KR20110111042A

KR20110111042A - 중질 원유의 저온 유동성 개선 방법, 이를 이용한 중질 원유의 공급 방법 및 중질 원유 공급관

Info

Publication number: KR20110111042A
Application number: KR1020100030420A
Authority: KR
Inventors: 나정걸; 전상구; 노남선; 정수현; 신대현; 김광호
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2010-04-02
Filing date: 2010-04-02
Publication date: 2011-10-10

Abstract

본 발명은 탈아스팔텐 용매추출 장치, 유동층 촉매 열분해 장치 등 중질유 고도화 설비에로의 원료 공급을 원활하게 하기 위하여 중질 원유의 저온 유동성을 개선하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 중질 원유에 고전압의 전기장을 인가하여 중질 원유 내의 아스팔텐 응집을 유도하고 점도를 강하시킴으로써 별도의 교반 장치나 스태틱 믹서, 라인 믹서 없이 원활한 공급이 가능하도록 하는 중질유분 공급 방법에 관한 것이다.

Description

중질 원유의 저온 유동성 개선 방법, 이를 이용한 중질 원유의 공급 방법 및 중질 원유 공급관{Method for improving low temperature fluidity of heavy raw oil, Method of supplying heavy raw oil employing the same and Pipe for supplying heavy raw oil}

본 발명은 오일샌드 비튜멘, 천연역청, 감압잔사유 등과 같은 중질 원유를 개질하여 경질유 및 화학원료를 얻기 위한 탈아스팔텐 용매추출 장치, 유동층 촉매 열분해 장치 등 중질유 고도화 설비에서 중질 원유의 공급을 원활하게 하기 위하여 중질 원유의 저온 유동성을 개선하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 중질 원유 중에 고전압의 전기장을 인가하여 중질 원유 내 아스팔텐 분산 특성을 변화시켜 점도를 강하시킴으로써 별도의 교반 장치나 스태틱 믹서, 라인 믹서 없이 원활한 공급이 가능하도록 하는 중질 원유의 저온 유동성 개선 방법, 이를 이용한 중질 원유의 공급방법 및 중질 원유 공급관에 관한 것이다.

현재 손쉽게 활용할 수 있는 경질 원유는 고갈되고 있으나 오일샌드 비튜멘, 천연역청 등 중질유의 매장량은 4조 배럴이 넘어 이에 대한 중요성이 점점 부각되고 있다. 또한, 정유공정에서 부산물로 발생하는 감압잔사유 역시 막대한 발생량에도 불구하고 활용처가 많지 않아 이에 대한 효과적인 활용 방안을 개발하고자 다양한 방법이 개발되고 있다. 그러나 이러한 오일샌드 비튜멘, 천연역청, 감압잔사유 등의 중질 원유는 아스팔텐, 황 및 중금속 농도가 높아 별도의 고도화 공정을 필요로 한다.

따라서, 이러한 중질 원유가 원료 투입장치로부터 중질 원유를 고도화 하기 위한 반응장치로 원활히 공급되는 것이 중요하다.

그러나 한편, 중질 원유와 같은 중질 원유는 낮은 온도에서는 유동성이 거의 없어 고온으로 가열하여 점도를 강하시켜야지만 상기 시설로의 투입이 가능하다. 또한, 투입 장치에서 반응 장치까지의 라인이 식을 경우 이송 과정에서 중질유분이 굳어 반응 장치로의 투입이 불가능해지므로 투입 장치 뿐만 아니라 이송 장치까지의 전반에 걸쳐 가열해야 하는 어려움이 존재한다.

*종래 기술의 문헌 정보*

특허공보 1995-0005686

본 발명의 목적은, 중질 원유의 저온 유동성이 낮아 생기는 제반 문제점을 해결하기 위하여, 에너지 소모가 적고 간단한 공정 구성만으로 중질 원유를 원활하게 공급할 수 있도록 하는 중질 원유의 저온 유동성 개선방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 에너지 소모가 적고 간단한 공정 구성만으로 중질 원유를 원활하게 공급할 수 있도록 하는 중질 원유 공급관을 제공하는 것이다.

청구항 1에 기재된 발명은, 중질 원유의 저온 유동성 개선방법이고, 중질 원유에 고전압의 전기장을 인가하는 단계를 포함한다.

