KR102327295B1 - 터빈 연료의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

전기 및 담수(desalinated water)를 생산하기 위한 유틸리티에 사용되는 대규모 육상 터빈, 및 액체 연료만 이용가능한 선박 및 원격 용도에서의 대형 자동차 엔진 및 터빈을 위한 터빈 연료가 제공된다. 이를 사용하면, 오염된 중질 원유, 정유공장 잔유 또는 고 황 연료 오일을 연소시킬 때보다 부식, 재 생성 및 배기가스(NOx, SOx, CO2 및 유해 금속)가 더 적다. 이는, 원유, 비-통상적인 원유, 및 다른 고도로 오염된 공급물을 오염물-제거함으로써 제조된다. 각각의 연료는, 통상적인 원유 정제보다 덜 복잡한 장치 구조를 사용하여, 다양한 정유공장 생성물의 공장외 배합물이 아니라, 유닛 조작의 단일 생성물로서 생성된다. 상기 연료는, 부식에 민감하고 중질 원유 또는 정유공장 잔유 공급물이 오염될 위험을 감수할 수 없는 열 회수 스팀 생성 시스템 및 고온 유동 경로를 갖는 복합 사이클 발전소의 첨단 고 효율 터빈 시스템에 의해 연소될 수 있다.

Description

터빈 연료의 제조 방법{A PROCESS TO MAKE A TURBINE FUEL}
본 발명은, 연소 가스 구동식 터빈을 위한 오염물-제거된 초청정 액체 연료, 및 상기 연료를 원유, 정유공장 잔유 및 다른 오염된 액체 공급물로부터 생산하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
원유 및 다른 중질 액체(예컨대, 정유공장 잔유)로부터 저가의 연소 가스 터빈 연료를 제조하기 위한 개선된 방법이 필요하다. 또한, 터빈 부식, 부착물(fouling) 및 배출물을 더 적게 유발하거나 유발하지 않는 저렴한 액체 터빈 연료가 필요하다.
연소 가스 구동식 터빈은, 전력의 대규모 생산을 위한 다양한 단일 사이클 및 복합 사이클 용도에 널리 사용된다. 터빈 연소기를 위한 연료 공급의 선택은 전체 발전소 효율, 이용가능성 및 배출물을 결정한다.
대규모 터빈 구동식 발전소에 대한 투자는, 연료 공급의 양 및 품질의 확실성을 필요로 한다. 소비자 및 사업가는 터빈 구동식 공급원으로부터의 신뢰성있는 전기 공급을 요구한다.
연료 오염 관련 문제로 인한 터빈 열화 및 고장은 광범위하다. 오염된 연료는 심각한 터빈 부착물, 부식 및 배기가스 방출 문제를 유발한다. 대량의 장비 고장, 배전관(grid)으로의 전기 공급의 연장된 중단, 및 환경에 대한 피해는 안좋은 연료로부터 유래된다.
오염물의 존재를 피하기 위해, 터빈 설계자에 의해 메탄 풍부 천연 가스(NG)(이용되는 경우)가 연료로서 흔히 선택된다. 그러나, NG는 동반된 탄화수소계 고체 및 다른 오염물(예컨대, 황화 수소 또는 황화 카보닐)뿐만 아니라, 공기, 물, 및 연소에 영향을 주는 비활성 물질(예컨대, 질소 및 이산화탄소)을 함유할 수 있다. 또한, 메탄 유출은, 주장된 대기 온난화에 대해 메탄이 CO2보다 20배 더 높은 잠재적 영향을 가진다고 예상하는 사람들 사이에서 환경 문제로 대두되고 있다.
NG는 종종 이용가능하지 않다. 특정 지역은 NG 매장량이 제한적이거나 실질적으로 없거나, NG 폭발, 생산 또는 운송 금지에 직면한다. NG에 대한 대안 기체(예컨대, 액화 천연 가스(LNG) 및 액화 석유 가스(LPG))가 고려될 수 있지만, 압축, 저장 및 선적을 둘러싼 장기적 불확실성은 터빈 구동식 조작에 대한 허용가능하지 않은 투자 위험을 생성할 수 있다. 유사한 인자가 산업적 폐가스(예컨대, 용광로(blast furnace) 가스, 코크스 오븐 가스, 정유공장 연료 가스)의 사용 또는 현지의 천연 유도된 액체(예컨대, 옥수수, 사탕수수 및 다른 식물로부터의 에탄올을 함유하는 바이오연료, 및 지방 또는 다른 물질로부터의 바이오디젤)의 사용에 적용된다.
현실은, NG가 이용가능하지 않거나 다른 대안이 공급 요건을 만족시키지 못하는 경우, 심지어 이들이 부식, 부착물, 작동성 및 배출물 문제를 유발하는 경우에, "최저가로 이용가능한 어떤" 액체가 터빈 연료로서 사용되는가 하는 것이다. 원유 또는 정유공장 잔유를 연소시킬 때의 터빈 이용가능성은, 부식 및 재 생성으로 인해, NG의 터빈 이용가능성과 맞지 않는다.
예를 들어, NG 공급은 미국 하와이섬에서 극도로 제한되며, 선행기술 문헌에서는, 정유공장 잔유가 하와이에서 터빈 연료로 사용되었었음을 보고하고 있다. 또한, 다양한 지역적 이유 및 우선권으로 인해, 상당량의 원유, 정유공장 잔유 또는 오염된 증류분이 전세계의 특정 지역(예컨대, 사우디아라비아, 쿠웨이트, 이라크, 아프리카 일부)에서 터빈 연료로서 사용된다.
그러나, 에너지 효율이 희생되었고, 연료 BTU가 낭비되었다. 오염된 중질 액체 연료는 첨단 부류의 더 높은 효율의 터빈에서 회피되며, 대신, 덜 복잡하고 더 낮은 효율의 터빈에서의 연소시에만 남는다. 또한, 상기 오염된 연료는, 스트림 생성을 위한 배기열 회수를 가능하게 하는 효율적인 복합 사이클 발전소에서는 회피된다. 따라서, 구식 로 또는 터빈 연소 원유를 사용하는 비효율적인 기존 단일 사이클 발전소의 전환율은, 더 효율적인 복합 사이클 발전소까지 전환되지 못했다.
원유 및 잔류 연료 내의 오염물은, 특히, 다양한 형태의 황, 나트륨, 바나듐, 칼슘, 규소, 니켈 및 알루미늄뿐만 아니라, 특정 물질 및 탄소계 물질, 예컨대 아스팔텐, 및 다른 고분자인 고도로 점성인 타르-유사 응집체를 포함한다.
오염물은, 고온 기체 경로 부품의 부식을 유발한다. 나트륨 및 황의 존재는, 터빈 고온 기체 경로 금속을 부식시키는 나트륨 설페이트를 유발한다. 원유 또는 잔류 연료 내의 다른 알칼리 금속, 예컨대 칼륨은 유사한 알칼리-설페이트 유형의 부식을 유발할 수 있으며, 나트륨과 매우 유사하게 거동할 수 있다. 이러한 공격은 흔히 포괄적으로, "황화(sulfidation)"로서 지칭된다. 황화는 고온 기체 경로에서 빠르며, 심지어 비교적 저-황 연료는, 알칼리 금속이 또한 존재하는 경우 고온 대역을 부식시키기에 충분한 황을 함유한다. 황화에 의한 부식은, 모든 알칼리 금속의 존재를 제거함으로써 방지될 수 있지만, 이는, 원유 또는 잔류 연료에 대한 종래 기술 처리 공정을 사용해서는 가능하지 않다.
오염물은, 복합 사이클 발전소의 열 회수 스팀 생성기(HRSG)의 부식을 유발한다. 황 화합물은 산소와 반응하여, 이산화황을 생성하며, 이는 후속적으로 산화되어, 삼산화황을 생성한다. 삼산화황은 존재하는 물과 반응하여, 황산을 생성하며, 이는 HRSG 배기가스 냉각 동안 농축될 수 있다. 이렇게 생성된 황산은 HRSG 금속 및 다른 표면을 부식시킨다. 이슬점 온도 초과에서 HRSG를 조작하는 것은 열 회수를 최소화시키고 발전소의 열 효율을 감소시킨다.
오염물은 재 생성을 유발한다. 오염물(예컨대, 바나듐, 니켈, 납 또는 아연)을 함유하는 원유 또는 잔유의 터빈 연소는 금속 산화물 착체를 생성하며, 이는 터빈 블레이드 상에 농축되어, 표면 산화 및 재 침적물을 유도한다. 나트륨 또는 다른 알칼리 금속 및 산소의 존재 하에, 금속(예컨대, 바나듐, 납 또는 아연)은 혼합된 금속 산화물 착체(예컨대, 바나듐, 납 또는 아연의 바나데이트)를 생성한다. 상기 착체는 비교적 낮은 융점 및 재 혼합물로서의 침적물을 가질 수 있으며 터빈 부식을 증가시킬 수 있지만, 더 높은 융점의 착체는 연도 기체와 함께 대기로 유출되어 기체 터빈 및 HRSG 부품에는 달라붙지 않는다.
연소 동안 재 미립자 물질을 생성하는 오염물은, 관련된 자본 및 조작 비용과 함께, 건설시의 HRSG 물질의 변화뿐만 아니라 부가 장치를 요구하는 조작 문제를 유발한다. 예를 들어, 재 생성은 HRSG 관련 송풍기(blower)에서의 변화 및 관 및 핀에서의 변화를 유도하며, 이는, 재 침적물을 감소시키거나 냉각 표면 상의 재 집합물을 감소시키는 것을 모색하게 한다.
오염물은 배출물을 유발한다. 황 및 연소기의 존재 하에, 연소 문제는 SOx, NOx 및 미립자 물질 배출물의 생성을 유발한다. 규제 방출 제한은 흔히, 국부적으로 이용가능한 액체 터빈 연료 선택을 감소시키거나 제거한다.
종래 기술의 연료 오염물 문제는 터빈 가동시간(up-time), 유지보수 비용, 및 발전소 이용가능성을 상당히 감소시키고, 반복되는 전력 단전(outage)을 유발한다.
오염물 및 재 생성 문제를 개선하기 위한 종래 기술의 노력은 하기를 포함한다:
(i) 영향을 받은 연소기, 블레이드, 및 다른 고온 대역 부재(element)의 신속한 세척 및 기타 청소를 위한, 빈번한, 종종 매주 정도로 흔한 가동중단.
그러나, 종래 기술의 논의는, 이러한 빈번한 가동중단, 청소 및 재가동 절차가 터빈에 반복된 열적 스트레스, 금속 피로 쇼크 및 과도한 마모를 겪도록 함을 언급한다. 이러한 잠시의 주기적인 청소는 전형적으로, 주요 기계적 수리 또는 부식된 또는 오염된 부품의 대체를 위한 충분한 정지시간(downtime)을 허용하지 않는다.
(ii) 영향을 받은 부식되고 오염된 유닛의 유지보수 단전을 위해 준비 상태 유닛 내에 여분의(spare) 유닛을 저장하거나 가져야 할 필요성.
