(57)【要約】【解決手段】炭化水素を分解するために炉床式バーナとウォールバーナとの組み合わせを採用する、炉、着火パターン、ヒータの運転方法が記載される。着火パターンは、火室の高さ全体でのコイル金属温度及び垂直熱流束プロファイルにおける均一性の改善をもたらす。炉床式バーナは、化学量論量の過剰空気で動作し、ウォールバーナは、化学量論量未満の空気で動作する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
底面炉床部と、前記底面炉床部に隣接し且つ前記底面炉床部から上方に延びる対向壁とを有する輻射加熱領域と、
前記輻射加熱領域に配置された少なくとも１つの管状加熱コイルと、
前記輻射加熱領域において着火するための、前記底面炉床に隣接して配置された複数の炉床式バーナを含む炉床式バーナ区域と、
前記対向壁に隣接して配置された複数のウォールバーナを含むウォールバーナ区域と、
を含むヒータを運転する方法であって、
前記ウォールバーナ区域に導入される燃料を燃焼させるための、化学量論量未満の空気を有する第１の空気燃料混合物を前記ウォールバーナ区域に導入し、
前記炉床式バーナ区域に導入される燃料を燃焼させるための、前記化学量論量より多い空気を有する第２の空気燃料混合物を前記炉床式バーナ区域に導入することを含み、
前記炉床式バーナ区域及び前記ウォールバーナ区域に導入される空気の総量は少なくとも化学量論量である方法。
【請求項２】
前記第１の空気燃料混合物は、燃焼のための前記化学量論量の約８５％を超えない空気を含む
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の空気燃料混合物は、燃焼のための前記化学量論量の約５０％〜約８０％の空気を含む
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ウォールバーナのそれぞれに導入される空気及び燃料の前記混合物は、前記ウォールバーナに導入される燃料を燃焼させるための化学量論量より少ない性質の空気を有する
請求項１に記載の方法
【請求項５】
前記炉床式バーナのそれぞれに導入される空気及び燃料の前記混合物は、前記炉床式バーナに導入される燃料を燃焼させるための前記化学量論量より多い空気を有する
請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ウォールバーナのそれぞれに導入される空気及び燃料の前記混合物は、前記ウォールバーナに導入される燃料を燃焼させるための化学量論量より少ない性質の空気を有する
請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記複数の炉床式バーナは、前記ウォールバーナに導入される燃料を燃焼させるための前記化学量論量の空気の残余分を供給する
請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記ヒータは、全体として燃焼のための化学量論量より約１０〜１５％多い空気で動作する
請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記炉床式バーナに導入される燃料を燃焼させるための前記化学量論量より多い空気は、約２０％〜１００％の過剰空気を含む
請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記ウォールバーナ区域及び前記炉床式バーナ区域の少なくとも１つは、空気及び燃料の少なくとも１つのための補助的導入地点を含む
請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記燃料は、少なくとも２５％の水素ガスを含む
請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記加熱コイルに沿った温度差を減らすことを更に含む
請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
底面炉床部と、輻射加熱領域を形成する前記底面炉床部に隣接し且つ前記底面炉床部から上方に延びる対向壁と、
前記輻射加熱領域に配置された少なくとも１つの管状加熱コイルと、
前記輻射加熱領域において着火するための、前記底面炉床に隣接して配置された複数の炉床式バーナを含む炉床式バーナ区域と、
前記対向壁に隣接して配置された複数のウォールバーナを含むウォールバーナ区域と、
を含むヒータを運転する方法であって、
燃焼のための化学量論量未満の空気を有する第１の空気燃料混合物を、ウォールバーナ区域に導入し、
燃焼のための前記化学量論量より多い空気を有する第２の空気燃料混合物を、前記炉床式バーナ区域に、前記加熱コイルの長さに概して平行な方向で導入し、
前記燃料及び空気を前記輻射加熱領域において燃焼させることを含み、
前記ウォールバーナ区域で導入される空気及び一部の燃料は、第１の速度で燃焼し、前記炉床式バーナ区域で導入される空気の一部は、前記ウォールバーナ区域で導入される燃料の一部と共に、前記第１の燃焼速度より遅い第２の燃焼速度で燃焼する方法。
【請求項１４】
前記加熱コイルの長さに沿った温度差は、化学量論量の空気が前記ウォールバーナ区域で導入される、燃料及び空気の同等の総流量を用いるヒータのための加熱コイルに沿った温度差より少なくとも１０Ｋ小さい
請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の空気燃料混合物は、燃焼のための前記化学量論量の約８５％を超えない空気を有する
請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記第２の空気燃料混合物は、燃焼のための前記化学量論量より２０％〜１００％多い空気を有する
請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記ウォールバーナ区域は、空気及び燃料の少なくとも１つのための補助的導入地点を含む
請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記炉床式バーナ区域は、空気及び燃料の少なくとも１つのための補助的導入地点を含む
請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記ヒータは、全体として前記化学量論量より少なくとも約１０％多い空気で動作する
請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記燃料は、少なくとも２５モル％の水素ガスを含む
請求項１３に記載の方法。
【請求項２１】
ａ．底面炉床部と、前記底面炉床部から上方に延びる対向壁と、を有する輻射加熱領域と、
ｂ．前記輻射加熱領域に配置された少なくとも１つの管状加熱コイルと、
ｃ．前記底面炉床部に隣接して配置された複数の炉床式バーナを含み、化学量論量より多い空気で着火するように構成された炉床式バーナ区域と、
ｄ．前記対向壁に隣接して配置された複数のウォールバーナを含み、前記輻射加熱領域の前記対向壁に沿って化学量論量未満の空気で着火するように構成されたウォールバーナ区域と、
を備えたヒータ。
【請求項２２】
前記ウォールバーナに着火するための空気の残余分は、前記炉床式バーナで導入される
請求項２１に記載のヒータ。
【請求項２３】
前記炉床式バーナ区域は、空気及び燃料の少なくとも１つのための補助的導入地点を含む
請求項２１に記載のヒータ。
【請求項２４】
前記炉床式バーナ区域は、空気及び燃料の少なくとも１つのための補助的導入地点を含む
請求項２１に記載のヒータ。
【請求項２５】
前記ウォールバーナ区域は、前記化学量論量の８５％未満の空気で着火する
請求項２１に記載のヒータ。
【請求項２６】
前記炉床式バーナ区域は、前記化学量論量より２０％〜１００％多い空気で着火する
請求項２１に記載のヒータ。
【請求項２７】
