KR20180116328A - 메탄화를 포함하는 동력 생산을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

메탄화를 포함하는 동력 생산을 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
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    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Abstract

본 발명은 고체나 액체 탄화수소 또는 탄소질 연료를 사용할 때에 탄소 포집과 함께 고효율의 동력 생산을 구현하도록 적용되는 동력 생산 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 고체 또는 액체 연료는 먼저 메탄 함량이 농후화된 산출 스트림을 제공하도록 구성되는 부분 산화 반응기 내에서 부분적으로 산화된다. 결과적인 부분적으로 산화된 스트림은 냉각되고, 여과되며, 선택적으로 냉각될 수 있으며, 이후에 연소 연료로서 동력 생산 시스템의 연소기로 안내된다. 상기 부분적으로 산화된 스트림은 압축된 재순환 CO2 스트림 및 산소와 결합된다. 상기 연소 스트림은 동력을 생성하도록 터빈에 걸쳐 팽창되고, 레큐퍼레이터 열교환기로 통과된다. 상기 재순환 CO2 스트림은 압축되고, 상기 결합된 시스템들에 대해 증가된 효율을 제공하기 위해 유용한 방식으로 상기 레큐퍼레이터 열교환기 및 선택적으로 상기 POX 열교환기로 통과된다.

Description

메탄화를 포함하는 동력 생산을 위한 시스템 및 방법
본 발명은 전기와 같은 동력의 생산을 위한 시스템들과 방법들에 관한 것이다. 상세하게는, 상기 시스템들과 방법들은 연료의 부분 산화가 수반되는 증가된 메탄 함량을 가지는 연료 물질을 제공할 수 있다.
연료의 연소로부터의 동력 생산의 종래의 수단들은 통상적으로 고효율의 발전 및 탄소 포집을 동시에 구현하는 능력은 결여된다. 이러한 한계는 연소 반응에서 고체 연료들을 사용할 때에 연소 생성물 스트림 내에 남아 있는 고체 및 불활성 질소 가스 함량들로 인하여 확대된다. 이에 따라, CO2 방출의 감소 및/또는 생성된 이산화탄소의 격리의 개선된 용이성을 가능하게 하는 고효율의 발전을 위한 시스템들과 방법들에 대해 해당 기술 분야에 언재나 증가되는 요구가 존재한다.
탄소 포집을 구비하는 고효율의 발전의 분야에서의 하나의 공개 문헌인 Allam 등에게 허여된 미국 특허 제8,596,075호에는 H2S, CS2, 황화카르보닐(carbonyl sulfide: COS), HCN 및 NH3과 같은 연소 유래 불순물들과 함께 가연성 성분들로서 주로 일산화탄소 및 수소를 포함하는 기체 연료로의 고체 연료의 실질적으로 완전한 전환이 가능하도록 충분히 높은 압력과 온도에서 동작하는 부분 산화 반응기 내에서 석탄, 갈탄, 석유 코크스 또는 바이오매스와 같은 고체 연료가 산소 및 선택적으로 수증기와의 반응에 의해 기체화되는 한 가지 해결 방안이 제공되어 있다. 부분적으로 산화된 순 생성물 가스는 냉각되고, 재가 분리되며, 발전 시스템의 연소 챔버 내로 연료로서 도입될 수 있도록 선택적으로 압축된다. 상기 부분 산화 시스템 및 상기 발전 시스템의 동작 압력은 상기 연료 가스의 압축이 요구되지 않는 정도가 될 수 있다. 상기 발전 시스템 연소기는 다음의 연소에서 존재하는 과잉의 O2로 동작하며, 연료 및 연소 유래 불순물들은 환원된 상태로부터 주로 SO2 및 NO를 포함하는 이들의 산화된 형태들로 전환된다. 상기 부분 산화 반응기는 약 800℃의 온도 레벨에서의 재의 제거 전에 부분 산화 생성물 가스를 냉각하는 고압의 재순환 CO2 스트림으로 분출로 냉각되는 벽들을 구비하여 제공될 수 있다. 약 400℃까지의 상기 부분 산화 가스의 추가 냉각은 고체화된 휘발성의 무기 성분들과 함께 모든 미세한 재 입자들이 하류의 장비의 고체 증착, 부식 및 폐색을 방지하도록 응축되고, 여과되는 점을 보장하기 위해 필수적이다. 800℃로부터 400℃까지의 상기 부분 산화 가스의 냉각은 상기 부분 산화 가스 내의 부다(Boudouard) 탄소 형성 반응 및 높은 CO 분압으로 인해 금속 먼지 부식에 저항성인 고압의 부분 산화 가스를 위한 튜브들을 구비하는 열교환기 내에서 일어나야 한다. 이는 다음의 반응식 (1)에 나타난다.
CO＋CO＝C＋CO2 (1)
튜브들은 고체 연료들, 특히 석탄 및 갈탄 내에 존재하는 휘발성 무기 성분들의 응축으로부터 유래되는 고체 증착물들을 제거하기 위해 주기적인 물 세정이 가능하도록 설계되어야 한다.
전술한 공개 문헌의 이점들에도 불구하고, 설명된 시스템들과 방법들은 여전히 동력 생산 연소 연료로서 고체 연료들을 사용하는 경우에 야기되는 문제점들에 대해 가장 유리한 해결 방안을 제시하고 있지 않다. 따라서, 탄소 포집과 함께 고체 연료들의 고효율의 연소를 위한 다른 시스템들과 방법들에 대한 요구가 남아 있다.
본 발명은 동력 생산을 위한 시스템들과 방법들을 제공하며, 여기서 고체 또는 액체 연료는 부분적으로 산화될 수 있으며, 상기 부분적으로 산화된 스트림은 동력 생산 시스템으로 통과될 수 있다. 특히, 상기 시스템들과 방법들은 상기 부분적으로 산화된 스트림에서 메탄 함량이 농후화되도록 구성될 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에 있어서, 본 발명은 부분 산화(partial oxidation: POX) 시스템 및 동력 생산 시스템(power production system; PPS)의 결합을 이용하는 동력의 생산을 위한 프로세스를 제공할 수 있으며, 상기 프로세스는, 연료를 부분적으로 산화시키고, 메탄을 함유하는 연료 가스를 포함하는 POX 스트림(stream)을 형성하기에 충분한 조건들 하에서 고체 또는 액체 연료, 산소 및 촉매를 POX 반응기(reactor) 내에서 결합하는 단계; 상기 POX 스트림을 약 500℃ 또는 그 이하의 온도까지 냉각하는 단계; 상기 POX 스트림으로부터 고체들, 용융된 금속들 및 산성 가스들의 하나 또는 그 이상을 분리하는 단계; 상기 POX 스트림을 POX 열교환기로 통과시키고, 상기 POX 스트림을 냉각 스트림에 대해 약 100℃ 또는 그 이하의 온도까지 냉각시켜 상기 POX 스트림으로부터 다량의 열을 회수하며, 메탄을 포함하는 POX 연료 가스 스트림을 형성하는 단계; 상기 POX 연료 가스 스트림을 분리기 용기(separator vessel)로 통과시키고, 상기 POX 연료 가스 스트림 내에 존재하는 임의의 물의 적어도 일부를 분리하는 단계; 상기 POX 연료 가스 스트림을 약 12MPa 또는 그 이상의 압력까지 압축하는 단계; 적어도 약 10MPa의 압력 및 적어도 약 800℃의 온도에서 연소 생성물 스트림을 형성하도록 상기 POX 연료 가스를 PPS 연소기 내에서 연소시키는 단계; 그리고 동력을 생성하고, 팽창된 PPS 연소 생성물 스트림을 형성하도록 상기 연소 생성물 스트림을 PPS 터빈에 걸쳐 팽창시키는 단계를 포함하며, 약 12MPa 또는 그 이상의 압력까지 압축된 상기 POX 연료 가스 스트림은 상기 POX 연료 가스 스트림의 전체 체적을 기준으로 하여 약 20 체적% 또는 그 이상의 메탄 함량, 바람직하게는 약 30 체적% 또는 그 이상, 약 50 체적% 또는 그 이상, 약 60 체적% 또는 그 이상, 약 70 체적% 또는 그 이상, 약 80 체적% 또는 그 이상, 약 90 체적% 또는 그 이상, 혹은 약 95 체적% 또는 그 이상의 메탄 함량을 가진다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 동력 생산 프로세스는 임의의 숫자나 순서로 결합될 수 있는 다음 사항들의 하나 또는 그 이상과 관련하여 정의될 수 있다.
상기 촉매는 알칼리 금속들, 알칼리 토금속들, 전이 금속들, 이들의 화합물들, 이들의 복합물들, 그리고 이들의 결합들로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
상기 POX 반응기는 약 1000℃ 또는 그 이하, 바람직하게는 약 800℃ 또는 그 이하, 혹은 약 600℃ 또는 그 이하의 온도에서 동작될 수 있다.
상기 프로세스는 상기 POX 반응기에 수증기를 추가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 POX 반응기로부터의 상기 POX 스트림을 냉각하는 단계는 냉각 스트림에 대해 상기 POX 스트림을 대류식 냉각기(convective cooler)로 통과시키는 단계를 포함할 수 있으며, 냉각 스트림은 바람직하게는 상기 PPS로부터 회수되고, 상기 PPS로 돌아가는 고압의 재순환 유체 스트림; 고압의 물 스트림; 질소 스트림; POX 반응기 액체 연료 공급의 스트림; O2 및 CO2의 고압의 스트림; POX 반응기 액체 연료 공급의 스트림; 및 세정되고 냉각된 POX 연료 가스의 스트림의 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다.
상기 POX 스트림으로부터 분리되는 상기 고체들은 재 입자들, 반응하지 않은 차(char) 및 촉매의 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다.
상기 POX 스트림으로부터 고체들, 용융된 금속들 및 산성 가스들의 하나 이상을 분리하는 단계는 상기 POX 스트림을 파티클 필터(particle filter) 및 워터 스크러버(water scrubber)로 통과시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 POX 스트림을 상기 POX 열교환기로 통과시키는 단계 이전에, 상기 프로세스는 상기 POX 스트림 내의 CO 및 H2O를 CO2 및 H2로 전환시키도록 구성되는 촉매 수성 가스 전환 반응기(catalytic water gas shift reactor)로 통과시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 촉매 수성 가스 전환 반응기를 나가는 상기 POX 연료 가스는 약 5:1 내지 약 1:1의 H2 대 CO 비율을 가질 수 있다.
상기 POX 스트림을 상기 POX 열교환기로 통과시키는 단계 이전에, 상기 프로세스는 상기 POX 스트림의 적어도 일부를 COS를 H2S로 전환시키도록 구성되는 황화카르보닐(carbonyl sulfide: COS) 가수분해(hydrolysis) 반응기로 통과시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 POX 열교환기를 통과한 상기 POX 스트림은 상기 PPS로부터 회수되고, 상기 PPS로 돌아가는 고압의 재순환 유체 스트림; 고압의 물 스트림; 질소 스트림; O2 및 CO2의 고압의 스트림; POX 반응기 액체 연료 공급의 스트림; 및 세정되고 냉각된 POX 연료 가스의 스트림의 하나 또는 그 이상을 포함하는 냉각 스트림에 대해 냉각될 수 있다.
상기 POX 연료 가스 스트림을 약 12MPa 또는 그 이상의 압력까지 압축하는 단계 이전에, 상기 POX 연료 가스 스트림의 적어도 일부는 수은 제거 유닛 및 산성 가스 제거 유닛의 하나 또는 모두로 통과될 수 있다.
상기 POX 연료 가스 스트림의 적어도 일부는 상기 POX 연료 가스로부터 수은을 제거하도록 구성되는 활성화되고, 황-함침된 카본 베드 흡착 시스템(carbon bed adsorption system)으로 통과될 수 있다.
상기 POX 연료 가스 스트림의 적어도 일부는 상기 POX 연료 가스 스트림으로부터 H2S 및 CO2의 적어도 하나의 일부 또는 실질적으로 모루를 제거하도록 구성되는 산성 가스 제거 유닛으로 통과될 수 있다.
상기 POX 연료 가스 스트림을 약 12MPa 또는 그 이상의 압력까지 압축하는 단계 이전에, 상기 POX 연료 가스 스트림의 적어도 일부가 CO 및 H2를 CH4 및 H2O로 전환시키도록 구성되는 메탄화 유닛(methanation unit)으로 통과될 수 있다.
상기 메탄화 유닛은 촉매 유닛이 될 수 있으며, 선택적으로 상기 메탄화는 니켈계 촉매를 사용하여 수행될 수 있다.
상기 메탄화 유닛을 나가는 상기 POX 연료 가스는 약 75 체적% 또는 그 이상의 메탄 함량을 가질 수 있다.
