KR101494238B1

KR101494238B1 - 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 초중질유의 열분해 가스화 복합장치

Info

Publication number: KR101494238B1
Application number: KR20130133280A
Authority: KR
Inventors: 서명원; 곽영태; 윤상준; 이재구; 라호원; 노남선; 김용구; 김재호
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2015-02-23

Abstract

본 발명은 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 초중지유의 열분해 가스화 복합장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 플라즈마 발생장치에 의해 플라즈마 화염을 생성시키고, 생성된 플라즈마 화염에 점도가 높은 역청(bitumen) 또는 감압잔사유 (vacuum residue)인 초중질유를 공급하여 열분해 반응을 발생시켜 오일과 합성가스를 수취하고, 미반응물질과 코크스 성분은 가스화공정을 통해 추가적으로 합성가스를 수취하는 등 가연성가스의 수취량을 증가시킬 수 있는 초중질유의 열분해 가스화 복합장치에 관한 것이다.

Description

마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 초중질유의 열분해 가스화 복합장치{Pyrolysis and Gasification Hybrid System for Extra Heavy Oil Fractions using Microwave Plasma}

최근 재래형 석유의 가격이 높아짐에 따라, 비재래형 석유 생산의 채산성이 좋아졌을 뿐만 아니라 매장량 또한 광대해 그에 대한 관심이 커지고 있다. World Energy Council에서 발행한 2007년도 에너지자원 조사 보고서에 의하면 전세계적으로 초중질유와 천연역청의 확인원시매장량은 각각 2.29조 배럴과 2.47조 배럴로서 일반적인 경질 원유에 비하여 약 3 배 이상으로 매장되어 있다고 언급하고 있다.

초중질원유(Extra-Heavy Oil)와 천연역청(Natural Bitumen) 등의 석유계 연료와 정유공정의 감압잔사유(Vacuum Residue)를 포함하는 초 중질유분(Extra Heavy Oil Fractions)은 API 비중이 10 °API 이하로서 API 비중이 각각 10∼20 °API와 20 °API 이상인 중질원유(Heavy Crude Oil) 및 경질의 일반원유(Conventional or Medium/Light Crude Oil)와 구분된다. 초 중질유분들이 공통적으로 가지고 있는 문제점으로는 높은 점도, 금속 함량, 유황성분, 고농도의 유기산 등이 있으며, 높은 점도는 원유 내에 포함된 아스팔텐 성분에 기인하는 것으로 알려져 있다.

초중질유분에 포함된 불순물들은 원유의 이송에 심각한 문제를 야기하고, 원유 고도화 설비의 촉매에 피독으로 작용하여 정제비용을 증가시키며, 공정부식을 유발한다. 초중질원유를 경질화하면서 불순물을 제거할 수 있는 대표적인 완전경질화(Full Upgrading)공정으로는 솔벤트 디아스팔팅(Solvent Deasphalting), 딜레이드 코킹(delayed Coking), 플루이드 코킹(Fluid Coking), 플렉시코킹(Flexicoking) 등의 공정이 있다. 완전경질화 공정은 설비투자/운전비용이 높고, 공정 설치시간이 길며, 수송용으로 고가의 희석제를 사용해야 하므로 대규모 매장지(reservior)에 적합하다.

매장량의 많은 부분을 차지하는 50,000 배럴/일 이하의 중소규모의 매장지에 적용하기 위해서는 부분 경질화(Partial Upgrading) 공정이 적합하다. 부분 경질화 공정은 고가의 희석제를 사용하지 않고 파이프라인을 통하여 수송이 가능한 정도의 품질을 가지는 합성원유를 생산하는 공정이다.

