KR20140067009A - 신가스 및 연료 가스의 생성을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

가스의 생성, 및 더욱 구체적으로는, 수소의 생성을 포함하는 신가스(syngas) 및 연료 가스의 생성을 위한 시스템 및 방법이 명시된다. 하나의 양태에서, 시스템 및 방법은 탄산나트륨 함유 재료의 용융된 풀을 갖는 반응기를 포함한다. 컨디셔닝된 물의 공급기는 상기 반응기와 연통한다. 탄소 함유 재료의 공급기는 또한 상기 반응기와 연통한다. 하나의 특정 양태에서, 상기 탄소 함유 재료는 진공 잔류물(VR: vacuum residuum)을 포함할 수 있다. 물 및 VR은, 상기 반응기에서 발생해야 하는 공정에 부합되는 목적하는 온도 및 압력으로 유지될 수 있다. 상기 반응기에 도입되는 경우, 물, VR 및 용융된 풀은, 수소 및 기타 가스들의 생성을 포함하는 화학반응이 발생하는 환경에서 균일하게 혼합될 수 있다.

Description

신가스 및 연료 가스의 생성을 위한 시스템 및 방법 {SYSTEM AND PROCESS FOR THE PRODUCTION OF SYNGAS AND FUEL GASSES}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 신가스 및 연료 가스의 생성을 위한 시스템 및 방법(SYSTEM AND PROCESS FOR THE PRODUCTION OF SYNGAS AND FUEL GASSES)을 발명의 명칭으로 하여 2011년 7월 21일에 출원된 미국의 본특허출원 제13/188,167호에 대한 이익 및 우선권을 주장하며, 이의 전문은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.

정부의 권리

본 발명은 미국 에너지국에 의해 부여된 계약번호 DE-AC07-05ID14517 하에 웨스턴 하이드로겐(Western Hydrogen)과 배텔레 에너지 얼라이언스, 엘엘씨(Battelle Energy Alliance, LLC) 간의 공동 연구 및 개발 계약하에 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에 대해 소정의 권리를 가진다.

기술분야

본 발명은, 가스의 생성, 및 더욱 구체적으로는, 수소의 생성을 포함하는 신가스(syngas) 및 연료 가스의 생성을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

탄화수소계 연료(석유 생산물, 천연 가스 등을 포함)는 세계 에너지 생산의 주요 공급원이었으며 현재에도 그러하다. 세계 석유 매장 예상량, 더욱 "그린" 에너지 또는 친환경 에너지를 제공하려는 요망 및 다수의 다른 문제들이, 개인, 회사 및 정부로 하여금 가능한 에너지 생산 대체물을 연구하게 하는 원동력이 되어 왔다. 이들 연구 및 개발 노력은 기존의 알려진 에너지 공급원으로부터 에너지를 생산하기 위한 개선된 기술, 시스템 및 방법에 대한 탐구를 포함한다. 예를 들면 통상의 기술을 사용하여 도달하기 어려운 지구물리학적 위치에 위치한 오일을 추출하는 능력에 대한 노력이 이루어져 왔다. 따라서, 현재의 에너지 공정을 더욱 효율적이고 더욱 비용 효과적이고 더욱 친환경적으로 만들려는 노력이 이루어져 왔다.

과거에는 대체로 무시되었던 비축물들로부터 에너지를 추출하는데 기타 노력들이 집중적으로 이루어져 왔다. 몇몇 경우에서, 이들 자원 또는 비축물들은 무시되어 왔는데, 이의 이유는, 이들이 다른 이용 가능한 자원들에서와 같이 탄소가 풍부하지는 않기 때문이다. 다른 경우에서는, 상기 자원을 유용한 에너지 형태로 변환시키는 것이 더욱 어렵다. 예를 들면, 타르 샌드(tar sand) 및 오일 셰일(oil shale)과 같은 공급원들로부터 오일을 추출하기 위한 실질적인 노력들이 이루어지고 있다. 기술적으로 실현 가능할지라도, 과거에 이들 공급원으로부터 오일을 추출하는 것은 통상적으로 비효율적이고 생태친화적이지 못한 것으로 간주되었다.

새로운 잠재적인 에너지 공급원에 대한 연구 뿐만 아니라 다른 기존의 대체 에너지 공급원의 개선에 대한 현재 연구에 또한 초점이 맞추어지고 있다. 예를 들면, 태양광 기술, 풍력 에너지 생산, 바이오-연료 생산 및 수소 생산을 개선하기 위한 노력들이 모두 진행 중이다. 그러나, 당업자들이 인식하고 있는 바와 같이, 이러한 모든 노력들은, 일부는 경제적이고 일부는 정치적이고 일부는 과학적인 각종 장애에 부딪힌다.

따라서, 신규한 에너지 공급원을 제공하기 위한 요망, 에너지 추출에 대한 노력을 증진시키기 위한 요망, 그리고 기존의 공정 및 기술을 개선하여 에너지를 보다 효율적으로, 보다 풍부하게, 보다 친환경적인 방식으로 제공하기 위한 요망이 계속되고 있다.

본 발명은 가스의 생성에 관한 것으로, 수소 및 메탄과 같은 신가스 및 연료 가스의 생성을 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 본 명세서에 기재된 본 발명의 하나의 양태는 알칼리 금속 개질(AMR: alkaline metal reforming)을 포함하는 시스템 및 방법을 포함한다. 그러나, 상기 공정은 광범위한 에너지 전환에 적용될 수 있다.

하나의 특정 양태에 따라, 가스 생성 방법이 제공된다. 상기 방법은 용융된 풀(molten pool)을 반응기 내에 제공하는 단계를 포함한다. 상기 용융된 풀은 탄산나트륨과 같은 재료를 포함할 수 있다. 상기 용융된 풀 중의 산화성 재료 및 탄소 함유 재료가 상기 용융된 풀 내로 도입된다. 산화성 재료, 탄소 함유 재료 및 용융된 풀은 반응하여, 수소 함유 증기를 포함하는 산출 스트림(output stream)을 생성시킨다.

