KR20210083315A - 흡열 공정용 노 및 개선된 버너 장치를 갖는 노의 작동 공정 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 흡열 공정을 수행하는 노로서, 가스 공급물을 변환시키는 촉매를 포함하는 복수의 공정 튜브를 포함하고, 공정 튜브는 노 내에서 열을 지어 배치되어, 공정 튜브 각각의 열은 공정 튜브 열을 형성하고, 복수의 내부 버너가 열을 지어 배치되고, 내부 버너 각각의 열은 공정 튜브 열 사이에서 평행하게 배치되어, 내부 버너 열을 형성하고, 복수의 외부 버너가 열을 지어 배치되고, 외부 버너 각각의 열은 공정 튜브 열 및 노 벽 사이에서 평행하게 배치되어, 외부 버너 열을 형성하는, 노에 관한 것이다. 본 발명은 외부 버너 열의 버너의 개수가 내부 버너 열의 버너의 개수보다 적은 것을 특징으로 한다. 본 발명은 또한 흡열 공정을 수행하는 노를 작동시키는 방법 및 증기 메탄 개질 또는 탄화수소 증기 분해에서의 본 발명에 따른 노의 용도에 관한 것이다.
Description
본 발명은 흡열 공정을 수행하기 위한 노에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 외부 가열 반응기 내에서의 탄화수소 공급 재료 분해(feedstock cracking)와 같은 증기 메탄 개질(SMR) 및 다른 흡열 반응용 노에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 흡열 공정을 수행하기 위한 노를 작동시키는 공정에 관한 것이다.
SMR 공정은 주로 수증기의 존재 하에서 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)의 혼합물을 산출하는 메탄과 같은 경량 탄화수소 가스의 개질 반응을 기반으로 한다. 반응은 매우 흡열적이고 느리며 발생하기 위해 촉매뿐만 아니라 추가적인 열 입력을 필요로 한다. SMR 반응기 성능은 보통 열 전달에 의해 제한되지만 화학 반응의 동적 특성에 의해서는 제한되지 않는다.
산업적 실시에 있어서, SMR 반응기는 노 내에 위치되는 복수의 촉매 충전 공정 튜브를 포함한다. 공정 튜브의 충전에 사용되는 촉매 매체는 펠릿과, 구조화된 촉매를 포함한다. 공정 튜브는 메탄 및 수증기를 포함하는 공정 가스 혼합물을 공급받는다. 공정 튜브는 공정 튜브에 인접하게 위치되는 복수의 버너에 의해 가열된다.
하방 발화(down-fired)("상측 발화(top fired)"라고도 함), 상방 발화(up-fired)("하측 발화(bottom fired)"라고도 함), 측면 발화(side fired) 및 테라스 벽 배치 버너를 포함하는 여러 가지의 버너 장치이 당업계에 알려져 있다.
하방 발화 기술은 가장 통상적이며 여러 기술 제공자에 의해 제안된다. 하방 발화 노는 통상적으로 수 개의 열의 촉매 충전 공정 튜브를 포함하는 내화물로 라이닝된 발화 박스(노)로 형성된다. 흡열 반응 발생에 필요한 열은 발화 박스 루프(roof)에 장착된 버너에 의해 제공된다. 이러한 버너는 공정 튜브 사이에서 열을 지어 배치되며, 또한, 노의 벽을 따라 노 측면에서 열을 지어 배치된다. 버너의 연소 생성물은 보통 수직 하방으로 비산하므로, 공정 튜브는 그 상부에서 화염에 직면한다. 연도 가스 배출 수집기는 노 바닥의 수준에서 제공된다.
상방 발화 기술은 덜 일반적이다. 여기에서, 버너는 발화 박스의 바닥에 열을 지어 배치되어, 수직 상방으로 발화한다. 다시 말하면, 버너는 공정 튜브 사이에서 열을 지어 배치되며, 또한, 노의 벽을 따라 노 측면에서 열을 지어 배치된다.
노 설계의 목적은 버너로부터 공정 튜브로의 열 전달을 최적화하는 것이다. 버너 화염, 노의 벽 및 고온 연도 가스로부터 열이 전달된다. 이와 관련하여, 최대 튜브 작동 온도(MOT)가 고려되어야 한다. MOT는 여러 가지의 인자, 특히, 튜브 기계 부하(즉, 공급 가스 압력), 공정 튜브 제조에 사용되는 합금의 기계적 특성, 크리프(creep) 및 열적 노화에 노출되는 공정 튜브의 요구 수명의 함수이다.
노 내에서 열 분포의 균질성이 부족하면, 튜브 중 일부가 다른 튜브에 비해 고온이 될 것이며, 노의 성능이 가장 고온인 튜브의 온도에 의해 제한된다. 가장 고온인 튜브는 MOT를 초과하지 않아야 한다. 그러나, 공정의 성능(그 중에서도 생산성, 변환 효율)은 평균 공정 튜브 열 유속 및 온도에 따라 결정된다. 가장 고온의 공정 튜브 온도 및 평균 공정 튜브 온도 간의 차이가 작을수록 노의 공정 성능이 양호하다. 따라서, 가능한 양호하게 노 내에서의 열 분포의 균질성에 도달하는 것을 목적으로 한다.
후술하는 설명은 하방 발화 노에 관한 것이지만 상방 발화 노에도 적용된다. 통상적인 하방 발화 노에서, 공정 튜브 열 사이에서 열을 지어 배치되는 버너는 양측에 공정 튜브를 갖는다. 공정 튜브 열 및 노 벽 사이에 배치되는 버너는 버너의 일측에서만 공정 튜브를 갖는다. 그러므로, 공정 튜브 및 노의 내화벽 사이의 버너 열보다 공정 튜브 사이의 버너 열에서 두 배의 열 전달 요건이 있다. 결과적으로, 공정 튜브 열 및 노 벽 사이에 배치되는 버너("외부 버너" 또는 "외부 열 버너" 또는 "OR 버너" 또는 "ORB"라고도 함)는, 이론적으로, 2개의 공정 튜브 열 사이에 배치되는 버너("내부 버너" 또는 "내부 열 버너" 또는 "IR 버너" 또는 "IRB"라고도 함)에 비하여, 단지 50%의 발화율을 필요로 한다. 노 벽의 열 손실을 포함하여, OR 버너의 요구 발화율은 공정 튜브 열 사이에 배치되는 IR 버너의 요구 발화율과 비교하여 약 52%이다. 동일한 고려 사항이 발화율과 직접적으로 관련이 있고 아래의 식으로서 정의되는 질량 유량(Q)에 적용된다.
Q = ρSu
여기에서, ρ는 버너로 분사된 유체의 질량 밀도이고, S는 버너의 단면적이고, u는 버너 노즐을 통하여 분사된 공기/연료 혼합물의 평균 속도이다.
OR 버너의 보다 낮은 발화율(그리고, 이에 따른, 보다 낮은 질량 유량)을 고려하면, 예를 들어, IR 버너 설계와 동일하거나 적어도 유사한 OR 버너 설계를 사용하고 OR 버너에 제공된 연소 공기 및/또는 연료의 양을 스로틀링하는 것에 의해, OR 버너의 동력이 저감될 수 있다. OR 버너 및 IR 버너의 질량 유량 간의 결과적인 차이는 아래의 식을 통하여 표현된다.
QORB = αQIRB
여기에서, QORB는 외부 열 버너에 대한 질량 유량이고, QIRB는 내부 열 버너에 대한 질량 유량이고, α는 외부 열 버너 및 내부 열 버너 사이의 유량 비율로서 0 < α < 1이다.
따라서, IR 버너의 발화율과 연관된 OR 버너의 52%의 "이상적인" 발화율에 대하여, 유체의 질량 밀도와 버너의 단면적이 동일한 경우, IR 버너 유동의 속도와 연관된 OR 버너 노즐에서의 유동 속도(연소 공기 및 연료)도 단지 52%이며, 이는 아래의 식을 통해 표현된다.
uORB = αuIRB
여기에서, uORB는 외부 열 버너 노즐을 통하여 분사된 공기/연료 혼합물의 평균 속도이고, uIRB는 내부 열 버너 노즐을 통하여 분사된 공기/연료 혼합물의 평균 속도이다.
