KR20190112290A - 증기 메탄 개질기 내의 천연 가스 이용을 개선하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

증기 메탄 개질기 내의 천연 가스 이용을 개선하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레？드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Abstract

개선된 수소 생성 시스템 및 그러한 시스템의 이용 방법이 제공된다. 그러한 시스템은 탄화수소를 탈황하도록 구성된 HDS 유닛, 프로세스 가스 스트림 내의 중질 탄화수소를 메탄으로 변환하도록 구성된 예비-개질기, 합성가스 스트림 및 연도 가스를 생성하도록 구성된 개질기, 생성물 수소 스트림 및 PSA 오프-가스 스트림을 생성하도록 구성된 PSA 유닛, 그리고 연소 공기 및 PSA 오프-가스 스트림에 반하여 연도 가스를 황산의 이슬점 미만의 온도까지 냉각하기 위한 수단을 포함한다.

Description

증기 메탄 개질기 내의 천연 가스 이용을 개선하기 위한 시스템 및 방법
연소 연료를 탈황시키는 것 및 황-납 연도 가스에 반하여(against) 압력 스윙 흡착(PSA) 오프-가스(pressure swing adsorption (PSA) off-gas)를 예열하는 것에 의해서 증기 메탄 개질기(SMR)의 열 효율을 개선함으로써 천연 가스 이용을 줄이기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 특히, 탈황된 천연 가스를 연료 가스로서 이용함으로써, 황산 응축과 관련된 유의미한 위험 없이 스택(stack)에 대한 연도 가스의 온도가 낮아질 수 있고, 또한 그에 따라, 연도 가스로부터의 부가적인 열 에너지를 이용하여 PSA 오프 가스와 같은 프로세스 스트림을 예열할 수 있다.
대규모 SMR에서, 개질기의 화실(firebox) 내로 입력되는 열 에너지의 약 50%가 SMR 반응 관에 전달되고, 흡열 증기 메탄 개질 반응(CH4 + H2O + 206 kJ/mol
Figure pct00001
CO + 3H2)을 촉진하기 위한 에너지를 제공하기 위해서 사용된다. 개질 반응이 일반적으로 높은 온도, 예를 들어 750℃내지 950℃에서 실행되기 때문에, 버너로부터의 연도 가스의 온도는 일반적으로 이러한 온도 이상이다. 폐열 보일러를 통해서 증기를 생성하기 위해서, 고온 연도 가스가 주로 이용된다. 전형적인 SMR에서, 연도 가스는 또한 연소 공기의 예열을 위해서 이용될 수 있으나; 종래의 방법에서, 황산의 형성을 방지하기 위해서, 연도 가스의 온도는 황산의 이슬점보다 높게 유지되어야 한다. 황산 이슬점의 온도는 일반적으로 140℃이상이다. 황 함량이 높을수록, 황산 이슬점이 높아진다. 연도 가스의 온도가 황산의 이슬점 미만인 경우에, 연도 가스 채널의 저온 영역에서 사용되는 장비는 황산 부식에 직면할 것이다. 부식을 방지하기 위해서, 스테인리스 강이 사용된다.
도 1은 천연 가스(NG)와 같은 탄화수소 연료로부터 수소, 일산화탄소, 또는 다른 유용한 생성물을 생성하기 위한 통상적인 SMR 시스템의 레이아웃이다. 도시된 바와 같이, 연료 NG는 연료로서의 이용을 위해서 개질기(106)의 버너에 직접 공급된다. 개질기(106)는 복수의 버너를 갖는 연소 구역 및 복수의 개질 관을 포함하는 반응 구역을 포함한다. 연소 공기는, 연도 가스 스트림을 생성하는 연료 NG의 연소를 위해서 개질기(106)의 버너에 전달되기 전에, 한 쌍의 예열기(저온 공기 예열기(CAP)(116) 및 고온 공기 예열기(HAP)(112))를 통해서 가열된다.
프로세스 천연 가스(NG)가 가열되고(미도시), 천연 가스로부터 황을 제거하기 위해서 수소화탈황(HDS) 유닛(102)으로 전달된다. 그 후에, 프로세스 가스는 천연 가스 내의 장쇄 탄화수소를 경질 탄화수소(예를 들어, 메탄)로 분해하기 위해서, 그에 의해서 예비-개질처리된 프로세스 NG를 형성하기 위해서, 예비-개질기(104)에 전달된다. 예비-개질처리된 프로세스 NG는, 흡열 반응(CH4 + H2O + 206 kJ/mol
Figure pct00002
CO + 3H2)을 통해서 프로세스 가스 스트림 내의 메탄을 일산화탄소 및 수소로 변환하는 데, 그에 의해서 합성가스 스트림(H2 + CO)을 생성하는 데 효과적인 개질 조건 하에서, 개질기(106)의 반응 구역 내의 개질 관에 공급된다. 합성가스는 시프트된 가스를 형성하는 시프트 반응기(shift reactor)(108)를 통해서 이산화탄소(CO2) 및 수소(H2)로 변환된다.
시프트된 가스는, PSA 유닛(110)에 진입하기 전에, 상온까지 더 냉각된다. 이어서, 생성물 수소 스트림 및 PSA 오프-가스 스트림이 PSA 유닛(110)으로부터 생성된다. 메탄(CH4), 이산화탄소(CO2), 수소(H2), 및 CO를 포함하는 PSA 오프-가스가 연료로서의 사용을 위해서 개질기(106)의 버너로 다시 전달된다.
전형적으로 온도가 약 1000℃인 개질기(106)로부터의 연도 가스가 열교환기의 상이한 스테이지들(즉, 고온 예열기(HAP)(112), 연도 가스 보일러(FGB)(114) 및 저온 공기 예열기(CAP)(116))로 전달되고, 그에 따라 여러 온도에서 연도 가스로부터 열을 다시 포획한다. 그러나, 연료 NG가 황을 포함하기 때문에, CAP의 표피 및 시스템 내의 다른 저온 장치 상의 황산 응축을 방지하기 위해서, 연도 가스는 황산 이슬점보다 높게 유지되어야 한다. 이는, 황산 이슬점 미만의 연도 가스의 에너지는 이용되지 않는다는 것을 의미한다.
