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KR20240159832A - 전기 히터 - Google Patents

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KR20240159832A
KR20240159832A KR1020247031903A KR20247031903A KR20240159832A KR 20240159832 A KR20240159832 A KR 20240159832A KR 1020247031903 A KR1020247031903 A KR 1020247031903A KR 20247031903 A KR20247031903 A KR 20247031903A KR 20240159832 A KR20240159832 A KR 20240159832A
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KR
South Korea
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air stream
electric heater
compressed
heating
heater
Prior art date
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Pending
Application number
KR1020247031903A
Other languages
English (en)
Inventor
윌리엄 스콧 네이퍼트
수닐 샤시칸트 판디트라오
리차드 존 집
Original Assignee
루머스 테크놀로지 엘엘씨
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 루머스 테크놀로지 엘엘씨 filed Critical 루머스 테크놀로지 엘엘씨
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Abstract

올레핀 생성 반응기에서 촉매를 재생하는 공정. 본 공정은 압축되고 예열된 공기 스트림을 전기 히터를 포함하는 가열 구역에 공급하는 단계, 가열 구역에서 압축되고 예열된 공기 스트림을 500-800℃ 범위의 온도로 전기적으로 가열하는 단계, 재생 공기 스트림을 생성하는 단계, 재생 공기 스트림을 올레핀 생성 반응기에 공급하는 단계, 재생 공기를 사용하여 촉매를 재생하는 단계, 고온 공기 스트림을 생성하는 단계, 및 고온 공기 스트림을 압축된 공기 스트림을 예열하도록 구성된 폐열 회수 유닛에 공급하는 단계, 압축되고 예열된 공기 스트림 및 폐공기 스트림을 생성하는 단계를 포함한다.

Description

전기 히터
본 개시내용의 실시양태는 일반적으로 CATOFIN®과 같은 파라핀 탈수소화 유닛에 관한 것이다. 반응열을 공급하는 방식 중 하나로 에어 히터가 있다. 현재, 플랜트는 주로 발화와 관련된 배출을 유도하는 연료 연소 공기 히터를 사용한다. 본 발명은 연소되는 연료를 감소시키기 위하여 연소 히터를 전기 히터로 대체한다. 재생 가능한 에너지 가용성이 증가함에 따라, 이는 CATOFIN® 기술의 온실 가스 배출을 감소시킬 수 있다.
WO2020245016A1은 하나 이상의 열 소비 공정(500℃ 초과)을 개시하며, 이들 중 적어도 하나는 전기적으로 가열된다. 열 소비 공정의 생성물은 용량이 5GWh인 에너지 캐리어 네트워크로 전달된다.
US9908091B2는 적어도 하나의 버너 및 반응기 튜브에 연결된 적어도 하나의 전압 공급원을 포함하는 스팀 개질을 위한 노를 개시한다. 전류가 반응기 튜브를 통과하여 공급원료를 가열한다.
US20210254774A1은 반응기 튜브를 포함하는 연소 챔버를 갖는 스팀 개질기를 개시한다. 발열 요소는 반응기 튜브들 내부에 배치된다.
US20210051770A1은 프로판의 탈수소화를 포함하는 흡열 반응을 위한 전기적으로 가열가능한 고체 팩킹 장치(나열되어 있지만, 상세히 설명되지 않음)를 개시한다. 패킹된 베드는 전기적으로 격리된 상부, 중간 및 하부 섹션으로 분할된다. 가열은 전기 전도성 고체 상태 패킹에 설치된 전극에 의해 이루어진다.
US20210171344A1은 촉매 코팅을 지지하는 거시적 구조를 갖는 스팀 개질 반응기를 개시한다. 전류가 거시적 구조를 통과하여 촉매의 일부를 500℃ 초과로 가열한다.
일 양태에서, 본원에 개시된 실시양태는 올레핀 생성 반응기에서 촉매를 재생하는 공정에 관한 것이다. 본 공정은 압축되고 예열된 공기 스트림을 전기 히터를 포함하는 가열 구역에 공급하는 단계, 가열 구역에서 압축되고 예열된 공기 스트림을 500-800℃ 범위의 온도로 전기적으로 가열하는 단계, 재생 공기 스트림을 생성하는 단계, 재생 공기 스트림을 올레핀 생성 반응기에 공급하는 단계, 재생 공기를 사용하여 촉매를 재생하는 단계, 고온 공기 스트림을 생성하는 단계, 및 고온 공기 스트림을 압축된 공기 스트림을 예열하도록 구성된 폐열 회수 유닛에 공급하는 단계, 압축되고 예열된 공기 스트림 및 폐공기 스트림을 생성하는 단계를 포함한다.
