KR102641076B1 - 분해 작업을 위한 탈탄화 블루 수소 가스 생산 시스템 및 방법 - Google Patents

분해 작업을 위한 탈탄화 블루 수소 가스 생산 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

수소와 탄화수소의 혼합물인 테일 가스를 수소 가스와 PSA(Pressure Swing Absorption) 배출물로 분리하기 위해 압력 스윙 흡착과 같은 표준 분리 공정을 활용하여 분해 작업용 탈탄화 블루 수소 가스를 생산하는 시스템 및 방법이 수소 생성 유닛에서 분해 작업에 필요한 탈탄화 블루 수소 가스를 생성하는 데 사용된다.

Description

분해 작업을 위한 탈탄화 블루 수소 가스 생산 시스템 및 방법
관련 출원 상호 참조
본 출원은 2021년 9월 1일 출원된 미국 임시출원 제 63 /239,844호에 대한 우선권을 주장하며, 해당 출원은 본원에 참조로서 통합되어 있다.
본 발명은 일반적으로 분해 작업을 위한 탈탄화 블루 수소 가스를 생산하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 개시된 시스템 및 방법은 분해 작업을 위해 수소와 탄화수소의 혼합물인 테일 가스를 수소 가스와 PSA(Pressure Swing Absorption, 압력 스윙 흡착) 유출물로 분리하기 위해 압력 스윙 흡착(PSA)과 같은 표준 분리 공정을 활용하여, 수소 생성 유닛에서 탄탄화 블루 수소 가스를 생성하는 데 사용된다.
분해(cracking)는 증기가 있는 상태에서 탄화수소 분자를 폴리에틸렌과 같은 석유화학 제품을 만드는 데 사용할 수 있는 에틸렌과 같은 탄소-탄소 이중 결합을 가진 분자로 전환하는 공정이다. 증기 분해 작업(steam cracking operation)은 일반적으로 공정에서 생성된 수소와 탄화수소(예: 메탄 및/또는 에탄)의 혼합물인 테일 가스를 사용하여 증기 분해에 필요한 연료를 제공하고 에너지 집약적인 탄소-탄소 이중 결합을 생성한다. 분해로에서 탄화수소를 가열하거나 연소하는 과정에서 이산화탄소(CO2) 및 기타 온실가스가 발생하여 대기로 배출된다.
도 1은 기존 에틸렌 생산 시스템(100)에서 해당 과정을 도시한다. 탄화수소 피드스톡 스트림(102, feedstock stream)은 수소(H2)와 탄화수소(CH4)의 혼합물일 수 있는 테일 가스 스트림(106, tail gas stream)을 연료로 사용하여 가열(연소)되는 증기 분해로(104, steam cracking furnace)에서 처리된다. 에틸렌 분해로의 일반적인 연료는 메탄 또는 기타 탄화수소의 질량 함량이 높은 수소가 풍부한 테일 가스 부산물이며, 이는 분해로에서 CO2를 생성한다. 테일 가스에는 부피 기준으로 75%~80%까지 수소가 포함될 수 있으며 나머지는 대부분 메탄이다. 일부 피드스톡의 경우 테일 가스의 수소 농도는 부피 대비 5~10% 정도로 낮다.
분해된 탄화수소 피드스톡 스트림(108)은 분리 트레인(110, separations train)으로 보내지고, 분리 트레인은 분해된 탄화수소 피드스톡 스트림(108)을 테일 가스 스트림(106), 에틸렌 스트림(112) 및 프로필렌, 액화 석유 가스(LPG) 및 천연 가스 액체(NGL)를 포함할 수 있는 기타 부산물(114)로 분리한다. PSA는 에틸렌 생산 시스템에서 선호되는 분리 방식이지만, PSA, 고분자 분리막, 심지어 액화 증류와 같은 공지된 분리 기술의 사용이 분리 트레인(110)에 의해 사용될 수 있다. 증기 분해로(104)로부터의 배출물(116)은 탄화수소 연소 및 수증기(H20)로 인한 CO2를 포함한다. 탄소 배출에 대한 환경 문제 및 운영 제한이 증가함에 따라, 많은 석유화학 회사들은 현재 증기 분해 작업에서 탄소 배출을 줄여야 하는 실정이다.
자세한 설명은 첨부된 도면을 참조하여 아래에 설명되며, 여기서 유사한 요소는 유사한 참조 번호로 표기된다:
도 1은 종래의 에틸렌 생산 시스템을 보여주는 개략도이다.
도 2는 변형된 에틸렌 생산 시스템의 일 실시예를 예시하는 개략도이다.
