KR20130095647A - 대체 천연 가스의 제조 방법 - Google Patents

대체 천연 가스의 제조 방법 Download PDF

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조나단 제프리 가빈
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데이비 프로세스 테크놀로지 리미티드
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Abstract

제1 및/또는 제2 및/또는 후속 벌크 메타네이터로 공급 가스를 제공하는 단계; 적합한 촉매의 존재 하에서 상기 공급 가스를 메탄화시키는 단계; 상기 제1 벌크 메타네이터로부터 적어도 부분적으로 반응한 스트림을 제거하고, 그것을 상기 제2 및/또는 후속 벌크 메타네이터에 공급하여 추가로 메탄화시키는 단계; 최종적 벌크 메타네이터로부터 트림 메타네이터 트레인으로 생성물 스트림을 통과시켜 추가로 메탄화시키는 단계; 상기 제1, 제2, 또는 후속 벌크 메타네이터의 하류에서 재순환 스트림을 제거하고, 임의의 순서로 상기 재순환 스트림을 압축기에 통과시켜 냉각시키고, 이어서 상기 제1 및/또는 제2 및/또는 후속 메타네이터로 재순환되기 전에 추가로 메탄화하기 위해 트림 및/또는 재순환 메타네이터에 공급하는 단계를 포함하는, 대체 천연 가스의 제조 방법.

Description

대체 천연 가스의 제조 방법 {PROCESS FOR THE PRODUCTION OF SUBSTITUTE NATURAL GAS}
본 발명은 석유나 석탄과 같은 탄소질 연료의 부분 산화에 의해 제조되는 것과 같은 합성 가스로부터, 대체 천연 가스(substitute natural gas; SNG)로서 사용하기에 적합한 연료 가스를 제조하는 방법에 관한 것이다.
SNG를 제조하기 위한 다양한 방법이 알려져 있다. 그러한 방법 중 하나가 특허문헌 US 4016189에 기재되어 있다. 이 특허에 있어서, 공급 가스는 1개의 고온 벌크 메타네이터(bulk methanator)에서 처리된 다음, 1개의 저온 트림 메타네이터(trim mathantor)에서 처리된다. 상기 반응은 매우 발열성이기 때문에, 벌크 메타네이터에서의 온도 상승을 허용가능한 수준으로 제한하기 위해 서멀 매스(thermal mass)가 필요하다. 이 서멀 매스는 벌크 메타네이터의 하류에서, 트림 메타네이터 이전에 채취되는 재순환 가스의 형태로 공급된다. 재순환 스트림은 벌크 메타네이터의 상류에 공급되기 전에 압축된다.
특허문헌 US 4016189에 기재된 트림 메탄화(methanation)의 단일 스테이지는 60%의 메탄 함량을 가진 저칼로리 가스의 제조에 적합하다. 이것은 현재의 SNG 제조 규격에 있어서 요구되는 메탄 레벨에 미치지 못한다.
일반적으로, 벌크 메타네이터는 일산화탄소가 농후한 공급물, 즉 플랜트로의 새로운 공급물의 일부 또는 전부를 받아들이는 것임을 알아야 한다. 트림 메타네이터는 새로운 일산화탄소 공급물을 전혀 받아들이지 않고, 종종 벌크 메타네이터보다 낮은 온도에서 트림 메탄화를 수행하는 것이다. 본 발명의 목적에 있어서, 재순환 메타네이터는 재순환 루프 내에 수용되고, 새로운 일산화탄소 농후 공급물을 받아들이지 않는 것이다.
또 다른 방법이 특허문헌 US 4205961에 제안되어 있다. 이 방법은 플랜트의 가동비를 감소시킴으로써 플랜트를 최적화하는 것을 목표로 한다. 이러한 목표는 벌크 메타네이터의 수를 증가시킴으로써 달성된다. 구체적으로는, 벌크 메탄화 의무량(duty)은 2개의 반응기에 분할된다. 새로운 공급물은 제1 및 제2 벌크 메타네이터 모두에 공급된다. 제1 벌크 메타네이터로부터 인출된 스트림은 분할되어, 그 일부는 압축기를 통해 제1 벌크 메타네이터에 재순환되고, 나머지는 제2 벌크 메타네이터로 이송된다. 제2 벌크 메타네이터로부터 제거된 스트림은 트림 메타네이터로 이송된다.
의무량을 2개의 벌크 메타네이터에 분할하는 것은 본질적으로 전체 벌크 의무량 중 상대적으로 적은 의무량이 제1 벌크 메타네이터에서 수행된다는 것을 의미한다. 재순환은 제1 벌크 메타네이터 주위에만 존재하기 때문에, 재순환 유량은 이 베드(bed)에 걸쳐 온도 상승을 충분히 제어할 수 있으면 된다. 상대적으로 낮은 의무량은, 재순환 가스에 의해 제거되어야 하는 반응 열이 상대적으로 적어서 상대적으로 낮은 재순환 유량을 초래한다는 것을 의미한다. 제1 벌크 메타네이터로부터 제2 벌크 메타네이터로 정방향으로 이송되는 가스는 벌크 반응의 제2 스테이지를 급랭시키는 서멀 매스로서 작용한다. 특허문헌 US 4205961에 기재된 흐름도에서, 새로운 공급물의 약 70%는 제1 벌크 메타네이터에 이송되고, 나머지는 제2 벌크 메타네이터에 이송된다. 제2 벌크 메타네이터는 재순환 루프 압력 강하를 동일하게 유지하면서 약 30% 만큼 재순환 유량을 감소시키는 효과를 가진다. 이것은 재순환 압축기 파워 수요를 감소시키는 이점을 가지지만, 제2 메타네이터 반응기의 비용이 들어간다. 특허문헌 US 4205961에 기재된 방법에 의해 제조되는 생성물 가스는 SNG 규격에 대한 현재의 요건을 달성하지 못한다.
특허문헌 US 4133825에 다양한 대안적 방법이 기재되어 있다. 메탄화 유닛의 상류에 시프트 섹션(shift section)이 포함된 다른 방법들과는 달리, 이 특허문헌에 기재된 방법은 메탄화 촉매 상부와 메탄화 유닛 내부로 원료 가스(raw gas)를 시프팅하고 메탄화하는 개념을 도입했다. 이 방법은 실제로 생성물 내에 과량의 이산화탄소를 초래하고, 따라서 메탄화 유닛의 하류에 과량의 이산화탄소를 제거하는 유닛을 포함시킬 필요가 있다. 메탄화 유닛 내에서 시프트 반응을 수행하는 것은 많은 양의 스팀을 필요로 한다. 따라서, 벌크 메탄화 이전에 스팀으로 공급물 스트림의 포화와 가열을 동시에 수행하기 위해 메탄화 섹션 상류에 포화장치(saturator)를 포함시키는 것이 제안되어 있다. 이것은 메탄화 촉매 상부의 시프트 반응을 위해 필요한 스팀을 제공할 뿐 아니라, 촉매 상에 탄소의 형성을 방지한다.
하나의 구성에 있어서, 2개의 벌크 메타네이터가 사용되어, 공급물의 일부는 제1 벌크 메타네이터에 이송되고, 나머지는 제2 벌크 메타네이터에 시용된다. 제1 벌크 메타네이터로부터 제거된 스트림 전체는 제2 벌크 메타네이터에 이송되고, 제2 벌크 메타네이터 이후에 재순환이 수행된다. 압축기를 통과한 다음, 재순환 스트림은 제1 벌크 메타네이터에 이송된다. 재순환물로서 사용되지 않는 제2 벌크 메타네이터로부터 인출된 스트림의 일부는 트림 메타네이터에 이송된다. 대안적 방법에 있어서, 2개보다 많은 벌크 메타네이터가 구성되고, 원료 공급물은 존재하는 모든 벌크 메타네이터들 사이에 분할 된다. 이어서, 재순환물은 최종 벌크 메타네이터 이후로부터 인출된다.
메탄화 유닛 내에서 시프트 반응을 수행하는 것은 별도의 시프트 섹션에 대한 필요성을 배제한다. 그러나, 메탄화 유닛을 통한 유량이 훨씬 더 많고, 반응을 전혀 거치지 않고 공급물로부터 생성물로 통과하는 이산화탄소의 양이 많기 있기 때문에, 필요한 촉매의 양이 증가되고, 압축기를 제외한 모든 설비 품목의 크기도 증대된다. 이것은 벌크 시스템으로부터 열을 제거하기 위한 커다란 서멀 매스를 이산화탄소가 제공하기 때문이고, 따라서 대규모 재순환이 필요하지 않다.