청구항 1에 기재된 중질 원유의 저온 유동성 개선방법에 의하면, 별도의 교반장치나 스태틱 믹서(static mixer), 라인 믹서(line mixer)없이 중질 원유를 원활하게 공급할 수 있게 된다. 특히 특별한 첨가제나 유동성 개선제 등의 화학물질을 이용하지 않고 중질 원유의 저온 유동성을 개선하므로, 중질 원유의 종류에 제한을 두지 않고 포괄적으로 저온 유동성을 개선할 수 있는 효과가 있다.

청구항 2에 기재된 발명은, 청구항 1에 기재된 중질 원유의 저온 유동성 개선방법이고, 중질 원유가 오일샌드 비튜멘(Oil Sands bitumen), 천연역청(Natural bitumen) 또는 감압잔사유(Vacuum Residue)이다.

청구항 2에 기재된 중질 원유의 저온 유동성 개선방법에 의하면, 손쉽게 활용할 수 있는 중질 원유의 저온 유동성을 개선하므로, 공급원가가 낮아 부가가치를 높일 수 있다.

청구항 3에 기재된 발명은, 청구항 1에 기재된 중질 원유의 저온 유동성 개선방법이고, 고전압 전기장은 전극 간격 1 cm 당 7~15 kV이 되도록 전극 사이의 전압을 조절하여 형성된다.

청구항 3에 기재된 중질 원유의 저온 유동성 개선방법에 의하면, 단락이 일어날 위험성없이 중질 원유의 저온 유동성을 개선하여, 중질 원유의 고도화 장치에 중질 원유를 공급할 때, 별도의 교반장치나, 고온 펌프 등을 사용하지 않고서도 원활하게 중질 원유를 공급할 수 있게 되어, 에너지 및 운전비용을 저감할 수 있다.

청구항 4에 기재된 발명은, 청구항 1에 기재된 중질 원유의 저온 유동성 개선방법이고, 고전압 전기장은 10~25분 인가된다.

청구항 4에 기재된 중질 원유의 저온 유동성 개선방법에 의하면 효율적으로 아스팔텐의 물성 변화가 이루어져 전력소비 없이 효율적으로 중질 원유를 공급할 수 있게 된다.

청구항 5에 기재된 발명은, 중질 원유이고, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항의 중질 원유의 저온 유동성 개선방법에 의하여 저온 유동성이 개선된다.

청구항 5에 기재된 중질 원유는 유동성이 개선되어 통상적으로 이용되는 펌프로도 원료 투입 장치로부터 반응장치로의 이송이 용이하며 별도의 고온용 펌프가 필요하지 않다.

청구항 6에 기재된 발명은, 중질 원유 공급방법이고, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항의 중질 원유의 저온 유동성 개선방법을 이용한다.

청구항 6에 기재된 중질 원유의 공급방법에 의하면 별 다른 용매나 첨가제 또는 추가 공정없이 원활하게 중질 원유의 공급이 이루어지며, 또한 중질 원유의 종류에 제한받지 않고 다양한 중질 원유를 공급할 수 있다.

청구항 7에 기재된 발명은, 중질 원유 공급관(1)이고 절연관(10)과, 절연관(10)의 외측과 절연관의 내측에 각각 설치된 외부 전극(20)과 내부 전극(22), 및 외부 전극(20) 및 내부 전극(22)에 고전압 전기장을 형성하도록 고전압을 인가하는 전원(30)으로 이루어진다.

청구항 7에 기재된 중질 원유 공급관에 의하면, 별 다른 용매나 첨가제 또는 추가 공정없이 원활하게 중질 원유의 공급이 이루어지며, 또한 중질 원유의 종류에 제한받지 않고 다양한 중질 원유를 공급할 수 있다. 또한 공급관 자체가 중질 원유의 저온 유동성을 개선할 수 있으므로, 추가적인 공정이나 장치가 필요하지 않아 공정이 단순하면서도 제조단가를 낮출 수 있다. 또한, 상기 공급관은 기존의 공급라인의 일부만을 변경하여도 충분한 효과를 낼 수 있으므로, 시설변경이 용이하다.

청구항 8에 기재된 발명은, 청구항 7에 기재된 중질 원유 공급관(1)이고, 고전압 전기장은 전극 간격 1 cm 당 7~15 kV이 되도록 전극 사이의 전압을 조절하여 형성된다.

청구항 8에 기재된 중질 원유 공급관에 의하면, 단락이 일어날 위험성없이 중질 원유의 저온 유동성이 개선되어 에너지 및 운전비용을 저감할 수 있다.

청구항 9에 기재된 발명은, 청구항 7에 기재된 중질 원유의 공급관이고, 고전압 전기장은 10~25분 인가된다.

