JP2010534311A - 無炎燃焼加熱器 - Google Patents

Abstract

無炎燃焼加熱器と、酸化剤入口パイプと、燃料入口パイプと、酸化剤または燃料を予備加熱するための予備加熱器とを備え、前記予備加熱器は、酸化触媒を含む無炎燃焼加熱器システムが記載される。加熱器に供給される燃料または酸化剤ストリームを予備加熱するために、酸化触媒を含む予備加熱器に燃料と酸化剤の混合物を供給することを含む無炎燃焼加熱器を始動するための方法が記載される。予備加熱器を通過する燃料および／または酸化剤の量を制御することを含む無炎燃焼加熱器システムの温度を制御するための方法もまた、記載される。

Description

本発明は、無炎燃焼加熱器と、無炎燃焼加熱器を始動するための方法および無炎燃焼加熱器システムの温度を制御するための方法に関する。

無炎燃焼加熱器は、米国特許第７，０２５，９４０号明細書に記載されている。米国特許第７，０２５，９４０号明細書は、無炎燃焼を利用する処理加熱器について記載し、無炎燃焼は、燃料および燃焼空気を混合物の自動点火温度を超える温度まで予備加熱することによって達成される。燃料は、燃料ガス管路と酸化反応室との間の連通を提供する燃料ガス管路における複数のオリフィスを通じて、時間の経過と共に比較的少量の増分で導入される。米国特許第７，０２５，９４０号明細書に記載したように、処理室は、酸化反応室と熱交換関係にある。

米国特許第５，８６２，８５８号明細書は、混合物の自動点火温度を下げるために、無炎燃焼器の燃焼室内に貴金属などの触媒表面の使用について記載している。この触媒表面は、たとえば、５００°Ｆ（２６０℃）程度の低い温度で、空気におけるメタンの酸化を促進するのにきわめて効果的であることが分かっていた。

無炎燃焼加熱器は、上述の特許に記載したような従来の火炎加熱器に比べて複数の利点を提供する。しかしながら、無炎燃焼加熱器は、始動中および動作中に、燃料／酸化剤の混合物の自動点火温度を超える温度に加熱器を維持することに関する問題に遭遇する。自動点火温度を超える温度に加熱器の維持の失敗は、無炎燃焼の不安定性を結果として生じる。

米国特許第５，８６２，８５８号明細書に記載したように、無炎燃焼器における触媒の使用は、自動点火温度を下げることができ、その温度を超える温度に加熱器を維持することを容易にする。

本発明は、無炎燃焼加熱器と、酸化剤入口パイプと、燃料入口パイプと、酸化剤または燃料を予備加熱するための予備加熱器とを備え、前記予備加熱器は、酸化触媒を含む無炎燃焼加熱器システムを提供する。

本発明の一実施形態は、無炎燃焼加熱器システムを提供し、予備加熱器は、酸化剤入口パイプと流体連通状態にあり、燃料は、予備加熱器の上流で、酸化剤入口パイプに導入されて、燃料と酸化剤の混合物が、予備加熱器を通過させるようになっている。

本発明の別の実施形態は、無炎燃焼加熱器システムを提供し、予備加熱器は、燃料入口パイプと流体連通状態にあり、酸化剤は、予備加熱器の上流で、燃料入口パイプに導入されて、燃料と酸化剤の混合物が、予備加熱器を通過させるようになっている。

本発明はまた、無炎燃焼加熱器システムの温度を制御するための方法および無炎燃焼加熱器システムを始動するための方法も提供する。

予備加熱器を有する無炎燃焼加熱器システムを示す。

本発明は、処理流体に燃料の無炎燃焼によって放熱される熱エネルギの直接伝達において用いられる無炎燃焼加熱器システムを提供する。加熱器システムには、地下構造の加熱および処理ストリームの加熱をはじめとする多くの考えられる使用および用途がある。無炎燃焼加熱器システムは、たとえば、アルキル芳香族化合物の脱水素化およびスチームメタンの改質などの吸熱反応を実行する処理に関連して特に有用である。本発明は、加熱器の始動および動作安定性を改善するために、予備加熱器を利用する無炎燃焼加熱器システムに提供する。

