EP4305129B1 - Method and apparatus for steam cracking - Google Patents
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Classifications
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
- C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
- C10G9/00—Thermal non-catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils
- C10G9/34—Thermal non-catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils by direct contact with inert preheated fluids, e.g. with molten metals or salts
- C10G9/36—Thermal non-catalytic cracking, in the absence of hydrogen, of hydrocarbon oils by direct contact with inert preheated fluids, e.g. with molten metals or salts with heated gases or vapours
Definitions
- the present invention relates to a process and a plant for steam cracking according to the preambles of the independent claims.
- the present invention relates to steam cracking (steam cracking, thermal cracking, steam cracking, etc.) used to produce olefins and other basic chemicals, and which is described, for example, in the article " Ethylene” in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, online publication of 15 April 2009, DOI: 10.1002/14356007.a10_045.pub2 , is described. For the terms used below, reference is also made to the relevant specialist literature.
- the heat energy required to initiate and maintain the endothermic reactions is typically provided by the combustion of heating gas in a combustion chamber, which forms the so-called radiation zone of a cracking furnace, and through which so-called coils (cracked tubes) are passed, through which a hydrocarbon-steam mixture to be converted is passed to obtain a product mixture, the so-called raw or cracked gas.
- the combustion air required for combustion is fed into the radiation zone without preheating (so-called natural draft) and burned there together with the heating gas.
- the cracker furnace 10 shown or a corresponding furnace unit (also referred to here as cracking furnace or furnace for short) has the radiation zone 11 and a convection zone 12.
- a steam cracking plant can contain several corresponding cracker furnaces 10. Plant components or units referred to below as central are available to several cracker furnaces 10, decentralized units are provided separately for each cracker furnace 10.
- a hydrocarbon feed H is heated and process steam P is provided, which is heated in the convection zone 12 in a manner known per se (see in particular also Figure 4 ) are further heated, combined to form a feed stream F and then fed to the radiation zone 11.
- the representation according to Figure 1 is, as mentioned, greatly simplified and merely exemplary.
- a corresponding feed stream can be divided into several partial streams in the area of the convection zone 12, which can then be preheated separately from one another and finally guided through groups of, for example, six or eight split tubes in the radiation zone 11.
- centralized units can be replaced by decentralized units and vice versa at any time.
- the cracked gas C is taken from the radiation zone 11 and is cooled by means of one or more cracked gas coolers 13, which can be designed in particular as known quench coolers or can include such quench coolers and which can also function as steam generators, and is then fed to a central cracked gas separation and cracked gas processing 90. Further details on corresponding quench coolers, which can be designed in particular as classic quench coolers or so-called linear quench exchangers (LQE), are explained below. The invention is not limited by a specific embodiment.
- a central feed water system 40 is used to provide feed water W, which in the example shown is also heated in the convection zone 12 and is then further heated by means of one or more cracked gas coolers 13 to obtain high-pressure or super-high-pressure saturated steam S (hereinafter also referred to as saturated steam for short) and finally evaporated.
- saturated steam S is superheated in the convection zone 12 to obtain superheated high-pressure steam or superheated super-high-pressure steam T (hereinafter also referred to simply as superheated steam) and fed into a central steam system 50.
- feed heating gas Y is heated to preheated heating gas X and fed to the radiation zone 11 or to burners not separately shown therein.
- combustion air L reaches the radiation zone 11 or the burners there via an air intake 79.
- Flue gas Z is discharged from the radiation zone 11, passes through the convection zone 12 and is then discharged into a flue gas treatment system or to a central or decentralized chimney 80 with or without a fan and is then released into the atmosphere.
- central heating gas preheating 65 illustrated is optional.
- Decentralized heating gas preheating ie separate for the individual cracker furnaces 10 or furnace units
- the term "increase in efficiency” can be understood here in particular as an increase in the so-called specific efficiency, which in turn is understood to mean the proportion of the heating gas energy introduced that is found in the products formed, in this case the cracked gas.
- the specific efficiency is increased by air preheating because less under-firing is required for the same amount of cracked gas.
- the thermal efficiency does not necessarily increase through the use of air preheating, as this may also be limited by a minimum flue gas discharge temperature, see below.
- centrally and decentrally arranged units are provided with the same reference numerals.
- the type of arrangement results from the illustrated positioning inside or outside the respective cracker furnace 10 or the furnace unit, with a decentralized arrangement being present when positioned inside and a central arrangement when positioned outside.
- central combustion air compression 70 can also take place with decentralized combustion air preheating 75.
- the combustion air is also referred to below as air for short, and its preheating is also referred to as air preheating for short.
- air preheating for example, superheated or, depending on the application, non-superheated steam at high, medium or low pressure, wash water and/or quench oil can be used as heating media or electricity can be used as a heat source.
- wash water and/or quench oil can be used as heating media or electricity can be used as a heat source.
- directly transferred heat from the exhaust gas flow Z as a heat source is also possible.
- superheated high-pressure or super-high-pressure steam T shown in the figures is optional and is carried out depending on the selected preheating temperature.
- the preheated combustion air can be provided centrally or decentrally.
- the heating media used can be (superheated) super high pressure steam (SHD), (superheated) high pressure steam (HD), (superheated) medium pressure steam (MD), (superheated) low pressure steam (ND), saturated steam, wash water or quench oil, for example from a central cracked gas separation and cracked gas treatment, or flue gas after leaving the convection zone, typically in a decentralized arrangement of the air preheating.
- Low-pressure steam is generally understood to mean steam at a pressure level of 1 to 10 bar absolute pressure (abs.), in particular 4 to 8 bar (abs.); medium-pressure steam is understood to mean steam at a pressure level of 10 to 30 bar (abs.), in particular 15 to 25 bar (abs.); high-pressure steam is understood to mean steam at a pressure level of 30 to 60 bar (abs.), in particular 35 to 50 bar (abs.); and super-high-pressure steam is understood to mean steam at a pressure level of 60 to 175 bar (abs.), in particular 80 to 125 bar (abs.). If high-pressure steam is referred to below for short, this should also be understood to mean super-high-pressure steam.
- super-high pressure level refers to the pressure level specified for super-high pressure steam, regardless of whether this is specified for the steam itself or, for example, for feed water used to form the steam. The same applies to the terms high pressure level, medium pressure level and low pressure level.
- the air drawn in from the atmosphere can be compressed by means of a driven fan in the air compression system, either centrally or decentrally.
- a driven fan in the air compression system, either centrally or decentrally.
- Air preheating is used in connection with steam cracking, for example in the US 3,426,733 A , the EP 0 229 939 B1 and the EP 3 415 587 A1 described, as well as in connection with air preheating in boilers, for example in the EN 10 2004 020 223 A1 and the WO 2013/178446 A1 .
- combustion air can be preheated prior to introduction into a cracking furnace in a system for the pyrolytic conversion and separation of hydrocarbons by means of bottoms, overhead and/or quench water streams discharged from a primary fractionation unit externally connected to the pyrolysis reactor in order to optimize the thermal efficiency of the overall process.
- the US 2020/172814 A1 discloses a cracking furnace system for converting a hydrocarbon feedstock into cracked gas, the cracking furnace system comprising a convection section, a radiant section, and a cooling section, the convection section including a plurality of convection banks configured to receive and preheat the hydrocarbon feedstock, the radiant section including a furnace comprising at least one radiant coil configured to heat the feedstock to a temperature enabling a pyrolysis reaction, the cooling section including at least one transfer line heat exchanger.
- Air preheating generally improves heat transfer in the radiation zone and reduces the furnace's fuel requirements. This means that, for the same furnace load (here in particular understood as the same amount of hydrocarbons used and the same gap sharpness, which results in the same product flow), less combustion power is required overall and at the same time a larger relative proportion of the exhaust gas energy is transferred to the process gas. On the one hand, this means that the exhaust gas mass flow is reduced, which reduces combustion emissions and the residual heat released from the chimney to the atmosphere. On the other hand, it means that the amount of heat remaining in the flue gas at the outlet of the radiation zone is significantly reduced compared to a non-preheated furnace.
- the present invention is therefore intended to provide solutions that enable economical, efficient and practically feasible operation of a steam cracking plant.
- the present invention proposes a method and a plant for steam cracking according to the preambles of the independent claims.
- Advantageous embodiments are the subject of the dependent patent claims and the following description.
- the present invention enables an extremely compact design of the convection zone, considered here as the sum of the heights of the individual convection bundles in the flue gas channel, a simple design of the chimney ducts downstream of the convection zone and maximum flue gas heat utilization, i.e. low flue gas outlet temperature at the chimney. Furthermore, a minimum fuel requirement can be achieved with the maximum possible production of superheated high-pressure or super-high-pressure steam.
- the core of the present invention is the use of feed water, i.e. water that is subsequently used to generate (super) high-pressure steam, for the preheating of combustion air.
- use of the furnace's own (super) high-pressure saturated steam as a heating medium in air preheating, a combined use of feed water and (super) high-pressure saturated steam as heating media in air and/or heating gas preheating, a use of (super) high-pressure saturated steam as a heating medium for process steam superheating, and a use of (super) high-pressure saturated steam as a heating medium for feed preheating or a combined use of (super) high-pressure saturated steam as a heating medium for process steam superheating and feed preheating can be carried out.
- the present invention is based on a process for the conversion of one or more hydrocarbons by steam cracking, in which one or more feed streams containing the one or more hydrocarbons are steam cracked to obtain one or more product streams, ie cracked gas streams or Raw gas streams are passed through one or more radiation zones of one or more cracker furnaces, in which the one or more radiation zones are heated by firing heating gas with combustion air, in which at least part of the combustion air is subjected to combustion air preheating, in which steam is generated from feed water, and in which the feed water is subjected to feed water preheating in one or more convection zones of the one or more cracker furnaces.
- the feed streams can also be passed in one or more convection zones in parallel, e.g. according to the division into several groups of cracking tubes in the radiation zone.
- the combustion air preheating is carried out using heat which is extracted from at least a portion of the feed water upstream of the feed water preheating.
- the invention therefore includes supplying cooled feed water to the convection zone of the furnace or furnaces, whereby the greatest possible cooling and thus the energetic use of the flue gas can be achieved.
- cooling the feed water in which the heating gas quality in particular can be taken into account to avoid corrosion in the exhaust gas tract.
- the feed water can also, as explained below, additionally or alternatively according to non-inventive embodiments, be used as a heating medium in a central or decentralized heating gas preheating system. Cooling can alternatively and according to non-inventive embodiments take place outside the furnace process.
- the feed water preheating can be carried out in particular in such a way that only a first part of the feed water, which can be adjusted in particular, is used in one or more combustion air preheaters for heat exchange with at least a part of the combustion air to be heated and optionally in one or more heating gas preheaters for heat exchange with at least a part of the heating gas to be heated and a second part of the feed water, which can be adjusted in particular, is guided as a bypass flow around the combustion air preheater and possibly the heating gas preheater.
- the first and second parts can subsequently recombined and then fed to the feed water preheating in the convection zone.
- the temperature of the feed water at the inlet to the convection zone can be regulated in this way.
- the latter can be used in particular during operation to control the outlet temperature of the flue gas in the chimney. In such a process, the latter depends heavily on the temperature of the feed water.
- the temperature of the flue gas can be adjusted by adjusting a proportion of the feed water used in the air preheating and optionally also the heating gas preheating, which can be done in particular on the basis of a temperature of a flue gas to be achieved or detected in the convection zone downstream of the feed water preheating.
- the present invention is used in a process in which the steam generated from the feed water comprises superheated or non-superheated high-pressure or super-high-pressure steam which is formed from the feed water downstream of the feed water preheating.
- the feed water can be subjected to feed water evaporation after the feed water preheating using heat which is extracted from at least a portion of the one or more product streams, in particular in one or more cracked gas or quench coolers, to obtain high-pressure or super-high-pressure saturated steam.
- At least a portion of the high or super high pressure saturated steam can then be subjected to steam superheating in one or more convection zones to obtain the (superheated) high or super high pressure steam.
- the combustion air preheating can be carried out using heat that is extracted from a portion of the (superheated) high-pressure or super-high-pressure steam. In embodiments according to the invention, this is done in addition to using the heat of the feed water, and in non-inventive embodiments, it is done as an alternative thereto.
- the heating gas can be subjected to heating gas preheating, which can also be carried out using heat that is extracted from at least part of the feed water upstream of the feed water preheating.
- this takes place in addition to the combustion air preheating and can take place as an alternative thereto in embodiments not according to the invention.
- the feed water preheating takes place in one or more flue gas ducts in the one or more convection zones, wherein the feed water preheating is carried out in particular at a lower temperature level than is carried out for steam superheating to obtain the superheated high or super high pressure steam, process steam heating to provide process steam that is used to form the one or more feed streams, and a large part of the feed heating of the one or more feed streams.
- the feed water preheating takes place near the end or at the very end of the flue gas duct from which the correspondingly cooled flue gas then flows out, i.e. at a point downstream (in the flow direction of the flue gas) at most one further heat recovery from the flue gas takes place. In this way, the outlet temperature of the flue gas from the convection zone can be controlled particularly advantageously.
- the feed water can be heated to a temperature level of 80 to 140°C, in particular by means of a central or decentralized feed water system, and the feed water can be cooled to a temperature level of 40 to 100°C, to 95°C, to 90°C or to 85°C during combustion air preheating.
