KR20230022859A - 수소의 생산 방법 - Google Patents

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KR20230022859A
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로버르트 사우버나르
마이클 털리
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쉘 인터내셔날 리써취 마트샤피지 비.브이.
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Abstract

본 발명은 수소의 생산을 위한 방법에 관한 것이다. 수소는 많은 상이한 화학적 및 산업적 공정에서 사용된다. 수소는 또한, 이것이 사용될 때 어떤 이산화탄소 배출도 생성하지 않으므로 미래의 수송 및 기타 용도를 위한 중요한 연료이다. 본 발명은 탄화수소를 부분 산화시켜 합성 가스를 수득하고, 합성 가스를 일산화탄소가 이산화탄소로 전환되는 반응기에 제공하여 이산화탄소를 제거하여 수소를 수득하는 단계를 포함하는 수소를 생산하기 위한 공정을 제공한다. 이산화탄소는 화학적 공정에서 사용되고/되거나 지질학적 저장고 내에 보관된다.

Description

수소의 생산 방법
본 발명은 수소의 생산을 위한 방법에 관한 것이다.
수소는 많은 상이한 화학적 및 산업적 공정에서 사용된다. 수소는 또한, 이것이 사용될 때 어떤 이산화탄소 배출도 생성하지 않으므로 미래의 수송 및 기타 용도를 위한 중요한 연료이다.
수소를 생산하는 여러가지 방법이 있다. 수소는 물을 전기분해를 겪도록 함으로써 생산될 수 있거나, 탄화수소를 수소 및 일산화탄소(CO)를 포함하는 합성 가스로 전환함으로써 및 추가로 일산화탄소를 수증기와 함께 수소 및 이산화탄소로 전환하고 뒤이은 하나 이상의 정제 단계에 의해 탄화수소로부터 생산될 수 있다.
물의 전기분해는, 전기분해를 위해 사용되는 에너지가 비-탄화수소 공급원, 예컨대 풍력 또는 태양 에너지로부터 수득되는 한, 이산화탄소가 없는 수소의 생산을 허용한다. 수소가 탄화수소를 사용하지 않고 생성되는 경우에, 이것은 종종 그린 수소로 지칭된다. 현재는, 수소를 수득하기 위한 전기분해에 기반한 공정은 매우 비싸다.
탄화수소로부터의 수소의 제조는 전기분해보다 경제적으로 유리하지만, 이것은 부산물로서 이산화탄소가 생산된다는 불리한 점을 갖는다. 이산화탄소의 생산은 예를 들어 연료 전지의 연료로서 수소를 사용하는 환경적 이점을 없앤다.
탄화수소로부터의 수소의 제조를 위한 공정은 수증기 개질이다. 수증기 개질은 당해 분야에 널리 공지되어 있다. 전형적으로 메탄(CH4) 포함 공급 가스가 적합한 수증기 개질 촉매의 존재 하에서 수증기와 반응한다. 수증기 개질 반응은:
CH4 + H2O → CO + 3H2 이다.
불리하게도, (수증기) 개질은 이것이 강한 흡열 반응이므로, 에너지, 특히 열을 필요로 한다. (수증기) 개질을 위해 필요한 에너지, 특히 열은 연료 또는 천연 가스의 연소의 수단에 의해 생성될 수 있다. 불리한 점은 연료 연소 및 천연 가스 연소는 저농도의 이산화탄소와 함께 저압 배기 가스를 초래한다는 점이다. 이러한 배기 가스로부터의 이산화탄소의 포획은 이산화탄소를 농축하는 분리 공정, 및 격리를 위한 가압을 필요로 한다.
개질의 사용의 추가의 불리한 점은 반응이 촉매를 필요로 한다는 점이다. 촉매는 그들이 그들의 수명의 끝에 도달했을 때 또는 그들이 오염되었을 때 교환될 필요가 있다. 이것은 개질기(reformer)가 오프라인으로 전해지는 것을 필요로 하며 합성 가스의 생산을 방해한다.
추가로, 개질기에의 공급은 개질기에 진입하기 전에 철저히 처리될 필요가 있다. 이것은 합성 가스의 생산 시 개질을 사용하는 공장의 비용 및 복잡성에 더하여 비싼 가스 처리 또는 공급 처리가 요구됨을 의미한다.
수증기 개질의 사용의 또다른 단점은 합성 가스, 및 결과적으로 수소가 추가의 사용을 위해 압축을 필요로 하는 비교적 낮은 압력에서 생산된다는 점이다.
이런 이유로, H2 및 이산화탄소를 생산하는 선행 기술 방법의 단점은 H2 및 이산화탄소가 비교적 낮은 압력에서 생산되며 에너지 집약적이어서 추가적인 이산화탄소 배출을 초래한다는 점이다.
본 발명은 다음의 단계를 포함하는 수소(H2)의 생산을 위한 공정을 제공한다:
부분 산화(POX) 반응기에 산화 가스 및, 탄화수소를 포함하는 가스를 제공하여 수소 및 일산화탄소를 포함하는 합성 가스를 수득하는 단계로서, 부분 산화 반응기는 1000 내지 1500℃의 범위의 온도에서 및 적어도 40 barg의 압력에서 작동되는 단계;
뜨거운 합성 가스를 300℃ 미만의 온도로 냉각하여 냉각된 합성 가스를 수득하는 단계;
냉각된 합성 가스 및 물을 제2 반응기에 제공하여 수소 및 이산화탄소를 포함하는 가스 혼합물을 수득하는 단계로서, 반응기는 200℃ 내지 480℃의 범위의 온도에서 작동되고, 물의 존재 하에서 일산화탄소를 이산화탄소 및 수소로 전환하는 촉매를 포함하는 단계;
가스 혼합물을 이산화탄소 제거 유닛(unit)에 제공하여 수소 풍부 가스 스트림(stream) 및 적어도 13 barg의 압력을 갖는 제1 이산화탄소 풍부 가스 스트림 및 적어도 0.7 barg의 압력을 갖는 제2 이산화탄소 풍부 가스 스트림을 수득하는 단계;
제1 및 제2 이산화탄소 풍부 가스 스트림을 압축 유닛에 제공하여 적어도 40 barg의 압력을 갖는 제3 이산화탄소 가스 스트림을 수득하는 단계;
화학적 공정에서 이산화탄소를 이용하고/하거나 이산화탄소를 지질학적 저장고 내에 보관하는 단계.
도 1은 본 발명에 따른 배열(line-up)을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 배열을 나타낸다.
본 발명은 수소를 생산하기 위한 개선된 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 방법은 생산된 이산화탄소의 대부분의 포획, 및 격리를 위한 압축을 허용한다. 이에 따라, 대기 중으로 배출되는 이산화탄소가 거의 또는 전혀 없이 수소가 생산될 수 있다.
본 발명의 추가의 이점은, 방법이 POX 반응기에의 공급 가스 중에 황이 존재하는 동안 작동될 수 있다는 점이다.
