KR20150001796A

KR20150001796A - 덤프 파워 에너지를 이용하여 연도 가스에 있는 이산화탄소를 천연 가스로 변환하기 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20150001796A
Application number: KR1020147030878A
Authority: KR
Inventors: 안펭 장; 이롱 첸; 지롱 왕; 장지안 팡; 싱카이 젱
Original assignee: 우한 카이디 엔지니어링 테크놀로지 리서치 인스티튜트 코오퍼레이션 엘티디.
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2015-01-06
Also published as: CN102660340B; US20160040084A1; AU2013252315B2; IN2014MN02169A; JP2015516490A; MX2014012967A; WO2013159661A1; SG11201406823VA; MY170716A; CN102660340A; ZA201408561B; EP2843030A1; US9193927B2; JP5959036B2; CA2871699A1; BR112014026514A2; AP2014008075A0; AP3905A; EP2843030A4; US9758740B2

Abstract

덤퍼 에너지를 사용하여 연도 가스를 천연 가스로 변환하기 위한 공정.
공정은 덤프 에너지를 사용하여 물을 전기분해 하여 소소 가스를 생성하고; 수소 가스와 연도 가스로부터 포집된 이산화탄소는 메탄 생성 반응에 노출되고; 메탄 생성 반응으로부터 생성된 열은 물을 가열가여 과열된 수증기를 생성하여 스팀 터빈을 구동하기 위해 파워를 생성하고 전력 에너지를 물 전기분해를 위해 보충하여, 합성에 의해 천연 가스가 얻어진다. 천연 가스의 합성에 사용되는 장비가 제공된다. 장비는 기본적으로 변환 정류 장치(1), 전해조(2), 스팀 터빈(4), 이산화탄소 히터(21), 적어도 2단의 고정층 반응기들(11)(13), 다양한 간접 열교환기들, 스팀 드럼(12), 천연 가스 응축기(8), 및 공정수 파이프라인(3)의 결합에 의해 형성된다.

Description

덤프 파워 에너지를 이용하여 연도 가스에 있는 이산화탄소를 천연 가스로 변환하기 위한 방법 및 장치{PROCESS AND EQUIPMENT FOR CONVERTING CARBON DIOXIDE IN FLUE GAS INTO NATURAL GAS BY USING DUMP POWER ENERGY}

본 발명은 태양 에너지, 수소 에너지, 풍력 에너지 등과 같은 재생가능한 에너지 생산으로부터 발생되는 덤프 에너지에 의해 산업 연도 가스를 변환하기 위한 기술에 관한 것으로서, 구체적으로 덤프 에너지에 의해 연도 가스의 이산화탄소를 천연 가스로 변환하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

현재, 석탄, 오일, 천연 가스 등과 같은 화석 연료는 석탄 표준 기준으로 매년 160억 톤 이상의 지구적 총 에너지 소비량의 90% 이상을 차지하고, 중국도 예외는 아니므로, 엄청난 양의 이산화탄소를 방출하고 있다. 21세기 이후, 인류가 직면하고 있는 가장 큰 도전들 중 하나는 이산화탄소 방출에 의해 야기되는 온실 효과이며, 이것은 지구 온난화, 기후 변화뿐만 아니라 환경, 사회적, 경제적으로 엄청난 영향을 미치는 지구 환경 문제를 초래한다. 2010년, 세계적으로 이산화탄소는 306억 톤 이상 증대되었고, 중국은 가장 많은 이산화탄소를 배출하는 국가가 되었지만, 그러한 배출은 여전히 증가 되고 있다. 사람들은 지구 에너지 부족에 곤란을 겪고 있고 이산화탄소 배출에 의해 야기되는 환경 문제가 점점 심각해져서 이러한 문제를 해결하기 위한 방법을 모색하고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 재생가능한 에너지의 사용이 전례 없이 확대되고 있다. 중국의 불완전한 통계에 따르면, 현재, 총 기본 에너지 소비에서 수소 전력, 핵 전력, 풍력 및 태양력 등과 같은 비-화석 에너지의 비율이 매년 증가되어, 현재 8.3%에서 12차 5개년 계획 동안 11.4%까지 증가되고, 2020년에는 15%에 도달할 것으로 예상된다. 이 목표를 달성하기 위해, 재생가능한 에너지의 개발이 필수적이다.

그러나, 2011년 '국가 전기 규제 위원회'에서 발간된 "풍력 발전과 광발전 감독 보고서"에 따르면, 지난 반년 동안 27.76억kWh의 풍력이 중국 국민에 의해 사용될 수 없었다. 국가 전기 규제 위원회는 구체적인 풍력 전송 및 풍력 수용 기술이 부족하기 때문에, 대규모 풍력 전송과 수용 사이의 모순이 점차 커지고, 그리드 연결 방해가 풍력 개발을 제한하는 핵심 문제들 중의 하나가 되었음을 지적하고 있다.

