KR20230015452A - 산화 반응기의 시동 방법 - Google Patents
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Abstract
적합한 버너에 의해 생성되는 고온 산소 스트림을 사용하는 공급원료의 부분 산화를 위한 반응기에 있어서, 버너로의 공급 또는 압력의 특성을 적합하게 제어함으로써, 실규모(full-scale) 부분 산화 작업에서 고온 산소 스트림을 생성하고 제공하는 동일한 버너를 부분 산화 반응기의 시동(starting-up)에 사용할 있다.
Description
본 발명은 합성가스 생산을 위해 탄소질 공급원료가 부분적으로 산화되는 부분 산화 반응기와 같은 반응기에 관한 것이다. 본 발명은 특히 고온 산소 스트림에 의해 반응이 촉진되는 이러한 반응기에 관한 것이다.
본 발명의 유리한 구현예는 산화 반응기에 결합되는 별도의 반응기에 의해 생성되는 고온 산소 스트림을 사용한다.
부분 산화(partial oxidation, POx) 반응기는 통상적으로 2400F 이상의 온도에서 작동한다. POx 용기(즉, 부분 산화 반응이 발생하는 POx 반응기 내의 챔버) 내의 온도가 POx 반응이 발생하는 최저 온도 이하인 조건으로부터 POx 반응기의 작동을 시작하기 위해서, POx 반응기의 작동 시작을 위한 종래의 방법론은 POx 용기 안에 있는 내화 라이닝을 손상시키는 것을 피하기 위해, 소정의 속도, 통상적으로 100F/hr 이하로 용기 내부를 가열하는 것을 포함한다. 따라서, 용기 내부를 가열하는 종래의 방법은 관련 제어 장비 및 화염 관리와 함께 별도의 2차 예열 버너를 사용하는 것을 포함할 수 있다. 2차 예열 버너는 용기의 별도 노즐에 통합될 수 있으며, POx 용기의 벽을 통한 추가 관통이 필요하며, 예열 중 1차 버너에 대한 퍼지 요건과 더불어 작동하지 않을 때 퍼지가 필요하다. 또는 1차 POx 버너는 물리적으로 제거되고 예열 버너로 교체될 수도 있지만, 이 대안에서, 예열이 완료되면, 시스템은 버너를 교체하고 1차 POx 버너를 사용하여 POx 모드로 시동하기 위해 정지되어야 한다. 이 대안에서 야기되는 가스 흐름의 불연속성은 공정에 지장을 준다. 고온 반응 용기가 된 용기 안에서 POx 버너를 갑자기 시동할 때 다량의 그을음이 또한 생성된다.
본 발명의 일 양태는 탄소질 공급원료가 부분적으로 산화된 반응기를 작동시키는 방법으로서,
버너에서의 연소에 의해 버너로부터 발생하는 연소 생성물의 스트림이 생성되어 반응기의 내부로 들어가도록 함께 결합되는 버너와 반응기를 제공하는 단계,
1차 연료에 대한 기체 산화제의 화학량론적 비가 1.0 초과, 바람직하게는 최대 8.0, 더욱 바람직하게는 3.0 내지 4.5인 비율로, 1차 연료, 및 산소와 불활성 가스를 함유하는 기체 산화제를 버너에 공급하는 단계;
버너에서 1차 연료와 기체 산화제 중의 산소를 연소시켜, 미연소 산소를 포함하는 연소 생성물을 함유하고 버너로부터 발생하는 생성물 스트림을 생성하는 단계,
1차 연료와 보조 연료의 합계에 대한 버너에 공급된 상기 기체 산화제의 화학량론적 비가 0.85 내지 1.15인 비율로, 보조 연료를 버너로부터 발생하는 생성물 스트림에 공급하고, 생성물 스트림 중의 모든 미연소 산소를 사용하여 버너와 반응기 사이 또는 반응기 내에서 보조 연료를 연소시키고, 상기 연소 생성물을 반응기 내부로 공급하여 반응기 내부를 가열하는 단계, 이어서
생성물 스트림 및 보조 연료의 연소 생성물을 반응기의 내부로 계속 공급하는 동안, 상기 기체 산화제에서 불활성 가스의 함량을 감소시키는 동시에, 상기 기체 산화제에 공급되는 산소의 질량 유량을 증가시켜 불활성 가스의 감소를 보충하고 동시에 상기 생성물 스트림으로의 보조 연료의 질량 유량을 증가시키고, 버너를 통과해 나가는 생성물 스트림을 연소시키고, 상기 연소 생성물을 반응기 내부로 통과시켜 반응기 내부의 온도를 계속 증가시키는 단계,
기체 산화제의 불활성 가스의 함량이 0에 도달하는 시점부터, 버너로 들어가는 1차 연료 및 산소의 질량 유량을 증가시키되, 바람직하게는 일정하거나 가장 높은 값이 가장 낮은 값보다 10% 더 높은 범위 내에서 변하는 서로에 대한 화학양론적 비로 증가시키고, 버너에서 1차 연료 및 산소를 연소시켜 버너로부터 발생하여 반응기 내로 통과하는 고온 산소 스트림을 생성하고, 고온 산소 스트림으로의 보조 연료의 질량 유량을, 바람직하게는 고온 산소 스트림 내 산소에 대한 일정한 화학양론적 비로 증가시키고, 고온 산소 스트림 내 모든 산소를 사용하여 보조 연료를 연소시키고, 상기 연소 생성물을 반응기 내부로 통과시켜 반응기의 작동 온도를 계속 증가시키는 단계; 및
반응기 내의 온도가 단계(B)가 수행되는 온도에 도달할 때,
(B) 탄소질 공급 물질을 반응기에 공급하고, 이를 버너의 1차 연료 및, 필요한 경우 보조 연료를 사용한 기체 산화제의 연소에 의해 생성된 고온 산소 스트림을 사용하여 반응기에서 부분적으로 산화시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 탄소질 공급원료가 부분적으로 산화되는 반응기를 작동시키는 방법으로서,
(A) 버너에서의 연소에 의해 버너로부터 발생하는 연소 생성물의 스트림이 생성되어 반응기의 내부로 들어가도록 함께 결합되는 버너와 반응기를 제공하는 단계,
(B) (1) 1차 연료에 대한 기체 산화제의 화학량론적 비가 1.0 초과, 바람직하게는 최대 8.0, 더욱 바람직하게는 3.0 내지 4.5인 비율로, 1차 연료, 및 산소를 함유하는 기체 산화제를 버너에 공급하는 단계;
(2) 버너에서 1차 연료와 기체 산화제 중의 산소를 연소시켜, 미연소 산소를 포함하는 연소 생성물을 함유하고 버너로부터 발생하는 생성물 스트림을 생성하는 단계,
(3) 1차 연료와 보조 연료의 합계에 대한 버너에 공급된 상기 기체 산화제의 화학량론적 비가 0.85 내지 1.15인 비율로, 보조 연료를 버너로부터 발생하는 생성물 스트림에 공급하고, 버너와 반응기 사이 또는 반응기 내에서 보조 연료를 연소시켜 반응기 내부를 가열하는 단계,
(C) 반응기 내의 압력이 단계(D)가 수행되는 압력보다 낮은 수준에 있는 동안, 1차 연료 및 산소가 버너에 공급되는 질량 유량을 증가시키고 보조 연료가 상기 생성물 스트림 내로 공급되는 속도를 증가시킴으로써, 반응기 내의 온도 및 압력이 단계(D)가 수행되는 값으로 증가할 때까지, 반응기 내의 압력을 증가시키면서, 반응기 내로 공급되는 연소 생성물의 온도를 증가시키는 단계,
및
(D) 탄소질 공급 물질을 반응기에 공급하고, 이를 고온 산소 스트림을 사용하여 반응기에서 부분적으로 산화시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 이 양태의 단계(C)를 수행하는 하나의 바람직한 구현예는
(C1) 반응기 내의 압력을 단계(D)가 수행되는 압력보다 낮은 일정한 제1 값으로 유지하면서, 1차 연료 및 산소가 버너에 공급되는 질량 유량을 (바람직하게는 서로에 대해 일정한 화학량론적 비로) 증가시키고, 버너에 공급되는 1차 연료와 보조 연료 및 산소의 속도가 상기 제1 압력 값에서 증가될 수 없을 때까지 보조 연료의 질량 유량을 (바람직하게는 상기 생성물 스트림 중의 산소에 대해 일정한 화학량론적 비로) 증가시키는 단계;
(C2) 버너로의 질량 흐름을 유지하면서 반응기 내의 압력을 단계(D)가 수행되는 압력보다 낮은, 더 높은 값으로 증가시키고, 반응기 내의 압력을 상기 더 높은 값으로 유지하면서, 1차 연료 및 산소가 버너에 공급되는 질량 유량을 증가시키고 반응기 내의 압력을 상기 더 높은 값으로 유지하면서, 1차 연료와 2차 연료 및 산소가 버너에 공급되는 속도가 상기 압력에서 증가될 수 없을 때까지, 보조 연료가 생성물 스트림 내로 공급되는 질량 유량을 증가시키는 단계,
반응기 내의 온도가 단계(D)가 수행되는 값으로 증가될 때까지, 단계(C2)를 적어도 1회 수행하는 단계를 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이, "HSR"로도 지칭되는 "고온 산소 화학양론적 비"는 버너에 공급된 산화제 중에 함유된 산소의 몰 대 버너에 공급된 연료를 완전히 연소시키는 데 필요한 산소의 몰의 비를 의미한다. 본원에 사용된 바와 같이, "TSR"로도 지칭되는 "총 화학량론적 비"는 버너에 공급된 산화제 중에 함유된 산소의 몰 대 버너에 공급된 연료, 보조 연료, 반응기에 공급된 모든 가연성 공급물의 총계를 완전히 연소시키는 데 필요한 산소의 몰의 비를 의미한다.
