KR20230008046A - 초저배출 에틸렌 플랜트 - Google Patents
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Abstract
본 발명은,
탄화수소 공급원료를 분해 가스 스트림으로 전환시키기 위한 분해로;
분해 가스 스트림으로부터 적어도 에틸렌-농후 생성물 스트림, 수소-농후 연료 스트림 및 메탄-농후 연료 스트림을 제공하기 위한 분리 섹션;
수소-농후 연료의 적어도 일부를 분리 섹션으로부터 분해로의 버너로 공급하기 위한 통로 및/또는 수소-농후 연료의 적어도 일부를 분리 섹션으로부터 복합 사이클 가스 터빈 파워 플랜트(combined cycle gas turbine power plant; CCGT)의 폐열 회수 보일러의 버너로 공급하기 위한 통로;
메탄-농후 연료를 저장하도록 구성되는 메탄 스토리지 및 메탄-농후 연료의 적어도 일부를 분리 섹션으로부터 스토리지로 공급하기 위한 통로;
연소기를 포함하는 가스 터빈을 포함하는 CCGT 및 메탄-농후 연료의 적어도 일부를 스토리지로부터 CCGT의 가스 터빈의 연소기로 공급하기 위한 통로 - CCGT는 전기 파워 및/또는 에틸렌 플랜트의 증기 발생 회로의 일부를 형성하는 증기 터빈을 구동시키기 위한 고압 증기를 발생시키도록 구성됨 -; 및
플랜트를 작동시키기 위해 파워의 일부를 제공하기 위한 전기 파워 커넥션 - 이는 재생 가능 소스로부터 전기 파워를 생산하기 위한 전기 파워 시스템에 대한 커넥션임 -
을 포함하는 에틸렌 플랜트에 관한 것이다.
탄화수소 공급원료를 분해 가스 스트림으로 전환시키기 위한 분해로;
분해 가스 스트림으로부터 적어도 에틸렌-농후 생성물 스트림, 수소-농후 연료 스트림 및 메탄-농후 연료 스트림을 제공하기 위한 분리 섹션;
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을 포함하는 에틸렌 플랜트에 관한 것이다.
Description
본 발명은 에틸렌 플랜트(ethylene plant) 및 이러한 플랜트에서 에틸렌을 생산하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 에틸렌 플랜트를 사용하는 재생 가능 파워의 임시 저장을 위한 방법 및 에틸렌 플랜트를 사용하는 수소의 메탄-농후 가스로의 간접 전환을 위한 방법에 관한 것이다.
예를 들어, 문헌 US 4,479,869에 개시된 바와 같은 기존의 분해로 시스템(cracking furnace system)은 일반적으로 탄화수소 공급원료(hydrocarbon feedstock)가 예열되고/되거나 부분적으로 증발되며 희석 증기(dilution steam)와 혼합되어 공급원료-희석 증기 혼합물을 제공하는 대류 섹션을 포함한다. 시스템은 또한 화실(firebox)에 하나 이상의 복사 코일을 포함하는 복사 섹션을 포함하며, 여기서, 대류 섹션으로부터의 공급원료-희석 증기 혼합물은 고온에서 열분해(pyrolysis)에 의해 생성물 및 부산물 성분들로 전환된다. 시스템은 열분해 부반응들을 멈추고 생성물들에 유리한 반응들의 평형을 유지하기 위해 복사 섹션을 떠나는 생성물 또는 분해 가스(cracked gas)를 신속하게 퀀치하도록(to quench) 구성되는 적어도 하나의 퀀치 교환기, 예컨대, 이송 라인 교환기(transfer line exchanger)를 포함하는 냉각 섹션을 더 포함한다. 이송 라인 교환기로부터의 열은 고압 증기(high pressure steam)의 형태로 회수될 수 있다.
이러한 기존의 시스템들의 단점은 열분해 반응을 위해 많은 연료가 공급될 필요가 있다는 점이다. 이 연료 소비를 줄이기 위해, 화실 효율, 복사 코일에 의해 흡수되는 화실에서 방출된 열의 비율은 크게 증가될 수 있다. 그러나, 화실 효율이 증가된 기존의 분해로 시스템의 대류 섹션에서의 열 회수 방식은 복사 섹션에 들어가기 위한 최적의 온도에 도달하도록 탄화수소 공급원료를 가열하는 기능들이 제한적일 뿐이다. 그 결과, 연료 소비를 줄여 CO2 배출을 감소시키는 것은 기존의 분해로 시스템 내에서 거의 불가능하다.
WO2018/229267은 이 문제를 해결하여, 분해로들의 화실 효율을 크게 개선하고 분해로들로부터의 CO2 배출들을 감소시킨다. 그러나, 여기에 개시된 바와 같은 이러한 고효율 분해로는 또한 기계들, 예컨대, 분해 가스 압축기들(compressors), 프로필렌 냉동(refrigeration) 압축기들, 에틸렌 냉동 압축기들과 같은 에틸렌 플랜트들의 압축기들 및/또는 펌프들을 구동시키는 데 유용한 고압 증기의 발생을 직접적으로 또는 증기를 전기 파워(electric power) 생성에 사용한 후에 상당히 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 본 발명자에 의한 내부 연구에 기초하여, 분해로 효율을 약 40 %에서 약 54 %로 증가시키는 것은 대략 2/3로의 증기 발생 감소로 이어질 수 있다. 그 결과, CO2 배출 감소의 부작용으로, 이 압축기들을 모두 구동시킬 수 있는 증기가 충분하지 않았다.
본 발명자는 최근 WO2018/229267의 단점을 해결하여 에틸렌 플랜트에서 기계들을 구동시키기 위한 개선된 방법 및 시스템을 발명했는데, 이는 생산된 파워의 탄소 발자국(carbon footprint), 즉, 생산된 파워의 kw당 배출되는 CO2의 양을 줄일 수 있다(미공개 유럽 특허 출원 번호 19178729.0 참조). 여기에서 통합된 에틸렌 및 파워 플랜트 시스템이 설명되며, 여기서, 노들(furnaces)로부터의 더 낮은 고압 증기 생성이 보상될 수 있고 분해로에서 생성되는 과잉 연료 가스가 훨씬 더 많은 파워를 발생시키는 데 사용된다.
에틸렌 플랜트의 에너지 효율을 개선하고/하거나 온실 가스 배출들을 줄이기 위한 추가 방법이 여전히 필요하며, 이러한 방법은 이를 달성하기 위한 알려진 수단에 대한 추가로 또는 대안으로 사용될 수 있다. 재생 가능(renewable) 전기 파워 시스템들의 전기 파워 용량의 변동들의 균형을 맞출 수 있다는 점에서 견고한 에너지 효율적인 저배출 에틸렌 플랜트를 제공하는 것이 더 바람직할 것이다.
재생 가능 전기 파워 소스로부터 전기 파워 수요들의 적어도 일부를 수용하는 에틸렌 플랜트를 제공함으로써 이러한 요구들 중 하나 이상을 해결할 수 있다는 것이 이제 발견되었으며, 여기서, 특정 연료 부분들은 특정 방식으로 에틸렌 플랜트 내부로 향하게 된다.
특히, 본 발명자는 에너지 효율이 증가함에 따라, 더 많은 과잉 연료가 분해된 탄화수소 가스 스트림의 일부로서 분해로를 떠난다는 것을 알았다. 이 연료는 일반적으로 상당한 양의 메탄뿐만 아니라, 상당한 양의 수소도 포함한다. 수소는 추가 화학 공정들, 특히, 수소화에 유용한 생성물이지만, 메탄의 경우, 현재 경제에서 연소시키는 것 외에 다른 용도가 거의 없다. 이것은 결국 대기 중으로 CO2를 방출할 것이다. 본 발명자는 또한 분해 가스를 하나 이상의 올레핀들(olefins)이 농후한(enriched) 하나 이상의 부분들(에틸렌-농후 부분을 포함함)로 분리할 뿐만 아니라, 에틸렌 플랜트 내의 연료들로서 작용하는 가스가 농후한 적어도 두 개의 상이한 부분들, 즉, 분해 가스의 수소-농후 연료 부분 및 메탄-농후 연료 부분으로 분리하는 데 이점이 있음을 알았다.
따라서, 본 발명은 에틸렌 플랜트에 관한 것으로, 에틸렌 플랜트는,
탄화수소 공급원료를 분해 가스 스트림으로 전환시키기 위한 분해로;
분해 가스 스트림으로부터 적어도 에틸렌-농후 생성물 스트림, 수소-농후 연료 스트림 및 메탄-농후 연료 스트림을 제공하도록 구성되는 분리 섹션(separation section);
수소-농후 연료의 적어도 일부를 분리 섹션으로부터 분해로의 버너로 공급하기 위한 통로(passage way) 및/또는 수소-농후 연료의 적어도 일부를 분리 섹션으로부터 복합 사이클 가스 터빈 파워 플랜트(combined cycle gas turbine power plant; CCGT)의 폐열 회수 보일러의 버너로 공급하기 위한 통로;
메탄-농후 연료를 저장하도록 구성되는 메탄 스토리지(storage) 및 메탄-농후 연료의 적어도 일부를 분리 섹션으로부터 스토리지로 공급하기 위한 통로;
가스 터빈(turbine)을 포함하는 CCGT - 가스 터빈은 연소기(combustor)를 포함함 - 및 메탄-농후 연료의 적어도 일부를 스토리지로부터 CCGT의 가스 터빈의 연소기로 공급하기 위한 통로 - CCGT는 전기 파워 및/또는 에틸렌 플랜트의 증기 발생 회로의 일부를 형성하는 증기 터빈을 구동시키기 위한 고압 증기를 발생시키도록 구성됨 -; 및
플랜트를 작동시키기 위해 파워의 일부를 제공하도록 구성되는 전기 파워 커넥션(connection) - 이는 재생 가능 소스로부터 전기 파워를 생산하기 위한 전기 파워 시스템에 대한 커넥션임 -
을 포함한다.
일반적으로, 본 발명에 따른 에틸렌 플랜트는,
탄화수소 공급원료를 분해 가스 스트림으로 전환시키기 위한 분해로 - 상기 분해 가스 스트림은 에틸렌, 수소 및 메탄을 포함함 -;
분해 가스를 분리하여 적어도 에틸렌-농후 생성물 스트림, 수소-농후 연료 스트림 및 메탄-농후 연료 스트림을 제공하도록 구성되는 분리 섹션;
수소-농후 연료의 적어도 일부를 분리 섹션으로부터 분해로의 버너로 공급하기 위한 통로 및/또는 수소-농후 연료의 적어도 일부를 분리 섹션으로부터 복합 사이클 가스 터빈 파워 플랜트(CCGT)의 폐열 회수 보일러의 버너로 공급하기 위한 통로;
분리 섹션으로부터 직접 또는 분리 섹션으로부터의 기체 메탄-농후 연료 스트림을 액화한 후에 획득되는 액화된 메탄-농후 연료를 저장하도록 구성되는 메탄 스토리지 및 액화된 메탄-농후 연료의 적어도 일부를 분리 섹션으로부터 스토리지로 공급하기 위한 통로;
가스 터빈을 포함하는 복합 사이클 가스 터빈(combined cycle gas turbine; CCGT) - 가스 터빈은 연소기를 포함함 - 및 액화된 메탄-농후 연료의 적어도 일부를 기체 메탄-농후 연료로 전환시키도록 구성되는 증발기 유닛(evaporator unit)을 통해, 액화된 메탄-농후 연료를 스토리지로부터 CCGT의 가스 터빈의 연소기로 공급하기 위한 통로; 및
에틸렌 플랜트를 작동시키는 데 필요한 파워의 일부를 제공하도록 구성되는 전기 파워 커넥션 - 파워 커넥션은 재생 가능 소스로부터 전기 파워를 생산하도록 구성되는 전기 파워 시스템에 대한 커넥션임 -
을 포함한다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 에틸렌 플랜트의 사용을 포함하는, 탄화수소 공급물로부터 에틸렌을 생산하기 위한 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 본 발명에 따른 탄화수소 공급물로부터 에틸렌을 생산하기 위한 방법은,
에틸렌, 수소 및 메탄을 포함하는 분해된 탄화수소-함유 가스를 생성하기 위해 본 발명에 따른 에틸렌 플랜트의 분해로에서 탄화수소를 분해하는 단계;
분해된 탄화수소-함유 가스의 적어도 일부를 적어도 에틸렌-농후 생성물, 수소-농후 연료 및 메탄-농후 연료로 분리하는 단계;
수소-농후 연료의 적어도 일부를 분리 섹션으로부터 분해로의 버너로 공급하는 단계 및/또는 수소-농후 연료의 적어도 일부를 분리 섹션으로부터 복합 사이클 가스 터빈 파워 플랜트(CCGT)의 폐열 회수 보일러의 버너로 공급하는 단계;
액체로서 분리 섹션으로부터 직접 또는 분리 섹션으로부터의 기체 메탄-농후 연료 스트림을 액화한 후에 획득되는 메탄-농후 연료의 적어도 일부를 메탄 스토리지로 공급하는 단계
메탄-농후 연료의 적어도 일부를 스토리지로부터 CCGT의 연소기로 공급하는 단계 - 스토리지로부터의 상기 메탄-농후 연료는 연소기로 공급되기 전에 기화됨 -; 및
CCGT의 연소기로 공급되는 기화된 메탄-농후 연료를 CCGT에서 연소시키는 단계 - 이로써, 전기 파워 및/또는 에틸렌 플랜트의 증기 발생 회로의 일부를 형성하는 증기 터빈을 구동시키기 위한 (고압) 증기를 발생시킴 -
를 포함하고,
파워의 적어도 일부는 재생 가능 소스로부터 생산되는 전기 파워이다.
하나 이상의 버너들(연료를 연소시키도록 구성됨)이 제공되는 분해로, 즉, 일반적으로 화실에 있는 소성 분해로(fired cracking furnace)를 포함하는 에틸렌 플랜트들은 본 발명에 의해 제공되는 설계로부터 특히 큰 이점을 얻는다. 그러나, 추가의 유리한 실시예에서, 탄화수소를 열적으로 분해하도록 구성되는 다른 유형의 노가 에틸렌 플랜트 내에 존재한다. 소성 분해로에 대한 특히 적합한 대안은 회전역학적 열분해 반응기(rotodynamic pyrolysis reactor; RDR)이다. 이러한 분해로들은 해당 기술분야, 예를 들어, 쿨브룩(Coolbrook)(핀란드 헬싱키; 네덜란드 겔레인)(예: https:// coolbrook.com/technology/ 참조)에서 잘 알려져 있다. 추가의 유리한 실시예에서, 에틸렌 플랜트는 전기적으로 가열되는 분해로(electrically heated cracking furnace)를 포함한다. 특정 실시예에서, 에틸렌 플랜트는 두 가지 이상의 유형들의 분해로를 포함한다.