도 3은 변형된 에틸렌 생산 시스템의 다른 실시예를 예시하는 개략도이다.
본 발명의 주제는 구체적으로 설명되어 있지만, 설명 자체가 개시의 범위를 제한하려는 의도는 아니다. 따라서, 주제는 다른 방식으로 구체화될 수 있으며, 다른 현재 또는 미래 기술과 함께 본 명세서에 설명된 것과 유사하거나 더 적은 다른 구조, 단계 및/또는 조합을 포함할 수도 있다. "단계"라는 용어는 본원에서 사용된 방법의 다양한 요소를 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 본원에 의해 특정 순서로 명시적으로 제한되지 않는 한, 본원에 개시된 다양한 단계들 사이에서 또는 이들 사이의 특정 순서를 의미하는 것으로 해석되어서는 안 된다는 점을 밝혀둔다. 개시된 실시 예의 다른 특징 및 장점은 이하의 도면들 및 상세한 설명을 검토하여 통상의 기술자들에게 명백하게 드러나거나 명백해질 것이다. 이러한 모든 추가적인 특징 및 장점은 개시된 실시예의 범위 내에 포함되는 것이 의도된다. 또한, 본 명세서에 도시된 도면 및 치수는 예시적인 것일 뿐이며, 다른 실시 예가 구현될 수 있는 환경, 아키텍처, 설계 또는 프로세스와 관련하여 어떠한 제한을 주장하거나 암시하기 위한 것이 아니다. 이하의 설명에서 온도 및 압력이 언급되는 한도 내에서, 이러한 조건은 단지 예시적인 것일 뿐이며 본 개시를 제한하기 위한 것이 아니라는 점을 밝혀둔다.
본원에 개시된 시스템 및 방법은 수소 및 탄화수소의 테일 가스 혼합물을 수소 가스 및 PSA 유출물로 분리함으로써 증기 분해 작업으로부터 탄소 배출을 감소시키고, 이는 증기 분해 작업을 위한 탈탄화 블루 수소 가스를 생성하기 위한 수소 생성 유닛(hydrogen generation unit)에 사용된다. 따라서, 수소 생성 유닛은 증기 메탄 개질, 자동 열 개질 및 부분 산화를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명은 분해 작업을 위한 탈탄화 블루 수소 가스 스트림을 생성하기 위한 시스템을 포함하며, 이는 다음을 포함한다: i) 분해된 탄화수소 피드스톡 스트림 및 수증기 및 잔류 이산화탄소를 포함하는 배출물을 생성하기 위한 분해된 탄화수소 피드스톡 스트림으로부터의 탈탄화 블루 수소 가스를 포함하는 분해로; ii) 분해된 탄화수소 피드스톡 스트림을 테일 가스 스트림 및 생산 스트림(product stream)으로 분리하기 위한 분리 트레인; iii) 테일 가스 스트림을 수소 가스 스트림 및 유출 스트림으로 분리하기 위한 분리 시스템; 및 iv) 유출 스트림을 처리하고 탈탄화 블루 수소 가스 스트림 및 이산화탄소 배출을 생성하기 위한 수소 생성 유닛.
다른 실시예에서, 본 발명은 분해 작업을 위한 탈탄화 블루 수소 가스 스트림을 생성하는 방법을 포함하며, 이는 다음을 포함한다: i) 분해된 탄화수소 피드스톡 스트림 및 수증기 및 잔류 이산화탄소를 포함하는 배출물을 생성하기 위해 탈탄화 블루 수소 가스 스트림을 사용하여 탄화수소 피드스톡을 분해하는 단계; ii) 분해된 탄화수소 피드스톡 스트림을 테일 가스 스트림 및 생산 스트림(product stream)으로 분리하는 단계; iii) 테일 가스 스트림을 수소 가스 스트림 및 유출 스트림으로 분리하는 단계; 및 iv) 탈탄화 블루 수소 가스 스트림 및 이산화탄소 배출물을 생성하기 위해 유출 스트림을 처리하는 단계.
이제 도 2를 참조하면, 도면은 변형된 에틸렌 생산 시스템(200, ethylene production)의 일 실시예를 예시한다. 테일 가스 스트림(106, tail gas stream)은 수소/탄화수소 분리 시스템(예를 들어, Pressure Swing Absorption, PSA)(202)을 통해 공급되는데, 이 시스템은 테일 가스 스트림(106)을 부피 기준 98% 이상의 고순도를 갖는 수소 가스 스트림(H2)(204)과 탄화수소(CH4) 및 잔류 수소 가스를 포함하는 PSA 유출 스트림(206, PAS effluent stream)으로 분리한다. PSA 유출 스트림(206)은 수소 생성 유닛(208, hydrogen generation unit)으로 공급되며, 이는 블루 수소 유닛(208, blue hydrogen unit)을 작동시키기 위해 파이프라인 또는 다른 공급원으로부터 공급되는 보충 천연 가스를 포함하는 보조 연료 가스 스트림(210, supplemental fuel gas stream)과 통합될 수 있다.
