KR20240051149A - 폐플라스틱 열분해 오일과 생물재생 가능한 공급원료의 공동처리 - Google Patents
폐플라스틱 열분해 오일과 생물재생 가능한 공급원료의 공동처리 Download PDFInfo
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Abstract
연료로서 또는 연료 내 배합 성분으로서 사용하기에 적합한 액체 탄화수소 재료를 제조하는 방법이 제공된다. 방법은, 접촉 분해 조건에서 고체 촉매의 존재 하에 접촉 분해 공정에서 폐플라스틱 원료로부터 유래된 열분해 오일과 트라이글리세라이드를 포함하는 생물재생 가능한 공급원료를 공동처리하여 분해 생성물을 제공하는 단계를 포함한다. 분해 생성물은 분별증류되어 가솔린 분획과 중간 유분 분획 중 적어도 하나를 제공할 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 미국 특허 가출원 제63/236,758호(출원일: 2021년 8월 25일)에 대한 우선권 및 이의 유익을 주장하며, 이의 개시내용은 전문이 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.
기술분야
본 개시내용은 연료로서 또는 연료 내 배합 성분으로서 사용하기에 적합한 액체 탄화수소 재료를 제조하는 방법에 관한 것으로, 여기서 폐플라스틱 열분해 오일은 접촉 분해 공정(catalytic cracking process)에서 생물재생 가능한 공급원료(biorenewable feedstock)와 함께 공동처리(co-process)된다.
접촉 분해 공정은, 연료로서 사용하기에 적합한 저비점 분획을 생성하기 위해 추가의 수소를 필요로 하지 않고, 비재생 가능한(non-renewable) 석유 공급원료를 전환시키는 방법으로서 정유소공장에서 통상 사용된다.
액체 수송 연료의 수요가 증가하고, "이지 오일(easy oil)"(쉽게 접근되고 회수될 수 있는 원유)의 매장량이 감소하고, 이러한 연료의 탄소 발자국에 대한 제약이 증가함에 따라, 대체 공급원으로부터 효율적인 방식으로 액체 수송 연료를 생산하기 위한 경로를 개발하는 것이 점점 더 중요해지고 있다.
바이오매스-기반 공급원료, 예컨대, 지질 공급원료(예를 들어, 식물, 동물 및/또는 미생물 기원의 지방 및/또는 오일), 및 폐플라스틱은, 대규모로 이용 가능하기 때문에, 대체 액체 연료에 대한 증가하는 수요를 해결하는데 충분한 잠재력을 갖는 중요한 공급원이다. 바이오매스는 재생 가능한 탄소의 공급원을 제공한다. 폐플라스틱은 "순환 경제" 공정에 대한 증가하는 수요를 해결하는 데 상당한 잠재력을 가지고 있다.
액체 연료의 제조를 위한 공정의 지속적인 연구 및 개발에도 불구하고, 액체 연료 또는 연료 배합 성분으로서 유용한 저 탄소 발자국 탄화수소를 제조하기 위한 개선된 공정을 제공할 필요가 여전히 있다.
제1 양상에서, 접촉 분해 조건에서 고체 촉매의 존재 하에 접촉 분해 공정에서 폐플라스틱 원료로부터 유래된 열분해 오일과 트라이글리세라이드를 포함하는 생물재생 가능한 공급원료를 공동처리하여 분해 생성물을 제공하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
제2 양상에 있어서, 위에서 기재된 공정에 의해 얻을 수 있는 연료 성분이 제공된다.
제3 양상에서, 위에서 정의된 바와 같은 분해 생성물을 생성하는 단계, 분해 생성물을 선택적으로 분별증류(fractionating)하여 분해 생성물 분획을 제공하는 단계, 및 분해 생성물 또는 분해 생성물 분획을 다른 연료 성분과 배합하여 연료를 제공하는 단계를 포함하는, 연료를 제조하는 방법이 제공된다.
정의
용어 "소비자후(post-consumer)"는 최종 소비자가 소비재 또는 제품에서 재료를 사용한 후에 기원되는 재료의 공급원을 지칭한다.
용어 "산업후(post-industrial)"는 물품 또는 제품의 제조 동안 기원되는 재료의 공급원을 지칭한다.
용어 "폴리에틸렌"은 에틸렌 단량체로부터 유도된 다량(> 50 몰%)의 단위를 포함하는 중합체를 지칭한다.
용어 "폴리프로필렌"은 프로필렌 단량체로부터 유도된 다량(> 50 몰%)의 단위를 포함하는 중합체를 지칭한다.
용어 "Cn 탄화수소" 또는 "Cn"은 본 명세서에서 잘 알려진 의미, 즉 "n"이 정수값인 것으로 사용되며, 탄소 원자의 값을 갖는 탄화수소를 의미한다. 용어 "Cn+ 탄화수소" 또는 "Cn+"는 그 값 이상의 탄소 원자를 갖는 탄화수소를 지칭한다. 용어 "Cn- 탄화수소" 또는 "Cn-"는 그 값 이하의 탄소 원자를 갖는 탄화수소를 지칭한다.
용어 "LPG"는 우세하게 프로판 및 부탄(즉, 적어도 95 부피%의 프로판 및 부탄)을 포함하고, 2 부피%를 초과하지 않는 C2- 화합물, 3 부피%를 초과하지 않는 C5+ 화합물을 갖는 혼합물 형태의 액체 석유 가스를 의미하며, 여기서 C2- 화합물은 2개 이하의 탄소 원자를 갖는 알칸 또는 알켄이고, C5+ 화합물은 5개 이상의 탄소 원자를 갖는 알칸 또는 알켄이다.
용어 "가솔린"은 약 95℉(35℃) 내지 약 427℉(220℃)의 차단점(cut point) 범위 내에서 수집된 탄화수소 스트림을 설명하기 위해 사용된다. 가솔린 비등 범위 탄화수소는 주로 C5 내지 C12 탄화수소를 포함한다.