수소 전력의 관점에서, 중국은 총 설비 용량이 50.98백만kW에 달하는 500,000kW 이상의 수소 전기 발전소 28개를 건설하였다. 2010년 중국에서, 12개의 수소 발전소(현존 발전소 포함)의 계획된 총 설비 용량은 205.232백만 kW이었고, 매년 전력 생산은 9458.8억 kWh이었다. 수소 전기 프로젝트의 경우 충분한 용량을 생산할 수 있지만, 습한 계절에는 전기 에너지를 전송할 수 없으므로, 발전차액지원제도(feed-in tariff)가 매우 낮고, 전기 에너지의 손실이 많고, 장비 고장이 잦다.

태양 에너지 생산의 관점에서, 2010년 중국에서 광전기 생산 시장의 설비 용량은 400mW에 도달하여, 세계의 총 설비 용량의 3%를 차지한다. 국가 에너지 관리 계획에 따라, 중국의 태양력의 설비 용량은 2015년에는 10백만 kW 이상, 2020년에는 40백만 kW 이상 도달할 것이다. 그러나 일부 전기 에너지는 그리드 연결 병목 문제를 가질 수밖에 없다.

당업자들은 항상 재생가능한 에너지 생산으로부터 발생되는 덤프 에너지를 완전하게 사용하여 에너지 보존, 방출 감소, 및 온실 효과 감소의 목적을 구현하기 위한 효과적인 방법의 문제점을 해결하기 위해 노력하고 있다.

본 발명의 하나의 목적은 그리드 연결 방해 또는 덤프 에너지의 단기 저장의 어려움, 온실 효과에 기인하는 환경 오염을 유발하는 화석 에너지의 문제점과 같이, 재생 에너지의 결점을 해결하기 위해, 덤프 에너지에 의해 연도 가스의 이산화탄소를 천연 가스로 변환하기 위한 방법과 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 덤프 에너지에 의해 연도 가스의 이산화탄소를 천연 가스로 변환하기 위한 방법의 핵심 개념은, 먼저 덤프 에너지를 이용하여 물 전기분해를 통해 수소를 생성한 후, 산업 연도 가스로부터 포집되는 이산화탄소와 수소 사이의 메탄 생성 반응을 통해 저장 또는 전송이 용이한 천연 가스를 합성하고, 산업 연도 가스로부터 방출되는 이산화탄소의 합리적 적용을 용이하게 하는 것이다.

본 발명의 일 실시예의 방법은,

1) 재생가능한 에너지 발생으로부터 생성되고 저장 또는 그리드 연결이 어려운 덤프 에너지에 전압 변환과 정류를 수행하여, 덤프 에너지를 전해질 용액에 도입시켜 그 속의 물을 수소와 산소로 전기 분해하고, 수소로부터 물을 완전히 제거하는 단계;

2) 산업 연도 가스를 정제하여 그 속의 이산화탄소를 분리하고 그것으로부터 포집된 이산화탄소를 정제하는 단계;

3) 단계 1)에서 생성된 수소와, 단계 2)에서 포집된 이산화탄소를 적어도 2개의 고정층 반응기들을 구비하는 합성 장비로 이송하여, 수소와 이산화탄소 사이의 강한 발열성 메탄 생성 반응을 통해 CH₄와 수증기를 주요 성분으로 하는 고온 혼합 가스를 생성시키는 단계;

4) 단계 3)으로부터 생성된 고온 혼합 가스를 이용하여 공정수와 간접 열교환을 실시하여 과열된 수증기를 얻는 단계;

5) 단계 4)에서 생성된 과열된 수증기를 터빈으로 전송하여 전기 에너지를 생산하고, 전압 변환, 정류, 및 물 전기 분해를 위해 전기 에너지를 단계 1)로 복귀시키는 단계; 및

6) 열교환을 통해 냉각된 단계 4)의 혼합 가스를 응축 건조시켜, 표준 CH⁴ 함량을 가진 천연 가스를 얻는 단계를 포함한다. 천연 가스(SNG)는 가압 전송을 통해 현존하는 천연 가스 파이프 네트웍으로 보내지거나, 전송을 위해 액화 천연 가스(LNG)로 가압될 수 있다.