다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 공기 스트림을 가열하기 위한 전기 히터에 관한 것이다. 전기 히터는 전기적으로 가열된 복사 섹션(radiant section) 내에 배치된 하나 이상의 전기적 발열 요소, 하나 이상의 발열 요소에 부착된 하나 이상의 표면적 증가 피처, 하나 이상의 전기적 발열 요소로부터 복사 열을 흡착하고 대류에 의해 공기 스트림에 열을 전달하도록 구성된 세라믹 내화 재료, 및 전기적으로 가열된 대류 섹션(convention section) 내에 배치된 하나 이상의 발열 요소를 포함하며, 전기적으로 가열된 대류 섹션은 전기적으로 가열된 복사 섹션의 업스트림에 위치된다. 전기 히터는 500-800℃ 범위의 온도로 공기 스트림을 가열하도록 구성된다.
또 다른 양태에서, 본원에 개시된 실시양태는 올레핀 생성 반응기에서 촉매를 재생하기 위한 시스템에 관한 것이다. 본 시스템은 압축되고 예열된 공기 스트림을 수용하고, 압축되고 예열된 공기 스트림을 500-800℃ 범위의 온도로 전기적으로 가열하여 재생 공기 스트림을 생성하도록 구성된 전기 히터를 포함하는 가열 구역, 재생 공기 스트림을 올레핀 생성 반응기로 공급하도록 구성된 유동 라인 - 재생 공기 스트림은 촉매를 재생하고 고온 공기 스트림을 생성함 -, 및 상기 고온 공기 스트림을 사용하여 압축된 공기 스트림을 예열하고, 압축되고 예열된 공기 스트림 및 폐공기 스트림을 생성하도록 구성된 폐열 회수 유닛을 포함한다.
청구된 주제의 다른 양태들 및 이점들은 다음의 설명 및 첨부된 청구항들로부터 명백할 것이다.
개시된 기술의 특정 실시예들이 이제 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명될 것이다. 다양한 도면들에서 동일한 요소들은 일관성을 위해 동일한 참조 번호들로 표시된다. 도면에서의 요소들의 크기 및 상대적인 위치는 반드시 축척대로 그려진 것은 아니다. 예를 들어, 다양한 요소들의 형상 및 각도가 반드시 축척대로 그려지는 것은 아니며, 도면 가독성을 향상시키기 위해 이들 요소들 중 일부를 임의로 확대하여 배치할 수도 있다.
도 1은 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예들에 따른 시스템들 및 공정들의 단순화된 공정 흐름도를 예시한다.
도 2는 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예들에 따른 시스템들 및 공정들의 단순화된 공정 흐름도를 예시한다.
도 3(a-g)는 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예들에 따른 시스템들 및 공정들의 단순화된 공정 흐름도를 예시한다.
도 4는 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예들에 따른 시스템들 및 공정들의 단순화된 공정 흐름도를 예시한다.
도 5는 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예들에 따른 시스템들 및 공정들의 단순화된 공정 흐름도를 예시한다.
도 6은 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예들에 따른 시스템들 및 공정들의 단순화된 공정 흐름도를 예시한다.
도 7은 본 명세서에 개시된 하나 이상의 실시예들에 따른 시스템들 및 공정들의 단순화된 공정 흐름도를 예시한다.
적어도 하나의 발열 요소가 저항 기반 발열 요소인 경우 특히 적합한 전기적 가열 방식이 제공될 수 있다는 것이 지금은 밝혀져 있다. 전기 저항 가열은 전력을 열로 변환하는 잘 알려진 방법이다. 이 기술은 다른 많은 산업 분야에서 사용된다. 고온(1000℃ 초과) 저항 가열은 예를 들어 유리 산업, 금속 산업 및 많은 실험실 설비에 사용된다. 격리된 시스템을 고려할 때, 저항 가열을 통해 전력을 열로 변환하는 것은 거의 100% 효율적이다. 저항 가열은 "줄 효과(Joule effect)"에 의해 발생한다. 줄의 첫 번째 법칙은 전기 전도체에 의해 발생된 열의 전력(P)이 저항과 전류의 제곱의 곱에 비례한다고 명시한다(P=I2R, 여기서 I는 전류이고 R은 저항이다).
많은 상이한 유형들의 전기 저항 발열 요소들이 존재하며, 각각은 그들의 특정 적용 목적을 갖는다. 예로서, 미네랄 절연 와이어 기술이 특정 응용에 사용될 수 있지만, 그의 사용은 제한적이다.
니켈 크롬 (NiCr) 발열 요소는 많은 산업용 노와 전기 가전 제품에 사용된다. 재료는 견고하고 수리 가능하며(용접 가능), 중간 비용 및 다양한 등급으로 제공된다. 그러나 NiCr의 사용은 발열 요소의 수명을 고려하여 1100℃의 최대 작동 온도에 의해 제한된다.
본 개시내용의 반응기 구성 및 고온 적용에 사용하기 위한 다른 옵션은 탄화규소(SiC) 발열 요소다. SiC 발열 요소는 최대 1600℃의 온도를 달성할 수 있고, 요소 당 높은 히팅 듀티(heating duty)를 허용하는 큰 직경들(최대 55 mm까지 상업적으로 입수가능함)을 가질 수 있다. 또한, SiC 발열 요소의 비용은 비교적 낮다.
전기적 발열 요소에 대한 하나 이상의 실시예는 MoSi2 또는 FeCrAl 기반 저항 발열 요소일 수 있다.
