KR102158887B1 - 흡열 반응들을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

흡열 프로세스를 실시하는 노는, 가스성 공급물을 전환시키기 위한 촉매를 포함하고 그리고 상기 노 (1) 의 내측에 위치되는 튜브들 (2), 상기 튜브들 (2) 사이의 노 루프 (1b) 에 장착되는 내부 버너들 (3a), 및 상기 튜브들 (2) 과 노 벽 (1a) 사이의 상기 노 루프 (1b) 에 장착되는 외부 버너들 (3b) 을 포함한다. 상기 외부 버너들 (3b) 은 상기 노 벽 (1a) 에 근접하게 위치되며, 상기 외부 버너들 (3b) 은 상기 내부 버너들 (3a) 의 동력의 45 ~ 60% 로 및 상기 내부 버너들 (3a) 의 입구 속도의 90 ~ 110 % 의 입구 속도로 작동하도록 구성된다.

Description

흡열 반응들을 위한 방법 및 장치 {PROCESS AND APPARATUS FOR ENDOTHERMIC REACTIONS}

본 발명은 외부 연소식 반응기들에서 스팀 메탄 개질 (SMR) 및 다른 흡열 반응들을 위한 상부 연소식 노들의 구성에 관한 것이다.

SMR 프로세스는 주로 수증기의 존재하에서 수소 (H₂) 및 일산화탄소 (CO) 의 혼합물을 산출하는 메탄과 같은 경질 탄화수소들의 개질 반응에 기초한다. 이러한 반응은 흡열이고 느리며 그리고 추가의 열 입력 뿐만 아니라 발생할 촉매를 필요로 한다. SMR 반응기는 통상적으로 노에 배치된 여러 개의 튜브들을 포함하고, 상기 튜브들은 촉매 펠릿들로 충전되며 그리고 메탄 및 스팀의 프로세스 가스 혼합물이 공급된다.

여러가지 유형의 노 구성들을 산업 전체에서 마주하게 된다. 상부 연소식 기술은 가장 기준이 되는 구성들 중 하나이고 그리고 여러가지 기술 제공자들에 의해 제안된다. 상부 연소식 노들은 통상적으로 여러 개의 열의 촉매 포함 튜브들을 담는 내화성 라이닝된 화실 (firebox) 로 제조된다. 루프 버너들은 튜브 열들 사이에 열들로 배치되고, 버너들을 나오는 연소 생성물들은 통상적으로 수직하게 하방으로 송풍되어, 튜브 열들은 그의 상부에서 화염들에 직면한다. 연도 가스들 배출 집속기는 통상적으로 노의 플로어 레벨에 제공된다.

종종 화실 구성이라고도 하는 노 구성의 주요 목적은, 튜브의 기계적 부하 (주로 공급 가스 압력), 튜브들에 사용된 합금들의 기계적 특성들 및 튜브들의 원하는 수명에 따른 튜브의 최대 작동 온도 제약을 고려하면서, 버너 화염들에서부터 튜브들로 전달된 열을 최대화하는 것이다. 실제로, 튜브들에 전달된 열의 어떠한 증가는, 설비 투자의 면에서 가치있는 화실의 컴팩트화 또는 노의 생산성에 직접적으로 긍정적인 영향을 준다. 하지만, 열 듀티 (heat duty) 의 증가는, 통상적으로 훨씬 더 값비싼 더 많은 저항성 합금들을 필요로 하거나 또는 튜브의 수명을 저감시키는 더 높은 튜브 스킨 온도 레벨들을 암시한다.

그리하여, 촉매 튜브들의 온도 프로파일들은, 성능 및 내구성 사이의 절충에 초점을 두어, 노 구성 및 작동의 중요한 요소이다. 튜브의 열 플럭스 및 온도에 대한 통상적인 수직방향 프로파일들은 원주방향으로 평균하여 도 2 에 도시되어 있다. 열 플럭스 프로파일에서는 튜브의 공급 입구 (상부) 부분이 열전달을 위한 바람직한 구역인 것을 명확하게 강조한다. 실제로, 여러 개의 인자들은 열 플럭스의 최대화를 선호한다:

● 부하 (튜브들) 및 열방출원 (버너들) 사이의 최대 온도차를 암시하는, 버너들 및 공급 입구 지점의 주변

● 튜브 온도를 하강시키는 최고의 반응률들 및 그에 따른 히트 싱크

이는 열전달 효율에 대하여 다른 것에 비교되는 상부 연소식 구성의 우수함을 보여준다.

튜브의 상부에서 열 플럭스 및 온도 프로파일이 더 스티프하면, 동일한 (내크리프성) 구성 온도에서 튜브에 대한 열 듀티가 더 높아지고, 그리하여 동일한 전환율 (conversion rate) 에서 튜브당 프로세스 가스 유량 용량이 높아진다. 하지만, 노의 상부에서 열전달을 증가시키기 위해 실제 상부 연소식 구성은, 고온 가스들의 복사로부터 화학 에너지를 튜브들로 전달하기 위해 노들에 사용된 종래의 버너들에 의해 생성되는 가스성 화염들의 용량으로 제한된다. 실제로, 여러 가지 현상은 종래의 다운 연소식 버너들의 능력을 제한한다:

● 높은 이산화질소 (NO_x) 레벨들은 환경적인 이유들로 짧은 화염들 버너 선택을 크게 불리하게 하는 반면, 열적 NO_x 배출들을 저감시키는 통상의 수단은 연소된 가스들로 화염을 희석하거나 또는 연료 주입들을 실시하여, 화염 최대 온도는 1000℃ 미만으로 저감된다. 그 결과, 노의 상부에서 열을 전달하는 화염의 능력 및 그로 인해 반응에 제공된 열이 저감된다. 이러한 제약은, 더 길고 그리고 더 차가운 화염들과 더 짧고, NO_x 효율이 적은 화염들 사이에서 통상적인 절충이다.