또한, 단계 1)에서 재생가능한 에너지는 태양 에너지, 수소 에너지, 풍력 에너지 또는 그들의 조합으로부터 선택된다. 재생가능한 에너지들은 가장 환경 친화적이고, 저렴하고 안전하다. 전해질 용액은 바람직하게 수산화칼륨 용액 또는 1.2-1.4kg/m³의 밀도를 가진 다른 유사한 용액이다. 전해질 용액의 반응 온도는 90±2℃로 제어되고, 물 전기분해의 반응 메커니즘은 2H₂O = 2H₂↑ + O₂↑이다. 순수한 물과 비교하여, 전해질 용액은 전해 반응 온도가 엄청나게 낮을 수 있으므로, 전력 소모를 절감할 수 있다. 수분 제거 및 결과적인 H₂와 O₂의 냉각 이후, H₂는 다음 단계의 반응을 위해 사용될 수 있는 한편, O₂는 다른 사용을 위한 부산물로서 사용될 수 있다.

또한, 단계 3)의 각각의 단계에서 고정층 반응기의 다양한 인자들은 다음과 같다. 즉, 입구 온도는 250-300℃이고, 반응 압력은 3-4mPa이고, 출구 온도는 350-700℃이다. H₂ 및 CO₂의 메탄 생성 반응 메커니즘은, 4H₂ + CO₂ = CH4 + 2H₂O + 4160kj/kgㆍCO₂이다. 특수한 작동에서, 일반적으로 H₂:CO₂=4:1의 체적비를 가진 그들의 혼합물이 니켈계 촉매 또는 유사한 촉매의 존재하에서 강한 발열성 반응을 위해 고정층 반응기로 이송되는 한편, 많은 양의 열이 방출되어, 결과적으로 혼합 가스의 온도가 엄청나게 증가된다. 적어도 2단의 고정층 반응기들이 제공되어 H₂와 CO₂ 사이의 완전한 반응을 확보하여 H₂의 효율적 활용을 향상시킨다.

또한, 단계 3)에서, 1차 고정층 반응기로부터 나오는 고온 혼합 가스의 일부는 냉각, 물 제거, 가압 및 가열을 위해 바이패스된 후, 신선한 H₂ 및 CO₂와 혼합되고, 혼합된 가스는 1차 고정층 반응기로 다시 전송되면, 그 안의 CO₂ 함량은 6-8%이다. 이러한 방식에서, 한편으로, 신선한 H₂와 CO₂는 복귀하는 고온 가스로 예열되어 에너지 소모를 절약할 수 있고, 다른 한편으로, CO₂의 체적 함량 조절을 통해 반응열이 제어될 수 있으므로, 고정층 반응기의 최대 출구 온도를 제어하고, 허용된 온도에서 촉매가 비활성화되지 않으므로, 고정층 반응기의 안정된 작동을 보장할 수 있다.

또한, 단계 4)에서, 우선, 공정수가 과열된 물로 가열된 후 수증기로 변환되고, 결과적으로 수증기가 변환되어 과열 수증기가 생성된다. 이러한 방식에서, 공정수는 연속적으로, 안정되게, 신뢰성 있게 변환되어 과열 수증기를 생산하게 되고, 터빈은 중단되지 않고 항상 전력을 생산할 수 있게 된다. 생성된 전기 에너지는 물 전기분해를 위해 사용될 수 있어서, 메탄 생성 메커니즘으로부터 발생된 고열이 완전히 사용되어 재생가능한 에너지의 변환 효율을 향상시킨다.

또한, 단계 5)에서, 전력 생산을 위해 구동된 후 터빈에 의해 생성된 스팀 배기는 물로 응축된 후 재활용을 위해 공정수 라인으로 다시 보내져서, 공정수의 활용 효율을 향상시키고 수자원을 절약한다.

또한, 단계 6)에서, 혼합된 가스로부터 응축된 물은 재활용을 위해 공정수 라인으로 다시 보내져서, 공정수의 활용 효율을 효과적으로 향상시키고 수자원을 절약할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 덤프 에너지를 사용하여 연도 가스의 이산화탄소를 천연 가스롤 변환하기 위한 장치를 제공한다. 장치는 변환기와 정류기 장치, 전해 셀, 터빈, 이산화탄소 히터, 1차 고정층 반응기, 2차 고정층 반응기, 천연 가스 응축기 및 공정수 라인을 구비한다. 변환기와 정류기 장치의 출구는 전해 셀의 파워 인터페이스에 연결되고, 전해 셀의 음극의 가스-액체 출구는 수소 분리기의 가스-액체 입구에 연결되고, 수소 분리기의 액체 출구는 전해 셀의 음극의 액체 환류 포트에 연결되고, 수소 분리기의 수소 출구는 수소 쿨러의 입구에 연결되고, 수소 쿨러의 출구와 이산화탄소 히터의 출구 모두는 1차 고정층 반응기의 입구에 연결되고, 1차 고정층 반응기의 출구는 연속적으로 과열기와 1차 열교환기의 혼합 가스 라인을 통해 2차 고정층 반응기의 입구에 연결되며, 2차 고정층 반응기의 출구는 연속적으로 2차 열교환기와 예열기의 혼합 가스 라인을 통해 천연 가스 응축기의 입구에 연결된다. 공정수 라인은 예열기의 수성 매질 입구에 연결되고, 예열기의 수성 매체 출구는 스팀 포켓을 통해 과열기의 스팀 입구에 연결되고, 과열기의 스팀 출구는 터빈의 스팀 입구에 연결되고, 터빈의 전기 출구는 변환기와 정류기 장치의 입구에 연결된다.

