KR20100099261A - 대체 천연 가스 제조 방법, 가스화 시스템 및 통합 가스화 복합 사이클 동력 발생 플랜트 - Google Patents

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폴 스티븐 월리스
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

대체 천연 가스(substitute natural gas, SNG)를 제조하는 방법은 적어도 일부 이산화탄소(CO2) 및 황화수소(H2S)를 포함하는 합성가스 스트림을 제공하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 제공된 합성가스 스트림의 적어도 일부분으로부터 CO2의 적어도 일부분 및 H2S의 적어도 일부분을 분리하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 분리된 CO2의 적어도 일부분 및 H2S의 적어도 일부분을 상기 합성가스 스트림의 적어도 일부분으로부터 제거 시스템(sequestration system) 및 가스화 리액터중 적어도 하나로 보내는 단계를 포함한다.

Description

대체 천연 가스 제조 방법, 가스화 시스템 및 통합 가스화 복합 사이클 동력 발생 플랜트{METHOD AND APPARATUS TO FACILITATE SUBSTITUTE NATURAL GAS PRODUCTION}
본 발명은 일반적으로 통합 가스화 복합 사이클(integrated gasification combined cycle, IGCC) 동력 발생 플랜트에 관한 것이며, 특히 합성 천연 가스 제조, 가스화 시스템과의 열 전달, 및 제거(sequestration)를 위한 이산화탄소(CO2) 분리를 최적화하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
적어도 몇몇의 알려진 IGCC 플랜트는 적어도 하나의 동력-생산 터빈 시스템과 통합된 가스화 시스템을 포함한다. 예를 들어, 공지된 가스화 시스템은 연료, 공기 또는 산소, 증기 및/또는 CO2의 혼합물을 합성 가스(synthetic gas 또는 "syngas")로 변환시킨다. 합성 가스는 가스 터빈 엔진의 연소기로 보내지고, 이것은 전력을 전력 그리드(power grid)에 공급하는 제너레이터에 동력을 공급한다. 적어도 몇몇의 알려진 가스 터빈 엔진으로부터의 배기는 증기 터빈을 구동하기 위한 증기를 발생시키는 열 회수 증기 발생기(heat recovery steam generator, HRSG)에 공급된다. 증기 터빈에 의해 발생된 동력은 전력을 전력 그리드에 제공하는 전기 제너레이터를 또한 구동한다.
IGCC 플랜트와 관련된 적어도 몇몇의 알려진 가스화 시스템은 주로 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)인 가스 터빈 엔진용 합성가스를 생성한다. 이러한 합성가스 연료는 전형적으로 천연 가스와 비교해서 유사한 열 발산을 얻기 위해서 천연 가스보다 높은 질량 유량을 필요로 한다. 이러한 추가적인 질량 유량은 상당한 터빈 변경을 필요로 할 수 있으며, 표준 천연 가스-기제 가스 터빈과 직접적으로 양립될 수 없다.
또한, 터빈 엔진 작동 동안에 NOx 배기의 제어를 용이하게 하기 위해서, 적어도 몇몇의 알려진 가스 터빈 엔진은, 린(lean) 연료/공기 비율로 작동되고, 및/또는 연소기의 반응 존내로 들어가기 전에 연료가 공기와 사전혼합되도록 작동되는 연소기를 이용한다. 사전혼합은 연소 온도의 감소를 용이하게 할 수 있으며, 그에 따라 희석 첨가물을 필요함이 없이 NOx 형성을 감소시킨다. 그러나, 사용된 연료가 합성가스 연료이라면, 선택된 합성가스 연료는 충분한 수소(H2)를 포함할 수 있으며, 그 결과 관련된 높은 화염 속도는 혼합 장치내에서의 자기점화, 역화 및/또는 화염 보지를 촉진시킬 수 있다. 또한, 이러한 높은 화염 속도는 연소 이전에 균일한 연료 및 공기 혼합을 촉진시키지 않을 수 있다. 또한, 이것으로 제한하는 것은 아니지만 질소(N2)를 포함하는 적어도 하나의 불활성 희석제는 과잉 NOx 형성을 방지하고 그리고 화염 자기점화, 역화 및/또는 화염 보지를 제어하기 위해서 H2-풍부 연료 가스 시스템내로 첨가될 필요가 있을 수 있다.
그러나, 불활성 희석제는 항상 입수 가능하지 않으며, 엔진 열소비율에 부정적으로 영향을 줄 수 있으며 및/또는 설비 및 작동 비용을 증가시킬 수 있다. 증기는 희석제로서 도입될 수 있지만, 증기는 고온 가스 경로 부품의 기대 수명을 짧게 할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 대체 천연 가스(substitute natural gas, SNG)를 제조하는 방법이 제공된다. 이 방법은 적어도 일부 이산화탄소(CO2) 및 황화수소(H2S)를 포함하는 합성가스 스트림을 제공하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 제공된 합성가스 스트림의 적어도 일부분으로부터 CO2의 적어도 일부분 및 H2S의 적어도 일부분을 분리하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 분리된 CO2의 적어도 일부분 및 H2S의 적어도 일부분을 상기 합성가스 스트림의 적어도 일부분으로부터 제거 시스템(sequestration system) 및 가스화 리액터중 적어도 하나로 보내는 단계를 포함한다.
다른 실시형태에서, 가스화 시스템이 제공된다. 가스화 시스템은 적어도 일부 황화수소(H2S)를 포함하는 가스 스트림을 발생하도록 구성된 적어도 하나의 가스화 리액터를 포함한다. 시스템은 또한 상기 가스화 리액터와 유동 연통하여 결합된 제거 서브시스템용 CO2 분리부를 포함한다. 제거 서브시스템용 CO2 분리부는 상기 가스 스트림내에서 CO2를 발생하도록 구성된 적어도 하나의 가스 시프트 리액터를 포함한다. 서브시스템은 또한 상기 가스 스트림으로부터 CO2 및 H2S의 적어도 일부분을 제거하도록 구성된 적어도 하나의 가스 제거 유닛(AGRU)을 포함한다. 서브시스템은 또한 상기 적어도 하나의 AGRU로부터 CO2 및 H2S를 보내는 것을 촉진하기 위한 적어도 하나의 압축기를 포함한다.
다른 실시형태에서, 통합 가스화 복합 사이클(integrated gasification combined cycle, IGCC) 동력 발생 플랜트가 제공된다. IGCC 플랜트는 적어도 하나의 가스화 시스템과 유동 연통하여 결합된 적어도 하나의 가스 터빈 엔진을 포함한다. 상기 적어도 하나의 가스화 시스템이 적어도 일부 황화수소(H2S)를 포함하는 가스 스트림을 발생하도록 구성된 적어도 하나의 가스화 리액터를 포함한다. IGCC 플랜트는 또한 상기 가스화 리액터와 유동 연통하여 결합된 제거 서브시스템용 CO2 분리부를 포함한다. 제거 서브시스템용 CO2 분리부는 상기 가스 스트림내에서 CO2를 발생하도록 구성된 적어도 하나의 가스 시프트 리액터를 포함한다. 상기 서브시스템은 또한 상기 가스 스트림으로부터 CO2 및 H2S의 적어도 일부분을 제거하도록 구성된 적어도 하나의 가스 제거 유닛(AGRU)을 포함한다. 상기 서브시스템은 또한 상기 적어도 하나의 AGRU로부터 CO2 및 H2S의 적어도 일부분을 보내는 것을 촉진하기 위한 적어도 하나의 압축기를 포함한다.
도 1은 예시적인 통합 가스화 복합 사이클(integrated gasification combined cycle, IGCC) 동력 발생 플랜트의 개략도,
도 2는 도 1에 도시된 IGCC 동력 발생 플랜트에 사용될 수 있는 예시적인 가스화 시스템의 개략도,
도 3은 도 1에 도시된 IGCC 동력 발생 플랜트에 사용될 수 있는 변형 가스화 시스템의 개략도.
