KR20100061449A - 무화염 연소 히터 - Google Patents

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KR20100061449A
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토마스 미쿠스
압둘 와히드 문쉬
피터 벤스트라
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셀 인터나쵸나아레 레사아치 마아츠샤피 비이부이
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Abstract

무화염 연소 히터 시스템은 무화염 연소 히터와, 옥시던트 입구 파이프와, 연료 입구 파이프와, 옥시던트 또는 연료를 예열하는 예열기를 포함하며; 상기 예열기는 산화 촉매를 포함한다. 무화혐 연소 히터를 시동하는 방법은 히터에 공급되는 연료 또는 옥시던트 스트림을 예열하기 위해 연료-옥시던트 혼합물을 산화 촉매가 구비된 예열기를 통과시키는 단계를 포함한다. 무화염 연소 히터 시스템의 온도를 제어하는 방법은 예열기를 통과하는 연료 및/또는 옥시던트의 양을 제어하는 단계를 포함한다.

Description

무화염 연소 히터{A FLAMELESS COMBUSTION HEATER}
본 발명은 무화염 연소 히터와, 무화염 연소 히터의 시동 방법과, 무화염 연소 히터 시스템의 온도 제어 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 히터(process heater)가 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.
미국특허 제5,862,858호에는 혼합물의 자동점화 온도를 낮추기 위한 무화염 연소기의 연소 챔버내에서 귀금속 등과 같은 촉매 표면의 사용이 개시되어 있다. 이러한 촉매 표면은 예를 들어 500℉ 의 낮은 온도의 대기중에서 메탄의 산화를 촉진시키는데 매우 효과적인 것으로 밝혀졌다.
무화염 연소 히터는 상술한 특허에 개시된 바와 같이 종래의 파이어형(fired) 히터에 대해 여러가지 장점을 제공한다. 그러나, 무화염 연소 히터는 시동시 및 작동시 연료/옥시던트 혼합물의 자동점화 온도 이상으로 히터를 유지하는데 관련된 문제점을 겪게 된다. 히터의 온도를 자동점화 온도 이상으로 유지하는데 실패하면 무화염 연소의 불안정으로 귀결된다.
미국특허 제5.862.858호에 개시된 바와 같이, 무화염 연소기에 촉매를 사용하면 자동점화 온도를 낮출 수 있고, 이에 따라 히터를 상기 온도 이상으로 유지시키기가 더욱 용이하다.
본 발명은 무화염 연소 히터와, 옥시던트 입구 파이프와, 연료 입구 파이프와, 옥시던트 또는 연료를 예열하며 산화 촉매를 갖는 예열기를 포함하는 무화염 연소 히터 시스템을 제공한다.
본 발명의 일실시예는 무화염 연소 히터 시스템을 제공하며, 상기 예열기는 옥시던트 입구 파이프와 유체 소통되고, 연료는 연료-옥시던트 혼합물이 예열기를 통과하도록 예열기의 옥시던트 입구 파이프 상류에 도입된다.
본 발명의 다른 실시예는 무화염 연소 히터 시스템을 제공하며, 상기 예열기는 연료 입구 파이프와 유체 소통되고, 옥시던트는 연료-옥시던트 혼합물이 예열기를 통과하도록 예열기의 연료 입구 파이프 상류에 도입된다.
본 발명은 무화염 연소 히터 시스템의 온도를 제공하는 방법과, 무화염 연소 히터 시스템을 시동하는 방법을 제공한다.
본 발명은 연료의 무화염 연소에 의해 방출된 열에너지를 처리 유체에 직접 전달하는데 사용되는 무화염 연소 히터 시스템을 제공한다. 히터 시스템은 지하층의 가열 및 처리 스트림의 가열을 포함하여 사용가능한 용도가 많다. 무화염 연소 히터 시스템은 예를 들어 알킬방향족 화합물 및 스팀 메탈 리포밍의 탈수소 등과 같은 흡열 반응을 실행하는 처리와 함께 특히 유용하다. 본 발명은 히터의 시동 및 작동 안정성을 개선하기 위해 예열기를 사용하는 무화염 연소 히터 시스템을 제공한다.