Grover 등에게 허여된 US 8,187,363은, SMR 퍼니스 연소 시스템 내로의 도입에 앞서서, 연도 가스 또는 합성가스 내의 낮은 수준의 폐열을 이용하여 PSA 테일 가스(tail gas)를 예열하는 방법을 개시한다. 그러나, 여기에서는 황산 형성과 연관된 어떠한 문제점도 언급되어 있지 않다. Grover가, 약 250℉(약 120℃) 내지 약 300℉(약 150℃)의 온도에서 낮은 수준의 폐기물을 회수하는 것을 교시하지만, 이러한 온도는, 낮은 수준의 열원으로서 합성가스를 이용할 때의 예로서만 주어진 것이다. 따라서, Grover는 연도 가스를 황산의 이슬점 미만의 온도까지 냉각하는 것을 개시하지 않고, 황산 형성과 연관된 잠재적인 문제에 대한 어떠한 설명도 없다. 또한, 상세한 구현예가 개시되어 있지 않다.
본 발명은 이러한 요구 중 적어도 하나를 만족시키는 시스템 및 그러한 시스템의 이용 방법에 관한 것이다. 본 발명은, PSA 오프-가스의 예열 및 연소를 위한 연료 가스의 탈황을 통해서 SMR 내의 천연 가스 소비를 줄이기 위한 요구를 만족시키는 시스템 및 그러한 시스템의 이용 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예는 SMR이 더 효율적으로 작동될 수 있게 하는데, 이는 프로세스 가스 및 연료 가스를 위해서 사용되는 천연 가스가 탈황되기 때문으로, 이는 연도 가스를 황산의 이슬점 미만의 온도까지 냉각시킬 수 있게 하고, 그에 의해서, 이전까지 폐기되었던 연도 가스로부터의 부가적인 낮은 수준의 열을 회수할 수 있게 한다.
일 실시예에서, 시스템은, 탄화수소 가스 스트림을 탈황시키도록 그리고 프로세스 가스 스트림 및 탈황된 연료 가스 스트림을 생성하도록 구성된 하나 이상의 HDS 유닛, 프로세스 가스 스트림을 수용하도록 그리고 프로세스 가스 스트림 내의 중질 탄화수소를 메탄으로 변환하여 예비-개질된 프로세스 가스를 생성하도록 구성된 예비-개질기로서, 예비-개질된 프로세스 가스 내의 메탄의 양이 프로세스 가스 스트림에 비해서 증가된, 예비-개질기, 연소 구역 및 반응 구역을 갖는 개질기로서, 연소 구역이 HDS 유닛과 유체 연통되고 HDS로부터 기원하는 탈황된 연료 가스 스트림을 수용하도록 구성되며, 반응 구역은 예비-개질기와 유체 연통되고 예비-개질기로부터 기원하는 예비-개질된 프로세스 가스를 수용하도록 구성되며, 개질기는 반응 구역 내에서 합성가스 스트림을 그리고 연소 구역 내에서 연도 가스를 생성하도록 구성되는, 개질기, 합성가스 스트림을 수용하도록 그리고 생성물 수소 스트림 및 PSA 오프-가스 스트림을 생성하도록 구성된 압력 스윙 흡착(PSA) 유닛, 및 연소 공기 및 PSA 오프-가스 스트림에 반하여 연도 가스를 황산의 이슬점 미만의 온도까지 냉각시키기 위한 수단을 포함한다.
일 실시예에서, 방법은 a) 수소화탈황(HDS) 유닛 내에서 프로세스 가스 스트림 및 탈황된 연료 가스 스트림을 형성하기 위해서 탄화수소를 탈황시키는 단계, b) 예비-개질된 프로세스 가스 스트림을 형성하는 데 효과적인 조건 하에서 증기의 존재 하에 예비-개질기 내에서 프로세스 가스 스트림을 예비-개질하는 단계, c) 합성가스 스트림을 생성하는 데 효과적인 조건 하에서 개질기의 반응 구역 내의 증기의 존재 하에 예비-수행된 프로세스 가스 스트림을 반응시키는 단계로서, 예비-수행된 프로세스 가스 스트림을 반응시키기 위한 열은 개질기의 연소 구역 내에서 연소 산화제의 존재 하에 탈황된 연료 가스 스트림을 연소시키고 그에 의해서 연도 가스를 생성하는 것에 의해서 제공되고, 연소 구역은 반응 구역과 열을 교환하도록 구성되는, 단계, d) 생성물 수소 스트림 및 PSA 오프-가스 스트림을 생성하는 데 효과적인 조건 하에서 합성가스 스트림을 압력 스윙 흡착(PSA) 유닛 내로 도입하는 단계, 및 e) 냉각된 연도 가스를 생성하기 위해서 연소 산화제 및 PSA 오프-가스 스트림에 반하여 연도 가스를 황산의 이슬점 미만의 온도로 냉각하는 단계로서, 냉각된 연도 가스가 황산을 포함하지 않는, 단계를 포함한다.
선택적인 실시예는 또한 이하를 포함한다.
