KR102061284B1

KR102061284B1 - 촉매 재생기와 그 재생 방법

Info

Publication number: KR102061284B1
Application number: KR1020180032753A
Authority: KR
Inventors: 이대훈; 김관태; 박용기; 송영훈; 조성권
Original assignee: 한국기계연구원; 한국화학연구원
Priority date: 2018-03-21
Filing date: 2018-03-21
Publication date: 2019-12-31
Also published as: KR20190110827A

Abstract

본 발명의 일 실시예는 촉매 분해 시스템을 이용하여 납사로부터 올레핀을 생산하는 공정 중, 코킹 된 촉매를 재생할 때, 수소와 일산화탄소를 주 성분으로 하는 기체연료를 사용하고 빠른 공탑 속도 조건에서도, 촉매가 분포하는 재생공간에 화염을 유지시키는 촉매 재생기를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 재생기는, 납사와 촉매를 혼합하여 납사의 분해 반응을 일으킨 후, 코킹 된 촉매와 생성된 올레핀을 분리하고, 코킹 되어 떨어지는 촉매를 재생하도록 구성되며, 코킹되어 떨어지는 촉매를 수용하여 재생하는 재생공간, 상기 재생공간으로 공급되는 촉매에 고온공기를 분사하도록 상기 재생공간에 설치되는 공기분배링, 및 상기 재생공간의 촉매에 수소와 일산화탄소를 주 성분으로 하는 기체연료를 공급하도록 상기 재생공간에 설치되는 기체연료 공급부를 포함한다.

Description

촉매 재생기와 그 재생 방법{CATALYST REGENERATOR AND REGENERATING METHOD THEREOF}

본 발명은 촉매 재생기 및 그 재생 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 촉매 분해 시스템을 이용하여 납사로부터 올레핀을 생산하는 공정 중, 코킹 된 촉매를 재생할 때, 촉매가 분포하는 재생공간에 화염을 유지시키는 촉매 재생기 및 그 재생 방법에 관한 것이다.

일반적으로 에틸렌은 석유화학에서 기초 원료의 대표적인 물질이다. 석유화학 공정은 에틴렌, 프로필렌과 같은 올레핀 화합물을 근간으로 다양한 공정을 통하여 다양한 물질을 생산한다.

올레핀(olefin)은 납사(naphtha)의 분해를 통해서 얻어지거나, 에탄으로부터 얻어지게 되는데, 우리 나라에서는 주로 납사를 원료로 하여 에틸렌과 같은 올레핀 화합물을 생산하고 있다.

납사에서 올레핀을 생산하는 방법은 종래에는 납사의 열분해 과정(NCC(naphtha cracking center) 납사 분해 공정)을 이용해서 1000℃ 이상의 고온에서 공정을 수행한다.

최근에는 촉매를 이용해서 700℃ 정도의 보다 낮은 온도에서 납사로부터 올레핀을 생산하는 공정이 상용화되고 있다.

촉매를 이용하는 경우를 예로 들면, 라이저(riser)의 하단으로 납사를 스팀과 함께 공급하고, 촉매 재생기로부터 밀려 나온 재생 촉매를 라이저의 하단으로 공급하므로, 납사와 촉매가 혼합되어 라이저를 타고 상승하면서 납사의 분해 반응이 계속 일어난다.

라이저는 촉매 재생기의 상부에 구비되는 사이클론에 연결된다. 따라서 생성된 올레핀 기체는 사이클론에서 분리되어 스트립퍼 베셀(stripper vessel)로부터 빠져 나가 FCC(fluid catalytic cracking) 메인 칼럼으로 보내지고, 코킹 된 촉매는 사이클론에서 분리되어 아래로 떨어져 재생기의 바닥에 쌓이게 된다. 연료 가스는 폐열 보일러로 공급된다.

촉매는 라이저에서 납사 분해 반응을 경유하는 과정에서 코킹(coking) 된다. 즉 카본(carbon) 입자들이 촉매의 표면을 덮게 된다. 그리고 종래의 열분해의 경우에도 촉매를 사용하며, 납사는 고온에서 분해되면서 촉매의 무게 대비 7% 전후의 상당히 많은 양의 코크스(coke)를 발생시킨다.

이 촉매는 재생 후, 다시 라이저로 보내져 납사와 혼합되어 납사의 분해 반응에 사용되는 순환을 거쳐야 한다. 그런데 촉매가 코킹 되면, 납사의 분해 반응을 원활히 일으키기 어렵게 된다.

따라서 촉매 재생기의 바닥으로 떨어진 코킹 된 촉매는 재생된다. 즉 재생은 촉매에 부착된 코크스(coke)를 태워 없애는 것이다. 이때 발생되는 발열량은 촉매의 재생 과정에서 40~60℃ 정도의 온도 상승을 얻을 수 있다.

라이저에서 일어나는 납사 분해 반응은 흡열 반응이므로 라이저의 상단으로 상승하면서 반응 온도가 40~50℃ 정도 하강한다. 이 과정에서 하강된 온도는 촉매의 재생 과정에서의 발열을 통해 보상되어야 한다.

따라서 촉매 재생을 위하여, 재생기의 하단에서 고온공기(hot air)를 공급한다. 공급되는 고온공기는 코크스를 연소시켜 코킹 된 촉매의 재생을 유도한다. 재생된 촉매는 다시 라이저로 공급되어 납사의 분해 반응에 사용된다.

그런데 보다 많은 양의 촉매를 사용하는 촉매 납사 분해 방식의 ACO(advanced catalytic olefins) 공정에서는 낮은 반응 온도 및 많은 촉매 사용량 등의 원인에 의하여, 상대적으로 코크스의 발생량이 촉매 무게 대비 2% 이하 정도로 적다.