상기 메탄화 유닛은 발열 메탄화 반응으로부터 열을 생성할 수 있고, 이러한 생성된 열은 상기 메탄화 유닛을 나가는 상기 POX 연료 가스를 냉각 스트림에 대해 후-메탄화 열교환기로 통과시켜 흡수될 수 있으며, 상기 냉각 스트림은, 상기 PPS로부터 회수되고, 상기 PPS로 돌아가는 고압의 재순환 유체 스트림; 고압의 물 스트림; 질소 스트림; O2 및 CO2의 고압의 스트림; POX 반응기 액체 연료 공급의 스트림; 및 세정되고 냉각된 POX 연료 가스의 스트림의 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다.
상기 프로세스는 상기 메탄화 유닛으로부터의 상기 POX 연료 가스 스트림을 분리기로 통과시키는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 메탄화 반응기 내에서 생성되는 임의의 물의 적어도 일부가 제거된다.
상기 POX 연료 가스 스트림을 약 12MPa 또는 그 이상의 압력까지 압축한 후 및 상기 POX 연료 가스를 상기 PPS 연소기 내에서 연소시키기 이전에, 상기 프로세스는 상기 POX 열교환기를 통한 통과에 의해 상기 압축된 POX 연료 가스를 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 프로세스는 상기 팽창된 PPS 연소 생성물 스트림을 PPS 레큐퍼레이터(recuperator) 열교환기로 통과시키며, 이에 따라 상기 PPS 연소 생성물 스트림으로부터 열을 회수하고, 냉각된 PPS 연소 생성물 스트림을 형성하는 단계; 선택적으로 상기 냉각된 PPS 연소 생성물 스트림을 수냉식 냉각기로 통과시키는 단계; 실질적으로 모든 비CO2 성분들을 제거하여 재순환 CO2 스트림을 형성하도록 상기 냉각된 PPS 연소 생성물 스트림을 PPS 스크러버 내에서 처리하는 단계; 및 압축된 재순환 CO2 스트림을 형성하도록 상기 재순환 CO2 스트림을 PPS 압축기 내에서 가압하는 단계를 더 포함할 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에 있어서, 본 발명은 상세하게는 결합된 부분 산화(POX) 시스템 및 동력 생산 시스템(PPS)을 제공할 수 있다. 예를 들면, 이러한 시스템은 연료 가스를 포함하는 POX 스트림을 형성하도록 산소, 촉매 및 선택적으로 수증기의 존재에서 액체 또는 고체 연료를 부분적으로 산화시키도록 적용되는 촉매 POX 반응기; 상기 POX 스트림을 냉각하도록 적용되는 하나 또는 그 이상의 구성 요소들; 상기 POX 스트림으로부터 열을 회수하고, 냉각된 POX 연료 가스를 산출하도록 적용되는 POX 열교환기; 선택적인 수은 제거 유닛; 선택적인 산성 가스 제거 유닛; 선택적인 메탄화 유닛; 메탄화 유닛을 나가는 스트림으로부터 열을 회수하도록 구성되는 선택적인 후-메탄화 열교환기; 상기 POX 연료 가스를 약 10MPa 또는 그 이상의 압력까지 압축하도록 적용되는 압축기; 산소 및 압축된 재순환 CO2 스트림의 존재에서 상기 POX 연료 가스를 연소시키고, 약 10MPa 또는 그 이상의 압력에서 PPS 연소 생성물 스트림을 형성하도록 적용되는 PPS 연소기; 상기 PPS 연소 생성물 스트림을 팽창시키고, 연결된 발전기 내에 동력을 생성하도록 적용되는 터빈; 상기 팽창된 PPS 연소 생성물 스트림으로부터 열을 회수하고, 상기 열을 상기 압축된 재순환 CO2 스트림에 추가하도록 구성되는 레큐퍼레이터 열교환기; 상기 재순환 CO2 스트림을 약 10MPa 또는 그 이상의 압력까지 압축하고, 상기 압축된 재순환 CO2 스트림을 형성하도록 적용되는 PPS 압축기; 상기 압축된 재순환 CO2 스트림의 일부를 상기 POX 열교환기로 안내하도록 적용되는 선택적인 흐름 구성 요소(flow component)들; 상기 압축된 재순환 CO2 스트림의 일부를 상기 PPS 레큐퍼레이터 열교환기로 안내하도록 구성되는 선택적인 흐름 구성 요소들; 및 상기 압축된 재순환 CO2 스트림을 상기 POX 열교환기로부터 상기 PPS 레큐퍼레이터 열교환기로 안내하도록 적용되는 선택적인 흐름 구성 요소들을 포함할 수 있다.
본 발명은 제한되지 않고 다음의 실시예들을 포함한다.
실시예 1: 부분 산화(POX) 시스템 및 동력 생산 시스템(PPS)의 결합을 이용하는 동력의 생산을 위한 프로세스에 있어서, 연료가 부분적으로 산화되고, 메탄을 포함하는 POX 스트림을 형성하기에 충분한 조건들 하에서 POX 반응기 내에서 고체 또는 액체 연료, 산소 및 촉매를 결합하는 단계; 상기 POX 스트림을 약 500℃ 또는 그 이하의 온도까지 냉각하는 단계; 상기 POX 스트림으로부터 고체들, 용융된 금속들 및 산성 가스들의 하나 또는 그 이상을 분리하는 단계; 상기 POX 스트림을 POX 열교환기로 통과시키고, 상기 POX 스트림을 냉각 스트림에 대해 약 100℃ 또는 그 이하의 온도까지 냉각시켜 상기 POX 스트림으로부터 다량의 열을 회수하며, 메탄을 포함하는 POX 연료 가스 스트림을 형성하는 단계; 상기 POX 연료 가스 스트림을 분리기 용기로 통과시키고, 상기 POX 연료 가스 스트림 내에 존재하는 임의의 물의 적어도 일부를 분리하는 단계; 상기 POX 연료 가스 스트림을 약 12MPa 또는 그 이상의 압력까지 압축하는 단계; 적어도 약 10MPa의 압력 및 적어도 약 800℃의 온도에서 연소 생성물 스트림을 형성하도록 상기 POX 연료 가스를 PPS 연소기 내에서 연소시키는 단계; 및 동력을 생성하고, 팽창된 PPS 연소 생성물 스트림을 형성하도록 상기 연소 생성물 스트림을 PPS 터빈에 걸쳐 팽창시키는 단계를 포함하며, 약 12MPa 또는 그 이상의 압력까지 압축된 상기 POX 연료 가스 스트림은 상기 POX 연료 가스 스트림의 전체 체적을 기준으로 하여 약 20 체적% 또는 그 이상의 메탄 함량을 가진다.
실시예 2: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예의 프로세스에 있어서, 상기 POX 반응기 내에 사용되는 촉매는 알칼리 금속들, 알칼리 토금속들, 전이 금속들, 이들의 화합물들, 이들의 복합물, 그리고 이들의 결합들로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
실시예 3: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예의 프로세스에 있어서, 상기 POX 반응기는 약 1000℃ 또는 그 이하의 온도에서 동작된다.
실시예 4: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예의 프로세스에 있어서, 상기 POX 반응기에 수증기를 추가하는 단계를 더 포함한다.
실시예 5: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예의 프로세스에 있어서, 상기 POX 반응기로부터의 상기 POX 스트림을 냉각하는 단계는 냉각 스트림에 대해 상기 POX 스트림을 대류식 냉각기로 통과시키는 단계를 포함한다.
실시예 6: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예의 프로세스에 있어서, 상기 냉각 스트림은, 상기 PPS로부터 회수되고, 상기 PPS로 돌아가는 고압의 재순환 유체 스트림; 고압의 물 스트림; 질소 스트림; POX 반응기 액체 연료 공급의 스트림; O2 및 CO2의 고압의 스트림; 및 세정되고 냉각된 POX 연료 가스의 스트림의 하나 또는 그 이상을 포함한다.
실시예 7: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예의 프로세스에 있어서, 상기 POX 스트림으로부터 분리되는 상기 고체들은 재 입자들, 반응하지 않은 차 및 촉매의 하나 또는 그 이상을 포함한다.
실시예 8: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예의 프로세스에 있어서, 상기 POX 스트림으로부터 고체들, 용융된 금속들 및 산성 가스들의 하나 이상을 분리하는 단계는 상기 POX 스트림을 파티클 필터 및 워터 스크러버로 통과시키는 단계를 포함한다.
실시예 9: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예의 프로세스에 있어서, 상기 POX 스트림을 상기 POX 열교환기로 통과시키는 단계 이전에, 상기 프로세스는 상기 POX 스트림 내의 CO 및 H2O를 CO2 및 H2로 전환시키도록 구성되는 촉매 수성 가스 전환 반응기로 통과시키는 단계를 포함한다.
실시예 10: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예의 프로세스에 있어서, 상기 촉매 수성 가스 전환 반응기를 나가는 상기 POX 연료 가스는 약 5:1 내지 약 1:1의 H2 대 CO 비율을 가진다.
실시예 11: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예의 프로세스에 있어서, 상기 POX 스트림을 상기 POX 열교환기로 통과시키는 단계 이전에, 상기 프로세스는 상기 POX 스트림의 적어도 일부를 COS를 H2S로 전환시키도록 구성되는 황화카르보닐(COS) 가수분해 반응기로 통과시키는 단계를 포함한다.
실시예 12: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예의 프로세스에 있어서, 어느 한 항에 있어서, 상기 POX 열교환기를 통과한 상기 POX 스트림은, 상기 PPS로부터 회수되고, 상기 PPS로 돌아가는 고압의 재순환 유체 스트림; 고압의 물 스트림; 질소 스트림; POX 반응기 액체 연료 공급의 스트림; O2 및 CO2의 고압의 스트림; 및 세정되고 냉각된 POX 연료 가스의 스트림의 하나 또는 그 이상을 포함하는 냉각 스트림에 대해 냉각된다.
실시예 13: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예의 프로세스에 있어서, 상기 POX 연료 가스 스트림을 약 12MPa 또는 그 이상의 압력까지 압축하기 이전에, 상기 POX 연료 가스 스트림의 적어도 일부는 수은 제거 유닛 및 산성 가스 제거 유닛의 하나 또는 모두로 통과된다.
실시예 14: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예의 프로세스에 있어서, 상기 POX 연료 가스 스트림의 적어도 일부는 상기 POX 연료 가스로부터 수은을 제거하도록 구성되는 활성화되고, 황-함침된 카본 베드 흡착 시스템으로 통과된다.
실시예 15: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예의 프로세스에 있어서, 상기 POX 연료 가스 스트림의 적어도 일부는 상기 POX 연료 가스 스트림으로부터 H2S 및 CO2의 적어도 하나의 일부 또는 실질적으로 모루를 제거하도록 구성되는 산성 가스 제거 유닛으로 통과된다.
실시예 16: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예의 프로세스에 있어서, 상기 POX 연료 가스 스트림을 약 12MPa 또는 그 이상의 압력까지 압축하는 단계 이전에, 상기 POX 연료 가스 스트림의 적어도 일부가 CO 및 H2를 CH4 및 H2O로 전환시키도록 구성되는 메탄화 유닛으로 통과된다.
실시예 17: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예의 프로세스에 있어서, 상기 메탄화 유닛은 촉매 유닛이며, 선택적으로 메탄화가 니켈계 촉매를 사용하여 수행된다.
실시예 18: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예의 프로세스에 있어서, 상기 메탄화 유닛을 나가는 상기 POX 연료 가스는 약 50 체적% 또는 그 이상의 메탄 함량을 가진다.
실시예 19: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예의 프로세스에 있어서, 상기 메탄화 유닛을 나가는 상기 POX 연료 가스를 냉각 스트림에 대해 후-메탄화 열교환기로 통과시키는 단계를 포함하고, 선택적으로 상기 냉각 스트림은, 상기 PPS로부터 회수되고, 상기 PPS로 돌아가는 고압의 재순환 유체 스트림; 고압의 물 스트림; 질소 스트림; O2 및 CO2의 고압의 스트림; POX 반응기 액체 연료 공급의 스트림; 및 세정되고 냉각된 POX 연료 가스의 스트림의 하나 또는 그 이상을 포함한다.
실시예 20: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예의 프로세스에 있어서, 상기 메탄화 유닛으로부터의 상기 POX 연료 가스 스트림을 분리기로 통과시키는 단계를 포함하며, 상기 메탄화 반응기 내에서 생성되는 임의의 물의 적어도 일부가 제거된다.
실시예 21: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예의 프로세스에 있어서, 상기 POX 연료 가스 스트림을 약 12MPa 또는 그 이상의 압력까지 압축한 후 및 상기 POX 연료 가스를 상기 PPS 연소기 내에서 연소시키기 이전에, 상기 프로세스는 상기 POX 열교환기를 통한 통과에 의해 상기 압축된 POX 연료 가스를 가열하는 단계를 포함한다.