도 1은 예시적인 통합 가스화 복합 사이클(integrated gasification combined cycle, IGCC) 동력 발생 플랜트(100)의 개략도이다. 예시적인 실시예에서, IGCC 플랜트는 가스 터빈 엔진(110)을 포함한다. 엔진(110)은 샤프트(116)를 통해서 터빈(114)에 회전가능하게 연결된 압축기(112)를 포함한다. 압축기(112)는 국부적으로 대기 압력 및 온도에서 공기를 받아들이도록 구성되어 있다. 터빈(114)은 제 1 로터(120)를 거쳐 제 1 전기 제너레이터(118)에 회전가능하게 연결된다. 또한, 엔진(110)은 압축기(112)와 유동 연통되어 연결된 적어도 하나의 연소기(122)를 포함한다. 연소기(122)는 공기 도관(124)을 거쳐서 압축기(112)에 의해 압축된 공기(도시하지 않음)의 적어도 일부분을 받아들이도록 구성된다. 또한, 연소기(122)는 적어도 하나의 연료 공급원(이하에 보다 상세하게 설명함)과 유동 연통되어 결합되고, 연료 공급원으로부터의 연료를 받아들이도록 구성되어 있다. 공기 및 연료는 연소기(122)내에서 혼합되어 연소되고, 연소기(122)는 고온 연소 가스(도시하지 않음)의 생성을 촉진한다. 터빈(114)은 연소기(122)와 유동 연통되어 결합되고, 터빈(114)은 연소 가스 도관(126)을 거쳐 고온 연소 가스를 받아들이도록 구성되어 있다. 또한, 터빈(114)은 가스내의 열 에너지를 회전 에너지로 변환하는 것을 용이하게 하도록 구성되어 있다. 회전 에너지는 로터(120)를 거쳐 제너레이터(118)로 전달되며, 여기에서 제너레이터(118)는 회전 에너지를 전력 그리드(도시되지 않음)를 포함하지만 이것으로 한정되는 않는 적어도 하나의 부하(load)로의 전달을 위해 전기 에너지로의 변환을 촉진시키도록 구성된다.
IGCC 플랜트(100)는 또한 증기 터빈 엔진(130)을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 엔진(130)은 제 2 로터(136)를 거쳐 제 2 전기 제너레이터(134)에 회전가능하게 연결된 증기 터빈(132)을 포함한다.
IGCC 플랜트(100)는 또한 증기 발생 시스템(140)을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 시스템(140)은 적어도 하나의 가열된 보일러 급수 도관(146)을 거쳐 적어도 하나의 열 전달 장치(144)와 유동 연통하여 연결된 적어도 하나의 열 회수 증기 발생기(heat recovery steam generator, HRSG)(142)를 포함한다. 장치(144)는 도관(145)으로부터의 보일러 급수를 받아들이도록 구성된다. HRSG(142)는 보일러 급수를 증기로 가열하기 위해 도관(146)을 거쳐서 장치(144)로부터의 보일러 급수(도시되지 않음)를 받아들이도록 구성된다. HRSG(142)는 또한 배기 가스 도관(148)을 거쳐 터빈(114)으로부터의 배기 가스(도시되지 않음)를 받아들여 보일러 급수를 증기로 추가로 가열한다. HRSG(142)는 증기 도관(150)을 거쳐 터빈(132)과 유동 연통하여 연결된다.
도관(150)은 HRSG(142)로부터의 증기(도시하지 않음)를 터빈(132)으로 보도록 구성된다. 터빈(132)은 HRSG(142)로부터의 증기를 받아들여 증기 안의 열에너지를 회전 에너지로 변환시킨다. 회전 에너지는 로터(136)를 거쳐 제너레이터(134)로 전해지고, 제너레이터(134)는 전력 그리드를 포함하지만 이것으로 한정되지 않는 적어도 하나의 부하로의 전달을 위해 회전 에너지를 전기 에너지(도시하지 않음)로 변환시킨다. 증기는 응축 도관(137)을 거쳐 보일러 급수로서 응축 및 회수된다.
IGCC 플랜트(100)는 또한 가스화 시스템(200)을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 시스템(200)은 공기 도관(204)을 거쳐 압축기(112)와 유동 연통하여 연결된 적어도 하나의 공기 분리 유닛(202)을 포함한다. 공기 분리 유닛(202)은 또한 공기 도관(203)을 거쳐 적어도 하나의 압축기(201)와 유동 연통하여 연결되고, 압축기(201)는 공급 압축기(112)로 구성되어 있다. 선택적으로, 공기 분리 유닛(202)은 전용의 공기 압축기 및 압축된 공기 저장 유닛(양자 모두 도시되지 않음)을 포함하지만 이것으로 한정되지 않는 공기 공급원에 유동 연통하여 결합되어 있다. 유닛(202)은 공기를 산소(O2) 및 다른 성분으로 분리하도록 구성된다. 다른 성분은 통기구(206)를 거쳐서 방출된다.
시스템(200)은, 유닛(202)과 유동 연통하여 연결되고 O2 도관(210)을 거쳐 유닛(202)으로부터 보내진 O2를 받아들이도록 구성된 가스화 리액터(208)를 포함한다. 시스템(200)은 또한 석탄(209)을 받아들이고 그리고 사워 합성가스(황화수소가 있는 합성가스)(sour syngas) 스트림(도시하지 않음)의 생성을 촉진하도록 구성되어 있다.
시스템(200)은 또한 가스 시프트 리액터(212)를 포함하며, 이 가스 시프트 리액터(212)는 리액터(208)와 유동 연통하여 연결되고, 사워 합성가스 도관(214)을 거쳐 가스화 리액터(208)로부터 사워 합성가스 스트림을 받아들이도록 구성되어 있다. 리액터(212)는 또한 증기 도관(150)과 유동 연통하여 연결되고, 증기 도관(211)을 거쳐 HRSG(142)로부터 보내진 증기의 적어도 일부분을 받아들이도록 또한 구성되어 있다. 가스 시프트 리액터(212)는 또한 시프트된 사워 합성가스 스트림(도시하지 않음)의 생성을 촉진하도록 구성되어 있으며, 이 시프트된 사워 합성가스 스트림은 리액터(208)에서 생성된 사워 합성가스 스트림과 비교할 때 이산화탄소(CO2) 및 수소(H2)를 증가된 농도로 포함하고 있다. 예시적인 실시예에서, 리액터(212)는 또한 열 전달 도관(216)을 거쳐 열 전달 장치(144)와 열 전달 연통하여 결합되어 있다. 도관(216)은 합성가스를 시프트시키는 것과 관련된 발열성 화학 반응을 거쳐서 리액터(212)내에 발생된 열의 전달을 촉진하도록 구성되어 있다. 장치(144)는 리액터(212)내에 발생된 열의 적어도 일부분을 받아들이도록 구성되어 있다. 선택적으로, 리액터(212) 및 열 전달 장치(144)는 기구(도시하지 않음)의 단일 편으로 통합된다.
또한, 시스템(200)은, 리액터(212)와 유동 연통하여 결합되고, 시프트된 사워 합성가스 도관(220)을 거쳐 리액터(212)로부터 증가된 CO2 및 H2 농도를 갖는 시프트된 사워 합성가스 스트림을 받아들이도록 구성된 산 가스 제거 유닛(acid gas removal unit, AGRU)(218)을 포함한다. AGRU(218)는 또한 산 도관(222)을 거쳐 시프트된 사워 합성가스 스트림으로부터 산 성분(도시하지 않음)의 적어도 일부분의 제거를 촉진하도록 구성되어 있다. AGRU(218)는 또한 시프트된 사워 합성가스 스트림에 함유된 CO2의 적어도 일부분의 제거를 촉진하도록 구성되어 있다. AGRU(218)는 또한 사워 합성가스 스트림의 적어도 일부분으로부터 스위튼 합성가스(황화수소가 없는 합성가스)(sweetened syngas) 스트림(도시하지 않음)의 생성을 촉진하도록 구성되어 있다. AGRU(218)는 CO2 도관(214)을 거쳐 리액터(208)와 유동 연통하여 결합되며, CO2(도시하지 않음)의 스트림은 리액터(208)(이하에 설명함)의 사전결정된 부분으로 보내진다.
또한, 시스템(200)은, AGRU(218)와 유동 연통하여 결합되고, 스위튼 합성가스 도관(228)을 거쳐 AGRU(218)로부터 스위튼 합성가스 스트림을 받아들이도록 구성된 메탄화 리액터(226)를 포함한다. 리액터(226)는 또한 스위튼 합성가스 스트림의 적어도 일부분으로부터 대체 천연 가스(SNG) 스트림(도시하지 않음)의 생성을 촉진하도록 구성된다. 리액터(226)는 또한 연소기(122)와 유동 연통하여 결합되며, SNG 스트림은 SNG 도관(230)을 거쳐 연소기(122)로 보내진다. 또한, 리액터(226)는 열 전달 도관(232)을 거쳐 HRSG(142)와 열 전달 연통하여 결합된다. 이러한 열 전달 연통은 리액터(226)내에서 실행된 스위튼 합성가스 대 SNG 전환 프로세스에 의해 발생된 HRSG(142)로의 열의 전달을 촉진시킨다.
