KR20230165342A - 플랜트 시스템에서 탄소 발자국을 효율적으로 저감하기 위한 스팀 순환 방법, 시스템 및 장치 - Google Patents

플랜트 시스템에서 탄소 발자국을 효율적으로 저감하기 위한 스팀 순환 방법, 시스템 및 장치 Download PDF

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벤카타 크리슈난 라마누잠
스리니바스 아르콧
벤카타 아팔라 누티
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제이. 레이 맥더모트 에스.에이.
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Abstract

본 개시의 양태는 플랜트 시스템에서 탄소 발자국을 효율적으로 저감시키기 위한 스팀 순환 방법, 시스템 및 장치에 관한 것이다. 한 양태에서, CO2를 포집하기 위해 플랜트 시스템에서 순환이 수행된다. 하나의 양태에서, 에너지를 재활용하기 위해 플랜트 시스템에서 순환이 수행된다. 플랜트 시스템은 전력 생산 시스템, 정제 시스템 및/또는 석유화학 처리 시스템 중 하나 또는 그 이상을 포함한다.

Description

플랜트 시스템에서 탄소 발자국을 효율적으로 저감하기 위한 스팀 순환 방법, 시스템 및 장치
본 개시의 양태는 전력 생산 시스템, 정제 시스템 및/또는 석유화학 처리 시스템에서 탄소 발자국(carbon footprints)을 효율적으로 저감하기 위한 스팀 순환 방법, 시스템 및 장치에 관한 것이다. 한 양태로서, 이산화탄소(CO2)를 포집하기 위해 석유화학 처리 시스템에서 순환(cycle)이 수행된다. 한 양태로서, 에너지를 재활용하기 위해 석유화학 처리 시스템에서 순환이 수행된다.
전력 생산 시스템, 정제 시스템 및 석유화학 처리 시스템은 공정 작업 중에 발생되는 에너지와 같이 낭비되는 에너지를 포함할 수 있다. 이 에너지는 보통 열의 형태로 대기로 전달된다. 전력 생산 시스템, 정제 시스템 및 석유화학 처리 시스템은 대기로 배출될 수 있는 CO2와 같은 CO2 배출을 포함할 수도 있다.
따라서, 전력 생산 시스템, 정제 시스템, 및/또는 석유화학 처리 시스템에서의 탄소 발자국의 저감, 비용 효율성의 증가 및 작업 효율성의 증가 (열 효율 등)가 용이하도록 CO2 포집 및 작동 에너지 재활용을 촉진하는 방법, 시스템 및 장치가 요구되고 있다.
본 개시의 양태는 플랜트 시스템의 탄소 발자국을 효율적으로 저감시키기 위한 스팀 순환 방법, 시스템 및 장치에 관한 것이다. 한 양태로서, CO2를 포집하기 위해 플랜트 시스템에서 순환이 수행된다. 한 양태로서, 에너지를 재활용하기 위해 플랜트 시스템에서 순환이 수행된다. 플랜트 시스템은 전력 생산 시스템, 정제 시스템 및/또는 석유화학 처리 시스템 중 하나 또는 그 이상을 포함한다.
하나의 구현예로서, 플랜트 시스템을 위한 스팀 순환 시스템은 플랜트 시스템 중 하나 또는 그 이상의 장비에 연료 혼합물을 공급하기 위한 연료 공급 라인을 포함한다. 스팀 순환 시스템은 하나 또는 그 이상의 장비의 배기 라인에 결합되는 제1 팽창 터빈과 제1 분리기를 포함한다. 제1 분리기는 입구, 급수 라인에 결합된 하부 출구, 연료 공급 라인에 결합된 상부 출구를 포함한다. 스팀 순환 시스템은 제1 열 교환기 유닛을 포함한다. 제1 열 교환기 유닛은 제1 팽창 터빈에 결합된 제1 열 교환기 입구 라인, 및 제1 분리기의 입구에 결합된 제1 열 교환기 출구 라인을 포함한다. 제1 열 교환기 유닛은 급수 라인에 결합된 제2 열 교환기 입구 라인, 및 연료 공급 라인에 결합된 제2 열 교환기 출구 라인을 포함한다.
하나의 구현예로서, 플랜트 시스템을 위한 스팀 순환 시스템은 플랜트 시스템 중 하나 또는 그 이상의 장비에 연료 혼합물을 공급하기 위한 연료 공급 라인을 포함한다. 스팀 순환 시스템은 하나 또는 그 이상의 장비의 배기 라인에 결합되는 제1 팽창 터빈, 및 제1 분리기를 포함한다. 제1 분리기는 입구, 급수 라인에 결합된 하부 출구, 연료 공급 라인에 결합된 상부 출구를 포함한다. 제1 분리기의 상부 출구는 연료 입구 라인에 결합된 압축기를 통해 연료 공급 라인에 결합된다. 스팀 순환 시스템은 제1 열 교환기 유닛을 포함한다. 제1 열 교환기 유닛은 제1 팽창 터빈에 결합된 제1 열 교환기 입구 라인, 및 제1 분리기의 입구에 결합된 제1 열 교환기 출구 라인을 포함한다. 연료 공급 라인과 제1 열 교환기 입구 라인 사이에 측면 출구 라인이 결합되어 있다. 제1 열 교환기 유닛은 급수 라인에 결합된 제2 열 교환기 입구 라인, 및 연료 공급 라인에 결합된 제2 열 교환기 출구 라인을 포함한다.