코크스의 발생량이 2% 이하 정도로 적기 때문에 이 코크스가 모두 연소되는 경우에도 40~60℃ 정도의 온도 상승이 구현되지 않는다. 따라서 ACO 공정에서는 촉매에 액상 연료(fuel oil)를 분사한 후, 액상 연료와 접촉된 상태의 촉매에 고온공기(hot air)를 공급하여, 액상 연료를 추가로 연소시킴으로써 열량을 발생시키도록 하는 방식이 채택되고 있다.

촉매가 분포하는 재생공간에 공기분배링과 노즐을 구비하여, 고온공기(hot air)를 재생공간으로 공급한다. 공급되는 기체연료는 고온공기와 만나서 재생공간에서 연소하게 된다.

그러나 액상 연료가 아니라 기체연료를 사용하는 경우, 기체연료의 연소 속도가 재생공간에서의 공탑 속도보다 느려질 경우, 촉매가 분포하는 재생공간에서 화염이 유지되지 못하게 된다.

본 발명의 일 실시예는 촉매 분해 시스템을 이용하여 납사로부터 올레핀을 생산하는 공정 중, 코킹 된 촉매를 재생할 때, 수소와 일산화탄소를 주 성분으로 하는 기체연료를 사용하고 빠른 공탑 속도 조건에서도, 촉매가 분포하는 재생공간에 화염을 유지시키는 촉매 재생기를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 일 실시예는 촉매 분해 시스템을 이용하여 납사로부터 올레핀을 생산하는 공정 중, 코킹 된 촉매를 재생할 때, 수소와 일산화탄소를 주 성분으로 하는 기체연료를 사용하고 빠른 공탑 속도 조건에서도, 촉매가 분포하는 재생공간에 화염을 유지시키는 촉매 재생 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 재생기는, 납사와 촉매를 혼합하여 납사의 분해 반응을 일으킨 후, 코킹 된 촉매와 생성된 올레핀을 분리하고, 코킹 되어 떨어지는 촉매를 재생하도록 구성되며, 코킹되어 떨어지는 촉매를 수용하여 재생하는 재생공간, 상기 재생공간으로 공급되는 촉매에 고온공기를 분사하도록 상기 재생공간에 설치되는 공기분배링, 및 상기 재생공간의 촉매에 수소와 일산화탄소를 주 성분으로 하는 기체연료를 공급하도록 상기 재생공간에 설치되는 기체연료 공급부를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 재생기는, 코킹되어 떨어지는 촉매를 하부로 유도하는 스탠드 파이프, 상기 스탠드 파이프의 하단을 수용하여 코킹 된 촉매를 수용하는 수용공간을 설정하는 센터웰(centerwell), 및 상기 센터웰의 외부에서 촉매를 재생하는 상기 재생공간을 설정하는 용기를 더 포함할 수 있다.

수소 및 일산화탄소를 주 성분으로 하는 상기 기체연료는 메탄을 주 성분으로 하는 반응기 오프(Off) 가스로부터 개질 반응을 통해 변환된 연료일 수 있다.

상기 스탠드 파이프는 하단으로 코킹된 촉매를 상기 센터웰(centerwell)의 수용공간으로 공급할 수 있다.

상기 기체연료 공급부는 상기 공기분배링에서 분사되는 고온공기의 주위에 상기 기체연료를 공급하여 화염을 유지시킬 수 있다.

상기 공기분배링은 상기 센터웰의 외측에 이격되고 상기 재생공간의 하방에 설치되며, 상기 공기분배링에 구비되는 공기노즐을 더 포함할 수 있다.

상기 공기노즐은 복수로 구비되어 상기 공기분배링의 원주방향을 따라 이격 배치되며, 상기 공기분배링에서 상기 재생공간을 향하여 상향 또는 하향 설치되고, 상기 공기분배링의 직경방향을 따라 단수 또는 복수로 배치될 수 있다.

상기 기체연료 공급부는 상기 공기분배링에 대응하여 원주방향으로 배치되는 기체연료 분배링, 및 상기 기체연료 분배링에 구비되는 기체연료노즐을 포함할 수 있다.

상기 기체연료노즐은 상기 원주방향을 따라 상기 기체연료 분배링 상에 이격 배치되고, 상기 직경방향에서 단수 또는 복수로 구비되는 상기 공기노즐의 일측 또는 상기 공기노즐들 사이에 구비되는 기체연료노즐을 포함할 수 있다.

상기 기체연료 분배링은 상기 공기분배링의 내부에 원주방향을 따라 배치되고, 상기 기체연료노즐은 상기 공기분배링을 관통하여 돌출될 수 있다.

상기 기체연료 분배링에는 부분산화 방식으로 상기 기체연료를 생성하여 공급하는 부분산화 버너가 연결될 수 있다.

상기 기체연료 분배링에는 촉매 개질 방식으로 상기 기체연료를 생성하여 공급하는 촉매 개질 반응기가 연결될 수 있다.

상기 공기분배링은 상기 센터웰의 외측에 이격되고 상기 재생공간의 하방에 설치되며, 상기 공기분배링에 구비되는 공기노즐을 더 포함하며, 상기 공기노즐은 복수로 구비되어 상기 공기분배링의 원주방향을 따라 이격 배치되고, 상기 공기분배링에서 상기 재생공간을 향하여 상향 또는 하향 설치될 수 있다.

상기 기체연료 공급부는 상기 공기분배링의 직경방향 내측 또는 외측에서 원주방향으로 배치되는 기체연료 분배링, 상기 기체연료 분배링 상에 상기 원주방향을 따라 구비되어 상기 기체연료를 공급하는 복수의 기체연료노즐, 및 상기 용기의 외부에 배치되어 상기 기체연료 분배링에 연결되어 상기 기체연료를 생성하여 공급하는 부분산화 버너를 포함할 수 있다.

