KR20190041511A - 고압의 산소를 생성하기 위한 극저온 공기 분리 방법 - Google Patents

고압의 산소를 생성하기 위한 극저온 공기 분리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료(예를 들어, 탄소질 연료)의 순산소 연소를 위한 고압의 산소를 제공하는 극저온 공기 분리 프로세스에 관한 것이다. 상기 공기 분리 프로세스는 CO2와 같은 동작 유체를 사용하는 밀폐 사이클 동력 생산 프로세스 내로 직접 통합될 수 있다. 유리하게는, 상기 공기 분리 프로세스는 공기 압축 스테이지들 사이에서 중간 냉각에 대한 필요성을 제거할 수 있으며, 오히려 추가적인 열 공급이 유익한 다른 방법들의 처리 단계로 단열 압축열의 재순환을 제공한다.

Description

고압의 산소를 생성하기 위한 극저온 공기 분리 방법
본 발명은 고압의 액체 산소 스트림을 생성하기 위한 방법들과 시스템들에 관한 것이다. 상세하게는, 상기 방법들과 시스템들은, 예를 들면, 발전 시스템과 가튼 다르거나 연관된 방법이나 시스템 내에서의 이용을 위해 고압의 기체 산소 스트림을 제공하는 데 사용될 수 있다.
동작 유체로서 이산화탄소와 함께 화석 연료(들)의 연소를 이용하는 발전 시스템을 위한 시스템들과 방법들은 여기에 전체적으로 참조로 포함된 미국 특허 제8,596,075호에 기재되어 있다. 이러한 시스템들과 방법들은 고압(예를 들어, 대략 200bar 내지 500bar) 및 고온에서 상기 화석 연료의 연소를 위해 실질적으로 순수한 산소를 사용한다. 일부 예들에서, 상기 화석 연료는 천연 가스(즉, 주로 메탄으로 구성된 탄화수소 가스 혼합물) 및/또는 석탄의 부분 산화, 바이오매스(biomass) 및/또는 예를 들면, 중질 잔사유 부분들이나 석유 코크스와 같은 잔사유 정제 생성물들로부터 유래되는 화석 연료가 될 수 있다. 화석 연료에 관계없이, 높은 압력으로 가압된 기체 산소가 대량으로 요구된다. 이러한 시스템들과 방법들은 연소 생성물 스트림으로부터 회수되지 않는 발전기에 대한 열의 추가를 통해 향상된 효율을 제공하는 것으로 나타났다. 일 측면에 있어서, 상기 추가된 열은 극저온 산소 생산 프로세스 내의 유입 공기 스트림의 압력을 증가시키는 압출기들에 의하거나 및/또는 이산화탄소 순환 압축기들로부터 생성되는 단열의 열로부터 유래될 수 있다.
대기의 공기는 주로 질소 및 산소이지만, 비활성 기체들(예를 들어, 아르곤), 메탄, 수증기 및 이산화탄소와 같은 적은 양의 다른 물질들인 많은 다른 기체 성분들을 포함한다. 대기 공기의 성분들의 하나 또는 그 이상은 공기 분리 방법 및 시스템(즉, "공기 분리 유닛", "공기 분리 플랜트" 또는 "ASU")으로 분리될 수 있고, 정화된 형태로 제공될 수 있다. 극저온 증류(예를 들어, 극저온 공기 분리 사이클), 멤브레인 분리, 압력 스윙 흡수(pressure swing adsorption: PSA) 및 진공 압력 스윙 흡수(VPSA)와 같은 공기 분리 프로세스 및 고온의 산소 이온 전도성 세라믹 혼합 산화물 멤브레인 시스템 내의 공기로부터의 산소의 분리를 위해 이용되는 알려진 기술들이 존재한다. 이용 가능한 방법들 중에서, 극저온 증류가 특히 높은 순도 및 높은 압력에서 구성 요소들 내로 공기를 분리하기 위해 유용하다.
펌프된 액체 산소 사이클은 고압의 산소를 생성하기 위해 이용되는 하나의 예시적인 극저온 공기 분리 사이클이다. 예를 들면, 극저온 공기 분리 사이클에 대해 이용되는 펌프 액체 산소 사이클은 고압의 공기 또는 질소의 보상 스트림을 냉각 및/또는 응축시켜 고압의 액체 산소를 주위 온도로 가열하기 위해 열교환기를 통해 고압의 액체 산소를 전달하도록 구성되는 액체 산소 펌프를 포함할 수 있다.
비록 산업 프로세스들을 위한 대규모의 산소 생산이 100년 이상 수행되고 있지만, 현재까지 이용되는 가장 높은 산소 압력은 단지 대략 100bar에 근접한다. 산소는 300bar 이상의 압력에서 고압의 가스 실린더들을 위해 제공되지만, 대체로 낮은 유량들을 위한 이러한 생산 프로세스는 액체 산소를 펌핑하는 작은 왕복 펌프들을 이용하며, 이후에 예를 들면, 주위 공기 또는 고온의 물로부터의 외부에서 공급되는 열을 이용하여 간접적으로 가열된 열교환기와 간접적으로 접촉시켜 상기 액체 산소를 주위 온도까지 가열한다. 이에 따라, 동력 생산 시스템과 방법에서 산화제로의 사용을 위해 적합한 바와 같은 고압의 산소의 생산을 위한 다른 시스템들과 방법들에 대한 필요성이 해당 기술 분야에 존재한다.
본 발명은 다양한 측면들은, 예를 들면, 연료의 순산소 연소를 포함하는 발전 시스템과 같은 하나 또는 그 이상의 다른 프로세스들에서의 사용을 위한 고압의 산소 스트림을 생성하기 위해 유용한 극저온 공기 분리(cryogenic air separation) 프로세스에 관한 것이다. 상기 생성된 산소는 바람직하게는 기체 또는 초임계의 상태에 있다. 특히, 이러한 결합은, 예를 들면, CO2 동작 유체(working fluid)와 같은 동작 유체를 사용하는 밀폐 사이클 발전 프로세스 내에서 수행될 수 있다. 본 발명의 다양한 측면들에 따른 공기 분리 프로세스는 많은 특유한 이점들로 특징지어질 수 있다. 예를 들면, 상기 공기 분리 프로세스는 유리하게는 극저온 공기 분리 프로세스에서 고효율의 펌프 액체 산소 사이클을 이용하여 대략 200bar 내지 대략 500bar의 압력에서 주위 온도의 산소를 생성하기 위해 낮은 비용의 프로세스를 제공한다. 일부 측면들에 있어서, 상기 극저온 공기 분리 프로세스는 공기 분리 유닛을 발전 시스템과 통합하기 위해 단열 공기 압축기를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 프로세스는 전체 산소 비용에 근거하여 최적의 열 교환 영역 및 전체적으로 최적의 사이클 효율을 제공하기 위하여 고압 압축 열교환기와 통합되는 고압의 공기 공급 스트림들이 팽창 터빈들의 팽창 부분들의 배치를 이용하는 과정을 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 시스템과 방법은 두 가지의 구분되는 압력들에서 극저온 공기 분리 사이클로부터 산소의 두 개의 별도의 스트림들을 생성하기 위해 제공된다. 산소의 제1 스트림은 발전 시스템의 연소기 내에서의 사용을 위해 대략 200bar부터 대략 500bar까지의 범위의 압력에서 산소의 생산을 위해 사용될 수 있다. 일부 측면들에 따르면, 산소의 제2 스트림은 발전 시스템의 연소기 내에서 사용되는 연료 가스 스트림을 생성하도록 구성되는 중연료 부분산화 반응기 내에서의 사용을 위해 대략 30bar부터 대략 150bar까지의 범위의 압력에서 산소의 생산을 위해 이용될 수 있다.
일부 측면들에 있어서, 상기 시스템과 방법은 극저온 공기 분리 유닛 내에 포함되는 전단 흡착기 공기 정제 유닛에 이용되는 재활성화 질소 스트림의 원하는 가열을 제공하기 위해 발전 시스템 내에서 이산화탄소 재순환 압축 프로세스로부터의 폐열의 사용을 제공할 수 있다.
일부 측면들에 있어서, 본 발명은 정화된 고압의 산소를 생성하기 위해 적합한 공기 분리 방법과 관련될 수 있다. 예를 들면, 이러한 방법들은 다음의 단계들의 임의의 결합을 포함할 수 있다. 린데 이중 칼럼(Linde double column) 증류 시스템 내에서 부분적으로 액화된 공기 스트림을 적어도 생성된 액체 산소 스트림 및 저압의 질소 스트림으로 분리하는 단계를 포함할 수 있고; 상기 액체 산소의 압력을 액체 산소 펌프 내에서 약 200bar 내지 500bar까지 증가시키는 단계를 포함할 수 있으며; 유입 공기 스트림을 제1 공기 압축기 내에서 적어도 5bar의 압력까지 압축하는 단계를 포함할 수 있고; 동력 사이클의 동작 유체 스트림을 가열하도록 상기 유입 공기 스트림을 압축시켜 생성되는 단열의 열의 적어도 일부를 전달하기 위해 상기 가압된 유입 공기 스트림을 제1 열교환기로 통과시키는 단계를 포함할 수 있으며; 상기 가압된 공기 스트림을 직접 수냉식 충전 타워(direct water-cooled packed tower) 내에서 냉각하는 단계를 포함할 수 있고; 정화되고 냉각되며 가압된 공기 스트림을 생성하도록 상기 냉각되고 가압된 공기 스트림을 흡수 시스템으로 통과시키는 단계를 포함할 수 있으며; 상기 정화되고 냉각되며 가압된 공기 스트림을 제1의 정화되고 가압된 공기 스트림 및 제2의 정화되고 가압된 공기 스트림으로 나누는 단계를 포함할 수 있고; 상기 저압 증류 칼럼으로부터의 상기 저압의 질소 스트림의 일부를 주위 온도까지 가열하는 상기 저압의 열교환기 내에서 상기 제2 정화되고 가압된 공기 스트림을 그 액화 온도 부근까지 냉각하는 단계를 포함할 수 있으며; 상기 냉각된 제2의 정화되고 가압된 공기 스트림을 상기 고압의 증류 칼럼의 하부 섹션 내로 공급하는 단계를 포함할 수 있고; 상기 제1의 정화되고 가압된 공기 스트림을 두 부분들로 나누는 단계를 포함할 수 있으며; 약 80bar 내지 125bar의 압력에서 제1의 고압의 정화된 공기 스트림을 생성하도록 상기 제1의 정화되고 가압된 공기 스트림의 제1 부분을 압축하는 단계를 포함할 수 있고; 약 50bar 내지 80bar의 압력에서 제2의 고압의 정화된 공기 스트림을 생성하도록 상기 제1의 정화되고 가압된 공기 스트림의 제2 부분을 압축하는 단계를 포함할 수 있으며; 상기 고압의 액체 산소 스트림 및 상기 저압의 질소 스트림의 나머지 부분을 주위 온도 부근까지 가열하는 고압 열교환기 내에서 상기 제1의 고압의 정화된 공기 스트림 및 상기 제2의 고압의 정화된 공기 스트림을 냉각하는 단계를 포함할 수 있고; 상기 제2의 고압의 정화된 공기 스트림을 상기 고압 열교환기들 내에서 약 -80℃ 내지 -120℃의 온도까지 더 냉각하는 단계를 포함할 수 있으며; 상기 고압 열교환기로부터 전체적인 제2의 고압의 정화된 공기 스트림을 제거하고, 제1 동력 생산 터빈 내에서 상기 고압 증류 칼럼의 압력까지 팽창시키며, 전체 배출 스트림을 상기 고압 칼럼의 하부 섹션 내로 공급하는 단계를 포함할 수 있고; 상기 제1의 고압의 정화된 공기 스트림의 제1 부분의 일부를 약 -20℃ 내지 -40℃의 온도에서 상기 고압 열교환기로부터 회수하고, 제2 동력 생선 터빈 내에서 상기 저압 증류 칼럼의 압력까지 팽창시키며, 원료 산소 공급 포인트 부근의 포인트에서 상기 전체 배출 스트림을 상기 저압 칼럼 내로 공급하는 단계를 포함할 수 있으며; 상기 제1의 고압의 정화된 공기 스트림의 제1 부분의 나머지 부분을 -160℃ 내지 -170℃의 온도에서 상기 고압 열교환기의 유출로부터 제거하는 단계를 포함할 수 있고; 고압 서브-냉각기 내에서 전체 페기 질소 스트림에 대해 상기 제1의 고압의 정화된 공기 스트림의 제1 부분의 나머지 부분을 5℃ 및 10℃로 더 냉각하는 단계를 포함할 수 있으며; 제3 동력 생산 터빈 내에서 상기 고압 서브- 냉각기로부터 산출되는 상기 제1의 고압의 정화된 공기 스트림의 제1 부분의 냉각된 나머지 부분을 상기 고압 증류 칼럼의 압력까지 팽창시키고, 상기 전체 배출 흐름을 상기 고압 칼럼의 하부 섹션 내로 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에 있어서, 본 발명에 따른 산소를 생성하기 위한 방법은 다음의 단계들을 포함할 수 있다. 