KR100535730B1 - 무화염 연소 공정 히터 - Google Patents

Abstract

무화염 연소를 이용하도록 공정 히터가 제공되어 있으며, 이러한 공정 히터는, 산화체용 입구, 연소 생성물용 출구(15), 및 입구와 출구 사이의 유동로를 구비하는 산화 반응실(8); 산화 반응실(4)내에서 다수의 연료 노즐(6)에 연료 혼합물을 운반할 수 있는 연료 도관(5)으로서, 각 노즐은 입구와 출구 사이의 유동로를 따라 연료 도관내로부터 산화실에 연통되어 있는 연료 도관(5); 산화실 입구와 연통하는 예열기(7)로서, 화합 산화체와 산화실 입구에 가장 가까운 연료 노즐로부터의 연료가 화합 산화체와 산화실 입구에 가장 가까운 연료 노즐로부터의 연료의 자연발화 온도보다 더 커서 야기되는 온도로 산화체의 온도를 증가시킬 수 있는 예열기(7); 및, 산화 반응실과 열 교환하는 흡열 반응 공정실로서, 산화 섹션으로부터 전달된 열은 각 연료 노즐에 근접한 산화 반응실내의 혼합물의 온도를 그 연료 노즐에 근접한 산화실내의 화합 혼합물의 자연발화 온도 이하로 감소시키지 않는 공정실을 포함한다.

Description

무화염 연소 공정 히터{FLAMELESS COMBUSTOR PROCESS HEATER}

본 발명은 열전달 제어를 향상한 고온반응용 공정 히터에 관한 것이다.

증기 및 탄화수소로부터 수소를 형성하기 위한 증기 메탄 개질(steam methane reforming), 및, 올레핀을 생산하기 위한 탄화수소의 열분해와 같은 고온의 일반적인 흡열성 반응(endothermic reaction)은, 통상적으로는 노관(furnace tube)의 내측에 반응체를 흐르는 노관내의 직화의 복사열(direct fired radiant heat)을 관의 외면에 전달하여 실시된다. 직화열은 필요한 열의 높은 온도 수준, 필요한 높은 열유속(heat flux), 및 로의 비교적 낮은 자본 비용으로 인해 종종 유용하다. 하지만, 화로내에서 일정한 열전달을 유지하기란 쉽지 않다. 따라서, 이러한 로관은 관 표면 온도의 변동으로 인해 최대 허용 관 표면 온도 보다 다소 낮은 평균 관 표면 온도에서 작동되어야 한다. 이러한 변동은 이러한 온도를 측정하는데 있어 어려움에 의해 복잡해진다. 최대 온도를 제어하는 것이 중요한데, 그 이유는 관의 측면상에 의해 고온 지점(hot spot)에서 코크스가 더욱 급속하게 전개되기 때문이다. 더욱 두꺼워진 코크스는 열전달에 대해 증가된 저항을 부여하고, 고온 지점이 더욱 뜨거워지도록 한다. 이에 따라 스노우 볼(snow ball)에 영향이 가해지고, 검사되지 않거나 수정 작업이 가해지지 않는다면 결과적으로 관의 파괴를 야기한다. 수정 작업은 전형적으로 고온 지점 부근의 1이상의 버너의 화력을 감소시키는 것이다. 화력을 감소시키는 것은 고온 지점 주위의 열전달을 저하시키고, 또한 일반적으로 히터의 성능에 이롭지 못하다.

또한, 화로내에서의 관의 길이는 일반적으로 물리적 구속으로 인해 제한된다. 몇몇 증기 메탄 개질로에서, 복사열을 더 균일하게 관에 분배하기 위해 다수 레벨의 버너가 설치되어 있지만, 다수 레벨의 버너에 있어서도 로내의 드래프트 량을 변화시켜 연료와 공기를 분배하는 것이 어렵기 때문에, 버너가 설치될 수 있는 수직 거리는 제한된다. 따라서, 노내에 긴 유동로가 바람직한 경우, 다중 경로에는 일반적으로 화실내에 다수의 엘보우(elbow)가 제공된다. 이러한 엘보우는 불균일한 유동과 온도 및 내부 반경을 따른 부식으로 인해 공통의 문제점을 갖는다.

열을 제공하기 위한 연료의 연소는, 본질적으로 상승된 온도에서 질소, 산소, 및 유리기(free-radical)를 노출시킨 결과로서 질소산화물(NO_X)을 발생시킨다. 특정한 영역에서, NO_X의 방출은 제한되고, 선택적 촉매환원 데녹스 시스템 (Selective Catalytic Reduction DeNox systems)과 같이 연도 가스(flue gas) 처리를 행하는 고가의 수단이 때때로 필요하다. 연소 온도를 제어함으로써 NO_X의 발생을 저감하는 버너 시스템이 사용되지만, 연소 연도는 제어하기 어렵고, 이상적인 조건하에서 조차 상당한 양의 NO_X가 발생된다.

전형적인 가열공정 히터가 갖는 또 다른 문제점은 히터의 복사 섹션의 제한된 효율이다. 특히 연소 공기 예열이 제공되지 않는 경우, 연소된 공기의 상당한 양이 연소 공기를 화염 온도까지 가열하는데 이용될 것이다. 연소 공기 예열이 제공되는 경우라도, 연소 공기 예열은 전형적으로 연소 공기의 온도를 화염 온도 근처까지 안내하지 않는다. 따라서, 복사 섹션 효율은 연소 공기의 더욱 효과적인 예열로 인해 상당히 향상될 수 있고, 연료의 예열은 전형적으로 실행되지 않는데, 그 이유는 상당한 예열이 연료로부터의 코크스 생성을 발생시킬 수 있기 때문이다.

