BRPI0811160B1

BRPI0811160B1 - método de operação de um aquecedor

Info

Publication number: BRPI0811160B1
Application number: BRPI0811160-0A
Authority: BR
Inventors: Bertola Francesco; R Ponzi Peter; J Gartside Robert
Original assignee: Lummus Technology Inc
Priority date: 2007-05-18
Filing date: 2008-05-15
Publication date: 2019-11-12
Also published as: PL2165117T3; KR20100018574A; TW200914772A; CN101743439A; AR092079A2; CN101743439B; US20080286706A1; WO2008143912A8; WO2008143912A3; CA2687318C; MY152906A; AR066621A1; JP5103521B2; BRPI0811160A2; US7819656B2; TWI458920B; EP2165117A2; MX2009012269A; ZA200908708B; WO2008143912A2

Abstract

método de operação de um aquecedor um forno, um padrão de acendimento e um método de operação de um aquecedor que emprega uma combinação de queimadores de soleira e de queimadores de parede para o craqueamento de hidrocarbonetos são descritos. o padrão de acendimento leva a melhoramentos na uniformidade das temperaturas de metal de serpentina e nos perfis de fluxo de calor em relação à elevação de fornalha. os queimadores de soleira operam com um excesso estequiométrico de ar, enquanto os queimadores de parede operam com menos do que a quantidade estequiométrica de ar.

Description

MÉTODO DE OPERAÇÃO DE UM AQUECEDOR Antecedentes [001] As modalidades mostradas aqui se referem a aquecedor e, mais particularmente, ao projeto eficiente e à operação desses aquecedores.

[002] O craqueamento com vapor ou a pirólise de hidrocarbonetos para a produção de olefinas é realizado freqüentemente em serpentinas tubulares localizadas em aquecedores acesos. O processo de pirólise é considerado

como sendo	o coração de uma planta de olefina	e tem	uma
influência	significativa sobre a economia da	planta	em
geral.
[003]	A matéria-prima de hidrocarboneto	pode	ser

qualquer uma da ampla variedade de matérias-primas típicas de craqueamento, tais como metano, etano, propano, butano, misturas desses gases, naftas, gasóleos, etc. A corrente de produto contém uma variedade de componentes; as concentrações destes componentes são dependentes em parte da alimentação selecionada. Em um processo de pirólise convencional, a matéria-prima vaporizada é alimentada em conjunto com vapor de diluição para um reator tubular localizado no aquecedor aceso. A quantidade de vapor de diluição requerida é dependente da matéria-prima selecionada; matérias-primas mais leves, tal como etano, requerem vapor mais baixo (0,2 lb/lb (kg/kg) de alimentação, enquanto matérias-primas mais pesadas, tais como nafta e gasóleos requerem relações de vapor / alimentação de 0,5 a 1,0. O vapor de diluição tem a função dupla de diminuir a pressão parcial do hidrocarboneto e reduzir a taxa de incrustação das serpentinas de pirólise.

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 9/100

2/38 [004] Uma incrustação na superfície interna das serpentinas de pirólise é um dos fatores determinantes para o tempo em operação destes aquecedores. No momento em que a operação aumenta, o acúmulo de coque cria uma resistência à transferência de calor da fornalha radiante. De modo a manter a performance do processo constante, conforme exemplificado por uma temperatura de saída constante da serpentina, o fluxo de calor para a serpentina deve ser mantido. A camada de coque no interior da serpentina atua como uma resistência ao fluxo de calor, e a temperatura de metal externa do tubo deve aumentar, para se permitir um fluxo equivalente através de uma resistência mais alta. O tempo em que um aquecedor pode operar antes de uma parada para remoção dos depósitos de coque depende de dois fatores primários. O primeiro é a taxa de incrustação. Uma incrustação ocorre conforme o coque se acumula na serpentina de aquecimento radiante. Conforme o coque é depositado sobre a serpentina, ele inibe a transferência de calor da serpentina. Como resultado, o acúmulo de coque requer que mais calor seja adicionado ao sistema, para manutenção da eficiência de um aquecedor. A taxa de incrustação é uma função da carga de processo (fluxo de calor requerido) , vapor de diluição, temperatura na superfície de metal no interior da serpentina, e das características da matéria-prima em si. Por exemplo, alimentações mais pesadas coqueiam mais rapidamente do que alimentações mais leves. É desejado maximizar o tempo em operação.

[005] O segundo fator é a constituição da serpentina de aquecimento radiante. Tipicamente, a serpentina é

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 10/100

3/38 constituída por um metal ou uma liga de metal. Os metais e as ligas são sensíveis a temperaturas extremas. Isto é, se a serpentina radiante for exposta a uma temperatura acima de seu limite mecânico máximo, ela começará a se deteriorar, causando danos à serpentina de aquecimento radiante. Como resultado, um aquecedor de pirólise típico deve ser cuidadosamente monitorado para manutenção das faixas de temperatura específicas. Isto se torna problemático, conforme o coque se acumula sobre a serpentina, porque mais calor deve ser adicionado para manutenção da eficiência do sistema.

