JP3790899B2 - 熱分解ヒータ - Google Patents

Description

本発明は、炭化水素の熱分解用のヒータに関し、特にオレフィンを製造するための水蒸気クラッキング用のヒータに関する。

オレフィンを製造するための炭化水素の水蒸気クラッキング又は熱分解は、ほぼ独占的に、燃焼式ヒータ内に設置された管状コイルにおいて行われる。熱分解処理は、オレフィンプラントの心臓と考えられ、プラント全体の経済性について重大な影響を有する。

炭化水素供給原料は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、これらのガスの混合物、ナフサ、軽油等の如き、各種の代表的なクラッキング供給原料のいずれかである。生成物の流れは各種の成分を含有しており、その濃度は選択した原料に一部左右される。従来の熱分解処理では、気化させた供給原料を、希釈用水蒸気と共に、燃焼式ヒータ内に設置した管状反応器に供給する。必要な希釈用水蒸気の量は、選択した供給原料に左右され、エタンの如き軽質の供給原料では、少量の水蒸気が必要とされ（０．２ｌｂ／原料ｌｂ）、ナフサ及び軽油の如き重質の供給原料では、水蒸気／供給原料比０．５−１．０が必要とされる。希釈用水蒸気は、炭化水素の分圧を低下させる及び熱分解コイルの浸炭率を減少させるとの２つの機能を有する。

代表的な熱分解処理では、水蒸気／原料の混合体を、クラッキング反応の開始よりほんの少し低い温度、代表的には６５０℃に予熱する。この予熱は、ヒータの対流区域において行われる。ついで、混合体を、熱分解反応が行われる放射区域に供給する。一般に、熱分解コイルにおける滞留時間は０．２−０．４秒の範囲であり、反応のための出口温度は７００−９００℃程度である。飽和炭化水素のオレフィンへの変質を生ずる反応は高い吸熱性であり、このため、高レベルの入熱を必要とする。この入熱は、高い反応温度で発生されなければならない。一般に、当分野では、多くの供給原料について、特に、ナフサの如き重質の供給原料に関しては、より短い滞留時間が、二次分解反応が低減されるため、より高いエチレン及びプロピレンに関する選択率をもたらすことが認められている。更に、反応環境内の炭化水素の分圧が低ければ低いほど、選択率が高いことが認められている。

燃焼式ヒータの放射区域における煙道ガス温度は、代表的には、約１１００℃以上である。従来の設計では、ヒータへの燃料を燃焼して発生させた熱の約３２−４０％が放射区域内のコイルに伝達される。熱の残部は、原料の予熱又は水蒸気の発生用として、対流区域において回収される。短い滞留時間及び高い処置温度を達成するために管の容積が小さく制限されるため、反応管への熱伝達は困難である。高い熱フラックスが使用され、作動管の金属温度は冶金に関する機械的限界に近い。多くの場合、管の金属温度は、コイルの出口で要求される高い処理温度と低減された管の長さ（したがって、管の表面積で、より高い熱フラックス及びより高い管の金属温度を生ずる）との組合せの結果として滞留時間を低減できる程度を制限する。クラッキングヒータの放射区域に設計される金属製の反応管は、ヒータのコストの実質的な部分を占め、したがって、ヒータが十分に利用されることが重要である。このようなヒータの十分な利用は、ヒータの設計上の目的と一致して、ヒータを出来る限り高くかつ均一な熱フラックス及び金属温度で作動させることにある。これは、所定の熱分解能力に関して要求される管の数及び長さ及び総金属量を最小にする。