버너 화염의 평행 제트 거동은 아래의 식에 의해 정의되는 상대 운동량 유속(momentum flux)(J)에 크게 영향을 받는다:
J = ρSu2
결과적으로, IR 버너와 비교한 OR 버너의 버너 노즐에서의 낮은 속도로 인해, OR 버너의 연소 생성물 유동의 운동량 유속도 IR 버너의 연소 생성물 유동의 운동량 유속보다 상당히 낮을 것이다. 그러나, 보다 큰 운동량 유속을 갖는 제트는 보다 낮은 운동량 유속을 갖는 제트를 견인함으로써, IR 버너의 화염 제트가 OR 버너의 화염 제트를 견인할 것이다. 이는 IR 버너의 보다 큰 운동량 유속은 OR 버너의 상부에 존재하는 것보다 IR 버너의 상부 근처의 버너 토출 영역에서 보다 낮은 정압 구역을 생성하기 때문이다. 정압차는 OR 버너로부터의 연소 생성물이 발화 박스의 중심을 향하여 유동하도록 하며, 이는 IR 버너 및 OR 버너의 화염의 "화염 굽힘(flame bending)"으로서 알려진 현상이다. 이에 따라 발화 박스의 중심을 향하여 전달되는 열로 인해, 튜브의 외부 열, 즉, 노 벽에 가장 가까운 열은 내부 열의 튜브에 대하여 가열된 상태로 발견된다. 내부 열 튜브를 향하여 전달된 열을 보상하기 위해, 통상적으로, IR 버너의 발화율의 60% 및 80% 사이인, 52%보다 큰 발화율에서 OR 버너가 보통 작동된다. 그럼에도 불구하고, 화염 사이에서 이러한 상호 작용이 발생하면, 부하의 레벨과는 관계없이, 공정 튜브 열 사이에서 열 듀티를 평형화하는 것이 어렵다.
전술한 문제에 대한 제한된 해결 수단은, 보다 작은 출구 치수(SORB < SIRB)를 갖는 OR 버너를 사용함으로써, 외부 열 버너의 속도를 동시에 증가시켜(uORB > uIRB), 내부 및 외부 열 버너에 대해 균일한 운동량 유속을 생성하는 것이다(JORB = JIRB). 따라서, US 2015/0239736 A1은 IR 버너의 토출 속도보다 높아지도록 OR 버너의 토출 속도를 수정하는 것을 교시한다. OR 버너의 버너 토출 유동 제한의 영역을 저감하는 것에 의해, OR 버너의 토출 속도가 증가된다. 유동 면적이 저감하면 IR 버너에 대한 OR 버너에서의 요구 연소 공기 압력이 증가할 것이며, 이는 노의 연소 공기 공급 시스템의 수정에 의해 달성될 수 있다. OR 버너 및 IR 버너 사이에서의 연소 공기 압력 불일치의 필요성은 대안적으로 IR 버너에 대한 설계 수정에 의해 제거될 수 있다. 따라서, US 2015/0239736 A1에서 제안된 해결 수단은 노의 연소 공기 공급 시스템에 대한 수정 또는 IR 버너에 대한 설계 수정을 필요로 한다.
US 7,686,611 B2는 노 내에 직선화된 화염을 발생시키는 방법 및 장치를 개시한다. 방법 및 대응 장치는 연료로 산화제를 도입하는 산화제 도관의 부가를 포함한다.
US 5,795,148은 불안정적 화염 패턴의 문제를 해결하려고 하고 있고 노 외부의 바람이 문제의 기여 인자라는 것을 발견한다. 따라서, US 5,795,148은 노 버너에 의해 수용된 공기의 양을 제어하여 버너로의 균일한 공기 압력을 제공하는 장치를 교시한다.
EP 2 369 229에 따르면, 화염의 거동을 수정하기 위해 복수의 산화제 및 연료 도관이 버너에 부가된다.
EP 2 708 812 A1은 OR 버너 화염이 IR 버너 화염을 향하여 구부러지는 것을 방지하기 위해 OR 버너가 노 벽 근처에 위치되어야 한다는 상방 발화 개질기에 대한 해결 수단을 제안한다. ORB는 인접한 벽에 충분히 가깝게 위치되어야 하므로, Coanda 효과가 IR 버너 제트에 의한 OR 버너 제트의 비말동반(entrainment)을 극복한다.
제안된 해결 수단 모두는 버너 자체를 갖거나 버너 분배 매니폴드를 갖는 발화 시스템과 관련하여 중요한 수정을 필요로 한다. 상이한 버너 유형, 즉, 커미셔닝(commissioning) 이전에 검사될 적어도 2개의 상이한 버너의 요건, 상이한 버너를 사용할 때의 압력 강하 제어에 있어서의 어려움, 버너 흐름의 분배 시스템의 설계에 있어서의 어려움이라는 추가적인 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제를 극복하거나 적어도 완화시키는 흡열 공정 수행용 노를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은, 특히, 버너의 상당한 구조적 변경을 필요로 하지 않고, 버너 열 사이에서의 화염 굽힘 현상이 제거되거나 적어도 저감된 흡열 공정 수행용 노를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은, 특히, 버너의 상당한 구조적 변경을 필요로 하지 않고, 개선된 열 분포 균질성을 갖는 노를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은, 특히, 버너의 상당한 구조적 변경을 필요로 하지 않고, 성능이 개선된, 특히 생산성 및 변환 효율이 개선된 노를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은 연소 공기 및 연료 흐름의 통상의 시스템과 연관되어 설계가 용이하여, 버너 전체에 대하여 동일한 부하 작동 범위를 제공하는 노를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은 전술한 문제를 극복하거나 적어도 완화시키고 전술한 목적을 해결하는 흡열 공정 수행용 노를 작동하는 공정을 제공하는 것이다.
이는 독립 청구항의 요지에 의해 달성된다. 추가적인 실시형태가 종속 청구항에서 설명된다.
일반적으로, 흡열 공정을 수행하는 노는, 가스 공급물을 변환시키는 촉매를 포함하는 복수의 공정 튜브를 포함하고, 공정 튜브는 노 내에서 열을 지어 배치되어, 공정 튜브 각각의 열은 공정 튜브 열을 형성하고, 복수의 내부 버너가 열을 지어 배치되고, 내부 버너 각각의 열은 공정 튜브 열 사이에서 평행하게 배치되어, 내부 버너 열을 형성하고, 복수의 외부 버너가 열을 지어 배치되고, 외부 버너 각각의 열은 공정 튜브 열 및 노 벽 사이에서 평행하게 배치되어, 외부 버너 열을 형성하며, 외부 버너 열의 버너의 개수는 내부 버너 열의 버너의 개수보다 적은 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 노는 다수의 열의 버너를 포함하고, 적어도 하나의 내부 버너 열은 2개의 인접한 공정 튜브 열 사이에 배치되고, 적어도 2개의 외부 버너 열의 각각의 외부 버너 열은 공정 튜브 열 및 노 벽 사이에 배치된다. 본 발명에 따르면, 외부 버너 열의 버너의 개수는 내부 버너 열의 버너의 개수에 대하여 저감된다. 이러한 버너의 구성에 따르면, 내부 및 외부 버너 사이에서 화염 제트 굽힘 현상이 제거되거나 적어도 상당히 저감된다. 또한, 공정 튜브 사이에서의 열 전달 불일치가 방지된다.
본 발명에 따른 "열(row)"은 지정된 방향 및 연속적인 방식으로, 특히, 연속적인 요소의 열 내에 추가적인 요소가 삽입되지 않고 특정 개수의 정의 요소가 배치되는 것을 의미한다. 예를 들면, 본 발명에 따른 "버너의 열"은 버너 열의 2개의 연속적인 버너 사이에 추가적인 요소가 배치되지 않고 특정 개수의 버너가 연속적인 방식으로 배치되는 것을 의미한다. 이러한 추가적인 요소는, 예를 들어, 공정 튜브일 수 있다. 동일한 고려 사항이, 예를 들어, "공정 튜브의 열"에 적용된다.
외부 버너의 열이 공정 튜브 열 및 노 벽 사이에서 평행하게 배치된다. 버너 열 및/또는 공정 튜브 열에 평행한 "노 벽"은 "평행 측" 벽으로도 지칭될 수 있다. 보통, 반드시 그렇지 않지만, 본 발명에 따른 노는 2개의 대향 평행 측 벽을 포함한다. 버너 및 공정 튜브의 열에 수직으로 배치되는 노 벽은 "수직 측" 벽으로도 지칭될 수 있다. 보통, 반드시 그렇지 않지만, 본 발명에 따른 노는 2개의 대향 수직 측 벽을 포함한다.
