KR20120090844A - 합성가스 적용에서의 에너지 회수 - Google Patents
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Abstract
개시된 실시형태는 팽창기(138)를 사용하기 위한 시스템을 포함한다. 제 1 실시형태에 있어서, 시스템은 유로를 따라서 배치된 가스화장치(112)를 포함한다. 가스화장치(112)는 공급원료(102)를 합성가스로 변환시키도록 구성된다. 이 시스템은 또한 가스화장치(112)의 바로 하류측에 배치되어 합성가스를 여과하도록 구성된 스크러버(130)를 포함한다. 이 시스템은 또한 스크러버(130)로부터의 바로 하류측에 유로를 따라서 배치되어 합성가스를 팽창시키도록 구성된 제 1 팽창기(138)를 포함한다. 합성가스는 미처리 합성가스를 포함한다.
Description
본 명세서에 개시하는 주제는 산업적 적용에서의 에너지 회수에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 합성가스 적용에서의 에너지 회수에 관한 것이다.
석탄, 석유 코크스, 바이오매스(biomass), 목질재료, 농업폐기물, 타르, 코크스로 가스(coke oven gas) 및 아스팔트, 또는 다른 탄소함유 물품과 같은 공급원료(feedstock)는 전기 생산, 화학약품, 합성연료 또는 다양한 다른 적용에 사용하기 위해 가스화될 수 있다. 가스화는, 매우 고온에서 탄소질 연료와 산소를 반응시켜서 원래의 상태의 연료보다 훨씬 효율적이고 깨끗하게 연소하는 합성가스, 일산화탄소를 함유하는 연료 및 수소를 생성하는 것을 수반한다. 합성가스는 발전, 화학약품 제조, 또는 다른 임의의 적절한 적용에 사용될 수도 있다. 그러나 합성가스의 제조는 일정한 비효율성을 야기하여 에너지를 낭비할 수 있다.
본 발명은, 종래의 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 합성가스 적용에서의 에너지 회수를 제공하는 것을 목적으로 한다.
원래 청구된 발명과 범위가 동등한 특정 실시형태들을 아래에 요약한다. 이들 실시형태들은 청구 발명의 범위를 한정하려는 것이 아니고 이들 실시형태들은 발명의 가능한 형태의 요약을 제공하려는 것뿐이다. 실제로 본 발명은 아래에 개시하는 실시형태와 유사하거나 다를 수 있는 다양한 형태를 포함한다.
제 1 실시형태에 있어서, 시스템은 유로, 및 상기 유로를 따라서 배치된 가스화 섹션을 포함한다. 가스화 섹션은 공급원료를 합성가스로 변환하도록 구성된다. 이 시스템은 또한 가스화 섹션의 바로 하류측에 배치되어 합성가스를 여과하도록 구성된 스크러버(scrubber)를 포함한다. 이 시스템은 또한 스크러버로부터 바로 하류측에 유로를 따라서 배치되어 합성가스를 팽창시키도록 구성된 제 1 팽창기를 포함한다. 합성가스는 미처리 합성가스를 포함한다.
제 2 실시형태에 있어서, 시스템은 유로, 및 산성가스 제거(AGR; acid gas removal) 섹션의 상류측에 상기 유로를 따라서 배치된 제 1 유체원을 포함한다. 유체원은 가압 유체를 포함한다. 이 시스템은 또한 상기 제 1 유체와 제 2 유체를 혼합하여 유체 혼합물을 생성하도록 구성된 제 2 유체원을 포함한다. 팽창기는 또한 AGR로부터의 상류측에 유로를 따라서 배치된다. 팽창기는 유체 혼합물을 팽창 및 응축시켜서 기계적 에너지, 전력 또는 이들 조합을 생성하도록 구성된다.
제 3 실시형태에 있어서, 시스템은 유로, 및 상기 유로를 따라서 배치된 가스화 섹션을 포함한다. 가스화 장치는 공급원료를 합성가스로 변환하도록 구성된다. 이 시스템은 또한 가스화 섹션으로부터의 하류측에 유로를 따라서 배치되며 합성가스를 여과하도록 구성된 스크러버를 포함한다. 시스템은 추가적으로 스크러버로부터의 하류측에 유로를 따라서 배치된 팽창기를 포함한다. 팽창기는 여과된 합성가스를 팽창시키도록 구성된다. 이 시스템은 또한 팽창기로부터의 하류측에 유로를 따라서 배치되며 여과된 합성가스로부터 산을 제거하도록 구성된 AGR 섹션을 포함한다.
본 발명의 상기 및 다른 특징, 국면 및 이점들은, 동일한 참조부호가 도면 전체에 걸쳐서 동일 부분을 나타내는 첨부도면을 참조하여 다음의 상세한 설명을 읽어 보면 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 팽창기를 포함하는 가스화 시스템의 일 실시형태를 도시하는 도면,
도 2는 팽창기 및 수성가스 시프트 시스템을 포함하는 가스화 시스템의 일 실시형태를 도시하는 도면,
도 3은 다수의 팽창기를 포함하는 가스화 시스템의 일 실시형태를 도시하는 도면,
도 4는 가스화 복합 발전(IGCC) 시스템 및 팽창기를 포함하는 열병합발전 시스템의 일 실시형태를 도시하는 도면.
도 2는 팽창기 및 수성가스 시프트 시스템을 포함하는 가스화 시스템의 일 실시형태를 도시하는 도면,
도 3은 다수의 팽창기를 포함하는 가스화 시스템의 일 실시형태를 도시하는 도면,
도 4는 가스화 복합 발전(IGCC) 시스템 및 팽창기를 포함하는 열병합발전 시스템의 일 실시형태를 도시하는 도면.
