KR102432485B1 - 가스 터빈의 연도 가스를 사용하여 탄화수소 스트림을 분해하는 방법 - Google Patents
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Abstract
탄화수소 스트림을 분해하는 방법으로서: 압축 공기의 존재 하에 가스 터빈에서 연료를 연소시켜 연도 가스를 생성하고, 상기 연도 가스는 터빈을 구동하여 연결된 발전기에서 전기를 생산하거나, 또는 작동하여 연결된 회전 장비에 동력을 공급하는 단계;
(a) 상기 연도 가스의 제1 부분을 열교환기로 공급하는 단계;
(b) 가열된 공기를 제공하기 위해 상기 연도 가스의 제1 부분에 의해 가열되는 열교환기로 대기를 공급하는 단계;
(c) 증기 분해 유닛(steam cracking unit)의 퍼니스의 복사 구역에 연료 및 연도 가스의 제2 부분과 (c) 단계에 의해 얻어진 가열된 공기의 혼합물을 공급하는 단계 및
(d) 상기 퍼니스 내의 탄화수소 스트림을 분해하는 단계;를 포함한다.
(a) 상기 연도 가스의 제1 부분을 열교환기로 공급하는 단계;
(b) 가열된 공기를 제공하기 위해 상기 연도 가스의 제1 부분에 의해 가열되는 열교환기로 대기를 공급하는 단계;
(c) 증기 분해 유닛(steam cracking unit)의 퍼니스의 복사 구역에 연료 및 연도 가스의 제2 부분과 (c) 단계에 의해 얻어진 가열된 공기의 혼합물을 공급하는 단계 및
(d) 상기 퍼니스 내의 탄화수소 스트림을 분해하는 단계;를 포함한다.
Description
본 발명은 2016년 7월 25일에 출원된 유럽 특허 제16180943.9호의 우선권의 이익을 주장하며, 이는 본원에 참고 인용된다.
본 발명은 가스 터빈의 연도 가스를 사용하여 탄화수소 스트림을 분해하는 방법에 관한 것이다. 가장 바람직한 실시예에서 분해는 증기 분해기(steam cracker)로 수행된다.
소위 열분해로 불리는, 증기 분해(Steam cracking)는 오랜 기간동안 다양한 탄화수소 공급 원료들을 올레핀, 바람직하게는 에틸렌, 프로필렌, 및 부텐과 같은 경질 올레핀(light olefins)으로 분해하는데 사용되어 왔다. 통상적인 증기 분해는 2개의 주요 구역(main sections)을 갖는 열분해 퍼니스를 사용한다: 대류 구역(convection section) 및 복사 구역(radiant section). 탄화수소 공급 원료는 전형적으로 액상으로 퍼니스의 대류 구역에 유입되고(증기로 유입되는 가벼운 공급 원료를 제외함), 이는 복사 구역의 고온 연도 가스와 간접적으로 접촉 및 증기와의 직접 접촉에 의해 전형적으로 가열 및 기화된다. 기화된 공급 원료 및 증기 혼합물은 다음으로 분해가 발생하는 복사 구역으로 도입된다. 올레핀을 포함한, 결과적으로 생성된 생성물은 담금질(quenching)을 포함한 추가적인 하류 공정(downstream process)를 위해 열분해 퍼니스에서 배출된다.
고온, 산소가 풍부한 배기 가스를 분해 분해 퍼니스 내의 연소 공기로 사용하는 동시에 가스 터빈(GT)을 사용하여 전력을 생산하는 것은 에틸렌 생산 단위당 에너지 요구량을 감소시키는 매우 매력적인 수단이다. 이러한 공정은 공지되어 있으며, 예를 들어, 에틸렌 설비에서 분해 히터 및 터빈의 통합(in Integrating Gas Turbines with Cracking Heaters in Ethylene Plants), International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), Vol. 3 Issue 6, June - 2014, p.820-825.에 공지되어 있다. 터빈 배기 가스(TEG, turbine exhaust gas)의 사용은 높은 수준의 공기 예열을 제공하여 히터의 연료 요구량을 낮추는 효과적인 수단이다. 그러나, 공기 예열 시스템과 달리, TEG의 산소 함량이 낮기 때문에, 퍼니스를 통과하는 연도 가스의 총 질량 유량(mass flow)은 증가하게 된다. 이는 열분해 모듈(pyrolysis module)의 대류(열회수) 구역에서 증기 생산을 증가시킨다.
WO2015128035는 터빈 배기 가스를 사용하여 가스 터빈과 일체화하여 퍼니스의 에너지 효율을 높이는 방법을 개시한다. 상기 배기 가스는 열회수 장치로 공급된다. WO2015128035의 시스템은 예열된 공기를 사용하여 보다 높은 화염 온도를 초래하고 연소 후에 연도 가스에 바람직하지 않은 더 많은 양의 NOx를 형성하는 문제점이 있다.
요약에 따르면, US 2006/0080970은 촉매를 필요로 하는 증기 메탄 개질기(reformer)와 관련하여 사용되는 가스 터빈과 일체화된 유체 히터에서 유체를 가열하는 방법을 개시한다.
에너지 효율이 높고 NOx의 양이 감소하는 공정에 대한 요구가 있다. 또한 퍼니스의 증기 생산을 증가시키기 보다는 퍼니스에 의해 연소되는 연료를 절약하여 에너지 효율을 증가시키는 방법에 대한 요구가 있다.
본 발명의 목적은 에너지 효율이 높고, NOx의 양이 감소하는 가스 터빈의 연도 가스를 사용하여 탄화수소 스트림을 분해하는 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 퍼니스의 증기 생산을 증가시키기 보다는 증기 분해 유닛(steam cracker unit)의 퍼니스에 의해 연소되는 연료를 절약하여 에너지 효율을 증가시키는 방법을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명은 탄화수소 스트림을 분해하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 압축 공기의 존재 하에 가스 터빈에서 연료를 연소시켜 연도 가스를 생성하고, 상기 연도 가스는 터빈을 구동하여 연결된 발전기에서 전기를 생산하거나, 또는 작동하여 연결된 회전 장비에 동력을 공급하는 단계 상기 연도 가스의 제1 부분을 열교환기로 공급하는 단계; 가열된 공기를 제공하기 위해 상기 연도 가스의 제1 부분에 의해 가열되는 열교환기로 대기를 공급하는 단계; 연료 및 연도 가스의 제2 부분과 (c) 단계에 의해 얻어진 가열된 공기의 혼합물을 증기 분해 유닛에 공급하여, 증기 분해 유닛의 퍼니스 내에서 탄화수소 스트림을 분해하는 단계를 포함한다.
본 발명은 또한 압축 공기의 존재 하에 연료를 연소시켜 연도 가스를 생성하는 가스 터빈을 포함하며, 상기 연도 가스는 터빈을 구동하여 연결된 발전기에서 전기를 생산하거나, 또는 작동하여 연결된 회전 장비에 동력을 공급하고, 연도 가스의 제1 부분과 대기를 공급받기 위한 열교환기를 포함하며, 상기 대기는 가열된 공기를 제공하기 위해 연도 가스의 제1 부분에 의해 가열되고, 탄화수소 스트림을 분해하기 위한 증기 분해 유닛의 퍼니스를 포함하고, 상기 퍼니스는 연료 및 연도가스의 제2 부분과 가열된 공기의 혼합물을 공급받는다. 상기 퍼니스는 바람직하게는 증기 분해 유닛(증기 분해기)의 일부이다.
본 발명의 방법 및 시스템에 따르면, 가스 터빈(가스 터빈 배기)에 의해 생성된 연도 가스는 증기 분해 유닛의 퍼니스에 공급되는 대기를 가열하기 위해 사용되는 제1 부분과, 퍼니스에 공급되는 제2 부분으로 나눠진다. 따라서, 증기 분해 유닛의 퍼니스에 공급되는 연소 공기는 연도 가스의 제2 부분과 연도 가스의 제1 부분에 의해 가열된 공기의 혼합물이다.
연도 가스는 대기보다 낮은 산소 함량을 가지고 있다. 따라서, 퍼니스로 공급되는 연소 공기가 연소 가스로 구성되면 퍼니스의 화염 온도가 낮아진다. 퍼니스로 공급되는 연소 공기가 공기로 구성된 경우, 퍼니스의 화염 온도가 높다. 또한, 퍼니스로 공급되는 연소 공기의 온도가 높아질수록 퍼니스의 화염 온도가 높아진다.
다음은 본 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 다양한 용어 및 문구의 정의를 포함한다.
"약" 또는 "대략" 이라는 용어는 당업자가 이해하는 것과 거의 유사한 것으로 정의된다. 하나의 비제한적인 실시예에서, 용어는 10% 이내, 바람직하게는 5% 이내, 보다 바람직하게는 1% 이내, 가장 바람직하게는 0.5% 이내로 정의된다.
