KR101278487B1 - 연료의 무염 연소 및 처리 유체의 직접 가열을 위한 직접가열 시스템의 작동 개시 방법 - Google Patents

연료의 무염 연소 및 처리 유체의 직접 가열을 위한 직접가열 시스템의 작동 개시 방법 Download PDF

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Abstract

연료 도입 영역, 연소 영역 및 상기 연소 영역과 열교환 관계에 있는 처리 영역을 구비하는 직접 가열 시스템의 작동 개시 방법을 포함한다.
상기 연소 영역 내로의 연료 유체의 도입 이전에, 고온의 산화제 유체가 상기 직접 가열 장치의 온도를 소망하는 온도로 상승시키기에 충분한 예열 시간 주기 동안 상기 연소 영역을 통해 통과된다.
상기 연료 도입 영역 내로의 상기 연료 유체의 도입 이전에, 처리 영역을 통해 증기 또는 처리 유체가 통과된다. 장치가 가열된 후, 처리 유체가 처리 영역을 통해 도입된다. 이후, 처리 영역을 통한 증기의 도입이 중단된다.

Description

연료의 무염 연소 및 처리 유체의 직접 가열을 위한 직접 가열 시스템의 작동 개시 방법{METHOD OF STARTING UP A DIRECT HEATING SYSTEM FOR THE FLAMELESS COMBUSTION OF FUEL AND DIRECT HEATING OF A PROCESS FLUID}
본 발명은 직접 가열 장치 또는 시스템의 작동 개시 방법(들) 에 관한 것이다.
무염 연소 가열 장치의 다양한 형식 및 설계가 공개 문헌들에 개시되어 있다. 예컨대, 미국 특허 제 5,255,742 호는 무염 연소 장치를 사용하여 지하 구조물 (subterranean formation) 을 가열하는 방법을 개시하고 있다. 이 장치는 복수개의 오리피스를 포함하는 연료 가스 도관을 포함한다. 연료 가스 도관은 연소 공기 도관 내에 중심을 잡아 연료 가스 도관과 연소 가스 도관 사이에 제 1 고리를 형성한다. 오리피스는 연료 가스 도관과 제 1 고리 사이에 유체 연통을 제공한다. 연소 공기 도관은 시추정 (wellbore) 케이싱 내에 중심을 잡아 이에 의해 연소 공기 도관과 시추정 케이싱 사이에 제 2 고리를 형성한다. 연료 가스는 연료 가스 도관의 오리피스를 통해 제 1 고리 내에 도입되어 공기와 혼합되어 제 1 고리 내에서 연소하게 된다. 연소 공기 도관에 의해 형성된 제 1 고리는 연소 공기 도관과 시추정 케이싱 사이 제 2 고리와 유체 연통된다. 이 유체 연통은 연소 가스용 유동 통로를 제 2 고리 내에 도입되게 제공하고, 제 2 고리를 표면까지 이동시켜 이에 의해 지하 구조물에 열이 전달되도록 한다.
미국 특허 공보 제 2003-0182858 호는 무염 분배된 연소 장치를 사용함으로써 처리 유체에 제어된 열을 제공하는 방법에 대해 기재하고 있다. 이 장치는 장치의 길이를 따라 분포된 다수의 연료 노즐 및 주변의 산화 챔버를 포함하는 연료 도관을 포함한다. 연료 도관을 둘러싸는 도관은 산화 챔버를 형성한다. 이 장치는 산화 챔버를 둘러싸는 처리 챔버를 더 포함한다. 연료 노즐은 연료 도관 내에서 산화 챔버로의 연통을 제공하며, 산화제 (oxidant) 와 연료는 혼합되어 연료가 연소된다. 연소로부터 방출된 열이 처리 챔버로 전달된다.
전술한 공보는 처리 유체를 가열하는 4 관식 무염 연소 가열 장치에 대해 깨닫지 못하였으며, 가열 장치의 관들이 다중 튜브시트를 사용함으로써 열교환기 시스템에 함께 매니폴드 될 때, 냉간 시동으로부터 3 관식 또는 4 관식 무염 연소 장치의 작동 개시와 관련된 가능한 문제점을 더 인식하지 못하였다. 냉간 시동으로부터 무염 연소 장치를 사용하기 시작할 때의 고려할 점으로는 도입된 연료의 불안정한 연소 가능성이며, 이로 인해 다양한 입력 스트림이 냉각 장치 내로 도입된다. 또다른 고려점으로는 냉간 작동 개시중 발생할 수 있는 무염 연소 장치의 불안정 상태 작업에서의 어려움이 있다. 또한, 냉간 작동 개시중 무염 연소 장치의 금속 팽창의 효과도 고려해야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 직접 가열 장치의 냉간 시동으로부터 또는 비사용기간 후 가열 장치의 사용을 개시하는 방법 또는 공정을 제공하는 것이다.
따라서, 연료 도입 영역, 연소 영역 및 상기 연소 영역과 열교환 관계에 있는 처리 영역을 구비하는 직접 가열 시스템의 작동 개시 방법이 제공된다. 이 방법은, 상기 직접 가열 시스템의 온도를 소망하는 온도로 상승시키기에 충분한 예열 시간 주기 동안 고온의 산화제 유체를 상기 연소 영역에 통과시키는 단계, 상기 직접 가열 시스템의 온도를 제 2 의 소망하는 온도로 조정하기에 충분한 제 2 의 시간 주기 동안 증기를 상기 처리 영역에 통과시키는 단계, 및 상기 소망의 온도 및 상기 제 2 의 소망하는 온도에 도달한 후, 연료를 포함하는 연료 유체를 상기 연료 도입 영역에 통과시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 또다른 실시예는 연료 도입 영역, 연소 영역 및 상기 연소 영역과 열교환 관계에 있는 처리 영역을 구비하는 직접 가열 시스템의 작동 개시 방법이다. 이 방법은, 상기 직접 가열 시스템의 온도를 소망하는 온도로 상승시키기에 충분한 예열 시간 주기 동안 고온의 산화제 유체를 상기 연소 영역에 통과시키는 단계, 상기 소망의 온도에 도달한 후, 상기 직접 가열 시스템의 온도를 제 2 의 소망하는 온도로 상승시키기에 충분한 제 2 의 시간 주기 동안 처리 유체를 포함하는 처리 스트림를 상기 처리 영역에 통과시키는 단계, 및 상기 제 2 의 소망하는 온도에 도달한 후, 연료를 포함하는 연료 유체를 상기 연료 도입 영역에 통과시키는 단계를 포함한다.
