KR20230118846A - 친환경 암모니아 제조시 생성된 폐열의 회수 방법 - Google Patents
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Abstract
암모니아의 제조시 생성된 폐열을 회수하는 방법으로서, 이 방법은
(a) 수소의 제조를 위해 물 또는 증기를 전기분해하는 단계 및 수소에 질소의 스트림을 첨가하는 단계를 포함하는 암모니아 합성 가스를 제공하는 단계;
(b) 암모니아 합성 가스를 암모니아로 전환하는 단계;
(c) 단계 (a)에서 전기분해로부터 폐열의 적어도 일부를 회수하는 단계;
(d) 하나 이상의 압축기 단계 배출로부터 회수된 열 및/또는 단계 (b)에서 암모니아 합성 가스의 전환시 생성된 폐열 및/또는 단계 (b)에서 발생한 증기를 이용하는 터빈 응축기로부터의 폐열에 의해 단계 (c)로부터의 폐열을 개량하는 단계; 및
(e) 단계 (d)로부터의 개량된 폐열을 하류 열 이용 단계에 배포하는 단계
를 포함한다.
(a) 수소의 제조를 위해 물 또는 증기를 전기분해하는 단계 및 수소에 질소의 스트림을 첨가하는 단계를 포함하는 암모니아 합성 가스를 제공하는 단계;
(b) 암모니아 합성 가스를 암모니아로 전환하는 단계;
(c) 단계 (a)에서 전기분해로부터 폐열의 적어도 일부를 회수하는 단계;
(d) 하나 이상의 압축기 단계 배출로부터 회수된 열 및/또는 단계 (b)에서 암모니아 합성 가스의 전환시 생성된 폐열 및/또는 단계 (b)에서 발생한 증기를 이용하는 터빈 응축기로부터의 폐열에 의해 단계 (c)로부터의 폐열을 개량하는 단계; 및
(e) 단계 (d)로부터의 개량된 폐열을 하류 열 이용 단계에 배포하는 단계
를 포함한다.
Description
본 발명은 암모니아 제조시 생성된 폐열을 회수하는 방법에 관한 것이다.
특히 본 발명은 암모니아의 친환경 생산, 즉 지속가능한 또는 재생가능한 에너지에 의해 추진되는 물 전기분해를 포함하는 암모니아 합성 가스의 제조에서 폐열에 초점을 맞춘다.
암모니아는 우수한 수소 캐리어일 뿐만 아니라 우수한 에너지 벡터로 인식되었다. 액체 암모니아는 액체 수소보다 더 많은 수소를 함유한다.
암모니아는 재생가능한 에너지가 풍부한 전 세계 거의 모든 곳에서 공기, 물 및 전기로부터 생산될 수 있다.
암모니아는 대량으로 다른 위치로 쉽게 수송되는 재생가능한 에너지를 위한 에너지 저장 매체일 수 있다. 암모니아는 연소 엔진/가스 터빈 또는 연료 전지에서 직접 이용될 수 있거나, 또는 수소 및 질소로 분해될 수 있다. 분해된 암모니아는 가스 터빈에 공급될 수 있거나, 또는 연료 전지 또는 다른 용도를 위해 수소가 회수할 수 있습니다.
전기분해에 기반한 수소 생산은 일반적으로 종래 기술의 약 60%인 효율로 인해 상당한 양의 폐열을 발생시킨다.
종래의 전기분해로부터 나오는 폐열은 일반적으로 낮은 온도 수준(약 60℃)에서 이용할 수 있으므로 그다지 가치가 없다. 암모니아 또는 메탄올 생산에 필요한 전기 에너지의 90% 이상은 전기분해에 의한 수소 생산에 사용되며, 이 에너지의 약 40%가 폐열로 손실되기 때문에 폐열량이 상당하다.
상대적으로 낮은 전기분해 효율은 친환경 전기연료 생산에서 주요 과제이다. 폐열이 가치 있는 생성물로 전환될 수 있다면 경제성이 개선될 것이다.
전기분해에 의한 수소 생산을 통한 친환경 암모니아의 생산은 상당한 냉각을 필요로 한다. 이러한 냉각은 일반적으로 순환하는 냉각수에 의해 이루어지며, 따라서 저온 열이 손실된다.
