KR101518202B1 - Ｐｏｘ 플랜트 내의 그을음 사용 장치 및 처리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소- 및 일산화탄소-포함 가스(미정제 합성 가스)(4)가 부분 산화에 의해 비교적 높은 비등점의 탄화수소로부터 생성되는 기화 장치(중유 POX(S))의 폐수(3)로부터의 그을음의 사용을 위한 처리 및 그러한 처리를 수행하는 장치에 관한 것이다. 중유 POX로부터의 그을음-로딩된 폐수(3)는 나프타(10)와 혼합되고 후속하여 분리기(경사분리기)(D, D1)에 주입되며, 이로부터 실질적으로 그을음-없는 물 부분(13, 20)과 실질적으로 물-없는 나프타/그을음 혼합체(12, 17)가 구분되어 취해지며, 나프타/그을음 혼합체(12, 17)는 추가의 기화 장치(나프타 POX(N))에 공급물로서 공급되고, 장치에서 우세한 나프타가 부분 산화에 의해 미정제 합성 가스(9)로 전환된다.

Description

ＰＯＸ 플랜트 내의 그을음 사용 장치 및 처리{PROCESS AND DEVICE FOR UTILIZATION OF SOOT IN POX PLANTS}
본 발명은, 수소- 및 일산화탄소-포함 가스(미정제 합성 가스(crude synthesis gas))가 부분 산화에 의한 비교적 높은 비등점의 탄화수소로부터 생성되는 제 1 기화 장치 내의 폐수로부터 그을음(soot)의 경제적 사용을 위한 처리에 과한 것으로서, 그을음-로딩된 폐수는 나프타와 혼합되고 후속하여 분리기(경사분리시(decanter)) 내에 유입되며, 이로부터 후속하여 그을음 없는 물 부분과 실질적으로 그을음 없는 나프타/그을음 혼합체가 분리되어 취해진다.
추가로, 본 발명은 상기 처리를 수행하는 장치에 관한 것이다.
일산화탄소- 및/또는 수소-포함 가스 혼합체는 합성 가스(synthesis gas)로 지칭되며, 암모니아, 메탄올 또는 기타 합성 연료와 같은 다수의 제품을 생성하기 위한 시작 물질이다. 특히, 비교적 높은 비등점의 탄화수소(중유)로부터 합성 가스가 합성 가스 플랜트 내에서 탄화수소로부터 생성되는 산업 분야에서 널리 사용되는 처리는 부분적으로 산화된다. 이 경우, 일반적으로 예비 가열된 탄화수소-포함 공급물이 증기와 반응하고 반응 챔버(POX 반응기) 내에서 1300 내지 1500℃의 온도 및 150bar에 이르는 압력에서 산화제와 반응하여, 대부분 수소(H2), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 및 물로 이루어지는 미정제 합성 가스를 준다. 반응에 필요한 열은 공급물 내에 존재하는 탄화수소의 불완전 (부분) 산화에 의해 생성된다. 이를 위해, 산소가 탄화수소의 완전한 반응에 불충분한 양으로서 POX 반응기에 공급된다.
부분 산화에서, 가스형 구성요소에 추가하여, 그을음 및 재와 같은 고체 역시 형성되며, 이들이 처리되기 이전에 미정제 합성 가스로부터 제거되어야만 한다. 1300℃를 넘는 온도를 갖는 POX 반응기로부터 진출하는 미정제 합성 가스가 먼저 냉각된 이후 후속하여 스크럽된다(scrubbing). 미정제 합성 가스가 물에 직접 접촉하여 냉각되면(급냉(quenching)), 이미 이러한 처리 단계에서, 고체의 많은 부분이 미정제 합성 가스 밖으로 스크럽되고 식힘을 위해 사용되는 물(급냉수(quench water))을 통과한다. 물 스크럽에서, 미세한 정화가 이루어져서 미정제 합성 가스의 고체 내용물이 전형적으로 약 1mg/m3으로 감소한다.
