명의 방법을 사용함으로써 얻게 되는 경제적인 장점은 하기 2 가지 예시의 도움으로 설명될 것이다:
2010년, 독일에서는 생산 과잉으로 인하여 127 GWh의 전력을 재생가능한 에너지원으로부터 생산할 수 없었으며; 또한 4 개의 독일 그리드 사업자들이 신청한 음의 값을 갖는 분 단위 비축의 총량이 약 850 GWh에 달하였다. 약 100000 미터톤의 수소가 이러한 에너지를 사용하여 메탄을 열분해(약 66% 효율)시킴으로써 생산될 수 있었다. 종래의 가열 공정에서는, 8 €/GJ의 특정 에너지 비용의 가정하에서 이와 동량의 에너지에 대해 약 2500 백만 유로(€)의 비용이 발생 되었을 것이다.
20000 표준 ㎥/h의 수소 생산 속도를 갖는 플랜트의 경우, 사용되는 메탄의 열 분해에 대한 요구 전력은 15 MW이다. 현재, 약 12 GWh의 에너지 총량에 달하는 잉여 전력은 본질적으로는 연간 약 800시간 동안 무료로 이용할 수 있다. 동일한 양의 에너지가 메탄의 연소에 의해 생산되었다고 가정할 경우, 이는 8 €/GJ의 가정하에서 약 350000€의 비용을 발생시킬 것이다. 절감 가능성은 잉여 전력의 가용성이 증가하는 결과로서 향후에 크게 증가할 것으로 예상할 수 있다.
또한, 본 발명은 도 1에 개략적으로 도시된 예를 참조하여 더 설명될 것이다.
도 1은 메탄이 탄소-함유 입상 재료의 층내에 배열된 고온 대역에서 수소 및 탄소로 분해되는 본 발명 방법의 하나의 변형을 도시한 것이다.
공급 도관(1)을 통하여, 탄소-함유 입상 재료, 예를 들면 파쇄된 코크스가 주변 온도, 유리하게는 0 내지 300℃, 바람직하게는 10 내지 150℃, 특히 바람직하게는 50 내지 100℃에서 위쪽에서 반응 공간(R)내로 도입된 다음, 그를 통하여 이동층(W)내의 중력의 작용하에 아래쪽으로 이송된다. 메탄-함유 가스(2), 예를 들면 천연 가스가 동시에 아래쪽에서 반응 공간(R)내로 도입된 다음, 이동층(W)을 통하여 향류로 위쪽으로 이송된다. 주변 온도, 유리하게는 0 내지 100℃, 바람직하게는 10 내지 50℃에서 반응 공간(R)으로 유입되는 가스(2)는 위쪽으로 상승하면서 이동층(W)과의 직접 열교환에 의해 가열된다. 1000℃ 이상의 온도를 유지하는 고온 대역(H)에서, 메탄이 수소 및 탄소로 분해되며, 탄소는 주로 이동층(W)의 탄소-함유 입자상에 침착된다. 형성된 고온 수소는 다시 위쪽으로 흐르고 이동층(W)과의 직접 열교환에 의해 냉각됨으로써, 주변 온도보다 현저히 높지 않은 온도, 유리하게는 50 내지 800℃, 바람직하게는 100 내지 500℃의 온도를 갖는 수소-함유 가스가 라인(3)을 통하여 회수될 수 있다. 분리 장치(T)에서, 수소의 일부분(4)이 수소-함유 가스(3)로부터 분리되고, 이어서 전기 에너지를 도입하기 위한 장치, 예를 들면 플라즈마 발생기(P)내로 일정한 유량으로 도입되며, 여기에서 수소는 가열되어 열 전달 매질(5)을 형성한다. 플라즈마 발생기(P)는 시간이 지남에 따라 변동하는 전력을 공급하는 잉여 전력(9)을 사용하여 작동시킨다. 열 전달 매질(5)의 온도는 잉여 전력(9)의 순시 전력의 함수로서 최소 값과 최대 값 사이에서 변동한다. 열 전달 매질의 온도를 소정의 규정된 값으로 설정하기 위하여, 산소, 공기 또는 산소-풍부 공기일 수 있는 산화제(10)가 버너(B)를 통하여 정량 조절하에 열 전달 매질(5) 내로 공급된다. 버너(B)의 하류의 열 전달 매질(11)의 온도는 조절 변수로서 작용한다. 이어서, 열 전달 매질(11)은 고온 대역(H)내로 도입되며, 여기에서 이는 메탄의 분해에 필요한 에너지를 제공한다. 반응 공간(R)의 하단에서, 입상 재료(6)는 실질적으로 주변 온도, 유리하게는 10 내지 400℃, 바람직하게는 20 내지 200℃의 온도에서 회수되며; 이는, 탄소 침착으로 인하여, 예를 들면 고로 코크스 또는 코크스 공장 첨가제로서 사용될 수 있다. 그들이 과도하게 크거나(< 80　mm) 또는 허용할 수 없을 정도로 작은(< 35　mm) 직경을 갖거나 또는, 예를 들면 너무 낮은 강도(ISO/FDIS 18894:2003에 따르면 고로 코크스에 대해 > 40% 의 드럼 강도 I40)를 갖는다는 이유로 품질 요건을 충족하지 못하는 입상 재료(6)의 구성성분들은 체질 및/또는 분류 장치(S)내에서의 분류에 의해 분리 제거되며, 이들은 가능한 한 분쇄된 후, 라인(7)을 통하여 반응 공간(R)로 재순환된다. 잔류물(8)은 고부가가치 제품으로 판정받은 고로 코크스이다.

