NO335828B1 - Pyrolysevarmer - Google Patents

Abstract

Pyrolyse varmer spesielt for spalting av hydrokarboner ved produksjonen av olefiner, har et brennerarrangement i brennkammeret som direkte varmer opp ovnspannen i brennkammeret slik at det blir en strålende overflate. Basebrennerne fungerer sammen med vertikale fyringsovnspannebrennere og eventuelt veggbrennere i den øvre delen av brennkammeret.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en pyrolysevarmer, slik det framgår av den innledende del av patentkrav 1, nærmere bestemt for pyrolyse av hydrokarboner og særlig en varmer for dampspalting av parafiner for å danne olefiner.

Bakgrunn

Dampspalting eller pyrolyse av hydrokarboner for framstilling av olefiner blir mest eksklusivt utført i rørformete spiralrør som er plassert i fyrte varmere. Pyrolyseprosessen er antatt å være det sentrale i et olefinanlegg, og har betydelig innvirkning på økonomien av det totale anlegget.

Hydrokarbonråmaterialet kan være ethvert av en lang rekke typiske spaltingsråmaterialer, så som metan, etan, propan, butan, blandinger av disse gassene, naftaer, gassoljer osv. Produktstrømmen inneholder en rekke komponenter, hvor konsentrasjonene avhenger av andelen i det valgte råmaterialet. I vanlige pyrolyseprosesser blir fordampet råmaterial matet inn i en rørformet reaktor plassert inne i den fyrte brenneren, sammen med fortynningsdamp. Mengden nødvendig fortynningsdamp er avhengig av det valgte råmaterialet, lettere råmaterialer så som etan krever mindre damp (0,2 kg/kg innmating), mens tyngre råmaterialer så som nafta og gassoljer krever damp/råmaterial forhold på 0,5 til 1,0. Fortynningsdampen har en todelt funksjon for å senke deltrykket av hydrokarbon, og å redusere forgassingshastigheten i pyrolyserørspiralene.

I en vanlig pyrolyseprosess blir blandingen av damp/råmateriale forvarmet til en temperatur rett under begynnelsen av spaltingsreaksjonen, vanligvis 650°C. Denne forvarmingen forgår i den vanlige delen av brenneren. Blandingen overføres deretter til strålingsdelen hvor pyrolysereaksjonen går. Vanligvis er oppholdstiden i pyrolyserørspiralene i området 0,2 til 0,4 sekunder og utløpstemperaturen for reaksjonen er i området 700 til 900°C. Reaksjonene som resulterer i transformering av mettete hydrokarboner til olefiner er svært endotermiske, og krever derfor høye varmetilførsels nivåer. Denne varmetilførselen må forekomme ved de forhøyete reaksjonstemperaturene. Det er vanligvis anerkjent innen industrien at for de fleste råmaterialer, og særlig for tyngre råmaterialer så som nafta, vil kortere ventetid føre til høyere selektivitet for etylen og propylen ettersom sekundære degraderingsreaksjoner vil reduseres. Det er dessuten anerkjent at jo lavere deltrykket av hydrokarbonet er inne i reaksjonsmiljøet, jo høyere blir selektiviteten.

Røykgasstemperaturene i strålingsområdet i den fyrte brenneren er vanligvis over 1100°C. Med en konvensjonell utforming, blir omtrent 32 til 40 % av varmen brent som brennstoff i varmeren, overført til rørspiralene i strålingsdelen. Varmebalansen gjenvinnes i overføringsdelen, enten ved forvarming av innløpsgassen eller ved framstilling av damp. Varmeoverføring inn i reaksjonsrøret er vanskelig, gitt begrensingen av volumet i små rør. Høye varmeflukser blir benyttet og temperaturen i metallet i driftsrørene er tett opptil de mekaniske grensene til og med for eksotiske metallurgien I de fleste tilfeller begrenser temperaturene i rørmetallet hvor mye oppholdstiden kan reduseres, som et resultat av en kombinasjon av høyere prosesstemperaturer påkrevd ved rørspiralutløpet og den reduserte rørlengden (dermed overflatearealet av røret) hvilket resulterer i høyere fluks og dermed høyere temperaturer i rørmetallet. Reaksjonsrørene av eksotisk metall, plassert i den strålende delen av spaltingsvarmeren, representerer en betydelig del av kostnadene forbundet med varmeren, slik at det er viktig at de kan utnyttes fullt. Utnytting er definert til å fungere ved så høy og uniform varmefluks og metalltemperatur som mulig, i samsvar med utformingen av varmeren. Dette vil minimere antallet og lengden av rørene, og det resulterende totale metallet nødvendig for en gitt pyrolyse kapasitet.

