KR20160011623A - 중질유 잔사를 처리하기 위한 시스템 및 공정 - Google Patents

중질유 잔사를 처리하기 위한 시스템 및 공정 Download PDF

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Abstract

여기에 개시된 공정 및 시스템은 CO₂ 사용을 가능하게 해서 중질유 분획을 처리가능하게 한다. 연료를 액체 상태로 유지하기 위해 필요한 에너지의 상당한 감소가 달성되었다. 여기에 개시된 잔사 처리 시스템으로부터 에너지 감소 덕분에 개선된 연소 플랜트 효율 및 감소된 CO₂ 배출이 가능하다. 잔사 처리 시스템은 정유, 전력 발전 플랜트 및 공급 원료로서 중질유 잔사를 사용하는 다른 공정에 유용하다.

Description

중질유 잔사를 처리하기 위한 시스템 및 공정{SYSTEM AND PROCESS FOR HANDLING HEAVY OIL RESIDUE}
본 출원은 2013년 3월 15일에 출원된 가출원 번호 61/799,077의 우선권 이익을 가지며, 그 내용은 여기에 병합되어 있다. 본 발명은 공급원료로서 중질유 잔사를 이용한 연소 또는 다른 공정과 연결된 중질유 잔사 처리를 위한 시스템 및 공정과 관련이 있다.
중질유 분획들은 감압(vacuum) 증류, 비스브레이킹(visbreaking), 용매 탈아스탈트 및 유동층 접촉 분해와 같은 정유공정에서 다양한 단계들에서 생산된다. 이들 분획들은 추가적인 정유 또는 전환 공정용 공급원료 및 연소 플랜트용 연료로서 유용하다. 중질유 분획들은 매우 높은 점성 및 매우 높은 황 및 금속과 같은 불순물수준을 보여준다. 따라서 통상적인 공정은 연소 효율을 최대화하고 연소 버너들에서 고형물 체류를 최소화하고 고형 입자 연소 배출을 최소화하기 위해, 상기 물질 유체를 연소 환경에 적합하도록 만들기 위해 상당한 에너지 비용을 요구한다. 예컨대, 상온(ambient) 조건에서, 전형적인 감압 잔사는 상온 조건하의 고형 물질과 유사하게 50,000,000 cst 범위 내의 점도를 가질 수 있다. 따라서 잔사는 통상 가열에 의해 조절되어 이들 잔사를 펌핑하고 연소 버너들에 주입하기에 적절하도록 전환시켜야 한다.
중질유 분획들 가열은 에너지, 전형적으로 스팀 형태 및/또는 전기를 필요로 한다. 가열 시스템은 가열된 저장 탱크, 펌프 및 가열된 이송 파이프를 일반적으로 포함한다. 요구되는 온도 증가는 전기 트레이싱(tracing) 또는 스팀으로 중질유 모두를 유체 상태로 유지하는 노력에 의해 달성된다. 중질유의 연속적인 이동은 또한 파이핑 네트워크 내에서 사각 지대(dead zone)를 회피하도록 수행된다. 전체 처리 시스템은 또한 증가된 점성 및 플러깅을 초래할 수 있는 냉각 구역을 회피하기 위해 전형적으로 단열(insulated) 된다.
따라서, 추가적인 에너지 비용이 연소 플랜트 파워 출력(power output)에서 차감되기 때문에, 전체 효율이 감소된다.
결과적으로, 물질을 유체 상태로 하여 유동성(flowable) 있는 상태로 유지시키기 위해 요구되는 외부 열 에너지 양을 감소시킴으로써 중질유 잔사 공급 원료를 처리하기 위한 보다 효율적인 공정이 요구되어 왔다. 또한, 연소 플랜트 효율을 증가시기 위해 연소 공정 내에서 중질유 잔사를 사용한 보다 효율적인 공정에 대한 요구가 있어왔다. 또한, CO₂ 배출이 감소된 연소 공정에 대한 요구가 있어 왔다.
정유, 전력 발전 플랜트 및 공급 원료로서 중질유 잔사를 사용하는 다른 공정에서 에너지를 감소시킬 수 있는 유용한 중질유 잔사 처리 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 본 발명은 중질유 잔사 공급원료의 점도를 감소시키는 CO₂를 사용하는 공정 및 시스템과 관련이 있다.
하나 이상의 구체예에 따르면, 중질유 잔사 처리 시스템은 하나 이상의 저장 탱크 및 하나 이상의 펌프들 및 가스상 CO₂ 소스를 포함하며, 상기 CO₂는 중질유 잔사를 포화시켜 상기 잔사의 점도를 감소시키고, 이에 따라 상기 물질의 펌프 및/또는 이송에 요구되는 에너지를 감소시킨다.
여기에 개시된 공정 및 시스템은 CO₂를 사용하여 상온 조건(예컨대, 약 20℃ 내지 약 25℃의 범위, 또는 가열 또는 냉각 시스템의 외부 적용이 없는 주변 대기의 조건들)에서 분무화(atomized) 될 수 없는 중질유 분획을 처리할 수 있다.
어떤 구체예들에서, 그러한 연료를 액체상태로 유지하기 위해 필요한 에너지의 상당한 감소가 달성되었다. 여기에 개시된 잔사 처리 시스템으로부터 에너지 감소 덕분에 개선된 연소 플랜트 효율 및 감소된 CO₂ 배출이 가능하다. 잔사 처리 시스템은 정유, 전력 발전 플랜트 및 공급원료로서 중질유 잔사를 사용하는 다른 공정에 유용하다.
