KR20140000281A

KR20140000281A - 합성 천연 가스의 제조 공정

Info

Publication number: KR20140000281A
Application number: KR1020137015738A
Authority: KR
Inventors: 레이몬드 프랜시스 드르네비치
Original assignee: 프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2014-01-02
Also published as: KR101929066B1; CN103189481A; CN103189481B; WO2012067754A1

Abstract

본 발명은 일반적으로 저 순도 산소를 사용하여 합성 천연 가스를 제조하는 가스화 공정 및 시스템에 관한 것이다. 세정된 합성가스의 일부는, 합성가스의 다른 부분과 재혼합되어 1 이하의 H₂/CO 비율을 갖는 합성가스 스트림을 만들기 전에, 30/1 이상의 비율의 H₂/CO 비율로 전환된다. 최종 합성가스 스트림은 메탄화 장치에 공급되어 합성 천연 가스를 생산한다.

Description

합성 천연 가스의 제조 공정 {PROCESS FOR MAKING SYNTHETIC NATURAL GAS}

본 발명은 일반적으로 저 순도 산소를 사용한 합성 천연 가스의 제조를 위한 가스화 공정 및 시스템에 관한 것이다.

전 세계적으로 에너지 수요가 증가하고 있고, 화석 연료의 비용은 계속 증가하고 있다. 천연 가스는 그것의 사용시, 석탄 또는 석유에 비해 일반적으로 온실효과 기체의 방출이 감소되기 때문에, 에너지 생산에서 점점 더 중요한 역할을 맡고 있다. 사실상, 미국 및 많은 다른 국가에서 신규 발전소의 대다수는 천연 가스를 그 동력으로 할 것으로 예측되고, 이는 보다 낮은 방출을 하는 화석 연료에 전세계가 의존하는 것의 오래 지속 여부에 대한 염려를 더한다. 탄소 또는 탄화수소를 함유한 공급원료, 예컨대 석탄, 바이오매스, 석유 코크스 또는 고형 폐기물로부터 유래한 등가물을 사용한 천연 가스의 대체물이 오랜 세월 동안 천연 가스에 대한 수요를 대신할 수 있었다. 또한, 석탄의 대체물 가스로의 전환은 세계적으로 풍부한 석탄 자원을 또한 이용하면서도, 발전소에서의 천연 가스의 역할을 현재 비축량의 수명을 훨씬 넘어서까지 상당하게 연장시킬 수 있었다.

"합성 천연 가스" 또는 "대체 천연 가스"(SNG)로 알려진, 이러한 대체물 가스는 단순히 제조된 형태의 천연 가스이다. 그것은 탄소 기반의 공급원료를 메탄 및 다른 가벼운 탄화수소로 전환하거나 개질하여 형성되고, 오늘날 천연 가스가 사용되는 거의 모든 방면에서 사용될 수 있다. 통상, 공급 원료는 가스화되어, 대부분 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)를 함유하고, 천연 가스의 주요 성분인 메탄으로 전환되는 합성 가스(합성가스(syngas))가 발생한다. SNG는 기존의 기반 시설을 통해 유통될 수 있고, 기존의 거래 및 공급망을 사용하여 거래될 수 있다는 추가적 이점이 있다.

SNG 생산의 상업적 실행 가능성은 직접적으로 공정의 효율성에 달려있다. 공급원료를 효율적으로 가스화하기 위해서는 적절한 산소 또는 공기의 사용을 필요로 한다. 통상 산소는, 공기를 그것의 구성 성분으로 분리하는, 공기의 초저온 증류에 대한 공지된 기술을 사용하여 생산된다. 이러한 설비는 공기 분리 설비(ASU)로 알려져 있다. ASU는 가스화 반응에서 사용되는 산소 공급물 스트림(stream)을 생산한다. 현재 SNG 공정은, 통상 약 99.5 부피% 초과의 산소를 함유하고, 저 순도 산소 스트림(약 98 부피% 미만의 산소)보다 생산하는데 비용이 더 드는 고 순도 산소 스트림을 이용한다. 따라서 비용을 감소시키고 SNG 생성물의 경제적 가치를 향상시키기 위해, 가스화 반응에서 저 순도 산소 스트림을 사용하여 SNG를 생산하는 공정을 설계하는 것이 바람직할 것이다.

본 발명은 저 순도 산소(예컨대 98 % 미만)를 사용하여 합성가스의 메탄화로부터 합성 천연 가스를 생산하는 공정 및 시스템을 제공한다. 그 공정은 또한 99 부피% 초과의 수소와 같은 고 순도 수소를 제공한다.