- the feed water of the combustion air preheating can be supplied at a pressure level of 30 to 60 bar (abs.), in particular of 35 to 50 bar (abs.), or of 60 to 175 bar (abs.), in particular of 80 to 125 bar (abs.), and can be subjected to the feed water preheating at this pressure level without additional pressurization.
- the feed water can be supplied to the combustion air preheating at a pressure level of 20 to 60 bar (abs.), in particular between 25 to 50 bar (abs.) or between 30 and 40 bar (abs.) and then, after additional pressurization, subjected to the feed water preheating at a pressure level of 30 to 60 bar (abs.), in particular from 35 to 50 bar (abs.), or from 60 to 175 bar (abs.), in particular from 80 to 125 bar (abs.).
- the feed water can advantageously be brought to an appropriate pressure by means of one or more pumps after the combustion air preheating.
- the air can therefore be preheated directly with feed water at a (super) high pressure level, so that the intermediately cooled feed water can then be fed directly to the convection zone.
- the air can also be preheated with feed water at a reduced pressure level, as explained. The latter leads to a significantly lower design pressure of the associated air preheater and thus to less construction effort for this device.
- a plurality of cracker furnaces can be used which are supplied with the feed water by means of a central feed water system, wherein the combustion air preheating can be carried out separately for each of the plurality of cracker furnaces (decentralized combustion air preheating) or jointly for the plurality of cracker furnaces (centralized combustion air preheating).
- the combustion air preheating can be carried out in particular in several stages, whereby, for example, in a first stage, feed water can be used as the heating medium, in a second stage, medium-pressure steam can be used as the heating medium, and in a third stage, saturated or superheated (super) high-pressure steam can be used as the heating medium.
- heating types or heating media can also be used.
- more or fewer preheating stages than those mentioned can be provided. It is also possible to reuse the draining heating medium (in particular condensate formed) in previous stages (i.e. at a lower temperature level) in whole or in part, preferably immediately at the same pressure level in a heat exchanger in which the previously formed condensate is further subcooled, or after partial relaxation to a reduced pressure level and addition of superheated steam at this reduced pressure level. It may also be advantageous to return condensate to the steam generation either by arranging it at the appropriate height (above the steam drum, i.e. natural circulation) or by increasing the pressure (e.g. using a pump).
- the appropriately cooled feed water is then fed into the convection zone, but at a noticeably reduced temperature.
- the invention also relates to a plant for converting one or more hydrocarbons by steam cracking, the features of which, as mentioned, are reproduced in the corresponding independent patent claim.
- the first comparison system is a furnace with the same hydrocarbon load without air preheating, but with central heating gas preheating (reference A, 100% basis for relative comparison of the evaluation variables).
- the second comparison system is a furnace with the same hydrocarbon load with air preheating and with central heating gas preheating, but not designed according to the features of the present invention (reference B). All cases with air preheating listed in Table 1 are based on a resulting combustion air temperature of 248°C at the inlet of the radiation zone.
- the variants indicated with 1F, 2A, 3B, 4B, 5B and 6B are explained with reference to the figures and represent variants according to the invention and non-inventive variants.
- Comparing variant 1F with reference B shows that the use of feed water for air preheating, with subsequent feeding into the convection zone at a reduced temperature level (according to the invention, hereinafter referred to as measure 1) leads to a significantly reduced flue gas outlet temperature and thus to improved furnace energy efficiency.
- the additional construction effort that has to be accepted in return is very low, with an increase of 5 percentage points, while the outlet temperature is reduced by just under 50 K.
- a similar result can be seen when comparing variants 2A and 3B.
- measure 1 Another major advantage of measure 1 is the simple design of the flue gas flow after it leaves the convection zone. This is very similar to that of a furnace without air preheating, and is therefore much simpler than using a direct heat exchanger between the exhaust gas flow and the combustion air, where large-volume pipe arrangements and heat exchange surfaces have to be installed in the flue gas path of each individual furnace. Measure 1 produces a similar process effect, namely the transfer of exhaust gas heat to the combustion air, but indirectly using a heat carrier already present in the furnace area (feed water), which requires significantly smaller pipe cross-sections due to its liquid state.
- a further advantage is the possible temperature control via the bypass system described, so that, in contrast to a system with direct heat exchange between combustion air and exhaust gas flow, the exhaust gas temperature can be easily adjusted/changed during operation. This means that fluctuations in the heating gas quality can be handled much better, see previous description.
- measures 1 and 2 have somewhat opposite effects. However, by comparing reference B with example 3B, it is very clear that a combination of measures 1 and 2 (referred to as measure 3 according to the invention) leads to a simultaneous improvement of the furnace in terms of construction effort and energy efficiency.
- variant 3B shows the effect of additional process steam superheating with (super) high-pressure saturated steam (measure 4 not according to the invention in itself). Similar to measure 2, this extraction of saturated steam and its use for process steam superheating leads to a reduction in construction costs, which in the given example leads to a consistent furnace energy efficiency by combining measures 1 (according to the invention) and 2 (not according to the invention in itself).
- variant 3B shows the effect of additional preheating with (super) high pressure saturated steam (not Inventive measure 5). Similar to measures 2 and 4 (each considered individually not inventive), this extraction of saturated steam and its use for preheating the feed leads to a reduction in construction costs, which in the given example 5B leads to a constant furnace energy efficiency through the simultaneous application of measures 1 (inventive) and 2 (considered individually not inventive).
- variant 4B or variant 5B shows the effect of the joint application of process steam superheating and feed preheating with (super) high-pressure saturated steam (measure 6 not according to the invention in itself).
- the maximum extraction of saturated steam and its use for process steam superheating and feed preheating leads to a maximum reduction in construction costs, which in the given example leads to a consistent furnace energy efficiency as in variants 3B, 4B, and 5B through the simultaneous application of measures 1 (according to the invention) and 2 (not according to the invention in itself).
- the variants listed in Table 1 use different designs of the air preheater sequences, with three stages, with use of wash water, medium pressure steam and/or superheated (super) high pressure steam in addition to the explained use of feed water and/or (super) high pressure saturated steam.
- Table 2 shows results for designs of various variants with even higher air preheating (300°C) and correspondingly even lower fuel consumption. The described effects of the measures remain unchanged.
- the comparison of variants 4A* with 4B* shows the positive influence of measure 2 on the construction costs.
- the comparison of example 4B* with 4B** shows the added value in terms of furnace efficiency when adding measure 1. ⁇ b>Table 2 ⁇ /b> - ⁇ b>Comparison of effectiveness for air preheating temperature of 300°C ⁇ /b> Variant of the invention/reference Ref. A Ref.
- variant 6C** shows the possibility of achieving increased steam export with increased construction effort compared to variant 6B** with almost the same furnace efficiency. In this case, this is achieved by means of a serial connection of process steam superheating and feed preheating on the heat transfer medium side, i.e. the condensate formed in the process steam superheating is used downstream as a heat transfer medium for the feed preheating.
- Table 2 use different designs of the air preheater sequences, with 2, 3 or 4 stages, with use of low-pressure steam and/or superheated (super-)high-pressure steam in addition to the explained use of feed water and/or (super-)high-pressure saturated steam.
- the present invention can also be used in particular in a system such as that used in the EP 3 415 587 A1 and in which the cracked gas is cooled directly against the feed stream, so that only a portion of the heat released during the cracked gas cooling is used to generate (super) high-pressure steam.
- the application of the measures described in the present application also provides the same or at least almost the same advantages in such a system.
- the present invention can also be used in a system with separation of carbon dioxide from the flue gas.
- measure 1 when using measure 1 according to the invention, particularly low outlet temperatures of the flue gas are achieved at the end of the convection zone, which is advantageous for subsequent separation of carbon dioxide, e.g. by means of an amine scrubbing process (typical operating temperatures of amine scrubbing processes are 20 to 60°C).
- the combustion air can also be enriched with oxygen.
- oxygen enrichment is approximately comparable to air preheating, since the adiabatic combustion temperature is increased in each case, resulting in increased radiation zone efficiency and a reduced amount of flue gas.
- the effect is not (quite) equivalent to air preheating, since the relatively higher oxygen content (with a lower nitrogen content, etc.) results in the equivalent effect with a slightly different flue gas composition.
- the measures can be used for steam cracking furnaces with all possible hydrocarbon feedstocks.
- hydrocarbons with two, three and/or four carbon atoms gaseous
- naphtha liquid
- gas oil liquid
- products from recycling processes such as plastics recycling (gaseous and liquid).
- Partial air preheating can be selected, for example, in the case where both bottom burners and side burners are used and only some of the burners are supplied with preheated air, preferably the bottom burners.
- the numerical values given for air preheating temperatures in this application always refer to the resulting preheating temperature of the entire combustion air.
- Process streams from other systems e.g. gas turbine exhaust gas
- Variants 4 to 6 describe the heating of separate water or hydrocarbon streams against (super) high-pressure saturated steam. It can also be intended to heat a mixed stream of hydrocarbon and water in this way. This design is particularly relevant for use with gaseous inserts, since there is no change of unit of the insert in the convection zone.
- saturated steam refers to the previously typical and technically used level of up to approx. 175 bar (abs.).
- partial saturated steam at a higher pressure and temperature level (e.g. 175 bar abs. and 355°C) for further preheating and/or superheating applications in the furnace area.
- the present invention is preferably used in combination with the electric drive of individual or multiple compressors in the associated separating part of the system. This preferably compensates for the reduction in (super) high-pressure steam export from the furnaces caused by the air preheating according to the invention. Such increased electrification of the system also enables increased use of renewable energies by importing them from the power grid. The availability of steam boilers as backup systems for plant start-up is required to a lesser extent.
- the measures described can be applied both to a completely new steam cracking furnace and to the modernization of existing furnaces. In the latter case, the advantages regarding the total bundle height are particularly relevant when, for example, it is a matter of accommodating modified bundle structures in an existing steel structure.
- Figure 23 summarizes embodiments of the invention and non-inventive embodiments in a schematic diagram.
- the topology of the underlying convection zone 12 is particularly Figure 4 shown. However, other process arrangements can also be used within the scope of the invention.
- This topology comprises, counter to the direction of the outflowing flue gas Z, a first feed water preheater 121, a feed preheater 122, a second feed water preheater 123, a first high-temperature bundle 124, a process steam superheater 125, a first (super) high-pressure steam superheater 126, a second (super) high-pressure steam superheater 127 and a second high-temperature bundle 128.
- Feed water W is passed through the first feed water preheater 121 and the second feed water preheater 123 and then fed to a corresponding (super) high pressure steam generation, for example in the cracked gas coolers 13.
- (Super) high pressure steam S generated there, which has not yet been superheated, is passed through the first (super) high pressure steam superheater 126 and the second (super) high pressure steam superheater 127 to obtain superheated (super) high pressure steam T, wherein feed water injection can take place between the first (super) high pressure steam superheater 126 and the second (super) high pressure steam superheater 127.
- Hydrocarbon feed H is heated in the feed preheater 122 and process steam P is heated in the process steam superheater 125 before both are combined to form the feed stream F and further heated in the first high temperature bundle 124 and the second high temperature bundle 128.
- 1A to 1F show variants of steam cracking systems according to a first group of embodiments according to the invention.
- the common feature of these is the use of cooled feed water for maximum energy recovery.
- the principle of all variants 1A to 1F shown is, as mentioned, to use the feed water already present at the furnace unit 10 as a heating medium for the air preheating 75 and optionally also for the heating gas preheating 65 in the low temperature range, i.e. in a temperature range of up to 100°C.
- the cooled feed water emerging from the preheating 75 and possibly 65 is then fed to the convection zone 12, but at a noticeably reduced temperature compared to the prior art, as also already mentioned.
- the preheaters shown can consist of several stages, e.g. a first stage with feed water as heating medium, a second stage with medium-pressure steam as heating medium and a third stage with (super) high-pressure steam as heating medium.
- a portion of the feed water W is used as the corresponding heating current WH in the central air preheater 75.
- Another portion can be passed past the central air preheater 75 as a bypass WB in order to implement the control option explained. The latter is also the case in the variants 1B to 1F explained below.
- parts of the feed water W are used as heating streams WH1, WH2 in the central air preheating 75 and the central heating gas preheating 65.
- a decentralized air preheater 75 is heated with feed water WH, but no heating gas preheating takes place.
- both a decentralized air preheater 75 with feed water WH1 and a decentralized heating gas preheater 65 with feed water WH2 are heated.
- a decentralized air preheater 75 is heated with feed water WH1, but also a central heating gas preheater 65 is heated with feed water WH2. This results in two bypasses designated WB1, WB2.
- a decentralized air preheater 75 is heated with feed water WH, whereas a centralized heating gas preheater 65 is carried out without heating with feed water.
- FIGS 11 to 13 2A to 2C are shown variants of steam cracking plants according to a second group of non-inventive embodiments.
- the feature that connects these is the use of the furnace's own (super) high-pressure saturated steam S as a heating medium in the air preheating 75.
- the principle of the variants shown is to use the saturated steam S generated in the steam generator 13 of the same cracker furnace 10 partly as a heating medium for heating 75 air in the medium to high temperature range, ie in a temperature range of 150 to 330°C.