여기에 개시된 통합 시스템 및 공정은 중질유 잔사를 액체 상태로 유지시켜 버너 및 관련 업스트림 시스템을 통해 주입이 적합한 상태로 유지하는 데 사용되는 에너지를 감소시킨다.
이러한 연소시스템에서, 하나 이상의 CO₂ 포획(capture) 서브-시스템들은 중질유 잔사의 점도를 감소시기고, 상기 물질을 유체 상태로 유지시켜 미리 정해진 유동(flow) 성질을 가지도록 하는 데 사용되는 포획된 CO₂를 제공한다.
CO₂사용으로 인한 점도 감소 덕분에 전체 잔사 오일 처리 시스템에서 스팀 및/또는 전기 소비는 감소된다. 또한, 연소 시스템 내에서 연료를 분무시키기 위해 사용되는 스팀의 온도 및 압력이 감소 되어 결과적으로 에너지 절약을 가져온다.
신규한 현존하는 CO₂ 포획 및 격리(sequestration) 기술은 전체 CO₂ 배출을 감소시키고, 탄소 배출권(carbon credits)과 같은 인센티브를 제공하며 원료 물질, 냉각제(coolant) 및 기타와 같은 CO₂ 소스를 제공한다. 포획 및 격리 플랜트에서, 포획된 CO₂는 압축되고 지하로 격리되어 대기 중으로 이들의 배출을 회피할 수 있다.
여기에 전체로서 병합된 US5076357 및 US2623596은 CO₂를 사용해서 지하(subterranean) 오일 저장고 내에서 주입되었을 때, 원유가 지하 내에서 여전히 존재하는 경우에도, 원유의 점도를 감소시킴으로써 오일 회수를 증진시키는 것을 개시하고 있다.
여기에 개시된 상기 잔사 처리 시스템은 연소 플랜트에 적합하여, 상기 연소 플랜트 내에서 중질유 잔사가 연소되어 파워, 스팀 또는 열을 생산한다. 또한, 상기 잔사 처리 시스템은 어떤 구체예에서, 사용된 CO₂의 일부 또는 전부가 공지 및 상업적으로 유용한 소스로부터 유래하고, 어떤 구체예에서, CO₂의 일부 또는 전부가 통합된 CO₂포획 및 격리 시스템으로부터 유래하고, 여기에서 시스템은 연소 플랜트 및/또는 하나 이상의 추가적인 CO₂-생산 공정내, 예컨대, 정유, 산업 시설(facility), 상업적 또는 레지덴셜 성질(residential property)의 가열 시스템 또는 기타 등과 조합될 수 있다.
추가적인 구체예에서, 잔사 처리 시스템은 직접 또는 보조 연료 소스로서 중질유 잔사를 사용하는 자동차, 기관차(locomotive) 또는 해양 선박(marin vessel)내에서 제공될 수 있다. 이러한 구체예들에서, 상기 잔사 처리 시스템은 또한 재충전가능한(refillable) 선상(on-board) 영구 또는 이동 저장 탱크와 같은 공지 소스로부터 CO₂의 전부 또는 일부를 얻을 수 있다.
이들 예시적인 측면 및 구체예의 다른 측면, 구체예 및 장점들이 아래에서 상세히 검토될 것이다. 또한, 전술한 개시 및 후술하는 상세한 설명이 모두 다양한 측면 및 구체예의 예시적인 실시예에 불과할 뿐이며, 이들은 청구된 측면 및 구체예들의 본성 및 특징을 이해시키기 위한 개괄 또는 포괄 내용을 제공하는 것으로 의도된 것이다. 첨부된 도면들은 예시 및 다양한 측면 및 구체예들을 추가적인 이해를 위해 제공하는 것이며 본 명세서의 일부를 구성하는 것으로 의도된 것이다. 도면은 명세서의 나머지와 함께 개시되고 청구된 측면 및 구체예들의 원리 및 작동 원리를 설명하는 것을 제공한다.
여기에 개시된 잔사 처리 시스템으로부터 에너지 감소 덕분에 개선된 연소 플랜트 효율 및 감소된 CO₂ 배출이 가능하다. 잔사 처리 시스템은 정유, 전력 발전 플랜트 및 공급 원료로서 중질유 잔사를 사용하는 다른 공정에 유용하다.
전술한 요약 및 전술한 상세한 설명은 첨부된 도면과 함께 연결해서 읽는 경우 제일 잘 이해될 수 있다. 본 발명을 설명하기 위한 목적으로, 도면들 내에 여기에 제공되는 실시예들이 보여진다. 그러나, 본 발명이 여기에 도시된 정확한 배열 및 장치들로 제한되는 것으로 이해되어서는 안된다. 도면들내에서, 동일한 수치는 동일 또는 유사한 요소를 언급하는 것으로 사용된 것이다.
도 1은 여기에 개시된 중질유 잔사 처리 시스템의 공정 흐름도이다.
도 2는 여기에 개시된 중질유 잔사 처리 시스템의 또 다른 구체예의 공정 흐름도이다.
도 3은 여기에 개시된 CO₂ 점도 감소 공정을 통합한 잔사 처리 시스템을 포함하는 연소 시스템의 공정 흐름도이다.
도 4은 여기에 개시된 CO₂점도 감소 공정을 통합한 잔사 처리 시스템의 또다른 구체예의 연소 시스템의 공정 흐름도이다.
도 5는 여기에 개시된 CO₂점도 감소 단계를 통합한 잔사 처리 시스템의 추가적인 구체예의 연소 시스템의 공정 흐름도이다.