바람직하게, 1차 열교환기의 혼합 가스 출구는 순환 열교환기의 열 매체 입구에 연결된 바이패스가 마련되고, 순환 열교환기의 열 매체 출구는 순환 쿨러를 통해 순환 압축기의 입구에 연결되고, 순환 압축기의 출구는 순환 열교환기의 열 매체 입구에 연결되고, 순환 열교환기의 가열 매체 출구는 1차 고정층 반응기의 입구에 연결된다. 이러한 방식에서, 반응으로부터 생성된 고온 혼합 가스의 일부는 자기-순환에 의해 1차 고정층 반응기로 다시 들어갈 수 있어서 신선한 H₂와 CO₂의 예열을 구현하고, 에너지 소비를 감소시키고 연속적인 반응을 확보할 수 있다.

바람직하게, 중간 고정층 반응기는 1차 고정층 반응기와 2차 고정층 반응기 사이에 제공된다. 중간 고정층 반응기의 입구는 1차 열교환기의 혼합 가스 출구에 연결되고, 중간 고정층 반응기의 출구는 중간 열교환기를 통해 2차 고정층 반응기의 입구에 연결된다. 이러한 방식으로, 사실상, 3단의 고정층 반응기들이 마련되어, 원료 물질이 완전히 반응할 때까지, H₂와 CO₂의 메탄 생성 반응율을 각각의 단계로 분배시킬 수 있다. 동시에, 고정층 반응기의 온도는 단계마다 감소될 수 있고, 다른 품질(온도, 압력)의 스팀을 얻을 수 있으므로, 터빈의 요구를 만족시킬 수 있다.

또한, 터빈의 스팀 배기는 스팀 배기 응축기를 통해 공정수 라인에 연결되어, 수자원을 절약하고, 공정수의 활용비를 향상시킬 수 있다.

또한, 공정수 라인은 수소 분리기의 가스-액체 입구에 연결된다. 이러한 방식에서, 물은 전해 분해 반응에서 물 손실을 보충하고. 물 전기 분해 공정으로부터 생성된 열을 냉각시키기 위해 수소 분리기에 의해 전해 셀에 전송될 수 있다.

또한, 전술한 천연 가스 응축기의 응축 물 출구는 예열기의 수성 매체 입구에 연결되어, 수자원을 절약하고 공정수의 활용비를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 바람직한 예시적 실시예들은 다음과 같은 장점을 가진다.

첫째, 산업 연도 가스로부터 포집된 이산화탄소는 태양 에너지, 수소 에너지, 및 풍력 에너지와 같은 재생가능한 에너지의 생성으로부터 발생되는 덤프 에너지에 의한 물 전기분해로부터 생성되는 수소와 메탄 생성 반응을 통해 저장과 운송이 편리한 메탄 연료(즉, 천연 가스의 주성분)로 변환된다. 이러한 방식에서, 메탄 연료는 현존하는 천연 가스 파이프 네트워크 시스템에 용이하게 도입되어, 탱크 차량들에 의한 이송을 위해 액화 천연 가스(LNG)로 가압될 수 있으므로, 덤프 에너지의 그리드 연결 방해 또는 덤프 에너지의 단기 저장의 어려움의 문제점을 효과적으로 해결할 수 있다.

둘째, 수소와 이산화탄소를 이용하여 메탄을 합성하는 공정에서, 연도 가스에 있는 엄청남 양의 이산화탄소가 이용됨으로서, 이산화탄소 방출 감소의 목표를 달성하고, 화석 연료에 의해 생성되는 이산화탄소 방출 양을 엄청나게 줄이기 위한 문제를 해결하고, 현저난 경제적 이익과 사회적 이익을 낳을 수 있다.