반응로의 직접 연소에 부합하도록 다양한 방법이 제안되었다. 열분해로에 공급하기 위한 첨가물이 미국특허 제5,567,305호 및 제5,330,970호에 제안되었다. 이러한 성분은 코크스 형성의 발현을 감소시키고 또한 지연시키는 것으로 되어 있지만, 코크스의 형성을 제거하는 것은 아니다.

로관에 대한 세라믹 코팅 및 전처리는 코크스화(coking)를 감소시키기에 효과적인 것으로, 예를 들어 미국특허 제5,600,051호, 제5,463,159호, 제5,446,229호, 및 제5,424,059호에 소개되어 있다. 하지만, 공급원료에 대한 처리와 동일하게, 이들은 오직 부분적으로 효과적이다.

간접적 가열 및 전기적 가열이, 또한 예를 들어 미국특허 제5,559,510호, 제5,554,347호, 제5,536,488호, 제5,321,191호, 및 제5,306,481호에 이러한 반응으로의 더욱 균일한 열유속을 제공하는 방법으로서 소개되어 있다. 이러한 방법에 의해 연소로의 단점을 방지할 수 있지만, 연소로 히터와 비교할 때 추가적인 자본 및/또는 작동 비용을 유발한다.

일반적으로, 수소와 탄소산화물을 생산하기 위한 탄화수소의 개질, 탄화수소의 열분해에 의한 올레핀 제조, 및 스티렌 제조와 같은 반응의 산출은 온도가 상승함에 따라 향상된다. 따라서, 이러한 상승된 온도에서 작동하는 것이 일반적으로 바람직하다. 이러한 온도는 경제적인 재료의 야금학적 제한과 또한 관으로의 열전달성에 의해 제한된다.미국특허 제 4,104,018 호는 물을 위한 유틸리티 보일러(utility boiler)와 같은 부하 유체를 가열하기 위한 연소기를 소개하고 있으며, 여기서 연소가능한 혼합물은, 작은 직경의 관을 통과하고, 관내에서 자유 화염이 형성될 수 없고, 질소산화물의 방출이 작아지는 저온 연소가 발생한다.

또한, 청구항 제 1 항 및 제 8 항의 서문에 따른 열원으로서의 무화염 산화는 미국특허 5,255,742호에 공지되어 있다. 공지된 무화염 히터는 저장소(well)에 사용되어 열을 지하층에 주입하여 그곳으로부터 오일을 회복한다.

야금학적 한계가 더욱 가깝게 근접될 수 있고, 균일한 열전달을 유지함으로써 화학 반응 공정이 최적화되는 흡열 화학 공정에서 사용되는 공정 히터를 제공하는 것이 바람직하다. 지나친 자본 비용 또는 작동 비용을 필요로 하지 않고 더 우수한 열효율에서 작동하는 히터를 제공하는 것이 더욱 바람직하다. NO_X의 발생이 크게 저감된 공정 히터를 제공하는 것이 또한 바람직하다. 제어가능한 형태로 열이 공정에 제공되는 공정 히터를 제공하는 것이 더욱 바람직하다. 따라서, 본 발명의 목적은 이러한 결과를 달성하는 것을 포함하며, 또한 본 발명의 다른 목적은 본 발명의 하기의 설명을 참고로 더욱 상세하게 기술될 것이다.

도 1 은 본 발명의 히터의 부분 단면도를 나타낸다.

도 2 내지 도 9 는 본 발명의 또 다른 히터의 개략도이다.

이러한 목적 및 다른 목적은 청구항 제 1 항에 따른 공정 히터, 및 청구항 제 8 항에 따른 가열 방법에 따라 달성될 수 있다. 이러한 공정 히터는, 산화체용 입구, 연소 생성물용 출구, 및 입구와 출구 사이의 유동로를 구비하는 산화 반응실; 산화 반응실내에서 다수의 연료 노즐에 연료 혼합물을 운반할 수 있는 연료 도관으로서, 각 노즐은 입구와 출구 사이의 유동로를 따라 연료 도관내로부터 산화실에 연통되어 있는 연료 도관; 산화실 입구와 연통하는 예열기로서, 화합 산화체와 산화실 입구에 가장 가까운 연료 노즐로부터의 연료가 화합 산화체와 산화실 입구에 가장 가까운 연료 노즐로부터의 연료의 자연발화 온도보다 더 커서 야기되는 온도로 산화체의 온도를 증가시킬 수 있는 예열기; 및, 산화 반응실과 열 교환하는 흡열 반응 공정실로서, 산화 섹션으로부터 전달된 열은 각 연료 노즐에 근접한 산화 반응실내의 혼합물의 온도를 그 연료 노즐에 근접한 산화실내의 화합 혼합물의 자연발화 온도 이하로 감소시키지 않는 공정실을 포함한다.

본 발명의 분배된 연료 공정 히터는 균일한 온도를 갖는 열원으로부터 공정실속으로 제어가능한 열유동을 제공하는데 이용될 수 있으며, NO_X를 매우 적게 생성시킨다. 최대 온도를 초과하지 않고서 평균 온도를 증가시키거나 재료의 비용을 감소시키는데 균일한 온도가 이용될 수 있다.