용어 "중량.%", "부피.%", 또는 "몰.%"는 총중량, 총부피 또는 총몰에 기초한 구성요소를 포함하는 물질 성분의 중량, 부피 또는 몰 퍼센트를 의미한다. 비제한적인 실시예에서, 100 몰의 물질 중 10 몰의 성분은 10몰%이다.
명세서 및/또는 청구범위에서 사용되는 용어 "효과적인," 은 원하는, 예상된 또는 의도된 결과를 달성하기에 적절함을 의미한다.
청구범위 또는 명세서에서의 용어 "포함하는" 과 관련하여 사용될 때 "하나의" 또는 "하나의" 라는 용어의 사용은 "하나"를 의미할 수도 있지만, "하나 이상의", "적어도 하나", 및 "하나 이상"을 의미한다.
"포함하다"(및 "포함하다" 및 "포함할 수 있다"와 같은 임의의 형태), "갖는"(및 "갖는" 및 "가질 수 있는"과 같은 임의의 형태), "함유하는"(및 "함유하다" 및 "함유할 수 있다"와 같은 임의의 형태), 또는 "내재하다"(및 "내재" 및 "내재할 수 있는"와 같은 임의의 형태)는 포괄적이거나 제한이 없으며 언급되지 않은 추가 요소, 또는 방법 단계들을 제외하는 것이 아니다.
본 발명의 방법은 명세서 전체에 걸쳐 개시된 특정 요소, 구성 성분, 조성물, 단계 등을 "포함" 하거나 "본질적으로 구성된다" 또는 "포함한다". 또한, 특정 요소를 포함하는 제품/조성물/방법/시스템에 대한 설명은 이들 요소로 구성된 제품/조성물/시스템을 개시함을 이해해야 한다. 이들 요소로 구성된 제품/조성물/방법/시스템은 예를 들어 제품/조성물의 제조를 위한 보다 단순하고 경제적인 방법을 제공한다는 점에서 유리할 수 있다. 유사하게, 예를 들어, 특정 단계를 포함하는 방법에 대한 설명은 또한 이들 단계로 구성된 단계를 개시함을 이해해야 한다. 이러한 단계들로 구성된 공정은 간단하고 경제적인 공정을 제공한다는 점에서 유리할 수 있다.
파라미터에 대한 하한값 및 상한값에 대한 값이 언급될 때, 하한값 및 상한값의 조합에 의해 만들어진 범위도 개시되는 것으로 이해된다.
본 발명의 내용에서 13개의 실시예가 설명된다. 실시예 1은 탄화수소 스트림을 증기 분해하는 방법이다. 상기 방법은 (a) 압축 공기의 존재 하에 가스 터빈에서 연료를 연소시켜 연도 가스를 생성하고, 상기 연도 가스는 터빈을 구동하여 연결된 발전기에서 전기를 생산하거나, 또는 작동하여 연결된 회전 장비에 동력을 공급하는 단계, (b) 상기 연도 가스의 제1 부분을 열교환기로 공급하는 단계, (c) 가열된 공기를 제공하기 위해 상기 연도 가스의 제1 부분에 의해 가열되는 열교환기로 대기를 공급하는 단계, (d) 증기 분해 유닛(steam cracking unit)의 퍼니스의 복사 구역에 연료 및 연도 가스의 제2 부분과 (c) 단계에 의해 얻어진 가열된 공기의 혼합물을 공급하는 단계, 및 (e) 탄화수소 공급 원료 스트림을 증기 분해 유닛의 퍼니스의 대류 구역 내에 있는 대류 코일을 통해 상기 증기 분해 유닛의 퍼니스의 대류 구역에 공급하는 단계를 포함한다. 실시예 2는 실시예 1의 방법으로서, 증기 분해될 탄화수소 공급 원료는 퍼니스의 대류 구역, 복사 구역 또는 둘 모두에 의해 예열된다. 실시예 3은 제1 부분과 제2 부분의 중량비가 1:99 내지 99:1, 예를 들어 10:90 내지 90:10, 20:80 내지 80:20, 30:70 내지 0:30 또는 40:60 내지 60:40 이다. 실시예 4는 단계 (a)에서 생성된 연도 가스가 약 5% 내지 약 18%, 약 10% 내지 약 16%, 또는 약 13% 내지 약 15%의 체적의 산소를 함유하는 것인, 실시예1 내지 실시예 3 중 어느 하나의 방법이다. 실시예 5는 단계 (a)에서 생성된 연도 가스가 약 300℃ 내지 약 800℃, 약 350℃ 내지 약 700℃, 또는 약 300℃ 내지 약 700℃, 또는 약 400℃ 내지 약 650℃의 온도를 갖는 것인, 실시예 1 내지 4 중 어느 하나의 방법이다. 실시예 6은 실시예 1 내지 5 중 어느 하나의 방법으로, 상기 혼합물은 약 300℃ 내지 약 800℃, 약 350℃ 내지 약 700℃, 또는 약 400℃ 내지 약 650℃의 온도를 갖는다.
실시예 7은 탄화수소 스트림을 증기 분해하기 위한 시스템이다. 상기 시스템은 (a) 압축 공기의 존재 하에 연료를 연소시켜 연도 가스를 생성하기 위한 가스 터빈으로서, 상기 연도 가스는 터빈을 구동하여 연결된 발전기에서 전기를 생산하거나, 또는 작동하여 연결된 회전 장비에 동력을 공급하고, (b) 연도 가스의 제1부분과 대기를 공급받기 위한 열교환기로서, 상기 대기는 가열된 공기를 제공하기 위해 연도 가스의 제1부분에 의해 가열되고, (c) 상기 탄화수소 스트림을 분해하기 위한 퍼니스를 포함하는 증기 분해 유닛으로서, 상기 퍼니스는 연료 및 상기 연도 가스의 제2 부분과 가열된 공기의 혼합물이 공급되며; 상기 퍼니스는 복사 구역 및 대류 구역을 포함한다.
실시예 8은 열교환기로 공급되는 공기가 열교환기로 공급되기 전에 압력이 상승되는 예를 나타낸 시스템이다. 실시예 9는 연도 가스 또는 연도 가스의 제2 부분의 산소 함량을 증가시키기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실시예 7 내지 실시예 8 중 어느 하나의 시스템이다. 실시예 10은 실시예 7 내지 실시예 9중 어느 하나의 시스템에 있어서, 상기 열교환기가 공급 원료 예열, 보일러 급수 예열 및 증기 과열 중 적어도 하나의 추가 기능을 갖는 시스템이다. 실시예 11은 연도 가스를 제1 부분과 제2 부분으로 분리하기 전에 가스 터빈으로부터 연도 가스의 일부를 끌어들이기 위한 우회 배기통(bypass stack)을 더 포함하는 것인 실시예 7 내지 10 중 어느 하나의 시스템이다. 실시예 12는 실시예 7 내지 11 중 어느 하나에 따른 시스템으로서, 상기 시스템은 복수의 퍼니스를 포함하고, 각각의 퍼니스에는 연료 및 가스 터빈에서 공급된 연도 가스의 일부와 열교환기에서 공급된 가열된 공기의 일부가 혼합되어 공급된다. 실시예 13은 실시예 7 내지 12 중 어느 하나에 따른 시스템으로서, 상기 시스템은 복수의 퍼니스 및 이에 대응하는 개수의 열교환기를 포함하고, 상기 각각의 퍼니스에는 연료 및 가스 터빈에서 공급된 연도 가스의 일부와 각각의 열교환기에서 공급된 가열 공기의 일부가 혼합되어 공급된다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점은 다음의 도면, 상세한 설명 및 실시예로부터 명백해질 것이다. 본 발명은 본 명세서에 기술된 특징들의 모든 가능한 조합들에 관한 것이며, 특히 청구범위에 존재하는 특징들의 조합이 바람직하다는 것이 주목된다. 그러므로, 본 발명에 따른 구성, 방법, 시스템에 관련된 특징들의 모든 조합 본 발명에 따른 방법에 관련된 특징의 모든 조합 및 본 발명에 따른 시스템과 관련된 특징의 모든 조합 및 본 발명에 따른 방법과 관련된 특징이 본 명세서에 기술된다. 그러나, 본 발명의 특정 실시예를 나타내는 도면, 상세한 설명 및 실시예는 단지 설명을 위한 것으로 제한적인 것이 아님을 이해해야 한다. 또한, 본 발명의 사상 및 범위 내의 변경 및 변형은 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백해질 것 이라는 것을 고려할 수 있다. 다른 실시예들에서, 특정 실시예들의 특징들은 다른 실시예들의 특징들과 결합될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예의 특징은 다른 실시예의 임의의 특징과 결합될 수 있다. 다른 실시예에서, 추가의 특징이 본 명세서에 기술된 특정 실시예에 추가될 수 있다.
본 발명의 이점은 다음의 발명의 상세한 설명과 첨부된 도면을 참조하여 당업자에게 명백해질 수 있다.
도 1은 퍼니스 내의 연도 가스 열 방출 플롯을 도시한다.