도 1 은 본 발명의 작동 개시 방법의 대상인 3 관식 무염 연소 장치를 나타 내는 단순한 개략도이다.
도 1 의 (b) 는 본 발명의 작동 개시 방법의 대상인 3 관식 무염 연소 장치의 실시예를 나타내는 단순한 개략도이다.
도 2 는 본 발명의 작동 개시 방법의 대상인 4 관식 무염 연소 장치의 단순한 개략도이다.
도 2b 는 본 발명의 작동 개시 방법의 대상인 4 관식 무염 연소 장치의 실시예를 나타내는 단순한 개략도이다.
본 발명은 냉간 시동으로부터 직접 가열 시스템 또는 무염 연소 장치의 사용을 개시하는 방법 또는 공정을 제공한다. 본 명세서에 기재된 작동 개시 절차의 대상인 직접 가열 시스템은 연료를 연소시켜 발생된 열 에너지를 직접 전달하는 형식의 가열 시스템이다.
본 발명의 직접 가열 시스템은 무염 연소 장치 또는 무염 연소 시스템 또는 무염 분배 연소 (FDC) 장치 또는 유사하게 언급되는 가열 장치를 포함하며, 이는 연료가 결과적인 혼합물의 자동 착화 온도를 초과하는 온도에서 미리 가열된 산화제 스트림 내로 도입되는 조건하에서 연료의 연소를 제공하기 위한 일체형 가열 시스템을 포함한다. 연료 및 산화제 스트림이 급속 혼합되어, 연소 반응이 낮은 혼합률에 제한받지는 않으며, 산화제 스트림의 속도는 화염의 형성을 방지하도록 되어 있다. 이러한 소위 무염 연소에 의해 방출된 열은 처리 영역 (process zone) 을 통과하는 처리 유체 또는 스트림에 전달되는데, 처리 영역은 예컨대 무염 연소 장치의 연소관 또는 산화제 도입관, 또는 이들 모두를 둘러싸는 처리 슬리브에 의한 무염 연소 장치의 연소 영역과 열교환 관계가 되도록 구성된다.
본 발명에서 고려하는 가능한 무염 연소 시스템은 3 관식 및 4 관식 무염 가열 시스템을 포함한다. 3 관식 무염 가열 장치는 연료 도입 영역, 연소 영역 및 처리 영역을 구비하는 시스템이다. 연료 도입 영역은 연소 영역 내로의 연료의 도입을 위해 제공되는 관의 길이를 따라 복수 개의 구멍 또는 오리피스를 갖는 연료관에 의해 한정된다. 연료관 외부에서 이 연료관을 둘러싸는 연소관은 예비가열된 산화제 유체가 통과되며 연료관의 구멍을 통해 연소 영역 내로 도입되는 연료와 혼합되는 연소 영역을 한정한다. 연소관 외부에서 이 연소관을 둘러싸는 처리관은 처리 유체가 통과하는 처리 영역을 한정한다. 처리 영역은 또한 연소 영역과 열교환 관계에 있도록 구성된다.
몇몇 실시예에서, 3 관식 무염 가열 시스템은 연료관, 산화제관, 및 처리관을 포함할 수도 있다. 연료관은 연료 도입 영역을 한정하는 길이와 관 벽을 가지는데, 이 길이를 따라 상기 연료 도입 영역 안에는 연료 예열 영역과 연소 영역이 포함되어 있고, 상기 연료 예열 영역은 상기 연료 예비가열 영역 내로 상기 연료를 도입하는 연료 입구부 및 상기 연료 예비가열 영역으로부터 상기 연소 영역으로 예비가열된 연료를 도입하는 연료 출구부를 포함하며, 상기 연소 영역을 따라 상기 관 벽에는 복수 개의 구멍이 관통 형성되어 있다. 산화제 관은 상기 연료관의 길이를 따라 산화제 도입 영역을 한정하도록 상기 연료관 외부에서, 이 연료관을 둘러싸고, 상기 산화제 도입 영역은 산화제 예비가열 영역과 연료 연소 영역 을 포함하며, 상기 산화제 예비가열 영역은 상기 산화제 예비가열 영역 단부로 산화제를 도입하는 산화제 입구부와 상기 산화제 예비가열 영역으로부터 상기 연료 연소 영역으로 예비가열된 산화제를 도입하는 산화제 출구부를 포함하며, 상기 복수의 구멍은 상기 연소 영역과 상기 연료 연소 영역 사이에 유체연통을 제공한다. 처리관은 상기 산화제관을 따라 처리 유체 도입 영역을 한정하도록 상기 산화제관 외부이며 상기 산화제관을 둘러싸고, 상기 처리 유체 도입 영역은 처리 유체 가열관과 산화제/연료 가열 영역을 포함하며, 상기 처리 유체 가열 영역은 상기 연료 연소 영역과 열교환 관계에 있으며, 상기 처리 유체 가열 영역 내로 상기 처리 유체를 도입하는 처리 유체 입구부와 상기 산화제/연료 가열 영역 내로 상기 처리 유체 가열 영역으로부터 가열된 처리 유체를 도입하는 처리 유체 출구부를 포함하며, 상기 산화제/연료 가열 영역은 상기 산화제 예비가열 영역과 상기 연료 예비가열 영역 모두와 열교환 관계에 있으며, 상기 산화제/연료 가열 영역으로부터 상기 가열된 처리 유체를 방출하는 방출 출구부를 포함한다.