[006] Como resultado, é desejável projetar serpentinas de pirólise com longos tempos de ciclo para minimização das temperaturas de metal de tubo máximas enquanto se maximiza o calor total transferido através da serpentina. Isto permite a elevação da temperatura máxima a uma taxa de incrustação constante.

[007] Em um processo de pirólise típico, a mistura de vapor / alimentação é pré-aquecida a uma temperatura imediatamente abaixo do começo da reação de craqueamento, o que usualmente é a em torno de 600 °C. Este pré-aquecimento ocorre na seção de convecção do aquecedor. A mistura então passa para a seção radiante, onde as reações de pirólise ocorrem. Geralmente, o tempo de residência na serpentina de pirólise está na faixa de 0,2 a 0,4 segundos, e as temperaturas de saída para a reação são da ordem de em torno de 700 ° a 900 °C. As reações que resultam na transformação de hidrocarbonetos saturados em olefinas são altamente endotérmicas, desse modo requerendo altos níveis de entrada de calor. Esta entrada de calor deve ocorrer em

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 11/100

4/38 temperaturas de reação elevadas. Geralmente, é reconhecido na indústria que para a maioria das matérias-primas, e especialmente para matérias-primas mais pesadas, tal como nafta, tempos de residência mais curtos levarão a uma seletividade mais alta para etileno e propileno, uma vez que reações de degradação secundárias serão reduzidas. Ainda, é reconhecido que quanto mais baixa a pressão parcial do hidrocarboneto no ambiente de reação, mais alta a seletividade.

[008] As temperaturas de gás combustível na seção radiante do aquecedor aceso tipicamente são acima de 1.100 °C. A transferência de calor para as serpentinas é primariamente por radiação. Em alguns projetos, aproximadamente de 32 a 4 0% do calor queimado como combustível no aquecedor é transferido para as serpentinas na seção radiante. O saldo do calor é recuperado na seção de convecção como um pré-aquecimento de alimentação ou como uma geração de vapor. Dada a limitação do pequeno volume de tubo para a obtenção de tempos de residência curtos e as altas temperaturas do processo, a transferência de calor para o tubo de reação é difícil. Como resultado, altos fluxos de calor são usados e as temperaturas de operação de metal de tubo são próximas dos limites mecânicos mesmo para metalurgias exóticas. Na maioria dos casos, as temperaturas de metal de tubo limitam a extensão até a qual o tempo de residência pode ser reduzido, como resultado de uma combinação de temperaturas de processo mais altas requeridas na saída de serpentina e o comprimento de tubo reduzido (daí, uma área superficial de tubo) o que resulta em um fluxo mais alto e, assim, temperaturas de metal de

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 12/100

5/38 tubo mais altas. As temperaturas de metal de tubo também são um fator limitante na determinação da capacidade dessas serpentinas radiantes, uma vez que mais fluxo é requerido para um dado tubo, quando operado em uma capacidade mais alta. Os tubos de reação de metal exóticos localizados na seção radiante do aquecedor de craqueamento representam uma porção substancial do custo do aquecedor, de modo que é importante que ele seja utilizado plenamente. A utilização é definida como uma operação a um fluxo de calor tão alto e tão uniforme quanto possível, de forma consistente com os objetivos de projeto do aquecedor. Isto minimizará o número e o comprimento dos tubos e a área superficial de metal total resultante requerida para uma dada capacidade de pirólise.

[009] Em um forno de craqueamento típico, o calor é suprido por uma combinação de queimadores de soleira e de parede. As serpentinas de pirólise tipicamente são suspensas a partir do topo da seção radiante e penduradas entre duas paredes radiantes. A combinação de queimador de soleira e de parede aquece as paredes do forno que, então, irradiam para as serpentinas. Uma pequena porção do calor transferido é feita de forma convectiva pelos gases combustíveis na fornalha transferindo o calor diretamente para as serpentinas. Contudo, em um forno típico, mais do que 85% do calor são transferidos de forma radiativa. Os queimadores de soleira são instalados no fundo da fornalha e queimam verticalmente para cima ao longo das paredes. Os queimadores de parede estão localizados nas paredes verticais do forno e queimam radialmente ao longo das paredes.

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 13/100

6/38 [010] Em qualquer chama de um queimador, há um perfil de combustão característico. Conforme a mistura de combustível e ar deixa o queimador, a combustão começa. Conforme a reação de combustão continua, a temperatura da mistura de combustão aumenta e o calor é liberado. A alguma distância do queimador, há um ponto de combustão máxima e, daí, uma liberação de calor máxima. Durante este processo, o calor é absorvido pela serpentina de processo. As características da chama dependem da queima total a partir de um queimador e das especificidades do projeto do queimador. Formatos diferentes de chama e perfis de liberação de calor são possíveis, dependendo de como o combustível e o ar são misturados. Os queimadores de soleira tipicamente operam a uma carga queimada entre em torno de 5 a 15 MM BTU/h (de 1,465 a 4,396 MW) . Nestes queimadores, o ponto de combustão máximo tipicamente está a em torno de 3 a 4 metros acima do queimador em si. Devido ao perfil de liberação de calor característico destes queimadores, um perfil de fluxo de calor não uniforme (perfil de calor absorvido) às vezes é criado. O perfil de fluxo típico para a serpentina radiante mostra um fluxo de pico próximo da elevação central da fornalha (no ponto de combustão máxima ou de liberação de calor para os queimadores de soleira) com as porções de topo e de fundo da serpentina recebendo menos fluxo. Em alguns queimadores, os queimadores de parede radiante são instalados na parte de topo das paredes laterais para a equalização do perfil de fluxo de calor na porção de topo da serpentina. Os perfis de fluxo de calor de superfície de serpentina típicos e os perfis de temperatura de metal para um

