KR100563761B1 - 짝을 이룬 버너로 구획된 연소 시스템을 갖는 열분해 가열기 - Google Patents

Abstract

열분해 가열기는 함께 그룹을 형성하고 있는 프로세스 코일의 입구 섹션과 역시 그룹을 형성하고 있는 프로세스 코일의 출구 섹션을 갖는다. 고열 방출 노상 버너(high heat liberation hearth burner)가 코일의 입구 섹션에 인접하게 위치하고, 저열 방출 버너는 출구 섹션에 인접하게 위치한다. 버너의 제 2 연료 팁(secondary fuel tip)은 인접한 가열기 벽을 향해 기울어져 있다. 입구 코일에 인접한 고열 방출 노상 버너는 이격된 쌍(pair)들로 배열되고 각각의 쌍의 제 2 버너 팁은 쌍의 다른 버너를 향해 기울어져 있다.

열분해, 코일, 노즐, 노상, 대류

Description

짝을 이룬 버너로 구획된 연소 시스템을 갖는 열분해 가열기{Pyrolysis heater with paired burner zoned firing system}

본 발명은 열분해 가열기에 대한 것이고, 상세하게는 프로세스 코일(process coil)의 다양한 섹션으로의 열 유속(heat flux)을 제어하는 개선된 버너 장치에 대한 것이다.

전형적인 열분해 가열기는 공급 예열기(feed preheater)를 포함하는 하나 이상의 상부 대류부와 함께 방사 가열부를 포함하는 하나 이상의 화실(firebox)로 구성된다. 방사 가열부는 두 방사 벽들 사이에서 화실의 중앙 평면에 현가된 다수의 방사 프로세스 코일을 포함한다. 각각의 코일 관(passes of each coil)은 종종, 출구 단부를 향해 점차적으로 보다 큰 직경으로 변형된다. 통상적으로 코일은 입구 단부에서 다수의 평행한 작은 튜브를 갖고 출구 단부에서 보다 적은 수의 큰 튜브를 갖는다.

화실의 바닥 또는 노상(爐床; hearth)에 위치되는 수직 연소 버너는 많은 형태의 열분해 가열기의 내측에서 열원으로서 사용된다. 에틸렌 분해(cracking) 가열기 내에는, 동일한 노상 버너가 각각의 화실의 긴 벽들 모두를 따라 이격되어 있어 프로세스 코일 내측의 공급재료(feedstock)의 열분해에 필요한 고강도의 열을 방출해준다. 특수한 상황에 대한 특정한 버너 디자인은 허용가능한 성능 한계(performance envelope) 내의 높이 함수(function of elevation)로서 열 방출율(heat release rate)을 제공해야 한다. 이것은 프로세스 코일이 프로세스 튜브 내측에 퇴적물이 형성되는 것을 촉진하고 제조를 위한 가열기의 유용성(availability)을 감소시키는 열점(hot spot)들이 형성되지 않은 상태에서 상부로부터 하부로 충분한 열유속을 수용한다는 것을 보장한다. 에틸렌 공장설비(ethylene plant)의 전형적인 열분해 가열기에서 8개 내지 10개 정도의 가벼운 공급재료용 노상 버너와 약 18 내지 20 개 정도의 무거운 공급재료용 노상 버너가 화실의 측면들에서 각각의 내화성 벽을 따라 위치되고, 프로세스 코일은 벽들 사이의 중앙에 현가된다. 버너들은 모두 유사한 디자인이고, 이들은 다소 동일한 속도로 벽들을 따라 상향으로 연소된다. 이것은 프로세스 코일의 입구 관(inlet pass)들 및 출구 관들이 동일한 유속 또는 열 방출율로 가열되게 한다. 프로세스 코일에서 처리되는 가스들이 코일의 출구 단부를 향할수록 더 고온이 되기 때문에, 이들 출구 단부는 내부를 막는 퇴적물이 형성되기 더 쉽다. 코일의 입구 및 출구 단부들이 동일한 속도로 가열되기 때문에, 막힘(coking)이 일어나기 더 쉽다. 또한, 출구 관들에서의 처리 온도가 높을수록 그리고 유속들이 같으면, 출구 관들에서의 튜브 금속 온도들이 통상적으로 가장 높게 된다. 전형적인 방사 코일에서, 이러한 고가의 합금 튜브들이 그 소성 유동 제한(plastic flow limit) 부근에서 작동하기 때문에 작업이 최대 금속 온도에 의해 제한된다.