본 발명의 공정 히터는 종래 공정 히터의 화실(firebox)을 제거하고, 제어된 온도 레벨에서 일정한 열유속(heat flux)을 제공한다. 예를 들어, 화실은 코일 형태로 되어 있거나 직선인 동심관으로 대체될 수 있다. 화염을 제조하지 않고서, 즉 높은 레벨의 열의 복사원으로서 화염을 제거하여 연료를 산화시키고, 또한, 화염을 높은 레벨의 가스의 유동 스트림으로 변환하는 온도에 있어서, 연료와 산화체를 단계내에서 혼합한다. 흡열 공정에서, 이는 야금학상의 압박내에서 더 높은 온도를 야기할 수 있고, 따라서 많은 공정이 향상된 변환, 선택성 및/또는 생산성, 및 감소된 부산물 생산을 가능하게 할 수 있다. 불규칙적 온도 제거는 또한 국부적 고온 지점으로 인한 관의 파단 위험성을 저감한다. 본 발명에 따른 무화염 연소의 복사 효율은 또한 더 커질 수 있어 낮은 에너지 소비를 야기한다.

또한, 본 발명에 따른 무화염 연소는 화염 내부에서 높은 온도 수준, 및 화염 내부에 존재하는 유리기(free radical)를 방지할 수 있다. 이에 따라, NO_X 화합물의 생성이 실질적으로 감소된다. 본 발명의 NO_X 수준은 종래의 가열 히터의 100분의 1수준이며, 메쉬(mesh)에 안정화된 화염을 사용하는 히터를 사용하여 획득가능한 수준의 10분의 1이다.

몇몇 흡열 공정에서, 원하는 수준까지 반응을 완료하기 위하여 반응체를 재가열하기 위해서는 다단식 히터가 필요하다. 본 발명은 반응체에 연속적으로 열을 가하여 단일 반응 단계를 야기하는 공정에 적용될 수 있으며, 또한 이러한 단계는 제어된 온도 프로파일에 있을 수 있다. 이러한 장점은 잔류 시간 요구를 상당히 줄여줄 수 있고, 시스템을 통한 압력 강하를 낮추며 및/또는 최대 온도를 감소 시킬 수 있다.

약 900℃ 내지 약 1100℃의 온도 레벨에서 연료 가스의 무화염 연소를 이용하는 본 발명의 히터는, 예를 들어 WASPALLOY, INCONEL 601, INCONEL 617, INCOLOY 800HT, HASTELLOY 235, UNIMET 500, 및 INCOLOY DS(이들 모두는 상표명임)과 같은 고온 합금으로부터 제조될 수 있다. 고온에서는 세라믹 재료가 사용되는 것이 바람직하다. 이러한 외부 도관이 노출되는 온도를 제한하는데 내부 내화물질이 사용되는 경우, 더욱 저렴한 금속이 외부 도관에 사용될 수 있다. 약 900℃ 내지 1400℃의 온도에서 수용가능한 강도를 갖는 세라믹 재료는 일반적으로 알루미나 함유량이 많은 세라믹이다. 유용한 다른 세라믹은 산화 크롬, 산화 지르코니아, 및 산화 마그네슘을 기초로 한 세라믹을 포함할 수 있다. 캘리포니아 리버모어에 소재하는 "내셔날 리프렉터리즈 앤드 미네랄스, 아이엔씨.", 미주리주 멕시코에 소재하는 에이.피.그린 인더스트리즈, 아이엔씨., 및 펜실베니아주 알코아 센터에 소재하는 알코아가 이러한 재료를 공급한다.

일반적으로, 무화염 연소는, 2개의 스트림이 결합될 때 혼합물의 온도가 혼합물의 자연발화 온도를 넘어서는 온도 이상까지, 반면에 혼합률에 의해 혼합이 제한될 때 산화를 야기하는 온도 이하까지 연소 공기와 연료 가스를 예열함으로써 달성된다. 또한, 연료 노즐과 산화실의 디자인은, 연료와 공기 속도가 임의의 안정화된 화염을 발산시키기에 충분할 만큼 높게 이루어진다. 화염이 연료 노즐에 부착될 수도 있는 재순환 또는 저속 영역이 방지될 수 있다. 약 850℃ 내지 약 1400℃까지의 온도로 스트림을 예열하여 연료 가스를 비교적 작은 증분으로 연소 공기내로 혼합함으로써, 무화염 연소가 발생할 수 있다. 연료 가스가 연소 가스 스트림과 혼합되는 증분은 바람직하게는 연료의 연소로 인한 연소 가스 스트림에서의 약 20℃ 내지 약 100℃의 온도 상승을 야기한다.

대부분의 경우에 있어서, 비교적 균일한 온도 프로파일을 달성하기 위하여 열이 공정 스트림에 의해 제거됨에 따라 연료의 증분을 혼합하는 것이 바람직하지만, 이는 본 발명에 필요하지 않을 수도 있다. 예를 들어, 증감 온도 프로파일을 갖는 것이 바람직하다. 본 발명의 장점은 온도 프로파일 또는 열유량이 원하는 대로 조절될 수 있다는 것이다. 발열 공정에서, 본 발명은 단열 프로파일 보다 더 빨리 증가하는 온도 프로파일을 제공하는데 사용될 수 있다.