부분 경질화 공정의 대표적인 것으로 Freel Barry등의 RTP공정(US 07572362; 2009.08.11 등록)이 있다. RTP공정은 이중유동층(Dual Fluidized Bed) 반응기를 사용하여 한 쪽에서는 열분해 반응, 다른 한 쪽에서는 연소 혹은 가스화 반응이 일어난다. 열분해 반응기로는 많은 양의 고온 열매체 혹은 촉매가 유동화되어 공급이 되며, 중질원유가 분무, 공급되어 짧은 시간에 고온으로 승온되어 열분해 반응이 일어난다. 중질원유의 체류 시간이 너무 짧으면 열분해에 필요한 온도에 이르지 않아 경질유 수율이 떨어질 수 있고, 너무 길어도 과도한 분해로 인해 경질유 수율이 떨어질 수 있어 체류시간 조절이 관건이다. 연소 반응기에서는 미반응 코크스(coke)가 연소되어 열매체에 에너지를 공급하고 뜨거워진 열매체는 다시 열분해 반응기에 공급된다. 그러나 상기 RPT공정의 열분해반응기는 내부 온도를 열분해 온도까지 상승시켜야하므로 예열시간이 오래 소요되며 내부 온도를 고온으로 유지시키기 위한 에너지소모량이 큰 단점이 있다.

한국특허등록 제10-1123385호(2012.02.27 등록)에서는 열분해챔버와 가스화챔버가 수직으로 설치되어 오일샌드 역청으로부터 합성가스와 연료유를 생산하는 복합장치를 제시하고 있다. 도 1을 참조한 바와같이 상부의 열분해챔버(1)에서는 공급된 역청의 열분해하여 오일을 수취하고, 잔유물은 하부의 가스화챔버(2)로 공급되어 가스화에 의한 합성가스를 수취하는 구조이다. 여기서 상기 열분해챔버는 열분해과정에서 생산된 가스를 연소기(3)에서 연소하여 생성된 고온기체를 공급받아 내부를 열분해온도까지 상승시키는 것이다. 이 역시 상술된 바와같이 장치를 구동시키기 위한 예열시간이 오래 소요되며, 열분해챔버 내부공간 전체를 열분해온도로 유지하기 위해 소요되는 에너지 소모량이 큰 단점이 있다.

- 한국등록특허 제10-1123385호(2012.02.27 등록): 오일샌드 역청을 이용한 2단 열분해 가스화 복합장치 및 이를 이용한 합성가스와 연료유 동시 생산 방법

이에 본 발명의 열분해 가스화 복합장치는,

플라즈마에 의해 열분해가 이루어지도록 해 예열시간을 단축시키고, 열분해반응기와 가스화반응기로부터 합성가스를 수취하는 라인을 단순화시켜 시설규모를 축소시킬 수 있는 장치의 제공을 목적으로 한다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 열분해 가스화 복합장치는,

열분해반응기와 가스화반응기를 이용하여 중질유를 열분해와 가스화하여 가연성가스를 수취하는 복합장치에 있어서, 플라즈마발생가스를 공급하는 가스공급관과; 상기 가스공급관과 연통되는 석영관을 내포하고 석영관에 마이크로웨이브를 조사하여 플라즈마화염을 형성시키는 플라즈마발생장치와; 상기 플라즈마화염을 열분해반응기 상단으로 공급하는 플라즈마화염공급관과; 상기 플라즈마화염공급관에 연통되어 생성된 플라즈마화염의 상단으로 중질유를 공급하는 중질유공급장치와; 상기 플라즈마화염공급관으로부터 일부 내입된 플라즈마화염과 중질유가 접촉되어 열분해가 이루어지는 열분해반응기와; 상기 열분해반응기의 하단과 근접된 측면에 일단이 연통되고 타단이 가스화반응기의 상부측면에 연통되어 열분해반응물을 이송시키는 열분해배출관과; 분산판에 의해 하부 도입부와 상부 반응부가 구획되어 분산판을 통해 도입부로부터 반응부로 스팀을 공급해 반응부에 적층된 고체성분이 가스화되도록 하고, 상부 일측에는 가스배출구가 형성되고 하부 일측에는 가스화가 완료된 고체성분을 배출시키는 고체배출구가 형성된 가스화반응기와; 상기 가스배출구에 연통설치되어 고체성분을 분리하여 합성가스와 오일성분을 수취하는 사이클론;을 포함하여 구성된다.

