KR100475172B1 - 원유탱크 내의 슬러지 제거 및 오일유분의 회수방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정유공장의 증류탑으로부터 배출되는 열매체유를 이용하여 원유저장 탱크 내의 슬러지를 제거한 후에 제거된 슬러지로부터 이물질을 분리하여 다양한 용도로 사용가능한 오일유분을 회수하는 방법에 관한 것으로, a) 정유공정으로부터 얻어지는 상압잔사유, 감압잔사유, 감압가스오일 등의 열매체유를 원유저장탱크 내에서 축적되어 있는 슬러지에 3:1∼20:1의 체적비로 공급하는 단계; b) 상기 도입된 열매체유 및 슬러지를 교반 또는 비교반하면서 상기 열매체유 및 슬러지의 혼합물 전체의 온도가 균일한 분포를 나타낼 때까지 슬러지를 용융시키는 단계; c) 상기 열매체유 및 슬러지의 혼합물을 상기 탱크 또는 상기 탱크와 연결된 별도의 분리탱크 내에서 정체시켜 이물질을 침적시키는 단계; 및 d) 상기 열매체유 및 슬러지의 혼합물 내의 오일유분을 회수하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 밀폐시스템 하에서 이루어지기 때문에 공기오염을 최소화할 수 있고, 원유저장 탱크의 청소시간을 획기적으로 감소시킴과 동시에 지속적으로 슬러지를 제거할 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 회수된 오일유분을 연료유, 선박유, 중유 업 그레이딩 공정 등의 2차 처리공정의 공급원료(feed)로 제공할 수 있다.

Description

원유탱크 내의 슬러지 제거 및 오일유분의 회수방법 {Method for Removing Sludges in A Crude Oil Tank and Recovering Oil Therefrom}

본 발명은 정유공장의 원유 저장 시 원유탱크 내에 필연적으로 축적되는 슬러지를 제거하는 공정 및 이로부터 오일유분을 회수하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 정유공장에서 용이하게 공급될 수 있는 상압잔사유, 감압잔사유, 감압가스오일 등의 열매체유를 이용하여 원유저장 탱크 내의 슬러지를 제거한 후에 제거된 슬러지로부터 이물질을 분리하여 다양한 용도로 사용가능한 오일유분을 회수하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 원유(crude oil)는 처리되지 않거나 정제되지 않고 지표면 밑으로부터 회수된 오일을 가리킨다. 그러나, 원유 내에는 다양한 원인에 기인하거나 원유 그 자체가 함유하는 오염물질(contaminants)이 오일 저장 탱크의 바닥면에 가라앉게 된다. 즉, 파이프 또는 탱크벽으로부터 생성되는 녹(rust) 뿐만 아니라 자연적으로 형성되는 고체물질 및 고분자량의 탄화수소가 비교적 가벼운 탄화수소로부터 분리될 때 슬러지가 형성되어 저장 탱크에 가라앉게 되는 것이다. 통상적으로, 이러한 슬러지는 긴 사슬을 갖는 파라핀(long-chain paraffin), 아스팔텐(asphaltenes), 무기성분(inorganics), 및 물이 서로 안정하게 에멀션된 상태로 존재하는 것을 가리킨다.

정유공장의 원유저장 탱크는 누출부위(leak)에 의한 오일 누출(oil spill)의 위험성 때문에 나라마다 다르지만 통상 8∼10년 주기로 정기 검사를 받도록 의무화하고 있으며, 이때 원유저장 탱크에 축적되어 있는 원유 슬러지를 청소하여 배출한다. 또한, 이러한 사전 정기검사에도 불구하고 오일 누출 사고가 발생할 경우, 원유저장 탱크의 보수를 위하여 슬러지를 청소하여야 한다. 일반적으로 슬러지는 생성 및 축적 속도가 빠르기 때문에 원유저장 탱크에 축적되고, 탱크 내의 활용공간을 감소시키며, 장기간 제거하지 않아 원유 배출구의 높이까지 축적되면 탱크를 넘어가고 후단 공정으로 유입되어 전체 공정에 악영향을 야기시킨다. 특히, 슬러지의 레벨이 원유 배출구보다 높아지면 일순간 많은 양의 슬러지가 공정내부로 유입되게 되어 원유 투입 펌프 고장(charge pump trip) 등의 문제를 일으킨다. 또한, 슬러지가 공정 내로 유입되면 공정 내 열교환기의 수명단축, 촉매수명의 단축, 촉매공정의 잦은 필터 운전으로 인한 처리량 손실 등 많은 악영향을 가져오게 된다. 이러한 이유로 인하여 정유공장마다 슬러지 처리에 많은 시간 및 비용을 투자하고 있으나 슬러지가 많이 축적된 경우 탱크를 개방하여 슬러지를 제거해 내는 방법 이외에는 근본적인 해결책은 없었다. 이에 따라, 슬러지 제거 공정(Tank DeSludging Process; TDSP)에 대한 연구가 진행되고 있다.

상기 슬러지 처리기술은 크게 탱크로부터 슬러지를 제거, 배출하는 기술 및 배출된 슬러지로부터 오일 유분의 분리, 회수하는 기술로 구분된다. 배출기술로는 사람 또는 로봇이 탱크 안으로 들어가는 방법(SuperMacs), 가열관(heating tube)을 설치하거나 증기(steam)를 사용하여 슬러지를 녹여내는 방법, 및 탱크에 노즐을 설치하여 고압의 원유 스트림(stream)을 분사함으로써 슬러지를 분쇄하여 배출하는 방법 등이 그 대표적인 예이다.