- the steam supplied to the steam superheaters 126, 127 in the convection zone 12 (cf. Figure 4 ) is reduced accordingly, whereby proportionately more exhaust gas heat is available to the heat exchangers 121 to 125 arranged downstream in the path of the flue gas Z in the convection zone 12.
- the resulting (super) high pressure condensate can be used as in the Figures 11 , 12 and 13 for variants 2A, 2B and 2C, are fed into the central steam system of the plant in order to further use the residual energy contained therein and finally to feed it to a suitable condensate treatment. It is also possible to reuse the condensate formed in whole or in part in previous preheating stages (ie at a lower temperature level), preferably after partial expansion to a reduced pressure level and addition of superheated steam at this reduced pressure level. However, subcooling of the condensate in the preheating can also be provided without prior expansion and addition of superheated steam.
- FIGS 14 and 15 3A and 3B show variants of steam cracking systems according to a third group of embodiments according to the invention.
- the feature that connects them is a combined use of feed water and (super) high-pressure saturated steam S as heating media in the air and/or heating gas preheating 65, 75.
- the principle of all variants shown is to apply the measures previously explained for the first and second groups of embodiments together, ie to use feed water W for the air and/or heating gas preheating 65, 75 in the low temperature range up to 100°C and additionally to use saturated steam for the air preheating 75 in the medium or high temperature range from 150 to 330°C.
- the preheating can consist of several stages, e.g. a first stage with feed water as the heating medium, a second stage with medium pressure steam as the heating medium, and a third stage with super high pressure saturated steam as the heating medium.
- Other possible heating types or heating media can be used in addition, as mentioned.
- more or fewer preheating stages can be provided, as also mentioned.
- FIG. 16 and 17 variants of steam cracking plants according to a fourth group of embodiments are illustrated, designated 4A and 4B, wherein Figure 16 represents a non-inventive embodiment and Figure 17 an embodiment according to the invention.
- the feature that connects them is the use of (super) high-pressure saturated steam S as a heating medium for superheating process steam P.
- the principle of all variants shown is to use the saturated steam S generated in the steam generator 13 of the same furnace 10 partially as a heating medium for superheating process steam P in the medium to high temperature range, ie in the temperature range from 150 to 330°C.
- the steam superheaters 126, 127 for the saturated steam S in the convection zone 12 (cf.
- a decentralized process steam heating 35 is provided, whereby in the Figure 16 illustrated variant 4A only this one, in which in Figure 17 illustrated variant, a decentralized air preheater 75' is heated with (super) high-pressure saturated steam S as the heating medium.
- the Figure 17 illustrated variant also has, as an inventive embodiment, a use of feed water for Air preheating, in this case in an upstream central air preheating system 75.
- Figure 18 and 19 variants of steam cracking plants previously designated 5A and 5B according to a fifth group of embodiments are illustrated, wherein Figure 18 represents a non-inventive embodiment and Figure 19 an embodiment according to the invention.
- the feature that connects them is the use of (super) high-pressure saturated steam S as a heating medium for preheating the hydrocarbon feed H.
- the principle of all variants shown is to use the saturated steam S generated in the steam generator 13 of the same cracking furnace 10 partly as a heating medium for preheating the hydrocarbon feed H (including possible partial evaporation in the case of liquid feeds) in the medium to high temperature range from 100 to 330°C. In this case, a single-phase preheating of the feed stream takes place on the feed side (liquid or gaseous).
- a decentralized insert heating 25 is provided, whereby in the Figure 18 illustrated variant 5A only this one, in which in Figure 19 illustrated variant, a decentralized air preheater 75' is heated with (super) high-pressure saturated steam S as the heating medium.
- the Figure 19 illustrated also has, as an embodiment according to the invention, a use of feed water for air preheating, in this case in an upstream central air preheating system 75.
- Figures 20 to 22 are variants of steam cracking plants previously designated 6A to 6C according to a sixth group of designs illustrated, where Figure 20 represents a non-inventive embodiment and Figures 21 and 22 inventive designs.
- the feature that connects them is a combined use of (super) high-pressure saturated steam S as a heating medium for process steam superheating and feed preheating.
- the principle of all variants shown is to use the saturated steam S generated in the steam generator 13 of the same cracking furnace 10 partly as a heating medium both for the superheating of process steam P in the medium to high temperature range from 150 to 330°C and for the preheating of the hydrocarbon feed stream H (including possible partial evaporation in the case of liquid feeds) in the medium to high temperature range from 100 to 330°C.
- the steam superheaters 126, 127 for the (super) high-pressure saturated steam S in the convection zone 12 is reduced accordingly, whereby proportionately more exhaust gas heat at a higher temperature level is available to the heat exchangers 121 to 125 arranged downstream in the path of the flue gas Z in the convection zone 12.
- the load of the superheater 125 for process steam P in the convection zone 12 is partially or completely reduced, so that even more exhaust gas heat at a higher temperature level is available to the heat exchangers 121 to 124 arranged downstream.
- a decentralized feed heating 25 and a decentralized process steam superheating 35 are provided.
- these units are fed with saturated steam S in the manner shown.
- the process steam superheater 35 and the feed preheater 25 are connected in series on the heat transfer side.
- a decentralized air preheater 75' is additionally supplied with saturated steam S.
- the Figure 21 and 22 The variants illustrated in the drawings also comprise, as embodiments according to the invention, a use of feed water for air preheating, in this case in an upstream central air preheating system 75.
- Figure 23 summarizes embodiments of the invention and non-inventive embodiments in a schematic diagram, whereby the corresponding material flows are not separately designated again.
- the Figure 23 illustrates in particular the possibility of central and decentralized provision of the previously explained units.
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zum Steamcracken gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.The present invention relates to a process and a plant for steam cracking according to the preambles of the independent claims.
Die vorliegende Erfindung betrifft das Steamcracken (Dampfspalten, thermisches Spalten, Dampfcracken usw.), das zur Herstellung von Olefinen und anderen Grundchemikalien eingesetzt wird, und das beispielsweise im Artikel "
Für die Einleitung und Aufrechterhaltung der endothermen Reaktionen wird beim Steamcracken die erforderliche Wärmeenergie typischerweise durch die Verbrennung von Heizgas in einer Brennkammer bereitgestellt, die die sog. Strahlungszone eines Spalt- oder Crackerofens bildet, und durch die sog. Coils (Spaltrohre) geführt sind, durch welche ein umzusetzendes Kohlenwasserstoff-Dampf-Gemisch unter Erhalt eines Produktgemischs, des sog. Roh- oder Spaltgases, geleitet wird. In den häufigsten Anwendungen wird die für die Verbrennung erforderliche Verbrennungsluft ohne Vorwärmung in die Strahlungszone geführt (sog. Naturzug) und dort zusammen mit dem Heizgas verbrannt. Eine vereinfachte Darstellung ist in der beigefügten
Ein in
Mittels einer beispielhaft gezeigten zentralen Einsatzvorwärmung 20 und einer zentralen Prozessdampferzeugung 30 werden ein Kohlenwasserstoffeinsatz H erwärmt und Prozessdampf P bereitgestellt, welche in der Konvektionszone 12 in an sich bekannter Weise (siehe insbesondere auch
Der Strahlungszone 11 wird das Spaltgas C entnommen, das mittels eines oder mehrerer Spaltgaskühler 13, die insbesondere als bekannte Quenchkühler ausgebildet sein können bzw. solche Quenchkühler umfassen können, und die zugleich auch als Dampferzeuger fungieren können, abgekühlt und danach einer zentralen Spaltgastrennung und Spaltgasaufbereitung 90 zugeführt wird. Weitere Details zu entsprechenden Quenchkühlern, die insbesondere als klassische Quenchkühler oder sogenannte Linear Quench Exchanger (LQE) ausgeführt sein können, sind unten erläutert. Die Erfindung ist nicht durch eine spezifische Ausgestaltung beschränkt.The cracked gas C is taken from the
Mittels eines zentralen Speisewassersystems 40 wird Speisewasser W bereitgestellt, das im dargestellten Beispiel ebenfalls in der Konvektionszone 12 erwärmt und danach mittels des einen oder der mehreren Spaltgaskühler 13 unter Erhalt von Hochdruck- oder Superhochdrucksattdampf S (nachfolgend auch kurz als Sattdampf bezeichnet) weiter erhitzt und schließlich verdampft wird. Der Sattdampf S wird im dargestellten Beispiel in der Konvektionszone 12 unter Erhalt von überhitztem Hochdruckdampf oder überhitztem Superhochdruckdampf T (nachfolgend vereinfacht auch als überhitzter Dampf bezeichnet) überhitzt und in ein zentrales Dampfsystem 50 eingespeist.A central
Mittels eines zentralen Heizgassystems 60, dem eine mögliche zentrale Heizgasvorwärmung 65 nachgeschaltet ist, in der Prozess- oder Hilfsmittel wie beispielsweise überhitzter Dampf auf Hoch-, Mittel- oder Niedrigdruck, Waschwasser und/oder Quenchöl, aber auch elektrischer Strom als Heizmedien bzw. Wärmequellen genutzt wird, wird Speiseheizgas Y zu vorgewärmtem Heizgas X erwärmt und der Strahlungszone 11 bzw. nicht gesondert veranschaulichten Brennern in dieser zugeführt.By means of a central
Verbrennungsluft L gelangt in der hier veranschaulichten Ausgestaltung über eine Luftansaugung 79 in die Strahlungszone 11 bzw. die dortigen Brenner. Aus der Strahlungszone 11 wird Rauchgas Z ausgeführt, das die Konvektionszone 12 passiert und danach in eine Rauchgasbehandlung bzw. an einen zentralen oder dezentralen Kamin 80 mit oder ohne Gebläse und hierüber an die Atmosphäre abgegeben wird.In the embodiment illustrated here, combustion air L reaches the
Die in
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass die Vorwärmung der Verbrennungsluft als effizienzsteigernde Maßnahme angewandt werden kann, um Heizgas einzusparen und auf diese Weise den Energieverbrauch sowie Kohlendioxidemissionen zu senken. Entsprechende Ausgestaltungen sind in den
Generell kann hier der Begriff der "Effizienzsteigerung" insbesondere als Erhöhung des sogenannten spezifischen Wirkungsgrads verstanden werden, worunter wiederum der Anteil der eingebrachten Heizgasenergie verstanden wird, der sich in den gebildeten Produkten, hier dem Spaltgas, wiederfindet. Dieser unterscheidet sich vom sogenannten thermischen Wirkungsgrad, also den Anteil der Unterfeuerungsleistung, der sich in den Produkten und anderen Medien (Spaltgas oder Dampf) wiederfindet, oder, anders ausgedrückt, jenem Anteil, der nicht als Wärmeverlust in die Umgebung (über Kamin, warme Oberflächen, Leckagen) verloren geht. Der spezifische Wirkungsgrad wird durch die Luftvorwärmung gesteigert, weil weniger Unterfeuerung bei gleicher Spaltgasmenge erforderlich ist. Der thermische Wirkungsgrad dagegen steigt nicht zwangsläufig durch die Anwendung von Luftvorwärmung an, da dieser ggf. auch durch eine minimale Rauchgasabgabetemperatur limitiert ist, siehe unten.In general, the term "increase in efficiency" can be understood here in particular as an increase in the so-called specific efficiency, which in turn is understood to mean the proportion of the heating gas energy introduced that is found in the products formed, in this case the cracked gas. This differs from the so-called thermal efficiency, i.e. the proportion of the under-firing output that is found in the products and other media (cracked gas or steam), or, in other words, the proportion that is not lost as heat to the environment (via chimney, warm surfaces, leaks). The specific efficiency is increased by air preheating because less under-firing is required for the same amount of cracked gas. The thermal efficiency, on the other hand, does not necessarily increase through the use of air preheating, as this may also be limited by a minimum flue gas discharge temperature, see below.
Nachfolgend sind zentral und dezentral angeordnete Einheiten mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Art der Anordnung ergibt sich aus der veranschaulichten Positionierung innerhalb oder außerhalb des jeweiligen Crackerofens 10 bzw. der Ofeneinheit, wobei eine dezentrale Anordnung bei einer Positionierung innerhalb und eine zentrale Anordnung bei einer Positionierung außerhalb vorliegt. Beispielsweise kann auch bei dezentraler Verbrennungsluftvorwärmung 75 eine zentrale Verbrennungsluftverdichtung 70 erfolgen. Die Verbrennungsluft wird nachfolgend auch kurz als Luft, ihre Vorwärmung auch kurz als Luftvorwärmung bezeichnet.In the following, centrally and decentrally arranged units are provided with the same reference numerals. The type of arrangement results from the illustrated positioning inside or outside the
In der Luftvorwärmung kann beispielsweise eine Nutzung von überhitztem oder je nach Anwendungsfall auch nicht überhitztem Dampf auf Hoch-, Mittel- oder Niedrigdruck, Waschwasser und/oder Quenchöl als Heizmedien oder von elektrischem Strom als Wärmequelle erfolgen. Auch die Nutzung direkt übertragener Wärme des Abgasstroms Z als Wärmequelle ist möglich. Die in den Figuren gezeigte Nutzung von überhitztem Hochdruck- oder Superhochdruckdampf T ist optional und wird je nach gewählter Vorwärmtemperatur vorgenommen.In air preheating, for example, superheated or, depending on the application, non-superheated steam at high, medium or low pressure, wash water and/or quench oil can be used as heating media or electricity can be used as a heat source. The use of directly transferred heat from the exhaust gas flow Z as a heat source is also possible. The use of superheated high-pressure or super-high-pressure steam T shown in the figures is optional and is carried out depending on the selected preheating temperature.
