KR20200097730A - 산소 함유 가스 흐름의 증류 방법 - Google Patents

산소 함유 가스 흐름의 증류 방법 Download PDF

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폴 테리엔
니콜라스 찬탄트
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레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레뜌드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Abstract

바이오 가스 공급 흐름(1)을 정화하여 바이오 메탄(40)을 생산하는 방법으로서, 단계 a): 가스 흐름이 함유하는 CO2 및 산소로부터 가스 흐름이 부분적으로 분리되고 가스 흐름이 절대압 0 bar 초과의 압력 P1으로 압축되는 전처리 유닛(5)으로 공급 가스 흐름(1)을 도입하는 단계; 단계 b): 가스 흐름(22)으로부터 질소를 분리하기 위해 CO2가 고갈된 단계 b)로부터의 가스 흐름(22)을 증류탑(26)에서의 극저온 분리에 적용하는 단계로서, 증류탑(26)은 n개의 플레이트를 포함하고 n은 8 내지 100의 정수인 단계; 단계 c): 생성물의 임계 압력 초과의 압력 P2로 탑(26)으로부터 하부 생성물(37)을 펌핑하는 것에 의해 극저온 분리로부터 CH4가 풍부한 흐름(27)을 회수하는 단계를 포함하고, 단계 b)에서 구현되는 CO2가 고갈된 단계 a)로부터의 가스 흐름(22)은 C1과 동일한 산소 농도는 갖고, - C1이 1 mol%보다 엄격히 크면, 방법이 정지되고, - C1이 0.1 mol%보다 엄격히 크면, 플레이트 n이 상기 탑의 최상에 위치된 플레이트라고 할 때, 단계 b)에서 구현되는 CO2가 고갈된 단계 a)로부터의 가스 흐름(22)은 플레이트 n-4 및 플레이트 n 사이의 레벨에서 증류탑으로 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.

Description

산소 함유 가스 흐름의 증류 방법
본 발명은 바이오 가스, 예를 들면, 비위험 폐기물 저장 설비(NHWSF)로부터 얻은 바이오 가스를 정화하여 바이오 메탄을 생산하는 공정에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이 공정을 구현하기 위한 설비에 관한 것이다.
보다 상세하게는, 본 발명은 적어도 메탄, 이산화탄소, 대기 가스(질소 및 산소) 및 오염물(H2S 및 휘발성 유기 화합물(VOC))을 함유하는 가스 흐름의 막 투과 및 극저온 증류를 결합하는 것에 의한 공정 처리에 관한 것이다. 그 메탄 함량이 그 사용 요건에 부합하며 CH4의 배출이 대기(온실 효과가 강한 가스)에 미치는 영향을 최소화하는 메탄-리치 가스 흐름을 생성하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 특히 천연 가스 네트워크로 주입에 부합하거나 차량 연료로서의 국지적인 사용에 부합하는 바이오 메탄을 생산할 목적으로 비위험 폐기물 저장 설비(NHWSF)로부터 얻어진 바이오 가스를 정화하는 것에 관한 것이다.
NHWSF에 존재하는 유기 폐기물의 혐기성 소화(digestion)는 NHWSF의 활용 기간 동안 그리고 NHWSF의 활용을 중단하고 폐쇄한 후 수년이 지난 후에도 많은 양의 바이오 가스를 생산한다. 주요 구성 성분인 메탄 및 이산화탄소로 인해, 바이오 가스는 강력한 온실 가스인 것과 동시에, 병행하여, 화석 연료의 결핍이 증가하는 상황에 주목할 만한 재생 가능 에너지원을 구성한다.
바이오 가스는 여러 오염 화합물을 함유하므로 상업적 활용을 가능하게 하기 위해 정화되어야 한다. 바이오 가스의 회수 및 정화를 수행하기 위한 여러 공정이 존재한다.
바이오 가스는 주로 생산 방법에 따른 가변 비율로 메탄(CH4) 및 이산화탄소(CO2)를 함유한다.
