KR100942790B1 - Process for the gasification of heavy oil - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고점도 탄화수소 물질을 합성 기체로 전환하기 위하여 기체화 장치로 공급하는 방법에 관한 것이다. 공급원료, 수증기 산소, 및 재순환 기체화 시스템 물 모두는 중앙 원통형 도관(4) 및 서로 방사형으로 거리를 두고 배치된 이차 원통형 도관(6), 삼차 원통형 도관(8) 및 외부 원통형 도관(10)을 포함하는 4개 스트림 공급물 공급장치(2)를 통하여 기체화 장치에 공급된다. 이와 같은 배열은 중앙 통로(12), 및 일차 환형 동축 동심 환형 통로(14), 이차 환형 동축 동심 환형 통로(16), 및 외부 환형 동축 동심 환형 통로(18)를 제공한다. 각 도관의 업스트림 말단들은 물질을 주입하기 위한 테두리진 주입구 노즐(20)을 갖는다. 이와 같은 설계에서 예외적으로 무거운 공급물의 우수한 전환 효율을 제공하기 위하여 공급원료는 두 개의 산소 스트림 사이에 샌드위치된다. 공급물 공급장치(2)의 중앙 레이아웃(12) 하부의 추가 스트림은 재순환 물의 유동 통로를 제공한다. The present invention relates to a process for feeding high viscosity hydrocarbon materials to a gasifier for converting them into synthesis gas. The feedstock, water vapor oxygen, and recycle gasification system water all contain a central cylindrical conduit (4) and a secondary cylindrical conduit (6), tertiary cylindrical conduit (8) and an outer cylindrical conduit (10) radially spaced from each other. It is fed to the gasifier through a four stream feed supply (2) comprising. This arrangement provides a central passage 12, and a primary annular coaxial concentric annular passage 14, a secondary annular coaxial concentric annular passage 16, and an outer annular coaxial concentric annular passage 18. The upstream ends of each conduit have a rim inlet nozzle 20 for injecting material. In this design the feedstock is sandwiched between two oxygen streams to provide good conversion efficiency for exceptionally heavy feeds. An additional stream below the central layout 12 of the feed feeder 2 provides a flow passage for recycle water.
기체화장치, 공급물 공급장치, 탄화수소, 합성기체Gasifier, Feeder, Hydrocarbon, Syngas
Description
본 발명은 고점도의 액체상 탄화수소 물질을 합성기체(synthesis gas)로 전환하기 위하여 기체화 장치에 공급하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for supplying a high viscosity liquid hydrocarbon material to a gasifier for converting it into a synthesis gas.
탄화수소 물질을 합성기체로 기체화하는 방법 및 이점들이 산업 전반에 걸쳐 일반적으로 잘 알려져 있다. 고온의 기체화 방법에 있어서, 합성기체는 천연기체와 같은 기체상 가연성 연료, 액체상 가연성 연료, 및 석탄, 잔류 석유(residual petroleum), 목재(wood), 역청사(tar sand), 혈암유(shale oil), 및 도시, 농촌 또는 산업 폐기물과 같은 고체상 가연성 유기연료로부터 일반적으로 생성된다. 이와 같은 기체상, 액체상 또는 고체상 가연성 유기연료들은 기체화 장치에서 공기, 농축공기(enriched air), 또는 거의 순수한 산소와 같은 산소 함유 기체, 및 온도 조절제(modifier)와 반응하여 합성기체를 수득한다. Methods and advantages of gasifying hydrocarbon materials into synthetic gas are generally well known throughout the industry. In the high temperature gasification method, the synthesis gas is composed of gaseous combustible fuels such as natural gas, liquid combustible fuels, and coal, residual petroleum, wood, tar sand, shale oil. oil) and solid phase combustible organic fuels such as municipal, rural or industrial wastes. Such gaseous, liquid or solid combustible organic fuels are reacted in a gasifier with air, enriched air, or an oxygen-containing gas such as nearly pure oxygen, and a temperature modifier to yield a synthesis gas.
기체화 반응기의 반응 구역에서, 내용물은 일반적으로 약 1,700℉(930℃) 내지 약 3,000℉(1650℃), 및 보다 일반적으로는 약 2,000℉(1100℃) 내지 약 2,800℉(1540℃)의 온도에 도달할 것이다. 압력은 일반적으로 약 1 기압(100 KPa) 내지 약 250 기압(25,000 KPa), 보다 일반적으로는 약 15 기압(1500 KPa) 내지 약 150 기압(15000 KPa)일 것이다. In the reaction zone of the gasification reactor, the contents are generally at a temperature of about 1700 ° F. (930 ° C.) to about 3,000 ° F. (1650 ° C.), and more generally about 2,000 ° F. (1100 ° C.) to about 2,800 ° F. (1540 ° C.). Will reach. The pressure will generally be about 1 atm (100 KPa) to about 250 atm (25,000 KPa), more typically about 15 atm (1500 KPa) to about 150 atm (15000 KPa).