추가의 이점은, 선행 기술 방법과 비교하여 높은 작동 온도로 인해 본 발명은 높은 작동 압력에서의 매우 높은 탄화수소 전환을 보장한다는 점이다. 본 발명의 방법으로서 선행 기술 방법보다 훨씬 더 높은 압력에서 작동될 수 있다. 수소는 최대 60 barg의 압력에서 수득될 수 있다. 선행 기술과 비교하여, 보다 높은 압력에서 수소가 수득될 수 있으므로, 보다 적은 압축 부하(duty)를 요구하는 수소 압축 단계가 필요하거나 수소의 압축이 필요하지 않다.
본 발명은 저-압력 이산화탄소만이 생산되는 기타 유사한 공지된 해결책과 비교하여 적당히 높은 압력에서 낮은 압력까지 이산화탄소를 생산한다. 그러므로, 본 발명의 이산화탄소 압축 부하는 보다 낮다.
본 발명은 에너지를 생산하고 내부적으로 사용함으로써 기타 유사한 해결책과 비교하여 유의하게 보다 적은 동력 수입을 필요로 한다.
본 발명에 따른 방법은 부분 산화(POX) 반응기에 산화 가스 및, 탄화수소를 포함하는 가스를 제공하여 수소 및 일산화탄소를 포함하는 합성 가스를 수득하는 단계로서, 부분 산화 반응기가 1000 내지 1500℃의 범위의 온도에서 및 적어도 40 barg의 압력에서 작동되는 단계를 포함한다.
바람직한 구현예에서, 산화 가스 및 수소 함유 가스는 단일의 POX 반응기에 제공된다. POX 공정에서 부분 산화 반응기는 내화 라이닝(lining)이 있는 반응기 베쓸 내의 상단에 놓인 연소기(burner)를 전형적으로 포함한다. 반응물은 연소기를 통해 반응기의 상단에 도입된다.
이 POX 단계에서, 탄화수소 포함 가스는 1000 내지 1500 ℃의 범위의 및 바람직하게는 1150 내지 1370℃의 범위의 및 보다 바람직하게는 1250 내지 1370℃의 범위의 온도에서 산화 가스와 반응되어 부분 산화의 수단에 의해 뜨거운 원료 합성 가스 혼합물을 수득한다. 일어나는 주요 반응은:
CH4 + ½O2 → CO + 2H2 이다.
이 POX 공정에서 POX 반응기의 상단에서 연소기 내로 공급된 모든 산화 가스가 반응기 내에서 반응한다. 주요 반응 생산물은 일산화탄소 및 수소이지만, 기타 구성요소, 예컨대 수증기(H2O)가 또한 형성된다. 본 발명의 경우에, 수소는 달리 언급되지 않는 한 분자 수소를 의미한다.
수소의 생산 시 POX를 사용하는 것은 여러가지 이점을 갖는다. 첫째, 이것은 개질과 비교하여 상승된 압력에서의 작동을 허용한다. 이것은 POX 반응기의 다운스트림에서 보다 높은 압력이 유지될 수 있다는 이점을 가질 뿐만 아니라, 개질에 기반한 방법과 비교하여 수소 풍부 가스 스트림이 추가의 압축을 요구하지 않거나 더 적은 압축을 요구하는 압력에서 수득될 수 있다는 결과를 갖는다.
둘째, 임의의 생산된 이산화탄소는 고-압력 생산물 스트림의 일부이며 개별적인 저-압력 연도 가스 스트림이 아니다. 이것은, 수소의 생산 동안 발생하는 이산화탄소가, 이것이 지하 저장고에 주입되거나 기타 공정에서 사용되기 전에 더 적은 압축을 필요로 한다는 이점을 갖는다. 더 적은 압축이 요구되므로, 요구되는 압축 하드웨어는 개질에 의존하는 공정의 경우보다 적다. 이산화탄소가 상승된 압력에서 보관될 필요가 있는 경우에 POX의 사용은 개질을 사용하는 것보다 더 에너지 효율적이다.
셋째, POX는 개질보다 더 적은 에너지를 요구한다. 개질은 생성될 필요가 있는 수증기를 필요로 하며 반응은 흡열성이다. 반면에 POX는 발열성이며 에너지를 요구하지 않는다.
사용되는 산화 가스는 산소 또는 산소-함유 가스이다. 적합한 가스는 공기(약 21 부피%의 산소 함유) 및 산소 풍부 공기를 포함하며, 이는 적어도 60 부피% 산소, 보다 적합하게는 적어도 95 부피% 및 심지어 적어도 99.5 부피%의 산소를 함유할 수 있다. 이러한 실질적으로 순수한 산소는 바람직하게는 물 분해기, 극저온 공기 분리 공정으로부터 또는 소위 이온 수송 막 공정에 의해 수득된다.
산소는 또한 하나 이상의 공기 분리 유닛(ASU)으로 수득될 수 있다. ASU는 공기를 이의 질소 및 산소 구성요소로 나눈다.
공기가 산소의 공급원으로서 사용되는 경우에, 질소 생산물 스트림이 또한 수득된다. 수득된 질소는 비료의 생산 시 원료로서 사용되기에 적합하다.
본 발명에 따르면, 물 분해기는 수소 풍부 가스 스트림 및 산소 풍부 가스 스트림의 적어도 일부를 생산하기 위해 사용될 수 있다. 산소 풍부 가스 스트림은 POX 반응기에 제공되고 수소 풍부 스트림은 이산화탄소 제거 유닛으로부터 수득된 수소 풍부 스트림에 첨가될 수 있다. 물 분해기는 물을 수소 및 산소로 분리하는 장치이다. 이러한 물 분해기는, 무엇보다도, 전기 에너지를 사용한 물의 전기분해, 광전기화학적 물 분해, 광촉매 물 분해, 물의 열 분해 및 기타 당해 분야에 공지된 물 분해의 방법일 수 있다. 바람직한 물 분해기는 전해조이다. 물 분해를 위한 에너지 공급원은 유리하게는 재생가능한 동력원, 예컨대 태양 및/또는 풍력에 의해 제공될 것이다.
본 개시내용에 따르면, 물 분해기로부터의 산소 풍부 가스 스트림은 유리하게는 액화되고, 임의로 보관되고, 공급물로서 사용되기 전에 재-기화될 수 있다.
탄화수소는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 및 이들의 조합물로부터 선택될 수 있지만, 또한 생물가스일 수 있다. 기타 탄화수소 공급원은 천연 가스, 산업 공정으로부터의 오프 가스 또는 정제 연료 가스이다.
적합한 메탄 포함 공급물의 예는 (석탄층) 메탄, 천연 가스, 생물가스 연관 가서, 정제 가스 또는 C1-C4 탄화수소의 혼합물을 포함한다. 메탄 포함 공급물은 적합하게는 90 v/v% 초과, 특히 94% 초과의 C1-C4 탄화수소 및 적어도 60 v/v%의 메탄, 바람직하게는 적어도 75 v/v%, 보다 바람직하게는 적어도 90 v/v%을 포함한다. 보다 바람직하게는 천연 가스가 사용된다.
POX 반응기로부터 수득된 뜨거운 합성 가스는 300℃ 이하의 온도로 냉각된다. POX 공정에서 형성된 합성 가스는 효과적인 열 회수 목적을 위해 임의로 다수의 과정에서 냉각된다.
