KR20230155547A

KR20230155547A - 증기 분해 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20230155547A
Application number: KR1020237034425A
Authority: KR
Inventors: 디알. 마티유 젤후버; 미하엘 회렌츠; 다비트 부르더; 마르틴 호프슈테터
Original assignee: 린데 게엠베하
Priority date: 2021-03-10
Filing date: 2022-03-08
Publication date: 2023-11-10
Also published as: CA3211811A1; WO2022189424A1; CN116981880A; US20240158700A1; AU2022235047A1; JP2024511735A; EP4056894A1; EP4305345A1; BR112023017590A2

Abstract

대류 영역(12)이 없는 전기식 분해로(10)를 포함하고 급랭 냉각 트레인(20)을 더 포함하는 증기 분해 장치(2100-2800)를 사용하는 증기 분해 방법이 제안되는데, 여기서 공정 가스 스트림이 적어도 전기 분해로(10)와 급랭 냉각 트레인(20)을 통과한다. 급랭 냉각 트레인(20)이 어느 순서로든 배열된 2개의 구분되는 냉각 단계들을 포함하는데, 여기서 냉각 단계들의 제1 단계에서 전기식 분해로(10)로부터 인출된 공정 가스 스트림의 적어도 일부가 기화되는 보일러 공급수에 대해 절대압력 30 내지 175 바의 수준으로 냉각되고, 그리고 여기서 냉각 단계들의 제2 단계에서 전기식 분해로(10)로부터 인출된 공정 가스 스트림의 적어도 일부가, 이에 따라 350 내지 750°C의 온도 수준으로 가열되는 공정 가스 스트림의 형성에 사용된 공급 탄화수소 및 공정 증기의 과열 혼합물에 대해 냉각된다. 대응 장치(2100-2800) 역시 본 발명의 일부이다.

Description

증기 분해 방법 및 시스템

본 발명은 독립 청구항들의 전제부에 따른 증기 분해 방법 및 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 예를 들어 울만 산업화학 백과사전(Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, online publication 15 April 2009, DOI:　10.1002/14356007.a10_045.pub2)의 "Ethylene" 항목에 기재된 바와 같은 올레핀 화합물 및 다른 기초 화학물질들의 제조를 위한 증기 분해(steam cracking)에 기반한다.

탄화수소를 증기 분해하는 방법 및 장치가 US 2006/116543 A1에 개시되어 있다. 이 방법은 탄화수소와 증기의 혼합물을 탄화수소를 분해하기에 충분히 높아 이를 올레핀 화합물로 변환하기에 충분히 높은 원하는 온도로 가열하는 것으로 구성되는데, 이 방법은 혼합물을 가열하는 데 필요한 에너지의 원천이 기본적으로 열에너지와 교류 발전기에 의해 전기로 변환될 기계적 일(work)의 양자를 동시에 산출하는 연료의 연소를 이용한 열병합발전(cogeneration)에 의해 공급되는 것과, 혼합물이 처음 열병합발전으로 공급되는 열에너지를 사용하여 예열을 받고 이어서 열병합발전으로 공급되는 전기를 사용한 전기 가열에 의해 원하는 분해 온도로 가열되는 것을 특징으로 한다.

US 2020/172814 A1에는 대류 섹션, 복사 섹션, 및 냉각 섹션을 구비하여, 탄화수소 원료(feedstock)를 분해 가스(cracked gas)로 변환하는 분해로 시스템이 개시되는데, 여기서 대류 섹션은 탄화수소를 수납하여 예열하는 복수의 대류 뱅크(bank)들을 포함하고, 여기서 복사 섹션이 원료를 열분해 작용이 가능한 온도까지 가열하도록 구성된 적어도 하나의 복사 코일을 구비하는 화실(firebox)을 포함하며, 여기서 냉각 섹션은 적어도 하나의 이송 라인 열교환기(transfer line exchanger)를 포함한다.

현재 증기 분해에서 흡열 분해 반응을 개시 및 유지하는 데 필요한 열에너지는 내화로(refractory furnace) 내에서의 연료 가스의 연소로 제공된다. 처음 증기와 탄화수소를 포함하는 분해될 공정 가스(process gas)는 복사(radiant) 영역 또는 섹션으로도 지칭되는 내화물 박스 내부에 위치한 소위 분해 코일(cracking coil)들을 통과한다. 이 흐름 경로 상에서 공정 가스는 지속적으로 가열되어, 분해 코일 내부에서 원하는 분해 반응이 일어날 수 있게 하고, 이에 따라 공정 가스가 분해 산물 내에서 계속 농축된다. 분해 코일로의 공정 가스의 전형적인 유입구 온도는 550 내지 750°C이고, 유출구 온도는 전형적으로 800 내지 900°C의 범위이다.

복사 영역에 추가하여, 연소식 분해로(fired cracking furnace)는 소위 대류 (convection) 영역 또는 섹션과 소위 급랭(quench) 영역 또는 섹션을 구비한다. 대류 영역은 일반적으로 복사 영역 위에 위치하고 복사 영역으로부터의 연소 가스(flue gas) 덕트를 가로지르는 여러 관다발들로 구성된다. 그 주된 기능은 복사 영역을 이탈하는 고온의 연소 가스로부터 가능한 한 많은 에너지를 회수 하는 것이다. 실제 전체 연소 부하(firing duty)의 35 내지 50%만이 일반적으로 복사 영역 내에서 분해 코일을 통과하는 공정 가스에 전달된다. 이에 따라 대류 영역은 노로의 열 입력(즉 연소 부하)의 약 40 내지 60%의 유용한 사용을 담당하므로 증기 분해의 에너지 관리에서 중심 역할을 한다. 실제 복사 및 대류 영역을 함께 고려하면 현재의 증기 분해 플랜트는 (연료의 저위 발열량(lower heating value) 또는 순발열량(net calorific value)을 기준하여) 전체적 연소 부하의 90 내지 95%를 이용한다. 대류 섹션에서 연소 가스는 대류 섹션을 이탈하기 전에 60 내지 140°C의 온도 수준으로 냉각되어 굴뚝(stack)을 통해 대기로 방출된다.

대류 영역에서 회수된 연소 가스는 일반적으로 보일러 공급수 및/또는 탄화수소 공급물의 예열, 액체 탄화수소 공급물의 (부분적) 기화와 공정 증기와 초고압 증기의 과열(superheating) 등의 공정 부하들에 사용된다.

급랭 영역은 주(main) 공정 가스 경로를 따라 복사 영역 하류에 위치한다. 이는 공정 가스를 분해 반응이 정지될 최대 온도 수준 미만으로 신속히 냉각하여 하류 처리를 위해 공정 가스를 더욱 냉각하고, 추가적인 에너지 사용을 위해 공정 가스로부터 감지 가능한 열을 효율적으로 회수하는 주 기능을 갖는 하나 이상의 열교환기 유닛들로 구성된다. 또한 추가적인 냉각 또는 급랭은 증기 분해 액체가 공급될 때 예를 들어 오일 급랭 냉각 등 액체의 분사를 통해 이뤄질 수 있다.

급랭 섹션에서 회수된 공정 가스 열은 일반적으로 고압(high-pressure; HP) 또는 초고압(super-high-pressure; SHP)(일반적으로 절대압력 30 내지 130 바(bar) 범위의 압력) 보일러 공급수를 기화시키고, 동일한 보일러 공급수를 증기 드럼(steam drum)에 공급되기 전에 예열하는 데 사용된다. 생성된 포화 고압 또는 초고압 증기는 이에 따라 대류 영역에서 과열되어(위 참조) 과열 고압 또는 초고압 증기를 형성할 수 있고, 이로부터 플랜트의 중앙 증기 시스템으로 분배되어 열교환기와 증기 터빈, 또는 다른 회전 설비에 열과 동력을 제공한다. 노의 대류 영역에서 달성되는 증기 과열의 전형적 정도는 포화온도(이슬점 마진; dew point margin)보다 150 내지 250 K 더 높다. 일반적으로, 증기 분해로는 (전형적으로 30 내지 60 바의) 고압 증기 또는 (전형적으로 60 내지 130 바의) 초고압 증기로 작동될 수 있다. 본 발명의 설명에서의 명료성을 위해, 본 발명이 175 바까지의 압력의 증기의 사용을 포함하므로 고압 증기는 30 내지 130 바의 전체 압력 범위 뿐 아니라 그 상한 너머에 대해서도 사용된다.

급랭 냉각에 이은 공정 가스 처리의 중요 부분은 분리를 위해 공정 가스를 조절하기 위해 중질(heavy) 탄화수소와 공정수(process water)의 제거 등 일반적으로 후속 처리 이후에 수행되는 압축이다. 공정 가스 또는 분해 가스 압축으로도 지칭되는 이 압축은 일반적으로 증기 터빈으로 구동되는 다단계 압축기로 수행된다. 증기 터빈에서, 전술한 플랜트의 중앙 증기 시스템으로부터의 적절한 압력의 증기, 이와 같이 대류 섹션과 급랭 섹션으로부터의 열을 사용하여 산출된 증기를 포함하는 증기가 사용될 수 있다. 일반적으로, 종래기술의 증기 분해 플랜트에서 (대류 영역에서의) 연소 가스의 열과 (급랭 영역에서의) 공정 가스의 열은 스팀 터빈을 가열 및 구동하는 데 필요한 증기 양의 대부분에 대한 열 수요와 잘 균형을 이룬다. 달리 말해, 폐열은 플랜트에 필요한 증기의 생성에 거의 완전히 사용될 수 있다. 증기 생성을 위한 추가적 열은 (연소) 증기 보일러에서 제공될 수 있다.

참고로, 그리고 본 발명의 배경을 더 예시하기 위해 종래의 연소식 증기 분해 장치가 도 1에 매우 간략한 개략 부분도로 도시되어 900으로 지시되었다.

도 1에 도시된 증기 분해 장치(900)는 굵은 선으로 도시된 바와 같이 하나 이상의 분해로(90)들을 구비한다. 일반적인 증기 분해 장치(900)는 동일 또는 다른 조건들 하에 작동될 수 있는 복수의 분해로(90)를 구비할 수 있지만, 이하에서는 간결성을 위해 "하나의(one)" 분해로(90)만을 언급한다. 또한 분해로(90)는 이하에 설명되는 하나 이상의 컴포넌트들을 구비할 수 있다.