도 1은 본 발명이 실시될 수 있는 구현예의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예의 작동 조건을 도시하는 그래프이다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 기재된 바와 같이 사용하기에 적합한 본원에 기재된 바와 같은 장치에서 수행될 수 있다. 도 1은 이러한 장치를 개략적으로 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이, 버너(1)는 반응기(2)에 연결된다. 버너(1) 및 반응기(2)는 각각의 장치에서 반응이 발생할 수 있는 화씨 수천 도 정도의 온도를 견딜 수 있는 내화 라이닝이 구비된, 종래의 설계일 수 있다.
1차 연료(11)는 연료가 버너(1) 내로 공급되는 양 및 속도를 조절할 수 있는 제어 장치가 구비된 적합한 공급 라인을 통해, 버너(1) 내로 공급된다. 1차 연료(11)로서 적합한 재료는 천연 가스, 메탄, 프로판, 수소 및 코크스 오븐 가스를 포함하는 임의의 적합한 가연성 유체 예일 수 있거나, 다른 화학적 또는 석유화학 공정 작업으로부터 얻어진 탄화수소의 공정 스트림일 수 있다. 바람직하게는 1차 연료(11)는 기체 연료이다. 2번 연료유 또는 다른 오일과 같은 액체 연료가 또한 사용될 수 있다.
기체 산화제(12)는 기체 산화제가 버너(1) 내로 공급되는 양 및 속도를 조절할 수 있는 제어 장치가 구비된 공급 라인을 통해 버너(1) 내로 공급된다. 바람직하게는 기체 산화제(12)는 저장 탱크, 파이프라인 또는 공기 분리 플랜트와 같은 공급원으로부터 공급되는 적어도 99 부피%의 산소를 포함한다. 그러나, 기체 산화제(12)는 적어도 30 부피%, 바람직하게는 적어도 85 부피%의 산소 농도를 가질 수 있다. 버너(1)로 공급된 기체 산화제(12)는 일반적으로 50 내지 300 피트/초(fps)의 범위 내인 초기 속도를 가질 수 있고, 통상적으로 200 fps 미만일 것이다.
불활성 가스(13)는 또한 하기에 기재된 바와 같이 버너(1)에 공급될 수 있다. 불활성 가스(13)는 도 1에 도시된 바와 같이 버너(1) 내로 통과하기 전에 기체 산화제(12)로 공급될 수 있거나, 불활성 가스(13)가 버너(1) 내로 직접 공급될 수 있다. 불활성 가스(13)가 공급되는 라인은 불활성 가스가 버너(1) 내로 공급되는 양 및 속도를 조절할 수 있는 제어 장치를 구비한다. "불활성 가스"란, 버너(1)에서 연료와 산소의 연소 동안 산소 또는 연료와 반응하지 않는 99 몰% 초과의 임의의 가스를 의미한다. 따라서, "불활성 가스"는 산소와 또는 연료와 반응하지 않는 단일 물질을 포함하고, "불활성 가스"는 각각 산소와 또는 연료와 반응하지 않는 2개 이상의 물질의 혼합물을 포함한다. 바람직한 적합한 불활성 가스는 질소, 아르곤, 질소 및 아르곤의 혼합물, 및 이산화탄소 또는 이산화탄소를 함유하는 혼합물, 스팀 또는 스팀 함유 혼합물을 포함한다.
2차 연료(14)는 또한 하기에 기재된 바와 같이 시스템 내로, 오리피스(15)를 통해, 오리피스(15)와 반응기(2)의 유입구(23) 사이에서 발생하는 연소 생성물 내로, 또는 반응기(2) 내로 직접 공급될 수 있다.
일반적으로, 하기에 기재된 다양한 작동 조건에 따라, 기체 산화제(12) 중의 1차 연료(11) 및 산소가 버너(1)에서 서로 연소되어 버너(1)에서 연소 생성물을 함유하는 열 및 생성물 스트림(16)을 생성한다.
위에서 나타내고 하기에 더 자세히 기재된 바와 같이, 본 발명은 반응기(2) 내의 온도를 산화 또는 부분 산화가 반응기(2)에서 수행될 수 있는 온도로 상승시키기 위해 버너(1)(임의의 대체 또는 추가 버너보다는)를 사용하는 것에 관한 것이다. 반응기(2)는 공급원료가 퍼니스(2) 내로 공급되는 양과 속도를 조절할 수 있는 제어 장치를 구비한 라인을 통해 반응기(2) 내로 공급되는 탄소질 공급원료(21)의 부분 산화를, 반응기(2) 내에서 수행하기에 적합한 임의의 반응기를 나타낸다. 버너(1)로부터의 연소 생성물은 유입구(23)를 통해 반응기(2)로 들어가고, 반응기(2)에서 공급원료를 부분적으로 산화시키는 데 사용된다.
버너(2)에 적합한 공급원료(21)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 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 생성되는 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.
공급원료(21)는 수소 및 일산화탄소(CO)를 함유할 수 있고, 통상적으로 또한 탄소원자 1개 내지 18개의 알칸 및/또는 알칸올과 같은 하나 이상의 탄화수소를 함유하고, 종종 하나 이상의 이산화탄소(CO2), 및 타르 및/또는 그을음을 특징으로 하는 고분자량 탄화수소를 함유한다.
공급원료(21)는 주위 온도에 있을 수 있지만, 대개 통상적으로 약 500°F 내지 1600°F의 온도를 나타낸다.
공급원료(21)는 스트림(16)(하기에 더 자세히 기재된 바와 같이 제조됨)에 제공되는 산소와 반응하여 스트림(21)에 존재하는 성분으로부터 추가량의 수소 및 일산화탄소(CO)를 생성하는 반응기(2) 내로 공급된다. 타르가 스트림(21)에 존재하는 경우, 존재하는 타르 중 일부 또는 전부는 또한 반응기(2)에서 저분자량 탄화수소 생성물로 전환될 수 있다.
반응기(2)로부터 스트림(22)으로서 발생하는 산화된 생성물 스트림은 통상적으로 스트림이 이의 후속 공정에 공급될 때 존재하지 않아야 하는 물질을 제거하기 위해 이를 냉각하고 이를 처리하는 것과 같은 하나 이상의 추가 공정 단계를 거친다. 이는 물과의 간접 열교환에 의해 냉각될 수 있다. 이것은 촉매적으로 매개된 물-가스 이동("WGS") 반응을 거쳐 스트림 내의 성분으로부터 수소를 생성함으로써, 스트림(13)에서 수소 대 일산화탄소의 비를 조절하는 방법을 제공할 수 있다. 미립자, CO2를 포함하는 산 가스, 암모니아, 황 종 및 알칼리 화합물과 같은 기타 무기 물질과 같이 존재할 수 있는 불순물은, 존재하는 이러한 불순물 중 상이한 불순물을 제거하거나 특정 오염물을 원하는 낮은 수준으로 감소시키기 위해 각각 하나 또는 일련의 장치에서 제거될 수 있다. 이어서, 결과적으로 냉각되고 컨디셔닝된 스트림은 후속 화학적 공정 작업에서 연료로서 또는 반응물로서 추가로 사용되거나 비교적 순수한 H2 및/또는 CO의 스트림을 생성하도록 분리될 수 있다. 이러한 공정 작업의 바람직한 예는 피셔-트로프슈(Fischer-Tropsch) 공정 또는 다른 합성 방법론에 공급원료로서 사용하여 액체 탄화수소 또는 액체 탄화수소의 혼합물을 생성하는 것을 포함한다. 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 화학 화합물의 생성; 또는 중합체와 같은 더 긴 사슬 생성물의 생성을 포함한다.