적어도 3.5bar의 압력 및 150℃ 이상의 온도를 갖는 압축된 유입 공기 스트림을 형성하도록 제1 압축기 내에서 유입 공기 스트림을 압축하는 단계를 포함할 수 있고; 상기 압축된 유입 공기 스트림을 25℃ 이하의 온도까지 냉각하는 단계를 포함할 수 있으며; 상기 압축된 유입 공기 스트림 내에 존재하는 임의의 이산화탄소 및 물의 적어도 90mol%를 제거하여 상기 압축된 유입 공기 스트림을 정화시키며, 이에 따라 정화된 유입 공기 스트림을 형성하는 단계를 포함할 수 있고; 상기 정화된 유입 공기 스트림을 제1 부분 및 제2 부분으로 나누는 단계를 포함할 수 있으며; 약 20bar 내지 약 90bar의 압력을 가지는 중간 압력의 정화된 공기 스트림 및 약 70bar 내지 약 150bar의 압력을 가지는 고압의 정화된 공기 스트림을 형성하도록 상기 정화된 유입 공기 스트림의 제1 부분을 더 압축하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 고압의 정화된 공기 스트림은 상기 중간 압력의 정화된 공기 스트림의 압력 보다 큰 압력을 가지며; 상기 중간 압력의 정화된 공기 스트림 및 상기 고압의 정화된 공기 스트림을 열교환기 내에서 냉각하는 단계를 포함할 수 있고; 제1의 팽창되고 정화된 공기 스트림을 형성하도록 제1 동력 생산 터빈 내에서 상기 고압의 정화된 공기 스트림의 제1 부분을 팽창시키는 단계를 포함할 수 있으며; 제2의 팽창되고 정화된 공기 스트림을 형성하도록 제2 동력 생산 터빈 내에서 상기 고압의 정화된 공기 스트림의 제2 부분을 팽창시키는 단계를 포함할 수 있고; 제3의 팽창되고 정화된 공기 스트림을 형성하도록 제3 동력 생산 터빈 내에서 상기 중간 압력의 정화된 공기 스트림을 팽창시키는 단계를 포함할 수 있으며; 실질적으로 순수한 액체 산소의 출구 스트림 및 질소를 포함하는 폐기 스트림을 형성하도록 상기 제1의 팽창되고 정화된 공기 스트림, 상기 제2의 팽창되고 정화된 공기 스트림, 상기 제3의 팽창되고 정화된 공기 스트림 및 상기 정화된 유입 공기 스트림의 제2 부분을 증류 칼럼으로 통과시키는 단계를 포함할 수 있고; 상기 실질적으로 순수한 액체 산소의 출구 스트림을 150bar 이상의 압력까지 압축하는 단계를 포함할 수 있으며; 실질적으로 순수한 고압의 산소 가스의 출구 스트림을 형성하도록 상기 실질적으로 순수한 액체 산소의 출구 스트림을 상기 열교환기 내에서 상기 중간 압력의 정화된 공기 스트림 및 상기 고압의 정화된 공기 스트림에 대해 -10℃ 이상의 온도까지 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 방법은 임의의 숫자나 순서로 결합될 수 있는 다음 사항들의 임의의 하나 또는 그 이상과 관련하여 정의될 수 있다.
상기 압축된 유입 공기 스트림을 냉각하는 단계는 상기 압축된 유입 공기 스트림으로부터 열을 동력 생산 사이클로부터의 동작 유체 스트림으로 전달하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 압축된 유입 공기 스트림으로부터 열을 상기 동력 생산 사이클로부터의 상기 동작 유체 스트림으로 전달하여 상기 압축된 유입 공기 스트림을 제1의 감소된 온도까지 냉각할 수 있고, 상기 압축된 유입 공기 스트림을 냉각수 스트림에 대해 제2의 더 감소된 온도까지 냉각할 수 있다.
상기 정화시키는 단계는 상기 압축된 유입 공기 스트림을 이중 베드 흡수(dual bed adsorption) 시스템으로 통과시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 정화된 유입 공기 스트림의 제1 부분은 상기 정화된 유입 공기 스트림의 약 25mol% 내지 약 75mol%를 포함할 수 있다.
상기 중간 압력의 정화된 공기 스트림은 상기 정화된 유입 공기 스트림의 제1 부분의 약 30mol% 내지 약 50mol%를 포함할 수 있고, 상기 고압의 정화된 공기 스트림은 상기 정화된 유입 공기 스트림의 제1 부분의 약 70mol% 내지 약 50mol%를 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 정화된 유입 공기 스트림의 제2 부분을 상기 증류 칼럼으로 통과시키기 전에 상기 정화된 유입 공기 스트림의 제2 부분을 상기 질소를 포함하는 폐기 스트림에 대해 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 동력 생산 터빈 내에서 팽창되는 상기 고압의 정화된 공기 스트림의 제1 부분은 약 -20℃ 내지 약 -40℃의 온도 범위에서 상기 열교환기로부터 회수될 수 있다.
상기 제2 동력 생산 터빈 내에서 팽창되는 상기 고압의 정화된 공기 스트림의 제2 부분은 약 -160℃ 내지 약 -170℃의 온도 범위에서 상기 열교환기로부터 회수될 수 있다.
상기 제3 동력 생산 터빈 내에서 팽창되는 상기 중간 압력의 정화된 공기 스트림은 약 -80℃ 내지 약 -120℃의 온도 범위에서 상기 열교환기로부터 회수될 수 있다.
상기 증류 칼럼은 이중 칼럼(double column) 증류 시스템을 포함할 수 있다.
상기 실질적으로 순수한 액체 산소의 출구 스트림은 약 200bar 내지 약 500bar의 압력까지 압축될 수 있다.
다른 측면에 있어서, 발전 시스템은 발전 시스템 내에 사용되도록 구성되는 고압의 기체 산소 스트림을 제공하는 통합 공기 분리 프로세스를 포함할 수 있다. 보다 상세하게는, 발전 프로세스는 다음의 단계들을 포함할 수 있다. 연료, O2 및 순환하는 CO2 동작 유체를 연소기 내로 도입하는 단계를 포함할 수 있고; 상기 동작 유체를 포함하는 연소 생성물 스트림을 생성하도록 상기 연료를 연소시키는 단계를 포함할 수 있으며; 동력을 발생시키도록 상기 연소 생성물 스트림을 터빈에 걸쳐 팽창시키는 단계를 포함할 수 있고; 냉각된 터빈 배출 스트림을 제공하도록 상기 터빈 배출 스트림을 일차 열 교환 유닛으로 통과시켜 상기 터빈 배출 스트림으로부터 열을 회수하는 단계를 포함할 수 있으며; 상기 동작 유체의 적어도 주요 부분인 정화되고 냉각된 터빈 배출 스트림을 제공하도록 상기 동작 유체 이외에도 상기 냉각된 터빈 배출 스트림 내에 존재하는 하나 또는 그 이상의 이차 성분들을 상기 냉각된 터빈 배출 스트림으로부터 제거하는 단계를 포함할 수 있고; 상기 동작 유체를 압축기 시스템 내에서 압축하는 단계를 포함할 수 있으며; 상기 연료 내에 존재하는 탄소를 함유하는 압축된 CO2 스트림을 회수하는 단계를 포함할 수 있고; 회수되는 열이 상기 동작 유체의 온도를 증가시키는 데 이용되도록 상기 동작 유체를 상기 일차 열 교환 유닛으로 통과시키는 단계를 포함할 수 있으며; 상기 동작 유체에 외부에서 발생된 추가적인 양의 열을 제공(바람직하게는 대략 400℃와 같은 적절한 온도 레벨에서)하는 단계를 포함할 수 있고; 상기 동작 유체를 상기 연소기 내로 재순환시키는 단계를 포함할 수 있다.
특히, 상기 통합 공기 분리 프로세스는 다음의 단계들을 포함할 수 있다. 2.5 내지 12의 압력비를 가지는 냉각되지 않은 섹션들로 동작되는 제1 및 제2 공기 압축기들 내에서 공기를 가압하는 단계를 포함할 수 있고; 상기 가압된 공기의 단열 압축열의 적어도 일부를 상기 냉각되지 않은 섹션들로부터 순환하는 CO2 동작 유체 스트림으로 전달하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 전달된 열은 동력 생산 프로세스에서 상기 동작 유체로 공급되는 추가적인 양의 열의 적어도 일부를 포함하며; 상기 정화되고 가압된 공기를 생성물 O2 및 N2 스트림들에 대해 극저온으로 냉각하는 단계를 포함할 수 있고; 액체 O2 스트림 및 질소 스트림들을 형성하도록 하나 또는 그 이상의 증류 칼럼들 내에서 상기 공기를 분리하는 단계를 포함할 수 있으며; 상기 연소기 내로 도입되는 상기 O2의 적어도 일부를 제공하도록 상기 액체 O2 스트림을 펌핑하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 동력을 생산하기 위한 방법은 다음의 단계들을 포함할 수 있다. 150bar 이상의 압력의 CO2를 포함하는 연소 생성물 스트림을 형성하도록 재순환 CO2 동작 유체 스트림의 존재에서 연료를 실질적으로 순수한 고압의 산소 가스의 스트림으로 연소시키는 단계를 포함할 수 있고; 터빈 배출 스트림을 형성하고, 동력을 발생시키도록 상기 CO2를 포함하는 연소 생성물 스트림을 터빈에 걸쳐 팽창시키는 단계를 포함할 수 있으며; 레큐퍼레이터(recuperator) 열교환기 내에서 상기 터빈 배출 스트림으로부터 열을 제거하는 단계를 포함할 수 있고; 상기 재순환 CO2 동작 유체 스트림을 형성하도록 상기 터빈 배출 스트림으로부터 CO2를 분리하는 단계를 포함할 수 있으며; 상기 재순환 CO2 동작 유체 스트림을 압축하는 단계를 포함할 수 있고; 상기 레큐퍼레이터 열교환기 내에서 상기 터빈 배출 스트림으로부터 제거된 열을 이용하여 상기 재순환 CO2 동작 유체 스트림의 적어도 일부를 가열하고, 추가되는 열을 이용하여 상기 재순환 CO2 동작 유체 스트림의 적어도 일부도 가열하는 단계를 포함할 수 있으며; 상기 재순환 CO2 동작 유체 스트림을 상기 레큐퍼레이터 열교환기로부터 상기 연소기로 통과시키는 단계를 포함할 수 있고; 상기 실질적으로 순수한 고압의 산소 가스의 스트림은, 적어도 3.5bar의 압력 및 150℃ 이상의 온도를 갖는 압축된 유입 공기 스트림을 형성하도록 유입 공기 스트림이 제1 압축기 내에서 압축되고; 상기 압축된 유입 공기 스트림으로부터의 열이 상기 압축된 유입 공기 스트림이 냉각되도록 상기 재순환 CO2 동작 유체 스트림의 적어도 일부를 가열하기 위해 상기 추가되는 열로서 이용되며; 정화된 유입 공기 스트림을 형성하도록 상기 압축된 유입 공기 스트림이 정화되고; 상기 정화된 유입 공기 스트림이 제1 부분 및 제2 부분으로 나누어지며; 약 20bar 내지 약 90bar의 압력을 가지는 중간 압력의 정화된 공기 스트림 및 약 70bar 내지 약 150bar의 압력을 가지는 고압의 정화된 공기 스트림을 형성하도록 상기 정화된 유입 공기 스트림의 제1 부분이 압축되고, 상기 고압의 정화된 공기 스트림은 상기 중간 압력의 정화된 공기 스트림의 압력보다 큰 압력을 가지며; 상기 중간 압력의 정화된 공기 스트림 및 상기 고압의 정화된 공기 스트림이 열교환기 내에서 냉각되고; 제1의 팽창되고 정화된 공기 스트림을 형성하도록 상기 고압의 정화된 공기 스트림의 제1 부분이 제1 동력 생산 터빈 내에서 팽창되며; 제2의 팽창되고 정화된 공기 스트림을 형성하도록 상기 고압의 정화된 공기 스트림의 제2 부분이 제2 동력 생산 터빈 내에서 팽창되고; 제3의 팽창되고 정화된 공기 스트림을 형성하도록 상기 중간 압력의 정화된 공기 스트림이 제3 동력 생산 터빈 내에서 팽창되며; 실질적으로 순수한 액체 산소의 출구 스트림 및 질소를 포함하는 폐기 스트림을 형성하도록 상기 제1의 팽창되고 정화된 공기 스트림, 상기 제2의 팽창되고 정화된 공기 스트림, 상기 제3의 팽창되고 정화된 공기 스트림 및 상기 정화된 유입 공기 스트림의 제2 부분이 증류 칼럼으로 통과되고; 상기 실질적으로 순수한 액체 산소의 출구 스트림이 150bar 이상의 압력까지 압축되며; 상기 실질적으로 순수한 고압의 산소 가스를 형성하도록 상기 실질적으로 순수한 액체 산소의 출구 스트림이 상기 열교환기 내에서 상기 중간 압력의 정화된 공기 스트림 및 상기 고압의 정화된 공기 스트림에 대해 -10℃ 이상의 온도까지 가열되는 방법에 의해 형성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 발전 시스템과 통합될 수 있는 고압의 산소를 생성하도록 구성되는 극저온 공기 분리 유닛의 개략적인 흐름도이며,
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 생산된 산소 내의 연료의 연소를 위해 구성되는 동력 생산 사이클의 개략적인 흐름도이다.
