KR102553215B1 - 탄화수소 처리 설비의 열 통합 - Google Patents
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Abstract
탄화수소 처리 및/또는 생산 설비에서, 상기 설비 내에서의 열 에너지 분배의 재배열을 통해, 에너지 효율을 향상시키고 온실 가스 배출을 감소시키기 위한 프로세스가 제공되며, 상기 설비는 희석 매체의 존재 하에, 탄화수소 함유 공급물을 크래킹(cracking)하기 위한 적어도 하나의 장치를 갖는 크래커 유닛을 포함하고, 상기 장치를 나가는 크래킹된 가스 배출물은 고압 증기를 생성하면서 이송 라인 교환기(TLE, transfer line exchanger)에서 즉각적으로 냉각되고, 상기 프로세스에서: 상기 탄화수소 함유 공급물 및/또는 상기 희석 매체를 가열 및/또는 기화하는 것, 보일러 급수를 가열 및/또는 기화하는 것, 및 상기 TLE 유닛(301)에서 생성된 고압 증기를 과열하는 것 중 임의의 하나가 상기 TLE 유닛 하류에 배열된 열 회수 유닛(HRU, heat recovery unit)에서 수행되며, 프로세스는 전력을 상기 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비로 공급하는 것을 포함한다.
Description
본 발명은 탄화수소 처리에서의 열 통합을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 탄화수소 생산 설비 내에서 열 분배 경로를 재배열 및/또는 재생 가능한 에너지의 이용을 통해 탄화수소 생산 설비에서 에너지 효율을 최적화하고 온실 가스 배출을 줄이기 위한 도구 및 프로세스에 관한 것이다.
열 통합은 많은 에너지 관련된 응용에서 에너지 효율을 향상시키고 작동 비용을 줄이는데 중요하다. 에너지 효율은 에너지 소비 또는 관련된 배출의 투입과 에너지-매개 서비스의 산출 사이의 비율로 정의될 수 있다. 에너지 집약적 석유 정제에서 에너지 효율을 향상시키면 화석 연료와 같은 재생 불가능한 자원의 사용 및 관련 환경 영향을 줄일 수 있다.
에틸렌, 프로필렌 부텐, 및 부타디엔과 같은 저분자 올레핀은, 석유화학 산업의 주요 빌딩 블록이며, 플라스틱, 폴리머, 엘라스토머, 고무, 발포체, 용매, 화학 중간체뿐 아니라 및 탄소 섬유 및 코팅을 포함한 섬유의 상업 생산에서 기본 빌딩 블록 역할을 한다. 낮은 올레핀의 생산은 주로 증기를 갖는 다양한 탄화수소 공급 원료의 열 크래킹(cracking)을 기반으로 한다. 프로세스는 일반적으로 증기 크래킹이라고 지칭된다. 일반적인 공급 원료에는 나프타(naphta) 및 경유(gasoil)와 같은, 중간 중량 탄화수소, 및 프로판 및 부탄을 포함한 액화 석유 가스(LPG) 및, 프로판 및 부탄을 포함한 천연 가스 액체(NGL)와 같은 가벼운 공급 원료가 포함된다.
크래킹 퍼니스(cracking furnace)는 에틸렌 플랜트에서 대부분의 에너지를 소비하고; 따라서 열 효율은 작동 경제의 주요 요소이다. 공급 원료, 연료 황 함량, 연소 제어, 및 대류 섹션 유형(Ullmann의 산업 화학 백과사전, 2012년 7월 에틸렌, pp. 465-529)에 따라 92 내지 95% 순 가열 값(NHV)의 전체 연료 효율이 얻어질 수 있다.
종래의 증기 크래킹 퍼니스는 두가지 주요 섹션으로 구성된다: 대류 섹션 및 복사 섹션. 복사 화실(firebox) 섹션을 떠나는 연료 가스에 의해 운반되는 열은 퍼니스의 대류 섹션에서 회수된다. 따라서, 상기 연료 가스는 1000 내지 1250℃ 범위 내의 온도에서 대류 섹션으로 들어가고, 일반적으로 120 내지 140℃ 범위 내의 온도에서 나온다. 연료 스택 온도가 낮을수록(출구에서), 퍼니스 효율이 더 좋다.
일반적으로, 대류 섹션은: 공급 탄화수소 예열(HC 예열); 보일러 급수(BFW) 예열; 탄화수소- 및 희석 증기 예열; 고압 증기 과열; 및 상기 혼합물이 복사 섹션에 들어가기 전 과열 탄화수소 함유 공급 혼합물(탄화수소 함유 공급물 및 희석 증기)을 과열하는 것과 같은 다수의 임의의 임무를 수행하는 일련의 튜브 뱅크로 구성된다. 대류 섹션에서의 뱅크의 수와 배열은 일반적으로, 연료 가스에서 폐열 회수를 최적화하고 복사 섹션에 적절한 공급 혼합물 온도를 제공하는 것과 같다. 뱅크는 일반적으로 크래킹 퍼니스의 상대적으로 큰 크기를 차지하는 스택으로 배열된다.
기체 상 또는 액체로 제공되는 탄화수소 함유 공급 원료는, 일반적으로 연료 가스에 대한 열 교환에 의해 또는 별도의 뱅크에서 과열된 희석 증기와의 접촉을 통해 (예열)가열되고 기화되는 대류 섹션으로 들어간다. 퍼니스는 일반적으로 (예열된) 탄화수소 함유 공급물과 과열된 희석 증기를 혼합하여 공급물을 완전히 기화시킨 후, 기체 상의 탄화수소 공급물을 함유하는 프로세스 스트림과 희석 증기가 제1 탄화수소 및 희석 증기 예열 뱅크로 들어간다. 제2 탄화수소 및 희석 증기 예열 뱅크에서 프로세스 스트림은 공급 원료의 초기 크래킹 온도 바로 아래의 온도로 가열된다.
탄화수소 함유 공급물을, 대류 섹션(약 50 내지 110℃)으로 들어가는 온도에서 복사 코일의 입력에 필요한 온도(공급 원료에 따라 500 내지 700℃ 내)로 가열하는 것은 많은 에너지를 요구한다. 가스 공급물에 대해 이 온도를 달성하는데 필요한 에너지 입력은 기체 상을 가열하는데 필요한 에너지의 양인 반면, 액체 공급물의 경우 가열 에너지 및 기화열과 동일하다.
그런 다음 스트림은, 복사 섹션, 가장 일반적으로는 복사 코일로 들어가고, 상기 복사 섹션은 제어된 조건 하에 크래킹 반응이 일어나는 열분해 반응기로 구성된다. 복사 섹션의 입구에서 스트림 매개변수는 온도, 압력, 및 유동 속도와 같은 미리 결정된 조건을 만족해야만 한다. 높은 흡열 반응이 일어나는 종래의 크래킹 조건은, 약 0.1 내지 0.5초; 약 750 내지 900℃ 내의 온도; 및 제어된 부분 압력을 포함한다. 복사 섹션 화실(복사 코일을 둘러싸고 버너를 포함하는 구조) 내의 온도는 일반적으로 1000 내지 1250℃ 사이이다.
목표 올레핀과 같은, 목표 생산물을 포함하는 크랙된 배출물은, 추가 급냉 및 하류 분류를 위해 열분해 퍼니스를 떠난다.
복사 코일을 떠나는 생산물은 바람직하지 않은 2차 반응이 발생하는 것을 방지하기 위해 급속 냉각이 필요하다. 대부분의 상업적 증기 크래커 유닛/퍼니스에서, 급냉은 보일러 급수에 대해 크랙된 배출물을 냉각하고 귀중한 고압 증기의 형태로 열을 회수하는 이송 라인 교환기(TLE)에서 수행된다. 상업 솔루션은 직렬로 연결된 하나 또는 두개의 교환기(TLE)로 구성된다. TLE는 크랙된 배출 가스를 약 550 내지 650℃로 즉각 냉각하여 반응성이 높은 생산물의 분해를 방지하도록 설계되었다. 열 회수를 향상시키도록, 배출물은 더 냉각되고; 따라서, 약 300 내지 450℃의 온도에서 TLE를 떠난다. 에탄 및 프로판 크래킹에서, 크랙된 가스는 더 낮은 온도에서 열을 회수하도록 별도의 열 교환기에서 약 200℃까지 추가로 냉각될 수 있다. 예를 들어, 나프타와 같은 액체 공급 원료의 경우, TLE의 일반적인 최소 출구 온도는 약 360℃로, 무거운 생산물이 응축되고 교환기 튜브가 오염되는 것을 방지한다. 두 TLE 교환기는 일반적으로 동일한 증기 드럼에 연결된다.
보일러 급수는 증기 드럼에 들어가기 전에 BFW 이코노마이저 뱅크(BFW economizer bank)에서 예열되며, 여기서 BFW는 TLE로 전송된다. 종래의 증기 크래커 퍼니스에서, 수직 TLE 유닛(들)은 퍼니스의 복사 섹션의 상부에 장착된다. 이러한 종류의 TLE는 고압 증기 생성 시 열의 약 29%까지를 회수할 수 있다.
TLE 유닛(들)에서 생성된 고압 증기는, 고압 과열 증기를 생산하도록 대류 섹션의 고압 증기 과열 뱅크(들)에서 더 과열되고, 고압 과열 증기는 예를 들어, 압축기- 또는 펌프 구동부(들)에서 올레핀 생산 플랜트 내의 가열 목적을 위해 응축- 및/또는 후방- 압력 증기 터빈과 같은, 증기 터빈(들)에서 사용된다. 초과 고압 증기 또한 유출될 수 있다.
증기 압력 레벨은 가열 목적을 위해 증기를 이용할 수 있도록 더욱 최적화될 수 있다. 고압 증기는 일반적으로 압축기와 펌프를 구동하는데 사용되나, 중압 및 저압 증기(대략 2MPa 이상 및 이하)는 희석 증기 생성과 따라서, 프로세스 가열에 사용될 수 있다.
그러나, 특히 증기 크래킹에 적합한 종래의 퍼니스 솔루션은 다수의 단점에 직면한다.
우선, 크래커 퍼니스에서 증기 크래킹 프로세스를 통한 올레핀 생산은, 지난 50년 동안 산업 표준이 되어온 성숙한 기술이다. 퍼니스는 상당한 투자 비용을 포함하는 매우 크고 복잡한 플랜트이다. 추가로, 상기 종래의 크래커 퍼니스의 최적화는 주로 퍼니스의 복사 섹션(반응 섹션)에서 열분해 반응을 위한 최적화 조건을 결정하는 것을 목표로 한다. 종래의 크래커의 추가 경제적 최적화는 크래커 퍼니스의 크기를 증가시킨다. 현재, 퍼니스의 크기를 감소시킴으로써 배출을 감소시키는 효율적인 수단이 존재하지 않는다.
크래커 퍼니스의 성능(수율 및 코킹(coking) 비율)을 결정하는 것은 복사 섹션이다. 열분해 반응기에서 작동 조건과 코일 설계를 최적화하는 것은 지난 수십년 동안 광범위한 조사의 주제였다.
더욱이, 종래의 크래킹 퍼니스의 최적화는, 특히, 복사 섹션 가열, 복사 섹션 입구에서의 온도, 고압 증기 과열을 위한 장비/유틸리티, 에너지 효율 및 배출 감소를 포함하는 상충되는 다수의 최적화 목표로 인해 방해 받았다.
복사 섹션(예를 들어, 연료의 연소 열로서 제공됨)으로의 열 입력은 대류 섹션에서 회수될 열의 양을 정의한다. 높은 열(에너지) 효율을 달성하기 위해, 복수의 가열 뱅크를 포함하는 다소 복잡한 크래커 퍼니스가 필요하다. 따라서, 이산화탄소 배출의 감소는 종래의 크래커 퍼니스에서 매우 저해 되거나 심지어 불가능하다. 다수의 튜브 뱅크의 제공은 크래킹 퍼니스의 비교적 큰 사이즈를 차지한다(결과적으로, 높이와 플롯 영역 및 높은 투자 측면에서).
또한, 반응 열 입력은 크래킹 조건에 의해 결정되기 때문에, 연료 가스에 의해 운반되는 열은 대류 섹션에서 회수되어야 한다. 그러나, 제한된 수의 방열판 만이 종래의 크래킹 퍼니스에서 방출된 열을 회수할 수 있다. 높은 열 효율을 달성하기 위해, 보일러 급수 예열, 희석 증기 과열, 고압 증기 과열 및/또는 연소 공기 예열을 통해 대류 섹션에서 에너지가 절약된다. 다른 방열판은 열 손실(벽 손실 및 스택 열 손실)에 의해 형성된다.
TLE 유닛(들)의 오염으로 인해, 크랙된 가스 출구 온도가 증가하는 경향이 있어, 증기 생산을 위해 크랙된 가스에서 회수되는 열이 적다. TLE(들) 후에, 상기 크랙된 가스는 일반적으로 오일 급냉 시스템과 같은, 직접 급냉으로 들어간다. 급냉 오일은 일반적으로 액체 공급 원료에서 사용되는 반면, 가벼운 공급 원료(에탄과 같은, 가스)의 경우 직접 오일 급냉은 사용되지 않는다. 열은 급냉 오일과 급냉수의 형태로 회수된다.
종래의 올레핀 생산 기술과 관련된 주요 과제 중 하나는 상당한 양의 이산화탄소(CO2) 및 질소산화물(NOX) 및 경우에 따라 일산화탄소(CO)와 같은 대기 오염과 관련된 기타 온실 가스의 생성이다. 따라서, 증기 크래커에서, 에틸렌 1톤 당 생산되는 CO2의 양은 크래킹에 사용되는 원 재료에 따라 다르며, 에탄은 에틸렌 1톤 당 1.0 내지 1.2톤 CO2를 구성하고, 나프타는 에틸렌 1톤 당 1.8 내지 2.0톤 CO2를 구성한다. 기존 크래커 퍼니스의 복잡성으로 인해, 기존 기술로 배출을 최소화하는 것은 어렵다.
대신, 상업 솔루션은 분리 섹션 및/또는 유출을 위한 고압 증기(HPS) 생성을 목표로 한다. 종래의 에틸렌 플랜트에서, 열 매체로서 고압 증기의 필요성이 제한된다. 따라서, 고압 증기는 일반적으로 증기 터빈 압축기 및 펌프 구동부에 사용된다.
고압 증기의 유출 가능성이 없는 경우에는, 응축 유형 증기 터빈을 사용하여 증기의 양의 균형을 맞춘다. 그러나, 응축 유형 터빈은 대형화, 복잡화, 고가이고, 모든 배기 증기의 흐름이 냉각수에 의해 냉각되는 응축기에서 응축되는 사실로부터 기인하는 열 방출 손실 때문에 열 효율이 낮고, 이는 응축 과정에서 많은 배기 열이 손실되는 것을 의미한다.