한 구현예로서, 플랜트 시스템을 작동하는 방법은 산소를 발생시키기 위해 공기 공급원으로부터 질소를 분리하고, 및 연료 공급 라인에서 연료 혼합물에 산소를 공급하는 것을 포함한다. 상기 방법은 제1 팽창 터빈에서 배기 흐름을 플랜트 시스템 중 하나 또는 그 이상의 히터로 팽창시키고, 및 제1 열 교환기 유닛의 제1 흐름 경로에서 배기 흐름을 냉각시키는 것을 포함한다. 상기 방법은 배기 흐름의 기체 성분에서 배기 흐름의 액체 성분을 분리하는 것을 포함한다. 배기 흐름의 액체 성분은 물을 포함하고, 배기 흐름의 기체 성분은 스팀과 CO2를 포함한다. 상기 방법은 배기 흐름의 기체 성분을 연료 공급 라인에서 연료 혼합물에 공급하고, 및 고압 스팀을 발생시키기 위해 제1 열 교환기 유닛의 제2 흐름 경로에서 액체 성분을 가열하는 것을 포함한다. 상기 방법은 중압 스팀을 발생시키기 위해 제2 팽창 터빈에서 고압 스팀을 팽창시키고, 연료 공급 라인에서 연료 혼합물에 중압 스팀을 공급하는 것을 포함한다. 상기 방법은 연료 혼합물을 연소시키기 위해 하나 또는 그 이상의 히터에 연료 혼합물을 공급하는 것을 포함한다.
상기에서 언급된 본 개시의 특징을 상세히 이해될 수 있는 방식으로, 위에 간략하게 요약된 본 개시의 보다 특별한 설명은 실시예를 참조하여 이루어질 수 있으며, 그 중 일부는 첨부하는 도면에 예시되어 있다. 그러나, 첨부된 도면은 본 개시의 전형적인 실시예만을 예시한 것이므로 그 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 점에 유의해야 한다. 왜냐하면 본 개시는 다른 효과적인 실시예를 동등하게 허용할 수 있기 때문이다.
도 1a는 한 구현예에 따른 스팀 순환 시스템의 개략적인 부분도이다.
도 1b는 한 구현예에 따른, 도 1a에 도시된 CO2 순환 시스템의 개략적인 부분도이다.
도 2는 한 구현예에 따른 플랜트 시스템을 작동하는 방법의 개략도이다.
이해를 돕기 위해, 도면에 공통되는 동일한 요소를 표시하기 위해 가능한 경우 동일한 참조 번호를 사용하였다. 하나의 구현예에 개시된 요소는 특정 설명 없어도 다른 구현예에서 유익하게 활용될 수 있다는 것을 고려한 것이다.
본 개시의 양태는 정제, 석유화학 및 발전 시스템에서 탄소 발자국을 효율적으로 저감시키기 위한 스팀 순환 방법, 시스템 및 장치에 관한 것이다. 하나의 양태로서, CO2를 포집하기 위해 플랜트 시스템에서 순환이 수행된다. 하나의 양태에서, 에너지를 재활용하기 위해 플랜트 시스템에서 순환이 수행된다. 플랜트 시스템은 전력 생산 시스템, 정제 시스템 및/또는 석유화학 처리 시스템 중 하나 또는 그 이상을 포함한다.
본 개시는 "결합된", "결합되다", "결합하다" 및/또는 "결합하는"과 같은 용어의 사용은 직접적인 결합 및/또는 다른 구성요소를 통해서 결합하는 것과 같은 간접적인 결합을 포함할 수 있다는 점을 고려한 것이다. 본 개시는 또한 "결합된", "결합", "결합하다" 및/또는 "결합하는"과 같은 용어의 사용은 핀, 리벳, 나사, 볼트 및/또는 너트와 같은 체결장치를 사용하는 연결, 용접 및/또는 고정을 포함할 수 있음을 고려한 것이다. 본 개시는 또한 "결합된", "결합", "결합하다", 및/또는 "결합하는"과 같은 용어의 사용은 유체 연통을 확립하기 위한 하나 또는 그 이상의 연결과 같은 유체 결합을 포함할 수 있다는 점을 고려한 것이다.
도 1a는 하나의 구현예에 따른 스팀 순환 시스템(100)의 개략적인 부분도 이다. 스팀 순환 시스템(100)은 플랜트 시스템(190) 또는 그 일부와 결합된다. 스팀 순환 시스템(100)은 스팀 순환을 수행하도록 구성된다. 플랜트 시스템(190)은 전력 생산 시스템, 정제 시스템, 및/또는 석유화학 처리 시스템(액화 천연 가스(LNG) 시스템 등) 중 하나 또는 그 이상을 포함한다. 스팀 순환 시스템(100)은 플랜트 시스템(190)의 하나 또는 그 이상의 장비(191)에 결합된다. 하나 또는 그 이상의 장비(191)는 하나 또는 그 이상의 분해기(열 분해기(들) 및/또는 촉매 분해기(들) 등), 하나 또는 그 이상의 가스 터빈 발전기 및/또는 하나 또는 그 이상의 히터 (예를 들면, 용광로, 버너 및/또는 보일러 등의 가연성 히터)를 포함한다. 하나 또는 그 이상의 가스 터빈 발전기는 전력 생산 시스템에 사용될 수 있다. 다른 실시예와 결합될 수 있는 하나의 실시예에서, 하나 또는 그 이상의 장비(191)는 하나 또는 그 이상의 크래커의 하나 또는 그 이상의 히터를 포함한다. 하나 또는 그 이상의 히터는 석탄 연소 열 병합 히터와 같은 열 병합 히터일 수 있다.