전술한 배출기술 중 국내에서 가장 많이 사용되는 SuperMacs 기술은 일반적으로 먼저 탱크 개방을 한 후에 탱크 내에 차 있는 유해 탄화수소 가스를 환기시킨 다음 작업자에 의하여 운전되는, 진공펌프가 부착된 로봇이 들어가서 슬러지를 배출하는 방식이다. 상기와 같이 배출된 슬러지는 스팀에 의하여 녹여진 다음 원심분리기를 사용하여 녹 부스러기나 진흙 등을 제거하고, 회수된 오일은 다시 타 탱크로 주입한다. 그러나, 회수된 오일을 타 탱크로 주입할 경우 다시 고형화되어 슬러지가 형성되므로 악순환이 계속된다. 또한, 상기 과정은 개방시스템에서 이루어지기 때문에 공기오염 등의 환경문제를 야기할 뿐만 아니라 청소기간(750,000 bbl 탱크의 경우 15∼20일)도 길어져 탱크 활용 면에서도 바람직하지 않다.

한편, 캐나다의 Statia Teminals(Oil & Gas Journal, Feb. 20, 1995)의 경우, 가열관(heating tube)을 탱크에 설치하여 가스 히터에 의하여 슬러지를 녹이는 시도가 1995년에 있었으나 우선 원유 저장지역에 가스 히터의 설치가 복잡하고 또한 매우 위험하여 실제 정유공장에서 적용하기에는 곤란하였다.

노즐을 사용하여 고압의 원유 스트림 분사에 의하여 슬러지를 분쇄하여 배출시키는 방법은 일본이나 구미에서 사용되고 있는 방법이다. 일본의 경우에는 원유 와싱(crude oil washing)이라고 하여 탱크 지붕에 수십 개의 분사노즐을 설치하여 오일을 고압으로 분사하여 슬러지를 분쇄하는 방식을 사용하고 있다. 구미의 경우에는 탱크 맨홀에 대형 양 변위(positive displacement) 고압 펌프 및 노즐을 설치하여 슬러지를 분쇄하는 방법을 널리 이용하고 있다.

예를 들면, 미국특허번호 제5,078,799호는 탱크의 지붕의 상단부 상에 위치하는 흡입 펌프 및 가압 펌프를 이용하여 원유를 흡입 및 가압한 후에 상기 가압된 원유를 회전하는 복수의 액화 랜스(lance)를 통하여 침전된 슬러지 근처의 영역으로 재도입하는 공정을 개시하고 있다. 상기 공정에서는 압력이 수력학적 에너지로 전환되어 탱크 내에 에디(eddy) 흐름 등의 흐름 패턴을 형성시킴으로써 슬러지를 액화시킨다. 상기 액화된 슬러지는 흐름상태로 존재하게 되므로 펌프를 통하여 탱크로부터 배출될 수 있다. 또한, 미국특허번호 제4,945,933호, 제5,019,016호 및 제5,460,331호 역시 복수의 회전 가능한 노즐을 설치하여 제트 흐름을 형성시킬 수 있는 원유 순환기를 이용하여 원유 저장탱크 내에 함유된 슬러지를 분산시키는 장치를 개시하고 있다. 그러나, 상기와 같이 슬러지가 분산되어 있는 원유를 공정으로 투입할 경우 증류공정에 파울링(fouling)이 형성되거나 기타 공정에 악영향을 발생시는 단점을 가지고 있고, 노즐 또는 펌프의 설치가 복잡하고 기간이 많이 소요된다.

슬러지를 배출하여 폐기할 경우 악성폐기물로 분류되어 처리비용이 매우 크므로, 우선적으로 공정 내에서 처리가 되어야 한다. 따라서, 슬러지로부터 오일을 회수하는 방법이 매우 중요하다. 배출된 슬러지의 분리회수 기술에는 미국특허번호 제4,990,237호에 개시된 바와 같이 원심분리기를 이용한 기계적 분리방법(mechanical separation), 열 분리법(thermal separation) 등이 있으며, 그 외에 용매 추출법(solvent extraction) 또는 음파분리법(sonic separation) 등이 이용되고 있다.

예를 들면, 미국특허번호 제5,085,710호는 먼저 원유탱크 내의 원유를 가능한 많이 배출시킨 후에 탱크 내로 C_8∼12의 알킬페놀-에틸렌 옥사이드 부가생성물로 이루어진 비이온성 계면활성제(nonionic surfactant) 및 뜨거운 물을 투입하고, 수용액층과 용해될 수 없는 희석제를 첨가하여 탄화수소를 추출한 다음 탱크로부터 희석제 층과 수용액 층을 분리하여 배출(drain)하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 상기 방법은 환경보호 측면에서 바람직하지 않은 화학물질을 사용하고 있는 단점이 있다. 또한, 미국특허번호 제6,069,002호는 물, 질소, 인 및 미생물로 이루어진 처리용액(treatment solution)을 원유 저장탱크 내로 도입하여 가열한 후에 상기 탱크 내용물을 격렬하게 혼합 및 교반하고, 미생물로 슬러지를 분해시켜 유용하고 가공가능한 탄화수소 흐름을 탱크로부터 제거하는 공정을 개시하고 있다.

전술한 선행기술 이외에도, 슬러지 제거 및 이의 처리기술에 관하여 다양한 방법이 제시되어 있기는 하나 경제적인 면이나 제거효율 및 청소시간 면에서 획기적인 방법은 없는 실정이며 아직도 관련된 많은 기술개발이 지속적으로 이루어지고 있다.