셋째, 수소와 이산화탄소의 메탄 생성 반응은 강한 발열성 반응이고, 이 공정에서 엄청난 양의 열이 방출되고, 열 에너지는 연속 전력 발전을 위한 고온 과열 스팀을 생성하는데 사용될 수 있고, 전기 에너지는 물 전기 분해의 순환을 위해 사용됨으로써, 재생가능한 에너지의 변환효율을 향상시킨다.

넷째, 수소와 이산화탄소의 메탄 생성 반응의 최종 제품에는 메탄과 수증기만 천연 가스로서 존재하고, 다른 유해 부산물이 발생되지 않으므로, 천연 가스의 품질을 보장할 수 있을 뿐만 아니라 온실 가스에 의해 야기되는 환경 오염을 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 덤프 에너지에 의해 연도 가스의 이산화탄소를 천연 가스로 변환하기 위한 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 덤프 에너지에 의해 연도 가스의 이산화탄소를 천연 가스로 변환하기 위한 장치의 개략도이다.

Example 1

도 1에 도시된 바와 같이, 덤프 에너지에 의해 이산화탄소를 천연 가스로 변환하기 위한 장치는 변환기와 정류기 장치(1), 전해 셀(2), 터빈(4), 이산화탄소 히터(21), 1차 고정층 반응기(13), 2차 고정층 반응기(11), 천연 가스 응축기(8) 및 공정수 라인(3)을 구비한다. 변환기와 정류기 장치(1)의 출구는 전해 셀(2)의 파워 인터페이스에 연결된다. 전해 셀(2)의 양극의 가스-액체 출구는 산소 분리기(20)의 가스-액체 입구에 연결되고, 산소 분리기(20)의 액체 출구는 전해 셀(2)의 양극의 액체 환류 포트에 연결되고, 산소 분리기(20)의 출구는 산소 쿨러(19)의 입구에 연결되고, 산소 쿨러(19)의 출구는 다른 산업용 용도를 위해 가압 탱크 차량 또는 O₂ 충진 장치(미도시)에 연결된다. 전해 셀(2)의 음극 가스-액체 출구는 수소 분리기(18)의 가스-액체 입구에 연결되고, 수소 분리기(18)의 가스-액체 입구는 물 손실을 보충하기 위해 공정수 라인(3)에 연결된다. 수소 분리기(18)의 액체 출구는 전해 셀(2)의 음극 액체 환류 포트에 연결되고, 수소 분리기(18)의 수소 출구는 수소 쿨러(17)의 입구에 연결되고, 수소 쿨러(17)의 출구는 이산화탄소 히터(21)의 출구에 연결되고 또한 1차 고정층 반응기(13)의 입구에 연결되어, 신선한 수소와 이산화탄소를 각각 1차 고정층 반응기(13)로 전송할 수 있다.

1차 고정층 반응기(13)의 출구는 연속적으로 과열기(6)와 1차 열교환기(7)의 혼합 가스 라인을 통해 2차 고정층 반응기(11)의 입구에 연결되고, 1차 열교환기(7)의 혼합 가스 출구는 순환 열교환기(16)의 열 매체 입구에 연결된 바이패스가 마련되고, 순환 열교환기(16)의 열 매체 출구는 순환 쿨러(15)를 통해 순환 압축기(14)의 입구에 연결되고, 순환 압축기(14)의 출구는 순환 열교환기(16)의 가열 매체 입구에 연결되고, 순환 열교환기(16)의 열 매체 출구는 1차 고정층 반응기(13)의 입구에 연결된다.

2차 고정층 반응기(11)의 출구는 연속적으로 2차 열교환기(10)와 예열기(9)의 혼합 가스 라인을 통해 천연 가스 응축기(8)의 입구에 연결된다. 공정수 라인(3)은 예열기(9)의 수성 매체 입구에 연결되고, 예열기(9)의 수성 매체 출구는 스팀 포켓(12)을 통해 과열기(6)의 스팀 입구에 연결되고, 과열기(6)의 스팀 출구는 터빈(4)의 스팀 입구에 연결되고, 터빈(4)의 스팀 배기 출구는 스팀 배기 응축기(5)를 통해 공정수 라인(3)에 연결되고, 터빈(4)의 전기 출구는 변환기와 정류기 장치(1)의 입구에 연결되어 물 전기분해를 위한 전기 에너지를 제공한다. 또한, 천연 가스 응축기(8)의 응축 물 출구는 예열기(9)(미도시)의 수성 매체 입구에 연결되어 재활용을 위해 시스템으로 응축된 물을 다시 보낸다.