상기 방법은 하기 평형식에 따라 상기 재료들을 반응시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다:

상기 방법은, 진공 잔류물을 탄소 공급원으로서 상기 용융된 풀로 도입하는 단계, 및 연수(softened water)를 산화제로서 상기 용융된 풀로 도입하는 단계를 추가로 포함한다. 하나의 양태에서, 상기 진공 잔류물 및 상기 연수는 상기 용융된 풀로 도입되기 전에 혼합될 수 있다.

상기 방법은, 상기 반응기의 산출 생성물로부터 물을 추출하는 기능, 물을 상기 반응기 내의 상기 용융된 풀로 다시 재순환시키는 기능, 각종 기준에 따라 가스, 액체 및 고체를 분리하는 기능, 및 예를 들면 상기 용융된 풀, 또는 상기 용융된 풀로 도입된 다른 성분들을 가열하는데 사용하기 위해 분리 공정으로부터 열 에너지를 추출하는 기능과 같은 다른 기능을 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따라, 가스 생성을 위한 시스템이 제공된다. 상기 시스템은, 탄산나트륨을 함유하는 용융된 풀을 갖는 반응기, 상기 반응기와 연통(communication)하는 연수 공급기, 및 상기 반응기와 연통하는 진공 잔류물 공급기를 포함한다.

상기 시스템은 또한 각종 제어 시스템들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 물 공급기를 목적하는 온도, 목적하는 압력 및 목적하는 유속으로 유지시키기 위해, 상기 제어 시스템은 물 공급기와 결합될 수 있다. 마찬가지로, 진공 잔류물 공급기를 목적하는 온도, 목적하는 압력 및 목적하는 유속으로 유지시키기 위해, 상기 제어 시스템은 진공 잔류물 공급기와 결합될 수 있다.

상기 시스템은 또한, 연수와 진공 잔류물을 상기 용융된 풀 내로 도입하기 전에 이들을 혼합하도록 구성될 수 있다. 상기 용융된 풀에 도입되면, 상기 시스템은, 목적하는 반응을 실시하기 위해, 실질적으로 균일한 상태인 상기 혼합물을 목적하는 온도 및 압력으로 유지시키도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 혼합물을 약 930℃ 이상의 온도 및 약 13.9MPa 이상의 압력으로 유지시킬 수 있다.

상기 시스템은 또한, 상기 반응기에 의해 생성될 수 있는 가스, 액체 및 고체를 분리하는 분리 시스템을 포함할 수 있다. 상기 분리 시스템은 산출물로부터 물을 추출하고 상기 물을 다시 물 공급기로 재순환시키도록 구성될 수 있다. 또한, 가용성 고체가 분리되고, 물에 용해되고, 용융된 풀로 반송될 수 있다.

하기 기술되고 당업자들에게 인식되는 바와 같이 기타 각종 성분들 및 기능이 상기 방법들 및 시스템들에 포함될 수 있다.

본 발명의 상기 이점들 및 기타 이점들은 다음의 상세한 설명을 읽고 하기의 도면을 참조함으로써 자명해질 것이다:
도 1은 본 발명의 하나의 양태에 따른 시스템의 블럭 다이어그램이다.
도 2는 본 발명에 사용될 수 있는 물 컨디셔닝, 저장 및 재순환 공정의 하나의 예를 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 하나의 양태에 따른 공정수의 도입을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 사용될 수 있는 탄화수소 수용, 저장 및 재순환 공정의 하나의 예를 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 하나의 양태에 따른 공정 탄화수소의 도입을 보여주는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 하나의 양태에 따른 반응기 컨디셔닝 및 제어를 보여주는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 하나의 양태에 따른 용융된 풀의 컨디셔닝, 화학반응 및 제어에 관한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 하나의 양태에 따른 생성물 상 분리 및 컨디셔닝에 관한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 하나의 양태에 따른 물의 추출, 컨디셔닝 및 재순환에 관한 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 하나의 양태에 따른 가스 생성물의 세정 및 분리를 보여주는 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 하나의 양태에 따른 고체 생성물의 추출, 컨디셔닝 및 재순환을 보여주는 흐름도이다.

인류의 에너지 수요를 충족하기 위해 에너지 변환, 에너지 효율 및 자원의 최적 사용에 대한 연구에 상당한 노력이 집중되어 왔다. 본 발명의 개시 내용은 가스의 생성, 및 더욱 구체적으로는, 수소의 생성을 포함하는 신가스 및 연료 가스의 생성을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 명세서에 기술된 본 발명의 하나의 양태는 알칼리 금속 개질(AMR: alkaline metal reforming)을 포함하는 시스템 및 방법을 포함한다. 그러나, 이러한 공정은 광범위한 에너지 변환에 적용될 수 있다. 사실상, 본 발명의 하나의 이점은, 각종 투입 재료를 더욱 유용한 에너지 공급원으로 개질시킬 수 있다는 것이다. 투입 재료는 일반적으로 산화성 재료 및 몇몇 형태의 탄화수소(직쇄 탄소가 또한 유용하다고 할지라도)를 포함한다. 하나의 양태에서, 상기 산화성 성분은 물을 포함할 수 있고 상기 탄화수소는 진공 잔류물(VR: vacuum residuum)을 포함할 수 있다. VR은 원유의 진공 증류 동안에 생산되는 도로 포장용 타르 또는 아스팔트와 유사한 재료이며 일반적으로 낮은 경제적 가치를 갖는 것으로 여겨진다. 당업자들이 인식하고 있는 바와 같이, VR 조성물은, 적은 백분율의 수소, 심지어 더욱 적은 양의 황 및 기타 미량 원소와 함께, 탄소를 주로 함유한다.