· 연도 가스를 냉각하기 위한 수단은, 연도 가스는 냉각되고 연소 공기는 가열되도록, 연도 가스와 연소 공기 사이에서 열을 교환하게 구성된 공기 예열기를 포함하고;
· 연도 가스를 냉각하기 위한 수단은, 연도 가스는 냉각되고 PSA 오프-가스는 가열되도록, 연도 가스와 PSA 오프-가스 사이에서 열을 교환하게 구성된 제1 PSA 오프-가스 예열기를 포함하고;
· 제1 PSA 오프-가스 예열기는 공기 예열기의 상류에 설치되며;
· 제1 PSA 오프-가스 예열기는 공기 예열기의 하류에 설치되며;
· 제1 PSA 오프-가스 예열기가 공기 예열기에 대해서 직접적으로 유동을 수용 및 전달하지 않게 구성되도록, 제1 PSA 오프-가스 예열기가 공기 예열기와 병렬로 설치되며;
· 제2 PSA 오프-가스 예열기로서, 제1 PSA 오프-가스 예열기가 공기 예열기의 상류에 설치되고, 제2 PSA 오프-가스 예열기가 공기 예열기의 하류에 설치되며;
· 제2 PSA 오프-가스 예열기로서, 제1 PSA 오프-가스 예열기가 공기 예열기의 상류에 설치되고, 제2 PSA 오프-가스 예열기가 공기 예열기와 병렬로 그리고 제1 PSA 오프-가스 예열기의 하류에 설치되며;
· 제2 PSA 오프-가스 예열기로서, 제1 PSA 오프-가스 예열기가 공기 예열기의 하류에 설치되고, 제2 PSA 오프-가스 예열기가 공기 예열기와 병렬로 그리고 제1 PSA 오프-가스 예열기의 상류에 설치되며;
· 천연 가스 파이프라인을 포함하는 탄화수소 공급원;
· 산화제 예열기 내에서 연도 가스와 연소 산화제 사이의 열교환에 의해서 연도 가스를 냉각하는 것;
· 예열된 PSA 오프-가스 스트림을 형성하기 위한 적어도 하나의 PSA 오프 가스 예열기 내의 연도 가스와 PSA 오프-가스 스트림 사이의 열교환에 의해서 연도 가스를 냉각하는 것으로서, 예열된 PSA 오프-가스 스트림이 연소 구역 내의 연소를 위해서 연소 구역에 도입되며;
· PSA 오프-가스 예열기를 빠져 나가는 연도 가스가 산화제 예열기를 빠져 나가는 연도 가스보다 더 높은 온도가 되도록, PSA 오프-가스 예열기가 산화제 예열기의 상류에 설치되고;
· PSA 오프-가스 예열기를 빠져 나가는 연도 가스가 산화제 예열기를 빠져 나가는 연도 가스보다 더 낮은 온도가 되도록, PSA 오프-가스 예열기가 산화제 예열기의 하류에 설치되고;
· PSA 오프-가스 예열기가 산화제 예열기에 대해서 연도 가스의 유동을 수용 및 전달하지 않게 구성되도록, PSA 오프-가스 예열기가 산화제 예열기와 병렬로 설치되며;
· 제1 PSA 오프-가스 예열기가 산화제 예열기의 상류에 설치되고, 제2 PSA 오프-가스 예열기가 산화제 예열기의 하류에 설치되고;
· 제1 PSA 오프-가스 예열기가 산화제 예열기의 상류에 설치되고, 제2 PSA 오프-가스 예열기가 산화제 예열기와 병렬로 그리고 제1 PSA 오프-가스 예열기의 하류에 설치되고;
· 제1 PSA 오프-가스 예열기가 산화제 예열기의 하류에 설치되고, 제2 PSA 오프-가스 예열기가 산화제 예열기와 병렬로 그리고 제1 PSA 오프-가스 예열기의 상류에 설치되고;
· 탄화수소가 천연 가스이고; 및/또는
연소 산화제가 공기이다.
본 발명의 특성 및 목적을 보다 이해하기 위해서, 유사한 요소에 동일한 또는 유사한 참조 번호가 부여된, 첨부 도면과 함께 기재된, 이하의 상세한 설명을 참조하여야 한다.
도 1은 통상적인 SMR 시스템의 레이아웃을 도시한다.
도 2는 본 발명의 SMR 시스템의 일 실시예의 블록 흐름도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 SMR 시스템의 제2 실시예의 블록 흐름도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 SMR 시스템의 제3 실시예의 블록 흐름도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 SMR 시스템의 제4 실시예의 블록 흐름도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 SMR 시스템의 제5 실시예의 블록 흐름도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 SMR 시스템의 제6 실시예의 블록 흐름도를 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 SMR 시스템의 동작 방법의 흐름도이다.
본 발명이 몇몇 실시예와 함께 설명될 것이지만, 본 발명이 그러한 실시예로 제한되지 않을 것임을 이해할 수 있을 것이다. 반대로, 모든 변경예, 수정예 및 균등물은, 첨부된 청구항에 의해서 규정되는 본 개시내용의 사상 및 범위 내에 포함되는 것과 같이, 포괄될 것이다.
표준 SMR의 열 효율을 개선하기 위한 많은 노력이 있어 왔다. 핀치 분석(Pinch analysis)은, 표준 SMR이 열적으로 양호하게 최적화되었다는 것, 그리고 그에 따라, 열교환기 설계와 관련된 추가적인 개선예가 더 큰 개선을 제공할 가능성이 적다는 것을 보여준다. 그러나, 본 발명의 실시예는 온도 핀치를 극복하는 것에 의해서 프로세스를 재-최적화하기 위한 노력 없이 폐열을 더 효과적으로 회수함으로써 이제까지 알려진 방법을 유리하게 개선할 수 있다.
개시된 실시예는, 연료로서 이용하기 위한 PSA 오프-가스를 예열하기 위해서 저온 열원이 이용되고, 그에 의해서 천연 가스의 이용을 줄이고 SMR 내의 열 효율을 또한 개선하는, 직접적인 접근방식을 제공한다. 저온 열원은 SMR로부터 기원하는 연도 가스일 수 있다.
개시된 실시예에서, 연도 가스 채널 내에 설치된 임의의 장비 내의 황산 응축 문제를 피하기 위해서, HDS 유닛로부터의 탈황된 탄화수소 가스, 예를 들어 탈황된 천연 가스가 연료 가스 스트림으로서 이용된다. 또한, PSA 오프-가스 스트림은, CAP의 상류에, CAP의 하류에, CAP와 병렬로, 또는 그 조합으로 설치된 하나 이상의 PSA 오프-가스 예열기로 예열될 수 있다. 연료 가스를 탈황함으로써, 연도 가스 내의 황 수준이 무시할 수 있을 정도가 되며, 그에 따라, 저온 범위 내에서 장비를 손상시키지 않고 그리고 스테인리스 강을 이용하지 않고, 연도 가스 온도를 황산의 이슬점 미만까지 낮출 수 있다.