분해로(90)는 복사 영역(91)과 대류 영역(92)를 구비한다. 고 1에 도시된 것과 다른 실시예들에서도, 예를 들어 몇 개의 복사 영역(91)이 단일한 대류 영역(92)에 연계될 수 있다.

도시된 예에서, 몇 개의 열교환기(921 내지 925)들이 도시된 배치 또는 시퀀스, 또는 다른 배치 또는 시퀀스로 배열된다. 이 열교환기(921 내지 925)들은 일반적으로 대류 영역(92)을 통과하는 관다발(tube bundle) 형태로 구비되고 복사 영역(91)로부터의 연소 가스 내에 위치한다.

도시된 예에서, 복사 영역(91)은 복사 영역(91)을 형성하는 내화물의 바닥과 벽 측에 배치된 복수의 버너(911)에 의해 가열되는데, 이들은 일부만 지시되고 있다. 다른 실시예들에서, 버너(911)는 또한 벽 측 또는 바닥 측에만 구비될 수도 있다. 후자는 바람직하기로 예를 들어 순 수소가 연소에 사용되는 경우가 될 수 있다.

도시된 예에서, 탄화수소를 포함하는 기상 또는 액상 공급 스트림(stream)(901)이 증기 분해 장치(900)에 제공된다. 몇 개의 공급 스트림(901)이 도시된 방식 또는 다른 방식으로 사용될 수도 있다. 공급 스트림(901)은 대류 영역(92) 내의 열교환기(921)에서 예열된다.

또한 보일러 공급수 스트림(902)이 대류 영역(92)을 통과, 더 정확히는 열교환기(922)를 통과하는데, 여기서 예열된다. 보일러 공급수 스트림(902)은 다음 증기 드럼(steam drum; 83)에 도입된다. 대류 영역(92)의 열교환기(923) 내에서, 일반적으로 증기 분해 장치(900)의 외부에 위치하는 공정 증기 생성 시스템으로부터 공급되는 공정 증기 스트림(903)이 추가적으로 가열되고, 도 1에 도시된 예에서는 그 다음 공급 스트림(901)과 조합된다.

이에 따라 형성된 공급물 및 증기의 스트림(904)이 대류 영역(92) 내의 다른 열교환기(925)를 통과한 다음, 복사 영역(91)에서 일반적으로 몇 개의 분해 코일(912)들을 통과하여 분해 가스 스트림(905)을 형성한다. 도 1의 도면은 매우 간략화되어 있다. 일반적으로, 해당 스트림(904)은 복수의 분해 코일(912)들에 걸쳐 균일하게 분배되고 거기서 형성된 분해 가스가 수집되어 분해 가스 스트림(905)을 형성한다.

도 1에 더 도시된 바와 같이, 증기 스트림(906)이 증기 드럼(93)으로부터 인출되어 대류 영역(92)의 다른 열교환기(924)에서 (과)가열됨으로써 고압 증기 스트림(907)을 생성할 수 있다. 고압 증기 스트림(907)은 구체적으로 도시되지 않은 어떤 적절한 위치와 어떤 적절한 목적으로 증기 분해 장치(900)에서 사용될 수 있다.

복사 영역(12) 또는 분해 코일(912)들로부터의 분해 가스 스트림(905)은 하나 이상의 이송 라인(transfer line)들을 통해 급랭 열교환기(quench exchanger; 94)로 전달되고 여기서 전술한 이유로 급속히 냉각된다. 여기 도시된 급랭 열교환기(94)는 1차(primary) 급랭 열교환기를 나타낸다. 이러한 1차 급랭 열교환기에 추가하여 추가적인 급랭 열교환기들 역시 존재할 수 있다.

냉각된 분해 가스 스트림(907)은 이 도면에 매우 개략적으로만 도시된 추가적 처리 유닛(95)들로 전달된다. 이 추가적 처리 유닛(95)들은 특히 분해 가스의 세정(scrubbing), 압축, 및 분류(fractionation)를 위한 처리 유닛들과, 증기 드럼(93)으로부터의 증기를 사용하여 작동되는 96으로 지시된 증기 터빈을 포함하는 압축기 장치가 될 수 있다.

도시된 예에서, 급랭 열교환기(94)는 증기 드럼(93)으로부터의 물 증기(water stem; 908)로 작동된다. 급랭 열교환기(94)에서 형성된 증기 스트림(909)는 증기 드럼(93)으로 복귀된다.

산업 공정들에서 적어도 이산화탄소의 국부적 배출을 저감시키려는 지속적 노력은 증기 분해 플랜트의 운영에도 확대된다. 모든 기술분야에서와 같이, 이산화탄소의 국부적 방출의 저감은 특히 공정 유닛들의 일부 또는 가능한 전부를 전기화하여 달성될 수 있다.

개질로(reformer furnace)에 연계된 EP 3 075 704 A1에 기재된 바와 같이, 전압원이 버너에 추가하여 사용될 수 있는데, 이 전압원은 이에 따라 생성된 전류가 원료(feedstock)를 가열하는 방식으로 반응관(reactor tube)들에 연결된다. 전기 가열되는 분해로가 사용되는 증기 분해 플랜트가 예를 들어 WO 2020/150244 A1, WO 2020/150248 A1 및 WO 2020/150249 A1로 제안되었다. 다른 또는 광의의 맥락에서의 전기로(Electric furnace) 기술은 예를 들어 WO 2020/035575 A1, WO 2015/197181 A1, EP 3 249 028 A1, EP 3 249 027 A1 및 WO 2014/090914 A1, 또는 예를 들어 DE 23 62 628 A1 DE 1 615 278 A1, DE 710 185 C 및 DE 33 34 334 A1 등의 더 오래된 문헌들에 개시되었다.

US 2006/116543 A1은 탄화수소를 증기 분해하는 방법 및 장치를 개시하는데, 이 방법은 탄화수소와 증기의 혼합물을 탄화수소를 분해하기에 충분히 높아 이를 올레핀 화합물로 변환하기에 충분히 높은 원하는 온도로 가열하는 것으로 구성되는데, 이 방법은 혼합물을 가열하는 데 필요한 에너지의 원천이 기본적으로 열에너지와 교류 발전기에 의해 전기로 변환될 기계적 일의 양자를 동시에 산출하는 연료의 연소를 이용한 열병합발전에 의해 공급되는 것과, 혼합물이 처음 열병합발전으로 공급되는 열에너지를 사용하여 예열을 받고 이어서 열병합발전으로 공급되는 전기를 사용한 전기 가열에 의해 원하는 분해 온도로 가열되는 것을 특징으로 한다.

US 2020/172814 A1에 따르면 탄화수소 원료를 분해 가스로 변환하는 분해로 시스템이 대류 섹션, 복사 섹션, 및 냉각 섹션을 구비하는데, 여기서 대류 섹션은 탄화수소를 수납하여 예열하는 복수의 대류 뱅크들을 포함하고, 여기서 복사 섹션이 원료를 열분해 작용이 가능한 온도까지 가열하도록 구성된 적어도 하나의 복사 코일을 구비하는 화실을 포함하며, 여기서 냉각 섹션은 적어도 하나의 이송 라인 열교환기를 포함한다.

증기 분해 플랜트의 가열 개념의 완전한 또는 부분적 수정, 즉 연료를 연소시켜 생성하는 열 대신 전기 에너지로 생성된 열의 완전한 또는 부분적 사용은 다소 실질적인 개입이다. 대안으로 특히 기존의 플랜트를 개장할 때 덜 침습적인 재설계 옵션이 바람직한 경우가 많다. 이는 예를 들어 공정 가스 압축기 또는 다른 압축기를 구동하는 데 사용되는 증기 터빈을 적어도 부분적으로 전기 구동으로 대체하는 것을 포함할 수 있다, 전술한 바와 같이, 이러한 증기 터빈은 부분적으로 분해로의 대류 섹션에서 회수된 폐열에 의해 생성된 증기로 작동될 수 있지만, 일반적으로 연소식 증기 보일러가 충분한 증기 양을 추가적으로 제공해야 한다. 이에 따라, 전술한 압축기를 구동하는 데 사용되는 증기 터빈의 적어도 부분적인 전기 구동으로의 대체는 연소식 보일러의 부하를 저감시킴으로써 국부적 이산화탄소 배출을 저하시키는 데 적합할 수 있다.

그러나 후술할 바와 같이, 특히 이러한 플랜트의 일부의 전기화는 전체적 플랜트의 열 균형에 상당한 영향을 미친다. 즉 압축기들을 구동하는 증기 터빈이 전기 구동으로 대체되면, 이전에는 증기 터빈을 구동하는 데 사용되던 플랜트에서 생성된 폐열이 더 이상 완전히 활용될 수 없다. 반면 연소식 노가 전기로로 대체되면 이전에 증기를 제공하고 공급물을 가열하는 등에 사용되던 연소 가스로부터의 폐열이 더 이상 사용될 수 없다.

달리 말해, 증기 분해 부분의 어떤 이산화탄소 방출 부분들의 대체는 전체적 플랜트 운영에 거대한 영향을 미쳐 이는 단순히 하나의 컴포넌트를 다른 것으로 대체하는 문제가 아니다. 이에 따라 이러한 컴포넌트들의 증기 분해 플랜트로의 특히 에너지 관리 면에서의 효율적이고 유효한 통합은 전체적 플랜트 설계에 가장 중요하다. 이는 이에 따라 본 발명의 목적이다.

이와 관련하여 본 발명은 특히 연소식 증기 분해로가 전기 가열 증기 분해로로 대체되어, 증기 터빈 또는 다른 회전 설비 등의 증기 소비 장치가 사용 가능한 증기가 아주 적거나 전혀 산출되지 않게 되는 상황에 관련된다. 본 발명은 특히 증기 분해 플랜트의 "완전 전기화(full electrification)"가 구현된 상황에 관련된다. 이러한 상황에서는 전술한 바와 같이 종래 잘 균형 잡혔던 증기 생산 및 소비 상황이 거의 완전히 변경되었으므로 운영의 적절한 모드를 찾아야 한다.

이 배경에 대해, 본 발명은 독립 청구항들의 특징들을 갖는 증기 분해(steam cracking) 방법 및 시스템을 제안한다. 본 발명의 실시예들은 종속 청구항들과 다음 상세한 설명의 주제이다.