도 1을 참조하면, 알칼리 금속 개질 시스템(100) 및 관련 공정의 개요를 블럭 다이어그램으로 도시한 것이다. 시스템(100)은 아래에서 추가로 상세하게 기술되어 있는 다수의 서브시스템 또는 서브공정을 포함한다. 제1 서브시스템 또는 서브공정은 물 공급기(200)를 포함한다. 물 공급기(200)와 결합된 시스템 또는 공정은 시스템(100) 내에서의 물의 컨디셔닝, 저장 및 재순환과 같은 여러 특정 양상을 포함할 수 있다. 물 투입기(250) 공정 또는 시스템이 물 공급기(200)와 결합되어 있다. 피드백 라인(102A)에 의해 나타나는 바와 같이, 물 투입기(250)에 의해 물이 다시 물 공급기(200)로 재순환될 수 있다. 피드백 라인(102A)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 피드백 라인(102B) 및 피드백 라인(102C)과 조합되어, 피드백 라인(102)을 형성할 수 있음을 유념해야 한다. 물론, 도 1(및 본 명세서에 제시된 다른 도면들)에 도시된, 조합된 각종 피드백 라인들은 다른 구성들에서의 개별적인 피드백 라인들로서 존재할 수 있다.

시스템(100)은 또한, 상기 시스템 내에서 사용되는 탄화수소를 수용하고 저장하고 컨디셔닝하는 탄화수소 공급원(300)을 포함한다. 탄화수소 투입기(350) 공정 또는 시스템은 탄화수소 공급원(300)과 결합되어 있다. 피드백 라인(103)에 의해 나타나는 바와 같이, 탄화수소 투입기(350)에 의해 탄화수소 재료가 다시 탄화수소 공급원(300)으로 재순환될 수 있다.

물 투입기(250) 및 탄화수소 투입기(350)는 목적하는 화학반응을 실시하는데 필요한 재료를 반응기(104)에 제공한다. 반응기(104)는, 반응기 컨디셔닝(400)을 위한 공정 또는 시스템 제어 기능 및 용융된 풀 컨디셔닝(500)을 위한 공정 또는 시스템 제어 기능을 포함할 수 있다. 상기 반응기는 예를 들면 미국 특허 제13/188,121호(발명의 명칭: 벨 컬럼 다운튜브, 이를 사용하는 반응기 및 관련 방법(BELL COLUMN DOWNTUBE, REACTORS UTILIZING SAME AND RELATED METHODS)) 또는 미국 특허 출원 제13/188,202호(발명의 명칭: 용융된 염의 롤링 기포 컬럼, 이를 사용한 반응기 및 관련 방법(MOLTEN SALT ROLLING BUBBLE COLUMN, REACTORS UTILIZING SAME, AND RELATED METHODS))에 기재된 바와 같은 구성요소들을 포함할 수 있으며, 상기 특허 출원 각각의 개시 내용들 전문은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.

반응기(104)를 빠져나간 생성물은 생성물 상 분리(600), 고체 추출(700), 물 추출(800) 및 가스 세정(900)과 같은 여러 공정 또는 시스템에서 처리될 수 있다. 별개의 공정들 또는 시스템들로 도시되었지만, 분리 공정들이 밀접하게 관련될 수 있으며, 도 1에 도시되지 않았다고 할지라도 상기 공정들 중의 일부가 반응기(104) 내에서 일어날 수 있음을 유념해야 한다. 이러한 공정 또는 시스템 각각은 아래에 추가로 상세하게 논의된다. 이러한 공정 및 시스템들의 서로에 대한 관계 및 상호작용은 도면들 전체에 걸쳐 문자 A 내지 N을 사용하여 나타내고 있다. 따라서, 예를 들면, 도 3에서는 266으로서 "A 또는 B"의 연결 또는 주입을 표시하는데, 이는 도 2에 나타낸 "A" 및 "B" 주입과 관련된다.

도 2는 전체 공정 또는 시스템(100)에 대한 물 공급기를 도시한 것이다. 물 투입 시스템에는 계획에 의해 레독스 화학반응(redox chemistry)이 없음(즉, 환원 화학반응 또는 산화 화학반응이 없음)을 유념해야 한다. 또한, 물 투입 공정과 결합된, 임의의 사용자에 의해 제어 가능한 화학반응이 필요하지 않다. 특정 양태에서, 물 투입 공정과 결합된 화학반응은 통상의 물 연화 기술을 포함할 수 있다. 시스템(100)을 통해 재순환된 물은, 이것이 물 투입 시스템 또는 공정(200)을 통해 반송될 때 반드시 다시 연화되는 것은 아니다. 그러나, 생성물 스트림(즉, 도 1에 도시된 바와 같은 생성물 상 분리(600) 후)으로부터 응축된 물의 조성은, 상기 시스템 또는 공정의 일상적인 작동 동안에 가용성 나트륨 화합물 이외의 광물이 첨가되어야 하는 지를 결정하기 위해 분석될 수 있다. 추출된 물의 이와 같은 분석 동안에, 예를 들면, 물이, 상기 반응 공정으로 다시 주입되지 않아야 하는 성분을 함유한다면, 상기 물의 재사용에 대해 어떠한 결정이 내려질 수 있다.

하나의 양태에서, 물 공급기(200)에서는, 아마도 나트륨을 제외한 금속계 광물들 대부분을 제거하기 위해, 연화 공정(210)을 통해 처리 공급원으로부터 물을 얻는다. 이어서, 상기 연수는, 사용을 위해 저장된다. 상기 물을 때때로 검사하여 이의 광물 함량을 평가하고 연화 공정의 효율을 감시할 필요가 있을 수 있다. 예를 들면, 212로 표시된 바와 같이, 상기 물을 검사하여 충분히 처리되었는지를 결정하고 필요하다면 물 연화 시스템으로 반송될 수 있다. 마찬가지로, 재순환된 물을 컨디셔닝할 필요가 있다면, 목적하는 처리를 위해 상기 공정 중의 적절한 위치로 다시 보낼 수 있다.