3 관식 무염 가열 시스템은 "A Heat Transfer System for the Combustion of a Fuel and Heating of a Process Fluid and a Process that Uses Same" 으로 출원된 특허출원 (TH 2699) 에 상세히 기재되어 있으며, 전체가 참조로 본 명세서에 내재되어 있다.
4 관식 무염 가열 장치는 연료 도입 영역, 연소 영역, 산화제 도입 영역, 및 처리 영역을 포함한다. 연료 도입 영역은 연소 영역으로 연료의 도입을 위해 그 길이를 따라 제공된 복수 개의 구멍 또는 오리피스를 갖는 연료관에 의해 한정 된다. 연료관의 외부에서, 이 연료관을 둘러싸는 반응관 또는 연소관은 연소 영역을 한정하며, 예열된 산화제 유체가 이 연소 영역을 통과하여, 연료관의 구멍을 통해 연소 영역 내로 도입되는 연료와 혼합하게 된다. 연소관의 외부에서, 이 연소관을 둘러싸는 산화제 도입관은 산화제 도입 영역을 한정하며, 산화제 유체가 상기 산화제 도입관을 통과하여 연소 영역 내로 도입되기 전에 예비가열된다. 연소관의 외부에서, 이 연소관을 둘러싸는 처리관은 처리 유체가 통과되는 처리 영역을 한정한다. 처리 영역 및 산화제 도입 영역 모두는, 연소 영역과 직접 또는 간접적인 열교환 관계에 있도록 구성된다.
일부 실시예에서, 4 관식 무염 가열 시스템은 동심원 관계에서, 연료 도입 영역, 연소 영역, 산화제 도입 영역, 및 처리 유체 영역을 포함할 수 있으며, 상기 연료 도입 영역은 상기 연소 영역 내로 연료를 도입하는 연료 도입 수단에 의해 한정되며, 상기 연소 영역은 상기 연료 도입 수단의 외부에서, 이 연료 도입 수단을 둘러싸는 반응관에 의해 한정되고, 상기 산화제 도입 영역은 상기 반응관의 외부에서, 이 반응관을 둘러싸는 산화제관에 의해 한정되며, 상기 처리 유체 영역은 상기 산화제관의 외부에서, 이 산화제관을 둘러싸는 처리관에 의해 한정된다.
일부 실시예에서, 4 관식 무염 가열 시스템은, 연료 도입 영역을 한정하는 연료관 길이와 연료관 벽을 갖는 연료관, 반응관 길이를 가지며, 상기 연료관의 외부에서, 이 연료관을 둘러싸게 위치되어 상기 연료관 길이를 따라 연소 영역을 한정하는 반응관, 산화제 도입관 길이를 가지며 상기 반응관의 외부에서, 반응관을 둘러싸게 위치되어 이 반응관 길이를 따라 산화제 도입 영역을 한정하는 산화제 도 입관, 및 산화제 도입관의 외부에서 산화제 도입관을 둘러싸게 위치되어 산화제 도입관을 따라 처리 유체 영역을 한정하는 처리관을 갖는 처리 시스템에서, 상기 연료관은 상기 연료 도입 영역 내로 연료를 도입하는 연료 입구부 단부와 말단부를 포함하며, 상기 연료관 길이를 따라 상기 관 벽에는 복수 개의 이격된 구멍이 관통 형성되어 있으며, 상기 반응관은 상기 연소 영역 내로 들어가는 예열된 산화제를 받아들이는 반응관 입구부 단부와 상기 연소 영역으로부터 연소 배출물을 방출하는 방출 단부를 가지며, 상기 복수 개의 이격된 구멍은 상기 연료 도입 영역과 상기 연소 영역 사이에 유체 연통을 제공하며, 상기 산화제 도입관은 상기 산화제 도입 영역 내로 산화제를 도입하는 산화제 도입관 입구부와 상기 반응관 입구부 단부와 유체연통하는 상기 산화제 도입관 출구부 단부를 통해 상기 연소 영역 내로 상기 산화제 도입 영역으로부터 상기 예비가열된 산화제를 배출하는 산화제 도입관 출구부 단부를 포함하며, 상기 산화제 도입 영역은 상기 연소 영역과 열교환 관계에 있으며, 상기 처리관은 상기 처리 유체 영역 내로 처리 유체를 도입하는 처리 유체 입구부 단부와 상기 처리 유체 영역으로부터 가열된 처리 유체를 배출하는 처리 유체 출구부 단부를 가지며, 상기 처리 유체 영역은 상기 연소 영역과 열교환 관계에 있다.
4 관식 무염 가열 시스템은 "A Multi-Tube Heat Transfer System for the Combustion of a Fuel and Heating of a Process Fluid and Use Thereof" 으로 출원된 특허출원 (TH 2700) 에 상세히 기재되어 있으며, 전체가 참조로 본 명세서에 내재되어 있다.