도 2는 연료가 비가열 연소 공기와 함께 공급되는 퍼니스를 포함하는 시스템의 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 연료가 예열된 연소 공기와 함께 공급되는 퍼니스를 포함하는 시스템의 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 연료가 예열된 연소 공기와 함께 공급되는 퍼니스를 포함하는 시스템의 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료가 예열된 연소 공기와 함께 공급되는 퍼니스를 포함하는 시스템의 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6-9는 대류 구역의 모든 구성 요소들 및 연도 가스의 열전달 지표 및 온도가 도시된 열 방출 플롯을 도시한다.
도 10은 도 6-9의 대류 구역의 공급 원료 예열 요소에 의해 흡수된 열을 도시한다.
도 11은 본 발명에 따른 연료가 예열된 연소 공기와 함께 공급되는 퍼니스를 포함하는 증기 분해기를 포함하는 시스템의 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1은 퍼니스 내의 연도 가스 열 방출 플롯을 도시한다.
도 2는 연료가 비가열 연소 공기와 함께 공급되는 퍼니스를 포함하는 시스템의 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 연료가 예열된 연소 공기와 함께 공급되는 퍼니스를 포함하는 시스템의 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 연료가 예열된 연소 공기와 함께 공급되는 퍼니스를 포함하는 시스템의 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료가 예열된 연소 공기와 함께 공급되는 퍼니스를 포함하는 시스템의 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6-9는 대류 구역의 모든 구성 요소들 및 연도 가스의 열전달 지표 및 온도가 도시된 열 방출 플롯을 도시한다.
도 10은 도 6-9의 대류 구역의 공급 원료 예열 요소에 의해 흡수된 열을 도시한다.
도 11은 본 발명에 따른 연료가 예열된 연소 공기와 함께 공급되는 퍼니스를 포함하는 증기 분해기를 포함하는 시스템의 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명에 따르면, 연도 가스 및 연도 가스에 의해 가열된 공기의 혼합물에 의한 연소 공기의 생성은 퍼니스에 공급되는 연소 공기의 온도 및 산소 함량을 제어할 수 있게 한다. 이는 차례로 퍼니스의 화염 온도를 제어한다. 이는 유리하게도 NOx의 생성을 허용 가능한 수준으로 제한하면서 연료 소비를 최적화할 수 있게 한다.
또 다른 중요한 이점은 본 발명이 퍼니스 내의 연소 이전에 연소 공기에 부가되는 분해 조건 또는 열과 관계없이 대류 구역으로의 연도 가스 흐름의 제어를 허용한다는 것이다. 본 발명은 분해 조건 및/또는 연소 공기 예열을 대류 구역에서 열 전달의 변화 없이 변화시키는 것을 가능하게 하며, 반대의 경우, 분해 조건에 영향을 미치지 않고 대류 구역에서 열 전달을 변화시키는 것을 가능하게 한다. 하나의 특별한 이점은 고온 가스 터빈 배기(hot gas turbine exhaust)에 의한 연소 공기 예열이 퍼니스의 증기 생산의 변화 없이 적용될 수 있다는 것이다. 이것은 더 많은 증기가 필요하지 않을 때 이점이 된다.
제1 부분과 제2 부분의 중량비는 임의의 범위, 예를 들어, 1:99 내지 99:1, 예를 들어 10:90 내지 90:10, 20:80 내지 80:20, 30:70 내지 70:30 또는 40:60 내지 60:40 일 수 있다.
연료는 공기의 존재 하에서 연소 반응을 하기 위한 적합한 연료일 수 있으며, 예를 들어, 연료는 탄화수소 혼합물, 예컨대 석유, 가솔린, 디젤, 천연 가스 또는 연료 가스(fuel gas)일 수 있으며, 이는 에틸렌 공장에서 부산물로 생성될 수 있다. 예를 들어, 연료 가스(fuel gas)는 수소 및 메탄을 함유할 수 있다. 특정 실시예에서(In certain embodiments), 연료 가스(fuel gas)는 일산화탄소 및 수소를 함유하는 합성가스(syngas)일 수 있다. 상기 합성가스(syngas)는 석탄 또는 석유 제품의 가스화에 의해 생성될 수 있다.
가스 터빈에 의해 얻어진 연도 가스는 산소, 이산화탄소, 증기 및 미연소된 연료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 연도 가스는 부피비로 약 5% 내지 약 18%, 약 10% 내지 약 16%, 또는 약 13% 내지 약 15%의 산소를 함유할 수 있다.
가스 터빈에 의해 얻어진 연도 가스는 약 300℃ 내지 약 800℃, 약 350 ℃ 내지 약 700℃, 또는 약 400℃ 내지 약 650℃의 온도를 가질 수 있다. 특정 실시예에서, 연도 가스의 온도는, 예를 들어, 덕트 버너(duct burner)를 사용하여 증가될 수 있다. 예를 들어, 연도 가스의 온도는 약 850℃까지 증가될 수 있다.
열교환기에서, 열은 연도 가스의 제1 부분에서 공기로 전달된다. 열교환기에서 얻은 가열된 공기의 온도는 100℃ 내지 800 ℃일 수 있다. 최종 온도는 가스 터빈 배기 및 열교환기의 설계 온도에 따라 달라진다.
퍼니스는 바람직하게는 증기 분해를 위한 퍼니스일 수 있다. 퍼니스는 복사 구역 및 대류 구역을 가지고 있다. 연료 및 연소 공기는 복사 구역으로 들어가고 연료는 증기 분해를 위해 고온에 도달하도록 연소된다. 퍼니스의 복사 구역은 1600 ℃ 내지 2200 ℃, 예를 들어 1800 ℃ 내지 2000 ℃ 의 단열(adiabatic) 화염 온도를 가질 수 있다.
공급 원료 예열(feed preheating), 보일러 급수 예열(boiler feed water preheating) 및 증기 과열(steam superheating)은 일반적으로 대류 구역에서 수행된다. 연도 가스의 제 2 부분(때때로 우회 흐름(bypass flow)로 지칭됨)의 감소는 단열(adiabatic) 화염 온도를 높이고, 복사 구역에서 더 많은 열이 발생하도록 하며 대류 구역에서 열회수에 사용할 수 있는 열을 줄여준다. 따라서, 일부 실시예에서, 열교환기는, 공기 가열 기능 이외에도, 공급 원료 예열, 보일러 급수 예열 및 증기 과열 중 적어도 하나의 추가 기능을 갖는다. 이는 연도 가스의 제1 부분에 대한 제2 부분의 비율이 낮은 상황에 특히 유용하다.
바람직하게는, 시스템은 열교환기에 공급되는 제1 부분의 양을 제어하기 위한 수단을 포함한다.
바람직하게는, 시스템은 상기 가열된 공기와 혼합될 제2 부분의 양을 제어하기 위한 수단을 포함한다.
바람직하게는, 열교환기로 공급되는 대기(ambient air)는 열교환기로 공급되기 전에 압력이 증가된다. 이것은 열교환기에 의해 발생되는 압력 강하를 극복해준다. 이것은 신선한 공기 측에서 더 많은 압력 강하를 야기하는 열교환기의 보다 치밀한 설계(compact design)를 허용해준다. 압력 강하가 낮을 필요가 있는 경우에는, 공기 속도가 낮아야 하며, 파이프의 직경이 증가하게 되어 비용이 많이 들게 된다. 약간의 압력 강하가 허용되면, 가스 속도는 더 높을 수 있고 스틸(steel)이 더 적게 사용될 수 있다.
상기 시스템은 연도 가스 또는 연도 가스의 제2 부분의 산소 함량을 증가시키기 위한 수단을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 시스템은 연도 가스를 제1 부분 및 제2 부분으로 분리하기 전에 가스 터빈으로부터 연도 가스의 일부를 끌어당기기(drawing) 위한 우회 배기통(bypass stack)을 포함한다. 이를 통해 증기 분해기가 작동하지 않거나 감소된 부하에서 작동할 때, 원하는 부하에서 전기 또는 작업 생산용으로 가스 터빈을 사용할 수 있다. 이러한 우회 배기통(bypass stack)은 우회 배기통으로 공기의 흐름을 제어하기 위한 밸브 / 공기 레지스터(air register)를 포함한다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 시스템은 복수의 퍼니스를 포함하며, 각각의 퍼니스에는 연료 및 가스 터빈에서 공급된 연도 가스의 일부와 열교환기의 가열된 공기의 일부가 혼합된 혼합물이 공급된다. 이러한 실시예에서, 가스 터빈에서 공급된 연도 가스는 각각의 퍼니스에 연도 가스의 일부가 공급되고 열교환기에 연도 가스의 일부가 공급되도록 분할된다. 열교환기의 가열된 공기는 각각의 퍼니스에 가열된 공기의 일부가 공급되도록 분할된다.
