KR20100116540A - 대체 천연 가스 발생을 위한 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다단계 반응기를 포함한 시스템에 관한 것이다. 다단계 반응기는 산 가스의 우선 제거 없이 메탄을 발생시키도록 구성된 사워 메탄화 반응기 및 수성 가스 전환(WGS) 반응기를 포함할 수 있다. 또한, 다단계 반응기는 WGS 반응기 및 메탄화 반응기 둘 다를 갖는 단일 유닛일 수 있다.
Description
본 발명은 대체 천연 가스의 발생에 관한 것이다.
일반적으로, 석탄 가스화 복합 발전(integrated gasification combined cycle, IGCC) 발전소는 다양한 탄화수소 공급원료, 예컨대 석탄으로부터 비교적 깨끗하고 효율적으로 에너지를 발생시킬 수 있다. IGCC 기법은 가스화기에서 산소와 스팀의 반응에 의해 탄화수소 공급원료를 일산화탄소(CO)와 수소(H2)의 가스 혼합물, 즉 합성가스로 전환시킬 수 있다. 이들 가스는 세정되고, 가공되어 통상적인 복합 화력 발전소에서 연료로서 이용될 수 있다. 예를 들면, 합성가스는 전기 발생에 사용하기 위해 IGCC 발전소의 가스 터빈의 연소기로 공급되고 발화되어 가스 터빈에 전력을 제공할 수 있다.
그러나, 합성가스는 전기 발생의 용도뿐만 아니라 생성된 대체 천연 가스(SNG)의 일반적 판매를 위해 신규한 또는 존재하는 (갱신) 천연 가스 복합 화력(NGCC) 발전소의 가스 터빈의 연소기로 공급되고 발화되어 가스 터빈에 전력을 제공할 수 있는 SNG로 더욱 전환될 수 있다. 합성가스로부터 SNG의 발생은 독립적으로 구축하고/하거나 유지하는데 비용이 많이 들 수 있는 다수의 단계 및 전환 유닛을 갖는 복잡한 사업일 수 있다.
본 발명의 범위에 해당하는 특정 실시양태를 하기에 요약하였다. 이들 실시양태는 본 발명의 범위를 제한하고자 함이 아니라, 오히려 이들 실시양태는 본 발명의 가능한 형태의 간단한 개요를 제공할 뿐이다. 실제로, 본 발명은 하기 기재된 실시양태와 유사하거나 상이할 수 있는 여러 가지 형태를 포괄할 수 있다.
제 1 실시양태에서, 시스템은 수성 가스 전환(WGS) 반응기, 메탄화 반응기, WGS 반응기와 메탄화 반응기 둘 다를 지나는 가스 흐름 통로, 및 WGS 반응기와 메탄화 반응기 둘 다를 갖는 단일 유닛을 포함하는 다단계 반응기를 포함한, 대체 천연 가스(SNG) 생산 시스템을 포함한다.
제 2 실시양태에서, 시스템은 수성 가스 전환(WGS) 반응기, WGS 반응기에서 WGS 반응 후 합성가스로부터 황화수소를 제거하도록 구성된 산 가스 제거(AGR) 시스템, AGR 시스템에 의한 산 가스의 제거 후 합성가스로부터 메탄을 발생시키도록 구성된 스위트(sweet) 메탄화 반응기, 및 WGS 반응기, AGR 시스템 및 메탄화 반응기를 갖는 단일 유닛을 포함하는 다단계 반응기를 포함한다.
제 3 실시양태에서, 시스템은 수성 가스 전환(WGS) 반응기, 산 가스의 우선 제거 없이 메탄을 발생시키도록 구성된 사워(sour) 메탄화 반응기, 및 WGS 반응기와 메탄화 반응기 둘 다를 갖는 단일 유닛을 포함하는 다단계 반응기를 포함한다.
본 발명의 상기 특징 및 다른 특징, 양태 및 장점을 도면 전체를 통해 같은 특징을 같은 부호로 표시하고 있는 첨부된 도면을 참고로 하여 하기 상세한 설명과 함께 읽을 때 더욱 잘 이해될 것이다.
도 1은 대체 천연 가스(SNG) 생산 시스템의 실시양태의 계략적 블록 선도이다.
도 2는 대체 천연 가스(SNG) 생산 시스템의 다른 실시양태의 계략적 블록 선도이다.
도 3은 도 2의 라인(3-3) 이내에 나타낸 도 2의 WGS-메탄화 반응기의 계략적 블록 선도이다.
도 4는 대체 천연 가스(SNG) 생산 시스템의 또 다른 실시양태의 계략적 블록 선도이다.
도 5는 도 4의 라인(5-5) 이내에 나타낸 도 4의 WGS-메탄화 반응기의 계략적 블록 선도이다.
도 6은 대체 천연 가스(SNG) 생산 시스템의 또 다른 실시양태의 계략적 블록 선도이다.
도 7은 도 6의 라인(7-7) 이내에 나타낸 도 6의 WGS-메탄화 반응기의 계략적 블록 선도이다.
도 1은 대체 천연 가스(SNG) 생산 시스템의 실시양태의 계략적 블록 선도이다.
도 2는 대체 천연 가스(SNG) 생산 시스템의 다른 실시양태의 계략적 블록 선도이다.
도 3은 도 2의 라인(3-3) 이내에 나타낸 도 2의 WGS-메탄화 반응기의 계략적 블록 선도이다.
도 4는 대체 천연 가스(SNG) 생산 시스템의 또 다른 실시양태의 계략적 블록 선도이다.
도 5는 도 4의 라인(5-5) 이내에 나타낸 도 4의 WGS-메탄화 반응기의 계략적 블록 선도이다.
도 6은 대체 천연 가스(SNG) 생산 시스템의 또 다른 실시양태의 계략적 블록 선도이다.
도 7은 도 6의 라인(7-7) 이내에 나타낸 도 6의 WGS-메탄화 반응기의 계략적 블록 선도이다.
본 발명의 하나 이상의 특정한 실시양태가 하기에 기재되어 있다. 이들 실시양태의 간결한 설명을 제공하기 위해, 실제 실행의 모든 특징이 명세서에 기재되지 않을 수 있다. 임의의 엔지니어링 또는 디자인 프로젝트에서와 같이 임의의 실제 실행의 개발시에, 한 실행으로부터 또 다른 실행까지 다양할 수 있는 시스템-관련 및 사업-관련 제약과의 순응과 같은 개발자의 특이적 목표를 달성하도록 다양한 실행-특이적 결정이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 게다가, 그러한 개발 노력은 복잡하며, 시간 소모적이지만 본원의 이점을 갖는 숙련자에게 일상적인 디자인, 제작 및 제조 사업이 되는 것으로 이해해야 한다.
본 발명의 다양한 실시양태의 요소를 소개하는 경우, 단수 용어는 하나 이상의 요소가 존재함을 의미한다. 용어 "포함하는" 및 "갖는"은 포괄적이며, 열거된 요소 이외의 다른 추가의 요소가 존재할 수 있음을 의미한다.
