KR20240096619A

KR20240096619A - 암모니아 합성 플랜트 및 방법

Info

Publication number: KR20240096619A
Application number: KR1020247018223A
Authority: KR
Inventors: 프란체스코 칸지올리; 안젤로 그리말디; 티치아노 펠레그리니; 기울리아 메아찌니; 알베르토 구글리엘모
Original assignee: 누보 피그노네 테크놀로지 에스알엘
Priority date: 2021-11-04
Filing date: 2022-10-27
Publication date: 2024-06-26
Also published as: WO2023078583A1; AU2022382164A1; IT202100028049A1; CA3236389A1; CN118317922A

Abstract

암모니아 생산 시스템은 수소 공급원과 수소 공급원으로부터의 수소를 압축하도록 구성된 수소 압축부로 구성된다. 상기 시스템은 질소 공급원 및 그 질소 공급원으로부터 질소를 수용하고 수소 압축부로부터 수소를 수용하도록 구성되고 나아가 수소와 질소의 혼합물을 포함하는 합성가스를 압축하여 그 압축된 가스 혼합물을 암모니아 합성 모듈로 전달하도록 구성된 합성가스 압축기를 더 포함한다. 상기 질소 공급원은 상기 수소 압축부가 사용 시 수소 및 질소를 포함하는 배합을 압축하도록 상기 수소 압축부에 유동적으로 결합된다.

Description

암모니아 합성 플랜트 및 방법

본 개시는 암모니아 합성 플랜트 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 명세서에 개시된 것은 암모니아 합성 시스템 및 관련 방법을 위한 새로운 압축 트레인 배열체들이다.

암모니아(NH₃)는 물에 대한 용해도가 높은 가스로 수용액에 자주 사용된다. 암모니아는 질산, 요소 및 질산염, 인산염 등과 같은 기타 암모니아 염의 생산을 위해 여러 산업 응용 분야에서 사용된다. 암모니아 유도체는 농업에서 널리 사용된다. 암모니아 생산량의 약 80%가 비료 제조에 사용된다.

일반적으로 암모니아는 다음과 같은 발열 반응(즉, 열을 방출하는 반응)에 따라 질소와 수소의 합성에 의해 생성된다.

여기에서 ΔH는 반응에 의해 방출되는 열이다.

널리 사용되는 방법에 따르면 암모니아 생산은 일반적으로, 가령 메탄과 같은 수소 공급원을 제공하는 공급 가스에서 시작된다. 질소는 공기에서 얻는다.

암모니아 합성을 위한 대체 방법은 전기분해로 얻은 수소를 사용한다. 최근에는 온실 가스 생산을 줄이고 탄화수소 사용을 피하기 위한 노력으로 이른바 친환경 암모니아 생산 공정 및 시스템을 집중적으로 조사하고 있다. 친환경 암모니아 생산에서 암모니아를 만드는 공정은 100% 재생 가능하고 탄소가 발생하지 않는다. 친환경 암모니아를 만드는 한 가지 방법은 공기에서 분리된 질소와 재생 에너지 자원으로 구동되는 물 전기 분해에서 얻은 수소를 사용하는 것이다. 그런 다음 질소와 수소를 하버(Haber) 공정(하버-보쉬(Haber-Bosch) 공정이라고도 함)으로 공급하여 수소와 질소를 고온과 고압에서 함께 반응시켜 암모니아를 생성한다.

하버 공정은 일반적으로 고압 및 고온 조건에서 수행되는데, 이는 결국 높은 에너지를 필요로 하는데 반해, 최근에는 합성 반응을 촉진하는 적절한 촉매를 사용하는 저온 조건에서의 합성 공정이 조사되고 있다.

사용되는 합성 공정에 관계없이, 상압에서 전기분해에 의해 생성된 수소를 사용하는 암모니아 생산의 한 가지 중요한 측면은 합성 반응에서 요구되는 고압으로 수소를 압축해야 한다는 것이다.

가스의 분자량이 낮을수록, 압축기 임펠러의 회전 속도 및/또는 원하는 압축비를 달성하는 데 필요한 압축기 단계 및 압축기 케이싱의 수가 증가할 수록 분자량(Mw)이 낮은 가스를 압축하는 것은 어려울 수 있다. 여러 개의 압축기 케이싱으로 분할될 수 있는 많은 수의 압축기 단계를 포함하는 긴 압축기 트레인은 무엇보다도 로터 역학 문제 측면에서 설계자에게 어려운 문제를 제기한다.

수소는 분자량이 가장 낮은 가스이므로 압축기 성능 측면에서 그 압축이 특히 까다롭다.

촉매가 반응이 수행되는 온도를 낮출 수 있지만, 암모니아 수율 측면에서 합성 공정의 효율을 향상시키기 위해서는 합성 반응에 관여하는 가스의 고압이 필요한다.

수소가 전기분해에 의해 생성되는 주변 압력에서 효율적인 암모니아 합성 반응에 필요한 압력까지 압축해야 할 필요성으로 인해 수소 압축기의 설계는 원심 압축기와 같은 동적 압축기가 사용될 경우 압축기 단계 수 뿐만 아니라 회전 속도 측면에서도 특히 까다롭다.

따라서 암모니아 생산 시스템, 특히 친환경 암모니아 합성 시스템에서 수소 압축기의 구조, 제조 및 제어를 단순화하는 것이 유리할 것이다.