I de fleste spaltingsovner tilføres varmen ved ovnspannebrennere (eng. hearth burners) som er installert i gulvet av brennkammeret og brenner vertikalt opp langs veggene. På grunn av den karakteristiske flammeformen fra disse brennerne, dannes en ujevn varmefluksprofil. Den typiske profilen viser en toppfluks nært senterhøyden av brennkammeret, mens topp- og hunndelene av brennkammeret forblir forholdsvis kalde. I utvalgte varmere, er strålende veggbrennere installert i toppdelen av sideveggene for å utjevne varmefluksprofilen i toppen. Typiske profiler av overflatevarmefluks og metalltemperatur for en ovnspannebrenner, og for en kombinasjon av ovnspanne-, og veggbrennere, ved den samme varmefrigivende hastigheten, viser lav varmefluks og metalltemperaturer i den lavere delen av brennkammeret, hvilket betyr at rørspiralen i denne delen er underutnyttet. Forbedring av fluksprofilen av ovnspannebrennere er vanskelig på grunn av de ytterligere NOx-kravene, og på grunn av det stadigøkende kravet til høyere varmefrigivelse fra brennerne. En annen måte å utjevne fluksprofilen på, er å bare benytte vegg-brennere, men ettersom den maksimale varmefrigivelsen fra en veggbrenner er omtrent 10 ganger mindre enn den for en ovnspannebrenner, vil antall brennere bli urimelig høyt.

US patentskrift 3,667,429 A beskriver en pyrolysevarmer for pyrolyse av hydrokarboner. Brenneren omfatter blant annet en varmestrålingssone med en nedre del hvor ovnspanner (19) er plassert på gulvet og en øvre del som rager fra den nedre delen. I varmestrålingssonen er det også arrangert en rørformet varmespiral (31, 32).

Oppfinnelsen

Oppfinnelsen framgår av den karakteriserende del av patentkrav 1. Ytterligere fordelaktige trekk framgår av de tilhørende uselvstendige kravene.

Foreliggende oppfinnelse angår pyrolysevarmere, særlig for spalting av hydrokarboner for produksjon av olefiner, med et brennerarrangement i brennkammeret for å bedre varmefluksen og metalltemperatur profilen. Formålet er å framskaffe et brennerarrangement som inkluderer brennere for å varme gulvet av brennkammeret slik at det fungerer som en strålende overflate, for å øke varmefluksen i reaksjonsrørene i de lavere delene av brennkammeret, og å produsere en mer uniform vertikal varmefluksprofil over brennkammerhøyden. Disse gulvbrennerne er kalt basebrennere og fungerer sammen med vertikale fyringsovnspannebrennere og eventuelt med veggbrennere i den øvre delen av brennkammeret. Det er et ytterligere formål å øke den totale varmen overført til den strålende spaltingsrørspiralen, uten økning i metalltemperaturen av rørspiralen.

Kort beskrivelse av figurene

Figur 1 viser en forenklet tverrsnittsframstilling av en vanlig pyrolysevarmer i henhold til kjent teknikk. Figur 2 viser en graf som viser en typisk overflatevarme fluksprofil gjennom høyden av en pyrolysevarmer i henhold til kjent teknikk. Figur 3 viser en graf som viser en typisk metalltemperaturprofil gjennom høyden av en pyrolysevarmer i kjent teknikk. Figur 4A og 4B viser forenklete tverrsnittsframstillinger av pyrolysevarmere i samsvar med foreliggende oppfinnelse, som viser to variasjoner i brennerutformingen. Figur 5 viser et perspektivsnitt av den lavere delen av en del av en pyrolysevarmer, som viser basebrennerne og ovnspannebrennerne.

Figur 6 viser et eksempel på en basebrenner i samsvar med en utførelse av oppfinnelsen.