청구항 9에 기재된 중질 원유의 공급관에 의하면, 효율적으로 아스팔텐의 물성 변화가 이루어져 전력소비 없이 효율적으로 중질 원유를 공급할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 중질 원유의 저온 유동성 개선방법에 의하면, 중질 원유 내 아스팔텐의 응집이 이루어지면서 용액 내 점도가 강하되므로 중질 원유를 반응장치(고도화 장치)로 이송하기가 용이해진다.

또한, 별도의 교반기나 고온의 가열 장치 필요없이 전기장 인가만으로 점도 강하가 발생하므로 공정 구성이 매우 간단해지는 장점이 있다. 전기장 인가에는 통상 고전압이 요구되나, 전류값이 미약하여 전체 에너지 비용에 미치는 영향은 미미하다.

전기장 형성으로 인한 응집 효과는 전기장 인가가 중지되더라도 일정 기간 지속되기 때문에 투입 장치에서 반응 장치로의 이송 중에 침전되지 않아 이송 라인의 가열에 필요한 에너지 소모를 줄일 수 있는 추가적인 효과를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 중질 원유 공급관에 의하면, 단순히 기존의 공급라인의 일부에만 사용되어도 충분히 저온 유동성 개선 효과를 나타낼 수 있으므로 시설 변경이 용이하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 중질 원유 공급관을 개략적으로 나타낸 측단면도.
도 2는 도 1의 중질 원유 공급관의 단면도.
도 3은 실시예 1에 따라 비튜멘에 유동성이 생겨 흘러내린 모습을 나타낸 사진.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명은 중질 원유의 저온 유동성 개선방법이고, 중질 원유의 저온 유동성 개선방법이고, 중질 원유에 고전압의 전기장을 인가하는 단계를 포함한다.

본 발명을 개략적으로 설명하면, 중질 원유 내 아스팔텐과 아스팔텐 이외의 성분이 서로 유전상수가 다르므로, 중질 원유에 고전압의 전기장을 인가하여 용액 내의 표면성질이나 흐름특성을 변화시키는 것이다.

즉, 일정한 거리를 유지하는 두 전극에 고전압을 인가하면 양 전극 사이 공간이 축전지(capacitor)로 작용하게 되어 전기장이 형성된다. 전압차가 더욱 커지게 되면 전극 사이 공간에서 절연 파괴가 진행되어 전기가 단락된다. 전기가 단락되기 전에 형성되는 고전압 인가 전기장은 전극 사이에 채워지는 물질의 유전상수에 따라 전기장 발생 조건이 달라지게 되며, 이러한 특성들은 물질의 표면성질을 변화시킨다.

고압의 전기장이 인가될 경우, 다환 방향족으로 구성된 아스팔텐은 유전상수가 약 2.5~3.2 정도로 레진, 파라핀 왁스 등 중질유분 내 다른 성분이 갖는 유전상수인 2.0~2.2와 다르기 때문에 서로 응집이 이루어지게 되는데, 입자가 커지면서 용액 내 점도가 급격히 강하되어 유동성이 좋아지게 된다. 본 발명은 이러한 원리를 이용한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따라 저온 유동성이 개선되는 중질 원유는 아스팔텐이 포함된 중질 원유면 제한이 없으며, 예를 들어 오일샌드 비튜멘(Oil Sands bitumen), 천연역청(Natural bitumen) 또는 감압잔사유(Vacuum Residue) 등이 있다.

오일샌드는 비튜멘(bitumen)·모래·물·점토의 혼합물이다. 오일샌드가 석유로서의 의미를 갖는 것은 비튜멘을 함유하고 있기 때문인데, 비튜멘은 검은색의 무겁고 끈적끈적한 형태의 점성질 원유이다. 통상적인 원유는 물보다 가볍지만, 비튜멘은 물과 비슷한 비중을 가진다. 이러한 비튜멘은 자연 상태에서는 시추공이나 송유관 내에서 흐르지 않기 때문에 열을 가하거나 희석제(초경질원유 혹은 경질석유제품)와 혼합해 비중과 점성도를 낮춘 후 송유관으로 수송이 가능하다는 점에서 통상적인 원유와는 다른 특징을 보인다.