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 14/100

7/38 queimador de soleira e para uma combinação de queimadores de soleira e de parede à mesma taxa de liberação de calor mostram um fluxo de calor baixo e uma temperatura de metal na porção inferior da fornalha, o que significa que a serpentina nesta porção pode estar subutilizada.

[011] Houve várias tentativas de controle do perfil de fluxo em um aquecedor de pirólise. É sabido que um uso de estágios com o combustível para queimadores de soleira pode ser feito para ajuste do formato de chama e, assim, do impacto do ponto de liberação de calor máxima. Os queimadores de soleira tipicamente são projetados com vários pontos de injeção de combustível diferentes. O ar é aspirado para o forno através de uma tiragem natural ou induzida ou por inspiração com o combustível utilizando um sistema de venturi. Um combustível primário é injetado nesta corrente de ar, com a finalidade de prover uma combustão suficiente para desenvolvimento de uma chama estável. Em alguns casos, um outro ponto de injeção de combustível pequeno é usado imediatamente adjacente a esta chama primária, para ajudar a estabilizar a chama e impedir uma explosão da chama. Queimadores de soleira antigos tipicamente alimentam 100% do combustível de queimador de soleira aceso com estes pontos de injeção de combustível primários. A combustão ocorria em uma relação de ar para combustível ligeiramente acima da estequiométrica (10 a 15% de ar em excesso).

[012] Quando valores de NOx são uma consideração importante, parte do combustível do ponto de injeção primário pode ser removida do fluxo de ar entrando e colocado em tomadas secundárias ou em estágios

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 15/100

8/38 imediatamente na borda do queimador. Este combustível é dirigido de modo que ele se misture com o ar fluindo e a corrente de combustível primária a alguma distância acima do queimador. Pela “colocação em estágios” da mistura de combustível e ar, o perfil de combustão da chama pode ser alterado, levando a uma temperatura de chama mais baixa e, daí, a NOx mais baixo. Esta técnica também muda o ponto de combustão máximo e, assim, tem impacto sobre o perfil de fluxo resultante para a serpentina. A colocação do combustível em estágios não muda a relação líquida de ar para combustível do queimador, ela mudando apenas quando e onde o combustível é misturado. A quantidade de injeção de combustível secundária, a localização daquele ponto de injeção na borda do queimador, e o ângulo no qual é injetado, todos têm impacto sobre os valores de NOx, o formato de chama e, daí, o perfil de temperatura de metal de serpentina.

[013] A Patente U.S. N° 4.887.961 descreve queimadores de parede radiantes nos quais o ar e o combustível são prémisturados em um venturi em proporções equivalentes a de 10 a 15% de ar em excesso. O venturi é dimensionado para inspirar a quantidade correta de ar usando o combustível como a força motriz na garganta do venturi. Na Patente U.S. N° 6.796.790, um queimador de parede é descrito, que toma parte do combustível e o injeta além do tambor” ou defletor” e se baseia em dinâmica dos fluidos para puxar este combustível em estágio secundário - para queimadores de parede” para o fluxo de 100% do ar e parte do combustível.

[014] A Patente U.S. N° 6.616.442 descreve um

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 16/100

9/38 queimador de soleira com uma primeira zona imediatamente acima do queimador, onde a mistura do combustível e do ar (ar em excesso) deixa o tijolo e queima. A segunda zona está em uma elevação mais alta, onde o combustível secundário se mistura com a mistura de ar / combustível queimando. A mistura líquida de ar para combustível resultante na segunda zona está ligeiramente acima da relação estequiométrica.

[015] Um outro meio de controle de temperaturas de metal de serpentina é descrito na Patente U.S. N° 6.685.893. Nesta patente, um queimador de parede é especificamente colocado no piso do forno e a chama é dirigida ao longo do piso, de modo a aquecer o piso refratário do forno e prover uma superfície de radiação adicional para a porção inferior da serpentina. O queimador de base pode ser projetado para inspirar ar e produzir uma mistura de ar para combustível ligeiramente maior do que a estequiométrica para combustão. Alternativamente, o queimador de base pode utilizar um combustível retirado das tomadas em estágios secundárias do queimador de soleira. De modo a se ter uma chama estável a partir do queimador de base, alguma quantidade de ar é requerida a ser alimentada com este combustível. Uma vez que o queimador de base está localizado em grande proximidade com o queimador de soleira, há várias combinações de ar e combustível para estes queimadores em separado que ainda resultam em uma mistura de combustão ligeiramente maior do que a estequiométrica no ou próximo do piso do aquecedor. O queimador de soleira de acendimento vertical pode operar com ar em excesso e o queimador de base com uma quantidade

