KR20080075130A - 스팀 발생 장치 및 방법 - Google Patents

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테리 알렌 마샬
마크 이얼 챔버스
로버트 엘 웨이드
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셀라니즈 인터내셔날 코포레이션
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Abstract

제 1 스트림(58)을 스팀 리포머(40)에 공급하여, 상기 제 1 스트림(58)의 분자 조성이 제 2 스트림(60)의 분자 조성과 동일하도록, 본질적으로 100%의 스팀을 포함하는 제 2 스트림(60)을 생성함(여기서, 스팀 리포머(40)는 리포머 출구(51)와 유체 연통되는 리포머 입구(49), 및 상기 리포머 입구(49)와 상기 리포머 출구(51) 사이에 배치되고 이들과 유체 연통되는 하나 이상의 관을 포함하고; 상기 하나 이상의 관은 상기 스팀 리포머의 노와 열적으로 연통됨)을 포함하는, 스팀을 발생시키는 방법이 본원에 제공되어 있다. 스팀 발생용 스팀 리포머가 또한 개시되어 있다.

Description

스팀 발생 장치 및 방법{STEAM GENERATION APPARATUS AND METHOD}
본원은 변형된 스팀 리포머(steam reformer)를 사용하여 스팀을 발생시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
기체 또는 액체 탄화수소 연료를 개질시키는 공지의 방법은 촉매적 스팀 리포밍(reforming)에 의해서이다. 이러한 공정에서, 스팀 및 탄화수소 연료의 혼합물은 고온에서 적합한 촉매에 노출된다. 전형적으로 사용되는 촉매는, 저 실리카 내화성 기제 상에 침착된 산화 니켈을 함유하고, 이 방법은 약 700℃ 내지 약 1000℃의 온도에서 일반적으로 수행된다. 촉매는 전형적으로 노(爐)중의 관에 위치하고, 반응은 촉매에 기체를 통과시킴으로써 수행된다. 메탄 또는 기타 탄화수소는 반응기 관에서 스팀과 반응하여 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 및 수소를 형성한다.
메탄 또는 천연 가스를 위한 리포밍 공정[리포메이션(reformation) 공정]의 경우, 하기 전체 반응에 따라 촉매적 스팀 리포밍 공정에서 수소가 방출된다:
CH4 + H2O → CO + 3H2
CO + H2O → CO2 + H2
제 2 반응이 약간 발열성인 반면, 제 1 반응은 매우 흡열성이고 외부의 열 공급원 및 스팀 공급원을 필요로 한다. 필요한 열은 전형적으로 정련 연료 가스, 압력 스윙 흡착제(pressure swing adsorber: PSA) 퍼지 가스, 및/또는 기타 연료 가스의 연소에 의해 공급된다. 상업용 스팀 리포머는 전형적으로 외부 가열식, 촉매 충전된 관을 포함하고, 전형적으로 60% 이하의 열 효율을 갖는다. 그러나, 특정 스팀 리포머는 보다 높은 효율을 갖는다. 예시적인 고 효율 리포머가 데비 파워가스(Davy Powergas)에 의해 제조되고 시판된다.
기체 또는 액체 탄화수소 연료를 개질하는 또다른 통상적인 방법은 부분적 산화 리포밍이다. 부분적 산화 리포밍에서, 탄화수소 연료 및 산소 함유 기체의 혼합물은 부분적 산화 챔버내로 함께 옮겨지고, 바람직하게는 촉매의 존재하에 고온에 놓이게 된다. 사용된 촉매는 정상적으로 귀금속 또는 니켈이고, 고온은 정상적으로 촉매화된 반응을 위해 약 700℃ 내지 약 1200℃이고, 비-촉매화된 반응을 위해 약 1200℃ 내지 약 1700℃이다. 메탄 또는 천연 가스의 경우, 하기 전체 반응에 따라 부분적 산화 챔버에서 수소가 방출된다:
CH4 + 1/2A O2 → CO + 2H2
상기 반응은 매우 발열성이고, 일단 시작되면 자가-유지를 위해 충분한 열을 발생한다. 외부 열 보급기 또는 스팀 보급기는 필요하지 않다. 촉매적인 부분적 산화 리포밍 기법은 촉매적 스팀 리포밍 기법에 비해 보다 더 간단하지만, 촉매적 스팀 리포밍처럼 열적으로 효율적이지 않다.
탄화수소 연료를 리포밍하는 또다른 방법은 자열식 리포밍(autothermal reforming), 또는 "ATR"이다. 자열식 리포머는 스팀 리포밍 및 부분적 산화 리포밍의 조합을 이용한다. 부분적 산화 리포밍 반응으로부터의 여열(餘熱)은 열적으로 스팀 리포밍 반응을 가열하기 위해 사용된다. 자열식 리포머는 많은 경우에 촉매적 스팀 리포머 또는 촉매적인 부분적 산화 리포머에 비해 더 효율적일 수 있다. 메탄, 또는 천연 가스를 탄화수소 연료로서 사용하면, 하기 전체 반응에 따라 수소가 방출된다:
CH4 + yH2O + (1-y/2)O2 → CO2 + (2+y)H2(여기서, 0<y<2임)
리포메이션 공정의 최종 생성물은 전형적으로 합성 가스로 지칭된다. 상기 논의된 다양한 리포밍 공정으로부터의 합성 가스(신가스(syn gas))는 다양한 2차 공정에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 합성 가스는 일산화탄소 및 수소를 배합하여 촉매의 존재하에 메탄올을 형성하는 공정에서 사용될 수 있다.
