KR20150001724A - 멤브레인 벽 가스화기 및 발전에서 전체 원유의 가스화를 위한 통합 공정 - Google Patents

멤브레인 벽 가스화기 및 발전에서 전체 원유의 가스화를 위한 통합 공정 Download PDF

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Abstract

멤브레인 벽 가스화 반응기에서 저가의 미세하게 분할된 고체 애쉬-생산 물질과 혼합된 전체 원유의 부분 산화를 위한 통합 공정은 수성-가스 시프트 반응에 신가스를 적용시켜 더 많은 수소-풍부 생산물 스트림을 생산한다. 공정 스팀 및 전력은 고온의 신가스로부터 현열 가치를 회수하여 생산된다.

Description

멤브레인 벽 가스화기 및 발전에서 전체 원유의 가스화를 위한 통합 공정 {INTEGRATED PROCESS FOR THE GASIFICATION OF WHOLE CRUDE OIL IN A MEMBRANE WALL GASIFIER AND POWER GENERATION}
본 출원은 2012년 3월 27일 출원한 미국 가 특허 출원 제61/616,179호에 우선권을 주장하고, 이의 전체적인 내용은 참조로서 본 명세서에 혼입된다.
본 발명은 합성 가스 (synthesis gas) 및 전력을 생산하기 위해 멤브레인 벽 가스화 반응기 (membrane wall gasification reactor)에서 전체 원유 공급원료 (feedstock)의 부분 산화를 위한 공정에 관한 것이다.
가스화 (Gasification)는 기술분야에 잘 알려져 있고, 이것은 정유공장 버텀 (refinery bottoms)을 포함하는, 고체 및 중질 액체 화석 연료에 적용하여 전 세계적으로 실행된다. 상기 가스화 공정은 석탄, 석유, 바이오연료, 또는 바이오매스 (biomass)와 같은, 탄소함유 물질 (carbonaceous materials)을 산소와 함께 고온, 즉, 800℃를 초과하는 온도에서 합성 가스 ("신가스 (syngas)"), 스팀 및 전력으로 전환시키기 위해 부분 산화를 이용한다. 일산화탄소 및 수소로 이루어진 신가스는 내연기관에서 직접 태울 수 있거나, 또는 공지의 합성 공정을 통하여 메탄올과 같은, 다양한 화학제의 제조 및 피셔-트롭쉬 공정 (Fischer-Tropsch process)을 통해 합성 연료를 만드는데 사용된다.
정유공장 작동에 있어서, 주공정 블록은 공급원료를 수소, 동력 및 스팀으로 전환시키는, 통합된 가스화 조합 사이클 (Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC))로서 알려져 있다. 도 1은, 피드 제조 섹션 (feed preparation section) (102), 가스화 반응기 (104), 공기 분리 유닛 (180), 신가스 퀀칭 (quench) 및 냉각 유닛 (110), 수성-가스 시프트 반응기 (water-gas shift reactor) (120), 산 가스 제거 (AGR) 및 황 회수 유닛 (SRU) (130), 가스 터빈 (140), 열 회수 스팀 발생기 (HRSG) (150), 및 스팀 터빈 (160)을 포함하는, 종래의 통상적인 IGCC의 공정 흐름도를 나타낸다.
통상적인 IGCC에 있어서, 공급원료는 상기 피드 제조 섹션 (102)으로 공급선 (101)을 통해 도입된다. 상기 제조된 공급원료는 그 다음 미리 결정된 양의 상기 공기 분리 유닛 (180)으로부터 생산된 산소 (103)와 함께 상기 가스화 반응기 (104)로 통과된다. 상기 공급원료는 상기 신가스 퀀칭 및 냉각 유닛 (110)으로 전달되는 고온의 신가스 (106)를 생산하기 위해 상기 가스화 반응기 (104)에서 부분 산화된다. 고온의 신가스 (106)는 냉각된 신가스 (114) 및 스팀을 생산하기 위해 보일러 공급수 (156)로 냉각된다. 상기 스팀 (112)의 일부는 시프트된 가스 (122)를 생산하기 위해 상기 수성-가스 시프트 반응기 (120)로 통과되고 사용되며, 상기 스팀 (116)의 잔여 부분은 상기 HRSG (150)에서 소비된다. 시프트된 가스 (122)는 이산화탄소 (136), 황 (138); (132)에서 회수된 수소 신가스의 일부를 분리하고 방출하기 위해 상기 AGR/SRU (130)에서 처리된다. 가스 터빈 피드 (134)로서 확인된, 상기 수소 신가스의 제2 부분은, 공기 피드 (142)와 함께 가스 터빈 (140)으로 통과되고, 전력 (144)을 생산하기 위해 연소된다. 상기 가스 터빈 (140)으로부터 고압 연소 가스 방출물 (146)은 부가적인 전력 (162)을 생산하기 위해 스팀 터빈 (160)에 사용되는 스팀을 발생시키기 위해 상기 HRSG (150)으로 전달된다.