이하에서 본 발명의 모든 구현예들은 아니지만 일부가 도시되는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 실질적으로, 본 발명의 다양한 구현예들은 많은 다른 형태들로 나타날 수 있으며, 여기에 설시되는 구현예들에 한정되는 것으로 간주되지는 않아야 할 것이다. 오히려, 이들 예시적인 구현예들은 본 발명이 철저하고 완전해지며, 해당 기술 분야의 숙련자에게 본 발명의 범주를 완전히 전달하기 위해 제공되는 것이다. 예를 들면, 본문에서 다르게 기재되지 않는 한, 제1, 제2 또는 이와 유사한 표현들로 설명되는 요소들이 특정한 순서를 의미하는 것으로 간주되지는 않아야 할 것이다. 또한, 어떤 요소의 상부에 위치하는 것으로 설명되는(다르게 기재되지 않는 한) 요소들은 아래에 대신 위치할 수 있거나 그 반대가 될 수도 있다. 유사하게, 어떤 요소의 왼쪽에 위치하는 것으로 설명되는 요소들은 오른쪽에 대신 위치할 수 있거나 그 반대가 될 수도 있다. 본 명세서와 특허청구범위에 사용되는 바에 있어서, "일", "한", "하나" 등의 단수 표현은 본문에 명백하게 다르게 기재되지 않는 한 복수의 대상들을 포함한다. 전체적으로 동일한 참조 부호들은 동일한 요소들을 나타낸다.
본 발명의 측면들은 높은 압력에서 산소를 생성하기 위한 공기 분리(air separation) 프로세스에 관한 것이다. 다른 측면에 따르면, 시스템과 방법은 발전 프로세스를 위해 고압의 기체 산소 스트림(oxygen stream)을 제공할 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 발전 시스템은 통상적으로 메가와트(MW)의 설치된 순(net) 전기 출력 당 대략 하루에 11메트릭 톤(metric ton)(MT/D) 내지 12메트릭 톤(MT/D)의 산소 유량을 요구할 수 있다. 예를 들면, 동작 유체(working fluid)로 CO2를 사용하는 300MW의 천연 가스 발전 시스템은 통상적인 동작 조건들 하에서 대략 3500MT/D의 산소 유량을 요구할 것으로 예상될 수 있다. 일부 측면들에 있어서, CO2 동력 터빈과 통합되는 연소기는 산소 매체로서 25mol%의 순수한 O2 및 75%의 CO2의 혼합물을 사용한다. 이러한 순수한 O2의 희석은 상당히 적절한 연소 온도가 얻어지고, 상기 희석이 연소 및 낮은 과잉 산소 요구 사항들이 수반되는 낮은 일산화탄소 레벨들과 부합되는 점을 보장한다. 필요한 혼합된 가스(즉, CO2 및 O2의 가스 혼합물)는 대략 200bar 내지 대략 500bar의 범위 내의 터빈 유입 압력에서 생성되어야 한다. 또한, 일부 측면들에 따르면, 상기 혼합된 가스는 CO2 재순환 이코노마이저(economizer) 열교환기 내에서 대략 600℃부터 800℃까지의 범위의 온도까지 높은 압력에서 예열될 수 있다. O2가 종래의 온도 레벨들에서 100bar까지의 압력으로 생성될 경우, 상기 저압의 O2는 동일한 낮은 압력에서 CO2와 혼합되어야 하며, 이후에 통상적으로 CO2+O2 가스 압축기를 포함할 수 있는 별도의 CO2 압축 트레인(compression train) 및 고압 펌프가 수반되는 단일 상의 농축된 CO2+O2 혼합물을 생성하는 수냉식 열교환기 내에서 후속하여 요구되는 연소 압력까지 압축된다. 또한, 상기 CO2+O2 가스 압축기는 대략 150bar 이상의 배출 압력을 요구한다. 정확한 배출 압력은 상기 CO2+O2 가스 혼합물이 임계 압력 이상에 있는 온도까지 상기 혼합된 스트림을 냉각하는 데 사용되는 냉각수의 온도에 의존할 수 있다. 상기 CO2+O2 가스 혼합물의 임계 압력은 순수한 CO2 가스에 비하여 상승된다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 측면들은 발전 프로세스를 이용한 전력 생산을 위해 충분히 큰 요구되는 유량들로 대략 200bar부터 500bar까지의 범위의 압력을 갖는 고압의 O2를 생성함에 의해 상당한 이점들을 제공할 수 있다. 본 발명에서 개시되는 시스템들과 방법들은 특히 적어도 150bar, 적어도 180bar, 또는 적어도 200bar(예를 들어, 일부 실시예들에서 약 600bar의 최대로)의 압력에서 동력 생산 시스템과 방법에서의 사용을 위해 요구되는 유량들로 산소를 제공하기 위해 구성된다. 보다 상세하게는, 산소는 약 150bar 내지 약 600bar, 약 180bar 내지 약 550bar, 또는 약 200bar 내지 약 500bar의 압력에서 생성될 수 있다.
여기에 설명되는 바와 같은 산소 제조 시스템 및 방법을 이용하는 동력 생산 사이클의 일 측면에 따르면, 상기 CO2+O2 압축기 트레인 플러스 상기 펌프가 제거될 수 있다. 다른 예시적인 측면에 있어서, 공기 분리 유닛은 상기 공기 압축기로부터의 바람직한 열의 통합이 가능하게 하기 위해 상기 터빈 및 이코노마이저 열교환기에 근접하여 설치될 수 있다. 또한, 상기 공기 분리 유닛을 상기 터빈 및 이코노마이저 열교환기에 근접하게 배치하는 것은 유리하게는 보다 짧은 길이 및/또는 보다 작은 직경을 가지는 고압의 산소 전달 라인들을 제공할 수 있다.
여기에 설명되는 바와 같은 압력에서 O2를 생성하기 위하여, 일 측면에 따르면, 상기 시스템은, 예를 들면, 린데®(Linde®) 이중 칼럼 시스템과 같은 이중 칼럼 시스템(double column system)을 포함하는 종래의 극저온 공기 증류 시스템을 이용한다. 상기 이중 칼럼 시스템은 기체 질소 스트림 및 산소 농축(oxygen enriched) 액체 스트림 내로 부분적으로 액체인 공기 공급을 분리시키기 위해 대략 5.4bar의 압력에서 동작하는 하부(즉, 고압 칼럼)를 포함할 수 있다. 상기 고압의 하부 칼럼은 약 3bar 내지 약 50bar, 약 3.5bar 내지 약 10bar, 또는 약 4bar 내지 약 8bar와 같이 적어도 2.5bar, 적어도 3bar, 또는 적어도 5bar의 압력에서 동작할 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 상기 질소 스트림은 상기 고압 칼럼의 상단을 떠날 수 있고, 일부 측면들에서 대략 1.3bar의 압력에서 동작할 수 있는 상기 이중 칼럼 시스템의 상부(즉, 저압 칼럼)의 배수조(sump) 내의 액체 레벨 이상에 위치하는 열교환기 내에서 응축될 수 있다. 상기 저압의 상부 칼럼은 1bar 내지 약 2.4bar, 약 1bar 내지 약 2.2bar, 또는 약 1bar 내지 약 2bar와 같은 2.5bar 이하 또는 2bar 이하의 압력에서 동작할 수 있다.
상기 저압 칼럼의 하부 증류 섹션을 나가는 전체 액체 O2 스트림은 하방으로 이동하고, 리보일러 응축기(reboiler condenser)를 통과하며, 여기서 상기 액체 O2 스트림의 일부가 증발되고, 상기 액체 O2 스트림의 나머지 부분이 상기 저압 칼럼의 배수조 내에 수집된다. 상기 고압 칼럼의 상부 증류 섹션을 나가는 질소 가스의 응축에 의해 상기 리보일러 응축기 내에 형성되는 액체 N2는 상기 이중 칼럼 시스템의 상기 저압 칼럼 및 상기 고압 칼럼 모두 내에서 환류(reflux)로 사용된다. 상기 고압 칼럼의 베이스를 나가는 산소 농축 액체 스트림은 상기 저압 칼럼의 중심점에 근접하여 제공된다. 상기 환류 질소 스트림 및 농축 액체 산소 스트림 모두는 증기 생성을 최소화하도록 밸브들 내에서 압력이 감소되기 전에 이들 각각의 포화 온도들 아래에서 서브-냉각되도록 하기 위해 보다 낮은 압력의 칼럼의 상단으로부터 나가는 폐기 질소를 이용하는 서브-냉각기(sub-cooler)를 통과한다. 일 측면에 따르면, 상기 저압 칼럼의 하부 섹션은 발전 프로세스에서 이용될 때에 최적의 효율을 위해 바람직한 순도까지 상기 산소를 농축시킨다. 예를 들면, 본 발명에 따라 제조된 산소 스트림의 순도는 상기 동력 시스템에 대한 전체 연료 공급 내의 탄소에 대한 산소의 비율에 의해 고정되는 순환하는 재순환 CO2 스트림 및 순(net) CO2 생성물 스트림 내의 불활성 아르곤의 농도를 감소시키도록 98% 이상의 O2, 99% 이상의 O2, 또는 99.5% 이상의 O2(mol%)가 될 수 있다. 98%(몰)의 최소의 산소 순도의 제한은 특히 상기 동작 유체로 CO2를 사용하는 밀폐 사이클 내의 불활성의 아르곤 또는 질소의 양을 제한할 필요에 의해 특징지어지는 동력 시스템과 상기 산소 플랜트의 통합에서 목표가 된다. 다른 순산소 연소(oxyfuel) 사이클들은 이러한 제한을 가지지 않을 수 있으며, 이에 따라 여기서 고려되는 최대 98%몰 아래의 산소 순도를 이용할 수 있다. 이 경우, 보다 낮은 산소 순도들로 주요 공기 압축기를 위한 최소의 배출 압력이 3.5bar 정도로 낮을 수 있는 점이 이해되어야 할 것이다. 일 측면에 따르면, 펌프 액체 산소 시스템을 위한 바람직한 특성은 상기 저압 칼럼의 배수조로부터 액체 산소로서 전체 생성물 산소 스트림을 회수하고, 다중-스테이지 원심 또는 왕복 산소 펌프를 이용하여 요구되는 압력에서 상기 액체 산소 스트림을 전달하는 능력이다. 별도의 아르곤 및/또는 순수한 가스 추출, 다중의 리보일러들 및/또는 다중의 연결된 칼럼 장치들의 제공을 포함할 수 있는 보다 복잡한 증류 장치들도 가능하다.
