KR20190085009A - 통합 수소 생산을 구비하는 동력 생산을 위한 시스템들 및 방법들 - Google Patents

통합 수소 생산을 구비하는 동력 생산을 위한 시스템들 및 방법들 Download PDF

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Abstract

본 발명은 동력 생산을 위해 유용한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 특히, 동작 유체로서 CO2를 사용하는 동력 생산 사이클은 동시의 수소 생산을 위해 구성될 수 있다. 유리하게는, 동력 생산 및 수소 생산에서 연소로부터 야기되는 실질적으로 모든 탄소가 이산화탄소의 형태로 포집된다. 또한, 생성된 수소(선택적으로 공기 분리 유닛으로부터 수용되는 질소와 혼합된)는 어떠한 CO2 대기 배출 없이 내부에서 추가적인 동력 생산을 위해 가스 터빈 복합 사이클 유닛 내에서 연료로 투입될 수 있다.

Description

통합 수소 생산을 구비하는 동력 생산을 위한 시스템들 및 방법들
본 발명은 CO2 순환 유체를 사용하는 동력 생산 사이클이 수소의 동시 생산을 위해 구성될 수 있는 동력 생산 시스템들 및 방법들을 제공한다.
연료 전지들 내에서의 사용을 위한 바와 같은 수소는 저장 에너지의 소스로 및 그로부터의 청정 전환 때문에 바람직한 에너지 소스로서 오랫동안 관심의 대상이 되어 왔다. 예를 들면, 수소는 고용량의 전기 저장 배터리들에 유리하게 결합되는 연료 전지들을 이용하는 전기 차량 추진을 위한 연료로서 사용될 수 있다. 유익하게는, 연료로서 수소의 사용은 CO2, NOx, CO 및 탄화수소 방출을 제거할 수 있으며, 이에 따라 공기 오염을 크게 감소시킨다. 그러나 수소를 기반으로 하는 세계 경제의 구현까지 이르는 어떠한 방식도 매우 큰 규모의 수소 생산 능력을 요구할 수 있다. 또한, 이러한 수소 생산 방법은 사용되는 화석 연료로부터 유래되는 거의 100%의 CO2의 포집과 함께 낮은 수소 생산 비용을 동시에 구현할 필요가 있을 수 있다.
연료 소스로서 수소 사용은 또한 보다 많은 종래의 동력 생산 프로세스들과 연관된 이산화탄소 방출을 감소시키거나 제거하기에 유리할 수 있다. 예를 들면, 수소는 질소 및/또는 증기로 희석될 수 있으며, 가스 터빈 복합 사이클 발전 시스템에서 연료로 사용될 수 있다.
가스 터빈 복합 사이클 발전 시스템들은 저위 발열량(LHV) 기준으로 60%의 범위 내의 효율로 천연 가스로부터 동력을 생성하는 이들의 능력을 감안할 경우에 세계적으로 발전의 주요한 소스들이다. 바람직한 효율에도 불구하고, 이러한 시스템들은 상기 연료 내의 탄소가 이산화탄소로서 대기로 방출되기 때문에 여전히 문제가 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해, 상기 가스 터빈 압축기 섹션의 유입까지 냉각 및 생성물 CO2 제거가 수반되는 터빈 배출 CO2 가스의 재순환에 의해 동작 유체로서 공기 대신에 CO2로 상기 가스 터빈을 동작시키는 것이 가능하다. 이는 또한 연소 생성물로서 CO2 및 물만이 생성되도록 연료가 순수한 산소 내에서 연소되어야 하고, 프로세스 효율에 대한 저하로서 작용하는 공기 분리 플랜트의 추기를 요구하기 때문에 문제가 있다. 화학적 및/또는 물리적 용제 스크러빙 프로세스가 흔히 CO2를 제거하기 위해 가스 터빈 배출을 처리하는 데 이용되지만, 이러한 프로세스들은 혼합된 결과들을 제공할 수 있고, 배출 처리 시스템들과 유지의 추가적인 비용으로 인해 프로세스 효율을 다시 감소시킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 가스 터빈 내에 연료로서 수소를 사용하여 탄소 방출을 제거하는 것이 가능하지만, 이러한 접근 방식은 연관된 CO2 생산 없이 우선적으로 제공되는 일정한 수소 소스를 요구한다. 연료 소스로서 수소의 사용의 바람직함으로 인하여, 대기로의 CO2 방출 없이 실질적으로 낮은 비용으로 수소 연료를 제공하는 수단들에 대한 요구가 존재한다.
본 발명은 동력 생산 및 수소 생산을 결합한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 특히, 동력 생산(예를 들어, 전력) 및 수소 생산은 탄화수소 연료의 연소와 동시에 이루어질 수 있다. 보다 상세하게는, 탄화수소 연료는 수소를 포함하거나 및/또는 수소로 전환되는 연소 생성물들을 제공하도록 연소될 수 있다. 또한, 상기 수소는 실질적으로 영(zero)의 탄소 방출로 생성될 수 있으며, 상기 수소는 동력 생산을 위한 연료로서 사용될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명은 또한 촉매 및/또는 비촉매 반응에서의 탄화수소 연료의 부분 산화를 위해 산소를 사용하는 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)의 발생을 위한 시스템들 및 방법들에 관련될 수 있다. 예를 들면, 부분 산화, 비촉매 반응기(POX) 또는 촉매 자체 가열식 반응기(auto-thermal reactor: ATR)가 사용될 수 있다. 상기 탄화수소 연료의 부분 산화는 흡열 촉매 증기에 더하여 상기 GHR 내에서 일어나는 천연 가스 개질 반응들을 위한 열을 제공하도록 상기 POX 및/또는 ATR 반응기 시스템 내의 감지 가능한 배출 열을 활용하여 추가적인 H2 및 CO(즉, 합성 가스)를 생성하기 위해 상기 POX 또는 ATR 반응기에 대한 직렬 또는 병렬 모드로 가스 가열식 개질기(gas heated reformer: GHR)의 사용이 수반될 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에 있어서, 본 발명의 시스템들 및 방법들은 상기 동력 생산 시스템 및 방법에 대한 추가적인 열 투입을 제공하도록 상기 수소 플랜트 내에서 발생되는 과잉의 열(예를 들어, 400℃ 아래의 온도 레벨에 있는)을 이용할 수 있다. 이러한 추가된 열은 높은 발전 효율을 구현하는 것을 보조하는 데 유리할 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 본 발명은 H2＋CO 합성 가스 발생 반응기에 대한 연료 스트림(예를 들어, 천연 가스) 및 증기 공급 스트림 중의 하나 또는 모두를 과열시키기 위해 요구되는 열의 공급을 포함한다. 이는, 예를 들면, 상기 동력 생산 시스템 및 방법으로부터의 터빈 배출 스트림으로부터 유래되는 열을 이용하여 구현될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 본 발명의 시스템들 및 방법들은 냉각된 원료 수소 스트림으로부터 순수한 고압의 수소를 분리하도록 압력 순환 흡착 유닛(pressure swing adsorption: PSA) 시스템을 이용할 수 있다. 이는, 예를 들면, 증기와의 촉매 전환 반응에 의한 CO의 H2로의 전환에 수반되어 구현될 수 있다
추가 실시예들에 있어서, 본 발명은 상기 수소 플랜트를 위한 연료 내에 존재하는 실질적으로 모든 탄소의 회수를 제공할 수 있다. 예를 들면, 이는 상기 PSA로부터의 폐기 가스를 압축하고, 상기 CO2가 상기 냉각된 터빈 배출 스트림으로부터 회수되는 동력 생산 사이클 시스템 및 방법을 위한 상기 연료 가스의 일부로서 상기 폐기 가스를 사용하여 구현될 수 있다.
원할 경우, 상기 동력 생산 사이클 시스템 및 방법에 사용되는 산소의 일부나 모두가 극저온 공기 분리 플랜트로부터 또는 저압의 공기 공급을 구비하는 산소 이온 수송 멤브레인(ion transport membrane: ITM) 산소 연료 연소기로부터 공급될 수 있다. 상기 수소 플랜트는 상기 POX 및/또는 ATR에 공급되어 상기 PSA로부터 95bar까지의 실질적으로 순수한 H2를 생성하기 때문에 105bar까지의 압력의 고압의 가스 상태의 산소의 스트림을 이용할 수 있다. 고압의 산소를 공급하는 극저온 공기 분리 플랜트는 특히 상기 산소를 제공하기에 유용할 수 있다.
또한, 원할 경우, 제2 연료 산소 연소기는 상기 H2 플랜트 연료, 산소 및 증기 공급 스트림들 중의 임의의 하나 또는 그 이상에 대해 예비 가열을 제공하도록 상기 가스 터빈 배출을 가열하는 데 사용될 수 있다. 이는 터빈 배출 압력에서 가스 상태의 산소 스트림과 함께 공급될 수 있지만, 이는 우선적으로 단열 불꽃 온도를 조절하도록 O2 버너 분무 시스템(burner injection system) 내에서 CO2로 희석될 수 있다. 제2의 대안은 확산되는 산소로 연소되고, 상기 합성 가스 반응기에 대한 상기 천연 가스 스트림 및 증기 공급 스트림을 위해 필요한 과열을 제공하는 상기 가스 터빈 배출과 혼합된 예열된 천연 가스 스트림을 이용하여 상기 터빈 배출을 예열시키도록 예열된 저압의 공기가 공급되는 ITM 연소기를 이용하는 것이다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에 있어서, 본 발명은 동시의 동력 생산 및 수소 생산을 위해 구성될 수 있는 동력 생산 시스템 또는 유닛을 제공할 수 있다. 특히, 상기 시스템은 연소기; 터빈; 전열식 열교환기(recuperative heat exchanger); 물 분리기; 압축기; 및 통합 수소 생산 시스템 또는 유닛을 포함할 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에 있어서, 본 발명은 동력 생산을 위한 방법을 제공할 수 있다. 특히, 상기 방법은 다음 사항들을 포함할 수 있다.
CO2를 포함하는 연소 생성물 스트림을 제공하도록 연소 압력에서 재순환된 CO2 스트림의 존재에서 제1 연소기 내에서 산화제로 제1 탄화수소 연료를 연소시키는 단계;
동력을 생성하고 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림을 형성하도록 터빈에 걸쳐 상기 연소 생성물 스트림을 팽창시키는 단계;
전열식 열교환기 내에서 상기 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림을 냉각하는 단계;
재순환된 CO2 스트림을 제공하도록 상기 터빈 배출 스트림의 임의의 다른 성분들로부터 CO2를 분리하는 단계;
상기 재순환된 CO2 스트림을 실질적으로 상기 연소 압력까지 압축하는 단계;
상기 재순환된 CO2 스트림으로부터 상기 탄화수소 또는 탄소질 연료 내의 탄소의 연소로부터 유래되는 CO2를 제거하는 단계;
상기 터빈 배출 스트림으로부터 회수되는 열 및/또는 약 400℃ 아래의 온도 레벨에서 공급되는 외부의 열로 상기 전열식 열교환기 내에서 상기 압축되고 재순환된 CO2 스트림을 가열하는 단계;
특히 H2 및 CO를 포함할 수 있는 합성 가스 스트림을 형성하도록 GHR이 선택적으로 수반되는 POX 또는 ATR로 선택적으로 예열된 탄소질 연료(및 선택적으로 산소 및/또는 증기)를 통과시키는 단계;
고압의 증기를 발생시키도록 상기 합성 가스를 냉각하는 단계;
CO 및 H2O를 H2 및 CO2로 전환시키기에 효과적인 하나 또는 그 이상의 촉매 전환 반응기(catalytic shift reactor)로 상기 합성 가스를 통과시키는 과정;
상기 합성 가스 스트림으로부터 H2를 분리시키는 단계; 및
상기 합성 가스 스트림으로부터의 H2 분리에 수반하여 나머지 연료 가스를 상기 제1 연소기 및 상기 제2 연소기 중의 하나 또는 모두로 통과시키는 단계.