용어 "중간 유분"(middle distillate)은 약 427℉(220℃) 내지 약 650℉(343℃)의 차단점 범위 내에서 수집된 탄화수소 스트림을 설명하기 위해 사용된다. 중간 유분 비등 범위 탄화수소는 주로 C11 내지 C20 탄화수소를 포함한다.
용어 "옥탄가"는, ASTM D2699 및 D2700에 따라서, 현재 시험된 연료와 동일한 노크 저항(knock resistance)을 갖는, 아이소-옥탄과 n-헵탄의 혼합물 중의 아이소-옥탄의 백분율을 지칭한다. 옥탄가는 전형적으로 0 내지 100의 범위이고, 더 높은 값은 더 양호한 연료 성능을 나타낸다. 옥탄가는 단위 없다.
용어 "연구 옥탄가"(Research Octane Number: RON)는, ASTM D2699에 따라서, 더 낮은 엔진 속도 및 온도, 전형적으로 약 600 rpm에서 시험함으로써 얻어진 옥탄가를 지칭한다.
용어 "모터 옥탄가"(Motor Octane Number: MON)는, ASTM D2700에 따라서, 더 높은 엔진 속도 및 온도, 전형적으로 약 900 rpm에서 시험함으로써 얻어진 옥탄가를 지칭한다. 온도가 증가함에 따라서 엔진 비효율이 본질적으로 증가하는 것을 고려하면, RON은 전형적으로 MON보다 높다.
용어 "노크 방지 지수"(anti-knock index)는 2개의 옥탄가의 산술 평균: (RON + MON)/2에 의해 정의된다.
용어 "중량%" 또는 "부피%"는, 각각, 성분을 포함하는 재료의 총 중량 또는 총 부배를 기준으로 한, 상기 성분의 중량 또는 부피 백분율을 지칭한다. 비제한적인 예로서, 10 그램의 성분을 포함하는 총 100 그램의 재료 중 10 그램의 성분은 10중량%의 성분이다.
열분해 오일
열분해 오일은 촉매 또는 비촉매 방식으로 그리고 연속식 또는 회분식(batch) 공정을 통해 폐플라스틱 원료를 열분해(즉, 산소가 없는 상태에서 유기물을 열분해)시킴으로써 제조된다. 폐플라스틱의 열분해는 당업계에 잘 알려져 있다.
폐플라스틱 원료의 열분해 후, 열분해 생성물은 기체, 고체(숯), 하나 이상의 유성 상(들) 및 수상을 함유할 수 있다. 유성 상(들)(선택적으로 물을 포함함)이 본 개시내용에서 열분해 오일로서 사용될 수 있다. 열분해 오일은 임의의 공지된 방법에 의해 열분해 생성물로부터 분리될 수 있다. 이는 여과, 원심분리, 사이클론 분리, 추출, 막 분리 및/또는 상분리와 같은 방법을 포함한다.
열분해되는 폐플라스틱 원료는 소비자 사용 후 중합체(post-consumer use polymer), 산업 사용 후 중합체(post-industrial use polymer), 또는 이들의 조합일 수 있다. 산업 후 폐기물 중합체의 예는 제조사에 의해 사용불가능한 물질로서 수집되는 물품 또는 제품의 제조 또는 선적 동안 생성된 폐기물 중합체(즉, 트림 스크랩(trim scrap), 규격 외 물질, 스타트업 스크랩(start-up scrap))일 수 있다.
열분해되는 폐플라스틱 원료는 단일 종류의 폐플라스틱일 수 있거나, 2종 이상의 폐플라스틱의 조합으로 구성될 수도 있다.
플라스틱 재료는 플라스틱 재료의 분류를 개선하는 것을 돕기 위해 플라스틱 재료의 제조사에 의해 분류되고 라벨링된다. 현재, 플라스틱 재료는 플라스틱산업협회(Society of the Plastics Industry: SPI)에서 제정한 7가지 범주로 구분되며 각 범주에는 자체 수지 식별 코드가 있다. 각각의 숫자는 특정 유형의 플라스틱을 나타내며, 전형적으로 동일한 숫자를 갖는 플라스틱으로만 재활용될 수 있다. 플라스틱 재료는 1번 수지 식별 코드를 갖는 중합체 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET 또는 PETE), 2번 수지 식별 코드를 갖는 중합체 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 3번 수지 식별 코드를 갖는 중합체 폴리염화비닐(PVC), 4번 수지 식별 코드를 갖는 중합체 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 5번 수지 식별 코드를 갖는 중합체 폴리프로필렌(PP), 6번 수지 식별 코드를 갖는 중합체 폴리스타이렌(PS), 및 7번 수지 식별 코드를 갖는 기타 다양한 플라스틱(즉, 코드 1 내지 6으로 기재되지 않은 것들), 예컨대, 다층 플라스틱, 혼합 플라스틱, 기타 수지, 예컨대, 폴리카보네이트(PC) 및 아크릴로나이트릴-부타다이엔-스타이렌(ABS)을 포함한다.
열분해되는 폐플라스틱 원료는 HDPE, LDPE, 폴리프로필렌, 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.
HDPE는 일반적으로 0.940 g/cm3 초과(예를 들어, 0.945 내지 0.97 g/cm3)의 밀도를 갖는 에틸렌계 중합체이다. 본 명세서에서 제공되는 중합체 밀도는 ASTM D792에 따라서 결정된다.
LDPE는 에틸렌 단독중합체, 또는 0.915 g/cm3 내지 0.940 g/cm3의 밀도를 갖고 넓은 MWD를 갖는 장쇄 분지를 함유하는 적어도 하나의 C3 내지 C10 α-올레핀(예를 들어, C3 내지 C4α-올레핀)을 포함하는 에틸렌/α-올레핀 공중합체로 이루어진다. LDPE는 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)을 포함한다. LLDPE는 에틸렌으로부터 유도된 단위 및 적어도 하나의 C3 내지 C10 α-올레핀 공단량체 또는 적어도 하나의 C4 내지 C8 α-올레핀 공단량체, 또는 적어도 하나의 C6 내지 C8 α-올레핀 공단량체로부터 유도된 단위를 포함하는 불균질 단쇄 분지 분포를 함유하는 선형 에틸렌/α-올레핀 공중합체이다. LLDPE는, 통상적인 LDPE와는 대조적으로, 장쇄 분지가, 만약 있더라도, 거의 없는 것을 특징으로 한다.
