KR20230015451A - 부분 산화의 유연한 방법 - Google Patents
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Abstract
부분 산화 반응기로의 공급물의 특성 변경에 대응하기 위해 고온 산소 발생기를 사용하는 방법이 개시된다.
Description
본 발명은 탄화수소 공급 물질의 부분 산화(POx)를 이용하는 방법론에 의한 탄화수소 공급원료의 제조에 관한 것이다.
탄화수소 공급 물질로부터 탄화수소 생성물을 제조하기 위한 플랜트는 종종 공급 물질의 특성을 포함하는 가정된 특성 세트와 제조되는 생성물의 원하는 특성에 기초하는 미리 결정된 조건 내에서 작동한다. 그러나, 공급 물질의 특성(이의 조성과 같은 고유 특성을 포함하지만 이의 공급 속도와 같은 외인성 특성을 포함함)에 변경이 있을 때, 운영자는 일반적으로 작동을 중단하고/하거나 변경을 수용하기 위해 비용이 많이 드는 대체 방법론을 설치해야 한다.
이러한 종류의 파괴에 취약할 수 있는 이러한 일반적인 유형의 방법론은 미국 특허 제9,624,440호 및 미국 공개 특허 출원 제2016/0102259호에 기술되어 있다. 이러한 유형의 방법론의 적응은 미국 특허 제9,290,422호에 기술되어 있으며, 이는 원료 물질로부터 액체 연료의 생성을 위해 이미 설치된 장치에 자열 반응기(ATR)와 같은 장비를 추가하는 것을 개시한다.
본 발명은 연료와 같은 생성물을 생성하는 데 유용한 탄화수소 공급원료를 생성하는 방법론에 유연성 및 작동 효율성을 추가한다.
본 발명의 제1 양태는 탄화수소 공급원료를 생성하는 방법으로서,
(A)
(i) 공급원으로부터의 원료 공급물(선택적으로 타르를 함유할 수 있고, 수소 및 CO, 뿐만 아니라 메탄, 2개 또는 3개의 탄소 원자를 포함하는 탄화수소 및 이의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 경질 탄화수소를 포함함) 및 (ii) 2000 F 내지 4700 F의 온도를 갖는 산소 스트림을, 부분 산화 반응기 내로 공급하고 원료 공급물을 산소와 반응시켜, 타르(원료 공급물에 존재하는 경우)를 수소 및 CO를 함유하는 저분자량 생성물로 전환시키면서 상기 원료 공급물 내의 상기 경질 탄화수소 중 하나 이상을 상기 산소에 의해 부분적으로 산화시켜, 원료 공급물 내의 수소 및 CO의 양을 증가시킴으로써, 제1 값의 수소 대 CO의 몰비를 갖는 탄화수소 공급원료를 생성하는 단계;
(B)
부분 산화 반응기로의 원료 공급물을 부분 산화 반응기로 공급되는 개질된 공급물((i) 상기 부분 산화 반응기 내로 공급되는 상기 공급원으로부터의 상기 원료 공급물의 양을 감소시키거나 중단시키고 (ii) 상기 원료 공급물의 상기 공급원으로부터 유래하지 않고 상기 원료 공급물의 조성과 상이한 조성을 갖는 탄화수소 공급물 스트림을 상기 부분 산화 반응기로 공급하고, 2000 F 내지 4700 F의 온도를 갖는 산소 스트림을 상기 부분 산화 반응기 내로 계속 공급함으로써 형성됨)로 대체하고(단계 (A)에서 원료 공급물이 산소와 반응하는 조건 하에서 부분 산화 반응기 내 상기 개질된 공급물과 산소의 반응에 이은 단계 (B)에서 사용된 조건 하에서의 촉매적 변경은 수소 대 CO의 몰비가 상기 제1 값과 상이한 제2 값인 탄화수소 공급원료를 생성하는 단계, 상기 부분 산화 반응기로 공급되는 상기 산소 스트림의 적어도 하나의 조건을 변경하여 상기 개질된 공급물과의 반응을 통해 수소 대 CO의 몰비가 상기 제2 값과 상이한 제3 값인 탄화수소 공급원료를 생성하는 단계; 및 이어서
(C)
2000 F 내지 4700 F의 온도를 갖는 산소 스트림을 상기 부분 산화 반응기 내로 계속 공급하면서, 단계 (B)에서 공급되는 개질된 공급물을 상기 부분 산화 반응기로 공급되는 원료 공급물(모두 상기 공급원으로부터 유래됨)로 완전히 대체하고, 단계 (B)에서 사용된 조건과 비교하여 상기 부분 산화 반응기로 공급되는 상기 산소 스트림의 적어도 하나의 조건을 변경하여 상기 원료 공급물과의 반응을 통해 수소 대 CO의 몰비가 상기 제3 값과 상이한 탄화수소 공급원료를 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
본 발명의 이러한 양태의 바람직한 구현예에서, 단계 (B)에서, 부분 산화 반응기의 출력을 증가시키기 위해, 원료 공급물의 제조에 사용된 양의 산소가 부분 산화 반응기에 대신 공급된다.
WGS 반응을 이용하는 전술한 방법의 일 구현예는 탄화수소 공급원료의 제조 방법으로서,
(A)
(i) 공급원으로부터의 원료 공급물(선택적으로 타르를 함유할 수 있고, 수소 및 CO, 뿐만 아니라 메탄, 2개 또는 3개의 탄소 원자를 포함하는 탄화수소 및 이의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 경질 탄화수소를 포함함) 및 (ii) 2000 F 내지 4700 F의 온도를 갖는 산소 스트림을, 부분 산화 반응기 내로 공급하고 원료 공급물을 산소와 반응시켜, 타르(원료 공급물에 존재하는 경우)를 수소 및 CO를 포함하는 저분자량 생성물로 전환시키면서 상기 원료 공급물 내의 상기 경질 탄화수소 중 하나 이상을 상기 산소에 의해 부분적으로 산화시켜 원료 공급물 내의 수소 및 CO의 양을 증가시키고, 상기 부분 산화 반응기로부터 중간 공급스트림을 회수하는 단계;
(B)
단계 (A)로부터의 중간 공급스트림에서 수소 대 CO의 몰비를 촉매적으로 변경하여, 수소 대 CO의 몰비가 제1 값인 탄화수소 공급원료를 제조하는 단계;
(C)
부분 산화 반응기로의 원료 공급물을 부분 산화 반응기로 공급되는 개질된 공급물((i) 상기 부분 산화 반응기 내로 공급되는 상기 공급원으로부터의 상기 원료 공급물의 양을 감소시키거나 중단시키고 (ii) 상기 원료 공급물의 상기 공급원으로부터 유래하지 않고 상기 원료 공급물의 조성과 상이한 조성을 갖는 탄화수소 공급물 스트림을 상기 부분 산화 반응기로 공급하고, 2000 F 내지 4700 F의 온도를 갖는 산소 스트림을 상기 부분 산화 반응기 내로 계속 공급함으로써 형성됨)로 대체하고(단계 (A)에서 원료 공급물이 산소와 반응하는 조건 하에서 부분 산화 반응기 내 상기 개질된 공급물과 산소의 반응에 이은 단계 (B)에서 사용된 조건 하에서의 촉매적 변경은 수소 대 CO의 몰비가 제2 값인 탄화수소 생성물을 생성함), 상기 부분 산화 반응기로 공급되는 상기 산소 스트림의 적어도 하나의 조건을 변경하여 상기 개질된 공급물과의 반응에 이은 상기 촉매적 변경을 통해 수소 대 CO의 몰비가 상기 제2 값인 탄화수소 공급원료를 생성하는 단계; 및 이어서
(D)
2000 F 내지 4700 F의 온도를 갖는 산소 스트림을 상기 부분 산화 반응기 내로 계속 공급하면서, 단계 (C)에서 공급되는 개질된 공급물을 상기 부분 산화 반응기로 공급되는 원료 공급물(모두 상기 공급원으로부터 유래됨)로 완전히 대체하고, 단계 (C)에서 사용된 조건과 비교하여 상기 부분 산화 반응기로 공급되는 상기 산소 스트림의 적어도 하나의 조건을 변경하여 상기 원료 공급물과의 반응에 이은 상기 촉매적 변경을 통해 수소 대 CO의 몰비가 상기 제2 값과 상이한 탄화수소 공급원료를 생성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제2 양태는 탄화수소 공급원료의 제조 방법으로서,
(A)
(i) 공급원으로부터의 원료 공급물(선택적으로 타르를 함유할 수 있고, 수소 및 CO, 뿐만 아니라 메탄, 2개 또는 3개의 탄소 원자를 포함하는 탄화수소 및 이의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 경질 탄화수소를 포함함) 및 (ii) 2000 F 내지 4700 F의 온도를 갖는 산소 스트림을, 부분 산화 반응기 내로 공급하고 원료 공급물을 산소와 반응시켜, 타르(원료 공급물에 존재하는 경우)를 수소 및 CO를 포함하는 저분자량 생성물로 전환시키면서 상기 원료 공급물 내의 상기 경질 탄화수소 중 하나 이상을 상기 산소에 의해 부분적으로 산화시켜 원료 공급물 내의 수소 및 CO의 양을 증가시키고, 상기 부분 산화 반응기로부터 중간 공급스트림을 회수하는 단계(수소 대 CO의 몰비는 주어진 범위 내에 있음);
(B)
단계 (A)에서 생성된 중간 공급스트림과 간접 열 교환으로 액체 물을 가열함으로써 증기를 생성하는 단계;
(C)
단계 (B)에서 생성된 증기와 탄소질 공급 물질을 반응기로 공급하여, 상기 증기와 상기 탄소질 공급 물질의 상호작용에 의해, 선택적으로 타르를 함유할 수 있고 수소 및 CO, 뿐만 아니라 메탄, 2개 또는 3개의 탄소 원자를 포함하는 탄화수소 및 이의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 경질 탄화수소를 포함하는 제2 원료 공급물을 생성하는 단계;
(D)
2000 F 내지 4700 F의 온도를 갖는 산소 스트림을 상기 부분 산화 반응기 내로 계속 공급하면서, 단계 (A)에서 공급되는 원료 공급물을 상기 부분 산화 반응기로 공급되는 상기 제2 원료 공급물로 대체하여, 상기 제2 원료 공급물의 반응을 통해 수소 대 CO의 몰비가 상기 주어진 범위 내에 있는 탄화수소 공급원료를 생성하는 단계를 포함한다.
도 1은 바이오매스와 같은 공급원료로부터 연료와 같은 탄화수소 액체를 제조하기 위한 설비의 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 유용한 고온 산소의 스트림을 생성할 수 있는 장치의 단면도이다.
도 3은 도 1의 흐름도의 일부의 단면도이다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 바이오매스와 같은 탄화수소 생성물을 액체 연료와 같은 (그러나 이에 제한되지 않는) 유용한 탄화수소 생성물로 전환시키는 작업에 특히 유용하다. 본 발명에 의해 제조된 공급원료는 판매되고 이로서 사용될 수 있는 생성물뿐만 아니라, 다른 완성된 유용한 생성물(이어서 판매되고 사용될 수 있음)을 제조하기 위한 반응물로서 사용될 수 있는 생성물을 포함한다.
도 1은 이러한 작동의 통상적인 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본원에서 원료 공급물로 또한 지칭되는 스트림(1)은 부분 산화 반응기(4)에 공급된다. 스트림(1)은 원료 공급물(1)이 생성되는 생산 설비 또는 반응기를 지정하는 공급원(11)으로부터 제공된다.
적합한 원료 공급물(1) 및 이들의 공급원(11)의 예는:
이의 임의의 상업적 공급원으로부터의 천연 가스;
바이오매스와 같은 고체 탄화수소 물질, 또는 석탄 또는 리그닌 같은 고체 연료가 고체 물질의 적어도 일부가 기체 원료 스트림(1)으로 전환될 만큼 충분히 높은 온도에서 일반적으로 공기, 증기, 및/또는 산소를 포함하는 기체 스트림에서 기체화되는 기체화 반응기에 의해 생성되는 기체 스트림;
대개 기체이지만 액체 및/또는 고체일 수 있고, 석유화학 정제소 또는 화학 플랜트에서 생산되는 생성물 스트림 및 부산물 스트림;
코크스를 생성하기 위해 석탄을 열처리하는 반응기에서 생성된 오프가스 스트림인 코크스 오븐 가스;
화석 연료 또는 바이오매스와 같은 고체 탄화수소 물질을 열처리하여 고체 물질을 비휘발화시키고 부분적으로 산화시키기 위해 반응기에서 생성되는 탄화수소 함유 기체 스트림인 열분해 가스를; 포함한다.
다른 가능한 공급물 스트림은 열분해 오일과 같은 오일 및 액체 탄화수소를 포함한다.
원료 공급물(1)은 일반적으로 수소 및 일산화탄소(CO)를 함유하고, 통상적으로 또한 탄소수 1 내지 18의 알칸 및/또는 알칸올과 같은 하나 이상의 탄화수소를 함유하고, 종종 하나 이상의 이산화탄소(CO2), 및 타르 및/또는 그을음과 같은 고분자량 탄화수소를 함유한다.
