KR102278209B1 - 대체 천연 가스 제조 방법 및 장치 및 이를 포함하는 네트워크 - Google Patents

대체 천연 가스 제조 방법 및 장치 및 이를 포함하는 네트워크 Download PDF

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Abstract

장치는 다음을 포함한다:
- 바이오매스 및 산화제 유입부(104,106) 및 일산화탄소를 포함하는 기체 화합물 유출부(108)를 포함하는, 바이오매스로부터 기체 화합물을 제조하기 위한 가스화기(102);
- 적어도 하나의, 가스화기로부터 나온 기체 화합물 유입부 및 물 유입부(112)를 포함하는, 가스화기를 나가는 대체 천연 가스를 제조하기 위한 일산화탄소 메탄화 수단(110);
- 적어도 하나의, 이산화탄소 유입부 및 물 유입부(116)를 포함하는, 대체 천연 가스를 제조하기 위한 이산화탄소 메탄화 수단(114),
- 다음을 포함하는, 물 및 전류로부터 이수소를 제조하기 위한 수단(118):
- 전원;
- 물을 위한 유입부(120) 및
- 이산화탄소 메탄화 수단(118)에 이수소를 공급하기 위한 유출부(122).

Description

대체 천연 가스 제조 방법 및 장치 및 이를 포함하는 네트워크{DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING SUBSTITUTE NATURAL GAS AND NETWORK COMPRISING SAME}
본 발명은 대체 천연 가스 제조 방법 및 장치 및 이를 포함하는 네트워크에 관한 것이다. 이는 특히 공업적 메탄화 및 열에너지와 메탄의 공동생산에 적용된다.
메탄화란 수소 및 일산화탄소 또는 이산화탄소를 메탄으로 촉매적으로 전환하는 공업적 방법이다.
탄소계 화합물의 종류에 따라, 메탄화 반응식은 변한다. 경우에 따라, 반응식은 하기와 같다:
CO + 3 H2 → CH4 + H2O
CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O
대개, 바이오매스가 주요 유입물인 바이오메탄 제조 장치는 세 가지 주요소를 포함한다. 제1 요소는 바이오매스를 합성 가스(synthetic gas, "syngas"로도 지칭됨)로 가스화하는 수단이다. 이러한 합성 가스는 예를 들어 H2, CO, CO2 또는 CH4와 같은 비응축 가스로 주로 이루어진다. 특정한 방법, 또한 제조된 합성 가스에 있어서, 가스화 수단은 또한, 이후 "타르"로 지칭되는 타르-유형 응축성 가스, 및 "숯" 유형의 고체 잔류물, 즉 가연성 고체의 열분해로부터 기인한 고체 부분을 제조한다.
가스화 수단은 숯과 같은 고체 잔류물이 연소되어 가스화 수단의 온도를 유지시키는 연소 수단과 연계된다. 이러한 연소 수단은 보통 이동층 또는 순환층 반응기이다. 이러한 유동매체는 바람직하게는 감람석 촉매의 입자, 더욱 바람직하게는, 예를 들어 모래와 같은 열전달 고체로 이루어진다. 이러한 유동매체는 가스화 수단에서 반응하지 않은 잔류 숯의 추출을 용이하게 하고 이들 숯의 연소 수단으로의 수송을 용이하게 한다.
제2 주요소는 가스화 바이오매스의 촉매적 메탄화이며, 이러한 메탄화는 H2 및 CO를 CH4(SNG, "Synthetic Natural Gas"를 의미)로 전환하는 것으로 이루어진다.
제3 주요소는 잔류 SNG 규격 향상, 즉 특히 "HHV"로 지칭되는 고발열량(higher heating value), 및 웨버지수(Wobbe index) 측면에서 천연 가스 네트워크에 주입하기 위한 규격에 가능한 한 가까운 SNG를 제조하기 위하여 잔류 H2, CO, H2O 및 CO2를 제거하는 것이다. 상기시키자면, 웨버지수는 가스, 연료 또는 가연물 간의 호환성 능력을 평가할 수 있도록 한다.
현행 시스템의 주요 단점은 앞서 기재한 연쇄 전반에 걸친 많은 탄소 및 에너지 손실로 인한, 시스템 유출부에서의 SNG의 수율 최적화의 부재에서 기인한다.
본 발명은 이러한 단점의 전부 또는 일부를 극복하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은, 제1 양태에 따르면, 대체 천연 가스 제조를 위한 통합 장치를 제공하고, 이는 다음을 포함한다:
- 다음을 포함하는, 바이오매스로부터 기체 화합물을 제조하도록 구성된 가스화기:
- 바이오매스 유입부;
- 산화제 유입부 및
- 일산화탄소를 포함하는 기체 화합물 유출부;
- 가스화기의 기체 화합물 유출물로부터 대체 천연 가스를 제조하기 위한 일산화탄소 메탄화 수단, 상기 일산화탄소 메탄화 수단은 적어도 하나의, 가스화기로부터 나온 기체 화합물 유입부 및 물 유입부를 포함함,
- 적어도 하나의, 일산화탄소 메탄화 수단으로부터 나온 이산화탄소 유입부 및 물 유입부를 포함하는, 대체 천연 가스를 제조하기 위한 이산화탄소 메탄화 수단,
- 다음을 포함하는, 물 및 전류로부터의 이수소 제조 수단:
- 전력 공급 장치,
- 물 유입부 및
- 이산화탄소 메탄화 수단에 공급하는 이수소 유출부.
이들 장치로 인하여, 일산화탄소 메탄화 수단의 유출부에 존재하는 이산화탄소는 이산화탄소 메탄화 수단에 의하여 SNG로 변환되고, 이에 따라 전체적인 장치의 전환 수율이 증가한다. 게다가, 물 전기분해 수단의 존재는 "파워 투 가스(power to gas)" 유형의 어플리케이션이 실현되도록 한다. 상기시키자면, 파워 투 가스 유형의 어플리케이션은, 미사용 전기에너지, 예를 들어 핵발전소에 의하여 야간에 생산된 전기에너지를, 차후 전기에너지 재생산을 위하여 사용될 수 있는 대체 가스로 전환하는 것으로 이루어진다.