또한, 시스템(200)은 도관(224)의 일부분을 거쳐 AGRU(218)와 유동 연통하여 결합된 적어도 하나의 압축기(234)를 포함한다. 압축기(234)는 개선된 오일 회수 또는 염수층 분야에서 주입하기 위한 파이프라인을 포함하지만 이것으로 제한되지 않는 제거 시스템(도시하지 않음)과 도관(236)을 거쳐 유동 연통으로 결합되어 있다.
작동시에, 압축기(201)는 대기를 받아들이고, 공기를 압축하고, 압축된 공기를 도관(203, 204)을 거쳐 공기 분리 유닛(202)으로 보낸다. 유닛(202)은 또한 도관(124, 204)을 거쳐 압축기(112)로부터 공기를 받아들일 수 있다. 압축된 공기는 O2 및 다른 성분으로 분리된다. 다른 성분은 통기구(206)를 거쳐 배기되고, O2는 도관(210)을 거쳐 가스화 리액터(208)로 보내진다. 리액터(208)는 도관(210)을 거쳐 O2를, 도관(209)을 거쳐 석탄을 그리고 도관(224)을 거쳐 AGRU(218)로부터 CO2를 받아들인다. 리액터(208)는 도관(214)을 거쳐 가스 시프트 리액터(212)로 보내진 사워 합성가스 스트림의 생성을 촉진시킨다. 스트림은 도관(150, 211)을 거쳐 HRSG(142)로부터 리액터(212)로 보내진다. 사워 합성가스 스트림은 발열성 화학 반응을 거쳐 시프트된 사워 합성가스 스트림을 생성하는데 사용된다. 시프트된 합성가스 스트림은 리액터(208)에서 생성된 사워 합성가스 스트림과 비교할 때 CO2 및 H2를 증가된 농도로 포함한다. 발열성 반응으로부터의 열은 열 전달 도관(216)을 거쳐 열 전달 장치(144)로 보내진다.
또한, 작동시에, 시프트된 합성가스 스트림은 도관(220)을 거쳐 AGRU(218)로 보내지고, 산 성분은 도관(222)을 거쳐 제거되고, CO2는 리액터(208) 및 압축기(234)(궁극적으로, 제거 시스템)로 보내진다. 이러한 방법에서, AGRU(218)는 채널(228)을 거쳐 메탄화 리액터(226)로 보내진 스위튼 합성가스 스트림을 생성하고, SNG 스트림은 발열성 화학 반응을 거쳐 스위튼 합성가스 스트림으로부터 생성된다. 반응으로부터의 열은 도관(232)을 거쳐 HRSG(142)로 보내지고, SNG 스트림은 도관(230)을 거쳐 연소기(122)로 보내진다.
또한, 작동시에, 터빈(114)은 압축기(112)를 회전시키며, 그 결과 압축기(112)는 대기를 받아들여 압축하고, 압축된 공기의 일부분을 유닛(202)으로 그리고 일부분을 연소기(122)로 보낸다. 연소기(122)는 공기 및 SNG를 혼합 및 연소시키고, 고온 연소 가스를 터빈(114)으로 보낸다. 고온 가스는 터빈(114)의 회전을 유도하고, 이 회전은 로터(120) 뿐만 아니라 압축기(112)를 거쳐 제 1 제너레이터(118)를 회전시킨다.
연소 가스의 적어도 일부분은 도관(148)을 거쳐 터빈(114)으로부터 HRSG(142)까지 보내진다. 또한, 리액터(226)에서 발생된 열의 적어도 일부분은 도관(232)을 거쳐 HRSG(142)으로 보내진다. 또한, 리액터(212)에서 생성된 열의 적어도 일부분은 열 전달 장치(144)로 보내진다. 보일러 급수는 도관(145)을 거쳐 장치(144)로 보내지고, 물은 리액터(212)내에서 발생된 열의 적어도 일부분을 받아들인다. 온수는 도관(146)을 거쳐 HRSG(142)로 보내지고, 리액터(226) 및 배기 가스 도관(148)으로부터의 열은 증기를 형성하도록 물을 끓인다. 증기는 증기 터빈(132)으로 보내지고, 터빈(132)의 회전을 유도한다. 터빈(132)은 제 2 로터(136)를 거쳐 제 2 제너레이터(134)를 회전시킨다. 증기의 적어도 일부분은 도관(211)을 거쳐 리액터(212)로 보내진다. 터빈(132)에 의해 응축된 증기는 도관(137)을 거쳐 추가 사용을 위해 재순환된다.
도 2는 IGCC 동력 발생 플랜트(100)에 사용될 수 있는 예시적인 가스화 시스템(200)의 개략도이다. 시스템(200)은 가스화 리액터(208)를 포함한다. 리액터(208)는 하부 스테이지(240) 및 상부 스테이지(242)를 포함한다. 예시적인 실시예에 있어서, 하부 스테이지(240)는 도관(210)을 거쳐 O2를 받아들이며, 그 겨로가 하부 스테이지(240)는 공기 분리 유닛(202)(도 1에 도시됨)과 유동 연통하여 결합되어 있다.
CO2 도관(224)은 하부 스테이지 CO2 도관(244) 및 상부 스테이지 CO2 도관(246)과 유동 연통하여 결합되어 있다. 이와 같이, 하부 스테이지(240) 및 상부 스테이지(242)는 AGRU(218)에 유동 연통하여 결합되어 있다. 또한, 하부 스테이지(240) 및 상부 스테이지(242)는 각각 하부 석탄 도관(248) 및 상부 석탄 도관(250)을 거쳐 건조 석탄을 받아들인다.
하부 스테이지(240)는 하부 스테이지(240)로부터 받아들인 액체 슬래그를 일시적으로 저장하는 록 호퍼(252)를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 호퍼(252)는 물로 충전된다. 선택적으로, 호퍼(252)는 설명한 바와 같이 시스템(200)의 작동을 촉진하는 모든 구성을 가질 수 있다. 슬래그는 도관(254)을 거쳐 제거된다. 상부 스테이지(242)는 제거 도관(256)을 거쳐 숯이 많은 사워 고온 합성가스 스트림(도시하지 않음)의 제거를 촉진한다. 도관(256)은 세퍼레이터(258)와 유동 연통하여 가스화 리액터(208)를 결합한다. 세퍼레이터(258)는 리턴 도관(260)은 숯으로부터 사워 고온 합성가스를 분리하며, 그 결과 숯은 리턴 도관(260)을 거쳐 하부 스테이지(240)로 다시 재순환된다. 예시적인 실시예에서, 세퍼레이터(258)는 사이클론 타입 세퍼레이터이다. 선택적으로, 세퍼레이터(258)는 설명한 바와 같이 시스템(200)의 작동을 촉진하는 모든 타입의 세퍼레이터이다.
세퍼레이터(258)는 도관(264)을 거쳐 급랭 유닛(262)과 유동 연통하여 결합되어 있다. 급랭 유닛(262)은 도관(264)에서 사워 고온 합성가스 스트립과 물(도관(263)을 거쳐 보내진)을 추가 및 혼합하여 고온 합성가스 스트림의 냉각을 촉진시키며, 그 결과 급랭된 사워 합성가스 스트림(도시하지 않음)이 형성된다. 급랭 유닛(262)은 도관(268)을 거쳐 미세입자 제거 유닛(266)과 유동 연통하여 결합된다. 예시적인 실시예에서, 도관(266)은 여과 타입 유닛이다. 선택적으로, 유닛(266)은, 설명된 바와 같이 시스템(200)의 작동을 촉진시키는, 물 세척 타입 유닛을 포함하지만 이것으로 제한되지 않는 모든 타입의 유닛이다. 급랭된 사워 합성가스 스트림으로부터 제거된 미세입자는 미세입자 제거 도관(270)을 거쳐 미세입자 제거 유닛(도시하지 않음)으로 보내진다. 또한, 유닛(266)은 도관(271)을 거쳐 가스 시프트 리액터(212)와 유동 연통하여 결합된다.
