KR20180096649A - 다단 증기 주입 시스템 - Google Patents

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존 징크 컴파니 엘엘씨
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Abstract

폐가스를 연소 구역 내로 토출할 수 있는 플레어 팁(flare tip)을 위한 다단 증기 주입 시스템(staged steam injection system)이 제공된다. 다단 증기 주입 시스템은, 예를 들어, 제1 가스 주입 조립체 및 제2 단계 가스 주입 조립체를 포함한다. 제1 가스 주입 조립체는 증기를 고유량 및 고압으로 플레어 팁 또는 연소 구역 내로 주입하도록 구성된다. 제2 가스 주입 조립체는 가스 (예를 들어, 증기 및/또는 증기 이외의 가스)를 저유량 및 고압으로 플레어 팁 또는 연소 구역 내로 주입하도록 구성된다. 다단 증기 주입 시스템을 포함하는 플레어 팁이 또한 제공된다.

Description

다단 증기 주입 시스템
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 선출원된 미국 가출원 제62/387,147호(2015년 12월 23일자로 출원됨), 제62/343,342호(2016년 5월 31일자로 출원됨), 및 제62/343,362호(2016년 5월 31일자로 출원됨)의 이익을 청구하며, 이들 각각은 본 명세서에 참고로 포함된다.
가연성 가스의 연소와 폐기를 위한 산업용 플레어(flare)가 잘 알려져 있다. 그러한 플레어는 전형적으로 플레어 스택(stack) 상에 장착되는 하나 이상의 플레어 팁(tip)을 포함한다. 플레어 팁은 가스의 연소를 개시하고, 연소 생성물을 대기(atmosphere)로 방출한다. 플레어는 생산, 정제, 및 처리 플랜트 등에 위치된다. 많은 경우에, 하나 초과의 플레어가 단일 설비에 포함된다.
예를 들어, 산업용 플레어는 인화성 가스, 폐가스 및 폐기될 필요가 있는 다른 유형의 가스 (집합적으로, "폐가스"로 지칭됨)의 폐기를 위해 사용된다. 예를 들어, 산업용 플레어는 시스템 환기, 플랜트 정지 및 이상(upset), 및 플랜트 비상 사태 (화재와 정전을 포함함)로 인해 방향 전환되고 방출되는 인화성 가스 스트림을 안전하게 연소시키기 위해 사용된다. 적절히 작동하는 플레어 시스템은 플랜트 중단과 손상의 방지에 매우 중요한 구성요소일 수 있다.
산업용 플레어가 상대적으로 무연(smokeless) 방식으로 작동하는 것이 바람직하며 흔히 요구된다. 예를 들어, 무연 작동은 폐가스가 화염 내에 형성된 그을음(soot) 입자를 충분히 산화시키기 위해 충분한 양의 공기와 비교적 짧은 기간 내에 혼합되는 것을 보장함으로써 보통 달성될 수 있다. 가스 압력이 낮은 응용에서, 폐가스 스트림 만의 모멘텀(momentum)으로는 무연 작동을 제공하기에 충분하지 않을 수 있다. 그러한 경우에, 증기 및/또는 공기와 같은 보조 매체가 플레어 장치 주위로부터 주변 공기를 혼입시키는 데 필요한 원동력(motive force)을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 국소 에너지 비용 및 유용성(availability)을 비롯한 많은 요인이 연기 억제 보조 매체를 선택하는 데 고려된다.
저압 가스에 모멘텀을 추가하기 위한 가장 흔한 보조 매체는 증기이다. 증기는 전형적으로 플레어 팁과 관련되는 하나 이상의 군의 노즐을 통해 주입된다. 모멘텀을 추가하고 공기를 혼입시키는 것에 더하여, 증기는 또한 가스를 희석시키고 연소 과정에 수반되는 화학 반응에 참여할 수 있으며, 이들 둘 모두는 연기 억제를 돕는다. 간단한 증기 보조 시스템의 일 예에서, 수개의 증기 주입기가 플레어 팁의 출구 부근에 장착되는 증기 매니폴드 또는 링(ring)으로부터 연장된다. 증기 주입기는 증기의 제트(jet)를 플레어 팁에 인접한 연소 구역 내로 향하게 한다. 하나 이상의 밸브(예를 들어, 조작자에 의해 원격으로 제어되거나 또는 변화하는 작동 파라미터(parameter)에 기초하여 자동으로 제어될 수 있음)가 플레어 팁으로의 증기 유동을 조절하기 위해 사용된다. 증기 제트는 주위 대기로부터 공기를 토출된 폐가스 내로 높은 난류 수준으로 흡인한다. 이럼으로써 바람이 화염을 연소 구역으로부터 플레어 팁 내로 그리고 그 주위로 끌어내리지 못하게 한다. 주입된 증기, 추출된 공기, 및 폐가스는 조합되어, 가시적인 연기가 없는 폐가스 연소를 돕는 혼합물을 형성한다.
증기를 폐가스 스트림 내로 주입하기 위한 증기 주입 시스템은 제어 밸브, 증기를 플레어 팁에 전달하기 위한 배관(piping), 증기 주입 노즐, 및 증기를 증기 주입 노즐에 전달하기 위한 분배 배관을 필요로 한다. 몇몇 플레어는 증기를 플레어 팁과 관련된 상이한 위치로 토출하기 위한 다수 세트의 증기 주입 노즐과 함께 다수의 증기 라인을 갖는다.
증기 주입 시스템에 대해 다양한 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 증기 주입 시스템은 무연 연소를 위해 증기의 모멘텀을 사용하여 공기를 혼입시키고 이 공기를 폐가스 스트림과 혼합한다. 예를 들어, 설계 유량에서, 증기는 증기 노즐로부터 음속 (마하(Mach) = 1 이상)으로 토출된다. 증기 유량이 감소됨에 따라, 증기 노즐에서의 증기 압력이 감소하고, 궁극적으로 증기 토출 속도가 음속 미만이 되도록 유량이 충분히 낮게 감소된다. 증기 속도가 감소함에 따라, 증기가 공기를 혼입시키고 그것을 폐가스 스트림과 혼합하는 효율이 감소한다. 일 예로서, 설계 유량의 플레어 팁은 무연 연소를 일으키기 위해 폐가스 1 그램당 증기 0.3 그램 (폐가스 1 파운드당 증기 0.3 파운드)을 필요로 할 수 있다. 턴다운 조건(turndown condition)(예컨대, 더 낮은 증기 주입 압력)에서, 동일한 플레어 팁과 (조성 면에서) 동일한 폐가스 스트림은 무연 연소를 달성하기 위해 폐가스 1 그램당 증기 1.2 그램 이상 (폐가스 1 파운드당 증기 1.2 파운드 이상)을 필요로 할 수 있다. 이는 플레어의 운전 비용을 증가시킬 수 있다.
추가적으로, 플레어 팁이 낮은 폐가스 유량으로 작동할 때, 공기와 폐가스가 플레어 팁 내에서 혼합되는 것이 가능하다. 이는 보통 폐가스가 주위 공기보다 밀도가 낮고 바람이 공기를 플레어 팁 내로 끌어내림으로써 초래된다. 공기와 폐가스가 혼합될 때, 연소가 일어날 수 있다. 플레어 팁 내에서 연소가 일어날 때, 플레어 팁의 내부 관이 온도의 상승을 겪을 수 있다. 관이 너무 뜨거워지면, 재료 열화와 변형이 일어날 수 있으며, 이는 플레어 팁의 가용 수명을 단축시킬 수 있다.
플레어 팁의 그러한 손상을 방지하기 위해, 제조자는 증기를 흔히 최소 증기율(steam rate)로 지칭되는 최소 유량으로 (증기 주입 조립체의 특성에 따라) 플레어 팁 내로 또는 그 주위로 연속적으로 주입할 것을 권고한다. 최소 증기율로의 증기의 연속 주입은 내부 금속 관 및 다른 장비의 온도를 급격한 열화가 발생하는 온도 지점 아래로 유지시키는 데 도움을 준다. 예를 들어, 최소 증기율은 내부 관을 통한 증기와 공기의 충분한 유동이 충분한 열을 내부 관으로부터 전달하게 하여 내부 관의 온도를 허용가능한 범위 내로 유지시킨다.
미국 정부에 의해 최근에 공표된 새로운 규정은 조작자가 그들의 플레어를 제어하는 방식을 바꿀 수 있다. 앞으로는, 조작자가 현재의 규정이 요구하는 폐가스의 발열량(heating value)뿐만 아니라 플레어로 보내지는 증기의 양을 고려해야 할 수 있다. 이는 플레어가 턴다운 조건에서 작동하고 있을 때 문제를 일으킬 수 있다. 예를 들어, 조작자는 2401 kcal/㎥ (270 btu/scf) 이상의 연소 구역 내에서의 순 발열량을 유지시키기 위해 폐가스에 보충 가스(예를 들어, 천연 가스)를 풍부하게 하는 것이 필요할 수 있다. 적어도 부분적으로 보충 가스의 비용에 따라, 그러한 요구는 조작자에게 어디든지 플레어당 1년에 수십만 달러 내지 수백만 달러의 비용을 치르게 할 수 있다.
