KR20240166523A

KR20240166523A - 외부 연소 공기 예열

Info

Publication number: KR20240166523A
Application number: KR1020247034331A
Authority: KR
Inventors: 바오종 자오; 슈에핑 리; 알레한드로 카리요
Original assignee: 루머스 테크놀로지 엘엘씨
Priority date: 2022-03-22
Filing date: 2023-03-22
Publication date: 2024-11-26
Also published as: CN119497744A; US20230324123A1; MX2024011452A; EP4496869A1; JP2025509854A; WO2023183418A1; TW202344778A

Abstract

예열된 연소 공기를 노에 제공하기 위한 외부 연소 공기 예열 시스템 및 프로세스이다. 노 시스템(furnace system)의 대류 가열 섹션은 폐열 회수를 위한 다수의 가열 코일들을 포함한다. 가열 코일들은 공급물을 예열하거나(공급물 예열 코일들), 보일러 급수를 가열하거나, 증기를 과열하거나, 공급물이 복사 코일에 공급되기 전에 공급물 스트림을 가열 또는 과열시키는 데 사용될 수 있다. 연소 가스의 폐열은 연소 공기를 예열하거나 공장 내 다른 목적으로 사용될 수 있는 열전달 유체를 가열하는 데에도 사용된다.

Description

외부 연소 공기 예열

본 개시의 실시예들은 대체로 화염식 관형로(fired tubular furnace)에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 개시의 실시예들은 탄화수소의 열 분해를 위한 열분해로(pyrolysis furnace)에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 개시의 실시예들은 화염식 관형로에서 이산화탄소 배출을 감소시킬 수 있는 공기를 효율적으로 예열하기 위한 배열체(arrangement)에 관한 것이다.

US2020/0172814(Oud)는 복사 효율을 높이고 배출을 감소시키는 열 회수 시스템을 설명하는데, 여기서는 분해된 가스 제품에서 열을 회수하여 탄화수소 공급물을 예열한다. 예열된 산화제가 연소 연도 가스(flue gas)와 산화제 사이의 간접 열 교환에 의해 얻어질 수 있는 여러 실시예가 설명된다. 한 실시예에서 산화제 예열기는 대류 섹션의 하류(즉, 연도 가스가 가장 차가운 곳)에 있다.

WO2021052642(Wijnja 및 Oud)는 3단계 공급물 예열 스킴을 유사하게 설명하는데, 여기서 연소 공기 예열기는 대류 섹션의 하류 측에 위치되고, 바람직하게는 다른 모든 대류 섹션 뱅크들의 하류에 위치된다. 열분해 반응을 위한 열은 연료 가스, 연소 공기 및 "고도로 질소가 고갈된 산소"에 의해 제공되며, 선택적으로는 재순환된 연도 가스가 존재한다. 모든 질소가 재순환된 연도 가스로 대체되는 한계 내에서, 이 방식은 산소 화염 연소(oxygen fired combustion)로 간주될 수 있으며, 연도 가스의 CO2가 매우 농축되어 CO2 포집 공정에 적합하고 NOx 형성 문제를 제거한다는 이점이 있다. 그러나 제공된 산소는 대기로부터 분리되어야 하며, 이는 상당한 자본 비용을 발생시키고 분리에 필요한 에너지는 운영 비용에 반영되어야 한다.

Albano 등(1992)은 산소 함량이 감소된(공기의 ~21 mol%에 비해 15-17 mol%임) 가스터빈(GT)의 뜨거운 배기 가스를 사용하여 연소 공기를 예열하는 것을 설명한다. 전기 공동 생산(30-60MW)이 가능하며, 이는 플랜트 경제에 큰 영향을 미친다. 고수준 공기 예열을 위해 터빈 배기 가스(TEG)를 사용하면 히터의 연료 요구사항이 낮아진다. 그러나 공기 예열 시스템과 달리 TEG의 산소 함량이 낮아서 노를 통과하는 연도 가스의 총 질량 흐름이 증가된다. 그 결과 열분해 모듈의 대류(열 회수) 섹션에서 증기 생산이 증가한다.

US4617109(Wells 및 Petterson)는 연소 공기가 노의 가장 뜨거운 섹션에서 생성된 고압 증기로부터 증기 터빈을 통해 팽창된 증기와의 간접 열 교환을 통해 예열되는 공기 예열 스킴을 설명한다. 이전 예와 마찬가지로 복사 효율이 증가하지만 연소 공기는 대류 섹션에서 연도 가스와 직접 열을 교환하지 않는다.

US4044820(Nobles)은 높은 열용량(질량 유량과 비열용량의 곱)을 갖는 연속적으로 흐르는 열전달 유체(heat transfer fluid)를 통해 연도 가스로부터 연소 공기 스트림으로 열을 회수하기 위한 열전달 유체의 사용을 가르친다. 제안된 방법은 첫 번째 챔버(연도 가스 냉각용)가 두 번째 챔버(공기 가열용)와 공통 벽으로 분리되는 2-챔버 시스템을 포함한다. 열전달 유체의 높은 순환 속도는 열전달 표면의 온도가 연도 가스의 산성 이슬점보다 높게 유지되도록 보장하여 응축 및 관련 부식 위험을 방지한다.

US3623549(Smith)는 한 위치의 비교적 뜨거운 가스로부터 다른 위치의 비교적 차가운 가스로 열을 전달하는 기능을 갖춘 액체 대 기체 열교환 장치를 제시한다. 서로 다른 상변화 특성을 갖는 다수의 열전달 유체들을 사용하여 물과 같은 단일 열전달 유체를 사용하는 것보다 넓은 온도 범위를 커버한다. 이러한 시스템은 열전달 표면에 의해 뜨거운 가스가 차가운 가스와 분리되는 전열식 열 교환기(recuperative heat exchanger) 또는 뜨거운 가스와 차가운 가스가 축열체(thermal mass)를 통해 주기적으로 순환되는 재생식 열 교환기(regenerative heat exchanger)의 대안으로 제시된다.

US20170363288(Lee 및 Sadler)은 히트 파이프 예열기를 갖춘 화염식 히터 시스템을 설명한다. 히트 파이프는 뜨거운 소스에서 차가운 싱크대로 열을 전달하는 작동 유체를 포함하는 밀봉된 튜브이다. 히트 파이프는 연소 공기를 스택에 도입할 필요 없이 뜨거운 연도 가스의 열을 연소 공기로 전달하는 데 사용된다. 대신, 별도의 공기 예열 덕트가 스택에 부착되고 히트 파이프가 스택 벽을 관통한다. 이러한 배열이 노의 대류 섹션에 공기 예열기를 통합할 필요성을 방지하지만, 스택에 그 기기를 장착하는 것과 연관된 구조적 비용을 다루지는 않는다. 작동 유체는 히트 파이프 시스템이 올바르게 작동하기 위한 점성, 음파, 모세관, 동반(entrainment) 및 핵 비등 수준과 같은 여러 제약조건을 동시에 충족해야 하므로 신중하게 선택되어야 한다. 시스템은 공기 예열기가 스택 외부에 있는 경우를 제외하고는 공기 예열기 위치에 유연성을 허용하지 않는다.

많은 산업 응용 분야에서 열전달 유체(HTF)는 단일 열원에서 다수의 열 수요에 필요한 양의 열을 공급하는 데 사용된다. 예를 들어, 증기 생성의 대안으로 열전달 유체를 사용하여 상승된 온도(elevated temperature)의 핫 유틸리티를 제공하기 위해 바이오매스 열원을 사용하는 것이 알려져 있다. 화염식 히터를 공정과 적절하게 통합하면 자본 투자뿐 아니라 에너지 요구량도 전반적으로 감소한다. 그러나 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 및 방향족 화합물과 같은 대량의 화학물질을 생산하는 증기 분해로와 같은 대형 특수 노에서, 비공정 열 회수는 증기 생산을 통해 이루어지며, 이는 결국 하류의 분리 섹션에서 압축기 및 기타 공정을 구동하는 데 사용된다. 따라서 실제로 다운스트림 처리를 위한 에너지는 증기 분해로에서 연료를 연소하는 것에서 파생된다.