실제로, 가열을 위해 귀중한 과열된 HPS(HPSS) 및 HPS를 사용하는 것은 에너지 효율적이지 않다. 일반적으로, 에틸렌 크래커는 분리 섹션에서 고온 가열 공급원을 필요로 하지 않는다.
종래의 기술은 증기 생산으로 인해 특정 양의 보일러수를 사용하게 된다. 따라서, 보일러수로 사용되는 응축수를 정화하기 위해서는 상당한 양의 화학 물질이 필요하다. 종래의 기술은 열 회수 측면에서 이미 고도로 통합되어 있기 때문에 냉각수 사용을 크게 감소시킬 수 있는 수단이 없다. 냉각 타워의 경우 상당한 양의 물이 대기로 손실된다.
이와 관련하여, 온실 가스 배출 감소와 관련된 과제 해결 및 관련 설비 내의 열 통합 개선을 위해, 탄화수소 처리, 특히 탄화수소 크래킹 기술의 업데이트가 여전히 요구된다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 한계 및 단점에서 발생하는 각각의 문제점을 해결하거나 적어도 완화하는 것이다. 독립 청구항 1에 기재된 바에 따르면, 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비에서 에너지 효율을 향상시키고 온실 가스 배출을 감소시키기 위한 프로세스의 다양한 실시예에 의해 목적이 달성된다.
실시예에서, 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비에서, 상기 설비 내에서의 열 에너지 분배의 재배열을 통해, 에너지 효율을 향상시키고, 온실 가스 배출을 감소시키기 위한 프로세스가 제공되며, 상기 설비는, 희석 매체의 존재 하에, 탄화수소 함유 공급물을 크래킹(cracking)하기 위한 적어도 하나의 장치를 갖는 크래커 유닛을 포함하고, 상기 장치를 나가는 크래킹된 가스 배출물은 고압 증기를 생성하면서 이송 라인 교환기(TLE, transfer line exchanger)에서 냉각되고, 상기 프로세스에서: 상기 탄화수소 함유 공급물 및/또는 상기 희석 매체를 가열 및/또는 기화하는 것, 보일러 급수를 가열 및/또는 기화하는 것, 및 상기 TLE 유닛에서 생성된 고압 증기를 과열하는 것 중 임의의 하나가 상기 TLE 유닛 하류에 배열된 열 회수 유닛(HRU, heat recovery unit)에서 수행되고, 상기 프로세스는 전력을 상기 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비로 공급하는 것을 포함한다.
실시예에서, 프로세스는, 크래킹 장치의 구동 장치에 전력을 공급하는 것을 포함한다.
실시예에서, 프로세스는, (예를 들어, 상기 크래킹 장치를 전기적으로 가열하도록) 크래킹 장치에 전력을 공급하는 것을 포함한다. 실시예에서, 전력은 유도성 또는 저항성 이송 방법, 플라즈마 프로세스, 전기 전도성 가열 요소에 의한 가열, 또는 이들의 조합 중 임의의 하나에 의해 상기 크래킹 장치로 공급된다.
실시예에서, 프로세스는 크래커 유닛 하류의 디바이스 또는 디바이스의 그룹에 전력을 공급하는 것을 더 포함한다.
실시예에서, 전력은 가열, 펌핑, 압축, 및 분류 또는 이들의 조합 중 어느 하나에 적합한 디바이스 또는 디바이스의 그룹으로 공급된다.
실시예에서, 프로세스는 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비, 공급원 또는 공급원들과 관련하여 외부로부터 전력을 공급하는 것을 포함한다. 실시예에서, 상기 외부 공급원은 재생 가능한 에너지의 공급원 또는 상이한 재생 가능한 에너지의 공급원들의 조합이다. 실시예에서, 프로세스는: 태양광 전기 생성 시스템, 풍력 전기 생성 시스템, 및 수력 발전 시스템, 또는 이들의 조합 중 임의의 하나로부터 전력을 공급하는 것을 포함한다. 실시예에서, 전력은 원자력 플랜트로부터 공급된다. 실시예에서, 전력은 적어도 하나의 가스 터빈 및/또는 증기 터빈과 같은 동력 터빈, 적어도 하나의 가스 엔진과 같은 스파크 점화 엔진, 적어도 하나의 디젤 엔진과 같은 압축 엔진, 화석 원자재로부터 전기 에너지를 생성하도록 구성된 동력 플랜트, 및 이들의 임의의 조합으로부터 공급된다. 실시예에서, 전력은, 복합 사이클 전력 설비 및/또는 증기 및 전기를 생산하는 열병합 설비로부터 공급된다.
실시예에서, 전력은 탄화수소 처리 및/또는 설비에서 생성된다.
실시예에서, 열 회수 유닛은 열 교환기이며, 선택적으로 2차 이송 라인 교환기로서 구성된다.
실시예에서, 탄화수소 함유 공급물을 크래킹하기 위한 장치는, 증기와 같은 희석 매체에 의해 선택적으로 보조되는, 열분해 반응과 같은, 열 및/또는 열화학 탄화수소 분해 반응에 적합한 반응기이다.
실시예에서, 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비는 올레핀 플랜트이다. 실시예에서, 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비는 에틸렌 플랜트 및/또는 프로필렌 플랜트이다.
실시예에서, 상기 탄화수소 함유 공급물 및/또는 상기 희석 매체를 가열 및/또는 기화하는 것, 보일러 급수를 가열 및/또는 기화하는 것, 및 상기 TLE 유닛에서 생성된 고압 증기를 과열하는 것, 또는 이들의 조합 중 임의의 하나는 예열 퍼니스에서 적어도 부분적으로 수행된다.
실시예에서, 예열 퍼니스의 열 듀티(heat duty)는, 상기 크래커 유닛 내의 열 분배의 재배열을 통해, 상기 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비의 크래커 유닛 내에서 재분배되어, 상기 크래커 유닛에서 상기 예열 퍼니스의 공급이 생략된다.
실시예에서, 프로세스는 상기 연소 챔버에서 산소로 수소를 연소시키고, 수소 연소로부터 기인하고, 선택적으로 희석 증기와 같은 희석 매체와 혼합되는 증기 생산물을 탄화수소 공급물 함유 프로세스 유체와 혼합함으로써 수행되는 직접 가열에 의한 열 에너지 생성을 포함한다. 실시예에서, 수소 연소의 온도는 희석 증기와 같은 희석 매체를 상기 연소 챔버 내로 전송함으로써 조절된다.
실시예에서, 프로세스는 외부 또는 내부 공급원(들)로부터 공급되는 전력은 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비 내의 증기 생산을 위해 완전히 또는 부분적으로 보상하도록 배열된다.
실시예에서, 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비에서의 열 에너지 분배 및 이송이 동일하거나 상이한 레이아웃 및/또는 용량을 갖는 다수의 유닛 사이에서 구현된다.
실시예에서, 프로세스는 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비에 배열된 적어도 하나의 동력 터빈으로부터 크래킹 장치로 샤프트 동력을 전달하는 것을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 동력 터빈은 크래커 유닛에서 생성된 열 에너지를 선택적으로 이용한다. 상기 적어도 하나의 동력 터빈은 증기 터빈, 가스 터빈 및 가스 팽창기 중 임의의 하나로 구성될 수 있다. 실시예에서, 상기 동력 터빈은 구동 샤프트 커플링을 통해 크래킹 장치의 구동 엔진에 결합된다.
실시예에서, 탄화수소 함유 공급물은 원유 생산, 증류 및/또는 정제의 부분 또는 부분들이다. 실시예에서, 탄화수소 함유 공급물은 가스화된 전처리된 바이오매스 재료이다. 실시예에서, 탄화수소 함유 공급물은 식물성 오일 및/또는 동물성 지방과 같은, 전처리된 글리세라이드 함유 물질이다. 실시예에서, 탄화수소 함유 공급물은 가스화된 전처리된 플라스틱 폐기물이다. 실시예에서, 탄화수소 함유 공급물은 목재 펄프 산업의 부산물, 예를 들어 톨 오일 또는 그 파생물을 포함한다.
다른 측면에서, 독립 청구항 28에 정의된 바에 따라, 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비가 제공된다.
또 다른 측면에서, 독립 청구항 29에 정의된 바에 따르면, 탄화수소 처리 및/생산 설비에 포함되는 크래커 유닛이 제공된다.
본 발명의 유용성은 각각의 특정 실시예에 따른 다양한 이유들로부터 발생한다. 전체적으로, 본 발명은, 예를 들어, 가열 공급 탄화수소, 희석 증기 및 보일러 급수, 및 관련된 열 회수를 포함하나 이에 제한되지 않는 다수의 상호작용 유틸리티 사이에서 열 에너지의 유동을 솜씨 좋게 재분배함으로써, 올레핀 플랜트와 같은 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비 내의 열 에너지 통합 경로를 재배열할 수 있게 한다. 상기 설비 내의 열 에너지 분배의 재배열은 자원(예를 들어, 연소 연료) 및 배출 효율이며, 중압 및 저압 증기, 급냉 오일, 급냉수 등과 같은 이용 가능한 저온 공급원을 이용할 수 있게 한다.
추가적으로, 본 솔루션은 열 교환기에서의 온도 차이(들)의 향상된 최적화를 가능하게 한다.
여기서 개시된 프로세스에서, 종래에 비해 크래커 유닛에서 더 적은 고압 증기가 생산된다. 감소된 증기 생산은 가스 터빈, 가스 엔진, 또는 복합 동력 플랜트에서 고효율 외부 증기 보일러 또는 증기 및 전기의 열병합을 제공함으로써 적어도 부분적으로 보상될 수 있다. 따라서, 과열된 HPS 생산은 종래의 크래커보다 낮지만, 전력은 분리 섹션에서 응축하는 HPSS 증기 터빈을 대체할 수 있다. 이러한 배열은 올레핀 플랜트의 에너지 효율을 더욱 향상시키고 냉각수 및 보일러 급수의 필요성을 감소시킨다.
본 발명에 의해 제공되는 진보된 열 회수 및 통합으로 인해, 유해한 온실 가스 배출, 특히 이산화탄소 및 질소 산화물(CO2/NOX)의 양은 종래의 증기 크래커 유닛에 비해 적어도 3배 감소될 수 있다. 따라서, 본 발명은 재생 가능한 공급원을 포함하는 다양한 공급원으로부터 전역을 유입하는 것을 제공한다. 재생 가능한 공급원에서와 같이, 프로세스에 공급되는 모든 전력이 배출되는지 여부는 거의 완전히 제거될 수 있다.
본 발명은 또한 (재생 가능한) 전기를 유연하게 사용하는 것을 제공한다. 재생 가능한 에너지의 생산은 매일 그리고 심지어 매시간마다 다르다. 본 발명은 예를 들어, 고효율 복합 사이클 가스 터빈 또는 가스 엔진을 사용함으로써 전력 그리드의 균형을 맞출 수 있게 한다.
프로세스의 유연성을 구현하면 최적의 비용으로 다양한 요구 사항을 충족시키기 위해 올레핀 플랜트의 용량 레벨을 조정할 수 있다. 본 발명은 또한 현장 투자 비용의 감소를 가능하게 한다.
용어 “열분해(pyrolysis)” 및 “크래킹(cracking)”은 전구체 화합물에서 탄소-탄소 결합을 파괴함으로써 더 무거운 탄화수소 함유 전구체 화합물을 더 가벼운 탄화수소 함유 화합물로 열 또는 열화학적으로 분해하는 과정에 대한 동의어로 본 개시에서 주로 이용된다.
“다수의(a number of)”이라는 표현은 일(1)에서 시작되는 임의의 양의 정수, 예를 들어 1, 2, 3을 지칭한다. “복수(a plurality of)”라는 표현은 이(2)에서 시작하는 임의의 양의 정수, 예를 들어, 2, 3, 4를 지칭한다. 용어 “제1” 및 “제2”는 달리 명시되지 않는 한, 특정 순서 또는 중요성을 나타내지 않고, 단순히 요소를 다른 요소와 구별하기 위해 사용된다.
용어 “유체(fluid)” 및 “프로세스 유체(process fluid)”는 본 개시에서, 주로 희석제의 존재 또는 부재 중 하나에서, 예를 들어 프로세스 증기 기체 상과 같은, 기체 상 물질을 함유하는 탄화수소 공급물을 지칭한다.
용어 “가스화된(gasified)”이라는 용어는 물질이 어떤 가능한 수단에 의해 가스 형태로 변환되는 것을 나타내기 위해 사용된다.
본 발명의 상이한 실시예는 상세한 설명 및 첨부된 도면들을 고려함으로써 명백해질 것이다.
도 1a, 도 1b, 도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 프로세스의 실시예의 개략적인 표현이다.
도 6은 일 실시예에 따른 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비 내의 열 에너지 유동 통합 및 재분배의 개략적인 표현이다.
도 6은 일 실시예에 따른 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비 내의 열 에너지 유동 통합 및 재분배의 개략적인 표현이다.
본 발명의 상세한 실시예는 첨부되는 도면을 참조하여 여기서 개시된다. 부재에 대해 다음의 인용이 사용된다:
1: 탄화수소 공급물(HC, hydrocarbon feed);
2: 예열된 탄화수소 공급물;
3: 기화된 공급물 또는 가열된 가스 공급물(가열 뱅크(102)에서 나옴);
4: 희석 증기(DS, dilution steam);
5: (과열된)가열된 공급 혼합물(HC+DS);
6: 크래킹 반응기(202)로 들어가는 공급 혼합물/프로세스 유체(도 1 내지 도 3);
7: 크랙된 가스 배출물;
8: TLE(301)에서 나오는 냉각된 크랙된 가스 배출물;
9: 열 회수 유닛(302)에서 나오는 크랙된 가스 배출물;
10, 11, 12: 보일러 급수(BFW, boiler feed water)
13: 포화된 고압 증기(HPS, saturated high pressure steam); 증기 드럼(303)으로부터;
14: 열 회수 유닛(302)에서 생성된 과열된 HPS;
15: TLE(301)로의 물;
16: TLE(301)로부터의 물/증기 혼합물;
17: 증기 드럼(303)에서 생성된 포화 증기의 (일부);
18: 응축액;
19: 퍼니스(furnace)(101)에서 나오는 연료 가스(들);
21: 프로세스 유체
22: 연소 챔버(501)로 전송되는 DS;
23: 산소 스트림;
24: (302)로부터 퍼니스(101)로 전송되는 HPS;
25: 연소 공기;
26: 퍼니스(101)를 가열하기 위한 연료 가스;
27: 포화된 HPS;
28: 수소 스트림;
29: 선택적으로 희석 증기와 혼합되는, 수소 연소로 기인되는 증기 생산물(도 5);
30: 과열된 증기를 동력 터빈으로;
31: 동력 터빈으로부터의 증기/응축액;
100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E: 크래커 유닛;
101: 퍼니스;
102, 103, 104, 105: 가열 뱅크;
201: 장치/반응기(202)를 위한 구동 디바이스;
202: 크래킹 반응기와 같은, 탄화수소 함유 공급 원료(들)를 처리를 위한 장치;
203: 터빈 구동 디바이스를 갖는 동력 터빈;
301: 이송 라인 교환기(TLE, transfer line exchanger);
302: 열 회수 유닛(HRU, heat recovery unit);
303: 증기 드럼;
401, 402, 403, 404: (추가) 열 교환기;
500: 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비;
501: 연소 챔버.