加熱器における無炎燃焼は、２つのストリームが混合されるときに、混合物の温度が、混合物の自動点火温度を超えるが、混合物の温度が、米国特許第７，０２５，９４０号明細書（本明細書に参照により組み込まれる）に記載されたように、混合流量によって制限されることになっている混合時に酸化を結果として生じることになる温度未満であるように、酸化剤ストリームおよび燃料ストリームを十分に予備加熱することによって達成されることができる。混合物の自動点火温度は、燃料および酸化剤のタイプおよび燃料／酸化剤の比に左右される。無炎燃焼加熱器において用いられる混合物の自動点火温度は、８５０℃から１４００℃の範囲にあってもよい。米国特許第５，８６２，８５８号明細書（本明細書に参照により組み込まれる）に記載されたように、酸化触媒が加熱器において用いられる場合には、この種の触媒は混合物の自動点火温度を効果的に下げるために、自動点火温度は、低下される可能性がある。

酸化触媒の存在下でたとえば、水素またはジメチルエーテルなどの一定の燃料を用いることは、周辺温度または周辺温度付近で無炎燃焼を生じることを可能にする。無炎燃焼は、用いられる燃料および触媒に応じて、約３０℃から約１０００℃の温度で生じてもよい。

燃料管路は、所望の放熱を提供するように、酸化管路への燃料導入の制御された流量を提供する。放熱は部分的には、開口部の位置および数によって決定され、各加熱器用途に合わせることができる。放熱は、加熱器の長さにわたって一定であってもよく、または加熱器の長さにわたって減少または増大してもよい。

燃料の無炎燃焼に関連する目に見えない炎があるために、無炎燃焼反応は、従来の火炎加熱器において観察される温度より低い温度で生じる。観察されるより低い温度および直接加熱の効率のために、加熱器は、コストのより低い材料を用いて設計されることができ、設備投資を削減する結果を生じる。

無炎燃焼加熱器は、２つの主要な要素、すなわち、酸化管路および燃料管路を有する。酸化管路は、酸化剤用の入口と、酸化生成物用の出口と、入口と出口との間の流路とを有するチューブまたはパイプであってもよい。適切な酸化剤としては、空気、酸素および亜酸化窒素が挙げられる。酸化管路に導入される酸化剤は、燃料と混合されるときに、混合物が混合物の自動点火温度を上回る温度であるように予備加熱されてもよい。酸化剤は、無炎燃焼加熱器に対して外側で加熱されてもよい。あるいは、酸化剤は、加熱器の内側でストリームのいずれかと熱交換することによって加熱器の内側で加熱されてもよい。酸化管路は、約２ｃｍから約２０ｃｍの内径を有してもよい。しかしながら、酸化剤管路は、加熱器の要件に応じて、この範囲より大きくてもよく、または小さくてもよい。

燃料管路は、燃料を加熱器に輸送し、燃料を酸化管路に導入する。燃料管路は、燃料用入口と、燃料管路内から酸化管路への流体連通を提供する複数の開口部とを有するチューブまたはパイプであってもよい。燃料管路は、酸化管路内に位置し、酸化管路によって包囲されてもよい。燃料は、開口部を通って酸化管路に入り、そこで酸化剤と混合されて、無炎燃焼を結果として生じる。燃料管路は、約１ｃｍから約１０ｃｍの内径を有してもよく、好ましくは１．５ｃｍから５ｃｍの内径を有する。しかしながら、設計に応じて、燃料管路は、１０ｃｍを超える直径を有してもよく、または１ｃｍ未満の直径を有してもよい。

無炎燃焼加熱器の好ましい実施形態は、２つのパイプまたはチューブを備える。燃料パイプは、燃料用の入口と、酸化パイプと流体連通状態にある複数の開口部とを有する。酸化パイプは、予備加熱された酸化剤用の入口、燃焼生成物用の出口、入口と出口との間の流路とを有する。燃料は、燃料パイプに導入され、開口部を通って酸化パイプに達する。酸化剤および／または燃料は、加熱器において混合されるときに、混合物が混合物の自動点火温度または自動点火温度を上回る温度であるように予備加熱される。この実施形態において、開口部は一般に、燃料管路の壁に穿孔されるか、または切り込まれる。開口部は、円形、楕円形、矩形、別の形状またはさらに不規則な形状であってもよい。開口部は通常、約０．００１ｃｍ^２から約２ｃｍ^２の断面積を有し、好ましくは約０．０３ｃｍ^２から約０．２ｃｍ^２の断面積を有する。開口部のサイズは、酸化管路への燃料導入の所望の流量によって決定されるが、小さすぎる開口部は、閉塞を結果として生じる可能性がある。