그러나, 상기 여분의 시스템은 자본 집약적이며, 이에 따라 매우 희귀하다. 또한, 영향을 받은 유닛을 복구하는데 상당한 비용이 여전히 발생한다.
(iii) 수 세척 연료의 사용 및 터빈 위치에서의 억제제의 첨가.
오염된 액체 연료의 상기 종래 기술 처리는, 용이하게 용해되거나 달리 제거되는 수용성 오염물을 제거하도록 시도되는 물리적 수 세척 및 분리 공정(예컨대, 원심분리)을 포함한다. 세척만이 특정 수용성 알칼리 염 및 수-추출가능 미립자 물질을 해결한다. 세척 및 분리 단계의 개수는, 연료량 요구 및 각각의 상이한 미처리된 연료 유형에서의 알칼리 내용물의 양에 의존하며, 이때 목적은, 각각의 처리된 연료에 대한 계약 명세를 만족시키는 것이다. 또한, 상기 처리는 전형적으로 고가의 화학 억제제, 예컨대 마그네슘, 크롬 또는 규소 화합물의 첨가를 포함한다. 이의 목적은, 세척 이후에 상기 연료 내에 남아 있고 그렇지 않은 경우에는 연소시 재 생성에 기여하는 오일-가용성 미량 금속에 의해 유발되는 재 침착 및 부식 효과를 감소시키는 것이다. 상기 억제제는, 오염물과 반응하고 상기 재의 조성을 변화시켜, 이의 융점을 증가시킴으로써, 상기 재를 고체 형태로 유지하여, 상기 터빈 내의 재 용융물 및 침적물을 방지하는 것을 추구한다.
또한, 상기 종래 기술 처리에는 회사 이름이 붙지 않으며(generic), 대신, 각각의 처리 공정은 미처리된 공급물의 분석, 및 처리된 공급물을 사용할 수 있는 각각의 개별 터빈에 대한 계약 명세에 기초해야 한다. 공급물에서의 예상치 못한 편차는, 분석에 의해 포착되지 않는 경우, 작은 조작 간격 동안 주된 부식 문제를 유발할 수 있다. 또한, 높은 피크 부하 조작에서의 대형 전력 생산 설비의 경우, 연료 공급 요건이 상당히 클 수 있고, 제한된 처리 설비에 부담을 줄 수 있다.
(iv) 증류분 등급 연료 오일, 케로센-유형 제트 연료 또는 다른 더 경질 액체 연료의 연소.
그러나, 이는 고가의 대안이다. 상기 연료는 수요가 많으며, 트럭, 버스, 비행기, 기차, 선박, 디젤 자동차, 및 대안이 용이하게 이용가능하지 않은 다른 이동식 최종-용도에 대한 운송 시장을 위해 주로 생산된다. 통상적인 원유 정제에서, 상기 연료는 전형적으로 원유의 각각의 배럴로부터의 총 생산의 40% 미만을 나타낸다.
(v) 더 저가의 잔류 연료 오일, 예컨대 로 및 특정 선박 용도에 사용되는 오일의 연소.
그러나, 이는 오염 및 결과적인 부식, 재 생성 및 배출물을 증가시킨다. 통상적인 정유 동안, 원유 공급물에서 발견되는 오염물은, 상기 잔유로부터 제거되는 대신, 증류 하부 잔류물 내에 증류 농축된다. 이러한 농축 매커니즘은, 정유 증류 구역으로의 초기 원유 공급물에 비해 정유 잔류물 내에 더 높은 오염물 수준을 유발한다.
(vi) 전체 오염물 수준 및 비용을 감소시키기 위한 배합(blending), 예를 들면, 높은 오염물 함량을 갖는 더 저가의 더 중질 잔류 연료 오일과, 더 낮은 수준의 오염물을 갖는 더 고가의 증류분과의 배합.
예를 들어, 종래 기술 복합 사이클 발전소의 설명에서, 정유공장 잔유를 입수시 시험하고, 2번 디젤 오일(명세에 대해 시험됨)과 배합하여, 터빈 연료로서 사용되는 최종 배합물을 최대 2.75%의 황까지 감소시키고, 이어서 현지 허가를 받는다. 문헌[Basler, B. and Marx, D., 2001, "Heavy Fuel Operation at Limay Bataan Power Station," Proceedings of ASME IGTI Turbo Expo, New Orleans, Louisiana, ASME Paper No. 2001-GT-0213]을 참조한다.
그러나, 정유공장 잔류물 및 증류분 배합물 성분은 현물 시장에서 시판된다. 각각의 잔류물 및 증류분은 정유공장 구성 및 이의 출발 원유 공급 원료에 기초하여 변한다. 연료 구매자는, 정유공장 잔류물 및 증류분 배합물 성분의 조질 및 정유공장 공급원을 명시할 수 없다. 각각의 선적용 배달마다 상당한 편차가 불가피하다. 따라서, 터빈 연료 용도를 위한 잔류물과 증류분의 배합물의 일관되고 균일한 공급이 존재하지 않는다.
각각의 상기 배합물 성분 선적의 각각의 배달의 분석은 비용이 많이 들고, 샘플링은 논리적으로 복잡하다. 연소기 효율 제어 및 최적화에 비교적 안정한 연료 조성의 필요성을 고려하면, 배합물 공장을, 상이한 정유공장 및 상이한 조질 공급원으로부터의 수많은 상이한 조성의 유망한 배합물 성분에서의 상당한 편차를 가지고 조작하는 것은 어려운 작업이다.
또한, 배합에는 기본적인 상당한 기술적 장애물이 존재한다. 상이한 원유 공급 원료로부터 유도된 상이한 원유 공급 원료 또는 정유공장 잔유를 배합하는 것(예컨대, 고도의 방향족을 고도의 파라핀성 조성물과 배합함)은 자연적 안정화를 방해한다. 결과적인 불안정성은, 아스팔텐 및 경질 수지의 입자가 상기 배합물로부터 침전되는 것을 유발하여, 저장, 공급관, 필터, 터빈 연소기 노즐 및 기타 장치에 영향을 주는 침적물을 생성한다.
또한, 상기 배합은, 배합물 내에 남아있는 오염물을 효과적으로 해결하지 못한다. 상기 오염물은 남아서, 부식, 재 생성 및 배출물에 기여한다.
연료 유발된 고장에 대한 상기 배경지식은, 원유 및 다른 중질 액체(예컨대, 정유공장 잔유)가 연소 가스 터빈 내에서 직접 연소되는 것을 방지해야 할 필요성을 추가로 확인해주며, 더 적은 부식, 부착물 및 배출물을 유발하는 연료에 대한 필요성을 확인해준다.
통상적인 정유는 논문["Available and Emerging Technologies for Reducing Greenhouse Gas Emissions from the Petroleum Refining Industry", the United States Environmental Protection Agency (US EPA)]의 2.1절에 기술되어 있다. 상기 논문 및 이에 인용된 참고문헌은, 통상적인 원유 증류 유닛(CDU) 및 다른 통상적인 정유공장 장치, 조작 및 복수개의 생성물의 슬레이트를 기술하고 있다. 상기 논문은, "탑핑(topping) 정유공장, 하이드로스키밍(hydroskimming) 정유공장, 및 업그레이딩(upgrading) 정유공장("전환" 또는 "복합(complex)" 정유공장으로도 지칭됨)의 3가지 기본 유형의 정유 공장이 존재한다. 탑핑 정유공장은 원유 증류 칼럼을 가지며, 나프타 및 다른 중간체 생성물은 생산하지만, 가솔린은 생성하지 않는다. 미국, 주로 알래스카에는 소수의 탑핑 정유공장만 존재한다. 하이드로스키밍 정유공장은, 마감처리된 가솔린 생성물을 생산하기 위한 비교적 온화한 전환 유닛, 예컨대 수소처리 유닛 및/또는 개질(reforming) 유닛을 갖지만, 원유 증류 칼럼의 하부 근처에서 배출되는 원유의 더 중질 성분을 업그레이딩하지 못한다. 몇몇 탑핑/하이드로스키밍 정유공장은, 중질 원유를 처리하여 아스팔트를 생산하는 것을 전문으로 한다. 업그레이딩/전환 정유공장은, 장쇄 고분자량 탄화수소 중질 분획을 더 작은 탄화수소(이는 가솔린 생성물, 증류분 및 다른 더 높은 가치의 생성물 및 석유 공급원료를 생산하는데 사용될 수 있음)로 전환시키기 위해 크래킹(cracking) 또는 코킹(coking) 조작을 가진다"고 언급하고 있다. 상기 논문에서 언급된 바와 같이, 복수개의 정유공장 생성물을 생산하기 위해, 상기 통상적인 정유 시스템은 다수의 값비싼 유닛을 가지며, 자본 집약적이며, 구동, 조작 및 유지하는 것이 고가이다. 원유 정제에서의 오래된 접근법은, 원유를 원유의 단일 생성물 대신 다수의 생성물 또는 생성물 전구체 스트림으로 분리하고, 상기 다수의 스트림을 다수의 하류 단계에서 처리하여 다양한 등급의 가솔린, 케로센, 디젤, 제트 항공(jet aviation) 연료, 및 화합물 생성용 공급 원료를 제조하고, 이어서, 다른 심하게 오염된 잔유를 주로 아스팔트 및 코크스 생산에, 또는 몇몇 지역에서는, 덜 환경 친화적인, 예를 들어 로 또는 선박 용도를 위한 마주트(mazut) 또는 고 황 연료 오일에 적용하는데 초점이 맞추어져 있었다.
문헌["An Oil Refinery Walk-through", American Institute of Chemical Engineers, Chemical Engineering Progress May 2014]은, 통상적인 정유공장 조작(원유 증류 유닛 포함)을 기술하고 있으며, 여기서 "대기압 원유 분별기의 주요 목적은, 탈염된(desalted) 원유(공급물 온도 명시됨)를 성분의 비점 범위에 기초하여 분획 또는 커트로 분리하는 것이다." 상기 표적 커트-포인트 범위는 온도에 기초하며, 최종 생성물 명세에 의해 지시되는 바와 같이 변하지 않지만, 유닛 설계로 인해 상이한 원유 공급물이 사용되는 경우에는 유속이 변해야만 한다. 각각의 상기 측면 커트 드로우(예를 들어, 경질 직류(straight run) 나프타, 중질 직류 나프타, 케로센/제트 범위, 경질 대기 가스 오일, 중질 대기 가스 오일, 및 잔유, 또는 진공 증류 유닛으로 공급되는 감소된 원유)는, 하류 유닛의 능력에 맞는 표적 초기 비점 및 최종 비점을 가진다. 원유 공급물의 각각의 배럴의 종래 기술 커트의 비교적 적은 부분만 터빈 연료에 효율적으로 유용하며, 실질적으로 상기 전체 배럴에는 유용하지 못하다. 원유 증류 유닛은 실질적으로 모든 석유 정유공장에서 제 1 처리 유닛이다. 원유 증류 유닛은 흔히, 이것이 대기압보다 약간 높은 압력에서 조작되기 때문에, 상압 증류 유닛 또는 분별기로 지칭된다.