본 발명의 방법은 전술한 3 관식 및 4 관식 무염 가열 장치 등의 냉간 시동 무염 가열 시스템으로부터 작동 개시를 위한 절차에 관한 것이다. 작동 개시 절차는 무염 가열 장치의 연소 영역 내로 또한 연소 영역에 고온의 산화제 유체를 통과시키는 것부터 시작된다. 고온의 산화제 유체는 연소 영역 내로 도입되기 이전에 소망하는 입구부 온도로 가열될 수 있는 임의의 적합한 유체이다. 본 발명의 실시예에서, 산화제는 외부 수단에 의해 가열될 수 있다. 예컨대, 산화제는 공정 자체에 의해 가열될 수도 있다.
고온의 산화제 유체는 무염 가열 장치의 온도를 소망하는 온도로 상승시키기에 충분한 예열시간 (warm - up time) 주기 동안 연소 영역을 통과한다. 무염 연소 장치의 온도를 소망하는 온도로 상승시키는 시간은 장치의 질량, 장치의 제작에 사용된 재료, 장치의 시작 온도, 및 장치의 소망하는 온도에 따른다.
무염 연소 장치의 소망하는 온도는 적절한 수단 또는 방법에 의해 결정되거나 측정될 수 있다. 무염 연소 장치가 소망하는 온도에 도달되었을 때를 결정하기 위한 바람직한 접근법으로는, 무염 연소 장치의 연소 영역으로 도입되는 고온의 산화제 유체의 입구부 온도를 측정하고, 고온의 산화제 유체가 연소 영역을 통과한 후 배기 출구부를 나갈 때 이 고온의 산화제 유체의 출구부 온도를 측정하는 것이다.
일반적으로, 고온의 산화제 유체가 연소 영역으로 우선적으로 도입되면, 무염 연소 장치의 배기 출구부를 나갈 때의 고온의 산화제 유체의 출구부 온도가 무염 연소 장치의 연소 영역 입구부를 통해 도입될 때의 고온의 산화제 유체의 입구 부 온도보다 상당히 낮다. 고온의 산화제 유체의 입구부 온도와 출구부 온도 사이의 높은 온도 차이는 고온의 산화제 유체로부터 무염 연소 장치의 질량과 재료로의 열전달 때문이지만, 고온의 산화제 유체가 연소 영역을 통과함에 따라, 무염 연소 장치가 가열되고 고온의 산화제 유체의 출구부 온도가 증가함으로써, 고온의 산화제 유체의 입구부 온도와 출구부 온도 사이의 온도차가 감소된다.
입구부 온도와 출구부 온도 사이의 온도차는, 무염 연소 장치의 온도가 소망하는 온도에 도달된 때를 결정하기 위해 소정의 시간 주기 동안 모니터될 수 있다. 연소 영역 배기 출구부에서의 전술한 온도차 또는 고온의 산화제 유체의 절대 온도는 무염 연소 장치의 온도의 지시 인자로서 사용될 수 있다.
고온의 산화제 유체는 열을 전달할 수 있는 적절한 유체 (예컨대, 충분한 열용량을 갖는 유체) 로부터 선택될 수 있다. 본 발명의 방법에 사용하기에 바람직한 산화제 유체는 공기 등의 산소를 포함하는 유체이며, 공기는 바람직한 산화제 유체이다. 고온의 산화제 유체는 또한 그 일부분으로서 증기를 포함할 수도 있다. 따라서, 바람직하게는 고온의 산화제 유체는 공기를 포함하며, 또한 추가로 증기를 포함할 수도 있다. 고온의 산화제 유체를 사용하는 예열 단계의 개시는 시스템을 깨끗이 하거나 (purging) 또는 시스템의 예열 등의 목적을 위해 무염 연소 장치의 하나 이상의 영역에 증기를 통과시키는 등의 전단계를 배제하는 것은 아니다. 일부의 실시예에서, 처리 단계는 고온의 산화제 유체를 사용하는 예열 단계의 개시 이전에 실행된다. 예컨대, 시스템을 깨끗이 하거나 또는 시스템의 예열 등의 목적을 위해 증기가 열전달 시스템의 하나 이상의 영역을 통과할 수도 있다.
고온의 산화제 유체의 입구부 온도는 적어도 무염 연소 장치의 소망하는 가열에 필요한 만큼 높을 수 있다. 통상의 실시예에서, 고온의 산화제 유체의 입구부 온도는 약 200℃ (392℉) ~ 약 2000℃ (3632℉), 또는 약 260℃ (500℉) ~ 약 1000℃ (1832℉) 이며, 바람직하게는 약 360℃ (680℉) ~ 약 850℃ (1562℉) 이며, 가장 바람직하게는 약 460℃ (860℉) ~ 약 725℃ (1337℉) 이다.
고온의 산화제 유체가 무염 연소 영역의 연소 영역 내로 먼저 도입되면, 배출물의 고온의 산화제 유체의 출구부 온도는 전술한 바와 같이, 유체의 입구부 온도보다 상당히 낮을 것이다. 하지만, 고온의 산화제 유체가 무염 연소 장치를 통과하는 시간이 증가함에 따라, 온도 차이는 좁아질 것이다. 출구부 온도의 소망하는 온도는 약 460℃ (860℉) 를 초과해야 하고, 바람직하게는 약 560℃ (1040℉) 를 초과해야 하며, 가장 바람직하게는, 연소 영역의 출구부 온도의 소망하는 온도는 약 620℃ (1148℉) 를 초과해야 한다.
고온의 산화제 유체 배출물의 소망하는 온도에 도달한다면, 작동 개시 절차의 일 실시예에서, 처리 영역 유체인 증기가 무염 연소 장치의 처리 영역에 도입되어 통과된다. 처리 영역 유체의 온도는, 전술한 바와 같은 연소 영역의 고온의 산화제 유체의 온도의 경우와 동일하거나 유사한 방법으로 측정되어 모니터된다.
