KR20210132671A - 개질 구역을 가진 화학 플랜트 및 화학 생성물을 생성하는 과정 - Google Patents

개질 구역을 가진 화학 플랜트 및 화학 생성물을 생성하는 과정 Download PDF

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KR20210132671A
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reactor
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피터 묄가르트 모르텐센
킴 아스베르그-페테르센
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할도르 토프쉐 에이/에스
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Abstract

본 발명은 탄화수소를 포함하는 원료 가스를 수용하고 합성 가스를 제공하도록 배열된 개질 구역을 포함하는 화학 플랜트에 관한 것이며, 여기서 개질 구역은 상기 원료 가스를 수용하고 제1 합성 가스를 생성하도록 배열된, 제1 촉매를 가진 전기 가열 개질 반응기; 및 상기 제1 합성 가스를 수용하고 제2 합성 가스를 산출하도록 배열된, 상기 전기 가열 개질 반응기 하류의 제2 촉매를 가진 자열 개질 반응기를 포함하고, 상기 개질 구역은 상기 제2 합성 가스를 포함하는 상기 산출된 합성 가스를 내보내도록 배열된다. 본 발명은 또한 본 발명에 따른 화학 플랜트에서 탄화수소를 포함하는 원료 가스로부터 화학 생성물을 생성하는 방법에 관한 것이다.

Description

개질 구역을 가진 화학 플랜트 및 화학 생성물을 생성하는 과정
본 발명의 실시형태는 일반적으로 탄화수소를 포함하는 원료 가스(feed gas)를 합성 가스로 개질하는 개질 구역을 포함하는 화학 플랜트 및 탄화수소를 포함하는 원료 가스를 합성 가스로 개질하는 방법에 관한 것이다.
자열 개질(ATR)에 기초한 과정들이 합성 가스의 생성 경로이다. ATR 반응기의 주 요소는 내화 라이닝 압력 쉘 내에 함유된 버너, 연소 챔버, 및 촉매층이다. ATR 반응기에서 아화학량론적 양의 산소에 의한 탄화수소 원료의 부분 연소 후, 스팀 개질 촉매 고정층에서 부분 연소된 탄화수소 원료 스트림이 스팀 개질된다. 고온으로 인해 연소 챔버에서도 스팀 개질이 어느 정도 일어난다. 스팀 개질 반응은 수성 가스 전환 반응을 수반한다. 전형적으로, 스팀 개질 및 수성 가스 전환 반응에 대하여 반응기의 출구에서 가스는 평형이거나 또는 평형에 근접한다. 출구 가스의 온도는 전형적으로 850℃ 내지 1100℃의 범위이다. ATR에 대한 보다 상세한 내용 및 완전한 설명은 "Studies in Surface Science and Catalysis, Vol. 152," Synthesis gas production for FT synthesis"; Chapter 4, p.258-352, 2004" 등 본 분야에서 찾을 수 있다.
또한, 본 발명의 목적은 ATR을 사용하여 유사한 양의 합성 가스를 생성하는 공지의 시스템과 비교하여 장치 재료(CAPEX) 비용이 감소된 합성 가스 생성 시스템을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 유사한 양의 합성 가스가 생성되는, ATR을 사용하는 공지의 과정과 비교하여 CO2 발자국이 감소되는 ATR을 사용한 합성 가스를 생성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 ATR을 사용하는 공지의 과정 및 시스템과 비교하여 ATR 상류의 연소식 가열기(fired heater)의 크기 및 듀티가 감소되거나, 또는 이상적으로 제거되는, ATR의 사용에 의해 합성 가스를 생성하는 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적은 시스템이 빠르게 시작될 수 있는 ATR의 사용에 의해 합성 가스를 생성하는 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 양태는:
- 탄화수소를 포함하는 원료 가스를 수용하고 산출된 합성 가스를 제공하도록 배열된 개질 구역
을 포함하는 화학 플랜트에 관한 것이며, 상기 개질 구역은:
- 상기 원료 가스를 수용하고 제1 합성 가스를 생성하도록 배열된, 제1 촉매를 가진 전기 가열 개질 반응기,
- 상기 제1 합성 가스를 수용하고 제2 합성 가스를 산출하도록 배열된, 상기 전기 가열 개질 반응기 하류의 제2 촉매를 가진 자열 개질 반응기
를 포함하고,
상기 개질 구역은 상기 제2 합성 가스를 포함하는 상기 산출된 합성 가스를 내보내도록 배열된다.
화학 플랜트의 개질 구역이 자열 개질 반응기의 상류에 전기 가열 개질 반응기를 포함하는 경우, 스팀 개질과 함께 전기 가열 개질 반응기에서 원료 가스의 빠르고 효과적인 가열이 일어난다. 전기 가열 개질 반응기를 빠져나오는 제1 합성 가스는 자열 개질 반응기에서 자열 개질이 일어나도록 충분히 가열된다. 전형적으로, 전기 가열 개질 반응기를 빠져나오는 제1 합성 가스의 온도는 적어도 약 350-400℃, 예컨대 400℃ 초과, 바람직하게 450℃ 초과, 더 바람직하게 500℃ 초과, 및 더 바람직하게 심지어 600℃ 초과의 온도를 가진다. 이로써 전형적으로 전기 가열 개질 반응기와 자열 개질 반응기 사이에서 제1 합성 가스를 가열하는 것은 전형적으로 불필요하다.
자열 개질 반응기를 가진 화학 플랜트는 전형적으로 자열 개질 반응기로 들어가기 전에 원료 가스를 예열하도록 배열된 연소식 가열기 유닛을 포함한다. 화학 플랜트가 자열 개질 반응기의 상류에 전기 가열 반응기를 포함하는 경우, 연소식 가열기 유닛의 크기가 상당히 감소될 수 있거나 또는 심지어 생략될 수 있다.
개질 구역이 자열 개질 반응기의 상류에 전기 가열 개질 반응기를 포함하는 경우, 자열 개질 반응기에 유입된 제1 합성 가스의 화학 에너지가 연소식 가열기 또는 전기 가열기와 같은 다른 종류의 가열기에서 가열되고 단열 예비개질기에서 예비개질된 후 자열 개질 반응기에 들어가기 전에 최종 가열된 원료 가스와 비교하여 상당히 증가될 수 있다.
증가된 화학 에너지로 인해, 자열 개질 반응기로 유입된 산소의 필요량은 잠재적으로 감소된다. 여기서 용어 "가스의 화학 에너지"는 가스의 엔탈피 또는 내부 에너지를 나타내며, 따라서 엔탈피 및/또는 내부 에너지 상태가 더 높다면 가스는 더 높은 화학 에너지를 가진다.
원료 가스의 일부는 전기 가열 개질 반응기를 우회할 수 있다는 것이 주지되어야 하며, 이로써 그것은 자열 개질 반응기로 직접 보내지거나 또는 자열 개질 반응기의 상류에서 제1 합성 가스와 혼합된다.
또한, 용어 "스팀 개질" 또는 "스팀 메탄 개질 반응"은 다음의 반응 중 하나 이상에 따른 개질 반응을 나타낸다:
CH4 + H2O <-> CO + 3H2 (i)
CH4 + 2H2O <-> CO2 + 4H2 (ii)
CH4 + CO2 <-> 2CO + 2H2 (iii)
반응 (i)과 (ii)는 스팀 메탄 개질 반응이고, 반응 (iii)은 건조 메탄 개질 반응이다.
고급 탄화수소, 즉 CnHm(n≥2, m≥4)의 경우, 식 (i)은 다음과 같이 일반화된다:
CnHm + n H2O <-> n CO + (n + m/2)H2 (iv)
상기 식에서 n≥2, m≥4
전형적으로, 스팀 개질은 수성 가스 전환 반응 (v)을 수반한다:
CO + H2O <-> CO2 + H2 (v)
용어 "스팀 메탄 개질" 및 "스팀 메탄 개질 반응"은 반응 (i)과 (ii)를 커버하고, 용어 "스팀 개질" 및 "전기 가열 개질"은 반응 (i), (ii) 및 (iv)를 커버하며, 용어 "메탄화"는 반응 (i)의 역반응을 커버한다. 대부분의 경우, 반응 (i)-(v)는 전부 개질 반응기로부터의 출구에서 평형이거나 또는 평형에 근접한다. 용어 "예비개질"은 주로 반응 (iv)에 따른 고급 탄화수소의 촉매 전환을 커버하기 위해 사용된다. 예비개질은 전형적으로 메탄의 스팀 개질 및/또는 메탄화(가스 조성 및 작동 조건에 따라서)와 수성 가스 전환 반응을 수반한다. 예비개질은 주로 단열 반응기에서 수행되지만, 가열 반응기에서도 일어날 수 있다.
또한, 용어 "자열 개질" 및 "자열 개질 반응"은 스팀 메탄 개질 반응에 더하여 반응 (vi)와 (vii)에 따른 탄화수소 공급원료의 연소 및 부분 연소를 커버한다:
CH4 + 1/2O2 <-> CO + 2H2 (vi)
CH4 + 2O2 <-> CO2 + 2H2O (vii)
용어 "합성 가스"는 수소, 일산화탄소 및 또한 이산화탄소 및 아르곤, 질소 메탄 등과 같은 소량의 다른 가스들을 포함하는 가스를 나타낸다.
용어 "예비개질"은 주로 하기 반응에 따른 고급 탄화수소, 즉 CnHm(n≥2, m≥4)의 촉매 전환을 커버하기 위해 사용된다:
CnHm + n H2O <-> n CO + (n + m/2)H2
예비개질은 전형적으로 메탄의 스팀 개질 및/또는 메탄화(가스 조성 및 작동 조건에 따라서)와 수성 가스 전환 반응을 수반한다. 예비개질은 주로 단열 반응기에서 수행되지만, 가열 반응기에서도 일어날 수 있다. 예비개질은 전형적으로 약 350-550℃의 온도 범위에서 일어나며, 이로써 공정 초기 단계로서 고급 탄화수소들이 전환된다. 이것은 후속 공정 단계에서 촉매 및 장비 상에 고급 탄화수소로부터 탄소 형성의 위험을 제거한다. 선택적으로, 이산화탄소 또는 다른 성분들이 또한 예비개질 단계를 떠나는 가스와 혼합되어 원료 가스를 형성할 수 있다.
