JP7148492B2 - ガスタービンからの煙道ガスを使用して炭化水素ストリームを分解する方法 - Google Patents

Description

本出願は、ここにその全体を参考文献として合体させる、２０１６年７月２５日出願のヨーロッパ特許出願第１６１８０９４３．９号の優先権を主張するものである。

本発明は、ガスタービンからの煙道ガスを使用して炭化水素ストリームを分解する方法に関する。最も好適な実施例において、分解は、スチームクラッカによって行われる。

熱分解とも称されるスチームクラッキングは、長い間、種々の炭化水素フィードストックを、オレフィン類、好ましくは、エチレン、プロピレン、ブテン類、などの軽質オレフィン類に分解するために使用されてきた。従来のスチームクラッキングは、二つの主要部分、すなわち対流部および放射部を備える熱分解炉を利用する。炭化水素フィードストックは、通常、炉の対流部に、液体として入り（蒸気として入る軽質フィードストックを除く）、そこで、それは放射部からの高温煙道ガスとの間接的接触とスチームとの直接接触とによって加熱、気化される。その後、気化されたフィードストックおよびスチーム混合物は、放射部に導入されて、ここで分解（cracking）が行われる。それによって得られるオレフィン類を含む生成物は、急冷を含むさらなる下流側処理のために熱分解炉を出る。

分解炉において高温の酸素リッチな排気ガスを燃焼空気として利用しながら動力を作り出すためにガスタービン（ＧＴ）を使用することは、エチレン単位生成当たりのエネルギ要件を低減するための非常に魅力的な手段である。このような方法は、たとえば、Integrating Gas Turbines with Cracking Heaters in Ethylene Plants, International Journal of Engineering Research & Technology (UERT), Vol. 3 Issue 6, June-2014, p.820-825（非特許文献１）から知られ、そこに説明されている。タービン排気（ＴＥＧ）の利用は、高レベルの予熱を提供してヒータの燃料要件を低減する効果的な手段である。しかしながら、空気予熱システムと異なり、ＴＥＧの低い酸素含有率により、炉を通過する煙道ガスの総質量流は増加する。これによって、熱分解モジュールの対流（熱回収）部分におけるスチーム生成が増加する。

国際公開第２０１５／１２８０３５号（特許文献１）は、タービン排気を利用することによるガスタービン統合を通じて処理炉エネルギ効率を増大させる方法を開示している。排気は、熱回収ユニットに供給される。特許文献１のシステムは、予熱された空気を使用することによって火炎温度が高まり、煙道ガス中の燃焼後において形成される不要なＮＯｘの量が増大するという問題がある。

その要約によれば米国特許出願公開第２００６／００８０９７０号明細書（特許文献２）は、触媒を必要とするスチームメタン改質装置と使用されるガスタービンと一体化された流体ヒータ内において流体を加熱する方法を記載している。

エネルギ効率が高く、かつ、ＮＯｘの量が低減される方法が求められている。また、炉によるスチーム生成を増大させるのではなく炉によって燃やされる燃料を節約するエネルギ効率増大方法も求められている。

国際公開第２０１５／１２８０３５号 米国特許出願公開第２００６／００８０９７０号明細書

Integrating Gas Turbines with Cracking Heaters in Ethylene Plants, International Journal of Engineering Research & Technology (UERT), Vol. 3 Issue 6, June-2014, p.820-825

本発明の課題は、ガスタービンからの煙道ガスを使用して炭化水素ストリームを分解する方法であって、エネルギ効率が高く、かつ、ＮＯｘの量が低減される方法を提供することにある。その炉によるスチーム生成を増大させるのではなく、スチームクラッキングユニットの炉によって燃やされる燃料を節約するエネルギ効率増大方法を提供することも本発明の課題である。

したがって、本発明は、炭化水素ストリームを分解する方法を提供し、当該方法は、ガスタービン内で圧縮空気の存在下で燃料を燃焼して煙道ガスを生成する工程であって、煙道ガスはタービンを駆動して接続された発電機またはワーク内において接続された回転装置に動力供給するための電気を提供する工程、煙道ガスの第１部分を熱交換器に供給する工程、熱交換器に環境空気を供給して煙道ガスの第１部分によって加熱して加熱空気を提供する工程、および、炉に対して、燃料と、煙道ガスの第２部分と工程（ｃ）によって得られた加熱空気との混合物とを供給し、そして、スチームクラッキングユニットの炉内において炭化水素ストリームを分解する工程、を備える。

本発明は、さらに、炭化水素ストリームを分解するためのシステムを提供し、当該システムは、圧縮空気の存在下で燃料を燃焼して煙道ガスを生成するためのガスタービンであって、煙道ガスはタービンを駆動して接続された発電機またはワーク内において接続された回転装置に動力供給するための電気を提供するガスタービン、煙道ガスの第１部分と環境空気とが供給される熱交換器であって、環境空気は煙道ガスの第１部分によって加熱されて加熱空気を提供する熱交換器、および、炭化水素ストリームを分解するためのスチームクラッキングユニットの炉であって、炉には燃料と煙道ガスの第２部分と加熱空気との混合物とが供給されるスチームクラッキングユニットの炉、を備える。炉は、好ましくは、スチームクラッキングユニット（スチームクラッカ）の一部である。

本発明の方法およびシステムによれば、ガスタービンによって作り出された煙道ガス（ガスタービン排気）は、スチームクラッキングユニットの炉に供給される環境空気を加熱するのに使用される第１部分と、炉に供給される第２部分とに分割される。したがって、スチームクラッキングユニットの炉に供給される燃焼空気は、煙道ガスの第２部分と、煙道ガスの第１部分によって加熱された空気との混合物である。

