KR20180117691A - 이단 가스화 장치 및 공급 원료 유연성을 갖는 가스화 공정 - Google Patents

이단 가스화 장치 및 공급 원료 유연성을 갖는 가스화 공정 Download PDF

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앨버트 씨. 창
필립 로드니 아믹
자예쉬 샤
폴 에드가 미쇼
스리니바스 로카레
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Abstract

가스화 공정은, (a) 액체 탄화수소 공급 원료 및 적어도 하나의 건식 공급 원료 또는 제1 슬러리화 공급 원료를 반응기 하부 섹션으로 도입하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 건식 공급 원료 또는 제1 슬러리화 공급 원료는 2개의 1차 공급 노즐을 통하여 도입되는 반면 상기 액체 탄화수소 공급 원료는 적어도 2개의 2차 공급 노즐을 통하여 도입되며; (b) 상기 반응기 하부 섹션 내의 공급 원료를 산소 함유 가스 또는 증기를 포함하는 가스 스트림과 부분적으로 연소시켜, 열을 방출시키고 고온 합성 가스를 포함하는 생성물을 형성하는 단계; (c) (b) 단계로부터의 상기 고온 합성 가스를 반응기 상부 섹션으로 상향 통과시키는 단계; 및 (d) 상기 고온 합성 가스로부터의 열이 열분해 및 가스화 반응에 의하여 제2 슬러리화 공급 원료의 반응을 지지함으로써, 상기 제2 슬러리화 공급 원료를 상기 반응기 상부 섹션으로 도입하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

이단 가스화 장치 및 공급 원료 유연성을 갖는 가스화 공정
가스화 공정은 석탄, 석유 코크스 및 석유 잔여물과 같은 고체 또는 슬러리 상태의 공급원료를 합성 가스로 변환하는 데에 널리 이용된다. 합성 가스는 주로 수소 가스(H2) 및 일산화탄소(CO)로 구성되고, 이는 전기 생산용 연료로 활용될 뿐만 아니라, 수소, 메탄올, 암모니아, 합성/대체 천연 가스 또는 합성 오일(synthetic transportation oil)과 같은 화학 물질을 생산하기 위한 공급원료로도 활용된다. 탄소질 물질(carbonaceous materials)의 가스화를 위하여, 세가지 기본 유형의 시스템 및 공정이 개발되었다. 이들은 (1) 고정층 가스화(fixed-bed gasification), (2) 유동층 가스화(fluidized-bed gasification) 및 (3) 서스펜션 또는 엔트레인먼트 가스화(suspension or entrainment gasification)이다. 본 명세서에서의 실시예들은 상기 제3 유형의 시스템에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 본 명세서에서 제시된 실시예들은 이단 동반 가스화 시스템(two-stage entrained gasification system) 및 탄소질 물질의 가스화를 위한 공정에 관한 것이다.
상기 이단 가스화 장치 설계에 의하여 제공되는 가능성은 더 낮은 온도의 제2 단으로의 슬러리 공급 속도를 최대화함으로써, 제1 단 가스화 장치에서 발생된 열을 이용하여 상기 슬러리로부터 물을 증발시키는 것으로 활용될 수 있다. 그리고 나서, 상기 제2 단 가스화 장치에서 배출되는 숯 및 비전환된 탄소는 분리되고 건조된 형태로 제1 단 가스화 장치로 재순환(재순환)되므로, 더 높은 온도의 제1 단에서 요구되는 산소량을 최소화하고, 상기 가스화 장치의 전환 효율을 최대화한다.
본 요약은 하기의 상세한 설명에서 자세하게 서술되는 선택된 개념을 소개하기 위하여 제공된다. 본 요약은 청구된 요지의 핵심 또는 필수적인 특징을 식별하기 위한 것은 아니며, 청구된 요지의 범위를 한정하기 위한 수단으로 이용되는 것은 아니다.
하나의 실시양태에서, 본 명세서에 개시된 실시예는 가스화 공정과 관련된 것으로서, (a) 액체 탄화수소 공급 원료 및 적어도 하나의 건식 공급 원료 또는 제1 슬러리화 공급 원료를 반응기 하부 섹션으로 도입하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 건식 공급 원료 또는 제1 슬러리화 공급 원료는 2개의 1차 공급 노즐을 통하여 도입되는 반면 상기 액체 탄화수소 공급 원료는 적어도 2개의 2차 공급 노즐을 통하여 도입되며; (b) 상기 반응기 하부 섹션 내의 공급 원료를 산소 함유 가스 또는 증기를 포함하는 가스 스트림과 부분적으로 연소시켜, 열을 방출시키고 고온 합성 가스를 포함하는 생성물을 형성하는 단계; (c) (b) 단계로부터의 상기 고온 합성 가스를 반응기 상부 섹션으로 상향 통과시키는 단계; 및 (d) 상기 고온 합성 가스로부터의 열이 열분해 및 가스화 반응에 의하여 제2 슬러리화 공급 원료의 반응을 지지함으로써, 상기 제2 슬러리화 공급 원료를 상기 반응기 상부 섹션으로 도입하는 단계;를 포함한다.