Figur 7 viser et tverrsnitt av en alternativ basebrenner, som omfatter en porøs keramisk brenner. Figur 8A til 8D viser grafer som viser overflatevarmefluksen gjennom høyden av en pyrolysevarmer, for fire ulike gjennomløp, som sammenligner en varmer i kjent teknikk, med en varmer i samsvar med foreliggende oppfinnelse med basebrennere. Figur 9A til 9D er grafer som viser den gjennomsnittlige metalltemperaturen også gjennom høyden av varmeren for de fire ulike gjennomløpene som sammenligner en varmer i kjent teknikk med en varmer i samsvar med oppfinnelsen, som en funksjon av posisjonen langs rørspirallengden for den i kjent teknikk.

Beskrivelse av de foretrukne utførelsene

Før detaljene av de foretrukne utførelsene av den foreliggende oppfinnelsen beskrives, vil en typisk pyrolysevarmer i samsvar med kjent teknikk beskrives sammen med grafer som viser driftsparameterne for slike varmere. Figur 1 viser et tverrsnitt av en slik varmer i samsvar med kjent teknikk. Denne varmeren har en strålingsvarmesone 14 og en varmeoverføringssone 16. I varmeoverføringssonen 16 er varmevekslingsoverflatene 18 og 20 plassert, som i dette tilfelle er vist for forvarming av hydrokarboninnløpsstrømmen 22. Denne sonen kan også inneholde varmevekslingsoverflate for å produsere damp. Den forvarmete innløpsstrømmen fra overføringssonen føres ved 24 til varmerørspiralen som generelt er betegnet 26, plassert i varmestrålingssonen 14. Det spaltete produktet fra varmerørspiralen 26 finnes ved 30. Varmerørspiralene kan ha enhver ønsket utforming, inkludert vertikale og horisontale rørspiraler, hvilket er vanlig i industrien.

Strålingsvarmesonen 14 omfatter vegger betegnet 34 og 36, og vegger eller ovnspanne (eng. hearth) 42. De vertikale fyringsovnspannebrennerne 46 som er rettet opp langs veggene og forsynt med luft 47 og brennstoff 49, er montert på gulvet. Veggbrennere 48 som er en type strålingsbrennere utformet for å gi flate flammemønster som spres på tvers av veggene for å unngå flammeimpulser på rørspiralrørene, er vanligvis montert i veggene. Figur 2 viser en typisk profil av overflate varmefluksen for en brenner i kjent teknikk, så som vist i figur 1, hvor ovnspannebrennerne og veggbrennerne er på i ett tilfelle, og med ovnspannebrennerne på og veggbrennerne av i det andre tilfellet. Figur 3 viser rørmetalltemperaturen under de samme forholdene. Disse figurene viser lav varmefluks og lave metalltemperaturer i både den lavere delen av brennkammeret og i den øvre delen av brennkammeret, og viser stor forskjell mellom den minimale og den maksimale temperaturen av varmefluks. De viser klart en kjølig ovnspanne og antyder utnyttelse av rørene nært ovnspannen. Figur 3 viser også viktigheten av en brennprofil oppunder toppen av rørmetalltemperaturen. Når veggbrennerne er avslått, er økt brenning i ovnspannebrennerne nødvendig. På grunn av formen av varmefrigjøringsprofilen fra ovnspannebrenneren,øker rørmetalltemperaturene med omtrent 20°C. Denneøkningen har en direkte negativ innvirkning på sykluslengden på grunn av forurensing av en konvensjonell spaltingsvarmer. Figur 4A og 4B viser pyrolysevarmere med brennere som er utformet i samsvar med en av utførelsene av den foreliggende oppfinnelsen, hvor varmestrålingssonen 14 i figur 4A viser en første variasjon med veggbrennere 48 i den øvre delen av varmestrålingssonen, og varmestrålingssonen 14 i figur 4B viser en andre variasjon uten veggbrennere. Selv om disse figurene, figur 4A og 4B viser en enkeltcellevarmer, kan konseptet benyttes på samme måte med multiple cellevarmere eller spaltingsvarmere med en mer åpen utforming. Som vist i figur 4A og 4B, og i figur 5 som viser en del av sonen 14, er basebrennerne 50 plassert på gulvet eller i ovnspannen 42. Disse basebrennerne 50 er utformet for å brenne horisontalt på tvers av gulvet for å varme selve gulvet, slik at det blir en strålingsoverflate. I den foretrukne utførelsen, er disse basebrennerne 50 de samme eller lignende som veggbrennerne 48, ved at de brenner i et radielt eller elliptisk flammemønster rundt brenneren. Et eksempel er vist i figur 6 hvor brennstoff/luft blandingen føres inn i brenneren generelt benevnt som 50, gjennom røret 52. Brennstoff/luft-blandingen strømmer gjennom spaltene 54 under lokket 56, og antennes. Flammen blir deretter rettet horisontalt av spaltene og lokket, på tvers av gulvet. Basebrennerne kan drives ved forskjellige varmefrigjøringshastigheter for å gi mer varme til de kaldere gjennomløpene i rørspiralen og mindre varme til de varmere gjennomløpene. Spaltene som vender mot rørspiralene kan dessuten blokkeres eller utelates for å unngå flammeimpulser på rørspiralene.