煙道ガスは環境空気よりも低い酸素含有率を有する。したがって、もしも炉に供給される燃焼空気が煙道ガスからなるならば、炉の火炎温度は低いものとなるであろう。もしも炉に供給される燃焼空気が空気からなるならば、炉の火炎温度は高いものとなるであろう。また、炉に供給される燃焼空気の温度が高いことによって炉の火炎温度は高くなる。

以下は、本明細書全体を通じて使用される様々な用語と語句の定義を含む。

用語「約（about）」または「概算で（approximately）」は、当業者によって理解されるものに近いものとして定義される。一つの非限定的実施例において、これらの用語は、１０％以内、好ましくは５％以内、より好ましくは１％以内、最も好ましくは０．５％以内、と定義される。

用語「重量％（wt.%）」、「体積％（vol.%）」または「モル％（mol.%）」は、それぞれ、当該成分を含む材料の、総重量、総体積、または総モル数、に基づく成分の重量、体積またはモル比率を指す。非限定的例において、１００モルの材料中の１０モルの成分は１０モル％の成分である。

明細書および／または請求項に使用されている用語としての用語「有効（effective）」とは、所望の、予期される、または意図される結果を達成するのに適していることを意味する。

請求項または明細書中の用語「含む（comprising）」とともに使用される冠詞「ａ」または冠詞「ａｎ」は「一つ」を意味しうるが、「単数または複数（one or more）」、「少なくとも一つ（at least one）」および「一つまたはそれ以上（one or more than one）」とも矛盾しない。

用語「comprising（および、comprise、comprisesなどのすべての語形）」、「having（および、have、hasなどの全ての語形）」、「including（および、includes、includeなどの全ての語形）」または「containing”（および、contains、containなどの全ての語形）は、包合的でオープンエンド的であり、追加の記載されていない要素または方法または工程を排除するものではない。

本発明の方法は、本明細書全体に開示されている、特定の成分、コンポーネント、組成物、工程などを、「含む（comprise）」、「から実質的な構成（consist essentially of）」、または「から成る（consist of）」ものとすることができる。また、あるコンポーネントを含む製品／組成物／システムに関する記載は、これらのコンポーネントから成る製品／組成物／方法／システム、も開示するものであると理解される。これらのコンポーネントから成る製品／組成物／方法／システムは、たとえば、それによって、製品／組成物の調製のためのより単純で、より経済的な方法を提供する点において有利でありうる。同様に、たとえば、ある種の工程を含む方法に関する記載は、これらの工程から成る方法をも開示するものであると理解される。これらの工程から成る方法は、それによって、より単純で、より経済的な方法が提供される点において有利でありうる。

値があるパラメータの下限と上限に関して記載される時において、これらの下限値の複数の値と上限値の複数の値との組み合わせによって構成される範囲も開示されているものと理解される。

本発明の文脈において、以下、１３の態様が記載される。第１の態様は炭化水素ストリームをスチームクラッキングするための方法である。この方法は、以下の工程を有する。すなわち、（ａ）ガスタービン内において圧縮空気の存在下で燃料を燃焼して煙道ガスを生成する工程であって、煙道ガスはタービンを駆動して接続された発電機またはワーク内において接続された回転装置に動力供給するための電気を提供する工程、（ｂ）煙道ガスの第１部分を熱交換器に供給する工程、（ｃ）煙道ガスの第１部分によって加熱される環境空気を熱交換器に供給して加熱空気を提供する工程、（ｄ）スチームクラッキングユニットの炉の放射部に燃料と煙道ガスの第２部分と工程（ｃ）によって得た加熱空気との混合物を供給する工程、および、（ｅ）スチームクラッキングユニットの炉の対流部に、当該スチームクラッキングユニット中の炉の対流コイルを介して炭化水素フィードストリームを供給する工程、である。第２の態様は、第１の態様の方法であって、ここで、スチームクラッキングされる炭化水素フィードストリームは、炉の対流部、炉の放射部、またはこれらの両方、によって予熱される。第３の態様は第１の態様または第２の態様の方法であって、ここで、第１部分と第２部分との重量比は、１：９９～９９：１、たとえば、１０：９０～９０：１０、２０：８０～８０：２０、３０：７０～７０：３０、または４０：６０～６０：４０である。第４の態様は第１～３の態様のいずれかの方法であって、ここで、工程（ａ）において得られる煙道ガスは、体積比で酸素を、約５％～約１８％、約１０％～約１６％、または約１３％～約１５％含有する。第５の態様は、第１～４の態様のいずれかの方法であって、ここで、工程（ａ）において得られる煙道ガスは、約３００℃～約８００℃、約３５０℃～約７００℃、または約４００℃～約６５０℃の温度を有する。第６の態様は、第１～５の態様のいずれかの方法であって、ここで、混合物は、約３００℃～約８００℃、約３５０℃～約７００℃、または約４００℃～約６５０℃の温度を有する。

