NO318613B1 - Prosessvarmeapparat med flammelost brennkammer - Google Patents

Abstract

Det er tilveiebrakt et prosessvarmeapparat som benytter flammeløs forbrenning, hvor varmeapparatet omfatter et oksidasjonsreaksjonskammer (1) med et innløp (2) for oksidant, et utløp (3) for forbrenningsprodukter, og en strømningsbane (4) mellom innløpet og utløpet; en brennstoffiedning (5) som kan transportere en brennstoffblanding til et antall brennstoffdyser (6) inne i oksidasjonsreaksjonskammeret (1), idet hver dyse tilveiebringer kommunikasjon fra det indre av brennstoffiedningen til oksidasjonskammeret, med hver dyse langs strømningsbanen mellom innløpet og utløpet; en forvarmer (7) som står i forbindelse med oksidasj onsreaksj onskammerinnløpet, idet forvarmeren er i stand til å øke oksidantens temperatur til en temperatur som resulterer i at den kombinerte oksidant og brennstoffet fra brennstoffdysen nærmest oksidasjonskammerinnløpet er større enn selvantennelsestemperaturen til den kombinerte oksidant og brennstoffet fra brennstoffdysen nærmest oksidasjonskammerinnløpet; og et prosesskammer (8) i varmevekslingsforbindelse med oksidasjonsreaksjonskammeret (1), hvor den varme som overføres fra oksidasjonsdelen, ikke forårsaker at temperaturen av blandingen inne i oksidasjonsreaksjonskammeret i nærheten av hver brennstoffdyse synker under selvantennelsestemperaturen til den kombinerte blanding i oksidasjonskammeret i nærheten av denne brennstoffdyse.

Description

Oppfinnelsens område

Oppfinnelsen angår et prosessvarmeapparat for høytemperaturreaksjoner med forbedret kontroll av varmeoverføring.

Bakgrunn for oppfinnelsen

Høytemperaturreaksjoner, typisk endotermiske reaksjoner, så som damp-metan-reforrnering for å danne hydrogen av damp og hydrokarboner, og pyrolyse av hydrokarboner for å produsere olefiner, utføres typisk i ovnsrør med direktefyrt strålingsvarmeoverføring til rørenes ytre overflate, og strømmende reaktanter på innsiden av rørene. Direktefyrt varme er ofte gunstig på grunn av det høye tempera-turnivå av varme som kreves, høy varmefluks som kreves, og forholdsvis lave kapitalkostnader for ovnen. Det er imidlertid vanskelig å opprettholde ensartet varmeoverføring i en direktefyrt ovn. Disse ovnsrør må derfor opereres på en midlere røroverflatetemperatur som ligger noe under den maksimalt tillatelige rørover-flatetemperatur på grunn av variasjoner i røroverflatetemperaturene. Denne variasjon er sammensatt på grunn av vanskelighet ved måling av disse temperaturer. Styring av maksimaltemperaturer er viktig på grunn av at koks vanligvis vil utvikle seg raskere på rørsiden på varme steder. Tykkere koks gir øket motstand mot varmeoverføring, og forårsaker at heteflekken blir varmere. Denne virkning ruller på seg, og kan resultere i svikt av røret dersom den ikke oppdages og korrigerende handling foretas. Den korrigerende handling er typisk å redusere fyring av én eller flere brennere i nærheten av heteflekken. Reduksjon av fyring senker da varmeoverføringen rundt heteflekken, og er vanligvis ugunstig for ytelse av varmeapparatet.

Lengden av rør i direktefyrte ovner eller brennkamre er også vanligvis begrenset på grunn av fysiske begrensninger. I noen damp-metan-reformeringsovner er det anordnet flere lag av brennere for å fordele strålingsvarme jevnere til rørene, men selv med flere lag av brennere er den vertikale avstand over hvilken brennere kan være anordnet, begrenset på grunn av vanskeligheten med tilveiebringelse av brennstoff- og luftfordeling ved varierende grader av trekk i ovnen. Når en lang strømningsbane ønskes inne i en ovn, er det således vanligvis anordnet flere gjennomløp med et antall rørbend inne i brennkammeret. Disse rørbend er vanlige punkter for problemer på grunn av ujevn strømning og ujevne temperaturer, og mulig erosjon langs den innvendige radius.

Forbrenning av brennstoffer for å tilveiebringe varme genererer ifølge sakens natur nitrogenoksider (NO*) som et resultat av eksponering av nitrogen, oksygen og frie radikaler ved høye temperaturer. I visse områder er emisjon av NOx begrenset, og kostbare foranstaltninger, så som røkgassbehandlinger, f.eks. systemer for selektiv katalytisk reduksjon av NOx, er iblant nødvendige. Det er tilgjengelig brennersystemer som reduserer generering av NOx ved styring av forbrenningstemperaturer, men forbrenningstemperaturer er vanskelige å styre, og selv under ideelle forhold genereres en betydelig mengde NOx.

Et annet problem med typisk direktefyrte prosessvarmeapparater er den begrensede effektivitet av strålingsdelen av varmeapparatet. Spesielt dersom det ikke er sørget for foroppvarming av forbrenningsluften, benyttes en betydelig mengde av det forbrente brennstoff til å oppvarme forbrenningsluften til flammetemperaturer. Selv når foroppvarming av forbrenningsluften er tilveiebrakt, bringer foroppvarmingen av forbrenningsluft typisk ikke temperaturen av forbrenningsluften opp til nær flammetemperaturer. Strålingsdeleffektivitetene kunne således forbedres vesentlig med en mer effektiv foroppvarming av forbrenningsluft, og foroppvarming av brennstoffet blir typisk ikke praktisert på grunn av at vesentlig foroppvarming kan resultere i koksdannelse av brennstoffet.