오일샌드 채굴방식은 노천채굴과 지하회수법으로 나뉘는데, 노천채굴은 지표면(75m이내에 적용)에 묻혀있는 오일샌드를 석탄 캐듯이 파내어 지상설비에서 비튜멘을 분리한 후 개질과정을 거친다. 이에 반해 지하회수법은 깊은 땅속에 있는 것을 채굴하는 방식으로 땅속에 파이프를 삽입하고 증기를 집어넣은 후 열을 통해 오일샌드 덩어리에서 비튜멘을 분리한 후 지상으로 끌어 올린다. 지하회수법은 오일샌드가 지하깊이(75m 이하)로 매장되어 있는 경우, 시추정을 통해 열을 가해 비튜멘을 분리한 후 뽑아 올리는 방식으로 CSS(Cyclic Steam Stimulation) 공법과 SAGD(Steam Assisted Gravity Drainage)공법이 있다. CSS방식은 수직관을 통해 오일샌드에 증기열을 가해 액화된 비튜멘을 추출하는 공법이고 SAGD는 수평관을 통해 오일샌드에 증기열을 가해 액화된 비튜멘을 바로 아래에 위치한 다른 수평관을 통해 추출하는 공법이다. 이들 방식은 고압, 고온의 스팀을 사용하여야한다.

한편, 중질 원유는 천연 역청(natural bitumen), 초중질유(extra heavy oil) 등과 같은 탄화수소계 물질일 수 있다. 천연 역청(natural bitumen)과 초중질유(extra heavy oil)는 석유 및 각종 석유 제품으로서 사용하기 위해 지질(earth's crust)로부터 추출되는 액상 탄화수소의 혼합물이다. 이들은 조성과 비율이 넓게 변화하는 혼합물이기 때문에, 물리적인 특성 넓게 변화되고, 많은 천연 역청과 초중질유는 오일내의 오염물질로 인하여 극히 사용이 제한되어 있는 상황이다.

한편, 중질 원유로 감압 잔사유(Vacuum Residue)를 사용할 수 있다. 감압 잔사유는 정유공정에서 상압증류공정(CDU: Crude Distillation Unit)에서 발생하는 상압잔사유(AR: Atmospheric Residue)로부터 감압가스오일(VGO: Vacuum Gas Oil)을 분리하는 감압증류공정(VDU: Vacuum Distillation Unit)에서 발생하는 잔사유이다. 감압잔사유는 API(American Petroleum Institute) 비중이 매우 낮고, 잔류탄소분이나 황분, 중금속 함량이 높은 특징이 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면 고전압 전기장은 전극 간격 1 cm 당 7~15 kV이 되도록 전극 사이의 전압을 조절하여 형성된다. 전압이 너무 낮을 경우 전기장 형성이 미미하며 너무 높을 경우 단락이 일어날 위험성이 높아지기 때문이다. 전압 전기장을 형성하는 전극의 간격은 기술이 허용하고 본 발명의 효과를 얻을 수 있는 한 그 크기는 제한하지 않는다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 고전압 전기장은 10~25분 인가될 수 있다. 고전압이 인가되는 경우 일부 아스팔텐이 응집되나 아스팔텐이 충분히 응집되어 점도 강하 효과를 얻기 위해서는 일정 시간 이상을 인가하는 것이 바람직하며, 적어도 5분 이상 인가되어야 한다. 다만 너무 오래 인가하는 것은 경제적 측면에서 바람직하지 못하다. 5분 미만일 경우 전기장 형성에 의한 아스팔텐 물성 변화 효과가 적고, 30분을 넘길 경우 전기장 형성이 불안해질 수 있기 때문이다.

따라서 10~25분의 인가 시간은 아스팔텐이 충분히 응집되어 일정시간 동안 유동성을 유지할 수 있게 하는 시간이다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 그러나 이는 설명을 위한 것에 불과하며 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중질 원유 공급관(1)의 측단면을 개략적으로 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 중질 원유 공급관(1) 단면을 개략적으로 나타낸 것이다.

중질 원유 공급관(1)은, 절연관(10)과, 절연관(10)의 외측과 절연관의 내측에 각각 설치된 외부 전극(20)과 내부 전극(22), 및 외부 전극(20) 및 내부 전극(22)에 고전압 전기장을 형성하도록 고전압을 인가하는 전원(30)으로 이루어진다. 먼저 오일샌드 비튜멘, 천연역청, 감압잔사유 등의 중질 원유(F)를 원료 투입장치(미도시)에 투입된 후 중질 원유 공급관(1)에 공급되어 중질 원유 공급관(1)을 통과할 때, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 전원(S)에 의하여 중질 원유 공급관(1)의 외부 전극(20) 및 내부 전극(22)을 통해 고전압이 인가되어 고전압 전기장이 형성되면, 중질 원유 공급관(1)의 중질 원유 유로(40)를 흐르는 중질 원유 내의 아스팔텐이 응집되어 점도가 강하되어 유동성이 상승하게 된다.

