JPS62146990A - 炭化水素の熱分解装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、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し、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装置
等に利用できる。

〔背景技術とその問題点〕

一般に、炭化水素の熱分解炉においては、原料のナフサ
や灯油等を８００℃以上に加熱する必要があるので、燃
料消費量が極めて多く、省エネルギーの立場から、この
燃料消費量の節減を図ることが要請されている。

この要請に応えるものとして、オレフィン製造用熱分解
炉へ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える装Ｗ（特公昭５９−４
３５１４号公報）が提案されている。

この装置は、熱分解炉の燃焼用空気供給系統にガスター
ビンの排気口の他に風量可変送風機を接続し、熱分解炉
の炉負荷変動に対して常時は前記風量可変送風機からの
風量を加減することによってこれを補い、ガスタービン
のみの接続に基づく不都合を除去している。

しかしながら、このような従来の装置では、外気温度や
気圧の著しい変化に伴ってガスタービンから排出される
排ガス量や排ガス組成が著しく変動じた場合（通常、ガ
スタービンは、夏期等の外気温度が高くなると、排ガス
量や酸素濃度等が大幅に低下し、排ガス温度が大幅に上
昇する傾向を示す。）、これを補いきれず安定した制御
が困難である。また、ガスタービンから排出される排カ
スと、送風機によって送風される空気とは、温度もしく
は酸素濃度等が著しく異なるため、前者が変動した分を
後者で補う制御が必ずしも容易でない。

このような理由から、上述の従来装置では、特に外気に
大きな変化があった場合等に安定した制御を行うことが
困難であった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、外気の温度等が変化してもガスタービ
ンから排出される排ガス量を所定値に維持し、熱分解炉
への燃焼用空気供給用の空気ダクト内の空気流量を常に
最適な値に制御できるようにした炭化水素の熱分解装置
を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段および作用〕本発明は、
熱分解炉へ燃焼用空気を供給する空気ダクトにガスター
ビンの排気口を接続したものにおいて、ガスタービンの
吸気口に過給機を接続し、この過給機を空気流量制御装
置によって制御することにより、外気温度等の変化に対
してガスタービンからの排ガス量を所定値に維持し、熱
分解炉が必要とする空気を空気ダクトに安定して供給で
きるようにするとともに、ガスタービンの緊急停止等を
考慮して、過給機の吐出口の一部を空気ダクトに接続す
るようにしたものである。

具体的には、炭化水素の熱分解炉に燃焼用空気を供給す
るガスタービンを設置し、このガスタービンの排気口を
熱分解炉に至る空気ダクトに接続したものにおいて、前
記ガスタービンの吸気口に過給機を接続するとともに、
過給機の吐出口の一部を前記空気ダクトに接続し、前記
空気ダクト内の空気流量が前記熱分解炉の燃料消費量か
ら算出される空気流量に一致するように前記過給機を制
御する空気流量制御装置を設けた、構成を特徴としてい
る。

〔実施例〕

図は本発明の実施例を示す系統図である。同図において
、熱分解炉２は、図中右上に示されるように、複数機並
設され、これらの熱分解炉２は、７　それぞれ多管式熱
分解管４を内蔵しており、これら各熱分解管４の出口に
は図示しない急冷器が直結されている。各熱分解管４内
には熱分解原料として、ナフサ、灯油、軽油もしくは天
然ガス等の飽和炭化水素が供給され、稀釈剤として水薫
気が炭化水素供給量に対して０．３〜１．０の重量比で
混合して供給される。これらの熱分解原料および稀釈剤
は、熱分解炉２内で極めて短時間内に７５０〜９００℃
まで昇温され、前記急冷器でただちに３５０〜６５０℃
程度に急冷される。

前記各熱分解炉２には、炉内酸素濃度を検出して調節す
る酸素濃度調節計６および炉内圧力を検出して調節する
とともに酸素濃度調節計６からの信号によりカスケード
制御される圧力調節計（ＰＩＣ）８がそれぞれ設けられ
、さらに、各熱分解炉２の人口ダクト１０にはそれぞれ
手動式ダンパ１２が、出口ダクト１４にはそれぞれモー
タ１６により駆動される誘引ファン１８および駆動源付
の誘引ファン人ロダンバ２０が設けられている。

