KR100374753B1 - 다중-오리피스(공-환상)버너를사용한액체탄화수소-함유연료의부분산화에의한합성가스의제조방법 - Google Patents

다중-오리피스(공-환상)버너를사용한액체탄화수소-함유연료의부분산화에의한합성가스의제조방법 Download PDF

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Abstract

산소-함유 가스(산화제), 모더레이터 가스 및 액체 탄화수소-함유 연료를 실질적으로 비-촉매성 가스 발생기의 반응대에서 반응시킴으로써 합성 가스를 제조하는 방법에 있어서, n이 3 이상인 버너의 종축과 동축선상에 있는 n개의 분리된 통로 또는 채널의 배열을 포함하는 다중-오리피스(공-환상) 버너를 통해 반응대내로 연료와 산화제를 동시에 주입시키는 단계를 포함하는 합성 가스 제조 방법. 연료는 하나 이상의 통로를 통해 유리하게는 2 내지 40m/s의 속도로 통과되어, 이에 따라 적어도 2개의 통로가 잔류하며, 산소-함유 가스는 하나 이상의 잔류 통로를 통해 유리히게는 20 내지 140 m/s의 속도로 통과되어, 이에 따라 적어도 하나의 통로가 잔류하며,
모더레이터는 하나 이상의 잔류 통로를 통해 유리하게는 5 내지 140 m/s의 속도로 통과되며, 이러한 방식으로 각각 연료 및 산소-함유 가스가 통과되는 2개의 통로가 모더레이터가 통과되는 적어도 하나의 통로에 의하여 항상 분리된다.
버너의 종축과 동축인 n개의 분리된 통로 또는 채널의 배열을 포함하는 다중-오리피스(공-환상)버너를 통해 반응대내로 연료 및 산화제를 주입하는 단계를 포함하는 합성 가스 제조 방법.