이하의 설명은 달리 명시되지 않는 한 소성 분해로를 갖는 플랜트에 중점을 둘 것이지만, 설명되는 원리들은 필요한 부분만 수정하여 다른 유형의 분해로, 예컨대, 회전역학적 분해로 또는 전기적으로 가열되는 분해로를 포함하는 플랜트들에 적용될 수 있다. 통상의 기술자는 본 개시에 기초하여 도면들의 스킴들(schemes)을 수정할 수 있을 것이다. 예를 들어, 통상의 기술자가 이해하는 바와 같이, 회전역학적 반응기(RDR) 또는 전기적으로 가열되는 분해로는 공급원료를 가열하기 위한 버너를 필요로 하지 않을 것이다. 연소되는 (탄소-기반) 연료로부터의 열로 반응 구역 외부에서 공급원료 혼합물을 가열하는 대신, RDR의 고속 로터 블레이드들은 열 에너지를 생성하여 반응 구역 내부의 혼합물을 훨씬 더 빠르고 효율적으로 가열한다. RDR에 버너가 없는 경우, RDR이 제공되는 에틸렌 플랜트는 수소-농후 연료의 적어도 일부를 분리 섹션으로부터 CCGT의 폐열 회수 보일러의 버너로 공급하기 위한 통로를 포함할 것이다. 이와 유사하게, 전기적으로 가열되는 분해로에 버너가 없는 경우, 전기적으로 가열되는 분해로가 제공되는 에틸렌 플랜트는 수소-농후 연료의 적어도 일부를 분리 섹션으로부터 CCGT의 폐열 회수 보일러의 버너로 공급하기 위한 통로를 포함할 것이다.
본 발명은 재생 가능 파워 소스들과 관련이 있는 파워 스윙들(swings)을 극복하기 위해 메탄-농후 연료의 형태로 파워를 임시 저장하는 수단을 제공하기 위해, 연료(및/또는 다른 에너지 소스)의 대규모 소비자 및 연료의 생산자, 즉, 에틸렌 플랜트의 사용을 허용한다. 또한, 메탄-농후 가스를 분해로의 주요 열 공급원인 수소(분해 중에 에틸렌 플랜트에서 형성됨)로 대체함으로써, 메탄-농후 연료가 다른 곳에서 사용될 수 있는 파워를 발생시키기 위한 에너지 공급원으로서 수소 대신 이용될 수 있다. 이 연료는 수소보다 가스 터빈들을 가동시키는 데 더 적합한 연료 가스를 제공하고 저장하기에 더 쉽다. 본 발명은 그리드(grid)에 재생 가능 파워를 대규모로 도입하기 위한 방법을 제공하여, 이러한 재생 가능 소스들로부터의 파워의 큰 변동들과 관련된 문제들을 크게 해결한다. 석유화학 산업에서 (아마도) 가장 큰 연료 소비자이자 생산자인 에틸렌 플랜트를 배터리로 사용함으로써, 피크 기간들(peak periods) 동안 파워의 저장은 액화된 메탄-농후 가스의 저장 형태로 배열될 수 있다. 재생 가능 파워 가용성이 낮거나 심지어 없는 기간들 동안, 저장된 메탄-농후 가스는 파워 발생을 위한 복합 사이클 가스 터빈(CCGT)을 사용하여 파워를 공급하는 데 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 본 발명에 따른 에틸렌 플랜트 또는 방법을 사용하여 재생 가능 파워를 임시 저장하기 위한 방법에 관한 것이다.
따라서, 본 발명은 본 발명에 따른 에틸렌 플랜트 또는 방법을 사용하여 수소를 메탄-풍부 가스로 간접적으로 전환시키기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명은 상기 인용된 문헌들과 비교하여, CO2 배출들을 낮추는 한계들을 더욱 확장한다. 특히, 본 발명은, 예를 들어, 더 자세히 후술될 날씨 변화(예: 태양, 바람), 밤낮의 순환(태양), 필요한 재생 에너지 소스(물, 바이오매스)의 공급 변동들, 재생 가능 파워 가용성을 초과하는 전기 파워 수요 피크들, 또는 재생 가능 파워 용량의 예상치 못한 감소(예: 재생 가능 파워 플랜트의 오작동 또는 전기 파워 공급 통로의 장애)로 인해, 재생 가능 소스들로부터의 파워의 가용성이 항상 충분하지 않을 때, 재생 가능 소스들로부터의 전기 파워를 에틸렌 플랜트에 효과적으로 사용하는 실용적인 방법을 제공한다.
따라서, 본 발명은 재생 가능 소스들로부터의 전기 파워를 CCGT가 필수적인 부분인 에틸렌 플랜트에 의해 발생되는 전기 파워 및/또는 증기와 결합한다. 총 결합 파워 출력은 재생 가능 전기 파워의 변동하는 출력에 응답하거나 CCGT에 의해 발생되는 파워를 조정함으로써 변동하는 수요에 응답하여 균형을 이룰 수 있다(예: 조정 또는 안정화됨). 이는 재생 가능 파워가 초과 이용 가능한 기간 동안 에틸렌 플랜트로부터의 과잉 연료 가스를 저장하기 위해 연료 스토리지의 도입을 필요로 한다. 재생 가능 파워가 부족한 기간 동안, CCGT 파워 플랜트를 활용하여 파워 레벨이 유지될 수 있다. 이 상황에서, CCGT는 에틸렌 플랜트로부터 직접 유입되는 과잉 연료 가스로 및/또는 저장된 연료 가스에 추가로 가동된다. 이러한 방식으로, 전기 파워는 플랜트 내에서 사용되거나 보다 안정적이고 지속적인 방식으로 그리드에 공급될 수 있다. 본 발명에 따르면, 기존의 분해로를 갖는 기존의 에틸렌 플랜트와 비교하여, 생성되는 에틸렌의 톤당 특정 CO2 배출을 적어도 약 30 %만큼 감소시키는 것이 가능하다. 적어도 소성 분해로의 경우, 이러한 감소는, 분해로 화실 효율이 20 %에서 50 % 이상으로 증가될 때, 달성된다. 고효율 노는 48 % 이상의 화실 효율을 갖는 것으로 참조된 초기 특허들에서 지정되었다. 이하의 예들을 참조한다.
이것은 메탄-농후 가스의 적어도 일부와 함께 분해로를 가열하기 위해 과잉 수소-농후 연료 가스를 우선적으로 연소시킴으로써 달성된다. 고효율 분해로의 존재로 인해 생성되는 과잉 메탄-농후 가스는 피크 부하들 동안 저장에 사용될 수 있으며, 재생 가능 파워의 가용성이 불충분한 기간들 동안 이용될 수 있다. 그것은 가스 터빈의 연소 챔버(combustion chamber)로 공급되거나, CCGT의 폐열 회수 보일러에서 보충 연소에 사용될 수 있다.
본 발명자는 CO2 배출들에 긍정적으로 영향을 미칠 수도 있는 이러한 목적을 위해 특히 메탄-농후 스트림을 사용하는 이점을 알았다: 특히, 수소 저장은 메탄 저장보다 더 복잡하여, 더 높은 압력들 및/또는 더 낮은 온도들을 필요로 하고, 잠재적으로 동등한 버퍼들을 저장하기 위해 추가 에너지가 소요된다.
또한, 분해로들은 일반적으로 상당한 양의 수소를 포함하는 연료들을 처리하도록 설계되지만, 가스 터빈들은 그렇지 않다. 수소가 가스 터빈의 연소 챔버에 도입될 때, 대응하는 상대적으로 높은 화염 온도가 가스 터빈의 과열을 야기할 수 있다. 따라서, 메탄-농후 연료를 사용하기 위한 선택은 시스템 설계의 단순성뿐만 아니라 CO2-발자국의 감소 측면에서 실용적인 이점들을 모두 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 에틸렌 플랜트/방법을 개략적으로 도시하며, 그중 CCGT는 일반적으로 재생 가능 파워 소스로부터의 파워를 통합하고 생성되는 과잉 메탄-농후 연료를 위한 스토리지를 제공하는 통합 부분을 형성한다.
도 2는 전기 파워 및 메탄-농후 연료의 흐름 방향들을 나타내는, 전해조(electrolyzer)가 제공되는, 플랜트/방법의 흐름도를 개략적으로 도시한다.
도 3은 기존의 분해로를 갖는 에틸렌 플랜트 어레인지먼트에 대한 결과를 도시한다(즉, 저배출이 아님).
도 4는 메탄 스토리지가 없는, 기준 저배출 에틸렌 플랜트에서 공급/발생되는 전체 파워에 대한 결과들을 도시한다(예시1).
도 5는 전해조 없이, 예시2에 따라 본 발명에 따른 에틸렌 플랜트에서 공급/발생되는 전체 파워에 대한 결과들을 도시한다.
도 6은 재생 가능 파워는 이용 가능하지 않으면서, 예시2에 따라 공급/발생되는 파워에 대한 결과들을 도시한다.
도 7은 재생 가능 파워는 이용 가능하지 않으면서, 예시2에 따라 공급/발생되는 파워에 대한 결과들을 도시한다.
도 8은 전해조를 사용하여, 예시3에 따라 본 발명에 따른 에틸렌 플랜트에서 공급/발생되는 전체 파워에 대한 결과들을 도시한다.
도 9는 재생 가능 파워는 이용 가능하지 않으면서, 예시3에 따라 공급/발생되는 파워에 대한 결과들을 도시한다.
도 10은 재생 가능 파워는 이용 가능하지 않으면서, 예시3에 따라 공급/발생되는 파워에 대한 결과들을 도시한다.
도 11은 전해조가 제공되는, 본 발명에 따른 에틸렌 플랜트/방법을 개략적으로 도시한다. 그것은 재생 가능 파워 소스로부터의 파워를 통합하고, 생성되는 과잉 메탄-농후 연료를 위한 스토리지를 제공한다.
도면들에서, 유닛들 사이의 실선들은 일반적으로 유체(기체, 액체)(또는 그 흐름)를 위한 통로를 나타낸다; 예를 들어, 유닛들(31, 41, 42 및 43) 사이의 점선들(?)은 통신/조절 신호를 나타내고, 특히, 유닛들(10, 15, 16, 31 내지 33 및 61) 사이의 파선들(_._.)은 전기 파워를 나타낸다. 또한, 굵은 실선들로 형성된 박스들(특히, 박스들(51, 52, 139, 141, 142))은 도면들에 도시된 예시적인 실시예들에서 (통합된 저배출) 에틸렌 (및 파워) 플랜트에 속하는 것을 나타내기 위해 사용된다.
도 2는 전기 파워 및 메탄-농후 연료의 흐름 방향들을 나타내는, 전해조(electrolyzer)가 제공되는, 플랜트/방법의 흐름도를 개략적으로 도시한다.
도 3은 기존의 분해로를 갖는 에틸렌 플랜트 어레인지먼트에 대한 결과를 도시한다(즉, 저배출이 아님).
도 4는 메탄 스토리지가 없는, 기준 저배출 에틸렌 플랜트에서 공급/발생되는 전체 파워에 대한 결과들을 도시한다(예시1).
도 5는 전해조 없이, 예시2에 따라 본 발명에 따른 에틸렌 플랜트에서 공급/발생되는 전체 파워에 대한 결과들을 도시한다.
도 6은 재생 가능 파워는 이용 가능하지 않으면서, 예시2에 따라 공급/발생되는 파워에 대한 결과들을 도시한다.
도 7은 재생 가능 파워는 이용 가능하지 않으면서, 예시2에 따라 공급/발생되는 파워에 대한 결과들을 도시한다.
도 8은 전해조를 사용하여, 예시3에 따라 본 발명에 따른 에틸렌 플랜트에서 공급/발생되는 전체 파워에 대한 결과들을 도시한다.
도 9는 재생 가능 파워는 이용 가능하지 않으면서, 예시3에 따라 공급/발생되는 파워에 대한 결과들을 도시한다.
도 10은 재생 가능 파워는 이용 가능하지 않으면서, 예시3에 따라 공급/발생되는 파워에 대한 결과들을 도시한다.
도 11은 전해조가 제공되는, 본 발명에 따른 에틸렌 플랜트/방법을 개략적으로 도시한다. 그것은 재생 가능 파워 소스로부터의 파워를 통합하고, 생성되는 과잉 메탄-농후 연료를 위한 스토리지를 제공한다.
도면들에서, 유닛들 사이의 실선들은 일반적으로 유체(기체, 액체)(또는 그 흐름)를 위한 통로를 나타낸다; 예를 들어, 유닛들(31, 41, 42 및 43) 사이의 점선들(?)은 통신/조절 신호를 나타내고, 특히, 유닛들(10, 15, 16, 31 내지 33 및 61) 사이의 파선들(_._.)은 전기 파워를 나타낸다. 또한, 굵은 실선들로 형성된 박스들(특히, 박스들(51, 52, 139, 141, 142))은 도면들에 도시된 예시적인 실시예들에서 (통합된 저배출) 에틸렌 (및 파워) 플랜트에 속하는 것을 나타내기 위해 사용된다.
통상의 기술자는 통상적인 일반 지식 및 선택적으로 여기에서 인용된 문헌들 중 하나 이상과의 조합으로 본 개시를 사용하여, 분해로, 분리 섹션, 메탄-농후 연료를 액화하기 위한 수단(예: 에틸렌 플랜트의 칠링 트레인(chilling train)), 메탄 스토리지, CCGT, 재생 가능 전기 파워 시스템, 전해조(추가로 후술됨)와 같은 선택적 장비 등과 같은 에틸렌 플랜트의 적합한 작동 유닛들을 설계하고 작동시킬 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 재생 가능 파워 임포트(renewable power import)를 갖는 통합된 저배출 에틸렌 및 파워 플랜트(51)를 개략적으로 도시하고 있다. 사용 시, 탄화수소 공급원료(21)는 분해로(1)로 공급되고, 이는 연료, 일반적으로 메탄-농후 연료 및/또는 수소-농후 연료로 가열된다. 아이템들(23a 내지 23c)는 수소-농후 연료 스트림들이고; 아이템들(24a 내지 24j)는 메탄-농후 연료 스트림들이다. 분해 가스(22)는 분리 섹션(2)에서 적어도 에틸렌-농후 생성물 스트림(25), 수소-농후 연료 스트림(23a) 및 적어도 하나의 메탄-농후 연료 스트림(24a)으로 분리된다. 메탄-농후 연료 스트림은 분리 섹션(2)에서 액화된 스트림으로 획득되거나, 적어도 일부가 액화되는 기체로서 획득될 수 있다. 분리 섹션(2)에서 액화된 메탄-농후 스트림 및 기체 메탄-농후 스트림 모두를 획득하는 것도 가능하다. 일반적으로, 소성 분해로를 포함하는 플랜트에서, 수소-농후 연료 또는 그의 일부는 분해로(1)의 버너로 복귀되지만 - 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같음(아이템(23c)) -, 대안적으로 또는 추가로 수소-농축 연료의 적어도 일부를 분리 섹션으로부터 CCGT의 폐열 회수 보일러(8)의 버너로 공급하기 위한 통로가 제공될 수도 있다(아이템(23b)). 분리 섹션(2)으로부터 분해로의 버너로 복귀하는 메탄-농후 연료 통로(예: 연료 라인들(24g+24j)을 통해) 및/또는 분리 섹션(2)으로부터 가스 터빈 연소 챔버(5)로의 메탄-농후 연료 통로(예: 연로 라인들(24g+24i)을 통해)가 또한 제공될 수 있다. 통로(24a)는 메탄-농후 연료 스트림을 메탄 스토리지(3)로 공급하도록 제공되며, 여기서, 연료는 일반적으로 추가로 사용할 때까지, 액화된 상태로 저장될 것이다. 통로(24b)는 액화된 메탄-농후 연료의 적어도 일부를 스토리지(3)로부터 증발기(4)로 공급하여, 그로부터 복합 사이클 가스 터빈 회로의 유닛의 연소 챔버(5)로 공급될 수 있는 기체 메탄-농후 연료를 제공하도록 제공된다. 도 1에서, 연소 공기 압축기(7)를 또한 포함하는 CCGT의 가스 터빈(6)의 연소 챔버(5)로의 연료 라인(24c, 24e)이 도시되어 있다. 이 압축기는 연소에 필요한 공기(26)를 제공한다. 이 연소 공기 압축기는, 예를 들어, 도시된 바와 같이, 가스 터빈(6)과 통합될 수 있지만, 증기 터빈 또는 전기 모터와 같은 다른 수단에 의해 구동될 수도 있다. 가스 터빈(6)은 파워 플랜트 전기 파워 발전기 또는 에틸렌 플랜트 압축기인 유닛(15)을 구동시키도록 구성된다. 가스 터빈이 전기 파워 발전기를 구동시키는 경우, 파워는 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같이, 내부 파워 그리드(31)로 전송된다. 가스 터빈이 에틸렌 플랜트 압축기를 구동시킬 때, 후자의 파워 커넥션은 필요하지 않다.