초(extra) 중질 원유를 업그레이딩하기 위한 종래 기술 방법은 터빈 연료 생산을 위한 것이 아니다. 상기 방법은, 극도로 불량한 품질의 원유를 상기 방법에 공급하여 덜 바람직한 공급물을 더 상업적으로 바람직한 원유(이는, 통상적인 정유공장에서 처리될 수 있음)로 업그레이딩하는 일반적인 주제를 가진다. 이는, 캐나다의 역청탄(tar sand), 베네주엘라의 모나가스 벨트(Monagas belt) 및 다른 공급원으로부터의 고도의 점성 오일을 합성 또는 업그레이딩된 원유로 전환시키는 것을 다루고 있다. 이는, 전세계 시장에서 입수가능한 일반적인 표준 등급의 상업적 원유와 더 잘 경쟁하는 것을 목적으로 한다. 이어서, 이러한 전환된 물질은, 일반적인 또는 전형적인 범위의 원유 점도, 황 수준 등을 갖는 원유를 위해 구성된 통상적인 원유 정유공정에 제공된다. 예시적인 종래 기술은 브라운(Brown) 등의 미국 특허 제 4,885,080 호를 포함하며, 상기 브라운 등의 특허 및 상기 브라운 등의 특허에 인용된 문헌을 참조한다. 상기 업그레이딩 또는 합성 원유 공정은 통상적인 정유공장에 의한 이들의 생성물 소비를 고려하며, 연소 가스 터빈에서의 용도에는 맞지 않는다.
상기 정유 배경지식에 의해 확인된 이러한 전통적인 접근법은, 원유 및 터빈 연료의 무대에 상당한 기술적 및 경제적 공백(void)을 남겼다. 상기 공백은, NG가 이용가능하지 않거나 다른 대안이 공급 요건을 만족시키지 못하는 경우, 심지어 이들이 부식, 부착물, 작동성 및 방출 문제를 유발하는 경우에, "최저가로 이용가능한 어떤 액체가 터빈 연료로서 사용되는가"를 터빈 설계자들이 사용하도록 하였다.
본 발명자들은, 원유를 터빈 또는 엔진 연료로서 유용한 연료로 전환시키기 위한 덜 복잡한 방법 및 장치를 발견하였다. 본 발명자들은 또한, 통상적인 정유 복잡성의 방식으로 원유로부터 복수개의 생성물을 추출하는 대신, 원유로부터 단일 액체 탄소계 터빈 연료를 생산할 수 있음을 발견하였다. 본 발명자들은, 본 발명의 방법에 따라 제조된 연료가 선박 또는 육상 엔진, 연소 가스 터빈, 또는 연소식 히터에 유용함을 발견하였다.
본 발명자들은, 엄격한(rigid) 온도 커트 포인트 또는 역사적으로 오랜(long standing) 표준 복수개의 커트 분류가 아니라, 황 함량 수준에 기초하여 원유를 경제적으로 분리하는 면에서, 어떻게 청정 연료를 제조하는가 하는 패러다임의 전환을 개발하였다. 본 발명자들은, 가능한 한 적은 성분 커트를 제조하고, 상기 적은 커트를, 오염물 수준에 대한 표적 연료 명세를 만족시키기에 현실적인 최소 회수 및 양으로만 추가 처리한다. 본 발명의 연료에 대한 황 및 금속 표적은 연소 장소에서의 규제 요건, 예컨대 배에 의한 해안 및 해양 연소에 대한 IMO(International Marine Organization) 규제, 및 육상 연소에 대한 지역 배출 규제 권한을 포함한다.
본 발명의 폴리싱된 터빈 연료(PTF)는, 부식제, 오염제 및 터빈 및 환경에 문제를 일으키는 기타 오염물을 낮은 수준으로 갖는 새로운 조성 부류의 원유 유도체이다. 터빈 내에서 원유를 직접 연소시키는 대신, 원유를 본 발명에 의해 폴리싱하여, 유해 금속, 황 및 기타 오염물을 효율적으로 제거함으로써, 단일 생성물 터빈 연료를 생성한다. 본원 명세서 및 청구범위에서 "본질적으로 없다" 또는 "본질적으로 금속이 없다"는, 0(제로) 내지 100 ppmwt 이하의 총 금속을 포함하는 연료를 의미한다. 그러나, 본 발명의 방법은, 단지 미량의 금속 함량(예컨대, 100 ppbwt 이하)을 갖는 연료를 생성할 수 있으며, 또한, 존재한다 하더라도, 온라인 장치에 의해 정확히 측정될 수 없는 금속 함량의 수준을 포함할 수 있다.
폴리싱된 터빈 연료는 천연 가스 및 디젤과 경쟁할 수 있으며, 그 이유는, 폴리싱된 터빈 연료의 연소가, 다수의 천연가스 등급 또는 고가의 디젤 등급을 연소함으로써 수득되는 신뢰성 및 배출물 수준에 접근하는 효과와 함께, 터빈 이용가능성을 증가시키고, 유지보수 비용을 감소시키고, 직접 원유 연소에 비해 배출물을 감소시키기 때문이다.
따라서, 본 발명자들은, 조정된 비정상적으로 효율적인 방식으로 원유를 오염물-제거하여, 터빈 연소에 적합한 초청정 연료를 생성할 수 있음을 발견하였다.
원유의 이러한 단일 연료 생성물은, 최소의 유닛 조작 및 장치를 사용하여 제조된다. 상기 연료는, 원유 폴리싱 단지(crude polishing complex, CPC)로서 저가 장치 구성을 갖는 본원에 기술되는 신규한 원유 폴리싱 공정(CPP)에 의해 제조된다.
따라서, 본 발명의 실시는, 통상적인 정유공장 단지에 비해 더 적은 자본 및 조작 비용을 가능하게 한다. 복수개의 별도의 스트림을 생성하기 위해 원유의 정제에 사용되는 다수의 추가적인 장비 및 추가적인 유닛 조작은 본 발명에서 제거되며, 그 이유는, 단일 생성물이 제조되기 때문이다.
그러나, 본 발명의 CPC는 분명히, 상기 US EPA 참고문헌에서 논의된 바와 같은 '탑핑 정유공장', '하이드로스키밍 정유공장', 또는 '업그레이딩 정유공장'(또는 "전환" 또는 "복합" 정유공장)이 아니다. 모든 상기 정유공장은 수많은 탄화수소 액체 생성물을 생산하지만, 본 발명의 CPP는 단지 하나의 생성물 연료를 생산한다. 본 발명의 장치 구성은 비교적 단순하며, 통상적인 정유와 매우 상이하다. 통상적인 정유공장은 수많은 스트림을 생성하며, 이들 중 단지 일부만 터빈 연료로 사용하기에 적합하다. 이와 반대로, 본 발명의 방법은, 하나 이상의 원유 공급물과 함께, 신규한 장치를 사용하여, 연료 생성물로서 유용한 단지 하나의 액체 폴리싱된 터빈 연료를 제조한다.
본 발명은, 모든 원유 공급물이 터빈 연료로 전환되는 것을 필요로 하지 않는다. 특정량의 원유는 상기 방법을 조작하는 유틸리티를 생성하는데 사용될 수 있다. 본 발명이, 원유로부터 오염물을 단리하여 폴리싱된 터빈 연료를 제조하는 단순한 방법을 제공하기 때문에, 본 발명은, 에너지 공급원으로 사용하기에 이용가능한 오염물 풍부 스트림을 남겨, 발전소 조작 및 수출을 위한 전력을 공급한다. 예를 들어, 산화 시스템은, 상기 공정 내의 오염물 풍부 스트림의 일부를 수용할 수 있다. 상기 오염물 풍부 스트림은 높은 연료 값(fuel value)을 갖기 때문에, 다른 발전소 요건을 위해 달리 사용될 수 있다. 유틸리티에 더하여, 상기 방법은 임의적으로 부산물로서 황을 생성할 수 있다.
본 발명의 방법의 상이한 유닛 조작의 조작 조건은, 원유 탄화수소 분석(assay), 다른 원유들 또는 조작을 위한 공급물로부터 선택되는 다른 대안적 물질들의 조합에 기초하여 조절될 수 있으며, 각각의 장치 부품의 사이징(sizing)은 각각의 생산량 및 예상되는 조작 가혹도에 의해 영향을 받는다.
본 발명의 폴리싱된 터빈 연료는 특히, 단순 사이클 발전소(SCPP) 및 단순 사이클 발전소 및 수력 발전소(SCPWP)로서 구성된, 원유, 잔유, 마수트(masut) 및/또는 고 황 연료 오일(HSFO)을 소모하는 유틸리티 생산 설비를 위한 대체 연료로서 특히 적합하며, 실질적으로 더 적은 배출물과 함께 더 효율적인 조작을 가능하게 한다.
본 발명의 방법의 변형은, 다양한 유형의 공급물을 본 발명의 공정 단지 내의 대안적 위치로 보냄으로써, 물질의 임의의 실질적으로 액체 탄소계 공급원을 유용한 액체 터빈 연료로 전환시킬 수 있다. 하나의 변형에서, 적합한 탄소 공급원은, 상이한 원유들 또는 단일 원유와 하나 이상의 잔유 또는 고 황 연료 오일 등급과의 조합물을 포함한다. 또다른 변형에서, 상기 대안적 공급 위치에 적합한 탄소 공급원은, 예를 들어, 다른 조작으로부터의 코크스, 석탄, 토탄 또는 재 입자와 혼합된 기본 분리대역 하부 또는 진공 잔류물의 슬러리가 공급되는 가스화 장치를 갖는 변형을 포함한다. 또한, 임의적 탄소 공급원은 바이오매스의 슬러리를 포함할 수 있으며, 목재, 사탕수수, 옥수수 잔해물 및 도시 폐기물을 포함할 수 있다.
본 발명의 원유 폴리싱 방법의 실시양태의 변형이, 예시적 공급물로서의 단일 원유의 사용에 의해 기술되었다. 그러나, 본 발명의 다른 실시양태는 하나 이상의 원유 또는 상이한 오염된 탄화수소계 액체를 단독으로 또는 하나 이상의 원유 공급물과의 조합으로 사용할 수 있다. 본원에서 지칭되는 "원유(crude)"는, 오염된 원유뿐만 아니라, 오염된 중질 액체, 예를 들어, 비제한적으로, 정유공장 잔유 또는 고 황 연료 오일을 포함한다. 오염물은, 황, 질소, 산소뿐만 아니라 착체 및 염으로서의 금속을 함유하는 화합물을 포함할 수 있다. 본원에서 "황"은, 상기 원소를 함유하는 화합물, 예를 들어, 비제한적으로, 티올(RSH), 설파이드(RSR'), 폴리설파이드(RSSR'), 다양한 개수의 방향족 고리 다환형 방향족 황 헤테로사이클을 함유하는, 티오펜계 화합물의 티오펜계 및 알킬-치환된 이성질체(예컨대, 티오펜, 벤조티오펜, 다이벤조티오펜, 및 벤조나프토티오펜) 및 다른 황-함유 탄화수소로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 화합물을 의미한다.