실시예 22: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예의 프로세스에 있어서, 상기 팽창된 PPS 연소 생성물 스트림을 PPS 레큐퍼레이터 열교환기로 통과시키며, 이에 따라 상기 PPS 연소 생성물 스트림으로부터 열을 회수하고, 냉각된 PPS 연소 생성물 스트림을 형성하는 단계; 선택적으로 상기 냉각된 PPS 연소 생성물 스트림을 수냉식 냉각기로 통과시키는 단계; 실질적으로 모든 비CO2 성분들을 제거하여 재순환 CO2 스트림을 형성하도록 상기 냉각된 PPS 연소 생성물 스트림을 PPS 스크러버 내에서 처리하는 단계; 및 압축된 재순환 CO2 스트림을 형성하도록 상기 재순환 CO2 스트림을 PPS 압축기 내에서 가압하는 단계를 더 포함한다.
실시예 23: 결합된 부분 산화(POX) 시스템 및 동력 생산 시스템(PPS)은, 메탄을 포함하는 POX 스트림을 형성하도록 산소, 촉매 및 선택적으로 수증기의 존재에서 액체 또는 고체 연료를 부분적으로 산화시키도록 적용되는 촉매 POX 반응기; 상기 POX 스트림을 냉각하도록 적용되는 하나 또는 그 이상의 구성 요소들; 상기 POX 스트림으로부터 열을 회수하고, 냉각된 POX 연료 가스를 산출하도록 적용되는 POX 열교환기; 상기 POX 연료 가스를 약 10MPa 또는 그 이상의 압력까지 압축하도록 적용되는 압축기; 산소 및 압축된 재순환 CO2 스트림의 존재에서 상기 POX 연료 가스를 연소시키고, 약 10MPa 또는 그 이상의 압력에서 PPS 연소 생성물 스트림을 형성하도록 적용되는 PPS 연소기; 상기 PPS 연소 생성물 스트림을 팽창시키고, 연결된 발전기 내에 동력을 생성하도록 적용되는 터빈; 상기 팽창된 PPS 연소 생성물 스트림으로부터 열을 회수하고, 상기 열을 상기 압축된 재순환 CO2 스트림에 추가하도록 구성되는 레큐퍼레이터 열교환기; 및 상기 재순환 CO2 스트림을 약 10MPa 또는 그 이상의 압력까지 압축하고, 상기 압축된 재순환 CO2 스트림을 형성하도록 적용되는 PPS 압축기를 포함한다.
실시예 24: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예에 따른 결합된 부분 산화(POX) 시스템 및 동력 생산 시스템(PPS)에 있어서, 수은 제거 유닛을 더 포함한다.
실시예 25: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예에 따른 결합된 부분 산화(POX) 시스템 및 동력 생산 시스템(PPS)에 있어서, 산성 가스 제거 유닛을 더 포함한다.
실시예 26: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예에 따른 결합된 부분 산화(POX) 시스템 및 동력 생산 시스템(PPS)에 있어서, 메탄화 유닛을 더 포함한다.
실시예27: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예에 따른 결합된 부분 산화(POX) 시스템 및 동력 생산 시스템(PPS)에 있어서, 메탄화 유닛을 나가는 스트림으로부터 열을 회수하도록 구성되는 선택적인 후-메탄화 열교환기를 더 포함한다.
실시예 28: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예에 따른 결합된 부분 산화(POX) 시스템 및 동력 생산 시스템(PPS)에 있어서, 상기 압축된 재순환 CO2 스트림의 일부를 상기 POX 열교환기로 안내하도록 적용되는 선택적인 흐름 구성 요소들을 더 포함한다.
실시예 29: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예에 따른 결합된 부분 산화(POX) 시스템 및 동력 생산 시스템(PPS)에 있어서, 상기 압축된 재순환 CO2 스트림의 일부를 상기 PPS 레큐퍼레이터 열교환기로 안내하도록 구성되는 선택적인 흐름 구성 요소들을 더 포함한다.
실시예 30: 임의의 이전의 또는 다음의 실시예에 따른 결합된 부분 산화(POX) 시스템 및 동력 생산 시스템(PPS)에 있어서, 상기 압축된 재순환 CO2 스트림을 상기 POX 열교환기로부터 상기 PPS 레큐퍼레이터 열교환기로 안내하도록 적용되는 선택적인 흐름 구성 요소들을 더 포함한다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들, 측면들 및 이점들은 다음에 간략하게 설명되는 첨부된 도면들과 함께 이하의 상세한 설명에 대한 이해로부터 명확해질 것이다. 본 발명은 전술한 실시예들의 둘, 셋, 넷 또는 그 이상의 임의의 조합뿐만 아니라 본 명세서에 설시되는 임의의 둘, 셋, 넷 또는 그 이상의 특징들이나 요소들의 결합들을 이러한 특징들이나 요소들이 여기서의 특정한 실시예의 설명에서 명백하게 결합되는 지에 관계없이 포괄한다. 본 발명은 본문에 명백하게 다르게 기재되지 않는 한, 본 발명의 전체적으로 임의의 분리 가능한 특징들이나 요소들이 도시되는 그 다양한 측면들과 실시예들 중의 임의의 것들로 결합 가능하게 의도되는 바와 같이 이해되어야 하는 것으로 의도된다.
앞서 일반적인 용어들로 본 발명을 설명하였지만, 이하에서 반드시 일정한 비율로는 도시되는 않은 첨부된 도면이 참조될 것이며, 첨부된 도면들에 있어서,
도 1은 PPS가 POX 시스템 내의 고체나 액체 탄화수소 또는 탄소질 연료의 부분 산화로부터 유래되는 연료 가스를 사용하여 동력을 발생시키는 본 발명에 따른 결합된 POX 시스템 및 PPS의 예시적인 실시예를 나타내는 흐름도이고,
도 2는 POX 시스템이 메탄 농후화 연료 시스템을 제공하도록 구성되는 PPS와 결합될 수 있는 POX의 예시적인 실시예를 나타내는 흐름도이다,
이하에서 본 발명을 다양한 실시예들을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이들 실시예들은 본 발명이 철저하고 완전해지며, 본 발명의 범주를 해당 기술 분야의 숙련자에게 완전히 전달하도록 제공된다. 실제로, 본 발명은 많은 다른 형태들로 구현될 수 있으며, 여기에 설시되는 실시예들에 한정되는 것으로 간주되지 않아야 한다. 오히려 이들 실시예들은 본 발명이 적용될 수 있는 법률적 요구 사항들을 충족시키도록 제공되는 것이다. 여기에 사용되는 바에 있어서, "일", "한", "하나" 등의 단수 표현은 본문에 명백하게 다르게 기재되지 않는 한 복수의 대상들을 포함한다.
본 발명의 시스템들과 방법들은 탄소질 연료, 특히 고체 연료 및/또는 액체 연료의 부분 산화(partial oxidation; POX)를 구현하기 위해 적용된다. 본 발명에 따라 사용될 수 있는 연료들의 제한적이지 않은 예들은 석탄, 갈탄, 석유 코크스(petroleum coke), 역청(bitumen), 바이오매스(biomass), 조류(algae), 목재, 분류된 가연성의 고체 폐기물 쓰레기, 아스팔트, 폐타이어들, 원유, 재를 포함하는 액체 연료들 및 이와 유사한 것들을 포함한다.
POX 반응기(reactor) 내의 탄소질 연료의 부분 산화는 그 성분들의 결합의 측면에서 정의될 수 있는 POX 스트림(stream)을 형성한다. 특히, 상기 POX 스트림은 연료 가스를 포함할 수 있고, 선택적으로 하나 또는 그 이상 불순물들(산화될 수 있는 불순들 및 산화될 수 없는 불순물들)을 포함할 수 있다. 상기 POX 연료 가스 스트림(상기 불순물들의 적어도 일부를 포함하거나, 임의의 불순물들, 특히 상기 산화될 수 없는 불순물들이 실질적으로 없는)이 동력 생산 시스템(power production system) 내의 연소기(combustor)로 투입될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 시스템들 및 방법들과 결합될 수 있는 연소기 및 연관 동력 생산 사이클은 그 개시 사항이 여기에 참조로 포함되는 Allam 등에게 허여된 미국 특허 제8,596,075호에 기재되어 있다. 상기 제8,596,075호 특허의 프로세스는 동작 유체(working fluid)로서 주로 CO2를 사용하여 발전을 구현한다. 특히, 상기 프로세스는 고압의 재순환 CO2 스트림 및 상기 연료의 연소로부터 야기되는 연소 생성물들의 혼합물들을 팽창시키는 터빈을 이용한다. 순수한 산소가 연소 프로세스에서 산화제로 사용될 수 있으며, 상기 산화제는 상기 연소기를 통과하기 전에 재순환된 CO2로 희석될 수 있다. 뜨거운 터빈 배출은 상기 고압의 재순환 CO2 스트림을 부분적으로 가열하는 데 이용된다. 상기 재순환 CO2 스트림은 또한 상기 뜨거운 터빈 배출로부터 유래되지 않는 추가되는 열을 이용하여 가열된다. 예를 들면, O2 생산 플랜트의 공기 공급의 압축 에너지가 이용될 수 있다. 모든 연료와 황 화합물들, NO, NO2, CO2, H2O, Hg 및 이와 유사한 것들과 같은 연소 유래 불순물들은 대기로의 방출 없이 폐기를 위해 분리된다.
본 발명의 시스템과 방법들은 구체적으로는 POX 시스템 및 동력 생산 시스템(PPS)의 결합으로서 특징지어질 수 있다. 상기 제8,596,075호 특허에 기재된 동력 사이클은 본 발명에 따라 사용될 수 있는 PPS의 예이다. 특히, POX 연료 가스 스트림이 상기 연소기를 위한 연료 스트림의 일부 또는 모두로서 상기 PPS 연소기로 도입될 수 있다. 고압의 연소 사이클에서, 상기 POX 스트림으로부터의 연료 가스는 대체로 상기 동력 생산 시스템 연소기 내에서 요구되는 높은 압력까지 압축되어야 한다. 예를 들면, 상기 POX 연료 가스 스트림은 압축기(compressor) 내에서 약 10MPa 또는 그 이상, 약 15MPa 또는 그 이상, 약 20MPa 또는 그 이상, 혹은 약 25MPa 또는 그 이상의 압력까지 압축될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 압력은 약 8MPa 내지 약 50MPa, 약 15MPa 내지 약 45MPa, 또는 약 20MPa 내지 약 40MPa가 될 수 있다.
POX 시스템 및 PPS 시스템의 결합은 그 개시 사항이 여기에 참조로 포함되는 Allam 등에게 허여된 미국 특허 제8,776,532호에 기재되어 있다. 본 발명의 시스템들과 방법들은 여기에 기재되는 시스템들과 방법들의 다양한 측면들을 포괄할 수 있다.
산소와 고체 또는 액체 연료의 반응으로부터 야기되는 상기 POX 연료 가스 스트림은 상기 PPS 연소기 내로의 상기 POX 연료 가스 스트림의 도입 전에 제거될 수 있는 변화되는 양들의 고체들 및 용융된 고체들을 포함할 수 있다. 구체적으로는, 상기 POX 연료 가스 스트림은 필요한 경우에 재 및 다른 고체 물질들이 제거될 수 있는 온도까지 냉각될 수 있다. 이는 상기 POX 시스템 및 상기 PPS 내의 장비의 다운스트림(downstream) 오염을 방지하는 데 유리하다. 상기 POX 연료 가스 스트림의 냉각 동안에 방출되는 열은 상기 동력 생산 시스템의 전체적인 효율을 최대화하도록 상기 동력 생산 시스템으로 전달될 수 있다. 특히, 이러한 열은 상기 연소 생성물 스트림의 냉각 후 및 상기 동력 생산 시스템의 연소기 내로의 상기 재순환 CO2 유체의 복귀 이전에 상기 동력 생산 내에서 순환하는 상기 재순환 CO2 유체의 적어도 일부를 부분적으로 가열하기 위해 이용될 수 있다. 특히, 상기 열은 상기 재순환 CO2 유체의 압축을 수반하여 상기 재순환 CO2 유체에 추가될 수 있다. 다른 예로서, 이러한 열은 상기 POX 반응기 내의 산소 소모를 감소시키기 위해 상기 POX 반응기로의 통과 이전에 연료 또는 연료 공급 스트림의 구성 성분을 가열하기 위해 이용될 수 있다. 선택적으로, 상기 POX 반응기로 통과되거나 및/또는 상기 동력 생산 시스템 연소기로 통과되는 연료 스트림 및/또는 상기 산소 또한 동일하거나 다른 열 교환기 내에서 상기 냉각 POX 스트림에 대해 가열될 수 있다.