자열 개질 반응기 상류에 전기 가열 개질 반응기를 가진 개질 구역은 자열 개질 반응기 상류에 연소식 스팀 메탄 개질 반응기를 가진 개질 구역과 비교하여, 적어도 다음의 이유로 인해 이점을 가진다:
- 전기 가열 개질 반응기에 열을 제공하기 위해 연소식 스팀 메탄 개질기 내에서 탄화수소 가스가 연소되지 않기 때문에 개질 구역에서 전체 연료 소비가 감소된다;
- 특히 전기 가열 개질 반응기를 위한 전력이 재생 공급원으로부터 유래하는 경우, 연소식 스팀 메탄 개질기와 자열 개질 반응기의 조합과 비교하여 축적된 이산화탄소의 생성이 더 적다;
- 개질 구역에 열을 제공하기 위해 사용된 탄화수소의 양을 최소화함으로써 이산화탄소 및 NOx 또는 SOx와 같은 기후 또는 국소 환경에 유해한 다른 배출물들의 전체 배출이 상당히 감소된다;
- 전기 가열 개질기의 압축성으로 인해 반응기 공간이 크게 감소된다.
또한, 자열 개질 반응기 상류에 전기 가열 개질 반응기를 가진 개질 구역은 자열 개질 반응기 상류에 연소식 가열기를 가진 개질 구역과 비교하여, 적어도 다음의 이유로 인해 이점을 가진다:
- 자열 개질 반응기 상류의 연소식 가열기의 크기가 상당히 감소되거나, 또는 심지어 생략될 수 있기 때문에 화학 플랜트의 크기가 감소될 수 있다; 및
- 전기 가열 개질 반응기를 빠져나오는 제1 합성 가스의 온도를 제어하고 이로써 산소 소비를 간접 제어함으로써 개질 구역으로부터 산출된 합성 가스의 H2/CO 비가 조정될 수 있다.
- 연소식 가열기에 열을 제공하기 위해 사용된 탄화수소의 양을 최소화함으로써 이산화탄소 및 NOx 또는 SOx와 같은 기후 또는 국소 환경에 유해한 다른 배출물들의 전체 배출이 상당히 감소된다.
- 전기 가열 개질 반응기에서 일어난 화학 반응의 결과로서 비슷한 온도에서 연소식 가열기를 빠져나오는 가스의 화학 에너지보다 제1 합성 가스의 화학 에너지가 더 높기 때문에 전체 산소 소비가 감소될 것이다.
또한, 본 발명의 플랜트는 연소식 가열기 유닛과 자열 개질 반응기를 가진 시스템과 비교하여 자열 개질 반응기의 시동 및 하중 증가를 더 빠르게 수행할 수 있는 가능성을 제공했다.
전기 가열 개질 반응기와 자열 개질 반응기의 조합은, 예를 들어 전기 가열 개질 반응기와 연소식 스팀 메탄 개질 반응기의 조합과 비교하여 또는 전기 가열기와 이후의 연소식 스팀 메탄 개질 반응기의 조합과 비교하여 이익을 가진다. 이것은 아래 설명된 대로 본 발명의 플랜트가 더 낮은 스팀-대-탄소 비에서 작동할 수 있는 가능성으로 인한 것이다.
ATR로부터의 전형적인 출구 온도는 850-1100℃의 범위이다. 본 발명에 따라서, ATR을 떠나는 제2 합성 가스는 850-1100℃, 예컨대 950-1075℃의 온도를 가진다. 2.0 미만, 예컨대 1.5 미만, 심지어 1.2 미만, 1.0 미만, 0.8 미만 또는 심지어 0.65 미만의 스팀-대-탄소(S/C) 비에서 ATR을 작동시키는 것이 가능하다는 것이 당업계에 알려져 있다.
전형적인 연소식 스팀 메탄 개질기는 800-950℃의 출구 온도에서 작동한다. 이러한 온도 수준에서, 연소식 스팀 메탄 개질기에서 가능한 최소 S/C 비는 연소식 스팀 메탄 개질기의 관에서 촉매 상에 탄소 형성의 위험을 가져올 것이다. 이러한 이유 때문에 연소식 스팀 메탄 개질기는 약 1.3-1.5 미만의 S/C 비에서는 작동되지 않는다.
본 발명은 ATR로 가는 예비개질기를 빠져나오는 가스의 최적 온도가 500-700℃, 예를 들어 650℃라는 인식에 기초한다. 본 발명은 또한 약 250-1100℃ 범위 내의 임의의 온도에서 또는 심지어 더 넓은 범위에서, 그래서 상기 최적 온도에서 전기 가열 개질 반응기를 작동시키는 것이 가능하다는 인식에 기초하며, 따라서 ATR과 조합하여 예비개질기로서 전기 가열 개질 반응기를 사용하는 것은 매우 유익할 것이다.
스팀 개질 촉매 상에 탄소 형성을 피하기 위해 필요한 S/C 비는 온도가 증가할수록 증가한다. 전기 가열 예비개질기는 연소식 예비개질기보다 유의하게 더 낮은 온도에서 작동될 수 있으므로, 전기 가열 개질 반응기와 이후의 자열 개질 반응기의 조합은 a) 전기 가열 개질 반응기(또는 전기 가열기)와 이후의 연소식 스팀 메탄 개질기의 조합뿐만 아니라 b) 연소식 개질 반응기와 이후의 자열 개질 반응기의 조합보다 유의하게 더 낮은 S/C 비에서 작동할 수 있다. 이것은 공정 플랜트를 통과하는 스팀 유량이 더 적어지고 비용이 감소한다는 것을 의미한다.
또한, 본 발명의 플랜트를 사용하여 공정에서 감소된 스팀 공급의 결과로서 감소된 H2/CO 비를 가진 합성 가스를 생성하는 것이 가능하다. 이것은 다양한 용도에 바람직하며, 예를 들어 합성 가스가 피셔-트로프슈 합성을 통한 합성 연료의 생산에 사용되는 경우 바람직하다.
용어 "스팀 메탄 개질"과 "스팀 개질"은 여기서 동의어로서 사용된다는 것이 주지되어야 한다. 또한, 용어 "탄화수소를 포함하는 원료 가스"는 하나 이상의 탄화수소와 가능한 다른 구성성분들을 가진 탄화수소 가스를 포함하는 원료 가스를 나타낸다. 개질 구역에 공급된 탄화수소를 포함하는 원료 가스는 스팀 및 가능한 수소와 혼합된, 탄화수소 및 가능한 다른 구성성분들, 예컨대 일산화탄소, 이산화탄소, 및 가능한 또한 일부 질소와 아르곤을 포함하는 원료 가스이다. "탄화수소 가스"의 예들은 천연가스, 도시가스, 또는 메탄과 고급 탄화수소의 혼합물, 뿐만 아니라 예비개질된 가스일 수 있다.
전형적으로, 개질 구역으로 유입된 탄화수소를 포함하는 원료 가스는 탄화수소 가스, 스팀 및 수소의 미리 정해진 비율을 가진다. 스팀, 수소 및/또는 다른 구성성분들이 첨가된 탄화수소를 포함하는 원료 가스는 그 조성이 변했어도 여전히 원료 가스로 표시된다는 것이 주지되어야 한다.
자열 개질 반응기는 제1 합성 가스를 수용하고 제2 합성 가스, 즉 자열 개질된 합성 가스를 제공하도록 배열된다. 자열 개질 반응기에 투입된 제1 합성 가스에 더하여, 산화제 가스의 스트림이 유입된다. 산화제 가스의 스트림은 산소를 포함하며, 예를 들어 공기 또는 산소, 부화된 공기, 또는 90%를 초과하는 산소와 나머지로서 예를 들어 질소, 스팀, CO2 및/또는 아르곤의 혼합물일 수 있다.
한 실시형태에서, 전기 가열 개질 반응기는:
- 원료 가스의 스팀 개질에 촉매작용하도록 작동가능한 제1 촉매를 가열하도록 배열된 전기 가열 유닛을 수용하는 압력 쉘로서, 5 내지 90 bar의 설계 압력을 가지는 압력 쉘,
- 압력 쉘 내부의 적어도 일부분에 인접한 단열층, 및
- 전기 가열 유닛 및 압력 쉘 외부에 위치된 전기 전원에 전기적으로 연결된 적어도 2개의 컨덕터
를 포함하고, 여기서 전기 전원은 전기 가열 유닛을 통해서 전기 전류를 통과시킴으로써 제1 촉매의 적어도 일부를 적어도 450℃의 온도로 가열할 수 있는 치수를 가진다.
특정 실시형태에서, 압력 쉘은 5 내지 45 bar, 바람직하게 30 내지 45 bar의 설계 압력을 가진다.
전기 가열 개질 반응기의 특징은 에너지가, 예를 들어 촉매 관 또는 가열기 코일을 통해서, 열 전도, 대류 및 복사를 통해 외부 열원으로부터 공급되는 대신, 전기 가열 개질 반응기 내부에서 공급된다는 것이다. 컨덕터를 통해 전기 가열 유닛이 전기 전원에 연결된 전기 가열 개질 반응기에서, 스팀 개질 반응을 위한 열은 저항 가열에 의해 제공된다. 전기 가열 개질 반응기의 가장 고온 부분은 전기 가열 개질 반응기의 압력 쉘 내부일 것이다. 바람직하게, 전기 전원 및 압력 쉘 내의 전기 가열 유닛은 전기 가열 유닛의 적어도 일부가 450℃-850℃, 예컨대 500℃-750℃, 및 바람직하게 550℃-650℃의 온도에 도달할 수 있는 치수를 가진다.
본 발명의 화학 플랜트는 유익하게 개질 구역의 상류에 하나 이상의 압축기 및/또는 펌프를 포함할 수 있다. 압축기/펌프는 원료를 5 내지 90 bar의 압력으로 압축하도록 배열된다. 원료의 구성성분, 즉 물/스팀, 수소 및 탄화수소 원료 가스는 개별적으로 압축되고 개별적으로 개질 구역에 또는 개질 반응기에 공급될 수 있다.
