KR20220020842A - 추가 생성물들의 공동 발생을 구비하는 동력 생산 - Google Patents

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8 리버스 캐피탈, 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 동력 생산 사이클의 동작과 일산화탄소 및 수소를 포함하는 스트림의 처리를 통한 동력 및 하나 또는 그 이상의 화학적 엔터티들의 공동 발생에 관한 것이다. 공동 발생 프로세스는 동력 생산 사이클을 수행하는 단계, 일산화탄소 및 수소를 포함하는 가열된 스트림을 제공하는 단계, 상기 동력 생산 사이클에 가열을 제공하기 위해 상기 일산화탄소 및 수소를 포함하는 가열된 스트림을 동력 생산 사이클 내의 적어도 하나의 스트림에 대해 냉각하는 단계, 그리고 주로 수소를 포함하는 정화된 스트림을 제공하기 위해 적어도 하나의 정화 단계를 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 동력 및 하나 또는 그 이상의 화학적 생성물들의 공동 발생을 위한 시스템은 동력 생산 유닛, 합성 가스 생산 유닛, 상기 합성 가스 생산 유닛으로부터의 합성 가스 스트림으로부터 열을 상기 동력 생산 유닛으로부터의 스트림과 교환하기 위해 구성되는 하나 또는 그 이상의 열교환 요소들, 그리고 상기 합성 가스 스트림을 주로 수소를 포함하는 제1 스트림 및 제2 스트림으로 분리하도록 구성되는 적어도 하나의 정화기 요소를 포함할 수 있다.

Description

추가 생성물들의 공동 발생을 구비하는 동력 생산
본 발명은 하나 또는 그 이상의 다른 생성물들의 공동 발생을 구비하는 동력 생산을 위한 시스템들과 방법들에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 수소와 같은 하나 또는 그 이상의 화학적 생성물들 및/또는 열 생산이 초임계의 이산화탄소 동력 사이클을 활용하는 바와 같은 동력 생산과 동시에 제공될 수 있다.
다양한 방법들이 천연 가스의 전환(예를 들어, 증기 메탄 개질, 자체 가열 개질(autothermal reforming), 건조 개질, 또는 이들과 유사한 것을 활용하는) 또는 석탄 및 바이오매스 자원들의 전환(예를 들어, 가스화, 열분해, 또는 이들과 유사한 것을 활용하는)을 통하는 바와 같이 수소 가스의 생산을 위해 제시되어 왔다. 예를 들면, 미국 특허 제8,409,307호에는 증기 메탄 개질(SMR)과의 통합에 의해 가스화 시스템으로부터 높은 수준의 신뢰성으로 수소를 제공하기 위한 프로세스와 시스템이 개시되어 있다. 여기서의 통합 계획들은 SMR에 의해 수소 생산에 대한 높은 천연 가스 가격의 영향을 최소화하면서 가스화를 통해 수소와 같은 높은 가치의 생성물들의 생산의 신뢰성을 최대화하는 것으로 개시되어 있다. SMR(주로 이용됨)을 통하거나 석탄 가스화(보다 낮은 정도까지)를 통해 수소를 생성하는 과정에 대해 세계적으로 광범위한 활동이 있다. 이들은 통상적으로 독립적인 화학물질 생산 설비들이다. 비록 덜 통상적이지만, 수소 발생뿐만 아니라 동력 발생 모두를 위한 합성 가스 생산을 위해 플랜트들을 동작시키는 것도 알려져 있다.
천연 가스의 개질 또는 석탄의 가스화를 통해 수소가 발생되던지, 생성되는 원료 합성 가스에 수소의 사실상 순수한 스트림이 생성되기 전에 다른 처리가 수행되어야 한다. 흔히 화석 연료 유래 합성 가스는 장비/플랜트들의 전용 부품들을 통해 전환과 질소, 황 및 탄소계의 화합물들의 제거를 겪게 될 것이다. 또한, 상기 질소, 황 및 탄소를 취급하는 설비들을 유지하기 위해 부수적인 프로세스들이 종종 요구된다. 이는 고온의 증기 열 회수; 저온의 열 방출; 프로세스 스트림 냉각; 미립자 여과; 중금속들의 제거; 수성 가스 전화(water-gas shift) 반응들; 황화카르보닐 가수분해; 수소화탈황(hydrodesulfurization) 반응들; 수소화탈질소(hydrodenitrogenation) 반응들; 메탄화 반응들; 황화수소의 산성 가스 스트리핑; 이산화탄소의 산성 가스 스트리핑; 및 응축물 제거를 포함하는 임의의 숫자의 처리 단계들을 포함할 수 있다. 이들 처리 단계들의 적용은 장비 온도 요구 사항들의 변화들 및 연관된 열전달의 비효율들로 인해 에너지의 손실 이외에도 큰 CAPEX 및 OPEX 요구 사항들을 야기한다. 또한, 동력 발생 유닛들과 쌍을 이루는 수소 생산 설비들은 통상적으로 과잉의 합성 가스, 분리된 수소(CCS가 요구되어야 하는), 또는 폐기 테일 가스들(예를 들어, 오염된 수소 스트림들)의 형태로 상기 동력 사이클에 연료를 제공한다. 이러한 접근 방식들은 귀중한 공급 원료 유래의 수소가 소모되게 한다. 이에 따라, 수소와 같은 다양한 다른 생성물들뿐만 아니라 동력의 효율적인 공동 발생을 가능하게 하는 프로세스들에 대한 필요성이 해당 기술 분야에 남아있다.
본 발명은 동력 및 화학적 생성물 또는 에너지 생성물(예를 들어, 열)과 같은 하나 또는 그 이상의 다른 생성물들의 공동 발생에 관한 것이다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 본 발명은 특히 하나 또는 그 이상의 화학적 생성물들을 제공하기 위해 더 처리될 수 있는 냉각된 프로세스 스트림을 제공하면서 열 회수 및 동력 발생을 가능하게 하기 위해 고압의 스트림을 활용하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 원료 합성 가스는 수소 가스의 스트림을 제공하기 위해 가스 분리를 겪기 이전에 고체들, 금속들 및 응축물들 중의 하나 또는 그 이상의 간단한 주위 온도 제거를 겪을 수 있다. 다른 프로세스 스트림들은 이후에 심지어 다양한 다른 화학적 생성물들을 발생시키도록 필요에 따라 결합될 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 본 발명은 이에 따라 동력 및 하나 또는 그 이상의 화학적 생성물들의 공동 발생(cogeneration)을 위한 방법들을 제공할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 이러한 방법들은 동력을 발생시키기 위해 효과적인 동력 생산 사이클을 수행하는 단계; 적어도 일산화탄소 및 수소를 포함하는 가열된 스트림을 제공하는 단계; 상기 동력 생산 사이클 내의 적어도 하나의 스트림으로 열이 전달되고, 적어도 일산화탄소 및 수소를 포함하는 냉각된 스트림이 제공되도록 상기 적어도 일산화탄소 및 수소를 포함하는 가열된 스트림을 냉각하는 단계; 그리고 주로 수소를 포함하는 스트림을 제공하기 위해 상기 적어도 일산화탄소 및 수소를 포함하는 냉각된 스트림에 하나 또는 그 이상의 정화 단계들을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 이러한 방법들은 임의의 숫자와 순서로 결합될 수 있는 다음의 사항들 중의 하나 또는 그 이상과 관련하여 더 특징지어질 수 있다.
상기 동력 생산 사이클을 수행하는 단계는 연료가 CO2를 포함하는 동작 유체(working fluid)의 존재에서 연소되는 연소 단계를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 적어도 일산화탄소 및 수소를 포함하는 가열된 스트림은 합성 가스 스트림이 될 수 있다.
상기 합성 가스 스트림은 합성 가스 발생 유닛 내에서 형성될 수 있다.
상기 동력 생산 사이클 내에서 생성된 열은 상기 합성 가스 발생 유닛으로 전달될 수 있다.
상기 적어도 일산화탄소 및 수소를 포함하는 가열된 스트림으로부터의 열은 상기 동력 생산 사이클 내에서 재순환되는 CO2의 스트림으로 전달될 수 있다.
상기 방법은 상기 적어도 일산화탄소 및 수소를 포함하는 냉각된 스트림의 일부를 내부의 연소를 위해 상기 동력 생산 사이클로 통과시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 적어도 일산화탄소 및 수소를 포함하는 냉각된 스트림에 하나 또는 그 이상의 정화 단계들을 수행하는 단계는 수소-결핍(hydrogen-depleted) 스트림인 제2 스트림을 제공하는 데 효과적일 수 있다.
상기 방법은 상기 수소-결핍 스트림의 적어도 일부는 내부의 연소를 위해 상기 동력 생산 사이클로 통과시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 수소-결핍 스트림의 적어도 일부를 그로부터 이산화탄소를 분리하도록 구성되는 분리 유닛으로 통과시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 분리 유닛은 상기 수소-결핍 스트림의 적어도 일부를 액화된 형태로의 상기 이산화탄소의 분리를 위해 충분한 온도까지 냉각하도록 구성되는 저온의 CO2 분리 유닛이 될 수 있다.
상기 저온의 CO2 분리 유닛은 상기 수소-결핍 스트림의 적어도 일부를 상기 수소-결핍 스트림의 적어도 일부의 동결 온도보다 약 2℃ 내지 약 25℃ 큰 온도까지 냉각하도록 구성될 수 있다.
상기 방법은 상기 주로 수소를 포함하는 스트림의 적어도 일부를 암모니아를 형성하는 데 효과적인 조건들 하에서 질소 소스로부터의 질소와 결합시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 질소 소스는 공기 분리 유닛이 될 수 있다.
상기 공기 분리 유닛으로부터의 산소는 상기 동력 생산 사이클 및 합성 가스 발생 유닛 중의 하나 또는 모두에서 산화제로 활용될 수 있다.