하나 또는 그 이상의 장비(191)에 결합된 연료 공급 라인(101)은 연료 혼합물을 하나 또는 그 이상의 장비(191)에 공급한다. 연료 혼합물은 하나 또는 그 이상의 장비(191)에서 연소된다. 연료는 산소, 중압 스팀 및 CO2를 포함한다. 연료 공급 라인(101)에는 산소 라인(102)이 결합되어 연료 공급 라인(101)에 산소를 공급한다. 공기 분리 유닛(103)이 공기 라인(104)에 결합되고, 공기 라인(104)을 따라 제1 압축기(105)가 배치된다. 공기 라인(104)은 공기 공급원(148)에 결합된다. 공기 공급원(148)은 대기 등의 공기를 제1 압축기(105)에 공급한다. 제1 압축기(105)는 공기의 압력을 증가시키고, 공기 분리 유닛으로 공기를 공급된다. 공기 분리 유닛(103)은 공기 중의 질소와 공기 중의 산소를 분리하고, 산소는 산소 라인(102)을 이용하여 연료 공급 라인(101)으로 공급된다. 분리된 질소는 질소 라인(106)으로 공급된다.
제1 팽창 터빈(107)은 하나 또는 그 이상의 장비(191)의 배기 라인(108)에 결합된다. 배기 라인(108)은 제1 팽창 터빈(107)에 배기 흐름을 공급한다. 배기 흐름은 CO2와 고압 스팀을 포함한다. 배기 흐름은 또한 암모니아, 질소, 아르곤 및/또는 하나 또는 그 이상의 LNG를 포함할 수 있다. 배기 흐름은 하나 또는 그 이상의 장비(191)에서 연소 중에 발생 및 하나 또는 그 이상의 장비(191)에서 배출되는 부산물을 포함한다. 배기 흐름이 고압에서 중압으로 감소되게 배기 흐름이 제1 팽창 터빈(107)을 통해 흐른다. 배기 흐름은 제1 팽창 터빈(107)을 통해 제1 팽창 터빈(107)에 결합된 제1 열 교환기(HX) 입구 라인(109)으로 흐른다. 제1 HX 입구 라인(109)은 제1 열 교환기 유닛(HXU)(110)으로 들어간다. 연료 공급 라인(101)과 제1 HX 입구 라인(109) 사이에 결합된 측면 출구 라인(111)은 제1 팽창 터빈(107)을 사용하여 공급된 배기 흐름 외에 연료 공급 라인(101)으로부터 제1 HX 입구 라인(109)에 중압 스팀 및 CO2를 공급(예를 들어, 회귀)한다. 측면 출구 라인(111)과 제1 팽창 터빈(107)은 함께 제1 HX 입구 라인(109)을 통해 제1 HXU(110)에 제1 HX 흐름을 공급한다. 제1 HX 입구 라인(109)의 제1 HX 흐름은 80-90 부피% 또는 몰%(예를 들면, 87 부피% 또는 몰%) 중압 스팀과 10-20 부피% 또는 몰%(예를 들면, 13 부피% 또는 몰%)의 CO2의 성분을 포함한다. 제1 HX 흐름은 하나 또는 그 이상의 장비로부터 받은 배기 흐름을 포함한다.
제1 HX 흐름은 제1 HXU(110)를 통해 제1 HX 출구 라인(112)으로 흐른다. 제1 HX 흐름이 제1 HX 입구 라인(109)으로부터 제1 HXU(110)을 통해서 제1 HX 출구 라인(112)으로 흐르고, 제1 HX 흐름은 제2 HX 입구 라인(113)에서 제1 HXU(110)을 통해서 제2 HX 출구 라인(114)으로 흐르는 제2 HX 흐름과 열교환한다. 제1 HX 입구 라인(109)과 제1 HX 출구 라인(112)은 제1 HXU(110)의 제1 흐름 경로의 일부이다.
제1 HX 흐름과 제2 HX 흐름이 제1 HXU(110)를 통해 이동(예를 들어, 흐름)함으로써, 열은 제1 HX 흐름에서 제2 HX 흐름으로 전달된다. 제1 HX 흐름의 중압 스팀의 적어도 일부는 제1 HXU(110)에서 열 전달에 의해 물로 응축되고, 중압 스팀은 제1 HXU(110)에서 열 전달에 의해 저압 스팀으로 감압된다. 제1 HX 출구 라인(112)에서의 제1 HX 흐름은 제1 HX 출구 라인(112)에 결합된 제1 분리기(115)로 공급된다. 제2 HX 입구 라인(113)의 제2 HX 흐름은 액상의 물을 포함한다. 물은 급수 라인(117)에 결합된 펌프(116)를 이용하여 제2 HX 입구 라인(113)으로 공급된다. 급수 라인(117)은 펌프(116)를 통해서 제2 HX 입구 라인(113)에 결합된다. 제2 HX 흐름의 물은 제2 HX 흐름이 제2 HX 입구 라인(113)으로부터 제1 HXU(110)을 통해서 제2 HX 출구 라인(114)으로 흐를 때, 제1 HXU(110)에서의 열 전달에 의해 촉진되는 고압 스팀에서 끓는다. 제1 HXU(110)는 제2 HX 흐름을 끓이는 보일러이다. 제2 HX 출구 라인(114)의 고압 스팀은 제2 HX 출구 라인(114)에 결합된 제2 팽창 터빈(118)에 공급된다. 제2 팽창 터빈(118)은 제2 HX 출구 라인(114)에서 고압 스팀의 압력을 제2 팽창 터빈(118)과 연료 공급 라인(101) 사이에 결합된 측면 입구 라인(119)에서 중압 스팀로 감소시킨다. 측면 입구 라인(119)은 연료 공급 라인(101)에 중압 스팀을 공급한다. 연료 공급 라인(101), 제1 HX 입구 라인(109), 제1 HX 출구 라인(112), 제2 HX 입구 라인(113) 및 측면 입구 라인(119)에서의 작동 압력은 40 바아(bar) 이하, 예컨대 38 바아 이하이다. 제2 HX 출구 라인(114)의 작동 압력은 70 바아 내지 90 바아 범위, 예를 들어 80 바아 이다. 제2 HX 입구 라인(113)과 제2 HX 출구 라인(114)은 제1 HXU(110)의 제2 흐름 경로의 일부이다.