본 발명의 특징과 이점들을 더 기술하기 전에 상세한 설명에 사용된 일부 용어들을 더 설명한다.

"공정 증기(process steam)"라는 용어는 탄화수소 공급물(feed)이 증기 분해를 받기 전에 탄화수소 공급물에 추가되는 증기를 지칭할 것이다. 다른 용법으로 공정 증기는 해당 원료의 일부이다. 이에 따라 공정 증기는 일반적으로 알려진 대로 증기 분해 반응에 참여한다. 공정 증기는 특히, "공정수(process water)", 즉 예를 들어 증기 분해로부터 인출된 공정 가스로부터 또는 그 분류(fraction)로부터의 혼합된 탄화수소/물 스트림으로부터, 특히 용기/유착기(vessels/coalescers), 탈산소화 유닛(deoxygenation unit)으로부터의 중력 분리 또는 필터를 사용하여 이전에 분리된 물의 기화로 생성된 증기를 포함할 수 있다.

"공정 가스(process gas)"는 증기 분해로를 통과하고, 그 이후 급랭(quenching), 압축, 냉각, 및 분리 등의 처리 단계들을 받게 되는 가스 혼합물이다. 공정 가스는 증기 분해로에 공급될 때 증기 분해를 받은 증기와 유리(educt) 탄화수소를 포함, 즉 증기 분해를 받은 "공급물 스트림(feed stream)" 역시 이 명세서에서 공정 가스로 지칭된다. 구별이 필요하다면, 이는 "증기 분해로로 도입되는 공정 가스(process gas introduced into a steam cracking)" 및 "배출 공정 가스(process gas effluent)" 등의 표현으로 표시된다. 증기 분해로를 이탈할 때, 공정 가스에는 분해 산물이 풍부해지고 특히 유리 탄화수소가 고갈된다. 후속 처리 단계들 동안, 예를 들어 분류(fraction)가 분리되므로 공정 가스의 조성은 더욱 변화될 수 있다.

"고순도 증기(high-purity steam)"라는 용어는 공정 증기와 달리 정화된 보일러 공급수의 기화로 생성된 증기를 지칭한다. 고순도 증기는 일반적으로 표준적 관례에 의해 규정된다. 공정수는 일반적으로 공정 가스로부터의 다른 성분들을 포함하므로 일반적으로 공정수로부터 생성된 증기는 포함하지 않는다.

"공급 탄화수소(feed hydrocarbons"라는 용어는 증기 분해로의 공정 가스 내에서 증기 분해를 받는 적어도 하나의 탄화수소를 지칭할 것이다. "가스 공급물(gas feed)"이라는 용어가 사용되면 공급 탄화수소는 주로 또는 전적으로 분자 당 2 내지 4개의 탄소 원자들을 갖는 탄화수소들을 포함한다. 반면 "액체 공급물(liquid feed)"이라는 용어는 주로 또는 전적으로 분자 당 3 내지 40개의 탄소 원자들을 갖는 탄화수소들을 지칭할 것이고, "중질 공급물(heavy feed)"은 이 범위의 상한에 해당한다.

"전기로(electric furnace)"라는 용어는 일반적으로 분해 코일 내에서 공정 가스를 가열하는 데 필요한 주로 또는 전적으로 전기에 의해 제공되는 증기 분해로에 사용된다. 이러한 노는 유선 연결 및/또는 유도 전력 전송의 어느 하나를 통해 전원 시스템에 연결된 하나 이상의 전기 히터 장치들을 포함할 수 있다. 히터 장치 소재 내부에서는, 인가된 전류가 줄 가열(Joule heating)에 의해 입체 열원(volumetric heat source)을 생성한다. 분해 코일 자체가 전기 가열 장치로 사용된다면, 방출된 열은 대류-전도 열전달에 의해 공정 가스에 직접 전달된다, 별도의 전기 가열 장치가 사용된다면 줄 가열로 방출된 열은 가열 장치로부터 공정 가스에 간접적으로 전달되는데, 먼저 바람직하기로 복사와 작은 정도의 대류를 통해 가열 장치로부터 분해 코일로 전달되고, 다음 가열 장치로부터 대류-전도 열전달에 의해 공정 가스에 전달된다. 공정 가스는 분해로에 공급되기 전에 다양한 방식으로 예열될 수 있다.

반면 "연소로(fired furnace)"는 일반적으로 분해 코일 내에서 공정 가스를 가열하는 데 필요한 주로 또는 전적으로 하나 이상의 버너들을 사용한 연료의 연소에 의해 제공되는 증기 분해로이다. 공정 가스는 분해로에 공급되기 전에 다양한 방식으로 예열될 수 있다.

"하이브리드 가열 개념(hybrid heating concept)"이라는 용어는 일반적으로 전기로와 연소로의 조합이 증기 분해에 사용될 때 사용된다. 본 발명의 맥락에서, 단일한 분해 코일은 엄격히 연소로 또는 전기로 전용, 즉 각 분해 코일은 전적으로 전기 에너지로 가열되거나 전적으로 연소에 의해 가열된다고 예측하는 게 바람직하다.

"주로(predominantly)"라는 용어는 이 명세서에서 적어도 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 또는 95%의 비율 또는 함량을 지칭한다.

이 명세서에 사용된 "회전 설비(rotating equipment)"라는 용어는 압축기, 송풍기(blower), 펌프, 및 발전기로부터 선택된 하나 이상의 컴포넌트들에 관련될 수 있는데, 이러한 회전 설비는 전기 모터, 증기 터빈, 또는 가스 터빙 등의 기계적 에너지 원으로 구동할 수 있다.

"다중 스트림 열교환기(multi-stream heat exchanger)"는 특히 냉각될 매질이 예를 들어 앞의 울만 항목에 언급된 바와 같은 "이송 라인 (열)교환기(transfer line exchanger)"에서와 같이 복수의 통로들을 통과하는 열교환기이다.

본 발명자들이 아는 한, 전기 가열 분해로에 대한 기존의 문헌은 전기 코일 가열 섹션 그 자체의 설계와 운영에만 한정된다. (예열 및 급랭 섹션들을 포함하는) 완전한 노 아키텍처 또는 더 광범위한 분해 플랜트 아키텍처로의 통합 개념에 관해 얻을 수 있는 정보는 거의 없다. 이는 전술한 가장 최근의 간행물, 즉 WO　2020/150244 A1, WO 2020/150248 A1, 및 WO 2020/150249 A1을 제외하고는 타당하다.

증기 분해 장치(stemcracker)(이하 "증기 분해 장치(steamcracking arrangement)"로 지칭함)로의 전기로의 효율적이고 유효한 통합은 전체적 플랜트 설계, 특히 에너지 관리에 아주 중요하다. 가장 큰 어려움은 전술한 바와 같이 전기 가열로가 대류 영역을 구비하지 않는다는 사실이다. 이미 언급했듯이 연소 분해로에서는 전체 열 입력의 40 내지 60%가 대류 영역에서 회수되어 다양한 목적들에 사용될 수 있기 때문에 이는 매우 중요하다.

본 발명에 따라 제공되는 개념과 해법들은 특히, 전기로 시스템을 포함하는 증기 분해 장치에 필요한 다음 임무와 요구치들을 충족할 것을 의도하고 이에 적합하다.

- 공급 탄화수소와 증기로부터 사전 혼합된(premixed) 공정 가스 스트림을 분해 코일 내에서 550 내지 750°C의 유입구(inlet) 온도로부터 800 내지 900°C의 유출구(outlet) 온도까지 전기 가열함으로써 연소식 분해로에서 얻어지던 것과 유사하거나 더 양호한 분해 수율(yield)을 달성한다.

- 예열하고, 액체 공급물의 경우 공급 탄화수소를 전형적인 20 내지 150°C의 공급 온도로부터 550 내지 750°C의 전술한 코일 유입구 온도로 기화시킨다. 공급 탄화수소의 예열 및 기화는 공정 증기를 사전 추가하거나 추가하지 않고 수행되는데, 공정 증기는 전형적으로 130 내지 200°C 수준의 온도로 노 시스템에 공급된다.

- 분해 코일들 하류의 공정 가스를, 공정 가스로부터의 열 회수가 가능한 하나 이상의 다중 스트림 열교환기들에서 (액체 원료에 대해) 300 내지 450°C 또는 (기체 원료에 대해) 150 내지 300°C의 온도 수준으로 효율적이고 급속하게 냉각한다.

- 노 시스템과 잔여 증기 분해 플랜트 간의 에너지 흐름의 균형을 맞춰 안전하고 신뢰성 높으며 효율적인 플랜트 운영을 보장한다.

본 발명은 이러한 구성을 위한 노 설계, 배치, 및 운영의 면에서 새로운 공정 해법들을 제안한다. 쉽게 말해 본 발명은 다음 질문에 대한 해법을 제공하는데: "일부, 대부분, 또는 전적으로 전기로들을 구비하는 (이산화탄소) 배출이 적거나 없는 증기 분해로에서 어떻게 열량의 균형을 잡고 분배할 것인가?(How to balance and distribute heat quantities in a low- to zero-emission steamcracker featuring some, mostly or exclusively electric furnaces?)"

모든 연소식 노 통합 개념들이 엄격하게, 고온 연소 가스 스트림으로부터 열이 회수되는 대류 영역의 존재에 의존하므로 기존의 종래기술은 이 과업을 어떻게 동시에 해결할지에 대한 예를 포함하지 않는다.

종전의 간행물들이 공정 가스 스트림으로부터의 열이 회수되어 예를 들어 공급물 예열 또는 공정 증기 생성 등에 사용될 수 있다고 기재할 수도 있지만, 사용 가능한 공정 열을 증기 분해 플랜트 또는 인접 화학 단지의 다양한(wealth of) 다른 공정 열 소비 장치에 어떻게 공급할 수 있는지의 해법은 제공되지 않는다. 더 이상 증기를 1차 에너지 캐리어로 사용하지 말자는 제안이 있을 수 있지만, 플랜트의 모든 가열 부하에 전기를 사용하지 않는 한 전술한 열 공급 문제는 해결되지 않고 남는다. 저온에서 가열 목적으로 전기를 사용하면 현저한 엑서지 손실(exergy losses)이 야기되므로 후자의 다소 사소한 해법은 에너지 최적과 거리가 멀다. 종래기술의 다른 실시예들에서는 발전기 시스템과 조합된 증기 터빈에서 전기를 생산할 목적으로 생성된 증기가 강하게 과열된다. 원래 전기 가열 반응조 시스템에서 산출된 증기로부터 전기를 생산하는 것은 다시 높은 엑서지 손실과 최적이 아닌 자원 관리를 야기하므로 이 역시 의문스러운 해법이다.