도 1에서, 요소(31)는 스트림(22)의 임의의 및 모든 가능한 처리를 나타내며, 이의 예는 본원에 기재되어 있다. 처리(31)는 스트림(22)으로부터 재료의 저장, 이송, 정제 및/또는 반응을 위한 것과 같은 임의의 장치를 포함하는 경우, 장치는 재료에 가해지는 압력을 제어(즉, 증가, 감소 및/또는 유지)하기 위한 제공을 포함할 수 있으며, 이에 의해 반응기(2) 내의 압력이 증가, 감소 또는 유지될 수 있다.
반응기 온도를 상승시키기 위한 제1 구현예(불활성 가스를 포함함):
본 구현예는 버너(1) 내에서 생성되고 반응기(2) 내로 공급되는 스트림(16)의 온도를 증가시킴으로써 반응기 내의 온도를 증가시킨다. 본 구현예의 실시가 시작됨에 따라, 반응기(2) 내의 온도는 주위 온도인 32 내지 120F 내지 작동 온도까지의 임의의 온도이다.
본 구현예에서, 1차 연료, 및 산소 및 불활성 가스를 함유하는 기체 산화제는 1차 연료에 대한 기체 산화제의 화학량론적 비가 1.0 초과, 바람직하게는 최대 8.0, 더욱 바람직하게는 3.0 내지 4.5인 비율로 버너(1) 내로 공급된다. 이러한 일련의 단계의 시작 시, 불활성 가스(하나의 물질이든 물질의 혼합물이든)는 기체 산화제의 총 25 부피% 내지 75 부피%, 바람직하게는 기체 산화제의 40 부피% 내지 60 부피%를 포함할 수 있다.
기체 산화제 내의 1차 연료 및 산소는 버너 내에서 연소된다. 연소는 버너로부터 발생하는 생성물 스트림(16)을 생성한다. 생성물 스트림(16)은 미연소 산소, 이산화탄소, 수증기를 포함하는 연소 생성물을 함유하고, 또한 일산화탄소 및 탄소 함유 자유 라디칼(예를 들어, :CH2, :OH 등)을 함유할 가능성이 있다. 이러한 방식으로 생성된 고온 연소 생성물은 적어도 2000°F 내지 4700°F의 온도를 갖는 고속 스트림으로서 적합한 오리피스(15)를 통과하고 이의 밖으로 스트림(16)으로서 버너(1)부터 통과하여 반응기(2) 내로 들어간다. 일반적으로 오리피스(15)를 통과할 때의 스트림(16)의 속도는 500 내지 4500 피트/초(fps)의 범위 내에 있을 것이다. 오리피스(15)부터 발생하는 스트림은 또한, 하기에 더 상세히 기재된 바와 같이 보조 연료(14)와 반응할 수 있다.
보조 연료(14)는 보조 연료에 대한 상기 미연소 산소 및 생성물 스트림(16) 내의 임의의 미연소 1차 연료의 화학량론적 비가 1.0에 근접하고 바람직하게는 0.9 내지 1.1인 비율로 버너(1)부터 발생하는 생성물 스트림(16) 내로 공급된다. 보조 연료는 버너(1)와 반응기(2) 사이 또는 반응기(2) 내에서 (또는 두 위치에서) 스트림(16)의 산소와 함께 연소된다.
생성물 스트림 및 보조 연료의 연소 생성물이 반응기의 내부로 공급되지만, 상기 기체 산화제 내의 불활성 가스의 함량이 감소된다. 이러한 감소는 꾸준히 또는 간헐적(이는 감소되고, 이어서 일정하게 유지된 후, 다시 감소되고, 다시 일정하게 유지되는 등)으로 수행될 수 있다. 일반적으로, 불활성 가스의 질량 유량이 감소되는 속도는 반응기 내의 온도가 증가함에 따라 소성 속도의 증가에 비례하여, 수시간에 걸쳐 원활하게 발생한다.
기체 산화제의 불활성 가스 함량이 감소되는 것과 동시에, 상기 기체 산화제 내에 공급되는 산소의 질량 유량은 존재하는 불활성 가스의 양의 감소를 보상하기 위해 증가되고, 동시에 상기 생성물 스트림 내로의 보조 연료의 질량 유량도 또한 증가된다. 버너(1)에서 1차 연료의 연소가 계속되고, 버너 밖으로 통과하는 생성물 스트림(16)의 연소가 계속된다. 상기 연소 생성물은 반응기(2)의 내부로 계속 통과하여, 연소될 수 있는 연료의 증가하는 양으로 인해 반응기(2) 내부의 온도를 계속 증가시킨다.
조작자는 통상적으로 HSR 및 TSR을 유지하면서 용기 온도 설정치와 일치하는 동안 HOB의 소성 속도를 가변시키고, 바람직하게는 HSR 및 TSR을 자동으로 유지하는 자동 온도 제어기를 이용할 것이다.
POx 반응기 내의 온도의 통상적인 증가율은 10 내지 100°F/hr이다. 온도는 점진적으로 그리고 꾸준히 증가될 수 있거나, 온도가 간헐적으로 증가될 수 있으며, 이는 심지어 온도가 증가하지 않는 기간에서도 반응기가 계속 가열되기 때문에, 온도가 꾸준히 증가하는 기간과 온도가 증가하지 않는 기간 사이에 있음을 의미한다.
결국 버너(1)에 공급된 기체 산화제 내의 불활성 가스의 함량은 0에 도달한다. 그 시점으로부터, 버너 내로의 1차 연료 및 산소의 흐름은 계속해서 증가하는 (다시, 계속해서 일정한 속도로 또는 다양한 속도로, 또는 간헐적으로) 질량 유량으로 계속되거나, 모든 1차 연료가 연소되는 속도로, 바람직하게는 스트림(11)에서 1차 연료 대 산소의 일정한 화학양론적 비로 계속된다. 버너 내에서 1차 연료 및 산소의 연소가 계속되고, 이제 버너로부터 발생하고 반응기(2) 내로 통과해 나가는 고온 산소인 스트림(16)을 계속 생성한다. 이때, 보조 연료의 흐름은, 또한 (일정한 속도에서, 또는 다양한 속도에서, 또는 간헐적으로) 증가하는 질량 유량으로, 바람직하게는 고온 산소 스트림 내의 산소에 대한 일정한 화학양론적 비로 고온 산소 스트림 내로 계속되고, 보조 연료는 고온 산소 스트림 내의 모든 산소와 함께 연소된다. 이 연소 생성물은 반응기의 내부로 통과되어 반응기의 작동 온도를 계속 증가시킨다.
반응기(2) 내부의 온도가 공급원료(21)의 산화 또는 부분 산화가 반응기(2) 내에서 시작되는 온도에 도달할 때, 공급원료(21)의 흐름이 시작되며, 이는 버너(1) 내에서 1차 연료 및, 원하는 경우, 보조 연료와 함께 기체 산화제의 연소에 의해 생성된 고온 산소 스트림으로 반응기(2) 내에서 산화되거나 부분적으로 산화된다. 반응기 조작자는 부분 산화가 시작되는 원하는 반응기 온도를 선택할 것이다. 이 온도는 물론 공급원료 조성물과 함께 그리고 작동 및 반응기 생성물의 원하는 특성과 함께 다양하다. 이러한 고려사항을 인식하면, 부분 산화가 시작되는 온도는 종종 2400 내지 2600°F의 범위일 수 있다.
반응기 온도를 상승시키기 위한 제2 구현예(압력 제어를 포함함):
본 구현예는 버너(1) 내에서 생성되고 반응기(2) 내로 공급되는 스트림(16)의 온도를 증가시킴으로써 반응기 내의 온도를 증가시킨다. 본 구현예의 실시가 시작됨에 따라, 반응기(2) 내의 온도는 주위 온도인 32 내지 120°F 내지 작동 온도까지의 임의의 온도이다.