일반적인 기체화 방법에 있어서, 합성기체는 수소(H2), 일산화탄소(CO), 및 물(H2O), 이산화탄소(CO2), 황화카보닐(COS), 황화수소(H2S), 질소(N 2) 및 아르곤(Ar)과 같은 적은 양의 불순물을 실질적으로 포함할 것이다. 합성 기체를 냉각시키고, 특히 회분 및/또는 슬래그 및 기체화 장치의 반응 구역에서 배출되는 미세 탄소 그을음(soot)과 같은 어떠한 고형물질들을 제거하기 위하여, 상기 기체화 장치의 반응 구역 하부에 위치한 급랭 드럼(quench drum)이 사용된다. 급랭 드럼에 있어서, 합성 기체는 물웅덩이(pool)를 통과하여 물 레벨수준측정기(level) 상부의 배출 노즐(outlet nozzle)을 통하여 급랭 드럼을 빠져나간다. 고형 입자들은 드럼 바닥면에 침전되고, 제거된다. 한편, 급냉수(quench water)는 드럼의 일정한 액체 레벨을 유지하도록 급랭 드럼에 계속적으로 공급 및 제거된다.In a general gasification method, the synthesis gas is hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), and water (H 2 O), carbon dioxide (CO 2 ), carbonyl sulfide (COS), hydrogen sulfide (H 2 S), nitrogen It will substantially comprise small amounts of impurities such as (N 2 ) and argon (Ar). A quench drum located below the reaction zone of the gasifier to cool the synthesis gas and, in particular, to remove any solids such as ash and / or slag and fine carbon soot discharged from the reaction zone of the gasifier. (quench drum) is used. In the quench drum, the synthesis gas passes through a pool and exits the quench drum through an outlet nozzle above the water level. Solid particles settle at the bottom of the drum and are removed. Quench water, on the other hand, is continuously supplied to and removed from the quench drum to maintain a constant liquid level of the drum.
합성 기체는 다운스트림 공정에 사용되기 이전에 특히, H2S, COS 및 CO2와 같은 불순물을 제거하거나 또는 양을 실질적으로 감소시키기 위하여 일반적으로 처리된다. 합성 기체는 정제용 수소의 제조, 화학 제조용 일산화탄소의 제조, 또는 전기 생산을 위한 연소 터빈용 연료기체 제조와 같은 여러 유용한 방법들에 사용되기 위하여 제조된다.Synthetic gas is generally treated prior to use in downstream processes, in particular to remove impurities or substantially reduce the amount, such as H 2 S, COS and CO 2 . Synthetic gases are prepared for use in a variety of useful methods, such as the production of purified hydrogen, the production of carbon monoxide for chemical production, or the production of fuel gases for combustion turbines for electricity production.
일반적으로, 공급물(feed)이 무거울수록, 수소에 대한 탄소 비율이 높아진다. 높은 C/H 비율은 낮은 C/H 비율의 공급물이 기체화되는 경우보다 기체화 장치 의 반응 구역 온도가 보다 고온이 될 것이라는 것을 의미한다. 결국, 기체화장치의 반응 구역 온도를 알맞게 조절하기 위하여 일반적으로 수증기, 물 또는 이산화탄소와 같은 불활성 기체등의 온도 조절제의 사용이 요구된다. 물은 일반적으로 고체상 원료에 대하여 담체(carrier) 및 온도 조절제의 구실을 한다. 또한, 물은 액체상 탄화수소 연료와 일반적으로 혼합된다. 또한, 수증기는 공급물, 자유 산소 함유 기체 스트림, 또는 이들 모두와 혼합되어 기체화 장치로 공급될 수 있다. In general, the heavier the feed, the higher the carbon to hydrogen ratio. The high C / H ratio means that the reaction zone temperature of the gasifier will be hotter than when the low C / H ratio feed is gasified. As a result, in order to properly control the reaction zone temperature of the gasifier, it is generally required to use a temperature control agent such as water vapor, water or an inert gas such as carbon dioxide. Water generally serves as a carrier and temperature control for solid phase raw materials. In addition, water is generally mixed with liquid hydrocarbon fuels. In addition, water vapor can be mixed with the feed, free oxygen containing gas stream, or both, and fed to the gasifier.
일반적으로, 기체화 장치의 급랭 드럼으로부터 제거되는 급냉수의 일부는 다운스트림 유닛에서 처리된 후 공급물과 혼합되어 기체화장치로 재순환된다. 대부분의 경우, 급냉수를 공급물과 혼합하는 것은 어떠한 문제도 야기하지 않는다. 그러나, 액체상 공급원료가 너무 무거워 이들의 점도를 펌핑가능한 수준까지 낮추어 유지시키기 위하여 가열시킬 필요가 있을 경우, 공급원료와 급냉수를 혼합하는 것이 더 이상 효과적이지는 않다. Generally, some of the quench water removed from the quench drum of the gasifier is processed in a downstream unit and then mixed with the feed and recycled to the gasifier. In most cases, mixing quench water with the feed does not cause any problems. However, when liquid phase feedstocks are too heavy and need to be heated to maintain their viscosity down to a pumpable level, mixing feedstock with quench water is no longer effective.
또한, 점도는 기체화 장치에서 공급원료의 전환(conversion)에서 중요한 역할을 담당하고 있다. 일반적으로, 미세 입자를 반응기에 분사하기 위하여 공급물을 세분화(atomize)하는 것이 바람직하다. 입자가 보다 미세할수록 전환율이 보다 높아질 것이다. 그럼에도 불구하고, 높은 점도를 갖는 물질들을 세분화하는 것은 어려운 일이며, 물을 첨가하면 비균질 혼합물을 생성시킬 수 있다. 결국, 고점도의 공급원료와 물을 혼합하는 것은 혼합이 잘못될 경우 기체화 장치의 전환반응에 악영향을 끼칠 수 있다.
Viscosity also plays an important role in the conversion of feedstock in gasifiers. In general, it is desirable to atomize the feed to inject the fine particles into the reactor. The finer the particles, the higher the conversion will be. Nevertheless, subdividing materials with high viscosity is difficult and the addition of water can produce a heterogeneous mixture. As a result, the mixing of high viscosity feedstock and water can adversely affect the conversion reaction of the gasifier if the mixing is incorrect.