본 발명의 측면들에 의해 처리되는 일부 이점들은 여기에 달리 설명되는 바와 같이 실질적으로 높은 압력을 가질 수 있는 상기 액체 산소 스트림을 주위 온도까지 효율적으로 가열하는 과정, 상기 플랜트 주위의 전체적인 열평형을 구현하기 위해 요구되는 다량의 매우 낮은 온도의 냉동을 제공하는 과정을 포함할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 측면은 유리하게는 상기 산소 스트림을 생성하도록 약 2bar 또는 그 이상, 약 3.5bar 또는 그 이상, 혹은 약 5bar 또는 그 이상(예를 들어, 일부 실시예들에서 약 50bar의 최대까지)의 압력까지 전체 공기 흐름을 압축하는 제1 공기 압축기의 활용을 포함한다. 특정 실시예들에 있어서, 상기 압축기는 상기 전체 공기 흐름을 약 2bar 내지 약 20bar, 약 3.5bar 내지 약 15bar, 약 4bar 내지 약 10bar, 또는 약 5bar 내지 약 6bar의 초기 압력까지 압축할 수 있다. 이러한 압력 범위까지 압축된 유입 공기 스트림은 여기서 저압의 스트림(즉, 상기 스트림이 가압되지만, 여기에 설명되는 바와 같은 다른 스트림들에 대해 낮은 압력에 있는 점을 나타내는)으로 정의될 수 있다. 이러한 공기 압축기는 유리하게는 스테이지들 사이의 중간 냉각이 없는 단열 공기 압축기로 구성된다. 이의 유출 온도는 바람직하게는 150℃ 이상이 될 것이며, 보다 바람직하게는 200℃(예를 들어, 일부 실시예들에서 약 600℃의 최대로) 이상이 될 것이다. 예를 들면, 상기 유출 온도는 약 160℃ 내지 약 500℃, 약 190℃ 내지 약 400℃, 또는 약 210℃ 내지 약 350℃가 될 수 있다.
상기 뜨거운 배출 공기 스트림은 직접적으로 또는 간접적으로 냉각되며, 압축열은 상기 동력 시스템의 효율을 증가시키는 외부에서 발생되는 열의 적어도 일부를 제공하는 상기 밀폐 사이클 CO2 동력 시스템으로 전달될 수 있다. 압축된 유입 공기의 저압의 스트림은 충분한 양의 열을 상기 동력 생산 사이클로 전달할 수 있으므로, 상기 압축된 유입 공기의 저압의 스트림은 약 30℃ 내지 약 100℃, 약 35℃ 내지 약 90℃, 또는 약 40℃ 내지 약 80℃와 같이 100℃ 이하, 80℃ 이하, 또는 70℃ 이하의 온도까지 감소된다. 상기 압축되고 냉각된 공기 스트림은 이후에, 예를 들면, 냉각수와 같은 주위 냉각 수단들에 대해 및/또는 그 온도가 상기 공기 분리 플랜트로부터 방출되는 바람직하게는 물이 없는 폐기 질소의 스트림과 집적 접촉함에 의해 감소된 냉각된 물의 스트림에 대해 주위 온도 아래로 냉각된다. 이에 따라 저압의 유입 공기의 생성된 스트림은 약 -10℃ 내지 약 20℃, 약 -5℃ 내지 약 15℃, 또는 약 0℃ 내지 약 10℃와 같이 25℃ 이하, 20℃ 이하, 15℃ 이하, 또는 10℃ 이하의 온도에 있을 수 있다.
상기 냉각되고 압축된 전체 공기 흐름은 이후에 공기 정화 시스템으로 통과된다. 일부 실시예들에 있어서, 적합한 정화 시스템은 상기 공기 분리 플랜트 내에서 액화 온도까지 냉각되기 전에 상기 공기 스트림으로부터 물, CO2 및 탄화수소를 제거하는 고체의 펠릿(pellet)화된 흡착제로 채워진 전환 용기(switching vessel)들을 포함한다. 다른 정화 시스템들도 마찬가지로 본 발명에 따른 사용에 포함된다. 상기 정화 시스템은 바람직하게는 상기 유입 공기 스트림 내에 존재하는 임의의 CO2 및/또는 임의의 물 및/또는 임의의 탄화수소의 적어도 일부를 제거하도록 적용된다. 예를 들면, CO2, 물 또는 탄화수소의 임의의 하나 또는 그 이상이 초기 유입 공기 스트림 내에 존재하는 양에 대하여 적어도 75mol%, 적어도 90mol%, 적어도 95mol%, 또는 적어도 99mol%로 감소될 수 있다. 상기 정화된 공기 스트림은 이에 따라 CO2, 물 또는 탄화수소(또는 주위 공기 내에 존재하는 것으로 타당하게 예상될 수 있는 NOx, CO 또는 임의의 다른 불순물과 같이 바람직하게 제거될 수 있다)의 임의의 하나 또는 그 이상이 실질적으로 없을 수 있다. 실질적으로 없는 이라는 표현은 상기 정화된 공기 스트림 내에 존재하는 1mol% 이하, 0.5mol% 이하, 또는 0.1mol% 이하의의 앞서의 물질을 가지는 것을 의미할 수 있다.
상기 정화된 공기 스트림은 둘 또는 그 이상의 부분들로 나누어질 수 있다. 상기 정화된 공기 스트림의 나누어진 부분들은 더 압축될 수 있거나, 최초로 압축된 유입 공기 스트림과 실질적으로 동일한 압력으로 남을 수 있다. 상기 정화된 공기 스트림은 실질적으로 균등하게 나누어질 수 있거나, 하나의 부분이 보다 큰 비율의 정화된 공기 스트림을 함유할 수 있다.
상기 정화된 공기 스트림의 적어도 일부는 적어도 공기 압축기 내에서 압축된다. 예를 들면, 하나 또는 그 이상의 압축기들은 상기 정화 시스템을 떠나는 전체 공기 흐름의 약 10mol% 내지 약 90mol%, 약 25mol% 내지 약 75mol%, 또는 약 35mol% 내지 약 50mol%를 포함하는 상기 정화된 공기 스트림의 제1 부분을 압축하도록 구성될 수 있다. 예시적인 실시예에 있어서, 제1 공기 압축기는 상기 정화된 공기 스트림의 제1 부분을 약 20bar 내지 약 90bar, 약 35bar 내지 약 85bar, 또는 약 50bar 내지 약 80bar의 압력까지 압축할 수 있다. 이러한 압력 범위에 있는 상기 공기 스트림은 중간 압력의 공기 스트림으로 정의될 수 있다. 상기 정화된 공기의 제1 부분의 대략 30mol% 내지 약 50mol%로 설명되는 상기 중간 압력의 압축된 공기의 양은 논의된 바와 같이 열교환기로 통과될 수 있다. 상기 정화된 공기의 제1 부분의 대략 70mol% 내지 약 50mol%로 설명되는 상기 중간 압력의 압축된 공기의 양은 약 70bar 내지 약 150bar, 약 75bar 내지 약 140bar, 또는 약 80bar 내지 약 125bar의 압력까지의 압축을 위해 제2 공기 압축기로 통과될 수 있다. 상기 정화된 공기의 제1 부분의 이러한 더 압축된 양은 고압의 공기 스트림으로 정의될 수 있다.
"저압의 공기 스트림", "중간 압력의 공기 스트림" 및 "고압의 공기 스트림"의 상대적 용어들이 여기에 사용되지만, 상기 상대적 용어들이 여기에 언급되는 압력 범위들에 의해 한정되는 점이 이해될 것이다.
상기 정화되고 가압되며 냉각된 공기 스트림들의 제1 부분으로부터 형성되는 상기 중간 압력의 정화된 공기 스트림 및 상기 고압의 정화된 공기 스트림(상기 고압 공기 압축기들을 통한 통과 동안에 가열된)은 고압 열교환기로 통과되며, 여기서 상기 중간 압력의 정화된 공기 스트림 및 상기 고압의 정화된 공기 스트림은 상기 가열 및 냉각 스트림들 사이의 최소의 온도 차이를 갖는 효율적인 방식으로 상기 가압된 산소 스트림을 주위 온도까지 가열하도록 상기 다단 원심 또는 왕복 산소 펌프를 나가는 고압의 액체 산소 스트림에 열을 전달한다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 정화된 공기 스트림의 모두가 상기 중간 압력의 정화된 공기 스트림 및 상기 고압의 정화된 공기 스트림을 형성하도록 가압될 수 있다. 다른 측면에 따르면, 상기 정화되고 가압되며 냉각된 공기 스트림의 제2 부분이 저압의 열교환기 내에서 냉각될 수 있다. 상기 정화되고 가압되며 냉각된 공기 스트림의 제2 부분은 여전히 상기 저압의 공기 스트림이 될 수 있고(즉, 여전히 상기 유입 공기 스트림이 처음에 압축된 압력 범위 내에 있을 수 있고), 상기 제2 부분은 상기 정화 시스템을 떠나는 상기 전체 공기 흐름의 약 10mol% 내지 약 90mol%, 약 25mol% 내지 약 75mol%, 또는 약 50mol% 내지 약 65mol%을 포함할 수 있다. 상기 저압 증류 칼럼의 상단으로부터의 상기 폐기 질소의 일부를 주위 온도 부근까지 가열하면서, 상기 제2 부분은 상기 저압 열교환기 내에서 대략 상기 정화된 공기 스트림의 액화 온도까지 냉각될 수 있다. 상기 냉각된 공기 스트림은 이후에 상기 공기 공급의 일부로서 상기 고압 증류 칼럼의 베이스로 들어간다. 상기 폐기 질소 스트림의 나머지 부분은 상기 고압 공기/산소 열교환기 내에서 가열될 수 있다. 상기 폐기 질소 스트림에 대한 이들 두 열교환기들 사이의 부분 분할은 상기 냉각 및 가열 스트림들 사이의 가장 낮은 경제적인 온도 차이들과 함께 상기 저압 열교환기 및 상기 고압 열교환기 내의 최소의 유출 공기 온도를 구현하기 위한 필요에 의해 고정된다.