일 측면에서, 본 개시의 실시예들은 탄화수소 분해용 노 시스템에 관한 것이다. 노 시스템은 복사 가열 섹션과 대류 가열 섹션을 갖는 노를 포함하며, 여기서 복사 가열 섹션은 예열된 공기 스트림으로 연료를 연소시켜 대류 가열 섹션에 공급되는 연도 가스를 생성하도록 구성된 하나 이상의 버너를 포함한다. 열전달 유체 가열 코일은 노의 대류 가열 섹션 내에 배치된다. 노 시스템은 또한 탄화수소 공급물을 수용하고 예열하여 예열된 탄화수소 공급물을 생성하도록 구성되는 공급물 예열 코일을 포함한다. 복사 프로세스 코일은 복사 가열 섹션 내에 배치되어, 예열된 탄화수소 공급물을 수용하고 분해된(cracked) 탄화수소 생성물을 생성하도록 구성된다. 노 시스템은 공기 입구, 예열된 공기 출구, 열전달 유체 입구, 열전달 유체 출구, 및 하나 이상의 열 교환 표면을 가져, 공기 입구를 통해 수용된 공기를 열전달 유체 입구를 통해 수용된 뜨거운 열전달 유체와의 간접 열 교환에 의해 간접적으로 가열하여 예열된 공기 출구를 통해 회수되는 예열된 공기 스트림과 열전달 유체 출구를 통해 회수되는 냉각된 열전달 유체를 생성하기 위한 공기 예열기를 더 포함한다. 하나 이상의 흐름 라인(flow line)은 예열된 공기 출구를 하나 이상의 버너와 유체적으로 연결하여, 예열된 공기 스트림을 하나 이상의 버너에 공급한다. 냉각된 열전달 유체를 열전달 유체 출구로부터 노의 대류 가열 섹션 내에 배치된 열전달 유체 가열 코일의 입구로 순환시키는 흐름 라인과, 열전달 유체 가열 코일의 출구로부터 열전달 유체 입구로 뜨거운 열전달 유체를 순환시키는 흐름 라인을 포함하는 열전달 유체 순환 시스템이 또한 포함된다.

일부 실시예들에서, 노 시스템은 노의 대류 가열 섹션 내에 배치된 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction) 촉매대(catalyst bed)를 포함한다. 이러한 실시예들 중 일부에서, 열전달 유체 가열 코일은 상부 열전달 유체 가열 코일과 하부 열전달 유체 가열 코일을 가질 수 있으며, 여기서 선택적 촉매 환원 촉매대는 노의 대류 가열 섹션 내에서 하부 열전달 유체 가열 코일의 위치 위 및 상부 열전달 유체 가열 코일의 위치 아래에 배치된다.

다른 측면에서, 본 개시의 실시예들은 위에서 설명한 시스템을 사용하여 탄화수소를 분해하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 열전달 유체 가열 코일에서 열전달 유체를 가열하여 뜨거운 열전달 유체를 생성하는 단계; 공기 예열기에서 뜨거운 열전달 유체와의 간접 열 교환을 통해 공기를 가열하여 예열된 공기를 생성하는 단계; 및 예열된 공기를 연료와 혼합하여 연소 혼합물을 형성하고 하나 이상의 버너에서 연소 혼합물을 연소시키는 단계를 포함한다.

선택적 촉매 환원 촉매대를 포함하는 것들과 같은 일부 실시예들에서, 방법은 선택적 촉매 환원 촉매대에 유입되는 연도 가스의 온도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

추가 측면에서, 본 개시의 실시예들은 증기 과열 코일, 보일러 급수 가열 코일, 및 공급물 예열 코일을 가지며 각 코일이 공급 헤더 및 유출 헤더에 연결된 다수의 튜브들을 포함하는 분해로를 개조하는 방법에 관한 것이다. 개조 방법은 다음을 포함한다: 보일러 급수 순환 시스템으로부터 보일러 급수 가열 코일의 하나 이상의 튜브를 분리하는 단계; 하나 이상의 튜브를 열전달 유체 순환 시스템에 유체적으로 연결하는 단계; 및 공기 예열기를 열전달 유체 순환 시스템 및 분해로의 버너에 유체적으로 연결하는 단계.

또 다른 측면에서, 본 개시의 실시예들은 히터 시스템에 관한 것이다. 히터 시스템은 복사 가열 섹션과 대류 가열 섹션을 갖는 노를 포함하며, 여기서 복사 가열 섹션은 예열된 공기 스트림으로 연료를 연소하도록 구성되는 하나 이상의 버너를 포함한다. 열전달 유체 가열 코일은 노의 대류 가열 섹션 내에 배치된다. 히터 시스템은 공기 입구, 예열된 공기 출구, 열전달 유체 입구, 열전달 유체 출구, 및 하나 이상의 열 교환 표면을 가져, 공기 입구를 통해 수용된 공기를 열전달 유체 입구를 통해 수용된 뜨거운 열전달 유체와의 간접 열 교환을 통해 간접적으로 가열하여 예열된 공기 출구를 통해 회수되는 예열된 공기 스트림과 열전달 유체 출구를 통해 회수되는 냉각된 열전달 유체를 생성하는 공기 예열기를 포함한다. 하나 이상의 흐름 라인(flow line)은 예열된 공기 출구를 하나 이상의 버너와 유체적으로 연결하여, 예열된 공기 스트림을 하나 이상의 버너에 공급한다. 히터 시스템은 냉각된 열전달 유체를 열전달 유체 출구로부터 노의 대류 가열 섹션 내에 배치된 열전달 유체 가열 코일의 입구로 순환시키는 흐름 라인과, 열전달 유체 가열 코일의 출구로부터 열전달 유체 입구로 뜨거운 열전달 유체를 순환시키는 흐름 라인을 포함하는 열전달 유체 순환 시스템을 더 포함한다. 다양한 실시예들에서, 열전달 유체 가열 코일은 탄화수소 공급물, 물(water), 증기 또는 이들의 혼합물 중 하나 이상을 가열하도록 구성되는 하나 이상의 추가 열 회수 코일에 의해 분리된 다수의 가열 코일 섹션으로서 구성된다.

도 1 및 도 1a는 종래 기술의 연소 공기 예열 방법을 도시한다.
도 2 및 도 2a 내지 도 2e는 중간 열전달 유체 열 회수를 활용하는 본 개시의 실시예들에 따른 열 회수 및 공기 예열을 위한 시스템을 도시한다.

위에 기술된 바와 같이, 종래의 관행은 종종 화실(firebox) 복사 효율을 높이고 이에 의해 비공정 가열(이를테면 증기 생성)에 사용되는 열을 희생하여 (공급 가스 또는 산화제의) 공정 가열에 사용되는 열량을 증가시킴으로써 연료 소비를 줄이기 위한 대류 섹션에 대한 값비싼 수정을 수반한다.

Oud 또는 Oud 및 Wijnja의 경우와 같이 연도 가스와 산화제 사이의 열 교환은 대류 섹션의 하류에서 발생한다(즉, 열은 가장 차가운 연도 가스와 교환된다).

팽창된 증기와의 간접 열 교환에 의해 공기를 가열하는 것은 대류 섹션 외부에 있을 수 있지만, 증기를 먼저 생성하기 위하여 연료가 소비되어야 한다(연관된 배출이 있다)는 사실을 해결하지 않는다.

히트 파이프 열 교환기, 다수의 흐름 루프들 또는 2개의 챔버 시스템을 사용하여 대류 섹션에 공기를 도입하지 않고 연도 가스로부터 열을 회수하는 방법이 실행되었지만, 이러한 방법은 상당한 양의 구조 변경(개조의 경우임) 또는 값비싼 대류 섹션 설계를 히터 대류 섹션에 부착하는 것을 필요로 한다.

많은 산업 응용 분야에서 열전달 유체(HTF)는 단일 열원으로부터 여러 열 수요에 필요한 양의 열을 공급하는 데 사용된다. 예를 들어, 증기 생성의 대안으로 열전달 유체를 사용하여 상승된 온도(elevated temperature)의 핫 유틸리티를 제공하기 위해 바이오매스 열원을 사용하는 것이 알려져 있다. 화염식 히터를 공정과 적절하게 통합하면 자본 투자뿐 아니라 에너지 요구량도 전반적으로 감소한다. 이는 특히 전 세계 에틸렌 산업과 관련이 있는데, 이는 설치 기반이 매우 크기 때문이다. 구조 강철 및 기초 하중 제한으로 인해 이 대규모 설치 기반에 종래 기술 방법을 적용하는 것은 비실용적이거나 엄청나게 비싸다. 에틸렌 증기 분해로의 설치 기반에 신속하게 적용될 수 있는 간단하고 저렴한 CO₂ 배출 감소 방법이 필요하다.

