KR100372826B1

KR100372826B1 - 버너에서 탄화수소 연료의 연소방법

Info

Publication number: KR100372826B1
Application number: KR10-1999-0039321A
Authority: KR
Inventors: 크리스텐센토마스잔달; 프림달이파르이파르센; 홀름-크리스텐센올라프; 크리스텐센피터자이어
Original assignee: 할도르 토프쉐 에이/에스
Priority date: 1998-09-15
Filing date: 1999-09-14
Publication date: 2003-02-20
Also published as: JP4179717B2; EP0987492A1; JP2000186806A; NO994449L; RU2249765C2; DE69908267T2; NO318563B1; AU755430B2; DE69908267D1; EP0987492B1; TW403821B; AU4759299A; NZ337738A; CN1196888C; KR20000023143A; CA2282014A1; CN1249414A; CA2282014C; NO994449D0; US6322351B1

Abstract

부식성 분위기에 노출된 버너에서 버너의 외부 표면이 외부의 버너 표면을 따라 존재하는 비-부식성 분위기를 통과함으로써 보호되는 탄화수소 연료의 연소방법.

Description

버너에서 탄화수소 연료의 연소방법{PROCESS FOR THE COMBUSTION OF HYDROCARBON FUEL IN A BURNER}

본 발명은 버너에서 탄화수소 연료의 연소 및 연소공정을 실행하기 위한 장치에 관한 것이다.

탄화수소 연료는 화학 공업에서 공업용 화로와 공정 가열기를 점화하는데와, 적합한 버너를 갖춘 반응용기 내에서 진행되는 열요구성 반응에 열을 공급하는데 통상 이용된다.

공지된 버너의 일반적인 결점은 공업용 버너에서 요구되는 높은 연료기체 속도에서의 버너 표면의 손상과 버너의 표면이 고온에서 부식성 분위기에 노출되어 야기되는 금속 분진발생이다.

미국 특허 No 5,496,170은 뜨거운 연소 생성물이 버너 표면에 인접한 연소기를 통해 내부에서 재순환되는 것을 방지하도록 개선된 설계를 갖춘 선회 흐름 버너를 개시한다. 이로써, 뜨거운 연소 생성물로 인하여 발생된 버너 표면의 손상은 실질적으로 방지된다.

버너 표면 주위의 부식성 분위기를 희석하거나 바꾸기에 충분한 양으로 버너 몸체의 외부 표면과 면을 따라 보호 분위기를 지정하는 경우 부식성 분위기에 있는 공업용 버너의 금속 분진발생 및 침탄은 실질적으로 나타나지 않는 것으로 관찰되었다.

따라서, 본 발명은 부식성 분위기에 노출된 버너에서 탄화수소 연료의 연소방법이며, 여기서 부식성 분위기와의 접촉으로부터 표면을 보호하기 위하여 비-부식성 분위기가 버너의 외부 표면을 따라 통과하게 된다.

적당한 비-부식성 분위기는 어떤 기체매질도 될 것이고, 이는 상승된 온도에서 금속 표면상에 금속분진발생 또는 침탄반응을 일으키지 않는다.

적당한 비-부식성 분위기는 스팀, H₂, CO₂및 질소 또는 이들의 혼합물을 포함한다.

더욱이, 본 발명은 산화제와 함께 탄화수소 연료의 연소를 위한 버너를 제공하며, 이는 연료와 산화제를 공급하는 통로와 산화제와 함께 연료를 연소하기 위한 오리피스를 외부의 금속표면 통로내에 포함하고, 버너의 외부 금속표면의 적어도 일부를 동심으로 간격을 두고 둘러싸고 있고 표면을 따라 보호 분위기를 도입하고 통과하도록 개조한 벽을 포함하는 개선점을 갖는다.

반응기 내에서 상기 버너를 작동시키는 경우, 벽은 반응기의 상부에서 적당한 거리를 두고 버너의 겉표면을 둘러싸고 있는 내화성 라이닝에 의해 형성될 수 있고, 이로써, 버너를 작동하는 동안 보호분위기를 도입 및 통과하도록 통로를 형성한다.

다음의 설명은 도면을 참고로 하여 본 발명의 보다 자세한 특정 구체예를 보

여주며 유일한 도면은 반응기 상부에 내화성 라이닝을 갖춘 본 발명의 버너의 단면도를 나타낸다.

외부표면에 원통의 금속 상부표면(4)과 원뿔의 금속 오리피스(6)를 갖는 버너(2)는 반응기(1)의 상부에 설치된다. 상부표면(4)과 오리피스부분(6)사이의 환상공간(10)은 버너 표면과 반응기(1) 상부의 내화성 라이닝(8)사이에 형성된다. 스팀은 환상공간(10)을 통해 상부표면(4)을 따라 통과하여 오리피스(6)로 향한다. 환상공간(10)을 통해 통과된 스팀은 부식성 연소 분위기로부터 외부 표면을 보호하고 연소 분위기에 의해 발생된 표면의 침탄 및 금속 분진발생 반응을 방지한다.