상기 공정의 다른 위치들로부터 재순환된 물은, 214로 나타낸 바와 같이, 도입되어, 저장소로부터의 물과 조합될 수 있다. 상기 재순환된 물은 실제로, 저장소에 있는 연수보다 공정에 사용하기에 더욱 양호한 상태일 수 있다. 사실상, 하나의 양태에서, 저장소로부터의 연수는, AMR 공정 동안에 발생하는 화학반응 동안에 소비된 물의 보충(makeup)을 위해서만, 상기 시스템에 첨가될 수 있다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 과량의 물은 상기 공정 동안에 생성된 증기 스트림으로부터 경제적으로 허용되는 정도로 응축되어, 상기 물을 재순환시킬 수 있다.

재순환된 물과, 물 저장소로부터의 보충수(makeup water)를 조합한 후에, 상기 물은, 216으로 표시된 바와 같이, 상기 공정의 유동 요건에 부합되기에 충분한 양의 요구되는 공정 압력으로 가압될 수 있다. 물의 조건이 상기 공정에 적절한 지를 확실하게 하기 위해, 218로 나타낸 바와 같이, 압력과 유동의 폐쇄 루프 제어(closed loop control)가 이행될 수 있다. 이어서, 특정 압력 및 유동 요건에 부합되는 물은, 220으로 표시된 바와 같이, 목적하는 온도로 가열될 수 있다. 목적하는 온도는 전체 공정의 화학반응 및 경제성의 필요성을 여전히 만족시키면서 시스템(100)의 하드웨어에서 허용되는 온도일 것이다. 물의 온도가 고안된 요건을 충족하는 지를 확실하게 하기 위해, 222로 표시된 바와 같이 폐쇄 루프 제어가 이행될 수 있다. 이어서, 목적하는 온도, 압력 및 유속에서 컨디셔닝된 물은 224로 표시된 바와 같이 물 투입 시스템에 공급될 수 있다. 상기 공정을 정지시키거나 또는 적절한 조건에서 계속하는 것을 허용하는 물 요구량을 동시에 검사할 수 있다.

도 3을 참조하면, 물 투입기(250)와 관련된 공정 또는 시스템이 도시되어 있다. 전체 공정에서 물의 특성치(예를 들면, 압력, 온도 및 유속)는 중요하며 이는 일정한 감시 및 제어를 요구할 할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 262로 표시된 바와 같이, 물이 상기 반응기에 도입될 때, 264로 표시된 바와 같이 물 압력, 온도 및 유속과 같은 특성치가 목적하는 수준에 있는 지를 결정하기 위해 제어들이 사용될 수 있다. 물의 특성치가 목적하는 수준이 아니라면, 상기 물은 266으로 표시된 바와 같이 컨디셔닝 시스템(200)(즉, 도 2의 흐름도에서 지점 A 및/또는 B)으로 반송될 수 있다. 물 공급기(200)로부터의 물은 공정의 요구에 부합되는 상태에 있도록 컨디셔닝되기 때문에, 물은, 268로 표시된 바와 같이, 일반적으로 공정으로부터 상실된 열을 물을 과열시키는데 사용할 수 있고 가능한 반응기 온도에 가까운 온도인 스팀을 제공할 수 있는 위치로 도입된다. 270 및 272로 표시된 바와 같이, 과열된 스팀이 적절한 온도로 있는 지를 확실하게 하기 위해 제어 시스템이 다시 사용될 수 있다. 모든 파라메터들이 정확한 작동 범위에 있는 경우, 물은 274로 표시된 바와 같이 반응기의 용융된 풀로 주입될 수 있다. 하나의 양태에서, 상기 용융된 풀은 나트륨 염을 포함할 수 있다.

도 4를 참조하면, 탄화수소의 수용, 저장 및 컨디셔닝을 위한 공정 및 시스템(300)이 도시되어 있다. 현재 기재된 양태에서, 탄화수소는 VR(진공 잔류물)로서 언급되지만, 다른 탄화수소 공급원들이 활용될 수 있다. 하나의 양태에서, 탄소질 VR은, VR 투입 루프(350)(도 1 및 도 5)에 도입되기 전에 전처리될 필요가 없다. VR 투입 재료에 대해 조성, 온도, 압력, 점도, 또는 습윤 특성에 대한 허용 가능한 한계치에 대한 정의가 설정되는 것이 요구될 수 있다. 여러 이유들 중에서, 이들 성질 또는 특성치는, 상기 공정의 배출 시에 허용 가능한 생성물을 여전히 제공하면서 상기 시스템의 하드웨어 및 유동 라인의 코킹(coking) 및 플러깅(plugging)을 방지하는데 도움을 주기 위해, 명시될 수 있다.

VR이 상기 공정에 도입됨에 따라, 310으로 표시된 바와 같이 VR은 저장되고 가열된다. 312로 표시된 바와 같이, VR이 충분한 온도임을 확실하게 하기 위해 폐쇄 루프 제어가 활용될 수 있다. 저장 조건이 VR 이송 공정의 조건에 의해 영향을 받을 수 있기 때문에, 저장 조건은 VR의 수용 및 분배 둘 다를 조정하도록 감시되고 제어된다. 예를 들면, VR이 트럭에 의해 공정 설비로 이송된다면, VR은 여전히, 이를 저장소로 이동시키기에 충분한 유체 상태여야 한다. VR이 파이프라인에 의해 공급된다면, VR은 파이프라인을 통해 움직이도록 유체 상태를 지탱하는 온도로 유지되어야 한다. 따라서, VR 저장의 온도 및 압력은 수용 요건과 분배 요건 둘 다에 부합되어야 한다.

VR이 저장소로부터 퇴거될 때, 임의의 부가 열이 첨가되기 전에, VR은, 314에 의해 나타낸 바와 같이 특정한 공정 압력으로 펌핑되고 요구되는 유속으로 계량된다. VR 압력 및 유속이 상기 공정에 대해 목적하는 수준에 있음을 확실하게 하기 위해, 316으로 표시된 바와 같이, 폐쇄 루프 제어가 이행될 수 있다. 상기 공정에서 VR의 압력 및 유속을 초기에 제어하는 것은, 다운스트림 공정 변수들 및 상응하는 생성물에 대한 바람직하지 못한 효과를 더욱 적게 하면서 공정의 제어를 더욱 양호하게 할 수 있다. 예를 들면, 상기 공정 중의 소정의 변수들을 초기에 더욱 정밀하게 제어하는 것은, 상기 공정 동안에 더욱 효과적인 생성물 스트림 세정 및 성분 분리를 초래할 수 있다.