한 구현예에서 POX 반응기로부터 기인된 뜨거운 합성 가스는 물에 대한 간접적인 열 교환에 의해 냉각되어 포화된 수증기 및/또는 과열된 수증기 및 냉각된 합성 가스를 생산한다. 물에 대한 간접적인 열 교환은 물이 냉각제로서 사용되지만, 뜨거운 합성 가스가 직접적으로 냉각제와 접촉하지 않는 것을 의미한다. 냉각제는 뜨거운 합성 가스가 흐르는 튜브와 접촉한다. 열은 튜브 벽을 통해 냉각제로 교환된다. 냉각 시 합성 가스 수증기가 생산된다. 한 구현예에서 생성된 수증기는 전이 반응(shift reaction)의 수증기 요구를 충족시키기 위해 냉각기의 다운스트림에 위치한 제2 반응기에 제공된다. 한 구현예에서 생성된 수증기의 일부는 과열되고 수증기 터빈(turbine)에서 동력 생성을 위해 사용된다.
물에 대한 간접적인 열 교환에 의해 합성 가스를 수득하여 포화된 수증기 및/또는 과열된 수증기를 생산하기 위한, POX 반응으로부터 생성되는 뜨거운 합성 가스의 냉각은 바람직하게는 5 내지 15 Mpa의 압력을 갖는 열 교환기 내에서 이루어진다. 뜨거운 합성 가스는 450℃ 미만의 온도로 뜨거운 합성 가스에 대한 물의 간접적인 열 교환에 의해 냉각된다. 한 구현예에서 열 교환기는 베쓸의 수직 축 주위에 나선형으로 형성된 하나 이상의 도관을 포함하는 수직으로 배향된 베쓸이다. 베쓸은, 나선형으로 형성된 도관을 통한 뜨거운 가스의 위쪽으로의 통과를 위한 도관의 하단에 유동적으로 연결된 뜨거운 합성 가스용 입구, 도관의 상단에 유동적으로 연결된 냉각된 합성 가스용 출구, 신선한 물용 제2 입구 및 수증기용 베쓸 출구의 설비가 있다. 베쓸은 추가로 베쓸의 하단 내의 수조 공간 및 상기 수조 공간 위의 포화된 수증기 수집 공간의 설비가 있다. 나선형으로 형성된 도관은 수조 공간 내에 위치한 나선형으로 형성된 증발 섹션을 포함하고 베쓸의 상단에 추가적으로 나선형으로 형성된 과열기 섹션을 가질 수 있으며, 여기서 과열기 섹션의 하나 이상의 도관들 각각은 제2 도관에 의해 개별적으로 둘러싸여 상기 과열기 도관 및 상기 제2 도관 사이에 환형 공간을 형성한다. 환형 공간은 포화된 수증기 수집 공간과 유동적으로 연결된 포화된 수증기용 입구 및 상기 환형 공간의 반대 말단에 위치하고 수증기용 베쓸 출구에 유동적으로 연결된 수증기용 출구의 설비가 있으며, 여기서 수증기용 출구 또는 입구는 수조 공간 내에 위치한다.
열 교환기에서 포화된 수증기는 환형 공간을 통해 뜨거운 가스와 병류로 또는 뜨거운 가스와 반대 방향으로 흐를 수 있다. 병류 구현예에서, 입구는 수증기 공간의 하단 섹션 내의 수조 공간의 살짝 위의 공간 내에 놓인다. 냉각기의 반대 방향의 구현예에서 입구는 포화된 수증기 공간의 상단에 놓인다. 병류 구현예의 경우에서 바람직하게는 포화된 수증기 수집 공간으로부터 입구로 포화된 수증기를 공급하기 위한 개별적인 공급 도관이 존재할 것이다.
한 구현예에서 이전에 논의된 간접적인 냉각에 의한 냉각 단계에서 수득된 합성 가스는 HC 함유 가스 또는 보일러 공급수에 대한 간접적인 열 교환에 의해 추가로 냉각되어 200℃ 이하의 온도에서의 냉각된 합성 가스 및 예열된 탄화수소 포함 가스 또는 보일러 공급수를 수득한다. 예열된 탄화수소 포함 가스는 POX 반응기에 제공된다. 이에 따라 본 구현예에 따른 냉각 단계에서 수득된 냉각된 합성 가스는 200℃ 이하의 온도를 갖는다.
한 구현예에서 POX 반응으로부터 생성된 뜨거운 합성 가스는 수조에서 퀀칭함으로써 냉각되어 300℃ 미만의 냉각된 및 물 풍부 합성 가스를 생산한다. 합성 가스를 물로 퀀칭하는 것은 합성 가스가 물과 직접 접촉되고 물의 증발분에 의해 냉각되는 수조 내로 보내지는 것을 의미한다. 바람직한 구현예에서 수조는 반응기 베쓸의 하부 내에 위치하며, 여기서 내화 라이닝 반응 섹션이 냉각된 침적관을 통해 수조 섹션과 연결된다. 침적관은 수위 아래로 수조 내로 합성가스를 배출한다. 물 및 뜨거운 합성 가스의 직접 접촉으로 인해, 다량의 물이 증발된다. 그럼으로써, 냉각된 합성 가스가 생산된다. 본 구현예에서 수득된 냉각된 합성은 물이 풍부하다.
한 구현예에서 냉각된 합성 가스는 그을음 가스 세정기(scrubber)에 제공된다. 그을음 가스 세정기에서 그을음 함유 합성 가스는, 냉수가 합성 가스 중의 대부분의 수증기를 응축하고 가스에서 그을음 입자를 세척하는 팩킹(packing)을 통해 세척수에 대해 반대 방향으로 흐르고 있다. 대부분의 세척수가 냉각되어 그을음 가스 세정기의 상단으로 돌아가 재활용된다. 그럼으로써, 그을음 가스 세정기에서, POX 반응기에서 생성되고 합성 가스 중에 존재하는 그을음이 제거된다.
본 발명은 냉각된 합성 가스 및 임의로 세정된 합성 가스, 및 물이 제2 반응기에 제공되는 단계를 추가로 제공한다. 물은 바람직하게는 수증기의 형태로 제공된다. 제2 반응기에서 물 및 합성 가스는 촉매와 접촉한다. 촉매는 물의 존재 하에서 일산화탄소를 이산화탄소 및 수소로 전환하여, 수소 및 이산화탄소를 포함하는 가스 혼합물을 수득한다. 일산화탄소의 수소 및 이산화탄소로의 전환은 수성 가스 전이 반응으로 지칭된다. 제2 반응기는 수성 가스 전이 반응기로 또한 지칭될 수 있다. 일어나는 반응은 다음과 같다:
CO + H2O → CO2 + H2.
일산화탄소의 이산화탄소로의 전환은 적어도 90%이다. 이것은 반응기에 제공된 일산화탄소의 적어도 90%가 이산화탄소로 전환된다는 것을 의미한다. 바람직하게는, 일산화탄소의 이산화탄소로의 전환은 적어도 95%이다.
본 발명의 한 구현예에서 수성 가스 전이 반응을 위한 촉매는 통상적인 CoMo 사워 가스 전이 촉매, CoMo 저증기 사워 가스 전이 촉매, CuZn 고온 전이 촉매, CuZn 중간 온도 전이 촉매, CuZn 등온 전이 촉매, CuZn 저온 전이, 또는 ZnAl 저증기 고온 전이 촉매, 또는 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된다.