● 가스성 매체와 벽들 사이의 복사 열 전달의 물리학은 상이한 온도들의 벽면들 사이의 복사 열 전달의 물리학보다 본질적으로 덜 효율적이다. 고온 가스들의 1 m 특성 치수 체적은, 동일한 온도에서 가열된 고 방사율 (emissivity) 중실 표면 중 하나보다 크게 낮은 통상의 네트 방사 (net emission) 를 가진다.

더욱이, 상부 연소식 개질기들에서, 흡열 반응을 발생시키는데 필요한 열은 튜브들 사이에 위치된 버너들에 의해 제공된다. 노 측에서 추가의 버너들은, 노의 벽들을 따라서, 일측에서 하나의 튜브 열 및 타측에서 내화성 벽을 오직 가열하고 있다. 화실의 중간에서 버너들은 버너 열의 양측들에서 2 개의 튜브 열들을 가열하고 있다. 따라서, 측면 버너들의 필요 동력은 노의 중심에서의 필요 동력보다 더 작다 (측벽에서의 열손실들을 포함하여 52% 까지). 화학양론적 상수 (stoichiometry constant) 를 유지하면서, 측면 버너 열들에 주입된 동력을 저감시키는 것은 공기 및 연료 유량들을 저감시키는 것을 의미한다.

유체 메카니즘 및 제트들 이론은 상부 연소식 화실내의 통상의 유동 배열을 규정할 것이고, 이는 화실의 중간 중심쪽으로 측면 버너들 고온 연소된 가스들 제트 흡인을 의미한다. 제트 화염은 주변 연도 가스의 일부를 혼입하여, 디프레션 (depression) 및 그 결과 연도 가스 재순환을 형성한다. 따라서, 벽들을 따라서 위치된 버너들은, 후속의 버너 열이 존재하기 때문에, 노 측에서보다 벽측에서 더 작은 재순환 (즉, 디프레션) 을 하게 된다. 측벽들을 따른 낮은 동력 또는 유량들이 낮은 속도를 산출하면, 이는, 도 3 에 도시된 바와 같이, 측면 제트들의 더 약한 모멘텀으로 인해, 측면 화염들의 중심으로의 굽힘 영향을 보강할 것이다.

US 2007/0099141 A1 에서는, 노에서 직선으로 된 화염들을 발생시키는 방법 및 노가 제안되고, 여기에서 산화물은 다수의 산화물 도관들안으로 도입된다. 산화물 도관들 각각은 노의 제 1 내부 단부 근방의 노 내부와 유체 연통하는 출구를 가진다. 노의 제 1 내부 단부는 수평방향으로 돌출된 영역을 가진다. 산화물 도관 출구들은, 노의 제 1 내부 단부에서부터 이 제 1 내부 단부 반대편에 제공된 노의 제 2 내부 단부까지의 평균 거리의 30% 에서, 조합된 수평방향으로 돌출된 난류 자유 제트 영역을 규정한다.

문헌 US 2007/0128091 에서는 원주방향 노 벽에 의해 둘러싸인 노 챔버가 개시되어 있고, 여기에 버너 출구 방향을 하방으로 배향시켜서 본질적으로 일 평면에 배치된 다수의 버너들 및 서로 평행하게 본질적으로 수직하게 배치된 다수의 반응 튜브들이 배치되고, 그럼으로써 이 반응 튜브들은 연소 버너들에 의해 외부에서부터 가열된다. 이는 열 분포 및 전체 열 전달을 개선시키려는 의도이다. 이는, 수직방향에 대하여 경사진 버너 출구 방향을 노의 중심으로부터 멀어지게 하여, 노 벽의 영역에 적어도 외부 버너들을 배치함으로써 달성된다.

문헌 EP 2 369 229 A2 에는 개질기 및 업 연소식 (up-fired) 또는 다운 연소식 (down-fired) 개질기의 연소 구역에서의 연료 연소를 포함하는 상기 개질기를 작동시키는 방법이 개시되어 있고, 여기에서 버너들 중 적어도 하나는 불균일한 주입물을 형성하는 벽-결합식 버너이다. 불균일한 주입물 특성들은 벽 근위의 제 1 열 밀도 및 벽으로부터 원위의 제 2 열 밀도를 제공하는 열 프로파일을 생성하고, 제 2 열 밀도는 제 1 열 밀도보다 높다. 불균일한 주입물 특성들은 하나 이상의 주입기들의 각도, 하나 이상의 주입기들의 유량, 산화물 주입기들의 양 및/또는 위치, 연료 주입기들의 양 및/또는 위치, 및 이들의 조합을 선택함으로써 형성된다.