전기분해로부터 폐열의 이용을 개선하기 위해, 본 발명은 전기분해로부터 폐열의 일부 또는 최대량을 회수한 다음, 하나 이상의 압축기 단계 배출로부터의 회수 과정 열 및/또는 암모니아 합성으로부터의 폐열 및/또는 선택적으로 합성에서 발생한 증기를 이용하는 터빈 응축기에 의한 추가 가열에 의해 (온수에서) 회수된 열을 개량하는 방법을 제공한다. 개량된 폐열은 약 80℃의 온수를 필요로 하는 지역 난방에 유익하게 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 암모니아의 제조시 생성된 폐열을 회수하는 방법을 제공하며, 이 방법은
(a) 수소의 제조를 위해 물 또는 증기를 전기분해하는 단계 및 수소에 질소의 스트림을 첨가하는 단계를 포함하는 암모니아 합성 가스를 제공하는 단계;
(b) 암모니아 합성 가스를 암모니아로 전환하는 단계;
(c) 단계 (a)에서 전기분해로부터 폐열의 적어도 일부를 회수하는 단계;
(d) 하나 이상의 압축기 단계 배출로부터 회수된 열 및/또는 단계 (b)에서 암모니아 합성 가스의 전환시 생성된 폐열 및/또는 단계 (b)에서 발생한 증기를 이용하는 터빈 응축기로부터의 폐열에 의해 단계 (c)로부터의 폐열을 개량하는 단계; 및
(e) 단계 (d)로부터의 개량된 폐열을 하류 열 이용 단계에 배포하는 단계
를 포함한다.
전기분해로부터의 폐열은 간접 열교환에 의해 순환 냉각수를 가열함으로써 회수된다. 다음에, 전기분해로부터 가열된 냉각수의 일부는 암모니아 합성 가스의 전환으로부터 회수된 열 및/또는 터빈 응축기로부터의 폐열에 의해 개량된다.
이렇게 회수된 열은 하류 열 이용 단계와의 열교환 전에 상기 언급된 암모니아 합성으로부터 회수된 또는 생성된 열 및/또는 터빈 폐열로부터의 열과 열교환에 의해 필요한 온도로 전기분해 유닛의 순환 냉각수를 가열함으로써 개량된다.
약 60℃에서 전기분해로부터의 폐열은 계절 및 합성 플랜트와의 열균형에 따라 부분적으로 또는 최대로 개량될 수 있다.
합성 가스 압축기 단간 폐열은 온수를 80℃ 이상으로 가열하기 위해 이용할 수 있다. 일반적인 압축기 배출 온도는 약 120-130℃입니다.
암모니아 합성 반응의 폐열로부터 발생한 증기는 예를 들어 증기 터빈에 사용될 수 있다. 증기 터빈 응축은 전체 효율을 개선하기 위해 지역 난방에 필요한 온도에서 일어날 수 있다.
추가로, 암모니아 합성 반응열로부터 발생한 증기는 발전 및 지역 난방 복합 플랜트와 같이 전력 및 지역 난방을 동시에 생산하기 위해 사용될 수 있다. 전력과 지역 난방의 비율은 응축기 온도/압력에 의해 변화될 수 있다.
암모니아는 또한 가스 터빈, 가스 엔진 또는 연료 전지의 사용에 의해 전력 생산을 위한 연료로 사용될 수 있다.
본 발명은 유익하게 재생가능한 전력 생산과 전기연료 생산 및 예를 들어 지역 난방을 조합 및 통합할 수 있다.
더욱이, 본 발명은 다른 폐열원과의 통합을 허용하고, 또한 재생가능한 전력 생산과도 통합될 수 있으며, 전력 및/또는 전기연료 및/또는 지역 난방을 생산하도록 결정될 수 있다.
본 발명은 일반적으로 저렴한 열교환기를 더 많이 필요로 하며, 따라서 전체적인 과정은 복잡하지만 단시간 내에 이익이 회수될 것이다.
폐열의 전환은 냉각 시스템의 성능을 개선할 수 있는 냉각 요건을 해제하고, 결과적으로 과정까지의 냉각을 개선하여(압축기 흡입 냉각) 비에너지 소비를 감소시킬 것이다.
계절에 따라 다소의 폐열이 지역 난방으로 전환될 수 있다. 전체 냉각 시스템은 어쨌든 지역 난방에 대한 요건 없이 공칭 플랜트 로드에 맞는 크기가 될 것이다.
본 발명의 추가 이점은 특히 다음과 같다:
- 지역 난방도 생산되는 경우 재생가능한 전력의 전기연료로의 전체 효율의 개선;
- 지역 난방 생산시 냉각 시스템의 해제에 의한 비에너지 소비의 감소;
- 낮은 암모니아 플랜트 로드에서 압축기는 반동/서지방지 시스템이 개방된 상태로 작동해야 하므로 비에너지 소비가 증가한다. 압축기 단간/배출로부터 폐열을 회수함으로써 비에너지 소비 증가가 보상될 수 있고, 높은 플랜트 로드와 마찬가지로 될 수 있다;
- 전기연료, 지역 난방 및 전력의 생산을 위한 열 회수를 최적화하기 위한 다중 가변 시스템.
요약하면 본 발명의 바람직한 실시형태는 단독으로 또는 조합으로 다음과 같다:
질소 스트림이 공기 분리, 압력 스윙 흡수 또는 극저온 공기 분리에 의해 얻어진다.
하류 이용 단계는 가스 터빈에서의 전력 생산을 포함한다.