前記ウォールバーナ区域は、前記化学量論量の５０％〜８０％の空気で着火し、前記炉床式バーナ区域は、前記ウォールバーナに導入される燃料を燃焼させるべく前記化学量論量の空気の少なくとも残余分を供給する
請求項２１に記載のヒータ。
【請求項２８】
前記ヒータを少なくとも約１０％の過剰空気で動作する
請求項２１に記載のヒータ。
【請求項２９】
前記炉床式バーナ及び前記ウォールバーナは、少なくとも２５モル％の水素を含む燃料で運転される
請求項２１に記載のヒータ。
【請求項３０】
炉床式バーナ区域及びウォールバーナ区域を有するガスヒータのための着火パターンであって、
前記ヒータに供給される空気が最終的に全体として過剰となるように、燃焼のための化学量論量未満の空気で前記ウォールバーナ区域を運転し、前記炉床式バーナ区域に追加の空気を供給することを含む着火パターン。
【請求項３１】
前記ウォールバーナ区域は、前記化学量論量の８５％未満の空気で着火する
請求項３０に記載の着火パターン。
【請求項３２】
前記炉床式バーナ区域は、前記化学量論量より２０％〜１００％多い空気で着火する
請求項３０に記載の着火パターン。
【請求項３３】
前記ガスヒータは、加熱コイルを有する熱分解ヒータであり、前記着火パターンは、前記加熱コイルの長さに沿った最高外面温度及び最低外面温度の差を、同じ燃料分布パターンが用いられるものの前記ウォールバーナ区域が少なくとも化学量論量の空気を用いて運転される着火パターンと比較して少なくとも１０Ｋ減らす
請求項３０に記載の着火パターン。
【請求項３４】
前記ガスヒータは、加熱コイルを有する熱分解ヒータであり、前記着火パターンは、前記加熱コイルの長さに沿った最高熱流束を、同じ燃料分布パターンが用いられるものの前記ウォールバーナ区域が少なくとも化学量論量の空気を用いて運転される着火パターンと比較して少なくとも４％減らす
請求項３０に記載の着火パターン。
【請求項３５】
底面炉床部と、輻射加熱領域を形成する前記底面炉床部に隣接し且つ前記底面炉床部から上方に延びる対向壁と、
前記輻射加熱領域に配置された少なくとも１つの管状加熱コイルと、
前記輻射加熱領域において着火するための、前記底面炉床に隣接して配置された複数の炉床式バーナを含む炉床式バーナ区域と、
前記対向壁に隣接して配置された複数のウォールバーナを含むウォールバーナ区域と、
を含むヒータを運転する方法であって、
燃焼のための化学量論量の約８５％以下の空気を含み、燃焼のための前記化学量論量未満の空気を有する第１の空気燃料混合物を、前記ウォールバーナ区域に導入し、
燃焼のための前記化学量論量より２０％〜１００％多い空気を含み、燃焼のための前記化学量論量より多い空気を有する第２の空気燃料混合物を、ヒータの前記炉床式バーナ区域に、ヒータの加熱コイルに概して平行な方向で導入し、
前記燃料及び空気を前記輻射加熱領域において燃焼させることを含み、
前記ヒータの前記ウォールバーナ区域における全体としての燃焼速度が低下するように、前記ウォールバーナ区域で導入される前記空気及び一部の前記燃料は、第１の速度で燃焼し、前記炉床式バーナ区域で導入される空気の一部は、前記ウォールバーナ区域で導入される燃料の一部と共に、前記第１の燃焼速度より遅い第２の燃焼速度で燃焼し、
前記ヒータは、全体として前記化学量論量より少なくとも約１０％多い空気で運転される方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願に開示される実施形態は、ヒータと、より詳細には当該ヒータの効率的な設計及び運転と、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分解又は熱分解は、大抵、燃焼式ヒータに配置された管状コイルの中で行われる。熱分解処理は、オレフィンプラントの中心であると考えられており、プラント全体の経済性に関して重要な影響を有する。
【０００３】
炭化水素の原料は、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、軽油等の多種多様な典型的な分解原料の何れであってもよい。生成物流は様々な成分を含有しており、これらの成分の濃度は、選択された原料に部分的に左右される。従来の熱分解処理において、気化された原料は、燃焼式ヒータ内に設置された管状リアクタに希釈蒸気と共に供給される。必要とされる希釈蒸気の量は選択された原料に左右され、エタン等の軽質の原料は低量の蒸気（０．２ｌｂ／原料ｌｂ）を必要とするが、一方、ナフサ及び軽油等の重質の原料では０．５〜１．０の蒸気／原料の比が必要となる。希釈蒸気は、炭化水素の分圧を低くし、熱分解コイルの汚損速度を落とすという２つの役割を有する。
【０００４】
輻射熱分解コイルの内面の汚損は、これらのヒータの稼働時間を決定する要因の１つである。運転時間が長くなるにつれて、コークスの堆積が、輻射火室からの熱伝達に抵抗を与える。一定の処理能力を維持するためには、一定のコイル出口温度により例示されるように、コイルへの熱流束は維持されなければならない。コイルの内部のコークス層は熱流束に対する抵抗としての役割を果たし、より高い抵抗を通して同等の流束を可能とするためには、管の外部金属温度は上昇しなければならない。堆積したコークスを除去するために運転を停止するまでのヒータの運転可能な時間は、２つの主要因に左右される。第一は汚損速度である。汚損は、コークスが輻射加熱コイル上に堆積するにつれて発生する。コークスがコイル上に堆積されるにつれて、コイルからの熱の伝達は阻害される。結果として、コークスが堆積すると、ヒータの効率を維持するために、システムにより多くの熱を加えることが必要とされる。汚損の速度は、処理負荷（必要な熱流束）、希釈蒸気、コイルの内部の金属表面における温度、及び原料それ自体の特性の関数である。例えば、負荷が重くなると、負荷が軽いときよりコークスが早く堆積される。運転時間を最大にすることが望まれる。
【０００５】
第２の要因は、輻射加熱コイルの構成である。通常、コイルは金属又は金属合金から構成されている。金属及び合金は極度の温度に敏感である。つまり、輻射コイルがその最大の機械的な閾値を超える温度にさらされると劣化が始まり、輻射加熱コイルに損傷をきたす。結果的に、通常の熱分解ヒータは、特定の温度範囲を維持するように慎重に監視されなければならない。コークスがコイル上に堆積されるにつれて、より多くの熱がシステムの効率を維持するために加えられなければならないので、これは問題になる。
【０００６】
結果的に、最高管金属温度を最小にするとともにコイルを通して伝達される総熱量を最大にするサイクル時間の長い熱分解コイルを設計することが望ましい。これは、一定の汚損速度で最大の温度上昇を可能にする。
【０００７】
典型的な熱分解処理において、蒸気／原料の混合物は、通常約６００℃である、分解反応が開始されるすぐ手前の温度に予熱される。この予熱は、ヒータの対流区域で発生する。次に、混合物は、熱分解反応を発生する輻射区域に移動する。一般に、熱分解コイルにおける滞留時間は０．２〜０．４秒の範囲内であり、反応のための出口温度は約７００℃〜９００℃である。飽和炭化水素のオレフィンへの転換をもたらす反応は、吸熱性が高く、それ故高レベルの熱入力を必要とする。この熱入力は、高い反応温度で発生しなければならない。殆どの原料に関して、特にナフサ等の重質の原料に関して、滞留時間が短いと、二次的な分解反応が減少するので、エチレン及びプロピレンに対する選択性が高くなることが業界において一般的に知られている。更に、反応環境内の炭化水素の分圧が低ければ低いほど、選択性が高くなることが知られている。
【０００８】