공정 및 시스템에서 제공하는 전술한 목적 및 추가적인 장점은 본 발명은 CO₂첨가를 사용해서 점도를 감소시켜 다른 공정들에서 연소 오일 또는 공급원료인 중질유 잔사 처리를 용이하게 하는 것이다. 여기에 기재된 잔사 처리 시스템은 공기, 산소 또는 산소 풍부 공기 연소 챔버들, 공급원료로서 중질유 잔사를 사용한 다른 타입의 연소 공정들 또는 개질 공정 내에서 통합될 수 있다.
도 1은 여기에 기재된 중질유 잔사 처리 시스템 8의 공정 흐름도이다. 일반적으로 CO₂ 소스 12로부터 CO₂의 스트림 10은 저장 탱크 18에서 중질유 잔사의 소스 16으로부터 중질유 잔사 스트림 14와 함께 혼합된다. 어떤 구체예에서, CO₂의 소스 12는 적절한 외부 소스 및/또는 통합된 CO₂ 포획 서브시스템일 수 있다. 충분한 양의 CO₂는 적절한 운전 조건의 온도 및 압력에서 중질유 잔사 스트림 14와 함께 혼합 및 CO₂를 효과적으로 용해시킬 수 있는 상용성 있는 순도 레벨까지 스트림 10 내에서 제공된다. 여기에 기재된 공정 및 장치 내의 주어진 타입의 중질유 잔사에서 용해될 수 있는 CO₂ 양은 당업자에게는 다양한 조건의 온도 및 압력하에서 실험적인 테스트에 의해 쉽게 결정될 수 있다.
중질유 잔사 공급원료는 스트림 14를 통해 저장 탱크 18로 공급된다. 상기 저장 탱크 18 내에서 중질유 및 용해된 CO₂ 혼합물의 점도는 상당한 점도 감소가 이루어진다. 이 단계에서, 상기 CO₂ 및 중질유 잔사 혼합물에 의해 달성된 점도 감소는 상기 물질을 이송하는 데 요구되는 필요 펌프(requisite pump) 에너지 요구량을 감소시킨다.
중질유 및 용해된 CO₂의 조합 스트림, 스트림 20은 이송을 위해, 만일 필요하다면, 중질유 및 용해된 CO₂의 스트림 24를 제공하기 위한 CO₂ 압축을 위해 펌프 22로 충전된다. 중질유 잔사의 최종 사용을 위해 요구되는 최종 점도 값에 따라, 상기 혼합물은 상기 점도를 추가적으로 감소시키기 위해 가열될 수 있다. 여기에 기재된 공정에 따라, 바람직한 점도 레벨을 달성하기 위해 요구되는 가열 양이 감소되며, 필요 펌프 에너지 요구량 및 열 트레이싱 하드웨어 또한 감소된다. 예컨대, 연소 시스템 내에서 적절한 분무화 점도 예컨대, 어떤 구체예에서는 20 cSt 까지 상기 레벨을 감소시키는 것이 바람직하다.
어떤 구체예에서, 하나 이상의 분리기 또는 인-라인(정적 또는 동적) 혼합 유닛들이 제공될 수 있으며, 예컨대, 저장 탱크 18의 다운스트림에서 제공될 수 있다. 추가적인 구체예에서, 펌프 22에서 압축은 적절한 혼합을 제공하여 중질유 잔사의 점도를 감소시킨다. 상기 압축된 중질유 잔사/CO₂ 혼합물 24는 적절한 공급원료로서 예컨대, 여기에 기재된 연소 시스템으로 또는 개질 공정으로, 또는 상기 중질유 잔사를 다른 탄화수소 생성물로 전환시키는 전환 공정으로 제공된다.
도 2는 여기에 기재된 중질유 잔사 처리 시스템 108의 추가적인 구체예의 공정 흐름도이다. 일반적으로 CO₂ 소스 112로부터 CO₂의 스트림 110은 저장 탱크 118에서 중질유 잔사의 소스 116으로부터 중질유 잔사 스트림 114와 함께 혼합된다. 어떤 구체예에서, CO₂의 소스 112는 적절한 외부 소스 및/또는 통합된 CO₂ 포획 서브시스템일 수 있다. 충분한 양의 CO₂는 적절한 운전 조건의 온도 및 압력에서 중질유 잔사 스트림 114와 함께 혼합 및 CO₂를 효과적으로 용해시킬 수 있는 상용성 있는 순도 레벨까지 스트림 10 내에서 제공된다. 여기에 기재된 공정 및 장치내의 주어진 타입의 중질유 잔사에서 용해될 수 있는 CO₂ 양은 당업자에게는 다양한 조건의 온도 및 압력하에서 실험적인 테스트에 의해 쉽게 결정될 수 있다.
중질유 잔사 공급원료는 스트림 114를 통해 저장 탱크 118로 공급된다. 상기 저장 탱크 118내에서 중질유 및 용해된 CO₂ 혼합물의 점도는 상당한 점도 감소가 이루어진다. 이 단계에서, 상기 CO₂ 및 중질유 잔사 혼합물에 의해 달성된 점도 감소는 상기 물질을 이송하는 데 요구되는 필요 펌프 에너지 요구량을 감소시킨다.