또 다른 방법이 특허문헌 US 4298694에 기재되어 있다. 이 방법에서는, 압축기 재순환 파워를 감소시킴으로써 SNG 플랜트의 가동비를 절감하기 위해 이중 촉매가 사용된다. 이것은 벌크 메타네이터로의 입구의 온도를 저하시킴으로써 달성되고, 동일한 벌크 메타네이터 출구 온도에 있어서, 베드를 가로질러 더 큰 온도 상승이 가능해진다. 이것은 베드 온도의 상승을 위해 더 많은 반응열이 사용될 수 있음을 의미한다. 이로써 반응을 통해 방출된 열을 흡수하기 위해 필요한 가스의 서멀 매스가 감소되고, 따라서 재순환 유량이 감소된다.
특허문헌 US 4298694에서 사용되는 니켈계 메탄화 촉매는 약 320℃ 미만에서는 안정적으로 작용하지 못한다. 따라서, 메타네이터로의 입구 온도를 저하시키기 위해, 구리, 아연 및 크롬 중 2종 이상을 포함하는 시프트 촉매가 메탄화 촉매 상부에 설치된다. 이것은 낮은 온도에서 공급 가스의 부분적 시프트를 수행한다. 메탄화 촉매에 대한 공급물을 예열하고, 고온 메탄화 촉매에 의해 수행되는 시프팅의 양을 감소시키기 위해 발열성 시프트 반응이 사용된다. 반응기의 총 의무량은 시프트 촉매의 존재 유무에 관계없이 유사하다. 그러나, 시프트 촉매가 존재하면 반응기로의 온도가 더 낮아질 수 있다.
이와 같이, 메탄화 촉매의 상부에 시프트 촉매를 로딩하는 것은 재순환 유량의 감소에 상당한 영향을 미치며, 궁극적으로는 조합된 촉매 베드를 가로질러 허용가능한 온도가 상승함에 따라 재순환 압축기의 파워 수요는 더 높아진다.
초기 가동시 이 방법은 다양한 이점을 제공하지만, 메탄화 촉매는 약 500℃ 내지 약 800℃의 높은 온도에서 정상적으로 작동하는 반면, 시프트 촉매는 약 250℃ 내지 약 350℃의 낮은 온도에서 작동한다. 따라서, 메탄화 촉매가 작동하는 평형 온도와 같은 높은 온도에서, 시프트 촉매는 실활될 수 있다. 시프트 촉매가 실활되면, 입구 온도를 올리거나 시프트 촉매를 교체해야 한다. 시프트 촉매의 활성 상실로 인해 입구 온도를 올리는 것은 시프트 촉매를 혼입하는 이점을 무산시키는 것이며, 실활되었을 때, 촉매의 교체는 비용이 드는 플랜트의 가동 중지 및 시프트 촉매의 교체를 필요로 한다.
또 다른 방법이 특허문헌 US 2009/0247653에 기술되어 있다. 이 특허는 낮은 온도와 수분 함량의 감소가 메탄화에 유리하다고 설명한다. 이 특허에서 제안된 2개의 벌크 메타네이터를 가지는 구성은 스트림 중 수분의 일부를 응축시키기 위해 제2 벌크 메타네이터의 출구에서 가스 스트림의 온도를 낮추게 되어 있다. 이어서, 부분적으로 건조된 가스 스트림은, 압축되어 제1 벌크 메타네이터의 입구로 다시 재순환되는 재순환 스트림과 트림 메타네이터 섹션으로 이송되는 스트림으로 분할된다.
이 방법의 이점은, 트림 메타네이터의 수를 감소시키는 것이 필연적으로 플랜트 투자비를 감소시키기 때문에, 필요한 생성물 규격을 달성하는 데 필요한 트림 메타네이터의 수의 감소에 있다고 한다. 또한, 상대적으로 낮은 재순환 압축기 입구 온도 및 낮은 수분 함량으로 인한 낮은 재순환율로 인해 파워 수요가 약간 절감될 수도 있다.
그러나, 벌크 메탄화 섹션에서의 촉매 상의 탄소 레이다운(laydown)을 방지하기 위해, 벌크 메타네이터에서 배출되는 스트림 중 수분 함량이 최소화되어야 할 필요가 있다. 재순환 압축기 내로 온도를 저하시키면 재순환 스트림 중 수분 함량이 감소되고, 따라서 벌크 메타네이터에서 배출되는 가스의 조성은 탄소 형성 영역 내이다.
촉매 상의 탄소 레이다운을 방지하기 위해, 벌크 메타네이터의 상류에서 스팀이 재순환 스트림에 첨가된다. 요구되는 많은 양의 스팀 첨가는, 플랜트로부터의 스팀 배출에 대해 영향을 주고, 이는 경제면에 상당한 영향을 미친다. 또한, 물을 응축시키고, 이어서 스트림을 재가열하고 물을 첨가하기 위해 벌크 메타네이터에서 배출되는 스트림의 온도를 낮추는 것은 열적으로 비효율적이다.
또 다른 제안은 특허문헌 US 2009/0264542에 제시되어 있다. 이 문헌에 기재된 방법의 목적은 재순환 압축기에 필요한 파워를 감소시킴으로써 보다 비용 효율적인 방법을 제공하는 것이다. 이것은 탄소 산화물 농후 공급물을 일련의 벌크 메타네이터로 분할하고, 제1 벌크 메타네이터의 출구로부터 배출된 생성물 가스를 제1 벌크 메타네이터의 입구로 재순환시킴으로써 달성된다. 벌크 메타네이터의 수를 증가시키면 필요한 재순환율이 감소되고, 재순환을 단일 메타네이터 주위에만 유지시키면 압력차가 감소된다. 조합된 효과는 재순환 압축기의 파워를 감소시킬 것이다. 압축기 파워는 감소되지만, 이것은 고가의 내화물 라이닝된 메탄화 반응기 및 그와 관련된 열 교환기의 수의 증가를 필요로 하기 때문에 플랜트의 투자비를 수반한다.
따라서, 1970년대 이래 기본적 기술은 실질적으로 변화되지 않은 상태로 남아 있는 것을 알 수 있다. 기술은 충분히 이해되어 있고, 최근에 나타난 개선에 대한 주된 제안은 투자비와 가동비의 양 측면에서 공정의 경제성을 향상시키는 데 집중되었다. 투자비 절감은 얻고자 하는 생성물의 제조에 필요한 메타네이터의 수와 촉매량을 감소시킴으로써 달성된다. 가동비 절감은 재순환 압축기의 파워 수요의 감소와 열 회수의 증가에 의해 달성된다. 열 회수의 향상은 플랜트로부터 배출되는 스팀을 증가시키고, 따라서 플랜트의 경제성을 향상시킨다.
몇몇 제안은 성공적으로 플랜트의 가동비를 감소시키지만, 이것은 실질적으로 플랜트의 투자비의 증가를 수반한다. 그밖의 제안은 투자비를 감소시켰지만, 가동비의 증가를 수반했다.
따라서, 필요한 촉매의 양 및 반응기의 수를 그다지 증가시키지 않고, 특히 재순환 압축기 크기와 파워 측면에서 가동비를 감소시키며, 또한 바람직하게는 낮은 투자비를 가지는 방법이 요구된다.
제1 및/또는 제2 및/또는 후속 벌크 메타네이터로의 공급물이 트림 및/또는 재순환 메타네이터에서 반응을 거친 재순환 가스에 의해 냉각된다면, 향상된 방법이 제공될 수 있는 것으로 밝혀졌다.
본 발명에 따르면,
제1 및/또는 제2 및/또는 후속 벌크 메타네이터에 공급 가스를 제공하는 단계;
적합한 촉매의 존재 하에서 상기 공급 가스를 메탄화시키는 단계;
상기 제1 벌크 메타네이터로부터 적어도 부분적으로 반응한 스트림을 제거하고, 그것을 상기 제2 및/또는 후속 벌크 메타네이터에 공급하여 추가로 메탄화시키는 단계;
최종적 벌크 메타네이터로부터 트림 메타네이터 트레인으로 생성물 스트림을 통과시켜 추가로 메탄화시키는 단계;
상기 제1, 제2, 또는 후속 벌크 메타네이터의 하류에서 재순환 스트림을 제거하고, 임의의 순서로 상기 재순환 스트림을 압축기에 통과시켜 냉각시키고, 이어서 상기 제1 및/또는 제2 및/또는 후속 메타네이터로의 재순환 이전에 추가로 메탄화하기 위해 트림 및/또는 재순환 메타네이터에 공급하는 단계
를 포함하는, 대체 천연 가스의 제조 방법이 제공된다.
상기 재순환물은 일반적으로 공급 라인으로의 도입을 통해 제1 및/또는 제2 및/또는 후속 벌크 메타네이터에 첨가된다. 그러나, 재순환물은 별개의 공급 라인으로 벌크 메타네이터에 직접 첨가될 수도 있다.