제1 분리기(115)는 제1 HX 흐름의 기체 성분으로부터 제1 HX 흐름의 액체 성분(액체 물 포함)을 분리한다. 제1 HX 흐름의 기체 성분은 제1 HX 흐름의 저압 스팀, 암모니아 및 CO2를 포함한다. 제1 분리기(115)를 통해서 분리된 액체 성분은 급수 라인(117)과 결합된 제1 분리기(115)의 하부 출구(122)를 통해서 급수 라인(117)으로 공급된다. 기체 성분은 제1 분리기(115)의 상부 출구(123)로 흐른다. 상부 출구(123)에서의 기체 성분은 분할되어 각각 제2 압축기(124) 및 제3 팽창 터빈(125)으로 공급된다. 상부 출구(123)에서의 기체 성분의 제1 부분은 제2 압축기(124)로 공급된다. 상부 출구(123)에서의 기체 성분 중 제2 부분은 제3 팽창 터빈(125)으로 공급되어 순환 흐름을 발생시킨다. 상부 출구(123)는 제2 압축기(124) 및 제3 팽창 터빈(125)과 결합된다. 제2 압축기(124)로 가는 상부 출구(123)에서의 기체 성분의 제1 부분은 제2 압축기(124)에서 가압된다. 제2 압축기(124)는 상부 출구(123)에서의 기체 성분의 제1 부분의 저압 스팀을 중압 스팀으로 가압한다. 배기 흐름의 기체 성분 중 제1 부분(중압 스팀, 암모니아 및 CO2 포함)은 제2 압축기(124)와 연료 공급 라인(101) 사이에 결합된 연료 입구 라인(126)을 통해 제2 압축기(124)로부터 연료 공급 라인(101)으로 공급된다.
제3 팽창 터빈(125)에서 분할된 상부 출구(123)(저압 스팀, 암모니아 및 CO2 포함)에서 배기 흐름의 기체 성분 중 제2 부분은 제3 팽창 터빈(125)에서 온도 및 압력이 감소되어 순환 흐름을 발생시킨다. 순환 흐름(저압 스팀, 물, 암모니아 및 CO2 포함)은 제3 팽창 터빈(125)에 결합된 순환 입구(131)을 통해서 CO2 순환 시스템(130)으로 공급된다. 순환 흐름(저압 스팀 포함)의 압력은 제3 팽창 터빈(125)을 통해서 감소되며, 압력은 순환 입구(131)와 CO2 순환 시스템(130)에서 2 psi-절대(psia)(0.138 바아) 내지 3 psia (0.207 바아)의 범위 내에 있다. 순환 입구(131)와 CO2 순환 시스템(130)에서의 압력은 2 psia (0.138 바아) 미만, 예를 들면 1 psia (0.069 바아) 미만일 수 있다. CO2 순환 시스템(130)은 CO2 순환을 수행하도록 구성되어 있다. 다른 실시예와 조합될 수 있는 하나의 실시예에서, CO2 순환은 저온 및 건식 CO2 순환이다. 다른 실시예와 결합될 수 있는 하나의 실시예에서, CO2 순환 시스템(130)은 저온 열 회수 시스템 또는 폐기물 회수 시스템이다.
도 1b는 하나의 구현예에 따른 도 1a에 따른 CO2 순환 시스템(130)의 개략적인 부분도이다. CO2 순환 시스템(130)은 제2 분리기(132)를 포함한다. 제2 순환 흐름(저압 스팀, 물, 암모니아, 및/또는 CO2 중 하나 또는 그 이상을 단독 또는 이들의 조합으로 포함)이 제1 HX 출구 라인(188)에서 제2 분리기(132)의 입구(143)로 공급된다. 제2 분리기(132)의 하부 출구(134)는 제2 순환 흐름의 기체상에서 제2 순환 흐름의 액체상을 분리한다. 제2 순환 흐름의 액체상은 하부 출구(134)를 통해 제2 분리기(132)에서 배출된다. 제2 순환 흐름의 기체상은 상부 출구(135)를 통해 제2 분리기(132)에서 배출된다. 제2 순환 흐름의 액체상(물 포함)은 제2 펌프(138)에 결합된 펌프 라인(137)으로 진행한다. 하부 출구(134)는 펌프 라인(137)에 결합된다. 제2 펌프(138)은 다중상 펌프이다. 제2 순환 흐름의 기체상은 상부 출구(135)에 결합된 제4 팽창 터빈(139)으로 진행한다. 제4 팽창 터빈(139)은 펌프 라인(137)에 결합된다.