실시형태에 따르면, 외부 버너 열의 버너의 개수는 외부 버너 열에 인접하는 내부 버너 열의 버너의 개수보다 적다. 외부 버너 열의 외부 버너와 전술한 외부 버너 열에 인접하는 내부 버너 열의 내부 버너 사이에서 화염 굽힘 현상이 주로 발생한다. 따라서, 외부 버너 열에 인접한 내부 버너 열의 버너의 개수에 대하여 외부 버너 열의 버너의 개수를 저감하는 것이 바람직하다.
실시형태에 따르면, 내부 버너 열의 버너의 개수에 대한 외부 버너 열의 버너의 개수의 비율은 0.25 내지 0.75의 범위, 바람직하게는, 0.4 내지 0.6의 범위, 보다 바람직하게는, 0.45 내지 0.55의 범위 이내이다. 보다 바람직하게는, 내부 버너 열의 버너의 개수에 대한 외부 버너 열의 버너의 개수의 비율은 0.5이다. 외부 버너 열의 버너가 공정 튜브 열 및 노 벽 사이에 배치되기 때문에, 이들 버너는 버너 열의 일측에서만 공정 튜브를 가질 것이다. 그러므로, 이상적인 경우, 공정 튜브 열 및 노 벽의 내화벽 사이에 배치되는 버너 열에서의 열 전달 요건은 2개의 공정 튜브 열 사이에 배치되는 내부 버너 열에서의 열 전달 요건의 절반이다. 이와 같은 이상적인 경우, 외부 버너 열의 버너의 개수는, 내부 버너 열의 버너의 개수, 특히, 외부 버너 열에 인접한 내부 버너 열의 버너의 개수의 절반이어야 한다. 열마다, 특히, 내부 버너 열마다, 균일하지 않은 개수의 버너를 갖는 노의 경우, 전술한 이상적인 경우가 달성될 수 있고, 내부 버너 열의 버너의 개수에 대한 외부 버너 열의 버너의 개수의 비율은 0.5를 벗어날 것이다. 또한, 내부 버너 열의 버너의 개수에 대한 외부 버너 열의 버너의 개수의 비율은 노의 상이한 구간에 속하는 버너 및/또는 공정 튜브 사이의 보다 큰 거리와 같은 노의 국부적인 특성에 따라 조정되어야 한다.
실시형태에 따르면, 노의 각각의 내부 버너 열은 동일한 개수의 버너를 포함하고/하거나 노의 각각의 외부 버너 열은 동일한 개수의 버너를 포함한다. 화염 병합 현상을 더욱 저감하고 튜브의 열을 따르는 튜브 온도의 범위를 더욱 저감하기 위해, 외부 버너 열의 버너의 감소된 개수를 고려하여, 노의 레이아웃이 버너의 구성과 관련하여 가능한 한 균일하고/하거나 대칭적이어야 한다.
실시형태에 따르면, 외부 버너는, 내부 버너의 발화율의 85 내지 115%의 범위, 바람직하게는, 내부 버너의 발화율의 90 내지 110%의 범위, 보다 바람직하게는, 내부 버너의 발화율의 95 내지 105%의 범위 내인 발화율로 작동하도록 구성된다. 본 발명의 주요 장점은, 열 당 내부 버너와 연관된 외부 버너의 개수를 저감함으로써, 내부 버너 및 외부 버너가 동일하거나 적어도 유사한 발화율로 작동될 수 있다는 것이다. 따라서, 내부 버너 및 외부 버너는 또한 동일하거나 적어도 유사한 질량 유량(QORB = QIRB 또는 QORB ≒ QIRB) 및 동일하거나 적어도 유사한 운동량 유속(J)을 가질 것이다. 동일하거나 적어도 유사한 발화율, 질량 유량 및 운동량 유속의 경우, 화염 굽힘 현상이 제거되거나 적어도 저감될 뿐만 아니라, 구조적 차이가 없거나 적어도 최소인 동일한 버너가 적용될 수 있다.
따라서, 추가적인 실시형태에 따르면, 외부 버너 및 내부 버너는 동일한 공칭 발화율로 작동하도록 구성된다. 이러한 맥락에서, "동일한 공칭 발화율"은 파라미터 "발화율"에 대한 요구 또는 목표 값이 각각의 버너에 대해서 동일한, 특히, 내부 및 외부 버너에 대하여 동일한 것을 의미한다. 실제로, 측정된 발화율은 노의 버너 각각에 대해 설정된 공칭 발화율로부터 벗어날 수 있다.
실시형태에 따르면, 내부 열 버너 및 외부 열 버너는 동일하게 구성된다. 예를 들어, 버너 노즐로부터 토출되는 연소 생성물에 대해 동일한 운동량 유속(J)을 확보하기 위해, 외부 열 버너 및 내부 열 버너 모두에 대해 동일한 버너를 사용하는 것이 바람직하다. 외부 버너 열의 버너의 개수가 내부 버너 열의 버너의 개수에 비하여 저감되므로, 보다 적은 양의 열이 공정 튜브 열 또는 외부 버너 열에 인접한 열로 제공될 것이다. 내부 버너 열의 버너의 개수에 대한 외부 버너 열의 버너의 개수의 비율이 대략 0.5이거나 0.5 또는 이를 포함하는 범위, 예를 들면, 0.45 내지 0.55의 범위인 경우, 동일한 또는 적어도 거의 동일한 양의 열이 각각의 공정 튜브 열로 제공될 것이다. 내부 및 외부 열 버너가 동일한 압력 강하를 가질 것이므로, 공기 및 연료 흐름에 대한 입구 매니폴드가 보다 용이하게 설계될 것이다. 또한, 내부 및 외부 열 버너는 공기 및/또는 연료 부하와 연관된 부하 변경에 대해 동일한 응답을 가질 것이며, 노는 요구 시 보다 낮은 부하로 작동할 수 있다. 동일하게 구성되는 버너를 노에 사용함으로써, 이러한 노의 설계를 전체적으로 단순화한다.
실시형태에 따르면, 외부 버너 열의 외부 버너는, 적어도 부분적으로, 버너 열의 방향을 따라, 내부 버너 열의 내부 버너에 대하여 오프셋 정렬된다. 이와 관련하여, "열의 방향을 따르는 내부 버너 열의 내부 버너에 대한 오프셋 정렬"은 다음을 의미한다. (평행 측) 노 벽에 대해 수직으로 배치되는 가상선이 내부 버너 열의 내부 열 버너의 중심을 횡단한다고 가정하면, 각각의 외부 열 버너가 내부 열 버너의 중심을 횡단하는 라인에 대해 오프셋 정렬되기 때문에, 동일한 라인이 외부 버너 열의 외부 열 버너의 중심을 횡단하지 않을 것이다. 외부 버너 열의 외부 버너는 외부 버너 열에 인접한 내부 버너 열의 내부 버너 및/또는 외부 버너 열에 인접하지 않은 내부 버너 열의 추가적인 내부 버너에 대하여 오프셋 정렬될 수 있다.
추가적인 바람직한 실시형태에서, 외부 버너 열의 외부 버너는, 적어도 부분적으로, 버너 열의 방향을 따라, 내부 버너 열의 내부 버너에 대하여 오프셋 정렬되어, 외부 버너가 내부 버너 열의 2개의 내부 버너 사이의 중간에 배치되고, 바람직하게는, 외부 버너 열에 인접한 내부 버너 열의 2개의 버너 사이의 중간에 배치된다. 여기에서, "중간"은 다음을 의미한다. 각각 (평행 측) 노 벽에 수직으로 배치되는 2개의 가상선이 각각 내부 버너 열의 2개의 내부 버너의 중심을 횡단한다고 가정한다. 2개의 내부 버너는 내부 버너 열 내에서 서로 인접하게 배치된다. 내부 버너 열의 2개의 내부 버너 사이의 "중간"에 배치되기 위해, 외부 버너의 중심으로부터 2개의 라인 중 각각까지의 거리가 동일하거나 적어도 본질적으로 동일하도록 외부 버너가 배치된다.