본 발명의 제1 구현예에 있어서, 상기 방법은 하기 단계를 포함한다:
제1 및 제2 벌크 메타네이터에 공급 가스를 제공하는 단계;
적합한 촉매의 존재 하에서 상기 공급 가스를 메탄화시키는 단계;
상기 제1 벌크 메타네이터로부터 적어도 부분적으로 반응한 스트림을 제거하고, 그것을 상기 제2 벌크 메타네이터에 공급하여 추가로 메탄화시키는 단계;
상기 제2 벌크 메타네이터로부터 가스 스트림을 제거하고, 상기 스트림을 냉각시키는 단계;
상기 냉각된 가스 스트림을 분할하고, 그 일부를 추가적 메탄화가 일어나는 트림 메타네이터 트레인에 공급하고, 일부는 재순환 스트림에 공급하는 단계;
상기 재순환 스트림을 압축기에 이송하는 단계;
상기 압축된 스트림을 상기 압축기로부터 상기 제1 및 제2 벌크 메타네이터보다 낮은 출구 온도에서 가동되는 재순환 메타네이터에 이송하고, 상기 압축된 스트림을 추가로 메탄화시키는 단계; 및
상기 스트림을 상기 재순환 메타네이터로부터 상기 제1 및/또는 제2 벌크 메타네이터로 재순환시키는 단계.
상기 제1 구현예의 방법은 재순환 압축기의 파워 수요를 감소시킨다. 어떠한 이론에도 얽매이고 싶지 않지만, 재순환 압축기의 파워를 제어하는 2개의 주된 인자가 있다. 그것은 재순환 유량과 재순환 압축기를 가로지르는 압력차이다. 이러한 제1 구현예의 방법은 재순환 스트림을 더욱 메탄화하고, 그럼으로써 스트림의 메탄 함량을 증가시키고, 스트림의 일산화탄소 함량을 감소시킴으로써 재순환 유량을 감소시킨다. 재순환 메타네이터에서 수행되는 메탄화의 양은 벌크 메타네이터의 의무량으로부터 제거될 수 있다.
트림 메타네이터 트레인은 하나 이상의 트림 메타네이터를 포함할 수 있다. 하나 이상의 트림 메타네이터가 존재할 경우, 그것들은 일반적으로 직렬로 위치할 것이다. 하나 이상의 트림 메타네이터가 사용될 경우, 그것들은 동일한 온도에서 가동될 수 있고, 또는 제1 트림 메타네이터보다 제2 및 임의의 후속 트림 메타네이터(들)에서 온도가 낮을 수 있다. 복수 개의 트림 메타네이터가 있는 경우에, 온도는 앞선 메타네이터에 비해 각각의 후속 트림 메타네이터에서 저하될 수 있다.
이 구현예의 한 가지 구성에 있어서, 제2 재순환 스트림은 트림 메타네이터 또는 제1 트림 메타네이터, 또는 후속 메타네이터에서 배출되는 스트림으로부터 제거될 수 있고, 상기 트림 재순환 스트림은 압축기에 제공되기 전에, 제2 및/또는 후속 벌크 메타네이터로부터 배출된 재순환 스트림과 합쳐질 수 있다. 이와는 다른 구성에 있어서, 재순환 스트림은 트림 메타네이터 트레인 내 다른 트림 메타네이터로부터 인출되거나, 제1 트림 메타네이터 이외의 트림 메타네이터로부터 인출될 수 있다.
제1 벌크 메타네이터 및 제2 및/또는 후속 벌크 메타네이터에 공급되는 공급 가스의 일부는 동일하거나 상이할 수 있다. 2개의 벌크 메타네이터를 포함하는 하나의 구성에 있어서, 약 40%의 새로운 공급 가스가 제1 벌크 메타네이터에 공급되고, 나머지는 제2 벌크 메타네이터에 공급된다. 그러나, 메타네이터들간의 공급물의 분할은 벌크 메타네이터의 수, 가동 조건 및 공급물 조성에 의존할 것임을 이해할 것이다.
제1 및 제2 벌크 메타네이터는 임의의 적합한 반응 조건에서 가동될 것이다. 적합한 반응 온도는 약 250℃ 내지 약 700℃를 포함한다.
제1 트림 메타네이터는 벌크 메타네이터보다 낮은 온도에서 가동될 수 있다.
재순환 메타네이터는 벌크 메타네이터보다 낮은 온도에서 가동될 수 있다. 적합한 반응 온도는 약 220℃ 내지 약 550℃를 포함한다.
일반적으로, 재순환 및 트림 메타네이터의 출구 온도는 공급물을 재순환 또는 트림 메타네이터에 제공하는 상류 메타네이터의 출구 온도보다 낮을 것이다.
재순환 메타네이터가 벌크 메타네이터보다 낮은 출구 온도에서 가동하기 때문에, 이것은 재순환 스트림 중의 잔류 일산화탄소와 수소의 많은 비율을 메탄으로 변환시킨다. 재순환 메타네이터에 의해 수행되는 반응 의무량은 벌크 메탄화 섹션으로부터 의무량을 감소시킨다. 벌크 메탄화 의무량이 낮을수록 요구되는 재순환 유량이 감소된다.
재순환 메타네이터가 별도의 메타네이터로서 설명되었지만, 재순환 메타네이터는 재순환물이 첨가되어야 하는 경우에, 제1 벌크 메타네이터, 및/또는 제2 및/또는 후속 벌크 메타네이터를 수용하는 용기 내 하나의 스테이지로서 위치할 수 있는 것으로 이해될 것이다. 이러한 구성에 있어서, 공급물은 재순환 메탄화가 일어나는 반응기의 부위와 벌크 메타네이터 사이에 첨가될 것이다. 상기 방법은 공급물 입구의 위치가 촉매가 실활됨에 따라 변동되도록 구성될 수 있다. 하나의 구성에 있어서, 유동 방향은 재순환 메타네이터였던 촉매 베드가 벌크 메타네이터가 되고, 벌크 메타네이터였던 촉매 베드가 재순환 메타네이터가 되도록 반전될 수 있다.
재순환 메타네이터를 재순환 루프 내에 설치하면, 2개의 벌크 메탄화 스테이지가 사용되고, 재순환물이 제2 스테이지의 출구로부터 인출되어 제1 스테이지의 상류로 반송되는, 특허문헌 US 4133825에 기재된 것과 같은 종래의 방법에 비해 재순환 압축기 파워 소비를 4∼5% 만큼 감소시킬 수 있다.
종래 기술의 방법에 있어서, 용기 선적 제한으로 인해 2개의 병렬 벌크 메타네이터로 된 세트 2개가 사용될 수 있다. 본 발명의 방법은 플랜트가 요구하는 메타네이터의 수를 감소시킬 수 있고, 루프 내 장치의 크기를 감소시킬 수 있어서, 전체적 투자비의 감소를 가져온다. 벌크 메타네이터 크기 및/또는 루프 배관은 종종 전체적 컴플렉스에 대해 요구되는 트레인의 수를 결정하는 인자(들)이다. 재순환 메타네이터를 내포시키면 루프 처리량(throughput)이 감소되고, 그에 대응하여 벌크 메타네이터와 루프 배관 크기가 감소된다. 재순환 메타네이터는 전체적 컴플렉스에 있어서 요구되는 트레인의 수를 감소시키는 잠재력을 가지며, 이것은 전체적 투자비의 더욱 현저한 감소를 가져올 것이다.
재순환 메타네이터, 그와 관련된 열교환기 및 라인의 부가는 재순환 루프의 압력 강하를 증가시키는 것으로 확인된다. 그러나, 압력비의 증가는 크지 않으며, 재순환 유량의 절감과 비교할 때 재순환 압축기 파워의 감소를 가져온다.
제2 구현예에 있어서, 본 발명의 방법은 하기 단계를 포함한다:
공급 가스를 제1 및 제2 벌크 메타네이터에 제공하는 단계;
적합한 촉매의 존재 하에서 상기 공급 가스를 메탄화시키는 단계;
상기 제1 벌크 메타네이터로부터 적어도 부분적으로 반응한 스트림을 제거하고, 그것을 상기 제2 벌크 메타네이터에 공급하여 추가로 메탄화시키는 단계;
상기 제2 벌크 메타네이터로부터 가스 스트림을 제거하여 냉각시키는 단계;
상기 냉각된 가스 스트림을 추가적 메탄화가 일어나는 트림 메타네이터에 공급하는 단계, 여기서 상기 트림 메타네이터는 상기 벌크 메타네이터보다 낮은 출구 온도에서 가동됨;
상기 트림 메타네이터로부터 배출된 생성물 스트림을 분할하여, 그 일부를 후속 트림 메타네이터의 트레인에 이송하고, 일부는 재순환 스트림에 이송하는 단계;
상기 재순환 스트림을 압축기에 이송하는 단계; 및
상기 스트림을 상기 제1 및/또는 제2 벌크 메타네이터에 재순환시키는 단계.