상기 공기 분리 유닛 (180) 및 다운스트림 공정의 대부분은 높은 온-스트림 신뢰 요인 (high on-stream reliability factors)을 갖는 성숙 기술 (mature technologies)을 활용한다. 그러나, 상기 가스화 반응기 (104)는 상기 피드의 특성 및 상기 반응기의 디자인에 의존하여, 3 내지 18 개월에 불과할 수 있는 상대적으로 제한된 수명을 갖는다.
상기 가스화 반응기 기술의 3개의 주된 타입은 이동층, 유동층 및 비말동반-흐름 시스템 (entrained-flow systems)이다. 3개의 타입의 각각은 고체 연료와 함께 사용될 수 있지만, 오직 비말동반-흐름 반응기은 액체 연료를 효율적으로 처리하는 것으로 입증되었다. 비말동반-흐름 반응기에 있어서, 상기 연료, 산소 및 스팀은 공-환형 버너 (co-annular burner)를 통하여 가스화기의 상부에서 주입된다. 상기 가스화는 약 40 bars 내지 60 bars의 압력 및 1300℃ 내지 1700℃ 범위의 온도에서 작동하는 내화성-라이닝 용기 (refractory-lined vessel)에서 일반적으로 수행된다.
두 가지 타입의 가스화기 벽 구조가 있다: 내화성 및 멤브레인. 상기 가스화기는 통상적으로 부식성 슬래그, 열적 사이클링, 및 1400℃ 내지 1700℃ 범위의 상승된 온도로부터 반응 용기를 보호하기 위해 내화성 라이너 (liners)를 사용한다. 상기 내화물은 신가스 및 슬래그의 발생으로부터 부식성 성분의 침투 및, 그 이후에, 반응물이 내화성 물질의 강도 저하를 결과하는 상당한 부피 변화를 겪는 후속 반응에 대해 적용된다. 상기 열화된 내화성 라이닝의 교체는 제공된 반응기에 몇 주의 정지시간 및 일 년에 몇백만 달러의 비용이 들 수 있다. 지금까지, 해법은 정지시간 동안 필요한 연속적인 작동 능력을 제공하기 위해 제2 또는 병행 가스화기의 설치이었지만, 이러한 이중의 바람직하지 않은 결과는 유닛 작동과 연관된 자본 비용에서 상당한 증가가 있다.
선택적인 멤브레인 벽 가스화기 기술은 내화성 물질의 층에 의해 보호된 냉각 스크린을 사용하여, 용융된 슬래그가 반응기의 버텀에서 퀀칭 영역으로 아래쪽으로 흐르고 고화되는 표면을 제공한다. 상기 멤브레인 벽 반응기의 장점은 다른 시스템과 비교하여 감소된 반응기 치수; 내화성 벽 반응기에 대해 50%의 온-스트림 시간에 비교하여, 90%의 상당히 큰 평균 온-스트림 시간; 내화성 벽 반응기의 경우와 같이 연속적인 작동을 유지하기 위한 병행 반응기를 구비하여야 할 필요의 제거; 및 수-냉식 벽 섹션에 자기-보호를 제공하는 고체 및 액체 슬래그의 층의 빌드-업 (build-up)을 포함한다.
멤브레인 벽 가스화기에 있어서, 상기 벽에 고체화된 무기물 애쉬 슬래그의 층의 빌드-업은 상기 벽을 통한 내화성 열화 및 열 손실을 최소화하거나 또는 감소시키는 부가적인 보호 표면 및 절연체로서 작용한다. 상기 수-냉식 반응기 디자인은 또한 열화에 적용되는 두꺼운 다-층의 고가의 내화물의 구조를 요구하는, "고온의 벽" 가스화기 작동이라 말하는 것을 회피한다. 상기 멤브레인 벽 반응기에 있어서, 상기 슬래그 층은 상대적으로 차가운 표면상에 고체의 증착으로 연속적으로 새롭게 된다. 또 다른 장점은 짧은 시동/정지 시간; 상기 내화성 타입 반응기보다 더 낮은 유지비; 및 높은 애쉬 함량을 갖는 공급원료를 가스화시키는 능력을 포함하고, 이에 의해 광범위한 석탄, 석유 코크스 (petcoke), 석탄/석유 코크스 혼합물, 바이오매스 공-피드 (co-feed) 및 액체 공급원료를 처리하는데 더 큰 적응성을 제공한다.