시스템(200)은, 시스템(200)내에서 CO2의 제 1 부분을 추출 및 재순환과, 제거 시스템(도시하지 않음)으로 제 2 부분을 보내는 것을 촉진시키도록 구성된 제거 서브시스템(274)을 위한 CO2 분리를 포함한다. 서브시스템(274)은, 도관(271)을 거쳐 유닛(266)과 유동 연통하여 결합되고 급랭된 사워 합성가스 스트림을 받아들이는 리액터(212)를 포함한다. 리액터(212)는 증기 도관(150)과 유동 연통하여 결합되고, 도관(211)을 거쳐 HRSG(142)로부터 보내진 증기의 적어도 일부분을 받아들인다. 또한, 리액터(212)는 도관(216)을 거쳐 열 전달 장치(144)와 열 전달 연통으로 결합된다. 도관(216)은 합성가스를 시프팅하는 것과 관련된 발열성 화학 반응을 거쳐 리액터(212)내에 발생된 열을 전달하는 것을 촉진한다. 장치(144)는 리액터(212)내에 발생된 열의 적어도 일부분을 받아들인다. HRSG(142)는 가열된 보일러 급수 도관(146)을 거쳐 열 전달 장치(144)와 유동 연통하여 결합된다. 또한, 가스 시프트 리액터(212)는 리액터(208)에서 생성된 사워 가스 스트림과 비교할 때 증가된 농도로 CO2 및 H2를 포함하는 시프트된 사워 합성가스 스트림의 생성을 촉진한다.
또한, 서브시스템(274)은, 리액터(212)와 유동 연통하여 결합되고, 도관(220)을 거쳐 리액터(212)로부터 증가된 CO2 및 H2 농도를 가진 시프트된 사워 합성가스 스트림을 받아들이는 AGRU(218)를 포함한다. 또한, AGRU(218)는 도관(222)을 거쳐 시프트된 사워 합성가스 스트림으로부터의 황산 및 탄산을 포함하지만 이것으로 제한되지 않는 산 성분(도시하지 않음)의 적어도 일부분의 제거를 촉진한다. 산 제거를 더욱 촉진시키기 위해서, AGRU(218)는 도관(272)을 거쳐 아민, 메타놀 및/또는 Selexol(등록상표)을 포함하지만 이것으로 제한되지 않는 솔벤트를 받아들인다. 이에 의해, 이러한 산 제거는 사워 합성가스 스트림으로부터의 스위튼 합성가스 스트림(도시하지 않음)의 생성을 촉진한다.
또한, AGRU(218)는 시프트된 사워 합성가스 스트림내에 함유된 가스성 CO2 및 가스성 황화수소(H2)의 적어도 일부분의 제거를 촉진한다. 예시적인 실시예에서, H2S-린 CO2(때때로 스위트 CO2라고 함) 스트림 또는 H2S-풍부 CO2(때때로 사워 CO2라고 함) 스트림(양자 모두 도시하지 않음)중 어느 하나가 AGRU(218)내에서 생성된다. H2S-린 CO2 또는 H2S-풍부 CO2 스트림의 생성은 AGRU(218)내의 온도 및 압력, 유체 유동율 및 선택된 솔벤트를 포함하지만 이것으로 제한되지 않는 요인에 따라 좌우된다.
AGRU(218)는 CO2 도관(224)을 거쳐 리액터(208)와 유동 연통하여 결합되며, H2S-린 CO2 스트림 또는 H2S-풍부 CO2 스트림중 어느 하나의 적어도 제 1 부분은 각각 도관(244, 246)을 거쳐 리액터(208)의 하부 스테이지(240) 및 상부 스테이지(242)로 보내지며, 이러한 스트림은 시스템(200)내에서 재순환된다. 또한, AGRU(218)는 도관(224)을 거쳐 압축기(234)와 유동 연통하여 결합되고, H2S-린 CO2 스트림 또는 H2S-풍부 CO2 스트림중 어느 하나의 적어도 제 2 부분은 도관(236)을 거쳐 제거 시스템으로 보내진다. 제거 시스템은 개선된 오일 회수 또는 염수층 분야에서 주입하기 위한 파이프라인일 수 있지만 이것으로 제한되지 않는다. 선택적으로, 서브시스템(274)은 시스템(200)의 작동이 용이하게 되도록 시스템(200)의 임의의 부분으로 CO2 스트림중 어느 하나를 보내도록 구성되어 있다.
메탄화 리액터(226)는 AGRU(218)와 유동 연통하여 결합되고, 도관(228)을 거쳐 AGRU(218)로부터의 스위튼 합성가스 스트림을 받아들인다. 리액터(226)는 스위튼 합성가스 스트림의 적어도 일부분으로부터 대체 천연 가스(SNG) 스트림(도시하지 않음)을 생성하는 것을 촉진한다. 또한, 리액터(226)는 연소기(122)와 유동 연통하여 결합되며, 그 결과 SNG 스트림은 도관(230)을 거쳐 연소기(122)로 보내진다. 더욱이, 리액터(226)는 도관(232)을 거쳐 HRSG(142)와 연 전달 연통하여 결합되어, 리액터(226)내에서 실행된 스위튼 합성가스 대 SNG 변환 프로세스에 의해 발생된 HRSG(142)로의 열의 전달을 촉진한다.
대체 천연 가스(SNG)를 생성하기 위한 예시적인 방법은 적어도 몇몇 이산화탄소(CO2) 및 황화수소(H2S)를 포함하는 합성가스 스트림을 제공하는 것을 포함한다. 또한, 이 방법은 제공된 합성가스 스트림의 적어도 일부분으로부터 CO2의 적어도 일부분 및 H2S의 적어도 일부분을 분리하는 것을 포함한다. 또한, 이 방법은 합성가스 스트림의 적어도 일부분으로부터 분리된 CO2의 적어도 일부분 및 H2S의 적어도 일부분을 적어도 하나의 제거 서브시스템(274) 및 가스화 리액터(208)로 보내는 것을 포함한다.
작동 동안에, 세퍼레이터 유닛(202)으로부터의 O2 및 사전가열된 석탄은 각각 도관(210, 248)을 거쳐 하부 스테이지(240)내로 도입된다. 석탄 및 O2는 도관(260)을 거쳐 하부 스테이지(240)내로 도입된 사전가열된 숯과 반응하여, 주로 H2, CO, CO2 및 적어도 일부의 황화수소(H2S)를 함유하는 합성가스를 생성한다. H2S의 적어도 일부분은 도관(224, 244, 246)을 거쳐 리액터(208)내로 재순환되고, 상기 도관(224, 244, 246)은 시스템(200)내에서의 제거 및 재순환을 위해 분리시키기 위해 AGRU(218)로부터 리액터(208)로 H2S-린 CO2 스트림 또는 H2S-풍부 CO2 스트림을 보낸다. 이러한 합성가스 형성은 사실상 실질적으로 발열성인 화학 반응을 거치며, 관련된 열 방출은 대략 1371℃(250℉) 내지 대략 1649℃(3000℉)의 범위내의 작동 온도를 발생한다. 합성가스를 형성하는 화학 반응의 적어도 일부는 슬래그(도시하지 않음)를 또한 형성한다. 하부 스테이지(240)내의 고온은 슬래그를 위한 낮은 점성을 유지하는 것을 용이하게 하며, 그 결과 액체 슬래그의 실질적으로 대부분은 호퍼(252)내로 중력 공급될 수 있으며, 호퍼(252)내의 상대적으로 냉각수는 신속한 급랭 및 슬래그의 파괴를 촉진시킨다. 합성가스는 리액터(208)를 통해 상방으로 유동하고, 상부 스테이지(242)내의 추가 반응을 통해서 슬래그의 일부가 부유동반된다. 예시적인 실시예에서, 하부 스테이지(240)내로 도입된 석탄은 하부 스테이지(240)로부터 상부 스테이지(242)까지 유동하는 합성가스와 함께 분쇄된 석탄의 부유동반을 허용하도록 충분한 입자 사이즈로 분쇄된 건조 또는 저습윤 석탄이다.