Die vorgewärmte Verbrennungsluft kann also, nochmals zusammengefasst, zentral oder dezentral bereitgestellt werden. Je nach Verfügbarkeit und gewünschter Vorwärmtemperatur können als Heizmedien (überhitzter) Superhochdruckdampf (SHD), (überhitzter) Hochdruckdampf (HD), (überhitzter) Mitteldruckdampf (MD), (überhitzter) Niederdruckdampf (ND), Sattdampf, Waschwasser oder Quenchöl, beispielsweise aus einer zentralen Spaltgastrennung und Spaltgasaufbereitung, oder Rauchgas nach dem Austritt aus der Konvektionszone, typischerweise bei einer dezentralen Anordnung der Luftvorwärmung, verwendet werden.To summarize, the preheated combustion air can be provided centrally or decentrally. Depending on availability and the desired preheating temperature, the heating media used can be (superheated) super high pressure steam (SHD), (superheated) high pressure steam (HD), (superheated) medium pressure steam (MD), (superheated) low pressure steam (ND), saturated steam, wash water or quench oil, for example from a central cracked gas separation and cracked gas treatment, or flue gas after leaving the convection zone, typically in a decentralized arrangement of the air preheating.
Unter Niederdruckdampf soll hier allgemein Dampf auf einem Druckniveau von 1 bis 10 bar Absolutdruck (abs.), insbesondere von 4 bis 8 bar (abs.), unter Mitteldruckdampf Dampf auf einem Druckniveau von 10 bis 30 bar (abs.), insbesondere von 15 bis 25 bar (abs.), unter Hochdruckdampf Dampf auf einem Druckniveau von 30 bis 60 bar (abs.), insbesondere von 35 bis 50 bar (abs.), und unter Superhochdruckdampf Dampf auf einem Druckniveau von 60 bis 175 bar (abs.), insbesondere von 80 bis 125 bar (abs.), verstanden werden. Ist nachfolgend von verkürzt von Hochdruckdampf die Rede, soll hierunter auch Superhochdruckdampf verstanden werden.Low-pressure steam is generally understood to mean steam at a pressure level of 1 to 10 bar absolute pressure (abs.), in particular 4 to 8 bar (abs.); medium-pressure steam is understood to mean steam at a pressure level of 10 to 30 bar (abs.), in particular 15 to 25 bar (abs.); high-pressure steam is understood to mean steam at a pressure level of 30 to 60 bar (abs.), in particular 35 to 50 bar (abs.); and super-high-pressure steam is understood to mean steam at a pressure level of 60 to 175 bar (abs.), in particular 80 to 125 bar (abs.). If high-pressure steam is referred to below for short, this should also be understood to mean super-high-pressure steam.
Der Begriff Superhochdruckniveau bezeichnet das für Superhochdruckdampf angegebene Druckniveau, unabhängig davon, ob dieses für den Dampf selbst oder beispielsweise für Speisewasser, das zur Bildung des Dampfs verwendet wird, angegeben ist. Entsprechendes gilt für die Begriffe Hochdruckniveau, Mitteldruckniveau und Niederdruckniveau.The term super-high pressure level refers to the pressure level specified for super-high pressure steam, regardless of whether this is specified for the steam itself or, for example, for feed water used to form the steam. The same applies to the terms high pressure level, medium pressure level and low pressure level.
Zur Bereitstellung des für die Durchströmung der in der Luftvorwärmung eingesetzten Luftvorwärmer benötigten Druckniveaus bzw. zum Ausgleich eines entsprechenden Druckverlusts kann die aus der Atmosphäre angesaugte Luft mittels eines angetriebenen Gebläses in der Luftverdichtung verdichtet werden, und zwar entweder zentral oder dezentral. Es ist alternativ dazu auch möglich, ein stromab der Luftvorwärmung angeordnetes Gebläse zu verwenden, das einen entsprechenden Sog bewirkt.To provide the pressure level required for the flow through the air preheaters used in the air preheating system or to compensate for a corresponding pressure loss, the air drawn in from the atmosphere can be compressed by means of a driven fan in the air compression system, either centrally or decentrally. Alternatively, it is also possible to use a fan arranged downstream of the air preheating system, which creates a corresponding suction.
Die Luftvorwärmung ist im Zusammenhang mit dem Steamcracken beispielsweise in der
Aus der
Die
Durch die Luftvorwärmung wird allgemein die Wärmeübertragung in der Strahlungszone verbessert und der Brennstoffbedarf des Ofens reduziert. Somit muss bei gleicher Ofenlast (hier insbesondere als gleiche Einsatzmenge an Kohlenwasserstoffen und gleiche Spaltschärfe verstanden, woraus ein gleicher Produktstrom resultiert) insgesamt weniger Feuerungsleistung aufgewendet werden und gleichzeitig wird ein größerer relativer Anteil der Abgasenergie an das Prozessgas übertragen. Daraus folgt einerseits, dass der Abgasmassenstrom verringert wird, wodurch die Verbrennungsemissionen und die Restwärmeabgabe aus dem Kamin an die Atmosphäre reduziert werden. Andererseits folgt daraus, dass die im Rauchgas am Austritt der Strahlungszone verbleibende Wärmemenge gegenüber einem nicht vorgewärmten Ofen deutlich reduziert ist.Air preheating generally improves heat transfer in the radiation zone and reduces the furnace's fuel requirements. This means that, for the same furnace load (here in particular understood as the same amount of hydrocarbons used and the same gap sharpness, which results in the same product flow), less combustion power is required overall and at the same time a larger relative proportion of the exhaust gas energy is transferred to the process gas. On the one hand, this means that the exhaust gas mass flow is reduced, which reduces combustion emissions and the residual heat released from the chimney to the atmosphere. On the other hand, it means that the amount of heat remaining in the flue gas at the outlet of the radiation zone is significantly reduced compared to a non-preheated furnace.
Dies führt bei steigenden Vorwärmtemperaturen jedoch zu Schwierigkeiten bei Auslegung und Betrieb der stromab gelegenen Konvektionszone. In dieser wird der zu spaltende Kohlenwasserstoffeinsatz und der dazugehörige Prozessdampf bis auf Temperaturen von 550 bis 700°C vorgewärmt. Zudem wird dem Ofen zugeführtes Kesselspeisewasser auf Hoch- oder Superhochdruckniveau normalerweise bei 100 bis 110°C in der Konvektionszone vorgewärmt, im Spaltgaskühler verdampft und schließlich in der Konvektionszone überhitzt.However, as preheating temperatures increase, this leads to difficulties in the design and operation of the downstream convection zone. In this zone, the hydrocarbon feedstock to be cracked and the associated process steam are preheated to temperatures of 550 to 700°C. In addition, boiler feed water fed to the furnace at high or super-high pressure level is normally preheated at 100 to 110°C in the convection zone, evaporated in the cracking gas cooler and finally superheated in the convection zone.
Durch die reduzierte Verfügbarkeit von Abgaswärme in der Konvektionszone ergibt sich bei hohen Luftvorwärmtemperaturen die Schwierigkeit, dass bei gleicher Ofenlast die benötigte Vorwärmleistung für den Kohlenwasserstoffeinsatz und den Prozessdampf, sowie die benötigte Überhitzungsleistung für den unverändert im Spaltgaskühler erzeugten Sattdampfstrom nahezu konstant sind. Die fehlende Abgaswärme macht sich somit bei der Speisewasservorwärmung bemerkbar, die teilweise eingeschränkt werden muss. Darüber hinaus sinken bei den oberen Konvektionsbündeln in der Konvektionszone, d.h. den hier angeordneten Wärmetauscheinheiten zur Übertragung von Wärme des Rauchgases an die jeweils zu erwärmenden Medien, die Eintrittstemperaturen des Rauchgases deutlich gegenüber dem nicht vorgewärmten Ofen. Durch die sich verkleinernden Temperaturgradienten wird somit der Flächenbedarf der Konvektionsbündel deutlich größer, was einen höheren baulichen Aufwand erfordert.The reduced availability of exhaust gas heat in the convection zone results in the difficulty at high air preheating temperatures that, at the same furnace load, the required preheating power for the hydrocarbon feed and the process steam, as well as the required superheating power for the saturated steam flow generated unchanged in the cracked gas cooler, are almost constant. The lack of exhaust gas heat is therefore noticeable in the feed water preheating, which must be partially restricted. In addition, the inlet temperatures of the flue gas in the upper convection bundles in the convection zone, i.e. the heat exchange units arranged here for transferring heat from the flue gas to the media to be heated, drop significantly compared to the non-preheated furnace. Due to the decreasing temperature gradients, the area required by the convection bundles is therefore significantly larger, which requires more construction work.
In der
Die vorliegende Erfindung soll daher Lösungen bereitstellen, mit der ein wirtschaftlicher, effizienter und praktisch umsetzbarer Betrieb einer Anlage zum Steamcracken möglich ist.The present invention is therefore intended to provide solutions that enable economical, efficient and practically feasible operation of a steam cracking plant.
Die vorliegende Erfindung schlägt vor diesem Hintergrund ein Verfahren und eine Anlage zum Steamcracken gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche vor. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, the present invention proposes a method and a plant for steam cracking according to the preambles of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent patent claims and the following description.
Durch die vorliegende Erfindung lassen sich eine ausgesprochen kompakte Bauweise der Konvektionszone, hier betrachtet als Summe der Höhen der einzelnen Konvektionsbündel im Rauchgaskanal, eine einfache Konstruktion der Kaminleitungen stromab der Konvektionszone sowie eine maximale Rauchgaswärmenutzung, d.h. niedrige Rauchgasaustrittstemperatur am Kamin, realisieren. Es lässt sich ferner ein minimaler Brennstoffbedarf bei maximal möglicher Produktion von überhitztem Hochdruck- oder Superhochdruckdampf erzielen.The present invention enables an extremely compact design of the convection zone, considered here as the sum of the heights of the individual convection bundles in the flue gas channel, a simple design of the chimney ducts downstream of the convection zone and maximum flue gas heat utilization, i.e. low flue gas outlet temperature at the chimney. Furthermore, a minimum fuel requirement can be achieved with the maximum possible production of superheated high-pressure or super-high-pressure steam.
Kern der vorliegenden Erfindung ist die dabei Nutzung von Speisewasser, d.h. Wasser, das anschließend zur Erzeugung von (Super-)Hochdruckdampf verwendet wird, für die Vorwärmung von Verbrennungsluft.The core of the present invention is the use of feed water, i.e. water that is subsequently used to generate (super) high-pressure steam, for the preheating of combustion air.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen, die zu einer Zwischenabkühlung von Speisewasser führen, widersprechen der geläufigen Praxis, bei der Dampfproduktion aus Feuerungsanlagen eine maximale Speisewasservorwärmung anzustreben. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird dabei bewusst auf eine maximale Dampferzeugung verzichtet, um eine maximale Energierückgewinnung aus dem Rauchgas bei minimalem baulichen Zusatzaufwand zu erreichen. Der Rückgang in der Dampfproduktion ist dabei im Lichte zukünftiger Ausgestaltungen von Steamcrackinganlagen besonders vorteilhaft, da dies einen vermehrten Einsatz von bevorzugt sogenanntem grünem Strom für den Antrieb von Maschinen ermöglicht. Auf diese Weise können die Kohlendioxidemissionen der Anlage insgesamt noch weiter reduziert werden. Der Feuerungseinsatz wird bei maximaler Energieausbeute aus der verbleibenden Feuerung fossiler Brennstoffe minimiert.The measures proposed according to the invention, which lead to an intermediate cooling of feed water, contradict the common practice of aiming for maximum feed water preheating in the production of steam from combustion plants. In the context of the present invention, a deliberate maximum steam generation is dispensed with in order to achieve maximum energy recovery from the flue gas with minimal additional construction effort. The reduction in steam production is particularly advantageous in light of future designs of steam cracking plants, as this enables increased use of preferably so-called green electricity to drive machines. In this way, the plant's overall carbon dioxide emissions can be reduced even further. The combustion input is minimized with maximum energy yield from the remaining combustion of fossil fuels.
Während bei einer reinen Dampfboileranwendung lediglich der Brennstoffausnutzungsgrad für Dampferzeugung optimiert werden soll, ist die Situation bei einem Dampfspaltofen ungleich schwieriger. Die Dampferzeugung ist hier, nach der chemischen Konversion des Einsatzstoffes, nur die sekundäre Aufgabe bzw. ein Erfordernis, um die anfallenden Wärmemengen zu nutzen. Dementsprechend wird durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Maßnahmen beim Dampfspaltofen nicht nur der Brennstoffnutzungsgrad insgesamt beeinflusst, sondern insbesondere auch die Verteilung zwischen chemischer Prozessnutzung und Dampferzeugung. Daher lassen sich auch Maßnahmen, die bei reinen Dampfboilern vorgesehen sind, nicht ohne weiteres auf Steamcrackinganlagen übertragen.While in a pure steam boiler application only the fuel utilization rate for steam generation is to be optimized, the situation is much more difficult in a steam cracking furnace. Here, after the chemical conversion of the feedstock, steam generation is only the secondary task or a requirement in order to utilize the heat quantities generated. Accordingly, the use of the measures according to the invention in the steam cracking furnace not only influences the overall fuel utilization rate, but also in particular the distribution between chemical process utilization and steam generation. Therefore, measures that are provided for pure steam boilers cannot simply be transferred to steam cracking plants.