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 옥시던트의 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 본 발명에 참조인용된 미국 특허 제7.025.940호에 개시된 바와 같이 이러한 형태의 촉매가 혼합물의 자동점화 온도를 효과적으로 낮추기 때문이다.
산화 촉매의 존재하에 예를 들어 수소 또는 디메틸 에테르 등과 같은 이러한 연료를 이용하면 대기 온도나 대기 온도 근방에서 무화염 연소가 발생되게 할 수 있다. 무화염 연소는 연료 및 사용된 촉매에 따라 약 30℃ 내지 약 1000℃ 의 온도에서 발생된다.
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 도입되는 옥시던트는 연료와 혼합되었을 때 혼합물이 혼합물의 자동점화 온도 이상이 되도록 예열된다. 옥시던트는 무화염 연소 히터의 외측에서 가열된다. 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.
무화염 연소 히터의 양호한 실시예는 2개의 파이프 또는 튜브를 포함한다. 연료 파이프는 연료를 위한 입구와, 옥시던트 파이프와 유체 소통되는 다수의 개구를 갖는다. 산화 파이프는 예열된 옥시던트를 위한 입구와, 연소물을 위한 출구와, 상기 입구와 출구 사이의 유체 통로를 포함한다. 연료는 연료 파이프내에 도입되고, 개구를 통과하여 산화 파이프에 도입된다. 옥시던트 및/또는 연료는 히터에서 혼합되었을 때 그 혼합물이 혼합물의 자동점화 온도이거나 자동점화 온도 이상이 되도록 예열된다. 이러한 실시예에서, 개구는 연료 도관의 벽을 천공하거나 절결하여 형성된다. 개구는 원형, 타원형, 사각형을 취할 수도 있으며, 심지어 불규칙 형상을 취할 수도 있다. 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.
히터의 길이를 따라 상이한 개구는 전형적으로 동일한 단면적을 갖는다. 선택적인 실시예에서, 개구의 단면적은 원하는 열 방출을 제공하도록 히터를 따라 상이할 수도 있다. 또한, 연료 도관을 따른 개구들 사이의 이격거리는 상이하다. 상기 개구는 전형적으로 동일한 형상을 취하지만, 선택적으로 개구는 상이한 형상을 취할 수도 있다.
무화염 연소 히터는 처리 유체를 이송하는 처리 유니트를 부가로 포함하며, 상기 처리 유니트는 산화 도관과 열교환 관계를 갖는다. 히터에 처리 유니트를 포함하는 것은 처리 스트림의 직접 가열을 허용한다. 처리 도관은 선택적으로 화학 반응을 실행하는데 사용될 수도 있다. 처리 유니트는 화학 반응을 촉진시키는 촉매를 포함한다. 이러한 히터는 반응시 처리에 열이 직접 부가되기 때문에, 흡열 반응을 실행하는데 특히 유용하다. 예를 들어, 상기 히터는 스티렌에 에틸벤젠의 탈수소 반응을 직접적으로 가열하기 위해 탈수소 반응기에 연합될 수 있다.
무화염 연소 히터는 옥시던트 도관을 선택적으로 포함할 수 있다. 옥시던트 도관은 옥시던트를 위한 입구와, 산화 도관의 입구와 유체 소통되는 예열된 옥시던트를 위한 출구를 갖는다. 상기 옥시던트 도관은 산화 도관 및/또는 처리 도관과 열교환 관계에 있으므로, 산화 도관에서 연료와 혼합되었을 때 그 혼합물이 자동점화 온도이거나 이 온도 이상의 충분한 온도로 옥시던트를 예열하기 위한 직접 가열을 제공한다.
도1은 예열기를 갖는 무화염 연소 히터 시스템을 도시한 도면.