본 발명에서, 조작 조건은, 비-오염물 관련 성능 기준에 의해서가 아니라, 유출물 스트림의 황 또는 기타 오염물 수준에 기초하여 표적을 설정하도록 제어된다. 이와 반대로, 통상적인 정유공장의 증류 표적은, 다양한 특정 상이한 용도를 위한 상이한 유출물 스트림 생성물 성능 명세이다. 이러한 통상적인 명세는 오염물과 관련되지 않으며, 예를 들어, (i) 가솔린의 경우, 휘발성과 관련된 증기압 또는 노킹-억제(anti-knock)를 위한 옥탄, (ii) 2번 디젤의 경우, 연소 속도를 위한 세탄가(cetane number), 또는 인화점 또는 증류 초기 비등점, 또는 (iii) 케로센의 경우, 발연점, 인화점, 또는 10% 증류된 최대 또는 최종 비등점의 온도를 포함한다.
하나의 실시양태에서, 원유는 기본 분리 유닛(BSU)으로 공급된다. BSU는 분별 유닛 조작일 수 있지만, CPP의 BSU는, 여러모로, 몇가지 이유에서, 종래 기술 정유공장의 통상적인 상압(atmospheric) 증류 유닛(CDU)과 상이하다. 먼저, BSU는, (a) 허용가능한 낮은 수준의 오염물(BSU 조작 조건의 조절에 따라, 표적 수준으로 오염물-제거하기에 바람직함), (b) 약간 오염됨(예를 들어, 0.08 내지 4 중량% 범위의 황), 및 (iii) 오염물 풍부(예를 들어, 2 내지 8 중량% 범위의 황) 이내의 표적 오염물 수준에 기초하여, 원유를 단지 3개의 기본 세그먼트로 분할한다. 이와 반대로, 통상적인 CDU는, 목적하는 분획의 표적 탄화수소 조성 또는 조작 온도에 기초하여, 원유를 수많은 분획으로 분별한다. 둘째로, BSU 조작 조건은, 비-오염물 관련된 성능 기준에 의해서가 아니라, 유출물 스트림의 오염물 수준에 기초하여 표적을 설정하도록 제어된다. 하나의 실시양태에서, 터빈 연료로서 사용하기에 적합한 낮은 수준의 오염물을 갖는 액체 연료는, 하기 단계를 포함하는 방법의 생성물이다: (a) 원유, 정유공장 잔유, 고 황 연료 오일, 바이오매스 액체, 또는 코크스, 석탄, 토탄 또는 재 입자를 함유하는 탄화수소 슬러리 중 하나 이상으로 이루어진 군으로부터 선택되는 오염된 탄소계 액체 공급물을, 주요 오염물-제거기로서 작용하는 기본 분리 대역에 공급하는 단계, (b) 상기 대역 내에서 상기 액체 공급물을, 탄화수소 조성, 온도 범위 또는 다른 비-오염물 관련 분리 기준의 측정에 기초해서가 아니라, 유출물 스트림의 오염물 수준의 측정에 기초하여, 최소 개수의 기본 세그먼트로 분리하는 단계, (c) 공급물 분리를 제어하도록 상기 분리 대역의 조작 조건을 조절하여, 상이한 오염물 수준을 갖는 세그먼트를 생성함으로써, (1) 감소된 오염물 수준 세그먼트(이는, 실질적인 후속 처리 없이, 연료 성분 스트림을 생성함), (2) 약간 오염된 세그먼트(이는, 촉매의 존재 하에 수소로 처리되어, 하나 이상의 감소된 오염물 수준 연료 성분 스트림을 생성함), 및 (3) 오염물 풍부 세그먼트(이는, 하나 이상의 추가의 분리 단계에 적용되어, 하나 이상의 감소된 오염물 수준 스트림을 생성하고, 이들은 각각, 별도로 또는 조합으로, 촉매의 존재 하에 수소로 처리되어, 하나 이상의 감소된 오염물 수준 연료 성분 스트림을 생성함)를 생성하는 단계, 및 (d) 상기 (c)(1), (c)(2) 및 (c)(3)의 연료 성분 스트림을 조합하여, 상기 생성물 연료를 생성하는 단계.
도 1은, 본 발명에 따른 터빈 연료로서 유용한 단일 액체 생성물을 생성하기 위한, 원유 처리용 공정 배열의 개략도이다.
본 발명의 하나의 실시양태에서, 본 발명의 연료는, 황 화합물을 포함하는 원유로부터 유도된 3개의 액체 탄화수소계 유동 스트림을 조합함으로써 생성된다. 바람직한 변형에서, 상기 연료는, 상기 스트림을 유동 스트림으로서 실질적으로 연속 조합함으로써 생성된다. 본원 명세서 및 청구범위에서, 유동의 "실질적으로 연속" 조합은, 생산 유닛으로부터의 직접 유도된 스트림 또는 개별적인 스트림의 비축(reserve storage)으로부터의 스트림을, 상호혼합이 가능한 방식으로 조합함을 의미하며, "유속" 또는 "유동 속도"는, 스트림 유동이 별도로 첨가되는 경우, 배취로의 유동의 양을 포함한다. 상기 조합물로의 각각의 스트림의 유속은, 나머지 2개의 스트림 각각의 유속 및 이들 각각의 황 함량을 고려하여, 이의 각각의 황 함량, 및 상기 조합물의 총 최종 황 함량 한계에 대한 상대적 기여에 의해 결정된다. 하나의 변형에서, 상기 스트림은, 추가되는 스팀의 존재 또는 부재 하에, 원유를 적어도 3가지 액체 분획 F1, F2, 및 F3으로 분별함으로써, 상기 조합물을 위한 전구체로서 생성되며, 이때 원유 공급물의 중량% 또는 각각의 분획의 다른 측정치로서의 수율 커트는, 분획 F1의 황 함량이 분획 F2의 황 함량 미만이고, 분획 F2의 황 함량이 분획 F3의 황 함량 미만이 되도록, 이의 황 함량에 의해 결정된다. 분획 F2 및 F3의 전부 또는 일부는 후속적으로, 이들 스트림의 황 함량을 적어도 표적 수준 이하로 감소시키기에 충분한 온도, 수소 분압, 수소 유속, 촉매 활성 및 공간 속도 조건에서, 촉매의 존재 하에 수소로 처리된다.
본 발명의 제 1 유닛 조작은, 하나 이상의 분별기로 이루어진 기본 분리 유닛이다. 제 1 유닛 조작은, 바람직한 실시양태에서는 대기압 또는 그 근처에서 바람직하게 조작되고 증류 성능을 갖지만, 칼럼 안쪽의 더 많은 단계 및 더 높은 분별 효율을 갖는 통상적인 정유공장 상압 원유 증류 유닛과는 상이하다. 측면 커트의 개수 및 이에 따른 런다운 스트림의 양 및 품질은, 전형적인 원유 증류에 비해, 본 발명의 기본 분리 유닛 조작이 상이하며, 그 이유는, 본 발명의 방법으로부터의 최종 생성물이 단일 조성의 폴리싱된 터빈 연료이기 때문이다.
제 1 유닛 조작의 공급물 플래시 대역 온도는 바람직하게는, 중질 물질의 동반을 최소화하고 상기 제 1 유닛의 하부로부터의 분획 F3의 양을 최소화하면서 분획 F2의 커트를 최대화하도록 설계된다. 바람직한 변형에서, 제 3 분획 F3은, 감압 하에 조작되는 제 2 분별기 유닛의 진공 탑정 배출기(ejector) 시스템의 부하를 피하기 위해, 제 3 분획 F3 내의 경질분 동반을 최소화하도록 제 1 유닛의 스트리핑 구역에서 스팀 스트리핑된다. 본 발명의 하나의 변형의 예에서, 제 1 분별기의 탑정 및 측면 제 1 분획 F1의 유속은, 분획 F1(상기 연료에 조합되는 경우, 미처리된 스트림 S1이 됨)이 0.20 중량%의 황 범위의 황 함량(이는, 최종 연료 생성물의 황 한계(바람직하게는, 0.05 중량% 미만, 또는 0.05% 내지 0.1 중량%)를 초과함)을 갖도록, 제 1 분별기 비등(boil-up)을 증가시킴으로써 최대화된다. 그러나, 상기 변형에서, 비교적 낮은 황 함량을 갖는 스트림 S2 및 S3의 희석 유속이, S1 황 수준에 기초하여 상기 조합물에 첨가된다. 진공 기체 오일 수소처리로부터의 S3 액체의 황 수준은 조건의 가혹도에 따라 0.18 중량% 미만일 수 있지만, 고리 포화 및 발열량 감소를 유발하는 가혹한 조건을 피하기 위해, S3은 바람직하게는 0.12 중량% 내지 0.18 중량% 범위 이내이다. 증류분 수소처리로부터의 S2는, 온화한 조건의 경우, 용이하게 0.05 중량% 미만일 수 있지만, 수소처리 분야에 공지된 선택된 조건의 경우, 25 ppmwt 미만의 S2의 황 수준이 달성될 수 있고, 8 ppmwt 미만의 수준이 달성될 수 있지만, 바람직한 S2는 6 내지 12 ppmwt 범위이다. 　이렇게 처리된 S2 및 S3은, 최종 연료 조합물이 생성물 연료 명세를 만족시키도록, 각각의 황 함량에 기초하여 적용가능한 양으로, 미처리된 스트림 S1과 조합된다. 분획 F2 및 F3을 처리하는 수소처리기에서의 공정 에너지 소모는, 어느 만큼의 양의 분획 F1이 상기 수소처리기를 우회하는가에 따라 감소된다. 또한, 측면 커트 또는 런다운의 최소화는, 제 1 및 제 2 분별기의 자본 비용을 최소화한다.