Description

다중-오피피스(공-환상) 버너를 사용한 액체 탄화수소-함유 연료의 부분 산화에 의한 합성 가스의 제조 방법
산화제로서 적용되는 산소-함유 가스는 통상적으로 공기 또는(순수한) 산소 또는 증기 또는 이들의 혼합물이다. 더욱이, 기화대내의 온도를 제어하기 위하여, 모더레이터 가스(예를 들면, 증기, 물 또는 이산화탄소 또는 이들의 배합물)가 기화대에 공급될 수 있다.
당해 분야의 전문가는 산화제 및 모더레이터의 적용 조건을 숙지할 것이다.
합성 가스는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 가스이고, 예를 들면 가솔린,중간 증류물, 윤활유 및 왁스와 같은 가스상 탄화수소 및 액체 탄화수소를 산출하는, 메탄올, 암모니아 또는 탄화수소의 합성을 위한 연료 가스 또는 공급물로서 사용된다.
명세서와 청구의 범위에서, 액체 탄화수소-함유 연료라는 용어는 기화기 공급 압력 및 온도에서 액체, 에멀션 또는 펌핑 가능한 슬러리인 탄화수소-함유 연료의 언급에 사용된다.
여기에는 예를 들면, 부탄, 펜탄, 헥산과, 천연 가솔린, 케로센, 가스 오일, 나프타, 디젤 연료, 원유, 잔유(대기중이든 진공중이든), 코울 타르, 타르 샌드 오일, 쉐일 오일, 및 산소와 같은 기타 원자를 함유할 수 있는 탄화수소로 포함한 전 액체 범위가 통틀어 포함되지만; 그러나, 이러한 부분은 자기-유지성 연소를 방해하지 않아야 한다. 정의에 따라 전술한 액체 탄화수소에 고체 탄소 연료의 슬러리가 포함된다.
설성된 방법에 따라, 합성 가스는 액체 탄화수소, 특히 중유 잔유물과 같은 연료를 1000 내지 1800℃ 범위의 온도 및 0.1 내지 6 MPa abs. 범위의 압력에서 산소-함유 가스를 사용하여 반응 용기중에서 부분적으로 산화시키므로써 생성된다.
합성 가스는 종종 원유 정유소에서 또는 그 부근에서 생성되게 되는데, 그 이유는 생성된 합성 가스가 중간 증류물, 암모니아, 수소, 메탄올 생산을 위한 공급물로서 또는 예를 들면, 정유로를 가열하거나 전기와 열을 생산하기 위한 가스터빈의 점화를 더욱 효율적으로 하기 위한 연료 가스로서 직접 적용될 수 있기 때문이다.
공-환상(다중-오리피스) 오일 버너에 있어서, 버너의 수명은 버너의 팁에서 발생하는 화염 현상에 의해 야기된 심각한 부식에 의해 제한된다. 이러한 현상에 의해 버너-내부의 온도가 지나치게 고온이 되고 버너에 심각한 손상이 발생하게 된다.
본 발명은 다중-오리피스(공-환상) 버너를 사용한 액체 탄화수소-함유 연료의 부분 산화에 의한 합성 가스의 제조 방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 산화제로서 적용되는 산소-함유 가스, 및 액체 탄화수소-함유 연료가 버너의 종축과 동축선상에 있는 동심원 배열의 n개의 통로 또는 채널(여기에서, n은 3 이상의 정수이다)을 포함하는 다중-오리피스(공-환상) 버너를 통해 기화대에 공급되고, 합성 가스-함유 가스 스트림이 적절한 조건하에서 자동적으로 생성되는, 오일 잔유물과 같은 액체 탄화수소-함유 연료의 부분 산화 방법에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 산화제로서 적용된 산소-함유 가스와 탄화수소-함유 연료의 혼합이 버너 하류의 배출구 너머에서 이루어지고 화염이 버너의 전방으로부터 상승되며 심각한 부식(높은 열 부하)에 의한 버너의 손상이 억제되는, 액체 탄화수소-함유 연료의 부분 산화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 본 발명의 방법에 있어서, 사용시에 산화제로서 적용된 산소-함유 가스 및 액체 탄화수소-함유 연료가 모더레이터에 의하여 항상 분리되고 버너 전방외측의 별도의 스트림으로서 소정의 시간 동안 유동하는 방식으로, 산화제로서 적용된 산소-함유 가스 및 액체 탄화수소-함유 연료가 버너의 각 채널을 통해 기화대로 공급된다는 점에서 전술한 버너 손상 문제점을 해결한다.
이러한 방식으로 내부 림상에 발생하는 화염이 제거되고, 버너의 통로간에 내부 분리벽을 형성하고 일정 두께를 갖는 버너-내부 블레이드가 비교적 찬 상태로 있게되며, 버너 배출구에 근접해 있는 연료-산화제 혼합물은 덜 반응성이되며 이로 해서 내부 림상의 열 부하가 감소된다.
따라서, 본 발명은 산화제로서 적용된 산소-함유 가스(이하 "X"로 칭함), 모더레이터 가스(이하 "M"으로 칭함)및 액체 탄화수소-함유 연료(이하"F"로 칭함)를실질적으로 비-촉매성 가스 발생기의 반응대내에서 반응시킴으로써 합성 가스를 제조하는 방법에 있어서, 버너의 종축으로부터 측정하여, 버너와 종축과 동축선상에 있는 n개의 분리된 통로 또는 채널의 배열을 포함하는 다중-오리피스(공-환상)버너를 통해 반응대내로 연료 및 산화제를 주입하는 단계를 포함하며 n이 3이상의 정수(3,4,5 ...)이고 (n-1)th통로가 nth통로에 대한 내부 통로이며 F가 하나 이상의 통로를 통해 통과되고, 이에 따라 적어도 2개의 통로가 잔류하며,