필요로 할 수 있는 보충 가스의 양을 감소시키는 하나의 방식은 최소 증기율을 감소시키는 것이다. 그러나, 감소된 최소 증기율은 플레어의 사용 수명을 아마도 감소시킬 것으로 보여, 더 빈번한 플랜트 정지와 관련 비용 증가를 필요로 할 것이다. 발생할 수 있는 관련 문제는 "수격 작용"(water hammer)이다. 증기 라인을 고온으로 유지시키기에 충분한 양의 증기가 제공되지 않아 증기 라인이 차가와지면, 저온 라인 내로의 증기의 후속 도입은 문제가 있는 노킹(knocking) 또는 수격 작용을 초래할 수 있다.
또한, 다수의 토출이 있는 플레어 팁이 공기보다 더 가벼운 폐가스와 함께 사용되는 상황이 있다. 이러한 유형의 폐가스가 낮은 폐가스 유량으로 토출될 때, 폐가스가 우선적으로 내부 관형 모듈 중 단지 몇 개만을 통해 유동할 가능성이 있다. 이것이 일어나면, 공기가 폐가스를 수용하지 않는 내부 관형 모듈을 따라 아래로 유동할 수 있다. 연료 및 공기 혼합물이 뒤따르게 될 수 있고, 이는 궁극적으로 플레어 팁 내로의 역화(flashback)를 일으킬 수 있고 화염이 팁 내에서 안정화되게 할 수 있다. 최소 증기율로의 증기의 유동은 플레어 팁 내로 유동할 수 있는 공기의 양을 제한하기에 충분한 모멘텀을 제공하여 이러한 문제에 대처할 수 있다.
본 발명에 의하면, 폐가스를 연소 구역 내로 토출할 수 있는 플레어 팁을 위한 다단 증기 주입 시스템(staged steam injection system)이 제공된다. 폐가스를 연소 구역 내로 토출할 수 있는 플레어 팁이 또한 제공된다.
일 실시예에서, 본 발명에 의해 제공되는 다단 증기 주입 시스템은, 폐가스를 연소 구역 내로 토출할 수 있고 외측 관형 부재 내에 배치되는 내측 관형 부재를 포함하는 플레어 팁을 위한 것이다. 이러한 실시예에서, 다단 증기 주입 시스템은 제1 가스 주입 조립체 및 제2 가스 주입 조립체를 포함한다. 제1 가스 주입 조립체는 증기를 고유량 및 고압으로 플레어 팁의 내측 관형 부재 내로 주입하도록 구성되고, 제1 단계 가스 공급원 및 제1 단계 가스 공급원에 유체연통식 연결되는 제1 가스 주입 노즐을 포함한다. 제1 단계 가스 공급원은 증기의 공급원이다. 제2 가스 주입 조립체는 가스를 저유량 및 고압으로 플레어 팁의 내측 관형 부재 내로 주입하도록 구성되고, 제2 단계 가스 공급원 및 제2 단계 가스 공급원에 유체연통식 연결되는 제2 가스 주입 노즐을 포함한다. 제1 가스 주입 조립체 및 제2 가스 주입 조립체는 서로 근접하고 동일한 방향으로 배향되어 제1 가스 주입 조립체 및 제2 가스 주입 조립체 둘 모두가 가스를 플레어 팁의 내측 관형 부재 내로 주입한다.
다른 실시예에서, 본 발명에 의해 제공되는 다단 증기 주입 시스템은 폐가스를 연소 구역 내로 토출할 수 있는 플레어 팁을 위한 것이다. 이러한 실시예에서, 다단 증기 주입 시스템은 제1 가스 주입 조립체 및 제2 가스 주입 조립체를 포함한다. 제1 가스 주입 조립체는 증기를 고유량 및 고압으로 연소 구역 내로 주입하도록 구성되고, 제1 단계 가스 공급원 및 제1 단계 가스 공급원에 유체연통식 연결되는 제1 가스 주입 노즐을 포함한다. 제1 단계 가스 공급원은 증기의 공급원이다. 제2 가스 주입 조립체는 가스를 저유량 및 고압으로 연소 구역 내로 주입하도록 구성되고, 제2 단계 가스 공급원 및 제2 단계 가스 공급원에 유체연통식 연결되는 제2 가스 주입 노즐을 포함한다. 제1 가스 주입 조립체 및 제2 가스 주입 조립체는 서로 근접하고 동일한 방향으로 배향되어 제1 가스 주입 조립체 및 제2 가스 주입 조립체 둘 모두가 가스를 연소 구역 내로 주입한다.
일 실시예에서, 본 발명에 의해 제공되는 플레어 팁은 폐가스를 연소 구역 내로 토출할 수 있으며, 외측 관형 부재 내에 배치되는 내측 관형 부재와 다단 증기 주입 시스템을 포함한다. 플레어 팁의 이러한 실시예에서, 다단 증기 주입 시스템은 제1 가스 주입 조립체 및 제2 가스 주입 조립체를 포함한다. 제1 가스 주입 조립체는 증기를 고유량 및 고압으로 플레어 팁의 내측 관형 부재 내로 주입하도록 구성되고, 제1 단계 가스 공급원 및 제1 단계 가스 공급원에 유체연통식 연결되는 제1 가스 주입 노즐을 포함한다. 제1 단계 가스 공급원은 증기의 공급원이다. 제2 가스 주입 조립체는 가스를 저유량 및 고압으로 플레어 팁의 내측 관형 부재 내로 주입하도록 구성되고, 제2 단계 가스 공급원 및 제2 단계 가스 공급원에 유체연통식 연결되는 제2 가스 주입 노즐을 포함한다. 제1 가스 주입 조립체 및 제2 가스 주입 조립체는 서로 근접하고 동일한 방향으로 배향되어 제1 가스 주입 조립체 및 제2 가스 주입 조립체 둘 모두가 가스를 플레어 팁의 내측 관형 부재 내로 주입한다.
다른 실시예에서, 본 발명에 의해 제공되는 플레어 팁은 폐가스를 연소 구역 내로 토출할 수 있으며, 다단 증기 주입 시스템을 포함한다. 플레어 팁의 이러한 실시예에서, 다단 증기 주입 시스템은 제1 가스 주입 조립체 및 제2 가스 주입 조립체를 포함한다. 제1 가스 주입 조립체는 증기를 고유량 및 고압으로 연소 구역 내로 주입하도록 구성되고, 제1 단계 가스 공급원 및 제1 단계 가스 공급원에 유체연통식 연결되는 제1 가스 주입 노즐을 포함한다. 제1 단계 가스 공급원은 증기의 공급원이다. 제2 가스 주입 조립체는 가스를 저유량 및 고압으로 연소 구역 내로 주입하도록 구성되고, 제2 단계 가스 공급원 및 제2 단계 가스 공급원에 유체연통식 연결되는 제2 가스 주입 노즐을 포함한다. 제1 가스 주입 조립체 및 제2 가스 주입 조립체는 서로 근접하고 동일한 방향으로 배향되어 제1 가스 주입 조립체 및 제2 가스 주입 조립체 둘 모두가 가스를 연소 구역 내로 주입한다.
본 출원에 포함된 도면은 본 명세서에 기술된 실시예의 소정 태양을 예시한다. 그러나, 이들 도면은 배타적인 실시예로 간주되지 않아야 한다. 개시된 본 발명의 요지는, 이러한 개시로 인해 당업자에게 일어날 것과 같은, 형태와 기능에 있어서 상당한 변경, 변화, 조합, 및 등가물이 가능하다.
도 1a는 본 명세서에 개시된 다단 증기 주입 시스템의 일 실시예의 단면도.
도 1b는 본 명세서에 개시된 다단 증기 주입 시스템의 다른 실시예의 단면도.
도 2a는 상이한 플레어 구성의, 도 1a에 의해 도시된 다단 증기 주입 시스템을 도시한 단면도.
도 2b는 상이한 플레어 구성의, 도 1b에 의해 도시된 다단 증기 주입 시스템을 도시한 단면도.
도 3a는 도 1a에 의해 도시된 다단 증기 주입 시스템의 추가 실시예의 단면도.
도 3b는 도 1b에 의해 도시된 증기 주입 시스템의 추가 실시예의 단면도.
도 4a는 도 1a에 의해 도시된 다단 증기 주입 시스템의 추가 실시예의 단면도.
도 4b는 도 1b에 의해 도시된 다단 증기 주입 시스템의 추가 실시예의 단면도.
도 5는 본 명세서에 개시된 다단 증기 주입 시스템의 일 실시예의 측면도.
도 6은 도 5에 의해 도시된 다단 증기 주입 시스템의 실시예의 평면도.
도 7은 본 명세서에 개시된 증기 주입 노즐의 일 실시예의 측면도.