본 발명의 하나 이상의 구체적인 실시형태를 이하에 설명한다. 이들 실시형태의 간결한 설명을 제공하기 위해 실제 실시의 모든 특징들이 본 명세서에 설명되지 않을 수도 있다. 임의의 엔지니어링 또는 설계 프로젝트에서처럼 이런 실제 실시의 개발에서는 실시에 따라서 변할 수 있는 시스템 관련 및 비즈니스 관련 제약의 준수 같은 개발자의 특정 목표를 달성하기 위해 많은 실시의 특정 결정이 이루어져야 함을 알 수 있을 것이다. 게다가 이런 개발 노력은 복잡하고 시간이 소비되지만 그럼에도 불구하고 본 개시내용의 이익을 갖는 당업자에게는 정해진 설계, 조립 및 제조의 착수가 될 것이라는 것을 알 수 있을 것이다.
본 발명의 다양한 실시형태의 요소들을 도입할 때, 관사 "a," "an," "the," 및 "상기"는 그 요소중의 하나 이상이 있다는 것을 의미하려는 것이다. "포함하는(comprising)," "구비하는(including)," 및 "갖는(having)"이라는 용어는 그 기재된 요소 이외에도 추가의 요소들이 있을 수 있다는 것을 포괄하여 의미하려는 것이다.
기재된 실시형태들은 추가의 파워를 제공하기 위해 "폐"에너지를 포획하여 사용하는 가스화 공정을 이용하여 탄소질 연료로부터 전력 및/또는 화학약품을 제조하는 공정을 포함한다. 가스화 공정에서는, 도 1을 참조하여 이하에서 보다 자세히 설명하는 바와 같이 산소(또는 산소함유 가스)를 추가함으로써 탄소질 연료를 부분적으로 산화시켜 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스류(syngas stream)를 생성한다. 이 합성가스류는 예를 들어 입상 물질 및 혼입 고형물을 제거하기 위해 스크러버에 의해 더욱 여과되거나 "스크러빙"될 수 있다. 본 명세서에서 설명하는 실시형태 중의 특정 실시형태에서, 이때 합성가스류는 스크러버의 바로 하류측의 팽창기(expander)로 도입될 수 있다. 팽창기로 도입되는 합성가스류는 그 합성가스가 산성가스 제거 공정을 받지 않았기 때문에 "미처리" 합성가스라고 부를 수 있다. 팽창기는 그렇지 않으면 재포획되지 않았을 합성가스류내의 에너지를 포획할 수 있게 한다. 보다 구체적으로 합성가스류는 통상적으로는 재포획되지 않았을 합성가스의 질량 유동 내에 존재하는 열에너지 및 운동에너지를 포함한다. 운동에너지는 합성가스의 질량 작용(및 유동)과 합성가스의 압력에 의한 에너지를 포함한다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 합성가스는 냉각되어 많은 열에너지를 손실하고 합성가스 유동을 지연시키거나 정지시킬 수 있었다. 합성가스의 냉각 및/또는 지연은 유동에서의 압력을 감소시킬 수도 있다. 기재된 실시형태는 또한 합성가스를 팽창시키기 전에 합성가스에 물을 첨가하여 합성가스류의 유동에서의 질량을 더욱 증가시켜서 그에 따라서 재포획되는 파워가 증대된다. 실제로, 팽창기에서는, 팽창기 입구에서 대략 0.1 체적% 내지 65 체적%의 물 농도를 함유하는 "습성(wet)" 합성가스가 사용될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 스크러버의 하류측으로 배출되는 합성가스류는 수성가스 시프트 반응기 내로 안내되어 일산화탄소 및 물을 추가의 수소 및 이산화탄소로 변환한다. 본 실시형태에서, 팽창기는 스크러버의 바로 하류측 대신에 시프트 반응기의 바로 하류측에 위치될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 시프트 반응기는 팽창기의 바로 하류측에 위치될 수 있다. 본 실시형태에 있어서, 합성가스류는 시프트 반응을 받기 전에 먼저 에너지 회수를 위해 팽창된다. 실제로, 이하에 보다 자세히 설명하는 바와 같이, 산성가스 제거 공정과 같은 스크러버의 하류측 또는 다른 가스화 플랜트 구성요소의 하류측의 다양한 위치에 하나 이상의 팽창기가 위치될 수 있다. 습성 합성가스의 팽창은 예를 들어 합성가스의 냉각에 의해 손실되었을 에너지를 포획할 수 있게 한다. 실제로, 가스화 복합 발전(IGCC) 가스화 플랜트를 포함하는 화학약품 제조용 가스화 플랜트에서의 전력 생산은 본 명세서에 기재된 팽창기 기술을 이용함으로써 향상될 수 있다. 또한, 습성 합성가스의 직접 팽창을 통한 폐에너지의 회수에 의해 낮은 자본 비용, 낮은 운전 비용, 및 높은 효율을 얻을 수 있다.