원료 공급물 스트림(1)은, 가열되어 공급원(11)에서 분리되는 경우, 통상적으로 약 500℉ 내지 1600℉의 온도를 나타낸다.
이어서, 원료 공급물 스트림(1)은, 고온 산소 스트림(2)으로서 제공되는 산소(하기에 보다 충분히 기재된 바와 같이 생산됨)와 (하기에 보다 충분히 기재된 조건 하에서) 반응되어 스트림(1)에 존재하는 성분으로부터 추가 량의 수소 및 일산화탄소(CO)를 생성하는 부분 산화 반응기(4)로 공급된다. 타르가 스트림에 존재하는 경우, 존재하는 타르 중 일부 또는 전부는 또한 저분자량 탄화수소 생성물로 전환될 수 있다.
부분 산화 반응기(4)에서 생성되는 산화된 생성물 스트림(13)은 단계 6에 공급되고, 여기서 스트림(13)은 바람직하게는 냉각되고 처리되어 스트림이 반응기(10)에 공급될 때(이하에 본원에 기재됨), 존재하지 않아야 하는 물질을 제거한다. 단계 6은 통상적으로 스트림(13)을 냉각시키는 유닛을 포함하며, 예를 들어 유입 공급수(61)와의 간접 열 교환에 의해 가열된 물 및/또는 증기의 스트림(62)을 생성한다. 대안적인 구현예에서, 단계 6은 또한, 스트림(13)의 일산화탄소가 촉매적으로 매개된 물-가스 이동(WGS) 반응에서 (비제한적인 예에서, 수증기(증기)와 함께) 반응되어 수소를 생성함으로써, 스트림(13)의 수소 대 일산화탄소의 비를 조정하는 방식을 제공하는 이동 전환 반응기를 포함할 수 있다.
생성된 스트림(14)은 냉각되고/되거나 이의 수소를 가졌다:단계 6에서 조정된 일산화탄소 비는, 미립자, CO2를 포함하는 산성 가스, 암모니아, 황 종, 및 알칼리 화합물과 같은 다른 무기 물질과 같은 존재할 수 있는 불순물(81)이 제거되는 단계 8에 공급된다. 불순물은 존재하는 이러한 불순물 중 서로 상이한 불순물을 제거하거나 특정 오염물질을 원하는 낮은 수준으로 감소시키기 위해 각각 의도된 하나의 유닛 또는 일련의 유닛에서 제거될 수 있다. 단계 8은 불순물 제거가 하나의 유닛에 의해 달성되는 지 또는 하나 초과의 유닛에 의해 달성되는 지 여부를 나타낸다. 냉각 및 불순물 제거는 일련의 단계에서 임의의 효과적인 순서로 또는 모두 하나의 유닛에서 수행되는 것이 바람직하다. 세부사항은 도시되지 않지만 당업자에게 친숙할 것이다. 단계 8은 통상적으로 불순물의 최종 제거를 위한 작업을 포함하며, 이의 비제한적인 예는 미립자, NH3, 황 종 및 CO2를 포함한다. CO2 제거는 통상적으로 물리적 용매, 예를 들어 메탄올, 또는 화학 용매, 예를 들어 아민을 사용하는 용매계 공정에 의해 수행된다.
이어서, 생성된 냉각된, 컨디셔닝된 기체 스트림(15)은 스트림(15)에 존재하는 하나 이상의 성분의 임의의 유익한 사용을 나타내는 단계 10에 공급된다. 즉, 스트림(15)은 최종 생성물로서 그대로 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명은 스트림(15)가 추가 반응 및/또는 도 1에서 20으로 지정된 생성물을 생성하는 다른 처리를 위한 공급원료로서 작용하는 경우에 특히 유용하다.
이러한 추가 처리의 바람직한 일예는 스트림(15)을 연료로서 유용한 액체 탄화수소 또는 액체 탄화수소의 혼합물을 생성하기 위해 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 공정 또는 기타 합성 방법에 대한 공급원료로서 사용하는 것과 같이 스트림(15)을 액체 연료로 전환하는 것이다.
스트림(15)의 유용한 처리의 다른 예는 메탄올, 에탄올, 직쇄 또는 분지쇄 또는 환형 알칸 및 4개 내지 18개의 탄소 원자를 함유하는 알칸올, 방향족, 및 이들의 혼합물과 같은 특정 표적화된 화합물의 생성; 또는 중합체와 같은 더 긴 사슬 생성물의 생성에 사용된다.
스트림(15)의 전체적인 조성물은 원료 공급물(1)의 조성물에, 중간 처리 단계에, 및 작동 조건에 따라 크게 달라질 수 있다. 스트림(15)은 통상적으로 (건조 기준으로) 20 내지 50 부피%의 수소, 및 10 내지 45 부피%의 일산화탄소를 함유한다.
그러나, 스트림(15)의 하나 이상의 특성은 제품(20)의 반복 가능하고 신뢰할 수 있는 공급을 생성하기 위해 스트림(15)이 단계 10에서 거쳐야 하는 처리를 수용하기 위해, 값 또는 특징적인 원하는 범위 내에 속하는 값을 지속적으로 나타내는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시에서, 관련성이 있고 원하는 비 내에서 유지되어야 하는 스트림(15)의 특성은 수소(H2) 대 CO의 몰비이다.
FT 연료 생산의 경우, H2:CO 몰비의 목표 범위는 생성되는 생성물에 따라 달라진다. 예를 들어, 메탄올 생산은 H2:CO가 1.95 내지 2.05 범위 내에서 가장 효율이다. 합성 가솔린 생산의 0.55 내지 0.65 범위의 H2:CO 비를 필요로 한다. 생물학적 전환과 같은 다른 전환 메커니즘에 의한 연료 생산의 경우, H2:CO 몰비의 목표 범위는 매우 클 수 있다. 우드-륭달(Wood-Ljungdahl) 경로에 따르면, 사용되는 박테리아의 유형에 따라, CO만, H2만, 또는 H2:CO의 임의의 조합물을 포함하는 스트림이 필요에 따라 H2O 및 CO2를 H2 및 CO로 전환시키는 박테리아의 능력으로 인해 사용될 수 있다. 각각의 박테리아 균주는 원하는 생성물을 생성하는 데 가장 효율적인 합성가스의 특정 화학적 구성을 선호할 것이다.
다시 도 1을 참조하면, 단계 10에서의 처리는 부산물 스트림(26)을 생성할 수 있으며, 이는 반응물로서 사용되는 부분 산화 반응기(4)로 재순환될 수 있고/있거나 본원에 기재된 바와 같이 고온 산소 생성기(202)에서 연소되는 고온 산소 발생기(202)(도 2와 관하여 아래에 기재됨)로 재순환될 수 있다. 단계 6의 물 스트림(61)로부터 형성된 증기(스트림(62)은 선택적으로 부분 산화 반응기(4)에 공급될 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 고온 산소 스트림(2)은 부분 산화 반응기(4)로 공급되어 원료 공급물(1)의 원하는 부분 산화를 위한 산소를 제공하고, 향상된 혼합, 가속된 산화 동역학, 및 반응기(4)를 사용한 개질의 가속된 동역학을 제공한다.
플라즈마 가열과 같은, 원하는 고온, 고속 산소 함유 스트림이 제공될 수 있는 많은 방법이 존재한다.
하나의 바람직한 방법, 즉 고온 산소 스트림(2)을 고속으로 제공할 수 있는 고온 산소 발생기(202)가, 도 2에 도시되어 있다. 적어도 30 부피%이고 바람직하게는 적어도 85 부피%의 산소 농도를 갖는 기체 산화제의 스트림(203)은 바람직하게는 산화제(203)를 위한 유입구(204)와 고온 산소의 스트림(2)을 위한 유출구 노즐(206)을 갖는 챔버 또는 덕트인 고온 산소 생성기(202)로 공급된다. 가장 바람직하게는 산화제(203)는 적어도 99.5 부피%의 산소 농도를 갖는 기술적으로 순수한 산소이다. 고온 산소 발생기(202)에 공급된 산화제(203)는 일반적으로 50 내지 300 피트/초(fps)의 범위 내에 있고 통상적으로 200 fps 미만일 초기 속도를 갖는다.
연료의 스트림(205)은 일반적으로 연료 주입에 일반적으로 사용되는 임의의 적합한 노즐일 수 있는 노즐(208)로 끝나는 적합한 연료 도관(207)을 통해 고온 산소 발생기(202) 내로 제공된다. 연료는 천연 가스, 메탄, 프로판, 수소 및 코크스 오븐 가스를 포함하는 임의의 적합한 가연성 유체 예일 수 있거나, 단계 10으로부터 획득된 스트림(26)과 같은 공정 스트림일 수 있다. 바람직하게는 연료(205)는 기체 연료이다. 연료유(2) 또는 부산물 스트림(23)과 같은 액체 연료가 또한 사용될 수 있다.
스트림(205) 내의 연료 및 산화제 스트림(203)은 산화제 스트림(203) 내의 산소량이 고온 산소 스트림의 의도된 사용을 위한 충분한 양의 산소를 구성하도록 서로에 대한 속도로 발생기(202)로 공급되어야 한다. 고온 산소 발생기(202)로 제공된 연료(205)는 산화제 스트림(203)으로부터의 산소와 함께 그 내부에서 연소하여 일산화탄소를 또한 포함할 수 있는 열 및 연소 반응 생성물을 생성한다.
발생기(202) 내의 연소는 일반적으로 발생기(202) 내의 잔류 산소의 온도를 적어도 약 500℉만큼, 그리고 바람직하게는 적어도 약 1000℉만큼 상승시킨다. 이러한 방식으로 획득된 고온 산소는,적어도 2000°F 내지 4700°F의 온도를 가지는 고속 고온 산소 스트림으로서 고온 산소 발생기(202)로부터 스트림(2)으로서 적합한 개구 또는 노즐(206)을 통하여 외부로 부분 산화 반응기(4) 내로 통과된다. 일반적으로 노즐(206)을 통과할 때 고온 산소 스트림(2)의 속도는 500 내지 4500 피트/초(fps)의 범위 내에 있을 것이고, 통상적으로 스트림(203)의 속도를 적어도 300 fps만큼 초과할 것이다. 고온 산소 스트림 및 공급물의 운동량은 산소와 공급물의 원하는 혼합 수준을 달성하기에 충분히 높아야 한다. 고온 산소 스트림 대 공급원료 스트림의 운동량 플럭스 비는 적어도 3.0이어야 한다.
고온 산소 스트림의 조성은 스트림이 생성되는 조건에 따라 다르지만, 바람직하게는 적어도 50 부피%의 O2, 보다 바람직하게는 적어도 65 부피% 이상의 O2를 함유한다. 고속 고온 산소 스트림의 형성은 미국 특허 제5,266,024호의 설명에 따라 수행될 수 있다.
탄화수소 공급원료를 생산하는 과정에서 부분 산화를 이용하는 시스템의 원하는 상태는 원료 공급물(1), 산소 스트림(2) 또는 스트림(13, 14 및 15)의 특성, 또는 부분 산화 반응기(4) 및 단계 6 및 8에 사용된 작동 상태의 섭동이 거의 없거나 전혀 없다는 것이 인식될 것이다.
그러나 POx 반응기에 대한 원료 공급물(1)의 특성이, 작동 조건에서 다른 변경이 없는 경우, 원하는 생성물 스트림(20)의 특성에 부정적인 영향을 미치는 방식으로 스트림(15)의 특성이 변경되는 방식으로 변경되는 상황이 종종 발생할 수 있다. 스트림(20)의 이러한 변경은 물론 바람직하지 않다.
이러한 상황의 예는 다음을 포함한다.
원료 공급물(1)의 소스(11)는 이용 가능하지 않다. 예를 들어 정기 유지보수를 수행하거나 예기치 않은 고장 또는 기타 이유로 필요한 수리를 수행하기 위해 종료된다.
공급원(11)의 수리 또는 다른 작동상의 어려움으로 인해 또는 공급원(11)에 대한 공급 양이 감소되었기 때문에 공급원(11)으로부터 수용된 원료 공급물(1)의 양이 감소된다.
공급원(11)에 대한 공급이 변경되었기 때문에 원료 공급물(1)의 조성이 변경되었다.
이의 공급원(11)으로부터의 원료 공급물(1)은 POx 반응기(4)에 대한 유용한 공급 물질일 수 있는 다른 공급원으로부터의 다른 조성에 비해 너무 비싸게 되었다.
단계 6 및 8 중 하나 이상에서 제공되는 처리는 WGS 반응에서 제공되는 촉매 처리에 대한 변경과 같이 변경되었다.
과거에, POx 반응기(4)의 원료 공급물(1)의 특성에 대한 변경을 포함하는, 이와 같은 상황의 변경을 수용하기 위한 관례적인 실시는 종종 전체 설비를 정지시키거나 기껏해야 자본회수에 불리한 부분 부하에서 설비를 가동하였다. 그런 일이 발생하면, 하나 이상의 이러한 설비를 갖는 운영자는 다른 설비에서 이용 가능한 제품의 산출물에 의존하거나, 그렇지 않으면 생산 손실을 겪어야 한다.