본 구현예에서, 1차 연료, 및 산소를 함유하는 기체 산화제는 1차 연료에 대한 기체 산화제의 화학량론적 비가 1.0 초과, 바람직하게는 최대 8.0, 더욱 바람직하게는 3.0 내지 4.5인 비율로 버너(1) 내로 공급된다. 본 구현예는 이전의 구현예에 기재된 바와 같은 불활성 가스의 사용을 필요로 하지 않는다. 그러나, 두 구현예는 동시에 수행될 수 있다.
기체 산화제 내의 1차 연료 및 산소는 버너 내에서 연소된다. 연소는 버너로부터 발생하는 생성물 스트림(16)을 생성한다. 생성물 스트림(16)은 미연소 산소, 이산화탄소, 수증기를 포함하는 연소 생성물을 함유하고, 또한 일산화탄소 및 탄소 함유 자유 라디칼(예를 들어, :CH2, :OH 등)을 함유할 가능성이 있다. 이러한 방식으로 생성된 고온 연소 생성물은 적어도 2000°F 내지 4700°F의 온도를 갖는 고속 스트림으로서 적합한 오리피스(15)를 통해 그리고 이의 밖으로 스트림(16)으로서 버너(1)부터 통과하여 반응기(2) 내로 들어간다. 일반적으로 오리피스(15)를 통과할 때의 스트림(16)의 속도는 500 내지 2500 피트/초(fps)의 범위 내에 있을 것이다. 오리피스(15)부터 발생하는 스트림은 또한, 하기에 더 상세히 기재된 바와 같이 보조 연료(14)와 반응할 수 있다.
보조 연료(14)는 보조 연료에 대한 상기 미연소 산소 및 생성물 스트림(16) 내의 임의의 미연소 1차 연료의 화학량론적 비가 1.0에 근접하고 바람직하게는 0.9 내지 1.1인 비율로 버너(1)부터 발생하는 생성물 스트림(16) 내로 공급된다. 보조 연료는 버너(1)와 반응기(2) 사이 또는 반응기(2) 내에서 (또는 두 위치에서) 스트림(16)의 모든 미연소 산소와 함께 연소된다.
이 절차의 이 시점에서, 반응기(2) 내의 압력("초기 반응기 압력"으로 지칭될 수 있음)은 반응기(2) 내의 공급원료의 산화 또는 부분 산화가 수행될 압력보다 작다. 통상적으로, 시작에서의 초기 반응기 압력은 대기압 내지 50 psig이다. 통상적으로, 반응기가 부분 산화를 수행할 준비가 될 때의 반응기 압력은 50 psig 내지 600 psig 또는 그 이상이다.
반응기 내의 압력이 초기 반응기 압력에 있지만, 1차 연료 및 산소가 버너에 공급되는 질량 유량은 증가되고, 보조 연료가 상기 생성물 스트림 내로 공급되는 질량 유량은 증가되어, 반응기 내로 공급되는 연소 생성물의 온도를 증가시키는 반면, 반응기 내의 압력은 또한 반응기(2)가 공급원료(21)의 산화 또는 부분 산화를 시작할 값으로 증가된다. 조작자는 온도의 제어된 증가를 제공하기 위해 압력 증가율을 제어할 것이다.
반응기(2) 내의 압력은, 반응기(2) 내의 압력을 제어하는 반응기(2)로부터의 하류 어디에서나 압력 제어 밸브를 조절함으로써 증가되거나, 주어진 값으로 유지되거나, 감소된다.
반응기 내의 온도 및 압력이 산화 또는 부분 산화가 수행되는 값으로 증가했을 때, 반응기에 대한 탄소질 공급원료의 공급이 시작되고, 고온 산소의 스트림으로 공급원료의 산화가 시작된다.
POx 반응기 내에서의 압력 증가율의 통상적인 값은 5 psi/분 이하 정도이지만, 플랜트의 작동 실행이 무엇이든 될 수 있다. 이는 시스템의 유동 제어기가 압력 변화에 적응하는 능력에 따라 달라질 것이다. 통상적으로, POx 반응기 내에서의 온도 증가 속도는 10 내지 100°F/hr이다.
본 발명의 이러한 양태를 수행하는 하나의 바람직한 구현예는, 산화 또는 부분 산화가 수행되는 압력보다 낮은 일정한 제1 값으로 반응기 내의 압력을 유지하는 반면, 1차 연료 및 산소가 버너에 공급되는 질량 유량을 (바람직하게는 서로에 대해 일정한 화학량론적 비로) 증가시키고, 버너에 공급되는 1차 연료와 보조 연료 및 산소의 속도가 상기 제1 압력값에서 증가될 수 없을 때까지, 보조 연료의 질량 유량을 (바람직하게는 상기 생성물 스트림 중의 산소에 대해 일정한 화학량론적 비로) 증가시키는 것을 포함한다. 버너 내의 HSR의 통상적인 값은 3.0 내지 8.0의 범위이다. TSR(보조 연료를 포함함)의 통상적인 값은 0.9 내지 1.15의 범위이다.
다음으로, 반응기 내의 압력을 더 높은 값, 바람직하게는 산화 또는 부분 산화가 수행되는 압력보다 낮은 값으로 증가시키고, 반응기 내의 압력을 상기 더 높은 값으로 유지하면서, 1차 연료 및 산소가 버너에 공급되는 질량 유량을 증가시키고 보조 연료가 생성물 스트림 내로 공급되는 질량 유량을 증가시키고, 1차 연료와 2차 연료 및 산소가 버너에 공급되는 속도가 상기 압력에서 증가될 수 없을 때까지 반응기 내의 압력을 상기 더 높은 값으로 유지한다.
상기 언급된 단계는 임의의 횟수로 수행될 수 있으며, 이에 의해 반응기(2) 내의 온도 및 압력은 점진적으로 (증가는 일정한 속도에서 지속적으로, 다양한 속도로 지속적으로, 또는 간헐적으로) 증가한다. 반응기(2) 내의 압력이 증가하기 전에 일정 기간 동안 고정 값으로 유지되는 임의의 간헐적 작동이 존재하는 경우, 압력이 이전 단계보다 높은 값으로 유지되는 1 내지 6단계가 있는 것이 바람직하고, 산소 및 1차 연료와 보조 연료의 흐름은, 반응기(2) 내의 압력이 다시 증가하는 시점에서 주어진 압력 값에서 더 증가할 수 없을 때까지 증가한다. 결국, 반응기(2) 내의 온도 및 압력은 원하는 산화 또는 부분 산화가 반응기(2) 내에서 수행되는 값으로 증가된다.
실시예
본 실시예 및 도 2는 POx 반응기를 가열하기 위해 압력 제어에 의존하는 것을 도시한다. 본 실시예에 대한 설계 조건은 420 psig에서 170,000 scfh의 산소를 사용하여 실행하는 POx 반응기였다. 설계 한계는 2개의 선으로 도시되어 있으며, 하나는 원점(0,0) 부근에서 우측 수직축 상에 20을 향하여 연장되는 상부 설계 한계 라인이고, 다른 하나는 원점(0,0) 부근에서 우측 수직축 상에 약 4를 향하여 연장되는 하부 설계 한계 라인이다. 설계 한계 라인은 버너(1)의 최소 작동 속도에서 소성 속도가 너무 높을 것임을 보여준다. POx 반응기 내의 압력을 50 psig로 감소시키는 것은 그 압력에 대한 최소 O2 공급 속도에서 허용 가능한 소성 속도를 허용한다. 일단 버너가 점화되어 고온 산소 스트림(16)을 생성하고 보조 연료가 제공되면, 소성 속도 및 압력은 예열("설계 열 방출"이라고 표시된 라인까지) 및 후속 정상 작동으로의 전이를 통해 POx 반응기 내부를 단계적으로 증가시킬 수 있다.
