KR20220088691A - 분해로 시스템 및 그의 탄화수소 공급원료를 분해하기 위한 방법 - Google Patents
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Abstract
대류 섹션, 복사 섹션 및 냉각 섹션을 포함하는 탄화수소 공급원료를 분해 가스로 변환하기 위한 분해로 시스템에 있어서,
대류 섹션은 탄화수소 공급원료를 수용하여 예열하도록 구성되는, 제1 고온 코일을 포함하는, 복수의 대류 뱅크들을 포함하고,
복사 섹션은 공급원료를 열분해 반응을 허용하는 온도로 가열하도록 구성되는 적어도 하나의 복사 코일을 포함하는 화실을 포함하며,
냉각 섹션은 적어도 하나의 트랜스퍼 라인 교환기를 포함한다.
대류 섹션은 탄화수소 공급원료를 수용하여 예열하도록 구성되는, 제1 고온 코일을 포함하는, 복수의 대류 뱅크들을 포함하고,
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냉각 섹션은 적어도 하나의 트랜스퍼 라인 교환기를 포함한다.
Description
본 발명은 분해로 시스템(cracking furnace system)에 관한 것이다.
예컨대, 문헌 US 4479869에 개시된 바와 같은 기존의 분해로 시스템은 일반적으로 탄화수소 공급원료(hydrocarbon feedstock)가 예열되고/되거나 희석 증기(dilution steam)와 혼합되어 공급원료-희석 증기 혼합물을 제공하는 대류 섹션(convection section)을 포함한다. 시스템은 또한 화실(firebox)에 있는 적어도 하나의 복사 코일(radiant coil)을 포함하는 복사 섹션을 포함하며, 여기서, 대류 섹션으로부터의 공급원료-희석 증기 혼합물이 열분해(pyrolysis)에 의해 고온에서 생성물(product) 및 부산물(by-product) 성분들(components)로 변환된다. 시스템은 열분해 부반응들(side reactions)을 중지시키고 생성물들에 유리한 반응들의 평형을 유지하기 위해, 복사 섹션을 떠나는 생성물 또는 분해 가스(cracked gas)를 신속하게 급랭시키도록 구성되는 적어도 하나의 급랭 교환기(quench exchanger), 예컨대, 트랜스퍼 라인 교환기(transfer line exchanger)를 포함하는 냉각 섹션(cooling section)을 더 포함한다. 트랜스퍼 라인 교환기로부터의 열은 고압 증기의 형태로 회수될 수 있다.
알려진 시스템들의 결점은 열분해 반응을 위해 많은 연료가 공급될 필요가 있다는 것이다. 이러한 연료 소비를 줄이기 위해, 화실 효율, 즉, 복사 코일에 의해 흡수되는 화실에서 방출되는 열의 비율이 크게 증가될 수 있다. 그러나, 증가된 화실 효율을 갖는 기존의 분해로 시스템의 대류 섹션에서 열 회수 방식은 복사 섹션으로 진입할 최적의 온도에 도달하도록 탄화수소 공급원료를 가열하는 제한된 능력들만을 갖는다. 그 결과, 연료 소비를 감소시켜 CO2 배출량을 감소시키는 것은, 기존의 분해로 시스템 내에서 거의 불가능하다.
이러한 결점을 적어도 부분적으로 해결하기 위해, 저배출(low emission) 분해로 시스템이 개발되었으며(WO 2018229267), 여기서, 냉각 섹션은 열 교환기로서 적어도 하나, 바람직하게는 두 개의 트랜스퍼 라인 교환기(들)를 포함한다. 시스템은 공급원료가 복사 섹션으로의 진입 전에 트랜스퍼 라인 교환기에 의해 예열되도록 구성된다. 일반적으로 수행되는 것과 같이 대류 섹션에서 공급원료를 가열하는 대신에, 트랜스퍼 라인 교환기에서의 분해 가스의 폐열(waste heat)을 사용하여 냉각 섹션에서 공급원료를 가열하는 것이 화실 효율을 크게 높일 수 있으며, 대략 20 %까지의 또는 심지어 이를 초과하는 연료 가스 감소로 이어질 수 있다. 화실 효율은 흡열 반응(endothermic reaction)인, 열분해에 의한 탄화수소 공급원료의 분해 가스로의 변환을 위해 적어도 하나의 복사 코일에 의해 흡수되는 열과 25 ℃의 낮은 발열량(heating value)을 기반으로, 연소 존(combustion zone)에서의 연소 프로세스에 의해 방출되는 열 사이의 비율이다. 이 정의는 API 표준 560(일반 정유 서비스용 가열 히터들(Fired Heaters for General Refinery Service))에 정의된 바와 같은 연료 효율 3.25에 대한 공식에 해당한다. 이 효율이 높을수록, 연료 소비는 낮아지지만, 대류 섹션에서 공급원료 예열에 이용할 수 있는 열도 낮아진다. 냉각 섹션에서 공급원료를 예열하는 것은 이러한 장애를 극복할 수 있다. 따라서, 이러한 분해로 시스템에는, 제1 공급원료 예열 단계 및 제2 공급원료 예열 단계가 있다. 제1 공급원료 예열 단계는, 예컨대, 대류 섹션의 복수의 대류 뱅크들(convection banks) 중 하나에서, 분해로 시스템의 뜨거운 플루 가스들(flue gasses)에 의해 탄화수소 공급원료를 예열하는 것을 포함한다. 예열은 또한 액체의 공급원료의 경우 부분 증발을 포함하고, 기체의 공급원료의 경우 과열을 포함한다. 제2 공급원료 예열 단계는 공급원료의 분해로 시스템의 복사 섹션으로의 진입 전에 분해로 시스템의 분해 가스의 폐열에 의해 공급원료를 추가로 예열하는 것을 포함한다. 제2 공급원료 예열 단계는 냉각 섹션에서 트랜스퍼 라인 교환기를 사용하여 수행된다. 트랜스퍼 라인 교환기는 전형적으로 분해 가스로부터 공급원료로 직접적인 열 전달을 허용하도록 구성된다. 이 분해로 시스템의 추가적인 장점은, 트랜스퍼 라인 교환기에서 무거운(아스팔텐계) 테일들(tails)의 응축으로 인한 오염이 거의 불가능하다는 것이다. 가스에서 끓는 증기로의 열 전달의 경우, 예컨대, 트랜스퍼 라인 교환기가 기존의 시스템들에서와 같이 포화된(saturated) 증기를 생성하도록 구성될 때, 끓는 물은 가스의 열 전달 계수보다 큰 열 전달 계수를 갖는다. 이로 인해, 벽 온도(wall temperature)가 끓는 물의 온도와 매우 비슷하다. 분해로에서 보일러 물(boiler water)의 온도는 전형적으로 약 320 ℃이고, 교환기의 저온 측(cold side)에서의 벽 온도는 교환기의 저온 단부의 광범위한 부분에 대한 이 온도보다 약간만 높지만, 분해 가스의 이슬점은 대부분의 액체의 공급원료에 대해 350 ℃를 초과하므로, 튜브 표면의 무거운 테일 성분들의 응축 및 장비의 오염이 초래된다. 이러한 이유로, 교환기는 주기적으로 세척될 필요가 있다. 이것은 부분적으로 복사 코일의 디코킹(decoking) 동안 달성되지만, 트랜스퍼 라인 교환기의 기계적인 세척을 위해 일정한 간격들로 노(furnace)의 작동이 중단되어야 한다. 이것은 교환기의 수압-분사(hydro-jetting)뿐 아니라 손상을 방지하기 위해 노의 제어되는 느린 냉각 및 가열을 포함하기 때문에 며칠이 걸릴 수 있다. 가스에서 가스로의 열 전달의 경우, 두 열 전달 계수들은 동일한 크기이고, 트랜스퍼 라인 교환기의 벽 온도는 가스에서 끓는 물 열 교환의 경우보다 훨씬 높으며, 벽 온도는 벽의 양쪽에 있는 두 미디어의 대략적인 평균 값이다. 이 시스템에서, 벽 온도는 가장 차가운 부분에서 약 450 ℃이고 가장 뜨거운 부분에서 약 700 ℃까지 빠르게 증가할 것으로 예상된다. 이는 교환기 전체에서 탄화수소 이슬점이 항상 초과되어, 응축이 발생할 수 없음을 나타낸다.