도 1은 내화성 라이닝된 반응기 상부에 장착된 본 발명 버너의 단면도를 나타낸다.

실시예

본 발명에 따른 공정의 다른 구체예들을 U.S 특허 No. 5,496,170 에서 개시된 버너 타입을 사용하여 자열 개질기(ATR) 파일롯 플랜트에서 실행하였다. 버너는 버너 주위의 슬리브를 따라 흐르는 스팀의 흐름으로 버너의 바깥 벽 상에 있는 금속 분진발생으로부터 보호되었다. 버너의 바깥 노즐은 합금으로 제조되었으며, 이는 이전 실험에서 외부상에서 스팀 흐름을 보호하지 않으면 금속 분진발생에 의해 손상되는 것으로 나타났다. 동시에, 그을음 형성에 대한 각각의 버너성능을 일정한 스팀 대 탄소의 비(S/C)에 대한 임계온도를 결정함으로써 시험하였다. 그을음 한계를 넘을 때까지 반응기의 방출온도(T_방출)를 점차 낮춤으로써 각 시험에서 임계온도를 알아내었다. 더욱이, 그 값은 동일한 조건, 즉 동일한 유입유량, 작동압력 및 스팀탄소비에서 스팀 흐름을 보호하지 않은 채 버너에 대하여 결정하였다. 스팀 대 탄소의 비(S/C)는 모든 스팀 공급량(몰)의 합계를 탄화수소(몰) 중 탄소원자(C₁)의 합계로 나눈 값으로 정의된다. 상기 시험에서 사용된 파일롯 플랜트는 ATR 반응기에 다른 공급흐름을 제공하기 위한 유니트, ATR 반응기 및 생성기체를 후처리하기 위한 장치를 포함한다. 공급흐름은 천연가스, 스팀, 산소 및 수소로 구성되었다. 모든 기체를 작동압력까지 압착하고 작동온도까지 사전가열하였다. 천연가스의 평균 조성은 표 1에 나타난다. 천연가스는 ATR 반응기에 주입되기 전에 탈침황하였다. 공급흐름을 세 흐름으로 조합하고 ATR의 버너로 통과시켰다. 천연가스, 수소 및 스팀의 첫번째 공급흐름을 약 500℃의 온도까지 사전가열하였다.

산소와 스팀을 포함하는 두번째 공급흐름은 200℃ 내지 220℃로 사전가열하였다. 단지 스팀만으로 구성되는 세번째 공급 흐름은 450℃까지 가열하였다.

ATR 반응기에서, 서브-화학양론적 연소 및 연속적 촉매 스팀 개질 및 변위반응을 행하였다. 유입 및 방출 기체 조성물을 기체 크로마토그래피로서 분석하였다. 생성기체는 개질 및 변위반응에 대하여 평형에 이르렀다. ATR 반응기 하류에서, 공정 기체를 냉각하고 생성기체 중 스팀 함량의 대부분을 응축하였다.

성분	몰분율(%)
N₂	0.45
CO₂	1.20
CH₄	95.36
C₂	2.22
C₃	0.45
C₄	0.23
C₅	0.08

시판되는 합금 Haynes-230으로 제조된 버너를 사용하여 두 시험을 실행하였다. 이 합금을 0.35 및 0.6의 스팀 탄소비를 갖는 작동조건에서 버너 외부 벽면상의 스팀의 흐름을 보호하지 않은 채 이전에 시험하였고, 이로써 버너의 외부가 약 155 작동시간 후 금속분진발생에 의해 손상되었다. 본 발명에 따라 스팀을 보호한 시험에서 해당되는 작동 조건은 이하 표 2에 요약된다.

이하 표 3에 요약된 참고실험 "SP S/C 0.60 ref." 및 "SP S/C 0.35 ref" 에 의해 스팀 슬리브내에 스팀없이 그을음 형성에 대한 한계를 위한 시험을 하였다. 그런 다음, 일정한 스팀의 일부를 버너의 바깥 벽을 따라 있는 스팀 슬리브를 통해 통과 시켜 그을음 한계를 조사하였다. 그을음 성능시험에 대한 작동 조건을 버너의 그을음 성능의 특성을 나타내는 임계온도(T_임계)와 함께 표 3에 함께 나타내었다.