이규화 몰리브덴(MoSi2) 원소는 고온에서 산화를 견딜 수 있는 능력을 갖는다. 이는 표면에 석영 유리의 얇은 층이 형성되었기 때문이다. 요소 상에 보호층을 유지하기 위해 약간 산화되는 분위기(200 ppm 초과 O2)가 필요하다. 작동 중에 있은 후에, 요소들은 저온 조건에서 매우 부서지기 쉬워지며, 따라서 쉽게 손상된다. MoSi2 발열 요소는 최대 1850℃까지 다양한 등급으로 사용 가능하여 다양한 범위의 고온 가스 전환 공정에 사용할 수 있다. 요소들의 전기 저항률은 온도의 함수이다. 그러나 이들 요소의 저항은 에이징(aging)에 의하여 변하지 않는다. 첫 번째 사용 기간 동안 약간의 저항 감소만 발생한다. 따라서 직렬로 설치할 때 연결된 다른 요소에 영향을 주지 않고 장애가 발생한 요소를 교체할 수 있다. MoSi2 요소의 이점은 최대 35 W/cm2의 높은 표면 부하(loading)이다.
사용될 수 있는 다른 합금은 FeCrAl(페크랄로이(Fecralloy))이다. FeCrAl 저항 와이어는 강력한 가열 기술이다. 듀티는 비교적 간단한 온/오프 제어에 의해 제어될 수 있다. 이론적으로, 히팅 듀티를 전달하기 위해 고전압들이 인가될 수 있다. 그러나, 이것은 전기 스위치에 여분의 부하를 가하고 충분한 전기 절연을 제공하기 위해 적절한 내화 재료를 요구하기 때문에 일반적으로 적용되지 않는다. 페크랄로이 발열 요소는 유리한 수명 및 성능 특성을 갖는다. 비교적 고온(최대 약 1300℃)에서 작동 가능하며, 표면 부하(5 W/cm2)가 좋은 특성을 갖는다. 일부 실시예들에서, 페크랄로이 발열 요소는 요소들 상에 Al2O3 보호 층을 유지하기 위해 산화 분위기(200 ppm 초과 O2)에서 사용된다.
본원의 실시양태는 하기 실시예를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 공정에서 사용하기 위한 신규한 대형 산업용 공기 히터에 관한 것이다: CATOFIN® 및 CATADIENE® 탈수소화 기술, 고온 공기를 필요로 하는 촉매 재생 시스템, 재생 열 교환기(열이 열 저장 매체, 예를 들어 암석, 염 등에 저장되는 공정).
본 명세서의 실시예들은 또한 지속 가능성 목표들을 충족시키고 온실 가스 배출들을 감소시키기 위한 노력으로, 또는 다른 동기들을 위해 히터들을 전기화하는 것이 요구되는 공기 이외의 유체들을 갖는 다른 공정들에 신규한 전기 히터들이 적용될 수 있게 하는 공정들 및 시스템들에 관한 것이다.
정부 규제, 공공의 압력, 지속 가능성 목표는 석유화학 플랜트가 온실가스 배출을 감소시키도록 이끌고 있다. 초점의 한 영역은 대형 전기 히터 대 연소 히터에 있다. 본 명세서의 하나 이상의 실시예는 연소 히터에 사용되는 화석 연료보다는 재생 가능한 에너지 공급원으로의 이동을 허용할 수 있다. 실시예들은 새로운 그린필드 프로젝트들에도 적용될 수 있지만, 또한 현장에서 엄격한 규제를 충족시키기 위해 그들의 온실 가스 배출을 감소시켜야 하는 개조(retrofit)에도 적용될 수 있다.
현재의 CATOFIN® 반응기(10) 재생 공기 시스템의 개요는 도 1을 참조한다. CATOFIN® 반응기(10)는 촉매로부터 코크스를 연소시키고 촉매 층을 가열하기 위해 약 500-800℃에서 고온 재생 공기(12)를 필요로 하며, 이는 탈수소화 반응을 구동한다. 본 공정은 공기 압축기(들)(14), 연소 재생 공기 히터(16), CATOFIN® 반응기(10), 폐열 회수 교환기(18), 및 스택(20)으로 구성된다. 공기 스트림(22)은 재생 시스템을 통해 전달하기 위해 약 2.0-3.0bar(a)로 압축된다. 그런 다음 압축 공기(24)는 폐열 회수 교환기(18)에서 약 300-500℃로 예열된다. 예열된 공기(26)는 다시 폐열 회수 교환기(18)를 통해 피드백된 다음, 연소 재생 히터(16)에서, 플랜트 생성 속도 및 작동 조건에 따라 30-300MW로부터 흡수된 열의 범위인 600-800℃로, 천연 가스 및 프로판에 의해 보충된 수소가 풍부한 연료(28)(플랜트 부산물)의 연료 공급원과 함께 가열된다. 그런 다음, 연소 재생 공기 히터 유출물(12)은 코크스가 연소되고 촉매가 가열되어 흡열 탈수소화 반응으로 인해 손실된 열을 회수하는 CATOFIN® 반응기(10)에 공급된다. 그런 다음 가열된 공기(30)는 CATOFIN® 반응기(10)로부터 폐열 회수 교환기(18)로 흐르고, 여기서 공기는 약 80-120℃로 냉각되어, 냉각 공기 스트림(32)을 생성한다. 그런 다음 냉각 공기 스트림(32)은 스택(20)을 통해 빠져나간다. 폐열 회수 교환기(18)는 압축된 공기(24)를 예열하고, 고압 스팀(34) 및 과열 고압 스팀(36)를 발생시킴으로써 CATOFIN® 반응기 공기 유출물(30)로부터 에너지를 회수한다. 녹아웃 드럼(38)은 물(40)을 폐열 회수 교환기(18)에 공급하여 열사이펀 설계를 통해 혼합상 스팀을 생성하고, 이는 녹아웃 드럼(38)으로 복귀한다. 그런 다음 (38)에서 발생된 고압 스팀은 다른 고압 스팀 공급원(44)과 혼합된 후 폐열 회수 교환기(18)로 보내지고 여기서 과열된 다음, 과열제거기(42)로 공급된 후, 폐열 회수 교환기(18)로 공급되어 여기서 과열 스팀(36)를 생성한다.
