(57)【要約】  特にオレフィンの製造における炭化水素をクラッキングするための熱分解ヒータは火室内のバーナ装置を包含し、このバーナ装置は壁に隣接して火室内を上向きに燃焼をする複数の段階燃焼式低ＮＯＸ火床バーナを包含する。複数の壁安定用燃料ガスチップが、火床バーナより上方の高さ位置に設けられて、燃料を壁と火床バーナからの火炎との間に上向きに噴射する。これは、火炎が処理コイルに向かって転回して処理コイルを過熱するのを防止する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
オレフィンの製造における炭化水素の熱分解用の熱分解ヒータであって、
ａ．底部の火床と、両側の向かい合う壁とを有する放射加熱区域と、
ｂ．この放射加熱区域内で前記両側の向かい合う壁間に設けられ、前記炭化水素を処理するための少なくともひとつの管状加熱コイルと、
ｃ．前記壁の各々に隣接して前記火床に設けられ、上向きに向けられて前記放射加熱区域を通して前記壁に沿って垂直上向きの火炎エンベロープを燃え立たせる複数の火床バーナと、
ｄ．これらの火床バーナより上方の前記壁に設けられ、前記壁と前記火炎エンベロープとの間に燃料ガスを上向きに噴射するための複数の壁安定用燃料ガスチップと、
を包含する熱分解ヒータを作動する方法であって、
前記複数の火床バーナを燃焼用空気と一緒にかつ燃料の化学量論の量よりも少なくして燃焼させる段階と、火炎の転向を防止するために追加の燃料ガスを前記壁安定用燃料ガスチップを通して前記放射加熱区域内に噴射し、これにより燃料の化学量論の量を供給して燃焼を生じさせる段階とを包含している方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、前記壁安定用燃料ガスチップを通して噴射される前記燃料ガスが、燃料の化学量論の量の５％から３０％までの量である方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法において、前記壁安定用燃料ガスチップ及びそれ故前記追加の燃料ガスを噴射する位置が、前記火床バーナより１フィート（３０．４８０ｃｍ）から１０フィート（３０４．８０ｃｍ）まで上方である方法。
【請求項４】
請求項３記載の方法において、前記壁安定用燃料ガスチップ及びそれ故前記追加の燃料ガスを噴射する位置が、前記火床バーナより約３フィート（９１．４４ｃｍ）上方である方法。
【請求項５】
炭化水素の熱分解用の熱分解ヒータにおいて、
ａ．底部の火床と、両側の向かい合う壁とを有する放射加熱区域と、
ｂ．この放射加熱区域内で前記両側の向かい合う壁間に設けられ、前記炭化水素を処理するための少なくともひとつの管状加熱コイルと、
ｃ．前記壁の各々に隣接して前記火床に設けられ、上向きに向けられて前記放射加熱区域を通して前記壁に沿う垂直上向きに燃焼をするが、この燃焼が燃焼用空気と一緒にかつ燃料ガスの化学量論の量よりも少なくして燃焼をするようにされている複数の火床バーナと、
ｄ．これらの火床バーナより上方の前記壁に設けられ、追加の燃料ガスを前記壁に沿って上向きに噴射するようにしている複数の壁安定用燃料ガスチップと、
を包含している熱分解ヒータ。
【請求項６】
請求項５記載の熱分解ヒータにおいて、前記壁安定用燃料ガスチップが、前記火床バーナより１フィート（３０．４８０ｃｍ）から１０フィート（３０４．８０ｃｍ）まで上方である熱分解ヒータ。
【請求項７】
請求項６記載の熱分解ヒータにおいて、前記壁安定用燃料ガスチップが、前記火床バーナより約３フィート（９１．４４ｃｍ）上方である方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素の熱分解用のヒータに関し、特にオレフィンを製造するためのパラフィンの水蒸気クラッキング用のヒータに関する。より詳細には、本発明は、特に低ＮＯＸ生成のための段階燃焼用であって、火炎が転向して処理コイルに衝突するのを防止する燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