증기 처리 유체의 처리 영역 입구부 온도는 약 425℃ (797℉) 를 초과하는 과열된 증기의 온도일 수도 있다. 처리 영역으로 도입되는 증기의 온도는 약 510℃ (950℉) 를 초과하는 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 입구부 증기 온도 는 약 560℃ (1040℉) 를 초과한다. 특히 증기가 과열되어 약 620℃ (1148℉) 를 초과하는 온도를 갖는 것이 바람직하다.
증기는 무염 연소 장치의 온도를 제 2 의 소망하는 온도로 조정하기에 충분한 제 2 온도 주기동안 처리 영역을 통과한다. 이 제 2 의 소망하는 온도는 처리 영역의 출구부에서 처리 영역 유체의 온도를 모니터함으로써 결정될 수도 있다. 처리 영역 출구부 온도의 제 2 의 소망하는 온도는 약 460℃ (860℉) 를 초과하는 것이 바람직하며, 바람직하게는 약 560℃ (1040℉) 를 초과해야 하며, 가장 바람직하게는 처리 영역의 출구부에서의 제 2 의 소망하는 온도는 약 620℃ (1148℉) 를 초과하는 것이 바람직하다.
소망하는 온도에 도달되거나 제 2 의 소망하는 온도에 도달되거나, 또는 소망하는 온도와 제 2 의 소망하는 온도 모두에 도달된다면, 연료 유체가 연료 유체 영역 내로 도입되며, 그 유체는 연료관 구멍을 통과하여 연소 영역 내로 들어가고, 이 연소 영역에서 그곳을 통과하는 고온의 산화제 유체와 혼합하여 연소가 개시된다. 연료 유체와 고온의 산화제 유체를 포함하는 연소 혼합물은 이 혼합물의 자동 착화 온도를 초과하는 온도에 있다. 연소의 착화를 개시하거나 보조하기 위해서 추가의 하드웨어나 전자장치가 필요하지 않다. 스파크, 점화기, 글로우 플러그 및 다른 유사한 것이 연소를 개시하기 위해 요구되지 않는다.
산소 또는 공기 등의 산화제의 존재 하에서 연소가능한 적절한 유체가 연료 유체로서 사용될 수 있다. 이러한 연료의 예로는 수소 또는 탄화수소를 포함한다. 연료로서 사용될 수 있는 탄화수소의 예로는 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 프로핀, 부탄, 부틸렌 및 부틴을 포함하며, 1 ~ 6 탄소 원자수를 갖는 탄화수소를 포함한다. 바람직한 연료는 수소, 메탄, 에탄 및 이들의 혼합물로 이루어진 군중에서 선택된 것을 포함한다.
무염 연소 장치의 작동 개시중 처음에 연료 도입 영역 내로 도입되는 연료는 그의 일부로서 증기를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 연료와 증기의 혼합물은 연료 도입 영역을 통과하고, 연료의 연소가 발생하는 연소 영역 내로 그 구멍을 통해 들어간다. 연소가 발생하는 시간 주기 후에, 증기가 연료로부터 제거되어 무염 연소 장치가 계속해서 연료를 연소시킬 수 있다.
다른 실시예에서, 증기가 가열중 라인을 깨끗이 하기 위해 분사된다. 연료가 도입되고 증기의 도입이 중단된다. 연료가 착화하면, 상이한 연료 또는 연료의 혼합물이 도입될 수 있고, 이 연료 또는 연료의 혼합물은 증기를 포함할 수도 있다. 또다른 실시예는 증기 없이 연료를 분사하는 것을 포함하는 증기 퍼지 없는 작동 개시를 포함한다.
소망하는 온도와 제 2 의 소망하는 온도에 도달한다면, 처리 스트림은 무염 연소 장치의 처리 영역에 도입되어 통과된다. 처리 스트림이 처리 영역으로의 증기의 도입의 중단 이전에, 또는 처리 영역으로의 증기의 도입의 중단 이후에, 또는 처리 영역으로의 증기의 도입의 중단과 동시에 처리 영역에 도입되고, 따라서 이후 첨가된 증기가 없는 처리 유체가 처리 영역을 통과한다. 일단 연료, 산화제 유체와 처리 스트림이 각각의 영역 내로 도입되며, 무염 연소 장치의 작동 개시는 완료된다. 일부 실시예에서, 연료는 연료의 혼합물일 수도 있고, 및/또는 연료가 증기를 포함할 수도 있다.
본 발명의 작동 개시 절차의 다른 실시예에서, 무염 연소 장치의 소망하는 온도에 도달한 후에 증기를 처리 영역에 통과시키는 것 대신에, 처리 스트림을 무염 연소 장치의 처리 영역에 도입 및 통과시킨다. 증기 대신에 처리 스트림을 사용하는 것은 처리 스트림이 표준 작업 하에서 이미 적당히 고온이거나 고온일 수 있는 상황 또는 처리 스트림이 처리 영역을 통과하기 이전에 예열될 때 특히 유용할 수 있다.
처리 스트림이 적당히 고온일 수 있는 실시예의 일 예는, 스티렌 제조 공정의 에틸벤젠 탈수소 스트림 등의 탈수소 처리 스트림에 열을 도입하기 위해 무염 연소 장치를 사용할 때이다. 이 경우, 처리 영역의 입구부에서의 처리 스트림의 온도는 약 425℃ (797℉) 를 초과하는 온도를 갖는 것이 바람직하다. 처리 영역으로 도입되는 처리 스트림의 온도는 약 510℃ (950℉) 를 초과하는 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 입구부 처리 스트림 온도는 약 560℃ (1040℉) 를 초과하는 것이다. 처리 스트림이 약 620℃ (1148℉) 를 초과하는 온도를 갖는 것이 특히 바람직하다.