상기 오일 공급관(1)은 연료 투입장치로부터 반응장치로 중질 원유를 이송하는 모든 구간에 장착할 수도 있지만 공급 라인의 일부만을 변경하여도 전압 세기 및 전압 인가의 시간을 조절하여 충분히 저온 유동성을 높일 수 있다.

한편, 중질 원유의 저온 유동성을 개선하는 방법은, 원료 투입장치는 고전압이 인가될 수 있는 형태로도 제작할 수 있다.

본 발명에 따른 중질 원유 투입장치 또는 중질 원유 공급관을 사용하면 중질 원유 투입장치에서 반응장치로의 이송이 통상적으로 사용하는 펌프로도 가능해지고, 저온에서도 유동성이 우수하기 때문에 별도의 고온용 펌프가 필요하지 않다.

이하 본 발명의 내용을 실시예 및 시험예를 통하여 구체적으로 설명한다. 그러나 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 하기의 실시예 및 시험예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1: 고전압 전기장 인가에 의한 중질 원유의 저온 유동성 개선

실린더 타입의 전기장 발생 장치 내에 API 비중(American Petroleum Institute gravity)이 8.23˚인 캐나다 아사바스카(Athabasca) 오일샌드 비튜멘 30 g을 도입하였다. 전기장 발생장치 내에서 고전압은 내부 전극과 외부 전극에 인가되며, 양 전극 사이에 석영관을 절연벽으로 설치함으로써 고전압 인가 시 전기단락이 발생할 수 있는 가능성을 최소화하여 균일한 전기장이 형성되도록 하였다. 외부 전극이 장착되는 석영관의 규격은 외경 30.2 mm, 내경 25.8 mm, 길이 350 mm이며, 내부 전극은 직경 0.3 mm의 스테인레스 강관을 사용하였다. 또한, 고전압 인가용 전원 장치는 220 V, 60Hz의 상용 교류 전원을 사용하였으며, 최대 20 kV까지 승압할 수 있도록 제작하였다. 실린더 하부에 다공성 판을 장착하여 중질유분의 유동성 향상을 관찰하였다.

전극 내의 전압을 13 kV까지 점차 상승시켜 전기장을 형성시켰다. 13 kV 전압에서 5분 동안 고전압을 인가하였다. 전기장이 도입되면서 비튜멘이 흘러 내림을 확인할 수 있었다(도 3).

상술한 바와 같이, 특별한 첨가제나 유동성 개선제등을 추가하지 않고서도 고전압 전기장을 인가하는 것만으로도 중질 원유의 유동성이 상승한 것을 알 수 있었다.

1: 중질 원유 공급관 10: 절연관
20: 외부 전극 22: 내부 전극
F: 중질 원유 30: 전원
40: 중질 원유 유로

Claims

중질 원유에 고전압의 전기장을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 중질 원유의 저온 유동성 개선방법.
제1항에 있어서,
상기 중질 원유가 오일샌드 비튜멘(Oil Sands bitumen), 천연역청(Natural bitumen) 또는 감압잔사유(Vacuum Residue)인 것을 특징으로 하는 중질 원유의 저온 유동성 개선방법.
제1항에 있어서,
상기 고전압 전기장은 전극 간격 1 cm 당 7~15 kV이 되도록 전극 사이의 전압을 조절하여 형성된 것을 특징으로 하는 중질 원유의 저온 유동성 개선방법.
제1항에 있어서,
상기 고전압 전기장은 10~25분 인가되는 것을 특징으로 하는 중질 원유의 저온 유동성 개선방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 중질 원유의 저온 유동성 개선방법에 의하여 저온 유동성이 개선된 것을 특징으로 하는 중질 원유.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 중질 원유의 저온 유동성 개선방법을 이용한 것을 특징으로 하는 중질 원유 공급방법.
절연관(10)과,
상기 절연관(10)의 외측과 상기 절연관의 내측에 각각 설치된 외부 전극(20)과 내부 전극(22), 및
상기 외부 전극(20) 및 상기 내부 전극(22)에 고전압 전기장을 형성하도록 고전압을 인가하는 전원(30)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중질 원유 공급관.
제7항에 있어서,
상기 고전압 전기장은 전극 간격 1 cm 당 7~15 kV이 되도록 전극 사이의 전압을 조절하여 형성된 것을 특징으로 하는 중질 원유 공급관.
제7항에 있어서,
상기 고전압 전기장은 10~25분 인가되는 것을 특징으로 하는 중질 원유 공급관.