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 17/100

10/38 subestequiométrica de ar, ou eles podem ser operados ao inverso com o queimador de base tendo ar em excesso e o queimador de soleira com ar ligeiramente subestequiométrico. Alguns pontos de projeto importantes são que pela feitura do piso parte da superfície radiante, a temperatura de metal de tubo pode ser reduzida, e pelo estágio da combustão pelo estágio do combustível (e a localização de ar em excesso no piso) , a produção de NOx pode ser reduzida.

[016] Na Patente U.S. N° 7.172.412, uma abordagem diferente é usada para controle das temperaturas de metal e dos perfis de fluxo. Um combustível é retirado das tomadas de estágio secundário do queimador de soleira e injetado no forno a alguma distância acima do queimador de soleira através das paredes do forno. Esta injeção serve para a criação de uma zona de pressão baixa ao longo da parede e, assim, a chama é puxada para a parede, desse modo se reduzindo a proximidade do ponto de combustão máxima para a serpentina de pirólise. Sob estas condições, o queimador de soleira é operado sob condições de ar em excesso, enquanto o saldo do combustível é adicionado através da parede em um ponto acima do queimador de soleira. Esta abordagem não apenas coloca o combustível em estágios para redução de NOx, mas altera o formato da chama ao puxá-la de volta para a parede, desse modo reduzindo as temperaturas de metal.

[017] A melhoria do perfil de fluxo de queimador de soleira pode ser difícil por causa das exigências de NOx e por causa da demanda permanentemente crescente para liberações de calor de queimador mais alta. Uma outra forma de equalização do perfil de fluxo é pelo uso de queimadores

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 18/100

11/38 de parede apenas. Contudo, uma vez que a liberação de calor máxima de um queimador de parede é em torno de 10 vezes menor do que aquela de um queimador de soleira, o número significativo de queimadores de parede necessários para a geração de um perfil de liberação de calor equivalente limita a praticidade desta abordagem.

Sumário [018] Um recurso mostrado das modalidades é um método de operação de um queimador que inclui uma zona de aquecimento radiante que tem uma porção de soleira de fundo e paredes opostas adjacentes a e se estendendo para cima a partir da porção de soleira de fundo. O aquecedor também inclui pelo menos uma serpentina de aquecimento tubular localizada na zona de aquecimento radiante, uma seção de queimador de soleira que compreende uma pluralidade de queimadores de soleira localizados adjacentes à porção de soleira de fundo para queima na zona de aquecimento radiante, e uma seção de queimador de parede compreendendo uma pluralidade de queimadores de parede localizados adjacentes a paredes opostas. O método compreende a introdução na seção de queimador de parede de uma primeira mistura de ar e de combustível tendo menos do que a quantidade estequiométrica de ar para a combustão de um combustível introduzido na seção de queimador de parede, e a introdução na seção de queimador de soleira de uma segunda mistura de ar e de combustível tendo mais do que a quantidade estequiométrica de ar para a combustão de um combustível introduzido na seção de queimador de soleira. A quantidade geral de ar introduzida nos queimadores de soleira e nos queimadores de parede é pelo menos uma

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 19/100

12/38 quantidade estequiométrica.

[019] Em certos casos, a mistura de ar e de combustível introduzida em cada um dos queimadores de parede tem uma qualidade de ar subestequiométrica para combustão de um combustível introduzido naquele queimador de parede. Às vezes, a mistura de ar e de combustível introduzida em cada um dos queimadores de soleira tem mais do que a quantidade estequiométrica de ar para combustão de um combustível introduzido naquele queimador de soleira. Em alguns casos, a mistura de ar e de combustível introduzida em cada um dos queimadores de parede tem uma qualidade subestequiométrica de ar para combustão de um combustível introduzido naquele queimador de parede em particular.

[020] Um outro recurso mostrado das modalidades é um método de operação de um queimador que compreende uma porção de soleira de fundo e paredes opostas adjacentes a e se estendendo para cima a partir da porção de soleira de fundo formando uma zona de aquecimento radiante, pelo menos uma serpentina de aquecimento tubular localizada na zona de aquecimento radiante, uma seção de queimador de soleira compreendendo uma pluralidade de queimadores de soleira localizados adjacentes à soleira de fundo para queima na zona de aquecimento radiante, e uma seção de queimador de parede compreendendo uma pluralidade de queimadores de parede localizados adjacentes às paredes opostas. O método compreende a introdução de uma primeira mistura de ar e de combustível em uma seção de queimador de parede, a primeira mistura de ar e de combustível tendo menos do que a quantidade estequiométrica de ar para combustão, a introdução de uma segunda mistura de ar e de combustível na