고체 공급원료를 처리하는데 채택된 두 개의 주된 타입의 멤브레인 벽 반응기 디자인이 있다. 하나의 이러한 반응기는 고체 연료, 예를 들어, 석유 코크스에 대한 몇몇 버너가 장착된 업-플로우 공정에서 수직관 (vertical tubes)을 사용한다. 두 번째 고체 공급원료 반응기는 모든 연료에 대해 나사선관 (spiral tubes) 및 다운-플로우 공정을 사용한다. 고체 연료에 대하여, 약 500MWt의 열 출력을 갖는 단일 버너는 상업적 이용을 위해 개발되었다. 이러한 반응기 모두에 있어서, 상기 관에서의 가압된 냉각수의 흐름은 용융된 슬래그의 하부 흐름을 보장하고, 상기 내화물을 냉각하도록 제어된다. 두 시스템은 고체 연료로 높은 활용은 입증되었지만, 액체 연료는 아니다.
상기 가스화 반응기는 합성 가스, 또는 신가스를 생산하기 위해 작동된다. 액체 연료 및 석유화학제품의 생산을 위하여, 주요 파라미터는 건조 신가스에서 수소-대-일산화탄소의 몰 비이다. 이러한 비율은 통상적으로 상기 공급원료의 특성에 의존하여, 0.85:1 및 1.2:1 사이이다. 상기 신가스의 부가적인 처리는 피셔-트롭쉬 적용을 위해 탄화수소-대-탄소의 비를 2:1로 증가시키거나, 또는 CO+H2O → CO2+H2로 표시되는 수성-가스 시프트 반응 (water-gas shift reaction)을 통해 부가적인 수소를 생산하기 위해 요구된다. 몇몇 경우에 있어서, 상기 신가스의 일부는 전력 및 스팀을 생산하기 위해 결합 사이클에서 약간의 오프 가스 (off gases)와 함께 태워진다. 이러한 공정의 전체 효율은 44% 및 48% 사이이다.
가스화 공정이 이의 의도된 목적을 위해 잘 개발되고 적절한 반면, 전체 원유 공정과 연관된 이의 적용은 제한되었다. 통상적인 정유공장에 있어서, 전체 원유는 36℃ 내지 180℃의 범위에서 비등하는 나프타, 180℃ 내지 370℃의 범위에서 비등하는 디젤, 및 370℃ 이상에서 비등하는 상압 버텀을 포함하는 다양한 다른 성분으로 분리되는 상압 증류 컬럼 또는 원유 타워에서 처음에 처리된다. 상기 상압 버텀 잔사유는 370℃ 내지 520℃의 범위에서 비등하는 감압 경질 유분 (VGO) 및 520℃ 이상에서 비등하는 중질 감압 잔사유로 분리되는 감압 증류 컬럼에서 더욱 처리된다. 상기 VGO는 나프타 및 디젤을 생산하기 위한 수첨분해 (hydrocracking), 또는 가솔린 및 사이클 오일을 생산하기 위한 유동 접촉 분해 (fluid catalytic cracking) (FCC)에 의해 더욱 처리될 수 있다.
본 발명에 의해 다루어진 문제는 같은 정유공장에서 다른 공정에 대한 공급스트림 (feedstream)로서 사용되거나, 또는 메탄올 및/또는 합성 연료를 생산하는데 사용될 수 있는 농후 수소 시스템 (enriched hydrogen system) 및/또는 신가스를 생산할 수 있고, 및 경제적으로 실행가능한 공정에 상대적으로 저가의 전체 원유 공급원료를 직접 전환시키는데 있다.
본 발명은 신가스 및/또는 수소를 생산하고 전력을 발생시키기 위해 멤브레인 벽 가스화 반응기에서 공급원료의 부분 산화에 의한 전체 원유의 통합 공정을 포괄한다.