加熱器の長さに沿った異なる開口部は通常、同一の断面積を有する。別の実施形態において、開口部の断面積は、所望の放熱を提供するために、加熱器に沿って異なっていてもよい。さらに、燃料管路に沿った開口部間の間隔が、異なっていてもよい。開口部は通常、同一の形状を有するが、別法において、開口部は、異なる形状であってもよい。

無炎燃焼加熱器はさらに、処理流体を保持する処理管路を備え、処理管路が酸化管路と熱交換関係にある。加熱器に処理管路を含むことにより、処理ストリームの直接加熱を考慮に入れる。処理管路は任意に、化学反応を実行するために用いられてもよい。処理管路は、化学反応を容易にするために、触媒を含んでもよい。この加熱器は、熱が反応中に処理に直接加えられるため、吸熱反応を実行するために特に有用である。たとえば、この加熱器は、スチレンへのエチルベンゼンの脱水素化反応を直接的に加熱するために、脱水素化反応炉に組み込まれてもよい。

無炎燃焼加熱器は任意に、酸化剤管路を備えてもよい。酸化剤管路は、酸化剤用の入口と、酸化管路の入口と流体連通状態にある予備加熱される酸化剤用の出口とを有する。酸化剤管路は、酸化管路および／または処理管路と熱交換関係にあり、酸化管路において燃料と混合するときに、混合物が自動点火温度または自動点火温度を超える温度まで酸化剤を十分に予備加熱するために、直接熱を提供する。

図１は、無炎燃焼加熱器（１０）および加熱器の始動挙動および安定動作を改善するために用いられる酸化触媒を含む予備加熱器（２０）の位置の概略図を示す。加熱器は、燃料入口（１１）、酸化剤入口（１３）および酸化生成物出口（２１）を有する。加熱器はまた、処理入口（２４）および処理出口（２６）を有する。燃料スリップストリームパイプ（１６）は、酸化剤入口パイプ（１４）への燃料流れを提供する。燃料流れは、主要燃料入口パイプ（１２）または個別の燃料システムから来てもよい。燃料弁（１８）は、燃料スリップストリームパイプを通って流れを制御する。

予備加熱器（２０）は好ましくは、酸化剤入口パイプ内に位置している。予備加熱器は好ましくは、担持される酸化触媒を含む。静的混合器は、酸化剤入口パイプにおいて燃料および酸化剤の改善した混合を提供するために、触媒の上流で酸化剤入口パイプに配置されてもよい。あるいは、燃料は、十分に混合するために、十分に離れた上流で酸化剤入口パイプに入ってもよい。燃料が酸化触媒から酸化剤入口パイプの直径の１５倍の距離で入口パイプに入るとき、効果的な混合が通常、生じる。

燃料が酸化剤入口パイプ（１４）に導入されるとき、パイプは、予備加熱された酸化剤および反応による燃焼生成物を含み、いずれも酸化剤入口（１３）を介して無炎燃焼加熱器に輸送される。酸化剤入口パイプに導入される燃料の量は、酸化剤の一部のみが予備加熱器において無炎燃焼を受けるように制御される。

酸化触媒は、用いられる燃料の無炎燃焼反応を促進する任意の触媒であってもよい。酸化触媒は、貴金属、たとえば、白金、パラジウム、ロジウム、銀、イリジウム、金またはその組み合わせを含んでもよい。別法において、酸化触媒は、卑金属、たとえば、銅、鉄、マンガン、バナジウム、ビスマス、コバルト、クロム、モリブデン、ルテニウム、タングステン、レニウムまたはその組み合わせを含んでもよい。金属は、アルミナ、セリア、ジルコニア、チタニア、シリカまたはランタニドによって改質されるその組み合わせをはじめとするセラミック物質で担持されてもよい。触媒は、簡単な球または成形物、たとえば、円筒、中空の円筒および三葉体の形態であってもよい。触媒は、金属またはセラミックのモノリス、網状の金属またはセラミックフォームまたは被覆金属ワイヤ、たとえば、金網、メッシュおよび螺旋状にねじれた構造などの形態であってもよい。