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 20/100

13/38 seção de queimador de soleira no aquecedor em uma direção geralmente paralela ao comprimento da serpentina de aquecimento, a segunda mistura de ar e de combustível tendo mais do que a quantidade estequiométrica de ar para combustão; e a combustão do combustível e do ar na zona de aquecimento radiante. O ar e uma porção do combustível introduzido na seção de queimador de parede entram em combustão a uma primeira taxa de combustão, e uma porção do ar introduzido na seção de queimador de soleira entra em combustão com uma porção do combustível introduzido na seção de queimador de parede a uma segunda taxa de combustão que é mais lenta do que a primeira taxa de combustão. Isto reduz a taxa de combustão geral na seção de queimador de parede do aquecedor, se comparado com um sistema no qual quantidades estequiométricas de ar são introduzidas na seção de queimador de parede. Em alguns casos, a diferença de temperatura ao longo do comprimento da serpentina de aquecimento é pelo menos 10 K menor do que a diferença de temperatura ao longo de uma serpentina de aquecimento para um aquecedor usando vazões gerais equivalentes de combustível e de ar, em que uma quantidade estequiométrica de ar é introduzida na seção de queimador de parede.

[021] Em certas modalidades, a primeira mistura de ar e de combustível é de não mais do que em torno de 85% da quantidade estequiométrica de ar para combustão. Às vezes, a primeira mistura de ar e de combustível tem entre em torno de 50% e 80% da quantidade estequiométrica de ar para combustão.

[022] De acordo com os aspectos ilustrados aqui,

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 21/100

14/38 também é provido um aquecedor que compreende uma zona de aquecimento radiante que tem uma porção de soleira de fundo e paredes opostas que se estendem para cima a partir da porção de soleira de fundo, pelo menos uma serpentina de aquecimento tubular localizada na zona de aquecimento radiante, uma seção de queimador de soleira que compreende uma pluralidade de queimadores de soleira localizados adjacentes à porção de soleira de fundo e sendo configurados para acenderem com mais do que quantidades estequiométricas de ar; e uma seção de queimador de parede compreendendo uma pluralidade de queimadores de parede localizados adjacentes às paredes opostas e sendo configurados para acenderem ao longo das paredes opostas na zona de aquecimento radiante com menos do que quantidades estequiométricas de ar.

[023] Uma outra modalidade é um padrão de acendimento para um aquecedor a gás tendo uma seção de queimador de soleira e uma seção de queimador de parede. O padrão de acendimento compreende a operação da seção de queimador de parede com menos do que a quantidade estequiométrica de ar para combustão e a alimentação de ar adicional para a seção de queimador de soleira para resultar em um excesso de ar líquido geral sendo alimentado para o aquecedor. Em alguns casos, quando o aquecedor a gás é um aquecedor de pirólise com uma serpentina de aquecimento, o padrão de acendimento reduz a diferença entre a temperatura de superfície externa máxima e a mínima ao longo do comprimento da serpentina de aquecimento em pelo menos 10 K, se comparado com um padrão de acendimento no qual o mesmo padrão de distribuição de combustível é usado, mas a seção de queimador de parede é

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 22/100

15/38 operada usando-se pelo menos uma quantidade estequiométrica de ar. Em alguns casos, quando o aquecedor a gás é um aquecedor de pirólise com uma serpentina de aquecimento, o padrão de acendimento reduz o fluxo de calor máximo ao longo do comprimento da serpentina de aquecimento em pelo menos 4%, se comparado com um padrão de acendimento no qual o mesmo padrão de distribuição de combustível é usado, mas a seção de queimador de parede é operada usando-se pelo menos uma quantidade estequiométrica de ar.

Breve Descrição dos Desenhos [024] A Figura 1 é um diagrama de um padrão de fluxo típico em uma fornalha de um aquecedor tendo queimadores de soleira.

[025] A Figura 2 mostra o padrão de fluxo através de um aquecedor que tem queimadores de soleira operados com ar em excesso.

[026] A Figura 3 é uma representação em seção

transversal	vertical	simplificada de um	aquecedor	de
pirólise.
[027]	A	Figura 4	é uma seção transversal de	um
queimador	de	soleira.
[028]	A	Figura 5	é uma simulação de	dinâmica	dos

fluidos computacional que mostra um perfil de temperatura de metal típico por toda a elevação de um forno a etileno

operado de	acordo	com um padrão	de	acendimento
convencional.
[029] A	Figura	6 é	uma simulação	de	dinâmica dos
fluidos computacional	que	mostra o perfil	de	temperatura de

metal por toda a elevação de um forno a etileno operado de acordo com um padrão de acendimento da presente exposição.

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 23/100

16/38 [030] A Figura 7 é uma simulação de dinâmica dos fluidos computacional que mostra um perfil de fluxo vertical típico por toda a elevação de um aquecedor de pirólise convencional.

[031] A Figura 8 é uma simulação de dinâmica dos fluidos computacional que mostra o perfil de fluxo vertical por toda a elevação de um forno operado de acordo com uma modalidade do padrão de acendimento da presente exposição.