일부 구체예에서, 본 발명의 장치는, 또한, 다음을 포함하는 연소 수단을 포함한다:
- 가스화기로부터 나오고 열전달 매체에 의하여 수송된, "숯"으로도 지칭되는 비가스화 가연성 고체의 열분해로부터 기인한 고체 부분 유입부,
- 산화제 유입부,
- 열전달 매체를 가열하기 위한 비가스화 숯 연소 수단,
- 가스화기의 열전달 매체 유입부에 연결된 열전달 매체 유출부 및
- 연도가스 유출부.
이들 구체예의 장점은 가스화기를 가열하기 위한 열을 발생시키기 위하여 비가스화 탄소화 잔류물을 사용하여 가스화기의 수율이 증가되도록 하는 것이다. 이틀 탄소화 잔류물의 연소는, 또한, 가열 탄소화 잔류물을 수송하는 열전달 매체가 가열되도록 한다.
일부 구체예에서, 이수소 제조 수단은 물의 전기분해를 수행하도록 구성되고 연소 수단의 산화제 유입부에 공급하는 이산소 유출부를 포함한다.
이들 구체예는 연소를 가능하게 하기 위하여 가스화기로부터 나온 합성 가스의 일부를 연소 수단에 주입하는 것을 피하여 대체 천연 가스의 수율을 극적으로 증가시키는 장점을 가진다. 특히, 이들 구체예는 물 전기분해의 모든 생성물을 사용하고 대체 천연 가스의 수율을 최적화하여 파워 투 가스 어플리케이션의 효율이 최대화되도록 한다.
일부 구체예에서, 본 발명의 장치는, 가스화기의 기체 화합물 유출부와 일산화탄소 메탄화 수단의 기체 화합물 유입부 사이에, 기체 화합물 중의 고체 및/또는 타르를 가스로부터 분리하고 분리된 고체 및/또는 타르를 연소 수단에 보내도록 구성된 분리기를 포함한다.
이들 구체예의 첫 번째 장점은 가스와 함께 수송될 수 있는 고체를 제거하여 가스화기로부터 나온 합성 가스가 정제되도록 하는 것이다. 이들 구체예의 두 번째 장점은 고체를 연소 수단에서 사용하여 고체가 재순환되도록 하는 것이고, 이에 따라 연소 수단의 수율이 증가된다.
일부 구체예에서, 본 발명의 장치는, 이산소를 포함하는 연소 수단의 유출부로부터의 연도가스의 일부를, 연소 수단의 산화제 유입부를 향하여 재순환시키는 수단을 포함한다.
이들 구체예는 연소 수단의 생성물의 일부를 재순환시켜 연소 수단의 수율이 증가되도록 한다. 이들 구체예는, 주어진 설비가, 공기연소 및 산소연소로써 동등하게 잘 작동되도록 한다. 공기연소를 이용하여 작동되도록 최초에 고안된 방법에 있어서, 산소연소로의 전환은 과도한 속도 저하를 야기하고 열전달 고체의 순환, 그리고 따라서 가스 제조의 중지를 유발한다. 이러한 경우에, 산소연소로 전환하기 위하여, 더 작은 직경의 새로운 연소 수단에서, 산화제 중의 질소의 부재를 보상하기 위하여 수송 속도가 충분하거나 연도가스가 재순환될 필요가 있다. 연도가스의 선택은 이것이 동일한 시스템으로부터 나오는 생성물이므로 확실히 가장 관련이 있다.
일부 구체예에서, 본 발명의 장치는, 연소 수단의 연도가스 유출부 하류에서, 이산화탄소 메탄화 수단에 이산화탄소를 공급하도록 구성된 이산화탄소 분리기를 포함한다.
이들 구체예는 이산화탄소 메탄화 수단의 수율이 증가되도록 한다.
일부 구체예에서, 본 발명의 장치는 일산화탄소 메탄화 수단에 이수소를 공급하기 위하여 일산화탄소 메탄화 수단의 하류에서 이수소 분리기를 포함한다.
이들 구체예는 일산화탄소 메탄화 수단의 수율이 증가되도록 한다. 이들 구체예는 합성 가스의 웨버지수 또는 고발열량이 합성 가스가 공급되는 가스 수송 네트워크의 요건에 따르지 않을 경우 바람직하다.
일부 구체예에서, 본 발명의 장치는 일산화탄소 메탄화 수단의 하류에, 이산화탄소 메탄화 수단에 공급하기 위한 이산화탄소 분리기를 포함한다.
이들 구체예는 일산화탄소 메탄화 수단의 유출부에서 이산화탄소 메탄화 수단에 공급될 이산화탄소로부터 메탄이 분리되도록 한다. 이러한 방식으로, 가스는 이산화탄소 메탄화 수단의 유입부에서 더 높은 농도의 이산화탄소를 가지고, 그 결과 이산화탄소 메탄화 수단의 유출부에서 수율이 증가한다.
일부 구체예에서, 이산화탄소 메탄화 수단의 유출부는 일산화탄소 메탄화 수단의 유출부에 연결된다.
이들 구체예는 장치의 각각의 메탄화 수단의 유출부 및 대체 천연 가스 유출부 사이에 필요한 장치의 수가 최소화되도록 한다.
일부 구체예에서, 본 발명의 장치는, 일산화탄소 메탄화 수단 및/또는 연소 수단의 하류에서, 증기에 함유된 물을 응축하고 전기분해 수단에 물을 공급하도록 구성된 응축기를 포함한다.
이들 구체예는 전기분해 수단의 수율이 개선되도록 한다.
제2 양태에 따르면, 본 발명은 적어도 하나의, 본 발명의 장치를 포함하는 네트워크를 제공한다.
네트워크의 목적, 장점 및 특징은 본 발명의 장치와 동일하고, 이는 여기서 반복되지 않는다.
