KR102354065B1 - 탄화수소 공급 가스의 촉매적 스팀 개질에 의한 합성 가스 제조 공정 및 설비 - Google Patents

탄화수소 공급 가스의 촉매적 스팀 개질에 의한 합성 가스 제조 공정 및 설비 Download PDF

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Abstract

탄화수소 공급 가스의 촉매적 스팀 개질에 의해 수소와 일산화탄소를 주성분으로 하는 합성 가스를 제조하기 위한 공정 및 설비로서, 연도 가스를 생성함으로써 화학 개질 반응이 일어나는 데 필요한 버너의 열이 발생되고, 합성 가스와 연도 가스에 포함된 열을 이용하여, 보일러 급수로부터 순수 스팀이 생성되고, 프로세스 응축액으로부터 프로세스 스팀이 생성되며, 순수 스팀의 생성을 위해 합성 가스 및 연도 가스가 사용되고, 프로세스 스팀의 생성을 위해 순수 스팀의 일부가 열전달 매체로서 사용되고 순수 스팀의 나머지 부분은 공정으로부터 배출 스팀으로서 배출되는 공정 및 설비.

Description

탄화수소 공급 가스의 촉매적 스팀 개질에 의한 합성 가스 제조 공정 및 설비
본 발명은 탄화수소 공급 가스의 촉매적 스팀 개질에 의해 수소와 일산화탄소를 주성분으로 하는 합성 가스를 제조하는 공정으로서, 연도 가스(flue gas)를 생성함으로써 화학 개질 반응이 일어나는 데 필요한 버너의 열이 발생되고, 합성 가스와 연도 가스에 포함된 열을 이용하여, 보일러 급수로부터 순수 스팀이 생성되고, 프로세스 응축액으로부터 프로세스 스팀이 생성되는 공정에 관한 것이다.
본 발명은 또한 이 공정을 수행하기 위한 설비에 관한 것이다.
이러한 공정 및 설비는 알려져 있다. 탄화수소 공급 가스의 촉매적 스팀 개질을 위한 근본적인 공정은, 예를 들어 문헌[Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 6판, 15권, Gas Production, 2장]에 기술되어 있다. 예를 들어 천연 가스 및 스팀 등의 탄화수소 가스인 공급 가스는 고압, 예를 들어 20 내지 35 bar, 및 고온, 예를 들어 800 내지 950℃에서, 촉매가 충전된 외부 가열 반응기 튜브를 통과한다. 공급 가스는 수소와 일산화탄소가 풍부한 합성 가스로 변환된다. 이러한 관형 반응기는 흔히 SMR(스팀-메탄-개질기(Steam-Methane-Reformer)의 약자)이라 불리며, 이러한 공정을 SMR 공정이라고 한다. 합성 가스로부터 수소 부분을 분리하기 위해, 압력 순환 흡착(pressure swing adsorption) 공정이 흔히 이용되며, 이는 동일 문헌[Ullmann]의 5.5.3장에 기술되어 있다.
공정의 경제적 측면에서, 공급 가스를 가열하고 전체적으로 흡열인 개질 반응을 수행하기 위해 소비되는 가열 에너지를 가능한 한 스팀 생성을 위해 사용하는 것이 매우 중요하다. 탄화수소 공급 가스와 함께 사용되는 스팀을 프로세스 스팀이라고 한다. 이는 합성 가스의 냉각시 합성 가스로부터 형성되고 침전된 응축액을 재증발시켜 얻어진다. 그러나, 합성 가스와 연도 가스의 열 함량은 프로세스 스팀을 생성하는 데 필요한 열량을 초과한다. 이러한 과잉의 열을 잘 이용하기 위해, 과잉의 열은 SMR 공정 외부에서 주로 사용되는 소위 배출 스팀을 생성하는 데 이용된다. SMR 공정으로부터 배출 스팀에 불순물이 섞이지 않도록 하기 위해, 신선한 보일러 급수가 스팀 생성에 사용된다. 배출 스팀의 일부는 프로세스 스팀 생성 중의 비산 손실을 보상하기 위해 사용된다.
많은 경우, 스팀 생성을 위한 합성 가스와 연도 가스에 포함된 열의 이용은 이들 가스와 프로세스 응축액 및 보일러 급수 간의 간접적 열교환을 수행함으로써 달성된다. 독일 특허 DE 10 2010 044 939 B3에는 이러한 방식으로 수행되는 공정이 기술되어 있다.
본 발명의 목적은 증기를 생성하기 위한 합성 가스와 연도 가스로부터의 열전달이 다른 방식으로 해결되는 공정 및 설비를 제공하는 데 있다.