본 발명에 따르면, 대류 영역 없는 전기 분해로를 포함하고 급랭 냉각 트레인들을 더 포함하는 증기 분해 장치를 사용하는 증기 분해 방법이 제공되는데, 여기서 공정 가스 스트림은 적어도 전기 분해로와 급랭 냉각 트레인들을 통과한다. 다음 설명에서 장치(arrangement), 장치(device), 스트림들을 단수로 참조하지만 본 발명은 이 항목들의 각각을 복수로 구비하는 실시예들도 마찬가지로 포함할 수 있음에 유의해야 한다. 이에 관련하여, 스트림들은 필요하다면 다른 컴포넌트들과 조합되거나 다른 컴포넌트들에 분배될 수 있다.

이 명세서에서 "대류 영역 없는(without a convection zone)" 전기식 분해로를 참조한다면, 이는 연소 가스 스트림으로부터 전형적으로 500 kW 이상의 공정열의 상당한 양이 지속적으로 회수되는 영역의 부재에 관련된다. 다른 말로는, 재류 영역이 없는 분해로는 의도적으로 냉각되어 전형적으로 500 kW 이상의 공정열의 상당한 양이 지속적으로 회수되는 연소 가스 스트림으로부터의 이산화탄소 배출이 없는 분해로이다. 그러나 노 시스템은 예를 들어 배기 굴뚝의 유출구의 안전 관련 파일럿 버너 등 공정 목적이 아닌 이산화탄소 배출원을 구비할 수 있다. 그러나 이는 일반적으로 회수 불가능한 열의 작은 양을 제공한다.

이에 따라 일반적으로 탄화수소 분해 작동 동안 전기 분해로에서 바람직하기로 1000 kW 이상의 열량이 본 발명에 따른 전기로 코일박스(들)을 통과하거나 이로부터 인출되는 공정 가스 스트림 이외의 스트림에 현열(sensible heat)로 전달된다. 이러한 다른 스트림들은 예를 들어 고순도 증기 스트림이 될 수 있다. 달리 표현하면, 전기 분해로에서 공정 가스 이외의 스트림에 전달되는 위 열은 공정 가스에 전달되는 열의 최대(not more than) 5% 또는 최대 3%일 수 있다.

본 발명에 따르면 급랭 냉각 트레인은 바람직하기로 적어도 2개의 구분되는 냉각 단계들을 포함하도록 작동되는데, 여기서 냉각 단계들의 첫 번째 단계에서 전기식 분해로로부터 인출된 공정 가스 스트림의 적어도 일부가 30 내지 175 바, 바람직하기로 60 내지 140 바, 더 바람직하기로 80 내지 125 바의 절대압력에서 기화된 보일러 공급수에 대해 냉각되고, 그리고 여기서 냉각 단계들의 두 번째 단계에서 전기식 분해로로부터 인출된 공정 가스 스트림의 적어도 일부가, 이에 따라 350 내지 750°C, 바람직하기로 400 내지 720°C, 더 바람직하기로 450 내지 700°C로 가열되는 공정 가스 스트림의 형성에 사용된 공급 탄화수소 및 공정 증기의 혼합물에 대해 냉각된다.

본 발명의 특히 바람직한 실시예에 따르면, 증기 생성 장치는 증기 분해 장치와 열적 연계되어 작동되고 역시 그 일부가 될 수 있는데, 여기서 적어도 절대압력 30 내지 175 바의 제1 압력 수준과 제1 온도 수준의 과열 고압 증기를 사용하고 제1 온도 수준보다 더 높은 온도 수준의 증기는 거의 생성하지 않는다. 이와 관련하여 "거의 생성 않는 증기(substantially no steam)"는 특히 증기 생성 장치에서 생성되는 전체 증기 양의 10% 미만의 증기 양을 지칭한다.

이 실시예를 더 따르면, 제1 압력 수준 및 제1 온도 수준의 과열 고압 증기는 적어도 부분적으로 단열적 및 등엔탈피적으로 제1 온도 수준 미만의 제2 온도 수준으로 팽창시키며, 제2 압력 수준은 바람직하지만 필수적은 아니게 절대압력 20 바 이상이어서 단열적 및 등엔탈피적 팽창 만에 의해 그 온도 수준이 제2 온도 수준으로 강하하게 된다. 제1 온도 수준은 단열적 및 등엔탈피적 팽창 동안 20 바 이상의 중간 압력 수준들에서 도달하는 각 중간 온도 수준이 단열적 및 등엔탈피적 팽창 동안 각 중간 압력 수준에서의 증기의 이슬점보다 5 내지 120 K, 바람직하기로 10 내지 100 K, 더 바람직하기로 20 내지 80 K 더 높도록 선택된다. 달리 말해, 팽창된 증기는 본 발명에 따른 제1 온도 수준을 선택함으로써 적당한 과열 수준으로 유지되면서, 동시에 20 바 이상의 모든 중간 압력 수준들에 대한 팽창의 전체 과정 동안 비등점 곡선으로부터 충분한 거리를 유지한다. 후자는 팽창이 40 바 이상의 제1 압력 수준으로부터 시작되는 경우와 특히 관련이 있는데, 이러한 경우 2상(two-phase) 영역에 도달되거나 적어도 일시적으로 통과되기 때문이다. 이는 본 발명에 따라 방지된다.

본 발명에 따라 증기 과열의 정도를 제한, 즉 적당한 과열은 노 시스템 내부로부터 반출되는 증기가 소비 장치에 전적으로 공정 열만을 공급하여 의도한 경우에 특히 적합한데, 이에 관련하여 "반출된(exported)"이라는 용어는 증기 생성 장치로부터의 인출과 관련되고 전체 시스템으로부터는 아니거나 필수적이 아니다. 이 증기는 또한 과열 수준이 기본적으로, 증기 이송 동안의 마찰(abrasion)의 결과인 응축을 방지하도록 선택되므로 "건조(dry)" 증기로도 지칭된다. 위에 지적한 온도 수준들이 준수된다면 단순한 단열적 및 등엔탈피적 팽창에 의해 그 압력이 히트 싱크(heat sink)가 요구하는 압력 및 온도로 팽창된 후 또는 팽창되는 동안 상변화(phase change) 없이 강하될 수 있다. 최소 압력, 즉 제2 압력 수준까지의 어떤 가능하게 적용되는 단열적 및 등엔탈피적 팽창에 대해, 증기 흐름의 결과적인 이슬점 마진은 팽창 동안 20 바 이상의 어떤 중간 수준에서 이미 전술한 범위에 있다.

본 발명의 실시예에 따라 강한 증기 과열을 방지함으로써, 더 높은 온도 수준(전형적으로 300°C 이상)에서의 공급물 예열을 위한 급랭 열의 사용 가능성이 최대화될 수 있다. 더 상세히 후술할 바와 같은 전기 증기 과열기를 구비하는 실시예들에서 전기 분해로로의 전기 에너지의 수입이 최소화될 수 있다.

(대류 영역이 없으므로) 공급물 예열도 증기 과열도 연소 가스에 대해 수행되지 않는 점에서 본 발명은 모든 알려진 연소로 통합 시스템과 다르다. 이전에 제안되었던 전기로 통합 개념과 달리, 본 발명은 명시적으로 증기를 1차 에너지 캐리어, 더 구체적으로 다양한 온도 수준들에서 열 소비 장치에 대한 열 캐리어로 사용할 것을 예상한다. 증기 생성 및 반출 조건들은 증기 분해 플랜트 내부와 인접 화학 단지의 열 분배의 의도한 목적에 맞도록 특별히 설계된다.

뿐만 아니라 포화 및/또는 적당히 과열된 고입 증기 및 결과적 응축물만을 사용하여 약 300°C의 온도 수준까지의 공급 탄화수소, 공정 증기 및 보일러 공급수를 예열하는 본 발명에 따른 실시예에 사용된 토폴로지는 전기로에서 이 공정 부하들을 충족시키는 본 발명 해법을 대표하는데, (연소로와 달리) 연소 가스로부터의 추가적 폐열이 사용 불가능하다. 이 해법들은 노에서 직접 사용 가능한 열 매질을 사용함으로써 배관 수요를 저감시키고 열교환기들에서의 온도 차를 작게 유지함으로써 엑서지 손실을 최소화하며 바람직하기로 최대 열 회수를 위해 응축물들의 과냉(subcooling)을 수행한다.

공정 가열 목적만으로 증기 사용을 제한하고 이에 따라 증기 파라미터들을 설정함으로써. 증기 시스템은 (압력과 온도에 대해) 유연하게 운영될 수 있고, 또한 예를 들어 작동 동안의 증기 과열 및/또는 압력 수준을 변경함으로써 일시적 에너지 버퍼(buffer)로도 사용될 수 있다. 이는 생산된 증기가 스팀 터빈들에서 동력 생성에 사용되지 않는다는 사실로 촉진되는데, 증기 터빈은 증기 기반 열교환기보다 증기 조건의 변동에 내성이 낮다.

전기 에너지 반입의 변경은 다른 실시예들에서 예를 들어 특정한 열교환기들의 제어된 유출구 온도의 설정점 수정 등 다른 방법들로 구현될 수 있다. 예를 들어 후술할 바와 같은 도 2에 보인 하나의 실시예에서, 이러한 변경은 이 증기가 공급되는 열교환기(X2)의 유출구 온도를 저하시킴으로써 구현될 수 있는데, 노의 동일한 화학물질 생산 부하를 유지하기 위해 다른 열교환기 및/또는 코일 가열로의 전체 전기 에너지 반입의 증가로 결과된다. 전기 증기 과열을 갖는 실시예들에서는, 이 변경이 부하를 변경시킴으로써 간단한 방식으로 이뤄질 수 있다.