[032] As Figuras 9A e 9B são gráficos que mostram o perfil de temperatura de metal de tubo de saída por toda a elevação de um forno a etileno acendendo um combustível gasoso de síntese usando condições de acendimento convencionais (Fig. 9A) e de acordo com a modalidade do padrão de acendimento da presente exposição (Fig. 9B).

Descrição Detalhada [033] As modalidades mostradas aqui incluem um padrão de acendimento útil para um sistema de acendimento de combustível em um forno de pirólise, tal como um forno a etileno. O padrão de acendimento inclui uma pluralidade de queimadores de parede operando sob condições ricas de combustível. O saldo do ar requerido para combustão do combustível de queimador de parede é suprido por uma pluralidade de queimadores de soleira, os quais operam sob condições maiores do que ar estequiométrico. O resultado líquido de modificação da distribuição de ar na fornalha é uma redução substancial na temperatura de metal de tubo, se comparada com um forno operando sob condições de acendimento de combustível equivalentes, mas usando um padrão de distribuição de ar / combustível estequiométrico / quase estequiométrico nos queimadores de soleira e nos

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 24/100

17/38 queimadores de parede. O padrão de acendimento mostrado provê extensões de funcionamento de operação aumentadas, antes de se requerer uma descoqueificação dos tubos de processo, e/ou permite que um aquecedor opere sob condições de severidade aumentada (temperaturas mais altas na fornalha), enquanto se mantêm as extensões de funcionamento que são equivalentes a ou mais longas do que em métodos de operação de forno convencionais.

[034] Conforme usado aqui, uma “seção de queimador de parede” é uma seção do aquecedor que inclui queimadores de parede e, opcionalmente, inclui outros pontos de introdução suplementares para ar e/ou combustível que estão associados aos queimadores de parede. Nesta exposição, ar e/ou combustível introduzido diretamente através de queimadores de parede e também ar e/ou combustível adicionado à seção de queimador de parede através de outros pontos de introdução associados aos queimadores de parede. Pontos de introdução de ar e/ou de combustível associados” aos queimadores de parede tipicamente estão localizados a em torno de 1/3 a 5 metros longe de um queimador de parede.

[035] Conforme usado aqui, uma seção de queimador de soleira” é uma seção do aquecedor que inclui queimadores de soleira e, opcionalmente, inclui outros pontos de introdução suplementares para ar e/ou combustível que estão associados aos queimadores de soleira. Nesta exposição, ar e/ou combustível introduzidos em um queimador de soleira” ou nos queimadores de soleira” incluem ar e/ou combustível introduzidos diretamente através dos queimadores de soleira e também ar e/ou combustível adicionados à seção de queimador de soleira através de outros pontos de introdução

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 25/100

18/38 associados aos queimadores de soleira. Os pontos de introdução de ar e/ou combustível associados aos queimadores de soleira tipicamente estão localizados a em torno de 1/3 a 5 metros longe de um queimador de soleira. Um ponto de introdução de ar e/ou de combustível localizado entre um queimador de soleira e um queimador de parede é julgado como estando associado a qualquer queimador que esteja mais próximo. Um ponto de introdução de ar e/ou de combustível localizado entre dois queimadores de parede ou entre dois queimadores de soleira é julgado como estando associado ao mais próximo dos dois queimadores.

[036] Conforme usado aqui, mistura de ar e de combustível se refere a uma combinação de ar e de combustível introduzidos em conjunto. O ar e o combustível podem ser pré-misturados antes da introdução ou podem se tornar misturados após a introdução.

[037] Em um aquecedor a etileno, a elevação de temperatura típica da superfície externa da serpentina de aquecimento é de em torno de 1 a 3 K por dia, devido à resistência aumentada à transferência de calor causada pela coqueificação no interior da serpentina de processo. Quando os tubos de processo são construídos de uma metalurgia de alta temperatura, uma temperatura de metal de tubo mecanicamente admissível máxima típica é da ordem de 1388 K. A extensão de ciclo de operação de forno é determinada pela elevação de temperatura de metal admissível. A elevação de temperatura de metal admissível é definida como a diferença entre uma temperatura de metal de serpentina limpo de partida e a temperatura de metal mecanicamente admissível máxima, dividido pela elevação de temperatura

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 26/100

19/38 por dia resultante da coqueificação. Uma redução na temperatura de metal de tubo de 15 K resultará em um aumento no tempo de operação de em torno de 5 a 10 dias, antes de uma descoqueificação ser necessária, se o sistema for operado à mesma taxa de acendimento. Se for desejado manter o mesmo tempo de ciclo antes de uma limpeza, o sistema pode ser feito funcionar a uma taxa de acendimento mais alta, desse modo se aumentando a elevação de temperatura por dia devido à coqueificação, se a temperatura de metal de tubo inicial tiver sido reduzida. A taxa de acendimento mais alta resultará em uma conversão ou capacidade de forno aumentada.

