KR20140104043A - 합성 가스를 발생시키기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

탄화수소 및 물로부터 합성 가스를 발생시키기 위한 방법 및 시스템이 본원에 개시된다. 방법 및 시스템의 추가 상세한 설명에서, 합성 가스는 CO 대 수소 및/또는 합성적 작용화된 및/또는 비-작용화된 탄화수소의 어떠한 요망되는 비율로 발생된다. 이러한 방법에 의해서, 탄화수소-함유 유체는 상당량의 CO2를 발생시키지 않으면서 가변 수소 함량을 지니는 합성 가스로 전환될 수 있다. 또한, 다양한 형태의 수소 및 탄소가 부산물로서 수득될 수 있다.

Description

합성 가스를 발생시키기 위한 방법 및 시스템{PROCESS AND SYSTEM GENERATING SYNTHESIS GAS}
본 발명은 탄화수소 및 물로부터 합성 가스를 발생시키기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
세계 경제의 상당 부분은 원료로서 또는 에너지 공급원으로서 원유를 기반으로 하고 있다. 따라서, 개인 및 화물 운송용 오토 및 디젤 연료, 선박용 및 전기 공장용 연료 중질유(heavy oil) 뿐만 아니라 주택 난방용 경질유가 원유로부터 생산된다. 또한, 화학 산업을 위한 다수 원료들이 원유로부터 직접적으로 또는 간접적으로 유래된다. 현재, 원유 생성물을 그 밖의 원료 또는 대안적인 공정으로 대체하려는 시도가 많이 이루어지고 있다. 에너지 분야에서, 천연 가스 및 재생가능한 에너지가 발전소의 작동시 원유 대신에 사용된다. 전기 엔진, 천연 가스 엔진 및 수소 연료 전지가 교통 용도로 시험되고 있지만, 이들은 상업적으로 수립될 수 없다.
산업적 규모로 천연 가스 또는 석탄으로부터 오일 제품을 생산하려는 시도가 있다. 예를 들어, 천연 가스의 액체 연료로의 변환을 위한 공정이 알려져 있다(소위, 가스액화(Gas-to-Liquid) 또는 GtL 공정). 그럼에도 불구하고, 이러한 공정들은 일반적으로 상당한 CO2 방출 및 높은 비용을 수반한다. 또한, 이들은 일반적으로 CO 또는 CO2와 무관하게 수소를 제공할 수 없다. 따라서, 경제적 및 생태적 이유로 인해 이러한 시도는 일반적으로 약간의 드문 적용으로 제한된다.
합성 가스, 또는 약어로 신가스(syngas)는 일산화탄소 및 수소의 가스 혼합물이고, 이러한 가스 혼합물은 또한 이산화탄소를 함유할 수 있다. 예를 들어, 신가스는 탄소 함유 연료의 특정 발열량을 지니는 기체 생성물인 신가스로의 가스화에 의해 발생된다. 합성 가스는 천연 가스의 약 50%의 에너지 밀도를 지닌다. 합성 가스는 태워질 수 있고, 그에 따라서 연료 공급원으로서 사용될 수 있다. 합성 가스는 또한 다른 화학 생성물의 발생에서 중간체 생성물로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 합성 가스는 석탄 또는 폐기물의 가스화에 의해 발생될 수 있다. 합성 가스의 발생에서, 탄소가 물과 반응될 수 있거나, 탄화수소가 산소와 반응할 수 있다. 산업용 가스, 비료, 화학물질 및 그 밖의 화학적 생성물을 발생시키기 위해 합성 가스를 처리하는 상업적으로 이용가능한 기술이 있다. 그러나, 합성 가스의 발생 및 변환을 위한 대부분의 공지된 기술(예, 수-이동-반응(water-shift-reaction))은, 필요량의 수소를 합성하는 것이, 종국적으로는 기후에 유해한 가스로서 대기 중에 방출되는 다량의 과잉 CO2의 발생을 초래한다는 문제점을 지닌다. 합성 가스의 생산을 위한 또 다른 공지된 기술인 반응식 2CH4 + O2 → 2CO + 4H2에 따른 메탄의 부분 산화에서는 H2:CO의 최대 비율이 2.0에 이를 수 있다. 그러나, 이의 단점은 에너지 집약적으로 생산되는 순수한 산소를 사용한다는 점이다.
따라서, 본 발명에 의해 해결하고자 하는 첫 번째 문제는, 상당량의 CO2를 발생시키지 않으면서 탄화수소 함유 유체를 가변적인 수소 함량을 지니는 합성 가스로 변환시키는 것이다.
이러한 문제는 청구항 제 1항, 제 14항 또는 제 15항에 따른 방법뿐만 아니라, 청구항 제 19항 및 제 28항에 따른 장치에 의해 해결된다. 추가의 구체예가 종속항으로부터 얻어질 수 있다.
특히, 합성 가스를 발생시키기 위한 방법은, 열에 의해 일부 또는 전부 제공되는 에너지의 도입에 의해서 탄화수소 함유 유체를 탄소 및 수소로 분해하는 단계를 포함하며, 이러한 탄소 및 수소는 분해하는 단계 후에 200℃ 이상의 온도를 지니게 된다. 그 후에, 800 내지 1700℃의 온도에서 분해하는 단계에 의해 발생된 탄소의 일부를 물과 접촉시키는 단계로서, 탄소를 물과 접촉시킬 때, 분해하는 단계에 의해 발생된 탄소가 분해하는 단계 후 이의 온도에 대해 50% 이하의 ℃로 냉각되는 단계를 포함한다. 여기서, 스플릿팅(splitting) 공정에 의해 발생된 탄소와 함께 물의 일부 또는 전부는 합성 가스로 변환된다. 이러한 방법은 상당량의 CO2를 발생시키지 않으면서 탄화수소 함유 유체를 가변적인 수소 함량을 지니는 합성 가스로 변환시킬 수 있다. 유리한 방식으로, 탄소를 제공하는데(탄화수소의 스플릿팅에 의해) 필요한 에너지의 적어도 일부는 변환을 위한 열의 형태로 도입된다. 추가로, 수소 및 상이한 여러 탄소가 부산물로서 생성될 수 있다.
이는, 분해하는 단계가 1000℃ 초과의 온도에서 이루어지고, 탄소가 1000℃ 이상의 온도, 특히 1000℃ 내지 1200℃의 온도에서 물과 접촉되는 경우에 특히 그러한데, 그 이유는 이러한 경우에는 변환을 위해서 추가 열이 제공될 필요가 없거나, 단지 소량의 추가 열만이 필요하기 때문이다. 바람직하게는, 변환을 위한 800 내지 1700℃(특히 1000℃ 내지 1200℃)의 온도에 도달하는데 필요한 열이 탄화수소 함유 유체를 스플릿팅하는데 사용되는 열에 의해 본질적으로는 완전히 제공된다. 여기서, 본질적으로 완전히는 필요한 열의 80% 이상, 특히 90% 이상이 분해하는 단계로부터 생김을 의미한다.
한 가지 구체예에서, 분해하는 단계에 의해 수득된 탄소 및 분해하는 단계에 의해 수득된 수소는 둘 모두 물과 함께 접촉된다. 수소는 변환을 저해하지 않으며, 추가의 열 전달 물질로서 작용할 수 있다. 이는 탄소 및 수소가 1000℃ 또는 그 초과의 온도(바람직한 변환 온도)를 지니는 경우에 특히 유리하다. 이러한 경우에, 변환 후 가스는 순수한 수성 가스가 아니고 상이한 혼합비를 지니는 합성 가스이다.
대안적으로, 분해하는 단계에 의해 수득된 탄소는 물과 접촉하기 전에 분해하는 단계에 의해 수득된 수소로부터 분리될 수 있다.
상기 방법의 에너지 효율을 증가시키기 위해서, 분해하는 단계로부터 수득된 탄소의 적어도 일부 및/또는 수소의 일부의 열의 적어도 일부는 물을 탄소와 접촉시키는 단계 전에 물을 가열하는데 사용될 수 있고/거나 물이 탄소와 접촉되는 공정 챔버를 가열하는데 사용될 수 있다. 이러한 관점에서, 합성 가스는 변환 후에 800 내지 1700℃의 온도를 지니고, 이의 열의 적어도 일부가 물을 탄소와 접촉시키는 단계 전에 물을 예열하는데 사용될 수 있음이 주지되어야 한다. 또한, 분해하는 단계로부터 수득된 탄소 및/또는 수소의 일부 또는 전부 및/또는 변환 후 합성 가스의 일부의 열의 적어도 일부가 전기를 발생시키는데 사용될 수 있으며, 이러한 전기는 탄화수소 함유 유체의 분해하는 단계를 위한 에너지를 도입하기 위해서 에너지 운반체(energy carrier)로서 사용될 수 있는 것이 가능하다.
바람직하게는, 탄화수소를 분해하기 위한 에너지는 주로 플라즈마를 통해 도입된다. 이는 특히 에너지를 도입하는데 직접적이고, 그에 따라서 효율적인 방법이다. 바람직하게는, 분해하는 단계는 탄화수소의 스트림을 연속 분해할 수 있는 Kvaerner 반응기에서 수행된다.
합성 가스를 발생시키기 위한 방법에서, 추가의 수소 및/또는 일산화탄소 및/또는 추가의 합성 가스가 요망되는 조성을 얻기 위해서 합성 가스에 첨가될 수 있다. 탄소와 수소 둘 모두를 물과 접촉시키는 경우에, CO/H2 비율을 감소시키기 위해서 합성 가스에 추가의 일산화탄소를 첨가하는 것이 특히 유용할 수 있다. 본질적으로 순수한 탄소를 물과 접촉시키는 단계 동안, CO/H2 비율을 증가시키기 위해서 추가의 일산화탄소를 첨가하는 것이 유용할 수 있다. 특히, CO/H2의 요망되는 혼합비를 얻기 위해서 상기 언급된 방법(탄소와 수소 예비 분리와 함께, 달리 이러한 분리 없이)에 따라 개별적으로 발생되는 두 합성 가스 스트림을 혼합하는 것이 가능하다.
바람직하게는, 추가의 수소는 열에 의해 적어도 부분적으로 수행되는 에너지를 도입함으로써 탄화수소 함유 유체를 탄소 및 수소로 분해하는 단계로부터 생긴다. 따라서, 분해하는 단계는 하나의 단계로 탄소 물 변환에 필요한 탄소 및 필요한 수소를 제공할 수 있다. 한 가지 구체예에서, 수소의 적어도 일부는 1000℃ 미만, 특히 600℃ 미만의 온도에서 탄화수소 함유 유체를 마이크로파 플라즈마에 의해 분해하는 단계에 의해 발생된다. 추가의 수소(탄소-물 변환에 필요한 탄소의 생성에 의해 수득되는 양 이상)가 합성 가스의 특정 혼합비에 도달하는데 필요한 경우, 탄화수소 함유 유체로부터 저온에서 에너지 효율적인 방식으로 상기 수소를 생성시키는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 합성 가스 중의 CO 대 수소의 비는 1:1 내지 1:3의 값, 특히 1:2.1의 값으로 조절된다.