도 1a, 도 1b, 도 2 내지 도 5는, 본 발명에 따른, 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비에서 에너지 효율을 향상시키고 온실 가스 배출을 감소시키기 위한 프로세스의 다양한 실시예의 개략도이다. 우리는 도 1a, 도 1b, 도 2 내지 도 5 및 예시 1 내지 예시 4가 예시의 목적으로서 기능하며, 본 개시에 명시적으로 제시된 레이아웃에 대한 진보적인 개념의 적용 가능성을 제한하려는 것이 아니라는 점에 주목한다.
탄화수소 처리 및/또는 생산 설비(500)(도 6 참조), 이하, “설비(facility)”는 올레핀 생산 설비(올레핀 플랜트(olefin plant))이다. 설비는 주로 에틸렌, 프로필렌, 부텐, 부타디엔 등, 또는 이들의 임의의 조합 중 임의의 하나와 같은, 저-분자 올레핀의 생산을 위해 구성된다.
설비(500)는, 에틸렌 플랜트 및/또는 프로필렌 플랜트로 구성될 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 설비(500)는 펜텐 및 방향족(벤젠, 톨루엔, 크실렌)과 같은, 고급 탄화수소(higher hydrocarbon)를 생산하기 위해 구성될 수 있다. 설비는 디올레핀의 생산을 위해 추가로 구성될 수 있다.
설비(500)는 일반적으로 분리 섹션이 뒤따르는 크래커 유닛(100)을 포함한다. “분리 섹션(separation section)”이라는 용어는 여기서 크래커 유닛 하류에 제공되고 상기 크래커 유닛 하류에서 원하는 생산물을 회수하는 것을 목표로 하는 복수의 디바이스 또는 디바이스의 그룹에 대한 집합적인 명칭으로 사용된다. 분리 섹션에 제공된 장비에는: 크랙된 가스에 포함된 열의 제거, 물과 중 탄화수소(heavy hydrocarbon)의 응축, 특정 불포화 요소의 압축, 세척, 건조, 분리 및 수소화를 포함하되, 이에 제한되지 않는 다양한 기능이 할당된다. 크래커 유닛(100)은 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비(500)의 “고온 섹션(hot section)”으로 지칭될 수 있는 반면, 이에 따라 분리 섹션은 “저온 섹션(cold section)”으로 지칭될 수 있다.
일부 구성에서, 설비(500)는 예를 들어 이(2)에서 오십(50)까지의 숫자를 포함하나 이에 제한되지 않는, 하나 초과의 크래커 유닛(100)을 포함한다. 일부 예시적인 경우에, 설비는 10, 20, 30 또는 40개의 크래커 유닛을 포함할 수 있다. 여전히, 설비(500)는, 심지어 오십(50)개를 초과하더라도, 임의의 적절한 수의 크래커 유닛(100)을 포함하도록 구성될 수 있다.
크래커 유닛(100)은, 본 발명의 상이한 실시예에 따라 구현되는, 사이에 열 분배 및 이송을 갖는 복수의 디바이스 및/또는 디바이스의 그룹을 포함한다. 크래커 유닛 내에서 및/또는 전체 설비(500) 내에서 상기 디바이스 및/또는 디바이스의 그룹 사이의 열 에너지 분배의 통합 및 재배열의 장점에 의해, 강화된 열 통합 및 향상된 에너지 효율성이 실행된다. 실시예에 따른 크래커 유닛(100) 내의 열 에너지 분배의 상기 통합 및 재배열은, 도 1a, 도 1b, 및 도 2 내지 도 5를 참조하여 아래에서 더 설명되는 크래커 유닛(100)의 예시적인 레이아웃(100A, 100A', 100B, 100C, 100D, 100E)에 의해 설명된다.
크래커 유닛(100)은, 이하 “퍼니스(furnace)”로 지칭되는 (예)열 퍼니스(101), 및 탄화수소 함유 공급 원료(들)의 크래킹과 같은 열 및/또는 열화학 처리를 위해 구성된 적어도 하나의 장치(202)를 포함한다. 따라서, 퍼니스(101) 및 장치(202)는 일반적으로, 적어도 기능성 면에서는, 배경 섹션에 설명된 종래의 증기 크래커 유닛과 같은, 종래의 크래커 유닛의 대류 섹션 및 복사 섹션에 대응한다. 일부 구성에서, 퍼니스(101)의 제공은 생략될 수 있다.
퍼니스(101)로 들어가는 탄화수소 함유 공급물은 액체 또는 가스와 같은, 본질적으로 유체 형태로 제공된다.
장치(202)는 바람직하게는 열 및/또는 열화학 탄화수소 처리 반응, 특히, 열분해 반응과 같은, 열 및/또는 열화학 탄화수소 분해 반응에 적합한 반응기로 구성되어, 집합적으로 탄화수소 함유 공급 원료(들)의 크래킹을 초래하고 선택적으로 희석 매체(희석제)에 의해 보조된다. 따라서 반응기(202)는 희석 매체가 있거나 없는 열분해 반응에 적합할 수 있다. 여전히, 희석 매체의 존재는 생산물 수율을 향상시키므로 바람직하다.
현재 설비에서 사용되는 희석 매체는 (물) 증기이다. 증기 크래킹 프로세스에서, 증기는 가스화 반응(들)에 의한 코크스 침전물의 형성을 억제하거나 감소시키기 위해 탄화수소 분압을 낮추는 희석제 역할을 한다. 일부 경우에, 희석제는, 예를 들어, 반응물 및 반응 생산물에 대해 본질적으로 0의 반응성을 갖는 수소(H2), 질소(N2) 또는 아르곤과 같은 불활성 가스 매체이다. 임의의 다른 적절한 희석제의 활용은 배제되지 않는다.
일부 구성에서, 장치(202)는 증기 크래킹 반응기이다.
(증기) 크래킹 프로세스를 포함하는, 열분해 프로세스는, 고온을 필요로 하고 높은 흡열성이므로, 반응은, 반응 구역에서의 체류 시간이 약 0.01 내지 1.0초와 같은, 초의 단위로 측정되는 고온(750 내지 1000℃, 일반적으로 820 내지 920℃)에서 수행된다. 활용된 공급물에 따라, 온도, 질량 유량, 등과 같은, 반응기 매개변수는, 일반적으로 수율 최적화의 관점에서 조정 가능하므로, 그에 따라 체류 시간이 달라질 수 있음에 유의하여야 한다. 따라서, 체류 시간과 온도는 최대 수율을 달성하기 위한 공급물 특성에 따라 달라진다.
반응기(202)의 구현은 일반적으로 미국 특허 제9,494,038호(Bushuev) 및 제9,234,140호(Seppala 외)의 회전 역학 반응기(RDR, rotodynamic reactor)라고도 지칭되는 회전 반응기 및, 가출원 제62/743,707호에 기초하는 미국 특허 제10,744,480호(Rosic & Xu)에 따른 방사형 반응기의 개시를 따르며, 그 전체 내용은 여기에 참조로 포함된다.
회전 반응기(202)는 샤프트 상에 장착된 적어도 하나의 로터 유닛을 갖는 로터 샤프트를 포함한다. 로터 유닛은 로터 블레이드 캐스케이드(rotor blade cascade)를 함께 형성하는 로터 디스크의 원주 위에 배열되는 복수의 로터 (작업) 블레이드를 포함한다. 블레이드 캐스케이드를 갖는 로터는, 유리하게는 블레이드 로터 디스크의 양측에서 본질적으로 환형 어셈블리로서 제공되는 고정(스테이터) 베인 캐스케이드의 사이에 위치된다.
추가적으로 또는 대안적으로, 반응기(202)는, 탄화수소 크래킹을 위한 유도성 또는 저항성 에너지 및/또는 열 이송 방법, 플라즈마 프로세스, 전기 전도성 가열 요소 및/또는 가열 표면에 의한 가열, 또는 이들의 조합을 포함하되, 이에 제한되지 않는 다른 기술의 효율적인 활용을 위해 적합할 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 반응기(202)는 탄화수소 함유 공급 원료(들)의 열분해, 특히, 증기 크래킹에 적합한 임의의 종래 반응기로서 구현될 수 있다. 상업용 튜블라(tubular) 솔루션이 활용될 수 있다.
반응기(202)는 구동 엔진(202)을 이용한다. 전반적으로, 반응기(202)는 전기 모터와 같은, 다양한 구동 엔진을 이용할 수 있거나, 가스 또는 증기 터빈에 의해 직접적으로 구동될 수 있다. 본 개시의 목적을 위해, 임의의 적절한 유형의 전기 모터(즉, 전기 공급원으로부터 기계적 부하로 에너지를 이송할 수 있는 디바이스)가 이용될 수 있다. 전력 변환기, 컨트롤러 등과 같은, 이러한 기기는 여기서 설명되지 않는다. 모터 구동 샤프트와 로터 샤프트(미도시) 사이에 적절한 커플링이 배열된다.
선택된 구성에서, 반응기(202)는 프로세스 유체에서 적어도 하나의 화학 반응을 수행하기 위해 구성된다. 일부 예시적인 실시예에서, 반응기는 탄화수소 함유 공급 원료(들), 특히, 유동화된 탄화수소 함유 공급 원료(들)의 열 또는 열화학 전환을 위해 구성된다. “탄화수소 함유 공급 원료(들)(hydrocarbon containing feedstock(s))”는 여기서 주로 탄소 및 수소를 포함하는 유동화된 유기 공급 원료 물질로 지칭한다.
탄화수소 함유 공급물은 일반적으로 원유 생산, 증류 및/또는 가공/정제의 부분 또는 부분들이다. 탄화수소 공급물은: 나프타(naphta) 및 경유(gasoil)와 같은, 중간 중량 탄화수소(C4-C16; 약 35℃ 내지 약 250℃의 비등 범위), 및 에탄, 프로판 및 부탄과 같은 가벼운 중량 탄화수소(C2-C5, 바람직하게는 C2-C4)로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 나프타는, 35 내지 90℃의 비등 범위를 갖는 가벼운 나프타, 90 내지 180℃의 비등 범위를 갖는 무거운 나프타, 및 35 내지 180℃의 비등 범위를 갖는 전체 범위 나프타를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 무거운 진공 경유 및 잔여물(예를 들어, 수소 크래커 잔여물)과 같은, 무거운 원유 부분(C14-C20 및 C20-C50; 따라서, 약 250℃ 내지 약 350℃, 및 약 350℃ 내지 약 600℃내의 비등 범위)이 이용될 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 반응기(202)는 산소-함유 탄화수소 파생물과 같은, 산소-함유 공급 원료 물질을 처리하도록 구성될 수 있다. 일부 구성에서, 반응기(202)는 셀룰로오스 기반 공급 원료를 처리하도록 구성될 수 있다. 일부 추가적 또는 대안적 구성에서, 반응기는 동물성 지방- 및/또는 (폐기) 식물성 오일-기반 공급 원료를 처리(폐기)하도록 구성될 수 있다. 상기 동물성 지방- 및 식물성 오일-기반 공급물의 전처리는 (트리)글리세라이드 구조를 파괴하고 대부분 선형 알칸(alkane)을 생성하는 수소화탈산소화(hydrodeoxygenation)(산소 함유 화합물로부터 산소의 제거)를 포함할 수 있다. 더 추가적인 또는 대안적인 구성에서, 반응기(202)는 톨유 또는 이들의 임의의 파생물과 같은, 목재 펄프 산업의 부산물을 처리하도록 구성될 수 있다. “톨유(tall oil)”의 정의는 목재 펄프 제조에서 주로 침엽수를 펄핑할 때 사용되는 일반적으로 알려진 크래프트 프로세스(Kraft process)의 부산물(들)을 지칭한다.
프로세스에서, 탄화수소 함유 공급물은: 나프타 및 경유와 같은, 중간 중량 탄화수소, 및 에탄, 프로판 및 부탄과 같은 가벼운 중량 탄화수소 중 임의의 하나를 포함하되, 이에 제한되지 않도록 제공된다. 프로판 및 더 무거운 부분이 더 이용될 수 있다. 전반적으로, 설비(500), 특히, 크래커 유닛(100)에 들어가는 탄화수소 함유 공급물은 가스 공급물 또는 본질적으로 액체 공급물 중 어느 하나이다.
일부 실시예에서, 탄화수소 함유 공급물은 기화된 전처리된 바이오매스 물질이다. 바이오매스-기반 공급물은, 실질적으로 가스 형태로 반응기에 공급되는 셀룰로오스-유래, 또는 특히, 리그노셀룰로오스(lignocellulose)-유래의 전처리된 바이오매스이다.
탄화수소 함유 공급물은, (폐기물 또는 잔여물) 식물성 오일 및/또는 동물성 지방과 같은, 전처리된 글리세라이드 기반 물질, 또는 전처리된 플라스틱 폐기물 또는 잔여물 중 임의의 하나로 추가로 제공될 수 있다. 상기 (트리)글리세라이드 기반 공급 원료의 전처리는, 위에서 설명한 바와 같이, 열분해 또는 탈산소화와 같은, 상이한 프로세스를 포함할 수 있다. PVC, PE, PP, PS 물질 및 이들의 혼합물을 포함하는 다양한 플라스틱 폐기물은, 새로운 플라스틱을 생성하기 위한 공급 원료로 추가로 사용되고 및/또는 연료 오일(들)(디젤 등가물)로 정제될 수 있는 열분해 오일 또는 가스의 회수의 프로세스에 이용될 수 있다.
다수의 구성에서, 반응기(202)는, 예를 들어, 피셔 트롭쉬(Fischer-Tropsch) 프로세스의 단계 중 하나로서, 대응하는 알칸으로의 식물 오일(plant oil)의 직접 촉매 수소화 또는 가스 탄화수소의 촉매 탈수소화와 같은 프로세스에서 재생 가능한 연료를 생산하도록 전처리된 가스화된 바이오매스 공급물을 정제하는데 적합할 수 있다.
바이오매스-, 글리세라이드- 및/또는 중합체 물질에 기초한 공급 원료를 이용하는 경우에, 반응기(202)는 촉매 프로세스에 추가로 적용될 수 있다. 이는 반응기 블레이드의 촉매 코팅(들) 또는 프로세스 유체(들)와 접촉하는 내부 벽에 의해 형성된 다수의 촉매 표면에 의해 달성된다. 일부 예에서, 반응기는, 선택적으로 모놀리식 허니콤 구조(monolithic honeycomb structure)로 실현되는 활성(촉매) 코팅을 갖는 세라믹 또는 금속 기판(들) 또는 지지 캐리어(들)에 의해 형성된 다수의 촉매 모듈을 포함할 수 있다.