본 공정 및 시스템에 따라,

98 % 미만의 순도의 산소가 가스화 장치 내에 공급되는 산소의 존재하에 가스화 장치에 탄소 함유 공급원료를 도입하는 것;

공급원료를 가스화하여 1 이하의 H₂/CO 비율을 갖는 원 합성가스 스트림을 생산하는 것;

원 합성가스 스트림을 적어도 제1 스트림 및 제2 스트림으로 나누는 것;

제1 스트림을 산 가스 제거 시스템으로 보내서 적어도 황 화합물을 제거하여 세정된 제1 스트림을 제조하는 것;

제2 스트림을 사우어 워터 가스 시프트 반응기(sour water gas shift reactor)로 보내서 H₂/CO 비율을 30/1 이상으로 조절하여, 조절된 합성가스 스트림을 제조하는 것;

조절된 합성가스 스트림을 산 가스 제거 시스템으로 보내서 적어도 황 화합물 및 CO2를 제거하여 세정된 제2 스트림을 제조하는 것;

세정된 제2 스트림을 가스 분리 장치로 보내서 고 순도 수소 스트림 및 테일 가스 스트림을 생산하는 것;

세정된 제1 스트림과 수소 스트림의 적어도 일부를 혼합하여 H₂/CO 비율이 3/1 이상인 메탄화 공급물 스트림을 생산하는 것;

메탄화 공급물 스트림을 메탄화 장치로 보내서 메탄화 공급물 스트림을 적어도 메탄과 물을 함유한 생성물 스트림으로 전환하는 것; 및

물을 생성물 스트림으로부터 분리하여 합성 천연 가스를 제조하는 것

을 포함하고, 파이프라인 규격을 만족하는 합성 천연 가스의 생산 공정이 제공된다.

도 1은 선행 기술에서 공지된 바와 같은 고 순도 산소 스트림을 사용한 가스화 시스템의 2 개의 흐름(train)을 나타내는 개략 흐름도이다.
도 2는 저 순도 산소 스트림을 사용한 가스화 시스템의 2 개의 흐름으로 본 발명의 한 실시양태의 구현을 나타내는 개략 흐름도이다.
도 3은 SNG 생성물 가스의 품질에 대한 산소 순도의 영향을 나타내는 그래프이다.

SNG의 생산 공정은 공지되어 있다. 대개는, 통상 화석 기반의 탄소를 함유한 공급원료를 산화 탄소, 메탄, C2 내지 C5 탄화수소 및 수소를 포함하는 가스로 가스화함으로써 생성된 합성가스로부터 메탄이 생산된다. 전형적인 공급원료는 석탄, 석유 코크스, 석유를 함유한 2차 물질을 포함한 잔여 중유, 바이오매스, 고형 폐기물 및 기타 고분자 탄화수소이다.

SNG는 상업적으로 실행 가능하기 위해서 파이프라인 규격을 만족해야 한다. "파이프라인 규격"은 일반적으로, 적어도 상업적 천연 가스와 같은 에너지 요구량을 만족시키기에 충분한 발열량을 갖는 것으로 이해된다. 메탄 농도가 SNG의 발열량을 반영하기 때문에, 이러한 방법으로 메탄 함량이 간접적으로 명시된다. 국제적인 규격은, 예를 들어 미국의 요구량 950 및 유럽 규격(북해 가스 기준) 800의 표준 입방 피트(SCF) 당 BTU 고위 발열량(HHV)으로 다를 수 있다. 본 출원의 목적을 위한 "파이프라인 규격"은 SCF 당 950 BTU(HHV) 이상의 발열량을 갖는 SNG를 의미한다. SNG의 메탄 농도는 92 부피% 초과이고, 바람직하게는 93 부피% 초과이다(가스 순도의 모든 백분율은 본원에서 부피 기준이다). SNG 생산을 위한 종래의 가스화 시스템의 설계는,

가스화 공정을 위해 순도 99 % 이상의 산소를 생산하는 하나 이상의 ASU;

H2/CO 비율이 1 이하인 합성가스를 생산하는, 석탄, 석유 코크스 및 기타 고분자 탄화수소가 공급되는 하나 이상의 가스화 장치(가스화 장치는 켄쳐(quencher)이거나 증기 생산과 함께 또는 증기 생산 없이 가스 냉각하기 위한 기타 수단을 포함한다);

H2/CO 비율을 조절하기 위해 사용되는 사우어 워터 가스 시프트 반응기;

가스 냉각 및/또는 에너지 회수 시스템;

조절된 합성가스로부터 황 화합물 및 CO2를 선택적으로 제거하도록 설계된, 일반적으로 물리적 용매에 기초한 산 가스 제거 시스템;

CO와 수소를 메탄과 물로 전환하도록 설계된 메탄화 시스템; 및

파이프라인 품질의 SNG를 제공하기 위한 물 분리 및/또는 건조 시스템

의 공지된 장비를 갖춘 시설에 관련된다.