합성적 작용화된 및/또는 비-작용화된 탄화수소를 발생시키기 위한 방법에서, 첫 번째 단계로, 합성 가스를 상기 기재된 바와 같이 발생시키고, 합성 가스를 적합한 촉매와 접촉시켜 합성 가스를 합성적 작용화된 및/또는 비-작용화된 탄화수소로 변환시키는데, 여기서 촉매 및/또는 합성 가스의 온도는 소정 온도 범위로 설정되거나 조절된다. 이러한 방식으로, 합성 가스는, 합성 가스를 촉매와 접촉시키기 전에, 또는 촉매와 접촉 시에, 수소와 CO를 혼합함으로써 발생될 수 있다.
한 가지 구체예에서, 합성 가스의 변환은 Fischer-Tropsch 공정, 특히 SMDS 공정에 의해 수행된다. 대안적으로, 합성 가스의 변환은 Bergius-Pier 공정, Pier 공정 또는 MtL 공정과 Pier 공정의 조합에 의해 수행될 수 있다. 이러한 공정의 선택은 합성적 작용화된 및/또는 비-작용화된 탄화수소의 성질을 크게 결정한다.
바람직하게는, 분해될 탄화수소 함유 유체는 천연 가스, 메탄, 습윤 가스, 중질유, 또는 이들의 혼합물이다.
합성 가스를 발생시키기 위한 장치는 탄화수소 함유 유체를 탄소 및 수소로 분해시키기 위한 탄화수소 전환기를 포함하고, 이러한 탄화수소 전환기는 탄화수소 함유 유체를 위한 하나 이상의 유입구 및 탄소 및/또는 수소를 위한 하나 이상의 배출구를 지니는 하나 이상의 공정 챔버, 및 적어도 일부가 열로 구성되는 에너지를 공정 챔버로 도입하기 위한 하나 이상의 유닛을 포함한다. 추가로, 장치는 물 및 탄소의 변환을 위한 C 전환기를 포함하고, C 전환기는 물을 위한 하나 이상의 유입구 및 적어도 탄소를 위한 하나 이상의 유입구 및 하나 이상의 배출구를 지니는 하나 이상의 추가의 공정 챔버를 포함하고, 여기서 적어도 탄소를 위한 유입구는 탄화수소 전환기의 하나 이상의 배출구에 직접적으로 연결된다. 여기서, 용어 "직접적으로 연결되는"은 탄화수소 전환기에서 나오는 탄소가 이러한 과정에서 탄소를 가열하는 추가의 에너지를 사용하지 않으면서 C 전환기로 이의 온도(℃)의 50% 이상까지, 바람직하게는 20% 이하까지 냉각되지 않음을 기술하는 것이다. 수소로부터 탄소를 분리하는 분리 유닛은 분해하는 단계 위치와 탄화수소 전환기의 하나 이상의 출구 사이에 제공될 수 있다. 이러한 유닛은 탄화수소 전환기의 일부를 형성시킬 수 있거나, 별도의 유닛으로서 탄화수소 전환기의 외부에 위치될 수 있다. 탄화수소 전환기의 출구와 C 전환기의 입구 사이의 분리 유닛은 상기 조건을 충족시키는 한, 직접적인 연결을 저해하지 않는다.
바람직하게는, 에너지를 공정 챔버로 도입하기 위한 하나 이상의 유닛은 1000℃ 초과, 특히 1500℃ 초과의 온도를 적어도 국부적으로 발생시킬 수 있는 방식으로 구성된다. 한 가지 구체예에서, 에너지를 공정 챔버로 도입하기 위한 하나 이상의 유닛은 플라즈마 유닛이다. 특히, 분해 온도가 1000℃ 미만으로 유지되는 경우, 에너지를 공정 챔버로 도입하기 위한 하나 이상의 유닛은 바람직하게는 마이크로파 플라즈마 유닛을 포함한다.
장치의 특히 간단한 구체예의 경우, C 전환기의 공정 챔버는, 물을 위한 공급 파이프에 연결된 탄화수소 전환기의 배출구 파이프에 의해 형성된다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 분해에 의해 발생되는 탄소와 수소를 분리하기 위한 분리 유닛은 탄화수소 전환기 부근에 제공되고, 분리 유닛으로부터의 별개의 배출구가 분리된 물질을 위해 제공되고, 여기서 탄소의 배출구는 C 전환기에 연결된다.
바람직하게는, 탄화수소 전환기는, 긴 작동 기간 동안 탄화수소 함유 유체의 연속 스플릿팅에 필요한 온도를 제공할 수 있는 Kvaerner 반응기이다.
가변적인 혼합비를 지니는 합성 가스의 간단하고 효율적인 발생을 위하여, 장치는 수소 및/또는 탄소 및/또는 별도의 합성 가스를 C 전환기 또는 하류 혼합 챔버로 공급하기 위한 하나 이상의 별도의 공급 파이프를 포함할 수 있다.
한 가지 구체예에서, 합성 가스를 발생시키기 위한 장치는 탄화수소 함유 유체를 탄소 및 수소로 분해시키기 위한 하나 이상의 추가의 탄화수소 전환기를 포함한다. 하나 이상의 추가의 탄화수소 전환기는 또한 탄화수소 함유 유체를 위한 하나 이상의 유입구를 지니는 하나 이상의 공급 챔버, 적어도 일부가 열로 구성되는 에너지를 공정 챔버로 도입하기 위한 하나 이상의 유닛, 및 분해에 의해 수득된 수소로부터 탄소를 분리하기 위한 분리 유닛을 포함하며, 상기 분리 유닛은 탄소와 수소를 위한 별도의 배출구를 지니고, 수소를 위한 배출구는 수소를 위한 별도의 공급 파이프에 연결된다. 에너지 효율의 이유로, 하나 이상의 추가의 탄화수소 전환기는 바람직하게는, 1000℃ 미만, 특히 600℃ 미만의 온도에서 마이크로파 플라즈마에 의해 분해를 수행하는 유형이다.
합성 가스를 합성적 작용화된 및/또는 비-작용화된 탄화수소로 변환시키기 위한 장치는 상기 특정 유형의 합성 가스를 발생시키기 위한 장치 및 CO 전환기를 포함한다. CO 전환기는 촉매가 구비되는 공정 챔버, 합성 가스를 촉매와 접촉시키기 위한 수단 및 촉매 및/또는 합성 가스의 온도를 소정 온도로 제어하거나 조절하기 위한 제어 유닛을 포함한다. 이러한 방식으로, 합성 가스를 발생시키기 위한 장치의 일부는 CO 전환기, 예를 들어, CO 및 추가 수소, 탄소 및/또는 또 다른 합성 가스를 위한 혼합 챔버로 통합될 수 있다. 한 가지 구체예에서, CO 전환기는 Fischer-Tropsch 전환기, 특히 SMDS 전환기를 포함한다. 대안적으로, CO 전환기는 Bergius-Pier 전환기, Pier 전환기 또는 Pier 전환기와 MtL 전환기의 조합을 포함할 수 있다. 또한, 동일한 유형 또는 상이한 유형의 여러 CO 전환기가 장치에 존재하는 것이 가능하다.
바람직하게는, 장치는 CO 전환기 내부에 합성 가스의 압력을 제어하거나 조절하는 제어 유닛을 포함한다.
하기에서, 본 발명은 특정 구체예 및 도면을 참조로 하여 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 합성 가스를 발생시키기 위한 플랜트의 개략도이다.
도 2는 합성 가스를 발생시키기 위한 대안적인 플랜트의 개략도이다.
도 3은 작용화된 및/또는 비작용화된 탄화수소를 발생시키기 위한 플랜트의 개략도이다.
도 4는 또 다른 구체예에 따른 작용화된 및/또는 비작용화된 탄화수소를 발생시키기 위한 또 다른 플랜트의 개략도이다.
도 5는 또 다른 구체예에 따른 작용화된 및/또는 비작용화된 탄화수소를 발생시키기 위한 플랜트의 개략도이다.
도 6은 또 다른 구체예에 따른 작용화된 및/또는 비작용화된 탄화수소를 발생시키기 위한 플랜트의 개략도이다.
도 7은 또 다른 구체예에 따른 합성 가스를 발생시키기 위한 플랜트의 개략도이다.
도 8은 또 다른 구체예에 따른 작용화된 및/또는 비작용화된 탄화수소를 발생시키기 위한 플랜트의 개략도이다.
용어 상, 하, 좌 및 우 뿐만 아니라 하기 설명에서 유사한 용어는 각각 도면에 나타나 있는 방향 및 배열에 관한 것이며, 이는 단지 구체예의 설명을 위해 의도된 것임이 주지되어야 한다. 이러한 용어는 바람직한 배열을 나타낼 수 있지만, 제한되지 않는다. 추가로, 상이한 도면에서 동일한 참조 부호는 동일하거나 유사한 부분을 설명하는데 사용된다.
하기 명세서에서, "고온" 물질을 취급하거나 "고온" 공정을 수행하는 공정 및 장치가 기술된다. 이러한 설명의 문맥에서, 표현 "고온"은 200℃ 초과, 바람직하게는 300℃ 초과의 온도를 기술하는 것이다.
합성 가스는 주로 일산화탄소와 수소로 이루어진 어떠한 가스이다. 일산화탄소와 수소가 거의 동량으로(1:1) 이루어진 (합성) 가스는 수성 가스라 불린다. 본원에서 사용되는 표현 합성 가스는 합성 가스의 특정 혼합물로서 수성 가스를 포함한다.
도 1은 합성 가스를 발생시키기 위한 플랜트(1)를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 1은 또한 이러한 설명에 따라 합성 가스를 발생시키기 위한 기본적인 공정 단계를 명확하게 한다.
