JP6438489B2 - プロセス炉のエネルギー効率を向上させるための方法 - Google Patents

Description

本発明は、タービン排ガスを用いることによるガスタービン統合により、プロセス炉のエネルギー効率を向上させるための方法に関する。より詳細には、本発明は、ガスタービン統合による蒸気分解のエネルギー効率の向上に関する。

米国特許第４，１７２，８５７号は、分離された石炭燃焼火力発電ユニットから循環される高温集塊灰粒子により加熱された、加圧されたライザー型熱分解器を用いた非接触分解プロセスに関する。圧縮機からの圧縮空気は、導管を介して熱交換機のコイルを通過し、メイン空気供給管を通って、高速空気を再循環導管手段に供給する分岐導管に流れる。燃焼ユニットからの燃焼ガスは、ダクトの排出口から上方に流れる。サイクロンを出たガスは、灰を含まない燃焼ガスを蒸気生成器及び過熱器に供給する燃焼ガスダクトに流れる。ガスは、更に、ガスタービンの供給口及び過熱器に流れる。蒸気タービン及び電気モーター−発電機は、起動及び起動後に利用可能な余剰の力からの電気の生成を補助するためのタービン及び圧縮機に接続される。過熱器及び熱交換機は、蒸気を提供し、液体炭化水素原料及び空気を予熱するために、燃焼ガスから熱エネルギーを回収し、燃焼ガスは冷却される。熱交換機のコイルに導入されるボイラー供給水は、予熱され、蒸気ドラムに戻される。蒸気ドラムからの水は、蒸気を生成するために、分解されたガスにより加熱される従来の熱交換機に供給され、蒸気は蒸気ドラムに戻される。ドラムからの蒸気は過熱器のコイルに通され、過熱された蒸気は排出される。ここに記載された技術は、周囲の空気を圧縮して組み合わされた（触媒）再生プロセス／プロセス熱供給に送る圧縮機を有する。この圧縮機は、プロセスからの炭化水素ガスを膨張させるタービンにより駆動される。タービン及び圧縮機により生成／要求される仕事は、直接プロセスに関係する。

国際公開公報第ＷＯ９０／０６３５１号は、従来の管状炉の対流部において、少量かつ臨界量の水素の存在下で炭化水素を予熱することにより、重質炭化水素の蒸発中のコークスの生成を抑えるための方法に関する。ここに記載された技術は、（蒸気）分解炉におけるコークスの形成を防ぐための技術であり、蒸気分解と電力生成を組み合わせることにより、よりエネルギー効率的である技術に関するものではない。

国際公開第ＷＯ２０１１０／０７７４６１号は、コークス形成を防ぎ、分解炉において重質炭化水素原料を処理することを可能とする方法であって、炉の炎管内の上方及び下方対流加熱部と、下方対流加熱部の下流に接続された輻射加熱部と、輻射加熱部の下流に接続されたトランスファーライン交換機と、炉バーナー及び輻射加熱部を含むボックス炉と、上方及び下方対流加熱部の間に接続された蒸気／液体分離器と、を有する炭化水素分解炉において、不揮発成分を含む炭化水素原料ストリームを分解するプロセスを含む方法に関する。ここに記載された技術は、コークスの形成を防ぎ、分解炉において重質炭化水素原料を処理することを可能とする技術である。この参照文献には、蒸気分解に電力生成を組み合わせることにより、よりエネルギー効率的である技術は記載されていない。

米国特許出願公開第２０１３／００１１３２号は、熱分解ガスを冷却するためにＴＬＥを使用して、熱分解炉においてオレフィンを生成するための方法及び装置であって、ＴＬＥの管壁のコーキングを防ぐために管壁の湿潤を維持するために、管にある量の湿潤液を注入するステップを含み、湿潤した管壁のＴＬＥは高圧蒸気を生成可能であることを特徴とする方法に関する。

特開平０９−７９５０６号公報は、排熱回収ボイラの伝熱管内孔食の発生を防止するために、排熱回収ボイラにヒドラジンを注入する方法に関する。

国際公開公報第ＷＯ９１／１５６６５号は、硫酸塩パルププロセスにおいて、余剰の蒸気をタービン燃焼器又はその排気ガスに注入することにより、熱消費と合致するように熱生成を調整する方法に関する。