본 발명은 합성가스로부터 대체 천연 가스(SNG)를 발생시키는 생산 시스템 및 방법에 관한 것이다. SNG는 석탄 또는 바이오매스(biomass)와 같은 연료 공급원으로부터 생산될 수 있는 주로 메탄을 함유하는 가스일 수 있다. SNG의 발생을 위한 생산 시스템은 수성 가스 전환(WGS) 반응기 및 메탄화 반응기 둘 다를 단일 유닛으로 혼입시키는 혼합식 WGS-메탄화 반응기를 포함할 수 있다. 즉, WGS 반응기 및 메탄화 반응기는 별도의 유닛으로 사용하는 것보다 오히려 완전히 함께 통합될 수 있다. WGS-메탄화 반응기는 스위트 WGS 또는 사워 WGS 구성 중 하나(즉, 일산화탄소가 물(예컨대, 스팀)과 반응하여 이산화탄소 및 수소를 형성하는 WGS 반응 전에 황이 합성가스로부터 제거된 경우, 또는 WGS 반응 동안 황이 합성가스에 존재하는 경우)로 작동될 수 있다. 유사하게, 메탄화 반응기는 스위트 또는 사워 구성 중 하나(즉, 황이 SNG 풍부 가스로 전환되기 전 합성가스로부터 제거된 경우, 또는 황이 SNG 풍부 가스로 전환될 때 합성가스에 존재하는 경우)로 작동될 수 있다. 이러한 방식으로, WGS-메탄화 반응기는 미정제 합성가스(황 함유 합성가스) 또는 깨끗한 합성가스(황이 없는 합성가스)를 사용하여 작동될 수 있다. 또한, 산 가스 제거 시스템이 사워 WGS 반응기 및 스위트 메탄화 반응기를 혼입하는 WGS-메탄화 반응기와 함께 사용될 수 있다.
도 1은 대체 천연 가스(SNG) 생산 시스템(100)에 대하여 예시하고 있다. IGCC 시스템(100)의 요소는 SNG의 생산을 위한 에너지의 공급원으로서 이용될 수 있는 고체 공급물과 같은 연료 공급원(102)을 포함할 수 있다. 연료 공급원(102)은 석탄, 석유 코크스, 바이오매스, 목재 재료, 농업 폐기물, 타르, 코크스로 가스 및 아스팔트, 또는 기타 탄소 함유 항목을 포함할 수 있다.
연료 공급원(102)의 고체 연료는 공급원료, 가스화 및 스크러빙 시스템(104)을 통과할 수 있다. 공급원료, 가스화 및 스크러빙 시스템(104)은 몇몇 하위시스템을 포함할 수 있다. 예를 들면, 공급원료, 가스화 및 스크러빙 시스템(104)은 연료 공급원(102)을 절단, 밀링, 조각화, 분쇄, 연탄화 또는 펠렛화하여 공급원료를 발생시킴으로써 예를 들면 연료 공급원(102)의 크기를 조절하거나 연료 공급원(102)의 새로운 형태를 취할 수 있는 공급원료 제조 하위시스템을 포함할 수 있다. 또한, 물 또는 다른 적합한 액체가 공급원료 제조 하위시스템에서 연료 공급원(102)에 첨가되어 슬러리 공급원료를 생성시킬 수 있다. 다른 실시양태에서, 어떠한 액체도 공급원료 제조 하위시스템에서 연료 공급원에 첨가되지 않으므로, 건조 공급원료가 수득될 수 있다.
공급원료는 공급원료 제조 하위시스템으로부터 공급원료, 가스화 및 스크러빙 시스템(104)의 가스화 하위시스템을 통과할 수 있다. 가스화 하위시스템은 공급원료를 일산화탄소와 수소의 조합물, 예컨대 합성가스로 전환시킬 수 있다. 이러한 전환은 가스화 하위스시템에 사용되는 가스화기의 유형에 따라 공급원료를 승압, 예컨대 대략 20 내지 85바 및 온도, 예컨대 대략 700 내지 1600℃에서 제어된 양의 스팀 및 산소에 가함으로써 달성될 수 있다. 가스화 과정은 또한 열분해 과정을 겪는 공급원료를 포함할 수 있으며, 이에 의해 공급원료가 가열된다. 가스화 하위시스템의 가스화기 내부의 온도는 공급원료를 발생시키는데 사용되는 연료 공급원(102)에 따라 열분해 과정 동안 대략 150 내지 700℃의 범위일 수 있다. 열분해 과정 동안 공급원료의 가열은, 고체, 예컨대 차르(char) 및 잔여 가스, 예컨대 일산화탄소, 수소 및 질소를 발생시킬 수 있다. 열분해 과정으로부터 공급원료로부터 남아있는 차르는 단지 원래의 공급원료의 대략 30중량% 이하로 칭량될 수 있다.
그 후, 가스화 하위시스템에서 연소 과정이 일어날 수 있다. 이러한 연소 과정의 도움으로, 공기 분리 유닛(ASU)(106)으로부터 산소가 가스화 하위시스템에 공급될 수 있다. ASU(106)는, 예를 들면 극저온이거나 압력 변환 흡착(PSA)을 이용할 수 있는 증류 기법에 의해 공기를 성분 가스로 분리하도록 작동할 수 있다. ASU(106)는 공급된 공기로부터 산소를 분리하고 분리된 산소를 가스화 하위시스템으로 전달할 수 있다. 또한, ASU(106)는, 예를 들면 수집 또는 전력 발생에서의 추가의 용도를 위해 질소를 분리할 수 있다.
따라서, 산소는 연소 목적을 위해 ASU(106)로부터 가스화 하위시스템에 의해 수용된다. 연소는 산소를 차르 및 잔여 가스에 도입하여 차르 및 잔여 가스가 산소와 반응하여 이산화탄소 및 일산화탄소를 형성하고, 이에 따라 후속 가스화 반응을 위한 열을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 연소 과정 중 온도는 대략 700 내지 1600℃에 이를 수 있다. 다음으로, 스팀이 가스화 단계 중에 가스화 하위시스템으로 도입될 수 있다. 차르는 대략 800 내지 1100℃에 이르는 온도에서 이산화탄소 및 스팀과 반응하여 일산화탄소 및 수소를 생성시킬 수 있다. 본질적으로, 가스화기는 스팀 및 산소를 이용하여 공급원료의 일부가 연소되어 이산화탄소 및 에너지를 생성시키므로, 이에 따라 추가로 공급원료를 수소 및 부가적으로 일산화탄소로 전환시키는 주 반응을 유도한다.
이러한 방식으로, 생성된 가스는 가스화기 가스화 하위시스템에 의해 제조된다. 이러한 생성된 가스는 대략 85%의 일산화탄소 및 수소뿐만 아니라 CH4, HCl, HF, NH3, HCN, COS 및 H2S(공급 원료의 황 함량을 기준으로 함)를 포함할 수 있다. 이 생성된 가스를 미정제 합성가스로 지칭할 수 있다. 가스화 하위시스템은 또한 폐기물, 예컨대 슬래그(slag)(108)를 발생시킬 수 있으며, 이는 습윤 애쉬(ash) 물질일 수 있다.
이 슬래그(108)는 공급원료, 가스화 및 스크러빙 시스템(104)의 스크러빙 하위시스템에 의해 가스화 하위시스템으로부터 제거될 수 있다. 슬래그(108)는, 예를 들면 노반재로서 또는 다른 건축 재료로서 폐기될 수 있다. 또한, 스크러빙 하위시스템은 미정제 합성가스, 예컨대 습윤 애쉬로부터 임의의 미립자 물질을 제거함으로써 미정제 합성가스를 세정할 수 있다.
그 후, 미정제 합성가스는 WGS 반응기(110)를 통과할 수 있다. WGS 반응기(110)는 일산화탄소가 물(예컨대, 스팀)과 반응하여 이산화탄소 및 수소를 형성하는 WGS 반응을 수행할 수 있다. 이 과정은 메탄화 과정을 위해 미정제 합성가스 중 수소 대 일산화탄소의 비율을 대략 1:1 내지 대략 3:1로 조정할 수 있다. 또한, WGS 반응기(110)는 미정제 전환된 합성가스의 수소 대 일산화탄소 비율의 적절한 조절에 도움이 되도록 이용될 수 있는 우회로(112)를 포함할 수 있다. WGS 반응기(110)가 사워 WGS 반응기일 수 있음을, 즉 황이 WGS 반응 동안 WGS 반응기(110)로 공급된 미정제 합성가스에 존재할 수 있음을 유념해야 한다.