합성 가스를 발생시키기 위한 플랜트(1)는, 탄화수소 유입구(4) 및 제 1 탄소 배출구(5), 임의의 수소 배출구(6) 뿐만 아니라 임의의 제 2 탄소 배출구(7)를 포함하는 탄화수소 전환기(3)를 포함한다. 합성 가스를 발생시키기 위한 플랜트(1)는, 물 유입구(10), 탄소 배출구(11)(C 유입구로도 지칭됨) 및 합성 가스 배출구(12)(합성 가스가 배출되는)를 지니는 C 전환기(9)를 추가로 포함한다. 탄화수소 전환기(3) 및 C 전환기(9)는, 탄화수소 전환기(3)의 탄소 배출구(5)가 CO2 전환기(9)의 탄소 유입구(11)에 직접적인 연결부(8)를 통해 연결되도록 배열되고, 배출구(5)는 C 전환기(9)의 탄소 유입구(11)로 직접적으로 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 탄소는 탄화수소 전환기(3)로부터 C 전환기(9)로 직접적으로 수송될 수 있다.
탄화수소 전환기(3)는 도입된 탄화수소를 탄소 및 수소로 변환시키거나 분해할 수 있는 어떠한 탄화수소 전환기이다. 탄화수소 전환기(3)는 탄화수소 함유 유체를 위한 유입구, 분해 에너지를 탄화수소 함유 유체에 도입하기 위한 하나 이상의 유닛 및 하나 이상의 배출구를 지니는 공정 챔버를 포함한다. 분해 에너지는 적어도 일부가 열에 의해 제공되고, 이러한 열은 예를 들어, 플라즈마에 의해 제공된다. 그럼에도 불구하고, 분해 에너지는 또한 다른 수단에 의해 제공될 수 있으며, 분해가 주로 열에 의해 야기되는 경우, 탄화수소 함유 유체는 1000℃ 초과, 특히 1500℃ 초과의 온도로 가열되어야 한다.
상기 기재된 구체예에서, 플라즈마 아크에 의해 필요한 열을 제공하는 Kvaerner 반응기가 사용된다. 그러나, 더 저온에서, 특히 1000℃ 미만에서 작동되는 다른 반응기가 알려져 있는데, 이는 예를 들어, 마이크로파 플라즈마에 의해 열 외의 추가 에너지를 탄화수소에 도입한다. 이하에 추가로 설명될 바와 같이, 본 발명에는 두 유형 모두의 반응기(및 또한 플라즈마 없이 작동되는 반응기), 특히 또한 서로 조합된 두 유형 모두의 반응기가 고려된다. 1000℃ 초과의 온도에서 작동하는 탄화수소 전환기는 고온 반응기라 일컬어지는 반면, 1000℃ 미만의 온도, 특히 200℃ 내지 1000℃의 온도에서 작동하는 탄화수소 전환기는 저온 반응기라 일컬어진다.
탄화수소 전환기 내에, 탄화수소(CnHm)는 열 및/또는 플라즈마에 의해 수소와 탄소로 분해된다. 이러한 탄화수소는 바람직하게는 가스로서 반응기로 도입된다. 표준 조건하에서 액체인 탄화수소는 반응기로 도입되기 전에 증발될 수 있거나, 미세-액적으로서 도입될 수 있다. 이 두 형태 모두 하기에서 유체로서 의미된다.
탄화수소의 분해는, 가능하다면, 탄소 산화물 또는 물의 형성을 억제하기 위해서 산소의 부재하에 이루어져야 한다. 그렇기는 하지만, 탄화수소와 함께 도입될 수 있는 소량의 산소는 공정에 해롭지 않다.
상기 기재된 Kvaerner 반응기는 고온의 플라즈마 버너에서 탄화수소 함유 유체를 순수한 탄소(예를 들어, 활성화 석탄, 카본 블랙, 흑연 또는 산업적 그을음(industrial soot)으로서) 및 수소, 및 가능하게는 불순물로 분해한다. 탄화수소 전환기(3)를 위한 출발 물질로서 사용되는 탄화수소 함유 유체는 예를 들어, 메탄, 천연 가스, 바이오가스, 습성 가스 또는 중질유이다. 그러나, 합성적 작용화된 및/또는 비작용화된 탄화수소가 또한 탄화수소 전환기(3)를 위한 출발 물질로서 사용될 수 있다. 초기의 분해하는 단계 후에, 구성요소는 일반적으로 혼합물, 특히 에어로졸 형태의 혼합물로서 존재한다. 이러한 혼합물은 하기에 기술될 바와 같이, 이러한 형태로 또 다른 공정으로 도입될 수 있거나, 이러한 혼합물은 분리 유닛(미도시)에서 이의 개별 구성요소로 분리될 수 있다. 본 특허 출원의 문맥에서, 그러한 분리 유닛은 탄화수소 전환기(3)의 일부로서 간주되지만, 분리 유닛은 별도의 유닛으로서 구성될 수 있다. 분리 유닛이 제공되지 않는 경우, 탄소 배출구(5)는 단지 탄화수소 전환기(3)의 배출구이며, 탄소와 수소의 혼합물(에어로졸)을 C 전환기(9)로 직접적으로 유도한다. 분리 유닛이 제공되는 경우, 수소로부터 적어도 일부 분리된 탄소가 탄소 배출구(5)를 이용하여 탄화수소 전환기(9)로 유도될 수 있다. 분리된 수소, 및 가능하게는 추가의 탄소는 임의의 배출구(6 및 7)에 의해서 방출될 수 있다.
C 전환기(9)는 탄소(C) 및 물(H2O)로부터 합성 가스(신가스)를 발생시킬 수 있는 어떠한 적합한 C 전환기일 수 있다. 도 1의 구체예에서, C 전환기(9) 내에 H2O는 탄소 상에 통과되거나 수증기가 탄소와 수소의 스트림으로 도입되고 스트림과 혼합되어 화학 반응식 C + H2O → CO + H2에 따라 변환된다. C 전환기(9)에서, 하기 반응이 일어난다:
C + H2O → CO + H2 + 131.38 kJ/mol 흡열성
CO + H2O → CO2 + H2 - 41.19 kJ/mol 발열성
하기 Boudouard 평형에서, 하기 반응이 발생된다:
2C + O2 → 2CO + 172.58 kJ/mol 흡열성
세 가지 반응 모두가 서로 평형인 후에, C 전환기(9)에서의 공정은 바람직하게는 800 내지 1700℃, 바람직하게는 1000 내지 1200℃의 고온에서 발생하는데, 그 이유는 더 저온에서는 두 번째 반응이 우세할 것이고, 여기서 상기 온도에 도달하는데 필요한 열이 주로, 하기 더욱 상세하게 기술될 바와 같이, 탄화수소 전환기(3)로부터 발생된 물질에 의해 제공되기 때문이다. 이러한 조건 하에, C 전환기(9)에서의 물(H2O)은 증기이고, 물은 이미 증기로서 도입될 수 있다. 작동 동안 물의 공급은 과잉의 물을 방지하여 강력한 냉각을 방지하도록 제어된다. C 전환기(9)에서의 과도한 냉각의 경우, 상기 반응 2가 또한 우세할 것이다.
CO2 전환기(9)는 발열성 수-이동-반응 CO + H2O → CO2 + H2을 억제하고, 그에 따라서 합성 가스에서 일산화탄소 부분을 최적화시키기 위해서 1000 내지 1200℃의 고온에서 가장 우수하게 작동된다. C 전환기(9)에서의 반응은 당업자에게 공지되어 있으며, 그에 따라서 본원에서 상세하게 논의되지 않는다.
합성 가스의 발생을 위한 플랜트(1)의 작동은 도 1을 참조로 하여 하기 더욱 상세하게 기술된다. 하기에서, 탄화수소 전환기(3)는 Kvaerner형의 고온 반응기인 것으로 추정된다. 탄화수소 함유 유체(특히, 기체 형태)는 탄화수소 유입구(4)를 통해 탄화수소 전환기(3)로 도입된다. 탄화수소가 예를 들어 메탄(CH4)인 경우, 1몰의 탄소 및 2몰의 수소가 1몰의 메탄으로부터 발생된다. 탄화수소는 하기 반응식에 따라 탄화수소 전환기(3)의 플라즈마 토치에서 약 1600℃에서 변형되고, 여기서 도입되는 에너지는 전기 에너지에 의해 플라즈마에서 발생되는 열이다:
CnHm + 에너지 → nC + m/2H2
적절한 공정 제어로, Kvaerner 반응기는 연속 작동으로 탄화수소의 거의 100%를 이의 성분으로 변환시킬 수 있다.
하기에서, 탄소 및 수소는 탄화수소 전환기(3)에서 분리되고, 이들이 크게 분리되어 방출될 것으로 추정된다. 그러나, 또한, 분리가 발생하지는 않지만, 탄소와 수소가 방출되고 C 전환기(9)로 혼합물로서 도입될 수 있다. 수소는 C 전환기(9)에서 전환 공정을 저해하지는 않지만, 추가의 열 전달 물질로서 작용할 수 있다. 탄소는 적어도 일부가 탄소 배출구(5)를 통해 C 전환기(9)의 탄소 유입구(11)로 직접적으로 유도된다. 탄화수소 전환기(3)의 배출구(5)로부터 CO2 전환기(9)의 탄소 유입구(11)로의 용어 "직접적인" 유도는 유도되는 물질의 온도의 50% 이상으로의 냉각을 거치지 않는 그러한 변형예를 포함할 것이다(바람직하게는 20% 이하). 탄화수소 전환기(3)로부터 나오는 탄소는 고온, 바람직하게는 1000℃ 초과의 온도를 지니기 때문에, 그 안에 함유되는 열 에너지는, 예를 들어, 약 1000℃의 온도에서 작동되는 C 전환기(9)에서 변환 공정에 필요한 온도를 유지하는데 사용될 수 있다.
탄화수소 전환기(3)와 C 전환기(9) 사이의 연결부(8)는 탄소가 탄화수소 전환기(3)로부터 C 전환기(9)로의 이의 과정에 많이 냉각되지 않도록 설계된다(온도에 관하여 50% 미만, 바람직하게는 20% 미만). 예를 들어, 연결부(8)는 특히 절연되고/거나 활발하게 가열될 수 있는데, 시스템에는 바람직하게는 추가의 열이 제공되지 않는다. 즉, 탄화수소 전환기(3)에 도입되는 열에 더하여 추가의 열이 제공되지 않는다. 탄화수소 전환기(3)에서 발생된 수소는 또한 탄화수소 전환기(3)에서의 작동 온도 때문에 열 에너지를 함유한다. 따라서, 연결부(8)를 가열하기 위해 한 가지 가능한 것은 수소 배출구(6)를 통해 나오는 수소의 열 에너지를 사용하여 탄화수소 전환기(3)와 C 전환기(9) 사이의 연결부(8)를 열 교환기 유닛을 통해 직접적으로 또는 간접적으로 가열하는 것이다.