CATOFIN® 반응기(10)는 탈수소화 및 재생/재가열이 별개의 시간에 발생하도록 순환 방식으로 작동한다는 점에 유의한다.
현재의 CATOFIN® 공정에서, 연소 히터(16) 유출물(12)은 공기를 가열하기 위해 탄화수소 연료를 연소시키는 것으로 인한 일부 CO2 배출물을 함유할 것이다. CO2 배출을 감소시키기 위해, 본 발명자들은 주요 공급업체로부터 이용 가능한 전기 공기 히터에 대한 조사를 수행하였다. 연구 결과는 다음과 같다:
공기를 600-800℃로 전기적으로 가열하기 위해, 공기는 전기 요소 번들 위로 흐른다. 본 요소는 금속 시스에 둘러싸인 MgO 절연체에 매립된 NiCr 저항성 와이어일 수 있다. 아래에서는 기존 전기 요소 번들과 관련하여 확인된 문제를 요약한다.
많은 히터가 필요할 것이다. 기존 히터는 5MW 미만 규모이며 상업용 올레핀 플랜트에 사용하기에 너무 작다.
총 요소 길이는 매우 길어서 열전달계수가 좋지 않고, 최대 800℃까지 온도를 올릴 수 없다. 요소 길이로 인해, 전체 히터 부피도 매우 크다.
전반적으로, 요소 길이, 필요한 총 히터 부피 및 기존 히터의 작은 규모는 이들을 상업적 규모의 올레핀 플랜트에서 사용하기에 비실용적으로 만든다. 비효율적인 열 전달과 필요한 온도를 달성하기 위한 일련의 다수의 히터에 대한 요구 사항은 가열 비용 및 풋프린트를 너무 크고 바람직하지 않게 만든다.
본 발명자들은 다른 대규모 산업적 용도 중에서, 상업적 올레핀 플랜트를 위한 재생 공기를 전기적으로 가열하는데 유용할 수 있는 전기 히터를 설계하였다. 본 명세서의 실시예들에 따른 전기 히터들의 통합은 CATOFIN® 유닛들에 대한 감소된 CO2 배출들을 초래하고, 화석 연료들의 사용의 감소를 가능하게 한다. 본원의 실시양태는 또한 상업적 규모 공정을 전기화하는 것에 대한 주요 장애물을 극복하며, 주목할 점은 30-300 MW 규모에서 최대 800℃에 도달하는 CATOFIN® 히터에 대해 요구되는 조건에 대한 입증된 설계가 부족하다는 것이다. 예를 들어, 본 명세서의 전기 히터는 30 내지 300 MW의 범위, 예컨대 30, 50, 75, 100, 또는 150 MW의 하한 내지 150, 200, 225, 250, 275, 또는 300 MW의 상한의 범위의 열을 전달하기 위해 정격화될 수 있으며, 여기서 임의의 하한은 임의의 수학적으로 양립가능한 상한과 쌍을 이룰 수 있다.
