JPS5943514B2 - 炭化水素の熱分解装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、炭化水素の熱分解によりエチレン、プロピレ
ン、その他の有用なオレフィンを製造する炭化水素の熱
分解装置に係り、特にその熱分解炉への燃焼用空気供給
手段の改良に関する。

一般に、オレフィン製造には、多数の熱分解管を内蔵し
た熱分解炉が用いられており、熱分解されたガスは直ち
に急冷器に導入されるよう構成された装置が用いられて
いる。

この熱分解炉においては、原料のナフサや灯油などを８
００℃以上に加熱する必要があるで、燃料消費量がきわ
めて多く、省エネルギーの立場から、この燃料消費量の
節減をはかることが要請されている。

ところで、化学プラントのエネルギー総合利用という面
から、ガスタービンの効率向上のため、ガスタービンに
おける熱損失の大部分を占める高温排気ガスを燃焼装置
の助燃ガスとして利用する試みがなされている。

しかしながら、発電用ガスタービンの特性から、負荷変
動の大きい燃焼装置に適用することが難かしく、このた
め適用分野が制約されている。

すなわち、熱分解炉とガスタービンのみとを結合する場
合、熱分解炉の負荷に相応するようガスタービンの排気
ガス量を制御しないと熱分解炉の熱効率が低下するため
、ガスタービンの入口側に可変ガイドベーンを設けて吸
入空気量を制御するか、あるいはガスタービンの負荷を
増減する必要がある。

しかし、このように制御すると、排気ガス量の変化に比
べて発電出力の変化が大きく、発電効率の低下が著しく
、また排気ガスの温度および酸素含有量が変化するので
、これらに対応するよう熱分解炉を運転操作することは
容易ではない。

このため、従来は、負荷変動の大きいオレフィン製造用
の熱分解炉には、ガスタービンの排気ガスを助燃ガスと
して利用することはなされていなかった。

本発明の目的は、従来、負荷変動の大きいオレフィン製
造用熱分解炉への組込みが困難であったガスタービンを
組込んで、高温排気ガスによるエネルギー効率の大幅な
向上を行なえる炭化水素の熱分解装置を提供するにある
。

本発明は、熱分解炉の燃焼用空気供給系統に、風量可変
送風機の吐出口とガスタービンの排気口とを接続し、こ
れらの送風機の送風量及びガスタービンの入力ガイドベ
ーンの開度または駆動源の少なくとも一つを、空気流量
制御装置により、熱分解炉への燃焼空気供給用の空気ダ
クト内の空気流量が、熱分解炉の燃料消費量から算出さ
れ熱分解炉の過剰酸素率で補正される空気流量に一致す
るよう制御することにより、ガスタービンのみの接続に
基づく不都合を除去して前記目的を達成しようとするも
のである。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

熱分解炉１０は、図中右上に示されるように、複数基並
設され、これらの熱分解炉１０は、それぞれ多管式熱分
解管１１を内蔵しており、これらの各多管式熱分解管１
１の出口には図示しない急冷器が直結されている。

また、各熱分解管１１内には熱分解原料として、ナフサ
、灯油、軽油、天然ガス等の飽和炭化水素が供給され、
稀釈剤として水蒸気が炭化水素供給量に対し０．３〜１
，０の重量比で混合して供給される。

各熱分解管１１は、炉１０内できわめて短時間内に７５
０〜９００°Ｃまで昇温され、前記急冷器で直ちに３５
０〜７００℃程度に急冷される。

前記各熱分解炉１０には、炉内酸素濃度を検出し調節す
る酸素濃度調節計１２及び炉内圧力を検出し調節すると
きもに酸素濃度調節計１２からの信号によりカスケード
制御される圧力調節計（ＰＩＣ）１３がそれぞれ設けら
れ、さらに、各熱分解炉１０の入口ダクト１４にはそれ
ぞれ手動式ダンパ１５が、出口ダクト１６にはそれぞれ
モータ１１により駆動される誘引ファン１８及び駆動源
付きの誘引ファン人口ダンパ１９が設けられている。

また、酸素濃度調節計１２の設定値は、制御用計算機に
より、炉負荷に応じた最適値が与えられる。

前記各熱分解炉１０には図示しないガスバーナ及びオイ
ルバーナが設けられ、これらの各バーナにはそれぞれガ
ス母管２１及びオイル母管２２から燃料ガス及び燃料オ
イルが供給されるようにされ、かつ、ガス母管２１には
燃料ガスの流量、密度、圧力、温度等の状態量を検出す
る検出器２３が、オイル母管２２には燃料オイルの流量
を検出する検出器２４がそれぞれ設けられている。