상기를 고려하여, 도 1은 합성가스(즉, 신가스)를 생산 및/또는 연소시켜서 전기로 변환하고, 그리고/또는 합성가스의 일부를 화학약품을 제조하는데 이용할 수 있는 가스화 열병합발전(polygeneration) 플랜트(100)의 일 실시형태를 도시한다. 도시된 실시형태는 전력섬(power island)(174)을 이용한 전기의 생산에 초점이 맞추어져 있지만, 다른 실시형태들은 선택적으로 전력섬(174)을 포함하지 않을 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들면, 다른 플랜트(100)의 실시형태는 화학 플랜트, 합성가스 생산 플랜트, 또는 합성가스에 기초한 화학약품 또는 화학조성물의 생산에 적합한 다른 임의의 산업용 플랜트를 포함할 수도 있다. 고체 원료와 같은 공급원료(102)는 가스화 발전 플랜트(100)의 에너지원으로서 이용될 수 있다. 공급원료(102)는 석탄, 석유 코크스, 바이오매스, 목질재료, 농업폐기물, 타르, 코크스로 가스 및 아스팔트, 또는 다른 탄소함유 물품을 포함할 수 있다. 공급원료(102) 및 용제(fluxant)(104)가 공급원료 취급 및 저장 유닛(106)으로 이동될 수 있다. 용제(104)는 공급원료 취급 및 저장 유닛(106) 내의 공급원료(102)에 첨가되어 공급원료(102)의 용융 거동을 조정할 수 있다. 용제(104)는 예를 들어, 모래, 암석, 석회석, 보크사이트 및 철광석을 포함할 수 있다. 그리고 공급원료 취급 및 저장 유닛(106)은 공급원료(102) 및 용제(104) 혼합물을 공급원료 분쇄 및 슬러리 준비 유닛(108) 내로 안내시킬 수 있다. 공급원료 분쇄 및 슬러리 준비 유닛(108)은 예를 들어 공급원료(102) 및 용제(104) 혼합물을 쵸핑(chopping), 밀링(milling), 파쇄(shredding), 분쇄(pulverizing), 브리켓팅(briquetting), 또는 펠릿화(palletizing)함으로써 공급원료(102) 및 용제(104) 혼합물의 크기 또는 형상을 다시 조정하여 가스화 연료를 발생시킬 수 있다. 추가적으로 공급원료 분쇄 및 슬러리 준비 유닛(108) 내의 공급원료(102) 및 용제(104) 혼합물에 물(110)이나 다른 적절한 액체가 첨가되어 슬러리 연료(111)를 생성할 수 있다. 슬러리 연료(111)는 가스화 작업에 사용하기 위한 가스화장치(112) 내로 운반될 수 있다. 가스화 작업에 사용되는 공급물은 고체 공급물, 액체 공급물 및/또는 가스 공급물을 포함할 수 있음을 알 수 있을 것이다.
가스화장치(112)는 연료를 합성가스, 즉 일산화탄소 및 수소의 조합물로 변환시킬 수 있다. 이러한 변환은 사용되는 연료의 타입에 따라서 고압(예를 들어, 대략 40 bar 내지 90 bar) 및 고온(예를 들어, 대략 1200℃ 내지 1500℃)에서 제어된 양의 임의의 조정제 및 한정된 산소에 연료를 노출시킴으로써 수행될 수 있다. 열분해 공정 중에 연료의 가열은 슬래그(114) 및 잔류 가스(예를 들어, 일산화탄소, 수소 및 질소)를 발생시킬 수 있다.
그리고 가스화장치(112)에서는 부분 산화 공정(즉, 가스화)이 이루어질 수 있다. 이러한 가스화 공정을 돕기 위해 공기 분리 유닛(ASU)(118)으로부터 가스화장치(112)에 산소(116)가 공급될 수 있다. ASU(118)는 예를 들어 극저온을 필요로 할 수 있거나 또는 압력 스윙 흡착(PSA)을 이용할 수 있는 증류 기술에 의해 공기(120)를 성분 가스들로 분리하도록 동작할 수 있다. ASU(118)는 거기에 공급된 공기(120)로부터 산소(116)를 분리할 수 있으며 분리된 산소(116)를 가스화장치(112)에 전달할 수 있다. 추가적으로 ASU(118)는 수집하거나 또는 추가로 전력 발생에 사용하기 위해 공기(120)로부터 질소(122)를 분리할 수 있다.
숯(char) 및 잔류 가스는 산소(116)와 반응하여 이산화탄소 및 일산화탄소를 형성할 수 있으며, 이는 이후의 가스화 반응에 필요한 열을 제공한다. 가스화 공정중의 온도는 대략 1200℃ 내지 대략 1500℃의 범위가 될 수 있다. 추가적으로 증기가 가스화장치(112) 내로 도입될 수 있다. 가스화장치(112)는 증기 및 한정된 산소(116)를 이용하여 공급원료의 일부를 연소시켜서 일산화탄소 및 에너지를 생성하게 되며, 이는 추가의 공급원료를 수소 및 추가의 이산화탄소로 변환시키는 2차 반응을 구동할 수 있다.
이러한 방식으로, 가스화장치(112)에 의해 결과물로서의 합성가스류(124)가 제조된다. 이러한 합성가스류(124)는 대략 73%의 일산화탄소 및 수소와, (공급원료의 황함량에 근거하여) CO2, H2O, CH4, HCl, HF, COS, NH3, HCN, 및 H2S를 포함할 수 있다. 이러한 결과로서 생기는 가스는 예를 들어 H2S를 함유하고 있기 때문에 미처리 합성가스(124)라고 부를 수 있다. 또한 가스화장치(112)는 습성 애쉬 재료(wet ash material)일 수 있는 슬래그(114)와 같은 폐기물을 발생시킬 수도 있다. 이러한 슬래그(114)는 조대 슬래그 취급 시스템(126)으로 운반될 수 있다. 조대 슬래그 취급 시스템(126)은 예를 들어 도로 베이스 또는 다른 건축 재료로서 판매될 조대 슬래그(128)를 생성할 수 있다.
합성가스류(124)는 특정 입상물질 및 다른 오염물을 제거 또는 "스크러빙"하는데 적합한 스크러버(130)로 도입될 수 있다. 많은 적절한 스크러빙 기술이 사용될 수도 있다. 예를 들면, 스크러버(130)는 응축물 리턴부(132) 및 오수(grey water) 리턴부(134)로부터 물과 함께 공급되는 물 분무를 사용할 수 있다. 합성가스류(124)는 물 분무와 접촉할 수 있는데, 이는 타르 및 오일과 같은 특정 응축성 물질을 응축시킨다. 또한 합성가스류(124)는 입상물질을 제거하기 위한 물 섬프(water sump)로 도입될 수 있다. 즉, 합성가스류(124)는 물 섬프 내에서 급냉(quenching)되어 합성가스류(124)가 세정된다. 합성가스류(124)는 스크러버(130) 내의 추가의 물 매스를 수집할 수 있다. 실제로, 합성가스류(124)의 총 질량 유동은 스크러버(130) 내의 물 매스의 추가에 의해 증가될 수 있다. 그리고, 일 실시형태에 있어서, 증가된 물 매스를 갖는 "습성" 합성가스(136)는 합성가스류(136)의 팽창을 통한 에너지 회수에 적합한 팽창기(138) 내로 안내될 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 스크러버(130)를 떠나는 합성가스류(136)는 물 농도가 대략 0.1 체적% 내지 65 체적%이고, 온도가 대략 190 ℃ 내지 400 ℃이며, 압력이 대략 40 bar 내지 70 bar일 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 물 농도는 대략 0일 수 있다. 본 실시형태에 있어서, 합성가스류는 팽창전에 과열(superheat)될 수 있다. 실제로, 물 농도는 0.1 체적% 내지 65 체적%에서 변할 수 있다.