일부 측면들에 있어서, 팽창 터빈들은 고도로 정화된 고압의 기체 산소 생성물 스트림을 생성하기 위해 원하는 다량의 매우 낮은 온도 레벨 냉동을 제공할 수 있다. 제1 팽창 터빈은 상기 고압 공기 압축기(들)로부터의 상기 제1의 정화되고 냉각되며 가압된 공기 스트림의 일부를 팽창시키도록 구성될 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 고압의 정화된 공기 스트림의 제1 부분은 상기 제1 터빈 유입 스트림을 형성할 수 있고, 예를 들면, 약 -20℃ 내지 약 -40℃의 온도에서 상기 고압 열교환기로부터의 사이드-인출(side-draw)로서 상기 고압의 정화된 공기 스트림으로부터 취해질 수 있다. 일 측면에 있어서, 상기 제1 터빈은 상기 이중 칼럼 증류 시스템의 저압 칼럼의 압력과 실질적으로 유사한 유출 압력을 갖는 단일 스테이지 또는 다중 스테이지 원심 팽창 터빈이 될 수 있다. 또한, 상기 고압의 정화된 공기 스트림으로부터의 상기 제1 부분의 팽창된 부분은 원료 액체 산소 공급 포인트에 근접하는 상기 이중 칼럼 증류 시스템의 저압 칼럼 내로 도입될 수 있다. 일부 측면들에 따르면, 상기 제1 터빈 유량은 상기 고압의 정화된 공기 스트림의 약 10% 내지 약 50%, 약 15% 내지 약 40%, 또는 약 20% 내지 약 35%가 될 수 있다. 이와 같이, 상기 고압의 정화된 공기 스트림의 나머지 부분(즉, 제2 부분)은 전체 고압의 정화된 공기 스트림의 약 50% 내지 약 90%, 약 60% 내지 약 85%, 또는 약 65% 내지 약 80%를 포함할 수 있다. 상기 고압의 정화된 공기 스트림의 나머지 부분(또는 제2 부분)은 상기 고압 열교환기 내에서 데워지는 고도로 정화된 고압의 산소 스트림 및 상기 폐기 질소 스트림의 적어도 일부에 대해 냉각될 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 상기 고압의 정화된 공기 스트림의 제2 부분은 약 -160℃ 내지 약 -170℃의 온도에서 상기 고압 열교환기를 나갈 수 있다. 일 측면에 있어서, 상기 제2 부분은 상기 제2 부분을 전체 폐기 질소 스트림이 가로지르는 열교환기로 통과시킴에 의해 약 5℃ 내지 약 10℃의 추가적인 양으로 서브-냉각될 수 있다. 상기 추가적인 냉각은 특히 고밀도이고 초임계인 저온의 공기 스트림을 팽창시키도록 설계되는 제2 터빈 내에서의 상기 고압의 가압된 공기 스트림의 제2 부분의 팽창 동안에 액체 공기의 비율을 최대화하는 데 기여한다. 상기 제2 터빈은 샤프트 동력으로서 상기 고압의 정화된 공기 스트림의 제2 부분으로부터의 내부 에너지를 제거하여 팽창에 따라 형성되는 상기 액체 공기의 비율을 최대화한다. 상기 터빈 배출 스트림은 상기 고압 증류 칼럼의 베이스로 들어가며, 여기서 상기 고압 칼럼에 대한 전체 공기 공급의 일부로 된다. 상기 고압의 정화된 공기 스트림의 제2 부분이 팽창될 때에 형성되는 액체 공기의 비율을 최대화하는 것은 상기 고압의 정화된 공기 스트림의 전체 유량을 최소화하며, 상기 고압 공기 압축기(들)에 의해 소모되는 동력의 양을 최소화한다. 상기 터빈 내에서의 상기 고압의 정화된 공기 스트림의 제2 부분의 팽창 후에 나타나는 증기 부분은 터빈 유출 유량의 2% 이하가 될 수 있다.
약 50bar 내지 약 80bar의 압력에 있는 상기 공기 압축기(들)로부터의 상기 중간 압력의 정화된 공기 스트림은 상기 고압의 열교환기 내에서 데워지는 고도로 정화된 고압의 산소 스트림 및 상기 폐기 질소 스트림의 적어도 일부에 대해 약 -80℃ 내지 약 -120℃의 온도까지 냉각된다. 이는 이후에 제3 팽창 터빈으로 들어가며, 여기서 냉각되어 동력을 생성하고, 상기 유출 스트림은 상기 전체 공기 공급 스트림의 일부로서 상기 고압 칼럼의 베이스로 들어간다. 상기 중간 압력의 정화된 공기 스트림의 터빈 배출 스트림은 그 유입 압력 및 온도에 따라 15%까지의 액체 공기를 가질 수 있다.
상기 산소 플랜트의 상술한 버전은 연소를 위해 산소만을 요구하는 천연 가스 연료를 사용할 때에 밀폐 사이클 CO2 동작 유체를 포함하는 상기 동력 시스템과의 통합을 위해 적합하다. 석탄 또는 중유 정제 잔사물이나 바이오매스와 같은 중연료가 연료로 사용될 경우, 다르게 요구될 수 있는 경우보다 상당히 낮은 압력에서 동작하는 다양한 가스화 장치(gasifier) 형태들을 이용하여 이들을 효율적으로 기체 연료로 전환시키기 위해 부분 산화와 같은 추가적인 프로세스가 수행된다. 두 가지의 구분되는 압력들에서 상기 극저온 공기 분리 플랜트로부터 산소의 두 개의 별도의 스트림들을 생성하기 위해, 두 개의 별도의 액체 산소 펌프의 제공이 요구된다. 상기 제1의 주요 부분은 상기 발전 시스템의 연소기에서의 사용을 위한 200bar 내지 500bar의 압력 범위 내에서 산소의 생산을 위한 것이다. 상기 제2의 작은 부분은 상기 발전 시스템의 연소기 내에서의 궁극적인 사용을 위해 연료 가스 스트림을 생성하도록 설계되는 중연료 부분 산화 반응기 내에서 30bar 내지 150bar의 압력 범위 이내의 산소의 생산을 위한 것이다. 이 경우, 상기 두 개의 별도의 고압의 산소 스트림들은 상기 고압 열교환기 내에서 주위 온도까지 가열되며, 상기 시스템의 다른 특징들은 위에서와 같이 대체로 단일 산소 압력 시스템에 대해 앞서 정의한 파라미터들의 범위 내의 변경되고 최적화된 프로세스 조건들을 구비하는 것이다.
두 가지 고압의 공기 스트림들, 두 가지의 기체 공기 팽창 터빈들, 고압의 액체 공기 팽창 터빈 및 상기 두 개의 열교환기들 사이에서 나누어지는 폐기 질소 가열 스트림과 함께 하나는 높은 압력이고 하나는 낮은 압력인 두 개의 나란한 열교환기들의 배치는 압축기 동력을 최소화하는 최적의 열교환 시스템을 제공한다.
일 측면에 따르면, 상기 고압의 산소를 가열하고 상기 공기를 냉각하는 바람직한 고압 열교환기는 적어도 500bar의 압력을 견디도록 더 구성될 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 상기 고압 열교환기는 상기 고압 열교환기를 구성하는 물질들의 산화를 포함할 수 있는 재해적 고장 없이 산소 통로들 내의 외부 오염들의 가능한 점화를 견딜 수 있도록 충분히 큰 비질량을 가지도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 고압 열교환기는 점화 소스가 존재할 때에 순수한 산소 내의 연소에 대해 저항성인 금속으로 구성될 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 적합한 금속은 스테인리스 스틸 및/또는 높은 함량의 니켈 합금들을 포함할 수 있다. 다른 측면에 따르면, 상기 고압 열교환기는 압축 플레이트 핀 열교환기들의 통상적인 체적비에 비해 충분히 큰 면적의 영역을 가질 수 있다. 하나의 예시적인 고압 열교환기는 특히 안전하고 효율적인 방식으로 고압의 산소 스트림들을 극저온의 온도들로부터 주위 온도까지 가열하는 목적을 위해 제시된 여기에 전체적으로 참조로 포함된 미국 특허 제6,360,561호에 기재되어 있는 바와 같이 하트릭®사(HEATRIC® Ltd.)로부터 공급될 수 있다. 또한, 하나의 예시적인 고압 열교환기는 미국 특허 제6,360,561호에 기재된 안정성 특징들을 구비하는 스테인리스 스틸 하트릭® 확산 접합 압축(diffusion bonded compact) 열교환기가 될 수 있다. 비록 여기에 설명되는 일부 예시적인 고압 열교환기들이 하트릭 사로부터 공급되지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 다른 판매사로부터 공급되는 다른 압축 열교환기들이 여기에 설명되는 다양한 측면들에 활용될 수 있는 점을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 시스템 및 방법의 예시적인 실시예가 도 1에 도시된다. 비록 도 1에서는 특정한 동작 파라미터들과 관련하여 설명되지만, 상기 동작 파라미터들은 예시적이며, 다른 동작 파라미터들이 여기에 달리 설명되는 바와 같이 다른 동작 파라미터들이 포함될 수 있는 점이 이해될 것이다. 도 1에 예시한 바와 같이, 유입 공기 스트림(24)은 단열 축 압축기(30) 내에서 적어도 5.7bar의 압력까지 압축될 수 있다. 유입 공기 스트림(24)의 압력은 여기에 설명되는 다른 스트림들에 대비 충분히 낮을 수 있지만, 저압의 공기 스트림인 것으로 간주될 수 있다. 상기 가압된 유입 공기는 대략 및/또는 적어도 224℃의 온도에서 스트림(25)으로서 상기 단열 축 압축기(30)를 나가며, 고압 열교환기(29)를 통과한다. 상기 고압 열교환기(29)는 다양한 스트림들을 가열하는 데 이용될 수 있다. 이러한 예시한 실시예에 있어서, 상기 고압 열교환기(29)는 대략 320bar의 압력을 가지며, 여기서 달리 설명되는 바와 같이 CO2 동력 사이클 내의 CO2 고압 펌프 배출로부터 약 50℃의 온도에서 취해지는 유입 이산화탄소(CO2) 스트림(27)을 가열한다. 보다 상세하게는, 상기 고압 열교환기(29)는 유출 CO2 스트림(28)으로 상기 고압 열교환기를 떠나는 상기 유입 CO2 스트림(27)을 약 221℃까지 가열한다. 이는 상기 동력 사이클의 효율을 향상시키기 위해 상기 주요 공기 압축기(30) 내의 공기의 단열 압축열의 대략 80%를 상기 CO2 동력 사이클로 전달한다. 또한, 상기 열 회수는 상기 연소 사이클 내에서 90% 이상의 효율로 순(NET) 전력 생산으로 전환되며, 이는 또한 종래의 중간 냉각 공기 압축에 비해 단열 압축의 15%의 동력 증가를 보상한다. 상기 축 공기 압축기(30)는 종래의 중간 냉각 축 플러스 원심 공기 압축기의 설치 비용에 비해 상기 압축기의 설치 및/또는 배관 동안에 상당한 비용의 절감을 제공할 수 있다. 이러한 비용 절감은 대규모(즉, 1000MT/일 이상) 산소 플랜트들p 대한 경우이다.
상기 가압된 공기 스트림(26)은 대략 55℃의 온도로 상기 고압 열교환기(29)를 떠나며, 직접 수냉식 충전 타워(direct water cooled packed tower)(74)로 들어간다. 라인(26)으로부터의 공기 스트림은 상기 직접 수냉식 충전 타워(74) 내에서 대략 8℃까지 냉각되고, 냉각되고 가압된 공기 스트림 in 라인(36) 내의 냉각되고 가압된 공기 스트림으로 나간다. 특히, 상기 직접 수냉식 충전 타워(74)는 두 개의 충전 섹션들을 가진다. 상기 직접 수냉식 충전 타워(74)의 상부 섹션(74a)에는 대략 7℃인 냉각된 물 스트림(31)에 공급된다. 이러한 예시적인 실시예에 있어서, 냉각된 물 스트림(31)은 충전 타워(72) 내에서 유입 냉각수 스트림(41)을 폐기 질소(N2) 스트림(43)과 직접 접촉시켜 생성된다. 상기 폐기 질소 스트림(43)(바람직하게는 물 함량이 적거나 물이 없는)은 극저온 공기 분리 플랜트로부터 제공되며, 상기 폐기 질소 스트림이 상기 충전 타워(72) 내에서 상기 유입 냉각수 스트림(41)과 접촉할 때, 상기 질소 스트림이 가습되고 폐기 스트림(42)으로 대기로 배출된다.
상기 직접 수냉식 충전 타워(74)의 하부 섹션(74b)은 제2 냉각수 유입 스트림(73)을 더 수용한다. 상기 하부 섹션은 상기 제2 냉각수 유입 스트림(73)의 온도에 근접하기 위해 상기 공기 스트림(26)을 예비 냉각하도록 더 구성된다. 이러한 배치는 특히 상기 유출 공기 스트림(36)이 35℃의 주위 온도에서도 대체로 15℃ 아래에 유지될 수 있기 때문에 높은 주위 온도에서도 유용하다. 냉각수는 스트림(37) 내에서 상기 직접 수냉식 충전 타워(74)를 나가며, 원할 경우에 재순환될 수 있다.