공정실은 증기상 공정 스트림, 액체상 스트림, 및/또는 고체상 스트림을 포함할 수 있다.

도 1 에 관해 언급하면, 본 발명의 히터는 부분 단면으로 도시되어 있다. 입구(2) 및 출구(3)를 갖는 산화 반응실(1)이 도시되어 있다. 입구와 출구 사이에는 유동로(4)가 공정실(8)과 열교환 관계로 제공되어 있다. 연료 도관 (5) 은 유동로(4)를 따라 이격된 노즐(6)까지 연료를 운반하기 위한 도관을 제공한다. 노즐은, 산화실의 유동로를 통해 유동하는 산화 스트림과 연료가 혼합됨에 따라, 화염을 야기하지 않도록 각각의 노즐을 통해 연료의 유동을 야기하는 속도로 연료가 산화 반응실에 첨가되도록 이격된다. 연료는, 발광 화염과 연소하기 보다는, 산화실의 용적 전체를 통해 비교적 균일하게 산화체와 반응할 것이다. 4세트의 연료 노즐이 도시되어 있지만, 공정실에 필요한 열유속에 따라 임의의 수의 연료 노즐이 설치될 수 있다. 노즐 세트 사이의 산화실의 용적은 바람직하게는, 혼합물의 잔류 시간이 충분해서 노즐 세트를 통해 유동하는 연료의 상당한 부분이 더 많은 연료의 첨가 전에 산화될 수 있을 만큼 충분하다.

공정실(8)은 산화 반응실 (1)과 열 교환한다. 공정 스트림은 입구(11)에서 공정실에 들어가서 출구(12)에서 빠져 나온다. 담금질 열교환기(10)는 공정실을 빠져나오는 공정 스트림을 냉각시키도록 되어 있다. 담금질 열교환기에 의해 가열된 스트림은 담금질 입구(14)에서 들어가서 담금질 출구(13)를 통해 빠져나온다. 담금질 열교환기에 의해 가열되는 스트림은, 예를 들어 공정 입구 스트림, 가열 및/또는 기화되는 보일러 공급수 스트림이 될 수 있다. 올레핀을 제조하기 위한 탄화 수소의 열분해와 같은 몇몇 공정에서, 부산물에 대한 반응을 감소시키기에 급속 담금질이 바람직하다.

주입 라인(9)으로서 도시된 억제제 주입 시스템을 통해 코크스 억제제가 연료에 첨가될 수 있다. 억제제 주입 라인은, 제어 밸브, 및 연료 유동에 대해 억제제의 비율을 제어하는 제어 시스템을 포함할 수 있다.

연료 도관은 산화 반응실의 길이를 따라 다수의 노즐(6)(4세트가 도시되어 있음)을 포함할 수 있다. 노즐은 연료 도관과 산화 반응실 사이를 연통시킨다. 다수의 노즐은 산화 반응실 내부에서 열발산을 분포시키도록 제공되어 있다. 노즐은 공정실내에서 원하는 온도 분포를 획득할 수 있도록 크기가 정해진다. 공정실 내부의 거의 균일한 온도 프로파일이 일반적으로 바람직한데, 그 이유는 주어진 열유속에 대해 최대 온도를 낮출 수 있기 때문이다. 장치의 구조 재료가 최대 온도를 결정하기 때문에, 균일한 온도 프로파일은 동일한 구조 재료에 대해 가능한 열 방출을 증가시킬 것이다. 노즐의 수는 사용될 노즐의 크기에 의해서만 제한된다. 만약 더 많은 노즐이 사용된다면, 노즐은 일반적으로 더 작은 크기가 되어야 한다. 더 작은 노즐은 더 큰 노즐 보다 더 쉽게 막힐 것이다. 노즐의 수는 온도 프로파일의 균일성과 막힘(plugging) 가능성 사이의 관계에 의해 결정될 수 있다.

공정실과 산화실은 동류 유동으로 되어 있지만, 역류 유동이 될 수 있거나, 두 유동의 조합이 될 수 있고, 예를 들어 산화실은 U-형 관의 구성이 될 수 있다. 이러한 구성은 도관의 차동 열팽창의 효과를 취급하기에 바람직할 수 있다.

촉매는 특정 공정에 따라 공정실에 제공될 수 있다.

예열기(7)는, 제 1 세트의 노즐로부터의 연료와 산화체 스트림의 혼합물이 충분히 뜨거워져 무화염 산화를 야기할 정도의 온도까지 산화체 스트림을 가열하도록 되어 있다. 예를 들어, 예열기는 버너가 될 수 있으며, 이때 연료는 어느 정도의 산화체와 혼합되고, 산화체의 온도를 상승시킬 정도로 연소되거나, 산화체는 공정실 유출물 또는 산화 반응실 유출물 중 어느 하나 또는 모두와의 열교환에 의해 예열될 수 있다. 열교환과 버너의 조합이 이용될 수 있다.

또한, 연료 도관 대신에 산화체 도관에 노즐을 제공함으로써, 또한 생성 혼합물 이상의 온도에서 산화체를 연료 풍부 스트림에 가함으로써 산화체는 연료내에 제공될 수 있다.