한 구현예에서 합성 가스 냉각 단계로부터 수득된 수증기의 일부는 제2 반응기에 제공된다. 합성 가스의 냉각에 의해 생성된 수증기를 사용함으로써, 전이 반응에 필요한 수증기의 생성을 위해 어떤 추가적인 에너지도 요구되지 않는다.
추가의 구현예에서 냉각되고 임의로 세정된 합성 가스는, 수증기와 함께 혼합되고 그후에 반응기에 제공되기에 앞서 포화기 컬럼(colimn) 내에서 물과 혼합된다. 냉각된 합성 가스가 포화기에 먼저 제공되는 경우에서, 본 발명의 방법은 공동(cavity), 제1 입구, 제2 입구, 및 포화기/베쓸의 공동에 유동적으로 연결된, 컬럼의 상단의 적어도 하나의 출구 및 컬럼의 하단의 제2 출구를 갖는 포화기 컬럼 내에서 물과 함께 합성 가스를 포화시키는 단계를 포함하고, 여기서 제1 입구는 제2 입구보다 포화기 컬럼의 더 하단에 위치하며, 다음의 단계를 포함한다:
Figure pct00001
제1 입구를 통해 합성 가스를 포화기 컬럼의 공동에 제공하는 단계;
Figure pct00002
제2 입구를 통해 물을 컬럼 내의 공동에 제공하는 단계;
Figure pct00003
물 및 합성 가스를 공동 내에서 반대 방향으로 접촉하도록 허용하는 단계;
Figure pct00004
물이 합성 가스를 가열하는 반면 합성 가스가 포화될 때까지 물의 일부가 증기 상으로 증발하는 단계;
Figure pct00005
컬럼으로부터 상단의 출구를 통해 포화된 합성 가스를 회수하는 단계;
Figure pct00006
하단의 출구로부터 잔여의 물을 회수하는 단계.
임의로 수성 가스 전이 단계로부터 수득된 가스 혼합물은 불포화기에 제공되어 나머지 물을 제거한다. 이들은 당해 분야에 널리 공지되어 있다.
본 발명의 한 구현예에서 제2 반응기는 수성 가스 전이 반응기이며 제2 반응기로부터 수득된 가스 스트림은 추가의 수성 가스 전이 반응기에 제공된다. 추가의 수성 가스 전이 반응기는 제2 반응기와 유사하거나 이보다 낮은 입구 온도에서 작동될 수 있으며 같거나 상이한 촉매를 가질 수 있다. 2개의 수성 가스 전이 반응기를 연속하여 적용함으로써 보다 많은 일산화탄소가 이산화탄소로 전환된다.
본 발명에 따른 방법에서 수소 및 이산화탄소를 포함하는 가스 혼합물이 이산화탄소 제거 유닛에 제공되어 제1 수소 풍부 가스 스트림 및 적어도 13 barg의 압력을 갖는 제1 이산화탄소 풍부 가스 스트림 및 적어도 0.7 barg의 압력을 갖는 제2 이산화탄소 풍부 가스 스트림을 수득한다.
바람직하게는 이산화탄소 제거 유닛은 용매가 있는 컬럼을 포함한다. 한 구현예에서 수성 가스 전이 반응기로부터 수득된 가스 혼합물이 컬럼에 제공되고 컬럼 내에서 용매와 접촉된다. 이산화탄소 제거 유닛은 바람직하게는 디이소프로판올아민, 메틸 디에탄올아민(MDEA), 피페라진, 술포란 또는 이들의 혼합물 및 바람직하게는 MDEA, 피페라진 또는 술포란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 흡수제를 포함하는 수성 흡수성 용액을 포함한다. MDEA는 바람직하게는 20 wt% 내지 60 wt%의 범위의 양으로, 피페라진은 2 wt% 내지 7 wt%의 범위의 양으로 및 술포란은 0 wt% 내지 35 wt%의 범위의 양으로 존재한다(wt%는 수성 용액의 총 중량에 상대적이다).
본 발명의 한 구현예에서 이산화탄소가 수소 및 이산화탄소 함유 가스 스트림으로부터 제거되는 단계는 다음의 단계를 포함한다:
a) 흡수 단계로서 여기서 수소 및 이산화탄소 함유 가스는 수성 흡수성 용액과 반대 방향으로 접촉되고 수소가 풍부하고 감소된 이산화탄소 함량을 갖는 생산물 스트림 및 이산화탄소가 풍부한 액체 흡수성 용액을 형성하는 단계;
b) 이산화탄소가 풍부한 액체 흡수성 용액을 적어도 13 barg의 압력으로 갑자기 증발시켜 흡수성 용액 내의 이산화탄소의 적어도 50%를 배출시키고, 이산화탄소를 포함하는 제1 가스 스트림 및 이산화탄소를 포함하는 제2 흡수성 용액을 수득하는 단계;
c) 이산화탄소를 포함하는 제2 흡수성 용액을 재생성 컬럼에 제공하는 단계;
d) 흡수성 용액을 재생성하는 단계로서 여기서 단계 b)로부터 수득된 이산화탄소를 포함하는 제2 흡수성 용액은 이산화탄소의 적어도 일부를 배출하도록 처리되며, 그럼으로써 이산화탄소가 희박한 재생성된 액체 흡수성 용액 및 이산화탄소를 함유하고 적어도 0.7 barg의 압력을 갖는 제2 가스 스트림을 형성하는 단계, 및
e) 단계 d)로부터의 희박한 흡수성 용액의 적어도 일부를 단계 a)에 대해 수성 흡수성 용액의 적어도 일부로서 재활용하는 단계.
방법은 적어도 43 barg의 압력을 갖는 제3 이산화탄소 풍부 가스 스트림을 수득하기 위해 압축 유닛에의 제1 및 제2 이산화탄소 풍부 가스 스트림의 단계를 추가로 포함한다. 압축 유닛은 가스 스트림의 압력을 기타 화학적 공정에서의 이산화탄소의 추가의 사용 또는 지질학적 저장고에의 주입을 허용하는 수준으로 상승시킨다. 이산화탄소의 일부가 적어도 13 barg의 압력에서 수득된다는 점이 본 발명의 이점이다. 이것은 탄화수소로부터 수소를 수득하기 위한 선행 기술 방법과 비교하여 상승된 압력 수준에 있으므로, 보다 적은 압축 유닛이 이산화탄소를 위해 요구되며 이 방법을 경제적으로 보다 유리하게 만든다. 또한, 압축 유닛이 작을수록 덜 복잡하여 유지 보수를 용이하게 한다.