상기 방법은 요소(urea)를 형성하는 데 효과적인 조건들 하에서 이산화탄소를 상기 암모니아의 적어도 일부와 결합시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소의 적어도 일부는 상기 동력 생산 사이클로부터 회수될 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 본 발명은 동력 및 하나 또는 그 이상의 화학적 생성물들의 공동 발생을 위한 시스템들을 제공할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 이러한 시스템들은 동력 발생을 위해 구성되는 동력 사이클 유닛; 가열된 합성 가스 스트림을 제공하기 위해 효과적인 합성 가스 발생 유닛; 열을 상기 가열된 합성 가스 스트림으로부터 상기 동력 사이클 유닛 내의 적어도 하나의 스트림과 교환시키고, 냉각된 합성 가스 스트림을 제공하기 위해 구성되는 하나 또는 그 이상의 열교환 요소들; 그리고 상기 냉각된 합성 가스 스트림을 주로 수소를 포함하는 제1 스트림 및 제2 스트림으로 분리시키도록 구성되는 적어도 하나의 분리 유닛을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 이러한 시스템들은 임의의 숫자와 순서로 결합될 수 있는 다음의 사항들 중의 하나 또는 그 이상과 관련하여 더 특징지어질 수 있다.
상기 시스템은 상기 주로 수소를 포함하는 제1 스트림의 적어도 일부를 수용하고, 질소를 포함하는 스트림을 수용하며, 암모니아를 포함하는 스트림을 형성하도록 구성되는 암모니아 합성 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 시스템은 상기 동력 사이클에 산소를 제공하며, 상기 암모니아 합성 유닛에 상기 질소를 포함하는 스트림을 제공하기 위해 구성되는 공기 분리 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 시스템은 상기 암모니아를 포함하는 스트림의 적어도 일부를 수용하고, 이산화탄소를 포함하는 스트림을 수용하며, 요소를 포함하는 스트림을 형성하도록 구성되는 요소 합성 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 시스템은 상기 제2 스트림의 적어도 일부를 수용하며, 상기 이산화탄소를 포함하는 스트림을 제공하도록 구성되는 CO2 분리 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 분리 유닛은 멤브레인 분리기 및 압력 순환 흡착(pressure swing adsorption) 유닛 중의 하나 또는 모두를 포함할 수 있다.
본 발명의 전술한 특징들 및 다른 특징들, 측면들, 그리고 이점들은 아래에 간략하게 기재되는 첨부된 도면들과 함께 다음의 상세한 설명에 대한 이해로부터 명확해질 것이다. 본 발명은 이러한 특징들이나 요소들이 여기서의 특정한 실시예의 설명에서 명확하게 결합되는 것으로 기재되는 지에 관계없이 상술한 실시예들 중의 둘, 셋, 넷, 또는 그 이상의 임의의 조합들뿐만 아니라 본 발명에서 설시되는 임의의 둘, 셋, 넷, 또는 그 이상의 특징들이나 요소들의 조합들을 포괄한다. 본 발명은 본문에서 명백하게 다르게 기재되지 않는 한, 전체적으로 다양한 측면들과 실시예들 중의 임의의 것에서 본 발명의 임의의 분리 가능한 특징들이나 요소들이 결합될 수 있는 것으로 이해되도록 의도된다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 공동 발생 시스템과 프로세스에 유용한 동력 생산 사이클 및 그 요소들을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 이에 한정되는 것은 아니지만, 동력 및 수소를 포함하는 복수의 최종 생성물들을 형성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 유용한 요소들의 결합을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 이에 한정되는 것은 아니지만, 동력, 암모니아 및 이산화탄소를 포함하는 복수의 최종 생성물들을 형성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 유용한 요소들의 결합을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 이에 한정되는 것은 아니지만, 동력 및 하나 또는 그 이상의 화학적 생성물들을 포함하는 최종 생성물들을 형성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 유용한 요소들의 결합을 나타내는 흐름도이다.
본 발명의 주제를 그 예시적인 실시예들을 참조하여 다음에 보다 상세하게 설명된다. 이들 예시적인 실시예들은 본 발명이 철저하고 완전해지며, 본 발명의 주제의 범위를 해당 기술 분야의 숙련자에게 완전히 전달하도록 기재된다. 실제로, 본 발명의 주제는 많은 상이한 형태들로 구현될 수 있고, 여기에 설시되는 실시예들에 한정되는 것으로 간주되지 않아야 하며, 오히려 이들 실시예들은 본 발명에 적용될 수 있는 법률적 요구 사항들을 충족시키도록 제공된다. 본문에 사용되는 바에 있어서, "일", "하나", "한" 등의 단수 표현은 본문에 명백하게 달리 기재되지 않는 한 복수의 지시 대상들을 포함한다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 본 발명은 동력 생산 사이클(power production cycle)의 동작 및 합성 가스 스트림과 같은 고압의 스트림(스트림)의 처리를 통해 동력 및 하나 또는 그 이상의 다른 생성물들(예를 들어, 화학적 엔터티(chemical entity) 또는 엔터티들 및/또는 열)의 공동 발생(cogeneration)을 제공한다. 본 발명의 시스템들과 방법들은 이에 따라 상기 프로세스들 중의 하나 또는 그 이상의 효율을 향상시키기 위해 둘 또는 그 이상의 프로세스들이나 처리 유닛들 사이에 열전달을 활용할 수 있다. 마찬가지로, 본 발명의 시스템들과 방법들은 유리하게는 이러한 생성물들을 제조하기 위한 알려진 방법들에 비하여 감소된 비용으로 하나 또는 그 이상의 생성물 스트림들을 제공할 수 있다.
여기에 사용되는 바에 있어서, 합성 가스(또는 합성된 가스)는 적어도 수소 및 일산화탄소를 포함하는 화학적 혼합물을 지칭하는 것으로 이해된다. 비록 혼합된 상의 합성 가스도 활용될 수 있지만, 상기 합성 가스는 통상적으로 가스 상의 혼합물이다. 또한, 비록 실질적으로 순수한 합성 가스 스트림(예를 들어, 95% 또는 그 이상, 99% 또는 그 이상, 혹은 99.5% 또는 그 이상의 수소 및 일산화탄소를 포함)을 활용하는 것이 바람직할 수 있지만, 본 발명이 반드시 활용되는 상기 합성 가스 내의 다른 화학적 모이어티(moiety)들의 존재를 배제하는 것은 아니다. 상기 합성 가스에 하나 또는 그 이상의 원하는 화학적 생성물들을 발생시키도록 달리 설명되는 바와 같이 하나 또는 그 이상의 처리 단계들이 수행될 수 있으며, 상기 처리 단계들은 공동 동작되는 동력 생산 사이클 내에서 발생되는 하나 또는 그 이상의 스트림들의 활용을 포함할 수 있다.
여기에 논의되는 바와 같은 동력 생산 사이클, 또는 동력 생산 플랜트는 상기 동력 생산 사이클을 수행하기 위해 다양한 요소들을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 동력 생산 플랜트(및 그 동작 방법)에 포함될 수 있는 요소들의 제한적이지 않은 예들은 미국 특허 제8,596,075호, 미국 특허 제8,776,532호, 미국 특허 제8,869,889호, 미국 특허 제8,959,887호, 미국 특허 제8,986,002호, 미국 특허 제9,062,608호, 미국 특허 제9,068,743호, 미국 특허 제9,410,481호, 미국 특허 제9,416,728호, 미국 특허 제9,546,814호, 미국 특허 제10,018,115호 및 미국 공개특허 제2012/0067054호에 기재되어 있으며, 이들 문헌들의 개시 사항들은 여기에 참조로 포함된다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 본 발명에 따라 유용한 동력 생산 사이클은 CO2(특히 초임계의 CO2- 또는 sCO2)가 동작 스트림(work stream) 내에 이용되는 임의의 시스템과 방법을 포함할 수 있다. 제한적이지 않은 예로서, 재순환 CO2 스트림이 고온 및 고압에서 제공되고, 탄소질 연료가 산소 내에서 연소되는 연소기로 투입되며, 동력을 생성하기 위해 터빈에 걸쳐 팽창되고, 열교환기 내에서 냉각되며, 물 및 임의의 다른 불순물들을 제거하기 위해 정화되고, 가압되며, 터빈 배출로부터 취해지는 열을 이용하여 재가열되고, 상기 사이클을 반복하도록 상기 연소기로 다시 통과된다. 이러한 시스템과 방법은 모든 연료와 연소 유래 불순물들, 과잉의 CO2 및 물이 액체 또는 고체(예를 들어, 재)로 제거되며, 임의의 스트림들의 사실상 영(zero)의 대기 배출이 있는 점에서 유리하다. 상기 시스템과 방법은, 예를 들면, 상기 재순환 CO2 스트림이 다시 가압된 이후 및 연소 이전에 낮은 온도 레벨(즉, 500℃ 보다 작은)의 열 투입의 이용을 통해 높은 효율을 구현한다.
본 발명에 따른 동력 생산 사이클은 전술한 경우 보다 많은 단계들이나 보다 적은 단계들을 포함할 수 있으며, 대체로 고압의 재순환 CO2 스트림이 동력 생산을 위해 팽창되고, 다른 동력 생산을 위해 다시 재순환되는 임의의 사이클을 포함할 수 있다. 여기에 사용되는 바에 있어서, 고압의 재순환 CO2 스트림은 적어도 100bar(10MPa), 적어도 200bar(20MPa), 또는 적어도 300bar(30MPa)의 압력을 가질 수 있다. 고압의 재순환 CO2 스트림은, 일부 실시예들에서, 약 100bar(10MPa) 내지 약 500bar(50MPa), 약 150bar 내지 약 450bar(45MPa), 또는 약 200bar(20MPa) 내지 약 400bar(40MPa)의 압력을 가질 수 있다. 여기서 고압의 재순환 CO2 스트림에 대한 언급은 이에 따라 앞서의 범위들 이내의 압력에서의 CO2 스트림이 될 수 있다. 이러한 압력들도 CO2를 포함하는 고압의 동작 스트림과 같은 여기에 설명되는 다른 고압의 스트림들에 대한 언급에 적용된다. 일부 실시예들에서, 동력 생산 사이클은 재순환 CO2 스트림에 반복적인 압축, 가열, 연소, 동력 생산을 위한 팽창 및 냉각이 수행되는 사이클이 될 수 있다.
