KR101495377B1 - 무화염 연소 히터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산화 도관 및 외측벽에 부착된 다수의 집중기가 구비된 연료 도관을 포함하며, 상기 적어도 하나의 집중기 또는 집중기의 일부는 연료 도관의 길이방향 축선에 대해 각도를 이루는 무화염 연소 히터를 제공한다. 또한, 본 발명은 산화 도관을 제공하는 단계와, 연료 도관내로부터 산화 도관까지 유체 소통을 제공하는 다수의 개구가 구비된 연료 도관과, 상기 연료 도관에 부착된 다수의 집중기를 제공하는 단계와, 산화 도관과 열교환 관계인 처리 도관을 제공하는 단계와, 연료 도관에 연료를 도입하는 단계와, 산화 도관에 옥시던트를 도입하는 단계와, 산화 도관내에서 무화염 연소가 발생되도록 다수의 개구를 통해 산화 도관에 연료를 도입하는 단계를 포함하며; 상기 적어도 하나의 집중기 또는 집중기의 일부는 연료 도관의 길이방향 축선에 대해 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 처리 도관에의 열 제공 방법을 제공한다.

Description

무화염 연소 히터{A FLAMELESS COMBUSTION HEATER}

본 발명은 무화염 연소 히터와, 처리과정에 열을 제공하는 방법에 관한 것이다.

무화염 연소 히터는 미국 특허 제7,025,940호에 개시되어 있다. 이러한 특허에는 연료 및 연소 에어를 혼합물의 자동점화 온도 이상으로 예열함으로써 달성되는 무화염 연소를 이용한 처리 히터가 개시되어 있다. 연료는 연료 가스 도관의 다수의 오리피스를 통해 시간에 따른 소량의 증가분 만큼 도입되어, 연료 가스 도관과 산화반응 챔버 사이의 소통을 제공한다. 상기 특허에 개시된 바와 같이, 처리 챔버는 산화반응 챔버와 열교환 관계가 있다.

무화염 연소 히터는 상술한 특허에서 설명한 종래의 파이어형(fired) 히터에 대해 여러 장점을 제공한다. 그러나, 무화염 연소 히터는 산화 반응 챔버에서 연료 및 옥시던트의 혼합과 연관된 문제점과 만날 수 있다.

피크 온도는 연료 도관의 각각의 개구 근처에서 발생되며, 이러한 불균일한 가열은 연료 도관의 불균일한 열팽창을 유발시킨다. 따라서, 연료 도관은 굴곡되려는 경향을 갖게 되며; 이러한 굴곡은 연료 도관 개구를 산화 반응 챔버의 벽에 가깝게 배치하여, 산화 반응 챔버벽의 손실을 이끄는 고온 스팟(spot)으로 귀결된다.

또한, 개구를 통과하는 연료는 산화 반응 챔버에 유입될 때 제트 효과를 발휘한다. 만일 산화 반응 챔버의 벽이 개구와 너무 가깝다면, 연료는 벽에 직접 충돌할 것이다. 이것은 연료 도관의 외측과 산화 반응 챔버의 내측 사이에 최소한의 거리가 유지될 것을 요구한다.

본 발명은 산화 도관 및 연료 도관의 외측벽에 부착된 다수의 집중기(centralizer)가 구비된 연료 도관을 포함하며, 상기 적어도 하나의 집중기 또는 집중기의 일부는 연료 도관의 길이방향 축선에 대해 각도를 이루고 있다.

본 발명은 산화 도관을 제공하는 단계와, 연료 도관내로부터 산화 도관까지 유체 소통을 제공하는 다수의 개구가 구비된 연료 도관과, 상기 연료 도관에 부착된 다수의 집중기를 제공하는 단계와, 산화 도관과 열교환 관계인 처리 도관을 제공하는 단계와, 연료 도관에 연료를 도입하는 단계와, 산화 도관에 옥시던트를 도입하는 단계와, 산화 도관내에서 무화염 연소가 발생되도록 다수의 개구를 통해 산화 도관에 연료를 도입하는 단계를 포함하며; 상기 적어도 하나의 집중기 또는 집중기의 일부는 연료 도관의 길이방향 축선에 대해 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 처리 도관에의 열 제공 방법을 제공한다.

