KR20200078624A - 수소 및 이산화탄소의 생산 및 분리를 위한 시스템들 및 방법들 - Google Patents

수소 및 이산화탄소의 생산 및 분리를 위한 시스템들 및 방법들 Download PDF

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8 리버스 캐피탈, 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 실질적으로 순수한 형태로 하나 또는 그 이상의 화학적 화합물들을 제공하기 위해 유용한 시스템들과 방법들에 관한 것이다. 특히, 상기 시스템들과 방법들은 수소 생산 시스템 내의 프로세스 스트림과 같은 프로세스 스트림으로부터의 이산화탄소의 분리를 위해 구성될 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 수소 및/또는 이산화탄소의 생산을 위한 시스템들과 방법들을 제공할 수 있다.

Description

수소 및 이산화탄소의 생산 및 분리를 위한 시스템들 및 방법들
본 발명은 수소 및 이산화탄소와 같이 표준 온도 및 압력에서 통상적으로 기체인 물질들을 생산하기 위한 시스템들 및 방법들을 제공한다. 특히, 본 발명은 산업 프로세스 스트림으로부터, 상세하게는 수소를 더 포함하는 프로세스 스트림으로부터의 이산화탄소의 분리를 제공한다.
수소는 물만을 생성하는 그 청정 연소 특성들로 인해 바람직한 에너지원으로서 오랫동안 관찰되어 왔다. 수소는 대기로의 임의의 CO2 방출을 방지하면서 CO2의 포집과 함께 탄화수소 연료들로부터 생성될 수 있다. 수소는 연료 전지들(특히, 차량 생산), 가열 응용들, 정유, 비료 생산 및 다른 화학 물질 생산에서의 이용을 위한 바람직한 상품이 될 수 있다. 예를 들면, 수소는 고용량의 전기 저장 배터리들에 유리하게 연결되는 연료 전지들을 이용하는 전기 차량 추진을 위한 연료로서 사용될 수 있다. 유리하게는, 연료로서 수소의 사용은 CO2, NOX, CO 및 탄화수소 방출들을 제거할 수 있으며, 이에 따라 특히 대도시 권역들 내에서 지면 수준의 공기 오염을 상당히 감소시킬 수 있다. 그러나 수소 기반의 세계 경제의 구현을 위한 어떤 과정은 대량의 수소 생산 능력을 요구할 수 있다. 또한, 이러한 수소 생산 방법은 사용되는 임의의 탄소질 또는 탄화수소 연료로부터 유래되는 CO2 및 다른 불순물들의 거의 100%의 포집과 함께 낮은 수소 생산 비용을 동시에 구현할 필요가 있을 수 있다.
또한, 연료 소스로서의 수소 사용은 보다 많은 종래의 동력 생산 프로세스들과 관련된 이산화탄소 방출들을 감소시키거나 제거하는 데 유리할 수 있고, 예를 들면, 수소는 질소 및/또는 스팀으로 희석될 수 있으며, 가스 터빈 결합 사이클 동력 발생 시스템 내에서 연료로 사용될 수 있다.
가스 터빈 결합 사이클 동력 발생 시스템들은 저위 발열량(LHV) 기준으로 55% 내지 62%의 범위의 효율로 천연 가스로부터 동력을 생성하는 이들의 능력으로 인해 세계적 전력 발생의 주요한 소스가 되어 있다. 바람직한 효율에도 불구하고, 이러한 시스템들은 상기 연료 내의 탄소가 이산화탄소로서 대기로 방출되기 때문에 여전히 문제가 있다. 이러한 문제점을 해결하고, 상기 연료 연소로부터 유래되는 CO2를 포집하기 위해여 수많은 가능성들이 제시되었다. 추가의 동력 생산을 위해 스팀을 방생시키도록 냉각이 수반되는 터빈 배출을 가스 터빈 압축기 유입구로 다시 재순환시킴에 의해 동작 유체로서 공기 대신에 CO2로 가스 터빈을 동작시키는 것이 가능하다. 상기 가스 터빈을 위한 연료가 순수한 산소 in 산소 연료 버너 내에서 순수한 산소로 연소되므로, 모든 대기의 질소가 폐쇄 사이클 시스템으로부터 제거되고, CO2는 상기 가스 터빈 내에서 동작 유체가 된다. 응축된 물과 함께 상기 연료 연소로부터 유래되는 생성물 CO2는 상기 가스 터빈 압축기 섹션의 유입구의 업스트림에서 제거된다. 화학적 및/또는 물리적인 용제 스크러빙(scrubbing) 프로세스들이 CO2를 제거하기 위해 상기 가스 터빈 배출을 처리하는 데 이용될 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 가스 터빈 내에서 상기 연료로서 수소를 활용하여 상기 가스 터빈 배출로부터의 CO2 및 다른 연료와 연소 유래 오염물들의 방출을 억제하는 것이 가능하다. 이러한 접근 방식은 실질적으로 모든 CO2 및 다른 연료 또는 연소 유래 불순물들이 별도의 폐기를 위해 제거되는 시스템으로부터 우선적으로 제공되는 일정하고, 큰 부피이며, 낮은 비용의 수소 소스를 요구한다. 가스 터빈 연료를 위한 것을 초과하는 수소 생산은 전술한 연료로서 수소의 보다 넓은 응용들에서의 사용을 위해 이와 같은 시스템으로부터 제공될 수 있다.
CO2의 상당한 방출을 억제하면서 상당한 양의 수소 가스들을 활용하는 다른 산업 프로세스들도 알려져 있다. 현대의 정제 공장들은, 예를 들면, 처리되는 오일 배럴당 대략 250scf의 H2를 활용(평균적으로)한다. 현재 H2 발생을 위해 이용되는 주요 프로세스인 스팀 메탄 개질(steam methane reforming: SMR)은 처리되는 오일 배럴당 방출되는 6.1㎏-CO2를 가져오는 24.5㎏-CO2/kscf-H2의 CO2 강도를 가지며, 이러한 양은 전적으로 수소화 처리/수소화 분해 프로세스들 내에서 H2의 사용에 기인한다. 배럴당 전체적인 CO2 방출은 이보다 높으며, 6.5㎏-33㎏-CO2/처리되는 오일 배럴의 범위 이내이다.
많은 세계의 동력은 증기 사이클 동력 플랜트들 내에서의 석탄의 연소로부터 유래된다. 동력 보일러로부터의 CO2 제거의 방법들은 재순환 연료 가스로 희석되는 산소 연료 버너 내의 순수한 산소로의 석탄 연소를 포함하므로, 질소가 상기 시스템으로부터 많이 방출되며, 상기 석탄으로부터 유래되는 순(net) CO2 생성물이 폐기되도록 생성될 수 있다. 선택적으로는, 배출 가스는 아민(amine) 화학적 스크러빙(scrubbing) 프로세스를 이용하여 상기 배출 가스로부터 상기 CO2의 제거가 수반되어 이산화황을 제거하도록 석회석 슬러리로 처리될 수 있다.
석탄이나 다른 고체 또는 정제 공장 배기 생성물들이나 바이오매스들과 같은 중액 연료들을 이용하는 다른 방법은 이후에 결합 사이클 가스 터빈 동력 발생 시스템 내에서 청정 연료로서 실질적으로 순수한 수소 생성물을 생성하도록 CO2 및 황 화합물들과 다른 미량의 불순물들의 제거와 수소 및 CO2를 생성하도록 촉매 반응기 내에서의 스팀과의 반응에 의해 CO로 전환시키기 위한 가스 처리가 수반되는 부분 산화 반응기 내에서 순수한 산소를 사용하여 상기 연료들을 가스화하는 것이다.
천연 가스, 석탄, 정제 폐기물, 또는 바이오매스 연료를 사용하는 동력 발생의 다른 방법은 CO2, N2, 헬륨, H2O, 또는 이들과 유사한 것과 같은 동작 유체를 사용하는 폐쇄 사이클 고압 산소 연료 동력 발생 시스템의 이용을 수반할 수 있다. 예를 들면, 상기 동작 유체로서 N2를 활용하는 시스템들은 그 개시 사항들이 여기에 참조로 포함되는 미국 특허 제9,410,481호 및 미국 특허 제9,611,785호에 기재되어 있다.
앞서 예시한 바와 같은 다양한 산업 가스 스트림들 내에서 생성되는 상당한 양의 CO2를 고려하여, 프로세스 스트림들로부터의 CO2 제거를 위한 다양한 프로세스들에 대한 요구가 존재한다. 산업 배기가스 스트림들로부터의 이산화탄소의 분리와 정제는 높은 에너지 및 장비 비용으로 인해 쉽지 않은 프로세스이다. 현재, 세계 온난화로 인한 기후 변화는 인류에게 실질적인 위협이 되고 있으며, 인간 활동들(산업, 운송, 주거 등)로 인한 대기 중으로의 상당한 양의 이산화탄소의 방출이 그 이면의 주요 원인으로 알려져 있다. 이에 따라, 다양한 산업 프로세스들로부터 CO2 방출을 포집하거나, 격리시키거나, 재사용하기 위한 새롭고 효과적인 방식들의 개발이 가장 중요하다. 예를 들면, 2017년도에 세계의 수소 생산 능력은 약 65M 메트릭 톤이었으며, 그 양의 약 99%가 대기 중으로 약 0.74Gt/년의 CO2를 방출하는 프로세스들을 통해 생성되었다. 이는 수소 발생만으로 인한 전체적인 2017년도의 세계 CO2 방출의 2% 이상이었다.
가스 스트림들로부터의 이산화탄소의 제거를 위한 알려진 방법들은 셀렉솔™(Selexol™) 프로세스와 같이 물리적 용제의 아민 용액과 같은 화학적 용제를 이용한 이산화탄소의 흡수, 막 확산을 이용한 분리, 그리고 제올라이트나 활성 탄소와 같은 고체 흡착제 상의 흡수를 이용한 분리를 포함한다. CO2를 함유하는 연료 가스 스트림들은 연소되어 흔히 대기 중으로 CO2를 방출시키며, 가스 스트림들로부터의 CO2의 분리를 위한 알려진 방법들은 엄청난 비용이 드는 것으로 인식되어 있다. 이에 따라, 100%의 CO2 회수가 가능하며, 수소 발생과 같은 현재의 프로세스들 내에 용이하게 통합될 수 있는 저비용의 CO2 제거 시스템들에 대한 요구가 있다.
임의의 탄화수소 또는 탄소질 연료를 사용하는 수소 생산 시스템들은 대체로 공급 예열을 위해 많은 양의 높은 온도의 열(예를 들면, 약 500℃ 내지 약 1000℃)을 요구할 것이며, 낮은 온도들(예를 들면, 약 200℃ 내지 약 400℃)에서 많은 양의 과잉의 열을 생성한다. 동력 스테이션들은 이용 가능한 고등급 열을 가지며, 그 시스템들 내로 통합되는 저등급 열을 활용할 수 있다. 상기 연료 소스로서 수소의 사용의 바람직성으로 인하여, 실질적으로 대기로의 CO2 방출 없이 낮은 비용으로 수소 연료를 제공하는 수단에 대한 필요성이 있다.
미국 특허 제8,021,464호에 개시되어 있는 바와 같이 이전에 수소 및 이산화탄소의 결합 생산을 제공하기 위해 시도되었던 노력들이 있었다. 그러나 이러한 방법들은 단순성 및 비용 효율성이 결여되어 있다. 이에 따라, 프로세스 스트림들로부터 이산화탄소를 제거할 뿐만 아니라 가치 있는 수소 스트림을 동시에 생성하기 위한 다른 시스템들과 방법들에 대한 요구가 존재한다.
본 발명은 수소 및/또는 이산화탄소와 같은 실질적으로 순수한 화학적 화합물의 하나 또는 그 이상의 스트림들을 제공하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
본 발명에 개시되는 시스템들과 방법들은 유리하게는 감소된 비용으로 산업 프로세스 스트림으로부터 이산화탄소를 효율적으로 분리하는 자동 냉각(auto-refrigeration) 시스템을 활용한다. 이와 같이, 일부 실시예들에서, 본 발명은 상세하게는 이산화탄소 및 적어도 하나의 다른 물질을 포함하는 산업 스트림으로부터의 이산화탄소의 분리를 통해 특히 이산화탄소 스트림의 생성을 위한 시스템들과 방법들을 제공할 수 있다. 이러한 이산화탄소 분리는 수소 및 이산화탄소를 포함하는 스트림을 생성하는 시스템들 및 방법들과의 사용에 대해 특히 유리하다. 이에 따라, 일부 실시예들에서, 본 발명은 특히 실질적으로 순수한 수소 가스의 생산을 위한 시스템들과 방법들을 제공할 수 있으며, 이러한 시스템들과 방법들은 여기에 상세하게 설명되는 자동 냉각 방법들을 통하는 바와 같이 원료 수소 생성물 스트림으로부터의 이산화탄소의 제거를 포함한다.
수소 생산은 수소를 포함하거나 및/또는 수소로 전환되는 기체 생성물들을 제공하기 위해 스팀(steam) 및/또는 CO2의 존재에서 탄화수소 연료를 산소로 부분적으로 산화시키는 과정이나 산소와 반응시키는 과정을 포함할 수 있다. 또한, 상당히 감소된 비용으로 CO2를 효율적으로 제거하는 능력으로 인해, 수소는 실질적으로 영(zero)의 CO2 및 다른 불순물 방출과 함께 생성될 수 있으며, 수소는 실질적으로 순수한 형태로 생성될 수 있으므로, 차량 연료로서 사용되는 경우, 동력 생산이나 가열을 위해 사용되는 경우, 비료 또는 다른 화학 물질들의 생산을 위해 사용되는 경우, 또는 정유에서 사용되는 경우와 같은 다양한 방식들에서 활용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 본 발명은 스팀 메탄 개질(steam methane reforming: SMR)에 의하는 바와 같은 스팀에 더하여 천연 가스 공급들을 구비하는 단일 스테이지 촉매 반응기를 이용한 H2＋CO의 혼합물의 생성을 포함할 수 있다. 선택적으로는, H2＋CO는 순수한 산소(POX)를 이용한 기체나 액체 또는 고체 탄화수소 또는 탄소질 연료의 부분 산화에 의하거나, O2에 더하여 스팀 공급을 구비하는 기체나 액체 탄화수소 연료를 이용한 촉매 자체 가열 반응기(auto-thermal reactor: ATR)로부터 생성될 수 있다. 일부 바람직한 실시예들에서, 본 발명은 또한 흡열 촉매 스팀에 더하여 가스 가열 개질기(gas heated reformer: GHR) 내에서 일어나는 탄화수소 개질 반응들을 위한 열을 제공하기 위해 POX 및/또는 ATR 반응기 시스템 내의 배출 현열을 활용하여 추가적인 H2 및 CO(즉, 합성 가스)를 생성하도록 상기 POX 또는 ATR 반응기와 직렬 또는 병렬 모드인 상기 GHR이 수반되는 상기 POX 또는 ATR 반응기 내의 H2＋CO의 발생을 위한 시스템들과 방법들에 관련될 수 있다. 천연 가스 연료를 사용하는 예로서, 상기 POX 반응기는 약 1300℃ 내지 약 1450℃의 출구 온도를 가지는 반면, ATR 반응기는 약 1000℃ 내지 약 1100℃의 출구 온도를 가진다. 상기 GHR 반응기의 유출구 온도는 550℃ 내지 650℃이다. 이러한 상당히 낮은 출구 온도는 POX 반응기만의 경우에 비하여 POX＋GHR 결합에 대해 35% 내지 40%의 수소 생산의 증가를 가져오고, 두 시스템들은 동일한 양의 탄화수소 공급을 이용하며, 여기서 상기 POX 생성물 가스 스트림으로부터 활용될 수 있는 추가의 열이 수소 생산뿐만 아니라 연관된 동력 시스템 내에서 동력 생산을 위해 스팀을 제공하기 위해 사용된다. 이단 합성 가스 생성 시스템의 다른 이점은 상기 생성물 합성 가스 스트림 내에 존재하는 공급된 탄화수소 공급으로부터 5% 이하의 전환되지 않은 메탄으로 100bar까지의 합성 가스 전달 압력들에서 동작하는 능력이다. 상기 이단 합성 가스 생성 방법을 수행하기에 적합한 시스템 구성 요소들은 그 개시 사항들이 여기에 참조로 포함되는 미국 특허 제9,327,972호 및 미국 특허 제8,685,358호에 기재되어 있다. 수소 생산은 과잉의 스팀을 이용하는 동력 생산에 비하여 훨씬 높은 값으로 인해 최대화되어야 한다.