통상적인 원유 증류와 달리, 커트의 분별 효율 또는 분명함(sharpness)은 본 발명의 방법 또는 장치의 명세가 아니며, 다중 런다운 스트림의 명세도 아니며, 그 이유는, 본 발명이, 상이한 비등 범위에 의해 미세하게 구분된 복수개의 생성물이 아니라, 공급물(예컨대, 원유)로부터의 단일 마감처리된 연료 생성물을 제조하기 위한 것이기 때문이다. 본 발명의 분별기의 하나의 실시양태에서, 상기 분별기는 원유 공급물을 각각의 분획 F1, F2 및 F3으로 분리하기 위한 상부, 중간 및 하부 대역을 가진다. 상기 분별기는, 온도, 탄화수소 조성 또는 다른 비-오염물 관련 분리 기준에 기초한 정확한 커트를 위한 분별 효율은 달성하지 못하지만, 표적 분획 F1, F2 및 F3의 오염물 수준에 기초하여, 각각의 상기 분획에 대한 하나의 커트로서 또는 조합되어 각각의 상기 분획을 생성하는 복수개의 커트로서의 분리를 달성한다. 상기 분별기가 동일한 원유를 처리하는 경우, 동일한 원유를 처리하는 통상적인 원유 증류에 비해, 본 발명의 분별기는 상부 대역에서의 더 높은 온도 프로파일로 조작될 수 있다. 이러한 상이한 온도 프로파일은, 스트리핑 스팀(사용되는 경우)의 응축을 유도하는 아냉각 및 관련된 압력 변화 업셋에 의해 유발된 통상적인 원유 증류의 상부 구역에서 경험되는 과도한 증기 응축 및 범람을 방지하고, 통상적인 원유 증류에서 발생할 수 있는 과도한 액체 생성 및 범람을 방지한다. 상기 실시양태의 분별기는, 상기 상부 대역 내에서 분획 F2 및 F3에 비해 분획 F1의 양을 최대화하는 것을 가능하게 하며, 상기 분획 F1은, 통상적인 증류에서는, 경질 탑정 비안정화된 전체 나프타 내지 케로센 범위 성분 또는 다른 경질 증류분의 적어도 일부인 범위 이내의 물질을 포함할 것이다. 분획 F1의 상기 최대화는 분획 F2 내의 경질 증류분의 양을 최소화하여, 분획 F2의 수소처리 또는 다른 처리에 대한 부하를 감소시킬 것이다. 이는 또한, 모든 상기 경질 탑정 비안정화된 전체 나프타 내지 케로센 범위 성분 또는 분획 F1 내의 다른 경질 증류분의 적어도 일부인 범위 이내의 모든 물질을, 상기 범위의 물질을 위한 복수개의 커트를 갖는 통상적인 원유 증류 유닛에 비해 더 적은 런다운 시스템을 유도하는 단일 커트로 조합하는 것을 가능하게 한다. 또한, 상기 분별기는, 상기 중간 대역 내에서 분획 F3에 비해 분획 F2의 양을 최대화하며, 상기 분획 F2는, 통상적인 증류에서는, 상기 경질 증류분의 나머지 더 중질 부분의 일부 내지 중간 및 중질 증류분 범위 이내의 물질을 포함할 것이며, 상기 최대화는, 분획 F2 중의 상기 경질 증류분의 나머지 더 중질 부분의 일부 및 중간 및 중질 증류분을 단일 커트 내에 조합하여, 상기 물질에 대한 복수개의 커트를 갖는 통상적인 원유 증류 유닛에 비해 더 적은 런다운 시스템을 유도할 수 있다. 상기 더 적은 개수의 런다운은, 감소된 런다운 스트림 및 감소된 개수의 트레이로 인해, 분별기 칼럼에 걸친 압력 강하를 감소시키고, 이에 따라, 공급물 플래시 대역 압력을 감소시키고, 이에 따라 플래시 대역 온도를 감소시키며, 이때 대응되는 칼럼 로 듀티의 감소는, 통상적인 원유 증류에 비해 에너지 소비를 감소시킨다.
하나의 변형에서, 분획 F1은 스트림 S1을 위한 전구체이고, 분획 F2는 스트림 S2를 위한 전구체이고, 분획 F3은 스트림 S3을 위한 전구체이고, 스트림 S1, S2 및 S3은 조합되어, 폴리싱된 터빈 연료로서 유용하고 최대 0.1 중량% 황 함량을 갖고 100 ppmwt 미만의 총 금속, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 1.0 ppmwt 총 금속을 함유하는 연료를 생성한다. 바람직한 분별은, 부탄 및 다른 더 경질 성분을 제거하기 위한 안정화 단계에서의 추가된 투자의 필요 없이, 동반된 응축성 경질 기체를 탑정 부분-응축하여 분획 F1의 적어도 일부를 생성하는 것을 포함하며, 이때 원유 공급원으로부터의 액화가능 석유 가스의 응축성 부분이 최종 연료 생성물의 일부가 됨에 주목한다. 상기 안정화의 추가는 허용된 변형이지만, 주요 터빈 연료 생성물의 생산에 본질적이지 않은 자본 비용을 부가한다. 바람직하게는, 분획 F1의 수율 커트는, 분획 F1이 황 제거 또는 감소를 위해 후속 처리되지 않지만 각각의 분획 F2 및 F3의 적어도 일부와 조합되고 이 부분들이 처리되어 황 함량이 제거되거나 감소되는 경우, 상기 조합물의 최종 황 함량 표적 명세 또는 황 한계를 초과하지 않도록 최대화된다. 분획 F1은 본질적으로 황, 금속 또는 기타 오염물이 없을 수 있거나, 비교적 낮은 수준의 황을 함유할 수 있다. 하나의 변형에서, 분획 2 및 3의 적어도 일부는 각각, 수소처리 또는 기타 탈황 수단에 의해 후속 처리되어, 각각의 처리된 부분이 50 ppmwt 미만의 황 함량을 갖도록, 황 함량이 감소된다. 또다른 변형에서, 분획 2 및 3의 적어도 일부는 각각, 수소처리 또는 기타 탈황 수단에 의해 후속 처리되어, 처리된 분획 F2가 10 ppmwt 보다 적은 범위의 극도로 낮은 황을 갖고 처리된 분획 F3이 F2보다 더 높은 황(예컨대, 약 0.12 내지 0.18 중량% 범위)을 갖도록, 황 함량이 감소된다. 유용한 통상적인 수소처리 장치, 촉매, 공정 구성 및 조건은, 문헌[Colorado School of Mines, Refining series]의 제7장에서 논의되었으며, 수소처리 분야의 당업자는, 촉매의 존재 하에, 수소처리 조건 하에, 분획 2 및 3의 적용가능한 부분을 수소로 수소처리하는 것에 대해 적용하고 조절하여, 본 발명의 수소처리 양태의 실시에서, 표적 스트림 S2 및 S3의 감소된 황 및 금속 함량을 달성할 수 있다.
원유는, 황에 더하여, 금속(예컨대, 바나듐, 니켈, 납 및 아연) 및 부식을 유발하거나 오염물을 생성하는 다른 물질뿐만 아니라 아스팔텐 계열의 오염물을 함유하는 다른 오염물을 포함할 수 있으며, 본 발명의 변형에서, 원유 공급 속도 및 분별 조건은, 실질적으로 모든 상기 오염물이 분획 F3 내에 농축되도록 조절된다. 본 발명의 하나의 실시양태에서, 분별 조건은, (i) 분획 F1이, 황 함량 X1을 갖는 미처리된 스트림 S1을 생성하고, 본질적으로 금속이 없도록, (ii) 분획 F2가 촉매의 존재 하에 조절된 조건 하에 수소로 후속 처리되어, 감소된 황 함량 X2를 갖는 스트림 S2를 생성하고, 본질적으로 금속이 없도록(이때, 분별은, 부탄 및 다른 더 경질 성분을 제거하기 위한 추가된 안정화 단계 없이, 동반된 응축성 경질 기체의 탑정 부분-응축, 극도로 낮은 수준의 황 및 거의 0 수준의 기타 오염물을 포함함), (iii) 분획 F3은 이의 적어도 일부가 촉매의 존재 하에 분획 F2의 처리보다 더 가혹한 조건 하에 수소로 후속 처리되는 경우, 상당히 감소된 황 함량 X3을 갖는 스트림 S3을 생성하고, 매우 낮은 수준의 금속을 갖도록, 조절된다. 상기 수소처리된 스트림 2 및 3이, 미처리된 스트림 S1과 조합되는 경우, 이 조합물은, 폴리싱된 터빈 연료로서 사용하기에 적합하고 황 함량 X1의 스트림 S1의 유속, 황 함량 X2의 스트림 S2의 유속 및 황 함량 X3의 스트림 S3의 유속에 의해 결정되는 유속 및 총 황 함량 ST을 갖는 연료를 생성한다. 하나의 변형에서, 분획 F1은 약 0.2 중량% 내지 0.25 중량% 범위의 황 함량을 가져서 스트림 S1을 생성하고, 분획 F2는 처리 후, 약 10 ppmwt 미만 범위의 황 함량을 가져서 스트림 S2을 생성하고, 분획 F3은 처리 후, 약 0.12 내지 0.18 중량% 범위의 황 함량을 갖는 스트림 S3을 생성한다.
또다른 변형에서, 수소처리 이전에, 분획 F3을, 감소된 탄화수소 분압에서, 추가되는 스팀의 존재 또는 부재 하에, 진공 증류에 적용하여, (i) 경질 또는 중질 진공 기체 오일 측면 스트림, 또는 이들의 조합물, 및 (ii) 감압에서 비등하지 않는 진공 잔사 중 하나 이상을 생성함으로써 상기 연료를 생성한다. 상기 (i) 경질 또는 중질 진공 기체 오일 측면 스트림, 또는 이들의 조합물 중 하나 이상은, 후속 처리 이전에 약 0.1 내지 5.0 중량% 범위의 황 함량을 가질 수 있으며, 수소처리로 보내지고, 이어서, 분획 F2와 상이한 대역에서, 분획 F2보다 더 가혹한 수소처리 조건 하에 별도로 수소처리되어, 약 0.12 내지 0.18 중량%의 황 함량을 갖고 본질적으로 금속이 없거나 약 0.1 ppmwt의 실질적으로 0의 금속 함량을 함유하는 스트림 S3을 생성한다. 대안으로서, 가장 경질 진공 기체 오일 측면 스트림의 황 함량이 후속 처리 이전에 분획 F2의 범위 미만 또는 이내의 황 함량을 갖는 경우, 상기 기체 오일 스트림은 후속 처리 동안 분획 F2와 조합되어, 스트림 S2에 기여할 수 있다.
하나의 변형에서, 상기 진공 잔사는 용매 탈아스팔트화로 보내지고, 여기서 이는, 바람직하게는 3 내지 7개의 탄소수의 파라핀계인 하나 이상의 용매와 혼합되어, 용액 아스팔텐 또는 다른 잔사 중질물 성분으로부터 침전되어, (i) 감소된 수준의 오염물을 갖는 하나 이상의 탈아스팔트화된 오일, 및 (ii) 주요량의 금속, 아스팔텐, 및 원래 원유 공급물의 다른 오염물을 함유하는 고도로 오염된 피치 스트림을 생성할 수 있다. 하나의 변형에서, 하나 이상의 탈아스팔트화된 오일 스트림은, 별도로, 또는 분획 F3 수소처리기에 공급되는 하나 이상의 진공 기체 오일 측면 스트림과 조합으로, 분획 F3 수소처리기로 공급되고, 수소처리되어, 스트림 S3의 일부를 생성한다. 이렇게 생성된 스트림 S3이 스트림 1 및 2와 조합되는 경우, 터빈 연료로서 유용한 연료가 생성된다. 상기 피치 스트림은, 지연된 또는 연속 코커(coker), 가스화 유닛 또는 아스팔트 생산으로의 공급물로서 유용하다. 바람직한 변형에서, 상기 피치 스트림은, 상기 피치 스트림을 수소 및 일산화탄소로 이루어진 합성 가스로 전환시키고 수소(이는, 스트림 2 및 3을 생성하는 성분의 수소화로 보내짐)를 정제하는 가스화 유닛으로 공급된다.