다른 실시양태에서, 본 명세서에서 개시된 실시예는 이단 가스화 반응기에 관한 것으로서, 하부 반응기 몸체; 적어도 하나의 건조 공급 원료 또는 제1 슬러리화 공급 원료를 도입하도록 구성되고, 상기 하부 반응기 몸체의 대향하는 말단들 상에 위치된, 2개의 1차 공급 노즐; 및 액체 탄화수소 공급 원료를 도입하도록 구성되고, 상기 하부 반응기 몸체 상에 위치된, 적어도 2개의 2차 공급 노즐;을 포함하는 반응기 하부 섹션; 및
상부 반응기 몸체; 적어도 하나의 건조 공급 원료 또는 제1 슬러리화 공급 원료를 도입하도록 구성되고, 상기 상부 반응기 몸체 상에 위치된, 적어도 하나의 상부 공급 노즐; 및 배출구;를 포함하는 반응기 상부 섹션;을 포함한다.
또 다른 실시양태에서, 본 명세서에서 개시된 실시예는 이단 가스화 반응기를 개선하기 위한 방법에 관한 것으로서, 액체 탄화수소 공급 원료를 하부 반응기 몸체로 도입하기 위하여 적어도 2개의 2차 공급 노즐을 상기 하부 반응기 몸체 상에 설치하여, 제1 공급 노즐을 통하여 도입되는 건조 공급 원료 또는 슬러리화 공급 원료로 구성된 1차 공급 원료를 보충하는 것을 포함한다.
청구된 요지의 다른 양태 및 장점은 하기 설명 및 첨부된 청구 범위로부터 명백해질 것이다.
도 1은 종래의 이단 가스화 반응기를 사용하는 가스화 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 2단 가스화 반응기의 하부 섹션 절반의 측면 투시도(side perspective view)이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 2단 가스화 반응기의 하부 섹션 절반의 상부 투시도(top perspective view)이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 2단 가스화 반응기의 하부 섹션 절반의 단부 투시도(end perspective view)이다.
하나의 실시 양태에서, 본 명세서에서 개시된 실시예는 일반적으로 탄소질 공급 원료를 합성 가스와 같은 가치 있는 가스 생성물로 전환하는 가스화 공정에 관한 것이다. 보다 특정한 실시 양태에서, 본 명세서에서 개시된 실시예는 탄소질 물질을 가치 있는 가스 생성물로 전환시킬 때 공급 원료 유연성을 갖는 가스화 공정에 관한 것이다. 예를 들어, 하나 이상의 실시예에서, 본 명세서에서 개시된 가스화 공정은 가스화 장치의 반응 챔버 내에서 액체 탄화수소 공급 원료 및 적어도 하나의 건조 공급 원료 또는 슬러리화 공급 원료를 동시에 활용하는 것일 수 있다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 참조 번호 10으로 나타낸 종래의 이단 가스화 반응기를 이용하는 가스화 시스템의 일 실시예가 도시된다. 상기 가스화 시스템은 반응기 하부 섹션(30) 및 반응기 상부 섹션(40)을 가진다. 상기 가스화 공정의 제1 단계는 상기 반응기 하부 섹션(30)에서 일어나고, 상기 가스화 공정의 제2 단계는 상기 반응기 상부 섹션(40)에서 일어난다. 상기 반응기 하부 섹션(30)은 제1 단계 반응 구역을 한정하고, 대안적으로 제1 단계 반응 구역으로 언급될 것이다. 상기 반응기 상부 섹션(40)은 제2 단계 반응 구역을 한정하고, 대안적으로 제2 단계 반응 구역으로 언급될 것이다.
도 1을 참조하면, 건조 또는 슬러리화 탄소질 공급 원료가 산소 함유 가스 및/또는 증기를 포함하는 가스 스트림과 혼합되고, 빠른 발열 반응이 일어나는 경우, 가스화 공정은 일반적으로 제1 반응 구역(또는 반응기 하부 섹션(30)) 내에서 시작된다. 여기서, 상기 탄소질 공급 원료는 증기, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 및 재와 같은 비말 동반된 미립자를 포함하는 제1 혼합 생성물로 전환된다. 재는 탄소질 공급 원료의 불연성 미네랄 함량으로 구성된다. 하나 이상의 실시예에서, 록-호퍼 시스템(이에 제한되지는 않음)과 같은 공급 시스템(100)에 진입하기 전에, 고체 탄소질 공급 원료는 분화된 것(당해 기술 분야에서 알려진 방법에 의하지만 본 개시의 범위 외)일 수 있고, 일부 경우는 슬러리화된 것일 수 있다. 상기 공급 시스템(100)으로부터의 미립자의 탄소질 물질을 포함하는 상기 분상의 고체 스트림은 공급 노즐(60 및 또는 60a)을 통하여 상기 가스화 반응기(10) 하부 섹션(30)으로 주입된다. 상기 제1 반응 구역(30)의 온도는, 슬래그로 알려진 점성의 액체로 형성되도록 재(ash)가 용융되고 응집되도록 하는, 상기 재의 용융점보다 높게 유지된다. 상기 슬래그는 상기 반응기 하부 섹션(30)의 바닥으로 떨어지고 ?치 챔버(32)로 유동하여, 물로 ?치되고 최종 처분을 위한 슬래그 처리 시스템(미도시)으로 보내어진다.