중질유 및 용해된 CO₂의 조합 스트림, 스트림 122는 이송을 위해, 만일 필요하다면, CO₂ 압축을 위해 제 1 펌프 132로 충전된다. 제 1 펌프 132로부터 압축된 조합 스트림 126은 그리고 나서, CO₂ 소스 144로부터 스트림 142를 통해 추가적인 CO₂와 함께 하나 이상의 혼합 또는 저장 유닛들 140으로 충진된다. 어떤 구체예에서, 유닛 140은 혼합 탱크이다. 추가적인 구체예들에서, 유닛 140은 인-라인 동적 또는 정적 혼합기이다. 추가적인 구체예들에서, 유닛 140은 CO₂가 중질유 잔사 블렌드와 함께 혼합될 수 있는 탱크 118에 비해 상대적으로 더 작은 용량의 저장 탱크이다. 유닛 140으로부터 유출액(effluent) 128은 제 2 펌프 134를 통해 이송되어, 여기에 기재된 연소 시스템으로 중질유 잔사/CO₂ 혼합물 124을 제공하며, 상기 혼합물은 여기에 기재된 예컨대, 연소 시스템에 적절한 공급원료로서 제공된다.
일반적으로 약 1000 내지 약 2000 cSt 범위내의 점도 값을 가지는 유체들이 펌핑을 위해 바람직하다. 오일에 있어서는 펌핑을 위해 약 100 cSt 점도에서 유체를 제공하는 것이 일반적이다. 여기에 기재된 바 있듯이, 여기에 기재된 점도 감소를 용하지 않고 바람직한 레벨의 100 cSt를 달성하기 위해서는 온도는 124 ℃이상이어야 하지만, 여기에 기재된 공정을 사용하는 경우 온도는 60 bar 포화 CO₂ 압력 블렌드에서 35 ℃미만이다.
도 3은 도 1과 동일 또는 유사할 수 있는 중질유 잔사 시스템 208을 포함하는 연소 시스템의 공정 흐름도이다. 상기 연소 시스템은 CO₂ 점도 감소를 통합하며, 하나 이상의 버너들 252를 구비한 연소 챔버 250; 하나 이상의 배가스 처리 유닛 260; CO₂ 포획 유닛 270;를 포함하며, 중질유 잔사 처리 시스템 208은 하나 이상의 저장 탱크 218 및 하나 이상의 펌프들 222; CO₂ 격리 또는 이용(utilization) 유닛 280; 및 남아있는 배가스들을 배출시키기 위한 스택 290을 포함한다.
공기, 산소 또는 산소-풍부 공기는 스트림 254를 통해 하나 이상의 버너들 252에 공급되며, 중질유 잔사/CO₂ 혼합물은 스트림 224에 의해 공급되고, 연료 분무화에 사용되는 스팀 스트림 256이 공급되어, 연소 챔버 250 내에서 연료의 적절한 연소를 보장한다. 어떤 택일적인 구체예에서, CO₂ 또는 다른 적절한 분무화 가스와 같은 스팀이 사용되거나, 이들이 조합될 수도 있으며, 이들 이외의 다른 분무화 매체가 사용될 수도 있다.
배가스들은 스트림 262에 의해 연소 챔버 250에서 빠져나와 하나 이상의 배가스 처리 유닛들 260으로 들어간다. 도면에서 보이지는 않지만, 당업자라면 배가스 처리 유닛 260이 하나 이상의 각각의 미립자 제거 유닛들, 유황 산화물 제거 유닛들, 중금속 제거 유닛들 및 질소 산화물 제거 유닛들을 포함할 수 있음이 이해될 것이다.
배가스 처리 유닛(들) 260으로부터 유출된 배가스들 스트림 272는 CO₂ 포획 유닛 270으로 충전되고, 상기 유닛에서 필요량(requisite amout)의 CO₂는주 배가스 스트림으로부터 제거된다. 스트림 272로부터 유도된 일부분의 배가스들은 선택적으로 연소 챔버로 재순환되어 연소를 증진시킨다(도면에서 점선 라인들로 표시된 스트림 274에 의해 표시됨), 특히 어떤 구체예에서는 상기 연소 챔버들은 산소 또는 산소-풍부 공기에 의존한다.
CO₂포획 유닛 270을 빠져나간 CO₂-희박 배가스 스트림 292는 스택 290을 통과하며, 그리고 나서 공지된 바와 같이 스트림 294를 통해 대기 중으로 배출된다.
포획된 CO₂는 스트림 274에 의해 CO₂ 포획 유닛 270을 빠져나가며, CO₂ 격리 또는 이용 유닛(CO₂-S/U)로 충전되는 스트림 282와 중질유 잔사 저장 탱크 218로 충전되는 스트림 210으로 나뉘어진다.
중질유 잔사 공급원료는 스트림 214에 의해 저장 탱크 218로 공급된다. 상기 CO₂는 중질유 잔사와 혼합되어 이들의 점도를 감소시킴에 따라, 상기 혼합물을 적절한 분무화 점도, 예컨대 어떤 구체예들에서 20 cSt 범위에 있는 점도를 위한, 필요 펌프 에너지 요구, 열 트레이싱 하드웨어 및 필요 열 에너지를 감소시킨다.
중질유 잔사/CO₂ 혼합물은 펌프 222 흡입(suction) 라인 220에 의해 저장 탱크 218을 떠난다. 상기 스트림 224는 압력하에서 연소 챔버 버너(들) 252로 공급된다.
도 4는 도 2와 동일 또는 유사할 수 있는 중질유 잔사 시스템 308을 포함하는 연소 시스템의 공정 흐름도이다. 상기 연소 시스템은 CO₂ 점도 감소를 통합하며, 하나 이상의 버너들 352가 구비된 연소 챔버 350; 하나 이상의 배가스 처리 유닛 360; 복수의 CO₂ 포획 유닛들 370;를 포함하며, 중질유 잔사 처리 시스템 308은 하나 이상의 저장 탱크 318 및 복수의 펌프들(332 및 334); CO₂ 격리 또는 이용(utilization) 유닛 380; 및 남아있는 배가스들을 배출시키기 위한 스택 390을 포함한다.