실험	NGNm3/h	H2Nm3/h	S/C-	슬리브내의 스팀Nm3/h	P_방출bar g	T_방출℃	T_유입,1℃	T_유입,2℃	흐름 시간
MD S/C0.60MD S/C0.35	100100	2.02.0	0.600.35	5.03.5	27.527.5	10201020	500499	220222	163183

금속분진발생 시험은 0.60(MD S/C 0.60) 및 0.35(MD S/C 0.35)의 스팀 대 탄소의 비(S/C)에서 각각 실행된다. 작동조건은 표에 요약되며, 여기서 T_유입,1및 T_유입,2는 각각 첫번째 및 두번째 공급 흐름의 유입온도이고, T_방출및 P_방출은 반응기를 벗어나는 기체의 온도 및 압력이고 이 조건에서 스팀 개질 및 변위반응은 평형이 된다.

각 시험 후, 버너는 조사를 위해 ATR 반응기로부터 제거된다. 외부 벽면상의 스팀 흐름을 보호하지 않은 버너는 기체 노즐의 외부 표면상의 금속분진발생에 의해 부식된 표면을 나타내는 반면, 보호 스팀을 갖는 버너의 외부 노즐은 외부표면상에 어떠한 금속 분진발생의 징후도 나타나지 않았다.

실험	NGNm3/h	H2Nm3/h	S/C-	P_방출	T_임계	T_유입,1℃	T_유입,2℃	슬리브내의 스팀Nm3/h
SP S/C 0.60ref.SP S/C 0.35ref.SP S/C 0.60#1SP S/C 0.60#2SP S/C 0.35#1SP S/C 0.35#2	100100100100100100	2.02.02.02.02.02.0	0.600.350.600.600.350.35	27.527.527.527.527.527.5	950-960987-988947-952947-951986987	500500499503499489	220200196220219205	005.0123.512
스팀 슬리브내에 스팀이 없는 대조실험을 포함하는 그을음 성능 실험(SP)에 대한작동조건 및 임계온도(T_임계)

버너의 그을음 성능을 조사하기 위해, 네 번의 실험을 실행하여 스팀 슬리브내의 스팀흐름을 갖는 조작을 위한 임계온도(T_임계)를 결정하였다. 네 번의 실험은 임계온도(T_임계) 또한 나타나 있는 표 3과 같이 스팀-탄소비 0.60 및 0.35에서 실행된다. 공정에 있어서 총 스팀흐름을 일정하게 유지하기 위하여 첫번째 공급 흐름으로의 스팀흐름뿐만 아니라 슬리브내의 스팀흐름 또한 변경시켰다. 그 결과를 스팀 슬리브 없이 작동시킨(대조시험) 동일한 형태의 버너에 대한 결과와 비교하였다. 현저하게 다른 어떤 시험도 발견되지 않았다. 따라서, 공정내에 주입된 총 스팀의 약 8-35%에 해당하는 양으로 버너의 외면상에 스팀 슬리브내의 스팀 흐름을 갖는조작은 그을음 형성과 관련하여 버너의 성능에 영향을 주지 않는다.

버너의 외부 금속표면 일부를 둘러싸면서 동심원적으로 분리되어 존재하고 표면을 따라 보호 분위기를 도입하고 통과하도록 한 벽으로 이루어지는 본 발명의 버너에서는 금속분진발생 및 침탄반응에 의한 손상이 일어나지 않는다.

Claims

반응 생성물인 수소와 일산화탄소의 부식성 분위기에 노출된 버너에서 버너의 외부 표면이, 외부의 버너 표면을 따라 스팀의 비-부식성 분위기를 통과시킴으로써 보호되는 탄화수소 연료의 부분적 산화방법.
제 1 항에 있어서, 비-부식성 분위기는 CO₂, 질소 또는 이들의 혼합물로 구성되는 것을 특징으로 하는 부분적 산화방법.
제 1 항에 있어서, 탄화수소 연료는 스팀과 함께 연소되는 것을 특징으로 하는 부분적 산화방법.
삭제
제 3 항에 있어서, 스팀의 적어도 일부분은 비-부식성 분위기와 함께 탄화수소 연료에 첨가되는 것을 특징으로 하는 부분적 산화방법.
연료와 산화제를 공급하는 통로와 산화제와 함께 연료를 연소시키기 위한 오리피스를 외부의 금속표면 통로내에 포함하고, 버너의 외부 금속표면의 적어도 일부를 동심으로 간격을 두고 둘러싸고 있고 표면을 따라 스팀의 보호 분위기를 도입하고 통과하도록 개조한 벽을 포함하며 제 1 항에 따르는 반응 생성물인 수소와 일산화탄소의 부식성 분위기에 노출된, 산화제와 함께 탄화수소 연료를 부분적 산화시키기 위한 버너.
제 6 항에 있어서, 벽은 내화성 라이닝에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 버너.