본 발명은 연료의 무화염 연소에 의해 발생된 열 에너지의 직접 전달에 사용되는 무화염 연소 히터를 제공한다. 상기 히터는 지하층의 가열 및 처리 스트림의 가열을 포함하여 사용가능한 용도가 많다. 무화염 연소 히터는 예를 들어 알킬방향족 화합물 및 스팀 메탈 리포밍의 탈수소 등과 같은 흡열 반응을 실행하는 처리와 함께 특히 유용하다. 본 발명은 연료 도관의 외측벽에 부착된 개선된 디자인의 집중기를 갖는 무화염 연소 히터를 제공한다. 상기 집중기는 연료 도관과 산화 도관 사이의 접촉을 방지하기 위해, 연료 도관의 외측벽에 부착된 돌출부 이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 처리한다. 각진(angled) 집중기의 사용은 히터내에서 연료 및 에어의 개선된 혼합으로 귀결되며, 피크 온도를 감소시키거나 제거하며, 또한 산화 도관 내측에서의 연료 충돌을 방지한다.

히터에서의 무화염 연소는 산화 스트림 및 연료 스트림이 조합되고 혼합물의 온도가 혼합물의 자동점화 온도를 초과하였지만 혼합물의 온도가 본 발명에 참조인용된 미국 특허 제7.025.940호에 개시된 바와 같은 혼합비로 한정된 혼합에 따라 산화로 귀결되는 온도 보다 낮을 때, 산화 스트림 및 연료 스트림을 충분히 예열함으로써 달성될 수 있다. 혼합물의 자동점화 온도는 연료 및 옥시던트 형태와 연료/옥시던트 비율에 의존한다. 무화염 연소 히터에 사용된 혼합물의 자동점화 온도는 850℃ 내지 1400℃ 의 범위에 속한다. 히터에 산화 촉매가 사용될 경우에는 자동점화 온도가 낮아질 수 있는데, 그 이유는 이러한 형태의 촉매가 혼합물의 자동점화 온도를 효과적으로 낮추기 때문이다.

연료 도관은 원하는 열 방출을 제공하는 방식으로, 산화 도관으로의 제어된 연료 도입율을 제공한다. 상기 열 방출은 부분적으로는 개구의 위치 및 숫자에 의해 결정될 수 있으며, 이것은 각각의 히터에 적용될 수 있다. 열 방출은 히터의 길이에 대해 일정하거나 또는 히터의 길이에 대해 감소되거나 증가될 수 있다.

연료의 무화염 연소와 연관된 투시가능한 화염이 없기 때문에, 상기 무화염 연소 반응은 종래 연소되고 있는 히터에서 관찰되는 온도 보다 낮은 온도에서 발생된다. 관찰되는 저온 및 직접 가열의 효율로 인해, 히터는 자본 소모의 감소로 귀결되는 저렴한 비용의 재료를 사용하도록 설계된다.

무화염 연소 히터는 2개의 주요한 요소, 즉 산화 도관 및 연료 도관을 포함한다. 상기 산화 도관은 옥시던트를 위한 입구와, 산화물을 위한 출구와, 상기 입구와 출구 사이의 흐름 통로가 구비된 튜브이거나 파이프일 수도 있다. 적절한 옥시던트는 에어, 산소, 및 아질산을 포함한다. 산화 도관에 도입된 옥시던트는 연료와 혼합되었을 때 혼합물이 혼합물의 자동점화 온도 이상이 되도록 예열된다. 옥시던트는 무화염 연소 히터의 외측에서 가열되기도 한다. 선택적으로, 상기 옥시던트는 히터내의 그 어떤 스트림에 의한 열교환에 의해 히터 내부에서 가열될 수도 있다. 산화 도관은 약 2cm 내지 약 20cm 의 내경을 갖는다. 그러나, 상기 산화 도관은 히터 요구사항에 따라 이러한 범위 보다 크거나 작을 수도 있다.

연료 도관은 연료를 히터로 이송하고, 연료를 산화 도관에 도입한다. 연료 도관은 연료를 위한 입구와, 연료 도관내로부터 산화 도관까지 유체 흐름을 제공하는 다수의 개구가 구비된 튜브이거나 파이프일 수도 있다. 연료 도관은 산화 도관내에 배치되어, 산화 도관으로 둘러싸인다. 연료는 상기 개구를 통과하고, 옥시던트와 혼합되어 무화염 연소가 이루어지는 산화 도관으로 흐른다. 연료 도관은 약 1cm 내지 약 10cm, 양호하기로는 약 1.5cm 내지 5cm 의 내경을 갖는다. 그러나, 디자인에 따라 상기 연료 도관은 10cm 이상 또는 1cm 이하의 직경을 가질 수도 있다.

상기 개구는 연료 도관의 벽을 천공하거나 절결하여 형성된다. 연료 도관의 벽은 전형적으로 약 0.25cm 내지 약 2.5cm 의 두께를 갖는다. 상기 개구는 원형, 타원형, 직사각형, 심지어 불규칙한 형태의 단면을 갖는다. 상기 개구는 원형 단면이 바람직하다.