大多数のクラッキング炉においては、熱は、火室の床に設けられて壁に沿って垂直上向きに燃焼する複数の火床バーナにより与えられる。しかし、これらのバーナからの特有の火炎形状のために、不均一な熱フラックスが作られる。代表的な火炎形状は、火室の中央高さの近くに最高の熱フラックスがあり、火室の頂部分及び底部分が比較的冷たいままであることを示す。選択したヒータにおいては、放射式壁バーナが側壁の頂部分に設けられて頂部における熱フラックスのプロフィルを均等にする。火床バーナの場合及び同じ熱発生率での火床バーナと壁バーナとの組合せの場合における代表的な表面熱フラックスのプロフィル及び金属温度のプロフィルは、火室の下方部分における熱フラックス及び金属温度が低いことを示し、これはこの部分のコイルが十分に利用されていないことを意味する。火床バーナの熱フラックスプロフィルを改善することは、ＮＯ_Ｘの増大が要求されるために、またより高いバーナの熱発生の要求がどんどん増大するために、困難である。熱フラックスを均等にするための他の方法は、壁バーナのみを用いることであるが、しかし、壁バーナの最大熱発生は火床バーナのそれよりも約１０倍少ないので、壁バーナの数が非常に多くなってしまう。

本発明は、特にオレフィンの製造のために炭化水素をクラッキングするための熱分解ヒータに関し、この熱分解ヒータが熱フラックス及び金属温度のプロフィルを改善するように火室にバーナ装置を備えるようにしたものである。

本発明の目的は、火室の床を加熱する複数のバーナを包含し、これにより床が放射表面として働いて、火室の下方部分の反応管熱フラックスを増大せしめると共に火室の高さにわたって一層均一な垂直熱フラックスプロフィルを生じせしめるバーナ装置を提供することにある。これらのバーナは、ベースバーナと称され、垂直燃焼式火床バーナ及び選択的には火室の上方部分の壁バーナと一緒に作動する。本発明の目的は、更に、放射式クラッキングコイルの金属温度を増大することなしに、コイルへ伝達される総熱量を増大せしめることにある。

本発明の好適な実施例の詳細を述べる前に、代表的な従来の熱分解ヒータを、これらのヒータの作動パラメータを示すグラフと一緒に説明する。図１は、従来のヒータの断面を示す。このヒータは、放射加熱区域１４と対流加熱区域１６とを有する。対流加熱区域１６には熱交換表面１８及び２０が設置されており、これらの熱交換表面は本例では炭化水素供給原料を予熱するためのものとして示されている。この対流区域は、また、蒸気を発生させる熱交換表面を包含することができる。対流区域からの予熱した供給原料は、放射加熱区域１４内に設置されて符号２６により総括的に示されている加熱コイルに、符号２４で示すように供給される。分解した生成物は、加熱コイル２６から符号３０で示すように出る。加熱コイルは、産業上一般的なものとして垂直及び水平コイルを包含する任意の所望する構成とすることができる。

放射区域１４は、符号３４及び３６により示されている壁と床又は火床４２とを包含する。床には複数の垂直燃焼式火床バーナ４６が取り付けられ、これらの火床バーナは壁に沿って上向きに向けられていて、空気４７及び燃料４９が供給される。通常、壁には放射式バーナである複数の壁バーナ４８が取り付けられ、これらの壁バーナは、壁にわたって広げられてコイル管への火炎衝突を回避する平たんな火炎パターンを生成するように設計されている。

図２は、図１に示されている如きの従来のヒータであって、火床バーナと壁バーナとの両方を備えているが、壁バーナがオン（作動）にされている場合と壁バーナがオフ（不作動）にされている場合とにおける代表的な表面熱フラックスのプロフィルを示す。図３は、同じ条件の下での管金属温度を示す。これらの図は、火室の下方部分及び火室の上方部分の両方において熱フラックスが低いこと及び金属温度が低いことを示し、また最小の温度又は熱フラックスと最大の温度又は熱フラックスとの差が大きいことを示している。これらの図は、明らかに冷たい火床を示し、火床近くのコイル管が十分に利用されていないことを示唆する。図３は、また、最高管金属温度に関しては燃焼プロフィルが重要であることを示す。壁バーナが不作動とされたときには、火床バーナの燃焼を増大することが要求される。火床バーナの熱発生プロフィルの形状のために、管金属温度はほぼ２０度だけ増大する。この増大は、従来のクラッキングヒータの汚れのためにサイクル長さに直接悪い大きな影響を与える。