그러나, 본 발명은 운영자가, 동일한 설비에서, 전술한 고온 산소 발생기로부터 이용 가능한 작동 유연성을 이용하여 조성적 특성의 그러한 물질(예컨대 H2:CO 몰비) 및 유동 속도에서 변경이 없는 생성물 스트림(15)의 생산을 유지하는 것을 가능하게 하는 것으로 밝혀졌다.
즉, 이의 공급원(11)이었던 원료 공급물 스트림(1)의 부분 산화 반응기(4)로의 흐름이 중단되거나 유량이 있던 것의 100% 미만 내지 0% 초과의 임의의 수준으로 감소될 때, 그 다음 대안적인 탄화수소 스트림(3)은 부분 산화 반응기(4)에 공급된다. 대안적인 탄화수소 스트림(3)의 공급 속도는 바람직하게 충분한 양의 탄소의 총 투입을 POx 반응기(4)에 공급하여 감소되거나 중단된 스트림(1)로부터 대체되는, 바람직하게 적어도 동일한 탄소의 총 투입을 제공하기에 충분한, 속도인 것이 바람직하다.
대안적인 탄화수소 공급물 스트림(3)은 공급원(11)이 아닌 하나의 단일 공급원, 또는 공급원(11)이 아닌 하나 이상의 단일 공급원을 의미하는 공급원(12)으로부터 생성될 수 있다.
적합한 대안적인 탄화수소 공급물 스트림(3) 및 이들의 공급원(들)(12)은:
이의 임의의 상업적 공급원으로부터의 천연 가스;
바이오매스와 같은 고체 탄화수소 물질, 또는 석탄 또는 리그닌 같은 고체 연료가 고체 물질의 적어도 일부가 기체 원료 스트림으로 전환될 만큼 충분히 높은 온도에서 일반적으로 공기, 증기, 및/또는 산소를 포함하는 기체 스트림에서 기체화되는 기체화 반응기에 의해 생성되는 기체 스트림;
대개 기체이지만 액체 및/또는 고체일 수 있고, 석유화학 정제소 또는 화학 플랜트에서 생산되는 생성물 스트림 및 부산물 스트림;
코크스를 생성하기 위해 석탄을 열처리하는 반응기에서 생성된 오프가스 스트림인 코크스 오븐 가스;
'화석 연료 또는 바이오매스와 같은 고체 탄화수소 물질을 열처리하여 고체 물질을 비휘발화시키고 부분적으로 산화시키기 위해 반응기에서 생성되는 탄화수소 함유 기체 스트림인 열분해 가스를; 포함한다.
탄화수소 오일 및 액체 탄화수소를 포함하는 다른 "대안적인"공급물 스트림: 중 임의의 것 중 하나 이상일 수 있다.
대안적인 스트림(12)은 기체 및/또는 액체, 포화 및/또는 불포화 및/또는 환형, 1개 내지 10개의 탄소 원자를 포함하고 선택적으로 하나 이상의 산소 원자를 포함하는 탄화수소, 및 임의의 이러한 탄화수소의 혼합물을 포함할 수 있다. 예에는 천연 가스, 프로판 및 액체 연료가 포함되지만 이에 제한되지는 않는다. 스트림(11)의 전체적인 조성물은 통상적으로 원료 스트림(1)의 전체적인 조성과 상이할 것이다.
여전히 공급원(11)로부터 공급되는 일부 원료 공급물(1)을 포함할 수 있는 대안적인 탄화수소 공급물 스트림(12)은 본원에 기재된 부분 산화 반응기(4)에서 부분적으로 산화된다. 부분 산화는 본원에 기재된 고온 산소 발생기(202)에서 생성되는 고온 산소 스트림(2)을 사용하여 수행된다. 그러나, 이들 상황 하에서 POx 반응기(4)에 공급되는 고온 산소 스트림(2)의 "조건"은 고온 산소 스트림(2)의 "조건"과 임의의 변경이 수용되기 전에 공급물이 전체적으로 원료 공급물(1)일 때 사용되는 POx 반응기(4)에 이의 공급에 관하여 조정되어야 한다.
고온 산소 스트림(2)의 "조건"은:
이의 온도, 산소 함량, POx 반응기(4)로의 이의 공급 속도, 및 POx 반응기(4)로 공급되는 속도, 뿐만 아니라 고온 산소 스트림(2)이 화학량론적 비를 포함하여 조합되고 대안적인 탄화수소 공급물 스트림(3)과 반응하는 조건을 포함하는 고온 산소 스트림(2)의 물리적 특성 중 임의의 하나 이상을 의미한다.
고온 산소 발생기(202)는 처리할 수 있는 공급원료의 특성(예컨대 온도, 조성물 및 공급 속도)에 대해 유연하며, 고온 산소 생성기(202)가 합성가스를 직접 생성하는 데 사용될 수 있기 때문에, 부분 산화 반응기(4)의 공급물의 임의의 특성(들)의 변경을 수용하기 위해 고온 산소 생성기(202)에서 물리적 변경이 이루어질 필요가 없다. 고온 산소 발생기 작동의 "조건"에 대한 변경은 대안적인 연료를 사용하여 부분 산화 반응기(4)에서 적절한 작동 조건을 유지하기 위해 구현되어 스트림(3)의 포함 전에 특성에 관하여 변경되지 않은 특성을 갖는 생성물 스트림(15) 대한 추가 처리에 스트림(13)을 적합하게 하는 특성을 갖는 스트림(13)을 생성한다.
따라서, 원료 공급물(1)이 개질되거나 공급원(11)로부터의 원료 공급물(1)의 이용 가능성이 축소되거나 중지되는 경우, 운영자는 전체 플랜트의 생산을 완전히 중단할 필요는 없지만, 원하는 경우, 고온 산소 발생기 시스템의 작동 조건을 하류 합성가스 조정 및 변환 단계와 함께 조정함으로써, 조성물의 원하는 특성 및 기타 원하는 대로 계속 유지하는 스트림(15)의 생성을 계속할 수 있다.
공급원(11)이 원료 공급물 스트림(1)의 형성에 산소를 사용하는 실시형태에서, 예컨대 공급원(11)이 가스화 반응기인 경우, 소스(11)의 작동이 축소되거나 중지되고, 그 다음 가스화 반응기에 공급되었던 양과 동일한 산소의 양이 부분 산화 반응기(4)에 (도 1의 스트림(21)로서) 대신 공급되어 부분 산화 반응기(4)의 유출을 유지하거나 증가시킬 수 있음이 추가될 수 있다.
따라서, 고온 산소 스트림(2)의 조건에 대한 조정은 전체 플랜트가 설계되는 원료 공급물(1)로부터 대안적인 탄화수소 공급물 스트림(3)의 변경된 특성을 수용할 수 있는 반면, 또한, 스트림(15) H2:CO 몰비가 단계 10에서 생성되는 생성물(20) 적절한 범위에서 유지하는 데 사용되는 수성 가스 전환 반응기에서와 같이, 부분 산화 반응기(4)로부터 다른 작동 하류를 조정함으로써 변경된 특성을 수용하는 것이 유용할 수 있다.
즉, WGS 반응기가 스트림(13) 내의 가스를 스트림(14) 내의 2.0:1의 H2:CO 몰비로 조건화하도록 설계된다면, WGS 반응기는 0.8:1 내지 1.1:1 범위의 H2:CO 몰비 범위와 같은 스트림(13) 내의 합성가스의 특정 조성물 또는 조성물의 범위를 예상하여 설계될 것이다.이어서, 대안적인 탄화수소 스트림(3)(예컨대 천연 가스)가 원료 공급물(1)의 대신 (또는 이에 추가하여) 부분 산화 반응기(4)에 공급될 때, 부분 산화 반응기(4)는 (아무것도 변경되지 않는 경우) 잠재적으로 1.6 내지 1.8 범위의 H2:CO 몰비는 갖는, 상이한 조성을 갖는 스트림(13)을 생성할 수 있다 조정은 부분 산화 반응기에서의 수용부와 함께 스트림(13)의 조성물의 변경을 수용하기 위해 WGS 작동에 이루어질 수 있다.
또한, 상기 언급된 바와 같이, WGS 단계에서 촉매의 특성의 변경은 스트림(15)의 조성에 악영향을 미칠 수 있어서, POx 반응기(4)의 전체적인 공급물에 더하여 고온 산소 스트림(2)의 조건에 대한 적절한 변경에 대한 변경을 다시 초래한다.
증기 또는 CO2 풍부 가스를 부분 산화 반응기(4)에 제공하는 단계는 H2:CO 몰비가 각각 더 높거나 더 낮다. 하나의 변형은 H2:CO 몰비를 조정하기 위해 POx 반응기 내로 증기 또는 CO2 풍부 스트림의 주입을 필요로 할 수 있다. 증기의 첨가는 일부 CO를 CO2로 전환시키는 반면, 첨가된 스트림으로부터 추가적인 H2를 생성한다. CO2의 첨가는 일부 H2를 H2O로 전환시키는 반면, CO2로부터 추가적인 CO를 생성한다. 바이오매스 유래 합성가스로부터 예상되는 H2:CO 비로부터 지금까지 제거되기 때문에 수성 가스 전환 반응기가 대안적인 방법을 사용하여 생성된 합성가스의 H2:CO 비를 조정하는 능력을 갖지 않는다면 이 첨가는 필요하다. 대부분의 응용에 있어서, 이는 천연 가스 또는 프로판과 같은 대안적인 공급원료를 이용하여 2.0:1의 통상적으로 원하는 비에 또는 가까운 것과 같은 원하는 범위 내에 있는 H2:CO 비를 생성하기 때문에 필요하지 않을 것이다. 일부 경우에, 가스 스트림(13)의 일부는 WGS 반응기로 전송되며, 이는 H2:CO 비가 2.0:1보다 훨씬 더 높은 가스를 생성한다. 이 가스는 전환되지 않은 가스 스트림(13A)과 혼합되어, 2.0:1의 H2:CO 비를 갖는 혼합물을 생성한다. 가스 스트림(13)이 설계된 비보다 2.0:1에 더 가까운 H2:CO 비로 시작하는 경우, 더 적은 가스가 2.0:1에 도달하기 위해 WGS 반응기에 의해 처리되는 것이 필요하다.
후속적으로, 공급원(11)로부터의 원료 공급물(1)의 양 및 조성이 다시 충분히 이용 가능해지는 경우, 대안적인 탄화수소 스트림(3)의 유동이 중단될 수 있고, 원료 공급물(1)이 감소되거나 중단되기 전에 작동 중인 원료 공급물(1)의 충분한 유동이 재개될 수 있다. 이는 공급물 스트림의 특성을 부분 산화 반응기(4)로 다시 변경하고, 따라서 다시 변경된 원료 공급물(1)의 특성에 관하여 고온 산소 스트림(2)의 "조건"은 생성물 스트림(13)이 원하는 특성을 갖도록 조정된다. 이는 일반적으로 원료 공급물(1)의 공급물이 먼저 변경되거나 중단되기 전의 조건을 회복시키는 것을 포함할 것이다. 또한, 단계 6 및 단계 8에서 수행될 수 있는 조건 작동은 스트림(15)이 단계 10에서 공급되기에 적합한 원하는 특성 및 조성을 갖는다는 것을 제공하기 위해 조정된다.
본 발명의 이러한 제1 양태는 여러 이점을 제공한다.
하나의 이점은 원료 공급물(1)에 대한 감축, 중단 또는 다른 변경을 수용하기 위해 POx 반응기(4)에 공급물을 제공하는 추가적인 유닛에 대한 필요가 없다는 것이다. 고온 산소 발생기는 이미 전체적인 플랜트에 존재하며, 부분 산화 반응기와 함께 사용된다. 고온 산소 발생기가 공급원료가 처리되는 것에 유연하기 때문에, 대안적인 공급물 스트림(3)으로부터 가스를 생성하기 위해 동일한 플랜트에서 이용될 수 있다. 가스 스트림(15)을 생성하기 위한 이러한 대안적인 방식을 제공하는 것은 POx 반응기(4)와 POx 반응기(4)로부터 하류에 있는 단계 6 및 8, 및 이와 관련된 장비를, POx 반응기의 공급물의 하나의 특정 공급원(11)에 의존하는 것으로부터 분리한다. 고온 산소 발생기(202)를 이용하는 것은 스트림(15) 및 생성물(20)을 더 완전히 생성하는 능력을 플랜트에 제공한다.
이러한 이점은 결국 원하는 특성 세트를 갖는 생성물을 생성하도록 설계된 플랜트(예컨대, 재생 가능한/바이오매스 유래 액체 연료를 생산하기 위한 플랜트)가 플랜트의 정격 용량에 가까운 또는 이상의 속도로 생성물을 연속적으로 생성하는 것을 가능하게 한다. 이것은 운영자가 아무 것도 생성하지 않고, 플랜트 가동 시간을 단축하고, 잠재적인 플랜트 수익을 감소시키는 대안을 피할 수 있게 한다.