米国特許第６，２３７，３３７号は、太陽光発電所により化石燃料の消費を低減させるための改造装置であって、発電所は、一連の熱交換コイルの形式で、高温排気ガスを受け取る廃熱ボイラーを含むことを特徴とする装置に関する。熱を使用された排気ガスは、ボイラーを出た後、大気に発散される。熱交換コイルにおいて、水の蒸発が複数の段階で発生して蒸気を生成し、発電機に連結された蒸気タービンで利用される。タービンは蒸気を膨張させ、発電機から電力を生成するとともにタービン排気から膨張された蒸気を生成する発電機を駆動する。凝縮器は、膨張された蒸気を凝縮物に凝縮し、凝縮物は水のループを完成させるためにボイラーに戻される。蒸気は、タービンに利用される過熱蒸気を生成する過熱コイルに利用される。

熱分解とも呼ばれる蒸気分解は、様々な炭化水素原料をオレフィン、好ましくはエチレン、プロピレン、及びブテンなどの軽質オレフィンに分解するために長年用いられてきた。従来の蒸気分解は、変換セクション及び輻射セクションの２つの主なセクションを有する熱分解炉を使用する。炭化水素原料は、一般に、炉の変換セクションに液体として導入され（蒸気として導入される軽質液体原料を除く）、輻射セクションからの高温燃焼ガスとの間接的接触と、蒸気との直接的接触により、加熱され、気化される。蒸発した原料と蒸気の混合物は、輻射セクションに導入され、分解が起こる。得られたオレフィンを含む生成物は、冷却を含む下流の更なる処理のために熱分解炉から排出される。

例えばLummus Technologyにより運転されるエネルギー変換プロセスにおいて、蒸気分解エネルギー効率は、ガスタービン炎管ガス（ガスタービンの種類に依存して、約４００〜６５０℃、約１３〜１５容量％の酸素を含む）が分解炉のための燃焼空気として使用されるガスタービン統合によって増加される。とりわけ、エチレンプラントとのガスタービン統合は、燃焼空気分配ヘッダーのための供給物としてタービン排気ガスを使用することを含む。

本技術に関するある側面は、より多くの熱がプロセスに供給可能である場合に、熱電併給（ＣＨＰ）の増加によるエネルギーの節約である。プロセスへの熱供給（及びエネルギー節約可能性）は、蒸気分解炉の燃焼空気の要件により限定され、ガスタービンのサイズは、炉の燃焼空気の要件により限定されるので、より大きなガスタービンのスケールメリットの可能性は限定される。これは、本技術の運転規模は、蒸気分解炉と熱電併給（ＣＨＰ）との密接な技術的関係により規定され、いくらかの潜在的な負の技術的結果がもたらされることを意味する。

これは、このような構造におけるガスタービンのトリップは、分解条件に対して重大な障害を有し、プラントの後段全体の結果をもたらすことを意味する。この統合技術は、分解炉による更なる蒸気生成をもたらす。これは、ＣＨＰプラントや現場における蒸気供給及び消費の調整などの、他のエネルギー節約選択肢の適用可能性を限定する。したがって、分解炉において更に生成された蒸気は、現場のＣＨＰプラントからの効率的な蒸気生成を置換し、正味の節約を低下させる結果となる。

本発明の目的は、ガスタービン統合により蒸気分解のエネルギー効率を増加させるための方法において、炉プロセスがガスタービンプロセスとは別に実行される方法を提供することである。

本発明の別の目的は、ガスタービン統合により蒸気分解のエネルギー効率を増加させるための方法において、蒸気分解及びガスタービンの全システムに対するガスタービンの故障の負の効果が最小化される方法を提供することである。

本発明の別の目的は、タービン排気ガスを用いたガスタービン統合により蒸気分解のエネルギー効率を増加させるための方法において、過熱蒸気がエネルギー効率的な手段で生成される方法を提供することである。