これらの検出器２３，２４の出力信号及び前記各酸素濃
度調節器１２の出力信号はそれぞれ空気量補正調節計２
０を介して過剰空気率信号として空気流量制御装置３０
に入力されている。

各熱分解炉１０の入口ダクト１４は、各炉１０に燃焼用
空気を供給するための空気ダクト４０に連結されている
。

この空気ダクト４０の途中から分岐された分岐ダクト４
１には、風量可変送風機５１及び補助送風機５２の吐出
口が接続され、これらの送風機５１，５２の駆動源５３
．５４は電動機あるいは蒸気タービンなどからなり、送
風機５１の１駆動源５３は回転数制御ができるようにさ
れている。

この際、駆動源５３を電動機で構成するときは、周波数
変換器を用いて回転数制御を行なうのが有利である。

すなわち、送風機５１の駆動源５３には、周波数変換器
などからなる回転数制御装置５５が接続され、この制御
装置５５には前記空気流量制御装置３０からの信号が入
力されて駆動源５３の回転数制御が行なわれている。

また、補助送風機５２の吐出口には駆動源付きの吐出口
ダンパ５６が設けられ、補助送風機５２から分岐ダクト
４１への送風を制御できるようにされている。

前記空気ダクト４０の分岐ダクト４１よりも上流側には
、ガスタービン用排気ガスダクト４２を介して発電用ガ
スタービン６１の排気口が接続されている。

この排気ガスダクト４２と前記分岐ダクト４１との間に
おいて、空気ダクト４０にはガスタービン６１の排気ガ
スの空気ダクト４０内への導入及び遮断を切換える駆動
源付きの切換ダンパ４３が設けられている。

また、排気ガスダクト４２には大気放出用煙突４４が接
続されるとともに、この煙突４４内にはガスタービン６
１の排気ガスを大気に開放するか否かを制御する。

駆動源付きの放出ダンパ４５が設けられている。

このダンパ４５は、前記排気ガスダクト４２と空気ダク
ト４０との合流部において設けられた圧力調節計４６か
らの検出信号により、圧力制御装置４７を介してその開
度を制御されるようにされている。

この圧力制御装置４１からの出力は、前記熱分解炉１０
の炉内圧制御系、すなわち、各分解炉１０の誘引ファン
人口ダンパ１９の駆動源に各戸１０を選択するセレクタ
（図示せず）を介して入力されるようになっている。

この際、各ダンパ１９の駆動源には図示しないローセレ
クタを介して各戸１０の圧力調節計１３の出力信号も入
力され、ローセレクタにより圧力制御装置４１および圧
力調節計１３の出力信号のうち低い方の信号がダンパ１
９の駆動源に伝達され、これによりダンパ開度の制御が
なされている。

前記ガスタービン６１の空気吸入側には、吸入空気量を
制御する駆動源付きの入口ガイドベーン６２が設けられ
るとともに、ガスタービン６１により発電機６３が駆動
されるようになっている。

この際、ガスタービン６１はその性能上、負荷１００％
での運転が最も熱効率がよいため、入口ガイドベーン６
２は常時は全開とし、熱分解炉１０側の負荷変動に対応
するためには、基本的には風量可変送風機５１による空
気供給量の増減でまかなうようにし、必要やむを得ない
ときだけ、入口ガイドベーン６２の開度調整を行なうよ
うになっている。

なお、このガスタービンとして二軸形式のものを用いる
場合には、ガスタービン自体の負荷（出力）を増減する
ことにより、空気供給量の増減をはかる。

前記ガスタービン６１のトリップ時、すなわち、何らか
の原因でガスタービン６１が停止する場合を考慮してガ
スタービン６１のトリップ信号により作動されるトリッ
プ検出制御装置５１が設けられている。

この検出制御装置５７の出力信号は、補助送風機５２の
駆動源５４に入力されて送風機５２を起動させるとさも
に、遅延回路５８を介して吐出口ダンパ５６の駆動源に
入力され、吐出口ダンパ５６を送風機５２の立上り後に
開口させるようになっている。

また、検出制御装置５７の出力信号は、前記空気ダクト
４０の切換ダンパ４３及び煙突４４の放出ダンパ４５の
駆動源に入力され、切換ダンパ４３を開から閉へ、放出
ダンパ４５を閉から開へ駆動するようになっている。