보통 규모의 경제는 2 개 이상의 완성된 공정 흐름이 사용되어야 함을 말하고, 그 공정은 이러한 시스템들로부터 공동-생성물로서 수소를 생산할 수 있다. 수소가 공동-생성물일 때, 합성가스의 일부는 물-가스-시프트 반응기를 통과하여 H₂/CO 비율을 조절한다.

상기의 종래의 시스템에 따르면, 최종 SNG 생성물에 함유된 비활성 기체를 최소화하기 위해 고 순도 산소가 가스화 단계에 필요하다. 가스화 장치에 보내지는 공급 원료의 조성에 따라서, 파이프라인 규격을 만족시키기에 충분한 발열량을 갖는 SNG를 생산하는 것이 어려울 수도 있다. SNG 생성물을 희석할 수 있는 비활성 물질(질소 및 아르곤)의 도입을 최소화하기 위해, 일반적으로 산소 공급 시스템(예를 들어, 하나 이상의 공기 분리 장치(ASU))이 99 % 초과와 같은 고 순도 산소를 위해 설계된다. 추가로, ASU는 가스화 시스템에 결합된, 가장 동력 소비가 큰 장비이고, 약 95 %의 순도로 산소를 생산하는 것은, 99 % 이상의 순도로 산소를 생산하는 ASU에 비해, ASU에 필요한 분리 에너지를 15 % 이상만큼 감소시킬 수 있다. 따라서 동력 소비량을 감소시키기 위해 SNG의 생산에 보다 낮은 순도의 산소를 사용하는 것이 바람직할 것이다.

본 발명에 따라서, 파이프라인 품질의 SNG를 생산하기 위해 저-순도 산소, 예컨대 98 % 미만의 산소 및 바람직하게는 94 % 내지 97 % 범위의 산소를 사용하여 가스화 공정을 수행할 수 있다. 가장 바람직하게는, 산소는 약 95 % 산소의 순도를 가질 것이다. SNG 생산을 위해 저 순도 산소의 사용을 가능하게 하는 본 발명의 공정은,

가스화 공정을 위해 98 % 미만의 순도의 산소를 생산하는 하나 이상의 ASU;

산소를 적합한 탄소 함유 공급원료가 공급된 하나 이상의 가스화 장치에, 바람직하게는 운반(entrained) 유동 가스화 장치에 보내서 1 이하의 H₂/CO의 비율로 합성가스 스트림을 생산하는 것(가스화 장치는 켄쳐이거나 증기 생산과 함께 또는 증기 생산 없이 가스 냉각하기 위한 기타 수단을 포함할 수 있다);

가스화 장비로부터 합성가스 스트림을 적어도 제1 스트림 및 제2 스트림으로 나누는 것(바람직하게는 제1 스트림의 제2 스트림에 대한 비율은 가공 후에 2 개의 스트림의 혼합 비율이 3/1 이상의 H2/CO 비율의 최종 합성가스 스트림이 되도록 한다);

제1 스트림을, 조절된 합성가스로부터 적어도 황 화합물 및 임의로는 CO₂를 선택적으로 제거하도록 설계된, 메탄올과 같은 물리적 용매에 기초한 산 가스 제거 시스템으로 보내는 것;

제2 스트림을 (a) H₂/CO 비율을 30/1 이상으로, 바람직하게는 약 50/1 초과로 조절하기 위해 사용된 사우어 워터 가스 시프트 반응기로, (b) 황 화합물 및 CO2를 선택적으로 제거하도록 설계된, 메탄올과 같은 물리적 용매에 기초한 산 가스 제거 장치로 및 (c) 바람직하게는 99 % 이상의 순도 및 보다 바람직하게는 99.5 % 초과로 고순도 수소 스트림을 생산하기 위해(이의 적어도 일부는 합성 천연 가스 생산 밖의 용도를 위해 선택적으로 회수될 수 있다) 수소 압력 변동 흡착(PSA) 장치와 같은 가스 분리 시스템으로 보내는 것;

제1 및 제2 스트림을 혼합하여 H2/CO 비율이 3/1 이상인 공급물 스트림을 생산하는 것;

공급물 스트림을 메탄 및 물로 전환하도록 설계된 메탄화 장치로 공급물 스트림을 보내는 것; 및

파이프라인 품질의 SNG를 제공하기 위해 물 분리 및/또는 건조 시스템에서 메탄과 물을 분리하는 것

의 장비 및 공정 설계를 갖는다.