그러나, 향상된 효율을 갖는 이러한 분해로 시스템의 단점은 상대적으로 느린 유출물(effluent)의 냉각으로 인해 생성물 열화(degradation)가 약간 증가하여 반응 평형이 동결되는 것을 방지할 수 있다는 것이다. 저온 측에 끓는 물이 있는 기존의 트랜스퍼 라인 교환기(TLE)에 비해, 이러한 저배출 분해로의 트랜스퍼 라인 교환기의 유형은 저온 측에 가스가 있다. 가스의 열 전달 계수는 끓는 물의 열 전달 계수보다 현저히 낮으며, 이는 앞서 언급한 바와 같이 열 전달을 제한할 수 있다. 동시에, 350 ℃를 초과하거나 그 미만의 저온 측에 있는 가스에 대한 입구 온도와 약 600-650 ℃의 저온 측 출구 온도는 트랜스퍼 라인 교환기에 의해 냉각될 유출물과 냉각 가스 사이의 대수 평균 온도 차이(logarithmic mean temperature)를 크게 줄인다. 이러한 상대적으로 낮은 대수 평균 온도 차이로 인해, 반응 평형의 동결이 상대적으로 느려질 수 있고, 생성물의 부산물로의 변환이 증가할 수 있다. 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람에게 알려진 바와 같이, 역류(countercurrent flow) 열 교환기의 대수 평균 온도 차이(LMTD)는 다음과 같이 정의될 수 있다: (dTA - dTB) / ln(dTA/dTB). 여기서, dTA는 열 교환기의 제1 단부에서의 온도 차이, 예컨대, 여기에서는 고온 측(hot side) 입구 온도와 저온 측 출구 온도 사이의 온도 차이이고, dTB는 열 교환기의 제2 단부에서의 온도 차이, 예컨대, 여기에서는 고온 측 출구 온도 및 저온 측 입구 온도 사이의 온도 차이이다.
본 발명의 목적은 상술된 문제를 해결하거나 완화하는 것이다. 특히, 본 발명은 에너지 공급에 대한 상대적으로 낮은 필요성을 유지하면서 생성물 열화를 최소화할 수 있고, 결과적으로, CO2의 배출을 감소시킬 수 있는 대안적인 저배출 분해로 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 위해, 본 발명의 제1 양태에 따르면, 대류 섹션, 복사 섹션 및 냉각 섹션을 포함하는 탄화수소 공급원료를 분해 가스로 변환하기 위한 분해로 시스템이 제공되고,
대류 섹션은 탄화수소 공급원료를 수용하여 예열하도록 구성되는, 제1 고온 코일을 포함하는, 복수의 대류 뱅크들을 포함하고,
복사 섹션은 공급원료를 열분해 반응을 허용하는 온도로 가열하도록 구성되는 적어도 하나의 복사 코일을 포함하는 화실을 포함하고,
냉각 섹션은 적어도 하나의 트랜스퍼 라인 교환기를 포함하고,
시스템은 공급원료가 복사 섹션으로의 진입 전에 트랜스퍼 라인 교환기에 의해 예열되도록 구성되고,
대류 섹션은 트랜스퍼 라인 교환기로부터의 공급원료 배출 후 및 복사 섹션으로의 진입 전에 공급원료를 예열하도록 구성되는 제2 고온 코일을 포함한다.
일반적으로, 상기 제1 고온 코일은 탄화수소 공급원료-희석제(diluent) 혼합물을 수용하여 예열하도록 구성되고, 따라서, 분해로 시스템의 대류 섹션은 제1 고온 코일의 업스트림으로, 상기 탄화수소 공급원료-희석제 혼합물을 제공하기 위해, 상기 탄화수소 공급원료를 상기 희석제와 혼합하도록 구성된다.
또한, 본 발명은 분해로 시스템, 예컨대, 본 발명에 따른 분해로 시스템에서 탄화수소 공급원료를 분해하기 위한 방법에 관한 것이고, 방법은 탄화수소 공급원료를 희석제와 혼합하여, 탄화수소 공급원료-희석제 혼합물을 제공하는 단계, 및 탄화수소 공급원료-희석제 혼합물의 분해로 시스템의 복사 섹션으로의 진입 전에 - 이 복사 섹션에서, 탄화수소 공급원료가 분해됨 -, 탄화수소 공급원료-희석제 혼합물을 제1 공급원료 예열 단계, 제2 공급원료 예열 단계, 및 제3 예열 단계로 처리하는 단계를 포함하고,
제1 공급원료 예열 단계는 제1 고온 코일을 사용하여 분해로 시스템의 뜨거운 플루 가스들에 의해 탄화수소 공급원료-희석제 혼합물을 예열하는 단계를 포함하고,
제2 공급원료-희석제 혼합물 예열 단계는 트랜스퍼 라인 교환기를 사용하여 분해로 시스템의 분해 가스의 폐열에 의해 공급원료-희석제 혼합물을 추가로 예열하는 단계 포함하고,
제3 공급원료-희석제 혼합물 예열 단계는 제2 고온 코일을 사용하여 분해로 시스템의 뜨거운 플루 가스들에 의해 공급원료를 추가로 예열하는 단계를 포함한다.
특히, 본 발명은 청구범위의 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 따른 분해로 시스템, 및 청구범위의 제10 항 내지 제22 항 중 어느 한 항에 따른 탄화수소 공급원료를 분해하는 방법에 관한 것이다.
기술분야에서, 대류 섹션들의 고온 코일들은 전형적으로 이미 주위 온도보다 높은 온도에서 코일로 진입하는 공급원료를 예열하도록 구성되고; 고온 코일로 진입하는 공급원료들은 이미 고온 코일의 업스트림에 있는 공급물 예열기에서 및/또는 공급원료를 희석제(예컨대, 증기)와 혼합함으로써 초기 예열 단계를 거쳤을 수 있다. 보다 상세하게 후술되는 바와 같이, 특히 고온 코일들은 물 이슬점보다 높은 고온 코일의 입구 측 온도를 갖는 공급원료(-희석제 혼합물)을 (추가로) 예열하도록 구성된다. 특히, 희석 증기를 사용할 때, 희석 증기-탄화수소 공급원료 혼합물의 물 이슬점은 일반적으로 초과되어야 한다. 일반적으로, 물 이슬점보다 높은 적어도 약 30 ℃의 제1 고온 코일의 입구 측 공급원료(-희석제 혼합물) 온도가 바람직하다. 전형적으로, 제1 고온 코일의 입구 측에서의 상기 온도는 물 이슬점보다 높은 30-70 ℃, 특히 물 이슬점보다 높은 35-65 ℃의 범위에서 선택되며; 물 이슬점보다 높은 40-60 ℃의 범위에 있는 온도, 예컨대, 물 이슬점보다 높은 약 50 ℃가 특히 바람직하다.
공급원료에 따라, 공급원료의 탄화수소 이슬점은 제1 고온 코일로 진입할 때 이미 초과될 수 있다. 그렇지 않은 경우, 공급원료-희석제 혼합물은 전형적으로 트랜스퍼 교환기에서, 분해 가스로부터의 폐열을 사용하여, 추가로 예열하는 단계 전에 상기 탄화수소 이슬점보다 높은 온도로 예열된다; 그런 다음, 전형적으로, 공급원료-희석제 혼합물(분해 전에 첨가될 전체 희석제의 일부를 포함함)은 제1 고온 코일 내부에서 증발되고, 대류 섹션 외부의 희석제(증기) 혼합 지점에서 완전한 증발을 위해 희석제의 나머지 - 특히, 과열된 희석 증기 -와 혼합되며; 따라서, 공급원료의 탄화수소 이슬점은 제2 공급원료-희석제 예열 단계로 진입하기 전, 즉, 트랜스퍼 라인 교환기로 진입하기 전에 초과된다. 심각한 오염을 방지하기 위해 공급원료가 이 장비로 진입하기 전에, 탄화수소 이슬점이 초과될 필요가 있다.
희석제의 적어도 일부는 제1 공급원료-희석제 혼합물 예열 단계 전 또는 그 입구(entrance), 즉, 제1 고온 코일에서 또는 그 전에 첨가된다. 따라서, 본 발명의 분해로 시스템은 제1 고온 코일의 업스트림에서 희석제 및 공급원료를 혼합하기 위한 프로비전(provision)을 포함한다. 희석제의 일부만이 제1 공급원료-희석제 예열 단계(제1 고온 코일에서의 예열)에서 또는 그 전에 첨가되면, 희석제의 나머지는 일반적으로 제2 공급원료-희석제 예열 단계(분해 가스로부터의 폐열을 사용한 트랜스퍼 라인 교환기에서의 예열) 전에 첨가된다. 따라서, 본 발명에 따른 분해 시스템은 분해 가스로부터의 폐열을 공급원료-희석제 혼합물로 전달하기 위해 아직 트랜스퍼 라인 교환기의 업스트림인 동시에 제1 고온 코일의 다운스트림에서 희석제와 공급원료를 혼합하기 위한 추가 프로비전을 포함할 수 있다.