하나 이상의 추가의 원료 스트림이 전기 가열 개질기의 상류에서 개질 구역에, 전기 가열 스팀 개질기의 하류에서 제1 합성 가스와 혼합되는 위치에, 또는 직접 자열 개질 반응기에 첨가될 수 있다. 일례는 자열 개질 반응기에 직접 첨가된 스팀 또는 피셔-트로프슈 유닛으로부터의 테일 가스이며, 이것은 예를 들어 전기 가열 개질 반응기와 자열 개질 반응기 사이에서 또는 직접 자열 개질 반응기에 첨가될 수 있다. 예를 들어 공급원료로서 천연가스를 사용하여 피셔-트로프슈 합성에 의해 합성 디젤을 생산하기 위한 기체-액체(GTL) 플랜트에서, 테일 가스는 전형적으로 피셔-트로프슈 합성 구역에서 합성 가스 제조 유닛으로 재순환된다. 이것은 합성 가스의 생성물 조성을 약 2의 원하는 H2/CO 비로 조정하기 위해 행해진다.
제1 촉매는, 촉매 입자의 층, 예를 들어 펠릿일 수 있으며, 전형적으로 전기 전도성 구조가 촉매 입자의 층에 매립된 상태의 고 면적 담지체 상에 담지된 촉매 활성 물질의 형태이다. 대안으로서, 제1 촉매는 모노리스 또는 금속 관과 같은 거시적 구조 상에 담지된 촉매 활성 물질일 수 있다.
전기 가열 개질 반응기가 압력 쉘의 내부의 적어도 일부분에 일접한 단열층을 포함하는 경우, 전기 가열 유닛과 압력 쉘 사이의 적절한 단열 및 전기 절연이 얻어진다. 전형적으로, 단열층은 압력 쉘의 내부 표면의 대부분에 존재할 것이고, 이로써 압력 쉘과 전기 가열 유닛/제1 촉매 사이에 단열을 제공한다; 그러나, 전기 가열 유닛과 전기 전원 사이에 컨덕터의 연결을 제공하고 전기 가열 개질 반응기로 가스가 들어가고/나가는 입구/출구를 제공하기 위해 단열층에는 통로가 필요하다.
압력 쉘과 전기 가열 유닛 사이에 단열층의 존재는 압력 쉘의 과도한 가열을 피하는데 도움이 되고, 전기 가열 개질 반응기 주변으로의 열 손실을 줄이는데 도움이 된다. 전기 가열 유닛의 온도는, 적어도 일부 부분에서 최대 약 850℃에 도달할 수 있지만, 전기 가열 유닛과 압력 쉘 사이에 단열층을 사용함으로써 압력 쉘의 온도가, 예를 들어 500℃ 또는 심지어 200℃의 유의하게 더 낮은 온도로 유지될 수 있다. 이것은 전형적인 구성 스틸 재료가 850℃와 같은 고온에서 압력 보유 용도에 부적합하거나 또는 매우 비싸기 때문에 유익하다. 또한, 압력 쉘과 전기 가열 유닛 사이의 단열층은 전기 가열 개질 반응기 내에서 전기 전류의 제어에 도움이 되는데, 단열층이 전기적으로도 절연성이기 때문이다. 단열층은 세라믹, 비활성 재료, 내화성 재료 또는 가스 장벽 또는 이들의 조합과 같은 고체 재료의 하나 이상의 층일 수 있다. 따라서, 퍼지 가스 또는 제한 가스(confined gas)가 단열층의 일부를 구성하거나 형성하는 것도 고려될 수 있다.
작동 동안 전기 가열 개질 반응기의 가장 고온 부분이 전기 가열 유닛일 때, 단열층이 전기 가열 개질 반응기로부터 압력 쉘을 열적으로 차단하기 때문에, 압력 쉘의 온도가 최대 공정 온도보다 유의하게 더 낮게 유지될 수 있다. 여기서 용어 "공정 온도"는 가스의 온도를 나타낸다. 이것은 750℃ 내지 900℃, 예컨대 800℃, 850℃ 또는 900℃의 최대 공정 온도에서, 압력 쉘이, 예를 들어 700℃ 또는 500℃ 또는 바람직하게 300℃ 내지 200℃의 비교적 낮은 설계 온도를 갖는 것을 가능하게 한다.
다른 이점은 더 낮은 설계 온도의 의미가 일부 경우 압력 쉘의 두께가 감소될 수 있다는 것이라는 점이며, 이로써 비용이 절감된다.
용어 "단열 재료"는 약 10 W·m-1·K-1 이하의 열 전도도를 갖는 재료를 나타낸다는 것이 주지되어야 한다. 단열 재료의 예들은 세라믹, 내화성 재료, 알루미나-기반 재료, 지르코니아-기반 재료 및 유사한 것들이다.
한 실시형태에서, 전기 가열 유닛은 전기 전도성 재료의 거시적 구조를 포함하며, 여기서 거시적 구조는 세라믹 코팅을 담지하고, 세라믹 코팅은 촉매 활성 물질을 담지한다. 이러한 전기 가열 유닛은 본원에서 "구조화된 촉매"라고도 언급된다. 메탄 스팀 개질과 가스 가열 형태의 촉매 전환은 동시에 일어난다.
따라서, 화학 플랜트의 작동 동안, 전기 전류가 거시적 구조를 통해서 통과됨으로써 거시적 구조와 그 위에 담지된 촉매 활성 물질을 가열한다. 촉매 활성 물질과 거시적 구조 사이의 근접성은 저항 가열된 거시적 구조로부터 고체 재료의 열 전도에 의한 촉매 활성 물질의 효과적인 가열을 가능하게 한다. 촉매 활성 물질의 양 및 조성은 주어진 작동 조건에서 스팀 개질 반응에 맞게 재단될 수 있다. 거시적 구조의 표면적, 세라믹 코팅으로 코팅된 거시적 구조의 비율, 세라믹 코팅의 종류 및 구조, 그리고 촉매 활성 물질의 양 및 조성은 주어진 작동 조건에서 스팀 개질 반응에 맞게 재단될 수 있다.
한 실시형태에서, 구조화된 촉매는 컨덕터들 사이의 전류 경로를 구조화된 촉매의 최대 치수보다 큰 길이로 증가시키도록 배열된 적어도 하나의 전기 절연부(electrically isolating parts)를 가진다. 구조화된 촉매의 최대 치수보다 더 큰 컨덕터들 사이의 전류 경로의 제공은 컨덕터들 사이에 위치된 전기 절연부(들)의 제공에 의한 것일 수 있는데, 이것은 전류가 구조화된 촉매의 일부 부분으로 지나가는 것을 방지한다. 이러한 전기 절연부는 전류 경로를 증가시키고, 따라서 구조화된 촉매를 통한 저항을 증가시키도록 배열된다. 이로써 구조화된 촉매를 통한 전류 경로는, 예를 들어 구조화된 촉매의 최대 치수보다 50%, 100%, 200%, 1000%, 또는 심지어 10000%를 초과하여 더 길어질 수 있다.
용어 "전기 전도성"은 20℃에서 10-4 내지 10-8 Ω·m 범위의 전기 저항률을 가진 재료를 나타낸다. 따라서, 전기 전도성 재료는, 예를 들어 구리, 은, 알루미늄, 크롬, 철, 니켈과 같은 금속, 또는 금속들의 합금이다. 또한, 용어 "전기 절연성"은 20℃에서 10 Ω·m 초과, 예를 들어 20℃에서 109 내지 1025 Ω·m 범위의 전기 저항률을 가진 재료를 나타낸다.
본원에서 사용된 용어 "전기 가열 유닛은 거시적 촉매를 포함한다"는 단일 거시적 구조를 가진 전기 가열 개질 반응기에만 제한되는 의미는 아니다. 대신, 이 용어는 세라믹 코팅과 그 위에 담지된 촉매 활성 물질을 가진 거시적 구조뿐만 아니라 세라믹 코팅과 그 위에 담지된 촉매 물질을 가진 이러한 거시적 구조의 어레이를 모두 아우르는 의미이다.
용어 "세라믹 코팅을 담지한 거시적 구조"는 거시적 구조가 거시적 구조의 표면의 적어도 일부에서 세라믹 코팅으로 코팅된 것을 나타낸다. 따라서, 이 용어는 거시적 구조의 전체 표면이 세라믹 코팅으로 코팅된 것은 내포하지 않는다; 특히, 적어도 컨덕터 및 전기 전원과 전기적으로 연결된 거시적 구조의 부분은 코팅을 갖지 않는다. 코팅은 구조 내에 공극(pore)을 가진 세라믹 재료인데, 코팅 위와 내부에 제1 촉매의 촉매 활성 물질을 담지하는 것을 허용하며, 촉매 담지체와 동일한 기능을 가진다. 유익하게, 제1 촉매의 촉매 활성 물질은 약 5nm 내지 약 250nm 범위의 크기를 가진 촉매 활성 입자를 포함한다.
본원에서 사용된 용어 "거시적 구조"는 확대 장치 없이 육안으로 볼 수 있는 충분히 큰 구조를 나타낸다. 거시적 구조의 치수는 전형적으로 센티미터 또는 심지어 미터의 범위이다. 거시적 구조의 치수는 유익하게 적어도 부분적으로 압력 쉘의 내부 치수에 상응하도록 제조되며, 이로써 단열층과 컨덕터를 위한 공간이 남겨진다.
세라믹 코팅은 촉매 활성 물질을 갖든 갖지 않든 워시 코팅에 의해 금속 표면에 직접 첨가될 수 있다. 금속 표면의 워시 코팅은 잘 알려진 공정이다; 이것은 예를 들어 Cybulski, A. and Moulijn, J. A., Structured catalysts and reactors, Marcel Dekker, Inc, New York, 1998, Chapter 3, 및 그 인용자료들에 설명된다. 세라믹 코팅은 거시적 구조의 표면에 첨가될 수 있고, 이어서 촉매 활성 물질이 첨가될 수 있다; 대안으로서, 촉매 활성 물질을 포함하는 세라믹 코트가 거시적 구조에 첨가된다.