이것은 상기 제1 구현예의 변형이다. 여기서도, 상기 방법은 재순환 압축기의 파워 수요를 감소시킨다. 이 구성에 있어서, 재순환 유량은 트림 메타네이터의 상류가 아닌 트림 메타네이터의 하류에서 재순환물을 제거함으로써 감소된다. 트림 메타네이터에서 배출되는 스트림은 추가로 메탄화되었으며, 그 결과 스트림 내 메탄의 함량이 증가되었고, 스트림의 일산화탄소 함량이 감소되었다.
트림 메타네이터는 직렬 상태의 하나 이상의 트림 메타네이터일 수 있다. 1개보다 많은 트림 메타네이터가 존재할 경우, 재순환 스트림은 임의의 트림 메타네이터 후에 취해질 수 있다. 후속 트림 메타네이터의 트레인은 하나 이상의 트림 메타네이터를 포함할 수 있다. 이것들은 일반적으로 직렬로 배치될 것이다. 후속 트림 메타네이터(들) 내의 온도는 제1 트림 메타네이터(들) 내의 온도보다 낮을 수 있다. 복수 개의 트림 메타네이터가 있는 경우, 각각의 메타네이터는 그 앞의 것보다 낮은 온도에서 가동될 수 있다.
이러한 제2 구현예에 있어서, 전체적 벌크 메탄화 의무량은, 재순환 스트림이 인출되는 트림 메타네이터에서 그 일부가 수행되었기 때문에 감소된다. 따라서 이것은 특허문헌 US 4133825에 기재된 것과 같은 종래의 방법보다 낮은 재순환 유량을 필요로 한다. 이 방법은 또한, 재순환 루프에 부가되는, 더 적은 수의 설비를 필요로 할 수 있으며, 이는 동일한 유량에 대한 상기 제1 구현예와 비교할 때, 압축기를 가로질러 더 낮아진 압력차를 초래한다.
본 발명의 이 구현예가 가지는 또 다른 이점은 메탄화가 압축기의 상류에서 수행되기 때문에, 가스의 몰수와 그에 따라 압축기를 통과하는 체적 유량이 크게 감소된다는 사실이다. 따라서, 압축기의 크기를 좌우하는 파워와 흡입 체적이 종래의 방법 및 상기 제1 바람직한 구현예에서 요구되는 것보다 적다. 촉매 체적은 일반적으로 종래의 시스템에 비해 변화없이 유지될 것이다. 가동비는 감소되지만 투자비의 증가를 수반하지는 않을 것이다.
제1 트림 메타네이터의 하류로부터 재순환 스트림을 취하는 것은, 2개의 벌크 메탄화 스테이지로 가동되고, 재순환은 제2 스테이지의 출구로부터 인출되어 제1 스테이지의 상류로 반송되는 특허문헌 US 4133825에 기재된 것과 같은 종래 기술의 방법에 비해, 21∼22% 만큼 재순환 압축기 파워 소비량을 감소시킨다. 이것은 압축기의 흡입측에서 체적 유량을 크게 감소시킴으로써 달성된다. 벌크 메타네이터 의무량의 감소는 종래 기술의 방법에 비해 요구되는 메타네이터의 수를 감소시킬 수 있다.
이 구현예의 하나의 구성에 있어서, 제2 재순환 스트림은 제2 벌크 메타네이터와 트림 메타네이터 사이에서 취해질 수 있다.
선택적으로는, 재순환 메타네이터는 압축기와, 제1 및/또는 제2 및/또는 후속 벌크 메타네이터의 도입부(introduction) 사이에서 재순환 스트림에 결합될 수 있다. 본 발명의 제1 구현예와 관련하여 앞에서 설명한 바와 같이, 재순환 메타네이터는 제1 벌크 메타네이터와 동일한 용기 내의 존(zone)으로서, 또는 재순환 스트림이 도입되는 임의의 벌크 메타네이터의 존으로서 위치할 수 있다.
재순환 스트림이 압축기로 이송되기 전에 트림 메타네이터에서 재순환 스트림을 메탄화함으로써, 벌크 메탄화에 필요한 히트 싱크(heat sink)를 달성하기 위해 압축기가 압축해야 하는 몰수가 감소되고, 그에 따라 파워 소비가 감소된다.
재순환 메타네이터가 재순환 루프에 존재하는 경우, 하나보다 많은 재순환 메타네이터가 존재할 수 있다.
제3 구현예에 있어서, 본 발명의 방법은 하기 단계를 포함한다:
공급 가스를 제1 및 제2 벌크 메타네이터에 제공하는 단계;
적합한 촉매의 존재 하에서 상기 공급 가스를 메탄화시키는 단계;
상기 제1 벌크 메타네이터로부터 적어도 부분적으로 반응한 스트림을 제거하고, 그것을 상기 제2 벌크 메타네이터에 공급하여 추가로 메탄화시키는 단계;
상기 제2 벌크 메타네이터로부터 가스 스트림을 제거하여 냉각시키는 단계;
상기 냉각된 스트림의 적어도 일부를 압축기에 이송하는 단계;
상기 압축된 스트림을 추가적 메탄화가 일어나는 재순환 메타네이터에 공급하는 단계;
상기 재순환 메타네이터로부터 배출된 생성물 스트림을 분할하고, 그 일부를 트림 메타네이터 트레인에 이송하여 추가로 메탄화시키는 단계; 및
상기 생성물 스트림의 잔량을 상기 제1 및/또는 제2 벌크 메타네이터에 재순환시키는 단계.
이 구성은 앞에 기재된 제1 구현예의 변형이다. 이 구성에 있어서, 재순환 압축기의 파워 수요가 감소되지 않지만, 흐름도 상의 전체 장치의 카운트를 감소시킬 수 있고, 따라서 전체 투자비를 감소시킬 수 있다. 이 구현예에 있어서, 재순환 메타네이터에서 배출되는 스트림은 압축되었을 뿐 아니라, 제1 구현예와 관련하여 앞에서 설명된 추가적 메탄화가 이루어졌다.
이 제3 구현예는, 메탄화된 가스를 가압하는 데 필요한 추가의 압축기 또는 추가의 메탄화 스테이지와 같은 비용이 드는 장치 품목을 부가하지 않고 메탄화 유닛의 효과적인 전체 압력 강하를 감소시키는 데 이용될 수 있다. 이러한 구현예의 구성은 또한 트림 메탄화 섹션을 위한 가동의 증가된 압력의 이점을 이용하는데, 이것은 평형을 동일한 온도 조건에서 더 많은 메탄을 생성하는 방향으로 유도할 것이다.
상기 방법에 있어서, 제1 벌크 메타네이터, 제2 벌크 메타네이터에 공급되는 공급 가스의 부분은 동일하거나 상이할 수 있다. 2개의 벌크 메타네이터를 포함하는 하나의 구성에 있어서, 새로운 공급 가스의 약 40%가 제1 벌크 메타네이터에 공급되고, 나머지는 제2 벌크 메타네이터에 공급된다. 그러나, 메타네이터들간의 공급물의 분할은 벌크 메타네이터의 수, 가동 조건 및 공급물 조성에 의존한다는 것이 이해될 것이다.
상기 제1 또는 제2 구현예와 관련하여 기재된 특징들은 이 구현예와 적절하게 조합될 수 있다.
상기 방법들은 2개의 벌크 메타네이터가 있는 것을 참조하여 설명되었지만, 특정 상황에 있어서는, 2개보다 많은 벌크 메타네이터를 사용하는 것이 적절할 수 있다. 이 구성에 있어서, 재순환은 일반적으로 마지막 벌크 메타네이터의 하류에서 취해질 것이고, 반응기와 압축기를 임의의 순서로 통과한 재순환 스트림은 적절히 하나 이상의 벌크 메타네이터로 재순환될 것이다.
벌크 메타네이터로의 공급물은 화학양론적일 수도 있고, 비-화학양론적일 수도 있다.
본 발명의 임의의 구현예에 있어서, 재순환 스트림으로부터 물이 제거될 수 있다. 물이 제거될 경우, 물은 일반적으로 재순환 스트림이 압축기에 이송되기 전에 제거된다. 일반적으로 물의 제거는 오로지 몇몇 공급물 조성과 가동 조건에 따라 필요할 것이다.
본 발명의 바람직한 구현예의 하나의 구성에 있어서, 제1 벌크 메타네이터로부터 제2 벌크 메타네이터로의 공급물은 상부에서 벌크 메탄화가 일어나고 공급물이 용기에 첨가되는 지점 상부에 있는 촉매 베드 위에 위치한 촉매 베드를 통과시킬 수 있다. 그러면 제1 벌크 메타네이터로부터 통과하는 스트림은 새로운 공급물과 혼합되어 벌크 메탄화되기 전에 트림 메탄화될 것이다.
시프트 반응은 일반적으로 공급물이 벌크 메타네이터에 공급되기 전에 수행되지만, 다른 구성에 있어서 시프트 반응은 벌크 메타네이터에서 수행될 수 있다.