이에 따라, 본 발명자들은 상기 종래기술의 문제점을 극복하기 위하여 정유공장의 증류탑으로부터 배출되는, 상압잔사유, 감압잔사유, 감압가스오일 등을 열매체유로 사용하고 그의 보유열을 활용하는 방안을 연구한 결과, 상기 열매체유를 이용하여 원유저장탱크 내의 슬러지를 짧은 시간 내에 녹여 배출시키고, 이를 상기 원유저장탱크 또는 별도의 분리탱크 내에서 정치시킨 후에 상기 슬러지로부터 침적된 이물질을 수십 ppm 수준으로 제거하여 오일 유분을 약 95% 이상 회수할 수 있는 방법을 개발하게 되었으며, 상기와 같이 회수된 오일이 선박용 연료 및 정유공장의 업 그레이딩(up-grading)공정의 원료로 사용할 수 있음을 발견하게 된 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 밀폐시스템 하에서 슬러지를 원유탱크로부터 제거하여 장시간 탱크 개방으로 인한 공기오염을 최소화할 수 있는, 슬러지 제거 및 이로부터 오일유분의 회수방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 최소의 초기 투자비용으로도 운전이 용이하고 원유저장 탱크의 청소시간을 획기적으로 감소시킴과 동시에 지속적으로 슬러지를 제거할 수 있는, 슬러지 제거 및 이로부터 오일유분의 회수방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 원유 증류공정에서 발생되는 고온의 열매체를 슬러지 제거에 사용하여 공정의 경제성을 제고할 수 있는, 슬러지 제거 및 이로부터 오일유분(recovered oil)의 회수방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법에 따라 회수된 오일유분을 선박유, 중유(heavy oil) 업 그레이딩 공정 등의 2차 처리공정의 공급원료(feed)로 제공하는 방법을 제공하는 것이다.

따라서, 상기 목적 및 기타 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따라 슬러지를 제거하고 이로부터 오일을 회수하는 방법은 a) 정유공정으로부터 얻어지는 상압잔사유, 감압잔사유 및 감압가스오일로 이루어진 군으로부터 선택되는 열매체유를 원유저장탱크 내에서 축적되어 있는 슬러지에 3:1∼20:1의 체적비로 공급하는 단계; b) 상기 도입된 열매체유 및 슬러지를 교반 또는 비교반하면서 상기 열매체유 및 슬러지의 혼합물 전체의 온도가 균일한 분포를 나타낼 때까지 슬러지를 용융시키는 단계; c) 상기 열매체유 및 슬러지의 혼합물을 상기 탱크 또는 상기 탱크와 연결된 별도의 분리탱크 내에서 정체시켜 이물질을 침적시키는 단계; 및 d) 상기 열매체유 및 슬러지의 혼합물 내의 오일유분(recovered oil)을 회수하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 목적 및 기타 목적은 첨부된 도면과 함께 하기 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 슬러지 제거에 사용 가능한 열매체유는 안전 및 환경 측면을 고려하여 비점(boiling point) 및 인화점(flash point)이 높고 증기압(vapor pressure)이 낮은 것을 선택하는 것이 바람직하다. 또한, 적은 양의 파라핀(paraffin) 성분을 함유하는 것이 바람직하다. 상기 요건을 만족하는 열매체유의 대표적인 예로는 상압잔사유(atmospheric residue), 감압잔사유(vacuum residue), 감압 가스오일(vacuum gas oil) 등이 있으며, 그 일반적인 물성은 하기 표 1과 같다.

	상압잔사유	감압잔사유	감압가스오일
비점(℃)	260∼550	270∼580	250∼270
비중	0.90∼0.99	0.98∼0.99	0.9∼0.95

상기 표로부터 본 발명에서 사용가능한 열매체유의 비점은 약 250∼580℃이고, 비중은 약 0.90∼1.0의 범위이다.

특히, 열매체유로서 상압잔사유가 바람직한데, 그 이유는, 슬러지의 85∼97 %를 차지하고 있는 오일유분은 상압잔사유보다 파라핀 성분을 많이 함유하고 있고 다소 가벼운 성분 또는 상압잔사유와 혼합되어 회수되는 경우 연료유, 선박유 또는 후단 업 그레이딩 공정의 공급원료로 사용가능하기 때문이다. 또한, 비점이 높아 열매체로 사용할 경우 안전성 및 공기오염의 방지 측면에서 바람직하며, 회수되는 오일과의 가치가 비슷한 장점을 가지고 있다. 상압잔사유는 원유 중 30∼40%를 차지하고 있어 물량 면에서 충분하고, 활용에 따라 저장온도가 80∼130℃이므로, 이를 열원으로 직접 사용할 경우에는 별도의 가열을 위한 부대 시설 없이도 슬러지 제거공정을 수행할 수 있는 등, 경제성을 제고할 수 있다.

이외에도 LCO(light cycle oil), 등유(kerosene), LGO(light gas oil) 등도 슬러지 제거를 위한 열매체유로 활용할 수 있으나, 상기 유분들의 가치는 회수되는 오일유분보다 높기 때문에 경제성 측면에서 바람직하지 않다.

한편, 최적의 슬러지 제거 및 오일유분 회수공정을 구성하기 위하여는 슬러지 분석, 각종 공정변수의 결정 등의 요인을 고려해야 한다.