Mange metoder er blitt foreslått for å mestre direktefyring av reak-sjonsovner. Tilsetninger for tilførsler til pyrolyseovner er blitt foreslått, deriblant US-patentene 5 567 305 og 5 330 970. Disse komponenter sies å redusere og forsinke begynnelsen av koksdannelse, men eliminerer ikke dannelsen av koks.

Keramiske belegg og forbehandlinger av ovnsrør er blitt foreslått som effektivt for å redusere koksdannelse, i f.eks. US'-patentene 5 600 051, 5 463 159, 5 446 229 og 5 424 095. Liksom behandlinger av tilførslene er de imidlertid bare marginalt effektive.

Indirekte oppvarming og elektrisk oppvarming er også blitt foreslått, i for eksempel US-patentene 5 559 510, 5 554 347, 5 536 488, 5 321 191 og 5 306481, som metoder for å tilveiebringe jevnere varmefluks inn i en slik reaksjon. Disse metoder unngår ulempene med direktefyrte ovner, men pådrar seg ytterligere kapital- og/eller driftskostnader, sammenliknet med direktefyrte ovnsvarmeapparater.

Generelt blir ytelsene av slike reaksjoner som reformering av hydrokarboner for å produsere hydrogen og karbonoksider, olefinproduksjon ved hjelp av pyrolyse av hydrokarboner, og styrenproduksjon, forbedret ved økende temperaturer. Det er derfor vanligvis ønskelig å operere med slike økede temperaturer. Disse temperaturer er vanligvis begrenset på grunn av metallurgiske begrensninger av materialer som er økonomiske, og ensartethet av varmeoverføringen til rørene.

US patent 4 104 018 viser et forbrenningskammer for oppvarming av et belastningsfluid, så som en brukskjele for vann, hvor en brennbar blanding passerer gjennom rør med liten diameter i hvilken frie flammer ikke kan danne seg, og det skjer en forbrenning ved lav temperatur og med lav nitrogenoksidemisjon.

Flammeløs oksidasjon som en kilde for varme i overensstemmelse med innledningen til kravene 1 og 8, er videre kjent fra US patent 5 255 742. Det kjente, flammeløse varmeapparat benyttes i en brønn for å injisere varme i en underjordisk formasjon for å utvinne olje fra denne.

Det ville være ønskelig å tilveiebringe et prosessvarmeapparat for anvendelse i en endotermisk, kjemisk prosess i hvilken de metallurgiske begrensninger kunne tilnærmes mer nøyaktig, og den kjemiske reaksjonsprosess optimeres ved å opprettholde ensartet varmeoverføring. Det ville være ønskelig å tilveiebringe et slikt varmeapparat som ikke ville kreve for store kapital- eller driftskostnader, og som arbeider med større termisk virkningsgrad. Det ville også være ønskelig å tilveiebringe et prosessvarmeapparat hvor generering av NOx er kraftig redusert. Det ville også være ønskelig å tilveiebringe et slikt prosessvarmeapparat hvor varme kan tilveiebringes til prosessen på kontrollerbar måte. Formål med oppfinnelsen omfatter derfor oppnåelse av disse resultater, og andre formål som vil bli åpenbare ved gjennomgåelse av den etterfølgende beskrivelse av oppfinnelsen.

Sammendrag av oppfinnelsen

Disse og andre formål oppnås ved hjelp av prosessvarmeapparatet ifølge krav 1 og oppvarmingsmetoden ifølge krav 8.

Prosessvarmeapparatet med fordelt forbrenning ifølge oppfinnelsen kan utnyttes for å tilveiebringe en kontrollerbar varmefluks inn i et prosesskammer, fra en varmekilde som har en ensartet temperatur, og meget lav dannelse av NOx. De ensartede temperaturer kan benyttes for å øke gjennomsnittlige temperaturer uten å overskride maksimumstemperaturer, eller for å redusere materialkostnader.

Kort beskrivelse av tegningene

Fig. 1 viser et delvis gjennomskåret snittriss av et varmeapparat ifølge oppfinnelsen, og

fig. 2-9 viser skjematiske riss av alternative varmeapparater ifølge oppfinnelsen.

Beskrivelse av en foretrukket utførelse

Prosessvarmeapparatet ifølge oppfinnelsen eliminerer brennkammeret i et konvensjonelt prosessvarmeapparat og tilveiebringer en ensartet varmefluks på et styrt temperatumivå. Brennkammeret erstattes av for eksempel konsentriske rør som kan foreligge i spiraler, eller være rette. Brennstoff og oksidant blandes i trinn og ved en temperatur som resulterer i oksidasjon av brennstoffet uten frembringelse av en flamme, og eliminerer således flammen som en strålingskilde for varme på høyt nivå, og erstatter flammen med en strømmende strøm av gass på høyt temperatumivå. I en endotermisk prosess kan dette resultere i høyere temperaturer innenfor metallurgiske begrensninger, og således i mange prosesser resultere i forbedrede omforminger, selektiviteter og/eller ytelser og redusert biproduktproduksjon. Eliminasjon av uregelmessige temperaturer reduserer også faren for svikt av rørelementer på grunn av lokale heteflekker. Strålingseffektiviteten for flammeløs forbrenning ifølge oppfinnelsen kan også være større, noe som resulterer i lavere energiforbruk.