일 실시예에서, 본 발명에 따른 시스템은 복수의 퍼니스 및 이에 대응하는 개수의 열교환기를 포함하며, 각각의 퍼니스에는 연료 및 가스 터빈에서 공급된 연도 가스의 일부와 각각의 열교환기의 가열된 공기의 일부가 혼합된 혼합물이 공급된다. 상기 실시예에서, 가스 터빈에서 공급된 연도 가스는 각각의 퍼니스에 연도 가스의 일부가 공급되고 각각의 열교환기에 연도 가스의 일부가 공급되도록 분할된다. 열교환기의 가열된 공기는 각각의 퍼니스로 공급된다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 본 발명은 본 발명의 시스템에 의해 퍼니스 내에서 탄화수소 스트림을 분해하는 방법을 제공한다.
탄화수소 공급스트림(feedstream)은 파라핀, 올레핀, 나프텐 및/또는 방향족을 포함할 수 있다. 탄화수소 공급 원료는 가볍거나 혹은 무거울 수 있고, 즉 약 30℃ 내지 500℃ 범위의 비등점(boiling point)를 가질 수 있다. 탄화수소 공급 원료는 또한 에탄, 프로판 및/또는 부탄을 함유하는 가스일 수 있다. 탄화수소 공급 원료는 또한 탈황(hydrotreater) 또는 수소화분해(hydrocracker)로부터의 히드로왁스(hydrowax)일 수 있는데, 이들은 미전환유(unconverted oil) 또는 수소화분해 버텀즈(hydrocracker bottoms)라고 불린다. 특정 실시예에서, 공급 원료는 올레핀, 파라핀, 이소파라핀, 및/또는 나프텐이 풍부한 탄화수소 스트림일 수 있다. 공급 원료는 약 30 wt-% 이하의 방향족을 추가로 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 공급 원료는 약 0 wt-% 내지 약 30wt-%의 올레핀 및/또는 약 0wt-% 내지 약 100wt-%의 n-파라핀 및/또는 약 0wt-% 내지 약 100wt-%의 이소파라핀 및/또는 약 0wt-% 내지 약 30wt-%의 방향족을 포함할 수 있다. 탄화수소 공급 원료는 다양한 공급원, 예컨대 천연 가스 응축물(condensates), 석유 증류물, 석탄 타르 증류물(distillates), 이탄(peat) 및/또는 재생 가능한 공급원로부터 유래할 수 있다. 예를 들어, 탄화수소 공급 원료는 경질 나프타, 중질 나프타, 직류 나프타(straight run naphtha), 풀 레인지 나프타(full range naphtha), 수소처리된 나프타(hydrotreated naphtha), 지연 코커 나프타(delayed coker naphtha), 수소화분해 나프타(hydrocracker naphtha), 가스 응축물, 코커 연료 오일 및/또는 가스 오일, 예컨대 경질 코커 가스 오일 및 중질 코커 가스 오일을 포함할 수 있다. 추가 예로, 탄화수소 공급 원료는 합성 가스의 합성, 예컨대 Fischer Tropsch 합성 및/또는 탄화수소 물질의 가스화에 의해 생성된 탄화수소 생성물을 포함할 수 있다.
탄화수소 공급스트림은 (증기) 분해되어 생성물 스트림(product stream)을 생성한다. 예를 들면, 탄화수소 공급스트림은 증기 분해 퍼니스의 복사 구역에서 증기 분해될 수 있다. 상기 공급스트림은 약 600℃ 내지 약 1000℃, 약 700℃ 내지 약 900℃, 또는 약 750℃ 내지 약 850℃의 온도에서 반응기(튜브) 출구를 빠져나가는 곳에서 증기 분해될 수 있다.
생성물 스트림은 (증기) 분해 생성물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 생성물 스트림은 다양한 알켄, 예를 들어 에틸렌과 같은 경질 올레핀을 포함할 수 있다. 생성물 스트림은 다른 올레핀, 예를 들어 프로필렌 및 부텐과, 파라핀, 예를 들어 메탄, 에탄, 프로판, 및 부탄과, 디엔, 예컨대 부타디엔과, 및/또는 알켄, 예컨대 아세틸렌, 메틸아세틸렌 및 비닐 아세틸렌을 추가로 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 생성물 스트림은 다른 성분, 예를 들어 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 황화수소, 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 에틸 벤젠, 스티렌, 열분해 가솔린, 및/또는 열분해 연료 오일을 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명한다:
도 1은 도 2, 3 및 4의 예에 대응하는 퍼니스 내의 연도 가스 열 방출 플롯을 도시한다. 모든 예에 있어서, 퍼니스는 복사 구역에서 비슷한 열 요구량(154MWth)을 갖는다.
도 2는 연료가 비가열 연소 공기와 함께 공급되는 퍼니스를 포함하는 시스템의 예를 개략적으로 나타낸 도면이다. 퍼니스에 연료(104) 및 대기(105)가 공급된다. 상기 연료(104)는 순수한 메탄이다. 대기의 온도는 32℃이고 산소 함량은 21% vol이다. 연료(104)는 대기(105)와 함께 연소된다. 만일 연소 열이 즉시 방출되지 않는다면, 복사 구역 내에서 열을 낼 수 있는 위치인 101이 단열 화염 온도에 도달할 것이다. 연도 가스들은 복사 구역(102)을 1200℃의 온도로 지나치며, 추가적인 열은 대류 구역(103)에서 회수된다. 연도 가스는 120℃ 의 온도로 이 구역(106)을 떠난다. 연도 가스 중의 산소 함량은 2%mol이다.
해당 구역의 열 및 물질 수지는 표 1에 나타나 있으며, 도 1의 플롯을 작성하는데 사용된다. 도 1에서 중간 정도의 기울기(삼각형 표식)가 있는 선이 이 예에 해당된다. 복사 구역의 시작 부분의 온도는 1850℃이고 대류 구역의 열 방출은 379 MWth이다.
| 스트림 no | 101 | 102 | 104 | 105 | 106 | |
| 압력(Pressure) | bara | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 온도(Temperature) | ℃ | 1850 | 1200 | 32 | 32 | 120 |
| 질량유량(Mass Flow) | kg/h | 581 | 581 | 553 | 28 | 581 |
| 체적유량(Volume Flow) | m3/h | 3685 | 2557 | 485 | 22 | 682 |
| 질량엔탈피(Mass Enthalpy) | kJ/kg | -534 | -1488 | -324 | -4632 | -2881 |
| 성분 몰분율(Component Mole Fraction) | ||||||
| CO2 | -/- | 0.084 | 0.084 | 0.000 | 0.000 | 0.084 |
| H2O | -/- | 0.203 | 0.203 | 0.039 | 0.000 | 0.203 |
| O2 | -/- | 0.020 | 0.020 | 0.205 | 0.000 | 0.020 |
| N2 | -/- | 0.685 | 0.685 | 0.747 | 0.000 | 0.685 |
| AR | -/- | 0.008 | 0.008 | 0.009 | 0.000 | 0.008 |
| CH4 | -/- | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 1.000 | 0.000 |
| H2 | -/- | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
현실에서 101의 온도는 발생하지 않지만, 이것은 소위 단열 화염 온도를 의미한다.
도 3은 연료가 예열된 연소 공기와 함께 공급되는 퍼니스를 포함하는 시스템의 예를 개략적으로 나타낸 도면이다. 상기 예에서, 연소 공기(404)는 가스 터빈(428)의 연도 가스(414)에 의해 가열된 대기이다. 퍼니스에 공급되는 연소 공기(404)는 도 2의 연소 공기보다 고온이며, 산소 함량은 동일하다.
이 예에서, 대기(407)는 압축기(408)에서 압축 공기(409)로 압축되고 연료(411)가 연소되는 연소 챔버(410)에서 추가로 가열되어 결과적으로 터보 팽창기(turbo expander)(413)에 동력(work)을 전달하도록 팽창된 고온, 가압된 연도 가스(412)가 된다. 터보 팽창기의 작업은 동일한 축(427) 상에 기계적으로 결합된 압축기(408) 및 발전기(423)를 구동시키는데 사용된다. 상기 구성 요소들의 배치는 전형적으로 고온 터빈 배기(414) 및 전기(424)를 생성하는 가스 터빈 발전기(package)(428)로 불리는 하나의 패키지 유닛 내에 제공된다. 터보 팽창기(413)의 고온 배기(hot exhaust)(414)는 열교환기(419)에서 냉각되어 스트림(421)으로 이 장치로부터 배출된다. 방출된 열은 분해 퍼니스 내에서 예열 연소 공기(404)로 사용되는 공기(420)를 예열하는데 사용된다. 공기(404)는 연료(405)와 혼합되고 버너에서 연소되어 증기분해 퍼니스의 복사 구역(401)에 열을 제공한다. 열교환기(419)는 공기(420)에서 예열 연소 공기(404)까지 약간의 압력 강하를 야기하기 때문에, 공기 압축기(426)는 대기(425)의 압력을 충분히 상승시켜 압력 강하를 극복하도록 사용된다.