일부 구체예에서, 본 발명의 네트워크는 다음을 제어하기 위한 다중-에너지 관리 수단을 또한 포함한다:
- 과잉 전기 생산 동안 적어도 하나의, 본 발명의 장치를 사용한 메탄 제조 및 저장 및
- 상기 기간 이외에 저장된 메탄을 사용한 전기 생산.
이들 구체예는 생산된 전기가 과잉이 아닌 시간 동안 네트워크에서 이용 가능한 에너지의 양이 최적화되도록 한다.
일부 구체예에서, 본 발명의 네트워크는 가스 분배 배관을 포함하고, 전기 생산을 위한 메탄 저장이 배관을 공칭 압력 위로 가압하여 수행된다.
이들 구체예는 메탄이 더 적은 비용으로 본 발명의 장치에 의하여 제조되도록 한다.
제3 양태에 따르면, 본 발명은 대체 천연 가스 제조 방법을 제공하고, 이는 다음 단계를 포함한다:
- 다음 단계를 포함하는, 바이오매스로부터 기체 화합물을 제조하기 위한 가스화 단계:
- 바이오매스 유입 단계;
- 산화제 유입 단계 및
- 일산화탄소를 포함하는 기체 화합물 유출 단계;
- 가스화 단계로부터 나온 기체 화합물로부터 대체 천연 가스를 제조하기 위한 일산화탄소 메탄화 단계, 상기 일산화탄소 메탄화 단계는 적어도 하나의, 물 및 가스화기로부터 나온 기체 화합물 유입 단계를 포함함,
- 적어도 하나의, 일산화탄소 메탄화 단계로부터 나온 이산화탄소 유입 및 물 유입 단계를 포함하는, 대체 천연 가스를 제조하기 위한 이산화탄소 메탄화 단계,
- 다음 단계를 포함하는, 물 및 전류로부터의 이수소 제조 단계:
- 전력 공급 단계,
- 물 유입 단계 및
- 이산화탄소 메탄화 단계 동안 사용되는 이수소 유출 단계.
네트워크의 목적, 장점 및 특징은 본 발명의 장치와 동일하고, 이는 여기서 반복되지 않는다.
본 발명의 특정한 장점, 목적 및 특징이 첨부된 도면을 참조하여, 대체 천연 가스 제조 방법 및 장치 및 본 발명의 장치를 포함하는 네트워크의 적어도 하나의, 특정 구체예의 하기 비제한적 설명으로부터 명백해질 것이고, 도면에서:
- 도 1은, 개략적으로, 본 발명의 대체 천연 가스 제조 장치의 특정 구체예를 나타내고,
- 도 2는, 개략적으로, 본 발명의 네트워크의 특정 구체예를 나타내고,
- 도 3은 본 발명의 방법의 특정 구체예의 단계의 흐름도를 나타낸다.
본 설명은 비제한적 예로서 주어진다.
도면은 일정 비율이 아님에 유념하라.
도 1은 본 발명의 대체 천연 가스 제조를 위한 통합 장치를 나타낸다. 이 장치는 다음을 포함한다:
- 다음을 포함하는, 가스화기(102):
- 바이오매스 유입부(104);
- 산화제 유입부(106) 및
- 일산화탄소를 포함하는 합성 가스 유출부(108);
- 분리된 고체 및 타르를 연소 수단(124)에 보내도록 구성된 분리기(138),
- 적어도 하나의, 가스화기(102)로부터 나온 합성 가스 및 물 유입부(112)를 포함하고 메탄 및 이산화탄소를 제공하는 가스화기(102)의 일산화탄소 유출물 메탄화 수단(110),
- 이수소 분리기(144),
- 제1 이산화탄소 분리기(146),
- 적어도 하나의, 일산화탄소 메탄화 수단으로부터 나온 이산화탄소 및 물 유입부(116)를 포함하고 메탄을 제공하는, 이산화탄소 메탄화 수단(114),
- 다음을 포함하는, 물 전기분해 수단(118):
- 전력 공급 장치(176);
- 물 유입부(120);
- 이산소 유출부(136) 및
- 이수소 유출부(122) 및
- 다음을 포함하는, 연소 수단(124):
- 가스화기(102)로부터의 열전달 매체에 의하여 수송된 비가스화 숯 유입부(126);
- 셋의 유입부(128);
- 열전달 매체를 가열하기 위한 비가스화 숯, 타르 및 보충 합성가스 연소 수단(130);
- 가스화기(102)의 열전달 매체 유입부에 연결된 열전달 매체 유출부(132) 및
- 연도가스 유출부(134)
- 가스화기(102)로부터 나온 가스에서 분리된 타르 및 비가스화 숯 유입부(168) 및
- 연소 수단(124)의 유출부로부터의 연도가스 일부를 재순환시키는 수단(140),
- 제2 이산화탄소 분리기(142) 및
- 둘의 응축기(148),
- 셋의 냉각 수단(150),
- 둘의 가열 수단(172),
- 제1 수증기 유입부(152),
- 이산소 유출부(158),
- 회분 및 고체 잔류물 유출부(160),
- 제1 물 유출부(154),
- 제2 물 유출부(162),
- 장치에 의하여 사용되지 않은 가스 유출부(164),
- 제2 수증기 유입부(166) 및
- 대체 천연 가스 유출부(170).
가스화기(102)는, 예를 들어, 공급된 바이오매스가 열화학적 전환을 거쳐 이수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 물, 타르 또는 일반적으로 임의의 유형의 탄소 화합물을 함유하는 합성 가스("syngas")를 형성하는 반응기이다. 가스화기(102)는 바이오매스 유입부(104)를 포함하고, 이는, 예를 들어, 바이오매스가 반응기에 주입되도록 하는 밸브, 디스펜싱 스크류 또는 호퍼이다. 가스화기(102)는 또한 산화제 유입부(106)를 포함하고, 이는, 예를 들어, 수증기가 반응기에 주입되도록 하는 밸브이다. 이들 산화제 유입부(106)의 상류에, 유입되는 산화제가 가스화기(102) 내부의 열평형을 교란하지 않도록 가열 수단(172)이 위치한다.