연도 가스의 허용 가능 온도를 낮춤으로써, 연도 가스로부터의 부가적인 열 에너지가 PSA 오프-가스의 예열에 의해서 회수될 수 있다. PSA 유닛을 빠져 나가는 PSA 오프-가스의 온도가 상온, 예를 들어, 35℃에 가깝기 때문에, 개시된 실시예에서, PSA 오프-가스가 상온 조건으로부터 예열될 수 있는 한편, 황산 응축물 형성 위험을 제한하면서 연도 가스를 또한 황산의 이슬점보다 충분히 낮은 온도까지 냉각할 수 있다.
개시된 실시예에서, 하나 이상의 PSA 오프-가스 예열기가 SMR 시스템에 부가되어, PSA 오프-가스가 개질기 내의 복수의 버너에 공급되기 전에, PSA 오프-가스를 예열할 수 있다. 단일 PSA 오프-가스 예열기가 사용되는 일 실시예에서, PSA 오프-가스 예열기는 상류, 하류, 또는 병렬로 이루어진 그룹으로부터 선택된 각각의 CAP의 위치에 설치될 수 있다. 다수의 PSA 오프-가스 예열기가 사용되는 실시예에서, PSA 오프-가스 예열기는 상류, 하류, 병렬, 및 그 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 각각의 CAP의 위치에 설치될 수 있다.
또한, 개시된 실시예에서, 천연 가스 또는 메탄과 같은 탄화수소가 프로세스 가스 및 연료 가스로서 이용될 수 있고, 프로세스 가스 및 연료 가스 모두가 탈황되고, 그에 의해서 전체 시스템은, 황산 응축을 방지하기 위해서, 연도 가스 채널 내 열교환기의 여러 스테이지 하류의 연도 가스의 온도를 황산의 이슬점보다 높게 유지할 필요가 없다. 이러한 방식으로, CAP, PSA 오프-가스 예열기(존재하는 경우), 및 연도 가스 채널의 하류의 임의의 다른 장비 상의 황산 응축이 없이, 몇 개의 열교환기의 하류의 연도 가스의 온도가 유지될 수 있다.
개시된 특정 실시예에서, PSA 오프-가스의 온도는 예열된 연소 공기의 온도까지 증가될 수 있는 한편, 연도 가스의 온도는 물의 이슬점 온도까지 또는 심지어 그보다 더 낮게 냉각될 수 있다.
도 2는 SMR 시스템 PSA 오프-가스의 일 실시예의 블록 흐름도를 도시하고, PSA 오프-가스는 온난(warm) 연도 가스에 반하여 예열된다. 이러한 실시예에서, PSA 오프-가스 예열기는 PSA 오프-가스를 예열하기 위해서 CAP(218)과 연도 가스 보일러(214) 사이에 설치되고, 프로세스 가스 및 연료 가스 모두가 탈황된다.
도시된 바와 같이, 탄화수소 가스, 예를 들어 천연 가스가 예열되고(미도시) HDS 유닛(202)에 공급되며, HDS 유닛(202)에서 천연 가스 내의 황이 제거된다. 이어서, 천연 가스가 2개의 스트림으로 분할된다. 제1 스트림은 연료 가스로서 이용되고 개질기(206)의 복수의 버너에 공급되며, 제2 스트림은 프로세스 가스로서 이용된다. 선택적인 실시예에서, 프로세스 가스는 프로세스 가스 내의 장쇄 탄화수소를 경질 탄화수소(예를 들어, 메탄)로 분해하여 예비-개질된 프로세스 가스를 생성하기 위해서 예비-개질기(204)로 전달될 수 있고, 예비-개질된 프로세스 가스는 프로세스 가스 내에서 증가된 메탄의 양을 가지며 개질기(206) 내의 탄소 침착 위험을 또한 감소시킨다.
천연 가스는 하나의 HDS 유닛에 의해서 탈황될 수 있고 이어서 2개의 스트림(즉, 프로세스 가스 및 연료 가스)으로 분할될 수 있다. 그러나, 당업자는 또한, 천연 가스가 또한 2개의 HDS 유닛에 의해서 개별적으로 탈황될 수 있다는 것을 인식할 것이며, 여기에서 하나의 HDS 유닛은 프로세스 가스의 탈황을 위해서 이용되고, 다른 HDS 유닛은 연료 가스의 탈황을 위해서 이용된다. 하나의 또는 2개의 HDS 유닛의 선택사항은 본원에서 개시된 모든 실시예에서 적합하다.
프로세스 가스를 예비-개질한 후에, 이어서 예비-개질된 프로세스는, 메탄을 합성가스로 개질하기 위한 증기가 존재하는 개질기(206)에 공급된다. 개질기(206)는 복수의 개질 관, 복수의 버너, 및 연소 챔버를 포함하는 반응 구역을 포함할 수 있고, 연소 구역은 반응 구역과 열을 교환하도록 구성된다. 예비-개질된 프로세스 가스 및 프로세스 증기가 개질 관 내에서 반응하여 CO + H2를 포함하는 합성가스를 생성한다. 버너는 연소 구역 내에서 연소 공기의 존재 하에서 연료 가스를 연소시켜, 흡열 반응을 위한 열을 제공하고 연도 가스를 생성한다. 합성가스는 개질기(206)를 빠져 나가, CO 및 증기를 CO2 및 H2로 변환시킴으로써 더 많은 H2를 생성하기 위해서 부가적인 물의 존재 하에서 시프트 반응기(208)에 진입한다. 시프트 반응기(208) 하류의 합성가스는, PSA 유닛(210)에 진입하기 전에, 합성가스 건조기(미도시)에 의해서 물을 제거하기 위해서 상온까지 냉각된다. PSA 유닛(210)은 CO, CO2, H2, CH4, 등을 포함하는 합성가스의 가스 혼합물로부터 H2를 분리한다. 합성가스 혼합물의 나머지는, 연료로서의 사용을 위해서 개질기(206)의 버너에 최종적으로 다시 공급되는 PSA 오프-가스를 형성한다.