실시형태에 따르면, 내부 버너 열의 2개의 내부 버너 사이의 거리는 IB2IB이고, 외부 버너 열의 2개의 외부 버너 사이의 거리는 OB2OB이고, 열 내에서의 내부 및 외부 버너는 OB2OB에 대한 IB2IB의 비율이 0.3 내지 0.81, 바람직하게는, 0.4 내지 0.71, 보다 바람직하게는, 0.5 내지 0.61이 되도록 배치된다. 외부 버너 열의 버너의 개수를 저감하는 것에 의해, 동시에, 외부 버너 사이의 거리가 내부 열 버너 사이의 거리에 비해 증가된다. 외부 버너 열 당 외부 버너의 개수를 저감하고 동시에 거리를 증가시키는 것에 의해, 노 내의 열 분포가 균질성 면에서 개선된다. 즉, 노 전체 내에서의 보다 균질한 열 프로파일이 달성된다.
실시형태에 따르면, 내부 버너 열, 외부 버너 열 및 공정 튜브 열은 내부 버너 열, 외부 버너 열 및 공정 튜브 열에 대해 수직으로 배치되는 수직 측 벽에 의해 종단되고, 내부 버너 열, 외부 버너 열 및 공정 튜브 열은 B2W인 단부 내부 버너 또는 단부 외부 버너로부터 수직 측 벽까지의 거리, B2B인 구간에서 2개의 인접한 내부 또는 외부 버너 사이의 거리 및 B2S인 2개의 구간 사이에서의 거리의 절반을 갖는 구간으로 구획되고, 열 에서 내부 및 외부 버너는 B2B/B2W 및 B2B/B2S의 비율이 1.3 초과, 바람직하게는, 1.6 초과, 보다 바람직하게는, 1.8 초과이도록 배치된다. 이러한 구성은, 본원에 전체적으로 참조로 인용되는 유럽 특허 출원 EP 3 182 003 A1에 상세하게 설명된 바와 같이, 열 내에서의 화염 병합 현상의 발생을 더욱 방지하고 튜브 온도 프로파일의 이차 평균(quadratic mean)을 상당히 저감시킨다.
실시형태에 따르면, 버너 열 및 공정 튜브 열은 버너 열 및 공정 튜브 열에 수직으로 배치되는 수직 측 벽에 의해 종단되고, 버너 열 및 공정 튜브 열은 공정 튜브의 각각의 열 상에서, T2W인 벽 단 공정 튜브로부터 수직 측 벽까지의 거리, T2T인 구간에서 2개의 인접한 내부 공정 튜브 사이의 거리, T2S인 2개의 인접한 구간의 2개의 대칭 단부 공정 튜브 사이의 거리를 갖는 구간으로 구획되고, 열에서의 공정 튜브는 T2T/T2W 및 T2T/T2S의 비율이 0.5 초과 및 2 미만, 바람직하게는, 0.75 초과 및 1.75 미만이도록 배치된다. 이러한 구성은 본원에 전체적으로 참조로 인용되는 유럽 특허 출원 EP 3 279 561 A1에 상세하게 설명된 바와 같은 구간 단부 튜브의 열적 불일치를 더욱 방지한다.
실시형태에 따르면, 외부 버너는, 노 벽까지의 외부 버너의 중심축의 거리가 최외측 튜브 및 노 벽 사이의 거리의 25% 미만, 바람직하게는, 10% 미만, 보다 바람직하게는, 5% 미만, 가장 바람직하게는, 2% 미만이도록 배치된다. 노 벽 근처에 외부 버너를 위치시킴으로써, 본원에 전체적으로 참조로 인용되는 유럽 특허 출원 EP 2 708 812 A1에 상세하게 설명된 바와 같이, 공정 튜브의 과열 문제뿐만 아니라 화염 병합 현상이 더욱 저감될 것이다.
실시형태에 따르면, 버너는 하방 발화 구성용으로 구성되는 노 루프에 장착되거나, 버너는 상방 발화 구성용으로 구성되는 노 바닥에 장착된다. 열 당 내부 버너의 개수에 비하여 열 당 외부 버너의 개수를 저감하는 것에 의해, 하방 발화 또는 상방 발화 구성에서 화염 굽힘 현상이 가장 성공적으로 방지된다.
실시형태에 따르면, 본 발명에 따른 노는 증기 메탄 개질 노이다. 본 발명에 따른 노는, 바람직하게는, 증기 메탄 개질 공정에서 사용되지만, 이에 한정되지 않는다. 증기 메탄 개질 공정에서, 주성분으로서 메탄을 포함하는 천연 가스는 증기와 반응하여, 합성 가스, 즉, 적어도 수소 및 일산화탄소를 포함하는 가스 혼합물을 생성한다. 본 발명에 따른 노는 촉매를 사용하거나 사용하지 않고 가스 혼합물로의 열 입력에 의해 탄소 함유 공급물이 변환되는 유사한 공정에서 사용될 수 있다.
일반적으로, 가스 공급물을 변환하는 공정 튜브를 포함하는 복수의 촉매로 흡열 공정을 수행하는 노를 작동시키는 방법에서, 공정 튜브는 노 내에서 열을 지어 배치되고, 공정 튜브 각각의 열은 공정 튜브 열을 형성하고, 복수의 내부 버너가 노 내에서 열을 지어 배치되고, 내부 버너 각각의 열은 공정 튜브 열 사이에서 평행하게 배치되어, 내부 버너 열을 형성하고, 복수의 외부 버너가 노 내에서 열을 지어 배치되고, 외부 버너 각각의 열은 공정 튜브 열 및 노 벽 사이에서 평행하게 배치되어, 외부 버너 열을 형성하며, 외부 버너 열의 버너는 적어도 하나의 열의 인접한 공정 튜브를 가열하고, 내부 버너 열의 버너는 적어도 2개의 열의 인접한 공정 튜브를 가열하며, 외부 버너는 내부 버너의 발화율의 85 내지 115% 범위 내인 발화율로 작동하는 것을 특징으로 한다. 동일하거나 적어도 유사한 발화율로 작동하는 내부 및 외부 버너는 화염 병합 현상을 덜 겪을 것이고, 이에 따라, 노 내에서의 열 분포는 내부 버너 및 외부 버너가 보다 다양한 발화율로 작동하는 공정에 비하여 보다 균질하다. 내부 및 외부 버너의 동일하거나 적어도 유사한 발화율의 결과는 질량 유량(QORB, QIRB)도 동일하거나 적어도 유사하다는 것이다. 이는 결국 내부 및 외부 버너의 동일하거나 적어도 유사한 운동량 유속을 발생시킬 것이며, 화염 굽힘 현상이 방지된다. 내부 버너의 발화율의 85 내지 115%의 범위 내인 발화율로 외부 버너를 작동시키기 위해, 외부 버너 열의 버너의 개수는 내부 버너 열의 버너의 개수보다 적다.
따라서, 가스 공급물을 변환하는 복수의 촉매 포함 공정 튜브로 흡열 공정을 수행하는 노를 작동시키는 대안적인 일반적인 방법에서, 공정 튜브는 노 내에서 열을 지어 배치되어, 공정 튜브 각각의 열은 공정 튜브 열을 형성하고, 복수의 내부 버너가 노 내에서 열을 지어 배치되고, 내부 버너 각각의 열은 공정 튜브 열 사이에서 평행하게 배치되어, 내부 버너 열을 형성하고, 복수의 외부 버너가 노 내에서 열을 지어 배치되고, 외부 버너 각각의 열은 공정 튜브 열 및 노 벽 사이에서 평행하게 배치되어, 외부 버너 열을 형성하며, 외부 버너 열의 버너는 적어도 하나의 열의 인접한 공정 튜브를 가열하고, 내부 버너 열의 버너는 적어도 2열의 인접한 공정 튜브를 가열하고, 외부 버너 열의 버너의 개수는 내부 버너 열의 버너의 개수보다 적은 것을 특징으로 하는 것을 포함할 수 있다.
실시형태의 후술하는 설명은 전술한 일반 공정, 대안적인 일반 공정 또는 이들의 조합을 나타낼 수 있다.