도 1에서 나타낸 종래의 시스템을 참조하면, "a"가 붙은 숫자로 식별되는 요소의 설명은 "a" 흐름의 공정 요소를 가리키고, "b"가 붙은 숫자로 식별되는 요소의 설명은 "b" 흐름의 공정 요소를 가리킨다. "a" 및 "b" 요소는 동일하고, "a" 흐름만 이하 기술될 것이다. "c"가 붙은 숫자는, "a" 흐름 또는 "b" 흐름의 가스화 장치 중 어느 하나가 이용가능하지 않을 때 "a" 흐름 또는 "b" 흐름 중 어느 하나에 합성 가스를 제공하는, 대개 "여분의 가스화 장치"로 지칭되는 제3 가스화 흐름을 가리킨다.

건조된 상태 또는 물이나 기타 적합한 용매/담체에 슬러리화 되어 있을 수 있는 공급물(10a)이 ASU(70a)로부터의 산소(12a)와 함께 가스화 장치(72a)에 도입된다. 공급 원료는 통상 석탄, 바이오매스, 석유 코크스 또는 상술한 바와 같은 바이오매스 물질이다. 본 공정은 바람직하게는 석탄과 함께 사용된다. 공급물이 건조한 상태라면, 가스화 장치에 일반적으로 증기가 첨가되어(나타내지 않음) 반응기 온도를 완화한다. 가스화 장치(72a)에서 나오는 것은 일반적으로 약 450 psia 초과의 압력에 1 이하의 H₂/CO 비율을 가진 원 합성가스(14a)이다. 원 합성가스 스트림(14a)은, 사우어 시프트 반응기(74a)로 보내지는 제1 스트림(18a)과, 사우어 시프트 장치를 우회하고, 사우어 시프트 반응기(74a)로부터 유출되는 전환된 합성가스 스트림(20a)과 혼합되어 혼합 합성가스 스트림(22a)을 만드는 우회 스트림(16a)의 2 개의 스트림으로 나뉜다. 스트림 18은 보통 스트림 14a의 유량의 60 % 내지 70 %를 나타낸다. 사우어 시프트 반응기(74a)에 유입되기 전에, 사우어 시프트 반응기(74a)(보통 철 기반의 촉매와 같은 적합한 촉매를 함유) 내의 조건이, 약 3의 H₂/CO 비율을 가진 혼합 합성가스 스트림(22a)을 생산하기에 용이하도록, 제1 스트림(18a)의 온도 및 습도 함량이 조절된다. 나타내지는 않았으나, 사우어 시프트 반응기(74a)는 각 단계 후에 합성가스 냉각을 하는 1 내지 3 단계의 시프트 전환 반응기를 포함할 수 있다. 합성가스를 냉각하여 생성되는 증기는 모두 발전 시스템(84a)으로 보내진다. 이어서 혼합 합성가스 스트림(22a)은 선택적 가스 냉각 장치(76a)로 유입되어 뜨거운 혼합 합성가스 스트림(22a)으로부터 열이 제거되어 생성된 증기를 생산한다. 혼합 합성가스 스트림(22a)은 추가로 보통 냉각수(나타내지 않음)로 주변 온도 근처로 냉각된다.

증기 스트림(34a)은 가스 냉각 부분을 떠나서 발전 장치(84a)로 보내진다. 가스화 장치(72a)는 선택적으로 발전을 위한 용도로 증기를 생산할 수 있다. 발전은 전력을 생산하거나 또는 다르게는 ASU(들)에 필요한 압축기를 구동하기 위해 증기 터빈에서의 증기의 사용을 포함한다. 스트림 30a에서 36a는 메탄화 장치(80a), 가스화 장치(72a) 및 가스 냉각 장치(76a)로부터 발전 시스템(84a)으로 증기를 수송하는 흐름 라인을 나타낸다. 발전 시스템은 증기 터빈, 가스 터빈, 증기 보일러 또는 증기 과열기(보일러/과열기), 열 회수 증기 발생기(HRSG) 또는 하나 이상의 증기 터빈을 포함하는 상기의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일반적으로 스트림 26a 및 26b의 일부(나타내지 않음)는, 증기를 생산하고 증기 터빈에 과열된 증기를 제공하기 위해, 증기 터빈에 연료로서 및/또는 보일러/과열기 또는 HRSG에 연료로서 보내진다. 또한, 가스화 장치(72a), 사우어 시프트 반응기(74a) 및/또는 가스 냉각 장치(76a)에서 생성된 증기의 일부는 제1 스트림(18a)의 수분 함량을 조절하는데 및/또는 산 가스 제거 시스템(78a)에서 사용되는 용매의 재생을 위해 열을 제공하는데(나타내지 않음) 사용될 수 있다. 다르게는, 발전 시스템은 공지된 바와 같이 가스 터빈, 열 회수 증기 생성기를 사용한 증기 생성 및 증기 터빈과 관련된 복합 사이클 시스템을 포함할 수 있다.