X가 하나 이상의 잔류 통로를 통해 통과되어, 이에 따라 적어도 하나의 통로가 잔류하며,
각각 F와 X가 통과되는 두 통로가 M이 통과되는 적어도 하나의 통로에 의하여 분리되는 방식으로 M이 하나 이상의 잔류 통로를 통해 통과되는 합성 가스 제조 방법을 제공한다.
유지하게는, 액체 탄화수소-함유 연료는 점도가 1 내지 1000 cSt인 오일 잔유물이고 2내지 40m/s의 속도로 하나 이상의 통로를 통해 통과하며; 산소-함유 가스(산화제)는 하나 이상의 잔류 통로를 통해 20 내지 140m/s의 속도로 통과하며; 모더레이터 가스는 하나 이상의 잔류 통로를 통해 5 내지 140m/s의 속도로 통과한다.
더욱 유리하게는, 산소-함유 가스(산화제) 또는 모더레이터 가스는 최외각 통로를 통해 통과된다.
또한 더욱 유리하게는, n이 4 이상인 경우, 모더레이티 가스 또한 최내각 통로를 통해 통과된다.
본 발명의 다른 유리한 양태로서, n이 4 이상인 경우, 산소-함유 가스 산화제 또는 모더레이터 가스 또한 최내각 통로를 통해 통과된다.
본 발명의 유리한 양태로서, 각각의 속도는 기화대내로의 각 채널의 배출구에서 측정되거나 계산된다. 속도 측정 또는 계산은 목적에 적당한 여타의 방식으로 당해 분야의 전문가에 의해 수행될 수 있고, 따라서 본원에서는 상세히 기술하지 않는다.
본 발명의 다른 유리한 양태로서, 모더레이터 가스는 증기 및/또는 물 및/또는 이산화탄소이다. 본 발명의 또다른 유리한 양태로서, 기화 과정은 0.1 내지 12 MPa abs.에서 수행된다.
산소-함유 가스(산화제), 연료 및 모더레이터를 기화대로 공급하는 환상의 동심원성 채널의 배열을 포함하는 다중-오리피스 버너가 공지되어 있으며(예를 들면, EP-A-0,545,281 및 DE-OS-2,935,754 참조), 따라서 이의 기계적 구조는 본원에서 상세히 기술하지 않는다.
일반적으로, 이러한 버너는 버너 배출구에 다수의 슬릿, 및 내부 냉각액(예를 들면, 물) 통로가 있는 속이 빈 벽 부재를 포함한다. 통로는 버너 배출구에서 수렴되거나 되지 않을 수 있다. 내부 냉각액 통로를 포함하는 대신에, 버너에는 버너의 작동 또는 가열/소화 상황중에 열 부하에 버티기 위해 버너 (전방)벽의 외면에 긴밀하게 인접해 있는 수단에 의하여 적용되거나 매달려 있는 적절한 세라믹 또는 내화성 라이닝이 제공될 수 있다. 유리하게는, 하나 이상의 통로의 배출구(들)는 들어가거나 돌출될 수 있다.
본 발명은 하기 실시예를 참조로하여 더욱 상세히 기술된다.
실시예의 번호는 표에 제시하였다. 표에서 다음과 같은 약어가 사용된다.
공급물 1: 하기와 같은 전형적인 원소 조성을 갖는 잔류 연료:
이러한 공급물의 공급 온도는 210 내지 290℃이고, 이에 따라 점도는 25 내지 250 cSt이다.
공급물 2: 하기와 같은 전형적인 원소 조성을 갖는 액체 탄화수소의 혼합물:
이러한 공급물의 공급 온도는 100 내지 180℃이고, 이에 따라 점도는 10 내지 100 cSt이다.
공급물 3: 타르가 하기와 같은 전형적인 원소 조성을 갖는, 질량비가 약 1:0.4인 중량성 타르와 물의 혼합물:
이러한 공급물의 공급 온도는 50 내지 100℃이고, 이에 따라 점도는 60 내지 600 cSt이다.
산화제 1: 230 내지 250℃의 온도에서 99.4% 순도의 산소
산화제 2: 1:0.05 비율의 산화제 1/증기의 혼합물
산화제 3: 1:0.4 비율의 산화제 1/증기의 혼합물
모더레이터 가스 1: 350 내지 380℃의 온도에서 과열된 증기
모더레이터 가스 2: 200 내지 250℃의 온도에서 주로 CO2로 이루어진 배기가스
5개의 실시예의 번호를 제시하였다. 하기의 표는 이들 실시예에 대한 반응물의 분포를 표시한다. 전형적인 합성 가스 조성물 또한 제시하였다. 상세한 설명과 청구의 범위에서 사용된 n의 값을 표시하였으며 통로 1은 제 1 통로 또는 중앙 통로이다.
n이 6인 경우, 하기의 데이타가 적용될 수 있다:
통로 1
반응물의 유형: 산화제2
질량 유동 [kg/s] : 2.8-4.2
속도 [m/s] : 80-120
통로 2 내지 6:실시예 번호 1(n=7)에 기술된 통로 3 내지 7의 참조 데이타
전형적인 합성 가스 조성, 반응기 압력 및 반응기 온도: 해당 실시예 번호 1(n=7)의 참조 데이타
버너의 용량에 따라 목적에 적합한 여타의 슬릿 폭도 적용될 수 있음이 당해 분야의 진문가에 의해 인식될 것이다.
유리하게는, 제 1 통로 또는 중앙 통로는 직경이 70mm 이하인 반면에, 나머지 동심원상 통로는 슬릿 폭이 1 내지 20mm이다.
본 발명이 다양하게 변형될 수 있음이 전술한 기술 내용으로부터 당해 분야의 전문가에게 자명하다. 이러한 변형 또한 첨부된 청구의 범위내에 포함된다.