オレフィンを製造するための炭化水素の水蒸気クラッキング又は熱分解は、ほぼ独占的に、燃焼式ヒータ内に設置された管状コイルにおいて行われる。熱分解処理は、オレフィンプラントの心臓と考えられ、プラント全体の経済性について重大な影響を有する。
【０００３】
炭化水素供給原料は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、これらのガスの混合物、ナフサ、軽油等の如き、各種の代表的なクラッキング供給原料のいずれかである。生成物の流れは各種の成分を含有しており、その濃度は選択した原料に一部左右される。従来の熱分解処理では、気化させた供給原料を、希釈用水蒸気と共に、燃焼式ヒータ内に設置した管状反応器に供給する。必要な希釈用水蒸気の量は、選択した供給原料に左右され、エタンの如き軽質の供給原料では、少量の水蒸気が必要とされ（０．２ｌｂ／原料ｌｂ）、ナフサ及び軽油の如き重質の供給原料では、水蒸気／供給原料比０．５−１．０が必要とされる。希釈用水蒸気は、炭化水素の分圧を低下させる及び熱分解コイルの浸炭率を減少させるとの２つの機能を有する。
【０００４】
代表的な熱分解処理では、水蒸気／原料の混合体を、クラッキング反応の開始よりほんの少し低い温度、代表的には６５０℃に予熱する。この予熱は、ヒータの対流区域において行われる。ついで、混合体を、熱分解反応が行われる放射区域に供給する。一般に、熱分解コイルにおける滞留時間は０．２−０．４秒の範囲であり、反応のための出口温度は７００−９００℃程度である。飽和炭化水素のオレフィンへの変質を生ずる反応は高い吸熱性であり、このため、高レベルの入熱を必要とする。この入熱は、高い反応温度で発生されなければならない。一般に、当分野では、多くの供給原料について、特に、ナフサの如き重質の供給原料に関しては、より短い滞留時間が、二次分解反応が低減されるため、より高いエチレン及びプロピレンに関する選択率をもたらすことが認められている。更に、反応環境内の炭化水素の分圧が低ければ低いほど、選択率が高いことが認められている。
【０００５】
燃焼式ヒータの放射区域における煙道ガス温度は、代表的には、約１１００℃以上である。従来の設計では、ヒータへの燃料を燃焼して発生させた熱の約３２−４０％が放射区域内のコイルに伝達される。熱の残部は、原料の予熱又は水蒸気の発生用として、対流区域において回収される。短い滞留時間及び高い処置温度を達成するために管の容積が小さく制限されるため、反応管への熱伝達は困難である。高い熱フラックスが使用され、作動管の金属温度は冶金に関する機械的限界に近い。多くの場合、許容最大管金属温度は、コイルの出口で要求される高い処理温度と低減された管の長さ（したがって、管の表面積で、より高い熱フラックス及びより高い管の金属温度を生ずる）との組合せの結果として滞留時間を低減できる程度を制限する。クラッキングヒータの放射区域に設計される金属製の反応管は、ヒータのコストの実質的な部分を占め、したがって、ヒータが十分に利用されることが重要である。このようなヒータの十分な利用は、ヒータの設計上の目的と一致して、ヒータを出来る限り高くかつ均一な熱フラックス及び金属温度で作動させることにある。これは、所定の熱分解能力に関して要求される管の数及び長さ及び総金属量を最小にする。
【０００６】
エチレンのクラッキングヒータの設計においては、処理コイルが２つの燃焼面間に懸架されている。大多数のクラッキング炉においては、熱の少なくとも一部分が火室の床に設けられている床又は火床バーナにより与えられる。燃料及び空気は、これらの火床バーナから壁に沿って垂直上向きに火室内に噴射され、燃焼が壁に沿って本質的に垂直上向きの方向で火室内に生じる。適当に設計したシステムにおいては、燃焼のすべてが壁に沿って前記垂直上向きの方向で生じる。熱のバランスは、垂直壁に設けられているバーナにより与えられ、これらの壁バーナは垂直壁に沿って半径方向に燃焼をするように設計されている。