상기 POX 반응기는 약 600℃ 또는 그 이상, 약 800℃ 또는 그 이상, 약 1000℃ 또는 그 이상, 혹은 약 1200℃ 또는 그 이상인 온도를 가지는 산출 POX 연료 가스 스트림을 제공하도록 적용될 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 온도는 약 600℃ 내지 약 2000℃, 약 700℃ 내지 약 1800℃, 또는 약 800℃ 내지 약 1600℃가 될 수 있다. 다양한 실시예들에 있어서, 하나 또는 그 이상의 단계들이 주위 온도에 대해서와 같이 상기 POX 스트림(그리고 이에 따라 다른 연소기로의 투입을 위한 상기 연료 가스)을 냉각하도록 활용될 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에 있어서, 앞서 설명한 바와 같은 온도에서 상기 POX 반응기를 나가는 상기 POX 스트림은 바로 보다 낮은 온도까지 급냉될 수 있다. 선택적으로나 추가적으로, 상기 POX 스트림은 하나 또는 그 이상의 냉각기(cooler)들로 통과될 수 있다. 바람직하게는, 급냉(quenching) 및/또는 냉각은 상기 POX 스트림의 온도를 약 500℃ 또는 그 이하, 약 400℃ 또는 그 이하, 혹은 약 300℃ 또는 그 이하까지 감소시킨다.
급냉은 상기 POX 스트림과 하나 또는 그 이상 급냉 유체들의 혼합에 의해 수행될 수 있다. 본 발명에 따라 사용될 수 있는 급냉 유체들의 제한적이지 않은 예들은 재순환된 POX 생성물의 스트림(즉, 급냉 유체 온도까지 이미 냉각되었고, 이후에 액상의 물 분리를 수반하여 상기 POX 가스 열 교환기 내에서 냉각된), 급냉 유체 온도에서의 물, 액체 CO2, 이들의 혼합물들 및 이와 유사한 것들을 포함한다. 유용한 급냉 유체 온도는 약 150℃ 또는 그 이하, 약 100℃ 또는 그 이하, 약 75℃ 또는 그 이하, 혹은 약 60℃ 또는 그 이하가 될 수 있다. 상기 급냉 유체 온도는 특히 약 10℃ 내지 약 150℃, 약 15℃ 내지 약 100℃, 또는 약 20℃ 내지 약 75℃가 될 수 있다. 물 급냉을 이용하는 실시예들에 있어서, 물의 일부는 상기 대부분의 재 입자들을 세척하는 연료 가스, 수증기 및 액상의 물 부분의 혼합물을 생성하도록 기화될 수 있다. 전체 액체 및 증기의 온도는 상기 POX 반응기 내에 사용되는 압력 및 상기 급냉을 위해 사용되는 액상의 물의 양에 의해 결정될 것이다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에 있어서, 본 발명의 시스템과 방법은 상기 냉각된 POX 스트림 증기로부터 임의의 액상의 물 및 대부분의 임의의 재 입자들 또는 다른 고체들의 분리를 위해 구성될 수 있다. 고체들의 제거는 임의의 종래의 분리 또는 여과 수단들을 이용하여 수행될 수 있다. 적합한 고체 제거 구성 요소들의 제한적이지 않은 예들은 사이클론 필터(cyclone filter)들, 침강 탱크(settling tank)들, 캔들(candle) 필터들, 백(bag) 필터들, 액체 세정 타워들 및 이와 유사한 것들을 포함한다. 이러한 구성 요소들은 고체들 및/또는 가용성 가스들의 제거를 위해 구성될 수 있다. 예를 들면, 워터 스크러버(water scrubber)가 이용될 수 있다.
상기 세정된 POX 스트림은 하나 또는 그 이상의 열 교환기들을 이용하여 주위 온도 부근까지와 같이 더 냉각될 수 있다. 특히, 열 교환기는 열을 상기 급냉된/냉각된 POX 스트림으로부터 상기 동력 생산 시스템 내에 활용되는 상기 고압의 CO2 재순환 스트림의 하나 또는 그 이상의 부분들에 전달하도록 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 열은 상기 CO2 재순환 압축기 배출로부터 취해지는 상기 고압의 CO2 재순환 스트림으로 및/또는 상기 동력 생산 사이클에 사용되는 레큐퍼레이터(recuperator) 열교환기 내의 하나 또는 그 이상의 적절한 지점들에 전달될 수 있다. 상기 PPS 레큐퍼레이터 열 교환기에 대한 열의 주입을 위한 온도들의 선택 및 상기 급냉된 연료 가스 냉각기 내에서 가열되는 상기 PPS 레큐퍼레이터 열교환기로부터 취해지는 상기 스트림들의 숫자와 유입 온도는 이코노믹(economic) 열교환기 크기들에 부합하는 최대 온도 레벨에서의 열 회수를 보장하도록 열 회수 프로세스를 변경하여 결정될 수 있다.
상기 POX 반응기 내에 사용되는 고체 연료는 다양한 형태들로 제공될 수 있다. 앞서 언급한 실시예들에 있어서, 고체 연료는 미립자 형태, 바람직하게는 미세하게 분말화된 상태로 제공될 수 있으며, 물, 액체 CO2 및 이들의 결합들과 같은 슬러리 매체(slurry medium)로 슬러리로 될 수 있다. 상기 POX 반응기 내에서 사용된 탄소질 연료는 가열된 역청과 같은 액체가 될 수 있으며, 이 경우에 슬러리로 되는 유체가 필요하지 않을 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명에 따른 POX 반응기는 상기 동력 생산 시스템 연소기 내의 압력보다 높은 압력에서 동작하도록 적용될 수 있다. 상기 동력 생산 시스템 연소기는 특히 상기 시스템 내에서 연속적으로 재순환되는 동작 유체로서 CO2를 사용할 수 있다. 바람직하게는, 상기 POX 스트림은 여기에 설명되는 바와 같이 열 교환을 통해 냉각될 수 있고, 상기 냉각된 POX 스트림(즉, 연료 가스)은 추가적인 압축에 대한 필요 없이 상기 동력 생산 시스템 내에 사용될 수 있다. 상기 POX 반응기는 탄소질 연료의 연소를 위해 적용되는 임의의 반응기를 포함할 수 있으며, 특히 여기서 상기 연료가 상기 부분적으로 산화만 되며, 특히 여기서 상기 반응기가 여기에 설명되는 바와 같은 상기 동력 생산 시스템 연소기의 동작 압력보다 큰 압력에서 기능하도록 적용된다. 예시적이고 제한적이지 않은 실시예들에서, POX 연소기는 그 개시 사항들이 전체적으로 여기에 참조로 포함되는 Palmer 등에게 허여된 미국 특허 제9,416,728호, Palmeretal에게 허여된 미국 특허 제9,068,743호 및 Palmeretal에게 허여된 미국 특허 제8,986,002호에 기재되어 있는 바와 같은 분출 냉각(transpiration cooling)을 활용할 수 있다. 상기 POX 연소기는 특히 연료 스트림 및 상기 연료 스트림의 연소를 위한 산소 소스를 수용하기 위해 적용될 수 있다. 선택적으로, 촉매가 상기 POX 반응기 내에 포함될 수 있거나 및/또는 촉매가 상기 연료와 혼합 재료로서 상기 POX 반응기에 도입될 수 있다. 선택적으로, 수증기 스트림이 상기 POX 반응기로 도입될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 본 발명에 따른 POX 반응기는 상기 동력 생산 시스템 연소기의 압력 아래의 압력에서 동작하도록 적용될 수 있다. 이러한 실시예들에 있어서, 상기 동력 생산 시스템 연소기 내에서 연료로서 사용되기 위한 POX 스트림은 상기 동력 생산 시스템 연소기 내로의 통과 전에 압축될 수 있다. 상기 POX 반응기는 임의의 상업적으로 입수 가능한 시스템을 포함할 수 있다. 본 발명에 따라 유용한 임의의 상업적으로 입수 가능한 시스템들의 제한적이지 않은 예들은 쉘(Shell) 건조 미분탄 공급 운반 유동 반응기, GE/텍사코(Texaco) 급냉 반응기, 지멘스(Siemens) 냉각 스크린 급냉 반응기, 또는 유사한 시스템들을 포함한다. 유용한 POX 반응기들은 POX 버너(burner)로부터 방사열을 흡수하는 내부 열전달 섹션들을 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에 있어서, 상기 동력 생산 시스템으로부터의 고압의 재순환된 CO2 스트림의 일부는 가열될 수 있고, 보다 높은 온도에서 상기 PPS 시스템으로 돌아갈 수 있다. 예를 들면, 약 400℃ 또는 그 이상의 온도에서의 재순환된 CO2는 상기 POX 반응기 내에서 약 450℃ 내지 약 600℃의 온도까지 가열될 수 있고, 상기 동력 생산 시스템 내의 상기 레큐퍼레이터 열교환기로 돌아갈 수 있으며, 여기서 유사한 온도에서의 상기 고압의 재순환 CO2 스트림의 다른 부분과 다시 혼합될 수 있다.
본 발명에 따른 POX 반응기와 동력 생산 시스템의 결합은 다양한 유용한 측면들을 제공할 수 있다. 예로서, 상기 결합은 불순물들(석탄 또는 다른 고체 연료로부터 및 상기 연료의 부분 산화로부터와 같은)이 상기 동력 생산 시스템 연소기로 들어가는 냉각된 고압의 POX 스트림 내에 함유될 수 있는 점으로 정의될 수 있다. 이러한 불순물들은 H2S, COS, CS2, HCN, NH3, Hg 등을 포함할 수 있다. 이들 및 다른 불순물들은 이후에 상기 동력 생산 시스템으로부터 제거될 수 있는 예를 들면, SO2, CO2, N2, NO 및 Hg를 형성하기 위해 상기 동력 생산 시스템 연소기 내에서 산화될 수 있다. 예를 들어, 상기 동력 생산 시스템 연소기 출구 스트림으로부터의 응축된 물 스트림은 미국 특허 출원 공개 제2011/0179799호에 기재된 바와 같이 HNO3, H2SO4, 및 용해되지 않은 무기염들의 하나 또는 그 이상을 포함하여 산성이 될 수 있다. 그러나, 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 상기 불순물들의 실질적으로 모두가 상기 PPS 연소기로 도입되기 전에 상기 POX 연료 스트림으로부터 제거될 수 있다. 예를 들면, 여기에 더 설명되는 바와 같이, 농후화(enriched) 메탄(methane) 스트림(즉, 상기 PPS 연소기로 도입되는 POX 연료 가스 스트림의 전체 체적을 기준으로 하여 약 20 체적% 또는 그 이상, 약 30 체적% 또는 그 이상, 약 50 체적% 또는 그 이상, 약 60 체적% 또는 그 이상, 약 70% 또는 그 이상, 약 80 체적% 또는 그 이상, 약 90 체적% 또는 그 이상, 혹은 약 95 체적% 또는 그 이상의 메탄을 포함하는)으로 상기 POX 스트림을 제공하는 것이 유용할 수 있다. 동력 생산 시스템 연소기를 직접 통하기보다는 상기 POX 반응기를 통한 고체 연료의 처리는 가능한 오염시키는 반응 생성물들, 특히 재 및 다른 고체들을 제거하는 능력의 관점에서 특히 유용할 수 있다.
본 발명의 시스템들과 방법들은 상기 POX 스트림의 냉각, 바람직하게는 주위 온도 부근까지의 냉각 동안에 방출되는 열의 실질적으로 모두의 회수 및 상기 동력 생산 시스템 내의 상기 재순환된 고압의 CO2 스트림 내로의 열의 회수를 제공하도록 적용될 수 있다. 이러한 추가적인 가열은 특히 상기 동력 생산 시스템의 레큐퍼레이터 열교환기 내에서 보다 낮은 온도 레벨로 제공될 수 있다. 이러한 방식으로의 추가적인 열의 투입은 상기 동력 생산 시스템의 전체적인 효율에 대해 상당히 긍정적인 효과를 제공할 수 있다. 이러한 효과는 400℃ 내지 800℃의 보다 높은 온도 범위 및 상기 동력 생산 시스템의 레큐퍼레이터 열교환기 내에서 냉각되는 터빈 배출 스트림의 보다 낮은 비열과 비교하여 50℃ 내지 400℃의 보다 높은 온도 범위의 상기 고압의 재순환 CO2 스트림의 훨씬 높은 비열로 인한 것이다. 이는 상당한 추가적인 여분의 열이 상기 재순환 CO2 스트림을 가열하기 위해 50℃ 내지 400℃의 온도 범위에 걸쳐 상기 레큐퍼레이터 열교환기 내에 요구되는 차이 평균을 표시한다. 상기 POX 스트림 열 교환기 내에서 급냉된 POX 스트림으로부터 얻어진 추가적인 열은 연료 가스 자체가 연소될 때에 방출되는 열의 양과 실질적으로 동등한 상기 동력 생산 시스템 연소기를 위해 효과적인 양의 추가적인 열을 제공한다.