도 2에서, 반응기 압력 스케일 상의 50 psig에서부터 상부 설계 한계 라인으로 수직으로 연장되는 화살표, 반응기 압력 스케일 상의 100 psig에서부터 상부 디자인 한계 라인으로 수직으로 연장되는 화살표, 반응기 압력 스케일 상의 150 psig에서부터 상부 디자인 한계 라인으로 수직으로 연장되는 화살표, 및 설계 열 방출 라인은 TSR이 0.9인 값에서 일정하게 유지되고, 고온 산소 버너(HOB)의 작동 소성 속도가 POx 반응기의 온도를 증가시키기 위해 증가되는 작동 조건을 도시한다. 전술한 수직 화살표 각각의 오른쪽을 향해 수평으로 연장되는 화살표는 TSR이 일정하게 유지되는 단계 사이에 간헐적으로, POx 반응기의 압력이 대신에 증가하는 동안 POx 반응기 온도 및 HOB 소성 속도가 일정하게 유지되는 것을 도시한다. 약 250 psig 반응기 압력에서 설계 열 방출 라인을 따라 놓여 있는 수평으로 연장 화살표, 설계 열 방출 라인으로부터 상부 설계 한계 라인까지 연장되는 약 250 psig 반응기 압력에서의 수직선, 약 250 psig 반응기 압력에서의 상부 설계 한계 라인부터 약 420 psig 반응기 압력까지 연장되는 수평선, 및 약 420 psig 반응기 압력에서부터 상부 설계 한계 라인까지 연장되는 수직선은 반응기 온도 및 HOB 유동/소성 속도를 유지(수평선)하고 TSR을 감소시키기 위해 버너 및 공급원료 유속을 증가(수직선)시키면서 반응기 압력을 교번적으로 증가시키는 것을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 구현예의 작동 조건을 도시하는 그래프이다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 기재된 바와 같이 사용하기에 적합한 본원에 기재된 바와 같은 장치에서 수행될 수 있다. 도 1은 이러한 장치를 개략적으로 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이, 버너(1)는 반응기(2)에 연결된다. 버너(1) 및 반응기(2)는 각각의 장치에서 반응이 발생할 수 있는 화씨 수천 도 정도의 온도를 견딜 수 있는 내화 라이닝이 구비된, 종래의 설계일 수 있다.
1차 연료(11)는 연료가 버너(1) 내로 공급되는 양 및 속도를 조절할 수 있는 제어 장치가 구비된 적합한 공급 라인을 통해, 버너(1) 내로 공급된다. 1차 연료(11)로서 적합한 재료는 천연 가스, 메탄, 프로판, 수소 및 코크스 오븐 가스를 포함하는 임의의 적합한 가연성 유체 예일 수 있거나, 다른 화학적 또는 석유화학 공정 작업으로부터 얻어진 탄화수소의 공정 스트림일 수 있다. 바람직하게는 1차 연료(11)는 기체 연료이다. 2번 연료유 또는 다른 오일과 같은 액체 연료가 또한 사용될 수 있다.
기체 산화제(12)는 기체 산화제가 버너(1) 내로 공급되는 양 및 속도를 조절할 수 있는 제어 장치가 구비된 공급 라인을 통해 버너(1) 내로 공급된다. 바람직하게는 기체 산화제(12)는 저장 탱크, 파이프라인 또는 공기 분리 플랜트와 같은 공급원으로부터 공급되는 적어도 99 부피%의 산소를 포함한다. 그러나, 기체 산화제(12)는 적어도 30 부피%, 바람직하게는 적어도 85 부피%의 산소 농도를 가질 수 있다. 버너(1)로 공급된 기체 산화제(12)는 일반적으로 50 내지 300 피트/초(fps)의 범위 내인 초기 속도를 가질 수 있고, 통상적으로 200 fps 미만일 것이다.
불활성 가스(13)는 또한 하기에 기재된 바와 같이 버너(1)에 공급될 수 있다. 불활성 가스(13)는 도 1에 도시된 바와 같이 버너(1) 내로 통과하기 전에 기체 산화제(12)로 공급될 수 있거나, 불활성 가스(13)가 버너(1) 내로 직접 공급될 수 있다. 불활성 가스(13)가 공급되는 라인은 불활성 가스가 버너(1) 내로 공급되는 양 및 속도를 조절할 수 있는 제어 장치를 구비한다. "불활성 가스"란, 버너(1)에서 연료와 산소의 연소 동안 산소 또는 연료와 반응하지 않는 99 몰% 초과의 임의의 가스를 의미한다. 따라서, "불활성 가스"는 산소와 또는 연료와 반응하지 않는 단일 물질을 포함하고, "불활성 가스"는 각각 산소와 또는 연료와 반응하지 않는 2개 이상의 물질의 혼합물을 포함한다. 바람직한 적합한 불활성 가스는 질소, 아르곤, 질소 및 아르곤의 혼합물, 및 이산화탄소 또는 이산화탄소를 함유하는 혼합물, 스팀 또는 스팀 함유 혼합물을 포함한다.
2차 연료(14)는 또한 하기에 기재된 바와 같이 시스템 내로, 오리피스(15)를 통해, 오리피스(15)와 반응기(2)의 유입구(23) 사이에서 발생하는 연소 생성물 내로, 또는 반응기(2) 내로 직접 공급될 수 있다.
일반적으로, 하기에 기재된 다양한 작동 조건에 따라, 기체 산화제(12) 중의 1차 연료(11) 및 산소가 버너(1)에서 서로 연소되어 버너(1)에서 연소 생성물을 함유하는 열 및 생성물 스트림(16)을 생성한다.
위에서 나타내고 하기에 더 자세히 기재된 바와 같이, 본 발명은 반응기(2) 내의 온도를 산화 또는 부분 산화가 반응기(2)에서 수행될 수 있는 온도로 상승시키기 위해 버너(1)(임의의 대체 또는 추가 버너보다는)를 사용하는 것에 관한 것이다. 반응기(2)는 공급원료가 퍼니스(2) 내로 공급되는 양과 속도를 조절할 수 있는 제어 장치를 구비한 라인을 통해 반응기(2) 내로 공급되는 탄소질 공급원료(21)의 부분 산화를, 반응기(2) 내에서 수행하기에 적합한 임의의 반응기를 나타낸다. 버너(1)로부터의 연소 생성물은 유입구(23)를 통해 반응기(2)로 들어가고, 반응기(2)에서 공급원료를 부분적으로 산화시키는 데 사용된다.
버너(2)에 적합한 공급원료(21)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 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 생성되는 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.
공급원료(21)는 수소 및 일산화탄소(CO)를 함유할 수 있고, 통상적으로 또한 탄소원자 1개 내지 18개의 알칸 및/또는 알칸올과 같은 하나 이상의 탄화수소를 함유하고, 종종 하나 이상의 이산화탄소(CO2), 및 타르 및/또는 그을음을 특징으로 하는 고분자량 탄화수소를 함유한다.
공급원료(21)는 주위 온도에 있을 수 있지만, 대개 통상적으로 약 500°F 내지 1600°F의 온도를 나타낸다.
공급원료(21)는 스트림(16)(하기에 더 자세히 기재된 바와 같이 제조됨)에 제공되는 산소와 반응하여 스트림(21)에 존재하는 성분으로부터 추가량의 수소 및 일산화탄소(CO)를 생성하는 반응기(2) 내로 공급된다. 타르가 스트림(21)에 존재하는 경우, 존재하는 타르 중 일부 또는 전부는 또한 반응기(2)에서 저분자량 탄화수소 생성물로 전환될 수 있다.
반응기(2)로부터 스트림(22)으로서 발생하는 산화된 생성물 스트림은 통상적으로 스트림이 이의 후속 공정에 공급될 때 존재하지 않아야 하는 물질을 제거하기 위해 이를 냉각하고 이를 처리하는 것과 같은 하나 이상의 추가 공정 단계를 거친다. 이는 물과의 간접 열교환에 의해 냉각될 수 있다. 이것은 촉매적으로 매개된 물-가스 이동("WGS") 반응을 거쳐 스트림 내의 성분으로부터 수소를 생성함으로써, 스트림(13)에서 수소 대 일산화탄소의 비를 조절하는 방법을 제공할 수 있다. 미립자, CO2를 포함하는 산 가스, 암모니아, 황 종 및 알칼리 화합물과 같은 기타 무기 물질과 같이 존재할 수 있는 불순물은, 존재하는 이러한 불순물 중 상이한 불순물을 제거하거나 특정 오염물을 원하는 낮은 수준으로 감소시키기 위해 각각 하나 또는 일련의 장치에서 제거될 수 있다. 이어서, 결과적으로 냉각되고 컨디셔닝된 스트림은 후속 화학적 공정 작업에서 연료로서 또는 반응물로서 추가로 사용되거나 비교적 순수한 H2 및/또는 CO의 스트림을 생성하도록 분리될 수 있다. 이러한 공정 작업의 바람직한 예는 피셔-트로프슈(Fischer-Tropsch) 공정 또는 다른 합성 방법론에 공급원료로서 사용하여 액체 탄화수소 또는 액체 탄화수소의 혼합물을 생성하는 것을 포함한다. 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 화학 화합물의 생성; 또는 중합체와 같은 더 긴 사슬 생성물의 생성을 포함한다.