슬러지의 샘플 분석 및 슬러지 제거공정의 운전조건

최적공정 조건을 도출하기 위하여는 당해 원유저장 탱크 내에 축적되는 슬러지 성분 및 물성에 대한 분석작업이 선행되어야 하는데, 그 이유는 슬러지 시료 분석을 통하여 회수 가능한 유분의 양 및 이물질의 종류를 알 수 있기 때문이다. 상기 분석작업을 위한 분석 사항으로는 슬러지 내에 함유된 물의 양, 연소 손실량(ignition loss) 및 무기물함량이 있다.

원유 저장탱크 내에 축적되는 슬러지는 처리원유, 청소주기 등에 따라서 성상이 크게 다르다. 물은 5∼28 중량%까지 다양한 함량분포를 갖고 있으며, 순수 슬러지의 경우에도 아스팔텐의 함량 또는 이물질(inorganics)의 함량이 2∼38 중량%로 다양하다. 특히, 이러한 이물질의 주성분은 주로 철 성분(Fe)이며, 탱크 내에서의 축적기간이 긴 슬러지 일수록 탱크 부식의 정도가 크다. 이러한 슬러지 분석 결과를 통하여 필요한 열매체유의 양 및 폐기 처리되어야 할 이물질의 양을 추정할 수 있는 것이다.

본 발명의 슬러지 제거공정의 운전조건을 도출하기 위하여, 검토되어야 할 분석사항은 슬러지의 용융점 및 용융열, 슬러지 내의 오일유분의 양, 회수되는 오일유분의 점도, 유동점 등이며, 그 이외에도 안정적인 운전을 위하여 슬러지 내의 잔존 원유에 대한 운전조건에서의 증기압 등이 분석, 검토되어야 한다.

본 발명에서 예시적으로 사용가능한 상압잔사유 및 슬러지의 분석 측정된 유동점 및 점도는 하기 표 2∼3과 같다. 여기에서 사용된 열매체유는 높은 황함유 원유의 상압잔사유이며 슬러지는 통상적인 원유저장탱크 내에 축적된 슬러지이다.

상압잔사유의 증류 데이터

체적%	온도(℃)
IBP	208
5	302
10	343
20	399
30	435
40	466
50	500
57	522

비중 : 0.9526

점도 : 50℃에서 24 cP

슬러지의 증류 데이터

체적%	온도(℃)
IBP	245
5	314
10	344
20	356
30	357
40	362
50	365
60	371
70	386
80	498
87	565

비중 : 0.9972

API 도(American Petroleum Institute Degree) : 10.4

상기 표로부터, 본 발명의 슬러지제거공정에 있어서 상압잔사유/슬러지의 체적비율은 약 8이 적당하며, 처리될 슬러지 또는 사용될 열매체유의 성상에 따라 다르겠지만 열매체유/슬러지의 체적비는 약 3∼20으로 조절된다.

본 발명은 종래의 원유정제 공정이 원유저장탱크를 off-site로 인식하고 있는 것과는 달리 원유저장탱크도 정유공정의 일부로 고려하여 상기 탱크 내에 축적된 슬러지를 효과적으로 제거할 수 있는 방안을 제공한다는 점에서 유리하다. 또한, 원유정제 공정에서 증류탑의 바닥흐름으로 배출되는 고온의 열매체유를 슬러지 제거의 용도로 이용할 수 있을 뿐만 아니라 상기 고온의 열매체유가 갖는 열을 활용함으로써 경제성을 극대화할 수 있는 가능성을 제공한다. 특히, 슬러지 제거 공정이 밀폐 시스템(closed system)으로 구성되어 있어, 유기물질에 의한 대기오염 등의 문제를 방지할 수 있다.

전술한 슬러지 분석 및 주요 공정변수의 고려에 따라 운전조건이 결정되면 슬러지 제거공정이 수행된다.

먼저, 정유공장의 증류공정으로부터 얻어지는 열매체유를 공정운전 온도인 50∼130℃로 가열한 후에 슬러지가 축적되어 있는 원유저장탱크 내로 투입한다. 다만, 통상적으로 증류탑으로 배출되는 열매체유의 온도는 80∼130℃이므로 별도의 가열과정을 필요로 하지 않는다. 이때, 투입되는 열매체유의 양은 외부의 온도 및 회수되는 오일 유분의 활용에 필요한 점도에 의하여 결정된다. 즉, 회수된 오일의 유동점이 외부 온도와 유사하거나 낮아야 하고, 활용에 필요한 점도요건을 충족시킬 수 있는 조건에서 열매체유의 비율이 결정되어야 하는 것이다. 또한, 대기온도, 배관온도, 및 사용되거나 처리될 열매체유 또는 슬러지의 성상에 따라 달라지긴 하나, 열매체유/슬러지의 체적 비가 약 3∼20, 바람직하게는 5∼10이 되도록 조절한다.

상기 열매체유의 투입에 따라 원유저장탱크 내에서 교반 또는 비교반하에서 상기 열매체유로 슬러지를 용융시킨다. 교반하는 경우에는, 상기 원유저장탱크 내에 별도의 교반기 또는 믹서기를 사용할 수 있으며, 이러한 교반기 또는 믹서기의 종류 및 형태는 당해 분야에서 알려져 있다. 다만, 본 발명에 있어서 슬러지가 급속히 열매체유에 의하여 용융되므로 교반하지 않고도 공정을 수행할 수 있다. 이는 타공정의 경우 슬러지를 용융시키기 위하여 열매체유를 가열하는데 많은 시간이 소요하는 반면, 본 발명의 경우에는 기가열된 열매체유를 다량 사용하기 때문에 사전가열시간이 필요 없고 충분한 열원을 확보할 수 있기 때문이다.