In weiteren erfindungsgemäßen und nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltungen kann alternativ oder zusätzlich zu den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen eine Nutzung von ofeneigenem (Super-)Hochdrucksattdampf als Heizmedium in Luftvorwärmung, eine kombinierte Nutzung von Speisewasser und (Super-) Hochdrucksattdampf als Heizmedien in der Luft- und/oder Heizgasvorwärmung, eine Nutzung von (Super-)Hochdrucksattdampf als Heizmedium für die Prozessdampfüberhitzung, und eine Nutzung von (Super-)Hochdrucksattdampf als Heizmedium für Einsatzvorwärmung oder eine kombinierte Nutzung von (Super-) Hochdrucksattdampf als Heizmedium für die Prozessdampfüberhitzung und die Einsatzvorwärmung erfolgen.In further embodiments according to the invention and not according to the invention, alternatively or in addition to the measures proposed according to the invention, use of the furnace's own (super) high-pressure saturated steam as a heating medium in air preheating, a combined use of feed water and (super) high-pressure saturated steam as heating media in air and/or heating gas preheating, a use of (super) high-pressure saturated steam as a heating medium for process steam superheating, and a use of (super) high-pressure saturated steam as a heating medium for feed preheating or a combined use of (super) high-pressure saturated steam as a heating medium for process steam superheating and feed preheating can be carried out.
Die vorliegende Erfindung geht von einem Verfahren zur Umsetzung eines oder mehrerer Kohlenwasserstoffe durch Steamcracken aus, bei dem ein oder mehrere Einsatzströme, der oder die den einen oder die mehreren Kohlenwasserstoffe enthalten, unter Erhalt eines oder mehrerer Produktströme, d.h. Spaltgasströme oder Rohgasströme, durch eine oder mehrere Strahlungszonen eines oder mehrerer Crackeröfen geführt werden, bei dem die eine oder die mehreren Strahlungszonen durch Verfeuern von Heizgas mit Verbrennungsluft beheizt werden, bei dem zumindest ein Teil der Verbrennungsluft einer Verbrennungsluftvorwärmung unterworfen wird, bei dem Dampf aus Speisewasser erzeugt wird, und bei dem das Speisewasser in einer oder mehreren Konvektionszonen des einen oder der mehreren Crackeröfen einer Speisewasservorwärmung unterworfen wird. Wie erwähnt, kann das Führen der Einsatzströme in einer oder mehreren Konvektionszonen auch parallel erfolgen, z.B. entsprechend der Aufteilung in mehrere Gruppen von Spaltrohren in der Strahlungszone.The present invention is based on a process for the conversion of one or more hydrocarbons by steam cracking, in which one or more feed streams containing the one or more hydrocarbons are steam cracked to obtain one or more product streams, ie cracked gas streams or Raw gas streams are passed through one or more radiation zones of one or more cracker furnaces, in which the one or more radiation zones are heated by firing heating gas with combustion air, in which at least part of the combustion air is subjected to combustion air preheating, in which steam is generated from feed water, and in which the feed water is subjected to feed water preheating in one or more convection zones of the one or more cracker furnaces. As mentioned, the feed streams can also be passed in one or more convection zones in parallel, e.g. according to the division into several groups of cracking tubes in the radiation zone.
Erfindungsgemäß wird, wie bereits angesprochen, die Verbrennungsluftvorwärmung unter Verwendung von Wärme durchgeführt, die zumindest einem Teil des Speisewassers stromauf der Speisewasservorwärmung entzogen wird.According to the invention, as already mentioned, the combustion air preheating is carried out using heat which is extracted from at least a portion of the feed water upstream of the feed water preheating.
Die Erfindung umfasst damit eine Zuführung abgekühlten Speisewassers zur Konvektionszone des oder der Öfen, wodurch eine möglichst starke Abkühlung und somit energetische Nutzung des Rauchgases erreicht werden kann. Für die Kühlung des Speisewassers ergeben sich verschiedene Varianten, bei denen insbesondere die Heizgasqualität zur Vermeidung von Korrosion im Abgastrakt berücksichtigt werden kann. Neben der Nutzung des den Öfen zugeführten Speisewassers als Heizmedium in einer zentralen oder dezentralen Luftwärmung kann auch, wie nachfolgend erläutert, das Speisewasser zusätzlich oder gemäß nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltungen alternativ, als Heizmedium in einer zentralen oder dezentralen Heizgasvorwärmung erfolgen. Eine Abkühlung kann alternativ und gemäß nicht erfindungsgemäßer Ausgestaltungen außerhalb des Ofenprozesses erfolgen.The invention therefore includes supplying cooled feed water to the convection zone of the furnace or furnaces, whereby the greatest possible cooling and thus the energetic use of the flue gas can be achieved. There are various variants for cooling the feed water, in which the heating gas quality in particular can be taken into account to avoid corrosion in the exhaust gas tract. In addition to using the feed water supplied to the furnaces as a heating medium in a central or decentralized air heating system, the feed water can also, as explained below, additionally or alternatively according to non-inventive embodiments, be used as a heating medium in a central or decentralized heating gas preheating system. Cooling can alternatively and according to non-inventive embodiments take place outside the furnace process.
Die Speisewasservorwärmung kann insbesondere derart durchgeführt werden, dass nur ein, insbesondere einstellbarer, erster Teil des Speisewassers in einem oder mehreren Verbrennungsluftvorwärmern einem Wärmetausch mit zumindest einem Teil der zu erwärmenden Verbrennungsluft und optional in einem oder mehreren Heizgasvorwärmern einem Wärmetausch mit zumindest einem Teil des zu erwärmenden Heizgases verwendet wird und ein, insbesondere einstellbarer, zweiter Teil des Speisewassers als Bypassströmung um den Verbrennungsluftvorwärmer und ggf. den Heizgasvorwärmer geführt wird. Der erste und zweite Teil können anschließend wieder vereinigt und danach der Speisewasservorwärmung in der Konvektionszone zugeführt werden.The feed water preheating can be carried out in particular in such a way that only a first part of the feed water, which can be adjusted in particular, is used in one or more combustion air preheaters for heat exchange with at least a part of the combustion air to be heated and optionally in one or more heating gas preheaters for heat exchange with at least a part of the heating gas to be heated and a second part of the feed water, which can be adjusted in particular, is guided as a bypass flow around the combustion air preheater and possibly the heating gas preheater. The first and second parts can subsequently recombined and then fed to the feed water preheating in the convection zone.
Insbesondere bei einer vorgesehenen Einstellbarkeit des ersten und/oder zweiten Teils des Speisewassers kann auf diese Weise eine Regelung der Temperatur des Speisewassers am Eintritt in die Konvektionszone durchgeführt werden. Letztere kann im Betrieb insbesondere dazu genutzt werden, um die Austrittstemperatur des Rauchgases im Kamin zu steuern. Letztere hängt in einer solchen Prozessführung stark von der Temperatur des Speisewassers ab.In particular, if the first and/or second part of the feed water is adjustable, the temperature of the feed water at the inlet to the convection zone can be regulated in this way. The latter can be used in particular during operation to control the outlet temperature of the flue gas in the chimney. In such a process, the latter depends heavily on the temperature of the feed water.
Mit solch einer Temperaturregelung ist es somit insbesondere möglich, z.B. bei veränderlicher Heizgaszusammensetzung, die zu einer Korrosionsgefahr bei teilweisem Auskondensieren des Rauchgases führen könnte, die Rauchgastemperatur im Betrieb, insbesondere temporär, nach oben zu verschieben. In diesem Fall wird weniger Luftvorwärmung über Speisewasser erreicht, die entsprechende Leistung kann von nachfolgenden Luftvorwärmstufen kompensiert werden, oder über eine erhöhte Brennstoffzugabe im Ofen. Im optimalen Betriebsfall mit bevorzugter Heizgaszusammensetzung wird eine maximale Vorwärmleistung mittels Speisewassers angestrebt, die somit auch zu einer maximalen Rauchgaswärmenutzung führt.With such a temperature control it is therefore possible, in particular, to increase the flue gas temperature during operation, especially temporarily, e.g. in the case of a changing heating gas composition, which could lead to a risk of corrosion if the flue gas partially condenses. In this case, less air preheating is achieved via feed water, the corresponding output can be compensated by subsequent air preheating stages, or by increasing the amount of fuel added to the furnace. In the optimal operating case with a preferred heating gas composition, a maximum preheating output is aimed for using feed water, which also leads to maximum flue gas heat utilization.
Mit anderen Worten kann durch Einstellen eines in der Luftvorwärmung und optional auch der Heizgasvorwärmung verwendeten Anteils des Speisewassers, die insbesondere auf Grundlage einer zu erzielenden oder detektierten Temperatur eines Rauchgases in der Konvektionszone stromab der Speisewasservorwärmung erfolgen kann, die Temperatur des Rauchgases eingestellt werden.In other words, the temperature of the flue gas can be adjusted by adjusting a proportion of the feed water used in the air preheating and optionally also the heating gas preheating, which can be done in particular on the basis of a temperature of a flue gas to be achieved or detected in the convection zone downstream of the feed water preheating.
Generell kommt die vorliegende Erfindung in einem Verfahren zum Einsatz, bei dem der aus dem Speisewasser erzeugte Dampf überhitzten oder nicht überhitzten Hoch- oder Superhochdruckdampf umfasst, der aus dem Speisewasser stromab von der Speisewasservorwärmung gebildet wird. Zumindest ein Teil des Speisewassers kann dabei nach der Speisewasservorwärmung unter Verwendung von Wärme, die zumindest einem Teil des einen oder der mehreren Produktströme, insbesondere in einem oder mehreren Spaltgas- bzw. Quenchkühlern, entzogen wird, unter Erhalt von Hoch- oder Superhochdrucksattdampf einer Speisewasserverdampfung unterworfen werden. Zumindest ein Teil des Hoch- oder Superhochdrucksattdampfs kann dann in der einen oder in den mehreren Konvektionszonen zum Erhalt des (überhitzten) Hoch- oder Superhochdruckdampfs einer Dampfüberhitzung unterworfen werden. Zu weiteren Details sei auf die Erläuterungen zu den
Generell kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung dabei die Verbrennungsluftvorwärmung unter Verwendung von Wärme durchgeführt werden, die einem Teil des (überhitzten) Hoch- oder Superhochdruckdampfs entzogen wird. Dies erfolgt in erfindungsgemäßen Ausgestaltungen zusätzlich zur Verwendung der Wärme des Speisewassers, in nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltungen alternativ dazu.In general, within the scope of the present invention, the combustion air preheating can be carried out using heat that is extracted from a portion of the (superheated) high-pressure or super-high-pressure steam. In embodiments according to the invention, this is done in addition to using the heat of the feed water, and in non-inventive embodiments, it is done as an alternative thereto.
Wie bereits mehrfach erwähnt, kann das Heizgas einer Heizgasvorwärmung unterworfen werden, die ebenfalls unter Verwendung von Wärme durchgeführt werden kann, die zumindest einem Teil des Speisewassers stromauf der Speisewasservorwärmung entzogen wird. Dies erfolgt in erfindungsgemäßen Ausgestaltungen zusätzlich zur Verbrennungsluftvorwärmung und kann in nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltungen alternativ dazu erfolgen.As already mentioned several times, the heating gas can be subjected to heating gas preheating, which can also be carried out using heat that is extracted from at least part of the feed water upstream of the feed water preheating. In embodiments according to the invention, this takes place in addition to the combustion air preheating and can take place as an alternative thereto in embodiments not according to the invention.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfolgt die Speisewasservorwärmung in einem oder in mehreren Rauchgaskanälen in der einen oder in den mehreren Konvektionszonen, wobei die Speisewasservorwärmung insbesondere auf einem niedrigeren Temperaturniveau durchgeführt wird, als es für die Dampfüberhitzung zum Erhalt des überhitzten Hoch- oder Superhochdruckdampfs, eine Prozessdampferhitzung zur Bereitstellung von Prozessdampf, der zur Bildung des einen oder der mehreren Einsatzströme verwendet wird, und einen Großteil der Einsatzerhitzung des einen oder der mehreren Einsatzströme durchgeführt wird. Insbesondere erfolgt die Speisewasservorwärmung nahe dem Ende oder ganz am Ende des Rauchgaskanals, aus dem das dann entsprechend abgekühlte Rauchgas ausströmt, also an einer Stelle stromab (in Flussrichtung des Rauchgases) höchstens eine weitere Wärmerückgewinnung aus dem Rauchgas erfolgt. Auf diese Weise lässt sich die Austrittstemperatur des Rauchgases aus der Konvektionszone besonders vorteilhaft steuern.Within the scope of the present invention, the feed water preheating takes place in one or more flue gas ducts in the one or more convection zones, wherein the feed water preheating is carried out in particular at a lower temperature level than is carried out for steam superheating to obtain the superheated high or super high pressure steam, process steam heating to provide process steam that is used to form the one or more feed streams, and a large part of the feed heating of the one or more feed streams. In particular, the feed water preheating takes place near the end or at the very end of the flue gas duct from which the correspondingly cooled flue gas then flows out, i.e. at a point downstream (in the flow direction of the flue gas) at most one further heat recovery from the flue gas takes place. In this way, the outlet temperature of the flue gas from the convection zone can be controlled particularly advantageously.