한 측면에 따르면, 본 명세서에 개시된 암모니아 생산 시스템은 수소 공급원 및 수소 압축부를 포함하고, 수소 공급원으로부터 수소를 압축하도록 구성된다. 상기 시스템은 질소 공급원을 더 포함한다. 합성가스 압축기는 상기 질소 공급원으로부터 질소를 또한 상기 수소 압축부로부터 수소를 수용하도록 구성되고, 합성가스 압축기에 유동적으로 결합된 암모니아 합성 모듈에 전달하기 위한 수소와 질소의 혼합물을 포함하는 합성가스를 압축하도록 또한 구성된다. 상기 질소 공급원은 상기 수소 압축부가 사용 시 수소 및 질소를 포함하는 배합을 압축하도록 상기 수소 압축부에 유동적으로 결합된다. 따라서 수소 압축부에 의해 처리되는 가스 배합의 분자량은 순수 수소의 분자량보다 높아져서, 압축 공정을 개선하고 수소 압축부를 단순화 시킨다.

수소 압축부는 적어도 하나의 동적 압축기, 예를 들어, 원심 압축기를 포함한다. 실시예들에서, 수소 압축부는 원하는 압축비를 달성하기 위해 직렬로 연결된 복수의 동적 압축기들을 포함한다.

추가 측면에 따르면, 수소 및 질소로부터 암모니아를 생산하는 방법이 개시된다. 상기 방법은 합성가스 흡입 압력에서 질소 흐름을 합성가스 압축기의 흡입측으로 전달하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 합성가스 흡입 압력보다 낮은 수소 입구 압력에서 수소 압축부의 흡입측으로 수소 흐름을 전달하는 단계를 또한 포함한다. 한 추가 단계는 상기 수소 압축부에서 상기 수소 유동 압력을 상기 수소 입구 압력으로부터 상기 합성가스 흡입 압력으로 승압시키고, 상기 압축된 수소를 상기 합성 가스 압축기로 전달하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 상기 합성가스 압축기로부터 암모니아 합성 모듈로 가압된 합성가스를 전달하여, 상기 압축된 합성가스로부터 암모니아를 제조하는 단계도 포함한다. 본 명세서에 개시된 실시예에 따르면, 상기 방법은 상기 수소 압축부에 의해 처리되는 가스의 분자량을 증가시키기 위해 상기 수소 압축부 내의 수소에 질소를 첨가하는 단계를 더 포함한다.

이제 첨부 도면에 대한 참조가 간략하게 이루어진다.
도 1은 한 실시예에서 본 개시에 따른 한 시스템의 개략도이다.
도 2는 추가 실시예에서 본 개시에 따른 한 시스템의 개략도이다.
도 3은 추가 실시예에서 본 개시에 따른 한 시스템의 개략도이다.
도 4는 추가 실시예에서 본 개시에 따른 한 시스템의 개략도이다.
도 5는 추가 실시예에서 본 개시에 따른 한 시스템의 개략도이다.
도 6은 추가 실시예에서 본 개시에 따른 한 시스템의 개략도이다.
도 7은 또 다른 실시예에서 본 개시의 한 시스템의 개략도이다; 그리고
도 8은 본 개시에 따른 한 방법을 요약한 순서도이다.

일반적으로 본 명세서에 개시된 것은 수소 압축부의 구조 또는 설계를 단순화하기 위해 구성된 새로운 특징을 포함하는 암모니아 합성을 위한 시스템이다.

간단히 말해서, 이 시스템은 부분적으로 압축된 수소가 질소 공급원으로부터 온 질소와 혼합되는 합성가스 압축기의 흡입 측에서 필요한 최종 수소 압력에 도달하기 전에 저압 수소 흐름에 질소의 양이 추가되도록 구성된다. 일부 실시예에서, 수소 압축부 내의 수소와 배합되기 전에 질소 흐름은 감압된다.

수소 압축부에 의해 처리되는 수소와 질소의 배합은 순수 수소의 분자량보다 높은 분자량을 갖는다. 수소가 질소에 혼합된 상태에서 수소 압축의 적어도 일부가 수행되면, 수소 압축기 단계가 감소될 수 있고/또는 그 회전 속도가 현재 기술의 수소 압축기의 회전 속도보다 낮을 수 있다. 이로 인해 압축기의 설계가 덜 까다로워지고 수소 압축부의 전체 치수가 줄어들 수 있다.

질소와 수소를 혼합하여 암모니아 합성 모듈로 후속 전달하기 위한 합성가스를 형성해야 하기 때문에, 압축 후 질소와 수소의 분리가 필요하지 않다.

이제 도면으로 돌아가서, 도 1은 한 실시예에서 본 개시에 따른 암모니아 생산 시스템(1)의 개략도를 나타낸다. 암모니아 생산 시스템(1)은 수소 공급원(3)과 질소 공급원(5)을 포함한다. 도 1의 바람직한 실시예에서, 수소 공급원(3)은 전해조(7)를 포함할 수 있다. 전해조(7)는 전력 배전 그리드(8)로부터의 전기 에너지로 구동될 수 있다. 일부 실시예에서, 전기 에너지는 적어도 부분적으로 하나 이상의 재생 가능 에너지 자원에 의해 제공될 수 있다. 비제한적인 예로서, 도 1의 개략도에서, 재생 가능 에너지는 태양 에너지이다. 재생 가능 자원으로부터 얻은 에너지는 수집되어 전기 변환기(9)에 의해 전기 에너지로 변환될 수 있다. 도 1에서, 전기 변환기(9)는 태양광 패널(9A) 및 태양광 패널(9A)과 전력 배전 그리드(8)에 전기적으로 연결된 태양광 인버터(9B)를 포함한다.