또한, 공급원료에 따라, 다음 사항이 일반적으로 고려된다.
기체의 공급원료(에탄(ethane), 프로판(propane) 및 증발된 LPG)의 경우, 공급원료는 일반적으로 공급원료의 탄화수소 이슬점보다 높은 대류 섹션으로 이미 진입하고, 모든 희석제, 특히 희석 증기와 혼합될 때, 물 이슬점이 초과되는 것을 보장하는 온도이거나 또는 그 온도로 가열될 필요가 있다.
액체 또는 부분적으로 증발된 LPG 및 나프타(naphtha)와 같은 가벼운 액체의 공급원료의 경우, 공급원료는 일반적으로 제1 고온 코일에 앞서, 공급물 예열기에서 예열되어 부분적으로 기화된다. 탄화수소들의 최종 증발은 공급원료가 희석제, 특히 과열된 희석 증기와 혼합될 때 달성된다. 이 경우에도, 물 이슬점이 초과된다.
무거운 테일 엔드(tail end)를 갖는 가스 응축물(condensate) 및 가벼운 공급원료의 경우, 공급원료는 일반적으로 제1 고온 코일에 앞서, 공급-예열기에서 예열되어 부분적으로 증발된 다음, 희석제, 특히 과열된 희석 증기와 혼합되어, 물 이슬점이 초과된다. 그러나, 무거운 테일은 전형적으로 제1 고온 코일에서만 증발된다.
경유(gas oil)과 같은 무거운 공급원료의 경우, 공급원료는 일반적으로 먼저 예열된 다음, 희석제, 특히 과열된 희석 증기와 혼합되어, 제1 고온 코일로 진입하기 전에 물 이슬점을 초과한다. 이 제1 고온 코일에서, 공급원료는 증기 보조 부분 증발(steam assisted partial evaporation)을 거친다. 최종 증발은 전형적으로 제2 공급원료-희석제 예열 단계로 진입하기 전에, 희석제, 특히 과열된 희석 증기와 혼합함으로써 수행된다. 이 경우, (1차(primary)) 트랜스퍼 라인 교환기가 된다.
해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람은 공통의 일반적인 지식에 기반하여 이슬점들을 결정할 수 있을 것이다.
복사 섹션은 공급원료(-희석제 혼합물)를 공급원료의 열분해 반응을 허용하는 온도로 가열하도록 구성되는 적어도 하나의 복사 코일을 포함하는 화실을 포함한다. 냉각 섹션은 열 교환기로서 적어도 하나의 트랜스퍼 라인 교환기를 포함한다. 시스템은 공급원료(-희석제 혼합물)가 복사 섹션으로의 진입 전에 트랜스퍼 라인 교환기에 의해 예열되도록 구성된다. 본 발명에 따른 시스템 또는 방법에서 분해 생성물로부터의 폐열을 공급원료(-희석제) 혼합물로 전달하기 위한 트랜스퍼 라인 교환기는 일반적으로 분해 가스로부터 공급원료로의 직접적인 열 전달을 허용하도록 구성된다. 본 발명의 방식에서, 대류 섹션은 트랜스퍼 라인 교환기로부터의 공급원료 배출 후 및 복사 섹션으로의 진입 전에 공급원료(-희석제 혼합물)를 예열하도록 구성되는 제2 고온 코일을 포함한다. 복사 섹션으로의 진입 전에 공급원료(-희석제 혼합물)의 최종 예열이 이제 제2 고온 코일에 의해 수행될 수 있으므로, 트랜스퍼 라인 교환기의 저온 측 출구 온도는 비교적 낮게, 예컨대, 600 ℃를 초과하는 대신 대략 550 ℃ 주위에서) 유지되어, 고온 측 출구 온도가 더 높아질 수 있다. 그 결과, 대수 평균 온도 차이가 비교적 커지고, 이는 반응 평형의 동결을 가속화하고 생성물의 부산물로의 변환을 제한하여, 시스템의 수율 향상으로 이어질 수 있다. 동시에, 트랜스퍼 라인 교환기에 의한 냉각 섹션에서 공급원료(-희석제 혼합물)의 부분적인 예열 덕분에 노 시스템에 대한 감소된 에너지 공급의 장점이 유지될 수 있다.
제2 고온 코일은 바람직하게는 대류 섹션의 바닥부에 위치될 수 있다. 대류 섹션의 바닥 영역의 온도는 대류 영역의 상단 영역보다 높고, 필요한 듀티(duty)를 제공할 수 있을 만큼 충분히 높기 때문에, 이 위치는 공급원료의 예열에 비교적 높은 효율을 제공할 수 있다. 더욱이, 화실 효율이 변하는 경우, 예컨대, 복사 섹션을 떠나는 플루 가스의 온도 변동들 및/또는 플루 가스 유량의 변동들로 인해, 제2 고온 코일은 공급원료의 복사 코일 입구 온도에 대한 이러한 변동들의 영향을 완화할 수 있다. 이러한 플루 가스 온도 및/또는 플루 가스 유량 변동들은 예를 들어 바람이 많이 부는 조건들 또는 플루 가스 조성 및/또는 압력의 변동들로 인한 것일 수 있다. 플루 가스 온도의 증가로 인한 화실 효율의 감소는 복사 코일 입구 온도이기도 한 공급원료의 제2 고온 코일 출구 온도를 상승시킬 것이다. 공급원료의 복사 코일 입구 온도가 증가하는 경우, 실질적으로 일정한 복사 코일 출구 온도를 유지하기 위해, 착화(firing)가 감소될 필요가 있을 수 있다. 이러한 착화의 감소는 다시 화실 효율을 상승시켜 효율의 감소를 부분적으로 상쇄할 수 있다. 최적화된 복사 코일 입구 온도를 유지하는 것은 복사 듀티를 높이고 화실 효율을 낮추고 연료 소비를 증가시키는 반면, 더 높은 입구 온도는 대류 섹션 내부의 공급원료의 대류를 초래하고 내부 표면 대류 섹션 튜브들에 대한 코크스들(cokes)의 관련 침착을 초래할 수 있다. 이러한 코크스 침착은, 튜브 온도가 대류 섹션에서 코크스의 연소를 위해 너무 낮기 때문에, 복사 코일에서 코크스의 제거를 위한 일정 디코킹 주기 동안 제거될 수 없으며, 궁극적으로 대류 섹션에서 영향을 받는 튜브들을 절단하고 코크스의 기계적 제거를 위해 장기간의 비용이 많이 드는 노 정지(shut-down)가 필요하다.
또한, 제2 고온 코일은 트랜스퍼 라인 교환기의 저온 측 정체 영역들(stagnant areas) 내부의 코크스와 침전물들의 형성에 의한 조기 변환 및 관련 오염의 위험을 줄이는 장점을 제공한다. 이것은, 특히 저온 측의 트랜스퍼 라인 교환기 내부의 최대 작동 온도를 낮춤으로써, 달성된다.
제2 고온 코일의 트랜스퍼 라인 교환기 외부에서 최종 예열을 수행함으로써, 고온 코일에 정체 영역들이 없기 때문에, 이러한 조기 변환 및 관련 오염의 위험을 피할 수 있다.
유리하게는, 본 발명에 따른 시스템은 과열된 희석 증기를 제공하도록 구성되는, 희석 증기 과열기를 포함한다. 복수의 대류 뱅크들 중 적어도 하나가 고압 증기 또는 희석 증기를 개별적으로 과열시키도록 구성되는 고압 증기 과열기 또는 희석 증기 과열기인 경우, 제2 고온 코일은 바람직하게는 적어도 하나의 증기 과열기의 업스트림에서 대류 섹션의 바닥부에 위치될 수 있다. 이와 같이, 제2 고온 코일은 증기 과열기를 과열로부터 보호할 수 있다.