폴리프로필렌은 폴리프로필렌 단독 중합체 또는 1차 폴리프로필렌 공중합체일 수 있다.
폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 폴리스타이렌 및 폴리카보네이트와 같은 다른 플라스틱(수지 식별 코드 번호 1, 3, 6 및/또는 7)은 열분해되는 폐플라스틱 원료에서 덜 바람직하다. 존재하는 경우, 이들은 바람직하게는 건조 폐플라스틱의 총 중량의 5 중량% 미만(예를 들어, 1 중량% 미만, 또는 0.5 중량% 미만, 또는 0.1 중량% 미만)의 양으로 존재한다. 바람직하게는, 임의의 덜 바람직한 플라스틱의 개별 함량은 건조 폐플라스틱 원료의 총 중량을 기준으로 1 중량% 미만(예를 들어, 0.5 중량% 미만, 또는 0.1 중량% 미만)이다.
열분해 오일은 주로 C4 내지 C30 탄화수소를 포함할 수 있다. 열분해 오일은, 열분해 오일의 중량을 기준으로, 적어도 55 중량%(예를 들어, 적어도 60 중량%, 또는 적어도 65 중량%, 또는 적어도 70 중량%, 또는 적어도 75 중량%, 또는 적어도 80 중량%, 또는 적어도 85 중량%, 또는 적어도 90 중량%, 또는 적어도 95 중량%)의 C4 내지 C30 탄화수소 함량을 가질 수 있다.
열분해 오일은 주로 C5 내지 C25, C5 내지 C22, 또는 C5 내지 C20 탄화수소를 포함할 수 있거나, 열분해 오일의 중량을 기준으로 적어도 약 55 중량%(예를 들어, 적어도 60 중량%, 또는 적어도 65 중량%, 또는 적어도 70 중량%, 또는 적어도 75 중량%, 또는 적어도 80 중량%, 또는 적어도 85 중량%, 또는 적어도 90 중량%, 또는 적어도 95 중량%)의 C5 내지 C25, C5 내지 C22 또는 C5 내지 C20 탄화수소를 포함할 수 있다.
열분해 오일은 파라핀(n-파라핀, 아이소파라핀, 또는 둘 다), 나프텐, 올레핀, 방향족 화합물, 및 다른 화합물을 함유할 수 있다.
열분해 오일은 적어도 20 중량%(예를 들어, 25 중량%, 또는 적어도 30 중량%, 또는 적어도 35 중량%, 또는 적어도 40 중량%, 또는 적어도 45 중량%, 또는 적어도 50 중량%)의 파라핀 함량을 가질 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 열분해 오일은 90 중량% 이하(예를 들어, 85 중량% 이하, 또는 80 중량% 이하, 또는 75 중량% 이하, 또는 70 중량% 이하, 또는 65 중량% 이하, 또는 60 중량% 이하, 또는 55중량% 이하)의 파라핀 함량을 가질 수 있다. 일부 양상에서, 열분해 오일은 20 내지 90 중량%(예를 들어, 25 내지 90 중량%, 또는 25 내지 55 중량%, 또는 30 내지 90 중량%, 또는 40 내지 80 중량%, 또는 40 내지 70 중량%, 또는 40 내지 65 중량%)의 범위의 파라핀 함량을 가질 수 있다.
열분해 오일은 적어도 0.001:1(예를 들어, 적어도 0.1:1, 또는 적어도 0.2:1, 또는 적어도 0.5:1, 또는 적어도 1:1, 또는 적어도 2:1, 또는 적어도 3:1, 또는 적어도 4:1, 또는 적어도 5:1, 또는 적어도 6:1, 또는 적어도 7:1, 또는 적어도 8:1, 또는 적어도 9:1, 또는 적어도 10:1, 또는 적어도 15:1, 또는 적어도 20:1)의 n-파라핀 대 아이소파라핀 중량비를 가질 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 열분해 오일은 100:1 이하(예를 들어, 75:1 이하, 또는 50:1 이하, 또는 40:1 이하, 또는 30:1 이하)의 n-파라핀 대 아이소파라핀 중량비를 가질 수 있다. 일부 양상에서, 열분해 오일은 0.1:1 내지 100:1(예를 들어, 1:1 내지 100:1, 또는 4:1 내지 100:1, 또는 15:1 내지 100:1)의 범위의 n-파라핀 대 아이소파라핀 중량비를 가질 수 있다.
열분해 오일은 적어도 1중량%(예를 들어, 적어도 2 중량%, 또는 적어도 3 중량%, 또는 적어도 4 중량%, 또는 적어도 5 중량%, 또는 적어도 6 중량%, 또는 적어도 7 중량%, 또는 적어도 8 중량%, 또는 적어도 9 중량%, 또는 적어도 10 중량%, 또는 적어도 11 중량%, 또는 적어도 12 중량%, 또는 적어도 13 중량%, 또는 적어도 14 중량%, 또는 적어도 15 중량%)의 나프텐의 함량을 가질 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 열분해 오일은 50 중량% 이하(예를 들어, 45 중량% 이하, 또는 40 중량% 이하, 또는 35중량% 이하, 또는 30 중량% 이하, 또는 25 중량% 이하, 또는 20 중량% 이하)의 나프텐 함량을 가질 수 있다. 일부 양상에서, 열분해 오일은 2 내지 50 중량%의 범위의 나프텐 함량을 가질 수 있다.