일부 실시예들에 있어서, 급냉 및 재 제거가 수반되어 상기 POX 반응기로부터 취해지는 상기 연료 가스는 약 250℃ 내지 약 400℃의 온도에서 주로 H2, CO, CO2 및 H2O를 포함할 수 있다. 이러한 연료 가스 스트림의 일부는 변화되는 H2 대 CO 비율들로 순수한 H2, CO 또는 이들의 결합의 생산을 위해 취해질 수 있다. 대규모 H2 생산을 위한 통상적인 응용들은, 예를 들면, 잠재적으로 차량 연료로서 정제 공장들에서의 수소화 탈황(hydrodesulfurization) 및 수소화 분해(hydrocracking)가 될 수 있다. H2 및 CO 혼합물들을 위한 통상적인 응용들은, 예를 들면, 피셔-트로프슈(Fischer-Tropsch) 탄화수소 액체 생산(예를 들어, 약 1.5 내지 약 3, 특히 약 2.2의 H2 대 CO 비율로) 및 메탄올 생산(예를 들어, 약 1.5 to 약 2.5, 특히 약 2의 H2 대 CO 비율로)이 될 수 있다. 각 경우에, 상기 H2 대 CO 비율은 상기 POX 연료 가스 스트림 내에서 대략 1 또는 그 이하의 비율로부터 증가되어야 하며, 여기서 상기 비율은 상기 POX 반응기의 동작 변수들(예를 들어, 온도 및/또는 압력), 상기 고체 연료를 위한 슬러리로 되는 매체로서 CO2 또는 물의 사용, 그리고 상기 고체 연료 내의 H2 대 탄소 비율에 의존한다. 상기 POX 생성물 가스 내의 보다 많은 물과의 수성의 슬러리는 H2 및 CO2로 전환되는 CO 및 H2O의 상당한 비율을 가져오며, 단지 1 아래의 H2 대 CO 비율을 생성한다. CO2계 슬러리는 훨씬 낮은 H2 대 CO 비율을 가진다. 다음의 반응식 (2)에 나타내는 바와 같이 수증기와의 반응에 의해 CO를 H2로 전환시키도록 분리되고 급냉된 POX 연료 가스 스트림의 적어도 일부를 촉매 전환 반응기(catalytic shift reactor)로 통과시키는 것이 유용할 수 있다.
CO＋H2O＝H2＋CO2 (2)
이는 재 제거가 수반되는 약 250℃ 내지 약 400℃의 온도에서 취해진 상기 연료 가스의 일부를 사용하고, 상기 전환 반응기 내에서 코발트-몰리브덴을 기반으로 하는 것과 같은 내황성 CO 전환 촉매를 사용하여 구현될 수 있다. H2가 농후화되었던 상기 연료 가스의 일부는 이후에 상기 POX 열 교환기를 통한 별도의 통과로 냉각될 수 있다. 상기 발열 전환 반응에서 방출되는 열은 앞서 설명한 바와 같이 상기 PPS 내로 전달될 수 있다. 상기 출구 전환된 가스는 이후에 나머지 냉각된 POX 스트림의 일부와 혼합될 수 있고, 상기 결합된 스트림은 흡착된 성분들이 모든 황 화합물들, HCN, NH3, Hg, CO2, H2O 및 대부분의 CH4를 함유할 수 있는 반면에 단일의 흡착되지 않은 성분으로 요구되는 H2 대 CO 비율로 H2 및 CO를 분리하도록 설계되는 다중 층 압력 스윙 흡착기(swing adsorber)로 통과될 수 있다. 이러한 흡착되지 않은 부분 또한 상기 POX 반응기 내에 사용된 석탄(또는 다른 고체 혹은 액체 연료) 및 산소로부터 유래되는 일부 N2 및 Ar을 함유할 수 있다. 이들 불활성 성분들은 바람직하게는 상기 피셔-트로프슈 및 메탄올 반응기들 모두로 공급되는 가스에 대해 허용될 수 있는 5% 전체 농도 아래가 될 것이다. 순수한 H2 생산이 요구되는 경우, 상기 전환되고 냉각된 가스만이 상기 PSA로 공급될 것이다. 환원된 형태로의 모든 석탄 및 POX 유래 불순물들과 함께 상기 PSA로부터의 대기압 부근 압력의 폐가스는 압축될 것이며, 상기 PPS 연소기 내의 연소를 위해 남아 있는 POX 연료 가스로 돌아갈 것이다.
고체 연료의 부분 산화를 구비하는 동력 생산 시스템의 일 실시예가 도 1을 참조하여 설명되며, 여기서 고체 연료는 POX 반응기(4) 내에서 부분적으로 산화되는 석탄 공급 스트림(21)의 형태로 제공된다. 상기 석탄 스트림(21)은 분쇄되고, 공기 흡입 스트림(62)으로부터 산소 스트림들(32, 60) 및 질소 스트림(23)을 생성하는 공기 분리 유닛(6)으로부터 취해지는 약 82℃(180℉)의 온도에서의 N2를 포함하는 건조 질소 스트림(23)도 제공되는 큰 입자 분쇄기(crusher)(1) 내에서 부분적으로 건조된다. 바람직하게는, 상기 건조 질소 스트림(23)은 상기 PPS 내의 레큐퍼레이터 열교환기를 떠나는 CO2 풍부 터빈 배출의 보다 높은 온도의 스트림에 대해 가열될 수 있다. 상기 석탄은 미립자로 된 슬러리 혼합기(mixer)(3)로 안내되는 석탄 스트림(25)을 제공하도록 작은 입자 분쇄기(2) 내에서 바람직하게는 약 250 미크론 또는 그 이하의 입자 크기로 더 분쇄된다. 상기 슬러리 혼합기(3)에서, 상기 미립자로 된 석탄은 바람직하게는 약 8.5MPa 또는 그 이상의 압력을 가지는 CO2 슬러리 매체 스트림(29)과 혼합된다. 상기 CO2 슬러리 매체 스트림(29) 내의 CO2는 이러한 실시예에서 약 17℃의 온도에 있다. 상기 CO2 슬러리 매체 스트림(29) 내의 CO2는 약 865㎏/㎥의 밀도를 가진다. 분말로 된 석탄은 상기 CO2와의 혼합 이전에 락 호퍼(lock hopper) 시스템 내에서나 다른 수단들에 의해 8.5MPa의 압력까지 압력이 증가된다. 석탄/CO2 슬러리 스트림(26)은 상기 슬러리 혼합기(3)을 나가며, 바람직하게는 약 45 중량%의 석탄을 포함한다. 선택적으로, 상기 슬러리 매체는 물 스트림이 될 수 있다. 상기 분말로 된 석탄 주입 시스템 또한 상기 분말로 되고 가압된 석탄이 질소 스트림 내에 동반되고, 상기 POX 버너 내로 공급되는 건조 공급 시스템으로 구성될 수 있다. 상기 슬러리 스트림(26)은 이후에 POX 반응기(4) 내로 펌핑되며, 여기서 바람직하게는 97 몰% 또는 그 이상의 산소 농도를 가지는 산소 스트림(56)과 혼합된다. 상기 POX 반응기(4)는 바람직하게는 약 8.5MPa의 압력 및 약 1400℃의 온도에서 동작하지만, 상기 온도와 압력은 상기 POX 반응기를 나가는 POX 스트림의 특성과 관련하여 여기에 다르게 개시되는 바와 같은 온도 및 압력 범위들의 임의의 결합들이 될 수 있다. 상기 석탄 슬러리의 제조를 위한 조건들이 이에 따라 조절될 수 있다.
상기 POX 반응기(4)는 상기 석탄을 부분적으로 산화시키며, 도 1에 예시된 바와 같이, 상기 POX 반응기를 나가고 급냉 챔버(도시되지 않음)로 들어갈 수 있거나, 상기 POX 반응기 자체 내에서 급냉될 수 있는 POX 스트림을 형성하도록 적용된다. 상기 POX 스트림은 이에 한정되는 것은 아니지만 H2, CO, CH4, H2S, COS, CS2, HCN, NH3을 포함하여 하나 또는 그 이상의 연소될 수 있는(즉, 산화될 수 있는) 물질들을 포함할 수 있는 연료 가스를 포함할 수 있다. 또한, 상기 POX 스트림은 상기 석탄(또는 다른 고체 연료)로부터 유래되는 Hg 및 다른 불순물들뿐만 아니라 상기 산소 스트림(56)으로부터 유래되는 바와 같은 불활성 물질들(예를 들어, N2 및 Ar)에 더하여, 다른 추적 성분들을 포함할 수 있다. 상기 POX 스트림은 또한 원하는 경우에 상기 POX 스트림으로부터 여과될 수 있는 재 또는 슬래그(slag)와 같은 하나 또는 그 이상의 연소되지 않을 수 있는 물질들을 포함할 수 있다.
상기 POX 스트림(상기 POX 반응기 내부에 있거나 별도의 성분으로)은 급냉 유체(이러한 실시예에서는 액상의 물 스트림(57))과의 혼합에 의해 급냉된다. 예시된 바와 같이, 상기 액상의 물 스트림(57)은 제한 노즐(restriction nozzle) 내의 베이스 부근에서 상기 POX 반응기로 들어간다. 상기 급냉 스트림의 추가는 상기 POX 스트림 성분들을 바람직하게는 약 304℃의 물 포화 온도(비록 보다 높은 온도들도 포괄하지만) 아래로 냉각한다. 상기 급냉 온도 또한 바람직하게는 재 및 슬래그와 같은 비가연성 물질들이 고체 형태로 있는 온도가 될 수 있다. 과잉의 급냉 물은 상기 POX 반응기 용기(또는 별도의 급냉 용기)의 배수조 내에서 상기 슬래그 및 대부분의 미세한 재를 수집하며, 여기서 다른 처리를 위해 제거된다. 상기 급냉된 POX 스트림(58)은 더스트 부하(dust load)를 연료 가스의 약 4㎎/㎥ 또는 그 이하, 연료 가스의 약 3㎎/㎥ 또는 그 이하, 혹은 연료 가스의 약 2㎎/㎥ 또는 그 이하까지 감소시키도록 적용되는 미세 카트리지 필터가 수반되는 물 세정 타워를 포함하는 스크러버 유닛(scrubber unit)(5)을 통과한다. 스크러버 유닛(5)은 또한 세정수를 재순환시키고, 페기를 위해 재 스트림(66)을 처리하기 위해 요구되는 모든 장비 및 펌프들을 포함할 수 있다. POX 반응기 재처리 및 가스 세정을 위해 유용한 시스템의 예시적인 실시예는 석탄/CO2 슬러리를 수용하도록 선택적으로 변경될 수 있는 석탄/물 슬러리 버너를 구비하는 GE/텍사코 POX 시스템이다.
상기 세정된 연료 가스에 더하여 수증기 스트림(55)은 열 교환기(7) 내에서 냉각된다. 상기 출구 스트림(59)은 열 교환기(9) 내에서 냉각수에 대해 더 냉각된다. 액상의 물(46)은 분리 용기(8) 내에서 유입 스트림(61)으로부터 분리되고, 급냉 물 스트림(57)을 생성하도록 펌프(11) 내에서 상기 POX 반응기 급냉 및 스트림(38)으로부터의 일부 추가의 구성의 물로 다시 펌핑된다. 상기 순(net) 연료 가스 스트림(47)은 다단 원심분리 압축기(10) 내에서 상기 동력 생산 시스템 연소기(14)에 대한 스트림(48)으로 투입을 위해 적합한 압력까지 압축된다. 예로서, 상기 연료 가스 스트림(47)은 약 30.5MPa의 압력까지 압축될 수 있다. 상기 압축된 연료 가스 스트림(48)은 상기 레큐퍼레이터 열교환기(12) 내에서 상기 동력 생산 시스템 연소기(14)에 대한 투입을 위해 적합한 온도까지 가열된다. 예로서, 상기 압축된 연료 가스 스트림(48)은 약 746℃의 온도까지 가열될 수 있다. 상기 가열된 연료 가스 스트림(64)은 상기 동력 생산 시스템 연소기(14) 내에서 연소되며, 여기서 산소 및 CO2와 결합된다. 예시된 실시예에 있어서, 결합된 O2/CO2 스트림(51)은 몰 기준으로 30%의 O2 및 70%의 CO2를 포함한다. 상기 결합된 O2/CO2 스트림(51)은 바람직하게는 상기 동력 생산 시스템 연소기(14)에 대한 투입을 위해 적합한 온도까지 가열되었다. 예로서, 상기 결합된 O2/CO2 스트림(51)은 상기 레큐퍼레이터 열교환기(12) 내에서 약 746℃의 온도까지 가열될 수 있다. 뜨거운 재순환 CO2 스트림(52)은 상기 레큐퍼레이터 열교환기(12)로부터 안내되며, 상기 동력 생산 시스템 연소기(14)에 대한 투입을 위해 적합한 온도에 있다. 예로서, 상기 뜨거운 재순환 CO2 스트림(52)은 약 746℃의 온도까지 가열될 수 있다.