공기, 산소 또는 산소-풍부 공기는 스트림 354를 통해 하나 이상의 버너들 352에 공급되며, 중질유 잔사/CO₂ 혼합물은 스트림 324에 의해 공급되고, 연료 분무화에 사용되는 스팀은 스트림 356이 공급되어, 연소 챔버 350 내에서 연료의 적절한 연소를 보장한다. 어떤 택일적인 구체예에서, CO₂ 또는 다른 적절한 분무화 가스와 같은 스팀이 사용되거나, 이들이 조합될 수도 있으며, 이들 이외의 다른 분무화 매체가 사용될 수도 있다.
배가스들은 스트림 372에 의해 연소 챔버 360에서 빠져나와 제 1 CO₂ 포획 유닛 370으로 충전된다. 필요량의 CO₂스트림 310은 저장 탱크 318로 도입을 위해 주 배가스 스트림으로부터 제거되고 거기에서 평형상태를 유지하는 것이 필요하다. 제 1 CO₂ 포획 유닛 370으로부터 제거되는 양은 점도 감소에 필요한 양 및 공정의 경제적 고려사항, 예컨대, 미리 정해진 수준을 초과하는 양의 CO₂ 제거 및 비용에 의해 결정된다. 상기 CO₂는 바람직한 압력으로 압축되고(도면에서는 보이지 않음), 스트림 310에 의해 저장 탱크 318로 전달된다(conveyed).
상기 CO₂는 스트림 314로 부터의 중질유 잔사와 혼합되어 이들의 점도를 감소시켜, 어떤 구체예들에서는 20 cSt의 범위까지 바람직한 점도 레벨을 달성을 보장하기 위해, 필요 펌프 에너지 요구량 및 열 트레이싱 하드웨어를 감소시킨다.
스트림 372로부터 유도된 일부분의 배가스들은 선택적으로 연소 챔버 350으로 재순환되어 연소를 증진시킨다(도면에서 점선 라인들로 표시된 스트림 374에 의해 표시됨), 특히 어떤 구체예에서는 상기 연소 챔버들은 산소 또는 산소-풍부 공기에 의존한다. 남아있는 CO₂-희박 배가스 스트림은제 1 CO₂ 포획 유닛 370을 빠져나가서, 제 2 CO₂ 포획 유닛 375를 통과하며, 여기에서, CO₂는 회수되고 필요 압력까지 압축된다. CO₂ 희박 배가스 스트림 392는 제 2 CO₂ 포획 유닛 375를 빠져나가고, 스택 390을 통과하며, 그리고 나서 공지된 바와 같이 스트림 394를 통해 대기 중으로 배출된다.
포획된 CO₂는 스트림 374에 의해 제 2 CO₂ 포획 유닛 375를 빠져나가며, CO₂ 격리 또는 이용 유닛 380으로 충전되는 스트림 382와 유닛 340으로 충전되는 스트림 342로 나뉘어진다. 어떤 구체예들에서, 유닛 340은 정적 또는 동적 혼합기이다. 추가적인 구체예들에서, 유닛 340은 CO₂가 중질유 잔사 블렌드와 함께 혼합될 수 있는 탱크 318에 비해 상대적으로 더 작은 용량의 저장 탱크이다.
중질유 잔사 공급원료는 스트림 314를 통해 저장 탱크 318에 공급된다. 상기 CO₂는 중질유 잔사와 혼합되어 이들의 점도를 감소시켜, 어떤 구체예들에서는 바람직한 점도 레벨을 달성을 보장하기 위한, 필요 펌프 에너지 요구량 및 열 트레이싱 하드웨어를 감소시킨다.
중질유 잔사/CO₂ 혼합물은 펌프 332 흡입 라인 322에 의해 저장 탱크 318을 떠나, 압축되고 스트림 326을 통해 유닛 340으로 이송된다. 중질유 잔사/CO₂ 혼합물 스트림 326은 스트림 342에 의해 추가적인 CO₂와 혼합되어,
바람직한 분무 점도, 예컨대 20 cSt 에 달하는 블렌드를 만들기 위해 필요한 가열 하드웨어 및 에너지 요구량을 감소시킨다.
중질유 잔사/CO₂ 혼합물은 펌프 334 흡입 라인 328에 의해 유닛 340을 떠나서 압축되고, 스트림 324에 의해 연소 챔버 버너(들)로 이송된다.
도 5는 추가적인 구체예에 따른 중질유 잔사 처리 시스템 408의 공정 흐름도로서, 그 구성이 전술한 도 2와 동일 또는 유사할 수 있다. 상기 연소 시스템은 CO₂ 점도 감소를 통합하며, 하나 이상의 버너들 452를 구비한 연소 챔버 450; 하나 이상의 배가스 처리 유닛 460; 복수의 CO₂ 포획 유닛들 (470 및 475);를 포함하며, 중질유 잔사 처리 시스템 408은 하나 이상의 저장 탱크 418 및 복수의 펌프들(432 및 434); CO₂ 격리 또는 이용(utilization) 유닛 480; 및 남아있는 배가스들을 배출시키기 위한 스택 490을 포함한다.