본 발명의 목적은 열분해 가열기의 프로세스 코일들을 보다 효율적으로 그리고 비교적 저온의 입구 섹션(section)으로의 열 유속을 증가시키고 보다 고온의 출구 섹션으로의 열유속을 감소시키는 방식으로 가열하는 것이다. 이 목적은 막히는 성향을 감소시키기 위해 보다 고온의 출구 섹션에서의 열 유속을 감소시키면서 분해에 필요한 전체 열 입력량은 계속 유지하는 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 코일들의 입구 섹션들을 그룹화하고 출구 섹션들도 함께 그룹화하고 높은 출력과 낮은 출력의 버너를 제공하는 것에 대한 것이다. 버너들은 프로세스 코일들의 특정한 섹션들과 적절히 정렬된 고온 및 저온 영역으로 분리된 온도 영역을 생성하기 위해 짝을 이루도록 배열된다. 보다 상세히 설명하면, 본 발명은 원하는 온도 영역들을 달성하기 위해 버너들로부터의 화염들을 안내하는 공정을 포함한다.

도 1은 전형적인 열분해 가열기의 개략 수직 단면도.

도 2는 노상 버너를 갖는 열분해 가열기의 화실 내의 전형적인 유동 패턴의 도면.

도 3은 벽들을 따라 노상(hearth)에 이격된 노상 버너들을 도시하는 종래 기술의 열분해 가열기의 하부 부분의 수평 단면도.

도 4a는 단면 평면에서의 연소 방향과 제 1 및 제 2 연료 팁(fuel tip)을 도시하는 도 3의 버너들 중의 하나의 단면도.

도 4b는 벽에 평행한 평면에서의 제 2 연료 팁들의 연소 방향을 도시하는 도 4a의 버너의 정면도.

도 5는 도 3과 유사한 화실의 하부 부분의 수평 단면이지만 본 발명의 버너 장치를 도시하는 도면.

도 6a는 제 1 및 제 2 연료 팁과 단면 평면에서의 연소 방향으로 도시하는 도 5의 버너들 중의 하나의 단면도.

도 6b는 벽에 평행한 평면에서의 제 1 및 제 2 연료 팁의 연소 방향을 도시하는 도 6a의 버너의 정면도.

도 7은 본 발명의 버너 장치로부터의 화염들의 유동 패턴의 도표.

도 8a는 구획된 연소 버너 구조(zoned-firing burner layout)를 채용한 종래 기술의 열분해 가열기에 대한 방사 강도 분포의 흑백 도표.

도 8b는 도 7a와 유사하지만 본 발명의 방사 강도를 도시하는 흑백 도표.

도 9는 종래기술의 유속에 대한 본 발명의 유속의 비를 도시하는 챠트.

본 발명의 양호한 실시예의 세부를 설명하기에 앞서, 전형적인 종래 기술의 열분해 가열기가 설명된다. 도 1은 이러한 종래 기술의 가열기의 단면을 도시한다. 이러한 가열기는 방사 가열 영역(radiant heating zone;14)과 대류 가열 영역(convection heating zone;16)을 갖는다. 대류 가열 영역(16) 내에는 열교환면(18, 20) 내에 위치하며, 이 경우 열교환면들은 탄화수소 공급재(22; hydrocarbon)를 예열하기 위한 것으로 예시되어 있다. 이 영역은 수증기를 만들기 위한 열교환면을 또한 포함할 수 있다. 대류 영역으로부터 예열된 공급재가 도면부호 24에서 방사 가열 영역(14)에 위치된 가열 코일(26)로 공급된다. 가열 코일(26)로부터 분해된 부산물은 도면부호 30에서 빠져나간다.