상기 유출 공기 스트림(36)은 효율적인 물 데미스터(demister) 섹션을 거쳐 상기 직접 수냉식 충전 타워(74)를 나가고, 이중 흡수 베드(dual adsorption bed)들(50a, 50b)을 구비하는 흡수 시스템(50)으로 들어가며, 여기서 이산화탄소, 물 및 추적 탄화수소들이 제거된다. 상기 유출 공기 스트림(36)은 밸브들(36a, 36b, 36c, 36d)의 세트를 통해 상기 흡수 시스템(50)으로 들어간다. 상기 이중 흡수 베드들(50a, 50b)은 연속하여 동작되고, 스트림(44) 내의 질소의 압력이 대략 1.3bar까지 증가되도록 송풍기(75)를 통과하는 스트림(44) 내의 질소에 의해 재생된다. 상기 질소 스트림(44)은 상기 이중 베드 흡착 시스템(50) 내의 흡착제들의 재생을 위해 가열기(76)에 의해 대략 75℃까지 가열된다. 일 측면에 따른 가열기(76)는 상기 CO2 재순환 압축기 배출 흐름으로부터 적어도 일부의 폐열을 이용한다. 상기 이중 베드 흡착 시스템(50)은 상기 가열기(76)를 피해가는 우회 라인(48)의 이용으로 냉각된다.
상기 재생 질소 스트림(49)은 밸브들(49a, 49b, 49c, 49d)의 세트들을 통해 상기 이중 베드 흡착 시스템(50)으로 들어가며, 상기 유출 공기 스트림(36)에 대해 대향하여 동시에 발생된다. 추가적으로 또는 선택적으로, 사용된 질소는 폐기 라인(51)을 거쳐 대기로 방출된다. 상기 이중 베드 흡착 시스템(50)을 나가는 공기 스트림(52)은 두 개의 스트림들로 분할된다. 일 측면에 따르면, 제1 공기 스트림 부분(54)(상기 공기 스트림(52)의 대략 47mol%로 설명되는)은 대략 5.5bar의 압력으로 제1 에어 부스터(air booster) 중간 냉각 다중 스테이지 원심 공기 압축기(32)로 들어가며, 대략 68.9bar의 압력까지 압축된다. 상술한 바와 같이, 제1 공기 스트림 부분(54)은 정화 시스템(예를 들어, 상기 이중 베드 흡착 시스템(50))을 나가는 전체 공기 흐름의 약 10mol% 내지 약 90mol%, 약 25mol% 내지 약 75mol%, 또는 약 35mol% 내지 약 50mol%를 포함할 수 있다.
상기 제1 공기 스트림 부분(54)은 상기 제1 에어 부스터 중간 냉각 다중 스테이지 원심 공기 압축기(32)를 통과한 후에 수냉식 냉각기(water cooler)(32a) 내에서 냉각되며, 나누어진다. 출구 공기 스트림(60)은 상기 전체 공기 스트림(52)의 대략 15.8mol%를 포함한다. 출구 공기 스트림(60)은 상기 제1 공기 스트림 부분(54)으로부터의 공기의 약 30mol% 내지 약 50mol%를 포함할 수 있으며, 약 20bar 내지 약 90bar, 약 35bar 내지 약 85bar, 또는 약 50bar 내지 약 80bar의 압력에 있을 수 있다. 이와 같이, 출구 공기 스트림(60)은 여기에 다르게 설명되는 바와 같이 중간 압력의 공기 스트림으로 간주될 수 있다. 상기 제1 공기 스트림 부분(54 내에 존재하였던 상기 전체 공기 스트림(52)의 나머지 대략 31.2mol%는 제2 에어 부스터 원심 공기 압축기(33)(예를 들어, 단일 원심 압축기 휠) 내에서 대략 103.4bar의 압력까지 압축되며, 냉각된 공기 스트림(59)으로 상기 제2 에어 부스터 중간 냉각 원심 공기 압축기(33)를 나간다. 냉각된 공기 스트림(59)은 상기 제1 공기 스트림 부분(54)으로부터의 공기의 약 50mol% 내지 약 70mol%를 포함할 수 있고, 약 70bar 내지 약 150bar, 약 75bar 내지 약 140bar, 또는 약 80bar 내지 약 125bar의 압력에 있을 수 있다. 이와 같이, 냉각된 공기 스트림(59)은 여기에 다르게 설명되는 바와 같이 고압의 공기 스트림으로 간주될 수 있다. 일 측면에 따르면, 상기 주요 공기 압축기(30)와 함께 상기 제1 및 제2 에어 부스터 원심 공기 압축기들(32, 33)은 단일의 전기 모터(31)에 의해 구동될 수 있다.
상기 제1 및 제2 에어 부스터 중간 냉각 원심 공기 압축기들(33, 32)을 떠나고, 각기 상기 전체 공기 스트림(52)의 대략 47%를 포함하는 상기 가압된 공기 스트림들(59, 60)은 고압 열교환기(16)로 들어간다. 상기 전체 공기 스트림(52)의 나머지 53%를 포함하고 대략 5.5bar의 압력을 가지는 제2 공기 스트림 부분(53)은 저압 열교환기(17)로 들어간다. 상기 제2 공기 스트림 부분(53)은, 예를 들면, 상기 전체 공기 스트림(52)의 약 10mol% 내지 약 90mol%, 약 25mol% 내지 약 75mol%, 또는 약 40mol% 내지 약 60mol%를 포함할 수 있다. 일 측면에 따르면, 상기 고압 열교환기(16)는 미국 특허 제6,360,561호에 기재된 안정성 특징들을 구비하도록 설계된 스테인리스 스틸 또는 니켈 합금의 하트릭® 확산 접합 압축 열교환기 또는 이와 유사한 것이 될 수 있지만, 상기 저압 열교환기(17)는 알루미늄의 플레이트 핀 유닛 열교환기가 될 수 있다.
앞서 부분적으로 설명한 바와 같이, 상기 전체 공기 스트림(52)은 궁극적으로 상기 고압 칼럼(2)의 베이스로 들어가는 스트림들(68, 69)을 형성하도록 나누어지고, 냉각되며, 부분적으로 액화되며, 이는 일부 측면들에서, 순도 99.5%의 산소의 생산을 위해 통상적으로 사용되는 종래의 이중 증류 칼럼(double distillation column)이 될 수 있다. 상기 고압 칼럼(2)의 상단은 리보일러 응축기(3)를 통해 저압 칼럼(1)에 연결된다. 상기 고압 칼럼(2)은 이에 따라 하부 칼럼이 될 수 있고, 상기 저압 칼럼(1)은 상부 칼럼이 될 수 있다. 상기 상부의 저압 칼럼(1)은 1.25bar의 평균 압력에서 동작하며, 원료 산소 공급 스트림(10) 및 환류 질소 스트림(6)(이들 모두는 상기 하부의 고압 칼럼(2)으로부터 수용됨)을 순수한 산소 액체 생성물 스트림(11) 및 상기 저압 칼럼(1)의 상단을 나가는 폐기 질소 스트림(5)으로 분리한다.
상기 고압 칼럼(2)은 생성된 기체의 순수한 질소 스트림(77)을 제공하며, 이는 상기 고압 칼럼(2)의 상단을 떠나고, 상기 리보일러 응축기(3) 내에서 응축된다. 상기 유출 액체 질소 스트림(8)은 두 부분들로 나누어진다. 스트림(7)은 상기 고압 칼럼(2)에 대해 환류를 제공하지만, 스트림(70)은 궁극적으로 상기 저압 칼럼(1)에 대해 환류를 제공하도록 밸브(70a)를 통과한 후에 스트림(6)으로 된다. 상기 고압 칼럼(2)으로부터의 하부 생성물 스트림(9)은 스트림들(68, 69)을 통해 제공되는 상기 고압 칼럼(2)에 대한 공기 공급 내의 실질적으로 모든 산소를 함유하는 액체 스트림이다. 일부 측면들에 따르면, 서브-냉각기(4)는 그 포화 온도에서 상기 저압 칼럼(1)을 나가는 폐기 질소 스트림(5)을 대략 -174℃까지 가열하는 반면, 상기 원료 산소 유출 스트림(9) 및 상기 저압 칼럼 환류 액체 질소 스트림(70)을 서브 냉각한다. 일부 측면들에 있어서, 상기 원료 산소 유출 스트림(9) 및 상기 저압 칼럼 환류 스트림(70)은 상기 저압 칼럼(1) 내로의 통과 전에 각기 렛-다운 밸브(let-down valve)들(9a, 70a)에서 압력이 팽창된다.
일부 측면들에 있어서, 상기 리보일러 응축기(3)는 하방으로 흐르는 액체 산소 스트림(71)을 비등시키도록 응축 질소로부터 방출되는 열을 이용하도록 더 구성된다. 상기 리보일러 응축기(3)의 개방 단부 베이스를 나가는 산소의 유출 스트림은 상기 배수조 내의 레벨 제어로 상기 저압 칼럼(1)의 베이스를 나가는 액체 산소 생성물 및 상기 하방으로 흐르는 액체 스트림에 대향하여 상기 칼럼까지 흐르는 증기 스트림의 혼합물을 포함한다. 일 측면에 따르면, 상기 액체 산소 생성물 스트림(11)은 전기 모터(13)에 의해 구동될 수 있는 다중 스테이지 원심 펌프(12) 내에서 대략 325bar까지 압축될 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 상기 저압 칼럼(1)으로부터의 새로운 액체 산소 생성물 스트림(11)을 통한 액체 산소의 제거는 상기 이중 칼럼 시스템(즉, 상기 저압 칼럼(1) 및 상기 고압 칼럼(2)) 주위에 열평형의 유지를 요구한다. 상기 열평형은 상기 고압 칼럼(2)으로 들어가는 상기 전체 공기 공급(즉, 공기 스트림들(68, 69))의 약 23%가 액체 공기인 반면에 상기 전체 공기 공급의 77%가 대략 -173℃의 그 포화 온도 및 대략 5.38bar의 압력에 있는 공기일 때에 유지된다.
대략 -167.7℃의 온도 및 대략 320bar의 압력으로 상기 다중 스테이지 원심 펌프(12)를 나가는 상기 고압의 액체 산소 생성물 스트림(14)은 상기 고압 열교환기(16) 내에서 가열된다. 상기 가열된 고압의 산소 생성물 스트림(15)은 대략 18.3℃의 온도로 상기 고압 열교환기(16)를 나갈 수 있다. 예를 들면, 상기 산소 생성물 스트림(15)은 -10℃ 이상, 0℃ 이상, 또는 5℃ 이상(예를 들어, 50℃의 최대로)의 온도에 있을 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 온도는 약 -5℃ 내지 약 50℃, 약 0℃ 내지 약 40℃, 또는 약 5℃ 내지 약 30℃가 될 수 있다.
일부 측면들에 있어서, 상기 공기 분리 프로세스에 대한 냉동은 실질적으로 팽창 터빈들 내의 상기 가압된 공기 스트림들 내의 내부 에너지의 배제에 더하여 상기 가압된 공기 스트림들이 상기 증류 시스템의 경우에 비해 압력이 감소될 때에 생성되는 냉동에 의해 제공될 수 있다. 대략 103.4bar의 압력을 가지는 상기 고압의 공기 스트림(59)은 상기 고압 열교환기(16) 내에서 대략 -29℃까지 냉각된다. 상기 공기 스트림(59)의 제1 부분(63)(예를 들면, 상기 전체 공기 스트림(52)의 대략 8%로 설명되는)은 직렬로 배치되고 발전기(19)를 구동시키는 2-스테이지의 팽창 스테이지들을 포함할 수 있는 제1 팽창 터빈(18)으로 통과된다. 대략 -189℃의 온도 및 대략 1.25 bar의 압력을 가지는 상기 터빈 배출 스트림(64)은 상기 원료 산소 공급 스트림(10)이 상기 저압 칼럼으로 들어가는 위치에 대략 근접하여 상기 저압 칼럼(1)으로 들어간다. 상술한 바와 같이, 상기 제1 팽창 터빈(18)을 형성하는 상기 2-스테이지의 팽창 스테이지들을 통한 유량은 상기 공기 스트림(59)의 약 10% 내지 약 50%, 약 15% 내지 약 40%, 또는 약 20% 내지 약 35%가 될 수 있다.