도1은 무화염 연소 히터(10) 및 히터의 시동 작동 및 안정된 작동을 개선하는데 사용되는 산화 촉매를 보유한 예열기(20)의 위치의 일반적인 다이아그램이다. 히터는 연료 입구(11)와, 옥시던트 입구(13)와, 산화물 출구(21)를 갖는다. 또한 히터는 처리 입구(24) 및 처리 출구(26)를 갖는다. 연료 반류(伴流: slipstream) 파이프(16)는 옥시던트 입구 파이프(14)로의 연료 흐름을 제공한다. 연료 흐름은 주 연료 입구 파이프(12) 또는 별도의 연료 시스템으로부터 올 수도 있다. 연료 밸브(18)는 연료 반류 파이프를 통한 흐름을 제어한다.
예열기(20)는 옥시던트 입구 파이프내에 배치된다. 예열기는 지지된 산화 촉매를 포함한다. 정적 혼합기는 옥시던트 입구 파이프에서 연료 및 옥시던트의 개선된 혼합을 제공하기 위해 촉매의 상류에서, 옥시던트 입구 파이프에 배치된다. 선택적으로, 연료는 양호하게 혼합되기 위해 상류에서 멀리 있는 옥시던트 입구 파이프에 유입될 수도 있다. 효과적인 혼합은, 전형적으로 연료가 산화 촉매로부터 옥시던트 입구 파이프 직경의 15배의 거리에서 입구 파이프에 유입될 때 발생된다.
연료가 옥시던트 입구 파이프(14)에 도입될 때, 파이프는 예열된 옥시던트 및 반응으로부터의 연소물을 보유할 것이며, 이러한 예열된 옥시던트 및 연소물은 옥시던트 입구(13)를 통해 무화염 연소 히터에 이송될 것이다. 옥시던트 입구 파이프에 도입된 연료량은 옥시던트의 일부만 예열기에서 무화염 연소를 하도록 제어된다.
산화 촉매는 사용된 연료의 무화염 연소 반응을 촉진시키는 촉매 이다. 산화 촉매는 예를 들어 백금, 팔라듐, 로듐, 은, 이리듐, 금 또는 이들의 화합물 등과 같은 귀금속을 포함한다. 선택적으로, 산화 촉매는 예를 들어 구리, 철,망간, 바나듐, 비스무스, 코발트, 크롬, 몰리브덴, 루테늄, 텅스텐, 레늄, 또는 이들의 화합물 등과 같은 비금속(base metal)을 포함한다. 상기 금속은 알루미나, 세리아, 지르코니아, 티타니아, 실리카, 또는 란탄족 원소로 변형된 그 화합물을 포함하는 세라믹 기판상에 지지된다. 상기 촉매는 예를 들어 원기둥, 중공 원기둥, 및 트릴로브(trilobe) 등과 같이 간단한 구 또는 압출물의 형태를 취한다. 촉매는 금속 또는 세라믹 모노리스(monolith), 예를 들어, 거즈, 메시, 나선형으로 권취된 구조물 등과 같은 망상형 금속 또는 세라믹 발포체 또는 코팅된 금속 와이어의 형태를 취한다.
본 발명은 무화염 연소 히터 시스템을 시동하는 방법을 제공한다. 히터의 시동중, 연료는 옥시던트의 예열을 돕기 위해 연료 반류 파이프를 통과한다. 옥시던트 입구 파이프의 산화 촉매는 무화염 연소가 저온에서 발생되게 하며, 옥시던트 입구 파이프에서 이러한 무화염 연소에 의해 제공된 열은 옥시던트 입구(13)를 통해 히터(10)에 유입되는 옥시던트의 온도를 상승시킬 것이다. 이것은 무화염 연소 히터(10)내의 연료와 혼합될 때, 옥시던트의 온도가 자동점화 온도 이상의 온도로 상승되게 한다. 히터에서 자동점화 온도에 도달된 후, 연료 밸브(18)는 옥시던트 입구 파이프(14)로의 연료 흐름을 정지시키기 위해 폐쇄된다. 촉매는 라인(14)에 남아 있지만, 라인(14)에 연료가 없기 때문에 파이프에서는 무화염 연소가 이루어지 않는다. 이것은 산화 촉매가 히터 시스템의 시동을 도와주도록 사용될 수 있게 하지만, 만일 산화 촉매가 히터에 있었더라면 가능한 온도 이상으로 작동되게 한다. 히터에서 무화염 연소에 영향을 끼치는 것을 중지시키기 위해 시스템으로부터 촉매가 제거될 필요는 없다.