NHWSF로부터의 바이오 가스의 경우, 가스는 또한 소정 비율의 대기 가스(질소 및 산소)를 함유하며 또한 물, 황화수소 및 휘발성 유기 화합물(VOC)을 보다 작은 비율로 함유한다. 분해된 유기물, 사용된 기법, NHWSF 각각의 특정 조건(기후, 유형, 등)에 따라, 바이오 가스의 성분의 비율이 달라진다. 그러나, 평균적으로, 바이오 가스는, 건조 가스 기준으로, 30% 내지 60%의 메탄, 15% 내지 50%의 CO2, 0 내지 30%의 질소, 0 내지 6%의 산소, 0 내지 1%의 H2S, 정상 입방 미터당 수십 밀리그램 내지 수천 밀리그램의 VOC, 특정 개수의 미량의 다른 불순물을 포함한다.
바이오 가스는 다양한 방식으로 유익하게 활용된다. 바이오 가스는, 부분 처리 후, 열, 전기 또는 이 둘의 조합(열전병합(cogeneration)을 제공하기 위해 생산 현장 가까이에서 유익하게 활용될 수 있다. 이산화탄소 및 질소의 함량이 크면 발열량이 감소하고, 압축 및 운송 비용이 증가하고, 이러한 근처에서의 사용에 대한 그 유익한 활용의 경제적 이익을 제한한다.
바이오 가스를 더 철저하게 정화하면, 바이오 가스가 보다 광범위하게 사용된다. 특히, 바이오 가스를 철저하게 정화하면, 천연 가스의 사양을 충족시키고 이를 대체할 수 있는 정화된 바이오 가스를 얻을 수 있다. 따라서, 정화된 바이오 가스는 "바이오 메탄"으로 알려져 있다. 따라서, 바이오 메탄은 지역의 중심부에서 생산되는 재생 가능 부분으로 천연 가스 자원을 보충한다. 바이오 메탄은 화석 기반의 천연 가스와 정확히 동일한 목적으로 사용될 수 있다. 바이오 메탄은 천연 가스 네트워크 또는 차량 충전소에 공급될 수 있다.
바이오 메탄을 유익하게 활용하는 방법은 국지적인 상황인, 국지적 에너지 요건, 바이오 메탄 연료로서 이를 유익하게 활용할 가능성, 특히, 근처의 천연 가스 운송 또는 분배 네트워크의 존재에 따라 결정된다. 특정 지역(농민, 제조자, 시당국)에서 활동하는 다양한 당사자 사이에서 시너지를 수립함으로써, 지역이 보다 큰 에너지 자주권을 획득하는 데에 바이오 메탄의 생산이 도움이 된다.
국가에 따라, 대기로의 배출에 대해 환경 규제가 종종 제약을 부과한다는 것에 유의하여야 한다.
실제로, 바이오 가스에 함유된 온실 가스(CH4) 및 오염물(H2S 및 VOC)의 영향을 제한하기 위한 기술을 설치할 필요가 있다. 따라서, 높은 CH4 수율(바이오 가스에 함유된 CH4의 양에 대하여 유익하게 활용된 CH4의 양과 질량이 동일함)을 갖는 것과 대기 배출을 방지하는 H2S 및 VOC용 처리 시스템을 제공하는 것이 중요하다.
또한, 혼합물의 분리 중, 다양한 농축 단계에서 폭발성 분위기를 발생시킬 수 있는 O2의 존재가 추가적인 문제로 남는다. 폭발성 혼합물을 생성할 이러한 위험이 있으면, 폐기 현장의 바이오 가스를 안전하고 경제적 방식으로 정화하기가 특히 어렵다.
US 8,221,524 B2는 다양한 재활용 단계를 통해 88%의 비율로 가스를 CH4 농축하는 공정을 제시한다. 이 공정은 가스 흐름을 압축한 다음 VOC를 제거하기 위해 이를 흡착제에 통과시키는 단계로 구성된다. 그런 다음, 가스 흐름을 막 분리 단계에 적용한 다음 압력-스윙 흡착(PSA) 단계로 적용한다. PSA에 사용된 흡착제는 CMS(carbon molecule sieve) 타입이며 질소와 소량의 산소를 제거할 수 있다.
EP 1979446은 H2S 제거, 가스 압축, 파티클을 제거하기 위한 가스 여과로 구성되는 바이오 가스 정화 공정을 제시한다. 그런 다음, 가스는 CO2 및 O2를 제거하기 위해 막 분리 단계에 적용되어, 질소를 제거하기 위해 PSA를 통과한 다음 다양한 필터를 통과하고 최종적으로 PSA를 다시 한번 통과하여 건조된다. 가스는 최종적으로 액화된다.