さらに、同出力信号は、熱分解炉１０の燃料制御系にも
送られ、所定時間分解炉１０の熱分解管１１内の流量を
最小限にして炉負荷を低減させるとともに、燃料流量を
減少させて補助送風機５２が完全駆動されるまでの間の
炉内の酸素不足をカバーできるようにされている。

また、補助送風機５２が作動したのちは、定常の流量で
の運転に復帰させるようになっている。

なお、万一補助送風機５２が作動しないときは、燃料を
カットし、分解炉をシャットダウンする。

前記空気ダクト４０の分岐ダクト４１よりも下流側すな
わち分解炉１０側には、図中左方から、空気ダクト１０
内の温度を検出する温度検出器（Ｔ／Ｃ）７１、圧力を
検出する圧力検出器（ＰＴ）γ２、燃焼用空気流量を検
出する流量検出器（ＦＴ）７３及び燃焼用空気中の酸素
濃度を検出する酸素濃度検出器（Ｑ２）７４が設けられ
、これらの各検出器１１〜１４の出力信号は前記空気流
量制御装置３０に入力されている。

この空気流量制御装置３０には、これらの検出器１１〜
７４の出力信号の他に、前述のように各戸１０の酸素濃
度調節計１２からの出力信号、並びに、ガス及びオイル
母管２Ｌ２２の検出器２３，２４からの出力信号が入力
され、これらの信号に基づいて空気ダクト１０内の空気
流量が適正となるように、前記回転数制御装置５５及び
ガスタービン入口ガイドベーン６２の、駆動源に所定の
スプリットレンジで制御信号を出力するようになってい
る。

すなわち、空気流量制御装置３０は、ガス母管２１及び
オイル母管２２における分解炉燃料量から必要酸素量を
求めるとともに、この必要酸素量に、空気量補正調節計
２０からの過剰空気率を乗じて算出した値が、空気ダク
ト４０内の空気流量と酸素濃度とを乗じ温度および圧力
を基に補正して求めた供給酸素流量になるよう送風機５
１の回転数及びガスタービン入口ガイドベーン６２の開
度を制御するようになっている。

なお、送風機５１及びガスタービン入口ガイドベーン６
２の空気流量制御装置３０による制御は、空気ダクト４
０の空気流量等の信号及び燃料流量等の信号だけでも熱
分解炉１０が必要とする最適空気量（酸素量）を演算で
きるが、各検出器１１〜１４゜２３．２４等の誤差等に
より最適空気量が維持できない場合を考慮して熱分解炉
１０の過剰空気率信号を導入し、供給空気流量等による
演算結果を修正するようになっている。

次に、本実施例の動作につき、場合分けして説明する。

装置の運転開始にあたって熱分解炉１０とガスタービン
６１とを同時に始動する場合は、大気放出用煙突４４の
放出ダンパ４５を開放するとともに、空気ダクト４０内
の切換ダンパ４３は全閉とし、かつ、各熱分解炉１０の
入口ダクト１−４内にある手動式ダンパ１５は全開にし
ておく。

この状態でガスタービン６１を起動するが、ガスタービ
ン６１は自動起動の為、起動から無負荷定格回転数に達
するまでは手動制御をできないから、それまでは排気ガ
スは煙突４４に抜いておく。

ついで、各熱分解炉１０の誘引ファン１８を起動させる
とともに、空気ダクト４０内の切換ダンパ４３を少し開
け、各熱分解炉１０にガスタービン６１の排気ガスを少
し流す。

排気ガスが少し流れ始めた時点で各戸１０の加熱用バー
ナ（図示せず）に点火して炉内温度を徐々に高めていく
。

この際、空気流量制御装置３０による酸素濃度制御は行
なわず、熱分解炉１０の炉内圧は誘引ファン１８で、空
気ダクト４０内の圧力は、排気ガスダクト４２の近傍に
設けられた圧力調節計４６を用いて放出ダツパ４５の開
度でそれぞれ調節し、いわゆる圧力制御を行なう。

炉内温度が規定値になったら、熱分解管１１の保護のた
め管内に蒸気を流す。

熱分解管１１を流れる水蒸気温度が熱分解温度に到達し
た時点で、管内にナフサ等の原料炭化水素を導入するが
、遅くとべこの炭化水素の導入前に風量可変送風機５１
を起動しておく。