가압 및 계량 후에, VR의 스트림은 318로 표시된 바와 같이 다시 가열된다. VR 스트림은, 이것이 관련된 시스템 배관 내에서 휘발 및 코킹되지 않는 온도로 가열된다. 벌크 유동이 상기 재료의 코킹 온도에 가까운 균일한 온도에 있어야 한다면, 휘발 및 코킹을 방지한다는 것은 어려운 도전일 수 있다. 이러한 공정에서 열 전달 표면은, 벌크 재료를 목적하는 조건에서 유지시키기 위해, 벌크 재료보다 상당히 더 높은 온도에 있어야 한다. 그러나, 이러한 열 전달 표면은 코킹을 위한 핵생성 자리(nucleation site)가 될 수 있다. 따라서, 320으로 표시된 바와 같이, VR의 온도가 목적하는 수준으로 있는 지를 검사하고 확실하게 하기 위해 제어가 사용될 수 있다. 322로 표시된 바와 같이, 관련된 탄화수소 투입 시스템(350)으로부터의 요구를 위한 검사가 존재할 수 있다(도 1 및 도 5).

이제, 도 5를 참조하면, VR을 상기 반응기로 도입하는 것과 관련된 예비-주입 기능을 포함하는 탄화수소 투입 시스템 또는 공정(350)이 도시되어 있다. 362로 표시된 바와 같이, VR이 상기 반응기로 진행됨에 따라, VR은, 364로 표시된 바와 같이, 유속, 압력 및 온도와 같은 조건들이 공정 요건들에 부합되는 지를 확실하게 하기 위해 상기 조건들에 대해 검사된다. VR 특성치가 목적하는 수준에 있지 않다면, VR은, 366으로 표시된 바와 같이, 컨디셔닝 시스템(300)(즉, 도 4의 흐름도에서 C 및/또는 D 지점)으로 반송될 수 있다. 압력 및 유동의 조건들이 허용된다면, 368로 표시된 바와 같이, 적절한 반응 온도가 초래되도록 상기 반응기에 의해 VR에 열이 첨가된다. 이로 인해 탄소의 분해(digestion)가 일어나도록 고안된 상기 반응기의 영역에서 코크의 생성이 초래될 수 있기 때문에, VR은 반응기 공정 온도보다 낮은 온도에서 반응기 내로 도입된다. 따라서, 370 및 372로 표시된 바와 같이, VR의 온도를 계속 감시하고 보정하도록, 제어가 활용될 수 있다. 모든 파라메터들이 허용되는 작동 범위들 내에 있는 경우, VR은, 374로 표시된 바와 같이, 상기 반응기에 함유된 용융된 풀로 주입될 수 있다. 하나의 양태에서, VR은 용융된 풀로 도입되기 전에 물/스팀과 적어도 일부 혼합될 수 있다. VR과 스팀의 혼합은, VR이 고온 표면 위에서 코킹되는 것을 막는 것을 돕는데, 이는, VR과 스팀을 혼합함으로써, 수증기 경계층이 상기 반응기 하드웨어의 고온 표면과 VR 사이에서 형성될 수 있기 때문이다. 다른 양태에서, VR은 용융된 풀로 주입되기 전에 어떠한 스팀과도 혼합되지 않는다.

이제, 도 6을 참조하면, 반응기 컨디셔닝 및 제어와 관련된 공정 및 시스템(400)이 도시되어 있다. 상기 반응기 컨디셔닝 및 제어는, 410으로 표시된 바와 같은 투입물(VR 및 물/스팀)의 용융된 풀로의 주입, 412로 표시된 바와 같은 각종 성분들의 혼합, 및 414, 416, 418 및 420로 표시된 바와 같은 상기 반응기 온도의 연속 감시 및 제어를 포함한다. 상기 반응의 온도, 관련 하드웨어, 및 반응 성분이 적절하고 반응기의 내용물이 균일하게 혼합됨을 확실하게 하기 위해, 상기 반응기의 제어가 조직화될 수 있다. 상기 반응기 내용물이 잘 교반되는 경우, 상기 반응기 내용물의 온도는 균일해야 한다. 실질적으로 균일한 혼합물이란, 상기 스팀이 슬러리 내에서 비교적 작은 크기의 균일하게 분포된 기포들로서 존재함을 의미한다. 다른 한편, 상기 VR은 아마도 기화된 증기 및 고체의 혼합물일 것이다. 상기 용융물 내에서 유효한 반응을 실시하기 위해, 상기 고체와 가스의 혼합물은 균일성에 도달해야 한다. 에너지를 임의의 특정 속도에서 상기 반응 슬러리 내로 또는 밖으로 효과적으로 전달할 필요성은, 상기 반응이 흡열 반응인지 또는 발열 반응인지에 좌우된다. 따라서, 상기 반응기 및 이의 구성요소의 온도를 지속적으로 감시하고 제어해야 할 필요가 있다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 하나의 양태에 따른 AMR 공정에 있어서의 상기 용융된 풀과 관련된 컨디셔닝 및 화학반응(500)이 도시되어 있다. 위에 기재된 바와 같이, 상기 반응기의 내용물은, 510으로 표시된 바와 같이, 균일 혼합물을 제공하고 유지하기 위해 균일하게 교반 및 진탕될 수 있다. 516으로 표시된 바와 같이, 상기 공정으로 약간의 증기의 생성이 초래될 것이다. 모델링 및 실험 데이터를 근거로 한, 상기 반응기 내에서 발생하는 화학반응에 대한 아래의 설명은, 상기 용융물 내에서 발생하는 화학반응이 512로 표시된 바와 같이 사실상 간단하다는 것을 가정한 것이다. 또한, 어느 정도 완결 또는 평형 수준에 도달할 때까지는 상기 재료들의 각종 상(phase)들이 화학반응에 영향을 주지 않는다는 것을 가정한 것이다.