Johnson Matthey 에 의해 2003 년 공개된 W. Cotton 의 논문 "상부 연소식 스팀 개질 노들에서 연도 가스 유동 패턴들" 에는, 내부 버너들에 비하여 70% 의 비율로 연소하는 외부 버너들 및 2 개의 튜브 열들 사이의 내부 레인들의 폭의 70% 를 가지는 노 측과 튜브들 사이의 외부 레인을 포함하는 개질기들이 재순환 문제를 저감시키는 것이 교시되어 있다. 상기 논문에 따라서, 화염들의 노의 중심으로의 어떠한 굽힘 없이, 내부 레인들과 동일한 폭을 가진 외부 레인으로 연소하는 100% 레이팅된 (rated) 외부 버너들로 작동할 수도 있다.

모든 개시된 방안들은 공통적으로 필요양의 동력만을 외부 버너들에 제공하는 노 구성이 가능하지 않다는 것이다. 예를 들어 인용된 논문 "상부 연소식 스팀 개질 노들에서 연도 가스 유동 패턴들" 에서 개시된 바와 같이, 버너의 동력율 (power rate) 은 약 52% 의 산출된 값으로 저감되지 않는다. 따라서, 공지된 방안들은 노의 중심으로의 화염의 굽힘을 방지하지만, 노 벽들에 근접하게 위치된 촉매 포함 튜브들의 과열을 방지하지 못한다. 이러한 과열은 원하지 않는 측면 반응들 및 촉매의 불가역적인 손상을 유발한다.

따라서, 본 발명의 목적은, 중심으로의 측면 화염들의 굽힘 영향 뿐만 아니라 노의 벽들에 근접한 튜브들을 과열시키는 문제를 방지할 수 있는, 노 및 상기 노를 작동시키는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은 본원의 청구항 1 의 특징부들에 의해 달성된다. 흡열 프로세스를 실시하기 위한 노는, 통상적으로 열들로, 노 내측에 배열된 다수의 촉매 포함 튜브들을 포함한다. 이러한 촉매들 튜브들 내측에서, 가스성 공급물 (추출물(educt)) 은 열 (heat) 형태로 주변으로부터 에너지를 흡수하는 반응에서 전환된다. 이러한 열은 노의 상부에 위치된 다수의 버너들에 의해 제공된다. 이러한 버너들의 일부들은 소위 "내부 버너들" 이라고 하고 그리고 튜브 열들 사이에 위치되는 반면, 소위 "외부 버너들" 은 최외부 튜브들과 노 벽 사이에 배치된다. 버너의 출구 방향을 하방으로 배향한다. 촉매 튜브들은 서로 평행하게 그리고 본질적으로 수직하게 배치되고, 공급물은 튜브들을 통하여 상부에서부터 하부로 유동한다.

튜브들의 과열 및 화염의 굽힘을 방지하기 위해, 종래 구성에서 3 가지 상이한 변형들을 제안한다:

● 외부 또는 측면 버너들은 벽에 근접하게 위치되어, 그 화염들이 내화물에 점착된다. 이는, 화염이 벽으로부터 멀리 유동할 수 있도록 하는 소위 "제트 벽" 영향으로 인해 노의 중간 쪽으로 화염들이 굽혀지는 것을 방지할 것이다. 본 발명의 관점에서 벽에 근접하다는 것은 버너 노즐로부터 발생한 스트림이 벽을 따라서 직접 유동한다는 것을 의미한다. 버너는, 벽에 접촉할 지라도, 이 벽에 가능한 근접하게 배치된다. 바람직하게는, 이는, 노 벽까지 버너의 중심축의 거리는, 최외부 튜브들과 노 벽 사이의 거리의 25% 미만, 바람직하게는 10% 미만, 보다 바람직하게는 5% 미만, 가장 바람직하게는 2% 미만임을 의미한다. 대부분의 경우들에, 측면 버너들은 원형이 아니라 플랫 직사각형 형상일 수 있다.

● 외부 또는 측면 버너들의 동력은 내부 버너들의 동력의 45 ~ 60%, 바람직하게는 50 ~ 55% 의 값으로 구성된다. 이는 전술한 바와 같이 제 2 튜브 열에서 튜브 과열을 방지할 것이다. 동력은 연소된 연료의 양에 의해 조절된다.

● 외부 버너들은, 그의 제트 입구 속도가 내부 버너들에서와 같이 본질적으로 동일하도록 치수결정된다. 최대 10%, 바람직하게는 5% 의 편차들이 가능하다. 이는, 유동 배열을 보다 원활하게 하고 그리고 스트림 라인들이 더 일직선으로 가게 할 것이다. 버너 공급 입구 속도는 버너 노즐을 통과하는 전체 체적 유동에 의해 조절된다.

본원의 바람직한 실시형태에 있어서, 튜브들은 열들로 배열된다. 본원에 따라서, 일 열은 직선상에 적어도 2 개, 바람직하게는 적어도 3 개의 버너들의 배열 또는 노의 중심까지 동일한 거리 (원의 중심 주변의 링들처럼) 를 가진 버너들의 배열이다.