물론, 공업적 설비에서의 다양한 공정의 열을 사용하여 스팀을 발생시킴으로써 상기 설비내의 다른 공정을 위한 전기를 발생시키는 것은 또한 주지되어 있다. 전기를 발생시키기 위해, 스팀 리포머를 사용하는 합성 가스의 형성을 비롯한 다양한 공업적 공정으로부터 고온의 배기 가스 및 스팀을 사용하는 예시적인 시스템이 미국 특허 제6,619,041호 및 제5,066,325호에 개시되어 있다.
특히 미국에서, 메탄올 생성에 사용하기 위한 일산화탄소 및 수소를 생성하는 스팀 리포머를 갖는 많은 공업적 설비들은, 현재 입수가능한 비교적 저렴한 메탄올 공급원을 갖는다. 이러한 많은 공업적 설비의 조작자에게는, 스팀 리포머에 의해 발생되는 합성 가스로부터 메탄올 등을 생성하는 것에 비해, 공급업체로부터 메탄올, 및 스팀 리포머의 기타 하류(downstream) 생성물을 구입하는 것이 경제적으로 더 유리하다.
이와 같이, 이들 시스템과 연관된 막대한 자본 지출을 보상하면서도 스팀 리포머가 있는 설비에 이점을 제공하는 방식으로, 현존하는 스팀 리포머를 활용할 필요성이 있다. 이러한 유형의 설비에서, 본원에 기재된 시스템 및 방법은, 설비에 대한 고정 자본 비용을 의미하는 스팀 리포머에 경제적으로 유리한 대체 용도를 제공하기에 특히 유용하다.
발명의 요약
본원은 다양한 공업적 공정에서 사용하기 위한 스팀을 효율적으로 발생시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 이러한 시스템 및 방법은 하나 이상의 현존하는 스팀 리포머를 포함하는 시스템을 변형시키고/시키거나 개장(改裝)함으로써 제공된다. 본 발명의 한 양태에서, 스팀을 발생시키는 방법은 (i) 제 1 스트림을 스팀 리포머에 공급하는 단계(여기서 상기 제 1 스트림은 본질적으로 100중량%의 물을 포함하고, 약 185℃ 이상의 온도 및 약 1150 kPa 이상의 압력을 가지며, 제 1 스트림의 약 50중량% 이상은 스팀의 형태이고; 상기 스팀 리포머는 리포머 출구와 유체 연통되는 리포머 입구, 및 상기 리포머 입구와 상기 리포머 출구 사이에 배치 되고 이들과 유체 연통되는 하나 이상의 관을 포함하고; 상기 하나 이상의 관은 스팀 리포머의 노와 열적으로 연통됨); (ii) 상기 하나 이상의 관내에서 상기 제 1 스트림의 적어도 일부를 가열하여, 상기 제 1 스트림의 분자 조성이 제 2 스트림의 분자 조성과 동일하도록 약 760℃ 이상의 온도 및 1150 kPa 이상의 압력하에 본질적으로 100중량%의 스팀을 포함하는 제 2 스트림을 생성하는 단계; 및 (iii) 상기 제 2 스트림을 상기 스팀 리포머의 상기 출구로부터 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또다른 양태에서, 스팀을 발생시키는 방법은 (i) 제 1 스트림을 스팀 리포머에 공급하는 단계(여기서 상기 제 1 스트림은 본질적으로 100중량%의 물을 포함하고, 약 450℃ 내지 약 550℃의 온도 및 약 1150 kPa 내지 약 4600kPa의 압력을 가지며, 상기 제 1 스트림의 약 80중량% 이상은 스팀의 형태이고; 상기 스팀 리포머는 리포머 출구와 유체 연통되는 리포머 입구, 및 상기 리포머 입구와 상기 리포머 출구 사이에 배치되고 이들과 유체 연통되는 복수개의 관을 포함하고; 불활성 패킹 물질이 치수화되고(dimensioned) 상기 복수개의 관 각각과 함께 배치되어 상기 제 1 스트림내에 난류(亂流)를 제공하고, 상기 패킹 물질이 약 8mm 내지 약 50mm의 직경을 갖는 세라믹 볼, 실린더, 새들(saddle), 펠렛, 천연석, 천연 자갈, 또는 이의 조합물을 포함하고; 상기 관들은 상기 스팀 리포머의 노와 열적으로 연통됨); (ii) 상기 하나 이상의 관내에서 상기 제 1 스트림의 적어도 일부를 가열하여, 상기 제 1 스트림의 분자 조성이 제 2 스트림의 분자 조성과 동일하도록 약 760℃ 이상의 온도 및 1150 kPa 이상의 압력하에 본질적으로 100중량%의 과열된 스팀을 포함하는 제 2 스트림을 생성하는 단계; 및 (iii) 상기 제 2 스트림을 상기 스팀 리포머의 상기 출구로부터 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또다른 양태에서, 스팀 발생 시스템은 제 1 스트림을 스팀 리포머에 공급하는 수단(여기서 상기 제 1 스트림은 본질적으로 100중량%의 물을 포함하고, 약 185℃ 이상의 온도 및 약 1150 kPa 이상의 압력을 가지며, 상기 제 1 스트림의 약 80중량% 이상은 스팀의 형태임); 상기 제 1 스트림을 상기 스팀 리포머에서 가열하여 상기 제 1 스트림에 비해 더 높은 온도를 갖는 제 2 스트림을 생성하기 위한 수단(여기서 상기 제 1 스트림의 분자 조성은 상기 제 2 스트림의 분자 조성과 동일함); 및 상기 제 2 스트림을 스팀 리포머의 출구로부터 제거하는 수단을 포함한다.