본 발명의 한 구현예에서 이산화탄소 압축 유닛은 연속하여 유동적으로 연결된 적어도 3개의 압축기 과정, 제1, 제2 및 제3 압축기 과정을 포함한다. 제1 및 제2 이산화탄소 풍부 가스 스트림의 이러한 압축 유닛에의 제공 및 이의 작동은 다음의 단계를 포함한다:
Figure pct00007
제2 이산화탄소 풍부 가스 스트림을 제1 압축기 과정에 제공하여, 적어도 4.0 barg의 및 바람직하게는 5-9 barg의 범위 내에 놓인 압력을 갖는 제1 압축된 가스 스트림을 수득하는 단계;
Figure pct00008
제1 압축된 가스 스트림을 제2 압축기 과정에 제공하여, 적어도 13 barg의 및 바람직하게는 15 내지 21 barg의 범위 내에 놓인 압력을 갖는 제2 압축된 가스 스트림을 수득하는 단계;
Figure pct00009
제2 압축된 가스 스트림 및 제1 이산화탄소 풍부 가스 스트림을 제3 압축기 과정에 제공하여 적어도 43 barg의 압력을 갖는 제3 압축된 가스 스트림을 수득하는 단계.
제1 이산화탄소 풍부 스트림이 선행 기술과 비교하여 이미 상승된 압력에 있으므로, 제1 및 제2 압축기 과정을 위해 더 적은 압축 유닛이 요구된다. 이것은 압축 유닛에 대한 비용을 감소시키고 이들 압축기 과정의 크기를 감소시킨다.
임의로, 본 발명에 따른 방법은 제3 압축된 가스 스트림 내의 잔여의 수소를 추가의 반응기 내에서 산소와 함께 물로 전환시키는 단계를 포함한다. 이 반응기는 산소 및 수소의 물로의 전환을 촉매하는 촉매를 포함한다. 촉매는 예를 들어 백금 또는 팔라듐 기반 촉매이다. 산소 함량은, 잔여의 수소 함량이 50 ppmv 미만, 바람직하게는 10 ppmv 미만이도록 조정된다. 이 단계는 또한 CO2 조절(conditioning)로 지칭되며 반응기는 CO2 조절 반응기로 지칭된다.
임의로, 제3 압축된 가스 스트림이, 임의로 CO2 조절 후에 건조된다. 물이 존재하는 경우에 추가로 사용하기에 앞서 이것을 가스 스트림으로부터 제거하는 것이 유익할 것이다. 바람직하게는 이 가스 스트림의 건조는 글리콜 건조로 또는 분자체(mol sieve)의 사용에 의해 이루어진다.
임의로, 제3 이산화탄소 풍부 가스 스트림은 수출을 위해 건조 후에 액화된다. 이것은 CO2 스트림의 압력을 압축시키고 낮춤으로써 자동-냉각 공정에서 이루어진다. 본 발명의 한 구현예에서 부분 산화 반응기에 제공된 탄화수소로부터 유래된 탄소 원자의 적어도 80%, 바람직하게는 적어도 90% 및 보다 바람직하게는 적어도 99%가, 이산화탄소 제거 유닛으로부터 수득된 제1 및 제2 이산화탄소 풍부 스트림 중에 이산화탄소로서 존재한다.
임의로 건조된, 제3 이산화탄소 풍부 스트림은 추가의 화학적 공정에서 이용될 수 있거나, 지질학적 저장고에 보관될 수 있다. 이산화탄소를 지질학적 저장고에 주입함으로써, 본 발명에 대한 이산화탄소 배출은 매우 적거나 없다. 이것은 수소가 대기 중에 어떤 이산화탄소도 배출하지 않고 생산된다는 이득을 갖는다. 탄화수소를 이용함으로써 그러나 대기 중에 어떤 이산화탄소도 배출하지 않고 수득된 수소는 블루 수소로 지칭된다.
이산화탄소는 우륨의 생산을 위한 공정에서 사용될 수 있다. 이러한 공정에서 이산화탄소는 암모니아와 반응한다. 암모니아는 ASU에 의해 수득된 질소를 수소 풍부 스트림으로부터의 수소와 반응시킴으로써 또한 수득될 수 있다. 이 방식으로 수득된 암모니아는 블루 암모니아로 공지되어 있다.
본 발명의 한 구현예에서 제1 이산화탄소 풍부 가스 스트림은 이산화탄소 제거 유닛에 제공된 이산화탄소의 양에 비해 적어도 50%의 이산화탄소를 함유한다. 이산화탄소 제거 유닛에 제공된 이산화탄소의 양에 비해 바람직하게는 적어도 60% 및 보다 바람직하게는 적어도 70%의 이산화탄소. 제1 이산화탄소 풍부 스트림 중에 존재하는 이러한 다량의 이산화탄소를 갖는 이점은 이산화탄소의 대부분이 이미 보다 높은 압력에 있다는 점이다. 이는 이산화탄소의 보다 적은 양(및 부피)가 제2 이산화탄소 풍부 스트림의 보다 낮은 압력으로부터 적어도 43 barg까지 압축되기 위해 필요하다는 것을 의미한다. 유리하게도, 이것은 압축기 유닛에서 제1 압축기 과정에 요구되는 부피를 감소시킨다.
본 발명의 한 구현예에서 제1 수소 풍부 가스는 메탄화 촉매를 포함하는 제3 반응기에 제공된다. 메탄화 촉매는 잔여의 일산화탄소 및 이산화탄소를 250℃ 내지 380℃의 온도에서 메탄으로 전환하여, 제2 수소 풍부 가스를 수득한다. 제3 반응기는 메탄화 반응기로 또한 지칭될 수 있다. 일어나는 2가지 반응은 다음과 같다:
CO + 3H2 → CH4 + H2O
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O.
이 구현예는 수소가 천연 가스 배관망(grid)에 적용될 경우에 바람직하다. 수소를 천연 가스 배관망에 첨가하는 것은, 천연 가스가 (예를 들어 집의) 가열, 요리, 물의 가열 또는 전기의 생성 시 사용되는 경우에 이산화탄소 배출을 감소시키는 것을 허용한다. 열의 일부가 현재 천연 가스를 대신해 수소를 연소시킴으로써 생성되므로 더 적은 이산화탄소가 생성되어 국내 이산화탄소 배출과 가스 발전소의 저하를 초래할 것이다. 바람직하게는 반응은 250 내지 380℃의 범위의 온도에서 일어난다.
이런 이유로, 본 발명의 한 구현예에서 제1 수소 풍부 가스, 제2 수소 풍부 가스 또는 하나 이상의 조합물은 천연 가스를 배급하기 위한 가스 배관망 내로 주입될 수 있고, 바람직하게는 제1 수소 풍부 가스, 제2 수소 풍부 가스 또는 하나 이상의 조합물은 가스 배관망 내에서 또는 가스 배관망 내로의 주입에 앞서 천연 가스와 혼합되게 된다. 임의로 제1 및/또는 제2 수소 풍부 가스 스트림은 수소 및 천연 가스의 우수한 혼합물을 수득하기 위해 가스 배관망에 제공되기 전에 천연 가스와 혼합된다. 바람직하게는 제2 수소 풍부 가스 스트림이 가스 배관망에 제공된다. 천연 가스는 주로 메탄을 포함하므로, 제2 수소 풍부 가스 중에 존재하는 적은 양의 메탄은 해로운 효과를 갖지 않을 것이다.