화학반응을 모델링함에 있어서 균일한 혼합물의 존재는 훨씬 간단한 접근을 가능하게 한다. 따라서, 본 발명의 화학반응을 기술하기 위해, 본 양태에 따라, 잠재적인 중간 반응은 최소로 유지될 수 있다. 본 기술 내용은, 514로 표시된 바와 같이, 2개의 잠재적인 중간 반응만을 고려하면서 상기 공정의 종말점 또는 평형 성분을 명시한 것이다.

실험 데이터와 모델링을 근거로 할 때, 반응식 1에 명시된 바와 같이 제1 중간 반응에서는 탄산나트륨과 스팀의 상호작용으로부터 수산화나트륨이 발생할 것이다.

[반응식 1]

다시, 실험 데이터 및 모델링을 근거로 할 때, 반응식 2에 명시된 바와 같이 제2 중간 반응에서는 수산화나트륨, 탄소 및 물이 조합되어 탄산나트륨 및 수소가 생성될 것이다.

[반응식 2]

당업자들이 인식하고 있는 바와 같이, 간단한 시험 및 모델링에 의해 드러나지 않은 다수의 다른 것들이 아마도 존재할 수 있기 때문에, 상기 2개 반응들이 반드시 기본적인 중간 반응들인 것은 아니다.

가장 높은 수준의 평형식은 반응식 3에 명시된 바와 같을 것이다.

[반응식 3]

반응식 3은 반응식 1 및 2에 명시된 중간 반응을 간단하게 합한 것이다. 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy) 계산을 근거로 할 때, 반응식 3은 실제로 다수의 가능한 중간 반응들로 구성되어, 화학량론적 양은 전술된 바와 같아 보이지 않는다. 상기 반응을 오른쪽으로 진행시키기 위해 열이 첨가되면 주입 스트림의 온도는 상승할 것이다. 예시로써, 100℃ 및 압력 139bar(13.9MPa)에서, 상기 반응으로 이산화탄소 및 수소가 거의 또는 전혀 생성되지 않지만, 동일 압력에서 온도를 930℃로 상승시키면, 탄소 및 물의 절반이 이산화탄소 및 수소의 절반의 양으로 전환될 것이다. 물 및 탄소는 상기 식의 오른쪽 상에 생성물로서 남아 있을 것이다. 상기 화학종(species)이 도시된 식에서의 화학종들로 한정되는 경우, 온도가 높을수록 더 많은 깁스 자유 에너지 평형이 반응식 3과 같이 나타날 것이다. 다수(예를 들면, 20 내지 30개)의 화학종이 사용되는 경우, 평형은 반응식 3에 제시된 평형으로부터 이동하여, 예를 들면, 생성물 스트림이 CO₂ 및 H₂의 훨씬 적은 생성을 나타낼 것이다. 상기 공정은 다른 온도 및 압력에서도 발생할 수 있음을 유념해야 한다. 예를 들면, 더 낮은 압력이 사용될 수 있지만, 임의의 수소 생성물을 위해 후속적인 후 압축(post compression)이 필요할 수 있다. 또한, 생성된 최종 생성물에 따라, 압력 및 온도가 수정될 수 있다.

상기 반응의 모델링은 극히 적은 부수의 균일 혼합물의 전제를 기반으로 함을 유념해야 한다. 실제로, 상기 반응은 인지를 요하는 각종 이점들 및 단점을 포함할 것이다. 예를 들면, 성분들의 혼합물이 균일하지 않을 수 있지만 상들 및 성분들의 착체 혼합물일 수 있다. 가스 상 및 액체 상의 분리는 실제 세상에서는 용이하게 적용될 수 있지만 모델링 세상에서는 나타내기 어렵다.

도 8을 참조하면, 생성물 상 분리에 대한 시스템 및 공정(600)이 도시되고 기술되어 있다. 상기 분리 공정의 일부가 상기 반응기의 반응 대역에서 실제로 발생할 수 있다. 상기 반응 대역에서, 증기를 고온 용융된 욕으로 빠져나가게 할 수 있도록, 고체 및 액체는 증기로부터 더욱 용이하게 분리될 것이다. 비말동반된(entrained) 고체 및 액체는 이들을 상기 가스 스트림으로부터 제거하기 위해 추가의 노력을 요구할 할 수 있다. 가스가 궁극적으로 가스 세정 및 화학종 분리 유닛으로 이송되는 한편, 이들은 재가공을 위해 상기 반응 대역으로 반송될 것이다.

610으로 표시된 바와 같이, 각종 상들이 초기에 분리될 것이다. 612로 표시된 바와 같이, 액체/고체 상들이 반응기에 잔류할 수 있으며, 이때, 614 및 616으로 표시된 바와 같이 상기 고체는 액체로부터 제거되고, 618로 표시된 바와 같이 상기 액체는 상기 반응기의 혼합물 대역에 남을 수 있다(또는 상기 대역으로 반송될 수 있다). 상기 고체의 일부는 수용성인 것으로 예상되지만 다른 것들은 그렇지 않을 수 있다. 상기 공정은, 상기 액체 상을 상기 반응기로 다시 반송시키기 전에 상기 액체로부터 임의의 불용성 재료를 여과시키면서 임의의 수용성 고체를 용해시키는 단계를 포함할 수 있다. 이와 같은 시도는 물 사용량을 절감시키고 상기 시스템으로부터의 나트륨의 손실을 제한할 것이다.