본 발명의 또다른 양태에서, 스팀을 발생시키기 위한 스팀 리포머는 리포머 출구와 유체 연통되는 리포머 입구, 및 상기 리포머 입구와 상기 리포머 출구 사이에 배치되고 이들과 유체 연통되는 복수개의 관을 포함하고; 상기 불활성 패킹 물질이 치수화되고 상기 복수개의 관 각각과 함께 배치되어 상기 제 1 스트림내에 난류를 제공하고, 상기 패킹 물질은 약 8mm 내지 약 50mm의 직경을 갖는 세라믹 볼, 실린더, 새들, 펠렛, 천연석, 천연 자갈, 또는 이의 조합물을 포함하고; 관은 스팀 리포머의 노와 열적으로 연통된다
상기 기재된 시스템 및 방법은, 메탄올 제조 등의 목적으로 합성 가스를 생성하기 위해 이전에 사용되었던 스팀 리포머를 갖는 설비에서 스팀을 발생시키기에 특히 유용하며, 여기서는 상기 합성 가스에 대한 요구가 더이상 존재하지 않거나 감소된다.
도 1은 통상의 리포머 시스템의 장치 시스템을 도식적으로 나타낸다.
도 2는 본원에 기재된 리포머 시스템의 장치 시스템의 한 실시양태를 도식적으로 나타낸다.
도 3은 본원에 기재된 리포머 시스템의 장치 시스템의 한 실시양태를 도식적으로 나타낸다.
본원은 다양한 공업적 공정에 사용하기 위한 스팀을 효과적으로 발생시키기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본원에 기재된 시스템 및 방법은 다양한 목적으로 스팀을 발생시키기 위해 합성 가스 생성용으로 고안된 스팀 리포머를 사용한다. 일반적으로, 스팀 리포머는 건립 및 유지 비용이 높다. 결과적으로, 일반적인 스팀 발생을 위한 공업적 설비에서 사용하기에 이용가능한, 일반적으로 덜 비싼 대안이 존재한다. 그러나, 합성 가스 생성을 위해, 현존하는 스팀 리포머의 사용이 더이상 필요하지 않는 설비들에서, 상기 스팀 리포머가 다량의 스팀의 효율적인 발생기를 제공할 수 있음이 밝혀졌다. 따라서, 본원에 기재된 시스템 및 방법은, 현존하는 하나 이상의 스팀 리포머를 포함하는 시스템에 경제적으로 유리한 개장 또는 변형을 가하여 다양한 공업적 용도를 위한 스팀을 발생시킨다.
본 발명에 따른 용도에 적합한 스팀 리포머의 유형으로는 관형 리포머, 자열식 리포머, 단열 리포머, 순환식(cyclic) 리포머 등이 포함된다. 이들 리포머 사이의 주된 차이는 흡열성 리포밍 반응을 위해 열이 공급되는 방식이다. 관형 리포머에서, 열은 실린더의 벽을 통해 촉매 물질에 공급된다(예를 들면 미국 특허 제4,098,589호 참조). 자열식 리포머에서는, 리포머를 진입하는 가열된 가스에 의해 열이 직접 촉매 층에 공급된다(예를 들면, 미국 특허 제3,976,507호 참조). 순환식 리포머에서는, 복수개의 리포머가 동시에 작동하여, 한 세트의 리포머는 연소 상(연료와 공기가 반응함)하에 작동하여 수소 생성 상에 필수적인 열을 제공하고, 이 동안 또다른 세트의 리포머는 수소 생성 상(탄화수소와 스팀이 반응함)하에 작동하며, 수소 생성 상에서 리포머의 온도가 수소 생성을 유지하는데 필요한 온도 미만으로 떨어질 경우 상기 상들은 스위칭(switching)된다(예를 들면 미국 특허 제4,293,315호 참조). 단열 리포머에서는, 통상적인 열 교환기가 이용되어 스팀 리포머내로 통과되기 이전에 스팀과 탄화수소에 필요한 열을 공급한다. 일반적으로, 적합한 스팀 리포머는 리포머 출구와 유체 연통되는 리포머 입구, 및 상기 리포머 입구와 상기 리포머 출구 사이에 배치되고 이들과 유체 연통되는 하나 이상의 관을 포함한다. 상기 하나 이상의 관은 바람직하게는 노, 또는 스팀 리포머에 공급되는 열의 다른 공급원과 열적으로 연통된다. 따라서, 이러한 하나 이상의 관은 종종 스팀 리포머의 화실(火室)내에 위치된다. 본원에서의 목적을 위해, 하나 이상의 관은 일반적으로 리포머 구간을 나타내기 위해 사용되고, 여기서 스팀 리포머의 공급 원료는 열의 존재하에 미리 촉매와 접촉되어 리포메이션 공정을 수행하고, 여기서 상기 공급 원료는 생성물로 전환된다. 따라서, 상기 하나 이상의 관은 원형 단면을 갖는 관으로 제한될 필요가 없으며, 스팀 리포머의 공급물이 합성 가스, 또는 전형적인 스팀 리포머 작동과 일치하여 다른 생성물로 전환되는 구조 및 표면의 임의의 다양한 배열을 포함한다.