C 전환기에서, C 전환기(9)의 물 유입구(10)를 통해 도입되는 물, 특히 증기 형태의 물은 고온의 탄소 상으로 유도되고/거나 고온의 탄소와 혼합된다. C 전환기는 고온에서 가장 우수하게 작동되는데, 그 이유는 이것이 흡열 반응이고, 수-이동-반응의 수행은 발열 반응이기 때문이다. 당업자에게 알려진 반응은 압력 및 온도에 좌우되며, 이는 상세하게 기재되지 않을 것이다. C 전환기(9)로 도입되는 물의 양 또는 탄소의 양은 적절한 수단에 의해서 제어(개방-루프)되고/거나 조절(폐쇄-루프)될 수 있다.
C + H2O → CO + H2; △H = + 131.38 kJ/mol
또한 여기서, Boudouard 평형이 제한 요인이다. 이는 1000℃ 초과의 온도, 및 과잉의 물 부재에서, 혼합물이 거의 오로지 일산화탄소와 수소만으로 구성되기 때문이다. C 전환기(9)의 물 유입구(10)로 도입되는 물을 예열하는 것이 유리한데, 그 이유는 C 전환기(9)가 바람직하게는 >1000℃의 온도에서 작동되기 때문이다. 예를 들어, 물의 예열은 예를 들어, 직접적으로 또는 열 교환 유닛을 통해 간접적으로 고온의 수소에 함유되는 열 에너지를 사용하여 물을 예열함으로써 달성될 수 있다. 바람직하게는, 탄소에 함유된 열은 물을 요망되는 온도로 가열하기에 충분하다. 탄화수소 전환기(3)에서 발생된 열이 약 1000℃의 요망되는 변환 온도에 도달하기에 충분하지 않은 경우에만, C 전환기(9) 또는 그 안에 함유되는 구성요소를 가열하기 위한 임의의 추가의 가열 유닛이 제공될 수 있다. 상기 유닛은 또한 물 또는 탄소를 위한 공급 라인 부근에서 예열 유닛으로서 제공될 수 있다. 상기 유닛은 또한, 시스템이 요망되는 온도 상태에 보다 신속하게 도달할 수 있도록 출발 온도로 플랜트의 일부를 함유하는 매체 또는 C 전환기(9)를 야기하기 위해서 플랜트들의 시작 단계에만 제공될 수 있다. 오로지 탄화수소 전환기(3)에서 발생되는 열을 통하는 부분을 함유하는 매체 모두를 가열하는 것은 시작 시에 너무 오래 소요될 수 있다.
> 1000℃의 온도(C 전환기(9)의 작동 온도에 좌우)에서 C 전환기(9)로부터 고온의 합성 가스(CO + H2)가 나온다. C 전환기(9)로부터 나오는 합성 가스는 또한 열 에너지를 함유하는데, 이러한 열 에너지는 예를 들어, 물 유입구(10)로 도입되는 물을 직접적으로 또는 열 교환 유닛(도 1에는 미도시)을 통해 간접적으로 예열하는데 사용될 수 있다. 적절한 작동 파라미터, 즉, 1000 내지 1200℃의 온도(및 탄화수소 전환기(3)에서 수소와 탄소의 분리)로, 수성 가스라 불리는 합성 가스가 발생하는데, 여기서 CO 및 H2는 1:1의 비율을 지닌다. 탄화수소 전환기(3)에서 수소와 탄소의 분리 없이, 그리고 C 전환기(9)에서 각각의 적절한 작동 파라미터, 즉 1000 내지 1200℃의 온도 없이, 대략 1:3의 CO/H2 비율을 지니는 합성 가스가 생성될 것이다.
상기 언급된 바와 같이, 탄화수소 전환기(3)는 탄소를 방출시키는 제 2 탄소 배출구(7)를 포함할 수 있다. 탄화수소 전환기(3)에서 발생된 탄소는 제 1 탄소 배출구(5) 및 제 2 탄소 배출구(7)를 통해 상이한 비율로 각각의 분리 후에(또는 C-H2 혼합물로서) 방출될 수 있다. 제 2 탄소 배출구(7)는 합성 가스를 발생시키는 C 전환기(9)에 사용되지 않는 발생된 탄소의 일부를 방출시키는데 사용된다. 미사용된 탄소의 양은 C 전환기(9)에서 방출될 합성 가스의 요망되는 조성에 좌우한다. 제 2 탄소 배출구(7)를 통해 방출된 탄소는 활성 탄소, 흑연, 카본 블랙 또는 또 다른 변형예, 예컨대, 카본 콘(carbon cone) 또는 카본 디스크(carbon disc)로서 방출될 수 있다. 방출된 탄소의 형태 및 품질에 좌우하여, 방출된 탄소는 화학 산업 또는 전자 산업에 원료로서 사용될 수 있다. 가능한 적용으로는 예를 들어, 반도체의 제작, 타이어, 잉크, 토너 또는 유사한 제품의 생산이 있다. 탄화수소 전환기(3)에 의해 발생된 탄소는 매우 잘 가공될 수 있는 고순도의 원료이다.
합성 가스를 발생시키기 위한 상기 기재된 방법에 의해서, 외부 열 공급 없이 또는 적어도 상당한 외부 열 공급 없이, 따뜻하거나 뜨거운 물과 함께 C 전환기(9)에서 탄화수소 전환기(3)로부터 고온의 탄소를 합성 가스로 변환시키는 것이 가능하다. 바람직하게는, 변환 온도에 도달하는데 필요한 열의 80% 이상, 특히 90% 이상이 탄화수소 전환기(3)로부터 생겨야 한다.
도 2는, 혼합 챔버(21) 및 합성 가스를 발생시키기 위한 플랜트(1)의 상기 기재된 구성요소를 포함하는, 합성 가스의 발생을 위한 플랜트(20)을 나타낸 것이고, 상기 혼합 챔버(21)는 합성 가스를 도입하기 위한 합성 가스 유입구(22) 및 수소를 도입하기 위한 H2 유입구(23) 뿐만 아니라 합성 가스를 방출시키기 위한 합성 가스 배출구(24)를 포함한다. 합성 가스 유입구(22)는 C 전환기(9)의 합성 가스 배출구(12)에 연결된다. 혼합 챔버(21)의 H2 유입구(23)는 탄화수소 전환기(3)의 H2 배출구(6)에 연결된다. 당업자에게 명백한 바와 같이, 탄소 배출구(5)를 통해 자동으로 C-H2 혼합물을 C 전환기(9)로 도입하는 구체예는 약 1:3의 CO-H2의 혼합비를 지니는 합성 가스를 발생시킨다. 그러한 경우에, 혼합 챔버(21)가 존재하지 않을 수 있거나, 혼합 챔버(21)가 상이한 혼합비를 생성하도록 사용될 수 있거나, CO가 합성 가스의 H2 함량을 감소시키기 위해서 혼합 챔버로 도입될 수 있다.
혼합 챔버(21)는 가스를 혼합하기에 적합한 어떠한 장치일 수 있으며, 간단한 경우에, 혼합 챔버(21)는 적합한 유입구 및 배출구를 지니는 파이프의 형태일 수 있다. 혼합 챔버(21)에 의해서, 그리고 특히 혼합 유닛(21)의 H2 유입구(23)를 통해 및/또는 CO 공급원(미도시)에 연결되고/거나 제 2 합성 가스 공급원에 연결된 유입구(미도시)를 통해 도입되는 (추가) 수소의 양을 제어/조절(개방/폐쇄 루프)함에 의해서, 합성 가스 배출구(24)에서 합성 가스의 혼합물은 후속 공정에 적합한 조성물이 달성될 수 있도록 영향을 받을 수 있다. 특히, 제 2 합성 가스 공급원은 제 1 C 전환기와 병렬로 작동되는 제 2 C 전환기(9)일 수 있다. 이러한 C 전환기(9) 둘 모두에는 일반적으로 공유되는 탄화수소 전환기(3)로부터 또는 별개의 전환기 유닛으로부터 탄소 및/또는 수소가 공급될 수 있다. 특히, 제 1 전환기에는 실질적으로 순수한 탄소가 공급될 수 있고(수소를 분리한 후), 제 2 전환기에는 탄소와 수소의 혼합물이 공급될 수 있다. 여기서, 제 1 C 전환기는 실질적으로 약 1:1의 CO:H2 혼합비를 지니는 수성 가스를 생성할 수 있고, 제 2 C 전환기는 약 1:3의 CO:H2 혼합비를 지니는 합성 가스를 생성할 것이다. 이러한 두 합성 가스를 조합하면 약 1:2의 CO:H2 혼합비가 수득될 것인데, 여기서 과잉의 수소(제 1 C 전환기로 도입되기 전 분리 단계로부터)가 계속해서 혼합비의 추가 증가에 이용가능할 것이다.
다수 공정의 경우, 예를 들어, Fischer-Tropsch 합성의 경우, CO에 대한 수소의 비율은 높아야 한다. 혼합 챔버(21)에 의해서, CO에 대한 수소의 어떠한 요망되는 비율, 예를 들어 수성 가스에 상응하는 1:1의 비율이 합성 가스 배출구(24)에서 달성될 수 있다. 단지 합성 가스의 일부 및/또는 수소의 일부만이 혼합 챔버(21)로 도입되고, 반면 혼합 챔버로 도입되지 않은 합성 가스와 수소의 일부는 각각 순수한 가스로서 공정으로부터 방출되는 것으로 여겨진다. 따라서, 예를 들어, a) 단지 합성 가스만을 방출하거나, b) 단지 수소만을 방출하거나, c) CO와 수소의 합성 가스 혼합물을 방출하거나, d) 각각 수성 가스 스트림, 수소 스트림 및 합성 가스 혼합물 스트림(CO와 수소 사이의 임의의 비율) 또는 일산화탄소와 수소 사이의 상이한 비율을 지니는 여러 합성 가스를 방출하는 것이 가능하다.
또한, 도 2에서 합성 가스를 발생시키기 위한 플랜트(20)는 C 열 교환 유닛(25), 합성 가스 열 교환 유닛(26) 및 H2 열 교환 유닛(27)을 포함한다. C 열 교환기 유닛(25)은 탄화수소 전환기(3)와 C 전환기(9) 사이의 연결부(8)와 열전도성 접촉되어 있으며, 필요 시, 연결부로부터 C 전환기(9)에서 변환 온도에 도달하는데 필요하지 않은 과잉 열을 추출하도록, 또는 필요 시, 플랜트의 다른 영역으로부터 열을 도입하도록 구성되어 있다.