크래커 유닛(100)은, 예를 들어, 병렬로 배열되고 공통 퍼니스(101)에 연결되는 다수의 반응기 유닛(202)을 포함할 수 있다. 일부 구성에서, 설비는 여러 퍼니스(101)에 연결된 다수의 반응기 유닛(202)을 포함할 수 있다. n개의 퍼니스에 연결된 n+x개의 반응기와 같은, 상이한 구성이 고려될 수 있으며, n은 영(0) 이상이고, x는 일(1) 이상이다. 따라서, 일부 구성에서, 설비(500) 및, 특히, 크래커 유닛(100)은, 공통 퍼니스(101)에 연결된 1, 2, 3 또는 4개의 병렬 반응기 유닛을 포함할 수 있고; 네(4)개를 반응기의 수는 제외되지 않는다. 다수의 로터리 유형 반응기(202)를 공통 퍼니스(101)에 병렬로 연결할 경우, 하나 이상의 상기 반응기(202)는 상이한 유형의 구동 엔진을 가질 수 있으며, 예를 들어, 전기 모터 구동 반응기(들)는 증기 터빈, 가스 터빈, 및/또는 가스 엔진에 의해 구동되는 것과 결합될 수 있다.
반응기(202)의 구동 엔진으로 전력을 처리하는 것은, 예를 들어, 크래커 유닛(100) 및/또는 설비(500)의 다른 곳에서 생성된 열 에너지를 선택적으로 이용하여 동력 터빈으로부터 기계적 샤프트 동력을 처리하는 것이 추가로 수반될 수 있다(도 1b 및 관련된 설명 참조). 예시의 방식으로, 담금 장치(quenching apparatus)(예를 들어, 적절한 구성을 갖는 이송 라인 교환기(301) 및/또는 열 회수 유닛(302))에서 생성된 증기는, 적절한 커플링을 통해 로터리 반응기(202)의 샤프트에 기계적으로 연결된 증기 터빈에서 추가로 사용될 수 있다. 터빈은 기계적 에너지를 반응기 샤프트로 되돌려 보낼 것이며, 이는 반응기 구동을 위해 필요한 전력 소모를 감소시킬 것이다.
설비(500)가 하나 이상의 크래커 유닛(100)을 포함하든, 상기 유닛들 각각은 다른 유닛들과 본질적으로 유사한 설계를 가질 수 있거나 독립적으로 구성될 수 있다(일명 본질적으로 동일하거나 상이한 유틸리티 레이아웃, 장비 용량, 및 유사한 것을 가짐). 따라서, 일부 구성에서, 설비(500)에서의 열 에너지 분배 및 이송은 동일하거나 상이한 레이아웃 및/또는 용량을 갖는 다수의 크래커 유닛(100) 사이에서 구현될 수 있다.
설비(500)는 여기서 제시된 레이아웃(100A 내지 100B)(도 1 내지 도 5) 및/또는 증기 크래커(들)와 같은, 종래의 크래커(들)의 임의의 조합을 포함하되 이에 제한되지 않는 다수의 상이한 크래커 유닛(100)을 포함하도록 구성될 수 있다. 실제로, 아래에 추가로 설명되는 열 통합 솔루션은 일반적으로 예를 들어, 고압 증기 생산에서 에너지 균형을 최적화할 목적으로 종래의 올레핀 플랜트에 선택적으로 배열된 종래의 크래커에 적용 가능하다.
퍼니스(101)는 연료(예를 들어, 연료 가스) 및 공기에 의해 가열될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 퍼니스는 예를 들어 가스 터빈(도 6)과 같은, 적어도 하나의 터빈으로부터 크래커 유닛(100)으로 전송되는 뜨거운 배기 가스에 의해 가열될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 배기 가스는, 위에서 설명된 방식으로, 설비에서 하나 이상의 반응기 유닛(202)에 대한 구동부로 사용되는 가스 터빈 또는 가스 엔진으로부터 유래할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 퍼니스(101)는, 예를 들어, 바이오가스 또는 목재 기반 고체 물질과 같은, 본질적으로 바이오 기반 물질로 가열될 수 있다.
설비는, 크래커 유닛(100)에, 적어도 하나의 이송 라인 교환기(TLE)(301)를 더 포함하며, 반응기(202)를 나가는 크랙된 가스 배출물(750 내지 1000℃, 일반적으로 820 내지 920℃의 범위 내의 온도에서)은 고압 증기(HPS 6 내지 12.5MPa, 280 내지 327℃)를 생성하면서 냉각된다.
TLE 출구에서 크랙된 가스 배출물의 온도는 약 450℃ 내지 약 650℃의 범위 내에서 제공된다. TLE(301)는 크랙된 생산물의 즉각적인 냉각을 수행할 수 있는 임의의 종래의 이송 라인 교환기 유닛으로 구성될 수 있다. 따라서 냉각은 최고 수율을 제공하도록 일반적으로, 몇 밀리 초 이내에 매우 짧은 시간 간격으로 발생한다.
프로세스는 크래커 유닛(100) 내에서 TLE(301) 하류에 배열된 적어도 하나의 열 회수 유닛(HRU)(302)의 이용을 더 포함한다.
여기에 설명된 프로세스에서, TLE(301) 하류에 제공된 열 회수 유닛(302)은, 다음 작업 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된다: 탄화수소 함유 공급물 및/또는 희석 매체를 가열 및/또는 기화하는 것, 보일러 급수 가열 및/또는 기화하는 것, 및 TLE 유닛에서 생성된 고압 증기 과열하는 것.
상술된 바와 같이, 종래의 (증기) 크래커에서, 열분해 반응기를 나가는 크랙된 가스 배출물은, 일부 예에서, 직렬로 연결된 TLE 유닛에서 냉각될 수 있다. 1차 TLE(TLE1)가 열화 반응(450 내지 650℃의 출구 온도)을 중지하도록 즉각적인 급냉을 위해 구성되는 반면, 2차 TLE(TLE2)는 크랙된 생산물이 응축을 피하도록 프로세스 유체를 약 360℃까지 추가로 냉각한다. TLE1 및 TLE2는 일반적으로 동일한 증기 드럼에 연결된다.
열 회수 유닛(302)을 나가는 크랙된 가스(9)의 온도는 종래의 크래커에 따라 정의되며, 즉, 온도는 무거운 부분의 응축과 열 교환기의 오염을 방지할 수 있을 만큼 충분히 높아야 한다. 따라서, 나프타-유형 공급 원료에 대해, 온도는 약 360℃여야 하나, 더 가벼운 공급 원료의 경우 일반적으로 더 낮은 온도(예를 들어, 300 내지 450℃)가 적용될 수 있다. 에탄- 및 프로판 크래킹에서, 크랙된 가스는 심지어 약 200℃까지 냉각될 수 있다.
여기서 설명된 프로세스에서, 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비의 크래커 유닛(100) 내의 열 통합은 이송 라인 교환기(들)에서 더 적은 열 에너지(열)가 회수되도록 수정된다.
종래의 솔루션과 대조적으로, 개시된 프로세스에서, TLE(301) 하류에 배치된 적어도 하나의 열 회수 유닛(302)에는 고압 증기의 생산 외의 다수의 기능이 할당된다. 열 통합은, 이송 라인 교환기(들)에서 일반적으로 회수 가능한 열량이 종래의 설비에서 얻어진 열량에 비해 더 낮은 방식으로 수정된다. 열 회수 유닛(302)에서 회수된 열은, HPS(TLE(301)에서 생산됨)의 과열 및/또는 탄화수소 함유 공급물, 희석 증기 혼합물 또는 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비 내의 임의의 다른 스트림(stream)을 가열하는 것과 같은, 일반적인 가열 및 예열 목적을 위해 사용된다.
과열 온도를 달성하도록, 고압 증기(6 내지 12, 5MPa)는 일반적으로 다음과 같이 (과열)가열된다: HPS 6MPa, 450 내지 470℃; HPS 10MPa, 510 내지 540℃, 일반적으로, 530℃; 및 HPS 12MPa, 530 내지 550℃.
일부 구성에서, 열 회수 유닛(302)은, 일반적으로 종래의 2차 TLE가 증기 생성 또는 가열에 사용되는 경우보다, 낮은 압력에서 작동한다. HRU(302)의 과열을 위한 증기가 TLE(301)에서 생산되는 일부 다른 구성에서, 열 회수 유닛(302)은 종래의 2차 TLE 유닛과 거의 동일한 압력에서 작동한다.
열 회수 유닛(302)은 열 교환기와 같은, 열 이송 유닛으로 구현될 수 있다. 열 교환기로 구성된 열 회수 유닛의 설계는, TLE(301)에서 생산된 예열/가열/기화 작업(공급물 스트림(stream), 희석 스트림 및/또는 BFW 스트림과 같은 다른 스트림) 또는 과열 고압 증기라고도 하는, 상기 열 회수 유닛에 할당된 특정 기능에 따른다.
일부 실시예는 이송 라인 교환기(301)(본 맥락에서 1차 TLE(TLE1)로서 작용함) 하류에 배열된 이송 라인 교환기(TLE2)로서 구성되는 열 회수 유닛(302)의 제공을 포함하며, 상기 1차 TLE(301) 생산된 고압 증기는 상기 2차 TLE(302)에서 과열된다(도 1a의 설명 또한 참조). 이러한 배열로 인해, 크래커 유닛(100)으로부터 분리 섹션으로 이송되는 고압 증기의 양이 감소되고; 크래커 유닛(100)/설비(500) 내의 증기 생산은, 외부 또는 내부 공급원(들)으로부터 공급된 전력으로 부분적으로 또는 완전히(즉, 보충 또는 대체) 보상된다. 유사한 방식으로, 따라서, 증기 소비는 감소될 수 있다. 전력은 단위 시간 당 에너지 이송 속도로 정의된다(와트(Watt)로 측정됨).
전체 열분해 프로세스의 열 듀티(heat duty)는, 퍼니스 대류 섹션에 들어가는 온도로부터, 화학 반응을 위해 필요한 열 듀티를 포함하여, 열분해 반응기를 떠나는 온도까지 공급 원료 및 희석 증기를 가열하는데 요구되는 에너지이다. 종래의 퍼니스의 대류 섹션에 일반적으로 할당되는 열 듀티는, 공급 원료와 희석 증기를 열분해 반응기에 들어가는 온도로 가열하고, 보일러 급수를 TLE 유닛(들)에서 고압 증기를 생산하기 위해 사용되기 전에 가열하고, TLE들에서 생산된 포화된 고압 증기를 과열시키는 것이다.
여기서 개시된 프로세스에서, 열 회수 유닛(302)은 일반적으로 고압 증기의 생산을 위해 사용되지 않는다(하드웨어 설계 및 기능 면에서, 유닛(302)은 HPS를 완전히 생성할 수 있음에도). 따라서, 예열 퍼니스(101)에서 가열을 위해, 그리고 따라서 하류 장비에서 동력을 생성하기 위해(예를 들어, 가스 압축기 터빈 크래킹) 더 적은 증기가 이용 가능하다.
여전히, 프로세스에서 생성된 고압 증기는, 예를 들어(도 1a, 도 1b, 도 2 내지 도 5), 탄화수소 공급물 및 희석 증기를, 상기 공급물 혼합물이 퍼니스(101)에 들어가기 전에, 과열시키도록 열 교환기(401)에서 사용될 수 있다. 이러한 배열은 포화된 과열 증기의 효율적인 사용을 가능하게 하고 이출(임의의 유형의 석유화학 설비/정유 공장과 같은, 다른 소비자에게)을 위한 HPS 과열의 필요성을 더욱 감소시킨다.
프로세스에서, 과열된 고압 증기(HPSS)의 생산이 종래의 크래커 솔루션보다 낮은 반면, 감소된 증기 생산은 전력을 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비(500)로 전달함으로써 적어도 부분적으로 보상될 수 있다. 감소된 증기 생산은, 고효율 외부 증기 보일러와 같은 지원 설비 또는 설비들에 의해 또는 가스 터빈, 가스 엔진 또는 복합 열 및 동력 플랜트에 의한 가열 요구를 채우기 위해 추가로 보상될 수 있다.
명백히, 현재 기술은 크래킹 퍼니스 및/또는 TLE(들)로의 열 통합을 위한 가능성이 제한적이다. 재생 가능한 전기를 기존 솔루션에 통합하는 것은 전기 생성 및/또는 구동 엔진을 위한 증기 터빈에 사용하기 위해 과열된 HPS를 생산하기 때문에 어렵다. 증기의 균형을 갖기 위해, 응축 터빈이 일반적으로 사용된다. 이러한 응축 터빈은 매우 낮은 효율을 갖고, 냉각수를 많이 소비한다. 예를 들어, 복합 사이클 가스 동력 플랜트와 같은 재생 가능한 에너지 생산 설비 및/또는 고효율 전기 생산 설비를 포함하되 이에 제한되지 않는 지속 가능한 에너지 생산 모듈과의 통합은 자체 고압 증기 생산으로 인해 방해된다.
대조적으로, 여기에 개시된 프로세스는, 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비(500)에 전력을 공급하는 것을 포함한다. 일부 구성에서, 전력은 일반적으로 크래커 유닛(100)에 위치되는 디바이스 또는 디바이스 그룹에 공급된다.
프로세스에서, 크래킹 장치(202)의 구동 엔진에 전력이 공급될 수 있다. 일부 구성에서, 전기 모터 구동 장치(202)는 예를 들어 미국 특허 공개 제9,234,140호(Seppala 외)의 개시에 따른 로터리 반응기로서 구현될 수 있다.
전력은 크래킹 장치(202)에 공급될 수 있다. 이는 장치(202)의 로터리 샤프트를 추진하는데 사용되는 전기 모터에 전류를 공급함으로써 또는 예를 들어, 직접 가열을 통한 것과 같은, 대안적인 방법에 의해 수행될 수 있다. 직접 가열을 구현하기 위한 반응기(202)로 전력이 공급되는 프로세스를 위한 예시적인 구성은, 유도성 또는 저항성 에너지 이송 방법, 플라즈마 프로세스, 전기 전도성 가열 요소 및/또는 가열 표면에 의한 가열, 또는 크래킹의 목적을 위한 이들의 조합 중 임의의 하나를 포함하되 이에 제한되지 않는다.
추가적으로 또는 대안적으로, 전력은 일반적으로 상기 크래커 유닛의 하류에 위치되는 디바이스 또는 디바이스 그룹, 일명, 분리/분류 섹션으로 공급된다. 따라서, 전력은 가열-, 압축- 펌핑 및 분류, 또는 이들의 조합에 적합한 디바이스 또는 디바이스 그룹으로 공급될 수 있다.