US 2004/0103782는 가스를 압축하여 여과함으로써 파티클을 제거하고, VOC를 제거하기 위해 가스를 압력-스윙 흡착(PSA) 단계에 적용한 다음, CO2의 대부분과 산소의 일부를 제거하기 위해 가스를 막 분리에 적용하는 것으로 구성되는 바이오 가스 정화 공정을 제시한다.
US 5486227은 특히 H2S를 제거하기 위해 흐름을 온도-스윙 흡착(TSA)에 적용한 다음, 특히 CO2를 제거하기 위해 가스 흐름을 압력-스윙 흡착(PSA)에 적용하고, 질소를 제거하고 메탄만을 유지하기 위해 가스 흐름을 최종적으로 극저온 분리에 적용하는 것을 포함하는 가스 혼합물의 정화 및 액화 공정을 제시한다.
US 5964923 및 US 5669958은 가스를 탈수하고, 가스를 교환기로 통과시켜 응축하고, 가스를 막 분리에 적용한 다음, 가스를 극저온 분리에 적용하는 것을 포함하는 가스 유출물 처리 공정을 제시한다.
US 2010/077796은 가스 흐름을 막 분리에 적용하고, 증류탑에서 투과물을 처리한 다음, 기화 후 탑으로부터 유래되는 메탄 가스를 혼합하는 것을 포함하며, 막 분리의 결과로 잔여분이 얻어지는, 정화 공정을 제시한다.
US 3989478 및 FR 2917489는 메탄-리치 흐름을 정화하기 위한 극저온 시스템을 제시한다. 이러한 두 시스템은 액화 단계 전에 CO2를 제거하는 데에 흡착 시스템을 사용한다.
US 3989478에서, 증류탑의 상부에서 회수된 질소-리치 증류물에 의해 흡착 시스템의 재생이 수행된다. FR 2917489에서, 증류탑의 하부에서 인출된 액체 메탄에 의해 흡착 시스템의 재생이 수행된다.
EP 0772665는 주로 CH4, CO2 및 질소로 구성되는 탄갱(colliery) 가스의 분리를 위한 극저온 증류탑의 사용을 제시한다.
인용된 문헌 중 어느 것도 메탄 농도가 95%보다 높고, CO2 농도가 2.5%보다 낮고, 메탄 수율이 85%보다 큰, O2와 관련된 위험 없이 바이오 메탄을 제공하는 과제를 해결할 수 없다.
따라서, 본 발명이 해결하는 과제 중 하나는 상술한 제약에 부합하는 바이오 가스 정화 공정, 즉, 천연 가스를 대체할 수 있고, CH4와 같이 강력한 온실 효과를 갖는 VOC 및 화합물 등의 오염 화합물의 파괴와 특히 연관하여 환경적 표준에 부합하는 고품질의 바이오 메탄을 최적 수율로 생산하는 안전한 공정을 제공하는 것이다. 따라서, 생산된 가스는 가스 네트워크로의 주입으로 또는 이동성 응용처에서 가스 형태로 유익하게 활용될 수 있다.
또한, 종래 기술에서, PSA(압력-스윙 흡착), 흡착제 체(sieve)(VOC를 제거) 및 막 스테이지를 사용할 수 있는 가스 정화 유닛에서 바이오 가스를 처리하는 것이 실제로 알려져 있다.
CO2는 주로 막 단계에서 제거된다. 이러한 불완전한 분리에 의해, "정화된" 가스 내에 종종 0.5 mol% 내지 1.5 mol%의 CO2 함량을 남긴다. 정화된 가스 내의 CO2 함량은 분리 유닛의 치수를 과도하게 하는 것(압축기의 큰 소비를 수반함)에 의해 감소될 수 있다. 어쨌든, 정화된 가스 내의 CO2 함량은 절대로 매우 적을 수 없을 것이다(농도의 크기와 동일).
그 중에서도, CO2의 잔여 부분, 메탄, 소량의 산소 및 질소(1 mol% 내지 20 mol%)를 함유하는 정화된 가스는 그런 다음 극저온 유닛에서 처리된다.
이 유닛에서 도달된 온도는 대략 -100℃ 이하이며, 이는, 저압(대기압 및 약 30 bar 사이)에서, 피처리 가스에 함유된 CO2의 응고를 야기한다.