지금부터 도 2 에 대해 언급하면, 또 다른 실시예의 단면이 도시되어 있다. 본 실시예에서, 공정실(8)은 단열 케이싱(104)내에 함께 묶인 관내에 위치되어 있다. 단열 케이싱은 압력 용기로 되어 있을 필요는 없지만, 반응실을 포함하는 관으로부터의 열손실을 저감하여야 한다. 연료 도관(5)은 산화 반응실(1)의 내부에 있으며, 노즐(6)은 공정실과 산화 반응실 사이에서 연통한다.

지금부터 도 3 에 대해 언급하면, 또 다른 추가의 실시예가 도시되어 있다. 본 실시예에서, 공정실(8)은 단열 케이싱(401)내에 함께 묶인 관내에 위치되어 있다. 또한, 단열 케이싱은 연소실을 형성한다. 연료 도관(5)은 공정실을 형성하는 관 사이의 단열 케이싱 내부에 있다. 공정실과 연료 도관을 형성하는 관은 비교적 빽빽하게 조밀 형성되어 있지만, 필요한 만큼 이격될 수 있어 압력 강하와 필요한 케이싱 크기 사이에서 균형이 이루어지도록 할 수 있다. 이러한 추가적인 예는, 셸과 관 열교환기의 외관에 접근하고, 배플을 갖는 관을 일정한 간격으로 배치하고, 공정실을 형성하는 관을 가로질러 연소 가스 유동을 앞뒤로 운반한다.

또한, 산화실에는 산화 촉매가 제공될 수 있다. 산화 촉매는 알루미나와 같은 지지부상에 제공되거나, 또는 관벽상에 피복될 수 있다. 산화 촉매는 무화염 산화가 안정적으로 작동하는 온도의 유효 범위를 확장시키기에 유용할 수 있다. 또한, 산화 촉매는, 비촉매화 산화 반응이 진행되는 온도에 산화실이 도달하기 앞서 시동상(start up phase)에 대해 유용할 수 있다. 또한, 촉매는 산화실에 필요한 용적을 줄이기에 효과적일 수 있다.

무화염 연소를 획득하기 위한 탄화 수소 연료의 예열은, 탄소 형성 억제제가 연료 스트림에 포함되지 않는다면, 연료 도관내에 상당한 탄소 발생을 야기할 수 있다. 이러한 탄소 형성 억제제는 이산화탄소, 증기, 수소 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 일반적으로 높은 수소 원가로 인해 이산화탄소 및 증기가 바람직할 수 있다.

탄소는 다음과 같은 반응에 따른 상승 온도에서 메탄으로부터 형성될 수 있다:

CH₄ →C + 2H₂ (1)

이러한 반응은 가역반응이며, 수소는 역반응에 의한 탄소 형성 억제제로서 작용한다.

이산화탄소는 다음과 같은 반응에 의해 탄소 형성을 억제한다:

CO₂ + C →2CO (2)

증기는 다음과 같은 반응에 의해 탄소 형성을 억제한다:

H₂O + C →CO + H₂ (3)

2H₂O + C →CO₂ + 2H₂ (4)

이산화탄소 및 일산화탄소는 시프트 가스 반응에 따라 상승 온도에서 평형 상태로 있게 된다:

CO + H₂O ↔CO₂ + H₂ (5)

연료가 본질적으로 메탄일 때, 탄소 형성을 약 1370℃온도로 억제하기에는 몰비가 약 1 : 1의 증기와 메탄으로 충분하다. 증기와 메탄의 몰비는, 증기가 탄소 형성 억제제로서 사용될 때 약 1 : 1 내지 약 2 : 1의 범위내에 있는 것이 바람직하다. 이산화탄소와 메탄의 몰비는 이산화탄소가 탄소 형성 억제제로서 사용될 때 약 1 : 1 내지 약 3 : 1 의 범위내에 있는 것이 바람직하다. 메탄이 다른 가벼운 탄화수소 보다 열적으로 더욱 안정적이기 때문에 연료는 본질적으로 메탄으로 이루어지는 것이 바람직하다. 억제제가 연소 속도를 낮추고 피크 온도를 감소시키기 때문에, 억제제는 추가적으로 유리하다.

산화 스트림에 첨가되기 전에 연료가 충분히 예열되지 않거나, 또는 임의의 예열 연료의 잔류 시간이 충분히 짧은 경우에는, 탄소 형성 억제제에 대한 필요성이 사라질 수 있다. 본 발명의 히터의 냉간 시동은 화염에 의한 연소를 이용할 수 있다. 초기 점화는 자연발화성 물질을 주입하고, 전기 점화장치, 스파크 점화 장치, 또는 일시적으로 점화장치를 삽입함으로써 이루어진다. 바람직하게는, 무화염 연소가 유지되는 화염이 존재하는 시간을 최소화하는 온도에 히터를 신속하게 안내하는 것이 바람직하다. 히터의 가열 속도는, 일반적으로 히터가 견딜 수 있는 열구배에 의해 제한될 것이다.