발명의 요약Summary of the Invention
본 발명은 고점도의 액체상 탄화수소 물질을 합성기체로 전환하기 위하여 기체화장치에 공급하는 방법에 관한 것이다. 공급원료, 수증기, 산소 함유 기체 및 재순환 급냉수 모두는 4개 스트림 공급물 공급장치(injector)를 통하여 기체화 장치로 공급된다. 이와 같은 설계에서 예외적으로 무거운 공급물의 우수한 세분화 및 이로 인한 합성 기체로의 우수한 전환을 제공하기 위하여 공급원료는 두 개의 산소 스트림 사이에 샌드위치 된다. 공급물 공급장치의 중앙 베이어닛(bayonet)은 4번째 스트림인 급냉수 재순환에 대한 유동 통로(flow path)를 제공한다. 이와 같은 배치는 점도를 증가시키고 기체화 장치의 보다 낮은 전환 효율을 유발시키는 공급원료의 혼합 및 냉각을 방지한다.
The present invention relates to a method of feeding a high viscosity liquid hydrocarbon material to a gasifier for converting it into a synthesis gas. The feedstock, water vapor, oxygen containing gas and recycle quench water are all fed to the gasifier through a four stream feed injector. In this design, the feedstock is sandwiched between two oxygen streams to provide exceptional segmentation of exceptionally heavy feeds and thus good conversion to synthesis gas. The central bayonet of the feed feeder provides a flow path for the fourth stream, quench water recycle. This arrangement prevents mixing and cooling of the feedstock, which increases the viscosity and leads to lower conversion efficiency of the gasifier.
도면의 간단한 설명Brief description of the drawings
도 1은 기체화 장치에서 사용되는 4개 스트림 공급물 공급장치의 개략도를 도시하고 있다.
1 shows a schematic diagram of a four stream feed supply for use in a gasifier.
본 발명은 고 점도의 액체상 탄화수소 공급원료의 신규한 부분 산화 또는 기체화 방법에 관한 것이다. 정의에 의하면, 기체화장치, 부분 산화 반응기, 또는 기체화장치는 공급원료의 부분 산화가 일어나서 공급원료를 합성 기체로 전환하는 반응기를 기술하기 위하여 상호 교환적으로 사용된다. 부분 산화 반응기들은 본 기술 분야에 잘 알려져 있으며, 또한, 부분 산화 반응 조건들도 잘 알려져 있다. 예를 들면, 이들은 본 명세서에 참조문헌으로 모두 포함된 미합중국 특허 제 4,328,006호, 제4,959,080호 및 제5,281,243호 등에 기술되어 있다. 기체화 장치의 공급원료는 기체화 장치에서 공기, 농축 공기, 또는 거의 순수한 산소와 같은 산소 함유 기체, 및 물 또는 수증기와 같은 온도 조절제와 반응하여 합성 기체를 생성한다. 공급원료의 탄소를 주로 일산화탄소와 수소 기체로 부분 산화시키기 위하여 산소가 사용된다. 기체화 장치 내부의 온도를 조절하기 위하여 온도 조절제가 사용된다. 산소 및 온도 조절제 모두 합성 기체의 조성에 영향을 줄 수 있지만, 기체화 장치의 조절은 본 발명의 범위 밖에 있다. The present invention relates to a novel process for partial oxidation or gasification of high viscosity liquid hydrocarbon feedstocks. By definition, gasifiers, partial oxidation reactors, or gasifiers are used interchangeably to describe reactors in which partial oxidation of a feedstock occurs to convert the feedstock into a synthesis gas. Partial oxidation reactors are well known in the art, and also partial oxidation reaction conditions are well known. For example, they are described in US Pat. Nos. 4,328,006, 4,959,080, and 5,281,243, all of which are incorporated herein by reference. The feedstock of the gasifier is reacted with an oxygen-containing gas such as air, concentrated air, or nearly pure oxygen in the gasifier, and a temperature regulator such as water or water vapor to produce a synthesis gas. Oxygen is used to partially oxidize the carbon in the feedstock to mainly carbon monoxide and hydrogen gas. Thermostats are used to control the temperature inside the gasifier. While both oxygen and temperature regulators can affect the composition of the synthesis gas, control of the gasifier is outside the scope of the present invention.
부분 산화 반응은 완전 산화 반응시 발생되는 물 및 이산화탄소 대신에 수소 및 일산화탄소(합성 기체(synthesis gas 또는 syngas))를 생성시키기 위하여 탄화수소 공급원료와 함께 제한된 양의 산소를 사용한다. 이와 같은 반응은 직쇄 탄화수소에 대하여는 하기 반응식 (1)으로 나타낸다:The partial oxidation reaction uses a limited amount of oxygen with the hydrocarbon feedstock to produce hydrogen and carbon monoxide (synthesis gas or syngas) instead of the water and carbon dioxide produced during the complete oxidation reaction. This reaction is represented by the following Scheme (1) for straight chain hydrocarbons:
(1) ((n+2)/2)O2+CH3(CH2)nCH3 ⇔ (n+3)H2+(n+2)CO(1) ((n + 2) / 2) O 2 + CH 3 (CH 2 ) n CH 3 ⇔ (n + 3) H 2 + (n + 2) CO
실제적으로, 이와 같은 반응은 기재된 대로 실행하기 어렵다. 물 기체 전환 반응(2)을 통한 일부의 물 및 이산화탄소 생성이 언제나 존재할 것이다:In practice, such a reaction is difficult to carry out as described. There will always be some water and carbon dioxide production through the water gas shift reaction (2):
(2) H2O+CO ⇔ H2+CO2 (2) H 2 O + CO ⇔ H 2 + CO 2
이와 같은 반응은 가역적인 반응이다. 즉, 진행 정도가 온도 및 압력 조건에 의존한다. 합성 기체의 제조에는 고온 및 저압이 선호된다. Such a reaction is a reversible reaction. That is, the degree of progression depends on the temperature and pressure conditions. High temperature and low pressure are preferred for the production of the synthesis gas.