수소처리의 "온화한 조건"의 다양한 조건은, 조쎈스(Jossens) 등의 미국 특허 제 6,228,254 호에 기술되어 있으며, 본원에서 상기 용어는, 황을 50 ppmwt 미만으로 충분히 감소시키도록 조절되는 온도, 수소 분압, 수소 유속, 촉매 활성 및 공간 속도의 조건을 의미한다. 본원에서 수소처리의 더욱 "가혹한 조건", 및 상기 용어는, 온도, 수소 분압, 수소 유속, 촉매 활성 및 공간 속도의 조건이, 고리 포화를 실질적으로 피하는 온화한 조건보다 훨씬 더 낮은 수준으로 황을 감소시키기에 충분하도록 조절된다. 황 화합물 구조의 고려는, 문헌["New Approaches to Deep Desulfurization for Ultra-Clean Gasoline and Diesel Fuels: An Overview" by Song, Fuel Chemistry Division Preprints 2002, 47(2), 439]에서 논의되었다. 매우 충분한(deep) 황 제거는, 문헌["Clean Fuels and Catalysis Program, The Energy Institute, and Department of Energy & Geo-Environmental Engineering", by Xiaoliang Ma et al The Pennsylvania State University, AAD Document Control Center, M/S 921-107 National Energy Technology Center, US Department of Energy Institute]에서 논의된 대안적 경로에 의해 가능할 수 있다. 그러나, 본원에서 "충분한 황 제거" 수준은, 온화하던지 가혹하던지 간에, 수소처리 조건이 적절한 수소 양 및 분압을 포함하고, 황 수준을 10 ppmwt 이하 범위까지 감소시키도록 조절됨을 의미한다. 액커슨(Ackerson) 등의 문헌["Revamping Diesel Hydrotreaters For Ultra-Low Sulfur Using IsoTherming Technology"]은, 고활성 Ni/Mo 촉매를 사용함으로써 수소화에 의해 황을 제거하여 8 ppm 미만의 황을 함유하는 생성물을 제조하기 위한 유닛 설계, 촉매 선택, 수소 소비, 및 다른 조작 조건을 논의하고 있다. 문헌["Optimizing Hydroprocessing Catalyst Systems for Hydrocracking and Diesel Hydrotreating Applications, Flexibility Through Catalyst" by Shiflet et al, page 6 Advanced Refining Technologies Catalagram Special Edition Issue No.113/2013]은 또한, 비-입체 장애 황을 제거하기 위한 고활성 CoMo 촉매 및 나머지 입체 장애 황을 위한 고활성 NiMo 촉매를 사용하여 10 ppm 이하의 수준으로 수소처리는 것을 논의하고 있다.
도 1은, 본 발명의 또다른 실시양태의 일반적 개괄을 제공하며, 연료로서 사용하기에 적합한 단일 액체 생성물의 생성을 위한 공정 조작의 주요 요소를 단순화된 형태로 보여준다. 황 및 금속을 포함하는 오염된 원유의 스트림은 전처리(예컨대, 원유에 바람직한 탈염) 이후 라인(2)을 통해 상기 공정에 도입된다. 이 예에서, 원유 공급물(2)은 단일 원유, 또는 하나 이상의 원유들의 배합물, 또는 원유와 고 황 연료 오일의 배합물일 수 있다.
상기 원유는, 추가되는 스팀의 존재 또는 부재 하에, 3가지 액체 분획 F1, F2 및 F3으로 분별된다. 도 1에 도시된 실시양태에서, 분획 F1은 처리 없이 라인(10)을 통해 조합 대역(600)으로 통과한다. 분획 F2는 라인(20)을 통해 수소처리 유닛(300)으로 통과하여, 처리된 스트림 S2를 생성하고, 이는 라인(60)을 통해 조합 대역(600)으로 보내진다. 수소처리 유닛(300)으로의 공급 속도 및 이의 조건은, 처리된 스팀 S2가 10 ppmwt 미만의 황 함량 및 100 ppmwt 미만 범위의 총 금속 함량을 갖거나 수소처리의 가혹도에 따라 본질적으로 금속이 없도록 조절된다. 분획 F3은 라인(30)을 통해 진공 분별 유닛(200) 내의 추가적인 분리 단계로 보내진다. 기본 분리 유닛(100)으로부터, 동반된 경질 기체는 라인(4)을 통해 탑정을 통과하고, 동반된 응축성 경질 기체의 탑정 부분-응축이, 부탄 및 다른 더 경질 성분을 제거하기 위한 추가된 안정화 단계 없이 분별 동안 일어나며, 라인(8)을 통과하고, 라인(10)에서의 유동과 조합되어, 분획 F1의 일부를 생성한다. 유닛(100)의 상부 대역으로부터의 라인(4)의 경질 탄화수소 기체는 라인(6)을 통해 농축되고, 분리되고, 필요한 경우 분배되고, 예를 들어, 습윤 기체(예컨대, 프로판 및 부탄)로 분리되거나, 일련의 증류 칼럼을 통해 액화 석유 가스 및 건조 기체(예컨대, 에탄 및 메탄)로 분리되고, 상기 기체 중 하나 이상은, 다른 공정 유닛 조작을 위한 소각로에 사용될 수 있다. 보조 장치의 세부사항은 도시되지 않았지만, 예를 들어, 임의적으로 유닛(100)의 하부 대역 및 임의의 관련 측면 스트리퍼에 공급될 수 있는 스트리핑 스팀으로부터 주로 기인된 탑정과 관련된 응축 스팀을 제거하기 위한 환류 드럼 및 관련 워터 부트(water boot), 및 상기 환류 드럼으로부터 공급된 환류를 사용함으로써 탑정 온도를 조절하기 위한 환류 제어 장치를 포함할 수 있다. 라인(10)에서, 분획(1)은, 예를 들어 라인(4 및 6)에서, 탑정 증기를 생성하는 라인(4 및 8)에서의 탑정 단계보다 라인(10)에서의 더 낮은 단계에서 유도된 제 1 측면 커트를 포함하며, 상기 제 1 커트는 응축된 탑정과 조합된다(라인 8). 비-응축성 경질 기체는 라인(6)을 통해 탑정을 통과하고, 여기서 상기 기체는, 로 조작에 사용되기 위해 회수될 수 있다. 도 1에 도시된 변형에서, 기본 분리는 진공 분별을 포함하고, 분획 F3은 라인(30)을 통과하고, 유닛(200) 내에서, 감소된 탄화수소 분압에서, 추가되는 스팀의 존재 또는 부재 하에, 진공 증류에 적용되어, 라인(40)에서 하나 이상의 진공 기체 오일 유출물 스트림을 생성하고, 라인(50)에서 하나 이상의 진공 잔류 스트림을 생성한다. 황 수준을 조절하기 위해, 라인(30) 내의 분획 F3은, 고 황 연료 오일(도시되지 않음)을 배합함으로써 보충될 수 있고, 라인(50)에서의 상기 진공 잔류 스트림은, 고 황 연료 오일 또는 다른 공급원으로부터의 대안적 잔유(도시되지 않음)를 배합함으로써 보충될 수 있다.
또다른 변형(도시되지 않음)에서, 분획 F3의 적어도 일부는 수소처리기(400)로 직접 통과할 수 있다. 도 1에 도시된 변형에서, 분획 F3의 진공 기체 오일 스트림 부분은 라인(40)을 통해 수소처리 유닛(400)으로 보내지고, 분획 F2과 상이한 대역에서, 분획 F2보다 더 가혹한 수소처리 조건 하에, 별도로 수소처리되어, 스트림 S3의 적어도 일부를 생성한다. 유닛(200)의 분별 조건은, 라인(40)의 진공 기체 오일 유출물 스트림이 유닛(400)에서의 후속 처리 이전에 약 0.5 중량% 내지 5 중량% 범위의 황 함량을 갖도록 조절된다. 분획 F3의 수소처리된 부분은 라인(70)을 통해 보내져 수소처리기 유출물 스트림 S3의 일부가 되고, 이는 라인(70)을 통해 조합 대역(600)으로 보내진다. 유닛(400)으로의 공급 속도 및 수소처리 조건은, 스트림 S3이 약 0.12 내지 0.18 중량% 범위의 황 함량 및 약 0.1 ppmwt 미만 내지 1 ppmwt 범위의 총 금속 함량(이는, 본질적으로 금속이 없는 범위 이내임)을 갖도록 조절된다. 진공 분별 유닛(200)은 또한 라인(50)에서 분획 F3의 진공 잔사 유출물 스트림 부분을 생성하며, 이는 감소된 탄화수소 분압에서 실질적으로 비등하지 않으며, 라인(50)을 통해 용매 탈아스팔트화 유닛 조작(500)으로 보내진다. 도 1에서, 상기 진공 잔사는 유닛(500) 내에서 하나 이상의 용매와 혼합되어, 이 용액으로부터 상당한 아스팔텐 및 다른 잔사 중질물 성분이 침전되고 하기를 생성할 수 있도록 하는 방식으로 용액을 생성한다: (1) 라인(90)에서의 고도로 오염된 피치 스트림(이는, 원래의 오염된 원유 공급물의 주요량의 금속을 함유하고, 라인(90)을 통해 다른 용도 또는 처리로 보내짐), 및 (2) 라인(80)에서의 실질적으로 용매 가용성 탈아스팔트화된 오일(이는, 감소된 아스팔텐 함량 및 약 2 ppmwt 이상 20 ppmwt 이하 범위의 총 금속 함량을 갖고, 라인(80)을 통해 수소처리기(400)로 통과하고, 수소처리되어, 스트림 S3의 적어도 일부를 생성하는 분획 F3의 처리된 부분을 생성함). 하나의 변형(도시되지 않음)에서, 고 황 연료 오일 또는 다른 중질 잔유가, 단독으로 또는 상기 진공 잔사와 함께, 상기 용매 분리 유닛에 첨가된다.
분별 유닛(100)에서, 라인(10)에서의 분획 F1, 라인(20)에서의 분획 F2 및 라인(30)에서의 분획 F3 각각의 수율 커트(원유 공급물(2)의 중량% 또는 다른 측정치로서)는, 라인(10)에서의 분획 F1의 황 함량이 라인(20)에서의 분획 F2의 황 함량 미만이고 라인(20)에서의 분획 F2의 황 함량이 라인(30)에서의 분획 F3의 황 함량 미만이 되도록, 이의 황 함량에 의해 결정된다. 또한, 분별 유닛(100 및 200)의 조작 조건을 조절함으로써, 실질적으로 모든 금속이 라인(50)에서 분획 F3의 부분(portion) 내에 농축된다. 라인(10)에서 분획 F1의 수율 커트는, (i) 분획 F2의 부분(이는, 황 함량이 약 10 ppmwt 미만으로 감소되도록 수소처리되어, 라인(60)에서 스트림 S2을 생성함), (ii) 라인(40 및 80)에서의 분획 F3의 하나 이상의 부분(이는, 대역(400) 내에서 수소처리되어, 라인(70)에서 약 0.12 미만 내지 0.18 중량%의 감소된 황 함량을 갖는 스트림 S3을 생성함), 및 (iii) 미처리된 분획 F1(이는 약 0.2 내지 0.25 중량%의 황 함량을 갖고, 라인(10)에서 조합물(600)로의 스트림 S1을 생성함)의 유동들을 조합함으로써 제조된 조합 생성물 스트림(600)의 황 함량에 기초하여 최대화되며, 이때 라인(10)의 스트림 S1, 라인(60)의 스트림 S2 및 라인(70)의 스트림 S3의 조합물(600)의 최종 황 함량은, 상기 연료의 총 황 함량 한계 명세 또는 표적을 초과하지 않는다. 황 함량의 신속한 분석에 적합한 온라인 측정 장치는 시판되며, 예컨대, 비제한적으로, 예를 들어 미국 텍사스주 오스틴 소재의 어플라이드 리가쿠 테크놀로지스 인코포레이티드(Applied Rigaku Technologies, Inc.)로부터 입수가능한 "황을 위한 EDXRF/XRF" 등이고, 이는 0.02 내지 6.0 중량% 황 범위를 측정한다.