Claims (13)

  1. 산화제로서 적용된 산소-함유 가스(이하 "X"로 칭함), 모더레이터 가스(이하 "M"으로 칭함) 및 액체 탄화수소-함유 연료(이하 "F"로 칭함)를 실질적으로 비-촉매성 가스 발생기의 반응대 내에서 반응시킴으로써 합성 가스를 제조하는 방법에 있어서, 버너의 종축으로부터 측정하여 버너의 총축과 동축선상에 있는 n개의 분리된 통로 또는 채널의 배열을 포함하는 다중-오리피스(공-환상) 버너를 통해 반응대 내로 연료 및 산화제를 주입하는 단계를 포함하며, n이 3 이상의 정수이고 (n-1)th통로가 nth통로에 대한 내부 통로이며,
    F가 하나 이상의 통로를 통해 통과되고, 이에 따라 2개 이상의 통로가 잔류하며, X가 하나 이상의 잔류 통로를 통해 통과되어, 이에 따라 하나 이상의 통로가 잔류하며,
    각각 F와 X가 통과되는 두 통로가 M이 통과되는 하나 이상의 통로에 의하여 분리되는 방식으로 M이 하나 이상의 잔류 통로를 통해 통과되는 합성 가스 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 액체 탄화수소-함유 연료가 1 내지 1000 cSt의 점도를 갖는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 액체 탄화수소-함유 연료가 1 내지 40 m/s의 속도로 통과되는 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 산소-함유 가스(산화제)기 20 내지 140 m/s의 속도로 통과되는 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 모더레이터 가스가 5 내지 140 m/s의 속도로 통과되는 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 공정 압력이 0.1 내지 12 MPa abs.인 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 연료가 오일 잔류물인 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 산소-함유 가스(산화제)가 적어도 90% 순도의 산소를 함유하는 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 속도가 기화대 내로의 각각의 동심원성 채널의 배출구에서 측정되거나 계산되는 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 모더레이터 가스가 증기, 이산화탄소 또는 물이거나 이들의 배합물인 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, X 또는 M이 최외각 통로를 통해 통과되는 방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, n이 4 이상인 경우, M이 최외각 통로를 통해 통과되는 방법.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, n이 4 이상인 경우, X 또는 M이 최내각 통로를 통해 통과되는 방법.
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