부분 산화 반응은 바람직한 양의 탄소 함유 공급원료를 합성기체로 전환시키기에 충분한 반응 조건하에서 수행된다. 반응 온도는 일반적으로 약 1,700℉(930℃) 내지 약 3,000℉(1650℃), 및 보다 일반적으로는 약 2,000℉(1100℃) 내지 약 2,800℉(1540℃)이다. 압력은 일반적으로 약 1 기압(100 KPa) 내지 약 250 기압(25,000 KPa), 보다 일반적으로는 약 15 기압(1500 KPa) 내지 약 150 기압(15000 KPa)이다. The partial oxidation reaction is carried out under reaction conditions sufficient to convert the desired amount of carbon-containing feedstock into the synthesis gas. The reaction temperature is generally about 1700 ° F. (930 ° C.) to about 3,000 ° F. (1650 ° C.), and more generally about 2,000 ° F. (1100 ° C.) to about 2,800 ° F. (1540 ° C.). The pressure is generally from about 1 atmosphere (100 KPa) to about 250 atmospheres (25,000 KPa), more typically from about 15 atmospheres (1500 KPa) to about 150 atmospheres (15000 KPa).
합성 기체 생성물 조성은 공급원료의 조성 및 반응 조건에 따라 다양할 것이다. 합성 기체는 일반적으로 CO, H2, 수증기, CO2, H2S, COS, CH 4, NH3, N2, 일부의 Ar, 및 만일 부분 산화 반응기의 공급물에 충분히 높은 농도로 존재한다면, 일반적으로 중유 필드(fields)에서 발견되는, 철, 니켈 및 바나듐과 같은 용이하게 산화되지 않은 휘발성 금속들을 포함한다.The synthesis gas product composition will vary depending on the composition of the feedstock and the reaction conditions. Synthesis gas is generally present in CO, H 2 , water vapor, CO 2 , H 2 S, COS, CH 4 , NH 3 , N 2 , part of Ar, and if at a sufficiently high concentration in the feed of the partial oxidation reactor, It includes volatile metals that are not readily oxidized, such as iron, nickel and vanadium, which are generally found in heavy oil fields.
본 발명에 사용된 것과 같은 회분 함유 공급원료는 종종 거친 슬래그(coarse slag) 및 숯, 미세 탄소 입자, 및 무기 회분과 같은 기타 물질들을 포함하는 비-기체성 부산물을 생성한다. 상기 거친 슬래그 및 무기 회분은 종종 철, 니켈, 소듐, 바나듐, 포타슘, 알루미늄, 칼슘, 실리콘, 및 이와 같은 금속들의 산화물 및 황화물과 같은 금속들로 구성된다. Ash-containing feedstocks, such as used in the present invention, often produce non-gaseous by-products including coarse slag and other materials such as charcoal, fine carbon particles, and inorganic ash. The coarse slag and inorganic ash are often composed of metals such as oxides and sulfides of iron, nickel, sodium, vanadium, potassium, aluminum, calcium, silicon, and such metals.
부분 산화 반응기에서 제조된 거친 슬래그는 일반적으로 기체화 장치의 급랭 구획으로부터 주조형태로 합성 기체로부터 제거된다. 기체화 장치의 급랭 구획에서, 기체화 반응의 합성 기체 생성물은 기체화 장치 바로 아래에 위치한 급랭 챔버 의 급냉수 웅덩이에 통과되어 냉각된다. 슬래그는 상기 급랭 챔버에서 냉각 및 회수되며, 이로부터 슬래그 및 급랭 챔버에 축적되는 기타 미세 물질들이 락호퍼(lockhopper) 또는 기타 적당한 수단을 사용하여 기체화 공정으로부터 방출될 수 있다. 추가의 공정을 수행하기 이전에 미립자들을 추가로 제거하기 위하여 수용성 집진기(scrubber)에 급랭 챔버를 빠져나가는 합성 기체를 통과시킨다. 기체화 장치의 급랭 챔버내 급냉수의 수준을 일정하게 유지하기 위하여 급랭 챔버에 급냉수를 계속적으로 제거 및 첨가한다. Coarse slag produced in the partial oxidation reactor is generally removed from the synthesis gas in casting form from the quench section of the gasifier. In the quench section of the gasifier, the synthesis gas product of the gasification reaction is passed through the quench water pool of the quench chamber located directly below the gasifier and cooled. Slag is cooled and recovered in the quench chamber from which slag and other fine materials accumulating in the quench chamber can be released from the gasification process using a lockhopper or other suitable means. The synthetic gas exiting the quench chamber is passed through an aqueous scrubber to further remove particulates prior to further processing. The quench water is continuously removed and added to the quench chamber to maintain a constant level of quench water in the quench chamber of the gasifier.