加熱ヒータの輻射区域における煙道ガス温度は、典型的に１１００℃を越える。コイルへの熱伝達は、主として輻射により行われる。従来の設計において、ヒータへの燃料が燃やされて発生する熱の約３２〜４０％は、輻射区域のコイルに伝達される。残りの熱は、原料の予熱又は蒸気の発生の何れかとして対流区域で回収される。短い滞留時間を達成するための小さい管容積の制約と高い処理温度を考えると、反応管への熱伝達は困難である。結果的に、高い熱流束が用いられ、動作管金属温度は、たとえ特殊な冶金であっても機械的な限界に近くなる。殆どの場合、コイル出口で必要とされるより高い処理温度と、より高い流束及びより高い管金属温度をもたらす縮小された管の長さ（以後、管の表面積）との組合せの結果として、管金属温度は滞留時間を短縮できる程度を制限する。管金属温度はこれらの輻射コイルの容量を決定するにあたっての限定要因でもあるが、これはより高い容量で動作させる場合、任意の管に対してより多くの流束が必要とされるからである。分解ヒータの輻射区域に配置された特殊な金属の反応管は、ヒータのコストのかなりの部分に相当するため、反応管は十分に活用されることが重要である。活用は、ヒータの設計目的に一致するように可能な限り高く均一な熱流束で運転することとして定義される。これは、任意の熱分解容量に対して必要とされる管の数及び長さと、その結果としての総金属表面積とを最小限にする。
【０００９】
典型的な分解炉において、熱は、炉床式バーナとウォールバーナとの組み合わせにより供給される。熱分解コイルは、典型的には輻射区域の最上部から吊るされ、２つの輻射壁の間に垂れ下がっている。炉床式バーナとウォールバーナとの組み合わせは、炉壁を熱し、それからコイルに放熱する。熱のごく一部は、熱を直接的にコイルに伝達する火室内の煙道ガスにより対流的に伝達される。しかしながら、典型的な炉において、８５％を越える熱は輻射的に伝達される。炉床式バーナは、火室の床に取り付けられ、壁に沿って垂直上方に着火する。ウォールバーナは、炉の垂直壁に配置され、壁に沿って半径方向に着火する。
【００１０】
バーナからのどの火炎においても、特徴的な燃焼プロファイルがある。燃料と空気との混合物がバーナから出る際に燃焼は開始される。燃焼反応が続くにつれて、燃焼混合物の温度は上昇し、熱は放出される。バーナから少し離れた位置には、燃焼が最大となり、それ故に放熱が最大となる地点がある。この処理の間、熱は処理コイルにより吸収される。火炎の特性は、バーナからの総燃焼量及びバーナの設計の仕様に左右される。燃料と空気をどのように混合するかにより、異なる火炎形状及び放熱プロファイルを実現することができる。炉床式バーナは、典型的には、約５〜１５ＭＭＢＴＵ／時間の間の熱量で運転される。これらのバーナにおいて、燃焼が最大となる地点は、典型的には、バーナそれ自体より約３〜４メータ上である。これらのバーナからの放熱プロファイルが特徴的であるために、ムラのある熱流束プロファイル（吸熱プロファイル）が時々作られる。輻射コイルのための典型的な流束プロファイルは、火室の高さの中間付近でピーク流束を示し（炉床式バーナのための燃焼又は放熱が最大となる地点）、コイルの最上部及び底部が受ける流束は少ない。一部のヒータにおいて、輻射式ウォールバーナは、コイルの上部における熱流束プロファイルを均等にするように、側壁の上部に取り付けられる。同じ放熱率である炉床式バーナと、炉床式バーナ及びウォールバーナの組み合わせとに関して、典型的なコイル表面熱流束プロファイル及び金属温度プロファイルは、火室の下部における熱流束及び金属温度が低いことを示し、これはこの部分のコイルが十分に活用されていない可能性を意味している。
【００１１】
熱分解ヒータ内の流束プロファイルを制御するための多くの試みがなされてきた。炉床式バーナへの燃料を段階分けすることは火炎の形状を調節するために使用され、それ故に放熱が最大となる地点に影響を与えることが知られている。炉床式バーナは、典型的に、幾つかの異なる燃料注入点を設けて設計される。空気は、自然通風又は誘引通風か、ベンチュリシステムを利用した燃料の吸気の何れかにより、炉内に引き込まれる。一次燃料は、安定した火炎を作り出すのに十分な燃焼をもたらすことを目的として、この気流に注入される。一部の場合において、別の小さな燃料注入点は、火炎の安定化を図ると共に火炎の噴出を防止するために、一次火炎のすぐ隣で使用される。旧式の炉床式バーナは、典型的に、これらの一次燃料注入点から着火される炉床式バーナ燃料の１００％を供給する。燃焼は、化学量論量を若干上回る空気対燃料比（１０〜１５％の過剰空気）で発生した。
【００１２】
ＮＯＸ値が重視すべき事柄であるとき、一次注入点からの燃料の一部は、流入空気流から取り除かれ、バーナの縁のすぐ近くにある二次又は多段の先端に置かれることが可能である。この燃料は、バーナの上側の少し遠くで空気流及び一次燃料流と混合されるように移動する。燃料と空気との混合を段階的に行うことにより、火炎の燃焼プロファイルは変更可能であり、火炎温度が低くなり、それ故にＮＯｘが低くなる。この技術では燃焼が最大となる地点も変化するため、結果として得られるコイルへの流束プロファイルに影響を与える。燃料を段階的に供給してもバーナの最終的な空気対燃料比は変化せず、燃料が混合されるタイミングと場所が変化するだけである。二次燃料注入量、バーナの縁での注入点の位置、及び注入角度の全てがＮＯｘ値、火炎形状、コイル金属温度プロファイルに影響を及ぼす。
【００１３】
米国特許第４８８７９６１号は、空気と燃料がベンチュリで１０〜１５％の過剰空気に等しい割合に予混合される輻射式ウォールバーナについて記載している。ベンチュリは、その狭い通路内に原動力として燃料を利用する正確な量の空気を吸い込むような大きさとされる。米国特許第６７９６７９０号において、燃料の一部を抜き出し、抜き出した燃料を“カン”又は“デフレクタ”を越えてすぐの地点で注入し、この“ウォールバーナ用の二次多段供給燃料”を１００％の空気と燃料の一部の流れに引き込むために流体力学に依存するウォールバーナが記載されている。
【００１４】
米国特許第６６１６４４２号は、燃料と空気（過剰空気）との混合物がタイルから出て燃える、バーナのすぐ上の第１“領域”を備えた炉床式バーナについて記載している。第２“領域”はより高い位置にあり、ここにおいて二次燃料は燃えている空気／燃料混合物と混ざる。第２領域で最終的な結果として生じる空気対燃料混合比は、化学量論比より若干上である。
【００１５】
コイルの金属温度を制御する別の手段が、米国特許第６６８５８９３号に記載されている。この特許において、ウォールバーナは特に炉床に設置されており、火炎は炉の耐火床を加熱するために床に沿って案内され、コイルの下部に対して追加の輻射面を与える。ベースバーナは、空気を吸い上げ、そして燃焼のための化学量論比より若干高い空気燃料混合物を生成するように設計することができる。あるいは、ベースバーナは、炉床式バーナの二次多段供給チップから引き抜かれた燃料を利用することができる。ベースバーナから安定した火炎を得るためには、いくらかの量の空気がこの燃料と共に供給されることが必要とされる。ベースバーナは炉床式バーナに極めて近接させて配置されていることから、これらの個別のバーナに関しては、更にヒータの床又はその付近で化学量論比より若干高い燃焼混合物を結果としてもたらす空気と燃料との組み合わせが多数ある。垂直着火式の炉床式バーナは過剰空気で運転可能であり、ベースバーナは化学量論量未満の空気で運転可能であるが、反対に、ベースバーナは過剰空気で、炉床式バーナは若干の化学量論量より若干少ない空気で運転することも可能である。設計上の重要な点は、床部を輻射面とすることにより管金属温度を低下させることができること、及び燃料（及び床での過剰空気の位置）を多段供給して燃焼を多段式にすることにより、ＮＯｘの生成を低減可能なことである。
【００１６】
米国特許第７１７２４１２号では、金属温度プロファイル及び流束プロファイルを制御するために、異なるアプローチが用いられる。燃料は炉床式バーナの二次多段供給チップから抜き取られて、炉壁を介して、炉床式バーナ上方のある高さで炉に注入される。この注入は壁に沿う低圧領域を形成する役割を果たし、火炎は壁に「引き寄せられ」、最大燃焼点の熱分解コイルへの近接度が低下する。これらの状況の下で、炉床式バーナは過剰空気条件下で運転されるが、残余燃料は、炉床式バーナ上方のある地点で壁を介して追加される。このアプローチでは燃料を多段供給してＮＯｘを低減するだけでなく、火炎を壁に引き寄せることにより火炎の形状を変化させて金属温度を低下させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】米国特許第４８８７９６１号公報