상술한 방법에서, 언급된 단계들의 모두가 모든 가능한 실시예들에서 수행되어야 하는 것은 아닌 점이 이해되어야 할 것이다. 오히려, 전술한 단계들 중의 하나 또는 그 이상은 선택적이 될 수 있으며, 본 발명이 속하는 해당 기술 분야의 숙련자는 별도의 실시예들에서 수행될 수 있는 단계들의 다양한 가능한 조합들을 인지할 수 있을 것이다.
상술한 사항들에 더하여, 본 발명에서 개시되는 시스템들 및 방법들은 추가적인 요소들 및 구성들과 관련하여 더 정의될 수 있다. 예를 들면, 다음 사항들의 임의의 하나 또는 그 이상이 적용될 수 있다.
수소 생산은 특히 부분 산화 반응기 및 가스 가열식 개질기 반응기와 같은 적어도 두 개의 반응기들을 이용하여 수행될 수 있다.
탄화수소 공급 스트림 및/또는 합성 가스 생산에 사용되기 위한 증기 공급 스트림의 고온 가열은 상기 동력 생산 사이클로부터 유래되는 열을 활용할 수 있다. 특히, 상기 열은 상기 동력 생산 사이클 터빈 배출의 적어도 일부로부터 유래될 수 있다.
상기 수소는 다층 압력 순환 흡착 유닛 내의 하나 또는 그 이상의 폐기 성분들로부터 분리될 수 있다.
상기 수소로부터의 하나 또는 그 이상의 폐기 성분들은 압축될 수 있고, 상기 동력 생산 사이클에 연료의 일부로서 사용될 수 있다.
상기 수소 생산 시스템 및 방법에서 연료로서 사용되는 상기 탄화수소 연료로부터 유래되는 실질적으로 모든 탄소는 O2 파이프라인 내로의 도입을 위해 적합할 수 있는 고압의 CO2 스트림으로 회수될 수 있다.
상기 H2 플랜트로부터는 거부되는 실질적으로 모든 저온의 열(즉, 주위 이상의 온도이지만 약 400℃ 또는 그 이하의 온도의 열)이 상기 동력 생산 사이클 내로의 열 투입을 위해 회수될 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에 있어서, 본 발명은 연료로부터(예를 들면, 천연 가스로부터) 수소 생산의 통합, 상기 연료 내의 탄소로부터 유래되는 실질적으로 모든 CO2의 포집, 그리고 동력 시스템 및 상기 수소 생산 사이의 열의 효율적인 통합을 제공할 수 있다. 바람직하게는, 이러한 통합은 대기로의 거의 영(zero)의 CO2의 방출 및 부분적이거나 완전한 CO2 포집을 제공하지 못하는 현존 프로세스들로부터 야기되는 비용과 실질적으로 유사한 전기 비용으로 높은 효율(예를 들어, >60% LHV)로 상기 연료로부터의 전력의 생산을 구현할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명은 동력 생산을 위한 시스템을 제공할 수 있으며, 상기 시스템은, CO2의 대기 배출 없이 CO2 동작 유체의 계속적인 압축, 가열, 팽창, 냉각 및 재순환을 위해 구성되는 동력 생산 유닛; 합성 가스 스트림을 형성하도록 구성되는 부분 산화 연소기 및 상기 합성 가스 스트림으로부터 H2를 분리하도록 구성되는 분리기를 구비하는 수소 생산 시스템 또는 유닛; 그리고 상기 수소 생산 시스템 또는 유닛으로부터 상기 H2를 수용하고 연소시키도록 구성되는 가스 터빈 복합 사이클 유닛을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명은 동력 생산 프로세스 및 통합 H2 생산 프로세스와 관련되고,
연소 생성물 스트림을 형성하도록 재순환되고 가열된 CO2의 존재에서 상승된 압력에서 실질적으로 순수한 O2로 연소기 내에서 가스 상태의 연료를 연소시키는 단계;
축 동력을 생성하고, 터빈 배출 스트림을 형성하도록 터빈 내에서 상기 연소 생성물 스트림을 보다 낮은 압력까지 팽창시키는 단계;
상기 재순환되고 가열된 CO2를 형성하도록 재순환된 CO2 스트림을 가열하면서, 냉각된 터빈 배출 스트림을 형성하도록 전열식 열교환기 내에서 상기 터빈 배출 스트림을 냉각하는 단계;
약 400℃ 아래의 온도 레벨에서 열을 외부 소스로부터 상기 재순환된 CO2 스트림 내로 선택적으로 추가하는 단계;
상기 재순환된 CO2 스트림을 제공하도록 상기 냉각된 터빈 배출 스트림으로부터 응축된 물을 분리하는 단계; 및
상기 재순환된 CO2 스트림을 상기 연소기에 대한 투입을 위해 적합한 압력까지 압축하는 단계를 포함하며,
여기서, 다음 조건들의 하나 또는 그 이상이 적용된다.
탄화수소 또는 탄소질 연료 스트림과 H2 합성 플랜트 반응기로부터 공급되는 증기 스트림의 하나 또는 모두는 상기 터빈 배출 스트림으로부터 전달되는 열을 이용하여 가열되고;
독립 CO2 동력 사이클에서의 상기 전열식 열교환기에 대한 실질적으로 동일한 터빈 유입 온도와 함께 상기 터빈 연소기 연료 유입 흐름 및 터빈 유입 온도는 상기 터빈으로부터의 추가적인 동력의 생산에 더하여 상기 H2 플랜트 합성 반응기들에 대한 탄화수소 또는 탄소질 및 증기 공급들의 예열을 위해 요구되는 열을 제공하도록 증가되며;
약 400℃ 아래의 온도 레벨에서 상기 H2 합성 플랜트로부터의 과잉의 열이 상기 H2 합성 플랜트로부터 상기 재순환된 CO2 스트림으로 전달되고;
주위 온도까지의 냉각 및 액체 물 제거가 수반되어, 하나 또는 그 이상의 CO 촉매 전환 반응기들 내에서의 H2로의 CO의 전환이 후속하여 상기 H2 합성 플랜트 내의 전체 순수하지 않은 H2 생성물 스트림으로부터 수소가 분리되며;
상기 H2 합성 플랜트 내의 H2 분리 후에 남아 있는 폐기 연료 가스는 상기 연소기에 대한 투입을 위해 적합한 압력까지 압축되고;
상기 H2 합성 플랜트 내의 H2 분리는 복수의 스테이지들 내에서 수행되며;
상기 H2 합성 플랜트 내의 H2 분리는 중간 CO2 제거 및 H2로의 촉매 CO 전환 변환을 포함하고;
제2 연소기가 사용되고, 상기 제2 연소기는 탄화수소 또는 탄소질 공급 및 상기 H2 플랜트 합성 반응기들에 대한 증기 공급을 예열하기 위해 요구되는 열의 적어도 일부를 제공하도록 실질적으로 순수한 산소 및 연료 가스에 더하여 상기 터빈 배출의 적어도 일부를 사용하며;
약 400℃ 아래의 온도에서 가열되고 가압된 물 및/또는 증기 스트림이 제공되고, 상기 H2 합성 플랜트로부터의 과잉의 열을 상기 재순환된 CO2 스트림으로 전송하며;
상기 H2 합성 플랜트로부터 생성된 H2는 동력을 생성하기 위한 가스 터빈 내의 연소를 위해 적합한 연료 가스를 생성하도록 N2 및/또는 증기와 결합된다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에 있어서, 본 발명은 특히 통합 동력 생산 및 수소 생산을 위한 시스템을 제공할 수 있으며, 상기 시스템은, 가압된 이산화탄소가 동력 생산을 위해 팽창되는 동력 생산 유닛; 탄화수소 연료가 수소가 분리되는 합성 가스를 생성하도록 부분적으로 산화되는 수소 생산 유닛; 및 상기 동력 생산 유닛 및 상기 수소 생산 유닛 사이에 하나 또는 그 이상의 스트림들의 통과를 위해 구성되는 하나 또는 그 이상의 흐름 구성 요소(flow component)들을 포함한다.
다른 실시예들에 있어서, 통합 동력 생산 및 수소 생산을 위한 전술한 시스템은 임의의 순서나 숫자로 결합될 수 있는 다음의 사항들의 임의의 하나 또는 그 이상과 관련하여 더 정의될 수 있다.
상기 동력 생산 유닛은, 탄화수소 연료 및 산소를 수용하고, 적어도 상기 가압된 이산화탄소를 포함하는 가열된 스트림을 산출하도록 구성되는 연소기; 동력을 생성하고, 팽창된 이산화탄소를 포함하는 가열된 스트림을 형성하도록 상기 연소기로부터 상기 가압된 이산화탄소를 포함하는 가열된 스트림을 수용하고 팽창시키도록 구성되는 터빈; 상기 팽창된 이산화탄소를 포함하는 가열된 스트림을 수용하고, 이산화탄소를 포함하는 냉각된 스트림을 형성하도록 구성되는 전열식 열교환기; 상기 전열식 열교환기로부터 상기 이산화탄소를 포함하는 냉각된 스트림을 수용하고, 상기 이산화탄소의 스트림을 제공하도록 구성되는 분리기; 그리고 상기 분리기로부터 상기 이산화탄소의 스트림을 수용하고, 상기 이산화탄소를 압축하도록 구성되는 압축기를 포함할 수 있다.
상기 수소 생산 유닛은, 산소 및 상기 탄화수소 연료의 일부를 수용하고, 상기 합성 가스를 산출하도록 구성되는 부분 산화 연소기; 상기 부분 산화 연소기와 유체 연통되고, 상기 부분 산화 연소기로부터 상기 합성 가스를 수용하며, 상기 탄화수소 연료의 일부를 수용하도록 구성되는 개질기; 상기 개질기와 유체 연통되는 전환 반응기; 상기 전환 반응기와 유체 연통되는 전환 스트림 열교환기; 상기 전환 스트림 열교환기와 유체 연통되는 분리기; 그리고 상기 분리기와 유체 연통되는 압력 순환 흡착 유닛을 포함할 수 있으며, 여기서 상기 압력 순환 흡착 유닛은 실질적으로 순수한 수소의 스트림을 산출하도록 구성된다.
상기 탄화수소 연료는 상기 전환 스트림 열교환기를 통과하는 탄화수소 연료 라인으로부터 상기 부분 산화 연소기 및 상기 개질기로 제공될 수 있다.