대류 섹션은 유리하게는 상기 탄화수소 공급원료를 희석제, 바람직하게는 희석 증기와 혼합하여, 공급원료-희석제 혼합물을 제공하도록 구성된다. 따라서, 유리하게는, 제1 고온 가열 코일은 공급원료-희석제 혼합물을 예열하도록 구성되고; 트랜스퍼 라인 교환기는 복사 섹션으로의 진입 전에, 공급원료-희석제 혼합물을 예열하도록 구성되며; 제2 고온 코일은 트랜스퍼 라인 교환기로부터의 공급원료-희석제 혼합물의 배출 후 및 복사 섹션으로의 진입 전에 공급원료-희석제 혼합물을 예열하도록 구성된다. 추가적으로, 본 발명에 따른 분해로의 대류 섹션은 일반적으로 대류 뱅크 내에 추가적 뱅크, 즉, 예열된 공급원료를 희석제의 적어도 일부와 혼합하도록 구성되는 분해로 내 프로비전의 업스트림에서 탄화수소 공급원료를 예열하도록 구성되는 공급물 예열기를 더 포함하며, 상이한 유형들의 공급원료에 대해 논의할 때 위를 참조한다.
희석제의 일부 또는 전부는 제1 고온 코일의 업스트림에서 탄화수소 공급원료와 혼합된다. 제1 고온 코일로의 진입 전에 희석제의 일부만이 공급원료와 혼합되는 경우, 나머지는 일반적으로 트랜스퍼 라인 교환기에 의한(분해 생성물로부터의 폐열을 사용함) 예열 단계 전에 첨가된다. 희석제는 바람직하게는 증기, 특히 과열된 증기일 수 있다. 대안적으로, 메탄이 증기 대신 희석제로 사용될 수 있다. 공급원료-희석제 혼합물은 일반적으로 대류 섹션에서 과열된다. 이는 공급원료-희석제 혼합물이 더 이상 방울들(droplets)을 포함하지 않는 것을 보장하기 위한 것이다. 과열의 양은, 희석제의 원치 않는 응축(제1 고온 코일, 트랜스퍼 라인 교환기 및 제2 고온 코일 중 임의의 것에서) 또는 공급원료 탄화수소들의 원치 않는 응축(혼합물의 제2 예열 단계를 위한 트랜스퍼 라인 교환기에서)을 방지하기 위해 충분한 마진(margin)을 두고 이슬점이 초과되도록 하기에 충분해야 한다. 동시에, 공급원료의 분해(decomposition) 및 대류 섹션에서뿐 아니라 더 높은 온도로 인해 코크스 형성의 위험이 여전히 더 높은 트랜스퍼 라인 교환기에서의 코크스 형성이 방지될 수 있다. 더욱이, 공급원료-희석제 혼합물 및 분해 가스 모두의 비열들(specific heats)이 매우 유사하기 때문에, 결과적인 열 흐름들도 열 교환기, 즉, 트랜스퍼 라인 교환기의 양쪽 벽들에서 유사하다. 이것은, 열 교환기가 교환기의 일 단부에서 다른 단부로의 교환기 전체에 걸쳐 고온 측과 저온 측 사이의 유체의 온도 차이가 거의 같은 상태에서 작동할 수 있음을 의미한다. 이것은 고온 측과 저온 측 사이의 이러한 온도 차이가 비교적 클 수 있다 하더라도, 기계적인 관점에서와 공정 관점에서 모두 유리하다. (1차) 트랜스퍼 라인 교환기의 고온 측과 저온 측 사이의 유체의 이러한 비교적 큰 온도 차이에 대처하기 위해, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람에게 알려진 바와 같이 팽창 벨로우즈(expansion bellow)가 트랜스퍼 라인 교환기에 연결될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 분해로 시스템 또는 본 발명에 따른 방법에서 사용되는 분해로 시스템은 일반적으로 크게 과열된 (1차) 트랜스퍼 라인 교환기로 진입하도록, 과열된 탄화수소 공급물-희석제 혼합물(전형적으로 탄화수소 공급물 및 희석 증기의 혼합물)을 공급하도록 구성되며, 이는 상기 트랜스퍼 라인 교환기에서 이슬점 부식(corrosion)을 방지하기 위한 것이다.
바람직하게는, 분해로 시스템은 포화된 고압 증기를 생성하도록 구성되는 증기 드럼(steam drum)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 보일러 물은 증기 드럼으로 공급될 수 있고, 분해로 시스템의 증기 드럼으로부터 적어도 하나의 트랜스퍼 라인 교환기로 흐를 수 있다. 트랜스퍼 라인 교환기의 내부에서 부분적으로 증발된 후, 증기와 물의 혼합물은 증기 드럼으로 다시 보내질 수 있고, 여기서, 증기는 남아 있는 액체의 물로부터 분리될 수 있다.
보다 바람직하게는, 분해로 시스템은 1차 트랜스퍼 라인 교환기로부터의 다운스트림으로 위치되고, 증기 드럼에 연결되며, 증기 드럼으로부터 나오는 보일러 물을 적어도 부분적으로 기화시키도록 구성되는 2차(secondary) 트랜스퍼 라인 교환기를 더 포함할 수 있으며, 한편, 1차 트랜스퍼 라인 교환기는 공급원료만 예열하도록 구성될 수 있다. 화실 효율 및 이로 인해 냉각 섹션에서 이용 가능한 열에 따라, 2차 트랜스퍼 라인 교환기는 복사 섹션으로부터의 분해 가스를 추가로 냉각하도록 메인(main) 또는 1차 트랜스퍼 라인 뒤에 직렬로 배치될 수 있다. 메인 트랜스퍼 라인 교환기는 복사 섹션으로의 진입 전에 공급원료를 예열하도록 구성되는 한편, 2차 트랜스퍼 라인 교환기는 보일러 물을 부분적으로 증발시키도록 구성될 수 있다. 시스템은 하나 이상의 2차 열 교환기들을 포함할 수 있지만, 메인 트랜스퍼 라인 교환기는 고압 포화된 증기를 생성하기 보다는, 항상 공급원료를 예열하도록 구성된다. 2차 트랜스퍼 라인 교환기는, 예컨대, 비교적 길어서, 추가 듀티를 제공하도록 구성되는 것이 바람직하다. 1차 트랜스퍼 라인 교환기로부터의 공급원료의 저온 측 출구 온도는 공급원료를 추가로 예열하도록 구성되는 제2 고온이 없는 시스템에서보다 낮기 때문에, 1차 트랜스퍼 라인 교환기로부터의 유출물의 고온 측 출구 온도는 기존의 시스템에서보다 높으며, 따라서, 2차 트랜스퍼 라인 교환기는 더 많은 듀티를 처리하고 2차 트랜스퍼 라인 교환기의 유사한 출구 온도에 도달하도록 기존의 시스템에서보다 더 많은 유출물을 냉각시킬 필요가 있을 수 있다.
대류 섹션은 바람직하게는 증기 섹션으로부터 나오는 고압 증기를 과열시키도록 구성되는 적어도 하나의 고압 증기 과열기를 포함할 수 있다. 추가적으로 및/또는 대안적으로, 보일러 물은 적어도 하나의 고압 증기 과열기 중 하나로 직접 공급될 수 있으며, 이것은 대류 섹션에서 고압 증기를 생성하도록 구성될 수 있다. 고압 증기 과열기는 과열될 수 있으므로, 증기 과열기로부터의 열을 멀리 전달할 수 있는 다른 유형의 대류 뱅크에 의해 보호되는 것이 바람직하다. 알려진 유형의 고효율 분해로에서는, 포화된 증기를 생성하도록 구성되는 보일러 코일이 대류 섹션의 바닥부에 위치되고, 고압 증기 과열기를 보호함과 동시에 플루 가스의 열로부터 고압 증기를 생산할 수 있었다. 그러나, 이것은 가열될 물과 냉각될 플루 가스 사이의 온도 차이가 비교적 크기 때문에, 에너지 전달 관점에서 최적의 선택이 아닐 수 있다. 본 발명의 경우, 고압 증기 과열기의 업스트림으로 배치되는 제2 고온 코일로 과열로부터 고압 증기 과열기를 보호함으로써, 시스템의 에너지 전달이 최적화될 수 있다.