방사 가열 영역(14)은 벽(34, 36)과 바닥 또는 노상(42)을 포함한다. 바닥 위에는 수직 연소 노상 버너(46)가 장착되어 있다. 이들 버너(46)는 일반적으로 버너 타일(47; burner tile)과 연료 팁(48)을 포함하며, 버너 타일을 통해 모든 연소용 공기가 수직으로 도입되고 일련의 연료 팁은 공기흐름으로 지향된다. 연료 팁(48)들은 제 2 연료를 연소하기 위해 버너 타일(47) 외측에 있지만, 후술하는 바와 같이 부가적인 연료 팁이 제 1 연료를 연소하기 위해 버너 타일 내측에 위치된다. 단계적 연소(staged firing)라 불리는, 제 2 연료의 연소 영역으로의 느린 확산 혼합(diffusion mixing) 때문에, 화염이 노(furnace)의 높이의 약 절반을 지나 그 최고 온도에 도달한다. 노상 버너에 부가하여, 벽 버너(49)들이 포함될 수 있다. 이들은 화염이 코일 튜브들에 부딪치는 것을 회피하기 위해 벽들을 가로질러 퍼지는 편평한 화염 패턴을 만들도록 설계된 방사 타입의 버너들이다.

도 2는 분해용 가열기 내측의 유동 패턴을 도시하며, 노상 버너의 열기둥(hearth burner plume)이 가열기 내측에 2중 와류를 발생시킨다는 것을 표시한다. 버너로부터의 고온의 가스는 벽을 타고 올라가는 한편 중앙의 저온의 프로세스 코일(26)들에 따른 하강기류는 바닥에서 나누어지고 버너들로 다시 공급된다. 구동력들에는 고속의 연료 제트, 여과되지 않은 버너 공기 흐름과 부력이 포함된다. 이러한 한 쌍의 와류 패턴은 잘 구성되어 있고 효율적인데, 왜냐하면 노상 버너들이 동시에 작동하고 수직 성분 및 간섭없이 실질적으로 수직으로 연소하기 때문이다. 이는 개개의 버너의 열기둥이 코일로부터의 재순환된 가스와 신속히 혼합되게 하고, 기본적인 시스템이 개개의 버너로부터의 출력 편차에 다소 영향을 받지 않게 해준다.

도 3은 종래기술의 구획된 연소 버너 구조를 도시하는 화실의 1/2의 하부 부분의 수평 단면이며, 이 구조에서 일부 버너는 정상적인 열 출력의 버너들이고 다른 버너들은 고열의 출력 버너들이다. 3개의 개별적인 코일(50, 52, 54)이 화실의 1/2의 단면에 도시되어 있고 튜브(56)는 작은 입구 튜브이고, 튜브(58)는 큰 출구 튜브이고, 튜브(60)는 입구 튜브와 출구 튜브 사이의 중간 사이즈의 튜브이다. 이 구조에서, 출구 튜브(58)보다 입구 튜브(56)를 더 가열하고자, 출구 튜브(58) 부근의 노상 버너(62)는 정상 연소율을 갖는 정상적인 열 방출 버너이고, 입구 튜브(56) 부근의 버너(64)는 높은 연소율을 갖는 고열 방출 버너이다.

도 4a는 도 3의 버너(62 또는 64)들 중의 하나의 단면이고, 도 4b는 도 4a의 우측에서 취한 버너의 정면도이다. 버너는 세라믹 버너 타일(47), 버너 타일(47) 외측의 제 2 연료 팁(48)과, 타일 내측의 제 1 연료 팁(66)을 포함한다. 연료 팁은 연료 공급 도관에 부착된 중공 구(hollow sphere)들을 포함하며, 연료 노즐은 상기 구의 벽을 적절한 각도로 관통하여 드릴링 또는 그외의 방법으로 형성된 구멍을 포함한다. 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 제 1 연료 팁(66)은 화살표(67)로 나타낸 바와 같이 수직으로 향해지고 연소된다. 제 2 연료 팁(48)은 화살표(49)로 도시된 바와 같이 도 4b의 평면에 수직으로 향해져 있지만, 도 4a의 평면에서 화살표(49)에 의해 도시된 바와 같이 벽(34)을 향하는 성분이 화염을 벽으로 가게 한다. 벽을 향한 경사는 수직으로부터 약 12° 내지 16°이다. 고열 방출 버너는 저열 방출 버너보다 넓게 퍼져 있어, 상방향의 소정의 높이에서 그 차이는 작다.