실시형태에 따르면, 외부 버너는, 내부 버너의 발화율의 90 내지 110%의 범위, 바람직하게는, 내부 버너의 발화율의 95 내지 105%의 범위 내인 발화율로 작동한다. 보다 바람직하게는, 외부 버너 및 내부 버너는 동일한 공칭 발화율로 작동한다. 이러한 맥락에서, "동일한 공칭 발화율"은 파라미터 "발화율"에 대한 요구 또는 목표 값이 각각의 버너에 대해서 동일한, 특히, 내부 열 버너가 및 외부 열 버너에 대하여 동일한 것을 의미한다. 실제로, 측정된 발화율은 노의 버너 각각에 대해 설정된 공칭 발화율로부터 벗어날 수 있다.
실시형태에 따르면, 내부 버너는 u m/s의 버너 토출 속도로 가스를 연소하고, 외부 버너는, 0.85 내지 1.15 u m/s의 범위, 바람직하게는, 0.90 내지 1.10 u m/s의 범위, 보다 바람직하게는, 0.95 내지 1.05 u m/s의 범위 내의 버너 토출 속도로 가스를 연소한다. 파라미터 "u"는 버너 노즐을 통하여 분사된 공기/연료 혼합물의 평균 속도이다. 전술한 실시형태에 따르면, 외부 열 버너 노즐을 통하여 분사된 공기/연료 혼합물의 평균 속도(uORB)는 내부 열 버너 노즐을 통하여 분사된 공기/연료 혼합물의 평균 속도(uIRB)와 동일하거나 적어도 유사하다. 동일한 또는 유사한 평균 속도(uORB, uIRB)를 적용하는 것에 의해, 노의 중심 구간에서 낮은 정압 구역이 방지되거나, 노의 주변 구간에서의 높은 정압 구역이 방지되며, 그 반대도 마찬가지이다. 결과적으로, 화염 굽힘이 또한 방지된다. 추가적인 바람직한 실시형태에서, 내부 버너 및 외부 버너는 u m/s의 동일한 공칭 버너 토출 속도로 작동한다. 이러한 맥락에서, "공칭" 버너 토출 속도는 파라미터 "버너 토출 속도"(u)에 대한 요구 또는 목표 값이 각각의 버너에 대해서 동일한, 특히, 내부 열 버너 및 외부 열 버너에 대하여 동일한 것을 의미한다. 실제로, 측정된 버너 토출 속도는 노의 버너의 각각에 대하여 설정된 공칭 버너 토출 속도로부터 벗어날 수 있다.
실시형태에 따르면, 흡열 공정은 증기 메탄 개질 공정이다. 본 발명에 따른 흡열 공정을 수행하는 노를 작동시키는 방법은, 바람직하게는, 증기 메탄 개질 공정에서 사용되지만, 이에 한정되지 않는다. 증기 메탄 개질 공정에서, 주성분으로서 메탄을 포함하는 천연 가스는 증기와 반응하여, 합성 가스, 즉, 적어도 수소 및 일산화탄소를 포함하는 가스 혼합물을 생성한다. 본 발명에 따른 방법은 촉매를 사용하거나 사용하지 않고 가스 혼합물로의 열 입력에 의해 탄소 함유 공급물이 변환되는 유사한 공정에서 사용될 수 있다.
뿐만 아니라, 증기 메탄 개질(SMR) 공정에서의 본 발명에 따른 노의 사용 및/또는 탄화수소 증기 분해 공정에서의 본 발명에 따른 노의 사용에 의해 본 발명에 놓인 문제가 적어도 부분적으로 해결된다.
이제, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시형태에 대해 상세하게 설명한다.
도면에서:
도 1은 최신 기술에 따른 흡열 반응을 수행하는 통상적인 노(100)의 사시도를 도시한다.
도 2a는 최신 기술에 따른 노(200)의 버너 장치의 평면도를 도시한다.
도 2b는 본 발명의 실시형태에 따른 노(210)의 버너 장치의 평면도를 도시한다.
도 3a는 최신 기술에 따른 노의 버너 장치로부터 얻어진 화염 형상 프로파일을 도시한다.
도 3b는 본 발명의 실시형태에 따른 노의 버너 장치로부터 얻어진 화염 형상 프로파일을 도시한다.
도 4a는 최신 기술에 따른 버너 장치를 갖는 노의 공정 튜브의 온도 프로파일을 도시한다.
도 4b는 본 발명의 실시형태에 따른 버너 장치를 갖는 노의 공정 튜브의 온도 프로파일을 도시한다.
도면에서:
도 1은 최신 기술에 따른 흡열 반응을 수행하는 통상적인 노(100)의 사시도를 도시한다.
도 2a는 최신 기술에 따른 노(200)의 버너 장치의 평면도를 도시한다.
도 2b는 본 발명의 실시형태에 따른 노(210)의 버너 장치의 평면도를 도시한다.
도 3a는 최신 기술에 따른 노의 버너 장치로부터 얻어진 화염 형상 프로파일을 도시한다.
도 3b는 본 발명의 실시형태에 따른 노의 버너 장치로부터 얻어진 화염 형상 프로파일을 도시한다.
도 4a는 최신 기술에 따른 버너 장치를 갖는 노의 공정 튜브의 온도 프로파일을 도시한다.
도 4b는 본 발명의 실시형태에 따른 버너 장치를 갖는 노의 공정 튜브의 온도 프로파일을 도시한다.
도 1은, 예를 들면, 메탄 및 증기를 포함하는 공급물로부터 합성 가스를 얻는 데에 사용되는 상측 발화(top-fired)(하방 발화) 노(100)의 통상적인 최신 기술 구성을 도시한다. 노는 x-z 방향 평면에 의해 형성되는 대향하는 노 벽(102a)과, y-z 방향 평면에 의해 형성되는 대향하는 노 벽(102b)을 포함한다. 노 벽(102a,102b) 모두는 그 내측에 내화물 라이닝을 구비한다.
촉매 충전 공정 튜브(101)는 각각 30개의 공정 튜브가 4개의 열(101a,101b)로 구비되고, 공정 튜브(101)의 각각의 열은 공정 튜브 열을 형성한다. 2개의 공정 튜브 열(101a)은 노 벽(102a) 및 공정 튜브 열(101b) 사이에 평행하게 배치되어, 외부 공정 튜브 열을 형성한다. 2개의 공정 튜브 열(101b)은 각각 2개의 공정 튜브 열 사이에 배치되어, 내부 공정 튜브 열을 형성한다. 노 벽(102b)에 인접하게 배치되는 공정 튜브가 단부 튜브로 지칭된다. 각각의 공정 튜브 열(101a, 101b)은 2개의 단부 공정 튜브를 포함하고, 그 전체의 노가 8개의 단부 공정 튜브를 포함한다.
버너(103)는 각각 8개의 버너가 5개의 열(103a,103b)로 구비되고, 각각의 열의 버너(103)가 버너 열을 형성한다. 2개의 버너 열(103a)이 노 벽(102a) 및 공정 튜브 열(101a) 사이에 평행하게 배치되어, 외부 버너 열(103a)을 형성한다. 2개의 버너 열(103b)이 공정 튜브 열(101b 또는 101a 및 101b) 사이에서 평행하게 배치되어, 내부 버너 열을 형성한다. 노 벽(102b)에 인접하게 배치되는 버너가 단부 버너로 지칭된다. 각 버너 열(103a, 103b)은 2개의 단부 버너를 포함한다. 따라서, 도 1의 예에 따른 10개의 버너가 단부 버너로 지칭될 수 있다.
메탄 및 증기의 공급이 공정 튜브(101)를 통하여 상부로부터 바닥으로 공급되고, 그로부터, 결과적인 생성물, 예를 들면, 수소, 일산화탄소 및 잔여물을 포함하는 합성 가스가 회수된다. 버너(103)는 상부로부터 하방으로 수직으로 발화한다. 결과적인 연도 가스가 배기 터널(104)을 통하여 회수된다.
도 2a 및 도 2b는 하방 발화 노의 평면도를 도시하는데, 도 2a는 최신 기술에 따른 노(200)의 버너 장치를 나타내며, 도 2b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 노(210)의 버너 장치를 나타낸다. 버너(203) 및 공정 튜브(201)의 열은 x-방향으로 연장된다(도 1의 도시와 유사).