그러나 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌 및 방향족 화합물과 같은 대량 화학물질을 생산하는 증기 분해로와 같은 대형 특수 노에서, 비공정 열 회수는 증기 생산을 통해 이루어지며, 이는 결국 하류의 분리 섹션에서 압축기 및 기타 공정을 구동하는 데 사용된다. 따라서, 사실상, 하류 공정을 위한 에너지는 증기 분해로에서 연료를 연소하는 것에서 파생된다.

본 개시의 실시예들은 대체 열 회수 방법과 관련이 있으며, 이는 연료의 화학 에너지를 증기 생성(연관된 배출물이 있음)을 통해 열 및 작업 에너지로 변환할 필요가 없으며 기존 노의 연료 소비를 최소 5%, 최대 30%까지 크게 줄일 수 있다. 본 개시에서 설명되는 이러한 실시예들은 또한 저렴하고 대류 섹션에 상당한 추가 구조적 변경이 필요하지 않다. 또한, 본 개시의 실시예들의 열 회수는 대류 섹션에서 바람직한 열 프로파일을 높은 효율로 유지하고 공급물 예열의 유연성을 허용한다. 마지막으로, 이러한 열 회수 방법은 가열 표면, 구조 및 기초 하중에 대한 상당한 수정 없이 기존 노에 적용될 수 있다. 본 개시의 실시예들은 이러한 목적들 중 하나 이상을 충족하며, 일부 실시예들에서 이러한 목적들의 모두를 충족한다.

본 개시의 실시예들은 탄화수소의 처리에 사용되는 노 시스템에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 개시의 실시예들은 노 시스템 및 이러한 노의 대류 섹션 내의 열 회수 코일 배열체에 관한 것이다.

본 개시의 실시예들에 따른 노 시스템은 복사 섹션과 대류 가열 섹션을 갖는다. 복사 구역 또는 화염식 히터 박스라고도 하는 복사 섹션은 연료를 연소하여 복사열과 연소 가스를 생성하는 바닥 버너 및/또는 벽 버너와 같은 하나 이상의 버너를 포함한다. 연소 가스는 연도 가스로서 대기로 배출되기 전에 복사 섹션으로부터 대류 가열 섹션으로 전달된다. 하나 이상의 복사 프로세스 코일이 복사 섹션 내에 배치되고, 이 프로세스 코일은 버너로부터의 복사열에 의해 가열되어, 처리되는 유체의 가열 및/또는 변환을 초래한다.

대류 가열 섹션은 폐열 회수를 위한 다수의 가열 코일을 포함한다. 가열 코일들은 공급물을 예열하거나(공급물 예열 코일들), 보일러 급수를 가열하거나, 증기를 과열하거나, 공급물이 복사 코일에 공급되기 전에 공급물 스트림을 가열 또는 과열시키는 데 사용될 수 있다. 연소 가스의 폐열은 연소 공기를 예열하거나 공장 내 다른 목적으로 사용될 수 있는 열전달 유체를 가열하는 데에도 사용된다.

본 개시의 실시예들은 필요에 따라 연소 연도 가스로부터 열 교환 매체(열전달 유체)로의 열 추출이 히터의 임의의 섹션에서 이루어지도록 허용한다. 일부 실시예들은 다수의 섹션들에서 열을 추출한다. 대조적으로, 종래 기술에서, 공기 예열을 위한 열 추출은 전형적으로 대류 섹션의 가장 차가운 부분으로 제한된다. 열이 본 개시의 실시예들에 따라 다수의 섹션들로부터 열전달 유체로 추출될 때, 그 섹션들은 직렬로 또는 병렬로 또는 직렬과 병렬의 조합으로 있을 수 있다.

열 추출은 열전달 유체를 사용하여 본 개시의 실시예들에 따라 수행될 수 있다. 열전달 유체는 다양한 서비스 온도들을 목표로 하는 하나 또는 다양한 유형의 유체일 수 있다. 열전달 유체를 사용하여 히터에서 추출된 열은 그러면 연소 산화제 또는 기타 공정 유체를 가온하는(데우는) 데 사용될 수 있다.

본 개시의 실시예들은 대류 섹션의 연도 가스 온도 프로파일을 또한 조절하기 위해 열전달 유체를 이용한 열 추출을 사용할 수 있다. 연도 가스 온도 프로파일을 조절하는 능력은 이를테면 최적의 NOx 감소를 위해 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매대에서 연도 가스 온도를 제어함으로써 히터 공정 성능과 배출 감소를 개선할 수 있다.

연소 공기나 기타 유체를 가열하는 것과 같은 선택된 히터에서 추출된 열은 동일한 히터나 다른 열전달 장비에 간접적으로 다시 가해질 수 있다. 또한, 본 개시의 실시예들은 예열된 산화제를 연도 가스로 희석하는 옵션(예컨대, NOx를 낮추기 위해 버너로의 외부 연도 가스 재순환)을 제공할 수 있다.

종래 기술의 연소 공기 예열 방법들이 도 1 및 도 1a에 도시되어 있다. 단순화를 위해 설명되는 흐름 라인들은 도시되지 않았다. 탄화수소 공급물은 대류 섹션의 공급물 예열 코일 FP에서 예열되며, 희석 증기와 혼합되고, 선택적으로는 급랭된(quenched) 분해 가스 생성물에 대해 외부 열 교환기(STLE, 도시되지 않음)에서 추가로 예열된다. 탄화수소와 희석 증기 혼합물은 혼합 예열 코일(MP)에서 대류 섹션의 뜨거운 연소 가스에 대해 추가로 예열되고 복사 상자로 공급되며, 여기서 탄화수소를 열적으로 분해하여 분해된 가스 생성물을 생성하는 데 필요한 에너지는 산화제 스트림으로 연료를 연소시켜 뜨거운 연도 가스(5)를 생성함으로써 공급된다. 대류 섹션의 두 공급물 예열 섹션(FP, MP) 사이에서는, 보일러 급수 코일(BFW)로 보일러 급수를 연속적으로 가열하며, 가열된 보일러 급수를 스팀 드럼(미도시)에 공급하여 복사 섹션을 떠나는 뜨거운 분해 가스를 급랭시킴으로써 증기를 생성하고 대류 섹션의 고압 증기를 추가로 가열하여 상부 증기 과열 섹션(USSH)과 하부 증기 과열 섹션(LSSH)에서 과열된 증기를 생성한다. 대류 섹션의 가장 차가운 구역에서는, 생성된 뜨거운 공기(12)를 버너에서 연료와 혼합하기 전에 연도 가스의 열을 연소 공기(10)로 간접적으로 전달하는 공기 예열기(APH)가 도입된다. 도 1에 도시된 바와 같은 동일한 대류 섹션 내에서든 도 1a에 도시된 바와 같은 별도의 열 회수 구역 내에서든 APH 추가는 전체 열 효율을 높게 유지하면서 복사 효율을 증가시킬 수 있다.

복사 효율은 복사 섹션에서 전달된 열량을 제공된 총 에너지로 나눈 값이다. 복사 코일들에 의해 흡수된 열과 복사 섹션의 열 손실을 더한 값은 연도 가스가 복사 섹션을 떠나는 온도까지 단열 화염 온도에 있는 연도 가스에 의해 포기된 열과 같다. 복사 효율은 대류 섹션으로의 복사 열전달에 의해 영향을 받으며, 이는 결국 버너 위치에 따라 달라지는데, 화실에서 더 높이 위치된 버너들이 화실의 반응으로 전달되지 않는 대류 섹션을 향해 더 많은 열을 방출하기 때문이다.

이러한 종래 기술의 대류 열전달 스킴들에는 몇 가지 변형이 있지만 일반적으로 뜨거운 연도 가스의 에너지는 탄화수소 공급물 및 탄화수소 공급물과 희석 증기를 예열하는 것 외에도 보일러 급수 예열, 증기 생성 및 증기 과열에 사용된다. 탄화수소 공급물과 희석 증기를 예열함으로써, 유틸리티 예열, 즉 보일러 급수 예열, 희석 증기 과열, 고압 증기 과열을 사용함으로써 또는 연소 공기를 예열함으로써 대류 섹션에서 에너지가 절약된다. 일부 대류 섹션들은 연도 가스에 존재하는 NOx가 암모니아와 반응하는 선택적 촉매 환원(SCR) 기술에 의한 NOx 제거를 위한 통합 촉매 시스템을 또한 포함할 수 있다.