증발기(4)로부터 분해로(1)로의 통로가 제공될 수 있다(라인들(24c, 24f)).
폐열 회수 보일러(8)로의 연료의 통로도, 예를 들어, 연료 라인(23b) 및/또는 분리 섹션(2)으로부터의 연료 라인들(24g+24h)을 통해; 및/또는 증발기(4)로부터의 라인(24d) 및 라인(24c)를 통해, 제공될 수 있다. 사용 시, 파워가 발생될 수 있고/거나 에틸렌 플랜트에 CCGT에 의해 고압 증기(29)가 공급될 수 있다. 가스 터빈(6)으로부터 폐열 회수 보일러(8)로의 배기 가스(27)를 위한 통로가 제공되며, 이는 전기 파워 발전기(10)를 구동시켜 전기 파워를 발생시키도록 구성되는 증기 터빈(9)을 작동시키고/시키거나 에틸렌 플랜트 압축기 및/또는 펌프(16)를 작동시키도록 구성되는 증기 터빈(11)을 작동시키는 데 사용되는 (초)고압 증기를 발생시킨다. 에틸렌 플랜트 압축기 또는 펌프가 증기 터빈에 의해 구동되지 않는 경우, 전기 모터는 내부 그리드(31)에 연결되는 전기 파워 커넥션을 사용하여, 에틸렌 플랜트 기계를 구동시키는 데 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 재생 가능 소스로부터 파워가 제공될 수 있다. 증기 터빈(들)(9, 11)의 다운스트림에는, 증기 터빈(들)을 떠나는 증기를 응축시키기 위해 표면 응축기(12, 13)가 제공된다. 응축된 물은 보일러 공급수(28)로서, 펌프(14)를 통해 폐열 회수 보일러(8)로 다시 공급될 수 있다. 플랜트는 플랜트 유닛들이 필요할 때 전기 파워를 수신할 수 있고, 복합 사이클 가스 터빈 회로에서 발생되는 전기 파워가 공급될 수 있는 내부 파워 그리드(31)를 더 포함한다. 플랜트는 내부 파워 그리드(31)를 통해 외부 파워 그리드(32)에 연결된다. 도 1에서, 재생 가능 파워 소스(33)는 내부 그리드를 통해 플랜트에 연결되는 것이 유리하지만, 외부 그리드만을 통해 또는 외부 및 내부 그리드 모두를 통해 재생 가능 파워를 획득하는 것도 가능하다. 도 1은 파워 출력 제어 시스템(41), 소성 제어 시스템(42), 및 분해로(1), 연소 챔버(5) 및 폐열 회수 보일러(8)로의 연료 스트림들의 분배를 조절하기 위한 여러 개의 제어 밸브들(43)을 더 도시하고 있다.
도 11은 도 1과 대체로 유사하다. 도 11의 플랜트는 전기 파워를 사용하여 물(62)을 수소(63) 및 산소(64)로 전환시키도록 구성되는 전해조(61)를 더 포함한다. 더 많은 과잉 연료를 생성하기 위해, 분해로들에서 물을 연료로 사용하기 위한 수소로 전환시켜, 청구범위의 제7 항 내지 17항 및 제22 항 내지 제24 항에 정의되고 상세한 설명에 추가로 설명된 바와 같은, 본 발명에 따른 에틸렌 플랜트와 함께 재생 가능 파워의 임시 저장을 위한 방법을 제공하기 위한 전해조의 존재가 그 자체로 발명으로 간주될 수 있다. 전해조에서 생성되는 수소는 본 발명에 따른 플랜트에서 연료로 사용하기 위한 것이다. 따라서, 도 11은 재생 가능 파워 임포트 및 전해조를 갖는 통합된 저배출 에틸렌 및 파워 플랜트(52)를 도시하고 있다. 전해조에 의해 사용되는 전기 파워의 적어도 일부는 (재생 가능 파워 소스(33)로부터의) 재생 가능 파워이다. 전해조의 물을 전기분해하기 위해, 내부 그리드(31)로부터, 예컨대, 발전기(10)로부터의 파워를 사용하는 것도 가능하다. 전해조로부터 생성되는 수소를 분해로(63a)의 버너로 공급하기 위한 통로가 제공될 수 있고/거나 전해조로부터 생성되는 수소를 CCGT(63b)의 폐열 회수 보일러의 버너로 공급하기 위한 통로가 제공될 수 있다. 다른 아이템들에 대한 설명은 도 1의 설명을 참조한다.
분해로는 원칙적으로, 예컨대, US 4,479,869에서, 알려진 기존의 분해로들을 기반으로 할 수 있다.
파워의 임시 저장 및/또는 특히 유리한 CO2 배출들의 감소로서 본 발명의 특히 유리한 사용을 위해, 분해로는 바람직하게는 고효율 노이다. 더 높은 분해로 효율은 임시 저장에 이용 가능한 메탄-농후 연료 가스를 많이 만들 수 있고, 상대적으로 비싼 수소의 연소를 최소화할 수 있다.
특히, 고효율 분해로는 WO 2018/229267 또는 미공개 EP 출원 번호 19198787.4를 기반으로 할 수 있으며, 그 내용들은 참조로서, 특히 청구범위, 도면 및 도면의 설명에 의해 포함된다. 이 두 문서들은 특히 공급물/배출물 이송 라인 교환기(TLE) 및 공급물/배출물 TLE와 직렬로 연결되는 보일러 코일 또는 고온 코일과 관련하여 (분해된 생성물의 단위당 필요한 에너지 단위의 측면에서) 고효율을 제공하기 위한 유리한 어레인지먼트들을 설명한다.
바람직하게는, 본 발명의 에틸렌 플랜트의 (고효율) 분해로는 탄화수소 공급원료를 분해하기 위한 방법을 수행하도록 구성되고, 방법은 제1 공급원료 예열 단계 및 제2 공급원료 예열 단계를 포함하고,
제1 공급원료 예열 단계는 분해로 시스템의 고온 연도 가스들(flue gasses)에 의해 탄화수소 공급원료를 예열하는 단계를 포함하고,
제2 공급원료 예열 단계는 공급원료의 분해로 시스템의 복사 섹션으로의 진입 전에 분해로 시스템의 분해 가스의 폐열에 의해 공급원료를 추가로 예열하는 단계를 포함한다.
이러한 방법은, 예컨대, WO 2018/229267에 개시되어 있지만, 미공개 EP 출원 번호 19198787.4에 개시된 바와 같은 분해로 시스템도 이러한 방법을 수행하도록 유리하게 구성될 수 있다. 제1 공급원료 예열 단계 및 제2 공급원료 예열 단계를 포함하는 상기 방법은 바람직하게는 다음 중 하나 이상을 더 포함한다:
상기 제2 공급원료 예열 단계는 이송 라인 교환기를 사용하여 수행되고;
보일러 물은 분해로 시스템의 증기 드럼으로부터 분해로 시스템의 대류 섹션에 있는 보일러 코일로 공급되고, 여기서, 상기 보일러 물이 고온 연도 가스들에 의해 가열되고, 바람직하게는 증발되며, 물과 증기의 혼합물이 상기 증기 드럼으로 복귀되고;
탄화수소 공급원료는 제2 공급원료 예열 단계 전에 희석 증기와 같은 희석제와 혼합되어 공급원료-희석제 혼합물을 제공하고;
고압 증기는 이송 라인 교환기의 다운스트림에 위치되는 2차 이송 라인 교환기를 사용하여, 분해로 시스템의 분해 가스의 폐열에 의해 발생되고;
보일러 공급수는 분해로 시스템의 증기 드럼으로의 진입 전에 고온 연도 가스들에 의해 예열되고;
복사 섹션의 단열 화염 온도는 분해로 시스템의 복사 섹션으로의 산화제, 바람직하게는 순수한 산소의 직접 도입에 의해 증가되고;
복사 섹션의 단열 화염 온도는 연도 가스 재순환 회로가 없는 분해로 시스템의 복사 섹션으로의 메인 산화제로서의 연소 공기 및 2차 산화제로서의 산소, 바람직하게는 질고 고갈이 높은 산소의 직접 도입에 의해 증가되고;
연소 공기 및/또는 산소와 같은 산화제는 복사 섹션으로의 도입 전에 예열되고;
산화제는 분해로 시스템의 연도 가스들에 의해 예열되고;
분해로 시스템의 복사 섹션의 단열 화염 온도는 연도 가스의 적어도 일부를 재순환시킴으로써 제어되고;
산소는 노 화실로의 진입 전에 재순환되는 연도 가스와 혼합되고;
보일러 공급수는 히트 펌프 회로에 의해 분해로의 증기 드럼으로의 진입 전에 예열되고;
유기 액체는 분해로 시스템으로부터의 고온 연도 가스들에 의해 가열되고, 히트 펌프 회로의 증기-액체 분리 디바이스로 복귀되고;
고압 증기로부터의 열은 히트 펌프 회로의 응축기에 의해 보일러 공급수로 전달되고;
히트 펌프 회로의 히트 싱크에서 발생되는 응축된 액체로부터의 열은 공급물/배출물 교환기에 의해 히트 펌프 시스템의 열 소스에서 발생되는 포화 증기로 전달된다.
유리한 실시예에서, 분해로는 대류 섹션, 복사 섹션 및 냉각 섹션을 포함하고,
대류 섹션은 탄화수소 공급원료를 수용하고 예열하도록 구성되는 복수의 대류 뱅크들을 포함하고,
복사 섹션은 공급원료를 열분해 반응을 허용하는 온도로 가열하도록 구성되는 적어도 하나의 복사 코일을 포함하는 화실을 포함하고,
냉각 섹션은 적어도 하나의 이송 라인 교환기를 포함하고,
분해로는 복사 섹션으로의 진입 전에 이송 라인 교환기에 의해 공급원료를 예열하도록 구성된다.
이러한 분해로는 바람직하게는 다음 중 하나 이상을 더 포함한다:
대류 섹션은 포화 증기를 발생시키도록 구성되는 보일러 코일을 포함하고, 여기서, 상기 보일러 코일은 바람직하게는 대류 섹션의 바닥 부분에 위치되고;
분해로 시스템은 보일러 코일 및/또는 2차 이송 라인 교환기(TLE)에 연결되는 증기 드럼을 더 포함하고, 여기서, 보일러 코일 및/또는 2차 TLE는 포화 증기를 발생시키도록 구성되고;
대류 섹션은 또한 상기 탄화수소 공급원료를 희석제와 혼합하여, 공급원료-희석제 혼합물을 제공하도록 구성되고, 여기서, 이송 라인 교환기는 복사 섹션으로의 진입 전에 공급원료-희석제 혼합물을 예열하도록 구성되고;
분해로 시스템은 2차 이송 라인 교환기를 더 포함하고, 여기서, 2차 이송 라인 교환기는 포화 고압 증기를 발생시키도록 구성되고;
화실은, 화실 효율이 40 % 이상, 바람직하게는 45 % 이상, 더 바람직하게는 48 % 이상이 되도록, 구성되고;
대류 섹션은 포화 증기의 발생을 위해 보일러 공급수를 예열하도록 구성되는 이코노마이저(economizer)를 포함하고;
대류 섹션은 화실로의 상기 연소 공기의 도입 전에, 산화제, 예컨대, 연소 공기 및/또는 산소를 예열하도록 구성되는, 바람직하게는 대류 섹션의 다운스트림에 위치되는, 산화제 예열기를 포함하고;
분해로 시스템은, 바람직하게는 외부 연도 가스 재순환이 없는, 복사 섹션으로의 산소 도입을 위해 구성되고;
분해로 시스템은 연도 가스의 적어도 일부를 회수하고, 화염 온도를 제어하기 위해 상기 연도 가스를 복사 섹션으로 재순환시키도록 구성되는 외부 연도 가스 재순환 회로를 더 포함하고, 바람직하게는 외부 연도 가스 재순환 회로는 화실로의 진입 전에 재순환되는 연도 가스로 산소를 도입하도록 구성되는 연도 가스 이젝터(ejector)를 포함하고;
분해로 시스템은 대류 섹션에 위치되는 증발기 코일 및 응축기를 포함하는 히트 펌프 회로를 더 포함하고, 여기서, 히트 펌프 회로는, 증발기 코일이 대류 섹션으로부터 열을 회수하고 응축기가 상기 열을 보일러 공급수로 전달하도록 구성되며, 이는 일반적으로 보일러 공급수를 예열하도록 구성된다.
더 자세한 내용은 WO 2018/229267을 또한 참조한다.
특히, 보일러 공급수를 예열하기 위한 상기 히트 펌프 회로의 유용성은 WO 2018/229267의 분해로 시스템에 제한되지 않는다.
따라서, 유리한 실시예에서, 본 발명의 에틸렌 플랜트는 분해로 시스템의 대류 섹션에서 연도 가스로부터 열을 회수하도록 배치되는 증발기 코일, 및 상기 열을 보일러 공급수로 전달하도록 구성되는 응축기를 포함하는 분해로 시스템의 보일러 공급수를 예열하기 위한 히트 펌프 회로가 제공되는 분해로 시스템을 포함한다.
상기 히트 펌프 회로는 바람직하게는 다음 중 하나 이상을 포함한다:
증발기 코일에 연결되고 상기 증발기 코일로부터 나오는 액체-증기 혼합물로부터 증기를 분리하도록 배치되는 증기-액체 분리 디바이스를 포함하고;
열 소스에서 생성되는 증기를 과열시키고 히트 펌프 회로의 히트 싱크에서 생성되는 액체를 과냉각시키도록 배치되는 공급물/배출물 교환기를 포함하고;
상기 증기의 응축 온도가 보일러 공급수로 전달될 원하는 온도를 초과하도록 증기 압력을 높이도록 배치되는 압축기를 포함한다.