화실은 바람직하게는, 화실 효율이 40 %를 초과, 바람직하게는 45 %를 초과, 더욱 바람직하게는 48 %를 초과하도록 구성될 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 화실 효율은 열분해에 의한 탄화수소 공급원료의 분해 가스로의 변환을 위해 적어도 하나의 복사 코일에 의해 흡수되는 열과 연소 프로세스에 의해 방출되는 열 사이의 비율이다. 냉각 섹션의 트랜스퍼 라인 교환기에 의한 복사 섹션으로의 진입 전에 공급원료 예열이 없는 기존의 통상적인 분해로들의 정상적인 화실 효율은 약 40 %에 있다. 이를 초과하면, 플루 가스에 열이 충분하지 않으므로, 공급원료가 최적의 온도까지 가열될 수 없다: 화실 효율을 약 40 %에서 대략 48 %로 높이는 것은 대류 섹션에서 이용 가능한 열의 비율을 약 40-55 %에서 대략 42-47 %로 감소시킬 것이다. 기존의 시스템들에 비해, 본 발명에 따른 시스템은 대류 섹션에서 감소된 열의 이용 가능성에 대처할 수 있다. 약 40 %에서 대략 48 %로 대략 50 %로 화실 효율을 높임으로써, 대략 20 %의 연료가 절약될 수 있다. 화실 효율은, 다양한 방식들, 예컨대, 화실의 단열 화염 온도(adiabatic flame temperature)를 높이는 것 및/또는 적어도 하나의 복사 코일의 열 전달 계수를 증가시키는 것에 의해, 상승될 수 있다. 단열 화염 온도를 높이지 않고 화실 효율을 높이는 것은 후술될 화실 효율을 높이는 다른 방식들인, 산소-연료 연소 또는 예열된 공기 연소의 경우처럼, NOx 배출이 실질적으로 증가하지 않는 이점을 갖는다. 화실은 예를 들어, 착화가 화실의 고온 측, 즉, 하부 착화 노의 경우 화실의 바닥 근처 영역, 또는 상부 착화 노의 경우 화실의 상단 근처 영역으로 제한되도록 구성될 수 있다. 화실은 바람직하게는 충분한 열 전달 면적을 가지며, 보다 구체적으로, 공급원료를 적어도 하나의 복사 코일의 열 전달 표면적은 적어도 하나의 복사 코일의 내부의 공급원료의 필요한 변환 수준으로 변환하는 데 필요한 열을 전달하기에 충분히 높은 한편, 플루 가스를 화실 출구 또는 대류 섹션 입구의 온도로 냉각시킨다, 즉, 40 %를 초과, 바람직하게는 45 %를 초과, 더 바람직하게는 48 %를 초과하는 화실 효율을 얻을 수 있을 만큼 충분히 낮다. 화실의 적어도 하나의 복사 코일은 바람직하게는 EP1611386, EP2004320 또는 EP2328851에 개시된 바와 같은 소용돌이 흐름 튜브(swirl flow tube) 또는 UK 1611573.5에 기술된 바와 같은 와인딩 환형 복사 튜브(winding annulus radiant tube)와 같은 고효율 복사 튜브를 포함한다. 더 바람직하게는, 상기 적어도 하나의 복사 코일은 US2008142411에 개시된 바와 같은 3-레인 레이아웃(three-lane lay-out)과 같은 개선된 복사 코일 레이아웃을 갖는다.
본 발명에 따른 분해 방법과 관련하여, 적합하고 바람직한 조건들/단계들이 상기 설명을 기반으로 할 수 있다. 특히 바람직한 실시예에서, 공급원료-희석제 혼합물은 제1 고온 코일에서 예열되고, 제1 고온 코일을 떠나서 제2 공급원료-희석제 예열 단계로 진입하는 공급원료-희석제 혼합물(트랜스퍼 라인 교환기에서, 분해 가스로부터의 폐열이 전달됨)은 공급원료의 탄화수소 이슬점을 초과하는 온도를 갖는다.
특히 바람직한 실시예에서, 탄화수소 공급원료-희석제 혼합물은 대류 섹션에서 과열된다. 여기서, 공급원료와 가장 바람직하게 혼합되는 희석제는 과열된 증기이다. 본질적으로, 공급원료-희석제 혼합물의 제1 예열 단계 전에, 희석제의 전부가 공급원료와 혼합될 수 있다; 그러나, 제1 예열 단계 전에 희석제의 일부를 공급원료와 혼합하고 나머지를 그 후에 혼합하는 것도 가능하다. 상기 제1 예열 단계 후에, 트랜스퍼 라인 교환기를 사용하여 분해로 시스템의 분해 가스의 폐열에 의해 공급원료-희석제 혼합물을 추가로 예열하도록 공급원료-희석제 혼합물을 처리하기 전에, 추가 희석 증기가 공급원료-희석제 혼합물에 첨가된다.
또한, 공급원료를 희석제와 혼합하기 전에, 공급원료가 이미 예열 단계로 처리되는 것이 특히 바람직하다.
본 발명은 예시적인 실시예들에 대한 도면을 참조하여 더 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 바람직한 제1 실시예의 분해로 시스템에 대한 개략도를 도시한다;
도 2는 본 발명에 따른 제2 실시예의 분해로 시스템에 대한 개략도를 도시한다;
도 3은 본 발명에 따른 제3 실시예의 분해로 시스템에 대한 개략도를 도시한다;
도 4는 본 발명에 따른 제4 실시예의 분해로 시스템에 대한 개략도를 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 바람직한 제1 실시예의 분해로 시스템에 대한 개략도를 도시한다;
도 2는 본 발명에 따른 제2 실시예의 분해로 시스템에 대한 개략도를 도시한다;
도 3은 본 발명에 따른 제3 실시예의 분해로 시스템에 대한 개략도를 도시한다;
도 4는 본 발명에 따른 제4 실시예의 분해로 시스템에 대한 개략도를 도시한다.
도면은 본 발명의 실시예들을 개략적으로 나타내기 위해 제공됨에 유의한다. 대응하는 요소들은 대응하는 참조 부호들로 지정된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 분해로 시스템(40)에 대한 개략도를 도시한다. 분해로 시스템(40)은 복수의 대류 뱅크들(21)을 포함하는 대류 섹션을 포함한다. 탄화수소 공급원료(1)는 공급물 예열기(22)로 진입할 수 있으며, 이는 분해로 시스템(40)의 대류 섹션(20)의 복수의 대류 뱅크들(21) 중 하나일 수 있다. 이 탄화수소 공급원료(1)는 임의의 종류의 탄화수소, 바람직하게는 본질적으로 파라핀계(paraffinic) 또는 나프텐계(naphtenic)일 수 있지만, 소량의 방향족류(aromatics) 및 올레핀류(olefins)도 존재할 수 있다. 이러한 공급원료의 예들로는, 에탄(ethane), 프로판(propane), 부탄(butane), 천연 가솔린(natural gasoline), 나프타(naphtha), 등유(kerosene), 천연 응축물, 경유, 진공 경유, 수소-처리 또는 탈황 또는 수소-탈황된 (진공) 경유들 또는 이들의 조합들이 있다. 공급원료의 상태에 따라, 공급물은 희석 증기(2)와 같은 희석제와 혼합되기 전에 예열기에서 예열 및/또는 부분적으로 또는 완전히 증발된다. 희석 증기(2)는 직접적으로 주입되거나, 대안적으로, 이 바람직한 실시예에서와 같이, 희석 증기(2)는 공급원료(1)와 혼합되기 전에 희석 증기 과열기(24)에서 먼저 과열될 수 있다. 예를 들어, 더 무거운 공급원료의 경우, 단일 증기 주입 지점 또는 다수의 증기 주입 지점들이 있을 수 있다. 혼합된 공급원료/희석 증기 혼합물(13)은 제1 고온 코일(23)에서 추가로 가열된 다음, 1차 트랜스퍼 라인 교환기(35)에서 추가로 가열된다. 트랜스퍼 라인 교환기(35)로부터의 혼합된 공급원료/희석 증기 혼합물(13)의 배출 후 및 복사 섹션(10)으로의 진입 전에, 공급원료 또는 혼합물은, 본 발명에 따라, 복사 코일(110로의 도입을 위한 최적의 온도에 도달하기 위해 대류 섹션(20)의 제2 고온 코일(26)에 의해 추가로 예열된다. 복사 코일은 예를 들어 앞서 언급된 유형들 중 하나이거나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람에게 알려진 바와 같은 합리적인 런 길이(run length)를 유지하는 임의의 다른 유형일 수 있다. 복사 코일(11)에서 탄화수소 공급원료는 탄화수소 공급원료가 생성물들 및 부산물들로 변환되도록 열분해 반응이 시작하는 지점까지 빠르게 가열된다. 이러한 생성물들은 특히 수소(hydrogen), 에틸렌(ethylene), 프로필렌(propylene), 부타디엔(butadiene), 벤젠(benzene), 톨루엔(toluene), 스티렌(styrene) 및/또는 크실렌(xylenes)이다. 부산물들은 특히 메탄, 방향족 및 연료 오일이다. "분해 가스"로 지칭되는 반응기 유출물인, 희석 증기와 같은 희석제, 변환되지 않은 공급원료 및 변환된 공급원료의 생성 혼합물은 트랜스퍼 라인 교환기(35)에서 빠르게 냉각되어, 생성물들에 유리하게 반응들의 평형을 동결시킨다. 분해 가스(8)의 폐열은 먼저 공급원료 또는 공급원료-희석제 혼합물(13)을 복사 섹션(10)으로의 진입 전에 제2 고온 코일(26)에서 추가 예열을 위해 대류 섹션으로 다시 보내지기 전에 가열함으로써 트랜스퍼 라인 교환기(35)에서 먼저 회수된다. 그런 다음, 분해 가스(8)의 임의의 추가 초과 폐열은 적어도 추가적 트랜스퍼 라인 교환기, 즉, 1차 트랜스퍼 라인 교환기(35)로부터의 다운스트림으로 위치되고, 보일러 물(9a)을 적어도 부분적으로 기화시킴으로써 보일러 물(9a)로부터 포화된 고압 증기를 생성하도록 구성되는 2차 트랜스퍼 라인 교환기(36)에서 추가로 회수될 수 있다. 시스템은 포화된 고압 증기(4)를 생성하도록 구성되는 증기 드럼(33)을 포함할 수 있다. 보일러 공급 물(3)은 증기 드럼(33)으로 공급될 수 있다. 그런 다음, 보일러 물(9a)은 2차 트랜스퍼 라인 교환기(36)로 공급될 수 있으며, 여기서, 부분적으로 기화될 수 있다. 다음으로, 적어도 부분적으로 기화된 보일러 물(9b)은 자연 순환에 의해 증기 드럼으로 다시 흐를 수 있다. 이 후, 증기 드럼(33)에서, 생성된 포화된 증기는 보일러 물로부터 분리되어, 적어도 하나의 고압 증기 과열기(25), 예컨대, 대류 섹션(20)의 제1 및 제2 과열기(25)에 의해 과열되도록 대류 섹션(20)으로 보내질 수 있다. 상기 적어도 하나의 과열기(25)는 바람직하게는 희석 증기 과열기(24)의 업스트림으로 위치될 수 있으며, 바람직하게는 제2 고온 코일의 다운스트림으로 위치될 수 있다. 고압 증기 온도를 제어하기 위해, 추가적 보일러 공급 물(3)이 제1 및 제2 과열기(25) 사이에 위치되는 과열제지기(de-super heater)(34)로 주입될 수 있다.