개구는 약 0.001㎠ 내지 약 2㎠, 양호하기로는 약 0.03㎠ 내지 약 0.2㎠ 의 단면적을 갖는다. 개구의 크기는 산화 도관내로의 원하는 연료 도입율에 의해 결정되지만, 개구가 너무 작으면 플러깅된다. 상기 개구는 다른 개구로부터 축방향 거리로 1cm 내지 100cm의 거리에서 연료 도관을 따라 배치된다. 상기 개구는 축방향으로 12cm 내지 50cm 이격되는 것이 바람직하다. 상기 개구는 연료 도관의 길이를 따라 상이한 방향으로 각각의 방사방향 평면에 배치된다. 예를 들어, 개구의 위치는 연료 도관의 길이를 따라 방사방향 평면에서 180°교호되거나, 120°또는 90°로 교호된다. 따라서, 연료 도관의 개구의 위치는 방사방향 평면에서의 그 방향이 연료 도관의 길이를 따라 교호되고 그 방향이 30°내지 180°분리되도록 형성된다. 개구의 방사방향 방위는 연료 도관의 길이를 따라 60°내지 120°교호되는 것이 바람직하다.

일실시예에서는 연료 도관으로부터 산화 영역까지의 유체 소통을 제공하기 위해 개구와 함께 소결판이 사용되며, 상기 소결판의 개구는 10 내지 100 미크론의 직경을 갖는다.

히터의 길이를 따라 상이한 개구는 전형적으로 동일한 단면적을 갖는다. 선택적으로, 개구의 단면적은 원하는 열 방출을 제공하도록 상이할 수도 있다. 또한, 연료 도관을 따른 개구들 사이의 이격거리는 원하는 열 방출을 제공하도록 상이할 수도 있다. 상기 개구는 전형적으로 동일한 형상을 취한다. 선택적으로, 개구는 상이한 형상을 취할 수도 있다.

집중기의 방향은 히터의 디자인 및 작동에 매우 중요하며, 상기 집중기는 상이한 온도 프로필을 생성하고 또한 히터 시스템의 히터 시스템의 유체 역학 및 혼합 역학으로 인해 유발되는 문제점을 극복하도록 각도를 이룬다. 각각의 집중기는 연료 입구와 가장 가까운 단부인 근접 단부(proximal end)와, 연료 입구로부터 가장 먼 단부인 말단부를 갖는다.

상기 집중기는 삼각형, 사각형, 반원형, 또는 기타 다른 형태를 취할 수 있다. 집중기는 연료 도관이 설치되거나 제거될 때 집중기가 산화 도관을 손상시키지 않도록, 산화 도관을 위해 사용된 재료 보다 부드러운 재료로 제조되거나 이러한 재료로 코팅된다. 예를 들어, 집중기는 부드러운 재료 또는 세라믹으로 제조된다.

연료 도관은 도관의 단면의 중앙을 연결하는 라인에 의해 형성된 길이방향 축선을 갖는다. 적어도 하나의 집중기는 연료 도관의 길이방향 축선에 대해 각도를 이루고 있다. 상기 집중기는 연료 도관의 길이방향 축선에 대해 평행하지 않거나 직교하지 않은 그 어떤 각도라도 취할 수 있다. 연료 도관의 길이방향 축선에 대해 평행하지 않거나 직교하지 않은 집중기는 하기에 "각진 집중기" 로 언급될 것이다.

각진 집중기는 연료 도관의 길이방향 축선과 집중기 사이에 형성된 각도가 90°보다 작도록 각도를 이룬다. 각진 집중기는 연료 도관의 길이방향 축선과 집중기 사이에 형성된 각도가 60°, 양호하기로는 45°보다 작도록 각도를 이룬다.

연료 도관의 위치조정형 각진 집중기 상류(옥시던트 입구와 더욱 가까운)는 연료 도관 개구를 통과할 때 옥시던트가 부분적으로 접선 방향으로 흐르도록 유발시킨다. 이러한 접선방향 흐름 성분은 제트 효과를 감소시키며, 도관들 사이에 요구되는 최소 거리를 최소화시킨다. 부분적인 접선 흐름은 개선된 혼합 및 더욱 균일한 방사방향 온도 프로필에도 기여한다. 열은 연료 도관의 외주 주위로 더욱 균일하게 분포된다.

각진 집중기는 옥시던트 도관에서 옥시던트의 원하는 흐름 특성을 제공하도록 직선형이거나 또는 굴곡형일 수 있다. 직선형 집중기는 집중기가 하나의 기하학적 평면에 배치된 집중기이다. 한편, 굴곡형 집중기는 적어도 2개의 비평행 기하학적 평면에 있는 부분을 갖는다. 만일 집중기가 굴곡되었다면, 집중기의 일부는 연료 도관의 길이방향 축선에 평행하다.