상기 제1 반응 구역에서 일어나는 1차 연소 반응은 다음과 같다:
C + 1/2O2 → CO,
이는 높은 발열성이다. 상기 반응의 발열(exothermicity)은 상기 제1 반응 구역 내의 온도를 2000 ℉ 내지 3500 ℉로 상승시킨다. 상기 제1 반응 구역에서 생성된 열은 상기 가스 스트림과 함께 위 방향으로 운반되어, 공급 수분의 증발, 탄소-증기 반응 및 CO와 H2O간의 수분-가스 반응을 포함하는 상기 비발화(unfired) 제2 반응 구역에서 일어나는 열분해 반응을 위한 열을 제공한다. 상기 탄소-증기 반응은 CO 및 H2를 형성하므로, 이들 유용한 가스의 수율을 높인다.
상기 반응기 상부 섹션(40)과 관련하여, 도 1에서 묘사된 실시예에 따르면, 반응기 하부 섹션(30)에 공급하는 데에 사용되기도 하는 공급 시스템(100)에 진입하기 전에, 고체 탄소질 공급 원료는 분화된 것(당해 기술 분야에서 알려진 방법에 의하지만 본 개시의 범위 외)일 수 있고, 일부 경우는 슬러리화된 것일 수 있다. 상기 공급 시스템(100)으로부터의 미립자의 탄소질 물질을 포함하는 상기 분상의 고체 스트림은 상부 공급 노즐(80) 또는 추가의 공급 노즐(미도시)를 통하여 상기 가스화 반응기(10) 상부 섹션(40)으로 주입될 수 있다. 그리고 나서, 상기 탄소질 물질은 상기 가스화 반응기(10) 하부 섹션(30)으로부터 상승하는(및, 상기 가스화 반응기(10) 하부 섹션(30) 내에서 생성되는) 고온의 합성 가스와 접촉하게 된다. 상기 상부 섹션(40)으로 들어가는 상기 탄소질 물질은 건조되며, 일부는 탄소-증기 반응(C + H2O → CO + H2)과 같은 반응에 의하여 열분해되고 가스화된다. 열분해 및 가스화 반응은 흡열성이므로, 탄소질 물질과 합성 가스의 혼합물의 온도는 상기 혼합물이 상기 상부 섹션(40)을 통하여 위로 이동함에 따라 감소한다. 미반응 고체 미립자(예를 들어, 숯) 및 제2 가스 생성물 스트림(예를 들어, 합성 가스)를 포함하는 제2 혼합 생성물은 상기 가스화 장치(10)의 상부 섹션(40)의 상부에서 떠날 때까지, 상기 제2 혼합 생성물 온도는 1200 ℉ 내지 2500 ℉ 범위, 예를 들어 1500 ℉ 내지 2000 ℉ 범위 내로 떨어진다.
나아가, 도 1에서 나타나는 실시예에 따르면, 반응기 상부 섹션에서 생성되고 미반응 고체 미립자 및 제2 가스 생성물 스트림을 포함하는 상기 제2 혼합 생성물은 상기 반응기 상부 섹션(40)에서 배출되고, 열 회수 유닛(180)으로 보내어진다. 이어서, 냉각된 합성 가스는 미립자 필터링 장치(50)로 도입된다. 상기 미립자 필터링 장치(50) 내에서, 제2 고체 생성물 스트림은 분리되고 배출구(70)를 통하여 배출된다. 그리고 나서, 상기 제2 고체 생성물 스트림(주로, 숯을 포함)은 공급 노즐(90 및 90a)를 통하여 상기 가스화 장치(10)의 반응기 하부 섹션(30)으로 재순환될 수 있으며, 공급 노즐(60 및 60a)로부터 도입되는 상기 탄소질 공급 원료를 보충하는 데에 이용될 수 있다.
도 1을 더 참조하면, 상기 미립자 필터링 장치(50)으로부터 배출되는 상기 가스 생성물 스트림(52)은 상기 공정 생성물을 구성하는, 수소, 일산화탄소, 소량의 메탄, 황화수소, 암모니아, 질소 및 이산화탄소를 포함한다. 하나 이상의 실시예에서, 상기 공정 생성물 스트림은 미립자 필터링 장치(50)에서 배출되어 최종 적용(application)을 위한 추가의 처리(예를 들어 분리, 스크러빙 등)를 거친다.