본 발명은 또한 SMR과 같은 종래의 H2 시스템들 내의 CO2 포집을 제공할 수 있다. CO2 포집을 구비하는 최신의 SMR 시스템은 통상적으로 연료로서 H2-PSA 배기가스(waste gas)의 사용 및 SMR 퍼니스의 배출에 대한 AGR 기반의 CO2 분리 유닛의 이용에 의존한다. 이와 같은 시스템은 통상적으로 상기 프로세스로부터의 전체적인 CO2의 90%까지를 포집하며, CCS 없이 H2 보다 약 45% 비싼 H2를 생성한다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 본 발명의 시스템들과 방법들은 상기 수소 생산 시스템과 선택적으로 결합될 수 있는 다른 시스템들과 방법들에 대한 추가적인 열 투입을 제공하기 위해 상기 수소 플랜트 내에서 발생되는 불가피한 과잉의 열(예를 들면, 400℃ 아래의 온도 레벨에서)을 활용할 수 있다. 예를 들면, 상기 수소 생산으로부터의 과잉의 열이 이러한 시스템과 방법의 효율을 향상시키도록 동력 생산 시스템과 방법에 추가될 수 있다. 수소 생산 시스템들은 통상적으로 열 방출 없이 CO＋H2O를 H2＋CO2로 전환시키는 CO 전환 반응기(shift reactor)를 이용하므로, 정제 이전에 원료 H2 생성물 스트림을 주위 온도로 냉각시키는 과정에서 상기 가스 스트림의 현열 및 다른 시스템들에 대한 추가되는 열원으로서 이상적으로 이용될 수 있는 존재하는 과잉의 스팀의 응결의 잠열로 인하여 상대적으로 낮은 온도에서 매우 많은 열 방출이 존재한다. 이러한 추가되는 열은, 하나의 예로서, 동력 생산 시스템에서 높은 발전 효율을 구현하는 데 기여하도록 유리할 수 있다.
다른 실시예들에서, 본 발명은 상기 수소 생산 시스템에 대한 열의 제공을 포괄한다. 특히, 열은 상기 수소 생산 시스템에 추가될(예를 들면, 약 400℃ 내지 약 1000℃의 온도 레벨에서) 수 있으며, H2＋CO 합성 가스 발생 반응기 시스템(예를 들면, SMR, POX, ATR, POX＋GHR, 또는 ATR＋GHR 중의 임의의 하나 또는 그 이상)에 대해 연료 스트림(예를 들면, 천연 가스) 및 스팀 공급 스트림 중의 하나 또는 모두를 과열시키는데 특히 유용할 수 있다. 상기 수소 생산 시스템에 투입되는 추가된 열은, 이에 한정되는 것은 아니지만, 고온의 연소 생성물 스트림들이 이용될 수 있는 동력 생산 시스템들을 포함하여 다양한 소스들로부터 제공될 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 수소 생산 시스템은 상기 H2＋CO 반응기 시스템으로부터의 상기 생성물 가스를 냉각시키고, 다른 소스로부터 유래되는 높은 온도의 열을 이용하여 과열될 수 있는 고압의 포화된 스팀을 생성하는 데 유용할 수 있는 스팀을 발생시키는 보일러를 포함할 수 있다. 예열된 탄화수소 공급과 함께 상기 과열된 스팀은 이후에 상기 H2＋CO 반응기 유닛들에 대한 공급을 제공할 수 있다. 임의의 과잉의 스팀 생성이 이후에 다른 시스템으로 이송될 수 있다. 스팀을 발생시키는 폐열 보일러(WHB)를 떠나는 상기 H2＋CO 합성 가스는 스팀의 실질적인 부분을 함유한다. 이는 이후에 촉매 전환 반응기로 통과되며, 여기서 상기 스팀은 H2 및 CO2를 생성하도록 흡열 반응으로 CO와 결합한다. 상기 원료 수소 스트림은 약 400℃의 통상적인 높은 온도 레벨로부터 주위 온도 부근까지 냉각되어야 한다. 배출된 현열에 더하여 잔여 스팀 함량의 응결로부터 생성되는 추가적인 열이 H2 반응기 보일러 공급 물 및 반응기 공급 스트림들을 상기 스팀 발생기를 떠나는 합성 가스 스트림에 매우 근접하는 온도까지 예열한 후에 이용될 수 있는 상당한 과잉의 열 방출을 생성한다. 이러한 과잉의 열은 다른 시스템으로 이송될 수 있다. 선택적인 제2의 저온의 촉매 전환 반응기가 H2 생산을 최대화하는 데 이용될 수 있는 점에 유의한다. 본 발명의 시스템들과 방법들은 냉각된 원료 수소 스트림으로부터 순수한 고압의 수소를 분리시키기 위해 압력 순환 흡착(pressure swing adsorption: PSA) 시스템을 이용할 수 있다. 약 1.2bar 내지 약 1.6bar의 압력에 있는 상기 PSA 유닛으로부터의 상기 배기가스 스트림은 CH4＋CO＋H2와 함께 H2로의 탄화수소 공급의 전환으로부터 생성되는 모든 CO2를 포함하며, 수증기로 포화된다.
추가 실시예들에서, 본 발명은 페기를 위해 약 100bar 내지 약 200bar의 범위의 파이프라인(pipeline) 압력까지 압출될 수 있는 CO2로서 상기 수소 플랜트를 위한 연료 내에 존재하는 실질적으로 모든 탄소의 회수를 제공할 수 있다. 예를 들면, 이는 상기 PSA의 업스트림(upstream)인 아민 CO2 스크러빙(scrubbing) 시스템 내에서 주위 온도 원료 H2 스트림을 처리하여 구현될 수 있다. 상기 PSA로부터의 배기가스는 이후에 결합된 또는 별도의 시스템 내에서 소모되는 연료 스트림의 주요 부분으로 사용될 수 있다. 상기 아민 CO2 제거 시스템의 단점은 높은 자본 비용이며, 상기 순수한 CO2 생성물 스트림을 생성하기 위한 아민 재생에 대해 요구되는 많은 양의 낯은 압력의 스팀이다. 상기 PSA 배기가스 스트림은 상당한 양의 H2＋CO를 함유한다. 상기 배기가스는 압축될 수 있고, 추가되는 스팀과 함께 촉매 CO 전환 반응기로 통과될 수 있으며, 약 60% 내지 약 85%의 범위 내의 H2 몰농도를 가지는 상기 냉각되고 압축된 배기가스 스트림을 야기한다. 이러한 스트림은 이후에 제2 PSA 유닛 내에서 처리될 수 있으며, 추가적인 H2 생산을 가져온다. 아민 스크러빙에 더한 제1 스테이지 PSA에 더한 CO 전환에 더한 제2 스테이지 PSA의 이러한 결합은 95% 이상이며, 바람직하게는 97% 이상의 상기 합성 가스 반응기 생성물 스트림 내에 존재하는 (H2＋CO)로 나누어지는 H2 생성물의 전체적인 비율을 가져온다. 상기 수소 생산 시스템은 바람직하게는 상기 제1 PSA의 업스트림이인 모노에탄올 아민(monoethanol amine: MEA) 유닛 또는 물리적 용제 CO2 제거 유닛이 상기 PSA 배기가스 스트림 내의 나가는 모든 CO2를 제거하도록 구성될 수 있다.
압축 및 건조에 이어서, 이러한 스트림은 액체상 및 증기상의 분리가 액체로서 제거되는 CO2의 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상에서 야기되는 CO2의 어는점 보다 높은 약 2℃ 내지 약 10℃의 범위의 온도까지 냉각될 수 있다. 선택적으로, 상기 액체 CO2는 상기 증기상으로 이송되는 용해된 H2＋CO＋CH4를 제거하기 위해 스트리핑 증류 칼럼(stripping distillation column) 내에서 처리될 수 있다. 상기 프로세스 여기에 참조로 포함되는 미국 특허 제7,819,951호에 기재되어 있다. 여기에 통합될 수 있는 구성 요소들을 포함하는 다른 CO2 제거 시스템들은 그 개시 사항들이 여기에 참조로 포함되는 미국 특허 제8,021,464호 및 미국 특허 제8,257,476호에 개시되어 있다. 2bar의 배기가스 압축기 배출 압력 이내에 있는 상기 분리된 증기 스트림은 이후에 대기 온도까지 데워지고, 선택적으로 일부 추가되는 스팀과 함께 CO 전환 촉매 반응기 시스템으로 통과되며, 상기 제1 PSA 유닛과 동일한 순도와 압력에서 H2를 전달하는 제2 PSA 유닛 내에서 이전과 같이 처리된다. 다른 바람직한 배치는 상기 저온의 CO2 제거 시스템 내에서 상기 대부분의 CO2로부터 분리되는 주위 온도의 가스 스트림을 취하고, 이를 상기 H2＋CO 합성 가스 발생 반응기에 대해 상기 공급 스트림들로 다시 재순환시키는 것이다. 재순환 루프를 완전히 닫음으로써, 불활성 성분들이 상기 시스템으로부터 배출될 수 있으며, 이러한 배출된 연료 가스 스트림은 결합되거나 분리된 시스템 내에서 소모될 수 있다. 상기 산소 스트림으로부터 유래되는 아르곤 및 상기 탄화수소 공급과 상기 산소 스트림들 모두로부터 유래되는 질소의 레벨은 상기 제1 PSA에 대해 상기 공급 가스 내에서 3% 내지 12%(몰)의 낮은 전체 농도로 유지되어야 한다. 이러한 배치는 제2 CO 전환 및 PSA 시스템을 요구하지 않는다. 모든 수소는 주요 PSA로부터 생성될 것인 반면, 모든 CO2는 상기 저온의 CO2 제거 시스템으로부터 생성될 것이다.
원할 경우, 본 발명의 시스템들과 방법들에서 사용되는 상기 산소의 일부 또는 모두가 극저온 공기 분리 플랜트로부터 또는 저압의 공기 공급을 가지는 고온의 산소 이온 수송 멤브레인(oxygen ion transport membrane: ITM) 유닛으로부터 공급될 수 있다. 상기 산소는 생성물 O2 가스 스트림으로서 상기 ITM 유닛으로부터 생성될 수 있거나, ITM 산소 연료 연소기 내에서 CO2와 같은 적절한 희석제와 혼합되거나 ITM 반응기 내에서 H2＋CO 합성 가스를 생성하도록 스팀으로 희석되는 천연 가스와 같은 연료 가스와 즉시 반응할 수 있다. 상기 수소 플랜트는 상기 PSA 시스템으로부터 95bar까지의 실질적으로 순수한 H2를 생성하는 H2＋CO 합성 가스 발생 반응기에 대한 공급으로서 105bar까지의 압력인 고압의 가스 상태의 산소의 스트림을 활용할 수 있다. 고압의 산소를 공급하는 극저온 공기 분리 플랜트가 상기 산소를 제공하는 데 특히 유용할 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 상기 수소 생산 시스템 및 방법은 시스템들 모두의 효율을 향상시키기 위해 동력 생성 시스템 및 방법과 결합될 수 있다. 예를 들면, 일부 실시예들에서, 터빈들을 위해 고압의 과열된 스팀을 발생시키는 미분탄 연소 동력 스테이션이 800℃를 초과하는 온도들에서 과열기(super-heater)들을 떠나는 대류 섹션의 연도 가스에 이용될 수 있다. 상기 합성 가스 발생 반응기들을 위한 탄화수소 가스의 공급 스트림들 및 스팀은 400℃ 내지 600℃의 범위의 온도들까지 과열될 수 있다. 상기 H2 생성 시스템으로부터 이용될 수 있는 저등급의 과잉의 열이 증기 터빈들 내에서 통상적으로 여분의 동력 생산을 위해 유용할 수 있는 스팀을 방출하는 상기 동력 스테이션 보일러 공급 물의 일부를 가열하는 데 이용될 수 있다. 상기 동력 스테이션 내의 CO2 제거는 상기 배출 가스의 아민 스크러빙을 이용하거나, 확립된 기술에 기초한 CO2 정제가 수반되는 연도 가스의 재순환을 구비하는 산소 연료 석탄 연소의 이용에 필요할 수 있다.
또 다른 예로서, 가스 터빈 결합 동력 발생 시스템은 탄화수소 연료, 통상적으로 상기 가스 터빈 연소기 내에서 연소되는 천연 가스를 사용한다. 상기 연료는 단열 불꽃 온도를 감소시키도록 대체로 질소 또는 스팀으로 희석될 수 있는 수소가 될 수 있다. 상기 수소 생산 시스템과의 통합은 일어나는 열 통합뿐만 아니라 상기 가스 터빈에 의해 요구되는 모든 수소 연료 가스 및 다른 용도들을 위한 과잉의 수소를 제공하기 위해 충분히 많은 수소 생산이 가능하기 때문에 특히 유리하다. 상기 통합은 효율을 증가시킬 뿐만 아니라 상기 시스템에 대한 전체 탄화수소 공급의 연소로부터 유리되는 CO2의 거의 100%를 제거한다. 이는 가스 터빈 유출구 스트림으로부터의 CO2의 아민 스크러빙에 기초하는 CO2 제거를 위한 현재의 시스템에 대해 매우 큰 개선 사항이 된다. 상기 합성 가스 반응기 공급 스트림들은 약 500℃ 내지 약 620℃의 범위의 온도 내에 있는 산업 유닛을 위해 상기 가스 터빈 배출에 대해 예열될 수 있다. 상기 수소 플랜트로부터 방출되는 낮은 온도의 열은 상기 증기 터빈 내의 여분의 동력 생산을 위해 방출되는 스팀을 예열하는 보일러 공급 물에 대해 이용될 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 본 발명은 수소 생산 시스템에 추가적인 열을 체공하도록 구성되는 다른 시스템과의 통합을 위해 구성될 수 있는 수소 생산 시스템을 제공할 수 있다. 특히, 상기 시스템은, 탄화수소 연료의 공급 스트림들, 스팀 및 선택적으로 배기 연료 가스에 더하여 CO2로, 예를 들면, 110bar까지의 압력에서 동작하는 CO＋H2 합성 가스 반응기(바람직하게는, 여기서 상기 반응기 시스템은 SMR, POX, ATR, POX＋GHR, 또는 ATR＋GHR 중의 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다); 상기 반응기 시스템 내에서 생성되는 합성 가스를 냉각시키고, 포화된 고압의 스팀을 생성하도록 구성되는 폐열 보일러; 상기 반응기 공급 스트림들의 온도를 약 400℃ 내지 약 600℃의 범위의 온도까지 상승시키는 과열기; H2＋CO2를 생성하도록 포함된 스팀과의 반응에 의해 CO를 전환시키는 하나 또는 그 이상의 촉매 CO 전환 반응기들; 상기 합성 가스를 냉각시키고, 과잉의 스팀을 응결시키도록 구성되며, 보일러 공급 물 및 선택적으로 합성 가스 반응기 공급 스트림들을 약 400℃까지의 온도까지 예열하기 위해 요구되는 열을 제공하는 열교환기 시스템; 상기 합성 가스 반응기 유출구 압력의 약 5bar 이내의 압력인 실질적으로 순수한 H2 생성물 및 약 1.2bar 내지 약 1.6bar의 압력인 배기가스 스트림을 생성하는 제1 압력 순환 H2 정제 유닛(PSA); 상기 제1 PSA 유닛의 업스트림에 위치하는 선택적인 화학적 또는 물리적 흡착제 CO2 제거 시스템; 상기 PSA 배기가스 스트림을 상기 제1 PSA H2 생성물 스트림보다 약 2bar 내지 약 5bar 높은 압력까지 압축시키는 압축기; H2＋CO2에 대한 스팀과의 반응에 의해 상기 압축된 배기가스 내의 CO를 전환시키도록 추가되는 스팀을 이용하는 선택적인 촉매 CO 전환 반응기 시스템; 상기 제1 H2 생성물 스트림과 실질적으로 동일한 압력에서 제2 실질적으로 순수한 H2 생성물 스트림을 생성하기 위해 60%몰 이상의 H2 농도를 포함하는 상기 배기가스 스트림을 처리하는 제2 PSA; 그리고 상기 제2 PSA로부터의 상기 배기 연료 가스 스트림의 산출을 위한 유출 라인을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 시스템은 상기 합성 가스 냉각 작업으로부터 이용 가능한 과잉의 열의 전송을 위한 하나 또는 그 이상의 라인들 및/또는 상기 H2 생산 시스템으로부터의 임의의 과잉의 스팀 또는 배기 연료 가스의 산출을 위한 하나 또는 그 이상의 라인들을 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 제1 PSA의 업스트림에 있는 상기 CO2 제거 시스템은 제거될 수 있다. 또한, 선택적으로, 상기 CO2 어는점의 2℃ 내지 10℃의 온도 이내까지 상기 압축되고 건조된 제1 PSA 배기가스 스트림을 냉각시키는 과정 및 상기 CO2를 정제하기 위한 제공으로 잔여 배기가스 스트림으로부터의 상기 액체 CO2를 과열하는 과정의 원리에 기초하는 CO2 제거 유닛의 이용도 제거될 수 있다. 또한, 선택적으로, 배기가스 압축 및 CO2 제거가 수반되는 상기 제1 PSA 유닛으로부터의 배기가스가 상기 합성 가스 반응기들에 대한 상기 연료 가스 공급의 일부로서 사용되기 위해 재순환될 수 있다. 이러한 실시예들에 따른 폐쇄 사이클 루프 내에서의 불활성 아르곤에 더하여 질소의 증가를 방치하기 위해, 불활성 성분들의 농도를 약 3% 내지 약 12%(몰)의 농도로 제한하도록 상기 제1 PSA의 업스트립에서 적절하게 취해지는 퍼지 가스(purge gas) 스트림이 존재할 것이다.