본 발명의 모든 바람직한 구현예는 재순환 압축기의 파워를 감소시킴으로써 플랜트의 전체적 가동비를 감소시킨다.
본 발명의 방법에 따르면, 더 많은 촉매를 벌크 메타네이터로부터 트림 메타네이터로 이동시킬 수 있는데, 이것은 트림 메타네이터에서 중독(poisoning)에 의한 실활이 감소되고, 더 낮은 온도로 인해 소결 위험성이 감소되기 때문에 일반적으로 촉매 수명이 더 길어지므로 유리하다.
본 발명의 어떠한 구현예가 사용되건 간에, 촉매 상에 탄소의 레이다운을 방지하기 위해 벌크 메탄화 스테이지의 상류의 재순환 흐름에 소량의 스팀을 첨가하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 이러한 유량은 존재하더라도, 벌크 메타네이터에서의 전체적 스팀 생성량에 비교할 때 소량이고, 전형적으로는 생성되는 총 스팀의 5% 미만이다.
하나의 구성에 있어서, 스팀은 벌크 메타네이터의 상류에 설치된 공급물 포화장치(saturator)를 통해 시스템 스트림에 도입될 수 있다. 이렇게 해서, 스팀은 직접적인 스팀 첨가를 이용하지 않고 첨가될 수 있다.
본 발명의 제1 및/또는 제2 및/또는 후속 벌크 메타네이터로의 새로운 공급물은 메탄화 반응에 관해 화학양론적일 수도 있고, 비-화학양론적일 수도 있다.
첨부 도면을 참조하여 실시예의 형태로 본 발명을 설명하기로 한다.
본 발명에 의하면, 합성 가스로부터 대체 천연 가스(SNG)로서 사용하기에 적합한 연료 가스를 제조하는 방법으로서, 압축기의 크기와 파워 측면의 가동비가 감소되고 투자비가 절감된 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 제1 구현예의 블록 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 제2 구현예의 블록 흐름도이다.
도 3은 재순환 메타네이터가 제1 벌크 메타네이터와 동일한 용기에 조합되어 있는 구성의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제4 구현예의 블록 흐름도이다.
당업자는 상기 도면이 도식적인 것이며, 상업적 플랜트에서는 공급원료 드럼, 펌프, 진공 펌프, 압축기, 가스 재순환 압축기, 온도 센서, 압력 센서, 압력 방출 밸브, 컨트롤 밸브, 유량 제어기, 레벨 제어기, 홀딩 탱크, 저장 탱크, 등과 같은 추가적 장치 품목이 필요할 수 있음을 이해할 것이다. 그러한 부수적인 장치의 제공은 본 발명의 부분을 형성하는 것은 아니며, 통상적 화학공학적 관례에 따른다.
본 발명의 일 구현예가 도 1에 예시되어 있다. 일산화탄소가 농후한 탈황된 공급 가스는 라인(1)을 통해 2개의 벌크 메타네이터, 즉 제1 벌크 메타네이터(2)와 제2 벌크 메타네이터(3)로 구성된 벌크 메타네이터 섹션에 공급된다. 이렇게 해서 공급물은 분할되어 그 일부가 라인(1a)을 통해 제1 벌크 메타네이터(2)에 공급되고, 일부는 라인(1b)을 통해 제2 벌크 메타네이터(3)에 공급된다. 제1 벌크 메타네이터(2)로부터 배출된 생성물 스트림은 라인(4)을 통해 제2 벌크 메타네이터(3)로 이송된다. 그것은 제2 벌크 메타네이터(3)에 첨가되기 전에 일반적으로 열교환기(5)에서 냉각된다.
제2 벌크 메타네이터(3)로부터 배출된 생성물 스트림은 라인(6)을 통해 열교환기(7)로 이송되고, 거기에서 냉각된다. 열교환기로부터 배출된 스트림의 일부는 라인(8)을 통해 제1 트림 메타네이터(9)에 이송된다. 열교환기(7)로부터 배출된 스트림의 잔량은 라인(10)을 통해 열교환기(11)를 거치고 라인(12)을 통해 압축기(13)로 이송된다. 열교환기(11)에서, 재순환 스트림은 압축기(13)에서 압축되기 전에 냉각된다.
압축기로부터 배출된 가스는 라인(14)을 통해 열교환기(15)를 지나고, 여기에서 재순환 메탄화 가동 온도로 가열되고, 라인(16)을 통해 재순환 메타네이터(17)로 이송되고 거기에서 추가적 메탄화 반응이 수행된다. 재순환 메타네이터로부터 배출된 가스는 재순환 메타네이터로부터 제거되어 라인(18)을 통해 열교환기(19)를 통과하고, 라인(20)을 통해 제1 메타네이터(2)로 반송된다. 일반적으로 제1 메타네이터(2)로의 이러한 반송은 공급 라인(1a)을 통하여 이루어진다.
트림 메타네이터(9)로부터 배출된 생성물은 라인(21)을 통해 제거되어, 열교환기(22)를 통과하고 거기에서 냉각된다. 이어서, 라인(23)을 통해 하나 이상의 후속 트림 메타네이터(24)로 이송된다. 생성물은 라인(25)을 통해 인출되어, 건조기(26)에서 냉각되고 건조된다. 이어서, SNG는 라인(27)을 통해 인출된다.
하나의 특정 실시예에서, 벌크 메타네이터는 거기로 공급되는 공급물이 약 320℃가 되도록 가동될 수 있다. 반응 및 이어지는 열교환 후에, 제1 트림 메타네이터(9)로의 공급물은 약 280℃가 된다. 재순환 메타네이터(17)로의 공급물도 약 280℃가 될 것이다. 후속 트림 메타네이터(24)로의 공급물은 일반적으로 약 250℃이다.
도 1에 예시된 흐름도에 있어서, 제1 트림 메타네이터(9)로부터 제거된 스트림의 일부는 라인(28)을 통해 압축기(13)에 공급되는 재순환 스트림에 첨가될 수 있고, 따라서 재순환 메타네이터(17)에 첨가될 수 있다.
공급물 조성과 가동 조건에 따라서, 물을 제거하는 것이 필요하거나 바람직할 수 있다. 이것은 압축기 이전에 라인(29)에서 간편하게 실행될 수 있다.
스침은 라인(30)을 통해 첨가될 수 있다. 이것은 오로지 몇몇 공급물 조성과 가동 조건에 있어서 요구될 것이다.
본 발명의 제2 구현예가 도 2에 예시되어 있다. 일산화탄소가 농후한 탈황된 공급 가스는 라인(31)을 통해 2개의 벌크 메타네이터, 즉 제1 벌크 메타네이터(32)와 제2 벌크 메타네이터(33)로 구성된 벌크 메타네이터 섹션에 공급된다. 이렇게 해서 공급물은 분할되어 그 일부가 라인(31a)을 통해 제1 벌크 메타네이터(32)에 공급되고, 일부는 라인(31b)을 통해 제2 벌크 메타네이터(33)에 공급된다. 제1 벌크 메타네이터(32)로부터 배출된 생성물 스트림은 라인(34)을 통해 제2 벌크 메타네이터(33)로 이송된다. 그것은 제2 벌크 메타네이터(33)에 첨가되기 전에 일반적으로 열교환기(35)에서 냉각된다.
제2 벌크 메타네이터(33)로부터 배출된 생성물 스트림은 라인(36)을 통해 열교환기(37)에 이송되고 거기에서 냉각된다. 열교환기(37)로부터 배출된 스트림은 라인(38)을 통해 제1 트림 메타네이터(39)에 이송된다. 트림 메타네이터(39)에서 메탄화된 다음, 상기 스트림은 라인(40)을 통해 제거되어, 그 일부는 라인(41)을 통해 열교환기(42)를 거쳐, 라인(43)을 통해 압축기(44)에 유입된다. 열교환기(42)에서, 벌크 메탄화 섹션에서 탄소에 대한 스팀의 요구되는 비를 얻기 위해 재순환 스트림은 냉각된다. 트림 메타네이터(39)로부터 인출된 스트림이 추가로 메탄화되고 더 낮은 온도에 있기 때문에, 상기 스트림은 제2 벌크 메타네이터(33)에서 배출되는 가스보다 더 낮은 일산화탄소와 수소 함량과 더 높은 메탄 함량을 가진다.
압축기로부터 배출된 가스는 라인(45)을 통해 열교환기(46)에 유입되어 가열되고, 라인(47)을 통해 벌크 메타네이터(32)에 이송된다. 일반적으로 이러한 제1 메타네이터(32)로의 반송은 공급 라인(31a)을 통해서 이루어진다.