바람직하게, 거시적 구조는 분체상 금속 입자와 바인더의 혼합물을 압출된 구조로 압출한 후 압출된 구조를 소결함에 의해 제조되며, 이로써 체적당 기하 표면적이 큰 재료가 제공된다. 촉매 활성 물질을 함유할 수 있는 세라믹 코팅이 거시적 구조 위에 제공되고, 이후 산화 분위기에서 2차 소결되며, 이로써 세라믹 코팅과 거시적 구조 사이에 화학 결합이 형성된다. 대안으로서, 촉매 활성 물질이 2차 소결 후 세라믹 코팅 위에 함침될 수 있다. 세라믹 코팅과 거시적 구조 사이에 화학 결합이 형성된 경우, 전기 가열 거시적 구조와 세라믹 코팅에 의해 담지된 촉매 활성 물질 사이에 특별히 높은 열 전도도가 가능하다. 열원, 즉 거시적 구조와 촉매 활성 물질 사이의 근접성으로 인해 열 전달이 효과적이며, 이로써 촉매 활성 물질이 매우 효과적으로 가열될 수 있다. 이로써 스팀 개질 반응기 체적당 가스 처리의 관점에서 압축된 스팀 개질 반응기가 가능하며, 따라서 거시적 구조를 수용하는 전기 가열 개질 반응기도 압축될 수 있다. 본 발명의 전기 가열 개질 반응기는 노를 필요로 하지 않으며, 이것은 전기 가열 개질 반응기의 크기를 상당히 감소시킨다.
시스템의 한 실시형태에 따라서, 거시적 구조는 압출 소결된 모노리스 또는 서로 전기적으로 연결된 다수의 압출 소결된 모노리스를 포함한다. 시스템의 한 실시형태에 따라서, 거시적 구조는 컨덕터들 사이의 전류 경로를 거시적 구조의 최대 치수보다 큰 길이로 증가시키도록 배열된 전기 절연부를 가진다.
바람직하게, 거시적 구조는 Fe, Ni, Cu, Co, Cr, Al, Si 또는 이들의 합금을 포함한다. 이러한 합금은 Mn, Y, Zr, C, Co, Mo 또는 이들의 조합과 같은 추가의 원소를 포함할 수 있다. 바람직하게, 제1 촉매의 촉매 활성 물질은 5nm 내지 250nm의 크기를 갖는 입자이다. 제1 촉매의 촉매 활성 물질은 예를 들어 니켈, 루테늄, 로듐, 이리듐, 백금, 코발트, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 따라서, 제1 촉매의 한 가지 가능한 촉매 활성 물질은 니켈과 로듐의 조합 및 니켈과 이리듐의 또 다른 조합이다. 세라믹 코팅은, 예를 들어 Al, Zr, Mg, Ce 및/또는 Ca를 포함하는 산화물일 수 있다. 예시적인 코팅은 칼슘 알루미네이트 또는 마그네슘 알루미늄 스피넬이다. 이러한 세라믹 코팅은 La, Y, Ti, K 또는 이들의 조합과 같은 추가의 원소를 포함할 수 있다. 바람직하게, 컨덕터는 거시적 구조와 상이한 재료로 제조된다. 컨덕터는 예를 들어 철, 니켈, 알루미늄, 구리, 은, 또는 이들의 합금일 수 있다. 세라믹 코팅은 전기 절연성 재료이며, 전형적으로 약 100μm, 즉 10-500μm 범위의 두께를 가질 것이다. 이에 더하여, 제5 촉매가 압력 쉘 내에 그리고 거시적 구조의 촉매 기능을 지원하기 위해 거시적 구조 내의 채널에, 거시적 구조 주변에 또는 거시적 구조의 상류 및/또는 하류에 위치될 수 있다.
한 실시형태에서, 화학 플랜트는 전기 가열 개질 반응기 상류에 예비개질기를 더 포함한다. 예비개질기에서, 탄화수소 가스는 스팀, 및 잠재적으로는 또한 수소 및/또는 이산화탄소와 같은 다른 성분들과 함께, 약 350-550℃의 온도 범위에서 예비개질을 거칠 것이며, 이로써 공정 초기 단계로서 고급 탄화수소들이 전환되고, 이것은 통상 탈황 단계 하류에서 일어난다. 이것은 후속 공정 단계에서 촉매 상에서 고급 탄화수소로부터 탄소 형성의 위험을 제거한다. 선택적으로, 이산화탄소 또는 다른 성분들이 또한 예비개질 단계를 떠나는 가스와 혼합되어 원료 가스를 형성할 수 있다.
한 실시형태에서, 개질 구역은 또한 전기 가열 개질 반응기 및 자열 개질 반응기와 평행하게 놓인 가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기를 포함하고, 여기서 가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기는 제3 촉매를 포함하며, 탄화수소를 포함하는 제2 원료 가스를 수용하고 제2 합성 가스의 적어도 일부를 가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기 내에서 열교환의 가열 매체로서 활용하도록 작동가능하며, 가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기는 제3 합성 가스를 생성하도록 배열된다.
가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기는 제2 합성 가스의 적어도 일부를 가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기 내에서 열교환의 가열 매체로서 활용하도록 작동될 수 있다. 가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기는 제3 촉매 위에서 제3 합성 가스를 생성하고 개질 구역으로부터 유출되는 산출된 합성 가스의 적어도 일부로서 개질 구역으로부터 제3 합성 가스를 내보내도록 배열된다. 가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기의 추가에 의해 화학 플랜트의 전체 열 효율이 증가되는데, 제2 합성 가스의 민감한 열이 가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기 내에서 사용되기 때문이다. 또한, 화학 플랜트가 가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기를 포함하는 경우, 화학 플랜트의 전체 산출량도 증가된다.
가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기는, 전형적으로 관 벽 상에서, 열교환에 의해 흡열 스팀 메탄 개질 반응에 열을 공급하기 위해 고온 가스를 사용하도록 구성된다. 가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기의 구성형태의 일례는 원료 가스를 수용하는 촉매로 충전된 몇 개의 평행한 관을 가진다. 반응기 바닥에서 촉매 충전된 관으로부터 나온 생성물 가스가 자열 개질 반응기로부터 나온 고온의 제2 합성 가스의 일부 또는 전부와 혼합되어 혼합 가스가 형성된다. 혼합 가스는 가스 가열 메탄 개질 반응기 내에서 촉매 충전된 관과 열교환을 수행하고 제3 합성 가스를 산출한다. 가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기의 다른 구성형태도 또한 고려될 수 있다.
한 실시형태에서, 화학 플랜트는:
- 제2 및/또는 제3 합성 가스를 수용하고 후 처리된 합성 가스를 제공하도록 배열된, 개질 구역 하류의 후 처리 유닛
을 더 포함한다.
한 실시형태에서, 후 처리 유닛은 후 전환 유닛의 상류에서 제2 및/또는 제3 합성 가스에 가열된 CO2를 포함하는 기체상 스트림의 첨가를 허용하는 입구를 가진 후 전환 유닛이다. 후 처리 유닛은 스팀 메탄 개질, 메탄화 및 역 수성 가스 전환 반응에 촉매작용하는 활성인 제4 촉매를 가진다. 후 전환 유닛은, 예를 들어 단열 후 전환 유닛 또는 가스 열교환 반응기이다. 후 처리된 합성 가스는 산출된 합성 가스의 H2/CO 비보다 낮은 H2/CO 비를 가진 합성 가스이다. 가열된 CO2를 첨가하고 개질 구역 하류의 별도의 반응기에서 스팀 메탄 개질, 메탄화 및 역 수성 가스 전환 반응을 수행함으로써, 공정의 CO 생산이 증가될 수 있고 및/또는 H2/CO 비가 재단될 수 있다. 후 처리된 합성 가스의 H2/CO 비는, 예를 들어 1.8 미만, 1.5 미만 또는 심지어 1.0 미만이다. 첨가되는 가열된 CO2의 온도는, 예를 들어 약 300℃, 400℃ 또는 심지어 약 500℃ 또는 그 이상의 온도일 수 있다.
한 실시형태에서, 후 처리 유닛은 수성 가스 전환 반응을 수행하도록 배열된 수성 가스 전환 유닛이며, 이로써 후 처리된 합성 가스가 제공된다. 이 실시형태에서, 후 처리된 합성 가스는 수성 가스 전환된 합성 가스, 예컨대 수소 부화 합성 가스 또는 수소 가스 스트림이다. 수성 가스 전환 유닛은 단일 수성 가스 전환 유닛, 예컨대 중간 온도 수성 가스 전환 유닛, 또는 2 이상의 수성 가스 전환 유닛의 조합, 예를 들어 고온 수성 가스 전환 유닛과 저온 수성 가스 전환 유닛의 조합일 수 있다.
한 실시형태에서, 하류 구역은 하류 구역에 유입된 산출된 합성 가스로부터 실질적으로 순수한 CO2, H2, 및/또는 CO의 스트림을 분리하도록 배열된 가스 분리 유닛(들)을 포함하고, 이로써 정제된 합성 가스가 제공된다. 여기서 용어 "실질적으로 순수한"은 가스가 적어도 90% 순도, 예컨대 95% 및 바람직하게 99% 순도를 가진다는 것을 나타낸다.
한 실시형태에서, 화학 플랜트는 산출된 합성 가스 또는 후 처리된 합성 가스를 물 응축물과 중간 합성 가스로 분리하도록 배열된 제1 분리 유닛을 더 포함한다.
산출된 합성 가스 및/또는 중간 합성 가스의 모듈(M)이 재단될 수 있다는 것이 본 발명의 이점이다. 모듈(M)은 화학량론적 비 (H2-CO2)/(CO+CO2)이다. 모듈(M)은 1.9 내지 2.2로, 예컨대 약 2.0 또는 2.1로 재단될 수 있고, 이것은 하류 구역이 중간 합성 가스를 메탄올로 전환하도록 배열된 메탄올 반응기를 포함하는 경우에 유용하다.
