JP3826361B2 - 対としたバーナを有するゾーン型燃焼装置を備えている熱分解ヒータ - Google Patents

Description

本発明は、熱分解ヒータに関し、より詳細には、プロセス又は加熱コイルの種々の区域への熱フラックスを制御するように改良したバーナ装置に関する。

代表的な熱分解ヒータは、供給原料予熱器を収容するひとつ又はそれ以上の上方対流区域と一緒に、放射加熱区域を包含するひとつ又はそれ以上の火室から成る。放射加熱区域は、２つの放射壁間の火室の中央面に吊るされている複数の放射加熱コイルを収容する。各コイルの巻回部（パス）は、しばしば、出口端に向かって直径が徐々に大きくなるようにすえ込みされている。通常、コイルは入口端の多数の平行な小管と出口端の少数の大管とを有する。

火室の火床又は床に設けられている垂直燃焼式バーナは多くの型式の熱分解ヒータの内部の加熱源として用いられている。エチレンクラッキングヒータの内部には、複数の同一の火床バーナが各火室の２つの長い壁に沿って互いに間隔を置いて配置され、加熱コイルの内部での供給原料の熱分解のために必要な高強度の熱を発生せしめる。特定の条件のための特殊なバーナ設計においては、許容しうる作動包絡線（パフォーマンスエンベロープ）内である強さの関数としての熱発生率を与えなければならない。これは、加熱コイルが、その内部のデポジットの形成を増進して製造のためのヒータ可用性を減少せしめるホットスポットを発達せしめることなしに、その頂部から底部まで十分な熱フラックスを受けることを保証する。エチレンプラントの代表的な熱分解ヒータにおいては、軽質の供給原料のためには８〜１０個程度の火床バーナが、また重質の供給原料のためには多分１８〜２０個の火床バーナが火室の両側の耐火壁の各々に沿って配置され、加熱コイルはこれら２つの壁間の中央部に吊るされている。これらのバーナは、すべて同一の設計であって、おおよそ同一の熱発生率で壁に沿って上向きに燃焼する。これは、加熱コイルの入口巻回部と出口巻回部とが同一の熱フラックス又は熱発生率で加熱されることを生じせしめる。加熱コイル内で処理されるガスはコイルの出口端に向かってより熱いので、これらの出口端は内部コークスデポジットの形成を一層受けやすい。また、コイルの入口端及び出口端は同一の熱発生率で加熱されるので、コーキングは恐らく多いであろう。更に、出口巻回部における高温の処理温度及び等価フラックスのために、出口巻回部の金属温度は通常高い。代表的な放射加熱コイルにおいては、それらの高価な合金管がそれらの塑性流動制限の近くで作動するので、コイルの作動は最大金属温度により制限される。

本発明の目的は、熱分解ヒータのプロセス又は加熱コイルを一層効率良く、すなわち、その冷たい入口区域への熱フラックスを増大せしめると共にその熱い出口区域への熱フラックスを減少せしめるような方法で加熱することにある。この目的は、クラッキングのために必要とされる総入熱を維持しながら、コーキングする傾向を減少せしめるために熱い出口区域への熱フラックスを減少せしめることにある。

本発明は、２つの隣接する加熱コイルの入口区域を一緒に集めると共に、２つの隣接する加熱コイルの出口区域を一緒に集め、かつ高出力バーナ及び低出力バーナを設けるようにしたものである。これらのバーナは、加熱コイルの特定の区域と適当に整列した熱い区域と冷たい区域とに分離されている温度場を発生するように対として配置されている。より詳細には、本発明は、所望する温度区域を得るようにバーナからの火炎を向けるようにしたものである。

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説明する。図１は、従来の熱分解ヒータの断面を示す。この熱分解ヒータは、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２２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。対流加熱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プロセス又は加熱コイルに、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。