트림 메타네이터(39)로부터 배출된 스트림 중 압축기(44)로 이송되지 않은 부분은 라인(48)을 통해 제거되어 열교환기(49)를 통과하면서 냉각된다. 그것은 이어서 라인(50)을 통해 하나 이상의 후속 트림 메타네이터(51)에 이송된다. 생성물은 라인(52)을 통해 인출된 다음 (53)에서 냉각되고 건조된다. 이어서, SNG는 라인(54)을 통해 인출된다.
하나의 특정한 실시예에 있어서, 벌크 메타네이터는 거기에 공급되는 공급물이 약 320℃가 되도록 가동될 수 있다. 반응 및 후속 열교환이 이루어진 후, 제1 트림 메타네이터(39)로의 공급물은 약 280℃가 될 것이다. 후속 트림 메타네이터(51)로의 공급물은 일반적으로 약 250℃가 될 것이다.
도 2에 예시된 흐름도에서, 열교환기(37)로부터 제거된 스트림의 일부는 인출되고 제1 트림 메타네이터(39)를 우회하여 라인(55)을 통해 압축기(44)에 공급되는 재순환 스트림에 첨가될 수 있고, 따라서 벌크 메타네이터(32)에 첨가될 수 있다.
공급물 조성과 가동 조건에 따라서, 물을 제거하는 것이 필요하거나 바람직할 수 있다. 이것은 압축기(44) 이전에 라인(56)을 통해 간편하게 이루어질 수 있다.
스팀은 라인(57)을 통해 첨가될 수 있다. 이것은 오로지 몇몇 공급물 조성과 가동 조건에 있어서 요구될 것이다.
선택적으로는, 재순환 메타네이터(58) 및 후속 열교환기(59)가 압축기(44) 후에 재순환 루프에 설치될 수 있다.
본 구현예의 하나의 특정한 실시예에 있어서, 벌크 메타네이터는 거기에 공급되는 공급물이 약 320℃가 되도록 가동될 수 있다. 반응 및 후속 열교환이 이루어진 후, 제1 트림 메타네이터(39)로의 공급물은 약 280℃가 될 것이다. 존재하는 재순환 메타네이터(58)로의 공급물도 약 280℃가 될 것이다. 후속 트림 메타네이터(51)로의 공급물은 일반적으로 약 250℃가 될 것이다.
선택적으로, 존재하는 재순환 메타네이터는 재순환 스트림이 첨가될 벌크 메타네이터와 동일한 용기 내에 조합될 수 있다. 이러한 구성이 도 3에 개략적으로 예시되어 있다. 도 3에 예시된 구성은 또한, 제2 벌크 메타네이터도 용기의 상측 부분에 위치한 냉각 가스의 메탄화를 위한 예비-반응기(pre-reactor)를 가질 가능성을 포함한다. 그러한, 이러한 두 가지 구성은 단독으로 또는 조합하여 사용될 수 있는 것으로 이해된다.
도 3에 예시된 바와 같이, 새로운 공급물이 라인(100)을 통해 공급된다. 이것은 분할되어 각각 라인(103, 104)을 통해 용기(101, 102)에 첨가된다. 용기(101)는 2개의 반응 존(105, 106)을 포함하고, 공급물은 이들 2개의 존 사이에 첨가된다. 흐름은 하방으로 이루어지기 때문에, 라인(103)을 통해 첨가된 공급물은 반응 존(106)을 통과하여 흐르고 거기에서 벌크 메탄화를 위해 요구되는 온도에서 메탄화 촉매와 접촉하게 된다.
압축기(도 3에는 도시되지 않음)로부터 배출된 재순환물은 라인(107)을 통해 용기(101)에 첨가된다. 그것은 재순환 메타네이터로서 작용하는 반응 존(105)을 통과하여 하방으로 흐르고, 메탄화가 진행된 다음 라인(103)을 통해 첨가되는 기체 상태의 공급물과 혼합된다.
벌크 메타네이터로부터 배출된 생성물은 라인(108)을 통해 인출되고, 열교환기(109)에 이송되어 냉각된 다음, 제2 벌크 메타네이터에 이송된다. 이것은 통상적 벌크 메타네이터이거나, 도 3에 예시된 용기(102)일 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 제1 벌크 메타네이터로부터 배출된 스트림은 라인(1100을 통해 용기의 상부에 첨가되고, 거기에서 촉매 베드(111)를 통과하여 메탄화가 진행된 다음, 라인(104)을 통해 첨가되는 새로운 공급물과 혼합되고, 이어서 촉매 베드(112)를 통과하면서 벌크 메탄화가 이루어진다. 이어서, 생성물은 라인(113)을 통해 인출된 다음, 본 발명에 따른 처리를 위해 이송된다.
본 발명의 또 다른 구성이 도 4에 예시되어 있다. 일산화탄소가 농후한 탈황된 공급 가스는 라인(201)을 통해 2개의 벌크 메타네이터, 즉 제1 벌크 메타네이터(202)와 제2 벌크 메타네이터(203)로 구성된 벌크 메타네이터 섹션에 공급된다. 이렇게 해서 공급물은 분할되어 그 일부가 라인(201a)을 통해 제1 벌크 메타네이터(202)에 공급되고, 일부는 라인(201b)을 통해 제2 벌크 메타네이터(203)에 공급된다. 이하에 설명하는 바와 같이, 이것은 제2 메타네이터(203)에 직접 공급되지 않고, 먼저 제1 메타네이터(201)로부터 배출된 생성물 스트림과 혼합된다.
제1 벌크 메타네이터(202)로부터 배출된 생성물 스트림은 라인(204)을 통해 열교환기(205)에 이송되어 냉각된다. 이어서, 이스트림은 라인(206)을 통해 제2 메타네이터(203)에 이송된다. 메타네이터에 첨가되기 전에, 상기 스트림은 라인(201b)에 첨가된 공급물과 혼합된다.
제2 메타네이터(203)로부터 배출된 생성물 스트림은 라인(207)을 통해 열교환기(208)에 이송되어 냉각된다. 열교환기로부터 배출된 스트림은 라인(209)을 통해 압축기(210)에 이송되어 압축된다. 압축기로부터 배출된 가스는 라인(211)을 통해 히터(212)에 이송되고, 거기에서 재순환 메탄화 가동 온도로 가열된 다음 라인(213)을 통해 재순환 메타네이터(214)에 이송되고, 거기에서 추가로 메탄화 반응이 진행된다.
재순환 메타네이터(214)로부터 배출된 생성물 스트림은 라인(215)을 통해 쿨러(cooler)(216)에 이송된다. 냉각된 스트림은 라인(217)을 통해 인출된 다음, 라인(218, 219)을 통해 분할된다. 라인(218)에 유입된 부분은 제1 메타네이터(202)로 재순환된다. 냉각된 스트림 중 라인(219)에 유입된 부분은 제1 트림 메타네이터(220)에 유입된다. 제1 트림 메타네이터(220)로부터 배출된 생성물은 라인(221)을 통해 쿨러(222)에 이송된다. 냉각된 스트림은 이어서, 라인(223)을 통해 제2 트림 메타네이터(224)에 이송된 다음, 라인(225)을 통해 건조기(226)에 이송된다. 이어서, 라인(227)을 통해 SNG가 배출된다.
이하에서 실시예를 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
비교예 A
'베이스 케이스(base case)' 흐름도는 재순환 루프에 포함되지 않은 트림 메타네이션의 2개의 스테이지를 수반하는 재순환 루프 내에 2개의 벌크 메타네이터를 가진다. 흐름도는 화학양론적 양에 근접한 공급물을 사용하고, 96% 메탄을 함유하는 생성물을 제조하도록 설계되어 있다. 표 1은 흐름도에 대한 주된 가동 파라미터를 종합하고, 이 케이스에 대한 재순환 흐름, 루프 압력 강하 및 예상되는 압축기 파워의 구체적 데이터를 제시한다.
벌크 메타네이터 입구 온도 ℃ 320
벌크 메타네이터(1) 입구 온도 Bara 29.85
트림 메타네이터(1) 입구 온도 ℃ 280
트림 메타네이터(2) 입구 온도 ℃ 250
재순환 루프 유량 kg/h 115,000
Am3/h 10,358
재순환 루프 압력 강하 Bar 3.58
흡수된 압축기 파워의 예측치 MW 1.34
최종 생성물 압력 Bara 23.2
최종 메탄 조성(건조) Mol% 96.0
실시예 A1
재순환 메타네이터가 재순환 압축기의 루프 하류에 부가되었다. 2개의 부가적 열교환기도 재순환 루프에 부가되어 있는데, 그 중 제1 열교환기는 재순환 메타네이터로의 공급물을 정확한 온도로 가열하기 위한 것이고, 제2 열교환기는 재순환 메타네이터 생성물을 냉각하기 위한 것이다. 여기서도, 흐름도는 96% 메탄올을 함유하는 생성물을 제조하도록 설계되어 있다. 표 2는 흐름도에 대한 주된 가동 파라미터를 종합하고, 이 케이스에 대한 재순환 흐름, 루프 압력 강하 및 예상되는 압축기 파워의 구체적 데이터를 제시한다.