WGS 반응기(110)에서의 WGS 반응에 이어서, 시스템(100)은 미정제 전환된 합성가스를 가스 세정 유닛(114)으로 전달할 수 있다. 가스 세정 유닛(114)은 미정제 전환된 합성가스(예컨대, WGS 반응기(110)의 합성가스 생성물이며 황을 함유함)를 스크러빙하여 원치 않은 성분들, 예컨대 HCl, HF, COS, HCN 및 H2S를 미정제 합성가스로부터 제거하여 깨끗한 합성가스(예컨대, 황이 없는 합성가스)를 발생시킬 수 있다. 또한, 가스 세정 유닛은 미정제 합성가스의 원치않은 성분들(예컨대, HCl, HF, COS, HCN 및 H2S)을 황 회수 및 테일(tail) 가스 처리 유닛(116)으로 전달할 수 있으며, 이는 황 회수 및 테일 가스 처리 유닛(116)에서 산 가스 제거 과정에 의한 황(118)의 분리를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 황(118)은 폐기 또는 판매를 위해 단리될 수 있다.
이 시점에서, 깨끗한 합성가스는 대략 3% CO, 대략 55% H2 및 대략 40% CO2를 포함할 수 있으며, 실질적으로 H2S가 스트립된다. 이러한 방식으로, 메탄화 및 가스 냉각 유닛(122)은 미정제 합성가스(황 함유 합성가스) 또는 깨끗한 합성가스(황이 없는 합성가스)를 이용하여 작동될 수 있다. 가스 세정 유닛(114)은 깨끗한 합성가스로부터 CO2를 스트립할 수 있는 CO2 제거 하위시스템을 추가로 포함할 수 있다. 스트립된 CO2는 가스 세정 유닛(114)으로부터 저장 및 후속 용도를 위해 CO2를 탈수하고 압축시킬 수 있는 CO2 탈수 및 압축 유닛(120)으로 전달될 수 있다, 예를 들면 이 CO2는 탄소 격리 부위, 예컨대 강화된 오일 회수(EOR) 부위 또는 염수층으로 유도하는 파이프라인을 통해 이송될 수 있다. 다르게는, CO2 탈수 및 압축 유닛(120)은 탈수 및 압축된 CO2를, 예를 들면 그 안에서 사용하기 위해 화학 공정으로 전달할 수 있다.
가스 세정 유닛(114)은 합성가스를 메탄화 및 가스 냉각 유닛(122)으로 전달 할 수 있다. 메탄화 및 가스 냉각 유닛(122)은 합성가스에서 CO 및 H2를 CH4 및 H2O 즉, 발열 반응으로서 메탄(예컨대, SNG) 및 물로 전환시킬 수 있다. 따라서, 메탄화 및 가스 냉각 유닛(122)은 냉각제(예컨대, 물)를 이용하여 생성된 SNG 및 물을 냉각시키는 하나 이상의 열 교환기를 포함할 수 있다. 이는 스팀을 발생시킬 수 있으며, 메탄화 및 가스 냉각 유닛(122)은 전력(126) 발생을 위해 스팀 터빈(124)으로 전달한다. 전력(126)은, 예를 들면 다양한 제조 공장에 의해 사용될 수 있거나, 후속 용도를 위해 전력 그리드(grid)로 전달될 수 있다. 메탄화 및 가스 냉각 유닛(122)이 합성가스가 SNG 및 물로 전환되기 전에 깨끗한 합성가스(예컨대, 황이 합성가스로부터 제거되어 있음)를 이용하는 스위트 메탄화 반응기를 포함할 수 있음을 유념해야 한다.
메탄화 및 가스 냉각 유닛(122)은 발생된 SNG 및 물을 SNG 탈수 및 압축 유닛(128)으로 전달할 수 있다. 이 SNG 탈수 및 압축 유닛(128)은 SNG로부터 물을 분리할 수 있으며, 따라서 SNG는 압축되어 SNG 탈수 및 압축 유닛(128)으로부터, 예를 들면 SNG 파이프라인으로 전달될 수 있다. SNG 파이프라인은 SNG를, 예를 들면 저장 설비 또는 부가적 SNG 처리 설비로 전달하는데 사용될 수 있다.
도 2는 SNG 생산 시스템(130)의 다른 실시양태는 예시하고 있다. SNG 생산 시스템(130)은 연료 공급원(102), 공급원료, 가스화 및 스크러빙 시스템(104), ASU(106), 가스 세정 유닛(114), 황 회수 및 테일 가스 처리 유닛(116), CO2 탈수 및 압축 유닛(120), 스팀 터빈(124) 및 SNG 탈수 및 압축 유닛(128)을 포함할 수 있다. 이들 요소 각각은 상기 도 1에 대해 기재된 바와 실질적으로 유사한 방식으로 작동될 수 있다. 추가로, SNG 생산 시스템(132)은 WGS-메탄화 반응기(132)를 포함할 수 있다. WGS-메탄화 반응기(132)는 WGS 반응기(134)와 메탄화 반응기(136)를 단일 유닛으로 조합할 수 있다. 즉, WGS 반응기(134) 및 메탄화 반응기(136)는 별도의 유닛으로 사용되기보다 오히려 반응기(132)로서 함께 완전히 통합될 수 있다. WGS 반응기(134)는 일산화탄소가 물(예컨대, 스팀)과 반응하여 이산화탄소 및 수소를 형성하는 WGS 반응을 수행할 수 있으며, 이는 적절한 메탄화를 일으키기 위해 미정제 합성가스 중 수소 대 일산화탄소의 비율을 대략 1:1 내지 대략 3:1로 조절하여 수행될 수 있다. 메탄화 반응기(136)는 합성가스 중 CO 및 H2를 CH4 및 H2O로, 즉 메탄(예컨대, SNG) 및 물로 전환시킬 수 있는 메탄화 과정을 수행할 수 있고, 메탄화 반응기(132)는 사워 메탄화 반응기일 수 있으며, 즉 메탄화 반응기(132)는 산 가스(예컨대, H2S)의 우선 제거 없이 메탄을 발생시킬 수 있다. 이러한 조합된 WGS-메탄화 반응기(132)는 SNG 생산 시스템(130)의 전체 비용 및 복잡성을 감소시킬 수 있다. 추가로, 단일 반응기(132)에는 WGS 반응기(134)와 메탄화 반응기(136) 사이의 가스 흐름 경로에서 산 가스 제거 시스템(예컨대, 가스 세정 유닛(114) 및 황 회수 및 테일 가스 처리 유닛(116))이 제외되었음을 유념해야 한다. 대신에, 산 가스 제거 시스템은 다단계 반응기(132)의 가스 흐름 경로의 하류이다.
도 3은 도 2의 라인(3-3) 내에 도시된 수성 가스 메탄화 반응기(132)의 실시양태를 예시하고 있다. 합성가스는 화살표(142)로 표시한 바와 같이 일반적으로 하향 방향으로 도관(140)을 거쳐 관형 WGS 반응기(138)로 흐를 수 있다. 도관(140)을 통해 흐르면서, 스팀은, 예컨대 관형 전환 반응기(138)에 이용되는 촉매의 유형을 기준으로 선택적으로 합성가스에 첨가될 수 있다. 이러한 촉매는, 예컨대 황화된 Co-Mo를 기반으로 하거나, 임의의 다른 공지된 사워 WGS 촉매를 기반으로 할 수 있다. 또한, 합성가스의 일부는 제 2 도관(144)을 거쳐 관형 전환 반응기(138)를 선택적으로 우회하여, 예컨대 도관(146)으로 주입될 수 있다. 이러한 일부 합성가스의 우회는 관형 전환 반응기(138)를 빠져나가는 전환된 합성가스의 수소 대 일산화탄소 비율의 적절한 조절에 도움이 될 수 있다. 합성가스가 화살표(142)에 의해 표시된 바와 같이 관형 전환 반응기(138)를 통해 흐름에 따라, 관(148)의 외부와 접촉될 수 있다. 이러한 관(148)은 WGS 반응기(134)의 관형 전환 반응기(138)에서 수행될 WGS 반응을 가속화시킬 수 있는 WGS 촉매가 충전되고/되거나 상기 WGS 촉매로 세척-코팅될 수 있다. 세척-코팅은 기질, 즉 여기서 관형 전환 반응기(138)의 관 표면을 용해된 촉매 성분을 함유하는 용액 또는 슬러리 또는 현탁액에 함침시키는 촉매 제조 기법이다. 적절한 가열 및 건조 처리 후에, 기질은 기질 표면 상의 페인트와 유사하게 촉매 성분으로 코팅된다.