미정제 합성 가스로부터 제거된 그을음은 가치있는 생물질로 나타나며, 이는 급냉 및/또는 물 스크럽에 의해 생성된 폐수로부터 분리되어 물질 사용 및/또는 에너지 사용에 공급된다. 바람직하게, 그을음은 POX 반응기에 공급되도록 재활용되고 여기에서 일산화탄소로 전환된다. 그을음 사용의 경제적 효과는 폐수로부터 그을음을 분리하는데 적절한 경우 공급 원료를 형성하도록 준비하는데 얼마나 많은 소비가 있었는지에 의존한다.
물질로서 중유 POX의 그을음을 사용하도록, 종래기술에 따라, 그을음-로딩된 폐수가 나프타와 혼합되어 현탁액(dispersion)을 형성한다. 폐수 내에 존재하는 대부분의 재는 물 위상이며, 물에 의한 것보다 나프타에 의해 보다 많이 습윤화된 그을음은 사실상 나프타 위상으로 완전히 이동된다. 후속하여, 현탁액은 경사분리기 내에 유입되고, 이는 그을음-포함 나프타 부분과 실질적으로 그을음이 없는 물 부분으로 분리한다. 그을음-포함 나프타 부분은 경사분리기로부터 취해지고 중유와 혼합된다. 나프타가 사실상 중유에 비해 2배 비싸기에, 공급 비용을 절약하도록, 종래 기술에 따라, 중유 POX 내에서 나프타가 다시 현탁액으로부터 분리된다. 이에 따라 회복된 나프타는 재순환되어 다시 그을음을 분리하도록 사용된다. 나프타 분리를 위해, 현탁액은 증류탑에 공급되며, 여기에서 대부분이 나프타가 증류되어 상부에서 취해진다. 증류탑의 바닥 공간에서 증류되지 않은 나프타와 중유가 그을음 및 재와 함께 바닥부 제품으로 수집된다. 나프타가 벗겨진 이후, 바닥부 제품은 순수 중유와 혼합되어 중유 POX의 반응기에 공급됨으로써 재활용된다. 경사분리기로부터의 그을음-없는 물 부분은 팽창되어, 물 내에서 용해된 광 탄화수소(light hydrocarbon)가 가스 위상으로 통과한다. 이러한 광 탄화수소와 증류되고 벗겨진 나프타가 냉각에 의해 액화되고 순간적으로 저장되며 이후 다시 그을음-로딩된 폐수와 혼합된다. 기기 및 에너지 측면에서 이러한 처리의 높은 소비는 플랜트 투자 비용 및 운용 비용을 매우 증가시킨다.
단지 중유 POX에서, 부분적 산화에 의해 나프타로부터 미정제 합성 가스가 생성되는 나프타 POX에서, 그을음-로딩된 폐수가 제공되며, 이로부터 종래기술에 따라서 그을음이 분리되며 POX 반응기에 공급됨으로써 재활용된다. 여기에서도 현탁액은 그을음-로딩된 폐수 및 나프타로부터 생성되며, 이러한 현탁액은 경사분리기에 주입되고 그을음-포함 나프타 부분과 실질적으로 그을음-없는 물 부분으로 분리된다. 그을음-포함 나프타 부분은 경사분리기부터 취해지며 후속하여 나프타 POX의 반응기에 공급됨으로써 재활용되고, 그을음-없는 물 부분은 폐수 처리 플랜트에 전달된다. 경사분리기로부터 취해진 나프타/그을음 혼합체가 나프타 POX의 반응기 내의 추가적인 처리 없이 주입될 수 있기에, 그을음 재순환을 위한 나프타 POX에의 소비는 중유 POX에서의 소비에 비해 적다.