냉각된 혼합 합성가스 스트림(24a)은, 산 가스 제거 시스템(78a)에 합성가스의 정제 및 상태 조절을 위한 루기(Lurgi)의 렉티솔(Rectisol) 공정에서 사용된 바와 같이, 통상 메탄올과 같은 물리적 용매를 사용하여 공급된다. 합성가스로부터 제거된 산 가스는, 배기되거나 분리 목적으로 수집되는(나타내지 않음) CO₂와 농축되고 스트림 44a로서 황 회수 장치(86a)에 보내지는, H₂S와 같은 황 함유 가스를 포함한다. 황 회수 장치(86a)는 대개 황 함유 가스를, 통상 일부 시장 가치가 있는 황 원소 또는 황산으로 전환하도록 설계된다. 세정된 혼합 합성가스(26a)는 산 가스 제거 시스템(78a)를 떠나고, 가열되고(나타내지 않음), 메탄화 장치(80a)로 공급된다. 메탄화 장치(80a)는 잘 알려진 대로 가스가 재순환되는 다수의 촉매 단계 및 증기를 생산하기 위한 열 제거 시스템을 포함한다.

추가적인 열이 제거되어 메탄화 장치(80a)를 떠나는 세정된 스트림(29a)은 주변 온도 근처이고, 메탄화 반응기에서 형성된 물은 농축되어 재사용 또는 처분을 위해 보내진다. 증기는 라인 30a를 통해 발전 시스템(84a)으로 보내지거나 기타 용도로 보내진다. 보통 93 % 내지 96 % 메탄과 약 1 % 미만의 수소를 함유한 세정된 스트림(29a)은 건조 장치(82a)에서 예를 들어, 메탄올 또는 글리콜 기반의 탈수 시스템 중 하나를 사용하여 건조된다. 건조 장치(82a)를 떠나는 스트림(90a)은 파이프라인 규격을 만족하고, 파이프라인 분배망에 유입되기 전에 선택적으로 압축될 수 있다. 통상의 기술자가 인식하는 것과 같이, 메탄화 장치(80a 및 80b)는 양쪽 흐름에 대해 단일의 메탄화 장치로 통합될 수 있다.

앞서 언급한 바와 같이, "b" 흐름은 "a" 흐름과 동일한 기능을 수행한다. 가스화 장치들(72a 또는 72b) 중의 하나가 유지보수 또는 기타 이유로 작동이 되지 않을 때, 여분의 가스화 장치(72c)가 작동하게 된다. 만약 가스화 장치 72a가 작동하지 않으면, 스트림 14c 및 14c1이 사용되어 원 합성가스를 "a" 흐름으로 제공한다. 유사하게, 만약 가스화 장치 72b가 작동하지 않으면 합성가스는 가스화 장치 72c로부터 라인 14c 및 14c2를 통해 "b" 흐름으로 제공된다.

이하 도 2를 참조하면, 공급물로부터 메탄화 장치(80a 및 80b)로의 비활성 기체의 배제를 위해, 도 1에 나타낸 두 개의 흐름 구성이 변경되어 있다. 18a 및 18b의 혼합 유량의 약 60 % 내지 70 % 사이로 진행할 "a" 흐름이 변경되어, 사우어 시프트 시스템(74a)은, 30/1 초과의 H₂/CO 비율을 갖고, 도 1에서처럼 가스화 장치(72a)로부터 나온 합성가스와 혼합되지는 않는, 조절된 합성가스 스트림(22a)(도 1에서 나타낸 혼합 합성가스 스트림이 아닌)을 생산한다. 조절된 합성가스 스트림(22a)은 전용 가스 냉각 장치(76a), 산 가스 제거 시스템(78a)에 이어 압력 변동 흡착(PSA) 장치와 같은 가스 분리 장치(92)에 보내져서, 통상 99 부피% 이상의 수소 및 바람직하게는 99.5 부피% 초과의 수소(각각 1 부피% 및 0.5 부피% 미만의 비활성 기체)인 고 순도 수소 스트림을 생산한다. 수소 중 일부는 정제 공정에 수소를 제공하는 것과 같은 다른 목적으로 사용될 수 있다. PSA 테일 가스 스트림(94)은 세정된 혼합 합성가스 스트림(26a)에 본래 존재하는 불순물, 예컨대 산화 탄소, 메탄, 수소, 질소 및 아르곤의 대부분을 포함한다.