다 자세한 내용은 WO 2018/229267을 또한 참조한다.
추가의 유리한 실시예에서, 대류 섹션, 복사 섹션 및 냉각 섹션을 포함하는 분해로 시스템이 제공되고, 여기서, 대류 섹션은 탄화수소 공급원료를 수용하고 예열하도록 구성되는, 제1 고온 코일을 포함하는, 복수의 대류 뱅크들을 포함하고, 복사 섹션은 공급원료를 열분해 반응을 허용하는 온도로 가열하도록 구성되는 적어도 하나의 복사 코일을 포함하는 화실을 포함하고,
냉각 섹션은 적어도 하나의 이송 라인 교환기를 포함하고,
시스템은, 공급원료가 복사 섹션으로의 진입 전에 이송 라인 교환기에 의해 예열되도록, 구성된다.
이 분해로 시스템은 바람직하게는 다음 중 하나 이상을 포함한다:
대류 섹션은 이송 라인 교환기로부터 공급원료의 배출 후 또는 복사 섹션으로의 진입 전에 공급 원료를 예열하도록 구성되는 제2 고온 코일을 포함하고;
제2 고온 코일은 바람직하게는 대류 섹션의 바닥 부분에 위치되고;
대류 섹션은 또한 상기 탄화수소 공급원료를 희석제, 바람직하게는 희석 증기와 혼합하여, 공급원료-희석제 혼합물을 제공하도록 구성되고, 여기서, 이송 라인 교환기는 복사 섹션으로의 진입 전에 공급원료-희석제 혼합물을 예열하도록 구성되고, 제2 고온 코일은 이송 라인 교환기로부터 공급원료-희석제 혼합물의 배출 후 및 복사 섹션으로의 진입 전에 공급원료-희석제 혼합물을 예열하도록 구성되고;
증기 드럼은 포화 고온 증기를 발생시키도록 구성되고, 여기서, 더 바람직하게는, 대류 섹션은 증기 드럼으로부터 나오는 고온 증기를 과열시키도록 구성되는 적어도 하나의 고온 증기 과열기를 포함하고;
2차 이송 라인 교환기는 1차 이송 라인 교환기의 다운스트림에 위치되고, 증기 드럼에 연결되며, 증기 드럼으로부터 나오는 보일러 물을 적어도 부분적으로 기화시키도록 구성된다.
이러한 설계는 특히 연료 소비 감소, 화실 효율 개선 및 CO2 배출 감소와 관련하여, 상술된 바와 같이, WO2018/229267을 기반으로 하는 설계에 필적하는 이점들을 갖는다. 다 자세한 내용은 EP 출원 번호 19198787.4를 또한 참조한다.
상기 분해로 시스템은 본 발명에 따른 방법에서 유리하게 사용되고, 여기서, 방법은 제1 공급원료 예열 단계, 제2 공급원료 예열 단계, 및 공급원료의 분해로 시스템의 복사 섹션으로의 진입 전의 제3 예열 단계를 포함하고,
제1 공급원료 예열 단계는 제1 고온 코일을 사용하여 분해로 시스템의 고온 연도 가스들에 의해 탄화수소 공급원료를 예열하는 단계를 포함하고, 제2 공급원료 예열 단계는 이송 라인 교환기를 사용하여 분해로 시스템의 분해 가스의 폐열에 의해 공급원료를 추가로 예열하는 단계를 포함하고, 제3 공급원료 예열 단계는 제2 고온 코일을 사용하여 분해로 시스템의 고온 연도 가스들에 의해 공급원료를 추가로 예열하는 단계를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 탄화수소 공급원료는 제2 공급원료 예열 단계 전에, 희석 증기와 같은 희석제와 혼합되어, 공급원료-희석제 혼합물을 제공한다. 바람직한 실시예에서, 고압 증기는 이송 라인 교환기의 다운스트림에 위치되는 2차 이송 라인 교환기를 사용하여, 분해로 시스템의 분해 가스의 폐열에 의해 발생된다. 더 자세한 내용은 EP 출원 번호 19198787.4를 또한 참조한다.
부분 가스를 상이한 부분으로 분리하기 위한 분리 섹션들은 일반적으로 해당 기술분야에서 알려져 있다. 예를 들어, 극저온 증류와 같은 기존의 증류를 사용하여, 에틸렌-농후 생성물 스트림(분해 가스에 비해), 수소-농후 연료 스트림(분해 가스에 비해) 및 메탄-농후 연료 스트림(분해 가스에 비해)을 획득할 수 있다. 프로필렌-농후 스트림(분해 가스에 비해) 및/또는 부타디엔-농후 스트림(분해 가스에 비해)과 같은 추가 스트림들도 획득될 수 있다. 메탄-농후 연료 시스템은 분리 섹션에서 액화된 연료로 획득될 수 있거나, 액화된 메탄-농후 연료 스트림은, 바람직하게는 에틸렌 플랜트의 칠링 유닛을 사용하여 분리 섹션의 다운스트림에서 기체 메탄-농후 연료를 액화함으로써, 획득될 수 있다. 유리하게는, 기체 메탄-농후 연료 스트림 및 액화된 메탄-농후 연료 스트림 모두가 분리 섹션에서 획득된다. 바람직한 실시예에서, 에틸렌 플랜트의 칠링 섹션은 분해 가스의 더 가벼운 부분들을 점진적으로 응축시키도록 구성된다. 이를 위해, 프로필렌, 에틸렌 및/또는 메탄-농후 냉동 스트림들이 사용될 수 있다. 수소-농후 연료 스트림은 이 점진적인 응축으로부터 기체(증기)로 획득되는 한편, 메탄-농후 스트림은 액체 부분으로 획득된다. 메탄-농후 액체 부분은 일반적으로 에틸렌-농후 부분을 바닥 생성물로 생성하고 메탄-농후 부분을 상부 생성물(메탄-농후 연료)로 생성하기 위한 탈메탄화기(demethanizer)에서 분리된다.
원하는 경우, 분리 섹션은 추가 처리를 위해, 예를 들어, 특정 성분의 농도를 높이거나 추가 사용 전에 원하지 않는 성분을 제거하기 위해, 하나 이상의 유닛들을 포함할 수 있다. 수소 또는 메탄이 플랜트에서 에너지 생산과 다른 목적으로 사용되는 경우, 이 수소 또는 메탄은 추가 분리/정제 후에 수소-농후 스트림 또는 메탄-농후 스트림으로부터 획득될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 수소화 공정에서 사용하기 위한 수소가 획득될 수 있다.
분리 섹션 또는 그의 일부로부터의 수소-농후 연료는 일반적으로, 바람직하게는 메탄-농후 연료 가스의 일부와 함께, 분해로(소성 분해로의 경우)로 공급되어, 분해로의 연소 열 요구 사항들의 균형을 유지한다. 대안적으로, 또는 추가로, 수소-농후 연료는 CCGT의 폐열 회수 보일러로 공급될 수 있다. 과잉 연료가 있는 경우, 과잉 메탄-농후 연료의 저장이 수소-농후 연료의 저장보다 유리하다. 저장될 과잉 메탄-농후 연료는 일반적으로 액화된 형태로 메탄 스토리지로 공급되고, 스토리지로부터 가져올 때, 증발기로 증발시킨 후에 기체 형태로 버너로 공급된다. 증발은 바람직하게는 에틸렌 플랜트의 칠링 섹션과 통합되어 가능한 한 많은 냉기(cold)를 회수한다.
약 -160 ℃의 대기압에서 액화된 메탄(즉, 액화 천연 가스(liquefied natural gas; LNG)을 저장하는 것으로 잘 알려져 있다. 본 발명의 경우, 이것도 가능하지만, 초대기압에서의 저장도 옵션이다. 적어도 본 발명의 일부 실시예들에서, 고압에서, 예컨대, 약 4 barg 이상 또는 약 10 barg 이상의 약 버너 공급 압력에서, 메탄-농후 연료를 저장하는 것이 유리하다. 실제로, 압력은 일반적으로 약 20 barg 이하, 특히 15 barg 이하이다. 고압에서 저장하는 것은 매일 생산되고 필요로 되는 부피들의 변동들의 처리를 용이하게 한다. 그것은 또한 연료를 필요한 버너 공급 압력으로 가져오기 위해 극저온 펌프와 같은 가압 수단의 도움 없이 버너에 연료를 공급하는 것을 허용한다. 저온 통합에 유리한 실시예에서, 에틸렌 플랜트의 소스에서 이용 가능한 것보다 훨씬 더 높은 압력에서 저장하는 것이 유리할 수 있다. 이 경우에, 연료는 바람직하게는 압축되고 이어서 적절한 히트 싱크에 대해 냉각되어, 저장에 적합한 액화된 가스를 생성하며, 이는 실제 액체 또는 초임계 유체로서 액화될 수 있다.
특정 발열량을 나타내는 양의 수소를 저장하는 것은 동일한 발열량을 나타내는 양의 메탄을 저장하는 것보다 더 복잡하다. 수소 스토리지는 더 높은 압력 레벨들 및/또는 더 낮은 저장 온도들을 필요로 하므로, 추가 에너지가 소요된다. 또한, 메탄-농후 연료는 수소가 연소될 때의 더 높은 단열 화염 온도로 인해, CCGT의 가스 터빈과 같은, 분해로 이외의 다른 유닛들의 연료로 사용하기 위해 수소보다 선호되며, 이는 그러한 유닛들에서 잘 견디지 못한다.
저장된 분해된 탄화수소 가스로부터 획득되는 메탄-농후 연료는 일반적으로 액화된 형태로 메탄 스토리지에 저장된다. 메탄 스토리지에는 일반적으로 증발 압축기 및 압축기의 방출부에서 적절한 히트 싱크로 열을 배출하도록 구성되는 열 교환기가 장착되어 있다. 예를 들어, 스토리지로부터의 증기를 재응축시키도록 구성되는 응축기가 제공될 수 있다. 압축기 출구가 임계점 이상에서 작동하는 경우, 이것은 필요한 열을 차단하기 위한 냉각기일 수 있다.
분해 가스로부터 획득되는 메탄-농후 연료의 일부는 분해로(소성 분해로의 경우)의 버너로 복귀될 수 있다. 복귀될 부분은 본 발명에 따른 방법에서 획득되는 메탄-농후 부분들 중 임의의 것으로부터 선택될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 기체 메탄-농후 연료 부분이 이를 위해 사용되며, 더 바람직하게는 저장되지 않고 사용된다. 특히, 분리 섹션의 칠링 섹션에 존재하는 것과 같은 칠링 및 탈메탄화 섹션으로부터의 가스 부분으로서 획득되는 메탄-농후 연료를 사용할 수 있다. 칠링 섹션은 분해 가스를 냉각시키고 일련의 다수의 플래시 베젤들(flash vessels)에서 이를 플래시하여 이러한 플래시들로부터 수소-농후 (가스) 스트림 및 다수의 메탄-농후 액체 스트림들을 획득하는 점진적 응축 시스템일 수 있다. 이 메탄-농후 스트림들은 기체 상 및/또는 액체 상의 적어도 메탄-농후 상부 및/또는 부산물, 및 적어도 메탄이 적고, 바람직하게는 에틸렌 생성물이 풍부한 바닥 생성물을 생성하기 위한 탈메탄화 섹션으로 보내질 수 있다. 이 경우, 기체 메탄-농후 생성물은 직접 사용될 수 있다. 대안적으로, 액체 메탄-농후 스트림은 사용될 수 있지만, (저장 없이) 직접 사용되려면 증발되어야 한다.
메탄-농후 연료의 적어도 일부는 분해로에서 연소되는 것 이외의 다른 목적으로 사용된다. 메탄 스토리지에 저장된 메탄-농후 연료의 적어도 일부는 일반적으로 복합 사이클 가스 터빈에서 연소되어, 에틸렌 플랜트에서 증기 터빈들을 구동시키는 데 사용될 수 있는 전기 및/또는 고압 증기를 발생시킨다. 일 실시예에서, 분리 섹션으로부터의 기체 메탄-농후 연료의 일부는 CCGT의 폐열 회수 보일러의 버너로 공급된다.
일반적으로, CCGT는 20 내지 140 %, 바람직하게는 30 내지 130 %, 더 바람직하게는 40 내지 120 %의 턴-업/턴-다운 비율 작동 범위로 작동된다.
추가 사용 전에 저장되는 메탄-농후 연료 스트림의 백분율, (직접 또는 저장 후) 분해로로 복귀되는 메탄-농후 연료 스트림의 백분율 및 CCGT에서 (직접 또는 저장 후) 연소되는 메탄-농후 연료의 백분율은 재생 가능 소스로부터의 가용 파워, 에틸렌 (및 선택적으로 기타 올레핀들)의 필요한 생산량 및 공정 조건들의 변화들에 따라, 시간이 지남에 따라 크게 달라질 수 있다.
실제로, 메탄 스토리지로부터의 액화된 메탄-농후 연료는 일반적으로 (CCGT의 소성 분해로의) 버너(들)로 보내지기 전에 완전히 증발된다. 이것은, 예를 들어, 적어도 LMG(Liquefied Methane-enriched Gas) 증발기를 사용하여 수행될 수 있다. 또한, 연료 가스 온도가 주변 상태들에 가까운 온도 레벨로 상승되고, LMG의 증발 및 과열과 연관되는 냉기를 (최대한) 회수하는 것이 바람직하다. 이는, 냉동 시스템(들)의 부하를 줄이기 위한 것과 같이, 칠링 트레인과 함께 LMG 증발 및 과열의 통합에 의해, 가장 잘 수행될 수 있다. 액화된 메탄-농후 연료를 팽창시킬 때, 그것은 매우 낮은 온도로 편리하게 플래시될 것이며, 이는 칠링 트레인에서 매우 낮은 온도 레벨들에 도달하는 데 도움이 되도록 사용될 수 있다. 이것은 연료 가스에 대한 에틸렌의 손실들을 최소화하고, 가능한 많은 냉기를 회수하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 이 스트림은 칠링 트레인의 차가운 단부로 보내지는 것이 바람직하다. 약 4 내지 약 5 barg와 같은 상대적으로 낮은 초대기압에서 저장할 때, 플래시하는 것은 미미할 것이다. 그러나, 에틸렌 생성물의 손실을 줄이고 냉기의 회수를 증가시키기 위한 동일한 이유들로 칠링 트레인의 차가운 단부로 액체를 가져오는 것이 여전히 선호될 것이다.