본 개시의 실시예들은 탄화수소 분해에 사용되는 것과 같은 노 시스템에 관한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같은 이러한 노는 복사 가열 섹션(50) 및 대류 가열 섹션(52)을 포함하며, 여기서 복사 가열 섹션은 예열된 공기 스트림(12)으로 연료(56)를 연소시켜 대류 가열 섹션에 공급되는 연도 가스(60)를 생성하도록 구성되는 하나 이상의 버너(54)를 포함한다. 복사 프로세스 코일(62)은 복사 가열 섹션 내에 배치되어, 탄화수소의 추가 가열 및 분해를 위해 탄화수소와 같은 예열된 프로세스 유체를 수용한다.

본 개시의 실시예들은 대류 가열 섹션 내에 배치된 가열 코일(도 2a 내지 도 2e에 도시되고 아래에 추가로 설명됨)의 배열체에 관한 것이다. 본 개시의 실시예들은 다음을 포함한다: 노의 대류 가열 섹션(52) 내에 배치된 열전달 유체 가열 코일(22); 하나 이상의 증기 가열 코일(도 2a 내지 도 2e 참조); 및 탄화수소 공급물을 수용하고 예열하여 예열된 탄화수소 공급물을 생성하도록 구성되는 하나 이상의 탄화수소 공급물 예열 코일(도 2a 내지 도 2e 참조). 복사 가열 섹션 내에 배치된 복사 프로세스 코일(62)은 예열된 탄화수소 공급물을 수용하고 분해된 탄화수소 생성물을 생성하도록 구성된다.

공기 입구(70), 예열된 공기 출구(72), 열전달 유체 입구(74), 열전달 유체 출구(76), 및 하나 이상의 열 교환 표면(도시되지 않음)을 갖는 공기 예열기(32)는 공기 입구(70)를 통해 수용된 공기(10)를 열전달 유체 입구(74)를 통해 수용된 뜨거운 열전달 유체와의 간접 열 교환에 의해 간접적으로 가열하여 예열된 공기 스트림(12)을 생성하도록 구성된다. 예열된 공기 스트림(12)은 예열된 공기 출구(72)를 통해 회수되고, 냉각된 열전달 유체는 열전달 유체 출구(76)를 통해 회수된다. 하나 이상의 흐름 라인(미도시)은 예열된 공기 출구를 하나 이상의 버너와 유체적으로 연결하여, 예열된 공기 스트림(12)을 하나 이상의 버너에 공급한다. 또한, 열전달 유체 순환 시스템(24)은 냉각된 열전달 유체를 열전달 유체 출구(76)로부터 노의 대류 가열 섹션(52) 내에 배치된 열전달 유체 가열 코일(22)의 입구로 순환시키는 흐름 라인(28)과, 열전달 유체 가열 코일의 출구로부터 열전달 유체 입구(74)로 뜨거운 열전달 유체를 순환시키는 흐름 라인(30)을 포함한다. 펌프(26)는 열전달 유체 순환 시스템(24) 내에서 열전달 유체를 운반하는 데 사용될 수 있다.

도 2a 내지 도 2e는 본 개시의 실시예들에 따른 중간 열전달 유체 열 회수를 통해 연소 공기를 예열하기 위한 시스템들을 보여준다. 이러한 실시예들의 일반적인 특징들은 다음을 포함한다: (i) 순환 열전달 유체, (ii) 대류 섹션 내부의 열 회수 섹션 또는 섹션들(22)(열전달 유체 가열 코일(들)), (iii) 열전달 유체를 순환시키기 위한 열전달 유체 순환 루프(24), 및 (iv) 공기 예열기(APH).

최대 400℃의 상승된 온도에서 사용되는 열전달 유체는 합성 물질, 뜨거운 오일, 및 실리콘을 포함한 무기 물질로 분류될 수 있다. 액체 상태에서 상승된 온도를 요구하는 공정에서의 적합한 합성 열전달 유체는 보통은 바이페닐 또는 HTF(Heat Transfer Fluid)라고 일반적으로 불리는 바이페닐과 디페닐 산화물의 공융 혼합물이다. 이 유체는 예를 들어 DOWTHERM-A 및 THERMINOL VP-1이라는 브랜드 이름으로 시장에서 찾을 수 있다. 이러한 유체는 최대 400℃까지 사용될 수 있다. 다른 열전달 유체는 작동 조건 하의 특성과 안정성에 기초하여 선택될 수 있다. SYLTHERM 800과 같은 브랜드 이름으로 제공되는 실리콘 기반 열전달 유체도 적합하다.

고온 공정 폐열을 활용하는 시스템의 경우 HTF 히터는 최대 유체 벌크 온도뿐 아니라 가장 높은 국부 유체 필름 온도를 나타낸다. 열전달 표면 위의 HTF 속도는 피부 온도를 낮추기 때문에 최대화되어야 한다. 체류 시간이 길어지는 데드 플로우(dead flow) 구역은 피해야 한다. 이러한 이유로, 튜브 내에 HTF를 포함하며 열전달 유체 속도가 2-3m/s 이상의 범위에 있는 구성이 선호된다.

본 개시의 실시예들에 따른 열전달 유체 순환 루프는 팽창 탱크(미도시)로부터 펌프(26)까지의 배관, 펌프로부터 하나 이상의 열전달 유체 가열 코일(22)까지의 배관(28), 및 열전달 유체 가열 코일로부터 외부 열 교환기(32)까지의 배관(30)을 포함한다. 도 2a 내지 도 2e에서 외부 열 교환기는 복사 화실에서 연료 연소에 사용되는 산화제 혼합물(이를테면 공기)을 예열하는 데 사용되는 공기 예열기이다. 작동 온도가 열전달 유체의 정상 끓는점보다 낮은 한 열전달 루프는 가압되지 않을 수 있다. 열전달 유체 작동 온도가 정상 끓는 범위보다 높으면 열전달 유체를 액체로 유지하기 위해 불활성 가스(일반적으로 N₂)가 팽창 탱크를 통해 인가되는 가압 액상 시스템이 필요할 수 있다.

합성 디페닐 옥사이드/비페닐 유형 유체를 위한 가압 증기상 시스템 또한 가능하다. 증기상 시스템은 펌프나 정수압(hydrostatic pressure)을 사용하여 히트 싱크(공기 예열기)로부터 기화기(대류 섹션 코일)로 응축수(condensate)를 중력으로 반환하도록 설계할 수 있다. 더 복잡한 시스템에는 플래시 탱크, 응축수 회수 탱크 및 응축수 회수 펌프가 필요하다. 추가된 자본 장비 비용과 증기상 시스템의 복잡도는 열전달 유체의 단위 질량당 열전달 증가로 상쇄된다.

공기 예열기는 히터당 단일 열 교환기, 히터당 다수의 열 교환기 또는 다수의 히터들을 위한 단일 예열기일 수 있으며, 이는 단일 유닛의 크기 및 용량에 따라 다르다. 공기 예열기는 판형 또는 관형 열 교환기일 수 있고, 예를 들어 스터드 또는 핀(fin)과 같은 확장된 가열 표면을 포함할 수 있다. 저압 공기의 열전달 계수가 열전달 유체에 비해 매우 낮으므로, 열전달 유체가 튜브 내부로 흐르고 공기가 튜브 외부로 흐르도록 하는 것이 적절한 설계이다. 열전달 표면적을 늘리고 공기 측에서 훨씬 낮은 열전달 계수를 보상하기 위해 열전달 핀 형태의 확장된 표면이 튜브 외부에 제공될 수 있다. 튜브는 원형 또는 타원형 강철 튜브일 수 있다. 핀은 각 개별 튜브 주위에 연속적으로 감긴 나선형 핀 또는 나선형 핀 형태로 튜브에 적용될 수 있고 가장자리를 감거나 장력에 의해 튜브에 접착되거나 L자 발 모양이거나 또는 튜브 표면의 홈에 내장될 수 있다. 대안으로, 튜브들을 플레이트 핀 팩에 삽입하고 튜브들을 플레이트 팩 속으로 기계적으로 확장함으로써 많은 튜브들이 플레이트-핀 구조에 통합될 수 있다. 위 설계들 중 어느 하나에서 공기는 열전달 유체에 대해 교차 흐름을 이루고, 열전달 튜브 측에는 다수의 경로가 있을 수 있다.