상기 목적은 청구항 1에 따른 공정 및 청구항 3의 특징을 갖는 본 발명에 따른 설비에 의해 해결된다.
본 발명에 따른 공정:
탄화수소 공급 가스의 촉매적 스팀 개질에 의해 수소와 일산화탄소를 주성분으로 하는 합성 가스를 제조하는 공정으로서, 연도 가스를 생성함으로써 화학 개질 반응이 일어나는 데 필요한 버너의 열이 발생되고, 합성 가스와 연도 가스에 포함된 열을 이용하여, 보일러 급수로부터 순수 스팀이 생성되고, 프로세스 응축액으로부터 프로세스 스팀이 생성되되, 순수 스팀의 생성을 위해 합성 가스 및 연도 가스가 사용되고, 프로세스 스팀의 생성을 위해 순수 스팀의 일부가 열전달 매체로서 사용되고 순수 스팀의 나머지 부분은 공정으로부터 배출 스팀으로서 배출되는 것을 특징으로 하는 공정.
상기 공정의 바람직한 양태는 프로세스 스팀의 생성을 위해 열전달 매체로서 사용되는 순수 스팀의 부분과 공정으로부터 배출 스팀으로서 배출되는 부분의 각각의 압력이 서로 독립적으로 조정되는 것을 특징으로 한다. 공정 외부의 소비 설비에서 흔히 필요로 하는 배출 스팀에 대한 압력은 52 bar에 달한다. 그러나, 이 압력은 스팀을 열전달 매체로서 공정 내부에서 사용하기에는 최적이 아니다. 이 양태는 이러한 내부 사용에 대한 압력을, 예를 들어 39 bar까지 낮추는 것을 가능하게 한다. 이러한 압력 감소에 의해, 스팀의 응축 엔탈피는 5.8% 증가하며, 이는 프로세스 스팀의 생성에 필요한 순수 스팀 양의 감소로 이어진다. 또한, 프로세스 스팀의 생성에 사용되는 부분이 이러한 더 낮은 압력을 위해 설계될 수 있으므로 비용이 더 낮아진다.
본 발명에 따른 설비:
본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 설비로서,
- 촉매적 스팀 개질을 수행하기 위한 적어도 하나의 관상로,
- 보일러 급수의 열적 탈기를 위한 보일러,
- 보일러 급수로부터 순수 스팀을 생성하기 위한 스팀 보일러,
- 각각 합성 가스 및 연도 가스에 의해 보일러 급수를 가열하고 증발시키기 위한 적어도 하나의 열교환기,
-합성 가스로부터 응축액을 기계적으로 분리하기 위한 적어도 하나의 기구, 및
- 열전달 매체로서 순수 스팀을 사용하기에 적합한 열교환기를 구비한, 프로세스 스팀을 생성하기 위한 스팀 보일러를 포함하는 설비.
본 발명에 따른 설비의 바람직한 양태는 프로세스 스팀의 생성을 위해 열전달 매체로서 사용되는 순수 스팀의 부분과 공정으로부터 배출 스팀으로서 배출되는 부분의 압력을 조정하고 조절하기 위한 개별 제어 장치가 존재하는 것을 특징으로 한다. 이 장비에 의해, 스팀 압력은 배출 스팀 소비 설비의 요구 및 내부 프로세스 스팀 생성의 요구에 맞게 개별적으로 조정될 수 있다.
본 발명에 따른 설비의 다른 바람직한 양태는 프로세스 스팀을 생성하기 위한 스팀 보일러가 내부 판형 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 한다. 판형 열교환기는 열교환기의 외형 치수에 비해 많은 열교환기 표면을 제공하여 열교환기가 스팀 보일러에 통합될 수 있고, 따라서 외부 열교환기가 생략될 수 있다. 이러한 구조로 인해, 프로세스 스팀 생성에 필요한 설비 부분의 공간은 감소된다.
본 발명에 따른 설비의 다른 바람직한 양태는 프로세스 응축액 및 프로세스 스팀과 접촉하는 설비 부분이 스테인리스강으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이러한 구조로 인해, CO 및 CO2 등의 불순물을 프로세스 응축액에 남길 수 있다. 즉, 프로세스 응축액의 탈기에 따른 환경 부담이 없고, 이들 성분은 프로세스 스팀을 통해 개질 공정에 다시 공급된다. 스테인리스강의 사용으로 인해, 산소 결합 및 pH 조절을 위한 화학 물질의 첨가가 생략될 수 있다.
예시적 구현예
본 발명의 다른 특징, 장점 및 가능한 용도는 또한 다음의 예시적 구현예의 설명 및 수치적 예, 뿐만 아니라 도면으로부터 확인할 수 있다. 설명되고/되거나 예시된 모든 특징은 청구범위 또는 역참조에 포함되었는지 여부와 관계없이 그 자체로 또는 임의의 조합으로 본 발명의 요지를 구성한다.