전력 생산은 가스 터빈에서 터빈 연료로서 단계 (b)로부터의 암모니아의 일부를 이용하는 것을 포함한다. 이것은 바람직하게 암모니아를 수소 및 질소로 부분적으로 또는 완전히 분해함으로써 얻어질 수 있다.
전력 생산을 위해 가스 터빈을 사용하는 경우의 이점은 계절에 따라 전력 및 지역 난방을 생산할 수 있는 증기 터빈의 유연성이다. 더 낮은 압력에서 터빈을 작동시킴으로써 여름철에 상대적으로 더 많은 전력이 공급되고 더 적은 열이 발생한다. 따라서, 하류 열 이용 단계는 지역 난방을 포함한다.
하류 열 이용 단계는 전력 생산과 지역 난방의 조합이다.
도 1은 지역 난방을 생산하는 원리를 도시한다.
폐쇄된 냉각수 회로는 차가운 냉각수(25℃)를 전기분해 유닛에 공급하고, 여기서 그것은 60℃로 가열될 것이다. 60℃의 온도 수준은 지역 난방에 충분하지 않으므로 고온 냉각수의 일부가 3개 소스 Q1, Q2 및 Q3으로부터 85℃로 개량될 것이다. Q1은 단간 압축기로부터의 상위 레벨 열이고, Q2는 증기 발생에 사용되지 않은 공정 열의 일부이고, Q3은 증기 터빈 응축기로부터의 열이다. Q3은 증기 터빈 응축기가 충분히 높은 압력에서 작동되는 경우 가능하지만, 증기 터빈으로부터 출력은 저하된다. 여름 조건에서 겨울 조건으로의 전환은 Q2와 Q3 사이에서 듀티를 전환함으로써 이루어질 것이다.
개량을 위한 전기분해 유닛으로부터 열의 일부는 QE이다. 나머지 부분은 더 많은 지역 난방이 요구되는 경우 히트 펌프와 함께 전기에 의해 개량될 수 있다.
3개 소스로부터 85℃의 개량된 고온 냉각수는 지역 난방을 위한 열교환기로 들어가기 전에 혼합되고, 여기서 그것은 차가운 지역 물을 30℃ 내지 82℃로 가열한다. 고온 냉각수는 33℃로 냉각될 것이다.
냉각수 시스템은 지역 난방 시스템으로 전달되지 않은 공정 열을 제거할 것이다. 냉각수 시스템은 또한 필요한 경우 공정에 차가운 냉각수를 공급하며, 이것은 도 1에는 도시되지 않는다.
표 1은 히트 펌프 옵션이 없는 2300 MTPD 친환경 암모니아 플랜트에서 생산될 수 있는 지역 난방량의 일례를 제공한다. 온도 수준은 도 1의 설명에 주어진 바와 같다.
| 2300 MTPD 친환경 암모니아 | 열 에너지 | |
| Q1 | MW | 10 |
| Q2 | MW | 10 |
| Q3 | MW | 46 |
| Qupgrade | MW | 66 |
| QE | MW | 71.3 |
| Qtotal | MW | 137.3 |
Claims (8)
- (a) 수소의 제조를 위해 물 또는 증기를 전기분해하는 단계 및 수소에 질소의 스트림을 첨가하는 단계를 포함하는 암모니아 합성 가스를 제공하는 단계;
(b) 암모니아 합성 가스를 암모니아로 전환하는 단계;
(c) 단계 (a)에서 전기분해로부터 폐열의 적어도 일부를 회수하는 단계;
(d) 하나 이상의 압축기 단계 배출로부터 회수된 열 및/또는 단계 (b)에서 암모니아 합성 가스의 전환시 생성된 폐열 및/또는 단계 (b)에서 발생한 증기를 이용하는 터빈 응축기로부터의 폐열에 의해 단계 (c)로부터의 폐열을 개량하는 단계; 및
(e) 단계 (d)로부터의 개량된 폐열을 하류 열 이용 단계에 배포하는 단계
를 포함하는, 암모니아의 제조시 생성된 폐열의 회수 방법. - 제 1 항에 있어서, 질소 스트림은 공기 분리, 압력 스윙 흡수 또는 극저온 공기 분리에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 하류 이용 단계는 가스 터빈에서 전력의 생산을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 3 항에 있어서, 전력의 생산은 가스 터빈, 가스 엔진 또는 연료 전지에서 터빈 연료로서 단계 (b)로부터의 암모니아의 일부의 이용을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 4 항에 있어서, 암모니아는 적어도 부분적으로 수소 및 질소로 분해되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 하류 열 이용 단계는 지역 난방을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 하류 열 이용 단계는 전력 생산과 지역 난방의 조합인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (d)에서 폐열의 개량은 암모니아 합성으로부터 회수되거나 생성된 열 및/또는 단계 (b)에서 발생한 증기를 이용하는 터빈 응축기로부터의 터빈 폐열과의 열교환에 의해 전기분해로부터의 순환 냉각수를 가열함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
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