Das Speisewasser kann im Rahmen der Erfindung insbesondere auf einem Temperaturniveau von 80 bis 140°C, insbesondere mittels eines zentralen oder dezentralen Speisewassersystems, bereitgestellt werden und das Speisewasser kann bei der Verbrennungsluftvorwärmung auf ein Temperaturniveau von 40 bis 100°C, bis 95°C, bis 90°C oder bis 85°C abgekühlt werden.Within the scope of the invention, the feed water can be heated to a temperature level of 80 to 140°C, in particular by means of a central or decentralized feed water system, and the feed water can be cooled to a temperature level of 40 to 100°C, to 95°C, to 90°C or to 85°C during combustion air preheating.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das Speisewasser der Verbrennungsluftvorwärmung auf einem Druckniveau von 30 bis 60 bar (abs.), insbesondere von 35 bis 50 bar (abs.), oder von 60 bis 175 bar (abs.), insbesondere von 80 bis 125 bar (abs.), zugeführt und ohne zusätzliche Druckbeaufschlagung auf diesem Druckniveau der Speisewasservorwärmung unterworfen werden. Alternativ kann das Speisewasser der Verbrennungsluftvorwärmung auf einem Druckniveau von 20 bis 60 bar (abs.), insbesondere zwischen 25 bis 50 bar (abs.) oder zwischen 30 und 40 bar (abs.) zugeführt danach und nach einer zusätzlichen Druckbeaufschlagung auf einem Druckniveau von 30 bis 60 bar (abs.), insbesondere von 35 bis 50 bar (abs.), oder von 60 bis 175 bar (abs.), insbesondere von 80 bis 125 bar (abs.), der Speisewasservorwärmung unterworfen werden. In letzterem Fall kann das Speisewasser nach der Verbrennungsluftvorwärmung vorteilhafterweise mittels einer oder mehrerer Pumpen auf einen entsprechenden Druck gebracht werden.Within the scope of the present invention, the feed water of the combustion air preheating can be supplied at a pressure level of 30 to 60 bar (abs.), in particular of 35 to 50 bar (abs.), or of 60 to 175 bar (abs.), in particular of 80 to 125 bar (abs.), and can be subjected to the feed water preheating at this pressure level without additional pressurization. Alternatively, the feed water can be supplied to the combustion air preheating at a pressure level of 20 to 60 bar (abs.), in particular between 25 to 50 bar (abs.) or between 30 and 40 bar (abs.) and then, after additional pressurization, subjected to the feed water preheating at a pressure level of 30 to 60 bar (abs.), in particular from 35 to 50 bar (abs.), or from 60 to 175 bar (abs.), in particular from 80 to 125 bar (abs.). In the latter case, the feed water can advantageously be brought to an appropriate pressure by means of one or more pumps after the combustion air preheating.
Die Vorwärmung der Luft kann also direkt mit Speisewasser auf (Super-) Hochdruckniveau erfolgen, sodass das zwischengekühlte Speisewasser im Anschluss direkt der Konvektionszone zugeführt werden kann. Alternativ kann die Luftvorwärmung auch mit Speisewasser auf einem reduzierten Druckniveau stattfinden wie erläutert. Letzteres führt zu einem deutlich niedrigeren Auslegungsdruck des dazugehörigen Luftvorwärmers und damit zu geringerem baulichem Aufwand für diesen Apparat.The air can therefore be preheated directly with feed water at a (super) high pressure level, so that the intermediately cooled feed water can then be fed directly to the convection zone. Alternatively, the air can also be preheated with feed water at a reduced pressure level, as explained. The latter leads to a significantly lower design pressure of the associated air preheater and thus to less construction effort for this device.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können, wie ebenfalls bereits angesprochen, insbesondere mehrere Crackeröfen verwendet werden, die mittels eines zentralen Speisewassersystems mit dem Speisewasser versorgt werden, wobei die Verbrennungsluftvorwärmung für jeden der mehreren Crackeröfen gesondert (dezentrale Verbrennungsluftvorwärmung) oder für die mehreren Crackeröfen gemeinsam (zentrale Verbrennungsluftvorwärmung) durchgeführt werden kann.Within the scope of the present invention, as also already mentioned, in particular a plurality of cracker furnaces can be used which are supplied with the feed water by means of a central feed water system, wherein the combustion air preheating can be carried out separately for each of the plurality of cracker furnaces (decentralized combustion air preheating) or jointly for the plurality of cracker furnaces (centralized combustion air preheating).
Erfindungsgemäße und nicht erfindungsgemäße Ausgestaltungen werden weiter unten und dabei insbesondere unter Bezugnahme auf die
Die Verbrennungsluftvorwärmung kann in allen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung insbesondere in mehreren Stufen vorgenommen werden, wobei beispielsweise in einer ersten Stufe Speisewasser als Heizmedium, in einer zweiten Stufe Mitteldruckdampf als Heizmedium und in einer dritten Stufe gesättigter oder überhitzter (Super-) Hochdruckdampf als Heizmedium verwendet werden kann.In all embodiments of the present invention, the combustion air preheating can be carried out in particular in several stages, whereby, for example, in a first stage, feed water can be used as the heating medium, in a second stage, medium-pressure steam can be used as the heating medium, and in a third stage, saturated or superheated (super) high-pressure steam can be used as the heating medium.
Weitere mögliche Heizarten bzw. Heizmedien (u.a. elektrischer Strom) können ebenfalls verwendet werden. Des Weiteren können auch mehr oder weniger als die erwähnten Vorwärmstufen vorgesehen werden. Es ist dabei ebenfalls möglich, ablaufendes Heizmedium (insbesondere gebildetes Kondensat) in vorangegangenen Stufen (d.h. auf niedrigerem Temperaturniveau) ganz oder teilweise erneut zu nutzen, bevorzugt unmittelbar auf dem selben Druckniveau in einem Wärmetauscher, in dem das zuvor gebildete Kondensat weiter untergekühlt wird, oder nach teilweiser Entspannung auf ein reduziertes Druckniveau und Zugabe von überhitztem Dampf auf diesem reduzierten Druckniveau. Vorteilhaft ist ggf. auch eine Rückführung von Kondensat in die Dampferzeugung entweder durch entsprechende Höhenanordung (oberhalb der Dampftrommel, d.h. Naturumlauf) oder durch Druckerhöhung (z.B. unter Verwendung einer Pumpe).Other possible heating types or heating media (including electrical current) can also be used. Furthermore, more or fewer preheating stages than those mentioned can be provided. It is also possible to reuse the draining heating medium (in particular condensate formed) in previous stages (i.e. at a lower temperature level) in whole or in part, preferably immediately at the same pressure level in a heat exchanger in which the previously formed condensate is further subcooled, or after partial relaxation to a reduced pressure level and addition of superheated steam at this reduced pressure level. It may also be advantageous to return condensate to the steam generation either by arranging it at the appropriate height (above the steam drum, i.e. natural circulation) or by increasing the pressure (e.g. using a pump).
Das entsprechend abgekühlte Speisewasser wird daraufhin der Konvektionszone zugeführt, allerdings bei merklich reduzierter Temperatur.The appropriately cooled feed water is then fed into the convection zone, but at a noticeably reduced temperature.
Die Erfindung betrifft auch eine Anlage zur Umsetzung eines oder mehrerer Kohlenwasserstoffe durch Steamcracken, deren Merkmale, wie erwähnt, in dem entsprechenden unabhängigen Patentanspruch wiedergegeben sind.The invention also relates to a plant for converting one or more hydrocarbons by steam cracking, the features of which, as mentioned, are reproduced in the corresponding independent patent claim.
Zu der erfindungsgemäß bereitgestellten Anlage und ihren Merkmalen sei auf die obigen Erläuterungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens ausdrücklich verwiesen, da diese eine entsprechende Anlage in gleicher Weise betreffen. Entsprechendes gilt insbesondere für eine Ausgestaltung einer entsprechenden Anlage, die vorteilhafterweise zur Ausführung eines entsprechenden Verfahrens in einer beliebigen Ausgestaltung eingerichtet ist.With regard to the system provided according to the invention and its features, express reference is made to the above explanations regarding the method according to the invention, since these relate to a corresponding system in the same way. The same applies in particular to an embodiment of a corresponding system, which is advantageously set up to carry out a corresponding method in any desired embodiment.
Die im Rahmen der vorliegenden Anmeldung beschriebenen erfindungsgemäßen und nicht erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen es, bei einzelner oder bevorzugt bei kombinierter Anwendung, den baulichen Aufwand und/oder die Energieeffizienz von Dampfspaltöfen mit Luftvorwärmung messbar zu verbessern, wie nachfolgend nochmals unter Bezugnahme auf spezifische Beispiele erläutert.The measures according to the invention and not according to the invention described in the context of the present application make it possible, when used individually or preferably in combination, to measurably improve the construction effort and/or the energy efficiency of steam cracking furnaces with air preheating, as explained again below with reference to specific examples.
Eine erste der Auswirkungen der einzelnen Maßnahmen ist in Tabelle 1 dargestellt gegeben. Als erstes Vergleichssystem wird ein mit gleicher Kohlenwasserstofflast beaufschlagter Ofen ohne Luftvorwärmung, jedoch mit zentraler Heizgasvorwärmung herangezogen (Referenz A, 100% Basis für relativen Vergleich der Bewertungsgrößen). Als zweites Vergleichssystem wird ein mit gleicher Kohlenwasserstofflast beaufschlagter Ofen mit Luftvorwärmung und mit zentraler Heizgasvorwärmung, jedoch nicht nach Merkmalen der vorliegenden Erfindung ausgeführt. (Referenz B). Alle in Tabelle 1 aufgeführten Fälle mit Luftvorwärmung beruhen auf einer resultierenden Verbrennungslufttemperatur von 248°C am Eintritt der Strahlungszone. Die mit 1F, 2A, 3B, 4B, 5B und 6B angegebenen Varianten werden unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert und stellen erfindungsgemäße und nicht erfindungsgemäße Varianten dar.
**: Ausführung mit Nutzung von Speisewasser in Luftvorwärmung
**: Version with use of feed water in air preheating
Alle in Tabelle 1 mit dem Zusatz ** gekennzeichneten Varianten sind erfindungsgemäß ausgeführt, da Speisewasser als Heizmedium für die Luftvorwärmung vorgesehen ist.All variants marked with the suffix ** in Table 1 are designed according to the invention, since feed water is provided as the heating medium for air preheating.
Der prinzipielle Vorteil der Luftvorwärmung zeigt sich beim Vergleich von Referenz A mit Referenz B, in der Form eines um 22% reduzierten Brennstoffverbrauchs. Es zeigt sich bei dem selben Vergleich, dass bei luftvorgewärmten Öfen weitere Maßnahmen benötigt werden, um den erhöhten baulichen Aufwand (in Form von summierter Bündelhöhe) und die mit der ansteigenden Rauchgasaustrittstemperatur einhergehenden Reduzierung der Ofeneffizienz (im Sinne des oben beschriebenen thermischen Wirkungsgrads) auszugleichen. Die nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen zielen darauf ab, diese beiden Nachteile gleichzeitig und möglichst gut auszugleichen.The fundamental advantage of air preheating is evident when comparing reference A with reference B, in the form of a 22% reduction in fuel consumption. The same comparison shows that additional measures are required for air-preheated furnaces to compensate for the increased construction effort (in the form of the total bundle height) and the reduction in furnace efficiency (in the sense of the thermal efficiency described above) associated with the increasing flue gas outlet temperature. The inventive designs described below aim to compensate for these two disadvantages simultaneously and as well as possible.
Aus dem Vergleich der Variante 1F mit Referenz B zeigt sich, dass die Nutzung von Speisewasser für die Luftvorwärmung, mit nachfolgender Einspeisung in die Konvektionszone auf reduziertem Temperaturniveau (erfindungsgemäß, nachfolgend als Maßnahme 1 bezeichnet) zu einer deutlich abgesenkten Rauchgasaustrittstemperatur und somit zu einer verbesserten Ofenenergieeffizienz führt. Der im Gegenzug in Kauf zu nehmende zusätzliche Bauaufwand fällt mit einem Anstieg von 5 Prozentpunkten sehr gering aus, bei gleichzeitiger Austrittstemperaturabsenkung von knapp 50 K. Ähnliches zeigt sich beim Vergleich der Varianten 2A und 3B. Diese beiden Vergleiche untermauern eindeutig die Wirksamkeit von Maßnahme 1, die es ermöglicht mit geringem baulichen Zusatzaufwand nennenswerte Verbesserungen der Ofeneffizienz herbeizuführen.Comparing
Ein weiterer großer Vorteil der Maßnahme 1 besteht in der einfachen Gestaltung der Rauchgasführung nach Austritt aus der Konvektionszone. Diese ist sehr ähnlich zu der eines Ofens ohne Luftvorwärmung, und somit deutlich einfacher als bei der Nutzung eines direkten Wärmeaustauschers zwischen Abgasstrom und Verbrennungsluft, bei der großvolumige Rohranordnungen und Wärmeaustauschflächen im Rauchgaspfad jedes einzelnen Ofens installiert werden müssen. Maßnahme 1 erzeugt eine ähnliche Prozesswirkung, nämlich der Übertragung von Abgaswärme auf die Verbrennungsluft, jedoch auf indirektem Wege mittels eines im Ofenbereich bereits vorhandenen Wärmeträgers (Speisewasser), der aufgrund seines flüssigen Aggregatszustands deutlich geringere Rohrquerschnitte benötigt.Another major advantage of measure 1 is the simple design of the flue gas flow after it leaves the convection zone. This is very similar to that of a furnace without air preheating, and is therefore much simpler than using a direct heat exchanger between the exhaust gas flow and the combustion air, where large-volume pipe arrangements and heat exchange surfaces have to be installed in the flue gas path of each individual furnace. Measure 1 produces a similar process effect, namely the transfer of exhaust gas heat to the combustion air, but indirectly using a heat carrier already present in the furnace area (feed water), which requires significantly smaller pipe cross-sections due to its liquid state.