한 실시형태에서, 화학 플랜트는 중간 합성 가스를 수용하고 중간 합성 가스를 화학 생성물 및 오프-가스로 처리하도록 배열된 하류 구역을 더 포함한다. 화학 생성물은, 예를 들어 수소 가스, 일산화탄소 가스, 고급 탄화수소, 합성 연료, 메탄올, 또는 암모니아이다.
한 실시형태에서, 화학 플랜트는:
- 원료 가스를 예열하도록 배열된, 전기 가열 개질 반응기 상류의 연소식 가열기 유닛, 및
- 하류 구역으로부터 오프-가스의 적어도 일부를 연소식 가열기 유닛에 연료로서 재순환시키기 위한 수단
을 더 포함한다.
자열 개질 유닛으로 들어가는 가스가 충분히 가열되는 것을 보장하기 위해, 원료 가스는 전형적으로 연소식 가열기 내에서 가열될 수 있다. 본 발명의 화학 플랜트에서, 원료 가스는 자열 개질 반응기 상류의 전기 가열 개질 반응기 내에서 가열되고 개질된다. 따라서, 연소식 가열기 유닛 내에서의 가열이 감소될 수 있다. 특히, 전기 가열 개질 반응기에 도달한 원료 가스는 약 200-400℃의 온도를 가질 수 있고, 450℃ 내지 850℃에서 제1 합성 가스로서 전기 가열 개질 반응기를 빠져나갈 수 있다. 약 400℃를 초과하는 온도로 원료 가스를 가열하는데 연소식 가열기가 필요하지 않은 경우, 연소식 가열기는 크기가 감소될 수 있거나 또는 심지어 생략될 수 있다.
개질 구역이 자열 개질 반응기 상류에 전기 가열 개질 반응기를 포함하는 경우, 전기 가열 개질 반응기 상류의 연소식 가열기 유닛의 크기가 상당히 감소될 수 있다. 화학 플랜트가 개질 구역 상류에 예비개질기를 포함하는 경우, 연소식 가열기 유닛은 전형적으로 예비개질기 상류에 위치된다. 연소식 가열기는 또한 원료 가스 정제 유닛(예컨대 탈황 유닛)의 상류에 위치될 수 있다. 일부 경우, 2 이상의 코일 또는 코일 구역을 사용함으로써 하나의 연소식 가열기가 몇 가지 예열 목적에 사용될 수 있다.
하류 구역으로부터의 오프-가스를 연소식 가열기 유닛으로 다시 재순환시킴으로써 공정측에서 원료의 탄화수소의 사용을 최대화하고 연소식 가열기 유닛의 이러한 탄화수소의 직접 사용을 최소화하는 것이 가능해진다. 따라서, 개질 구역으로부터 조합된 합성 가스의 주어진 산출량에 대하여 전체 탄화수소 소비가 최소화된다. 연소식 가열기 유닛의 작동이 주로, 또는 심지어 완전히 재순환된 오프-가스의 연소에 의해 공급된 열에 의해 추진되게 조정되도록 화학 플랜트의 균형을 맞추는 것이 가능하다. 이것은 화학 플랜트에서 열을 위해 연소되는 수입된 천연가스의 최소 사용을 허용하고, 차례로 화학 플랜트에서 탄화수소를 포함하는 원료 가스의 최적 활용을 허용한다. 전형적으로, 연소식 가열기 유닛의 듀티 제어를 허용하기 위해 탄화수소를 포함하는 비교적 소량의 메이크업 가스가 연소식 가열기 유닛에 또한 공급된다. 이와 관련하여, 용어 "듀티"는 화학 플랜트에서 유닛 작동시 첨가되거나 제거되는 열 투입량으로서 이해된다. 또한, 용어 "비교적 소량"은 연소식 가열기 유닛에서 연소되는 연료 가스의 20 vol% 미만이 재순환된 오프-가스임을 나타낸다. 예로서, 연소식 가열기 유닛에서 연소되는 연료 가스의 5 내지 20 vol%, 예를 들어 약 10 vol%가 재순화된 오프-가스이다.
한 실시형태에서, 하류 구역은 중간 합성가스로부터 실질적으로 순수한 CO2, H2, 및/또는 CO의 스트림을 분리하도록 배열된 가스 분리 유닛(들)을 포함하며, 이로써 정제된 가스를 제공한다.
한 실시형태에서, 하류 구역은 중간 합성 가스 또는 정제된 합성 가스를 암모니아로 전환하기 위한 암모니아 반응기, 중간 합성 가스 또는 정제된 합성 가스를 메탄올로 전환하기 위한 메탄올 반응기, 또는 중간 합성 가스 또는 정제된 합성 가스를 고급 탄화수소 혼합물로 전환하기 위한 피셔-트로프슈 반응기를 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 개질 구역을 포함하는 화학 플랜트에서, 탄화수소를 포함하는 원료 가스로부터 화학 생성물을 생성하는 방법에 관한 것이다. 개질 구역은 제1 촉매를 가진 전기 가열 개질 반응기, 및 전기 가열 개질 반응기 하류의 자열 개질 반응기를 포함하며, 자열 개질 반응기는 제2 촉매를 가진다. 상기 방법은:
- 원료 가스를 전기 가열 개질 반응기에 유입시키고 스팀 메탄 개질을 수행하여 제1 합성 가스를 제공하는 단계,
- 제1 합성 가스를 자열 개질 반응기에 유입시키고 스팀 메탄 개질을 수행하여 제2 합성 가스를 제공하는 단계,
- 개질 구역으로부터 제2 합성 가스를 포함하는 산출된 합성 가스를 내보내는 단계
를 포함한다.
자열 개질 반응기에서 "개질을 수행하는"이란 용어는 제2 촉매 위에서 일어나는 스팀 메탄 개질을 나타낸다는 것이 주지되어야 한다. 아화학량론적 양의 산소에 의한 탄화수소 원료의 부분 연소 및 수성 가스 전환과 같은 다른 반응들도 자열 개질 반응기에서 일어난다.
상기 방법 및 그 실시형태의 이점은 화학 플랜트 및 그 실시형태의 이점에 상응하며, 따라서 여기 더 상세히 설명되지 않을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 화학 플랜트를 도시하며, 여기서 개질 구역은 일렬로 놓인 전기 가열 개질 반응기와 자열 반응기를 포함한다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 화학 플랜트를 도시하며, 여기서 개질 구역은 전기 가열 개질 반응기, 자열 반응기 및 가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기를 포함한다.
도 3 및 4는 하류 구역 및 오프-가스의 재순환을 포함하는, 본 발명의 실시형태에 따른 화학 플랜트를 도시한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 화학 플랜트(100)를 도시한다. 화학 플랜트(100)는 제1 촉매를 가진 전기 가열 개질 반응기(108) 및 제2 촉매를 가진 자열 개질 반응기(109)를 가진 개질 구역(110)을 포함하는 합성 가스 플랜트이다. 전기 가열 개질 반응기(108)와 자열 개질 반응기(109)는 개질 구역(110) 내에 일렬로 배열된다. 전기 가열 개질 반응기(108)는 원료 가스(25')를 수용하고 제1 합성 가스(26)를 생성하도록 배열된다. 자열 개질 반응기(109)는 제1 합성 가스(26) 및 산화제 가스 스트림(27)을 수용하도록 배열된다. 산화제 가스 스트림(27)은 산소를 포함하며, 예를 들어 공기 또는 산소, 또는 90%를 초과하는 산소와 나머지로서 예를 들어 질소, 스팀 및/또는 아르곤의 혼합물일 수 있다.
화학 플랜트(100)의 작동 동안, 탄화수소를 포함하는 원료 가스(21)는 탈황 유닛(101)에서 원료 정제를 거쳐서 탈황된 원료 가스(22)가 된다. 탄화수소를 포함하는 원료 가스(21)는, 예를 들어 천연가스 또는 도시가스이다. 탈황된 원료 가스(22)는 연소식 가열기 유닛(105)에서 예열되고 스팀(23)이 첨가되며, 결과적으로 가스 스트림(24)이 된다. 가스 스트림(24)은 스팀 개질 촉매를 가진 예비개질 유닛(102)으로 인도된다. 전형적으로, 예비개질 유닛(102)은 단열 예비개질 유닛이고, 여기서 고급 탄화수소가 반응되며, 이로써 예비개질기를 빠져나오는 예비개질된 원료 가스(25)는 고급 탄화수소를 전혀 함유하지 않거나 또는 매우 소량 함유하게 된다. 예비개질된 원료 가스(25)는 연소식 가열기 유닛(105)에서 가열된 예비개질된 원료 가스(25')로 가열되고, 이것은 전기 가열 개질 반응기(108)로 인도된다.
가열된 예비개질된 원료 가스(25')는 전기 가열 개질 반응기(108)에서 스팀 메탄 개질을 거치고, 제1 합성 가스(26)가 전기 가열 개질 반응기(108)로부터 유출된다. 제1 합성 가스(26)는 자열 개질 반응기에 투입되고, 여기서 스트림(27)으로부터의 아화학량론적 양의 산소와 함께 부분 연소되며, 이후 부분 연소된 탄화수소 원료 가스가 제2 촉매의 고정층에서 스팀 개질된다. 제2 촉매는 스팀 메탄 개질 촉매이다. 결과의 제2 합성 가스(30)가 자열 개질 반응기(109)로부터 유출된다. 제2 합성 가스(30)는 산출된 합성 가스로서 개질 구역으로부터 유출된다.
전기 가열 개질 반응기(108)는, 예를 들어 제1 촉매를 가열하도록 배열된 전기 가열 유닛(108')을 수용하는 압력 쉘을 포함한다. 제1 촉매는 원료 가스의 스팀 개질에 촉매작용하도록 작동가능하다. 압력 쉘은 5 내지 45 bar의 설계 압력을 가진다. 상기 압력 쉘의 내부의 적어도 일부분에 인접하여 단열층이 있을 수 있다. 적어도 2개의 컨덕터가 전기 가열 유닛 및 압력 쉘의 외부에 위치된 전기 전원(107)에 전기적으로 연결된다. 전기 전원(107)은 전기 가열 유닛을 통해서 전기 전류를 통과시킴으로써 제1 촉매의 적어도 일부를 적어도 500℃의 온도로 가열할 수 있는 치수를 가진다.