En alternativ utførelse av foreliggende oppfinnelse benytter brennblokker av porøst ildfast materiale eller keramiske brennblokker som også danner i det minste en del av gulvet eller ovnspannen. En forhandsblandet brennstoff/luft-strøm blir matet inn på brenneren, og går gjennom til det porøse mediet. Forbrenning foregår hovedsakelig på overflata av brenneren, slik at brenneroverflata og dermed selve pyrolyse gulvet blir en svært strålende overflate. En typisk keramisk brenner er vist i figur 7, og omfatter en kappe 58 som inneholder den porøse keramiske blokken 60, og har et innløp 62 for brennstoff/luft blandingen. Brennstoff/luft-blandingen strømmer gjennom blokken 60 og forbrenner på overflata 64 som danner flammen 66. Disse brennerne kan også inneholde katalytisk materiale. Fordelen med disse porøse keramiske brennerne er at det ikke er noen direkte flamme på gulvet ettersom den er holdt inne i den keramiske strålende overflata. En ytterligere fordel er at varmen blir satt til ved ekstremt lave NOx-nivåer. Disse brennerne er hovedsakelig viftekjølings-brennere i motsetning til veggbrennerne som vanligvis er naturlig trekk brennere eller innblåsningsbrenner (eng. inspirated burners). Dette bidrar til lav NO„ evne av de keramiske gulv bas-brennerne. Det skal bemerkes at selv om to spesifikke brennereksempler er beskrevet, er ikke ramma av oppfinnelsen begrenset til disse to spesifikke brennerne.

Det er kjent at drift under understøkiometriske forhold (reduserte oksygen nivåer) reduseres NOx ved å redusere flamme-temperaturene. De understøkiometriske forholdene danner også en reduserende omgivelse som reduserer NOx. Det videre kjent at å trinnregulere brennstoffet (forbrenne brennstoffet ved forskjellige nivå) vil redusere NOx også ved å redusere flammetemperaturene. I en mulighet for å drive dette kombinerte systemet, kan base-brenneren drives understøkiometrisk, hvilket produserer et avløp med ubrent brennstoff og hovedsakelig uten oksygen og minimalt NOx. Deretter vil denne gassen, på grunn av dets posisjon på gulvet og i nærheten av ovnspannebrennerne, trekkes inn i den vertikale flammen fra ovnspannebrennerne. Den vertikalt fyrte ovnspannebrenneren kan med hensikt drives med et overskudd av luft. Dette vil i seg selv senke flamme temperaturen og redusere NOx. Det meddratte brennstoffet fra basebrennerne vil forbrennes ettersom det dras med i strømmen fra ovnspannebrenneren. Denne kombinasjonen av driftsforhold kan reverseres og basebrennerne drives med et overskudd av luft, og ovnspanne-brennerne understøkiometrisk. Uansett valg, vil trinnregulering av forbrenningsprosessen redusere dannelsen av NOx. Denne kombinasjonen vil betydelig redusere det totale NOx fra spaltingsvarmeren ved en tilsvarende varmefrigivelse.