상기 열분해반응기는 열분해배출관이 연통된 부분과 대향되는 부분에는 열분해배출관과 동일축으로 이송가스를 분사하는 분사구가 형성되어 열분해배출관으로 배출되는 이송압력을 더 증가시킬 수 있다.

또한, 상기 열분해배출관과 가스화반응기 사이에는 보조사이클론을 더 설치하여 고체성분만 가스화반응기로 유입되도록 할 수 있다.

상기 해결수단에 의한 본 발명의 열분해 가스화 복합장치는,

고온의 플라즈마에 의해 열분해가 이루어져 열분해반응기의 예열시간을 대폭적으로 단축시킬 수 있다.

또한, 열분해반응기의 반응물질 전량을 가스화반응이 이루어지는 가스화반응기로 공급하여 가스화반응에 의해 생성된 합성가스와 열분해 가스를 함께 회수함으로써 설비를 단순화시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 복합장치를 도시한 개략 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열분해 가스화 복합장치를 도시한 구성도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열분해 가스화 복합장치를 도시한 구성도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열분해 가스화 복합장치를 도시한 구성도이다.

참조한 바와같이 본 발명에 따른 열분해 가스화 복합장치(10)는 가스공급관(20)과 플라즈마발생장치(30)와 플라즈마화염공급관(40)이 열분해반응기(60)의 상부와 연통되어 결합된다.

상기 가스공급관(20)은 플라즈마 발생가스를 내부 수직유로에 축방향으로 공급하는 관체로, 공급되는 플라즈마 발생가스로는 산소 또는 스팀 또는 공기를 사용할 수 있고, 유동화가스로 질소를 혼합하여 공급유량을 증가시킬 수 있다. 아울러 미도시되었지만 가스공급관(20) 공급되는 플라즈마 발생가스는 가스공급관에 유입되기 이전에 가스를 혼합하여 균일하게 하는 혼합챔버가 더 구비될 수 있다.

상기 플라즈마발생장치(30)는 마이크로웨이브를 발생시키는 마이크로웨이브 소스(31)와, 상기 마이크로웨이브 소스에 연계된 도파관(32)을 포함한다. 상기 마이크로웨이브 소스(31)의 예로는 마그네트론이 있으며, 전원을 공급받아 마이크로웨이브를 발생시킨다. 또한 일측에는 플라즈마제어기가 설치되어 마이크로웨이브의 발생출력을 조절하도록 한다.

또한, 상기 마이크로웨이브 소스(31)에서 발생된 마이크로웨이브는 도파관(32)에 의해 일측으로 이동된다. 상기 도파관은 수평으로 형성하여 발생된 마이크로웨이브를 수평이동시키고, 일측에는 내부유로가 점진적으로 협소해지는 테이퍼부가 형성되어 이동되는 마이크로웨이브를 고밀도로 응집시켜 출력전기장을 높인다.

상기 도파관(32)은 발생된 마이크로웨이브가 고밀도로 응집되는 부분에는 가스공급관과 동일축으로 석영관(33)을 수직설치하여 상단은 가스공급관(20)과 연통되고, 하단은 플라즈마화염공급관(40)과 연통되도록 한다.

상기 도파관의 석영관(33)을 통과하는 플라즈마발생가스는 도파관에 의해 인가된 전기장으로 기체분자의 연결을 끊는 해리상태가 되어 가연성기체인 수소와 산소가 생성된다. 상기 생성가스는 플라즈마 방전에 의해 플라즈마 화염을 형성한다. 상기 플라즈마 화염은 고속의 유체흐름에 의해 플라즈마화염공급관(40)을 통해 열분해반응기(60) 상부로 길게 형성된다.