제2 순환 흐름의 액체상과 펌프 라인(137)을 통해 흐르는 기체상은 제2 펌프(138)를 통해서 제2 HXU(142)의 제1 HX 입구 라인(141)으로 펌핑된다. 제1 HX 입구 라인(141)은 제2 펌프(138)를 통해 펌프 라인(137)과 결합된다. 펌프 라인(137)에서 분할된 액체상 및 기체상의 제2 부분은 제1 HX 입구 라인(141)에서 제2 HXU(142)를 통해서 제2 HXU(142)의 제1 HX 출구 라인(143)으로 흐른다.
제2 HXU(142)는 플랜트 시스템(190)의 임의의 저온 열원에 결합된 제2 HX 입구 라인(144) 및 제2 HX 출구 라인(151)을 포함한다. 제2 HX 입구 라인(144)으로부터의 하나 또는 그 이상의 저온 열 스트림은 제2 HXU(142)를 통해서 제2 HX 출구 라인(151)으로 흐른다. 순환 흐름은 제3 팽창 터빈(125)(도 1a에 도시됨)을 나와서 제3 스트림으로써 순환 입구(131)에서 제2 HXU(142)의 제3 HX 입구 라인(187)으로 흐른다. 제3 스트림으로 작용하는 순환 흐름은 고온 스트림으로 활용되고 순환 흐름이 제3 HX 출구 라인(186)을 통해 순환 출구(140)에 결합된 제2 HXU(142)를 통해 흐를 때 냉각된다. 순환 출구(140)는 도 1a에 도시된 제3 분리기(145)로 보내진다. 열은 순환 입구(131)로부터 제1 HX 입구 라인(141)으로 전달된다. 열은 또한 제2 HX 입구 라인(144)으로부터 제1 HX 입구 라인(141)으로 전달된다. 제2 순환 흐름의 액체상 및 기체상은 펌프 라인(137)으로 흐른다. 펌프 라인(137)에서 제2 순환 흐름의 액체상 및 기채상의 온도는 제2 HXU(142)에서 증가된다. 그 다음에 제2 순환 흐름의 액체상 및 기체상은 제1 HX 출구 라인(188)을 통해서 제2 분리기(132)의 입구(143)로 흐른다. 입구(133), 펌프 라인(137) 및/또는 제1 HX 입구 라인(141)의 작동 압력은 290 바아 내지 310 바아의 범위, 예컨대 300 바아이다.
제3 분리기(145)의 입구는 제2 HXU(142)에서 순환 출구(140)와 결합된다. 제3 분리기(145)는 출구 흐름의 액체 성분(물 및/또는 암모니아 등)과 출구 흐름의 기체 성분을 분리한다. 제3 분리기(145)에서 분리된 액체 성분은 제3 분리기(145)의 하부 출구(146)를 빠져 나온다. 하부 출구(146)는 급수라인(117)과 결합된다. 액체 성분은 하부 출구(146)에서 급수라인(117)으로 흐른다. 출구 흐름의 기체 성분은 제3 분리기(145)의 상부 출구(147)에서 제3 분리기(145)를 빠져 나간다. 상부 출구(147)에서 제3 분리기(145)를 빠져나가는 기체 성분은 대부분 CO2이다. 상부 출구(147)에서 제3 분리기(145)를 빠져나가는 기체 성분은 질량, 부피 또는 몰로 75-100% CO2(예를 들어 질량으로 75-100% CO2) 이다. 상부 출구(147)에서 CO2를 가지는 기체 성분은 대기와 통기하지 않지만 재사용을 위해 CO2 포집기(155)(예: 탱크)에 포집되거나 재사용을 위해 플랜트 시스템(190)의 다른 장비로 공급된다. 상부 출구(147)는 CO2 포집기(155)와 결합된다. 재사용을 위해 CO2를 포집하는 것은 플랜트 시스템(190)에서 CO2 배출 저감 및 플랜트 시스템(190)에서의 탄소 발자국 감소를 촉진한다. 순환 입구(131)에서 CO2 의 제1 온도는 화씨 300도 내지 화씨 350도 범위 내에 있다. 순환 배출구(140)에서 CO2의 제2 온도는 화씨 100도 내지 화씨 150도 범위 내에 있다. 본 개시의 양태는 플랜트 시스템(190)에서 발생된 에너지를 제1 온도에서 대기로 방출하는 것보다 포집하여 재사용하는 것을 용이하게 한다.
본 개시는 각각의 분리기(115, 132, 145)가 수직 분리기 또는 수평 분리기와 같은 중력 분리기일 수 있다는 것을 고려한 것이다. 본 개시는 분리기(115, 132, 145) 각각이 대안적으로 상 분리기일 수 있다는 것을 고려한 것이다. 분리기(115, 132, 145)는 모두 동일한 유형의 분리기(예를 들어, 상의 중력)일 필요는 없다는 점에 유의해야 한다. 각각의 터빈(107, 118, 125, 139)은 회전 가능하여 전기를 발생시킨다. 터빈(107, 118, 125, 139)을 사용하여 발생된 전기는 압축기(105, 124) 및/또는 펌프(116, 138)와 같은 플랜트 시스템(190)의 다른 장비에서 사용될 수 있다. 스팀 순환 시스템(100)은 60% 이상의 열효율을 가지며, 정제, 석유화학 및 전력 시스템에 대해 CO2 배출을 저감시키는 것이 용이하다.