팽창기(138)는 유량(예를 들어, 액체 또는 가스)을 전력으로 변환시키기에 적합한 터보 팽창기(즉, 팽창 터빈)일 수 있다. 보다 구체적으로, 팽창기(138)는 샤프트상에 원주상으로 배치된 다수의 블레이드 또는 베인을 이용하여 합성가스류(136)의 질량 유동 및 열에너지를 회전 운동(즉, 기계적 에너지)으로 변환시킬 수 있다. 그리고 샤프트의 회전 운동은 예를 들어 발전기를 이용하여 전력으로 변환될 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 발전기는 팽창기(138) 내에 포함될 수 있다. 이러한 방식으로, 습성(또는 건성) 합성가스류(136)가 스크러버(130)의 바로 하류측에 사용되어 추가의 전력을 생성할 수 있다. 팽창 공정의 추가적인 이점으로는 팽창기(138)의 하류측의 다른 공정에서 사용하기 위한 합성가스류(136)를 냉각시키는 것을 포함한다. 또한, 팽창기(138)는 합성가스로부터 물과 같은 응축물을 응축시킬 수 있다. 실제로, 특정 실시형태에 있어서, 팽창기(138)에 의해 응축된 응축물은 합성가스류(136)에 존재하는 0.1% 내지 65%의 물을 포함할 수 있다. 다수의 팽창기(138)를 사용할 수 있으며 팽창기(138)는 플랜트(100) 내의 다른 위치에 배치될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 실제로, 이하의 도 2 내지 도 4에 대하여 설명한 다른 실시형태에 있어서, 하나 이상의 팽창기(138)가 가스화장치(112)의 다른 하류측의 위치에 배치될 수 있다. 또한 다른 실시형태에 있어서는, 다수의 가스화장치(112)가 매니폴드형으로 되거나 연결되어 합성가스를 뱅크 또는 다수의 팽창기(138)로 안내할 수 있다. 실제로, 하나 이상의 가스화장치(112)는 하나 이상의 팽창기(138)를 "공급"할 수 있다.
도 1에 이어서, 스크러버(130)는 또한 스크러빙 공정중에 합성가스류(124)로부터 제거된 입상물질을 함유하는 물(140)을 생성할 수도 있다. 그리고 물(140)은 추가의 처리를 위해 워터 플래시 시스템(water flash system)(142) 내로 안내될 수 있다. 워터 플래시 시스템(142)은 물(140)이 고압 플래시 가스(144)로 플래시되거나 증발되는 플래시 드럼에 물(140)을 노출시켜서 "폐수(black water)"(146)를 남기게 된다. 폐수(146)는 스크러빙 공정중에 제거된 상당량의 입상물질 및 혼입 고형물을 포함한다. 그리고 이러한 폐수(146)는 재사용을 위해 미세 슬래그 및 오수 취급 시스템(148) 내로 안내될 수 있다. 예를 들면, 미세 슬래그 및 오수 취급 시스템(148)은 폐수(148)를 처리하여 추가의 슬러리 연료(111)의 준비에 있어서 공급원료 분쇄 및 슬러리 준비 시스템(108)에 의해 재사용하기 위한 고형물 및 물(150)을 회수한다. 미세 슬래그 및 오수 취급 시스템(148)은 또한 스크러버(130)의 스크러빙 공정에서 재사용하는데 적합한 오수(134)를 생성할 수 있다. 실제로, 스크러빙 공정에서 물(134)을 재사용하고 공급원료 제조 공정에서 고형물 및 물(150)을 재사용함으로써 추가의 플랜트 효율이 향상된다. 과잉의 물(152)은 추가의 처리를 위해 오수 전처리 시스템(153)으로 안내될 수 있다. 오수 전처리 시스템(153)은 물(152)을 여과하여 세정할 수 있으며, 세정된 물(154)을 추가의 여과 및 재사용을 위해 바이오폰드(biopond) 내로 안내시킨다. 또한 분말재와 같은 재사용이 불가능한 미세 입자를 포함할 수 있는 필터 케이크(155)도 미세 슬래그 및 오수 취급 시스템(148)에 의해 생성될 수 있다.
합성가스 처리에 이어서, 팽창기(138)의 하류측에서 빠져나오는 합성가스류(156)는 저온 가스 냉각(LTGC) 시스템(158)에 의해 대략 50 ℃ 내지 150 ℃의 온도까지 더욱 냉각될 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 다른 합성가스 처리는 또한 황화카보닐(COS) 가수분해 및 수은 제거 공정을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 합성가스류(156)는 응축 열교환기 및 관련 녹아웃 드럼(knockout drum)을 사용하여 거의 대기 온도까지 냉각될 수 있다. 그리고 합성가스류(156)는 COS를 황화수소(H2S)로 변환시키기에 적합한 반응기로 진행할 수 있어, 산성가스 제거 시스템(AGR)에서 보다 완전하게 황을 제거할 수 있도록 한다. 추가적으로 합성가스류(156)는 예를 들어 합성가스류(156)에 존재하는 수은을 포획하기에 적합한 탄소흡착 베드로 반송될 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 합성가스류(156)는 화학약품 생산용 합성가스류(156)를 처리하기 위해 수성가스 시프트 시스템(176)에 전달될 수 있다. 수성가스 시프트 시스템(176)은 합성가스 중의 일산화탄소에 대한 수소의 비율을 조정할 수 있게 한다. 보다 구체적으로, 수성가스 시프트 시스템(176)은 일산화탄소가 물(예를 들어 증기)과 반응하여 이산화탄소 및 수소를 형성하는 수성가스 시프트 반응을 수행하기에 적합한 시프트 반응기를 포함할 수 있다. 그리고 시프트된 합성가스는 전술한 바와 같은 제 2 LTGC 시스템(158)에 의해 냉각될 수 있다. 그리고 냉각된 합성가스는 산성가스 제거를 위해 제 2 AGR로 반송된 다음에 합성가스로부터 하나 이상의 화학약품을 생성하기에 적합한 화학 시스템(177)에 반송될 수 있다.