도 8은 도 7에 의해 도시된 증기 주입 노즐의 평면도.
도 9는 본 명세서에 개시된 3단 증기 주입 시스템의 일 실시예의 단면도.
도 10은 본 명세서에 개시된 3단 증기 주입 시스템의 다른 실시예의 측면도.
도 11은 도 10에 의해 예시된 증기 주입 조립체의 평면도.
도 12는 단일 플레어 팁의 내측 관형 부재로 향하는, 도 10 및 도 11에 의해 도시된 다단 증기 주입 조립체를 예시한 단면도.
도 13은 고유량, 고압 증기 노즐에 대응하는 정규화된 증기 탄화수소 비(lb/lb) 대 정규화된 플레어 연료 유량(lb/hr)의 선도를 저유량, 고압 증기 노즐에 대응하는 정규화된 증기 탄화수소 비(lb/lb) 대 정규화된 플레어 연료 유량(lb/hr)의 선도와 비교한 그래프.
본 발명은 이러한 상세한 설명을 참조하여 더 쉽게 이해될 수 있다. 예시의 단순 및 명확을 위해, 적절한 경우, 도면 부호는 대응하거나 유사한 요소를 가리키기 위해 상이한 도면들 사이에서 반복될 수 있다. 또한, 다수의 특정 상세 사항이 본 명세서에 기술된 다양한 실시예의 완전한 이해를 제공하기 위해 기재된다. 그러나, 본 명세서에 기술된 실시예가 이들 특정 상세 사항 없이 실시될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 다른 경우에, 기술되는 관계된 관련 특징을 불명료하게 하지 않도록 방법, 절차 및 구성요소가 상세하게 기술되지 않았다. 또한, 본 설명은 본 명세서에 기술된 실시예의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다. 도면은 반드시 축척에 맞게 도시되지는 않으며, 소정 부품의 부분들이 본 발명의 상세 사항과 특징을 더 잘 보여주기 위해 과장되었다.
본 발명에 의해, 다단 증기 주입 시스템과 이러한 다단 증기 주입 시스템을 포함하는 플레어 팁이 제공된다.
증기 또는 증기 및 대체 가스를 다양한 단계(stage)에서 (즉, 다양한 유량과 압력으로) 플레어 장치로 토출하는 능력을 갖는 다단 증기 주입 시스템을 제공함으로써 상기의 문제에 대처할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 다단 증기 주입 시스템은 2개의 가스 주입 노즐을 포함하는 2단 시스템일 수 있는데, 2개의 가스 주입 노즐 중 하나는 증기를 고유량 및 고압으로 플레어 팁 내로 주입하기 위한 것(예를 들어, 전통적인 표준 증기 주입 시스템에서와 같은 것)이고, 다른 하나는 증기 및/또는 대체 가스를 동일한 위치에서 저유량 및 고압으로 플레어 팁 내로 주입하기 위한 것이다. 다른 예로서, 다단 증기 주입 시스템은 3개의 증기 주입 노즐을 포함하는 3단 시스템일 수 있는데, 3개의 증기 주입 노즐 중 하나는 증기를 고유량 및 고압으로 플레어 팁 내로 주입하기 위한 것(예를 들어, 전통적인 표준 증기 주입 시스템에서와 같은 것)이고, 다른 하나는 증기 및/또는 대체 가스를 동일한 위치에서 더 낮은 유량 및 고압으로 플레어 팁 내로 주입하기 위한 것이며, 또 하나는 증기 및/또는 대체 가스를 동일한 위치에서 훨씬 더 낮은 유량 및 고압으로 플레어 팁 내로 주입하기 위한 것이다. 사용될 수 있는 단계의 수는 제한되지 않는다. 예를 들어, 각각이 증기 및/또는 대체 가스를 상이한 유량 및 압력으로 플레어 장치로 토출하는 능력을 갖는 4개 또는 5개의 가스 주입 노즐이 또한 사용될 수 있다. 주어진 응용에서 사용되어야 하는 단계의 수는 예를 들어 플레어 장치의 유형, 플레어 팁에 대한 다단 증기 주입 시스템의 위치 및 이러한 개시로 인해 당업자에게 알려진 다른 요인에 좌우된다.
본 발명의 다단 증기 주입 시스템은 증기-보조(steam-assisted) 플레어가 감소된 폐가스 유량으로 더 적은 증기 및/또는 다른 보조 가스로 작동할 수 있게 한다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 다단 증기 주입 시스템은 턴다운 조건에서 공기를 폐가스와 효율적으로 혼입 및 혼합하는 데 필요한 모멘텀을 제공한다. 그러한 시스템은 증기 라인 내에서 온도를 허용가능한 수준으로 유지시키는 능력을 제공한다. 시스템은 플레어 팁의 사용 수명(service life)에 영향을 미치지 않고도 턴다운 조건에서 더 적은 증기를 사용한다.
본 명세서와 첨부된 청구범위에 사용되는 바와 같이, "폐가스"(waste gas)는 폐가스, 인화성 가스, 플랜트 가스, 및 산업용 플레어에 의해 폐기될 수 있는 임의의 다른 유형의 가스를 의미한다. 대체 가스는 증기와는 다른 가스를 의미한다. 사용될 수 있는 대체 가스의 예에는 공기, 질소, 플랜트 가스, 천연 가스 및 이들의 혼합물이 포함된다. 전술된 바와 같이, 대체 가스는, 다단 증기 주입 시스템에 의해, 가스를 비교적 낮은 유량(예를 들어, 전통적인 표준 증기 주입 시스템과 관련된 비교적 높은 유량에 비해)으로 플레어 팁 내로 주입하는 가스 주입 노즐 중 하나 이상을 통해 토출될 수 있다. 대체 가스가 사용되는지 그리고 특정 대체 가스(또는 가스들)가 사용되는지 여부는 예를 들어 원하는 화염 프로파일과 특성에 좌우될 것이다. 하나 초과의 가스 주입 노즐과 관련하여 동일한 유형의 가스가 사용될 때, 대응하는 가스 공급원은 동일할 수 있다. 예를 들어, 각각의 단계가 증기만을 사용하는 2단 시스템에서, 제1 단계 가스 공급원과 제2 단계 가스 공급원은 동일한 가스 공급원, 즉 증기의 공급원일 수 있다.
이제 도면을 참조하여, 전반적으로 도면 부호 40으로 표시되는, 본 명세서에 개시된 다단 증기 주입 시스템이 기술될 것이다. 예를 들어, 도 1a, 도 2a, 도 3a, 및 도 4a는, 4가지 상이한 플레어 팁 구성과 함께 사용되는 바와 같은, 2개의 별개의 가스 주입 조립체를 포함하는 다단 증기 주입 시스템(40)의 일 실시예를 도시한다. 도 1b, 도 2b, 도 3b, 및 도 4b는, 도 1a, 도 2a 및 도 4a에 의해 도시된 동일한 4가지 상이한 플레어 팁 구성과 함께 사용되는 바와 같은, 부분적으로 단일 유닛으로 조합되는 2개의 별개의 가스 주입 조립체를 포함하는 다단 증기 주입 시스템(40)의 일 실시예를 도시한다. 도 5와 도 6은 도 1b, 도 2b, 도 3b, 및 도 4b에 의해 도시된 2단 증기 주입 조립체를 더욱 상세히 예시한다. 도 7과 도 8은 본 발명에 사용될 수 있는 2단 증기 주입 조립체의 다른 실시예를 예시한다. 도 9는, 도 1a와 도 1b에 의해 도시된 플레어 팁 구성과 함께 사용되는 바와 같은, 3개의 별개의 가스 주입 조립체를 포함하는 다단 증기 주입 시스템(40)의 일 실시예를 도시한다. 도 10과 도 11은 3개의 별개의 가스 주입 조립체가 부분적으로 단일 유닛으로 조합되는 다단 증기 주입 시스템(40)의 일 실시예를 예시한다. 도 12는, 도 1a와 도 1b에 의해 도시된 플레어 팁 구성과 함께 사용되는 바와 같은, 도 10과 도 11에 의해 예시된 3단 증기 주입 조립체를 도시한다. 도 13은 본 명세서에 개시된 다단 증기 주입 시스템을 시험함으로써 달성된 결과를 보여준다.