프로세스에서, 전력은 일반적으로 크래커 유닛(100)((예열) 퍼니스(101), 반응기 유닛(들), 및 연관된 하류 기기(301, 302) 및 선택적으로 연관된 유틸리티(401 내지 404)를 포함함)에 제공된 장비로 및/또는 상기 크래커 유닛의 하류에 제공된 장비로, 즉, 분리 섹션으로(도 6 참조), 공급될 수 있다.
프로세스로의 전력의 공급은 외부 공급원 또는 공급원들(탄화수소 처리 및/또는 생산 설비(500)와 관련하여)에서 구현될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전력은 상기 설비(500) 내에서, 내부적으로 생산될 수 있다.
외부 공급원 또는 공급원들은 지속 가능한 에너지 생산을 위해 제공되는 다양한 지원 설비를 포함한다. 따라서, 전력은 적어도 하나의 재생 가능한 에너지 공급원을 이용하는 전기 생성 시스템 또는 상이한 재생 가능한 에너지 공급원을 이용하는 전기 생성 시스템의 조합으로부터 공급될 수 있다. 재생 가능한 에너지 외부 공급원은 태양열, 풍력-, 및/또는 수력 발전으로 제공될 수 있다. 따라서, 전력은 다음 유닛 중 적어도 하나로부터 프로세스로 수신될 수 있다: 태양광 전기 생성 시스템, 풍력 전기 생성 시스템, 및 수력 발전 시스템. 일부 예시적인 경우, 원자력 플랜트가 전력의 외부 공급원으로서 제공될 수 있다. 원자력 플랜트는 일반적으로 배출 없는 것으로 간주된다. “원자력 플랜트(nuclear power plant)”라는 용어는 전통적인 원자력, 및 추가적으로 또는 대안적으로, 융합 전력을 사용하는 것으로 해석되어야 한다.
전기는 전기 생성기를 구동하기 위한 운동 에너지 공급원으로서 터빈을 이용하는 동력 플랜트로부터 공급될 수 있다. 일부 경우에서, 전력은 예를 들어, 별도의 시설로 또는 열병합 설비 및/또는 복합 사이클 전력 설비 내에 제공된 적어도 하나의 가스 터빈(GT)으로부터 설비(500)로 공급될 수 있다. 따라서, 전력은 다음 유닛 중 적어도 하나로부터 공급될 수 있다: 복합 사이클 가스 터빈 플랜트(CCGT)와 같은, 복합 사이클 전력 설비 및/또는 예를 들어, 복합 열과 동력(CHP)을 통한 열 회수 및 이용과 복합된 전기 생산을 위해 구성된 열병합 설비. 일부 예시에서, CHP 플랜트는 설명된 프로세스에서 재생 가능한 에너지의 몫을 증가시키도록 바이오매스 연소 플랜트일 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전력의 공급은 예를 들어, 가스 엔진과 같은 스파크 점화 엔진 및/또는 예를 들어, 엔진 동력 플랜트의 일부로서 선택적으로 제공되는 디젤 엔진과 같은, 압축 엔진으로부터 실현될 수 있다. 더욱이, 일반적으로 증기 터빈의 사용에 의해 매개되는 석탄, 석유, 천연 가스, 가솔린 등과 같은 화석 원료로부터 전기 에너지를 생산하도록 구성된 임의의 종래의 동력 플랜트는 설비(500)와 통합될 수 있다.
외부 및 내부 공급원으로 실현된 위에서 언급된 전력 공급원의 조합이 고안될 수 있다.
프로세스는 수소를 재생 가능한 에너지의 공급원으로서, 예를 들어, 연료 전지를 사용하여 전기로 재변환되거나, 예열 퍼니스(101)에서 연소될 수 있도록 추가로 이용할 수 있다.
프로세스에서, 여기 위에서 기술된 외부 또는 내부 공급원(들)으로부터 공급되는 전력은, 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비(500) 내의 증기 생산에서 생성되는 열 에너지를 부분적으로 또는 전체적으로 보상한다. 따라서, 전력의 사용은 분리 섹션에서 응축- 및/또는 후방 압력 증기 터빈에서 생산된 열 에너지를 적어도 부분적으로 대체할 수 있다.
여기서 다시, 종래의 크래커 유닛에서, 메인 압축기의 일부는 응축 터빈(들) 또는 후방 압력 터빈 및 다수의 펌프(예를 들어, QO, QW, BFW/CW 펌프의 일부)에 의해 구동된다. 그 가열 듀티를 이행하기 위해, 프로세스는 일반적으로 중압 증기(MP 증기; 1.6MPa)가 필요한 희석 증기 생성을 제외하고는 저압 증기(LP 증기; 0.45MPa)를 이용한다. 예를 들어, 후방- 압력 증기 터빈 구동부가 장착된 상기 종래의 크래커 유닛에서, 증기 추출은, 중압 및 저압 증기 레벨이 균형을 이루도록 조정된다(유입 및 유출 에너지 사이의 차이는 본질적으로 0임). 초과 증기는 고압 증기 레벨(6.0 내지 12.5MPa)에서 유출되는 것이 바람직하다.
고압 증기의 유출 가능성이 없을 경우, 응축 유형 증기 터빈을 사용함으로써 증기의 양이 균형을 맞춘다. 그러나, 여기 위에서 이미 언급된 바와 같이, 크고, 복잡하며, 비싼 응축 유형 증기 터빈은, 응축 시 대부분의 열 에너지가 손실되기 때문에, 낮은 효율을 갖는다.
크래커 유닛(100)은 종래의 크래커에서 생성되는 양보다 적은 양의 고압 증기를 생성하도록 구성된다. 따라서, 설비(500), 특히 그 분리 섹션에서, 응축 터빈은 예를 들어 후방- 압력 증기 터빈과 같은, 보다 효율적인 터빈 솔루션으로 적어도 부분적으로 대체될 수 있다. 후방- 압력 증기 터빈은 필요한 증기 압력 레벨에서 에너지(열) 추출을 통해 증기 요구량 균형을 맞춤으로써 에너지 효율을 증가시킨다. 일부 경우에서, 분리 섹션에서 응축 터빈(들)의 제공은 완전히 생략될 수 있다. 모든 경우에, 분리 섹션 내의 증기 터빈은, 예를 들어, 전기 모터에 의해 적어도 부분적으로 대체될 수 있다. 임의의 다른 에너지- 효율적인 솔루션은 설비(500)의 종래의 응축 유형 터빈을 적어도 부분적으로 대체하도록 이용될 수 있다.
전체적으로, 종래의 응축 증기 터빈의 열 효율은 40% 미만이다. 비교를 위해, 고효율 가스 터빈의 열 효율은 최대 40%, 복합 사이클 가스 터빈의 열 효율은 최대 60%인 반면, 열병합 플랜트(증기 및 전기)의 열 효율은 80%를 초과한다.
대안(외부) 공급원으로부터 저배출 전력을 유입하는 것은, 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비의 에너지 효율을 더 향상시킨다.
본 발명은 상이한 공급원들로부터 전력을 수신하는 측면에서 유연하다. 전력 균형은 예를 들어 복합 사이클 가스 터빈 설비(CCGT)로부터 얻어진 재생 가능한 전기의 양(재생 가능한 공급원 또는 공급원들로부터 공급되는 전력의 양)과 전력의 양을 조정함으로써 케이스-바이-케이스로 조정될 수 있다. 설비를 다수의 전기 생성 시스템과 연결하는 전기 그리드(전기 공급 네트워크)가 설비(500) 위에 생성될 수 있다.
상기 전기 그리드는 증기 생산- 및 공급 네트워크 및 열 생산- 및 공급 네트워크와 같은, 다른 동력 그리드에 유연하게 통합될 수 있다. 전기-, 열-, 및/또는 증기 생산 네트워크 중 임의의 하나를 설비(500)에 기능적으로 통합하는 것을 통해, 에너지 효율과 관련된 상당한 개선이 달성될 수 있다.
여기서 설명된 방식으로 열 통합을 재배열하는 것은, 예를 들어, 크기가 현저히 감소된 예열 퍼니스를 갖거나, 대안적으로, 상기 예열 퍼니스가 없는, 에틸렌 플랜트와 같은, 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비를 건설할 수 있게 한다. 종래의 솔루션에 투영된다면, 이는 증기 크래커 유닛이 전통적인 실현에서 크래커 퍼니스가 없는 상태에서 실현될 수 있음을 의미한다.
도 6은 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비(500) 내의 열 에너지 유동 통합 및 재분배의 개략적인 표현이다. 전기 생산이 없는 배터리 한계는 동그라미 쳐진 대문자 A에 의해 표시되고; 반면, 전기 생산이 있는 배터리 한계는 동그라미 쳐진 대문자 B(A가 포함됨)로 표시된다. B의 경우, 설비(500)는 예시적인 복합 사이클 가스 터빈 설비(CCGT)와 기능적으로 통합되며, 이는 복합 열 및 동력 설비(CHP)의 특정 변형으로 볼 수 있다. CCGT 유닛은 외부 전력 생산 설비(500에 관해)이다. 복합 사이클 가스 터빈은 최대 60%의 열 효율로 작동하고; 따라서, 상기 CCGT에 의해 생산된 낮은 배출 전력을 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비(500)로 유입하는 것은, 상기 설비의 에너지 효율을 더욱 향상시킨다. CCGT 유닛을 나가는 고온 연료 가스는 예열 퍼니스(101) 및/또는 크래킹 장치(202)의 유체를 (예열)가열하기 위해 크래커 유닛(100)으로 전송될 수 있다.
추가적으로- 또는 CCGT에 의해 생성된 열 에너지의 대안으로서, 낮은 배출 전력은 “재생 가능한(Renewable)” 박스를 갖는 도 6에 표시된 재생 가능한 공급원으로부터, 및/또는 “열병합(Cogeneration)” 박스로서 표시된 열병합 설비로부터 설비(500)로 공급될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 솔루션은 전체 에너지 효율이 향상된 임의의 종류의 처리 및/또는 생산 설비(예를 들어, 올레핀 생산 플랜트 이외의 것)(미도시)에 증기- 및/또는 연료 가스 생산-, 전달-, 및/또는 소비자 시스템(들)의 추가적인 통합을 가능하게 한다.
발전된 열 회수 및 통합은 온실 가스 배출, 특히 이산화탄소 및 질소 산화물 가스(CO2/NOX)를 종래의 증기 크래커 유닛과 비교하여 적어도 3배 이상 감소시킬 수 있다. 종래의 나프타 증기 크래커 플랜트 및 설비(500)(도 6 참조)에서의 나프타 증기 크래킹에 대한 비교 에너지- 및 재료 균형 시뮬레이션(예시 1 내지 4 참조)이 수행되었다. 이러한 예들은 여기서 기술된 프로세스의 유연성을 설명하고, CO2 배출, 냉각수 및 보일러 (급)수 소비의 감소뿐만 아니라 순 에너지 소비의 현저한 감소를 입증한다.
도 1a, 도 1b, 도 2 및 도 3에 도시된 구성들에 따라, 열 분배 유틸리티를 (재)배열함으로써, 퍼니스(101) 크기의 현저한 감소가 종래의 솔루션과 비교하여 달성될 수 있다. 이는 대류 섹션 뱅크에서 일반적으로 수행되는 가열 듀티를 보조 열 교환기와 같은 개별 열 회수 유닛(및) 및/또는 관련 유틸리티에 할당함으로써 달성된다.
도 4, 및 도 5는 차례로, 퍼니스(101) 없이 구현된 프로세스를 보여준다.
도 1a는 100A로 구현된 크래커 유닛에서 수행되는 프로세스의 일 실시예를 개략적으로 도시하며, 열 회수 유닛(302)은 HPS 과열기로 사용된다. 크래킹 장치(202)를 나가는 크랙된 가스 배출물은, 열분해 반응을 중지시키고 고압 증기를 생성하기 위해 TLE(301)에서 초기 냉각을 거친 후, 초기 냉각된 크랙된 가스 배출물로부터의 열은 미리 결정된 (과열)온도(위에서 설명된 바와 같이)로 과열된 고압 증기(HPSS 6 내지 12.5MPa)를 생성하도록 301에서 생성된 HPS를 과열시키기 위해 열 교환기 유닛(302)으로 전송된다.
도 1a의 프로세스에서, 전형적으로 액체 공급물인 공급물(1)을 함유하는 탄화수소는 50 내지 110℃, 바람직하게는 60 내지 90℃(액체 공급물에 대해)의 범위 내에서 퍼니스 입구 온도로 열 교환기(403)에서 가열된다. 저온 스트림을 예열하는 것은, 연료 가스 스택 온도(연료 가스 출구 온도)를 감소시키는 것을 가능하게 하며, 이는 차례로, 퍼니스(101)에서의 향상된 열 효율을 설명한다. 예를 들어, (예열)가열에 사용되는 스트림은, 급냉수, 급냉 오일 또는 저압 증기이다.
공급물(2)을 함유하는 예열된 탄화수소는 퍼니스(101)로 들어가고, 공급물은 가열 뱅크(102)에서 기화된다. 기화된 공급물(3)은 열 회수 유닛(302) 하류의 전용 희석 증기 생성 유닛(미도시)에서 생성된 희석 증기(DS)(4)와 혼합된다. 탄화수소 공급물(HC)과 희석 증기(DS)의 혼합물로서 제공된 결과의 프로세스 유체는 증기 드럼(303)으로부터 포화된 고압 증기(17)를 가열 매체로서 사용하여 열 교환기(401)에서 사용된다. 따라서, 생산된(그리고 가열된) 공급 혼합물(5)(HC+DS)은 공급물의 초기 크래킹 온도(500 내지 700℃, 바람직하게는, 620 내지 680℃)보다 약간 낮은 온도로 HC+DS 뱅크(103) 내의 반응기 입구 온도까지 추가로 가열된다. 프로세스 유체(6)는 크래킹 반응기(202)로 전송된다.
스트림(26)은 퍼니스(101)를 가열하는데 사용되는 연료 가스이고, 반면 스트림(25)은 연소 공기이다. 추가적으로 또는 대안적으로, 퍼니스(101)를 가열하는 것은, 크래킹 설비의 배터리 한계 내부 또는 외부에 위치된 가스 터빈(들)으로부터의 배기 가스를 사용함으로써 구현될 수 있다(도 6 상의 옵션 A 및 B 참조). 이러한 경우에, 충분한 열 입력을주도록 추가 버너들이 퍼니스(101)에 설치될 수 있다.
열분해 반응은 장치(202)에서 일어난다. 구성에서, 반응기(202)는 전기 모터를 갖거나, 예를 들어, 가스 터빈에 의해 직접 구동될 수 있다. 귀중한 생산물의 열화를 피하기 위해 반응기의 체류 시간이 최소화된다. 크랙된 가스 배출물(7)은, 대응하는 상호 연결 라인을 통해, TLE(301)로 전송된다. 반응기 출구 온도는 선택된 작동 조건, 공급 원료의 유형, 등에 따라 달라질 수 있다. TLE 입구에서의 온도는 약 750 내지 1000℃, 바람직하게는 820 내지 920℃의 범위 내에 있다.
