KR100540004B1 - 열분해 히터 - Google Patents

Abstract

올레핀 생산에서 특히 탄화수소의 크래킹을 위한 열분해 히터는 화실의 노상이 방열면이 되도록 노상을 직접 가열하는 버너장치를 화실내에서 가진다. 베이스 버너는 화실의 상부에서 수직으로 발화하는 노상버너들과 선택적 벽 버너들과 함께 작동한다.

열분해, 히터, 올레핀, 화실, 노상, 버너.

Description

열분해 히터{Pyrolysis heater}

본 발명은 탄화수소의 열분해를 위한 히터에 관한 것으로서, 특히 올레핀을 생산하기 위해 파라핀의 증기 크래킹(cracking)을 위한 히터에 관한 것이다.

올레핀의 생산을 위한 탄화수소의 증기 크래킹 또는 열분해는 거의 독점적으로 연소형 히터에 배치된 튜브형 코일에서 실행되고 있다. 열분해 공정은 올레핀 플랜트의 심장으로 여겨지며 전체 플랜트의 경제성에 중대한 영향을 미친다.

탄화수소 공급원료는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 이들 가스의 혼합물, 나프타, 가스오일 등과 같이 광범위한 종류의 통상적인 크래킹 공급원료중 어느 하나로 할 수 있다. 생성물 분류는 여러가지 성분을 포함하며, 이들의 농도는 선택된 공급물에 일부 의존한다. 종래 열분해 공정에서, 기화된 공급원료는 희석증기와 함께 연소형 히터내에 배치된 튜브형 반응기로 공급된다. 필요한 희석증기의 양은 선택된 공급원료에 의존하며; 즉 에탄과 같이 더 가벼운 공급원료가 더 낮은 증기(0.2 lb/lb.feed)를 필요로 하는 반면, 나프타 및 가스오일과 같은 더 무거운 공급원료들은 증기/공급물의 비 0.5 내지 1.0을 필요로 한다. 희석증기는 탄화수소의 부분 압을 낮추며 또 열분해 코일의 탄화율(carburization rate)을 감소시키는 이중 기능을 가진다.

통상적인 열분해 공정에서, 증기/공급물 혼합물은 크래킹 반응의 개시 보다 낮은 온도, 통상 650℃로 예열된다. 이러한 예열은 히터의 대류부에서 발생된다. 다음에 이 혼합물은 열분해 반응이 일어나는 방열부를 통과한다. 대체로, 열분해 코일에서의 체류시간은 0.2 내지 0.4초의 범위에 속하고, 반응을 위한 출구온도는 700℃ 내지 900℃의 범위에 속한다. 포화 탄화수소를 올레핀으로 변형시키는 반응은 높은 흡열반응이며 따라서 다량의 열 입력을 필요로 한다. 상기 열 입력은 상승된 반응온도에서 발생한다. 대체로 공업에서는, 대부분의 공급원료를 위해 또한 특히 나프타와 같은 무거운 공급원료를 위해 단축된 체류시간이 2차 저하반응을 감소시킬 것이기 때문에 에틸렌 및 프로필렌에 대해 더 높은 선택도를 유도할 것으로 인식되고 있다. 또한, 반응 환경내에서 탄화수소의 부분압이 낮을수록 선택도가 높아지는 것으로 인식되고 있다.