2 개의 연속하는 튜브 열들 사이의 갭에 대한 노 측벽과 제 1 튜브 열 사이의 거리의 비는 외부 버너와 내부 버너의 동력 사이의 비와 동일한 값으로 설정된다. 이는 일정한 평균 속도가 화실을 가로질러 유지되도록 할 것이다. 이는 노의 상이한 구역들로부터의 상이한 속도들로 인해 유동 섭동을 방지할 것이다.

더욱이, 노를 위한 균질한 온도 프로파일을 생성하기 위한 본원의 아이디어는, 소위 "고 방사율 중실 표면" 이 사용된다면 보다 더 양호하게 달성된다. 이러한 효과를 위해서, 벽들의 적어도 일부들에는 내고온성, 고 방사율 중실 표면이 제공된다. 복사 표면들은, 더 높은 표면 온도를 가지도록 복사 및 대류 교환을 통하여 화염들로부터 많은 열을 추출하도록 그리고 복귀시 튜브들의 상부 쪽으로 높은 복사 플럭스를 방출하도록 배열되고, 상기 튜브들은 복사 표면들에 비하여 비교적 낮은 온도들에 있다.

고 방사율 내화성 벽돌들 또는 얇은 시트들 또는 코팅된 층은 노 루프 표면 및 측벽들의 상부에 배치되고, 고 방사율은, 예를 들어 탄화규소 시트들을 사용하여 고유의 재료 특성들로부터 또는 바람직하게는 산화알루미늄 또는 산화규소로 제조되는, 예를 들어 세라믹 발포 시트들을 사용하여 표면 처리 또는 텍스쳐링 (texturing) 으로부터 기인한다.

버너들의 적어도 일부를 소위 "제트 화염 버너들" 이라고 하면 특히 양호한 결과들이 얻어진다. 소위 "제트 화염들" 은 완전히 전개된 파이프 유동과 유사한 화염의 초기 속도 프로파일을 특징으로 한다. 화염 브러시는 제트의 혼합층내에 주로 한정된다. 화염들은 입사 유동 (incident flow) 에 매우 경사지고 그리고 더 얇고 커보인다.

또한, 소위 "고 소용돌이 볼 화염 기술을 가진 버너들" 이라고 하는 버너들의 적어도 일부의 구성은 노를 통하여 매우 균질한 온도 프로파일을 유도한다. 고 소용돌이는 재순환 구역의 형성을 개선시키고 그리고 화염 안정화를 위해 중요한 메카니즘이다. 소용돌이 유동들은 접선방향 제트 주입들 또는 베인 소용돌이기들 (vane swirlers) 에 의해 생성될 수 있다. 화염은 재순환 구역 내측에 포획된 고온 생성물들에 의해 앵커된다. 소용돌이 개수에 대하여 나타내어지는 소용돌이율 (swirl rate) 은 대부분의 화염 특성들에 있어서 재순환 구역의 크기와 강도에 영향을 준다.

다공성 복사 쉘 인클로저의 내측에서의 화염의 실시는 화염 자체의 보다 균질한 온도 프로파일을 유도한다. 복사 쉘은 고 방사율을 가진 다공성 세라믹 발포체와 같은 내고온성 재료 (탄화규소, 산화알루미늄 및 산화규소) 로 제조된다. 복사 버너들의 사용은 원주방향 플럭스 비균질성들을 최소화시키는 튜브 노면 (tube pavement) 에 대한 최적화된 버너 튜브를 가진 노를 구성하도록 해준다. 가장 흥미로운 노면들로는 촉매 튜브들에 대하여 버너의 정사각형 또는 육면체 구성이다.

정사각형 노면은 열 플럭스 균질성에 대하여 유리하고 그리고 유체들 (연소 공기, 연료 및 공급물) 의 분배를 위해 더 간단한 매니폴드 구성을 가능하게 하지만; 이는 튜브당 더 큰 버너 밀도를 요구한다.

육면체 노면은 열 플럭스 분배 및 버너 개수들 제한의 관점에서 최적이지만 유체 분배 및 집속 시스템들의 구성에 있어서 약간 추가로 복잡함을 요구한다. 복사 쉘 길이는 노면 및 튜브 직경에 기초하여 적합화되고, 유리하게는 튜브 길이의 10 ~ 40%, 최적으로는 튜브 길이의 20 ~ 33% 이다.

바람직한 노 루프 구성은, 고온, 고 방사율 표면들이 튜브들 쪽으로 배향된 각각의 법선 (normal) 을 가지도록 하는 것이다. 대응하는 방출 표면들은 연소실안으로 볼록한 형상으로 돌출하거나 반대로 오목한 형태로 리세스처리되는 것이 유리할 수 있다. 고 방사율 내화성 시트들은 화염 가열된 구역에 배치될 수 있다. 볼록한 형태에 대하여, 가장 간단한 실시는 하방 연소된 화염들을 가진 볼록한 벌징부 (convex bulge) 주변의 하방 연소된 제트 화염들을 가진 벽 버너들에 기초한다. 보다 복잡한 구성은, 화염들이 볼록한 벌징부의 스파이크 단부로부터 상방으로 연소되어 화염들에 의해 덮여진 복사 영역을 증가시켜 튜브들로의 전달 효율을 증가시키는 것을 제공한다.