WGS 반응은 발열 반응이며, 따라서 열이 관(148)으로부터 방사될 수 있으며, 관형 전환 반응기(138)를 통과함에 따라 합성가스와 접촉하여 가열시킬 수 있다. 이러한 방식의 합성가스의 가열은 WGS 반응의 가속화에 이용되는 WGS 촉매가 냉각된 합성가스보다 더 빠르게 가열된 합성가스와 반응될 수 있기 때문에 WGS 반응기(134)의 전체 효능에 도움이 될 수 있다.
가열된 합성가스는 일반적으로 화살표(154)로 예시된 방향으로 도관(150)을 거쳐 분배 판(152)으로 전달될 수 있다. 분배 판(152)은, 예를 들면 관형 전환 반응기(138) 전체를 통해 균등하게 합성가스를 분산하도록 작동될 수 있는 열 교환기일 수 있다. 따라서, 균등하게 분산된 합성가스는 일반적으로 화살표(154)의 방향으로 분배 판(152)으로부터 관형 전환 반응기(138)의 관(148)의 내부로 또는 상기 관을 통해 흐를 수 있다. 관(148)의 내벽은 WGS 촉매로 세척-코팅될 수 있고/있거나 WGS 촉매는 관(148)에 충전될 수 있다. 합성가스가 관(148)을 통과함에 따라, WGS 촉매는 합성가스 중 일산화탄소와 합성가스 중 물의 반응을 가속화시켜 이산화탄소 및 수소를 형성시킬 수 있다. 이러한 과정은 미정제 합성가스에서 수소 대 일산화탄소의 비율을 대략 1:1 내지 대략 3:1로 조절하여 수행될 수 있다.
전환된 합성가스는 일반적으로 화살표(154)의 방향으로 관형 전환 반응기(138)를 빠져나올 수 있으며, 도관(146)으로 들어갈 수 있다. 도관(146)에서, 우회된 합성가스는 전환된 합성가스와 혼합될 수 있으며, 혼합물은 도관(156)으로 들어갈 수 있다. 도관(156)은 혼합된 합성가스를 냉각제, 예를 들면 물로 냉각시킬 수 있는 열 교환기일 수 있다. 합성가스의 냉각은 물을 비등시켜, 예를 들면 저압 스팀의 생성을 야기시킬 수 있다. 이러한 스팀은, 예를 들면 스팀 터빈(124)으로 전달될 수 있다. 도관(156)은, 예를 들면 분배기일 수 있고, 이는 합성가스 혼합물을 메탄화 반응기(136) 내의 관형 메탄화 반응기(160)의 관(158)의 내부로 또는 상기 관을 통해 분배한다.
관형 메탄화 반응기(160)의 관(158)의 벽의 내부 부분은 또한 세척-코팅될 수 있고/있거나, 관(158)은 사워 메탄화 촉매가 충전될 수 있으며, 이는 공지된 사워 WGS 촉매에 존재하는 성분을 함유하고/하거나 또한 메탄화 촉매 성분, 예컨대 NiO 외에도 수소화탈황(HDS) 촉매에 존재하는 성분, 및 Co, Mg 및 Ni를 포함한 조성물, 또는 임의의 다른 공지된 메탄화 촉매를 함유할 수 있다. 메탄화 촉매는 합성가스에서 CO 및 H2의 CH4 및 H2O로의 반응, 즉 SNG 풍부 가스로서 메탄(예컨대, SNG) 및 물로의 반응을 가속화시킬 수 있다. 메탄화는 매우 발열성이며, 공급된 일산화탄소의 1몰을 기준으로 WGS 반응기(134)에서 생산되는 열의 대략 5배 만큼 많은 열을 생성한다. 따라서, 물(및/또는 저온 스팀)이 일반적으로 화살표(164)로 표시된 방향으로 도관(162)을 통과하여, 메탄화 반응 동안 과열되지 않고 손상되지 않도록 반응 열을 제거하고 관(158)(예컨대, 관(158)의 외부 주위)을 냉각시킬 수 있다. 관형 메탄화 반응기(160)를 통해 전달된 물(및/또는 스팀)은 증발될 수 있으며, 예를 들면 도관(166)을 거쳐 스팀 터빈(124)으로 전달하기 위해 고압 스팀을 생성한다. 다르게는, 스팀은 WGS 반응을 구동하는데 사용될 수 있다.
메탄화 반응이 발생한 후, SNG 풍부 가스가 관형 메탄화 반응기(160)를 빠져 나와 재순환기(168)로 들어갈 수 있다. 재순환기(168)는 도관(170)을 통해 몇몇 부분, 예를 들면 대략 5부피%, 10부피%, 15부피%, 20부피%, 25부피%, 30부피%, 35부피%, 40부피%, 45부피%, 50부피%, 55부피%, 60부피%, 65부피%, 70부피%, 75부피%, 80부피%, 85부피% 또는 90부피%, 또는 대략 5 내지 90부피%의 SNG 풍부 가스를 재순환 압축기(172)를 거쳐 도관(156)으로 통과시킬 수 있다. 이러한 SNG 풍부 가스의 전달은 관형 메탄화 반응기(160)를 통해 SNG 풍부 가스를 재순환시키도록 작동하여 메탄화 과정 동안 발생된 열을 조절할 수 있다. 이러한 방식으로, 대략 650 내지 700℃이도록 메탄화 반응기(160)의 온도를 조절할 수 있다. 예를 들면, 10부피%의 SNG 풍부 가스가 도관(156)에 의해 관형 메탄화 반응기(160)의 관(158)으로 주입되는 경우, 10%의 SNG 풍부 가스 부분에 존재하는 메탄화 생성물 성분(즉, CH4 및 H2O)은 반응되지 않고, 따라서 메탄화 반응 매질에 대한 희석 인자가 되며, 이에 의해 메탄화 과정은 메탄화 촉매, 메탄화 반응기(160) 및 그의 관(158)이 과열되는 것이 방지된다. 또한, 재순환 압축기(172)는 도관(170) 내의 SNG 풍부 가스의 압력을 도관(156) 내의 합성가스의 압력과 거의 같은 수준으로 증가시키는데 도움이 될 수 있는데, 이는 메탄화 촉매가 관(158)을 통해 흐르는 가스의 압력 강하를 도입시킬 수 있기 때문이다.