시작 초기에, 증기 생성물들은, 이들을 폐기하는데 요구되는 하나 이상의 재료 특성치들의 명시된 허용 가능한 한계를 벗어나 있을 수 있다. 620으로 표시된 바와 같이, 한 가지 비용 효율적인 방법은, 가스를 태우는(flaring) 단계를 포함할 수 있다. 태우는 단계는, 상기 스트림이 추가의 가스 세정 및 분리를 위해 진행될 수 있는 목적하는 값을 가질 때까지, 수행될 수 있다. 622로 표시된 바와 같이, 고체 미립자가 가스 상으로부터 분리될 수 있다. 하나의 양태에서, 상기 미립자는 가스로부터 여과되고 이어서 추가로 처리될 수 있다. 예를 들면, 624로 표시된 바와 같이, 상기 고체 미립자를 가스 상태로 변환시키기 위해 상기 고체 미립자가 승온에서 처리될 수 있으며, 626으로 표시된 바와 같이, 이때 형성된 가스는 이미 분리된 가스와 재조합될 수 있다. 도 10과 관련하여 아래에서 추가로 상세하게 논의되는 바와 같이, 조합된 가스 스트림은 필요에 따라 추가로 세정 및 처리될 수 있다. 628 및 630으로 표시된 바와 같이, 상기 공정에 의해 생성된 가스의 함량 및 품질을 결정하기 위해 상기 가스는 점검될 수 있다. 기화되지 않은 고체는 예를 들면 물에 가용성이 아닌 회분(ash)을 포함할 수 있다. 632로 표시된 바와 같이, 상기 회분은 로드 충전제로서의 후속 사용을 위해, 콘크리트에서, 또는 다른 적절한 재료들과 함께 사용하기 위해, 처리될 수 있다. 그렇지 않으면, 상기 회분은 공업용 매립지에 위치할 수 있다.

이제, 도 9를 참조하면, 물 추출과 관련된 공정 및 시스템(700)이 도시되어 있다. 상기 시스템 압력을 유지하면서 가스의 온도가 저하되는 열 회수 유닛을 통해 위에 기재된 고온 가스를 이송시킬 수 있다. 이로 인해, 710으로 표시된 바와 같이, 높은 백분율의 수증기가 가스 스트림으로부터 응축될 수 있을 것이다. 이어서, 712로 표시된 바와 같이, 물의 액체 및 상기 가스 상의 상 분리가 일어날 수 있다. 714로 표시된 바와 같이 물은 반송되어 다시 반응에 사용될 것이며, 716으로 표시된 바와 같이 증기는 가스 세정 공정으로 이송될 것이다. 718로 표시된 바와 같이, 물 응축(710) 및 액체/증기 분리(712) 공정으로부터 방출된 에너지 또는 열은 포획되어, 상기 공정으로 이동된 재료들의 온도를 상승시키는데 사용될 수 있다.

도 10을 참조하면, 본 발명의 하나의 양태에 따른 가스 가공(800)이 도시되어 있다. 가장 간단한 경우에 있어서, 가스 스트림은 주로 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 황화수소일 것이며, 기타 황 함유 증기는 소량이다. 하나의 양태에서, 상당한 압력 강하 없이 가스 상 성분들을 분리하는 것이 바람직할 것이다.

810으로 표시된 바와 같이, 초기에 수소 및 메탄이 상기 가스 스트림으로부터 분리될 수 있다. 이어서, 812로 표시된 바와 같이, 수소 및 메탄이 서로 분리될 수 있으며, 다른 곳에 사용되기 위해 메탄이 연료 가스로서 지나가는 동안에 수소는 또 다른 공정으로 진행될 수 있다.

814로 표시된 바와 같이, 잔류 가스 스트림, 및 이로부터 분리된 수소와 메탄은 잔류 성분들로부터 이산화탄소를 분리하도록 처리될 수 있다. 가압하의 이산화탄소는, 비교적 순수한 생성물 스트림으로서 사용되기 위해 파이프라인으로 또는 저장소로 도입될 수 있다. 816으로 표시된 바와 같이, 잔류 가스 스트림 성분들은 황 함유 가스, 예를 들면 황화수소, 이산화황 등을 제거하기 위한 공정에서 처리될 수 있다. 이로 인해, 황이 회수되고, 존재하는 가스 및 이들의 관련 가열 밸브에 따라, 상기 잔류 가스는 연료로서 사용될 수 있다.

도 11은, 910으로 표시된 바와 같이, 상기 반응으로부터 추출된 가용성 고체가 물에 용해되는, 고체 추출 시스템 또는 공정(900)을 도시한다. 이어서, 912로 표시된 바와 같이, 형성된 용액으로부터 불용성 고체 재료들이 분리될 수 있다. 914로 표시된 바와 같이, 가용성이 아닌 고체들은 현장에서 처리될 수 있거나, 가치있는 재료인 것으로 보증된다면, 임의의 개수의 용융 공정을 사용하여, 916으로 표시된 바와 같이 처리를 위해 외부계로 수송될 수 있다. 918로 표시된 바와 같이, 가용성인 재료는 상기 고체로부터 분리되고 용해되어 상기 공정으로 반송된다. 예를 들면, 하나의 양태에서, 가용성 고체는 나트륨을 포함할 수 있고, 상기 반응 용융물이 나트륨계이기 때문에 상기 공정으로 되돌아갈 수 있다.

본 발명이 각종 변형태 및 대안 형태를 가질 수 있다 할지라도, 도면에 특정 양태들을 예시로써 도시하였으며 이를 본 명세서에 상세하게 설명하였다. 그러나, 본 발명을 개시된 특정 형태로 제한하고자 하는 의도는 없음을 이해해야 한다. 오히려, 본 발명은 하기 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된 본 발명의 요지 및 범위 내에 있는 모든 변형태, 등가물 및 대안을 포함한다.