도 1에서, 요소(31)는 스트림(22)의 임의의 및 모든 가능한 처리를 나타내며, 이의 예는 본원에 기재되어 있다. 처리(31)는 스트림(22)으로부터 재료의 저장, 이송, 정제 및/또는 반응을 위한 것과 같은 임의의 장치를 포함하는 경우, 장치는 재료에 가해지는 압력을 제어(즉, 증가, 감소 및/또는 유지)하기 위한 제공을 포함할 수 있으며, 이에 의해 반응기(2) 내의 압력이 증가, 감소 또는 유지될 수 있다.
반응기 온도를 상승시키기 위한 제1 구현예(불활성 가스를 포함함):
본 구현예는 버너(1) 내에서 생성되고 반응기(2) 내로 공급되는 스트림(16)의 온도를 증가시킴으로써 반응기 내의 온도를 증가시킨다. 본 구현예의 실시가 시작됨에 따라, 반응기(2) 내의 온도는 주위 온도인 32 내지 120F 내지 작동 온도까지의 임의의 온도이다.
본 구현예에서, 1차 연료, 및 산소 및 불활성 가스를 함유하는 기체 산화제는 1차 연료에 대한 기체 산화제의 화학량론적 비가 1.0 초과, 바람직하게는 최대 8.0, 더욱 바람직하게는 3.0 내지 4.5인 비율로 버너(1) 내로 공급된다. 이러한 일련의 단계의 시작 시, 불활성 가스(하나의 물질이든 물질의 혼합물이든)는 기체 산화제의 총 25 부피% 내지 75 부피%, 바람직하게는 기체 산화제의 40 부피% 내지 60 부피%를 포함할 수 있다.
기체 산화제 내의 1차 연료 및 산소는 버너 내에서 연소된다. 연소는 버너로부터 발생하는 생성물 스트림(16)을 생성한다. 생성물 스트림(16)은 미연소 산소, 이산화탄소, 수증기를 포함하는 연소 생성물을 함유하고, 또한 일산화탄소 및 탄소 함유 자유 라디칼(예를 들어, :CH2, :OH 등)을 함유할 가능성이 있다. 이러한 방식으로 생성된 고온 연소 생성물은 적어도 2000°F 내지 4700°F의 온도를 갖는 고속 스트림으로서 적합한 오리피스(15)를 통과하고 이의 밖으로 스트림(16)으로서 버너(1)부터 통과하여 반응기(2) 내로 들어간다. 일반적으로 오리피스(15)를 통과할 때의 스트림(16)의 속도는 500 내지 4500 피트/초(fps)의 범위 내에 있을 것이다. 오리피스(15)부터 발생하는 스트림은 또한, 하기에 더 상세히 기재된 바와 같이 보조 연료(14)와 반응할 수 있다.
보조 연료(14)는 보조 연료에 대한 상기 미연소 산소 및 생성물 스트림(16) 내의 임의의 미연소 1차 연료의 화학량론적 비가 1.0에 근접하고 바람직하게는 0.9 내지 1.1인 비율로 버너(1)부터 발생하는 생성물 스트림(16) 내로 공급된다. 보조 연료는 버너(1)와 반응기(2) 사이 또는 반응기(2) 내에서 (또는 두 위치에서) 스트림(16)의 산소와 함께 연소된다.
생성물 스트림 및 보조 연료의 연소 생성물이 반응기의 내부로 공급되지만, 상기 기체 산화제 내의 불활성 가스의 함량이 감소된다. 이러한 감소는 꾸준히 또는 간헐적(이는 감소되고, 이어서 일정하게 유지된 후, 다시 감소되고, 다시 일정하게 유지되는 등)으로 수행될 수 있다. 일반적으로, 불활성 가스의 질량 유량이 감소되는 속도는 반응기 내의 온도가 증가함에 따라 소성 속도의 증가에 비례하여, 수시간에 걸쳐 원활하게 발생한다.
기체 산화제의 불활성 가스 함량이 감소되는 것과 동시에, 상기 기체 산화제 내에 공급되는 산소의 질량 유량은 존재하는 불활성 가스의 양의 감소를 보상하기 위해 증가되고, 동시에 상기 생성물 스트림 내로의 보조 연료의 질량 유량도 또한 증가된다. 버너(1)에서 1차 연료의 연소가 계속되고, 버너 밖으로 통과하는 생성물 스트림(16)의 연소가 계속된다. 상기 연소 생성물은 반응기(2)의 내부로 계속 통과하여, 연소될 수 있는 연료의 증가하는 양으로 인해 반응기(2) 내부의 온도를 계속 증가시킨다.
조작자는 통상적으로 HSR 및 TSR을 유지하면서 용기 온도 설정치와 일치하는 동안 HOB의 소성 속도를 가변시키고, 바람직하게는 HSR 및 TSR을 자동으로 유지하는 자동 온도 제어기를 이용할 것이다.
POx 반응기 내의 온도의 통상적인 증가율은 10 내지 100°F/hr이다. 온도는 점진적으로 그리고 꾸준히 증가될 수 있거나, 온도가 간헐적으로 증가될 수 있으며, 이는 심지어 온도가 증가하지 않는 기간에서도 반응기가 계속 가열되기 때문에, 온도가 꾸준히 증가하는 기간과 온도가 증가하지 않는 기간 사이에 있음을 의미한다.
결국 버너(1)에 공급된 기체 산화제 내의 불활성 가스의 함량은 0에 도달한다. 그 시점으로부터, 버너 내로의 1차 연료 및 산소의 흐름은 계속해서 증가하는 (다시, 계속해서 일정한 속도로 또는 다양한 속도로, 또는 간헐적으로) 질량 유량으로 계속되거나, 모든 1차 연료가 연소되는 속도로, 바람직하게는 스트림(11)에서 1차 연료 대 산소의 일정한 화학양론적 비로 계속된다. 버너 내에서 1차 연료 및 산소의 연소가 계속되고, 이제 버너로부터 발생하고 반응기(2) 내로 통과해 나가는 고온 산소인 스트림(16)을 계속 생성한다. 이때, 보조 연료의 흐름은, 또한 (일정한 속도에서, 또는 다양한 속도에서, 또는 간헐적으로) 증가하는 질량 유량으로, 바람직하게는 고온 산소 스트림 내의 산소에 대한 일정한 화학양론적 비로 고온 산소 스트림 내로 계속되고, 보조 연료는 고온 산소 스트림 내의 모든 산소와 함께 연소된다. 이 연소 생성물은 반응기의 내부로 통과되어 반응기의 작동 온도를 계속 증가시킨다.
반응기(2) 내부의 온도가 공급원료(21)의 산화 또는 부분 산화가 반응기(2) 내에서 시작되는 온도에 도달할 때, 공급원료(21)의 흐름이 시작되며, 이는 버너(1) 내에서 1차 연료 및, 원하는 경우, 보조 연료와 함께 기체 산화제의 연소에 의해 생성된 고온 산소 스트림으로 반응기(2) 내에서 산화되거나 부분적으로 산화된다. 반응기 조작자는 부분 산화가 시작되는 원하는 반응기 온도를 선택할 것이다. 이 온도는 물론 공급원료 조성물과 함께 그리고 작동 및 반응기 생성물의 원하는 특성과 함께 다양하다. 이러한 고려사항을 인식하면, 부분 산화가 시작되는 온도는 종종 2400 내지 2600°F의 범위일 수 있다.
반응기 온도를 상승시키기 위한 제2 구현예(압력 제어를 포함함):
본 구현예는 버너(1) 내에서 생성되고 반응기(2) 내로 공급되는 스트림(16)의 온도를 증가시킴으로써 반응기 내의 온도를 증가시킨다. 본 구현예의 실시가 시작됨에 따라, 반응기(2) 내의 온도는 주위 온도인 32 내지 120°F 내지 작동 온도까지의 임의의 온도이다.
본 구현예에서, 1차 연료, 및 산소를 함유하는 기체 산화제는 1차 연료에 대한 기체 산화제의 화학량론적 비가 1.0 초과, 바람직하게는 최대 8.0, 더욱 바람직하게는 3.0 내지 4.5인 비율로 버너(1) 내로 공급된다. 본 구현예는 이전의 구현예에 기재된 바와 같은 불활성 가스의 사용을 필요로 하지 않는다. 그러나, 두 구현예는 동시에 수행될 수 있다.