고흡열 열분해 반응을 위한 반응의 열은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람에게 알려진 많은 상이한 방식들로, 화실이라고도 지칭되는, 복사 섹션(10)에서의 연료(가스)(5)의 연소에 의해 공급될 수 있다. 연소 공기(6)는 예를 들어 노 화실의 버너들(burners)(12)로 직접적으로 도입될 수 있으며, 버너들(12)에서, 연료 가스(5) 및 연소 공기(6)가 열분해 반응을 위한 열을 제공하도록 착화된다. 대안적으로, 연소 공기(6)는, 예컨대, 강제 통풍 팬(forced draft fan)에 의해, 공기 예열기(27)로 도입될 수 있다. 연소 공기를 예열하는 것은 단열 화염 온도를 상승시키고, 화실을 보다 효율적으로 만들 수 있다. 노 화실의 연소 존들(14)에서, 연료(5) 및 (예열된) 연소 공기는 물 및 CO2, 소위 플루 가스와 같은 연소 생성물들로 변환된다. 플루 가스(7)로부터의 폐열은 다양한 유형들의 대류 뱅크들(21)을 사용하여 대류 섹션(20)에서 회수된다. 열의 일부는 프로세스 측면, 즉, 탄화 수소 공부원료 및/또는 공급원료-희석제 혼합물의 예열 및/또는 증발 및/또는 과열을 위해 사용되며, 열의 나머지는 상술된 바와 같은 고압 증기의 생성 및 과열과 같은 비-프로세스 측면을 위해 사용된다. 노 화실(10)에서의 연소는 하부 버너들(12) 및/또는 측벽 버너들에 의하여, 및/또는 상부 착화 노의 루프 버너들 및/또는 측벽 버너들에 의하여, 수행될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같은 예시적인 실시예의 노에서, 착화는 하부 버너들(12)만을 사용함으로써 화실의 하부로 제한된다. 이는 화실 효율을 상승시킬 수 있으며, 기존 방식에 비해 대략 20 %까지 연료 가스 소비량을 획기적으로 줄일 수 있다. 예를 들어, 하부 착화의 경우 하부 버너들(도시된 바와 같음) 또는 바닥에 가깝게 배치되는 여러 줄들의 측벽 버너들만을 사용하여, 또는 상부 착화의 경우 루프 버너들 또는 루프에 매우 가깝게 배치되는 여러 줄들의 측벽 버너들만을 사용하여, 높은 화실 효율이 달성될 수 있다. 화실을 더 크게 만들거나 더 효율적인 복사 코일들을 배치하는 것은 이 목표에 도달하기 위한 다른 예들이다. 이 경우 열 분포가 복사 코일의 일부에 집중되기 때문에, 국부 열 유속(local heat flux)이 증가되어, 런 길이가 감소된다. 이 효과를 상쇄하기 위해, 예컨대, 소용돌이 흐름 튜브 유형들 또는 와인딩 환형 복사 튜브 유형들과 같은 열 전달 향상 복사 코일 튜브들의 적용이
적절한 런 길이를 유지하기 위해 복사 코일에 필요할 수 있다. 3 레인 코일 설계와 같은 더 나은 성능을 얻기 위한 다른 수단이 별도로 또는 다른 수단과 조합하여, 런 길이를 증가시키는 데 사용될 수도 있다. 도 1의 실시예는 플루 가스 팬이라고도 지칭되는 유도 통풍 팬(induced draft fan)(30), 및 대류 섹션(20)으로부터 플루 가스를 배출하기 위해 대류 섹션의 다운스트림 단부에 위치되는 스택(stack)(31)을 더 도시하고 있다.
본 발명의 새로운 어레인지먼트에 따르면, 최적화된 복사 코일 입구 온도가 유지되면서, 1차 트랜스퍼 라인 교환기에서의 대수 평균 온도 차이가 확대될 수 있으며, 이는 반응 평형의 동결을 가속화하고, 생성물의 부산물로의 변환을 제한할 수 있으며, 시스템의 수율 향상으로 이어질 수 있다. 일 예로, 공급원료는 약 350 ℃의 저온 측 입구 온도에서 트랜스퍼 라인 교환기(35)로 진입할 수 있고, 이전의 대략 610 ℃ 대신에 약 555 ℃의 저온 측 출구 온도로 예열될 수 있는 반면, 동시에, 유출물은 대략 810 ℃의 고온 측 입구 온도로 트랜스퍼 라인 교환기(35)로 진입할 수 있고, 기존의 설계에서의 대략 575 ℃ 대신에 약 630 ℃의 고온 측 출구 온도로 냉각될 수 있다. 그 결과, 대수 평균 온도 차이가 213 ℃에서 267 ℃로 증가했고, 이는 1차 트랜스퍼 라인 교환기에서의 대수 평균 온도 차이에서 25 %의 증가에 대응하여, 대략 0.1 %에서 2.0 %를 초과하거나 그 미만의 팩터(factor)로 시스템의 수율이 향상되며, 이는 에틸렌, 프로필렌, 또는 부타디엔과 같은 생성물들의 대규모 생산 능력에 중요할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 공급원료의 더 낮은 입구 온도는 복사 듀티를 높이고 화실 효율을 낮추며 연료 소비를 증가시키는 반면, 더 높은 입구 온도는 대류 섹션 내부의 공급원료의 변환 및 내부 표면 대류 섹션 표면들에 대한 코크스들의 관련 침착을 초래할 것이므로, 최적화된 복사 코일 입구 온도를 유지하는 것이 중요하다.
대류 섹션의 제1 고온 코일, 냉각 섹션의 트랜스퍼 라인 교환기 및 대류 섹션의 제2 고온 코일에 의한 탄화수소 공급원료의 3-단계 예열에 대한 발명은 대안적인 분해로 시스템들 및 그의 탄화수소 공급원료를 분해하기 위한 방법들에도 유리하게 적용될 수 있다. 도 2는 본 발명에 따른 제2 실시예의 분해로 시스템에 대한 개략도를 도시한다. 이 실시예에서, 노 화실(10)에서의 열분해 반응을 위한 열은 버너들(12)에서 착화되는 연료 가스(5), 연소 공기(6) 및 질소 고갈된 연소 산소(51)에 의해 제공된다. 연소 존(14)의 산소 도입은 도 1에 제시된 방식에 대한 대안적인 방법으로, 단열 화염 온도를 상승시킬 수도 있다.