본 발명은 스팀 순환 시스템(100) 및 CO2 순환 시스템(130)이 기존의 정제, 석유화학 및 전력 시스템에서 구현되고 개조될 수 있다는 것을 고려한 것이다.
도 2는 하나의 구현예에 따른 플랜트 시스템을 작동하는 방법(200)의 개략도이다. 플랜트 시스템은 전력 생산 시스템, 정제 시스템 및/또는 석유화학 처리 시스템(예: 액화 천연 가스(LNG) 시스템) 중 하나 또는 그 이상을 포함한다. 상기 방법(200)의 작동 단계(202)는 산소를 발생시키기 위해 공기 공급원으로부터 질소를 분리하는 것을 포함한다. 다른 실시예와 조합될 수 있는 하나의 실시예로서, 공기 공급원은 작동 단계(202)에서 공기 공급원으로부터 질소를 분리하기 전에 제1 압축기에서 압축된다. 작동 단계(204)는 연료 공급 라인에서 연료 혼합물에 산소를 공급하는 것을 포함한다.
작동 단계(206)는 제1 팽창 터빈에서 플랜트 시스템의 하나 또는 그 이상의 히터로 배기 흐름을 팽창시키는 것을 포함한다. 작동 단계(208)는 제1 열 교환기 유닛의 제1 흐름 경로에서 배기 흐름을 냉각시키는 것을 포함한다. 작동 단계(210)는 배기 흐름의 기체 성분과 배기 흐름의 액체 성분을 분리하는 것을 포함한다. 배기 흐름의 액체 성분에는 물을 포함하고, 배기 흐름의 기체 성분은 스팀과 CO2를 포함한다.
작동 단계(212)는 배기 흐름의 기체 성분을 연료 공급 라인의 연료 혼합물에 공급하는 것을 포함한다. 다른 실시예와 조합될 수 있는 하나의 실시예에서, 배기 흐름의 기체 성분을 연료 공급 라인의 연료 혼합물에 공급하는 것은 제2 압축기에서 배기 흐름의 기체 성분을 압축하는 것을 포함한다. 다른 실시예와 조합될 수 있는 하나의 실시예에서, 연료 공급 라인의 연료 혼합물에 공급되는 배기 흐름의 기체 성분의 일부는 제1 열 교환기 유닛의 제1 흐름 경로로 회귀된다.
작동 단계(214)는 순환 흐름을 발생시키기 위해 배기 흐름의 기체 성분을 제3 팽창 터빈에 공급하는 것을 포함하고, 작동 단계(216)는 순환 흐름에서 CO2 순환을 수행하는 것을 포함한다. CO2 순환은 상술한 CO2 순환 시스템(130)을 사용하여 수행되는 CO2 순환의 작동, 양태, 구성 요소, 성질 및/또는 특성 중 하나 또는 그 이상을 포함한다. 작업 단계(216)는 출구 흐름의 기체 성분을 포집하는 것을 포함한다. 출구 흐름의 기체 성분은 CO2를 포함한다.
작동 단계(218)는 제1 열 교환기 유닛의 제2 흐름 경로에서 액체 성분을 가열하여 고압 스팀을 발생하는 것을 포함한다. 작동 단계(220)는 제2 팽창 터빈에서 고압 스팀을 팽창시켜 중압 스팀을 생성하는 것을 포함한다.
작동 단계(222)는 연료 공급 라인에서 연료 혼합물에 중압 스팀을 공급하는 것을 포함한다. 작동 단계(224)는 연료 혼합물을 연소시키기 위해 하나 또는 그 이상의 히터에 연료 혼합물을 공급하는 것을 포함한다.
본 개시는 작동 단계(202, 204, 206, 208, 210, 212, 214, 216, 218, 220, 222 및/또는 224) 중 하나 또는 그 이상(예를 들어 모든 것)이 동시에 수행되는 것을 고려한 것이다.
본 발명의 이점은 플랜트 시스템에 대해 CO2 포집, 작동 에너지 재활용, 탄소 발자국의 저감, 비용 효율성 증가, 작동 효율성 증가(예를 들면, 열 효율성)를 포함한다. 일례로, 본 명세서에 기재한 양태들은 열효율 60% 이상에서 5.5 이상의 팩터로서, 플랜트 시스템(전력 생산 시스템, 정제 시스템 및/또는 석유화학 처리 시스템 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있음)의 탄소 발자국을 저감시킬 수 있다고 믿는다. 또 다른 일례로서, 여기에 설명된 측면은 60% 이상의 열 효율로 히터(예: 연소 히터) 또는 크래커의 CO2 배출을 제거할 수 있다고 믿는다.
본 명세서에서 개시된 이러한 양태 중 하나 또는 그 이상이 조합될 수 있는 것으로 고려된다. 또한, 이러한 양태 중 하나 또는 그 이상이 앞서 언급한 이점 중 일부 또는 전부가 포함될 수 있는 것으로 고려된다. 일례로서, 본 개시 내용은 스팀 순환 시스템(100), 플랜트 시스템(190), CO2 순환 시스템(130), 및/또는 방법(200) 중 하나 또는 그 이상의 양태, 특성, 구성 요소, 작동 및/또는 성질이 조합될 수 있다는 것을 고려한다.