도시되지 않은 다른 실시예에서, 다른 재생 가능 에너지 자원들은 태양 에너지 대신에, 또는 태양 에너지에 추가적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 풍력, 지열 에너지, 파도 및 조력 에너지 등이 사용될 수 있다.

일부 실시예에서, 전력 배전 그리드(8)는 공공 전력 배전 그리드에 연결될 수 있는데, 이는 재생 가능 에너지 자원으로부터 얻은 전력이 부족할 경우에 전력을 공급하고 및/또는 재생 가능 에너지 자원으로부터 얻어진 전력이 전해조(7)의 전력 수요를 초과하는 경우, 전기 변환기(9)로부터 전력을 수신하도록 구성된다. 대안적으로, 또는 조합하여 전기 변환기(9)로부터의 과잉 전력은 시스템(1)의 다른 모듈들에 의해 사용될 수 있고 및/또는 도시되지 않은 적절한 저장부에 저장될 수 있다.

질소 공급원(5)은, 예를 들어 주변 공기로부터의 분리에 의해, 질소를 제공하도록 구성된 임의의 배열체를 포함할 수 있다. 도 1의 실시예에서, 질소 공급원(5)은 공기 압축기(5A)와 질소 분리 모듈(5B)을 포함한다. 질소 분리 모듈(5B)은 멤브레인 분리기, 예를 들어, 분별 시스템, 또는 다른 공기 성분, 특히 산소 및 이산화탄소로부터 질소를 분리하도록 구성된 임의의 다른 장치를 포함할 수 있다.

암모니아 생산 시스템(1)은 전체적으로 11로 기호 부여된 암모니아 합성부를 더 포함한다. 암모니아 합성부(11)는 압축기(11A)와 암모니아 합성 모듈(11B)을 포함할 수 있다. 단순화를 위하여 단일 압축기(11A)가 도 1의 개략도에 도시되어 있지만, 압축기(11A)는 차례로 단일 압축기 또는 복수의 압축기들, 전형적으로 원심 압축기들을 포함할 수 있으며, 예를 들어 압축기 트레인의 샤프트 라인을 따라 병렬 및/또는 직렬로 배열될 수 있음을 이해해야 한다.

암모니아 합성 모듈(11B)은 압축기(11A)에 의해 적절한 압력에서 암모니아 합성 모듈(11B)로 전달되는 기체 형태의 수소와 질소의 배합 또는 혼합물로부터 암모니아를 합성하도록 구성된 임의의 배열체를 포함할 수 있다. 본 명세서에서는 압축기(11A)를 합성가스 압축기라고 칭하는데, 이는 암모니아 합성에 필요한 질소와 수소를 포함하는 가스 혼합물을 압축하도록 구성되어 있기 때문이다.

수소는 낮은 수소 압력 P1에서, 예를 들어 주변 압력 부근에서 수소 공급원(3)에 의해 전달된다. 질소 공급원(5)은 질소 전달라인(12)을 통해 암모니아 합성부(11)를 향하여 낮은 질소 압력 P2로 질소를 전달한다. 낮은 질소 압력 P2는 공기 압축기(5A)에 의해 가압된 공기가 공급되는 질소 분리 모듈(5B)에 의해 수행되는 분리 공정의 특성으로 인해 낮은 수소 압력 P1보다 높다.

질소 공급원(5)으로부터 오는 질소는 주 질소 전달 덕트(12)를 통해 합성가스 압축기(11A)의 흡입측으로 흐른다. 합성가스 압축기(11A)의 흡입측에서 질소는 합성가스 흡입 압력 P3을 유지한다. 합성가스 흡입 압력 P3은 낮은 질소 압력 P2와 실질적으로 같거나 약간 낮은데, 이는 주 질소 전달 덕트(12)에 따른 수두 손실에 기인한다.

암모니아 제조 시스템(1)은 수소 압축부(15)를 더 포함하고, 수소 압축부의 입구는 수소 공급원(3)에 유동 가능하도록 결합되고, 출구는 합성 가스 압축기(11A)의 흡입측에 유동 가능하도록 결합된다. 낮은 수소 압력 P1은 합성가스 흡입 압력 P3보다 실질적으로 낮기 때문에, 수소 공급원(3)으로부터의 수소는 수소 압축부(15)에서 가압되어 낮은 수소 압력 P1에서 합성가스 흡입 압력 P3으로, 또는 연결 덕트(17)에 따른 수두 손실을 고려하기 위해 약간 높은 압력 P3'로 가압되는데, 이로써 수소 압축부(15)의 전달측이 합성가스 압축기(11A)에 유동 가능하도록 결합된다.