TLE(301)는 크랙된 가스 배출물(7)을 약 450 내지 650℃로 급속히 냉각한다. TLE는 고압 증기(16)(HPS, 6 내지 12.5MPa)를 생성한다. TLE(301)를 나가는 냉각된 크랙된 가스(8)는 열 회수 유닛(302)으로 전송된다.
보일러 급수(10)는 미리 결정된 온도, 바람직하게는 열 교환기(402)에서 HPS 비등점(예를 들어, 110 내지 200℃)에 충분히 근접하거나 그 이상의 값으로 예열된다. 예를 들어, 중압 증기 또는 급냉 오일과 같은 저온 매체가 가열 매체로서 사용된다. 포화된 증기(17)의 일부는 열 교환기(401) 내의 (과열)가열 프로세스 유체/공급 혼합물에 사용된다.
포화된 HPS(13)는 과열된 HPS(14)(HPSS 6 내지 12.5MPa)를 생성하도록 열 회수 유닛(302)에서 과열된다. 일반적으로, 열 회수 유닛(302)을 나가는 HPSS(14)의 또는, 선택적으로, 크랙된 가스 배출물(9)의 온도는 증기와 물의 혼합을 통해 보일러 급수(11)를 상기 열 회수 유닛(302)의 온도 조절 디바이스(attemperator device)(미도시; 실제로는 11 하류에 위치됨)에 주입함으로써 조절될 수 있다.
연료 가스로부터 회수된 초과 열은 연소 공기(25) 또는 보일러 급수를 예열하기 위해 추가로 사용될 수 있다(도 1a에 도시되지 않음).
여러 반응기 유닛(202)이 공통 퍼니스(101)와 함께 이용되든, 상기 반응기 유닛(202)은 또한 공통 TLE 유닛(301) 및/또는 공통 열 회수 유닛(302)을 가질 수 있다.
일부 구성에서, 도 1a의 레이아웃(100A)으로부터 퍼니스(101)의 제공은 생략될 수 있다(미도시). 이러한 경우에, 예를 들어, 내부에 제공된 퍼니스(101) 및 예열 뱅크(102, 103)는 전기 히터로 대체된다. 퍼니스(101)가 전기 히터로 대체된 레이아웃(100A)에 대한 시뮬레이션 결과는 예시 1(케이스 B)에 제시되어 있다.
도 1b는 도 1a에 따른 프로세스의 예시적인 변형을 도시한다. 이에 따라, 프로세스는 100A'로 구현된 크래커 유닛에서 수행된다. 레이아웃은 참조 번호 203으로 표시된 터빈 구동부를 갖는 동력 터빈을 포함한다. 터빈은 크래커 유닛(100A')에 유리하게 배열되나(후자는 관련된 설비(500)에 제공됨); 상기 유닛(100A') 및 설비(500)의 외측에 적절히 배치될 수 있다.
제시된 구성에서 동력 터빈은 증기 터빈이다(예를 들어, 후방- 압력 터빈 또는 응축 터빈). 추가적으로 또는 대안적으로, 동력 터빈은 적절한 구성을 갖는 가스 터빈 또는 프로세스 가스 팽창기일 수 있다. 따라서, 동력 터빈은 증기- 또는 연소 연료 생성 에너지를 이용하도록 구성될 수 있다. 상이한 동력 공급원을 이용하는 여러 터빈의 조합이 이용될 수 있다(예를 들어, 증기- 및 연료 동력 터빈). 상기 적어도 하나의 동력 터빈(203)은 바람직하게는 샤프트 커플링을 통해 반응기(202)에 결합된다. 따라서, 터빈(203), 예를 들어, 증기 터빈은, 로터리 반응기(202)의 구동부(201)와 동일한 샤프트에 결합된 모터 구동부를 갖는다.
도 1b는 적절한 구성을 갖는 열 회수 유닛(302)으로부터의 과열된 증기(30)가 로터리 반응기(202)의 샤프트에 기계적으로 연결된 구동부를 갖는 증기 터빈(203) 상에 추가로 사용될 수 있는 레이아웃을 도시한다.
따라서, HRU(302)로부터의 과열된 증기(30)는 (로터리) 반응기(202)에 기계적 샤프트 동력을 제공하도록 동력 터빈(203)(본 예시에서, 증기 터빈으로서 구성됨)으로 전달된다. 샤프트 동력은 하나의 회전 요소로부터 다른 것으로 이송되는 기계적 동력으로 정의되며 샤프트의 토크와 회전 속도의 합으로 계산된다. 기계적 동력은, 단위 시간 당 작업의 양 또는 에너지(와트(Watt)로 측정됨)로 정의된다.
기계적 샤프트 동력은, 동력 입력 기계(여기서는, 터빈(203))로부터 반응기(202)(의 샤프트)로 전달될 수 있다. 샤프트 동력의 공급은 전기 구동 엔진(201)에 입력으로 전력으로 적어도 부분적으로 보상(즉, 보충되거나 또는 대체됨)될 수 있다. 따라서, 전기 모터(201) 및 (증기) 터빈(203) 중 임의의 하나가 반응기(202)를 구동하도록 사용될 수 있다. 전체적으로, 증기 터빈 및 전기 모터로부터의 샤프트 동력은, 이들 중 임의의 하나가 전체 샤프트 동력 또는 그 일부를 제공할 수 있도록 분할될 수 있다.
예를 들어, 터빈(203)을 통해, 반응기 샤프트에 기계적 동력(샤프트 동력)을 전달하는 것은, 반응기를 구동하기 위해 필요한 전력의 소비를 감소시킬 수 있다. 이는 다른 동력의 공급원과 관련하여 전력의 사용을 최적화할 수 있다.
HRU(302)를 제외하고, 대안적 또는 추가적 구성에서, 과열된 증기(30)는 크래커 유닛(100)/설비(500)에 배열된 임의의 다른 디바이스 또는 상기 설비(500)의 외부의 공급원으로부터 얻어질 수 있다.
크래커 유닛(100)에서 이용되는 동력 (증기) 터빈의 유형에 따라, 스트림(31)은 증기 후방- 압력 터빈으로부터의 증기 또는 응축 터빈으로부터의 응축액 중 하나일 수 있다. 증기(31)로부터 추출된 열이 크래커 유닛(100)(고온 섹션) 또는 분리 섹션에서 프로세스 가열 목적을 위해 이용될 수 있기 때문에, 후방- 압력 터빈이 바람직할 수 있다.
일부 경우에서, 전기 모터(201)는 프로세스가 충분히 안정화된 후 동력 터빈(203)(예를 들어, 증기- 및/또는 가스 터빈으로 구성됨)의 결합과 함께, 초기에 반응기 배열(202)을 시작하기 위한 조력자로 사용된다. 따라서, 반응기(202) 및/또는 구동 엔진(201)은 전력을 공급받고, 추가적으로 또는 대안적으로, 크래커 유닛(100)에서(예를 들어, 이송 라인 교환기(301), 열 회수 유닛(302), 및/또는 연소 챔버에서, 아래 참조) 생성된 가압 증기(30)로부터 추출된 열 에너지를 이용하도록 선택적으로 구성된 동력 터빈(203)으로부터 기계적 샤프트 동력을 공급받는다.
도 2는 도 1a에 따른 프로세스의 또 다른 예시적인 변형을 도시한다. 이에 따라, 프로세스는 100B로 구현되는 크래커 유닛에서 수행된다. 열 회수 유닛(302)을 나가는 고압 증기(24)는 미리 결정된 온도로 과열되기 위해 퍼니스(101)(뱅크(105))로 전송된다. 도 2 상에 도시된 바와 같은 프로세스 레이아웃은 TLE 유닛(301)이 과열에 충분한 열 에너지를 생성하지 않거나, 열 회수 유닛(302)이 사용되지 않는 경우 특히 적용 가능하다.
도 3은 100C로 구현된 크래커 유닛에서 수행되는 프로세스의 실시예를 개략적으로 도시하고, 열 회수 유닛(302)은, 프로세스 유체가 퍼니스(101)에 들어가기 전에 상기 프로세스 유체(HC+DS)를 위한 히터로 사용된다. 가열에 필요한 열 에너지는, TLE(301)에서 냉각된 크랙된 가스 배출물로부터 열 회수 유닛(302)에서 회수된다.
도 3의 공정에서, 일반적으로 액체 공급물인 공급물(1)을 함유하는 탄화수소는 도 1a의 프로세스에 대해 개시된 방식과 동일하게, 50 내지 110℃, 바람직하게는 60 내지 90℃ 범위 내의 퍼니스 입구 온도로 열 교환기(403)에서 예열된다. 액체 공급물(2)을 함유하는 예열된 탄화수소는, 퍼니스(101)로 들어가고, 공급물은 가열 뱅크(102)에서 기화된다. 기화된 공급물(3)은 열 회수 유닛(302) 하류 전용 희석 증기 생성 유닛(미도시)에서 생성된 희석 증기(DS)(4)와 혼합된다. 결과인 프로세스 유체(HC+DS)는 증기 드럼(303)으로부터 포화된 고압 증기(17)를 가열 매체로 사용함으로써 열 교환기(401)에서 과열된다.
열분해 반응은 장치(202)에서 일어난다. 구성에서, 반응기(202)는 전기 모터를 갖거나, 예를 들어 가스 터빈에 의해 직접 구동될 수 있다. 크랙된 가스 배출물(7)은, 대응하는 상호 연결 라인을 통해, TLE(301)로 전송된다. TLE 입구 온도는 약 750 내지 1000℃, 바람직하게는, 820 내지 920℃ 범위 내에 있다. TLE(301)은 크랙된 가스 배출물(7)을 약 450 내지 650℃로 급속 냉각한다. TLE는 HPS(16)(6 내지 12.5MPa)를 생성한다. TLE(301)를 나가는 배출물(8)은 열 회수 유닛(302)으로 전송된다.
보일러 급수(10)는 미리 결정된 온도, 바람직하게는, 가열 뱅크(104)(퍼니스(101))에서의 HPS 비등점(예를 들어, 110 내지 200℃)에 충분히 근접하거나 그 이상의 값으로 예열된다. 보일러 급수는 또한, 급냉수, 급냉 오일 또는 증기(도 3에 도시되지 않음)에 의해 가열될 수 있다. 포화된 증기(17)의 일부는 열 교환기(401)의 (과열)가열 프로세스 유체/공급물 혼합물에 사용된다.
포화된 HPS(13)는 다른 유틸리티(예를 들어, 분류 섹션 하류; 도면에 도시되지 않음)로 유출된다. 포화된 HPS는 또한 퍼니스(101)에서 과열될 수 있다(도 3에 도시되지 않음).
도 4는 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비 내에서 예열 퍼니스(101)의 제공이 생략된, 100D로 구현된 크래커 유닛에서 수행되는 프로세스의 실시예를 도시한다.
도 4의 프로세스에서, 공급물(1)을 함유하는 탄화수소는, 일반적으로 액체 공급물로, 예를 들어, 50 내지 110℃, 바람직하게는, 60 내지 90℃의 범위 내의 온도로, 예를 들어, 열 교환기(403)에서 급냉수, 급냉 오일, 또는 저압 증기에 의해 예열된다. 예열된 액체 공급물(2)은 포화된 고압 증기(27)에 대해 열 교환기(404)에서 기화된다. 기화된 공급물(3)은 열 회수 유닛(302) 하류 전용 희석 증기 생성 유닛(미도시)에서 생성된 희석 증기(DS)(4)와 혼합된다. 결과인 프로세스 유체(HC+DS)는, 증기 드럼(303)으로부터 포화된 고압 증기(17)를 가열 매체로 사용함으로써 열 교환기(401)에서 예열된다.
따라서, 생성된 과열된 프로세스 유체(5)는 열 교환기로서, 구성에서, 구현된 열 회수 유닛(302)에서 가열되고, 그 후 열분해 반응기(202)로 전송된다. 열 회수 유닛(302)의 출구에서의 온도는 이용 가능한 열 함량 및 TLE(301)을 나가는 프로세스 유체의 온도에 의존한다. 따라서, HRU(302)는 TLE 출구 가스(들)를 가열 매체로 이용한다. 반응기(202) 입구 온도는 400 내지 570℃, 더 일반적으로 450 내지 500℃의 범위에 있다. 대안적으로, 전기 히터 또는 히터들(미도시)은 반응기 입구에서 일반적인 온도로 반응기 공급물을 예열하도록 반응기(202)(미도시)의 입구에 인접하여 배열될 수 있다.
열분해 반응은 반응기(202)에서 일어난다. 일부 구성에서, 반응기(202)는 바람직하게 전기 모터를 갖는다. 크랙된 가스 배출물(7)은 대응하는 상호 연결 라인을 통해, TLE(301)로 전송된다. 반응기 출구 온도는 선택된 작동 조건, 공급 원료의 유형, 등에 따라 달라질 수 있다. TLE 입구에서의 온도는 약 750 내지 1000℃, 바람직하게는 820 내지 920℃의 범위 내에 있다.
TLE(301)는 크랙된 가스 배출물(7)을 약 550 내지 650℃로 급속히 냉각한다. TLE는 고압 증기(16)(HPS, 6 내지 12.5MPa)를 생성한다.
포화된 증기(17)의 일부는 열 교환기(401) 내의 (과열)가열 프로세스 유체/공급 혼합물에 사용된다. 포화된 HPS(13)는 다른 유틸리티로 유출된다.
프로세스는, 수소(수소 가스)의, 직접 가열, 선택적 연소에 의해, 별도의 연소 챔버(501)(도 5)에서 열 에너지를 생성하는 것을 더 포함할 수 있다. 산소로 수소를 연소시키는 것이 바람직하게 구현된다. 일부 경우에서, 수소 연소의 온도는 희석 증기를 연소 챔버(501) 내로 전송함으로써 조절된다. 따라서, 희석 증기를 연소 챔버(501) 내로 전송함으로써, 수소 연소 온도가 감소될 수 있다.
바람직하게는, 고- 순도 산소(23) 및 수소(28)가 이용된다. 고- 순도 가스를 사용함으로써, 하류에 있는 탄소 산화물(CO, CO2) 및 질소(N2)와 같은 불순물의 존재가 회피될 수 있거나 적어도 최소화될 수 있다. 수소는 90 내지 99.9 볼륨-%, 보다 바람직하게는 99.9 볼륨-% 범위의 순도를 갖는 것이 바람직하다. 수소 정제 유닛(미도시)으로부터 고- 순도의 수소가 얻어질 수 있다. 산소 농도는 90 내지 99 볼륨-%, 바람직하게는 95 볼륨-% 초과의 범위 내에 제공된다. 연소 중에 탄소 산화물(CO, CO2)의 형성을 피하기 위해서는, 탄화수소 불순물의 함량도 최소화되어야 한다.