저온 가스 냉각 시스템(158)이 합성가스류(156)를 냉각시킴에 따라서, 합성가스류(156) 내의 수증기의 상당부분이 응축된다. 그리고 이러한 응축물(132)은 스크러빙 작업 중에 스크러버(130)에 의해 재사용을 위해 반송될 수 있다. 과잉 응축물(162)은 응축물로부터 암모니아(NH3)를 제거하기에 적합한 응축물 암모니아 스트리퍼 시스템(164)에 의해 처리를 위해 반송될 수 있다. 그리고 실질적으로 암모니아가 없는 응축물(166)은 전술한 바와 같이 물(146)을 처리하는데 재사용하기 위해 미세 슬래그 및 오수 취급 시스템(148) 내로 안내될 수 있다. 추가적으로, 암모니아 스트리핑 공정 중에 생성된 황함유가스(168)는 추가의 처리 및 황 제거를 위해 황회수 유닛(SRU) 내로 안내될 수 있다.
저온 가스 냉각 시스템(158)에 의해 냉각한 후에, 냉각된 합성가스류(170)는 산성가스 제거 시스템(AGR)(160) 내로 안내될 수 있다. 그리고 AGR(160)은 합성가스류(170)를 처리하여 H2S 및 CO2를 제거할 수 있다. 예를 들어 SelexolTM과 같은 물리적 용매 및 수성 메틸디에탄올아민(MDEA)과 같은 화학적 용매를 사용하여 H2S 및 CO2를 제거할 수 있다. 그리고 처리된 또는 "청정" 합성가스류(172)는 발전에 사용하기 위해 그리고/또는 화학약품의 제조를 위해 전력 시스템(예를 들면, 전력섬) 내로 안내될 수 있다. 예를 들면, 전력 시스템(174)은 연료로서 합성가스를 사용하고 연료를 회전 에너지로 변환하기에 적합한 가스 터빈을 포함할 수 있다. 그리고 회전 에너지는 발전기에 의해 전력으로 변환될 수 있다. 실제로, 발전 플랜트(100)는 스크러버(130)의 바로 하류측에서 합성가스류의 팽창을 통해 에너지 효율을 향상시키면서 합성가스의 전력으로의 변환을 가능하게 한다. 추가적으로 도 2 내지 도 4를 참조하여 이하에 보다 자세하게 설명하는 바와 같이 팽창기(138)의 배치를 위한 다른 위치가 사용될 수도 있다.
도 2는 수성가스 시프트 시스템(176)을 갖는 가스화 열병합발전 플랜트(100)의 특정 실시형태를 도시한다. 도시한 실시형태에 있어서, 도 1을 참조하여 상기에서 상세하게 설명한 특정 구성요소들은 동일한 요소번호로 지시한다. 도 1과 유사하게 도 2의 실시형태도 에너지 회수의 향상을 위해 팽창기(138)를 사용하여 이익을 얻을 수 있다. 도시한 실시형태에 있어서, 팽창기(138)는 수성가스 시프트 시스템(176)의 바로 하류측 또는 수성가스 시프트 시스템(176)의 바로 상류측에 위치할 수 있다. 실제로, 수성가스 시프트 시스템(176)과 함께 팽창기(138)를 사용하면 추가의 에너지의 포획이 가능하고 열병합발전 플랜트(100)의 전력 생산을 향상시킨다.
수성가스 시프트 시스템(176)은 합성가스 내의 일산화탄소에 대한 수소의 비율의 조정을 가능하게 한다. 보다 구체적으로, 수성가스 시프트 시스템(176)은 일산화탄소가 물(예를 들어 증기)과 반응하여 이산화탄소 및 수소를 형성하는 수성가스 시프트 반응을 수행하는데 적합한 시프트 반응기를 포함할 수 있다. 이러한 공정은 대략 1 대 1인 합성가스 내의 일산화탄소에 대한 수소의 비율을 대략 3 대 1의 일산화탄소에 대한 수소의 비율을 갖는 시프트된 합성가스로 조정할 수 있다. 도시된 실시형태에 있어서 수성가스 시프트 시스템(176)은 "사워(sour)" 수성가스 시프트 시스템(176)이다. 즉 수성가스 시프트 반응 중에 수성가스 시프트 시스템(176) 내에 공급된 합성가스 중에는 황이 존재할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 합성가스류(136)는 수성가스 시프트 시스템(176) 내로 직접 반송된다. 그리고 수성가스 시프트 시스템(176)은 시프트 반응기를 사용하여 합성가스류(136) 조성을 일산화탄소에 대한 수소의 비율을 대략 3 대 1로 조정할 수 있게 한다. 시프트 반응은 발열반응이며, 수성가스 시프트 시스템(176)에서 나오는 합성가스류(178)는 합성가스류(136)보다 높은 온도일 수 있다. 예를 들어, 이러한 온도는 대략 50 ℃, 100 ℃, 400 ℃만큼 증가될 수 있다. 그리고 팽창기(138)는 고온의 합성가스류(178)를 팽창시켜서 합성가스류(178)의 유동 및 열에너지를 기계적 에너지로 변환시킬 수 있다. 결국 기계적 에너지는 발전기의 사용을 통해 전력으로 변환될 수 있다. 실제로, 팽창기(138)는 수성가스 시프트 시스템(176)에서 생기는 추가의 열에너지를 포획하여 추가의 전력을 생성함으로써 열병합발전 플랜트(100)에서의 전체 에너지 생성을 향상시킬 수 있다.