【０００７】
典型的に、複数の火床（床）バーナと複数の壁バーナとが壁の加熱するために用いられ、壁がその熱を処理コイルに再び放射する。これらのヒータ内における燃焼ガスの流れは、壁に沿う本質的に垂直上向きである。この垂直上向きの流れは再循環区域を生じせしめ、この再循環区域において、火床より上方のある高さ位置で、ガスはコイル面に向かって動き、それからコイル面に沿って下向きの方向へ流れ、それから垂直燃焼用空気流れに再び入る。この再循環パターンはバーナでの運動量バランスを満足せしめる。
【０００８】
燃焼がガスのこの垂直上向きの流れ中で行われている間、燃焼ガス又は火炎を壁に対して維持せしめて、燃焼が再循環区域の頂部に達する前に終わるようにすることが望まれる。これは、火室の中央部に設けられている垂直の処理コイルの管群（この管群を通して処理流体が流れる）に向かって火炎が内向きに転回する“火炎の転回（フレームロールオーバ）を除去する。火炎は、まだ燃焼反応を受けているガスの流れとして定義され、燃焼が終わっている熱いガスとは異なる。燃焼が行われている間、燃焼ガスは高い温度を有する。この熱は、火室内の完全燃焼したガス（煙道ガス）及び最終的には処理コイルへ伝達される。もし“火炎”が処理コイルに接触した場合には、管への熱フラックスが所望した熱フラックスよりも高くなり、管金属温度が所望した管金属温度よりも高くなることが生じる。これは、それから、管の内部にコーキング（過剰反応）が発生する度合いを高くすることを生じせしめ、運転期間を制限し、又はコーキングの時点でコイルの浸炭及び機械的破損を生じせしめる。どちらにしても、望まれる結果ではない。したがって、バーナは、燃焼が再循環又は渦流区域の頂部に達する前に終わるように設計しなければならない。
【０００９】
一般に、従来のバーナは、空気流れに垂直速力を与えることにより及び燃焼をバーナのスロート部内で開始させることにより、燃焼を壁に対して維持することができるようにしている。これは垂直加速を生じせしめ、この垂直加速は、火炎がコイル面に向かって転回して再循環パターンになる前に、燃焼が終わるようにすることを可能にする。しかしながら、これは常に確実ではなく、一般には、新型の低ＮＯＸ燃焼バーナにおいて確実ではない。これらの低ＮＯＸバーナにおいては、燃焼が段階的に行われ、主バーナのスロート区域の外側に故意に動かされる。主バーナは、必要とされる空気にすべてでもって、しかし減少した、すなわち希釈の燃料でもって、燃焼させられる。それから、必要とされる追加の燃料が燃焼している混合体中に別に噴射される。この段階又は遅延燃焼は、低い最大火炎温度及び減少したＮＯＸ生成を生じせしめる。また、段階燃焼により与えられる強い垂直運動量が少なくされる。多くの場合において、燃料の段階燃焼の結果として、燃焼は再循環区域の頂部までは終わらない。更に、低い垂直運動量の結果として、再循環区域がヒータ内の低いところに形成させられる。したがって、緩慢燃焼と低い再循環区域の高さとの組み合わせが、火炎の転回及び処理コイルの非常に好ましくない結果を生じせしめる。
【発明の開示】
【００１０】
本発明は、特にオレフィンの製造のために炭化水素をクラッキングするための熱分解ヒータであって、火室内にバーナ装置を備え、このバーナ装置が垂直火炎をまっすぐにして火炎の転回を防止する複数の燃料噴射ポートを包含している熱分解ヒータに関する。より詳細には、本発明は、供給される燃料の一部分を主バーナより上方の位置で壁と主バーナの火炎との間に壁に沿って噴射するようにしたものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の好適な実施例の詳細を述べる前に、代表的な従来の熱分解ヒータを説明する。図１は、従来のヒータの断面を示す。このヒータは、放射加熱区域１４と対流加熱区域１６とを有する。対流加熱区域１６には熱交換表面１８及び２０が設置されており、これらの熱交換表面は本例では炭化水素供給原料２２を予熱するためのものとして示されている。この対流区域は、また、蒸気を発生させる熱交換表面を包含することができる。対流区域からの予熱した供給原料は、放射加熱区域１４内に設置されて符号２６により総括的に示されている加熱コイルに、符号２４で示すように供給される。分解した生成物は、加熱コイル２６から符号３０で示すように出る。