가스화기(102)는 또한 비가스화 숯 유출부(나타나지 않음)를 포함하고, 이는, 예를 들어, 유동화 열전달 매체가 그 안으로 수송되는 도관이다. 유동화 열전달 매체는, 예를 들어, 감람석 및 모래로 이루어지고 바이오매스의 열화학적 전환에 필요한 에너지를 제공한다. 가스화기(102)는 또한 나타나지 않은 유동화 열전달 매체 유입부를 포함한다. 가스화기(102)는 마지막으로 합성 가스 유출부(108)를 포함하고, 이는, 예를 들어, 반응기에 연결된 도관이다.
가스화기(102)를 가열하기 위하여, 장치는 연소 수단(124)을 포함한다. 연소 수단(124)은, 예를 들어, 반응기이다. 연소 수단(124)은 가스화기(102)로부터의 열전달 매체에 의하여 수송된 비가스화 숯 유입부(126)를 포함하고, 이는, 예를 들어, 가스화기(102)를 연소 수단(124)에 연결하는 도관이다. 연소 수단(124)은 또한 셋의 산화제 유입부(128)를 포함하고, 이는, 예를 들어, 산화제가 연소 수단(124)에 도입되도록 하는 도관에 연결된 밸브이다. 유입부(128)는 공기, 질소 또는 이산소 또는 이들의 혼합, 예를 들어 이산소 부화 공기를 연소 수단(124)에 주입하도록 구성된다. 한 유입부(128)의 상류에, 유입되는 산화제가 연소 수단(124) 내부의 열평형을 교란하지 않도록 선택적인 산화제 가열 수단(172)이 위치한다. 또 다른 유입부(128)는 연소 수단(124)에 물의 전기분해로부터의 이산소를 주입하도록 구성된다. 마지막 유입부(128)는 숯 및 타르가 충분하지 않을 경우 열적 보조물로서 필요하다면 가스화기(102)로부터 나온 합성 가스를 연소 수단(124)에 주입하도록 구성된다.
일부 변형에서, 이들 산화제 유입부(128)는 둘로 조합되거나 단지 하나의 산화제 유입부일 수 있다. 연소 수단(124)은 열전달 매체를 가열하도록 유입부(168)로부터 나온 비가스화 숯 및/또는 타르 연소를 수행하고, 열전달 매체는 가스화기(102)의 열전달 매체 유입부, 예를 들어, 연소 수단(124) 및 가스화기(102)을 연결하는 도관에 연결된 열전달 매체 유출부(132)에 의하여 연소 수단(124)을 떠난다. 연소 수단(124)은, 또한, 연도가스 유출부(134)를 포함하고, 이는 예를 들어 연소 수단(124)에 연결된 도관이다.
산화제로서 이산소를 사용하는 것은 연소 수단(124)의 에너지 수율을 개선한다. 이산소 사용은 특히, 산화제로서 재사용되는 가스화기(102) 유출부에서 합성 가스의 극적인 감소를 허용한다. 전기분해 수단(118)에 의하여 제조된 과잉 이산소는 또한 다른 방식으로 재순환될 수 있다. 게다가, 산화제 중의 이산소 함량이 증가함에 따라, 응축기(148) 및 이산화탄소 분리기를 포함하는 분리 연쇄의 효율이 개선된다.
가스화기(102)에 의하여 발생한 합성 가스의 조성은, 숯의 불균질 가스화에 의한 화합물 생성 및 열평형으로 인하여 반응기에 유입되는, 수증기 또는 예를 들어 이산소 또는 공기와 같은 다른 산화제의 작용하에 변화한다. 이러한 이유로, 제조된 합성 가스는 일산화탄소 메탄화 수단(110)에 포함된 촉매의 수명에 해로운 오염물질을 일반적으로 함유한다. 이러한 이유로, 냉각 또는 열회수 수단(150)이, 가스화기(102)의 유출부에 위치되고, 냉각 수단(150)의 유출부에, 분리된 고체 및 타르를 연소 수단(124)에 보내도록 구성된 분리기(138)가 위치된다. 냉각 수단(150)은, 예를 들어, 열교환기이다. 냉각 수단(150)은 열교환이 일어나도록 하고, 회수된 열은 장치 어디에서나 이용된다.
분리기(138)는, 예를 들어, 타르를 보유하기 위한 흡수기에 연결된 고체 화합물을 보유하도록 구성된 여과기이다. 분리기(138)는 이렇게 분리된 고체를, 예를 들어, 도관에 의하여 연소 수단(124)에 공급한다. 이렇게 보유된 고체는 유기 화합물, 무기 화합물, 가령 타르, 황화수소, 황화카보닐 또는 다량의 물 및 가스 흐름으로써 수송된 고체이다. 분리기(138)로부터 나온 가스의 일부는, 필요한 경우, 연소 수단(124)에 공급될 수 있다.
유사하게, 연소 수단(124)의 유출부에서 연도가스는, 예를 들어 열교환기, 연도가스 냉각 및 회분 및 세정된 고체 유출부(160)에 여과된 고체를 수송하도록 구성된 가스/고체 분리기(174)와 같은 냉각 또는 열회수 수단(150)에 의하여 동일한 방식으로 처리된다. 이산소를 함유하는 가스의 일부는, 분리기(174)의 유출부에서, 필요한 경우, 산화제로서 연소 수단(124)에 공급될 수 있다.
장치는 가스화기(102)의 일산화탄소 유출물 메탄화 수단(110)을 포함하고, 이는, 예를 들어, 촉매적 메탄화 반응기이다. 촉매적 메탄화 반응기는, 예를 들어, 고정층 또는 유동층 반응기, 또는 반응기/교환기 유형이다. 촉매적 메탄화 반응기는 일산화탄소, 이수소 및 물을 이산화탄소 및 메탄으로 변환한다. 이 일산화탄소 메탄화 수단(110)은 가스화기(102)로부터 나온 합성 가스 및 물 유입부(112)를 포함한다. 유입부(112)는 예를 들어 수증기 및 합성 가스가 일산화탄소 메탄화 수단(110)에 주입되도록 하는 밸브이다.