상기 기체연료 공급부는 상기 공기분배링의 직경방향 내측 또는 외측에서 원주방향으로 배치되는 기체연료 분배링, 상기 기체연료 분배링 상에 상기 원주방향을 따라 구비되어 상기 기체연료를 공급하는 복수의 기체연료노즐, 및 상기 용기의 외부에 배치되어 상기 기체연료 분배링에 연결되어 상기 기체연료를 생성하여 공급하는 촉매 개질 반응기를 포함할 수 있다.

상기 기체연료 공급부는 상기 공기분배링의 직경방향 내측에서 원주방향으로 배치되는 기체연료 분배링, 상기 기체연료 분배링 상에 상기 원주방향을 따라 구비되어 상기 기체연료를 생성 공급하는 부분산화 버너 또는 촉매 개질 반응기, 및 상기 기체연료 분배링에 연결되어 상기 부분산화 버너 또는 상기 촉매 개질 반응기에 공기와 상기 기체연료 및 필요에 따라 스팀을 공급하는 공기/연료 공급부를 포함할 수 있다.

상기 기체연료 공급부는 상기 공기분배링의 직경방향 외측에서 직경방향으로 배치되어 공기와 연료를 공급하는 공기/연료 공급부, 및 상기 공기/연료 공급부의 내측단에 구비되어 상기 기체연료를 생성 공급하는 부분산화 버너를 포함할 수 있다.

상기 공기/연료 공급부는 복수로 구비되어 원주방향을 따라 이격 배치되고, 상기 부분산화 버너는 복수로 구비되어 상기 공기/연료 공급부들 각각에 배치될 수 있다.

상기 기체연료 공급부는 상기 공기분배링의 직경방향 외측에서 직경방향으로 배치되어 공기와 연료를 공급하는 공기/연료 공급부, 및 상기 공기/연료 공급부의 내측단에 구비되어 상기 기체연료를 생성 공급하는 촉매 개질 반응기를 포함할 수 있다.

상기 공기/연료 공급부는 복수로 구비되어 원주방향을 따라 이격 배치되고, 상기 촉매 개질 반응기는 복수로 구비되어 상기 공기/연료 공급부들 각각에 배치될 수 있다.

상기 부분산화 버너는 연료와 공기를 이용하여 플라즈마를 발생시켜 화염을 공급하도록 전기적으로 접지되는 원통형 접지전극, 및 상기 접지전극의 내부에 배치되어 방전갭을 형성하고 구동전압이 인가되는 전압전극을 포함하며, 상기 방전갭으로 연료와 공기를 각각 공급하는 하우징에 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 재생 방법은, 코킹되어 떨어지는 촉매를 재생공간으로 공급하는 제1단계, 부분산화 방식 또는 촉매 개질 방식으로 탄화수소계 연료를 수소와 일산화탄소가 주 성분인 기체연료로 변환하는 제2단계, 및 상기 재생공간으로 상기 기체연료와 공기를 공급하여 상기 재생공간의 촉매 유동층 조건에서 화염을 유지시켜 상기 촉매를 재생하고 필요한 열량을 공급하는 제3단계를 포함한다.

상기 제1단계는 코킹되어 떨어지는 촉매를 스탠드 파이프를 통하고, 용기 내에 위치하는 센터웰의 수용공간을 경유하여 상기 재생공간으로 공급할 수 있다.

상기 제2단계는 상기 부분산화 방식의 부분산화 버너를 이용하며, 높은 당량비(fuel rich) 조건에서 연료와 공기를 이용하여 플라즈마를 발생시켜 화염을 상기 재생공간으로 공급할 수 있다.

상기 제2단계는 상기 촉매 개질 방식의 촉매 개질 반응기의 수증기 개질 촉매를 이용하며, 스팀과 탄화수소 연료의 반응을 통해서 상기 기체연료를 생성하여 상기 재생공간으로 공급할 수 있다.

상기 제2단계는 상기 촉매 개질 방식의 촉매 개질 반응기의 부분산화 개질 촉매를 이용하며, 부분산화 당량비로 공급된 공기와 탄화수소 연료의 반응을 통해서 상기 기체연료를 생성하여 상기 재생공간으로 공급할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 촉매가 분포하는 재생공간에 기체연료 공급부에서 메탄을 주 성분으로 하는 연료로부터 생성한 수소와 일산화탄소를 주 성분으로 하는 기체연료를 공급하므로 코킹 된 촉매를 재생공간에서 재생할 때, 기체연료 공급부에서 생성한 기체연료를 사용하고 빠른 공탑 속도 조건에서도, 기체연료를 사용하여 촉매가 분포하는 재생공간에 화염을 지속적으로 유지시키면서 촉매를 재생시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 촉매 재생기의 구성도이다.
도 2는 공기분배링과 공기노즐 및 기체연료 분배링과 기체연료노즐의 부분 단면도이다.
도 3은 일반 버너와 플라즈마 버너의 공연비에 따른 가연범위를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 촉매 재생기의 횡단면도이다(공기분배링과 공기노즐 및 기체연료 분배링과 기체연료노즐의 배치 도시).
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 촉매 재생기의 횡단면도이다(공기분배링과 공기노즐 및 기체연료 분배링과 기체연료노즐의 배치 도시).
도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 촉매 재생기의 횡단면도이다(공기분배링과 공기노즐 및 기체연료 분배링과 기체연료노즐의 배치 도시).
도 7은 수소와 일산화탄소를 주 성분으로 하는 기체연료를 발생시키는 부분산화 버너의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 재생 방법의 순서도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 촉매 재생기의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 제1실시예의 촉매 재생기(1)는 유동층 반응기의 반응부에서 촉매 반응 이후(예를 들면, 라이저(미도시)에서 납사와 촉매를 혼합하여 납사의 분해 반응을 일으킨 후), 사이클론(미도시)에서 코킹 된 촉매와 생성된 올레핀을 분리하여 FCC의 메인 칼럼으로 보내고, 코킹되어 떨어지는 촉매를 재생하도록 구성된다.