【００１２】
放射区域１４は符号３２及び３４により示されている壁と、床又は火床３６を包含する。床には、符号３８により総括的に示されている複数の垂直燃焼式の主又は火床バーナが壁３２，３４と向かい合って取り付けられている。これらのバーナ３８は、壁に沿って互いに間隔を置いている。これらの各バーナの大きさは個々のバーナの燃焼能力により決定され、またこれらのバーナの数は要求される総燃焼効率により決定される。代表的な火床バーナ３８が、図２に断面で示されている。この火床バーナ３８は火床３６上のバーナタイル４０を包含し、このバーナタイルを通して主燃焼用空気及び燃料の大部分がヒータの中に入る。これらのバーナ３８の各々は、主燃焼用空気のためのひとつ又はそれ以上の開口４２と、燃料のためのひとつ又はそれ以上の一次燃料ノズル４４とを包含する。また、乱流を生じせしめて火炎をタイル内にとどませることを可能にするスポイラ（図示せず）を設けることができる。更に、追加の燃料ノズル４６をタイルの外側に設けることができるが、しかし、燃料の大部分はタイルの内部の空気流れ中に噴射される。この追加の燃料ノズルは、垂直燃焼を増強せしめる。火床バーナに加え、壁バーナ４９を火室の上方区域に設けることができる。これらの壁バーナは、壁にわたって広げられてコイル管への火炎衝突を回避する平らな火炎パターンを生成するように設計されている放射式バーナである。
【００１３】
図３は図１の従来のクラッキングヒータの内部における火炎のエンベロープ又はパターン及び煙道ガス流れのパターンを示す。火炎５０及び熱い煙道ガスは、基本的には、バーナ３８から壁３２及び３４に沿って上向きに真直ぐに流れ、これらの流れが再循環区域５２に到達する前に、燃焼は終えられる。熱い煙道ガスの幾らかの下降気流５４は、火室の中央部の冷却処理コイル２６に沿って走行し、火室の底部で分裂してバーナ３８にフィードバックする。駆動力は、燃焼用空気流れ中に浸透した高速の燃料噴流と、浮揚力とから成る。この２つの渦流パターンは、非常に良く編成されて、有効である。なぜなら、火床バーナのすべてが協力して作動し、水平成分のない、本質的に垂直な燃焼を生じせしめるからである。
【００１４】
従来技術を更に説明すると、図４は熱分解ヒータ用の低ＮＯＸバーナ装置５６のひとつの変形例の斜視図である。この低ＮＯＸバーナ装置はバーナタイル５８を包含し、このバーナタイルは本例では一次バーナポート６０により示されている４つの主又は一次バーナを包含する。バーナタイル５８は、ヒータの下から空気及び燃料が供給されるバーナポートを包含するセラミック製ハウジングである。選択的に、バーナタイル５８は壁３２に沿って上向きに延びる部分６２を包含する。この延長部分６２は、保炎器又は安定器として働く。
【００１５】
燃焼用空気のすべてと燃料ガスの一次部分とは、一次バーナポート６０を通して火室の中に放出される。また、追加の一次燃料ガスノズル６４を備えることができ、これらのノズルから一次燃料ガスのほかの少量の部分が空気中に導入されて空気と混合され、燃焼させられて、一次燃焼区域内に生じる火炎を安定せしめる。一次燃料の量は、図２の従来技術の場合よりも少なく、入来する流れの温度を、タイルの外側での燃焼を支持するレベルにまで上昇せしめるだけで十分である。この燃焼は空気が豊富であり、したがって、燃焼温度は、化学量論に近い空気及び燃料混合体が一次区域に供給される場合よりも低い。低い温度は、低いＮＯＸの生成を生じせしめる。残りの燃料ガスは、二次燃料ガスノズル６６により火室の中に導入される。