예시적인 실시예에서, AGRU(218)로부터의 CO2 스트림의 적어도 일부분은 도관(224, 244)을 거쳐 하부 스테이지(240)내로 도입된다. CO2 스트림은, AGRU(218)내의 온도 및 압력, 유체 유동율 및 선택된 솔벤트를 포함하지만 이것으로 제한되지 않는 요인에 따라 좌우되는 H2S-린 CO2 스트림 또는 H2S-풍부 CO2 스트림중 어느 하나이다. 추가의 CO2는 도관(210)을 거쳐 도입된 O2의 필요한 질량 유량을 감소시킴으로써 IGCC(100)의 효율을 증가시킨다. 도관(210)으로부터의 O2 분자는 CO2 분자의 분해에 의해 그들의 성분 탄소(C) 및 O2 분자로 형성된 O2 분자로 대체된다. 이와 같이, 터빈 엔진 연소기(122)내에서 연소를 위한 추가의 공기는 사전결정된 압축기(112)의 정격에 대해서 입수가능하며, 이에 의해 가스 터빈 엔진(110)이 정격 동력 발생에서 또는 그 이하에서 작동하는 것을 촉진한다. 더욱이, IGCC 플랜트(100) 효율은, HRSG(142)로부터의 증기가 H2 및 O2 분자로의 증기의 분쇄를 거쳐 O2 분자를 공급할 필요가 없기 때문에 증가된다. 보다 상세하게, 대체된 증기는 증기 터빈 엔진(130)에 사용하기 위해 입수가능하며, 이에 의해 증기 터빈 엔진(130)이 정력 동력 발생에서 또는 그 이하에서 작동하는 것을 촉진한다. 더욱이, 리액터(208)내로 증기를 주입하기 위한 필요성을 감소시킴으로써 기화 특성의 증기 열로 인한 리액터(208)내의 열 에너지의 관련된 손실을 실질적으로 감소시킨다. 따라서, 하부 스테이지(240)는 몇몇 공지된 가스화 리액터와 비교할 때 상대적으로 높은 효율로 작동된다.
상부 스테이지(242)에서 실행된 화학 반응은, 상부 스테이지(242)내의 반응물질이 석탄 반응하는 것을 촉진하는 충분한 잔류 시간을 갖고, 대략 816℃(1500℉) 내지 대략 982℃(1800℉)의 범위의 온도와 30바, 또는 3000킬로파스칼(kPa)(435제곱인치당 파운드(psi))을 초과하는 압력에서 실행된다. 더욱이, 추가의 건조, 사전가열된 석탄 및 CO2는 각각 도관(250, 246)을 거쳐 상부 스테이지(242)내로 도입된다. 하부 스테이지(240)로부터 발생되는 합성가스 및 다른 성분과 추가의 석탄 및 CO2는 함께 혼합되어 발열성 화학 반응을 형성하고, 또한 이것은 증기, 숯, 메탄(CH4) 및 다른 가스성 탄화수소(적어도 2개의 탄소 원자를 갖는 C2+, 또는 탄화수소 분자를 포함함)를 형성한다. C2+ 탄화수소 분자 및 CH4의 일부분은 증기 및 CO2와 반응하여, 고온의 숯이 많은 합성가스 스트림을 형성한다. 상부 스테이지(242)의 온도 범위는 CH4의 형성을 촉진시키고 C2+ 탄화수소 분자의 형성을 완화시키도록 사전결정된다.
상부 스테이지(242)내의, 즉 사전가열된 석탄과 합성가스 사이의 화학 반응의 적어도 하나의 생성물은 CH4, H2, CO, CO2 및 적어도 일부의 H2S를 함유하는 고온의 사워 합성가스에 부유동반된 저황 숯이다. 리액터(208)내에서 생성된 H2S의 부분은 도관(244, 246)을 거쳐 CO2 스트림과 함께 주입된 H2S와 적어도 부분적으로 혼합된다. 숯의 황 함유물은 상승된 온도 및 압력에서 H2 및 증기의 존재에서 합성가스와 분쇄된 숯을 반응시킴으로써 최소 레벨로 유지된다.
고온의 사워 합성가스 스트림에 부유동반된 저황 숯 및 액체 슬래그는 도관(256)을 통해 세퍼레이터(258)로 보내진 상부 스테이지(242)로부터 회수된다. 숯 및 슬래그의 상당한 부분은 세퍼레이터(258)에서 고온의 사워 합성가스 스트림으로부터 분리되고, 거기로부터 회수된다. 숯 및 슬래그는 각각 반응물질로서 사용을 위해 그리고 폐기를 위해 하부 스테이지(240)로 도관(260)을 통해 보내진다.
고온의 사워 합성가스는 도관(264)을 통해 세퍼레이터(258)로부터 급랭 유닛(262)으로 보내진다. 급랭 유닛(262)은 합성가스 스트림내의 모든 잔류하는 숯 및 슬래그의 제거를 촉진한다. 도관(263)을 거쳐 합성가스 스트림내로 물이 주입되며, 부유동반된 숯 및 슬래그는 슬래그 및 숯을 미세입자로 파괴를 촉진시키도록 급속하게 냉각되고 무르게 된다. 물은 기화되고, 기화의 물 잠열과 관련된 열 에너지는 고온의 사워 합성가스 스트림으로부터 제거되며, 합성가스 스트림 온도는 대략 90℃(1652℉)로 감소된다. 고온의 사워 합성가스 스트림내에 부유동반된 증기는 대략 0.8-0.9의 증기 대 건조 가스 비율로 다음의 가스 시프트 반응(후술함)에 이용된다. 부유동반된 증기, 숯 및 슬래그를 갖는 합성가스 스트림은 도관(268)을 거쳐서 미세입자 제거 유닛(266)으로 보내지고, 숯 및 슬래그 미세입자는 제거된다. 예시적인 실시예에서, 숯 및 슬래그 미세입자는 반응물질로서 사용하기 위해 그리고 각각 도관(270)을 거쳐 폐기를 위해 하부 스테이지(240)로 보내진다. 선택적으로, 숯 및 슬래그 미세입자는 폐기를 위한 수집 유닛(도시하지 않음)으로 보내진다.
고온의 사워 증기가 많은 합성가스 스트림은 도관(271)을 거쳐 유닛(266)으로부터 가스 시프트 리액터(212)로 보내진다. 리액터(212)는 발열성 화학 반응을 통해서 합성가스 스트림내의 CO 및 H2O(증기의 형태)로부터 CO2 및 H2의 형성을 촉진한다.
CO + H2 ⇔ CO2 + H2 (1)
더욱이, 열은 도관(216) 및 열 전달 장치(144)를 거쳐 고온의 합성가스 스트림으로부터 보일러 급수로 전달된다. 예시적인 실시예에 있어서, 도관(216) 및 열 전달 장치(144)는 쉘 및 튜브 열 교환기로서 리액터(212)내에 구성되어 있다. 선택적으로, 도관(216) 및 장치(144)는 설명하는 바와 같이 IGCC 플랜트(100)의 작동을 촉진하는 임의의 구성을 갖고 있다. 가열된 보일러 급수는 증기로 변환(이후에 보다 상세하게 설명함)을 위해 도관(146)을 거쳐 HRSG(142)로 보내진다. 따라서, 리액터(212)로 보내진 고온의 사워 합성가스 스트림은 대략 900℃(1652℉)로부터 대략 371℃(700℉) 이상의 온도까지 냉각되며, CO2의 증가된 농도로 그리고 대략 0.2-0.5보다 작은 증기 대 건조 가스 비율 그리고 적어도 대략 3.0의 H2 대 CO 비율로 냉각된 사워 합성가스 스트림으로 시프트된다. 따라서, 충분한 H2는 메탄화 반응의 화학량적인 요구조건에 부합하도록 본래의 가스화 프로세스 그리고 다음의 물 가스 시프트 프로세스로부터 입수가능하며, H2 분자 대 CO 분자는 3 대 1의 비율이다(이후에 보다 상세하게 설명함).
시프트되고 냉각된 사워 합성가스 스트림은 도관(220)을 거쳐 리액터(212)로부터 AGRU(218)로 보내진다. AGRU(218)는 리액터(212)로부터 보내진 합성가스 스트림으로부터 H2S 및 CO2의 제거를 주로 촉진한다. 리액터(208)내에서 생성되거나 리액터(218)로 주입된 합성가스 스트림과 혼합된 H2S는 AGRU(218)내의 선택적인 솔벤트와 접촉한다. 예시적인 실시예에서, AGRU(218)에서 사용된 솔벤트는 아민이다. 선택적으로, 솔벤트는 메타놀 및 Selexol(등록상표)를 포함하지만 이것으로 제한되지 않는다. 솔벤트는 솔벤트 도관(272)을 거쳐 AGRU(218)로 보내진다. 농축된 H2S 스트림은 다른 회수 프로세스와 관련된 회수 유닛(도시하지 않음)으로 도관(222)을 거쳐서 AGRU(218)의 바닥으로부터 회수된다. 또한, 탄산의 형태의 CO2는 또한 유사한 방식으로 제거 및 배치된다. 더욱이, 예시적인 실시예에서, 가스성 CO2는 AGRU(218)내에 수집되며, 도관(224, 244, 246)을 거쳐 CO2 스트림으로서 리액터(208)로 보내진다. CO2 스트림은 AGRU(218), 유체 유동율 및 선택된 솔벤트내의 온도 및 압력을 포함하지만 이것으로 제한되지 않는 요인에 따라 H2S-린 CO2 또는 H2S-풍부 CO2 스트림중 어느 하나이다. 선택적으로, CO2 스트림은 시스템(200)내의 다른 성분으로 또는 압축기(234) 및 도관(236)을 거쳐 제거 서브시스템을 위한 CO2 분리로 보내진다.