放射加熱区域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、符号４６により総括的に示されている複数の垂直燃焼式火床バーナが取り付けられている。これらの火床バーナ４６は、通常、バーナタイル４７と一連の燃料チップ４８とを包含し、バーナタイル４７を通して燃焼用空気のすべてが垂直方向に導入され、一連の燃料チップ４８もまた空気流れ中に向けられている。燃料チップ４８は、二次燃料を燃焼させるためにバーナタイル４７の外側に配置されているが、しかし、後述するように、追加の燃料チップが一次燃料を燃焼させるためにバーナタイルの内側に配置されている。燃焼区域内への二次燃料の遅い拡散混合（段階燃焼と称されている）のために、火炎はその最大温度が炉高さのおそらく半分にまで達する。火床バーナに加えて、壁バーナ４９を設けることができる。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坦な火炎パターンを生成するように設計されている放射型バーナである。

図２はクラッキング又は熱分解ヒータ内の流れパターンを示し、この流れパターンは火床バーナプルームがヒータ内に２つの渦を発生せしめていることを示している。火床バーナ４６からの熱いガスは壁を上向きに走行し、一方、中央の冷たい加熱コイル２６に沿うダウンドラフトは底部で分裂して火床バーナへフィードバックする。駆動力は、高速の燃料噴流、浸透するバーナ空気流れ及び浮力から成る。この２つの渦パターンは、良好に編成されて有効なものである。なぜなら、火床バーナのすべてが一斉に作動し、本質的に垂直に燃焼して水平方向成分及び相互作用がないからである。これは、個々のバーナプルームが加熱コイルからの再循環ガスに迅速に混合することを生じせしめ、個々の火床バーナの出力の変化の影響をそれほど受けないベイシックシステムを作る。

図３は、火室の半分の下方部分の水平断面図であって、従来のゾーン型燃焼バーナのレイアウトを示し、このレイアウトにおいては、幾つかのバーナがノーマルヒートアウトプットバーナであり、他の残りのバーナがハイヒートアウトプットバーナである。３つのセパレートコイル５０，５２及び５４が火室のこの半分の断面に示されており、管５６が小さな入口管とされ、管５８が大きな出口管とされ、管６０がこれらの入口及び出口管間の中間の寸法の管とされている。このレイアウトにおいて、出口管５８以上に入口管５６を加熱することをなすために、出口管５８に隣接する火床バーナ６２が標準燃焼率をもつ標準熱量発生バーナであり、一方、入口管５６に隣接する火床バーナ６４は高い燃焼率をもつ高熱量発生バーナである。

図４Ａは図３のバーナ６２又は６４のひとつの断面図であり、一方、図４Ｂは図４Ａの右側から見たバーナの正面図である。バーナは、セラミック製のバーナタイル４７と、このバーナタイル４７の外側の二次燃料チップ４８と、バーナタイル４７の内側の一次燃料チップ６６とを包含する。これらの燃料チップは、燃料供給導管に取り付けられた中空の球体から成り、この球体はその壁を貫通して適当な角度でドリルであけた又は他の方法で形成した穴から成るノズルを備えている。図４Ａ及び図４Ｂに示されるように、一次燃料チップ６６は矢印６７により示されているように垂直に向けられて燃料する。二次燃料チップ４８は、矢印４９により示されているように図４Ｂの平面においては垂直に向けられているが、しかし、図４Ａの平面においては矢印４９により示されているように壁３４に向かっている方向成分を有し、この方向成分は火炎を壁に向かって付勢する。この壁に向かっての傾斜は、好適には、垂直から１２度から１６度までである。高熱量発生バーナは、低熱量発生バーナよりも拡散しており、その結果、所定の高さレベルから上のほうへの差は小さい。

図３に示されているゾーン型燃焼システムの温度制御効率を増大せしめるために、本発明は互いに隣接する高熱量発生バーナを対にして配置する。この対としたバーナを備えるゾーン型燃焼システムのためのレイアウトが、図５に示されている。この火室は、図３に示されるものと同じであるコイル５０，５２及び５４と管５６，５８及び６０との配列体を包含する。火室は、また、同じ型式の複数の標準熱量発生火床バーナ６２を包含し、これらの火床バーナ６２は出口管５８から成るコイルの部分に隣接してこれらの部分と整列させられている。標準熱量発生バーナのこの配置を容易にするために、ひとつのコイル、例えばコイル５０の出口管５８が隣接する他のコイル、例えばコイル５２の出口管５８に隣接して配置されている。