본 공정의 하나의 이점은 산 가스 제거 시스템(도 2에서 사용한 바와 같이)이 도 1의 시스템(78a 및 78b)과 같이 많은 CO2를 제거할 필요가 없다는 것이다. PSA 장치는 본 공정에 사용되어 종래에 사용된 산 가스 제거 시스템에 통상 가능한 것보다 낮은 수준으로 CO2를 제거할 수 있다. 추가로, 도 2의 시스템(78b)으로부터 CO2 제거를 완전히 제외하여, 자본금과 운영비를 절약할 수 있다. PSA의 사용은 또한 종래의 공정에서 현재 사용되는 것보다 황 화합물 및 CO2 제거를 위한 보다 낮은 비용의 대안책을 허용한다. 예를 들어, 흡착/재생 산 가스 제거 시스템, 예컨대 셀렉솔(Selexol) 시스템 또는 아민 시스템이 렉티솔 시스템 대신에 사용될 수 있다.

PSA 테일 가스 스트림(94)은 발전 시스템으로 보내져서, 거기서 압축되고, 도 1에서 기술된 바와 같은 스트림 26a 및 26b의 일부의 사용에 유사하게, 발전 시스템(84a)의 가스 터빈의 원료로서 사용되거나 보일러의 보충 원료로서 사용될 수 있다. PSA(92)를 떠나는 고 순도 수소 스트림(27a)은 제1 수소 스트림(27b) 및 제2 수소 스트림(27d)의 두 개의 스트림으로 나눠진다. 도 2의 "b" 흐름은 사우어 시프트 반응기(도 1의 74b)가 없다. 원 합성가스(14b)는 직접적으로 가스 냉각 장치(76b) 및 이어서 산 가스 제거 시스템(78b)으로 보내진다. 산 가스 제거 후에, 세정된 혼합 합성가스 스트림(26b)의 제1 부분은 제1 세정된 혼합 합성가스 스트림(26e)으로서 "a" 흐름으로 보내지고, 여기서 수소 스트림(27d)과 혼합되어 메탄화 장치(80a)를 위한 제1 메탄화 공급물 스트림(28a)을 형성한다. 세정된 혼합 합성가스 스트림(26b)의 제2 부분은 제2 세정된 혼합 합성가스 스트림(26d)를 형성하고, PSA(92)로부터 나오는 수소 스트림(27b)과 혼합되어 제2 메탄화 공급물 스트림(28b)을 형성하고 메탄화 장치(80b)로 보내진다. 제1 및 제2 메탄화 공급물 스트림(28a 및 28b)은 각각 수소 및 일산화탄소를 3/1 이상의 H₂/CO 비율로 함유한다. 메탄화 장치(80a 및 80b) 및 건조 장치(82a 및 82b)는 도 1에서 기술한 바와 같이 기능한다.

표 1은 도 1 및 2에서 나타낸 바와 같은 SNG 생산을 위한 주요 공정 스트림의 조성을 공정 시뮬레이션에 기초한 가스화 장치에 공급되는 산소 순도의 함수로서 요약한다. 도면에 나타낸 것들에 해당하는 참조 번호의 가스 조성을 나타낸다. 상기 시뮬레이션은 운반 유동 가스화 장치를 석유 코크스를 공급물로 하여 사용한다. 도 1에 나타낸 바와 같은 선행 기술의 경우 조성은, 메탄화 장치로의 공급물 및 최종 생성물에서, 농도가 증가함에 따라 원 합성가스 내 비활성 함량(질소 및 아르곤)의 변화가 적게 나타낸다. 98 % 이상의 순도를 가진 산소로 생산된 SNG만이 92 % 초과의 메탄이라는 제품 규격을 만족한다. 도 1 공정에서는 93 % 초과의 메탄 농도를 달성하기 위해 99 %의 산소 순도가 필요하였다. 도 2에서 정의된 시뮬레이션으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 선행 기술과 동일한 공급물 조성이지만 겨우 95 %의 순도를 가진 산소를 사용한다. 시프트 전환(74a) 및 산 가스 제거(78a) 후, 수소 PSA가 비활성 가스를 더 높은 수준으로 제거하는 능력에 의해, 메탄화 장치(80a)로 향하는 및 최종 생성물에서의 비활성 가스의 농도는, 도 1의 선행 기술 공정에서 더 높은 비용의 99.5 % 순도 산소를 사용하여 나타난 농도와 유사하다.