본 명세서와 첨부된 청구범위에 사용되는 바와 같이, "고유량 및 고압"으로의 증기의 주입은, 노즐당 기준으로, 증기가 대응하는 가스 주입 노즐로부터 0.9 ㎥/hr (2000 lb/hr) 이상의 유량(유동 용량)으로 그리고 345 ㎪ (50 psig) 이상의 압력으로 주입됨을 의미한다. 본 명세서와 첨부된 청구범위에 사용되는 바와 같이, "저유량 및 고압"으로의 증기 및/또는 대체 가스의 주입은, 노즐당 기준으로, 증기 및/또는 대체 가스가 대응하는 가스 주입 노즐로부터 증기 및/또는 다른 가스가 다음의 더 큰 단계에서 사용되는 대응하는 가스 주입 노즐로부터 주입되는 유량(유동 용량)의 절반 이하의 유량(유동 용량)으로 그리고 345 ㎪ (50 psig) 이상의 압력으로 주입됨을 의미한다. 예를 들어, 2단 시스템에서, 제2 단계에서의 "저유량 및 고압"으로의 증기 및/또는 대체 가스의 주입은, 노즐당 기준으로, 증기 및/또는 대체 가스가 대응하는 가스 주입 노즐로부터 대응하는 고유량/고압 노즐 유량(유동 용량)의 절반 이하의 유량(유동 용량)으로 그리고 345 ㎪ (50 psig) 이상의 압력으로 주입됨을 의미한다. 예를 들어, 3단 시스템에서, 제3 단계에서의 "저유량 및 고압"으로의 증기 및/또는 대체 가스의 주입은, 노즐당 기준으로, 증기 및/또는 대체 가스가 대응하는 증기 주입 노즐로부터 제2 단계에서 사용되는 노즐 유량(유동 용량)의 절반 이하의 유량(유동 용량)으로 그리고 345 ㎪ (50 psig) 이상의 압력으로 주입됨을 의미한다. 예를 들어, 다음의 더 큰 단계에서 사용되는 노즐 유량(유동 용량)의 절반 이하로의 제2 단계 및 후속 단계(사용된다면)에서의 노즐 유량(유동 용량)의 감소는 다음의 더 큰 단계에서 사용되는 각각의 노즐의 토출 포트(들)의 총 토출 면적의 절반 이하의 총 토출 면적을 갖는 하나 이상의 토출 포트를 각각 포함하는 노즐을 사용함으로써 달성될 수 있다.
증기 및/또는 다른 가스가 다양한 단계에서 사용되는 가스 주입 노즐로부터 주입되는 압력은 또한 단계마다 다를 수 있다. 예를 들어, 사용되는 압력은 413, 621, 689, 827, 1034, 1241, 1448, 1655, 및 1862 ㎪을 비롯한 34 ㎪에서 2068 ㎪까지 (60, 90, 100, 120, 150, 180, 210, 240, 및 270 psig를 비롯한 5 psig에서 300 psig까지) 다룰 수 있다. 적합한 압력 범위는 34 ㎪ 내지 1379 ㎪, 34 ㎪ 내지 689 ㎪, 138 ㎪ 내지 2068 ㎪, 138 ㎪ 내지 1379 ㎪, 138 ㎪ 내지 689 ㎪, 276 ㎪ 내지 2068 ㎪, 276 ㎪ 내지 1379 ㎪, 276 ㎪ 내지 689 ㎪, 414 ㎪ 내지 2068 ㎪, 414 ㎪ 내지 1379 ㎪, 및 414 ㎪ 내지 689 ㎪ (5 psig 내지 200 psig, 5 psig 내지 100 psig, 20 psig 내지 300 psig, 20 psig 내지 200 psig, 20 psig 내지 100 psig, 40 psig 내지 300 psig, 40 psig 내지 200 psig, 40 psig 내지 100 psig, 60 psig 내지 300 psig, 60 psig 내지 200 psig, 및 60 psig 내지 100 psig)를 포함할 수 있다. 가스 주입 조립체 및 대응하는 노즐은 플레어 조립체가 설치되는 생산, 정제 또는 처리 플랜트에서 가용 증기를 사용할 수 있다.
다단 증기 주입 시스템(40)은 플레어 조립체(완전히 도시되지 않음)와 관련하여 사용된다. 플레어 조립체는 폐가스 스트림을 플레어 팁(10)으로 안내하기 위한 플레어 라이저(riser)(도시되지 않음)를 포함한다. 플레어 팁(10)은 플레어 라이저에 부착되고, 폐가스 스트림을 플레어 팁에 인접한 대기 내의 연소 구역(70) 내로 토출하도록 구성된다.
예를 들어, 도 1a, 도 1b, 도 9 및 도 12에 도시된 구성에서, 플레어 팁(10)은 외측 관형 부재(12), 내측 관형 부재(14), 및 사전-혼합 구역(pre-mix zone)(16)을 포함한다. 외측 관형 부재(12)는 입구(18), 출구(20), 및 가스 통로(22)를 포함한다. 내측 관형 부재(14)는 입구(24), 출구(26), 및 가스 통로(28)를 포함한다. 내측 관형 부재(14)는 외측 관형 부재(12) 내에 동축으로 배치된다. 예를 들어, 폐가스가 외측 관형 부재(12)의 입구(18)를 통해 가스 통로(22) 내로, 사전-혼합 구역(16) 내로 그리고 외측 관형 부재의 출구(20)를 통해 연소 구역(70) 내로 안내된다. 사전-혼합 구역(16)은 내측 관형 부재(14)의 출구(26)와 외측 관형 부재(12)의 출구(20) 사이에 위치된다. 사전-혼합 구역(16)에서, 내측 관형 부재(14)의 출구(26)를 통해 토출된 증기 및/또는 대체 가스가 폐가스와 혼합되고, 그것과 함께 외측 관형 부재(12)의 출구(20)를 통해 연소 구역(70) 내로 토출된다. 사전-혼합 구역(16)으로부터 연소 구역(70) 내로의 폐가스 혼합물의 토출은 폐가스 내로 추가의 공기를 혼입시킨다. 이러한 개시로 인해 당업자가 이해하게 되는 바와 같이, 파일럿(pilot) 조립체(도시되지 않음)가 또한 연소 구역(70) 내의 폐가스/공기 혼합물을 점화시키기 위해 플레어 팁(10)과 관련될 수 있다.
예를 들어, 도 2a와 도 2b에 의해 도시된 구성에서, 플레어 팁(10)은 외측 관형 부재(12), 2개의 내측 관형 부재(14), 및 사전-혼합 구역(16)을 포함한다. 외측 관형 부재(12)는 입구(도시되지 않음), 출구(20), 및 가스 통로(22)를 포함한다. 내측 관형 부재(14)는 각각 입구(24), 출구(26), 및 가스 통로(28)를 포함한다. 내측 관형 부재(14)는 외측 관형 부재(12) 내에 배치된다. 예를 들어, 2개의 내측 관형 부재(14)가 도 2a와 도 2b에 의해 도시되지만, 2개 초과의(예를 들어, 4개 또는 6개의) 내측 관형 부재(14)가 외측 관형 부재(12) 내에 위치될 수 있다. 예를 들어, 폐가스가 외측 관형 부재(12)의 입구(도시되지 않음)를 통해 가스 통로(22) 내로, 사전-혼합 구역(16) 내로, 그리고 외측 관형 부재의 출구(20)를 통해 연소 구역(70) 내로 안내된다. 사전-혼합 구역(16)은 내측 관형 부재(14)의 출구(26)와 외측 관형 부재(12)의 출구(20) 사이에 위치된다. 사전-혼합 구역(16)에서, 내측 관형 부재(14)의 출구(26)를 통해 토출된 증기 및/또는 대체 가스가 폐가스와 혼합되고, 그것과 함께 외측 관형 부재(12)의 출구(20)를 통해 연소 구역(70) 내로 토출된다. 사전-혼합 구역(16)으로부터 연소 구역(70) 내로의 폐가스 혼합물의 토출은 폐가스 내로 추가의 공기를 혼입시킨다. 이러한 개시로 인해 당업자가 이해하게 되는 바와 같이, 파일럿 조립체(도시되지 않음)가 또한 연소 구역(70) 내의 폐가스/공기 혼합물을 점화시키기 위해 플레어 팁(10)과 관련될 수 있다.
예를 들어, 도 3a와 도 3b에 의해 도시된 구성에서, 플레어 팁(10)은 외측 관형 부재(12)와 2개의 내측 관형 부재(14)를 포함한다. 외측 관형 부재(12)는 입구(도시되지 않음), 출구(20), 및 가스 통로(22)를 포함한다. 내측 관형 부재(14)는 각각 입구(도시되지 않음), 출구(26), 및 가스 통로(28)를 포함한다. 내측 관형 부재(14)는 외측 관형 부재(12) 내에 배치된다. 예를 들어, 2개의 내측 관형 부재(14)가 도 3a와 도 3b에 의해 도시되지만, 2개 초과의(예를 들어, 4개 또는 6개의) 내측 관형 부재(14)가 외측 관형 부재(12) 내에 위치될 수 있다. 예를 들어, 폐가스가 외측 관형 부재(12)의 입구를 통해 가스 통로(22) 내로, 그리고 외측 관형 부재의 출구(20)를 통해 연소 구역(70) 내로 안내된다. 증기가 내측 관형 부재(14)를 통해, 그 출구(26)를 통해 그리고 연소 구역(70) 내로 안내된다. 연소 구역(70) 내로의 폐가스 및 증기 혼합물의 토출은 폐가스 내로 추가의 공기를 혼입시킨다. 이러한 개시로 인해 당업자가 이해하게 되는 바와 같이, 파일럿 조립체(도시되지 않음)가 또한 연소 구역(70) 내의 폐가스/공기 혼합물을 점화시키기 위해 플레어 팁(10)과 관련될 수 있다.