일 구현 예에 따르면, 전체 원유의 가스화를 위한 공정은 하기 단계를 포함한다:
a. 공급원료의 탄소 함량에 기초한 미리 결정된 양의 산소 및 스팀과 함께 멤브레인 벽 가스화 반응기로 고체 애쉬-생산 물질 (solid ash-producing material)과 혼합된 전체 원유 공급원료를 도입시키는 단계;
b. 상기 전체 원유를 고온의 원료 합성 가스의 형태로 수소 및 일산화탄소를 생산하기 위해 부분 산화에 적용시키는 단계;
c. 상기 고온의 원료 합성 가스를 냉각시키고 스팀을 생산하기 위해 스팀-발생 열교환기로 상기 고온의 원료 합성 가스를 통과시키는 단계;
d. 전력을 생산하기 위해 상기 열교환기로부터의 스팀을 터빈으로 도입시키는 단계; 및
e. 냉각된 합성 가스를 회수하는 단계.
본 발명의 하나 이상의 부가적인 구현 예에 따르면, 상기 전체 원유의 가스화를 위한 공정 및 장치는 CO+H2O → CO2+H2로 표시되는 수성-가스 시프트 반응을 통해 일산화탄소를 수소로 전환시키고, 이에 의해 시프트된 신가스에서 수소의 부피를 증가시키는 수성-가스 시프트 반응 용기를 더욱 포함한다.
여기에 사용된 바와 같은, 용어 "애쉬-생산 물질" 및 "애쉬-형성 물질"은 동의어이고, 상기 멤브레인 벽 반응기에서 슬래그를 형성하는 고체 애쉬를 생산하는 물질을 의미한다.
본 발명의 공정에 사용된 상기 고체 애쉬-생산 물질은 Si, Al, Fe, Ca, Mg, P, K, Na, S 및 Ti, 및 이의 혼합물의 천연 및 합성 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되고, 미세하게 분할된 입자의 형태이며, 상기 전체 원유와 혼합되고, 상기 공급원료의 총 중량의 2중량% 내지 5중량%를 구성한다.
본 발명의 공정의 다른 관점, 구현 예 및 장점은 이하 상세히 논의된다. 또한, 전술한 정보 및 하기 상세한 설명 모두는 다양한 관점 및 구현 예의 단지 예시적인 실시 예이고, 청구된 특성 및 구현 예들의 본질 및 특징을 이해하기 위한 개요 또는 틀거리를 제공하기 위한 것으로 의도된다. 첨부된 도면은 다양한 관점 및 구현 예들의 부가적인 이해 및 예시를 제공하는 것을 포함한다. 본 명세서의 나머지와 함께 도면은, 기재되고 청구된 관점 및 구현 예들의 원칙 및 작동의 설명을 제공한다.
상기 발명의 내용뿐만 아니라, 하기 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 첨부된 도면을 참조하여 읽을 경우 잘 이해될 것이다:
도 1은 종래의 통합된 가스화 조합 사이클 공정의 개략적인 다이어그램이다.
도 2는 본 발명에 따른 전체 원유 공급원료의 가스화를 위한 공정의 개략적인 다이어그램이다.
멤브레인 벽 가스화 반응기에서 전체 원유 공급원료의 부분 산화에 의해 신가스 및/또는 수소의 생산을 위한 통합 공정 및 전력을 생산하기 위한 연관 스팀 터빈은 도 2의 개략적인 다이어그램을 참조하여 설명될 것이다.
상기 전체 원유 가스화 장치 (200)는 멤브레인 벽 가스화 반응기 (210), 열교환기 (220), 터빈 (230) 및 수성-가스 시프트 반응 용기 (240)를 포함한다. 여기에 기재된 장치 (200)의 구현 예가 상기 신가스에서 일산화탄소의 일부 또는 전부를 전환시켜 수소의 생산량을 향상시키는 수성-가스 시프트 반응 용기를 포함하는 반면, 장치 (200)와 유사한 선택적인 구현 예는 상기 수성-가스 시프트 반응 용기없이 실행될 수 있는 것에 주목된다.
멤브레인 벽 가스화 반응기 (210)는 전체 원유 공급원료를 도입하기 위한 도관 (213)과 유체 연통하는 주입구 (211), 제어된 양의 고체 애쉬-생산 물질을 도입하기 위한 도관 (219), 제어된 양의 산소의 가압된 스트림 또는 산소-함유 가스를 도입하기 위한 도관 (215), 및 제어된 양의 스팀을 도입하기 위한 도관 (217)을 포함한다. 멤브레인 벽 가스화 반응기 (210)는 또한 고온의 원료 신가스를 방출하기 위한 배출구 (212)를 포함한다.