한편, 본 발명에 있어서 슬러지가 열매체유에 의하여 완전히 녹아 제거되는지 여부는 열매체유 및 슬러지의 혼합물 전체의 온도가 균일한 분포를 나타내는 시점을 측정함으로써 확인할 수 있다. 즉, 저장탱크 내 슬러지 바닥의 온도가 벌크 상의 열매체유 및 슬러지의 혼합물 상층 온도와 일치하면 슬러지가 완전히 녹은 것으로 판단할 수 있다.

상기 원리에 따라 현재의 슬러지 레벨을 측정하여 슬러지 용융과정의 운전현황을 모니터링하기 위하여 특별히 고안된 슬러지 레벨 지시계가 원유저장탱크 내에 설치, 사용될 수 있는 바, 도 2에 그 구성이 예시되어 있다.

상기 예시된 슬러지 레벨 지시기는 일정한 간격을 두고 격치되어 있는 복수개의 열전쌍 팁(thermocouple tip)을 포함하고 있다. 통상적으로, 슬러지의 열전도도는 크지 않기 때문에 슬러지 내에 위치한 열전쌍의 팁(tip)의 온도는 주로 슬러지의 용융열에 의하여 영향을 받는다. 따라서, 임의의 지점에서의 온도가 슬러지 레벨 지시계 상단의 온도와 일치하면 그 점의 위치가 현재의 슬러지 레벨이다. 결국, 슬러지 레벨 지시계의 바닥 팁의 온도가 상단 팁과 일치하면 슬러지가 완전히 녹은 것을 의미하며, 이에 따라 슬러지 제거공정의 운전 종료 시점을 알 수 있는 것이다. 한편, 슬러지 제거 과정 중에는 용융열 및 외부 손실열에 의하여 온도가 저하될 수 있기 때문에 슬러지와 열매체의 혼합물을 열교환기가 설치된 순환라인을 통하여 순환시킴으로써 일정한 온도범위로 유지할 수도 있다.

본 발명에 따르면, 슬러지 제거 공정이 종료한 후에는 60℃ 이상, 바람직하게는 60∼130℃에서 정체시켜 상기 열매체유 및 슬러지의 혼합물 내에 함유된 이물질(특히, 머드, 녹 부스러기 등의 무기질 성분)을 침적시켜 상기 혼합물 내에 함유된 오일유분(이하, 회수오일)을 분리한다. 특히, 60℃ 이상의 온도가 요구되는 이유는 온도가 높을수록 점도가 떨어지게 되므로 이물질의 제거율이 향상되기 때문이다. 또한, 필요에 따라 분산제 등의 화합물을 추가적으로 사용할 수도 있다.

한편, 상기 과정은 원유저장탱크 자체 내에서 수행될 수 있으며, 상기 원유저장탱크와 연결된 별도의 분리탱크(separation tank) 내에서 수행될 수도 있다.

상기 분리과정이 원유저장탱크 내에서 이루어지는 경우에는 교반을 중지하고 60℃ 이상의 온도를 유지하면서 이물질이 원유저장탱크의 바닥으로 침적되도록 한다. 상기와 같이 별도의 분리탱크를 사용하지 않는 경우에는 분리 탱크를 사용하는 경우에 비하여 이물질의 분리 성능이 다소 저하되고, 원유저장탱크의 활용도 면에서 문제가 있으나 투자비를 절감할 수 있는 장점이 있다.

이와는 달리, 상기 열매체유 및 슬러지의 혼합물로부터 회수오일 및 이물질 분리용 분리 탱크를 사용하는 경우, 기본적인 원리는 전술한 바와 동일하다.

예를 들어, 교반을 중단한 다음 별도의 라인(out of service line)을 통하여 상기 원유저장탱크로부터 열매체유 및 슬러지의 혼합물이 상기 분리탱크로 이송된다. 이 때, 상기 분리탱크로 스트립핑(stripping) 탱크를 이용하면 추가적인 비용없이 진행할 수 있다.

다만, 이송이 종료된 후 상기 혼합물이 원유저장탱크 내에 잔존하여 굳어질 경우에는 향후 세정과정이 곤란하게 될 위험이 있을 수 있기 때문에 원유를 다시 투입하여 교반함으로써 상기 혼합물을 부드럽게 할 수도 있다. 상기 이송과정이 종료된 후에, 상기 원유저장탱크는 정기보수를 위한 탱크 개방 시에는 통상의 탱크 청소절차에 따르고, 슬러지 제거의 경우에는 다시 원유저장단계를 거치게 된다. 한편, 분리탱크에 누적된 이물질은 탱크의 가용 체적에 큰 영향이 없는 한 제거할 필요가 없다. 제거가 필요한 경우에는 슬러지제거 공정 가동 후 회수오일을 완전 회수한 다음 원유를 사용하여 굳어짐을 방지하고, 탱크를 개방하여 이러한 이물질을 긁어 배출시킨다.

전술한 바와 같이, 이물질을 분리하여 회수된 오일유분, 즉 회수오일은 선박유 또는 2차 처리공정의 공급원료(feed)로 사용 가능하다. 상기 회수오일은 열매체유에 비하여 약간의 왁스(wax) 성분을 더 포함하고 있을 뿐, 상기 용도로 적용하는데는 문제가 없다.

도 1은 본 발명에 따른 슬러지 제거 및 오일유분의 회수공정의 일 구체예를 도시하는 공정도이다.