본 발명에 있어서, 미합중국 특허 제4,525,175호에 기술된 것과 같은 기체화 장치에 사용되는 4개 스트림 공급물 공급장치는 고점도의 액체상 공급원료를 처리하기 위하여 사용된다. 도 1에 4개 스트림 공급물 공급장치 팁(tip)이 도시되어 있다. 공급물 공급장치(2)는 중앙의 원통형 도관(4) 및 서로 방사형으로 거리를 두고 배치된 이차 원통형 도관(6), 삼차 원통형 도관(8) 및 외부 원통형 도관(10)을 포함한다. 이와 같은 배열은 중앙 통로(12), 및 일차 환형 동축 동심 환형 통로(14), 이차 환형 동축 동심 환형 통로(16), 및 외부 환형 동축 동심 환형 통로(18)를 제공한다. 도관들은 공급물 공급장치의 중앙 세로축과 같은 축을 갖는다. 모든 도관 및 환형 통로들은 업스트림 말단에서 폐쇄되어 있고, 다운스트림 말단에서 개방되어 있다. 각 도관의 업스트림 말단들은 물질을 주입하기 위한 테두리진 주입구 노즐(20)을 갖는다. 중심 도관의 내부 및 외부 지름은 공급물 공급장치의 다운스트림 말단에 가까울수록 감소되어 원뿔형 노즐을 형성한다. 이것이 일반적으로 본 발명에서 사용될 수 있는 4개 스트림 공급물 공급장치의 표본이다. 고점도 공급원료의 부분 산화반응에 사용하기 위하여 어떠한 4개 스트림 공급물 공급장치를 사용하는 것도 본 발명의 범위내에 있다. In the present invention, a four stream feed feeder used in a gasifier such as described in US Pat. No. 4,525,175 is used to treat high viscosity liquid phase feedstock. A four stream feeder tip is shown in FIG. 1. The feed feeder 2 comprises a central
공급물 공급장치 어셈블리는 예를 들면, 미합중국 특허 제3,544,291호에 개시된 것과 같이 기체화 장치의 상부 주입 포트(port)를 통하여 아랫방향으로 삽입된다. 공급물 공급장치는 반응 구역으로 직접 방출하는 다운스트림 말단을 갖는 기체화 장치의 중심 세로축을 따라 연장된다. 기체화 장치로 공급되는 반응 공급물 스트림의 상대 비율은 연료에 존재하는 탄소의 실질적인 부분, 예를 들면 약 90중량% 이상을 탄소 산화물로 전환시키고; 내생 반응 구역 온도를 1,700℉(930℃) 내지 약 3,000℉(1650℃), 및 보다 일반적으로는 약 2,000℉(1100℃) 내지 약 2,800℉(1540℃)으로 유지하기 위하여 조심스럽게 조절된다. 4개 스트림 공급물 공급장치 어셈블리로 공급되는 반응물은 공기, 농축 공기 또는 거의 순수한 산소와 같은 산소 함유 기체, 수증기 및/또는 물, 바람직하게는 기체화 시스템으로부터 재순환된 물과 같은 온도 조절제, 및 고점도 액체상 탄화수소 공급원료이다. 수증기 또는 보일러 공급수와 선택적으로 혼합된 산소-함유 기체는 공급물 공급장치의 이차 도관(6) 및 외부 도관(10), 즉 일차 환형 동축 동심 환형 통로(14) 및 외부 환형 동축 동심 환형 통로(18)로 향한다. 고점도 액체상 탄화수소 공급원료는 공급물 공급장치의 삼차 도관(8), 즉, 이차 환형 동축 동심 환형 통로(16)를 통하여 공급물 공급장치로 공급된다. 물 온도 조절제, 바람직하게는 기체화 장치로부터의 탄소 그을음을 포함하는 재순환 기체화 시스템 물은 공급물 공급장치의 중심 원통형 도관(4)을 통하여 공급장치의 중심 통로(12)로 공급된다.
The feed supply assembly is inserted downward through the upper injection port of the gasifier, for example as disclosed in US Pat. No. 3,544,291. The feed feed extends along the central longitudinal axis of the gasifier with a downstream end that discharges directly to the reaction zone. The relative proportion of the reaction feed stream fed to the gasifier converts a substantial portion of the carbon present in the fuel, such as at least about 90% by weight, to carbon oxides; The endogenous reaction zone temperature is carefully adjusted to maintain from 1,700 ° F. (930 ° C.) to about 3,000 ° F. (1650 ° C.), and more generally from about 2,000 ° F. (1100 ° C.) to about 2,800 ° F. (1540 ° C.). The reactants fed to the four stream feed feed assembly are oxygen, gas containing oxygen, such as air, concentrated air or nearly pure oxygen, water vapor and / or water, preferably temperature regulators such as water recycled from the gasification system, and high viscosity Liquid hydrocarbon feedstock. Oxygen-containing gas, optionally mixed with water vapor or boiler feed water, is the secondary conduit (6) and the outer conduit (10) of the feed supply, ie primary annular coaxial concentric annular passage (14) and outer annular coaxial concentric annular passage ( Head to 18). The high viscosity liquid hydrocarbon feedstock is fed to the feed supply via a
정의에 의하면, 고점도 액체상 탄화수소는 산업계에 알려진 다수의 중유(heavy oils)중 어떠한 하나이다. 알려진 중유 그룹은 특히, 버진 크루드(virgin crude), 석유 증류 및 크래킹 잔여물(residua from petroleum distillation and cracking), 석유 증류물(petroleum distillate), 환원 크루드(reduced crude), 홀 크루드(whole crude), 아스팔트(asphalt), 콜타르(coal tar), 석탄 유래 오일(coal derived oil), 혈암유(shale oil), 역청사유(tar sand oil), 용매 탈아스팔트 기부물(solvent deasphalting bottoms) 및 이의 혼합물로 이루어진다. 일반적으로, 이와 같은 중유들은 높은 황 및 질소 성분 농도를 가지며, 이들은 일반적으로 고농도의 니켈, 철, 및 바나듐 함유 회분을 포함한다. 또한, 일부의 공급물들은 실리콘 및 알루미나 물질들로 이루어진 촉매 미립자를 포함할 수 있다. 본 발명의 공급원료는 때때로 "배럴 기부(bottom of the barrel)" 탄화수소라고 불리며, 정제 원유의 가장 두껍고 가장 무거운 성분들로 되려는 이들의 경향 때문에 위와 같이 불려진다. By definition, high viscosity liquid hydrocarbons are any of a number of heavy oils known in the industry. Known heavy oil groups are, in particular, virgin crude, petroleum distillation and cracking, petroleum distillate, reduced crude, whole crude crude, asphalt, coal tar, coal derived oil, shale oil, tar sand oil, solvent deasphalting bottoms and theirs Consists of a mixture. In general, such heavy oils have high sulfur and nitrogen component concentrations, which generally include high concentrations of nickel, iron, and vanadium containing ash. In addition, some feeds may include catalytic particulates of silicon and alumina materials. The feedstock of the present invention is sometimes called the "bottom of the barrel" hydrocarbon and is called as above because of their tendency to be the thickest and heaviest components of refined crude oil.