다른 실시형태에 있어서, 수성가스 시프트 시스템(176)은 팽창기(138)의 하류측에 위치할 수 있다. 본 실시형태에 있어서, 팽창기(138)는 팽창된 합성가스류(156)를 수성가스 시프트 시스템(176) 내로 안내하기 전에 먼저 합성가스류(136)를 팽창시킬 수 있다. 그리고 수성가스 시프트 시스템(176)은 시프트 반응을 이용하여 일산화탄소에 대한 수소의 비율을 대략 3 대 1의 비율로 조정할 수 있다. 그리고 시프트된 합성가스류(180)는 전술한 바와 같이 저온 가스 냉각 시스템(158)에 의해 처리되고 냉각된 합성가스류(182)로서 AGR(160)로 반송된다. AGR(160)은 합성가스류(182)로부터 H2S 및 CO2를 제거함으로써 냉각되고 시프트된 합성가스류를 처리한 다음 처리된 합성가스류(184)를 전력 시스템(174)으로 안내한다. 수성가스 시프트 시스템(176)을 포함하는 실시형태에 있어서, 전력 시스템(174)은 합성가스류(184)의 일산화탄소에 대한 시프트된 수소의 비율의 이점을 취하도록 변형될 수 있다. 예를 들어, 전력 시스템(174)은 높은 수소 함량을 갖는 합성가스를 사용하기에 적합한 가스 터빈을 포함할 수 있다. 그리고 전력 시스템(174)은 시프트된 합성가스류(184)를 전력으로 변환할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 화학 시스템(177)은 화학약품을 제조하기 위해 합성가스를 처리할 수 있다. 따라서 열병합발전 플랜트(100)는 합성가스를 시프트하기 전이나 후에 합성가스를 팽창시킴으로써 전력을 증대시킬 수 있다.
도 3은 AGR(160)의 하류측에 위치한 팽창기(138)의 사용을 포함한 열병합발전 플랜트(100)의 특정 실시형태를 도시한다. 도시한 실시형태에 있어서, 도 1을 참조하여 상기에서 상세하게 설명한 특정 구성요소들은 동일한 요소번호로 지시한다. 실제로, 팽창기(138)는 AGR(160)의 상류측 및/또는 AGR(160)의 하류측에서 합성가스를 팽창시키기에 적합하다. AGR(160)의 상류측 및/또는 하류측에의 팽창기(138)의 사용을 통해 에너지를 포획함으로써, 열병합발전 플랜트(100)는 효율을 향상시키고 추가의 전력 출력을 얻을 수 있다. AGR(160)의 상류측에의 팽창기(138)를 사용하는 것은 도 1 및 도 2를 참조하여 위에서 설명하였다. AGR(160)의 하류측에의 팽창기(138)를 사용하는 것을 이하에 보다 상세하게 설명한다.
일 실시형태에 있어서, 합성가스류(184)는 AGR(160)의 바로 하류측에서 나온다. 합성가스류(184)는 청정 합성가스류인데, 즉 AGR(160)에 의해 합성가스류로부터 황이 제거되었다. 본 실시형태에 있어서, 합성가스류(184)는 수성가스 시프트 시스템(186) 내로 안내된다. 수성가스 시프트 시스템(186)은 황함량이 감소된 합성가스내의 일산화탄소에 대한 수소의 비율을 조정하기에 적합할 수 있다. 예를 들어, 일산화탄소 및 물을 수소 및 이산화탄소로 변환하기에 적합한 크롬, 또는 구리계 촉매가 사용될 수 있다. 수성가스 시프트 시스템(186)에 의해 가능한 시프트 반응은 합성가스(184)중의 황함량의 감소 때문에 "스위트(sweet)" 시프트 반응이다. 스위트 시프트 반응은 발열반응이며, 이러한 반응으로 생기는 열에너지는 예를 들어 수성가스 시프트 시스템(186)의 바로 하류측에 팽창기(138)를 배치함으로써 포획될 수 있다. 본 실시형태에 있어서, 합성가스류(188)의 질량 유동에 추가되는 열은 수성가스 시프트 시스템(186)의 바로 하류측에 위치한 팽창기(138)에 의해 전기에너지로 변환될 수 있다. 전술한 바와 같이, 팽창기(138)는 합성가스(188)의 질량 유동에 존재하는 에너지를 회전 운동으로 변환시킬 수 있는데, 이 회전 운동은 추가의 전력을 생산하기에 적합한 발전기를 구동하는데 사용될 수 있다.
다른 실시형태에 있어서, AGR(160)의 하류측에서 나오는 합성가스류(184)는 팽창기(138) 내로 직접 전달될 수 있다. 본 실시형태에 있어서, 팽창기(138)는 합성가스류(184)를 팽창시키고 팽창된 합성가스류(190)를 수성가스 시프트 시스템(186) 내로 안내한다. 팽창기(138) 내에서의 팽창중에 합성가스는 열에너지를 기계적 에너지로 변환시킬 수 있다. 따라서, 합성가스류(190)는 합성가스류(188)보다 저온이다. 그리고 저온 합성가스류(190)는 추가의 처리를 위해 수성가스 시프트 시스템(186) 내로 안내될 수 있다. 본 실시형태에 있어서, 수성가스 시프트 시스템(186)은 유리하게는 구리-아연-알루미늄 촉매 조성물을 이용하는 시프트 반응으로서 저온 시프트 반응을 이용하여 저온 합성가스를 사용할 수 있다. 전술한 바와 같이, 시프트 반응은 보다 높은 수소 비율을 갖는 합성가스를 생성할 것이다. 따라서, 시프트된 합성가스류(192)(또는 합성가스류(190))는 연료로서 사용하기 위해 전력 시스템(174) 내로 운반될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 합성가스류(192)는 화학약품의 제조를 위해 화학 시스템(177) 내로 안내될 수 있다. AGR(160)의 하류측에 팽창기(138)를 사용하면 사용되지 않았을 에너지를 재포획할 수 있게 된다. 예를 들어, 수성가스 시프트 시스템(186)에서 생기는 추가의 열은 전기를 생성하기 위해 팽창기(138)에 의해 사용될 수 있다. 실제로, 이하의 도 4에 보다 자세하게 설명된 가스화 복합발전(IGCC) 실시형태와 같은 열병합발전 플랜트(100)의 다른 실시형태는 팽창기(138)를 사용하여 플랜트 효율을 향상시키고 추가의 전력의 생산을 가능하게 한다.