열교환기 (220)는 상기 멤브레인 벽 가스화 반응기 (210)의 배출구 (212)와 유체 연통하는 주입구 (221), 스팀을 방출하는 배출구 (222), 및 냉각된 신가스를 방출하는 배출구 (224)를 포함한다.
터빈 (230)은 상기 열교환기 (220)의 배출구 (222)와 유체 연통하는 주입구 (231), 및 발생된 전력을 전송하기 위한 전기 도체 (232), 및 저압 스트림용 배출구 (234)를 포함한다.
상기 선택적 수성-가스 시프트 반응 용기 (240)는 냉각된 신가스를 수용하기 위해 3-원 밸브 (226)를 통해 상기 열교환기 (220)의 배출구 (224) 및 제어된 양의 스팀을 도입하기 위한 도관 (243)과 유체 연통하는 주입구 (241), 및 상기 수소 풍부 시프트된 신가스 생산물을 방출하기 위한 배출구 (242)를 포함한다.
본 발명의 방법의 실행에 있어서, 전체 원유 공급원료는 도관 (219)을 통해 미리 결정된 양의 고체 애쉬-생산 물질, 도관 (215)을 통해 미리 결정된 양의 산소 또는 산소-함유 가스, 및 도관 (217)을 통해 미리 결정된 양의 스팀과 함께 상기 멤브레인 벽 가스화 반응기 (210)로 도관 (213)을 통해 가압된 공급원료로 도입된다. 상기 반응기의 작동을 최적화하기 위하여, 원유 피드의 탄소 함량의 분석은 상기 가스화기로 도입될 수 있는 산소의 화학양론적 양을 결정하기 위하여 미리 얻어질 수 있다. 이러한 목적에 적합한 탄소 분석의 하나의 방법은 ASTM D-5291에 기재되어 있다.
상기 전체 원유 및 고체 물질은, 예를 들어, 인라인 믹서, 유동 믹싱 (flow-through mixing) 용기 또는 다른 알려진 장치를 사용하여 혼합된다. 원유 및 고체 애쉬-생산 물질의 혼합물은 고온의 원료 신가스의 형태로 수소 및 일산화탄소를 생산하기 위해 상기 멤브레인 벽 가스화 반응기 (210)에서 부분 산화된다. 본 발명의 공정의 특정 장점은, 연소를 위해 요구된 모든 열량 값 (fuel values)이 상기 전체 원유의 경질 성분 (lighter component)에 존재하기 때문에, 가스화 온도를 유지하기 위하여 보조 또는 보충 연료 가스가 요구되지 않는다는 것이다. 상기 애쉬-생산 물질로부터 가스화 반응기에서 형성된 슬래그는 또한 상기 원유에 존재하는 몇몇 성분들에 의해 보충된다.
고온의 원료 신가스는 상기 멤브레인 벽 가스화 반응기 (210)의 배출구 (212)로부터 방출되고, 배출구 (224)를 통해 방출되는 냉각된 신가스를 생산하기 위해 상기 열교환기 (220)의 주입구 (221)로 통과된다. 상기 열교환기 (220)의 배출구 (222)로부터 방출된 스팀은 도체 배출구 (232)를 통해 전송되는 전력을 생산하기 위해 터빈 (230)의 주입구 (231)로 통과된다. 상기 터빈으로부터의 저압 스팀은 배출구 (234)를 통해 방출된다.
어떤 구현 예에 있어서, 상기 냉각된 신가스의 적어도 일부는 도관 (243)을 통해 도입된 스팀과 함께 상기 수성-가스 시프트 반응 용기 (240)의 주입구 (241)로 밸브 (226)를 통해 이송된다. 상기 스팀은 상기 스팀 발생기 (220)로부터 선택적으로 유도될 수 있다. 일산화탄소는 CO+H2O → CO2+H2로 표시되는 수성-가스 시프트 반응을 통해 스팀의 존재하에서 수소로 전환된다. 상기 일산화탄소의 함량은 상기 수성-가스 시프트 반응 이후에 1 mole% 이하로 감소된다. 수소, 이산화탄소, 미반응된 일산화탄소 및 다른 불순물의 혼합물은 시프트된 신가스로서 배출구 (242)를 통해 방출된다. 고순도 수소 가스는 압력 변동 흡착 (pressure swing adsorption) (PSA)과 같은 공정, 또는 멤브레인, 흡착, 흡수, 또는 이들의 조합에 의해 선택적으로 회수된다.