증기의 사용시, 처리 스트림은 무염 연소 장치의 온도를 제 2 의 소망하는 온도로 조절하기에 충분한 시간 주기 동안 처리 영역을 통과한다. 이 제 2 의 소망하는 온도는 처리 영역의 출구부에서 처리 영역 유체의 온도를 모니터함으로써 결정될 수도 있다. 처리 영역 출구부 온도의 제 2 의 소망하는 온도는 약 460℃ (860℉) 를 초과해야 하며, 바람직하게는 약 560℃ (1040℉) 를 초과해야 하고, 가장 바람직하게는 처리 영역의 출구부에서의 제 2 의 소망하는 온도는 약 620℃ (1148℉) 를 초과해야 한다.
소망하는 온도 또는 제 2 의 소망하는 온도 중 하나, 또는 소망하는 온도와 제 2 의 소망하는 온도 모두에 도달되면, 연료가 연료 도입 영역 내로 도입되어 연소 영역 내에서 연소가 시작된다. 연료 유체와 고온의 산화제 유체를 포함하는 연소 혼합물은 혼합물의 자동 착화 온도를 초과하는 온도에 있다. 연소의 착화를 개시하거나 보조하기 위해서는 추가의 하드웨어나 전자장치가 필요하지 않다. 스파크, 점화기, 글로우 플러그 및 다른 유사한 것이 연소를 개시하기 위해 요구되지 않는다.
본 발명의 작동 개시 절차의 실시예를 위해 처음에 연료 도입 영역으로 도입되는 연료는 또한 그 일부분으로서 추가된 증기를 포함할 수도 있다. 이 경우, 연료와 추가된 증기 혼합물은 연료 도입 영역을 통과하고 연료의 연소가 발생하는 연소 영역 내로 구멍을 통과해 들어간다. 연소가 발생하는 시간 주기 후에, 추가된 증기가 연료로부터 제거되며, 무염 연소 장치가 연료를 계속 연소시킬 수 있다. 본 발명의 작동 개시 절차의 실시예의 처리 스트림은 또한 증기를 추가로 포함한다. 일단 무염 연소 장치가 가열되면, 연료 유체에 포함된 증기 부분과 처리 스트림에 포함된 증기량이 감소될 수 있다.
도 1 을 참조로 하면, 3 관식 무염 연소 장치 (100) 의 관 배열의 단순화된 개략도가 도시되어 있다.
본 발명의 작동 개시 절차의 일 실시예는 연료 도입 영역 (108), 연소 영역 (110) 및 처리 영역 (112) 을 각각 한정하는 연료관 (102), 연소관 (104), 및 처리관 (106) 을 갖는 3 관식 무염 연소 장치 (100) 를 제공할 필요가 있다.
우선, 3 관식 무염 연소 장치의 작동 개시는 냉간 시동이다. 공기 등의 고온의 산화제 유체가 연소 영역 입구부 도관 (113) 을 통해 연소 영역 (110) 으로 도입되고, 3 관식 연소 장치 (100) 의 온도를 소망하는 온도로 상승시키기에 충분한 예열 시간 주기 동안 연소 영역 (110) 을 통과한다.
3 관식 무염 연소 장치 (100) 의 소망하는 온도는 고온의 산화제 유체가 연소 영역 출구부 도관 (114) 을 통해 연소 영역 (110) 을 나갈 때의 출구부 온도의 측정에 의해 모니터되고 결정될 수도 있다. 이 연소 영역 출구부 온도는 3 관식 무염 연소 장치 (100) 의 온도와 관련되어 있으며, 3 관식 무염 연소 장치 (100) 의 온도가 소망하는 온도에 있는 때를 판정하기 위한 목적으로 상기 무염 연소 장치의 온도의 지시 인자로서 사용될 수도 있다.
증기가 처리 영역 입구부 도관 (116) 을 통해 처리 영역 (112) 에 도입되고, 3 관식 무염 연소 장치 (100) 의 온도를 제 2 의 소망하는 온도로 조정하기에 충분한 제 2 의 시간 주기 동안 증기가 처리 영역 (112) 을 통과한다. 3 관식 무염 연소 장치의 제 2 의 소망하는 온도는, 증기가 처리 영역 출구부 도관 (118) 을 통해 처리 영역 (112) 을 나갈 때의 증기의 처리측 출구부 온도의 측정에 의해 모니터되고 결정된다. 이 처리 영역 (112) 으로부터의 증기의 출구부 온도는 3 관식 무염 연소 장치 (100) 의 온도와 관련되어 있으며, 3 관식 무염 연소 장치 (100) 의 온도가 제 2 의 소망하는 온도에 있는 때를 결정하기 위한 목적으로 상기 무염 연소 장치의 온도의 지시 인자로서 사용될 수도 있다.
소망하는 온도 또는 제 2 의 소망하는 온도 중 하나에 도달되거나, 또는 소망하는 온도와 제 2 의 소망하는 온도 모두에 도달되면, 연료 유체가 연료 도입 영역 입구부 도관 (120) 을 통해 연료 도입 영역 (108) 에 도입된다. 연료 유체가 연료 도입 영역 (108) 과 구멍 (122) 을 통과하여 연소 영역 (110) 내로 도입되고, 이 연소 영역에서 고온의 산화제 유체와 혼합되어 연소가 발생하게 된다. 연소 영역 (110) 으로부터의 배출물은 연소 영역 출구부 도관 (114) 을 통해 연소 영역 (110) 으로부터 나간다.