<표 1>

도 3은 산소 순도의 SNG 생성물 가스의 품질에 대한 영향을 나타낸다. 이하 도 3을 참조하면, 도 1의 선행 기술 공정을 사용하여 SNG를 생산하는 운반 유동 가스화 시스템에 공급된 석유 코크스와 함께 사용된 산소를 나타낸다. 파이프라인 품질의 천연 가스는 99.5 % 이상의 순도의 산소 스트림을 사용한 선행 기술 공정을 통해서만 실현할 수 있다. 그러나, 파이프라인 품질의 천연 가스(950 BTU(HHV)/SCF 이상)는 도 2에서 기술한 바와 같이 본 발명의 공정을 95.0 % 순도의 산소 스트림으로 사용하여 쉽게 실현할 수 있다. 만약 SNG의 목표 에너지 함량이 950 BTU(HHV)/SCF보다 높을 필요가 있다면, 95 % 산소 공급물에 비해 작은 동력 불이익만 있을 뿐인 96 % 산소를 사용할 수 있다.

단순히 본 발명의 이점 및 작동성을 입증하기 위해 본원에서 제공된 도면 또는 개시물에 의해 대상 발명이 제한되지 않음은 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 범위 안에 있는, 동등한 실시양태, 변경물 및 변형물을 포함한다.