연소형 히터의 방열부에서의 연도가스 온도는 통상 1,100℃를 넘는다. 종래 디자인에서, 히터를 향해 연료로서 연소되는 열의 대략 32 내지 40%가 방열부내의 코일로 전달된다. 나머지 열은 공급물 예열 또는 증기 발생과 같은 대류부에서 회수된다. 짧은 체류시간과 공정의 고온을 달성하기 위해 작은 튜브용적을 제한하면, 반응관내로의 열전달이 어렵다. 높은 열플럭스(heat flux)가 사용되는 것과, 작동용 튜브 금속 온도들은 균일한 발열성 야금술을 위한 기계적 제한에 가깝다. 대부분의 경우에, 튜브 금속 온도는 체류시간의 범위를 제한하며, 이 체류시간은 코일 출구에서 필요한 높은 공정온도와, 높은 플럭스 및 이에 따라 높은 튜브 금속 온도를 초래하는 감소된 튜브길이(따라서 튜브 표면적)와의 조합의 결과로서 감소될 수 있다. 크래킹 히터의 방열부내에 배치된 발열성 금속 반응관은 히터 원가의 실질적인 부분을 차지하며, 따라서 반응관을 완전하게 사용하는 것은 중요하다. 사용(utilization)이란 열플럭스와 금속온도를 가능한 히터의 설계 목적에 맞게 높고 균일하게 작동하는 것으로 정의한다. 이것은 주어진 열분해 능력에 필요한 최종적인 전체 금속과 튜브들의 개수 및 길이를 최소로 감소시킬 것이다.

대부분의 크래킹 노에서, 열은 화실(firebox)의 바닥에 설치된 노상 버너(hearth burner)에 의해 공급되며 벽을 따라 수직으로 발화된다. 이러한 버너들에 의한 특징적 화염 형상 때문에, 열플럭스의 프로파일(profile)이 불균일하게 발생된다. 통상적인 프로파일은 화실의 중심 높이 부근에서 피크 플럭스를 나타내고, 화실의 상부 및 하부는 비교적 차가운 상태로 유지된다. 선택한 히터에서, 방열 벽 버너들은 상부의 열플럭스 프로파일과 균형을 맞추기 위해 측벽의 상부에 설치된다. 동일한 열 발생율(heat liberation rate)에서 노상버너에 대한 통상적인 표면 열플럭스 프로파일 및 금속온도 프로파일과, 노상버너 및 벽 버너들의 조합에 대한 통상적인 표면 열플럭스 프로파일 및 금속온도 프로파일은 화실의 하부에서 낮은 열플럭스 및 금소온도를 보여주며, 이것은 상기 부분에서의 코일이 부분사용(underutilize)되고 있음을 의미한다. 노상버너의 플럭스 프로파일을 개선하는 것은, 추가의 질산화물(NOx) 조건과, 더 높은 버너 열 발생에 대한 요구가 지속적으로 증가하기 때문에 어렵다. 플럭스 프로파일을 균등하게 하는 다른 방법은 벽 버너만을 사용하는 것이지만, 벽 버너의 최대 열 발생은 노상버너 보다 약 10배 작기 때문에, 벽 버너들의 개수가 과다하게 된다.

본 발명은 특히 올레핀을 생산하기 위한 탄화수소의 크래킹에 사용하기 위해 열플럭스 및 금속온도 프로파일을 개선하는 화실내의 버너장치를 갖는 열분해 히터에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 화실의 바닥을 가열하여 이 바닥이 방열면으로서 작용하여 화실의 하부에 있는 반응관의 열플럭스를 증가시키고 또한 화실 높이에 걸쳐 보다 균일한 수직 열플럭스 프로파일을 만드는 버너들을 포함하는 버너장치를 제공하는 것이다. 상기 바닥 버너들은 베이스 버너라고 부르며, 수직 발화하는 노상버너와, 선택적으로 화실 상부의 벽 버너들과 함께 작용한다. 본 발명의 다른 목적은 코일의 금속온도를 증가시키지 않고 방열 크래킹 오일로 전달되는 전체 열을 증가시키는 것이다.

도 1은 통상적인 종래 기술의 열분해 히터의 개략적인 횡단면도.

도 2는 종래 기술의 열분해 히터의 높이에 걸쳐 통상적인 표면 열플럭스 프로파일을 도시하는 그래프.

도 3은 종래 기술의 열분해 히터의 높이에 걸쳐 통상적인 금속온도 프로파일을 도시하는 그래프.

도 4a, 및 4b는 본 발명에 의한 버너 구성의 2가지 변형을 도시하는 열분해 히터의 개략적인 횡단면도.