제한적이지 않은 예로서, 동력 생산 시스템(100) 및 이의 사용 방법이 도 1에 예시된다. 도면에 예시한 바와 같이, 동력 생산 사이클은 연소기(115)를 포함할 수 있으며, 여기서 탄소질 연료 공급(112) 및 산화제 공급(114)이 발전기(145)로 동력을 생산하기 위해 터빈(120) 내에서 팽창되는 고압 및 고온의 연소 생성물 스트림(117)을 형성하도록 재순환 CO2 스트림(138)의 존재에서 연소된다. 높은 온도에 있는 상기 터빈(120)으로부터의 배출 스트림(122)은 응축된 생성물들(132)(예를 들어, 물)과 함께 분리기(130)로 통과되는 저압 및 저온의 CO2 스트림(127) 및 이로부터 나가는 실질적으로 순수한 재순환 CO2 스트림(133)을 형성하도록 환열식 열교환기(recuperative heat exchanger)(125) 내에서 냉각된다. 실질적으로 순수한 재순환 CO2 스트림은 95몰%, 적어도 98몰%, 적어도 99몰%, 또는 적어도 99.5몰%의 CO2를 포함할 수 있다. 상기 실질적으로 순수한 재순환 CO2 스트림(133)은 냉각 터빈 배출 스트림(122)에 대해 가열되는 상기 환열식 열교환기(125)로 통과되는 고압의 재순환 CO2 스트림(138)(예를 들어, 전술한 바와 같은 범위 내의 압력을 가짐)을 형성하도록 압축기(135) 내에서 압축된다.
도 1에 도시한 바와 같은 동력 생산 사이클은 압축 이후 및 상기 연소기(115)로의 통과 이전에 상기 재순환 CO2 스트림을 재가열하는 데 이용하기 위해 상기 터빈 배출(122)로부터 상당한 양의 열을 회수하는 능력 때문에 적어도 부분적으로 본 발명에 따른 이용에서 유리할 수 있다. 그러나 효율은 상기 환열식 열교환기(125)의 고온 단부(hot end)를 나가는 상기 재순환 CO2 스트림(138)의 온도를 상기 환열식 열교환기의 고온 단부로 들어가는 상기 터빈 배출(122)의 온도에 충분히 가깝도록 상승시키기 위해 충분한 열을 추가하는 능력에 의해 제한될 수 있다. 추가적인 가열의 투입에 대한 필요성은 미국 특허 제8,596,075호에서 확인되며, 저등급의 열(예를 들어, 약 500℃ 보다 낮은 온도에서)의 다양한 가능한 소소들이 확인된다.
일부 실시예들에서, 여기에 설명되는 바와 같은 사용을 위한 동력 생산 사이클은 CO2를 포함하는 동작 유체(working fluid)가 압축, 가열, 팽창 및 냉각의 스테이지들을 통해 적어도 반복하여 순환되는 임의의 동력 생산 사이클을 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 본 발명에 따른 사용을 위한 동력 생산 사이클은 다음의 단계들의 조합들을 포함할 수 있다.
ㆍ적어도 약 500℃ 또는 적어도 약 700℃(예를 들어, 약 500℃ 내지 약 2000℃ 또는 약 600℃ 내지 약 1500℃)의 온도 및 적어도 약 100bar(10MPa) 또는 적어도 약 200bar(20MPa)(예를 들어, 약 100bar(10MPa) 내지 약 500bar(50MPa) 또는 약 150bar(15MPa) 내지 약 400bar(40MPa))의 압력에서 연소 생성물 스트림을 제공하기 위한 재순환 CO2 스트림의 존재에서의 산화제로의 탄소질 연료의 연소;
ㆍ동력 생산을 위한 터빈에 걸친 고압의 재순환 CO2 스트림(예를 들어, 앞서 언급된 압력에서)의 팽창;
ㆍ환열식 열교환기 내에서의 고온의 재순환 CO2 스트림(예를 들어, 앞서 언급된 압력에서), 특히 터빈 배출 스트림의 냉각;
ㆍ응축기 내에서의 하나 또는 그 이상의 연소 생성물들(예를 들어, 물)의 응축, 상기 연소 생성물들은 특히 팽창되었고 냉각되었던 연소 생성물 스트림 내에 존재함;
ㆍ재순환되는 CO2 스트림을 형성하기 위한 CO2로부터의 물 및/또는 다른 물질들의 분리;
ㆍ선택적으로는 스트림 밀도를 증가시키기 위해 선택적인 중간 냉각을 구비하는 다중의 스테이지들 내에서 수행되는 높은 압력(예를 들어, 앞서 언급된 압력)까지의 재순환되는 CO2 스트림의 압축; 및
ㆍ환열식 열교환기 내에서의 압축되고 재순환되는 CO2 스트림의 가열, 특히 냉각 터빈 배출 스트림에 대한 가열.
다른 실시예들에서, 본 발명은 또한 동력 생산 시스템들에 관련된다. 특히, 이러한 시스템들은 CO2 스트림을 여기에 설명되는 높은 압력까지 압축시키도록 구성되는 하나 또는 그 이상의 펌프들 또는 압축기들을 포함할 수 있다. 상기 시스템들은 상기 압축된 CO2 스트림을 적어도 제1 부분의 CO2 스트림 및 제2 부분의 CO2 스트림으로 분할하도록 구성되는 하나 또는 그 이상의 밸브들 또는 스플리터(splitter)들을 포함할 수 있다. 상기 시스템들은 CO2 스트림을 고온의 터빈 배출 스트림에 대해 가열하고, 선택적으로 하나 또는 그 이상의 다른 스트림들에 대한 가열을 제공하도록 구성되는 제1 열교환기(또는 복수의 섹션(section)들을 포함하는 열교환기 유닛)를 구비할 수 있다. 상기 시스템들은 동력을 생산하기 위해 CO2를 포함 스트림을 팽창시키도록 구성되는 적어도 하나의 터빈을 포함할 수 있다. 상기 시스템들은 하나 또는 그 이상의 스트림들 사이에 열을 전달하도록 구성되는 하나 또는 그 이상의 전달 요소들을 포함할 수 있다. 상기 시스템들은 상기 CO2 스트림의 존재에서 산화제 내에서 탄소질 연료를 연소시키도록 구성되는 연소기를 포함할 수 있다.
본 발명의 시스템들은 CO2 스트림을 여기에 설명되는 바와 같은 높은 압력까지 압축시키도록 구성되는 적어도 하나의 압축기, 상기 압축기로부터 다운스트림(downstream)인 적어도 하나의 연소기, 상기 연소기로부터 다운스트림이고 상기 압축기로부터 업스트림(upstream)인 적어도 하나의 터빈, 그리고 상기 적어도 하나의 압축기로부터 스트림을 수용하고 상기 적어도 하나의 터빈으로부터 별도의 스트림을 수용하도록 배치되는 적어도 하나의 열교환기를 포함할 수 있다. 선택적으로, 분리기가 상기 열교환기로부터 다운스트림이고, 상기 압축기로부터 업스트림에 위할 수 있다. 또한 선택적으로, 압축기가 상기 압축기로부터 업스트림이고, 제1 열교환기로부터 다운스트림에 배치될 수 있다. 상기 시스템은 필요에 따라 하나 또는 그 이상의 밸브들이나 스플리터들을 더 포함할 수 있다.
앞서 논의한 바와 같이, 이에 한정되는 것은 아니지만, 상술한 바와 같이 임의의 유용한 실시예들에 따라 구성되는 동력 생산 사이클은 상기 동력 생산 사이클에 기안할 수 있는 동력 이외에도 다른 유용한 생성물들이 제공되는 방식으로 합성 가스 스트림의 형성 및/또는 처리와 결합될 수 있다. 동력 및 하나 또는 그 이상의 다른 생성물들의 이러한 공동 발생을 위해 적합한 시스템들과 방법들이 도 2에 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들에 따라 예시된다.
동력 사이클(201)이 도 2에 예시되며, 동력의 생산을 위해 구성되고, 하나 또는 그 이상의 가열된 스트림들 및 선택적으로는 이산화탄소를 수용하고 제공할 수 있는 임의의 동력 사이클이 될 수 있다. 이에 따라, 상기 동력 사이클(201)은 앞서 이미 설명한 바와 같은 구성 요소들과 동작들을 활용하는 초임계의 CO2 동력 사이클이 될 수 있으며, 상기 동력 사이클은 도 1과 관련하여 설명한 구성 요소들 중의 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 상기 동력 사이클(201)은 연료 소스(204)로부터 라인(202) 내에 연료를 수용하고, 산화제 소스(210)로부터 라인(211)을 통해 산화제를 수용하며, 출력으로서 동력(205)(예를 들어, 전기)을 제공하고, 선택적으로 다른 출력으로서 라인(207)을 통해 CO2 스트림을 제공할 수 있다. 상기 산화제 소스(210)는, 예를 들면, 실질적으로 순수한 산소(예를 들어, 적어도 95몰%, 적어도 98몰%, 적어도 99몰%, 또는 적어도 99.5몰%의 O2)를 제공하기 위해 구성되는 공기 분리 유닛(air separation unit)(ASU)이 될 수 있지만, 다른 산소 소소들이나 산화제 소스들도 활용될 수 있다. 상기 산화제 소스(210)는 마찬가지로 질소 소스가 될 수 있다. 예를 들면, ASU는 공기를 주로 산소의 스트림 및 주로 질소의 스트림으로 분리하는 데 효과적일 수 있다. 따라서 일부 실시예들에서, 동일한 유닛이 산화제 소소 및 질소 소스 중의 하나 또는 모두가 되도록 구성될 수 있다.