실시예
이들 실시예는 바이오매스 유래 합성가스가 표에 주어진 조건 하에서 본원에 기재된 바와 같은 고온 산소 생성기에 의해 소성되는 부분 산화(POx) 반응기에서 처리되고 있다고 가정한다. 이 합성가스는 바이오매스 유래 공급원료를 대표하고 임의의 특정 구성에 특이적이지 않다. 모델링 단순화를 위해 Ar 및 N2와 같은 타르 및 불활성 물질이 포함되지 않는다. 고온 산소 발생기는 순수한 O2 및 천연 가스를 사용하여, 표에 나타낸 특성으로 소성된다. 부분 산화 반응기 압력은 50 psig로 가정된다.
[표 1]
실시예 1:
대안적인 탄화수소 공급물 스트림을 갖는, 바이오매스 공급원료의 가스화에 의해 생성된 원료 합성가스의 완전한 대체
5개의 시나리오는 다음과 같다:
1. 설계 - 바이오매스 유래 합성가스 공급원료 및 고온 산소 발생기로부터 제공된 O2를 사용하여 계획된 바와 같은 작동
2. 대안적인 공급물로서 천연 가스 - 설계 O2 공급 속도를 유지하면서 바이오매스 유래 합성가스를 천연 가스로 대체함
3. 대안적인 공급물로서 천연 가스 + 20% 추가 O2 - 바이오매스 유래 합성가스를 천연 가스로 대체하고, (고온 산소 생성기로부터) 부분 산화 반응기에 대한 O2 공급 속도를 20% 증가시킴
4. 대안적인 공급물로서 천연 가스 + CO2 - 설계 O2 공급 속도를 유지하면서 H2:CO 비를 조정하기 위해 바이오매스 유래 합성가스를 천연 가스와 CO2의 혼합물로 대체함
5. 공급물로서 프로판 - 설계 O2 공급 속도를 유지하면서 바이오매스 유래 합성가스를 프로판으로 대체함
시나리오 2 및 5는 상이한 공급원료에 적용될 때 바이오매스 유래 합성가스의 부분적 산화를 위해 작동 파라미터가 설계되는 고온 산소 발생기 시스템의 성능이 어떻게 변하는 지를 보여준다. 이는 가스화 반응기로부터 원료 합성가스 스트림의 유동이 완전히 중단되고 천연 가스 또는 프로판이 대안적인 탄화수소 공급물로서 POx 반응기 대신 공급되는 구현예에 해당할 것이다. 시나리오 2 및 3은 POx 반응기에 이용 가능한 추가적인 O2(도 1에서 스트림(21)으로서 나타남)를 설계 사례와 어떻게 비교되는 지를 보여준다. 시나리오 2 및 4는 CO2(도 1에서 스트림(16)으로서 나타남)의 첨가가 H2:CO 비를 어떻게 조정할 수 있는 지를 보여준다.
이들 시뮬레이션으로부터의 결과는 표에 주어진다. 시나리오 2 및 5는 H2+CO에서 각각 17% 및 13% 감소를 보여준다. H2+CO에서 감소가 이상적이지 않지만, 제로 초과의 임의의 수준에서 생성을 유지하는 것은 큰 개선이고, 하류 생성물의 생성을 중지시키는 것보다 더 바람직하다. 시나리오 3은 가스화기에 의해 사용되는 O2를 방출함으로써 잠재적으로 가능한, POx 반응기에 대한 O2 속도를 증가시키는 것이 H2+CO의 생성을 설계 수준으로 복원할 수 있음을 보여준다. O2 속도를 증가시키는 것은 H2+CO의 설계 생성을 능가할 수 있게 한다.
시나리오 2 및 5에 대한 1.7 및 1.3의 H2:CO 몰비는 또한 이 실시예에서 의도된 설계의 1.2의 값과 상이하다. H2:CO 비는 통상적으로 하류에 생성되는 생성물에 따라 (수성 가스 전환 반응기(WGS)를 참조하여) 전환된다. 예를 들어, 메탄올 생성은 2.0에 가까운 H2:CO 비를 필요로 할 수 있는 반면, 합성 가솔린은 0.6에 가까운 비를 필요로 할 수 있다. 통상적인 플랜트 구성은 POx 반응기 후에 합성가스 스트림을 분할하여, 일부는 WGS 반응기에 전송하고 일부는 반응기를 우회하도록 하는 것(도 1에서 13A로 표시됨)이다. 반응기에서 전환의 양은 합성가스의 해당 부분의 H2:CO 비를 필요한 것을 이상으로 취하여 원하는 H2:CO 비가 2개의 스트림이 다시 함께 혼합될 때 달성된다. 시나리오 2를 참조하면, 플랜트가 2.0의 H2:CO 비를 필요로 하는 경우, 1.7의 H2:CO 비로 시작하는 것이, 이는 필요한 전환의 양을 감소시켜, 플랜트가 전환 반응기를 통과하고 촉매 수명을 연장시키는 데 필요한 합성가스의 양을 감소시키거나 더 많은 전체 합성가스를 생성하기 위해 동일한 크기의 WGS 반응기를 사용하여 생성물을 증가시키게 하기 때문에 바람직하다.
그러나, 플랜트가 0.6의 H2:CO 비를 필요로 하는 경우, 1.2 내지 1.7의 H2:CO 비는 허용되지 않을 수 있다. 시나리오 5는 상이한 대안적인 탄화수소 스트림이 설계 합성가스와 유사한 H2:CO 비를 생성하는 데 사용될 수 있음을 보여준다. 시나리오 4는 H2:CO 비에 대한 조정이 또한 CO2를 POx 반응기로 공급되는 천연 가스에 첨가함으로써 이루어질 수 있음을 보여준다. CO2를 첨가하는 것은 H2:CO 비가 감소하는 것을 야기하고; 충분한 CO2를 첨가하는 것은 H2:CO 비를 설계 값으로 복원할 수 있다. 유사하게, H2:CO 비는, 원하는 경우, POx 반응기에 대한 공급물 스트림에 H2O를 첨가함으로써 증가될 수 있다.
고온 산소 발생기는 중단 없이 모든 이러한 작동 시나리오를 쉽게 처리할 수 있어서, 하드웨어 또는 제어 변경을 필요로 하지 않는다.
[표 2]
실시예 2:
대안적인 탄화수소 공급물 스트림을 갖는, 바이오매스 공급원료의 가스화에 의해 생성된 원료 합성가스의 부분 대체
실시예 2는 가스화 반응기가 여전히 부분 산화 반응기에 합성가스를 제공하지만 완전 작동에 비해 감소된 유동 속도에서의 작동을 예시한다. POx 시스템과 함께 고온 산소 발생기의 이용은 운영자가 합성가스 생성을 설계 속도로 유지할 수 있게 하거나, 대안적인 탄화수소 공급물 스트림을 감소된 합성가스에 첨가하여 POx 반응기에 공급될 수 있게 함으로써 합성가스 생성을 증가시키게 한다.
표는 50% 속도에서 합성가스가 대안적인 탄화수소 공급물로서 이용되는 천연 가스의 유동 속도 증가로 보충되는 경우에 설계 조건을 비교하는 결과를 제공한다. 천연 가스 유동 속도를 증가시키는 것은 POx 반응기에 공급된 O2의 양을 증가시켜야 하며, 생성되는 H2+CO의 양을 증가시키게 한다. POx 반응기에 대한 O2 공급 속도가 설계 수준에서 유지되면, POx 반응기를 빠져나가는 H2+CO 속도는 설계보다 약간 낮다. 가스화 반응기의 더 낮은 O2 사용으로 인해 이용 가능한 O2의 첨가량이 POx 반응기에 공급되는 경우, 연료의 생성은 설계 수준을 넘어 증가될 수 있다. 연료의 추가 생성이 요구되는 경우, POx 반응기에 대한 합성가스 유동 속도가 설계 속도에 있더라도, POx 반응기에 대안적인 탄화수소 공급물을 공급하는 것도 실행 가능하다. 이는 플랜트에서 이용 가능한 O2의 양 또는 WGS 반응기와 같은 하류 장치의 크기, 다른 합성가스 조절 장치(합성가스 냉각기, CO2 제거, 다른 연마 반응기) 또는 전환 단계 자체에 의해 제한될 수 있다.
실시예 1에서와 같이, 부분 대체 시나리오에 대한 H2:CO 몰비는 설계와 상이하다. 이러한 차이는 위에서 설명된 것과 유사한 방식으로 처리될 수 있다.
[표 3]
시운전(시동) 또는 POX 반응기에 공급물 공급원의 재가동 시 증기 제공
본 발명의 이점이 이용될 수 있는 다른 구현예는, 원료 공급물(1)을 POx 반응기에 제공하는 공급원(11)이 원료 공급물(1)의 생성에서 증기를 이용하도록 설계된 플랜트에서 발생한다. 이러한 구현예는 이러한 플랜트가 처음 작동할 때 또는 증기를 사용하는 소스(11)가 POx 반응기(4)에 원료 공급물(1)을 제공하는 데 사용되고, 이어서 공급부가 정지되고, 그 후, POx 반응기(4)에 원료 공급물(1)을 제공하는 것을 재개하기 위해 다시 재가동되는 상황에서 사용될 수 있다.
본 발명의 이러한 양태는 POx 시스템이 공급원료 유연성이 매우 높아 별도의 보조 증기 보일러가 필요하지 않거나, 또는 사용되는 경우 크기만을 줄일 수 있는 특징을 이용하여, POx 반응기용 원료 공급물의 발생 또는 생성에서 증기를 사용하는 반응기를 시동(또는 재가동)하는 데 사용하기 위한 증기를 제공한다. 이러한 반응기의 일 예는 가스화 반응기이다. 현재까지 종래의 실시에서, 시동 보일러는 시동 중에 가스화 반응기에 증기를 제공하는 데 필요하다. 본원에 기재된 바와 같이, 본 발명에서 POx 반응기와 함께 고온 산소 발생기를 이용하는 것은 수계 냉각(도 1의 단계 6에서)으로부터 증기의 생성을 가능하게 한다. 이어서, 증기는 가스화 반응기를 시작하는 데 사용될 수 있다. 플랜트 시운전 중, 고체 공급원료 공급 가스화기를 작동상태로 전환하고 작동시키는 단계는 주요 시간 소모 단계 중 하나이다.
본 발명과 함께, 고온 산소 발생기를 포함하는 본원에 기재된 시스템은, 충분한 또는 부분 부하에서 이의 작동에 스팀을 사용하는 공급원과 다른 공급원으로부터 하류 장치에 공급물을 제공함으로써, 다른 장치가 가스화기로부터 독립적으로 시운전되도록 하여, 시운전 시간을 감소시키기 위해 대안적인 공급원료와 함께 사용될 수 있다.
이들 특징 및 이점은 하기 실시예 3에 예시되어 있다.
실시예 3
POx 반응기와 함께 고온 산소 발생기의 사용은 시운전 시간을 감소시킬 수 있다. 탄화수소 공급원료를 생성하기 위해 본원에 기재된 바와 같은 통합 플랜트는 원료 공급물(1)을 발성하는 단계의 하류에 여러 단위 작동을 가질 가능성이 있다. 본원에 도시된 바와 같이, 이러한 단계는 압축, WGS, 불순물 제거 및 전환을 포함할 수 있다. 전체적인 플랜트의 시작 시, 이러한 단위 작업은 충분한 작동에서 사용될 통상적인 가스를 사용하여 시운전되어야 한다. 시약 또는 가스 생성 제제로서 증기를 사용하는 가스화 반응기 또는 기타 반응기가 플랜트에서 처리되고 전환될 원료 공급물(1)의 공급원으로서 사용되는 경우, 플랜트 전체의 시운전은 증기 사용 반응기가 임의의 작동 문제를 갖는다면 지연될 것이다. 다른 이점으로서, 본원에 설명된 바와 같이, 고온 산소 발생기 시스템은 반응기의 하류에 있는 장치를 시운전하는 데 사용하기 위한 신뢰할 수 있는 대안적인 공급물(3)을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
예를 들어, 충분히 시운전된 바이오매스 가스화기는 시간의 85% 이하에서 완전히 기능할 가능성이 있다. 이러한 유형의 가스화기의 신뢰성은 명백하게 훨씬 더 낮을 것이고, POx 반응기(4)의 시운전 및 반응기(4) 하류에 있는 장치에 사용하기 위한 가스의 신뢰할 수 없는 공급원을 야기할 것이다. 실시예 1에 주어진 시나리오는, 고온 산소 발생기 시스템이, 플랜트가 생성하도록 설계된 것과 유사한 특성을 갖는 가스 스트림을 제공하는 데 사용되어, 플랜트의 균형이 POx 반응기에 공급되는 가스의 신뢰할 만한 공급원으로 시운전되는 것을 보여준다.
고온 산소 생성기가 이러한 능력을 이용하도록 구현될 수 있는 몇 가지 방식이 있다.