도 5는 베이스 버너 및 노상버너를 도시하는 열분해 히터의 한 부분의 하부에 대한 사시도.

도 6은 본 발명의 한 실시예에 의한 베이스 버너의 예를 도시하는 도면.

도 7은 다공성 세라믹 버너를 포함하는 교체식 베이스 버너의 횡단면도.

도 8a 내지 8d는 4개의 다른 패스에 대한 열분해 히터의 높이 대 표면 열플럭스를 종래 방식의 히터와 베이스 버너를 갖는 본 발명의 히터를 비교하여 도시하는 그래프.

도 9a 내지 9d는 4개의 다른 패스에 대한 히터의 높이 대 평균 금속온도를 종래 기술에 대한 코일 길이를 따른 위치 함수로서 종래 기술의 히터와 본 발명의 히터를 비교하여 도시하는 그래프.

본 발명의 양호한 실시예를 세부적으로 설명하기에 앞서, 통상적인 종래 기술의 열분해 히터가 작동 변수를 나타내는 그래프와 함께 설명될 것이다. 도 1은 종래 기술의 히터의 횡단면을 도시한다. 이 히터는 방사 가열영역(radiant heating zone:14) 및 대류 가열영역(16)을 가진다. 대류 가열영역(16)에는 열교환면(18, 20)이 배치되고, 이 경우 열교환면은 탄화수소 공급물(22)을 예열하기 위한 것이다. 상기 영역은 또한 증기를 발생하기 위한 열교환면을 포함할 수 있다. 대류 영 역으로부터의 예열된 공급물은 지점(24)에서 방사 가열영역(14)내에 배치된 가열코일(26)로 공급된다. 가열 코일(26)로부터 열분해된 생성물은 출구(30)에서 배출된다. 가열코일들은 산업에서 공통적인 것으로서 수직 및 수평 코일들을 포함하는 어떤 필요한 구성이 될 수 있다.

방사 가열영역(14)은 벽(34, 36) 및 바닥 또는 노상(hearth:42)을 포함한다. 바닥에는, 벽을 따라 위로 지향하며 공기(47) 및 연료(49)가 공급되는 수직발화 노상버너(46)가 장착된다. 보통 벽에는 화염이 코일 튜브에 침입하는 것을 회피하기 위해 벽을 따라 퍼지는 평평한 화염 패턴을 만들도록 설계된 방사형 버너인 벽 버너(48)가 장착된다.

도 2는 도 1에 도시된 바와 같은 종래 기술의 히터를 위한 통상적인 표면 열플럭스 프로파일을 도시하며, 여기서 하나의 경우에는 노상버너 및 벽 버너가 둘다 켜져 있고, 다른 경우에는 노상버너가 켜져 있고 벽 버너가 꺼져 있다. 도 3은 동일한 조건에서 튜브금속 온도를 도시한다. 이 도면들은 화실의 하부와 상부 양쪽에서 낮은 열플럭스 및 낮은 금속온도를 도시하며, 또한 최소 온도 또는 열플럭스와 최대 온도 또는 열플럭스 사이의 큰 차이를 도시한다. 이 도면들은 분명히 차가운 노상을 도시하며, 이 노상 근처에서 코일 튜브의 부분사용을 제안한다. 또한, 도 3은 피크 튜브 금속 온도에서의 발화 프로파일의 중요성을 도시한다. 벽 버너들이 꺼져 있을 때, 노상버너들의 발화를 증가시키는 것이 필요하다. 노상버너 방열 프로파일의 형상 때문에, 튜브 금속 온도는 대략 20℃ 만큼 증가한다. 이러한 증가는 종래 크래킹 히터의 불결함(fouling) 때문에 사이클 길이에 직접 부정적인 영향을 미친다.