즉 납사는 스팀과 함께 라이저의 하부(출구(21)에 연결)로 주입되어 고온의 촉매(재생 촉매 포함)와 만나면서 촉매 반응을 통하여 납사가 분해되기 시작한다. 납사는 라이저를 따라 상승하면서 계속 촉매 반응하여 분해된다.

납사에서 분해 반응 후, 고체 카본 입자들로 덮어지는 촉매, 즉 코킹 된 촉매와 분해 반응으로 생성된 올레핀은 사이클론으로 유입되어 서로 분리된다. 사이클론에서 분리되는 코킹 된 촉매는 스탠드 파이프(10)를 타고 아래로 떨어진다.

스탠드 파이프(10)의 하측에는 촉매 분산을 위한 분산 구조체(11)가 구비된다. 분산 구조체(11)는 스탠드 파이프(10)로부터 코킹 된 촉매의 낙하를 원주 방향으로 균일하게 분산시켜, 수용공간(S1)에 수용되게 한다.

제1실시예의 촉매 재생기(1)는 스탠드 파이프(10)를 경유하여 낙하되는 코킹 된 촉매를 재생하도록 구성된다. 즉 촉매 재생기(1)는 수용공간(S1)에 수용된 촉매가 촉매 재생을 위한 재생공간(S2)으로 공급되도록 구성된다.

예를 들면, 촉매 재생기(1)는 스탠드 파이프(10), 재생공간(S2)을 설정하는 용기(20), 수용공간(S2)을 설정하는 센터웰(centerwell)(30), 공기분배링(40) 및 기체연료 공급부(50)를 포함한다.

용기(20)는 스탠드 파이프(10)를 수용하고 촉매 재생을 위한 재생공간(S2)을 설정하며, 재생된 촉매를 라이저로 공급하도록 일측에 구비되는 출구(21)를 구비한다. 출구(21)는 라이저의 하방에 연결된다.

센터웰(centerwell)(30)은 용기(20) 내의 하측에 구비되고, 스탠드 파이프(10)의 하단을 설정 범위만큼 수용하여 코킹 된 촉매를 수용하는 수용공간(S1)을 설정한다. 수용된 범위에서, 스탠드 파이프(10)는 센터웰(30)과의 사이 간격(G)을 형성한다.

즉 용기(20)는 낙하되는 촉매가 쌓여서 형성되는 촉매층(C)을 수용한다. 실질적으로, 촉매층(C)은 센터웰(centerwell)(30)이 설정하는 수용공간(S1)에서 분산 구조체(11)에 의하여 수용공간(S1)의 내부에서 원주 방향으로 균일하게 수용된다.

센터웰(30)의 수용공간(S1)에 수용된 촉매층(C)은 간격(G)을 통하여 재생공간(S2)으로 공급된다. 이를 위하여, 수용공간(S1)을 촉매의 유동층 조건으로 형성하여 촉매를 이송하기 위한 유동화(fluidizing) 유체가 수용공간(S1)에 공급된다.

일례로써, 제1도관(121)과 제2도관(122)이 수용공간(S1)에 연결된다. 제1도관(121)과 제2도관(122)은 노즐(12)에 연결되어, 유동화 유체인 스팀 또는 질소를 수용공간(S1)으로 공급한다.

수용공간(S1)의 유동층 조건에서, 촉매는 스탠드 파이프(10)와 센터웰(30) 사이의 간격(G)을 통하여 센터웰(30) 밖에 설정되는 재생공간(S2)으로 내보내어진다.

이때, 스탠드 파이프(10)의 외주에 구비되는 확산판(13)은 간격(G)의 상방으로 이격되어 간격(G)을 덮어주므로 수용공간(S1)에서 재생공간(S2)으로 내보내어지는 촉매들을 균일하게 분포시킬 수 있다.

재생공간(S2)으로 내보내어진 촉매는 재생공간(S2)에서 재생되고, 용기(20)의 출구(21)로 배출되어 라이저로 공급된다. 라이저에 공급되는 재생 촉매는 납사의 분해 반응에 반복적으로 사용될 수 있다.

공기분배링(40)은 재생된 촉매가 분포하는 재생공간(S2)에 고온공기를 분사하여 촉매의 재생을 돕도록 센터웰(30)의 외측에 설치되어 공기노즐(41)을 구비한다. 기체연료 공급부(50)는 공기노즐(41)에서 분사되는 고온공기 주위에 기체연료를 공급 및 연소하여, 재생공간(S2) 내에 화염을 유지시키므로 촉매를 재생시킨다.

즉, 코킹 된 촉매를 재생시킬 때, 기체연료 공급부(50)는 재생공간(S2)에 수소와 일산화탄소를 주 성분으로 하는 기체연료를 공급하여, 기체연료를 사용하고 빠른 공탑 속도 조건에서도, 촉매가 분포하는 재생공간(S2)에 화염을 유지시킬 수 있게 한다. 수소와 일산화탄소를 주 성분으로 하는 기체연료는 메탄을 주 성분으로 하는 연료로부터 생성될 수 있다. 이와 같이, 화염을 유지시키므로 촉매를 덮고 있는 고체 카본 입자들이 연소되고, 연소 과정에서 공급되는 열량을 통하여 라이저의 반응 온도 조건으로 촉매가 재생되어 라이저로 공급될 수 있다.

도 2는 공기분배링과 공기노즐 및 기체연료 분배링과 기체연료노즐의 부분 단면도이다. 도 2를 참조하면, 공기분배링(40)은 센터웰(30)의 외측에 이격되어 센터웰(30)의 외측을 둘러싸면서 용기(20)의 내부에 배치되고, 재생공간(S2)의 하방에 설치된다.