【特許文献２】米国特許第６７９６７９０号公報
【特許文献３】米国特許第６６１６４４２号公報
【特許文献４】米国特許第６６８５８９３号公報
【特許文献５】米国特許第７１７２４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
ＮＯｘの要件やより高いバーナ放熱に対する要求が確実に増加することのために、炉床式バーナの流束プロファイルの改善は困難である。流束プロファイルを均等にするための別の方法は、ウォールバーナだけを用いることである。しかしながら、ウォールバーナの最大放熱量は炉床式バーナのそれの約１０分の１であることから、同等の放熱プロファイルを得るのに必要なウォールバーナの数が非常に多くなり、このアプローチは実用的ではない。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本実施形態で開示される１つの特徴は、底面炉床部と、底面炉床部に隣接し且つ底面炉床部から上方へ延びる対向壁と、を有する輻射加熱領域を含むヒータの運転方法である。ヒータはまた、輻射加熱領域に配置された少なくとも１つの管状加熱コイルと、輻射加熱領域において着火を行うための、底面炉床部に隣接して配置された複数の炉床式バーナからなる炉床式バーナ区域と、対向壁に隣接して配置された複数のウォールバーナからなるウォールバーナ区域とを含む。本方法は、ウォールバーナ区域に、ウォールバーナ区域に導入される燃料を燃焼させるための化学量論量より少ない空気を有する第１の空気燃料混合物を導入し、炉床式バーナ区域に、炉床式バーナ区域に導入される燃料を燃焼させるための化学量論量より多い空気を有する第２の空気燃料混合物を導入することを含む。炉床式バーナ及びウォールバーナに導入される空気の総量は、少なくとも化学量論量である。
【００２０】
特定のケースにおいて、ウォールバーナのそれぞれに導入される空気と燃料との混合物は、そのウォールバーナに導入される燃料を燃焼させるための化学量論量より少ない性質の空気を有する。炉床式バーナのそれぞれに導入される空気と燃料との混合物は、その炉床式バーナに導入される燃料を燃焼させるための化学量論量より多い空気を有することもある。いくつかのケースにおいて、ウォールバーナのそれぞれに導入される空気と燃料との混合物は、その特定のウォールバーナに導入される燃料を燃焼させるための化学量論量より少ない性質の空気を有する。
【００２１】
本実施形態で開示される別の特徴は、輻射加熱領域を形成する底面炉床部及び底面炉床部に隣接し且つ底面炉床部から上方へ延びる対向壁と、輻射加熱領域に配置された少なくとも１つの管状加熱コイルと、輻射加熱領域において着火を行うための、底面炉床に隣接して配置された複数の炉床式バーナを含む炉床式バーナ区域と、対向壁に隣接して配置された複数のウォールバーナを含むウォールバーナ区域と、を含むヒータの運転方法である。本方法は、ウォールバーナ区域に、燃焼のための化学量論量より少ない空気を有する第１の空気燃料混合物を導入し、ヒータの炉床式バーナ区域に、燃焼のための化学量論量より多い空気を有する第２の空気燃料混合物を、加熱コイルの長さに概して平行な方向で導入し、燃料及び空気を輻射加熱領域において燃焼させることを含む。ウォールバーナ区域で導入される空気及び一部の燃料は第１燃焼速度で燃焼し、炉床式バーナ区域で導入される空気の一部は、ウォールバーナ区域で導入される燃料の一部と共に、第１燃焼速度より遅い第２燃焼速度で燃焼する。これにより、ヒータのウォールバーナ区域における全体での燃焼速度は、化学量論量の空気がウォールバーナ区域に導入されるシステムと比べて低下する。いくつかのケースにおいて、加熱コイルの長さに沿った温度差は、化学量論量の空気がウォールバーナ区域で導入される、燃料と空気を同等の総流量で用いるヒータのための加熱コイルに沿った温度差よりも少なくとも１０Ｋ小さい。
【００２２】
特定の実施形態において、第１の空気燃料混合物は、燃焼のための化学量論量の約８５％を上回る空気を有さない。第１の空気燃料混合物は、燃焼のための化学量論量の約５０％〜８０％の空気を有することもある。
【００２３】
本願に例示された態様に従って、底面炉床部及び底面炉床部から上方へ延びる対向壁を有する輻射加熱領域と、輻射加熱領域に配置された少なくとも１つの管状加熱コイルと、底面炉床部に隣接して配置された複数の炉床式バーナを含み且つ化学量論量より多い空気で着火するように構成された炉床式バーナ区域と、対向壁に隣接して配置された複数のウォールバーナを含み且つ輻射加熱領域の対向壁に沿って化学量論量より少ない空気で着火するように構成されたウォールバーナ区域と、からなるヒータもまた提供される。
【００２４】
別の実施形態は、炉床式バーナ区域及びウォールバーナ区域を有するガスヒータの着火パターンである。着火パターンは、燃焼のための化学量論量より少ない空気でウォールバーナ区域を運転し、ヒータに供給される空気が最終的に全体として過剰な結果となるように、炉床式バーナ区域に追加の空気を供給することを含む。いくつかのケースにおいて、ガスヒータが加熱コイルを備えた熱分解ヒータである場合、上記の着火パターンにより、加熱コイルの長さに沿った最高外面温度と最低外面温度との差は、同一の燃料分布パターンが用いられるもののウォールバーナ区域が少なくとも化学量論量の空気を用いて運転される着火パターンに比べて少なくとも１０Ｋ縮小される。いくつかのケースにおいて、ガスヒータが加熱コイルを備えた熱分解ヒータである場合、上記の着火パターンにより、加熱コイルの長さに沿った最高熱流束は、同一の燃料分布パターンが用いられるもののウォールバーナ区域が少なくとも化学量論量の空気を用いて運転される着火パターンに比べて少なくとも４％低下する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】炉床式バーナを有するヒータの火室内の典型的な流れパターンの図である。
【図２】高い過剰空気で運転される炉床式バーナを有するヒータにおける流れパターンを示す。
【図３】熱分解ヒータの簡略化された垂直断面図の説明である。
【図４】炉床式バーナの断面図である。
【図５】従来の着火パターンに従って運転されるエチレン炉の高さ全体での典型的な金属温度プロファイルを示す計算流体力学シミュレーションである。
【図６】本開示の着火パターンの実施形態に従って運転されるエチレン炉の高さ全体での金属温度プロファイルを示す計算流体力学シミュレーションである。
【図７】従来の熱分解ヒータの高さ全体での典型的な垂直流束プロファイルを示す計算流体力学シミュレーションである。
【図８】本開示の着火パターンの実施形態に従って運転される炉の高さ全体での垂直流束プロファイルを示す計算流体力学シミュレーションである。
【図９Ａ】従来の着火条件を用いて合成ガス燃料に着火するエチレン炉の高さ全体での出口管金属温度プロファイルを示すグラフである。
【図９Ｂ】本開示の着火パターンの実施形態に従って合成ガス燃料に着火するエチレン炉の高さ全体での出口管金属温度プロファイルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本願に開示される実施形態は、エチレン炉等の熱分解炉における燃料着火システムのために有用な着火パターンを含む。その着火パターンは、燃料リッチの条件の下で動作する複数のウォールバーナを含む。ウォールバーナ燃料を燃焼させるのに必要な残りの空気は、複数の炉床式バーナによって供給され、複数の炉床式バーナは、化学量論量より多い空気の条件下で動作する。火室内の空気分布を変更した最終的な結果としては、管金属温度は、炉床式バーナ及びウォールバーナにおいて、同等の燃料着火条件下で運転されるものの化学量論的又は化学量論的に近い空気／燃料分布パターンを用いる炉と比べてかなり低下する。開示された着火パターンは、処理管のデコーキングを必要とする前により長い連続運転時間を提供し、及び／又は、従来の炉運転方法と同等又はそれよりも長い連続運転時間を維持しながら、より過酷な条件下（より高い火室内の温度）でのヒータの運転を可能にする。