도 4a, 및 4b는 본 발명의 한 실시예에 따라 구성된 버너들을 갖는 열분해 히터를 도시하며, 여기서 도 4a의 방사 가열영역(14)은 방사 가열영역의 상부에 벽 버너(48)들을 갖는 제1 변경을 도시하고, 도 4b의 방사 가열영역(14)은 벽 버너들이 없는 제2 변경을 도시한다. 상기 도 4a, 및 4b는 단일셀(single-cell) 히터를 도시하지만, 이 개념은 복수의 셀 히터 또는 보다 넓은 구성을 갖는 크래킹 히터에 동일하게 적용될 수 있다. 도 4a 및 4b와, 영역(14)의 일부를 도시하는 도 5에 도시된 바와 같이, 베이스 버너(50)가 바닥 또는 노상(42)에 배치된다. 상기 베이스 버너(50)는 바닥 자체를 가열하여 바닥이 방열면이 되도록 하기 위해 바닥을 수평으로 가로질러 발화하도록 구성되어 있다. 양호한 실시예에서, 상기 베이스 버너(50)는 버너 둘레에서 방사형 또는 타원형 화염 패턴으로 발화한다는 점에서 벽 버너(48)와 동일하다. 도 6에 도시되어 있는 예에서, 연료/공기 혼합물이 도관(52)을 통해 버너(50)내로 주입된다. 연료/공기 혼합물은 캡(56) 아래의 슬롯(54)을 통해 흘러서 점화된다. 이에 의해 화염은 슬롯 및 캡에 의해 바닥을 가로질러 수평으로 지향된다. 베이스 버너는 코일의 차가운 패스(pass)들에는 더 많은 열을 공급하고 또 뜨거운 패스들에는 열을 더 적게 공급하도록 다른 열 발생율로 작동될 수 있다. 또한, 코일과 마주보는 슬롯들은 코일에의 화염 충돌을 회피하기 위해 차단되거나 제거될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 바닥 또는 노상의 적어도 일부분을 형성하는 다공성 내화벽돌 또는 세라믹 버너 블록을 사용한다. 필수적으로 버너 표면에서 연소가 발생하므로 버너 정면과 열분해 바닥 자체는 높은 방열면이 된다. 통상적인 세라믹 버너가 도 7에 도시되고, 다공성 세라믹 블록(60)을 수용하며 연료/공기 혼합물을 위한 입구(62)를 갖는 케이싱(58)을 포함한다. 연료/공기 혼합물은 블록(60)을 통하여 흐르며 표면(64)에서 연소하여 화염(66)을 형성한다. 상기 버너들은 또한 세라믹 재료를 함유할 수 있다. 상기 다공성 세라믹 버너들의 장점은, 바닥이 세라믹 방열면내에 수용되어 있기 때문에 화염이 바닥에 직접 가해지지 않는다는 점이다. 다른 장점은, 열이 극도로 낮은 NOx 수준에서 추가된다는 점이다. 상기 버너들은 반드시 강제 통풍 버너인 반면, 벽 버너들은 보통 자연 통풍 또는 흡입 버너이다. 이것은 세라믹 바닥 베이스 버너들의 질산화물 능력을 낮게 하는데 기여한다. 주목해야 할 것은, 2개의 특별한 버너의 실예가 설명되어 있지만 본 발명의 범위는 이러한 특별한 버너를 제한하지 않는다는 것이다.