전술한 도 3에서 기재했듯이, 공기, 산소 또는 산소-풍부 공기는 스트림 454를 통해 하나 이상의 버너들 452에 공급되며, 중질유 잔사/CO₂ 혼합물은 스트림 424에 의해 공급되고, 연료 분무화에 사용되는 스팀은 스트림 456에 의해 공급되어, 연소 챔버 450 내에서 연료의 적절한 연소를 보장한다. 또한, 배가스들은 스트림 462를 통해 연소 챔버 450을 빠져나와 하나 이상의 배가스 처리 유닛들 460으로 들어간다. 어떤 택일적인 구체예에서, CO₂ 또는 다른 적절한 분무화 가스와 같은 스팀이 사용되거나, 이들이 조합될 수도 있으며, 이들 이외의 다른 분무화 매체가 사용될 수도 있다.
상기 배가스 처리 유닛(들) 460으로부터 유출된 배가스들, 스트림 472는 제 1 CO₂ 포획 유닛 470으로 충전된다. CO₂ 희박 배가스 스트림은 스트림 492에 의해 제 1 CO₂ 포획 유닛 470을 빠져나와 스택 490으로 나가며, 그리고 나서 스트림 494에 의해 대기로 배출된다. 스트림 472로부터 유도된 일부분의 배가스들은 선택적으로 연소 챔버로 재순환되어 연소를 증진시킨다(도면에서 점선 라인들로 표시된 스트림 474에 의해 표시됨), 특히 어떤 구체예에서는 상기 연소 챔버들은 산소 또는 산소-풍부 공기에 의존한다.
포획된 CO₂는 스트림 476에 의해 제 1 CO₂ 포획 유닛 470을 빠져나가, 스트림 482에 의해 CO₂ 격리 또는 이용 유닛 480에 공급되고, 스트림 410에 의해 중질유 잔사 418에 공급되고, 스트림 471에 의해 제 2 CO₂ 공정(processing) 유닛 475에 공급된다.
중질유 잔사 공급원료는 스트림 414를 통해 저장 탱크 418에 공급된다. 제 스트림 410에 의해 1 CO₂ 포획 유닛 470로부터 상기 CO₂는 중질유 잔사와 혼합된다, 상기 CO₂는 중질유 잔사와 혼합되어 이들의 점도를 감소시켜, 어떤 구체예들에서는 바람직한 점도 레벨을 달성을 보장하기 위한, 필요 펌프 에너지 요구량 및 열 트레이싱 하드웨어 및 필요 가열 에너지를 감소시킨다.
중질유 잔사/CO₂ 혼합물은 펌프 432 흡입 라인 422에 의해 저장 탱크 418을 떠나고 압축되고, 스트림 426에 의해 유닛 440에 이송된다. 어떤 구체예들에서, 유닛 440은 정적 또는 동적 혼합기이다. 추가적인 구체예들에서, 유닛 440은 CO₂가 중질유 잔사 블렌드와 함께 혼합될 수 있는 탱크 418에 비해 상대적으로 더 작은 용량의 저장 탱크이다. 중질유 잔사/CO₂ 혼합물 스트림 426은 추가적인 CO₂와 혼합되어, 바람직한 분무 점도, 예컨대 20 cSt 에 달하는 블렌드를 만들기 위해 필요한 가열 하드웨어 및 에너지 요구량을 감소시킨다.
CO₂스트림 471은 제 2 CO₂ 포획 유닛 475로 들어가 유닛 440에 필요한 압력까지 압축되고, 그리고 나서 CO₂ 포획 유닛 475를 빠져나가 스트림 442에 의해 유닛 440으로 공급된다. 상기 중질유 잔사/CO₂ 혼합물은 펌프 434 흡입 라인 428에 의해 유닛 440을 떠나며, 압축되고, 스트림 424를 통해 연소 챔버 버너(들) 452로 이송된다.
어떤 구체예들에서, 중질유 잔사/CO₂ 혼합물 점도는 외부 가열 필요 없이 점도 분무화 레벨을 달성할 수 있다. 이러한 경우들에서, 기계적인 분무 연료 분사기들은 스팀을 보존(예컨대 여기에 기재된 스팀들 256, 356 및 456) 하기 위해 스팀 분무 주입기들을 대신하거나 이들과 조합하여 사용될 수 있다. 어떤 구체예들에서, 스팀 및/또는 적절한 분무화 가스는 기계적인 분무 주입기들과 조합하여 사용될 수 있는데, 어떤 구체예들에서는 기계적인 분무 연료 주입기들이 사용되지 않을 때, 분무화 이외에 코킹등을 회피하거나 또는 최소화하기 위해 버너 온도를 조절하는 것을 주 목적으로 한다.
단순화한 개략도 및 설명을 목적으로, 통상적으로 사용되고 여기에 기대된 유닛 운전들과 관련한 분야의 당업자에게 자명한 다양한 밸브들, 온도 센서들, 전기적 조절기들 등은 포함되지 않았다. 또한, 예컨대, 공기 또는 산소 공급 장치(supplies) 및 배가스 처리와 같은 연소 공정들을 포함하는 유닛 작동들 내에 존재하는 구성요소들은 나타내지 않았다.
장점으로, 여기에 기재된 CO₂ 사용은 연소 플랜트 연소(burning)에서 중질유 잔사를 처리하는 데 요구되는 양의 에너지를 감소하는 문제를 해결한다. 실제, 연료로서 중질유 잔사를 사용한 통상적인 연소 플랜트 내에서, 연료 처리는 전기 또는 스팀 형태로 추가적인 에너지 사용을 필요로 한다.