본원에 기재된 시스템 및 방법에서, 제 1 스트림은 스팀 리포머의 입구에 공급되고, 이는 이어서 스팀 리포머내에서 가열되어 제 2 스트림을 생성한다. 바람직하게는, 제 1 스트림은 약 185℃ 내지 약 350℃의 온도 및 약 1150 kPa 내지 약 4600 kPa의 압력에서 스팀 리포머에 공급된다. 제 1 스트림은 본질적으로 100중량%의 물을 포함할 수 있고, 50중량% 이상, 바람직하게는 80중량% 이상의 스팀을 함유하고, 제 1 스트림의 임의의 잔여 부분은 자유수(액체)를 포함한다.
이는 통상적 스팀 리포머를 지향하는 스트림과 대조적이고, 이는 약 74% 내지 약 77중량%의 물을 스팀의 형태로 함유한다. 물론, 통상의 리포머 스트림중 스팀의 일부는 리포머내의 탄화수소 스트림의 전환시 소비된다. 그러나, 일반적으로 합성 가스의 생성시 작동되는 스팀 리포머를 빠져나오는 스트림은 약 45중량% 내지 약 53중량%의 과량의 스팀을 함유한다. 이러한 스팀은 전형적으로 이후 정제 단계에서, 스팀 리포머에서 생성된 합성 가스로부터 회수된다.
본원에 기재된 시스템 및 방법에서, 리포머 장치가 사용되어 약 185℃ 내지 약 350℃의 온도 및 약 1,150 kPa 내지 약 4,600 kPa의 압력에서 본질적으로 100중량%의 물을 함유하는 제 1 스트림(여기서 물의 약 80중량% 내지 약 100중량%는 스팀의 형태임)을 자유수를 비롯한 임의의 비-스팀 부분과 함께 약 760℃ 내지 약 900℃의 온도 및 약 1,150 kPa 내지 약 4,600 kPa의 압력에서 본질적으로 100중량%의 스팀을 포함하는 제 2 스트림으로 전환시킨다. 물론, 제 1 스트림 및 제 2 생성물 스트림 둘다의 보다 높은 온도 및 압력은 본 발명의 범주내에 속하며, 특정 스팀 리포머가 작동되는 환경에서 시스템의 요건에 따라 좌우된다.
본원에 기재된 바와 같은 스팀의 일반적 생성을 위해 스팀 리포머를 사용하면, 보일러 등과 같은 통상의 시스템에 비해 보다 효율적으로 스팀을 발생시킬 수 있다. 스팀 발생 효율은, 스팀 리포머에 공급되는 열의 생성시 사용되는 연료 공급원으로부터 이론적으로 가능한 열의 양에 비례하여 실제 스팀 발생량에 의해 결정된다. 이러한 방법은 당분야에 주지되어 있다. 물론, 본 발명에 따른 스팀 발생 효율은 특정 스팀 리포머의 디자인에 따라 좌우될 것이다. 그러나, 본 발명에 따른 스팀 리포머는 스팀을 60% 이상, 바람직하게는 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상, 보다 바람직하게는 약 83% 이상의 효율로 발생시킨다. 반면, 통상의 스팀 생성 시스템, 예컨대 가스 보일러는 전형적으로 스팀을 약 83% 미만의 효율로 발생시킨다.
예기치 못하게, 전형적인 스팀 리포머의 대류 열 회수 구간은 일반적으로 스팀을 발생시키기 위해 이용되는 통상의 보일러에 비해 너무 크다는 것이 발견되었다. 스팀 리포머의 이러한 속성이, 통상의 스팀 생성 시스템에 비해 증진된 열 효율을 가능하게 하는 것으로 여겨진다.
그러나, 현존하는 스팀 리포머 장치가 높은 효율로 스팀을 발생시킬 수 없는 경우 조차도, 본 발명은 스팀 발생 설비를 확장하거나 건립하는 것에 비해 낮은 자본 비용에서 신뢰도가 높은 스팀의 공급원을 제공할 수 있는, 본원에 기재된 바와 같이 개장되고/되거나 작동된 장치와 같은 실행가능한 대안을 마련한다.
본 발명의 한 실시양태에서, 스팀을 발생시키는 방법은 (i) 제 1 스트림을 스팀 리포머에 공급하는 단계(여기서 상기 제 1 스트림은 본질적으로 100중량%의 물을 포함하고; 약 185℃ 내지 약 350℃의 온도 및 약 1150 kPa 내지 약 4600kPa의 압력을 가지며; 상기 제 1 스트림의 약 80중량% 이상은 스팀의 형태이고; 상기 스팀 리포머는 리포머 출구와 유체 연통되는 리포머 입구, 및 상기 리포머 입구와 상기 리포머 출구 사이에 배치되고 이들과 유체 연통되는 하나 이상의 관을 포함하고; 상기 하나 이상의 관은 상기 스팀 리포머의 노와 열적으로 연통된다); (ii) 상기 하나 이상의 관내의 상기 제 1 스트림의 적어도 일부를 가열하여, 약 760℃ 내지 약 900℃의 온도 및 1150 kPa 내지 약 4600 kPa의 압력에서 본질적으로 100중량%의 스팀을 포함하는 제 2 스트림을 생성하는 단계; 및 (iii) 상기 제 2 스트림을 상기 스팀 리포머의 상기 출구로부터 제거하는 단계를 포함한다.