수증기는 물 및 합성 가스 유입부(112)에 공급하는 제1 물 유입부(152)에 의하여 장치에 들어한다. 수증기의 첨가는 이수소 대 일산화탄소 비율이 물 가스 전이 반응(CO + H2O = H2 + CO2)의 화학량론과 가깝게 조절되도록 하고, 따라서 코크 침착에 의한 촉매의 조기 불활성화를 피하도록 한다. 일산화탄소 메탄화 수단(110)은, 유출부에서, 메탄 및 이산화탄소를 제조한다.
가스 혼합물은 메탄화 수단(110)의 유출부에서 냉각 수단(150), 예를 들어, 열교환기에 의하여 냉각된다. 유출부의 합성 가스는 응축기(148)에 의하여 탈수된다. 응축기(148)는 예를 들어 열응축, 흡착 또는 흡수와 같은 모든 물 감소 기술 또는 이들의 관련 기술을 이용할 수 있다. 이러한 방식으로 회수된 물은 물 유출부(154)에 보내진다. 이러한 물 유출물은 장치로부터 배출되거나 전기분해 수단(118)에 공급될 수 있다.
응축기(148) 유출부의 가스 혼합물은 이산화탄소 분리기(146)에 주입된다. 이산화탄소 분리기(146)는 예를 들어 저온냉각(cryogenics), 흡수 또는 흡착을 이용하여 모든 공지 방법 및 이들의 조합을 이용할 수 있다. 당해 분야의 숙련가는 85부피% 이상의 순도를 가지는 이산화탄소를 얻을 수 있도록 하는 해결책을 선택할 수 있다. 이산화탄소에 존재하는 지나치게 큰 부피의 일산화탄소는 메탄화 반응기(114)에서 이산화탄소 메탄화 반응을 불리하게 하며 일산화탄소 메탄화 반응을 유리하게 한다.
일부 변형에서, 회수된 이산화탄소는 이산화탄소에 존재하는 일산화탄소를 제거하도록 구성된 추가적인 정제 수단에 의하여 처리된다. 예를 들어 흡착 또는 흡수와 같은 종래의 해결책 이외에도, 분리기(146)에 의하여 분리된 이산화탄소를 함유하는 혼합물은 연소 수단(124)에서 열적 산화를 겪을 수 있다. 열적 산화는 연소 수단(124)이 순수한 이산소를 사용하여 작동할 경우 또는 장치가 연소 수단(124) 유출부에서 이산화탄소 분리기를 포함할 경우에만 고려될 수 있음에 유념해야 한다.
다른 변형에서, 장치는 이산화탄소 메탄화 수단(114)의 상류에서 최종 일산화탄소 메탄화 수단을 포함한다.
장치는 가스화기(102)의 유출물 이산화탄소 메탄화 수단(114)을 포함하고, 이는, 예를 들어, 촉매적 메탄화 반응기이다. 촉매적 메탄화 반응기는, 예를 들어, 고정층 또는 유동층 반응기, 또는 반응기/교환기 유형이다. 촉매적 메탄화 반응기는 이산화탄소, 이수소 및 물을 이산화탄소 및 메탄으로 변환한다. 이산화탄소 메탄화 수단(114)은 분리기(146)로부터 나온 합성 가스 및 물 유입부(116)를 포함한다. 유입부(116)는 예를 들어 수증기 및 합성 가스가 이산화탄소 메탄화 수단(114)에 주입되도록 하는 밸브이다. 수증기는 물 및 합성 가스 유입부(116)에 공급하는 제1 물 유입부(166)에 의하여 장치에 들어한다. 이산화탄소 메탄화 수단(114)은, 유출부에서, 메탄 및 물을 제조한다.
일산화탄소 메탄화 수단(110) 유출부에서 분리된 이산화탄소 이외에도, 이산화탄소는 메탄화 수단(124) 유출부에서 연도가스로부터 회수된다. 이를 달성하기 위하여, 장치는 메탄화 수단(124)의 유출부에 가스-고체 분리기(174)의 유출부에 분리기(174)의 연도가스 유출물을 탈수하도록 구성된 응축기(148)를 포함한다. 회수된 물은 물이 장치로부터 배기되도록 하거나 물이 물 전기분해 수단(118)에 보내지도록 하는 물 유출부(162)에 전송된다.
응축기(148)의 유출부에서, 나머지 가스 혼합물은 일산화탄소 메탄화 수단(110)의 유출부의 이산화탄소 분리기(146)와 유사한 이산화탄소 분리기(142)에 들어간다. 이산화탄소로부터 분리된 가스는 장치에 의하여 사용되지 않은 가스 유출부(164)에 공급된다. 분리기(142)에 의하여 분리된 이산화탄소 이산화탄소 메탄화 수단(114)의 유입부에 공급된다.
이산화탄소 메탄화 수단(114)의 메탄 및 물 유출부(156)는 냉각 수단(150)의 하류에서, 나타나지 않는, 일산화탄소 메탄화 수단(110) 유출부에 연결된다.
이산화탄소 분리기(146)의 하류에서, 장치는 이수소 분리기(144)를 포함한다. 이수소 분리기(144)는 합성 가스의 규격을 천연 가스의 특징에 부합하게 한다. 이수소 분리기(144)는 모든 통상적인 방법 및 이들의 조합을 이용할 수 있다. 분리된 이수소는 도관(156)에 의하여 일산화탄소 메탄화 수단(110)의 유입부에 제공된다.
이수소 분리기(144)의 유출부의 합성 가스는 장치의 합성 가스 유출부(170)에 공급된다.