第７の態様は、炭化水素ストリームをスチームクラッキングするためのシステムである。当該システムは、（ａ）圧縮空気の存在下で燃料を燃焼して煙道ガスを生成するためのガスタービンであって、煙道ガスはタービンを駆動して接続された発電機またはワーク内において接続された回転装置に動力供給するための電気を提供するガスタービン、（ｂ）煙道ガスの第１部分と環境空気とが供給される熱交換器であって、煙道ガスの第１部分によって環境空気が加熱されて加熱空気を提供する熱交換器、および、（ｃ）炭化水素ストリームを分解するための炉を含むスチームクラッキングユニットであって、炉には燃料と煙道ガスの第２部分と加熱空気との混合物とが供給され、炉は放射部と対流部とを有するスチームクラッキングユニット、を備える。第８の態様は、実施例のシステムであって、ここで、熱交換器に供給される空気は、当該熱交換器に供給される前に加圧される。第９の態様は、第７～８の態様のいずれかのシステムであって、ここで、システムは、さらに、煙道ガスまたは煙道ガスの第２部分の酸素含有率を高めるための手段を有する。第１０の態様は、第７～９の態様のいずれかのシステムであって、ここで、熱交換器は、フィード予熱、ボイラ供給水予熱、およびスチーム過熱の少なくとも一つの追加機能を有する。第１１の態様は、第７～１０の態様のいずれかのシステムであって、ここで、システムは、さらに、煙道ガスを第１部分と第２部分とに分割する前に、ガスタービンからの煙道ガスの一部を引き込むためのバイパススタックを有する。第１２の態様は、第７～１１の態様のいずれかのシステムであって、ここで、システムは炉を複数有し、ここで、これら炉のそれぞれに、燃料とガスタービンからの煙道ガスの一部分と熱交換器から加熱空気の一部分との混合物とが供給される。第１３の態様は、第７～１２の態様のいずれかのシステムであって、ここで、システムは炉を複数と、対応する数の熱交換器とを有し、ここで、これら炉のそれぞれに、燃料とガスタービンからの煙道ガスの一部分と各熱交換器からの加熱空気との混合物とが供給される。

本発明のその他の課題、特徴および利点は、以下の図面、詳細説明、および例、から明らかになるであろう。本発明は、ここに記載される特徴の可能なすべての組み合わせ、特に、好適には、請求項に含まれる特徴の全ての組み合わせ、に関するものであると銘記される。したがって、本発明による組成物、方法、システムに関連する特徴の全ての組み合わせ、すなわち、本発明による方法に関連する特徴の全ての組み合わせと本発明によるシステムおよびに関連する特徴の全ての組み合わせ、および本発明による方法に関連する特徴の全ての組み合わせ、がここに記載されていることが理解されるであろう。ただし、図面、詳細説明、および例は、本発明の具体的実施例を示すものではあるが、これらは、例示的に提供されているものに過ぎず、限定的であることが意図されたものではないと理解されなければならない。さらに、本発明の要旨および範囲内の変形および改造は、本詳細説明から当業者にとって明らかであろうと考慮される。別実施例において、特定の実施例からの特徴は、他の実施例からの特徴と組み合わせることが可能である。たとえば、一つの実施例からの特徴を、他の任意の実施例からの特徴と組み合わせることができる。別実施例において、ここに記載される具体的実施例に対して追加の特徴を加えることが可能である。

本発明の利点は、下記の詳細説明によって、そして添付の図面を参照することによって当業者にとって明らかにされる。

炉内の煙道ガスの熱発生プロットを図示している。 燃料が非加熱燃焼空気とともに供給される炉を有するシステムの具体例の略図を示している。 燃料が予熱燃焼空気とともに供給される炉を有するシステムの具体例の略図を示している。 燃料が予熱燃焼空気とともに供給される炉を有するシステムの具体例の略図を示している。 本発明による燃料が予熱燃焼空気とともに供給される炉を有するシステムの具体例の略図を示している。 温度が対流部と煙道ガスの全ての要素に関する伝達される熱の関数としてプロットされている熱発生プロットを図示している。 温度が対流部と煙道ガスの全ての要素に関する伝達される熱の関数としてプロットされている熱発生プロットを図示している。 温度が対流部と煙道ガスの全ての要素に関する伝達される熱の関数としてプロットされている熱発生プロットを図示している。 温度が対流部と煙道ガスの全ての要素に関する伝達される熱の関数としてプロットされている熱発生プロットを図示している。 図６～図９の対流部におけるフィードストリーム予熱部材によって吸収される熱を図示している。 燃料が予熱燃焼空気とともに供給される炉を有するスチームクラッカを含む本発明によるシステムの具体例の略図を示している。

本発明によれば、煙道ガスと当該煙道ガスによって加熱された空気との混合物による燃焼空気の形成によって炉に供給される燃焼空気の温度と酸素含有率の制御が可能となる。また、これによって、炉内の火炎温度が制御される。これにより、ＮＯｘの形成を許容可能なレベルに制限しながら燃料消費を最適化することが可能となる。

もう一つの重要な利点は、本発明によれば、分解条件、または、炉における燃焼の前に燃焼空気に加えられる熱から独立して、対流部への煙道ガスの流れを制御することが可能となることにある。本発明によれば、対流部における熱伝達を変更することなく、分解条件および／または燃焼空気予熱を変えること、あるいはその逆に、分解条件に影響を与えることなく対流部における熱伝達を変えること、が可能となる。一つの具体的利点は、高温ガスタービン排気による燃焼空気予熱を、炉によるスチーム生成を変更することなく、適用できることにある。これは、より多くのスチームが望ましくない場合に有利である。

第１部分と第２部分との重量比は、任意の範囲、たとえば、１：９９～９９：１とするこができ、たとえば、１０：９０～９０：１０、２０：８０～８０：２０、３０：７０～７０：３０、４０：６０～６０：４０、などとすることができる。

燃料は、空気の存在下での燃焼反応用に適した燃料とすることができ、たとえば、燃料は、石油、ガソリン、ディーゼル、天然ガス、または燃料ガスなどの炭化水素混合物とすることができ、これはエチレンプラントの副生物として生産されうる。たとえば、燃料ガスは水素とメタンとを含みうる。いくつかの実施例において、燃料ガスは、一酸化炭素と水素とを含むシンガス（合成ガス）とすることができる。シンガスは、石炭または石油製品のガス化によって作り出すことができる。