상기 구체예에서 슬러지 제거 및 오일회수 공정은 크게 열매체유 저장탱크(1), 원유저장탱크(2), 분리탱크(3), 펌프(4) 및 열교환기(5)로 구성되어 있다.

통상적으로 열매체유는 정유공정을 거치면 후처리 공정에 따라 80∼130℃에서 열매체유 저장탱크(1)에 저장되나, 그 미만의 온도로 저장될 수도 있다. 따라서, 열매체유의 온도가 공정운전온도(50∼130℃)인 경우에는 펌프(4) 및 열교환기(5)의 가동 하에서 원유저장탱크(2)로 이송된다.

상기 도면에서, 열교환기(5)는 열매체유의 온도가 50℃ 미만인 경우 중압의 증기가 공급되어 응축되면서 발생된 열을 열매체유로 전달함과 동시에 후술하는 바와 같이 슬러지 제거 과정 중 열매체유 및 슬러지의 혼합물의 온도가 용융열 및 손실열에 의하여 낮아지는 것을 보충하는 역할을 한다.

따라서, 원유저장탱크(2)로 공급되는 열매체유의 온도가 50℃ 미만인 경우에는 설치된 펌프(4) 및 열교환기(5)에 의하여 슬러지제거공정 온도인 50∼130℃에 도달할 때까지 분리탱크(3)로 순환된다. 상기 순환과정에서 밸브(7)는 닫힌 상태이고, 열매체유는 내부 루프 라인(14, 15)을 통하여 분리탱크(3)로 순환된다. 따라서, 열매체유 온도가 50∼130℃ 범위에 도달하게 되면 열교환기(5)를 계속 가동시키면서 펌프(4)를 사용하고, 밸브(7)를 열어 원유저장탱크(2)로 열매체유를 이송한다.

상기 과정에서, 경제적인 슬러지 제거 공정을 위하여 열매체유의 온도 및 양은 파이프 라인의 열손실을 고려하여 결정하는 것이 바람직하다. 또한, 운전 전에 내부 루프의 파이프 라인에 차 있던 원유는 상기 열매체유 흐름에 의하여 다른 원유탱크로 플러싱(flushing)된다.

한편, 원유저장탱크(2)에 있는 원유는 최대한 외부 라인(18)을 통하여 배출되며, 가능한 안전을 위하여 잔존 원유의 양을 최소화하는 것이 바람직하다. 원유를 배출시킨 다음 슬러지 레벨을 통하여 축적량을 측정함과 동시에 도 2에서 도시된 바와 같이, 복수의 열전쌍 팁을 포함하는 슬러지 레벨 지시계(6)를 탱크의 지붕에서 원하는 위치에 설치한다.

고온의 열매체유가 상기 원유저장탱크(2)로 투입됨에 따라 슬러지 상층부로부터 용융이 시작된다. 전술한 바와 같이, 한편, 슬러지 제거 과정 중에 용융열 및 외부 손실열에 의한 온도 저하 요인으로 인하여 굳는 현상이 발생될 수 있기 때문에, 열매체유와 슬러지 혼합물을 외부 루프 라인(17, 14)으로 순환시키되 밸브의 개폐조절을 통하여 상기 펌프(4) 및 열교환기(5)를 거치도록 하여 일정한 온도범위를 유지한다.

슬러지 제거과정에서, 상기 탱크(2)내에 설치된 슬러지 레벨 지시계(6)의 바닥 팁의 온도가 상단 팁의 온도와 일치하면 상기 교반기 또는 혼합기의 가동을 중단하고 용융된 열매체유 및 슬러지의 혼합물을 라인(17, 15)을 거쳐 분리탱크(3)로 이송한다.

상기 분리탱크 내에서 60℃ 이상의 온도로 유지되면서 정체시키면 이물질이 침적되어 오일유분, 즉 회수오일과 분리될 수 있다. 침적에 소요되는 시간은 약 1일 기준으로 하는 것이 바람직하다. 이물질이 제거된 회수오일을 라인(16, 11)을 거쳐 다시 탱크(1)로 이송되어 저장되고, 이로부터 선박유 또는 2차 처리공정의 공급원료(feed)로 사용될 수 있다.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 명확히 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과하며 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예 1

탱크 내에서의 슬러지 용융메카니즘을 이해하기 위하여 실험실 테스트를 실시하였다. 우선 3ℓ의 비이커 바닥에 10㎝ 높이가 되도록 슬러지를 투입한 후에 상단에 상압잔사유를 동일한 체적만큼 채웠다. 이때, 슬러지가 유리 바닥에 붙어 있지 않고 부상할 수 있기 때문에 무거운 튜브를 슬러지 안에 넣어 고정시켰다.

상압잔사유의 가열은 구리관을 사용하여 제작한 열교환기를 이용하였고, 열원으로서 항온조를 사용하여 물을 순환시켰다. 중앙에 교반기를 설치하여 20 rpm의 저속으로 교반하였다. 이때, 운전 온도는 65∼80℃ 범위이었고, 슬러지 레벨 변화를 관찰하기 위하여 다중 팁을 갖는 열전쌍을 설치하였다.

상기 실험결과, 10㎝의 슬러지를 용융시키는데 약 4 시간이 소요되었으며, 실제 원유저장탱크에 적용 가능함을 확인하였다.

실시예 2

분리탱크에서의 이물질 분리 가능성을 평가하기 위하여 다음과 같이 실험을 실시하였다.