이에 따라 본 발명에 따르면, 하나 이상의 증기 생성 장치에서 생성된 증기가 1 MW 이상의 축동력을 전달하는 증기 터빈 구동, 바람직하기로 증기 터빈 또는 위에 규정된 바와 같은 다른 회전 설비에 전혀 사용되지 않는다. 달리 말해, 본 발명에 따르면 증기 생성 장치(들)로부터의 증기가 공급되는 증기 터빈 또는 적어도 1 MW 이상의 축동력을 전달하는 증기 터빈이 사용되지 않는다.

제1 압력 수준과 제1 온도 수준으로 과열된 고압 증기는 바람직하기로 공정수로부터 생성된 증기를 포함하지 않고 바람직하기로 보일러 공급수로부터 생성한 증기만을 포함한다. 이에 따라 과열 고압 증기는 바람직하기로 위에 규정된 고순도 증기이다. 과열 고압 증기는 바람직하기로 하나 이상의 공정 가스 스트림의 형성에는 사용되지 않는데, 즉 증기 분해 반응에 참여하지 않는다.

달리 말해, 본 발명에 따르면 전술한 바와 같이 적당히 과열된 고순도 증기 흐름만이 생성되어, 최소 압력, 즉 제2 압력 수준으로 단열적 및 등엔탈피적 팽창하도록 해당 압력 수준, 즉 제1 압력 수준으로 반출되고, 팽창된 증기 흐름의 결과적인 이슬점 마진은 이미 언급한 범위이다.

본 발명에 따르면, 급랭 냉각 트레인, 바람직하기로 1차 급랭 열교환기와 2차 급랭 열교환기를 포함하는 급랭 냉각 트레인이 사용되는데, 1차 급랭 열교환기는 냉각 단계들 중 제1의 단계의 적어도 일부를 수행하고 2차 급랭 열교환기는 냉각 단계들 중 제2의 단계의 적어도 일부를 수행하는 데 사용되거나 그 역도 성립한다. 본 발명의 해당 실시예들은 첨부 도면들을 참조하여 이하에 특히 더 상세히 설명된다.

본 발명에 따르면, 전기식 분해로(들)로부터 인출한 공정 가스 스트림으로부터의 열이 보일러 공급수 스트림 및/또는 과열 고압 증기의 형성에 사용된 증기 스트림에 전달되는 다중 흐름 열교환기가 사용되거나, 및/또는 전기 증기 과열기(superheater)가 증기 생성 장치에 사용될 수 있다. 뿐만 아니라, 공급 탄화수소와 공정 증기의 과열 혼합물, 즉 이어서 분해될 공정 스트림의 형성에 사용된 공급 탄화수소의 적어도 일부는 (이후 공급물-배출물 열교환기로도 지칭되는) 다중 흐름 열교환기의 전기 분해로로부터 인출한 공정 가스 스트림의 적어도 일부를 사용하여 예열될 수 있다.

급랭 냉각 트레인으로, 공정 가스 스트림에 직렬로 3개 또는 4개의 열교환기들의 배열을 구비하는 급랭 냉각 트레인이 본 발명에 따라 사용될 수 있는데, 그 중 적어도 하나는 막 설명한 다중 흐름 열교환기로 제공된다. 이 열(series)에서 제1 밑 제2 급랭 열교환기들은 전술한 1차 및 2차 열교환기들이 될 수 있다. 열(heat)은 3개 또는 4개의 급랭 열교환기들의 이러한 열(series)의 3차 및 존재한다면 4차 급랭 열교환기를 통해 보일러 공급수 스트림 및/또는 과열 고압 증기 형성에 사용되는 증기 스트림에 전달된다. 이와는 달리, 특히 본 발명의 하나의 실시예에서 제공되는 전기 증기 과열기가 구비되는 경우, 3개 또는 4개의 급랭 열교환기들의 이러한 열(series)의 마지막 급랭 열교환기가 공급 탄화수소 및 공정 증기의 과열된 혼합물, 특히 이미 공정 증기를 포함하는 혼합물을 형성하는 데 사용되는 공급 탄화수소의 적어도 일부를 예열한다. 3개 또는 4개의 급랭 열교환기들의 열의 마지막 급랭 열교환기는 이하에서 "3차(tertiary)" 급랭 열교환기로도 지칭되고, 4개의 급랭 열교환기들의 열의 끝에서 두 번째 급랭 열교환기는 "중간(intermediate)" 급랭 열교환기로 지칭된다. 이 특정한 명명은 여기서 단지 더 쉽게 참조하기 위한 것임을 유의해야 한다.

이상을 부분적으로 반복함으로써, 제1 압력 수준과 제1 온도 수준의 과열 고압 증기가 바람직하기로 공정수로부터 생성된 증기를 포함하지 않거나 및/또는 보일러 공급수로부터 생성된 증기만을 포함하여, 제1 압력 수준과 제1 온도 수준의 과열 고압 증기가 고순도 과열 고압 증기로 제공될 수 있다, 뿐만 아니라, 이미 전술했듯이 바람직하기로 하나 이상의 증기 생성 장치들에서 생성된 증기가 1 MW 이상의 축마력을 전달하는 증기 터빈 구동에 사용되지 않는다.

역시 전술한 바와 같이, 본 발명의 특히 바람직한 실시예에 따른 증기 분해 장치는 다른 전기 에너지 양을 사용하여 다른 작동 모드들로 작동되는데, 이는 본 발명에 따른 증기 생성 및 사용의 유연성의 결과로 가능해진다. 이러한 방식으로 본 발명은 전력망(electric grid)을 안정화시키는 e도 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 증기 분해 시스템에 관한 추가적 상세와 그 바람직한 실시예들에 대해서는, 위 본 발명 방법과 그 바람직한 실시예들의 설명을 참조하기 바란다. 바람직하기로, 제안된 장치는 앞에 더 상세히 설명된 실시예들 중의 적어도 하나에서 방법을 수행하도록 구성된다.

전술한 것들을 다시 요약하면, 본 발명은 위에 열거한 모든 부하와 요구치들을 고도로 전기화된 증기 분해 장치 설계의 문맥에서 증기 분해에 대해 충족시킬 것을 보장하는 신규한 개념들을 제안한다.

본 발명의 하나의 실시예에 따라 제공된 과열된 고압 증기의 과열을 제한하는 해법은 연소로와 터빈 구동 대형 회전 기계에 기반하는 현재의 증기 분해 장치 설계의 현재 최신기술과 결별한다. 이 기술적 선택은 고도로 전기화된 증기 분해 장치 설계의 맥락에서 매우 효율적인 해법을 나타낸다.

실제, (이슬점 마진이 전형적으로 노 유출구에서 150 K보다 높은) 노 섹션에서 고도로 과열된 고압 증기를 생산하는 현재 관행은 노의 대류 영역의 풍부한 폐열 에너지와 압축기와 펌프를 구동하는 증기 터빈의 사용 가능성으로 주도된다. 터빈 추출 또는 터빈 유출구로부터 인출된 감압된 증기는 또는 다양한 수준의 공정 열을 제공하는 데 사용된다.

고도로 전기화된 분해로 분리 트레인들에서, 증기 터빈 대신 전기 압축기 구동의 사용은 증기 분해 플랜트의 엑서지 손실을 야기한다. 뿐만 아니라, 분리 트레인에는 고도로 과열된 고압 증기의 더 효율적인 용도가 없다. 이에 따라 과열의 수준을 저하시킴으로써 본 발명은 급랭 섹션에서 회수한 열에너지의 대부분을, 공급물-배출물 직접 열교환기를 통해 직접 또는 과열 증기 생성 및 공급물 예열 단계들에서 그 증기의 사용을 통해 간접적으로 공급 탄화수소/공정 증기 혼합물의 필요한 예열에 사용할 수 있게 한다.

공급물 예열을 위한 급랭 열 사용으로 사용을 최대화하여 전기로로의 전기 에너지의 전체 반입을 감소시킴으로써 노의 운영 원가를 저감시키고 전력망(electrical grid)으로의 노 통합을 촉진하며, 노 섹션에서의 전체적 엑서지 손실을 저감시킨다.

예시된 실시예들에서, 1차 급랭 열교환기가 증기 생성에 사용되는 변형예는 가장 빠른 분해 가스 냉각과 반응 급랭(보일러수의 높은 열전달계수)의 이점을 제공하는 한편, 1차 급랭 열교환기가 공급물-배출물 열교환기로 설계된 변형예는 추소 전기 에너지 반입의 이점을 제공한다.

본 발명의 하나의 실시예에 따른 주어진 범위의 적당한 과열은, 다른 온도 수준들의 소비 장치들로의 분배가 과열 해제 및/또는 터빈 스테이지들에 대한 추가적인 보일러 공급수 분사를 포함하는 전체 증기 수준들에 대한 강하(letdown) 스테이션들 없이 노가 반출하는 적당히 과열된 과열 증기의 단상, 단열, 및 등엔탈피 팽창으로 간단히 이뤄질 수 있으므로 공정 열 소비 장치들로의 간단하고 유연한 열 공급을 가능하게 한다.

전술한 바와 같이, 더 낮은 온도에서의 예열은 배관 용적을 감소시키고 증기 응축수의 과냉각(subcooling)에 의한 최대 열 회수를 가능하게 해준다.

동적 거동 측면에서는, 증기 시스템에 전기 반입의 균형을 잡고 변동을 완충시킬 가능성은 이러한 노 시스템들의, 바람직하기로 재생 가능한 전기가 공급되는 산업 단지 내의 통합을 촉진한다.

본 발명의 추가적 특징과 실시예들을 이하에 열거한다. 이 모든 특징과 실시예들은 청구항들의 범위에 포함되는 한, 그리고 기술적으로 타당하고 합리적인 한 전술한 및 후술할 특징과 실시예들과 조합될 수 있다.

- 본 발명은 바람직하기로 분리 트레인과 조합되는데, 여기서 1MW 이상의 동력 부하를 갖는 모든 가스 압축기 또는 펌프들이 전기 모터로 구동된다.

- 반출된 과열 고압 증기는 가장 바람직하기로 단열적 및 등엔탈피적 팽창 부재들에 의해 다양한 증기 압력 수준들로 분배된다. (예를 들어 위험 오염(critical fouling) 서비스를 갖는) 단일한 열 소비 장치는 (직접 물 분사 또는 포화 드럼을 사용하여 수행되는) 추가적인 과열 해제 단계를 더 포함할 수 있다.