벌크 메타네이터 입구 온도 ℃ 320
벌크 메타네이터(1) 입구 온도 Bara 29.85
재순환 메타네이터 입구 온도 ℃ 280
트림 메타네이터(1) 입구 온도 ℃ 280
트림 메타네이터(2) 입구 온도 ℃ 250
재순환 루프 유량 kg/h 85,000
Am3/h 7,552
재순환 루프 압력 강하 Bar 4.58
흡수된 압축기 파워의 예측치 MW 1.28
이 실시예는, 재순환 메타네이터 및 관련된 열교환기가 재순환 루프에 부가되었음에도 불구하고, 이 경우의 전체적 압축기 파워는 베이스 케이스 흐름도에 대한 것보다 약 5% 만큼 낮은 것을 나타낸다. 정상적으로는 벌크 메타네이터에서 일어날 메탄화 의무량의 일부가 재순환 메타네이터로 이전되었기 때문에, 벌크 메타네이터의 출구에서 온도를 제어하는 데 필요한 재순환율이 현저히 감소됨으로써, 압축기 파워의 향상을 가져온다.
실시예 A2
이 실시예에는, 부가적 메타네이터 또는 다른 장치 품목이 흐름도에 부가되어 있지 않지만, 재순환물이 제거되는 지점이 벌크 메타네이터(2)의 출구로부터 트림 메타네이터(1)의 출구로 이동되었다. 즉, 트림 메타네이터(1)는 재순환 루프에 포함되어 있다. 부가적 트림 메타네이트(트림 메타네이터(2))가 재순환 루프의 외부에 포함되어, 전체적으로 비교예의 경우와 동일한 수의 벌크 및 트림 메타네이터를 제공한다. 흐름도는 96% 메탄올을 함유하는 생성물을 제조하도록 설계되어 있다. 표 3은 흐름도에 대한 주된 가동 파라미터를 종합하고, 이 케이스에 대한 재순환 흐름, 루프 압력 강하 및 예상되는 압축기 파워의 구체적 데이터를 제시한다.
벌크 메타네이터 입구 온도 ℃ 320
벌크 메타네이터(1) 입구 온도 Bara 29.85
트림 메타네이터(1) 입구 온도 ℃ 280
트림 메타네이터(2) 입구 온도 ℃ 250
재순환 루프 유량 kg/h 86,813
Am3/h 7,346
재순환 루프 압력 강하 Bar 3.97
흡수된 압축기 파워의 예측치 MW 1.05
이 실시예는, 트림 메타네이터(1)가 재순환 루프에 부가되었음에도 불구하고, 이 경우의 전체적 압축기 파워는 베이스 케이스 흐름도에 대한 것보다 20% 이상 낮은 것을 나타낸다. 이 실시예는 또한 실시예 A1에 비해 유의적 개선을 나타낸다. 실시예 A1의 재순환 메타네이터 흐름도에서와 마찬가지로, 전체적 벌크 메탄화 의무량이 감소되었다(이번에는 그 일부가 트림 메타네이트(1)에서 수행되었다). 그래서, 벌크 메탄화 섹션이 비교예 A의 흐름도보다 낮은 재순환 유량을 필요로 한다. 또한, 실시예 A1의 설계에 대한 개선점으로서, 적은 수의 장치가 루프에 첨가되어 있는데, 이에 따라 재순환 압축기를 가로질러 압력차가 상대적으로 낮아진다. 이 구성의 또 다른 주된 이점은 트림 메타네이션(1)에서의 메탄화가 압축기의 상류에서 수행됨으로써, 가스의 몰수 및 그에 따라 압축기에 유입되는 체적 유량이 크게 감소된다(3H2 + CO → CH4 + H2O). 따라서, 이 설계에 있어서 파워 및 흡입 체적(압축기의 크기를 결정함)이 비교예 A 및 실시예 A1보다 낮다.
비교예 B
이 '베이스 케이스' 흐름도는 재순환 루프에 포함되지 않은 트림 메타네이션의 2개의 스테이지를 수반하는 재순환 루프 내에 2개의 벌크 메타네이터를 가진다. 흐름도는 비-화학양론적, 탄소 농후한 공급물을 사용하고, 하류의 OSBL CO2 제거 후 97.5% 메탄을 함유하는 생성물을 제조하도록 설계되어 있다. 표 4는 흐름도에 대한 주된 가동 파라미터를 종합하고, 이 케이스에 대한 재순환 흐름, 루프 압력 강하 및 예상되는 압축기 파워의 구체적 데이터를 제시한다.
벌크 메타네이터 입구 온도 ℃ 320
벌크 메타네이터(1) 입구 온도 Bara 29.85
트림 메타네이터(1) 입구 온도 ℃ 280
트림 메타네이터(2) 입구 온도 ℃ 250
재순환 루프 유량 kg/h 285,445
Am3/h 10,360
재순환 루프 압력 강하 Bar 4.35
흡수된 압축기 파워의 예측치 MW 1.60
최종 생성물 압력 Bara 23.2
실시예 B1
재순환 메타네이터가 재순환 압축기의 루프 하류에 부가되었다. 재순환 메타네이터 생성물을 냉각하기 위한 하나의 부가적 열교환기가 재순환 루프에 부가되어 있다. 그러나, 이 유닛의 부가에 따라 루프의 상류에서 열교환의 생략이 가능하였으며, 그 결과 루프와 생성물은 더 높은 압력에 놓인다. 여기서도 흐름도는 97.5% 메탄올을 함유하는 생성물을 제조하도록 설계되어 있다. 표 5는 흐름도에 대한 주된 가동 파라미터를 종합하고, 이 케이스에 대한 재순환 흐름, 루프 압력 강하 및 예상되는 압축기 파워의 구체적 데이터를 제시한다.
벌크 메타네이터 입구 온도 ℃ 320
벌크 메타네이터(1) 입구 온도 Bara 46.61
트림 메타네이터(1) 입구 온도 ℃ 280
트림 메타네이터(2) 입구 온도 ℃ 250
재순환 루프 유량 kg/h 221,054
Am3/h 7,928
재순환 루프 압력 강하 Bar 5.30
흡수된 압축기 파워의 예측치 MW 1.49
이 실시예는, 재순환 메타네이터 및 관련된 열교환기가 재순환 루프에 부가되었음에도 불구하고, 이 경우의 전체적 압축기 파워는 베이스 케이스 흐름도에 대한 것보다 약 7% 만큼 낮은 것을 나타낸다. 실시예 A1에서와 마찬가지로, 정상적으로는 벌크 메타네이터에서 일어날 메탄화 의무량의 일부가 재순환 메타네이터로 이전되었기 때문에, 벌크 메타네이터의 출구에서 온도를 제어하는 데 필요한 재순환율이 현저히 감소됨으로써, 압축기 파워의 향상을 가져온다.
실시예 B2
이 실시예에는, 부가적 메타네이터 또는 다른 장치 품목이 흐름도에 부가되거나 흐름도로부터 제거되어 있지 않다. 그러나, 재순환물이 제거되는 지점이 벌크 메타네이터(2)의 출구로부터 트림 메타네이터(1)의 출구로 이동되었다. 즉, 트림 메타네이터(1)는 재순환 루프에 포함되어 있다. 트림 메타네이트(2)가 재순환 루프의 외부에 포함되어, 전체적으로 비교예의 경우와 동일한 수의 벌크 및 트림 메타네이터를 제공한다. 흐름도는 97.5% 메탄올을 함유하는 생성물을 제조하도록 설계되어 있다. 표 6은 흐름도에 대한 주된 가동 파라미터를 종합하고, 이 케이스에 대한 재순환 흐름, 루프 압력 강하 및 예상되는 압축기 파워의 구체적 데이터를 제시한다.
벌크 메타네이터 입구 온도 ℃ 320
벌크 메타네이터(1) 입구 온도 Bara 46.61
트림 메타네이터(1) 입구 온도 ℃ 280
트림 메타네이터(2) 입구 온도 ℃ 250
재순환 루프 유량 kg/h 211,548
Am3/h 7,145
재순환 루프 압력 강하 Bar 5.65
흡수된 압축기 파워의 예측치 MW 1.43
이 실시예는, 트림 메타네이터(1)가 재순환 루프에 부가되었음에도 불구하고, 이 경우의 전체적 압축기 파워는 베이스 케이스 흐름도에 대한 것보다 10% 이상 낮은 것을 나타낸다. 이 실시예는 또한 실시예 B1에 비해 개선된 것을 나타낸다. 또한, 실시예 A2의 재순환 메타네이터 흐름도에서와 마찬가지로, 전체적 벌크 메탄화 의무량이 감소되었다(이번에는 그 일부가 트림 메타네이트(1)에서 수행되었다). 그래서, 벌크 메탄화 섹션이 비교예 B의 흐름도보다 낮은 재순환 유량을 필요로 한다.