산출된 합성 가스(30)는 열교환기(111)에서 냉각된 합성 가스(30')로 냉각된다. 냉각된 합성 가스(30')는 후 처리 유닛(113), 예를 들어 수성 가스 전환 유닛으로 들어가고, 수성 가스 전환된 합성 가스(32)가 수성 가스 전환 유닛(113)을 빠져나온다. 수성 가스 전환된 합성 가스(32)는 제2 열교환기(114)에서 냉각된 수성 가스 전환된 합성 가스(32')로 냉각되고, 이것은 제1 분리 유닛(115)으로 들어간다. 제1 분리 유닛(115)은, 예를 들어 플래시 분리 유닛을 포함한다. 따라서, 냉각된 수성 가스 전환된 합성 가스(32')는 냉각된 수성 가스 전환된 합성 가스(32')를 물(29)과 중간 합성 가스(34), 즉 건조 합성 가스로 분리하도록 배열된 플래시 분리 유닛(115)으로 들어간다. 선택적으로, 중간 합성 가스(34)는 중간 합성 가스(34)를 실질적으로 순수한 수소 스트림 형태의 생성물 합성 가스와 오프-가스로 분리하도록 배열된 PSA 유닛(도 1에는 도시되지 않음)으로 들어갈 수 있다. 물과 같은 열교환 유체(20)가 열교환기(111)에서 열교환에 사용되고, 스팀과 같은 가열된 열교환 유체가 스트림(20')으로서 수출된다.
화학 플랜트(100)는 전형적으로 압축기, 열교환기 등과 같은 추가의 장비를 포함한다는 것이 주지되어야 한다; 그러나, 이러한 추가의 장비는 도 1에 도시되지 않는다. 또한, 도 1은 탈황 유닛(101) 및 예비개질 유닛(102) 형태의 정제 유닛을 도시하지만, 이러한 유닛들이 화학 플랜트(100)의 일부일 필요는 없다는 것이 주지되어야 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 화학 플랜트(200)를 도시한다. 화학 플랜트(200)는 제1 촉매를 가진 전기 가열 개질 반응기(108), 제2 촉매를 가진 자열 개질 반응기(109) 및 제3 촉매를 가진 가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기(112)를 가진 개질 구역(210)을 포함하는 합성 가스 플랜트이다. 전기 가열 개질 반응기(108)와 자열 개질 반응기(109)는 개질 구역(210) 내에 일렬로 배열된다. 전기 가열 개질 반응기(108)는 원료 가스(25')를 수용하고 제1 합성 가스(26)를 생성하도록 배열된다. 자열 개질 반응기(109)는 제1 합성 가스(26) 및 산화제 가스 스트림(27)을 수용하고 제2 합성 가스(28)를 생성하도록 배열된다. 산화제 가스 스트림(27)은 산소를 포함하며, 예를 들어 공기 또는 산소, 또는 90%를 초과하는 산소와 나머지로서 예를 들어 질소, 스팀 및/또는 아르곤의 혼합물일 수 있다.
화학 플랜트(100)의 작동 동안, 탄화수소를 포함하는 원료 가스(21)는 탈황 유닛(101)에서 원료 정제를 거쳐서 탈황된 원료 가스(22)가 된다. 탄화수소를 포함하는 원료 가스(21)는, 예를 들어 천연가스 또는 도시가스이다. 탈황된 원료 가스(22)는 연소식 가열기 유닛(105)에서 예열되고 스팀(23)이 첨가되며, 결과적으로 가스 스트림(24)이 된다. 가스 스트림(24)은 스팀 개질 촉매를 가진 예비개질 유닛(102)으로 인도된다. 전형적으로, 예비개질 유닛(102)은 단열 예비개질 유닛이고, 여기서 고급 탄화수소가 반응되며, 이로써 예비개질기를 빠져나오는 예비개질된 원료 가스(25)는 고급 탄화수소를 전혀 함유하지 않거나 또는 매우 소량 함유하게 된다. 예비개질된 원료 가스(25)는 연소식 가열기 유닛(105)에서 가열된 예비개질된 원료 가스(25')로 가열되고, 이것은 전기 가열 개질 반응기(108)로 인도된다.
탄화수소를 포함하는 연료 가스(46), 예를 들어 천연가스가 연소식 가열기 유닛으로 보내져 연소되고, 이로써 연소식 가열기 유닛(105) 내에 열을 제공한다. 유출물 가스(48)가 연소식 가열기 유닛(105)으로부터 유출된다.
가열된 예비개질된 원료 가스(25')의 제1 부분(25a)은 전기 가열 개질 반응기(108)에서 스팀 메탄 개질을 거치고, 제1 합성 가스(26)가 전기 가열 개질 반응기(108)로부터 유출된다. 제1 합성 가스(26)는 자열 개질 반응기에 투입되고, 여기서 스트림(27)으로부터의 아화학량론적 양의 산소와 함께 부분 연소되며, 이후 부분 연소된 탄화수소 원료 가스가 제2 촉매의 고정층에서 스팀 개질된다. 제2 촉매는 스팀 개질 촉매이다. 결과의 제2 합성 가스(30)가 자열 개질 반응기(109)로부터 유출된다. 제2 합성 가스(28)는 가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기(112)에 유입되고, 이로써 다른 쪽에서 가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기(112)로 들어가는 원료 가스(25)의 제2 부분(25b)의 스팀 메탄 개질 반응에 열을 제공한다. 가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기(112)를 빠져나오는 가스는 제3 합성 가스(30)이다. 제3 합성 가스(30)는 개질 구역으로부터 유출되는 산출된 합성 가스이다.
산출된 합성 가스(30)는 열교환기(111)에서 냉각된 합성 가스(30')로 냉각된다. 냉각된 합성 가스(30')는 후 처리 유닛(113), 예를 들어 수성 가스 전환 유닛으로 들어가고, 수성 가스 전환된 합성 가스(32)가 수성 가스 전환 유닛(113)을 빠져나온다. 수성 가스 전환된 합성 가스(32)는 제2 열교환기(114)에서 냉각된 수성 가스 전환된 합성 가스(32')로 냉각되고, 이것은 제1 분리 유닛(115)으로 들어간다. 제1 분리 유닛(115)은, 예를 들어 플래시 분리 유닛을 포함한다. 따라서, 냉각된 수성 가스 전환된 합성 가스(32')는 냉각된 수성 가스 전환된 합성 가스(32')를 물(29)과 중간 합성 가스(34), 즉 건조 합성 가스로 분리하도록 배열된 플래시 분리 유닛(115)으로 들어간다. 선택적으로, 중간 합성 가스(34)는 중간 합성 가스(34)를 실질적으로 순수한 수소 스트림 형태의 생성물 합성 가스와 오프-가스로 분리하도록 배열된 PSA 유닛(도 1에는 도시되지 않음)으로 들어갈 수 있다. 물과 같은 열교환 유체(20)가 열교환기(111)에서 열교환에 사용되고, 스팀과 같은 가열된 열교환 유체가 스트림(20')으로서 수출된다.
화학 플랜트(100)는 전형적으로 압축기, 열교환기 등과 같은 추가의 장비를 포함한다는 것이 주지되어야 한다; 그러나, 이러한 추가의 장비는 도 1에 도시되지 않는다. 또한, 도 1은 탈황 유닛(101) 및 예비개질 유닛(102) 형태의 정제 유닛을 도시하지만, 이러한 유닛들이 화학 플랜트(100)의 일부일 필요는 없다는 것이 주지되어야 한다.
도 3은 하류 구역 및 오프-가스의 재순환을 포함하는, 본 발명의 실시형태에 따른 화학 플랜트를 도시한다. 따라서, 도 3은 추가의 유닛들에 더하여 도 1에 도시된 화학 플랜트의 유닛을 포함한다. 도 1과 도 3에서 동일한 부분은 아래에서 상세히 설명되지 않을 것이다.
도 3의 화학 플랜트(300)는 도 1과 관련해 설명된 대로 탈황 유닛(101), 예비개질 유닛(102), 연소식 가열기 유닛(105), 개질 구역(110), 후 처리 유닛(113), 제1 분리 유닛(115), 및 열교환기(111 및 114)를 포함한다.
개질 구역(110)을 빠져나오는 산출된 합성 가스(30)는 열교환기(111)에서 냉각된 합성 가스(30')로 냉각된다. 냉각된 합성 가스(30')는 수성 가스 전환 유닛 형태의 후 처리 유닛(113)으로 들어가고, 수성 가스 전환된 합성 가스(32)가 수성 가스 전환 유닛(113)을 빠져나온다. 수성 가스 전환된 합성 가스(32)는 제2 열교환기(114)에서 냉각된 수성 가스 전환된 합성 가스(32')로 냉각되고, 이것은 제1 분리 유닛(115), 예를 들어 냉각된 수성 가스 전환된 합성 가스(32')를 응축물(29)과 중간 합성 가스(34), 즉 건조 합성 가스로 분리하도록 배열된 플래시 분리 유닛(115)으로 들어간다. 중간 합성 가스(34)는 중간 합성 가스(34)를 화학 생성물(40) 및 오프-가스(45)로 처리하도록 배열된 하류 구역(116)으로 들어간다. 하류 구역(116)은, 예를 들어 중간 합성 가스(34)를 암모니아로 전환하기 위한 암모니아 반응기, 중간 합성 가스(34)를 메탄올로 전환하기 위한 메탄올 반응기, 또는 중간 합성 가스(34)를 고급 탄화수소 혼합물로 전환하기 위한 피셔-트로프슈 반응기를 포함한다.
하류 구역(116)으로부터의 오프-가스(45)는 연소식 가열기 유닛(105)의 하나 이상의 버너에 연료로서 재순환된다. 오프-가스(45)는 탄화수소를 포함하는 소량의 메이크업 가스(46), 예를 들어 천연가스와 조합되고, 이로써 연소식 가열기 유닛(105)의 하나 이상의 버너로 보내진 연료 가스(47)를 형성한다. 연소식 가열기 유닛(105)은 원료 가스(21), 탈황된 원료 가스(22) 및 예비개질된 원료 가스(25)의 예열에 열을 제공하도록 배열된다. 유출물 가스(48)가 연소식 가열기 유닛(105)으로부터 유출된다.