상기 동력 생산 시스템 연소기에 있어서, 상기 연료 가스의 연소로부터의 연소 가스들은 상기 뜨거운 재순환 CO2 스트림(52)과 함께 냉각되어, 예시된 실시예에서는 약 1150℃의 온도 및 약 30MPa의 압력에서 결합된 연소 생성물 스트림(50)이 생성된다. 이는 산출 동력(63)을 생성하는 발전기(65)에 연결되는 터빈(13) 내에서 약 3MPa의 압력까지 팽창된다. 상기 터빈 유출 스트림(49)은 상기 레큐퍼레이터 열교환기(12) 내에서 냉각되어, 예시된 실시예에서는 약 64℃의 온도에서 냉각된 생성물 스트림(53)로 떠난다. 상기 스트림(53)은 수냉식 냉각기(16) 내에서 약 17℃의 온도까지 냉각된다. 상기 더 냉각된 터빈 유출 스트림(54)은 순환 펌프를 통해 상기 더 냉각된 터빈 유출 스트림(54)을 수용하는 상기 타워의 충빈 섹션 상부의 세정 타워 액체 유입구(41)로 대부분 재순환되는 유출 스트림(40)을 가지는 세정 타워(17)로 들어간다. 스트림(40)의 일부는 다른 처리를 위해 스트림(39)으로 분할되어 나간다. 상기 터빈 배출 가스가 상기 레큐퍼레이터 열교환기(12) 내에서 물의 이슬점 아래로 냉각되면서 다음의 반응식들이 일어난다.
NO＋½O2＝NO2 (3)
NO2＋SO2＝SO3＋NO (4)
SO3＋H2O＝H2SO4 (5)
상기 반응들은 액상의 물, 질소 산화물들, SO2/SO3 및 과잉의 산소의 존재에서 진행될 것이다. 상기 SO2/SO3 농도들은 반응식 (3)에 나타낸 제한 반응이 3MPa에서 빠르게 진행되고, 반응식 (4) 및 반응식 (5)의 반응들이 매우 빠르기 때문에 매우 낮은 레벨들까지 감소된다. 모든 황산화물들이 황산으로 전환되었을 때, 상기 질소 산화물들은 다음의 반응 순서로 대해 통과 당 약 95%의 전환 비율로 질산으로 전환된다.
2NO2＋H2O＝HNO2＋HNO3 (6)
3HNO2＝HNO3＋2NO＋H2O (7)
NO＋½O2＝NO2 (8)
도 1을 참조하면, 순 액상의 산성 생성물 스트림(39) 내에 존재하는 질산은 존재하는 임의의 수은을 염화 제2 수은(mercuric-chloride)으로 전환시킬 것이다. 상기 세정 타워(scrub tower)(17)는 바람직하게는 추가의 물 세정 및 산성 미스트 제거 섹션을 구비하여 적합하게 된다. 이의 주요한 기능은 사실상 모든 앞서의 반응들이 상기 세정 타워(17)의 업스트림(upstream)에서 일어날 것이기 때문에 효율적인 희석식 산 제거 장치로 작용하는 것이다. 혼합된 산들은 석고 및 질산칼슘 스트림(37)을 생성하도록 혼합기(15) 내에서 석회석 슬러리 스트림(36)(또는 다른 적합한 염기)로 처리된다. 임의의 다른 추적 금속염도 분리될 수 있다. 질산칼슘 및 용해되지 않은 염들의 제거를 수반하는 잔여의 물 스트림(38)은 냉각 타워 또는 상기 POX 급냉 시스템에 대한 구성으로서나, 세정 타워(17)로 재순환되는 세정수로 이용될 수 있다.
약 2.9MPa의 압력에서 상기 세정 타워(17)를 나가는 주요 CO2 스트림(42)은 치밀한 유체 다단 펌프가 수반되는 다단의 중간 냉각된 압축기(19) 내에서 약 30.5MPa와 같이 상기 동력 생산 시스템 연소기에 대한 투입을 위해 적합한 압력까지 압축된다. 상기 압축된 CO2 배출 스트림(35)은 약 54℃의 온도에서 상기 펌프(19)의 최후 스테이지를 떠나며, 이러한 흐름의 일부인 스트림(70)은 상기 레큐퍼레이터 열교환기(12) 내에서 약 746℃의 온도까지 가열되어, CO2 스트림(52)으로 떠난다.
상기 공기 분리 플랜트(6)는 이러한 실시예에서 두 별도의 스트림들로 나누어지는 약 8.6MPa의 압력에서의 99.5 몰%의 산소 순도의 생성물 스트림을 생성한다. 산소 스트림(60)은 열 교환기(7) 내에서 약 294℃의 온도까지 가열되며, 상기 석탄의 부분 산화를 위해 상기 POX 반응기(4) 내의 사용을 위한 스트림(56)으로 나간다. 나머지 산소 스트림(32)은 약 8.6MPa의 압력에서 CO2와 혼합된다. 구체적으로, CO2는 상기 압축기(19)의 중간 스테이지로부터 스트림(30)으로 취해지며, 부분 스트림(31)은 산소 스트림(32)과 혼합되어 약 30 몰%의 O2 및 70 몰%의 CO2의 조성을 가진다. 이러한 희석된 O2 스트림(33)은 다단의 중간 냉각된 압축기(20) 내에서 약 30.5MPa의 압력까지 압축되고, 상기 배출 스트림(34)은 상기 레큐퍼레이터 열교환기(12) 내에서 약 746℃의 온도까지 가열되며, 스트림(51)으로 상기 동력 생산 시스템 연소기(14)로 들어간다. 상기 순수한 O2 스트림(32)의 희석은 상기 동력 생산 시스템 연소기(14) 내의 연소를 위해 요구되는 산소가 산화 저항성 물질들에 대한 필요성이 없이 높은 온도까지 가열되게 하는 데 유용하다. 이는 상기 동력 생산 시스템의 안전한 동작을 보장한다. 30%의 O2 스트림이 동력 생산 시스템(14) 내의 단열 연소 온도를 대략 2400℃의 값까지 조절하는 데 유용하다. 상기 CO2 스트림(30)의 나머지 부분은 상기 분말로 된 석탄을 슬러리로 만들기 위해 CO2를 제공하고, 슬러리 혼합기(3)로 안내되는 CO2 스트림(29)이다.
열 교환기(7) 내에서의 상기 급냉된 POX 가스의 냉각은 전체적인 효율을 최대화하기 위해 상기 동력 생산 시스템에 최대의 양의 열을 전달하는 데 유용하다. 상기 동력 생산 시스템은 주위 부근으로부터 약 400℃까지의 온도 범위에서 외부 소스로부터의 상당한 양의 열을 요구한다. 이러한 점은 상기 공기 분리 플랜트(6) 내의 단열 공기 압축기들을 이용하고, 압축열을 상기 고압의 재순환 CO2 스트림의 일부에 전달하여 제공될 수 있다. 본 발명의 실시예에 있어서, 요구되는 외부 가열 부하는 열 교환기(7) 내에서 상기 급냉된 POX 가스를 냉각하고, 두 고압의 재순환 스트림들을 가열하여 제공된다. 약 54℃의 온도에서의 고압의 재순환 CO2 스트림(28) 및 레큐퍼레이터 열교환기(12) 내의 중간 온도점으로부터 취해지는 약 120℃의 온도에서의 고압의 재순환 CO2 스트림(43)은 레큐퍼레이터 열교환기(12) 내의 대응하는 온도점에서 주요 재순환 CO2 스트림과 혼합되도록 돌아가는 약 294℃의 온도에서의 결합된 가열 유출 스트림(44)을 제공하도록 가열된다. 선택적으로, 유출 스트림(67) 또한 역시 상기 주요 재순환 CO2 스트림과 혼합되도록 대응하는 온도점에서 상기 레큐퍼레이터 열교환기로 돌아갈 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 열 교환기(7)는 높은 압력의 납땜 또는 확산 접합(diffusion bonded) 다중 채널 유닛이 될 수 있다. 구성 물질은 바람직하게는 상기 POX 가스에 더하여 액상의 물 내에 존재하는 상기 불순물들의 존재에서 부식 저항성이다. 레큐퍼레이터 열교환기(12)는 바람직하게는 확산 접합 다중 채널 유닛이다. 이러한 유닛은 바람직하게는 약 800℃까지의 온도에서의 동작을 위해 적용되며, 약 200℃ 아래의 온도에서의 산 부식에 대해 저항성이다. 예시적인 적합한 물질은 스페셜티 메탈스(Specialty Metals) 합금 740이다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 열 교환기(12)의 고온 단부에서의 평균 온도는 750℃ 아래까지 감소될 수 있고, 이러한 경우들에서 합금 617이 적합할 수 있다. 선택적으로, 200℃ 내지 540℃ 사이의 중간 섹션은 스테인리스 스틸로 제조될 수 있다. 200℃ 아래에서 잠재적인 산 부식에 노출되는 섹션은 간격을 두고 대체가 가능하도록 구성될 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에 있어서, 상기 POX 시스템은 매탄이 농후화된 연료 스트림을 제공하도록 구성될 수 있다. 이러한 POX 시스템은 여기서 달리 설명되는 요소들 중의 임의의 것을 포함할 수 있다. 특히, 이러한 POX 시스템은 상기 촉매의 부존재에서의 부분 산화와 비교하여 메탄 함량이 농후화되는 POX 생성물 스트림을 형성하기 위해 촉매 및 선택적으로 수증기의 존재에서 산소로 고체 또는 액체 연료를 부분적으로 산화시키도록 구성될 수 있는 촉매 POX 반응기를 포함할 수 있다. 상기 촉매는 탄소질 또는 탄화수소 연료의 부분 산화에서 메탄 생산을 증진시키기 위해 적합한 임의의 촉매를 포함할 수 있다. 예를 들면, 적합한 촉매들은 알칼리 금속들, 알칼리 토금속들, 전이 금속들, 이들의 화합물들, 이들의 복합물들 및 이들의 결합들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 니켈 또는 니켈 보조 촉매들이 유용할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따라 상대적으로 높은 메탄 함량을 갖는 POX 연료 스트림을 생성하기 위한 촉매 POX 반응 성분들의 예들은 그 개시 사항들에 여기에 참조로 포함되는 미국 특허 출원 공개 제2003/0167961호, 제2006/0265953호, 제2007/000177호, 제2007/083072호, 제2007/0277437호, 제2009/0048476호, 제2009/0090056호, 제2009/0090055호, 제2009/0165383호, 제2009/0166588호, 제2009/0165379호, 제2009/0170968호, 제2009/0165380호, 제2009/0165381호, 제2009/0165361호, 제2009/0165382호, 제2009/0169449호, 제2009/0169448호, 제2009/0165376호, 제2009/0165384호, 제2010/0076235호, 제2011/0031439호, 제2011/0062721호, 그리고 제2011/0064648호에 기재되어 있다.
일부 실시예들에 있어서, 증가된 메탄 함량을 위해 구성되는 POX 시스템은 특히 상대적으로 온화한 조건들 하에서 동작될 수 있다. 예를 들면, 상기 POX 반응기는 약 1000℃ 또는 그 이하, 약 800℃ 또는 그 이하, 약 600℃ 또는 그 이하, 혹은 약 400℃ 또는 그 이하(예를 들어, 약 200℃의 하한으로)의 온도에서 동작될 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 POX 반응기는 약 300℃ 내지 약 1000℃, 약 325℃ 내지 약 900℃, 약 350℃ 내지 약 800℃, 또는 약 400℃ 내지 약 700℃의 오도에서 동작될 수 있다.
메탄화(methanation)를 구비하는 POX 시스템의 예시적인 실시예가 도 2와 관련하여 다음에 설명된다. 여기에 도시된 바와 같이, 고체 연료 스트림(115), 산소 소스 스트림(56) 및 수증기 스트림(116)은 상기 고체 연료의 부분 산화를 위해 상기 POX 반응기(4) 내로 주입된다. 촉매도 상기 POX 반응기(4)로 제공될 수 있다. 상기 촉매는 상기 POX 반응기 내에서 비유동적 수 있거나 및/또는 유체가 될 수 있다. 예를 들면, 특정한 촉매는 상기 연료 스트림(115)과 결합될 수 있다. 상기 POX 반응기(4)에 대한 상기 수증기 스트림(116) 투입은 원하는 범위로 동작 온도의 제어를 제공하거나 및/또는 상기 생성물 스트림 내의 메탄 산출을 최대화하기 위해 유용할 수 있다. 상기 POX 반응기(4)를 나가는 POX 생성물 스트림(85)은 H2, CO, CO2, H2O, 차(char), CH4, H2S, COS, CS2, HCN 및 NH3의 임의의 결합을 포함할 수 있다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에 있어서, 상기 촉매 반응의 활용은 달리 가능할 수 있는 경우를 넘어 상기 POX 연소 스트림의 메탄 함량을 상당히 증가시키기 위해 유용할 수 있다. 따라서, 상기 POX 반응기(4)를 나가는 POX 생성물 스트림(85)은 메탄 함량이 농후화되는 것으로 특징지어질 수 있다. 메탄 농후화 스트림은 상기 촉매의 사용 없이 형성되는 대응되는 스트림 내에 존재하는 경우보다 적어도 5 체적%, 적어도 10 체적%, 적어도 20 체적%, 또는 적어도 30 체적%(예를 들어, 5 체적% 내지 95 체적%, 10 체적% 내지 75 체적%, 또는 20 체적% 내지 60 체적%) 많은 메탄을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 POX 반응기(4)를 나가는 POX 생성물 스트림(85)은 상기 POX 생성물 스트림의 전체 체적을 기준으로 하여 적어도 10체적%, 적어도 15 체적%, 적어도 20 체적%, 또는 적어도 25 체적%(95 체적%, 85 체적%, 또는 75 체적%의 상부 최대 메탄 함량으로)의 메탄 함량을 가질 수 있다.