도 1의 개략도에서, 수소 압축부(15)는 하나의 압축기로 나타내었다. 그러나, 일반적인 용어로 수소 압축부(15)는 하나 이상의 압축기들, 전형적으로 원심 압축기들을 포함할 수 있으며, 이들은 통상적으로 직렬로 배열되고, 도시되지 않았으나, 드라이버에 의해 구동되는 공통 샤프트 라인을 따라 배열되는 복수의 압축기들을 갖는 단일 압축기 트레인을 형성할 수 있음을 이해해야 한다. 수소 압축부(15)의 각 압축기는 차례로 복수의 압축기 단계를 포함할 수 있다.

수소 압축부(15)와 질소 공급원(5)에 의해 전달된 가스는 합성가스 압축기(11A)에서 함께 흐르고, 여기에서 수소와 질소의 배합이 처리되어 합성 가스 흡입 압력 P3으로부터 암모니아 합성 모듈(11B)에서 수행되는 합성 반응에 필요한 최종 압력 P4까지 가스 혼합물의 압력을 상승시킨다.

수소 압축부(15)에 의해 처리되는 가스의 분자량을 증가시키고 수소 압축기들의 설계의 어려움을 덜기 위하여, 예를 들어 수소 압력을 낮은 수소 압력 P1에서 합성가스 흡입 압력 P3로 승압시키는 데 필요한 회전속도 또는 압축기 임펠러의 수를 감소시키기 위하여, 일정량의 질소가 수소 압축부(15)에서 압축 전 또는 압축 중에 수소에 첨가된다. 질소는 질소 공급원(5)으로부터 제공된다.

도 1의 실시예에서, 질소 공급원(5)에서 제공되는 질소의 주요부는 주 질소 전달 덕트(12)를 통해 합성가스 압축기(11A)의 흡입측에 전달된다. 2차 질소 흐름은 주 질소 전달 덕트(12)로부터 2차 질소 전달 라인(21)을 통해 우회되어 질소 공급원(5)이 수소 압축부(15)에 유동 가능하도록 연결된다. 도 1의 실시예에서, 2차 질소 전달 라인(21)은 수소 압축부(15)의 입구 상류에 있는 수소 전달 라인(25)에 연결된다. 따라서, 2차 질소 전달 라인(21)을 통해 공급되는 질소는 수소 공급원(3)으로부터 온 수소와 배합되기 전에 낮은 수소 압력 P1으로 감압되어야 한다.

주 질소 전달 덕트(12) 내의 낮은 질소 압력 P2는 통상적으로 수소 압축부(15)의 입구 측의 낮은 수소 압력 P1보다 높기 때문에, 감압 장치(23)는 2차 질소 전달 라인(21)을 따라 위치한다.

일부 실시예에서, 감압 장치(23)는 스로틀 밸브(26)를 포함한다. 본원에서 사용되는 용어 "스로틀 밸브"는 그를 통해 흐르는 가스의 압력을 감소시키도록 구성된 임의의 밸브를 포함한다.

도 1의 실시예에서, 감압 장치(23)를 제어하여 질소 압력 및 유량을 조절한다. 제어부(27)는 이러한 목적을 위해 감압 장치(23)에 기능적으로 연결될 수 있다.

일부 실시예들에서, 제어부(27)는 유량 감지 배열체에 기능적으로 또한 연결된다. 도 1의 실시예에서, 유량 감지 배열체는 수소 전달 라인(25)을 따라 수소의 유량을 감지하고, 더 나아가 2차 질소 전달 라인(21)에서 질소의 유량을 감지하도록 구성된다. 개략적으로, 유량 감지 배열체는 수소 전달 라인(25) 내의 수소 유량계(29A) 및 감압 장치(23)의 상류에 있는 2차 질소 전달 라인(21) 내의 질소 유량계(29B)를 포함한다. 일반적으로 유량 감치 배열체는 질량 유량을 감지하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 온도 및 압력 측정과 조합하여 개구부를 사용하여 이 구성을 얻을 수 있다.

유량계 신호에 기초하여, 제어부(27)는 수소 공급원(3)에 의해 전달된 수소와 배합된 질소의 비율을 조정하도록 구성된다. 수소 흐름에 첨가되는 질소의 양이 많을수록, 수소 압축부(15)에 의해 처리되는 기체 혼합물의 분자량이 높아진다. 고분자량에서의 기체의 배합은 수소 압축부(15)에서 순수 수소보다 쉽게 처리되기 때문에, 수소 압축부(15)에서 처리되는 기체 혼합물 중의 질소의 몰 비율을 증가시키면 수소 압축부(15) 내의 압축기 임펠러의 선단 속도가 감소하고/또는 임펠러의 수가 감소하고, 따라서 수소 압축부(15)의 압축기 수를 줄일 수 있다.

제어부(27)는 합성가스 압축기(11A)에 의해 처리되는 유량이 변화할 때 감압 장치(23)를 조정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어부(27)는 합성가스 압축기에 의해 처리되는 총 유량이 시간에 따라 변할 때 미리 결정된 범위 내에서 질소와 수소 유량 사이의 비율을 유지하도록 구성될 수 있다.

상술한 바와 같이, 2차 질소 전달 라인(21) 내의 질소 압력은 압력 값 P2(낮은 질소 압력 P2)에서 P2보다 낮은 압력 P1(낮은 수소 압력 P1)으로 감소되어야 한다. 생성된 수소 및 질소 혼합물은 P2와 실질적으로 동일한 압력 P3'으로 다시 가압되어야 한다. 그러므로, 감압 장치(23) 내의 질소 팽창은 어느 정도의 에너지 손실을 유발하며, 이는 수소 흐름에서 배합된 질소의 비율에 정비례한다.