本発明の別の目的は、タービン排気ガスを用いたガスタービン統合により蒸気分解のエネルギー効率を増加させるための方法において、タービン排気ガスがボイラー供給水を加熱するために使用される方法を提供することである。

本発明は、タービン排気ガスを使用することによるガスタービン統合によりプロセスの炉のエネルギー効率を増加させる方法であって、炭化水素原料が炉で加熱され、前記方法は、
ｉ）前記炉に高温の熱を提供するために、前記炉のバーナーに燃焼空気を燃焼燃料とともに供給するステップと、
ｉｉ）蒸気ドラムからの水を用いることにより、水蒸気の生成下で、処理された炭化水素原料を冷却するステップと、
ｉｉｉ）水と生成された水蒸気の混合物を前記蒸気ドラムに戻すステップと、
ｉｖ）前記蒸気ドラムからの飽和高圧蒸気を回収し、前記飽和高圧蒸気を熱回収ユニットに供給するステップと、
ｖ）前記高圧蒸気を過熱高圧蒸気に変換するために、前記タービン排気ガスを前記熱回収ユニットに供給するステップと、
を含むことを特徴とする方法に関する。

本方法は、ＣＨＰユニット及びプロセス炉の空気系の物理的分離を提供する。本方法によれば、タービン排気ガスを炉の輻射セクションに送る代わりに、タービン排気ガスを熱回収ユニットに供給することにより、ＣＨＰユニットとプロセス炉とを分離した状況が実現される。

このように、本発明は、ガスタービンをプロセス炉から分離する方法に関する。この分離は、下記のような効果を有する。
ｉ）プロセス炉の対流セクションにおける熱負荷を低減することにより、対流セクションにおいて利用可能な余剰の熱をもたらし、燃焼空気を予熱するために使用することができるので、（１）より少ない燃料ガスの消費と、（２）プロセス炉におけるより高い燃焼温度をもたらし、より多くの高品質な熱を利用可能とするとともに、より少ない低品質な「無駄な」熱をプロセス炉の対流セクションにおいて回収することができる。これは、エネルギー効率の利点である。
ｉｉ）実用的な（タービン／圧縮機）システムは、プロセスと干渉しない。とくに、米国特許第４，１７２，８５２号においては、圧縮機４、ガスタービン５、モーター／発電機８１、及び／又は蒸気タービン８０（これらの参照符号は、米国特許第４，１７２，８５２号の図１から取られた）のいずれかの故障は、これらの運転がプロセスの維持に必要なものであることから、全プロセスの停止をもたらす（圧縮された空気の再生ユニットへの供給が停止すると、プロセスが停止する）。他方、本発明に係る方法は、継続可能である（エネルギー効率及びおそらくは生産能力が低下するけれども）。

本発明において開示されるような間接的な統合は、ガスタービンが故障した場合に、分解条件に影響を与えない。

実際、本熱回収ユニットは炉と分離され、このような熱回収ユニットの（分離された）配置は、結果的にこれらの独立した制御をもたらす。このような熱回収ユニットの分離は、双方のユニットの規模を分離し、より有利なＣＨＰを可能とするという有利な効果を有する。さらに、ボイラー供給水の調整、及び過熱高圧蒸気の調整に、炉からの高温燃焼ガスだけでなく、熱回収ユニット自体からの熱容量を用いることにより、エネルギー効率を大幅に増加させることができる。運用上の観点からは、本発明を用いる場合、複数のユニットのうちの１つの運転上の不調又はトリップが、他のユニットの運転停止を意味しないという大きな利点があることが理解されよう。例えば、ガスタービン部の故障が炉システムの停止を意味せず、逆もまた然りである。

本方法において、ガスタービン発電機（ＧＴＧ）は、電気及び高温燃焼ガスを生成する。高温燃焼ガスは、熱回収ユニット（ＨＲＵ）により、蒸気ドラムからの飽和蒸気を過熱するために、ＨＲＵの過熱（ＳＨ）部において使用される。