아울러 플라즈마화염공급관(40)에는 일측에 중질유공급장치(50)가 연통되어 초중질유가 플라즈마화염 방향으로 공급된다.

상기 중질유공급장치(50)는 중질유(역청을 포함함)를 저장하는 호퍼(51)와, 상기 호퍼의 중질유를 스크류피더(52)로 이송하여 플라즈마화염공급관으로 공급하는 중질유공급관(53)으로 구성된다. 상기 중질유공급관(53) 및 호퍼(51)의 중질유에 열을 가하여 점도를 낮춰 이송이 용이하게 하는 가열자켓이 더 설치될 수 있다.

이러한 중질유공급장치(50)는 스크류피더(52)에 의해 초중질유를 일정량 또는 일정압력으로 플라즈마화염으로 공급하여 플라즈마화염의 고온에 의해 열분해가 이루어지도록 하되, 공급방향을 상기 플라즈마화염을 선회하면서 하강하도록 하여 연료공급에 의해 플라즈마화염이 분산되는 것을 방지하여 최대한 긴 시간동안 플라즈마화염의 열을 전달받아 열분해가 이루어지도록 하거나, 연료를 플라즈마화염으로 직접 공급하여 플라즈마화염에 직접 접촉되어 열분해가 이루어지도록 할 수 있으며, 중질유공급관의 단부를 노즐형태로 형성하여 공급되는 중질유를 분산시켜 입자형태로 공급해 플라즈마화염과의 접촉면적을 증가시켜 열분해가 이루어지도록 할 수 있다.

다음으로 상기 열분해반응기(60)는 플라즈마화염공급관(40)의 하단과 동일축으로 연통되도록 결합되는 긴 관체로 상단에는 플라즈마화염의 일부가 내입된다. 상기 열분해반응기(60)는 플라즈마화염을 통과한 고온의 가스와 미반응 연료가 함께 진행되면서 지속적인 열분해가 이루어지도록 한다.

상기 열분해반응기(60) 하단에는 열분해배출관(70)이 연통된다. 상기 열분해배출관(70)은 열분해반응기의 하단과 접하는 측면에 연통되어 상기 열분해반응기의 내부 이송압력에 의해 열분해반응에 참여한 물질을 전량 배출시킬 수 있다.

한편, 상기 열분해반응기(60)에는 열분해배출관이 연통된 부분의 대향되는 하단측벽에 열분해배출관과 동일축으로 이송가스를 분사하는 분사구(61)를 더 형성하여 열분해배출관으로 배출되는 이송압력을 더 증가시킬 수 있다.

즉, 본 발명의 연료가 역청을 포함하는 중질유를 사용하므로 점성을 갖고 있어, 미반응물은 열분해배출관(70)을 통과하는 과정에서 열분해배출관 내벽에 점착될 수 있다. 따라서, 분사구(61)를 통해 순간적으로 강한 이송압력을 더 가함으로써 일시적으로 열분해배출관에 점착된 미반응물질을 탈거하여 열분해배출관의 유로단면이 좁아지는 것을 방지할 수 있다. 이때 상기 분사구(61)의 분사압력을 일정하게 분사하는 것보다는 강약으로 반복하여 분사하는 맥동류 방식에 의해 압력을 변화시켜 열분해배출관 내벽을 타격하면서 배출되도록 해 점착된 미반응물질의 탈거가 더 용이하게 이루어지도록 할 수 있다.

상기 열분해반응기(60)의 열분해배출관에서 배출되는 물질은 가스화반응기(80)로 유입된다.