도 2a에 도시된 것과 같은 노는 5개의 버너 열(203a, 203b)을 포함하고, 각 버너 열은 8개의 버너(203)를 포함하고, 단일 버너가 정사각형 도트로 표시된다. 노는 4개의 공정 튜브 열(201a, 201b)을 더 포함하고, 각각의 공정 튜브 열은 30개의 공정 튜브(201)를 포함하고, 단일 공정 튜브가 원형의 도트로 표시된다. 버너(203) 및 공정 튜브(201)는 노 벽(202a, 202b)으로 둘러싸이며, 각각의 노 벽은 그 내측이 내화물 재료로 라이닝된다.
버너 열(203a)은 공정 튜브 열(201a) 및 노 벽(202a) 사이에서 평행하게 배치되어, 외부 버너 열(203a)을 형성한다. 노 벽(202a)은 또한 "평행 측" 벽으로 지칭될 수 있다. 버너 열(203b)은 2개의 공정 튜브 열(각 측마다 하나의 공정 튜브 열) 사이에서 평행하게 배치되어, 내부 버너 열(203b)을 형성한다. 외부 버너 열(203a)의 버너는 공정 튜브 열(201a) 및 노 벽(202a)의 일측을 가열한다. 내부 버너 열(203b)의 버너는 공정 튜브 열(201a 또는 201b 및 201b)의 2개의 측면을 가열할 것이다. 외부 버너 열(203a)의 버너가 공정 튜브 열의 일측만을 가열하기 때문에, 이들 버너는 내부 버너 열(203b)의 버너의 단지 78%의 발화율로 작동된다. 위에서 이미 상세하게 설명한 바와 같이, 화염 굽힘 효과로 인한 열 손실을 보상하기 위해, 78%의 발화율 값은 52%의 이론치보다 훨씬 높다. 그러나, 화염 굽힘 문제는 여전히 지속될 것이며, 증가된 발화율로 인해, 부하의 레벨과는 관계없이, 공정 튜브 열 사이에서 열 듀티를 평형화하는 것이 어렵다.
도 2a에 도시된 노는 완전히 대칭적인 대칭 노이다. 공정 튜브 열(201a, 201b)뿐만 아니라 버너 열(203a, 203b)이 2개의 구간으로 구성된다. 단지 제한된 수의 버너 및/또는 공정 튜브가 하나의 현가 장치에 고정될 수 있으므로, 공정 튜브 열 및 버너 열은 다수의 구간으로 분리되어야 한다. 도 2a의 예에 따르면, 버너 열(203a, 203b)은 2개의 구간으로 분리되며, 각 구간에 4개의 버너가 있다. 공정 튜브 열(201a, 201b)은 2개의 구간으로 분리되고, 각 구간에 15개 공정 튜브가 있다. 이에 따라, 노의 좌우측 구간은 노의 중심을 통과하는 점선으로 표시된 대칭 평면에 의해 구획된다. 구조적인 이유로 인해, 상호 구간 버너 및/또는 공정 튜브 간의 거리는 보통 내부 구간 버너 간의 거리보다 크다. 도면에 도시된 바와 같이, 노의 하나의 구간 내에서의 버너 사이의 거리는 "B2B" 거리로 지칭되고, 2개의 구간 사이에서 2개의 인접한 버너 사이의 절반 거리는 "B2S" 거리로 지칭된다. 뿐만 아니라, 버너 및 노 벽(202b) 사이의 거리는 "B2W"로 지칭된다. 노 벽(202b)은 또한 "수직 측" 벽으로 지칭될 수 있다. 동일한 고려 사항이 "T2T"(내부 구간 튜브 간의 거리), T2W(튜브로부터 벽(202b)까지의 거리) 및 "T2S"(인접한 상호 구간 튜브 사이의 절반 거리)로 지칭되는 공정 튜브(미도시) 간의 거리에 적용된다.
도 2b에 도시된 것과 같은 노는 본 발명에 따른 버너 장치를 갖는 노를 나타낸다.
도 2b에 도시된 것과 같은 노는 5개의 버너 열(213a, 213b)을 포함한다. 외부 버너 열(213a)은 단지 4개의 버너(213)를 포함하는 반면, 내부 버너 열(213b)은 각각 8개의 버너(213)를 포함한다. 다시 말하면, 단일 버너(213)는 정사각형 도트로 표시된다. 노는 4개의 공정 튜브 열(211a, 211b)을 더 포함하고, 각각의 공정 튜브 열은 30개의 공정 튜브(211)를 포함하고, 단일 공정 튜브가 원형의 도트로 표시된다. 버너(213) 및 공정 튜브(211)는 노 벽(212a, 212b)으로 둘러싸이며, 각각의 노 벽은 그 내측이 내화물 재료로 라이닝된다. 노 벽(212a)은 "평행 측" 노 벽으로도 지칭될 수 있는 반면, 노 벽(212b)은 "수직 측" 노 벽으로도 지칭될 수 있다.
버너 열(213a)은 공정 튜브 열(211a) 및 노 벽(212a) 사이에서 평행하게 배치되어, 외부 버너 열(213a)을 형성한다. 버너 열(213b)은 2개의 공정 튜브 열(각 측마다 하나의 공정 튜브 열) 사이에서 평행하게 배치되어, 내부 버너 열(213b)을 형성한다. 외부 버너 열(213b)의 버너는 공정 튜브 열(211a) 및 노 벽(212a)의 일측을 가열한다. 내부 버너 열(213b)의 버너는 공정 튜브 열(211a 및 211b 또는 211b)의 2개의 측면을 가열할 것이다.
본 발명에 따르면, 외부 버너 열(213a)의 버너(213)의 개수는 내부 버너 열(213b)의 버너(213)의 개수보다 적다. 도 2b의 장치에 따르면, 외부 버너 열(213a)의 버너(213)의 개수는 내부 버너 열(213b)의 버너(213)의 개수의 절반이다. 이는 모든 버너 열에 적용되는데, 즉, 두 외부 버너 열(213a)은 모두 내부 버너 열(213b)의 버너의 개수에 비하여 버너의 개수의 절반만을 포함한다. 따라서, 내부 버너 열의 버너의 개수에 대한 외부 버너 열(213a)의 버너의 개수의 비율은 0.5이다. 버너의 개수가 저감된 외부 버너 열(213a)이 "표준" 개수의 버너를 갖는 내부 버너 열(213b)에 더 인접한다. 도 2b의 예에 따르면, 각각의 내부 버너 열(213b)은 동일한 개수의 버너를 더 포함하며, 각각의 외부 버너 열(213a)은 동일한 개수의 버너를 포함한다. 열(213a)의 외부 버너(213)는 열(213b)의 내부 버너(213)에 대하여 오프셋되도록 배치되는데, 즉, 외부 버너는 내부 버너와 "동일한 x-좌표에서" 배치되지 않는다. 오프셋 구성은 전체 노에 걸친 열 프로파일의 균질성 및 이에 따른 공정 튜브의 열 분포의 균질성과 관련된 추가적인 이점을 제공한다.
도 2a의 비교예와 대조적으로, 도 2b의 본 발명의 예에 따른 외부 버너 열(213a)의 버너는 내부 버너 열(213b)의 버너의 발화율의 100%인 발화율로 작동하도록 구성된다. 달리 말하면, 외부 버너 열(213a) 및 내부 버너 열(213b)은 동일한 공칭 발화율로 작동하도록 구성된다. 따라서, 본 발명의 추가적인 장점에 따라, 외부 버너 및 내부 버너가 동일하게 구성됨으로써, 전체 노에 대하여 단지 하나의 유형의 버너가 요구된다. 버너 모두가 동일하게 구성되므로, 버너 모두를 동일한 버너 토출 속도로 작동하기 보다 용이하며, 이는 또한 화염 굽힘 효과를 저감하거나 심지어 제거할 것이다. 달리 말하면, 열(213b)의 내부 버너 및 열(213a)의 외부 버너가 거의 동일하거나 심지어 동일한 버너 토출 속도(u)로 가스를 연소하는 방식으로 작동될 수 있다.
도 2b에 더 도시된 바와 같이, 내부 버너 열(213b)의 2개의 인접한 버너 사이의 거리가 "IB2IB"로 지칭되고, 외부 열(213a)의 2개의 인접한 버너의 거리가 "OB2OB"로 지칭된다. 도 2b의 예에 따르면, IB2B는 OB2OB의 대략 절반이다. 이는 2개의 구간 사이에서 인접한 버너("상호 구간 버너")뿐만 아니라 하나의 구간 내에서 인접한 버너("내부 구간" 버너)에 적용된다.