수소 생성 유닛(208)은 탈탄화 블루 수소 가스 스트림(212, decarbonized blue hydrogen gas stream), 메탄, 일산화탄소, 물, 미회수 수소, 미회수 CO2 및 불활성 가스를 포함하는 부산물(214) 및 격리 및 저장을 위해 포집 및 압축될 수 있는 CO2 배출물(216)을 생성한다. 블루 수소 가스 스트림(212)은 수소 가스 스트림(204)과 결합되어 증기 분해로(104, cracking furnace)를 가열(점화)하는 데 사용되는 수소 연료 가스 스트림(218, hydrogen fuel gas stream)을 형성할 수 있다. 보조 연료 가스 스트림(210)은 증기 분해로(104)의 전체 요구 사항의 균형을 맞추기 위해 조정될 수 있다. 수소 연료 가스 스트림(218)은 또한 100% 수소 연료를 연소시킬 수 없는 증기 분해로를 위해 테일 가스 스트림(106, tail gas stream)으로 보충될 수 있다.
증기 분해로(104)로부터의 배출물(220)은 수증기(H20)와 미량의 잔류 CO2 배출물을 포함한다. 이러한 방식으로, 탄화수소는 수소로 전환되어 부산물 연료를 소비하고 CO2를 포집(연소-전)하여 대기로 배출되지 않도록 한다.
이제 도 3을 참조하면, 도면은 변형된 에틸렌 생산 시스템(300)의 또 다른 실시 예를 예시한다. 수소 연료 가스 스트림(218)은 또한 배기 스트림(306, exhaust stream)이 공기 예열(air preheat)로서 증기 분해로(104)에 통합되는 가스 터빈 발전기(302)로 보내질 수 있으며, 이는 전력 출력(304)을 생성하고 단위 질량의 에틸렌을 생산하는 데 필요한 전체 에너지(비에너지 함량)를 감소시킨다.
본원에 개시된 시스템 및 방법은 수소 생성 유닛과 결합된 기존의 테일 가스 소스를 사용하여 청정 연소 수소(clean burning hydrogen)로부터 총 수소 분해 연료 요구량을 경제적으로 생산하는 고유한 방법을 정의한다. 이 접근 방식의 고유성은 분리된 메탄의 에너지 가치가 화학적 변환을 통해 청정 연소 수소(clean burning hydrogen)로 유지된 다음 처음에 분리된 수소와 결합된다는 점이다. 테일 가스에서 생산된 여분의 수소는 복합 사이클 가스터빈 또는 오프사이트 보일러에 공급하여 배출량을 줄이면서 전력/증기를 생산할 수 있으며, 분해로에 통합된 가스터빈 발전기를 사용하여 단위 질량의 에틸렌을 생산하는 데 필요한 에너지를 향상시킬 수 있다. 따라서 이 시스템과 방법은 천연가스 공급을 연소 시 수증기만 배출하는 블루 수소 가스로 전환하여 여러 석유화학 단지에 설치된 복합 사이클 발전소에 적용될 수 있다.
연소-후 CO2에 비해 연소-전 CO2를 공정 스트림에서 제거하는 것이 더 경제적이기 때문에 여기에 공개된 시스템과 방법은 전 세계 여러 석유 화학 현장의 기존 운영을 위한 탈탄소화 기회를 제시한다. 전 세계적으로 1억 5천만 톤 이상의 에틸렌이 생산되고 있으므로 수소 생성 유닛에서 탄화수소 기반 연료의 전환을 통해 CO2를 연소-전 포집함으로써 잠재적으로 1억 톤 이상의 에틸렌 분해로의 CO2 배출을 제거할 수 있다.
본 발명이 현재 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 통상의 기술자들에게는 이러한 실시 예의 개시를 제한하려는 의도가 아님을 이해할 것이다. 예를 들어, 시스템 및 방법은 에틸렌 이외의 또는 에틸렌에 추가하여 생성되는 다양한 분해 작업에 적용될 수 있다. 따라서, 첨부된 청구범위 및 균등한 청구범위의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 개시된 실시예에 대해 다양한 대안적 실시예 및 수정이 이루어질 수 있는 것으로 고려되어야 한다.