도 5는 100E로 구현된 크래커 유닛에서 수행되는 프로세스의 실시예를 개략적으로 도시하며, 가열은 직접 가열에 의해 구현되고, 산소로 수소를 선택적으로 연소시키는 것을 통해 수행된다. 현재의 문맥에서, 직접 가열은, 고온 프로세스 스트림으로부터 저온 프로세스 스트림으로의 (직접적인) 열 공급 프로세스를 의미하며, 일반적으로 상기 프로세스 스트림의 혼합을 통해 실현된다. 따라서, 도 5는 도 4의 레이아웃에 대한 상기 직접 가열의 적용 가능성의 개념을 도시한다. 도시되지는 않았으나, 상기 직접 가열은 퍼니스(101)에서의 (예열)가열을 최소화하기 위해 도 1a, 도 1b, 도 2 및 도 3에 도시된 구성에서도 적용될 수 있다.
도 5의 프로세스에서, 일반적으로 액체 공급물인 탄화수소 함유 공급물(1)은, 예를 들어 저온 열 공급원(때로는 폐열이라고도 함)으로부터의 열 회수를 최대화하기 위해, 열 교환기(403) 또는 열 교환기 열에서 열차에서 급냉수, 급냉 오일, 또는 저온 증기에 의해 예열된다. 예열된 액체 공급물(2)은 포화된 고압 증기, 예를 들어(도 4 상의 참조 번호 27에 의해 표시됨) 설비(500)로부터 또는 외부 공급원으로부터의 임의의 다른 이용 가능한 고온 열 공급원에 대해 열 교환기(404)에서 기화된다. 스트림(27)은 도 5에서 생략되는데, 이는 스트림(27) 대신 임의의 다른 적절한 증기 스트림이 이용될 수 있기 때문이다. 기화된 공급물(3)은 희석 증기(DS)와 혼합된다. 희석 증기(4)는 열 회수 유닛(302) 하류 전용 희석 증기 생성 유닛(미도시)에서 생성된다. 희석 스트림(22)의 일부는 수소 연소의 온도를 조절하기 위해, 연소 챔버(501)으로 전송될 수 있다. 결과인 프로세스 유체(HC+DS)는 증기 드럼(303)으로부터 포화된 고압 증기(17)를 가열 매체로 사용함으로써, 열 교환기(401)에서 예열된다.
따라서, 생성된 과열된 프로세스 유체(5)는 열 교환기로서 구성된 열 회수 유닛(302)에서 가열된 후 연소 챔버(501)로부터의 고온 증기와 결합된다(본 개시의 맥락에서, 직접 가열로 지칭되는 프로세스). 열 회수 유닛(302)의 출구에서의 온도는 이용 가능한 열 함량 및 TLE(301)를 나가는 프로세스 유체의 온도에 의존한다. 스트림(21)(반응기(202)로 들어가는 프로세스 유체)의 온도는 400 내지 570℃, 보다 일반적으로는 450 내지 500℃의 범위에 있다.
수소(28)는 연소 챔버(501)에서 산소(23)와 함께 연소된다. 따라서, 수소와 산소는 물 분자를 생산하도록 발열 반응으로 들어간다. 연소 챔버에 설치된 고온 조건 하에서 물은 증기(기체 상)로 나온다. 이렇게 생성된 증기(29)(수소 연소의 결과인 증기 생산물)의 온도를 감소시키도록, 희석 증기(22)는 반응기(202)로 들어가는 탄화수소 공급물 함유 프로세스 유체와 혼합되기 전에 연소 챔버로 전송될 수 있다. 냉각 없이, 고온 증기 생산물(29)은 탄화수소 공급물 함유 프로세스 유체와 혼합될 경우 코킹(coking)을 야기할 수 있다. 연소 챔버로의 희석 증기 주입은 또한 상기 챔버의 온도를 감소시켜, 보다 저렴한 재료의 이용을 가능하게 한다. 혼합은 바람직하게는 반응기 입구에 근접하여 구현된다.
열분해 반응은 반응기(202)에서 일어난다. 구성에서, 반응기(202)는 전기 모터를 갖는 것이 바람직하다. 귀중한 생산물의 열화를 피하기 위해 반응기의 체류 시간이 최소화된다. 크랙된 가스 배출물(7)은, 대응하는 상호 연결 라인을 통해, TLE(301)로 전송된다. 반응기 출구 온도는 선택된 작동 조건, 공급 원료의 유형, 등에 따라 달라질 수 있다. TLE 입구에서의 온도는 약 750 내지 1000℃, 바람직하게는 820 내지 920℃의 범위 내에 있다.
TLE(301)는 크랙된 가스 배출물(7)을 약 450 내지 650℃로 급속히 냉각한다. TLE는 고압 증기(16)(HPS, 6 내지 12.5MPa)를 생성한다.
보일러 급수(10)는 미리 결정된 온도, 바람직하게는 열 교환기(402)에서 HPS 비등점(예를 들어, 110 내지 200℃)에 충분히 근접하거나 그 이상의 값으로 예열된다. 급냉수, 급냉 오일, 또는 증기는 가열 매체로서 사용될 수 있다.
포화된 증기(17)의 일부는 열 교환기(401) 내의 (과열)가열 프로세스 유체/공급 혼합물에 사용된다. 포화된 HPS(13)는 다른 소비자에게 유출된다.
도 1a, 도 1b, 도 2 내지 도 5의 프로세스 구성은 가스 공급물에도 적용 가능하다. 이러한 가스 공급물이 액체 대신 이용되는지 여부에 관계없이, 예열기(403)가 불필요할 수 있다. 이러한 경우에, 가열 뱅크(102)에서 공급물을 기화시키기 위해 달리 할당된 열 듀티는 가스 공급물이 기화를 필요로 하지 않기 때문에 더 작다. 가스 공급 원료가 이용되는 경우, 열 회수 유닛(302) 출구에서의 프로세스 유체 온도는, 교환기 튜브의 코킹 및 응축의 위험이 낮기 때문에, 액체 공급 원료를 사용할 때 필요한 관련 온도 값과 비교하여, 상당히 낮아질 수 있다. 따라서, 프로세스 중에 생성되는 과열된 고압 증기의 양은 포화된 증기의 소비 레벨에 따라 최적화될 수 있다.
설비(500)의 상이한 구성을 구현하는 일부 실시예에서, 가열 목적을 위해 중압 증기(MPS)를 유입하는 것이 유리하다. 유입된 중압 증기는, 예를 들어, 복합 동력 생성 유닛에서 생성될 수 있거나, 및/또는 에너지 효율을 향상시키도록 다른 지원 유닛 또는 설비로부터 초과 에너지로 유입될 수 있다. 중압 증기는 또한 예를 들어 크래커 유닛(100)/설비(500)에 제공된 증기 보일러에서 목적을 가지고 생성될 수 있다.
다음의 예시 1 내지 4는, 종래의 나프타 증기 크래커 플랜트 및 설비(500)에서 나프타 증기 크래킹에 대해 수행된 비교 에너지- 및 재료 균형 시뮬레이션을 설명한다(도 6 참조). 상기 예시에서, 설비(500)는 로터리 반응기 (202)를 이용하는 에틸렌 생산 플랜트로서 구성되었고, 따라서, 로터리 반응기 플랜트로 더 지칭된다. 시뮬레이션에서, 반응기(202)는 미국 특허 공개 제9,234,140호(Seppala 외)에 설정된 지침에 따라 구현된 로터리 반응기(RDR)다. 체류 시간(프로세스 유체를 함유하는 탄화수소 공급 원료가 반응 공간에서 보내는 시간)이 짧고 온도가 높기 때문에, 로터리 반응기는 수율이 높고 공급 원료 소비가 낮다.
종래 및 RDR 플랜트 모두 에틸렌 생산 능력이 1000kt/a(연간 킬로톤)(연간 작동 시간이 8400 시간)이었다. 두 플랜트 모두에서, 분리 섹션은 동일한 구성과 동일한 증기/나프타 비율(증기/나프타 비율=0.5)을 가졌다. 공급 원료는 비슷했고 (나프타 공급물) 배터리 한계 조건은 두 플랜트 모두 동일했다.
시뮬레이션에서, 증기 균형은 생산된 모든 중압 및 저압 증기가 소비되고 초과 과열된 고압 증기(HPSS 10MPa/100bara(절대 bar); 530℃)가 유출되어 에너지 크레딧으로 사용되도록 조정되었다. HPSS는 후방 압력 구동부 및 응축 터빈 구동부에서 소비되었다. 로터리 반응기 플랜트에서 소비되는 전력은 CO2 배출이 없는 것으로 가정된다.
예시 1. 도 1a의 개념에 따라 구현된 (로터리) 크래커 유닛(100)을 포함하는 종래의 플랜트와 로터리 반응기 플랜트(500)의 비교.
표 1은, 종래의 플랜트(종래), 연료 가스 작동 퍼니스(101)를 갖는 로터리 반응기 플랜트(500)(케이스 A, 로터리 반응기 플랜트), 및 도 1에 도시된 반응기 공급물 예열(퍼니스(101))이 전기 히터로 대체된 로터리 반응기 플랜트(500)(케이스 B, 로터리 반응기 플랜트)에 대한 에너지- 및 재료 균형 시뮬레이션 요약을 보여준다.
| 종래 | A. 로터리 반응기 플랜트(500) |
B. 로터리 반응기 플랜트(500)1 |
|
| 순 에너지 소비, MW 연료 가스 유출, MW |
687.6 86.2 |
542.0 372.3 |
531.0 590.5 |
| 크레딧 HP 증기 유출(10MPa/100bar), MW | 100.5 | 4.1 | 4.1 |
| 재료 균형 | |||
| 생산물 | t/h | t/h | t/h |
| 수소, 99.9% | 2.4 | 2.1 | 2.1 |
| 연료가스 | 60.1 | 40.6 | 40.6 |
| 에틸렌, 폴리머 등급 | 119.1 | 119.1 | 119.1 |
| 프로필렌, 폴리머 등급 | 49.4 | 40.7 | 40.7 |
| RawC4- | 27.8 | 20.9 | 20.9 |
| 열분해 경유 | 66.7 | 56.1 | 56.1 |
| 열분해 연료 오일 | 14.0 | 2.8 | 2.8 |
| 나프타 공급물, t/h | 339.4 | 282.1 | 282.1 |
| CO2, kg/h | 144844 | 39778 | 0 |
| 냉각수 듀티, MW | 419 | 312 | 312 |
| 보일러수, t/h | 484 | 242 | 242 |
1예열 퍼니스(101)는 전기 히터로 대체됨.
따라서, 크래커 유닛(100)이 로터리 반응기(202)를 갖는 도 1a의 레이아웃(100A)에 따라 구현된 경우, 순 에너지 소비는 케이스 A 및 케이스 B의 로터리 반응기 플랜트 구성에 대해 종래의 크래커에 비해 21% 및 22% 감소되었다. 명확성을 위해, 순 에너지 소비는 고압 증기 유출(크레딧)을 뺀 총 에너지 소비(미도시)로 정의되었다(표 1의 “크레딧 HP 증기 유출(Credit HP steam export)” 참조).
케이스 B에 따른 크래커 유닛 레이아웃은 도 1a를 참조하여 여기 위에 설명되어 있다(참고: 케이스 B는 도면 상에 도시되지 않음).
따라서, 설비(500)의 이산화탄소 생성(예열을 위해 점화된 연료 당 계산됨; 배터리 내측 한계)은 종래의 증기 크래커로 얻어진 값의 약 27.5%, 및 0%(케이스 A 및 케이스 B)를 구성한다(약 72.5% 및 100% 감소). 따라서, 구성 B를 사용하면 재생 가능한 전력의 양을 100%까지 증가시키는 것이 가능하다. 이러한 경우, 이용되는 다른 프로세스 매개 변수에 따라, 이산화탄소 배출은 거의 완전히 제거된다(0kg/h). 자연적으로, NOX 배출은 CO2 배출에 따라 감소된다.
위의 예시는 또한 설비(500)에서의 감소된 냉각 듀티(cooling duty)를 나타낸다. 따라서, 냉각 듀티는 약 25% 감소된다. 50%까지 감소되므로, 보일러 급수 소비의 감소는 훨씬 더 중요하다.
특히 케이스 A에 관련된 종래의 솔루션에 비해, 로터리 반응기(202)에 의해 종래의 (증기) 크래킹 퍼니스에서 복사 코일을 대체함으로써, 그리고 추가적으로 또는 대안적으로, 열 회수 유닛(302)을 제공함으로써, 퍼니스(101)의 열 듀티 또한, 종래의 크래킹 퍼니스 대류 섹션의 열 듀티와 비교하여 약 30% 감소될 수 있는 것을 관찰할 수 있다. 이러한, 경우, 에틸렌 생산에 대해 계산된 바와 같이(미도시), 특정 순 에너지 소비(연료 및 전기; GJ/t) 또한 약 20.5%로 감소될 수 있다. 이 값은 퍼니스 크기의 감소를 반영한다.
예시 2. 도 1a의 개념에 따라 구현된 (로터리) 크래커 유닛(100)을 포함하나, 매칭 수율을 갖는, 종래의 플랜트와 로터리 반응기 플랜트(500)의 비교.
예시 1에 설명된 바와 같은 구성에 대해 비교 에너지- 및 재료 균형 시뮬레이션이 수행되었다. 예시 1에 대한 차이는, 로터리 반응기(202)의 작동 조건이 그 수율(여기서, 에틸렌 수율)을 종래의 탄화수소(나프타) 크래커에서 얻어진 (에틸렌) 수율과 본질적으로 일치시키도록 선택되었다는 것이다. 이 시뮬레이션은 설비(500)에서 종래의 크래커 유닛을 로터리 반응기 크래커 유닛(100)으로 대체할 경우 동일한 생산물 분배를 유지하는 것이 유리한 상황을 보여준다. 시뮬레이션의 결과는 표 2에 요약되어 있다.
| 종래 | A. 로터리 반응기 플랜트(500) |
B. 로터리 반응기 플랜트(500)1 |
|
| 순 에너지 소비, MW | 687.6 | 574.2 | 560.3 |
| 연료 가스 유출, MW | 86.2 | 586.1 | 862.2 |
| 크레딧 HP 증기 유출(10MPa/100bar) | 100.5 | 21.9 | 21.9 |
| 재료 균형 | |||
| 생산물 | t/h | t/h | t/h |
| 수소, 99.9% | 2.4 | 2.4 | 2.4 |
| 연료가스 | 60.1 | 60.1 | 60.1 |
| 에틸렌, 폴리머 등급 | 119.1 | 119.1 | 119.1 |
| 프로필렌, 폴리머 등급 | 49.4 | 49.4 | 49.4 |
| RawC4- | 27.8 | 27.8 | 27.8 |
| 열분해 경유 | 66.7 | 66.7 | 66.7 |
| 열분해 연료 오일 | 14.0 | 14.0 | 14.0 |
| 나프타 공급물, t/h | 339.4 | 339.4 | 339.4 |
| CO2, kg/h | 144844 | 51483 | 0 |
| 냉각수 듀티, MW | 419 | 370 | 370 |
| 보일러수, t/h | 484 | 273 | 273 |
1예열 퍼니스는 전기 히터로 대체됨.