도1a는 각진 집중기를 갖는 2튜브 무화염 연소 히터를 도시한 도면.
도1b는 각진 집중기를 갖는 연료 도관의 외관도.

도1a 및 도1b는 상술한 바와 같은 각진 집중기(16)를 갖는 무화염 연소 히터(10)를 도시하고 있다. 상기 히터(10)는 연료 도관(12)과 산화 도관(14)을 갖는다. 이러한 형태의 히터는 2튜브 히터로 언급될 것이다. 연료 도관(12)은 연료를 위한 입구(24)와 다수의 개구(20)를 갖는 원통형 파이프 이다. 산화 도관(14)은 예열된 옥시던트를 위한 입구(26)와 연소물을 위한 출구(30)를 갖는 원통형 파이프 이다. 선택적으로, 옥시던트는 출구(30)에서 인입되고, 연소물은 입구(26)에서 빠져나올 수도 있다. 작동중, 연료는 입구(24)를 통해 유입되고, 개구(20)를 통과한 후 산화 도관(14)에서 옥시던트와 혼합된다. 각진 집중기(16)는 각각의 개구(20)의 상류(옥시던트 입구와 더욱 가까운)에 배치된다.

무화염 연소 히터는 히터의 특정 형태와 히터 용도에 따라 다양한 조건으로 작동된다. 다양한 실시예 및 조건은 본 발명에 참조인용된 미국특허 제5,255,742호 및 제7,025,940호에 개시되어 있다.

무화염 연소 히터는 에틸벤젠 탈수소 유니트에서 사용된다. 스팀 및 에틸벤젠을 함유한 처리 공급재료는 탈수소 반응기에 공급된다. 상기 탈수소 반응기는 철 산화물계 촉매인 적절한 탈수소 촉매를 보유하며, 처리 공급재료를 탈수소 촉매와 접촉시키는 수단을 제공한다. 탈수소 반응기 유출물은 탈수소 반응기로부터 방출되며, 무화염 연소 히터에 도입된다. 탈수소 반응은 흡열 반응이기 때문에, 탈수소 반응기 유출물은 탈수소 반응기로의 처리 공급재료 보다 낮은 온도를 가질 것이다. 무화염 연소 히터는 탈수소 반응기 유물출이 제2스테이지 탈수소 반응기에 도입되기 전에 이를 가열하는데 사용된다. 탈수소 반응기 유출물은 제2스테이지 반응기로부터 방출된다. 탈수소 처리는 2개의 반응기 이상에서 실행되며, 이 경우에는 무화염 연소 히터가 각각의 부가 반응기의 전방에 배치된다.

서술된 무화염 연소 히터는 집중기 방향이 변화된 상태로 그 어떤 용도에도 사용될 수 있다.

10: 무화염 연소 히터 12: 연료 도관
14: 산화 도관 16: 집중기
24: 입구 30: 출구

Claims (8)

1. 무화염 연소 히터에 있어서,
   산화 도관 및 외측벽에 부착된 다수의 집중기가 구비된 연료 도관을 포함하며, 적어도 하나의 집중기 또는 하나의 집중기의 일부분은 연료 도관의 길이방향 축선에 대해 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터.
2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 집중기는 연료 도관의 길이방향 축선에 대해 90°보다 작은 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터.
3. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 집중기는 그 집중기의 적어도 일부분이 연료 도관의 길이방향 축선에 대해 각도를 이루도록 굴곡되는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터.
4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 집중기의 절반 이상은 연료 도관의 길이방향 축선에 대해 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터.
5. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 집중기는 산화 도관벽과는 상이한 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터.
6. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 집중기는 산화 도관벽과는 상이한 재료로 코팅되는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터.
7. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 집중기는 삼각형 형태를 취하는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터.
8. 처리 도관에 열을 제공하는 방법에 있어서,
   산화 도관을 제공하는 단계와,
   연료 도관내로부터 산화 도관까지 유체 소통을 제공하는 다수의 개구가 구비된 연료 도관과, 상기 연료 도관에 부착된 다수의 집중기를 제공하는 단계와,
   산화 도관과 열교환 관계인 처리 도관을 제공하는 단계와,
   연료 도관에 연료를 도입하는 단계와,
   산화 도관에 옥시던트를 도입하는 단계와, 산화 도관내에서 무화염 연소가 발생되도록 다수의 개구를 통해 산화 도관에 연료를 도입하는 단계를 포함하며,
   적어도 하나의 집중기 또는 하나의 집중기의 일부분은 연료 도관의 길이방향 축선에 대해 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 처리 도관에의 열 제공 방법.

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