일 구현예는 증기 또는 CO2 풍부 스트림을 POx 반응기 내로 주입하여 POx 반응기에서 생성되는 스트림의 H2:CO 비를 조정하는 것이다. 증기의 첨가는 일부 CO를 CO2로 전환시키는 반면, 첨가된 스트림으로부터 추가적인 H2를 생성한다. CO2의 첨가는 일부 H2를 H2O로 전환시키는 반면, CO2로부터 추가적인 CO를 생성한다. 바이오매스 유래 합성가스로부터 예상되는 H2:CO 비로부터 지금까지 제거되기 때문에 수성 가스 전환 반응기가 대안적인 방법을 사용하여 생성된 합성가스의 H2:CO 비를 조정하는 능력을 갖지 않는다면 이 첨가는 필요하다. 대부분의 응용에 있어서, 이는 천연 가스 또는 프로판과 같은 대안적인 공급원료를 이용하는 것은 2.0:1의 통상적으로 원하는 몰비에 더 가까운 H2:CO 비를 생성하기 때문에 필요하지 않을 것이다. 일반적으로, 합성가스의 일부만이 WGS 반응기로 전송되며, 이는 H2:CO 비가 2.0:1보다 훨씬 더 높은 가스를 생성한다. 이 가스는 전환되지 않은 합성가스(도 1에 우회 스트림(13A)으로 나타냄)와 혼합되어, 2.0:1의 H2:CO 몰비를 갖는 혼합물을 생성한다. 합성가스가 설계된 합성된 합성가스보다 2.0:1에 더 가까운 H2:CO 몰비로 시작하는 경우, 더 적은 합성가스가 2.0:1의 몰비를 얻기 위해 WGS 반응기에 의해 처리되는 것이 필요하다.
도 2는 본 발명에 유용한 고온 산소의 스트림을 생성할 수 있는 장치의 단면도이다.
도 3은 도 1의 흐름도의 일부의 단면도이다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 바이오매스와 같은 탄화수소 생성물을 액체 연료와 같은 (그러나 이에 제한되지 않는) 유용한 탄화수소 생성물로 전환시키는 작업에 특히 유용하다. 본 발명에 의해 제조된 공급원료는 판매되고 이로서 사용될 수 있는 생성물뿐만 아니라, 다른 완성된 유용한 생성물(이어서 판매되고 사용될 수 있음)을 제조하기 위한 반응물로서 사용될 수 있는 생성물을 포함한다.
도 1은 이러한 작동의 통상적인 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본원에서 원료 공급물로 또한 지칭되는 스트림(1)은 부분 산화 반응기(4)에 공급된다. 스트림(1)은 원료 공급물(1)이 생성되는 생산 설비 또는 반응기를 지정하는 공급원(11)으로부터 제공된다.
적합한 원료 공급물(1) 및 이들의 공급원(11)의 예는:
이의 임의의 상업적 공급원으로부터의 천연 가스;
바이오매스와 같은 고체 탄화수소 물질, 또는 석탄 또는 리그닌 같은 고체 연료가 고체 물질의 적어도 일부가 기체 원료 스트림(1)으로 전환될 만큼 충분히 높은 온도에서 일반적으로 공기, 증기, 및/또는 산소를 포함하는 기체 스트림에서 기체화되는 기체화 반응기에 의해 생성되는 기체 스트림;
대개 기체이지만 액체 및/또는 고체일 수 있고, 석유화학 정제소 또는 화학 플랜트에서 생산되는 생성물 스트림 및 부산물 스트림;
코크스를 생성하기 위해 석탄을 열처리하는 반응기에서 생성된 오프가스 스트림인 코크스 오븐 가스;
화석 연료 또는 바이오매스와 같은 고체 탄화수소 물질을 열처리하여 고체 물질을 비휘발화시키고 부분적으로 산화시키기 위해 반응기에서 생성되는 탄화수소 함유 기체 스트림인 열분해 가스를; 포함한다.
다른 가능한 공급물 스트림은 열분해 오일과 같은 오일 및 액체 탄화수소를 포함한다.
원료 공급물(1)은 일반적으로 수소 및 일산화탄소(CO)를 함유하고, 통상적으로 또한 탄소수 1 내지 18의 알칸 및/또는 알칸올과 같은 하나 이상의 탄화수소를 함유하고, 종종 하나 이상의 이산화탄소(CO2), 및 타르 및/또는 그을음과 같은 고분자량 탄화수소를 함유한다.
원료 공급물 스트림(1)은, 가열되어 공급원(11)에서 분리되는 경우, 통상적으로 약 500℉ 내지 1600℉의 온도를 나타낸다.
이어서, 원료 공급물 스트림(1)은, 고온 산소 스트림(2)으로서 제공되는 산소(하기에 보다 충분히 기재된 바와 같이 생산됨)와 (하기에 보다 충분히 기재된 조건 하에서) 반응되어 스트림(1)에 존재하는 성분으로부터 추가 량의 수소 및 일산화탄소(CO)를 생성하는 부분 산화 반응기(4)로 공급된다. 타르가 스트림에 존재하는 경우, 존재하는 타르 중 일부 또는 전부는 또한 저분자량 탄화수소 생성물로 전환될 수 있다.
부분 산화 반응기(4)에서 생성되는 산화된 생성물 스트림(13)은 단계 6에 공급되고, 여기서 스트림(13)은 바람직하게는 냉각되고 처리되어 스트림이 반응기(10)에 공급될 때(이하에 본원에 기재됨), 존재하지 않아야 하는 물질을 제거한다. 단계 6은 통상적으로 스트림(13)을 냉각시키는 유닛을 포함하며, 예를 들어 유입 공급수(61)와의 간접 열 교환에 의해 가열된 물 및/또는 증기의 스트림(62)을 생성한다. 대안적인 구현예에서, 단계 6은 또한, 스트림(13)의 일산화탄소가 촉매적으로 매개된 물-가스 이동(WGS) 반응에서 (비제한적인 예에서, 수증기(증기)와 함께) 반응되어 수소를 생성함으로써, 스트림(13)의 수소 대 일산화탄소의 비를 조정하는 방식을 제공하는 이동 전환 반응기를 포함할 수 있다.
생성된 스트림(14)은 냉각되고/되거나 이의 수소를 가졌다:단계 6에서 조정된 일산화탄소 비는, 미립자, CO2를 포함하는 산성 가스, 암모니아, 황 종, 및 알칼리 화합물과 같은 다른 무기 물질과 같은 존재할 수 있는 불순물(81)이 제거되는 단계 8에 공급된다. 불순물은 존재하는 이러한 불순물 중 서로 상이한 불순물을 제거하거나 특정 오염물질을 원하는 낮은 수준으로 감소시키기 위해 각각 의도된 하나의 유닛 또는 일련의 유닛에서 제거될 수 있다. 단계 8은 불순물 제거가 하나의 유닛에 의해 달성되는 지 또는 하나 초과의 유닛에 의해 달성되는 지 여부를 나타낸다. 냉각 및 불순물 제거는 일련의 단계에서 임의의 효과적인 순서로 또는 모두 하나의 유닛에서 수행되는 것이 바람직하다. 세부사항은 도시되지 않지만 당업자에게 친숙할 것이다. 단계 8은 통상적으로 불순물의 최종 제거를 위한 작업을 포함하며, 이의 비제한적인 예는 미립자, NH3, 황 종 및 CO2를 포함한다. CO2 제거는 통상적으로 물리적 용매, 예를 들어 메탄올, 또는 화학 용매, 예를 들어 아민을 사용하는 용매계 공정에 의해 수행된다.
이어서, 생성된 냉각된, 컨디셔닝된 기체 스트림(15)은 스트림(15)에 존재하는 하나 이상의 성분의 임의의 유익한 사용을 나타내는 단계 10에 공급된다. 즉, 스트림(15)은 최종 생성물로서 그대로 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명은 스트림(15)가 추가 반응 및/또는 도 1에서 20으로 지정된 생성물을 생성하는 다른 처리를 위한 공급원료로서 작용하는 경우에 특히 유용하다.
이러한 추가 처리의 바람직한 일예는 스트림(15)을 연료로서 유용한 액체 탄화수소 또는 액체 탄화수소의 혼합물을 생성하기 위해 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 공정 또는 기타 합성 방법에 대한 공급원료로서 사용하는 것과 같이 스트림(15)을 액체 연료로 전환하는 것이다.
스트림(15)의 유용한 처리의 다른 예는 메탄올, 에탄올, 직쇄 또는 분지쇄 또는 환형 알칸 및 4개 내지 18개의 탄소 원자를 함유하는 알칸올, 방향족, 및 이들의 혼합물과 같은 특정 표적화된 화합물의 생성; 또는 중합체와 같은 더 긴 사슬 생성물의 생성에 사용된다.
스트림(15)의 전체적인 조성물은 원료 공급물(1)의 조성물에, 중간 처리 단계에, 및 작동 조건에 따라 크게 달라질 수 있다. 스트림(15)은 통상적으로 (건조 기준으로) 20 내지 50 부피%의 수소, 및 10 내지 45 부피%의 일산화탄소를 함유한다.
그러나, 스트림(15)의 하나 이상의 특성은 제품(20)의 반복 가능하고 신뢰할 수 있는 공급을 생성하기 위해 스트림(15)이 단계 10에서 거쳐야 하는 처리를 수용하기 위해, 값 또는 특징적인 원하는 범위 내에 속하는 값을 지속적으로 나타내는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시에서, 관련성이 있고 원하는 비 내에서 유지되어야 하는 스트림(15)의 특성은 수소(H2) 대 CO의 몰비이다.
FT 연료 생산의 경우, H2:CO 몰비의 목표 범위는 생성되는 생성물에 따라 달라진다. 예를 들어, 메탄올 생산은 H2:CO가 1.95 내지 2.05 범위 내에서 가장 효율이다. 합성 가솔린 생산의 0.55 내지 0.65 범위의 H2:CO 비를 필요로 한다. 생물학적 전환과 같은 다른 전환 메커니즘에 의한 연료 생산의 경우, H2:CO 몰비의 목표 범위는 매우 클 수 있다. 우드-륭달(Wood-Ljungdahl) 경로에 따르면, 사용되는 박테리아의 유형에 따라, CO만, H2만, 또는 H2:CO의 임의의 조합물을 포함하는 스트림이 필요에 따라 H2O 및 CO2를 H2 및 CO로 전환시키는 박테리아의 능력으로 인해 사용될 수 있다. 각각의 박테리아 균주는 원하는 생성물을 생성하는 데 가장 효율적인 합성가스의 특정 화학적 구성을 선호할 것이다.
다시 도 1을 참조하면, 단계 10에서의 처리는 부산물 스트림(26)을 생성할 수 있으며, 이는 반응물로서 사용되는 부분 산화 반응기(4)로 재순환될 수 있고/있거나 본원에 기재된 바와 같이 고온 산소 생성기(202)에서 연소되는 고온 산소 발생기(202)(도 2와 관하여 아래에 기재됨)로 재순환될 수 있다. 단계 6의 물 스트림(61)로부터 형성된 증기(스트림(62)은 선택적으로 부분 산화 반응기(4)에 공급될 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 고온 산소 스트림(2)은 부분 산화 반응기(4)로 공급되어 원료 공급물(1)의 원하는 부분 산화를 위한 산소를 제공하고, 향상된 혼합, 가속된 산화 동역학, 및 반응기(4)를 사용한 개질의 가속된 동역학을 제공한다.
플라즈마 가열과 같은, 원하는 고온, 고속 산소 함유 스트림이 제공될 수 있는 많은 방법이 존재한다.
하나의 바람직한 방법, 즉 고온 산소 스트림(2)을 고속으로 제공할 수 있는 고온 산소 발생기(202)가, 도 2에 도시되어 있다. 적어도 30 부피%이고 바람직하게는 적어도 85 부피%의 산소 농도를 갖는 기체 산화제의 스트림(203)은 바람직하게는 산화제(203)를 위한 유입구(204)와 고온 산소의 스트림(2)을 위한 유출구 노즐(206)을 갖는 챔버 또는 덕트인 고온 산소 생성기(202)로 공급된다. 가장 바람직하게는 산화제(203)는 적어도 99.5 부피%의 산소 농도를 갖는 기술적으로 순수한 산소이다. 고온 산소 발생기(202)에 공급된 산화제(203)는 일반적으로 50 내지 300 피트/초(fps)의 범위 내에 있고 통상적으로 200 fps 미만일 초기 속도를 갖는다.
연료의 스트림(205)은 일반적으로 연료 주입에 일반적으로 사용되는 임의의 적합한 노즐일 수 있는 노즐(208)로 끝나는 적합한 연료 도관(207)을 통해 고온 산소 발생기(202) 내로 제공된다. 연료는 천연 가스, 메탄, 프로판, 수소 및 코크스 오븐 가스를 포함하는 임의의 적합한 가연성 유체 예일 수 있거나, 단계 10으로부터 획득된 스트림(26)과 같은 공정 스트림일 수 있다. 바람직하게는 연료(205)는 기체 연료이다. 연료유(2) 또는 부산물 스트림(23)과 같은 액체 연료가 또한 사용될 수 있다.
스트림(205) 내의 연료 및 산화제 스트림(203)은 산화제 스트림(203) 내의 산소량이 고온 산소 스트림의 의도된 사용을 위한 충분한 양의 산소를 구성하도록 서로에 대한 속도로 발생기(202)로 공급되어야 한다. 고온 산소 발생기(202)로 제공된 연료(205)는 산화제 스트림(203)으로부터의 산소와 함께 그 내부에서 연소하여 일산화탄소를 또한 포함할 수 있는 열 및 연소 반응 생성물을 생성한다.