열전달 유체 가열 코일(22) 외에도, 하나 이상의 추가 가열 코일이 대류 가열 섹션 내에 배치될 수 있고 도 2a 내지 도 2e에 도시된 바와 같이 배열될 수 있다. 이러한 추가 가열 코일들은 증기 과열 코일(SSH)을 포함할 수 있다. 다른 가열 코일들은 탄화수소 공급물을 가열하는 데 사용되는 공급물 예열 코일(FP), 탄화수소와 증기 혼합물을 혼합하는 데 사용되는 혼합 공급물 예열 코일(MP), 그리고 보일러 급수(BFW) 가열 코일을 포함할 수 있다. 대류 섹션 내 특정 유형의 코일의 상대 위치는 상부(U), 중간(M), 또는 하부(L)로 표시되며, 예를 들어 USSH는 상부 증기 과열 코일이다.

본 개시의 다양한 실시예들은 열전달 유체 가열 코일(22)의 위치 위의 노의 대류 가열 섹션 내에 배치된 공급물 예열 코일(FP)을 포함한다. 당업자가 인식할 수 있는 바와 같이, 특정 코일 위치에서의 연도 가스의 온도는 부분적으로는 다수의 가열 코일들을 통한 열 추출로 인해 복사 가열 섹션 연도 가스 출구로부터의 거리에 따라 감소한다. 따라서 위의 내용은 공급물 예열 코일이 열전달 유체 가열 코일보다 낮은 연도 가스 온도에 있다는 것으로 다시 설명될 수 있다.

또한, 본 개시의 실시예들은 보일러 급수 가열 코일과 노의 대류 가열 섹션 내에 배치된 하나 이상의 증기 과열 코일을 포함한다. 열전달 유체 가열 코일은 보일러 급수 가열 코일의 위치 아래에 그리고 증기 과열 코일의 위치 위에 배치될 수 있다.

본 개시의 일부 실시예들은 노의 대류 가열 섹션 내에 배치된 선택적 촉매 환원 촉매대를 또한 포함할 수 있다. 일부 실시예들은 상부 열전달 유체 가열 코일 및 하부 열전달 유체 가열 코일과 같은 다수의 열전달 유체 가열 코일을 또한 포함할 수 있다. 일부 배열체들에서, 열전달 유체 가열 코일은 상부 열전달 유체 가열 코일 및 하부 열전달 유체 가열 코일을 포함하며, 여기서 선택적 촉매 환원 촉매대는 노의 대류 구역 내에서 하부 열전달 유체 가열 코일의 위치 위 및 상부 열전달 유체 가열 코일의 위치 아래에 배치된다.

또 다른 실시예에서, 외부 공급물 및/또는 혼합 공급물 예열 섹션이 대류 열전달 섹션 외부에 제공될 수 있다.

위에서 설명된 다양한 구성들은 아래에서 도 2a 내지 도 2e와 관련하여 구체적으로 도시되고 설명된다.

도 2a는 본 개시의 실시예들에 따른 연도 가스로부터 열을 회수하기 위한 일 실시예를 도시한다. 노의 대류 가열 섹션 내에 포함된 코일들은 가장 낮은 것(연소 상자에 가장 가까운 가장 높은 연도 가스 온도)부터 가장 높은 것(연소 상자 출구에서 가장 먼 가장 낮은 연도 가스 온도)까지 다음과 같은 순서로 배열된다: 혼합 예열 코일(MP); 하부 증기 과열 코일(LSSH); 상부 증기 과열 코일(USSH), 열전달 유체 가열 코일(22), 보일러 급수 가열 코일(BFW), 및 공급물 예열 코일(FP). 전술한 바와 같이, 열전달 유체 가열 코일(22)은 순환 펌프(26)로부터 차가운 열전달 유체를 수용하며, 열전달 유체를 가열하고, 가열된 열전달 유체는 흐름 라인(30)을 통해 공기 예열 코일들(APH)로 순환하며, 이 코일들은 위에서 설명된 바와 같은 하나 이상의 핀형 튜브 또는 기타 열전달 표면들을 포함할 수 있다.

도 1에 도시된 것과 같은 열 회수 시스템을 개조하여 도 2a에 도시된 바와 같은 열 회수 시스템에 도달하게 하는 실시예들의 경우, BFW를 예열하기 위해 이전에 사용된 튜브들 중 일부가 대신 열전달 유체를 가열하는 데 재사용되도록 열 회수 시스템은 수정된다. 일부 실시예들에서, 상부 증기 과열 코일은 생성된 증기의 양이 더 적다는 것을 고려하여 또한 수정된다. 증기 생성을 줄이는 것이 본 개시의 일부 실시예들의 목적이다.

도 2b는 본 개시의 실시예들에 따른 연도 가스로부터 열을 회수하기 위한 일 실시예를 도시한다. 노의 대류 가열 섹션 내에 포함된 코일들은 가장 낮은 것(연소 상자에 가장 가까운 가장 높은 연도 가스 온도)부터 가장 높은 것(연소 상자 출구에서 가장 먼 가장 낮은 연도 가스 온도)까지 다음과 같은 순서로 배열된다: 혼합 예열 코일(MP); 하부 증기 과열 코일(LSSH); 상부 증기 과열 코일(USSH); 하부 열전달 유체 가열 코일과 상부 열전달 유체 가열 코일을 포함하며 그 중간에 선택적 촉매 환원 촉매대(SCR)가 있는 열전달 유체 가열 코일(22); 보일러 급수 가열 코일(BFW); 및 공급물 예열 코일(FP). 전술한 바와 같이, 열전달 유체 가열 코일(22)은 순환 펌프(26)로부터 차가운 열전달 유체를 수용하며, 열전달 유체를 가열하고, 가열된 열전달 유체는 흐름 라인(30)을 통해 공기 예열 코일들(APH)로 순환하며, 이 코일들은 위에서 설명된 바와 같은 하나 이상의 핀형 튜브 또는 기타 열전달 표면들을 포함할 수 있다.

도 2b에서 열 회수 섹션은 도 2a와 유사하게 수정되지만, NOx 제거를 위한 촉매대 위와 아래의 BFW 코일들은 모두 열전달 유체를 가열하는 데 재사용된다. 이 경우, 열전달 유체는 연속적으로 두 개의 섹션에서 가열된다.

도 2c는 본 개시의 실시예들에 따른 연도 가스로부터 열을 회수하기 위한 하나의 실시예를 도시한다. 노의 대류 가열 섹션 내에 포함된 코일들은 가장 낮은 것(연소 상자에 가장 가까운 가장 높은 연도 가스 온도)부터 가장 높은 것(연소 상자 출구에서 가장 먼 가장 낮은 연도 가스 온도)까지 다음과 같은 순서로 배열된다: 혼합 예열 코일(MP); 하부 증기 과열 코일(LSSH); 중간 증기 과열 코일(MSSH); 상부 증기 과열 코일(USSH); 열전달 유체 가열 코일(22); 보일러 급수 가열 코일(BFW); 및 공급물 예열 코일(FP).

도 2c는 도 2a와 유사한 배열체이지만 USSH 코일들에서 일부 튜브들을 제거하는 대신 감소된 증기 생성을 고려하도록 핀 밀도가 수정되었다.

도 2d는 본 개시의 실시예들에 따른 연도 가스로부터 열을 회수하기 위한 하나의 실시예를 도시한다. 노의 대류 가열 섹션 내에 포함된 코일들은 가장 낮은 것(연소 상자에 가장 가까운 가장 높은 연도 가스 온도)부터 가장 높은 것(연소 상자 출구에서 가장 먼 가장 낮은 연도 가스 온도)까지 다음과 같은 순서로 배열된다: 혼합 공급물 예열 코일; 하부 증기 과열 코일; 중간 증기 과열 코일; 상부 증기 과열 코일; 열전달 유체 가열 코일; 및 보일러 급수 가열 코일. 도 2d의 노 시스템은 가스터빈 배기구(gas turbine exhaust)(도시되지 않음)에 연결된 스택(40)을 더 포함한다. 스택(40)은 공급물 예열 코일(FP)과 제2 혼합 공급물 예열 코일(SMP)을 포함하며, 제2 혼합 공급물 예열 코일은 혼합 공급물 예열 코일(MP)에 유체적으로 연결된다.