- 본 발명에 따른 특징들을 구비하는 증기 분해 장치는 직접 저항코일 가열, 전기 가열 소자를 사용하는 간접 복사 코일 가열, 및 유도 전력 전달을 이용한 코일 가열 등의 어떤 가능한 전기 가열 원리로 작동될 수 있다. 증기 분해 장치는 (예를 들어 전기 히트펌프(heat pump) 시스템 및 전기 보일러 등) 전기 에너지로부터 증기를 생성하는 다른 유닛들을 포함할 수 있다.

- 반출된 과열 증기는 예를 들어 중압 및 저압 증기 소비 장치에 공급하는 등 절대압력 20 바 미만의 증기 압력 수준까지 팽창될 수 있다. 중간 압력 수준에서 절대압력 20 바는 초기 증기 과열의 곡선 포락선의 규정을 촉진하기 위해 선택된다. 절대압력 20 바 미만까지 팽창될 때, 본 발명의 범위를 한정하지 않고 더 높은 값의 이슬점 마진이 발생할 수 있다.

- 증기 과열/압력의 변경을 통한 내재적 에너지 저장 가능성에 추가하여, 본 발명은 또한 예를 들어 잠열(latent heat) 저장 시스템 등의 전용 에너지 저장 시스템과 조합될 수 있다.

본 발명과 그 실시예들이 첨부된 도면들과 연계하여 더 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 일부를 구성하지 않는 실시예를 보인다.
도 2 내지 9는 본 발명의 실시예들을 도시한다.
도 10 내지 12는 본 발명 실시예들의 이점들을 도시한다.

도 1은 이미 앞에 설명했다.

도 2에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 증기 분해 방법의 구현에 사용되도록 구성될 수 있으며, 선택적으로 본 발명에 따른 시스템의 일부가 될 수 있는 연소식 분해 장치(2100)가 도시되어 있다. 증기 분해 장치들을 보이는 후속 도면들에서와 같이, (본 발명) 방법의 방법 단계들이 해당 공정 유닛 또는 장치들로 구현될 수 있고 이에 따라 이 방법 단계들에 관련된 설명은 마찬가지로 이러한 공정 유닛 및 장치들에 관련되며 그 역도 마찬가지다. 간결성만을 위해 반복되는 설명은 생략되었고, 명료성을 위해 본 발명의 실시예들에 따른 장치 또는 시스템들과 방법이 혼합된 문언으로 설명된다. 컴포넌트들이 단수로 기술되면 이는 이러한 컴포넌트들이 복수로 구비되는 것을 배제하지 않는다. 아래 보인 다른 증기 분해로 등의 증기 분해 장치(2100)는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 시스템(200)의 일부가 될 수 있는데, 시스템은 복수의 다른 컴포넌트들을 포함할 수 있고 그 가능한 시스템 경계는 도 2에만 아주 개략적으로 도시되어 있다.

도 2 내지 9에서, 실선 화살표는 탄화수소 공급물, 공정 증기, 또는 분해 가스 스트림과 탄화수소 분류(fraction) 등 이로부터 형성된 스트림들을 지시한다. 가는 점선 화살표는 액체 보일러 공급수 스트림을 지시하는 한편, 쇄선 화살표는 과열 고순도(high-purity) 증기 스트림을 지시한다. 응축수 스트림은 이준 쇄선 화살표로 지시된다.

증기 분해 장치(2100)는 일반적으로 전술한 바와 같이 전기식 분해로 유닛(210)의 사용을 포함하여, "전기 코일박스(electric coilbox)"로도 지칭된다. 대류 영역은 존재하지 않는다.

특히 약 185°C의 온도 수준의 공정 증기(PS)가 혼합 노즐(M)에서 열교환기(X1)에서 예열된 공급 탄화수소(HC)의 스트림과 혼합된다. 이와 같이 형성된 공정 증기(PR)는 열교환기(X2)에서 특히 약 300°C의 온도 수준으로 더 가열된다. 열교환기(X1, X2)들 역시 특히 공정 스트림(PS)이 열교환기(X1)의 상류에 추가될 때 조합될 수 있다.

4개의 급랭 열교환기(21, 22, 22a, 및 23)들이 전기식 분해로(210) 하류의 공정 가스 경로에 직렬로 배열되어, 증기 분해 장치(2100)의 급랭 냉각 트레인(20)을 형성한다. 전술한 바와 같이 그리고 참조 목적만으로, 이 열(series)의 급랭 열교환기(21, 22)들은 전술한 1차 및 2차 급랭 열교환기들이 될 수 있다. 열의 마지막 급랭 열교환기(23)는 역시 3차 급랭 열교환기로 지칭될 수 있고, 열의 두 번째 마지막 급랭 열교환기(22a)는 중간 급랭 열교환기로 지칭될 수 있다. 이와는 달리 급랭 열교환기(21) 및 급랭 열교환기(22a) 양자가 제2 급랭 열교환기들로 지칭될 수 있다.

공정 스트림(PR)은 전기 히터(E1)에서 특히 약 660°C의 온도 수준으로 추가적으로 가열되어 공급물 스트림으로 전기식 분해로 유닛(210)에 공급되기 전에 급랭 열교환기(22)에서 예열된다. 이제 분해 가스로 명료성을 위해 PE로 지시되는 공정 스트림은 분해로(210)에서 인출되어 급랭 열교환기(21, 22, 22a, 및 23)들을 통과한다. 전기식 분해로 유닛(210)로부터 배출되는 공정 스트림(PE) 배출물은 전기식 분해로 유닛(210)으로부터 특히 약 840°C의 온도 수준으로, 급랭 열교환기(21)로부터 특히 약 550°C의 온도 수준으로, 급랭 열교환기(22a)로부터 특히 약 340°C의 온도 수준으로, 그리고 급랭 열교환기(23)로부터 특히 약 200°C의 온도 수준으로 인출된다.

그 다음 공정 스트림(PE)은 도 2에만 보인 바와 같이 압축기(60), 특히 전기 모터(M)로 구동되는 공정 가스 압축기에서의 압축을 포함하는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 어떤 종류의 처리를 받게 된다. 추가적 상세들에 대해서는 위 설명을 참조하기 바란다. 바람직하기로 모든 또는 거의 모든 압축기들이 전기로 구동되는 분리 트레인이 구비된다.

증기 생성 장치(30)가 구비되어 증기 생성에 사용되는 증기 드럼(31) 및 다른 컴포넌트들을 포함한다. 일반적으로 상세한 설명 전반에 걸쳐 주로 어떤 기능으로 설명된 하나의 장치 또는 컴포넌트들의 그룹에 속하는 컴포넌트의 언급은 상호연결된 부분들을 갖는 플랜트에서 일반적이듯 이 컴포넌트가 또한 추가적 또는 다른 기능을 갖는 다른 장치 또는 컴포넌트들의 그룹의 일부일 것을 배제하지 않는다. 예를 들어, 급랭 열교환기(21), 급랭 열교환기(22), 및 급랭 열교환기(23)들이 여기서 냉각 트레인(20)의 일부로 설명되었지만 이들은 증기 생성 장치(30)에도 통합될 수 있다.

역시 점선 화살표로 도시된 보일러 공급수(BF)는, 이로부터 보일러 공급수(BF)의 스트림이 급랭 열교환기(21)로도 공급되어 기화되는 증기 드럼(31)에 공급되기 전에 열교환기(X3)에서 특히 약 180°C의 온도 수준으로 가열되고 급랭 열교환기(23)에서 특히 약 290°C의 온도 수준으로 가열된다. 역시 쇄선 화살표로 도시된 비와 같이 증기 드럼에서 형성되고 특히 약 325°C의 온도 수준과 절대압력 약 122 바로 공급될 수 있는 포화 증기(SS)는 부분적으로 열교환기(X1, X2, 및 X3)를 작동시키는 데 사용될 수 있는데, 열교환기(X2) 내에서 열교환기(X3, X1)로 과냉각될(subcooled) 응축수(CP)가 형성된다.

포화 증기(SS)의 나머지 부분은 급랭 열교환기(22a)에서 과열되어 역시 일점쇄선으로 보인 바와 같이 (적당히) 과열된 고압 증기(SU)를 형성한다. 과열 고압 증기(SU)의 파라미터들을 위에 상세히 설명했다. 도시된 실시예에서, 이는 약 375°C의 온도와 약 121 바의 절대압력을 가잘 수 있다. 참조 목적으로만 50으로 표기된 증기 활용 장치에서, 과열 고압 증기(SU)는 가열 목적만으로 사용되고 바람직하기로 회전 설비의 구동에는 거의 사용되지 않는다. 여기서 과열 고압 증기(SU)는 팽창 유닛(51, 52, 53)을 사용하여 단열적 및 등엔탈피적으로 팽창되어 열 소비 장치(54, 55, 56)들에 공급되는 고압 증기(HP), 중압 증기(MP), 및 저압 증기(LP)를 형성한다. 모든 노들로부터 반출된 증기(고압 또는 초고압 증기)는 해당 증기 헤더, 즉 증기를 플랜트에 걸쳐 다른 소비 장치에 분배하는 대용량 배관 시스템에 수집된다. 저압 증기 헤더에 대한 공급 연결은 이 최고압 헤더로부터 이뤄진다. (터빈의 작동을 위해) 이러한 증기 헤더기 대략 일정한 압력으로 작동되는 종래의 플랜트에서, 이는 노 유출구에서의 증기 반출 압력 약간 밑이다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 최고압 증기 헤더의 압력 수준은 더 광범위하게 변동되어 유용한 완충 효과를 달성한다.

도 2 및 도시된 증기 분해 장치(2100)에 대한 설명을 요약하면, (급랭 열교환기(21) 내의) 제1 단계에서 공정 가스(PE)는 연소로의 최신기술과 유사하게 기화되는 보일러 공급수(BF)에 대해 신속하고 효율적으로 냉각된다. (급랭 열교환기(22) 내의) 제2 단계에서 공정 가스(PE)는 전기식 분해로(11)에 공급되기 전에 예열된 공정 가스(PR)에 대해 공급물-배출물 열교환기에서 냉각된다. 도 2에 보인 실시예에서, 급랭 열교환기(22a)가 급랭 열교환기(21)에서 생성된 포화 증기(SS)의 일부를 적당히 과열시키면서 공정 가스(PE)를 냉각시키도록 구비될 수 있다.