본 발명의 한 구현예에서 황 화합물이 탄화수소를 포함하는 가스, 또는 (전이된) 합성 가스 및/또는 제1 수소 풍부 가스로부터 제거된다. 이 구현예에서 방법은 탄화수소, (전이된) 합성 가스 및/또는 제1 수소 풍부 가스를 황이 제거되는 황 제거 유닛에 제공하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 황 유닛에서 탄화수소, (전이된) 합성 가스 및/또는 제1 수소 풍부 가스는 산화아연 또는 구리 산화 아연 베드와 접촉한다. 황 화합물은 화학적으로 베드에 흡수되고 동시에 다른 구성요소들은 베드를 통해 흐른다.
본 발명의 한 구현예에서 방법은 제1 수소 풍부 스트림을 압력 스윙 흡착(pressure swing absorption; PSA)에 적용하여 적어도 98 vol%의 수소로 이루어진 순수한 수소 가스 스트림 및 배출 가스 스트림, 바람직하게는 적어도 99.9 vol%의 수소로 이루어진 순수한 수소 가스 스트림 및 배출 가스 스트림을 수득하는 단계를 포함한다. 적어도 99.9 vol% 또는 그 이상의 순도를 갖는 수소는 연료 전지용 연료로서 사용될 수 있다. 연료 전지는 예를 들어 자동차에서 사용된다. 본 발명에서 사용될 수 있는 PSA 방법 및 설비는 예를 들어 허니웰(Honeywell) UOP 및 린데(Linde)에 의해 판매되는 것들이다. 한 구현예에서 PSA 단계는 막(membrane)에 기반한 분리 단계가 선행된다. 바람직하게는 유공 섬유 막이 사용된다. 막 분리 단계 및 PSA 단계의 조합은 높은 순도의 수소 가스를 허용한다.
임의로, PSA로부터의 PSA 배출 가스 스트림은 압축되고 제2 PSA에 보내져 추가적인 수소를 회수한다. 제2 PSA로부터의 수소 풍부 스트림은 적어도 98 vol%, 바람직하게는 99 vol% 이상의 수소의 순도 및 제2 배출 가스 스트림을 갖는다. 수소의 전반적인 회수율은 적어도 95 vol%, 바람직하게는 98 vol% 이상이다. 제2 PSA로부터 수득된 수소 풍부 스트림은 제1 PSA에서 수득된 수소 풍부 스트림과 조합될 수 있다. PSA로서, 린데 plc. 또는 허니웰 UOP에 의해 제공된 바와 같은 수소 정제용 PSA 시스템이 사용될 수 있다.
본 압입의 구현예에서, 제1 수소 풍부 가스가 분해된다. 가스의 일부는 메탄화 촉매를 포함하는 반응기에 제공되고, 동시에 다른 일부는 압력 스윙 흡착(PSA)에 제공된다.
임의로, 두 생성물 스트림 및 이들 개별적인 수소 풍부 생성물 스트림의 분획은 다시 혼합되어 수소 생성물의 표적 순도를 달성한다. 바람직하게는, 제1 수소 풍부 가스의 10-70 vol%가 PSA에 제공되고 잔여의 제1 수소 풍부 가스가 메탄화 촉매를 포함하는 반응기에 제공된다.
본 발명의 또다른 구현예에서 제1 수소 풍부 가스는 막을 포함하는 가스 분리 유닛에 제공된다. 이 유닛은 수소를 다른 화합물로부터 분리하여 적어도 95 vol%의 수소, 바람직하게는 적어도 98 vol%로 이루어진 순수한 수소 가스 스트림, 및 농축 가스 스트림(retentate gas stream)을 수득한다. 사용될 수 있는 유닛은 허니웰 UOP에 의해 판매되는 바와 같은 폴리셉 멤브레인 시스템(PolySep Membrane System)이다. 한 구현예에서, 막은 탄소 분자체 막이며 보다 바람직하게는 유공 섬유 막이다. 예를 들어, WO2015048754에 따른 방법으로 수득가능한 것들.
PSA 유닛 또는 막 분리 유닛으로 수득된 수소 풍부 스트림은 보관 및/또는 수송을 위해 용기에 제공될 수 있다. 한 구현예에서 PSA 유닛 또는 막 유닛으로부터의 수소는 보관 및/또는 수송 전에 먼저 액화된다.
본 발명은 단일의 부분 산화 반응기, 뜨거운 합성 가스를 냉각하기 위한 냉각 유닛, 수성 가스 전이 반응기, 이산화탄소 풍부 가스 스트림용 2개의 출구 및 수소 풍부 가스용 출구를 갖는 이산화탄소 제거 유닛을 포함하는, 수소를 생산하기 위한 시스템을 추가로 제공한다. 이산화탄소 풍부 가스 스트림용 2개의 출구는 압축 유닛에 연결되어 있다. 압축 유닛은 예를 들어 이산화탄소를 지질학적 저장고 내로 주사하기 위한 설비에 연결되어 있다. 단일은 탄화수소 함유 가스가 하나의 POX 반응기에서 뜨거운 합성 가스로 전환되고 그후에 합성 가스가 냉각된다는 것을 의미한다.
본 발명의 한 구현예에서 시스템은 이산화탄소 제거 유닛의 수소 풍부 가스의 출구에 연결된 입구를 갖는 메탄화 반응기를 추가로 포함한다. 메탄화 반응기의 출구는 천연 가스를 수송하기 위한 가스 배관망에 바람직하게는 유체 연결되어 있다.
본 발명의 또다른 구현예에서 제3 반응기로부터의 수소 풍부 가스는 추가의 정제를 위해 CO 제거 능력이 없는 개질된 PSA로 보내진다. PSA로부터 수득된 수소 풍부 스트림은 추가의 공정을 위해 사용될 수 있거나 가스 배관망에 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 본 발명에 따른 시스템에서 실행될 수 있다.
본 발명은, 수소를 천연가스에 첨가함으로써 가스 배관망 내의 천연 가스 스트림 중의 탄화수소 함량을 낮추는 데 있어 본 발명에 따른 시스템의 용도를 추가로 제공한다.
도면의 상세한 설명
도 1는 본 발명에 따른 공정 배열을 나타낸다. 탄화수소(1) 및 산화 가스(2)를 포함하는 가스가, 1000 내지 1500℃의 온도 및 40 barg 이상의 압력에서 뜨거운 합성 가스(3)가 생산되는 부분 산화(POX) 반응기에 공급된다. 뜨거운 합성 가스(3)는 그후에 200℃ 미만의 온도로 냉각되어 냉각된 합성 가스(4)를 수득한다. 냉각된 합성 가스(4)는 수증기(5)와 함께, 합성 가스 중의 일산화탄소 대부분이 제공된 수증기와 함께 전환되고 수소 및 이산화탄소(6)를 포함하는 가스 혼합물을 생산하는 전이 반응기에 공급된다. 이 가스 혼합물은 그후에 이산화탄소 제거 유닛에서 처리되어 제1 수소 풍부 생성물 스트림(7)을 수득한다. 더욱이, 적어도 13 barg의 압력에서의 제1 이산화탄소 스트림(9) 및 적어도 0.7 barg의 제2 이산화탄소 풍부 스트림(8)이 수득된다. 제2 이산화탄소 풍부 스트림은 제1 압축 과정에 보내져 적어도 4 barg의 제1 압축된 가스 스트림(8b)를 얻는다. 그 이후, 이것은 제2 압축 과정에 보내져 적어도 13 barg의 제2 압축된 가스 스트림(8b)를 수득한다. 제2 압축된 가스 수증기(8b) 및 제1 이산화탄소 풍부 가스 스트림(9)은 그후에 조합되고 제3 압축 과정에 보내져 적어도 43 barg의 제3 이산화탄소 풍부 가스 스트림(10)을 수득한다.