기존의 합성 가스 플랜트의 용량을 증가시키는 것이 필요하다면, 생성될 수 있는 합성 가스의 증가된 필요량에 적합하도록, 종종 하나 또는 그 이상의 추가 기화 장치가 설치되며, 이들은 기존의 합성 가스 플랜트의 기화 장치와 동일한 형태이다. 기존의 합성 가스 플랜트가 기화 장치로서 예를 들어 나프타 POX를 갖는다면, 2개의 기화 장치를 작동시키는 기존의 인프라 구조체가 최대한 변경되지 않고 사용될 수 있기에 추가적인 나프타 POX를 설치하고 기존의 나프타 POX와 병렬로 작동시키는 것이 명백하다. 최근, 나프타 및 중유의 가격이 매우 상이하게 증가하였으며, 이에 따라 종래 기술에 비해 중유 POX의 투자 비용 및 운용 비용을 감소시킬 가능성이 적어도 존재하는 경우, 매우 값싼 중유를 사용하여 작동될 수 있는 중유 POX를 구비한 기존의 나프타-작동식 합성 가스 플랜트가 사용된다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 형태의 처리를 특정하고 종래 기술에서 가능한 것보다 경제적인 방식으로 사용되는 중유 POX 내에서 그을음이 생성되는 처리를 수행하기 위한 장치에 있다.
이러한 문제는 본 발명에 따라 해결되며, 본 발명에 따른 처리에서 나프타/그을음 혼합체가 추가의 기화 장치(나프타 POX)의 반응기에 공급물로서 공급되고, 상기 장치에서 우세한 나프타가 부분 산화에 의해 미정제 합성 가스로 전환된다.
특히, 중유 POX 뿐만 아니라 나프타 POX도 새롭게 설치되는 경우, 2개의 플랜트로부터의 그을음-로딩된 폐수를 혼합하고 이들을 나프타 POX 내에서 그을음-로딩된 폐수에서와 동일한 방식으로 처리하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에 따른 처리는, 나프타 POX로부터의 그을음-로딩된 폐수와 중유 POX로부터의 그을음-로딩된 폐수를 함께 나프타와 혼합하고 경사분리기 내에 유입한다.
기존의 나프타 POX에 평행하게 중유 POX가 새롭게 설치되고 작동하는 경우, 바람직하게는 나프타 POX의 그을음 재순환을 위한 기존의 장치가 추가로 사용된다. 따라서, 바람직하게는, 이 경우, 중유 POX로부터의 그을음-로딩된 폐수가 나프타와 혼합되고 나프타 POX로부터의 그을음-로딩된 폐수와 독립적으로 제 2 경사분리기에 유입되며 이로부터 실질적으로 그을음-없는 물 부분과 실질적으로 물-없는 나프타/그을음 혼합체가 구분되어 취해지며, 나프타/그을음 혼합체가 나프타 POX의 반응기에 공급물로서 공급된다.
합성 가스의 제조 동안, 나프타 POX의 오류(fault)가 중유 POX로부터의 그을 음-로딩된 폐수의 처리에서 생성된 나프타/그을음 혼합체의 적어도 부분적으로 또는 전체적으로 나프타 POX의 반응기에 공급물로서 공급되도록 이끌 수 있다. 이를 피하도록, 제조된 나프타/그을음 혼합체의 양을 나프타 POX에 사용될 수 없는 나프타/그을음 혼합체의 양에 맞추도록 감소되어야 하는 중유 POX의 기능과 같은 작동 조건 하에서, 본 발명에 따른 처리의 바람직한 실시예는, 나프타 POX의 순간적인 기능 감소로 인하여 나프타 POX의 반응기 내에 공급물로서 유입될 수 없는 폐수 처리에 의해 생성된 나프타/그을음 혼합체가 작동 조건의 나프타 POX에서의 사용을 허용하는 작동 조건 까지 순간적으로 저장되는 것을 제공한다.
추가로, 본 발명은 수소- 및 일산화탄소-포함 가스(미정제 합성 가스)가 부분 산화에 의해 비교적 높은 비등점의 탄화수소로부터 생성되며 기화 장치(중유 POX)의 폐수로부터의 그을음의 사용을 위한 장치로서, 상기 장치는 현탁액(dispersion)이 상기 중유 POX으로부터의 그을음-로딩된 폐수 및 나프타로부터 생성될 수 있는 혼합 장치를 가지며, 또한 상기 장치는 상기 혼합 장치 내에서 생성된 상기 현탁액이 주입될 수 있으며 이로부터 실질적으로 그을음-없는 물 부분 및 실질적으로 물-없는 나프타/그을음 혼합체가 구분되어 취해질 수 있는 분리기(경사분리기)를 갖는, 그을음의 사용을 위한 장치에 관한 것이다.