예를 들어, 도 4a와 도 4b에 의해 도시된 구성에서, 플레어 팁(10)은 2개의 외측 관형 부재(12), 2개의 내측 관형 부재(14), 및 2개의 사전-혼합 구역(16)을 포함한다. 외측 관형 부재(12)는 각각 입구(18), 출구(20), 및 가스 통로(22)를 포함한다. 내측 관형 부재(14)는 각각 입구(24), 출구(26), 및 가스 통로(28)를 포함한다. 내측 관형 부재(14)는 외측 관형 부재(12) 내에 배치된다. 입구(32), 출구(34) 및 가스 통로(36)를 갖춘 폐가스 매니폴드(30)가 외측 관형 부재(12)를 둘러싼다. 예를 들어, 폐가스가 입구(32)를 통해 폐가스 매니폴드(30)의 가스 통로(36) 내로, 폐가스 매니폴드의 출구(34)를 통해 외측 관형 부재(12)의 입구(18) 내로, 가스 통로(22) 내로, 사전-혼합 구역(16) 내로, 그리고 외측 관형 부재의 출구(20)를 통해 연소 구역(들)(70) 내로 안내된다 (이러한 플레어 팁 구성에서, 2개의 별개의 연소 구역이 생성될 수 있다). 사전-혼합 구역(16)은 내측 관형 부재(14)의 출구(26)와 외측 관형 부재(12)의 출구(20) 사이에 위치된다. 사전-혼합 구역(16)에서, 내측 관형 부재(14)의 출구(26)를 통해 토출된 증기 및/또는 대체 가스가 폐가스와 혼합되고, 그것과 함께 외측 관형 부재(12)의 출구(20)를 통해 연소 구역(들)(70) 내로 토출된다. 사전-혼합 구역(16)으로부터 연소 구역(들)(70) 내로의 폐가스 혼합물의 토출은 폐가스 내로 추가의 공기를 혼입시킨다. 이러한 개시로 인해 당업자가 이해하게 되는 바와 같이, 하나 이상의 파일럿 조립체(도시되지 않음)가 또한 연소 구역(들)(70) 내의 폐가스/공기 혼합물을 점화시키기 위해 플레어 팁(10)과 관련될 수 있다.
이제 구체적으로 도 1a, 도 2a, 도 3a, 및 도 4a를 참조하여, 본 명세서에 개시된 다단 증기 주입 시스템(40)의 일 실시예를 더욱 상세히 기술할 것이다. 도 2a, 도 3a 및 도 4a에서, 2개의 다단 증기 주입 시스템(40)(이러한 실시예 각각)이 사용된다. 이러한 실시예에서, 다단 증기 주입 시스템(40)은 제1 가스 주입 조립체(50) 및 제2 가스 주입 조립체(60)를 포함하고, 이러한 제1 가스 주입 조립체(50) 및 제2 가스 주입 조립체(60)는 서로 근접하고 동일한 방향으로 배향되어 둘 모두의 가스 주입 조립체가 증기 (및/또는 조립체(60)의 경우에 대체 가스)를 플레어 팁(10)(도 1a, 도 2a 및 도 4a에 의해 도시된 바와 같이) 또는 연소 구역(70)(도 3a에 의해 도시된 바와 같이) 내로 주입한다. 본 명세서와 첨부된 청구범위에 사용되는 바와 같이, 제1 가스 주입 조립체(50)와 제2 가스 주입 조립체(60)가 서로 근접하고 동일한 방향으로 배향되어 둘 모두의 가스 주입 조립체가 증기 (및/또는 조립체(60)의 경우에 대체 가스)를 플레어 팁(10) 또는 연소 구역(70) 내로 주입한다는 표현은 각각의 가스 주입 조립체의 적어도 일부(예를 들어, 가스 주입 노즐)가 서로 근접하고 동일한 방향으로 배향되어 둘 모두의 가스 주입 조립체가 증기 (및/또는 조립체(60)의 경우에 대체 가스)를 플레어 팁(10) 또는 연소 구역(70) 내로 주입하는 것을 의미한다. 예를 들어, 이들 조립체의 가스 공급원은 반드시 동일한 방향으로 배향되지는 않는다.
제1 가스 주입 조립체(50)는 증기를 고유량으로 그리고 고압으로 플레어 팁(10)(도 1a, 도 2a 및 도 4a에 의해 도시된 바와 같이) 또는 연소 구역(70)(도 3a에 의해 도시된 바와 같이) 내로 주입하도록 구성된다. 제1 증기 주입 조립체(50)는 제1 단계 가스 공급원(52)과 제1 단계 가스 공급원에 유체연통식 연결되는 가스 주입 노즐(54)을 포함한다. 제1 단계 가스 공급원(52)은 증기의 공급원이고, 증기를 가스 주입 노즐(54)에 제공한다.
제2 가스 주입 조립체(60)는 가스(증기 및/또는 대체 가스)를 저유량으로 그리고 고압으로 플레어 팁(10)(도 1a, 도 2a 및 도 4a에 의해 도시된 바와 같이) 또는 연소 구역(70)(도 3a에 의해 도시된 바와 같이) 내로 주입하도록 구성된다. 제2 가스 주입 조립체(60)는 제2 단계 가스 공급원(62)과 제2 단계 가스 공급원에 유체연통식 연결되는 제2 가스 주입 노즐(64)을 포함한다. 제2 단계 가스 공급원(62)은 증기 및/또는 대체 가스를 제2 가스 주입 노즐(64)에 제공한다. 제2 가스 주입 노즐(64)은 고유량, 고압 가스 주입 노즐(54)의 토출 포트(들)의 대응하는 총 토출 면적의 절반 이하의 총 토출 면적을 갖는 적어도 하나의 토출 포트를 포함한다. 이는 제2 가스 주입 조립체(60)가 가스를 저유량 및 고압으로 주입할 수 있게 한다.
도 1a, 도 2a 및 도 4a에 의해 도시된 바와 같이, 제1 가스 주입 조립체(50)는 증기를 고유량으로 그리고 고압으로 플레어 팁(10)의 내측 관형 부재(들)(14) 내로 주입하도록 구성된다. 제2 가스 주입 조립체(60)는 증기 및/또는 대체 가스를 저유량으로 그리고 고압으로 플레어 팁(10)의 내측 관형 부재(들)(14) 내로 주입하도록 구성된다. 제1 가스 주입 조립체(50)에 의한 증기와 제2 가스 주입 조립체(60)에 의한 증기 및/또는 대체 가스의 내측 관형 부재(들)(14) 내로의 주입은 주위 환경으로부터 공기를 플레어 팁(10)의 사전-혼합 구역(들)(16) 내로 그리고 가스 통로(들)(22)에 의해 사전-혼합 구역(들)으로 안내된 폐가스 내로 흡인한다.
도 3a에 의해 도시된 바와 같이, 제1 가스 주입 조립체(50)는 증기를 고유량으로 그리고 고압으로 연소 구역(70) 내로 주입하도록 구성된다. 제2 가스 주입 조립체(60)는 증기 및/또는 대체 가스를 저유량으로 그리고 고압으로 연소 구역(70) 내로 주입하도록 구성된다. 제1 가스 주입 조립체(50)에 의한 증기와 제2 가스 주입 조립체(60)에 의한 증기 및/또는 대체 가스의 연소 구역(70) 내로의 주입은 폐가스와 혼합되는 공기를 주위 환경으로부터 흡인한다.
이제 도 1b, 도 2b, 도 3b, 도 4b, 도 5, 및 도 6을 참조하여, 본 명세서에 개시된 다단 증기 주입 시스템(40)의 다른 실시예를 기술할 것이다. 도 2b, 도 3b 및 도 4b에서, 2개의 다단 증기 주입 시스템(40)(이러한 실시예 각각)이 사용된다.