열분해 오일은 적어도 1 중량% 이상(예를 들어, 적어도 2 중량%, 또는 적어도 5 중량%, 또는 적어도 10 중량%, 또는 적어도 15 중량%, 또는 적어도 20 중량%)의 올레핀을 함유할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 열분해 오일은 60 중량% 이하(예를 들어, 55 중량% 이하, 또는 50 중량% 이하, 또는 45중량% 이하, 또는 40 중량% 이하, 또는 35 중량% 이하, 또는 30 중량% 이하, 또는 25 중량% 이하, 또는 20 중량% 이하, 또는 15 중량% 이하, 또는 10 중량% 이하, 또는 5 중량% 이하, 또는 2 중량% 이하, 또는 1 중량% 이하)의 올레핀을 포함할 수 있다. 일부 양상에서, 열분해 오일은 2 내지 60 중량%(예를 들어, 10 내지 40 중량%)의 범위의 올레핀 함량을 가질 수 있다. 열분해 오일은 올레핀 함량을 낮추기 위해 생산 설비에서 수소화될 수 있다.
열분해 오일은 적어도 1 중량%(예를 들어, 적어도 2 중량%, 또는 적어도 3 중량%, 또는 적어도 4 중량%, 또는 적어도 5 중량%)의 방향족 화합물을 함유할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 열분해 오일은 50 중량% 이하(예를 들어, 45 중량% 이하, 또는 40 중량% 이하, 또는 35 중량% 이하, 또는 30 중량% 이하)의 방향족 화합물을 포함할 수 있다. 일부 양상에서, 열분해 오일은 2 내지 50 중량%(예를 들어, 5 내지 30 중량%)의 범위의 방향족 화합물 함량을 가질 수 있다.
일부 양상에서, 약 10 중량% 이상, 또는 25 중량%, 또는 대안적으로 50 중량%의 생성된 그대로의 열분해 오일은 370℃ 미만의 비점을 특징으로 한다. 일부 양상에서, 약 90 중량% 이상, 또는 95 중량%, 또는 대안적으로 99 중량%의 열분해 오일은 650℃ 미만의 비점을 특징으로 한다.
파라핀, 나프텐, 올레핀 및 방향족 화합물의 함량은 열분해 단위 심각도에 따라 광범위하게 다양할 수 있다. 더 가혹한 조건(예를 들어, 고온 및 더 긴 체류 시간)에서, 방향족 화합물 및 올레핀의 함량은 파라핀 및 나프텐의 함량에 비해 증가한다.
위에서 언급된 탄화수소 중량 백분율은 모두 가스 크로마토그래피-질량 분광법(GC-MS)을 사용하여 결정될 수 있음에 유의한다.
열분해 오일은 15℃에서 적어도 28(예를 들어, 적어도 29, 또는 적어도 30, 또는 적어도 31, 또는 적어도 32, 또는 적어도 33)의 API 비중을 나타낼 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 열분해 오일은 15℃에서 50 이하(예를 들어, 49 이하, 또는 48 이하, 또는 47 이하, 또는 46 이하, 또는 45 이하, 또는 44 이하)의 API 비중을 나타낼 수 있다. 일부 양상에서, 열분해 오일은 15℃에서 28 내지 50 (예를 들어, 29 내지 48, 또는 30 내지 45)의 범위의 API 비중을 나타낸다.
열분해 오일은 15℃에서 적어도 0.6 g/cm3(예를 들어, 적어도 0.65 g/cm3, 또는 적어도 0.7 g/cm3)의 밀도를 나타낼 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 열분해 오일은 15℃에서 1 g/cm3 이하(예를 들어, 0.95 g/cm3 이하, 또는 0.9 g/cm3 이하, 또는 0.85 g/cm3 이하)의 밀도를 나타낼 수 있다. 일부 양상에서, 열분해 오일은 15℃에서 0.6 내지 1 g/cm3(예를 들어, 0.65 내지 0.95 g/cm3, 또는 0.7 내지 0.9 g/cm3)의 범위의 밀도를 나타낸다.
열분해 오일은 크래킹 구역과 같은 하류 유닛에 도입되기 전에 하나 이상의 처리 단계를 거칠 수 있다. 적합한 처리 단계의 예는 덜 바람직한 성분(예를 들어, 질소-함유 화합물, 함산소물 및/또는 올레핀 및 방향족 화합물)의 분리, 특정 열분해 오일 조성물을 제공하기 위한 증류, 및 예열을 포함할 수 있지만, 이로 제한되지 않는다. 일부 양상에서, 열분해 오일은 임의의 하류 적용 전에 전혀 전처리되지 않고 열분해 오일 공급원으로부터 직접 보내질 수 있다.
생물재생 가능한 공급원료
트라이글리세라이드를 포함하는 생물재생 가능한 공급원료는 원유(미네랄 오일) 또는 셰일 오일(shale oil) 또는 석탄과 같은 화석 오일 기반 공급원보다는 생물학적 공급원 또는 공급원들로부터 기원된다.
재생 가능한 공급원료는 트라이글리세라이드를 포함하는 이들 공급원료 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 재생 가능한 공급원료는 식물성 오일, 동물성 오일, 해조유, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 재생 가능한 공급원료의 대표적인 예는 카멜리나 오일, 카놀라유, 옥수수유, 콩기름, 유채씨유(rapeseed oil), 대두유, 유채유(colza oil), 톨유(tall oil), 해바라기씨 오일, 햄프씨드 오일, 올리브유, 아마인유, 코코넛유, 피마자유, 땅콩유, 팜유, 머스터드 오일, 황색 및 갈색 그리즈, 탤로(tallow), 라드, 어유, 해조유, 하수 슬러지 등을 포함한다.
트라이글리세라이드 이외에, 재생 가능한 공급원료는 전형적으로 다이글리세라이드, 모노글리세라이드, 유리 지방산(FFA) 등과 같은 다른 지질 성분을 함유한다. 재생 가능한 공급원료는 바람직하게는 적어도 75 중량%(예를 들어, 적어도 80 중량%, 적어도 85 중량%, 적어도 90 중량%, 80 내지 99.9중량%, 또는 90 내지 99.5 중량%)의 트라이글리세라이드를 함유한다. 전형적인 식물 또는 동물성 오일의 글리세라이드 및 FFA는 약 8 내지 약 30개의 탄소 원자를 갖는 지방족 탄화수소 사슬을 그 구조 내에 함유한다. 글리세라이드 또는 FFA의 지방족 탄소 사슬은 완전히 포화되거나, 모노-, 다이- 또는 폴리-불포화될 수 있다.