3ℓ의 유리 디캔터(glass decanter)에 슬러지 및 상압잔사유를 체적비로 1:4의 비율로 혼합하고, 80℃에서 완전 교반하면서 용융시킨 다음 80℃에서 유지되는 오븐에 설치하여 시간별로 시료를 채취하여 ICP(inductively coupled plasma)에 의한 무기물 함량 및 연소 손실량(ignition loss)을 측정하였다.

슬러지 중에 포함되어 있는 바나듐(vanadium)의 경우, 탄화수소와 결합된 상태로 존재하기 때문에 침적에 의한 분리와는 무관하다. 침적에 의하여 분리가 가능한 이물질은 부식에 의한 녹 성분 및 소금물에 포함되어 있는 성분이다. 슬러지를 분석하여 보면 철의 경우 통상적으로 수천∼수만 ppm 정도를 함유하고 있다.

상층 및 중간층에서의 시간별 분리경향을 도 3 및 도 4에 나타내었다. 상층 및 중간층의 시료의 경우, 수천에서 수만 ppm 정도가 되는 Fe 함량이 거의 1시간 이내에 100 ppm 이하로 떨어지며, 8 시간 이후에는 거의 일정 수준인 40 ppm 내외에 도달되는 경향을 보임을 알 수 있다. 이와 같이 80℃ 의 온도에서 부식에 의한 녹 등의 이물질이 신속히 분리됨을 알 수 있었다. 특히, 온도를 올리면 유체의 점도가 떨어지기 때문에 이물질의 분리 효율은 더욱 향상될 수 있음을 인식할 수 있었다.

또한, 연소손실량은 99.8% 이상이며, 이는 이물질 분리가 가능하다는 것을 보여준다.

실시예 3

본 발명의 실효성을 검증하기 위하여 실제공정에 적용시켰다. 상기 실험은 투자 필요성 및 기술 실효성을 우선적으로 판단하기 위하여 열교환기 및 펌프 없이 단지 80℃의 상압잔사유의 열원만을 이용한 One-Through 테스트로 수행되었다. 대상 원유저장탱크는 750,000 bbl의 탱크로서 고유황 함유 원유의 저장용이었고 테스트 전 슬러지의 양은 계측 결과 약 2,540 톤(약 16,000 bbl, 비중 1로 가정)이 축적되어 있었다.

상기 테스트에서는 회수오일의 활용보다는 슬러지 제거공정의 실효성 검증이 주목적이었기 때문에 80℃의 상압잔사유 84,000 bbl을 열원으로 사용하여 슬러지 레벨의 변화를 관찰하였다. 또한, 상압잔사유:슬러지의 체적비가 5.3:1이었다. 상기 상압잔사유는 원유저장탱크에 기존 파이프 라인을 통하여 주입되었다.

이때, 열매체유를 투입하기 전에 원유를 배출시키고, 슬러지 양을 계측한 다음 도 2에 도시된 슬러지 레벨 지시계를 설치하였다. 상기 도면에서 LIT는 슬러지 레벨 지시계에서의 열전쌍 팁의 위치를 나타낸다. 각각의 팁은 슬러지가 용융되면, 벌크 상의 온도를 나타내기 때문에 그 위치가 슬러지의 레벨을 가리킨다. 테스트 결과 상기 슬러지 레벨 지시계가 슬러지 제거공정의 운전상황을 모니터링하는데 적합함을 알 수 있다.

상기 테스트의 결과를 도 7 및 도 8에 나타내었다. 도 7은 각각의 열전쌍 팁에서의 열전쌍 팁의 온도 변화 추이를 도시한다. 벌크 상의 온도가 떨어지는 원인은 주로 탱크 벽을 통한 열손실 및 슬러지 용융열로 해석된다. 실제 슬러지제거공정의 경우, 상기 온도저하는 별도로 설치되는 열교환기에 의한 열공급에 의하여 보충할 수 있고, 벌크 상의 온도는 일정하게 유지된다. 상기 테스트의 과정에서 외부의 온도는 20℃ 부근이었다. 도 7의 결과로부터, 열원으로서 80℃의 상압잔사유를 약 84,000 bbl로 사용하여도 슬러지의 80%가 용융/제거되므로 본 발명의 현장 적용 시 성공 가능성이 매우 높음을 알 수 있다.

도 8은 원유저장탱크에서의 상압잔사유 및 슬러지의 혼합물의 레벨 및 벌크 상의 온도변화 추이를 나타낸다. 상압잔사유의 공급에 8 시간이 소요되었고, 슬러지 용융에 17 시간이 소요되었다.

또한, 슬러지로부터 오일의 회수율이 90% 이상이었고, 750,000 bbl의 원유저장탱크의 경우 슬러지 제거를 위하여 종래에 평균 17∼20일이 소요된 것에 비하여 2∼3일 이하로 줄일 수 있음을 확인할 수 있었다.

본 발명의 슬러지 제거 및 이로부터 오일을 회수하는 방법은 밀폐시스템 하에서 이루어지기 때문에 장시간 탱크 개방으로 인한 공기오염을 최소화할 수 있고, 최소의 초기 투자비용으로도 운전이 용이하며 원유저장 탱크의 청소시간을 획기적으로 감소시킴과 동시에 지속적으로 슬러지를 제거할 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 정유공정에서 발생되는 고온의 열매체를 슬러지 제거에 사용하여 공정의 경제성을 제고할 수 있으며, 회수된 오일유분을 연료유, 선박유, 중유(heavy oil) 업 그레이딩 공정 등의 2차 처리공정의 공급원료(feed)로 제공할 수 있다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 슬러지 제거 및 오일유분의 회수공정의 일 구체예를 개략적으로 도시하는 공정도이다.