本発明において、高熱量発生バーナ６８は図３の高熱量発生バーナ６４とは異なっている。その意図は、加熱コイルの特定の区域に整列して高温区域と低温区域とに分離されている温度場を作ることにある。これは、これらの対としたバーナのバーナチップに横向きの方向成分を与えて対としたバーナ間の火炎を合併させ、これらの火炎を壁上を上向きにたどらせることにより、達成される。この横向きの方向成分は、好適には、垂直から１６度から３０度まである。一対のこれらのバーナから出る冷たい空気流れは、それから、バーナ６２に向かって横外向きに方向転換させられ、出口管５８と壁列させられる。図５に、また図６Ｂに一層明確に見られるように、高熱量発生バーナ６８の各々の二次燃焼チップ７２は、矢印７３により示されているように、隣接する他の高熱量発生バーナ６８の方向へ垂直から傾斜されている。これは、高熱量発生バーナからの火炎に対して横向きの方向成分を生じせしめて、これらの火炎を合併せしめる。一次燃料チップ７０は、好適には、矢印７１により示されているように、これまで通りに、垂直に燃焼する。これらのバーナからの火炎の流れパターンは、図７に示されている。

この燃焼モードにおいて、冷たいガス流れは、対とした高温量発生バーナにより発生したプルームというよりはむしろ、コイルに向かってまわり流れて床に戻り下がる傾向を有する。隣接する他の高熱量発生バーナの段階バーナチップの合体により形成された熱いプルームは、コイルの入口巻回部への熱フラックスの増大を生じせしめる。これらの熱いプルームは、まわり戻る前に、火室の高い位置に達する。これは、長い時間の間一層高温のガスをコイルの入口巻回部にとどめておき、出口巻回部にとどまる高温ガスを減少せしめる。これは図８Ａ及び図８Ｂに示されており、これらの図は図８Ａの従来のゾーン燃焼の放射線強度と図８Ｂの本発明の対バーナを備えるゾーン燃焼の放射強度とを比較している。簡略にする目的のために、入口管５６のみがこれらの２つの図に示されている。図８Ａの従来技術と比較して、図８Ｂに示されている本発明によれば、総放射線レベルは入口管の区域で増大し、出口管の区域で減少していることを見ることができよう。同時に、冷たいプルームは中央に向かって流れ出てコイルの出口巻回部近くのコイルダウンフロー区域に入りがちである。種々の高さレベルでのユニットにわたる温度分布の同じ比較は、また、従来技術による幾分均一な分布を示し、これに対し、本発明による温度は出口コイルの区域よりも入口コイルの区域で著しく高いことを示している。

図９は、６つのコイルユニットの半分における３つのコイルの種々の管において、標準のゾーン型燃焼装置によるフラックスに対しての、対バーナ装置によるフラックスの割合を示すチャートである。入口管１〜９，２１〜２８及び２９〜３６から成る巻回部が３％以上の多くの熱フラックスを有していることを見ることができよう。一層重大なことには、管１０〜１９及び３７〜４２から成る巻回部が熱フラックスを減少させられ（２−３％少ない）、低い最高金属温度とされている。

実際に、これはエチレンヒータ設計者が対としたゾーン燃焼によるコイルへの総平均フラックスを増大させることをできるようにする。なぜなら、フラックスは出口コイルまで減少させられ、したがって汚れを減少せしめ、出口コイルにおいて名目上経験させられる最高金属温度を減少せしめるからである。同一の最高金属温度でフラックスを増大することを可能にすることにより、変換又はキャパシティ、若しくはこの両方を増大することができる。したがって、本発明によるキャパシティ又は入熱の予想される全体の増大は、同一の最高温度で作動したときには、相対的フラックス差の総計、すなわち５％以上である。