따라서 에너지 및 전력 손실 측면의 비용과 수소 압축부 속도 및/또는 임펠러 및 그 단계 수 감소 측면의 이점 사이에서 절충이 이루어져야 한다.

예를 들어, 그러나 이에 제한되지 않고, 수소 압축부(15)에 의해 처리되는 기체 흐름에서의 질소 몰 비율은 2% 내지 20%, 또한 바람직하게는 4% 내지 15%로 다양할 수 있다. 보다 바람직하게는, 수소-질소 배합 내의 질소의 몰 비율은 4% 내지 10% 사이일 수 있다.

도 1의 실시예에 있어서, 2차 질소 전달 라인(21)을 통해 전달된 2차 질소 흐름은 수소 압축부(15)의 상류로 공급되므로, 질소 압력은 낮은 질소 압력 P2에서 낮은 수소 압력 P1으로 저감되어야 한다. 이러한 접근법은 압력 손실을 최대화하고, 따라서 2차 질소 전달 라인(21)을 통해 전달되는 2차 질소 흐름의 비율을 재가압하기 위해 필요한 추가 전력의 양을 최대화한다. 그러나, 질소 및 수소 배합의 유익한 효과는 수소 압축부(15)에서의 보다 용이한 압축의 측면에서 극대화된다.

다른 실시예에서, 수소-질소 배합 압축의 관점에서 에너지 손실과 이점 사이의 절충안은 수소 압축의 중간 단계에서 2차 질소 흐름을 추가함으로써 얻어질 수 있다. 이러한 경우, 분자량 증가의 이점은 감소하지만, 질소 흐름의 일부를 확장해야 할 필요성으로 인한 전력 손실도 감소된다.

도 1을 계속 참조하면, 도 2는 수소 흐름의 일부가 일단 압축되고 그 흐름에 질소가 첨가되는 실시예를 도시한다. 동일한 숫자는 도 1에 이미 표시되고 위에서 설명한 것과 동일하거나 동등한 구성 요소를 나타낸다. 이러한 구성 요소와 그 기능은 중복하여 설명하지 않는다.

도 2의 실시예는 수소 압축이 두 단계로 분할되고, 제1 및 제2 압축 단계 사이에서 수소 흐름에 질소가 첨가된다는 점에서 도 1의 실시예와 다르다.

도 2의 실시예에서는 수소 압축부(15)가 2개의 수소 압축기들(15A, 15B)을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 2개의 수소 압축기들(15A, 15B)은 직렬로 배치되고, 제1 수소 압축기(15A)는 수소 압축부(15)를 통과하는 수소의 흐름 방향에 대하여 제2 수소 압축기(15B)의 상류에 배치된다. 제1 수소 압축기(15A)의 흡입측은 수소 공급원(3)으로부터 수소를 낮은 수소 압력 P1으로 수용한다. 중간 수소 압력 P5의 수소는 제1 수소 압축기(15A)의 전달측으로부터 제2 수소 압축기(15B)의 흡입측으로 전달된다. 수소 압력은 제2 수소 압축기(15B)에 의해 중간 수소 압력 P5으로부터 합성가스 압력 P3으로 또는 약간 높은 압력 P3'으로 승압된다.

2차 질소 전달 라인(21)은 제1 수소 압축기(15A)의 전달측과 제2 수소 압축기(15B)의 흡입측 사이에서 수소 압축부(15)에 유동 가능하도록 결합된다. 따라서, 감압 장치(23)는 질소압을 낮은 질소 압력 P2로부터 낮은 수소 압력 P1보다 높은 중간 수소 압력 P5로 낮춘다. 따라서 2차 질소 전달 라인(21)에서 요구되는 압력에 도달하기 위해서는 더 낮은 전력 손실이 요구된다. 이는 시스템(1)의 소비 전력의 저감 측면에서는 유리하지만, 수소 압축부(15)에서 처리되는 기체 흐름의 분자량은 제2 수소 압축기(15B)에서만 증가하고, 제1 수소 압축기(15A)에서는 증가하지 않기 때문에 수소 압축 측면에서는 이점이 줄어든다.

추가의 실시예에서, 감압 장치(23)를 통한 2차 질소 흐름의 엔탈피 강하는 적어도 부분적으로 회수되어 유용한 전력을 생산할 수 있다. 이를 위해, 감압 장치(23)는 스로틀 밸브(26) 대신에 적어도 하나의 익스펜더를 포함하거나, 그것과 조합하여 포함할 수 있다.

도 1 및 도 2를 계속 참조하면, 도 3은 도 1과 유사한 실시예를 도시하며, 여기서 스로틀 밸브(26)는 익스펜더(24)로 대체된다. 도 1과 관련하여 이미 개시된 도 3에 도시된 시스템의 구성 요소들은 동일한 참조 번호를 부여하며 중복 설명되지 않는다.