본원은 또한 전술한 바와 같이 노를 작동시키는 방법을 포함한다. 이러한 방법은 청구항 11 의 특징들을 포함한다. 가스성 추출물은 촉매 포함 튜브들을 통하여 공급되어 흡열 프로세스를 실시한다. 촉매 튜브들은 노의 내측에 위치되고 그리고 튜브들 사이의 노의 상부에 배치된 내부 버너들에 의해 또한 최외부 튜브들과 노 벽 사이의 노의 상부에 배치된 외부 버너들에 의해 가열된다. 벽 다음에 외부 버너들을 배치시킴으로써, 내부 버너들의 동력의 45 ~ 60%, 바람직하게는 50 ~ 55% 로 및 내부 버너들과 본질적으로 동일한 입구 속도를 가진 이러한 외부 버너들을 작동시킴으로써, 촉매 튜브들에서 균질한 온도 프로파일을 생성할 수 있다. 외부 버너들의 입구 속도는 내부 버너들의 입구 속도의 90 ~ 110%, 바람직하게는 95 ~ 105% 가 되도록 조절되어, 입구 속도들 사이에서 10%, 바람직하게는 5% 최대 편차가 있다.

바람직하게는, 버너들의 화염들의 적어도 일부는 노의 상부에서부터 하부로 배향되어 어떠한 국부적인 가열 현상을 방지한다.

추출물이 수직방향 촉매 튜브들을 통하여 노의 상부에서부터 하부로 유동하면 보다 더 양호한 결과들이 얻어지고, 여기에서 버너들의 화염들의 가장 고온 지점이 있기 때문에 대부분의 추출물은 노의 상부에서 입구 구역에서 이미 전환된다.

외부 버너들에서와 같이 내부 버너들에서 동일한 입구 속도를 달성하기 위해서, 입구 속도는 공기 주입에 의해 조절되는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다. 입구 유동을 적합화시키는 공기를 사용하여, 버너에서 연소 반응은 대부분 영향을 받지 않는다. 더욱이, 공기는 물론 가장 저렴한 가스이다.

청구되는 방법은, 프로세스가 스팀 개질 프로세스이면 특히 양호한 결과들을 유도한다.

이하, 본원은 바람직한 실시형태들 및 도면들에 기초하여 보다 더 자세히 설명된다. 개시되거나 설명된 모든 특징들은 청구범위들 또는 이들의 역인용시 이들의 조합과는 별개로 본원의 과제를 이룬다.

도 1 은 촉매 포함 튜브들에서 흡열 반응 전에 노의 통상적인 구성을 도시한다.
도 2 는 통상적인 수직방향 튜브 열 플럭스 및 온도 프로파일을 도시한다.
도 3 은 화염 굽힘을 설명하도록 도시한다.
도 4 는 개질기 노 (8 개의 튜브 열들) 및 가상의 24 개의 튜브 열들 화실에 대하여 열당 (row per row) 평균 튜브 듀티를 도시한다.
도 5 는 개시된 구성을 포함하는 노의 일부를 개략적으로 도시한다.
도 6 은 참조용 그리고 최적화된 개질기 구성을 위한 열당 정규화된 튜브 듀티 평균을 도시한다.
도 7 은 8 개의 튜브 열 개질기에서 표준 튜브 베이 (17 개의 튜브들) 에 대하여 정규화된 듀티를 도시한다 ((a) 실제 구성 (b) 최적화된 구성).
도 8 은 고 방사율 내화성 층과 조합하여 버너의 실시를 도시한다.
도 9 는 고 소용돌이 화염 개념을 도시한다.
도 10 은 확산 화염 및 프리믹스 (premix) 에 대하여 복사 버너 개념을 도시한다.
도 11 은 튜브 배열에 대한 복사 버너를 도시한다.
도 12 는 복사 벽으로서 노 루프의 실시를 도시한다.
도 13 은 오목한 루프의 구성들에 대한 옵션들을 도시한다.
도 14 는 오목한 루프를 가진 구성들에 대한 옵션들을 도시한다.
도 15 는 선형 복사 루프 버너를 도시한다.

도 1 은, 예를 들어 메탄 및 스팀을 포함하는 공급물 (추출물) 로부터 합성 가스를 얻는데 사용되는 상부 연소식 노 (1) 의 통상의 배열을 도시한다. 촉매 튜브들 (2) 은 노 (1) 내에 여러 개의 열들로 제공된다. 공급물은 튜브들 (2) 을 통하여 상부에서부터 하부로 공급되고, 이 하부로부터 그 결과로 얻어진 생성물, 예를 들어 수소, 일산화탄소 및 잔류물들을 포함하는 합성 가스가 인출된다. 튜브 열들 사이에는, 버너들 (3) 이 상부에서부터 하방으로 수직방향으로 연소한다. 그 결과로 얻어진 연도 가스들은 배출 터널들 (4) 을 통하여 인출된다.

열 플럭스 및 온도에 대하여 통상적인 수직방향 프로파일들은 도 2 에 도시되어 있다. 열 플럭스와 온도 프로파일은 서로 결합되는 것이 명백하다. 튜브의 상부에서 열 플럭스 및 온도 프로파일이 더 스티프하면, 동일한 온도에서 튜브에 대한 열 듀티가 더 높아지고, 동일한 전환율에서 튜브당 프로세스 가스 유량 용량이 더 높아진다.