여기에 기재된 공정에 대한 상기 공급원료는 36℃ 내지 약 1500℃의 범위, 또는 2000℃까지에서도 비등하는 전체 원유이다. 상부 값은 기술분야에 보고된 연구 및 원유에 존재하는 매우 높은 고분자 화합물의 존재에 기초하여 추정된다. Katz , D.L. et al ., " Predicting Phase Behavior of Condensate / Crude Oil Systems Using Methane Interaction Coefficients ", Journal of Petroleum Technology , (1978), 1649 and Boduszynski , M. et al ., " Oil & Gas Journal , Sept. 11, 1995." 참조. 상기 공급원료는 36℃ 내지 370℃ 범위에서 비등하는 경질 분획의 10% 미만으로부터 약 60중량%까지 함유하는 경질 원유일 수 있다. 상기 공급원료는 36℃ 내지 565℃ 범위에서 비등하는 경질 분획의 25% 미만으로부터 약 90중량%까지 함유하는 중질 역청이 든 (bituminous) 원유일 수 있다. 상기 경질 분획의 상기 수소 함량은 통상적으로 12 내지 16 w% 범위이다.
상기 전체 원유 반응기 피드에 고체 애쉬-생산 물질의 첨가는 액체 슬래그의 보호 코팅을 형성하기 위하여 냉각된 반응기 측벽 상에 응축시키기 위한 충분한 용융 애쉬를 생산하기 위해 요구된다. 비록 상기 전체 원유가 연소시 용융 애쉬 입자를 생산하는 약간의 구성분을 함유할지라도, 상기 원유에 존재하는 이러한 애쉬-생산 구성분의 총 부피는 상기 반응기 벽 상에 보호 슬래그 코팅을 생산하는데 단독으로는 충분하지 않다. 상기 고체 애쉬-생산 물질은 천연 및/또는 합성 산화물을 함유할 수 있다. 상기 반응기 벽 상에 슬래그를 형성하기 위한 적합한 물질은 주기율표의 IA-VA, IVB, VIIIB 족으로부터의 하나 이상의 원소 산화물이다. 바람직한 화합물은 Si, Al, Fe, Ca, Mg, P, K, Na, S 및 Ti를 함유하는 하나 이상의 산화물을 포함한다. 상기 산화물은 석탄의 부분 연소에 의해 통상적으로 생산된 타입이다. 감압 잔사유, 역청과 같은 중질 오일, 및 아스팔트 및 코크스와 같은 고체에 존재하는 황의 양은 많고, 형성된 산화물은 고체 황산염 또는 아황산염이다. 상기 고체 애쉬-생산 물질 함량은, 바람직한 범위에서 더 낮은 값으로, 상기 전체 원유의 2%로부터 10 w%까지 구성할 수 있다.
상기 고체 애쉬-생산 물질은 바람직하게는 건조 상태에서 자유롭게-유동하는 미세하게 분할된 입자의 형태이다. 상기 입자 크기는 상기 반응기에서 노즐 또는 다른 분배 수단의 어떤 막힘을 피하도록 충분히 작다. 상기 입자는 타일러 (Tyler) 메쉬 크기 35 스크린을 통과할 수 있다. 이러한 입자는 유동 피드 스트림 전반적으로 그들의 분포를 제공하도록 상기 멤브레인 벽 반응기의 업스트림에 상기 액체 피드로 충분할 만큼 도입될 수 있다. 상기 입자의 충분한 만큼의 균일한 혼합을 확신하기 위하여, 상기 피드 스트림은 인-라인 믹서, 또는 그것이 첨가되는 액체 물질에서 건조 물질의 원하는 혼합 정도를 달성하기 위해 기술분야에 알려진 다른 장치를 통하여 통과될 수 있다.
다른 구현 예에 있어서, 상기 건조 미립자 물질은, 상기 전체 원유와 혼합을 촉진하기 위해, 계면활성제와 함께, 예를 들어, 스프레이로 취급될 수 있다. 펌핑 및 계량을 촉진하기 위하여, 상기 건조 미립자 물질은 분리 혼합 용기에서 상기 전체 원유 피드의 일부와, 또는 약간의 다른 액체 탄화수소 물질과 미리 혼합될 수 있고, 및 필요에 따라 저장되거나 직접 회수되며, 고체 애쉬-생산 물질의 원하는 중량 퍼센트를 달성하기 위해 전체 원유 피드에 적절한 비율로 농축된 고체/액체 혼합물로서 첨가될 수 있다.