なお、酸素濃度調節計６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２には図示しないガスバーナおよびオイ
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２２およびオイル母管２４から燃料ガスおよび燃
料オイルが供給されるようになっている。ガス母管２２
には燃料ガスの流量、密度、圧力および温度等の状態量
を検出する検出器２６が、オイル母管２４には燃料オイ
ルの流量を検出する流量計２８がそれぞれ設けられてい
る。

これらの検出器２６および流量計２８の出力信号並びに
前記各酸素濃度調節計６の出力信号は、それぞれ直接ま
たは空気量補正調節計３０を介して過剰空気率信号とし
て空気流量制御装置３２に入力されている。

各熱分解炉２の入ロダク）１０は、各熱分解炉２に燃焼
用空気を供給するための空気ダクト３４に連結されてい
る。この空気ダクト３４には、その途中に分岐ダクト３
６が連結されているとともに、分岐ダクト３６よりも上
流側にガスタービン用排気ガスダクｌ〜５０を介して発
電用ガスタービン５２の排気口が接続されている。ここ
で、ガスタービン５２には発電機７６が連結されている
。

前記排気ガスダクト５０と前記分岐ダクト３６との間に
おいて、空気ダクト３４にはガスタービン５２の排気ガ
スの空気ダクト３４内への導入および遮断を切り換える
駆動源イ」の切換ダンパ５４が設けられている。また、
排気ガスダクト５０には大気放出用煙突５６が接続され
ているとともに、この大気放出用煙突５６内にはガスタ
ービン５２の排気ガスを大気に解放するか否かを制御す
る駆動源材の放出ダンパ５８が設けられている。この放
出ダンパ５８は、前記排気ガスダクト５０と空気ダクト
３４との合流部において設けられた圧力調節計（ＰＩＣ
）６０からの検出信号により、圧力制御装置５９を介し
てその開度が制御されるようになっている。

この圧力制御装置５９からの出力は、前記熱分解炉２の
炉内圧制御系、すなわち、各熱分解炉２の誘引ファン人
ロダンバ２０の駆動源に各熱分解炉２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、各誘引ファン人ロダンバ２０の駆動源には図示
しないローセレクタを介して各熱分解炉２の圧力調節計
（ＰＩＣ）８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５９および圧力調節計（Ｐ　Ｉ　Ｃ）８
の出力信号のうち低い方の信号が誘引ファン人ロダンバ
２０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５２の吸気口には誘導ダクト６１の一
端が接続され、この誘導ダクト６１の他端は冷却器６２
を介して過給機６３の吐出口に接続されている。冷却器
６２は、水等の冷却媒体を流すことによって誘導ダクト
６１内を通過する空気を冷却するもので、ガスタービン
５２の吸込み容積を下げて出力風量を大きくさせること
ができる。冷却器６２とガスタービン５２の吸気口との
間の誘導ダクト６１には吸気ダクト６４が接続され、こ
の吸気ダクト６４内には前記過給機６３の停止時に前記
空気流量制御装置３２により制御される駆動源材の風量
可変ダンパ６５が設けられている。また、吸気ダクト６
４と冷却器６２との間の誘導ダクト６１内には、前記過
給機６３からの空気のガスタービン５２への導入および
遮断を切り換える駆動源材の切換ダンパ６６が設けられ
ている。

前記過給機６３の吐出口は、前記誘導ダクト６１の他に
、前記空気ダクト３４から分岐された分岐ダクト３６に
も接続されている。分岐ダクト３６内には、前記過給機
６３からの空気の空気ダクト３４内への導入および遮断
を切り換える駆動源材の切換ダンパ６７が設けられてい
る。一方、過給機６３の吸入ダクト６８内には駆動源材
の風量可変ダンパ６９が設けられている。この風量可変
ダンパ６９は、過給機６３の運転時に前記空気流量制御
装置３２によって制御されるようになっている。

前記過給機６３は過給機駆動源７０によって駆動され、
この過給機駆動源７０は回転数制御ができる電動機等に
よって構成されている。この過給機駆動源７０には周波
数変換器等からなる回転数制御装置７１が接続され、こ
の回転数制御装置７１には前記空気流量制御装置３２か
らの信号が入力され、これにより過給機駆動源７０の回
転が制御される。通常、冬期等外気温度が低いときには
、ガスタービン５２からの排ガス量や排ガス中の酸素濃
度等が大幅に変動しないので、過給機６３を運転させる
必要はないが、夏期等外気温度が高くなると、ガスター
ビン５２からの排ガス量や排ガス中の酸素濃度が大幅に
変動（低下）するので、この変動を補うために過給機６
３が運転される。