이제, 도 2 내지 도 4를 참고하면, 본 발명의 실시예가 상세히 설명될 것이다. 일반적으로, 상기 가스화 장지 및 이의 조작을 공급 원료 유연성을 개선하도록 변경함에도 불구하고, 가스화 반응기 내에서 일어나는 반응들은 전술한 바와 같다. 도 2 내지 도 4에서 나타내는 것은 이단 가스화 반응기의 하부 섹션(30)의 절반의 투시도로서, 도 2는 측면도를 도시하고, 도 3은 평면도를 도시하며, 도 4는 단면도를 도시한다. 이와 같은 투시도는, 상기 이단 가스화 반응기의 하부 섹션(30) 내의 중심으로 위치한 원점(212), 상기 반응기 하부 섹션의 깊이 방향으로 이어진 x축(206), 상기 반응기 하부 섹션의 길이 방향으로 이어진 y축(208), 및 상기 반응기 상부 섹션(40)의 중심을 통과하여 원점(212)으로부터 수직하게 배향된 z축(210)의 x, y, z 카데시안 좌표계(즉, x, y, z 각각의 축에 대한 206, 208 및 210)에 대한 파선을 포함한다. 이 좌표계는 상기 이단 가스화 반응기 디자인의 세부 사항을 충분하게 설명하는 데에 유용할 것이다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 1차 공급 노즐(60)은, 실질적으로 상기 이단 가스화 반응기의 수평의 하부 섹션(30)의 각 말단(202) 상의 y축(208) 라인 내의 중심 방향에 위치할 수 있다. 상기 1차 공급 노즐(60)은 상기 공급 원료가 전술한 연소 공정을 통하여 반응될 수 있도록 상기 건조 또는 슬러리화 탄소질 공급 원료를 상기 반응기의 하부 섹션(30)으로 도입할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 1차 공급 노즐(60)에 더하여, 상기 이단 가스화 반응기의 수평의 하부 섹션(30)의 각 말단(202) 상에 위치한 적어도 1개의 2차 공급 노즐과 함께 적어도 2개의 2차 공급 노즐(200a 및 200b)이 있을 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 상기 이단 가스화 반응기의 수평의 하부 섹션(30)의 각 말단(202) 상에 위치되는 것과 같은 적어도 2개의 2차 공급 노즐이 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 말단(202)에 2개의 2차 공급 노즐이 위치하여, 총 4개의 2차 공급 노즐이 있을 수 있다. 상기 2차 공급 노즐(200a)(및 존재하는 경우, 200b)은 전술한 연소 공정에 의하여 반응이 일어날 수 있도록 2차 액체 탄화수소 공급 원료를 상기 반응기의 하부 섹션(30)으로 도입할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 2차 액체 공급 원료 및 상기 1차 건조 또는 슬러리화 탄소질 공급 원료는 실질적으로 동시에 상기 반응기의 하부 섹션(30)으로 도입될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 반응기의 하부 섹션(30)으로의 상기 2차 액체 탄화수소 공급 원료의 도입은 간헐적으로 일어날 수 있다. 반면에, 상기 1차 건조 또는 슬러리화 탄소질 공급 원료의 도입은 상기 가스화 반응기가 동작 중에 있는 동안 연속적일 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 1차 공급 노즐(60a 및 60b)을 통한 상기 하부 섹션(30)으로의 1차 건조 또는 슬러리화 탄소질 공급 원료의 도입은 실질적으로 없을 수 있다. 이들 실시예에 있어서, 건조 또는 슬러리화 탄소질 공급 원료는 노즐(80)을 통하여 상부 섹션(40)으로 공급될 수 있고, 상기 하부 섹션(30)은 2차 공급 노즐(200a 및 200b)을 통하여 공급되는 2차 액체 탄화수소 공급 원료와 함께 공급 노즐(90 및 90a)을 통하여 상부 섹션(40)에 의하여 생성된 재순환된 건조 숯(char) 및 재(ash)를 공급받을 수 있다.
나아가, 도 2 내지 도 4에서 도시된 바와 같이, 상기 2차 공급 노즐(200a 및 200b)는, 상기 액체 탄화수소 공급물이 상기 반응기의 하부 섹션(30) 내에서 상기 1차 공급 노즐(60)의 y축 마커(208)에 의하여 근사되는 1차 공급 벡터와 좌우 대칭(vertical symmetry)을 유지하도록, 상기 액체 탄화수소 공급 원료가 2차 공급 벡터(204a 및 204b)를 통하여 상기 반응기의 하부 섹션(30)으로 도입되게 설계된다. 상기 이단 가스화 반응기의 수평의 하부 섹션(30)의 말단(202) 및 공급 벡터(204a 및 204b) 배향 상의 각각의 배치를 포함하는 상기 2차 공급 노즐(200a 및 200b)의 설계는, 축적된 재(ash) 물질에 의하여 유발될 수 있는 막힘(plugging) 또는 다른 손상을 피하며 상기 1차 공급 노즐(60)의 상기 1차 공급 벡터(즉, y축 마커 208)에 따르는 상기 공급 원료 유동의 방해를 최소화하여, 상기 가스화 반응기 내 최적의 유동 및 온도 프로파일을 창출하기 위한 중요한 공학적 고려사항이다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 상기 1차 공급 노즐(60) 및 2차 공급 노즐(200a 및 200b)의 설계는 상기 1차 공급 노즐(60)로부터의 1차 공급 벡터(즉, y축 마커 208) 및 제2 공급 노즐(200a 및 200b)로부터의 2차 공급 벡터(204a 및 204b)가 상기 죄표계의 원점(212)에 의하여 근사되는 공급 교차점에서 교차할 수 있도록 할 것이다. 하나 이상의 실시예에서, 상기 공급 교차점(즉, 원점(212))은 상기 1차 공급 벡터(즉, y축 마커 208), x축 마커(206), 및 z축 마커(210)이 만나는 지점인 상기 반응기의 하부 섹션(30) 내의 중심에 위치될 수 있다.