장치는 물을 이산소 및 이수소로 변환하도록 구성된 물 전기분해 수단(118)을 포함한다. 전기분해 수단(118)은, 예를 들어, 직류 전원(176)의 양쪽 극에 각각 연결된, 물에 잠긴 두 개의 전극을 포함하는 전해전지이다. 전기분해 수단(118)은 물 유입부(120)를 포함하고, 이는, 예를 들어, 물이 전기분해 수단(118)에 주입되도록 하는 밸브이다. 전기분해 수단(118)은 또한 이산화탄소 메탄화 수단(114)에 공급하는 이수소 유출부(122)를 포함한다. 또한, 전기분해 수단(118)은 연소 수단(124)의 산화제 유입부(128)에 공급하는 이산소 유출부(136)를 포함한다. 마지막으로, 장치는 장치의 과잉 이산소를 제거하기 위한 이산소 유출부(158)를 포함한다.
도 2는 본 발명의 네트워크의 구체예를 나타낸다. 이 네트워크는 다음을 포함한다:
- 도 1에 도시된 대체 천연 가스 제조 장치(205),
- 다중-에너지 관리 수단(210),
- 가스 수송 또는 분배를 위한 배관(215),
- 가스를 전기로 전환하기 위한 수단(220) 및
- 직류발전기(225).
다중-에너지 관리 수단(210)은, 예를 들어, 다음을 제어하는 스위치이다:
- 과잉 전기 생산 동안 장치(205)에 의한 메탄 제조 및 저장 및
- 상기 기간 이외에 저장된 메탄을 사용한 전기 생산.
과잉 전기 생산 시간은 시스템에서 사전결정되거나, 예를 들어 서버와 같은 외부 정보원으로부터 전해질 수 있다.
다중-에너지 관리 수단(210)이 과잉 전기 생산 기간임을 확인할 때, 관리 수단(210)이 메탄 제조를 명령한다. 이를 달성하기 위하여, 과잉 전기는 대체 천연 가스 제조 장치(205)의 나타나지 않은 전기분해 수단에 공급하기 위하여 직류발전기(225)에 의하여 사용된다. 병렬로, 바이오매스 및 산화제가 합성 가스를 제조하도록 장치(205)의 가스화기에 주입된다. 장치(205)는, 유출부에서, 가스 분배 배관(215)에서 배관의 공칭 압력 위로 가압하여 저장된 대체 천연 가스를 제조한다. 이러한 초과압력은, 예를 들어, 10% 정도이다.
다중-에너지 관리 수단(210)이 제조된 전기가 과잉이 아닌 기간임을 확인할 때, 관리 수단(210)이 가스-전기 전환 수단(220)에게 전기 생산을 명령한다. 가스-전기 전환 수단(220)은, 예를 들어, 전기를 생선하기 위하여 배관(215)에서 가압에 의하여 저장된 대체 천연 가스를 이용하는 가스 화력발전소이다.
도 3은 본 발명의 방법의 특정 구체예의 단계의 흐름도이다. 이 방법은 다음 단계를 포함한다:
- 다음 단계를 포함하는, 합성 가스를 제조하기 위한 가스화 단계(305):
- 바이오매스 유입 단계(310);
- 산화제 유입 단계(315) 및
- 일산화탄소를 포함하는 합성 가스 유출 단계(320);
- 물 및 가스화 단계(305)로부터 나온 합성 가스 유입 단계(330) 및 메탄 및 이산화탄소 공급 단계(335)를 포함하는, 가스화 단계(305)로부터 나온 일산화탄소 메탄화 단계(325),
- 물 및 일산화탄소 메탄화 단계(325)로부터 나온 이산화탄소 유입 단계(345) 및 메탄 공급 단계(350)를 포함하는, 이산화탄소 메탄화 단계(340),
- 다음 단계를 포함하는, 물을 이산소 및 이수소로 변환하기 위한 물 전기분해 단계(355):
- 전력 공급 단계(370),
- 물 유입 단계(360) 및
- 이산화탄소 메탄화 단계(340) 동안 사용되는 이수소 유출 단계(365).
가스화 단계(305)는, 예를 들어, 가스화기를 이용하여 수행되며, 가스화기는 공급된 바이오매스가 열화학적 전환을 거쳐 이수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 물, 타르 또는 일반적으로 임의의 유형의 탄소 화합물을 함유하는 합성 가스("syngas")를 형성하는 반응기이다.
가스화 단계(305)는, 예를 들어, 바이오매스를 가스화기에 공급하는 밸브를 이용하여 수행되는, 바이오매스 유입 단계(310)를 포함한다. 가스화 단계(305)는, 예를 들어, 산화제를 가스화기에 공급하는 밸브를 이용하여 수행되는, 산화제 유입 단계(315)를 또한 포함한다. 가스화 단계(305)는, 예를 들어, 가스화기에 연결된 도관을 이용하여 수행되는, 일산화탄소를 포함하는 합성 가스 유출 단계(320)를 또한 포함한다.
상기 방법은 예를 들어, 유동층 일산화탄소 메탄화 수단을 이용하여 수행되는, 가스화 단계(305)로부터 나온 일산화탄소 메탄화 단계(325)를 포함한다. 일산화탄소 메탄화 단계(325)는 예를 들어, 메탄화 수단의 밸브를 이용하여 수행되는, 가스화 단계(305)로부터 나온 합성 가스 및 물 유입 단계(330)를 포함한다. 일산화탄소 메탄화 단계(325)는 예를 들어, 일산화탄소 메탄화 수단의 유출부에서 도관에 의하여 수행되는, 메탄 및 이산화탄소 + H2O 공급 단계(335)를 또한 포함한다.
상기 방법은 예를 들어, 유동층 이산화탄소 메탄화 수단을 이용하여 수행되는, 이산화탄소 메탄화 단계(340)를 포함한다. 이산화탄소 메탄화 단계(340)는 예를 들어, 이산화탄소 메탄화 수단의 물 및 이산화탄소 주입 밸브를 이용하여 수행되는, 물 및 일산화탄소 메탄화 단계(325)로부터 나온 이산화탄소 유입 단계(345)를 포함한다. 이산화탄소 메탄화 단계(340)는 예를 들어, 이산화탄소 메탄화 수단의 유출부에서 도관을 이용하여 수행되는, 메탄 공급 단계(350)를 포함한다.