종래 기술인 도 1은 스팀 리포머 시스템의 전체 부분으로서 통상의 스팀 리포머 장치를 도식적으로 나타낸다. 통상의 스팀 리포머(2)는 전형적으로 하나 이상의 촉매가 충전된 관(4)(이를 통해 스팀과 탄화수소 가스의 혼합물이 리포머 입구(9)로부터 리포머 출구(11)로 향할 수 있음)과 열적으로 연통되는 화실 또는 노(3)를 포함한다. 연료 가스 공급원(6)은 에너지를 제공하여 노(3) 및 이에 따라 리포머(2)를 약 900℃ 내지 약 1,050℃에서 유지시킨다. 제시된 실시양태에서, 연소 공기 공급원(8)은 리포머(2)에 제공되어 노(3)에 산소를 공급한다.
전형적인 작동시, 메탄 연료 가스 스트림과 같은 탄화수소 가스 스트림(10)은 혼합되고, 보습기(14)와 같은 장치에서 스팀 및/또는 과량의 물을 함유하는 물 스트림(12)에 의해 가열된다. 이어서, 혼합물은 혼합된 스트림(16)으로서 보습기(14)로부터 제거된다. 이어서 혼합된 스트림(16)은 전형적으로 이것이 열 교환기/배관(18)을 통과할 때 예열되며, 이것은 노(3)에서 생성된 스팀 리포머(2)의 배기 가스(20)내에 위치할 수 있다. 혼합된 스팀(16)은 가열되어 예열된 스트림(22)을 생성한다. 예열된 스트림(22)에서 스팀(즉, H2O) 대 탄소의 몰 비는 전형적으로 2.6 내지 3.2의 범위이다. 따라서, 예열된 스트림(22)에 존재하는 물은 전형적으로 혼합된 스트림(16)의 총 중량을 기준으로 74중량% 내지 77중량%이다. 이어서 예열된 스트림(22)은 리포머 입구(9), 및 촉매 충전된 관(4)을 통과하며, 상기 혼합된 스트림(16)은 리포머(2)내에서 가열되고, 상기 기재된 리포메이션 반응이 일어나 합성 가스를 생성한다.
따라서, 전형적인 스팀 리포머 작동하에, 촉매 충전된 관(4)내에서, 메탄 및 소량의 다른 탄화수소, 및 물(예열된 스트림(22)에서 전달됨)은, 상기 제시된 화학식에 따라서 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소로 전환되어 과량의 스팀을 함유하는 습윤 합성 가스 스트림(24)을 생성한다. 이어서, 과량의 스팀은 통상의 수단에 의해, 전형적으로는 방출된 스팀이 물 재순환 스트림(26)내로 물로서 응축됨으로써 습윤 합성 가스 스트림(24)으로부터 회수될 수 있다. 이어서 물 재순환 스트림(26)은 리포머 공정 또는 다른 공정에서 재사용될 수 있다(예를 들면 물 스트림(12)으로 다시 재순환됨). 이어서, 생성된 농축 합성 가스(28)는, 상기 기재된 바와 같이, 메탄올 제조를 비롯한 다양한 공정에 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 변형된 스팀 리포머의 한 실시양태를 도식적으로 나타낸다. 본원에 기재된 시스템 및 방법은, 합성 가스 대신에 스팀 및 과량의 스팀을 발생시키기 위해 변경되거나 변형된, 도 1에 도시된 바와 같은 통상의 합성 가스 생성 스팀 리포머의 배열을 포함한다.
제시되는 실시양태에서, 하나 이상, 전형적으로 복수개의 관(42)과 열적으로 연통된 화실 또는 노(43)를 갖는 변형된 리포머(40)가 제시된다. 연료 가스 공급원(44) 및 연소 공기 공급원(46)은 노(43)내에서 소비되어, 변형된 리포머(40)를 약 850℃ 이상, 보다 바람직하게는 약 85O℃ 내지 약 950℃의 온도에서 유지시키기 위한 에너지(열)를 제공한다. 약 20중량% 이하의 자유수 및 약 80중량% 내지 약 100중량%의 스팀을 포함하고 약 185℃ 내지 약 350℃의 온도 및 약 1,025 kPa 내지 약 2,170 kPa의 압력을 갖는 공급 스트림(48)은 변형된 스팀 리포머(40)의 입구(49)에 공급된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 공급 스트림(48)은, 변형된 리포머(40)의 고온 배기 가스 출구(52)내에 위치된 열 교환기 및 배관(50)을 통과할 때 예열되어 예열된 스트림(54)을 생성한다. 예열된 스트림(54)은 바람직하게는 약 450℃ 내지 약 550℃의 온도 및 약 1,825 kPa 내지 약 2,170 kPa의 압력하에 존재한다.
물 스트림(56)은 또한 물을 예열된 스트림(54)에 제공하여 제 1 스트림(58)을 생성한다. 한 실시양태에서, 물 스트림(56)은 제 1 스트림(58)중 20중량% 이하의 자유수를 생성하기에 충분한 양으로 물을 예열된 스트림(56)에 제공한다. 바람직하게는, 물 스트림(56)에 의해 제공된 물의 양은 제 1 스트림(58)중 20중량%의 자유수를 제공하기에 필요한 양과 동일한 양이거나 이보다 적은 양일 수 있다.