서브스토이치오메트릭 조건(substoichiometric condition)(감소된 산소 레벨)하에서의 작동은 화염 온도를 감소시킴으로써 질산화물을 감소시키는 것으로 알려져 있다. 또한, 서브스토이치오메트릭 조건은 질산화물을 환원하는 환원 환경을 만든다. 또한, 연료를 스테이징(staging)(다양한 레벨에서 연료를 연소시킴)하면 화염 온도를 감소시킴으로써 질산화물을 감소시키는 것으로 알려져 있다. 이러한 조합된 시스템을 작동하기 위한 하나의 선택사항으로서, 베이스 버너는 불연소 연료와 필수적으로 산소가 없고 최소의 질산화물을 갖는 방출물을 생산하는 서브스토이치오메트릭에서 작동될 수 있다. 다음에 상기 가스는, 바닥과 노상버너에 근접한 위치 때문에 노상버너로부터의 수직 화염에 편승될 것이다. 수직 발화하는 노상버 너는 과잉 공기에 의해 용도에 맞게 작동될 수 있다. 이것은 그 자체가 화염 온도를 낮추고 질산화물을 감소시킨다. 베이스 버너로부터 편승된 연료는 노상버너로부터의 흐름에 편승될 때와 같이 연소될 것이다. 이러한 작동 조건의 조합은 역전될 수 있고, 베이스 버너가 과잉 공기에 의해 작동될 수 있고, 노상버너가 서브스토이치오메트릭 상태로 작동될 수 있다. 어느 하나의 선택사항으로서, 연소 공정의 스테이징은 질산화물의 형성을 감소시킨다. 이러한 조합은 동등한 열 발생을 가능하게 하면서 크래킹 히터로부터 전체 질산화물을 크게 감소시킨다.

종래 기술의 열분해 히터의 바닥은 방열면으로서 효과적으로 이용되지 못하고 있다. 바닥을 본 발명의 베이스 버너들로 가열함으로써, 바닥은 방열면으로서 작용하며 이로써 화실의 하부에서 열플럭스를 증가시키며, 화실의 높이 전체에 걸쳐 열플럭스 프로파일을 균등하게 하는 경향이 있다. 이것은 도 8a 내지 8d에 도시되어 있다. 이 도면들은 벽 버너들 및 노상버너들을 사용하는 소위 정상 케이스와, 베이스 버너들만을 사용하는 본 발명의 베이스 버너 케이스와, 벽 버너들만을 사용하는 본 발명의 베이스 버너 케이스와, 노상버너들만을 사용하는 본 발명의 베이스 버너 케이스에 대하여, 에틸렌 크래킹 히터의 4개의 코일 패스 각각에 대한 열플럭스 프로파일을 도시하고 있다. 베이스 버너들은 각각 1 MM BTU/hr 의 발화율에서 작동된다. 따라서, 전체 발화는, 노상버너가 7.6 MM BTU/hr에서 작동하고 벽 버너가 1 MM BTU/hr에서 작동하는 정상 케이스 보다 명목상 11% 만큼 증가된다. 이런 상태하에서, 코일로의 공급이 또한 11% 증가되며 그 결과 방사 코일 열용량이 총 11% 증가한다. 표면 튜브 금속 온도가 도 9a 내지 9d에 도시되어 있다. 어떤 패스 에 대한 최대 피크 금속온도는 11% 추가 능력을 갖는 케이스에 대해 단지 6℃ 만큼 증가되었다. 실제로, 상기 패스를 가로질러 베이스 버너에 대한 발화율은 실질적으로 더 높은 전체 코일 열용량을 가지면서 동등한 금속 온도를 달성하도록 약간 감소될 수 있었다. 동등한 열용량 증가가 베이스 버너없이 달성될 수 있었다면, 노상버너 발화는 1 MM BTU/hr 만큼 증가되었을 것이다. 이러한 상황하에서, 피크 튜브 금속 온도에서의 증가는 20℃가 될 것이고, 1 MM BTU/hr 벽 버너가 꺼져 있고 노상버너 발화가 1 MM BTU/hr 만큼 증가되어 있는 도 3에 도시된 것과 동일하다. 전술한 바와 같이, 이것은 튜브 성능에 중대한 부정적 효과를 가진다.