상기 가스화반응기(80)는 상부일측에 가스배출구(81)가 형성되고, 하부에는 분산판(82)이 설치되어 하부 도입부(83)와 상부 반응부(84)로 가스화반응기 내부를 구획하고, 상기 반응부(84) 하단 측면에는 고체배출구(85)가 연통되어 반응이 완료된 회재 등이 배출되도록 하며, 상기 도입부(83)에는 스팀공급관이 연통되어 분산판(82)을 통해 반응부로 스팀을 공급해 반응부에 적층된 고체성분의 가스화반응이 이루어지도록 한다. 아울러, 상기 스팀의 공급압력을 변화시켜 반응부(84)가 고정층 가스화되거나, 버블링 또는 분산형태의 유동층에 의해 가스화가 이루어지도록 할 수 있다.

즉, 상기 가스화반응기(80)에는 열분해반응기에서의 열분해반응으로 생성된 합성가스, 오일가스 및 고체성분과 미반응물질이 유입되고, 유입된 고체성분과 미반응물질은 가스화반응기의 반응부(84)에 적층되며, 적층된 물질은 가스화반응을 수행하여 합성가스를 추가적으로 생산하게 된다. 따라서, 상기 가스화반응기(80)의 가스배출구(81)로는 열분해반응에 의해 생성된 합성가스 및 오일가스와, 가스화반응에 의해 생성된 합성가스가 함께 배출된다.

이러한 가스배출구(81)에는 사이클론(90)을 연통설치하여 배출되는 가스상에 내포된 고체입자를 분리한다. 상기 분리된 고체입자는 가스화반응기(80)로 재공급하여 가스화반응 후 고체배출구(85)로 배출되도록 하거나, 가스화반응기로 배출하지 않고 별도로 포집하여 처리할 수 있다.

또한, 상기 사이클론(90)에서 분치된 가스성분은 기액분리기를 통해 오일성분과 합성가스를 분리하여 수취되도록 한다.

이와같이 열분해반응기(60)와 가스화반응기(80)를 열분해배출관으로 연통시켜도 열분해반응기의 고압송풍력에 의해 가스화반응기 내의 가스성분이 역류되는 것을 방지할 수 있다.

한편 본 발명의 열분해 가스화 복합장치(10)는, 도 3을 참조한 바와같이 열분해배출관(70)과 가스화반응기(80) 사이에 보조사이클론(71)을 더 설치할 수 있다.

상기 보조사이클론(71)이 설치되면 열분해반응기(60)에서의 배출되는 물질 중 가스성분을 분리하고 고체성분만 가스화반응기(80)로 투입하여 가스화반응이 이루어지도록 할 수 있다. 이는 열분해반응과 가스화반응에서의 주생성가스가 상이함으로 후속 공정에서 필요성분의 고순도화가 용이하게 이루어지도록 할 수 있다.

도 2를 참조하여 본 발명에 따른 열분해 가스화 복합장치의 작동상태를 간단하게 설명하면,

먼저 플라즈마발생장치(30)에 전원을 공급하면서 가스공급관(20)으로 플라즈마발생가스를 공급하면, 플라즈마발생장치의 석영관에는 마이크로웨이브 응집에 의해 강한 전기장이 발생되어 통과하는 플라즈마발생가스를 해리시켜 가연성기체를 생성시키고 플라즈마 방전에 의해 플라즈마화염을 생성시킨다.

상기 플라즈마화염은 플라즈마화염공급관(40)을 통해 열분해반응기(60) 상부로 길게 형성되며, 플라즈마화염공급관과 연통된 중질유공급장치(50)에서 공급된 중질유는 상기 플라즈마화염과 같이 축방향으로 이동되면서 열분해가 이루어지고, 열분해반응기(60)를 통과하면서 고온에 의해 지속적인 열분해가 이루어진다.

상기 열분해된 가스성분과 미반응물을 포함한 고체성분은 열분해반응기(60) 하단의 열분해배출관(70)을 통해 가스화반응기(80)로 유입되고, 가스화반응기로 유입된 가스성분은 가스화반응기 상단에 형성된 가스배출구(81)를 통해 사이클론(90)으로 유입되어 고체성분을 분리한 합성가스 및 오일가스를 수취한다.