상기 공기 스트림(59)의 제2 부분(65)(예를 들면, 상기 전체 공기 스트림(52)의 대략 23.2%로 설명되는)은 고압 열교환기(16) 내에서 대략 -165℃까지 냉각된다. 일부 측면들에 있어서, 상기 제2 부분 스트림(65)은 대략 -173℃까지 열교환기(66) 내에서 후속하여 냉각된다. 상기 후속하여 냉각되는 부분(67)은 상기 열교환기(66)를 나가며, 상기 폐기 질소 스트림(5)을 대략 -169℃까지 가열한다. 일부 측면들에 따르면, 상기 가열된 폐기 질소 스트림(56)은 상기 열교환기(66)를 떠나며, 제1 폐기 질소 스트림(57) 및 제2 폐기 질소 스트림(58)으로 나누어진다. 상기 제1 폐기 질소 스트림(57)은 상기 공기 공급의 대략 57.8%를 포함하며 상기 저압 열교환기(17) 내에서 가열되지만, 상기 제2 폐기 질소 스트림(58)은 상기 공기 공급의 대략 21.6%를 포함하며 상기 고압 열교환기(16) 내에서 가열된다. 상기 제1 폐기 질소 스트림(57)은 대략 8.8℃의 온도에서 상기 제1의 가열된 폐기 질소 스트림(45)으로서 상기 저압 열교환기(17)를 나가지만, 상기 제2 폐기 질소 스트림(58)은 대략 18.3℃의 온도에서 상기 제2의 가열된 폐기 질소 스트림(46)으로서 상기 고압 열교환기(16)를 나간다. 일 측면에 있어서, 상기 제1 및 제2의 가열된 폐기 질소 스트림들(45, 46)은 상기 폐기 질소 스트림(43)이 그로부터 상기 충전 타워(72)에 대한 통로를 위해 인출되고, 질소 스트림(44)이 송풍기(75)를 통한 통로로 인출되는 결합되고 가열된 폐기 질소 스트림(47)을 형성하도록 결합될 수 있다.
상기 열교환기(66)를 떠나는 상기 냉각된 공기 스트림(67)은 발전기(22)를 구동시키도록 구성될 수 있는 제2 팽창 터빈(20)으로 들어간다. 상기 제2 팽창 터빈(20)은 대략 5.4bar의 압력에서 상기 유입 공기 스트림(68)을 배출하도록 설계될 수 있다. 일부 측면들에 따르면, 상기 제2 팽창 터빈(20)은 대략 1%의 증기 및 99%의 액체로 구성되는 유입 및 배출 유입 공기 스트림(68)에서 고밀도의 초임계 가압된 공기로 동작하도록 구성되는 원심 팽창 휠을 포함할 수 있다.
일 측면에서 대략 68.9bar의 압력을 가질 수 있는 상기 중간 압력의 공기 스트림(60)은 상기 고압 열교환기(16)로 들어가고, 대략 -101℃의 온도까지 냉각된다. 상기 유출 고압 공기 스트림(61)은 상기 고압 열교환기(16)를 나가며, 발전기(23)를 구동시키는 제3 팽창 터빈(21)으로 들어간다. 상기 제3 팽창 터빈(21)에서, 상기 유출 고압의 공기 스트림(61)의 압력은 대략 5.4bar까지 감소될 수 있다. 일 측면에 있어서, 상기 제3 팽창 터빈 배출 스트림(62)은 상기 저압 열교환기(17)로부터의 상기 유출 공기 스트림(55)과 합류하며, 상기 결합된 공기 스트림(69)은 상기 고압 칼럼(2)의 베이스로 들어간다.
고압의 산소를 형성하기 위한 예시된 시스템들과 방법들은 특히 연료 연소를 위해 고압의 산소의 계속적인 투입을 요구하는 동력 생산 시스템과 방법과 함께 사용되기에 적합하다. 보다 상세하게는, CO2 동작 유체 스트림을 활용하는 동력 생산 시스템들과 방법들은 여기에 설명되는 바와 같은 산소 생산 시스템 및 방법과 결합될 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 또한 CO2 동작 유체의 사용에 중점을 둔 다양한 요소들 및 프로세스 단계들을 포함할 수 있는 동력 생산 사이클들에 관련된다. 본 발명에 따른 동력 생산 사이클에 포함될 수 있는 요소들 및 프로세스의 제한적이지 않은 예들은 그 개시 사항들이 여기에 참조로 포함된 미국 특허 제8,596,075호, 미국 특허 제8,776,532호, 미국 특허 제8,959,887호, 미국 특허 제8,986,002호, 미국 특허 제9,068,743호, 미국 특허 제9,416,728호, 미국 특허 제9,546,814호, 미국 특허출원 공개 제2012/0067054호 및 미국 특허출원 공개 제2013/0213049호에 기재되어 있다.
본 발명에 따른 유용한 동력 생산 사이클은 CO2(특히 초임계의 CO2-혹은 sCO2)가 동작 스트림으로 사용되는 임의의 시스템과 방법을 포함할 수 있다. 제한적이지 않은 예로서, 동력 생산 시스템과 방법은 재순환 CO2 스트림이 고온 및 고압에서 제공되고, 탄소질 연료가 산소 내에서 연소되는 연소기로 제공되며, 동력을 생성하는 터빈에 걸쳐 팽창되고, 열교환기 내에서 냉각되며, 물과 임의의 다른 불순물들을 제거하기 위해 정화되고, 가압되며, 상기 터빈 배출로부터 취해지는 열을 이용하여 재가열되고, 상기 사이클을 반복하기 위해 상기 연소기로 다시 통과되도록 구성될 수 있다. 이러한 시스템과 방법은 모든 연료 및 연소 유래 불순물들, 과잉의 CO2 및 물이 액체 또는 고체(예를 들어, 재)로서 제거되고, 임의의 스트림들의 사실상 영(zero)의 대기 방출의 관점들에서 유리하다. 상기 시스템과 방법은 상기 재순환 CO2 스트림이 다시 가압된 후 및 연소 전에, 예를 들면, 낮은 온도 레벨(즉, 500℃ 이하)의 열 투입의 이용을 통해 높은 효율을 구현한다.
본 발명에 따른 유용한 동력 생산 사이클은 앞서 설명된 경우 보다 많은 단계들 또는 적은 단계들을 포함할 수 있으며, 대체로 고압의 재순환 CO2 스트림이 동력 생산을 위해 팽창되고 다른 동력 생산을 위해 다시 재순환되는 임의의 사이클을 포함할 수 있다. 여기에 사용되는 바에 있어서, 고압의 재순환 CO2 스트림은 적어도 100bar, 적어도 150bar, 적어도 200bar, 또는 적어도 300bar의 압력을 가질 수 있다. 고압의 재순환 CO2 스트림은 일부 실시예들에서 약 100bar 내지 약 500bar, 약 150bar 내지 약 450bar, 또는 약 200bar 내지 약 400bar의 압력을 가질 수 있다. 여기서 고압의 재순환 CO2 스트림에 대한 언급은 이에 따라 앞서 언급한 범위들 이내의 압력의 CO2 스트림이 될 수 있다. 이러한 압력들은 또한 CO2를 포함하는 고압의 동작 스트림 또는 CO2를 포함하는 연소기 배출 스트림과 같이 여기에 설명되는 다른 고압의 스트림들에 대해 기준으로 적용된다.
제한적이지 않은 예로서, 동력 생산 시스템(100) 및 그 사용 방법이 도 2에 예시된다. 상기 시스템(100)은 연소기(115)를 포함하며, 여기서 탄소질 연료 공급(112)이 발전기(145)로 동력을 생성하기 위해 터빈(120) 내에서 팽창되는 고압 및 고온의 연소 생성물 스트림(117)을 형성하도록 재순환 CO2 스트림(143)의 존재에서 고압의 산소 스트림(15)(여기에 설명되는 바와 같이 생성된)으로 연소된다. 고온의 터빈(120)으로부터의 배출 스트림(122)은 응축된 생성물들(132)(예를 들어, 물) 및 기로부터 나가는 실질적으로 순수한 재순환 CO2 스트림(133)과 함께 분리기(separator)(130)로 통과되는 저압 및 저온의 터빈 배출 스트림(127)을 생성하도록 레큐퍼레이터(recuperator) 열교환기(125) 내에서 냉각된다. 상기 실질적으로 순수한 재순환 CO2 스트림(133)은 제1 부분 재순환 CO2 스트림(138) 및 제2 부분 재순환 CO2 스트림(27)으로 분할되는 고압의 재순환 CO2 스트림(137)을 형성하도록 압축기(135) 내에서 압축된다. 상기 제1 부분 재순환 CO2 스트림(138)은 상기 레큐퍼레이터 열교환기(125)로 통과되며, 여기서 냉각 터빈 배출 스트림(122)에 대해 가열된다. 상기 제2 부분 재순환 CO2 스트림(27)은 상기 열교환기(29)로 통과되며, 여기서 상술한 바와 같이 가압된 공기 유입 스트림(25)에 대해 가열된다. 이러한 방식으로, 상기 공기 유입 스트림(25)의 압축열이 상기 열교환기(29)를 통한 대항류에 의해 상기 재순환된 CO2 스트림(27)에 추가된다. 상기 재순환 CO2 스트림(28)의 가열된 부분은 상기 제1 부분 재순환 CO2 스트림(138)을 더 가열하도록 상기 레큐퍼레이터 열교환기(125)로 통과된다. 비록 상기 가열되고 재순환된 CO2 스트림(28)이 상기 레큐퍼레이터 열교환기의 고온 단부로 들어가는 것으로 도시되지만, 가열되고 재순환된 CO2 스트림(28)이 상기 가열되고 재순환된 CO2 스트림(28)의 실제 온도에 기초하는 적절한 가열 레벨로 상기 레큐퍼레이터 열교환기(125)로 투입될 수 있는 점이 이해될 것이다. 또한, 일부 실시예들에서, 상기 가열되고 재순환된 CO2 스트림(28)은 상기 레큐퍼레이터 열교환기(125)로 복귀하지 않을 수 있다. 오히려, 가열되고 재순환된 CO2 스트림(28)은 재순환 CO2 스트림(133) 및 저온의 CO2 스트림(127)의 하나 또는 모두에 투입될 수 있다. 비록 단일의 레큐퍼레이터 열교환기(125)가 예시되지만, 복수의 레큐퍼레이터 열교환기들이 다른 온도 범위들에서 동작하도록 사용될 수 있고, 가열되고 재순환된 CO2 스트림(28)이 상기 복수의 레큐퍼레이터 열교환기들 중의 임의의 하나 또는 그 이상에 투입될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 가열되고 재순환된 CO2 스트림(28)은 상기 레큐퍼레이터 열교환기(142)로 들어가기 이전에 상기 제1 부분 재순환 CO2 스트림(138)과 결합될 수 있다. 이러한 실시예들에 있어서, 예를 들면, 다른 압축이 제2 부분 재순환 CO2 스트림(27) 및/또는 가열되고 재순환된 CO2 스트림(28)에 제공될 수 있다.
또 다른 실시예들에 있어서, 상기 터빈 배출 스트림(142)은 별도의 열교환기(도 1에는 예시되지 않음)로 통과될 수 있다. 제1 부분 재순환 CO2 스트림(138)은 상기 레큐퍼레이터 열교환기로 들어가기 이전에 상기 별도의 열교환기로 통과될 수 있다. 적절한 가열 범위에서 상기 레큐퍼레이터 열교환기를 통한 통과 동안에 취해지는 상기 제1 부분 재순환 CO2 스트림(138)으로부터의 사이드 스트림(side stream)이 인출될 수 있고, 상기 별도의 열교환기로 통과될 수 있으며, 상기 가열된 사이드 스트림은 이후에 적절한 가열 범위에서 상기 제1 부분 재순환 CO2 스트림(138)과 재결합될 수 있다. 상기 레큐퍼레이터 열교환기(125)를 나가는 상기 가열된 재순환 CO2 스트림(143)의 모두 또는 일부는 추가적인 가열을 위해 상기 별도의 열교환기로 통과될 수 있다. 이들 예시적인 실시예들에 있어서, 스트림(25) 내의 상기 압축된 유입 공기에 의해 제공되는 열은 상기 터빈 배출 스트림(122) 단독으로부터 이용 가능한 가열의 레벨을 넘어서 상기 제1 부분 재순환 CO2 스트림(138)에 추가적인 가열을 제공한다. 상기 가열된 재순환 CO2 스트림(143)은 이후에 상기 연소기(115)에 투입된다.