도 3은 본 발명에 따른 제3 실시예의 분해로 시스템에 대한 개략도를 도시한다. 이 실시예에서, 노 화실(10)에서의 열분해 반응을 위한 열은 외부에서 재순환하는 플루 가스(52)의 존재 하에 버너들(12)에서 착화되는 연료(가스)(5), 연소 공기(6) 및 질소 고갈된 연소 산소(51)에 의해 제공된다. 연소 산소(51)는 이젝터(ejector)(55)를 사용하여 버너들(12)에 대한 공통 라인에서 버너들(12)의 업스트림으로 재순환되는 플루 가스(52)와 혼합될 수 있다. 재순환되는 플루 가스(52)를 얻기 위해, 대류 섹션(20)을 나가는 플루 가스가, 예컨대, 플루 가스 스플리터(54)에 의해 생성된 플루 가스(7)와 외부 재순환을 위한 플루 가스(52)로 분할될 수 있다. 생성된 플루 가스(7)는 유도 통풍 팬(30)을 사용하여 스택(31)을 통해 배기될 수 있다. 동일한 팬(30)은 플루 가스를 버너들(12)로 외부로 재순환시키도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 팬(30)은 다운스트림 시스템, 예컨대, 스택(31) 또는 플루 가스 재순환 회로(52)의 압력 강하 차이와 같은 파라미터들에 따라, 두 개 이상의 팬들로 구현될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 제4 실시예의 분해로 시스템애 대한 개략도를 도시한다. 이 실시예에서, 노 화실(10)에서의 열분해 반응을 위한 열은 외부에서 재순환하는 플루 가스(52)의 존재 하에 버너들(12)에서 착화되는 연료(가스)(5) 및 질소 고갈된 연소 산소(51)에 의해 제공된다. 이 방식은, 모든 연소 공기(6)가 연소 산소(51)에 의해 대체된다는 점을 제외하고는, 도 3에 제시된 것과 실질적으로 동일하다. 이것은 연소 산소(51)를 가장 많이 소비하지만, 스택을 나가는 플루 가스의 양은 가장 적은 방식이다. 이 플루 가스는 CO2가 매우 풍부하여 탄소 포집에 이상적이며, NOx 배출량은 대류 섹션의 공기 누출과 관련된 질소를 제외하고는 질소가 없기 때문에 가장 낮다. 이 방식은 가장 환경 친화적이다.
본 발명으로 이어지는 작업은 그랜트 어그리먼트(grant agreement) n°723706에 따라 유럽 연합 호라이즌 H2020 프로그램(Horizon H2020 Programme)(H2020-SPIRE-04-2016)으로부터 자금지원을 받았다.
명료함과 간결한 설명을 위해, 특징들은 동일하거나 개별 실시예들의 일부로서 여기에 설명되지만, 본 발명의 범위는 설명된 특징들의 전부 또는 일부의 조합들을 갖는 실시예들을 포함할 수 있음이 이해될 것이다. 도시된 실시예들은 상이한 것으로 설명되는 것을 제외하고는, 동일하거나 유사한 구성 요소들을 갖는다는 것이 이해될 것이다.
청구범위에서, 괄호 사이에 있는 참조 부호들은 청구범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 단어 '포함하는'은 청구범위에 나열된 것 이외의 다른 특징들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다. 또한, 단어들 '일' 및 '하나'는 '단 하나'로 한정되는 것으로 해석되어서는 안되고, 대신 '적어도 하나'를 의미하도록 사용되며, 복수를 배제하지 않는다. 특정 정도들(measures)이 서로 다른 청구항들에 인용된다는 단순한 사실이 이러한 정도들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지는 않는다. 많은 변형들이 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람에게 명백할 것이다. 모든 변형들은 다음의 청구범위에 정의되는 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 이해된다.
1.
탄화수소 공급원료(hydrocarbon feedstock)
2. 희석 증기(dilution steam)
3. 보일러 공급 물(boiler feed water)
4. 고압 증기(high pressure steam)
5. 연료 가스(fuel gas)
6. 연소 공기(combustion air)
7. 플루 가스(flue gas)
8. 분해 가스(cracked gas)
9a. 보일러 물(boiler water)
9b. 부분적으로 기화된 보일러 물(partly vaporized boiler water)
10. 복사 섹션(radiant section) / 노 화실(furnace firebox)
11. 복사 코일(radiant coil)
12. 하부 버너(bottom burner)
13. 공급원료/희석 증기 혼합물(feedstock/dilution steam mixture)
14. 연소 존(combustion zone)
20. 대류 섹션(convection section)
21. 대류 뱅크(convection bank)
22. 공급물 예열기(feed preheater)
23. 제1 고온 코일(first high temperature coil)
24. 희석 증기 과열기(dilution steam super heater)
25. 고압 증기 과열기(high pressure steam super heater)
26. 제2 고온 코일(second high temperature coil)
27. 공기 예열기(air preheater)
30. 유도 통풍 팬(induced draft fan)
31. 스택(stack)
33. 증기 드럼(steam drum)
34. 과열제지기(de-super heater)
35. 1차 트랜스퍼 라인 교환기(primary transfer line exchanger)
36. 2차 트랜스퍼 라인 교환기(secondary transfer line exchanger)
37. 강제 통풍 팬(forced draft fan)
40. 분해로 시스템(cracking furnace system)
50. 예열된 연소 공기(Preheated combustion air)
51. 산소(oxygen)
52. 외부로 재순환되는 플루 가스(externally recycled flue gas)
54. 플루 가스 스플리터(flue gas splitter)
55. 플루 가스 이젝터(flue gas ejector)
2. 희석 증기(dilution steam)
3. 보일러 공급 물(boiler feed water)
4. 고압 증기(high pressure steam)
5. 연료 가스(fuel gas)
6. 연소 공기(combustion air)
7. 플루 가스(flue gas)
8. 분해 가스(cracked gas)
9a. 보일러 물(boiler water)
9b. 부분적으로 기화된 보일러 물(partly vaporized boiler water)
10. 복사 섹션(radiant section) / 노 화실(furnace firebox)
11. 복사 코일(radiant coil)
12. 하부 버너(bottom burner)
13. 공급원료/희석 증기 혼합물(feedstock/dilution steam mixture)
14. 연소 존(combustion zone)
20. 대류 섹션(convection section)
21. 대류 뱅크(convection bank)
22. 공급물 예열기(feed preheater)
23. 제1 고온 코일(first high temperature coil)
24. 희석 증기 과열기(dilution steam super heater)
25. 고압 증기 과열기(high pressure steam super heater)
26. 제2 고온 코일(second high temperature coil)
27. 공기 예열기(air preheater)
30. 유도 통풍 팬(induced draft fan)
31. 스택(stack)
33. 증기 드럼(steam drum)
34. 과열제지기(de-super heater)
35. 1차 트랜스퍼 라인 교환기(primary transfer line exchanger)
36. 2차 트랜스퍼 라인 교환기(secondary transfer line exchanger)
37. 강제 통풍 팬(forced draft fan)
40. 분해로 시스템(cracking furnace system)
50. 예열된 연소 공기(Preheated combustion air)
51. 산소(oxygen)
52. 외부로 재순환되는 플루 가스(externally recycled flue gas)
54. 플루 가스 스플리터(flue gas splitter)
55. 플루 가스 이젝터(flue gas ejector)
Claims (22)
- 대류 섹션, 복사 섹션 및 냉각 섹션을 포함하는 탄화수소 공급원료(hydrocarbon feedstock)를 분해 가스(cracked gas)로 변환하기 위한 분해로 시스템(cracking furnace system)에 있어서,
상기 대류 섹션은 탄화수소 공급원료-희석제(diluent) 혼합물을 수용하여 예열하도록 구성되는, 제1 고온 코일을 포함하는, 복수의 대류 뱅크들(convection banks)을 포함하고,
상기 복사 섹션은 상기 공급원료를 열분해 반응을 허용하는 온도로 가열하도록 구성되는 적어도 하나의 복사 코일을 포함하는 화실(firebox)을 포함하고,
상기 냉각 섹션은 적어도 하나의 트랜스퍼 라인 교환기(transfer line exchanger)를 포함하고,
상기 대류 섹션은 상기 제1 고온 코일의 업스트림으로, 상기 탄화수소 공급원료-희석제 혼합물을 제공하기 위해, 상기 탄화수소 공급원료를 상기 희석제와 혼합하도록 구성되고,
상기 시스템은 상기 복사 섹션으로의 진입 전에 상기 트랜스퍼 라인 교환기에 의해 상기 제1 고온 코일로부터의 공급원료 배출 후의 상기 공급원료-희석제 혼합물을 추가로 예열하도록 구성되고,
상기 대류 섹션은 상기 트랜스퍼 라인 교환기로부터의 공급원료 배출 후 및 상기 복사 섹션으로의 진입 전에 공급원료를 추가로 예열하도록 구성되는 제2 고온 코일을 포함하는,
분해로 시스템.