Claims (15)

  1. 열-소모 화학 공정을 수행하는 방법으로서,
    열-소모 화학 공정에 대해 연간 평균적으로 요구되는 전체 에너지가 적어도 두 가지의 서로 다른 에너지원으로부터 유래하고, 이때 상기 에너지원 중의 하나는전력 그리드로부터의 전기 에너지원이되, 전력 그리드로부터 공급되는 전력은 요구되는 전체 전력의 0 내지 100% 범위에서 변화하며, 연간 평균적으로, 열-소모 화학 공정에 요구되는 전체 에너지의 적어도 10%는 상기 전기 에너지원으로부터 입수되고,
    잉여(excess) 전력은 발전소에서의 중간 저장 또는 종래의 평활화/보정(smoothing/compensation) 없이 열-소모 화학 공정에 사용되고, 이때 상기 잉여 전력은, 생산 원가보다 상당히 낮은 가격으로, 또는 그의 에너지 함량(energy content)에 기초하여, 동일한 주울 값을 갖는 화석 연료보다 더 저렴한 가격으로, 또는 무상으로, 또는 심지어는 마이너스 가격으로, 전력 시장에 제공되는 전력으로서 정의되며,
    3 가지의 다른 에너지 모드, 즉 (i) 독점적 전기 에너지, (ii) 전기 에너지 및 적어도 하나의 추가의 비전기적 에너지원의 혼합 에너지 또는 (iii) 독점적 비전기적 에너지가 개별적으로, 열-소모 화학 공정에 요구되는 전체 열 에너지를 제공할 수 있고, 이때
    에너지원/에너지 모드의 변경은 열-소모 화학 공정을 수행하는 도중에 실시되고,
    하나의 에너지 모드에서 다른 에너지 모드로의 변화가 완결되는 전환 시간(changeover time)은 30분을 초과하지 않고,
    열-소모 화학 공정을 위한 열 에너지를 공급하는 비전기적 에너지원은 산화 공정에 의해 공급되고,
    상기 열-소모 화학 공정을 위한 열 에너지를 공급하는 잉여 전력은, 유도(inductive) 또는 저항(resistive) 방법, 플라즈마 공정, 전기전도성 발열체(heating element)/접촉영역에 의한 가열 또는 마이크로파에 의해 제공되고,
    2 가지 이상의 에너지원이 직렬 또는 병렬 연결되는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    에너지 모드 (ii)에서, 전기 에너지원으로부터 열 에너지가 제 1 가열 단계에서 공정 스트림에 공급되고,
    전기 에너지원의 순시 전력(instantaneous power)이 충분하지 않은 경우, 공정 스트림의 온도가, 적어도 하나의 제 2 가열 단계에서 적어도 하나의 비전기적 에너지원으로부터 열 에너지를 도입함으로써 더 하류에서 원하는 값까지 상승되는, 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    에너지 모드 (ii)에서, 공정 스트림이 일차적으로 적어도 하나의 비전기적 에너지원으로부터의 열 에너지에 의해 예열되고, 이어서 전기적으로 발생된 열에 의해 원하는 온도로 가열되는, 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    요구되는 전체 전력의 0 내지 100%의 범위에서 전력이 변하는 전기 에너지원의 효율이 90%를 초과하는, 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    사용되는 전기 에너지의 적어도 75%가 잉여 전력 및/또는 심야 전력에 의해 제공되는, 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    연간 평균적으로, 열-소모 화학 공정에 요구되는 전체 에너지의 적어도 10%가, 변동하는 전력 출력을 갖는 전기 에너지원으로부터 입수되는, 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 공정 스트림이 전력에 의해 가열되되, 이때 공정 스트림의 열이 이후에 열-소모 화학 공정에 사용되는, 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    열-소모 화학 공정에 공급되는 열 흐름이 전환 시간 도중에 10% 이하 변동하는, 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전환 시간이 7.5분을 초과하지 않는, 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    고온 공정의 에너지 소비량이 반응 대역에서 0.5 MW/㎥을 초과하는, 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    고온 공정의 부산물 선택도가 에너지원의 변화 도중에 최대 1% 증가하는, 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    열 에너지가 적어도 하나의 비전기적 에너지원에서 산화적으로 발생되는, 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    전기 가열식 복사 튜브(radiation tube) 및 산화 가열식 복사 튜브가 고온 공정의 반응 대역내에 교대로 배치되는, 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전환 시간이 60초를 초과하지 않는, 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열-소모 화학 공정이, 스팀 개질 및 건식 개질 공정; 물의 열분해 공정; 에틸벤젠에서 스티렌으로, 프로판에서 프로펜으로, 부탄에서 부텐으로 및/또는 사이클로헥산에서 벤젠으로의 탈수소화 공정; 탄화수소의 열분해 및 크래킹 공정; 열분해 아세틸렌 생산 공정; 메탄으로부터 벤젠의 제조 공정; 이산화탄소에서 일산화탄소로의 환원 공정; 메탄 및 암모니아로부터 시안화수소산의 제조 공정; 및/또는 질소 및 산소로부터 일산화질소의 제조 공정인, 방법.
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