ガスタービンによって得られる煙道ガスは、酸素、二酸化炭素、スチーム、および未燃焼燃料を含みうる。たとえば、煙道ガスは、体積比で約５％～約１８％、約１０％～約１６％、または約１３％～約１５％の酸素を含有しうる。

ガスタービンによって得られる煙道ガスは、約３００℃～約８００℃、約３５０℃～約７００℃、または約４００℃～約６５０℃の温度を有しうる。いくつかの実施例において、煙道ガスの温度は、たとえば、ダクトバーナを使用して、高めることができる。たとえば、煙道ガスの温度は約８５０℃まで高めることができる。

熱交換器において、煙道ガスの第１部分から空気へと熱が伝達される。熱交換器によって得られる加熱空気は、１００～８００℃の温度を有しうる。その最終温度は、ガスタービン排気の温度と熱交換器構成とに依存する。

炉は、好ましくはスチームクラッキング用の炉である。この炉は、放射部および対流部を有する。燃料および燃焼空気は放射部に入り、燃料が燃焼されてスチームクラッキング用の高い温度に達する。放射部は、１６００～２２００℃、たとえば１８００～２０００℃の断熱火炎温度を有しうる。

フィード予熱、ボイラ供給水予熱、およびスチーム過熱が、通常、対流部において行われる。煙道ガスの第２部分（バイパス流と称される場合もある）の減少によって、断熱火炎温度が高くなり、放射部への熱が多くなり、対流部において熱回収のために利用可能な熱が少なくなる。したがって、いくつかの実施例において、熱交換器は、空気を加熱する機能に加えて、フィード予熱、ボイラ供給水予熱、およびスチーム過熱の少なくとも一つの追加機能を有する。これは、煙道ガスの第１部分に対する第２部分の比率が低い状況において特に有用である。

好ましくは、システムは、熱交換器に供給される第１部分の量を制御するための手段を有する。

好ましくは、システムは、加熱空気と混合される第２部分の量を制御するための手段を有する。

好ましくは、熱交換器に供給される環境空気は、熱交換器に供給される前に加圧される。これによって、熱交換器によって作り出される圧力低下が克服される。これによって、新鮮空気側においてより大きな圧力降下を起こす熱交換器をよりコンパクトな構成にすることが可能となる。もしも圧力降下を低くする必要があるのであれば、気流速度が低いことが必要であり、これによって、パイプの直径が増大しパイプがよりコスト高になる。ある程度の圧力降下が許容される場合には、気流速度はもっと高いものであってよく、鉄の必要量が少なくなる。

システムは、さらに、煙道ガスの第２部分の酸素含有率を高めるための手段を含みうる。

いくつかの実施例において、本発明によるシステムは、さらに、煙道ガスを第１部分と第２部分とに分割する前に、ガスタービンからの煙道ガスの一部を引き込むためのバイパススタックを有する。これにより、スチームクラッカが運転休止中である場合、または、低負荷運転中である場合に、所望の負荷で電気または仕事（work）生産のためのガスタービンを使用することが可能となる。このようなバイパススタックは、当該バイパススタックへの空気流を制御するためのバルブ／エアレジスタ、を含む。

いくつかの実施例において、本発明によるシステムは、複数の炉を有し、ここで、これら炉のそれぞれに、燃料とガスタービンからの煙道ガスの一部分と熱交換器から加熱空気の一部分との混合物とが供給される。いくつかの実施例において、ガスタービンからの煙道ガスは、複数の炉のそれぞれが、煙道ガスの一部分を供給され、かつ熱交換器が煙道ガスの一部分を供給されるように分割される。熱交換器からの加熱空気は、複数の炉のそれぞれが加熱空気の一部を供給されるように分割される。

いくつかの実施例において、本発明によるシステムは、複数の炉と、対応する数の熱交換器とを有し、ここで、これら炉のそれぞれに、燃料とガスタービンからの煙道ガスの一部分と各熱交換器から加熱空気との混合物とが供給される。これらの実施例において、ガスタービンからの煙道ガスは、複数の炉のそれぞれが、煙道ガスの一部分を供給され、かつ熱交換器が煙道ガスの一部分を供給されるように分割される。熱交換器からの加熱空気は、各炉に供給される。

本発明の一態様によれば、本発明は、本発明によるシステムによって炉内で炭化水素ストリームを分解するための方法を提供する。

炭化水素フィードストリームは、パラフィン類、オレフィン類、ナフタレン類、および／または芳香族化合物類、を含みうる。炭化水素フィードストックは、軽質または重質であってよく、すなわち、約３０℃～約５００℃の沸点を有するものとすることができる。炭化水素フィードストックは、エタン、プロパンおよび／またはブタンを含むガスであってよい。炭化水素フィードストックは、水素化処理装置または水素分解装置から得られるハイドロワックス（未転換油またはハイドロクラッカ底部（bottom）とも称される）であってもよい。いくつかの実施例において、フィードストックは、オレフィン類、パラフィン類、イソパラフィン類、および／またはナフタレン類が豊富な炭化水素ストリームであってよい。フィードストックは、さらに、最大で約３０重量％の芳香族化合物類を含みうる。いくつかの実施例において、約０重量％～約３０重量％のオレフィン類、および／または、約０重量％～約１００重量％のｎ－パラフィン類、および／または、約０重量％～約１００重量％のイソパラフィン類、および／または、約０重量％～約３０重量％の芳香族化合物類を含みうる。炭化水素フィードストックは、様々な供給源、たとえば、天然ガス凝縮物、石油留分、コールタール留分、ピート、および／または、再生可能供給源、など由来のものとすることができる。たとえば、炭化水素フィードストックは、軽質ナフサ、重質ナフサ、直留ナフサ、フルレンジナフサ、水素化処理ナフサ、ディレードコーキングナフサ、ハイドロクラッカナフサ、ガス凝縮物、コーカー燃料オイルおよび／またはガスオイル（たとえば、軽質コーカーガスおよび重質コーカーガスオイルなどのガスオイル）、を含みうる。さらに、たとえば、炭化水素フィードストックは、シンガスの合成（たとえば、フィッシャー・トロプッシュ合成）および／または炭化水素材料のガス化からの炭化水素生成生物を含みうる。