여기에서 설명한 바와 같이 CO2를 수집 및 재순환시키는 방법은 제거를 위한 CO2 분리의 효율적인 방법을 촉진한다. 더욱이, 이러한 방법은 리액터(208)내로의 증가된 O2 주입으로 인해서 가스화 리액터(208)의 처리량의 증가를 촉진한다.
스위튼 합성가스 스트림은 도관(228)을 거쳐 AGRU(218)로부터 메탄화 리액터(226)까지 보내진다. 스위튼 합성가스 스트림은 H2S 및 CO2가 실질적으로 없으며, CH4 및 H2의 비례하여 증가된 농도를 포함한다. 합성가스 스트림은 또한 적어도 3:1인 CO 대 CH4를 H2/CO 비율에 대해서 완벽하게 변환하는데 필요한 H2의 화학량적인 양을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 리액터(226)는 하기와 같은 발열성 화학 반응을 촉진하도록 본 기술 분야에 공지된 적어도 하나의 촉매를 이용한다.
CO + 3H2 ⇔ CH4 + H2O (2)
리액터(226)내의 H2는 잔류하는 CO 대 CH4의 적어도 대략 95%를 변환하며, 그 결과 SNG 스트림은 도관(230)을 거쳐 연소기(122)로 보내지며 체적으로 CH4 90% 이상 그리고 CO 0.1% 이하를 함유한다.
여기에 설명한 바와 같이 생성된 SNG는 희석제의 필요성을 감소시키면서 가스 터빈(110)내의 건조 저 NOx 연소기의 사용을 용이하게 한다. 더욱이, 이러한 SNG 생성은 효율적인 연소에 영향을 미치도록 약간의 변경으로 기존의 가스 터빈 모델을 이용하는 것을 촉진한다. 더욱이, 이러한 SNG는 보다 높은 H2 농도를 갖는 연료와 비교하여 안정적인 한계를 증가시킨다.
리액터(226)내의 발열성 화학 반응에서 발생된 열은 도관(232)을 거쳐 HRSG(142)로 전달되어, 도관(146)을 거쳐 HRSG(142)로 보내진 급수의 끓음을 촉진한다. 발생된 증기는 도관(150)을 거쳐 터빈(132)으로 보내진다. 이러한 열 발생은 IGCC 플랜트(100)의 전체적인 효율을 개선하는 이점을 갖고 있다. 더욱이, SNG의 증가된 온도는 연소기(122)내의 개선된 연소 효율을 촉진한다. 예시적인 실시예에서, 리액터(226) 및 도관(232)은 쉘 및 튜브 열 교환기로서 HRSG(142)내에 구성되어 있다. 선택적으로, 도관(232), 리액터(226) 및 HRSG(142)는 설명한 바와 같이 IGCC 플랜트(100)의 작동을 촉진하는 임의의 구성을 갖고 있다.
도 3은 IGCC 동력 발생 플랜트(100)에 사용될 수 있는 변형 가스화 시스템(300)의 개략도이다. 시스템(300)은 상술한 바와 같이 리액터(208) 내지 리액터(212)의 시스템(200)(도 2에 도시됨)과 실질적으로 유사하다.
시스템(300)은, 리액터(212)와 유동 연통하여 결합되고, 도관(220)을 거쳐 리액터(212)로부터 증가된 CO2 및 수소(H2)를 갖는 시프트된 사워 합성가스 스트림을 받아들이는 냉각된 메탄화 리액터(302)를 포함한다. 리액터(302)는 상술한 바와 같이 리액터(226)와 유사하다. 리액터(302)는 또한 시프트된 사워 합성가스 스트림의 적어도 일부분으로부터의 부분적으로 메탄화된 합성가스 스트림(도시하지 않음)을 발생하는 것을 촉진한다. 더욱이, 리액터(302)는 도관(304)을 거쳐 HRSG(142)와 열 전달 연통하여 결합된다. 이러한 열 전달 연통은 리액터(302)내에서 실행된 사워 합성가스 대 부분적으로 메탄화된 합성가스 변환 프로세스에 의해 발생된 열을 HRSG(142)로 전달하는 것을 촉진한다. 이러한 변형 실시예에서, 리액터(302) 및 도관(304)은 HRSG(142)내에 포함되며, 이것으로 제한하는 것은 아니지만 쉘 및 튜브형 열 교환기로서 구성된다. 선택적으로, 도관(304), 리액터(302) 및 HRSG(142)는 설명한 바와 같이 IGCC 플랜트(100)의 작동을 촉진하는 모든 구성을 갖고 있다. 예시적인 실시예에서, 리액터(302)는 또한 열 전달 장치(306)와 유동 연통하여 결합되며, 부분적으로 메탄화된 합성가스 스트림은 도관(308)을 거쳐 장치(306)로 보내진다. 선택적으로, 리액터(302) 및 열 전달 장치(306)는 기구(도시하지 않음)의 단일 편으로 통합된다.
장치(306)는 부분적으로 메탄화된 합성가스 스트림을 받아들이며, 이 스트림에 포함된 열의 적어도 일부분 보일러 급수로 전달한다. 장치(306)는 또한 물이 HRSG(142)로 보내지기 전에 보일러 급수를 부분적으로 가열한다. 이러한 변형 실시예에서, 열 전달 장치(144) 및 장치(306)중 적어도 어느 하나는 본 기술 분야에 공지된 보일러 절약장치와 동등하다. 따라서, 장치(144) 또는 장치(306)중 어느 하나는 본 기술 분야에 공지된 보일러 급수 히터와 동등하다. 장치(144, 306)중 어느 하나를 절약장치로 선택하는 것은 관련된 입구 유체의 열 함량을 포함하지만 이것으로 제한되지 않는 요인에 따라 좌우된다.
장치(306)는 도관(310)을 거쳐 트림 냉각기(309)와 유동 연통하여 결합된다. 냉각기(308)는 장치(306)로부터 보내진 부분적으로 메탄화된 합성가스 스트림을 냉각시키고 그리고 잔류하는 증발 잠열의 상당한 부분을 제거하도록 구성되어, 합성가스 스트림내의 증기가 응축된다. 냉각기(309)는 도관(314)을 거쳐 녹아웃 드럼(knockout drum)(312)과 유동 연통하여 결합된다. 녹아웃 드럼(312)은 또한 도관(312)을 거쳐 응축물 재순환 시스템(도시하지 않음)과 유동 연통하여 결합된다. 냉각기(309)는 도관(316)을 거쳐 AGRU(218)와 유동 연통하여 결합되고, 시스템(300)의 나머지 부분은 시스템(200)내의 관련된 등가물과 실질적으로 유사하다.
작동 동안에, 리액터(212)까지 그리고 리액터(212)를 포함하는 시스템(300)은 상술한 바와 같이 시프트된 사워 합성가스 스트림을 형성한다. 합성가스 스트림은 대략 0.2-0.5 미만의 증기 대 건조 가스 비율과 적어도 대략 3.0의 H2 대 CO를 갖는 CO2 및 H2의 증가된 농도를 포함한다. 따라서, 충분한 H2는 H2 분자 대 CO 분자의 3 대 1 비율인 메탄화 반응의 화학량적인 요구조건에 부합하도록 입수가능하다.
이러한 변형 실시예에서, 시프트된 사워 합성가스 스트림은 도관(220)을 거쳐 리액터(212)로부터 메탄화 리액터(302)로 보내진다. 리액터(302)는 리액터(226)내의 것과 유사한 방식으로 CO 대 CH4의 적어도 부분적인 변환을 촉진한다. 리액터(302)내의 H2는 CO 대 H2O 및 CH4의 대략 80% 내지 90%를 변환한다. 리액터(302)내의 발열성 화학 반응에서 발생된 열은 HRSG(142)로 보내진 급수를 증기화시키기 위한 끓음을 용이하게 하도록 도관(304)을 거쳐서 HRSG(142)로 전달된다. 이러한 열 발생은 IGCC 플랜트(100)의 전체적인 효율을 개선하는 이점을 갖고 있다. 선택적으로, 리액터(212, 302)는 기구(도시하지 않음)의 단일 편으로 통합되며, 물-가스 시프트 부분은 메탄화 부분의 상류이며, 도관(220)은 제거된다.