가스 터빈 복합 사이클 파워 플랜트 유닛은 일반적으로 다음과 같이 작동한다: 연료 가스(메탄-농후 연료)는 연소 공기 압축기에 의해 연소 챔버로 공급되는 연소 공기에 의해 가스 터빈의 연소 챔버에서 연소된다. 생성되는 연도 가스는 일반적으로 가스 터빈을 통해 내려져 발전기를 통해 전기 파워를 발생시킨다. 연소 공기 압축기, 연소 챔버 및 가스 터빈은 일반적으로 동일한 기계에 통합되어 있다. 가스 터빈은 연소 공기 압축기뿐만 아니라 발전기 모두를 구동시킨다. 가스 터빈으로부터의 연도 가스는 보조 연소와 함께 폐열 회수 보일러로 보내져, 보일러 공급수로부터 초고압 증기를 발생시킨다. 초고압 증기는 표면 응축기를 갖는 응축 스트림 터빈에서 내려짐으로써 발전기를 구동시키는 데 유리하게 사용된다. 표면 응축기에서, 증기는 완전히 응축된다. 작은 블로우 다운(blow down)을 제외하고는, 거의 모든 응축되는 증기가 수집되어, 루프를 닫기 위해 보일러 공급수로서 폐열 회수 보일러로 다시 펌핑된다. 실제로, 응축물은 일반적으로 먼저 탈기기(deaerator)로 공급되어 탈염된 보충수와 혼합되고, 증기로 스트립되어 공기가 제거된다(도 1에 도시되지 않음). 발전기를 구동시키는 대신, 가스 터빈은 또한 에틸렌 플랜트 압축기들 중 하나 이상을 구동시키는 데 사용될 수 있다(EP 출원 19178729.0도 참조). 또한, 초고압 증기는 파워 플랜트의 증기 터빈을 통해 파워를 발생시키는 데 사용되는 대신, 폐열 회수 보일러로부터 에틸렌 플랜트의 증기 터빈들 중 하나 이상으로 내보내질 수 있다(EP 출원 19178729.0도 참조).
전기 파워 커넥션은 재생 가능 소스로부터 전기 파워를 생산하도록 구성되는 전기 파워 시스템에 대한 커넥션이다. 그것은 기계들 에틸렌 플랜트의 일부를 형성하는 파워 플랜트 유닛, 에틸렌 플랜트가 일부를 형성하는 대규모 산업 단지를 구동시키는 데 필요한 파워의 적어도 일부를 공급하기 위한 에틸렌 플랜트의 내부 파워 그리드, 또는 본 발명에 따른 에틸렌 플랜트와 동일한 전기 그리드에 연결되는 외부(원격) 파워 플랜트에 대한 커넥션일 수 있다. 바람직하게는, 재생 가능 소스로부터 전기 파워를 생산하도록 구성되는 전기 파워 시스템은 에틸렌 플랜트의 통합된 부분 또는 에틸렌 플랜트가 일부인 산업 단지의 통합된 부분이고/이거나, 전기 파워 시스템은 외부 전기 그리드를 통해 에틸렌 플랜트에 연결된다.
에틸렌 플랜트의 전기 커넥션은 바람직하게는 재생 가능 전기 파워를 제공하는 파워 플랜트로부터 전기 파워를 수신하는 것을 허용할 뿐만 아니라, 바람직하게는, 예컨대, 동일한 산업 단지 내의 에틸렌 플랜트 외부의 다른 시설 또는 전기 그리드로의, 에틸렌 플랜트 외부의 잉여 파워의 공급을 허용하도록 구성된다. 따라서, 바람직한 실시예에서, 재생 가능 파워 및 CCGT 생산 파워는 모두 내부 플랜트 그리드에 연결되고, 추가로 외부 그리드에 대한 커넥션이 존재한다. 이 외부 커넥션은 그리드에 균형 잡힌 파워 스트림을 제공한다.
재생 가능 소스로부터의 전기를 제공하는 전기 파워 시스템은 일반적으로 풍력 시스템들, 태양 에너지 시스템들, 수력 시스템들, 지열 에너지 시스템들 및 삼투력 시스템들(블루 에너지(blue energy)라고도 함)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 파워 시스템들을 포함한다. 대안적으로, 또는 추가로, 바이오매스로부터 전기를 발생시키도록 구성되는 하나 이상의 시스템들 및/또는 바이오-재생 가능 연료, 예컨대, 바이오-에탄올 또는 바이오 디젤로부터 전기를 발생시키도록 구성되는 하나 이상의 시스템들이 사용될 수 있다.
유리한 실시예에서, 에틸렌 플랜트는 미공개 EP 출원 번호 19178729.0에 개시된 바와 같은 에틸렌 플랜트 증기 발생 회로 및 파워 플랜트 회로를 갖는다.
따라서, 유리한 실시예에서, 에틸렌 플랜트 증기 발생 회로가 존재하며,
탄화수소 공급원료를 분해 가스로 전환시키기 위한 분해로 - 여기서, 분해로는 보일러 공급수로부터 고압 증기, 특히 초고압 증기를 발생시키도록 구성됨 -;
상기 (초)고압 증기에 의해 구동되도록 구성되는 증기 터빈;
증기 터빈에 의해 구동되도록 구성되는 프로세스 압축기;
(초)고압 증기의 적어도 일부를 응축시키도록 구성되는 응축기; 및
응축되는 증기를 보일러 공급수로서 분해로로 펌핑하도록 구성되는 펌프
를 포함하고,
파워 플랜트 회로는 열을 (초)고압 증기로 회수하도록 구성되는 폐열 회수 보일러를 포함하고,
시스템은 폐열 회수 보일러로부터의 고압 증기의 적어도 일부를 에틸렌 플랜트 증기 발생 회로의 적어도 하나의 증기 터빈으로 유도하여 상기 적어도 하나의 증기 터빈을 구동시키도록 구성되는 에틸렌 플랜트 증기 발생 회로와 파워 플랜트 회로 사이의 제1 커넥션을 더 포함한다.
이러한 시스템은 에틸렌 플랜트 증기 발생 회로에서, 기계들, 예컨대, 프로세스 압축기들을 구동시키는 데 특히 적합하다. 기계들을 구동시킬 때, 이는, 특히
열을 분해로로부터의 고압 증기로서 회수하는 단계;
상기 고압 증기를 적어도 하나의 증기 터빈에 제공하는 단계 - 상기 증기 터빈은 프로세스 압축기와 같은 기계를 구동시키도록 구성됨 -;
응축기에서 고압 증기의 적어도 일부를 응축시키는 단계; 및
응축되는 증기를 보일러 공급수로서 분해호로 다시 펌핑하는 단계
를 포함하고,
방법은, 또한
열을 파워 플랜트 회로의 폐열 회수 보일러로부터의 고압 증기로 회수하는 단계; 및
파워 플랜트 회로로부터의 고압 증기의 적어도 일부를 에틸렌 플랜트 증기 발생 회로의 적어도 하나의 증기 터빈에 제공하는 단계
를 포함한다.
이러한 시스템은 예를 들어 본 발명에 따른 방법에서 사용하기에 특히 적합하며, 에틸렌 플랜트 증기 발생 회로의 분해로로부터의 과인 연료는 보조 연소를 위해 파워 플랜트 회로의 폐열 회수 보일러에 제공된다. 추가로, 또는 대안적으로, 이러한 방법에서, 유리하게는 폐열 회수 보일러에는 파워 플랜트 회로의 적어도 하나의 가스 터빈으로부터의 배기 가스가 제공되고; 특히, 에틸렌 플랜트 증기 발생 회로의 분해로로부터의 과잉 연료는 연소를 위해 파워 플랜트 회로의 가스 터빈에 제공될 수 있다. 그러면, 상기 가스 터빈은 유리하게는 에틸렌 플랜트 증기 발생 회로의 프로세스 압축기와 같은 기계를 구동시키도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예는, 바람직하게는
파워 플랜트 회로의 폐열 회수 보일러로부터의 고압 증기의 적어도 일부를 파워 플랜트 회로의 적어도 하나의 증기 터빈에 제공하는 단계 - 여기서, 증기 터빈은 파워를 발생시키기 위한 발전기를 구동시키도록 구성됨 -;
파워 플랜트 회로의 응축기에서 고압 증기의 적어도 일부를 응축시키는 단계; 및
상기 응축되는 증기를 보일러 공급수로서 폐열 회수 보일러로 다시 펌핑하는 단계
를 포함한다.
에틸렌 플랜트 증기 발생 회로가 존재하고(EP 출원 번호 19178729.0을 기반으로 함), 이는 기계를 구동시키는 데 사용될 수 있는 유리한 실시예에서, 에틸렌 플랜트는 바람직하게는 과잉 수소-농후 가스 스트림, 과잉 메탄-농후 가스 스트림 또는 둘 다를 분리 섹션으로부터 폐열 회수 보일러의 버너로 유도하도록 구성되는 에틸렌 플랜트 증기 발생 회로와 파워 플랜트 회로 사이의 제2 커넥션을 더 포함한다.
에틸렌 플랜트 증기 발생 회로 및 파워 플랜트 회로를 갖는 에틸렌 플랜트의 파워 플랜트 회로는 적어도 하나의 가스 터빈을 더 포함할 수 있고, 여기서, 적어도 하나의 가스 터빈은, 적어도 하나의 가스 터빈으로부터의 배기 가스가 폐열 회수 보일러에 의해 회수되도록, 폐열 회수 보일러에 연결된다. 이러한 실시예에서, 바람직하게는 과잉 수소-농후 가스 스트림, 과잉 메탄-농후 가스 스트림 또는 둘 다의 적어도 일부를 에틸렌 플랜트 증기 발생 회로로부터 연소를 위해 적어도 하나의 가스 터빈으로 유도하도록 구성되는 에틸렌 플랜트 증기 발생 회로와 파워 플랜트 회로 사이의 추가 커넥션이 존재한다.
에틸렌 플랜트 증기 발생 회로는 바람직하게는 파워 플랜트 회로의 가스 터빈에 의해 직접 구동되도록 구성되는 프로세스 압축기를 더 포함한다.
에틸렌 플랜트의 파워 플랜트 회로는 바람직하게는 적어도 하나의 가스 터빈 및 적어도 하나의 발전기를 포함하고, 여기서, 회로는 폐열 회수 보일러로부터의 고압 증기의 적어도 일부를 파워 플랜트의 적어도 하나의 증기 터빈에 제공하도록 구성되고, 적어도 하나의 증기 터빈은 파워를 발생시키기 위해 적어도 하나의 발전기를 구동시키도록 구성된다.
파워 플랜트 회로는 고압 증기의 적어도 일부를 응축시키도록 구성되는 응축기, 및 상기 응축되는 증기를 보일러 공급수로서 폐열 회수 보일러로 다시 펌핑하도록 구성되는 펌프를 더 포함한다.
특히 유리한 실시예에서, 에틸렌 플랜트는 통합된 에틸렌 및 파워 플랜트 시스템이고, 여기서, 분해로는 복사 섹션, 대류 섹션 및 냉각 섹션을 포함하는 고효율 분해로이고, 냉각 섹션은 복사 섹션으로의 진입 전에 공급 원료를 예열하도록 구성되는 적어도 하나의 이송 라인 교환기를 포함하고, 대류 섹션은 연도 가스로부터 포화 증기를 발생시키도록 구성되는 보일러 코일을 포함하고, 상기 보일러 코일은 바람직하게는 대류 섹션의 바닥 부분에 위치된다.
특히 유리한 실시예에서, 에틸렌 플랜트는 통합된 에틸렌 및 파워 플랜트 시스템이고, 여기서, 분해로는 복사 섹션, 대류 섹션 및 냉각 섹션을 포함하는 고효율 분해로이고, 냉각 섹션은 복사 섹션으로의 진입 전에 공급원료를 예열하도록 구성되는 적어도 하나의 이송 라인 교환기를 포함하고, 대류 섹션은 이송 라인 교환기로부터 공급원료의 배출 후 및 복사 섹션으로의 진입 전에 공급원료를 예열하도록 구성되는 제2 고온 코일을 포함하고, 상기 제2 고온 코일은 바람직하게는 대류 섹션의 바닥 부분에 위치된다.
일 실시예에서, 에틸렌 플랜트는 CCGT로부터의 전기 파워 및 재생 가능 소스로부터 전기 파워를 생산하도록 구성되는 전기 파워 시스템으로부터의 전기 파워에 의해 구동되도록 구성되는, 압축기 및/또는 펌프와 같은, 기계를 포함한다.
유리하게는, 에틸렌 플랜트는 재생 가능 전기 파워 커넥션을 통해 제공되는 전기 파워의 변동들을 보상하기 위해, 특히 연료 유량들 및 연료 압력들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 프로세스 파라미터들을 조절하도록 구성되는, 자동화된 제어기 유닛(controller unit)을 포함한다. 제어기 유닛은 일반적으로, 예를 들어, PID 알고리즘들을 사용하여, 설정-포인트들을 작동 포인트들과 자동으로 비교하여 차이를 최소화하도록 구성되는 기기이다. 따라서, PID-제어기가 특히 적합하다. 일반적으로, 전기 파워 변동들의 보상은 (기존의 또는 예상되는) 변동들에 응답하여, 수소-농후 및/또는 메탄-농후 연료들을 위한 에틸렌 플랜트의 통로들 중 하나 이상에서 연료 유량 및/또는 압력을 조절함으로써 달성되며, 이로써, 상기 전기 파워 커넥션에 의해 제공되는 전기 파워가 감소할 때(또는 감소할 것으로 예상될 때) CCGT의 전기 파워 출력을 증가시키고, 상기 전기 파워 커넥션에 의해 제공되는 전기 파워가 증가할 때(또는 증가할 것으로 예상될 때) CCGT의 전기 파워 출력을 감소시킨다.
유리한 실시예에서, 본 발명에 따른 에틸렌 플랜트는 전해조를 포함하고, 여기서, 재생 가능 소스로부터의 전기 파워를 제공하는 전기 파워 커넥션은 전해조에 연결된다(도 2 및 도 8 내지 도 11에 개략적으로 도시됨). 이 전해조는 전기분해, 일반적으로 물 전기분해에 의해 수소를 발생시키기 위해 재생 가능 소스로부터의 전기 파워의 적어도 일부를 사용하고, 선택적으로 CCGT에 의해 발생되는 전기 파워의 적어도 일부를 사용하도록 구성된다. 또한, 이 실시예에서 발생되는 수소를 전해조로부터 분해로의 버너로 공급하기 위한 통로, CCGT의 폐열 회수 보일러의 버너로의 통로, 또는 둘 다가 제공된다.
또한, 물의 전기분해에 의해 발생되는 산소는 판매되거나, 예를 들어, 에틸렌 플랜트의 폐열 회수 보일러에서, 연료, 특히 메탄-농후 연료를 태우는 데 사용되어, 더 높은 산소 농도로 메탄을 태우고 미래의 탄소 포집을 위해 더 풍부한 CO2 혼합물을 얻는다. 재생 가능 전기 파워를 사용하여 분해로에서 연소되는 수소 연료를 발생시킴으로써, 특정 CO2를 더 감소시킬 수 있다; 그것은 분해로에서 연소시키는 대신에, 전기 파워 및/또는 (초)고압 증기를 발생시키기 위해 CCGT에 더 많은 과잉 메탄-농후 연료 가스를 내보낼 수 있다. 분해로로 수소를 도입함으로써, 노의 특정 배출이 감소될 수 있으며, 동시에 에틸렌 플랜트로부터의 더 많은 과잉 메탄-농후 연료가 CCGT 파워 플랜트에서, 분해로 파워 발생 회로에서보다 더 높은 열 대 파워 비율(heat-to-power ration)로 연소될 수 있다. 에틸렌 플랜트가 복수의 분해로들을 포함할 수 있다는 점을 고려하면, 이는 이러한 배출들을 감소시키기 위해 많은 개별 배출 소스들에 탄소 포집을 적용하는 것과는 대조적으로, CO2 배출의 감소를 위한 매우 실용적인 솔루션이다.