[038] Em um forno convencional operando a de 10 a 15% de ar em excesso, há um padrão de recirculação de gás combustível estabelecido no forno. O fluxo vertical do acendimento a partir dos queimadores de soleira sobe ao longo da parede, até contatar um queimador de parede. Neste ponto, o momento do queimador de parede acendendo radialmente ao longo da parede contata o fluxo vertical do queimador de soleira. Neste ponto, o fluxo vertical é chutado da parede e um vórtice é formado. O caso convencional é mostrado na Figura 1, a qual mostra uma simulação de dinâmica dos fluidos computacional (CFD) que apresenta o padrão de fluxo definido pela liberação de partículas sem peso do queimador de soleira. Há tanta energia na combustão de parede que o vórtice é curto e desorganizado. Ainda, o fluxo de soleira não se reafixa à parede. O ponto em que o vórtice se forma usualmente é o ponto em que a liberação de calor está em um máximo e, assim, onde as temperaturas de metal são mais altas.

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 27/100

20/38 [039] Uma combustão estabilizada de parede puxa uma chama de volta para a parede, se a chama estiver rolando em direção à serpentina. Isto também aumenta o momento vertical do fluxo de queimador de soleira e, assim, provê mais resistência ao queimador de parede chutar este fluxo para fora da parede e formar um vórtice. Em muitos casos, o vórtice ocorre mais alto para cima na fornalha.

[040] Quando os queimadores de parede são operados a uma combustão significativamente abaixo da estequiométrica (por exemplo, < 85% de ar teórico incluindo qualquer combustível injetado através da parede abaixo dos queimadores de parede), e os queimadores de soleira são operados com ar em excesso alto, incluindo qualquer combustível para queimadores de base ou tomadas em estágios secundárias em queimadores de soleira, o fluxo de soleira tem muito mais energia de fluxo do que o fluxo de queimador de parede. Uma vez que a mistura de ar / combustível a partir da parede é subestequiométrica, a combustão é mais lenta (privada de oxigênio) e a intensidade radial é menor. Assim, o fluxo de soleira pode dominar.

[041] Uma combustão de queimador de parede subestequiométrica permite uma formação de vórtice mais uniforme e melhor (em um nível acima da fileira mais baixa de queimadores de parede) e, assim, suaviza os perfis de fluxo pelo controle da liberação de calor ou perfis de combustão. Como resultado, as temperaturas de metal são menores. A Figura 2 mostra as linhas de trajetória mais suaves de fluxo que são obtidas quando o ar é movido a partir dos queimadores de parede para os queimadores de soleira. As simulações mostradas nas Fig. 1 e 2 usam 10% de

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 28/100

21/38 ar em excesso com base no acendimento geral para o forno.

[042] Em alguns casos, o uso de quantidades subestequiométricas de combustível nos queimadores de parede, com o ar adicional sendo acrescentado nos queimadores de soleira para resultar em condições pelo menos estequiométricas em geral, e, em muitos casos, de 10 a 15% de ar em excesso em geral, resulta em uma diminuição na temperatura de metal de tubo máxima em uma quantidade de em torno de 10 a em torno de 7 0 K, ou de em torno de 12 a em torno de 40 K, ou de em torno de 15 a em torno de 30 K para combustíveis convencionais. A magnitude da redução é dependente do acendimento relativo dos queimadores de parede, se comparado com os queimadores de soleira, com valores mais altos resultando para fornos que têm uma percentagem mais alta de acendimento de queimadores de parede. Para um gás de síntese, a diminuição na temperatura de metal de tubo máxima como resultado do uso de quantidades subestequiométricas de ar nos queimadores de parede com o ar adicional sendo acrescentado nos queimadores de soleira pode ser de em torno de 10 a em torno de 80 K, ou de em torno de 12 a em torno de 50 K, ou de em torno de 15 a em torno de 40 K. Os valores mais altos refletem as diferenças na composição de combustível.

[043] Em muitos casos, o uso de quantidades subestequiométricas de combustível nos queimadores de parede, com o ar adicional sendo acrescentado nos queimadores de soleira para resultar em condições pelo menos estequiométricas em geral e, em muitos casos, de 10 a 15% de ar em excesso em geral, resulta em uma diminuição no fluxo de calor máximo ao longo do comprimento da serpentina

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 29/100

22/38 em pelo menos 3 a em torno de 15% ou de em torno de 4 a em torno de 12% ou de em torno de 5 a em torno de 10%.

[044] Conforme usado aqui, “combustível convencional” se refere a misturas compreendendo metano, hidrogênio e hidrocarbonetos mais altos que existem como vapores conforme eles entram no forno. Os exemplos não limitativos de combustíveis convencionais incluem gases combustíveis de refinaria ou petroquímicos, gás natural ou hidrogênio. Conforme usado aqui, “gás de síntese é definido como uma mistura compreendendo monóxido de carbono e hidrogênio. Os exemplos não limitativos de gases combustíveis de síntese incluem os produtos da gaseificação ou da oxidação parcial de coque de petróleo, resíduos de vácuo, carvão ou óleos brutos. Todas as relações e os valores percentuais usados aqui são com base em massa, a menos que especificamente indicado de outra forma.