본 명세서의 다양한 실시예에 따른 히터는 가열되는 공기 스트림에 필요한 열을 제공하도록 배열되고 구성된 발열 요소를 포함하는 단일 히터 박스로서 배열될 수 있다. 본 명세서에 개략되고 도면들에 예시된 콤팩트하고 효율적인 설계로 인해, 본 명세서의 실시예들에 따른 전기 히터들은, 특히 현재 이용가능한(5 MW 미만) 히터들에 의해 요구되는 다중-히터 유닛들과 비교하여, 상업적 규모의 플랜트들로의 통합에 적합한 비교적 낮은 풋프린트 면적을 가질 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 도 2는 본 명세서의 하나 이상의 실시예에 따른 덕트 설계의 예를 예시하는, 전기 공기 히터 대류 섹션(100)에 대한 설계를 예시한다. 냉각 공기(104)는 히터 덕트(105)를 통해 전기 공기 히터(100)의 하단으로 유입되고, 발열 요소(102)에 의해 가열되어 고온 공기(106)를 생성한다. 덕트 설계는 열 전달 계수 및 압력 강하를 최적화하기 위하여 유동 패턴 및 요소 피치 조정을 가진다. 베어 시스로부터 케이싱되는 요소(102)는 매끄러운 보어 로우-핀 튜브와 같은 연장된 표면을 갖는 시스로 변경될 수 있다. 요소 설계는 전기적 격리를 위해 MgO에 매립되고 낮은 핀 튜브에 둘러싸인 NiCr 저항 와이어일 수 있다. 전기 공기 히터 대류 섹션(100)의 작동 전압은 요구되는 작동 온도에 따라 300V 내지 7000V일 수 있다. 요구되는 전압은 단말(terminal end, 108)에 의해 제공된다. 본 명세서의 전기 히터의 다양한 실시예는 300, 500, 700, 1000, 1250, 1500, 1750, 2000, 2250, 2500, 2750 3000, 3500, 4000, 4500 또는 5000 V의 하한으로부터 2500, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000, 5500, 6000, 6500 또는 7000 V의 상한까지의 범위의 작동 전압을 가질 수 있으며, 여기서 임의의 하한은 임의의 수학적으로 양립가능한 상한과 쌍을 이룰 수 있다.
이러한 설계는 현재 이용가능한 소형-규모 전기 히터들과 비교하여 약 200%만큼 이용가능한 열 전달 면적/부피의 증가를 허용할 수 있다. 설계는 또한 현재 이용가능한(5 MW 미만) 히터들과 비교하여 히터 크기, 압력 강하, 및 요구되는 풋프린트를 감소시키면서, 요구되는 요소 길이를 약 40%만큼 감소시키는 것을 허용할 수 있다. 로우 핀 설계는 CATOFIN® 공기 히터에 요구되는 고온에서 작동할 수 있다. 이러한 핀은 NEOTISS로부터 입수가능한 HPT Finned Tube와 유사할 수 있다.
이제 도 3a 내지 도 3g를 참조하면, 열 전달 구조에 대한 다양한 설계 고려사항들이 예시된다. 이들은 튜브-및-플레이트(A 및 B), 원형 핀(C), 및 핀-및-플레이트(D)와 같은 다양한 핀 설계이고, 발열 요소들에 조합되고 부착될 때, 본 명세서에 설명된 바와 같이 발열 요소들의 길이당 열 전달 면적을 최적화할 수 있다. (E), (F), 및 (G)에서 알 수 있는 바와 같이, 전기 연결부(200)는 전기적으로 열을 제공하기 위해 튜브를 가열하기 위해 전류를 인가하는 데 사용된다.
이제 도 4를 참조하면, 도 4는 전기 공기 히터 복사 섹션(400)의 요약을 예시한다. 이 히터 설계는 복사열이 우세한 열 전달인, 더 높은 온도에서 전기 요소(402)를 작동할 수 있다. 요소(402)는 대류 섹션과 관련하여 도 2에 도시된 금속 시스가 없는 베어(bare), 즉 저항성 와이어일 수 있다. 이러한 실시예에서, 냉각 공기(404)는 전기 요소(402)에 의해 가열되는 하나 이상의 세라믹 튜브(406)를 통해 전기 공기 히터 복사 섹션(400)의 하단으로 공급된다. 가열된 공기(408)는 CATOFIN 반응기 촉매를 재생시키기에 충분한 온도에서 전기 공기 히터 복사 섹션(400)의 상단을 빠져나간다.
하기는 전기 공기 히터 복사 섹션에 대한 적절한 저항성 와이어 및 관련 최대 작동 온도의 비포괄적인 리스트이다:
최대 1100℃까지 작동하는 NiCr 합금.
최대 1300℃까지 작동하는 FeCrAl 합금.
최대 1850℃까지 작동하는 MoSi2.
최대 1600℃까지 작동하는 SiC.
공기는 투명한 유체이기 때문에, 전기 공기 히터 복사 섹션(400) 설계는 복사열을 흡착하기 위해 히트 싱크를 포함할 수 있다. 세라믹 내화 재료(410)는 복사열을 흡착하여 대류에 의해 공기로 열을 전달할 수 있다. 덕트 중심선에 세라믹 튜브를 배치하여 추가적인 열 전달 영역을 통합할 수 있다. 전기 요소(402)는 내화 재료(410)에 장착되거나 내화 재료에 매립될 수 있다. 전기 공기 히터 복사 섹션(400)의 작동 전압은 요구되는 작동 온도에 따라 300V 내지 7000V 범위일 수 있다. 이러한 설계의 이점은 전기 공기 히터 대류 섹션(100)에서 달성되는 온도보다 높은 온도로 공기를 가열하는 것을 가능하게 하는 것이다.