리액터(302)내에서 생성된 고온의 사워 시프트된 합성가스 스트림(도시하지 않음)은 도관(308)을 거쳐 열 전달 장치(306)로 보내진다. 합성가스 스트림내에 포함된 열은 IGCC 플랜트(100)의 전체적인 효율을 개선하도록 촉진하기 위해 장치(306)를 거쳐 보일러 급수로 전달된다. 냉각된 사워 시프트된 합성가스 스트림은 장치(306)로부터 트림 냉각기(309)로 전달된다. 트림 냉각기(309)는 합성가스 스트림으로부터의 잔류하는 기화의 잠열의 적어도 일부를 제거하는 것을 촉진하며, 그 결과 잔류하는 H2O의 상당한 부분은 녹아웃 드럼(312)을 거쳐 합성가스 스트림으로부터 응축되어 제거된다. 응축물(도시하지 않음)은 급랭 유닛(262) 및/또는 미세입자 제거 유닛(266)에서 재사용하기 위해 드럼(312)으로부터 응축물 재순환 시스템으로 보내진다.
실질적으로 건조, 냉각된, 사워, 및 부분적으로 메탄화된 합성가스 스트림(도시하지 않음)은 도관(316)을 거쳐 AGRU(218)로 보내진다. 이러한 변형 실시예에서, 이러한 합성가스 스트림을 AGRU(218)로 보내는 것은 상술한 바와 같이 아민 관련 프로세스 대신에 또는 추가해서 본 기술 분야에 공지된 바와 같은 냉동된 린 오일 산 가스 제거 프로세스를 이용하는 것을 촉진한다. 냉동된 린 오일 프로세스를 이용하는 것은 아민의 사용의 감소를 촉진하며, 이에 의해 플랜트(100)의 작동 비용의 감소를 촉진한다. 또한, 이러한 사용은 산 가스 제거용 아민을 이용하는 것과 통상적으로 관련된 고온 안정 염 생성의 제조시에 환원을 촉진한다. 이러한 고온 안정 염은 추가의 부식 산의 생성을 촉진하며, 합성가스 스트림내의 산의 효율적인 제거를 위해 아민의 효력을 감소시킨다.
선택적으로, 이러한 합성가스 스트림을 AGRU(218)로 보내는 것은 상술한 바와 같이 아민 관련 프로세스 대신에 또는 추가하여 본 기술 분야에 공지된 천연 가스 스위튼 박막 시스템의 이용을 촉진한다. 대형 분리를 위해 박막 시스템을 이용하는 것은 아민의 사용의 감소를 촉진하고, 이에 의해 플랜트(100)의 작동 비용의 감소를 촉진한다.
연소기(122)로 보내진 SNG 스트림은, 리액터(226)가 상술한 바와 같이 CH4 및 H2O를 생성하도록 부분적으로 메탄화 합성가스 스트림내의 잔류하는 CO 및 H2를 변환시키는 것을 제외하고는 상술한 바와 같이 실질적으로 생성된다.
또한, 선택적으로 AGRU(218)는 CO2 도관(224)을 거쳐 리액터(208)와 유동 연통으로 결합되며, H2S-린 CO2 스트림 또는 H2S-풍부 CO2 스트림중 어느 하나의 적어도 제 1 부분은 각각 도관(244, 246)을 거쳐 리액터(208)의 하부 스테이지(240) 및 상부 스테이지(242)로 보내지며, 이러한 스트림은 시스템(200)내에서 재순환된다. 또한, AGRU(218)는 도관(224)을 거쳐 압축기(234)와 유동 연통하여 결합되고, H2S-린 CO2 스트림 또는 H2S-풍부 CO2 스트림중 어느 하나의 적어도 제 2 부분은 도관(236)을 거쳐 제거 시스템(도시하지 않음)으로 보내진다. 제거 시스템은 개선된 오일 회수 또는 염수층 분야에서 주입하기 위한 파이프라인일 수 있지만 이것으로 제한되지 않는다.
여기에서 설명한 바와 같이 대체 천연 가스, 또는 SNG 제조를 위한 방법 및 장치는 통합 가스화 복합 사이클(integrated gasification combined cycle, IGCC) 동력 발생 플랜트 및 특히 SNG 제조 시스템의 작동을 촉진한다. 보다 상세하게, SNG 제조 시스템내에서 이산화탄소(CO2)를 수집 및 재순환시키는 것은 제거를 위한 CO2 분리의 방법을 촉진한다. 또한, 상세하게, 여기에 설명한 바와 같이 IGCC 및 SNG 제조 시스템을 구성하는 것은 개선된 IGCC 플랜트 서멀 효율을 촉진하도록 SNG 제조 프로세스내의 발열성 화학 반응으로부터의 열을 최적으로 생성 및 수집하는 것을 촉진한다. 더욱이, 여기에 설명된 바와 같이 이러한 SNG를 제조하기 위한 방법 및 기구는, 하드웨어 변경을 감소시키고 이러한 변경을 실행하는 것과 관련된 설비 및 노동력 비용을 감소시킴으로써 기존의 사용중의 가스 터빈의 개장을 촉진한다.
IGCC 플랜트와 관련된 SNG 제조의 예시적인 실시예를 상세하게 설명했다. 방법, 장치 및 시스템은 여기에 설명된 특정 실시예로 제한되지 않으며, 도시된 특정 IGCC 플랜트로 제한되지 않는다.
본 발명은 다양한 특정 실시예와 관련하여 설명하였으며, 본 기술 분야에 숙련된 자들은 본 발명이 특허청구범위의 정신 및 영역내의 변경으로 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
100 : 통합 가스화 복합 사이클(integrated gasification combined cycle, IGCC) 동력 발생 플랜트
112 : 압축기 114 : 터빈
118 : 제 1 전기 제너레이터 122 : 연소기
126 : 연소 가스 도관 130 : 증기 터빈 엔진
136 : 제 2 로터 140 : 증기 발생 시스템
144 : 열 전달 장치
142 : 열 회수 증기 발생기(heat recovery steam generator, HRSG)
150 : 증기 도관 160 : 로터
200 : 가스화 시스템 226 : 메탄화 리액터
258 : 세퍼레이터 262 : 급랭 유닛
266 : 미세입자 제거 유닛 274 : 서브시스템

Claims (20)

  1. 대체 천연 가스(substitute natural gas, SNG)를 제조하는 방법에 있어서,
    적어도 일부 이산화탄소(CO2) 및 황화수소(H2S)를 포함하는 합성가스 스트림을 제공하는 단계와,
    제공된 합성가스 스트림의 적어도 일부분으로부터 CO2의 적어도 일부분 및 H2S의 적어도 일부분을 분리하는 단계와,
    분리된 CO2의 적어도 일부분 및 H2S의 적어도 일부분을 상기 합성가스 스트림의 적어도 일부분으로부터 제거 시스템(sequestration system) 및 가스화 리액터중 적어도 하나로 보내는 단계를 포함하는
    대체 천연 가스 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    적어도 일부 CO2를 포함하는 합성가스 스트림을 제공하는 상기 단계가,
    적어도 하나의 가스화 리액터로 합성가스 스트림을 생성하는 단계와,
    상기 합성가스 스트림의 적어도 일부분을 적어도 하나의 가스 시프트 리액터로 보내는 단계와,
    상기 적어도 하나의 가스 시프트 리액터내에 적어도 일부 일산화탄소(CO2)를 포함하는 시프트된 합성가스 스트림을 생성하는 단계를 포함하는
    대체 천연 가스 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    시프트된 합성가스 스트림을 생성하는 상기 단계가 적어도 하나의 열 전달 장치를 거쳐 적어도 하나의 가스 시프트 리액터의 적어도 일부분으로부터의 열을 전달하는 단계를 포함하는
    대체 천연 가스 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    합성가스 스트림의 적어도 일부분으로부터 CO2의 적어도 일부분 및 H2S의 적어도 일부분을 분리하는 상기 단계가,
    적어도 일부 CO2 및 적어도 일부 H2S를 포함하는 시프트된 합성가스 스트림을 적어도 하나의 산 가스 제거 유닛(acid gas removal unit, AGRU)으로 보내는 단계와,
    적어도 하나의 AGRU내의 시프트된 합성가스 스트림의 적어도 일부분으로부터 CO2 및 H2S의 적어도 일부분을 분리하는 단계를 포함하는
    대체 천연 가스 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    시프트된 합성가스 스트림의 적어도 일부분으로부터 CO2 및 H2S의 적어도 일부분을 분리하는 상기 단계가, ① 사전결정된 한계 이하의 H2S를 포함하는 CO2 스트림을 형성하여 H2S 린 CO2 스트림을 형성하는 단계와, ② 사전결정된 한계 이상의 H2S를 포함하는 CO2 스트림을 형성하여 H2S 풍부 CO2 스트림을 형성하는 단계와, ③ H2S 산 가스 스트림을 형성하는 단계중 적어도 하나를 포함하는
    대체 천연 가스 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    사전결정된 한계 이하의 H2S를 포함하는 CO2 스트림을 형성하는 상기 단계가 적어도 하나의 H2S 린 CO2 스트림의 적어도 일부분을 가스화 리액터내로 주입하는 단계를 포함하는
    대체 천연 가스 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    사전결정된 한계 이상의 H2S를 포함하는 CO2 스트림을 형성하는 상기 단계가 적어도 하나의 H2S 풍부 CO2 스트림의 적어도 일부분을 가스화 리액터 및 제거 시스템중 적어도 하나내로 주입하는 단계를 포함하는
    대체 천연 가스 제조 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    사전결정된 한계 이하의 H2S를 포함하는 CO2 스트림을 형성하는 상기 단계가 적어도 하나의 H2S 린 CO2 스트림의 적어도 일부분을 가스화 리액터 및 제거 시스템중 적어도 하나내로 주입하는 단계를 포함하는
    대체 천연 가스 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    증기 발생 시스템의 적어도 일부분을, ① 적어도 하나의 가스 시프트 리액터의 적어도 일부분과, ② 적어도 하나의 메탄화 리액터의 적어도 일부분중 적어도 하나와 열 전달 연통으로 결합시키는 단계를 더 포함하는
    대체 천연 가스 제조 방법.