本方法において、炉は、好ましくは、蒸気分解炉、プロパン脱水素化炉、及びブタン脱水素化炉の群から選択される。

本発明の好適な実施の形態において、炉は、蒸気分解炉である。この蒸気分解炉において、高温の熱は、ステップｉ）にしたがって、蒸気分解炉の輻射部に、輻射部に存在する炭化水素の分解条件下における熱分解のために提供される。

蒸気分解炉は、輻射部と対流部からなる。気化された液体の炭化水素原料（ＦＰＨ）の場合、炭化水素原料は、対流部において予熱され（ＦＰＨ）、輻射部の輻射コイルにおいて更に過熱され（ＦＨ）、分解される。本発明において、燃焼空気を予熱することにより（ＡＰＨ）、熱回収が発生する。輻射部を出ると、ガスはトランスファーライン交換機（ＴＬＥ）により急冷され、冷却は蒸気ドラムからの水により提供される。蒸気ドラムにおいて、水と蒸気は分離される。蒸気は、過熱部（ＳＨ）において過熱される。

本方法は、好ましくは、ボイラー供給水を熱回収ユニットに供給するステップと、予熱されたボイラーの供給水を蒸気ドラムに供給するステップとを含む。別の実施の形態において、本方法は、炉からの高温燃焼ガスによりボイラー供給水を予熱するステップと、予熱されたボイラー供給水を蒸気ドラムに供給するステップとを更に含む。

さらに、ステップｉｉ）は、トランスファーライン交換機（ＴＬＥ）を使用することにより実行されることが好ましい。

本方法の好適な実施の形態において、熱回収ユニットは、蒸発器及び／又は蒸気発生器を更に含む。

熱回収ユニットは、更なる蒸気生成容量のための熱容量を更に提供するために、１以上のダクトバーナーを含むことが更に好ましい。

さらに、本方法は、空気を１以上のバーナーに提供するための１以上の外気供給器を更に含む。

本発明に係る方法は、より低圧で運転され、中圧及び／又は低圧の加熱蒸気を生成する１以上の節約装置、蒸気発生器、蒸気ドラム、及び過熱器を更に含む。

本方法において、プロセス液又はガスを熱回収ユニットに供給することによりプロセス液又はガスを加熱してもよい。

熱回収ユニットは、蒸発器を備えてもよい。分解炉の一部又は全部のトリップの場合も、ある程度の蒸気生成が継続されよう。さらに、熱回収ユニットは、１以上の分解炉のトリップの場合に、更なる蒸気生成及び代替の容量を可能とするための蒸発器及び補助的な燃料点火を備えてもよい。ガスタービンのトリップの場合に、継続運転を可能とするために、熱回収ユニットが、蒸気発生器、蒸発器、及び外気燃料を備えてもよい。さらに、熱回収ユニットのこのセクションにおいて、ボイラー供給水を加熱する代わりに、他のプロセス液又はガスを加熱してもよい。燃焼温度を低下させ、ＮＯＸの排出を低減させるために、蒸気分解炉に燃焼ガスの再循環が設けられてもよい。蒸気分解炉に、ＳＣＲ ＮＯＸの低減が装備されてもよい。