본 발명의 목적은, 제 2 기화 장치(나프타 POX)를 가지며, 상기 제 2 기화 장치 내에 우세한 나프타가 부분 산화에 의해 미정제 합성 가스로 전환되며, 그 반응기 내에 상기 실질적으로 물-없는 나프타/그을음 혼합체가 상기 경사분리기로부터 공급물로서 유입되는 장치에 의해 이루어진다.
오직 나프타 POX 뿐만 아니라 중유 POX도 새롭게 설치되는 경우, 본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예는 나프타 POX 및 중유 POX로부터의 그을음-로딩된 폐수 및 현탁액이 경사분리기 내로 주입될 수 있는 나프타로부터 현탁액이 생성될 수 있는 혼합 장치를 제공한다.
기존의 나프타 POX와 병렬로, 중유 POX가 새로게 설치되고 작동되면, 바람직하게는 기존의 설치는 나프타 POX로의 그을음 재순환을 위해 추가로 사용될 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예는, 현탁액이 중유 POX로부터의 그을음-로딩된 폐수 및 나프타로부터 생성될 수 있는 제 2 혼합 장치 및 제 2 혼합 장치에서 생성된 현탁액이 주입되고 이로부터 실질적으로 물-없는 나프타/그을음 혼합체가 취해질 수 있고 공급물로서 나프타 POX에 유입될 수 있는 제 2 경사분리기를 포함하도록 제공된다.
본 발명에 따른 장치의 개선안에서, 장치는 나프타 POX의 순간적 기능 감소로 인해 공급물로서 나프타 POX의 반응기에 주입될 수 없는 나프타/그을음 혼합체의 일부의 순간적 저장을 위한 저장 장치를 포함한다. 저장 장치는 바람직하게는, 일반적인 기능으로 작동하는 중유 POX 내에서 하루 내지 이틀의 주기 동안 제조되는 나프타/그을음 혼합체의 총 량을 수용할 수 있도록 그 치수가 결정된다.
2개의 실시예에서, 각각의 경우 미정제 합성 가스를 생성하기 위한 장치가 중유 POX(S) 및 나프타 POX(N)로 이루어지며, 이들은 병렬로 작동한다.
라인(1)을 통해, 비교적 높은 비등점의 탄화수소(중유)로 이루어진 공급물이 중유 POX(S)의 반응기(SR)에 공급되며, 상기 공급물은 부분 산화에 의해 산소 및 증기와 반응하여 주로 수소 및 일산화탄소와 그을음으로 이루어지는 제 1 미정제 합성 가스(2)를 형성한다. 스크럽 장치(SW)에서, 그을음은 실질적으로 물에 의해 제 1 미정제 합성 가스(2)로부터 스크럽되며, 제 1 그을음-로딩된 폐수 스트림(3) 및 제 1 실질적으로 그을음-없는 미정제 합성 가스 스트림(4)이 제공된다. 후속하여, 그을음-로딩된 폐수 스트림(S)은 혼합 장치(M)에 공급된다.
나프타 스트림(5)으로부터, 일부(6)가 분기되어 나오며 나프타 POX(N)의 반응기(NR)에 공급물로서 공급되며, 여기에서 부분 산화에 의해 산소 및 증기와 반응하여 주로 수소 및 일산화탄소와 그을음으로 이루어진 제 2 미정제 합성 가스(7)를 형성한다. 스크럽 장치(SW)에서, 그을음은 실질적으로 물에 의해 제 2 미정제 합성 가스(7) 밖으로 스크럽되고, 제 2 그을음-로딩된 폐수 스트림(8)과 제 2 실질적으로 그을음-없는 미정제 합성 가스 스트림(9)이 생성된다. 후속하여 제 2 그을음-로딩된 폐수 스트림(8)은 나프타 스트림(5)으로부터 분기된 나프타 스트림(10)과 함께 혼합 장치(M)에 공급된다.