또한, CCGT에서 직접 연소되지 않은 메탄-농후 연료는 나중에 사용하기 위해 저장될 수 있다. 재생 가능 파워의 과잉 생산 시간들(예: 태양 에너지의 경우 맑은 날들 동안, 및 풍력의 경우 강한 바람이 부는 기간들 동안)에도 이 실시예를 사용하는 것이 가능하다. 수소의 생산이 증가되어, 분해로 및/또는 CCGT 파워 플랜트의 폐열 회수 보일러에서 연소에 필요한 메탄을 추가로 줄일 수 있기 때문이다.
메탄-농후 연료는 전해조에 의해 생성되는 수소보다 저장하기가 훨씬 쉽다(저장 없이 직접 사용될 수 있음). 이 경우 자동차들을 위한 저장을 위해 고압에서 수소를 압축하는 것과 연관되는 CO2 배출들은 피할 수 있다. 메탄-농후 연료 대신 수소의 압축/저장은 효율성을 최대 약 25 % 감소시킨다. 일 실시예에서, 이 시스템은 1일 최대 용량의 33 %의 재생 가능 에너지의 가용성으로, 생산되는 에틸렌의 톤당 특정 배출들이 55 %를 초과하여 감소하도록 한다. 변동하는 재생 가능 파워 생산의 균형을 유지하는 연료 저장을 통해, 신뢰할 만하고 안정적인 파워가 그리드에 공급될 수 있다. 경험적으로, 전해조를 추가하면, 도 1의 방식보다 3 배 더 많은 재생 가능 파워가 발생될 수 있다. 전해조는 재생 가능 파워 소스에 연결되고, 전해조에서 발생되는 수소를 에틸렌 플랜트의 버너, 일반적으로 분해로의 버너로 공급하기 위한 통로가 제공된다. 도 1은 주로 유럽 특허 출원 19178729.0을 기반으로 하지만, 상술된 바와 같이, 메탄 스토리지, 분해 가스로부터의 수소-농후 연료 및 메탄-농후 연료의 사용이 추가되어 있다. 또한, 전해조를 사용하는 실시예에서, 연료 스토리지에서 연료의 흐름을 조정함으로써, 열 대 파워 전환 효율이 가장 높고 CO2 배출들이 가장 낮도록, 최적의 생산 지점에 가깝게 CCGT를 작동시키는 것이 더 쉽다. 예를 들어, 재생 가능 소스들로부터의 파워의 생산이 많으면, 해당하는 수소의 생산도 많아서, 에틸렌 플랜트로부터 메탄-농후 연료를 대량으로 생산할 수 있다. CCGT가 최적의 생산 지점 이상으로 작동함에 따른 과잉 생산의 메탄 연료는 이후의 생산 부족 기간들을 위해 저장되어, 최적의 생산 지점 미만에서 CCGT의 작동을 최대한 방지한다. 여기서 CCGT는 사용자 측의 파워 수요를 충족하는 경우 최적의 효율성 지점에서 작동한다는 점에 유의해야 한다. 재생 가능의 것들의 공급이 낮으면(즉, 낮은 H2), 메탄-농후 연료가 덜 생성된다. CCGT를 최적 지점에서 작동시키는 데 필요한 추가 메탄-농후 연료는 스토리지로부터 추가될 수 있다(도 2 참조).
여기에서 사용되는 바와 같이, 문맥에서 달리 명시되지 않는 한, 단수 형태들 "하나", "한" 및 "일"은 복수 형태들도 포함하도록 의도된다. 예를 들어, "분해로"는 "분해로들"을 포함하고, "버너"는 "복수의 버너들"을 포함한다. 문맥에서 달리 명시되지 않는 한, 용어 "또는"은 연관되어 나열되는 아이템들 중 하나 이상의 임의의 모든 조합들을 포함한다(예: 양자택일 구성이 사용된 경우). 용어들 "포함한다" 및 "포함하는"은 언급된 특징들의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징들의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다는 것이 이해될 것이다. 방법의 특정 단계가 다른 단계로 이어지는 것으로 언급되는 경우, 달리 명시되지 않는 한, 이는 상기 다른 단계를 직접 따를 수 있거나 특정 단계를 수행하기 전에 하나 이상의 중간 단계들이 수행될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 마찬가지로, 구조들 또는 구성 요소들 사이의 연결이 설명될 때, 이 연결은 달리 명시되지 않는 한 직접 또는 중간 구조들 또는 구성 요소들을 통해 설정될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
본 출원의 맥락에서, 용어 "약"은 주어진 값으로부터, 특히 10 % 이하, 보다 특히 5 %, 보다 더 특히 3 % 이하의 편차를 포함한다.
용어 "고압 증기"(HP 증기)는 해당 기술분야에서 잘 알려져 있다. 경험적으로, HP 증기의 압력은 일반적으로 적어도 약 40 barg이다. 80 barg 이상, 특히 100 barg 내지 약 130 barg의 압력을 갖는 HP 증기의 경우, 용어 초고압 증기(VHP 증기)가 여기에서 사용된다.
'농후'로 지칭될 때, 이것은 분해로에서 나오는 분해 가스에 비해 농후한 것을 의미한다. 수소-농후 연료 스트림은 일반적으로 50 몰% 초과, 전형적으로 약 80 내지 100 몰%의 수소 함량을 가질 것이다. 분해 가스 스트림으로부터 획득되는 메탄-농후 스트림은 일반적으로 50 몰% 초과, 전형적으로 60 내지 100 몰%의 메탄 함량을 가질 것이다. 상술된 바와 같이, 제1 분리 단계에서, 분해 가스 스트림은 (칠링 및 탈메탄화 섹션에서) 수소-농후 (가스) 스트림 및 메탄-농후 (액체) 스트림으로 분리될 수 있고, 메탄-농후 액체 부분은 이후에 (탈메탄화 섹션에서) 추가 분별을 거치고, 이로부터 에틸렌-농후 부분 및 메탄-농후 연료가 회수되고; 탈메탄화 이전 칠링 섹션으로부터의 메탄-농후 액체 부분은 일반적으로 버너에 저장/공급될 메탄-농후 연료보다 더 낮은, 예컨대, 60 내지 70 몰%의 메탄 함량을 가질 것이며, 이 연료는 일반적으로 80 몰% 이상, 전형적으로 약 90 몰%와 약 100 몰%의 사이의 메탄 함량을 갖는다.
본 발명은 본 발명의 실시예들이 도시되는 첨부 도면들을 참조하여 여기에서 보다 완전하게 설명된다. 도면들에서, 시스템들, 구성 요소들, 레이어들, 및 영역들의 절대적 및 상대적 크기들은 명확성을 위해 과장될 수 있다. 실시예들은 본 발명의 가능하게 이상화된 실시예들 및 중간 구조들의 개략도 및/또는 단면도를 참조하여 설명될 수 있다. 설명 및 도면들에서, 전체에 걸쳐 유사한 부호들은 유사한 요소들을 지칭한다. 상대적인 용어들 및 그 파생어들은 설명되거나 논의 중인 도면에 도시된 바와 같은 배향을 나타내는 것으로 해석되어야 한다. 이러한 상대적인 용어들은 설명의 편의를 위한 것이며, 달리 명시되지 않는 한 시스템을 특정 배향으로 구성하거나 작동시킬 필요가 없다.
명료함과 간결한 설명을 위해, 특징들은 동일하거나 별도의 실시예들의 일부로서 여기에서 설명되지만, 본 발명의 범위는 설명된 특징들의 전부 또는 일부의 조합들을 갖는 실시예들을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
다음으로, 본 발명은 하기 예시들에 의해 예시된다.
예시들
예시1(참조)
통합된 파워 플랜트를 포함하도록 EP 출원 번호 19178729.0에 따라 채택되는 WO2018/229267에 따른 저배출 분해로를 갖는 에틸렌 플랜트 어레인지먼트가 제공되며, 기존의 분해로(즉, 저배출이 아님)를 갖는 에틸렌 플랜트 어레인지먼트와 비교된다.
플랜트의 중심에 저배출 분해로를 갖는 이 어레인지먼트를 사용함으로써, 연소 열이 120 MW(기존의 노의 경우, 도 3 참조)에서 82 MW로 31.87 %만큼 감소되고, 에틸렌 플랜트에서 발생되는 파워가 18.5 MW에서 6.5 MW로 감소된다. 이는 도 3의 연료 및 파워의 발생 및 소비 수치들을 도 4의 수치들과 비교함으로써, 기존의 에틸렌 플랜트 회로 및 저배출 분해로를 갖는 에틸렌 플랜트 어레인지먼트에 대해 각각 보여준다. 이는 분해로의 화실 효율을 40 %에서 53 %로 높임으로서 달성된다. 이는 이 연료 가스가 이전에 분해로에서 연소되었기 때문에, 에틸렌 플랜트가 12 MW 파워의 부족 및 32 %의 과잉 연료 가스 생성을 갖는다는 것을 의미한다.
분해로의 파워 플랜트와의 통합에 의해, 그것은 이 과잉 연료 가스를 32 % 대신 50 %의 열 대 파워 효율로 CCGT 파워 플랜트에서 파워로 전환시키는 것이 가능하며, 이는 후술되는 에틸렌 플랜트에서의 열 대 파워 효율이다. 절약되는 연료는 분해로 화실 효율이 40 %인 기존의 에틸렌 플랜트 시스템과 비교하여, 38 MW의 열(120-82 MW)에 달한다. 후자의 상황에서, 이것은 12 MW의 파워로 전환된다. 이것은 12/38 = 31.6 %의 기존의 에틸렌 플랜트 시스템의 열 대 파워 전화에 해당한다. 이 과잉 연료 가스를 50 % 효율로 CCGT에서 전환할 수 있어, 0.5*38 MW의 열 = 19 MW의 파워를 초래하며, 그중 12 MW는 상술된 부족을 보충하기 위해 에틸렌 플랜트에 전달되고, 7 MW는 익스포트(export)로 이용 가능하다. 이러한 12 MW는 직접 전기 파워로서 에틸렌 플랜트에 전달되어, 기계를 구동시키기 위해 전기 모터에 전달될 수 있지만, 증기 터빈을 통해 기계를 구동시키고 이 에너지를 샤프트 파워의 형태로 공급하기 위해 고압 증기로서 제공될 수도 있다.
발생되는 파워가 CCGT에서 증가된 추가의 7 MW에 의해 18.5 MW에서 25.5 MW로 증가됨에 따라, 동일한 양의 CO2가 생산될 때 추가로 37 % 더 많은 파워가 발생(듀티(duty))되면, 특정 CO2 배출의 감소는 27 %이다. 이는 생산되는 파워의 MW당 CO2의 27 % 감소이다. 이러한 추가의 7 MW의 파워는 외부 그리드에 연속 스트림으로 전달될 수 있다.
예시2(메탄-농후 연료 스토리지)
예시1의 어레인지먼트는 분해 가스로부터 분리되는 과잉 메탄-농후 연료에 대해, 도 1 및 도 5에 개략적으로 도시된 바와 같은, 액화된 메탄 스토리지를 포함하여 수정된다(도 5는 연료 및 파워의 일일 평균 발생 및 소비 수치들을 보여줌).
과잉 연료를 저장함으로써, 에틸렌 플랜트는 파워 그리드로의 재생 가능한 것들의 도입을 돕는 데 사용될 수 있다. 처리해야 할 주요 문제들 중 하나는 재생 가능한 소스들과 연관되는 파워 변동들을 처리하기 어렵다는 것이다. 본 발명은 에틸렌 플랜트 과잉 연료 생산을 백업으로 사용하고, 재생 가능 파워 부족이 있는 기간들 동안 CCGT에서 고효율로 이를 파워로 전환함으로써 그 문제를 해결한다.
저배출 통합된 에틸렌 파워 플랜트(CCGT는 22.5 MW 피크 용량 및 19 MW 기본 용량을 가짐)에 대해 평균 3.5 MW 재생 가능 전기 파워의 공급, 10.5 MW의 피크 공급 및 하루 8 시간 동안 재생 가능 파워의 가용성, 및 7 MW 전기 파워에 해당하는 연료 저장 용량(예시1에서 익스포트 가능한 7 MW 전기 파워 참조)으로, 다음과 같은 개선들이 가능하다:
발생되는 파워를 29 MW로 추가 증가(추가의 3.5 MW 재생 가능 파워로 인함)(예시1의 통합된 어레인지먼트에 대한 25.5 MW 참조);
지속적으로 10.5 MW로 익스포트 가능한 파워의 50 % 증가(예시1의 통합된 어레인지먼트에서 7 MW 참조);
동일한 양의 CO2 생성에 대해 추가로 최대 57 % 더 많은 파워 발생(듀티))예시1의 통합된 어레인지먼트에서 37 % 참조);
특정 CO2 배출의 최대 36 % 감소(예시1의 통합된 플랜트에서 27 % 감소 참조).
예시1의 통합된 시스템과 비교하여, 지속적으로 익스포트되는 파워의 최대 50 % 증가가 가능하다. 재생 가능한 것들의 변동들은 CCGT 및 연료 스토리지에 의해 처리된다. CCGT의 부하 이동은 19 MW 기본 부하를 가정할 때 40 % 내지 120 % 이다.
실제로, CCGT는 50 %의 열 대 파워 효율에서 작동하지 않는 최적의 작동 지점에서 멀리 떨어져 작동할 수 있다. 그러면, 파워 출력은 50 %의 열 대 파워 효율을 기준으로 예상보다 더 낮을 것이다. 그러면, 57 %의 파워 증가가 더 낮아지고, CO2 배출들의 연관되는 감소도 예시1의 통합된 시스템과 거의 동일한 레벨에서 36 % 미만, 예를 들어, 약 30 % 이하가 될 것이다. 또한, 예시1의 통합된 시스템과 비교하여 CO2 배출들의 추가 감소가 없는 실시예에서, 메탄 스토리지 및 파워 발생을 위한 CCGT가 없는 기존의 에틸렌 플랜트 시스템과 비교하여 여전히 CO2 배출들의 감소가 있을 것이며, 여기서, 분해로 화실 효율은 도 3에 제시된 바와 같이 40 %이다.
CO2 배출 감소의 이점 외에도, 본 발명에 따른 에틸렌 플랜트의 주요 이점은 이 예시에서 취한 것과 같이 재생 가능 파워 소스의 열악한 가용성 계수가 33 %(24 시간 중 8 시간)에 불과하더라도, 재생 가능 파워 소스의 피크 용량과 본질적으로 동일한 용량 레벨에서 내부 및 외부 그리드에 안정적인 파워 생산을 제공할 수 있다는 것이다.
상술되고 도 6에 도시된 바와 같이, 어레인지먼트는 10.5 MW의 재생 가능 에너지의 피크 부하에 대해 구성된다. 메탄 스토리지 용량으로, 7 MW 파워 등가의 비율로 8 시간 동안 과잉 연료의 전체 생산을 저장할 수 있다. 이 시간 동안, CCGT 파워 플랜트는 에틸렌 플랜트 자체를 작동시키는 데 필요한 파워를 생산하기 위해 최소 12 MW의 부하에서 가동될 수 있다. 따라서, 에틸렌 플랜트의 파워 수요는 CCGT 파워 플랜트의 턴다운을 제한한다. CCGT가 항상 합리적인 부하에서 가동될 수 있다는 사실은 본 발명의 또 다른 긍정적인 측면이다.