この際、過給機６３の停止時における熱分解炉２側の負
荷変動に対しては風量可変ダンパ６５により、また過給
機６３の運転時における熱分解炉２側の負荷変動および
ガスタービン５２からの排ガス量等の変動に対しては過
給機駆動源７０または風量可変ダンパ６９により、それ
ぞれ行われるようになついる。

一方、前記ガスタービン５２のトリップ時、すなわち、
何らかの原因でガスタービン５２が停止する場合を考慮
してガスタービン５２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７８が設けられている。トリップ
検出制御装置７８の出力信号は、過給ａ６３の過給機駆
動源７０に入力されて過給機６３の起動を制御するとと
もに、切換ダンパ６６．６７の駆動源に入力され、この
各切換ダンパ６６．６７を切り換える。すなわち、過給
機６３が停止中は切換ダンパ６６．６７はともに閉であ
るが、同出力信号により切換ダンパ６７が開かれるとと
もに、過給機６３が起動され、過給機６３からの空気が
分岐ダクト３６を通じて空気ダクト３４内に導入される
。一方、過給機６３が運転中は切換ダンパ６７が閉、切
換ダンパ６６が開であるが、同出力信号により切換ダン
パ６７が開かれ、切換ダンパ６６が閉じられ、過給機６
３からの空気が分岐ダクト３６を通じて空気ダクト３４
内に導入される。また、同出力信号は、前記空気ダクト
３４の切換ダンパ５４および大気放出用煙突５６の放出
ダンパ５８の駆動源に入力され、切換ダンパ５４を開か
ら閉へ、放出ダンパ５８を閉から開へ駆動するようにな
っている。更に、同出力信号は、前記熱分解炉２の燃料
制御系にも送られ、所定時間熱分解炉２の熱分解管４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過給機６３からの空気量が十分に供
給されるまでの間炉内の酸素不足をカバーできるように
構成されている。また、過給機６３からの空気量が十分
に供給された後は、定常の流量での運転に復帰させるよ
うに構成されている。なお、万一過給機６３が作動しな
いときは、燃料をカントし、熱分解炉２をシャットダウ
ンする。

前記空気ダクト３４の分岐ダクト３６よりも下流側、す
なわち、熱分解炉２側には、図中左方から熱分解炉２内
の温度を検出する温度検出器（Ｔ／Ｃ）８２、圧力を検
出する圧力検出器（ＰＴ）８４、燃料用空気流量を検出
する流量検出器（ＦＴ）８６および燃料空気中の酸素濃
度を検出する酸度濃度検出器（０□）８８が設けられ、
これら各検出器８２，８４，８６．８８から送出される
出力信号は前記空気流量制御装置３２に入力されている
。

この空気流量制御装置３２には、これらの検出器８２，
８４，８６．８８からの出力信号の他に、前述のように
各熱分解炉２の酸度濃度調節計６からの出力信号、並び
に、前記ガス母管２２の検出器２６およびオイル母管２
４の流量計２８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３４内の空気流量が適正となる
ように、風量可変ダンパ６５または過給機駆動源７０お
よび風景可変ダンパ６９のいずれか一方を制御する。

すなわち、空気流量制御装置３２は、ガス母管２２およ
びオイル母管２４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３０からの過剰空気率を乗じて算出した値が、空気ダ
クト３４内の空気流量と酸素濃度との積に温度および圧
力を基に補正して求めた供給酸素流量になるように、風
量可変ダンパ６５または過給機駆動源７０および風量可
変ダンパ６９の少なくとも一方を制御する。

なお、前記風量可変ダンパ６９，６５および過給機駆動
源７０の空気流量制御装置３２による制御は、空気ダク
ト３４の空気流量等の信号および燃料流量等の信号だけ
でも熱分解炉２が必要とする最適空気量（酸素量）を演
算できるが、前記各検出器８２，８４，８６，８８、検
出器２６および流量計２８等の誤差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２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
ように構成されている。