상기 탄화수소 연료 라인은 상기 동력 생산 유닛의 터빈을 나가는 상기 팽창된 이산화탄소를 포함하는 가열된 스트림을 수용하고 냉각시키도록 구성되는 보조 열교환기(supplemental heat exchanger)를 통과할 수 있다.
상기 시스템은 상기 개질기로 물을 통과시키도록 구성되는 물 라인을 더 포함할 수 있다.
상기 물 라인은 상기 전환 스트림 열교환기를 통과할 수 있다.
상기 물 라인은 상기 동력 생산 유닛의 터빈을 나가는 상기 팽창된 이산화탄소를 포함하는 가열된 스트림을 수용하고 냉각시키도록 구성되는 보조 열교환기를 통과할 수 있다.
상기 압력 순환 흡착 유닛은 상기 실질적으로 순수한 수소의 스트림으로부터 분리되는 폐기 스트림을 산출하도록 구성되며, 상기 폐기 스트림은 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 메탄, 아르곤 및 질소의 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다.
상기 동력 생산 유닛 및 상기 수소 생산 유닛 사이의 하나 또는 그 이상의 스트림들의 통과를 위해 구성되는 상기 하나 또는 그 이상의 흐름 구성 요소들은 상기 압력 순환 흡착 유닛으로부터 상기 동력 생산 유닛의 연소기까지 상기 폐기 스트림의 적어도 일부의 통과를 위한 라인을 포함할 수 있다.
상기 동력 생산 유닛은 실질적으로 순수한 이산화탄소의 스트림을 상기 동력 생산 유닛으로부터의 하나 또는 그 이상의 압축된 스트림들에 대해 가열하도록 구성되는 추가 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 추가 열교환기는 상기 수소 생산 유닛으로부터의 스트림에 대해 실질적으로 순수한 이산화탄소의 스트림을 가열하도록 더 구성될 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에 있어서, 본 발명은 특히 복합 동력 생산 및 수소 생산을 위한 방법을 제공할 수 있으며, 상기 방법은, CO2를 포함하는 연소 생성물 스트림을 제공하도록 연소 압력에서 제1 연소기 내에서 재순환된 CO2 스트림의 존재에서 산화제로 제1 탄화수소 연료를 연소시키는 단계; 동력을 생성하고 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림을 형성하도록 터빈에 걸쳐 상기 CO2를 포함하는 연소 생성물 스트림을 팽창시키는 단계; 전열식 열교환기 내에서 상기 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림을 냉각하는 단계; 상기 재순환된 CO2를 포함하는 스트림을 제공하도록 상기 터빈 배출 스트림의 임의의 다른 성분들로부터 CO2를 분리하는 단계; 상기 재순환된 CO2를 포함하는 스트림을 실질적으로 상기 연소 압력까지 압축하는 단계; 상기 재순환된 CO2를 포함하는 가열된 스트림을 제공하도록 상기 전열식 열교환기 내에서 상기 터빈 배출 스트림으로부터 회수되는 열로 상기 압축되고 재순환된 CO2 스트림을 가열하는 단계; 및 상기 재순환된 CO2를 포함하는 가열된 스트림을 상기 제1 연소기로 통과시키는 단계를 구비하는 동력 생산 유닛 내에서 동력 생산을 수행하는 단계를 포함하고, 합성 가스 스트림을 형성하도록 제2 탄화수소 연료의 스트림을 부분 산화 반응기로 통과시키는 단계; 및 실질적으로 순수한 수소의 스트림 및 적어도 일산화탄소를 포함하는 폐기 스트림을 제공하도록 상기 합성 가스를 처리하는 단계를 구비하는 수소 생산 유닛 내에서 수소 생산을 수행하는 단계를 포함한다.
다른 실시예들에 있어서, 상술한 복합 동력 생산 및 수소 생산을 위한 방법은 임의의 순서 및 숫자로 결합될 수 있는 다음의 사항들 중의 임으의 하나 또는 그 이상과 관련하여 더 정의될 수 있다.
상기 방법은 적어도 상기 일산화탄소를 상기 폐기 스트림으로부터 상기 제1 연소기로 통과시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 합성 가스의 처리는 상기 합성 가스를 상기 제2 탄화수소 연료 가스의 스트림 및 가열된 물의 스트림을 수용하도록 구성되는 개질기로 통과시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 부분 산화 반응기를 통과하는 상기 제2 탄화수소 연료의 스트림, 상기 개질기에 의해 수용되는 상기 제2 탄화수소 연료의 스트림 및 상기 개질기에 의해 수용되는 상기 가열된 물의 스트림 중의 하나 또는 그 이상은 상기 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림으로부터 전달되는 열을 이용하여 보조 열교환기 내에서 가열될 수 있다.
상기 합성 가스의 처리는 개질된 합성 가스를 상기 개질기로부터 전환 스트림 열교환기가 수반되는 전환 반응기로 통과시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 탄화수소 연료의 스트림은 상기 전환 스트림 열교환기를 통과하는 탄화수소 연료 라인을 통해 상기 부분 산화 연소기 및 상기 개질기의 하나 또는 모두에 제공될 수 있다.
상기 개질기 내에 수용되는 상기 가열된 물의 스트림은 상기 전환 스트림 열교환기를 통과하는 물 라인을 통해 제공될 수 있다.
상기 방법은 물을 제거하고, 수소 및 불순물들을 포함하는 원료 수소 스트림을 형성하도록 상기 전환 스트림 열교환기를 나가는 스트림을 물 분리기로 통과시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 원료 수소 스트림을 상기 실질적으로 순수한 수소 및 상기 폐기 스트림을 산출하는 압력 순환 흡착 유닛으로 통과시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 폐기 스트림은 상기 동력 생산 유닛의 상기 연소기에 대한 투입을 위해 적합한 압력까지 압축될 수 있으며, 이후에 상기 동력 생산 유닛의 상기 연소기로 통과될 수 있다.
상기 동력 생산 유닛은 상기 재순환된 CO2의 스트림을 상기 동력 생산 유닛으로부터의 하나 또는 그 이상의 압축된 스트림들에 대해 가열하는 추가 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 수소 생산 유닛으로부터의 열이 상기 재순환된 CO2의 스트림으로 전달되도록 상기 수소 생산 유닛으로부터 가열된 스트림을 상기 추가 열교환기로 통과시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 수소 생산 유닛으로부터 상기 재순환된 CO2의 스트림으로 전달되는 상기 열은 약 400℃ 아래의 온도 레벨에 있을 수 있다.
상기 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림의 적어도 일부는 상기 제1 탄화수소 연료가 상기 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림의 적어도 일부에 추가적인 열을 제공하기 위해 연소되도록 상기 제1 탄화수소 연료의 스트림 및 산소와 함께 상기 제2 연소기로 통과될 수 있다.
상기 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림의 적어도 일부로 제공되는 상기 추가적인 열의 적어도 일부는 상기 수소 생산 유닛 내의 하나 또는 그 이상의 스트림들에 제공될 수 있다.
상기 방법은 상기 동력 생산 유닛으로부터 분리되는 가스 터빈 내에서 동력 생산을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 여기서 동력을 생성하도록 상기 실질적으로 순수한 수소의 적어도 일부가 상기 가스 터빈 내에서 연소된다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에 있어서, 본 발명은 동력 생산을 위한 시스템을 더 제공할 수 있으며, 상기 시스템은, CO2의 대기 배출 없이 CO2 동작 유체의 계속적인 압축, 가열, 팽창, 냉각 및 재순환을 위해 구성되는 동력 생산 유닛; 합성 가스 스트림을 형성하도록 구성되는 부분 산화 연소기 및 실질적으로 순수한 수소의 스트림과 폐기 스트림을 형성하기 위해 합성 가스를 처리하도록 구성되는 하나 또는 그 이상의 추가 구성 요소들을 구비하는 수소 생산 유닛; 그리고 상기 수소 생산 유닛으로부터 상기 실질적으로 순수한 수소의 적어도 일부를 수용하고 연소시키도록 구성되는 가스 터빈 복합 사이클 유닛을 포함한다.
앞서 일반적인 용어들로 본 발명을 설명하였지만, 이하에서 반드시 일정한 비율로는 도시되는 않은 첨부된 도면이 참조될 것이며, 첨부된 도면들에 있어서,
도 1은 CO2 동작 유체를 사용하고 극저온 산소 플랜트를 포함하는 동력 생산의 예시적인 시스템 및 방법의 흐름도이고,
도 2는 도 1에 예시한 바와 같은 동력 생산 시스템 및 방법과의 통합을 위한 요소들을 포함하는 수소 생산 설비의 흐름도이며,
도 3은 공기 분리 유닛으로부터의 질소 가스 및 수소 발생 유닛으로부터의 수소 가스가 가스 터빈 복합 사이클 유닛으로 투입되는 복합 시스템을 예시하는 흐름도이다.
이하에서 본 발명의 주제를 그 예시적인 실시예들을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이들 예시적인 실시예들은 본 발명이 철저하고 완전해지며, 해당 기술 분야의 숙련자에게 본 발명의 주제의 범주를 완전히 전달하기 위해 제공된다. 실질적으로, 본 발명의 주제는 많은 다른 형태들로 구현될 수 있으며, 여기에 설시되는 실시예들에 한정되는 것으로 간주되지는 않아야 할 것이다. 오히려, 이들 실시예들은 본 발명이 법률적인 요구사항들을 충족시킬 수 있도록 제공되는 것이다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용되는 바에 있어서, "일", "한", "하나" 등의 단수 표현은 본문에 명백하게 다르게 기재되지 않는 한 복수의 대상들을 포함한다.
본 발명은 동력 생산 및 수소 생산이 동시에 구현되는 시스템들과 방법들을 제공한다. 이전에 동력 및 수소의 동시 생산을 위한 노력들이 시도되었으며, 이러한 이전의 노력들로부터 하나 또는 그 이상의 요소들은 본 발명에서 개시되는 시스템들 및 방법들에 통합될 수 있다. 예를 들면, Allam 등에게 허여된 미국 특허 제6,534,551호에는 1) 스트림 및/또는 산소로의 탄화수소 연료 가스 반응; 및 2) 연료 가스가 연소기 생성물들과 연소되어 팽창 일에 의해 동력을 생성하고, 팽창된 연소 생성물 가스가 수소 합성 반응들에 사용되는 증기를 과열시키는 데 사용되며, 산소 생산 유닛이 상기 연소 생성물 가스의 팽창에 의해 생성되는 동력의 적어도 일부에 의해 구동되는 압축된 산화제 가스를 사용한 동력 시스템의 결합이 기재되어 있다. Allam 등에게 허여된 미국 특허 제6,534,551호의 개시 사항은 여기에 참조로 포함된다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에 있어서, 본 발명의 시스템들과 방법들은 유리하게는 실질적으로 모든 생성된 탄소, 특히 실질적으로 모든 생성되는 CO2의 포집과 함께 동력 생산과 결합된 수소 생산을 제공할 수 있다. 상기 결합은 수소 및 동력의 동시 생산을 구현하기에 적합한 요소들의 결합을 구비하는 단일 시스템이 될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 수소 생산 시스템 또는 유닛은 상기 두 시스템들 또는 유닛들이 단일의 통합 시스템으로 기능하도록 요소들의 적절한 교차 배열을 구비하는 동력 생산 시스템 또는 유닛으로 병렬로 동작될 수 있다. 본 발명은 이에 따라 수소 플랜트로 언급될 수 있으며, 이러한 수소 플랜트가 여기서 활용되는 수소 생산 시스템 또는 유닛을 형성하기에 필수적인 요소들의 결합을 언급하는 점이 이해될 것이다.