도 2는 공정의 일반적인 공정 배열을 나타낸다. 이 배열은 탄화수소로부터 수소를 생산하고 수소를 천연 가스 배관망에 제공하기에 적합하다. 탄화수소를 포함하는 가스(1)는 ZnO 가드 베드(guard bed)에서 임의로 탈황화되어 탄화수소를 포함하는 탈황화 가스(11)를 수득한다. 탄화수소를 포함하는 탈황화 가스(11) 및 산화 가스(2)가, 1000 내지 1500℃의 온도 및 40 barg 이상의 압력에서 뜨거운 합성 가스(3)가 생산되는 부분 산화 반응기에 공급된다. 뜨거운 합성 가스(3)는 그후에 물(12)로 300℃ 미만의 온도로 냉각되어 냉각된 합성 가스(4) 및 포화된 또는 과열된 수증기 스트림(13)을 수득한다. 생산된 수증기(13)의 일부가 전이 섹션(5)을 위한 공급물로서 사용될 동안, 여분의 수증기(14)는 이 공정의 바깥의 다른 소비자에게 수출된다. 냉각된 합성 가스(4)는 가스 세정기 내에서 물과 반대 방향의 흐름으로 세척되어 POX 반응기 내에서 형성된 임의의 그을음 입자를 제거하여 깨끗한 냉각된 합성 가스(15)를 수득한다. 깨끗한 냉각된 합성 가스(15)는 합성 가스가 컬럼을 통해 뜨거운 물과 반대 방향으로 흐르고 있는 포화기 컬럼에 보내지고 포화된 따뜻한 합성 가스(16)가 수득된다. 따뜻한 포화된 합성 가스(16)는 요구되는 양의 수증기(5)와 함께, 합성 가스 중의 일산화탄소 대부분이 제공된 수증기와 함께 전환되고 수소 및 이산화탄소(6)를 포함하는 가스 혼합물을 생산하는 전이 반응기에 공급된다. 불포화기 컬럼에서 수소 및 이산화탄소를 포함하는 가스 혼합물이 냉수와 반대 방향으로 세척되어 물의 대다수를 제거하여 냉각된 불포화된 가스 혼합물(18) 및 포화기 컬럼(17)으로 돌아가 재활용되는 물 흐름을 수득한다. 냉각된 포화된 가스 혼합물은 그후에 이산화탄소 제거 유닛에서 처리되어 제1 수소 풍부 생성물 스트림(7)을 수득한다. 더욱이, 적어도 13 barg의 압력에서의 제1 이산화탄소 스트림(9) 및 적어도 0.7 barg의 제2 이산화탄소 풍부 스트림(8)이 수득된다. 제2 이산화탄소 풍부 스트림은 제1 압축 단계에 보내져 적어도 4 barg의 제1 압축된 가스 스트림(8b)을 얻는다. 그 이후, 이것은 제2 압축 단계에 보내져 적어도 13 barg의 제2 압축된 가스 스트림(8b)을 수득한다. 제2 압축된 가스 수증기(8b) 및 제1 이산화탄소 풍부 가스 스트림(9)은 그후에 조합되고 제3 압축 단계에 보내져 적어도 43 barg의 제3 이산화탄소 풍부 가스 스트림(10)을 수득한다. 제1 수소 풍부 가스 스트림(7)은 잔여의 일산화탄소 및 이산화탄소가 메탄으로 전환되는 메탄화 반응기에 보내지고 제2 수소 풍부 가스 스트림(19)이 수득된다. 제2 수소 풍부 가스 스트림은 최종 단계에서 압축기에 보내져, 이것을 천연 가스 배급 배관망에 보내기 위해 요구되는 압력에서의 제3 수소 풍부 가스 스트림(2)을 수득한다.
이 참조를 통해, 첨부된 청구범위는 본 명세서의 일부를 형성하고 본 명세서에서 기재된 바와 같이 본 발명의 하나 이상의 구현예와 조합될 수 있다.
본 발명은 다음의 비-제한적인 실시예의 수단에 의해 추가로 설명될 것이다.
실시예 1
다음의 실시예는 도 1에 나타난 바와 같이 본 발명의 상이한 구현예에서 설명된 바와 같은 공정을 지칭한다.
표 1은, 수소 압축기의 업스트림에서 30 bar의 수소 압력을 초래하는 합성 가스 제조를 위한 ATR(자동 열 개질기)를 사용한 잠재적인 배열과, 47 bar의 압력을 초래하는 합성 가스 제조를 위한 부분 산화를 사용한 유사한 배열 사이의 압축 부하의 차이를 예시한다. 압축기에의 공급 수소 흐름 및 온도는 동일하다. 압축된 수소의 경우도 마찬가지이다. 이 실시예의 경우, ATR 배열의 1st 과정 수소 압축 단계가, 출구가 부분 산화 배열에 의해 제공된 생성물 스트림과 유사하도록 선택된다. 그러므로 ATR에 대한 2nd 과정 압축 및 부분 산화에 대한 제1 과정 압축 과정은 동일하다. 이런 이유로 ATR을 사용할 때 추가적인 압축 과정이 요구된다.
POX를 포함하는 배열의 경우, 72.3 bar의 선택된 출구 압력. 그 결과, ATR 배열에 필요한 제1 과정은 요구되지 않는다. 그러므로, POX를 사용한 배열의 경우, 제1 과정 압축 및 냉각을 위한 부하가 요구되지 않으며, 이는 동력의 50% 이상을 절약하는 결과를 초래한다. 이것은 이산화탄소 배출을 가능한한 낮게 유지함과 동시에 수소를 생성할 때 유의미하다.
[표 1]
Figure pct00010
실시예 2
다음의 실시예는 도 1에 기재된 바와 같이 본 발명의 상이한 구현예에서 설명된 바와 같은 공정을 지칭한다.
표 2는 통상적인 아민 공정을 사용한 블루 수소 배열 및 0.7 barg에서의 단일의 이산화탄소 생성물 스트림과 13 barg의 제1 이산화탄소 스트림 및 0.7 barg에서의 제2 이산화탄소 생성물 스트림이 수득되고 그럼으로써 제거된 이산화탄소가 제1 및 제2 이산화탄소 풍부 스트림 사이에 고르게 분할되는 제안된 아민 공정 사이의 이산화탄소에 대한 압축 부하의 차이를 예시한다.
제1 과정 후 배출 압력은 4 barg이고, 제2 과정 후 13 barg, 및 제3 과정 후 43 barg이다.
43 barg의 선택된 출구 압력의 경우, 제1 및 제2 과정 압축 및 냉각에 대한 부하는 유의미하게 감소된다. 통상적인 아민 공정과 비교하여, 압축 부하의 단지 약 65%만이 요구된다.