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２とガスタービン
５２とを同時に始動する場合は、大気放出用煙突５６の
放出ダンパ５８を開放するとともに、空気ダクト３４内
の切換ダンパ５４を全閉とし、かつ、各熱分解炉２の入
ロダク）１０内にある手動式ダンパ１２を全開にしてお
く。この状態でガスタービン５２を起動するが、ガスタ
ービン５２は自動起動のため、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
排気ガスを大気放出用煙突５６に抜いておく　。

ガスタービン５２を起動させるにあたって、外気温度に
応じて過給機６３を運転させる。通常、外気温度が低い
冬期時には停止、外気温度が高い夏期時には運転させる
。過給機６３が停止の状態では切換ダンパ６６．６７を
ともに閉とする一方、過給機６３の運転に際しては切換
ダンパ６７を閉、切換ダンパ６６を開とし、過給機６３
からの空気をガスタービン５２へ導入させる。

ついで、各熱分解炉２の誘引ファン１８を起動させると
ともに、空気ダクト３４内の切換ダンパ５４を少し開き
、各熱分解炉２にガスタービン５２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熱分解炉２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３２による酸素濃
度制御は行わず、熱分解炉２の炉内圧は誘引ファン１８
で、空気ダクト３４内の圧力は、排気ガスダクト５０の
近傍に設けられた圧力調節計（ＰＩＣ）６０を用いて放
出ダンパ５８の開度でそれぞれ調節し、いわゆる圧力制
御を行う。

炉内温度が規定値になったら、熱分解管４の保護のため
管内に蒸気を流す。熱分解管４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。熱分解管４に炭化水素を入れるときは
、熱分解炉２の負荷が急激に増加するため、空気ダクト
３４内の圧力に十分注意して負荷を増していく。

各熱分解炉２に炭化水素を入れ終わったら、圧力制御か
ら酸素濃度制御に切り換える。一方、炉負荷の増加に伴
い供給空気量も増加させる必要があるため、放出ダンパ
５８を完全に閉め、過給機６３が運転中の場合には過給
機駆動源７０または風量可変ダンパ６９の制御を、また
過給機６３が停止中の場合には風量可変ダンパ６５の制
御を、それぞれ始める。

熱分解炉２への炭化水素の送入を完了し、熱分解炉２が
安定運転に入ったら、ガスタービン５２の発電負荷を入
れていく。この際、ガスタービン５２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、熱分解炉２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２の起動後、ガス
タービン５２を起動する場合は、各熱分解炉２の起動時
は、切換ダンパ６６を閉、切換ダンパ６７を開とし、過
給機６３を駆動して全て新鮮空気のみにて燃焼用空気の
供給を行う。

ついで、空気ダクト３４内の切換ダンパ５４が閉であり
、大気放出用煙突５６の放出ダンパ５８が開であること
を確認してガスタービン５２を起動させる。この起動後
、ガスタービン５２が定格回転数に達した後で空気ダク
ト３４内の切換ダンパ５４を徐々に開けていくと同時に
、放出ダンパ５８を徐々に閉じていく。このとき、空気
ダクト３４内の圧力が上昇するようであれば、過給機６
３の吐出口側の切換ダンパ６７を徐々に閉めていく。切
換ダンパ６７が全閉され、過給機６３による供給空気量
がガスタービン５２の排気ガスに切り換えられた後、ガ
スタービン５２の発電負荷を、熱分解炉２の状態を監視
しながら徐々に増加してし）く。

このようにして熱分解炉２およびガスタービン５２がそ
の起動の前後にかかわらず安定動作状態になって定常運
転状態となったら、空気流量制御装置３２による酸素流
量制御が行われる。熱分解炉２で必要とされる燃焼用空
気流量は、熱分解炉２内に設けであるバーナへの燃料ガ
スおよび燃料オイルの総計に、対する理論空気流量に、
熱分解炉２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３
４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３４内の空気流量は、当該空気中の酸素濃
度、温度もしくは圧力による補正がなされる。

ところで、熱分解炉２における炭化水素の熱分解反応に
伴って、熱分解管４内にコークスが析出し、時間の経過
とともに熱分解炉２の効率が低下する。従って、熱分解
炉２は、複数機並列に設けて一定期間毎に切換運転する
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。このようにコークスが熱分解管４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４に供給して管内の析出コークス除去を行
い、最終的には加熱バーナを消火して炉内点検を行うた
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。