개질기(206)를 빠져 나가는 연도 가스는 열의 회수를 위해서 열교환기의 상이한 스테이지들로 진행된다. 도시된 실시예에서, 연도 가스는 먼저, CAP(218)으로 예열된, 예열된 연소 공기를 가열하여 추가적으로 가열된 연소 공기를 형성하기 위해서, HAP(212) 내로 진행된다. 이어서, 추가적으로 가열된 연소 공기는, 개질기(206)의 연소 구역 내의 연소를 위해서, 탈황된 연료 가스 및 PSA 오프-가스와 함께 개질기(206)의 버너에 공급된다.
냉각된 연도 가스가 HAP(212)로부터 회수되고 FGB(214)에 공급되고, FGB(214)에서는 증기가 생성되는(미도시) 한편 연도 가스를 추가적으로 냉각시킨다. 증기는 프로세스 증기로서 이용될 수 있다. FGB(214) 하류의 연도 가스가 추가적으로 냉각되고, PSA 오프-가스가 연료로서의 이용을 위해서 개질기(206)의 버너에 전달되기 전에, PSA 오프-가스 예열기(216) 내에서 PSA 유닛(210)으로부터의 PSA 오프-가스를 예열하기 위해서 이용된다.
특정 실시예에서, PSA 오프-가스는, PSA 유닛(210)을 빠져 나갈 때, 상온(즉, 약 35 ℃)일 수 있다. PSA 오프-가스가 PSA 오프-가스 예열기(216)로 예열된 후에, 가열된 PSA 오프-가스의 온도가 FGB(214) 하류의 연도 가스의 온도까지 상승될 수 있다. PSA 오프-가스 예열기(216) 하류의 연도 가스를 이용하여 CAP(218)으로 저온 연소 공기를 가열함으로써 예열된 연소 공기를 형성하고, 예열된 연소 공기는 이어서 부가적인 가열을 위해서 HAP(212)에 전달된다. 전술한 바와 같이, 개질기(206)의 버너 내의 연료 가스 및 예열된 PSA 오프-가스의 연소를 위해서, 추가적으로 가열된 연소 공기가 개질기(206)의 버너에 공급된다. 이러한 실시예에서, CAP(218) 하류의 연도 가스의 온도는 황산의 응축 없이 감소될 수 있는데, 이는 형성된 연도 가스 내에 황산이 없거나 거의 없기 때문이다.
도 3은, 본 발명의 PSA 오프-가스를 예열하기 위해서 하나의 PSA 오프-가스 예열기를 이용하는 SMR 시스템의 제2 실시예의 블록 흐름도를 도시한다. 도 3 및 도 2에 도시된 2개의 실시예들 사이의 중요한 차이는, PSA 오프-가스 예열기(216)가, CAP(218)의 상류 대신, 도 3에서 CAP(218)의 하류에 설치된다는 것이다. 이러한 실시예에서, 프로세스 가스 및 연료 가스 모두가 또한 탈황된다.
도 4는, 본 발명의 PSA 오프-가스를 예열하기 위해서 하나의 PSA 오프-가스 예열기를 이용하는 SMR 시스템의 제3 실시예의 블록 흐름도를 도시한다. 도 4 및 도 2에 도시된 2개의 실시예들 사이의 중요한 차이는, PSA 오프-가스를 예열하기 위해서 PSA 오프-가스 예열기(216)가, CAP(218)의 상류 또는 하류 대신, CAP(218)와 병렬로 설치된다는 것이다. 이러한 실시예에서, 프로세스 가스 및 연료 가스 모두가 탈황되고, FGB(214)를 빠져 나가는 연도 가스는 2개의 스트림으로 분할된다. 하나의 스트림은, PSA 오프-가스가 개질기(206)의 복수의 버너에 전달되기 전에, PSA 유닛(210)으로부터의 PSA 오프-가스를 PSA 오프-가스 예열기(216) 내에서 예열하기 위해서 이용되고; 다른 하나는 CAP(218)로 저온 연소 공기를 예열하기 위해서 이용된다. PSA 오프-가스가 PSA 오프-가스 예열기(216)로 예열된 후에, 가열된 PSA 오프-가스의 온도가 FGB(214) 하류의 연도 가스의 온도까지 상승될 수 있다. 이러한 실시예에서, 황산의 응축 없이, CAP(218) 하류의 또는 PSA 오프-가스 예열기(216) 하류의 연도 가스의 온도가 감소될 수 있다.
도 5는, 본 발명의 PSA 오프-가스를 예열하기 위해서 2개의 PSA 오프-가스 예열기를 이용하는 SMR 시스템의 제4 실시예의 블록 흐름도를 도시한다. 도 5 및 도 2에 도시된 2개의 실시예들 사이의 중요한 차이는, 2개의 PSA 오프-가스 예열기(216 및 220)가 이용된다는 것이고, PSA 오프-가스 예열기(216)는 CAP(218)의 상류에 위치되고, PSA 오프-가스 예열기(220)는 CAP(218)의 하류에 위치된다. 이러한 실시예에서, PSA 오프-가스 예열기(216 및 220)는 직렬로 설치된다. PSA 오프-가스는 먼저 PSA 오프-가스 예열기(220)에 의해서 예열되고 이어서 PSA 오프-가스 예열기(216)에 전달되고, PSA 오프-가스 예열기(216)에서 PSA 오프-가스는, 연료로서의 사용을 위해서 개질기(206)의 버너에 진입하기 전에, 더 예열된다.
도 6은, 본 발명의 PSA 오프-가스를 예열하기 위해서 2개의 PSA 오프-가스 예열기를 이용하는 SMR 시스템의 제5 실시예의 블록 흐름도를 도시한다. 도 6 및 도 2의 실시예들 사이의 차이는, PSA 오프-가스 예열기(216)에 더하여, 제2 PSA 오프-가스 예열기(220)가 도 6에서 CAP(218)와 병렬로 설치된다는 것이다.