산화체 스트림과 연료 사이의 반응이 혼합에 의해 제한되지 않고, 또한 혼합된 스트림이 혼합된 스트림의 자동 점화 온도 보다 더 높은 온도에 있을 때 무화염 연소는 일반적으로 발생한다. 이는 혼합 지점에서 고온을 방지하고, 산화체내에 비교적 적은 연료 증분을 혼합함으로써 획득된다. 화염의 존재는 타버리지 않은 연료와 연소 생성물 사이의 경계면을 조명함으로써 확인 할 수 있다. 화염 발생을 방지하기 위하여, 연료와 산화체는 혼합전에 약 815℃ 와 약 1370℃ 사이의 온도까지 예열되는 것이 바람직하다. 연료는 더욱 급속한 혼합이 가능하도록 비교적 적은 증분의 산화체 스트림과 혼합되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 충분한 연료가 증분에 첨가되어 연소에 의해 약 20℃ 내지 100℃정도로 스트림의 온도를 상승시킬 수 있다.

본 발명의 히터가 유용할 수 있는 공정은 증기 메탄 개질, 올레핀 제조, 스티렌 제조, 암모니아 제조, 사이클로헥산 제조, 탄화 수소의 촉매 개질, 및 알릴 또는 비닐 클로라이드 제조, 유리 또는 세라믹 제조, 배소, 증류에 있어서 액체의 재비등(reboiling), 반응 증류에 있어서 재비등 또는 온도 프로파일 제어를 포함하지만, 이에 따라 제한되어 있는 것은 아니다.

지금부터 도 4 에 대해 언급하면, 공정실은 연소실(1)을 형성하는 연소실 도관내에 있으며, 연소실(6)을 형성하는 도관은 더 큰 도관내에 있으며, 연료는 큰 도관의 내부와 산화실을 형성하는 도관 외부에서 유동한다. 연료 노즐(6)은 산화실로부터 연료를 분리하는 도관에 위치되며, 연료는 노즐을 통해 산화 노즐내로 유동한다. 이러한 구성의 장점은 연료 유동을 위해 오직 하나의 큰 도관만이 필요하다는 것이다.

지금부터 도 5 에 대해 언급하면, 또 다른 장치가 도시되어 있으며, 동심관과는 다르게 공정실(8)을 형성하는 도관 및 연료 도관(5)이 산화실(1)을 형성하는 도관내에 위치된다. 이러한 구성은 연소 가스의 유동을 위한 비교적 큰 단면 영역을 용이하게 제공할 수 있다. 연소 가스에 대한 압축 비용을 저감하는 것이 바람직하며, 또한 가장 낮은 압력을 포함하는 최대 직경 관을 가짐으로써 관의 비용을 또한 낮출 수 있다.

지금부터 도 6 에 대해 언급하면, 도 5 에 도시된 것과 유사한 추가의 구성이 도시되어 있으며, 그 차이는 연료 도관이 연소실(1)을 한정하는 도관의 외부에 위치되어 있다는 것이다. 노즐(6)은 연소실(1)을 형성하는 관과 연료 도관(5) 사이의 관형상 연결이다. 이러한 구성의 장점은 연료 온도가 보다 용이하게 제한될 수 있고, 코크스 억제 첨가제에 대한 필요성이 제거될 수 있다는 점이다.

지금부터 도 7 에 대해 언급하면, 도 5 와 동일한 장치가 추가적인 특성, 즉 연소실 유동이 분산되고, 산화실(2)에 이르는 입구가 산화실(8)의 길이 중심 근방에 있는 특성을 갖도록 도시되어 있다. 입구로부터의 유동은 각각의 방향으로 향하는 유동내로 분산된다. 이러한 분산된 산화실은 연소실 유동로의 거리에 대해 더 긴 공정실 유동로를 허용하고 산화실에서의 유동을 반으로 줄여준다. 따라서, 압력 강하는 연소 유동로를 위한 동일한 치수에 대해 약 8정도의 팩터가 감소된다. 이는 공정의 엑스모믹스(exmomics)에서의 압축 비용의 중요성으로 인해 유리할 수 있다. 이러한 또 다른 구성은 공정에 대해 비교적 긴 직선 유동로를 갖는 것이 더 바람직한 곳에서 바람직할 수 있다. 또 다른 추가적 구성으로서, 연료 도관은 도 6 에 도시된 바와 같이 산화실의 외부에 있을 수 있다.

지금부터 도 8 에 대해 언급하면, 산화체 스트림의 분산 유동을 갖는 또 다른 추가적 구성이 도시되어 있다. 이러한 추가적 구성은 내부 관에 산화체를 갖고, 입구는 각각의 방향에서 진행하는 유동내로 티(tee)를 분할한다.

지금부터, 도 9 에 대해 언급하면, 직사각형 단면을 갖는 산화실을 사용하는 본 발명의 실시예가 도시되어 있다. 공정실은 박스내에 있는 관이다. 이러한 직사각형 산화실은 상당한 수의 공정실관(8)을 포함하기에 충분히 크게 만들어질 수 있다. 공정실관은 모두 병렬 유동관, 직렬 유동관, 이들 둘의 조합일 수 있다. 비록 복합층이 제공될 수 있더라도, 공정실관의 일층이 도시되어 있다. 유동이 적어도 부분적으로 직렬인 경우, 동일한 단부에서 입구와 출구를 가짐으로써, 관의 열팽창에 의해 야기되는 문제점을 줄일 수 있다.

열교환기의 다른 구성, 즉 여기에 참고로 소개된 미국특허 4,029,146호에 개시된 바와 같은 파형골판 열교환기(corrugated plate heat exchanger)가 또한 사용될 수 있다. 파형골판 열교환기를 사용하여, 적절한 연료 분배를 위하여 연료 도관이 산화체 유동 공간내에 삽입될 수 있거나, 또는 연료의 유동을 위한 공간과 산화체의 유동을 위한 공간 사이에 제 3 세트의 유동 스트림이 노즐에 의해 제공될 수 있다.