도 3 은 4 개 및 8 개의 튜브 열들에 대한 화염 굽힘을 설명한다 (대칭적인 이유로 인해 화실의 절반만이 시뮬레이팅되었다). 유체 메카니즘 및 제트들 이론은 상부 연소식 화실내의 통상의 유동 배열을 규정할 것이고, 이는 화실의 중간 중심쪽으로 측면 버너들 고온 연소된 가스들 제트 흡인을 의미한다. 측벽들을 따른 낮은 동력 또는 유량들이 낮은 속도를 산출하면, 이는, 측면 제트들의 더 약한 모멘텀으로 인해, 측면 화염들의 중심으로의 굽힘 영향을 보강할 것이다.

도 4 는 24 개의 튜브 열들을 갖춘 화실을 가진 개질기 (노) 에 대하여 시뮬레이팅된 열당 평균 튜브 듀티를 도시한다 (대칭적인 이유로 인해 화실의 절반만이 시뮬레이팅되었다). 굽힘 영향 현상에 대향하기 위해서, 측면 버너 열들로부터의 모멘텀은 단계적으로 내부 버너 동력의 78% 까지 증가되었다. 화염 굽힘은 억제되지 않고, 동력 증가는 노의 측면에서 과열된 구역을 생성하며, 제 1 튜브 열을 통하여 유동하고 또한 후속의 열을 가열하는 고온 연도 가스로 인해 피크값은 벽으로부터 제 2 튜브 열에 위치된다.

도 5 는 본 발명에 개시된 바와 같이 구성 변형을 도시하고, 여기에서 2 개의 채널들 (5, 6) 은 노 벽 (1a) 및 촉매 튜브들 (2) 에 의해 규정된다. 2 개의 촉매 튜브 열들 (2₁, 2₂) 사이의 거리 (d) 는 중간 채널 (5) 을 규정한다. 내부 버너들 (3a) 은 노 (1) 의 루프 (1b) 상의 튜브들 (2₁, 2₂) 사이에 중앙에 위치된다. 외부 촉매 튜브 (2₁) 와 노 벽 (1a) 사이에 규정된 채널 (6) 에서, 외부 또는 측면 버너들 (3b) 은 노의 루프 (1b) 상에 배열된다. 외부 채널 (6) 의 치수 (d₁) 는, 거리 (d) 에 대한 이 치수의 비가 외부 버너와 내부 버너의 동력의 비와 동일하게, 즉 직경 (d) 의 45 ~ 60%, 바람직하게는 50 ~ 58%, 보다 바람직하게는 대략 55% 이도록 설정된다.

전술한 구성은 SMR3D 시뮬레이션 공구 (개질 튜브 모델에 결합된 CFD (Computational Fluid Dynamic) 공구에 기초로 하는 Air Liquide 사의 등록품 공구) 를 사용하여 시뮬레이팅되었다. 시뮬레이션 결과는 도 6 및 도 7 에 도시되었고 그리고 참조 구성과 비교된다. 본 발명의 최적의 구성은 개질기 스케일에서 훨씬 더 양호한 듀티 균질성을 유발한다. 튜브 듀티 표준 편차는, 감소되고 그리고 최적화되는데 참조용 경우에 열당 1% 대 4% 그리고 도 7 에 도시된 바와 같이 참조용 경우에 튜브당 3.5% 대 6.5% 이다.

도 8a 는 노 루프 (1b) 의 내측에 제공된 고 방사율 내화성 층 (7) 과 조합하여 버너 (3) 의 가장 간단한 실시를 도시한다. 고 방사율 내화성 층 (7) 은 벽돌들, 얇은 시트들 또는 코팅된 층으로 형성될 수 있고, 여기에서 고 방사율은, 예를 들어 SiC 시트들을 사용하는 고유의 재료 특성들 또는 예를 들어 세라믹 발포 시트들을 사용하는 표면 처리 또는 텍스쳐링으로부터 기인한다. 일 열의 저감된 동력 분리된 제트 버너들 (3) 은 연속적인 플랫 화염을 형성한다. 선행 기술과 비교하여, 개시된 혁신적인 실시는 대량의 단계적인 공기 및 연료 주입, 예를 들어 선행 기술의 구성에서 개시된 2 ~ 6 미터당 1 개의 버너에 비교하여, 미터당 10 ~ 30 개의 연료 주입기들로 연속 화염으로 배열된 제트 화염 버너들을 사용한다.

가장 효율적인 열전달 실시를 위해서, 벽 버너들 (8) 은, 튜브들과 지그재그 방식으로 배치되는 바와 같이, 도 8b 에 도시된 바와 같이 반경방향 버너 기술 또는 도 8c 에 도시된 바와 같이 램프 벽 버너 기술에 기초할 수 있다.

도 9 에 도시된 바와 같이, 또한 노 루프 (1b) 에서의 고 방사율 층 (7) 과 연관된 소용돌이 볼 화염 연소 기술의 실시가 가능하다. 여기에서, 연료 뿐만 아니라 산소 공급원 및/또는 스팀이 화염의 하부 지점에서부터 노 루프의 방향으로 역으로 재순환될 때, 재순환 구역에서 화염 자체가 포획된다.