炭化水素フィードストリームは、（スチーム）分解されて生成物ストリームを作り出す。たとえば、炭化水素フィードストリームは、スチームクラッキング炉の放射部においてスチーム分解することができる。フィードストリームをスチーム分解して、そこで、それは約６００℃～約１０００℃、約７００℃～約９００℃、または約７５０℃～約８５０℃の温度で反応器（チューブ）出口から出る。

生成物ストリームは、（スチーム）分解生成物を含むことができる。たとえば、生成物ストリームは、種々のアルケン類（たとえば、エチレンなどの軽質オレフィン類）を含みうる。生成物ストリームは、さらに、他のオレフィン類（たとえば、プロピレンおよびブテン）、パラフィン類（たとえば、メタン、エタン、プロパン、およびブタン）、ジエン類（たとえば、ブタジエン）、ならびに／または、アルキン類（たとえば、アセチレン、メチルアセチレン、およびビニルアセチレン）、を含みうる。いくつかの実施例において、生成物ストリームは、さらに、その他の成分、たとえば、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、硫化水素、ベンゼン、トルエン、キシレン類、エチルベンゼン、スチレン、熱分解ガソリン、および／または、熱分解燃料オイルも含みうる。

図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。

図１は、図２、図３、および図４の実施例に対応する炉中の煙道ガスの熱発生プロットを図示している。すべてのケースにおいて、炉は、放射部において類似の熱要件（１５４ＭＷ_ｔｈ）を有している。

図２は、燃料が非加熱燃焼空気とともに供給される炉を有するシステムの一例の略図を示している。炉には、燃料（１０４）と環境空気（１０５）とが供給される。燃料（１０４）は純粋メタンである。環境空気は、温度３２℃、酸素含有率２１体積％である。燃料（１０４）は、環境空気（１０５）で燃焼される。もしも燃焼の熱が即座に放射されないのであれば、それは位置１０１において断熱火炎温度の温度に達し、そこで、それは、放射部において熱（１５４ＭＷ）を放出する。煙道ガスは１２００℃（１０２）の温度で放射部を出て、追加の熱が対流部（１０３）で回収される。煙道ガスは、この部から１２０℃（１０６）の温度で出る。煙道ガス中の酸素含有率は２モル％である。

対応する熱収支および物質収支が表１によって提供され、これが図１のプロットを作成するために使用される。図１において中レベルの傾き（三角形のマーカ）を有する線がこの例に対応する。放射部の初めにおける温度は１８５０℃であり、対流部での熱発生は３７９Ｍｗ_ｔｈである。

なお、１０１の温度は実際には生じず、これはいわゆる、断熱火炎温度である。

図３は、燃料が予熱燃焼空気とともに供給される炉を有するシステムの例の略図を示している。この例において、燃焼空気（４０４）は、ガスタービン（４２８）からの煙道ガス（４１４）によって加熱される環境空気である。炉に供給される燃焼空気空気（４０４）は、図２の例における燃焼空気よりも高い温度を有し、その酸素含有率は同じである。

この例において、環境空気（４０７）はコンプレッサ（４０８）内において圧縮空気（４０９）へと圧縮され、燃焼チャンバ（４１０）においてさらに加熱され、そこで燃料（４１１）が燃焼されて高温加圧煙道ガス（４１２）が生成され、これが膨張されてターボエキスパンダ（４１３）において仕事（ワーク）を提供する。ターボエキスパンダからの仕事（ワーク）は、同じ軸（４２７）上で機械接続されたコンプレッサ（４０８）と発電機（４２３）とを駆動するために使用される。上記コンポーネントの構成は、通常、高温タービン排気（４１４）と電気（４２４）とを作り出すガスタービン発電機（パッケージ）（４２８）と呼ばれる単一パッケージ化ユニットとして提供される。ターボエキスパンダ（４１３）からの高温排気（４１４）は、熱交換器（４１９）において冷却され、この装置からストリーム４２１として出る。発生された熱は、分解炉への予熱燃焼空気（４０４）として使用される空気（４２０）を予熱するために使用される。空気（４０４）は燃料（４０５）と混合されバーナで燃焼されてスチームクラッキング炉の放射部（４０１）に熱を提供する。熱交換器（４１９）によって（４２０）から（４０４）にかけていくらかの圧力低下が生じるので、空気コンプレッサ（４２６）を使用して環境空気（４２５）をの圧力を十分に上げることによってこの圧力低下を克服する。

対応する熱収支および物質収支が表２によって提供され、これを使用して図１のプロットが作成される。最も急な傾斜（Ｘマーカ）を有する線がこの例に対応する。

なお、４０１の温度は実際には生じず、これはいわゆる、断熱火炎温度である。

炉に供給される燃焼空気の高い温度により、この解決構成は高い燃料節約を達成するが、火炎温度も高くなる。高い火炎温度によって、ＮＯｘ形成が増大する。現実には起こるものではないが、断熱火炎温度は、インジケータを計算するのが比較的易しい。この場合、それ（４０１）は２１５８℃であるのに対して、基本ケースではそれ（１０１）は１８５０℃であった。対流部での熱発生は図２の例よりも低く、３０５ＭＷ_ｔｈである。この燃焼空気予熱方法が改変オプションと見なされる場合、恐らく利用可能な熱が遥かに少なくなって、それによって、スチーム温度が過度に低くなり、フィードストックの蒸発が過度に少なくなり、あるいは、混合フィードが反応器チューブに供給される前の予熱温度が低くなり過ぎる。