재생 가능 전기 파워의 공급이 없을 때(도 7), 스토리지로부터의 과잉 연료 가스는 3.5 MW 파워 등가의 비율로 16 시간 동안 CCGT에 전달될 수 있으며, 이는 두 배의 기간 동안 전체 용량의 절반이다. 이 시간 동안, CCGT 파워 플랜트는22.5 MW의 피크 부하에서 가동될 때 10.5 MW를 외부 그리드에 공급할 수 있고, 동시에 에틸렌 플랜트를 작동시키는 데 필요한 12 MW를 생산할 수 있다(과잉 연료 가스에서의 직접 19 MW 및 스토리지 영역으로부터의 연료 가스에서의 3.5 MW).
예시3(재생 가능 파워를 수소-농후 연료로 전환하는 전해조)
예시2의 어레인지먼트는 물로부터 수소 (및 산소)를 생성하도록 구성되고 재생 가능 파워를 사용하는 전해조를 포함하도록 구성된다(도 8은 연료 및 파워의 일일 평균 발생 및 소비 수치들을 보여줌).
전해조는 연소 열로 환산하여 1.0 MW 상당의 수소를 발생시키기 위해 거의 1.5 MW의 전기 파워를 필요로 한다.
피크 부하에서 8 시간 작동하고 무부하에서 16 시간 작동할 때, 피크 부하는 원래 고효율/저배출 분해로에 사용된 모든 연료 가스를 수소로 대체하기에 충분해야 한다: 필요한 양은 연소 열로 환산하여 82 MW이다. 필요한 재생 가능 전기 파워는 82*1.49=122.5 MW이다. 따라서, 피크 부하에서, 모든 과잉 연료 가스(단순화를 위해, 이 연료 가스에 10 부피%의 수소가 이미 존재함)는 저장되고/되거나 파워 발생을 위해 사용될 수 있다. 이것은 82 MW 열 내지 120 MW 열로 연료 가스 저장/파워 발생을 위한 가용성을 증가시키며, 이는 저배출 노로의 수정 전에 분해로에서 사용된 것과 동일한 양이다(도 4 참조). 50 %의 CCGT의 열 대 파워 효율로, 이 82 MW 열은 41 MW의 파워로 전환될 수 있다. 이것은 예시1의 통합된 어레인지먼트에서 제공되는 19 MW 파워에 추가된다. 이 경우, 120 MW의 완전한 연료 생산은 잠재적으로 CCGT에서 60 MW 파워로 전환될 수 있다(41+19=60).
피크 부하 동안 플랜트는 도 9에 도시된 바와 같이 20.7 MW를 전달할 수 있다. 이 시간 동안, 과잉 연료의 생산의 일부는 27.4 MW 파워 등가의 비율로 8 시간 동안 저장될 수 있다. 이 시간 동안, CCGT 파워 플랜트는 외부 그리드에 20.7 MW를 공급하고, 동시에 에틸렌 플랜트를 작동시키는 데 필요한 12 MW를 생산한다. 이를 달성하기 위해, 피크 부하에서 전해조는 노들로 82 MW 상당의 연소 열을 공급해야 한다. 이것은 대략 122.5 MW의 전기 파워에 해당한다.
이용 가능한 재생 가능 전기 파워가 없는 경우(이 예시에서 하루 16 시간), 재생 가능 소스들로부터 파워 또는 수소가 (직접) 제공되지 않는다(도 10).
이 시간 동안, 스토리지로부터의 과잉 연료 가스는 13.7 MW 파워 등가의 비율로 16 시간 동안 CCGT로 전달될 수 있으며, 이는 두 배의 기간 동안 최대 저장 용량인 27.4 MW 파워 등가의 절반이다. 이 시간 동안, CCGT 파워 플랜트는 에틸렌 플랜트를 작동시키는 데 필요한 12 MW를 생산하고, 외부 그리드로 익스포트되는 20.7 MW의 잉여를 발생시킨다. 저장으로 인해, CCGT 파워 플랜트는 피크 부하에서 재생 가능 파워를 이용 가능한 기간들과 동일한 부하로 가동된다: 32.7 MW(과잉 연료 가스에서의 직접 19 MW 및 메탄 스토리지로부터의 연료 가스에서의 13.7 MW).
예시2의 통합된 시스템과 비교하여, 지속적으로 익스포트되는 파워의 100 % 증가가 가능하다. 재생 가능한 것들의 변동들은 CCGT 및 연료 스토리지에 의해 처리된다. CCGT는 32.7 MW의 최적의 설계 지점에서 지속적으로 가동될 수 있다. 이 작동은 CCGT가 최적의 열 대 파워 효율(50 %)로 본질적으로 풀타임으로 작동하게 한다.
이 실시예의 주요 이점은 최적의 설계 지점에서 또는 그에 가까운 외부 그리드에 안정적인 파워 생산을 제공할 수 있다는 것이다. 이것은 33 %(하루 8 시간)의 재생 가능 파워의 열악한 가용성에도, 탄소 포집의 필요 없이, 특정 CO2 배출 레벨이 53 % 이상 감소될 수 있음을 의미한다.
예시2의 실시예(메탄 스토리지 있음, 전해조 없음)와 비교하여, 20.7 MW의 재생 가능 소스들로부터 생산되는 지속적인 파워는 40.8 MW의 생산되는 재생 가능 파워의 평균 용량의 거의 절반이고; 주요 이유는 연소 열로 환산하여 1 MW의 수소의 생산에는 거의 1.5 MW의 전기 파워가 공급될 필요가 있기 때문이다. 이것은 생산되는 수소와 산소가 기체 상인 반면, 물은 액체 상이라는 사실과 관련이 있다. 즉, 분자를 쪼개는 것 외에, 잠열도 함께 공급되어야 한다. 수소의 연소로부터 생산되는 연도 가스는 응축되지 않아서, 잠열이 회수되지 않는다. 반면에, 차량들에 사용하기 위해 수소를 공급하는 것은 추가로 0.4 MW와 연관된다. 그럼에도 불구하고, 이것은 수소 류들(hydrogen relatives)을 비싸게 만들고, 경제적인 적용은 CO2 배출권들의 가치, 및 재생 가능한 것들, 전해조들 및 메탄 스토리지와 연관되는 이러한 대규모 및 장기간 투자들에 허용 가능한 투자 수익(return of investment; ROI) 비율에 따라 달라질 것이다. 에틸렌 플랜트의 수명을 고려하면, 본 발명자들은 이러한 추가 장비 아이템들(재생 가능 파워 플랜트 및 전해조)이 본 발명에 따라 구현될 때, 더 낮은 ROI 비율이 허용 가능하다고 예상한다.
감사의 말:
본 발명으로 이어지는 작업은 지원금 계약 n°723706에 따라 유럽 연합 호라이즌 H2020 프로그램(H2020-SPIRE-04-2016)으로부터 자금 지원받았다.
1.
분해로
2. 분리 섹션
3. 메탄 스토리지
4. 메탄 증발기
5. 가스 터빈 연소 챔버
6. 가스 터빈
7. 연소 공기 압축기
8. 폐열 회수 보일러
9. 파워 플랜트 스팀 터빈
10 전기 파워 발전기
11. 에틸렌 플랜트 증기 터빈
12. 파워 플랜트 표면 응축기
13. 에틸렌 플랜트 표면 응축기
14 보일러 공급수 펌프
15. 파워 플랜트 전기 파워 발전기 또는 에틸렌 플랜트 압축기
16. 에틸렌 플랜트 압축기 및/또는 펌프
21. 탄화수소 공급원료
22. 분해 가스
23a-23c. 수소-농후 연료
24a-24j. 메탄-농후 연료
25. 에틸렌-농후 생성물
26. 공기
27. 배기 가스
28. 보일러 공급수
29. 고압 증기
31. 내부 파워 그리드
32. 외부 파워 그리드
33. 재생 가능 파워 소스
41. 파워 출력 제어 시스템
42. 소성 제어 시스템
43. 제어 밸브
51. 재생 가능 파워 임포트를 갖는 통합된 저배출 에틸렌 및 파워 플랜트
52. 재생 가능 파워 임포트 및 전해조를 갖는 통합된 저배출 에틸렌 및 파워 플랜트
61. 전해조
62. 탈염수
63a-63b. 수소 연료
64. 산소
101. 분해로
102. 에틸렌 플랜트 파워 발생
103. 에틸렌 플랜트 사용자들
104. 분리 섹션
105. 복합 사이클 가스 터빈 시스템
106. 내부 그리드
107. 재생 가능 파워 소스
108. 메탄 스토리지
109. 외부 그리드
110. 전해조
121. 연료
122. 고압 증기
123. 에틸렌 플랜트로부터의 파워
124. 분해 가스
125. CCGT로의 과잉 메탄-농후 연료
126. 전기 파워 또는 고압 증기에 의한 CCGT로부터 에틸렌 플랜트로의 파워
127. CCGT로부터 내부 그리드로의 파워
128. 재생 가능 소스들로부터의 파워
129. 스토리지로의 과잉 메탄-농후 연료
130. 스토리지로부터의 과잉 메탄-농후 연료
131. 외부 그리드로의 파워
132. 수소 연료
139. 기존의 에틸렌 플랜트
140. 통합된 저배출 에틸렌 및 파워 플랜트
141. 재생 가능 파워 임포트를 갖는 통합된 저배출 에틸렌 및 파워 플랜트
142. 재생 가능 파워 임포트 및 전해조를 갖는 통합된 저배출 에틸렌 및 파워 플랜트
2. 분리 섹션
3. 메탄 스토리지
4. 메탄 증발기
5. 가스 터빈 연소 챔버
6. 가스 터빈
7. 연소 공기 압축기
8. 폐열 회수 보일러
9. 파워 플랜트 스팀 터빈
10 전기 파워 발전기
11. 에틸렌 플랜트 증기 터빈
12. 파워 플랜트 표면 응축기
13. 에틸렌 플랜트 표면 응축기
14 보일러 공급수 펌프
15. 파워 플랜트 전기 파워 발전기 또는 에틸렌 플랜트 압축기
16. 에틸렌 플랜트 압축기 및/또는 펌프
21. 탄화수소 공급원료
22. 분해 가스
23a-23c. 수소-농후 연료
24a-24j. 메탄-농후 연료
25. 에틸렌-농후 생성물
26. 공기
27. 배기 가스
28. 보일러 공급수
29. 고압 증기
31. 내부 파워 그리드
32. 외부 파워 그리드
33. 재생 가능 파워 소스
41. 파워 출력 제어 시스템
42. 소성 제어 시스템
43. 제어 밸브
51. 재생 가능 파워 임포트를 갖는 통합된 저배출 에틸렌 및 파워 플랜트
52. 재생 가능 파워 임포트 및 전해조를 갖는 통합된 저배출 에틸렌 및 파워 플랜트
61. 전해조
62. 탈염수
63a-63b. 수소 연료
64. 산소
101. 분해로
102. 에틸렌 플랜트 파워 발생
103. 에틸렌 플랜트 사용자들
104. 분리 섹션
105. 복합 사이클 가스 터빈 시스템
106. 내부 그리드
107. 재생 가능 파워 소스
108. 메탄 스토리지
109. 외부 그리드
110. 전해조
121. 연료
122. 고압 증기
123. 에틸렌 플랜트로부터의 파워
124. 분해 가스
125. CCGT로의 과잉 메탄-농후 연료
126. 전기 파워 또는 고압 증기에 의한 CCGT로부터 에틸렌 플랜트로의 파워
127. CCGT로부터 내부 그리드로의 파워
128. 재생 가능 소스들로부터의 파워
129. 스토리지로의 과잉 메탄-농후 연료
130. 스토리지로부터의 과잉 메탄-농후 연료
131. 외부 그리드로의 파워
132. 수소 연료
139. 기존의 에틸렌 플랜트
140. 통합된 저배출 에틸렌 및 파워 플랜트
141. 재생 가능 파워 임포트를 갖는 통합된 저배출 에틸렌 및 파워 플랜트
142. 재생 가능 파워 임포트 및 전해조를 갖는 통합된 저배출 에틸렌 및 파워 플랜트
Claims (31)
- 에틸렌 플랜트(ethylene plant)에 있어서,
탄화수소 공급원료를 분해 가스 스트림으로 전환시키기 위한 분해로;
상기 분해 가스 스트림으로부터 적어도 에틸렌-농후 생성물 스트림, 수소-농후 연료 스트림 및 메탄-농후 연료 스트림을 제공하도록 구성되는 분리 섹션;
수소-농후 연료의 적어도 일부를 상기 분리 섹션으로부터 상기 분해로의 버너로 공급하기 위한 통로 및/또는 수소-농후 연료의 적어도 일부를 상기 분리 섹션으로부터 복합 사이클 가스 터빈 파워 플랜트(combined cycle gas turbine power plant; CCGT)의 폐열 회수 보일러의 버너로 공급하기 위한 통로;
메탄-농후 연료를 저장하도록 구성되는 메탄 스토리지 및 상기 메탄-농후 연료의 적어도 일부를 상기 분리 섹션으로부터 상기 스토리지로 공급하기 위한 통로;
가스 터빈을 포함하는 상기 CCGT - 상기 가스 터빈은 연소기를 포함함 - 및 상기 메탄-농후 연료의 적어도 일부를 상기 스토리지로부터 상기 CCGT의 상기 가스 터빈의 상기 연소기로 공급하기 위한 통로 - 상기 CCGT는 전기 파워(electric power) 및/또는 상기 에틸렌 플랜트의 증기 발생 회로의 일부를 형성하는 증기 터빈을 구동시키기 위한 고압 증기를 발생시키도록 구성됨 -; 및
상기 플랜트를 작동시키기 위해 파워의 일부를 제공하도록 구성되는 전기 파워 커넥션 - 이는 재생 가능 소스로부터 전기 파워를 생산하기 위한 전기 파워 시스템에 대한 커넥션임 -
을 포함하는,
에틸렌 플랜트.
- 제1 항에 있어서,
상기 메탄 스토리지는 상기 분리 섹션으로부터 직접 또는 상기 분리 섹션으로부터의 기체 메탄-농후 연료 스트림을 액화한 후에 획득되는 액화된 메탄-농후 연료를 저장하도록 구성되고,
상기 메탄-농후 연료의 적어도 일부를 상기 스토리지로부터 상기 CCGT의 상기 가스 터빈의 상기 연소기로 공급하기 위한 상기 통로는 상기 액화된 메탄-농후 연료의 적어도 일부를 기체 메탄-농후 연료로 전환시키도록 구성되는 증발기 유닛을 통해 상기 액화된 메탄-농후 연료를 상기 CCGT의 상기 가스 터빈의 상기 연소기로 공급하도록 구성되는,
에틸렌 플랜트.