마지막으로, WGS-메탄화 반응기(132)는 응축물(176)로서 SNG 풍부 가스로부터 물을 제거할 수 있는 응축기(174)를 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 응축기(174)는 SNG 풍부 가스를 냉각시킬 수 있는 열 교환기일 수 있다. SNG 풍부 가스는 일반적으로 화살표(154)로 표시된 방향으로 응축기(174)를 통해 흐를 수 있고, WGS-메탄화 반응기(132)를 빠져나와 도 2의 가스 세정 유닛(114)으로 이송될 수 있다. 이와 같이, WGS-메탄화 반응기(132)가 사워 WGS 및 사워 메탄화를 이용할 수 있음을 유념해야 한다. 즉, 황(118)은 WGS-메탄화 반응기(132)에서 SNG 풍부 가스로 전환되는 합성가스에 존재한다. 따라서, 이러한 황(118)은 가스 세정 유닛(114)을 거쳐 SNG로부터 분리되고, 황 회수 및 테일 가스 처리 유닛(116)을 거쳐 제거될 수 있다. 이는 사워 WGS 및 사워 메탄화 과정이 미정제 합성가스로 수행될 수 있기 때문에, SNG로의 전환 전에 합성가스의 덜 엄격한 정제를 허용할 수 있다.
도 4는 SNG 생산 시스템(178)의 또 다른 실시양태를 예시하고 있다. SNG 생산 시스템(178)은 연료 공급원(102), 공급원료, 가스화 및 스크러빙 시스템(104), ASU(106), 황 회수 및 테일 가스 처리 유닛(116), CO2 탈수 및 압축 유닛(120), 스팀 터빈(124) 및 SNG 탈수 및 압축 유닛(128)을 포함할 수 있다. 이들 요소 각각은 상기 도 1에 대해 기재된 바와 실질적으로 유사한 방식으로 작동될 수 있다. 추가로, SNG 생산 시스템(178)은 산 가스 제거 유닛(180), WGS-메탄화 반응기(182), CO2 제거 유닛(184) 및 물 넉아웃(knockout) 유닛(186)을 포함할 수 있다. 예시된 바와 같이, 산 가스 제거 시스템(예컨대, 가스 세정 유닛(114) 및 황 회수 및 테일 가스 처리 유닛(116))은 다단계 반응기(182)의 가스 흐름 경로의 상류이지만, 이산화탄소 제거 유닛(184)은 WGS 반응기(188)과 메탄화 반응기(190) 사이의 가스 흐름 경로로부터 제외되고, 대신에 다단계 반응기(182)의 가스 흐름 경로의 하류에 위치한다.
산 가스 제거 유닛(180)은 산 가스(예컨대, 합성가스 중 황화수소[H2S])를 합성가스로부터 분리하기 위해 열 스윙(thermal swing) 공정을 이용할 수 있다. 열 스윙 공정은, 예를 들면 흡착 단계를 포함할 수 있으며, 이에 의해 H2S의 흡착이 수행된 후 공기 또는 산소 풍부 공기를 사용하는 열 재생 단계가 수행된다. 이러한 열 스윙 공정(또한, 따뜻한 가스 정화로서 공지됨)은 흡착 단계에서 합성가스를 유동화된 매질, 예컨대 산화아연(ZnO)과 혼합하여 황화아연(ZnS)을 발생시킬 수 있다. 재생 단계에서, 황화아연은 열의 조건하에 산소(O2)와 혼합되어 이산화황(SO2)을 발생시킬 수 있으며, 이는 황(118)의 제거 및 폐기 또는 판매를 위해 황 회수 및 테일 가스 처리 유닛(116)으로 전달될 수 있다.
WGS-메탄화 반응기(182)는 WGS 반응기(188)와 메탄화 반응기(190)를 단일 유닛으로 조합할 수 있다. 또한, WGS 반응기(188) 및 메탄화 반응기(190)는 별도의 유닛으로 사용되기보다 오히려 반응기(182)로서 함께 완전히 통합될 수 있다. 수성 가스 전환 반응기(188)는 일산화탄소가 물(예컨대, 스팀)과 반응하여 이산화탄소 및 수소를 형성하는 WGS 반응을 수행할 수 있으며, 이는 적절한 메탄화를 위해 미정제 합성가스 중 수소 대 일산화탄소의 비율을 대략 1:1 내지 대략 3:1로 조절하여 수행될 수 있다. 메탄화 반응기(190)는 합성가스 중 CO 및 H2를 CH4 및 H2O로, 즉 메탄(예컨대, SNG) 및 물로 전환시킬 수 있는 메탄화 과정을 수행할 수 있다. 이러한 조합된 WGS-메탄화 반응기(182)는 SNG 생산 시스템(178)의 전체 비용 및 복잡성을 감소시킬 수 있다.
WGS-메탄화 반응기(182)의 산물은 CO2 제거 유닛(184)으로 전달되는 SNG 풍부 가스이다. CO2 제거 유닛(184)은 열 스윙 공정을 이용하여 SNG 풍부 가스 중 SNG로부터 이산화탄소(CO2)를 분리한다. 예를 들면, 흡착제, 예컨대 산화칼슘(CaO)이 SNG 풍부 가스의 CO2와 혼합되어 탄산칼슘(CaCO3)을 발생시킬 수 있으며, 이는 CO2 제거 유닛(184)의 재생 부분으로 전달될 수 있지만, SNG는 SNG 탈수 및 압축 유닛(128)으로 전달된다. CO2 제거 유닛(184)의 재생 부분에서, 탄산칼슘은 캐리어로서 열 및 승압 스트림에 노출되어 탄산칼슘이 이산화탄소 및 산화칼슘으로 다시 분해되게 할 수 있다. 이는 또한 CO2 스트림이 다소 높은 압력에서 떨어질 수 있기 때문에 유리하며, 보다 낮은 부하 요건에 따라 CO2 압축 유닛(120)과 긍정적으로 충돌할 수 있다. 산화칼슘은 상기 기재한 바와 같이 흡착제로서 재사용될 수 있지만, 이산화탄소는 물 넉아웃 유닛(186)으로 전달될 수 있으며, 이는 이산화탄소 스트림으로부터 물을 제거하고 이산화탄소 스트림을 CO2 탈수 및 압축 유닛(120)으로 통과시키는 열교환기 또는 응축기일 수 있다. 이러한 CO2는 다른 화학 설비로 유도하는 파이프라인을 통해 이송될 수 있거나 또는 탄소 격리 부위, 예컨대 강화된 오일 회수(EOR) 부위 또는 염수층으로 이송될 수 있다.
도 5는 도 4의 라인(5-5) 내에 도시된 WGS-메탄화 반응기(182)의 실시양태를 예시하고 있다. 합성가스는 일반적으로 화살표(200)로 예시된 방향으로 도관(192)을 거쳐 분배 판(194)으로 흐를 수 있다. 분배 판(194)은, 예를 들면 WGS 반응기(188)의 관형 전환 반응기(198) 전체를 통해 균등하게 합성가스를 분산하도록 작동될 수 있는 열 교환기일 수 있다. 따라서, 분배 판(194)으로부터 흐르는 균등하게 분산된 합성가스는 일반적으로 화살표(200)의 방향으로 관형 WGS 반응기(198)의 관(196)의 내부 및 상기 관을 통해 통과할 수 있다.
합성가스가 관(196)을 통과함에 따라, 합성가스는 관(196)의 벽의 내부 부분에 세척-코팅된 WGS 촉매와 반응할 수 있다. 이 WGS 촉매는 합성가스 중 일산화탄소와 합성가스 중 물(예컨대, 스팀)의 반응을 가속화시켜 이산화탄소 및 수소를 형성시킬 수 있다. 이러한 과정은 적절한 메탄화를 위해 미정제 합성가스에서 수소 대 일산화탄소의 비율을 대략 1:1 내지 대략 3:1로 조절하여 수행될 수 있다. 또한, 합성가스의 일부는 제 2 도관(204)을 거쳐 관형 전환 반응기(198)를 선택적으로 우회하여, 예컨대 도관(206)으로 주입될 수 있다. 이러한 일부 비전환된 합성가스의 우회는 관형 WGS 반응기(198)를 빠져나가는 전환된 합성가스의 수소 대 일산화탄소 비율의 적절한 조절에 도움이 될 수 있다.