합성 가스 열 교환기 유닛(26)은 C 전환기(9)와 혼합 챔버(21) 사이의 연결부(8)와 열전도성 접촉되어 있으며, 연결부로부터 과잉 열을 추출하고, 그에 따라서 고온의 합성 가스에 함유된 과잉 열을 추출하도록 구성되어 있다. 추출된 열은 예를 들어, C 전환기(9)로 도입되는 물을 예열하는데 사용될 수 있다. 이러한 열 전달의 경우, 당해 분야에 공지된 바와 같은 소위 역류 열 교환기 유닛이 특히 적합할 것이다.
H2 열 교환기 유닛(27)은 탄화수소 전환기(3)와 혼합 챔버(21) 사이의 연결부와 열전도성 접촉되어 있으며, 연결부로부터 과잉 열을 추출하고, 그에 따라서 그 안에 함유된 고온의 수소로부터 과잉 열을 추출하도록 구성되어 있다. 열 교환기 유닛(25, 26 또는 27) 중 하나에서 추출된 열은 플랜트의 다른 영역을 가열하는데, 특히 C 전환기를 따뜻하게 유지하는데, 또는 C 전환기로 도입되는 물을 예열하는데 사용될 수 있다. 열의 일부는 예를 들어, 증기 발생기 및 증기 터빈에 의해서, 또는 또 다른 적합한 장치에 의해서 전기로 전환될 수 있다.
합성 가스를 발생시키기 위한 플랜트(20)의 작동은 탄화수소 전환기(3) 및 C 전환기(9)의 작동에 대하여 도 1에 따른 플랜트(1)의 상기 기재된 작업과 유사하다. 합성 가스를 발생시키기 위한 플랜트(20)에서, 수소 대 CO의 요망되는 혼합비는 합성 가스의 요망되는 조성에 좌우하여 혼합 챔버에서 설정되고, 혼합 챔버(21)의 합성 가스 배출구(24)를 통해 우회된다. 바람직하게는, 반드시 그러하지는 않지만, 수소는 기술된 바와 같이, 탄화수소 전환기(3)에 의해 제공된다. 그 밖의 수소 공급원, 특히 제 2 탄화수소 전환기(3), 특히 저온 탄화수소 전환기가 고려될 수 있다. 전체 이용가능한 양의 합성 가스 및/또는 전체 이용가능한 양의 H2가 사용되지 않는 경우, 혼합 챔버에서 혼합되지 않은 가스, 예를 들어, 합성 가스 및/또는 H2의 일부는 개별적으로 가공될 수 있다.
도 3은, 수성 가스의 발생 위한 플랜트(10)(도 1에 도시된 바와 같음) 및 CO 전환기(31)를 포함하는, 합성적 작용화된 및/또는 비작용화된 탄화수소를 발생시키기 위한 플랜트(30)를 나타낸 것이다. 플랜트(1)에 상응하는 플랜트의 그러한 부분은 반복을 피하기 위해서 상세하게 설명되지 않는다. CO 전환기(31)는 C 전환기(9)로부터 하류에 위치되어 있으며, 합성 가스를 도입하기 위한 합성 가스 유입구(32), 수소를 도입하기 위한 H2 유입구(33) 및 합성적 작용화된 및/또는 비작용화된 탄화수소를 방출시키기 위한 탄화수소 배출구(34)를 포함한다. CO 전환기(31)의 합성 가스 유입구(32)는 합성 가스 연결부(35)에 의해서 C 전환기(9)의 합성 가스 배출구(12)에 연결된다. 합성 가스 전환기(31)의 H2 유입구(33)는 H2 연결부(36)에 의해서 탄화수소 전환기(3)의 H2 배출구(6)에 연결된다.
CO 전환기(31)의 H2 유입구(33) 및 H2 연결부(36)는 임의의 구성요소임이 주지될 것이다. C 전환기(9)로부터 나오는 합성 가스의 조성에 좌우하여, 그리고 CO 전환기(31)에서 발생될 합성적 작용화된 및/또는 비-작용화된 탄화수소에 좌우하여, 합성 가스가 C 전환기(9)의 합성 가스 배출구(12)로부터 나오는 때에는 합성 가스가 이미 CO 전환기(31)에 의한 추가 가공을 위한 올바른 조성을 지닌다. 이러한 경우에, H2 연결부(36)를 통해 수소를 도입하는 것이 필요하지 않다. 임의로, H2 연결부(36)는 또한 또 다른 물질, 예를 들어, 합성 가스의 H2 함량을 감소시키기 위한 CO 또는 알데하이드의 합성(하이드로포르밀화)을 위해 알켄을 도입하는 작용을 할 수 있다.
탄화수소를 발생시키기 위한 플랜트(30)는 임의로 또한 플랜트(20)와 관련하여 기재된 열 교환기 유닛(25, 26, 27)을 포함한다(도 2). 즉, C 열 교환기(25), 합성 가스 열 교환기(26) 및 H2 열 교환기(27) 모두는 상기 기재된 방식으로 작동된다(도 2에 대한 설명 참조).
CO 전환기(31)는 합성적 작용화된 및/또는 비작용화된 탄화수소를 발생시기키 위한 어떠한 CO 전환기일 수 있다. 도 3에 나타나 있는 구체예에서, CO 전환기는 바람직하게는 온도 및/또는 압력에 적합한 촉매 및 제어 유닛을 지니는 Fischer-Tropsch 전환기, Bergius-Pier 전환기 또는 Pier 전환기이다.
한 가지 구체예에서, CO 전환기(31)는 Fischer-Tropsch 전환기를 포함한다. Fischer-Tropsch 전환기는 합성 가스를 탄화수소 및 물로 촉매적으로 변환시킨다. Fischer-Tropsch 반응기 및 Fischer-Tropsch 공정의 여러 구체예는 당업자에게 알려져 있고, 상세하게 설명되지 않는다. 주요 반응식은 하기와 같다:
nCO + (2n + 1)H2 → CnH2n +2 + nH2O 알칸의 경우
nCO + 2nH2 → CnH2n + nH2O 알켄의 경우
nCO + 2nH2 → CnH2n + 1OH + (n - 1)H2O 알콜의 경우
Fischer-Tropsch 공정은 고온 공정 또는 저온 공정으로 수행될 수 있으며, 공정 온도는 일반적으로 200 내지 400℃의 범위이다. Fischer-Tropsch 공정의 공지된 변형예로는 다른 것들 중에서, Hochlast 합성, 신톨 합성(Synthol synthesis) 및 Shell의 SMDS 공정(SMDS = Shell 중간 유분 합성(Shell Middle Distillate Synthesis))이 있다. Fischer-Tropsch 전환기는 전형적으로 습성 가스의 탄화수소 화합물(프로판, 부탄), 휘발유(petrol), 등유(kerosine), 연질 파라핀, 경질 파라핀, 메탄, 디젤 연료 또는 이들 중 여러 개의 혼합물을 생성시킨다. Fischer-Tropsch 합성은 발열성인 것으로 당업자에게 알려져 있다. Fischer-Tropsch 공정으로부터의 반응 열은 예를 들어, 열 교환기 유닛(도면에 미도시)에 의해서 물을 예열하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 물을 C 전환기(9)로 도입하기 위해서 2-단계 예열 공정이 고려되는데, 제 1 예열 단계는 CO 전환기(31)의 과잉 열로 실현되고(Fischer-Tropsch 전환기의 구체예에서), 이어서 물의 추가 가열 단계가 열 교환기 유닛(25, 26, 27) 중 하나 이상으로부터의 열에 의해 실현된다.
대안적인 구체예에서, CO 전환기(31)는 Bergius-Pier 전환기 또는 Pier 전환기의 MtL 전환기(MtL = 메탄올 액화(Methanol-to-Liquid))와의 조합을 포함한다.
Bergius-Pier 전환기에서, 당업자에게 잘 알려져 있는 Bergius-Pier 공정이 수행되는데, 여기서 탄화수소는 발열성 화학 반응으로 탄소를 수소로 수소화시킴으로써 발생된다. Bergius-Pier 공정으로부터의 생성물 범위는 반응 조건 및 반응 공정의 제어에 좌우한다. 주로 액체 생성물이 수득되는데, 이는 연료, 예를 들어, 중질유 및 중간유로서 사용될 수 있다. Bergius-Pier 공정의 공지된 변형예로는 예를 들어, Konsol 공정 및 H-Coal 공정이 있다.
상기 언급된 Pier 전환기의 MtL 전환기와의 조합에서, 먼저 합성가스가 Pier 공정에 따라 메탄올로 변환된다. MtL 전환기는 메탄올을 휘발유로 변환시키는 전환기이다. 보편화된 공정은 ExxonMobil 각각 Esso의 MtL 공정이다. MtL 전환기의 출발 물질은 전형적으로 예를 들어, Pier 전환기로부터의 메탄올이다. MtL 전환기에 의해 발생된 배출물은 전형적으로 오토 엔진(Otto engine)의 작동에 적합한 휘발유이다.
요약하면, 상기 설명된 작동 원리와는 상관없이, CO 전환기(31)는 이의 산출물 또는 최종 생성물로서 CO 및 H2로부터 합성적 작용화된 및/또는 비작용화된 탄화수소를 발생시킨다고 볼 수 있다. 열 교환기 유닛에 의해서, CO 전환기(31)에서의 발열성 변환 동안 생성된 공정 열은 플랜트의 여러 섹션을 가열하거나, 전기를 발생시키는데 사용되어 상기 기재된 플랜트의 효율을 증가시킬 수 있다.
분리 및 특수화 후에 직접적으로 추가 가공되거나 최종 생성물로서 수익성 있게 판매될 수 없는 탄화수소의 혼합물이 CO 전환기(31)의 배출물로서 수득되는 한, 이러한 탄화수소, 예를 들어, 메탄올 또는 단쇄 알칸은 상기 기재된 공정으로 재순환될 수 있다. 이러한 목적상, 플랜트(30)는 재순환 연결부(39)를 포함하고, 이러한 재순환 연결부(39)는 합성적으로 발생된 탄화수소의 일부를 탄화수소 전환기(3)의 탄화수소 유입구(4)로 다시 유도할 수 있다. 재순환된 합성적으로 발생된 탄화수소의 조성에 좌우하여, 탄화수소 유입구(4) 내에 부적합한 탄화수소를 도입하기 전에 부적합한 탄화수소의 처리 또는 분리 단계가 수행된다.
도 4는 합성적 작용화된 및/또는 비작용화된 탄화수소를 발생시키기 위한 플랜트(40)의 추가 구체예를 나타낸 것이다. 플랜트(40)는 합성 가스를 발생시키기 위한 상기 기재된 플랜트(20) 뿐만 아니라 도 3의 구체예에 관한 상기 기재된 바와 같은 CO 전환기(31)을 포함한다. 혼합 챔버(21)의 합성 가스 배출구(24)는 CO 전환기(31)의 합성 가스 유입구(32)에 연결된다. 혼합 챔버(21)는 합성 가스 배출구(24)에서의 사용 시 CO 전환기(31)의 요건에 맞춰진 합성 가스를 제공하는 방식으로 설정된다. 플랜트(40)의 다른 구성요소는 상기 기재된 것과 동일하며, 개별 구성요소의 작동은 본질적으로 상기 기재된 방식으로 이루어진다.