【００２７】
本実施形態において、“ウォールバーナ区域”は、ウォールバーナを含み、且つ、これらのウォールバーナに関連する空気及び／又は燃料のための他の補助的な導入地点を任意に含むヒータの区域である。この開示において、“ウォールバーナ”に導入される空気及び／又は燃料は、ウォールバーナを介して直接的に導入される空気及び／又は燃料と、ウォールバーナに関連する他の導入地点を介してウォールバーナ区域に追加される空気及び／又は燃料とを含む。ウォールバーナに“関連する”空気及び／又は燃料の導入地点は、典型的には、ウォールバーナから約１／３〜５メートル離れて設置される。
【００２８】
本実施形態において、“炉床式バーナ区域”は、炉床式バーナを含み、且つ、これらの炉床式バーナに関連する空気及び／又は燃料のための他の補助的な導入地点を任意に含むヒータの区域である。この開示において、“炉床式バーナ”に導入される空気及び／又は燃料は、炉床式バーナを介して直接的に導入される空気及び／又は燃料と、炉床式バーナに関連する他の導入地点を介して炉床式バーナ区域に追加される空気及び／又は燃料とを含む。炉床式バーナに“関連する”空気及び／又は燃料の導入地点は、典型的には、炉床式バーナから約１／３〜５メートル離れて設置される。炉床式バーナとウォールバーナとの間に設置された空気及び／又は燃料の導入地点は、何れか近いほうのバーナに関連していると見なされる。２つのウォールバーナの間又は２つの炉床式バーナの間に設置された空気及び／又は燃料の導入地点は、２つのバーナの近いほうに関連していると見なされる。
【００２９】
本実施形態において、“空気燃料混合物”とは、一緒に導入される空気と燃料との組み合わせのことを言う。空気と燃料は、導入の前に予混合されることも、又は導入の後に混合されることもできる。
【００３０】
エチレンヒータにおいて、加熱コイルの外面の典型的な温度上昇は、処理コイルの内部上のコーキングによって引き起こされる熱伝達に対する抵抗の増大により、１日あたり約１〜３Ｋである。処理管が高温冶金により構成される場合、典型的な、機械的に許容可能な最高管金属温度は約１３８８Ｋである。炉の運転サイクル長は、許容可能な金属温度上昇によって決定される。許容可能な金属温度上昇は、最初のきれいなコイルの金属温度と機械的に許容可能な最高金属温度との差と定義され、コーキングから生じる１日あたりの温度上昇で割られる。システムが同じ着火速度で運転される場合、管金属温度が１５°Ｋ低下すると、デコーキングが必要とされる前の動作時間は約５〜１０日増える。洗浄前に同じサイクル時間を保つことが要求される場合、初期の管金属温度が低下しているならば、システムは、より高い着火速度で運転され、コーキングよる１日あたりの温度上昇を増やすことができる。着火速度を高くすることにより、転化又は炉の容量が増える。
【００３１】
１０〜１５％の過剰空気で運転する従来の炉において、炉内に煙道ガスの再循環パターンが形成される。炉床式バーナからの着火によって生じる垂直流は、ウォールバーナに接触するまで壁に沿って上昇する。この地点で、壁に沿って半径方向に着火するウォールバーナのモメンタムは、炉床式バーナからの垂直流と接触する。この地点で、垂直流は壁からはじかれ、渦が形成される。従来のケースは図１に示される。図１は、炉床式バーナからの無重力粒子の放出によって定められる流れパターンを表す、計算流体力学（ＣＦＤ）シミュレーションを示す。壁での燃焼のエネルギーが非常に大きく、渦は短く無秩序である。更に、炉床からの流れが壁に再度接触することはない。渦が形成される地点は、通常、放熱が最大であるが故に金属温度が最高となる地点である。
【００３２】
火炎がコイルに向かって“ロールオーバー”した場合、壁での安定した燃焼は、火炎を壁に引き戻す。また、炉床式バーナからの流れの垂直モメンタムも増えるので、この流れを壁から引き離して渦を形成するウォールバーナに対する抵抗が大きくなる。多くのケースにおいて、渦は火室内のより高い所に生じる。
【００３３】
ウォールバーナが化学量論的な燃焼をかなり下回って運転される場合（例えば、ウォールバーナの下方の壁を介して注入された燃料を含む理論的な空気の８５％以下）、そして炉床式バーナは、ベースバーナ又は炉床式バーナ上の二次多段チップのための燃料を含む高い過剰空気を用いて運転される場合、炉床からの流れはウォールバーナからの流れよりも非常に大きい流れエネルギーを有している。壁からの空気／燃料混合物は化学量論比を下回ることから、燃焼は弱くなり（酸素不足）、半径方向の強度はより小さくなる。このため、炉床からの流れが優位となる。
【００３４】
化学量論比未満でのウォールバーナの燃焼により、（ウォールバーナの最下位列より高い位置に）良好でより均一な渦が形成されるため、放熱又は燃焼プロファイルが制御されることにより流束プロファイルが滑らかなものになる。この結果、金属温度が低くなる。図２は、空気がウォールバーナから炉床式バーナへ移動する場合に得られるより滑らかな流れ経路を示している。図１及び図２に示されるシミュレーションでは、炉への全体の着火に基づいて１０％の過剰空気を用いている。
【００３５】
いくつかのケースにおいて、ウォールバーナに化学量論量より少ない燃料を、全体として少なくとも化学量論的条件をもたらすように炉床式バーナに追加される追加空気（多くのケースにおいて全体として１０〜１５％の過剰空気）と共に用いることにより、最高管金属温度は、従来の燃料に対して、約１０〜約７０Ｋ、又は約１２〜約４０Ｋ、又は約１５〜約３０Ｋだけ低下する。低下の大きさは、炉床式バーナと比較してのウォールバーナの相対的な着火に左右され、ウォールバーナを着火する割合が高い炉のほうが、より高い値となる。合成ガスに関して、ウォールバーナに化学量論量より少ない空気を、炉床式バーナに追加される追加空気と共に使用することの結果として、最高管金属温度は、約１０〜約８０Ｋ、又は約１２〜約５０Ｋ、又は約１５〜約４０Ｋ低下する。これらの高い値は、燃料の組成の違いを反映している。
【００３６】
多くの場合、ウォールバーナに化学量論量より少ない燃料を、全体として少なくとも化学量論的条件をもたらすように炉床式バーナに追加される追加空気（多くのケースにおいて全体として１０〜１５％の過剰空気）と共に用いることにより、コイルの長さに沿った最高熱流束は、少なくとも３〜約１５％、又は約４〜約１２％、又は約５〜約１０％低下する。
【００３７】
本実施形態において、“従来の燃料”とは、炉に進入する際に気体として存在するメタン、水素及び高級炭化水素を含む混合物のことを言う。従来の燃料の非制限的なサンプルは、精製又は石油化学の燃料ガス、天然ガス、又は水素を含む。本実施形態において、“合成ガス”とは、一酸化炭素と水素とを含む混合物として定義される。合成ガス燃料の非制限的なサンプルは、石油コークス、減圧蒸留残渣油、石炭、又は原油のガス化又は部分酸化の生成物を含む。本実施形態で使用されるすべての比及び割合は、特に他に指示がない限り質量に基づいたものである。
【００３８】
図３は、熱分解ヒータ１０の断面図を示す。ヒータ１０は、輻射加熱領域１４及び対流加熱領域１６を有する。このケースにおいて炭化水素原料２２を予熱するためのものとして説明される熱交換面１８、２０は、対流加熱領域１６内に配置される。この領域にはまた、蒸気を生成するための熱交換面が含まれることがある。対流領域からの予熱された原料は、輻射加熱領域１４内に配置されて概して２６で指定される加熱コイルに２４で供給される。加熱コイル２６からの分解生成物は３０で排出される。加熱コイルは、垂直及び水平のコイルを含むいずれも必要とされる構成であってもよい。