Claims (20)

  1. 분해 작업을 위한 탈탄화 블루 수소 가스 스트림을 생성하기 위한 시스템에 있어서,
    탄화수소 피드스톡과, 상기 탈탄화 블루 수소 가스 스트림으로부터의 탈탄화 블루 수소 가스를 포함하는 분해로로서, 수증기 및 잔류 이산화탄소를 포함하는 배출물과, 분해된 탄화수소 피드스톡 스트림을 생성하기 위한, 상기 분해로;
    상기 분해된 탄화수소 피드스톡 스트림을 테일 가스 스트림과 생산 스트림으로 분리하기 위한, 상기 분해로에 유체 연결된 분리 트레인;
    상기 테일 가스 스트림을 수소 가스 스트림과 유출 스트림으로 분리하기 위한, 상기 분리 트레인에 유체 연결된 분리 시스템; 및
    상기 유출 스트림을 처리하고, 상기 탈탄화 블루 수소 가스 스트림 및 이산화탄소 배출물을 생성하기 위한, 상기 분리 시스템 및 상기 분해로에 유체 연결된 수소 생성 유닛을 포함하는, 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리 트레인은, 압력 스윙 흡착, 중합체 분리막 또는 액화 증류를 사용하여 분해된 수소 피드스톡 스트림을 분리하게 되는, 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리 시스템은, 압력 스윙 흡착을 사용하여 상기 테일 가스 스트림을 분리하게 되는, 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소 생성 유닛은, 수증기 메탄 개질, 자동 열 개질 또는 부분 산화를 사용하여 상기 유출 스트림을 처리하게 되는, 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유출 스트림은 탄화수소 및 잔류 수소 가스를 포함하는, 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 분해로 배출물은, 상기 수소 생성 유닛으로부터의 이산화탄소 배출물보다 더 적은 이산화탄소를 포함하는, 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템은, 상기 수소 생성 유닛에 연결되는 천연 가스를 포함하는 보조 연료 가스 스트림을 더 포함하는, 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 탈탄화 블루 수소 가스 스트림과 상기 수소 가스 스트림은, 상기 분해로에 연결되는 수소 연료 가스 스트림을 형성하도록 연결되는, 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 시스템은, 전력 출력을 생성하기 위해 상기 분해로와, 상기 수소 연료 가스 스트림에 연결되는 가스 터빈 발전기를 더 포함하는, 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 생산 스트림은 에틸렌을 포함하는, 시스템.
  11. 분해 작업을 위한 탈탄화 블루 수소 가스 스트림의 생성 방법에 있어서,
    수증기 및 잔류 이산화탄소를 포함하는 배출물과 분해된 탄화수소 피드스톡 스트림을 생성하기 위해, 상기 탈탄화 블루 수소 가스 스트림을 사용하여 탄화수소 피드스톡을 분해하는 단계;
    분해된 탄화수소 피드스톡 스트림을 테일 가스 스트림과 생산 스트림으로 분리하는 단계;
    상기 테일 가스 스트림을 수소 가스 스트림과 유출 스트림으로 분리하는 단계; 및
    상기 탈탄화 블루 수소 가스 스트림 및 이산화탄소 배출물을 생성하기 위해 상기 유출 스트림을 처리하는 단계;를 포함하는, 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 분해된 탄화수소 피드스톡 스트림은, 압력 스윙 흡착, 중합체 분리 또는 액화 증류를 사용하여 분해되는, 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 테일 가스 스트림은, 압력 스윙 흡착을 사용하여 분리되는, 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 유출 스트림은, 수증기 메탄 개질, 자동 열 개질 또는 부분 산화를 사용하여 처리되는, 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 유출 스트림은 탄화수소 및 잔류 수소 가스를 포함하는, 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 탄화수소 피드스톡을 분해하는 단계에서 배출되는 이산화탄소는, 상기 유출 스트림을 처리하는 단계에서 배출되는 이산화탄소보다 적은, 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 방법은, 상기 유출 스트림을 처리하고 상기 분해된 탄화수소 피드스톡 스트림에 대한 미리 결정된 요구사항의 균형을 맞추는 데 사용되는 보조 연료 가스 스트림을 조정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 방법은, 상기 탄화수소 피드스톡의 분해에 사용되는 수소 연료 가스 스트림을 형성하기 위해 상기 탈탄화된 블루 수소 가스 스트림과 상기 수소 가스 스트림을 혼합하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 방법은, 가스 터빈 발전을 작동하고 전력 출력을 생성하기 위해 상기 수소 연료 가스 스트림을 사용하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  20. 제 11 항에 있어서,
    상기 생산 스트림은 에틸렌을 포함하는, 방법.
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