플랜트의 규모에 좌우하여, 복수의 탄화수소 전환기가 요망되는 변환 용량을 제공하기 위해서 병렬로 작동되는 것으로 여겨진다. 상기 언급된 바와 같이, 탄화수소 전환기는 고온 탄화수소 전환기 및/또는 저온 탄화수소 전환기로서 구성될 수 있다. 고온 탄화수소 전환기는 1000℃ 초과의 온도에서 작동되고, 저온 탄화수소 전환기는 200 내지 1000℃의 온도에서 작동되며, 추가 에너지 공급원, 예를 들어 마이크로파 유닛은 에너지를 탄화수소로 직접적으로 유입하여 탄화수소의 탄소 및 수소로의 분해를 달성하기 위해 제공될 수 있다.
복수의 병렬 작동되는 탄화수소 전환기들을 지니는 플랜트의 예로서, 도 5는 합성적 작용화된 및/또는 비작용화된 탄화수소를 발생시키기 위한 플랜트(30)의 추가 구체예를 나타낸 것이다. 도 5에는 동일하거나 유사한 구성요소가 기술되는 한, 앞선 구체예에서와 동일한 참조 부호가 사용된다. 도 5에 나타나 있는 구체예에서, 고온 탄화수소 전환기(3a)와 저온 탄화수소 전환기(3b)의 조합이 단일 탄화수소 전환기(3) 대신에 나타나 있다.
고온 탄화수소 전환기(3a)는 탄화수소 유입구(4a), 탄소를 방출시키는 제 1 배출구(5a) 및 수소를 방출시키는 제 2 배출구(6a)를 포함한다. 또한, 단일 배출구(5a)는 탄소와 수소의 혼합물(특히 에어로졸)을 위해 제공될 수 있다. 제 1 배출구(5a)는 연결부(8)에 의해서 C 전환기(9)의 C 유입구(11)에 연결된다. 고온 탄화수소 전환기(3a)의 임의의 제 2 배출구(6a)는 CO 전환기(31)의 H2 유입구(33)에 연결된다. 고온 탄화수소 전환기(3a)는 임의로 탄소를 위한 추가의 배출구(도 5에 미도시)를 포함할 수 있다.
저온 탄화수소 전환기(3b)는 탄화수소 유입구(4b), 탄소를 방출시키는 제 1 배출구(5b), 수소를 방출시키기 위한 제 2 배출구(6b) 및 탄소를 방출시키기 위한 임의의 제 3 배출구(7b)를 지니는 공정 챔버를 포함한다. 바람직하게는, 저온 탄화수소 전환기(3b)는 분해 후 수소와 탄소를 분리하고, 수소와 탄소를 이의 각각의 배출구로 유도하기 위한 분리 유닛을 포함한다. 제 1 배출구(5b)는 임의로 연결부(8)를 통해 C 전환기(9)의 C 유입구(11)에 연결되지만, 탄소 수집 유닛에 연결될 수도 있다. 저온 탄화수소 전환기(3b)의 제 2 배출구(6b)는 CO 전환기(31)의 H2 유입구(33)에 연결된다. 임의의 제 3 배출구(7b)는 탄소 수집 유닛에 연결되고, 이로부터 수집된 탄소는 예를 들어, 카본 블랙, 활성화 석탄 또는 또 다른 유형으로 배출될 수 있다.
상기 언급된 바와 같이, CO 전환기(31)의 H2 유입구(33) 및 H2 연결부(36a, 36b)는, H2 연결부(36a, 36b)를 통해 수소의 도입이 필요하지 않은 경우 임의의 구성요소이다.
탄화수소 유입구(4a)로 도입되는 탄화수소와 탄화수소 유입구(4b)로 도입되는 탄화수소는 동일한 탄화수소일 수 있거나, 상이한 탄화수소일 수 있다. 제 1 탄화수소 공급원으로부터의 탄화수소, 예를 들어, 천연 가스 공급원으로부터의 천연 가스는 탄화수소 유입구(4a)로 도입될 수 있다. 그러나, 예를 들어, 합성적으로 발생되는 작용화된 및/또는 비작용화된 탄화수소는 예를 들어, 앞서 언급된 임의의 재순환 연결부(39)를 통해 저온 탄화수소 전환기(3b)의 탄화수소 유입구(4b)로 도입될 수 있다. 수개의 병렬 작동되는 탄화수소 전환기(3, 3a, 3b)의 사용 때문에, 플랜트(30)는 보다 용이하게 크기가 조정(scale)될 수 있고, 보다 용이하게 제어될 수 있으며, 상이한 종류의 탄소가 생성될 수 있다.
또한, 고온 탄화수소 전환기(3a)는 C 전환기(9)에서 변환 공정을 위하여 예를 들어, 바람직하게는 1000℃ 초과의 온도에서 "고온" 탄소를 발생시키는데 유리하게 사용될 수 있다. 특히, 고온 탄화수소 전환기(3a)는 이러한 경우에 별도의 유닛 없이 작동될 수 있는데, 그 이유는 분해에 의해 수득된 C-H2 혼합물이 C 전환기로 직접적으로 도입될 수 있기 때문이다. 이러한 경우에, C 전환기(9)는 배출구에서 예를 들어, 약 1:1의 C-H2 혼합비를 지니는 합성 가스를 생성시킨다.
그러나, 저온 탄화수소 전환기(3b)는 주로 CO 전환기(31)에서 1:3 초과의 C-H2 혼합비를 지니는 C-H2 혼합물 또는 합성 가스의 발생을 위한 추가의 수소를 제공하기 위해 사용된다. 저온 탄화수소 전환기(3b)로부터 후속 공정으로의 열 전달이 필요하지 않기 때문에, 저온 탄화수소 전환기(3b)는 유리하게는 1000℃ 미만의 온도, 바람직하게는 가장 낮은 가능한 온도에서 작동될 수 있다.
따라서, 탄화수소 전환기(3a, 3b)에서 생성되는 탄소의 일부(바람직하게는 고온 탄화수소 전환기(3a)로부터의 일부)는 플랜트(30)의 작동 동안 C 전환기(9)로 도입될 수 있는 반면, 또 다른 일부(바람직하게는 저온 탄화수소 전환기(3b)로부터의 일부)는 추가의 생성물을 생성시키기 위한 원료로서 공정으로부터 우회될 수 있다. 그러한 생성물은 예를 들어, 흑색 분말형 고체 물질로서 얻어지는 카본 블랙 또는 산업적 그을음, 활성화 석탄, 특정 종류의 탄소, 예컨대, 카본 디스크 및 카본 콘 등이다. 이러한 탄소는 예를 들어, 고무 산업에서 충전제로서, 인쇄 색상을 위한 안료용 그을음, 잉크, 페인트로서, 또는 전기 부품, 예를 들어 아연-탄소-배터리의 제작 또는 캐소드 또는 애노드의 생산을 위한 출발 물질로서 사용될 수 있는 중요한 기술적 생성물이다. 어떠한 과잉 수소가 화학 산업을 위해 우회될 수 있거나 전기를 발생시키기 위해 사용될 수 있고(태움으로써, 또는 연료 전지에 의해서), 이에 의해서 저온 탄화수소 전환기(3b)는 바람직하게는 단지 필수적인 추가의 수소만을 제공하는 방식으로 작동된다. 도 6은 합성적 작용화된 및/또는 비작용화된 탄화수소를 발생시키기 위한 상기 기재된 플랜트(40)의 대안적인 구체예를 나타낸 것이며, 이를 위해 복수의 병렬 작동되는 고온 및/또는 저온 탄화수소 전환기가 또한 제공된다.
도 6에 나타나 있는 탄화수소를 발생시키기 위한 플랜트(40)는 혼합 챔버(21)가 CO 전환기(31)의 상류에 위치된 방식으로 도 5에 나타나 있는 플랜트(30)와 다르다. 혼합 챔버(21)는 특히 CO 전환기(31)에 맞춰진 합성 가스를 혼합하며, 합성 가스를 CO 전환기(31)에 전달한다. 도 6에 도시된 구성요소는 이미 상기 기재되어 있으며, 상기 기재된 원리를 따라 작동된다. 따라서, 반복을 피하기 위하여 상세한 설명은 제공되지 않는다.
도 7 및 8은 C 가열 교환기 유닛(25), 합성 가스 열 교환기 유닛(26) 및 H2 열 교환기 유닛(27)을 포함하는 플랜트(20 및 30)의 구체예를 나타낸 것이고, 상기 각각은 엔진/발생기 디바이스(45)에 연결된다. 엔진/발생기 디바이스(45)는 플랜트의 상이한 섹션으로부터의 과잉 열로부터 전기를 적어도 부분적으로 발생시키기에 적합하고, 상기 전기는 주요 그리드(grid)로 공급될 수 있거나, 이는 플랜트(20), 특히 탄화수소 전환기(들)를 작동시키는데 사용될 수 있다. 추가로, 엔진/발생기 디바이스(45)는 열 교환기 유닛(도 8에 미도시)에 연결될 수 있고, 열 교환기 유닛은 CO 전환기(31) 내부에서 이루어지는 발열성 변환 공정에 의해 발생된 열을 소산시킨다. 따라서, 한 편으로는, CO 전환기가 공정의 작동에 유리한 제어되고 조절되는 방식으로 냉각될 수 있고, 다른 한 편으로는 전기가 발생될 수 있다. 엔진/발생기 디바이스(45)는 열 에너지를 전기로 변환시키기에 적합한 어떠한 디바이스, 예를 들어 증기 터빈과 발생기 또는 피스톤 엔진과 발생기의 조합인 디바이스일 수 있다.
작동 동안, 엔진/발생기 디바이스(45)는 플랜트의 과잉 열, 즉, 탄소-물 변환을 위해 필요하지 않은 열을 전기로 변환시킨다.
엔진/발생기 디바이스(45) 및 열 교환기 유닛(25, 26 및 27)은 상기 기재된 모든 플랜트에서 사용될 수 있는 임의의 구성요소이다. 각각의 탄화수소 전환기(3, 3a, 3b)에서 작동 온도로 인해, 각각의 제 2 탄소 배출구(7, 7a, 7b)로부터 우회된 탄소는 또한 상당량의 열 에너지를 함유한다. 우회된 탄소의 요망되는 온도에 좌우하여, 다량의 이러한 열 에너지가 도면에는 미도시된 열 교환기 유닛에 의해 소산될 수 있고, 열은 본원에 기재된 공정에서 재사용될 수 있고/거나 엔진/발생기 디바이스(45)를 이용하여 전기로 변환될 수 있다.