도 3에 예시된 바와 같이 구획된 연소 개념의 온도 제어 효율성을 증가시키기 위해, 본 발명은 인접한 고열 방출 버너들을 짝을 이루게 한다. 정상적인 열 방출 버너(62)들은 변함이 없다. 이러한 짝을 이룬 버너의 구획된 연소 시스템에 대한 구조가 도 5에 도시되어 있다. 이러한 화실은 도 3에서와 같이 동일하게 배치된 코일(50, 52, 54)과 튜브(56, 58, 60)를 포함한다. 이 화실은 동일한 타입의 정상적인 열 방출 노상 버너(62)를 또한 포함하며, 이들 버너는 출구 튜브(58)를 포함하는 코일들의 부분들에 인접하며 이에 대해 정렬되어 있다. 정상적인 열 방출 노상 버너의 이러한 배치 작업을 용이하게 위해, 코일(50)과 같은 하나의 코일 상의 출구 튜브가 코일(52)과 같은 인접한 코일 상의 출구 튜브에 인접하게 위치된다.

본 발명에서, 고열 방출 버너(68)는 도 3의 고열 방출 버너(64)와는 다르다. 그 목적은 프로세스 코일들의 특정한 섹션들과 정렬된 고온 및 저온 영역들로 분리되는 온도 영역(temperature field)을 형성하는 것이다. 이는 이들 짝을 이룬 버너들의 버너 팁들에 대한 측방향 성분을 포함하여, 짝을 이룬 버너들 사이의 화염을 합치고 화염이 벽에 다가가게 한다. 이러한 측방향 성분은 바람직하게는 수직으로부터 16° 내지 30°이다. 그 다음에, 한 쌍의 이들 버너로부터 나오는 저온의 공기 흐름이 버너(62)들을 향해 측방향 외측으로 전환되고 출구 튜브(58)에 대해 정렬된다. 도 5에서 볼 수 있듯이 그리고 도 6b에서 보다 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 고열 방출 버너(68)의 제 2 연료 팁(72)은 화살표(73)에 의해 나타낸 바와 같이 인접한 고열 방출 버너(68)의 방향에서 수직으로부터 경사져 있다. 이는 고열 방출 버너로부터의 화염들에 대한 측방향 성분을 도입하여 화염들을 합하게 한다. 제 1 연료 팁(70)은 바람직하게는 화살표(71)에 의해 도시된 바와 같이 수직으로 계속 연소된다. 버너로부터의 화염들의 유동 패턴이 도 7에 예시되어 있다.

이러한 연소 모드에서, 저온의 가스 흐름은 코일을 향해 회전하고(roll around), 짝을 이룬 고열 방출 버너에 의해 생성된 열기둥 보다 빠르게 바닥으로 복귀하는 경향이 있다. 인접한 고열 방출 버너의 단계적 버너 팁(72)의 합체(coalescing)에 의해 형성된 열기둥이 고온일수록 코일의 제 1 입구 관(inlet pass)으로의 열유속이 증가된다. 이들 고온의 열기둥은 회전하기 전에 화실 내에서 더 높은 곳까지 도달한다. 이는 코일의 입구 관에 대한 고온의 가스를 더 오랜 시간 동안 있게 하고, 출구 관에 대한 고온의 가스를 감소시킨다. 이는 도 8a, 8b에 예시되어 있으며, 이는 도 8a에서 종래의 구획 연소의 방사 강도와 도 8b의 짝을 이룬 버너 영역 연소를 비교한다. 명료성을 위해, 입구 튜브(56)만이 이들 두 도면에 도시되어 있다. 도 8a의 종래기술에 비하여 도 8b에 예시된 본 발명에 대해 전체 방사 레벨이 입구 튜브 영역들에서 증가되었고 출구 튜브의 영역들에서는 감소되었음을 알 수 있을 것이다. 동시에, 저온의 열기둥은 중앙을 향해 흐르고 코일의 출구 관(outlet pass) 부근의 코일 하류 영역에 들어가려는 경향이 있다. 다양한 레벨에서의 장치(unit)에 걸친 온도 분포의 유사한 비교 역시 종래 기술에 대해 비교적 균일한 분포를 보이지만, 본 발명에 대한 온도는 출구 코일의 영역에서보다 입구 코일의 영역들에서 상당히 높았다. 도 9는 6개의 코일 유닛 중의 반인 3개의 코일의 다양한 튜브에 대한 표준적인 구획 연소 장치의 유속에 대한 짝을 이룬 버너 장치에 대한 유속의 비를 도시하는 챠트이다. 입구 튜브(1 내지 9, 21 내지 28, 29 내지 36)를 포함하는 제 1 관(first pass)이 3%이상의 열유속을 더 가짐을 알 수 있다. 보다 중요한 것은, 튜브(10 내지 19, 37 내지 42)를 포함하는 그 이후의 관들은 감소된 열유속(2 내지 3% 작음)을 갖고 보다 낮은 금속 최고 온도(peak metal temperature)를 겪는다는 것이다.