연료가 연소 영역 (110) 내로 도입되어 연소가 발생하면, 처리 영역 (112) 을 통과하는 증기는 가열된 처리 유체로 대체될 수도 있다. 이에 의해, 처리 유체를 포함하는 처리 스트림가 처리 영역 (112) 에 도입되어 이를 통과한다. 처리 영역 (112) 으로의 처리 스트림의 도입은 처리 영역 (112) 으로의 증기의 도입의 중단과 동시에 실행되거나 또는 처리 영역 (112) 으로의 증기의 도입의 중단 이전에 또는 처리 영역 (112) 으로의 증기의 도입의 중단 이후에 행해질 수 있고, 이후에 3 관식 무염 연소 장치의 작동 개시가 실질적으로 완료된다.
도 2 를 참조로 하면, 4 관식 무염 연소 장치 (200) 의 관 배치의 간략화된 개략도가 도시되어 있다. 본 발명의 작동 개시 처리의 다른 실시예는 연료 도입 영역 (210), 연소 영역 (212), 산화제 도입 영역 (214) 및 처리 영역 (216) 을 각각 한정하는 연료관 (202), 연소관 (204), 산화제 도입관 (206) 및 처리관 (208) 을 갖는 4 관식 무염 연소 장치 (200) 를 제공할 필요가 있다.
통상의 실시예에서, 처리 영역은 산화제 도입 영역 외부에 있다. 또한, 통상의 실시예에서, 산화제 도입 영역은 연소 영역 외부에 있다. 또한, 통상의 실시예에서, 연소 영역은 연료 도입 영역 외부에 있다.
대부분의 경우에, 4 관식 무염 연소 장치의 작동 개시는 냉간 시동인데, 이 경우 공기 등의 고온의 산화제 유체가 산화제 도입 영역 입구부 도관 (218) 및 산화제 도입 영역 (214) 을 통해 연소 영역 (212) 안으로 도입되며, 이후 고온의 산화제 유체는 4 관식 연소 장치 (200) 의 온도를 소망하는 온도로 상승시키기에 충분한 예열 시간 주기 동안 연소 영역 (212) 을 통과한다.
4 관식 무염 연소 장치 (200) 의 온도는 고온의 산화제 유체가 연소 영역 출구부 도관 (220) 을 통해 연소 영역 (212) 을 나갈 때의 고온의 산화제 유체의 출구부 온도의 측정에 의해 모니터되고 결정될 수도 있다. 이 출구부 온도는 4관식 무염 연소 장치 (200) 의 온도와 관련되어 있으며, 4 관식 무염 연소 장치 (200) 의 온도가 소망하는 온도에 있는 때를 결정하기 위한 목적으로 상기 무염 연소 장치의 온도의 지시 인자로서 사용될 수도 있다.
증기가 처리 영역 입구부 도관 (222) 을 통해 처리 영역 (216) 에 도입되고, 4 관식 무염 연소 장치 (200) 의 온도를 제 2 의 소망하는 온도로 조정하기에 충분한 제 2 의 시간 주기 동안 증기가 처리 영역 (216) 을 통과한다. 4 관식 무염 연소 장치의 제 2 의 소망하는 온도는, 증기가 처리 영역 출구부 도관 (224) 을 통해 처리 영역 (216) 을 나갈 때의 증기의 처리측 출구부 온도의 측정에 의해 모니터되고 결정된다. 이 처리 영역 (216) 으로부터의 증기의 출구부 온도는 4 관식 무염 연소 장치 (200) 의 온도와 관련되어 있으며, 4 관식 무염 연소 장치 (200) 의 온도가 제 2 의 소망하는 온도에 있는 때를 결정하기 위한 목적으로 상기 무염 연소 장치의 온도의 지시 인자로서 사용될 수도 있다.
소망하는 온도 또는 제 2 의 소망하는 온도 중 하나에 도달되거나, 또는 소망하는 온도와 제 2 의 소망하는 온도 모두에 도달되면, 연료 유체가 연료 도입 영역 입구부 도관 (226) 을 통해 연료 도입 영역 (210) 에 도입된다. 연료 유체가 연료 도입 영역 (210) 과 구멍 (228) 을 통과하여 연소 영역 (212) 내로 도입되고, 이 연소 영역에서 고온의 산화제 유체와 혼합되어 연소가 발생하게 된다. 연소 영역 (212) 으로부터의 배출물은 연소 영역 출구부 도관 (220) 을 통해 연소 영역 (212) 으로부터 나간다.
연료가 연소 영역 (212) 내로 도입되어 연소가 발생하면, 처리 영역 (216) 을 통과하는 증기는 가열된 처리 유체로 대체될 수도 있다. 이에 의해, 처리 유체를 포함하는 처리 스트림가 처리 영역 (216) 에 도입되어 이를 통과한다. 처리 영역 (216) 으로의 처리 스트림의 도입은 처리 영역 (216) 으로의 증기의 도입의 중단과 동시에 실행되거나 또는 처리 영역 (216) 으로의 증기의 도입의 중단 이전에 또는 처리 영역 (216) 으로의 증기의 도입의 중단 이후에 행해질 수 있고, 이후에 4 관식 무염 연소 장치의 작동 개시가 실질적으로 완료된다.
본 발명의 특정 실시예가 기재되어 있지만, 변형예, 변경예 및 개조예가 청구의 범위에 의해 한정되는 본 발명의 범주를 일탈하지 않고 기술된 명세서 및 첨부의 청구범위의 범주 내에 있도록 이루어질 수 있다.