가압된 원료 합성 가스는 하나 또는 그 이상의 최종 생성물들을 발생시키도록 처리될 수 있고, 상기 합성 가스는 적합한 공급 원료의 가스화 또는 개질에 의해 발생되는 바와 같이 다양한 소스들로부터 제공될 수 있다. 상기 가압된 원료 합성 가스는 미리 형성되고, 소스가 되는 물질로서 도 2에 예시한 프로세스 내로 제공될 수 있다. 선택적으로는, 예시한 바와 같이 상기 합성 가스는 전체적인 프로세스의 일부로서 직접 선택적으로 형성될 수 있다. 도시한 바와 같이, 라인(221) 내의 연료, 라인(223) 내의 증기(steam) 및 라인(213) 내의 산화제가 라인(225) 내에 상기 가압된 원료 합성 가스 스트림을 제공하도록 합성 가스 발생 유닛(220)에 도입된다. 예시한 바와 같이, 상기 합성 가스 발생 유닛(220)은 상기 가압된 원료 합성 가스 스트림을 제공하도록 구성되는 단일의 구성 요소가 될 수 있거나 복수의 구성 요소들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 합성 가스 발생 유닛(220)은 상기 동력 사이클(201)로부터 열을 수용하도록 구성될 수 있다. 라인(들)(224)로 예시한 바와 같이, 하나 또는 그 이상의 스트림들은 상기 동력 사이클로부터의 열이 상기 합성 가스 발생 유닛에 추가될 수 있도록 상기 동력 사이클(201) 및 상기 합성 가스 발생 유닛(220) 사이로 통과될 수 있다. 예를 들면, 상기 동력 사이클(201)로부터의 터빈 배출 스트림으로부터 열은 라인(들)(224)을 통해 직접적으로(예를 들어, 상기 합성 가스 발생 유닛(220) 내의 열교환기로 통과되는 터빈) 또는 간접적으로(예를 들어, 열을 전달하도록 이용될 수 있는 열전달 유체) 전달될 수 있다. 라인(224)은 선택적인 것을 나타내기 위해 점선으로 도시되며, 화살표는 열이 전달되는 방향을 나타낸다.
라인(225) 내의 상기 가압된 원료 합성 가스는 냉각/컨디셔닝 유닛(cooling/conditioning unit)(230) 내에서 처리될 수 있으며, 이러한 처리는 단지 냉각을 포함할 수 있거나, 단지 하나 또는 그 이상의 컨디셔닝 단계들을 포함할 수 있거나, 냉각 및 컨디셔닝 모두를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 원료 합성 가스는 상기 동력 사이클(201)로부터 열전달 매체(이산화탄소 또는 심지어 연료 스트림과 같은)의 고압의 스트림에 대해 냉각될 수 있으며, 이러한 열전달 매체는 열 회수 및 추가적인 동력 발생을 위해 활용될 수 있다. 도 2에 예시한 바와 같이, 라인(234)은 선택적인 것을 나타내기 위해 점선으로 도시되며, 화살표는 열이 전달되는 방향을 나타낸다. 다른 실시예들에서, 냉각이 추가적이거나 선택적인 프로세스들에 의해 수행될 수 있다. 예를 들면, 라인(223) 내의 상기 증기는 적어도 부분적으로 상기 냉각/컨디셔닝 유닛(230)으로부터의 열을 이용하여 물 스트림을 가열함으로써 발생될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 합성 가스의 컨디셔닝이 냉각에 후속하여 수행될 수 있다. 예를 들면, 상기 냉각된 합성 가스는 탈수, 미세한 미립자 물질에 대한 여과, 가용성 산성 가스들의 제거, 그리고 중금속 제거 중에서 하나 또는 그 이상을 적용하는 바와 같이 정화될 수 있다. 이와 같이, 상기 냉각/컨디셔닝 유닛이 하나 또는 그 이상의 필터 유닛들, 하나 또는 그 이상의 액체 분리 유닛들, 하나 또는 그 이상의 멤브레인 유닛들 및 이들과 유사한 것들과 같이 복수의 개별적인 구성 요소들을 포함할 수 있으며, 이러한 선택적인 유닛들은 230a, 230b 및 230c로 도시되는 점이 이해될 것이다. 상기 냉각/컨디셔닝 유닛(230)은 이에 따라 라인(236)을 통해 상기 원료 합성 가스로부터 분리될 수 있는 황화수소(H2S), CO2, 물, 타르(tar), 미립자들, 중금속들 및/또는 유사한 물질들 중의 하나 또는 그 이상을 제공할 수 있다. 선택적으로, 깨끗한 합성 가스가 라인(202) 내에서 상기 동력 사이클(201)을 위한 연료의 전부 또는 일부로 사용될 수 있다. 상기 깨끗한 합성 가스는 라인(202)과 결합되는 라인(237) 내에 도시되지만, 라인(237)이 연소기와 같은 상기 동력 사이클(201)의 구성 요소로 직접 통과하는 점이 이해될 것이다.
라인(239) 내의(및 선택적으로 라인(237) 내의) 상기 적어도 부분적으로 정화된 합성 가스 스트림은 바람직하게는 통상적으로 건조되고 냉각된다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 상기 정화된 합성 가스의 전부 또는 일부는 라인(239)을 통해 그 자체가 하나 또는 그 이상의 분리 구성 요소들을 포함할 수 있는 수소 분리 유닛(240)으로 전달된다. 상기 수소 분리 유닛(240)은, 예를 들면, 가스 멤브레인, 압력 순환 흡착기(pressure swing absorber)(PSA) 및/또는 작은 운동 직경 및 부분 압력을 통한 수소의 분리를 선호하도록 적용되거나 구성되는 다른 가스 분리 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들면, 이른바 프리즘 멤브레인(prism membrane)들(에어 프로덕츠(Air Products)로부터 입수 가능함)이 이러한 분리를 위해 특히 적합할 수 있다. 대체로, 이러한 멤브레인들을 통한 기체 분자들의 상대적인 침투 속도(감소하는 순서로)는 H2O, H2, NH3, CO2, H2S, O2, Ar, CO, N2, CH4, C2H4 및 C3H8.이다. 상기 멤브레인 및/또는 다른 분리 구성 요소는 상기 수소 분리 유닛으로부터 둘의 별도의 흐름들의 형성을 가능하게 할 수 있다. 라인(243) 내의 제1 스트림은 주로 수소(예를 들어, 50몰% 보다 크거나, 60몰% 보다 크거나, 75몰% 보다 크거나, 85몰% 보다 크거나, 90몰% 보다 크거나 수소)가 될 수 있다. 라인(245) 내의 제2 스트림은 수소, N2, Ar, CO, CO2, H2S, COS, CH4, C2H4, C3H8 및 최초의 합성 가스 투입의 일부가 될 수 있었던 임의의 다른 화합물들 중의 임의의 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 제2 스트림은 수소가 적을(예를 들어, 50몰% 보다 작거나, 25몰% 보다 작거나, 10몰% 보다 작은) 것이며, 이와 같이 상기 제2 스트림은 수소 결핍(hydrogen-depleted) 스트림으로 지칭될 수 있다. 이러한 수소-결핍 스트림은 통상적으로 H2(바람직하게는 낮은 농도로), CO2, CO, CH4, N2 및 Ar의 일부 결합을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 본 발명의 시스템들과 방법들은 비-수소 종들의 그룹들을 목표로 하는 전용 제거 장비에 대한 필요성이 없이 수소를 포함하는 스트림으로부터 분리될 수 있는 하나 또는 그 이상의 탄소질 화합물들을 제공할 수 있다. 유사하게, 본 발명은 이출(export)/처리를 포함하는 탄소질 화합물들의 취급을 제공하는 데 유용할 수 있으며, 여기서 이러한 취급은 상기 동력 사이클 연소 및 압축 체계에 의해 제공된다. 마찬가지로, 본 발명의 시스템들과 방법들은 WGS를 통한 수소 생산이 요구되지 않는(비록 원할 경우에 선택적으로 활용될 수 있지만) 수소의 생산을 위한 물 소모를 감소/제거하는 데 유용할 수 있다. 구체적으로는, 이는 잔여 공급 원료가 동력 사이클 연료로 사용되는 경우가 될 수 있다. 상기 동력 사이클은 추가적인 수소뿐만 아니라 CAPEX 오프셋(offset)에 의해 발생될 수 있는 손실 수입의 균형을 유지하기 위한 수단으로 기능할 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 라인(243)을 통해 제공되는 상기 H2 생성물은 H2 압력 순환 흡착(pressure swing absorption)(PSA) 기술을 이용하여 분리될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 상기 합성 가스의 처리, 세정 및 냉각이 상기 냉각/컨디셔닝 유닛(230) 내에서 수행될 수 있으므로, 요구되는 H2 함량 및 원하는 불순물 레벨을 가지는 합성 가스가 PSA 유닛의 유입구에서의 투입을 위해 라인(239) 내에 존재할 수 있다. 이는, 예를 들면, 상기 냉각/컨디셔닝 유닛(230) 또는 이와 결합되는 하나 또는 그 이상의 다른 유닛들 내에서 다음의 처리 단계들 중의 하나 또는 그 이상을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 사워(sour) 또는 스위트(sweet) 수성 가스 전화(water gas shift)를 수행하는 단계; 미립자 및/또는 중금속 제거를 제공하는 단계; 황화카르보닐(carbonyl sulfide)(COS) 가수분해를 수행하는 단계; 산성 가스 제거 단계에서 H2S와 같은 황을 함유하는 물질의 제거를 수행하난 단계; 그리고 CO2의 부분적 또는 심층적인 제거 단계. 상기 수소 분리 유닛(240)으로 들어가는 라인(239) 내의 상기 스트림이 적어도 60체적%의 수소 함량을 가지도록 이러한 분리 단계들을 수행하는 것이 바람직할 수 있다. 상기 유닛(240)으로 들어가는 상기 공급 스트림이 그 존재가 상기 PSA 내에 사용되는 흡착제 물질의 수명에 유해할 수 있는 낮은 오염물 레벨들로 상대적으로 높은 수소 함량을 가질 때에 PSA 분리를 이용하여 높은 수소 회수 효율을 구현하는 것이 가능하다. 대체로 이러한 유닛이 활용되는 상기 H2 PSA 유닛 내에서 75% 이상이거나, 80% 이상이거나, 85% 이상의 H2 회수 효율을 구현하는 것이 바람직하다.