상기 실시양태의 하나의 변형에서, 라인(10)에서 분획 F1의 황 함량을 측정하여, 상기 함량이 이의 조작 명세 한계를 초과하지 않음을 보장하고, 분획 F1을, 추가의 처리 없이, 라인(10) 내의 스트림 S1로서, 조합 대역(600)으로 연속적으로보내진다. 또한, 라인(20 및 30)에서의 미처리된 스트림의 황 함량을 측정한다. 예를 들어, 라인(30)에서 분획 F3의 황 함량을 측정한 후, 분획 F3을 하나 이상의 추가의 분리 대역(200 및 500)으로 보내어, 분획 F3을 하나 이상의 공정 단계에 의해 2개 이상의 부분으로 분리하고, 각각의 이들 부분을 황 제거를 위해 후속적으로 처리할 수 있으며, 이때 처리 유형 및 가혹도는, 공급물 황 함량에 기초하여 선택된다. 또다른 변형에서, 스트림(40 및 80)의 황 함량을 측정하고, 유닛(300 및 400)의 수소처리 조건을 조절하여, 라인(60)에서 10 ppmwt 미만, 바람직하게는 약 5 내지 10 ppmwt 범위의 표적 황 함량을 갖는 처리된 스트림 S2, 및 라인(70)에서 0.18 중량% 미만, 바람직하게는 약 0.12 내지 0.18 중량% 범위의 표적 황 함량을 갖는 처리된 스트림 S3을 생성한다. 라인(10)에서의 스트림 S1, 라인(60)에서의 스트림 S2, 및 라인(70)에서의 스트림 S3은, (i) 상기 조합물로의 각각의 스트림의 유속이, 나머지 2개의 스트림 각각의 유속 및 이들 각각의 황 함량을 고려하여, 이의 각각의 황 함량 및 상기 조합물의 최종 총 황 함량 표적 한계에 대한 관련 기여도에 의해 결정되도록; (ii) 미처리된 분획 F1의 분별 유닛(100) 수율 커트가, 라인(600)에서 상기 조합물의 최종 황 함량 한계를 초과하지 않는 방식으로 최대화되도록 하는 방식으로, 상기 조합 대역(600) 내에서 실질적으로 연속적으로 조합된다.
또한, 도 1에 의해서 예시되는 하나의 변형에서, 분획 F1의 수율 커트는, 분획 F2 및 F3의 유속 및 수소처리 유닛(300)에 대한 대응 부하를 감소시킬 수 있도록 최대화된다. 분획 F1을 황 제거 또는 감소를 위해 후속 처리하지 않지만, 각각의 분획 F2 및 F3의 처리된 부분과 조합하고, 상기 부분들을 처리하여 유닛(300 및 400) 내에서 황 함량을 제거하거나 감소시켜, 라인(60)에서의 처리된 스트림 S2 및 라인(70)에서의 처리된 스트림 S3을 생성하는 경우, 조합된 스트림 S1, S2, 및 S3의 라인(600)에서의 생성물 연료의 최종 황 함량 표적 명세 또는 황 한계를 초과하지 않도록, 원유(2) 공급 속도, 유닛(100 및 200)에서의 분별 조건, 및 분획 F1, F2 및 F3의 상대적 유출물 유속을 조절한다. 최종 연료 조합물(600)의 황 함량이, 조합에 사용되는 분획 F1에 대한 표적 황 한계를 초과하면, 스트림 S2 및 S3의 황 함량 및 유속을 고려하는 경우, 어떤 조건 조절이 잠정적인 최종 표적 황 명세 한계(예컨대, 약 0.05 내지 0.1의 최종 연료 생성물 총 황 함량 한계) 이하의 황 수준을 달성하기에 가장 경제적인지에 따라, 수소처리 유닛(300 또는 400) 또는 용매 분리에 의한 대안적 처리 유닛(500)의 분별 유닛(100 또는 200) 조건 또는 후속 처리 조건이 조절된다. 다르게는, 분획 F1의 황 함량이, 최종 생성물(600)의 황 함량이 이의 황 한계에 접근하거나 이를 초과하도록 유발하는 경우, 분획 F1의 일부, 또는 분획 F1을 생성하는 측면 커트 중 하나는 라인(10)으로부터 라인(14)을 통해 수소처리 유닛(300)으로부터 보내지고, 수소처리되어, 최종 생성물(600)의 총 황 함량이 이의 표적으로 되돌아가도록 할 수 있다. 바람직한 변형에서, 수소처리기(300 및 400)는 각각, 당업자에게 공지된 바와 같이 사이징된(sized) 탈금속화 물질 또는 가드 층(guard bed)을 가진다. 상기 가드 층의 목적은, 오염물을 포획, 감소 또는 손상시키고, 연소시 재 생성에 기여하는 오일-가용성 미량 금속에 의해 유발되는 부식 효과 및 재 침착을 감소시키는 것이다.
도 1은 또한, 분별 유닛(200)에서의 진공 증류가 라인(30)에서의 분획 F3을 라인(40) 및 라인(50)에서의 2개의 부분으로 분리하고, 라인(50)에서 상기 부분들 중 하나가 용매 분리 유닛(500)에 의해 라인(80 및 90)에서의 2개의 추가의 부분으로 분리되는, 또다른 변형을 예시한다. 라인(40 및 80)에서의 분획 F3의 부분들은 수소처리 대역(400)으로 보내지고, 수소처리 대역(400)의 수소처리 조건은, 상기 부분들이 약 0.12 내지 0.18 중량% 범위의 황 함량을 갖는 처리된 스트림 S3을 생성하도록 조절된다. 상기 처리된 부분들은 조합되거나, 라인(70)을 통해 스트림 S3의 일부로서 조합 대역(600)으로 보내진다. 피치 스트림(90)(이는 수소처리되지 않음)을 생성하는 분획 F3의 오염물-풍부 나머지 부분은 라인(90)을 통해 대안적 처리(예를 들면, 수소, 전력 또는 다른 유틸리티 생성을 위한 하류 유닛, 또는 예컨대 아스팔트에서의 다른 용도로 보내진다.
원유가, 아스팔텐을 함유하는 오염물을 포함하는 경우의 바람직한 변형에서, 유닛(100 및 200)의 원유(2) 공급 속도 및 분별 조건 또는 유닛(500)의 대안적 분리 공정 조건, 예컨대 용매 분리 또는 탈아스팔트화는, 실질적으로 모든 아스팔텐 또는 다른 잔류 오염물이 라인(90)에서 분획 F3의 나머지 부분에 농축되고 상기 부분은 수소처리로 보내지 않아서 수소처리 촉매에 대한 오염 또는 다른 부정적 영향이 방지되도록 조절된다. 또한, 수소처리를 고려하는 경우, 분획 F2의 부분은 라인(44)을 통해 수소처리 대역(400)으로 보내져, 라인(70)에서 스트림 S3의 일부를 생성할 수 있다. 바람직하게는, 상기 피치 스트림(90)은 가스화 유닛, 아스팔트 생산, 또는 보일러로의 공급물로서 사용된다. 하나의 변형에서, 수소처리되지 않은 분획 F3의 부분은, 용매 탈아스팔트화로부터 유래하는 중질 잔유 또는 더 중질 피치로서, 가스화 유닛으로의 공급물로서 사용되며, 상기 가스화 유닛은 이를 CO 및 수소로 이루어진 합성 가스로 전환시키고, 이어서 상기 수소는 정제되고, 라인(60)에서의 스트림 S2 및 라인(70)에서의 스트림 S3을 생성하는 분획 F2 및 F3의 부분들의 대역(300 및 400)에서의 수소화로 보내진다. 변형에서, 가스화 유닛 조작은, 부산물로서의 용융 황을 회수하기 위한 산 가스 처리 단계, 및 전기 생산시 합성 가스를 사용하는 복합 사이클 발전소를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 실시양태의 다른 변형은 본 발명의 일부이다. 하나의 변형에서, 분별 유닛(100)은, 라인(10)에서 분획 F1을 생성하는 복수개의 커트 또는 런다운, 라인(20)에서 분획 F2를 생성하는 복수개의 커트 또는 런다운, 또는 라인(30)에서 분획 F3을 생성하는 복수개의 커트 또는 런다운을 가질 수 있다.
분획 F1을 생성하는 복수개의 커트 또는 런다운을 경제적으로 취할 수 있으며, 이에 따라, 이들은, 기본 분리 대역 또는 분별 유닛(100 및 200)으로부터의 나머지 커트에 비해 매우 적은 수준의 황 및 질소를 함유하고 금속은 본질적으로 함유하지 않으며, 추가의 처리 없이, 마감처리된 생성물 스트림(600)으로 직접 보내질 수 있다. 예를 들어, 비제한적으로, 유닛(100), 유닛(200) 또는 둘 다의 분별 조건을 조절하여, 상부 대역의 저 수준 오염물 또는 오염물-제거된 분획 F1의 양을 최대화하는 것은, 분획 F2의 고 비등 부분을 최대화함으로써 분획 F3을 최소화하면서, 수소처리기(300)에 부하된 오염된 중간범위 분획 F2의 저 비등 부분의 양을 최소화한다. 이러한 처리는 분획 F2에 대한 단일 측면 커트를 촉진하여, 복수개의 커트에 비해 더 적은 런다운 시스템 및 더 낮은 비용을 유발한다.