図４Ａ及び図４Ｂは、本発明のふたつの実施例にしたがって構成したバーナを備えている熱分解ヒータを示す。図４Ａの放射加熱区域１４はその上方部分に壁バーナ４８を備えている第１の実施例を示し、また図４Ｂの放射区域１４は壁バーナを備えていない第２の実施例を示す。これらの図４Ａ及び図４Ｂは単一セルのヒータを示しているけれども、本発明の概念は多数のセルのヒータ又は多くの開放構造を備えているクラッキングヒータに等しく適用できるものである。これらの図４Ａ及び図４Ｂと放射区域１４の一部分を示す図５とに見られるように、複数のベースバーナ５０が床又は火床４２に設けられている。これらのベースバーナ５０は、床それ自体を加熱し、これにより床が放射表面となるようにするために、床にわたって水平に燃焼するように構成されている。好適な実施例においては、これらのベースバーナ５０は、壁バーナ４８と同一又は類似のものとされ、バーナのまわりに放射状又は楕円状の火炎パターンで燃焼する。一例が図６に示されており、本例では、燃料／空気の混合体が符号５０により総括的に示されているバーナに導管５２を通して導入される。この燃料／空気混合体は、キャップ５６の下の複数のスロット５４を通して流れ、点火される。したがって、火炎はスロット及びキャップにより床にわたって水平に向けられる。ベースバーナは、コイルの冷たい巻回部（パス）には多くの熱をまた暖かい巻回部には少ない熱を与えるために、異なる熱発生率で作動させることができる。また、コイルに直面するスロットは、コイルへの火炎の衝突を回避するために、封鎖又は省略することができる。

本発明の他の実施例は、床又は火床の少なくとも一部分を形成する多孔性の耐火又はセラミックバーナブロックを使用する。予混合した燃料／空気の流れは、このバーナに供給され、多孔性媒体を通過する。燃焼は、本質的に、バーナの表面上に生じ、その結果、バーナ面及びそれ故熱分解床それ自体は強い放射表面をなる。代表的なセラミックバーナが、図７に示されている。このセラミックバーナは多孔性セラミックブロック６０を収容するケーシング５８を包含し、このケーシングは燃料／空気混合体のための入口６２を有している。燃料／空気の混合体は、ブロック６０を通って流れ、表面６４で燃焼して火炎６６を形成する。これらのバーナは、また、触媒物質を含むことができる。これらの多孔性セラミックバーナの利益は、火炎がセラミック放射表面内に抑えられるので、床上に火炎が直接ないことである。他の利益は、熱が極端に低いＮＯ_Ｘレベルで加えられることである。これらのバーナは、通常自然通気又は吸気バーナである壁バーナに対立するものとして、本質的に、強制通気バーナである。これは、セラミック床ベースバーナの低ＮＯ_Ｘ性能に寄与する。以上ふたつの特定のバーナ例を述べたけれども、本発明の範囲はこれらの特定のバーナに限定されるものでないことを留意すべきである。

不足当量状態（酸素が減少したレベル）の下での作動は火炎温度の低下によりＮＯ_Ｘを減少させることが、知られている。不足当量状態は、また、ＮＯ_Ｘを減少する還元環境を作る。更に、燃料の段階燃焼（燃料を種々のレベルで燃焼する）は同様に火炎温度の低下によりＮＯ_Ｘを減少させることが知られている。この不足当量状態での燃焼と燃料の段階燃焼とを組合せたシステムを作動するひとつの選択において、ベースバーナは、未燃焼燃料を含有し、本質的に無酸素及び最小ＮＯ_Ｘであるガスを生成せしめる不足当量で作動させることができる。それから、このガスは、床上及び火床バーナ付近のその位置のために、火床バーナからの垂直火炎中に乗せられる。垂直燃焼式火床バーナは、故意に、過剰空気で作動させることができる。これは、本質的に、火床温度を低下せしめ、ＮＯ_Ｘを減少せしめる。ベースバーナからのエントレインド燃料は、火床バーナからの火炎流れ中に乗せられて燃焼する。この燃焼の作動条件は逆にすることができ、ベースバーナを過剰空気で作動させ、火床バーナを不足当量で作動させることができる。これらのふたつの選択を用いて、段階燃焼法はＮＯ_Ｘの生成を減少せしめる。この組合せは、同じ熱発生の場合においてクラッキングヒータからの総ＮＯ_Ｘを著しく減少せしめる。