발생기(202) 내의 연소는 일반적으로 발생기(202) 내의 잔류 산소의 온도를 적어도 약 500℉만큼, 그리고 바람직하게는 적어도 약 1000℉만큼 상승시킨다. 이러한 방식으로 획득된 고온 산소는,적어도 2000°F 내지 4700°F의 온도를 가지는 고속 고온 산소 스트림으로서 고온 산소 발생기(202)로부터 스트림(2)으로서 적합한 개구 또는 노즐(206)을 통하여 외부로 부분 산화 반응기(4) 내로 통과된다. 일반적으로 노즐(206)을 통과할 때 고온 산소 스트림(2)의 속도는 500 내지 4500 피트/초(fps)의 범위 내에 있을 것이고, 통상적으로 스트림(203)의 속도를 적어도 300 fps만큼 초과할 것이다. 고온 산소 스트림 및 공급물의 운동량은 산소와 공급물의 원하는 혼합 수준을 달성하기에 충분히 높아야 한다. 고온 산소 스트림 대 공급원료 스트림의 운동량 플럭스 비는 적어도 3.0이어야 한다.
고온 산소 스트림의 조성은 스트림이 생성되는 조건에 따라 다르지만, 바람직하게는 적어도 50 부피%의 O2, 보다 바람직하게는 적어도 65 부피% 이상의 O2를 함유한다. 고속 고온 산소 스트림의 형성은 미국 특허 제5,266,024호의 설명에 따라 수행될 수 있다.
탄화수소 공급원료를 생산하는 과정에서 부분 산화를 이용하는 시스템의 원하는 상태는 원료 공급물(1), 산소 스트림(2) 또는 스트림(13, 14 및 15)의 특성, 또는 부분 산화 반응기(4) 및 단계 6 및 8에 사용된 작동 상태의 섭동이 거의 없거나 전혀 없다는 것이 인식될 것이다.
그러나 POx 반응기에 대한 원료 공급물(1)의 특성이, 작동 조건에서 다른 변경이 없는 경우, 원하는 생성물 스트림(20)의 특성에 부정적인 영향을 미치는 방식으로 스트림(15)의 특성이 변경되는 방식으로 변경되는 상황이 종종 발생할 수 있다. 스트림(20)의 이러한 변경은 물론 바람직하지 않다.
이러한 상황의 예는 다음을 포함한다.
원료 공급물(1)의 소스(11)는 이용 가능하지 않다. 예를 들어 정기 유지보수를 수행하거나 예기치 않은 고장 또는 기타 이유로 필요한 수리를 수행하기 위해 종료된다.
공급원(11)의 수리 또는 다른 작동상의 어려움으로 인해 또는 공급원(11)에 대한 공급 양이 감소되었기 때문에 공급원(11)으로부터 수용된 원료 공급물(1)의 양이 감소된다.
공급원(11)에 대한 공급이 변경되었기 때문에 원료 공급물(1)의 조성이 변경되었다.
이의 공급원(11)으로부터의 원료 공급물(1)은 POx 반응기(4)에 대한 유용한 공급 물질일 수 있는 다른 공급원으로부터의 다른 조성에 비해 너무 비싸게 되었다.
단계 6 및 8 중 하나 이상에서 제공되는 처리는 WGS 반응에서 제공되는 촉매 처리에 대한 변경과 같이 변경되었다.
과거에, POx 반응기(4)의 원료 공급물(1)의 특성에 대한 변경을 포함하는, 이와 같은 상황의 변경을 수용하기 위한 관례적인 실시는 종종 전체 설비를 정지시키거나 기껏해야 자본회수에 불리한 부분 부하에서 설비를 가동하였다. 그런 일이 발생하면, 하나 이상의 이러한 설비를 갖는 운영자는 다른 설비에서 이용 가능한 제품의 산출물에 의존하거나, 그렇지 않으면 생산 손실을 겪어야 한다.
그러나, 본 발명은 운영자가, 동일한 설비에서, 전술한 고온 산소 발생기로부터 이용 가능한 작동 유연성을 이용하여 조성적 특성의 그러한 물질(예컨대 H2:CO 몰비) 및 유동 속도에서 변경이 없는 생성물 스트림(15)의 생산을 유지하는 것을 가능하게 하는 것으로 밝혀졌다.
즉, 이의 공급원(11)이었던 원료 공급물 스트림(1)의 부분 산화 반응기(4)로의 흐름이 중단되거나 유량이 있던 것의 100% 미만 내지 0% 초과의 임의의 수준으로 감소될 때, 그 다음 대안적인 탄화수소 스트림(3)은 부분 산화 반응기(4)에 공급된다. 대안적인 탄화수소 스트림(3)의 공급 속도는 바람직하게 충분한 양의 탄소의 총 투입을 POx 반응기(4)에 공급하여 감소되거나 중단된 스트림(1)로부터 대체되는, 바람직하게 적어도 동일한 탄소의 총 투입을 제공하기에 충분한, 속도인 것이 바람직하다.
대안적인 탄화수소 공급물 스트림(3)은 공급원(11)이 아닌 하나의 단일 공급원, 또는 공급원(11)이 아닌 하나 이상의 단일 공급원을 의미하는 공급원(12)으로부터 생성될 수 있다.
적합한 대안적인 탄화수소 공급물 스트림(3) 및 이들의 공급원(들)(12)은:
이의 임의의 상업적 공급원으로부터의 천연 가스;
바이오매스와 같은 고체 탄화수소 물질, 또는 석탄 또는 리그닌 같은 고체 연료가 고체 물질의 적어도 일부가 기체 원료 스트림으로 전환될 만큼 충분히 높은 온도에서 일반적으로 공기, 증기, 및/또는 산소를 포함하는 기체 스트림에서 기체화되는 기체화 반응기에 의해 생성되는 기체 스트림;
대개 기체이지만 액체 및/또는 고체일 수 있고, 석유화학 정제소 또는 화학 플랜트에서 생산되는 생성물 스트림 및 부산물 스트림;
코크스를 생성하기 위해 석탄을 열처리하는 반응기에서 생성된 오프가스 스트림인 코크스 오븐 가스;
'화석 연료 또는 바이오매스와 같은 고체 탄화수소 물질을 열처리하여 고체 물질을 비휘발화시키고 부분적으로 산화시키기 위해 반응기에서 생성되는 탄화수소 함유 기체 스트림인 열분해 가스를; 포함한다.
탄화수소 오일 및 액체 탄화수소를 포함하는 다른 "대안적인"공급물 스트림: 중 임의의 것 중 하나 이상일 수 있다.
대안적인 스트림(12)은 기체 및/또는 액체, 포화 및/또는 불포화 및/또는 환형, 1개 내지 10개의 탄소 원자를 포함하고 선택적으로 하나 이상의 산소 원자를 포함하는 탄화수소, 및 임의의 이러한 탄화수소의 혼합물을 포함할 수 있다. 예에는 천연 가스, 프로판 및 액체 연료가 포함되지만 이에 제한되지는 않는다. 스트림(11)의 전체적인 조성물은 통상적으로 원료 스트림(1)의 전체적인 조성과 상이할 것이다.
여전히 공급원(11)로부터 공급되는 일부 원료 공급물(1)을 포함할 수 있는 대안적인 탄화수소 공급물 스트림(12)은 본원에 기재된 부분 산화 반응기(4)에서 부분적으로 산화된다. 부분 산화는 본원에 기재된 고온 산소 발생기(202)에서 생성되는 고온 산소 스트림(2)을 사용하여 수행된다. 그러나, 이들 상황 하에서 POx 반응기(4)에 공급되는 고온 산소 스트림(2)의 "조건"은 고온 산소 스트림(2)의 "조건"과 임의의 변경이 수용되기 전에 공급물이 전체적으로 원료 공급물(1)일 때 사용되는 POx 반응기(4)에 이의 공급에 관하여 조정되어야 한다.
고온 산소 스트림(2)의 "조건"은:
이의 온도, 산소 함량, POx 반응기(4)로의 이의 공급 속도, 및 POx 반응기(4)로 공급되는 속도, 뿐만 아니라 고온 산소 스트림(2)이 화학량론적 비를 포함하여 조합되고 대안적인 탄화수소 공급물 스트림(3)과 반응하는 조건을 포함하는 고온 산소 스트림(2)의 물리적 특성 중 임의의 하나 이상을 의미한다.
고온 산소 발생기(202)는 처리할 수 있는 공급원료의 특성(예컨대 온도, 조성물 및 공급 속도)에 대해 유연하며, 고온 산소 생성기(202)가 합성가스를 직접 생성하는 데 사용될 수 있기 때문에, 부분 산화 반응기(4)의 공급물의 임의의 특성(들)의 변경을 수용하기 위해 고온 산소 생성기(202)에서 물리적 변경이 이루어질 필요가 없다. 고온 산소 발생기 작동의 "조건"에 대한 변경은 대안적인 연료를 사용하여 부분 산화 반응기(4)에서 적절한 작동 조건을 유지하기 위해 구현되어 스트림(3)의 포함 전에 특성에 관하여 변경되지 않은 특성을 갖는 생성물 스트림(15) 대한 추가 처리에 스트림(13)을 적합하게 하는 특성을 갖는 스트림(13)을 생성한다.
따라서, 원료 공급물(1)이 개질되거나 공급원(11)로부터의 원료 공급물(1)의 이용 가능성이 축소되거나 중지되는 경우, 운영자는 전체 플랜트의 생산을 완전히 중단할 필요는 없지만, 원하는 경우, 고온 산소 발생기 시스템의 작동 조건을 하류 합성가스 조정 및 변환 단계와 함께 조정함으로써, 조성물의 원하는 특성 및 기타 원하는 대로 계속 유지하는 스트림(15)의 생성을 계속할 수 있다.
공급원(11)이 원료 공급물 스트림(1)의 형성에 산소를 사용하는 실시형태에서, 예컨대 공급원(11)이 가스화 반응기인 경우, 소스(11)의 작동이 축소되거나 중지되고, 그 다음 가스화 반응기에 공급되었던 양과 동일한 산소의 양이 부분 산화 반응기(4)에 (도 1의 스트림(21)로서) 대신 공급되어 부분 산화 반응기(4)의 유출을 유지하거나 증가시킬 수 있음이 추가될 수 있다.
따라서, 고온 산소 스트림(2)의 조건에 대한 조정은 전체 플랜트가 설계되는 원료 공급물(1)로부터 대안적인 탄화수소 공급물 스트림(3)의 변경된 특성을 수용할 수 있는 반면, 또한, 스트림(15) H2:CO 몰비가 단계 10에서 생성되는 생성물(20) 적절한 범위에서 유지하는 데 사용되는 수성 가스 전환 반응기에서와 같이, 부분 산화 반응기(4)로부터 다른 작동 하류를 조정함으로써 변경된 특성을 수용하는 것이 유용할 수 있다.
즉, WGS 반응기가 스트림(13) 내의 가스를 스트림(14) 내의 2.0:1의 H2:CO 몰비로 조건화하도록 설계된다면, WGS 반응기는 0.8:1 내지 1.1:1 범위의 H2:CO 몰비 범위와 같은 스트림(13) 내의 합성가스의 특정 조성물 또는 조성물의 범위를 예상하여 설계될 것이다.이어서, 대안적인 탄화수소 스트림(3)(예컨대 천연 가스)가 원료 공급물(1)의 대신 (또는 이에 추가하여) 부분 산화 반응기(4)에 공급될 때, 부분 산화 반응기(4)는 (아무것도 변경되지 않는 경우) 잠재적으로 1.6 내지 1.8 범위의 H2:CO 몰비는 갖는, 상이한 조성을 갖는 스트림(13)을 생성할 수 있다 조정은 부분 산화 반응기에서의 수용부와 함께 스트림(13)의 조성물의 변경을 수용하기 위해 WGS 작동에 이루어질 수 있다.
또한, 상기 언급된 바와 같이, WGS 단계에서 촉매의 특성의 변경은 스트림(15)의 조성에 악영향을 미칠 수 있어서, POx 반응기(4)의 전체적인 공급물에 더하여 고온 산소 스트림(2)의 조건에 대한 적절한 변경에 대한 변경을 다시 초래한다.
증기 또는 CO2 풍부 가스를 부분 산화 반응기(4)에 제공하는 단계는 H2:CO 몰비가 각각 더 높거나 더 낮다. 하나의 변형은 H2:CO 몰비를 조정하기 위해 POx 반응기 내로 증기 또는 CO2 풍부 스트림의 주입을 필요로 할 수 있다. 증기의 첨가는 일부 CO를 CO2로 전환시키는 반면, 첨가된 스트림으로부터 추가적인 H2를 생성한다. CO2의 첨가는 일부 H2를 H2O로 전환시키는 반면, CO2로부터 추가적인 CO를 생성한다. 바이오매스 유래 합성가스로부터 예상되는 H2:CO 비로부터 지금까지 제거되기 때문에 수성 가스 전환 반응기가 대안적인 방법을 사용하여 생성된 합성가스의 H2:CO 비를 조정하는 능력을 갖지 않는다면 이 첨가는 필요하다. 대부분의 응용에 있어서, 이는 천연 가스 또는 프로판과 같은 대안적인 공급원료를 이용하여 2.0:1의 통상적으로 원하는 비에 또는 가까운 것과 같은 원하는 범위 내에 있는 H2:CO 비를 생성하기 때문에 필요하지 않을 것이다. 일부 경우에, 가스 스트림(13)의 일부는 WGS 반응기로 전송되며, 이는 H2:CO 비가 2.0:1보다 훨씬 더 높은 가스를 생성한다. 이 가스는 전환되지 않은 가스 스트림(13A)과 혼합되어, 2.0:1의 H2:CO 비를 갖는 혼합물을 생성한다. 가스 스트림(13)이 설계된 비보다 2.0:1에 더 가까운 H2:CO 비로 시작하는 경우, 더 적은 가스가 2.0:1에 도달하기 위해 WGS 반응기에 의해 처리되는 것이 필요하다.