실시예 A2에서와 마찬가지로, 이 구성의 또 다른 주된 이점은 트림 메타네이션(1)에서의 메탄화가 압축기의 상류에서 수행됨으로써, 가스의 몰수 및 그에 따라 압축기에 유입되는 체적 유량이 크게 감소된다(3H2 + CO → CH4 + H2O)는 것이다. 따라서, 이 설계에 있어서 파워 및 흡입 체적(압축기의 크기를 결정함)이 비교예 B 및 실시예 B1보다 낮다.
비교예 C
흐름도는 화학양론적 양에 근접한 공급물을 사용하고, 실시예 A1에서와 같이 96% 메탄을 함유하는 생성물을 제조하도록 설계되어 있다. 흐름도는 재순환 메타네이터를 통해 완전(full) 재순환 흐름을 포함하도록 변경되었다. 표 7은 흐름도에 대한 주된 가동 파라미터를 종합하고, 이 케이스에 대한 재순환 흐름, 루프 압력 강하 및 예상되는 압축기 파워의 구체적 데이터를 제시한다.
벌크 메타네이터 입구 온도 ℃ 320
벌크 메타네이터(1) 입구 온도 Bara 29.85
트림 메타네이터(1) 입구 온도 ℃ 280
트림 메타네이터(2) 입구 온도 ℃ 250
재순환 루프 유량 kg/h 236,197
Am3/h 12,352
재순환 루프 압력 강하 Bar 4.7
흡수된 압축기 파워의 예측치 MW 3.49
최종 생성물 압력 Bara 26.4
최종 메탄 조성(건조) Mol% 96.2
이 비교예는, 재순환 루프 내에 재순환 메타네이터 및 관련된 열교환기가 부가되고, 압축기에 완전 재순환 흐름이 유입됨으로 인해, 이 경우에 대한 전체적 압축기 파워는 베이스 케이스 흐름도의 경우보다 더 높다. 그러나, 이 비교예는 장치를 전혀 추가하지 않고서 생성물 압력과 메탄 함량을 증가시키는, 이 구현예에 대한 응용을 보여준다.

Claims (12)

  1. 제1 및/또는 제2 및/또는 후속 벌크 메타네이터(bulk methanator)에 공급 가스를 제공하는 단계;
    적합한 촉매의 존재 하에서 상기 공급 가스를 메탄화(methanation)시키는 단계;
    상기 제1 벌크 메타네이터로부터 적어도 부분적으로 반응한 스트림을 제거하고, 그것을 상기 제2 및/또는 후속 벌크 메타네이터에 공급하여 추가로 메탄화시키는 단계;
    최종적 벌크 메타네이터로부터 트림(trim) 메타네이터 트레인(train)으로 생성물 스트림을 통과시켜 추가로 메탄화시키는 단계;
    상기 제1, 제2, 또는 후속 벌크 메타네이터의 하류에서 재순환 스트림을 제거하고, 임의의 순서로 상기 재순환 스트림을 압축기에 통과시켜 냉각시키고, 이어서 상기 제1 및/또는 제2 및/또는 후속 메타네이터로의 재순환 이전에 추가로 메탄화하기 위해 트림 및/또는 재순환 메타네이터에 공급하는 단계
    를 포함하는, 대체 천연 가스(substitute natural gas)의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    하기 단계를 포함하는 대체 천연 가스의 제조 방법:
    제1 및 제2 벌크 메타네이터에 공급 가스를 제공하는 단계;
    적합한 촉매의 존재 하에서 상기 공급 가스를 메탄화시키는 단계;
    상기 제1 벌크 메타네이터로부터 적어도 부분적으로 반응한 스트림을 제거하고, 그것을 상기 제2 벌크 메타네이터에 공급하여 추가로 메탄화시키는 단계;
    상기 제2 벌크 메타네이터로부터 가스 스트림을 제거하고, 상기 스트림을 냉각시키는 단계;
    상기 냉각된 가스 스트림을 분할하고, 그 일부를 추가적 메탄화가 일어나는 트림 메타네이터 트레인에 공급하고, 일부는 재순환 스트림에 공급하는 단계;
    상기 재순환 스트림을 압축기에 이송하는 단계;
    상기 압축된 스트림을 상기 압축기로부터 상기 제1 및 제2 벌크 메타네이터보다 낮은 출구 온도에서 가동되는 재순환 메타네이터에 이송하고, 상기 압축된 스트림을 추가로 메탄화시키는 단계; 및
    상기 스트림을 상기 재순환 메타네이터로부터 상기 제1 및/또는 제2 벌크 메타네이터로 재순환시키는 단계.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 트림 메타네이터, 또는 상기 제1 트림 메타네이터, 또는 후속 메타네이터에서 배출되는 스트림으로부터 제2 재순환 스트림이 제거되는, 대체 천연 가스의 제조 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 재순환 메타네이터가, 상기 제1 벌크 메타네이터, 및/또는 상기 제2 벌크 메타네이터를 수용하는 용기 내에 존(zone)으로서 위치하는, 대체 천연 가스의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    하기 단계를 포함하는 대체 천연 가스의 제조 방법:
    공급 가스를 제1 및 제2 벌크 메타네이터에 제공하는 단계;
    적합한 촉매의 존재 하에서 상기 공급 가스를 메탄화시키는 단계;
    상기 제1 벌크 메타네이터로부터 적어도 부분적으로 반응한 스트림을 제거하고, 그것을 상기 제2 벌크 메타네이터에 공급하여 추가로 메탄화시키는 단계;
    상기 제2 벌크 메타네이터로부터 가스 스트림을 제거하여 냉각시키는 단계;
    상기 냉각된 가스 스트림을 추가적 메탄화가 일어나는 트림 메타네이터에 공급하는 단계, 여기서 상기 트림 메타네이터는 상기 벌크 메타네이터보다 낮은 출구 온도에서 가동됨;
    상기 트림 메타네이터로부터 배출된 생성물 스트림을 분할하여, 그 일부를 후속 트림 메타네이터의 트레인에 이송하고, 일부는 재순환 스트림에 이송하는 단계;
    상기 재순환 스트림을 압축기에 이송하는 단계; 및
    상기 스트림을 상기 제1 및/또는 제2 벌크 메타네이터에 재순환시키는 단계.
  6. 제5항에 있어서,
    제2 재순환 스트림이 상기 제2 벌크 메타네이터와 상기 트림 메타네이터 사이에서 채취되는, 대체 천연 가스의 제조 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    재순환 메타네이터는, 압축기와, 상기 제1 및/또는 제2 벌크 메타네이터의 도입부(introduction) 사이에서 상기 재순환 스트림에 결합되는, 대체 천연 가스의 제조 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 재순환 메타네이터가, 상기 제1 벌크 메타네이터, 및/또는 상기 제2 벌크 메타네이터를 수용하는 용기 내에 존으로서 위치하는, 대체 천연 가스의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    하기 단계를 포함하는 대체 천연 가스의 제조 방법:
    공급 가스를 제1 및 제2 벌크 메타네이터에 제공하는 단계;
    적합한 촉매의 존재 하에서 상기 공급 가스를 메탄화시키는 단계;
    상기 제1 벌크 메타네이터로부터 적어도 부분적으로 반응한 스트림을 제거하고, 그것을 상기 제2 벌크 메타네이터에 공급하여 추가로 메탄화시키는 단계;
    상기 제2 벌크 메타네이터로부터 가스 스트림을 제거하여 냉각시키는 단계;
    상기 냉각된 스트림의 적어도 일부를 압축기에 이송하는 단계;
    상기 압축된 스트림을 추가적 메탄화가 일어나는 재순환 메타네이터에 공급하는 단계;
    상기 재순환 메타네이터로부터 배출된 생성물 스트림을 분할하고, 그 일부를 트림 메타네이터 트레인에 이송하여 추가로 메탄화시키는 단계; 및
    상기 생성물 스트림의 잔량을 상기 제1 및/또는 제2 벌크 메타네이터에 재순환시키는 단계.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재순환 스트림으로부터 물이 제거되는, 대체 천연 가스의 제조 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 벌크 메타네이터로부터 상기 제2 및/또는 후속 벌크 메타네이터로의 상기 공급물은, 벌크 메탄화가 일어나는 촉매 베드(bed) 위에 위치하며 새로운 공급물이 용기에 첨가되는 지점 위에 위치한 촉매 베드를 통과하는, 대체 천연 가스의 제조 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및/또는 제2 및/또는 후속 벌크 메타네이터로의 상기 공급물은 메탄화 반응에 관해 화학양론적이거나, 또는 비-화학양론적인, 대체 천연 가스의 제조 방법.
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