하지만, 하나 이상의 실시예에서, 상기 2차 공급 노즐의 2차 공급 벡터는 원점(212)의 위치보다 z축 마커(210) 상의 더 낮은 지점을 향하여(즉, 상기 반응기 하부 섹션(30)의 바닥에 가깝게) 배향될 수 있다. 이들 실시예에서, 상기 1차 공급 노즐(60)의 1차 공급 벡터는 여전히 상기 원점(212)을 향하여(즉, y축 마커(208)를 따라) 배향될 수 있거나, 또는 원점(212)의 위치보다 z축 마커(210) 상의 더 낮은 지점으로(즉, z축(210) 상에서 더 낮지만 y축 마커(208)에 평행한 벡터를 형성할 수 있다) 배향될 수 있다. 이 단락에서 기술하는 일반적인 배향은 상기 ?치 챔버(32)로 이어지는 영역 주변의 온도를 상승하도록 할 수 있고, 이에 따라 상기 ?치 챔버(32)로의 매끄러운 슬래그 유동을 용이하게 한다.
일반적으로, 2차 공급 노즐의 배치는 서로 독립적이며, 상기 반응기의 하부 섹션(30)으로 도입되는 공급물의 공급 벡터가 상기 공급 교차점(즉, 상기 원점(212))에서 만나는 한, 상기 이단 가스화 반응기의 수평의 하부 섹션(30)의 말단(202) 상의 임의의 위치에 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 2차 공급 벡터(204a 및 204b)는 상기 1차 공급 벡터(즉, y축 마커(208))에 대하여 약 +/- 1 내지 45˚, 또는 일부 실시예는 약 +/- 5 내지 30˚, 및 또다른 실시예에서는 약 +/- 10 내지 20˚의 각을 형성할 수 있다. 상기 고려 사항과는 독립적으로, 2차 공급 벡터(204a 및 204b)는 상기 x축 마커(206)에 대하여 약 +/- 1 내지 45˚, 또는 일부 실시예는 약 +/- 5 내지 30˚, 및 또다른 실시예는 약 +/- 10 내지 20˚의 각을 형성할 수 있다. 또한, 2차 공급 벡터(204a 및 204b)는 상기 z축 마커(210)에 대하여 약 +/- 1 내지 45˚, 또는 일부 실시예는 약 +/- 5 내지 30˚, 및 또다른 실시예는 약 +/- 10 내지 20˚의 각을 형성할 수 있다. 나아가, 각각의 특정 공급 벡터의 정렬은 또다른 2차 공급 벡터의 정렬과 실질적으로 무관할 수 있다. 그러나, 상기 반응기 내에서 최적의 유동 조건을 얻기 위한 상기 2차 공급 벡터의 적절한 대칭을 유지하기 위하여, 상보적인 2차 공급 벡터가 상기 좌표계에 대하여 반대 각도를 형성하도록 각각의 2차 공급 벡터는 정렬될 필요가 있다. 예를 들어, 상기 1차 공급 벡터(즉, y축 마커 208)에 대하여 45˚의 각을 형성하는 2차 공급 벡터를 가지는 하나의 2차 공급 노즐이 있는 경우, 상기 1차 공급 벡터(즉, y축 마커 208)에 대하여 -45˚의 각도를 형성하는 또다른 2차 공급 노즐이 있는 것이 유리할 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 하나의 말단(202) 상의 하나의 2차 공급 노즐(200a 또는 200b)로부터의 공급 원료의 유동이 상기 가스화 반응기의 하부 섹션(30)의 대향하는 말단(미도시)에 위치된 또다른 2차 공급 노즐(미도시)로부터의 공급 원료 유동과 직접 대향되는 경우(즉, 2개의 공급 원료 벡터는 하나의 말단으로부터 다른 말단으로의 상기 공급 교차점을 통과하는 직선을 형성한다), 상기 반응기 내에서 최적의 공급 원료 유동 조건을 달성하는 것이 유리할 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 상기 가스화 반응기의 하부 섹션(30)의 각각의 말단(202)은 이에 부착되는 2차 공급 노즐과 동일한 수를 가질 수 있고, 각각의 2차 공급 노즐은 상기 가스화 반응기의 하부 섹션(30)의 대향하는 말단 상의 다른 2차 공급 노즐의 공급 벡터에 직접 대향하는 공급 벡터를 가진다. 상기 2차 공급 노즐의 공급 벡터에 대한 상기 고려 사항은, 2차 액체 탄화수소 공급 원료 분무 접촉 또는 반응기 내부 벽 표면에 대한 충돌 가능성 감소, 상기 1차 공급 노즐로부터의 1차 건조 또는 슬러리화 탄소질 공급 원료의 어떠한 물질 방해 감소, 및 상기 ?치 챔버(32)로 이어지는 상기 반응기 하부 섹션(30) 주변 영역 내의 적절한 온도(예를 들어, 상기 공급 원료 재(ash)의 회융점 이상)를 보장함으로써, 상기 가스화 반응기에 대한 최적의 작동 조건을 제공할 수 있다.