후속적으로, 공급원(11)로부터의 원료 공급물(1)의 양 및 조성이 다시 충분히 이용 가능해지는 경우, 대안적인 탄화수소 스트림(3)의 유동이 중단될 수 있고, 원료 공급물(1)이 감소되거나 중단되기 전에 작동 중인 원료 공급물(1)의 충분한 유동이 재개될 수 있다. 이는 공급물 스트림의 특성을 부분 산화 반응기(4)로 다시 변경하고, 따라서 다시 변경된 원료 공급물(1)의 특성에 관하여 고온 산소 스트림(2)의 "조건"은 생성물 스트림(13)이 원하는 특성을 갖도록 조정된다. 이는 일반적으로 원료 공급물(1)의 공급물이 먼저 변경되거나 중단되기 전의 조건을 회복시키는 것을 포함할 것이다. 또한, 단계 6 및 단계 8에서 수행될 수 있는 조건 작동은 스트림(15)이 단계 10에서 공급되기에 적합한 원하는 특성 및 조성을 갖는다는 것을 제공하기 위해 조정된다.
본 발명의 이러한 제1 양태는 여러 이점을 제공한다.
하나의 이점은 원료 공급물(1)에 대한 감축, 중단 또는 다른 변경을 수용하기 위해 POx 반응기(4)에 공급물을 제공하는 추가적인 유닛에 대한 필요가 없다는 것이다. 고온 산소 발생기는 이미 전체적인 플랜트에 존재하며, 부분 산화 반응기와 함께 사용된다. 고온 산소 발생기가 공급원료가 처리되는 것에 유연하기 때문에, 대안적인 공급물 스트림(3)으로부터 가스를 생성하기 위해 동일한 플랜트에서 이용될 수 있다. 가스 스트림(15)을 생성하기 위한 이러한 대안적인 방식을 제공하는 것은 POx 반응기(4)와 POx 반응기(4)로부터 하류에 있는 단계 6 및 8, 및 이와 관련된 장비를, POx 반응기의 공급물의 하나의 특정 공급원(11)에 의존하는 것으로부터 분리한다. 고온 산소 발생기(202)를 이용하는 것은 스트림(15) 및 생성물(20)을 더 완전히 생성하는 능력을 플랜트에 제공한다.
이러한 이점은 결국 원하는 특성 세트를 갖는 생성물을 생성하도록 설계된 플랜트(예컨대, 재생 가능한/바이오매스 유래 액체 연료를 생산하기 위한 플랜트)가 플랜트의 정격 용량에 가까운 또는 이상의 속도로 생성물을 연속적으로 생성하는 것을 가능하게 한다. 이것은 운영자가 아무 것도 생성하지 않고, 플랜트 가동 시간을 단축하고, 잠재적인 플랜트 수익을 감소시키는 대안을 피할 수 있게 한다.
실시예
이들 실시예는 바이오매스 유래 합성가스가 표에 주어진 조건 하에서 본원에 기재된 바와 같은 고온 산소 생성기에 의해 소성되는 부분 산화(POx) 반응기에서 처리되고 있다고 가정한다. 이 합성가스는 바이오매스 유래 공급원료를 대표하고 임의의 특정 구성에 특이적이지 않다. 모델링 단순화를 위해 Ar 및 N2와 같은 타르 및 불활성 물질이 포함되지 않는다. 고온 산소 발생기는 순수한 O2 및 천연 가스를 사용하여, 표에 나타낸 특성으로 소성된다. 부분 산화 반응기 압력은 50 psig로 가정된다.
[표 1]
실시예 1:
대안적인 탄화수소 공급물 스트림을 갖는, 바이오매스 공급원료의 가스화에 의해 생성된 원료 합성가스의 완전한 대체
5개의 시나리오는 다음과 같다:
1. 설계 - 바이오매스 유래 합성가스 공급원료 및 고온 산소 발생기로부터 제공된 O2를 사용하여 계획된 바와 같은 작동
2. 대안적인 공급물로서 천연 가스 - 설계 O2 공급 속도를 유지하면서 바이오매스 유래 합성가스를 천연 가스로 대체함
3. 대안적인 공급물로서 천연 가스 + 20% 추가 O2 - 바이오매스 유래 합성가스를 천연 가스로 대체하고, (고온 산소 생성기로부터) 부분 산화 반응기에 대한 O2 공급 속도를 20% 증가시킴
4. 대안적인 공급물로서 천연 가스 + CO2 - 설계 O2 공급 속도를 유지하면서 H2:CO 비를 조정하기 위해 바이오매스 유래 합성가스를 천연 가스와 CO2의 혼합물로 대체함
5. 공급물로서 프로판 - 설계 O2 공급 속도를 유지하면서 바이오매스 유래 합성가스를 프로판으로 대체함
시나리오 2 및 5는 상이한 공급원료에 적용될 때 바이오매스 유래 합성가스의 부분적 산화를 위해 작동 파라미터가 설계되는 고온 산소 발생기 시스템의 성능이 어떻게 변하는 지를 보여준다. 이는 가스화 반응기로부터 원료 합성가스 스트림의 유동이 완전히 중단되고 천연 가스 또는 프로판이 대안적인 탄화수소 공급물로서 POx 반응기 대신 공급되는 구현예에 해당할 것이다. 시나리오 2 및 3은 POx 반응기에 이용 가능한 추가적인 O2(도 1에서 스트림(21)으로서 나타남)를 설계 사례와 어떻게 비교되는 지를 보여준다. 시나리오 2 및 4는 CO2(도 1에서 스트림(16)으로서 나타남)의 첨가가 H2:CO 비를 어떻게 조정할 수 있는 지를 보여준다.
이들 시뮬레이션으로부터의 결과는 표에 주어진다. 시나리오 2 및 5는 H2+CO에서 각각 17% 및 13% 감소를 보여준다. H2+CO에서 감소가 이상적이지 않지만, 제로 초과의 임의의 수준에서 생성을 유지하는 것은 큰 개선이고, 하류 생성물의 생성을 중지시키는 것보다 더 바람직하다. 시나리오 3은 가스화기에 의해 사용되는 O2를 방출함으로써 잠재적으로 가능한, POx 반응기에 대한 O2 속도를 증가시키는 것이 H2+CO의 생성을 설계 수준으로 복원할 수 있음을 보여준다. O2 속도를 증가시키는 것은 H2+CO의 설계 생성을 능가할 수 있게 한다.
시나리오 2 및 5에 대한 1.7 및 1.3의 H2:CO 몰비는 또한 이 실시예에서 의도된 설계의 1.2의 값과 상이하다. H2:CO 비는 통상적으로 하류에 생성되는 생성물에 따라 (수성 가스 전환 반응기(WGS)를 참조하여) 전환된다. 예를 들어, 메탄올 생성은 2.0에 가까운 H2:CO 비를 필요로 할 수 있는 반면, 합성 가솔린은 0.6에 가까운 비를 필요로 할 수 있다. 통상적인 플랜트 구성은 POx 반응기 후에 합성가스 스트림을 분할하여, 일부는 WGS 반응기에 전송하고 일부는 반응기를 우회하도록 하는 것(도 1에서 13A로 표시됨)이다. 반응기에서 전환의 양은 합성가스의 해당 부분의 H2:CO 비를 필요한 것을 이상으로 취하여 원하는 H2:CO 비가 2개의 스트림이 다시 함께 혼합될 때 달성된다. 시나리오 2를 참조하면, 플랜트가 2.0의 H2:CO 비를 필요로 하는 경우, 1.7의 H2:CO 비로 시작하는 것이, 이는 필요한 전환의 양을 감소시켜, 플랜트가 전환 반응기를 통과하고 촉매 수명을 연장시키는 데 필요한 합성가스의 양을 감소시키거나 더 많은 전체 합성가스를 생성하기 위해 동일한 크기의 WGS 반응기를 사용하여 생성물을 증가시키게 하기 때문에 바람직하다.
그러나, 플랜트가 0.6의 H2:CO 비를 필요로 하는 경우, 1.2 내지 1.7의 H2:CO 비는 허용되지 않을 수 있다. 시나리오 5는 상이한 대안적인 탄화수소 스트림이 설계 합성가스와 유사한 H2:CO 비를 생성하는 데 사용될 수 있음을 보여준다. 시나리오 4는 H2:CO 비에 대한 조정이 또한 CO2를 POx 반응기로 공급되는 천연 가스에 첨가함으로써 이루어질 수 있음을 보여준다. CO2를 첨가하는 것은 H2:CO 비가 감소하는 것을 야기하고; 충분한 CO2를 첨가하는 것은 H2:CO 비를 설계 값으로 복원할 수 있다. 유사하게, H2:CO 비는, 원하는 경우, POx 반응기에 대한 공급물 스트림에 H2O를 첨가함으로써 증가될 수 있다.
고온 산소 발생기는 중단 없이 모든 이러한 작동 시나리오를 쉽게 처리할 수 있어서, 하드웨어 또는 제어 변경을 필요로 하지 않는다.
[표 2]
대안적인 탄화수소 공급물 스트림을 갖는, 바이오매스 공급원료의 가스화에 의해 생성된 원료 합성가스의 부분 대체
실시예 2는 가스화 반응기가 여전히 부분 산화 반응기에 합성가스를 제공하지만 완전 작동에 비해 감소된 유동 속도에서의 작동을 예시한다. POx 시스템과 함께 고온 산소 발생기의 이용은 운영자가 합성가스 생성을 설계 속도로 유지할 수 있게 하거나, 대안적인 탄화수소 공급물 스트림을 감소된 합성가스에 첨가하여 POx 반응기에 공급될 수 있게 함으로써 합성가스 생성을 증가시키게 한다.
표는 50% 속도에서 합성가스가 대안적인 탄화수소 공급물로서 이용되는 천연 가스의 유동 속도 증가로 보충되는 경우에 설계 조건을 비교하는 결과를 제공한다. 천연 가스 유동 속도를 증가시키는 것은 POx 반응기에 공급된 O2의 양을 증가시켜야 하며, 생성되는 H2+CO의 양을 증가시키게 한다. POx 반응기에 대한 O2 공급 속도가 설계 수준에서 유지되면, POx 반응기를 빠져나가는 H2+CO 속도는 설계보다 약간 낮다. 가스화 반응기의 더 낮은 O2 사용으로 인해 이용 가능한 O2의 첨가량이 POx 반응기에 공급되는 경우, 연료의 생성은 설계 수준을 넘어 증가될 수 있다. 연료의 추가 생성이 요구되는 경우, POx 반응기에 대한 합성가스 유동 속도가 설계 속도에 있더라도, POx 반응기에 대안적인 탄화수소 공급물을 공급하는 것도 실행 가능하다. 이는 플랜트에서 이용 가능한 O2의 양 또는 WGS 반응기와 같은 하류 장치의 크기, 다른 합성가스 조절 장치(합성가스 냉각기, CO2 제거, 다른 연마 반응기) 또는 전환 단계 자체에 의해 제한될 수 있다.
실시예 1에서와 같이, 부분 대체 시나리오에 대한 H2:CO 몰비는 설계와 상이하다. 이러한 차이는 위에서 설명된 것과 유사한 방식으로 처리될 수 있다.
[표 3]
시운전(시동) 또는 POX 반응기에 공급물 공급원의 재가동 시 증기 제공
본 발명의 이점이 이용될 수 있는 다른 구현예는, 원료 공급물(1)을 POx 반응기에 제공하는 공급원(11)이 원료 공급물(1)의 생성에서 증기를 이용하도록 설계된 플랜트에서 발생한다. 이러한 구현예는 이러한 플랜트가 처음 작동할 때 또는 증기를 사용하는 소스(11)가 POx 반응기(4)에 원료 공급물(1)을 제공하는 데 사용되고, 이어서 공급부가 정지되고, 그 후, POx 반응기(4)에 원료 공급물(1)을 제공하는 것을 재개하기 위해 다시 재가동되는 상황에서 사용될 수 있다.
본 발명의 이러한 양태는 POx 시스템이 공급원료 유연성이 매우 높아 별도의 보조 증기 보일러가 필요하지 않거나, 또는 사용되는 경우 크기만을 줄일 수 있는 특징을 이용하여, POx 반응기용 원료 공급물의 발생 또는 생성에서 증기를 사용하는 반응기를 시동(또는 재가동)하는 데 사용하기 위한 증기를 제공한다. 이러한 반응기의 일 예는 가스화 반응기이다. 현재까지 종래의 실시에서, 시동 보일러는 시동 중에 가스화 반응기에 증기를 제공하는 데 필요하다. 본원에 기재된 바와 같이, 본 발명에서 POx 반응기와 함께 고온 산소 발생기를 이용하는 것은 수계 냉각(도 1의 단계 6에서)으로부터 증기의 생성을 가능하게 한다. 이어서, 증기는 가스화 반응기를 시작하는 데 사용될 수 있다. 플랜트 시운전 중, 고체 공급원료 공급 가스화기를 작동상태로 전환하고 작동시키는 단계는 주요 시간 소모 단계 중 하나이다.