Claims (18)

  1. 연료 도입 영역, 연소 영역 및 상기 연소 영역과 열교환 관계에 있는 처리 영역을 구비하는 직접 가열 시스템의 작동 개시 (starting-up) 방법이며,
    상기 직접 가열 시스템의 온도를 소망하는 온도로 상승시키기에 충분한 예열 시간 주기 동안 고온의 산화제 유체를 상기 연소 영역에 통과시키는 단계,
    상기 직접 가열 시스템의 온도를 제 2 의 소망하는 온도로 조정하기에 충분한 제 2 의 시간 주기 동안 증기를 상기 처리 영역에 통과시키는 단계, 및
    상기 소망의 온도 및 상기 제 2 의 소망하는 온도에 도달한 후, 연료를 포함하는 연료 유체를 상기 도입 영역에 통과시키는 단계를 포함하는 직접 가열 시스템의 작동 개시 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 소망의 온도 및 상기 제 2 의 소망하는 온도에 도달한 후,
    상기 증기를 상기 처리 영역에 통과시키는 것을 중단하는 단계, 및
    처리 유체를 포함하는 처리 스트림을 상기 처리 영역에 통과시키는 단계를 더 포함하는 직접 가열 시스템의 작동 개시 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 유체는 일부의 증기를 더 포함하는 직접 가열 시스템의 작동 개시 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 연료 유체 내의 상기 일부의 증기를 감소시키는 단계를 더 포함하는 직접 가열 시스템의 작동 개시 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 처리 스트림은 증기를 더 포함하는 직접 가열 시스템의 작동 개시 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 처리 스트림 내의 상기 증기의 양을 감소시키는 단계를 더 포함하는 직접 가열 시스템의 작동 개시 방법.
  7. 연료 도입 영역, 연소 영역 및 상기 연소 영역과 열교환 관계에 있는 처리 영역을 구비하는 직접 가열 시스템의 작동 개시 방법이며,
    상기 직접 가열 시스템의 온도를 소망하는 온도로 상승시키기에 충분한 예열 시간 주기 동안 고온의 산화제 유체를 상기 연소 영역에 통과시키는 단계,
    상기 소망의 온도에 도달한 후, 상기 직접 가열 시스템의 온도를 제 2 의 소망하는 온도로 상승시키기에 충분한 제 2 의 시간 주기 동안 처리 유체를 포함하는 처리 스트림을 상기 처리 영역에 통과시키는 단계, 및
    상기 제 2 의 소망하는 온도에 도달한 후, 연료를 포함하는 연료 유체를 상기 연료 도입 영역에 통과시키는 단계를 포함하는 직접 가열 시스템의 작동 개시 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 처리 스트림은 증기를 더 포함하는 직접 가열 시스템의 작동 개시 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 연료 유체는 일부의 증기를 더 포함하는 직접 가열 시스템의 작동 개시 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 연료 유체 내의 상기 일부의 증기를 감소시키는 단계를 더 포함하는 직접 가열 시스템의 작동 개시 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 처리 스트림 내의 상기 증기의 양을 감소시키는 단계를 더 포함하는 직접 가열 시스템의 작동 개시 방법.
  12. 연료 도입 영역, 연소 영역 및 상기 연소 영역과 열교환 관계에 있는 처리 영역을 구비하는 직접 가열 시스템의 작동 개시 방법이며,
    상기 직접 가열 시스템의 온도를 소망하는 온도로 상승시키기에 충분한 예열 시간 주기 동안 고온의 산화제 유체를 상기 연소 영역에 통과시키는 단계,
    상기 소망의 온도에 도달한 후, 상기 직접 가열 시스템의 온도를 제 2 의 소망하는 온도로 상승시키기에 충분한 제 2 의 시간 주기 동안 상기 처리 영역에 증기를 통과시키는 단계, 및
    상기 소망의 온도 및 상기 제 2 의 소망하는 온도에 도달한 후, 연료를 포함하는 연료 유체를 상기 연료 도입 영역에 통과시키는 단계를 포함하는 직접 가열 시스템의 작동 개시 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 처리 영역을 통해 처리 유체를 포함하는 처리 스트림을 도입하는 단계를 더 포함하는 직접 가열 시스템의 작동 개시 방법.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 처리 스트림은 증기를 더 포함하는 직접 가열 시스템의 작동 개시 방법.
  15. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 연료 유체는 일부의 증기를 더 포함하는 직접 가열 시스템의 작동 개시 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 처리 스트림의 상기 증기의 양을 감소시키는 단계를 더 포함하는 직접 가열 시스템의 작동 개시 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 연료 유체 내의 상기 일부의 증기를 감소시키는 단계를 더 포함하는 직접 가열 시스템의 작동 개시 방법.
  18. 직접 가열 시스템의 작동 개시 방법이며,
    연료 도입 영역, 연소 영역 및 상기 연소 영역과 열교환 관계에 있는 처리 영역을 갖는 직접 가열 장치를 제공하는 단계,
    상기 연소 영역 내로의 연료 유체의 도입 이전에, 상기 직접 가열 장치의 온도를 소망하는 온도로 상승시키기에 충분한 예열 시간 주기 동안 상기 연소 영역에 고온의 산화제 유체를 통과시키는 단계,
    상기 처리 영역에 과열된 증기를 통과시키는 단계,
    상기 연료 도입 영역 내로의 상기 연료 유체의 도입 이전에, 상기 연료 도입 영역에 증기를 통과시키는 단계,
    상기 증기를 갖는 상기 연료 도입 영역 내로 소망하는 연료 유체 도입율로의 증가율로 상기 연료 유체를 도입하고 그 후 상기 연료 도입 영역에 상기 증기를 통과시키는 것을 중단시키는 단계, 및
    상기 처리 영역에 상기 과열된 증기와 함께 처리 유체를 통과시키고, 그 후 상기 처리 영역에 상기 과열된 증기를 통과시키는 것을 중단시키는 단계를 포함하는 직접 가열 시스템의 작동 개시 방법.
KR1020077023222A 2005-03-10 2006-03-09 연료의 무염 연소 및 처리 유체의 직접 가열을 위한 직접가열 시스템의 작동 개시 방법 KR101278487B1 (ko)

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