이 기술분야의 통상의 기술자는 앞선 실시예가 예시적이며 제한적이지 않음을 이해할 것이다. 명세서를 읽고 도면을 연구할 때 이 기술분야의 통상의 기술자에게 명백한 모든 변형, 치환, 증진, 균등 및 개선은 본 개시의 범위 내에 포함되는 것으로 간주된다. 그러므로 다음에 첨부된 청구범위는 이러한 모든 변형, 치환, 증진, 균등 및 개선을 포함할 수 있는 것으로 간주된다. 본 개시 내용은 또한 본 명세서에 기술된 실시예 중 하나 또는 그 이상의 양태가 기술된 다른 양태 중 하나 또는 그 이상을 대체할 수 있는 것도 고려한다. 본 개시 내용의 범위는 다음의 청구범위에 의해 정해진다.
100 스팀 사이클 시스템
101 연료 공급 라인
102 산소 라인
103 공기 분리 유닛
104 공기 라인
105 제1 압축기
106 질소 라인
107 제1 팽창 터빈
108 배기 라인
109 제1 열 교환기(HX) 입구 라인
110 제1 열 교환기 유닛(HXU)
111 측면 출구 라인
112 제 1HX 출구 라인
113 제2 HX 입구 라인
114 제2 HX 출구 라인
115 제1 분리기
116 펌프
117 급수 라인
118 제2 팽창 터빈
119 측면 입구 라인
122 하부 출구
123 상부 출구
124 제2 압축기
125 제3 팽창 터빈
126 연료 입구 라인
130 CO2 순환 시스템
131 순환 입구
132 제2 분리기
134 하부 출구
135 상부 출구
137 펌프 라인
138 제2 펌프
139 제4 팽창 터빈
140 순환 출구
141 제1 HX 입구 라인
142 제2 HXU
143 입구
144 제2 HX 입구 라인
145 제3 분리기
146 하부 출구
147 상부 출구
148 공기 공급원
151 제2 HX 출구 라인
155 CO2 포집기
186 제3 HX 출구 라인
187 제3 HX 입구 라인
188 제1 HX 출구 라인
190 플랜트 시스템
191 장비
200 작동 방법
202, 204, 206, 208, 210, 212, 214, 216, 218, 220, 222, 224 작동단계

Claims (20)

  1. 플랜트 시스템 중 하나 또는 그 이상의 장비에 연료 혼합물을 공급하기 위한 연료 공급 라인;
    하나 또는 그 이상의 장비의 배기 라인에 결합되는 제1 팽창 터빈;
    입구, 급수라인에 결합된 하부 출구, 및 상기 연료 공급 라인에 결합된 상부 출구를 포함하는 제1 분리기; 및
    상기 제1 팽창 터빈에 결합된 제1 열 교환기 입구 라인, 상기 제1 분리기의 입구에 결합된 제1 열 교환기 출구 라인, 상기 급수 라인에 결합된 제2 열 교환기 입구 라인, 및 상기 연료 공급 라인에 결합된 제2 열 교환기 출구 라인을 포함하는 제1 열 교환기 유닛을 포함하는 플랜트 시스템을 위한 스팀 순환 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 열 교환기 입구 라인은 최소한 펌프를 통해서 상기 급수 라인에 결합되어 있는 스팀 순환 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 열 교환기 출구 라인은 제2 팽창 터빈과 상기 연료 공급 라인에 결합된 측면 입구 라인을 통해서 상기 연료 공급 라인에 결합되어 있는 스팀 순환 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 분리기의 상부 출구는 연료 입구 라인에 결합된 압축기를 통해서 상기 연료 공급 라인에 결합되어 있는 스팀 순환 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 측면 출구 라인은 상기 연료 공급 라인과 상기 제1 열 교환기 입구 라인 사이에 결합되어 있는 스팀 순환 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 산소 라인을 통해서 상기 연료 공급 라인에 결합된 공기 분리 유닛을 추가로 포함하되 상기 공기 분리 유닛은 압축기를 통해서 공기 공급원에 결합되어 있는 스팀 순환 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 분리기의 상부 출구는 제3 팽창 터빈에 추가로 결합되어 있는 스팀 순환 시스템.
  8. 제7항에 있어서, CO2 순환 시스템을 추가로 포함하되 상기 CO2 순환 시스템은,
    상기 제3 팽창 터빈에 결합된 순환 입구;
    입구, 펌프 라인에 결합된 하부 출구, 및 제4 팽창 터빈에 결합된 상부 출구를 포함하는 제2 분리기;
    상기 펌프를 통해 상기 펌프라인에 결합된 제1 열 교환기 입구 라인, 상기 제2 분리기의 입구에 결합된 제1 열 교환기 출구 라인, 상기 플랜트 시스템의 저온 열원에 결합된 제2 열 교환기 입구 라인, 및 상기 플랜트 시스템의 저온 열원에 결합된 제2 열 교환기 출구 라인, 상기 순환 입구에 결합된 제3 열 교환기 입구 라인, 및 제3 열 교환기 출구 라인을 포함하는 제2 열 교환기 유닛; 및
    상기 펌프 라인에 결합된 펌프; 및
    상기 제3 열 교환기 출구 라인에 결합된 순환 출구를 포함하는 스팀 순환 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제4 팽창 터빈은 펌프 라인에 추가로 결합되어 있는 스팀 순환 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 제3 분리기를 추가로 포함하고, 상기 제3 분리기는,
    상기 순환 출구에 결합된 입구;
    상기 급수라인에 결합된 하부 출구; 및
    CO2 포집기에 결합된 상부 출구를 포함하는 스팀 순환 시스템.