Claims

98 % 미만의 순도의 산소가 가스화 장치 내에 공급되는 산소의 존재하에 가스화 장치에 탄소 함유 공급 원료를 도입하는 것;
공급원료를 가스화하여 1 이하의 H₂/CO 비율을 갖는 원 합성가스 스트림을 생산하는 것;
원 합성가스 스트림을 적어도 제1 스트림 및 제2 스트림으로 나누는 것;
제1 스트림을 산 가스 제거 시스템으로 보내서 적어도 황 화합물을 제거하여 세정된 제1 스트림을 제조하는 것;
제2 스트림을 사우어 워터 가스 시프트 반응기로 보내서, H₂/CO 비율을 30/1 이상으로 조절하여 조절된 합성가스 스트림을 제조하는 것;
조절된 합성가스 스트림을 산 가스 제거 시스템으로 보내서 적어도 황 화합물 및 CO2를 제거하여 세정된 제2 스트림을 제조하는 것;
세정된 제2 스트림을 가스 분리 장치로 보내서 고 순도 수소 스트림 및 테일 가스 스트림을 생산하는 것;
세정된 제1 스트림과 수소 스트림의 적어도 일부를 혼합하여 H₂/CO 비율이 3/1 이상인 메탄화 공급물 스트림을 생산하는 것;
메탄화 공급물 스트림을 메탄화 장치로 보내서 메탄화 공급물 스트림을 적어도 메탄과 물을 함유한 생성물 스트림으로 전환하는 것; 및
물을 생성물 스트림으로부터 분리하여 합성 천연가스를 제조하는 것
을 포함하는 합성 천연 가스의 생산 공정.
제1항에 있어서, 상기 합성 천연 가스가 SCF 당 900 BTU(HHV) 이상의 발열량을 갖는 것인, 합성 천연 가스의 생산 공정.
제1항에 있어서, 상기 산소가 94 부피% 내지 97 부피%의 범위에 있는 순도 수준을 갖는 것인, 합성 천연 가스의 생산 공정.
제3항에 있어서, 상기 산소가 약 95 부피%의 순도를 갖는 것인, 합성 천연 가스의 생산 공정.
제1항에 있어서, 상기 산 가스 제거 시스템이 제1 스트림으로부터 CO2를 제거하는, 합성 천연 가스의 생산 공정.
제5항에 있어서, 상기 합성 천연 가스가 92 부피% 초과의 메탄 농도를 갖는 것인, 합성 천연 가스의 생산 공정.
제6항에 있어서, 사우어 워터 가스 시프트 반응기로 보내진 상기 제2 스트림이 약 50/1 초과의 H₂/CO 비율을 갖도록 조절되는, 합성 천연 가스의 생산 공정.
제1항에 있어서, 상기 수소 스트림이 99 % 이상의 수소 순도를 갖는 것인, 합성 천연 가스의 생산 공정.
제8항에 있어서, 상기 수소 스트림의 적어도 일부가 합성 천연 가스 생산 밖의 용도를 위해 회수되는, 합성 천연 가스의 생산 공정.
제1항에 있어서, 상기 가스 분리 장치로부터 배출되는 테일 가스 스트림의 적어도 일부가 발전 시스템으로 보내지는, 합성 천연 가스의 생산 공정.
제10항에 있어서, 상기 테일 가스 스트림의 일부가 압축되고 가스 터빈의 연료로 사용되는, 합성 천연 가스의 생산 공정.
제1항에 있어서, 상기 가스 분리 장치가 수소 PSA 장치인 것인, 합성 천연 가스의 생산 공정.
제1항에 있어서, 상기 가스화 장치가 운반 유동 가스화 장치인 것인, 합성 천연 가스의 생산 공정.
탄소 함유 공급원료를 산소의 존재하에 가스화 장치 안에서 가스화하여 합성가스 스트림을 생산하고, 합성가스 스트림을 메탄화 공정으로 보내서 합성가스 스트림을 메탄 함유 가스로 전환하는 공정에 있어서,
98 부피% 미만의 순도를 가진 산소 스트림을 가스화 장치 내에 공급하여 원 합성가스 스트림을 제조하는 것 및 가스화 장치를 떠나는 원 합성가스 스트림을 제1 스트림 및 제2 스트림으로 분리하는 것;
제1 스트림을 산 가스 제거 시스템으로 보내서 적어도 황 화합물을 제거하여 세정된 제1 스트림을 제조하는 것;
제2 스트림을 사우어 워터 가스 시프트 반응기로 보내서 H2/CO 비율을 30/1 이상으로 조절하여 조절된 제2 스트림 및 테일 가스 스트림을 제조하는 것;
조절된 제2 스트림을 산 가스 제거 시스템으로 보내서 적어도 황 및 CO2 화합물을 제거하여 세정된 제2 스트림을 제조하는 것;
세정된 제2 스트림을 가스 분리 장치로 보내서 99 % 이상의 수소 순도를 가진 수소 스트림을 적어도 생산하는 것 및 수소 스트림의 적어도 일부를 회수하는 것;
세정된 제1 스트림과 수소 스트림의 일부를 혼합하여 3/1 이상의 H₂/CO 비율을 가진 공급물 스트림을 생산하는 것;
공급물 스트림을 메탄화 장치로 보내서 적어도 메탄, 탄화수소 및 물을 함유하는 생성물 가스를 생산하는 것 및
물을 생성물 가스로부터 분리하여 합성 천연 가스를 제조하는 것
을 포함하는, 92 부피% 이상의 메탄을 함유한 메탄 함유 가스의 제조 공정.
94 부피% 내지 97 부피%의 저 순도 산소 스트림의 존재 중 탄소 함유 공급원료를 가스화하여 합성가스 스트림을 제조하는 가스화 장치;
합성가스 스트림의 제1 부분을 받아들여서 적어도 황 화합물을 제거하여 세정된 제1 스트림을 제조하는 산 가스 제거 시스템;
합성가스 스트림의 제2 부분을 받아들여서 H2/CO 비율을 30/1 이상으로 조절하여 조절된 제2 스트림 및 테일 가스 스트림을 제조하고 조절된 제2 스트림을 산 가스 제거 시스템으로 보내서 적어도 황 및 CO2 화합물을 제거하여 세정된 제2 스트림을 제조하는 사우어 워터 가스 시프트 반응기;
세정된 제2 스트림을 받아들여 99 % 이상의 수소 순도를 가진 수소 스트림을 적어도 생산하고 세정된 제1 스트림과 수소 스트림을 혼합하여 3/1 이상의 H₂/CO 비율을 가진 공급물 스트림을 생산하는 가스 분리 장치;
공급물 스트림을 받아들여 적어도 메탄, 탄화수소 및 물을 함유하는 생성물 가스를 생산하기 위한 메탄화 장치; 및
물을 생성물 가스로부터 분리하여 메탄 함유 가스를 제조하기 위한 장치
를 포함하는, 92 부피% 이상의 메탄을 함유한 메탄 함유 가스를 제조하는 가스 시스템.