덤프 에너지에 의해 연도 가스의 이산화탄소로부터 천연 가스를 변환하기 위한 장치의 공정 플로우는 다음과 같다.

태양 에너지, 수소 에너지 또는 풍력 에너지 등과 같은 재생가능한 에너지원으로부터 나오는 덤프 에너지는 변환기와 정류기 장치(1)를 통해 요구되는 전류로 변환되어 전해 셀(2)에 작동 전력 공급을 제공한다. 1.2-1.4kg/m³의 밀도를 가진 수산화칼륨 용액이 전해 셀(2) 내부의 전해질 용액으로서 사용되며, 그 반응 온도는 90±2℃로 제어된다. 여기서, 전해 셀(2)의 양극와 음극은 전해질 용액을 이동시키는 산소와 수소를 각각 생성한다. 전해질 용액은 산소 분리기(20)를 이용하여 그 안에서 생성되는 산소를 제거하고, 전해 셀(2)로 다시 보내져서 반응에 더 참여한다. 그 후, 산소는 물 제거를 위해 산소 쿨러(19)에서 대략 45℃로 냉각된 후 다음 단계의 반응으로 들어간다. 전기분해의 물 손실은 공정수 라인(3)을 통해 수소 분리기(18) 속으로 도입된 후 전지 셀(2)에 보충되고, 물 전기분해 공정에서 생성되는 열을 냉각시키는데 사용된다.

한편, 연도 가스로부터 포집되는 이산화탄소가 정화되고, 이산화탄소 히터(21)에 도입되어 가열되며, H₂:CO₂=4:1인 체적비에서 물 제거를 통해 정화되는 수소와 혼합되어 신선한 가스로 되고, 강한 발열성 반응(메탄 생성)을 위해 1차 고정층 반응기(13)로 이송된다. 수소와 이산화탄소의 메탄 생성의 반응열을 제어하기 위해, 특정한 양의 메탄은 H₂:CO₂:CH₄ = 4:1:0.5의 체적비가 되도록 이산화탄소 히터(21)에 부가될 수 있다. 메탄의 부가는 반응이 안정화된 후 중단될 수 있다. 1차 고정층 반응기(13)는 250-300℃의 입구 온도, 3-4MPa의 반응 압력, 및 600-700℃의 출구 온도로 유지된다. 니켈계 촉매의 존재하에서, 대부분의 수소는 이산화탄소와 반응하여 메탄과 수증기의 고온 혼합 가스를 생성한다. 고온 혼합 가스는 연속적으로 과열기(6)와 1차 열교환기(7)를 통해 250-300℃로 냉각된 후, 두 부분으로 분리된다. 여기서, 고온 혼합 가스의 일부는 순환 열교환기(16)의 열 매체 라인을 통해 순환 쿨러(15)로 들어가서, 열교환 후 30-40℃로 냉각되고, 3-4MPa로 가압되고, 순환 압축기(14)를 이용하여 180-200℃로 가열되며, 최종적으로 순환 열교환기(16)의 가열 매체 라인을 통해 250-300℃로 더 가열되고, 혼합 가스의 이산화탄소의 체적 함량이 6-8%가 되는 그러한 비율로 신선한 수소와 이산화탄소와 혼합된다. 혼합 가스는 1차 고정층 반응기(13)로 전송되어, 사이클이 반복된다. 전술한 순환에서 신선한 수소와 이산화탄소의 예열은 에너지 소비를 현저히 감소시킬 수 있고 1차 고정층 반응기의 출구 온도를 제어할 수 있다. 고온 혼합 가스의 다른 일부분은 2차 고정층 반응기(11)로 도입되어 250-300℃의 입구 온도, 3-4MPa의 반응 압력, 350-500℃의 출구 온도로 유지되고, 그 안에서 반응하지 않는 수소와 이산화탄소는 모든 원료 물질의 완전히 반응할 때까지 강한 발열성 반응(메탄 생성)을 완료하게 된다.

메탄과 2차 고정층 반응기(11)로부터의 수증기의 고온 혼합 가스는 연속적으로 2차 열교환기(10)와 예열기(9)를 통해 냉각되고, 천연 가스 응축기(8)를 통해 추가적으로 냉각되며, 여기서 메탄 가스는 45-50℃로 냉각되고, 천연 가스 응축기(8)의 가스 출력으로부터 흘러나온다. 94% 이상의 순도를 가진 메탄은 SNG/LNG(천연 가스/액화 천연 가스)로 가압되어, 파이프라인을 통해 현존하는 파이프 네트워크/탱크 차량으로 전송되어 저장 및 사용되는 한편, 그 안에서 응축된 물은 천연 가스 응축기(8)의 응축 물 출구로부터 흘러 나와서 예열기(9)의 수성 매체 입구로 전송되어 재활용된다.