Gulvet i pyrolysevarmerne i kjent teknikk er ikke effektivt utnyttet som en strålende overflate. Ved å varme gulvet med basebrennere i samsvar med foreliggende oppfinnelse, fungerer gulvet som en strålende overflate, ogøker dermed varmefluksen i de lavere delene av brennkammeret, og tenderer til å utligne varmefluks-profilen gjennom høyden av brennkammeret. Dette kan ses i figur 8A til 8D. Disse figurene presenterer varmefluksprofilen for hver av de fire rørspiralgjennomløpene av etylenspaltingsvarmeren for et såkalt normalt tilfelle som benytter vegg- og ovnspannebrennere, - og for basebrennertilfellet i samsvar med foreliggende oppfinnelse som benytter bare base-, vegg- og ovnspannebrennere. Basebrennerne ble hver drevet ved en brenselshastighet på 293,1 kW (1 MM BTU/time). Den totale brenselshastigheten ble derfor økt til en nominell 11 % over det normale tilfellet hvor ovnspannebrennerne drives ved 2228 kW (7,6 MM BTU/time) og veggbrennerne ved 293,1 kW (1 MM BTU/ time). Under disse forholdene, ble også innmatingen til rørspiralen økt med 11 % resulterende i en netto 11 %økning i strålingsrørspiralkapasiteten. Overflatetemperaturen i rørmetallet er vist i figur 9A til 9D. Den maksimale topptemperaturen i metallet for hvilket som helst av gjennomløpeneøkte bare med 6°C for tilfellet med 11 % ytterligere kapasitet. I praksis kan brenselshastigheten for basebrennerne midt imot dette gjennomløpet reduseres svakt for å oppnå tilsvarende metalltemperaturer med betydelig høyere total rørspiralkapasitet. Dersom en tilsvarende kapasitetsøkning skulle oppnås uten en basebrenner, ville ovnspannebrenner fyringen måtteøkes med 293,1 kW (1 MM BTU/time). Under disse forholdene villeøkningen i topptemperaturen i rørmetallet være 20°C, tilsvarende det som er vist i figur 3, hvor 293,1 kW (1 MM BTU/time) veggbrenneren var slått av og fyringen i ovnspannebrenneren økt med 293,1 kW (1 MM BTU/time). Som angitt ovenfor, vil dette ha en betydelig negativ effekt på rørytelsen.

Claims (7)

1. Pyrolysevarmer for pyrolyse av hydrokarboner, omfattende a) en varmestrålingssone (14) med en nedre ovnspanne (42) og vegger (34, 36) som strekker seg oppover fra den nedre ovnspannen (42), hvorved varmestrålingssonen (14) omfatter en nedre del som strekker seg opp fra nevnte ovnspanne (42), og en øvre del som strekker seg opp fra nevnte nedre del, b) i det minste en rørformet varmerørspiral (26) for prosessering av hydrokarbonene som er plassert i varmestrålingssonen (14) og som strekker seg inn i både øvre og nedre del,karakterisertved at pyrolysevarmeren videre omfatter c) en rekke ovnspannebrennere (46) plassert tilstøtende ovnspannen (42), rettet oppover for fyring vertikalt opp gjennom den nedre delen og inn i den øvre delen, og d) en rekke basebrennere (50) som er plassert i ovnspannen (42) og konstruert for å fyre horisontalt over ovnspannen (42) for dermed å opprette en oppvarmet varmestrålingsoverflate.

2. Pyrolysevarmer i samsvar med krav 1,karakterisert vedat varmestrålingssonen inkluderer veggbrennere (48) plassert på sideveggene (34, 36) i den øvre delen av varmestrålingssonen (14).

3. Pyrolysevarmer i samsvar med krav 1,karakterisert vedat den omfatter en konveksjonssone over varmestrålingssonen (14).

4. Pyrolysevarmer i samsvar med krav 1,karakterisert vedat basebrennerne (50) er innrettet for fyring horisontalt over og i kontakt med ovnspannen.

5. Pyrolysevarmer i samsvar med krav 1,karakterisert vedat basebrennerne (50) omfatter porøse keramiske brennere og at de porøse keramiske brennerne omfatter i det minste en del av ovnspannen (42).

6. Pyrolysevarmer i samsvar med krav 1,karakterisert vedat ovnspannebrennerne (46) og basebrennerne (50) er konfigurert for å øke uniformiteten av varmefluksen i de nedre og øvre delene av varmestrålingssonen (14) og for å øke uniformiteten av temperaturen av varmerør-spiralen (26).

7. Pyrolysevarmer i samsvar med krav 6,karakterisert vedat basebrennerne (50) er innrettet for horisontal fyring over og i kontakt med ovnspannen (42).