재생 가능한 공급원료는 다양한 양의 불순물, 예컨대 금속, 물, 인, 규소, 알칼리 금속, 알칼리 토금속 등을 함유할 수 있다.
재생 가능한 공급원료는 불순물을 제거하기 위해 전처리되고 고체를 제거하기 위해 여과될 수 있다.
접촉 분해 공정
접촉 분해는 적어도 하나의 탄화수소성 공급스트림을 접촉 분해 조건 하에서 분해 촉매와 접촉시켜 분해 생성물을 생성하는 것을 포함한다. 본 개시내용에서, 분해 생성물은, 촉매를 제외하고, 반응기를 떠나는 모든 것(액체, 고체, 휘발성 물질)이다. 본 명세서에 기재된 접촉 분해 공정으로부터의 분해된 생성물의 예는 수소, 경질 올레핀(5개 미만의 탄소 원자), 경질 파라핀, 5개 초과의 탄소 원자를 갖는 올레핀 및 파라핀, 및 코크스 중 하나 이상을 포함한다.
접촉 분해 반응은 고정층 반응기(fixed-bed reactor), 이동층 반응기(moving-bed reactor) 또는 유동층 반응기(fluidized-bed reactor)에서, 바람직하게는 유동층 반응기를 이용하여 수행될 수 있다. 유동층 반응기는 라이저(riser), 다우너(downer), 다수의 라이저, 및 다수의 다우너, 및 이들의 조합으로 이루어진 목록으로부터의 선택을 포함하도록 구성될 수 있다.
본 개시내용의 방법은 바람직하게는 연속식 공정으로서 수행된다. 연속식 공정을 이용하는 것은 반응 조건을 변경할 필요가 없다는 이점을 제공한다. 결과적으로, 취급이 용이하고 매우 양호한 결과가 달성될 수 있다.
일부 양상에서, 접촉 분해 공정은 유동 접촉 분해(fluid catalytic cracking: FCC) 공정이다. FCC 공정의 사용은 용이한 취급 및 높은 처리량을 허용하며, 이는 특히 유리한 높은 수율을 초래한다.
접촉 분해가 고정층 반응기, 이동층 반응기 및 유동층 반응기 중 하나 이상에서 수행될 때, 분해 조건은 400℃ 내지 600℃의 온도 및 40 kPa 내지 725 kPa의 압력을 포함할 수 있다. 온도는 420℃ 이상, 예컨대 440℃ 이상, 예컨대 450℃ 이상, 예컨대 460℃ 이상, 예컨대 470℃ 이상일 수 있고, 상한은 570℃ 이하, 예컨대 550℃ 이하, 예컨대 540℃ 이하, 예컨대 530℃ 이하, 예컨대 525℃ 이하, 예컨대 520℃ 이하일 수 있다. 압력은 낮게는 40 kPa, 예컨대 55 kPa, 예컨대 65 kPa, 예컨대 70 kPa 내지 높게는 650 kPa, 예컨대 675 kPa, 예컨대 700 kPa, 예컨대 725 kPa일 수 있다.
유동층 반응기에서 접촉 분해가 수행될 때, 반응 조건은 0.5 h-1 내지 50 h-1(예를 들어, 1 h-1 내지 40 h-1, 또는 2 h-1 내지 20 h-1)의 범위의 시간당 중량 공간 속도(weight hourly space velocity: WHSV)를 포함할 수 있다. 유동층 반응기에서의 체류 시간은 100 밀리초 내지 10초(예를 들어, 1초 내지 5초, 또는 2초 내지 4초)의 범위일 수 있다.
접촉 분해 구역에서 촉매와 접촉하는 접촉 분해 구역에 도입된 조합된 공급물(예를 들어, 열분해 오일 및 생물재생 가능한 공급원료)의 총량에 대한 촉매의 중량비(때때로 "촉매-대-오일 비" 또는 "촉매:오일 비"로 지칭됨)는 2:1 내지 10:1(예를 들어, 3:1 내지 9:1, 또는 4:1 내지 8:1, 또는 5:1 내지 7:1)의 범위일 수 있다.
본 명세서에서 사용하기에 적합한 촉매는 큰 기공 크기 분자체, 또는 적어도 하나의 큰 기공 크기 분자체 촉매와 적어도 하나의 중간 기공 크기 분자체 촉매의 혼합물 중 어느 한쪽을 포함하는 분해 촉매일 수 있다. 적합한 큰 기공 분자체는 제올라이트 베타, ZSM-10 및 파우자사이트(faujasite), 특히 제올라이트 Y, 초안정 Y(USY), 희토류-교환된 Y(REY) 및 희토류-교환된 초안정 Y(REUSY)를 포함한다. 적합한 중간-기공 분자체의 예는 ZSM-5, ZSM-11, ZSM-22, ZSM-48 및 MCM-22를 포함한다. 분해 촉매는 결합제와 혼합될 수 있고, 원하는 형상(예를 들어, 압출된 펠릿)으로 졍형화될 수 있다. 적합한 결합제는 실리카, 실리카-알루미나, 알루미나, 점토 또는 다른 공지된 무기 결합제를 포함한다. 조합 촉매는 통상의 촉매 펠릿에 혼합된 2가지 이상의 분자체를 포함할 수 있거나 상이한 유형의 촉매 재료의 촉매 펠릿의 혼합물을 포함할 수 있다.