해당 구역의 열 및 물질 수지는 표 2에 나타나 있으며, 도 1의 플롯을 작성하는데 사용된다. 가장 가파른 기울기(X-표식)를 가진 선이 이 예에 해당된다.
| 스트림 No. | 401 | 402 | 404 | 405 | 406 | 407 | 409 | 411 | 412 | 414 | 420 | 421 | 422 | |
| 압력 | bara | 1 | 1 | 1 | 30 | 1 | 1 | 20 | 30 | 20 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 온도 | ℃ | 2158 | 1200 | 495 | 32 | 120 | 32 | 458 | 32 | 1180 | 558 | 32 | 120 | 495 |
| 질량유량 | kg/h | 391 | 391 | 372 | 19 | 391 | 365 | 365 | 7 | 372 | 372 | 372 | 372 | 372 |
| 체적유량 | m3/h | 2837 | 1719 | 821 | 1 | 458 | 320 | 39 | 0 | 80 | 761 | 326 | 360 | 821 |
| 질량 엔탈피 | kj/kg | -68 | -1488 | 169 | -4662 | -2881 | -324 | 128 | -4662 | 39 | -741 | -324 | -1233 | 169 |
| 성분 몰분율(Component Mole Fraction) | ||||||||||||||
| CO2 | -/- | 0.084 | 0.084 | 0.000 | 0.000 | 0.084 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.032 | 0.032 | 0.000 | 0.032 | 0.000 |
| H2O | -/- | 0.203 | 0.203 | 0.039 | 0.000 | 0.203 | 0.039 | 0.039 | 0.000 | 0.103 | 0.103 | 0.039 | 0.103 | 0.039 |
| O2 | -/- | 0.020 | 0.020 | 0.205 | 0.000 | 0.020 | 0.205 | 0.205 | 0.000 | 0.133 | 0.133 | 0.205 | 0.133 | 0.205 |
| N2 | -/- | 0.685 | 0.685 | 0.747 | 0.000 | 0.685 | 0.747 | 0.747 | 0.000 | 0.723 | 0.723 | 0.747 | 0.723 | 0.747 |
| AR | -/- | 0.008 | 0.008 | 0.009 | 0.000 | 0.008 | 0.009 | 0.009 | 0.000 | 0.009 | 0.009 | 0.009 | 0.009 | 0.009 |
| CH4 | -/- | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 1.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 1.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
| H2 | -/- | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
현실에서 401의 온도는 발생하지 않지만, 이것은 소위 단열 화염 온도를 의미한다.
퍼니스에 공급되는 연소 공기의 온도가 높기 때문에, 이러한 방법(solution)은 연료 절감 효과는 높지만, 화염 온도가 높아진다. 높은 화염 온도는 보다 많은 NOx의 생성을 가져온다. 현실에서는 발생하지 않지만, 단열 화염 온도는 비교적 지표를 계산하기가 쉽다. 이 예에서 복사 구역(401)은 2158℃이고, 기본 예에서 복사 구역(101)은 1850℃였다. 대류 구역의 열 방출은 도 2의 예보다 낮은, 305 MWth이다. 연소 공기 예열 방법이 개조 옵션(revamp option)으로 고려되는 경우, 사용 가능한 열이 훨씬 적어 혼합된 공급 원료가 반응기 튜브에 공급되기 전에 증기 온도가 너무 낮거나, 공급 원료가 너무 적게 증발하거나 또는 예열 온도가 너무 낮아질 수 있다.
도 4는 연료가 예열된 연소 공기와 함께 공급되는 퍼니스를 포함하는 시스템의 예를 개략적으로 나타낸 도면이다. 이 예에서, 연소 공기는 가스 터빈의 연도 가스이다. 퍼니스로 공급되는 연소 공기는 도 2 및 도 3의 예에서의 연소 공기보다 높은 온도를 갖지만, 산소 함량은 보다 낮다(13.3% vol). 도면에 도시하지는 않았지만, 스트림(304)의 산소 함량을 증가시키기 위해 약간의 신선한 대기를 혼합할 수 있다.
해당 구역의 열 및 물질 수지는 표 3에 나타나 있으며, 도 1의 플롯을 작성하는데 사용된다. 가장 낮은 기울기(사각형-표식)를 가진 선이 이 예에 해당된다.
| 스트림 No. | 301 | 302 | 304 | 305 | 306 | 307 | 309 | 311 | 312 | 314 | |
| 압력 | bara | 1 | 1 | 1 | 30 | 1 | 1 | 20 | 30 | 20 | 1 |
| 온도 | ℃ | 1629 | 1200 | 558 | 32 | 120 | 32 | 458 | 32 | 1180 | 558 |
| 질량유량(Mass flow) | kg/h | 888 | 888 | 861 | 28 | 888 | 845 | 845 | 16 | 861 | 861 |
| 부피유량(Volume flow) | m3/h | 5046 | 3907 | 2088 | 1 | 1042 | 741 | 90 | 1 | 186 | 1762 |
| 질량 엔탈피(Mass Enthalpy) | kj/kg | -862 | -1486 | -740 | -4662 | -2879 | -324 | 128 | -4662 | 39 | -741 |
| 성분 몰분율(Component Mole Fraction) | |||||||||||
| CO2 | -/- | 0.084 | 0.084 | 0.032 | 0.000 | 0.084 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.032 | 0.032 |
| H2O | -/- | 0.203 | 0.203 | 0.103 | 0.000 | 0.203 | 0.039 | 0.039 | 0.000 | 0.103 | 0.103 |
| O2 | -/- | 0.020 | 0.020 | 0.133 | 0.000 | 0.020 | 0.205 | 0.205 | 0.000 | 0.133 | 0.133 |
| N2 | -/- | 0.685 | 0.685 | 0.723 | 0.000 | 0.685 | 0.747 | 0.747 | 0.000 | 0.723 | 0.723 |
| AR | -/- | 0.008 | 0.008 | 0.009 | 0.000 | 0.008 | 0.009 | 0.009 | 0.000 | 0.009 | 0.009 |
| CH4 | -/- | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 1.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 1.000 | 0.000 | 0.000 |
| H2 | -/- | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
현실에서 301의 온도는 발생하지 않지만, 이것은 소위 단열 화염 온도를 의미한다.
이 시스템의 주요 단점은 버너에 연료를 거의 저장하지 않는다는 것이다. 퍼니스에 공급되는 연소 공기의 산소 함량이 낮기 때문에, 복사 구역의 단열 온도는 낮아지게 된다(1629℃). 공기 단위 당 복사 구역의 열 방출은 더 낮다. 복사 구역에서 동일한 열 방출을 달성하려면, 보다 큰 연도 가스 흐름(gas flow)이 필요하다. 결과적으로 이것은 퍼니스의 대류 구역에서 더 큰 열 방출을 초래한다(498 MWth).
대류 구역의 열 수지의 변화는 증기 분해기에서 가스 터빈 통합을 하기 위한 이러한 기술을 복잡하게 만들어 이러한 기술들에 존재하는 기존의 퍼니스를 개조하게 만든다.
도 5는 본 발명에 따른 시스템의 예를 개략적으로 나타낸 도면이다. 상기 시스템은 공기 및 연소 공기로 전력을 생산하는 가스 터빈 발전기를 포함한다. 가스 터빈 발전기는 압축기(208), 연소 챔버(210) 및 터빈(터보 팽창기)(213)을 포함한다. 압축기 및 터빈은 단일 축(227)에서 작동한다.
대기(207)는 압축기(208)에서 압축 공기(209)로 압축되고 연료(211)가 연소되는 연소 챔버(210)에서 추가로 가열되어 결과적으로 터보 팽창기(turbo expander)(213)에 동력(work)을 전달하도록 팽창된 고온, 가압된 연도 가스(212)가 된다. 터보 팽창기의 작업은 동일한 축(227) 상에 기계적으로 결합된 압축기(208) 및 발전기(223)를 구동시키는데 사용된다. 상기 구성 요소들의 배치는 전형적으로 고온 터빈 배기(214)(연도 가스(212)) 및 전기(224)를 생성하는 가스 터빈 발전기(228)로 불리는 하나의 패키지 유닛 내에 제공된다. 고온 터빈 배기(214)는 연소 생성물 및 가스 터빈(228) 내에서 발생하는 연소 반응에 따른 과잉 공기의 혼합물이다. 터보 팽창기(213)의 고온 연도 가스(214)는 스트림(215) 및 스트림(216)으로 분리된다. 이 실시예에서, 시스템은 연도 가스(214)를 제1 부분(215) 및 제2 부분(216)으로 분리하기 전에 연도 가스(214)의 일부(229)를 유출하기 위한 우회 배기통(bypass stack)을 포함한다. 스트림(216)은 고온 연도 가스(216)에서 신선한 공기(220)로 열을 전달하는 열교환기(219)로 보내지고, 온도가 상승될 때(222) 열교환기를 떠난다. 스트림(215)은 우회된 가스 터빈 배기의 분획이며 스트림(222)과 혼합되어 예열 연소 공기 혼합물과 혼합된 혼합물(204)이 된다. 열교환기(219)는 220에서 204가 될 때 압력 강하를 야기하기 때문에, 공기 압축기(226)는 대기(225)의 압력을 충분히 상승시켜 압력 강하를 극복하도록 사용된다.