도 1b, 도 2b, 도 3b, 도 4b, 도 5, 및 도 6에 의해 도시된 다단 증기 주입 시스템(40)의 실시예는, 제1 가스 주입 조립체(50)와 제2 가스 주입 조립체(60)가 부분적으로 조합되어 단일 유닛을 형성하는 것을 제외하고는, 도 1a, 도 2a, 도 3a 및 도 4a에 의해 도시된 다단 증기 주입 시스템(40)의 실시예와 모든 점에서 동일하다. 단일 유닛으로의 가스 주입 조립체의 부분적인 조합은 시스템(40)에 의한 증기의 분배를 개선한다. 예를 들어, 가스 주입 노즐(들)(54)과 가스 주입 노즐(들)(64)은 단일 유닛으로 함께 조합된다. 제1 가스 주입 조립체(50)와 제2 가스 주입 조립체(60)는 여전히 서로 근접하고 동일한 방향으로 배향되어 둘 모두의 가스 주입 조립체가 증기 (및/또는 조립체(60)의 경우에 대체 가스)를 플레어 팁(10)(도 1b, 도 2b 및 도 4b에 의해 도시된 바와 같이) 또는 연소 구역(70)(도 3b에 의해 도시된 바와 같이) 내로 주입한다. 제1 가스 주입 조립체(50)는 여전히 증기를 고유량으로 그리고 고압으로 플레어 팁(10)(도 1b, 도 2b 및 도 4b에 의해 도시된 바와 같이) 또는 연소 구역(70)(도 3b에 의해 도시된 바와 같이) 내로 주입하도록 구성된다. 제2 가스 주입 조립체(60)는 여전히 가스(증기 및/또는 대체 가스)를 저유량으로 그리고 고압으로 플레어 팁(10)(도 1b, 도 2b 및 도 4b에 의해 도시된 바와 같이) 또는 연소 구역(70)(도 3b에 의해 도시된 바와 같이) 내로 주입하도록 구성된다. 제2 가스 주입 노즐(들)(64)은 여전히 고유량, 고압 가스 주입 노즐(54)의 토출 포트(들)의 대응하는 총 토출 면적의 절반 이하의 총 토출 면적을 갖는 적어도 하나의 토출 포트를 포함한다.
도 6에 의해 가장 잘 도시된 바와 같이, 제2 가스 주입 노즐(64)은 복수의 토출 포트(64a, 64b, 64c, 64d, 64e, 64f)를 포함한다. 가스 주입 노즐(64)은 원하는 대로 6개 초과의 또는 6개 미만의 토출 포트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 6개 내지 24개의 토출 포트가 사용될 수 있다. 다단 증기 주입 시스템(40)의 다른 실시예와 마찬가지로, 증기 (및 대체 가스가 사용되는 경우에 대체 가스)의 토출은 폐가스와 혼합되는 그리고 무연 연소를 촉진하는 데 도움을 주는 공기를 주위 환경으로부터 흡인한다.
이제 도 7과 도 8을 참조하여, 다단 증기 주입 시스템(40)의 다른 실시예를 기술할 것이다. 이 실시예는, 제2 가스 주입 노즐(64)의 구성을 제외하고는, 도 1b, 도 2b, 도 3b 및 도 4b에 의해 도시된 다단 증기 주입 시스템(40)의 실시예와 모든 점에서 동일하다. 이 실시예에서, 도 7과 도 8에 의해 도시된 바와 같이, 제2 가스 주입 노즐(64)의 토출 영역은 제1 가스 주입 노즐(54)의 수직 중심 축 위에 위치된다. 대안적으로, 제2 가스 주입 노즐(64)의 토출 영역은 제1 가스 주입 노즐(54)과 같은 높이에 있거나 그 아래에 위치될 수 있다. 예를 들어, 도 7과 도 8에 의해 도시된 다단 증기 주입 시스템(40)의 실시예는 도 1b, 도 2b, 도 3b, 도 4b, 도 5 및 도 6에 의해 도시된 다단 증기 주입 시스템(40)의 실시예를 대체할 수 있다.
도 9는 도 1a에 의해 도시된 플레어 조립체 및 플레어 팁(10)과 관련하여 사용되는 바와 같은 다단 증기 주입 시스템(40)의 다른 실시예를 예시한다. 이 실시예에서, 다단 증기 주입 시스템(40)은 제1 가스 주입 조립체(100), 제2 가스 주입 조립체(102), 및 제3 가스 주입 조립체(104)를 포함하는 3단 증기 주입 시스템이다. 제1 가스 주입 조립체(100), 제2 가스 주입 조립체(102), 및 제3 가스 주입 조립체(104)는 모두 서로 근접하고 동일한 방향으로 배향되어 모든 3개의 가스 주입 조립체가 증기(또는 조립체(102, 104)의 경우에서와 같이 증기 및/또는 대체 가스)를 플레어 팁(10)의 내측 관형 부재(14) 내로 주입한다.
제1 가스 주입 조립체(100)는 증기를 고유량으로 그리고 고압으로 플레어 조립체의 플레어 팁(10)의 내측 관형 부재(14) 내로 주입하도록 구성된다. 제1 가스 주입 조립체(100)는 제1 가스 주입 노즐(110)에 유체연통식 연결되는 제1 단계 가스 공급원(108)을 포함한다. 제1 단계 가스 공급원(108)은 증기를 제1 가스 주입 노즐(110)에 제공한다. 제1 가스 주입 노즐(110)은 증기를 내측 관형 부재(14) 내로 토출하고, 그렇게 하는 동안에 주위 대기로부터 공기를 사전-혼합 구역(16) 내로 흡인한다.
제2 가스 주입 조립체(102)는 증기 및/또는 대체 가스를 저유량으로 그리고 고압으로 내측 관형 부재(14) 내로 주입하도록 구성된다. 제2 가스 주입 조립체(102)는 제2 가스 주입 노즐(114)에 유체연통식 연결되는 제2 단계 가스 공급원(112)을 포함한다. 제2 단계 가스 공급원(112)은 증기 및/또는 대체 가스를 제2 가스 주입 노즐(114)에 제공한다. 제2 가스 주입 노즐(114)은 고유량, 고압 제1 가스 주입 노즐(110)의 토출 포트(들)의 대응하는 총 토출 면적의 절반 이하의 총 토출 면적을 갖는 적어도 하나의 토출 포트를 포함한다. 이는 제2 가스 주입 조립체(102)가 가스를 저유량 및 고압으로 주입할 수 있게 한다.
제3 가스 주입 조립체(104)는 증기 및/또는 대체 가스를 저유량으로 그리고 고압으로 플레어 조립체의 플레어 팁(10)의 내측 관형 부재(14) 내로 주입하도록 구성된다. 제3 가스 주입 조립체(104)는 제3 가스 주입 노즐(118)에 유체연통식 연결되는 제3 단계 가스 공급원(116)을 포함한다. 제3 증기 공급원(116)은 증기 및/또는 대체 가스를 제3 가스 주입 노즐(118)에 제공한다. 제3 가스 주입 노즐(118)은 제2 가스 주입 노즐(114)의 토출 포트(들)의 대응하는 총 토출 면적의 절반 이하의 총 토출 면적을 갖는 적어도 하나의 토출 포트를 포함한다. 이는 제3 가스 주입 조립체(104)가 가스를 훨씬 더 낮은 유량으로 그리고 고압으로 주입할 수 있게 한다. 다단 증기 주입 시스템(40)의 다른 실시예와 마찬가지로, 증기 (및 대체 가스가 사용되는 경우에 대체 가스)의 토출은 폐가스와 혼합되는 그리고 무연 연소를 촉진하는 공기를 주위 대기로부터 흡인한다.
이제 도 10과 도 11을 참조하여, 다단 증기 주입 시스템(40)의 다른 실시예를 기술할 것이다. 다단 증기 주입 시스템(40)의 이 실시예는, 제1 가스 주입 조립체(100), 제2 가스 주입 조립체(102), 및 제3 가스 주입 조립체(104)가 부분적으로 조합되어 단일 유닛을 형성하는 것을 제외하고는, 도 9에 의해 도시된 다단 증기 주입 시스템(40)의 실시예와 모든 점에서 동일하다. 단일 유닛으로의 가스 주입 조립체의 부분적인 조합은 시스템(40)에 의한 증기의 분배를 개선한다. 예를 들어, 가스 주입 노즐(110, 114, 118)은 단일 유닛으로 함께 조합된다. 가스 주입 조립체(100, 102, 104)는 여전히 서로 근접하고 동일한 방향으로 배향되어 모든 3개의 가스 주입 조립체가 증기 (및/또는 조립체(102, 104)의 경우에 대체 가스)를 플레어 팁(10) 또는 연소 구역(70) 내로 주입한다. 제1 가스 주입 조립체(100)는 여전히 증기를 고유량으로 그리고 고압으로 플레어 팁(10) 또는 연소 구역(70) 내로 주입하도록 구성된다. 제2 및 제3 가스 주입 조립체(102, 104)는 여전히 가스(증기 및/또는 대체 가스)를 더 낮은 유량으로 그리고 고압으로 플레어 팁(10) 또는 연소 구역(70) 내로 주입하도록 구성된다. 제2 가스 주입 노즐(114)은 고유량, 고압 가스 주입 노즐(110)의 토출 포트(들)의 대응하는 총 토출 면적의 절반 이하의 총 토출 면적을 갖는 적어도 하나의 토출 포트를 여전히 포함한다. 제3 가스 주입 노즐(118)은 여전히 가스 주입 노즐(114)의 토출 포트(들)의 대응하는 총 토출 면적의 절반 이하의 총 토출 면적을 갖는 적어도 하나의 토출 포트를 포함한다. 예를 들어, 다단 증기 주입 시스템(40)의 이 실시예는 도 9에 의해 도시된 다단 증기 주입 시스템(40)을 대체할 수 있다.