본 개시내용의 방법에서, 열분해 오일 대 생물재생 가능한 공급원료의 비(열분해 오일:생물재생 가능한 공급원료)는 중량 기준으로 5:1 내지 1:19의 범위일 수 있다. 열분해 오일 대 생물재생 가능한 공급원료의 비 생물재생 가능한 공급원료의 부분에 대한 열분해 오일의 부분으로서 정의된다. 즉, 열분해 오일 대 생물재생 가능한 공급원료(열분해 오일:재생 가능한 공급원료)의 중량기준으로 1:19의 비는 1 중량부의 열분해 오일 및 19 중량부의 생물재생 가능한 공급원료를 함유하는 혼합물을 의미한다(5 중량%의 열분해 오일과 95 중량%의 생물재생 가능한 공급원료는, 즉, 열분해 오일과 생물재생 가능한 공급원료로 이루어진 혼합물의 경우에, 열분해 오일과 생물재생 가능한 공급원료의 합계가 100 중량%임을 제공함). 열분해 오일:생물재생 가능한 공급원료의 비는 중량 기준으로 4:1 이하, 또는 중량 기준으로 2:1 이하, 또는 중량 기준으로 1:1일 수 있다. 또한, 비는 중량 기준으로 1:7 이상, 또는 중량 기준으로 1:10 이상, 또는 중량 기준으로 1:7 이상, 또는 중량 기준으로 1:5 이상, 또는 중량 기준으로 1:4 이상, 또는 중량 기준으로 1:3 이상일 수 있다.
열분해 오일 및 생물재생 가능한 공급원료는, 상이한 공급 라인을 사용하여, 접촉 분해 공정이 수행되는 반응기에 도입될 수 있다. 열분해 오일 및 생물학적으로 재생 가능한 공급원료를 상이한 공급 라인을 사용하여 첨가하는 경우, 양호한 온도 제어를 달성하는 것이 더 용이할 수 있다. 연속식 공정에서, 분해에 필요한 에너지는 통상 가열된 촉매에 의해 제공된다. 따라서, 온도는 촉매의 입구 근처에서 가장 높다. 공급물이 과도하게 높은 온도에 의해 쉽게 분해되는 경우에, 이 공급물을 후속 위치(촉매 입구로부터 더 멀리 떨어진)에 주입하는 것은 코킹(coking)을 감소시킬 수 있다.
열분해 오일 및 생물재생 가능한 공급원료는, 동일한 공급 라인을 사용하여, 접촉 분해 공정이 수행되는 반응기에 도입될 수 있다. 이러한 절차는 공급을 용이하게 한다. 이러한 접근법을 조합하는 것, 즉, 하나의 단일 공급 라인을 사용하여 열분해 오일 및 생물재생 가능한 공급원료의 혼합물을 공급하고, 추가로 추가의(별도의) 공급 라인(들)을 사용하여 열분해 오일 및 생물재생 가능한 공급원료 중 하나 또는 둘 다를 공급하는 것이 또한 가능하다.
접촉 분해 공정이 수행되는 분해 반응기에 화석계 분획을 추가로 도입할 수 있다. 이 경우, 화석계 분획은 열분해 오일 및 생물학적으로 재생 가능한 공급원료와 공동-처리된다.
화석계 분획 및 열분해 오일은, 상이한 공급 라인을 사용하여 그리고/또는 동일한 공급 라인을 사용하여, 접촉 분해 공정이 수행되는 반응기에 도입될 수 있다. 유사하게, 화석계 분획 및 생물재생 가능한 공급원료는, 상이한 공급 라인을 사용하여 그리고/또는 동일한 공급 라인을 사용하여, 분해 반응기에 도입될 수 있다. 각각의 분획을 공급하는 적절한 방식은 실제 처리 조건 및 요구되는 온도 제어에 의존한다. 또한, 화석계 분획은 생물재생 가능한 공급원료, 열분해 오일, 또는 생물재생 가능한 공급원료 및 열분해 오일과 미리 혼합될 수 있다.
화석계 공급물은 연료 정제(예를 들어, 접촉 분해)에 일반적으로 사용되는 임의의 통상적인 화석 공급물일 수 있다. 바람직하게는, 화석계 공급물은 탄화수소 공급물이다. 화석계 분획 공급물은 경유(gas oil: GO) 공급물, 감압 경유(vacuum gas oil: VGO) 공급물, 피셔-트롭쉬 왁스(Fischer-Tropsch wax), 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다.
본 개시내용의 방법은 접촉 분해 생성물을 분별증류하여 적어도 가솔린 분획 및 중간 유분 분획을 제공하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 분획은 수송 연료에 가장 가치 있으며, 따라서 덜 가치있는 분획으로부터 이러한 분획을 분리하는 것이 유리하다. 가솔린 스트림 및 중간 유분 스트림에 더하여, 분별증류로부터 유도된 분획은 가스 스트림 및 증류 탑저부(distillation bottom)를 포함할 수 있다. 분별증류는 주위 압력(ambient pressure)에서의 증류 또는 감압 하에서의 증류 또는 증발을 포함하는 임의의 적합한 증류 수단을 포함할 수 있다.
본 개시내용은 추가로 본 발명의 방법에 의해 얻을 수 있는 연료 성분에 관한 것이다. 상기 연료 성분은 수송 연료 성분일 수 있다. 연료 성분은 그대로 연료로 사용되거나, 다른 연료 성분(재생 및/또는 석유 연료 성분)과 배합되어 연료를 제공할 수도 있다.
본 개시내용의 방법은 폐플라스틱 열분해 오일과 생물재생 가능한 공급원료의 독특한 조합으로 인해 분해 생성물의 특정 조성을 초래한다. 즉, 종래의 크래킹 제품 이외에, 본 개시내용은 특정한 화학 조성을 갖는 연료 성분을 제공한다. 특히, 본 개시내용의 연료 성분은 비등 범위, 아이소파라핀/n-파라핀 함량, 방향족 함량, 올레핀 함량, 옥탄가, 밀도, 및/또는 황 함량의 관점에서 통상적인 연료 성분과는 상이하다.
본 개시내용은, 위에서 정의된 바와 같은 분해 생성물을 생성하는 단계, 분해 생성물을 선택적으로 분별증류하여 분해 생성물 분획을 제공하는 단계, 및 분해 생성물 또는 분해 생성물 분획을 다른 연료 성분과 배합하여 연료를 제공하는 단계를 포함하는, 연료를 제조하는 방법이 제공된다. 연료를 제조하는 방법은 분해 생성물 또는 이의 분획의 선택적 정제를 추가로 포함할 수 있다.