상기 수소 분리 유닛을 떠나는 라인(243) 내의 상기 제1 스트림(주로 수소 가스를 포함)은 필요할 경우에 최종 처리를 위해 이송될 수 있으며, 이후에 인접하는 설비들 내의 화학 공급 원료로 사용될 수 있거나 및/또는 이출될 수 있다. 상기 수소 분리 유닛(240)을 나가는 라인(245) 내의 상기 제2 스트림(즉, 상기 수소-결핍 스트림)은 공동 동작하는 동력 사이클(201) 내의 라인(202) 내에서 상기 연료의 적어도 일부로 투입될 수 있다. 라인(245)은 이에 따라 라인(202)과 결합될 수 있거나, 상기 동력 사이클(201)의 구성 요소로 직접 투입될 수 있다. 상기 제2 가스 스트림은 충분히 높은 압력까지 압축될 수 있으며(앞서 언급한 바와 같이 상기 원료 합성 가스에 대해 잠재적으로 미리 가열됨), 상기 동력 사이클의 연소기/터빈 내에서 사실상 순수한 산소로 연소될 수 있다. 라인(245)은 이에 따라 상기 동력 사이클(201)의 압축기(요소(135) 참조)로 투입될 수 있거나 및/또는 유사한 압축기가 라인(245) 내에 직접 배치될 수 있다. 상기 동력 사이클(201) 내의 결과적인 터빈 배출 가스는 이에 따라 미량(그러나 배타적이지는 않음)의 O2, N2, Ar, NO 및 SO2와 함께 주로 이산화탄소 및 물의 혼합물이 될 수 있다. 도 1을 참조하면, 상기 동력 사이클(201)의 예시적인 실시예와 같이, 상기 터빈 배출 가스는 주위 온도에 근접하는 온도까지 아래로 냉각될 수 있다(예를 들어, 환열식 열교환기 트레인 내에서). 상기 열 회수 트레인을 나감에 따라, 라인(122) 내의 상기 배출 가스는 하나 또는 그 이상의 정화 단계들을 위해 물 분리기(130)로 제공될 수 있다. 상기 정화는 라인(133) 내에 이산화탄소의 사실상 건조되고 실질적으로 순수한 스트림을 제공하기 위해 NOx 및 SOx 불순물들의 제거를 포함할 수 있다. 적합한 정화 유닛은, 예를 들면, 도 4와 관련하여 다음에 설명되는 DeSNOx 유닛(470)이 될 수 있다. 상기 실질적으로 순수한 이산화탄소는 가압될 수 있다(예를 들어, 상기 동력 사이클의 동작 유체 회수 프로세스의 일부로서). 원할 경우, 황종들도 합성 가스 연소 이전에 종래의 산성 가스 제거 프로세스를 통해 상기 합성 가스로부터 제거될 수 있다. 상기 가압된 이산화탄소의 일부는 상기 동력 생산 사이클로 들어가는 상기 연료와 산소의 질량 균형을 유지하기 위하여 상기 동작 유체(예를 들어, 라인(207) 내에서)로부터 회수될 수 있다. 상기 회수된 이산화탄소 스트림은 배기될 수 있거나, 격리될 수 있거나, 요소(urea) 생산과 같은 다운스트림 화학 프로세스에서 공급 원료로서 사용되기 위해 이송될 수 있다.
일부 실시예들에서, 라인(245) 내에서 상기 수소 분리 유닛(240)을 나가는 상기 제2 스트림은 그 CO2 함량의 적어도 일부를 회수하고 정제하기 위해 CO2 분리 유닛(250) 내에서 더 처리될 수 있다. 상기 CO2 분리 유닛(250)은 바람직하게는 저온의 유닛이다. 저온의 CO2 분리 유닛은 상기 수소 분리 유닛을 나가는 상기 제2 스트림(즉, 수소-결핍 스트림)의 적어도 일부를 액화된 형태로 있도록 하기 위해 임의의 이산화탄소의 분리를 위해 충분한 온도까지 냉각하도록 구성되는 유닛이 될 수 있다. 예를 들면, 적합한 저온의 CO2 분리 유닛은 상기 제2 스트림의 적어도 일부를 상기 제2 스트림의 동결 온도보다 높지만 약 50℃ 이내, 약 40℃ 이내 또는 약 30℃ 이내인 온도까지 냉각하도록 구성되는 유닛이다. 보다 상세하게는, 상기 저온의 CO2 분리 유닛은 상기 제2 스트림의 동결 온도보다 약 2℃ 내지 약 25℃, 약 2℃ 내지 약 15℃, 또는 약 1℃ 내지 약 5℃ 높은 온도까지 냉각하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 라인(245) 내의 상기 스트림의 CO2 함량이 상기 수소 분리 유닛(240)의 전체 산출의 적어도 40체적%가 될 수 있도록 전체적인 프로세스를 설계하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 저온의 시스템 내에서 CO2 분리의 전체적인 비용을 감소시키는 데 유리할 수 있다. 일부 실시예들에서, 바람직한 CO2 분리 프로세스는 라인(245) 내의 상기 압축되고 건조된 가스 혼합물의 동결 온도의 약 1℃ 내지 약 5℃ 이내의 낮은 온도에서 액체로 CO2 분리를 수행할 수 있다. 상기 분리되고 응축된 가스 스트림 내의 잔여 CO2 부분 압력은 약 6bar 내지 약 7bar의 범위 이내의 압력이 될 것이다. 라인(245) 내의 상기 저압의 가스 스트림은 압축기(247) 내에서 약 20bar 내지 약 70bar의 압력까지 압축될 수 있다. 상기 분리된 액체 CO2 상내에 보다 높은 CO2 회수를 위해 보다 높은 압력이 선호된다. 상기 압축된 가스는 이후에 열적으로 재생될 수 있는 건조제 건조기(desiccant drier)(249) 내에서 건조될 수 있다. 예를 들면, ASU가 상기 산화제 소스(210)로 사용될 때, 라인(219) 내에서 상기 ASU로부터 취해지는 N2는 상기 건조제 건조기(249) 내에서의 가열을 위해 이용될 수 있다. 상기 건조되고 압축된 가스는 이후에 상기 CO2 분리 유닛(250)으로 들어간다. 이산화탄소는 라인(251) 내에서 상기 분리 유닛(250)을 나갈 수 있으며, 바람직하게는 적어도 80몰%, 적어도 90몰%, 적어도 95몰%, 또는 적어도 99몰%의 CO2의 순도 레벨을 가질 수 있다. 상기 수소 분리 유닛(240) 내에서 H2로부터 분리되는 상기 CO 및 CH4와 함께 잔여 H2는 라인(253)을 통해 상기 CO2 분리 유닛(250)을 나간다. 상승된 압력에 있는 이러한 응축된 가스는 상기 동력 사이클(201) 내에서 보충적인 연료로 사용될 수 있다.
상기 냉각/컨디셔닝 유닛(230) 내에서의 상기 합성 가스 컨디셔닝 및 세정은, 일부 실시예들에서, 상기 H2 회수 단계 이전에 원하는 H2 함량을 가지는 합성 가스를 얻기 위해 산성 가스 제거 단계에서 CO2의 부분적인 제거를 수반할 수 있다. 이러한 실시예에서, CO2 제거는 라인(239) 내의 상기 세정된 합성 가스 생성물이 적어도 60체적% 및 바람직하게는 적어도 70체적%의 H2 함량을 가지도록 조정될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 상기 H2 분리 유닛(240)을 나가는 라인(245) 내의 폐기 가스는 CO2 내에 농축될 수 있으며, 이는 저온의 CO2 분리를 위한 바람직한 품질을 만들 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 이산화탄소 생성물 스트림(예를 들어, 스트림(207) 및 스트림(251) 중의 하나 또는 모두)은 요소 합성, 메탄올 합성, 디메틸에테르(dimethyl ether)(DME) 합성, 탄소 저장 시멘트 및 다른 생성물들의 합성과 같은 화학 물질 생산을 위한 공급 원료로 사용될 수 있다. 유리하게는, 다른 화학 물질들을 발생시키기 위해 요구되는 수소는 상기 수소 분리 유닛(240)을 나가는 라인(243) 내의 상기 제1 가스 스트림(즉, 상기 주로 수소 가스의 스트림)으로부터 공급될 수 있다. 예를 들면, 라인(243)으로부터의 수소 및 라인(219)(또는 그렇지 않으면 다른 소스들)으로부터의 질소가 암모니아를 생성하기 위해(라인(261) 내에서) 암모니아 합성 유닛(260)에 투입될 수 있다. 유사하게, 이러한 방식으로 형성되는 암모니아(또는 그렇지 않으면 소스 암모니아)는 요소를 생성하기 위해 실질적으로 순수한 이산화탄소(예를 들어, 스트림(207) 및/또는 스트림(251)으로부터)와 결합될 수 있다. 라인(219) 내의 상기 질소 스트림은 상기 ASU로부터 취해질 수 있으며, 상기 암모니아 프로세스의 요구 사항에 따라 통상적으로 약 100bar 또는 그 이상의 압력까지 가압될 수 있다. 이는 상기 ASU로부터 취해지는 바와 같은 압력이 될 수 있거나, 일부 실시예들에서, 별도의 압축기가 라인(219)과 인-라인(in-line)으로 제공될 수 있다(압축기(219a) 참조). 암모니아 생성 반응들은 매우 발열성이며, 이에 따라 상당한 양의 열(예를 들어, 약 400℃ 내지 약 600℃의 범위 이내)이 통상적으로 암모니아 생산 프로세스들 내에서 발생된다. 이러한 열은 초임계의 이산화탄소 및/또는 물과 같은 열전달 유체를 이용하여 회수될 수 있으며, 상기 동력 발생의 효율을 향상시키기 위해 상기 동력 생산 사이클 내의 보충적인 가열로서 활용될 수 있다. 이는 라인(262)으로 도시되며, 상기 동력 사이클(201)로 투입될 수 있다.