본 발명과 함께, 고온 산소 발생기를 포함하는 본원에 기재된 시스템은, 충분한 또는 부분 부하에서 이의 작동에 스팀을 사용하는 공급원과 다른 공급원으로부터 하류 장치에 공급물을 제공함으로써, 다른 장치가 가스화기로부터 독립적으로 시운전되도록 하여, 시운전 시간을 감소시키기 위해 대안적인 공급원료와 함께 사용될 수 있다.
이들 특징 및 이점은 하기 실시예 3에 예시되어 있다.
실시예 3
POx 반응기와 함께 고온 산소 발생기의 사용은 시운전 시간을 감소시킬 수 있다. 탄화수소 공급원료를 생성하기 위해 본원에 기재된 바와 같은 통합 플랜트는 원료 공급물(1)을 발성하는 단계의 하류에 여러 단위 작동을 가질 가능성이 있다. 본원에 도시된 바와 같이, 이러한 단계는 압축, WGS, 불순물 제거 및 전환을 포함할 수 있다. 전체적인 플랜트의 시작 시, 이러한 단위 작업은 충분한 작동에서 사용될 통상적인 가스를 사용하여 시운전되어야 한다. 시약 또는 가스 생성 제제로서 증기를 사용하는 가스화 반응기 또는 기타 반응기가 플랜트에서 처리되고 전환될 원료 공급물(1)의 공급원으로서 사용되는 경우, 플랜트 전체의 시운전은 증기 사용 반응기가 임의의 작동 문제를 갖는다면 지연될 것이다. 다른 이점으로서, 본원에 설명된 바와 같이, 고온 산소 발생기 시스템은 반응기의 하류에 있는 장치를 시운전하는 데 사용하기 위한 신뢰할 수 있는 대안적인 공급물(3)을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
예를 들어, 충분히 시운전된 바이오매스 가스화기는 시간의 85% 이하에서 완전히 기능할 가능성이 있다. 이러한 유형의 가스화기의 신뢰성은 명백하게 훨씬 더 낮을 것이고, POx 반응기(4)의 시운전 및 반응기(4) 하류에 있는 장치에 사용하기 위한 가스의 신뢰할 수 없는 공급원을 야기할 것이다. 실시예 1에 주어진 시나리오는, 고온 산소 발생기 시스템이, 플랜트가 생성하도록 설계된 것과 유사한 특성을 갖는 가스 스트림을 제공하는 데 사용되어, 플랜트의 균형이 POx 반응기에 공급되는 가스의 신뢰할 만한 공급원으로 시운전되는 것을 보여준다.
고온 산소 생성기가 이러한 능력을 이용하도록 구현될 수 있는 몇 가지 방식이 있다.
일 구현예는 증기 또는 CO2 풍부 스트림을 POx 반응기 내로 주입하여 POx 반응기에서 생성되는 스트림의 H2:CO 비를 조정하는 것이다. 증기의 첨가는 일부 CO를 CO2로 전환시키는 반면, 첨가된 스트림으로부터 추가적인 H2를 생성한다. CO2의 첨가는 일부 H2를 H2O로 전환시키는 반면, CO2로부터 추가적인 CO를 생성한다. 바이오매스 유래 합성가스로부터 예상되는 H2:CO 비로부터 지금까지 제거되기 때문에 수성 가스 전환 반응기가 대안적인 방법을 사용하여 생성된 합성가스의 H2:CO 비를 조정하는 능력을 갖지 않는다면 이 첨가는 필요하다. 대부분의 응용에 있어서, 이는 천연 가스 또는 프로판과 같은 대안적인 공급원료를 이용하는 것은 2.0:1의 통상적으로 원하는 몰비에 더 가까운 H2:CO 비를 생성하기 때문에 필요하지 않을 것이다. 일반적으로, 합성가스의 일부만이 WGS 반응기로 전송되며, 이는 H2:CO 비가 2.0:1보다 훨씬 더 높은 가스를 생성한다. 이 가스는 전환되지 않은 합성가스(도 1에 우회 스트림(13A)으로 나타냄)와 혼합되어, 2.0:1의 H2:CO 몰비를 갖는 혼합물을 생성한다. 합성가스가 설계된 합성된 합성가스보다 2.0:1에 더 가까운 H2:CO 몰비로 시작하는 경우, 더 적은 합성가스가 2.0:1의 몰비를 얻기 위해 WGS 반응기에 의해 처리되는 것이 필요하다.
Claims (3)
- 탄화수소 공급원료의 제조 방법으로서,
(A) (i) 공급원으로부터의 원료 공급물(선택적으로 타르를 함유할 수 있고, 수소 및 CO, 뿐만 아니라 메탄, 2개 또는 3개의 탄소 원자를 포함하는 탄화수소 및 이의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 경질 탄화수소를 포함함) 및 (ii) 2000 F 내지 4700 F의 온도를 갖는 산소 스트림을, 부분 산화 반응기 내로 공급하고 원료 공급물을 산소와 반응시켜, 타르(원료 공급물에 존재하는 경우)를 수소 및 CO를 함유하는 저분자량 생성물로 전환시키면서 상기 원료 공급물 내의 상기 경질 탄화수소 중 하나 이상을 상기 산소에 의해 부분적으로 산화시켜, 원료 공급물 내의 수소 및 CO의 양을 증가시킴으로써, 제1 값의 수소 대 CO의 몰비를 갖는 탄화수소 공급원료를 생성하는 단계;
(B) 부분 산화 반응기로의 원료 공급물을 부분 산화 반응기로 공급되는 개질된 공급물((i) 상기 부분 산화 반응기 내로 공급되는 상기 공급원으로부터의 상기 원료 공급물의 양을 감소시키거나 중단시키고 (ii) 상기 원료 공급물의 상기 공급원으로부터 유래하지 않고 상기 원료 공급물의 조성과 상이한 조성을 갖는 탄화수소 공급물 스트림을 상기 부분 산화 반응기로 공급하고, 2000 F 내지 4700 F의 온도를 갖는 산소 스트림을 상기 부분 산화 반응기 내로 계속 공급함으로써 형성됨)로 대체하고 단계 (A)에서 원료 공급물이 산소와 반응하는 조건 하에서 부분 산화 반응기 내 상기 개질된 공급물과 산소의 반응은 수소 대 CO의 몰비가 상기 제1 값과 상이한 제2 값인 탄화수소 공급원료를 생성하는 단계, 상기 부분 산화 반응기로 공급되는 상기 산소 스트림의 적어도 하나의 조건을 변경하여 상기 개질된 공급물과의 반응을 통해 수소 대 CO의 몰비가 상기 제2 값과 상이한 제3 값인 탄화수소 공급원료를 생성하는 단계; 및 이어서
(C) 2000 F 내지 4700 F의 온도를 갖는 산소 스트림을 상기 부분 산화 반응기 내로 계속 공급하면서, 단계 (B)에서 공급되는 개질된 공급물을 상기 부분 산화 반응기로 공급되는 원료 공급물(모두 상기 공급원으로부터 유래됨)로 완전히 대체하고, 단계 (B)에서 사용된 조건과 비교하여 상기 부분 산화 반응기로 공급되는 상기 산소 스트림의 적어도 하나의 조건을 변경하여 상기 원료 공급물과의 반응을 통해 수소 대 CO의 몰비가 상기 제3 값과 상이한 탄화수소 공급원료를 생성하는 단계를 포함하는, 방법. - 탄화수소 공급원료의 제조 방법으로서,
(A) (i) 공급원으로부터의 원료 공급물(선택적으로 타르를 함유할 수 있고, 수소 및 CO, 뿐만 아니라 메탄, 2개 또는 3개의 탄소 원자를 포함하는 탄화수소 및 이의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 경질 탄화수소를 포함함) 및 (ii) 2000 F 내지 4700 F의 온도를 갖는 산소 스트림을, 부분 산화 반응기 내로 공급하고 원료 공급물을 산소와 반응시켜, 타르(원료 공급물에 존재하는 경우)를 수소 및 CO를 포함하는 저분자량 생성물로 전환시키면서 상기 원료 공급물 내의 상기 경질 탄화수소 중 하나 이상을 상기 산소에 의해 부분적으로 산화시켜 원료 공급물 내의 수소 및 CO의 양을 증가시키고, 상기 부분 산화 반응기로부터 중간 공급스트림을 회수하는 단계;
(B) 단계 (A)로부터의 중간 공급스트림에서 수소 대 CO의 몰비를 촉매적으로 변경하여, 수소 대 CO의 몰비가 제1 값인 탄화수소 공급원료를 생성하는 단계;
(C) 부분 산화 반응기로의 원료 공급물을 부분 산화 반응기로 공급되는 개질된 공급물((i) 상기 부분 산화 반응기 내로 공급되는 상기 공급원으로부터의 상기 원료 공급물의 양을 감소시키거나 중단시키고 (ii) 상기 원료 공급물의 상기 공급원으로부터 유래하지 않고 상기 원료 공급물의 조성과 상이한 조성을 갖는 탄화수소 공급물 스트림을 상기 부분 산화 반응기로 공급하고, 2000 F 내지 4700 F의 온도를 갖는 산소 스트림을 상기 부분 산화 반응기 내로 계속 공급함으로써 형성됨)로 대체하고(단계 (A)에서 원료 공급물이 산소와 반응하는 조건 하에서 부분 산화 반응기 내 상기 개질된 공급물과 산소의 반응에 이은 단계 (B)에서 사용된 조건 하에서의 촉매적 변경은 수소 대 CO의 몰비가 제2 값인 탄화수소 생성물을 생성함), 상기 부분 산화 반응기로 공급되는 상기 산소 스트림의 적어도 하나의 조건을 변경하여 상기 개질된 공급물과의 반응에 이은 상기 촉매적 변경을 통해 수소 대 CO의 몰비가 상기 제2 값인 탄화수소 공급원료를 생성하는 단계; 및 이어서
(D) 2000 F 내지 4700 F의 온도를 갖는 산소 스트림을 상기 부분 산화 반응기 내로 계속 공급하면서, 단계 (C)에서 공급되는 개질된 공급물을 상기 부분 산화 반응기로 공급되는 원료 공급물(모두 상기 공급원으로부터 유래됨)로 완전히 대체하고, 단계 (C)에서 사용된 조건과 비교하여 상기 부분 산화 반응기로 공급되는 상기 산소 스트림의 적어도 하나의 조건을 변경하여 상기 원료 공급물과의 반응에 이은 상기 촉매적 변경을 통해 수소 대 CO의 몰비가 상기 제2 값과 상이한 탄화수소 공급원료를 생성하는 단계를 포함하는, 방법. - 탄화수소 공급원료의 제조 방법으로서,
(A) (i) 공급원으로부터의 원료 공급물(선택적으로 타르를 함유할 수 있고, 수소 및 CO, 뿐만 아니라 메탄, 2개 또는 3개의 탄소 원자를 포함하는 탄화수소 및 이의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 경질 탄화수소를 포함함) 및 (ii) 2000 F 내지 4700 F의 온도를 갖는 산소 스트림을, 부분 산화 반응기 내로 공급하고 원료 공급물을 산소와 반응시켜, 타르(원료 공급물에 존재하는 경우)를 수소 및 CO를 포함하는 저분자량 생성물로 전환시키면서 상기 원료 공급물 내의 상기 경질 탄화수소 중 하나 이상을 상기 산소에 의해 부분적으로 산화시켜 원료 공급물 내의 수소 및 CO의 양을 증가시키고, 상기 부분 산화 반응기로부터 중간 공급스트림을 회수하는 단계(수소 대 CO의 몰비는 주어진 범위 내에 있음);
(B) 단계 (A)에서 생성된 중간 공급스트림과 간접 열 교환으로 액체 물을 가열함으로써 증기를 생성하는 단계;
(C) 단계 (B)에서 생성된 증기와 탄소질 공급 물질을 반응기로 공급하여, 상기 증기와 상기 탄소질 공급 물질의 상호작용에 의해, 선택적으로 타르를 함유할 수 있고 수소 및 CO, 뿐만 아니라 메탄, 2개 또는 3개의 탄소 원자를 포함하는 탄화수소 및 이의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 경질 탄화수소를 포함하는 제2 원료 공급물을 생성하는 단계;
(D) 2000 F 내지 4700 F의 온도를 갖는 산소 스트림을 상기 부분 산화 반응기 내로 계속 공급하면서, 단계 (A)에서 공급되는 원료 공급물을 상기 부분 산화 반응기로 공급되는 상기 제2 원료 공급물로 대체하여, 상기 제2 원료 공급물의 반응을 통해 수소 대 CO의 몰비가 상기 주어진 범위 내에 있는 탄화수소 공급원료를 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
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