도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 다른 증기 분해 장치(2200)가 도시되어 있다. 일반적으로 도 1에 따른 증기 분해 장치(2100)에 관련된 설명이 도 3에 따른 증기 분해 장치(2200)에도 마찬가지로 적용되므로 차이들만을 설명할 것이다.

도 3에 따른 증기 분해 장치(2200)에서는, 급랭 열교환기(22a)가 생략되고 전기 증기 과열기(E2)가 대신 구비된다. 공정 가스(PE)가 급랭 열교환기(22)로부터 특히 약 340°C의 온도 수준으로 인출된다.

도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 다른 증기 분해 장치(2300)가 도시되어 있다. 일반적으로 도 2에 따른 증기 분해 장치(2100)에 대한 설명에 기반한 도 3에 따른 증기 분해 장치(2200)에 관한 설명이 도 4에 따른 증기 분해 장치(2300)에 적용되므로 이하에는 차이들만을 설명할 것이다.

도 4에 따른 증기 분해 장치(2300)에서는 급랭 열교환기(22a)가 존재하지 않고 전기 증기 과열기(E2)가 대신 구비된다. 도 4에 따른 증기 분해 장치(2300)에서는 전기 리터(E1) 역시 생략된다. 뿐만 아니라, 열교환기(X2)에서 가열된 공정 가스 스트림(PR)이 급랭 열교환기(21)에서 더 가열되고 증기 드럼(31)이 급랭 열교환기(22)에 연결된다.

전기식 분해로 유닛(210)으로부터 배출되는 공정 가스(PE)는 급랭 열교환기(22)로부터 특히 약 340°C의 온도 수준으로 인출된다. 공정 스트림(PE)은 급랭 열교환기(21)로부터 특히 약 525°C의 온도 수준으로 인출된다.

이에 따라 도 4에 보인 실시예에서, 첫 2개의 급랭 단계들이 역전될 수 있는데, 이는 배출 공정 가스(PE)가 예열될 공급 공정 가스(PR)에 대해 먼저 냉각된 다음 기화하는 보일러 공급수(BF)에 대해 냉각됨을 의미한다. 이러한 실시예에서는 급랭 열교환기(21)에서 충분히 높은 과열 온도에 도달하므로 전기 공급물 예열기가 필요 없다. 반출될 고압 증기는 다시 적당히 과열되는데, 여기서 도 2 및 도 3으로부터의 변형예들이 증기의 과열에 사용될 수 있다.

도 2 내지 4에 보인 3개의 실시예들은 가장 바람직하기로 주로 에탄으로 구성된 경질(기상; gaseous) 원료로 작동되는 전기식 분해로(210)들에 대해 특별히 설계되었다. 이에 따라 이 모든 실시예들은 급랭 열교환기(23)를 구비하는데, 이는 현재의 산업 관행에 따라 증기 드럼(31)에 공급되는 보일러 공급수를 예열하면서 분해 가스를 200°C 이하의 온도 수준까지 냉각시킨다.

뿐만 아니라, 혼합으로 공정 스트림을 형성한 후의 탄화수소 공급물(HC) 및 공정 스트림(PS)의 (300°C 이하의 온도 수준으로의) 초기 예열은 열교환기(X2)에서 포화 증기(SS)를 사용하여 이뤄진다. 결과적인 고압 응축수(CO)는 전술한 다른 예열 단계들에서 더 사용될 수 있다.

도 5에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 다른 증기 분해 장치(2400)가 도시되어 있다. 일반적으로 도 2에 따른 증기 분해 장치(2100)를 기반으로 한 도 2에 따른 증기 분해 장치(2200)에 관한 설명이 도 5에 따른 증기 분해 장치(2400)에 적용되므로 차이들만을 설명할 것이다.

도 5에 따른 증기 분해 장치(2400)에는 역시 급랭 열교환기(22a)가 존재하지 않고 전기 증기 과열기(E2)가 대신 구비된다. 포화 증기(SS)의 일부 대신 과열 증기(SU)의 일부가 이제 열교환기(X3)에 공급된다. 공정 증기(PR)는 이에 따라 특히 열교환기(X2)에서 특히 약 330°C의 온도 수준으로 가열되어 급랭 열교환기(22)에서 더 적은 열이 인출되고 거기서 냉각된 공정 스트림(PE) 배출물은 이로부터 특히 370°C의 온도 수준으로 인출된다.

도 5의 실시예는 특히 이전에 보인 실시예들과 달리 적당히 과열된 증기(SU)가 공정 흐름(PR)을 형성한 이후의 탄화수소 공급물(HC) 및 공정 스트림(PS)의 초기 예열을 확보하는 데도 사용될 수 있다.

도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 다른 증기 분해 장치(2500)이 도시되어 있다. 도 2에 따른 증기 분해 장치(2100)의 주요 컴포넌트에 관한 설명은 도 6에 따른 증기 분해 장치(2500)에 적용되지만 여러 가지 차이들이 존재하므로 이하에 설명할 것이다.

도 6에 따른 증기 분해 장치(2500)에서는, 특히 약 185°C의 온도 수준의 공정 증기(PS)가 전술한 바와 같이 혼합 노즐(M)에서 공급 탄화수소(HC)와 혼합되어 특히 약 120°C의 공정 흐름(PR)을 형성한다. 공정 스트림(PR)은 급랭 열교환기(23)에서 특히 약 280°C의 온도 수준으로 더 가열되고 전기식 분해로 유닛(210)에 공급되기 전에 급랭 열교환기(21)에서 전술한 바와 같이 특히 약 660°C의 온도 수준까지 가열된다. 공정 가스(PE) 배출물은 전기식 분해로 유닛(210)으로부터 특히 약 840°C의 온도 수준으로, 급랭 열교환기(21)로부터 특히 약 510°C의 온도 수준으로, 급랭 열교환기(22)로부터 (추가적 급랭 열교환기(22a)는 존재하지 않음) 특히 약 340°C의 온도 수준으로, 그리고 급랭 열교환기(23)로부터 특히 약 200°C의 온도 수준으로 인출된다.

보일러 공급수(BF)는 급랭 열교환기(22)에 연결된 증기 드럼(31)에 공급된다. 포화 증기(SS)는 절대압력 약 122 바의 압력 수준과 약 325°C의 온도 수준으로 생성될 수 있다. 이는 과열되어 전기 히터(E2) 내에서 위에 주어진 파라미터들의 과열 증기(SU)를 형성한다.

도 6에 도시된 실시예는 공정 스트림(PR)을 형성한 후 탄화수소 공급물(HC)와 공정 증기(PS)의 초기 예열을 확보하는 추가적 옵션을 포함하는데, 여기서 급랭 열교환기(23)는 공급물-배출물 열교환기로 설계된다. 이 가능성은 예를 들어 도 2, 3, 및 5에 보인 것 등의 실시예들에도 조합될 수 있다.

도 7에는, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 다른 증기 분해 장치(2600)가 도시되어 있다. 도 2에 따른 증기 분해 장치(2100)에 기반한 도 3에 따른 증기 분해 장치(2200)에 관한 설명은 도 7에 따른 증기 분해 장치(2600)에 적용되므로 이하 차이들만을 설명할 것이다.

도 7에 따른 증기 분해 장치(2600)에는, 급랭 열교환기(23)가 존재하지 않고 오일 급랭(25)이 대신 사용된다. 이에 따라 보일러 공급수(BF)는 증기 드럼(31)로 이송되기 전에 열교환기(X3)만에서 특히 약 260°C의 온도 수준까지 가열된다. 추가적 열교환기(X4)가 구비되어, 혼합 노즐(M)에서 공정 증기(PS)와 혼합되기 전에 공급 탄화수소를 더 가열한다. 공정 증기(PS)도 마찬가지로 추가적 열교환기(X5)에서 먼저 가열된다. 열교환기(X2, X4, 및 X5)들은 전술한 바와 같이 포화 증기(SS)로 작동되고 응축수 스트림은 전술한 바와 같이 열교환기(X1, X3)에 사용되기 전에 수집된다.

도 7에 따른 증기 분해 장치(2600)에서, 공정 증기(PS)는 처음 특히 약180°C의 온도 수준으로 공급된다. 열교환기(X2) 하류의 공정 스트림(PR)의 온도 수준은 특히 약 300°C이다. 전기 히터(H1)에서의 가열은 특히 약 630°C의 온도 수준까지 수행된다. 공정 가스(PE) 배출물은 전기식 분해로(210)로부터 특히 약 870°C의 온도 수준으로, 급랭 열교환기(21)로부터 특히 약 600°C의 온도 수준으로, 급랭 열교환기(22)로부터 특히 약 390°C의 온도 수준으로, 급랭 열교환기(22)로부터 특히 약 380°C의 온도 수준으로, 그리고 오일 급랭(25)로부터 더 적절한 온도 수준으로 인출된다. 증기 드럼(21)에서 생성된 포화 증기는 특히 약 절대압력 122 바의 압력 수준과 특히 약 325°C의 온도 수준으로 제공된다. 급랭 열교환기(22a) 하류의 과열 고압 증기(SU)는 특히 약 절대압력 121 바의 압력 수준과 특히 약 380°C의 온도 수준으로 제공된다.

도 8에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 다른 증기 분해 장치(2700)가 도시되어 있다. 일반적으로 도 2에 따른 증기 분해 장치(2100)에 기반한 도 7에 따른 증기 분해 장치(2600)에 관련된 설명이 도 8에 따른 증기 분해 장치(2700)에도 적용되므로 이하 차이만을 설명할 것이다.

도 8에 따른 증기 분해 장치(2700)에서, 공정 증기(PS)는 제1 및 제2 혼합 노즐(M1, M2)에서 공급 탄화수소(HC)와 연속적으로 혼합되는데, 여기서 제2 혼합 노즐(M2)에서 혼합된 공정 증기(PS)는 추가적 전기 히터(E3)에서 더 가열된다.