특정 실시양태에서, 물 스트림(56)에 의해 제공된 물의 양은 제 1 스트림(58)을 포화 상태로 생성하기에 충분한 양이다. 다른 실시양태에서, 물 스트림(56)에 의해 제공된 물의 양은 약 1중량% 내지 약 20중량%의 자유수를 제 1 스트림(58)에 제공하기에 충분한 양이다. 또다른 실시양태에서, 물 스트림(56)에 의해 제공된 물의 양은 약 5중량% 내지 약 15중량%의 자유수를 제 1 스트림(58)에 제공하기에 충분한 양이다. 다른 실시양태에서, 물 스트림(56)에 의해 제공된 물의 양은 약 5중량% 내지 약 10중량%의 자유수를 제 1 스트림(58)에 제공하기에 충분한 양이다.
리포머 입구(49)에 제공되는 제 1 스트림(58)은 바람직하게는 185℃ 이상의 온도를 갖고, 바람직하게는 제 1 스트림(58)은 약 185℃ 내지 약 550℃의 온도를 갖고, 보다 바람직하게는 제 1 스트림(58)은 약 45O℃ 내지 약 550℃의 온도를 갖는다.
제 1 스트림(58)은 바람직하게는 약 1150 kPa 이상의 압력을 갖고, 바람직하게는 제 1 스트림(58)은 약 1150 kPa 내지 약 4600 kPa의 압력을 갖고, 보다 바람직하게는 약 1,825 kPa 내지 약 2,170 kPa을 갖는다.
이어서 제 1 스트림(58)의 적어도 일부, 바람직하게는 제 1 스트림(58) 모두는 리포머 입구(49)를 통과하고, 복수개의 관(42)을 통과한 다음, 리포머 출구(51)를 통해 변형된 리포머(40)로부터 제거된다. 본원에 기재된 방법 및 시스템에서, 변형된 리포머(40)에서 관(42)은 변형된 리포머(40)의 노(43)내에서 발생되는 열 에너지를 흡수하도록 제 1 스트림(58)에 체류 공간을 제공하여, 약 100중량%의 물을 스팀 형태로, 바람직하게는 과열된 스팀 형태로 포함하는 제 2 스트림(60)을 생성하고, 이것은 리포머 출구(51)를 통해 변형된 리포머(40)를 빠져나간다.
한 바람직한 실시양태에서, 본질적으로 모든 제 2 스트림(60)은 과열된 스팀이다. 바람직하게는, 제 2 스트림(60)은 약 760℃ 이상, 바람직하게는 약 76O℃ 내지 약 900℃의 온도 및 약 1150 kPa 이상, 보다 바람직하게는 약 1,150 kPa 내지 약 4,600 kPa의 압력을 갖는다.
관(42)은 열원과 열적으로 연통되어야 한다. 따라서, 관(42)은 열 전도성 물질로 이루어질 필요가 있다. 관(42)은 바람직하게는 철 합금(강), 바람직하게는 부식을 저해하고 유효한 열 전달을 제공하는 소위 초합금으로 이루어 진다. 한 실시양태에서, 관(42)은 내열성 합금, 바람직하게는 돈캐스터스 리미티드(Doncasters Ltd)(맬버른 소재)로부터 입수가능한 파랄로이(Paralloy) 등을 포함한다.
한 실시양태에서, 관(42)은 촉매 반응을 제공하지 않는다. 따라서, 제 1 스트림(58)의 분자 조성은 제 2 스트림(60)의 분자 조성과 동일하다. 변형된 스팀 리포머(40)에 의해 일어나는 유일한 공정은 온도의 증가 및/또는 액상의 물로부터 스팀으로의 상 변화이다.
또다른 실시양태에서, 관(42)은 제 1 스트림(58)이 관(42)내에서 가열될 경우 상기 제 1 스트림(58)에 난류를 제공하는 패킹 물질(45)을 포함한다. 따라서, 패킹 물질(45)로는 노(43)(및 이에 따른 관(42))와 제 1 스트림(58) 사이의 열 전달을 개선시키는 임의의 물질이 포함될 수 있다. 한 실시양태에서, 패킹 물질(45)로는 통상의 리포머 촉매가 포함될 수 있다. 이렇게, 패킹 물질(45)은 관(42)내에 유동 특징을 제공하여 제 1 스트림(58)의 혼합 및 심지어 가열을 확보하는 기능을 한다. 관(42)은 또한 표면적을 증가시키거나, 난류를 부여하거나, 노(43)와 제 1 스트림(58) 사이의 열 전달의 효능을 개선시키도록 변형될 수 있다.
또다른 실시양태에서, 패킹 물질(45)은 관(42)내에 위치되고 배열되는 불활성 물질의 입자를 포함하여 난류를 제공하고, 이에 따라 제 1 스트림(54)의 열 전달도 확보할 수 있다. 한 실시양태에서, 패킹 물질은 세라믹 볼, 실린더, 새들, 펠렛 등을 포함하고, 노턴 케미칼 프로덕츠 디비즌(Norton Chemical Product Division)으로부터 덴스톤(Denstone: 등록상표)이라는 명칭하에 상업적으로 입수가능한 물질들을 포함한다.
패킹 물질(45)은 바람직하게는 약 8mm 내지 약 50mm의 직경을 갖는 볼 또는 펠렛을 포함한다. 또다른 실시양태에서, 관(42)은 천연석 또는 자갈을 포함하는 패킹 물질(45)을 함유할 수 있다.
리포머 출구(51)를 통해 변형된 리포머(40)를 빠져나갈 때, 제 2 스트림(60)은 공업 단지(industrial complex) 전체의 다양한 용도를 위한 스팀 및 열의 공급원을 제공하는데 사용된다.