빈번하게 채용되는 하나의 해결 수단은 흡착 기술(TSA, 온도-스윙 흡착)을 기반으로 하는 정화 단계를 사용하는 것이다. 이러한 기술은 매우 낮은 CO2 함량(예를 들면, 액화 천연 가스의 경우 50 ppmv)을 달성할 수 있게 한다. 이러한 함량에서, CO2는 메탄에서 여전히 가용성이므로, 저압에서도 고려되는 온도에서 응고되지 않는다. 그러나, 이러한 정화 유닛은 비교적 고가이며, 포획된 CO2를 배출시킬 수 있도록 "재생" 가스의 사용을 필요로 한다. 빈번하게 사용되는 가스는 극저온 단계에서 분리된 질소이거나 NRU(질소 제거 유닛(nitrogen rejection unit)) 출구에서 생성된 메탄이다. 질소가 사용되는 경우, 요구되는 유량을 얻도록 관리하기 위해 유닛의 수율을 저하시키거나 질소를 첨가할 필요가 있을 수 있다. 생산 메탄이 사용되는 경우, 탈착(desorption)과 연관된 CO2 농도의 피크가 나타나, 가스가 사양과 부합하지 않을 수 있다.
또한, 폐기 현장으로부터 얻어지거나 바이오 가스 생산 유닛으로부터 얻어지는 가스는 산소(산소 0% 내지 1 mol%의 통상적인 값이지만 잠재적으로 더 큰)를 함유한다.
전처리 단계에서, 특히, CO2를 제거하는 것으로 구성되는 막 단계에서, 이 산소가 부분적으로 제거된다. 이 단계 중, 절대값으로서의 산소의 양은 감소하지만, 농도는 증가하거나 일정하게 유지된다.
극저온 부분으로 유입되는 산소는 증류탑과 같은 특정 위치에 집중될 위험이 있다. 구체적으로, 산소의 휘발성은 질소의 휘발성 및 메탄의 휘발성 사이에 있다. 따라서, 증류탑에서 산소 농도의 구역을 생성하는 것이 전체적으로 가능하다. 제어되지 않는 경우, 이러한 농도는 가스 혼합물 착화를 일으키거나 심지어 폭발을 일으킬 수 있는 값에 도달할 수 있다. 이는 본 발명의 발명자가 최소화하고자 하는 크게 중요한 안전 위험이다.
따라서, 상술한 바와 같이 운용 비용을 절감하면서 공정을 개선할 필요가 있다.
따라서, 본 발명의 발명자는 위에서 제기된 문제점을 해결하기 위한 해결 수단을 개발하였다.
본 발명의 일 요지는 바이오 가스 공급 흐름을 정화하여 바이오 메탄을 생산하는 방법으로서:
단계 a): 가스 흐름이 함유하는 CO2 및 산소로부터 가스 흐름이 부분적으로 분리되고 가스 흐름이 절대압 25 bar 초과, 바람직하게는, 절대압 50 bar 초과의 압력 P1으로 압축되는 전처리 유닛으로 공급 가스 흐름을 도입하는 단계;
단계 b): 가스 흐름으로부터 질소를 분리하기 위해 단계 b)로부터 얻어진 CO2-고갈 가스 흐름을 증류탑에서의 극저온 분리에 도입하는 단계로서, 증류탑은 n개의 플레이트를 포함하고 n은 8 내지 100의 정수인, 단계;
단계 c): 절대압 25 bar 초과, 바람직하게는, 생성물의 임계 압력 초과의 압력 P2로 탑의 용기로부터 생성물을 펌핑하는 것에 의해 극저온 분리로부터 얻어진 CH4-풍부 흐름을 회수하는 단계를 포함하고,
단계 a)에서 얻어지고 단계 b)에서 사용되는 CO2-고갈 가스 흐름은 C1과 동일한 산소 농도를 갖고,
- C1이 1 mol%보다 엄격히 크면, 방법이 정지되고,
- C1이 0.1 mol%보다 엄격히 크면, 플레이트 n이 탑의 최상에 위치된 플레이트라고 할 때, 단계 a)에서 얻어지고 단계 b)에서 사용되는 CO2-고갈 가스 흐름은 플레이트 n-4 및 플레이트 n 사이의 레벨에서 증류탑으로 도입되는 것을 특징으로 하는 방법이다.