합성가스가 관형 WGS 반응기(198)를 통해 흐름에 따라, WGS 촉매와 합성가스의 반응을 포함한 WGS 과정은 열을 발생시킬 수 있다. 즉, WGS 반응은 발열 반응이며, 따라서 열이 관(196)으로부터 방사될 수 있다. 관(196)의 과열을 방지하기 위해, 냉각 유체, 예컨대 물이 화살표(208)로 예시된 일반적인 방향으로 도관(207)을 거쳐 관(196)의 외부 주변의 관형 WGS 반응기(198)로 전달될 수 있다. 냉각 유체는 증발될 수 있으며, 예를 들면 저압 스팀을 형성시킬 수 있고, 이는 도관(209)을 거쳐 관형 WGS 반응기(198) 밖으로 전달될 수 있다. 이러한 스팀은 예를 들면 스팀 터빈(124)으로 전달될 수 있다.
전환된 합성가스는 일반적으로 화살표(200)의 방향으로 관형 WGS 반응기(198)를 빠져나올 수 있으며, 도관(206)으로 들어갈 수 있다. 도관(206)에서, 우회된 합성가스는 전환된 합성가스와 혼합될 수 있으며, 혼합물은 도관(210)으로 들어갈 수 있다. 도관(210)은 혼합된 합성가스를 냉각제, 예를 들면 물로 냉각시킬 수 있는 열 교환기일 수 있다. 합성가스의 냉각은 물을 증발시켜, 예를 들면 저압 스팀의 생성을 야기시킬 수 있다. 이러한 스팀은, 예를 들면 스팀 터빈(124)으로 전달될 수 있다. 도관(210)은, 또한 예를 들면 분배기일 수 있고, 이는 합성가스 혼합물을 메탄화 반응기(190) 내의 관형 메탄화 반응기(212)의 관(211)의 내부 및 상기 관을 통해 분배한다.
관형 메탄화 반응기(212)의 관(211)의 벽의 내부 부분은 메탄화 촉매가 충전되고/되거나 메탄화 촉매로 세척-코팅될 수 있다. 이러한 메탄화 촉매는 합성가스에서 CO 및 H2의 CH4 및 H2O로의 반응, 즉 SNG 풍부 가스로서 메탄(예컨대, SNG) 및 물로의 반응을 가속화시킬 수 있다. 이 반응은 매우 발열성이며, 공급된 일산화탄소의 1몰을 기준으로 WGS 반응기(188)에서 생산되는 열의 대략 5배 만큼 많은 열을 생성한다. 따라서, 물이 일반적으로 화살표(215)로 표시된 방향으로 도관(214)을 통과하여, 메탄화 반응 동안 과열되지 않고 손상되지 않도록 관(211)(예컨대, 관(211)의 외부 주위에 흐르는 냉각제)을 냉각시킬 수 있다. 관형 메탄화 반응기(212)를 통해 전달된 물은 비등될 수 있으며, 예를 들면 도관(216)을 거쳐 스팀 터빈(124)으로 전달하기 위해 고압 스팀을 생성한다.
메탄화 반응이 발생한 후, SNG 풍부 가스가 관형 메탄화 반응기(212)를 빠져 나와 재순환기(218)로 들어갈 수 있다. 재순환기(218)는 도관(220)을 통해 몇몇 부분, 예를 들면 대략 5부피%, 10부피%, 15부피%, 20부피%, 25부피%, 30부피%, 35부피%, 40부피%, 45부피%, 50부피%, 55부피%, 60부피%, 65부피%, 70부피%, 75부피%, 80부피%, 85부피% 또는 90부피%, 또는 대략 5 내지 90부피%의 SNG 풍부 가스를 재순환 압축기(222)를 거쳐 도관(210)으로 통과시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 대략 650 내지 700℃ 이하이도록 메탄화 반응기(160)의 온도를 조절할 수 있다. 이러한 SNG 풍부 가스의 전달은 관형 메탄화 반응기(212)를 통해 SNG 풍부 가스를 재순환시키도록 작동하여 메탄화 공정 동안 발생된 열을 조절할 수 있다. 예를 들면, 10부피%의 SNG 풍부 가스가 도관(210)에 의해 관형 메탄화 반응기(212)의 관(211)으로 주입되는 경우, 10%의 SNG 풍부 가스 부분에 존재하는 메탄화 생성물 성분(즉, CH4 및 H2O)은 반응되지 않고, 따라서 메탄화 반응 매질에 대한 희석 인자가 되며, 이에 의해 메탄화 과정은 메탄화 촉매, 메탄화 반응기(212) 및 그의 관(211)이 과열되는 것이 방지된다. 또한, 재순환 압축기(222)는 도관(220) 내의 SNG 풍부 가스의 압력을 도관(210) 내의 합성가스의 압력과 거의 같은 수준으로 증가시키는데 도움이 될 수 있는데, 이는 메탄화 촉매가 관(211)을 통해 흐르는 가스의 압력 강하를 도입시킬 수 있기 때문이다.
SNG 풍부 가스는 일반적으로 화살표(200)로 표시된 방향으로 재순환기(218)를 통해 흐를 수 있고, WGS-메탄화 반응기(182)를 빠져나와 도 4의 CO2 제거 유닛(184)으로 이송될 수 있다. 이와 같이, WGS-메탄화 반응기(182)가 스위트 WGS 및 스위트 메탄화를 이용할 수 있음을 유념해야 한다. 즉, 황(118)은 WGS-메탄화 반응기(182)에서 SNG 풍부 가스로 전환되기 전에 합성가스로부터 제거된다. 이는 WGS 및 메탄화 과정이 깨끗한 합성가스로 수행될 수 있기 때문에 합성가스의 SNG로의 전환에 대해 비교적 덜 복잡한 관형 WGS 반응기(198) 및 관형 메탄화 반응기(212)를 허용할 수 있다. 스위트 WGS 반응기(198)에서 촉매는 Cu-Zn, Fe-Cr 또는 임의의 다른 공지된 WGS 촉매를 이용할 수 있지만, 스위트 메탄화 반응기(212)에서 촉매는 NiO, 및 Co, Mg 및 Ni를 포함한 조성물, 또는 임의의 다른 공지된 메탄화 촉매를 이용할 수 있다.
도 6은 SNG 생산 시스템(224)의 또 다른 실시양태를 예시하고 있다. SNG 생산 시스템(224)은 연료 공급원(102), 공급원료, 가스화 및 스크러빙 시스템(104), ASU(106), 황 회수 및 테일 가스 처리 유닛(116), CO2 탈수 및 압축 유닛(120), 스팀 터빈(124), SNG 탈수 및 압축 유닛(128), CO2 제거 유닛(184) 및 두 개의 물 넉아웃 유닛(186)을 포함할 수 있다. 이들 요소 각각은 상기 도 1 및 도 4에 대해 기재된 바와 실질적으로 유사한 방식으로 작동될 수 있다.
추가로, SNG 생산 시스템(224)은 WGS 반응기(228), 황화수소(H2S) 막 분리기(230) 및 메탄화 반응기(232)를 단일 유닛으로 포함할 수 있는 WGS-메탄화 반응기(226)를 포함할 수 있다. 즉, WGS 반응기(228), 막 분리기(230) 및 메탄화 반응기(232)는 별도의 유닛으로 사용되기보다 오히려 반응기(226)로서 함께 완전히 통합될 수 있다. WGS 반응기(228)는 일산화탄소가 물(예컨대, 스팀)과 반응하여 이산화탄소 및 수소를 형성하는 WGS 반응을 수행할 수 있으며, 이는 미정제 합성가스 중 수소 대 일산화탄소의 비율을 대략 1:1 내지 대략 2:1, 3:1 또는 4:1로 조절하여 수행될 수 있다. H2S 막 분리기(230)는 반응기(228)에 의한 WGS 반응 후에 산 가스 제거 시스템(예컨대, 황 회수 및 테일 가스 처리 유닛(116))과 함께 하기 도 7에 대하여 기재된 바와 같이 메탄화 전에 합성가스로부터 임의의 H2S를 분리하도록 작동될 수 있다.