상기 열교환기(29)로부터의 상기 가열되고 재순환된 CO2 스트림(28)은 상기 레큐퍼레이티브 열교환기(125)를 통한 통과에 의해 냉각되며, 예시한 바와 같이 상기 압축기(135)를 나가는 상기 실질적으로 순수한 재순환 CO2 스트림(137)과 재결합되는 재순환 CO2 스트림(144)으로서 그 저온 단부를 나간다.
앞서 예시한 바와 같은 산소 생산 시스템 내의 유입 공기 스트림의 압축열에 의해 제공되는 상기 추가적인 가열은 특히 상기 레큐퍼레이터 열교환기로 들어가는 상기 터빈 배출 및 상기 레큐퍼레이터 열교환기를 나가는 상기 재순환 CO2 스트림의 다른 비열 용량들로 인하여 다르게 상기 레큐퍼레이터 열교환기의 고온 단부에 존재하는 온도 차이를 감소시키거나 제거하는 데 유용할 수 있다. 여기에 설명되는 바와 같은 시스템들과 방법들은 추가 가열로서 필요한 열의 질과 양을 제공하여 이러한 이점을 구현하도록 적용된다. 특히, 상기 산소 생산 시스템 내의 압축기(30)는 약 2.5 내지 12 또는 약 2.5 내지 10의 압축비(들)로 단열적으로(중간 냉각 없이) 동작될 수 있다.
본 발명의 많은 변형들과 다른 실시예들이 앞서의 설명들 및 관련 도면들에서 제시된 교시들의 이점을 가지는 것으로 본 발명이 속하는 해당 기술 분야의 숙련자에게 이해될 것이다. 이에 따라, 본 발명이 개시된 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, 제한적인 목적으로 사용되는 것은 아니다.

Claims (13)

  1. 산소를 생성하기 위한 방법에 있어서,
    적어도 3.5bar의 압력 및 150℃ 이상의 온도를 갖는 압축된 유입 공기 스트림을 형성하도록 제1 압축기 내에서 유입 공기 스트림을 압축하는 단계를 포함하고;
    상기 압축된 유입 공기 스트림을 25℃ 이하의 온도까지 냉각하는 단계를 포함하며;
    상기 압축된 유입 공기 스트림 내에 존재하는 임의의 이산화탄소 및 물의 적어도 90mol%를 제거하여 상기 압축된 유입 공기 스트림을 정화시키며, 이에 따라 정화된 유입 공기 스트림을 형성하는 단계를 포함하고;
    상기 정화된 유입 공기 스트림을 제1 부분 및 제2 부분으로 나누는 단계를 포함하며;
    약 20bar 내지 약 90bar의 압력을 가지는 중간 압력의 정화된 공기 스트림 및 약 70bar 내지 약 150bar의 압력을 가지는 고압의 정화된 공기 스트림을 형성하도록 상기 정화된 유입 공기 스트림의 제1 부분을 더 압축하는 단계를 포함하고, 상기 고압의 정화된 공기 스트림은 상기 중간 압력의 정화된 공기 스트림의 압력 보다 큰 압력을 가지며;
    상기 중간 압력의 정화된 공기 스트림 및 상기 고압의 정화된 공기 스트림을 열교환기 내에서 냉각하는 단계를 포함하고;
    제1의 팽창되고 정화된 공기 스트림을 형성하도록 제1 동력 생산 터빈 내에서 상기 고압의 정화된 공기 스트림의 제1 부분을 팽창시키는 단계를 포함하며;
    제2의 팽창되고 정화된 공기 스트림을 형성하도록 제2 동력 생산 터빈 내에서 상기 고압의 정화된 공기 스트림의 제2 부분을 팽창시키는 단계를 포함하고;
    제3의 팽창되고 정화된 공기 스트림을 형성하도록 제3 동력 생산 터빈 내에서 상기 중간 압력의 정화된 공기 스트림을 팽창시키는 단계를 포함하며;
    실질적으로 순수한 액체 산소의 출구 스트림 및 질소를 포함하는 폐기 스트림을 형성하도록 상기 제1의 팽창되고 정화된 공기 스트림, 상기 제2의 팽창되고 정화된 공기 스트림, 상기 제3의 팽창되고 정화된 공기 스트림 및 상기 정화된 유입 공기 스트림의 제2 부분을 증류 칼럼으로 통과시키는 단계를 포함하고;
    상기 실질적으로 순수한 액체 산소의 출구 스트림을 150bar 이상의 압력까지 압축하는 단계를 포함하며;
    실질적으로 순수한 고압의 산소 가스의 출구 스트림을 형성하도록 상기 실질적으로 순수한 액체 산소의 출구 스트림을 상기 열교환기 내에서 상기 중간 압력의 정화된 공기 스트림 및 상기 고압의 정화된 공기 스트림에 대해 -10℃ 이상의 온도까지 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소를 생성하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 압축된 유입 공기 스트림을 냉각하는 단계는 상기 압축된 유입 공기 스트림으로부터 열을 동력 생산 사이클로부터의 동작 유체 스트림으로 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소를 생성하기 위한 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 압축된 유입 공기 스트림으로부터 열을 상기 동력 생산 사이클로부터의 상기 동작 유체 스트림으로 전달하여 상기 압축된 유입 공기 스트림을 제1의 감소된 온도까지 냉각하는 단계를 포함하며, 상기 압축된 유입 공기 스트림을 냉각수 스트림에 대해 제2의 더 감소된 온도까지 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소를 생성하기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 정화시키는 단계는 상기 압축된 유입 공기 스트림을 이중 베드 흡수(dual bed adsorption) 시스템으로 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소를 생성하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 정화된 유입 공기 스트림의 제1 부분은 상기 정화된 유입 공기 스트림의 약 25mol% 내지 약 75mol%를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소를 생성하기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 중간 압력의 정화된 공기 스트림은 상기 정화된 유입 공기 스트림의 제1 부분의 약 30mol% 내지 약 50mol%를 포함하며, 상기 고압의 정화된 공기 스트림은 상기 정화된 유입 공기 스트림의 제1 부분의 약 70mol% 내지 약 50mol%를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소를 생성하기 위한 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 정화된 유입 공기 스트림의 제2 부분을 상기 증류 칼럼으로 통과시키기 전에 상기 정화된 유입 공기 스트림의 제2 부분을 상기 질소를 포함하는 폐기 스트림에 대해 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소를 생성하기 위한 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 동력 생산 터빈 내에서 팽창되는 상기 고압의 정화된 공기 스트림의 제1 부분은 약 -20℃ 내지 약 -40℃의 온도 범위에서 상기 열교환기로부터 회수되는 것을 특징으로 하는 산소를 생성하기 위한 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 동력 생산 터빈 내에서 팽창되는 상기 고압의 정화된 공기 스트림의 제2 부분은 약 -160℃ 내지 약 -170℃의 온도 범위에서 상기 열교환기로부터 회수되는 것을 특징으로 하는 산소를 생성하기 위한 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제3 동력 생산 터빈 내에서 팽창되는 상기 중간 압력의 정화된 공기 스트림은 약 -80℃ 내지 약 -120℃의 온도 범위에서 상기 열교환기로부터 회수되는 것을 특징으로 하는 산소를 생성하기 위한 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 증류 칼럼은 이중 칼럼(double column) 증류 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 산소를 생성하기 위한 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 실질적으로 순수한 액체 산소의 출구 스트림은 약 200bar 내지 약 500bar의 압력까지 압축되는 것을 특징으로 하는 산소를 생성하기 위한 방법.
  13. 동력을 생산하는 방법에 있어서,
    150bar 이상의 압력의 CO2를 포함하는 연소 생성물 스트림을 형성하도록 재순환 CO2 동작 유체 스트림의 존재에서 연료를 실질적으로 순수한 고압의 산소 가스의 스트림으로 연소시키는 단계를 포함하고;
    터빈 배출 스트림을 형성하고, 동력을 발생시키도록 상기 CO2를 포함하는 연소 생성물 스트림을 터빈에 걸쳐 팽창시키는 단계를 포함하며;
    레큐퍼레이터(recuperator) 열교환기 내에서 상기 터빈 배출 스트림으로부터 열을 제거하는 단계를 포함하고;
    상기 재순환 CO2 동작 유체 스트림을 형성하도록 상기 터빈 배출 스트림으로부터 CO2를 분리하는 단계를 포함하며;
    상기 재순환 CO2 동작 유체 스트림을 압축하는 단계를 포함하고;
    상기 레큐퍼레이터 열교환기 내에서 상기 터빈 배출 스트림으로부터 제거된 열을 이용하여 상기 재순환 CO2 동작 유체 스트림의 적어도 일부를 가열하고, 추가되는 열을 이용하여 상기 재순환 CO2 동작 유체 스트림의 적어도 일부도 가열하는 단계를 포함하며;
    상기 재순환 CO2 동작 유체 스트림을 상기 레큐퍼레이터 열교환기로부터 상기 연소기로 통과시키는 단계를 포함하고;
    상기 실질적으로 순수한 고압의 산소 가스의 스트림은,
    적어도 3.5bar의 압력 및 150℃ 이상의 온도를 갖는 압축된 유입 공기 스트림을 형성하도록 유입 공기 스트림이 제1 압축기 내에서 압축되고;
    상기 압축된 유입 공기 스트림으로부터의 열이 상기 압축된 유입 공기 스트림이 냉각되도록 상기 재순환 CO2 동작 유체 스트림의 적어도 일부를 가열하기 위해 상기 추가되는 열로서 이용되며;
    정화된 유입 공기 스트림을 형성하도록 상기 압축된 유입 공기 스트림이 정화되고;
    상기 정화된 유입 공기 스트림이 제1 부분 및 제2 부분으로 나누어지며;
    약 20bar 내지 약 90bar의 압력을 가지는 중간 압력의 정화된 공기 스트림 및 약 70bar 내지 약 150bar의 압력을 가지는 고압의 정화된 공기 스트림을 형성하도록 상기 정화된 유입 공기 스트림의 제1 부분이 압축되고, 상기 고압의 정화된 공기 스트림은 상기 중간 압력의 정화된 공기 스트림의 압력보다 큰 압력을 가지며;
    상기 중간 압력의 정화된 공기 스트림 및 상기 고압의 정화된 공기 스트림이 열교환기 내에서 냉각되고;
    제1의 팽창되고 정화된 공기 스트림을 형성하도록 상기 고압의 정화된 공기 스트림의 제1 부분이 제1 동력 생산 터빈 내에서 팽창되며;
    제2의 팽창되고 정화된 공기 스트림을 형성하도록 상기 고압의 정화된 공기 스트림의 제2 부분이 제2 동력 생산 터빈 내에서 팽창되고;
    제3의 팽창되고 정화된 공기 스트림을 형성하도록 상기 중간 압력의 정화된 공기 스트림이 제3 동력 생산 터빈 내에서 팽창되며;
    실질적으로 순수한 액체 산소의 출구 스트림 및 질소를 포함하는 폐기 스트림을 형성하도록 상기 제1의 팽창되고 정화된 공기 스트림, 상기 제2의 팽창되고 정화된 공기 스트림, 상기 제3의 팽창되고 정화된 공기 스트림 및 상기 정화된 유입 공기 스트림의 제2 부분이 증류 칼럼으로 통과되고;
    상기 실질적으로 순수한 액체 산소의 출구 스트림이 150bar 이상의 압력까지 압축되며;
    상기 실질적으로 순수한 고압의 산소 가스를 형성하도록 상기 실질적으로 순수한 액체 산소의 출구 스트림이 상기 열교환기 내에서 상기 중간 압력의 정화된 공기 스트림 및 상기 고압의 정화된 공기 스트림에 대해 -10℃ 이상의 온도까지 가열되는 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 동력을 생산하는 방법.
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