공기노즐(41)은 복수로 구비되어 공기분배링(40)의 원주방향을 따라 이격 배치되며, 공기분배링(40)에서 재생공간(S2)을 향하여 상향 또는 하향(미도시)하여 설치된다. 또한 공기노즐(41)은 공기분배링(40)의 직경방향에서 단수(미도시) 또는 복수로 배치되어 화염을 균일하게 유지하며, 공기분배링(40) 상에 원주방향을 따라 이격 배치되어 원주방향에서 화염을 균일하게 유지시킬 수 있다.

기체연료 공급부(50)는 기체연료 분배링(51)과 기체연료노즐(52)을 포함한다. 기체연료 분배링(51)은 공기분배링(40)에 대응하여 원주방향으로 배치된다. 기체연료노즐(52)은 원주방향을 따라 기체연료 분배링(51) 상에 이격 배치되고, 직경방향에서 쌍으로 구비되는 공기노즐들(41) 사이 또는 일측(미도시)에 구비될 수 있다.

보다 구체적으로 보면, 기체연료 분배링(51)은 공기분배링(40)의 내부에 원주방향을 따라 배치되고, 기체연료노즐(52)은 공기분배링(40)을 관통하여 돌출된다. 부분산화 버너(또는 촉매 개질 반응기)(53)는 기체연료 분배링(51)에 연결되어 기체연료를 생성하여 공급한다. 즉 기체연료는 메탄을 주 성분으로 하는 1차 연료로부터 생성되는 수소와 일산화탄소를 주 성분으로 하는 기체연료를 의미한다.

부분산화 방식의 부분산화 버너(53)는 고체 카본(solid carbon)을 함유한 고온의 기체를 생성하도록 구성된다. 일례를 들면, 부분산화 버너(53)는 탄화수소계 가스 연료를 부분 산화시키는 플라즈마 버너로 형성될 수 있다.

촉매 개질 방식의 촉매 개질 반응기는 수소와 일산화탄소를 함유한 고온의 기체연료를 생성하도록 구성된다. 일례를 들면, 촉매 개질 반응기는 탄화수소계 연료를 수증기 개질하는 촉매 반응기로 형성될 수 있다.

일반적으로 탄화수소계 가스 연료를 완전 연소하는 완전 산화 반응에서는 물과 이산화탄소가 생성된다. 그러나 완전 연소보다 산소량이 부족하게 공급되면 불완전 연소하는 부분산화 반응이 일어난다.

공연비에 따라 변화하지만 부분산화 반응에서는 수소, 일산화탄소, 낮은 탄소 수의 탄화수소, 고체 카본(solid carbon), 이산화탄소, 및 물 등이 생성된다. 이와 같이, 부분산화 버너(53)는 공급되는 탄화수소계 가스 연료와 공기에 의하여, 플라즈마 반응으로 고체 카본(solid carbon)을 함유한 고온의 기체인 기체연료를 생성한다.

따라서 부분산화 버너(53)에서 생성된 고온의 기체연료는 재생공간(S2)로 공급되어, 공기분배링(40)으로부터 공급되는 고온공기와 함께 촉매 유동층 조건의 재생공간(S2) 내에서 화염을 형성 및 유지시킬 수 있다. 즉 기체연료와 고온공기에 의한 화염은 촉매에 잔류하는 고체 카본 입자들을 연소시켜 촉매를 재생하고, 추가로 요구되는 열량을 공급한다.

도 3은 일반 버너와 플라즈마 버너의 공연비에 따른 가연범위를 도시한 그래프이다. 통상적으로, 부분산화 조건은 발열량의 부족으로 인하여, 부분산화 반응을 유지하기 어렵다.

도 3을 참조하면, 일반적인 버너는 매우 제한적인 공연비의 가연범위(R1) 내에서 부분산화를 구현할 수 있다. 부분산화 버너(53)에 일반적인 버너를 적용하는 경우, 제한적인 가연범위(R1) 내(즉, 온도가 비교적 높은 경우)에서만 수소와 일산화탄소가 주 성분인 기체연료를 생성하여 공급할 수 있게 된다.

이에 비하여, 일 실시예에 적용되는 부분산화 버너(53)에 플라즈마 버너를 적용하는 경우, 매우 넓은 공연비의 가연범위(R2)에서 수소와 일산화탄소가 주 성분인 기체연료를 생성하여 공급할 수 있다. 또한 발생하는 수소와 일산화탄소가 주 성분인 기체연료의 양을 제어하면서, 부분산화 반응을 지속적으로 유지할 수 있다.

즉 공연비가 낮은 부분산화에서는 수소와 고체 카본의 양이 많이 생성되고, 공연비가 높아지는 부분산화(완전 연소에 근접하는)에서는 온도가 높아지면서 수소와 고체 카본의 양이 적게 생성된다.

대체로 낮은 공연비 구간에서 공연비가 상승하는 경우, 부분산화 버너(53)에서 생성되어 토출되는 기체인 기체연료의 온도가 상승하고, 최고 온도 이후에는 공연비가 상승하는 경우, 부분산화 버너(53)에서 생성되어 토출되는 기체인 기체연료의 온도가 하강한다.

이하 본 발명의 다양한 실시예들을 설명한다. 제1실시예 및 기 설명된 실시예와 비교하여 동일한 구성을 생략하고, 서로 다른 구성들을 설명한다.

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 촉매 재생기의 횡단면도이다(공기분배링과 공기노즐 및 기체연료 분배링과 기체연료노즐의 배치 도시). 도 4를 참조하면, 제2실시예의 촉매 재생기(2)에서, 공기분배링(240)은 센터웰(30)의 외측에 이격되고 재생공간(S2)의 하방에 설치되며, 공기분배링(240)에 구비되는 공기노즐(241)을 더 포함한다.