- 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 분리 섹션은 분해 가스로부터 기체 메탄-농후 연료 스트림을 분리하도록 더 구성되고,
상기 플랜트는,
상기 기체 메탄-농후 연료의 일부를 상기 분리 섹션으로부터 상기 분해로의 버너로 공급하기 위한 통로; 및
상기 기체 메탄-농후 연료의 일부를 상기 분리 섹션으로부터 상기 CCGT의 상기 폐열 회수 보일러의 버너로 공급하기 위한 통로
중 적어도 하나를 더 포함하는,
에틸렌 플랜트.
- 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 메탄-농후 연료의 일부를 공급하기 위한 통로는 액화된 메탄-농후 연료를 상기 스토리지로부터 상기 분해로의 버너로 공급하도록 구성되는,
에틸렌 플랜트.
- 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스토리지는 액화된 메탄-농후 연료를 저장하도록 구성되고,
상기 플랜트는 상기 액화된 메탄-농후 연료의 적어도 일부를 기체 메탄-농후 연료로 전환시키도록 구성되는 증발기 유닛을 통해 상기 액화된 메탄-농후 연료의 일부를 상기 스토리지로부터 상기 CCGT의 상기 폐열 회수 보일러의 버너로 공급하기 위한 통로를 포함하는,
에틸렌 플랜트.
- 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 재생 가능 전기 파워 커넥션을 통해 제공되는 전기 파워의 변동들을 보상하도록 구성되는 제어 시스템을 포함하고,
상기 통로들 중 하나 이상에서 연료 유량 및/또는 압력은 (기존의 또는 예상되는) 변동들에 응답하여 조절되어, 상기 전기 파워 커넥션에 의해 제공되는 전기 파워가 감소하거나 감소할 것으로 예상될 때 상기 CCGT의 전기 파워 출력을 증가시키고, 상기 전기 파워 커넥션에 의해 제공되는 전기 파워가 증가하거나 증가할 것으로 예상될 때 상기 CCGT의 전기 파워 출력을 감소시키는,
에틸렌 플랜트.
- 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 파워 시스템은 풍력 시스템들, 태양 에너지 시스템들, 수력 시스템들, 지열 에너지 시스템들, 삼투력 시스템들, 바이오매스로부터 전기를 발생시키도록 구성되는 시스템들 및 바이오-재생 가능 연료(예: 바이오-에탄올 또는 바이오 디젤)로부터 전기를 발생시키도록 구성되는 시스템로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 파워 시스템을 포함하는,
에틸렌 플랜트.
- 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
전해조 - 상기 전기 파워 커넥션은 상기 전해조에 연결되고, 상기 전해조는 전기분해에 의해 수소를 발생시키기 위해 상기 재생 가능 소스로부터의 전기 파워의 적어도 일부를 사용하고, 선택적으로 상기 CCGT에 의해 발생되는 전기 파워의 적어도 일부를 사용하도록 구성됨 -를 포함하고,
발생되는 수소를 상기 전해조로부터 상기 분해로의 버너로 공급하기 위한 통로, 및/또는 발생되는 수소를 상기 전해조로부터 상기 CCGT의 상기 폐열 회수 보일러의 버너로 공급하기 위한 통로를 더 포함하는,
에틸렌 플랜트.
- 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
재생 가능 소스로부터 전기 파워를 생산하도록 구성되는 상기 전기 파워 시스템은 상기 에틸렌 플랜트의 통합되는 부분 또는 상기 에틸렌 플랜트가 일부인 산업 단지(industrial complex)의 통합된 부분이고/이거나,
상기 전기 파워 시스템은 외부 전기 그리드를 통해 상기 에틸렌 플랜트에 연결되는,
에틸렌 플랜트.
- 제9 항에 있어서,
재생 가능 소스로부터 전기 파워를 생산하도록 구성되는 상기 전기 파워 시스템 및 상기 CCGT는 모두 상기 에틸렌 플랜트 또는 상기 에틸렌 플랜트가 일부인 산업 단지의 내부 그리드에 대한 전기 커넥션을 갖고,
상기 에틸렌 플랜트는,
재생 가능 전기 파워를 제공하는 파워 플랜트로부터 전기 파워를 수신하는 것을 허용하고, 예컨대, 동일한 산업 단지 내의 상기 에틸렌 플랜트 외부의 다른 시설 또는 외부 전기 그리드로의 상기 에틸렌 플랜트 외부의 잉여 파워의 공급을 허용하도록 구성되는 전기 커넥션을 더 갖는,
에틸렌 플랜트.
- 에틸렌 플랜트 증기 발생 회로 및 파워 플랜트 회로를 갖는 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 따른 에틸렌 플랜트에 있어서,
상기 에틸렌 플랜트 증기 발생 회로는,
상기 분해로 - 상기 분해로는 보일러 공급수로부터 고압 증기를 발생시키도록 구성됨 -;
상기 고압 증기에 의해 구동되도록 구성되는 증기 터빈;
상기 증기 터빈에 의해 구동되도록 구성되는 프로세스 압축기;
상기 고압 증기의 적어도 일부를 응축시키도록 구성되는 응축기; 및
상기 응축되는 증기를 보일러 공급수로서 상기 분해로로 펌핑하도록 구성되는 펌프
를 포함하고,
상기 파워 플랜트 회로는 열을 고압 증기로 회수하도록 구성되는 폐열 회수 보일러를 포함하고,
상기 시스템은 상기 폐열 회수 보일러로부터의 상기 고압 증기의 적어도 일부를 상기 에틸렌 플랜트 증기 발생 회로의 적어도 하나의 증기 터빈으로 유도하여 상기 적어도 하나의 증기 터빈을 구동시키도록 구성되는 상기 에틸렌 플랜트 증기 발생 회로와 상기 파워 플랜트 회로 사이의 제1 커넥션을 더 포함하는,
에틸렌 플랜트.
- 제11 항에 있어서,
상기 에틸렌 플랜트 증기 발생 회로는 상기 파워 플랜트 회로의 가스 터빈에 의해 직접 구동되도록 구성되는 프로세스 압축기를 포함하는,
에틸렌 플랜트.
- 제11 항 또는 제12 항에 있어서,
상기 파워 플랜트 회로는 적어도 하나의 증기 터빈 및 적어도 하나의 발전기를 더 포함하고,
상기 회로는 상기 폐열 회수 보일러로부터의 상기 고압 증기의 적어도 일부를 상기 파워 플랜트 회로의 상기 적어도 하나의 증기 터빈에 제공하도록 구성되고,
상기 적어도 하나의 증기 터빈은 파워를 발생시키기 위해 상기 적어도 하나의 발전기를 구동시키도록 구성되는,
에틸렌 플랜트.
- 제13 항에 있어서,
상기 파워 플랜트 회로는 상기 고압 증기의 적어도 일부를 응축시키도록 구성되는 응축기, 및 상기 응축되는 증기를 보일러 공급수로서 상기 폐열 회수 보일러로 다시 펌핑하도록 구성되는 펌프를 더 포함하는,
에틸렌 플랜트.
- 제1 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플랜트는 상기 CCGT로부터의 전기 파워에 의해 및/또는 재생 가능 소스로부터 전기 파워를 생산하도록 구성되는 상기 전기 파워 시스템으로부터의 전기 파워에 의해 구동되도록 구성되는, 압축기와 같은, 기계를 포함하는,
에틸렌 플랜트.
- 제1 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분해로는 고효율 분해로인,
에틸렌 플랜트.
- 제16 항에 있어서,
상기 에틸렌 플랜트는 통합된 에틸렌 및 파워 플랜트 시스템을 갖고,
상기 고효율 분해로는 복사 섹션, 대류 섹션 및 냉각 섹션을 포함하고,
상기 냉각 섹션은 상기 복사 섹션으로의 진입 전에 공급원료를 예열하도록 구성되는 적어도 하나의 이송 라인 교환기를 포함하고,
대류 섹션은 연도 가스로부터 포화 증기를 발생시키도록 구성되는 보일러 코일을 포함하고, 상기 보일러 코일은 바람직하게는 상기 대류 섹션의 바닥 부분에 위치되는,
에틸렌 플랜트.
- 제17 항에 있어서,
상기 에틸렌 플랜트는 통합된 에틸렌 및 파워 플랜트 시스템을 갖고,
상기 고효율 분해로는 복사 섹션, 대류 섹션 및 냉각 섹션을 포함하고,
상기 냉각 섹션은 상기 복사 섹션으로의 진입 전에 공급원료를 예열하도록 구성되는 적어도 하나의 이송 라인 교환기를 포함하고,
대류 섹션은 상기 이송 라인 교환기로부터의 상기 공급원료의 배출 후 및 상기 복사 섹션으로의 진입 전에 공급원료를 예열하도록 구성되는 제2 고온 코일을 포함하고, 상기 제2 고온 코일은 바람직하게는 상기 대류 섹션의 바닥 부분에 위치되는,
에틸렌 플랜트.
- 제1 항 내지 제18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분해로는 소성 분해로인,
에틸렌 플랜트.
- 제1 항 내지 제19 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분해로는 회전역학적 열분해 반응기이고,
상기 플랜트는 상기 수소-농후 연료의 적어도 일부를 상기 분리 섹션으로부터 상기 복합 사이클 가스 터빈 파워 플랜트의 상기 폐열 회수 보일러의 상기 버너로 공급하기 위한 상기 통로를 포함하는,
에틸렌 플랜트.
- 제1 항 내지 제20 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분해로는 전기적으로 가열되는 분해로이고,
상기 플랜트는 상기 수소-농후 연료의 적어도 일부를 상기 분리 섹션으로부터 상기 복합 사이클 가스 터빈 파워 플랜트의 상기 폐열 회수 보일러의 상기 버너로 공급하기 위한 상기 통로를 포함하는,
에틸렌 플랜트.
- 제1 항 내지 제21 항 중 어느 한 항에 있어서,
소성 분해로들, 회전역학적 열분해 반응기들 및 전기적으로 가열되는 분해로들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 복수의 분해로들을 포함하는,
에틸렌 플랜트.
- 탄화수소 공급물로부터 에틸렌을 생산하기 위한 방법에 있어서,
에틸렌, 수소 및 메탄을 포함하는 분해된 탄화수소-함유 가스를 생성하기 위해 제1 항 내지 제22 항 중 어느 한 항에 따른 에틸렌 플랜트의 분해로에서 탄화수소를 분해하는 단계;
상기 분해된 탄화수소-함유 가스의 적어도 일부를 적어도 에틸렌-농후 생성물, 수소-농후 연료 및 메탄-농후 연료로 분리하는 단계;
상기 수소-농후 연료의 적어도 일부를 상기 분리 섹션으로부터 상기 분해로의 버너로 공급하는 단계 및/또는 상기 수소-농후 연료의 적어도 일부를 상기 분리 섹션으로부터 복합 사이클 가스 터빈 파워 플랜트(CCGT)의 폐열 회수 보일러의 버너로 공급하는 단계;
액체로서 상기 분리 섹션으로부터 직접 또는 상기 분리 섹션으로부터의 기체 메탄-농후 연료 스트림을 액화한 후에 획득되는 상기 메탄-농후 연료의 적어도 일부를 메탄 스토리지로 공급하는 단계;
상기 메탄-농후 연료의 적어도 일부를 상기 스토리지로부터 상기 CCGT의 연소기로 공급하는 단계 - 상기 스토리지로부터의 상기 메탄-농후 연료는 상기 연소기로 공급되기 전에 기화됨 -; 및
상기 CCGT의 상기 연소기로 공급되는 상기 기화된 메탄-농후 연료를 상기 CCGT에서 연소시키는 단계 - 이로써, 전기 파워 및/또는 상기 에틸렌 플랜트의 증기 발생 회로의 일부를 형성하는 증기 터빈을 구동시키기 위한 (고압) 증기를 발생시킴 -
를 포함하고,
상기 파워의 적어도 일부는 재생 가능 소스로부터 생산되는 전기 파워인,
방법.
- 제23 항에 있어서,
분해 가스로부터 기체 메탄-농후 스트림이 더 획득되고, 상기 기체 메탄-농후 연료의 적어도 일부는 액화 단계를 거치지 않고 상기 분리 섹션으로부터 상기 분해로의 버너로 공급되고/되거나 상기 기체 메탄-농후 연료의 적어도 일부는 액화 단계를 거치지 않고 상기 분리 섹션으로부터 상기 CCGT의 상기 폐열 회수 보일러의 버너로 공급되고,
상기 액화된 메탄-농후 연료의 일부는 상기 메탄 스토리지로부터 상기 분해로의 버너로 공급되고, 상기 스토리지로부터의 상기 메탄-농후 연료는 기체로서 상기 버너로 공급되기 전에 기화되는,
방법.
- 제24 항에 있어서,
상기 액화된 메탄-농후 연료의 적어도 일부는 상기 메탄 스토리지로부터 상기 분해로의 버너 및/또는 상기 CCGT의 상기 폐열 회수 보일러의 버너로 공급되고, 상기 스토리지로부터의 상기 메탄-농후 연료는 기체로서 상기 버너로 공급되기 전에 기화되는,
방법.
- 제23 항 내지 제25 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 파워 커넥션을 통해 제공되는 상기 재생 가능 소스로부터 생산되는 전기 파워의 변동들은, 상기 전기 파워 커넥션에 의해 제공되는 전기 파워가 감소하거나 감소할 것으로 예상될 때 상기 CCGT의 전기 파워 출력을 증가시키고, 상기 전기 파워 커넥션에 의해 제공되는 전기 파워가 증가하거나 증가할 것으로 예상될 때 상기 CCGT의 전기 파워 출력을 감소시킴으로써 보상되는,
방법.
- 제23 내지 제26 항 중 어느 한 항에 있어서,
물은 전해조에 연결되는 재생 가능 전기 파워를 제공하는 전기 파워 커넥션을 사용하여 상기 에틸렌 플랜트의 일부로서 상기 전해조에 의해 수소를 생성하도록 전기분해되고,
상기 재생 가능 전기 파워의 적어도 일부 및 선택적으로 상기 CCGT에 의해 발생되는 전기 파워의 적어도 일부는 전기분해에 의해 상기 수소를 발생시키기 위해 상기 전해조에 의해 사용되고, 상기 발생되는 수소의 적어도 일부는 상기 분해로의 버너 및/또는 상기 CCGT의 폐열 회수 보일러의 상기 버너로부터 공급되는,
방법.
- 제23 항 내지 제27 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분해로는 회전역학적 열분해 반응기 또는 전기적으로 가열되는 분해 반응기이고,
상기 수소-농후 연료의 적어도 일부는 상기 분리 섹션으로부터 상기 복합 사이클 가스 터빈 파워 플랜트의 상기 폐열 회수 보일러의 상기 버너로 공급되는,
방법.
- 제23 항 내지 제28 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분해로는 연료를 연소시키는 하나 이상의 버너들이 있는 화실을 포함하는 소성 분해로인,
방법.
- 재생 가능 파워의 임시 저장을 위한 제1 항 내지 제22 항 중 어느 한 항에 따른 에틸렌 플랜트의 사용.
- 수소의 메탄-농후 가스로의 간접 전환을 위한 제1 항 내지 제22 항 중 어느 한 항에 따른 에틸렌 플랜트의 사용.
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