【００３９】
輻射加熱領域１４は、３４、３６で指定される壁及び床部すなわち炉床４２を含む。床部には、輻射加熱領域１４の内部の上方に向いている垂直方向に着火する炉床式バーナ４６が取り付けられている。各バーナ４６は、壁３４、３６の一方を背にして、炉床４２上のタイル４８内に格納されている。
【００４０】
炉床式バーナは異なる設計のものであってもよい。図４の配置において、炉床式バーナ４６は、壁３４を背にした炉床４２上のバーナタイル４８から成り、この壁を介して主燃焼用の空気及び燃料がヒータ内に進入する。これらのバーナ４６の夫々は、主燃焼用の空気のための１つ以上の開口４９と、燃料用の１つ以上の一次燃料ノズル５０を含む。加えて、乱流を作り出し、火炎をタイル内にとどめるためのスポイラ（図示せず）があってもよい。追加の燃料ノズル５２がタイルの外側に配置されていてもよい。他の実施形態において、開口４９及び燃料ノズル５０は、バーナ４６用の空気及び燃料の唯一の供給源ではない。むしろ、追加の開口及び燃料ノズル（図示せず）は、これらの追加の開口及び燃料ノズルがバーナ４６と関連するように、バーナ４６に隣接して配置される。
【００４１】
炉床式バーナに加えて、ウォールバーナ５６は火室の上部に含まれている。ウォールバーナ５６は壁に取り付けられる。ウォールバーナは、コイル管上の火炎の衝突を回避するために壁にわたって広がる平面炎パターンを生成するように設計される。空気流は、炉の自然通風、炉に空気を引き入れるために燃料が用いられるベンチュリシステムによって対流加熱領域１６の出口に配置されたファンで作り出される誘引通風、又は上記の組み合わせの何れかによって作り出される。燃料は、バーナの様々な場所で注入される。一次燃料は、通常はタイル開口内で燃焼を開始し、そして火室内への垂直方向の加速を与えるように、流動空気流中へと注入口５０から注入される。この加速により火炎は壁に沿って押し上げられる。低ＮＯｘで動作するように設計されたバーナに対して、典型的には、タイルの縁に配置された二次燃料ノズル５２がある。このノズルは、流動空気流への燃料を“多段供給する”。燃料を段階分けすることより、燃料と空気の混合ために必要とされる時間まで燃焼速度は遅くなり、温度が低下してＮＯｘの低減につながる。これらの二次ノズルは、通常、炉床式バーナシステムの一部と見なされる。注入の角度に応じて、ノズル５２からの燃料は、バーナタイルの上方の様々な高さで空気流に到達する。これにより、最大燃焼地点が上昇又は低下する。
【００４２】
一般に、炉床式バーナ及びウォールバーナは、互いに独立して動作するように設計されており、典型的には、化学量論的な燃焼を達成することを特に意図した空気対燃料比又は、多くのケースにおいて、化学量論的な燃焼を若干上回る空気対燃料比（例えば、１０％の過剰空気）で運転される。一部の従来型のバーナの運転方法の不利な点は、これらの方法が燃焼の最大となる強烈な地点を生成し、炉内のその地点で熱分解コイル上のホットスポットとなるということである。化学量論的な燃焼に近い条件下で炉が運転された場合に作り出されるホットスポットは、化学量論的な燃焼から離れて運転される場合よりも強烈なものとなる。ホットスポットを回避する１つの方法は、炉に過剰空気を導入することを伴う。しかしながら、過剰空気の導入はまた、炉の総熱効率を低下させる傾向がある。
【００４３】
炉内の燃焼温度を調節するための既知のアプローチは、燃料の多段供給、すなわち燃料を燃焼領域の外側に移動させて燃料を過剰空気と混合させる工程を伴う。上述したように、従来の炉床式バーナは、化学量論的な条件を若干上回る燃料と空気の混合（約１０〜１５％の過剰空気）で動作する。これらの条件により、火室内で不自然な火炎が形成され、コイル上の火炎の衝突が最小限となる。ＮＯｘの要件の開始と共に、燃料の多段供給が用いられている。炉床式バーナを使用するシステムに関して、“二次”炉床式バーナの燃料は、燃焼を開始した“一次混合”の位置からますます離れた地点で導入されている。これらの条件下で、希薄な火炎が火室内へと上昇するにつれて、“二次”燃料は火炎にゆっくりと混ざり、最終的に低い温度で燃焼を完了する。ウォールバーナが炉で使用される場合、得られる放熱プロファイルは、火室の下部の放熱特性を制御する炉床式バーナの結果であり、一方、ウォールバーナは、火室の上部の放熱特性を制御する。炉床式バーナとウォールバーナの両方が使用される炉において、床部からの高い放熱は、火室内に“ホットスポット”を形成し、ホットスポットは、放熱プロファイルにおいて対応する高い地点を形成する。
【００４４】
どのバーナからのホットスポットの位置及び強度も、特定の燃料と空気の混合物の燃料燃焼動力学に左右される。燃焼が化学量論的な燃焼に近いほど、ホットスポットの温度はより高くなる。さらに、化学量論に近い条件下で、ピーク燃焼は、バーナからいくらか距離をおいて、すなわち燃焼開始地点から離れて起きる。燃焼の動力学及び空気と燃料との混合の動力学は、火炎の放熱プロファイルを決定する。典型的には、火炎の下部は冷たいが、混合が起きるにつれてより多くの熱が放出され、最終的には高い放熱が集中する領域、すなわち“ホットスポット”が形成される。
【００４５】
炉床式及びウォールバーナの両方が使用される炉において、床部からの高い放熱により火室内に“ホットスポット”が形成され、ホットスポットは放熱プロファイルにおいて、対応する高い地点を形成する。最大放熱地点は、典型的には、壁を垂直上方に移動する炉床式バーナからの燃焼が、ウォールバーナから半径方向に移動するウォールバーナからの燃焼と出会う地点である。反対方向に移動する燃焼混合物は、ホットスポットを増幅させる傾向がある。燃焼からの最大放熱地点は、処理コイルへの最大熱流束の地点、ひいては最高管金属温度を決定する。
【００４６】
炭化水素を熱分解する熱分解ヒータを運転するための本実施形態に開示された方法は、炉床式バーナが当該炉床式バーナで導入される燃料を燃焼させるための化学量論量より多い空気で動作し、ウォールバーナが当該ウォールバーナで導入される燃料の量に基づいて化学量論量より少ない空気で動作する着火パターンを提供する。いくつかの実施形態において、本方法は、特定の空気／燃料比を達成するために火室で空気を分散することにより、実質的に一様な放熱プロファイルを有する輻射加熱領域を提供する。これは、熱分解ヒータの既知のプラクティスとは対照をなし、燃料は火室で移動する（多段供給される）ものの、どんなバーナにとっても最終的な空気対燃料比は、化学量論比よりも若干高い狭い範囲内に留まる。
【００４７】
本願に記載された特定の実施形態において、ウォールバーナの空気燃料混合物は、燃焼のための化学量論量の約８５％以下の空気を有する。いくつかのケースにおいて、ウォールバーナの空気燃料混合物は、燃焼のための化学量論量の約５０％〜８０％の空気を有する。炉床式バーナは過剰空気を供給し、その結果、ヒータに対する空気の総量は、化学量論量より約１０〜１５％過剰になる。１つの炉床式バーナの着火が１つのウォールバーナの着火の約６〜１０倍であることを考慮すると、炉床式バーナにおける過剰空気の量は、化学量論的条件未満で動作するウォールバーナの数に左右される。重要な判断基準は、化学量論的な条件下にはないウォールバーナの動作である。いくつかの実施形態において、炉床式バーナは、約１５％〜１００％の過剰空気、又は約２０％〜約９０％の過剰空気、又は場合によっては約２０％〜約８０％の過剰空気で動作する。過剰空気の量は、炉床式バーナ及びウォールバーナに対して要求される特定の着火パターンと特定の使用燃料とに左右される。通常、炉全体での過剰空気の総量は、良好な熱効率の達成に適う約１０〜１５％の過剰空気に留まる。開示された着火パターンは、様々な効果をもたらす。
【００４８】