従来の熱分解ヒータの床は、放射表面として有効に利用されていない。本発明のベースバーナでもって床を加熱することにより、床は放射表面として働き、これにより、火室の下方部分における熱フラックスを増大せしめて、火室の高さにわたっての熱フラックスのプロフィルを均等にせしめる。これは、図８Ａ−図８Ｄに見ることができる。これらの図は、壁バーナ及び火床バーナを用いるいわゆるノーマルの場合と、ベースバーナ、壁バーナ及び火床バーナを用いる本発明のベースバーナの場合とにおいて、エチレンクラッキングヒータの４つのコイル巻回部１−４の各々における熱フラックスのプロフィルを表す。ベースバーナは、各々、１ＭＭＢＴＵ／ｈｒの燃焼率で作動させた。したがって、総燃焼は、火床バーナが７．６ＭＭＢＴＵ／ｈｒで作動すると共に壁バーナが１ＭＭＢＴＵ／ｈｒで作動するノーマルの場合よりも公称１１％だけ増大する。これらの条件下で、コイルへの供給原料が１１％増大させられ、その結果、放射コイルキャパシティの正味１１％の増大を生ずる。表面管金属温度は、図９Ａ−図９Ｄに示されている。４つのいずれのコイル巻回部１−４における最大ピーク金属温度は、１１％増大のコイルキャパシティの場合で、ほんの６℃だけ増大した。実際に、このコイル巻回部から横切るベースバーナのための燃焼率は多少減少されて、相当高い総コイルキャパシティと一緒に、均等な金属温度を達成することができた。もしベースバーナなしに同じコイルキャパシティの増大を成し遂げる場合には、火床バーナの燃焼を１ＭＭＢＴＵ／ｈｒだけ増大しなければならない。これらの条件の下で、ピーク管金属温度の増大は２０℃であり、これは１ＭＭＢＴＵ／ｈｒの壁バーナが不作動とされていると共に火床バーナの燃焼が１ＭＭＢＴＵ／ｈｒだけ増大されている図３に示されている温度と等しい。上述したように、これは管の性能にかなり悪い影響を与えるものである。

代表的な従来の熱分解ヒータの概略断面図である。 従来の熱分解ヒータの高さにわたっての代表的な表面熱フラックスのプロフィルを示すグラフである。 従来の熱分解ヒータの高さにわたっての代表的な金属温度のプロフィルを示すグラフである。 本発明によるバーナ構成のふたつの実施例を示す熱分解ヒータの概略断面図である。 ベースバーナ及び火床バーナを示す熱分解ヒータの一部分の下方部分の斜視図である。 本発明の一実施例によるベースバーナを示す図である。 多孔性セラミックバーナから成る他の実施例のベースバーナの断面図である。 従来型式のヒータを、ベースバーナを有する本発明のヒータと比較して、４つの異なるコイル巻回部における熱分解ヒータの高さにわたっての表面熱フラックスを示すグラフである。 従来技術のためのコイル長さに沿う位置を関数として従来のヒータを本発明のヒータと比較して、同様に４つの異なるコイル巻回部におけるヒータの高さにわたっての平均金属温度を示すグラフである。

Claims (9)