도 1에 예시된 바와 같이, 본 발명에서는, 하나의 표적 액체 연료가 원유 공급물의 생성물이다. 이와 반대로, 완전한(full-fledged) 정유공장의 일부로서의 통상적인 원유 증류 유닛에서는, 상기 수많은 생성물 커트 및 명세를 달성하는데 필수적인 분별 효율을 달성하기 위해 더 많은 트레이를 필요로 하는, 수많은 생성물 및 관련된 수많은 증류 명세가 존재한다. 분별 효율은 본 발명의 중요한 초점이 아니기 때문에, 본 발명의 분별기는, 기본적인 대략적 커트 분리 또는 분별을 달성할 만큼 많은 트레이를 필요로 하지 않으며, 따라서, 더 적은 트레이뿐만 아니라 덜 복잡하고 덜 비싼 트레이를 가질 수 있다. 더 적은 분리 트레이는 더 짧은 칼럼 높이 및 더 적은 필요 커트에 대응하며, 이는 모두, 더 낮은 자본 비용을 유발한다. 분획 F1 내의 제 1 분별기 상부 대역 양을 최대화하도록 본 발명의 방법 및 장치를 조작함으로써, 통상적인 원유 증류의 상부 대역에 비해, 통상적인 증류를 사용하여 더 경질의 탑정 비안정화된 전체 나프타 및 일부의 더 중질의 케로센 성분일 수 있는 물질이 포함될 것이며, 이는 후속 수소처리 또는 다른 처리를 우회한다. 분획 F1 내의 이렇게 넓은 범위는, 통상적인 원유 증류 유닛 탑에 비해, 비교로서 동일하게 처리된 원유에 대해, 본 발명의 제 1 분별기에 대한 상부 대역에서 더 높은 온도 프로파일을 가능하게 한다. 본 발명의 이러한 더 높은 온도 프로파일의 또다른 이점은, 통상적인 원유 칼럼의 더 상부 단계에서의 스트리핑 스팀 응축을 유발하는 아냉각 및 압력 업셋(upset)에 의해 유발된 통상적인 원유 칼럼의 상부 구역 내에서 경험되는 응축을 방지한다는 것이다. 또한, 나프타 안정화 칼럼의 비용을 방지함으로써, 자본 비용이 추가로 감소된다. 상부 대역에서의 이러한 더 높은 온도 프로파일은, 더 낮은 분별 대역에서의 원유의 상이한 커트를 가능하게 한다. 통상적인 증류에 비해, 예를 들어, 그렇지 않은 경우 더 경질의 케로센 범위 물질 내에 들 물질의 부분을 분획 F1에서 최대화하는 것은, 경질 증류분의 양을 최소화시키고, 분획 F2 내의 나머지 경질, 중간 및 더 중질의 증류분 범위 물질을 단일 커트 내에 조합하여, 복수개의 커트를 갖는 통상적인 원유 증류 유닛에 비해 더 적은 런다운 시스템 및 더 낮은 비용을 유발할 수 있을 것이다. 또한, 제 1 분별 유닛의 더 높은 온도 프로파일을 갖는 것은, 중간-범위 황 함유 커트를 조합함으로써, 런다운 스트림, 및 시스템 주변의 이의 관련 펌프, 및 관련 트레이 주변의 펌프를 제거하거나 최소화할 수 있도록 한다. 예를 들어, 그렇지 않은 경우에는 통상적인 원유 증류의 더 중질 케로센 범위 물질, 경질 증류분, 중간 및 더 중질의 증류분의 통상적인 범위 이내인 탄화수소 스트림들을 분획 F2으로서 하나의 공통 커트로 조합할 수 있으며, 이는, 제 1 분별기의 장비 목록을 감소시키고, 또한 터빈 연료 생성물의 자본 비용을 감소시킨다. 측면 커트 및 이와 관련된 주변의 펌프의 개수를 감소시킴으로써, 감소된 런다운 스트림으로 인한 분별기 칼럼에 걸친 압력 강하, 및 이에 따른 공급물 플래시 대역 압력, 및 이에 따른 플래시 대역 온도가 감소되며, 이때 칼럼 로 듀티에서의 대응 감소는, 통상적인 원유 증류에 비해 에너지 소비를 감소시킨다.
바람직한 최종 연료 생성물은 0.1 중량% 이하의 황을 함유하지만, 이러한 연료 황 함량은, 유닛 조작에 의해 더 많거나 더 적게 조절될 수 있다. 도 1에 예시된 바와 같이, 조합된 유닛 조작에 의한 황 제거는, 0.1 중량%의 황보다 훨씬 더 낮을 수 있거나, 0.1 중량%의 황을 초과하는 황 함량(선박 용도의 경우, 3.5 중량% 이하의 황 범위)을 갖는 연료에 대한 시장 요구를 만족시킬 수 있다. 연료 황 함량 조절은, 본 발명의 연료를 연소시키는 터빈 시스템으로부터의 허용가능한 황 공급물 함량 한계 또는 황 배출 수준, 또는 상기 연료를 사용하는 터빈의 부식 문제에 기초하여 본 발명의 방법의 유닛 조작을 조절함으로써 수행될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시양태가 기술되었지만, 이는 단지 예시적인 것이며 제한적이 아닌 것으로 의도됨을 이해해야 한다. 본 발명이, 낮은 수준의 황 및 기타 오염물을 갖는 연료의 생산에 대한 넓은 적용성을 가짐을 자명하다. 특정 특징이, 본 발명의 진의 또는 범주로부터 벗어나지 않고 변화될 수 있다. 따라서, 본 발명은, 논의된 특정 실시양태 또는 실시예에 제한되는 것으로 간주되어서는 안되며, 첨부된 청구범위 또는 이의 실질적 균등 범위로만 한정되는 것으로 간주되어야 한다.

Claims (7)

  1. 황, 및 금속과 아스팔텐을 함유하는 다른 오염물을 포함하는 원유로부터 형성된 연료로서, 상기 연료는
    (1) 황 0.1 중량% 이하의 최종 황 함량 한계를 갖고,
    (2) 0.1 ppmwt(100ppbwt) 이하의 실질적으로 0의 금속 함량을 함유하고,
    (3) 용매 불용성 아스팔텐을 제외한, 원유의 용매 용해성 탈아스팔트화된 오일 성분을 포함하며,
    추가로 상기 연료는, 상기 원유로부터 형성된 3가지 액체 탄화수소 스트림(10, 60, 70)의 단일 연료 조합이고, 상기 스트림(10)은 촉매의 존재 하에 수소로 처리되지 않고, 상기 스트림(10)은 비안정화된 전체 나프타부터 케로센 범위 성분까지의 미처리된 범위의 성분을 포함하는, 연료.
  2. 황, 및 금속과 아스팔텐을 함유하는 다른 오염물을 포함하는 원유로부터 형성된 연료로서, 상기 연료는
    (1) 황 0.1 중량% 이하의 최종 황 함량 한계를 갖고,
    (2) 0.1 ppmwt(100ppbwt) 이하의 실질적으로 0의 금속 함량을 함유하고,
    (3) 용매 불용성 아스팔텐을 제외한, 원유의 용매 용해성 탈아스팔트화된 오일 성분을 포함하며,
    추가로 상기 연료는, 상기 원유로부터 형성된 3가지 액체 탄화수소 스트림(10, 60, 70)의 단일 연료 조합이고, 상기 스트림(10)은 촉매의 존재 하에 수소로 처리되지 않고, 이때
    (a) 조합물(600)로의 각각의 스트림(10, 60, 70)의 양은, 나머지 2개의 스트림 각각의 양 및 이들 각각의 황 함량을 고려하여, 상기 스트림 각각의 황 함량 및 상기 조합물의 총 최종 황 함량 한계에 대한 관련 기여도에 의해 결정되고,
    (b) 상기 스트림들은, 추가되는 스팀(steam)의 존재 또는 부재 하에, 원유(crude)(2)를 3가지 액체 분획 F1(10), F2(20) 및 F3(30)으로 분별(100)함으로써 생성되고, 이때 각각의 분획의 수율 커트(원유 공급물중의 중량%로서)는, 분획 F1(10)의 황 함량이 분획 F2(20)의 황 함량 미만이고 분획 F2(20)의 황 함량이 분획 F3(30)의 황 함량 미만이 되도록, 이의 황 함량에 의해 결정되고,
    (c) 분획 F2(20)가 후속 처리되고(300), 분획 F3(30)의 2개의 부분(40, 80)(하나는 용매 분리(500)로부터의 부분(80)임)이 후속 처리되어(400), 각각의 처리된 스트림(60, 70)이 상기 연료의 황 함량 한계 미만의 황 함량을 갖고,
    상기 원유(2)는, 금속 또는 아스팔텐을 함유하는 오염물을 포함하며, 원유 공급 속도 및 분별 조건이, 실질적으로 모든 상기 오염물이 상기 분획 F3 내에 농축되도록 조절되고,
    상기 분획 F1이, 황 함량 X1을 갖고 금속을 본질적으로 함유하지 않는 비처리된 스트림 S1을 생성하고; 상기 분획 F2가, 감소된 황 함량 X2를 갖고 금속을 본질적으로 함유하지 않는 스트림 S2를 생성하도록 조절된 조건 하에서 촉매의 존재 하에 수소로 후속 처리되고; 상기 분획 F3은, 이의 적어도 일부가 감소된 황 함량 X3을 갖고 금속을 본질적으로 함유하지 않는 스트림 S3을 생성하도록 조절된 조건 하에서 촉매의 존재 하에 수소로 후속 처리되고; 이때 X1>X2 및 X3>X2이고, 상기 스트림 S1, S2 및 S3이 조합되어 연료가 생성되며,
    (d) 분획 F1(10)의 수율 커트는 분획 F2 및 F3에 비해 최대화되어, 분획 F1 내의 증류분 중의 황을 최대화하고 분획 F2 내의 증류분 내의 황의 양을 최소화하며, 분획 F1은 미처리된 상태로 남아 있고, 분획 F1이 처리된 분획 F2(60) 및 분획 F3(30)의 처리된 부분(70)과 조합되는 경우, 조합물(600)의 최종 황 함량 한계를 초과하지 않는, 연료.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 (d)의 분획 F1(10)의 최대화는,
    (i) 분획 F1 내의 나프타 및 케로센을 포함하는 경질 증류분의 양을 증가시키고, 분획 F2 내의 케로센 및 다른 경질 증류분의 양을 감소시키거나, 또는
    (i) 분획 F1 내의 동반된(entrained) 응축성 경질 기체부터 케로센을 포함하는 경질 증류분까지의 범위의 양을 증가시키고, 분획 F2 내의 케로센 및 다른 경질 증류분의 양을 감소시키는 것에 의하는, 연료.
  4. 제 2 항에 있어서,
    분획 F1(10)은 비안정화된 전체 나프타부터 케로센 범위 성분까지의 범위에서 최대화되는, 연료.
  5. 제 2 항에 있어서,
    경질 성분을 제거하기 위한 추가적 안정화 단계 없이, 동반된 응축성 경질 기체의 탑정(overhead) 부분-응축에 의해 형성된 다른 더 경질 성분 및 부탄을 추가로 포함하는, 연료.
  6. 제 2 항에 있어서,
    수소로 미처리된 직접 분획 F1, 수소 처리된 비직접 분획 F2 및 수소 처리된 비직접 분획 F3을 포함하는 원유 공급물을 가공하여 제조된 단일 생성물인, 연료.
  7. 제 2 항에 있어서,
    스트림 S1, S2 및 S3의 조합을 포함하는 연료로서,
    (a) 수소로 처리되지 않은 분획 F1이 스트림 S1(10)을 형성하고,
    (b) 촉매의 존재 하에서 수소로 처리된 분획 F2가 스트림 S2(60)을 생성하고,
    (c) 스트림 S3(70)은, (i) 처리 이전에 0.1 내지 5 중량% 범위의 황 함량 (상기 원유중의 질량%)을 갖는 하나 이상의 수소처리된 경질 및 중질 진공 기체 오일 스트림(40), 및 (ii) 용매 탈아스팔트화(500)로 보내져서 하나 이상의 파라핀계 용매와 혼합되어 아스팔텐을 침전시키는 진공 잔사(50)로부터 형성된 감소된 오염물의 탈아스팔트화된 오일(80)로 형성되는, 연료.
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