Claims (29)

1. 가스 생성 방법으로서, 상기 방법은
   탄산나트륨을 포함하는 용융된 풀(molten pool)을 반응기 내에 제공하는 단계;
   산화성 재료를 상기 용융된 풀 내로 도입하는 단계;
   탄소 함유 재료를 상기 용융된 풀 내로 도입하는 단계;
   상기 산화성 재료, 상기 탄소 함유 재료 및 상기 용융된 풀을 반응시켜, 수소 함유 증기를 포함하는 산출 스트림(output stream)을 생성시키는 단계
   를 포함하는, 가스 생성 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 산화성 재료, 상기 탄소 함유 재료 및 상기 용융된 풀을 반응시켜 수소 함유 증기를 생성시키는 단계가, 하기 평형 반응에 따라 상기 재료들을 반응시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법:
   

   
3. 제1항에 있어서, 탄소 함유 재료를 상기 용융된 풀 내로 도입하는 단계가, 진공 잔류물을 상기 용융된 풀 내로 도입하는 것을 포함하는, 방법.
4. 제3항에 있어서, 산화성 재료를 상기 용융된 풀 내로 도입하는 단계가, 연수(softened water)를 상기 용융된 풀 내로 도입하는 단계를 포함하는, 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 용융물 내로 도입하기 전에 상기 연수와 상기 진공 잔류물을 혼합하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
6. 제4항에 있어서, 물을 상기 산출 스트림으로부터 추출하는 단계, 및 상기 물을 다시 상기 반응기 내의 상기 용융된 풀로 재순환시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
7. 제4항에 있어서, 상기 연수를 상기 용융된 풀로 도입하기 전에, 상기 연수를 가열하여 스팀을 생성시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
8. 제4항에 있어서, 상기 용융된 풀, 상기 진공 잔류물 및 상기 연수의 실질적으로 균일한 혼합물을 생성시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
9. 제8항에 있어서, 실질적으로 균일한 혼합물을 생성시키는 단계가, 상기 용융된 풀, 상기 진공 잔류물 및 상기 연수를 교반하는 것을 추가로 포함하는, 방법.
10. 제1항에 있어서, 산출 스트림을 생성시키는 단계가, 상기 반응기에 의해 생성된 액체와 가스를 분리하는 것을 추가로 포함하는, 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 반응기 내에 액체를 잔류시키는 단계, 및 상기 수소 이외에도 적어도 메탄 가스 및 이산화탄소 가스를 포함하는 산출 스트림으로서의 가스 스트림을 생성시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
12. 제11항에 있어서, 임의의 비말동반된(entrained) 고체를 상기 가스 스트림으로부터 분리하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 수소 가스와 메탄 가스를 상기 이산화탄소 및 임의의 추가의 가스들로부터 분리하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 메탄 가스를 상기 수소 가스로부터 분리하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
15. 제13항에 있어서, 상기 이산화탄소 가스를 상기 산출 스트림 내의 임의의 다른 남아있는 가스들로부터 분리하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
16. 제12항에 있어서, 가용성인 임의의 분리된 고체들을 용해시키는 단계, 및 이를 다시 상기 용융된 풀로 반송하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
17. 제1항에 있어서, 상기 산화성 재료, 상기 탄소 함유 재료 및 상기 용융된 풀을 약 930℃ 이상의 온도에서 반응시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 산화성 재료, 상기 탄소 함유 재료 및 상기 용융된 풀을 약 13.9MPa 이상의 압력에서 반응시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
19. 탄산나트륨을 함유하는 용융된 풀을 갖는 반응기;
    상기 반응기와 연통(communication)하는 연수 공급기; 및
    상기 반응기와 연통하는 진공 잔류물 공급기
    를 포함하는, 가스 생성 시스템.
20. 제19항에 있어서, 상기 물 공급기를 목적하는 온도, 목적하는 압력 및 목적하는 유속으로 유지시키기 위해, 상기 물 공급기와 결합된 제어 시스템을 추가로 포함하는, 시스템.
21. 제20항에 있어서, 상기 물 공급기를 목적하는 온도, 목적하는 압력 및 목적하는 유속으로 유지시키기 위해, 상기 물 공급기와 결합된 제어 시스템을 추가로 포함하는, 시스템.
22. 제19항에 있어서, 상기 연수 공급기와 상기 반응기 사이의 제1 유동 경로 및 진공 잔류물 공급기와 반응기 사이의 제2 유동 경로를 추가로 포함하며; 상기 반응기의 상기 용융된 풀 중으로 상기 물 및 상기 진공 잔류물을 도입하기 전에, 상기 제1 유동 경로 및 상기 제2 유동 경로가 상기 물 공급기에 의해 제공된 물과 상기 진공 잔류물 공급기에 의해 제공된 진공 잔류물의 혼합을 조정하는, 시스템.
23. 제19항에 있어서, 상기 반응기의 산출물(output)로서 생성된 가스, 액체 및 고체를 분리하도록 구성된 분리 시스템을 추가로 포함하는, 시스템.
24. 제23항에 있어서, 상기 분리 시스템이 수소, 메탄 및 이산화탄소의 산출물 가스 스트림을 생성시키도록 구성되는, 시스템.
25. 제23항에 있어서, 상기 분리 시스템이, 상기 반응기의 상기 산출물로부터 물을 추출하고 상기 추출된 물을 다시 상기 물 공급기로 재순환시키도록 구성되는, 시스템.
26. 제23항에 있어서, 상기 분리 시스템이, 상기 반응기의 상기 산출물 중의 임의의 가용성 고체들을 용해시키고 상기 용해된 고체를 상기 용융된 풀로 재순환시키도록 구성되는, 시스템.
27. 제19항에 있어서, 상기 반응기가, 하기 평형식에 명시된 화학반응을 실시하도록, 상기 용융된 풀과, 상기 용융된 풀에 첨가된 임의의 연수 및 진공 잔류물의 실질적으로 균일한 혼합물을 유지시키도록 구성되는 시스템:
    

    
28. 제19항에 있어서, 상기 용융된 풀 및 여기에 첨가된 임의의 연수 및 진공 잔류물이 약 930℃의 온도로 유지되는, 시스템.
29. 제28항에 있어서, 상기 용융된 풀 및 여기에 첨가된 임의의 연수 및 진공 잔류물이 약 13.9MPa의 압력으로 유지되는, 시스템.

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