도 3의 실시예와 도 1의 실시예의 주된 차이점은 질소 공급원(5)으로부터의 질소의 압력이 스로틀 밸브가 아니라 감압 장치(23)의 익스펜더(24)에서의 팽창에 의해 감소된다는 것이다. 도 3의 실시예에서, 익스펜더(24)는 전기 발전기(31)에 구동 가능하게 결합된다. 그러므로, 익스펜더(24) 내의 2차 질소 흐름의 엔탈피 강하는 전기 발전기(31)에 의해 적어도 부분적으로 전력으로 변환된다. 전력은 참조 번호 8A로 표시된 전력 배전 그리드로 전달된다. 전력 배전 그리드(8A)는 전력 배전 그리드(8)의 일부일 수 있거나, 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 익스펜더(24)에 의해 질소 팽창으로부터 회수된 동력은 수소를 생산하는데 사용될 수 있다. 대안적으로, 또는 조합하여 전기 발전기(31)에 의해 생성된 전력은 시스템(1)의 다른 구성요소들, 예를 들어, 시스템(1) 내의 하나 이상의 압축기들을 구동하는 전기 모터에 전력을 공급하는데 사용될 수 있다. 추가의 실시예에서, 익스펜더(24)는 수소 압축기, 공기 압축기 및 합성가스 압축기 중 하나 이상의 샤프트에 구동 가능하게 결합될 수 있다. 이 실시예에서, 익스펜더(24)는 각각의 압축기의 메인 드라이버를 보조하는 기계식 드라이버(헬퍼)로서 사용될 것이며, 따라서 외부 공급 전력 및 주 드라이버 크기를 감소시키게 된다.

익스팬더(24)는 또한 도 4의 실시예에 도시된 바와 같이, 도 2의 실시예의 스로틀 밸브(26) 대신에, 또는 그와 조합하여 사용될 수 있다. 익스팬더(24)에 의해 생성된 동력은 위에서 서술된 바와 같이 활용되거나 전력으로 변환될 수 있다.

현재 바람직한 실시예에서, 2차 질소 흐름이 주 질소 전달 라인(12)으로부터 우회되는데, 이 옵션은 질소 분리 모듈(5B)로부터 독립적인 추가 질소 공급원 성분으로부터 2차 질소 흐름을 우회하는 것을 배제하지 않는다. 이러한 옵션은 도 5에 도시되어 있으며, 여기서 도 1 내지 도 4에 사용된 동일한 참조 번호는 동일하거나 동등한 구성요소를 나타내며, 중복 설명되지 않는다. 도 5에서, 질소 공급원(5)은 추가적인 질소 공급원(5C), 예를 들어 별개의 플랜트 또는 시스템으로부터의 질소 전달 라인을 포함한다. 덕트(32)는 질소 공급원(5)의 추가 질소 공급원(5C)을 수소 압축부(15)의 흡입측에 접속시킨다. 제어된 밸브(33)는 질소 흐름의 양을 조절하기 위해 덕트(32)에 따라 배치될 수 있다. 제어부(27)와 인터페이스된 유량계(29)가 추가로 예상되고, 제어부(27)는 밸브(33)를 제어하도록 구성된다.

추가 질소 공급원(5C)은 도 2에 따른 실시예에서도 예상될 수 있으며, 여기서 2차 질소 흐름은 제1 업스트림 수소 압축기와 제2 다운스트림 수소 압축기 사이에 주입된다. 이 실시예는 도 6에 도시되어 있으며, 여기서 동일한 참조 번호는 도 2 및 도 5와 관련하여 이미 설명된 동일하거나 대응하는 구성요소를 지정하기 위해 사용되며 중복 설명되지 않는다.

상술한 실시예에서, 2차 질소 흐름은 수소 압축부(15)(도 1, 도 3 및 5)의 전체 상류로 전달되거나, 또는 전적으로 수소 압축부(15)의 상류 수소 압축기(15A)와 하류 수소 압축기(15B) 사이에서 전달된다. 다른 실시예에서, 2차 질소 흐름은 분할되어 부분적으로 수소 압축부(15)의 상류로 전달될 수 있고 부분적으로는 순차적으로 배열된 수소 압축기들(15A, 15B) 사이의 중간 위치에서 전달될 수 있다. 대안적으로, 2차 질소 흐름은 또한 하나 이상의 스트림으로 분할될 수 있고, 수소 압축부(15)의 상이한 지점에서, 예를 들어 상이한 압축기들 또는 상이한 압축기 단계의 흡입측에서 상이한 압력 레벨로 전달될 수 있다.

예를 들어, 도 1, 2, 3, 4, 5 및 도 6과 관련하여 이미 개시된 동일하거나 대응하는 성분을 지정하기 위해 동일한 그리고 중복 설명되지 않는 참조 번호가 사용되는 도 7에서, 2차 질소 흐름은 압력 P2에서 주 질소 전달 덕트(12)로부터 우회되고, 수소 압축부(15)의 상류에서 압력 P1로 전달되는 제1 2차 질소 흐름과, 제1 수소 압축기(15A)와 제2 수소 압축기(15B) 사이에 압력 P5로 전달되는 제2 2차 질소 흐름으로 분할된다. 2개의 제어된 스로틀 밸브(26A 및 26B)와 같은 2개의 감압 밸브는 제어부(27)에 인터페이스될 수 있다. 대안적으로, 하나 또는 두개의 양 스로틀 밸브(26A, 26B)가 익스팬더에 의해 교체될 수 있다. 수소 공급원(3)에 의해 수소 압축부(15)로 전달되는 수소 유량뿐만 아니라, 제1 및 제2 2차 질소 흐름의 유량을 감지하기 위해서는, 3개의 유량 감지 장치(29A, 29B 및 29C)가 사용된다.