본 발명의 이점은 도 3a 및 도 3b에 도시된 정량적 방식으로 계산 시뮬레이션에 의해 추가로 설명된다.
도 3a는 도 2a에 따른 비교예의 횡방향 도면을 도시하며, 즉, 동일한 버너 장치를 도시한다. 도 3a(및 도 3b)에 도시된 그래픽 요소는 계산 시뮬레이션에 의해 산출된 화염 형상을 나타낸다. x-방향으로, 화염 "스택(stack)"의 단일 화염은 버너 열의 단일 버너(203)를 나타낸다. 303a로 지칭되는 화염 스택은 도 2a에 따른 외부 버너 열(203a)을 나타낸다. 화염 스택(303b)은 도 2a에 따른 2개의 외부 버너 열(203b)을 나타낸다. 대칭이라는 이유로, 도 2a의 해치 영역으로 표시된 바와 같이, 노의 절반만이 시뮬레이션되었다. 이에 따라, (y-방향으로) 도 3a의 외부 우측 화염 스택은 도 2a의 중심 버너 열(203b)의 "절반"만을 나타낸다. 일반적으로, 도 3a의 좌측 부분은 노의 주변 영역을 나타내며, y-방향으로 좌측에서 우측으로 이동하는 것에 의해, 노의 중심 영역에 도달한다.
화염의 형상, 특히, 버너 열(202a) 중 외부 버너를 나타내는 303a에 따른 화염의 형상은 최신 기술에 따른 대칭적인 상측 발화 노에 대해 통상적인 화염 굽힘을 나타낸다. 외부 버너 열의 버너의 발화율이 단지 내부 버너 열의 버너의 발화율의 78%이므로, 외부 버너는 내부 버너보다 낮은 운동량(momentum)을 갖는다. 그러므로, 외부 버너에 의해 방출된 고온의 연소 가스는 노의 중심을 향하여 (그 중에서도 y-방향으로) 편향된다.
도 3b는 도 2b에 따른 본 발명의 실시형태의 횡방향 도면을 도시하며, 즉, 동일한 버너 장치를 나타낸다. 다시 말하면, 도 3b에 도시된 그래픽 요소는 계산 시뮬레이션에 의해 산출된 화염 형상을 나타낸다. x-방향으로, 화염 "스택(stack)"의 단일 화염은 버너 열의 단일 버너(213)를 나타낸다. 313a로 지칭되는 화염 스택은 도 2b 에 따른 외부 버너 열(213a)을 나타낸다. 화염 스택(313b)은 도 2b 에 따른 2개의 외부 버너 열(213b)을 나타낸다. 대칭이라는 이유로, 도 2b 의 해치 영역으로 표시된 바와 같이, 노의 절반만이 시뮬레이션되었다. 이에 따라, (y-방향으로) 도 3b 의 외부 우측 화염 스택은 도 2b 의 중심 버너 열(213b)의 "절반"만을 나타낸다. 일반적으로, 도 3b 의 좌측 부분은 노의 주변 영역을 나타내며, y-방향으로 좌측에서 우측으로 이동하는 것에 의해, 노의 중심 영역에 도달한다.
도 3b에 따른 화염 형상은 노의 중심을 향하는 외부 버너의 화염의 굽힘(313a의 화염 형상으로 나타남)이 방지된다는 것을 나타낸다. 외부 버너(화염 형상(313a)으로 나타냄) 및 내부 버너(화염 형상(313b)으로 나타냄)의 발화율이 동일하므로, 내부 버너 및 외부 버너로부터의 연소 가스가 실질적으로 균일하거나 동일한 운동량으로 배출된다. 따라서, 화염 굽힘이 발생하지 않거나 적어도 상당히 적게 발생한다. 본 발명의 효과로서, 화염, 특히, 외부 버너(213a)를 나타내는 313a의 화염은 본질적으로 직선이다.
본 발명에 따른 개선된 버너 장치는 또한 개질기 스케일에서 온도 분포와 관련하여 훨씬 양호한 균질성을 구현한다. 이는 최신 기술(도 2a 및 도 3a) 및 본 발명(도 2b 및 도 3b)에 따른 버너 장치로부터 얻어지는 시뮬레이션된 온도 프로파일을 나타낸다. 도 4a에 따른 공정 튜브의 온도 프로파일은 비교예를 나타내며, 도 4b에 따른 공정 튜브의 온도 프로파일은 본 발명에 따른 실시형태를 나타낸다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 외부 버너 열(둥근 도트로 나타내는 외부 튜브 = ORB) 옆의 공정 튜브 및 내부 버너 열(정사각형 도트로 나타내는 내부 튜브 = IRB) 사이의 튜브 사이에 상당한 온도차가 있다. 화염 굽힘 효과로 인해, 즉, 노의 중심을 향하는 화염 굽힘으로 인해, 내부 튜브는 상당히 높은 평균 온도를 나타낸다. 따라서, 내부 및 외부 공정 튜브 사이에 상당한 온도차가 있으며, 이는 "온도 분포"로도 지칭된다.
본 발명에 따른 버너 장치를 적용하는 것에 의해, 도 4b의 다이어그램으로 나타낸 바와 같이, 이러한 바람직하지 않은 온도 분포가 상당히 저감된다. 내부 및 외부 공정 튜브의 필수 부분은 동일하거나 적어도 실질적으로 동일한 온도를 나타낸다.
본 발명의 실시형태는 상이한 요지를 참조하여 설명된다는 점에 유의하여야 한다. 특히, 일부 실시형태는 방법 유형 청구범위를 참조하여 설명되는 반면, 다른 실시형태는 장치 유형 청구범위를 참조하여 설명된다. 그러나, 당업자는, 달리 언급되지 않는 한, 하나의 유형의 요지에 속하는 특징부의 임의의 조합 이외에도, 상이한 요지와 연관된 특징부의 임의의 조합도 본 출원과 함께 개시된 것으로 여겨진다는 것을, 전술하거나 후술하는 설명으로부터 알 수 있을 것이다. 그러나, 모든 특징은 조합되어 특징부의 간단한 개요 이상인 시너지 효과를 제공할 수 있다.
본 발명이 도면 및 전술한 설명에서 도시되고 상세하게 설명되었지만, 이러한 도시 및 설명은 예시적이거나 모범적인 것이며 제한적인 것이 아닌 것으로 여겨진다. 본 발명은 개시된 실시형태에 한정되지 않는다. 개시된 실시형태에 대한 다른 변형은, 도면, 설명 및 종속 청구범위의 검토로부터, 청구된 발명을 실시하는 데에 있어, 당업자에게 이해될 수 있으며 영향을 받을 수 있다.