상기 수소 생산 시스템과 가스 터빈 결합 사이클 동력 발생 시스템의 통합은 열 통합 이외에도 상기 가스 터빈을 구동시키기 위해 요구되는 모든 연료 가스를 제공하도록 생성된 수소의 적어도 일부를 사용할 것이다. 상기 수소는 상기 POX＋GHR 또는 상기 ATR＋GHR 합성 가스 반응기들을 위해 산소를 생성하는 상기 극저온 O2 플랜트로부터 유래되는 질소, 그리고 선택적으로 상기 수소 생산 시스템으로부터 유래되는 400℃ 아래의 온도 레벨인 과잉의 열 및 스팀으로 적절하게 희석될 것이다. 이는 상기 H2 생성에 더하여 상기 동력 생산 시스템들에 대한 상기 전체 탄화수소 공급의 연소로부터 유래되는 CO2의 거의 100% 회수를 가져올 것이다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 본 발명은 산소 연료 연소 및 동력 발생, 천연 가스 처리 및 수소 발생과 같은 다양한 프로세스들로부터 발생되는 배기 스트림들로부터의 부산물로서 CO2를 포집하고 정제하는 간단하고 경제적인 프로세스를 제공한다. 상기 시스템들과 방법들은 잠재적으로 임의의 산업 배기 스트림으로부터 CO2를 정제하고 분리시키는 데 활용될 수 있으며, 여기서 적어도 40mol%의 CO2 함량을 갖는 CO2의 순수하지 않은 스트림 또는 낮은 농도의 CO2가 적어도 40mol%의 농도까지 상향될 수 있다.
본 발명에 개시되는 시스템들과 방법들은 CO2로부터 프로세스 배기 스트림 내의 오염물들을 분리하기 위해 알려진 냉각 방법들을 활용할 수 있다. 그러나 본 발명의 시스템들과 방법들은 상기 프로세스를 상당히 간소화시키며, 이에 따라 CO2의 정제 및 분리의 비용을 간소화시키는 장비의 고유한 배치를 활용할 수 있다. 본 발명의 시스템들과 방법들은 상기 탄화수소 공급이 가압 시스템 내에서 산소 및 스팀과의 반응에 의해 H2＋CO로 전환되고, 상기 H2 생산 및 CO2 제거 유닛들 사이의 상기 프로세스 통합이 실질적으로 100% CO2 포집을 구현하는 수소 생산 플랜트와 통합될 때에 특히 유용하다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 본 발명은 냉각 및 분별을 이용하여 프로세스 배기 스트림을 포함하는 CO2로부터 정제되고 깨끗한 CO2 스트림을 발생시키도록 구성될 수 있다. 요약하면, 상기 순수하지 않은 CO2 스트림은 물질 이동 칼럼(mass transfer column) 내의 분리 및 정제가 수반되어 CO2 함량을 액화시키기 위해 CO2 삼중점(-56.4℃) 부근의 온도까지 냉각된다. 상기 프로세스는 효율적이고 낮은 비용으로 100% CO2 포집을 구현하도록 내부 이송 스트림들과 함께 가압 수소 생산 시스템과 통합될 수 있다.
일부 실시예들에서, 본 발명은 오염물이 증가된(enriched) 오버헤드(overhead) 증기 및 이산화탄소가 증가된 하부 액체 생성물 스트림을 생성하도록 CO2의 어는점에 가까운 온도에서 순수하지 않은 액체 이산화탄소 스트림을 처리하기 위한 물질 이동 분리 칼럼(mass transfer separation column) 시스템으로 특징지어지는 메탄, 일산화탄소, 수소, 질소, 아르곤, 산소 및 수증기를 포함하는 오염 성분들로부터 CO2를 분리시키기 위한 프로세스에 관한 것이다.
상기 분리 칼럼은 상기 칼럼 시스템 및 데워진 이산화탄소가 증가된 유체를 공급하고 응축시키기 위한 냉각된 순수하지 않은 이산화탄소 유체를 생성하도록 냉각시키는 순수하지 않은 이산화탄소 유체에 대한 간접적인 열 교환에 의해 상기 이산화탄소가 증가된 하부 액체의 일부를 끓이기 위한 리보일러(reboiler)를 가질 수 있다.
본 발명에 개시되는 시스템들과 방법들은 부분적으로 응축된 순수하지 않은 이산화탄소 유체를 생성하도록 직접적인 열 교환에 의해 순수하지 않은 이산화탄소 유체를 더 냉각시키기 위한 열교환기를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 개시되는 시스템들과 방법들은 상기 순수하지 않은 이산화탄소 유체의 어는점의 10℃ 이내에 있는 감소된 압력의 순수하지 않은 액체 이산화탄소를 생성하도록 순수하지 않은 액체 이산화탄소의 압력을 감소시키기 위한 제1 압력 감소 배치를 포함할 수 있다.
본 발명에 개시되는 시스템들과 방법들은 상기 순수하지 않은 이산화탄소 공급 스트림을 냉각시키기 위해 냉매 스트림들로서 사용되는 감소된 압력에 있는 팽창된 이산화탄소가 증가된 하부 액체 스트림들을 생성하도록 상기 이산화탄소가 증가된 하부 액체들의 부분들을 팽창시키기 위한 다른 압력 감소 배치들을 포함할 수 있다.
상기 순수하지 않은 이산화탄소 공급 스트림은 상기 CO2 분리 및 정제 단계의 업스트림에 위치하는 제1 H2 PSA 트레인(train)으로부터의 상기 배기가스 스트림의 적어도 일부가 될 수 있다.
상기 순수하지 않은 공급 스트림의 압력은 적어도 15bar의 CO2 분압을 가져오도록 증가될 수 있다.
상기 CO2 분리 시스템 내의 상기 물질 이동 칼럼으로부터의 상기 오버헤드 증기의 적어도 일부는 선택적으로 압축될 수 있으며, 가압 수소 플랜트의 H2에 더하여 CO 합성 가스 발생 시스템으로 다시 재순환될 수 있다.
상기 물질 이동 칼럼으로부터의 오버헤드 증기는 선택적으로 압축될 수 있으며, 부분 산화 구역, 가스 가열 개질기 구역 및 폐열 보일러 열회수 열교환기로 구성되는 결합 합성 가스 발생기 장비로 다시 재순환될 수 있다.
상기 분리 칼럼으로부터의 압축된 오버헤드 증기는 제2 H2 생성물 스트림으로서 상기 분리 칼럼 배기가스 내의 적어도 60mol%의 H2를 회수하는 제2 H2 PSA 유닛 내에서 처리될 수 있다.
상기 CO2 물질 이동 칼럼 오버헤드 증기는 상기 제2 H2 PSA 트레인 이전에 몰 기준으로 그 H2 함량을 적어도 60%까지 증가시키기 위해 저온의 수성 가스 전환 반응기(water-gas shift reactor) 내에서 추가적인 수소를 생성하도록 포함된 일산화탄소를 스팀과 촉매로 반응시켜 처리될 수 있다.
상기 제2 H2 PSA 유닛으로부터의 배기가스의 적어도 일부는 상기 제1 H2 PSA로부터의 배기가스와 혼합될 수 있으며, 상기 CO2 분리 트레인으로 다시 재순환될 수 있다.
CO2 분리 트레인 배기가스의 적어도 일부는 가스 터빈, 프로세스 히터, 또는 산소 연소 버너 내에서 연료로 사용될 수 있다.
상기 제2 H2 PSA 배기가스의 적어도 일부는 가스 터빈, 프로세스 히터, 산소 연소 버너, 또는 스팀 메탄 개질 반응기(steam methane reforming reactor: SMR)의 퍼니스 내에서 구현되는 임의의 목적을 위한 연료 소스로서 사용될 수 있다.
모든 경우들에서, 생성된 CO2는 적절한 격리 장소로의 전달을 위해 파이프라인 압력까지 압축될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 본 발명은 이산화탄소(CO2) 및 하나 또는 그 이상의 다른 성분들을 포함하는 프로세스 스트림(process stream)으로부터 CO2를 분리하기 위한 프로세스를 제공할 수 있다. 특히, 상기 프로세스는, 상기 프로세스 스트림 내의 상기 CO2의 분압이 적어도 15bar가 되는 압력으로 상기 프로세스 스트림을 제공하는 단계; 상기 CO2를 포함하는 프로세스 스트림의 이슬점이 약 -20℃ 또는 그 이하의 온도까지 감소하도록 상기 프로세스 스트림을 충분히 건조시키는 단계; 2상(two phase)의 스트림으로서 상기 CO2를 포함하는 프로세스 스트림을 제공하도록 상기 프로세스 스트림을 적어도 하나의 열교환기 내에서 냉각시키는 단계; 상기 2상의 스트림의 온도를 상기 2상의 스트림의 어는점의 약 15℃ 이내인 온도까지 감소시키도록 상기 2상의 스트림을 팽창시키는 단계; 및 상기 하나 또는 그 이상의 다른 성분들 중의 적어도 하나가 증가된(enriched) 증기 스트림을 제공하고, 상기 CO2가 증가된 액체 스트림을 제공하도록 상기 2상의 스트림을 분리시키는 단계를 포함할 수 있다. 하나 또는 그 이상의 다른 실시예들에서, 상기 프로세스는 임의의 숫자나 순서로 결합될 수 있는 다음의 사항들 중의 하나 또는 그 이상과 관련하여 특징지어질 수 있다.
상기 건조시키는 단계는 상기 CO2를 포함하는 상기 프로세스 스트림을 건조제가 충진된 베드로 통과시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 냉각시키는 단계는 상기 CO2가 증가된 상기 액체 스트림의 적어도 일부에 대해 상기 프로세스 스트림을 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 냉각시키는 단계는 제1 열교환기 내 및 제2 열교환기 내에서 상기 프로세스 스트림을 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 냉각시키는 단계는 상기 제1 열교환기 내에서 상기 CO2가 증가된 상기 액체 스트림의 제1 부분에 대해 상기 프로세스 스트림을 냉각시키는 단계 및 상기 제2 열교환기 내에서 상기 CO2가 증가된 상기 액체 스트림의 제2 부분에 대해 상기 프로세스 스트림을 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 프로세스는 상기 제1 열교환기 내에서 상기 CO2가 증가된 상기 액체 스트림의 제1 부분에 대해 상기 프로세스 스트림을 냉각시키는 단계 및 상기 제2 열교환기 내에서 상기 CO2가 증가된 상기 액체 스트림의 제2 부분에 대해 상기 프로세스 스트림을 냉각시키는 단계 이전에, 상기 CO2가 증가된 상기 액체 스트림의 제1 부분 및 상기 CO2가 증가된 상기 액체 스트림의 제2 부분의 온도를 감소시키기 위해 상기 CO2가 증가된 상기 액체 스트림의 제1 부분 및 상기 CO2가 증가된 상기 액체 스트림의 제2 부분을 팽창시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 CO2가 증가된 상기 액체 스트림의 제1 부분 및 상기 CO2가 증가된 상기 액체 스트림의 제2 부분은 별도의 밸브들을 이용하여 별도로 팽창될 수 있다.
상기 프로세스는 리보일러(reboiler) 열교환기 내에서 상기 프로세스 스트림을 냉각시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 프로세스는 상기 CO2가 증가된 상기 액체 스트림의 적어도 일부를 상기 리보일러 열교환기로 통과시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각시키는 단계는 상기 하나 또는 그 이상의 다른 성분들 중의 적어도 하나가 증가된 상기 증기 스트림의 적어도 일부에 대해 상기 프로세스 스트림을 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 2상의 스트림의 온도를 상기 2상의 스트림의 어는점의 약 10℃ 또는 약 5℃ 이내인 온도까지 감소시키기 위해 상기 2상의 스트림을 팽창시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 2상의 스트림을 분리시키는 단계는 상기 2상의 스트림을 증류 칼럼(distillation column)으로 통과시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 증류 칼럼은 상기 증류 칼럼 내로의 상기 2상의 스트림의 공급 포인트 아래의 스트리핑 섹션(stripping section)을 포함하며, 상기 증류 칼럼 내로의 상기 2상의 스트림의 상기 공급 포인트 상부의 정류 섹션(rectifying section)을 포함할 수 있다.
상기 프로세스는 상기 CO2가 증가된 상기 액체 스트림을 제1 액체 CO2 스트림, 제2 액체 CO2 스트림 및 제3 액체 CO2 스트림으로 분리시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 프로세스는 상기 제1 액체 CO2 스트림, 상기 제2 액체 CO2 스트림 및 상기 제3 액체 CO2 스트림 중의 하나, 둘, 또는 셋을 그 온도를 감소시키고 냉매 스트림을 형성하기 위해 독립적으로 팽창시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 프로세스는 상기 제1 액체 CO2 스트림, 상기 제2 액체 CO2 스트림 및 상기 제3 액체 CO2 스트림 중의 하나, 둘, 또는 셋을 압축시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 프로세스는 상기 하나 또는 그 이상의 다른 성분들 중의 적어도 하나가 증가된 상기 증기 스트림을 압축시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 하나 또는 그 이상의 다른 성분들은 탄화수소, 일산화탄소, 수소, 질소, 아르곤 및 수증기 중의 하나 또는 그 이상이 될 수 있다.
상기 프로세스는 상기 하나 또는 그 이상의 다른 성분들 중의 적어도 하나가 증가된 상기 증기 스트림을 그 온도를 감소시키고 냉매 스트림을 형성하기 위해 팽창시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 프로세스는 상기 하나 또는 그 이상의 다른 성분들 중의 적어도 하나가 증가된 상기 증기 스트림의 적어도 일부를 압력 순환 흡착기 유닛으로 통과시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 통과시키는 단계는 상기 하나 또는 그 이상의 다른 성분들 중의 적어도 하나가 증가된 상기 증기 스트림 내에 존재하는 임의의 H2의 적어도 60mol% 또는 적어도 75mol%를 회수하기에 효과적일 수 있다.
상기 프로세스는 상기 건조시키는 단계 이전에 상기 프로세스 스트림과의 결합을 위해 상기 하나 또는 그 이상의 다른 성분들 중의 적어도 하나가 증가된 상기 증기 스트림의 적어도 일부를 재순환시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 저온의 CO2 제거 시스템 및/또는 제2 PSA로부터의 상기 배기가스의 적어도 일부가 수소 생산 프로세스 내에서 GHR로 다시 재순환될 수 있다. 다른 예로서, 상기 저온의 CO2 제거 시스템 및/또는 제2 PSA로부터의 상기 배기가스의 적어도 일부가 수소 생산 프로세스 내에서 POX 반응기로 다시 재순환될 수 있다. 또 다른 예로서, 상기 저온의 CO2 제거 시스템 및/또는 제2 PSA로부터의 상기 배기가스의 적어도 일부가 수소 생산 프로세스 내에서 결합 반응기로 다시 재순환될 수 있다. 이러한 결합 반응기는 결합 압력 용기의 하단 부분에서 부분 산화 구역으로 구성되는 결합 압력 용기, 중앙 내의 개방 단부 튜브들을 구비하는 가스 가열 개질기, 그리고 상단의 폐열 보일러 열교환기인 반응기 유닛이 될 수 있다. 이러한 구성에서, 단일의 결합된 합성 가스 스트림 및 과열된 스팀이 상기 압력 용기를 나가는 주요 생성물들이 될 수 있다.