합성적 작용화된 및/또는 비작용화된 탄화수소를 발생시키기 위한 플랜트(30 및 40)에서, 탄화수소 전환기(3, 3a, 3b)로부터 수소의 냉각 및/또는 C 전환기(9)부터 합성 가스의 냉각은 단지 탄화수소와 수소의 온도가 CO 전환기(31)의 작동 온도 미만으로 떨어지지 않는 한 수행된다. CO 전환기(31)의 작동 온도는 일반적으로 선택된 공정에 좌우하여 일반적으로 200 내지 400℃이다.
상기 기재된 모든 플랜트에서, 탄화수소 전환기(3)는 1000℃ 이상의 온도에서 작동하는 고온 반응기(예, 고온 Kvaerner 반응기) 또는 200℃ 내지 1000℃의 온도에서 작동하는 저온 반응기(예, 저온 Kvaerner 반응기)일 수 있다. 본원에서 시험된 저온 반응기는 400 내지 900℃의 온도에서 작동한다. 200 내지 900℃의 온도에서 작동하는 저온 반응기의 경우에, C 전환기(9)가 800 내지 1700℃, 바람직하게는 1000 내지 1200℃의 온도에서 작동하기 때문에 도입된 탄소는 탄화수소 전환기(3)와 C 전환기(9) 사이의 연결부(8)에서 예열되는 것으로 여겨진다. 추가로, 도 7 및 8로부터, 고온 및/또는 저온 전환기 간의 조합이 상기 기재된 모든 플랜트(1, 20, 30 및 40)에 사용될 수 있음이 분명하다.
상기 기재된 모든 플랜트(1, 20, 30 및 40)에서, 탄화수소 전환기(3, 3a, 3b)에서 발생된 탄소의 일부는 플랜트(1, 20, 30, 40)의 C 전환기(9)에서 상기 탄소가 전환되지 않는 한, 카본 블랙으로서, 활성화 석탄으로서, 또는 또 다른 원료로서 우회될 수 있다. 상기 기재된 플랜트 모두에서 복수의 C 전환기가 제공될 수 있으며, 이러한 C 전환기 각각은 물이 첨가되는 경우 탄소의 일부를 합성 가스로 변환시킬 수 있음이 추가로 주지될 것이다. 추가로, CO 전환기(31)에서 생성된 바람직하지 않은 합성적 작용화된 및/또는 비작용화된 탄화수소를 탄화수소 전환기(3)의 탄화수소 유입구(4, 4a, 4b)로 반송되고 공급시키는 임의의 재순환은 상기 기재된 모든 플랜트(30 및 40)에서 수행될 수 있다.
플랜트(1, 20, 30, 40)에서, 그리고 합성 가스 및/또는 합성적 작용화된 및/또는 비-작용화된 탄화수소를 발생시키기 위한 방법에서, 과잉의 수소가 생성될 수 있다. 과잉의 수소는 예를 들어, 저 H2 함량을 지니는 합성 가스로 방출되고, CO 전환기(31)에서 발생되는 합성적 탄화수소에 좌우하여 방출되어 수소를 혼합 챔버(21) 또는 CO 전환기(31)로 도입하는 것이 필요하지 않을 수 있다. 이러한 경우에, 과잉 또는 과량의 수소를 직접적으로 태우거나 연료 전지에 의해서 전기로 변환될 수 있다. 따라서, 방법은 실질적으로 외부 전기 유입 없이 작동될 수 있다. 이는 특히, 강력한 일반적인 그리드가 이용가능하지 않은 먼 위치에서 작용되는 플랜트의 경우에 방법이 유리하다. 탄화수소 전환기(3)에서 생성된 수소의 일부가 공정으로부터 직접적으로 추출되고 상품으로서 판매될 수 있음이 추가로 주지되어야 한다.
모든 플랜트에서, 전환기(3, 9, 31)와 혼합 챔버(21) 간의 탄소, 합성 가스 및 수소 및 외부 CO의 스트림 각각이 밸브, 셔터(shutter), 슬라이더(slider) 등에 의해서 제어될 수 있다. 특히, CO 전환기(31)로의 각각 합성 가스 및 수소의 유입은 밸브에 의해 제어될 수 있는 것으로 여겨진다. 그 후에, 요망되는 비율의 CO 전환기로의 각각의 합성가스와 수소의 혼합이 CO 전환기(31)에서 직접적으로 발생한다.
상기 기재된 모든 플랜트에서, CO 전환기(31)는 복수의 CO 전환기(도면에 미도시)로 이루어질 수 있고, 여기서 탄화수소 전환기(3, 3a, 3b)에서 발생되고 분리된 수소와 CO 전환기(9)에서 발생된 합성 가스의 총량은 복수의 CO 전환기에 대하여 임의적으로 나뉘어질 수 있다. 개별적인 CO 전환기는 상기 기재된 설계 및 작동 방식 중 하나를 지닌다. CO 전환기는 동일한 설계 또는 상이한 설계 또는 작동 방식을 지닐 수 있다. 상이한 CO 전환기를 지니는 한 가지 구체예에서, 개별적인 CO 전환기는 각각 상이하게 구성된 합성 가스로 작동되고 상이한 최종 제품을 생산할 수 있다.
방법을 추가로 예시하기 위해서 몇몇 실시예가 하기 기재되어 있다:
실시예 1
탄화수소 전환기에서 1부의 메탄이 분해되는 경우, 1부의 탄소 및 2부의 수소가 수득될 것이다. C 전환기에서 탄소를 1부의 물과 반응시키고, 1부의 일산화탄소와 1부의 수소를 형성시켰다. 1.1부의 수소를 첨가한 후, 합성 가스를 CO 전환기에서 파라핀으로 반응시킬 수 있었다. 그 후, 추가로 충분한 수소가 추가 단계에서 파라핀을 디젤, 오토 연료 또는 등유로 크래킹(cracking)하는데 이용가능하였다.
실시예 2
탄화수소 전환기에서 1부의 프로판(부탄)이 분해되는 경우, 3(4) 부의 탄소 및 4(5) 부의 수소가 수득될 것이다. C 전환기에서 탄소를 3(4)부의 물과 반응시키고, 3(4)부의 일산화탄소와 3(4)부의 수소를 형성시켰다. 3.3(4.4)부의 수소를 첨가한 후, 합성 가스를 CO 전환기에서 파라핀으로 반응시킬 수 있었다. 이 두 경우 모두, 잔여의 수소의 양은 추가 단계에서 파라핀을 디젤, 오토 연료 또는 등유로 크래킹하기에 알맞게 충분하였다.
실시예 3
탄화수소 전환기에서 1부의 중질유(예, C20H42)가 분해되는 경우, 20부의 탄소와 21부의 수소가 수득될 것이다. C 전환기에서 탄소를 20부의 물과 반응시키고, 20부의 일산화탄소와 20부의 수소를 형성시켰다. 21부의 수소를 첨가한 후, 합성 가스는 상이한 CO 전환기에서 20부의 메탄올로 반응될 것이다.
본원에 기재된 방법에서, 탄화수소 전환기(3)에서 탄화수소를 분해함으로써 발생된 수소는 분해 단계에서 또한 형성된 탄소로부터 분리되기 때문에, 분리된 수소는, 낮은 수소 함량을 지니는 상기 합성 가스를 형성시킨 후에, 그러한 낮은 수소 함량을 지니는 합성 가스에 어떠한 요망되는 비율로 첨가될 수 있다. 따라서, 1.0 내지 3.0의 CO에 대한 수소의 비율 범위가 달성될 수 있다. 과잉 탄소의 부분 산화에 의해서, < 1.0의 비율이 얻어질 수 있으며, 과잉 탄소를 사용하지 않으면 > 3.0의 비율이 얻어질 수 있다.
본 발명은 바람직한 구체예 및 실시예에 관해서 좀 상세하게 설명되었는데, 기재된 구체예의 개별 특징들은 이들이 상용가능한 한, 서로 자유롭게 조합될 수 있다. 또한, 기재된 구체예의 개별 특징들은 이러한 특징들이 절대적으로 필요하지 않는 한, 생략될 수 있다. 다수 변형 및 편차가 본 발명의 범위로부터 벗어남 없이 당업자에게 명백할 것이다. 합성적 작용화된 및/또는 비작용화된 탄화수소를 발생시키기 위한 플랜트에 대한 특히 간단한 구체예에서, C 전환기는 예를 들어, 간단한 파이프로서(예를 들어, 개별 유닛이 없는 고온 탄화수소 전환기의 배출구 파이프로서) 설계될 수 있으며, 여기서 물 유입구가 상기 파이프에 이어진다. 물 유입구는 두 개의 매체 스트림이 잘 혼합되도록 상기 파이프에 접합되어야 한다. 이러한 파이프는 절연되어야 하며, 파이프, 특히 작동의 시작 지점에서 파이프를 작동 온도로 가열하기 위해서 예를 들어, 유입구 섹션에서 가열 유닛에 연결될 수 있다. 추가로 하류에서, 이러한 파이프는, 과잉 열을 추출하고, 이러한 열을 플랜트의 다른 섹터를 가열하고/거나 전기를 발생시키기 위해 사용하도록 구성된 열 교환기 유닛에 연결될 수 있다. 추가로, 파이프는, 동일한 파이프가 C 전환기로서 기능 할 뿐만 아니라, 특정 혼합비를 지니는 합성 가스를 발생시키기 위한 혼합 챔버로서 기능하도록 수소를 위한 유입구 파이프를 포함할 수 있다(예를 들어, 열 교환기의 하류). 수소를 위한 유입구 파이프는 예를 들어, 저온 탄화수소 전환기(개별 유닛을 지님)의 수소를 위한 배출구로부터 이루어질 수 있다. 이러한 경우에, 소정의 혼합비를 지니는 합성가스가 방출될 수 있는 파이프의 배출구 단부는 CO 전환기에서의 단부일 수 있다.