산화실은 수직, 수평 또는 경사형 일 수 있으며, 공정실이 고정된 베드 촉매를 포함하는 경우에는 수직인 것이 바람직하다.

본 발명의 공정 히터는, 산화철-산화칼륨 증진 촉매와 같은 촉매로 에틸 벤젠을 비닐 벤젠(스티렌)에 탈수소화하는 스티렌 제조에 이용될 수 있다. 예를 들어, 탈수소화는 4로부터 약 20kpa(3psia) 내지 140kpa(20psia) 의 범위내에서 550℃ 내지 680℃ 사이에서 실행될 수 있다. 증기는 에틸 벤젠 원료에 첨가되어, 탄화 수소의 분압을 감소시키고(이에 따라 생성물의 평형비가 개선됨), 흡열 반응으로 인한 온도 강하를 감소시키기 위하여 열 싱크로서 작용하고, 또한 물 가스 반응에 의한 코크스 형성을 감소시킬 수 있다. 대부분의 촉매는 증기와 탄화수소와의 몰비가 약 7 대 10 인 것을 필요로 한다. 액체 공급에 기저한 액체 시간당 공간 속도는 일반적으로 0.4 내지 0.5 시간^-1이다. 생산량과 촉매 안정성으로 인해 낮은 압력이 바람직하지만, 높은 압력은 생성물을 압축하는 비용(압축 설비의 자본 비용을 포함함)을 감소시킨다. 이것이 흡열 반응이며, 거의 등온적으로 반응을 수행하는 것이 바람직하다. 온도가 상승함에 따라, 바람직하지 않은 부산물(코크스를 포함함)은 증가하는 속도로 생산되며, 온도가 감소함에 따라 생산이 감소된다. 따라서, 거의 등온 조건에서 탈수소화 공정을 수행하는 것이 바람직하다. 더욱 일정한 온도를 제공함으로써 실현될 수 있는 이득은, 증기 사용의 감소, 더 높은 처리량에서의 작동, 산출량 및 선택성의 증가, 코크스 생성의 감소 및/또는 작동 압력의 증가를 포함한다. 본 발명은, 에틸벤젠을 탈수소화하여 스티렌으로 하는 히터 또는 히터 앞에서의 히터로서 적용될 수 있지만, 바람직한 실시형태는, 무화염 연소에 의해 가열되는 공정실의 적어도 일부에서 탈수소화 촉매를 갖는 히터로서 본 발명을 이용한다.

본 발명은 증기 개질로(steam reforming furnace)로서 촉매 공정실을 이용하여 탄화수소 및 증기를 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소로 변환한다. 이는 탄화수소 원료로부터 수소와 일산화탄소의 균형을 더 높은 온도로 맞추는 높은 흡열 반응이다. 메탄은 증기 개질에 의한 수소 생산을 위한 바람직한 원료이지만, 메탄 이외의 탄화수소가 이용될 수 있다. 분자량이 높을 수록, 코크스를 형성하는 경향이 더욱 커진다. 따라서, 나프타와 같은 원료가 사용되는 경우, 증기 대 탄소의 높은 비율이 일반적으로 필요하다. 증기 대 탄소 몰비는 약 3 내지 5 범위 내에 있으며, 공간 속도는 대략 5000 내지 8000 시간^-1 으로 매우 높고, 온도는 일반적으로 약 800 내지 870℃ 범위내에 있으며, 압력은 일반적으로 약 2 내지 2.5MPa(300 내지 350psig)이다. 높은 온도는 메탄에 대한 수소의 평형에 친화적이고, 히터 출구 수소 순도는 히터 출구 온도의 25℉내의 온도에서 평형 상태에 있는 수소 순도에 적어도 가까운 것이 전형적이다. 촉매는 니켈계 촉매이며, 코크스 형성을 억제하기 위해 칼륨을 포함할 수 있다.

증기 개질에 의한 수소 제조는, 예를 들어 메타놀 또는 암모니아를 생산하기 위하여 제 2 개질기에 의하여 처리될 수 있다.

증기 개질기에서의 본 발명의 사용은, 분포된 연소로부터의 균일한 열분포 때문에 고정된 최대 반응실 온도에 대해 더 높은 평균 온도를 야기할 수 있다. 따라서, 동일한 관 피복층 온도에 대해 증기 속도가 감소되거나 또는 변환율이 증가될 수 있다.

탄화수소를 열분해하여 올레핀 생성물을 생성하기 위해 본 발명이 히터에 이용되는 경우, 775 내지 950℃ 내의 범위의 반응 온도 및 0.1 내지 0.8초의 잔여 시간이 이용될 수 있다. 반응 온도는 특정한 탄화 수소 원료, 및 잔류 시간에 매우 의존한다. 에탄과 같은 가벼운 원료는 더 높은 온도 및 더 높은 변환율에서 처리될 수 있다. 가스 오일과 같은 무거운 원료는, 코크스와 다른 바람직하지 않은 부산물을 형성하는 경향이 크기 때문에 더 낮은 온도를 필요로 한다. 0.1 내지 0.15초의 잔류 시간이 바람직하다. 코크스 증착을 억제하고 탄화 수소의 분압을 감소시키기 위해, 희석 증기는 히터 탄화 수소 원료에 첨가된다. 올레핀의 선택성이 부반응에 의해 감소되기 때문에, 히터의 유출물은 급속하게 담금질되는 것이 바람직하다. 반응실 다음의 담금질은, 예를 들어 가스 오일 스트림과 직접 접촉되거나 열교환에 의해 간접적으로 접촉될 수 있다. 간접적 담금질은, 에너지가 더욱 유용한 수준에서 회복되기 때문에 바람직하다.