本発明は、無炎燃焼加熱器システムを始動するための方法を提供する。加熱器の始動中、酸化剤を予備加熱するのを助けるために、燃料は、燃料スリップストリームパイプを通過する。酸化剤入口パイプにおける酸化触媒は、より低い温度で無炎燃焼を生じることを可能にし、酸化剤入口パイプにおけるこの無炎燃焼によって提供される熱は、酸化剤入口（１３）を通って加熱器（１０）に入る酸化剤の温度を上昇する。これは、無炎燃焼加熱器（１０）の内側で燃料と混合されるとき、自動点火温度を超える温度に酸化剤の温度を上昇させることを可能にする。加熱器において自動点火温度が達せられた後、燃料弁（１８）は、酸化剤入口パイプ（１４）への燃料の流れを停止するために閉じられてもよい。触媒は、ライン（１４）に依然として存在するが、ライン（１４）に燃料がないために、パイプにおいて無炎燃焼は生じない。これは、酸化触媒が加熱器システムを始動することを助けるために用いることを可能にするが、次に、酸化触媒が加熱器にある場合には可能であるような温度を超える温度で加熱器を作動することを可能にする。触媒は、加熱器において無炎燃焼に影響を及ぼすことをやめるために、システムから除去される必要はない。

本発明はまた、加熱器の安定性を維持するために、加熱器の動作を制御するための方法を提供する。加熱器の動作中、燃料弁（１８）は、結果として生じる燃料／酸化剤の温度が燃料／酸化剤混合物の自動点火温度を上回ることを確実にするために、加熱器に入る酸化剤の温度を制御するために制御されてもよい。加熱器において結果として生じる燃料／酸化剤混合物が、混合物の自動点火温度を下回る可能性があるため、無炎加熱器燃焼システムは、加熱器に導入される酸化剤の温度が変化する場合には、不安定を被るか、または調子を狂わせられる可能性がある。これが生じると、無炎燃焼は停止し、加熱器は冷える。

この方法に基づいて、加熱器の温度は、決定されてもよい。この温度は、加熱器に供給される混合物の自動点火温度と比較されてもよい。混合物の温度に関して自動点火温度を超える温度に維持されれば好ましく、混合物の温度を混合物の自動点火温度を少なくとも１０℃超える温度に維持されればより好ましく、混合物の温度を混合物の自動点火温度を少なくとも２０℃超える温度に維持されれば、最も好ましい。加熱器の温度が混合物の自動点火温度に向かって減少し始める場合には、無炎燃焼反応が酸化剤入口パイプに配置される酸化触媒で生じるように、燃料弁（１８）は、燃料スリップストリームパイプから増大する燃料流れを可能にするために開かれてもよい。この無炎燃焼反応は、酸化剤を予備加熱し、加熱器温度が上昇する。燃料弁は、無炎燃焼加熱器システムの安定動作を提供するために制御されてもよい。

酸化触媒はあるいは、燃料ラインに配置されてもよく、酸化剤のスリップストリームは、燃料入口パイプに供給されてもよい。しかしながら、燃料の過剰な予備加熱は、燃料入口パイプのコーキングを結果として生じる可能性があるために、酸化剤を予備加熱することが好ましい。

無炎燃焼加熱器は、加熱器の特定の構造および加熱器の用途に応じて、種々の状態で動作されてもよい。種々の実施例および状態は、米国特許第７，０２５，９４０号明細書に記載されており、これらの特許は、本明細書に参照により組み込まれる。無炎燃焼加熱器システムは、スチーム改質、クラッキングまたは種々の他の処理において用いられてもよい。

本発明の無炎燃焼加熱器システムは、スチレンを生成するために、エチルベンゼンの脱水素化に用いられることができる。これは通常、鉄酸化物系の脱水素化触媒の存在下で実行される。反応は通常、約５５０℃から６８０℃で生じる。本発明の加熱器はまた、スチーム改質システムにおいて用いられることができ、スチームおよび炭化水素が、水素、一酸化炭素および二酸化炭素に変換される。この反応の温度は通常、約８００℃から８７０℃である。