상기 프로세스 스트림은 수소 생산 프로세스로부터의 H2＋CO2 스트림이 될 수 있다.
상기 프로세스는 외부 냉매의 사용 없이 수행될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 본 발명은 특히 이산화탄소(CO2) 분리 시스템을 제공할 수 있다. 특히, 이러한 시스템은, 프로세스 스트림을 압축하기 위해 구성되는 압축기를 포함할 수 있고, 상기 프로세스 스트림은 CO2 및 하나 또는 그 이상의 다른 성분들을 포함할 수 있으며; 상기 프로세스 스트림으로부터 수분을 제거하기 위해 구성되는 건조기를 포함할 수 있고; 하나 또는 그 이상의 냉각 스트림들에 대해 상기 프로세스 스트림을 냉각시키고, 2상의 스트림으로서 상기 프로세스 스트림을 제공하기 위해 구성되는 적어도 하나의 열교환기를 포함할 수 있으며; 상기 2상의 스트림의 팽창에 의해 상기 2상의 스트림을 냉각시키기 위해 구성되는 적어도 하나의 팽창기(expander)를 포함할 수 있고; 상기 2상의 스트림을 수용하고, 증기상의 스트림 및 액체상의 스트림을 발생시키도록 구성되는 물질 이동 칼럼(mass transfer column)을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 본 발명은 수소 생산 시스템을 제공할 수 있다. 특히, 이러한 수소 생산 시스템은, 탄화수소 공급 스트림 및 산소를 수용하고, H2＋CO를 포함하는 생성물 가스 스트림을 형성하기 위해 구성되는 반응기 유닛(reactor unit); 상기 H2＋CO를 포함하는 생성물 가스 스트림을 냉각시키고, 스팀을 형성하기 위해 구성되는 스팀을 발생시키는 보일러; 상기 H2＋CO를 포함하는 생성물 가스 스트림을 수용하고, H2＋CO2를 포함하는 스트림을 제공하기 위해 구성되는 적어도 하나의 반응기; 상기 H2＋CO2를 포함하는 스트림을 수용하고, 실질적으로 순수한 수소로 형성되는 생성물 스트림을 제공하며, CO2를 포함하는 배기가스 스트림을 제공하도록 구성되는 압력 순환 흡착기; 상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림을 압축시키기 위해 구성되는 압축기; 상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림으로부터 수분을 제거하기 위해 구성되는 건조기; 하나 또는 그 이상의 냉각 스트림들에 대해 상기 CO2를 포함하는 상기 배기가스 스트림을 냉각시키고, 2상의 스트림으로서 상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림을 제공하기 위해 구성되는 적어도 하나의 열교환기; 상기 2상의 스트림의 팽창을 통해 상기 2상의 스트림을 냉각시키기 위해 구성되는 적어도 하나의 팽창기; 및 상기 2상의 스트림을 증기상의 스트림 및 액체상의 스트림으로 분리시키기 위해 구성되는 분리기를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 상기 수소 생산 시스템은 사항들이 임의의 숫자나 순서로 결합될 수 있는 다음의 사항들 중의 하나 또는 그 이상과 관련하여 특징지어질 수 있다
상기 수소 생산 시스템은 상기 H2＋CO를 포함하는 생성물 가스 스트림 및 상기 H2＋CO2를 포함하는 스트림 중의 하나 또는 모두에 대해 상기 탄화수소 공급 스트림을 가열시키기 위해 구성되는 하나 또는 그 이상의 열교환기들을 더 포함할 수 있다.
상기 수소 생산 시스템은 외부 프로세스에 대한 과잉의 열의 전달을 위해 구성되는 하나 또는 그 이상의 열교환기들을 더 포함할 수 있다.
상기 수소 생산 시스템은 상기 수소 생산 시스템 내에서 발생되는 배기 연료 가스 스트림 및 스팀 중의 하나 또는 모두의 산출을 위해 구성되는 하나 또는 그 이상의 라인들을 더 포함할 수 있다.
상기 수소 생산 시스템은 가스 터빈에 대한 연료로서 실질적으로 순수한 수소의 형태인 상기 생성물 스트림의 적어도 일부의 전달을 위해 구성되는 하나 또는 그 이상의 라인들을 더 포함할 수 있다.
상기 반응기 유닛은 스팀에 더하여 탄화수소에 더하여 선택적인 CO2 촉매 개질기를 포함할 수 있다.
상기 반응기 유닛은 부분 산화 유닛을 포함할 수 있다.
상기 반응기 유닛은 촉매 자체 가열 개질기(auto-thermal reformer)를 포함할 수 있다.
상기 반응기 유닛은 자체 가열 개질기 또는 부분 산화 반응기인 제1 스테이지 유닛을 포함할 수 있으며, 제2 스테이지 가스 가열 스팀에 더하여 탄화수소 촉매 개질기를 포함할 수 있다.
상기 반응기 유닛으로부터 생성되는 상기 H2＋CO 스트림의 적어도 일부는 저압의 예열된 공급 공기 스트림을 이용하여 ITM 부분 산화 반응기 내에서 발생될 수 있다.
상기 수소 생산 시스템은 외부 열원으로부터 적어도 상기 탄화수소 공급 스트림에 열을 전달하도록 구성되는 과열기(super-heater) 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 반응기 유닛은 부분 산화 구역 및 가스 가열 개질기로 구성되는 결합 압력 용기가 될 수 있다.
상기 부분 산화 구역은 상기 결합 압력 용기의 하단 부분이 될 수 있으며, 상기 가스 가열 개질기는 상기 결합 압력 용기의 중앙 구역 내의 개방 단부 튜브들 및 상기 결합 압력 용기의 상단 부분의 폐열 보일러 열교환기를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 본 발명은 수소 생산을 위한 프로세스를 제공할 수 있다. 특히, 상기 프로세스는, H2＋CO를 포함하는 생성물 가스 스트림을 형성하도록 탄화수소 공급 스트림 및 산소를 반응기 유닛 내로 반응시키는 단계; 스팀을 상기 H2＋CO를 포함하는 생성물 가스 스트림에 추가하도록 상기 H2＋CO를 포함하는 생성물 가스 스트림을 스팀을 발생시키는 보일러로 통과시키는 단계; H2＋CO2를 포함하는 스트림을 형성하도록 상기 H2＋CO를 포함하는 생성물 가스 스트림을 적어도 하나의 반응기 내에서 전환시키는 단계; 실질적으로 순수한 수소의 형태인 생성물 스트림을 제공하고, CO2를 포함하는 배기가스 스트림을 제공하도록 상기 H2＋CO2를 포함하는 스트림을 압력 순환 흡착기 내에서 처리하는 단계; 상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림 내의 상기 CO2의 적어도 50mol%가 상기 액체 CO2 생성물 스트림 내로 분리되도록 상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림을 자동 냉각(auto-refrigeration)으로 동작하는 극저온 분리 유닛으로 통과시켜 상기 극저온 분리 유닛 내에서 액체 CO2 생성물 스트림을 형성하는 단계; 및 상기 극저온 분리 유닛으로부터 증기상의 스트림을 재순환시키는 단계를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 상기 프로세스는 임의의 숫자나 순서로 결합될 수 있는 다음의 사항들 중의 하나 또는 그 이상과 관련하여 특징지어질 수 있다.
상기 자동 냉각으로 동작하는 극저온 분리 유닛은 외부 냉매의 사용 없이 동작할 수 있다.
상기 극저온 분리 유닛은, 상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림으로부터 수분을 제거하기 위해 구성되는 건조기; 하나 또는 그 이상의 냉각 스트림들에 대해 상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림을 냉각시키고, 2상의 스트림으로서 상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림을 제공하기 위해 구성되는 적어도 하나의 열교환기; 및 상기 2상의 스트림의 팽창을 통해 상기 2상의 스트림을 냉각시키기 위해 구성되는 적어도 하나의 팽창기를 포함할 수 있다.
상기 극저온 분리 유닛은, 상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림을 압축시키기 위해 구성되는 압축기를 더 포함할 수 있고, 상기 압축기는 상기 건조기의 업스트림(upstream)에 위치할 수 있으며; 상기 2상의 스트림을 상기 증기상의 스트림 및 상기 액체 CO2 생성물 스트림으로 분리시키기 위해 구성되는 분리기를 더 포함할 수 있다.
상기 프로세스는 상기 H2＋CO2를 포함하는 스트림을 상기 압력 순환 흡착기 내에서 처리하는 단계 이전에 상기 H2＋CO2를 포함하는 스트림으로부터 CO2를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 H2＋CO2를 포함하는 스트림으로부터 CO2를 제거하는 단계는 화학적 또는 물리적 용제 기반의 CO2 제거 유닛으로 통과시켜 상기 H2＋CO2를 포함하는 스트림으로부터 CO2를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 압력 순환 흡착기를 나가는 상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림의 일부는 압축될 수 있고, 상기 반응기 유닛으로 다시 재순환될 수 있다.
상기 극저온 분리 유닛으로부터의 상기 증기상의 스트림의 적어도 일부는 상기 반응기 유닛으로 다시 재순환될 수 있다.
상기 극저온 분리 유닛으로부터의 상기 증기상의 스트림은 상기 극저온 분리 유닛으로부터의 상기 증기상의 스트림의 재순환 이전에 상기 증기상의 스트림 내에 존재하는 임의의 H2의 적어도 일부를 제거하도록 제2 압력 순환 흡착기로 통과될 수 있다.
상기 프로세스는 상기 H2＋CO2를 포함하는 스트림 내의 아르곤 및 질소의 전체 농도가 상기 압력 순환 흡착기의 유입구에서 약 3mol% 내지 약 12mol%의 범위 이내가 되도록 상기 압력 순환 흡착기 내로의 상기 H2＋CO2를 포함하는 스트림의 진입 이전에 상기 H2＋CO를 포함하는 생성물 가스 스트림 및 상기 H2＋CO2를 포함하는 스트림 중의 하나 또는 모두 내에 존재하는 임의의 아르곤 및 질소의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림 내의 상기 CO2의 적어도 80mol%가 상기 액체 CO2 생성물 스트림 내로 분리될 수 있다.
상기 극저온 분리 유닛 내에서 상기 액체 CO2 생성물 스트림을 형성하는 단계는, 상기 프로세스 스트림 내의 상기 CO2의 부분 압력이 적어도 15bar가 되게 하는 압력에서 상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림을 제공하는 단계; 상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림의 이슬점이 약 -20℃ 또는 그 이하의 온도까지 감소되도록 상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림을 충분히 건조시키는 단계; 2상의 스트림으로서 상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림을 제공하도록 상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림을 적어도 하나의 열교환기 내에서 냉각시키는 단계; 상기 2상의 스트림의 온도를 상기 2상의 스트림의 어는점의 약 15℃ 이내인 온도까지 감소시키기 위해 상기 2상의 스트림을 팽창시키는 단계; 및 상기 증기상의 스트림을 제공하고, 상기 액체 CO2 생성물 스트림을 제공하도록 상기 2상의 스트림을 분리시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 극저온 분리 유닛으로부터의 상기 증기상의 스트림은 이코노마이저(economizer) 열교환기를 구비하는 촉매 CO 전환 유닛으로 통과될 수 있고, 이에 추가되는 스팀을 가질 수 있으며, 이후에 H2＋CO2를 포함하는 다른 스트림을 형성하고, 적어도 60mol%의 H2를 포함하는 가스 스트림을 형성하기 위해 상기 스팀과의 반응에 의해 포함된 CO의 적어도 일부를 전환시키도록 촉매 반응기로 통과될 수 있다.
앞서 본 발명을 일반적인 사항들을 참조하여 설명하였지만, 이하에서 반드시 일정한 비율로 도시되지는 않는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 설명하며, 첨부된 도면들에서,
도 1은 자동 냉각을 이용하는 프로세스 스트림으로부터의 이산화탄소의 분리를 위해 유용한 본 발명의 실시예들에 따른 저온의 분리 유닛의 흐름도이며,
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 저온의 이산화탄소 분리 유닛을 포함하는 시설의 흐름도이다.
이하에서 본 발명의 주제를 본 발명의 예시적인 실시예들을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이들 예시적인 실시예들은 본 발명이 철저하고 완전해지며, 해당 기술 분야의 숙련자에게 본 발명의 주제의 범주를 완전히 전달하기 위해 기술된다. 실제로, 본 발명의 주제는 많은 다른 형태들로 나타날 수 있으며, 여기에 설시되는 실시예들에 한정되는 것으로 이해되지는 않아야 할 것이다. 오히려, 이들 실시예들은 본 발명이 적용될 수 있는 법률적인 요건들을 충족시키도록 제공된다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용되는 바에 있어서, "일", "한", "하나" 등의 단수 표현은 본문에 명백하게 다르게 기재되지 않는 한 복수의 대상들을 포함한다.
본 발명은 표준 온도와 압력(예를 들면, 약 20℃ 및 약 1bar)에서 통상적으로 기체 상태인 다양한 물질들의 생성을 위한 시스템들 및 방법들을 제공한다. 상기 시스템들과 방법들은 특히 수소 및/또는 이산화탄소의 생성을 위해 적합하다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 상기 시스템들과 방법들은 수소만이나 이산화탄소와 결합된 생성과 관련될 수 있다. 마찬가지로, 상기 시스템들과 방법들은 프로세스 스트림(process stream)으로부터 분리되는 이산화탄소의 생성과 관련될 수 있으며, 이러한 분리 또한 수소의 생성과 관련될 수 있다. 일부 실시예들에서, 본 발명의 시스템들과 방법들은 수소를 포함할 수 있거나, 포함하지 않을 수 있는 프로세스 스트림으로부터 이산화탄소를 분리시키는 데 유용한 처리들과 관련된다. 특정 실시예들에서, 상기 시스템들과 방법들은 수소의 생성 및 이산화탄소의 생성과 관련되며, 수소 및 이산화탄소 모두를 포함하는 스트림을 생성하는 과정 및 수소의 실질적으로 순수한 스트림 및 이산화탄소의 실질적으로 순수한 스트림을 제공하기 위해 상기 수소로부터 상기 이산화탄소를 분리시키는 과정을 포함할 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 본 발명은 프로세스 스트림으로부터의 이산화탄소의 분리를 위해 적합한 시스템들과 방법들에 관련된다. 상기 프로세스 스트림은 이산화탄소를 포함하는 임의의 산업 프로세스 스트림이 될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 프로세스 스트림은 수소 생산 프로세스로부터의 스트림이 될 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 프로세스 스트림은 이산화탄소를 포함하는 임의의 다른 산업 프로세스 스트림이 될 수 있으며, 여기서 이로부터 이산화탄소의 적어도 일부를 분리시키는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 도 2를 참조하면, 상기 프로세스 스트림은 스트림들(308, 331, 309) 중의 임의의 것이 될 수 있다. 이와 같이, 상기 이산화탄소 분리 프로세스는 여기에 설명되는 바와 같은 수소 생산 프로세스와 결합될 수 있거나, 또는 상기 이산화탄소 분리 프로세스는 다른 프로세스 스트림과 함께 활용될 수 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 분리 프로세스의 단순화된 블록 흐름도가 도 1에 도시된다. 도시된 바와 같이, CO2를 포함하는 프로세스 스트림(101)이 제공된다. 앞서 언급한 바와 같이, 상기 프로세스 스트림(101)은 수소 생산 프로세스와 같은 임의의 소스로부터 수용될 수 있다. 상기 프로세스 스트림(101)은 압축기(200) 내에서 적어도 30bar, 적어도 35bar, 또는 적어도 40bar(예를 들면, 최대 100bar까지) 압력까지 압축될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 상기 압축기(200)는 중간되는 냉각 다단 압축기가 될 수 있다. 상기 압축 단계는 바람직하게는 배기 스트림 내의 CO2의 분압을 적어도 약 15bar까지(예를 들면, 일부 실시예들에서, 최대 약 55bar까지) 상승시킬 것이다. 상기 CO2 분압은 약 15bar 내지 약 55bar, 약 15bar 내지 약 45bar, 또는 약 15bar 내지 약40bar의 범위 내에서 상승될 수 있다. 상기 압축된 프로세스 스트림(102)은 이후에 상기 압축된 프로세스 스트림의 수분 함량을 감소시키고, 제1의 순수하지 않은 CO2 스트림(103)을 형성하기 위해 건조기(drier)(205)로 향해진다. 상기 수분 제거의 정도가 원하는 경우에 조절될 수 있으므로, 상기 프로세스 스트림의 이슬점이 약 -60℃와 같이 낮은 온도까지 감소될 것이다. 다양한 실시예들에서, 상기 이슬점은 약 -60℃의 낮은 온도까지와 같이 약 -10℃ 또는 그 이하, 약 -20℃ 또는 그 이하, 혹은 약 -40℃ 또는 그 이하의 온도까지 감소될 수 있다. 예를 들면, 상기 이슬점은 약 -60℃ 내지 약 -10℃, 약 -60℃ 내지 약 -20℃, 또는 약 -60℃ 내지 약 -30℃의 범위의 온도까지 감소될 수 있다. 상기 건조기(205)는, 일부 예시적인 실시예들에서, 분자 채(molecular sieve)들 또는 제올라이트(zeolite)들과 같은 적절한 건조 물질로 채워진 건조 베드(drying bed)가 될 수 있다.