상기 1차 공급 노즐에 의하여 상기 하부 반응기 섹션으로 도입되는 건조 또는 슬러리화 탄소질 공급 원료는 상기 가스화 반응기의 상부 섹션의 생성물로부터 분리되는 갈탄(lignite), 아역청탄(sub-bituminous coal), 역청탄(bituminous coal), 석유코크스(petroleum coke), 숯(char) 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 공급 원료가 슬러리화 탄소질 공급 원료인 경우, 내부에 상기 탄소질 물질을 함유하는 담체 액체(carrier liquid)는 물, 액체 CO2, 석유 액체, 또는 이들의 어떠한 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 2차 공급 노즐에 의하여 상기 하부 반응기 섹션으로 도입되는 액체 탄화수소 공급 원료는 열분해 오일(pyrolysis oil), 진공 레시드(vacuum resid), 피치(pitch)(용매, 탈아스팔트 피치 포함), 콜타르(coal tar), 저온 가스화 공정으로부터의 석탄산 물질(phenolic materials), 산성 가스 제거 유닛(AGRs)으로부터의 용매 블로 다운(solvent blowdown), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 액체 탄화수소 공급 원료는 다음과 같이 보다 구체적으로 서술될 수 있다: 진공 레시드는 정유시설 원유 슬레이트의 고분자량/끓는점(high molecular weight/boiling point) 성분(fraction)이고, 피치는 수소화 분해의 고분자량/끓는점(high molecular weight/boiling point) 부산물(by-product)이며, 석탄산 물질은 저온 가스화 공정으로부터의 합성 가스 냉각 시 발생되는 부산물이고, AGRs로부터의 용매 블로 다운 스트림은 AGRs로부터 퍼징이 필요한 용매(예를 들어, 아민, 글리콜, 메탄올 등) 및 오염 물질(예를 들어, BTX, 타르, 탄화수소 등)을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 액체 탄화수소 공급 원료는, 상기 가스화 반응기의 하부 섹션으로 도입되는 총 공급 원료 블랜드(즉, 건조 또는 슬러리화 공급 원료 및/또는 재순환된 건조 숯과 상기 액체 탄화수소 공급 원료) 중량에 대하여, 최대 10 %, 최대 20 %, 최대 40 %, 최대 60 %, 또는 최대 80 %일 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 상기 가스화 반응기의 하부 섹션의 2차 공급 노즐은 액체 탄화수소 공급 원료를 질소, 재순환된 합성 가스, 공기, 산소 농축 공기, 산소, 증기, 또는 이들의 혼합물과 함께 분무(atomize)할 수 있다. 상기 가스화 반응기의 하부 섹션으로 도입되는 상기 액체 탄화수소의 분무는 총 공급 원료 블랜드의 최적의 연소를 보장하는 데에 중요할 수 있다.
본 발명의 실시예는 하기 장점들 중 적어도 하나를 제공할 수 있다. 가스화 공정 내에서의 공급 원료 유연성을 증가시킴에 따라 여기서 기술하는 2차 공급 노즐을 가지는 가스화 반응기의 자본 효율성 및 유용성을 증가시킨다. 또한, 전술한 액체 탄화수소 공급 원료의 일부는 이러한 공급 원료를 사용할 수 없는 설비에 의하여 생성될 수 있다. 이들 예시에서, 특정 액체 탄화수소 공급 원료는 수집되고 판매, 사용 또는 폐기를 위해 다른 장소로 이송될 수 있다. 본 발명의 실시예는 본 명세서에 개시된 가스화 공정/반응기 내에서 이들 공급 원료의 내부적 사용을 용이하게 함으로써, 잠재적으로 위험하고 비용이 많이 드는 상기 액체 탄화수소의 운송 및 불확실한 시장 조건(판매되는 경우)을 피할 수 있다. 나아가, 일부 실시예에서, 반응기 셧다운의 필요 없이 가스화 반응기의 하부 섹션으로 도입되는 액체 탄화수소 공급 원료의 양을 변화시키는 것이 가능하며, 이에 따라 상기 액체 탄화수소 공급물의 감소 또는 증가가 요구되거나 상기 액체 탄화수소 스트림이 이용 불가능하게 되는 경우, 상기 가스화 반응기의 연속적인 작동을 용이하게 한다. 게다가, 상기 1차 공급 노즐에 의하여 공급되는 공급 원료를 보충하는 가스화 공정 동안 액체 탄화수소 공급 원료가 상기 하부 반응기 몸체로 도입될 수 있도록, 상기 가스화 반응기의 하부 반응기 몸체 상에 적어도 두개의 2차 공급 노즐을 간단하게 설치함으로써 기존의 가스화 반응기의 성능은 전술한 방법으로 개선될 수 있음이 예측된다.