탄화수소를 포함하는 연료 가스(46), 예를 들어 천연가스가 연소식 가열기 유닛으로 보내져 연소되고, 이로써 연소식 가열기 유닛(105) 내에 열을 제공한다. 유출물 가스(48)가 연소식 가열기 유닛(105)으로부터 유출된다.
물과 같은 열교환 유체(20)가 열교환기(111)에서 열교환에 사용되고, 스팀과 같은 가열된 열교환 유체가 스트림(20')으로서 수출된다. 스팀의 일부는 탈황된 원료 가스(22)에 첨가되는 스팀(23)으로서 사용된다.
하류 구역(116)으로부터의 오프-가스를 연소식 가열기 유닛(105)에 다시 재순환시킴으로써, 공정측에서 원료의 탄화수소의 사용을 최대화하고 연소식 가열기 유닛(105) 내에서 천연가스의 사용을 최소화하는 것이 가능해진다. 연소식 가열기 유닛(105)의 작동이 주로, 또는 심지어 완전히 재순환된 오프-가스(45)의 연소에 의해 공급된 열에 의해 추진되게 조정되도록 화학 플랜트의 균형을 맞추는 것이 가능하다. 이것은 화학 플랜트(300)에서 열을 위해 연소되는 수입된 천연가스의 최소 사용을 허용하고, 차례로 화학 플랜트에서 탄화수소를 포함하는 원료 가스의 최적 활용을 허용한다. 전형적으로, 연소식 가열기 유닛의 듀티 제어를 허용하기 위해 탄화수소를 포함하는 비교적 소량의 메이크업 가스(46), 예를 들어 천연가스가 연소식 가열기 유닛(105)에 또한 공급된다. 이와 관련하여, 용어 "듀티"는 화학 플랜트에서 유닛 작동시 첨가되거나 제거되는 열 투입량으로서 이해된다.
도 4는 하류 구역 및 오프-가스의 재순환을 포함하는, 본 발명의 실시형태에 따른 화학 플랜트(400)를 도시한다. 도 4는 추가의 유닛들에 더하여 도 2에 도시된 화학 플랜트의 유닛을 포함한다. 도 2와 도 4에서 동일한 부분은 아래에서 상세히 설명되지 않을 것이다.
도 3의 화학 플랜트(300)는 도 2와 관련해 설명된 대로 탈황 유닛(101), 예비개질 유닛(102), 연소식 가열기 유닛(105), 개질 구역(210), 후 처리 유닛(113), 제1 분리 유닛(115), 및 열교환기(111 및 114)를 포함한다.
개질 구역(210)을 빠져나오는 산출된 합성 가스(30)는 열교환기(111)에서 냉각된 합성 가스(30')로 냉각된다. 냉각된 합성 가스(30')는 수성 가스 전환 유닛 형태의 후 처리 유닛(113)으로 들어가고, 수성 가스 전환된 합성 가스(32)가 수성 가스 전환 유닛(113)을 빠져나온다. 수성 가스 전환된 합성 가스(32)는 제2 열교환기(114)에서 냉각된 수성 가스 전환된 합성 가스(32')로 냉각되고, 이것은 제1 분리 유닛(115), 예를 들어 냉각된 수성 가스 전환된 합성 가스(32')를 응축물(29)과 중간 합성 가스(34), 즉 건조 합성 가스로 분리하도록 배열된 플래시 분리 유닛(115)으로 들어간다. 중간 합성 가스(34)는 중간 합성 가스(34)를 화학 생성물(40) 및 오프-가스(45)로 처리하도록 배열된 하류 구역(116)으로 들어간다. 하류 구역(116)은, 예를 들어 중간 합성 가스(34)를 암모니아로 전환하기 위한 암모니아 반응기, 중간 합성 가스(34)를 메탄올로 전환하기 위한 메탄올 반응기, 또는 중간 합성 가스(34)를 고급 탄화수소 혼합물로 전환하기 위한 피셔-트로프슈 반응기를 포함한다.
하류 구역(116)으로부터의 오프-가스(45)는 연소식 가열기 유닛(105)의 하나 이상의 버너에 연료로서 재순환된다. 오프-가스(45)는 탄화수소를 포함하는 소량의 메이크업 가스(46), 예를 들어 천연가스와 조합되고, 이로써 연소식 가열기 유닛(105)의 하나 이상의 버너로 보내진 연료 가스(47)를 형성한다. 연소식 가열기 유닛(105)은 원료 가스(21), 탈황된 원료 가스(22) 및 예비개질된 원료 가스(25)의 예열에 열을 제공하도록 배열된다.
물과 같은 열교환 유체(20)가 열교환기(111)에서 열교환에 사용되고, 스팀과 같은 가열된 열교환 유체가 스트림(20')으로서 수출된다. 스팀의 일부는 탈황된 원료 가스(22)에 첨가되는 스팀(23)으로서 사용된다.
하류 구역(116)으로부터의 오프-가스를 연소식 가열기 유닛(105)에 다시 재순환시킴으로써, 공정측에서 원료의 탄화수소의 사용을 최대화하고 연소식 가열기 유닛(105) 내에서 천연가스의 사용을 최소화하는 것이 가능해진다. 연소식 가열기 유닛(105)의 작동이 주로, 또는 심지어 완전히 재순환된 오프-가스(45)의 연소에 의해 공급된 열에 의해 추진되게 조정되도록 화학 플랜트의 균형을 맞추는 것이 가능하다. 이것은 화학 플랜트(300)에서 열을 위해 연소되는 수입된 천연가스의 최소 사용을 허용하고, 차례로 화학 플랜트에서 탄화수소를 포함하는 원료 가스의 최적 활용을 허용한다. 전형적으로, 연소식 가열기 유닛(105)의 듀티 제어를 허용하기 위해 탄화수소를 포함하는 비교적 소량의 메이크업 가스(46), 예를 들어 천연가스가 연소식 가열기 유닛(105)에 또한 공급된다. 이와 관련하여, 용어 "듀티"는 화학 플랜트에서 유닛 작동시 첨가되거나 제거되는 열 투입량으로서 이해된다.
도 1 내지 4에 도시된 실시형태는 모두 전기 가열 개질 반응기의 하부 측에서 전기 가열 개질 반응기로 들어가는 원료 가스를 나타낸다. 이것은 반드시 그런 것은 아니며, 원료 가스는 적절한 경우 상부 또는 측면으로부터 전기 가열 개질 반응기로 들어갈 수 있다는 것이 이해된다.
도 1 내지 도 4에 도시된 화학 플랜트는 전형적으로 압축기, 열교환기 등과 같은 추가의 장비를 포함한다는 것이 주지되어야 한다; 그러나, 이러한 추가의 장비는 도면에 않는다.
실시예:
전통적인 2-단계 개질 메탄올 레이아웃(2-step-MeOH)에서, 화학 플랜트는 스팀 메탄 개질기(SMR) 형태의 1차 개질기를 가진 개질 구역 및 메탄올 구역을 포함한다. 천연 가스가 주요한 개질기 원료로 사용되며, 예비개질되어 1차 개질기에 공급된다. SMR의 가열은 부분적으로는 천연 가스에 의해 제공되고, 부분적으로는 MeOH 루프 및 MeOH 증류에서 나오는 메탄올(MeOH) 합성으로부터의 팽창된 오프-가스에 의해 제공된다. 1차 개질기로부터 나온 부분 개질된 가스는 2차 개질기로 보내지며, 2차 개질기에는, 전형적으로 공기 분리 유닛(ASU)으로부터, 산소가 공급되고, 산소 첨가를 제어함으로써 원하는 합성 가스 모듈이 얻어진다. 개질 구역으로부터의 합성 가스는 공정 가스에서 물을 제거하기 위해 냉각되고, 이후 92 barg로 압축된다. 압축기는 SMR의 폐열 구역에서 생성된 과열된 스팀으로 작동되는, 스팀 터빈에 의해 구동되었다. 압축된 합성 가스는 메탄올 루프로부터의 재순환 가스와 조합되고, 메탄올 구역의 메탄올 반응기로 보내지며, 생성된 생성물은 최종적인 순수한 메탄올 생성물로 정제되었다.
이 실시예에서, 상기 설명된 2-단계 개질 메탄올 레이아웃(2-step-MeOH)을 전기 가열 개질기(2-step eSMR-MeOH)와 비교한다. 전기 가열 개질기(eSMR)를 가진2-단계 개질 레이아웃의 제작은 연소식 가열기도 포함시킴으로써 행해졌다; 연소식 가열기는 메탄올 구역으로부터의 팽창된 오프-가스 및 천연가스를 부분적으로 연료로 사용했다. 이 구체적인 사례에서, 터빈(들)을 구동시키기에 충분한 과열된 스팀을 제공하기 위해 천연가스의 추가의 연소가 필요했다.
두 레이아웃의 소비량 비교가 표 1에 제시된다. 2-step-eSMR-MeOH의 2-단계 개질 레이아웃에서 전기 가열 개질기(eSMR)의 사용은 전통적인 2-단계 MeOH 레이아웃과 원료 소비가 동일하다는 것이 판명되었다. 그러나, 연료측에서 큰 차이가 발견되는데, 천연가스 소비의 대부분이 전기로 대체되었다. 이것은 명백히 2-단계 eSMR-MeOH 레이아웃으로부터의 더 낮은 CO2 배출로 해석되며, 이것은 감소된 연도 가스 배출과 관련된다.