상기 POX 생성물 스트림(85)은 상기 POX 연소 스트림을 약 500℃ 또는 그 이하, 약 400℃ 또는 그 이하, 혹은 약 300℃ 또는 그 이하(약 100℃의 하한으로)까지 냉각하기 위해 대류식 냉각기(convective cooler)(86)로 통과된다. 상기 대류식 냉각기(86) 내에 사용된 냉각 스트림은 상기 PPS로부터 인출되고 돌아가는 고압의 재순환된 유체 스트림, 물의 고압의 스트림, 상기 고체 연료 건조 프로세스를 위해 공기 분리 유닛으로부터 인출되는 질소 스트림, 고압의 O2/CO2 스트림 및/또는 세정되고 냉각된 POX 연료 가스 스트림을 포함할 수 있다. 다른 냉각 유닛들이 이에 한정되는 것은 아니지만 급냉 유닛을 포함하여 다른 냉각 유닛들이 추가적으로 또는 선택적으로 사용될 수 있다.
상기 대류식 냉각기(86)를 나가는 냉각된 POX 생성물 스트림(87)은 상기 POX 생성물 스트림으로부터 고체들을 제거하기 위해 필터 유닛(88)으로 안내된다. 상기 필터 유닛(88)으로부터 인출되는 고체 스트림(117)은, 예를 들면, 재 입자들, 연소되지 않은 차(char) 및 촉매를 포함할 수 있다. 고체 스트림(117)으로부터 취해지는 임의의 촉매는 그 개시 사항들이 여기에 참조로 포함되는 미국 공개 특허 제2010/0168495호 및 미국 공개 특허 제2011/0031439호에 기재되어 있는 바와 같은 촉매 재순환을 위한 촉매 회수 시스템으로 보내질 수 있다.
상기 필터 유닛(88)을 나가는 냉각되고 여과된 POX 생성물 스트림(89)은 모든 미세한 입자들을 제거하도록 구성될 수 있는 워터 스크러버 유닛(90)으로 통과된다. 또한, 상기 워터 스크러버 유닛(90)은 NH3과 같은 임의의 가용성 산성 가스를 제거하도록 구성될 수 있다.
상기 냉각된 POX 연료 스트림(91)은 상기 스트림의 조성을 변경시키기 위해 하나 또는 그 이상 전환 단계들을 거칠 수 있다. 도 2에 예시된 바와 같이, 상기 세정된 POX 연료 스트림(91)은 상기 스트림을 제1 부분 스트림(93) 및 제2 부분 스트림(94)으로 분할시키도록 스플리터(splitter)(92)로 통과될 수 있다. 상기 POX 연료 제1 부분 스트림(93)은 COS를 H2S로 전환시키기 위해 촉매 COS 가수분해 유닛(hydrolysis unit)(95)으로 보내질 수 있다. 상기 POX 연료 제2 부분 스트림(94)은 CO 및 H2O를 CO2 및 H2로 전환시키기 위해 촉매 수성 가스 전환 반응기(catalytic water gas shift reactor)(96)로 안내될 수 있다. 상기 촉매 COS 가수분해 유닛(95) 및 상기 촉매 수성 가스 전환 반응기(97)를 나가는 스트림들은 POX 연료 스트림(97)으로 결합될 수 있다. 원하는 경우, 상기 전체 POX 연료 스트림(91)은 상기 촉매 COS 가수분해 유닛(95)을 통해 처리될 수 있거나, 상기 전체 POX 연료 스트림(91)은 상기 촉매 수성 가스 전환 반응기(96)를 통해 처리될 수 있다. 예를 들면, 하나 또는 그 이상의 실시예들에 있어서, 상기 수성 가스 전환 반응기(96) 내에 사용되는 촉매는 COS도 가수분해하도록 구성될 수 있다. 따라서, 상기 촉매 COS 가수분해 유닛(95)은 존재하지 않을 수 있다. 상기 스플리터(92)의 분할 비율은 상기 POX 연료 스트림(97)의 H2/CO 비율을 고정하여 결정될 수 있다. 예를 들면, 상기 POX 연료 스트림(97)의 H2/CO 비율은 약 5:1 내지 약 1:1, 약 4:1 내지 약 2:1, 또는 대략 3:1이 될 수 있다. 상기 비율은 CO＋3H2가 CH4＋H2O를 산출하게 수행될 것인 다운스트림(downstream) 메탄화 프로세스의 관점에서 원하는 최종 메탄 함량을 기초로 하여 정해질 수 있다. 예를 들면, 90 체적% 이상의 메탄 함량을 갖는 최종 합성 가스를 구현하기 위해 3:1의 비율이 특히 유용할 수 있다.
상기 POX 연료 스트림(97)은 상기 POX 연료 스트림을 냉각 스트림에 대해 약 100℃ 또는 그 이하의 온도까지 냉각시켜 다량의 열을 회수하도록 상기 POX 열교환기(7)로 통과된다. 예를 들면, 예시된 바와 같이, 산소 스트림(60)은 상기 POX 열교환기(7) 내에서 상기 POX 연료 스트림(97)에 대해 가열되며, 스트림(56)(도 1에 도시된 바와 같이, 석탄의 부분 산화를 위해 상기 POX 반응기(4) 내에 사용될 수 있는)으로 나간다. 상기 고압의 재순환 CO2 스트림(28) 및 상기 고압의 재순환 CO2 스트림(43)(도 1과 관련하여 앞서 논의된)은 레큐퍼레이터 열교환기(12) 내에서 상기 주요 재순환 CO2 스트림과 혼합되는 결합된 가열 유출 스트림(44)을 제공하도록 상기 POX 열교환기 내에서 가열될 수 있다. 유출 스트림(67)은 또한 상기 주요 재순환 CO2 스트림과 혼합되도록 상기 레큐퍼레이터 열교환기(12)로 돌아갈 수 있다.
상기 POX 열교환기(7)를 나가는 POX 연료 스트림(98)은 열교환기(99) 내에서 냉각수로 약 35℃의 온도까지와 같이 더 냉각될 수 있다. 상기 수냉식 열교환기(99)를 나가는 POX 연료 스트림(100)은 이로부터 응축된 물 스트림(103)이 인출될 수 있는 분리기(separator)(101)로 통과될 수 있다. 상기 POX 연료 가스의 조성(상기 POX 반응기 내에서 산화되는 연료의 조성에 따라 변화될 수 있다)에 따라, 상기 POX 연료 가스의 추가 세정이 바람직할 수 있다. 도 2의 실시예에 예시된 바와 같이, 상기 POX 연료 스트림(102)은 수은 및 산성 가스 제거 유닛(104)으로 통과된다. 상기 유닛(104)을 나가는 예시적인 산성 가스 스트림들은 H2S 스트림(105) 및 CO2 스트림(106)(비록 다른 산성 가스들도 인출될 수 있지만)을 포함할 수 있다. 상기 H2S 스트림(105)은 일 예로서 클라우스(Claus) 프로세스를 이용하는 바와 같이 액상 원소의 황으로 전환될 수 있거나, 습식 황산 프로세스를 이용하는 바와 같이 상업용 품질의 황산으로 전환될 수 있다. 예를 들면. 상기 산성 가스 제거 유닛으로부터 제거된 CO2 스트림(106)은 압축될 수 있고, 도 1의 압축된 재순환 CO2 스트림(35)과 합쳐질 수 있거나, 그렇지 않게 이용되거나 격리될 수 있다. 다양한 실시예들에 있어서, 별도의 수은 제거 유닛이 사용될 수 있거나, 별도의 산성 가스 제거 유닛이 사용될 수 있거나, 결합된 수은 및 산성 가스 제거 유닛이 사용될 수 있다.
수은 제거 유닛의 제한적이지 않은 예는 활성화되고, 황-함침된 카본 베드 흡착 시스템(carbon bed adsorption system)을 포함할 수 있다. 제한적이지 않은 예들로서, 산성 가스 제거는 화학적 시약들, 물리적 용매들 및 혼성 용매들의 하나 또는 임의의 결합의 사용으로 진행될 수 있다. 구체적으로, 활용될 수 있는 산성 가스 제거 프로세스의 제한적이지 않은 예들은, 메탄올 용매 시스템들(예를 들어, 렉티솔®(RECTISOL®)); 복합 용매 시스템들(예를 들어, 디이소프로판올아민(diisopropanolamine)(30%-45%) 또는 메틸 디에탄올아민(methyl diethanolamine: MDEA), 설포레인(sulfolane)(테트라하이드로티오펜(tetrahydrothiophene dioxide))(40%-60%) 및 물(5%-15%)의 혼합물인 설피놀®(SULFINOL®)); 아민 처리 시스템들(예를 들어, 디에탄올아민(DEA), 모노에탄올아민(monoethanolamine: MEA), 메틸 디에탄올아민(MDEA) 및 디이소프로판올아민(DIPA)을 활용하는); 셀렉솔™(SELEXOL™)(즉, 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol)의 디메틸에테르(dimethyl ether)들); 그리고 플렉소르브™(FLEXSORB™)(즉, 입체 장애(sterically hindered) 아민들)을 포함한다. 하나의 예시적인 방법은 두 단계의 셀렉솔™ 프로세스(미국의 UOP LLC로부터 입수 가능한)의 이용을 포함할 수 있으며, 여기서 H2S는 제1 단계에서 제거되고, CO2는 제2 단계에서 제거된다.
상기 POX 연료 스트림(107)은 CO 및 H2를 CH4 및 H2O로 전환시키도록 구성될 수 있는 메탄화 유닛(108)으로 통과된다. 상기 메탄화 유닛(108)은, 예를 들면, 니켈계 촉매를 이용하는 촉매 유닛이 될 수 있다. 상기 메탄화 유닛(108) 내에서 수행될 수 있는 메탄화 프로세스의 제한적이지 않은 예는 그 개시 사항이 여기에 참조로 포함되는 미국 특허 제8,530,529호에 기재되어 있는 고온 트렘프™(TREMP™) 프로세스이다.
상기 메탄화 유닛(108)을 나가는 POX 연료 스트림(109)은 메탄 농후화 POX 연료 가스로 특징지어질 수 있으며, 상기 스트림의 전제 체적을 기준으로 하여 약 50 체적% 또는 그 이상, 약 60 체적% 또는 그 이상, 약 70 체적% 또는 그 이상, 약 80 체적% 또는 그 이상, 약 85 체적% 또는 그 이상, 약 90 체적% 또는 그 이상, 혹은 약 95 체적% 또는 그 이상(99.9 체적%의 상한으로)의 메탄 함량을 가질 수 있다. 상기 메탄화 프로세스로부터 방출되는 열은 상기 메탄화 유닛(108)과 통합될 수 있거나, 추가되는 구성 요소들로서 이용될 수 있는 하나 또는 그 이상의 열교환기들 내에서 회수될 수 있다.
상기 메탄 농후화 POX 연료 스트림(109)은 수냉식 열교환기(110) 내에서 약 20℃의 온도까지와 같이 더 냉각된다. 상기 냉각된 메탄 농후화 POX 연료 스트림(111)은 상기 메탄화 유닛(108) 내에서 생성되었던 물인 스트림(114) 내의 물을 제거하도록 분리기(112)로 통과될 수 있다.