Flammeløs forbrenning ifølge oppfinnelsen unngår også de høye temperaturnivåer i flammene, og de frie radikaler som er til stede i flammen. Dette resulterer i en vesentlig reduksjon av dannelsen av NOx-forbindelser. NOx-nivåer ifølge den foreliggende oppfinnelse er mindre enn ca. 1/100 av nivåene ved konvensjonelle, direktefyrte varmeapparater, og 1/10 av de nivåer som er oppnåelige med varmeapparater som benytter flammer som er stabilisert i trådduk.

I noen endotermiske prosesser er flere trinn av varmeapparater nødvendige for å gjenoppvarme reaktanter for å fullføre reaksjonen til et ønsket nivå. Den foreliggende oppfinnelse kan anvendes i slike prosesser for kontinuerlig å tilføye varme til reaksjonen, noe som resulterer i et eneste reaksjonstrinn, og at dette trinn befinner seg på en kontrollert temperaturprofil. Denne fordel kan benyttes til i vesentlig grad å redusere krav til oppholdstid, senke trykkfall gjennom systemet, og/eller redusere maksimumstemperaturer.

Varmeapparater ifølge oppfinnelsen som utnytter flammeløs forbrenning av brenngass ved temperaturnivåer på ca. 900 °C til ca. 1100 °C, kan fabrikkeres av høytemperaturlegeringer, så som for eksempel WASPALLOY, INCONEL 601, INCONEL 617, INCOLOY 800HT, HASTELLOY 235, UNIMET 500 og INCOLOY

DS (WASPALLOY, INCONEL, INCOLOY, HASTELLOY, UNIMET og INCOLOY

DS er varemerker). Ved høyere temperaturer kan keramiske materialer benyttes og foretrekkes. Mindre kostbare metaller kan benyttes i de ytre rørledninger dersom innvendig ildfast materiale benyttes for å begrense den temperatur for hvilken slike ytre rørledninger er avdekket. Keramiske materialer med akseptabel styrke ved temperaturer på 900 °C til ca. 1400 °C er vanligvis keramikker med høyt aluminiumoksidinnhold. Andre keramikker som kan være nyttige, omfatter kromoksid-, zirkoniumoksid- og magnesiumoksidbaserte keramikker. National Refractories and Minerals, Inc., Livermore, California, A.P. Green Industries, Inc., Mexico, Missouri og Alcoa, Alcoa Center, Penn., tilveiebringer slike materialer.

Flammeløs forbrenning oppnås vanligvis ved foroppvarming av forbrenningsluft og brenngass til over en temperatur ved hvilken temperaturen av blandingen, når de to strømmer kombineres, overskrider selvantennelsestemperaturen til blandingen, men til en temperatur som er lavere enn den temperatur som ville resultere i at oksidasjonen ved blanding er begrenset av blandingshastigheten. Videre er konstruk-sjonen av brennstoffdysene og oksidasjonskammeret slik at brennstoff- og lufthastighetene er tilstrekkelig høye til å blåse ut en eventuell stabilisert flamme. Resirkulasjons- eller lavhastighetsområder hvor en flamme kunne feste seg til brennstoffdysen, unngås. For oppvarming av strømmene til en temperatur mellom ca. 850 °C og ca. 1400 °C, og deretter blanding av brenngassen inn i forbrenningsluften i forholdsvis små inkrementer, kan resultere i flammeløs forbrenning. De inkrementer i hvilke brenngassen blandes med forbrenningsgasstrømmen, resulterer fortrinnsvis i en temperaturstigning på ca. 20 °C til 100 °C i forbrermingsgasstrømmen som følge av forbrenningen av brennstoffet.

I de fleste tilfeller vil det være å foretrekke å blande inkrementer av brennstoff etter hvert som varme fjernes av prosess-strømmen, for å oppnå en forholdsvis ensartet temperaturprofil, men dette er ikke en nødvendig del av oppfinnelsen. Man kan for eksempel ønske å ha en økende eller avtakende temperaturprofil. Fordelen med den foreliggende oppfinnelse er at temperaturprofilen, eller varmefluksen, kan styres til å være hva man ønsker. Ved en eksotermisk prosess kan oppfinnelsen benyttes til å tilveiebringe en temperaturprofil som øker raskere enn den adiabatiske profil.

Prosesskammeret kan eventuelt inneholde en dampfase-prosesstrøm, en væskefasestrøm og/eller en fastfasestrøm.