공기노즐(241)은 복수로 구비되어 공기분배링(240)의 원주방향을 따라 이격 배치되고, 공기분배링(240)에서 재생공간(S2)을 향하여 상향 또는 하향(미도시) 설치된다.

기체연료 공급부(250)는 기체연료 분배링(251), 기체연료노즐(252), 및 부분산화 버너(또는 촉매 개질 반응기)(253)를 포함한다. 기체연료 분배링(251)은 공기분배링(240)의 직경방향 내측에서 원주방향으로 배치된다.

기체연료노즐(252)은 복수로 구비되어 기체연료 분배링(251) 상에 원주방향을 따라 이격되어 기체연료를 공급한다. 부분산화 버너(253)는 용기(20)의 외부에 배치되어 기체연료 분배링(251)에 연결되어 기체연료를 생성하여 공급한다. 따라서 부분산화 버너(253)의 구성이 용이해진다.

기체연료 분배링(251)이 공기분배링(240)의 직경방향 내측에 배치됨에 따라서 기체연료노즐(252)에서 공급되는 기체연료에 의하여 재생된 촉매는 재생공간(S2)에서 직경 방향 외측으로 유동되어, 출구(21)로 더 효과적으로 배출될 수 있다.

도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 촉매 재생기의 횡단면도이다(공기분배링과 공기노즐 및 기체연료 분배링과 기체연료노즐의 배치 도시). 도 5를 참조하면, 제3실시예의 촉매 재생기(3)에서, 기체연료 공급부(350)는 기체연료 분배링(351), 부분산화 버너(또는 촉매 개질 반응기)(353) 및 공기/연료 공급부(354)를 포함한다.

기체연료 분배링(351)은 공기분배링(240)의 직경방향 내측에서 원주방향으로 배치된다. 부분산화 버너(353)는 복수로 구비되어 기체연료 분배링(351) 상에 원주방향을 따라 이격 설치되어 기체연료를 생성 및 공급한다. 따라서 복수의 부분산화 버너(353)에서 생성 및 공급되는 기체연료는 재생공간(S2)으로 보다 균일하게 공급될 수 있다. 공기/연료 공급부(354)는 기체연료 분배링(351)에 연결되어 기체연료 분배링(351)에 설치되는 부분산화 버너(또는 촉매 개질 반응기) (353)에 공기와 기체연료 및 필요에 따라 스팀을 공급한다.

도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 촉매 재생기의 횡단면도이다(공기분배링과 공기노즐 및 기체연료 분배링과 기체연료노즐의 배치 도시). 도 6을 참조하면, 제4실시예의 촉매 재생기(4)에서, 기체연료 공급부(450)는 공기/연료 공급부(454) 및 부분산화 버너(또는 촉매 개질 반응기)(453)를 포함한다.

공기/연료 공급부(454)는 복수로 구비되어 공기분배링(240)의 직경방향 외측에서 각각 직경방향으로 배치되어 공기와 연료를 공급한다. 부분산화 버너(또는 촉매 개질 반응기)(453)는 공기/연료 공급부(454) 각각의 내측단에 구비되어 기체연료를 생성 및 공급한다.

공기/연료 공급부(454)는 복수로 구비되어 원주방향을 따라 이격 배치되고, 부분산화 버너(또는 촉매 개질 반응기)(453)는 복수로 구비되어 공기/연료 공급부들(454) 각각에 배치된다. 공기/연료 공급부들(454)의 직경 방향의 길이에 따라 부분산화 버너들(또는 촉매 개질 반응기)(453)에서 공급되는 기체연료는 재생공간(S2)에서 다양한 위치에 공급될 수 있다.

도 7은 기체연료를 발생시키는 부분산화 버너의 단면도이다. 도 7을 참조하면, 부분산화 버너(54)는 제1 내지 제4실시예의 부분산화 버너(53, 253, 353, 453)에 적용될 수 있다.

일례를 들면, 부분산화 버너(54)는 연료와 공기를 이용하여 플라즈마를 발생시켜 화염을 공급하도록 전기적으로 접지되는 원통형 접지전극(541), 및 접지전극(541)의 내부에 배치되어 방전갭을 형성하고 구동전압(HV)이 인가되는 전압전극(542)을 포함한다.

부분산화 버너(54)는 접지전극(541)의 내부통로 및 방전갭으로 연료와 공기를 각각 공급하는 하우징(543)에 연결된다. 따라서 부분산화 버너(54)는 하우징(543)의 연료구(544)와 공기구(545)로 각각 공급되는 연료와 공기를 이용하여, 플라즈마를 발생시켜, 기체연료를 생성 및 공급하므로 재생공간(S2)에서 화염(F)을 지속적으로 유지시킬 수 있다.

접지전극(541)이 접지된 상태에서 전압전극(542)에 구동전압(HV)을 인가하면, 방전갭에서 방전이 시작되고, 접지전극(541)과 전압전극(542)사이에서 플라즈마가 발생되어 연료가 부분산화되어 수소와 일산화탄소를 주 성분으로 하는 기체연료가 생성된다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 재생 방법의 순서도이다. 도 8을 참조하면, 일 실시예의 촉매 재생 방법은 촉매 분해 시스템을 이용하여, 납사로부터 올레핀을 생산하는 공정 중, 코킹 된 촉매를 재생하는 과정에 적용될 수 있다.

일 실시예의 촉매 재생 방법은 고체 카본(solid carbon) 입자들로 덮어진 촉매를 재생공간(S2)으로 공급하는 제1단계(ST10), 탄화수소계 연료를 수소와 일산화탄소가 주 성분인 기체연료로 변환하는 제2단계(ST20), 및 재생공간(S2)으로 기체연료와 공기를 공급하여 상기 재생공간의 촉매 유동층 조건에서 화염을 유지시켜 공급된 촉매를 재생하고 필요한 열량을 공급하는 제3단계(ST30)를 포함한다.