도 2에 도시된 한 실시양태에서, 제 2 스트림(60)은 열 교환기(62)로 지향된 것으로 도시되어 있고, 여기서 제 2 스트림(60)의 에너지 값의 일부는 약 90℃ 내지 약 300℃의 온도 및 약 1,825 kPa 내지 약 4,600 kPa의 압력에서 효용(utility) 스트림(64)(이는 보일러 공급수 스트림일 수 있음)으로 전달된다. 이어서 효용 스트림(64)은 변형된 리포머(40)의 배기 가스(52)내에 위치된 또다른 열 교환기(66)로 향하여 효용 스트림(64)의 온도를 추가로 증가시킨다. 결국, 효용 스트림(64)은 스팀 분리 장치(68)로 향하고, 여기서 효용 스트림(64)은 보충수와 합쳐져 공급 스트림(48)을 생성한다. 이를 수행할 때, 제 2 스트림(60)에 의해 제공된 열의 적어도 일부는 변형된 리포머(40)로 다시 재순환될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 열 교환기(62)를 빠져나갈 때, 제 2 스트림(60)은, 바람직하게는 약 225℃ 내지 약 350℃ 및 약 1150 kPa 내지 약 2170 kPa의 압력을 갖는 제 3 스트림(70)이 되고, 이는 리포머가 위치된 공업 단지 전체의 다양한 용도를 위한 스팀의 공급원으로서 충분한 열 함량을 갖는다. 한 실시양태에서, 스트림(70)은 전체로 또는 부분적으로 스팀 설비의 시스템 보급기로서 사용된다.
도 3에 도시된 실시양태는, 도 1의 스팀을 발생시키기 위해 통상적인 합성 가스 생성 리포머의 배치를 변경한, 본원에 기재된 시스템 및 방법의 또다른 실시양태를 도식적으로 나타낸다.
도 2와 유사하게, 제 2 스트림(60)은 열 교환기(62)를 통과하고, 이어서 제 3 스트림(70)은 또다른 열 교환기(72)를 통과하여 더 많은 열을 효용 수(utility water) 스트림(64)(이는 보일러 공급수 스트림이 될 수 있음)에 전달한다. 열 교환기(62)에서 발견될 수 있는 감지가능한 열 전달 기작 대신에, 열 교환기(72)는 잠열식(latent) 열 교환기, 응축 열 교환기 등일 수 있다. 열 교환기(72)를 빠져나오는 비-응축된 최종 스팀(76)은 리포머가 위치된 공업 단지 전체의 다양한 용도를 위한 스팀의 공급원으로서 효과적으로 사용되기에 충분한 열 함량을 가질 것이다. 한 실시양태에서, 최종 스트림(76)은 전체로 또는 부분적으로 스팀 설비의 시스템 보급기로서 사용된다.
도 2에 도시된 디자인의 모델링은, 1978년경의 디자인과 일치하는 표준 "다베이 리포머(Davey Reformer)"를 사용하여 수행되었다. 이러한 모델링은, 275℃에서 291 밀리온 BTU/시간의 리포머를 사용하여 77,000 kg/시간 내지 113,000 kg/시간의 1,825 kPa의 스팀을 발생시킬 수 있음을 나타낸다. 필요한 열 투입량은 약 60MW 내지 88MW인 것으로 결정되었다. 다른 크기의 리포머는 유사한 정량의 열 투입량에 비례하는 생산량을 가질 것이다.
본원에 제시된 다양한 범위에 관하여, 기재된 임의의 상한치는 물론 선택된 하위범위에 대한 임의의 하한치와 조합될 수 있다.
다양한 실시양태 및 이들의 이점이 상세히 기재되었지만, 하기 특허청구범위에 의해 한정된 바와 같은 본 발명의 취지 및 범주를 벗어나지 않고 다양한 변화, 대체 및 변경이 이루어질 수 있음을 알아야 한다.

Claims (26)

  1. (i) 제 1 스트림을 스팀 리포머(steam reformer)에 공급하는 단계(여기서 상기 제 1 스트림은 본질적으로 100중량%의 물을 포함하고, 약 185℃ 이상의 온도 및 약 1150 kPa 이상의 압력을 가지며, 상기 제 1 스트림의 약 50중량% 이상은 스팀의 형태이고; 상기 스팀 리포머는 리포머 출구와 유체 연통되는 리포머 입구, 및 상기 리포머 입구와 상기 리포머 출구 사이에 배치되고 이들과 유체 연통되는 하나 이상의 관을 포함하고; 상기 하나 이상의 관은 상기 스팀 리포머의 노와 열적으로 연통됨);
    (ii) 상기 하나 이상의 관내에서 상기 제 1 스트림의 적어도 일부를 가열하여, 상기 제 1 스트림의 분자 조성이 제 2 스트림의 분자 조성과 동일하도록, 약 760℃ 이상의 온도 및 1150 kPa 이상의 압력하에 본질적으로 100중량%의 스팀을 포함하는 제 2 스트림을 생성하는 단계; 및
    (iii) 상기 제 2 스트림을 상기 스팀 리포머의 상기 출구로부터 제거하는 단계를 포함하는
    스팀을 발생시키는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 관이 파랄로이(paralloy)를 포함하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 관이 복수개의 관을 포함하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    불활성 패킹(packing) 물질이 치수화되고(dimensioned) 상기 하나 이상의 관과 함께 배치되어 상기 제 1 스트림내에 난류(亂流)를 제공하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 패킹 물질이 통상의 리포머 촉매를 포함하는 방법.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 패킹 물질이 불활성 물질의 입자를 포함하는 방법.