본 발명에 개시되는 시스템들과 방법들은 수소 생산을 위한 원료 합성 가스의 처리 동안에 전용의 질소, 황 및/또는 탄소 취급 시스템들의 실질적인 제거 또는 완전한 제거를 가능하게 할 수 있다. 또한, 본 발명에 개시되는 시스템들과 방법들은 시스템의 복잡성을 감소시키면서 현재의 프로세스들의 경우와 비교될 수 있거나 그보다 높을 수 있는 원하는 레벨의 열역학적 효율을 제공할 수 있다. 이는 적어도 부분적으로 공동 동작되는 동력 사이클(201)(예를 들어, 도 1의 동력 사이클(100)) 내의 낮은 품질의 감지 가능한 열을 사용하는 능력으로 인하여 구현될 수 있다. 예를 들면, 그 개시 사항이 여기에 참조로 포함되는 미국 특허 제8,596,075호에는 동력 생산 사이클의 효율을 개선하기 위해 저등급의 열 통합을 위한 방법들이 기재되어 있으며, 이러한 저등급의 열 통합도 마찬가지로 본 발명에 따라 활용되는 동력 생산 사이클 내에 포함될 수 있다. 이는 생산/공급 원료 활용 효율을 유지하기 위해 수성 가스 전화(water gas shift)(WGS) 반응들을 통한 추가적인 수소 생산에 대한 필요성을 실질적으로 또는 완전히 제거할 수 있다. 이러한 다른 장비 요구 사항들(예를 들어, WGS 반응들, 메탄화 유닛(methanation unit)들 및 이들과 유사한 것을 수행하기 위한)의 제거를 통하여, 수소 생산과 연관된 기생 에너지 소모가 전통적인 프로세스들의 경우에 대해 감소될 수 있다. 또한, 상기 동력 생산 사이클과 수소 생산의 통합은 상기 동력 사이클의 현재의 요구 사항들을 넘는 장비의 추가 없이 이산화탄소 포집 및 압축을 가능하게 할 수 있다. 더욱이, 동력이 수소 또는 깨끗한 합성 가스를 이용하여 생성되어야 하는 병산(polygeneration) 개념들과는 달리, 본 발명에 따른 동력 생산 사이클에 제공되는 연료는 수소-결핍이 되면서 상당한 농도의 일산화탄소를 포함할 수 있으며, 이에 따라 최소한의 업스트림 처리로 상기 공급 원료의 수소 함량의 가장 큰 보존이 가능하게 된다.
본 발명에 개시되는 시스템들과 방법들은 특히 알려진 시스템들 내에 요구되는(및 통상적으로 상당히 비싼) 탄소 포집 유닛들이 완전히 소거될 수 있는 점에서 유리할 수 있다. 마찬가지로, 수성 가스 전화(water gas shift) 반응기들의 완전한 전환은 본 발명에 따르면 요구되지 않는다. 더욱이 그 이상으로, 저등급의 감지 가능한 열이 전술한 바와 같이 개선된 에너지 효율을 위해 이용될 수 있으므로 고압의 증기 발생 장비가 제거될 수 있으며, 메탄화 및 이산화탄소 포집 용제들을 위해 요구되는 복잡해진 냉각/냉장 트레인들도 제거될 수 있다. 알려진 시스템들에 비하여, 본 발명은 공동 동력 발생과 함께 실질적이거나 완전한 탄소 포집을 위해 비용 효율적이고, 매우 효율이 높으며, 효과적인 시스템들과 방법들을 제공할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 종래 기술에 따라서는 현재까지 구현 가능하지 않았던 용이하게 수행될 수 있는 병산 시스템과 방법을 제공한다.
상술한 관점에서, 본 발명은 동력 및 적어도 수소의 공동 발생이 제공될 수 있는 다양한 구성들을 제공할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 뜨거운 합성 가스 스트림(225)은, 예를 들면, 석탄 가스화 및/또는 천연 가스 부분 산화 및/또는 천연 가스 개질을 통해 동작할 수 있는 상기 합성 가스 발생 유닛(220)으로부터 제공될 수 있다. 상기 뜨거운 합성 가스 스트림(225)은 열전달 유체를 이용하는 것과 같이 유닛(230) 내에서 적어도 부분적으로 냉각될 수 있다. 바람직한 실시예들에서, 상기 열전달 유체는 상기 동력 사이클(201) 내에서 활용되는 이산화탄소 스트림 및/또는 물 스트림이 될 수 있다. 상기 열전달 유체는 특히 적어도 초임계의 이산화탄소를 포함할 수 있다. 상기 합성 가스 스트림을 냉각하기 위한 상기 동력 생산 사이클로부터의 이산화탄소 스트림(또는 다른 스트림)의 활용은 상기 동력 발생 프로세스의 효율을 향상시키는 데 특히 유용할 수 있다. 예를 들면, 상기 합성 가스 스트림(225)으로부터 상기 이산화탄소 스트림(예를 들어, 상기 라인(234) 내의 스트림)으로 전달되는 열이 앞서 논의한 바와 같이 사이클 효율을 개선하기 위해 상기 동력 사이클 내의 상기 재순환 이산화탄소 스트림의 저등급의 가열을 위해 이용될 수 있다. 최종적인 냉각된 가스 온도는 상기 합성 가스 발생 유닛(220) 내에서 수행될 수 있는 수성 가스 전화(Water Gas Shift)(WGS) 단계의 유입 온도에 따라 결정된다. 상기 WGS 단계는 일산화탄소를 증기와 반응시키고, 상기 시스템에 첨가되는 수소 및 이산화탄소를 발생시키는 데 유리할 수 있다. 전환(shifting)은 전환 반응 및 관련된 장비의 비용을 감소시키기 위해 전체 합성 가스 스트림이 아니라 합성 가스의 슬립스트림(slipstream)에 대해서 수행될 수 있다. 이와 같은 경우, 상기 전환 단계는 재결합된 전체 합성 가스 스트림 내의 상기 수소 농도가 경제적인 다운스트림 분리를 위해 충분하도록 설계될 수 있다. 이는 전환 반응기 내로의 증기 공급, 촉매 층의 크기 및 상기 전환 반응기들에 대한 상기 슬립스트림의 유량 중에서 하나 또는 그 이상을 제어하여 구현될 수 있다. 압력 순환 흡착기 수소 회수 층들은 통상적으로 경제적인 수소 회수(예를 들어, 적어도 80몰%의 수소 회수)를 구현하기 위해 상기 공급 스트림 내에 적어도 60몰%의 수소를 요구한다. 황화수소가 상기 고온의 합성 가스 스트림 내에 존재할 때(예를 들어, 상기 합성 가스가 부분 산화 단계로부터 제공될 때), 황화수소 분리를 위한 다운스트림 산성 가스 제거에 후속되는 사워 WGS 단계가 통상적으로 활용된다. 사워 WGS에서, 코발트-몰리브덴계의 조성물들과 같은 내황성의 전환 촉매들이 이용될 수 있다. 황 오염물들로부터 잠재적으로 세정된 전환된 합성 가스는 이후에 수소 분리 및 회수 유닛으로 공급될 수 있다.
동력 및 수소의 공동 발생을 원할 때, 앞서 논의한 바와 같이, 상기 수소 분리 유닛(240)으로부터의 테일 가스(tail gas)(도 2의 라인(245) 또는 도 3의 라인(253) 참조)가 여기에 설명되는 바와 같은 앞서의 초임계의 이산화탄소 동력 사이클 내의 동력 발생을 위한 연료 가스로 이용될 수 있다. 상기 PSA 수소 회수 유닛으로부터의 테일 가스는 통상적으로 약 1bar 내지 2bar의 압력에 있을 수 있고, 수소, 탄소 산화물들 및 메탄을 함유할 수 있다. 상기 테일 가스는 가압될 수 있고(도 2의 라인(245) 내에서도 선택적으로 존재할 수 있는 압축기(247) 참조), 연료 가스로서 동력 생산 플랜트로 이송될 수 있다. 수소 회수 이전의 상기 합성 가스의 과도한 전환은 상기 수소 분리 유닛(240)으로부터의 상기 테일 가스의 발열량을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 발생될 수 있는 동력의 양을 감소시킬 것이다.
상기 WGS 반응은 발열성이며, 이에 따라 상기 합성 가스 스트림 온도는 상기 전환 반응기의 길이를 따라 상승될 것이다. 전환된 합성 가스로부터의 열은 초임계의 이산화탄소 또는 물과 같은 열전달 유체를 이용하여 회수될 수 있으며, 상기 동력 발생의 효율을 향상시키도록 초임계의 이산화탄소 동력 사이클 내에 활용될 수 있다. 전환된 합성 가스로부터의 열 회수 및 추가적인 냉각 후, 전체 합성 가스 스트림은 황화수소를 선택적으로 제거하기 위해 산성 가스 제거 유닛으로 선택적으로 향해질 수 있다.
다른 실시예들에서, 동력, 수소 및 암모니아의 발생 이외에도, 본 발명에서 개시되는 시스템들과 방법들은 또한 요소의 생산에 유용할 수 있다. 이와 같이, 요소 합성 유닛은 상기 암모니아 생산 트레인의 다운스트림에 포함될 수 있다. 이러한 점이 도 4에 예시한 실시예에 도시되지만, 상기 요소 합성 유닛이 도 3에 예시한 실시예들에서와 마찬가지로 포함될 수 있는 점이 이해될 것이다 .