증류탑은 원통형이며, 그 높이는 그 직경에 비하여 항상 매우 크다. 가장 일반적으로 사용되는 증류탑은 플레이트를 구비한다.
탑의 플레이트의 용도는 중력에 의해 다시 하강하는 액체를 상승하는 증기와 접촉하도록 위치시키는 것이다. 플레이트는, 홀이 천공되며 선택적으로 플랩 밸브 또는 벨(bell)을 구비하는 활성 영역과, 플레이트 상의 액체의 특정 두께를 유지하기 위한 댐과, 고려되는 플레이트의 액체를 하부 플레이트로 가져오기 위한 스파우트(spout)를 포함한다.
따라서, 본 발명의 요지인 해결 수단은 공정의 임의의 시점에서 결정화를 방지하기 위해 피처리 가스(주로, 메탄)로의 CO2의 용해도를 충분히 확보하면서 막 단계의 출구에서의 CO2 함량을 추가로 저감하지 않는 것이다.
따라서, 주로 CO2를 정화시키기 위한 TSA 단계가 제거된다. 따라서, 극저온 구간에 공급되는 가스는 0.3 mol% 내지 2 mol%의 CO2를 함유한다.
또한, 본 발명의 요지인 해결 수단은 증류 중 산소의 축적을 제한할 수 있도록 한다.
다른 실시예에 따르면, 본 발명의 요지는 또한 다음과 같다:
- C1이 0.5 mol%보다 엄격히 크고 1 mol% 이하이면, 플레이트 n이 탑의 최상에 위치된 플레이트라고 할 때, 단계 a)에서 얻어지고 단계 b)에서 사용되는 CO2-고갈 가스 흐름은 플레이트 n의 레벨에서 증류탑으로 도입되는 것을 특징으로 하는 전술한 방법.
- n은 15 내지 100인 것을 특징으로 하고, C1이 0.1 mol% 이하이면, 플레이트 n이 탑의 최상에 위치된 플레이트라고 할 때, 단계 a)에서 얻어지고 단계 b)에서 사용되는 CO2-고갈 가스 흐름은 플레이트 n-10 및 플레이트 n-5 사이의 레벨에서 증류탑으로 도입되는 것을 특징으로 하는 전술한 방법.
- 단계 a)는 압력 P1으로 압축된 가스 흐름으로부터 물을 정화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전술한 방법.
- 단계 a)에서 얻어지고 단계 b)에서 사용되는 CO2-고갈 가스 흐름은 0.3 mol% 내지 2 mol%의 CO2를 포함하는 것을 특징으로 하는 전술한 방법.
- 단계 a) 중, 적어도 2개의 분리 막 스테이지를 포함하는 유닛에 의해 공급 가스 흐름으로부터의 CO2 및 산소의 분리가 수행되는 것을 특징으로 하는 전술한 방법.
- 단계 c)의 압력 P2는 절대압 40 bar 초과인 것을 특징으로 하는 전술한 방법.
- 단계 b) 중, 단계 a)에서 얻어지는 CO2-고갈 가스 흐름은, 증류탑으로 도입되기 전에, 절대압 15 bar 내지 절대압 40 bar의 압력 P3으로 팽창되는 것을 특징으로 하는 전술한 방법. 바람직하게는, P3는 절대압 25 bar보다 크다.
- 단계 a)에서 얻어지는 CO2-고갈 가스 흐름은, 팽창 전에, 열 교환기에서 적어도 부분적으로 응축되는 것을 특징으로 하는 전술한 방법.
- 단계 a)에서 얻어지는 CO2-고갈 가스 흐름은, 단계 c)에서 얻어지는 CH4-풍부 흐름에 대하여 그리고 단계 b) 중 분리되는 질소 흐름의 적어도 일부에 대하여 흐름 반대 방향으로, 열 교환기에서 적어도 부분적으로 응축되는 것을 특징으로 하는 전술한 방법.
또한, 본 발명의 요지는 전술한 방법을 사용하여 비위험 폐기물 저장 설비(NHWSF)로부터 얻어진 바이오 가스를 정화하여 바이오 메탄을 생산하는 설비이다.