상기 제1의 순수하지 않은 CO2 스트림(103)은 그 온도를 상당히 감소시키고, 궁극적으로는 자동 냉각(auto-refrigeration)을 이용하는 신속한 냉각이 이후에 수행되는 2상(two phase)의 스트림을 형성하도록 냉각된다. 일부 실시예들에서, 자동 냉각은 대체로 상기 냉각이 임의의 외부 냉매의 분명한 부존재에서 수행되는 것을 나타낼 수 있다. 다시 말하면, 상기 스트림들은 프레온, 액체 질소, 액체 프로판, 암모니아 또는 이들과 유사한 것과 같은 통상적인 냉매 스트림에 대하여 냉각되지 않는다. 오히려, 상기 스트림은 단지 상기 CO2 분리 프로세스 내에 생성되는 다른 스트림들에 대해 팽창 기술들을 이용하여 냉각된다. 특히, 자동 냉각은 액체 성분을 포함하는 적어도 하나의 스트림이 상기 스트림의 신속한 냉각을 제공하도록 팽창되는 것을 나타낸다.
도 1을 다시 참조하면, 상기 제1의 순수하지 않은 CO2 스트림(103)은 부분적으로 냉각되고 상기 제2의 순수하지 않은 CO2 스트림(104)을 형성하도록 제1 열교환기(210)로 안내된다. 이후에, 상기 제2의 순수하지 않은 CO2 스트림(104)은 더 냉각되고 제3의 순수하지 않은 CO2 스트림(105)을 형성하도록 리보일러(reboiler) 열교환기(215)로 안내된다. 상기 제3의 순수하지 않은 CO2 스트림(105)은 제4의 순수하지 않은 CO2 스트림(106)을 형성하도록 제2 열교환기(211) 내에서 더 냉각된다. 앞서의 냉각 단계들은 기체 성분 및 액체 성분을 포함하는 2상의 스트림의 형태로 상기 순수하지 않은 CO2 스트림(들)을 제공하는 데 효과적이 될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 2상의 스트림은 상기 리보일러 열교환기(215)를 통과하는 동안에 적어도 부분적으로 형성되거나 및/또는 상기 제2 열교환기(211)를 통과하는 동안에 형성된다.
상기 순수하지 않은 CO2 스트림의 냉각을 보다 용이하도록, 상기 제4의 순수하지 않은 CO2 스트림(106)은 제1 밸브(220) 내에서 팽창된 순수하지 않은 CO2 스트림(107)의 온도를 CO2 삼중점 온도(-56.4℃) 부근까지 하강시킬 수 있는 적절한 압력까지 팽창된다. 예를 들면, 상기 스트림(106)의 팽창은 상기 스트림의 온도를 상기 스트림 내의 CO2의 어는점의 약 15℃ 이내, 약 10℃ 이내, 또는 약 5℃ 이내까지 감소시키는 데 효과적일 수 있다. 이에 따라 냉각된 2상의 CO2 스트림(107)이 상기 제1 밸브(220)를 나간다.
상기 냉각된 2상의 CO2 스트림(107)은 물질 이동 칼럼(mass transfer column)(225)에 대한 공급 스트림이 된다. 상기 물질 이동 칼럼(225)은 하부의 생성물로서 높은 순도의 액체 CO2 스트림(108)을 생성하는 스트림(107)의 공급 포인트 아래의 스트리핑 섹션(stripping section)(226) 및 정제된 상부의 증기상의 생성물(109)을 생성하는 스트림(107)의 공급 포인트 위의 정류 섹션(rectifying section)(227)을 가진다. 상기 물질 이동 칼럼(225)은 상기 칼럼 내의 물질 이동 및 높은 순도로의 상기 액체 CO2의 수집을 향상시키도록 적절한 포장 물질로 포장된다. 상기 스트리핑 칼럼의 설계는, 이에 한정되는 것은 아니지만, 상기 스트리핑 칼럼으로의 유입 이전의 플래시 용기(flash vessel) 내의 상기 공급을 플래싱하는 것, 상기 칼럼 내의 갤러리(gallery) 트레이 또는 연돌(chimney) 트레이의 사용, 또는 이들의 임의의 결합과 같이 수행될 수 있는 다양한 방식들로 상기 2상의 공급 스트림을 효과적으로 취급할 수 있다. 상기 하부의 액체 CO2 생성물(108)은 통상적으로 상기 순수하지 않은 CO2 스트림(107) 내의 전체 CO2의 약 80mol%, 바람직하게는 적어도 85mol%를 함유하는 반면, 공급 배기 스트림 내의 나머지의 CO2 함량 및 다른 휘발성 불순물들은 오버헤드(overhead)의 증기상 스트림(109) 내에 함유될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 상기 하단의 액체 CO2 생성물(108)은 상기 냉각된 2상의 CO2 스트림(107) 내의 상기 전체 CO2의 적어도 50mol%, 적어도 60mol%, 적어도 70mol%, 또는 적어도 80mol%(예를 들면, 약 50mol% 내지 약 99mol%, 약 60mol% 내지 약 98mol%, 약 70mol% 내지 약 95mol%, 또는 약 75mol% 내지 약 90mol%)를 함유할 수 있다. 상기 하부의 액체 CO2 생성물(108)은 더 냉각되도록 상기 리보일러 열교환기를 통과하며, 상기 물질 이동 칼럼(225)의 하부 섹션 내로 다시 재순환되는 제1 부분(110) 및 제2 부분(150)으로 나누어지는 정제된 CO2 생성물 스트림으로 나간다.
상기 냉각된 오버헤드 증기상 스트림(109)은 열교환기들(210, 211) 내의 상기 순수하지 않은 CO2 스트림들을 냉각시키는 냉각 소스로 이용될 수 있다. 이들 두 열교환기들은 바람직하게는 알루미늄으로 이루어진 플레이트 및 핀(fin) 유형이며, 비록 도 1에는 이들이 별개의 블록들로 도시되지만, 이들은 둘(또는 그 이상) 서브-유닛 또는 섹션들을 구비하는 단일의 유닛으로 설계되고 제조될 수 있다. 상기 시스템은 적절하게 절연된다. 상기 액체 CO2 생성물(108)은 바람직하게는 적어도 80%몰의 순수한 CO2, 적어도 85%몰의 순수한 CO2, 적어도 90%몰의 순수한 CO2, 적어도 95%몰의 순수한 CO2, 적어도 98%몰의 순수한 CO2, 적어도 99%몰의 순수한 CO2, 적어도 99.5%몰의 순수한 CO2, 또는 적어도 99%몰의 순수한 CO2이다.
추가적인 냉각 작동을 발생시키기 위해, 상기 리보일러 열교환기(215)를 나가는 상기 정제된 CO2 생성물 스트림 부분(110)은 3개의 별도의 스트림들(111, 114, 117)로 나누어질 수 있다. 정제된 CO2 생성물 스트림들(111, 114)은 열교환기들(210, 211) 내에서 적절한 온도 프로파일들을 구현하도록 각기 밸브들(230, 235) 내에서의 팽창에 의해 압력이 감소될 수 있다. 구체적으로, 정제된 CO2 생성물 스트림(111)은 스트림(112)으로서 밸브(230)를 나가며, 정제된 CO2 스트림(113)을 제공하도록 열교환기(211)를 통과한다. 유사하게, 정제된 CO2 생성물 스트림(114)은 스트림(115)으로서 밸브(235)를 나가며, 정제된 CO2 스트림(116)을 제공하도록 열교환기(210)를 통과한다. 비록 각각의 스트림들(112, 115)이 열교환기들(210, 211) 중의 하나만을 통과하는 것으로 예시되지만, 스트림들(112, 115) 중의 하나 또는 모두가 다음에 설명되는 압축 단계를 지나기 이전에 열교환기들(210, 211)의 모두를 통과할 수 있는 점이 이해될 것이다. 상기 정제된 CO2 스트림들(113, 116, 117)은 부분적으로 가압될 것이며, 최종적인 CO2 생성물 스트림(119)으로서 떠나도록 액체 펌프(245) 내에서 요구되는 최종 용도의 압력까지 압력이 상승되기 전에 높은 밀도의 CO2 스트림(118)을 형성하기 위해 압축기(240) 내에서 혼합될 것이다. 상기 최종적인 따뜻한 오버헤드 증기상 스트림(109)은 다운스트림(downstream) 응용 요구에 기초하여 선택적으로 압축될 수 있다.
이러한 배치의 중요한 특징은 스트림(120)을 형성하기 위한 열교환기(211) 내에서의 데워짐 및 주위 온도 부근에서 스트림(121)을 형성하기 위한 열교환기(210) 내에서의 가열 후에 분리 칼럼(separation column)(225)으로부터 상기 증기상의 스트림(109)을 재순환시키는 능력이다. 상기 스트림(121)은 스트림(122)을 형성하도록 압축기(250) 내에서 압축될 수 있다. 상기 스트림(122)은 최초 공급 스트림(101)과 적어도 부분적으로 결합될 수 있으며, 이러한 재순환은 상기 프로세스 공급 스트림(101)으로부터의 전체적인 CO2 회수의 바람직한 증가를 가능하게 한다. 또한, 상기 스트림(122)은 화학 생산 프로세스(다음에 보다 상세하게 설명되는 수소 생산 프로세스와 같은)에 대한 공급원료로서 부분적으로 또는 완전히 다시 재순환될 수 있으며, 상기 화학 생산 프로세스로부터 100%까지의 CO2 포집을 구현할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 본 발명에 개시되는 이산화탄소 분리를 위한 시스템들과 방법들은 특히 100%의 CO2 포집을 구현하기 위해 수소 발생 프로세스들과 함께 또는 PSA 베드(bed)들 또는 멤브레인 분리기(membrane separator)들과 같은 하나의 H2 분리 트레인(train)만을 이용하는 현재의 수소 발생 프로세스들의 개조에 유용할 수 있다. 현재의 열화학적 수소 발생의 방법들은 통상적으로 PSA 베드들을 이용한 수소의 회수에 의존한다. 구체적으로, 천연 가스와 스팀(steam)(및 선택적으로 산소)이 PSA 배기가스(waste gas)와 함께 H2＋CO 합성 가스 발생 영역으로 투입될 수 있다. 이로부터의 생성물에 합성 가스 냉각이 수행되며, H2에 대한 CO의 전환 이후에, H2 생성물 및 상기 PSA 배기가스를 제공하도록 PSA 분리가 수행된다. 상기 PSA들 상기 공급 가스 내의 전체 수소의 75% 내지 90%를 회수한다. H2 발생으로부터 생성되는 모든 CO2와 함께 통상적으로 상기 수소 생산의 10% 내지 15%를 함유하는 상기 PSA 배기가스는 대체로 대기로 배기되는 CO2와 함께 연소된다.
본 발명의 시스템들과 방법들은 CO2 from 압력 순환 흡착기(pressure swing absorber: PSA) 배기 스트림으로부터 CO2를 회수하여 수소 발생 프로세스들로부터의 상기 CO2의 실질적으로 100%를 포집하도록 이용될 수 있다. 이는, 예를 들면, 다음에 설명되는 바와 같은 수소 생산 프로세스와 결합하는 상술한 바와 같은 CO2 분리 프로세스를 이용하는 것을 포함할 수 있다. PSA 오프 가스(off-gas)로부터의 CO2의 분리는 CO2 분리 트레인 배기가스 내의 수소 농도를 제2 PSA 내에서의 추가적인 H2 회수에 적합하게 하고 경제적일 수 있는 적어도 약 60mol%까지 증가시킨다. 또한, CO2 분리 트레인 배기가스 내의 CO의 농도에 기초하여, 이는 그 수소 함량을 더 증가시키도록 상기 제2 H2 회수 단계 이전에 작은 저온의 전환 반응기(shift reactor)를 이용하여 선택적으로 전환될 수 있다. 상기 제2 PSA 유닛으로부터의 오프 가스는 합성 가스 반응기들로 다시 재순환 될 것이다. 이는 또한 상기 CO2 극저온 분리 시스템 내의 CO2 회수를 증가시키도록 상기 제1 PSA로부터의 오프 가스와 선택적으로 혼합될 수 있다.
이전의 노력들이 추가적인 시스템들과의 결합을 통한 수소의 생산을 위해 시도되었으며, 이러한 이전의 노력들로부터의 하나 또는 그 이상의 요소들이 본 발명에 개시되는 시스템들과 방법들에 통합될 수 있다. 예를 들면, 그 개시 사항이 여기에 참조로 포함되는 미국 특허 제6,534,551호에는, 1) 스팀 및/또는 산소로의 탄화수소 연료 가스 반응; 그리고 2) 연료 가스가 팽창 일에 의해 동력을 생성하는 연소기 생성물들로 연소되고, 팽창된 연소 생성물 가스가 수소 합성 반응들에 사용되는 상기 스팀을 과열시키는 데 이용되며, 상기 산소 생성 유닛이 상기 연소 생성물 가스의 팽창에 의해 생성되는 동력의 적어도 일부에 의해 구동되는 압축된 산화제 가스를 이용하는 동력 시스템의 결합이 기재되어 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 본 발명의 시스템들과 방법들은 유리하게는 실질적으로 생성되는 탄소의 모두, 특히 실질적으로 생성되는 CO2의 모두의 포집과 함께 수소 생산을 제공할 수 있다. 이러한 방식에서, 본 발명은 수소 플랜트를 언급할 수 있으며, 이러한 수소 플랜트가 여기서 이용되는 수소 생산 시스템을 형성하기 위해 필요한 요소들의 결합을 언급하는 것으로 이해된다. 여기에 설명되는 바와 같은 수소 플랜트는 이에 따라 실질적으로 순수한 수소를 생성하고, 마찬가지로 원료(crude) 수소 스트림으로부터 분리되는 실질적으로 순수한 이산화탄소를 생성하기 위해 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 사용을 위한 수소 생산 플랜트는 종래의 수소 생산 플랜트들에 적합한 것으로 알려진 임의의 다양한 요소들을 포함할 수 있다. 특히, 상기 수소 생산 플랜트는 CO＋H2 가스를 포함하는 스트림을 형성하기 위해 구성되는 반응기 유닛(reactor unit)을 포함할 수 있다. 상기 반응기 유닛은 단일의 요소 또는 복수의 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 수소 생산 플랜트 내의 반응기 유닛은 탄화수소 공급을 CO＋H2 가스로 전환시키는 제1 스테이지(stage) 반응기를 포함하는 2 스테이지 반응기 유닛을 구비할 수 있다. 이러한 이른바 H2＋CO 합성 가스 발생 반응기는 스팀 메탄 개질(steam methane reforming: SMR) 반응기, 부분 산화(POX) 반응기, 자체 가열 개질(autothermal reforming: ATR) 반응기, POX＋GHR(가스 가열 반응기(gas heated reactor)), 또는 ATR＋GHR 중의 임의의 하나 또는 그 이상이 될 수 있다. 일부 실시예들에서, 순수한 산소로의 천연 가스 공급의 부분 산화는 약 1300℃ 내지 약 1500℃의 유출구 온도 및 약 30bar 내지 약 150bar의 통상적인 압력들에서 수행될 수 있다. 자체 가열 개질기가 부분 산화 버너 이후에 스팀 및 과잉의 탄화수소를 추가할 수 있으므로, 고온의 가스들이 이후에 촉매의 층을 통과할 수 있으며, 여기서 후속하는 스팀-탄화수소 개질 반응들이 일어나 다른 H2＋CO가 산출되고, 가스 혼합물이 약 30bar 내지 약 150bar의 압력에서 약 1000℃ 내지 약 1100℃의 유출구 온도까지 냉각된다. 상기 제2 스테이지 반응기는 두 반응기들(예를 들면, 약 1000℃ 또는 그 이상의 온도에서)로부터의 전체 H2＋CO 가스 생성물이 튜브들 내의 촉매로 대류로 가열된 쉘 사이드 흐름(shell side flow) 내의 상기 개질 반응들의 흡열의 열을 제공하는 데 이용되는 스팀/탄화수소 촉매 개질기(catalytic reformer)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 두 반응기들은 직렬 또는 병렬 모드로 동작할 수 있다. 바람직한 구성은 용기의 상단에서 단일의 튜브 시트에 달린 촉매가 채워진 개방 단부 튜브들을 구비하는 수직형 가스 가열 개질기(vertical gas heated reformer: GHR)를 이옹하며, 상기 개질기 튜브들을 나가고, 상기 GHR에 기초하여 POX 반응기 또는 ATR로부터의 상기 생성물 가스와 혼합되는 상기 생성물 H2＋CO 및 상기 쉘 사이드를 통과하고, 통상적으로 약 1050℃ 내지 550℃ 내지 800℃로 냉각시키는 전체 생성물 H2＋CO 스트림을 구비한다.