Claims (31)

  1. 열에 의해 일부 또는 전부 제공되는 에너지의 도입에 의해서 탄화수소 함유 유체를 탄소 및 수소로 분해하는 단계로서, 탄소 및 수소가 분해하는 단계 후에 200℃ 이상의 온도를 지니는 단계;
    800 내지 1700℃의 온도에서 분해하는 단계에 의해 발생된 탄소의 일부 또는 전부를 물과 접촉시키는 단계로서, 탄소를 물과 접촉시키는 때에, 분해하는 단계에 의해 수득된 탄소가 분해하는 단계 후 이의 온도에 대해 50% 이하의 ℃까지 냉각되는 단계; 및
    분해하는 단계에 의해 수득된 물 및 탄소의 일부 또는 전부를 합성 가스로 변환시키는 단계
    를 포함하는 합성 가스를 발생시키기 위한 방법으로서,
    분해하는 단계에 의해 수득된 탄소 및 분해하는 단계에 의해 수득된 수소가 탄소 수소 에어로졸의 형태로 물과 함께 접촉되고/거나,
    탄소를 물과 접촉시키는 단계 전에 분해하는 단계에 의해 수득된 탄소가 분해하는 단계에 의해 수득된 수소로부터 분리되고, 분리된 수소의 일부 또는 전부가 변환에 의해 발생된 합성 가스에 첨가되는, 합성 가스를 발생시키기 위한 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 분해하는 단계가 1000℃ 초과의 온도에서 이루어지고; 탄소가 1000℃ 이상의 온도, 특히 1000℃ 내지 1200℃의 온도에서 물과 접촉되는, 합성 가스를 발생시키기 위한 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 변환을 위한 800 내지 1700℃의 온도에 도달하는데 필요한 열이 탄화수소 함유 유체를 분해하기 위해 제공되는 열로부터 본질적으로 완전히 생기는, 합성 가스를 발생시키기 위한 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 분해하는 단계에 의해 수득된 탄소 및 분해하는 단계에 의해 수득된 수소가 물과 함께 접촉되는, 합성 가스를 발생시키기 위한 방법.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 분해하는 단계에 의해 수득된 탄소가, 탄소를 물과 접촉시키는 단계 전에, 분해하는 단계에 의해 수득된 수소로부터 분리되는, 합성 가스를 발생시키기 위한 방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 분해하는 단계에 의해 수득된 탄소의 일부 또는 전부 및/또는 분해하는 단계에 의해 수득된 수소의 일부의 열의 일부 또는 전부가, 탄소를 물과 접촉시키기 전에, 물을 가열하는데 사용되고/거나 탄소가 물과 접촉되는 공정 챔버를 가열하는데 사용되는, 합성 가스를 발생시키기 위한 방법.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 합성가스가 변환 후에 800 내지 1700℃의 온도를 지니고; 이의 열의 일부 또는 전부가 물 및/또는 공정에 사용되는 다른 매체를 예열하는데 사용되는, 합성 가스를 발생시키기 위한 방법.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 분해하는 단계에 의해 수득된 탄소의 일부 또는 전부 및/또는 분해하는 단계에 의해 수득된 수소의 일부 및/또는 합성가스의 일부의 열의 일부 또는 전부가 전기를 발생시키는데 사용되고, 전기가 특히 탄화수소 함유 유체를 분해하기 위한 에너지를 도입하기 위해 에너지 운반체(energy carrier)로서 제공될 수 있는, 합성 가스를 발생시키기 위한 방법.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 탄화수소 함유 유체를 분해하기 위한 에너지가 주로 플라즈마에 의해 도입되는, 합성 가스를 발생시키기 위한 방법.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 분해하는 단계가 Kvaerner 반응기에서 수행되는, 합성 가스를 발생시키기 위한 방법.
  11. 합성 가스를 발생시키기 위한 방법으로서, 추가의 수소 및/또는 일산화탄소를 변환에 의해 발생된 합성 가스에 첨가하는, 합성 가스를 발생시키기 위한 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 추가 수소가, 열에 의해 일부 또는 전부 제공되는 에너지의 도입에 의해서 탄화수소 함유 유체를 탄소 및 수소로 분해함으로써 발생되는, 합성 가스를 발생시키기 위한 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 추가 수소의 일부 또는 전부가 1000℃ 미만, 특히 600℃ 미만의 온도에서 탄화수소 함유 유체를 마이크로파 플라즈마에 의해 분해함으로써 발생되는, 합성 가스를 발생시키기 위한 방법.
  14. 제 11항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서, 합성 가스의 CO 대 수소의 비가 1:1 내지 1:3의 값, 특히 약 1:2.1의 값을 지니는, 합성 가스를 발생시키기 위한 방법.
  15. 합성적 작용화된 및/또는 비작용화된 탄화수소를 발생시키기 위한 방법으로서, 먼저 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 따라 합성 가스를 발생시키고, 합성 가스를 적합한 촉매와 접촉시켜 합성 가스를 합성적 작용화된 및/또는 비-작용화된 탄화수소로 변환시키는데, 촉매 및/또는 합성 가스의 온도를 소정 범위의 온도로 개방-루프(open-loop) 제어하거나 폐쇄-루프(close-loop) 조절하는, 합성적 작용화된 및/또는 비작용화된 탄화수소를 발생시키기 위한 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 합성 가스의 변환이 Fischer-Tropsch 공정, 특히 SMDS 공정에 의해 수행되는, 합성적 작용화된 및/또는 비작용화된 탄화수소를 발생시키기 위한 방법.
  17. 제 15항에 있어서, 합성 가스의 변환이 Bergius-Pier 공정, Pier 공정 또는 Pier 공정과 MtL 공정의 조합에 의해 수행되는, 합성적 작용화된 및/또는 비작용화된 탄화수소를 발생시키기 위한 방법.
  18. 제 1항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서, 분해될 탄화수소 함유 유체가 천연 가스, 메탄, 습성 가스, 중질유(heavy oil) 또는 이들의 혼합물인 방법.
  19. 탄화수소 함유 유체를 탄소 및 수소로 분해시키기 위한 탄화수소 전환기; 및
    물 및 탄소의 변환을 위한 C 전환기를 포함하는
    합성 가스를 발생시키기 위한 장치로서,
    상기 탄화수소 전환기가 탄화수소 함유 유체를 위한 하나 이상의 유입구 및 탄소 및/또는 수소를 위한 하나 이상의 배출구를 지니는 하나 이상의 공정 챔버, 및 일부 또는 전부가 열로 구성되는 에너지를 공정 챔버로 도입하기 위한 하나 이상의 유닛을 포함하고,
    상기 C 전환기가 물을 위한 하나 이상의 유입구 및 적어도 탄소를 위한 하나 이상의 유입구 및 하나 이상의 배출구를 지니는 하나 이상의 추가의 공정 챔버를 포함하고, 적어도 탄소를 위한 유입구가 탄화수소 전환기의 하나 이상의 배출구에 직접적으로 연결되는, 합성 가스를 발생시키기 위한 장치.
  20. 제 19항에 있어서, 에너지를 공정 챔버로 도입하기 위한 하나 이상의 유닛이 국부적으로 또는 전체적으로 1000℃ 초과의 온도를 발생시킬 수 있는 방식으로 설계되는, 합성 가스를 발생시키기 위한 장치.
  21. 제 19항 또는 제 20항에 있어서, 에너지를 공정 챔버로 도입하기 위한 하나 이상의 유닛이 플라즈마 유닛, 특히 마이크로파 플라즈마 유닛을 포함하는, 합성 가스를 발생시키기 위한 장치.
  22. 제 19항 내지 제 21항 중 어느 한 항에 있어서, C 전환기의 공정 챔버가 탄화수소 전환기의 배출구 파이프에 의해 형성되고, 배출구 파이프가 물을 위한 유입구에 연결되는, 합성 가스를 발생시키기 위한 장치.
  23. 제 19항 내지 제 22항 중 어느 한 항에 있어서, 분해에 의해 수득된 탄소와 분해에 의해 수득된 수소를 분리하기 위한 분리 유닛을 추가로 포함하고, 분리 유닛으로부터 빠져나오는 분리된 물질을 위한 분리 배출구를 지니고, 탄소를 위한 배출구가 C 전환기에 연결되는, 합성 가스를 발생시키기 위한 장치.
  24. 제 19항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 있어서, 탄화수소 전환기가 Kvaerner 반응기를 포함하는, 합성 가스를 발생시키기 위한 장치.
  25. C 전환기 또는 하류에 위치된 혼합 챔버로 이어져 있는 수소 또는 일산화탄소를 위한 하나 이상의 별도의 유입구 파이프를 추가로 포함하는, 합성 가스를 발생시키기 위한, 합성 가스를 발생시키기 위한 장치.
  26. 제 25항에 있어서, 탄화수소 함유 유체를 탄소 및 수소로 분해시키기 위한 하나 이상의 추가의 탄화수소 전환기를 지니고,
    상기 탄화수소 전환기가
    탄화수소 함유 유체를 위한 하나 이상의 유입구를 지니는 하나 이상의 공정 챔버;
    일부 또는 전부 열로 구성되는 에너지를 공정 챔버로 도입하기 위한 하나 이상의 유닛; 및
    분해에 의해 수득된 탄소와 분해에 의해 수득된 수소를 분리하기 위한 분리 유닛으로서, 탄소 및 수소를 위한 별도의 배출구를 지니고, 수소를 위한 배출구가 수소를 위한 별도의 유닛에 연결되는 분리 유닛을 포함하는, 합성 가스를 발생시키기 위한 장치.
  27. 제 26항에 있어서, 하나 이상의 추가의 탄화수소 전환기가 1000℃ 미만, 특히 600℃ 미만의 온도에서 마이크로파 플라즈마에 의해 분해를 수행하는 유형인, 합성 가스를 발생시키기 위한 장치.
  28. 합성 가스를 합성적 작용화된 및/또는 비작용화된 탄화수소로 변환시키기 위한 장치로서,
    제 25항 내지 제 27항 중 어느 한 항의 장치; 및
    촉매가 위치된 공정 챔버, 및 합성가스를 촉매와 접촉시키기 위한 수단, 및 촉매 및/또는 합성 가스의 온도를 소정 온도로 개방-루프 제어하거나 폐쇄-루프 조절하기 위한 제어 유닛를 지니는 CO 전환기를 포함하는, 합성 가스를 합성적 작용화된 및/또는 비작용화된 탄화수소로 변환시키기 위한 장치.
  29. 제 28항에 있어서, CO 전환기가 Fischer-Tropsch 전환기, 특히 SMDS 전환기를 포함하는 장치.
  30. 제 28항에 있어서, CO 전환기가 Bergius-Pier 전환기, Pier 전환기 또는 Pier 전환기와 MtL 전환기의 조합을 포함하는 장치.
  31. 제 28항 내지 제 30항 중 어느 한 항에 있어서, CO 전환기에서 합성 가스의 압력을 개방-루프 제어하거나 폐쇄-루프 조절하기 위한 제어 유닛을 추가로 포함하는 장치.
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