메탄화 반응기(232)는 합성가스 중 CO 및 H2를 CH4 및 H2O로, 즉 메탄(예컨대, SNG) 및 물로 전환시킬 수 있는 메탄화 과정을 수행할 수 있다. 메탄화 반응기(232)는 H2S 막 분리기(230) 및 황 회수 및 테일 가스 처리 유닛(116)에 의한 산 가스의 제거 후 메탄을 발생시키도록 구성되기 때문에 스위트 메탄화 반응기일 수 있다. 이러한 조합된 WGS-메탄화 반응기(226)는 SNG 생산 시스템(224)의 전체 비용 및 복잡성을 감소시킬 수 있다. 추가로, WGS 반응기(228)과 메탄화 반응기(232) 사이에 H2S 막 분리기(230)를 사용한다. WGS-메탄화 반응기(226)의 작동은 하기 도 7에 대해 기재된 바와 같이 사워 WGS 스위트 메탄화 과정(예컨대, WGS 과정 동안 합성가스에 존재하는 황 및 메탄화 과정 동안 합성가스에 존재하지 않는 황)을 이용하여 작동될 수 있다.
도 7은 도 6의 라인(7-7) 내에 도시된 WGS-메탄화 반응기(226)의 실시양태를 예시하고 있다. 합성가스는 화살표(238)로 표시한 바와 같이 일반적으로 하향 방향으로 도관(236)을 거쳐 관형 전환 반응기(234)로 흐를 수 있다. 도관(236)을 통해 흐르면서, 스팀은, 예컨대 관형 WGS 반응기(234)에 이용되는 WGS 촉매의 유형을 기준으로 선택적으로 합성가스에 첨가될 수 있다. 또한, 전환된 합성가스의 일부는 제 2 도관(240)을 거쳐 관형 WGS 반응기(234)를 선택적으로 우회하여, 예컨대 도관(242)으로 주입될 수 있다. 이러한 일부 비전환된 합성가스의 우회는 관형 WGS 반응기(234)를 빠져나가는 전환된 합성가스의 수소 대 일산화탄소 비율의 적절한 조절에 도움이 될 수 있다.
합성가스가 화살표(238)로 표시된 바와 같이 관형 WGS 반응기(234)를 통해 흐름에 따라, 관(244)의 외부와 접촉할 수 있다. 이들 관(244)은 WGS 반응기(228)의 관형 전환 반응기(234)에서 수행되는 WGS 반응을 가속시킬 수 있는 WGS 촉매로 세척-코팅될 수 있다. WGS 반응은 발열 반응이며, 따라서 열이 관(244)으로부터 방사될 수 있으며, 관형 WGS 반응기(234)를 통과함에 따라 합성가스와 접촉하여 가열시킬 수 있다. 이러한 방식의 합성가스의 가열은 WGS 반응의 가속화에 이용되는 WGS 촉매가 냉각된 합성가스보다 더 빠르게 가열된 합성가스와 반응될 수 있기 때문에 WGS 반응기(228)의 전체 효능에 도움이 될 수 있다.
가열된 합성가스는 일반적으로 화살표(250)로 예시된 방향으로 도관(246)을 거쳐 분배 판(248)으로 전달될 수 있다. 분배 판(248)은, 예를 들면 관형 WGS 반응기(234) 전체를 통해 균등하게 합성가스를 분산하도록 작동될 수 있는 열 교환기일 수 있다. 따라서, 균등하게 분산된 합성가스는 일반적으로 화살표(250)의 방향으로 분배 판(248)으로부터 관형 전환 반응기(234)의 관(244)의 내부 및 상기 관을 통해 흐를 수 있다. 합성가스가 관(244)을 통과함에 따라, 이는 관(244)에 충전되고/되거나 관(244)의 벽의 내부 부분에 세척-코팅된 WGS 촉매와 반응할 수 있다. 이러한 WGS 촉매는 합성가스 중 일산화탄소와 합성가스 중 물(예컨대, 스팀)의 반응을 가속화시켜 이산화탄소 및 수소를 형성시킬 수 있다. 이러한 과정은 미정제 합성가스에서 수소 대 일산화탄소의 비율을 대략 1:1 내지 대략 2:1, 3:1 또는 4:1로 조절하여 수행될 수 있다.
전환된 합성가스는 일반적으로 화살표(250)의 방향으로 관형 WGS 반응기(234)를 빠져나올 수 있으며, 도관(242)으로 들어갈 수 있다. 도관(242)에서, 우회된 합성가스는 전환된 합성가스와 혼합될 수 있으며, 혼합물은 열 교환기(252)로 들어갈 수 있다. 열 교환기(252)는 혼합된 합성가스를 냉각제, 예를 들면 물로 냉각시킬 수 있다. 합성가스의 냉각은 도관(254)을 거쳐 전달된 물을 증발시켜, 스팀을 생성시킬 수 있다. 이 스팀은, 예를 들면 도관(256)을 거쳐 스팀 터빈(124)으로 전달될 수 있다. 도관(252)은 혼합된 합성가스를 분배기(258)로 통과시키며, 이는 또한 합성가스를 냉각시켜 응축물(260)을 생성시킬뿐만 아니라 합성가스 혼합물을 H2S 막 분리기(230)의 관(262)으로 분배하도록 작동될 수 있다.
H2S 막 분리기(230)는 도관(264)을 통해 스팀, 예컨대 저압 스팀을 수용할 수 있으며, 이는 도관(266)을 거쳐 H2S 막 분리기(230)를 통과하여 빠져나올 수 있다. 도관(266)을 거쳐 H2S 막 분리기(230)를 빠져나오는 흐름은 스팀 및 H2S 둘 다를 포함할 수 있다. 이는 H2S 막 분리기(230)의 관(262)과 H2S 막 분리기(230)의 관(262) 주변의 영역(268) 사이의 압력 차를 통해 달성된다. 예를 들면, 관(262) 내부의 압력은 관(262) 주변의 영역(268) 내의 압력보다 더 낮을 수 있다(예컨대, H2S 막 분리기(230)의 관(262)과 H2S 막 분리기(230)의 관(262) 주변의 영역(262) 사이에 적어도, 5, 10, 15, 20 또는 25%의 압력 차). 또한, 관(262)은 H2S가 관(262)을 통해 통과되지만 합성가스가 관(262)을 통한 흐름으로부터 차단되는 막 유형 물질로 형성될 수 있다. 따라서, 관(262)과 관(262) 주변의 영역(268) 사이의 압력 차로 인해 H2S가 관(262)의 내부로부터 관(262) 주변의 외부 영역(268)으로 흘러 H2S가 H2S 막 분리기(230)의 관(262) 주변의 스팀과 혼합될 수 있다. 이러한 방식으로, 스팀은 H2S에 대한 캐리어로서 작용하며, 따라서 도관(266)을 거쳐 H2S 막 분리기(230) 밖으로 H2S를 수송한다. 도 6에 예시한 바와 같이, 스팀은 물 넉아웃 유닛(186)에서 H2S로부터 제거되어, H2S가 황 회수 및 테일 가스 처리 유닛(116)에서 처리될 수 있다. 이러한 방식으로, H2S 막 분리기(230)는 미가공 합성가스로부터 깨끗한 합성가스를 발생시키도록 작동된다.