この二次燃料ガスノズル６６から放出される燃料ガスは、次のような角度で、すなわち、この燃料ガスがタイル５８より上方のある距離で一次空気／燃料混合体と冷たくなった再循環煙道ガス５４とに混合してこれらの煙道ガスにより希釈された燃料−空気混合体を形成するような角度で、噴射される。この二次燃料ガスの燃焼は、一次空気／燃料燃焼区域の外側で生じる。このような低ＮＯＸバーナのための燃料の配分の代表的な例は、一次バーナ６０へ４０％、二次燃料ガスノズル６６へ５７％、及び追加の一次燃料ガスノズル６４へ３％である。単に、これは低ＮＯＸバーナ装置のひとつの特定の例であるので、詳細については２００２年５月３０日付の米国特許出願公開番号ＵＳ２００２／００６４７４０が参照されよう。この文献には、この段階燃焼及びそれ故ＮＯＸの減少を成しとげるために多くの従来の設計において燃料をタイルの内側から外側へ簡単にシフトすることを包含する他の設計の可能性が記載されている。
【００１６】
図５は、図４に示したような低ＮＯＸバーナを備えている従来のクラッキングヒータの内部における火炎パターン及び煙道ガス流れパターンを示す。この図５において、段階燃焼のための及び火炎５０が加熱コイル２６に向かって転回するために、火炎５０がヒータ内をさらに上向きに延びていることを見ることができる。燃焼の大部分は、タイルの外側で生じる。燃焼の加速は、加熱コイルに向かう火炎の側に低密度区域を生じせしめ、この低密度区域は火炎をコイルに向かって引き寄せる。また、燃料を一次バーナポート６０から二次燃料ガスノズル６６の外へ引き離すことにより、冷却区域を壁に生じせしめる。この冷却区域は、高密度を有し、低密度の火炎を壁からコイルに向かって押し離すように流体力学的に作用する。この図５は、また、再循環区域５２が下向きに動かされていることを示す。その結果、加熱コイル２６は過熱される危険がある。図６は、火炎の転回を伴う低ＮＯＸバーナの中央面の等温線を示す。この図６において、コイル２６の区域における温度は完全に１６００°Ｋ以上に達することを見ることができる。この高い温度はコイルへの熱伝達を生じせしめ、これにより、コイルの金属温度が１３５０°Ｋ、すなわち、破損を除去するためにコイルの管のための典型的の最大許容温度を越えてしまう。
【００１７】
本発明は図７に示されており、この図７は図４の低ＮＯＸバーナと同じである火床バーナ５６を示す。火室には、複数の壁安定用燃料ガス噴射チップ６８が追加されている。これらの壁安定用燃料ガス噴射チップ６８は、燃料のみ（空気はなし）をほぼ上向きに燃焼せしめる。これらの壁安定用燃料ガス噴射チップ６８は、バーナタイル５８から１フィート（３０．４８０ｃｍ）から１０フィート（３０４．８０ｃｍ）まで、好適には約３フィート（９１．４４ｃｍ）上方に配設されている。これらの壁安定用燃料ガス噴射チップのための燃料は、好適には、通常、二次燃料ガスノズル６６へ供給されている燃料からもたらされ、その量は総燃料ガス供給量の５％〜３０％の範囲、好適には約１５％である。これらのチップの各々は、多数の燃料噴射オリフィスを包含する。燃料配分の代表的な例は、一次バーナ６０へ４０％、二次燃料ガスノズル６６へ４２％、追加の一次燃料ガスノズル６４へ３％、及び壁安定用燃料ガスチップ６８へ１５％である。
【００１８】
燃焼プロセスに対しての壁安定用燃料ガスチップの作用効果は、図８に示されている。火炎５０は、図５に示されているよりも非常にまっすぐで垂直であり、かつ、壁に向かって引き寄せられている。これらの燃料噴流により生じた、壁での燃焼区域は明らかに肉眼で見ることができる。また、再循環区域５２はヒータの上方に動かされている。燃料をバーナタイルの上方にかつ壁に沿って直接噴射することにより、ＮＯＸを減少せしめる段階燃焼効果を維持しながら、垂直燃焼を増大せしめることができる。この燃焼は、また、壁に低圧力区域を作り出し、この低圧力区域は火炎を壁に向かって有効に引き寄せる。図９は、中央を省略した、本発明における等温線を示す。高温部分は、コイル面から離れて壁は引き寄せられている。コイル面の付近の温度は、１４５０°Ｋ程度である。これは、壁安定燃焼なしのケースにおける１６５０−１８５０°Ｋと比較される。コイル面での温度を減少せしめることにより、コイルの汚損及び過熱を劇的に減少せしめることができる。