전술한 바와 같은 비위험 폐기물 저장 설비(NHWSF)로부터 얻어진 바이오 가스를 정화하여 바이오 메탄을 생산하는 전술한 설비는:
- 바이오 가스의 소스;
- 피처리 가스 흐름으로부터 VOC, 물 및 황화합물 중 전부 또는 일부를 제거하기 위한 전처리 유닛;
- 가스 흐름으로부터 CO2 및 O2를 부분적으로 분리할 수 있는 적어도 2개의 분리 막 스테이지;
- 25 내지 100 bar의 압력으로 가스 흐름을 압축할 수 있는 압축기;
- CO2-고갈 가스 흐름을 냉각할 수 있는 열 교환기;
- 증류탑을 연속적으로 포함하며,
증류탑은 n개의 플레이트를 포함하고, 탑으로의 피처리 흐름의 도입 레벨은 피처리 흐름의 산소 농도에 따라 결정되며, n은 8 내지 100의 정수인 것을 특징으로 하는 설비이다.
열 교환기는 임의의 열 교환기, 임의의 유닛, 또는 특정 개수의 흐름의 통과를 허용하여 하나 이상의 냉각수 유체 라인 및 하나 이상의 공급 흐름 사이에서의 직접적이거나 간접적인 열 교환을 허용하는 데에 적합한 다른 구성일 수 있다.
C1가 0.1 mol%보다 클 때 피처리 가스의 증류탑으로의 주입 상방의 실제의 플레이트의 개수를 제한하면(최대 4개의 실제 플레이트), 탑에서 산소 루프의 생성을 제한할 수 있다.
따라서, 피처리 가스가 교환 라인에서 부분적으로 냉각되거나 완전히 액화된다. 그런 다음, 피처리 가스는 증류 압력으로 팽창된다. 부분적으로 또는 완전히 액화된 가스는 팽창된 다음 증류탑으로 주입된다. 이러한 주입은 탑의 4개의 상부 플레이트 중 하나의 레벨에서 직접적으로 상부에서 수행된다.
도면에 개략적으로 도시된 바와 같은 설비에 의해 수행되는 본 발명에 따른 공정의 특정 실시예를 도시하는 도면을 참조하여 본 발명을 더 상세하게 설명한다.
동일한 참조 번호가 액체 흐름과 액체 흐름을 이송하는 파이프를 나타내고, 고려되는 압력은 절대 압력이고, 고려되는 백분율은 몰 백분율이다.
도면에서, 설비는, 피처리 바이오 가스(1)의 소스, 압축 유닛(2) 및 CO2 및 O2 정화 유닛(23)을 포함하는 전처리 유닛(5), VOC 및 물 정화 유닛(3), 극저온 증류 유닛(4), 마지막으로, 메탄 가스 회수 유닛(6)을 포함한다. 장비의 모든 부품은 파이프를 통하여 함께 연결된다.
압축 유닛(2)의 상류에는 CO2 정화 유닛(23) 및 선택적 사전 전처리 유닛이 있다.
CO2 정화 유닛(23)은, 예를 들면, 2개의 막 분리 스테이지를 결합한다. CO2의 적어도 90% 및 O2의 약 50%의 분리를 허용하도록 막이 선택된다. 그런 다음, 제1 분리로부터 얻어진 잔여 부분은 제2 막 분리를 향하게 된다. 제2 막 분리로부터 얻어진 투과물은 압축기의 상류의 메인 회로에 연결된 파이프에 의해 재활용된다. 이 단계는 CO2가 3% 미만이고 CH4 수율이 90%보다 큰 가스(7)를 생성할 수 있다. 이 흐름의 온도는 통상적으로 주변 온도인데; 필요한 경우, 공기 또는 물로 냉각하는 단계가 포함될 수 있다.
압축 유닛(2)은, 예를 들면, 피스톤 압축기의 형태이다.
이 압축기는, 예를 들면, 50 내지 80 bar의 압력으로 가스 흐름(7)을 압축한다. 존재하는 흐름은 도면에서 참조 번호 8로 표시된다.
VOC 및 물을 정화하기 위한 TSA 유닛(3)은 2개의 병(9, 10)을 포함한다. 2개의 병은 물 및 VOC의 흡착을 허용하고 재생 중 후속적인 탈착을 허용하도록 특히 선택된 흡착제로 충전된다. 병은 생산 모드 및 재생 모드에서 교대로 기능한다.