도 2는 본 발명에 따른 슬러지 제거공정 중 원유저장탱크 내의 슬러지 량을 표시하는 슬러지 레벨 지시계에서의 열전쌍 팁(thermocouple tip)의 위치를 나타내는 도면이다.

도 3은 실시예 2에 따른 분리탱크 내에서의 상층시료의 시간대별 이물질의 분리 정도를 나타내는 도면이다.

도 4는 실시예 2에 따른 분리 탱크 내에서의 중간층시료의 시간대별 이물질 분리 정도를 도시하는 도면이다.

도 5는 실시예 3에 따른 원유저장탱크 내에서의 슬러지 제거과정 중 슬러지 레벨의 시간대별 변화추이를 나타내는 도면이다.

도 6은 실시예 3에 따른 원유저장탱크 내에서의 열매체유 및 슬러지의 혼합물의 시간대별 레벨 및 벌크 상의 온도변화를 나타내는 도면이다.

Claims (10)

1. a) 정유공정으로부터 얻어지는 상압잔사유, 감압잔사유 및 감압가스오일로 이루어진 군으로부터 선택되는 열매체유를 원유저장탱크 내에서 축적되어 있는 슬러지에 대하여 3:1∼20:1의 체적비로 공급하는 단계;

   b) 상기 도입된 열매체유 및 슬러지를 교반 또는 비교반하면서 상기 열매체유 및 슬러지의 혼합물 전체의 온도가 균일한 분포를 나타낼 때까지 슬러지를 용융시키는 단계;

   c) 상기 열매체유 및 슬러지의 혼합물을 상기 탱크 또는 상기 탱크와 연결된 별도의 분리탱크 내에서 정체시켜 이물질을 침적시키는 단계; 및

   d) 상기 열매체유 및 슬러지의 혼합물 내의 오일유분(recovered oil)을 회수하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는, 원유탱크 내의 슬러지를 제거하고 이로부터 오일을 회수하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 b) 단계는 50∼130℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 원유탱크 내의 슬러지를 제거하고 이로부터 오일을 회수하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 c) 단계는 60∼130℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 원유탱크 내의 슬러지를 제거하고 이로부터 오일을 회수하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 a) 단계 중 원유저장탱크로 유입되는 열매체유의 온도가 80∼130℃인 것을 특징으로 하는, 원유탱크 내의 슬러지를 제거하고 이로부터 오일을 회수하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 열매체유의 비점이 250∼580℃인 것을 특징으로 하는, 원유탱크 내의 슬러지를 제거하고 이로부터 오일을 회수하는 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 열매체유의 비중이 0.9∼1.0인 것을 특징으로 하는, 원유탱크 내의 슬러지를 제거하고 이로부터 오일을 회수하는 방법.
7. 제1항에 있어서, 일정한 간격을 두고 격치되어 있는 복수개의 열전쌍 팁(thermocouple tip)을 포함하는 슬러지 레벨 지시계를 상기 원유저장탱크 내에 설치하고, 상기 슬러지 레벨 지시계의 바닥 팁의 온도가 상단 팁과 일치하는 시점이 상기 b) 단계의 종료시점으로 결정되는 것을 특징으로 하는, 원유탱크 내의 슬러지를 제거하고 이로부터 오일을 회수하는 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 회수된 오일을 연료유, 선박유 또는 2차 처리공정의 공급원료(feed)로 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 원유탱크 내의 슬러지를 제거하고 이로부터 오일을 회수하는 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 분리탱크가 스트립핑 탱크인 것을 특징으로 하는, 원유탱크 내의 슬러지를 제거하고 이로부터 오일을 회수하는 방법.
10. a) 열매체유 저장탱크로부터 펌프 및 열교환기의 가동 하에 슬러지가 축적된 원유저장탱크로 상압잔사유, 감압잔사유 및 감압가스오일로 이루어진 군으로부터 선택되는 열매체유를 슬러지에 대하여 3:1∼20:1의 체적비로 공급하는 단계, 상기에서 상기 열매체유 저장탱크 내에 저장된 열매체유의 온도가 50℃ 이상인 경우에는 상기 펌프 및 열교환기의 가동 하에 직접 상기 원유저장탱크로 공급하고, 50℃ 미만인 경우에는 상기 펌프 및 열교환기의 가동 하에 분리탱크로 50∼130℃의 온도까지 순환시킨 후에 상기 원유저장탱크로 공급함;

    b) 상기 공급된 열매체유로 슬러지를 50∼130℃에서 교반하면서 용융시키는 단계, 상기 열매체유 및 슬러지의 혼합물은 상기 원유저장탱크 내에 설치되고, 복수의 열전쌍을 포함하는 슬러지 레벨 지시계의 바닥 팁의 온도가 상단 팁의 온도와 일치할 때까지 용융되며, 상기 용융단계 중 상기 온도범위를 유지하기 위하여 상기 열교환기의 가동 하에 상기 열매체유 및 슬러지의 혼합물을 순환시킴;

    c) 상기 용융된 열매체유 및 슬러지의 혼합물을 상기 원료저장탱크와 연결된 분리탱크로 공급하는 단계;

    d) 상기 분리탱크 내에서 상기 열매체유 및 슬러지의 혼합물을 60∼130℃에서 정체시켜 이물질을 침적시키는 단계;

    e) 상기 열매체유 및 슬러지 혼합물 내의 오일유분을 회수하는 단계;

    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 원유탱크 내의 슬러지를 제거하고 이로부터 오일을 회수하는 방법.