必要空気流量が複数基の熱分解炉２の一部停止等に伴っ
て減少した場合において、過給ｍ、６３の停止時にば風
量可変ダンパ６５を絞るが、過給機６３の運転時には過
給機駆動源７０を減速させ、必要空気流量と空気ダクト
３４に設けられた温度検出器（Ｔ／Ｃ）８２、圧力検出
器（ＰＴ）８４、流量検出器（ＦＴ）８６および酸度深
度検出器（０□）８８等の指示値とを封止調整する。風
量可変ダンパ６５または過給機駆動源７ｏによる調整だ
けでは足りないときは、切換ダンパ５４を閉じ、放出ダ
ンパ５８を開けて発電用ガスタービン５２の排気ガスが
空気ダクト３４内に流入するのを停止し、しかる後、過
給機６３がらの空気を直接空気ダクト３４内へ導入し、
これによる制御を行う。

一方、コークス除去を完了した熱分解炉２を始動するに
あたっては、上記とは逆の操作により空気流量を増加さ
せる。

次に、ガスタービン５２または発電機７６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５２の停止がトリップ検出制御装置７８によりただち
に検出される。すると、空気ダクト３４内の切換ダンパ
５４が閉じられるとともに、大気放出用煙突５６内の放
出ダンパ５８が開放され、かつ、過給機６３が運転時に
は切換ダンパ６６が開から閉へ、切換ダンパ６７が閉か
ら開へそれぞれ切り換えられ、また過給機６３が停止時
には過給機６３が超勤されるとともに、切換ダンパ６７
が閉から開へ切り換えられ、過給機６３からの空気が直
接空気ダクト３４内に導入される。この際、過給機６３
からの空気量が十分に供給されるまでには１０数秒の時
間を要するため、熱分解炉２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場合が考えられる。従っ
て、過給機６３からの空気量が十分に供給されるまでの
間熱分解炉２の負荷を減少させることにより対処してる
。

上述のような実施例によれば、ガスタービン５２から排
出される高温の排気ガスを利用できるので、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
の場合、ガスタービン５２には過給機６３を介して空気
を供給し、この過給機６３を過給機駆動源７０により駆
動するとともに、この過給機駆動源７０を空気流量制御
装置３２によって制御するように構成しているから、仮
に外気の温度等が大幅に変化した場合にあってもガスタ
ービン５２から排出される排気ガスを、熱分解炉２の燃
料消費量から算出される必要空気流量に対応させること
が可能である。

また、過給機６３の吐出口の一部を空気ダクト３４に接
続しているから、仮にガスタービン５２等が事故により
停止しても、過給機６３からの空気ダクト３４への空気
量を制御することによって適正な空気流量とすることが
できる。しかも、このように構成したことによって、従
来装置で必要とされた風量可変送風機を不要とできる利
点がある。

また、誘導ダクト６１には冷却器６２が設けられている
ため、ガスタービン５２の吸込み容積を下げて出力風量
を大きく取ることができる。

なお、実施にあたり、各熱分解炉２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３４に
緊急時吸引ダクト９０を設け、この緊急時吸引ダクト９
０に設けられたダンパ９２をガスタービン５２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２の数は図示のように４基に限らず、
３基以下あるいは５基以上の複数機であってもよい。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明によれば、ガスタービンに
過給機を設け、外気温度等の変動に応じて過給機を制御
するように構成したので、外気温度等が大幅に変化した
場合においてもガスタービンからの排ガス量を所定値に
維持でき、熱分解炉に該熱分解炉が必要とする空気を常
に安定して供給することができる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の実施例を示す系統図である。 ２・・・熱分解炉、３２・・・空気流量制御装置、３４
・・・空気ダクト、５２・・・発電用ガスタービン、６
３・・・過給機。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭化水素の熱分解炉に燃焼用空気を供給するガス
   タービンを設置し、このガスタービンの排気口を熱分解
   炉に至る空気ダクトに接続したものにおいて、前記ガス
   タービンの吸気口に過給機を接続するとともに、過給機
   の吐出口の一部を前記空気ダクトに接続し、前記空気ダ
   クト内の空気流量が前記熱分解炉の燃料消費量から算出
   される空気流量に一致するように前記過給機を制御する
   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。