청구범위에서, "포함하는(comprising)"이라는 단어는 다른 요소 또는 단계를 배제하는 것이 아니며, 부정 관사 "a" 또는 "an"은 복수를 배제하는 것이 아니다. 단일 프로세서 또는 다른 유닛이 청구범위에서 재인용된 여러 항목의 기능을 충족시킬 수 있다. 특정 측정값이 서로 상이한 종속 청구항에서 재인용된다는 단순한 사실은 이들 측정값들의 조합이 유리하게 이용될 수 없다는 것을 나타내는 것은 아니다. 청구범위 내의 임의의 참조 부호는 범위를 한정하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
100
노
101 공정 튜브
101a (외부) 공정 튜브 열
101b (내부) 공정 튜브 열
102a (평행 측) 노 벽
102b (수직 측) 노 벽
103 버너
103a (외부) 버너 열
103b (내부) 버너 열
104 배기 터널
200 노
201 공정 튜브
201a (외부) 공정 튜브 열
201a (내부) 공정 튜브 열
202a (평행 측) 노 벽
202b (수직 측) 노 벽
203 버너
203a (외부) 버너 열
210 노
211 공정 튜브
211a (외부) 공정 튜브 열
211a (내부) 공정 튜브 열
212a (평행 측) 노 벽
212b (수직 측) 노 벽
213 버너
213a (외부) 버너 열
303a 외부 버너의 화염 형상
303b 내부 버너의 화염 형상
313a 외부 버너의 화염 형상
313b 내부 버너의 화염 형상
101 공정 튜브
101a (외부) 공정 튜브 열
101b (내부) 공정 튜브 열
102a (평행 측) 노 벽
102b (수직 측) 노 벽
103 버너
103a (외부) 버너 열
103b (내부) 버너 열
104 배기 터널
200 노
201 공정 튜브
201a (외부) 공정 튜브 열
201a (내부) 공정 튜브 열
202a (평행 측) 노 벽
202b (수직 측) 노 벽
203 버너
203a (외부) 버너 열
210 노
211 공정 튜브
211a (외부) 공정 튜브 열
211a (내부) 공정 튜브 열
212a (평행 측) 노 벽
212b (수직 측) 노 벽
213 버너
213a (외부) 버너 열
303a 외부 버너의 화염 형상
303b 내부 버너의 화염 형상
313a 외부 버너의 화염 형상
313b 내부 버너의 화염 형상
Claims (23)
- 흡열 공정을 수행하는 노로서,
가스 공급물을 변환시키는 촉매를 포함하는 복수의 공정 튜브를 포함하고,
상기 공정 튜브는 상기 노 내에서 열을 지어 배치되어,
상기 공정 튜브 각각의 열은 공정 튜브 열을 형성하고, 복수의 내부 버너가 열을 지어 배치되고,
상기 내부 버너 각각의 열은 공정 튜브 열 사이에서 평행하게 배치되어, 내부 버너 열을 형성하고, 복수의 외부 버너가 열을 지어 배치되고,
상기 외부 버너 각각의 열은 공정 튜브 열 및 노 벽 사이에서 평행하게 배치되어, 외부 버너 열을 형성하며,
외부 버너 열의 버너의 개수는 내부 버너 열의 버너의 개수보다 적은 것을 특징으로 하는 노. - 제1항에 있어서,
외부 버너 열의 버너의 개수는 외부 버너 열에 인접하는 내부 버너 열의 버너의 개수보다 적은, 노. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
내부 버너 열의 버너의 개수에 대한 외부 버너 열의 버너의 개수의 비율은 0.25 내지 0.75의 범위, 바람직하게는, 0.4 내지 0.6의 범위, 보다 바람직하게는, 0.45 내지 0.55의 범위 이내인, 노. - 제3항에 있어서,
내부 버너 열의 버너의 개수에 대한 외부 버너 열의 버너의 개수의 비율은 0.5인, 노. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 노의 각각의 내부 버너 열은 동일한 개수의 버너를 포함하고/하거나 상기 노의 각각의 외부 버너 열은 동일한 개수의 버너를 포함하는, 노. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외부 버너는, 상기 내부 버너의 발화율의 85 내지 115%의 범위, 바람직하게는, 상기 내부 버너의 발화율의 90 내지 110%의 범위, 보다 바람직하게는, 상기 내부 버너의 발화율의 95 내지 105%의 범위 내인 발화율로 작동하도록 구성되는, 노. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외부 버너 및 상기 내부 버너는 동일한 공칭 발화율로 작동하도록 구성되는, 노. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 열 버너 및 상기 외부 열 버너는 동일하게 구성되는, 노. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외부 버너 열의 외부 버너는 상기 버너 열의 방향을 따라 상기 내부 버너 열의 내부 버너에 대하여 오프셋 정렬되는, 노. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
내부 버너 열의 2개의 내부 버너 사이의 거리는 IB2IB이고, 외부 버너 열의 2개의 외부 버너 사이의 거리는 OB2OB이고, 상기 열 내에서의 상기 내부 및 외부 버너는 OB2OB에 대한 IB2IB의 비율이 0.3 내지 0.81, 바람직하게는, 0.4 내지 0.71, 보다 바람직하게는, 0.5 내지 0.61이 되도록 배치되는, 노. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 버너 열, 상기 외부 버너 열 및 상기 공정 튜브 열은 상기 내부 버너 열, 상기 외부 버너 열 및 상기 공정 튜브 열에 대해 수직으로 배치되는 수직 측 벽에 의해 종단되고, 상기 내부 버너 열, 상기 외부 버너 열 및 상기 공정 튜브 열은 B2W인 단부 내부 버너 또는 단부 외부 버너로부터 상기 수직 측 벽까지의 거리, B2B인 상기 구간에서 2개의 인접한 내부 또는 외부 버너 사이의 거리 및 B2S인 2개의 구간 사이에서의 거리의 절반을 갖는 구간으로 구획되고, 상기 열에서 상기 내부 및 외부 버너는 B2B/B2W 및 B2B/B2S의 비율이 1.3 초과, 바람직하게는, 1.6 초과, 보다 바람직하게는, 1.8 초과이도록 배치되는, 노. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 버너 열 및 상기 공정 튜브 열은 상기 버너 열 및 상기 공정 튜브 열에 수직으로 배치되는 수직 측 벽에 의해 종단되고, 상기 버너 열 및 상기 공정 튜브 열은 공정 튜브의 각각의 열 상에서, T2W인 벽 단 공정 튜브로부터 상기 수직 측 벽까지의 거리, T2T인 구간에서 2개의 인접한 내부 공정 튜브 사이의 거리, T2S인 2개의 인접한 구간의 2개의 대칭 단부 공정 튜브 사이의 거리를 갖는 구간으로 구획되고, 상기 열에서의 상기 공정 튜브는 T2T/T2W 및 T2T/T2S의 비율이 0.5 초과 및 2 미만, 바람직하게는, 0.75 초과 및 1.75 미만이도록 배치되는, 노. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외부 버너는, 상기 노 벽까지의 상기 외부 버너의 중심축의 거리가 상기 최외측 튜브 및 상기 노 벽 사이의 거리의 25% 미만, 바람직하게는, 10% 미만, 보다 바람직하게는, 5% 미만, 가장 바람직하게는, 2% 미만이도록 배치되는, 노. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 버너는 하방 발화 구성용으로 구성되는 노 루프에 장착되거나, 상기 버너는 상방 발화 구성용으로 구성되는 노 바닥에 장착되는, 노. - 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 노는 증기 메탄 개질 노인, 노. - 가스 공급물을 변환하는 복수의 촉매 포함 공정 튜브로 흡열 공정을 수행하는 노를 작동시키는 방법으로서,
상기 공정 튜브는 상기 노 내에서 열을 지어 배치되어, 상기 공정 튜브 각각의 열은 공정 튜브 열을 형성하고,
복수의 내부 버너가 상기 노 내에서 열을 지어 배치되고, 상기 내부 버너 각각의 열은 공정 튜브 열 사이에서 평행하게 배치되어, 내부 버너 열을 형성하고,
복수의 외부 버너가 상기 노 내에서 열을 지어 배치되고, 상기 외부 버너 각각의 열은 공정 튜브 열 및 노 벽 사이에서 평행하게 배치되어, 외부 버너 열을 형성하며,
외부 버너 열의 버너는 적어도 하나의 열의 인접한 공정 튜브를 가열하고, 내부 버너 열의 버너는 적어도 2개의 열의 인접한 공정 튜브를 가열하며,
상기 외부 버너는 상기 내부 버너의 발화율의 85 내지 115% 범위 내인 발화율로 작동하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제16항에 있어서,
상기 외부 버너는, 상기 내부 버너의 발화율의 90 내지 110%의 범위, 바람직하게는, 상기 내부 버너의 발화율의 95 내지 105%의 범위 내인 발화율로 작동하는, 방법. - 제16항 또는 제17항에 있어서,
상기 외부 버너 및 상기 내부 버너는 동일한 공칭 발화율로 작동하는, 방법. - 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 버너는 u m/s의 버너 토출 속도로 가스를 연소하고, 상기 외부 버너는, 0.85 내지 1.15 u m/s의 범위, 바람직하게는, 0.90 내지 1.10 u m/s의 범위, 보다 바람직하게는, 0.95 내지 1.05 u m/s의 범위 내의 버너 토출 속도로 가스를 연소하는, 방법. - 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 버너 및 상기 외부 버너는 u m/s의 동일한 공칭 버너 토출 속도로 작동하는, 방법. - 제16항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 흡열 공정은 증기 메탄 개질 공정인, 방법. - 증기 메탄 개질(SMR) 공정에서의 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 노의 용도.
- 탄화수소 증기 분해 공정에서의 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 노의 용도.
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