도 2d의 배열체에 도달하기 위한 개조에서 공급물 예열(FP) 코일과, USSH 및 LSSH 코일의 일 부분은 우회되고 BFW 코일의 일부가 열전달 유체 가열 섹션에 사용된다. 가스 터빈 배기(GTE) 스트림은 대류 섹션에서 이전에 수행되었던 작업이었던 공급물(FP)을 예열하고 혼합 공급물(MP)을 부분적으로 예열하는 데 추가로 사용된다. 공급물 예열과 혼합 공급물 예열을 GTE 가열을 사용하는 새로운 섹션으로 이동하면 GTE로부터의 최대 열 회수가 허용되고 열전달 유체 회수 섹션과 결과적으로 공기 예열 섹션에 더 많은 작업이 사용될 수 있다.

도 2e는 본 개시의 실시예들에 따른 연도 가스로부터 열을 회수하기 위한 또 다른 실시예를 도시한다. 노의 대류 가열 섹션 내에 포함된 코일들은 가장 낮은 것(연소 상자에 가장 가까운 가장 높은 연도 가스 온도)부터 가장 높은 것(연소 상자 출구에서 가장 먼 가장 낮은 연도 가스 온도)까지 다음과 같은 순서로 배열된다: 하부 혼합 예열 코일; 하부 증기 과열 코일; 중간 증기 과열 코일; 상부 증기 과열 코일; 하부 열전달 유체 가열 코일과 상부 열전달 유체 가열 코일을 포함하고, 중간에, 가장 낮은 것부터 가장 높은 것까지, 상부 혼합 공급물 예열 코일, 희석 증기 과열 코일, 및 하부 공급물 예열 코일이 있는 열전달 유체 가열 코일; 및 공급물 예열 코일.

도 2e의 실시예에 도달하기 위한 개조에서, BFW 가열 코일은 열전달 유체 섹션으로 교체된다. USSH 섹션의 일부도 열전달 유체 가열 코일로 대체된다.

위에서 설명된 실시예들 각각에 대해, 본 개시의 실시예들에 따른 열전달 유체를 채용하는 대류 섹션을 사용하여 기존 대류 레이아웃을 재배열하는 것에 기초하여 열 계산이 수행되었다. 결과를 표 1에 요약한다. 열전달 유체 가열 코일과 외부 열전달 유체 공기 예열기가 없는 배열체에 비해 복사 효율이 3-10% 향상되었다. 결과적으로 CO2 배출량의 감소 범위는 8-20%였다.

단일 노 및 열전달 유체 순환 시스템에 관해 위에서 설명되었지만, 본 개시의 실시예들은 열전달 유체 순환 시스템을 다수의 노들에 유체적으로 연결하는 것을 고려한다. 예를 들어, 본 개시의 실시예들은 복사 가열 섹션과 대류 가열 섹션을 갖는 제2 노를 포함할 수 있으며, 여기서 복사 가열 섹션은 예열된 공기 스트림으로 연료를 연소시켜 대류 가열 섹션에 공급되는 연도 가스를 생성하도록 구성되는 하나 이상의 버너를 포함하며, 제2 노는 열전달 유체 순환 시스템에 유체적으로 결합되는 공기 예열기를 포함한다.

화염식 히터의 가열 표면은 관형이거나 다른 유형의 표면 형태일 수 있다. 열 추출은 히터나 다른 유형의 열 운반 스트림(heat bearing stream) 반응기에서 이루어질 수 있다.

본 개시의 실시예들은 또한 열을 추출하는 대신 열을 입력하는 데(예컨대, SCR 적용을 포함하여 하류 열 수용 스트림에 대한 서비스 온도 창으로 연도 가스를 가온하는 데) 사용될 수 있다. 예를 들어, 열을 추출하는 대신, 열전달 유체 순환 시스템에서 이용 가능한 과잉 열이 SCR 촉매대의 상류에 배치된 열전달 유체 냉각 코일에 열을 제공하는 데 사용될 수 있다. 냉각 코일을 통한 열전달 유체의 유속은 SCR 촉매대의 입구에서 원하는 연도 가스 온도가 되도록 제어될 수 있다.

다양한 실시예들에서, 외부 공기 예열은 연소 산화제의 가온(warming)을 위한 열을 함유하는 다른 스트림으로부터의 열전달과 조합될 수 있다. 예를 들어, 플랜트 내의 공정 또는 유틸리티 스트림은 공기 예열기(APH) 상류의 연소 공기를 예열하거나 공기 예열기(APH) 하류의 연소 공기를 추가로 가열하는 데 사용될 수 있다. 대안적으로, 열전달 유체로부터의 과잉 열은 플랜트 내의 다른 스트림을 가열하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 추가로 제공된 열은 전체 플랜트로부터의 CO2 배출을 추가로 줄이는 데 도움이 될 수 있다.

노당 단일 공기 예열기가 사용될 수 있다. 대안적으로, 열전달 유체는 각각의 개별 버너와 직접 결합된 예열기 유닛들을 통해 연소 공기를 가열하는 실시예를 포함하여 다수의 회로들로 분할될 수 있다.

액상 또는 증기상 열전달 유체가 사용될 수 있다.

열전달 유체 순환 루프는 대류 섹션으로부터의 열 회수 외에 다른 보충적인 폐열원을 포함할 수 있다. 예를 들어, 순환 루프 내의 열전달 유체를 예열하거나 추가 가열하기 위해 다른 폐열원이 사용될 수 있다.

종래 기술 배열체들은 일반적으로 연소 연도 가스 또는 외부 폐열을 사용하여 연소 공기를 직접 가온하는 데 사용된다. 또한, 종래 기술 배열체를 이용한 연도 가스로부터의 열 추출은 연도 가스나 가열된 공기 또는 둘 다를 위한 상당한 덕트 작업을 필요로 하며 구조 강철, 기초 및/또는 부지 공간에 상당한 부하를 추가한다. 또한, 종래 기술 배열체를 사용하여 다른 소스의 폐열로부터 열을 추출하면 히터 대류 섹션의 연도 가스 온도를 조절할 수 없다. 공정 공급원료가 변경되거나 변화하면 공급물 예열 섹션에 다른 열 입력이 필요할 수 있다. 히터 열 효율을 유지하는 유일한 방법은 발사 속도를 조정하는 것이다. 대조적으로, 본 개시의 실시예들은 열 유동 온도 또는 유속이 변경되는 것을 허용하며, 그래서 연도 가스로부터 열을 회수하는 섹션에서의 열전달은 다른 플랜트 시스템과 관계없이 변경될 수 있다. 따라서, 본 개시의 실시예들은 연소 산화제를 가온하기 위해 중간 열전달 유체를 적용하여 다양한 가열 스킴들에서 콤팩트한 설계와 유연성을 허용한다.

본 개시의 실시예들은 히터 구조 강철, 기초 하중에 최소한의 영향을 미치며 최소한의 플롯 공간(plot space)을 필요로 한다. 대조적으로, 대류 섹션에 공기 예열기를 추가하는 것은 상당한 구조적 변경을 수반한다.

위에서 확인된 장점 외에도, 본 개시의 실시예들은 플롯 공간을 절약하고 히터 작동 및 유지 관리를 방해할 수 있는 히터 영역에 혼잡을 덜 유발한다.

본 개시의 실시예들은 또한 도 2a 내지 도 2e 중 하나 이상에 예시된 바와 같이 위에서 설명된 시스템을 사용하여 탄화수소를 분해하는 방법에 관한 것이다. 탄화수소 분해 방법은 열전달 유체 가열 코일에서 열전달 유체를 가열하여 뜨거운 열전달 유체를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 또한 공기 예열기에서 뜨거운 열전달 유체와의 간접 열 교환을 통해 공기를 가열하는 단계를 포함한다. 그리고, 이 방법은 예열된 공기를 연료와 혼합하여 연소 혼합물을 형성하고 하나 이상의 버너에서 연소 혼합물을 연소시키는 단계를 포함한다.