본 발명에 따른 유용한 동력 생산 사이클은 임의의 시스템 및 임의의 방법을 포함할 수 있으며, 여기서 CO2(특히 초임계의 CO2-또는 sCO2)가 동작 스트림(work stream)에 사용된다. 제한적이지 않은 예로서, 여기에 참조로 포함되는 Allam 등에게 허여된 미국 특허 제8,596,075호에는 재순환 CO2 스트림이 직접 가열되고 동력 생산에 사용되는 시스템 및 방법이 기재되어 있다. 상세하게는, 상기 재순환 CO2 스트림은 고온 및 고압에서 제공되고, 탄소질 연료가 산소 내에서 연소되는 연소기로 제공되며, 동력을 생성하도록 터빈에 걸쳐 팽창되고, 열교환기 내에서 냉각되며, 물 및 임의의 다른 불순물들을 제거하도록 정제되고, 가압되며, 터빈 배출로부터 취해지는 열을 이용하여 재가열되고, 상기 사이클을 반복하도록 상기 연소기로 다시 통과된다. 이러한 시스템과 방법은 모든 연료 및 연소 유래 불순물들, 과잉의 CO2 및 물이 가스 상태 또는 초임계의 유체, 액체 또는 고체(예를 들어, 애쉬(ash))로서 제거되며, 임의의 스트림들의 대기 방출이 사실상 영(zero)인 점에서 유리하다. 상기 시스템과 방법은, 예를 들면, 재순환 CO2 스트림이 다시 가압된 후 및 연소(즉, 터빈 배출 스트림으로부터의 회수되는 열 이외에 상기 재순환 CO2 스트림에 추가되는 낮은 온도 레벨의 열) 전에 낮은 온도 레벨(즉, 500℃ 이하)의 열 투입의 이용을 통해 높은 효율을 구현한다. 여기서와 참조로 포함되는 문헌들에서 동력 생산 사이클에 대한 언급이 CO2 동작 유체(working fluid)를 사용하는 동력 생산 사이클과 여기에 설명되는 요소들 및 방법 단계들의 결합을 나타내는 점이 이해될 것이다.
본 발명에 따라 유용한 동력 생산 사이클은 전술한 경우 보다 많은 단계들이나 적은 단계들을 포함할 수 있고, 대체로 임의의 사이클을 포함할 수 있으며, 여기서 고압의 재순환 CO2 스트림은 동력 생산을 위해 팽창되고, 추가 동력 생산을 위해 다시 재순환된다. 여기에 사용되는 바에 있어서, 고압의 재순환 CO2 스트림은 적어도 100bar(10MPa), 적어도 200bar(20MPa), 또는 적어도 300bar(30MPa)의 압력을 가질 수 있다. 모든 예들에서, 압력에 대한 상한은 본 발명에 따른 시스템 및/또는 방법의 구현의 시점에서의 이용 가능한 장비의 한계들로 나타내어질 수 있다. 고압의 재순환 CO2 스트림은, 일부 실시예들에서, 약 100bar(10MPa) 내지 약 500bar(50MPa), 약 150bar 내지 약 450bar(45MPa), 또는 약 200bar(20MPa) 내지 약 400bar(40MPa)의 압력을 가질 수 있다. 여기서 고압의 재순환 CO2 스트림에 대한 언급은 이에 따라 앞서의 범위들 내의 압력에 있는 CO2 스트림이 될 수 있다. 이러한 압력들은 또한 CO2를 포함하는 고압의 동작 스트림과 같이 여기에 설명되는 다른 고압의 스트림들에 대한 언급에 적용될 수 있다. 연소는 약 400℃ 또는 그 이상, 약 500℃ 또는 그 이상, 약 600℃ 또는 그 이상, 약 800℃ 또는 그 이상, 혹은 약 1000℃ 또는 그 이상의 온도에서 수행될 수 있다. 모든 예들에서, 온도에 대한 상한은 본 발명에 따른 시스템 및/또는 방법의 구현의 시점에서의 이용 가능한 장비의 한계들로 나타내어질 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 재순환 CO2와의 혼합이 수반되는 제1 연소기 유출 온도는 약 400℃ 내지 약 1,500℃, 약 500℃ 내지 약 1200℃, 또는 약 600℃ 내지 약 1000℃가 될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상술한 바와 같은 수소 생산 설비와 동력 생산 사이클의 통합은 동력 생산의 효율을 증가시키기 위해 상기 수소 플랜트에 의해 생성되는 과잉의 낮은 온도 레벨의 열을 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 터빈 배출 스트림 내의 증기 및 탄화수소 공급의 과열은 상기 동력 생산 시스템 및 방법에서 터빈 동력 출력의 증가와 함께 수행될 수 있다. 또한, 상기 수소 플랜트는 상기 수소 플랜트 또는 시스템 내로의 탄화수소 연료 공급 내의 존재하는 탄소로부터 유래되는 상기 CO2의 실질적으로 모두가 포집되고, 선택적으로 상기 동력 생산 사이클 플랜트 또는 시스템으로부터 포집되는 CO2와 결합되도록 상기 동력 생산 사이클과 통합될 수 있다. 상기 통합 시스템은 대기로의 제로의 방출로 상기 동력 및 H2 플랜트들 모두로부터 생성되는 CO2의 100%까지를 포집한다.
본 발명에 따라 사용되기 위한 수소 생산 플랜트는 종래 기술의 수소 생산 플랜트들에서 적합한 것으로 알려진 임의의 다양한 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 수소 생산 플랜트는 산소로의 탄화수소의 부분 산화를 이용하고, 선택적으로는 증기의 추가적인 이용으로 탄화수소 공급을 CO＋H2 가스로 전환시키는 제1 스테이지 반응기를 구비하는 2 스테이지 반응기 시스템을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 이러한 순소한 산소로의 천연 가스 공급의 부분 산화(POX)는 약 30bar 내지 약 150bar의 통상의 압력에서 약 1300℃ 내지 약 1500℃의 유출 온도로 수행될 수 있다. 자체 가열식 개질기(auto-thermal reformer: ATR)는 고온의 가스들이 이후에 촉매의 층을 통과할 수 있도록 상기 부분 산화 연소 후에 증기 및 과잉의 탄화수소, 대체로 천연 가스를 추가할 수 있으며, 여기서 후속되는 증기-탄화수소 개질 반응들이 일어나 추가적인 H2＋CO를 산출하고, 가스 혼합물을 약 30bar 내지 약 150bar의 압력에서 약 1000℃ 내지 약 1100℃의 유출 온도로 냉각시킨다. 제2 스테이지 반응기는 양 반응기들로부터의 전체 H2＋CO 가스 생성물(예를 들어, 약 1000℃ 또는 그 이상의 온도에 있는)이 튜브들 내의 촉매로 대류 가열된 쉘 측부 흐름 내에서 상기 개질 반응들의 흡열 열을 제공하는 데 사용되는 증기/탄화수소 촉매 개질기를 포함한다. 선택적으로 상기 두 개의 반응기들은 직렬 또는 병렬 모드로 동작할 수 있다. 바람직한 구성은 용기의 상부에서 단일 튜브 시트에 걸리는 촉매 충진 개방 단부 튜브들을 구비하는 수직 가스 가열식 개질기(vertical gas heated reformer: GHR)를 사용하며, 상기 생성물 H2＋CO는 상기 개질기 튜브들을 나가고, POX 반응기 또는 상기 GHR의 베이스 내의 ATR로부터의 생성물 가스와 혼합되며, 상기 전체 생성물 H2＋CO 스트림은 상기 쉘 측부를 통과하고 통상적으로 약 1050℃로부터 550℃ 내지 800℃까지 냉각된다.
상기 두 개의 반응기 구성의 이점은 탄화수소 공급으로부터의 H2＋CO의 생산이 최대화되고, 상기 반응들에서 형성되는 모든 CO2가 상기 고압 시스템 내에 포함되는 점이다. 상기 생성물 CO＋H2 가스는 증기를 발생시키는 폐열 보일러(waste heat boiler: WHB) 내에서 더 냉각되며, 추가적인 이점은 단지 이러한 증기량이 작은 과잉의 흐름만으로 상기 두 H2＋CO 반응기들에 대한 요구되는 증기를 제공하기에 충분하다는 점이다. 상기 시스템은 대규모의 부산물 증기 생산을 갖지 않는다.
수소를 발생시키기 위해, 약 240℃ 내지 약 290℃의 통상적인 온도에서 상기 WHB를 나가고 통상적으로 약 20% 내지 약 40%(몰)의 증기를 함유하는 H2＋CO 생성물은 하나 또는 그 이상의 촉매 전환 변환기(catalytic shift converter)들로 통과되며, 여기서 CO가 CO2 및 추가적인 H2를 생성하도록 증기와 접촉된다. 전체 H2 생산 프로세스 순서에 대한 반응들을 다음에 나타낸다(탄화수소로서 CH4를 사용함).
CH4＋½O2 → CO＋2H2 부분 산화
CH4＋2O2 → CO2＋2H2O 열 생성
CH4＋H2O → CO＋3H2 개질
CH4＋CO2 → 2CO＋2H2 개질
CO＋H2O → CO2＋H2 CO 전환
상기 CO 전환 반응기들을 통과하는 전체 CO＋H2 생성물은 냉각되고, 상기 가스가 냉각되고 증기가 응축되면서 상당한 양의 열이 대체로 약 290℃ 또는 그 이하의 온도 레벨로 방출된다. 이러한 열은 단일 온도 레벨이 아니라 주위 온도 부근까지의 하향 온도 범위에 걸쳐 방출된다. 이러한 열 방출의 일부는 보일러 공급수를 예열하는 데 사용될 수 있지만, 낮은 온도 레벨에 있고 온도 범위 이상에서만 이용 가능한 크게 과도한 양이 존재한다.
상기 두 개의 반응기들 내의 H2＋CO 발생의 효율은 상기 탄화수소 및 증기 공급들을 통상적으로 약 400℃ 내지 약 550℃이고, 바람직하게는 약 500℃ 내지 약 550℃로 예열함에 의해 상당히 증가될 수 있다. 이는 바람직하게는 상기 H2＋CO 발생 반응기에 더하여 WHB 내에서 사용 가능한 이들 온도 레벨들에 있는 과잉의 열이 존재하지 않기 때문에 외부의 열원을 이용하여 수행된다.