본 시스템 및 방법은 CO₂ 사용에 의해 연료 점도를 감소시키고 이들의 적절한 처리를 보장하여 상당한 에너지 감소를 가져온다. 추가적인 구체예들에서, 중질유 잔사 처리에 사용되는 CO₂는 통합된 CO₂ 포획 시스템으로부터 유도된다. 연료로서 중질유 잔사를 사용하는 통상적인 CO₂ 포획 및 격리 공정에서, 상기 CO₂는 처분을 위해 지하로 주입되지만, 추가적인 에너지가 연료 처리를 위해 사용된다. 연소 플렌트 통합 CO₂ 포획에서 본 시스템 및 방법의 사용으로 일부분의 포획된 CO₂가 공급원료 처리를 효과적으로 만들고, 그러한 처리를 위해 소요되는 추가적인 에너지를 최소화 시키는 데 사용될 수 있도록 한다.
전술한 장치 및 공정에 사용되는 초기 공급원료는 원유(crude) 또는 다양한 소스들로부터 얻어진 부분적으로 정제된 오일일 수 있다. 공급원료 소스는 원유, 합성 원유, 비투멘, 오일 샌드, 쉐일 오일, 석탄유(coal liquids) 또는 전술한 소스들의 하나 이상을 포함하는 조합일 수 있다. 예컨대, 상기 공급원료는 직류 가스 오일 또는 감압가스유와 같은 다른 저유 중간 스트림, 용매 탈아스팔트 공정으로부터 얻어진 탈아스팔트유 및/또는 탈금속화된 오일, 코커 공정으로부터 얻어진 경질 코커(coker) 또는 중질 코커 가스유, 여기에 기재된 통합 FCC 공정으로부터 분리된 FCC 공정으로부터 얻어진 사이클 유, 비스브레이킹 공정으로부터 얻어진 가스유, 또는 전술한 생성물의 조합일 수 있다. 어떤 구체예들에서, 감압가스유는 통합된 공정에 적합한 공급원료이다. 적절한 공급원료는 비점 약 30 ℃내지 약 650 ℃을 가지는 탄화수소를 포함하며, 어떤 구체예에서는 350 ℃내지 약 565℃이다.
실시예 1
전형적인 중질유 잔사가 예시적인 실시예에서 고려되며, 여기에서 개시된 공정을 중질유 잔사가 연소되어 600 메가와트 전력 산출량(MWe)의 범위내에서 산출하는 파워 플랜트에 적용될 대 얻어지는 잠재적인 이득을 보여준다.
비교실시예로서, 초기 중질유 잔사는 25에서 밀도 1020 kg/m3와 50에서 점도 13280 cSt를 가진다. 표 1은 통상적인 시스템에서 다른 점도들에서 중질유 잔사 온도를 보여주며, 본 발명의 시스템 및 공정에 따라, 오일이 제 1 실시예에서, 오일이 20 bar CO₂ 압력에서 포화될 때 및 제 2 실시예에서, 오일이 60 bar CO₂ 압력에서 포화될 때, 동일한 점도를 수행하기 위한 필요 온도를 보여준다.
표 1- 다른 점도에서 중질유 잔사 온도 (℃)
Figure pct00001
*Tamb: 상온(Ambient temperature)
표 1에서 보듯이, 중질유 잔사에 CO₂의 첨가는 특정 온도들에서 이들의 점도를 감소시킨다. 따라서 CO₂가 첨가될 때 더 낮은 온도에서 동일한 블렌드 점도에 도달 가능해진다. 특히, 표 1에서는 중질유 잔사에 적절한 저장 온도는 기본적인 경우에서는 124 ℃ 초과이지만, 20 bar 포화 CO₂ 압력 블렌드의 경우 93 까지 감소될 수 있으며, 60 bar 포화 CO₂ 압력 블렌드의 경우 35℃까지 감소될 수 있다.
따라서, 중질유 잔사의 온도를 유지하여 점도를 감소시키는 필요한 가열 트레이싱은 60 bar CO₂ 포화에서는 어떠한 가열 트레이싱도 요구되지 않을 정도로 낮게 감소된다.
20cS 점도는 버너에서 적절하게 연료를 분무화 시키고, 효과적인 연소를 완성시키는 데 통상 요구된다. 전통적인 공정에 따르면 이러한 점도 감소를 달성하기 위해 180 ℃의 온도가 요구되는 반면, 20 bar CO₂ 포화에서 140 ℃로 감소 및 나아가 60 bar CO₂ 포화에서 75℃까지 감소된다.
요구되는 스팀 성질은 따라서 개량된다. 예컨대, 여기에 개시된 점도가 감소없으면, 10 bar 및 230 에서 스팀을 사용하는 것이 필요하다. 반대로 6 bar 및 160에서 스팀이 CO₂ 포화가 20bar인 경우에 사용되며, 2 bar 및 120에서 스팀이 CO₂ 포화가 60bar인 경우에 사용될 수 있다.
결과적으로 이것은 스팀 가열에 사용되는 에너지 감소 및 스팀 사이클 내에서 스팀의 더 높은 작동을 불러와 파워 플랜트에서 더 높은 순 산출량(net output)을 가져온다. 600 MWe 범위의 파워 프랜트내의 전형적인 실시예에서 중질유 잔사 질량 유량(mass flow rate)은 약 37.5kg/s 이며, 연료 분무에 요구되는 스팀은 연료 질량 유량의 30%, 따라서 약 11.25kg/s이다.
스팀 질/조건에서 차이는 CO₂ 포화가 20 bar인 곳에서, 전기 1328 킬로와트(KWe)의 순 절약을 가져오고, CO₂ 포화 60bar인 곳에서, 전기 3300 KWe의 순 절약을 가져온다. 만일 CO₂의 압축 에너지 및 20 및 60 bar에서 중질유 잔사가 고려된다면, 순 파워 절약은 CO₂ 포화가 20 bar 및 60 bar 수준에서 각각 1183 kWe 및 2798 kWe이 될 것이다.