도 7은, 본 발명의 PSA 오프-가스를 예열하기 위해서 2개의 PSA 오프-가스 예열기를 이용하는 SMR 시스템의 제6 실시예의 블록 흐름도를 도시한다. 도 7 및 도 4의 실시예들 사이의 차이는, PSA 오프-가스 예열기(216)에 더하여, 제2 PSA 오프-가스 예열기(220)가 도 7에서 CAP(218)의 하류에 설치된다는 것이다.
도 8은, SMR 시스템 내의 열 효율을 개선하는 것에 의해서 천연 가스를 절감하기 위한 PSA 오프-가스를 예열하는 방법의 흐름도이다. 단계(802)에서, 탄화수소 가스(예를 들어, 천연 가스)가 예열되고 이어서 천연 가스 내의 황을 제거하기 위해서 HDS 유닛 내에서 탈황되어, 천연 가스를 2개의 스트림으로 분할함으로써, 프로세스 가스 스트림 및 연료 가스 스트림을 형성한다. 여기에서, 대안적으로, 천연 가스가 예열될 수 있고 2개의 스트림으로 분할될 수 있고; 하나의 스트림은 하나의 HDS 유닛 내에서 탈황되어 프로세스 가스 스트림을 형성하고; 다른 하나는 다른 HDS 유닛 내에서 탈황되어 연료 가스 스트림을 형성한다. 단계(804)에서, 프로세스 가스 스트림은, 예비-개질된 프로세스 가스를 생성하기 위해서, 예비-개질기 내에서 예비-개질되어 프로세스 가스 내에 존재하는 장쇄 또는 중질 탄화수소를 경질 탄화수소(예를 들어, 메탄)로 분해할 수 있고, 그에 의해서 프로세스 가스 내의 메탄의 양을 증가시키고 탄소 침착을 방지한다. 단계(806)에서, 예비-개질된 프로세스 가스 스트림이 개질기에 공급될 수 있고, 그러한 개질기에서 합성가스 스트림이 반응 구역 내에서 생성되고 연도 가스 스트림이 연소 구역 내에서 생성된다. 특정 실시예에서, 반응 구역은 복수의 개질 관을 포함할 수 있고, 연소 구역은 또한 복수의 버너를 포함할 수 있고, 연소 구역은 반응 구역과 열을 교환하도록 구성된다.
특정 실시예에서, 프로세스 증기와 혼합된 예비-개질된 프로세스 가스가 개질기의 반응 구역 내의 개질 관 내에서 반응하고, 그에 의해서 합성가스 스트림을 생성한다. 개질기의 복수의 버너는, 연도 가스를 생성하기 위한 흡열 개질 반응을 위한 열을 제공하기 위해서, 개질기의 연소 구역 내에서 산화제(예를 들어, 연소 공기)의 존재 하에 연료 가스 및 PSA 오프-가스를 연소시킨다. 본원에서 사용된 바와 같이, 연소 공기는 또한 산소 부화(enriched) 가스 스트림 또는 합성 공기를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 프로세스 가스 스트림이 예비-개질기에 진입하기 전에, 프로세스 증기가 프로세스 가스 스트림에 부가될 수 있다. 프로세스 증기는 또한, 예비-개질된 프로세스 가스가 개질기에 진입하기 전에, 예비-개질된 프로세스 가스에 부가될 수 있다. 단계(808)에서, 더 많은 수소를 생성하기 위해서 시프트 변환기 내에서 프로세스 증기의 존재 하에, 합성가스 스트림 내의 CO가 이산화탄소 및 수소로 변환될 수 있다.
변환된 합성가스 스트림이 합성가스 건조기 내에서 건조될 수 있고 이어서 PSA 유닛 내로 도입되어 수소 스트림 및 PSA 오프-가스 스트림의 생성물을 생성할 수 있다. PSA 오프-가스 스트림은 CO2, CO, CH4, H2, 등을 포함할 수 있고, 연료로서의 이용을 위해서 개질기로 다시 공급된다. 단계(810)에서, 개질기를 빠져 나가는 연도 가스는, 버너로의 공급을 위해서, 저온 연소 공기와의 열교환에 의해서 냉각될 수 있다. 저온 연소 공기는 먼저 CAP 내에서 그리고 이어서 HAP 내에서 연도 가스에 의해서 가열될 수 있고, 여기에서 프로세스 증기로서의 이용을 위한 증기를 생성하기 위해서 연도 가스 보일러가 그 사이에 설치될 수 있다.
단계(812)에서, 연도 가스는 PSA 유닛으로부터 회수된 PSA 오프-가스 스트림과의 열교환에 의해서 더 냉각될 수 있다. 여기에서, PSA 오프-가스 스트림은, CAP의 상류에, 하류에, 병렬로, 또는 그 조합으로 배열된 하나의 또는 2개의 PSA 오프-가스 예열기에 의해서 예열될 수 있다. 개질기에 진입하기 전의 예열된 PSA 오프-가스는, PSA 오프-가스 예열기(들)의 배열에 따라, 최대 연도 가스 보일러 하류의 또는 CAP 하류의 연도 가스의 온도까지의 온도를 가질 수 있다. 황이 프로세스 가스 스트림 및 연료 가스 스트림으로부터 제거되기 때문에, PSA 오프-가스를 예열한 후에 연도 가스의 온도는, SMR 시스템 내의 황산의 응축 없이, 황산의 이슬점 미만으로 낮아질 수 있고, 이는 저온 범위 내에서 동작되는 장비의 부식을 방지하는 데 도움을 준다. 특정 실시예에서, 이는 유리하게 스테인리스 강 대신 탄소 강의 이용을 가능하게 한다. 단계(814)에서, 예열된 PSA 오프-가스 스트림이 연료로서의 이용을 위해서 개질기의 버너에 공급될 수 있고, 여기에서 버너는, 개질기의 연소 구역 내에서 연소 공기의 존재 하에, 예열된 PSA 오프-가스 및 연료 가스를 연소시키고, 연소 공기는 CAP 및 HAP 내에서 예열된다.