공급물의 회분은 촉매 미립자(이전 가공 조작으로부터 및 액체상 촉매 크래킹 유닛(FCCU)으로부터 생성된 것과 같은) 이외에도, 니켈, 철 및 바나듐으로 구성된다. 이와 같은 성분들의 조합은 정상적인 조작과정중에 기체화 장치로부터 급랭 드럼으로 용이하게 유동하지 않는 거칠고 점착성인 슬래그들로 기체화 장치를 마침내 막히게 하는 회분을 생성한다. The ash of the feed consists of nickel, iron and vanadium, in addition to catalyst particulates (such as those produced from previous processing operations and from liquid phase catalyst cracking units (FCCUs)). This combination of ingredients produces ash that finally clogs the gasifier with coarse, sticky slags that do not readily flow from the gasifier to the quench drum during normal operation.
일반적으로, 본 발명에 사용되는 회분 함유 공급원료는 기체화 장치에 공급되기 전에 유동화제(fluxing agent)와 혼합된다. 유동화제는 기체화반응중 공급물 내 회분의 유동성을 향상시키기 위하여 요구된다. 이는 정상적인 조작과정중에 슬래그가 기체화 장치로부터 유동하도록 슬래그의 액체 행동양식을 변형시키는 부가의 성분들을 제공한다. 유동화제는 일반적으로 칼슘산화물 및 FCCU 촉매 미립자의 혼합물로부터 제조되고, 운반제(carrying agent)(바람직하게는 커터 스탁(cutter stock)으로 작용할 수 있고, FCC 디켄트 오일(FCC decant oil)과 같이 추가로 공급원료의 점도를 감소시킬 수 있는 것)와 함께 액체상 슬러리 형태로 공급원료에 공급된다. Generally, the ash containing feedstock used in the present invention is mixed with a fluxing agent before being fed to the gasifier. Glidants are required to improve the fluidity of the ash in the feed during the gasification reaction. This provides additional components that modify the liquid behavior of the slag so that the slag flows out of the gasifier during normal operation. Glidants are generally prepared from a mixture of calcium oxide and FCCU catalyst particulates, and can act as a carrying agent (preferably a cutter stock) and are added, such as FCC decant oil. Feedstock in the form of a liquid slurry together with the ability to reduce the viscosity of the furnace feedstock.
본 발명의 모든 공급원료들은 펌핑에 적당한 점도를 공급원료가 유지하도록 가열이 필요한 일반적으로 높은 점도를 공유하고 있다. 예를 들면, 기체화 장치로 공급되는 정상적으로 낮은 점도를 갖는 진공 잔여오일은 공급물 공급장치로 공급되기 전에 일반적으로 480℉까지 가열된다. 이와 같은 온도에서 공급물의 점도는 바람직하게는 20 센티푸아즈(centipoise) 이하이며, 이 값은 충분한 펌핑을 위한 한계값 이하이다. 본 발명의 고점도 공급원료는 약 480℉(249℃)의 정상 공급물 온도에서 600 센티푸아즈 이상의 점도를 일반적으로 갖는다. 고점도 공급원료는 자체의 점도를 공급원료를 충분히 펌핑하도록 낮게 유지하고, 공급물 공급장치내 공급원료를 세분화하기 위하여 DOWTHERMTM과 같은 보조 열전달 매체를 사용하여 약 550-600℉(288-316℃) 온도범위까지 가열될 필요가 있다. 공급물 공급장치의 삼차 도관(버너(burner)의 이차 환형 통로)을 통과하는 고점도 액체상 탄화수소 공급원료 스트림의 속도는 약 초당 1.0 내지 100 피트(feet), 바람직하게는 약 초당 25 내지 75 피트이다. All feedstocks of the present invention share a generally high viscosity that requires heating so that the feedstock maintains a suitable viscosity for pumping. For example, a normally low viscosity vacuum residual oil fed to the gasifier is generally heated to 480 ° F. before being fed to the feed supply. At this temperature the viscosity of the feed is preferably below 20 centipoise and this value is below the limit for sufficient pumping. The high viscosity feedstock of the present invention generally has a viscosity of at least 600 centipoise at a normal feed temperature of about 480 ° F. (249 ° C.). High viscosity feedstocks maintain their viscosity low enough to pump the feedstock and use an auxiliary heat transfer medium such as DOWTHERM ™ to refine the feedstock in the feeder at approximately 550-600 ° F. (288-316 ° C.) It needs to be heated to the temperature range. The velocity of the high viscosity liquid hydrocarbon feedstock stream through the tertiary conduit of the feed feeder (secondary annular passage of the burner) is about 1.0 to 100 feet per second, preferably about 25 to 75 feet per second.