図４は、燃料が予熱燃焼空気とともに供給される炉を有するシステムの例の略図を示している。この例において、燃焼空気は、ガスタービンからの煙道ガスである。炉に供給される燃焼空気は、図２および３の例における燃焼空気よりも高い温度を有し、その酸素含有率は低い（１３．３体積％）。これ（図示せず）にいくらかの新しい環境空気を混合してストリーム３０４の酸素含有率を高めることができる。

対応する熱収支および物質収支が表３によって提供され、これを使用して図１のプロットを作る。図１中のもっと傾斜の小さい（四角形マーカ）線がこの例に対応する。

表３：図４の熱収支および物質収支

なお、３０１の温度は実際には生じず、これはいわゆる、断熱火炎温度である。

このシステムの主要な欠点は、バーナの燃料節約が少ないことにある。炉に供給される燃焼空気の酸素含有率が低いことにより、放射部の断熱火炎温度は低くなる（１６２９℃）。単位空気当たりの放射部の熱発生量は少ない。放射部において同じ熱発生量を達成するためには、より多くの煙道ガス流が必要である。その結果、これによって炉の対流部における熱発生が多くなる（４９８ＭＷ_ｔｈ）。

対流部の熱収支の変化により、これらの技術によって既存の炉を改変するためのスチームクラッカにおけるガスタービン統合のためのこれらの方法が複雑化する。

図５は、本発明によるシステムの略図を示している。当該システムは、空気と燃料を燃焼して電力を作り出すガスタービン発電機を含む。このガスタービン発電機は、コンプレッサ（２０８）、燃焼チャンバ（２１０）およびタービン（ターボエキスパンダ）（２１３）を有する。コンプレッサとタービンとは一つの軸（２２７）上で作動される。

コンプレッサ（２０８）において環境空気（２０７）を加圧空気（２０９）へと圧縮し、燃焼チャンバ（２１０）でさらに加熱し、ここで、燃料（２１１）を燃焼して、高温の加圧煙道ガス（２１２）を作り、これを使用してターボエキスパンダ（２１３）中においてワーク（仕事）を提供する。ターボエキスパンダからの仕事を使用して、同じ軸（２２７）上に機械接続されたコンプレッサ（２０８）と発電機（２２３）とを駆動する。上記コンポーネントの構成は、通常、高温タービン排気（２１４）（＝煙道ガス（２１２））と電気（２２４）とを作り出すガスタービン発電機（パッケージ）（２２８）と呼ばれる単一パッケージ化ユニットとして提供される。煙道ガス（２１４）は、ガスタービン（２２８）において行われる燃焼反応からの燃焼生成物と余剰空気との混合物である。ターボエキスパンダ（２１３）からの高温煙道ガス（２１４）は、ストリーム２１５とストリーム２１６とに分割される。この実施例において、システムは、煙道ガス（２１４）を第１部分（２１５）と第２部分（２１６）とに分割する前に煙道ガス（２１４）の一部分（２２９）を取り出すバイパススタックを有する。ストリーム２１６は、高温煙道ガス（２１６）からの熱を、その熱交換器から昇温（２２２）で出る新鮮空気（２２０）へ伝達する熱交換器（２１９）に送られる。ストリーム２１５は、バイパスされ、混合予熱燃焼空気混合物（２０４）へとストリーム２２２と混合されるガスタービン排気の部分である。熱交換器（２１９）によって２２０から２０４にかけていくらかの圧力低下が生じるので、空気コンプレッサ（２２６）を使用して環境空気（２２５）の圧力を十分に上げることによってこの圧力低下を克服する。

あるガスタービン作動ポイントに対してストリーム２１５とストリーム２１６との間の比率、環境空気条件、熱交換器（２１９）構成などが、ストリーム２０４の温度と酸素含有率の所望の組み合わせで制御されるとき、分解ヒータを、ガスタービン統合がない場合（たとえば図２）と全く同様に、ただし、バーナの燃料消費を少なくして、作動させることができる。

ストリーム２０４と２０５との混合物の燃焼から得られる高温煙道ガスは、分解炉の反応器チューブで行われるスチーム分解反応のための熱を提供する。これを行うことにより、これらのガスは冷却し、位置２０２で放射部を出る。この位置でいわゆるブリッジ壁温度を測定することができ、煙道ガスはこれらのガスからの熱回収が行われる対流部へと流れる。これは通常、炭化水素スチーム反応器を予熱し、また、ボイラ供給水を予熱し、超高圧スチームを過熱することによって達成されるが、熱回収のその他の手段も可能である。対応する熱収支および物質収支は表４によって提供される。

表４から、熱交換器２１９の周囲でのガスタービン流を３３１／５６０＝５９％バイパスすることによって、図２のポイント１０１において、ポイント２０１と同じ断熱火炎温度１８４９℃が達成される（その差は僅かに１℃）ことが観察される。

したがって、本発明による方法によって、炉に供給される燃焼空気の温度と酸素含有率とを制御することが可能となり、また、それによって、炉の火炎温度が制御される。これによってＮＯｘ形成を合理的なレベルに制限しながら燃料消費を最適化することが可能となる。

表５は、さらに、タービン排気の温度と第１流と第２流との比率とを変化させることによって所望の断熱火炎温度を得ることが可能であることを示している。バイパス流（２１５）を増加することによって断熱火炎温度が上昇することが理解できる。