Claims (9)

1. 탄화수소를 열분해하기 위한 열분해 히터에 있어서,

   a. 저부 노상, 상기 노상에 인접하여 위로 연장하는 하부, 및 상기 하부로부터 위로 연장하는 상부를 갖는 방사 가열영역과;

   b. 상기 방사 가열영역에 배치되며 상기 상부 및 하부내로 연장하는 상기 탄화수소 처리용의 적어도 하나의 튜브형 가열코일과;

   c. 상기 노상에 인접하게 배치되어 상기 하부를 통하여 상기 상부내로 수직 상향으로 발화하기 위해 위로 지향된 다수의 노상버너와;

   d. 상기 노상에 배치되어 노상과 접촉하도록 발화함으로써 가열된 노상 방열면을 만들기 위한 다수의 베이스 버너를 포함하는 열분해 히터.
2. 제1항에 있어서, 상기 방사 가열영역은 벽들을 포함하고, 상기 상부의 벽에 배치된 벽 버너들을 추가로 포함하는 열분해 히터.
3. 제1항에 있어서, 상기 방사 가열영역 위에 대류부를 추가로 포함하는 열분해 히터.
4. 제1항에 있어서, 상기 베이스 버너들은 상기 노상에 접촉하며 수평으로 가로질러 발화하도록 지향되어 있는 열분해 히터.
5. 제1항에 있어서, 상기 베이스 버너들은 다공성 세라믹 버너들을 구비하고, 상기 다공성 세라믹 버너들은 상기 노상의 적어도 일부를 구비하는 열분해 히터.
6. 올레핀의 생산에서 탄화수소를 열분해하기 위한 히터에 있어서,

   상기 히터는 저부 노상, 상기 노상에 인접하여 위로 연장하는 하부, 및 상기 하부로부터 위로 연장하는 상부를 갖는 방사 가열영역과; 상기 방사 가열영역에 배치되며 상기 상부 및 하부내로 연장하는 상기 탄화수소 처리용의 적어도 하나의 튜브형 가열코일과; 상기 방사 가열영역의 상기 하부 및 상부에서 열플럭스의 균일성을 증가시키며 또 상기 가열코일의 온도의 균일성을 증가시키기 위한 버너들의 조합을 포함하고,

   상기 버너들의 조합은,

   a. 상기 노상에 인접하게 배치되어 상기 하부를 통하여 상기 상부내로 수직 상향으로 발화하기 위해 위로 지향된 다수의 노상버너와;

   b. 상기 노상에 배치되어 노상에 직접 발화함으로써 가열된 노상 방열면을 만들기 위한 다수의 베이스 버너를 포함하는 히터.
7. 제6항에 있어서, 상기 베이스 버너들은 상기 노상을 수평으로 가로질러 발화하도록 지향되어 있는 히터.
8. 제6항에 있어서, 상기 베이스 버너들은 다공성 세라믹 버너들을 구비하고, 상기 다공성 세라믹 버너들은 상기 노상의 적어도 일부를 구비하는 히터.
9. 올레핀의 생산에서 탄화수소를 열분해하기 위한 열분해 히터를 작동하는 방법에 있어서,

   상기 히터는

   a. 저부 노상, 상기 노상에 인접하여 위로 연장하는 하부, 및 상기 하부로부터 위로 연장하는 상부를 갖는 방사 가열영역과;

   b. 상기 방사 가열영역에 배치되며 상기 상부 및 하부내로 연장하는 상기 탄화수소 처리용의 적어도 하나의 튜브형 가열코일과;

   c. 상기 노상에 인접하게 배치되어 상기 하부를 통하여 상기 상부내로 수직 상향으로 발화하기 위해 위로 지향된 다수의 노상버너와;

   d. 상기 노상에 배치되어 노상에 직접 발화함으로써 가열된 노상 방열면을 만들기 위한 다수의 베이스 버너를 포함하고,

   상기 방법은 상기 다수의 베이스 버너 및 상기 다수의 노상버너를 발화하여 상기 다수의 버너들 중 하나가 서브스토이치오메트릭으로 발화되며 다수의 버너들 중 다른 버너들은 과잉공기로 발화되게 함으로써, 연료의 연소가 상기 방사 가열영역의 상기 하부 및 상부를 통해 스테이징 방식으로 발생되게 하여 질산화물(NOx)의 형성을 감소시키는 단계를 구비하는 방법.

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