전술한 점을 고려하면, 분무화에 고려되는 스팀 압력은 중질유 잔사/CO₂ 혼합물 스팀보다 더 낮다. 이 경우 더 높은 스팀 압력이 고려되거나 또는 중간 팽창 단계가 주입기(injector) 내에 추가되어, 고려되는 온도 및 압력에서 중질 연료유의 분무화가 가능하다. 또한, 모든 분무화 스팀 에너지가 만일 기계적인 분무 주입기가 사용된다면 고려될 수 있는 데, 상기 중질 연료유/CO₂ 혼합물이 고압에서 제공되기 때문이다.
실시예 2
연료의 분무화에 사용되는 스팀 양을 절약하는데 추가하여, 저장 온도, 예컨대 100 cSt 점도로부터 버너까지, 20 cSt까지의 연료의 필수적인 가열에서 감소에 의해 상당한 절약이 현실화될 수 있다. 왜냐하면 가열은 스팀 사이클로부터 추출된 스팀에 의해 수행되기 때문이다.
이러한 실시예에서, 저장 온도는 3 경우에 동일하다. 예컨대, 120℃는 비교실시예에 요구되는 저장 온도이다. 기본적인 경우에서 중질유 잔사는 180℃까지가열되어야 하지만, 20 bar CO₂ 포화에서는 140 ℃까지 가열되며, 60 bar CO₂ 포화에서는 추가적인 가열이 요구되지 않는다.
연료 가열을 위한 스팀 요건에서 20 bar CO₂ 포화에서 1335 kWe 및 60 bar CO₂ 포화에서 1856 kWe가 절약되어, 총 순 절약은 20 bar CO₂ 포화의 경우에 2518 kWe 및 60 bar CO₂ 포화의 경우에 4654 kWe가 달성된다.
이들 절약은 각각 0.4% 및 0.77%의 순 파워 산출량을 나타내며, 이들은 파워 플랜트의 순 효율에서 각각 0.17 및 0.32 포인트 증가시키는 것과 등가이다.
본 발명의 방법 및 시스템은 전술한 바와 함게 첨부된 도면에 개시되어 있다: 그러나 변형이 당업자에게 분명할 것이며, 본 발명의 보호 범위는 후술하는 청구범위에 의해 정의된다.

Claims (8)

  1. 연소 시스템의 효율을 개선시키기 위한 방법으로서, 상기 연소 시스템은 상온(ambient) 조건에서는 분무화(atomized) 될 수 없는 고 점도 중질유 잔사를 사용한 연소시스템이며,
    (a) 상온 조건에서 가스상으로 존재하는 CO₂ 또는 CO₂-풍부 가스 혼합물의 소스를 제공하는 단계;
    (b) 상기 CO₂ 또는 CO₂-풍부 혼합물을 미리 정해진 조건의 온도 및 압력하에서 중질유 잔사와 근접(intimate) 접촉시키는 단계;
    (c) 상기 CO₂ 또는 CO₂-풍부 혼합물과 상기 중질유 잔사 접촉을, 미리 정해진 농도의 용해된 CO₂가 달성되고, 상기 중질유 잔사의 점도가 감소될 때까지 유지하는 단계; 및
    (d) 상기 감소된 점도의 중질유 잔사를 펌핑하고, 연소 챔버 내 연소로부터 분무화하는 단계를 포함하는 연소 시스템의 효율을 개선시키기 위한 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 방법은,
    상기 감소된 점도의 중질유 잔사를 용해된 CO₂와 함께 미리 정해진 조건의 온도 및 압력하에서 가압된 가열 저장 용기 내로 도입하는 단계, 정해진(prescribed) 점도 범위 내에 중질유 잔사의 점도를 유지시키고, 상기 저장 용기로부터 감소된 점도의 중질유 잔사를 통과시키는 단계 및 이들을 연소 챔버 내 연소를 위해 분무화하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 시스템의 효율을 개선시키기 위한 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 CO₂ 또는 CO₂-풍부혼합물 및 중질유 잔사는 가압된 가스상 CO₂의 분위기 하에서 교반된(agitated) 혼합 용기 내에서 접촉되는 것을 특징으로 하는 연소 시스템의 효율을 개선시키기 위한 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 CO₂ 또는 CO₂-풍부 혼합물은 중질유 잔사의 이동 스트림(moving stream)에 도입되고, 정적 또는 동적 인-라인 혼합 장치를 통해서 통과하여 중질유 잔사 내에서 CO₂를 용해시키는 것을 특징으로 하는 연소 시스템의 효율을 개선시키기 위한 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 (d) 단계내에서 상기 감소된 점도의 중질유 잔사의 분무화는 스팀 또는 CO₂를 포함하는 분무화 매체(media)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 연소 시스템의 효율을 개선시키기 위한 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 (d) 단계에서, 감소된 점도의 중질유 잔사의 분무화는 하나 이상의 기계적인 분무 주입기에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 연소 시스템의 효율을 개선시키기 위한 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 CO₂ 또는 CO₂-풍부 가스상 혼합물의 소스는 통합된 CO₂ 포획 및 가공 유닛(processing unit)으로부터 제공된 것을 특징으로 하는 연소 시스템의 효율을 개선시키기 위한 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 CO₂ 또는 CO₂-풍부 소스는 적어도 하나의 2-단계 CO₂ 포획 및 가공 유닛으로부터 제공되며, 각각의 단계는 CO₂ 또는 CO₂-풍부 가스상 혼합물을 다른 압력에서 전달(deliver)하는 것을 특징으로 하는 연소 시스템의 효율을 개선시키기 위한 방법.
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