또한, 본 발명은 히터의 안정성을 유지하기 위해 히터의 작동을 제어하는 방법을 제공한다. 히터의 작동시, 연료 밸브(18)는 최종 연료/옥시던트 온도가 연료/옥시던트 혼합물의 자동점화 온도 이상으로 머무르는 것을 보장하기 위해, 히터에 유입되는 옥시던트의 온도를 제어하도록 제어된다. 히터에서 최종 연료/옥시던트 혼합물이 혼합물의 자동점화 온도 이하이기 때문에 만일 히터에 유입된 옥시던트의 온도가 변화될 경우에 무화염 히터 연소 시스템은 불안정 또는 혼란을 경험하게 된다. 만일 이러한 상황이 발생될 경우, 무화염 연소가 중단되고, 히터는 냉각될 것이다.
이러한 방법에 따라 히터의 온도가 결정된다. 이러한 온도는 히터에 공급되고 있는 혼합물의 자동점화 온도와 비교된다. 만일 히터의 온도가 혼합물의 자동점화 온도를 향해 감소되기 시작한다면, 옥시던트 입구 파이프에 배치된 산화 촉매에서 무화염 연소 반응이 발생되도록, 연료 밸브(18)가 개방되어 연료 반류 파이프로부터 증량적인 연료 흐름을 허용하게 된다. 이러한 무화염 연소 반응은 옥시던트를 예열할 것이며, 히터 온도는 증가될 것이다. 연료 밸브는 무화염 연소 히터 시스템의 안정된 작동을 제공하도록 제어된다.
선택적으로 산화 촉매는 연료 라인에 배치될 수도 있으며, 옥시던트의 반류는 연료 입구 파이프를 통과할 수도 있다. 그러나, 과도한 연료 예열은 연료 입구 파이프의 코킹(coking)으로 귀결되기 때문에 옥시던트를 예열하는 것이 바람직하다.
무화염 연소 히터는 특정한 히터의 형상 및 히터 용도에 따라 다양한 조건으로 작동된다. 본 발명에 참조인용된 미국특허 제7,025,940호에는 다양한 실시예 및 조건이 개시되어 있다. 무화염 연소 히터 시스템은 스팀 리포밍, 크래킹(cracking), 또는 기타 다른 처리에 사용된다.
무화염 연소 히터 시스템은 스티렌을 생산하기 위해 에틸벤젠의 탈수소에 사용될 수 있다. 이것은 전형적으로 철 산화물계 탈수소 촉매의 존재하에 실행된다. 반응은 전형적으로 550℃ 내지 680℃ 사이에서 발생된다. 본 발명의 히터는 스팀 및 탄화수소가 수소, 일산화탄소, 및 이산화탄소로 전환되는 스팀 리포밍 시스템에서도 사용될 수 있다. 이러한 반응의 온도는 전형적으로 약 800℃ 내지 870℃ 이다.
산화 촉매의 존재하에 상이한 연료의 자동점화 온도는 본 발명에 참조인용된 미국특허 제5,899,269호에 개시되어 있다. 본 발명에 관련된 일부 자동점화 온도는 표1에 도시되어 있다.
표1
연료 측정된 자동점화 온도(℉) 에어 체적의 연료 농도% 촉매
천연가스 1450(788) 10.5 없음
메탄 590(310) 13 Pd
수소 1218(659) 13 없음
수소 120(49) 13 Pt
수소 300(149) 13 Pd
66.6% 수소 1249(676) 13 없음
33.3% CO
66.6% 수소 416(213) 13 Pt
33.3% CO
66.6% 수소 310(154) 13 Pd
33.3% CO
표로부터 알 수 있는 바와 같이, 촉매화된 자동점화 온도는 비촉매화된 자동점화 온도 보다 상당히 낮다. 상술한 스티렌 및 스팀 메탄 리포밍 처리는 처리 스트림이 각각 550℃ 및 800℃ 이상으로 가열될 것을 요구한다. 촉매화된 자동점화 온도 보다 약간 높은 온도로 유지된 히터가 처리 스트림을 원하는 온도로 가열하는 것은 어렵다. 한편, 비촉매화된 자동점화 온도 보다 약간 높은 온도로 유지된 히터는 상술한 처리에 의해 요구되는 열을 제공할 수 있다. 산화 촉매는 히터내에서 혼합물의 자동점화 온도를 상당히 낮추지 않고서도 본 발명에 따라 사용될 때 히터 작동의 안정을 유지하는데 도움을 준다.