Idet det henvises til fig. 1, er et varmeapparat ifølge oppfinnelsen vist i delvis gjennomskåret riss. Et oksidasjonsreaksjonskammer 1 med et innløp 2 og et utløp 3 er vist. Mellom innløpet og utløpet er en strømningsbane 4 anordnet i varmevekslingsforbindelse med et prosesskammer 8. En brennstoffledning 5 tilveiebringer en ledning for transport av brennstoff/brensel til dyser 6 som er atskilt langs strømningsbanen 4. Dysene er innbyrdes atskilt slik at brennstoff tilføyes til oksidasjonsreaksjonskammeret med en hastighet som resulterer i at strømmen av brennstoff gjennom hver dyse ikke resulterer i en flamme etter hvert som brennstoffet blander seg med oksidasjonsstrømmen som strømmer gjennom oksidasjonskammerets strømningsbane. I stedet for å brenne med en lysende flamme vil brennstoffet reagere med oksidant på forholdsvis ensartet måte gjennom hele volumet av oksidasjonskammeret. Fire sett av brennstoffdyser er vist, men hvilket som helst antall brennstoffdyser kan være anordnet, avhengig av den nødvendige varmefluks inn i prosesskammeret. Volumet av oksidasjonskammeret mellom settene av dyser er fortrinnsvis tilstrekkelig stort til at oppholdstiden for blanding er tilstrekkelig, slik at en vesentlig del av brennstoffet som strømmer gjennom settet av dyser, oksideres før mer brennstoff tilføyes.

Et prosesskammer 8 står i varmevekslingsforbindelse med oksidasjonsreaksjonskammeret 1. En prosesstrøm kommer inn i prosesskammeret ved innløpet 11 og går ut ved et utløp 12. En slokke- eller kjøle-varmeveksler 10 er vist å avkjøle prosesstrømmen som går ut av prosesskammeret. En strøm som skal oppvarmes av kjøle-varmeveksleren, går inn ved et kjøleinnløp (engelsk: quench inlet) 14 og går ut gjennom et kjøleutløp 13. Strømmen som skal oppvarmes av kjøle-varmeveksleren, kan for eksempel være en prosessinnløpsstrøm, en kjele-fødevannsstrøm som oppvarmes og/eller fordampes. I noen prosesser, så som pyrolyse av hydrokarboner for å produsere olefiner, er rask avkjøling ønskelig for å redusere reaksjoner til biprodukter.

En koksinhibitor kan tilføyes til brennstoffet via et inhibitorinjeksjons-system som er vist som en injeksjonsledning 9. Inhibitorinjeksjonsledningen kan omfatte en styreventil og et styresystem for å forholdsregulere inhibitoren til strømmen av brennstoff.

Brennstoffledningen inneholder et antall dyser 6 (fire sett vist) langs lengden av oksidasjonsreaksjonskammeret. Dysene tilveiebringer kommunikasjon mellom brennstoffledningen og oksidasjonsreaksjonskammeret. Et antall dyser sørger for fordeling av varmefrigjøring i oksidasjonsreaksjonskammeret. Dysene er dimensjonert for å oppnå den ønskede temperaturfordeling inne i prosesskammeret. En nesten jevn temperaturprofil i prosesskammeret er vanligvis ønsket på grunn av at den kan resultere i lavere maksimumstemperaturer for en gitt varmefluks. På grunn av at konstruksjonsmaterialene for innretningen dikterer maksimumstemperaturene, vil jevne temperaturprofiler øke den varmefngjøring som er mulig for de samme konstruk-sjonsmaterialer. Antallet av dyser er begrenset bare av størrelsen av dyser som skal benyttes. Dersom flere dyser benyttes, må de vanligvis være av mindre størrelse. Mindre dyser vil bli lettere tilstoppet enn større dyser. Antallet av dyser er en avveining mellom jevnhet av temperaturprofilen og muligheten for tilstopping.

Prosesskammeret og oksidasjonskammeret er vist å være i paralleltløpende strøm, men kan være i motløpende strøm, eller en kombinasjon av disse, med for eksempel oksidasjonskammeret i en U-rørkonifgurasjon. En slik konfigurasjon kan være ønskelig for å håndtere virkninger av differensiell varmeutvidelse av rørledningene.

Katalysator kan være tilveiebrakt i prosesskammeret, avhengig av den spesielle prosess.

En forvarmer 7 er vist å oppvarme oksidantstrømmen til en temperatur ved hvilken blandinger av oksidantstrømmen med brennstoff fra det første sett av dyser vil være tilstrekkelig varm til å resultere i flammeløs oksidasjon. Forvarmeren kan for eksempel være en brenner i hvilken brensel blandes med noe av oksidanten og brennes for å heve temperaturen av oksidanten, eller oksidanten kan forvarmes ved varmeveksling med den ene av eller både prosesskammereffluenten og oksi-dasjonskammereffluenten. En kombinasjon av varmeveksling og deretter en brenner kan benyttes.

Alternativt kan oksidant innføres i brennstoffet ved å tilveiebringe dyser i en oksidantledning i stedet for i brennstoffledningen, og presse oksidant inn i en brenn-stoffrik strøm ved en temperatur over de resulterende blandinger.

Idet det nå henvises til fig. 2, er det der vist et tverrsnitt av en alternativ ut-førelse. I denne utførelse foreligger prosesskamrene 8 i rør som er buntet sammen inne i en isolert mantel 104. Den isolerte mantel trenger ikke å være en trykkbeholder, men reduserer varmetap fra rørene som inneholder reaksjonskamrene. Brennstoffledninger 5 befinner seg inne i oksidasjonsreaksjonskamrene 1, med dyser 6 som tilveiebringer kommunikasjon mellom de to kamre.