본 발명의 몇몇 구체적인 실시예와 함께 본 발명을 설명하였지만, 전술한 설명을 고려할 때 많은 대안예, 수정예 및 변경예가 당업자에게 명확해질 것이 분명하다. 따라서, 본 발명은, 첨부된 청구항의 사상 및 넓은 범위 내에 포함되는 그러한 대안예, 수정예, 및 변경예 모두를 포함할 것이다. 본 발명은 개시된 요소를 적절하게 포함하거나, 그러한 요소로 이루어지거나 그러한 요소로 본질적으로 이루어질 수 있고, 개시되지 않은 요소 없이도 실시될 수 있다. 또한, 제1 및 제2와 같이 순서를 지칭하는 언어가 있는 경우에, 이는 예시적인 의미로서 이해되어야 하고 제한적인 의미로 이해되지 않아야 한다. 예를 들어, 당업자는, 특정 단계들이 단일 단계로 조합될 수 있다는 것을 인지할 수 있다.
본원에서, "중질 탄화수소", "더 중질의 탄화수소", "고급 탄화수소(higher hydrocarbon)", 및 "장쇄 탄화수소"는 C2 및 C2+ 탄화수소를 지칭하고, 상호 교환 가능하게 이용될 수 있다는 것을 주목하여야 한다.
문맥에서 달리 명백하게 기재되어 있지 않는 한, 단수 형태("a", "an", 및 "the")가 복수의 대상을 포함한다.
문맥 상의 또는 청구항의 "약" 또는 "대략" 또는 "대략적으로"는 기재된 값의 ±10%를 의미한다.
청구항 내의 "포함한다"는 개방형 전이적 용어(open transitional term)이며, 이는, 후속하여 식별되는 청구항의 요소가 비배타적인 나열이라는 것, 즉 임의의 다른 것이 부가적으로 포함될 수 있고 "포함한다"의 범위 내에서 유지될 수 있다는 것을 의미한다.
"포함한다"는 본원에서 더 제한된 전이적 용어인 "본질적으로 ~으로 이루어진" 및 "~으로 이루어진"을 필수적으로 포함하는 것으로 정의되고; "포함한다"는 그에 따라 "본질적으로 ~으로 이루어진" 또는 "~으로 이루어진"에 의해서 대체될 수 있고, 명백하게 정의된 "포함한다"의 범위 내에서 유지된다.
청구항 내의 "제공한다"는 구비한다, 공급한다, 이용 가능하게 한다, 또는 무언가를 준비한다는 것을 의미하는 것으로 정의된다. 단계는 청구항에서 달리 명백하게 반대되는 기재가 없는 경우에 임의 행위에 의해서 실시될 수 있다.
선택적인 또는 선택적으로는, 후속 설명되는 이벤트 또는 상황이 발생되거나 발생되지 않을 수 있다는 것을 의미한다. 상세한 설명은, 이벤트 또는 상황이 발생되는 경우 및 그러한 것이 발생되지 않는 경우를 포함한다.
범위는 본원에 대략적으로 하나의 특정 값으로부터, 및/또는 대략적으로 다른 특정 값까지인 것으로 표현될 수 있다. 그러한 범위가 표현되었을 때, 다른 실시예가, 그러한 범위 내의 모든 조합과 함께, 하나의 특별한 값으로부터 및/또는 다른 특별한 값까지라는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그에 의해서, 본원에 기재된 모든 언급 각각은 그 전체가, 그리고 그 각각이 인용된 구체적인 정보를 위해서, 본원에 참조로 포함된다.

Claims (20)

  1. 개선된 수소 생성 시스템으로서,
    프로세스 가스 스트림 및 탈황된 연료 가스 스트림을 생성하기 위해서 탄화수소 가스 스트림을 탈황하도록 구성된 하나 이상의 수소화탈황(HDS) 유닛;
    상기 프로세스 가스 스트림을 수용하도록 그리고 상기 프로세스 가스 스트림 내의 중질 탄화수소를 메탄으로 변환하여 예비-개질된 프로세스 가스를 생성하도록 구성된 예비-개질기로서, 상기 예비-개질된 프로세스 가스 내의 메탄의 양이 상기 프로세스 가스 스트림에 비해서 증가된, 예비-개질기;
    연소 구역 및 반응 구역을 갖는 개질기로서, 상기 연소 구역이 상기 HDS 유닛과 유체 연통되고 상기 HDS로부터 기원하는 상기 탈황된 연료 가스 스트림을 수용하도록 구성되며, 상기 반응 구역은 상기 예비-개질기와 유체 연통되고 상기 예비-개질기로부터 기원하는 상기 예비-개질된 프로세스 가스를 수용하도록 구성되며, 상기 개질기는 상기 반응 구역 내에서 합성가스 스트림을 그리고 상기 연소 구역 내에서 연도 가스를 생성하도록 구성되는, 개질기;
    상기 합성가스 스트림을 수용하도록 그리고 생성물 수소 스트림 및 PSA 오프-가스 스트림을 생성하도록 구성된 압력 스윙 흡착(PSA) 유닛; 및
    연소 공기 및 PSA 오프-가스 스트림에 반하여 상기 연도 가스를 황산의 이슬점 미만의 온도까지 냉각시키기 위한 수단을 포함하는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연도 가스를 냉각하기 위한 수단은, 상기 연도 가스는 냉각되고 상기 연소 공기는 가열되도록, 상기 연도 가스와 상기 연소 공기 사이에서 열을 교환하게 구성된 공기 예열기를 포함하는, 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연도 가스를 냉각하기 위한 수단은, 상기 연도 가스는 냉각되고 상기 PSA 오프-가스는 가열되도록, 상기 연도 가스와 상기 PSA 오프-가스 사이에서 열을 교환하게 구성된 제1 PSA 오프-가스 예열기를 포함하는, 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 PSA 오프-가스 예열기는 상기 공기 예열기의 상류에 설치되는, 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 PSA 오프-가스 예열기는 상기 공기 예열기의 하류에 설치되는, 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1 PSA 오프-가스 예열기가 상기 공기 예열기에 대해서 직접적으로 유동을 수용 및 전달하지 않게 구성되도록, 상기 제1 PSA 오프-가스 예열기가 상기 공기 예열기와 병렬로 설치되는, 시스템.