깨끗한 합성가스는 일반적으로 화살표(250)에 의해 예시된 방향으로 열 교환기(270)에 전달된다. 이 열 교환기(270)는 메탄화 과정 전에 깨끗한 합성가스로부터 열을 제거할 수 있다. 열 교환기(270)는 깨끗한 합성가스를 분배기(272)로 전달할 수 있으며, 이는 깨끗한 합성가스를 메탄화 반응기(232)에서 관형 메탄화 반응기(276)의 관(274)으로 분배할 수 있다.
관형 메탄화 반응기(276)의 관(274)의 벽의 내부 부분은 메탄화 촉매로 세척-코팅될 수 있다. 이러한 메탄화 촉매는 합성가스에서 CO 및 H2의 CH4 및 H2O로의 반응, 즉 SNG 풍부 가스로서 메탄(예컨대, SNG) 및 물로의 반응을 가속화시킬 수 있다. 이 반응은 매우 발열성이며, 공급된 일산화탄소의 1몰을 기준으로 WGS 반응기(228)에서 생산되는 열의 대략 5배 만큼 많은 열을 생성한다. 따라서, 물이 일반적으로 화살표(280)로 표시된 방향으로 도관(278)을 통과하여, 메탄화 반응 동안 손상되지 않도록 관(274)(예컨대, 관(274)의 주위에 흐르는 냉각제)을 냉각시킬 수 있다. 관형 메탄화 반응기(276)를 통해 전달된 물은 증발될 수 있으며, 도관(282)을 거쳐 스팀 터빈(124)으로 전달하기 위해 스팀을 생성한다.
메탄화 반응이 발생한 후, SNG 풍부 가스가 관형 메탄화 반응기(276)를 빠져 나와 재순환기(284)로 들어갈 수 있다. 재순환기(284)는 도관(286)을 통해 몇몇 부분, 예를 들면 대략 5부피%, 10부피%, 15부피%, 20부피%, 25부피%, 30부피%, 35부피%, 40부피%, 45부피%, 50부피%, 55부피%, 60부피%, 65부피%, 70부피%, 75부피%, 80부피%, 85부피% 또는 90부피%, 또는 대략 5 내지 90부피%의 SNG 풍부 가스를 재순환 압축기(290)를 거쳐 도관(288)으로 통과시킬 수 있다. 이러한 SNG 풍부 가스의 전달은 관형 메탄화 반응기(276)를 통해 SNG 풍부 가스를 재순환시키도록 작동하여 메탄화 공정 동안 발생된 열을 조절할 수 있다. 이러한 방식으로, 대략 650 내지 700℃이도록 메탄화 반응기(160)의 온도를 조절할 수 있다. 예를 들면, 10부피%의 SNG 풍부 가스가 도관(272)에 의해 관형 메탄화 반응기(276)의 관(274)으로 주입되는 경우, 10%의 SNG 풍부 가스 부분에 존재하는 메탄화 생성물 성분(즉, CH4 및 H2O)은 반응되지 않고, 따라서 메탄화 반응 매질에 대한 희석 인자가 되며, 이에 의해 메탄화 과정은 메탄화 촉매, 메탄화 반응기(276) 및 그의 관(274)이 과열되는 것이 방지된다. 또한, 재순환 압축기(290)는 도관(288) 내의 SNG 풍부 가스의 압력을 도관(272) 내의 합성가스의 압력과 거의 같은 수준으로 증가시키는데 도움이 될 수 있는데, 이는 메탄화 촉매가 관(274)을 통해 흐르는 가스의 압력 강하를 도입시킬 수 있기 때문이다.
나머지 SNG 풍부 가스는 화살표(280)로 예시된 일반적인 방향으로 도관(292)을 거쳐 열 교환기(270)를 통해 전달되어 SNG 풍부 가스를 냉각시킬 수 있다. SNG 풍부 가스는 도관(294)을 거쳐 열 교환기(270)를 빠져나와, 예컨대 도 6의 CO2 제거 유닛(184)으로 전달될 수 있다. 이와 같이, WGS-메탄화-막 반응기(226)가 사워 WGS 및 스위트 메탄화를 이용할 수 있음을 유념해야 한다. 즉, 황(118)은 SNG 풍부 가스로 전달되기 전이지만 WGS가 수행된 후에 합성가스로부터 제거된다. 이는 상기 과정이 미정제 합성가스로 수행될 수 있기 때문에, WGS 전에 합성가스의 덜 복잡한 정제를 허용하면서, 메탄화 과정이 깨끗한 합성가스로 수행될 수 있기 때문에 합성가스의 SNG로의 전환에 대해서 비교적 덜 복잡한 관형 메탄화 반응기(276)의 사용을 허용한다.
상기 기재된 설명은 최적의 방식을 비롯하여 본 발명을 개시하고, 또한 임의의 장치 또는 시스템을 제조하고 사용하며 임의의 혼입된 방법을 수행하는 것을 포함하여 당해 분야의 숙련자가 본 발명을 실시하도록 하는 예들을 사용한다. 본 발명의 특허가능한 범위는 청구범위에 의해 한정되고, 당해 분야의 숙련자에 의해 발생되는 다른 예들을 포함할 수 있다. 그러한 다른 예는 이들이 청구범위의 문자적 해석과 상이하지 않은 구조적 요소를 갖거나 청구범위의 문자적 해석과 미량의 차이를 갖는 등가의 구조적 요소를 포함하는 경우 청구범위에 속하는 것으로 의도된다.
Claims (10)
- 수성 가스 전환(WGS) 반응기,
메탄화 반응기,
WGS 반응기 및 메탄화 반응기 둘 다를 지나는 가스 흐름 경로, 및
WGS 반응기 및 메탄화 반응기 둘 다를 갖는 단일 유닛
을 포함한 다단계 반응기를 포함하는, 대체 천연 가스(SNG) 생산 시스템을 포함하는 시스템. - 제 1 항에 있어서,
단일 유닛이 WGS 반응기 및 메탄화 반응기 사이의 가스 흐름 경로에서 산 가스 제거 시스템을 포함하는 시스템. - 제 1 항에 있어서,
다단계 반응기의 가스 흐름 경로의 하류에 산 가스 제거 시스템을 포함하는 시스템. - 제 1 항에 있어서,
다단계 반응기의 가스 흐름 경로의 상류에 산 가스 제거 시스템을 포함하는 시스템. - 제 1 항에 있어서,
다단계 반응기의 가스 흐름 경로의 하류에 이산화탄소 제거 시스템을 포함하는 시스템. - 수성 가스 전환(WGS) 반응기,
WGS 반응기에서 WGS 반응 후 합성가스로부터 황화수소를 제거하도록 구성된 산 가스 제거(AGR) 시스템,
AGR 시스템에 의한 산 가스의 제거 후 합성가스로부터 메탄을 발생시키도록 구성된 스위트(sweet) 메탄화 반응기, 및
WGS 반응기, AGR 시스템 및 메탄화 반응기를 갖는 단일 유닛
을 포함한 다단계 반응기를 포함하는 시스템. - 제 6 항에 있어서,
AGR 시스템이 합성가스가 막 관을 통해 통과하는 것을 차단하면서 황화수소가 막 관을 통해 통과하도록 구성된 막 관을 포함하는 시스템. - 수성 가스 전환(WGS) 반응기,
산 가스의 우선 제거 없이 메탄을 발생시키도록 구성된 사워(sour) 메탄화 반응기, 및
WGS 반응기 및 메탄화 반응기 둘 다를 갖는 단일 유닛
을 포함한 다단계 반응기를 포함하는 시스템. - 제 8 항에 있어서,
다단계 반응기의 하류에 산 가스 제거 시스템을 포함하는 시스템. - 제 8 항에 있어서,
사워 메탄화 반응기에 대한 주입으로서 사워 메탄화 반응기의 하류로부터 사워 메탄화 반응기의 상류로 대체 천연 가스를 전달하도록 구성된 대체 천연 가스 재순환 유닛을 포함하는 시스템.
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