代表的な熱分解ヒータの概略垂直断面図である。 火床バーナを有する熱分解ヒータの火室内の代表的な流れパターンを示す図である。 従来の熱分解ヒータの火室の下方部分の水平断面図であって、壁に沿って火床上で互いに間隔を置いている複数の火床バーナを示す。 図３の複数の火床バーナのひとつの断面図であって、一次及び二次燃料チップとこの断面の平面における燃焼方向を示す。 図４Ａの火床バーナの正面図であって、壁と平行な平面における二次燃料チップの燃焼方向を示す。 図３と同様な火室の下方部分の水平断面図であるが、本発明の火床バーナ装置を示す。 図５の複数の火床バーナのひとつの断面図であって、一次及び二次燃料チップとこの断面の平面における燃焼方向を示す。 図６Ａの火床バーナの正面図であって、壁と平行な平面における一次及び二次燃料チップの燃焼方向を示す。 本発明の火床バーナ装置からの火炎の流れパターンを示す図である。 ゾーン型燃焼バーナのレイアウトを用いる従来の熱分解ヒータによる放射線強度分布を示すグレースケールの図である。 図８Ａと同様なグレースケールの図であるが、本発明による放射線強度を示す。 従来技術のフラックスに対する本発明によるフラックスの割合を示すチャートである。

Claims (5)

1. 炭化水素をオレフィンに変換するための熱分解ヒータにおいて、
   ａ．放射加熱区域と、
   ｂ．各々が前記放射加熱区域において一列に整列されて入口巻回部と出口巻回部とを有している複数の加熱コイルであって、各加熱コイルの入口巻回部が隣接する他の加熱コイルの入口巻回部に隣接すると共に、各加熱コイルの出口巻回部が隣接する他の加熱コイルの出口巻回部に隣接している複数の加熱コイルと、
   ｃ．前記加熱コイルの列と平行であると共にこの列から間隔を置いている列に沿って互いに間隔を置いている複数の火床バーナであって、各々が第１の燃焼率のバーナと前記第１の燃焼率よりも高い第２の高い燃焼率のバーナとから成っている複数の火床バーナと、
   を包含し、前記第１の燃焼率のバーナが前記加熱コイルの出口巻回部に整列されていると共に、前記第２の高い燃焼率のバーナが前記加熱コイルの入口巻回部に整列され、また前記第２の高い燃焼率の２つのバーナが間隔を置いて隣接して対として配置され、更にこの対の各バーナが上向きに向けられていると共に前記対の隣接する他のバーナに向かって斜めに向けられている燃料ノズルを包含している熱分解ヒータ。
2. 請求項１記載の熱分解ヒータにおいて、前記第１及び第２の燃焼率のバーナがヒータの壁に隣接して配置され、これらの各バーナが一次及び二次燃料ノズルを包含すると共に、前記二次燃料ノズルが前記壁に向かって斜めに向けられている熱分解ヒータ。
3. 炭化水素をオレフィンに変換するための熱分解ヒータにおいて、
   ａ．放射加熱区域と、
   ｂ．各々が前記放射加熱区域において一列に整列されて入口巻回部と出口巻回部とを有している複数の加熱コイルであって、少なくとも幾つかの加熱コイルの入口巻回部が隣接する他の加熱コイルの入口巻回部に隣接すると共に、少なくとも幾つかの加熱コイルの出口巻回部が隣接する他の加熱コイルの出口巻回部に隣接している複数の加熱コイルと、
   ｃ．前記加熱コイルの列と平行であると共にこの列から間隔を置いている列に沿って互いに間隔を置いている複数の火床バーナであって、前記加熱コイルの出口巻回部に整列されている第１の火床バーナと前記加熱コイルの入口巻回部に整列されている第２の火床バーナとから成っている複数の火床バーナと、
   を包含し、前記第１の火床バーナの各々が上向きに向けられた燃料ノズルを包含し、また２つの前記第２の火床バーナが互いに間隔を置いて隣接して対として配置され、更にこの対の各火床バーナが上向きに向けられていると共に前記対の隣接する他の第２の火床バーナに向かって斜めに向けられている燃料ノズルを包含している熱分解ヒータ。
4. 請求項３記載の熱分解ヒータにおいて、前記第１の火床バーナが前記第２の火床バーナよりも低い燃焼率を有している熱分解ヒータ。
5. 請求項３記載の熱分解ヒータにおいて、前記第１及び第２の火床バーナがヒータの壁に隣接して配置され、これらの各バーナが一次及び二次燃料ノズルを包含すると共に、前記二次燃料ノズルが前記壁に向かって斜めに向けられている熱分解ヒータ。

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