도 10 은 2 가지 가능한 종류의 단위 원통형 복사 버너들을 사용하는 본원의 2 가지 실시를 도시하고: 도 10a 는 복사 쉴드 (9) 에서 둘러싸인 확산 화염을 도시한다. 벤튜리 효과에 의해 연도 가스들이 화염 루트에 진입하도록 하는 통로들 (10) 은 낮은 NO_x 양을 달성하는데 추천된다. 연도 가스와 연소 반응물들의 희석은 최대 화염 온도를 저감시킬 것이다. 희석 및 온도 둘 다는 NO_x 형성 동특성을 저하시킨다.

자체가 다공성 형태인 화염 부착부로 프리믹스된 연소는 도 10b 에 도시된다. 연소 반응은, 가열되고 또한 다공성 매체의 전방에서 튜브들 쪽으로 복사 방출하는 다공성 매체 내측에서 실시된다. 이러한 기술의 주요 장점은, 튜브들로의 열전달에 관하여 최적의 위치에 복사가 위치될 수 있다는 것이다.

복사 쉘은 고 방사율을 가진 다공성 세라믹 발포체와 같은 내고온성 재료 (SiC, Al₂O₃, ZrO₂) 로 제조된다.

복사 버너들의 사용은, 도 11 에 도시한 바와 같이, 원주방향 플럭스 비균질성들을 최소화시키는 튜브 노면에 대한 최적화된 버너 튜브를 가진 노를 구성하도록 해준다. 2 개의 튜브 노면들이 개시되고: 도 11a 는 정사각형 튜브 노면을 도시하는 반면, 도 11b 는 표준 버너를 가진 육면체 튜브 노면을 도시한다.

도 12 는 노 루프 (1b) 자체를 가열하는 버너들의 실시를 도시하고 그리고 복사 벽으로서 상기 루프를 사용한다. 도 12a 에 도시된 바와 같이 높은 단열성, 낮은 열전도성 내화성 라이닝을 볼록하게 구성할 수 있거나 도 12b 에 도시된 바와 같이 오목한 형태로 구성할 수 있다.

도 13 은 오목하게 형성된 버너 루프로 실시될 수 있는 상이한 버너 형상들을 도시한다. 2 개의 복사 경사 벽들 (1c) 에 대한 단면도는 도 13a 에 도시되어 있고, 여기에서 최적의 각도 (Ca) 는 50°미만 또는 약 50°이고, 수평방향 케이브 루프 폭 (Cw) 은 튜브 통로 폭 (W) 및 최적의 각도 (Ca) 에 근거하여 구성되어, 그에 따라 버너들을 배열하도록 충분한 공간이 유지된다.

도 13b 에서, 도 8 에 도시된 바와 같이 통상의 제트 버너들 (3) 은 케이브 루프의 각 측면에서 경사진 복사 벽들 (1c) 을 따라서 하방으로 연소될 라인들에 배치된다.

도 13c 는 연속적인 선형 벽 버너를 가진 동일한 종류의 구성을 도시한다.

도 13d 에서, 통상의 반경방향 벽 버너들은 간격 (L) 으로 케이브 루프에 배치되어, 열 플럭스들 균질성 및 버너 개수 저감간의 최적의 절충이 밝혀졌다. 이는 통상적으로 2 ~ 8 개의 튜브들마다 1 개의 버너에 대응할 수 있다.

최종적으로, 도 13e 는 클래식한 고 소용돌이 버너들이 케이브 루프에 설치된 구성을 도시한다.

도 14 는 볼록한 루프 구성 ("스파이크 루프") 을 도시한다. 도 14a 에서, 벽 버너들 (3) 은 하방으로 연소하는 볼록한 형태 주변에 배열되고; 도 14b 에서, 버너들 (3) 은 볼록한 루프 내측에 배열되어, 화염들은 스파이크 단부로부터 상방으로 연소되어 화염들에 의해 덮여지는 복사 영역 및 그로 인한 튜브들 (2) 로의 전달 효율을 증가시킨다.

도 15 에 도시된 바와 같이, 또한 적어도 하나의 대형 동력 버너가 연소되는 다공성 연소실을 제공할 수 있다. 벤튜리 효과의 섹션 압력에 의해 노의 분위기로부터 가스 발생기 챔버안으로 연도 가스들을 재순환시키도록 화염 루트에 근접한 개구부들 (노 측벽들 (1a)) 이 추가될 수 있다. 도 15a 에 도시된 구성에서는 일방의 튜브 대 튜브 (tube-to-tube) 통로로부터 타방으로 지그재그 연소하는 단일의 버너 배열을 도시한다. 이러한 구성은 선행 기술에 비하여 여러 가지 유닛 버너들 자본들을 절약하고, 여기에서 대형 상부 연소식 개질기에서 열당 최대 15 ~ 20 개가 사용되고, 이는 본원의 실시형태에서 1 개 또는 2 개로 교체될 수 있다. 보다 더 신뢰가능한 구성은, 도 15b 에 도시된 바와 같이 복사 채널당 2 개의 버너들을 가지는 것이고, 그리하여 하방으로 수용되지 않는 버너의 경우에 노 성능은 덜 심각하게 영향을 받게 된다.