상기 두 반응기 구성의 이점은 탄화수소 공급으로부터의 H2＋CO의 산출이 최대화되고, 상기 반응들에서 형성되는 모든 CO2가 고압의 시스템 내에 함유되는 것이다. 상기 생성물 CO＋H2 가스는 스팀을 발생시키는 폐열 보일러(waste heat boiler: WHB) 내에서 더 냉각되며, 다른 이점은 이러한 스팀 양이 요구되는 스팀 흐름을 작은 과잉의 흐름만으로 상기 두 H2＋CO 반응기들에 제공하기에만 충분한 것이다. 상기 시스템은 큰 부산물 스팀 생성을 가지지 않는다.
수소를 발생시키기 위하여, 약 240℃ 내지 약 290℃의 통상적인 온도에서 상기 WHB을 떠나고, 통상적으로 약 20mol% 내지 약 40mol%의 스팀을 함유하는 상기 H2＋CO 생성물은 하나 또는 둘(혹은 그 이상) 촉매 전환 변환기(catalytic shift converter)들로 통과되며, 여기서 CO가 CO2 및 보다 많은 H2를 생성하도록 스팀과 반응한다. 전체적인 H2 생산 프로세스 순서에 대한 반응들을 다음에 나타낸다(탄화수소로 CH4를 사용함).
CH4＋½O2 → CO＋2H2 부분 산화
CH4＋2O2 → CO2＋2H2O 연소
CH4＋H2O → CO＋3H2 스팀 개질
CH4＋CO2 → 2CO＋2H2 건조 개질
CO＋H2O → CO2＋H2 CO 전환
상기 CO 전환 반응기들을 통과하는 전체 CO＋H2 생성물이 냉각되며, 상기 가스가 냉각되고 증기가 응결되면서 상당한 양의 열이 대체로 400℃ 또는 그 이하까지의 온도 레벨에서 방출된다. 이러한 열은 단일 온도 레벨에서 뿐만 아니라 주위 온도 부근까지의 내려가는 온도 범위에 걸쳐 방출된다. 이러한 열 방출의 일부는 상기 반응기들 내에서 합성 가스 생성을 위해 요구되는 증기를 생성하기 위해 보일러 공급 물을 예열하는 데 이용될 수 있지만, 낮은 온도 레벨에서와 온도 범위에 걸쳐서만 이용 가능한 많은 과다한 양으로 존재한다.
상기 두 반응기들 내에서의 H2＋CO 발생의 효율은 상기 탄화수소 및 스팀 공급들을 통상적으로 약 400℃ 내지 약 600℃까지, 바람직하게는 약 500℃ 내지 약 550℃까지 예열하여 상당히 증가될 수 있다. 이는 바람직하게는 이들 온도 레벨들에서 상기 H2＋CO 발생 반응기들에 더하여 WHB 내에는 이용 가능한 과잉의 열이 존재하기 않기 때문에 외부 열원을 이용하여 수행된다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 본 발명에 따른 순수한 수소 생성물 스트림을 생성하는 데 이용될 수 있는 상기 H2＋CO 합성 가스를 생성하는 시스템들과 방법들은 동력 발생 시스템들과 같은 다른 시스템들과의 수소 생산의 통합을 위해 유리할 수 있는 원하는 특성들을 나타낼 수 있다. 상기 주위 온도 부근으로부터 약 400℃까지의 온도 범위에 걸쳐 이용 가능한 과잉의 열은 스팀 기반의 동력 사이클 내에서 보일러 공급 물을 가열하거나, 고압의 CO2 스트림을 가열하는 데 이상적이다. 각각의 경우에서, 결과는 소모 동력 요구의 감소 및 동력 사이클 효율의 증가이다. 상기 합성 가스 반응기 공급 스트림들을 약 550℃까지 예열하기 위해 요구되는 외부의 열은 미분탄 연소 동력 보일러 내의 과열기를 나가는 고온의 보일러 연도 가스를 이용하거나, 결합 사이클 동력 발생 시스템 내의 산업 가스 터빈으로부터의 뜨거운 터빈 배출을 이용하거나, 동력 생산 시스템으로부터의 다른 고온의 배출 스트림을 이용하여 용이하게 제공될 수 있다. 상기 열의 통합은 결합된 시스템의 효율의 전체적인 증가를 가져온다.
상기 냉각된 H2가 풍부한 가스 스트림은 이제 주위 냉각기로 통과되며, 여기서 응축된 물이 제거된다. 상기 가스 스트림은 이후에 통상적으로 약 10ppm 내지 약 50ppm의 전체 불순물들을 갖는 순수한 스트림으로서 상기 수소의 통상적으로 약 85% 내지 약 90%를 분리시키는 종래의 다중 베드 압력 순환 흡착기(PSA)로 통과된다. 상기 원료 H2 공급 스트림 내의 모든 불순물들은 배기 연료 가스 스트림으로서 분리되며, 배기 스트림은 H2, CO, CO2, CH4, N2, Ar, 그리고 소량의 증기상의 H2O와 같은 성분들의 임의의 결합을 포함할 수 있다. 상기 압력은 통상적으로 약 1.1bar 내지 약 1.6bar이다. 이러한 배기가스는 통상적으로 전체 탄화수소 반응기 탄화수소 공급 저위 발열량(lower heating value: LHV)의 약 20%를 가지므로, 이의 효율적인 이용은 H2 생산의 전체 경제적인 측면에서 중요하다. 상기 배기가스는 CO2＋CO로서 상기 전체 탄화수소 공급으로부터의 모든 탄소를 함유하며, 높은 파이프라인(pipeline)의 압력에서 순수한 CO2로서 이러한 탄소의 회수는 기후 변화 방출 목표를 만족시키기 위해 필수적이다. CO2 생성물로서 상기 수소 플랜트에 대한 상기 탄화수소 공급 내에 존재하는 상기 탄소를 회수하기 위하여, 이상적인 목표는 CO2＋H2를 생성하도록 추가되는 스팀과의 촉매 전환 반응에 의해 잔여 CO를 전환시키고, 이후에 순수한 생성물 스트림으로서 상기 CO2를 분리시키는 것이다. 이러한 CO2 제거 및 CO2 회수의 최대화의 문제를 처리하는 데 세 가지 옵션들이 이용 가능하다.
일부 실시예들에서, CO2 제거 및 CO2 회수의 최대화는 상기 주위 온도 PSA 공급 스트림으로부터 모든 CO2를 제거하도록 화학적 또는 물리적 용제 스크러빙 유닛(scrubbing unit)을 추가하는 과정을 포함할 수 있다. 예를 들면, 이는 상기 PSA의 업스트림(upstream)인 아민(amine) CO2 스크러빙 시스템 내에서 상기 주위 온도 원료 H2 스트림을 처리하여 이루어질 수 있다. 상기 PSA로부터의 배기가스는 이후에 상기 동력 시스템 내에서 소모되는 상기 연료 스트림의 미소한 부분으로 이용될 수 있다. 상기 PSA 배기가스 스트림은 상당한 양의 H2＋CO를 함유한다. 선택적으로는, 상기 배기가스 스트림은 상기 PSA로부터의 H2 전달 압력보다 1bar 내지 2bar 높은 압력까지 압축될 수 있으며, 이후에 추가되는 스팀과 함께 이러한 가스 스트림을 스팀과의 반응에 의해 상기 CO의 90%까지를 CO2＋H2로 전환시킬 수 있는 촉매 CO 전환 변환 유닛으로 통과시킬 수 있다. 상기 냉각된 생성물 가스 스트림은 이제 60% 내지 70%(몰)의 수소 농도를 가질 것이다. 이러한 가스 스트림은 이후에 상기 제1 PSA로부터의 수소와 동일한 압력 및 순도로 추가적인 H2 생성물 스트림을 회수하기 위해 제2 다중 베드 압력 순환 흡착 유닛으로 통과될 수 있다. 상기 탄화수소 및 산소 반응기 공급 스트림들로부터 유래되는 모든 불활성 아르곤 및 질소를 함유하는 상기 제2 PSA 유닛으로부터의 배기가스는 유리하게는 연소를 위해 상기 동력 플랜트로 보내질 수 있다. 상기 아민 CO2 제거 시스템의 단점은 이의 높은 자본 비용과 상기 순수한 CO2 생성물 스트림을 생성하기 위해 아민 냉각에 대해 요구되는 많은 양의 낮은 압력의 스팀이다. 아민 스크러빙에 더한 제1 스테이지 PSA에 더한 CO 전환에 더한 제2 스테이지 PSA의 이러한 결합은 95% 이상, 바람직하게는 97% 이상의 상기 합성 가스 반응기 생성물 스트림 내에 존재하는 (H2＋CO)로 나누어지는 H2 생성물의 전체적인 비율을 가져온다.
다른 실시예들에서, 상기 CO2 제거 및 CO2 회수의 최대화는 상기 PSA 배기가스 스트림 내의 상기 제1 PSA를 나가는 모든 CO2의 업스트림에서 상기 MEA 유닛 또는 상기 물리적 용제 CO2 제거 유닛을 제거하는 과정을 포함할 수 있다. 상기 스트림은 이후에 여기에 달리 설명되는 바와 같이 상기 CO2의 분리를 위해 극저온 냉각을 활용하여 처리될 수 있다.
또 다른 실시예들에서, CO2 제거 및 CO2 회수의 최대화는 상기 POX 또는 ATR 또는 GHR 또는 SMR 반응기들에 대해 하나 또는 그 이상의 스트림들을 상기 공급 스트림들에 재순환시키는 과정을 포함할 수 있다. 재순환 루프를 완전히 닫음으로써, 불활성 성분들이 상기 시스템으로부터 배출될 수 있다. 배출된 퍼지 가스 스트림은 상기 제1 PSA의 업스트림에서 주위 온도를 가질 수 있으며, 예를 들면, 연소를 위해 동력 플랜트로 보내질 수 있다. 상기 산소 스트림 내에 존재하는 아르곤 및 상기 탄화수소 공급 및 상기 산소 스트림들 모두 내에 존재하는 질소의 레벨은 바람직하게는 상기 제1 PSA까지 상기 공급 가스 내에서 약 3mol% 내지 약 12mol%의 전체 농도로 유지된다. 이러한 배치는 제2 CO 전환 및 PSA 시스템을 요구하지 않는다. 상기 수소 모두는 주요한 PSA로부터 생성될 것인 반면, 모든 CO2는 저온의 CO2 제거 시스템으로부터 생성될 것이다. 여기에 상세하게 설명되는 바와 같이, CO2 분리는 여기에 설명되는 수소 생산 프로세스들과는 독립적으로 적용될 수 있다. 여기에 설명되는 적합한 CO2 분리 시스템들 및 방법들은 이에 따라 CO2를 포함하는 임의의 프로세스 스트림에 적용될 수 있다.
수소 생산 플랜트(및 연관된 수소 생산 프로세스)의 예시적인 실시예들은 도 2와 관련하여 명백해진다. 상기 수소 플랜트는 탄화수소 연료 소스, 바람직하게는 기체 탄화수소, 보다 바람직하게는 실질적으로 순수한 메탄으로서 연료가 공급될 수 있다. 도 2의 예시적인 실시예는 상기 탄화수소로서 메탄의 사용과 관련하여 설명된다. 도 2에서, 상기 스트림(300) 내의 메탄은 압축기(401) 내에서 약 20bar 내지 약 120bar, 약 40bar 내지 약 110bar, 또는 약 60bar 내지 약 100bar의 압력까지 압축된다. 상기 압축된 메탄 스트림은 상기 메탄 스트림을 약 300℃ 내지 약 700℃, 약 350℃ 내지 약 650℃, 또는 약 400℃ 내지 약 600℃의 온도까지 가열하도록 열교환기(412)로 통과된다. 상기 열교환기(412)를 나가는 메탄은 두 스트림들(302, 303)로 나누어진다. 상기 메탄은 이에 따라, 도 2에 예시한 바와 같이, POX 반응기(402) 및 GHR(403)로 형성되는 반응기 유닛으로 안내된다. 다른 실시예들에서, 상기 반응기 유닛이 여기서 이미 달리 설명한 바와 같이 단일의 장치 또는 다중의 장치들의 형태가 될 수 있는 점이 이해될 것이다. 상기 POX 반응기 내에서 상기 스트림(302) 내의 메탄은 상기 POX 반응기 내로의 통과 이전에 히터(418) 내에서 예열되는 산소 스트림(301)과 결합된다. 바람직하게는, 상기 산소 스트림(301)은 약 99.5%의 순수한 O2가 될 수 있으며, 예를 들면, 극저온 공기 분리 플랜트(도시되지 않음)로부터 수득될 수 있다. 상기 POX 반응기(302)로 들어가는 산소는 약 20bar 내지 약 120bar, 약 40bar 내지 약 110bar, 또는 약 60bar 내지 약 100bar의 범위의 압력에 있을 수 있다.
상기 메탄은 약 700℃ 내지 약 1800℃, 약 900℃ 내지 약 1700℃, 또는 약 1100℃ 내지 약 1600℃의 온도에서 생성물 H2＋CO 스트림(330)을 형성하도록 상기 POX 반응기(302) 내에서 상기 산소로 부분적으로 산화된다. 상기 생성물 H2＋CO 스트림(330)은 선택적으로 급랭(quench)되며, 급랭 스트림의 추가에 의해 상기 POX 반응기(402)를 직접 나가는 상기 생성물 H2＋CO 스트림(330)의 온도 아래의 약 50℃ 또는 그 이상, 약 75℃ 또는 그 이상, 혹은 약 100℃ 또는 그 이상인 온도까지와 같이 냉각된다. 상기 선택적으로 급랭된 생성물 H2＋CO 스트림(330)은 상기 GHR 반응기(403)의 베이스로 들어가며, 흡열 개질 반응들을 겪고, 스트림(304)으로서 상기 GHR을 떠난다. 전체 생성물 CO＋H2 스트림은 약 300℃ 내지 약 900℃, 약 400℃ 내지 약 800℃, 또는 약 500℃ 내지 약 700℃의 온도에서 상기 GHR(304)을 나갈 수 있다. 상기 전체 생성물 CO＋H2 스트림(304)은 폐열 보일러(404)를 통과하며, 150℃ 내지 약 450℃, 약 200℃ 내지 약 425℃, 또는 약 250℃ 내지 약 400℃의 범위의 온도에서 스트림(305) 내에서 나간다. 상기 폐열 보일러는 스팀을 발생시키는 보일러가 될 수 있으며, 이에 따라 상기 전체 생성물 CO＋H2 스트림에 대해 스팀을 추가하는 데 효과적일 수 있다.
상기 H2＋CO2를 포함하는 생성물 스트림은 이후에 H2＋CO2를 포함하는 스트림을 형성하도록 적어도 하나의 반응기 내에서 반응된다. 도 2에 예시한 바와 같이, 상기 전체 생성물 CO＋H2 스트림(305)은 각각의 유출구 스트림들(306, 308)을 구비하여 직렬인 제1 촉매 충진 CO 전환 반응기(405) 및 제2 촉매 충진 CO 전환 반응기(406)를 통과한다. 상기 유출구 스트림(308)은 열회수 열교환기(420)를 통과하고, 상기 유출구 스트림(308)은 열회수 열교환기(414)를 통과하며, 각각의 열교환기들 내에서, 열이 폐열 보일러(404)에 대한 보일러 공급 물을 제공하기 위해 보일러 공급 물을 예열하는 스트림들을 가열하는 데 이용된다.