생산 모드에서, 병(9, 10)의 하부에서 가스 흐름이 공급된다. 가스 흐름(8)이 순환하는 파이프는 2개의 파이프(11, 12)로 분할되며, 2개의 파이프(11, 12)는 각각 밸브(13, 14)를 구비하고 제1 병(9) 및 제2 병(10)의 각각의 하부로 가스 흐름을 공급한다. 밸브(13, 14)는 병의 포화 레벨에 따라 교대로 폐쇄될 것이다. 현실적으로, 제1 병이 물로 포화되면, 밸브(13)가 폐쇄되며, 제2 병(10)의 충전을 시작하기 위해 밸브(14)가 개방된다. 파이프(15, 16)는, 각각, 각각의 병의 상부로부터 합류한다. 각각의 파이프(15, 16)는, 각각, 2개의 파이프((17, 18) 및 (19, 20))로 분할된다. 제1 병으로부터 유래된 물 및 VOC의 정화된 흐름은 파이프(18) 내에서 순환하는 한편, 제2 PSA로부터 유래된 물 및 VOC의 정화된 흐름은 파이프(20) 내에서 순환한다. 2개의 파이프가 접합되어 극저온 유닛(4)에 흐름을 공급하는 단일의 라인(21)을 형성한다.
재생 모드에서, 재생 가스는 파이프(17, 19) 내에서 순환한다. 재생 가스는 병의 하부에서 합류한다.
피정화 가스 흐름(22)를 순환시키는 파이프(21)를 통하여 극저온 증류 유닛(4)에 흐름이 공급된다. 극저온 증류 유닛(4)은 각각 3개의 요소인, 열 교환기(24), 리보일러(25) 및 증류탑(26)을 포함한다.
교환기(24)는, 바람직하게는, 알루미늄 또는 스테인리스 스틸로 브레이징 가공된 플레이트 교환기이다. 교환기는 증류탑(26)으로부터 인출된 액체 메탄 흐름(27)과의 열 교환에 의해 라인(21) 내에서 순환하는 가스 흐름(22)을 냉각한다. 가스 흐름(22)은 약 -100℃의 온도로 냉각(28)된다. 이로부터 발생하는 2-상태 흐름(28)은 대안적으로 탑(26)의 용기(25)의 리보일러의 다시 끓임을 보장하며, 생성된 열(29)은 탑(26)의 용기로 전달된다.
냉각된 유체(28)는 밸브(30)에 의해, 예를 들면, 절대압 20 bar 내지 절대압 45 bar의 압력으로 팽창된다. 그런 다음, 2-상태 형태 또는 액체 형태(31)인 유체는, 예를 들면, -110℃ 내지 -100℃의 온도에서 탑(26)의 상부에 위치되는 스테이지(E1)에서 탑(26)으로 도입된다.
스테이지(E1)에서 탑(26)으로 도입된 CO2-고갈 가스 흐름(22)은 C1와 동일한 산소 농도를 갖는다.
C1이 1 mol%보다 엄격히 크면, 공정이 정지된다.
C1이 0.1 mol%보다 엄격히 크면, 플레이트 n-4 및 플레이트 n 사이의 레벨(E1)에서 가스 흐름(22)이 증류탑으로 도입되며, 플레이트 n은 탑의 최상에 위치된 플레이트이다. C1이 0.5 mol%보다 엄격히 크고 1 mol% 이하이면, 플레이트 n의 레벨(E1)에서 가스 흐름(22)이 증류탑으로 도입되며, 플레이트 n은 탑의 최상에 위치된 플레이트이다.
그런 다음, 액체(31)는 탑(26) 내에서 분리되어 응축기(33)에 의해 가스(32)를 형성한다. 예를 들면, 질소 및/또는 메탄을 사용하는 냉장 사이클에 의해, 응축기(33)의 냉각이 수행될 수 있다. 증류탑(26)의 용기로부터 배출되는 액체(37)의 일부분(36)은, -120℃ 내지 -90℃의 온도에서, 액체가 부분적으로 기화되는 리보일러(25)로 보내진다. 형성된 가스(29)는 탑(26)의 용기로 보내진다. 잔류 액체(37)의 다른 부분(38)은 펌프(39)에 의해 펌핑되어, 순수 메탄 가스 생성물(40)을 형성하기 위해 교환기(24) 내에서 기화되는 액체 메탄 흐름(27)을 형성한다.