1 : 노
1a : 노 벽
1b : 노 루프
1c : 경사진 노 벽
2 : 튜브
3 : 버너
3a : 내부 버너
3b : 외부 버너
4 : 배출 터널
5 : 중간 채널
6 : 외부 채널
7 : 고 방사율 내화성 층
8 : 벽 버너
9 : 복사 쉴드
10 : 통로

Claims (15)

1. 흡열 프로세스를 실시하는 노로서,
   가스성 공급물을 전환시키기 위한 촉매를 포함하고 그리고 상기 노 (1) 의 내측에 위치되는 튜브들 (2), 상기 튜브들 (2) 사이의 노 루프 (1b) 에 장착되는 내부 버너들 (3a), 및 상기 튜브들 (2) 과 노 벽 (1a) 사이의 상기 노 루프 (1b) 에 장착되는 외부 버너들 (3b) 을 포함하고,
   상기 외부 버너들 (3b) 은, 상기 노 벽 (1a) 까지 상기 외부 버너들 (3b) 의 중심축의 거리가, 최외부 튜브들과 상기 노 벽 (1a) 사이의 거리의 25 % 미만이 되도록 위치되며, 상기 외부 버너들 (3b) 은 상기 내부 버너들 (3a) 의 동력의 45 ~ 60% 로 및 상기 내부 버너들 (3a) 의 입구 속도의 90 ~ 110 % 의 입구 속도로 작동하도록 구성되고,
   상기 튜브들 (2) 은 열들로 위치되고, 2 개의 연속하는 튜브 열들 사이의 갭에 대한 상기 노 벽 (1a) 과 제 1 튜브 열 사이의 거리의 비는 상기 외부 버너 (3b) 의 동력과 상기 내부 버너 (3a) 의 동력 사이의 비와 동일한 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는, 흡열 프로세스를 실시하는 노.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 노 루프 (1b) 의 적어도 일부에는 내고온성, 고 방사율 중실 표면 (7) 이 제공되는 것을 특징으로 하는, 흡열 프로세스를 실시하는 노.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 고 방사율 중실 표면 (7) 은 탄화 규소 또는 세라믹 다공성 발포체들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 흡열 프로세스를 실시하는 노.
5. 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 버너들 (3a, 3b) 중 적어도 일부는 제트 화염 버너들인 것을 특징으로 하는, 흡열 프로세스를 실시하는 노.
6. 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 버너들 (3a, 3b) 중 적어도 일부는 고 소용돌이 볼 화염 기술을 가진 버너들인 것을 특징으로 하는, 흡열 프로세스를 실시하는 노.
7. 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 버너들 (3a, 3b) 중 적어도 일부는 다공성 복사 쉴드에 화염이 형성되도록 배열되는 것을 특징으로 하는, 흡열 프로세스를 실시하는 노.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 버너들 (3a, 3b) 중 적어도 일부는 촉매 튜브들 (2) 에 대하여 정사각형 또는 육면체 형상으로 배열되는 것을 특징으로 하는, 흡열 프로세스를 실시하는 노.
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 복사 쉴드의 길이는 촉매 포함 튜브 길이의 10 ~ 40% 인 것을 특징으로 하는, 흡열 프로세스를 실시하는 노.
10. 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노 루프 (1b) 의 적어도 일부는 볼록하거나 오목한 형상을 가지도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 흡열 프로세스를 실시하는 노.
11. 가스성 공급물을 전환하기 위해서 촉매 포함 튜브들을 노의 내측에 위치시켜 흡열 프로세스를 실시하는 노를 작동시키는 방법으로서,
    상기 촉매 포함 튜브들은 상기 촉매 포함 튜브들 사이의 노 루프에 장착되는 내부 버너들과 상기 촉매 포함 튜브들과 노 벽 사이의 노 루프에 장착되는 외부 버너들에 의해 가열되며,
    상기 외부 버너들은, 상기 노 벽 (1a) 까지 상기 외부 버너들 (3b) 의 중심축의 거리가, 최외부 튜브들과 상기 노 벽 (1a) 사이의 거리의 25 % 미만이 되도록 위치되며, 상기 외부 버너들은 상기 내부 버너들의 동력의 45 ~ 60% 로 작동되고 그리고 상기 외부 버너들의 입구 속도는 상기 내부 버너들의 입구 속도의 90 ~ 110 % 가 되도록 조절되는 것을 특징으로 하고,
    상기 튜브들은 열들로 위치되고, 2 개의 연속하는 튜브 열들 사이의 갭에 대한 상기 노 벽과 제 1 튜브 열 사이의 거리의 비는 상기 외부 버너의 동력과 상기 내부 버너의 동력 사이의 비와 동일한 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는, 흡열 프로세스를 실시하는 노를 작동시키는 방법.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 버너들의 화염들의 적어도 일부는 상기 노의 상부에서부터 하부로 배향되는 것을 특징으로 하는, 흡열 프로세스를 실시하는 노를 작동시키는 방법.
13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    공급물은 상기 노의 상부에서부터 하부로 수직방향으로 배열된 촉매 튜브들을 통하여 유동하는 것을 특징으로 하는, 흡열 프로세스를 실시하는 노를 작동시키는 방법.
14. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 입구 속도는 공기 주입에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는, 흡열 프로세스를 실시하는 노를 작동시키는 방법.
15. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 흡열 프로세스는 스팀 개질 프로세스인 것을 특징으로 하는, 흡열 프로세스를 실시하는 노를 작동시키는 방법.

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