熱分解管１１に炭化水素を入れるときは、炉１０の負荷
が急激に増加するため、空気ダクト４０内圧力に十分注
意して負荷を増していく。

各熱分解炉１０に炭化水素を入れ終ったら、圧力制御か
ら酸素濃度制御に切換える。

一方、炉負荷の増力ｎに伴ない供給空気量も増力ｎさせ
る必要があるため、放出ダンパ４５を完全に閉め、送風
機５１の負荷を増加していく。

熱分解炉１０への炭化水素の送入を完了し、熱分解炉１
０が安定運転に入ったら、ガスタービン６１の発電負荷
を入れていく。

この際、ガスタービン６１の排気ガスは、発電負荷を増
加させるに従って温度上昇し、排気ガス中の酸素濃度が
減少していくので、炉１０の変化に十分注意しながら徐
々に発電負荷を増加していく。

また、装置の起動にあたり、熱分解炉１０の起動後、ガ
スタービン６１を起動する場合は、各熱分解炉１０の起
動時は、風量可変送風機５１及び補助送風機５２を駆動
して全て新鮮空気のみにて燃焼用空気の供給を行なう。

ついで、空気ダクト４０内の切換ダンパ４３が閉であり
、煙突４４の放出ダンパ４５が開であることを確認して
ガスタービン６１を起動させる。

この起動後、ガスタービン６１が定格回転数に達したあ
とでダクト４０内の切換ダンパ４３を徐々に開け、放出
ダンパ４５を徐々に閉じていく。

この時、ダクト４０内の圧力が上昇するようであれば、
補助送風機５２の吐出ダンパ５６を徐々に閉めていく。

吐出ダンパ５６が全閉され、補助送風機５２が停止され
るとともに、この補助送風機５２による供給空気量がガ
スタービン６１の排気ガスに切換えられた後、ガスター
ビン６１の発電負荷を、炉１０の状態を監視しながら徐
々に増加して行く。

このようにして炉１０及びガスタービン６１がその起動
の前後に拘わらず安定動作状態となって定常運転状態と
なったら、空気流量制御装置３０による酸素流量制御が
行なわれる。

熱分解炉１０で必要とされる燃焼用空気流量は、炉１０
内に設けであるバーナへの燃料ガス及び燃料オイルの総
計に対する理論空気流量に、熱分解炉１０の排気中の過
剰空気率に相当する空気流量を加えた量となるため、こ
の必要空気流量と空気ダクト４０内の空気流量とが一致
するように制御される。

この際、空気ダクト４０内の空気流量は、当該空気中の
酸素濃度、温度、圧力等による補正がなされる。

ところで、熱分解炉１０における炭化水素の熱分解反応
に伴って、熱分解管１１内にコークスが析出し、時間の
経過とともに熱分解炉１０の効率が低下する。

従って、熱分解炉１０は、複数基並列に設けて一定期間
毎に切換え運転することにより、オレフィン製造装置全
体を連続運転している。

このよう１にコークスが熱分解管１１内に析出した場合
には原料である炭化水素の供給を停止し、水蒸気と空気
とを熱分解管１１に供給して管内の析出コークス除去を
行ない、最終的には加熱バーナを消火して炉内点検を行
なうため、このような工程では熱分解炉の必要空気流量
は大幅に変動することとなる。

前記必要空気流量が複数基の熱分解炉１０の一部停止等
に伴なって減少した場合は、空気流量制御装置−（３）
−〇−からの一指令１とＩ−うて、まず風量可変送風機
５１の１駆動源５３を回転数制御装置５５を介して減速
させ、必要空気流量と空気ダクト４０に設けられた流量
検出器１３等の指示値とを対比調整する。

送風機５１による調整だけでは足りないときには、ガス
タービン６１の入口ガイドベーン６２を絞っであるいは
二軸ガスタービンの発電負荷を減少して排気ガス量を減
少させ、空気ダクト４０内の空気流量を減少させる。

この入口ガイドベーン６２の調整または発電負荷の減少
でも足りないときは、煙突４４内の放出ダンパ４５を圧
力調節計４６により制御しながら開放して対応させる。

一方、コークス除去を完了した熱分解炉１０を始動する
にあたっては、上述とは逆の操作により空気流量を増加
させ、それでも不足するときは、補助送風機５２の作動
によりカバーする。