히터 요건들 (온도, 용량) 및 설계 요소들 (발열 요소 재료)에 따라, 본 명세서의 실시예들에 따른 히터들은 전기적으로 가열 대류 섹션 (도 2), 전기적으로 가열 복사 섹션 (도 4), 또는 양자 모두를 포함할 수도 있다.
10 MW 초과의 대형 전기 공기 히터가 현재 상업적으로 이용 가능하지 않기 때문에, 전기 공기 히터에 대한 상기 언급된 개선은 CATOFIN® 공정에 필요한 재생 공기를 효율적이고 전기적으로 가열할 수 있게 한다.
공정에 전기 열을 제공하기 위한 여러 옵션이 이용 가능하며 본 개시에 따라 고려될 수 있다. 예를 들어, 2상 흐름 및/또는 코킹 서비스를 갖는 더 어려운 공정들이 있다.
이제 도 5를 참조하면, 도 5는 CATOFIN® 공정의 개요를 예시하며, 여기서 유사한 컴포넌트들은 도 1과 관련하여 유사한 참조 번호들로 표현된다.
CATOFIN® 반응기(10)는 촉매로부터 코크스를 연소시키고 촉매 층을 가열하기 위해 약 500-800℃에서 고온 재생 공기(12)를 필요로 하며, 이는 탈수소화 반응을 구동한다. 공정은 공기 압축기(들)(14), 전기 재생 공기 히터(500), CATOFIN® 반응기(10), 폐열 회수 교환기(18) 및 스택(20)으로 구성된다. 공기 스트림(22)은 재생 시스템을 통해 운반하기 위해 약 2.0 내지 3.0 bar(a)로 압축된다. 그런 다음 압축 공기(24)는 폐열 회수 교환기 (18)에서 약 300-500℃로 예열된다. 예열된 공기(26)는 다시 폐열 회수 교환기(18)를 통해 피드백되고, 그런 다음 전기 재생 공기 히터(500)에서 플랜트 생성 속도 및 작동 조건에 따라 30-300MW로부터 흡수된 열의 범위인 500-800℃로 가열된다. 전기 재생 공기 히터(500)는 코크스가 연소되고 촉매가 가열되어 흡열 탈수소화 반응으로 인해 손실된 열을 회수하는 CATOFIN® 반응기(10)에 공급한다. 그런 다음 가열된 공기(30)는 CATOFIN® 반응기(10)로부터 폐열 회수 교환기(18)로 흐르고, 여기서 공기는 약 80-120℃로 냉각되어, 냉각 공기 스트림(32)을 생성한다. 그런 다음 냉각 공기 스트림(32)은 스택(20)을 통해 빠져나간다. 폐열 회수 교환기(18)는 압축 공기(24)를 예열하고, 고압 스팀(34) 및 과열 고압 스팀(36)를 발생시킴으로써 CATOFIN® 반응기 공기 유출물(30)로부터 에너지를 회수한다. 녹아웃 드럼(38)은 물(40)을 폐열 회수 교환기(18)에 공급하여 열사이펀 설계를 통해 혼합상 스팀을 생성하고, 이는 녹아웃 드럼(38)으로 복귀한다. 그런 다음 (38)에서 발생된 고압 스팀은 다른 고압 스팀 공급원(44)과 혼합된 후 폐열 회수 교환기(18)로 보내지고 여기서 과열된 다음, 과열제거기(42)로 공급된 후, 폐열 회수 교환기로 공급되어 과열 스팀(36)를 생성한다.
제안된 전기 히터는 중복을 위해 다수의 유닛으로 구축될 수 있거나, 또는 종래의 연소 히터와 병렬 또는 직렬로 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 6은 100% 전기 공기 히터(500)가 직렬로 전기 히터(600) 및 연소 히터(16)로 대체되는 것을 예시한다. 2개의 히터는 어느 순서로든 될 수 있다. 도 7은 100% 전기 공기 히터(500)가 병렬로 전기 히터(700) 및 연소 히터(16)로 대체되는 것을 예시한다. 이들 실시예 중 임의의 것에서, 다수의 전기 히터 또는 연소 히터가 증가된 용량, 중복성, 또는 둘 모두를 위해 설치될 수 있다.
CATOFIN® 재생 공기 시스템에서 사용하기 위한 전기 히터에 대해, 전기 공기 히터 대류 섹션들, 전기 공기 히터 복사 섹션들, 또는 둘 모두의 조합이 사용될 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, CATOFIN® 유닛의 부산물인 정제된 H2 연료는 탄화수소 연료를 사용하는 것에 비해 CO2 배출물을 더 감소시키기 위해 연소 리젠 공기 히터에 공급될 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 시스템은 스팀을 발생시키고 폐열 회수 교환기에서 스팀을 과열시킬 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 스팀 사이클은 재생 공기 히터의 요구되는 듀티를 최소화하기 위해 제거될 수 있다.
발열 요소들은 둥근 와이어들, 플랫 와이어들, 트위스티드 와이어들, 스트립들, 로드들, 로드 오버 벤드 등과 같은 상이한 종류들의 외관들 및 형태들을 가질 수 있다. 당업자는 발열 요소의 형태 및 외관이 특별히 제한되지 않고 적절한 치수를 선택하는 것에 익숙할 것임을 쉽게 이해할 것이다.