상기 스트림(308)은 H2＋CO2를 포함하지만, H2＋CO2를 포함하는 것으로 여기에 설명되는 임의의 스트림이 단지 상기 스트림의 최소한의 조성으로 정의되며, 일산화탄소 및 하나 또는 그 이상의 탄소를 함유하는 물질들과 같은 다른 물질들이 상기 스트림 내에 존재할 수 있는 점이 이해될 것이다. 스트림(308)이 상기 열교환기(414)를 통과한 후, 상기 스트림(308)은 물 냉각기(416) 내에서 주위 온도 부근까지 냉각되고, 냉각된 원료 H2＋CO2 스트림(331)으로 나간다. 상기 원료 H2＋CO2 스트림(331)은 바람직하게는 수증기 및 미세한 양의 CO, CH4, N2 및 Ar와 함께 상기 탄화수소 공급 내의 탄소의 연소로부터 유래되는 실질적으로 모든 CO2를 포함할 수 있다. 응결된 물은 분리기(separator)(407) 내에서 냉각된 원료 H2＋CO2 스트림(331)으로부터 분리된다. 상기 분리기(407) 및 냉각된 보일러 공급 물 스트림(334)으로부터의 물 스트림(332)은 정제된 물(55) 및 과잉의 물 스트림(61)을 생성하는 물 처리 유닛(water treatment unit)(411)으로 들어간다. 상기 정제된 물 스트림(335)(상기 보일러 공급 물로서의 이용을 위해 재순환됨)은 펌프(415) 내에서 약 87bar의 압력까지 펌핑되며, 보일 공급 물 스트림(316)은 상기 폐열 보일러(404)까지 열교환기(420)를 통과하지 전에 상기 열교환기(414)로 들어간다. 상기 펌프(13)를 나가는 보일러 공급 물은 약 50bar 내지 약 120bar, 약 60bar 내지 약 110bar, 또는 약 70bar 내지 약 100bar의 범위의 압력에 있을 수 있다.
상기 폐열 보일러(404)를 떠나는 포화된 스팀 스트림(317)은 스트림(318)으로서 나가도록 열교환기(412)로 통과되며, 이는 압축기(413) 내에서 압축된다. 상기 압축기(413)를 나가는 스트림(329)은 분지되고, 스팀 스트림(319)은 상기 GHR(403) 내로의 진입을 위해 메탄 스트림(303)과 결합되기 전에 상기 열교환기(412)를 통과한다. 스트림(333) 내의 스팀은 물탱크/물 처리 유닛(411) 내로의 통과를 위해 스트림(334)으로서 나가도록 열교환기(414)로 다시 통과된다.
상기 GHR 반응기(403)로 공급되는 스팀 스트림(319)은 이 경우에 6:1의 스팀 대 탄소 비율(상기 GHR 반응기 공급 내의 수소와 결합된 탄소)을 제공한다. 이러한 높은 비율은 전체 생성물 H2＋CO 스트림(304) 내에서 적은 양의 전환되지 않은 메탄으로 80bar의 H2＋CO 생성 압력을 가능하게 한다. 일부 실시예들에서, 상기 스팀 대 탄소 비율은 약 2:1 내지 약 10:1, 약 3:1 내지 약 9:1, 또는 약 4:1 내지 약 8:1이 될 수 있다. 바람직하게는, 상기 스팀 대 탄소 비율은 적어도 3:1, 적어도 4:1, 또는 적어도 5:1이다.
상기 스트림(309) 내의 정제된 H2＋CO2 생성물은 상기 분리기(401)를 나가며, 다음에 스트림(310) 내에 실질적으로 순수한 수소의 형태인 생성물 스트림을 제공하고, 스트림(311) 내에 CO2를 포함하는 배기가스도 제공하도록 압력 순환 흡착기(408) 내에서 처리된다. 예를 들면, 상기 실질적으로 순수한 H2 생성물 스트림(310)은 약 50bar 내지 약 120bar, 약 60bar 내지 약 110bar, 또는 약 65bar 내지 약 100bar의 압력에 있을 수 있으며, 약 10ppm 내지 약 200ppm의 불순물, 약 20ppm 내지 약 175ppm의 불순물, 또는 약 25ppm 내지 약 150ppm의 불순물의 불순물 레벨을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 실질적으로 순수한 H2 생성물 스트림(310)은 상기 스트림(309)으로부터의 수소의 약 60% 내지 약 98%, 약 70% 내지 약 95%, 또는 약 75% 내지 약 92%를 포함할 수 있다.
상기 스트림(311) 내의 배기가스는 바람직하게는 모든 CO2에 더하여 스트림(309) 내에 이미 존재하는 CO, H2, CH4, 아르곤, N2 및 미량의 수증기를 함유한다. 상기 배기가스 스트림(311)은 이후에 여기에 달리 설명되는 바와 같이 액체 CO2 생성물 스트림을 형성하도록 저온의 분리 유닛(409)(예를 들면, 극저온 분리 유닛) 내에서 처리된다. 상술한 바와 같이, 이는 바람직하게는 상기 배기가스 스트림(311) 내의 CO2의 적어도 50mol%가 상기 액체 CO2 생성물 스트림 내로 분리되도록 수행된다. 분리된 CO2는 CO2 스트림(312) 내에서 제거된다. 나머지 증기상의 물질들은 증기상의 스트림(313) 내에서 상기 저온의 분리 유닛(409)을 나간다.
상기 저온의 분리 유닛(409)으로부터의 증기상의 스트림(313)은 다양한 용도들을 위해 재순환될 수 있다. 도 2에서, 상기 증기상의 스트림(313)은 분기되며, 상기 증기상의 제1 부분은 상기 탄화수소 공급 스트림(303)과 결합되도록 하나의 스트림(314) 내의 증기상의 부분으로 상기 열교환기(412)를 통과한다. 이러한 방식에서, 나머지 불순물들은 상기 시스템을 통해 다시 재순환되며, 상기 GHR 반응기(403) 내로 다시 공급된다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 상기 수소 생산 시스템은 상기 H2＋CO 합성 가스 발생 반응기와 분리되지만, 그 효율을 증가시키기 위해 상기 수소 생산 시스템의 하나 또는 그 이상의 스트림들에 제공될 수 있는 열을 제공하도록 구성되는 결합된 열원을 포함할 수 있다. 동력 생산 시스템들은 특히 결합된 열원을 제공하는 점에서 유리하다. 특히, 동력 생산 시스템 내에 형성되는 하나 또는 그 이상의 배출 스트림들은 상기 수소 생산 시스템 내의 하나 또는 그 이상의 스트림들로의 전달을 위해 열이 그로부터 수득될 수 있는 결합된 열원이 될 수 있다.
동력 생산 및 수소 생산의 특히 유리한 통합은 가스 터빈 결합 사이클 동력 시스템이다. 이들 유닛들은 세계적으로 연료로서 통상적으로 천연 가스를 사용한다. 대체로 550℃ 내지 650℃의 범위의 온도에 있는 산업 가스 터빈 배출은 큰 핀 튜브 이코노마이저(finned tube economizer) 열교환기로 통과되며, 여기서 증기 터빈들을 이용한 추가적인 동력 발생을 위해 높은 압력, 중간 압력 및 낮은 압력의 스팀을 생성하는 데 이용된다. 높은 온도의 상기 터빈 배출은 상기 수소 생산 시스템에 대한 열의 추가를 위한 결합된 열원으로서의 사용에 적합하다. 상기 결합된 열원은, 예를 들면, 상기 H2 플랜트 합성 가스 반응기들에 대해 상기 공급 스트림들을 예열시키기 위해 사용될 수 있다. 이러한 가열은 약 400℃ 내지 약 1000℃, 약 425℃ 내지 약 800℃, 약 450℃ 내지 약 600℃, 또는 약 500℃ 내지 약 550℃의 범위가 될 수 있다. 또한, 상기 H2 플랜트로부터 이용 가능한 과잉의 열은 400℃까지의 온도 범위에 걸쳐 보일러 공급 물을 예열하기 위해 이상적이며, 상기 증기 터빈들 내에서 동력 생산을 위해 여분의 스팀을 방출한다. 주요한 이점은 상기 가스 터빈 내에서 연료로서 상기 수소의 사용에 있다.
여기에 설명되는 시스템들과 방법들에서, 상기 수소 플랜트 합성 가스 반응기들 내에서의 실질적으로 순수한 산소의 사용은 상기 극저온 공기 분리 플랜트로부터 부산물로서 많은 양의 실질적으로 순수한 질소를 제공하는 부수적인 이점을 가질 수 있다. 상기 질소는 상기 공기 분리 유닛으로부터 스트림(93)으로서 상대적으로 높은 압력으로 직접 제공될 수 있다. 이러한 질소의 적어도 일부는 여기에 설명되는 바와 같이 생성될 수 있는 수소와 혼합될 수 있다. 최종 결과는 종래의 가스 터빈 결합 사이클 동력 발생 시스템 내에서의 사용을 위해 적합한 H2＋N2 연료 가스이다. 상기 혼합된 불활성 질소는 대체로 상기 가스 터빈 연소기 내의 단열 불꽃 온도를 감소시키기 위해 요구되며, 상기 동력 터빈 내의 가스의 질량 유량을 증가시키는 추가적인 이점을 가진다. 또한, 상기 H2＋N2 연료 가스 및 과잉의 보일러 공급 물 스트림(59) 내에 존재하는 열로부터 발생되는 스팀을 400℃ 아래의 온도에서 예열시키는 것이 유리할 수 있다.
상기 H2＋N2 연료 가스는 임의의 가스 터빈 결합 사이클 동력 발생 시스템 내에서 활용될 수 있다. 알려진 시스템들은 제거, 해체, 또는 그렇지 않으면 CO2의 제거를 위하여 달리 요구될 수 있는 앞서의 요소들의 사용을 위해 필요에 따라 변경될 수 있다. 본 발명에 따라 활용될 수 있는 알려진 가스 터빈 결합 사이클 동력 발생 시스템들은 그 개시 사항들이 여기에 참조로 포함되는 미국 특허 제8,726,628호, 미국 특허 제8,671,688호, 미국 특허 제8,375,723호, 미국 특허 제7,950,239호, 미국 특허 제7,908,842호, 미국 특허 제7,611,676호, 미국 특허 제7,574,855호, 미국 특허 제7,089,727호, 미국 특허 제6,966,171호 및 미국 특허 제6,474,069호에 기재되어 있다.
본 발명에 의해 제공되는 100%의 가능한 CO2 포집을 구비하는 H2 생산 및 연료로서 생성된 H2의 적어도 일부를 이용하는 가스 터빈 결합 사이클 동력 발생 시스템의 결합은 상기 결합 시스템으로부터 CO2의 대기 방출이 실질적으로 없는 결과를 가져온다. 이는 종래의 가스 터빈 결합 사이클 시스템의 동작에 대해 분명한 이점을 제공한다. 특히, 본 발명의 시스템들의 결합은 가스 터빈 내에서 통상적으로 요구되는 천연 가스 연료를 필요로 하지 않을 수 있고, 연소될 때에 CO2 생성이 없는 연료로 대체할 수 있다. 이와 같이, 일부 실시예들에서, 본 발명은, 1) 거의 100%의 CO2 포집을 구비하는 산소 기반의 수소 생산 유닛; 및 2) 영(zero)의 CO2 방출로 동력 발생을 제공하는 H2＋N2 연료 가스를 이용한 종래의 가스 터빈 결합 사이클 동력 발생 유닛의 결합을 제공한다. 여기에 설명되는 바와 같은 결합된 시스템은 놀랍게도 높은 효율, 저비용의 동력 발생 및 대략 100%의 CO2 포집을 제공할 수 있다.
상기 시스템들의 결합은 다양한 방식들로 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 현재의 결합 사이클 동력 스테이션은 모든 CO2 방출들을 제거하고, 동시에 상기 동력 발생 용량을 증가시키도록 전환될 수 있다. 이러한 전환은 CO2 순환 유체 및 H2＋N2 연료 가스의 생성을 이용하는 동력의 생산을 위한 여기에 설명되는 다른 시스템 구성 요소들의 추가를 포함할 수 있다.
도 2에 예시한 바와 같이, 가스 터빈(410)이 제공되며, 탄화수소 연료 스트림(321)이 발전기(417) 내에서 동력을 생성하도록 연소를 위해 이에 투입된다. 상기 가스 터빈 배출 스트림(322)은 탄화수소 연료 스트림(321), 스트림(401), 스트림(317) 및 스트림(319)에 대한 가열을 제공하도록 상기 열교환기(412)로 통과된다. 상기 가스 터빈(410)으로부터의 배출 스트림(322)의 온도는, 예를 들면, 스트림(321)으로부터 취해지고 스트림(322)에 투입되는 새로운 예열된 천연 가스를 이용하거나, 상기 저온의 CO2 분리 유닛을 나가는 스트림(313)으로부터 취해지고 스트림(322)에 투입되는 증기상의 부분인 두 스트림(336)과 같은 배기 연료 스트림을 이용하는 덕트-연소(duct-burning)에 의해 선택적으로 상승될 수 있다. 이는 상기 프로세스 히터(412) 내에 요구되는 가열 작업을 위해 수용되기에 유리하며, 상기 덕트-연소는 이에 따라 스트림(322)을 위한 배관에서 일어날 수 있다. 일부 실시예들에서, 스트림들(336, 314)은 예시한 바와 같이 단일의 출구 스트림의 분기들인 대신에 상기 저온의 CO2 분리 유닛을 나가는 별도의 스트림들이 될 수 있다.
일부 실시예들에서, 여기에 설명되는 바와 같은 수소 생산 설비는 다양한 다른 이유들로 다양한 다른 시스템들 내에서 이용될 수 있는 과잉의 낮은 온도 레벨의 열을 제공하기에 특히 적합할 수 있다.
상기 수소 생산 시스템의 PSA로부터의 배기가스는 통상적으로 약 200bar 내지 약 400bar까지 압축될 수 있고, 동력 생산 시스템의 연소기 내에서 사용되는 상기 공급 탄화수소 연료와 혼합될 수 있다. 상기 배기가스는 가연성 성분들인 CH4＋CO＋H2 뿐만 아니라, 상기 H2 생산 시스템 내에서 생성되는 모든 CO2를 포함한다. 선택적으로는, 상기 PSA로부터의 배기가스는 상기 제1 PSA의 유입구 압력까지 압축될 수 있고, 상기 CO2는 상술한 많은 프로세스들 중의 하나에서 제거될 수 있으며, 상기 CO2가 격감된 가스 스트림은 보다 많은 H2를 분리하고, 상기 전체 H2 생성물 스트림에 추가하도록 제2 PSA로 보내질 수 있다. 선택적으로, 상기 배기가스는 이코노마이저 열교환기 내에서 예열될 수 있고, 스팀이 추가될 수 있으며, 보다 많은 H2가 추가적인 촉매 CO 전환 반응기 내에서 생성될 수 있고, 이후에 상기 가스는 상기 제2 PSA 내에서 보다 많은 H2를 분리시키도록 처리하기 전에 상기 이코노마이저 열교환기 내에서 냉각될 수 있다. 상기 수소 생산 시스템은 이에 따라 통상적으로 400℃ 아래이고, 바람직하게는 240℃ 내지 약 290℃의 범위 이내인 온도 레벨에서 상기 냉각 H2＋CO 스트림으로부터 상당한 양의 저등급의 열의 생성에 적합하다.