일부 실시예의 상술한 설명에서는 제1 상류 수소 압축기(15A) 및 제2 하류 수소 압축기(15B)를 참조하였으며, 여기서 2차 질소 흐름은 중간 압력(P5)으로 그들 압축기 사이로 전달될 수 있다. 그러나, 수소 압축부(15)는 둘 이상의 순차적으로 배열된 수소 압축기들(15A, 15B)을 포함할 수 있고, 2차 질소 흐름이 정확한 중간 압력에서 전달된다면, 단지 하나 이상의 순차적으로 배열된 수소 압축기들 사이에 하나 이상의 2차 질소 흐름이 전달될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

게다가, 본 명세서에서 이해되는 바와 같이, 순차적으로 배열된 제1 및 제2 수소 압축기들은 또한 동일한 압축기 장치의 순차적으로 배열된 두 개의 압축기 단계로 구현될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 2차 질소 흐름은 하나 이상의 다단계 수소 압축기들을 따라 하나 이상의 중간 위치에서 사이드 스트림으로 주입될 수 있다.

게다가, 상기 개시된 실시예들 중 일부는 질소 분리 모듈(5B)로부터 전달되는 주 질소 흐름으로부터 우회된 2차 질소 흐름을 제공하는 반면, 일부 다른 실시예들은 추가 질소 공급원(5C)에 의해 전달되는 2차 질소 흐름을 제공하는 반면, 도시되지 않은 다른 실시예들은 주 질소 전달 덕트(12)로부터 우회된 2차 질소 흐름 및 추가적인 2차 질소 흐름을 전달하는 추가 질소 공급원(5C)을 둘 다 조합하여 포함할 수 있다. 이러한 경우, 2개의 2차 질소 흐름은 수소 압축부(15)의 동일한 지점에서 결합 및 공급될 수 있거나, 또는 별도로 유지되어 적절한 질소 압력에서 수소 압축부(15)의 다른 지점으로 전달될 수 있다.

도 8은 지금까지 개시된 암모니아 생산 시스템에 의해 수행된 방법을 요약한 흐름도를 나타낸다. 요약하면, 이 방법은 다음을 포함한다. 단계 101에서 질소가 합성가스 압축기(11A)의 흡입측으로 전달된다. 단계 102에서 저압의 수소 흐름이 수소 압축부(15)의 흡입측으로 전달된다. 단계 103에서 수소 압축부(15)에서 그것의 흡입측의 상류 및/또는 압력 P1인 흡입측과 압력 P3'인 전달측 사이의 중간 위치에서 질소가 수소에 첨가된다. 단계 104에서 수소 압축부(15)에서 수소 및 질소 배합의 압력은 낮은 수소 압력 P1으로부터 합성 가스 흡입 압력 P3로 또는 약간 높게 승압된다. 단계 105를 보면, 압축된 수소 및 질소 배합은 합성 가스 압축기(11A)로 전달된다. 합성가스 압축기(11A)로부터 가압된 합성 가스를 암모니아 합성 모듈(11B)로 전달하고(단계 106), 최종적으로 암모니아를 압축된 합성가스로부터 암모니아 합성 모듈(11B)에서 합성한다(단계 107).

본원에 개시된 시스템, 장치, 및 방법의 구조, 기능 및 사용의 원리에 대한 전반적인 이해를 제공하기 위하여 특정한 예시적인 실시예가 기술되어 있다. 이들 실시예의 하나 이상의 예가 첨부 도면에 예시되어 있다. 당업자는 본원에 구체적으로 기술되고 첨부 도면에 예시된 시스템, 장치, 및 방법이 비제한적 예시적인 실시예이고, 본 발명의 범주는 청구범위에 의해서만 한정된다는 것을 이해할 것이다. 하나의 예시적인 실시예와 관련하여 설명되거나 도시된 특징은 다른 실시예의 특징과 조합될 수 있다. 그러한 변경 및 변형은 본 발명의 범주 내에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims

암모니아 생산 시스템으로
수소 공급원;
상기 수소 공급원으로부터 수소를 압축하도록 구성된 수소 압축부;
질소 공급원;
상기 질소 공급원으로부터 질소를 또한 상기 수소 압축부로부터 수소를 수용하도록 구성되고, 수소와 질소의 혼합물을 포함하는 합성가스를 압축하도록 더 구성된 합성 가스 압축기; 및
상기 합성가스 압축기에 유동적으로 결합되는 암모니아 합성 모듈을 포함하며;
상기 질소 공급원은 상기 수소 압축부가 사용 시 수소 및 질소를 포함하는 배합을 압축하도록 상기 수소 압축부에 유동적으로 결합되는, 암모니아 생산 시스템.
제1항에 있어서,
상기 수소 압축부는 상기 수소 공급원에 유동적으로 결합되고 상기 수소 공급원으로부터 수소를 수용하도록 구성된 입구 및 상기 합성가스 압축기에 유동적으로 결합되는 출구를 포함하고, 상기 질소 공급원은 상기 수소 압축부의 상기 입구에 유동적으로 결합되는, 암모니아 생산 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 수소 압축부는 직렬로 배열된 적어도 제1 수소 압축기 및 제2 수소 압축기를 포함하며, 상기 질소 공급원은 상기 제1 수소 압축기의 전달측과 상기 제2 수소 압축기의 흡입측 사이에서 상기 수소 압축부에 유동적으로 결합되는, 암모니아 생산 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 질소 공급원을 상기 수소 압축부에 유동적으로 결합시키는 질소 전달 라인, 및 상기 질소 공급원과 상기 수소 압축부 사이에서 상기 질소 전달 라인을 따른 감압 장치를 포함하는, 암모니아 생산 시스템.
제4항에 있어서, 상기 감압 장치는 스로틀 밸브를 포함하는, 암모니아 생산 시스템.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 감압 장치는 익스펜더를 포함하는, 암모니아 생산 시스템.
제6항에 있어서, 상기 익스팬더는 전기 발전기, 압축기 중 하나에 구동 가능하게 결합되는, 암모니아 생산 시스템.
제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감압 장치는 제어부에 의해 제어되고, 유량 감지 배열체에 기능적으로 결합되는, 암모니아 생산 시스템.
제8항에 있어서,
상기 유량 감지 배열체는 상기 수소 압축부에 공급되는 수소 유량을 감지하도록 구성된 수소 유량 감지 장치 및 상기 수소 압축부에 공급되는 질소 유량을 감지하도록 구성된 질소 유량 감지 장치를 포함하는, 암모니아 생산 시스템.
제9항에 있어서,
상기 수소 유량 감지 장치 및 상기 질소 유량 감지 장치에 기능적으로 결합되는 제어부를 더 포함하며; 상기 제어부는 상기 합성가스 압축기를 통한 유량이 변화할 때 질소 유량과 수소 유량의 비율을 원하는 범위 내로 유지하도록 상기 감압 장치를 제어하도록 구성되는, 암모니아 생산 시스템.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수소 공급원은 전해조를 포함하는, 암모니아 생산 시스템.
제11항에 있어서,
상기 전해조는 에너지를 재생 가능 에너지 자원으로부터 전기 에너지로 변환하도록 구성된 에너지 변환 설비에 전기적으로 결합하는, 암모니아 생산 시스템.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질소 공급원은 공기로부터 질소를 분리하도록 구성된, 암모니아 생산 시스템.
수소 및 질소로부터 암모니아를 제조하는 방법으로서,
합성가스 흡입 압력에서 질소 흐름을 합성가스 압축기의 흡입측으로 전달하는 단계;
상기 합성가스 흡입 압력보다 낮은 수소 입구 압력에서 수소 압축부의 흡입측으로 수소 흐름을 전달하는 단계;
상기 수소 압축부에서 상기 수소 유동 압력을 상기 수소 입구 압력으로부터 합성가스 흡입 압력으로 승압시키고, 상기 압축된 수소를 상기 합성 가스 압축기로 전달하는 단계;
상기 합성가스 압축기로부터 암모니아 합성 모듈로 가압된 합성가스를 전달하고 상기 압축된 합성가스로부터 암모니아를 생성하는 단계를 포함하며; 및
상기 방법은 상기 수소 압축부에서 상기 수소에 질소를 첨가하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제14항에 있어서,
질소 공급원으로부터 상기 합성가스 압력에서 주 질소 흐름을 전달하는 단계;
상기 주 질소 흐름으로부터 질소 2차 흐름을 우회시키는 단계;
질소 2차 흐름의 압력을 감소된 질소 압력으로 감소시키는 단계; 및
질소 2차 흐름을 감소된 질소 압력에서 수소 압축부로 전달하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제15항에 있어서,
상기 질소 2차 흐름의 감압 단계는 상기 질소 2차 흐름을 스로틀 밸브를 통해 흐르게 하는 단계를 포함하는, 방법.
제15항 또는 제16항에 있어서,
상기 질소 2차 흐름의 감압 단계는 익스팬더에서 상기 질소 2차 흐름을 팽창시켜 상기 익스팬더로 유용한 전력을 생산하는 단계를 포함하는, 방법.
제17항에 있어서,
상기 익스팬더에 의해 생성된 동력을 전력으로 변환하는 단계;
상기 익스팬더에 의해 생성된 기계적 동력을 상기 수소 압축부, 공기 압축기 및 상기 합성가스 압축기 중 적어도 하나로 전달하는 단계 중 적어도 하나를 더 포함하는, 방법.
제14항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수소 압축부는 직렬로 배열된 제1 수소 압축기 및 제2 수소 압축기를 포함하고, 상기 제1 수소 압축기는 상기 수소 압축부 내의 상기 수소 흐름에 대하여 상기 제2 수소 압축기의 상류에 배열되며; 상기 제1 수소 압축기의 상류에 있는 상기 수소 압축부에서 상기 수소에 질소가 첨가되는, 방법.
제14항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수소 압축부는 직렬로 배열된 제1 수소 압축기 및 제2 수소 압축기를 포함하고, 상기 제1 수소 압축기는 상기 수소 압축부 내의 상기 수소 흐름에 대하여 상기 제2 수소 압축기의 상류에 배열되며; 상기 제1 수소 압축기의 전달측과 상기 제2 수소 압축기의 흡입측 사이에서 상기 수소에 질소가 첨가되는, 방법.