발열 요소와 조합된 낮은 핀(low finned) 튜브 및 다른 핀 구조의 사용과 관련하여, 전기적 가열 산업의 규모가 이러한 설계를 보증하지 않았기 때문에 이점 및 요건은 명확하지 않았다. 10MW 초과의 대형 산업용 연소 히터를 전기 히터로 전환하려면 이전에 수용되었던 것보다 더 효율적인 설계가 필요하다. 또한, 요소 공급업체들가 열 전달 기술들에 대한 광범위한 노출이 없기 때문에, 유동 패턴 및 요소 피치를 조정하는 것을 수정함으로써 전기 히터들의 열 설계를 최적화하는 것은 명확하지 않았다. 이러한 진술은 종래 기술의 제안된 해결책으로부터 명백하다.
CATOFIN® 재생 공기 가열을 위한 Electric Air Heater의 사용은 상업적으로 필요한 30-300 MW 규모로 제공되지 않기 때문에 명확하지 않았다. 또한, 고온 공기의 주요 목적은 CATOFIN® 반응기를 가열하여 흡열 탈수소화 반응을 촉매하는 것이다. 촉매를 효과적으로 직접, 전기적으로 가열하는 것은 복잡하며, 이는 공기를 전기적으로 가열하고 탄화수소 공급 및 촉매 층 위로 고온 공기 흐름을 교번함으로써 극복된다.
다르게 정의되지 않는 한, 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어들은 이러한 시스템, 장치, 방법, 공정 및 조성물이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 가진다.
단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥상 명확히 달리 지시되지 않는 한, 복수형 지시 대상을 포함한다.
본 명세서 및 첨부된 청구항들에서 사용되는 바와 같이, 단어들 "포함한다(comprise)", "갖는다(has)" 및 "포함하다(include)" 및 이들의 모든 문법적 변형들은 각각 추가적인 요소들 또는 단계들을 배제하지 않는 개방적이고 비제한적인 의미를 갖도록 의도된다.
"선택적으로"은 후속적으로 설명되는 이벤트 또는 상황들이 발생할 수 있거나 발생하지 않을 수 있음을 의미한다. 설명은 이벤트 또는 상황이 발생하는 인스턴스들 및 그것이 발생하지 않는 인스턴스들을 포함한다.
단어 "대략(approximately)" 또는 "약(about)"이 사용될 때, 이 용어는 최대 ±10%, 최대 5%, 최대 2%, 최대 1%, 최대 0.5%, 최대 0.1%, 또는 최대 0.01%의 값의 편차가 있을 수 있음을 의미할 수 있다.
범위는 약 하나의 특정 값 내지 약 다른 특정 값으로서 표현될 수 있다. 이러한 범위가 표현될 때, 다른 실시예는 범위 내의 모든 특정 값들 및 이들의 조합들과 함께, 하나의 특정 값으로부터 다른 특정 값까지인 것으로 이해되어야 한다.
본 개시는 제한된 수의 실시예를 포함하지만, 본 개시의 이점을 갖는 당업자는 본 개시의 범위를 벗어나지 않는 다른 실시예가 고안될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 범위는 첨부된 청구항들에 의해서만 제한되어야 한다.
Letters Patent에 의해 보호되기를 원하고 신규한 것으로 청구되는 것은 다음과 같다.

Claims (20)

  1. 올레핀 생성 반응기에서 촉매를 재생하는 공정으로서, 상기 공정은,
    압축되고 예열된 공기 스트림을 전기 히터를 포함하는 가열 구역에 공급하는 단계;
    상기 가열 구역에서 압축되고 예열된 공기 스트림을 500-800℃ 범위의 온도로 전기적으로 가열하여 재생 공기 스트림을 생성하는 단계;
    상기 재생 공기 스트림을 상기 올레핀 생성 반응기에 공급하는 단계;
    상기 재생 공기를 사용하여 상기 촉매를 재생시켜 고온 공기 스트림을 생성하는 단계; 및
    압축된 공기 스트림을 예열하도록 구성된 폐열 회수 유닛에 상기 고온 공기 스트림을 공급하여, 상기 압축되고 예열된 공기 스트림 및 폐공기 스트림을 생성하는 단계를 포함하는, 공정.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기 히터는 30 내지 300 MW의 에너지를 전달할 수 있고 300 V 내지 7000 V 범위의 작동 전압을 갖는 전기 히터를 포함하는, 공정.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가열 구역은 직렬로 상기 전기 히터 및 연소 히터((fired heater)를 포함하고, 상기 공정은 상기 전기 히터에서 상기 압축되고 예열된 공기 스트림을 전기적으로 가열한 후에 상기 연소 히터에서 상기 예열된 공기 스트림을 더 가열하는 단계를 포함하는, 공정.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가열 구역은 직렬로 상기 전기 히터 및 연소 히터를 포함하고, 상기 공정은 상기 연소 히터에서 상기 압축되고 예열된 공기 스트림을 가열한 후에 상기 전기 히터에서 상기 예열된 공기 스트림을 더 가열하는 단계를 포함하는, 공정.