Idet det nå henvises til fig. 3, er det der vist en annen alternativ utførelse. I denne utførelse foreligger prosesskamrene 8 i rør som er buntet sammen inne i en isolert mantel 401. Den isolerte mantel danner også forbrenningskammeret. Brennstoffledninger 5 befinner seg inne i den isolerte mantel mellom rørene som danner prosesskamrene. Rørene som danner prosesskamrene, og brennstoffledningene er vist å være forholdsvis tett pakket, men kunne være innbyrdes atskilt etter behov for å tilveiebringe en avveining mellom trykktap og størrelsen av den nødvendige mantel. Dette alternativ kunne nærme seg utseendet av en rørvarmeveksler med ledeplater for å atskille rørene, og for å kanalisere strøm av forbrenningsgasser frem og tilbake over rørene som danner prosesskamrene.

Oksidasjonskammeret kan også være forsynt med en oksi-dasjonskatalysator. Oksidasjonskatalysatoren kan være anordnet på en bærer, så som aluminiumoksid, eller påført på rørelementenes vegger. Oksidasjonskatalysatoren kan være nyttig for å utvide det effektive område av temperaturer ved hvilke flammeløs oksidasjon vil virke med stabilitet. Oksidasjonskatalysatoren kan også være nyttig for en oppstartingsfase før oksidasjonskammeret oppnår en temperatur ved hvilken den ikke-katalyserte oksidasjonsreaksjon vil gå videre. Alternativt kan katalysatoren være effektiv for å redusere det volum som er nødvendig i oksidasjonskammeret.

Forvaltning av hydrogenbrensler for å oppnå flammeløs forbrenning kunne resultere i vesentlig generering av karbon inne i brennstoffledningen med mindre et karbondannelses-undertrykkelsesmiddel er inkludert i brennstoffstrømmen. Karbondannelses-undertrykkelsesmiddelet kan være karbondioksid, damp, hydrogen eller blandinger av disse. Karbondioksid og damp foretrekkes på grunn av den vanligvis høyere pris på hydrogen.

Karbon dannes av metan ved høye temperaturer i overensstemmelse med følgende reaksjon:

Denne reaksjon er en reversibel reaksjon, og hydrogen virker som karbondannelses-undertrykkelsesmiddel ved den omvendte reaksjon.

Karbondioksid undertrykker karbondannelse ved følgende reaksjon:

Damp undertrykker karbondannelse ved følgende reaksjoner:

Karbondioksidet og karbonmonoksidet forblir i likevekt ved høye temperaturer i overensstemmelse med skiftegassreaksjonen:

Når brennstoffet er i hovedsaken metan, vil et molforhold på ca. 1:1 mellom damp og metan være tilstrekkelig til å undertrykke karbondannelse opp til temperaturer på ca. 1370 °C. Molforholdene mellom damp og metan ligger fortrinnsvis innenfor området fra ca. 1:1 til ca. 2:1 når damp benyttes som karbondannelses-undertrykkelsesmiddel. Molforholdet mellom karbondioksid og metan ligger fortrinnsvis innenfor området fra ca. 1:1 til ca. 3:1 når karbondioksid benyttes som karbondannelses-undertrykkelsesmiddel. Brennstoffet består fortrinnsvis i det vesentlige av metan på grunn av at metan er mer varmestabil enn andre lette hydrokarboner. Undertrykkelsesmiddelet er dessuten gunstig på grunn av at det senker forbrenningshastigheter og reduserer maksimumstemperaturer.

Behovet for karbondannelses-undertrykkelsesmiddel kan elimineres dersom brennstoffet ikke oppvarmes vesentlig forut for tilsetning til oksidantstrømmen, eller dersom oppholdstiden for eventuelt forvarmet brennstoffer tilstrekkelig kort.

Kaldoppstarting av et varmeapparat ifølge oppfinnelsen kan benytte forbrenning med en flamme. Innledende antennelse kan oppnås ved innsprøyting av pyrofort materiale, en elektrisk tenner, en gnisttenner, eller midlertidig innføring av en tenner. Varmeapparatet bringes fortrinnsvis raskt opp til en temperatur ved hvilken en flammeløs forbrenning opprettholdes, for å minimere den tidsperiode ved hvilken en flamme eksisterer. Hastigheten for oppvarming av varmeapparatet vil typisk være begrenset at de varmegradienter som varmeapparatet kan tåle.

Flammeløs forbrenning opptrer vanligvis når en reaksjon mellom en oksidantstrøm og et brennstoff ikke er begrenset av blanding, og den blandede strøm befinner seg på en temperatur som er høyere enn selvantennelsestemperaturen til den blandede strøm. Dette oppnås ved å unngå høye temperaturer i blandingspunktet, og ved å blande forholdsvis små inkrementer av brennstoff inn i oksidanten. Eksistensen av flamme viser seg ved en opplyst grenseflate mellom ubrent brennstoff og for-brenningsproduktene. For å unngå frembringelsen av en flamme, oppvarmes brennstoffet og oksidanten fortrinnsvis til en temperatur mellom ca. 815 °C og ca. 1370 °C forut for blanding. Brennstoffet blandes fortrinnsvis med oksidantstrømmen i forholdsvis små inkrementer for å muliggjøre raskere blanding. For eksempel kan tilstrekkelig brennstoff tilsettes i et inkrement for å sette forbrenningen i stand til å heve temperaturen på strømmen med ca. 20 °C til ca. 100 °C.