일반적으로, 상기 멤브레인 벽 가스화 반응기에 대한 작동 조건은 1200℃ 내지 1800℃ 범위의 온도; 30 bars 내지 100 bars 범위의 압력; 0.1:1 내지 2:1 범위, 어떤 구현 예에 있어서 0.5:1 내지 2:1, 및 또 다른 구현 예에 있어서 1:1 to 5:1 범위의 상기 공급원료의 산소-대-탄소 함량의 몰 비; 0.1:1 내지 10:1의 범위, 어떤 구현 예에 있어서 0.1:1 내지 2:1, 및 또 다른 구현 예에 있어서 0.4:1 내지 0.6:1 범위의 상기 공급원료의 스팀-대-탄소 함량의 몰 비를 포함한다.
상기 수성-가스 시프트 반응에 적용된 신가스의 특성은 150℃ 내지 400℃ 범위의 온도; 1 bar 내지 60 bars 범위의 압력; 및 5:1 내지 3:1 범위의 물-대-일산화탄소의 몰 비이다.
분명한 장점은 다른 전체 원유 공정과 비교한 경우 여기에 기재된 장치 및 공정들에 의해 제공된다. 본 발명은 전체 원유의 증류에 관련된 비용을 제거한다. 가치있는 신가스 및/또는 수소 가스, 공정 스팀 및 전력은 온-사이트 정유공장 (on-site refinery) 사용을 위해 효율적으로 생산된다. 본 발명의 공정은 수첨 공정 (hydroprocessing)을 위해 수소가 요구되고 천연 가스는 이용가능하지 않는 경우에 특별한 장점으로 실행될 수 있다. 이것은 통상적으로 가솔린, 제트 연료, 및 디젤 수송 연료와 같은, 깨끗하고 경질 생산품에 수요를 충족시키기 위해 전체 전환이 요구되는 때의 정제공장에서 경우이다.
실시 예
모델링에 기초한 본 실시 예에 있어서, 총 액체 피드의 약 3중량%를 나타내는 31.3 kg의 미세하게 분할된 고체 애쉬 물질을 함유하는 968.7 kg의 전체 원유의 혼합물로 이루어진 1000 kg 샘플은 가압된 공급원료로서 멤브레인 벽 가스화 반응기에 도입된다. 상기 가스화 반응기는 1045℃ 및 28 bars에서 작동된다. 스팀-대-탄소의 비는 중량비로 0.6:1이다. 산소-대-탄소의 비는 중량비로 1:0.85이다. 상기 전체 원유는 고온의 원료 신가스로 회수되는 수소 및 일산화탄소를 생산하기 위해 부분 산화되고, 스팀을 발생시키기 위해 열교환기로 통과된다. 상기 냉각된 원료 신가스는 수소 수율을 증가시키기 위해 수성-가스 시프트 반응 용기로 보내진다. 상기 수성-가스 시프트 반응은 318℃ 및 1 bar에서 수행된다. 스팀-대-일산화탄소의 몰 비는 3:1이다. 생산 수율은 표 1에 정리되었다. 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 968.7 kg의 전체 원유의 가스화는 256.2 kg의 수소 가스를 생산한다.
가스화 수율
스트림 (주입구 ((213)를 통한)
전체 원유		 (도관 ((215)을 통한)
산소		 (도관 ((217)을 통한)
스팀		 (배출구 ((224) 및 주입구 (241)를 통한)
원료 신가스		 (도관 ((243)을 통한)
스팀		 (배출구 ((242)를 통한) 시프트된 신가스
　 Kg Kg Kg Kg Kg Kg
(애쉬를 함유하는) 총 피치 1000.0 　 　 　 　 　
(탄화수소를 함유하는) 피치 968.7.0 　 　 　 　 　
산소 　 1000.0 　 　 　 　
CH4 　 　 　 6.5 　 6.5
H2 　 　 　 137.3 　 256.2
CO 　 　 　 1738.8 　 86.9
CO2 　 　 　 371.9 　 2967.7
H2O 　 　 506.7 182.8 1521.5 642.4
H2S 　 　 　 28.6 　 28.6
COS 　 　 　 5.6 　 5.6
N2 　 　 　 2.5 　 2.5
Ar 　 　 　 0.0 　 0.0
NH3 　 　 　 0.0 　 0.1
합계 1000.0 35.0 506.7 2474.2 1521.5 3996.5
물질 균형 합계 　 　 　 98.7 　
MB 산소 　 　 　 98.5 　
본 발명의 방법 및 시스템은 첨부된 도면을 참조하여 전술되었지만; 이러한 기재로부터 유도된 변형은 당업자에게는 명백할 것이고, 본 발명의 보호 범주는 하기 청구항에 위해 결정될 것이다.