  5. 제1항에 있어서, 압축기에서 공기 스트림을 압축하여, 상기 압축된 공기 스트림을 생성하는 단계를 더 포함하는, 공정.
  6. 제1항에 있어서, 상기 폐공기 스트림을 폐가스 스택을 통해 대기로 제거하는 단계를 더 포함하는, 공정.
  7. 올레핀 생성 반응기에서 촉매를 재생하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은,
    압축되고 예열된 공기 스트림을 수용하고 상기 압축되고 예열된 공기 스트림을 500-800℃ 범위의 온도로 전기적으로 가열하여 재생 공기 스트림을 생성하도록 구성된 전기 히터를 포함하는 가열 구역;
    상기 재생 공기 스트림을 상기 올레핀 생성 반응기로 공급하도록 구성된 유동 라인;
    - 상기 재생 공기 스트림은 상기 촉매를 재생시키고 고온 공기 스트림을 생성함 - 및
    상기 고온 공기 스트림을 사용하여 압축 공기 스트림을 예열하고, 상기 압축되고 예열된 공기 스트림 및 폐공기 스트림을 생성하도록 구성되는 폐열 회수 유닛을 포함하는, 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 전기 히터는 30 내지 300 MW의 에너지를 전달하도록 구성되고, 300 V 내지 7000 V 범위의 작동 전압을 갖는, 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 가열 구역은, 상기 전기 히터 내의 상기 압축되고 예열된 공기 스트림을 가열하고 연소 히터 내의 상기 예열된 공기 스트림을 더 가열하기 위해 직렬로 상기 전기 히터 및 상기 연소 히터를 포함하는, 시스템.
  10. 제7항에 있어서, 상기 가열 구역은, 상기 연소 히터 내의 상기 압축되고 예열된 공기 스트림을 가열하고 상기 전기 히터 내의 상기 예열된 공기 스트림을 더 가열하기 위해 직렬로 상기 전기 히터 및 연소 히터를 포함하는, 시스템.
  11. 제7항에 있어서, 공기 스트림을 압축하여 상기 압축된 공기 스트림을 생성하기 위한 압축기를 더 포함하는, 시스템.
  12. 제7항에 있어서, 상기 폐공기 스트림을 대기로 제거하기 위한 폐가스 스택을 더 포함하는, 시스템.
  13. 공기 스트림을 가열하기 위한 전기 히터로서, 상기 전기 히터는,
    전기적으로 가열된 복사 섹션(radiant section) 내에 배치된 하나 이상의 전기적 발열 요소;
    상기 하나 이상의 발열 요소에 부착된 하나 이상의 표면적 증가 피처;
    상기 하나 이상의 전기적 발열 요소로부터 복사 열을 흡착하고 대류에 의해 상기 공기 스트림으로 상기 열을 전달하도록 구성된 세라믹 내화 재료; 및
    전기적으로 가열된 대류 섹션(convection section) 내에 배치된 하나 이상의 발열 요소 - 상기 전기적으로 가열된 대류 섹션이 상기 전기적으로 가열된 복사 섹션의 상류에 위치됨 - 를 포함하며,
    상기 전기 히터는 상기 공기 흐름을 500-800℃ 범위의 온도로 가열하도록 구성되는, 전기 히터.
  14. 제13항에 있어서, 상기 전기적으로 가열된 복사 섹션 내에 배치된 상기 하나 이상의 전기적 발열 요소 및 상기 전기적으로 가열된 대류 섹션 내에 배치된 상기 하나 이상의 전기적 발열 요소는 하나 이상의 와이어를 포함하는, 전기 히터.
  15. 제14항에 있어서, 상기 하나 이상의 와이어는 최대 1100℃까지 작동할 수 있는 NiCr 합금으로 제조되는, 전기 히터.
  16. 제14항에 있어서, 상기 하나 이상의 와이어는 최대 1300℃까지 작동할 수 있는 FeCrAl 합금으로 제조되는, 전기 히터.
  17. 제14항에 있어서, 상기 하나 이상의 와이어는 최대 1850℃까지 작동할 수 있는 MoSi2 합금으로 제조되는, 전기 히터.
  18. 제14항에 있어서, 상기 하나 이상의 와이어는 최대 1600℃까지 작동할 수 있는 SiC 합금으로 제조되는, 전기 히터.
  19. 제13항에 있어서, 상기 하나 이상의 표면적 증가 피처는 직사각형 핀, 원형 핀, 플레이트, 및 스파이크로 이루어진 군으로부터 선택되는 형상인, 전기 히터.
  20. 제13항에 있어서, 상기 전기 히터는 30 내지 300 MW 에너지를 전달하도록 구성되고, 300 V 내지 7000 V 범위의 작동 전압을 갖는, 전기 히터.
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Date Code Title Description
PA0105 International application

Patent event date: 20240924

Patent event code: PA01051R01D

Comment text: International Patent Application

PG1501 Laying open of application