기체 산화제 내의 1차 연료 및 산소는 버너 내에서 연소된다. 연소는 버너로부터 발생하는 생성물 스트림(16)을 생성한다. 생성물 스트림(16)은 미연소 산소, 이산화탄소, 수증기를 포함하는 연소 생성물을 함유하고, 또한 일산화탄소 및 탄소 함유 자유 라디칼(예를 들어, :CH2, :OH 등)을 함유할 가능성이 있다. 이러한 방식으로 생성된 고온 연소 생성물은 적어도 2000°F 내지 4700°F의 온도를 갖는 고속 스트림으로서 적합한 오리피스(15)를 통해 그리고 이의 밖으로 스트림(16)으로서 버너(1)부터 통과하여 반응기(2) 내로 들어간다. 일반적으로 오리피스(15)를 통과할 때의 스트림(16)의 속도는 500 내지 2500 피트/초(fps)의 범위 내에 있을 것이다. 오리피스(15)부터 발생하는 스트림은 또한, 하기에 더 상세히 기재된 바와 같이 보조 연료(14)와 반응할 수 있다.
보조 연료(14)는 보조 연료에 대한 상기 미연소 산소 및 생성물 스트림(16) 내의 임의의 미연소 1차 연료의 화학량론적 비가 1.0에 근접하고 바람직하게는 0.9 내지 1.1인 비율로 버너(1)부터 발생하는 생성물 스트림(16) 내로 공급된다. 보조 연료는 버너(1)와 반응기(2) 사이 또는 반응기(2) 내에서 (또는 두 위치에서) 스트림(16)의 모든 미연소 산소와 함께 연소된다.
이 절차의 이 시점에서, 반응기(2) 내의 압력("초기 반응기 압력"으로 지칭될 수 있음)은 반응기(2) 내의 공급원료의 산화 또는 부분 산화가 수행될 압력보다 작다. 통상적으로, 시작에서의 초기 반응기 압력은 대기압 내지 50 psig이다. 통상적으로, 반응기가 부분 산화를 수행할 준비가 될 때의 반응기 압력은 50 psig 내지 600 psig 또는 그 이상이다.
반응기 내의 압력이 초기 반응기 압력에 있지만, 1차 연료 및 산소가 버너에 공급되는 질량 유량은 증가되고, 보조 연료가 상기 생성물 스트림 내로 공급되는 질량 유량은 증가되어, 반응기 내로 공급되는 연소 생성물의 온도를 증가시키는 반면, 반응기 내의 압력은 또한 반응기(2)가 공급원료(21)의 산화 또는 부분 산화를 시작할 값으로 증가된다. 조작자는 온도의 제어된 증가를 제공하기 위해 압력 증가율을 제어할 것이다.
반응기(2) 내의 압력은, 반응기(2) 내의 압력을 제어하는 반응기(2)로부터의 하류 어디에서나 압력 제어 밸브를 조절함으로써 증가되거나, 주어진 값으로 유지되거나, 감소된다.
반응기 내의 온도 및 압력이 산화 또는 부분 산화가 수행되는 값으로 증가했을 때, 반응기에 대한 탄소질 공급원료의 공급이 시작되고, 고온 산소의 스트림으로 공급원료의 산화가 시작된다.
POx 반응기 내에서의 압력 증가율의 통상적인 값은 5 psi/분 이하 정도이지만, 플랜트의 작동 실행이 무엇이든 될 수 있다. 이는 시스템의 유동 제어기가 압력 변화에 적응하는 능력에 따라 달라질 것이다. 통상적으로, POx 반응기 내에서의 온도 증가 속도는 10 내지 100°F/hr이다.
본 발명의 이러한 양태를 수행하는 하나의 바람직한 구현예는, 산화 또는 부분 산화가 수행되는 압력보다 낮은 일정한 제1 값으로 반응기 내의 압력을 유지하는 반면, 1차 연료 및 산소가 버너에 공급되는 질량 유량을 (바람직하게는 서로에 대해 일정한 화학량론적 비로) 증가시키고, 버너에 공급되는 1차 연료와 보조 연료 및 산소의 속도가 상기 제1 압력값에서 증가될 수 없을 때까지, 보조 연료의 질량 유량을 (바람직하게는 상기 생성물 스트림 중의 산소에 대해 일정한 화학량론적 비로) 증가시키는 것을 포함한다. 버너 내의 HSR의 통상적인 값은 3.0 내지 8.0의 범위이다. TSR(보조 연료를 포함함)의 통상적인 값은 0.9 내지 1.15의 범위이다.
다음으로, 반응기 내의 압력을 더 높은 값, 바람직하게는 산화 또는 부분 산화가 수행되는 압력보다 낮은 값으로 증가시키고, 반응기 내의 압력을 상기 더 높은 값으로 유지하면서, 1차 연료 및 산소가 버너에 공급되는 질량 유량을 증가시키고 보조 연료가 생성물 스트림 내로 공급되는 질량 유량을 증가시키고, 1차 연료와 2차 연료 및 산소가 버너에 공급되는 속도가 상기 압력에서 증가될 수 없을 때까지 반응기 내의 압력을 상기 더 높은 값으로 유지한다.
상기 언급된 단계는 임의의 횟수로 수행될 수 있으며, 이에 의해 반응기(2) 내의 온도 및 압력은 점진적으로 (증가는 일정한 속도에서 지속적으로, 다양한 속도로 지속적으로, 또는 간헐적으로) 증가한다. 반응기(2) 내의 압력이 증가하기 전에 일정 기간 동안 고정 값으로 유지되는 임의의 간헐적 작동이 존재하는 경우, 압력이 이전 단계보다 높은 값으로 유지되는 1 내지 6단계가 있는 것이 바람직하고, 산소 및 1차 연료와 보조 연료의 흐름은, 반응기(2) 내의 압력이 다시 증가하는 시점에서 주어진 압력 값에서 더 증가할 수 없을 때까지 증가한다. 결국, 반응기(2) 내의 온도 및 압력은 원하는 산화 또는 부분 산화가 반응기(2) 내에서 수행되는 값으로 증가된다.
실시예
본 실시예 및 도 2는 POx 반응기를 가열하기 위해 압력 제어에 의존하는 것을 도시한다. 본 실시예에 대한 설계 조건은 420 psig에서 170,000 scfh의 산소를 사용하여 실행하는 POx 반응기였다. 설계 한계는 2개의 선으로 도시되어 있으며, 하나는 원점(0,0) 부근에서 우측 수직축 상에 20을 향하여 연장되는 상부 설계 한계 라인이고, 다른 하나는 원점(0,0) 부근에서 우측 수직축 상에 약 4를 향하여 연장되는 하부 설계 한계 라인이다. 설계 한계 라인은 버너(1)의 최소 작동 속도에서 소성 속도가 너무 높을 것임을 보여준다. POx 반응기 내의 압력을 50 psig로 감소시키는 것은 그 압력에 대한 최소 O2 공급 속도에서 허용 가능한 소성 속도를 허용한다. 일단 버너가 점화되어 고온 산소 스트림(16)을 생성하고 보조 연료가 제공되면, 소성 속도 및 압력은 예열("설계 열 방출"이라고 표시된 라인까지) 및 후속 정상 작동으로의 전이를 통해 POx 반응기 내부를 단계적으로 증가시킬 수 있다.
도 2에서, 반응기 압력 스케일 상의 50 psig에서부터 상부 설계 한계 라인으로 수직으로 연장되는 화살표, 반응기 압력 스케일 상의 100 psig에서부터 상부 디자인 한계 라인으로 수직으로 연장되는 화살표, 반응기 압력 스케일 상의 150 psig에서부터 상부 디자인 한계 라인으로 수직으로 연장되는 화살표, 및 설계 열 방출 라인은 TSR이 0.9인 값에서 일정하게 유지되고, 고온 산소 버너(HOB)의 작동 소성 속도가 POx 반응기의 온도를 증가시키기 위해 증가되는 작동 조건을 도시한다. 전술한 수직 화살표 각각의 오른쪽을 향해 수평으로 연장되는 화살표는 TSR이 일정하게 유지되는 단계 사이에 간헐적으로, POx 반응기의 압력이 대신에 증가하는 동안 POx 반응기 온도 및 HOB 소성 속도가 일정하게 유지되는 것을 도시한다. 약 250 psig 반응기 압력에서 설계 열 방출 라인을 따라 놓여 있는 수평으로 연장 화살표, 설계 열 방출 라인으로부터 상부 설계 한계 라인까지 연장되는 약 250 psig 반응기 압력에서의 수직선, 약 250 psig 반응기 압력에서의 상부 설계 한계 라인부터 약 420 psig 반응기 압력까지 연장되는 수평선, 및 약 420 psig 반응기 압력에서부터 상부 설계 한계 라인까지 연장되는 수직선은 반응기 온도 및 HOB 유동/소성 속도를 유지(수평선)하고 TSR을 감소시키기 위해 버너 및 공급원료 유속을 증가(수직선)시키면서 반응기 압력을 교번적으로 증가시키는 것을 도시한다.