次に、ガスタービン６１または発電機６３が故障等によ
り緊急停止（トリップ）した場合には、このガスタービ
ン６１の停止がトリップ検出制御装置５γにより直ちに
検出され、空気ダクト４０内の切換ダンパ４３が閉止さ
れるとともに、煙突４４内の放出ダンパ４５が開放され
、かつ、補助送風機５２が始動されて供給空気流量の減
少がカバーされる。

この際、補助送風機５２が起動しても、駆動源５４の起
動完了までには１０数秒の時間を要するため、熱分解炉
１０を一定負荷のまま運転していると一時的に空気不足
となる。

従って、補助送風機５２の完全作動までの間、熱分解炉
１０の負荷を減少させることにより対処している。

上述のような本実施例によれば、ガスタービン６１から
排出される高温の排気ガスを利用できて熱分解装置のエ
ネルギー効率を大幅に向上させることができる。

この際、排気ガスの他に、風量可変送風機５１を設け、
常時の空気流量制御はこの送風機５１の風量で行なうよ
うにしたから、大幅な炉負荷変動がない限り、１００％
負荷運転が好ましいガスタービン６１の効率低下を招く
こともない。

また、装置始動時にあっては、空気流量制御装置３０に
よる制御は行なわず、誘引ファン人口ダンパ１９等から
なる炉内圧制御系及び圧力制御装置４１で制御を行なう
ようにしたから、立上り時の風量不足時には装置として
より適切な制御を行なうことができる。

なお、実施にあたり、ガスタービン６１のトリップ時に
おける補助送風機５２の立上り時の空気不足対策として
は、補助送風機５２を常時無負荷で運転し、ガスタービ
ン６１のトリップ時に急速に負荷をかける方法、あるい
は、補助送風機５２を急速起動できる小型のもの多数で
構成する方法も考えられるが、運転経費、設備費等の問
題が生じるため、実用上は炉負荷を制限する方法が有利
である。

また、前記実施例のように、各熱分解炉１０が誘引ファ
ン１８を備えていれば、図中鎖線で示すように、空気ダ
クト４０に緊急時吸引ダクト４８を設け、このダクト４
８に設けられたダンパ４９を、ガスタービン６１のトリ
ップ時に開放して空気を吸引してもよい。

さらに、熱分解炉１０の数は、図示のように４基に限ら
ず、４基以下あるいは４基以上の複数基であってもよい
。

上述のように本発明によれば、装置のエネルギー効率を
著しく向上させることのできる炭化水素の熱分解装置を
提供できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例を示す概略構成図である。 １０・・・・・・熱分解炉、１２・・・・・・酸素濃度
調節計、１８・・・・・・誘引ファン、２０・・・・・
・空気量補正調節計、２１・・・・・・ガス母管、２２
・・・・・・オイル母管、２３゜２４・・・・・・検出
器、３０・・・・・・空気流量制御装置、４０・・・・
・・空気ダクト、４３・・・・・・切換ダンパ、４５・
・・・・・放出ダンパ、４６・・・・・・圧力調節計、
４１・・・・・・圧力制御装置、５１・・・・・・風量
可変送風機、５２・・・・・・補助送風機、５５・・・
・・・回転数制御装置、５７・・・・・・トリップ検出
制御装置、６１・・・・・・ガスタービン、６２・・・
・・・入力ガイドベーン、１３・・・・・・流量検出器
、１４・・・・・・酸素濃度検出器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炭化水素熱分解管を内蔵した熱分解炉を複数基並列
   に設置するとともに、これらの熱分解炉に燃焼用空気を
   供給する風量可変送風機及びガスタービンを並設し、こ
   の送風機の吐出口及びガスタービンの排気口を各熱分解
   炉に到る空気ダクトにそれぞれ接続し、前記ガスタービ
   ンの排気口と空気ダクトとの間にはガスタービンの排気
   ガスの空気ダクト内への導入及び遮断を切換える切換ダ
   ンパを設け、かつ、前記空気ダクト内の空気流量が、熱
   分解炉の燃料消費量から算出され熱分解炉の過剰酸素率
   で補正される空気流量に一致するよう前記送風機の駆動
   源及びガスタービンの入口ガイドベーンまたは駆動源の
   少なくとも一つの制御する空気流量制御装置を設けたこ
   とを特徴とする炭化水素の熱分解装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記風量可変送風
   機の駆動源の制御とガスタービンの入口ガイドベーンま
   た駆動源の制御とのうち、風量可変送風機の駆動源の制
   御を優先的に行なう空気流量制御装置を備えたことを特
   徴とする炭化水素の熱分解装置。