상기 냉각되고 세정된 메탄 농후화 POX 연료 가스 스트림(113)은 도 1에 도시한 바와 같은 압축기를 이용하여 압축될 수 있다. 예를 들면, 상기 POX 연료 가스 스트림(113)은 도 1의 압축기(10) 내에서 약 30.5MPa의 압력까지 압축될 수 있고, 상기 압축된 POX 연료 가스는 이후에 상기 동력 생산 시스템으로 보내질 수 있다. 상기 응축된 물 스트림들(103, 114)은 상기 POX 반응기(4)의 동작 압력보다 약간 높은 압력까지 펌핑될 수 있으며, 상기 가압된 스트림들은 적어도 일부가 상기 POX 반응기(4)에 대한 스트림(116) 투입에 이용될 수 있는 수증기를 형성하도록 상기 대류식 냉각기(86) 내에서 및/또는 상기 POX 열교환기(7) 내에서 및/또는 상기 PPS 열교환기(12)(도 1 참조) 내에서 가열될 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에 있어서, 도 2와 관련하여 예시되는 POX 시스템의 특정 구성 요소들이 존재하지 않을 수 있다. 예를 들면, 도 2를 참조하면, 상기 워터 스크러버 유닛(90)을 나가는 세정된 POX 연료 스트림(91)은 상기 POX 열 교환기(7)로 직접 통과될 수 있다. 상기 POX 연료 가스 스트림(98)은 여전히 열 교환기(99) 내에서 냉각수에 의해 더 냉각(예를 들어, 약 20℃의 온도까지)될 수 있으며, 응축된 물은 분리기(101) 내에서 분리될 수 있고, 응축된 물 스트림(103)으로 인출될 수 있다. 실질적으로 액상의 물이 없는 상기 냉각된 POX 연료 스트림(102)은 도 1의 압축기(10)로 직접 통과될 수 있으며, 여기서 예를 들면, 약 30.5MPa의 압력까지 압축될 수 있고, 이후에 도 1의 동력 생산 시스템으로 보내질 수 있다. 도 2와 관련하여 설명한 바와 같은 간략화된 시스템은, 예를 들면, 자본 비용들과 운용 비용들을 감소시키기 위해 유리할 수 있다. 또한, 전체적인 시스템 효율은 상기 시스템에 대한 감소된 기생 부하(parasitic load)들의 관점에서 증가될 수 있다.
여기에 개시되는 주제들의 많은 변경들과 다른 실시예들은 이러한 주제가 앞서의 설명들 및 관련된 도면들에서 제시되는 교시들의 이점을 가지는 것으로 해당 기술 분야의 숙련자에게 이해될 것이다. 이에 따라, 본 발명이 여기에 설명되는 특정한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 변형들과 다른 실시예들도 첨부된 특허청구범위의 범주 내에 속하도록 의도되는 점이 이해될 것이다. 비록 특정 용어들이 여기에 사용되지만, 이들 용어들은 일반적이고 서술적인 의미로만 사용되며, 제한의 목적을 위해 사용되는 것은 아니다.

Claims (23)

  1. 부분 산화(partial oxidation: POX) 시스템 및 동력 생산 시스템(power production system; PPS)의 결합을 이용하는 동력의 생산을 위한 프로세스에 있어서,
    연료를 부분적으로 산화시키고, 메탄을 포함하는 POX 스트림(stream)을 형성하기에 충분한 조건들 하에서 POX 반응기(reactor) 내에서 고체 또는 액체 연료, 산소 및 촉매를 결합하는 단계;
    상기 POX 스트림을 약 500℃ 또는 그 이하의 온도까지 냉각하는 단계;
    상기 POX 스트림으로부터 고체들, 용융된 금속들 및 산성 가스들의 하나 또는 그 이상을 분리하는 단계;
    상기 POX 스트림을 POX 열교환기로 통과시키고, 상기 POX 스트림을 냉각 스트림에 대해 약 100℃ 또는 그 이하의 온도까지 냉각시켜 상기 POX 스트림으로부터 다량의 열을 회수하며, 메탄을 포함하는 POX 연료 가스 스트림을 형성하는 단계;
    상기 POX 연료 가스 스트림을 분리기 용기(separator vessel)로 통과시키고, 상기 POX 연료 가스 스트림 내에 존재하는 임의의 물의 적어도 일부를 분리하는 단계;
    상기 POX 연료 가스 스트림을 약 12MPa 또는 그 이상의 압력까지 압축하는 단계;
    적어도 약 10MPa의 압력 및 적어도 약 800℃의 온도에서 연소 생성물 스트림을 형성하도록 상기 POX 연료 가스를 PPS 연소기 내에서 연소시키는 단계; 및
    동력을 생성하고, 팽창된 PPS 연소 생성물 스트림을 형성하도록 상기 연소 생성물 스트림을 PPS 터빈에 걸쳐 팽창시키는 단계를 포함하며,
    약 12MPa 또는 그 이상의 압력까지 압축된 상기 POX 연료 가스 스트림은 상기 POX 연료 가스 스트림의 전체 체적을 기준으로 하여 약 20 체적% 또는 그 이상의 메탄 함량을 가지는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 POX 반응기 내에 사용되는 촉매는 알칼리 금속들, 알칼리 토금속들, 전이 금속들, 이들의 화합물들, 이들의 복합물들, 그리고 이들의 결합들로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 POX 반응기는 약 1000℃ 또는 그 이하의 온도에서 동작되는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 POX 반응기에 수증기를 추가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 POX 반응기로부터의 상기 POX 스트림을 냉각하는 단계는 냉각 스트림에 대해 상기 POX 스트림을 대류식 냉각기(convective cooler)로 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 냉각 스트림은,
    상기 PPS로부터 회수되고, 상기 PPS로 돌아가는 고압의 재순환 유체 스트림;
    고압의 물 스트림;
    질소 스트림;
    POX 반응기 액체 연료 공급의 스트림;
    O2 및 CO2의 고압의 스트림; 및
    세정되고 냉각된 POX 연료 가스의 스트림의 하나 또는 그 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 POX 스트림으로부터 분리되는 상기 고체들은 재 입자들, 반응하지 않은 차(char) 및 촉매의 하나 또는 그 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 POX 스트림으로부터 고체들, 용융된 금속들 및 산성 가스들의 하나 이상을 분리하는 단계는 상기 POX 스트림을 파티클 필터(particle filter) 및 워터 스크러버(water scrubber)로 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 POX 스트림을 상기 POX 열교환기로 통과시키는 단계 이전에, 상기 프로세스는 상기 POX 스트림 내의 CO 및 H2O를 CO2 및 H2로 전환시키도록 구성되는 촉매 수성 가스 전환 반응기(catalytic water gas shift reactor)로 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 촉매 수성 가스 전환 반응기를 나가는 상기 POX 연료 가스는 약 5:1 내지 약 1:1의 H2 대 CO 비율을 가지는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 POX 스트림을 상기 POX 열교환기로 통과시키는 단계 이전에, 상기 프로세스는 상기 POX 스트림의 적어도 일부를 COS를 H2S로 전환시키도록 구성되는 황화카르보닐(carbonyl sulfide: COS) 가수분해(hydrolysis) 반응기로 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 POX 열교환기를 통과한 상기 POX 스트림은,
    상기 PPS로부터 회수되고, 상기 PPS로 돌아가는 고압의 재순환 유체 스트림;
    고압의 물 스트림;
    질소 스트림;
    POX 반응기 액체 연료 공급의 스트림;
    O2 및 CO2의 고압의 스트림; 및
    세정되고 냉각된 POX 연료 가스의 스트림의 하나 또는 그 이상을 포함하는 냉각 스트림에 대해 냉각되는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 POX 연료 가스 스트림을 약 12MPa 또는 그 이상의 압력까지 압축하기 이전에, 상기 POX 연료 가스 스트림의 적어도 일부는 수은 제거 유닛 및 산성 가스 제거 유닛의 하나 또는 모두로 통과되는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 POX 연료 가스 스트림의 적어도 일부는 상기 POX 연료 가스로부터 수은을 제거하도록 구성되는 활성화되고, 황-함침된 카본 베드 흡착 시스템(carbon bed adsorption system)으로 통과되는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 POX 연료 가스 스트림의 적어도 일부는 상기 POX 연료 가스 스트림으로부터 H2S 및 CO2의 적어도 하나의 일부 또는 실질적으로 모루를 제거하도록 구성되는 산성 가스 제거 유닛으로 통과되는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 POX 연료 가스 스트림을 약 12MPa 또는 그 이상의 압력까지 압축하는 단계 이전에, 상기 POX 연료 가스 스트림의 적어도 일부가 CO 및 H2를 CH4 및 H2O로 전환시키도록 구성되는 메탄화 유닛(methanation unit)으로 통과되는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 메탄화 유닛은 촉매 유닛이며, 선택적으로 메탄화가 니켈계 촉매를 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서, 상기 메탄화 유닛을 나가는 상기 POX 연료 가스는 약 50 체적% 또는 그 이상의 메탄 함량을 가지는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  19. 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 메탄화 유닛을 나가는 상기 POX 연료 가스를 냉각 스트림에 대해 후-메탄화 열교환기로 통과시키는 단계를 포함하고, 선택적으로 상기 냉각 스트림은, 상기 PPS로부터 회수되고, 상기 PPS로 돌아가는 고압의 재순환 유체 스트림; 고압의 물 스트림; 질소 스트림; O2 및 CO2의 고압의 스트림; POX 반응기 액체 연료 공급의 스트림; 및 세정되고 냉각된 POX 연료 가스의 스트림의 하나 또는 그 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  20. 제 16 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 메탄화 유닛으로부터의 상기 POX 연료 가스 스트림을 분리기로 통과시키는 단계를 포함하며, 상기 메탄화 반응기 내에서 생성되는 임의의 물의 적어도 일부가 제거되는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 POX 연료 가스 스트림을 약 12MPa 또는 그 이상의 압력까지 압축한 후 및 상기 POX 연료 가스를 상기 PPS 연소기 내에서 연소시키기 이전에, 상기 프로세스는 상기 POX 열교환기를 통한 통과에 의해 상기 압축된 POX 연료 가스를 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 팽창된 PPS 연소 생성물 스트림을 PPS 레큐퍼레이터(recuperator) 열교환기로 통과시키며, 이에 따라 상기 PPS 연소 생성물 스트림으로부터 열을 회수하고, 냉각된 PPS 연소 생성물 스트림을 형성하는 단계;
    선택적으로 상기 냉각된 PPS 연소 생성물 스트림을 수냉식 냉각기로 통과시키는 단계;
    실질적으로 모든 비CO2 성분들을 제거하여 재순환 CO2 스트림을 형성하도록 상기 냉각된 PPS 연소 생성물 스트림을 PPS 스크러버 내에서 처리하는 단계; 및
    압축된 재순환 CO2 스트림을 형성하도록 상기 재순환 CO2 스트림을 PPS 압축기 내에서 가압하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  23. 결합된 부분 산화(POX) 시스템 및 동력 생산 시스템(PPS)에 있어서,
    메탄을 포함하는 POX 스트림을 형성하도록 산소, 촉매 및 선택적으로 수증기의 존재에서 액체 또는 고체 연료를 부분적으로 산화시키도록 적용되는 촉매 POX 반응기;
    상기 POX 스트림을 냉각하도록 적용되는 하나 또는 그 이상의 구성 요소들;
    상기 POX 스트림으로부터 열을 회수하고, 냉각된 POX 연료 가스를 산출하도록 적용되는 POX 열교환기;
    선택적인 수은 제거 유닛;
    선택적인 산성 가스 제거 유닛;
    선택적인 메탄화 유닛;
    메탄화 유닛을 나가는 스트림으로부터 열을 회수하도록 구성되는 선택적인 후-메탄화 열교환기;
    상기 POX 연료 가스를 약 10MPa 또는 그 이상의 압력까지 압축하도록 적용되는 압축기;
    산소 및 압축된 재순환 CO2 스트림의 존재에서 상기 POX 연료 가스를 연소시키고, 약 10MPa 또는 그 이상의 압력에서 PPS 연소 생성물 스트림을 형성하도록 적용되는 PPS 연소기;
    상기 PPS 연소 생성물 스트림을 팽창시키고, 연결된 발전기 내에 동력을 생성하도록 적용되는 터빈;
    상기 팽창된 PPS 연소 생성물 스트림으로부터 열을 회수하고, 상기 열을 상기 압축된 재순환 CO2 스트림에 추가하도록 구성되는 레큐퍼레이터 열교환기;
    상기 재순환 CO2 스트림을 약 10MPa 또는 그 이상의 압력까지 압축하고, 상기 압축된 재순환 CO2 스트림을 형성하도록 적용되는 PPS 압축기;
    상기 압축된 재순환 CO2 스트림의 일부를 상기 POX 열교환기로 안내하도록 적용되는 선택적인 흐름 구성 요소(flow component)들;
    상기 압축된 재순환 CO2 스트림의 일부를 상기 PPS 레큐퍼레이터 열교환기로 안내하도록 구성되는 선택적인 흐름 구성 요소들; 및
    상기 압축된 재순환 CO2 스트림을 상기 POX 열교환기로부터 상기 PPS 레큐퍼레이터 열교환기로 안내하도록 적용되는 선택적인 흐름 구성 요소들을 포함하는 것을 특징으로 하는 결합된 부분 산화(POX) 시스템 및 동력 생산 시스템(PPS).
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