본 발명이 취급하도록 설계된 고점도 공급원료 때문에 물 조절제는 기체화 장치로 공급되기 전에 공급원료와 혼합될 수 없다. 물 조절제를 고점도 공급원료와 혼합하면 공급원료의 온도가 감소하고, 이로서 점도가 증가하고, 고점도 공급원료의 가공을 방해한다. 여전히 기체화 장치로 물이 공급되고 있지만, 공급원료를 냉각시키지 않기 위하여 공급원료와 분리되어 공급된다. 이는 본 발명에서 4개 스트림 공급물 공급장치의 중앙 도관을 통하여 물 조절제를 공급하는 이유이다. 4개 스트림 공급물 공급 장치의 중앙 도관을 통하여 공급되는 물 조절제의 속도는 약 초당 10 내지 120 피트, 바람직하게는 초당 20 내지 60 피트이다. Because of the high viscosity feedstock the present invention is designed to handle, the water regulator cannot be mixed with the feedstock before being fed to the gasifier. Mixing the water modifier with the high viscosity feedstock reduces the temperature of the feedstock, thereby increasing the viscosity and preventing processing of the high viscosity feedstock. Water is still supplied to the gasifier, but is supplied separately from the feedstock in order not to cool the feedstock. This is why in the present invention the water regulator is fed through the central conduit of the four stream feeder. The rate of water regulator fed through the central conduit of the four stream feeder is about 10 to 120 feet per second, preferably 20 to 60 feet per second.
선택적으로 추가 온도 조절제로서 수증기와 혼합된 산소 함유 기체는 버너의 이차 및 외부 도관, 즉, 일차 및 외부 환형 동축 동심 환형 통로로 향한다. 산소 함유 기체는 버너의 삼차 도관, 즉 이차 환형 동축 동심 환형 통로를 통하여 버너에 공급되는 고점도 액체상 탄화수소의 어느 한쪽 표면으로 공급된다. 이는 산소 함유 기체 스트림이 환형 탄화수소 공급원료 스트림의 전단(shearing)을 제공하고, 이로써 공급원료 스트림의 일부 세분화를 제공하도록 한다. 4개 스트림 버너의 일차 및 외부 환형 통로를 통과하는 산소 함유 기체 스트림(온도 조절제로서 수증기와 혼합되거나 혼합되지 않은)의 속도는 음속에 대하여 약 초당 50 피트, 바람직하게는 약 초당 150 내지 750 피트이다. Optionally, the oxygen containing gas mixed with water vapor as an additional temperature regulator is directed to the burner's secondary and outer conduits, ie primary and outer annular coaxial concentric annular passages. Oxygen-containing gas is supplied to either surface of the high viscosity liquid hydrocarbon supplied to the burner via a tertiary conduit of the burner, ie a secondary annular coaxial concentric annular passageway. This allows the oxygen containing gas stream to provide shearing of the cyclic hydrocarbon feedstock stream, thereby providing some refinement of the feedstock stream. The rate of the oxygen-containing gas stream (mixed or unmixed with water vapor as a thermostat) through the primary and outer annular passages of the four stream burners is about 50 feet per second for sound speed, preferably about 150 to 750 feet per second .
4개 스트림 공급물 공급장치의 사용은 본 발명에서 필수적이다. 두 개의 산소 스트림 사이로 탄화수소 스트림을 샌드위치시키는 배치는 증가된 세분화 및 공 급원료와 산소 함유 기체와의 우수한 혼합을 제공함으로써 이와 같은 무거운 공급물과의 보다 우수한 전환 효율을 제공한다. 공급물 공급 장치의 중앙 도관 하부로 물, 바람직하게는 재순환 그을음 함유 물을 전송하는 것은 공급원료의 온도를 뜨겁게 유지하게 하며, 점도를 감소시키고 낮은 전환 효율을 유발시킬 수 있는 공급원료와 물과의 혼합 및 냉각을 방지한다. The use of four stream feed supplies is essential to the present invention. A batch of sandwiching a hydrocarbon stream between two oxygen streams provides for greater conversion efficiency with such heavy feeds by providing increased granularity and better mixing of feedstock and oxygen containing gas. The transfer of water, preferably recycled soot-containing water, below the central conduit of the feed feeder allows the feedstock to remain hot, reducing feed viscosity and causing low conversion efficiency with water. Prevent mixing and cooling.