1. 炭化水素の熱分解用の熱分解ヒータにおいて、
   ａ．底部の火床、この火床に隣接すると共にこの火床から上向きに延びている下方部分、及びこの下方部分から上向きに延びている上方部分を有する放射加熱区域と、
   ｂ．この放射加熱区域に設けられて前記上方部分及び前記下方部分の両方に延びている、前記炭化水素を処理するための少なくともひとつの管状加熱コイルと、
   ｃ．前記火床に隣接して設けられ、上向きに向けられて前記下方部分及び前記上方部分を通して垂直上向きの燃焼をする複数の火床バーナと、
   ｄ．前記火床に設けられ、前記火床に接触する燃焼をしてこれにより加熱した放射火床表面を作る複数のベースバーナと、
   を包含する熱分解ヒータ。
2. 請求項１記載の熱分解ヒータにおいて、前記放射加熱区域が、壁を包含すると共に、更に前記上方部分における前記壁に設けられている壁バーナを包含している熱分解ヒータ。
3. 請求項１記載の熱分解ヒータにおいて、更に、前記放射加熱区域より上方の対流区域を包含している熱分解ヒータ。
4. 請求項１記載の熱分解ヒータにおいて、前記ベースバーナが前記火床にわたって水平にかつ前記火床に接触して燃焼するように向けられている熱分解ヒータ。
5. 請求項１記載の熱分解ヒータにおいて、前記ベースバーナが多孔性セラミックバーナから成り、この多孔性セラミックバーナが前記火床の少なくとも一部分を成している熱分解ヒータ。
6. オレフィンの製造における炭化水素の熱分解用のヒータであって、底部の火床、この火床に隣接すると共にこの火床から上向きに延びている下方部分、及びこの下方部分から上向きに延びている上方部分を有する放射加熱区域と、この放射加熱区域に設けられて前記上方部分及び前記下方部分の両方に延びている、前記炭化水素を処理するための少なくともひとつの管状加熱コイルと、前記放射加熱区域の前記下方及び上方部分における熱フラックスの均一性を増大させると共に前記加熱コイルの温度の均一性を増大させるためのバーナの組合せとを包含しているヒータにおいて、前記バーナの組合せが、
   ａ．前記火床に隣接して設けられ、上向きに向けられて前記下方部分及び前記上方部分を通して垂直上向きの燃焼をする複数の火床バーナと、
   ｂ．前記火床に設けられ、前記火床上で直接燃焼をしてこれにより高温の放射火床表面を作る複数のベースバーナと、
   から成るヒータ。
7. 請求項６記載のヒータにおいて、前記ベースバーナが前記火床にわたって水平に燃焼するように向けられているヒータ。
8. 請求項６記載のヒータにおいて、前記ベースバーナが多孔性セラミックバーナから成り、この多孔性セラミックバーナが前記火床の少なくとも一部分を成しているヒータ。
9. オレフィンの製造における炭化水素の熱分解用の熱分解ヒータを作動する方法であって、前記熱分解ヒータが、
   ａ．底部の火床、この火床に隣接すると共にこの火床から上向きに延びている下方部分、及びこの下方部分から上向きに延びている上方部分を有する放射加熱区域と、
   ｂ．この放射加熱区域に設けられて前記上方部分及び前記下方部分の両方に延びている、前記炭化水素を処理するための少なくともひとつの管状加熱コイルと、
   ｃ．前記火床に隣接して設けられ、上向きに向けられて前記下方部分及び前記上方部分を通して垂直上向きの燃焼をする複数の火床バーナと、
   ｄ．前記火床に設けられ、前記火床上で直接燃焼をしてこれにより高温の放射火床表面を作る複数のベースバーナと、
   を包含しているものにおいて、
   前記複数のベースバーナ及び前記火床バーナの一方を不足当量で燃焼させる段階と、前記複数のベースバーナ及び前記火床バーナの他方を過剰空気で燃焼させる段階とを包含し、これにより燃料の燃焼を前記放射加熱区域の前記下方及び上方部分を通して段階燃焼としてＮＯ_Ｘの生成を減少するようにした方法。

Images