- 제1 항에 있어서,
상기 제2 고온 코일은 상기 대류 섹션의 바닥부에 위치되는,
분해로 시스템.
- 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 분해로 시스템은,
상기 제1 고온 코일의 업스트림으로, 상기 공급원료를 희석제 증기(steam), 바람직하게는 과열된 희석제 증기와 혼합하도록 구성되는 프로비전(provision), 및
선택적으로, 추가적 희석제 증기, 바람직하게는 과열된 희석제 증기를 상기 탄화수소 공급원료-희석제 증기 혼합물에 첨가하도록 구성되는 추가 프로비전 - 이 프로비전은 상기 추가적 희석제 증기를 상기 제1 고온 코일로부터의 탄화수소 공급물-희석제 증기 혼합물을 위한 출구와 상기 트랜스퍼 라인 교환기로의 탄화수소 공급물-희석제 증기 혼합물을 위한 입구 사이의 상기 탄화수소 공급원료-희석제 증기 혼합물로 도입하도록 구성됨 -
을 포함하는,
분해로 시스템.
- 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
포화된(saturated) 고압 증기를 생성하도록 구성되는 증기 드럼(steam drum)
을 더 포함하는,
분해로 시스템.
- 제4 항에 있어서,
1차(primary) 트랜스퍼 라인 교환기로부터의 다운스트림으로 위치되고, 상기 증기 드럼에 연결되며, 상기 증기 드럼으로부터 나오는 보일러 물(boiler water)을 적어도 부분적으로 기화시키도록 구성되는 2차(secondary) 트랜스퍼 라인 교환기
를 더 포함하는,
분해로 시스템.
- 제3 항, 제4 항 또는 제5 항에 있어서,
상기 대류 섹션은 상기 증기 드럼으로부터 나오는 고압 증기를 과열시키도록 구성되는 적어도 하나의 고압 증기 과열기를 포함하는,
분해로 시스템.
- 제3 항, 제4 항, 제5 항 또는 제6 항에 있어서,
상기 대류 섹션은 상기 공급원료 또는 상기 공급원료-희석제 혼합물에 첨가할 희석 증기를 과열시키도록 구성되는 적어도 하나의 희석 증기 과열기를 포함하는,
분해로 시스템.
- 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 대류 뱅크들은 프로비전 전에 상기 탄화수소 공급원료를 예열하도록 구성되는 공급물 예열기를 더 포함하고, 이 프로비전은 상기 예열된 공급원료를 상기 희석제의 일부 또는 전부와 혼합하도록 구성되고, 상기 공급물 예열기와 상기 제1 고온 코일의 사이에 놓이는,
분해로 시스템.
- 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 대류 뱅크들은 추가 희석제를 상기 공급원료-희석제 혼합물에 혼합하도록 구성되는 추가 프로비전을 포함하고, 이 추가 프로비전은 상기 제1 고온 코일의 다운스트림 및 상기 트랜스퍼 라인 교환기의 업스트림으로 위치되는,
분해로 시스템.
- 분해로 시스템, 예컨대, 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 따른 분해로 시스템 내에서 탄화수소 공급원료를 분해하기 위한 방법에 있어서,
상기 방법은,
상기 탄화수소 공급원료를 희석제와 혼합하여, 탄화수소 공급원료-희석제 혼합물을 제공하는 단계, 및
상기 탄화수소 공급원료-희석제 혼합물의 상기 분해로 시스템의 복사 섹션으로의 진입 전에 - 이 복사 섹션에서, 상기 탄화수소 공급원료가 분해됨 -, 상기 탄화수소 공급원료-희석제 혼합물을 제1 공급원료 예열 단계, 제2 공급원료 예열 단계, 및 제3 예열 단계로 처리하는 단계
를 포함하고,
상기 제1 공급원료 예열 단계는 제1 고온 코일을 사용하여 분해로 시스템의 뜨거운 플루 가스들(flue gasses)에 의해 탄화수소 공급원료-희석제 혼합물을 예열하는 단계를 포함하고,
상기 제2 공급원료-희석제 혼합물 예열 단계는 트랜스퍼 라인 교환기를 사용하여 상기 분해로 시스템의 분해 가스의 폐열(waste heat)에 의해 상기 공급원료-희석제 혼합물을 추가로 예열하는 단계를 포함하고,
상기 제3 공급원료-희석제 혼합물 예열 단계는 제2 고온 코일을 사용하여 상기 분해로 시스템의 뜨거운 플루 가스들에 의해 상기 공급원료를 추가로 예열하는 단계를 포함하는,
방법.
- 제10 항에 있어서,
상기 탄화수소 공급원료는 상기 제1 예열 단계에서 예열될 상기 공급원료-희석제 혼합물을 제공하기 위해, 희석 증기, 바람직하게는 과열된 희석 증기와 혼합되는,
방법.
- 제11 항에 있어서,
상기 제1 예열 단계 후에, 트랜스퍼 라인 교환기를 사용하여 상기 분해로 시스템의 분해 가스의 폐열에 의해 상기 공급원료-희석제 혼합물을 추가로 예열하기 위해 상기 공급원료-희석제 혼합물을 처리하기 전에, 추가 희석 증기가 상기 공급원료-희석제 혼합물에 첨가되는,
방법.
- 제10 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
고압 증기는 상기 트랜스퍼 라인 교환기의 다운스트림으로 위치되는 2차 트랜스퍼 라인 교환기를 사용하여, 상기 분해로 시스템의 분해 가스의 폐열에 의해 생성되는,
방법.
- 제10 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탄화수소 공급원료-희석제 혼합물은 상기 대류 섹션에서 과열되는,
방법.
- 제10 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공급원료는 상기 공급원료를 희석제와 혼합하기 전에 예열되도록 처리되는,
방법.
- 제15 항에 있어서,
상기 공급원료가 상기 희석제와 혼합하기 전에 예열되어, 희석제와 혼합 시, 상기 제1 고온 코일로 공급될 공급원료-희석제 혼합물이 물 이슬점을 초과하는 온도를 가지고 획득되는,
방법.
- 제10 항 내지 제16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공급원료-희석제 혼합물은 상기 물 이슬점보다 높은 온도에서 상기 제1 고온 코일로 진입하는,
방법.
- 제17 항에 있어서,
상기 공급원료-희석제 혼합물은 상기 물 이슬점보다 높은 30-70 ℃, 예컨대, 상기 물 이슬점보다 높은 약 50 ℃의 온도에서 상기 제1 고온 코일로 진입하는,
방법.
- 제10 항 내지 제18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공급원료-희석제 혼합물은 상기 제1 고온 코일에서 예열되고,
상기 공급원료-희석제 혼합물은 상기 제2 공급원료-희석제 예열 단계의 시작 시 상기 공급원료의 탄화수소 이슬점을 초과하는 온도를 이미 갖는,
방법.
- 제10 항 내지 제19 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은,
포화된 고압 증기를 생성하도록 구성되는 증기 드럼을 더 포함하는 분해로 시스템에서 수행되고,
상기 시스템은, 바람직하게는,
1차 트랜스퍼 라인 교환기로부터의 다운스트림에 위치되고, 상기 증기 드럼에 연결되며, 상기 증기 드럼으로부터 나오는 보일러 물을 적어도 부분적으로 기화시키도록 구성되는 2차 트랜스퍼 라인 교환기를 더 포함하는,
방법.
- 제20 항에 있어서,
상기 대류 섹션은 상기 증기 드럼으로부터 나오는 고압 증기를 과열시키도록 구성되는 적어도 하나의 고압 증기 과열기를 포함하는,
방법.
- 제10 항 내지 제21 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 대류 섹션은 상기 공급원료 또는 상기 공급원료-희석제 혼합물에 첨가할 희석 증기를 과열시키도록 구성되는 적어도 하나의 희석 증기 과열기를 포함하는,
방법.
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