특정 가스 터빈 동작점, 대기 조건, 열교환기(219) 설계 등에 대한 스트림(215) 및 스트림(216) 간의 비율이 스트림(204)의 온도 및 산소 함량의 원하는 조합으로 제어되는 경우, 분해 히터는 도 2의 가스 터빈 통합이 없는 경우와 완전히 동일하게 작동하지만, 버너에 의한 연료 소모는 더 적다.
스트림(204) 및 스트림(205)의 혼합물의 연소로부터 초래되는 고온 연도 가스는 분해 퍼니스의 반응 튜브에서 발생하는 증기 분해 반응을 위한 열을 제공한다. 그렇게 함으로써, 이들 가스는 냉각되어 소위 브릿지 벽(bridge wall) 온도가 측정될 수 있는 202 위치의 복사 구역을 지나가고, 연도 가스는 이들 가스로부터 열회수가 일어나는 대류 구역으로 흐른다. 이것은 전형적으로 탄화수소 및 증기 반응 공급물을 예열하고 보일러 공급수를 예열하고 고압의 증기를 과열하면서 수행되지만, 다른 열회수 수단도 사용 가능하다. 해당 구역의 열 및 물질 수지는 표 4에 나타냈다.
| 스트림 No. | 201 | 202 | 204 | 205 | 206 | 207 | 209 | 211 | 212 | 214 | 215 | 216 | 220 | 221 | 222 | |
| 압력 | bara | 1 | 1 | 1 | 30 | 1 | 1 | 20 | 30 | 20 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 온도 | ℃ | 1849 | 1200 | 533 | 32 | 120 | 32 | 458 | 32 | 1180 | 558 | 558 | 558 | 32 | 120 | 495 |
| 질량유량(Mass flow) | kg/h | 582 | 582 | 560 | 22 | 582 | 550 | 550 | 10 | 560 | 560 | 331 | 229 | 229 | 229 | 229 |
| 부피유량(Volume flow) | m3/h | 3688 | 2560 | 1309 | 1 | 682 | 482 | 59 | 1 | 121 | 1146 | 678 | 468 | 200 | 221 | 505 |
| 질량 엔탈피(Mass Enthalpy) | kj/kg | -534 | -1486 | -369 | -4662 | -2879 | -324 | 128 | -4662 | 39 | -741 | -741 | -741 | -324 | -1233 | 169 |
| 성분 몰분율(Component Mole Fraction) | ||||||||||||||||
| CO2 | -/- | 0.084 | 0.084 | 0.019 | 0.000 | 0.084 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.032 | 0.032 | 0.032 | 0.032 | 0.000 | 0.032 | 0.000 |
| H2O | -/- | 0.203 | 0.203 | 0.077 | 0.000 | 0.203 | 0.039 | 0.039 | 0.000 | 0.103 | 0.103 | 0.103 | 0.103 | 0.039 | 0.103 | 0.039 |
| O2 | -/- | 0.020 | 0.020 | 0.162 | 0.000 | 0.020 | 0.205 | 0.205 | 0.000 | 0.133 | 0.133 | 0.133 | 0.133 | 0.205 | 0.133 | 0.205 |
| N2 | -/- | 0.685 | 0.685 | 0.733 | 0.000 | 0.685 | 0.747 | 0.747 | 0.000 | 0.723 | 0.723 | 0.723 | 0.723 | 0.747 | 0.723 | 0.747 |
| AR | -/- | 0.008 | 0.008 | 0.009 | 0.000 | 0.008 | 0.009 | 0.009 | 0.000 | 0.009 | 0.009 | 0.009 | 0.009 | 0.009 | 0.009 | 0.009 |
| CH4 | -/- | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 1.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 1.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
| H2 | -/- | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
표 4를 참조하면, 열교환기(219) 주위의 가스 터빈 흐름(flow)이 331 / 560 = 59% 를 우회(bypass)함으로써, 그림 2의 101에서와 같이 201에서 1849 ℃의 동일한 단열 화염 온도가 달성된다(차이는 단지 1 ℃ 이다).
따라서, 본 발명에 따른 방법은 퍼니스 내로 공급되는 연소 공기의 온도 및 산소 함량을 제어할 수 있으며, 이는 퍼니스 내의 화염 온도를 제어할 수 있게 한다. 이것은 NOx의 생성을 적당한 수준으로 제한하면서 연료 소모를 최적화할 수 있게 한다.
또한 표 5는 바람직한 단열 화염 온도가 터빈 배기의 온도 및 제1 플로우 및 제 2플로우의 비율을 변화시킴으로써 얻어질 수 있음을 보여준다. 우회(Bypass) 흐름(215)을 증가시키면 단열 화염 온도가 증가한다는 것을 알 수 있다.
| 경우(Case) | 0 | 1 | 2 | 3 | |
| 터빈 배기 온도(214) | ℃ | 558 | 770 | 350 | 255 |
| 터빈 배기 성분 몰분율(214) | |||||
| CO2 | -/- | 0.032 | 0.049 | 0.049 | 0.010 |
| H2O | -/- | 0.103 | 0.134 | 0.134 | 0.059 |
| O2 | -/- | 0.133 | 0.098 | 0.098 | 0.182 |
| N2 | -/- | 0.723 | 0.711 | 0.711 | 0.740 |
| AR | -/- | 0.009 | 0.009 | 0.009 | 0.009 |
| CH4 | -/- | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
| H2 | -/- | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
| flow ratio over 215 | -/- | 0.59 | 0.59 | 0.20 | 0.69 |
| flow ratio over 216 | -/- | 0.41 | 0.41 | 0.80 | 0.31 |
| 온도 222 | ℃ | 495 | 733 | 279 | 170 |
| 온도 204 | ℃ | 533 | 756 | 294 | 229 |
| 단열 화염 온도(201) | ℃ | 1849 | 1852 | 1849 | 1851 |
실시예
퍼니스가 0.4의 스팀-오일 비율에서 45t/h의 탄화수소 공급 원료를 분해하기 위한 엄밀한 시뮬레이션들이 수행되었다. 퍼니스에는 바닥(floor) 및 벽(wall) 버너가 있으며, 바닥 버너로부터 80%의 열이 공급되고, 벽 버너로부터 20%의 열이 공급된다. 대기 온도는 32℃이고 상대 습도는 100%이다. 이 시뮬레이션들은 Pyrotec EFPS version 6 software로 수행되었다.
4가지 예들이 모델링되었다:
제0 예 - 기본 예(Base case)(도 2에 도시됨). 퍼니스는 설계 조건에서 예열된 공기가 없는 설계 구성으로 작동된다.
제1 예 - 퍼니스는 도 3에 도시된 시스템을 사용하여 바닥 버너에 대해서만 예열된 공기로 작동된다. 가스 터빈 배기 가스는 대기를 495℃로 예열하는데 사용된다.
제2 예 - 퍼니스는 도 5(본 발명에 따른)에 도시된 시스템을 사용하여 바닥 버너에 대해서만 예열된 공기로 작동된다. 이 가스는 표 4의 스트림(204)의 성분 및 533℃의 온도를 갖는다.
제3 예 - 퍼니스는 도 5(본 발명에 따른)에 도시된 시스템을 사용하여 바닥 버너 및 벽 버너에 대해서 예열된 공기로 작동된다. 이 가스는 표 4의 스트림(204)의 성분 및 533℃의 온도를 갖는다.
퍼니스는 대류 구역(위에서 아래로)에 다음과 같은 구성 요소들을 가지고 있다:
FPH - 원료 예열기(Feed preheater), 탄화수소 공급 원료를 가열하고 부분적으로 증발시킨다.
ECO - 보일러 급수를 증기 드럼(steam drum)에 공급하기 전에 예열한다.
UMP - 상부 혼합 예열(Upper Mixed Preheat), FPH의 탄화수소 공급 원료 및 희석 증기(dilution steam)의 혼합물을 가열한다.
SSH1 - 증기 드럼(steam drum)의 과열 증기.
SSH2 - SSH1에서 발생되는 증기를 더 과열시키고 원하는 조건으로 냉각시킨다.
LMP - 하부 혼합 예열(Lower Mixed Preheat), 반응기 튜브로 보내기 전에 UMP의 혼합물을 더 가열한다.