이하, 도면의 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 공정을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 설비의 예시적 구현예의 흐름도를 나타낸다.
도 1:
흐름도는 본 실시예에서 탄화수소 공급 가스(예를 들어 천연 가스 및 스팀 등)로부터 수소를 생성하는 역할을 하는 본 발명에 따른 설비(1)의 예시적 구현예를 나타낸다. 본 발명의 이해를 위해 필수적인 설비 또는 공정의 부분만이 도시되어 있다.
관상로로서 설계된 SMR 개질기(2)에서, 천연 가스(3) 및 프로세스 스팀(4)으로 이루어진 공급 가스는 일산화탄소와 수소를 주성분으로 하는 합성 가스(5)로 변환된다. SMR 개질기(2)는 공기(7)와 연료 가스(8)로 작동되는 버너(6)(도 1에는 하나만 도시)에 의해 가열되고, 여기서 연도 가스(9)가 생성된다. 합성 가스(5) 및 연도 가스(9)에 포함된 열을 이용하기 위해, 이들은 열교환기(10a 및 10b)를 이용해 스팀 보일러(10)를 가열하기 위한 열전달 매체로서 사용되고, 추가로 합성 가스(5)는 또한 열교환기(20)를 이용해 천연 가스(3)를 가열하기 위해, 그리고 열교환기(11a)를 이용해 탈기 보일러(11)를 가열하기 위해 사용된다. 탈기 보일러(11)에서, 보일러 급수(12)는 열적으로 탈기되고, 방출 가스(21)는 설비로부터 배출된다. 탈기되고 가열된 보일러 급수는 도관(13)을 통해 스팀 보일러(10) 내로 통과하고, 여기서 순수 스팀(14)으로 증발된다. 순수 스팀(14)의 일부는 공정 또는 설비로부터 배출 스팀(14a)으로서 배출되고, 나머지 부분(14b)은 내부 판형 열교환기(17a)를 구비한 스팀 보일러(17)를 가열하기 위한 가열 스팀으로 사용된다. 열교환기(17a)에서 얻어진 응축액은 도관(22)을 통해 탈기 보일러(11) 내로 재순환된다.
스팀(14a 및 14b)의 압력은 각각 밸브(23a 및 23b)에 의해 조정된다.
열교환기(10b)에서 보일러 급수와 열교환된 후, 연도 가스(9)는 추가 처리를 위해 공정으로부터 배출된다.
합성 가스에서 형성된 수성 응축액(16)은 응축액 분리기(15)에서 분리되어 스팀 보일러(17) 내로 도입된다. 응축액은 거기서 열교환기(17a)에 의해 프로세스 스팀(4)으로 증발되고, 여기서 순수 스팀(14)의 일부 스트림은 열전달 매체인 가열 스팀(14a)으로 사용되고, 이후 탈기 보일러(11) 내로 도입된다. 응축액 분리 후, 합성 가스(5)는 압력 순환 흡착 설비(18)에서 처리되고, 여기서 수소 부분(19)은 합성 가스로부터 분리되어 추가 처리를 위해 설비 또는 공정으로부터 배출된다. 수소 분리 후 남은 잔여 가스(8)는 SMR 개질기(2)의 버너(6)에 연료 가스(8)로서 공급된다.
산업상 이용 가능성
본 발명은 탄화수소 가스의 스팀 개질에 의해 합성 가스를 제조하기 위한 대안적 공정 및 대안적 설비를 제공한다. 프로세스 스팀의 생성을 위한 시스템을 재설계하였고, 이에 의해 에너지적 장점 및 구조적 장점이 달성된다. 따라서, 본 발명은 산업상 이용 가능하다.
1 본 발명에 따른 설비
2 SMR 개질기
3 천연 가스 스트림
4 프로세스 스팀
5 합성 가스
6 버너
7 연소용 공기
8 잔여/연료 가스
9 연도 가스
10 열교환기(10a, 10b)를 구비한 배출 스팀용 스팀 보일러
11 열교환기(11a)를 구비한 탈기 보일러
12 신선한 보일러 급수
13 탈기된 보일러 급수
14 순수 스팀
14a 배출 스팀
14b 가열 스팀
15 응축액 분리기
16 응축액
17 열교환기(17a)를 구비한 프로세스 스팀용 스팀 보일러
18 압력 순환 흡착 설비
19 수소
20 열교환기
21 보일러 급수로부터 방출된 가스
22 응축액 재순환용 도관
23 스팀 압력 조절용 밸브(a, b)