도 4는 또한 전력의 생산을 향상시키기에 적합한 하나 이상의 팽창기(138)를 구비한 화학약품의 생산(열병합발전 플랜트)을 포함할 수 있는 가스화 복합발전(IGCC)의 일 실시형태를 도시한다. 도시한 실시형태에 있어서, 도 1을 참조하여 상기에서 상세하게 설명된 특정 구성요소들은 동일한 요소번호로 지시한다. 도 1 내지 도 3을 참조하여 전술한 바와 같이, 팽창기(138)는 합성가스의 유동 내의 에너지를 전력으로 변환시킨다. 또한 도시한 실시형태는 팽창기(138)를 사용하여 가스화 복합발전 기술을 이용하는데 적합한 질소 가열 및 추출 공냉 시스템(202) 및 탈기장치(204)와 같은 특정 시스템을 포함한다. 가스화 복합발전 발전 플랜트(200)와 같은 복합사이클 발전 플랜트에서는, 예를 들어 후술하는 바와 같이 저온 가스 냉각 시스템(158)에 의해 발생된 포화 증기(206)를 재사용함으로써 추가의 에너지 효율이 얻어질 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 팽창기(138)는 스크러버(132)의 바로 하류측에 배치되어 합성가스류(136)를 추가의 전력으로 변환하는데 사용된다. 다른 실시형태에 있어서, 수성가스 시프트 시스템(176)은 스크러버(132)의 바로 하류측에 배치되며, 팽창기(138)는 수성가스 시프트 시스템(176)의 바로 하류측에 배치된다. 본 실시형태에 있어서, 시프트된 합성가스류(178)가 팽창되어 전력으로 변환된다. 그리고 팽창된 합성가스류(156)(또는 팽창된 합성가스류(180))는 저온 가스 냉각 시스템(158) 내로 안내될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 팽창기(138)는 도시한 바와 같이 수성가스 시프트 시스템(186)의 하류측에 배치될 수 있다. 실제로, 팽창기(138)는 AGR(160)의 상류측 및/또는 하류측에 배치될 수 있으며, 합성가스류(184)(또는 합성가스류(188))에 존재하는 질량 유동 에너지를 사용하여 추가의 전력을 생성한다.
화학약품의 생산을 또한 포함할 수 있는 도시된 IGCC 실시형태에 있어서, 저온 가스 냉각 시스템(158)은 합성가스를 냉각시키고 냉각 공정중에 포화 증기(206)를 생성한다. 그리고 이러한 포화 증기(206)는 다시 재사용하기 위해 전력 시스템(174) 내로 안내될 수 있다. 실제로, 전력 시스템(174)은 예를 들어 가스 터빈(208), 열회수 증기 발생기(HRSG) 시스템(210) 및 증기 터빈(212)을 포함할 수 있다. 가스 터빈(208)은 전력을 생성하기에 적합한 발전기와 같은 1차 부하를 구동시키기 위해 연료로서 합성가스를 사용할 수 있다. 그리고 증기 터빈 엔진(212)은 제 2 발전기로서 2차 부하를 구동할 수 있다. 추가적으로, 가스 터빈(208) 및 증기 터빈(212)은 별도의 부하를 구동시킬 수 있지만, 가스 터빈 엔진(208) 및 증기 터빈 엔진(212)도 전후로 이용하여 단일 샤프트를 통하여 단일 부하를 구동할 수 있다. 증기 터빈 엔진(212)과 가스 터빈 엔진(208)의 특정 구조는 특정의 실시일 수 있고 섹션의 임의의 조합을 포함할 수도 있다.
질소 가열 및 추출 공냉 시스템(202)로부터의 가열된 질소는 가스 터빈(208)에서 연소 희석제로서 사용하기 위해 전력 시스템(174) 내로 안내되므로 가스 터빈 효율을 향상시킬 수 있다. 가스 터빈 엔진(208)으로부터의 가열된 배기가스는 HRSG(210) 내로 반송되어 물을 가열하는데 사용되며 증기 터빈 엔진을 구동하는데 사용되는 증기를 생성시킨다. HRSG(210) 내의 물의 일부는 탈기장치(204)에 의해 제공될 수 있다. 즉, 탈기장치(204)는 저온 가스 냉각 시스템(158)에서 나오는 가열된 응축물(214) 복귀물로부터 특정 가스(예를 들어, 산소)를 제거할 수 있으며, 물을 전력 시스템(174)에 제공한다. 추가적으로, 저온 가스 냉각 시스템(158)으로부터의 포화 증기(206)는 HRSG(210)에서 과열된 후에 증기 터빈을 구동하는데도 사용될 수 있다.
실제로, IGCC 발전 플랜트(200)와 같은 복합사이클 발전 플랜트에서, 고온 배기가스는 가스 터빈 엔진(208)으로부터 HRSG(210)까지 흐르고, 여기서 배기가스는 고압, 고온의 증기를 발생시키는데 사용될 수 있다. 그리고 HRSG(210)에 의해 생성된 증기는 전력 발생을 위해 증기 터빈 엔진(212)을 통과할 수 있다. 추가적으로, 생성된 증기는 또한 가스화장치(112)와 같이 증기가 사용될 수 있는 다른 임의의 공정에도 공급될 수 있다. 전력 시스템(174)의 운전으로 생기는 응축물(216)을 재사용하는 것과 같은 추가의 재사용 효율이 가능하다. 응축물(216)은 냉각 운전에서 사용하기 위해 저온 가스 냉각 시스템(158)에 안내될 수 있다. 마찬가지로, 가스 터빈 운전중에 추출된 공기(218)는 시스템(202)에 의해 처리되고 ASU(118) 내로 안내되어 질소와 산소로 분리된다. 가스 터빈 엔진(208)의 생성 사이클은 흔히 "토핑 사이클(topping cycle)"이라고 부르는 반면, 증기 터빈 엔진(212)의 생성 사이클은 흔히 "버터밍 사이클(bottoming cycle)"이라고 부른다. 팽창기(138)를 사용하여 이들 두 사이클을 결합시킴으로써, IGCC 발전소(200)는 양 사이클에서 보다 높은 효율을 나타낼 수 있다.