모든 예들의 대류 구역에서 열전달 결과는 도 6 내지 도 9에 대류 구역의 모든 구성 요소들 및 연도 가스의 열전달 지표로 온도가 도시된 열방출 플롯(Heat release plots)(QT-diagrams)의 형태로 제공된다.(도 6(제0 예), 도 7(제1 예), 도8(제2 예), 도9(제3 예))
도 6 내지 도 9에 도시된 열방출 플롯 / QT diagrams을 참조하면, 제0 예, 제2 예 및 제3 예의 경우 열전달이 매우 비슷한 것으로 나타났다: 총 효율(duty)은 39-40 MWth이었고, LMP의 출구 온도는 600℃ 보다 약간 높았다. 제1 예의 경우는 효율(duty)은 훨씬 적었으며(36 MWth), LMP의 출구 온도는 600℃보다 훨씬 낮았다.
대류 구역의 모든 구성 요소들에 대한 효율(duties)은 표 6에 요약되어 있다. 표 6에서, 대류 구역의 높은 위치의 구성 요소들의 경우(FPH, ECO 및 UMP) 제1 예의 작동 모드에 따라 크게 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다. 이는 특히 FPH에 적용되는데, 여기서 (6.8 - 4.3) / 6.8 * 100% = 37% 의 더 적은 열이 본 발명에 따른 제3 예 및 제4 예에 비해 공급 원료에 첨가되었다.
| FPH | ECO | UMP | SSH1 | SSH2 | LMP | Total | |
| 제0 예 | 6.8 | 2.5 | 8.3 | 5.8 | 3.2 | 13.8 | 40.4 |
| 제1 예 | 4.3 | 1.6 | 7.7 | 4.5 | 2.4 | 13.4 | 33.8 |
| 제2 예 | 6.2 | 2.3 | 8.1 | 5.5 | 3.0 | 13.6 | 38.7 |
| 제3 예 | 6.2 | 2.3 | 8.2 | 5.6 | 3.1 | 13.8 | 39.2 |
퍼니스의 복사 구역의 결과 또한 표 7에 나타내었다.
| 제0 예 | 제1 예 | 제2 예 | 제3 예 | ||
| 연소된 열(Fired Heat) (LHV) | MWth | 77.4 | 63.6 | 63.0 | 60.5 |
| 방출된 열(Released heat) (LHV+Sensible heat) |
MWth | 77.6 | 73.4 | 76.5 | 76.6 |
| 복사 구역 흡수열 (Absorbed heat Radiation section) |
MWth | 31.2 | 35.5 | 32.2 | 31.9 |
| 대류 구역 흡수열 (Absorbed Heat Convection section) |
MWth | 40.4 | 33.8 | 38.7 | 39.2 |
| 최대 복사 가스 T (Maximum radiating gas T) |
ㅊC | 1348 | 1425 | 1367 | 1358 |
| 최대 튜브 메탈 온도 (Maximum Tube Metal Temperature) |
ㅀC | 980 | 1007 | 987 | 983 |
| 연도 가스 내 산소 함량 (Oxygen content in flue gas) |
%vol dry | 2.1 | 2.1 | 1.8 | 1.7 |
제3 예는 가장 큰 연소된 열의 감소를 보였으며(따라서 가장 큰 에너지 절감 잠재력), 제2 예 및 제3 예는 제0 예와 비교하여 복사 구역에서 매우 유사한 작동을 하였다.
제1 예는 더 높은 최대 복사 가스 온도를 나타내며, 결과적으로 보다 높은 NOx를 생성하고, 작동 시작시에 반응기 코일에서 보다 높은 튜브 금속 온도(TMT)를 나타낸다. TMT가 고온에 도달하면, 퍼니스는 화력이 감소하거나 디코크(decoked)되어야 한다. 제1 예의 경우는 제2 예 및 제3 예보다 이러한 경우가 먼저 발생할 것이다. 제2 및 제3 예는 제0 예와 비교하여 비슷한 길이로 달성될 가능성이 높다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 이점은 열교환기(219)에 대한 우회(bypass) 비율을 변화시킴으로써 대류 구역에 걸친 열평형이 영향을 받을 수 있다는 것이다.
FPH에 의해 흡수된 열은 도 10에 도시되었다. 도 10을 참조하면, FPH의 관측된 효율(duty)은 제1 예 및 제2 예가 서로 다른 것을 확인할 수 있다. 하지만, 열교환기(219) 주변의 우회(bypass)를 조정함으로써, 제 3예 및 제 1예 사이의 임의의 작동점이 달성될 수 있다. 이는 여러 종류의 공급 원료들에 대해 원하는 온도 및 증발 속도를 달성할 수 있다는 점에서 유용하다.
도 11은 연료(605)가 예열된 연소 공기(604)와 함께 공급되는 증기 분해 유닛(600)을 포함하는 시스템의 예를 개략적으로 나타낸 도면이다. "증기 분해(Steam cracking)" 및 증기 분해기는 포화 탄화수소가 보다 작은 탄화수소, 특히 예를 들어 에틸렌 및 프로필렌과 같은 알켄으로 분해되는 석유 화학 공정이다. 증기 분해용 탄화수소에서 탄화수소 공급물(690), 예를 들어, 경유, 나프타, 액체 석유 가스(LPG) 또는 에탄이 증기(680)로 희석되고 산소의 존재 없이 증기 분해 유닛(600)의 퍼니스(640)에서 빠르게 가열된다. 전형적으로, 분해 반응 온도는 750℃ 내지 950℃, 보다 바람직하게는 800℃ 내지 900℃이다. 체류 시간은 1초 이하 또는 밀리초(millseconds)일 수 있다. 분해 온도에 도달한 후, 가스는 일반적으로 신속하게 급랭되어 전달 라인 열교환기에서 반응을 중단시키거나, 급랭 오일을 사용하여 급냉 헤더(header)에서 가스를 제거한다. 반응에서 생성된 생성물은 공급 원료의 조성, 탄화수소 대 증기의 비율 및 분해 온도 및 퍼니스 체류 시간에 따라 달라진다. 가벼운 탄화수소 공급물, 예컨대 에탄, LPGs 또는 경질 나프타는 에틸렌, 프로필렌 및 부타디엔을 포함하는 가벼운 고분자 등급 올레핀이 풍부한 생성물 스트림들을 생성한다. 무거운 탄화수소(풀 레인지 및 중질의 나프타 및 가스 오일 분획(gas oil fractions)) 또한 방향족 탄화수소가 풍부한 제품들을 제공한다. 이 예에서, 연소 공기(604)는 가스 터빈(628)의 연도 가스(614)에 의해 가열되는 대기이다. 퍼니스로 공급되는 연소 공기(604)는 도 2에 도시된 연소 공기보다 높은 온도를 가지며, 산소 함량은 동일하다.
일 실시예에서, 대기(607)는 압축기(608)에서 압축 공기(609)로 압축되고 연료(611)가 연소되는 연소 챔버(610)에서 추가로 가열되어 결과적으로 터보 팽창기(turbo expander)(613)에 동력(work)을 전달하도록 팽창된 고온, 가압된 연도 가스(612)가 된다. 터보 팽창기의 작업은 동일한 축(627) 상에 기계적으로 결합된 압축기(608) 및 발전기(623)를 구동시키는데 사용된다. 상기 구성 요소들의 배치는 전형적으로 고온 터빈 배기(614) 및 전기(624)를 생성하는 가스 터빈 발전기(628)로 불리는 하나의 패키지 유닛 내에 제공된다. 터보 팽창기(613)의 고온 배기(hot exhaust)(414)는 열교환기(419)에서 냉각되어 스트림(621)으로 이 장치로부터 배출된다. 방출된 열은 복사 구역(601), 대류 구역(602)을 포함하는 증기 분해 퍼니스 내에서 예열 연소 공기(604)로 사용되는 공기(620)를 예열하는데 사용된다. 예열된 연소 공기(604)는 연료(605)와 혼합되고 증기 분해기 유닛(600)의 퍼니스(640)의 복사 구역(601)의 버너(650)에서 연소된다. 퍼니스(640)는 대류 구역(604)을 포함하고, 분해될 공급 원료(690)는 증기 분해기의 퍼니스의 대류 구역(604)으로 유입되어 증기(680)와 혼합된다. 이 혼합물은 복사 구역에 들어가기 전에 고압 증기(675)를 사용하여 예열될 수 있다. 복사 부분에는 복수 개의 버너가 있어 공급 원료의 온도를 약 750-850℃로 올리면 분해가 발생하기에 충분한 온도가 보장된다.
증기 분해기의 퍼니스를 빠져나간 후, 분해된 가스는 임의로 냉각되어 추가 반응이 일어나지 않도록 해야 한다. 상기에서 언급한 바와 같이, 퍼니스(640)는 대류 구역(603)과 복사 구역(601)으로 모두 정의되고, 이러한 구역에는 튜브(698)와 같은 대류 코일 및 튜브(699)와 같은 복사 코일이 각각 존재한다.