제1단계(ST10)는 앞 공정에서 반응 생성물과 분리된 코킹된 촉매를 포집하여 스탠드 파이프(10)를 통하여 센터웰(30)의 내부에 설정되는 수용공간(S1)으로 공급한다.

제2단계(ST20)는 부분산화 버너(53)를 이용하며, 높은 당량비(fuel rich) 조건에서 연료와 공기를 이용하여 플라즈마를 발생시켜 수소와 일산화탄소가 주 성분인 기체연료를 생성하거나, 촉매 개질 반응기(53)를 이용하여 수소와 일산화탄소가 주 성분인 기체연료를 생성한다.

제3단계(ST30)는 재생공간(S2)에 분포된 촉매에 고온공기와 기체연료를 공급한다(ST31). 공기분배링(40) 및 공기노즐(41)로 분사되는 고온공기는 기체연료 공급노즐(52)을 통해 공급된 기체연료와 반응 및 연소되어, 촉매가 분포하는 재생공간(S2)에서 화염을 유지하여 촉매의 재생을 돕는다(ST32).

이와 같이, 부분산화 버너(53)에서 생성된 고온의 기체연료는 재생공간(S2)로 공급되어, 공기분배링(40)으로부터 공급되는 고온공기와 함께 촉매 유동층에서 화염을 형성 및 유지시킨다. 따라서 기체연료와 고온공기에 의한 화염은 촉매를 덮고 있는 고체 카본 입자들을 연소시켜, 촉매를 재생시킨다.

이와 같이, 재생된 촉매는 용기(20)의 출구(21)를 통하여 라이저로 다시 공급되어 납사와 혼합되어 납사의 분해 반응에 사용된다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

1, 2, 3, 4: 촉매 재생기 10: 스탠드 파이프
11: 분산 구조체 12: 노즐
20: 용기 21: 출구
30: 센터웰(centerwell) 40, 240: 공기분배링
41, 241: 공기노즐 50, 250, 350, 450: 기체연료 공급부
51, 251, 351: 기체연료 분배링 52, 252: 기체연료노즐
53, 54, 253, 353, 453: 부분산화 버너(또는 촉매 개질 반응기)
354: 공기/연료 공급부 454: 공기/연료 공급부
541: 접지전극 542: 전압전극
543: 하우징 544: 연료구
545: 공기구 C: 촉매층
F: 화염 G: 간격
R1, R2: 가연범위 S1: 수용공간
S2: 재생공간