スチーム対オイル比率０．４、炭化水素フィードストック４５ｔ／ｈの炉スチーム分解に関して、厳密なシミュレーションを行う。炉は、床および壁バーナを有し、熱入力の８０％は床バーナによって、２０％は壁バーナによって提供される。環境空気温度は３２℃であり、相対湿度４５ｔ／ｈのである。シミュレーションは、Ｐｒｏｔｅｃ ＥＦＰＳバージョン６ソフトウエアによって行われる。４つのケースがモデル化される。

ケース０：基本ケース（図２に対応）。炉は、設計条件で設計構成において予熱空気無しで運転される。

ケース１：図３に図示のシステムを使用して、床バーナのみに予熱空気を使用して炉を運転する。ガスタービン排気を使用して環境空気を４９５℃へ予熱する。

ケース２：図５に図示のシステム（本発明による）を使用して、床バーナのみに予熱空気を使用して炉を運転する。このガスは表４のストリーム２０４の組成と５３３℃の温度を有する。

ケース３：図５に図示のシステム（本発明による）を使用して、床バーナと壁バーナとに予熱空気を使用して炉を運転する。このガスは表４のストリーム２０４の組成と５３３℃の温度を有する。

炉は、対流部において以下の要素を有する（上から下に）。

ＦＰＨ：フィード予熱装置、炭化水素フィードストックを加熱し部分的に気化する。

ＥＣＯ：それをスチームドラムに供給する前にボイラ供給水を予熱する。

ＵＭＰ：上方混合予熱。ＦＰＨからの炭化水素フィードストックと希釈スチームとの混合物を加熱。

ＳＳＨ１：スチームドラムからのスチームを過熱。

ＳＳＨ２：ＳＳＨ１からのスチームをさらに過熱し、所望の条件へ急冷する。

ＬＭＰ：下方混合予熱。ＵＭＰからの混合物を、反応チューブに送る前にさらに加熱する。

全てのケースについて対流部における熱伝達の結果が、熱発生プロット（ＱＴ図）として提供され、ここで、温度は、図６（ケース０）、図７（ケース１）、図８（ケース２）、および図９（ケース３）による対流部の全ての要素と煙道ガスについて伝達された熱の関数としてプロットされている。

図６～９の熱発生プロット／ＱＴ図から、ケース０、２、および３に関して、熱伝達は非常に類似していることが観察される。総デューティは３９～４０ＭＷ_ｔｈであり、ＬＭＰの出口は僅かに６００℃より高い。ただしケース１に関しては、デューティは遥かに少なく（３６ＭＷ_ｔｈ）、ＬＭＰの出口は６００℃を遥かに下回る。

対流部の要素のデューティは、表６にまとめられている。表６から、対流部の高い位置の要素（ＦＰＨ、ＥＣＯおよびＵＭＰ）は、ケース１の運転モードから大きな損失を受けることが観察される。これは、特に、ＦＰＨに当てはまり、ここでは、本発明によるケース３および４と比較して（６．８－４．３）／６．８×１００％＝３７％少ない熱がフィードストックに加えられる。

表６：対流部の要素の熱デューティの計算値

炉の放射部に関するさらなる結果が表７によって提供される。

表７：炉の放射部の運転結果

表７から、ケース３が燃料供給熱のもっとも大きな低減をもたらした（したがって、最大の省エネルギポテンシャル）のに対して、ケース２および３は、ケース０（基本ケース）と比較して放射部において非常に類似する作動を有することが観察される。

ケース１は、高い最高読み取りガス温度を報告しており、これは、運転の最初においてより大きなＮＯｘ形成と、反応器コイルのより高いチューブ材料温度（ＴＭＴ）とをもたらす。運転中、ＴＭＴは反応器チューブ中のコークス形成により増加する。ＴＭＴが高温に達すると、炉の熱出力を低下させるか、デコーキングすることが必要となる。ケース１において、これはケース２およびケース３よりも早期に生じる。ケース２およびケース３は、恐らく、基本ケース０との比較で類似の運転長さを達成するであろう。

本発明による方法のもう一つの利点は、熱交換器２１９に対するバイパスの比率を変えることによって、対流部の熱収支に影響を与えることができることにある。ＦＰＨによって吸収された熱が図１０にプロットされている。この図から、ＦＰＨによる観察されたデューティはケース１とケース２との間で異なることが観察される。ただし、熱交換器２１９周りのバイパスを調節することによって、ケース３とケース１との間の任意の作動ポイントを実現することが可能である。これは、異なるタイプのフィードストックに関しても所望の温度と気化率を達成可能である点で有用である。

図１１は、燃料（６０５）が予熱燃焼空気（６０４）とともに供給されるスチームクラッキングユニット（６００）を有するシステムの例の略図を示している。「スチームクラッキング」およびスチームクラッカは、飽和炭化水素がより小さな炭化水素類（特に、エチレンやプロピレンなどのアルケン類）に分解される石油化学処理である。炭化水素のスチームクラッキングにおいて、炭化水素フィード６９０（たとえば、ガスオイル、ナフサ、液化石油ガス（ＬＰＧ）またはエタン）が、スチーム（６８０）で希釈され、スチームクラッキングユニット（６００）の炉６４０内で酸素の不在下で短時間加熱される。通常、クラッキング反応温度は７５０℃～９５０℃であり、より好ましくは８００℃～９００℃である。滞留時間は１秒以下、ミリ秒、にもすることができる。クラッキング温度に到達すると、通常、ガスを急冷して、熱交換器の伝達ラインまたは急冷オイルを使用する急冷ヘッダ内で反応を停止させる。反応において生成される生成物は、フィードの組成、スチームに対する炭化水素の比率、ならびに、分解温度および炉滞留時間、に応じて異なる。エタン、ＬＰＧまたは軽質ナフサなどの軽質炭化水素フィードからは、エチレン、プロピレン、およびブタジエンを含む、軽質ポリマーグレードオレフィン類が豊富な生成物ストリームが得られる。重質炭化水素（フルレンジで重質のナフサおよびガスオイル分）も、芳香炭化水素類が豊富な生成物を提供する。この例において、燃焼空気（６０４）は、ガスタービン（６２８）からの煙道ガス（６１４）によって加熱される環境空気である。炉に供給される燃焼空気（６０４）は、図２の例における燃焼空気よりも高い温度を有し、その酸素含有率は同じである。