  10. 가스화 시스템에 있어서,
    적어도 일부 황화수소(H2S)를 포함하는 가스 스트림을 발생하도록 구성된 적어도 하나의 가스화 리액터와,
    상기 가스화 리액터와 유동 연통하여 결합된 제거 서브시스템용 CO2 분리부를 포함하며,
    상기 서브시스템이,
    상기 가스 스트림내에서 CO2를 발생하도록 구성된 적어도 하나의 가스 시프트 리액터와,
    상기 가스 스트림으로부터 CO2 및 H2S의 적어도 일부분을 제거하도록 구성된 적어도 하나의 가스 제거 유닛(AGRU)과,
    상기 적어도 하나의 AGRU로부터 CO2 및 H2S를 보내는 것을 촉진하기 위한 적어도 하나의 압축기를 포함하는
    가스화 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 AGRU가, ① 사전결정된 한계 이하의 H2S를 포함하여 H2S 린 CO2 스트림을 형성하는 CO2 스트림과, ② 사전결정된 한계 이상의 H2S를 포함하여 H2S 풍부 CO2 스트림을 형성하는 CO2 스트림과, ③ H2S 산 가스 스트림중 적어도 하나를 생성하도록 구성된
    가스화 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 가스화 리액터가 H2S 린 CO2 스트림과, H2S 풍부 CO2 스트림중 적어도 하나를 받아들이도록 구성된
    가스화 시스템.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가스 시프트 리액터는 상기 가스화 리액터 및 상기 AGRU와 유동 연통하여 결합되며, 상기 적어도 하나의 가스 시프트 리액터는 적어도 하나의 발열성 화학 반응으로부터 발산된 열의 적어도 일부분을 포획하도록 구성되며,
    상기 적어도 하나의 가스 시프트 리액터는, ① 적어도 하나의 외부 열 전달 장치와 열 전달 연통하여 결합되거나, ② 적어도 하나의 통합 열 전달 장치와 단일 밀폐체로 통합되어 있는
    가스화 시스템.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 AGRU와 유동 연통하여 결합된 적어도 하나의 메탄화 리액터를 더 포함하며, 상기 적어도 하나의 메탄화 리액터는 적어도 하나의 발열성 화학 반응으로부터 발산된 열의 적어도 일부분을 포획하도록 구성되며,
    상기 적어도 하나의 가스 시프트 리액터는, ① 적어도 하나의 외부 열 전달 장치와 열 전달 연통하여 결합되거나, ② 적어도 하나의 통합 열 전달 장치와 단일 밀폐체로 통합되어 있는
    가스화 시스템.
  15. 적어도 하나의 가스화 시스템과 유동 연통하여 결합된 적어도 하나의 가스 터빈 엔진을 포함하는 통합 가스화 복합 사이클(integrated gasification combined cycle, IGCC) 동력 발생 플랜트에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가스화 시스템이,
    적어도 일부 황화수소(H2S)를 포함하는 가스 스트림을 발생하도록 구성된 적어도 하나의 가스화 리액터와,
    상기 가스화 리액터와 유동 연통하여 결합된 제거 서브시스템용 CO2 분리부를 포함하며,
    상기 서브시스템이,
    상기 가스 스트림내에서 CO2를 발생하도록 구성된 적어도 하나의 가스 시프트 리액터와,
    상기 가스 스트림으로부터 CO2 및 H2S의 적어도 일부분을 제거하도록 구성된 적어도 하나의 가스 제거 유닛(AGRU)과,
    상기 적어도 하나의 AGRU로부터 CO2 및 H2S의 적어도 일부분을 보내는 것을 촉진하기 위한 적어도 하나의 압축기를 포함하는
    통합 가스화 복합 사이클 동력 발생 플랜트.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 AGRU가, ① 사전결정된 한계 이하의 H2S를 포함하여 H2S 린 CO2 스트림을 형성하는 CO2 스트림과, ② 사전결정된 한계 이상의 H2S를 포함하여 H2S 풍부 CO2 스트림을 형성하는 CO2 스트림과, ③ H2S 산 가스 스트림중 적어도 하나를 생성하도록 구성된
    통합 가스화 복합 사이클 동력 발생 플랜트.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 가스화 리액터가 H2S 린 CO2 스트림과, H2S 풍부 CO2 스트림중 적어도 하나의 적어도 일부분을 받아들이도록 구성된
    통합 가스화 복합 사이클 동력 발생 플랜트.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 AGRU와 유동 연통하여 결합된 적어도 하나의 메탄화 리액터를 더 포함하며, 상기 적어도 하나의 메탄화 리액터는 적어도 하나의 발열성 화학 반응으로부터 발산된 열의 적어도 일부분을 포획하도록 구성되며,
    상기 적어도 하나의 메탄화 리액터는, ① 적어도 하나의 외부 열 전달 장치와 열 전달 연통하여 결합되거나, ② 적어도 하나의 통합 열 전달 장치와 단일 밀폐체로 통합되어 있는
    통합 가스화 복합 사이클 동력 발생 플랜트.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 메탄화 리액터는 상기 가스 시프트 리액터와 유동 연통하여 결합되며, 상기 적어도 하나의 메탄화 리액터는 적어도 하나의 발열성 화학 반응으로부터 발산된 열의 적어도 일부분을 포획하도록 구성되며,
    상기 적어도 하나의 메탄화 리액터는, ① 적어도 하나의 외부 열 전달 장치와 열 전달 연통하여 결합되거나, ② 적어도 하나의 통합 열 전달 장치와 단일 밀폐체로 통합되어 있는
    통합 가스화 복합 사이클 동력 발생 플랜트.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가스 시프트 리액터는 통합 장치내에 가스 시프트 리액터 부분으로서 구성되며, 상기 통합 장치는 상기 가스 시프트 리액터 부분의 하류에 메탄화 리액터 부분을 포함하며, 상기 메탄화 리액터 부분은 적어도 하나의 발열성 화학 반응으로부터 발산된 열의 적어도 일부분을 포획하도록 구성되며,
    상기 적어도 하나의 메탄화 리액터 부분은, ① 적어도 하나의 외부 열 전달 장치와 열 전달 연통하여 결합되거나, ② 적어도 하나의 통합 열 전달 장치와 단일 밀폐체로 통합되어 있는
    통합 가스화 복합 사이클 동력 발생 플랜트.
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