酸化触媒の存在下で異なる燃料の自動点火温度は、米国特許第５，８９９，２６９号明細書に記載されており、この特許は、本明細書に参照により組み込まれる。本発明に関連するいくつかの自動点火温度が、表１に列挙される。

表から分かるように、触媒を用いた自動点火温度は、触媒を用いない自動点火温度よりはるかに低い。上述したスチレンおよびスチームメタン改質処理はそれぞれ、処理ストリームを５５０℃、８００℃を超える温度に加熱する必要がある。触媒を用いた自動点火温度をわずかに上回る温度に維持される加熱器の場合には、必要な温度に処理ストリームを加熱することは困難である。他方、触媒を用いない自動点火温度をわずかに上回る温度に維持される加熱器は、上述の処理によって必要とされる熱を提供することがさらに可能である。酸化触媒は、加熱器の内側で混合物の自動点火温度を著しく下げることなく、本発明によって用いられるときには、加熱器の動作の安定性を維持する際に有用である。

本明細書に記載される無炎燃焼加熱器は、開口部の位置および幾何形状の記載された詳細の任意の変形を有する任意の用途において用いられることができる。

Claims (12)

1. 無炎燃焼加熱器と、酸化剤入口パイプと、燃料入口パイプと、酸化剤または燃料を予備加熱するための予備加熱器とを備え、前記予備加熱器が、酸化触媒を含む無炎燃焼加熱器システム。
2. 予備加熱器が、酸化剤入口パイプと流体連通状態にあり、燃料が、予備加熱器の上流で酸化剤入口パイプに導入され、燃料と酸化剤の混合物が予備加熱器を通過させるようになっている、請求項１に記載の無炎燃焼加熱器システム。
3. 予備加熱器が、酸化剤入口パイプ内に位置している、請求項２に記載の無炎燃焼加熱器システム。
4. 予備加熱器が、燃料入口パイプと流体連通状態にあり、酸化剤が、予備加熱器の上流で燃料入口パイプに導入され、燃料と酸化剤の混合物が予備加熱器を通過させるようになっている、請求項１に記載の無炎燃焼加熱器システム。
5. 予備加熱器が、燃料入口パイプ内に位置している、請求項４に記載の無炎燃焼加熱器システム。
6. 酸化触媒が、貴金属を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の無炎燃焼加熱器システム。
7. 酸化剤入口パイプを通って酸化剤を通過させることと、予備加熱器の上流で燃料を酸化剤入口パイプに導入し、無炎燃焼が予備加熱器で生じるようにすることと、加熱器が燃料および酸化剤の所望の混合物の自動点火温度を超えるまで、無炎燃焼加熱器を通って結果として生じる加熱された酸化剤を通過させることと、次に燃料入口パイプを通って燃料を通過させて、無炎燃焼が加熱器で生じるようにすることとを含む、請求項２または３に記載の無炎燃焼加熱器システムを始動するための方法。
8. 酸化剤入口パイプへの燃料の流れを停止することをさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 加熱器に導入される酸化剤の温度を決定することと、酸化剤入口パイプへの燃料流れを調整することとを含む、請求項２または３に記載の無炎燃焼加熱器システムの温度を制御するための方法。
10. 燃料入口パイプを通って燃料を通過させることと、予備加熱器の上流で酸化剤を燃料入口パイプに導入し、無炎燃焼が予備加熱器で生じるようにすることと、加熱器が燃料および酸化剤の所望の混合物の自動点火温度を超えるまで、無炎燃焼加熱器を通って結果として生じる加熱された燃料を通過させることと、次に酸化剤入口パイプを通って酸化剤を通過させて、無炎燃焼が加熱器で生じるようにすることとを含む、請求項４または５に記載の無炎燃焼加熱器システムを始動するための方法。
11. 燃料入口パイプへの酸化剤の流れを停止することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 加熱器に導入される燃料の温度を決定することと、燃料入口パイプへの酸化剤流れを調整することとを含む、請求項４または５に記載の無炎燃焼加熱器システムの温度を制御するための方法。

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