본 발명에 개시되는 주제의 많은 변형들과 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 설명된 특정한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 변형들 및 다른 실시예들도 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 (51)

  1. 이산화탄소(CO2) 및 하나 또는 그 이상의 다른 성분들을 포함하는 프로세스 스트림(process stream)으로부터 CO2를 분리하기 위한 프로세스에 있어서,
    상기 프로세스 스트림 내의 상기 CO2의 분압이 적어도 15bar가 되는 압력으로 상기 프로세스 스트림을 제공하는 단계;
    상기 CO2를 포함하는 프로세스 스트림의 이슬점이 약 -20℃ 또는 그 이하의 온도까지 감소하도록 상기 프로세스 스트림을 충분히 건조시키는 단계;
    2상(two phase)의 스트림으로서 상기 CO2를 포함하는 프로세스 스트림을 제공하도록 상기 프로세스 스트림을 적어도 하나의 열교환기 내에서 냉각시키는 단계;
    상기 2상의 스트림의 온도를 상기 2상의 스트림의 어는점의 약 15℃ 이내인 온도까지 감소시키도록 상기 2상의 스트림을 팽창시키는 단계; 및
    상기 하나 또는 그 이상의 다른 성분들 중의 적어도 하나가 증가된(enriched) 증기 스트림을 제공하고, 상기 CO2가 증가된 액체 스트림을 제공하도록 상기 2상의 스트림을 분리시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 건조시키는 단계는 상기 CO2를 포함하는 상기 프로세스 스트림을 건조제가 충진된 베드로 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각시키는 단계는 상기 CO2가 증가된 상기 액체 스트림의 적어도 일부에 대해 상기 프로세스 스트림을 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 냉각시키는 단계는 제1 열교환기 내 및 제2 열교환기 내에서 상기 프로세스 스트림을 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 냉각시키는 단계는 상기 제1 열교환기 내에서 상기 CO2가 증가된 상기 액체 스트림의 제1 부분에 대해 상기 프로세스 스트림을 냉각시키는 단계 및 상기 제2 열교환기 내에서 상기 CO2가 증가된 상기 액체 스트림의 제2 부분에 대해 상기 프로세스 스트림을 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제1 열교환기 내에서 상기 CO2가 증가된 상기 액체 스트림의 제1 부분에 대해 상기 프로세스 스트림을 냉각시키는 단계 및 상기 제2 열교환기 내에서 상기 CO2가 증가된 상기 액체 스트림의 제2 부분에 대해 상기 프로세스 스트림을 냉각시키는 단계 이전에, 상기 CO2가 증가된 상기 액체 스트림의 제1 부분 및 상기 CO2가 증가된 상기 액체 스트림의 제2 부분의 온도를 감소시키기 위해 상기 CO2가 증가된 상기 액체 스트림의 제1 부분 및 상기 CO2가 증가된 상기 액체 스트림의 제2 부분을 팽창시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 CO2가 증가된 상기 액체 스트림의 제1 부분 및 상기 CO2가 증가된 상기 액체 스트림의 제2 부분은 별도의 밸브들을 이용하여 별도로 팽창되는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  8. 제 4 항에 있어서, 리보일러(reboiler) 열교환기 내에서 상기 프로세스 스트림을 냉각시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 CO2가 증가된 상기 액체 스트림의 적어도 일부를 상기 리보일러 열교환기로 통과시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  10. 제 3 항에 있어서, 상기 냉각시키는 단계는 상기 하나 또는 그 이상의 다른 성분들 중의 적어도 하나가 증가된 상기 증기 스트림의 적어도 일부에 대해 상기 프로세스 스트림을 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 2상의 스트림의 온도를 상기 2상의 스트림의 어는점의 약 10℃ 이내인 온도까지 감소시키기 위해 상기 2상의 스트림을 팽창시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 2상의 스트림을 분리시키는 단계는 상기 2상의 스트림을 증류 칼럼(distillation column)으로 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 증류 칼럼은 상기 증류 칼럼 내로의 상기 2상의 스트림의 공급 포인트 아래의 스트리핑 섹션(stripping section)을 포함하며, 상기 증류 칼럼 내로의 상기 2상의 스트림의 상기 공급 포인트 상부의 정류 섹션(rectifying section)을 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 CO2가 증가된 상기 액체 스트림을 제1 액체 CO2 스트림, 제2 액체 CO2 스트림 및 제3 액체 CO2 스트림으로 분리시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 제1 액체 CO2 스트림, 상기 제2 액체 CO2 스트림 및 상기 제3 액체 CO2 스트림 중의 하나, 둘, 또는 셋을 그 온도를 감소시키고 냉매 스트림을 형성하기 위해 독립적으로 팽창시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 제1 액체 CO2 스트림, 상기 제2 액체 CO2 스트림 및 상기 제3 액체 CO2 스트림 중의 하나, 둘, 또는 셋을 압축시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 다른 성분들 중의 적어도 하나가 증가된 상기 증기 스트림을 압축시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 다른 성분들은 탄화수소, 일산화탄소, 수소, 질소, 아르곤, 산소 및 수증기 중의 하나 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 프로세스.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 다른 성분들 중의 적어도 하나가 증가된 상기 증기 스트림을 그 온도를 감소시키고 냉매 스트림을 형성하기 위해 팽창시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 다른 성분들 중의 적어도 하나가 증가된 상기 증기 스트림의 적어도 일부를 압력 순환 흡착기(pressure swing absorber) 유닛으로 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 통과시키는 단계는 상기 하나 또는 그 이상의 다른 성분들 중의 적어도 하나가 증가된 상기 증기 스트림 내에 존재하는 임의의 H2의 적어도 60mol%를 회수하기에 효과적인 것을 특징으로 하는 프로세스.
  22. 제 1 항에 있어서, 상기 건조시키는 단계 이전에 상기 프로세스 스트림과의 결합을 위해 상기 하나 또는 그 이상의 다른 성분들 중의 적어도 하나가 증가된 상기 증기 스트림의 적어도 일부를 재순환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  23. 제 1 항에 있어서, 상기 프로세스 스트림은 수소 생산 프로세스로부터의 H2＋CO2 스트림인 것을 특징으로 하는 프로세스.
  24. 제 1 항에 있어서, 상기 프로세스는 외부 냉매의 사용 없이 수행되는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  25. 이산화탄소(CO2) 분리 시스템에 있어서,
    프로세스 스트림을 압축하기 위해 구성되는 압축기를 포함하고, 상기 프로세스 스트림은 CO2 및 하나 또는 그 이상의 다른 성분들을 포함하며;
    상기 프로세스 스트림으로부터 수분을 제거하기 위해 구성되는 건조기를 포함하고;
    하나 또는 그 이상의 냉각 스트림들에 대해 상기 프로세스 스트림을 냉각시키고, 2상의 스트림으로서 상기 프로세스 스트림을 제공하기 위해 구성되는 적어도 하나의 열교환기를 포함하며;
    상기 2상의 스트림의 팽창에 의해 상기 2상의 스트림을 냉각시키기 위해 구성되는 적어도 하나의 팽창기(expander)를 포함하고;
    상기 2상의 스트림을 수용하고, 증기상의 스트림 및 액체상의 스트림을 발생시키도록 구성되는 물질 이동 칼럼(mass transfer column)을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  26. 수소 생산 시스템에 있어서,
    탄화수소 공급 스트림 및 산소를 수용하고, H2＋CO를 포함하는 생성물 가스 스트림을 형성하기 위해 구성되는 반응기 유닛(reactor unit);
    상기 H2＋CO를 포함하는 생성물 가스 스트림을 냉각시키고, 스팀(steam)을 형성하기 위해 구성되는 스팀을 발생시키는 보일러;
    상기 H2＋CO를 포함하는 생성물 가스 스트림을 수용하고, H2＋CO2를 포함하는 스트림을 제공하기 위해 구성되는 적어도 하나의 반응기;
    상기 H2＋CO2를 포함하는 스트림을 수용하고, 실질적으로 순수한 수소로 형성되는 생성물 스트림을 제공하며, CO2를 포함하는 배기가스 스트림을 제공하도록 구성되는 압력 순환 흡착기;
    상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림을 압축시키기 위해 구성되는 압축기;
    상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림으로부터 수분을 제거하기 위해 구성되는 건조기;
    하나 또는 그 이상의 냉각 스트림들에 대해 상기 CO2를 포함하는 상기 배기가스 스트림을 냉각시키고, 2상의 스트림으로서 상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림을 제공하기 위해 구성되는 적어도 하나의 열교환기;
    상기 2상의 스트림의 팽창을 통해 상기 2상의 스트림을 냉각시키기 위해 구성되는 적어도 하나의 팽창기; 및
    상기 2상의 스트림을 증기상의 스트림 및 액체상의 스트림으로 분리시키기 위해 구성되는 분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 H2＋CO를 포함하는 생성물 가스 스트림 및 상기 H2＋CO2를 포함하는 스트림 중의 하나 또는 모두에 대해 상기 탄화수소 공급 스트림을 가열시키기 위해 구성되는 하나 또는 그 이상의 열교환기들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
  28. 제 26 항에 있어서, 외부 프로세스에 대한 과잉의 열의 전달을 위해 구성되는 하나 또는 그 이상의 열교환기들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
  29. 제 26 항에 있어서, 상기 수소 생산 시스템 내에서 발생되는 배기 연료 가스 스트림 및 스팀 중의 하나 또는 모두의 산출을 위해 구성되는 하나 또는 그 이상의 라인들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
  30. 제 26 항에 있어서, 가스 터빈에 대한 연료로서 실질적으로 순수한 수소의 형태인 상기 생성물 스트림의 적어도 일부의 전달을 위해 구성되는 하나 또는 그 이상의 라인들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
  31. 제 26 항에 있어서, 상기 반응기 유닛은 스팀에 더하여 탄화수소에 더하여 선택적인 CO2 촉매 개질기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
  32. 제 26 항에 있어서, 상기 반응기 유닛은 부분 산화 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
  33. 제 26 항에 있어서, 상기 반응기 유닛은 촉매 자체 가열 개질기(auto-thermal reformer)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
  34. 제 26 항에 있어서, 상기 반응기 유닛은 자체 가열 개질기 또는 부분 산화 반응기인 제1 스테이지 유닛을 포함하며, 제2 스테이지 가스 가열 스팀에 더하여 탄화수소 촉매 개질기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
  35. 제 26 항에 있어서, 상기 반응기 유닛으로부터 생성되는 상기 H2＋CO 스트림의 적어도 일부는 저압의 예열된 공급 공기 스트림을 이용하여 ITM 부분 산화 반응기 내에서 발생되는 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
  36. 제 26 항에 있어서, 외부 열원으로부터 적어도 상기 탄화수소 공급 스트림에 열을 전달하도록 구성되는 과열기(super-heater) 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
  37. 제 26 항에 있어서, 상기 반응기 유닛은 부분 산화 구역 및 가스 가열 개질기로 구성되는 결합 압력 용기인 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
  38. 제 37 항에 있어서, 상기 부분 산화 구역은 상기 결합 압력 용기의 하단 부분이며, 상기 가스 가열 개질기는 상기 결합 압력 용기의 중앙 구역 내의 개방 단부 튜브들 및 상기 결합 압력 용기의 상단 부분의 폐열 보일러 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
  39. 수소 생산을 위한 프로세스에 있어서,
    H2＋CO를 포함하는 생성물 가스 스트림을 형성하도록 탄화수소 공급 스트림 및 산소를 반응기 유닛 내로 반응시키는 단계;
    스팀을 상기 H2＋CO를 포함하는 생성물 가스 스트림에 추가하도록 상기 H2＋CO를 포함하는 생성물 가스 스트림을 스팀을 발생시키는 보일러로 통과시키는 단계;
    H2＋CO2를 포함하는 스트림을 형성하도록 상기 H2＋CO를 포함하는 생성물 가스 스트림을 적어도 하나의 반응기 내에서 전환시키는 단계;
    실질적으로 순수한 수소의 형태인 생성물 스트림을 제공하고, CO2를 포함하는 배기가스 스트림을 제공하도록 상기 H2＋CO2를 포함하는 스트림을 압력 순환 흡착기 내에서 처리하는 단계;
    상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림 내의 상기 CO2의 적어도 50mol%가 상기 액체 CO2 생성물 스트림 내로 분리되도록 상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림을 자동 냉각(auto-refrigeration)으로 동작하는 극저온 분리 유닛으로 통과시켜 상기 극저온 분리 유닛 내에서 액체 CO2 생성물 스트림을 형성하는 단계; 및
    상기 극저온 분리 유닛으로부터 증기상의 스트림을 재순환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  40. 제 39 항에 있어서, 상기 자동 냉각으로 동작하는 극저온 분리 유닛은 외부 냉매의 사용 없이 동작하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  41. 제 39 항에 있어서, 상기 극저온 분리 유닛은,
    상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림으로부터 수분을 제거하기 위해 구성되는 건조기;
    하나 또는 그 이상의 냉각 스트림들에 대해 상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림을 냉각시키고, 2상의 스트림으로서 상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림을 제공하기 위해 구성되는 적어도 하나의 열교환기; 및
    상기 2상의 스트림의 팽창을 통해 상기 2상의 스트림을 냉각시키기 위해 구성되는 적어도 하나의 팽창기를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  42. 제 41 항에 있어서, 상기 극저온 분리 유닛은,
    상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림을 압축시키기 위해 구성되는 압축기를 더 포함하고, 상기 압축기는 상기 건조기의 업스트림(upstream)에 위치하며;
    상기 2상의 스트림을 상기 증기상의 스트림 및 상기 액체 CO2 생성물 스트림으로 분리시키기 위해 구성되는 분리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  43. 제 39 항에 있어서, 상기 H2＋CO2를 포함하는 스트림을 상기 압력 순환 흡착기 내에서 처리하는 단계 이전에 상기 H2＋CO2를 포함하는 스트림으로부터 CO2를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  44. 제 43 항에 있어서, 상기 H2＋CO2를 포함하는 스트림으로부터 CO2를 제거하는 단계는 화학적 또는 물리적 용제 기반의 CO2 제거 유닛으로 통과시켜 상기 H2＋CO2를 포함하는 스트림으로부터 CO2를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  45. 제 39 항에 있어서, 상기 압력 순환 흡착기를 나가는 상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림의 일부는 압축되고, 상기 반응기 유닛으로 다시 재순환되는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  46. 제 39 항에 있어서, 상기 극저온 분리 유닛으로부터의 상기 증기상의 스트림의 적어도 일부는 상기 반응기 유닛으로 다시 재순환되는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  47. 제 39 항에 있어서, 상기 극저온 분리 유닛으로부터의 상기 증기상의 스트림은 상기 극저온 분리 유닛으로부터의 상기 증기상의 스트림의 재순환 이전에 상기 증기상의 스트림 내에 존재하는 임의의 H2의 적어도 일부를 제거하도록 제2 압력 순환 흡착기로 통과되는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  48. 제 39 항에 있어서, 상기 H2＋CO2를 포함하는 스트림 내의 아르곤 및 질소의 전체 농도가 상기 압력 순환 흡착기의 유입구에서 약 3mol% 내지 약 12mol%의 범위 이내가 되도록 상기 압력 순환 흡착기 내로의 상기 H2＋CO2를 포함하는 스트림의 진입 이전에 상기 H2＋CO를 포함하는 생성물 가스 스트림 및 상기 H2＋CO2를 포함하는 스트림 중의 하나 또는 모두 내에 존재하는 임의의 아르곤 및 질소의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  49. 제 39 항에 있어서, 상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림 내의 상기 CO2의 적어도 80mol%가 상기 액체 CO2 생성물 스트림 내로 분리되는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  50. 제 39 항에 있어서, 상기 극저온 분리 유닛 내에서 상기 액체 CO2 생성물 스트림을 형성하는 단계는,
    상기 프로세스 스트림 내의 상기 CO2의 부분 압력이 적어도 15bar가 되게 하는 압력에서 상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림을 제공하는 단계;
    상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림의 이슬점이 약 -20℃ 또는 그 이하의 온도까지 감소되도록 상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림을 충분히 건조시키는 단계;
    2상의 스트림으로서 상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림을 제공하도록 상기 CO2를 포함하는 배기가스 스트림을 적어도 하나의 열교환기 내에서 냉각시키는 단계;
    상기 2상의 스트림의 온도를 상기 2상의 스트림의 어는점의 약 15℃ 이내인 온도까지 감소시키기 위해 상기 2상의 스트림을 팽창시키는 단계; 및
    상기 증기상의 스트림을 제공하고, 상기 액체 CO2 생성물 스트림을 제공하도록 상기 2상의 스트림을 분리시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.
  51. 제 39 항에 있어서, 상기 극저온 분리 유닛으로부터의 상기 증기상의 스트림은 이코노마이저(economizer) 열교환기를 구비하는 촉매 CO 전환 유닛으로 통과되고, 이에 추가되는 스팀을 가지며, 이후에 H2＋CO2를 포함하는 다른 스트림을 형성하고, 적어도 60mol%의 H2를 포함하는 가스 스트림을 형성하기 위해 상기 스팀과의 반응에 의해 포함된 CO의 적어도 일부를 전환시키도록 촉매 반응기로 통과되는 것을 특징으로 하는 프로세스.
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