전술한 메탄 생성의 강한 발열성 반응 공정에서, 공정수는 공정수 라인(3)을 통해 예열기(9)로 도입되고, 그 안의 열교환기를 통해 과열된 물로 가열된다. 과열된 물은 파이프라인을 통해 스팀 포켓(12)으로 전송되어 그 안에서 수증기로 증발된다. 수증기는 파이프라인을 통해 과열기(6)로 전송되어 주어진 압력에서 추가적인 가열에 의해 과열 수증기를 변환시킨다. 과열된 증기는 파이프라인을 통해 터빈(4)으로 들어가고, 고속의 과열 수증기는 전력 생산을 위해 터빈(4)의 블레이드를 구동하여 회전시키고, 생성된 에너지는 전압 변환, 정류, 및 물 전기 분해를 위한 추가적 사용을 위해 변환기와 정류기 장치(1)로 복귀함으로써, 메탄 생성의 강한 발열성 반응에서 폐열을 완전히 사용할 수 있다. 전력 생산을 위해 터빈이 구동된 후 생성된 스팀 배기는 스팀 배기 응축기(5)로 전송되고, 물로 응축되어, 재활용을 위해 공정수 라인(3)으로 다시 보내진다.

Example 2

도 2에 도시된 바와 같이, 덤프 에너지에 의해 이산화탄소를 천연 가스로 변환하기 위한 다른 장치는, 중간 고정층 반응기(22)가 1차 고정층 반응기(13)와 2차 고정층 반응기(11) 사이에 제공되는 점을 제외하고는, Example 1의 그것과 기본적으로 동일한 공정 플로우 및 구조를 가진다. 중간 고정층 반응기(22)의 입구는 1차 열교환기(7)의 혼합 가스 출구에 연결되고, 중간 고정층 반응기(22)의 출구는 중간 열교환기(23)를 통해 2차 고정층 반응기(1)의 출구에 연결된다. 이러한 방식에서, 3단의 고정층 반응기들이 제공됨으로써, 수소와 이산화탄소의 메탄 생성 반응을 3단계로 분배시키고, 원료 물질의 완전한 반응을 확보한다. 동시에, 3단의 고정층 반응기들의 입구 및 출구 온도들은 연속적으로 감소되어, 스팀의 상응하는 품질(온도, 압력)을 얻게 되고, 터빈(4)의 조건을 만족시킬 수 있다.

1...변환기와 정류기 장치 2...전해 셀
3...공정수 라인 4...터빈
5...스팀 배기 응축기 6...과열기
7...1차 연교환기 8...천연 가스 응축기
9...예열기 10...2차 열교환기
11...2차 고정층 반응기 12...스팀 포켓
13...1차 고정층 반응기 14...순환 압축기
15...순환 쿨러 16...순환 열교환기
17...수소 쿨러 18...수소 분리기
19...산소 쿨러 20...산소 분리기
21...이산화탄소 히터 22...중간 고정층 반응기
23...중간 열교환기