실제로, 이것은 출구 코일로의 유속이 감소되므로 부착물(fouling)이 감소되고 출구 코일에서 겪는 피크 금속 온도가 감소되기 때문에, 에틸렌 가열기 설계자가 짝을 이룬 구획 연소식 코일로의 전체 평균 유속을 증가시킬 수 있게 한다. 동일한 최고 금속 온도에서 유속이 증가하게 함으로써, 변환(conversion) 또는 용량(capacity) 또는 모두가 증가될 수 있다. 그러므로, 본 발명으로부터의 전체 기대 용량 또는 열 입력 증가량은 동일한 최대 금속 온도에서 작동할 때 상대적 유속 차이의 합계 또는 5%를 넘는다.

Claims (5)

1. 탄화수소를 올레핀(olefin)으로 변환하기 위한 열분해 가열기에 있어서,

   방사 가열 영역과;

   상기 방사 가열 영역에서 일렬로 배열된 입구 관 및 출구 관들을 각각 갖고 각각의 코일의 입구 관들은 인접한 코일의 입구 관들에 인접하고 각각의 코일의 출구 관들은 인접한 코일의 출구 관들에 인접하는 다수의 가열 코일과;

   상기 코일들의 라인에 평행한 라인을 따라 서로 이격되고 상기 코일들의 라인으로부터 이격되고, 정상 연소율(firing rate)을 갖는 버너들과 높은 연소율을 갖는 버너들을 포함하는 다수의 노상 버너(hearth burner)들을 포함하고,

   상기 정상 연소율을 갖는 버너들은 상기 코일의 출구 관들과 정렬되고, 높은 연소율을 갖는 버너들은 상기 코일의 입구 관들과 정렬되고,

   높은 연소율을 갖는 버너들은 인접한 쌍(pairs)들과 이격되어 배치되고, 상기 짝을 이룬 인접한 버너를 향해 소정의 각도로 기울어져 있고 상향으로 지향된 연료 노즐들을 각각 포함하는 열분해 가열기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 정상 연소율을 갖는 버너들과 높은 연소율을 갖는 버너들은 가열기 벽에 인접하게 위치하고, 각각 제 1 및 제 2 연료 노즐들을 포함하고, 상기 제 2 연료 노즐들은 상기 벽을 향해 소정의 각도로 기울어져 있는 열분해 가열기.
3. 탄화수소를 올레핀으로 변환하기 위한 열분해 가열기에 있어서,

   방사 가열 영역과;

   상기 방사 가열 영역에서 일렬로 배열된 입구 관 및 출구 관들을 각각 갖고 상기 코일 중 적어도 몇 개의 코일의 입구 관은 인접한 코일의 입구 관에 인접하고 상기 코일 중 적어도 몇 개의 코일의 출구 관은 인접한 코일의 출구 관에 인접하는 다수의 가열 코일과;

   상기 코일들의 라인에 평행한 라인을 따라 서로 이격되고 상기 코일들의 라인으로부터 이격되고, 상기 코일의 출구 관들과 정렬된 제 1 노상 버너들과 상기 코일의 입구 관과 정렬된 제 2 노상 버너들을 포함하는 다수의 노상 버너들을 포함하고,

   상기 제 1 노상 버너들은 상향으로 지향된 연료 노즐들을 각각 포함하고, 상기 제 2 노상 버너들은 인접한 쌍들과 이격되어 배치되고, 상기 짝을 이룬 인접한 제 2 노상 버너를 향해 소정의 각도로 기울어져 있고 상향으로 지향된 연료 노즐들을 각각 포함하는 열분해 가열기.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 제 1 노상 버너들은 상기 제 2 노상 버너들 보다 낮은 연소율을 갖는 열분해 가열기.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 노상 버너들은 가열기 벽부근에 위치하고, 각각의 버너는 제 1 및 제 2 연료 노즐들을 포함하고, 상기 제 2 연료 노즐들은 상기 벽을 향해 소정의 각도로 경사지는 열분해 가열기.

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