대체적인 공정 변형예들로서, 도 7 및 은 각각 액체 원료와 중질 원료로 작용되는 전기로(210)에 적용된 본 발명의 예시적 실시예들을 보인다. 이러한 실시예들에는 연소식 액체 원료 노와 유사하게 급랭 열교환기(23)가 없다, 공급물 예열 섹션은 전형적으로 더 복잡하여, 예를 들어 추가적인 공급물 예열 단계(중질 액체 원료에 대한 전기 공정 증기 과열기 사용을 포함하여 도 7 및 8 참조) 및/또는 다중 흐름 열교환기들에서 하나 이상의 과열 단계들을 구비한다. 그럼에도 불구하고, 도 7 및 8들은 도 2에 보인 실시예의 간단한 적용이다. 결과적으로, 도 3 내지 5에 보인 실시예들로 제시된 변형예들은 도 2의 가스 공급물 노에 적용된 바와 같이 도 7 및 8의 액체 공급물 노에도 유사하게 적용될 수 있다.

도 9에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 다른 증기 분해 장치(2800)가 도시되어 있다. 일반적으로 도 2에 따른 증기 분해 장치(2100)에 기반한 도 8에 따른 증기 분해 장치(2700)에 관련된 설명이 도 9에 따른 증기 분해 장치(2800)에도 적용되므로 이하 차이만을 설명할 것이다.

도 3에 따른 증기 분해 장치(2200)와 마찬가지로, 급랭 열교환기(22a)가 생략되고 전기 증기 과열기(E2)가 대신 구비된다. 예시적 변형예로, 도 9는 도 41에 보인 가스 공급물 변형예와 유사한(급랭 열교환기(21)가 공급물-배출물 열교환기로 설계) 중질 액체 공급물 노에 대한 공정 변형예를 보인다.

도 10에는 엔트로피가 kJ/(K*kg)로 수평축에 엔탈피가 kJ/(K*kg)로 수직축에 표시된 몰리에르(엔탈피/엔트로피) 도표가 물에 대해 보인다. 점 71로 본 발명의 실시예들에 따라 사용된 적당한 과열이, 점 72로 종래기술에 따라 사용된 고도의 과열이 지시되었다. 증기가 가열 목적으로만 사용되도록 의도된 경우 본 발명과 그 실시예들에 따라 수행되는 단열적 및 등엔탈피적 팽창의 밸브 또는 감속기(reducer)의 상변화 특성이 점 71부터 시작하는 화살표로 도시되어 있는 한편, 본 발명이 아니라 종래기술을 따라 증기가 가열 목적으로 사용되기 전에 먼저 기계적 목적으로 사용될 것을 의도한 경우 수행되는 폴리트로픽(polytropic) 팽창의 증기 터빈에서의 상태 변화는 점 72로부터 시작되는 화살표로 도시되어 있다.

본 발명에 따르면, 단순한 등엔탈피적 팽창에 의해 압력이 상변화 없이 열 소비 장치들이 요구하는 압력 및 온도로 저하될 수 있다. (380°C 및 절대압력 120 바에 지지점을 갖는) 이러한 등엔탈피적 상태 변화에 재한 온도 변화 곡선(81)이 절대압력 20 내지 160 바 범위의 압력 범위에 대해 도시되었는데, 모두 해당하는 가장 바람직한 포락선(82, 83)들을 갖는다(+ 20 K 및 + 80 K 이슬점 마진을 갖는). 도 11에는 바 단위의 절대압력이 수평축에 표시되고 K 단위의 온도 차이값이 수직축에 표시되었다.

동일한 등엔탈피 곡선(81)에 대한 대응 이슬점 마진이 동일한 압력 범위에 대해 도 12에 도시되었다. 도 12는 다시 바 단위의 절대압력이 수평축에 표시되고 °C 단위의 온도가 수직축에 표시되었다.

Claims

대류 영역(12)이 없는 전기식 분해로(10)를 포함하고 급랭 냉각 트레인(20)을 더 포함하는 증기 분해 장치(2100-2800)를 사용하는 증기 분해 방법으로, 여기서 공정 가스 스트림이 적어도 상기 전기 분해로(10)와 상기 급랭 냉각 트레인(20)을 통과하는 증기 분해 방법에 있어서,
상기 급랭 냉각 트레인(20)이 어느 순서로든 배열된 2개의 구분되는 냉각 단계들을 포함하는데, 여기서 상기 냉각 단계들의 제1 단계에서 상기 전기식 분해로(10)로부터 인출된 상기 공정 가스 스트림의 적어도 일부가 기화되는 보일러 공급수에 대해 절대압력 30 내지 175 바의 수준으로 냉각되고, 그리고 여기서 상기 냉각 단계들의 제2 단계에서 상기 전기식 분해로(10)로부터 인출된 상기 공정 가스 스트림의 적어도 일부가, 이에 따라 350 내지 750°C의 온도 수준으로 가열되는 상기 공정 가스 스트림의 형성에 사용된 공급 탄화수소 및 공정 증기의 과열 혼합물에 대해 냉각되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
탄화수소 분해 작동 동안, 상기 전기식 분해로(10)에서 최대 1000 kW의 열량이 상기 전기식 분해로(10)를 통과하거나 이로부터 인출되는 상기 공정 가스 스트림 이외의 스트림들에 현열로 전달되는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
여기서 상기 급랭 냉각 트레인(20)으로 1차 급랭 열교환기(21)와 2차 급랭 열교환기(22)를 구비하는 급랭 냉각 트레인(20)이 사용되고, 상기 1차 급랭 열교환기(21)가 상기 냉각 단계들의 상기 제1 단계의 적어도 일부를 수행하는 데 사용되며, 상기 2차 급랭 열교환기(22)가 상기 냉각 단계들의 상기 제2 단계의 적어도 일부를 수행하는 데 사용되거나 그 역인 방법.
제3항에 있어서,
여기서 상기 증기 생성 장치(30)가 상기 증기 분해 장치(2100-2800)와 열적 연계되어 작동되고, 여기서 상기 하나 이상의 증기 생성 장치(30)들이 적어도 절대압력 30 내지 175 바의 제1 압력 수준과 제1 온도 수준의 과열 고압 증기를 사용하고 상기 제1 온도 수준보다 더 높은 온도의 증기는 생성되지 않으며, 여기서 상기 제1 압력 수준의 상기 과열 고압 증기가 적어도 부분적으로 단열적 및 등엔탈피적으로 상기 제1 압력 수준 미만의 제2 압력 수준으로 팽창되어 그 온도 수준이 제2 온도 수준으로 강하되고, 그리고 여기서 상기 제1 온도 수준이 상기 제2 온도 수준이 상기 제2 압력 수준에서의 증기의 이슬점보다 5 내지 120 K 더 높도록 선택되는 방법.
제4항에 있어서,
여기서 열이 상기 전기식 분해로(10)로부터 인출된 상기 공정 가스 스트림으로부터 보일러 공급수 및/또는 상기 과열 고압 증기의 형성에 사용된 증기 스트림에 전달되는 다중 흐름 열교환기, 및/또는 전기 증기 과열기가 상기 증기 생성 장치(30)에 사용되는 방법.
제3항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서,
여기서 공급 탄화수소 및 공정 증기의 상기 과열 혼합물의 형성에 사용되는 공급 탄화수소의 적어도 일부가 상기 다중 흐름 열교환기에서 상기 전기식 분해로(10)로부터 인출된 공정 가스 스트림의 적어도 일부를 사용하여 예열되는 방법.
제5항 및 제6항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 급랭 냉각 트레인(20)으로 추가적인 2차 급랭 열교환기(22a) 및/또는 3차 급랭 열교환기(21)를 구비하는 급랭 냉각 트레인(20)이 사용되고, 상기 추가적인 2차 급랭 열교환기(22a) 및/또는 3차 급랭 열교환기(21)가 상기 다중 흐름 열교환기로 제공되는 방법.
제3항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서,
여기서 상기 제1 압력 수준 및 제1 온도 수준의 상기 과열 고압 증기가 공정수로부터 생성된 증기를 포함하지 않거나 및/또는 보일러 공급수로부터 발생된 증기만을 포함하여, 상기 제1 온도 수준 및 제 압력 수준의 상기 과열 고압 증기가 고순도 과열 고압 증기로 제공되는 방법.
제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서,
여기서 상기 증기 분해 장치 또는 상기 증기 분해 장치들 중의 적어도 하나가 다른 전력 소비 속도를 사용하여 일정한 전체 분해 산출물 수율을 유지하면서 다른 작동 모드들로 작동되는 방법.
제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서,
여기서 공급 탄화수소 및 공정 증기의 상기 과열 혼합물의 형성에 사용된 상기 공급 탄화수소의 적어도 일부 및/또는 보일러 공급수가 상기 하나 이상의 증기 생성 장치(30)들에서 산출된 포화 증기를 사용하여 예열되는 방법.
제1항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 있어서,
여기서 공급 탄화수소 및 공정 증기의 상기 과열 혼합물의 형성에 사용된 상기 공급 탄화수소의 적어도 일부 및/또는 보일러 공급수가 포화 또는 과냉각된 응축수 스트림을 사용하여 예열되는 방법.
대류 영역(12)이 없는 전기식 분해로(10)와 급랭 냉각 트레인(20)을 포함하는 증기 분해 장치(2100-2800)를 구비하는 증기 분해 방법을 수행하는 시스템(200)으로, 여기서 공정 가스 스트림을 적어도 상기 전기 분해로(10)와 상기 급랭 냉각 트레인(20)을 통과시키도록 구성된 상기 시스템에 있어서,
상기 급랭 냉각 트레인(20)이 적어도 2개의 구분되는 냉각 단계들을 수행하는 수단(21, 22, 23)들을 구비하고, 여기서 상기 냉각 단계들의 제1 단계에서 상기 전기식 분해로(10)로부터 인출된 상기 공정 가스 스트림의 적어도 일부가 기화되는 보일러 공급수에 대해 절대압력 30 내지 175 바의 수준으로 냉각하도록 구성되고, 그리고 여기서 상기 냉각 단계들의 제2 단계에서 상기 전기식 분해로(10)로부터 인출된 상기 공정 가스 스트림의 적어도 일부가, 이에 따라 350 내지 750°C의 온도 수준으로 가열되는 상기 공정 가스 스트림의 형성에 사용된 공급 탄화수소 및 공정 증기의 과열 혼합물에 대해 냉각되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템(200).