De prosesser i hvilke varmeapparatet ifølge oppfinnelsen kan være nyttig, omfatter, men er ikke begrenset til, damp-metan-reformering, olefinproduksjon, styrenproduksjon, ammoniakkproduksjon, cykloheksanproduksjon, katalytisk reformering av hydrokarboner, og allyl- eller vinylkloridfremstilling, glass- eller keramikkproduksjon, kalsinering, gjentatt koking av væsker ved destillasjon, og gjentatt koking eller temperaturprofilstyring ved reaktiv destillasjon.

Idet det nå henvises til fig. 4, er forbrenningskammeret beliggende inne i forbrenningskammerrørledninger som danner forbrenningskamre 1, og de rørledninger som danner forbrenningskamrene 1, befinner seg inne i en større rørledning 5, idet brennstoffet strømmer inne i den store rørledning og utenfor de rørledninger som danner oksidasjonskamrene. Brennstoffdyser 6 er beliggende i rørledningene som atskiller brennstoffet fra oksidasjonskamrene, idet brennstoffet strømmer gjennom dysene og inn i oksidasjonsdysene. Fordelen med denne konfigurasjon er at bare én stor rørledning er nødvendig for brennstoffstrøm.

Idet det nå henvises til fig. 5, er det vist et alternativt arrangement hvor brennstoffrørledningen 5 og den rørledning som danner prosesskammeret 8, i stedet for konsentrisk anordnede rørelementer, er beliggende inne i en rørledning som danner et oksidasjonskammer 1. Denne konfigurasjon tilveiebringer på bekvem måte et forholdsvis stort tverrsnittsareal for strøm av forbrenningsgasser. Dette er ønskelig for å redusere kompresjonskostnader for forbrenningsgassene, og senker også prisen på rørelementene ved at rørelementet med størst diameter også inneholder det laveste trykk.

Idet det nå henvises til fig. 6, er det der vist et alternativ som likner på det som er vist på fig. 5, idet forskjellen er at brennstoffrørledningen er vist å ligge utenfor den rørledning som danner forbrenningskammeret 1. Dysene 6 er rørformede forbin-delser mellom brennstoffrørledningen 5 og det rørelement som danner forbrenningskammeret 1. Fordelen med dette arrangement er at brennstofftemperaturen kan begrenses mer lettvint, og behovet for en kokshindringstilsetning elimineres.

Idet det nå henvises til fig. 7, er det vist et liknende arrangement som på fig. 5, med det ytterligere trekk at forbrenningskammerstrømmen er oppdelt, idet innløpet 2 til oksidasjonskammeret ligger nær sentrum av lengden av oksidasjonskammeret 8. Strøm fra innløpet deler seg i en strøm som går i hver retning. Dette delte oksidasjonskammer tillater en lengre prosesskammerstrømningsbane for avstanden av forbrenningskammerstrømningsbanen, og reduserer strømmen i oksidasjonskammeret med halvparten. Trykkfallet reduseres således med en faktor på ca. åtte for like dimensjoner for forbrenningsstrømbanen. Dette kan være gunstig på grunn av viktigheten av kompresjonskostnader i "eksmomikken" av prosessen. Dette alternativ kan være ønskelig der hvor det er ønskelig å ha en forholdsvis lang, rett strømningsbane for prosessen. Som et annet alternativ kan brennstoffrørledningen ligge utenfor oksidasjonskammeret, slik som på fig. 6.

Idet det nå henvises til fig. 8, er det der vist et annet alternativ med oppdelt strømning av oksidantstrømmen. Dette alternativ har oksidanten i et innvendig rør, og innløpet deler seg i en T i en strøm som går i hver retning.

Idet det nå henvises til fig. 9, er det der vist en utførelse av oppfinnelsen som benytter et oksidantkammer som har et rektangulært tverrsnitt. Prosesskamrene er rør i en boks. Det rektangulære oksidasjonskammer kan på passende måte være gjort tilstrekkelig stort til å inneholde et betydelig antall prosesskammerrør 8. Prosesskam-merrørene kan alle være rør med parallell strømning, med seriestrømning eller kombinasjoner av parallell- og seriestrømning. Ett lag prosesskammerrør er vist, selv om flere lag kunne være anordnet. Når strømmen går i det minste delvis i serie, kan det være ønskelig å ha innløpene og utløpene i samme ende, og dermed redusere problemer forårsaket av varmeutvidelse av rørene.

Andre konfigurasjoner av varmevekslere, så som bølgeplatevarme-vekslere, så som de som er vist og beskrevet i US patent 4 029 146, kan også benyttes. Ved bølgeplatevarmeveksleme kan enten en brennstoffrørledning være innført i oksidantstrømrommet for passende fordeling av brennstoff, eller det kan være sørget for et tredje sett av strømmer, med dyser mellom rommene for strøm av brennstoffet og for strøm av oksidanten.

Oksidasjonskamrene kan være vertikale, horisontale eller skråttstilt, og er fortrinnsvis vertikale når prosesskammeret inneholder en katalysator med fast underlag.