도 11에 의해 가장 잘 도시된 바와 같이, 제2 가스 주입 노즐(114)은 복수의 토출 포트(114a, 114b, 114c, 114d, 114e, 114f)를 포함한다. 가스 주입 노즐(114)은 원하는 대로 6개 초과의 또는 6개 미만의 토출 포트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 6개 내지 24개의 토출 포트가 사용될 수 있다. 제2 가스 주입 노즐(114)은 제1 가스 주입 노즐(110) 주위에 위치된다. 제3 가스 주입 노즐(118)은 제1 가스 주입 노즐(110)의 수직 중심 축 상에 위치된다. 도 11이 제1 가스 주입 노즐(110) 위에 위치된 제3 가스 주입 노즐(118)을 도시하지만, 제3 가스 주입 노즐은 또한 제1 가스 주입 노즐과 같은 높이에 있거나 그 아래에 위치될 수 있다. 다단 증기 주입 시스템(40)의 다른 실시예와 마찬가지로, 증기 (및 대체 가스가 사용되는 경우에 대체 가스)의 토출은 폐가스와 혼합되는 그리고 무연 연소를 촉진하는 데 도움을 주는 공기를 주위 대기로부터 흡인한다.
도 12는 도 1a와 도 1b에 의해 도시된 플레어 구성과 관련하여 도 10과 도 11에 의해 도시된 다단 증기 주입 시스템(40)의 실시예의 사용을 예시한다. 제1 가스 주입 노즐(110), 제2 가스 주입 노즐(114), 및 제3 가스 주입 노즐(118)은 각각 증기 (및/또는 주입 노즐(114, 118)의 경우에 대체 가스)를 내측 관형 부재(14) 내로 토출하여 주위 대기로부터 공기를 플레어 팁(10)의 외측 관형 부재(12) 내의 사전-혼합 구역(16) 내로 흡인한다. 흡인된 공기는, 플레어 팁(10)으로부터 빠져나가지 전에, 가스 통로(22)를 통해 안내된 폐가스 내로 혼입된다. 폐가스/공기 혼합물은 이어서 플레어 팁(10)으로부터 빠져나간다. 이는 또한 폐가스의 무연 연소를 촉진하는 이점을 갖는다.
도면에 의해 도시되지 않지만, 추가의 특징부가 또한 본 명세서에 개시된 다단 증기 주입 시스템(40) 내에 포함될 수 있다. 예를 들어, 적용가능한 실시예에서, 제2 가스 주입 조립체(60)는 제1 가스 주입 조립체(50)에 열적으로 연결될 수 있다. 이는 제2 가스 주입 조립체(60)가 열을 제1 가스 주입 조립체(50) 내로 전달할 수 있게 하고, 제1 가스 주입 조립체 내의 증기 라인의 온도를 허용가능한 수준으로 상승된 채로 유지시키는 데 도움을 준다. 예를 들어, 증기 라인의 온도는 국부 기압(local barometric pressure) 이상에서의 물의 포화 온도로 유지될 수 있다.
다른 실시예에서, 다단 증기 주입 시스템(40)은 하나의 가스 주입 조립체를 포함한다. 가스 주입 조립체는 증기 공급원 및 유체연통식 연결되는 증기 주입 노즐을 포함한다. 증기 공급원은 증기를 증기 주입 노즐에 제공한다. 증기 주입 노즐은 증기 압력이 증가됨에 따라 증기의 출구 면적을 변화시켜 고압에서의 저유량 및 고압에서의 고유량의 효과를 달성하는 능력을 갖는 가변 면적 증기 주입 노즐이다.
증기를 사용하여 공기를 폐가스 내로 혼입시키는 이점은 그것이 폐가스의 무연 연소를 달성한다는 것이다. 증기 (및/또는 대체 가스)를 저유량 및 고압으로 주입하기 위한 가스 주입 조립체를 포함하는 다단 증기 주입 시스템을 갖는 이점은 그것이 플레어 조립체로 하여금 턴다운 조건에서 더 적은 증기를 사용하여 작동할 수 있게 한다는 것이다. 그것은 더 적은 증기를 사용하면서 턴다운 조건에서 공기를 폐가스 내로 혼입시키는 데 필요한 모멘텀을 허용한다. 예를 들어, 0.15 ㎥/hr (330 lb/hr)의 증기로 작동하는 XP™ 플레어(미국 오클라호마주 털사 소재의 존 징크 햄워시 컴버스천(John Zink Hamworthy Combustion)에 의해 판매됨)의 표준 증기 노즐이 0.76 ㎪ (0.11 psig) 미만의 압력에서 작동하고, 대략 13 뉴턴 (3 파운드힘(lbf))의 모멘텀을 생성한다. 대략 34 ㎪ (5 psig)에서 작동하는 저유량 노즐이 또한 대략 13 N (3 lbf)의 모멘텀을 생성할 것이지만, 그렇게 하기 위해 0.03 ㎥/hr (70 lb/hr) 미만의 증기를 필요로 할 것이다.
본 발명에 의해 제공되는 플레어 팁은 전술된 다단 증기 주입 시스템(40)을 포함하는 플레어 팁을 포함한다. 플레어 팁은 전술된 플레어 팁(10)의 구성 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 전술된 다단 증기 주입 시스템(40)의 실시예 중 임의의 것이 플레어 팁과 관련되어 사용될 수 있다.
예
본 출원의 도 4b에 의해 도시된 다단 증기 주입 시스템을 시험하였다. 도시된 바와 같이, 플레어 팁(10)은 표준 고유량 고압(high flow high pressure; HFHP) 증기 노즐 및 저유량 고압(low flow high pressure; LFHP) 증기 노즐 둘 모두를 포함하였다. 시험을 실시함에 있어서, 증기를 HFHP 노즐 및 LFHP 노즐 둘 모두를 통해 주입하였다.
시험의 제1 단계(phase)는 LFHP 노즐로의 증기 유동을 정지시킨 상태에서 다양한 유량의 증기를 HFHP 노즐로 보내는 것으로 이루어졌다. HFHP 증기의 각각의 유량에 대해, 플레어 팁으로의 탄화수소 유량을 여전히 무연 연소를 가져오는 최대치로 조절하였다.
시험의 제2 단계는 HFHP 노즐로의 증기 유동을 정지시킨 상태에서 다양한 유량의 증기를 LFHP 노즐로 보내는 것으로 이루어졌다. LFHP 증기의 각각의 유량에 대해, 플레어로의 탄화수소 유량을 여전히 무연 연소를 가져오는 최대치로 조절하였다.
도 13은 시험의 결과를 보여준다. 요약하면, 이 시험은 턴다운 조건에서 무연 연소에 필요한 증기의 양이 LFHP 증기 노즐을 사용함으로써 감소될 수 있다는 것을 보여주었다.
따라서, 본 발명은 전술한 목적 및 이점뿐만 아니라 본 발명 고유의 목적 및 이점을 달성하도록 잘 구성된다. 전술한 구체적인 실시예는 단지 예시적인데, 이는 본 명세서의 교시 내용의 이득을 갖는 당업자에게 상이하지만 동등한 방법으로 본 발명을 변경 및 실시할 수 있기 때문이다. 아울러, 이하의 청구범위에 기재된 것 이외에는, 본 명세서에 나타낸 구성 및 설계의 상세 사항은 어떠한 제한도 의도하지 않는다. 따라서, 상기에 개시된 특정의 예시적인 예를 수정 또는 변경할 수 있는 것은 자명하며, 그러한 모든 변형이 본 발명의 정신 및 범주에 속하는 것으로 간주된다. 장치 및 방법이 다양한 구성요소 또는 단계를 "포함하는", "구성하는", "갖는" 또는 "구비하는" 것의 관점으로 기술될 수 있으며, 이들 장치 및 방법은 또한 일부 예에서 상기 다양한 구성요소 및 단계로 "본질적으로 이루어질 수 있거나" 또는 "이루어질 수 있다". 상한치와 하한치를 갖는 수치 범위가 개시될 때마다, 그 범위에 속하는 임의의 숫자 또는 임의의 내포되는 범위가 명확히 개시된다. 구체적으로는, 본 명세서에 개시되는 모든 값의 범위 ("약 a 내지 약 b", 또는 동등하게는 "대략 a에서 b", 또는 동등하게는 "대략 a-b"의 형태)는 더 넓은 값의 범위에 포함되는 모든 숫자 및 범위를 설명하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 청구범위의 용어는 명세서에 의해 명확하고 분명하게 달리 정의되지 않는 한 보통의 일반적인 의미를 갖는다.