본 발명은, 예를 들어 증류 칼럼 리보일러(distillation column reboiler), 또는 진공 플래시 증류 원료 히터에 사용될 수 있다. 이러한 적용은 코크를 형성하는 탄화수소의 경향에 의해 제한되는 온도까지 가열 탄화수소를 포함하며, 본 발명은 탄화수소에 대해 더욱 균일한 열전달을 야기해서 히터내의 탄화수소의 최대 온도를 감소시킬 수 있다. 또한, NO_X 의 발생이 감소되는 것과 같은 장점이 실현될 수 있다.

Claims (12)

1. 산화체용 입구(2), 연소 생성물용 출구(3), 및 입구(2)와 출구(3) 사이의 유동로(4)를 구비하는 산화 반응실(1),

   산화 반응실(1)내에서 다수의 연료 노즐(6)에 연료 혼합물을 운반할 수 있는 연료 도관(5)으로서, 각 노즐(6)은 입구(2)와 출구(3) 사이의 유동로(4)를 따라 연료 도관(5)내로부터 산화실(1)에 연통되어 있는 연료 도관(5), 및

   산화실 입구(2)와 연통하는 예열기(7)로서, 화합 산화체와 산화실 입구(2)에 가장 가까운 연료 노즐(6)로부터의 연료가, 화합 산화체와 산화실 입구(2)에 가장 가까운 연료 노즐(6)로부터의 연료의 자연발화 온도보다 더 커지도록 산화체의 온도를 증가시킬 수 있는 예열기(7)를 포함하며,

   산화 섹션으로부터 전달된 열은 각 연료 노즐(6)에 근접한 산화 반응실(1)내의 혼합물의 온도를 그 연료 노즐(6)에 근접한 산화 반응실(1)내의 화합 혼합물의 자연발화 온도 이하로 감소시키지 않는 공정 히터에 있어서,

   상기 히터는 산화 반응실(1)과 열 교환을 행하는 흡열 반응 공정실(8)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 히터.
2. 제 1 항에 있어서, 코크스 억제제 주입 시스템(9)을 추가로 포함하며, 상기 코크스 억제제 주입 시스템은 연료 공급 도관(5)과 연통되어 있고, 공급된 소정량의 코크스 억제제는 연료 도관(5)의 작동 온도에서 코크스 형성을 유효하게 억제하는 것을 특징으로 하는 공정 히터.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 연료 도관(5)은 산화 반응실(1)내에서 본질적으로 중심에 배치되는 관형 도관인 것을 특징으로 하는 공정 히터.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 산화 반응실(1)은 공정실(8)내에서 본질적으로 중심에 배치되는 것을 특징으로 하는 공정 히터.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 공정실(8)은 올레핀 제조를 위한 열분해 반응실인 것을 특징으로 하는 공정 히터.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 공정실(8)은 증기 메탄 개질 반응실로서 효과적인 것을 특징으로 하는 공정 히터.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 공정 히터는 에틸벤젠 탈수소화 가열기인 것을 특징으로 하는 공정 히터.
8. 산화체용 입구(2), 연소 생성물용 출구(3), 및 입구(2)와 출구(3) 사이의 유동로(4)를 구비하는 산화 반응실(1)에 의해 공정에 열을 제공하는 방법으로서,

   연료를 제공하는 단계;

   히터 작동 온도에서 코크스의 형성을 억제하기에 효과적인 양의 코크스 억제 성분을 연료에 첨가하는 단계;

   산화 반응실(1)내에서 상기 입구(2)와 출구(3) 사이의 유동로(4)를 따라 설치된 다수의 연료 노즐(6)에 연료 혼합물을 운반하는 단계; 및

   화합 산화체와 산화실 입구(2)에 가장 가까운 연료 노즐(6)로부터의 연료가, 화합 산화체와 산화실 입구(2)에 가장 가까운 연료 노즐(6)로부터의 연료의 자연발화 온도보다 더 커지도록 산화체를 예열하는 단계를 포함하는 방법에 있어서,

   상기 방법은 산화 반응실(1)로부터의 열을 상기 산화 반응실(1)과 열 교환을 행하는 흡열 반응 공정실(8)에 전달하는 단계를 추가로 포함하며, 산화 섹션으로부터 전달된 열은 각 연료 노즐(6)에 근접한 산화 반응실(1)내의 혼합물의 온도를 그 연료 노즐(6)에 근접한 산화 반응실(1)내의 화합 혼합물의 자연발화 온도 이하로 감소시키지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 공정은 증기 메탄 개질 공정인 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 공정은 올레핀 제조를 위한 열분해 반응인 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제 8 항에 있어서, 상기 공정은 에틸벤젠 탈수소화 공정인 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제 8 항에 있어서, 상기 코크스 억제 성분은 이산화탄소와 증기로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.