Prosessvarmeapparatet ifølge oppfinnelsen kan benyttes ved styrenproduksjon ved dehydrogenisering av etylbenzen til vinylbenzen (styren) over en katalysator, så som en aktivert jernoksid-kaliumoksid-katalysator. Denne dehydrogenisering kan utføres for eksempel mellom 550 °C og 680 °C, ved trykk som varierer fra fire til ca. 20 - 140 kPa. Damp tilsettes til etylbenzentilførselen for å redusere partialtrykket av hydrokarbonene (og dermed forbedre likevektsforhold for produktene), for å virke som en varmestråler for å redusere temperatursenkningen på grunn av den endoterme reaksjon, og for å redusere koksdannelse ved en vann-gass-reaksjon. De fleste katalysatorer krever molforhold mellom damp og hydrokarbon på ca. 7 til 10. Væske-time-rom-hastighet basert på væsketilførselen ligger vanligvis mellom ca. 0,4 og 0,5 per time. Lavere trykk ønskes på grunn av ytelses- og katalysatorstabilitet, men høyere trykk reduserer kostnaden for kompresjon av produktet (deriblant kapitalkostnad for kompresjonsutstyret). Dette er en endoterm reaksjon, og det er ønskelig å utføre reaksjonen nesten isotermisk. Når temperaturer stiger, produseres uønskede biprodukter (deriblant koks) med økende hastigheter, og når temperaturer synker, avtar ytelser. Det er således ønskelig å drive dehydrogeniseringsprosessen ved nesten isotermiske forhold. Fordeler som kunne realiseres ved å tilveiebringe en mer ensartet temperatur, omfatter reduksjon av anvendelsen av damp, drift med høyere gjennomstrømninger, økende ytelser og selektivitet, avtakende koksdannelse, og/eller økning av driftstrykket. Anvendelse av den foreliggende oppfinnelse for dehydrogenisering av etylbenzen til styren kunne være enten som et varmeapparat eller som et varmeapparat før varmeapparatet, selv om den foretrukne utførelse er å benytte oppfinnelsen som et varmeapparat med dehydrogeniseirngskatalysator i minst en del av prosesskammeret som oppvarmes ved flammeløs forbrenning.

Som dampreformeringsovn benytter den foreliggende oppfinnelse et kata-lysert prosesskammer for å omforme et hydrokarbon og damp til hydrogen, karbonmonoksid og karbondioksid. Dette er en i høy grad endotermisk reaksjon hvor høyere temperaturer begunstiger likevekt av hydrogen og karbonmonoksid fra hydro-karbontilførsler. Metan er den foretrukne tilførsel for hydrogenproduksjon ved dampreformering, men andre hydrokarboner enn metan kan benyttes. Jo høyere molekyl vektene er, jo større er tendensen til å danne koks. Når det benyttes en slik tilførsel som naftaer, kreves således vanligvis et høyere forhold mellom damp og karbon. Molforhold for damp og karbon ligger vanligvis mellom tre og fem, romhastig-heter er vanligvis meget høye, av størrelsesorden 5000 til 8000 per time, temperaturer ligger vanligvis mellom ca. 800 og 870 °C, og trykk ligger typisk mellom ca. 2 og 2,5 MPa. Høyere temperaturer favoriserer likevekten mellom hydrogen og metan, og det er typisk at varmeapparatutløpets hydrogenrenhet ligger på i det minste en hydrogenrenhet som ville være i likevekt ved en temperatur innenfor 25 °F av varmeapparatets utløpstemperatur. Katalysatoren er en nikkelbasert katalysator, og kan inneholde kalium for å hindre koksdannelse.

Hydrogenproduksjon ved hjelp av dampreformering kan viderebehandles ved hjelp av en sekundær reformator for å produsere for eksempel metanol eller ammoniakk.

Benyttelse av den foreliggende oppfinnelse i en dampreformator kan resultere i høyere middeltemperaturer for en fast maksimumsreaksjonskammertempera-tur på grunn av den ensartede fordeling av varme som skriver seg fra den fordelte forbrenning. Således kunne enten damphastigheter reduseres, eller omvandling kunne økes for like røroverflatetemperaturer.

Når den foreliggende oppfinnelsen benyttes i et varmeapparat for termisk krakking av hydrokarboner til olefinprodukter, kan det benyttes reaksjonstemperaturer i området fra 775 til 950 °C og oppholdstider fra 0,1 til 0,8 sekunder. Reaksjonstempera-turene er meget avhengige av den spesielle hydrokarbontilførsel, og av oppholdstiden. Lettere tilførsler, så som etan, kan behandles ved høyere temperaturer og høyere omvandlinger. Tynge tilførsler, så som gassoljer, krever lavere temperaturer på grunn av en økt tendens til å danne koks og andre uønskede biprodukter. Oppholdstider på ca. 0,1 til 0,15 sekunder foretrekkes. Fortynningsdamp tilsettes til varmeapparat-hydrokarbontilførselen for å hindre koksavsetning, og for å redusere partialtrykket av hydrokarbonene. Varmeapparateffluenten avkjøles fortrinnsvis raskt på grunn av at olefinselektivitet reduseres på grunn av sidereaksjoner. Avkjøling etter reaksjonskam-meret kan skje enten ved direkte kontakt med for eksempel en gassoljestrøm, eller indirekte ved varmeveksling. Indirekte avkjøling foretrekkes på grunn av at energien eventuelt kan gjenvinnes på et mer nyttig nivå.

Den foreliggende oppfinnelse kan utnyttes i for eksempel en destillasjonskolonnekoker, eller et varmeapparat med vakuum-flashdestillasjonsmating. Disse anvendelser innebærer ofte forbrenning av hydrokarboner til temperaturer som er begrenset av hydrokarbonenes tendens til å danne koks, og den foreliggende oppfinnelse resulterer i en mer ensartet overføring av varme til hydrokarbonstrømmen, og reduserer således maksimumstemperaturer av hydrokarbonene inne i varmeapparatene. Videre realiseres også slike fordeler som den reduserte NOx-generering.