  7. 제3항에 있어서,
    제2 PSA 오프-가스 예열기를 더 포함하고, 상기 제1 PSA 오프-가스 예열기가 상기 공기 예열기의 상류에 설치되고, 상기 제2 PSA 오프-가스 예열기가 상기 공기 예열기의 하류에 설치되는, 시스템.
  8. 제3항에 있어서,
    제2 PSA 오프-가스 예열기를 더 포함하고, 상기 제1 PSA 오프-가스 예열기가 상기 공기 예열기의 상류에 설치되고, 상기 제2 PSA 오프-가스 예열기가 상기 공기 예열기와 병렬로 그리고 상기 제1 PSA 오프-가스 예열기의 하류에 설치되는, 시스템.
  9. 제3항에 있어서,
    제2 PSA 오프-가스 예열기를 더 포함하고, 상기 제1 PSA 오프-가스 예열기가 상기 공기 예열기의 하류에 설치되고, 상기 제2 PSA 오프-가스 예열기가 상기 공기 예열기와 병렬로 그리고 상기 제1 PSA 오프-가스 예열기의 상류에 설치되는, 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    천연 가스 파이프라인을 포함하는 탄화수소 공급원을 더 포함하는, 시스템.
  11. 수소 생성 시스템에서 열역학적 효율을 개선하기 위한 방법으로서,
    프로세스 가스 스트림 및 탈황된 연료 가스 스트림을 형성하기 위해서 하나 이상의 수소화탈황(HDS) 유닛 내에서 탄화수소 가스 스트림을 탈황하는 단계;
    예비-개질된 프로세스 가스 스트림을 형성하는 데 효과적인 조건 하에서 증기의 존재 하에 예비-개질기 내에서 상기 프로세스 가스 스트림을 예비-개질하는 단계;
    합성가스 스트림을 생성하는 데 효과적인 조건 하에서 개질기의 반응 구역 내의 증기의 존재 하에 상기 예비-수행된 프로세스 가스 스트림을 반응시키는 단계로서, 상기 예비-수행된 프로세스 가스 스트림을 반응시키기 위한 열은 상기 개질기의 연소 구역 내에서 연소 산화제의 존재 하에 상기 탈황된 연료 가스 스트림을 연소시키고 그에 의해서 연도 가스를 생성하는 것에 의해서 제공되고, 상기 연소 구역은 상기 반응 구역과 열을 교환하도록 구성되는, 단계;
    생성물 수소 스트림 및 PSA 오프-가스 스트림을 생성하는 데 효과적인 조건 하에서 상기 합성가스 스트림을 압력 스윙 흡착(PSA) 유닛 내로 도입하는 단계; 및
    냉각된 연도 가스를 생성하기 위해서 상기 연소 산화제 및 상기 PSA 오프-가스 스트림에 반하여 상기 연도 가스를 황산의 이슬점 미만의 온도까지 냉각하는 단계로서, 상기 냉각된 연도 가스가 황산을 포함하지 않는, 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 연소 산화제 및 상기 PSA 오프-가스 스트림에 반하여 상기 연도 가스를 냉각하는 단계가 산화제 예열기 내의 상기 연도 가스와 상기 연소 산화제 사이의 열교환에 의해서 상기 연도 가스를 냉각시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  13. 제0항에 있어서,
    상기 연소 산화제 및 상기 PSA 오프-가스 스트림에 반하여 상기 연도 가스를 냉각하는 단계가, 예열된 PSA 오프-가스 스트림을 형성하기 위한 적어도 하나의 PSA 오프 가스 예열기 내의 상기 연도 가스와 상기 PSA 오프-가스 스트림 사이의 열교환에 의해서 상기 연도 가스를 냉각시키는 단계를 더 포함하고, 상기 예열된 PSA 오프-가스 스트림은 상기 연소 구역 내의 연소를 위해서 상기 연소 구역에 도입되는, 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 PSA 오프-가스 예열기를 빠져 나가는 상기 연도 가스가 상기 산화제 예열기를 빠져 나가는 상기 연도 가스보다 더 높은 온도가 되도록, 상기 PSA 오프-가스 예열기가 상기 산화제 예열기의 상류에 설치되는, 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 PSA 오프-가스 예열기를 빠져 나가는 상기 연도 가스가 상기 산화제 예열기를 빠져 나가는 상기 연도 가스보다 더 낮은 온도가 되도록, 상기 PSA 오프-가스 예열기가 상기 산화제 예열기의 하류에 설치되는, 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 PSA 오프-가스 예열기가 상기 산화제 예열기에 대해서 연도 가스의 유동을 수용 및 전달하지 않게 구성되도록, 상기 PSA 오프-가스 예열기가 상기 산화제 예열기와 병렬로 설치되는, 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 제1 PSA 오프-가스 예열기가 상기 산화제 예열기의 상류에 설치되고, 제2 PSA 오프-가스 예열기가 상기 산화제 예열기의 하류에 설치되는, 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 제1 PSA 오프-가스 예열기가 상기 산화제 예열기의 상류에 설치되고, 제2 PSA 오프-가스 예열기가 상기 산화제 예열기와 병렬로 그리고 상기 제1 PSA 오프-가스 예열기의 하류에 설치되는, 방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 제1 PSA 오프-가스 예열기가 상기 산화제 예열기의 하류에 설치되고, 제2 PSA 오프-가스 예열기가 상기 산화제 예열기와 병렬로 그리고 상기 제1 PSA 오프-가스 예열기의 상류에 설치되는, 방법.
  20. 제11항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄화수소가 천연 가스이고 상기 연소 산화제가 공기인, 방법.
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