또한 이러한 경우, 에너지 소비와 CO2 배출이 현저히 감소한다. 따라서, 순 에너지 소비는 로터리 반응기 플랜트 구성 A 및 B의 경우, 16.5%, 18.5% 감소한다. CO2 배출의 감소는 로터리 플랜트 케이스 A 및 케이스 B에 대해 각각 64% 및 100%를 구성한다. 또한, 이 균형은 냉각 듀티(11%)와 보일러 급수 사용(43%)의 현저한 감소를 보여준다.
예시 3. 전기 가열을 위해 설계된 도 4의 개념.
예시에서, 도 4의 레이아웃(100D)에 따라 로터리 크래커 유닛(100)의 구성이 구현되었다. 실제로, 공급 원료 및 희석제를 함유하는 탄화수소의 혼합물(예를 들어, 나프타- 스팀 혼합물)은 포화된 고압 증기에 의해 열 교환기(401)에서 예열된다. 그 후 과열된 프로세스 유체는 로터리 반응기(202)로 전송되기 전 열 회수 유닛(302)에서 가열된다. HRU(302)는 열 교환기로서 이 구성으로 구현되며, TLE(301) 출구 가스는 가열 매체로 사용된다.
설비(500)에서 가열을 구현하기 위해, 중압 증기(1.6MPa/16bar)는 이 계산 예시에서 프로세스로 유입되었다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전력은 중압 증기에 추가로 또는 대신에 가열에 이용될 수 있다. 중압 증기를 유입함으로써 전기 소비가 감소될 수 있다. 순 에너지 소비와 CO2 배출 계산에 중압 증기 생성이 포함된다.
|
|
종래 | 대전된 크래커 유닛을 갖는 로터리 반응기 플랜트(500) 플랜트(500) |
| 순 에너지 소비, MW | 687.6 | 492.6 |
| 연료 가스 유출, MW | 86.2 | 543.1 |
| MP 증기 유입 | 44.5 | |
| 크레딧 HP 증기 유출(10MPa/100bar) | 100.5 | 0.0 |
| 총 전기 소비, MW | 7.2 | 445.2 |
| 재료 균형 | ||
| 생산물 | t/h | t/h |
| 수소, 99.9% | 2.4 | 2.1 |
| 연료가스 | 60.1 | 40.6 |
| 에틸렌, 폴리머 등급 | 119.1 | 119.1 |
| 프로필렌, 폴리머 등급 | 49.4 | 40.7 |
| RawC4- | 27.8 | 20.9 |
| 열분해 경유 | 66.7 | 56.1 |
| 열분해 연료 오일 | 14.0 | 2.8 |
| 나프타 공급물, t/h | 339.4 | 282.1 |
| CO2, kg/h | 144852 | 8635 |
| 냉각수 듀티, MW | 419 | 262 |
| 보일러수, t/h | 484 | 251 |
현재 계산 예시는 반응기 섹션에서 상이한 열 통합 배열을 사용함으로써 총 전기 소비가 어떻게 더 감소될 수 있는지 보여준다. 예시 1에서, 100% 대전된 개념(로터리 반응기 구성 B)에 대한 순 에너지 소비는 531MW인 반면, 본 예시에서는 단지 445.2MW이다. 따라서, 예시 1의 레이아웃에 비해 전기 소비 감소는 약 16%이다.
예시 4. 도 5의 개념- 수소 연소.
이 예시에서, 도 5의 레이아웃(100E)에 따라 로터리 크래커 유닛(100)의 구성을 구현하였다.
이 개념에서, 생산된 수소는 공급 나프타/증기 혼합물(HC+DS)과 혼합되기 전에 연소 챔버(501)에서 산소와 함께 연소되고 (희석) 증기로 희석된다. 표 4는 크래커 유닛(100E)(도 5)을 포함하는 로터리 반응기 플랜트(500)에 대한 두가지 구성에 대한 에너지- 및 재료 균형 시뮬레이션 결과를 보여준다. 케이스 A에서, 프로세스로 공급되는 모든 열 에너지는 전기 에너지로부터 변환된다(즉, 가열은 전적으로 전기 가열임). 케이스 B에서, 가열은 중압 증기(1.6MPa/16bar)를 프로세스에 유입하여 구현된다. 중압 증기를 유입함으로써, 전기 소비가 감소될 수 있다. 특히, 도 5의 레이아웃은 다른 플랜트에서 가치가 낮은 에너지에 대한 소비자가 있는 산업 단지의 전반적인 에너지 효율을 향상시킨다. 수소 연료 에너지는 에너지 소비 계산에 포함되지 않는다. 중압 증기 생성은 순 에너지 소비 계산에 포함된다.
|
|
A. 생산된 수소 연소 -로터리 반응기 플랜트(500) |
B. 생산된 수소 연소 및 유입된 MP 증기 -로터리 반응기 플랜트(500) |
| 순 에너지 소비, MW | 412.4 | 423.5 |
| 연료 가스 유출, MW | 590.5 | 556.0 |
| MP 증기 유입 | 32.4 | |
| 크레딧 HP 증기 유출(10MPa/100bar) | 0.0 | 0.0 |
| 총 전기 소비, MW | 421.4 | 389.0 |
| 재료 균형 | ||
| 생산물 | t/h | t/h |
| 수소, 99.9% | 2.1 | 2.1 |
| 연료가스 | 40.6 | 40.6 |
| 에틸렌, 폴리머 등급 | 119.1 | 119.1 |
| 프로필렌, 폴리머 등급 | 40.7 | 40.7 |
| RawC4- | 20.9 | 20.9 |
| 열분해 경유 | 56.1 | 56.1 |
| 열분해 연료 오일 | 2.8 | 2.8 |
| 나프타 공급물, t/h | 282.1 | 282.1 |
| CO2, kg/h | 0 | 6338 |
| 냉각수 듀티, MW | 262 | 262 |
| 보일러수, t/h | 251 | 251 |
제시된 계산 예시는 연소 챔버(501)에서 산소와 함께 수소를 연소시키고 수소 연소(29)(도 5)로 인한 고온 증기 생산물을 탄화수소 공급을 포함하는 프로세스 유체 스트림과 혼합함으로써 실현되는 직접 가열을 통해 총 전기 소비가 어떻게 더 감소될 수 있는지 보여준다. 희석 증기와 같은 희석 매체는 후자를 탄화수소 공급물 함유 프로세스 유체와 혼합하기 전에 증기 생산물(29)에 혼합될 수 있다. 예시 1에서, 수소 연소 개념에서 421MW 및 389MW와 비교하여, 100% 대전된 개념(로터리 반응기 구성 B)에 대한 순 에너지 소비는 531 MW를 구성하였다. 중압 증기를 프로세스에 유입하는 경우(케이스 B, 표 4), 전력 소비 감소는 약 26%이다.
추가 측면에서, 크래커 유닛(100)(100A 내지 100E) 및 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비(500)가 독립적으로 제공되어, 상술한 실시예에 따른 공정을 구현하도록 구성된다.
기술의 진보에 따라 본 발명의 기본 아이디어가 다양한 방식으로 구현 및 조합될 수 있음이 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명 및 그 실시예는 여기 위에서 기술된 예시에 제한되지 않고, 대신에 일반적으로 첨부된 청구항의 범위 내에서 변할 수 있다.
Claims (29)
- 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비(500)에서, 상기 설비 내에서의 열 에너지 분배의 재배열을 통해, 열 효율을 향상시키고 온실 가스 배출을 감소시키기 위한 프로세스로서,
상기 설비는, 희석 매체의 존재 하에, 탄화수소 함유 공급물을 크래킹(cracking)하기 위한 적어도 하나의 크래킹 장치(202)를 갖는 크래커 유닛(100)을 포함하고, 상기 장치를 나가는 크래킹된 가스 배출물은 고압 증기를 생성하면서 이송 라인 교환기(TLE, transfer line exchanger)(301)에서 냉각되고,
상기 프로세스는 전력을 상기 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비로 공급하는 것을 포함하고,
상기 프로세스에서, 상기 TLE 유닛(301) 하류에 배열된 열 회수 유닛(HRU, heat recovery unit)(302)은 고압 증기의 생산 외의 기능이 할당되고, 이에 의해 크래커 유닛(100)에서 적은 고압 증기가 생산되고, 감소된 증기 생산은 상기 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비로 공급되는 전력으로 보상되고,
상기 열 회수 유닛(HRU)(302)에서 수행되는 기능은: 상기 탄화수소 함유 공급물 및/또는 상기 희석 매체를 가열 및/또는 기화하는 것, 보일러 급수를 가열 및/또는 기화하는 것, 및 상기 TLE 유닛(301)에서 생성된 고압 증기를 과열하는 것 중 임의의 하나인 프로세스. - 청구항 1에 있어서,
전력이 크래킹 장치(202)의 구동 엔진(201)에 공급되는 프로세스. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
전력이 상기 크래킹 장치(202)에 공급되는 프로세스. - 청구항 3에 있어서,
전력이 유도성 또는 저항성 이송 방법, 플라즈마 프로세스, 전기 전도성 가열 요소에 의한 가열, 또는 이들의 조합 중 임의의 하나에 의해 공급되는 프로세스. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
전력이 상기 크래커 유닛(100) 하류에 배열된 디바이스 또는 디바이스의 그룹에 공급되는 프로세스. - 청구항 5에 있어서,
전력이 가열, 펌핑, 압축 및 분류, 또는 이들의 조합 중 어느 하나에 적합한 상기 디바이스 또는 디바이스의 그룹으로 공급되는 프로세스. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
전력이 상기 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비(500)와 관련된, 외부 공급원 또는 공급원들로부터 공급되는 프로세스. - 청구항 7에 있어서,
상기 외부 공급원은, 재생 에너지의 공급원 또는 재생 에너지의 상이한 공급원들의 조합인 프로세스. - 청구항 7에 있어서,
전력의 상기 외부 공급원은: 광전지의 전기 생성 시스템, 풍력 전기 생성 시스템, 수력 발전 시스템, 또는 이들의 조합 중 임의의 하나인 프로세스. - 청구항 7에 있어서,
전력의 상기 외부 공급원은 원자력 플랜트인 프로세스. - 청구항 7에 있어서,
전력의 상기 외부 공급원은: 적어도 하나의 가스 터빈 및/또는 증기 터빈과 같은 동력 터빈, 적어도 하나의 가스 엔진과 같은 스파크 점화 엔진, 적어도 하나의 디젤 엔진과 같은 압축 엔진, 화석 원자재로터 전기 에너지를 생성하도록 구성된 동력 플랜트, 및 이들의 임의의 조합인 프로세스. - 청구항 7에 있어서,
전력의 상기 외부 공급원은 증기 및 전기를 생산하는 복합 사이클 발전 설비 및/또는 열병합 설비인 프로세스. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
전력이 상기 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비(500)로부터 생성되는 프로세스. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 열 회수 유닛(302)은, 선택적으로 2차 이송 라인 교환기로서 구성되는 열 교환기인 프로세스. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 탄화수소 함유 공급물을 크래킹하기 위한 장치는, 선택적으로 희석 증기와 같은 희석 매체에 의해 보조되는, 열분해 반응과 같은, 열 및/또는 열화학 탄화수소 분해 반응에 적합한 반응기인 프로세스. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비(500)는 올레핀 플랜트인 프로세스. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비는 에틸렌 플랜트 및/또는 프로필렌 플랜트인 프로세스. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 탄화수소 함유 공급물 및/또는 상기 희석 매체를 가열 및/또는 기화하는 것, 보일러 급수를 가열 및/또는 기화하는 것, 및 상기 TLE 유닛(301)에서 생성된 고압 증기를 과열하는 것, 또는 이들의 조합 중 임의의 하나는 예열 퍼니스(furnace)(101)에서 적어도 부분적으로 수행되는 프로세스. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
예열 퍼니스(101)의 열 듀티(heat duty)는, 상기 크래커 유닛 내의 열 분배의 재배열을 통해, 상기 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비(500)의 크래커 유닛(100) 내에서 재분배되어, 상기 크래커 유닛에서 상기 예열 퍼니스의 공급이 생략되는 프로세스. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
개별 연소 챔버(501)에서, 직접 가열에 의한 열 에너지 생성을 포함하고, 직접 가열은, 상기 연소 챔버에서 산소로 수소를 연소시키고, 수소 연소로부터 기인하고 선택적으로 희석 증기와 같은 상기 희석 매체와 혼합되는 증기 생산물(29)을 탄화수소 공급물 함유 프로세스 유체와 혼합함으로써 구현되는 프로세스. - 청구항 20에 있어서,
수소 연소의 온도는, 희석 증기와 같은 상기 희석 매체를 상기 연소 챔버로 전송함으로써 조정되는 프로세스. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
외부 또는 내부 공급원(들)으로부터 공급된 전력은, 상기 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비(500) 내의 증기 생산을 완전히 또는 부분적으로 보상하는 프로세스. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 설비(500)에서의 열 에너지 분배 및 이송은, 동일하거나 상이한 레이아웃 및/또는 용량을 갖는 다수의 크래커 유닛(100) 사이에서 구현되는 프로세스. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 설비(500)에 배열된 적어도 하나의 동력 터빈(203)으로부터 크래킹 장치(202)로 샤프트 동력을 전달하는 것을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 동력 터빈은 상기 크래커 유닛(100)에서 생성되는 열 에너지를 선택적으로 이용하는 프로세스. - 청구항 24에 있어서,
상기 적어도 하나의 동력 터빈(203)은: 증기 터빈, 가스 터빈 및 가스 팽창기 중 임의의 하나로서 구성되고, 상기 동력 터빈은 구동 샤프트 커플링을 통해 상기 크래킹 장치(202)의 구동 엔진(201)에 결합되는 프로세스. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 탄화수소 함유 공급물은 원유 생산, 증류 및/또는 정제의 부분 또는 부분들인 프로세스. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 탄화수소 함유 공급물은: 기체화된 전처리된 바이오매스 물질; 식물성 오일 및/또는 동물성 지방과 같은, 전처리된 글리세리드 함유 물질; 전처리된 플라스틱 폐기물; 및 톨유(tall oil) 또는 이들의 임의의 파생물과 같은 목재 펄프 산업의 부산물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 프로세스. - 청구항 1 또는 청구항 2에 따른 프로세스를 구현하도록 구성되는 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비(500).
- 청구항 1 또는 청구항 2에 따른 프로세스를 구현하도록 구성되는 탄화수소 처리 및/또는 생산 설비(500)에 포함되는 크래커 유닛(100).
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