Claims (12)

1. Prosessvarmeapparat omfattende et oksidasjonsreaksjonskammer (1), idet oksidasjonsreaksjonskammeret (1) har et innløp (2) for oksidant, et utløp (3) for forbrenningsprodukter, og en strømningsbane (4) mellom innløpet (2) og utløpet (3), og en brennstoffledning (5) som kan transportere en brennstoffblanding til et antall dyser (6) inne i oksidasjonsreaksjonskammeret (1), idet hver dyse (6) skaffer forbindelse fra det indre av brennstoffledningen (5) til oksidasjonskammeret (1), med hver dyse (6) langs strømningsbanen (4) mellom innløpet (2) og utløpet (3), en forvarmer (7) som står i forbindelse med oksidasjonskammerinnløpet (2) , idet forvarmeren (7) er i stand til å øke oksidanttemperaturen til en temperatur som resulterer i at temperaturen av den kombinerte oksidant og brennstoff fra brennstoffdysen (6) nærmest oksidasjonskammerinnløpet (2) er høyere enn selvantennelsestemperaturen til den kombinerte blanding av oksidanten og brennstoffet fra brennstoffdysen (6) nærmest oksidasjonskammerinnløpet (2), hvor den varme som overføres fra oksidasjonsdelen ikke forårsaker at temperaturen av blandingen inne i oksidasjonsreaksjonskammeret (1) i nærheten av hver brennstoffdyse (6) synker under selvantennelsestemperaturen til den kombinerte blanding i oksidasjonskammeret (1) i nærheten av denne brennstoffdyse (6), karakterisert ved at varmeapparatet videre omfatter et endotermisk reaksjonsprosesskammer (8) i varmevekslingsforbindelse med oksidasjonsreaksjonskammeret (1).

2. Prosessvarmeapparat ifølge krav 1, karakterisert ved at det omfatter et koksinhibitor-injeksjonssystem (9), idet koksinhibitorsystemet står i forbindelse med brennstofftilførselsledningen (5), hvor en mengde koksinhibitor som tilføres, kan være effektiv for å hindre koksdannelse ved driftstemperaturer for brennstoffledningen (5).

3. Prosessvarmeapparat ifølge krav 1, karakterisert ved at brennstoffledningen (5) er en rørledning som er beliggende i hovedsaken sentralt inne i oksidasjonsreaksjonskammeret (1).

4. Prosessvarmeapparat ifølge krav 3, karakterisert ved at oksidasjonsreaksjonskammeret (1) er i hovedsaken sentralt beliggende inne i prosesskammeret (8).

5. Prosessvarmeapparat ifølge krav 1, karakterisert ved at prosesskammeret (8) er et pyrolysereaksjonskammer for produksjon av olefiner.

6. Prosessvarmeapparat ifølge krav 1, karakterisert ved at prosesskammeret (8) er effektivt som et damp-metan-reformeringsreaksjonskammer.

7. Prosessvarmeapparat ifølge krav 1, karakterisert ved at det er et etylbenzen-dehydrogeniserings-varmeapparat.

8. Fremgangsmåte for å tilveiebringe varme til en prosess ved hjelp av et oksidasjonsreaksjonskammer (1), idet oksidasjonsreaksjonskammeret (1) har et innløp (2) for oksidant, et utløp (3) for forbrenningsprodukter, og en strømningsbane (4) mellom innløpet (2) og utløpet (3), hvor fremgangsmåten omfatter de trinn å tilveiebringe et brennstoff, å tilsette en koksinhiberingskomponent til brennstoffet i en mengde som er effektiv for å hindre koksdannelse ved varmeapparat-dritfstemperaturer, å transportere en brennstoffblanding til et antall brennstoffdyser (6) inne i oksidasjonsreaksjonskammeret (1), med hver dyse (6) langs strømningsbanen (4) mellom innløpet (2) og utløpet (3), og å forvarme oksidanten til en temperatur som resulterer i at temperaturen av den kombinerte oksidant og brennstoff fra brennstoffdysen (6) nærmest oksidasjons-kammerinnløpet (2) er høyere enn selvantennelsestemperaturen til den kombinerte blanding av oksidanten og brennstoffet fra brennstoffdysen (6) nærmest oksidasjons-kammerinnløpet (2), karakterisert ved at den videre omfatter overføring av varme fra oksidasjonsreaksjonskammeret (1) til et endotermisk reaksjonsprosesskammer (8) i varmevekslingsforbindelse med oksidasjonsreaksjonskammeret (1), hvor den varme som overføres fra oksidasjonsdelen, ikke forårsaker at temperaturen av blandingen inne i oksidasjonsreaksjonskammeret (1) i nærheten av hver brennstoffdyse (6) synker under selvantennelsestemperaturen til den kombinerte blanding i oksidasjonskammeret (1) i nærheten av denne brennstoffdyse (6).

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at prosessen er en damp-metan-reformeringsprosess.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at prosessen er en pyrolysereaksjon for produksjon av olefiner.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at prosessen er en etylbenzen-dehydrogeniseringsprosess.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at koksinhiberings-komponenten velges fra den gruppe som består av karbondioksid og damp.