상기 방법은 예를 들어, 물에 잠기고 각각 직류발전기의 양쪽 극에 연결된 두 전극을 이용하여 수행되는, 물을 이산소 및 이수소로 변환하기 위한 물 전기분해 단계(355)를 포함한다. 전기분해 단계(355)는 예를 들어, 전기분해 단계(355) 동안 이용되는 두 전극 사이의 물 주입 도관을 이용하여 수행되는, 물 유입 단계(360)를 포함한다. 전력 공급 단계(370)는, 예를 들어, 두 전극을 직류 전원에 연결하여 수행된다. 전기분해 단계(355)는 예를 들어, 도관을 이용하여 수행되는, 이산화탄소 메탄화 단계(340) 동안 사용되는 이수소 유출 단계(365)를 포함한다.
일부 변형에서, 방법(30)은, 또한, 다음 단계를 포함하는 연소 단계를 포함한다:
- 가스화기로부터 나오고 열전달 매체에 의하여 수송된, "숯"으로도 지칭되는 비가스화 가연성 고체의 열분해로부터 기인한 고체 부분 유입 단계,
- 산화제 유입 단계,
- 열전달 매체를 가열하기 위한 비가스화 숯 연소 단계,
- 가스화기를 위한 열전달 매체 유입부에 연결된 열전달 매체 유출 단계 및
- 연도가스 유출 단계.
일부 변형에서, 이수소 제조 단계는 연소 단계 동안 이용된 연소 수단의 산화제 유입부에 공급하기 위한 이산소 유출 단계를 포함하는 물 전기분해에 의하여 수행된다.
일부 변형에서, 방법(30)은, 가스화기의 기체 화합물 유출 단계와 일산화탄소 메탄화 단계의 기체 화합물 유입 단계 사이에, 기체 화합물 중의 고체 및/또는 타르를 가스로부터 분리하는 단계 및 분리된 고체 및/또는 타르를 연소 단계 동안 이용되는 연소 수단에 보내는 단계를 포함한다.
일부 변형에서, 방법(30)은 이산소를 포함하는 연소 단계의 유출부로부터의 연도가스의 일부를, 연소 단계 동안 이용된 연소 수단의 산화제 유입부를 향하여 재순환시키는 단계를 포함한다.
일부 변형에서, 방법(30)은 연소 단계의 연도가스 유출 단계의 하류에서, 이산화탄소 메탄화 단계에서 이용된 이산화탄소 메탄화 수단에 이산화탄소를 공급하기 위한 이산화탄소 분리 단계를 포함한다.
일부 변형에서, 방법(30)은 일산화탄소 메탄화 단계의 하류에서, 일산화탄소 메탄화 단계 동안 이용된 일산화탄소 메탄화 수단에 이수소를 공급하기 위한 이수소 분리 단계를 포함한다.
일부 변형에서, 방법(30)은 일산화탄소 메탄화 단계의 하류에서, 이산화탄소 메탄화 단계 동안 이용된 이산화탄소 메탄화 수단에 공급하기 위한 이산화탄소 분리 단계를 포함한다.
일부 변형에서, 이산화탄소 메탄화 단계의 유출 단계는 일산화탄소 메탄화 단계의 유출 단계와 연결된다.
일부 변형에서, 방법(30)은, 일산화탄소 메탄화 단계 및/또는 연소 단계의 하류에서, 증기에 함유된 물을 응축하고 물 전기분해 단계에 물을 공급하는 단계를 포함한다.

Claims (23)

  1. 다음을 포함하는, 대체 천연 가스 제조를 위한 통합 장치:
    - 다음을 포함하는, 바이오매스로부터 기체 화합물을 제조하도록 구성된 가스화기(102):
    - 바이오매스 유입부(104);
    - 산화제 유입부(106) 및
    - 일산화탄소를 포함하는 기체 화합물 유출부(108);
    - 가스화기의 기체 화합물 유출물로부터 대체 천연 가스를 제조하기 위한 일산화탄소 메탄화 수단(110), 상기 일산화탄소 메탄화 수단(110)은 적어도 하나의, 가스화기로부터 나온 기체 화합물 유입부 및 물 유입부(112)를 포함함,
    - 적어도 하나의, 일산화탄소 메탄화 수단으로부터 나온 이산화탄소 유입부 및 물 유입부(116)를 포함하는, 대체 천연 가스를 제조하기 위한 이산화탄소 메탄화 수단(114),
    - 다음을 포함하는, 물 및 전류로부터의 이수소 제조 수단(118):
    - 전력 공급 장치,
    - 물 유입부(120) 및
    - 이산화탄소 메탄화 수단(118)에 공급하는 이수소 유출부(122).
  2. 제1항에 있어서, 다음을 포함하는 연소 수단(124)을 또한 포함하는 장치:
    - 가스화기(102)로부터 나오고 열전달 매체에 의하여 수송된, "숯"으로도 지칭되는 비가스화 가연성 고체의 열분해로부터 기인한 고체 부분 유입부(126),
    - 산화제 유입부(128),
    - 열전달 매체를 가열하기 위한 비가스화 숯 연소 수단(130),
    - 가스화기(102)를 위한 열전달 매체 유입부에 연결된 열전달 매체 유출부(132) 및
    - 연도가스 유출부(134).
  3. 제2항에 있어서, 이수소 제조 수단(118)은 물의 전기분해를 수행하도록 구성되고 연소 수단의 산화제 유입부(128)에 공급하는 이산소 유출부(136)를 포함하는 장치.
  4. 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 가스화기(102)의 기체 화합물 유출부(108)와 일산화탄소 메탄화 수단(110)의 기체 화합물 유입부(112) 사이에, 기체 화합물 중의 고체 및 타르를 가스로부터 분리하고 분리된 고체 및 타르를 연소 수단(124)에 보내도록 구성된 분리기(138)를 포함하는 장치.