  7. 제 4 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 패킹 물질이 세라믹 볼(ceramic ball), 실린더, 새들(saddle), 펠렛 또는 이들의 조합물을 포함하는 방법.
  8. 제 4 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 패킹 물질이 약 8mm 내지 약 50mm의 직경을 갖는 볼 또는 펠렛을 포함 하는 방법.
  9. 제 4 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 패킹 물질이 천연석, 자갈 또는 이들의 조합물을 포함하는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 스트림이 약 185℃ 이상 내지 약 230℃의 온도 및 1150 kPa 내지 약 2170 kPa의 압력에서 스팀에 의해 운반되는 약 0중량% 내지 약 20중량%의 자유수(free water)를 포함하는 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 스트림이 약 20중량% 이하의 자유수를 포함하는 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 스트림이 약 5 내지 15중량%의 자유수를 포함하는 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 스트림이 약 5 내지 약 10중량%의 자유수를 포함하는 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 스트림이 약 185℃ 내지 약 550℃의 온도로 존재하는 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 스트림이 약 450℃ 내지 약 550℃의 온도로 존재하는 방법.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 스트림이 약 1150 kPa 내지 약 4600 kPa의 압력으로 존재하는 방법.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 스트림이 약 1150 kPa 내지 약 2170 kPa의 압력으로 존재하는 방법.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 스트림이 과열된 스팀으로 본질적으로 이루어진 방법.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 스트림이 약 760℃ 내지 약 900℃의 온도 및 1150 kPa 내지 약 4600 kPa의 압력으로 존재하는 방법.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 스트림을 상기 스팀 리포머에 제공하기 이전에 스팀 리포머의 노로부터의 배기 가스를 사용하여 상기 제 1 스트림을 가열하는 방법.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 스트림을 상기 스팀 리포머에서 가열하여 80% 이상의 효율로 제 2 스트림을 생성하는 방법.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 스트림을 열적 열교환기에서 약 200℃ 내지 약 320℃의 온도로 냉각시키고, 이어서 상기 제 2 스트림을 상기 스팀 리포머로부터 제거하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 2 스트림을 보일러 공급수에 의해 열적 열 교환기에서 냉각시키는 방법.
  24. (i) 제 1 스트림을 스팀 리포머에 공급하는 단계(여기서 상기 제 1 스트림은 본질적으로 100중량%의 물을 포함하고, 약 450℃ 내지 약 550℃의 온도 및 약 1150 kPa 내지 약 4600kPa의 압력을 가지며, 상기 제 1 스트림의 약 80중량% 이상은 스팀의 형태이고; 상기 스팀 리포머는 리포머 출구와 유체 연통되는 리포머 입구, 및 상기 리포머 입구와 상기 리포머 출구 사이에 배치되고 이들과 유체 연통되는 복수개의 관을 포함하고; 불활성 패킹 물질이 치수화되고 상기 복수개의 관 각각과 함께 배치되어 상기 제 1 스트림내에 난류를 제공하고, 상기 패킹 물질이 약 8mm 내지 약 50mm의 직경을 갖는 세라믹 볼, 실린더, 새들, 펠렛, 천연석, 천연 자갈, 또는 이의 조합물을 포함하고; 상기 관들은 상기 스팀 리포머의 노와 열적으로 연통됨);
    (ii) 상기 하나 이상의 관내에서 상기 제 1 스트림의 적어도 일부를 가열하여, 상기 제 1 스트림의 분자 조성이 제 2 스트림의 분자 조성과 동일하도록, 약 760℃ 이상의 온도 및 1150 kPa 이상의 압력하에 본질적으로 100중량%의 과열된 스팀을 포함하는 제 2 스트림을 생성하는 단계; 및
    (iii) 상기 제 2 스트림을 상기 스팀 리포머의 상기 출구로부터 제거하는 단계를 포함하는
    스팀을 발생시키는 방법.
  25. 제 1 스트림을 스팀 리포머에 공급하는 수단(여기서, 상기 제 1 스트림은 본질적으로 100중량%의 물을 포함하고, 약 185℃ 이상의 온도 및 약 1150 kPa 이상의 압력을 가지며, 상기 제 1 스트림의 약 80중량% 이상은 스팀의 형태임);
    상기 제 1 스트림을 스팀 리포머에서 가열하여 상기 제 1 스트림에 비해 온 도가 더 높은 제 2 스트림을 생성하는 수단(여기서, 상기 제 1 스트림의 분자 조성은 상기 제 2 스트림의 분자 조성과 동일함); 및
    상기 제 2 스트림을 스팀 리포머의 출구로부터 제거하는 수단을 포함하는
    스팀 발생 시스템.
  26. 리포머 출구와 유체 연통되는 리포머 입구, 및 상기 리포머 입구와 상기 리포머 출구 사이에 배치되고 이들과 유체 연통되는 복수개의 관을 포함하고, 여기서 불활성 패킹 물질이 치수화되고 상기 복수개의 관 각각과 함께 배치되어 제 1 스트림내에 난류를 제공하고, 상기 패킹 물질이 약 8mm 내지 약 50mm의 직경을 갖는 세라믹 볼, 실린더, 새들, 펠렛, 천연석, 천연 자갈, 또는 이의 조합물을 포함하고; 상기 관들은 스팀 리포머의 노와 열적으로 연통되는
    스팀 발생용 스팀 리포머.
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