냉각된 H2가 풍부한 가스 스트림은 다음에 냉각기(예를 들어, 주이 냉각기)로 통과되며, 여기서 응축된 물이 제거된다. 상기 가스 스트림은 이후에 분리기로 통과되며, 여기서 실질적으로 순수한 수소가 분리될 수 있다. 예를 들면, 상기 가스 스트림은 통상적으로 약 10ppm 내지 약 50ppm의 전체 불순물들을 가지며, 통상적으로 약 1bar 내지 약 2bar의 생성물 H2에 대한 공급으로부터 압력의 강하를 갖는 순수한 스트림으로서 통상적으로 약 85% 내지 약 90%(몰)의 상기 수소를 분리하는 종래의 다층 압력 순환 흡착기(pressure swing adsorber)를 통과할 수 있다. 원료 H2 공급 스트림 내의 모든 불순물들은 폐기 연료 가스 스트림으로 분리되며, 폐기 스트림은 H2, CO, CO2, CH4, N2, 아르곤 등과 같은 원소들의 임의의 결합과 작은 양의 증기 상의 H2O를 포함할 수 있다. 상기 압력은 통상적으로 약 1.1bar 내지 약 1.5bar이다. 이러한 폐기 가스는 통상적으로 전체 탄화수소 반응기 탄화수소 공급 저위 발열량(LHV)의 약 20%를 가지므로, 이의 효율적인 이용은 H2 생산의 전체적인 경제 측면에서 유리하다. 상기 폐기 가스는 CO2＋CO로서 전체 탄화수소 공급으로부터의 모든 탄소를 함유하며, 높은 압력의 파이프라인에서 순수한 CO2로서 이러한 탄소의 회수도 마찬가지로 기후 변화 배출 목표를 충족시키는 데 유리하다.
고압의 2 반응기 수소 발생 시스템과 CO2 동작 스트림을 이용하는 동력 생산 사이클의 통합은 다양한 이점들을 구현할 수 있다. 상기 동력 생산 사이클로부터의 터빈 배출은 통상적으로 약 700℃ 내지 약 800℃의 범위에 있다. 상기 두 개의 반응기들에 대한 증기 및 탄화수소 공급들은 별도의 열교환기 내의 터빈 배출 흐름의 일부를 활용하여 약 500℃ 내지 약 550℃의 범위로 예열될 수 있다. 이는 단순히 요구되는 여분의 열을 제공하기 위해 터빈 연소기 내에서 연소되는 연료의 증가만을 요구한다. 이는 상기 터빈 유입 온도 및 유량을 증가시키며, 상기 터빈으로부터 상당한 추가적인 동력 출력을 제공한다. 상기 증기 및 탄화수소 또는 탄소질 연료는 약 400℃ 내지 약 550℃의 통상적인 온도로 가열될 수 있는 반면, 터빈 배출은 전열식 열교환기(recuperative heat exchanger)로 들어가기 전에 약 700℃ 내지 약 800℃의 통상적인 온도로 냉각될 수 있다.
선택적인 장치로서, 제2 연소기가 상기 2 스테이지 반응기 시스템 내의 합성 가스의 발생을 위해 요구되는 연료와 증기를 예열하기 위하여 요구되는 열을 전달하도록 상기 터빈 배출 스트림의 적어도 일부를 예열하기 위해 제공될 수 있다. 하나의 연소기 장치는 상기 연료를 연소시키기 위해 20몰% 내지 30몰%의 O2를 함유하는 산화제를 생성하도록 CO2로 희석된 실질적으로 순수한 O2를 포함하는 산화제를 사용한다. 제2 연소기 장치는 예열된 저압의 공기 스트림으로부터 유래되는 실질적으로 순수한 O2를 H2 플랜트 예열 의무를 위해 요구됨에 따라 온도가 증가되도록 상기 연료의 조절된 부분이 추가되었던 상기 터빈 배출의 적어도 일부 내로 확산시키는 O2 이온 수송 멤브레인 반응기를 이용한다.
상기 PSA로부터의 폐기 가스는 통상적으로 약 200bar 내지 약 400bar까지 압축될 수 있고, 상기 공급 탄화수소와 혼합될 수 있으며, 상기 동력 생산 사이클에서 연료 가스로 매우 효율적으로 사용될 수 있다. 추가적인 이점은 상기 탄화수소 반응기 공급으로부터의 탄소가 상기 동력 생산 사이클 시스템 내에서 CO2로 포집될 수 있는 점이다. 다른 이점은 여분의 터빈 동력을 증가시키는 통상적으로 약 50% 내지 약 70%(몰)의 높은 CO＋CO2 함량으로 인한 상기 폐기 가스의 큰 질량 유량이다. 선택적으로는, 상기 PSA로부터의 폐기 가스는 상기 제1 PSA의 유입 압력까지 압축될 수 있고, 상기 CO2는 많은 알려진 프로세스들 중의 하나로 제거될 수 있으며, CO2가 크게 감소된 가스 스트림은 상기 전체 H2 생성물 스트림에 첨가되는 보다 많은 H2를 분리하도록 제2 PSA로 전송될 수 있다. 선택적으로, 상기 폐기 가스는 이코노마이저 열교환기(economizer heat exchanger) 내에서 예열될 수 있고, 증기가 추가될 수 있으며, 보다 많은 H2가 추가적인 촉매 CO 전환 반응기 내에 생성될 수 있다. 상기 가스는 이후에 상기 제2 PSA 내에서 보다 많은 H2를 분리하도록 처리되기 전에 상기 이코노마이저 열교환기 내에서 냉각될 수 있다.
상기 냉각 H2＋CO 스트림으로부터 이용 가능한 상당한 양의 낮은 등급의 열은 이상적으로는 상기 터빈 배출로부터의 회수된 열을 증가시키고 이에 따라 높은 효율을 구현하기 위해 동력 생산 사이클에 추가될 수 있는 낮은 온도 레벨의 열을 제공하기에 적합하다. 상세하게는, 상기 H2＋CO 스트림으로부터의 "낮은 등급"의 열은 약 200℃ 내지 약 400℃, 약 220℃ 내지 약 350℃ 및 특히 약 240℃ 내지 약 290℃의 온도 레벨에 있을 수 있다. H2 산출에 따라, 이는 상기 동력 생산 사이클 내에 상당한 기생 동력 감소를 갖는 단열 유닛 보다는 종래의 중간 냉각 압축기가 되는 상기 동력 생산 사이클 산소 플랜트의 주요 공기 압축기의 결과가 될 수 있다. 이는 또한 추가적인 기생 동력 감소를 갖는 고온의 CO2 압축기 흐름을 저하시키는 결과가 될 수 있다. 전술한 온도 범위(및 주위 온도까지 아래로)의 이러한 과잉의 열의 유용성은 유사한 온도 범위에 걸쳐 고압의 재순환 CO2의 사이드 스트림(side stream)의 가열에 적합하다. 정의되는 통합 시스템은 종래의 극저온 산소 생산에 더하여 산소 연료 연소기를 사용하는 동력 생산 사이클 시스템들이나 산소 이온 연소기들을 사용하는 시스템들에 동등하게 적용 가능하다.
본 발명에 따른 통합 동력 생산 및 수소 생산을 다양한 도면들과 관련하여 설명한다. 특히, 도 1은 극저온 산소 플랜트를 구비하고, 천연 가스 연료를 사용하는 동력 생산 사이클 시스템을 예시한다. 비록 시스템이 다음에서 예시적인 실시예에 대응되는 동작 파라미터들과 관련하여 설명되더라도, 상기 동력 생산 사이클이 여기서 다르게 정의될 수 있는 점이 이해될 것이다. 또한, 상기 동력 생산 사이클은 그 개시 사항들이 여기에 참조로 포함되는 Palmer 등에게 허여된 미국 특허 제9,068,743호, Allam 등에게 허여된 미국 특허 제9,062,608호, Palmer 등에게 허여된 미국 특허 제8,986,002호, Allam 등에게 허여된 미국 특허 제8,959,887호, Palmer 등에게 허여된 미국 특허 제8,869,889호, Allam 등에게 허여된 미국 특허 제8,776,532호, 그리고 Allam 등에게 허여된 미국 특허 제8,596,075호에 다르게 기재된 바와 같이 요소들 및/또는 동작 파라미터들을 포함할 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에 있어서, 본 발명에 따른 동력 생산 사이클은 CO2를 포함하는 동작 유체가 적어도 압축, 가열, 팽창 및 냉각의 스테이지들을 통해 반복하여 순환되도록 구성될 수 있다. 비록 일부 실시예들에서 초임계 및 액체 및/또는 기체 상태들 사이에서 전이될 수 있지만, 상기 CO2는 특히 이들 단계들의 적어도 일부를 통해 초임계가 될 수 있다. 다양한 실시예들에 있어서, 효율이 향상될 수 있는 동력 생산 사이클은 다음의 단계들의 결합들을 포함할 수 있다.
● 적어도 약 500℃ 또는 적어도 약 700℃(예를 들어, 약 500℃ 내지 약 2000℃ 또는 약 600℃ 내지 약 1500℃)의 온도 및 적어도 약 100bar(10MPa) 또는 적어도 약 200bar(20MPa)(예를 들어, 약 100bar(10MPa) 내지 약 500bar(50MPa) 또는 약 150bar(15MPa) 내지 약 400bar(40MPa))의 압력에서 연소 생성물 스트림을 제공하기 위해 재순환된 CO2 스트림의 존재에서 산화제로 탄소질 연료를 연소시키는 단계;
● 동력 생산을 위해 터빈에 걸친 고압의 재순환된 CO2 스트림(예를 들어, 전술한 바와 같은 압력에 있는)을 팽창시키는 단계;
● 전열식 열교환기 내에서 고온의 재순환된 CO2 스트림(예를 들어, 전술한 바와 같은 압력에 있는), 특히 터빈 배출 스트림을 냉각하는 단계;
● 전열식 열교환기 내 및 주위 냉각기 내에서 하나 또는 그 이상의 연소 생성물들(예를 들어, 물)을 응축하는 단계, 상기 연소 생성물들은 특히 팽창되고 냉각되었던 연소 생성물 스트림 내에 존재함;
● 재순환된 CO2 스트림을 형성하기 위해 CO2로부터 물 및/또는 다른 물질들을 분리하는 단계;
● 스트림 밀도를 증가시키도록 선택적으로 다중의 스테이지들 내에서 수행되는 재순환된 CO2 스트림을 높은 압력(예를 들어, 전술한 바와 같은 압력)까지 압축하는 단계;
● 전열식 열교환기 내에서 압축되고 재순환된 CO2 스트림을 가열하는 단계, 특히 냉각 터빈 배출 스트림에 대해 가열하는 단계; 및
● 상기 냉각 터빈 배출 스트림으로부터 회수되는 열 이외에 상기 재순환된 CO2 스트림에 선택적으로 열을 추가하는 단계, 상기 열은 여기에 설명되는 바와 같은 수소 생산 시스템 또는 유닛으로부터 취해지는 저급의 열과 같은 다른 소스로부터 유래됨.