혼합 장치(M)에서, 현탁액(11)이 2개의 그을음-로딩된 폐수 스트림(3, 8) 및 나프타 스트림(10)으로부터 생성되며 혼합 밸브를 통해 경사분리기(D)에 주입된다. 전형적으로 2 내지 5분의 잔류 시간 이후, 실질적으로 물-없는 나프타/그을음 혼합체(12)가 경사분리기(D)의 상부로부터 취해지며, 실질적으로 그을음-없는 물 부분(13)이 그 바닥부로부터 취해진다. 나프타/그을음 혼합체(12)는 나프타 POX(N) 의 상류에서 재순환하여 공급물로서 반응기(NR)에 공급된다.
제 2 실시예에서, 도시된 바와 같은 본 발명의 변형례가 중유 POX(S)가 기존의 나프타 POX(N)에 병렬로 설치된 경우 이루어지는 것이 바람직하다. 경제적 이유로 인하여, 나프타 POX(N)로부터 그을음-로딩된 폐수의 처리를 위한 기존의 시스템이 유지되며 추가로 작동된다.
라인(1)을 통해 비교적 높은 비등점의 탄화수소(중유)로 이루어진 공급물이 중유 POX(S)의 반응기(SR)에 공급되며, 여기에서 공급물은 부분 산화에 의해 산소 및 증기와 반응하여 주로 수소 및 일산화탄소와 그을음으로 이루어진 제 1 미정제 합성 가스(2)를 형성한다. 스크럽 장치(SW)에서, 그을음은 물에 의해 제 1 미정제 합성 가스(2)로부터 실질적으로 스크럽되며, 제 1 그을음-로딩된 폐수 스트림(3)과 제 1 실질적으로 그을음-없는 미정제 합성 가스 스트림(4)이 제조된다. 후속하여, 그을음-로딩된 폐수 스트림(3)이 혼합 장치(M1)에 공급되어 여기에서 나프타 스트림(5)으로부터 분기된 나프타 스트림(10)과 혼합되어, 제 1 현탁액(15)을 형성하고, 이는 이후 혼합 밸브(b)를 통해 경사분리기(D1)에 유입된다.
나프타 스트림(5)으로부터 분기된 서브스트림(6)은 공급물로서 나프타 POX(N)의 반응기(NR)에 공급되며, 여기에서 부분 산화에 의해 산소 및 증기와 반응하고 주로 수소 및 일산화탄소와 그을음으로 이루어진 제 2 미정제 합성 가스(7)를 형성한다. 스크럽 장치(NW)에서, 그을음은 물에 의해 제 2 미정제 합성 가스(7) 밖으로 실질적으로 스크럽되며, 제 2 그을음-로딩된 폐수 스트림(8)과 제 2 실질적으로 그을음-없는 미정제 합성 가스 스트림(9)이 생성된다. 제 2 그을음-로딩된 폐수 스트림(8)은 후속하여 나프타 스트림(5)으로부터 분기된 나프타 스트림(14)과 함께 혼합 장치(M2)에 공급되며 여기에서 제 2 현탁액(16)으로 전환되고, 후속하여 이는 이후 혼합 밸브(c)를 통해 경사분리기(D2)에 유입된다.
전형적으로 2 내지 5분의 잔류 시간 이후, 경사분리기(D1)의 상부로부터 그리고 경사분리기(D2)의 상부로부터, 실질적으로 물이-없는 나프타/그을음 혼합체(17, 18)가 취해지고, 라인(19) 내로 유입되고, 그리고 함께 나프타 POX(N)의 상류에서 재활용되고 공급물로서 반응기(NR)에 인가된다. 경서분리기(D1)의 바닥부를 통해 그리고 경사분리기(D2)의 바닥부를 통해, 실질적으로 그을음-없는 물 부분(20, 21)이 취해지고 라인(22)을 통해 제거된다.