Claims (6)

  1. 탄화수소 공급 가스의 촉매적 스팀 개질에 의해 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성 가스를 제조하는 공정으로서, 연도 가스를 생성함으로써 화학 개질 반응이 일어나는 데 필요한 버너의 열이 발생되고, 합성 가스와 연도 가스에 포함된 열을 이용하여, 보일러 급수로부터 순수 스팀이 생성되고, 프로세스 응축액으로부터 프로세스 스팀이 생성되되, 상기 순수 스팀의 생성을 위해 합성 가스 및 연도 가스가 사용되고, 상기 프로세스 스팀의 생성을 위해 상기 순수 스팀의 일부가 열전달 매체로서 사용되고 상기 순수 스팀의 나머지 부분은 상기 공정으로부터 배출 스팀으로서 배출되고, 프로세스 스팀의 생성을 위해 열전달 매체로서 사용되는 상기 순수 스팀의 부분과 상기 공정으로부터 배출 스팀으로서 배출되는 부분의 각각의 압력이 서로 독립적으로 조정되는 것을 특징으로 하는 공정.
  2. 제1항에 따른 공정을 수행하기 위한 설비로서,
    - 촉매적 스팀 개질을 수행하기 위한 적어도 하나의 관상로,
    - 보일러 급수의 열적 탈기를 위한 보일러,
    - 보일러 급수로부터 순수 스팀을 생성하기 위한 스팀 보일러,
    - 각각 합성 가스 및 연도 가스에 의해 보일러 급수를 가열하고 증발시키기 위한 적어도 하나의 열교환기,
    - 상기 합성 가스로부터 응축액을 기계적으로 분리하기 위한 적어도 하나의 기구, 및
    - 열전달 매체로서 순수 스팀을 사용하기에 적합한 열교환기를 구비한, 프로세스 스팀을 생성하기 위한 스팀 보일러
    를 포함하고, 프로세스 스팀의 생성을 위해 열전달 매체로서 사용되는 상기 순수 스팀의 부분과 상기 공정으로부터 배출 스팀으로서 배출되는 부분의 압력을 조정하고 조절하기 위한 개별 제어 장치가 존재하는 것을 특징으로 하는 설비.
  3. 제2항에 있어서, 프로세스 스팀을 생성하기 위한 상기 스팀 보일러가 내부 판형 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 설비.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 프로세스 응축액 및 프로세스 스팀과 접촉하는 설비 부분이 스테인리스강으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 설비.
  5. 삭제
  6. 삭제
KR1020187031879A 2016-04-22 2017-04-12 탄화수소 공급 가스의 촉매적 스팀 개질에 의한 합성 가스 제조 공정 및 설비 KR102354065B1 (ko)

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