Claims (10)
- 탄소질 공급원료가 부분적으로 산화되는 반응기를 작동시키는 방법으로서,
버너에서의 연소에 의해 버너로부터 발생하는 연소 생성물의 스트림이 생성되어 반응기의 내부로 들어가도록 함께 결합되는 버너와 반응기를 제공하는 단계,
1차 연료에 대한 기체 산화제의 화학량론적 비가 1.0 초과인 비율로, 1차 연료, 및 산소와 불활성 가스를 함유하는 기체 산화제를 버너에 공급하는 단계;
버너에서 1차 연료와 기체 산화제 중의 산소를 연소시켜, 미연소 산소를 포함하는 연소 생성물을 함유하고 버너로부터 발생하는 생성물 스트림을 생성하는 단계,
1차 연료와 보조 연료의 합계에 대한 버너에 공급된 상기 기체 산화제의 화학량론적 비가 0.85 내지 1.15인 비율로, 보조 연료를 버너로부터 발생하는 생성물 스트림에 공급하고, 생성물 스트림 중의 모든 미연소 산소를 사용하여 버너와 반응기 사이 또는 반응기 내에서 보조 연료를 연소시키고, 상기 연소 생성물을 반응기 내부로 공급하여 반응기 내부를 가열하는 단계, 이어서
생성물 스트림 및 보조 연료의 연소 생성물을 반응기의 내부로 계속 공급하는 동안, 상기 기체 산화제에서 불활성 가스의 함량을 감소시키는 동시에, 상기 기체 산화제에 공급되는 산소의 질량 유량을 증가시켜 불활성 가스의 감소를 보충하고 동시에 상기 생성물 스트림으로의 보조 연료의 질량 유량을 증가시키고, 버너를 통과해 나가는 생성물 스트림을 연소시키고, 상기 연소 생성물을 반응기 내부로 통과시켜 반응기 내부의 온도를 계속 증가시키는 단계,
기체 산화제의 불활성 가스의 함량이 0에 도달하는 시점부터, 버너로 들어가는 1차 연료 및 산소의 질량 유량을 증가시키되, 일정하거나 가장 높은 값이 가장 낮은 값보다 10% 더 높은 범위 내에서 변하는 서로에 대한 화학양론적 비로 증가시키고, 버너에서 1차 연료 및 산소를 연소시켜 버너로부터 발생하여 반응기 내로 통과하는 고온 산소 스트림을 생성하고, 고온 산소 스트림으로의 보조 연료의 질량 유량을, 고온 산소 스트림 내 산소에 대한 일정한 화학양론적 비로 증가시키고, 고온 산소 스트림 내 모든 산소를 사용하여 보조 연료를 연소시키고, 상기 연소 생성물을 반응기 내부로 통과시켜 반응기의 작동 온도를 계속 증가시키는 단계; 및
반응기 내의 온도가 단계(B)가 수행되는 온도에 도달할 때,
(B) 탄소질 공급 물질을 반응기에 공급하고, 이를 버너의 1차 연료 및, 필요한 경우 보조 연료를 사용한 기체 산화제의 연소에 의해 생성된 고온 산소 스트림을 사용하여 반응기에서 부분적으로 산화시키는 단계를 포함하는, 방법. - 탄소질 공급원료가 부분적으로 산화되는 반응기를 작동시키는 방법으로서,
(A) 버너에서의 연소에 의해 버너로부터 발생하는 연소 생성물의 스트림이 생성되어 반응기의 내부로 들어가도록 함께 결합되는 버너와 반응기를 제공하는 단계,
(B) (1) 1차 연료에 대한 기체 산화제의 화학량론적 비가 1.0 초과인 비율로, 1차 연료, 및 산소를 함유하는 기체 산화제를 버너에 공급하는 단계;
(2) 버너에서 1차 연료와 기체 산화제 중의 산소를 연소시켜, 미연소 산소를 포함하는 연소 생성물을 함유하고 버너로부터 발생하는 생성물 스트림을 생성하는 단계,
(3) 생성물 스트림 중의 보조 연료와 임의의 미연소 1차 연료에 대한 상기 미연소 산소의 화학량론적 비가 0.9 내지 1.1인 비율로, 보조 연료를 버너로부터 발생하는 생성물 스트림에 공급하고, 생성물 스트림 중의 모든 미연소 산소를 사용하여 버너와 반응기 사이 또는 반응기 내에서 보조 연료를 연소시켜 반응기 내부를 가열하는 단계,
(C) 반응기 내의 압력이 단계(D)가 수행되는 압력보다 낮은 수준에 있는 동안, 1차 연료 및 산소가 버너에 공급되는 질량 유량을 증가시키고 보조 연료가 상기 생성물 스트림 내로 공급되는 속도를 증가시킴으로써, 반응기 내의 온도 및 압력이 단계(D)가 수행되는 값으로 증가할 때까지, 반응기 내의 압력을 증가시키면서, 반응기 내로 공급되는 연소 생성물의 온도를 증가시키는 단계,
및
(D) 탄소질 공급 물질을 반응기에 공급하고, 이를 상기 고온 산소 스트림을 사용하여 반응기에서 부분적으로 산화시키는 단계를 포함하는, 방법. - 제2항에 있어서, 단계(C)는
(C1) 반응기 내의 압력을 단계(D)가 수행되는 압력보다 낮은 일정한 제1 값으로 유지하면서, 1차 연료 및 산소가 버너에 공급되는 질량 유량을 증가시키고, 버너에 공급되는 1차 연료와 보조 연료 및 산소의 속도가 상기 제1 압력 값에서 증가될 수 없을 때까지 보조 연료의 질량 유량을 증가시키는 단계;
(C2) 반응기 내의 압력을 단계(D)가 수행되는 압력보다 낮은, 더 높은 값으로 증가시키고, 반응기 내의 압력을 상기 더 높은 값으로 유지하면서, 1차 연료 및 산소가 버너에 공급되는 질량 유량을 증가시키고 반응기 내의 압력을 상기 더 높은 값으로 유지하면서, 1차 연료와 2차 연료 및 산소가 버너에 공급되는 속도가 상기 압력에서 증가될 수 없을 때까지, 보조 연료가 생성물 스트림 내로 공급되는 질량 유량을 증가시키는 단계,
반응기 내의 온도가 단계(D)가 수행되는 값으로 증가될 때까지, 단계(C2)를 적어도 1회, 최대 총 6회 수행하는 단계를 포함하는, 방법. - 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 기체 산화제 대 1차 연료의 화학량론적 비는 최대 8.0인, 방법.
- 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 기체 산화제 대 1차 연료의 화학량론적 비는 최대 3.0 내지 4.5인, 방법.
- 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 탄소질 공급원료는 천연 가스; 바이오매스, 석탄 또는 리그닌의 가스화에 의해 생성된 기체 스트림; 코크스 오븐 가스; 또는 열분해 가스 중 임의의 것을 포함하는, 방법.
- 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 불활성 가스는 질소, 아르곤, 이산화탄소 또는 스팀 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
- 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 고온 산소 스트림으로의 보조 연료의 질량 유량은 고온 산소 스트림 중의 산소에 대해 일정한 화학량론적 비로 증가되는, 방법.
- 제3항에 있어서, 단계(C1)에서, 반응기 내의 압력은 단계(D)가 수행되는 압력보다 낮은 일정한 제1 값으로 유지되는 반면, 1차 연료 및 산소가 버너에 공급되는 질량 유량은 서로에 대해 일정한 화학량론적 비로 증가되는, 방법.
- 제3항에 있어서, 단계(C1)에서, 반응기 내의 압력은 단계(D)가 수행되는 압력보다 낮은 일정한 제1 값으로 유지되는 반면, 보조 연료의 질량 유량은 상기 생성물 스트림 중의 산소에 대해 일정한 화학량론적 비로 증가되는, 방법.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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