2-step-MeOH 2-step-eSMR-MeOH
소비:
천연가스 원료 [kNm3/h] 146.6 146.6
천연가스 연료 [Nm3/h] 20.6 2.7
전기 [MW] 39.2 213.9
생산:
MeOH 생산량 [MTPD] 5000 5000
CO2 배출량(플랜트) [kNm3/h] 28.6 11.6

Claims (28)

  1. - 탄화수소를 포함하는 원료 가스를 수용하고 산출된 합성 가스를 제공하도록 배열된 개질 구역
    을 포함하는 화학 플랜트로서, 상기 개질 구역은:
    - 상기 원료 가스를 수용하고 제1 합성 가스를 생성하도록 배열된, 제1 촉매를 수용하는 전기 가열 개질 반응기,
    - 상기 제1 합성 가스를 수용하고 제2 합성 가스를 산출하도록 배열된, 상기 전기 가열 개질 반응기 하류의 제2 촉매를 수용하는 자열 개질 반응기
    를 포함하고, 상기 개질 구역은 상기 제2 합성 가스를 포함하는 상기 산출된 합성 가스를 내보내도록 배열되는, 화학 플랜트.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 가열 개질 반응기는:
    - 상기 원료 가스의 스팀 개질에 촉매작용하도록 작동가능한 상기 제1 촉매를 가열하도록 배열된 전기 가열 유닛을 수용하는 압력 쉘로서, 5 내지 90 bar의 설계 압력을 가지는 압력 쉘,
    - 상기 압력 쉘 내부의 적어도 일부분에 인접한 단열층, 및
    - 상기 전기 가열 유닛 및 상기 압력 쉘 외부에 위치된 전기 전원에 전기적으로 연결된 적어도 2개의 컨덕터
    를 포함하고, 상기 전기 전원은 상기 전기 가열 유닛을 통해서 전기 전류를 통과시킴으로써 상기 제1 촉매의 적어도 일부를 적어도 450℃의 온도로 가열할 수 있는 치수를 가지는 것을 특징으로 하는 화학 플랜트.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 전기 가열 유닛은 전기 전도성 재료의 거시적 구조를 포함하고, 상기 거시적 구조는 세라믹 코팅을 담지하며, 상기 세라믹 코팅은 상기 제1 촉매를 담지하는 것을 특징으로 하는 화학 플랜트.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 가열 개질 반응기의 상류에 예비개질기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 플랜트.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 개질 구역은 또한 상기 전기 가열 개질 반응기 및 상기 자열 개질 반응기와 평행하게 놓인 가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기를 포함하고, 상기 가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기는 제3 촉매를 포함하며, 탄화수소를 포함하는 제2 원료 가스를 수용하고 상기 제2 합성 가스의 적어도 일부를 상기 가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기 내에서 열교환의 가열 매체로서 활용하도록 작동될 수 있고, 상기 가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기는 제3 합성 가스를 생성하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 화학 플랜트.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 산출된 합성 가스를 수용하고 후 처리된 합성 가스를 제공하도록 배열된, 개질 구역 하류의 후 처리 유닛
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 플랜트.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 후 처리 유닛은, 후 전환 유닛의 상류에서 상기 산출된 합성 가스에 가열된 CO2의 첨가를 허용하는 입구를 가지고 스팀 메탄 개질, 메탄화 및 역 수성 가스 전환에 촉매작용하는 활성인 제4 촉매를 수용하는 후 전환 유닛인 것을 것을 특징으로 하는 화학 플랜트.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 후 처리 유닛은 수성 가스 전환 반응을 수행하도록 배열된 수성 가스 전환 유닛이며, 이로써 후 처리된 합성 가스가 제공되는 것을 것을 특징으로 하는 화학 플랜트.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 산출된 합성 가스 또는 상기 후 처리된 합성 가스를 물 응축물과 중간 합성 가스로 분리하도록 배열된 제1 분리 유닛
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 플랜트.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 중간 합성 가스를 수용하고 중간 합성 가스를 화학 생성물 및 오프-가스로 처리하도록 배열된 하류 구역
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 플랜트.
  11. 제 10 항에 있어서,
    - 상기 원료 가스를 예열하도록 배열된, 상기 전기 가열 개질 반응기 상류의 연소식 가열기 유닛, 및
    - 상기 하류 구역으로부터 상기 오프-가스의 적어도 일부를 연소식 가열기 유닛에 연료로서 재순환시키기 위한 수단
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 플랜트.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 하류 구역은 상기 중간 합성가스로부터 실질적으로 순수한 CO2, H2, 및/또는 CO의 스트림을 분리하도록 배열된 가스 분리 유닛(들)을 포함하며, 이로써 정제된 가스가 제공되는 것을 특징으로 하는 화학 플랜트.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하류 구역은 상기 중간 합성 가스 또는 상기 정제된 합성 가스를 암모니아로 전환하기 위한 암모니아 반응기, 상기 중간 합성 가스 또는 상기 정제된 합성 가스를 메탄올로 전환하기 위한 메탄올 반응기, 또는 상기 중간 합성 가스 또는 상기 정제된 합성 가스를 고급 탄화수소 혼합물로 전환하기 위한 피셔-트로프슈 반응기를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 플랜트.
  14. 제 2 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 전원 및 압력 쉘 내의 전기 가열 유닛은 전기 가열 유닛의 적어도 일부가 450℃-850℃, 예컨대 500℃-750℃, 및 바람직하게 550℃-650℃의 온도에 도달할 수 있는 치수를 가지는 것을 특징으로 하는 화학 플랜트.
  15. 개질 구역을 포함하는 화학 플랜트에서, 탄화수소를 포함하는 원료 가스로부터 화학 생성물을 생성하는 방법으로서, 상기 개질 구역은 제1 촉매를 수용하는 전기 가열 개질 반응기, 및 상기 전기 가열 개질 반응기 하류의 자열 개질 반응기를 포함하고, 상기 자열 개질 반응기는 제2 촉매를 수용하며, 상기 방법은:
    - 상기 원료 가스를 상기 전기 가열 개질 반응기에 유입시키고 스팀 메탄 개질을 수행하여 제1 합성 가스를 제공하는 단계,
    - 상기 제1 합성 가스를 상기 자열 개질 반응기에 유입시키고 스팀 메탄 개질을 수행하여 제2 합성 가스를 제공하는 단계,
    - 상기 개질 구역으로부터 상기 제2 합성 가스를 포함하는 합성 가스를 산출하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 전기 가열 개질 반응기는:
    - 상기 원료 가스의 스팀 개질에 촉매작용하도록 작동가능한 상기 제1 촉매를 가열하도록 배열된 전기 가열 유닛을 수용하는 압력 쉘로서, 5 내지 90 bar의 설계 압력을 가지는 압력 쉘,
    - 상기 압력 쉘 내부의 적어도 일부분에 인접한 단열층, 및
    - 상기 전기 가열 유닛 및 상기 압력 쉘 외부에 위치된 전기 전원에 전기적으로 연결된 적어도 2개의 컨덕터
    를 포함하고, 상기 방법은:
    - 상기 전기 가열 개질 반응기의 상류에서 상기 원료 가스를 5 내지 90 bar의 압력으로 가압하는 단계,
    - 상기 전기 가열 유닛을 통해서 전기 전류를 통과시킴으로써 상기 제1 촉매의 적어도 일부를 적어도 450℃의 온도로 가열하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서, 하나 이상의 추가의 원료 스트림을 전기 가열 개질기의 상류에서 개질 구역에, 제1 합성 가스에, 및/또는 직접 자열 개질 반응기에 첨가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 피셔-트로프슈 유닛으로부터의 테일 가스가 제1 합성 가스에 또는 직접 자열 개질 반응기에 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 15 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 가열 개질 반응기 상류의 예비개질기에서 상기 원료 가스를 예비개질하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 15 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 개질 구역은 또한 상기 전기 가열 개질 반응기 및 상기 자열 개질 반응기와 평행하게 놓인 가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기를 포함하고, 상기 가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기는 제3 촉매를 포함하며, 상기 방법은 또한:
    - 탄화수소를 포함하는 제2 원료를 상기 가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기에 유입시키는 단계,
    - 상기 제2 합성 가스의 적어도 일부를 상기 가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기 내에서 열교환의 가열 매체로서 활용하는 단계,
    - 가스 가열 스팀 메탄 개질 반응기 내에서 제3 촉매 위에서 제3 합성 가스를 생성하는 단계, 및
    - 상기 개질 구역으로부터 상기 제3 합성 가스를 상기 산출된 합성 가스의 적어도 일부로서 내보내는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 15 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 개질 구역 하류의 후 처리 유닛에서, 상기 산출된 합성 가스를 후 처리하여 후 처리된 합성 가스를 제공하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 후 처리 유닛은 스팀 메탄 개질, 메탄화 및 역 수성 가스 전환 반응에 촉매작용하는 활성인 제4 촉매를 수용하는 후 전환 유닛이며, 상기 방법은 또한 상기 후 전환 유닛의 상류에서 상기 산출된 합성 가스에 가열된 CO2를 유입시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서, 상기 후 처리 유닛은 수성 가스 전환 유닛이며, 상기 산출된 합성 가스를 후 처리하는 단계는 수성 가스 전환 반응을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 15 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 산출된 합성 가스 또는 상기 후 처리된 합성 가스를 상기 후 처리 유닛 하류의 제1 분리 유닛에서 물 응축물과 중간 합성 가스로 분리하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 15 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 중간 합성 가스를 수용하고 중간 합성 가스를 상기 화학적 생성물 및 오프-가스로 처리하도록 배열된 하류 구역에 상기 중간 합성 가스를 제공하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    - 상기 자열 개질 반응기 상류의 연소식 가열기 유닛에 연료를 제공하는 단계로서, 상기 연소식 가열기 유닛은 상기 원료 가스를 예열하도록 작동할 수 있는 단계, 및
    - 상기 하류 구역으로부터 상기 오프-가스의 적어도 일부를 연소식 가열기 유닛에 연료로서 재순환시키는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 15 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 상기 하류 구역의 하나 이상의 가스 분리 유닛(들)에서, 상기 중간 합성 가스로부터 실질적으로 순수한 CO2, H2, 및/또는 CO의 스트림을 분리하는 단계를 포함하며, 이로써 정제된 합성 가스가 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 15 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 상기 중간 합성 가스를 상기 하류 구역의 암모니아 반응기에서 암모니아로 전환하거나, 상기 중간 합성 가스를 상기 하류 구역의 메탄올 반응기에서 메탄올로 전환하거나, 또는 상기 중간 합성 가스를 피셔-트로프슈 반응기에서 고급 탄화수소 혼합물로 전환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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