그러므로, 본 발명은 저부가가치 부산물(예를 들어, 상기 액체 탄화수소 공급 원료)를 이용함에 의하여 고부가가치 산물(H2)의 가스화에 의한 생산을 유리하게 제공한다. 수소는 다양한 원유 수소 처리 공정(예를 들어 황 제거 및 수소화 분해)에 필요하므로, 정유시설 환경에서 고부가가치 산물이다. 본 발명과 대조적으로, 종종 수소는 고부가가치의 액체 또는 가스를 개질(소비)함으로써 정유시설 환경 내에서 생성된다. 본 명세서에 개시되는 상기 가스화 공정은 낮은 부가가치의 공급 원료를 이용하여 더 넓은 공급 원료 다양성으로 작동하는 추가된 유연성을 가지는 수소를 생산할 수 있다. 나아가, 상기 액체 탄화수소 공급 원료는 주어진 합성 가스의 생산량을 위하여, 고체 건조 또는 슬러리화 탄소질 공급 원료보다 비교적 적은 산소를 소비한다. 그러므로, 상기 1차 공급 원료를 상기 액체 탄화수소 공급 원료로 보충하는 것은 상기 가스화 반응기 내에서 전체 산소 소비의 감소를 제공할 것이다.
단지 몇 가지 예시적인 실시예가 상기에서 상세히 설명되었지만, 당업자는 본 발명을 실질적으로 벗어남 없이 상기 예시적인 실시예에서 많은 수정이 가능하다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 그러므로, 이러한 모든 수정은 하기 청구항에서 정의되는 본 발명의 범위 내에 포함되도록 의도된다. 청구항이 관련된 기능과 함께 '수단'이라는 단어를 명백하게 사용하는 경우를 제외하고, 본 명세서의 모든 청구항의 어떠한 한정에 대하여 35 U.S.C. § 112(f)를 적용하지 않도록 하는 것이 출원인의 명시적인 의도이다.

Claims (20)

  1. (a) 액체 탄화수소 공급 원료 및 적어도 하나의 건식 공급 원료 또는 제1 슬러리화 공급 원료를 반응기 하부 섹션으로 도입하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 건식 공급 원료 또는 제1 슬러리화 공급 원료는 2개의 1차 공급 노즐을 통하여 도입되는 반면 상기 액체 탄화수소 공급 원료는 적어도 2개의 2차 공급 노즐을 통하여 도입되며;
    (b) 상기 반응기 하부 섹션 내의 공급 원료를 산소 함유 가스 또는 증기를 포함하는 가스 스트림과 부분적으로 연소시켜, 열을 방출시키고 고온 합성 가스를 포함하는 생성물을 형성하는 단계;
    (c) (b) 단계로부터의 상기 고온 합성 가스를 반응기 상부 섹션으로 상향 통과시키는 단계; 및
    (d) 상기 고온 합성 가스로부터의 열이 열분해 및 가스화 반응에 의하여 제2 슬러리화 공급 원료의 반응을 지지함으로써, 상기 제2 슬러리화 공급 원료를 상기 반응기 상부 섹션으로 도입하는 단계;를 포함하는, 가스화 공정.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 액체 탄화수소 공급 원료 및 적어도 하나의 건조 공급 원료 또는 제1 슬러리화 공급 원료의 상기 반응기 하부 섹션으로의 도입은 동시에 일어나는 것을 특징으로 하는, 가스화 공정.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응기 하부 섹션으로의 상기 액체 탄화수소 공급 원료의 도입은 간헐적으로 일어나는 반면 상기 적어도 하나의 건조 공급 원료 또는 제1 슬러리화 공급 원료는 연속적으로 도입되는 것을 특징으로 하는, 가스화 공정.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 2개의 2차 공급 노즐의 액체 탄화수소 2차 공급 벡터는 상기 반응기 하부 섹션 내에서 상기 1차 공급 노즐의 1차 공급 벡터와 좌우 대칭을 유지하도록 배향되는 것을 특징으로 하는, 가스화 공정.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 2개의 2차 공급 노즐로부터의 상기 액체 탄화수소 공급 원료의 2차 공급 벡터 및 상기 1차 공급 노즐로부터의 1차 공급물의 1차 공급 벡터는 실질적으로 상기 하부 반응기 몸체의 중심에 있는 공급 교차점에서 교차하는 것을 특징으로 하는, 가스화 공정.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 적어도 2개의 2차 공급 노즐로부터의 상기 액체 탄화수소 공급물의 2차 공급 벡터는 상기 하부 반응기 몸체의 중심에서 교차하고, 상기 하부 반응기 몸체의 중심을 통과하는 상기 반응기 하부 섹션의 하나의 말단으로부터 다른 말단으로의 직선을 형성하는 것을 특징으로 하는, 가스화 공정.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 2개의 2차 공급 노즐의 적어도 하나의 2차 공급 벡터는 상기 2개의 1차 공급 노즐의 1차 공급 벡터에 대하여 약 +/- 1 내지 45˚의 각을 형성하는 것을 특징으로 하는, 가스화 공정.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 2개의 2차 공급 노즐의 적어도 하나의 2차 공급 벡터는 상기 반응기 하부 섹션의 중심의 깊이 방향으로 이어진 축에 대하여 약 +/- 1 내지 45˚의 각을 형성하는 것을 특징으로 하는, 가스화 공정.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 2개의 2차 공급 노즐은 상기 액체 탄화수소 공급 원료를 공기, 산소 농축 공기, 산소, 증기, 또는 이들의 혼합물과 함께 분무하는 것을 특징으로 하는, 가스화 공정.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응기 하부 섹션으로 도입되는 총 원료는 최대 60 중량%의 액체 탄화수소를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스화 공정.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 액체 탄화수소 공급 원료는 열분해 오일, 진공 레시드, 피치, 콜타르, 저온 가스화 공정으로부터의 석탄산 물질, 산성 가스 제거 유닛(AGRs)으로부터의 용매 블로 다운, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스화 공정.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 건조 공급 원료 및 제1 슬러리화 공급 원료는 적어도 하나의 갈탄, 아역청탄, 역청탄, 석유코크스, 숯 및 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 가스화 공정.