실시예
다음의 예시적인 실시예는 비제한적인 것으로 의도된다.
실시예
촉매 시험을 다음 공급물에 대해 수행하였다: 감압 경유(VGO), 폐플라스틱 열분해 오일(PPO), 대두유(SBO), 50%VGO/50% PPO, 50% VGO/50% PPO, 50% VGO/50% SBO 및 50% SBO/50% PPO.
접촉 분해 공정 실험은 Advanced Cracking Evaluation(ACE) 모델 C 유닛(Kayser Technology Inc)에서 수행되었다. ACE 유닛에 사용된 반응기는 1.6cm ID의 고정식 유동 반응기였다. 질소는 유동화 가스로 사용되었으며 하단과 상단 둘 다로부터 도입되었다. 상단 유동화 가스는 교정된 주사기 공급물 펌프로부터 3방향 밸브를 통해 주입된 공급물을 운반하는 데 사용되었다.
각 공급물의 접촉 분해는 대기압 및 975℉의 온도에서 수행되었다. 각 실험마다, 75초 동안 1.2g/분의 속도로 일정한 양의 공급물을 주입하였다. 촉매/오일 비는 6이었다. 공급물 주입 75초 후, 촉매를 525초 동안 질소로 스트리핑 제거하였다.
접촉 분해 및 스트리핑 공정 동안, 반응기 출구 끝에 위치되어 -15℃로 유지되는 유리제 수용기에 부착된 샘플 바이알에 액체 생성물을 수집하였다. 가스 생성물을 1기압에서 N2로 미리 채워진 밀폐된 스테인리스강 용기(12.6L)에 수집하였다. 공급물 주입이 완료되자마자 60rpm으로 회전하는 전기 교반기에 의해 가스 생성물을 혼합하였다. 스트리핑 후, 가스 생성물을 균질성을 보장하기 위해 10분 동안 더 혼합하였다. 최종 가스 생성물을 정제 가스 분석기(RGA)를 사용하여 분석하였다.
스트리핑 공정 완료 후, 제자리(in-situ) 촉매 재생을 1300℉에서 공기의 존재 하에 수행하였다. 재생 연도 가스는 CO를 CO2로 산화시키기 위해 CuO 펠릿(LECO Inc.)으로 채워진 촉매 전환기를 통과하였다. 이어서, 상기 연도 가스를 촉매 전환기의 하류에 위치된 온라인 적외선(IR) 분석기로 분석하였다. 분해 과정에서 침착된 코크스는 IR 분석기로 측정한 CO2 농도로부터 계산되었다.
결과는 표 1에 요약한다.
플라스틱 열분해 오일(PPO)과 대두유(SBO)의 공동 처리에 시너지가 있는 것으로 보인다. 100% PPO 및 100% SBO 공급물의 수소 수율은 각각 0.04% 및 0.05%인 반면, 공동-처리된 50% PPO/50% SBO 공급물은 두 순수한 공급물 사례보다 낮은 0.03%의 수소 수율을 가졌다. PPO/SBO 공동-공급물의 프로필렌 수율(5.81%)은 또한 100% PPO 및 100% SBO 공급물(각각 6.75% 및 5.97%)보다 낮았다. PPO/SBO 공동-공급물의 총 C4 올레핀 수율(5.80%)은 두 100% 순수 공급물 사례의 수평균(평균 6.75% 및 5.97%는 6.36%임)보다 낮았다. 이론에 구애됨이 없이, PPO와 SBO 사이에 수소 전달이 있는 것으로 여겨진다. 이들 2가지 공급원료 사이의 수소 전달은 생성물 수율, 선택성 및 생성물 특성을 개선시킬 것이기 때문에 매우 바람직하다.
PPO와 SBO의 공동 처리의 여러 이점이 관찰되었다. 100% PPO의 분해는 높은 전환율을 제공하지만, 코크스 수율은 낮고 FCC 유닛 열 균형에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 높은 가솔린 수율은 달성되었지만 n-파라핀 함량이 높기 때문에 낮은 옥탄으로 달성되었다. 100% SBO의 분해는 PPO보다 양호한 전환율 및 더 높은 코크스 수율을 제공하였다. 가솔린 수율은 공급물 산소의 존재로 인해 더 낮았지만, 방향족 화합물 함량이 높기 때문에 높은 옥탄을 가졌다. 100% PPO를 분해시키는 것과 비교하여, PPO/SBO 공동 공급물의 분해는 n-파라핀을 명확하게 감소시키고, 방향족 화합물을 증가시키며, 따라서 가솔린에 대한 옥탄을 개선시켰다. 코크스 수율도 양호하여 대부분의 FCC 장치 열 균형 요구 사항을 충족시킬 수 있다.
PPO 및 SBO 공급물을 공동처리하는 이점을 정량화하기 위해, 100% PPO 공급물, 100% SBO 공급물을 분해한 결과, 및 이들의 수치 평균을 50/50 PPO/SBO 공동공급 사례와 비교하였다. 그 결과를 표 2에 요약한다.
표 2의 결과는, 공동처리가 LPG, 경질 사이클 오일 및 중질 사이클 오일 수율을 감소시키면서 가솔린 수율을 5%만큼 증가시켰음을 나타낸다. 가솔린 올레핀 함량은 7%만큼 떨어졌고, 옥탄가는 3 내지 5%만큼 증가하여, 가솔린 특성이 공동처리에 의해 개선되었음을 나타낸다. 또한, 공동처리는 일산화탄소, 이산화탄소 및 물과 같은 바람직하지 않은 부산물로의 탄화수소의 손실을 각각 14%, 4% 및 8%만큼 감소시켰다. 트라이글리세라이드 오일 중 고농도의 산소로 인해, 일산화탄소, 이산화탄소 및 물 형성을 통한 탄화수소의 손실이 이슈화되었다. 이러한 감소는, 폐플라스틱 열분해 오일을 공동 공급함으로써, 생물재생 가능한 공급원료로부터의 재생 가능한 가솔린 수율이 증가될 수 있음을 시사한다.