Claims (15)

  1. a. 공급원료의 탄소 함량에 기초한 미리 결정된 양의 산소 및 스팀과 함께 멤브레인 벽 가스화 반응기로 공급원료로서, 전체 원유 및 고체 애쉬-생산 물질을 도입시키는 단계;
    b. 상기 전체 원유를 고온의 원료 합성 가스의 형태로 수소 및 일산화탄소를 생산하기 위해 부분 산화에 적용시키는 단계;
    c. 상기 고온의 원료 합성 가스를 냉각시키고 스팀을 생산하기 위해 스팀-발생 열교환기로 상기 고온의 원료 합성 가스를 통과시키는 단계;
    d. 전력을 생산하기 위해 상기 열교환기로부터의 스팀을 터빈으로 도입시키는 단계; 및
    e. 냉각된 합성 가스를 회수하는 단계를 포함하는 합성 가스 및 전력을 생산하기 위해 전체 원유 공급원료의 가스화를 위한 통합 공정.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 고체 애쉬-생산 물질은 미세하게 분할된 입자의 형태이고, 상기 전체 원유와 혼합되며, 액체 공급원료의 총 중량의 2중량% 내지 5중량%를 구성하는 전체 원유 공급원료의 가스화를 위한 통합 공정.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 고체 애쉬-생산 물질은 Si, Al, Fe, Ca, Mg, P, K, Na, S 및 Ti, 및 이의 혼합물의 천연 및 합성 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 전체 원유 공급원료의 가스화를 위한 통합 공정.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전체 원유는 36℃ 내지 370℃의 범위에서 비등하는 1 내지 60 w%의 경질 분획을 함유하는 전체 원유 공급원료의 가스화를 위한 통합 공정.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전체 원유는 36℃ 내지 370℃의 범위에서 비등하는 1 내지 10 w%의 경질 분획을 함유하는 전체 원유 공급원료의 가스화를 위한 통합 공정.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 전체 원유는 36℃ 내지 565℃의 범위에서 비등하는 1 내지 90 w%의 경질 분획을 함유하는 전체 원유 공급원료의 가스화를 위한 통합 공정.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 전체 원유는 36℃ 내지 565℃의 범위에서 비등하는 1 내지 25 w%의 경질 분획을 함유하는 전체 원유 공급원료의 가스화를 위한 통합 공정.
  8. 청구항 3-8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 경질 분획의 수소 함량은 12 내지 16 w% 범위인 전체 원유 공급원료의 가스화를 위한 통합 공정.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스화 반응기의 작동 온도는 1200℃ 내지 1800℃의 범위인 전체 원유 공급원료의 가스화를 위한 통합 공정.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스화 반응기에서 산소-대-탄소의 몰 비는 0.5:1 내지 10:1의 범위인 전체 원유 공급원료의 가스화를 위한 통합 공정.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스화 반응기에서 산소-대-탄소의 몰 비는 1:1 내지 2:1의 범위인 전체 원유 공급원료의 가스화를 위한 통합 공정.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스화 반응기에서 스팀-대-탄소의 중량비는 0.1:1 내지 10:1의 범위인 전체 원유 공급원료의 가스화를 위한 통합 공정.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 가스화 반응기에서 스팀-대-탄소의 중량비는 0.5:1 내지 1:1의 범위인 전체 원유 공급원료의 가스화를 위한 통합 공정.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 공정은 단계 (e)로부터의 냉각된 신가스를 미리 결정된 양의 스팀과 함께 수성-가스 시프트 반응에 적용시키는 단계, 및 수소 및 이산화탄소의 혼합물을 회수하는 단계를 더욱 포함하는 전체 원유 공급원료의 가스화를 위한 통합 공정.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 수성-가스 시프트 반응 용기에서 물-대-일산화탄소의 몰 비는 5:1 내지 3:1의 범위인 전체 원유 공급원료의 가스화를 위한 통합 공정.
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