도 1 및 2에서 개략적으로 도시된 2개의 실시예를 기초로 본 발명의 상세한 설명이 기재된다. 2개의 도면에서 동일한 플랜트 부품 및 처리 스트림은 동일한 도면부호로 지칭된다.

Claims (7)

  1. 제 1 미정제 합성 가스(crude synthesis gas)가 부분 산화에 의해 비교적 높은 비등점의 탄화수소로부터 생성되는 중유 POX의 폐수로부터의 그을음의 경제적 사용을 위한 방법으로서, 그을음-로딩된 폐수가 나프타(naphtha)와 혼합되고 후속하여 경사분리기(decanter)에 유입되고, 상기 분리기로부터 그을음-없는 물 부분과 물-없는 나프타/그을음 혼합체가 구분되어 취해지는, 그을음 사용을 위한 방법에 있어서,
    상기 나프타/그을음 혼합체는 공급물로서 나프타 POX의 반응기에 공급되고, 상기 나프타 POX에서 우세한 나프타가 부분 산화에 의해 미정제 합성 가스로 전환되는 것을 특징으로 하는,
    그을음 사용을 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 나프타 POX로부터의 그을음-로딩된 폐수와 상기 중유 POX로부터의 그을음-로딩된 폐수가 나프타와 혼합되고 상기 경사분리기 내로 유입되는 것을 특징으로 하는,
    그을음 사용을 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 나프타 POX로부터의 상기 그을음-로딩된 폐수는 나프타와 혼합되고, 상기 중유 POX로부터의 상기 그을음-로딩된 폐수에 대해 독립적으로 제 2 경사분리기내로 유입되며, 상기 제 2 경사분리기로부터 그을음-없는 물 부분과 물-없는 나프타/그을음 혼합체가 구분되어 취해지며, 상기 나프타/그을음 혼합체는 상기 나프타 POX의 반응기에 공급물로서 공급되는 것을 특징으로 하는,
    그을음 사용을 위한 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나프타 POX의 순간적 실행 감소로 인해 상기 나프타 POX의 반응기에 공급물로서 유입될 수 없는 상기 나프타/그을음 혼합체의 일부는, 작동 조건이 상기 나프타 POX 내에서의 사용을 허용할 때까지 순간적으로 저장되는 것을 특징으로 하는,
    그을음 사용을 위한 방법.
  5. 제 1 미정제 합성 가스가 부분 산화에 의해 비교적 높은 비등점의 탄화수소로부터 생성되는 중유 POX의 폐수로부터의 그을음의 물질 사용(material utilization)을 위한, 그을음 사용 장치로서,
    상기 그을음 사용 장치 상기 중유 POX으로부터의 그을음-로딩된 폐수 및 나프타로부터 현탁액(dispersion)이 생성될 수 있는 혼합 장치를 가지며, 또한 상기 그을음 사용 장치는 상기 혼합 장치 내에서 생성된 상기 현탁액이 주입될 수 있으며 이로부터 그을음-없는 물 부분 및 물-없는 나프타/그을음 혼합체가 구분되어 취해질 수 있는 경사분리기를 갖는, 그을음 사용 장치에 있어서,
    상기 그을음 사용 장치는 나프타 POX를 가지며, 상기 나프타 POX 내의 우세한 나프타가 부분 산화에 의해 제 2 미정제 합성 가스로 전환되며, 상기 나프타 POX의 반응기 내에 상기 물-없는 나프타/그을음 혼합체가 상기 경사분리기로부터 공급물로서 유입가능한 것을 특징으로 하는,
    그을음 사용 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 나프타 POX로부터의 그을음-로딩된 폐수는 상기 혼합 장치 내로 유입될 수 있으며, 상기 혼합 장치에서 상기 중유 POX로부터의 그을음-로딩된 폐수와 함께 나프타와 혼합되는 것을 특징으로 하는,
    그을음 사용 장치.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 그을음 사용 장치는, 상기 나프타 POX의 순간적 실행 감소로 인해 상기 나프타 POX의 반응기에 공급물로서 유입될 수 없는 상기 나프타/그을음 혼합체의 일부의 순간적 저장을 위한 저장 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    그을음 사용 장치.
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