전술한 내용에 대하여, 당업자는 본 발명이 물 스트림을 기체화 장치의 상부에 장착된 4개 스트림 공급물 공급장치의 중앙 도관을 통하여 통과시키는 단계-상기 공급물 공급장치가 방사형으로 거리를 두고 배치된 동심원 중앙, 이차, 삼차 및 외부 원통형 도관을 포함하고, 상기 도관들은 방출을 위해 이들의 다운스트림 출구 오리피스에서 개방됨-; 동시에 고점도 탄화수소 공급물 스트림을 삼차 원통형 도관을 통하여 통과시키는 단계; 동시에 온도 조절제와 선택적으로 혼합된 자유 산소 함유 기체 스트림을 이차 및 외부 원통형 도관으로 통과시키는 단계; 외부 도관 출구 오리피스(orifice) 도달전, 도달후, 또는 이로부터의 다운스트림에서 상기 스트림들을 혼합하는 단계; 및 기체화 장치의 반응 구역에서 혼합물을 반응시키는 단계를 포함하는 고점도 탄화수소 공급물 스트림의 부분 산화 연속 방법을 포함한다는 것을 주지하여야 한다. Regarding the foregoing, those skilled in the art will appreciate that the present invention passes a water stream through a central conduit of four stream feed supplies mounted on top of the gasifier—the feed supplies being radially spaced apart. Concentric central, secondary, tertiary and outer cylindrical conduits, wherein the conduits are opened at their downstream outlet orifices for discharge; Simultaneously passing the high viscosity hydrocarbon feed stream through the tertiary cylindrical conduit; Simultaneously passing a free oxygen containing gas stream optionally mixed with a temperature control agent into the secondary and outer cylindrical conduits; Mixing the streams before, after, or downstream from reaching an external conduit outlet orifice; And a partial oxidation continuous process of the high viscosity hydrocarbon feed stream comprising reacting the mixture in the reaction zone of the gasifier.
바람직한 실시예에 있어서, 사용된 물은 약 초당 1.0 내지 100 피트의 속도로 이동하는 기체화 장치로부터 발생된 탄소 그을음을 포함하는 재순환 기체화 시스템 물이다. 고점도 탄화수소 공급원료는 버진 크루드(virgin crude), 석유 증류 및 크래킹 잔여물(residua from petroleum distillation and cracking), 석유 증류 물(petroleum distillate), 환원 크루드(reduced crude), 홀 크루드(whole crude), 아스팔트(asphalt), 콜타르(coal tar), 석탄 유래 오일(coal derived oil), 혈암유(shale oil), 역청사유(tar sand oil), 용매 탈아스팔트 기부물(solvent deasphalting bottoms) 및 이의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된다. 고점도 탄화수소 공급원료는 약 480℉(249℃) 온도에서 600 센티푸아즈 이상의 점도를 일반적으로 갖는다. 고점도 탄화수소 공급원료는 약 550℉(288℃) 내지 600℉(316℃) 온도에서 공급물 공급장치로 공급되고, 약 초당 10 내지 100 피트, 바람직하게는 약 초당 25 내지 75 피트의 속도로 공급물 공급장치를 통하여 이동한다. 자유 산소 함유 기체는 공기, 농축 공기, 및 온도 조절제로서 수증기, 물 또는 불활성 기체와 선택적으로 혼합된 거의 순수한 산소로 이루어진 군에서 선택된다. 공급물 공급장치의 일차 및 외부 환형 통로를 통과하는 산소 함유 기체의 속도는 일반적으로 음속에 대하여 초당 50 피트, 바람직하게는 약 초당 150 내지 750 피트이다. In a preferred embodiment, the water used is recycle gasification system water comprising carbon soot generated from a gasifier that travels at a rate of about 1.0 to 100 feet per second. High-viscosity hydrocarbon feedstocks include virgin crude, petroleum distillation and cracking, petroleum distillate, reduced crude, whole crude ), Asphalt, coal tar, coal derived oil, shale oil, tar sand oil, solvent deasphalting bottoms and mixtures thereof It is selected from the group consisting of. High viscosity hydrocarbon feedstocks generally have a viscosity of at least 600 centipoise at a temperature of about 480 ° F. (249 ° C.). The high viscosity hydrocarbon feedstock is fed to the feed feeder at a temperature of about 550 ° F. (288 ° C.) to 600 ° F. (316 ° C.) and at a rate of about 10 to 100 feet per second, preferably about 25 to 75 feet per second. Move through the feeder. The free oxygen-containing gas is selected from the group consisting of air, concentrated air, and almost pure oxygen optionally mixed with water vapor, water, or an inert gas as the temperature control agent. The rate of oxygen-containing gas passing through the primary and outer annular passages of the feed feeder is generally 50 feet per second, preferably about 150 to 750 feet per second, for the speed of sound.
기체화 장치의 반응 구역은 일반적으로 약 1,700℉(930℃) 내지 약 3,000℉(1650℃), 바람직하게는 약 2,000℉(1100℃) 내지 약 2,800℉(1540℃)의 온도를 갖는다. 기체화 압력은 일반적으로 약 1 기압(100 KPa) 내지 약 250 기압(25,000 KPa), 바람직하게는 약 15 기압(1500 KPa) 내지 약 150 기압(15000 KPa)이다. The reaction zone of the gasifier generally has a temperature of about 1700 ° F. (930 ° C.) to about 3,000 ° F. (1650 ° C.), preferably about 2,000 ° F. (1100 ° C.) to about 2,800 ° F. (1540 ° C.). The gasification pressure is generally from about 1 atmosphere (100 KPa) to about 250 atmospheres (25,000 KPa), preferably from about 15 atmospheres (1500 KPa) to about 150 atmospheres (15000 KPa).
본 발명의 방법들이 바람직한 실시예들로 기술되어 있지만, 본 발명의 개념 및 범위에서 벗어나지 않으면서 본 명세서에 기술된 방법에 다양한 변형들이 적용될 수 있다는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 이와 같은 당업자에게 자명한 모든 유사 치환 및 변형들은 하기 청구범위에서 청구된 바와 같이 본 발명의 범위 및 개 념안에 포함될 것이다.
Although the methods of the invention have been described in the preferred embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications may be made to the methods described herein without departing from the spirit and scope of the invention. All similar substitutions and modifications apparent to those skilled in the art will be included within the scope and concept of the invention as claimed in the following claims.
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