도 4를 참조하면, 라인(421) 내의 연료는 앞서 달리 성명한 바와 같이 구성될 수 있는 합성 가스 발생 유닛(420)으로 통과된다. 또한, 하나 또는 그 이상의 다른 공급 스트림들(예를 들어, 증기 스트림)이 원할 경우에 상기 합성 가스 발생 유닛(420)에 투입될 수 있다. 원료 합성 가스는 라인(25) 내에서 상기 합성 가스 발생 유닛을 나가며, 상기 수소 분리 유닛(440)으로 통과된다. 필요한 경우, 냉각 및/또는 컨디셔닝 유닛(앞서의 유닛(230) 참조)이 상기 수소 분리 유닛으로 들어가는 상기 원료 합성 가스의 원하는 조건들을 구현하기 위해 상기 합성 가스 발생 유닛(420) 및 상기 수소 분리 유닛(440) 사이에 제공될 수 있다. 라인(445)을 통해 상기 수소 분리 유닛(440)을 나가는 연료 가스는 동력 사이클 연소기/터빈으로 통과될 수 있는 반면에 주로 수소 가스의 스트림은 라인(443) 내에서 상기 수소 분리 유닛(440)을 떠난다. 라인(443) 내의 상기 연료 가스는 하나 또는 그 이상의 연료 가스들의 수소-결핍 스트림이며, 바람직하게는 상당한 함량의 CO를 포함할 수 있다. 라인(411) 내의 산화제는 상기 산화제 소스(410)로부터 상기 연소기/터빈 유닛(490) 내로 통과된다. 마찬가지로, 라인(412) 내의 산화제는 상기 산화제 소스(410)로부터 상기 합성 가스 발생 유닛(420)으로 통과된다. 앞서 언급한 바와 같이, 상기 산화제 소스(410)는 다음에 보다 상세하게 논의되는 라인들(411/412) 내의 산소 및 라인(419) 내의 질소를 제공하기 위해 구성되는 ASU 또는 다른 적합한 유닛이 될 수 있다. 필요할 경우, 다른 연료 소스가 라인(445) 내의 상기 연료 가스를 보충하는 데 사용될 수 있거나 및/또는 상기 연소기/터빈(490)으로 직접 통과될 수 있다.
도 4에 예시한 동력 사이클 구성 요소들은 이미 앞서 설명되고 도 1에 예시한 하나 또는 그 이상의 요소들을 포함하도록 원하는 바에 따라 보충될 수 있다. 상기 동력 사이클 연소기/터빈(490)은 상기 연소기 배출의 연소 및 팽창 모두를 위해 구성되는 단일의 결합 유닛이 될 수 있거나, 별도의 연소기 및 터빈이 활용될 수 있다. 라인(491) 내의 팽창된 배출은 상기 연소기/터빈을 나가며, 냉각되도록 상기 동력 사이클 열교환기(495)로 통과되며, 라인(496) 내에 냉각된 배출 스트림을 제공한다. 냉각된 배출은 상기 배출 스트림 내에 존재하는 주로 황 화합물들과 선택적으로 임의의 질소 화합물들을 제거하기 위해 상기 DeSNOx 유닛(470) 내에서 처리된다. 황 및/또는 질소 화합물들은 처리나 다른 용도들을 위해 라인(471)을 통해 상기 유닛(470)을 나가며, CO2의 실질적으로 순수한 스트림(예를 들어, 적어도 80몰%, 적어도 90몰%, 적어도 95몰%, 또는 적어도 99몰%의 CO2)은 라인(472) 내에서 나간다. 라인(472) 내의 상기 CO2의 전부 또는 일부는 라인(476)을 통해 상기 동력 사이클 연소기/터빈으로 다시 재순환될 수 있다. 예시한 바와 같이, 라인(472) 내의 상기 CO2의 전부 또는 일부는 라인(476b) 내에서 상기 연소기/터빈(490)로의 통과 이전에 재가열을 위해 라인(476a) 내에서 상기 동력 사이클 열교환기(495)로 통과될 수 있다. 라인(472) 내의 상기 CO2는 상기 연소기/터빈으로 다시 통과되지 이전에 압축기(472a) 내에서 압축될 수 있다.
라인(443) 내의 수소 및 라인(419) 내의 질소는 앞서 이미 설명한 바와 같이 라인(461) 내에 암모니아의 스트림을 제공하도록 상기 암모니아 합성 유닛(460) 내에서 결합될 수 있다. 라인(461) 내의 상기 암모니아의 일부 또는 전부는 라인(481) 내에 요소의 스트림을 생성하도록 상기 요소 합성 유닛(480)으로 통과될 수 있다. 상기 요소 합성 유닛(480)에는 상기 암모니아 합성 유닛으로부터의 암모니아와 함께 상기 동력 생산 사이클로부터의 고압의 이산화탄소가 공급될 수 있다. 상기 요소 합성을 위한 CO2가 라인(474) 내에 제공되며, 라인(476)을 통해 상기 연소기/터빈 유닛(490)으로 재순환되는 상기 CO2와 동일하거나 다른 압력에서 취해질 수 있다. 증기가 라인(482)을 통해 상기 요소 합성 유닛에 투입될 수 있다. 상기 증기는 외부 소스를 포함하는 임의의 적합한 소스로부터 유래될 수 있다. 또한, 증기가 상기 동력 사이클 내에 형성될 수 있는 실시예들에서, 증기는 상기 요소 합성 유닛 내에서의 사용을 위해 상기 동력 사이클로부터 회수될 수 있다. 도 4에 예시한 바와 같이, 증기는 라인(426) 내에서 상기 합성 가스 발생 유닛으로부터 취해질 수 있으며, 라인(426) 내의 상기 증기의 전부 또는 일부는 라인(482)을 통해 상기 요소 합성 유닛(480) 내로 투입될 수 있다. 마찬가지로, 라인(426) 내의 상기 증기의 전부 또는 일부는 라인(462)을 통해 상기 암모니아 합성 유닛(460)으로 투입될 수 있다. 이와 같이, 증기는 라인(463)을 통해 상기 암모니아 합성 유닛(460)으로부터 산출될 수 있으며, 라인(463) 내의 상기 증기의 전부 또는 일부는 라인(482)을 통해 상기 요소 합성 유닛(480) 내로 통과될 수 있다.
상술한 사항들부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 수소 이출 스트림의 공동 생산을 위해 동력 생산 사이클(예를 들어, 수소 결핍된 연료 소스를 활용하는)에 적용되는 설비를 제공할 수 있으며, 이러한 수소 생산을 위해 요구되는 통상적인 가스 처리 장비가 제거되므로, 이러한 프로세스에 의해 동력을 동시에 발생시키고 사실상 배출되는 이산화탄소를 포집하면서 상당한 비용 절감을 가져올 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 설비는 요소와 같이 추가적인 가치가 부여되는 생성물들을 생산하도록 상기 수소 이출 스트림의 일부 또는 전부도 동력 생산 사이클로부터의 이산화탄소 이출 스트림의 일부 또는 전부와 함께 사용될 수 있도록 구성될 수 있다.
실시예들
요소 및 동력의 공동 발생
도 4를 다시 참조하면, 요소 및 동력의 공동 발생이, 일부 실시예들에서, 보다 특정한 프로세스 및 시스템 조건들을 활용하여 이루어질 수 있다. 특히, 공급 원료(라인(421))는 원료 합성 가스(라인(425))를 생성하기 위해 가스화기(gasifier) 또는 SMR 유닛(420)으로 이송된다. 수소는 암모니아 합성을 위한 수소(라인(443))를 제공하도록 압력 순환 흡착(PSA) 분리 유닛(440)을 이용하여 원료 합성 가스로부터 분리된다. CO가 풍부한 합성 가스(라인(445))가 동력 발생을 위해 동력 사이클 연소기 및 터빈(490)으로 이송된다. 터빈 배출(주로 이산화탄소를 함유함)은 고등급의 열 회수를 위해 라인(491)을 통해 상기 동력 사이클 열교환기(495) 내로 향해진다. 상기 열교환기를 나가는 이산화탄소 스트림(라인(496))은 이후에 물 제거를 위해 물 분리기(DeSNOx 유닛(470))로 향하게 된다. 물 제거 칼럼 내에서, 상기 연소 연료 가스로부터의 임의의 SOx 및 NOx가 H2SO4 및 HNO3(라인(471))의 형태들로 제거될 수 있다. 상기 합성 가스 생산에 사용된 석탄으로부터의 황종들은 종래의 산성 가스 제거 프로세스들을 통해 상기 합성 가스로부터 제거될 수 있다. 라인(472) 내의 상기 물 분리기 유닛을 나가는 이산화탄소는 주위 온도 및 약 30bar의 압력에 있을 수 있고, 상기 이산화탄소는 액상의 물 및 SOx/NOx가 실질적으로 없을 수 있다. 이러한 이산화탄소 스트림의 일부(예를 들어, 약 60중량% 내지 약 95중량%, 약 75중량% 내지 약 95중량%, 또는 약 80중량% 내지 약 90중량%)는 라인(476)을 통해 동력 생산 사이클 연소기/터빈으로 다시 이송될 수 있다(바람직하게는 라인들(476a, 476b)을 통해 열 회수를 위해 상기 열교환기(495)로 통과됨). 상기 이산화탄소의 나머지 부분은 라인(474)을 통해 요소 합성 유닛으로 이송될 수 있다. 라인(474) 및 라인(476) 내의 상기 CO2 스트림들 중의 하나 또는 모두는 먼저 선택적인 중간 스테이지 냉각을 구비하는 다중 스테이지의 압축기가 될 수 있는 압축기(472a) 내에서 동일하거나 다른 압력들까지 압축될 수 있다. 라인(419) 내의 질소(예를 들어, 상기 동력 사이클 ASU(410)로부터의) 및 상기 멤브레인 분리기(440)로부터의 라인(443) 내의 수소는 암모니아 합성 유닛(460)으로 이송된다. 상기 암모니아 합성 유닛(460)의 동작 조건은 약 200bar-250 및 약 400℃ 내지 약 500℃가 될 수 있다. 이에 따라, 상기 질소 및 상기 수소 모두는 바람직하게는 압축되고 미리 가열된 상태로 제공된다. 상기 암모니아 합성 프로세스의 열원은 유닛(490) 내의 상기 터빈 배출, 냉각되지 않은 압축기(예를 들어, 상기 ASU(410)나 상기 CO2 압축기(472a) 내), 또는 상기 시스템 내의 다른 열원으로부터 유래될 수 있다. 상기 암모니아 합성 유닛(460)으로부터 내에 생성되는 암모니아는 화학적 생성물로 판매될 수 있거나, 상기 동력 생산 사이클(라인(474))로부터의 실질적으로 순수한 이산화탄소와 함께 요소 합성 유닛(480)으로 이송될 수 있다.