過剰空気が供給される炉床式バーナの火炎は、従来の炉動作条件の場合と比較すると温度が低い。これが低ＮＯｘ及び安定した火炎をもたらす。
【００４９】
炉床式バーナの火炎からの過剰空気は、ウォールバーナからの燃料リッチな流出物と混ざり、従来の炉動作条件の場合と比較すると火室のより高い位置で燃焼する。これにより炉床式バーナとウォールバーナとの相互作用が低減され、炉床式バーナの垂直火炎が壁から離れてホットスポットを形成するのが防止される。また、ＮＯｘの低減にも関与する。
【００５０】
垂直に移動する炉床の空気の量が多いと、火室の最上部での燃料と空気との混合がより良好となり、放熱が改善され、また熱分解コイルの上部への流束が大きくなる。
【００５１】
理論により束縛されることを意図するものではないが、これらの効果は、炉床式バーナで導入される大量の過剰空気とウォールバーナの化学量論量未満の空気とが組み合わされた結果、燃焼パターンが変化するからであると考えられる。典型的には、燃料が完全に安定して確実に燃焼するように、炉は１０〜１５％の過剰空気で運転される。開示された着火パターンに従って運転される炉において、炉床式バーナからのより多い過剰空気により燃焼ガスの質量流量が垂直方向に増大する。炉床式バーナからの大量の過剰空気と、空気の少なさから生じる壁での燃焼“強度”の低さとが相まって、従来の炉床／壁着火方式の炉においてホットスポットが形成される地点でのモメンタムに違いが生じ、壁からの火炎の分離が最小限に抑えられる。開示された着火パターンにより、火室内での“典型的な”熱流パターンも変化し、渦動域の長さが延びる。ウォールバーナにおいて化学量論的混合比に満たない燃料及び空気を使用することにより、利用可能な空気がほぼ消費されるまでウォールバーナの燃料は燃料リッチな環境下で迅速に燃焼し、その後、燃料リッチな混合物が炉床式バーナで導入される火室の下部からの過剰空気と混ざるにつれて、より緩やかな燃焼へと変化する。このため、炉床式バーナにおけるより多い過剰空気とウォールバーナにおける化学量論量より少ない空気との組み合わせにより、ＮＯｘも低減され、火室の垂直長さ全体にわたって放熱プロファイルはより滑らかなものとなり、より均一なコイル金属温度及びコイル冶金のより良好な使用が促進される。つまり、以下のデータにより証明されるように、開示された着火パターンに従って熱分解炉を運転することにより、管金属温度及び火室の高さ全体でのコイルの外側の流束プロファイルの均一性がより高くなることにより、コイルの利用が改善される。
【００５２】
以下の実施例は、例示の目的のため、及び本願に開示された着火方法がより十分に理解される目的で、与えられるのみであることを理解されたい。これらの実施例は、特に別段の指示がない限り、開示の範囲をいかなる形でも制限しない。
【実施例】
【００５３】
実施例１
図５及び図６は、従来の着火パターン及び本願に記載された新規の着火パターンを用いた、メタン／水素燃料に着火するエチレン炉の垂直温度プロファイルをそれぞれ示す、計算流体力学（ＣＦＤ）シミュレーションからのデータを表している。全実施例に対する数値流体力学シミュレーションは、Ｆｌｕｅｎｔ社から入手可能な市販の計算ソフトウェアパッケージであるＦｌｕｅｎｔを用いて行われた。当該技術分野で既知のその他のソフトウェアを、本願に記載された結果を再現するために、本発明に用いることは可能である。
【００５４】
両方の着火パターンに対して、エチレン炉は全部で３４８ＭＭＢＴＵ／時間で着火され、燃料の分布は炉床式バーナへの８４％と、一列のウォールバーナへの１６％とであった。ウォールバーナは、炉床上方の約３１フィート（９．４５メートル）の距離で配置される。シミュレーションは、炉床式バーナから炉の最上部に向かう高さの関数としての管金属温度を示している。複数の線は、コイルのいずれかの高さにおける円周上の様々な位置を表す。両方のケースにおいて、ベンチュリ型システムのない炉床式バーナが使用された。“従来のケース”は、化学量論量より若干多い空気を得るための大きさである開口部及び通気調節部を有していた。新規の実施形態の実施例は、（炉床式バーナの一次及び二次燃料の合計に対して）従来のケースよりも高い空気流量を得るような大きさである開口部及び通気調節部を有していた。
【００５５】
図５において、エチレン炉は、化学量論量より約１０％過剰な空気に相当する、ウォールバーナと炉床式バーナの両方が１９．６の空気対燃料比を有する従来の着火パターンに従って運転された。
【００５６】
図６において、エチレン炉は、例えば炉床式バーナにおいて燃料の８４％、ウォールバーナにおいて燃料の１６％という、同じ燃料分布パターンを有していた。しかしながら、図５の従来の着火パターンとは対照的に、ウォールバーナは、空気対燃料質量比９．８、すなわち燃焼に必要な化学量論量の約５０％の空気で設計され運転された。ウォールバーナに注入されない大部分の空気は、炉床式バーナに移動させられた。ウォールバーナの負荷はより小さいため、ウォールバーナの空気対燃料比における実質的な変化は、炉床式バーナの空気対燃料比への影響ほど大きなものではなかった。炉床式バーナは、空気対燃料比２１．５で運転され、これは約２１％の過剰空気を示している。炉全体（炉床式バーナ及びウォールバーナ）は、全体で１０％の過剰空気で運転された。
【００５７】
２つのプロットを比較すると、図６の着火パターンから生じる管金属温度プロファイルはより平坦であり、これはコイル長さ全体での最高温度と最低温度との間の差が小さいことを示している。コイルの高さ全体でのより平坦な温度プロファイルは、コイルの利用の改善とピーク金属温度の低下も示す。更に、図５及び図６に対応する実施例では両方とも処理コイルへの熱入力が同じであったが、図６の火炎に最も近い管表面の最高温度は１２９３Ｋであり（最上位の曲線）、図５に示される従来法では最高管表面温度が１３０８Ｋであった。その差は１５Ｋである。図６に関し、コイル最上部で実質的に大量の熱が吸収されることが見て取れる（より高い位置）。この領域において金属温度の低下はなく、これはその地点でのコイルへの熱流束が低いことを示している。同様の金属温度によって証明されるように、熱分解コイルの底部は同様の状況である。より均一な熱流束は、コイルのより良好な利用を表す。
【００５８】
実施例２
図７及び図８は、同じメタン／水素燃料に着火するエチレン炉の垂直熱流束プロファイルをそれぞれ示すＣＦＤシミュレーションからのデータを表している。これらのケースは、図５及び図６に示されるケースと同一である。炉は、従来の着火パターン及び本願に記載された新規の着火パターンの実施形態に従って運転される。図７において、プロットは、火室の底部から約９メートルの高さにおいて１．２ｅ＋５ｗ／ｍ２のはっきりとした“ピーク熱流束”を有する。これは、そのヒータの一列のウォールバーナの高さである。コイルの最上部及び底部は、コイルの中央部より比較的低温である。従って、図７のよりはっきりとしたピークは、炉床式バーナの火炎がウォールバーナの火炎と出会う地点での、従来の着火状況下での火室内における流束の上昇の結果として形成される「ホットスポット」の存在を明らかにしている。
【００５９】
図８のプロットは、図７において明らかであったコイルの最上部、底部及び中央部の間での極端な熱流束差を示していない。このため、本開示の着火パターンにより、炉床から約１１メートル上方の高さ、すなわちウォールバーナの列の高さよりはるかに上方で１．１２ｘ１０５w／ｍ２の最高流束を有する平坦な流束プロファイルが生成される。最高流束における低下は約６．７％である。この低下は、最高管金属温度における１５Ｋの低下と言い換えられる。
【００６０】
実施例３
空気を火室のあたりで移動させる効果は、代替燃料が着火された場合に更に顕著であった。熱分解炉で、従来の９０：１０のメタン：水素混合物の代わりに合成ガスに着火するＣＦＤシミュレーションが行われた。合成ガスの組成は以下の通りであった。  
2010528246.tif 000003
【００６１】