도 1을 보다 상세하게 참조하면, 수소 생산 유닛과의 결합을 위해 적합한 동력 생산 유닛이 예시된다. 동력 생산 유닛이 함께 동작될 때, 동력 생산을 위해 효과적인 개개의 구성 요소들의 결합을 포괄하도록 의도되며, 이와 같이 동력 생산 시스템과 동일한 의미를 가지도록 의도되는 점이 이해될 것이다. 마찬가지로, 수소 생산 유닛이 함께 동작될 때, 수소 생산을 위해 효과적인 개개의 구성 요소들의 결합을 포괄하도록 의도되며, 이와 같이 수소 생산 시스템과 동일한 의미를 가지도록 의도되는 점이 이해될 것이다. 비록 예시된 동력 생산 유닛이 특정 동작 파라미터들과 관련하여 설명되지만, 상기 동력 생산 유닛이 여기서의 전체적인 개시 사항들에 부합되는 파라미터들의 범위에 걸쳐 동작될 수 있는 점이 이해될 것이다. 도 1에 예시된 동력 생산 유닛에서, 열교환기(101) 내에서 715℃로 가열된 304bar의 CO2 스트림(107)이 연소기(102)로 들어가며, 여기서 전기 모터(106)에 의해 구동되는 압축기(105) 내에서 305bar(251℃)로 압축된 메탄 스트림(112)으로부터 유래되는 연소 생성물들과 혼합되어, 약 25몰%의 산소 및 약 75몰%의 CO2의 조성을 가지고, 열교환기(101) 내에서 715℃로 가열된 산화제 스트림(108) 내에서 연소된다. 결과적인 혼합된 스트림(110)은 1150℃ 및 300bar에서 터빈(103)으로 들어가고, 30bar 및 725℃로 팽창되어, 스트림(109)으로서 나가며, 발전기(104) 내에서 동력을 발생시킨다. 상기 30bar의 스트림은 상기 열교환기(101) 내에서 냉각되고, 열을 상기 고압의 CO2 스트림에 전달하며, 스트림(113)으로서 65℃에서 나간다. 이는 충진된 섹션(114) 및 펌프(116)를 포함하는 순환수 섹션을 가지는 직접 접촉식 수냉식 냉각기(115) 및 물 흐름들(119, 120, 121)을 상기 충진 섹션의 상부로 향하게 하는 간접 수냉식 열교환기(117) 내에서 더 냉각된다. CH4 연소로부터 생성되는 과잉의 액상 물인 스트림(118)은 수냉식 냉각기(115)의 베이스로부터 제거된다. 상기 냉각기(115)의 상부를 떠나는 실질적으로 순수한 CO2의 스트림(122)은 다중의 스트림들로 분리된다. 상기 실질적으로 순수한 CO2 스트림(122)의 제1 부분(123)은 이송이나 다른 용도를 위해 송출되는 순(net) CO2 생성물 스트림(161) 및 희석제 스트림(163)으로 나누어진다. 바람직한 실시예들에 있어서, 희석제 스트림(163)은 25%(몰)의 산소를 포함하는 상기 연소기 산화제 스트림(151)을 형성하도록 29bar의 연소기 산소 흐름(150)과 혼합된다. 상기 냉각되고 실질적으로 순수한 CO2의 나머지 부분(124)은 2 스테이지의 중간 냉각 CO2 압축기(제1 압축기 스테이지(159), 중간 냉각기(160) 및 제2 압축기 스테이지(125)를 구비하는)로 들어가며, 여기서 67.5bar까지 압축되어, 스트림(162)으로서 나간다. 상기 냉각기(115)를 나가는 CO2 스트림은 3mol% 이하, 2mol% 이하, 1mol% 이하, 0.5mol% 이하, 0.1mol% 이하, 또는 0.01mol% 이하의 불순물들을 포함하는 점에서 실질적으로 순수하다.
상기 동력 생산 사이클은 400℃ 아래의 온도의 고압의 CO2 스트림에 제공되는 상당한 양의 추가적으로 발생되는 열을 요구한다. 이러한 예시된 실시예에 있어서, 상기 열은 압축열을 제공하는 두 소스들로부터 유래된다. 제1 소스는 전기 모터(141)에 의해 구동되어 공기 스트림(139)을 압축하는 공기 압축기(140)로부터의 5.6bar 및 226℃의 단열적으로 압축된 극저온 산소 플랜트 공급 공기 스트림(142)이다. 제2 소스는 135℃의 온도에서 열교환기(101)로부터 취해지는 29.3bar의 CO2의 스트림(135)이며, 226℃에서 스트림(137)을 생성하도록 압축기(136) 내에서 단열 압축된다. 이들 두 스트림들은 추가 열교환기(134)로 통과되며, 여기서 이들은 다단 펌프(129)로부터 직접 취해지는 배출 스트림(130)으로부터 분리되는 304bar의 CO2 스트림(131)에 추가적인 열을 제공한다. 상기 추가 열교환기(134)로부터의 추가적인 열은 상기 CO2의 온도를 스트림(131) 내에서 50℃로부터 스트림(133) 내에서 221℃까지 상승시킨다. 상기 냉각된 CO2 스트림(138) 및 상기 CO2 재순환 압축기 배출 스트림(162)은 19.7℃에서 CO2 재순환 스트림(128)을 생성하기 위해 상기 냉각수 열교환기(126) 내에서 냉각되는 전체 CO2 스트림(127)을 형성하도록 결합된다. 이러한 고밀도의 CO2 액체의 스트림은 다단 펌프(129) 내에서 305bar까지 압축된다. 50℃의 상기 배출 스트림(130)은 상기 전열식 열교환기(101)로 들어가는 주요 부분(132) 및 열교환기(134) 내에서 상기 냉각 단열 압축된 스트림들(137, 142)에 대해 221℃까지 가열되어 전술한 바와 같은 스트림(133)을 생성하는 미소 스트림(131)으로 나누어진다. 상기 스트림(133)은 상기 열교환기(101) 내의 고압의 CO2 흐름의 주요 부분(132)에 다시 합류된다. 이러한 방식으로, 높은 레벨의 동작 효율을 구현하기 위해 추가적인 가열이 상기 재순환된 CO2 스트림(즉, 상기 터빈 배출 스트림(109)으로부터 회수된 열 이외에)에 제공된다. 사이드 스트림(179)은 상기 고압의 CO2 스트림의 주요 부분(132)으로부터 취해질 수 있으며, 터빈 날개 냉각 스트림으로서 상기 터빈(103)으로 향할 수 있다.
56℃의 상기 냉각된 공기 스트림(143)은 상기 극저온 공기 분리 시스템으로 들어간다. 이는 직접 접촉식 공기 냉각기, 수냉식 냉각기 및 5.6bar 및 12℃에서 공기의 건조 CO2 자유 스트림을 전달하는 전환 이중층 열 재생 흡착 유닛(switching duel bed thermally regenerated adsorption unit)을 구비하는 공기 정화 유닛(144)을 포함한다. 이러한 공기(스트림(145))의 일부는 전기 모터(178)에 의해 구동되는 압축기(146) 내에서 70bar까지 압축되며, 공기 스트림들(148, 147)은 펌프 액체 산소 사이클 공기 분리 극저온 시스템(149)으로 들어간다. 공기 분리기로부터의 생성물들은 폐기 질소 스트림(160) 및 상기 산화제 스트림(151)을 생성하도록 상기 CO2 스트림(상기 희석제 스트림(163))의 냉각된 부분과 혼합되어 상기 직접 접촉식 CO2 냉각기(115)를 나가는 30bar의 생성물 산소 스트림(150)이다. 이는 CO2/O2 압축 트레인(compression train) 내에서 304bar로 압축된다. 상세하게는, 상기 산화제 스트림(151)은 전기 모터(153)에 의해 구동되는 압축기(152) 내에서 압축되어 중간 냉각기(154) 내에서 냉각되는 스트림(155)으로 나가며, 펌프(157) 내에서 더 압축되는 스트림(156)으로 나간다. 결과적인 압축된 산화제 스트림(158)은 열교환기(101) 내에서 715℃로 가열되어 상기 연소기(102)로 들어가도록 스트림(108)으로 나간다.
상기 동력 생산 사이클은 산소를 생성하기 위해 별도의 극저온 공기 분리기 플랜트를 필요로 한다. 이는 대체로 별도의 O2/CO2 압축기 트레인이나 선택적으로는 상당히 높은 동력 소모를 갖는 보다 복잡한 극저온 공기 분리 플랜트를 수반하는 CO2로 희석되고 통상적으로 700℃ 이상으로 예열된 약 20몰% 내지 약 30몰%의 조절된 농도로 상기 연소기로 전달되어야 한다. 상기 CH4 연료(111)는 상술한 바와 같이 고압의 압축기(105) 내에서 305bar까지 압축된다.
상기 수소 플랜트와 상기 동력 생산 사이클 시스템(예시한 실시예에서 천연 가스가 연료로 공급되는)의 통합이 도 2에 도시된다. 상기 시스템은 모두 85bar의 압력에 있는 270℃의 99.5%의 순수한 O2의 공급 스트림(221) 및 500℃의 천연 가스 스트림(246)을 구비하는 부분 산화(POX) 반응기(201)를 가진다. 상기 POX 반응기(201)는 가스 가열식 개질기 반응기(reformer reactor)(202)의 베이스(203)로 들어가는 1446℃의 생성물 H2＋CO 스트림(222)(선택적으로 포화된 증기 스트림(223)의 첨가에 의해 1350℃까지 급랭되거나 냉각될 수 있다)을 제공한다. 상기 생성물 H2＋CO 스트림(222)은 개질된 H2＋CO 생성물 스트림과 혼합되어 각각의 개방 단부의 촉매 충진 튜브들(204)을 나가며, 전체 생성물 CO＋H2 스트림은 쉘 측부를 상방으로 통과하여, 흡열 개질 반응을 위한 열을 제공하고 600℃의 스트림(224)으로 나간다. 상기 튜브들은 동작 온도들에서 자유롭게 하방으로 팽창하며, 고온 단부에서의 압력 차이 및 이에 따른 상기 튜브 벽들 내의 스트레스들은 무시할 수 있다. 상기 튜브들에 더하여 노출된 금속 부품들은 부다 반응(Boudouard reaction) 증착 탄소에 의해 야기되는 금속 더스팅(dusting) 부식에 저항성이 있는 인코넬®(INCONEL®) 693과 같은 합금으로 제조된다. 또한, 상기 금속 표면들은 알루미나로의 코팅에 의해 더 보호될 수 있다.
스트림(224)은 폐열 보일러(236)로의 통과에 의해 냉각되며, 320℃의 생성물 가스 스트림(254)으로 나간다. 상기 생성물 가스 스트림(254)은 직렬의 두 개의 촉매 충진 CO 전환 반응기(shift reactor)들(207, 208)을 통과한다. 상기 유출 스트림들(226, 228)은 전환 스트림 열 회수 열교환기들(209, 210)로 들어가며, 여기서 열이 보일러 공급수 예열 및 천연 가스 스트림 예열을 위해 사용된다. 상세하게는, CO 전환 반응기(207)를 나가는 스트림(226)은 전환 스트림 열교환기(209)를 통과하여 CO 전환 반응기(208)로 들어가도록 스트림(227)으로 나간다. 상기 CO 전환 반응기(208)를 나가는 스트림(228)은 스트림(229)으로 나가도록 수냉식 냉각기(235)를 통과하기 전에 전환 스트림 열교환기(210)를 통과한다. 보일러 공급수 스트림들(256, 257)은 가열된 물 스트림(258)을 제공하도록 전환 스트림 열교환기들(210, 209) 내에서 각기 가열된다. 천연 가스 스트림들(241, 242)은 290℃의 천연 가스 스트림(243)을 제공하도록 각기 상기 전환 스트림 열교환기들(210, 209) 내에서 가열된다. 상기 보일러 공급수 스트림(258)은 폐열 보일러 공급 스트림(260) 및 상기 열교환기(134)(도 1 참조) 내에서 60℃까지 냉각되어 상기 동력 생산 사이클의 재순환 고압의 CO2 스트림(131 내지 133)(도 1에 도시됨)의 일부에 그 열을 방출하는 290℃의 큰 과잉의 스트림(259)으로 나누어진다.