以下、添付の図面とともに、本発明を更に詳細に説明する。

図１は、本発明の方法の実施の形態の概略図である。

図１に概略的に示されるプロセス及び装置１０１を参照する。図１には、ガスタービン統合により蒸気分解のエネルギー効率を向上させるためのプロセスが示される。

燃焼空気１は、炉５のセクションに送られる。炉５において、プロセス原料を含むストリーム４は、第１の予熱部において加熱され、炉５の輻射部の輻射コイル７において更に加熱され、分解される。炉５は、燃料を含むストリーム６によって加熱される。燃焼空気１は、分解炉５からの高温燃焼ガス２によって予熱される。燃焼空気１を熱回収ユニット１４のセクションにおいて予熱してもよい（図示せず）。分解炉５から得られる分解された炭化水素原料は、トランスファーライン交換機（ＴＬＥ）１１により急冷される。冷却は、蒸気ドラム１２からの水９により提供される。蒸気ドラム１２において、水及び蒸気が分離され、蒸気ドラム１２において生成された蒸気１３は熱回収ユニット１４に送られる。飽和高温蒸気ストリーム１３は、熱回収ユニット１４を出た後、過熱高圧蒸気に変換される。トランスファーライン交換機１１において、蒸気ドラム１２からの水９は、水と蒸気の混合物１０に変換され、蒸気ドラム１２に戻される。ボイラー供給水３は、節約装置とも呼ばれる、熱回収ユニットのセクションにおいて加熱される。ボイラー供給水３を蒸気分解炉５からの高温燃焼ガスにより予熱してもよい（図示せず）。ボイラー供給水３を熱回収ユニット１４において加熱した後、加熱された水２４は蒸気ドラム１２に送られる。

圧縮機１９に接続されたタービン２２に接続された発電機において電力１８が発生される。外気が圧縮機１９に送られる。燃焼チャンバー２１において、燃料２０が圧縮機１９からの高圧空気と混合され、燃焼される。高圧燃焼生成物がタービン２２において膨張される。タービン２２からの排気ガスは、熱回収ユニット１４に送られる。熱回収ユニット１４は、より低圧で運転され、中圧又は低圧の熱蒸気を生成する１以上の節約装置、蒸気発生器、蒸気ドラム、及び過熱器（図示せず）を含んでもよい。

図１は、蒸気分解炉５の実施の形態を示すが、本方法は、プロパン脱水素化炉及びブタン脱水素化炉などの他の炉においても実行可能である。

Claims (12)

1. タービン排気ガスを使用することによるガスタービン統合によりプロセスの炉のエネルギー効率を増加させる方法であって、炭化水素原料が炉で加熱され、前記方法は、
   ｉ）前記炉に高温の熱を提供するために、前記炉のバーナーに燃焼空気を燃焼燃料とともに供給するステップと、
   ｉｉ）蒸気ドラムからの水を用いることにより、水蒸気の生成下で、処理された炭化水素原料を冷却するステップと、
   ｉｉｉ）水と生成された水蒸気の混合物を前記蒸気ドラムに戻すステップと、
   ｉｖ）前記蒸気ドラムからの飽和高圧蒸気を回収し、前記飽和高圧蒸気を熱回収ユニットに供給するステップと、
   ｖ）前記高圧蒸気を過熱高圧蒸気に変換するために、前記タービン排気ガスを前記熱回収ユニットに供給するステップと、
   を含むことにより、ガスタービンを前記プロセスの炉から分離することを特徴とする方法。
2. 前記炉は、蒸気分解炉、プロパン脱水素化炉、及びブタン脱水素化炉の群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記炉は、蒸気分解炉であり、
   ステップｉ）において、高温の熱は、前記蒸気分解炉の輻射部に、前記輻射部に存在する炭化水素の分解条件下における熱分解のために提供される
   ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記炉からの高温燃焼ガス及び／又は前記熱回収ユニットからの高温燃焼ガスにより炉の燃焼空気を予熱するステップを更に含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 前記熱回収ユニットからの高温燃焼ガスによりボイラーの水を予熱するステップと、予熱されたボイラーの供給水を前記蒸気ドラムに供給するステップと、を更に含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 前記炉からの高温燃焼ガスによりボイラーの水を予熱するステップと、予熱されたボイラーの供給水を前記蒸気ドラムに供給するステップと、を更に含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. ステップｉｉ）は、トランスファーライン交換機（ＴＬＥ）を使用することにより実行されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 前記熱回収ユニットは、蒸発器及び／又は蒸気発生器を更に含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
9. 前記熱回収ユニットは、過熱高圧蒸気を提供するための熱容量を更に提供するために、１以上のダクトバーナーを含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
10. 空気を前記１以上のバーナーに提供するための１以上の外気供給器を更に含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. より低圧で運転され、中圧又は低圧の熱蒸気を生成する１以上の節約装置、蒸気発生器、蒸気ドラム、及び過熱器を更に付加的に含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
12. プロセス液又はガスを前記熱回収ユニットに供給することにより前記プロセス液又はガスを加熱するステップを更に含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。

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