  13. (a) 하부 반응기 몸체; (b) 적어도 하나의 건조 공급 원료 또는 제1 슬러리화 공급 원료를 도입하도록 구성되고, 상기 하부 반응기 몸체의 대향하는 말단들 상에 위치된, 2개의 1차 공급 노즐; 및 (c) 액체 탄화수소 공급 원료를 도입하도록 구성되고, 상기 하부 반응기 몸체 상에 위치된, 적어도 2개의 2차 공급 노즐;을 포함하는 반응기 하부 섹션; 및
    (a) 상부 반응기 몸체; (b) 적어도 하나의 건조 공급 원료 또는 제1 슬러리화 공급 원료를 도입하도록 구성되고, 상기 상부 반응기 몸체 상에 위치된, 적어도 하나의 상부 공급 노즐; 및 배출구;를 포함하는 반응기 상부 섹션;을 포함하는, 이단 가스화 반응기.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 적어도 2개의 2차 공급 노즐은, 상기 반응기 하부 섹션 내에서 상기 1차 공급 노즐로부터의 1차 공급 벡터에 따르는 공급물과 좌우 대칭을 유지하는 2차 공급 벡터를 따라 공급물을 제공하도록 배향된 것을 특징으로 하는, 이단 가스화 반응기.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 적어도 2개의 2차 공급 노즐 및 상기 1차 공급 노즐은 실질적으로 상기 하부 반응기 몸체의 중심에 있는 공급 교차점에서 교차하는 공급 벡터를 따라 공급물을 제공하도록 배향된 것을 특징으로 하는, 이단 가스화 반응기.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 적어도 2개의 2차 공급 노즐은 각각의 말단이 같은 수의 2차 공급 노즐을 가지도록 상기 하부 반응기 몸체의 대향하는 말단들 상에 위치된 것을 특징으로 하는, 이단 가스화 반응기.
  17. 청구항 16에 있어서,
    하나의 말단 상의 각각의 2차 공급 노즐의 각각의 2차 공급 벡터는 대향하는 말단 상의 2차 공급 노즐로부터의 2차 공급 벡터와 직선을 형성하도록 배향되는 것을 특징으로 하는, 이단 가스화 반응기.
  18. 청구항 13에 있어서,
    상기 적어도 2개의 2차 공급 노즐로부터의 적어도 하나의 2차 공급 벡터는 상기 2개의 1차 공급 노즐로부터의 1차 공급 벡터에 대하여 +/- 1 내지 45˚의 각을 형성하는 것을 특징으로 하는, 이단 가스화 반응기.
  19. 청구항 13에 있어서,
    상기 적어도 2개의 2차 공급 노즐로부터의 적어도 하나의 2차 공급 벡터는 상기 반응기 하부 섹션의 중심의 깊이 방향으로 이어진 축에 대하여 약 +/- 1 내지 45˚의 각을 형성하는 것을 특징으로 하는, 이단 가스화 반응기.
  20. 액체 탄화수소 공급 원료를 하부 반응기 몸체로 도입하기 위한 적어도 2개의 2차 공급 노즐을 상기 하부 반응기 몸체 상에 설치하여, 제1 공급 노즐을 통하여 도입되는 건조 공급 원료 또는 슬러리화 공급 원료로 구성된 1차 공급 원료를 보충하는 것을 포함하는, 이단 가스화 반응기를 개선하기 위한 방법.
KR1020187028503A 2016-03-04 2017-03-02 이단 가스화 장치 및 공급 원료 유연성을 갖는 가스화 공정 KR102184265B1 (ko)

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