  5. 제2항에 있어서, 이산소를 포함하는 연소 수단(124)의 유출부로부터의 연도가스의 일부를, 연소 수단의 산화제 유입부(128)를 향하여 재순환시키는 수단(140)을 포함하는 장치.
  6. 제2항에 있어서, 연소 수단(124)의 연도가스 유출부(134) 하류에서, 이산화탄소 메탄화 수단(114)에 이산화탄소를 공급하도록 구성된 이산화탄소 분리기(142)를 포함하는 장치.
  7. 제1항에 있어서, 일산화탄소 메탄화 수단(110)에 이수소를 공급하기 위하여, 일산화탄소 메탄화 수단(110) 하류에서 이수소 분리기(144)를 포함하는 장치.
  8. 제1항에 있어서, 일산화탄소 메탄화 수단(110)의 하류에서, 이산화탄소 메탄화 수단(114)에 공급하기 위한 이산화탄소 분리기(146)를 포함하는 장치.
  9. 제1항에 있어서, 이산화탄소 메탄화 수단(114)의 유출부는 일산화탄소 메탄화 수단(110)의 유출부에 연결되는 장치.
  10. 제1항에 있어서, 일산화탄소 메탄화 수단(110) 또는 연소 수단(124)의 하류에서, 증기에 함유된 물을 응축하고 전기분해 수단(118)에 물을 공급하도록 구성된 응축기(148)를 포함하는 장치.
  11. 제1항에 따른 장치(205)를 포함하는 가스 수송 네트워크.
  12. 제11항에 있어서, 다음을 제어하기 위한 다중-에너지 관리 수단(210)을 포함하는 가스 수송 네트워크:
    - 과잉 전기 생산 기간 동안 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 장치(205)를 사용한 메탄 제조 및 저장 및
    - 상기 기간 이외에 저장된 메탄을 사용한 전기 생산.
  13. 제12항에 있어서, 가스 분배 배관(215)을 포함하고, 전기 생산을 위한 메탄 저장이 배관을 공칭 압력 위로 가압하여 수행되는 가스 수송 네트워크.
  14. 다음을 포함하는, 대체 천연 가스 제조 방법:
    - 다음 단계를 포함하는, 바이오매스로부터 기체 화합물을 제조하기 위한 가스화 단계(305):
    - 바이오매스 유입 단계(310);
    - 산화제 유입 단계(315) 및
    - 일산화탄소를 포함하는 기체 화합물 유출 단계(320);
    - 가스화 단계로부터 나온 기체 화합물로부터 대체 천연 가스를 제조하기 위한 일산화탄소 메탄화 단계(325), 상기 일산화탄소 메탄화 단계(325)는 적어도 하나의, 가스화기로부터 나온 기체 화합물 및 물 유입 단계(330)를 포함함,
    - 적어도 하나의, 일산화탄소 메탄화 단계로부터 나온 이산화탄소 유입 및 물 유입 단계(345)를 포함하는, 대체 천연 가스를 제조하기 위한 이산화탄소 메탄화 단계(340),
    - 다음 단계를 포함하는, 물 및 전류로부터의 이수소 제조 단계(355):
    - 전력 공급 단계(370),
    - 물 유입 단계(360) 및
    - 이산화탄소 메탄화 단계 동안 사용되는 이수소 유출 단계(365).
  15. 제14항에 있어서, 다음 단계를 포함하는 연소 단계를 또한 포함하는 방법:
    - 가스화기로부터 나오고 열전달 매체에 의하여 수송된, "숯"으로도 지칭되는 비가스화 가연성 고체의 열분해로부터 기인한 고체 부분 유입 단계,
    - 산화제 유입 단계,
    - 열전달 매체를 가열하기 위한 비가스화 숯 연소 단계,
    - 가스화기를 위한 열전달 매체 유입부에 연결된 열전달 매체 유출 단계 및
    - 연도가스 유출 단계.
  16. 제15항에 있어서, 이수소 제조 단계는 연소 단계 동안 이용된 연소 수단의 산화제 유입부에 공급하기 위한 이산소 유출 단계를 포함하는 물 전기분해에 의하여 수행되는 방법.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 가스화기의 기체 화합물 유출 단계와 일산화탄소 메탄화 단계의 기체 화합물 유입 단계 사이에, 기체 화합물 중의 고체 및 타르를 가스로부터 분리하는 단계 및 분리된 고체 및 타르를 연소 단계 동안 이용되는 연소 수단에 보내는 단계를 포함하는 방법.
  18. 제15항에 있어서, 이산소를 포함하는 연소 단계의 유출부로부터의 연도가스의 일부를, 연소 단계 동안 이용된 연소 수단의 산화제 유입부를 향하여 재순환시키는 단계를 포함하는 방법.
  19. 제15항에 있어서, 연소 단계의 연도가스 유출 단계의 하류에서, 이산화탄소 메탄화 단계에서 이용된 이산화탄소 메탄화 수단에 이산화탄소를 공급하기 위한 이산화탄소 분리 단계를 포함하는 방법.
  20. 제14항에 있어서, 일산화탄소 메탄화 단계의 하류에서, 일산화탄소 메탄화 단계 동안 이용된 일산화탄소 메탄화 수단에 이수소를 공급하기 위한 이수소 분리 단계를 포함하는 방법.
  21. 제14항에 있어서, 일산화탄소 메탄화 단계의 하류에서, 이산화탄소 메탄화 단계 동안 이용된 이산화탄소 메탄화 수단에 공급하기 위한 이산화탄소 분리 단계를 포함하는 방법.
  22. 제14항에 있어서, 이산화탄소 메탄화 단계의 유출 단계는 일산화탄소 메탄화 단계의 유출 단계와 연결되는 방법.
  23. 제14항에 있어서, 일산화탄소 메탄화 단계 또는 연소 단계의 하류에서, 증기에 함유된 물을 응축하고 물 전기분해 단계에 물을 공급하는 단계를 포함하는 방법.
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