SCR 촉매대를 포함하는 실시예들의 경우, 본 개시의 실시예들은 선택적 촉매 환원 촉매대에 유입되는 연도 가스의 온도를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 열전달 유체 순환 시스템 내의 열전달 유체의 유속은 SCR 촉매대의 입구에서 연도 가스 온도를 조정하는 데 사용될 수 있다.

또한, 본 개시의 실시예들은 기존 대류 섹션 열 회수 시스템을 개조하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 증기 과열 코일, 보일러 급수 가열 코일, 및 공급물 예열 코일을 가지며 각 코일이 공급 헤더 및 유출 헤더에 연결된 다수의 튜브들을 포함하는 분해로를 개조할 때, 이 방법은 다음을 포함할 수 있다: 보일러 급수 순환 시스템으로부터 보일러 급수 가열 코일의 하나 이상의 튜브를 분리하는 단계; 하나 이상의 튜브를 열전달 유체 순환 시스템에 유체적으로 연결하는 단계; 및 공기 예열기를 열전달 유체 순환 시스템 및 노의 버너에 유체적으로 연결하는 단계. 개조는 또한 증기 과열 코일의 하나 이상의 튜브를 사용하지 않는 것 및/또는 증기 과열 코일의 튜브 밀도를 수정하는 것을 포함할 수 있다. 개조는 열전달 표면을 최적화를 허용할 수 있거나 또는 재료 업그레이드, 확장된 표면 조정(핀 또는 스터드 등), 튜브 및 핀의 선단 원 직경 변경, 공정 흐름 방향 변경 및 흐름 스트림 또는 평행 패스 수를 포함한 새로운 공정 설계 요구사항을 충족할 수 있다. 또한, 기존 히터가 대류 섹션에 예비 튜브 열(row)들을 가질 수 있으므로, 예비 튜브 열들이 열전달 유체를 가열하는 데 사용될 수 있거나, 또는 기존 가열 표면의 일부와 결합된 예비 튜브 열들이 새로운 코일을 형성하여 열전달 유체를 가열할 수 있다.

본 개시에서 사용되는 바와 같이, 코일은 처리되는 재료에 기초하여 지칭되고(명명되고), 본 개시의 상세한 설명 및 청구범위에 언급된 특정 코일은 코일 기능에 기초하여 (예를 들어 "보일러 급수 가열" 코일로) 정의된다. 　이러한 코일에 의해 정의되고 이러한 코일을 포함하는 시스템은 공급물 공급 시스템(예컨대, 물 탱크)부터 그리고 유출물 처리 시스템(예컨대, 보일러)까지의 유체 연결들을, 공급물 공급 시스템 및 유출물 처리 시스템의 연관된 탱크, 펌프, 밸브, 컨트롤 등과 함께 포함한다.

달리 정의되지 않는 한, 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어들은 이들 시스템, 장치, 방법, 프로세스 및 조성이 속하는 분야의 당업자에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.

"a", "an", 및 "the"의 사용에 해당하는 단수형들은 그렇지 않다고 분명히 명시되지 않는 한 복수형 지시대상들을 포함한다.

여기 및 첨부된 청구범위에 사용된 바와 같이, "포함한다", "갖는다", "구비한다"라는 단어들과 이들의 모든 문법적 변형은 각각 추가적인 요소나 단계를 배제하지 않는 개방적이고 비제한적인 의미를 갖도록 의도된다.

"선택적으로"는 이후에 설명되는 사건이나 상황이 발생할 수도 있고 발생하지 않을 수도 있음을 의미한다. 설명에는 사건이나 상황이 발생하는 경우와 발생하지 않는 경우가 포함된다.

"대략" 또는 "약"이라는 단어가 사용되는 경우, 이 용어는 최대 ±10%, 최대 5%, 최대 2%, 최대 1%, 최대 0.5%, 최대 0.1% 또는 최대 0.01%의 값 분산이 있을 수 있음을 의미할 수 있다.

범위는 "약" 하나의 특정 값부터 "약" 또 다른 특정 값을 포함하는 것으로 표현될 수 있다. 이러한 범위가 표현될 때, 또 다른 실시예는 하나의 특정 값으로부터 다른 특정 값까지, 범위 내의 모든 특정 값들 및 그 조합들이라는 것이 이해되어야 한다.

본 개시는 제한된 수의 실시예를 포함하지만, 본 개시의 이점을 갖는 당업자는 본 개시의 범위를 벗어나지 않는 다른 실시예가 고안될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 그 범위는 첨부된 청구항들에 의해서만 제한되어야 한다.