아울러 가스화반응기(80)에 적층된 미반응물질과 열분해가 완료된 고체성분은 가스화반응이 이루어져 가연성가스인 합성가스를 추가적으로 생산한다.

상기 가스화반응에 의해 반응이 완료된 회재 및 이물질 등의 고체성분은 고체배출구(85)를 통해 배출되도록 하고, 상기 가스화반응으로 생성된 합성가스는 가스배출구(81)를 통해 사이클론(90)으로 유입되어 고체입자를 분리한 다음 수취가 이루어지도록 한다. 즉, 상기 열분해반응기와 가스화반응기에서 생성된 합성가스는 모두 가스화반응기와 연통된 사이클론을 통해 수취가 이루어진다.

10 : 열분해 가스화 복합장치
20 : 가스공급관
30 : 플라즈마발생장치
31 : 마이크로웨이브 소스 32 : 도파관
33 : 석영관
40 : 플라즈마화염공급관
50 : 중질유공급장치
51 : 호퍼 52 : 스크류피더
53 : 중질유공급관
60 : 열분해반응기
61 : 분사구
70 : 열분해배출관
71 : 보조사이클론
80 : 가스화반응기
81 : 가스배출구 82 : 분산판
83 : 도입부 84 : 반응부
85 : 고체배출구
90 : 사이클론

Claims

열분해반응기와 가스화반응기를 이용하여 중질유를 열분해와 가스화하여 가연성가스를 수취하는 복합장치에 있어서,
플라즈마발생가스를 공급하는 가스공급관과;
상기 가스공급관과 연통되는 석영관을 내포하고 석영관에 마이크로웨이브를 조사하여 플라즈마화염을 형성시키는 플라즈마발생장치와;
상기 플라즈마화염을 열분해반응기 상단으로 공급하는 플라즈마화염공급관과;
상기 플라즈마화염공급관에 연통되어 생성된 플라즈마화염의 상단으로 중질유를 공급하는 중질유공급장치와;
상기 플라즈마화염공급관으로부터 일부 내입된 플라즈마화염과 중질유가 접촉되어 열분해가 이루어지는 열분해반응기와;
상기 열분해반응기의 하단과 근접된 측면에 일단이 연통되고 타단이 가스화반응기의 상부측면에 연통되어 열분해반응물을 이송시키는 열분해배출관과;
분산판에 의해 하부 도입부와 상부 반응부가 구획되어 분산판을 통해 도입부로부터 반응부로 스팀을 공급해 반응부에 적층된 고체성분이 가스화되도록 하고, 상부 일측에는 가스배출구가 형성되고 하부 일측에는 가스화가 완료된 고체성분을 배출시키는 고체배출구가 형성된 가스화반응기와;
상기 가스배출구에 연통설치되어 고체성분을 분리하여 합성가스와 오일성분을 수취하는 사이클론;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초중질유의 열분해 가스화 복합장치.
제1항에 있어서,
상기 열분해반응기는 열분해배출관이 연통된 부분과 대향되는 부분에는 열분해배출관과 동일축으로 이송가스를 분사하는 분사구가 형성되어 열분해배출관으로 배출되는 이송압력을 더 증가시키는 것을 특징으로 하는 초중질유의 열분해 가스화 복합장치.
제1항에 있어서,
상기 열분해배출관과 가스화반응기 사이에는 보조사이클론을 더 설치하여 고체성분만 가스화반응기로 유입되도록 한 것을 특징으로 하는 초중질유의 열분해 가스화 복합장치.
제1항에 있어서,
중질유공급장치는
중질유를 저장하는 호퍼와; 상기 호퍼의 중질유를 스크류피더로 이송하여 플라즈마화염공급관으로 공급하는 중질유공급관과; 상기 중질유공급관 및 호퍼의 중질유에 열을 가하여 점도를 낮추는 가열자켓;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초중질유의 열분해 가스화 복합장치.