탄화수소 공급 원료 또는 증기 및 상기 탄화수소 공급 원료의 혼합물은 대류 튜브(698)와 유체 흐름 소통 상태에 있는 도관(692)을 통해 대류 튜브(698)의 입구(697)로 운반된다. 공급 원료(690)는 퍼니스(640)의 튜브(698)를 통과하고, 그것은 공급 원료의 분해를 유도하기 위한 분해 온도로 가열된다. 분해 퍼니스(600)에서 생성된 분해 생성물 스트림은 도관(694)을 통해 하류(downstream)로 통과하여 분해 생성물 스트림을 알켄 함유-스트림 및 다른 스트림으로 분리하는 분리기(696)로 도달한다.
분해 영역 내의 통상적인 압력은 일반적으로 약 0 psig 내지 약 100 psig, 바람직하게는 1 psig 내지 약 60 psig 범위이다.
열교환기(619)는 (620)에서 (604)까지 약간의 압력 강하를 야기하기 때문에, 공기 압축기(626)는 대기(625)의 압력을 충분히 상승시켜 압력 강하를 극복하도록 사용된다.
Claims (12)
- 탄화수소 스트림을 분해하는 방법으로서,
(a) 압축 공기의 존재 하에 가스 터빈에서 연료를 연소시켜 연도 가스를 생성하고, 상기 연도 가스는 터빈을 구동하여 연결된 발전기에서 전기를 생산하거나, 또는 작동하여 연결된 회전 장비에 동력을 공급하는 단계,
(b) 상기 연도 가스의 제1 부분을 열교환기로 공급하는 단계,
(c) 가열된 공기를 제공하기 위해 상기 연도 가스의 제1 부분에 의해 가열되는 열교환기로 대기를 공급하는 단계,
(d) 증기 분해 유닛(steam cracking unit)의 퍼니스의 복사 구역에 연료 및 연도 가스의 제2 부분과 (c) 단계에 의해 얻어진 가열된 공기의 혼합물을 공급하는 단계로서, 상기 증기 분해 유닛(steam cracking unit)의 퍼니스는 복사 구역과 대류 구역을 포함하는, 단계, 및
(e) 탄화수소 공급 원료 스트림을 상기 증기 분해 유닛의 퍼니스의 상기 대류 구역 내에 있는 대류 코일을 통해 상기 증기 분해 유닛의 퍼니스의 대류 구역에 공급하는 단계;를 포함하는, 탄화수소 스트림을 분해하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 탄화수소 공급 원료는 상기 퍼니스의 대류 구역, 상기 퍼니스의 복사 구역, 또는 둘 모두에 의해 예열되는 것인, 탄화수소 스트림을 분해하는 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
단계 (a)에서 생성된 연도 가스는 5% 내지 18 % 체적의 산소를 함유하는 것인, 탄화수소 스트림을 분해하는 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
단계 (a)에서 생성된 연도 가스는 300℃ 내지 800℃의 온도를 갖는 것인, 탄화수소 스트림을 분해하는 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 혼합물은 300℃ 내지 800℃의 온도를 갖는 것인, 탄화수소 스트림을 분해하는 방법.
- 탄화수소 스트림을 증기 분해하여 알켄을 생성하는 시스템으로서,
(a) 압축 공기(209)의 존재 하에 연료를 연소시켜 연도 가스를 생성하기 위한 가스 터빈으로서, 상기 연도 가스는 터빈을 구동하여 연결된 발전기에서 전기를 생산하거나, 또는 작동하여 연결된 회전 장비에 동력을 공급하고,
(b) 연도 가스의 제1 부분과 대기를 공급받기 위한 열 교환기로서, 상기 대기는 가열된 공기를 제공하기 위해 연도 가스의 제1 부분에 의해 가열되고,
(c) 상기 탄화수소 스트림을 분해하기 위한 퍼니스를 포함하는 증기 분해 유닛으로서, 상기 퍼니스는 복사 구역 및 대류 구역을 포함하고, 연료 및 상기 연도 가스의 제2 부분과 가열된 공기의 혼합물은 상기 복사 구역으로 공급되고, 상기 탄화수소 스트림은 상기 대류 구역으로 도입되는 것인, 탄화수소 스트림을 증기 분해하여 알켄을 생성하는 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 열교환기로 공급되는 공기는 열교환기로 공급되기 전에 압력이 상승되는 것을 특징으로 하는, 탄화수소 스트림을 증기 분해하여 알켄을 생성하는 시스템.
- 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 시스템은 연도 가스 또는 연도 가스의 제2 부분의 산소 함량을 증가시키기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄화수소 스트림을 증기 분해하여 알켄을 생성하는 시스템.
- 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 열교환기는 공급 원료 예열, 보일러 급수 예열 및 증기 과열 중 적어도 하나의 기능을 더 수행하는 것을 특징으로 하는, 탄화수소 스트림을 증기 분해하여 알켄을 생성하는 시스템.
- 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 시스템은 연도 가스를 제1 부분 및 제2 부분으로 분리하기 전에 가스 터빈으로부터 연도 가스의 일부를 끌어들이기(drawing) 위한 우회 배기통(bypass stack)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄화수소 스트림을 증기 분해하여 알켄을 생성하는 시스템.
- 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 시스템은 복수의 퍼니스(furnaces)를 포함하고, 상기 각각의 퍼니스에는 연료 및 가스 터빈에서 공급된 연도 가스의 일부와 열교환기에서 공급된 가열 공기의 일부가 혼합되어 공급되는 것을 특징으로 하는, 탄화수소 스트림을 증기 분해하여 알켄을 생성하는 시스템.
- 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 시스템은 복수의 퍼니스(furnaces) 및 이에 대응하는 개수의 열교환기를 포함하고, 상기 각각의 퍼니스에는 연료 및 가스 터빈에서 공급된 연도 가스의 일부와 각각의 열교환기에서 공급된 가열 공기의 일부가 혼합되어 공급되는 것을 특징으로 하는, 탄화수소 스트림을 증기 분해하여 알켄을 생성하는 시스템.
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|---|---|---|---|---|
| WO2020040961A1 (en) * | 2018-08-22 | 2020-02-27 | Exxonmobil Research And Engineering Company | Reducing carbon dioxide emissions in steam cracking operations |
| US10836634B1 (en) * | 2019-03-21 | 2020-11-17 | Emerging Fuels Technology, Inc. | Integrated GTL process |
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050268594A1 (en) | 2004-05-19 | 2005-12-08 | Hitachi, Ltd. | Fast start-up combined cycle power plant |
| US20060080970A1 (en) * | 2003-09-05 | 2006-04-20 | Ahmed M M | Fluid heating and gas turbine integration method |
| US20130060070A1 (en) * | 2011-09-01 | 2013-03-07 | University Of Massachusetts | Method for producing fluid hydrocarbons |
| WO2015128035A1 (en) * | 2014-02-25 | 2015-09-03 | Saudi Basic Industries Corporation | A process for increasing process furnaces energy efficiency |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5943514B2 (ja) * | 1981-12-18 | 1984-10-22 | 出光石油化学株式会社 | 炭化水素の熱分解装置 |
| DE3314132A1 (de) * | 1983-04-19 | 1984-10-25 | Linde Ag, 6200 Wiesbaden | Verfahren zum betreiben einer anlage fuer die spaltung von kohlenwasserstoffen |
| US4617109A (en) * | 1985-12-23 | 1986-10-14 | The M. W. Kellogg Company | Combustion air preheating |
| KR910008564A (ko) * | 1989-10-19 | 1991-05-31 | 이헌조 | 텍스트(Text) 및 비텍스분서의 실시간 처리 시스템 |
| US20130004383A1 (en) * | 2011-06-30 | 2013-01-03 | Fluor Technologies Corporation | Stand-alone flue gas recirculation fan |
| CA2864822C (en) * | 2012-02-14 | 2018-06-05 | Reliance Industries Ltd. | A process for catalytic conversion of low value hydrocarbon streams to light olefins |
| EP2834325B1 (en) | 2012-03-20 | 2020-12-23 | Saudi Arabian Oil Company | Integrated hydroprocessing, steam pyrolysis and slurry hydroprocessing of crude oil to produce petrochemicals |
| MY171520A (en) * | 2012-08-09 | 2019-10-16 | Linde Ag | Process for converting hydrocarbon feeds by thermal steamcracking |
| RU2640592C2 (ru) * | 2012-10-29 | 2018-01-10 | Чайна Петролеум Энд Кемикал Корпорейшн | Способ парового крекинга |
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060080970A1 (en) * | 2003-09-05 | 2006-04-20 | Ahmed M M | Fluid heating and gas turbine integration method |
| US20050268594A1 (en) | 2004-05-19 | 2005-12-08 | Hitachi, Ltd. | Fast start-up combined cycle power plant |
| US20130060070A1 (en) * | 2011-09-01 | 2013-03-07 | University Of Massachusetts | Method for producing fluid hydrocarbons |
| WO2015128035A1 (en) * | 2014-02-25 | 2015-09-03 | Saudi Basic Industries Corporation | A process for increasing process furnaces energy efficiency |
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