열교환기(210)를 나가는 원료 H2 스트림(271)(수증기 및 미소량의 CO, CH4, N2 및 Ar과 함께 탄화수소 또는 탄소질 연료 공급 내의 탄소의 연소로부터 유래되는 실질적으로 모든 CO2를 함유한다)은 수냉식 냉각기(235) 내에서 주위 온도까지 냉각된다. 응축된 물은 분리기(212) 내에서 스트림(229)으로부터 분리된다. 상기 분리기(212)를 나가는 물 스트림(262) 및 상기 열교환기(134)를 나가는 냉각된 물 스트림(253)은 정제된 물(255) 및 과잉의 물 스트림(261)을 생성하는 수처리 유닛(214)으로 들어간다. 상기 정제된 물(255)은 상기 보일러 공급수 스트림으로 작용하며, 펌프(213) 내에서 약 87bar의 압력으로 펌핑된다. 상기 펌프(213)를 나가는 가압된 보일러 공급수 스트림(256)은 상기 열교환기(210)로 들어간다.
상기 폐열 보일러 공급 스트림(260)은 상기 폐열 보일러(236) 내에서 가열되어 증기 스트림(250) 및 급랭 스트림(223)으로 분리되는 포화된 증기 스트림(249)으로 나간다. 모두 290℃에 있는 상기 포화된 증기 스트림(250) 및 상기 예열된 천연 가스 스트림(243)은 보조 열교환기(supplemental heat exchanger)(237)로 들어가며, 여기서 이들은 스트림(109)에 대응되는 스트림(247)인 도 1의 터빈 배출 스트림에 대해 500℃로 가열된다. 상기 유출 스트림(248)은 약 725℃에서 상기 전열식 열교환기(101)(도 1의 동력 생산 유닛 내)로 들어간다. 이 경우, 도 1의 동력 생산 유닛 내의 상기 터빈(103)을 위한 유입 온도가 열교환기(237) 내에서 전달되는 요구되는 열을 제공하도록 상승되며, 상기 터빈 동력 출력은 증가된다. 상기 보조 열교환기(237)는 이에 따라 상기 포화된 증기 스트림(250) 및 상기 천연 가스 스트림(243)에 보조 가열을 제공하도록 구성되며, 상기 보조 가열은 상기 동력 생산 유닛으로부터의 스트림에 의해 제공된다.
상기 열교환기(237)를 나가는 뜨거운 천연 가스 스트림(244)은 스트림(246) 으로서 상기 POX 반응기(201)에 대한 500℃에서의 공급 및 전체 GHR 공급 스트림(252)을 형성하도록 상기 증기 스트림(251)과 혼합되는 스트림(245)으로서 상기 GHR(202)에 대한 공급을 제공하도록 분리된다. 상기 GHR 반응기(202)로 공급되는 증기 스트림(251)은 이 경우에 6:1의 증기 대 탄소 비율(상기 GHR 반응기 공급 내의 수소와 결합된 탄소)을 제공한다. 이러한 높은 비율은 상기 전체 생성물 H2＋CO 스트림(224) 내에 낮은 양의 전환되지 않은 메탄으로 80bar의 H2＋CO 생산 압력을 가능하게 한다.
상기 물 분리기(212)를 나가는 원료 수소 생성물 스트림(230)은 스트림(230) 내에 존재하는 88%의 수소를 포함하는 50ppm의 불순물 레벨을 갖는 실질적으로 순수한 H2 생성물 스트림(239)을 제공하는 다층 압력 순환 흡착 유닛(multi-bed pressure swing adsorption unit)(215) 내로 통과된다. 실질적으로 순수한 H2 생성물 스트림은 이에 따라 500ppm 이하의 불순물들, 250ppm 이하의 불순물들, 100ppm 이하의 불순물들, 또는 75ppm 이하의 불순물들(예를 들어, 0의 불순물들까지)을 포함할 수 있다. 모든 CO2에 더하여 다양한 함량의 CO, H2, CH4, 아르곤, N2 및 미량의 수증기를 함유하는 1.2bar의 압력의 폐기 스트림(232)은 스트림(238)으로 나가도록 전기 모터(219)에 의해 구동되는 압축기(216) 내에서 30bar로 압축된다. 상기 배출 스트림(238)은 냉각기(217) 내에서 주위 온도 부근까지 냉각되고, 유입 스트림(111)(도 1 참조)의 일부로서 상기 동력 생산 시스템 천연 가스 압축기(105)(도 1 참조)에 추가된다. 320bar의 압축기 배출 스트림(112)(도 1 참조)은 상기 동력 생산 유닛 연소기(102)(도 1 참조)에 대한 공급을 제공한다. 85bar의 천연 가스 공급 스트림(241) 또한 도 1로부터의 압축기(105)의 일부가 될 수 있는 별도의 천연 가스 압축기 스테이지로부터 생성될 수 있다.
성능
모두 순수한 CH4 또는 천연 가스 공급을 갖는 246,151N㎥/hr로 동작하는 수소 생산 유닛과 290.3㎿의 동력을 생성하는 동력 생산 사이클 시스템의 통합은 다음의 계산된 성능 데이터를 나타낸다.
H2는 74bar의 압력에서 50ppm의 전체 불순물 레벨로 생성된다.
통합 시스템으로부터의 동력 생산＝234.23㎿.
수소 생산을 위한 CH4＝92,851.2N㎥/hr(923.2Mw와 동일).
43,773.9N㎥/hr의 동력 생산을 위한 CH4(435.2Mw와 동일).
CO2가 100%로 상기 수소 플랜트 및 동력 플랜트에 대한 CH4 공급으로부터 유래되는 탄소의 회수.
상기 통합 시스템으로부터의 CO2 생산은 6,437.1MT/D이다.
상기 CO2는 150bar의 압력에서 생성된다.
여기에 설명되는 시스템들 및 방법들에서, 상기 연소기 내의 실질적으로 순수한 산소의 사용은 다량의 실질적으로 순수한 질소를 제공하는 부차적인 이점을 가질 수 있다. 상기 질소는 실질적으로 순수한 산소의 필요한 스트림을 제공하도록 상기 동력 생산 유닛과 연관될 수 있는 상기 공기 분리 유닛으로부터 직접 상대적으로 높은 압력으로 제공될 수 있다. 이러한 질소의 적어도 일부는 여기에 설명되는 바와 같이 생성될 수 있는 수소와 혼합될 수 있다. 최종 결과는 종래의 가스 터빈 복합 사이클 발전 시스템 내에서의 사용에 적합한 H2＋N2 연료 가스이다. 이러한 점은 도 3에 예시되며, 여기서 공기 분리 유닛(도 1 참조)으로부터의 질소 가스(160) 및 수소 생산 설비(도 2 참조)로부터의 수소 가스(239)가 가스 터빈 복합 사이클 유닛(300)에 투입된다.
상기 H2＋N2 연료 가스는 임의의 가스 터빈 복합 사이클 발전 시스템에 활용될 수 있다. 알려진 시스템들은 필요에 따라 CO2의 제거를 위해 달리 요구될 수 있는 요소들의 제거, 해체 또는 그렇지 않으면 앞서의 사용을 위해 변경될 수 있다. 본 발명에 따라 활용될 수 있는 알려진 가스 터빈 복합 사이클 발전 시스템은 그 개시 사항들이 여기에 참조로 포함되는 Wichmann 등에게 허여된 미국 특허 제8,726,628호, Rogers 등에게 허여된 미국 특허 제8,671,688호, Benz 등에게 허여된 미국 특허 제8,375,723호, Lilley 등에게 허여된 미국 특허 제7,950,239호, Eroglu 등에게 허여된 미국 특허 제7,908,842호, Inage 등에게 허여된 미국 특허 제7,611,676호, Benz 등에게 허여된 미국 특허 제7,574,855호, Schutz에게 허여된 미국 특허 제7,089,727호, Uematsu 등에게 허여된 미국 특허 제6,966,171호, 그리고 Smith에게 허여된 미국 특허 제6,474,069호에 기재되어 있다.
본 발명에 의해 제공되는 시스템들의 결합에 따른 수소 가스 및 질소 가스는 연소 동력 시스템으로부터 제공될 수 있고, 여기서 탄화수소 연료가 CO2의 실질적으로 대기 방출 없이 연소되며, 종래의 가스 터빈 복합 사이클 시스템의 동작과 차별되는 이점을 제공한다. 특히, 본 발명의 시스템들의 결합은 가스 터빈 내에 통상적으로 요구되는 천연 가스 연료를 소거할 수 있고, 연소될 때에 CO2 생산 없이 연료를 대체할 수 있다. 이와 같이 일부 실시예들에서, 본 발명은 1) 산소 기반의 수소 생산 유닛; 2) 실질적으로 모든 생성된 CO2를 포집하는 동력 발생 유닛; 및 추가적인 동력 발생을 제공하는 종래의 가스 터빈 복합 사이클 동력 발생 유닛의 결합을 제공한다. 여기서 설명되는 바와 같은 복합 시스템들은 현저히 높은 효율, 낮은 비용의 동력 발생 및 대략 100%의 CO2 포집을 제공할 수 있다. 결과는 이에 따라 대략 100%의 CO2 포집으로 천연 가스 연소로부터의 동력 생산 및 100% CO2 포집을 제공하지 않는 알려진 동력 생산 방법들과 같거나 낮은 동작 비용을 제공하기 위한 현재까지는 알려지지 않은 방식이 된다.
상기 시스템들의 결합은 다양한 방식들로 구현될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 현재의 복합 사이클 동력 스테이션이 모든 CO2 방출을 제거하도록 전환될 수 있고, 동시에 동력 발생 용량을 증가시킬 수 있다. 이러한 전환은 CO2 순환 유체 및 H2＋N2 연료 가스의 생산을 이용하는 동력의 생산을 위해 여기에 설명되는 다른 시스템 구성 요소들의 추가를 포함할 수 있다.
성능
상술한 바와 같은 복합 시스템에 대한 성능 계산은 동일 조건들에서 432.25Mw의 동력을 생성하도록 적용되는 GE PG9371(FB) 가스 터빈 동시 발생 시스템을 기초로 할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따라 계산된 값들은 다음에서 100%의 CO2 포집, H2 생산, N2 생산, 그리고 상기 가스 터빈 내의 H2＋N2 연료 가스의 연소와 천연 가스 연소 동력 생산 유닛의 결합을 고려하여 제공된다.
상기 복합 시스템으로부터의 전체 순 동력 생산은 697Mw이다.