Claims

탄화수소 분해용 노(furnace) 시스템에 있어서,
복사 가열 섹션 및 대류 가열 섹션 ― 상기 복사 가열 섹션은 예열된 공기 스트림으로 연료를 연소시켜 상기 대류 가열 섹션에 공급되는 연도 가스를 생성하도록 구성되는 하나 이상의 버너를 포함함 ― 을 갖는 노;
상기 노의 상기 대류 가열 섹션 내에 배치되는 열전달 유체 가열 코일;
탄화수소 공급물을 수용하고 예열하여 예열된 탄화수소 공급물을 생성하도록 구성되는 공급물 예열 코일;
상기 복사 가열 섹션 내에 배치되어, 예열된 탄화수소 공급물을 수용하고 분해된(cracked) 탄화수소 생성물을 생성하도록 구성되는 복사 프로세스 코일;
공기 입구, 예열된 공기 출구, 열전달 유체 입구, 열전달 유체 출구, 및 하나 이상의 열 교환 표면을 가져, 상기 공기 입구를 통해 수용된 공기를 상기 열전달 유체 입구를 통해 수용된 뜨거운 열전달 유체와의 간접 열 교환에 의해 간접적으로 가열하여 상기 예열된 공기 출구를 통해 회수되는 예열된 공기 스트림과 상기 열전달 유체 출구를 통해 회수되는 냉각된 열전달 유체를 생성하기 위한 공기 예열기;
상기 예열된 공기 출구를 상기 하나 이상의 버너와 유체적으로 연결하여, 상기 예열된 공기 스트림을 상기 하나 이상의 버너에 공급하기 위한 하나 이상의 흐름 라인; 및
상기 냉각된 열전달 유체를 상기 열전달 유체 출구로부터 상기 노의 상기 대류 가열 섹션 내에 배치된 상기 열전달 유체 가열 코일의 입구로 순환시키는 흐름 라인과, 상기 열전달 유체 가열 코일의 출구로부터 상기 열전달 유체 입구로 상기 뜨거운 열전달 유체를 순환시키는 흐름 라인을 포함하는 열전달 유체 순환 시스템을 포함하는, 노 시스템.
제1항에 있어서, 상기 공급물 예열 코일은 상기 열전달 유체 가열 코일의 위치 위의 상기 노의 상기 대류 가열 섹션 내에 배치되는, 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 보일러 급수 가열 코일 및 상기 노의 상기 대류 가열 섹션 내에 배치된 하나 이상의 증기 과열 코일을 포함하고, 상기 열전달 유체 가열 코일은 상기 보일러 급수 가열 코일의 위치 아래 및 상기 하나 이상의 증기 과열 코일 위치 위에 배치되는, 시스템.
제3항에 있어서, 상기 노의 상기 대류 가열 섹션 내에 배치된 선택적 촉매 환원 촉매대를 포함하고, 상기 열전달 유체 가열 코일은 상부 열전달 유체 가열 코일과 하부 열전달 유체 가열 코일을 포함하고, 상기 선택적 촉매 환원 촉매대는 상기 노의 상기 대류 가열 섹션 내에서 상기 하부 열전달 유체 가열 코일의 위치 위 및 상기 상부 열전달 유체 가열 코일의 위치 아래에 배치되는, 시스템.
제1항에 있어서, 상기 공급물 예열 코일은 상부 공급물 예열 코일과 하부 공급물 예열 코일을 포함하고, 상기 열전달 유체 가열 코일은 상부 열전달 유체 가열 코일과 하부 열전달 유체 가열 코일을 포함하고,
상기 상부 공급물 예열 코일은 상기 노의 상기 대류 가열 섹션 내에서 상기 하부 공급물 예열 코일의 위치 위에 배치되며;
상기 상부 열전달 유체 가열 코일은 상기 노의 상기 대류 가열 섹션 내에서 상기 하부 열전달 유체 가열 코일의 위치 위에 배치되며;
상기 상부 공급물 예열 코일은 상기 노의 상기 대류 가열 섹션 내에서 상기 상부 열전달 유체 가열 코일의 위치 위에 배치되며;
상기 하부 공급물 예열 코일은 상기 노의 상기 대류 가열 섹션 내에서 상기 하부 열전달 유체 가열 코일의 위치 위에 배치되는, 시스템.
제1항에 있어서, 가장 낮은 것부터 가장 높은 것까지,
혼합 예열 코일;
하부 증기 과열 코일;
상부 증기 과열 코일;
상기 열전달 유체 가열 코일;
보일러 급수 가열 코일; 및
상기 공급물 예열 코일
과 같은 순서로 상기 노의 상기 대류 가열 섹션에 배열되는 코일들을 포함하는, 노 시스템.
제1항에 있어서, 가장 낮은 것부터 가장 높은 것까지,
혼합 예열 코일;
하부 증기 과열 코일;
상부 증기 과열 코일;
하부 열전달 유체 가열 코일 및 상부 열전달 유체 가열 코일을 포함하고 중간에 선택적 촉매 환원 촉매대가 있는 상기 열전달 유체 가열 코일;
보일러 급수 가열 코일; 및
상기 공급물 예열 코일
과 같은 순서로 상기 노의 상기 대류 가열 섹션에 배열되는 코일들을 포함하는, 노 시스템.
제1항에 있어서, 가장 낮은 것부터 가장 높은 것까지,
혼합 예열 코일;
하부 증기 과열 코일;
중간 증기 과열 코일;
상부 증기 과열 코일;
상기 열전달 유체 가열 코일;
보일러 급수 가열 코일; 및
상기 공급물 예열 코일
과 같은 순서로 상기 노의 상기 대류 가열 섹션에 배열되는 코일들을 포함하는, 노 시스템.
제1항에 있어서, 가장 낮은 것부터 가장 높은 것까지,
하부 혼합 예열 코일;
하부 증기 과열 코일;
중간 증기 과열 코일;
상부 증기 과열 코일;
하부 열전달 유체 가열 코일과 상부 열전달 유체 가열 코일을 포함하고, 중간에, 가장 낮은 것부터 가장 높은 것까지, 상부 혼합 공급물 예열 코일, 희석 증기 과열 코일, 및 하부 공급물 예열 코일이 있는 열전달 유체 가열 코일; 및
상기 공급물 예열 코일
과 같은 순서로 상기 노의 상기 대류 가열 섹션에 배열되는 코일들을 포함하는, 노 시스템.
제1항에 있어서, 가장 낮은 것부터 가장 높은 것까지,
혼합 공급물 예열 코일;
하부 증기 과열 코일;
중간 증기 과열 코일;
상부 증기 과열 코일;
상기 열전달 유체 가열 코일; 및
보일러 급수 가열 코일
과 같은 순서로 상기 노의 상기 대류 가열 섹션에 배열되는 코일들을 포함하는, 노 시스템.
제10항에 있어서, 가스 터빈 배기구에 연결된 스택을 포함하고, 상기 스택은 공급물 예열 코일 및 제2 혼합 공급물 예열 코일을 포함하고, 상기 제2 혼합 공급물 예열 코일은 상기 혼합 공급물 예열 코일에 유체적으로 연결되는, 노 시스템.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 복사 가열 섹션과 대류 가열 섹션을 갖는 제2 노를 포함하고, 상기 복사 가열 섹션은 예열된 공기 스트림으로 연료를 연소시켜 상기 대류 가열 섹션에 공급되는 연도 가스를 생성하도록 구성되는 하나 이상의 버너를 포함하며, 상기 제2 노는 상기 열전달 유체 순환 시스템에 유체적으로 결합되는 공기 예열기를 포함하는, 노 시스템.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 시스템을 사용하여 탄화수소를 분해하는 방법에 있어서,
열전달 유체 가열 코일에서 열전달 유체를 가열하여 뜨거운 열전달 유체를 생성하는 단계;
공기 예열기에서 상기 뜨거운 열전달 유체와의 간접 열 교환을 통해 공기를 가열하여 예열된 공기를 생성하는 단계; 및
상기 예열된 공기를 연료와 혼합하여 연소 혼합물을 형성하고 하나 이상의 버너에서 상기 연소 혼합물을 연소시키는 단계를 포함하는, 방법.
제4항의 시스템을 사용하여 탄화수소를 분해하는 방법에 있어서,
열전달 유체 가열 코일에서 열전달 유체를 가열하여 뜨거운 열전달 유체를 생성하는 단계;
공기 예열기에서 상기 뜨거운 열전달 유체와의 간접 열 교환을 통해 공기를 가열하여 예열된 공기를 생성하는 단계;
상기 예열된 공기를 연료와 혼합하여 연소 혼합물을 형성하고 하나 이상의 버너에서 상기 연소 혼합물을 연소시키는 단계; 및
선택적 촉매 환원 촉매대에 들어가는 연도 가스의 온도를 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
제14항에 있어서, 상기 연도 가스의 일부를 공급 공기(air feed)와 혼합하여 상기 공기 예열기에서 가열된 공기로서 공급되는 희석된 공급 공기를 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
증기 과열 코일, 보일러 급수 가열 코일, 및 공급물 예열 코일을 가지며 각각의 코일이 공급 헤더 및 유출 헤더에 연결된 다수의 튜브들을 포함하는 분해로(cracking furnace)를 개조하는 방법에 있어서,
보일러 급수 순환 시스템으로부터 상기 보일러 급수 가열 코일의 하나 이상의 튜브를 분리하는 단계;
상기 하나 이상의 튜브를 열전달 유체 순환 시스템에 유체적으로 연결하는 단계; 및
공기 예열기를 상기 열전달 유체 순환 시스템 및 상기 분해로의 버너에 유체적으로 연결하는 단계를 포함하는, 방법.
제16항에 있어서, 상기 증기 과열 코일의 하나 이상의 튜브를 사용하지 않는 단계를 포함하는, 방법.
제16항 또는 제17항에 있어서, 상기 증기 과열 코일의 튜브의 핀(fin) 밀도를 수정하는 단계를 포함하는, 방법.
히터 시스템에 있어서,
복사 가열 섹션 ― 상기 복사 가열 섹션은 예열된 공기 스트림으로 연료를 연소하도록 구성되는 하나 이상의 버너를 포함함― 과 대류 가열 섹션을 갖는 노(furnace);
상기 노의 상기 대류 가열 섹션 내에 배치되는 열전달 유체 가열 코일;
공기 입구, 예열된 공기 출구, 열전달 유체 입구, 열전달 유체 출구, 및 하나 이상의 열 교환 표면을 가져, 상기 공기 입구를 통해 수용된 공기를 상기 열전달 유체 입구를 통해 수용된 뜨거운 열전달 유체와의 간접 열 교환을 통해 간접적으로 가열하여 상기 예열된 공기 출구를 통해 회수되는 예열된 공기 스트림과 상기 열전달 유체 출구를 통해 회수되는 냉각된 열전달 유체를 생성하기 위한 공기 예열기;
상기 예열된 공기 출구를 상기 하나 이상의 버너와 유체적으로 연결하여, 상기 예열된 공기 스트림을 상기 하나 이상의 버너에 공급하기 위한 하나 이상의 흐름 라인; 및
상기 냉각된 열전달 유체를 상기 열전달 유체 출구로부터 상기 노의 상기 대류 가열 섹션 내에 배치된 상기 열전달 유체 가열 코일의 입구로 순환시키는 흐름 라인과, 상기 열전달 유체 가열 코일의 출구로부터 상기 열전달 유체 입구로 상기 뜨거운 열전달 유체를 순환시키는 흐름 라인을 포함하는 열전달 유체 순환 시스템을 포함하는, 히터 시스템.
제19항에 있어서, 상기 열전달 유체 가열 코일은 탄화수소 공급물, 물(water), 증기 또는 이들의 혼합물 중 하나 이상을 가열하도록 구성되는 하나 이상의 추가 열 회수 코일에 의해 분리된 다수의 가열 코일 섹션으로서 구성되는, 히터 시스템.