Claims

유동층 반응기의 반응부에서 촉매 반응 이후, 코킹 된 촉매를 재생하는 촉매 재생기에 있어서,
코킹되어 떨어지는 촉매를 수용하여 재생하는 재생공간;
상기 재생공간으로 공급되는 촉매에 고온공기를 분사하도록 상기 재생공간에 설치되는 공기분배링; 및
상기 재생공간의 촉매에 수소와 일산화탄소를 주 성분으로 하는 기체연료를 공급하도록 상기 재생공간에 설치되는 기체연료 공급부
를 포함하는 촉매 재생기.
제1항에 있어서,
납사와 촉매를 혼합하여 납사의 분해 반응을 일으킨 후,
코킹되어 떨어지는 촉매를 하부로 유도하는 스탠드 파이프;
상기 스탠드 파이프의 하단을 수용하여 코킹 된 촉매를 수용하는 수용공간을 설정하는 센터웰(centerwell); 및
상기 센터웰의 외부에서 촉매를 재생하는 상기 재생공간을 설정하는 용기
를 더 포함하는 촉매 재생기.
제2항에 있어서,
상기 스탠드 파이프는
하단으로 코킹된 촉매를 상기 센터웰(centerwell)의 수용공간으로 공급하는 촉매 재생기.
제1항에 있어서,
상기 기체연료 공급부는
상기 공기분배링에서 분사되는 고온공기의 주위에 상기 기체연료를 공급하여 화염을 유지시키는 촉매 재생기.
제2항에 있어서,
상기 공기분배링은
상기 센터웰의 외측에 이격되고 상기 재생공간의 하방에 설치되며,
상기 공기분배링에 구비되는 공기노즐
을 더 포함하는 촉매 재생기.
제5항에 있어서,
상기 공기노즐은
복수로 구비되어 상기 공기분배링의 원주방향을 따라 이격 배치되며,
상기 공기분배링에서 상기 재생공간을 향하여 상향 또는 하향 설치되고,
상기 공기분배링의 직경방향을 따라 단수 또는 복수로 배치되는
촉매 재생기.
제6항에 있어서,
상기 기체연료 공급부는
상기 공기분배링에 대응하여 원주방향으로 배치되는 기체연료 분배링, 및
상기 기체연료 분배링에 구비되는 기체연료노즐
을 포함하는 촉매 재생기.
제7항에 있어서,
상기 기체연료노즐은
상기 원주방향을 따라 상기 기체연료 분배링 상에 이격 배치되고, 상기 직경방향에서 단수 또는 복수로 구비되는 상기 공기노즐의 일측 또는 상기 공기노즐들 사이에 구비되는 기체연료노즐
을 포함하는 촉매 재생기.
제8항에 있어서,
상기 기체연료 분배링은
상기 공기분배링의 내부에 원주방향을 따라 배치되고,
상기 기체연료노즐은
상기 공기분배링을 관통하여 돌출되는 촉매 재생기.
제7항에 있어서,
상기 기체연료 분배링에는
부분산화 방식으로 상기 기체연료를 생성하여 공급하는 부분산화 버너가 연결되는 촉매 재생기.
제7항에 있어서,
상기 기체연료 분배링에는
촉매 개질 방식으로 상기 기체연료를 생성하여 공급하는 촉매 개질 반응기가 연결되는 촉매 재생기.
제2항에 있어서,
상기 공기분배링은
상기 센터웰의 외측에 이격되고 상기 재생공간의 하방에 설치되며,
상기 공기분배링에 구비되는 공기노즐을 더 포함하며,
상기 공기노즐은
복수로 구비되어 상기 공기분배링의 원주방향을 따라 이격 배치되고,
상기 공기분배링에서 상기 재생공간을 향하여 상향 또는 하향 설치되는 촉매 재생기.
제12항에 있어서,
상기 기체연료 공급부는
상기 공기분배링의 직경방향 내측 또는 외측에서 원주방향으로 배치되는 기체연료 분배링,
상기 기체연료 분배링 상에 상기 원주방향을 따라 구비되어 상기 기체연료를 공급하는 복수의 기체연료노즐, 및
상기 용기의 외부에 배치되어 상기 기체연료 분배링에 연결되어 상기 기체연료를 생성하여 공급하는 부분산화 버너
를 포함하는 촉매 재생기.
제12항에 있어서,
상기 기체연료 공급부는
상기 공기분배링의 직경방향 내측 또는 외측에서 원주방향으로 배치되는 기체연료 분배링,
상기 기체연료 분배링 상에 상기 원주방향을 따라 구비되어 상기 기체연료를 공급하는 복수의 기체연료노즐, 및
상기 용기의 외부에 배치되어 상기 기체연료 분배링에 연결되어 상기 기체연료를 생성하여 공급하는 촉매 개질 반응기
를 포함하는 촉매 재생기.
제12항에 있어서,
상기 기체연료 공급부는
상기 공기분배링의 직경방향 내측에서 원주방향으로 배치되는 기체연료 분배링,
상기 기체연료 분배링 상에 상기 원주방향을 따라 구비되어 상기 기체연료를 생성 공급하는 부분산화 버너 또는 촉매 개질 반응기, 및
상기 기체연료 분배링에 연결되어 상기 부분산화 버너 또는 상기 촉매 개질 반응기에 공기와 연료 및 필요에 따라 스팀을 공급하는 공기/연료 공급부
를 포함하는 촉매 재생기.
제12항에 있어서,
상기 기체연료 공급부는
상기 공기분배링의 직경방향 외측에서 직경방향으로 배치되어 공기와 연료를 공급하는 공기/연료 공급부, 및
상기 공기/연료 공급부의 내측단에 구비되어 상기 기체연료를 생성 공급하는 부분산화 버너
를 포함하는 촉매 재생기.
제16항에 있어서,
상기 공기/연료 공급부는 복수로 구비되어 원주방향을 따라 이격 배치되고,
상기 부분산화 버너는 복수로 구비되어 상기 공기/연료 공급부들 각각에 배치되는
촉매 재생기.
제12항에 있어서,
상기 기체연료 공급부는
상기 공기분배링의 직경방향 외측에서 직경방향으로 배치되어 공기와 연료를 공급하는 공기/연료 공급부, 및
상기 공기/연료 공급부의 내측단에 구비되어 상기 기체연료를 생성 공급하는 촉매 개질 반응기
를 포함하는 촉매 재생기.
제18항에 있어서,
상기 공기/연료 공급부는 복수로 구비되어 원주방향을 따라 이격 배치되고,
상기 촉매 개질 반응기는 복수로 구비되어 상기 공기/연료 공급부들 각각에 배치되는
촉매 재생기.
제10항에 있어서,
상기 부분산화 버너는
연료와 공기를 이용하여 플라즈마를 발생시켜 화염을 공급하도록 전기적으로 접지되는 원통형 접지전극, 및
상기 접지전극의 내부에 배치되어 방전갭을 형성하고 구동전압이 인가되는 전압전극
을 포함하며,
상기 방전갭으로 연료와 공기를 각각 공급하는 하우징에 연결되는
촉매 재생기.
코킹되어 떨어지는 촉매를 재생공간으로 공급하는 제1단계;
부분산화 방식 또는 촉매 개질 방식으로 탄화수소계 연료를 수소와 일산화탄소가 주 성분인 기체연료로 변환하는 제2단계; 및
상기 재생공간으로 상기 기체연료와 공기를 공급하여 상기 재생공간의 촉매 유동층 조건에서 화염을 유지시켜 상기 촉매를 재생하고 필요한 열량을 공급하는 제3단계
를 포함하는 촉매 재생 방법.
제21항에 있어서,
상기 제1단계는
코킹되어 떨어지는 촉매를 스탠드 파이프를 통하고,
용기 내에 위치하는 센터웰의 수용공간을 경유하여 상기 재생공간으로 공급하는 촉매 재생 방법.
제22항에 있어서,
상기 제2단계는
상기 부분산화 방식의 부분산화 버너를 이용하며,
높은 당량비(fuel rich) 조건에서 연료와 공기를 이용하여 플라즈마를 발생시켜 화염을 상기 재생공간으로 공급하는 촉매 재생 방법.
제22항에 있어서,
상기 제2단계는
상기 촉매 개질 방식의 촉매 개질 반응기의 수증기 개질 촉매를 이용하며,
스팀과 탄화수소 연료의 반응을 통해서 상기 기체연료를 생성하여 상기 재생공간으로 공급하는 촉매 재생 방법.
제22항에 있어서,
상기 제2단계는
상기 촉매 개질 방식의 촉매 개질 반응기의 부분산화 개질 촉매를 이용하며,
부분산화 당량비로 공급된 공기와 탄화수소 연료의 반응을 통해서 상기 기체연료를 생성하여 상기 재생공간으로 공급하는 촉매 재생 방법.