Claims

덤프 에너지를 사용하여 연도 가스의 이산화탄소를 천연 가스로 변환하기 위한 방법에 있어서,
1) 재생가능한 에너지 발생으로부터 생성되고 저장 또는 그리드 연결이 어려운 덤프 에너지에 전압 변환과 정류를 수행하고, 전해질 용액에 덤프 에너지를 도입시켜 물을 수소와 산소로 전기 분해하고, 수소로부터 물을 완전히 제거하는 단계;
2) 산업 연도 가스를 정제하여 이산화탄소를 분리하고 포집된 이산화탄소를 정제하는 단계;
3) 단계 1)에서 생성된 수소와, 단계 2)에서 포집된 이산화탄소를 적어도 2개의 고정층 반응기들을 구비하는 합성 장비로 이송하여, 수소와 이산화탄소 사이의 강한 발열성 메탄 생성 반응을 통해 메탄과 수증기의 주요 성분을 가진 고온 혼합 가스를 생성시키는 단계;
4) 단계 3)으로부터 생성된 고온 혼합 가스를 이용하여 공정수와 간접 열교환을 실시하여 과열된 수증기를 얻는 단계;
5) 단계 4)에서 생성된 과열된 수증기를 터빈으로 전송하여 전기 에너지를 생산하고, 전압 변환, 정류, 및 물 전기 분해를 위해 전기 에너지를 단계 1)로 복귀시키는 단계; 및
6) 메탄의 표준 함량에 달하는 천연 가스를 얻을 때까지 열교환을 통해 냉각된 단계 4)의 혼합 가스를 응축 및 건조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1에 있어서,
재생가능한 에너지는 태양 에너지, 수소 에너지, 풍력 에너지 또는 그들의 조합으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1에 있어서,
전해질 용액은 1.2-1.4kg/m³의 밀도를 가진 수산화칼륨 용액이고, 전해질 용액의 반응 온도는 90±2℃로 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
단계 3)에서, 고정층 반응기들은 250-300℃의 입구 온도, 3-4 mPa의 반응 압력, 350-700℃의 출구 온도를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
단계 3)에서, 1차 고정층 반응기로부터 나오는 고온 혼합 가스의 일부는 냉각, 물 제거, 가압 및 가열을 위해 바이패스된 후 신선한 H₂ 및 CO₂와 혼합되고, 혼합된 가스가 1차 고정층 반응기로 다시 전송되어 CO₂ 함량이 6-8%가 되는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
단계 4)에서, 공정수가 먼저 과열된 물로 가열된 후 수증기로 변환되고, 결과적으로 수증기가 변환되어 과열 수증기가 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
단계 5)에서, 전력 생산을 위해 구동된 후 터빈에 의해 생성된 스팀 배기는 물로 응축된 후 재활용을 위해 공정수 라인으로 다시 보내지는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
단계 6)에서, 혼합된 가스로부터 응축된 물은 재활용을 위해 공정수 라인으로 다시 보내지는 것을 특징으로 하는 방법.
덤프 에너지를 사용하여 연도 가스의 이산화탄소를 천연 가스롤 변환하기 위한 장치에 있어서,
변환기와 정류기 장치(1), 전해 셀(2), 터빈(4), 이산화탄소 히터(21), 1차 고정층 반응기(13), 2차 고정층 반응기(11), 천연 가스 응축기(8) 및 공정수 라인(3)을 구비하고,
변환기와 정류기 장치(1)의 출구는 전해 셀의 파워 인터페이스에 연결되고, 전해 셀(2)의 음극의 가스-액체 출구는 수소 분리기(18)의 가스-액체 입구에 연결되고, 수소 분리기(18)의 액체 출구는 전해 셀(2)의 음극의 액체 환류 포트에 연결되고, 수소 분리기(18)의 수소 출구는 수소 쿨러(17)의 입구에 연결되고, 수소 쿨러(17)의 출구와 이산화탄소 히터(21)의 출구 모두는 1차 고정층 반응기(13)의 입구에 연결되고;
1차 고정층 반응기(13)의 출구는 연속적으로 과열기(6)와 1차 열교환기(7)의 혼합 가스 라인을 통해 2차 고정층 반응기의 입구에 연결되며, 2차 고정층 반응기(11)의 출구는 연속적으로 2차 열교환기(10)와 예열기(9)의 혼합 가스 라인을 통해 천연 가스 응축기(8)의 입구에 연결되며;
공정수 라인(3)이 예열기(9)의 수성 매질 입구에 연결되고, 예열기(9)의 수성 매체 출구는 스팀 포켓을 통해 과열기(6)의 스팀 입구에 연결되고, 과열기(6)의 스팀 출구는 터빈(4)의 스팀 입구에 연결되고, 터빈(4)의 전기 출구는 변환기와 정류기 장치(1)의 입구에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 9에 있어서,
1차 열교환기의 혼합 가스 출구는 순환 열교환기(16)의 열 매체 입구에 연결된 바이패스가 마련되고, 순환 열교환기(16)의 열 매체 출구는 순환 쿨러(15)를 통해 순환 압축기(14)의 입구에 연결되고, 순환 압축기(14)의 출구는 순환 열교환기(16)의 열 매체 입구에 연결되고, 순환 열교환기(16)의 가열 매체 출구는 1차 고정층 반응기(13)의 입구에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
1차 고정층 반응기(13)와 2차 고정층 반응기(11) 사이에 제공된 중간 고정층 반응기(22)를 더 구비하고;
중간 고정층 반응기(22)의 입구는 1차 열교환기(7)의 혼합 가스 출구에 연결되고, 중간 고정층 반응기(22)의 출구는 중간 열교환기(23)를 통해 2차 고정층 반응기(11)의 입구에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
터빈(4)의 스팀 배기는 스팀 배기 응축기(5)를 통해 공정수 라인(3)에 연결된 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
공정수 라인(3)은 수소 분리기(18)의 가스-액체 입구에 연결된 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
천연 가스 응축기(8)의 응축 물 출구는 예열기(9)의 수성 매체 입구에 연결된 것을 특징으로 하는 장치.