Ein weiterer Vorteil besteht in der beschriebenen möglichen Temperaturregelung über die erläuterte Bypassführung, sodass im Unterschied zu einem System mit direktem Wärmeaustausch zwischen Verbrennungsluft und Abgasstrom eine einfache Einstellung/Veränderung der Abgastemperatur im Betrieb möglich ist. Damit können Schwankungen in der Heizgasqualität deutlich besser gehandhabt werden, siehe vorangegangene Beschreibung.A further advantage is the possible temperature control via the bypass system described, so that, in contrast to a system with direct heat exchange between combustion air and exhaust gas flow, the exhaust gas temperature can be easily adjusted/changed during operation. This means that fluctuations in the heating gas quality can be handled much better, see previous description.
Die Wirkung der Luftvorwärmung mit (Super-)Hochdrucksattdampf (für sich betrachtet nicht erfindungsgemäße Maßnahme 2) lässt sich anhand des Vergleichs der Varianten 1F und 2A verdeutlichen. Durch die Entnahme von (Super-)Hochdrucksattdampf vor den Überhitzerbündeln für (Super-)Hochdruckdampf steht für die weiter stromab im Rauchgaspfad gelegenen Bündel anteilig mehr Abgaswärme zur Verfügung. Die Temperaturdifferenzen in den Bündeln erhöhen sich, wodurch der Flächenbedarf und die resultierende Höhe der Konvektionszone sehr stark abnimmt. Die alleinige Anwendung von Maßnahme 2 führt somit zu einer erheblichen Minimierung des Bauaufwands, allerdings bei abnehmender Energieeffizienz des Ofens, da die Rauchgasaustrittstemperatur um 100 K zunimmt.The effect of air preheating with (super) high-pressure saturated steam (measure 2 not according to the invention in itself) can be illustrated by comparing
Es folgt daraus, dass Maßnahmen 1 und 2 gewissermaßen gegenteilige Auswirkungen haben. Durch Vergleich von Referenz B mit Beispiel 3B zeigt sich jedoch sehr deutlich, dass eine Kombination der Maßnahmen 1 und 2 (erfindungsgemäße Maßnahme 3 bezeichnet) zu einer gleichzeitigen Verbesserung des Ofens in punkto Bauaufwand und Energieeffizienz führt.It follows that measures 1 and 2 have somewhat opposite effects. However, by comparing reference B with example 3B, it is very clear that a combination of measures 1 and 2 (referred to as measure 3 according to the invention) leads to a simultaneous improvement of the furnace in terms of construction effort and energy efficiency.
Der Vergleich von Variante 3B mit Variante 4B zeigt den Effekt einer zusätzlichen Prozessdampfüberhitzung mit (Super-)Hochdrucksattdampf (für sich betrachtet nicht erfindungsgemäße Maßnahme 4). Ähnlich wie Maßnahme 2 führt diese Entnahme von Sattdampf und dessen Verwendung für Prozessdampfüberhitzung zu einer Reduzierung des Bauaufwands, die im gegebenen Beispiel durch Kombination mit den Maßnahmen 1 (erfindungsgemäß) und 2 (für sich betrachtet nicht erfindungsgemäß) zu einer gleichbleibenden Ofenenergieeffizienz führt.The comparison of
Der Vergleich von Variante 3B mit Variante 5B zeigt den Effekt einer zusätzlichen Einsatzvorwärmung mit (Super-)Hochdrucksattdampf (für sich betrachtet nicht erfindungsgemäße Maßnahme 5). Ähnlich wie Maßnahmen 2 und 4 (jeweils für sich betrachtet nicht erfindungsgemäß) führt diese Entnahme von Sattdampf und dessen Verwendung für Einsatzvorwärmung zu einer Reduzierung des Bauaufwands, die im gegebenen Beispiel 5B durch gleichzeitige Anwendung der Maßnahmen 1 (erfindungsgemäß) und 2 (für sich betrachtet nicht erfindungsgemäß) zu einer gleichbleibenden Ofenenergieeffizienz führt.The comparison of
Der Vergleich von Variante 4B bzw. Variante 5B mit Variante 6B zeigt den Effekt der gemeinsamen Anwendung von Prozessdampfüberhitzung und Einsatzvorwärmung mit (Super-)Hochdrucksattdampf (für sich betrachtet nicht erfindungsgemäße Maßnahme 6). Die maximale Entnahme von Sattdampf und dessen Verwendung für Prozessdampfüberhitzung und Einsatzvorwärmung führt zu einer maximalen Reduzierung des Bauaufwands, die im gegebenen Beispiel durch gleichzeitige Anwendung der Maßnahmen 1 (erfindungsgemäß) und 2 (für sich betrachtet nicht erfindungsgemäß) zu einer gleichbleibenden Ofenenergieeffizienz wie in den Varianten 3B, 4B, und 5B führt.The comparison of
Die in Tabelle 1 aufgeführten Varianten nutzen unterschiedliche Ausführungen der Luftvorwärmersequenzen, mit drei Stufen, mit Nutzung von Waschwasser, Mitteldruckdampf und/oder überhitztem (Super-)Hochdruckdampf zusätzlich zu der erläuterten Nutzung von Speisewasser und/oder (Super-)Hochdrucksattdampf.The variants listed in Table 1 use different designs of the air preheater sequences, with three stages, with use of wash water, medium pressure steam and/or superheated (super) high pressure steam in addition to the explained use of feed water and/or (super) high pressure saturated steam.
Als zusätzliche Veranschaulichung der Wirksamkeit der beanspruchten Maßnahmen zeigt Tabelle 2 Ergebnisse für Ausführungen verschiedener Varianten bei nochmals erhöhter Luftvorwärmung (300°C) und entsprechend nochmals reduziertem Brennstoffverbrauch. Die beschriebenen Auswirkungen der Maßnahmen gelten dabei unverändert. Der Vergleich der Varianten 4A* mit 4B* zeigt den positiven Einfluss von Maßnahme 2 auf den Bauaufwand. Der Vergleich von Bsp. 4B* mit 4B** zeigt den Mehrwert in punkto Ofeneffizienz bei Hinzunahme von Maßnahme 1.
**: Ausführung mit Nutzung von Speisewasser in Luftvorwärmung
**: Version with use of feed water in air preheating
Alle in Tabelle 2 mit dem Zusatz ** gekennzeichneten Varianten sind erfindungsgemäß ausgeführt, da Speisewasser als Heizmedium für die Luftvorwärmung vorgesehen ist.All variants marked with the suffix ** in Table 2 are designed according to the invention, since feed water is provided as the heating medium for air preheating.
Es zeigt sich allgemein, dass bei höheren Vorwärmtemperaturen die Kombination einer Mehrzahl von Maßnahmen vergleichsweise einen größeren Mehrwert bietet. So reduziert sich der Bauaufwand im Vergleich von Variante 4B** zu 6B**, d.h. nach Hinzunahme von Maßnahme 6 zu Maßnahmen 1 und 2, in diesem Fall um 5 Prozentpunkte. Als weitere maximal kombinierte Ausführung zeigt Variante 6C** die Möglichkeit auf, im Vergleich zu Variante 6B** bei nahezu gleicher Ofeneffizienz einen erhöhten Dampfexport mittels erhöhtem Bauaufwand zu erreichen. Dies wird in diesem Fall mittels einer seriellen Verschaltung von Prozessdampfüberhitzung und Einsatzvorwärmung auf der Wärmeträgerseite erreicht, d.h. das in der Prozessdampfüberhitzung gebildete Kondensat wird stromab als Wärmeträger für die Einsatzvorwärmung verwendet.It is generally evident that at higher preheating temperatures, the combination of a number of measures offers comparatively greater added value. In this case, the construction effort is reduced by 5 percentage points when comparing
Die in Tabelle 2 aufgeführten Beispiele nutzen unterschiedliche Ausführungen der Luftvorwärmersequenzen, mit 2, 3 oder 4 Stufen, mit Nutzung von Niederdruckdampf und/oder überhitztem (Super-)Hochdruckdampf zusätzlich zu der erläuterten Nutzung von Speisewasser und/oder (Super-)Hochdrucksattdampf.The examples listed in Table 2 use different designs of the air preheater sequences, with 2, 3 or 4 stages, with use of low-pressure steam and/or superheated (super-)high-pressure steam in addition to the explained use of feed water and/or (super-)high-pressure saturated steam.
Die vorliegende Erfindung lässt sich insbesondere auch in einem System einsetzen, wie es beispielsweise in der
Die vorliegende Erfindung lässt sich ferner auch in einem System mit Abtrennung von Kohlendioxid aus dem Rauchgas anwenden. Insbesondere bei Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahme 1 erreicht man besonders niedrige Austrittstemperaturen des Rauchgases am Ende der Konvektionszone, die für eine nachfolgende Abtrennung von Kohlendioxid, z.B. mittels einer Aminwäsche, vorteilhaft ist (typische Betriebstemperaturen von Aminwäschen liegen bei 20 bis 60°C).The present invention can also be used in a system with separation of carbon dioxide from the flue gas. In particular, when using measure 1 according to the invention, particularly low outlet temperatures of the flue gas are achieved at the end of the convection zone, which is advantageous for subsequent separation of carbon dioxide, e.g. by means of an amine scrubbing process (typical operating temperatures of amine scrubbing processes are 20 to 60°C).
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann auch eine Anreicherung der Verbrennungsluft mit Sauerstoff erfolgen. Dabei ist keine besondere Reinheitsanforderung/Konzentration nötig, man kann z.B. das Nebenprodukt einer Wasserelektrolyse nutzen oder jede andere technische Quelle wie beispielsweise eine Luftzerlegungsanlage nutzen. Der Effekt der Sauerstoffanreicherung ist annäherungsweise vergleichbar mit der Luftvorwärmung, da jeweils die adiabate Verbrennungstemperatur erhöht wird und damit ein erhöhter Strahlungszonenwirkungsgrad sowie verringerte Rauchgasmenge folgen. Der Effekt ist nicht (ganz) äquivalent zur Luftvorwärmung, da man durch den relativ höheren Sauerstoffgehalt (bei geringerem Gehalt an Stickstoff usw.) den äquivalenten Effekt bei etwas anderer Rauchgaszusammensetzung erreicht. Es bildet sich nämlich anteilig mehr Kohlendioxid und Wasser aus der Verbrennung - das erstere ist z.B. vorteilhaft bei Rückgewinnung des Kohlendioxids mittels Aminwäsche und gälte noch mehr bei einer etwaigen Rauchgasrückführung. Vorteil ist darüber hinaus, dass man Strahlungszonen-Wirkungsgrad. bzw. Rauchgasminderung und damit Unterfeuerungseinsparung jenseits der beschriebenen Werte für Luftvorwärmung mit (Super-) Hochdruckdampf Dampf erreichen kann.In one embodiment of the invention, the combustion air can also be enriched with oxygen. No special purity requirements/concentration are necessary here; for example, the by-product of water electrolysis can be used, or any other technical source such as an air separation plant can be used. The effect of oxygen enrichment is approximately comparable to air preheating, since the adiabatic combustion temperature is increased in each case, resulting in increased radiation zone efficiency and a reduced amount of flue gas. The effect is not (quite) equivalent to air preheating, since the relatively higher oxygen content (with a lower nitrogen content, etc.) results in the equivalent effect with a slightly different flue gas composition. This is because proportionately more carbon dioxide and water are formed from combustion - the former is advantageous, for example, when carbon dioxide is recovered by means of amine scrubbing, and would apply even more so in the case of any flue gas recirculation. Another advantage is that radiation zone efficiency can be increased. or flue gas reduction and thus underfiring savings beyond the described values for air preheating with (super) high-pressure steam.
Wie bereits erläutert, können die Maßnahmen für Dampfspaltöfen mit allen in Frage kommenden Kohlenwasserstoffeinsätzen verwendet werden. Als Beispiele seien Kohlenwasserstoffe mit zwei, drei und/oder vier Kohlenstoffatomen (gasförmig) Naphtha (flüssig), Gasöl (flüssig), und Produkte aus Recyclingverfahren wie dem Kunststoffrecycling (gasförmig und flüssig) genannt.As already explained, the measures can be used for steam cracking furnaces with all possible hydrocarbon feedstocks. Examples include hydrocarbons with two, three and/or four carbon atoms (gaseous), naphtha (liquid), gas oil (liquid), and products from recycling processes such as plastics recycling (gaseous and liquid).