この実施例において、環境空気（６０７）はコンプレッサ（６０８）内において圧縮空気（６０９）へと圧縮され、燃焼チャンバ（６１０）においてさらに加熱され、そこで、燃料（６１１）が燃焼され、それによって、高温加圧煙道ガス（６１２）が生成されて、これが膨張されてターボエキスパンダ（６１３）において仕事（ワーク）を提供する。ターボエキスパンダからの仕事（ワーク）は、同じ軸（６２７）上で機械接続されたコンプレッサ（６０８）と発電機（６２３）とを駆動するために使用される。上記コンポーネントの構成は、通常、高温タービン排気（６１４）と電気（６２４）とを作り出すガスタービン発電機（パッケージ）（６２８）と呼ばれる単一パッケージ化ユニットとして提供される。ターボエキスパンダ（６１３）からの高温排気（６１４）は、熱交換器（６１９）において冷却され、この装置からストリーム（６２１）として出る。発生された熱は、放射部（６０１）と対流部（６０２）を含むスチームクラッキング炉への予熱燃焼空気（６０４）として使用される空気（６２０）を予熱するために使用される。予熱燃焼空気（６０４）は燃料（６０５）と混合され、スチームクラッキングユニット（６００）の炉（６４０）の放射部（６０１）のバーナで燃焼されてスチームクラッキング炉６４０の放射部（６０１）に熱を提供する。炉（６４０）は、さらに、対流部（６０３）を有し、分解されるフィードストック（６９０）はスチームクラッカの炉の対流部（６０３）に入りスチーム（６８０）と混合される。この混合物は、放射部に入る前に高圧スチーム（６７５）を使用して予熱することができる。放射部は、フィードの温度を約７５０～８５０℃まで高めて、分解が起こるように十分に高い温度を確保する複数のバーナを備えている。スチームクラッカの炉を出た後、分解されたガスは、オプションとして、さらなる反応が起こることを防止するために冷却される。上述したように、炉６４０は対流部（６０３）と放射ゾーン（６０１）との両方を形成し、これらゾーンのそれぞれの内部に、チューブ（６９８）としての対流コイルとチューブ（６９９）としての放射コイルとが設けられている。

炭化水素フィードストックまたは、スチームと炭化水素フィードストックとの混合物が、対流チューブ（６９８）と流体流連通状態にある導管（６９２）を介して対流チューブ（６９８）の入口（６９７）に送られる。フィード（６９０）が分解炉（６４０）のチューブ（６９８）を通過し、ここで、それは当該フィードの分解を誘導するために分解温度まで加熱される。分解炉（６９２）からの分解生成物ストリームは導管６９４を通ってセパレータ（６９６）へと下流側に流れ、このセパレータによって分解生成物ストリームはアルケン含有ストリームと他のストリームとに分離される。

分解ゾーン内の典型的な圧力は、一般に、約０ｐｓｉｇ～約１００ｐｓｉｇ、好ましくは１ｐｓｉｇ～６０ｐｓｉｇ、の範囲である。

熱交換器（６１９）によって（６２０）から（６０４）にかけていくらかの圧力低下が生じるので、空気コンプレッサ（６２６）を使用して環境空気（６２５）の圧力を十分に上げることによってこの圧力低下を克服する。

Claims (1)

1. 炭化水素ストリームを分解するための方法であって、
   （ａ）ガスタービン内において圧縮空気の存在下で燃料を燃焼して煙道ガスを生成する工程であって、前記煙道ガスはタービンを駆動して接続された発電機またはワーク内において接続された回転装置に動力供給するための電気を提供する工程、
   （ｂ）前記煙道ガスの第１部分を熱交換器に供給する工程、
   （ｃ）前記煙道ガスの前記第１部分によって加熱されるべく前記熱交換器に環境空気を供給して加熱空気を提供する工程、
   （ｄ）放射部と対流部とを備えるスチームクラッキングユニットの炉の前記放射部に、燃料と前記煙道ガスの第２部分と工程（ｃ）によって得た前記加熱空気との混合物を供給する工程、
   （ｅ）前記スチームクラッキングユニットの炉の前記対流部に、当該スチームクラッキングユニット中の前記炉の対流コイルを介して炭化水素フィードストリームを供給して、前記炭化水素フィードストリームをスチーム分解する工程、および、
   （ｆ）前記煙道ガスまたは前記煙道ガスの前記第２部分の酸素含有率を高める工程、を備え、
   前記第１部分と前記第２部分との比率が４０：６０～６０：４０であり、
   工程（ａ）で得られる前記煙道ガスは、体積比で酸素を１３％～１５％含有し、
   前記炭化水素フィードストリームは、前記炉の前記対流部および前記炉の前記放射部の両方によって予熱され、
   前記工程（ａ）において得られる前記煙道ガスは３００℃～８００℃の温度を有し、
   前記混合物は３００℃～８００℃の温度を有する、方法。

Images