合成ガス燃料は、単位燃料あたりに必要とする空気の量がかなり低かった。この合成ガス燃料に対する化学量論的な空気対燃料比は２．６であった。
【００６２】
図９Ａ及び９Ｂは、従来の着火条件下及び本発明の実施形態による条件下で、合成ガス燃料に着火するエチレン炉の高さ全体での出口管金属温度プロファイルをそれぞれ示すグラフである。図９Ａ及び９Ｂは、燃料の４５％が炉床式バーナに分配され、燃料の５５％が炉に沿って配置された６列のウォールバーナに分配されたエチレン炉のＣＦＤシミュレーションからのデータを表す。
【００６３】
図９Ａにおいて、全てのバーナ（炉床式バーナ及びウォールバーナ）に対する空気対燃料質量比は、１５％の過剰空気状態を反映した３．０２である。グラフにより示されるように、従来の着火パターンでは、最高温度１３５５Ｋの“スパイク型”温度プロファイルが生成される。燃料中の水素含有量が高い結果、この燃料の燃焼は極めて迅速に進行した。水素成分が非常に高い放熱を有し、迅速に燃焼することに留意する。これは、極めて強烈であった炉の下方における最大燃焼点をもたらした。
【００６４】
図９Ｂにおいて、同じエチレン炉及び燃料分布パターンが使用された。しかしながら、ウォールバーナへの空気は、化学量論量の６３％、すなわち空気対燃料質量比２．１９（壁安定化のために壁上で着火される燃料を含む）に低減された。残余空気は炉床式バーナに移動した。ウォールバーナで着火される燃料の割合を非常に高くしてこれらのバーナを化学量論量を下回る条件下で動作させる状況下において、炉床式バーナは化学量論量より６０％過剰で運転する。図９Ｂのグラフに示されるように、使用された着火パターンは、管金属温度に劇的な効果をもたらした。プロットはスパイク型のピークではなく、むしろ最高温度が１２８０Ｋの滑らかな曲線であった。従来の着火条件と比較すると、本願に記載された新規の着火パターンに従った炉の運転では、最高管金属温度が７５Ｋ低下した。
【００６５】
実施例４
ＣＦＤは、従来の燃料による３つの異なるレベルの着火を用いて行われた。ウォールバーナの空気が化学量論量より少なくするにつれて、管金属温度は徐々に低下した。燃料は、９０／１０のメタン水素混合物であった。結果を以下の表２に示される。  
2010528246.tif 000004
【００６６】
表２は、燃料比が変化するにつれて、最高管金属温度（ＴＭＴｓ）が変化することを示す。最高炉床空気は、最低金属温度をもたらす（ケース４−２）。
【００６７】
本願に記載された実施形態は、オレフィンの製造において特に有用であり、また従来のバーナ及び低ＮＯｘバーナを採用するシステムにおいて有用である。実施形態は、多数のウォールバーナが採用され且つ代替燃料が使用される場合に特に有用である。
【００６８】
これらの実施形態はエチレン炉と関連して説明されてきたが、着火パターンはそのようなバーナ、それらの配列又は詳細に限定されない。ウォールバーナと炉床式バーナとの組み合わせで着火し、ウォールバーナを必要とされる化学量論量の約８０％未満の空気で、すなわち約２０％〜１００％の過剰空気で運転する炉床式バーナで導入された残余空気と共に必要とされる化学量論量の５０％〜８０％の空気で運転する炉が含まれる。より多量の空気も使用可能である。範囲は、炉内のウォールバーナ及び／又は炉床式バーナのパターン又は位置によっても限定されない。同様に、本願に記載された実施形態の精神及び範囲から逸脱することなく、その他の改変、適合及び代替は当業者に思いつき得る。
【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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年1月28日(2010.1.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
底面炉床部と、前記底面炉床部に隣接し且つ前記底面炉床部から上方に延びる対向壁とを有する輻射加熱領域と、
前記輻射加熱領域に配置された少なくとも１つの管状加熱コイルと、
前記輻射加熱領域において着火するための、前記底面炉床部に隣接して配置された複数の炉床式バーナを含む炉床式バーナ区域と、
前記対向壁に隣接して配置された複数のウォールバーナを含むウォールバーナ区域と、
を含むヒータを運転する方法であって、
前記ウォールバーナ区域に導入される燃料を燃焼させるための、化学量論量未満の空気を有する第１の空気燃料混合物を前記ウォールバーナ区域に導入し、
前記炉床式バーナ区域に導入される燃料を燃焼させるための、前記化学量論量より多い空気を有する第２の空気燃料混合物を前記炉床式バーナ区域に導入することを含み、
前記炉床式バーナ区域及び前記ウォールバーナ区域に導入される空気の総量は少なくとも化学量論量である方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１３】
底面炉床部と、輻射加熱領域を形成する前記底面炉床部に隣接し且つ前記底面炉床部から上方に延びる対向壁と、
前記輻射加熱領域に配置された少なくとも１つの管状加熱コイルと、
前記輻射加熱領域において着火するための、前記底面炉床部に隣接して配置された複数の炉床式バーナを含む炉床式バーナ区域と、
前記対向壁に隣接して配置された複数のウォールバーナを含むウォールバーナ区域と、
を含むヒータを運転する方法であって、
燃焼のための化学量論量未満の空気を有する第１の空気燃料混合物を、ウォールバーナ区域に導入し、
燃焼のための前記化学量論量より多い空気を有する第２の空気燃料混合物を、前記炉床式バーナ区域に、前記加熱コイルの長さに概して平行な方向で導入し、
前記燃料及び空気を前記輻射加熱領域において燃焼させることを含み、
前記ウォールバーナ区域で導入される空気及び一部の燃料は、第１の燃焼速度で燃焼し、前記炉床式バーナ区域で導入される空気の一部は、前記ウォールバーナ区域で導入される燃料の一部と共に、前記第１の燃焼速度より遅い第２の燃焼速度で燃焼する方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２４】
前記ウォールバーナ区域は、空気及び燃料の少なくとも１つのための補助的導入地点を含む
請求項２１に記載のヒータ。
【手続補正４】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３５】
底面炉床部と、輻射加熱領域を形成する前記底面炉床部に隣接し且つ前記底面炉床部から上方に延びる対向壁と、
前記輻射加熱領域に配置された少なくとも１つの管状加熱コイルと、
前記輻射加熱領域において着火するための、前記底面炉床部に隣接して配置された複数の炉床式バーナを含む炉床式バーナ区域と、
前記対向壁に隣接して配置された複数のウォールバーナを含むウォールバーナ区域と、
を含むヒータを運転する方法であって、
燃焼のための化学量論量の約８５％以下の空気を含み、燃焼のための前記化学量論量未満の空気を有する第１の空気燃料混合物を、前記ウォールバーナ区域に導入し、
燃焼のための前記化学量論量より２０％〜１００％多い空気を含み、燃焼のための前記化学量論量より多い空気を有する第２の空気燃料混合物を、ヒータの前記炉床式バーナ区域に、ヒータの加熱コイルに概して平行な方向で導入し、
前記燃料及び空気を前記輻射加熱領域において燃焼させることを含み、
前記ヒータの前記ウォールバーナ区域における全体としての燃焼速度が低下するように、前記ウォールバーナ区域で導入される前記空気及び一部の前記燃料は、第１の燃焼速度で燃焼し、前記炉床式バーナ区域で導入される空気の一部は、前記ウォールバーナ区域で導入される燃料の一部と共に、前記第１の燃焼速度より遅い第２の燃焼速度で燃焼し、
前記ヒータは、全体として前記化学量論量より少なくとも約１０％多い空気で運転される方法。
【国際調査報告】
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