  11. 플랜트 시스템 중 하나 또는 그 이상의 장비에 연료 혼합물을 공급하기 위한 연료 공급 라인;
    하나 또는 그 이상의 장비의 배기 라인에 결합되는 제1 팽창 터빈;
    입구, 급수라인에 결합된 하부 출구, 및 상기 연료 공급 라인에 상부 출구가 결합되어 있되 연료 입구 라인에 결합된 압축기를 통해 상기 연료 공급 라인에 결합된 상기 제1 분리기의 상부 출구를 포함하는 제1 분리기; 및
    상기 제1 팽창 터빈에 제1 열 교환기 입구 라인이 결합되어 있되 상기 연료 공급 라인과 상기 제1 열 교환기 입구 라인 사이에 측면 출구 라인이 결합되어 있고; 상기 제1 분리기의 입구에 결합된 제1 열 교환기 출구 라인; 상기 급수 라인에 결합된 제2 열 교환기 입구 라인; 및 상기 연료 공급 라인에 결합된 제2 열 교환기 출구 라인을 포함하는 제1 열 교환기 유닛을 포함하는 스팀 순환 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제2 열 교환기 입구 라인은 최소한 펌프를 통해 급수 라인에 결합되어 있는 스팀 순환 시스템.
  13. 산소를 발생시키기 위해 공기 공급원으로부터 질소를 분리하고;
    연료 공급 라인에서 산소를 연료 혼합물에 공급하며;
    제1 팽창 터빈에서 배기 흐름을 플랜트 시스템 중 하나 또는 그 이상의 히터로 팽창시키고;
    제1 열 교환기 유닛의 제1 흐름 경로에서 배기 흐름을 냉각시키며;
    배기 흐름의 기체 성분에서 배기 흐름의 액체 성분을 분리하되 배기 흐름의 액체 성분은 물을 포함하고, 배기 흐름의 기체 성분은 스팀과 CO2를 포함하며;
    배기 흐름의 기체 성분을 상기 연료 공급 라인에서 상기 연료 혼합물에 공급하고;
    고압 스팀을 발생시키기 위해 상기 제1 열 교환기 유닛의 제2 흐름 경로에서 액체 성분을 가열하며;
    중압 스팀을 발생시키기 위해 제2 팽창 터빈에서 고압 스팀을 팽창시키고;
    상기 연료 공급 라인에서 상기 연료 혼합물에 중압 스팀을 공급하며; 및
    상기 연료 혼합물을 연소시키기 위해 하나 또는 그 이상의 히터에 상기 연료 혼합물을 공급하는 것을 포함하는 플랜트 시스템의 작동방법.
  14. 제13항에 있어서, 순환 흐름을 발생시키기 위해 상기 배기 흐름의 기체 성분을 제3 팽창 터빈에 공급하고;
    순환 흐름으로 CO2 순환을 수행하되 상기 CO2 순환은,
    제 2 분리기에서 상기 제2 순환 흐름의 기체 성분으로부터 제2 순환 흐름의 액체 성분을 분리하되 제2 순환 흐름의 액체 성분은 물을 포함하고, 제2 순환 흐름의 기체 성분은 CO2를 포함하며,
    제2 열 교환기 유닛의 제1 흐름 경로에 상기 제2 순환 흐름의 액체 성분과 기체 성분을 공급하고,
    상기 순환 흐름에서 상기 제2 순환 흐름으로 열을 전달하며,
    상기 순환 흐름의 액체 성분과 기체 성분을 상기 제2 분리기로 회귀시키고,
    제2 순환 흐름의 기체 성분을 제4 팽창 터빈에서 팽창시키고, 그리고
    열 전달 후, 순환 흐름을 출구 흐름인 제3 분리기로 공급시키는 것을 추가로 포함하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 순환 흐름에서 CO2 순환의 수행은 상기 제2 열 교환기 유닛의 제2 흐름 경로를 통해 유체를 흐르게 하는 것을 포함하는 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 제3 분리기에서 출구 흐름의 기체 성분에서 상기 출구 흐름의 액체 성분을 분리하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 고압 스팀을 발생시키기 위해 상기 제1 열 교환기 유닛의 상기 제2 흐름 경로에서 상기 출구 흐름의 액체 성분을 가열하고; 및
    상기 출구 흐름의 기체 성분을 포집하되 상기 출구 흐름의 기체 성분은 CO2를 포함하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  18. 제13항에 있어서, 상기 배기 흐름의 기체 성분 중 일부를 상기 제1 열 교환기 유닛의 제1 흐름 경로로 회귀시키는 것을 추가로 포함하는 방법.
  19. 제13항에 있어서, 상기 공기 공급원으로부터 질소를 분리하기 전에 공기 공급원은 제1 압축기에서 압축되는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 연료 공급 라인에서 상기 연료 혼합물에 상기 배기 흐름의 기체 성분을 공급하는 것은 제2 압축기에서 상기 배기 흐름의 기체 성분을 압축하는 것을 포함하는 방법.
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