서술된 무화염 연소 히터는 개구의 위치 및 형상이 변화된 상태로 그 어떤 용도에도 사용될 수 있다.
10: 무화염 연소 히터 11, 13: 입구
16: 파이프 18: 연료 밸브
20: 예열기

Claims (12)

  1. 무화염 연소 히터 시스템에 있어서,
    무화염 연소 히터와, 옥시던트 입구 파이프와, 연료 입구 파이프와, 옥시던트 또는 연료를 예열하며 산화 촉매를 갖는 예열기를 포함하는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 예열기는 옥시던트 입구 파이프와 유체 소통되고, 연료는 연료-옥시던트 혼합물이 예열기를 통과하도록 예열기의 옥시던트 입구 파이프 상류에 도입되는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 예열기는 옥시던트 입구 파이프내에 배치되는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 예열기는 연료 입구 파이프와 유체 소통되고, 옥시던트는 연료-옥시던트 혼합물이 예열기를 통과하도록 예열기의 연료 입구 파이프 상류에 도입되는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 예열기는 연료 입구 파이프내에 배치되는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서, 산화 촉매는 귀금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터 시스템.
  7. 제2항 내지 제3항중 어느 한 항에 청구된 무화염 연소 히터 시스템을 시동하는 방법에 있어서,
    옥시던트를 옥시던트 입구 파이프를 통과시키는 단계와,
    예열기에서 무화염 연소가 발생되도록 예열기의 옥시던트 입구 파이프 상류에 연료를 도입하는 단계와,
    히터가 원하는 연료 및 옥시던트 혼합물의 자동점화 온도 이상이 될 때까지, 최종적으로 가열된 옥시던트를 무화염 연소 히터를 통과시키는 단계와,
    히터에서 무화염 연소가 발생되도록 연료를 연료 입구 파이프를 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터 시스템 시동 방법.
  8. 제7항에 있어서, 옥시던트 입구 파이프로의 연료 흐름을 정지시키는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터 시스템 시동 방법.
  9. 제2항 내지 제3항중 어느 한 항에 청구된 무화염 연소 히터 시스템의 온도를 제어하는 방법에 있어서,
    히터에 도입되는 옥시던트의 온도를 결정하는 단계와,
    옥시던트 입구 파이프로의 연료 흐름을 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터 시스템의 온도 제어 방법.
  10. 제4항 내지 제5항중 어느 한 항에 청구된 무화염 연소 히터 시스템을 시동하는 방법에 있어서,
    연료를 연료 입구 파이프를 통과시키는 단계와,
    예열기에서 무화염 연소가 발생되도록 예열기의 연료 입구 파이프 상류에 옥시던트를 도입하는 단계와,
    히터가 원하는 연료 및 옥시던트의 혼합물의 자동점화 온도 이상이 될 때까지, 결과적으로 가열된 연료를 무화염 연소 히터를 통과시키는 단계와,
    히터에서 무화염 연소가 발생되도록 옥시던트를 옥시던트 입구 파이프를 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터 시스템 시동 방법.
  11. 제10항에 있어서, 연료 입구 파이프로의 옥시던트 흐름을 정지시키는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터 시스템 시동 방법.
  12. 제4항 내지 제5항중 어느 한 항에 청구된 무화염 연소 히터 시스템의 온도를 제어하는 방법에 있어서,
    히터에 도입되는 옥시던트의 온도를 결정하는 단계와,
    연료 입구 파이프로의 옥시던트 흐름을 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무화염 연소 히터 시스템의 온도 제어 방법.
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