이러한 펌핑 단계는, 통상적으로, 임계 압력 초과 그리고 절대압 40 bar 초과, 바람직하게는, 절대압 50 bar 초과의 고압에서 수행된다. 이러한 압력 레벨은 교환 라인에서 기화될 마지막 방울에서의 CO2의 축적을 방지할 수 있게 한다. 중질 탄화수소에서 가스는 매우 낮기 때문에, 임계 압력 미만의 가스의 이슬점이 매우 낮다(통상적으로, -90℃ 미만).

Claims (10)

  1. 바이오 가스 공급 흐름(1)을 정화하여 바이오 메탄(40)을 생산하는 방법으로서,
    단계 a): 상기 가스 흐름이 함유하는 CO2 및 산소로부터 상기 가스 흐름이 부분적으로 분리되고 상기 가스 흐름이 절대압 25 bar 초과의 압력 P1으로 압축되는 전처리 유닛(5)으로 상기 공급 가스 흐름(1)을 도입하는 단계;
    단계 b): 상기 가스 흐름(22)으로부터 질소를 분리하기 위해 단계 a)로부터 얻어진 상기 CO2-고갈 가스 흐름(22)을 증류탑(26)에서의 극저온 분리에 적용하는 단계로서, 상기 증류탑(26)은 n개의 플레이트를 포함하고 n은 8 내지 100의 정수인, 단계;
    단계 c): 절대압 25 bar 초과, 바람직하게는, 생성물의 임계 압력 초과의 압력 P2로 상기 탑(26)의 용기(37) 내의 생성물을 펌핑하는 것에 의해 상기 극저온 분리로부터 얻어진 CH4-풍부 흐름(27)을 회수하는 단계를 포함하고,
    단계 a)에서 얻어지고 단계 b)에서 사용되는 상기 CO2-고갈 가스 흐름(22)은 C1과 동일한 산소 농도를 갖고,
    - C1이 1 mol%보다 엄격히 크면, 상기 방법이 정지되고,
    - C1이 0.1 mol%보다 엄격히 크면, 플레이트 n이 상기 탑의 최상에 위치된 플레이트라고 할 때, 단계 a)에서 얻어지고 단계 b)에서 사용되는 상기 CO2-고갈 가스 흐름 (22)은 플레이트 n-4 및 플레이트 n 사이의 레벨에서 상기 증류탑으로 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    C1이 0.5 mol%보다 엄격히 크고 1 mol% 이하이면, 플레이트 n이 상기 탑의 최상에 위치된 플레이트라고 할 때, 단계 a)에서 얻어지고 단계 b)에서 사용되는 상기 CO2-고갈 가스 흐름(22)은 플레이트 n의 레벨에서 상기 증류탑으로 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    n은 15 내지 100인 것을 특징으로 하고, C1이 0.1 mol% 이하이면, 플레이트 n이 상기 탑의 최상에 위치된 플레이트라고 할 때, 단계 a)에서 얻어지고 단계 b)에서 사용되는 상기 CO2-고갈 가스 흐름(22)은 플레이트 n-10 및 플레이트 n-5 사이의 레벨에서 상기 증류탑으로 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    P1은 절대압 50 bar 초과인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 a)는 상기 압력 P1으로 압축된 상기 가스 흐름(8)으로부터 물을 정화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 a) 중, 적어도 2개의 분리 막 스테이지를 포함하는 유닛에 의해 상기 공급 가스 흐름으로부터의 CO2 및 산소의 분리가 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 c)의 상기 압력 P2는 절대압 40 bar 초과인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 b) 중, 단계 a)에서 얻어지는 상기 CO2-고갈 가스 흐름(22)은, 상기 증류탑(26)으로 도입되기 전에, 절대압 15 bar 내지 절대압 40 bar의 압력 P3으로 팽창(30)되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 a)에서 얻어지는 상기 CO2-고갈 가스 흐름(22)은, 상기 팽창(30) 전에, 열 교환기(24)에서 적어도 부분적으로 응축되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    단계 a)에서 얻어지는 상기 CO2-고갈 가스 흐름(22)은, 단계 c)에서 얻어지는 상기 CH4-풍부 흐름(27)에 대하여 그리고 단계 b) 중 분리되는 상기 질소 흐름의 적어도 일부에 대하여 흐름 반대 방향으로, 열 교환기(24)에서 적어도 부분적으로 응축되는 것을 특징으로 하는 방법.
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