In allen Fällen kann die gesamte oder nur ein Teil der Verbrennungsluft vorgewärmt werden. Eine teilweise Luftvorwärmung kann beispielsweise für den Fall gewählt werden, dass sowohl Bodenbrenner als auch Seitenbrenner verwendet werden, und lediglich ein Teil der Brenner mit vorgewärmter Luft versorgt werden, bevorzugt die Bodenbrenner. Die angegebenen Zahlenwerte für Luftvorwärmtemperaturen beziehen sich im Rahmen dieser Anmeldung stets auf die resultierende Vorwärmtemperatur der gesamten Verbrennungsluft. Auch Prozessströme aus anderen Anlagen (z.B. Gasturbinenabgas) können für die Vorwärmung der Ofenluft mit verwendet werden.In all cases, all or only part of the combustion air can be preheated. Partial air preheating can be selected, for example, in the case where both bottom burners and side burners are used and only some of the burners are supplied with preheated air, preferably the bottom burners. The numerical values given for air preheating temperatures in this application always refer to the resulting preheating temperature of the entire combustion air. Process streams from other systems (e.g. gas turbine exhaust gas) can also be used to preheat the furnace air.
In den Varianten 4 bis 6 wird jeweils die Anwärmung von getrennten Wasser- bzw. Kohlenwasserstoffströmen gegen (Super-)Hochdrucksattdampf beschrieben. In gleichem Maße kann vorgesehen sein, einen gemischten Stoffstrom aus Kohlenwasserstoff und Wasser auf diese Weise zu erhitzen. Diese Ausgestaltung ist insbesondere für die Anwendung bei gasförmigen Einsätzen relevant, da hier kein Aggregatswechsel des Einsatzes in der Konvektionszone erfolgt.Variants 4 to 6 describe the heating of separate water or hydrocarbon streams against (super) high-pressure saturated steam. It can also be intended to heat a mixed stream of hydrocarbon and water in this way. This design is particularly relevant for use with gaseous inserts, since there is no change of unit of the insert in the convection zone.
Die beschriebene Anwendung von Sattdampf bezieht sich auf das bisher typische und technisch genutzte Niveau bis ca. 175 bar (abs.). Denkbar ist alternativ dazu jedoch auch eine teilweise Bereitstellung von Sattdampf auf höherem Druck- und Temperaturniveau (z.B. 175 bar abs. und 355°C) für eine weitere Vorwärmungs- und/oder Überhitzungsanwendung im Ofenbereich.The described application of saturated steam refers to the previously typical and technically used level of up to approx. 175 bar (abs.). Alternatively, it is also conceivable to provide partial saturated steam at a higher pressure and temperature level (e.g. 175 bar abs. and 355°C) for further preheating and/or superheating applications in the furnace area.
Die vorliegende Erfindung wird bevorzugt in Kombination mit dem elektrischen Antrieb einzelner oder mehrerer Kompressoren im zugehörigen Trennteil der Anlage eingesetzt. Damit wird die durch die erfindungsgemäße Luftvorwärmung bedingte Reduzierung des (Super-)Hochdruckdampfexports von den Öfen bevorzugt kompensiert. Eine solche erhöhte Elektrifizierung der Anlage ermöglicht zudem eine erhöhte Nutzung von regenerativen Energien mittels Import aus dem Stromnetz. Auch eine Bereithaltung von Dampfboilern als Backupsysteme für den Anlagenstart ist in geringerem Umfang erforderlich.The present invention is preferably used in combination with the electric drive of individual or multiple compressors in the associated separating part of the system. This preferably compensates for the reduction in (super) high-pressure steam export from the furnaces caused by the air preheating according to the invention. Such increased electrification of the system also enables increased use of renewable energies by importing them from the power grid. The availability of steam boilers as backup systems for plant start-up is required to a lesser extent.
Die beschriebenen Maßnahmen können sowohl bei einem kompletten Neubau von Dampfspaltöfen als auch bei der Modernisierung bestehender Öfen angewandt werden. Im letzteren Fall sind insbesondere die Vorteile bzgl. summierter Bündelhöhe von hoher Relevanz, wenn es z.B. darum geht, modifizierte Bündelstrukturen in einen bereits bestehenden Stahlbau unterzubringen.The measures described can be applied both to a completely new steam cracking furnace and to the modernization of existing furnaces. In the latter case, the advantages regarding the total bundle height are particularly relevant when, for example, it is a matter of accommodating modified bundle structures in an existing steel structure.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren, die Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik veranschaulichen, weiter erläutert.The invention is further explained below with reference to the figures, which illustrate embodiments of the present invention compared to the prior art.
Die
Die
In der obigen und der nachfolgenden weiteren Beschreibung wurden bzw. werden nicht erfindungsgemäße und gemäß Ausgestaltungen der Erfindung ausgebildete Anlagen und anhand dieser entsprechende Verfahrensschritte beschrieben. Lediglich der Einfachheit halber, und zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen, wurden bzw. werden dabei für Verfahrensschritte und Anlagenkomponenten (beispielsweise einen Abkühlschritt und einen hierzu verwendeten Wärmetauscher) dieselben Bezugszeichen und Erläuterungen verwendet. In den Figuren werden für gleiche oder vergleichbare Komponenten identische Bezugszeichen verwendet und ebenfalls lediglich der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert.In the above and the following further description, systems not according to the invention and designed according to embodiments of the invention and corresponding method steps based on these were and are described. For the sake of simplicity only, and to avoid unnecessary repetition, the same reference numerals and explanations were and are used for method steps and system components (for example a cooling step and a heat exchanger used for this purpose). In the figures, identical reference numerals are used for the same or comparable components and are also not explained again for the sake of clarity.
Die Vorteile der Erfindung und entsprechender Ausgestaltungen werden nachfolgend insbesondere im Vergleich zu den in den bereits eingangs erläuterten
Die Topologie der zugrundeliegenden Konvektionszone 12 ist insbesondere in
Speisewasser W wird durch die erste Speisewasservorwärmung 121 und die zweite Speisewasservorwärmung 123 geführt und dann einer entsprechenden (Super-) Hochdruckdampferzeugung, beispielsweise in den Spaltgaskühlern 13, zugeführt. Dort erzeugter, noch nicht überhitzter (Super-)Hochdruckdampf S wird unter Erhalt von überhitztem (Super-)Hochdruckdampf T durch die erste (Super-) Hochdruckdampfüberhitzung 126 und die zweite (Super-)Hochdruckdampfüberhitzung 127 geführt wird, wobei zwischen der ersten (Super-)Hochdruckdampfüberhitzung 126 und der zweiten (Super-) Hochdruckdampfüberhitzung 127 eine Speisewassereinspritzung erfolgen kann. Kohlenwasserstoffeinsatz H wird in der Einsatzvorwärmung 122 erwärmt und Prozessdampf P wird in der Prozessdampfüberhitzung 125 erhitzt, bevor beide zu dem Speisestrom F vereinigt und in dem ersten Hochtemperaturbündel 124 und dem zweiten Hochtemperaturbündel 128 weiter erhitzt werden.Feed water W is passed through the first
Die Erläuterungen zu den
In den
Die in den
Weitere mögliche Heizarten bzw. Heizmedien sind ergänzend einsetzbar, wie erwähnt. Des Weiteren können auch mehr oder weniger Vorwärmstufen vorgesehen werden, wie ebenfalls erwähnt. Zur Verwendung von ablaufendem Heizmedium bzw. der Rückführung von Kondensat in die Dampferzeugung wird ebenfalls auf die obigen Erläuterungen verwiesen.Other possible heating types or heating media can be used in addition, as mentioned. Furthermore, more or fewer preheating stages can be provided, as also mentioned. Please also refer to the above explanations for the use of draining heating medium or the return of condensate to the steam generation.
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Das entstehende (Super-)Hochdruckkondensat kann wie in den
In den
Die Vorwärmungen können wie erwähnt aus mehreren Stufen bestehen, z.B. aus einer ersten Stufe mit Speisewasser als Heizmedium, einer zweiten Stufe mit Mitteldruckdampf als Heizmedium, und einer dritten Stufe mit SuperhochdruckSattdampf als Heizmedium. Weitere mögliche Heizarten bzw. Heizmedien sind ergänzend einsetzbar, wie erwähnt. Des Weiteren können auch mehr oder weniger Vorwärmstufen vorgesehen werden, wie ebenfalls erwähnt. Zur Verwendung von ablaufendem Heizmedium bzw. der Rückführung von Kondensat in die Dampferzeugung wird ebenfalls auf die obigen Erläuterungen verwiesen.As mentioned, the preheating can consist of several stages, e.g. a first stage with feed water as the heating medium, a second stage with medium pressure steam as the heating medium, and a third stage with super high pressure saturated steam as the heating medium. Other possible heating types or heating media can be used in addition, as mentioned. Furthermore, more or fewer preheating stages can be provided, as also mentioned. For the use of For the discharge of heating medium or the return of condensate to the steam generation, reference is also made to the above explanations.
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Claims (14)
- Method for reacting one or more hydrocarbons by steam cracking, in which one or more input streams (F) containing the one or more hydrocarbons (H) are conducted, obtaining one or more product streams (C), through one or more radiation zones (11) of one or more cracker furnaces (10), in which the one or more radiation zones (11) are heated by firing heating gas (X) with combustion air (L), in which at least a portion of the combustion air (L) is subjected to combustion air preheating (75), in which steam (S, T) is produced from feed water (W), and in which the feed water (W) is subjected to feed water preheating in one or more convection zones (12) of the one or more cracker furnaces (10),
characterized in that the combustion air preheating (75) is carried out at least in part and/or at least temporarily using heat withdrawn from at least a portion of the feed water (W) upstream of the feed water preheating. - Method according to claim 1, wherein the steam generated from the feed water (W) comprises superheated and/or non-superheated high-pressure or super-high-pressure steam (T) formed from the feed water (W) after the feed water preheating.
- Method according to claim 2, wherein at least a portion of the feed water (W) is subjected to feed water evaporation after the feed water preheating using heat withdrawn from at least a portion of the one or more product streams (C), obtaining high-pressure or super-high-pressure steam (S).
- Method according to claim 3, wherein at least a portion of the high-pressure or super-high-pressure steam (S) is subjected to steam superheating in one or more convection zones (12) to obtain superheated high-pressure or super-high-pressure steam (T).
- Method according to any of claims 2 to 4, wherein the combustion air preheating (75) is further performed using heat withdrawn from a portion of the superheated high-pressure or super-high-pressure steam (T).
- Method according to any of the preceding claims, wherein the heating gas (X) is subjected to heating gas preheating (65) which is likewise carried out using heat which is withdrawn from at least a portion of the feed water (W) upstream of the feed water preheating.
- Method according to any of the preceding claims, wherein the feed water preheating is performed in one or more flue gas channels in the one or more convection zones (12), the feed water preheating being performed at a lower temperature level than for steam superheating, to obtain the superheated high-pressure or super-high-pressure steam (T), and for a process steam superheating to provide sufficiently heated process steam which is used to form the one or more input streams (F).
- Method according to any of the preceding claims, wherein the feed water (W) is provided at a temperature level of 80 to 140 °C and wherein the feed water (W) is cooled to a temperature level of 40 to 100 °C at the combustion air preheating (75).
- Method according to any of the preceding claims, wherein the feed water (W) is supplied to the combustion air preheating (75) at a pressure level of 30 to 60 bar absolute pressure or 60 to 175 bar absolute pressure and is subjected to the feed water preheating at this pressure level.
- Method according to any of claims 1 to 8, wherein the feed water (W) is supplied to the combustion air preheating (75) at a pressure level of 20 to 60 bar absolute pressure and is subjected to the feed water preheating at a pressure level of 30 to 60 bar absolute pressure or 60 to 175 bar absolute pressure.
- Method according to any of the preceding claims, wherein multiple cracker furnaces (10) are used which are supplied with the feed water (W) by means of a central feed water system (40), the combustion air preheating (75) being carried out separately for each of the multiple cracker furnaces (10) or together for the multiple cracker furnaces (10).
- Method according to any of the preceding claims, wherein the air preheating is further carried out using saturated steam and/or steam condensate formed therefrom.
- Method according to any of the preceding claims, wherein a preheating of the one or more input streams (F) and/or one or more substance streams used for the formation thereof is carried out using saturated steam and/or steam condensate formed therefrom.
- System for reacting one or more hydrocarbons by steam cracking, which comprises one or more cracker furnaces (10) having one or more radiation zones (11) and which is designed to guide one or more input streams (F), containing the one or more hydrocarbons (H), through the one or more radiation zones (11) of the one or more cracker furnaces (10), obtaining one or more product streams (C), the system comprising one or more burners for heating the one or more radiation zones (11) by firing heating gas (X) with combustion air (L), the system having combustion air preheating (75) and being designed to heat at least a portion of the combustion air (L) in the combustion air preheating (75), the system having one or more steam generators which is/are designed to generate steam (S, T) from feed water (W), and the system being designed to subject the feed water (W) in one or more convection zones (12) of the one or more cracker furnaces (10) to feed water preheating, characterized in that the combustion air preheating (75) comprises heat transfer means which are designed to at least temporarily transmit heat, which is withdrawn from at least a portion of the feed water (W) upstream of the feed water preheating, to the combustion air.
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