수소 및 동력의 공동 발생
공급 원료는 원료 합성 가스(라인(425))를 생성하기 위해 가스화기 또는 SMR 유닛(예를 들어, 유닛(420))으로 이송된다. 수소는 암모니아 및 요소(앞서의 실시예 참조) 또는 수소 처리와 같은 정제 동작들과 같이 하나 또는 그 이상의 화학 물질들의 합성을 위해 PSA 분리 유닛(440)을 이용하여 원료 합성 가스로부터 분리된다. 수소-결핍 합성 가스(라인(445))는 동력 생산을 위해 동력 사이클 연소기 및 터빈(490)으로 이송된다. 터빈 배출(주로 이산화탄소를 함유함)은 고등급의 열 회수를 위해 라인(491)을 통해 상기 동력 사이클 열교환기(495)로 향하게 된다. 상기 열교환기를 나가는 이산화탄소 스트림은 이후에 라인(496)을 통해 물 제거를 위한 물 분리기(상기 DeSNOx 유닛(470) 또는 간단한 물 분리 유닛(도 1의 요소(130) 참조)이 될 수 있는)로 향해진다. 상기 합성 가스 생산에 사용된 석탄으로부터의 황종들은 종래의 산성 가스 제거 프로세스들을 통해 상기 합성 가스로부터 제거될 수 있으며, 이러한 프로세스들은 합성 가스 발생 유닛(420) 내에 포함되는 유닛들이 될 수 있다. 상기 물 분리기 유닛(라인(472))을 나가는 이산화탄소는 주위 온도 및 약 30bar의 압력에 있을 수 있고, 상기 이산화탄소는 액상의 물 및 SOx/NOx가 실질적으로 없을 수 있다. 이러한 이산화탄소 스트림의 전부 또는 일부는 앞서 달리 설명한 바와 같이 상기 동력 생산 사이클 연소기/터빈으로 다시 이송될 수 있다. 생성된 수소는 암모니아와 같은 다른 화학 물질들의 합성을 위해 사용될 수 있거나, 탄화수소들의 수소 처리와 같은 다른 프로세스들로 직접 공급될 수 있다. 상기 이산화탄소의 임의의 나머지 부분은 선택적인 라인(474a)을 통해 영구적인 지중 격리로 행하게 될 수 있거나, 탄화수소 합성 유닛(485)으로 이송될 수 있으며, 여기서 H2가 재생 가능하고 CO2-가 없는 소스들로부터 추가적인 탄화수소 생성물을 발생시키도록 공급될 수 있다. 라인(444) 내의 H2는 하나 또는 그 이상의 외부 소스들로부터 상기 탄화수소 합성 유닛(485)으로 통과될 수 있다. 이러한 수소 소스는 바람직하게는 재생 가능하고, 낮은 이산화탄소 배출 또는 이산화탄소 배출과 연관되지 않는 소스로부터 유래된다. 상기 탄화수소 합성 유닛(485) 내에서의 사용을 위한 CO2는 상기 동력 사이클로부터(또는 상기 동력 사이클 내의 또 다른 CO2를 함유하는 스트림으로부터) 라인(474a) 내에서 취해질 수 있거나 및/또는 상기 CO2 분리 유닛(250)을 나가는 라인(251)으로부터 취해질 수 있다. CO2 및 H2는 합성 촉매의 존재 하에서 약 200℃ 내지 약 400℃ 또는 약 250℃ 내지 약 350℃(예를 들어, 300℃ 부근)의 온도 및 약 20bar 내지 약 40bar 또는 약 25bar 내지 약 35bar(예를 들어, 30bar 부근)의 압력에서 합성 반응기(485) 내에서 반응된다. 상기 터빈 배출로부터의 CO2는 300℃까지 아래로 냉각될 수 있고, 압축 이전이나 이후에 라인(474a)을 통해 상기 합성 반응기로 직접 이송될 수 있다. 상기 합성이 발열 반응이기 때문에, 상기 프로세스로부터 방출되는 열이 상기 동력 사이클 효율을 증가시키기 위해 상기 재순환되는 CO2를 예열하는 데 이용될 수 있다.
본 발명에 개시되는 주제의 많은 변형들과 다른 실시예들은 이러한 주제가 앞서의 설명들 및 관련된 도면들에서 제시되는 교시들의 이점을 가지는 것으로 해당 기술 분야의 숙련자에게 이해될 것이다. 이에 따라, 본 발명이 여기서 설명되는 특정한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 변형들과 다른 실시예들이 첨부된 특허 청구 범위의 범주 내에 속하도록 의도되는 점이 이해될 것이다. 비록 특정한 용어들이 여기에 사용되지만, 이들은 일반적이고 서술적인 의미로만 사용되며, 제한의 목적을 위해 사용되는 것은 아니다.

Claims (23)

  1. 동력 및 하나 또는 그 이상의 화학적 생성물들의 공동 발생을 위한 방법에 있어서,
    동력을 발생시키기 위해 효과적인 동력 생산 사이클을 수행하는 단계;
    적어도 일산화탄소 및 수소를 포함하는 가열된 스트림을 제공하는 단계;
    상기 동력 생산 사이클 내의 적어도 하나의 스트림으로 열이 전달되고, 적어도 일산화탄소 및 수소를 포함하는 냉각된 스트림이 제공되도록 상기 적어도 일산화탄소 및 수소를 포함하는 가열된 스트림을 냉각하는 단계; 및
    주로 수소를 포함하는 스트림을 제공하기 위해 상기 적어도 일산화탄소 및 수소를 포함하는 냉각된 스트림에 하나 또는 그 이상의 정화 단계들을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 동력 생산 사이클을 수행하는 단계는 연료가 CO2를 포함하는 동작 유체(working fluid)의 존재에서 연소되는 연소 단계를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 일산화탄소 및 수소를 포함하는 가열된 스트림은 합성 가스 스트림인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 합성 가스 스트림은 합성 가스 발생 유닛 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 동력 생산 사이클 내에서 생성되는 열은 상기 합성 가스 발생 유닛으로 전달되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 적어도 일산화탄소 및 수소를 포함하는 가열된 스트림으로부터의 열은 상기 동력 생산 사이클 내에서 재순환되는 CO2의 스트림으로 전달되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 적어도 일산화탄소 및 수소를 포함하는 냉각된 스트림의 일부를 내부의 연소를 위해 상기 동력 생산 사이클로 통과시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 적어도 일산화탄소 및 수소를 포함하는 냉각된 스트림에 하나 또는 그 이상의 정화 단계들을 수행하는 단계는 수소-결핍(hydrogen-depleted) 스트림인 제2 스트림을 제공하는 데 효과적인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 수소-결핍 스트림의 적어도 일부는 내부의 연소를 위해 상기 동력 생산 사이클로 통과시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 수소-결핍 스트림의 적어도 일부를 그로부터 이산화탄소를 분리하도록 구성되는 분리 유닛으로 통과시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 분리 유닛은 상기 수소-결핍 스트림의 적어도 일부를 액화된 형태로의 상기 이산화탄소의 분리를 위해 충분한 온도까지 냉각하도록 구성되는 저온의 CO2 분리 유닛인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 저온의 CO2 분리 유닛은 상기 수소-결핍 스트림의 적어도 일부를 상기 수소-결핍 스트림의 적어도 일부의 동결 온도보다 약 2℃ 내지 약 25℃ 큰 온도까지 냉각하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 주로 수소를 포함하는 스트림의 적어도 일부를 암모니아를 형성하는 데 효과적인 조건들 하에서 질소 소스로부터의 질소와 결합시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 질소 소스는 공기 분리 유닛인 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 공기 분리 유닛으로부터의 산소는 상기 동력 생산 사이클 및 합성 가스 발생 유닛 중의 하나 또는 모두에서 산화제로 활용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제13항에 있어서, 요소(urea)를 형성하는 데 효과적인 조건들 하에서 이산화탄소를 상기 암모니아의 적어도 일부와 결합시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 이산화탄소의 적어도 일부는 상기 동력 생산 사이클로부터 회수되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 동력 및 하나 또는 그 이상의 화학적 생성물들의 공동 발생을 위한 시스템에 있어서,
    동력 발생을 위해 구성되는 동력 사이클 유닛;
    가열된 합성 가스 스트림을 제공하기 위해 효과적인 합성 가스 발생 유닛;
    열을 상기 가열된 합성 가스 스트림으로부터 상기 동력 사이클 유닛 내의 적어도 하나의 스트림과 교환시키고, 냉각된 합성 가스 스트림을 제공하기 위해 구성되는 하나 또는 그 이상의 열교환 요소들; 및
    상기 냉각된 합성 가스 스트림을 주로 수소를 포함하는 제1 스트림 및 제2 스트림으로 분리시키도록 구성되는 적어도 하나의 분리 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 주로 수소를 포함하는 제1 스트림의 적어도 일부를 수용하고, 질소를 포함하는 스트림을 수용하며, 암모니아를 포함하는 스트림을 형성하도록 구성되는 암모니아 합성 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 상기 동력 사이클에 산소를 제공하며, 상기 암모니아 합성 유닛에 상기 질소를 포함하는 스트림을 제공하기 위해 구성되는 공기 분리 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  21. 제19항에 있어서, 상기 암모니아를 포함하는 스트림의 적어도 일부를 수용하고, 이산화탄소를 포함하는 스트림을 수용하며, 요소를 포함하는 스트림을 형성하도록 구성되는 요소 합성 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제2 스트림의 적어도 일부를 수용하며, 상기 이산화탄소를 포함하는 스트림을 제공하도록 구성되는 CO2 분리 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  23. 제18항에 있어서, 상기 적어도 하나의 분리 유닛은 멤브레인 분리기 및 압력 순환 흡착(pressure swing adsorption) 유닛 중의 하나 또는 모두를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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