본 발명의 기술적 효과로는 가스화 효율의 향상 및 합성가스류를 전력으로 변환하기에 적합한 하나 이상의 팽창기를 사용함에 의한 전력 생산을 포함한다. 팽창기는 스크러버의 바로 하류측의 위치를 포함한 가스화 플랜트내의 다양한 위치에 위치될 수 있다. 또한, 팽창기는 IGCC 발전소를 포함한 다양한 타입의 가스화 열병합발전 플랜트에서 사용될 수 있다. 추가적으로, 합성가스류는 "습성" 합성가스류를 포함할 수 있다. 실제로, 합성가스류는 산성가스 제거 전에 합성가스에 첨가된 물을 포함할 수 있다. 사용되지 않았을 에너지를 포획하기 위해 하나 이상의 팽창기를 사용함에 의해, 상기 개시된 실시형태들은 전력 출력이 증대된 보다 효율적인 가스화 플랜트를 가능하게 한다.
상기 기재의 설명은 최상의 양태를 포함한 본 발명을 개시하고 또한 임의의 장치나 시스템을 제조하고 임의의 이용 방법을 수행하는 것을 포함한 본 발명을 임의의 당업자가 실시할 수 있게 하기 위해 예들을 사용한다. 본 발명의 특허성 있는 범위는 특허청구의 범위에 의해 정해지며, 당업자에게서 생기는 다른 예를 포함할 수 있다. 이런 다른 예들은 특허청구범위의 문자 그대로의 언어와 다르지 않은 구조적 요소를 갖거나 특허청구범위의 문자 그대로의 언어와 아주 작은 차이를 갖는 동등한 구조적 요소를 포함하는 경우라면 특허청구범위의 범위에 속하는 것으로 되어야 한다.
102: 공급원료 112: 가스화장치
130: 스크러버 138: 제 1 팽창기
160: 산성가스 제거 장치(AGR)
130: 스크러버 138: 제 1 팽창기
160: 산성가스 제거 장치(AGR)
Claims (15)
- 시스템에 있어서,
유로와,
상기 유로를 따라 배치되며 공급원료(102)를 합성가스로 변환시키도록 구성된 가스화 섹션(112)과,
상기 가스화 섹션(112)의 바로 하류측에 배치되고 상기 합성가스를 여과하도록 구성된 스크러버(130)와,
상기 스크러버(130)로부터의 바로 하류측에 상기 유로를 따라서 배치되고 상기 합성가스를 팽창시키도록 구성된 제 1 팽창기(138)를 포함하며,
상기 합성가스는 미처리 합성가스를 포함하는
시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 시스템은 상기 미처리 합성가스에 물 매스를 추가하도록 구성되는
시스템. - 제 2 항에 있어서,
상기 시스템은 상기 제 1 팽창기(138)의 상류측에서 미처리 합성가스에 물 매스를 추가하도록 구성되는
시스템. - 제 2 항에 있어서,
상기 시스템은 상기 미처리 합성가스 내에 물 매스를 포화시킴으로써 물 매스를 추가하도록 구성되는
시스템. - 제 2 항에 있어서,
상기 물 매스는 가열된 물 매스를 포함하는
시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 미처리 합성가스는 적어도 대략 0.1% 내지 65%의 H2O를 갖는 습성 합성가스를 포함하는
시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 팽창기(138)는 기계적 에너지, 전력, 또는 이들의 조합을 생성하도록 구성된 터보 팽창기를 포함하는
시스템. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 팽창기(138)는 상기 미처리 합성가스로부터 물질을 응축시키도록 구성되는
시스템. - 제 8 항에 있어서,
상기 물질은 상기 미처리 합성가스로부터 응축된 대략 0.1% 내지 65%의 H2O를 갖는 응축물을 포함하는
시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 가스화 섹션(112)은 가스화 복합 발전(IGCC) 가스화 섹션을 포함하는
시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 팽창기(138)로부터의 하류측에 상기 유로를 따라서 배치된 산성가스 제거(AGR) 섹션(160)을 포함하며, 상기 AGR 섹션(160)은 상기 미처리 합성가스를 처리하여 산성가스를 제거하고 처리된 합성가스를 생산하도록 구성되는
시스템. - 제 11 항에 있어서,
상기 AGR 섹션(160)로부터의 하류측에 상기 유로를 따라서 배치되고 상기 미처리 합성가스를 팽창시키도록 구성된 제 2 팽창기(138)를 포함하는
시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 팽창기(138)로부터의 하류측에 상기 유로를 따라서 배치되고 상기 합성가스를 팽창시키도록 구성된 제 2 팽창기(138)를 포함하는
시스템. - 시스템에 있어서,
유로와,
가압 유체를 가지며 산성가스 제거(AGR) 섹션(160)으로부터의 상류측에 상기 유로를 따라서 배치된 제 1 유체원(112, 130)과,
제 1 유체와 제 2 유체를 혼합하여 유체 혼합물을 생성하도록 구성된 제 2 유체원과,
상기 AGR 섹션(160)으로부터의 상류측에 상기 유로를 따라서 배치되며, 상기 유체 혼합물을 팽창 및 응축시켜서 기계적 에너지, 전력 또는 이들의 조합을 생성하도록 구성되는 팽창기(138)를 포함하는
시스템. - 제 14 항에 있어서,
상기 제 2 유체원은 수원(water source)을 포함하는
시스템.
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