상기 가스 터빈에 대한 연료는 50% H 2 ＋50% N 2 (몰)인 것으로 추정된다.
전체 메탄 공급은 1,368.6Mw(LHV)이다.
요구되는 산소는 4,979MT/일이다.
150bar의 압력에서 생성된 CO2는 6,437Mt/일이다.
전체 효율은 50.9%(LHV 기준)이다.
본 발명에서 개시되는 주제의 많은 변형들 및 다른 실시예들은 앞서의 설명들 및 관련 도면들에서 제시된 교시들의 이점을 가지는 것으로 본 발명이 속하는 해당 기술 분야의 숙련자에게 이해될 것이다. 이에 따라, 본 발명이 여기에 설명되는 특정 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 변형들 및 다른 실시예들도 첨부된 특허청구범위의 범주 내에 속하도록 의도되는 점이 이해될 것이다. 비록 특정 용어들이 이들 용어들은 일반적이고 서술적인 의미로만 사용되며, 제한적인 목적으로 사용되는 것은 아니다.

Claims (29)

  1. 복합 동력 생산 및 수소 생산을 위한 시스템에 있어서, 상기 시스템은,
    가압된 이산화탄소가 동력 생산을 위해 팽창되는 동력 생산 유닛;
    탄화수소 연료가 수소가 분리되는 합성 가스를 생성하도록 부분적으로 산화되는 수소 생산 유닛; 및
    상기 동력 생산 유닛 및 상기 수소 생산 유닛 사이에 하나 또는 그 이상의 스트림들의 통과를 위해 구성되는 하나 또는 그 이상의 흐름 구성 요소들을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 동력 생산 유닛은,
    탄화수소 연료 및 산소를 수용하고, 적어도 상기 가압된 이산화탄소를 포함하는 가열된 스트림을 산출하도록 구성되는 연소기;
    동력을 생성하고, 팽창된 이산화탄소를 포함하는 가열된 스트림을 형성하도록 상기 연소기로부터 상기 가압된 이산화탄소를 포함하는 가열된 스트림을 수용하고 팽창시키도록 구성되는 터빈;
    상기 팽창된 이산화탄소를 포함하는 가열된 스트림을 수용하고, 이산화탄소를 포함하는 냉각된 스트림을 형성하도록 구성되는 전열식 열교환기(recuperative heat exchanger);
    상기 전열식 열교환기로부터 상기 이산화탄소를 포함하는 냉각된 스트림을 수용하고, 상기 이산화탄소의 스트림을 제공하도록 구성되는 분리기; 및
    상기 분리기로부터 상기 이산화탄소의 스트림을 수용하고, 상기 이산화탄소를 압축하도록 구성되는 압축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 수소 생산 유닛은,
    산소 및 상기 탄화수소 연료의 일부를 수용하고, 상기 합성 가스를 산출하도록 구성되는 부분 산화 연소기;
    상기 부분 산화 연소기와 유체 연통되고, 상기 부분 산화 연소기로부터 상기 합성 가스를 수용하며, 상기 탄화수소 연료의 일부를 수용하도록 구성되는 개질기(reformer);
    상기 개질기와 유체 연통되는 전환 반응기(shift reactor);
    상기 전환 반응기와 유체 연통되는 전환 스트림 열교환기;
    상기 전환 스트림 열교환기와 유체 연통되는 분리기; 및
    상기 분리기와 유체 연통되는 압력 순환 흡착 유닛(pressure swing adsorption unit)을 포함하며,
    상기 압력 순환 흡착 유닛은 실질적으로 순수한 수소의 스트림을 산출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 탄화수소 연료는 상기 전환 스트림 열교환기를 통과하는 탄화수소 연료 라인으로부터 상기 부분 산화 연소기 및 상기 개질기로 제공되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 탄화수소 연료 라인은 상기 동력 생산 유닛의 터빈을 나가는 상기 팽창된 이산화탄소를 포함하는 가열된 스트림을 수용하고 냉각시키도록 구성되는 보조 열교환기를 통과하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 개질기로 물을 통과시키도록 구성되는 물 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 물 라인은 상기 전환 스트림 열교환기를 통과하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 물 라인은 상기 동력 생산 유닛의 터빈을 나가는 상기 팽창된 이산화탄소를 포함하는 가열된 스트림을 수용하고 냉각시키도록 구성되는 보조 열교환기를 통과하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제 3 항에 있어서, 상기 압력 순환 흡착 유닛은 상기 실질적으로 순수한 수소의 스트림으로부터 분리되는 폐기 스트림을 산출하도록 구성되며, 상기 폐기 스트림은 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 메탄, 아르곤 및 질소의 하나 또는 그 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 동력 생산 유닛 및 상기 수소 생산 유닛 사이의 하나 또는 그 이상의 스트림들의 통과를 위해 구성되는 상기 하나 또는 그 이상의 흐름 구성 요소들은 상기 압력 순환 흡착 유닛으로부터 상기 동력 생산 유닛의 연소기까지 상기 폐기 스트림의 적어도 일부의 통과를 위한 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제 3 항에 있어서, 상기 동력 생산 유닛은 실질적으로 순수한 이산화탄소의 스트림을 상기 동력 생산 유닛으로부터의 하나 또는 그 이상의 압축된 스트림들에 대해 가열하도록 구성되는 추가 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 추가 열교환기는 상기 수소 생산 유닛으로부터의 스트림에 대해 실질적으로 순수한 이산화탄소의 스트림을 가열하도록 더 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 복합 동력 생산 및 수소 생산을 위한 방법에 있어서, 상기 방법은,
    CO2를 포함하는 연소 생성물 스트림을 제공하도록 연소 압력에서 재순환된 CO2 스트림의 존재에서 제1 연소기 내에서 산화제로 제1 탄화수소 연료를 연소시키는 단계;
    동력을 생성하고 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림을 형성하도록 터빈에 걸쳐 상기 CO2를 포함하는 연소 생성물 스트림을 팽창시키는 단계;
    전열식 열교환기 내에서 상기 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림을 냉각하는 단계;
    상기 재순환된 CO2를 포함하는 스트림을 제공하도록 상기 터빈 배출 스트림의 임의의 다른 성분들로부터 CO2를 분리하는 단계;
    상기 재순환된 CO2를 포함하는 스트림을 실질적으로 상기 연소 압력까지 압축하는 단계;
    상기 재순환된 CO2를 포함하는 가열된 스트림을 제공하도록 상기 전열식 열교환기 내에서 상기 터빈 배출 스트림으로부터 회수되는 열로 상기 압축되고 재순환된 CO2 스트림을 가열하는 단계; 및
    상기 재순환된 CO2를 포함하는 가열된 스트림을 상기 제1 연소기로 통과시키는 단계를 구비하는 동력 생산 유닛 내에서 동력 생산을 수행하는 단계를 포함하고,
    합성 가스 스트림을 형성하도록 제2 탄화수소 연료의 스트림을 부분 산화 반응기로 통과시키는 단계; 및
    실질적으로 순수한 수소의 스트림 및 적어도 일산화탄소를 포함하는 폐기 스트림을 제공하도록 상기 합성 가스를 처리하는 단계를 구비하는 수소 생산 유닛 내에서 수소 생산을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 적어도 상기 일산화탄소를 상기 폐기 스트림으로부터 상기 제1 연소기로 통과시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 합성 가스를 처리하는 단계는 상기 합성 가스를 상기 제2 탄화수소 연료 가스의 스트림 및 가열된 물의 스트림을 수용하도록 구성되는 개질기로 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 부분 산화 반응기를 통과하는 상기 제2 탄화수소 연료의 스트림, 상기 개질기에 의해 수용되는 상기 제2 탄화수소 연료의 스트림 및 상기 개질기에 의해 수용되는 상기 가열된 물의 스트림 중의 하나 또는 그 이상은 상기 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림으로부터 전달되는 열을 이용하여 보조 열교환기 내에서 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 합성 가스를 처리하는 단계는 개질된 합성 가스를 상기 개질기로부터 전환 스트림 열교환기가 수반되는 전환 반응기로 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 탄화수소 연료의 스트림은 상기 전환 스트림 열교환기를 통과하는 탄화수소 연료 라인을 통해 상기 부분 산화 연소기 및 상기 개질기의 하나 또는 모두에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 개질기 내에 수용되는 상기 가열된 물의 스트림은 상기 전환 스트림 열교환기를 통과하는 물 라인을 통해 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 17 항에 있어서, 물을 제거하고, 수소 및 불순물들을 포함하는 원료 수소 스트림을 형성하도록 상기 전환 스트림 열교환기를 나가는 스트림을 물 분리기로 통과시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 원료 수소 스트림을 상기 실질적으로 순수한 수소 및 상기 폐기 스트림을 산출하는 압력 순환 흡착 유닛으로 통과시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 13 항에 있어서, 상기 폐기 스트림은 상기 동력 생산 유닛의 상기 연소기에 대한 투입을 위해 적합한 압력까지 압축되며, 이후에 상기 동력 생산 유닛의 상기 연소기로 통과되는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 13 항에 있어서, 상기 동력 생산 유닛은 상기 재순환된 CO2의 스트림을 상기 동력 생산 유닛으로부터의 하나 또는 그 이상의 압축된 스트림들에 대해 가열하는 추가 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 수소 생산 유닛으로부터의 열이 상기 재순환된 CO2의 스트림으로 전달되도록 상기 수소 생산 유닛으로부터 가열된 스트림을 상기 추가 열교환기로 통과시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 수소 생산 유닛으로부터 상기 재순환된 CO2의 스트림으로 전달되는 상기 열은 약 400℃ 아래의 온도 레벨에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 13 항에 있어서, 상기 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림의 적어도 일부는 상기 제1 탄화수소 연료가 상기 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림의 적어도 일부에 추가적인 열을 제공하기 위해 연소되도록 상기 제1 탄화수소 연료의 스트림 및 산소와 함께 상기 제2 연소기로 통과되는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 CO2를 포함하는 터빈 배출 스트림의 적어도 일부로 제공되는 상기 추가적인 열의 적어도 일부는 상기 수소 생산 유닛 내의 하나 또는 그 이상의 스트림들에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 13 항에 있어서, 상기 동력 생산 유닛으로부터 분리되는 가스 터빈 내에서 동력 생산을 수행하는 단계를 더 포함하며, 동력을 생성하도록 상기 실질적으로 순수한 수소의 적어도 일부가 상기 가스 터빈 내에서 연소되는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 동력 생산을 위한 시스템에 있어서, 상기 시스템은,
    CO2의 대기 배출 없이 CO2 동작 유체의 계속적인 압축, 가열, 팽창, 냉각 및 재순환을 위해 구성되는 동력 생산 유닛;
    합성 가스 스트림을 형성하도록 구성되는 부분 산화 연소기 및 실질적으로 순수한 수소의 스트림과 폐기 스트림을 형성하기 위해 합성 가스를 처리하도록 구성되는 하나 또는 그 이상의 추가 구성 요소들을 구비하는 수소 생산 유닛; 및
    상기 수소 생산 유닛으로부터 상기 실질적으로 순수한 수소의 적어도 일부를 수용하고 연소시키도록 구성되는 가스 터빈 복합 사이클 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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