[표 2]
Figure pct00011

Claims (15)

  1. 다음의 단계를 포함하는 수소를 생산하기 위한 방법:
    단일의 부분 산화(POX) 반응기에 산화 가스 및, 탄화수소를 포함하는 가스를 제공하여 수소 및 일산화탄소를 포함하는 합성 가스를 수득하는 단계로서, 부분 산화 반응기는 1000 내지 1500℃의 범위의 온도 및 적어도 40 barg의 압력에서 작동되는 단계;
    뜨거운 합성 가스를 300℃ 미만의 온도로 냉각하여 냉각된 합성 가스를 수득하는 단계;
    냉각된 합성 가스 및 물을 제2 반응기에 제공하여 수소 및 이산화탄소를 포함하는 가스 혼합물을 수득하는 단계로서, 반응기는 200℃ 내지 480℃의 범위의 온도에서 작동되고, 물의 존재 하에서 일산화탄소를 이산화탄소 및 수소로 전환하는 촉매를 포함하는 단계;
    가스 혼합물을 이산화탄소 제거 유닛(unit)에 제공하여 수소 풍부 가스 스트림(stream) 및 적어도 13 barg의 압력을 갖는 제1 이산화탄소 풍부 가스 스트림 및 적어도 0.7 barg의 압력을 갖는 제2 이산화탄소 풍부 가스 스트림을 수득하는 단계;
    제1 및 제2 이산화탄소 풍부 가스 스트림을 압축 유닛에 제공하여 적어도 40 barg의 압력을 갖는 제3 이산화탄소 풍부 가스 스트림을 수득하는 단계;
    화학적 공정에서 이산화탄소를 이용하고/하거나 이산화탄소를 지질학적 저장고 내에 보관하는 단계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 이산화탄소 풍부 가스 스트림은 이산화탄소 제거 유닛에 제공된 이산화탄소의 양에 비해 적어도 50%의 이산화탄소를 함유하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 수소 풍부 가스가, 잔여의 일산화탄소 및 이산화탄소가 메탄으로 전환되는, 니켈 기반 메탄화 촉매를 포함하는 제3 반응기에 제공되어, 제2 수소 풍부 가스를 수득하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축 유닛은 연속하여 유동적으로 연결된 적어도 3개의 압축기를 포함하고 제1 및 제2 이산화탄소 풍부 가스 스트림을 압축 유닛에 제공하는 단계는 다음의 단계를 포함하는 방법:
    Figure pct00012
    제2 이산화탄소 풍부 가스 스트림을 제1 압축기 단계에 제공하여, 적어도 4.0 barg의 압력을 갖는 제1 압축된 가스 스트림을 수득하는 단계;
    Figure pct00013
    제1 압축된 가스 스트림을 제2 압축기 단계에 제공하여, 적어도 13 barg의 범위 내의 압력을 갖는 제2 압축된 가스 스트림을 수득하는 단계;
    Figure pct00014
    제2 압축된 가스 스트림 및 제1 이산화탄소 풍부 가스 스트림을 제3 압축기에 제공하여 적어도 43 barg의 압력을 갖는 제3 압축된 가스 스트림을 수득하는 단계;
    Figure pct00015
    입의로 제3 압축된 가스 스트림을 건조하는 단계.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄화수소를 포함하는 가스, 합성 가스 및/또는 제1 수소 풍부 가스는 황이 제거되는 황 제거 유닛에 제공되는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 수소 풍부 가스, 제2 수소 풍부 가스 또는 하나 이상의 조합물은 천연 가스를 배급하기 위한 가스 배관망 내에 주입되고, 바람직하게는 제1 수소 풍부 가스, 제2 수소 풍부 가스 또는 하나 이상의 조합물은 가스 배관망 내에서 또는 가스 배관망 내로의 주입에 앞서 천연 가스와 혼합되게 되는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수소 풍부 가스는 압축기에 제공되어 적어도 40 barg의 압력을 갖는 수소 스트림을 추가로 수득하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이산화탄소 제거 유닛은, 바람직하게는 디이소프로판올아민, 메틸-디에탄올아민(MDEA), 피페라진, 술포란 또는 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 용매를 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 제1 수소 풍부 스트림을 압력 스윙 흡착(pressure swing absorption)에 적용하여 적어도 98 vol%의 수소로 이루어진 순수한 수소 가스 스트림 및 배출 가스 스트림을 수득하는 단계를 추가로 포함하고, 바람직하게는 순수한 수소 가스 스트림은 적어도 99 vol%의 수소로 이루어지는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 수소 풍부 스트림은 막을 포함하는 가스 분리 유닛에 제공되어, 적어도 95 vol%의 수소, 바람직하게는 적어도 98 vol%로 이루어진 순수한 수소 가스 스트림, 및 농축 가스 스트림(retentate gas stream)을 수득하고, 바람직하게는 막은 탄소 분자체 막 및 보다 바람직하게는 유공 섬유 막인 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 순수한 수소 스트림은 보관 및/또는 수송을 위해 용기에 제공되는 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부분 산화 반응기에 제공된 탄화수소로부터 유래된 적어도 80%, 바람직하게는 적어도 90%의 탄소 원자는 이산화탄소 제거 유닛으로부터 수득된 제1 및 제2 이산화탄소 풍부 스트림 중 이산화탄소로서 존재하는 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 뜨거운 합성 가스를 냉각하는 단계는 다음의 단계를 포함하는 방법:
    Figure pct00016
    POX 반응으로부터 생성되는 뜨거운 합성 가스를 물에 대한 간접적인 열 교환에 의해 냉각하여 포화된 수증기 및/또는 과열된 수증기 및 냉각된 합성 가스를 생산하는 단계;
    Figure pct00017
    임의로 포화된 수증기 및/또는 과열된 수증기의 적어도 일부를 냉각된 합성 가스와 함께 제2 반응기에 공급하는 단계.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄화수소 함유 가스 스트림은 천연 가스 스트림, 탄화수소 함유 오프가스, 정제 연료 가스, 생물가스 또는 이들의 조합물인 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 공동(cavity), 제1 입구, 제2 입구, 및 포화기/베쓸의 공동에 유동적으로 연결된, 컬럼의 상단의 적어도 하나의 출구 및 컬럼의 하단의 제2 출구를 갖는 포화기 컬럼 내에서 물과 함께 합성 가스를 포화시키는 단계를 포함하되, 여기서 제1 입구는 제2 입구보다 포화기 컬럼의 더 하단에 위치하고, 다음의 단계를 포함하는 방법:
    Figure pct00018
    제1 입구를 통해 합성 가스를 포화기 컬럼의 공동에 제공하는 단계;
    Figure pct00019
    제2 입구를 통해 물을 컬럼 내의 공동에 제공하는 단계;
    Figure pct00020
    물 및 합성 가스를 공동 내에서 반대 방향으로 접촉하도록 허용하는 단계;
    Figure pct00021
    물이 가스를 가열하는 반면 합성 가스가 포화될 때까지 물의 일부가 증기 상으로 증발하는 단계;
    Figure pct00022
    컬럼으로부터 상단의 출구를 통해 포화된 합성 가스를 회수하는 단계;
    Figure pct00023
    하단의 출구로부터 잔여의 물을 회수하는 단계.
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