Claims (20)

  1. 폐가스를 연소 구역 내로 토출할 수 있고 외측 관형 부재 내에 배치되는 내측 관형 부재를 포함하는 플레어 팁(flare tip)을 위한 다단 증기 주입 시스템(staged steam injection system)으로서,
    제1 가스 주입 조립체 - 상기 제1 가스 주입 조립체는 증기를 고유량 및 고압으로 플레어 팁의 내측 관형 부재 내로 주입하도록 구성되고,
    증기의 공급원인 제1 단계 가스 공급원; 및
    상기 제1 단계 가스 공급원에 유체연통식 연결되는 제1 가스 주입 노즐을 포함함 - 와;
    제2 가스 주입 조립체 - 상기 제2 가스 주입 조립체는 가스를 저유량 및 고압으로 플레어 팁의 내측 관형 부재 내로 주입하도록 구성되고,
    제2 단계 가스 공급원; 및
    상기 제2 단계 가스 공급원에 유체연통식 연결되는 제2 가스 주입 노즐을 포함함 - 를 포함하며,
    상기 제1 가스 주입 조립체 및 상기 제2 가스 주입 조립체는 서로 근접하고 동일한 방향으로 배향되어 상기 제1 가스 주입 조립체 및 상기 제2 가스 주입 조립체 둘 모두가 가스를 플레어 팁의 내측 관형 부재 내로 주입하는, 다단 증기 주입 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 가스 주입 조립체에 의해 플레어 팁의 내측 관형 부재 내로 주입될 상기 가스는 증기, 대체 가스, 및 이들의 혼합물의 군으로부터 선택되는, 다단 증기 주입 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2 가스 주입 조립체에 의해 플레어 팁의 내측 관형 부재 내로 주입될 상기 가스는 증기이고, 상기 제2 단계 가스 공급원은 증기의 공급원인, 다단 증기 주입 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 단계 가스 공급원은 동일한 가스 공급원인, 다단 증기 주입 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 가스 주입 조립체는 부분적으로 조합되어 단일 유닛을 형성하는, 다단 증기 주입 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    제3 가스 주입 조립체 - 상기 제3 가스 주입 조립체는 가스를 저유량 및 고압으로 플레어 팁의 내측 관형 부재 내로 주입하도록 구성되고,
    제3 단계 가스 공급원; 및
    상기 제3 단계 가스 공급원에 유체연통식 연결되는 제3 가스 주입 노즐을 포함함 - 를 추가로 포함하며,
    상기 제1 가스 주입 조립체, 상기 제2 가스 주입 조립체 및 상기 제3 가스 주입 조립체는 서로 근접하고 동일한 방향으로 배향되어 상기 제1 가스 주입 조립체, 제2 가스 주입 조립체 및 제3 가스 주입 조립체가 가스를 플레어 팁의 내측 관형 부재 내로 주입하는, 다단 증기 주입 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 및 제3 가스 주입 조립체에 의해 플레어 팁의 내측 관형 부재 내로 주입될 상기 가스는 증기, 대체 가스, 및 이들의 혼합물의 군으로부터 선택되는, 다단 증기 주입 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 제2 및 제3 가스 주입 조립체에 의해 플레어 팁의 내측 관형 부재 내로 주입될 상기 가스는 증기이고, 상기 제2 및 제3 단계 가스 공급원은 각각 증기의 공급원인, 다단 증기 주입 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1, 제2 및 제3 단계 가스 공급원은 동일한 가스 공급원인, 다단 증기 주입 시스템.
  10. 제6항에 있어서, 상기 제1, 제2 및 제3 가스 주입 조립체는 부분적으로 조합되어 단일 유닛을 형성하는, 다단 증기 주입 시스템.
  11. 폐가스를 연소 구역 내로 토출할 수 있는 플레어 팁을 위한 다단 증기 주입 시스템으로서,
    제1 가스 주입 조립체 - 상기 제1 가스 주입 조립체는 증기를 고유량 및 고압으로 연소 구역 내로 주입하도록 구성되고,
    증기의 공급원인 제1 단계 가스 공급원; 및
    상기 제1 단계 가스 공급원에 유체연통식 연결되는 제1 가스 주입 노즐을 포함함 - 와;
    제2 가스 주입 조립체 - 상기 제2 가스 주입 조립체는 가스를 저유량 및 고압으로 연소 구역 내로 주입하도록 구성되고,
    제2 단계 가스 공급원; 및
    상기 제2 단계 가스 공급원에 유체연통식 연결되는 제2 가스 주입 노즐을 포함함 - 를 포함하며,
    상기 제1 가스 주입 조립체와 상기 제2 가스 주입 조립체는 서로 근접하고 동일한 방향으로 배향되어 상기 제1 가스 주입 조립체 및 상기 제2 가스 주입 조립체 둘 모두가 가스를 연소 구역 내로 주입하는, 다단 증기 주입 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제2 가스 주입 조립체에 의해 연소 구역 내로 주입될 상기 가스는 증기, 대체 가스, 및 이들의 혼합물의 군으로부터 선택되는, 다단 증기 주입 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제2 가스 주입 조립체에 의해 연소 구역 내로 주입될 상기 가스는 증기이고, 상기 제2 단계 가스 공급원은 증기의 공급원인, 다단 증기 주입 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 및 제2 단계 가스 공급원은 동일한 가스 공급원인, 다단 증기 주입 시스템.
  15. 제11항에 있어서, 상기 제1 및 제2 가스 주입 조립체는 부분적으로 조합되어 단일 유닛을 형성하는, 다단 증기 주입 시스템.
  16. 제11항에 있어서,
    제3 가스 주입 조립체 - 상기 제3 가스 주입 조립체는 가스를 저유량 및 고압으로 연소 구역 내로 주입하도록 구성되고,
    제3 단계 가스 공급원; 및
    상기 제3 단계 가스 공급원에 유체연통식 연결되는 제3 가스 주입 노즐을 포함함 - 를 추가로 포함하며,
    상기 제1 가스 주입 조립체, 상기 제2 가스 주입 조립체 및 상기 제3 가스 주입 조립체는 서로 근접하고 동일한 방향으로 배향되어 상기 제1 가스 주입 조립체, 제2 가스 주입 조립체 및 제3 가스 주입 조립체가 가스를 연소 구역 내로 주입하는, 다단 증기 주입 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 제2 및 제3 가스 주입 조립체에 의해 연소 구역 내로 주입될 상기 가스는 증기이고, 상기 제2 및 제3 단계 가스 공급원은 각각 증기의 공급원인, 다단 증기 주입 시스템.
  18. 제16항에 있어서, 상기 제1, 제2 및 제3 가스 주입 조립체는 부분적으로 조합되어 단일 유닛을 형성하는, 다단 증기 주입 시스템.
  19. 폐가스를 연소 구역 내로 토출할 수 있고 외측 관형 부재 내에 배치되는 내측 관형 부재와 다단 증기 주입 시스템을 포함하는 플레어 팁으로서, 상기 다단 증기 주입 시스템은
    제1 가스 주입 조립체 - 상기 제1 가스 주입 조립체는 증기를 고유량 및 고압으로 플레어 팁의 내측 관형 부재 내로 주입하도록 구성되고,
    증기의 공급원인 제1 단계 가스 공급원; 및
    상기 제1 단계 가스 공급원에 유체연통식 연결되는 제1 가스 주입 노즐을 포함함 - 와;
    제2 가스 주입 조립체 - 상기 제2 가스 주입 조립체는 가스를 저유량 및 고압으로 플레어 팁의 내측 관형 부재 내로 주입하도록 구성되고,
    제2 단계 가스 공급원; 및
    상기 제2 단계 가스 공급원에 유체연통식 연결되는 제2 가스 주입 노즐을 포함함 - 를 포함하며,
    상기 제1 가스 주입 조립체 및 상기 제2 가스 주입 조립체는 서로 근접하고 동일한 방향으로 배향되어 상기 제1 가스 주입 조립체 및 상기 제2 가스 주입 조립체 둘 모두가 가스를 플레어 팁의 내측 관형 부재 내로 주입하는, 플레어 팁.
  20. 폐가스를 연소 구역 내로 토출할 수 있고 다단 증기 주입 시스템을 포함하는 플레어 팁으로서, 상기 다단 증기 주입 시스템은
    제1 가스 주입 조립체 - 상기 제1 가스 주입 조립체는 증기를 고유량 및 고압으로 연소 구역 내로 주입하도록 구성되고,
    증기의 공급원인 제1 단계 가스 공급원; 및
    상기 제1 단계 가스 공급원에 유체연통식 연결되는 제1 가스 주입 노즐을 포함함 - 와;
    제2 가스 주입 조립체 - 상기 제2 가스 주입 조립체는 가스를 저유량 및 고압으로 연소 구역 내로 주입하도록 구성되고,
    제2 단계 가스 공급원; 및
    상기 제2 단계 가스 공급원에 유체연통식 연결되는 제2 가스 주입 노즐을 포함함 - 를 포함하며,
    상기 제1 가스 주입 조립체와 상기 제2 가스 주입 조립체는 서로 근접하고 동일한 방향으로 배향되어 상기 제1 가스 주입 조립체 및 상기 제2 가스 주입 조립체 둘 모두가 가스를 연소 구역 내로 주입하는, 플레어 팁.
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