【００１９】
下記の表１は、従来のバーナ（設計Ａ）、従来の低ＮＯＸバーナ（設計Ｂ）、及び本発明による壁安定用燃料ガスチップを備えている低ＮＯＸバーナの２つの異なる構成（設計Ｃ及びＤ）におけるコイルの種々の管で計算した最大金属温度（°Ｆ）を示す。これらの温度は、管の長さに沿ってどこの場所が最も高い温度であるかを示す。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
これらの温度から、次のことが明らかである。すなわち、本発明は、従来の低ＮＯＸバーナ（設計Ｂ）における管の金属温度と比較して、管の金属温度（設計Ｃ及びＤ）を減少せしめる。多くのケースにおいて、基礎的な従来例（設計Ａ）よりも、温度はいっそう低い。
【００２２】
クラッキングヒータにおいて、汚損（コーキング）の発生する度合いは、金属温度、及び処理コイルの内側フィルム内に起きるクラッキング反応への金属温度の影響により決められる。金属温度が低ければ低いほど、コーキングの発生する度合いは低くなる。コイルの内面に形成されたコークスは、熱伝達に対して熱抵抗を生じせしめる。コイルが汚損したときでも同じ処理熱入力を得るためには、コークス層の抵抗を補うために炉燃焼を増大しなければならないと共に外側金属温度を増大しなければならない。
【００２３】
本発明の設計では、低い温度は汚損の発生する度合いの低下を生じせしめ、したがって、コークス層の抵抗を補うために燃焼を増大しなければならない度合いは低い。更に、クラッキングコイルの冶金は、管の破損を除去するためにコイルに沿ういかなる場所での最高温度を一定した範囲に限定する。本発明を利用することにより、汚損が減少させるばかりでなく、一定した範囲までの許容温度の増大が増大させられる。これは、クラッキングヒータの長いサイクル期間及び改善した経済的効率を導く。
【００２４】
本発明を低ＮＯＸバーナであると代表的に考えられている火床バーナ及び一定の低ＮＯＸバーナ装置を参照して詳述したけれども、本発明はこのようなバーナ及びバーナ装置に限定されるものではない。本発明は、火床バーナと壁安定用燃料ガスチップとのいかなる組み合わせをも包含するものであり、この組み合わせにおいて、火床バーナは一次燃焼用空気の全部でもってしかし燃料の化学量論の量よりも少なくして希釈燃焼させられ、残りの燃料は火床バーナより上方の壁に設置されている壁安定用燃料ガスチップを通して燃焼させられる。火床バーナは放射室の壁に沿って任意の型式で設置することができ、重要なことは壁安定用燃料の噴射が火床バーナより上方の位置から直接行われることである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】代表的な熱分解ヒータの概略垂直断面図である。
【図２】従来技術の典型的な火床バーナの断面図である。
【図３】火床バーナを有する従来の熱分解ヒータの火室内における代表的な流れパターンを示す図である。
【図４】火床バーナの区域における熱分解ヒータの一部分の斜視図であって、代表的な低ＮＯＸバーナを示す。
【図５】図４の低ＮＯＸバーナのための火室内における流れパターンを示す図である。
【図６】図４における低ＮＯＸバーナのための等温線を示す図である。
【図７】図４と同様な斜視図であるが、しかし、本発明の壁安定用燃料ガスチップが組み込まれることを示す。
【図８】本発明の火室内における流れパターンを示す図である。
【図９】本発明における等温線を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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2007513311.tif 000014
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