Claims (24)
- 방법으로서,
접촉 분해 조건(catalytic cracking condition)에서 고체 촉매의 존재 하에 접촉 분해 공정에서 폐플라스틱 원료로부터 유래된 열분해 오일과 트라이글리세라이드를 포함하는 생물재생 가능한 공급원료(biorenewable feedstock)를 공동처리(co-processing)하여 분해 생성물을 제공하는 단계를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서, 상기 폐플라스틱 원료는 소비자 사용 후 중합체(post-consumer use polymer), 산업 사용 후 중합체(post-industrial use polymer), 또는 이들의 조합을 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 폐플라스틱 원료는 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 이들의 임의의 조합으로부터 선택되는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 폐플라스틱 원료는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 폴리스타이렌, 수지 식별 코드 번호 7의 중합체 및 이들의 임의의 조합으로부터 선택된 중합체를 1중량% 미만으로 함유하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 열분해 오일은 다음 특성:
(a) 적어도 55 중량%의 C4 내지 C30 탄화수소 함량;
(b) 20 내지 90 중량%의 범위의 파라핀 함량;
(c) 15℃에서 적어도 28의 API 비중; 및
(d) 15℃에서 적어도 0.6 g/cm3의 밀도
중 하나 이상을 나타내는, 방법. - 제1항에 있어서, 상기 생물재생 가능한 공급원료는 적어도 75 중량%의 트라이글리세라이드를 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 생물재생 가능한 공급원료는 식물성 오일, 동물성 오일, 해조유(algae oil), 또는 이들의 조합 혼합물을 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 생물재생 가능한 공급원료는 카멜리나 오일, 카놀라유, 옥수수유, 콩기름, 유채씨유(rapeseed oil), 대두유, 유채유(colza oil), 톨유(tall oil), 해바라기씨 오일, 햄프씨드 오일, 올리브유, 아마인유, 코코넛유, 피마자유, 땅콩유, 팜유, 머스터드 오일, 황색 및 갈색 그리즈, 탤로(tallow), 라드, 어유, 해조유, 하수 슬러지, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 열분해 오일 대 상기 생물재생 가능한 공급원료(열분해 오일:생물재생 가능한 공급원료)의 비가 중량 기준으로 5:1 내지 1:19, 중량 기준으로 4:1 이하, 중량 기준으로 2:1 이하, 중량 기준으로 1:1 이하; 중량 기준으로 1:7 이상, 중량 기준으로 1:5 이상, 중량 기준으로 1:4 이상 및 중량 기준으로 1:3 이상 중 적어도 하나의 범위가 되도록 선택되는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 열분해 오일 및 상기 생물재생 가능한 공급원료를, 상이한 공급 라인을 통해서, 상기 접촉 분해 공정이 수행되는 반응기에 도입하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 열분해 오일 및 상기 생물재생 가능한 공급원료를, 동일한 공급 라인을 통해서, 상기 접촉 분해 공정이 수행되는 반응기에 도입하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 열분해 오일과 상기 생물재생 가능한 공급원료를 혼합 용기에서 미리 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 및
상기 혼합물을 상기 반응기에 도입하는 단계
를 포함하는, 방법. - 제11항에 있어서, 별도의 공급 라인을 사용하여 상기 열분해 오일 및 상기 생물재생 가능한 공급원료 중 하나 또는 둘 다의 일부를 상기 반응기 내로 개별적으로 도입하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 화석계 분획을 상기 접촉 분해 공정이 수행되는 반응기에 도입하는 단계, 및 상기 열분해 오일 및 상기 생물재생 가능한 공급원료와 공동처리하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제14항에 있어서,
상이한 공급 라인 및 동일한 공급 라인 중 적어도 하나를 사용하여 상기 화석계 분획 및 상기 열분해 오일을 상기 반응기에 도입하는 단계; 및
상이한 공급 라인 및 동일한 공급 라인 중 적어도 하나를 사용하여 상기 화석계 분획 및 상기 생물재생 가능한 공급원료를 상기 반응기에 도입하는 단계
중 적어도 하나인, 방법. - 제14항에 있어서, 상기 화석계 분획은 경유(gas oil: GO) 공급물, 감압 경유(vacuum gas oil: VGO) 공급물, 피셔-트롭쉬 왁스(Fischer-Tropsch wax), 및 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나인, 방법.
- 제10항, 제11항 및 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응기는 고정층 반응기(fixed-bed reactor), 이동층 반응기(moving-bed reactor) 또는 유동층 반응기(fluidized-bed reactor)인, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 분해 촉매는 적어도 하나의 큰 기공 크기 파우자사이트(faujasite)인 제올라이트, 또는 적어도 하나의 큰 기공 크기 파우자사이트인 제올라이트와 ZSM-5, ZSM-11, ZSM-22, ZSM-48 및 MCM-22로부터 선택된 적어도 하나의 중간 기공 크기 제올라이트의 혼합물을 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 접촉 분해 조건은 400℃ 내지 600℃의 온도 및 40kPa 내지 725kPa의 압력을 포함하는, 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 접촉 분해 공정은 2:1 내지 10:1의 촉매-대-오일 비로 수행되는, 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 분해 생성물을 분별증류(fractionating)하여 가솔린 분획 및 중간 유분(middle distillate) 분획 중 적어도 하나를 제공하는 단계를 포함하는, 방법. - 제1항에 따른 방법에 의해 얻어진 연료 성분.
- 제22항에 있어서,
상기 분해 생성물의 분획을 포함하되, 상기 분획은 가솔린 범위; 및 중간 유분 범위 중 적어도 하나에서 비등하는 분획인, 연료 성분. - 방법으로서, 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항의 방법에 따라 분해 생성물을 제조하는 단계; 상기 분해 생성물을 선택적으로 분별증류하여 분해 생성물 분획을 제공하는 단계; 및 상기 분해 생성물 또는 상기 분해 생성물 분획을 다른 연료 성분과 배합하여 연료를 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
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