[045] A Figura 3 mostra uma seção transversal de um aquecedor de pirólise 10. O aquecedor 10 tem uma zona de aquecimento radiante 14 e uma zona de aquecimento por convecção 16. Estão localizadas na zona de aquecimento por convecção 16 as superfícies de troca de calor 18 e 20, as quais, neste caso, são ilustradas para pré-aquecimento da alimentação de hidrocarboneto 22. Esta zona também pode conter uma superfície de troca de calor para a produção de vapor. A alimentação pré-aquecida a partir da zona de convecção é alimentada em 24 para a serpentina de aquecimento geralmente designada 26 localizada na zona de aquecimento radiante 14. O produto craqueado da serpentina de aquecimento 26 sai em 30. As serpentinas de aquecimento podem ser em qualquer configuração desejada, incluindo

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 30/100

23/38 serpentinas verticais e horizontais.

[046] A zona de aquecimento radiante 14 compreende paredes designadas 34 e 36 e um piso ou soleira 42. Estão montados no piso os queimadores de soleira de acendimento vertical 46, os quais são dirigidos para cima dentro da zona de aquecimento radiante 14. Cada queimador 46 é alojado em um tijolo 48 na soleira 42 contra uma das paredes 34 e 36.

[047] Os queimadores de soleira podem ser de projetos diferentes. No arranjo mostrado na Fig. 4, o queimador de soleira 46 consiste em um tijolo de queimador 48 na soleira 42 contra a parede 34 através da qual o ar de combustão principal e o combustível entram no aquecedor. Cada um desses queimadores 46 contém uma ou mais aberturas 49 para o ar de combustão principal, e um ou mais bocais de combustível primário 50 para o combustível. Além disso, pode haver um spoiler para a criação de turbulência e para permitir que a chama permaneça no tijolo (não mostrado). Pode haver bocais de combustível adicionais 52 localizados fora do tijolo. Em outras modalidades, a abertura 49 e o bocal de combustível 50 não são a única fonte para ar e combustível para o queimador 46. Ao invés disso, aberturas e bocais de combustível adicionais (não ilustrados) estão localizados próximos do queimador 46, de modo que estas aberturas e estes bocais de combustível adicionais estejam associados ao queimador 46.

[048] Além dos queimadores de soleira, os queimadores de parede 56 são incluídos na parte superior da fornalha. Os queimadores de parede 56 são montados nas paredes. Os queimadores de parede são projetados para produzirem

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 31/100

24/38 padrões de chama planos, os quais são espalhados através das paredes, para se evitar uma impingidela de chama sobre os tubos de serpentina. O fluxo de ar é criado pela tiragem natural do forno, uma tiragem induzida criada por um ventilador localizado na saída da zona de aquecimento por convecção 16 por um sistema de venturi, onde um combustível é usado para inspiração de ar para o forno, ou uma combinação dos acima. O combustível é injetado em vários lugares no queimador. Um combustível primário é injetado na entrada 50 para a corrente de ar fluindo para iniciação da combustão usualmente na abertura de tijolo e prover uma aceleração vertical na fornalha. Esta aceleração empurra a chama para cima ao longo da parede. Para queimadores projetados para operação com NOx mais baixo, tipicamente há um bocal de combustível secundário 52 localizado na borda do tijolo. Este bocal “coloca em estágios” o combustível para a corrente de ar fluindo. Pela colocação em estágios do combustível, a taxa de combustão é desacelerada pelo tempo requerido para uma mistura de combustível - ar, levando a temperaturas mais baixas e, assim, a um NOx reduzido. Estes bocais secundários usualmente são considerados parte do sistema de queimador de soleira. Dependendo do ângulo de injeção, o combustível dos bocais 52 atinge a corrente de ar em alturas diferentes acima do tijolo de queimador. Isto resulta em uma elevação ou em uma diminuição do ponto de combustão máxima.

[049] Os queimadores de soleira e de parede geralmente são projetados para operarem, cada um, independentemente e são operados tipicamente com relações de ar para combustível que são especificamente pretendidos para a

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 32/100

25/38 obtenção de uma combustão estequiométrica ou, em muitos casos, ligeiramente maior do que a combustão estequiométrica (por exemplo, 10% de ar em excesso) . A desvantagem de alguns métodos de operação de queimador convencionais é que eles produzem pontos intensos de combustão máxima levando a pontos quentes na serpentina de pirólise naquele ponto no forno. Os pontos quentes criados quando um forno é operado sob condições de combustão quase estequiométrica são mais intensos do que quando operados longe de uma combustão estequiométrica. Um método de se evitarem pontos quentes envolve a introdução de ar em excesso no forno. Contudo, a introdução de ar em excesso também tende a reduzir a eficiência térmica geral do forno.

[050] Uma abordagem conhecida para ajuste da temperatura de combustão em um forno envolve a colocação em estágios de combustível, ou processo de movimento do combustível fora da zona de combustão e deixar a mistura de combustível com ar em excesso. Conforme indicado acima, os queimadores de soleira convencionais operam com uma mistura de combustível e de ar ligeiramente acima das condições estequiométricas (aproximadamente de 10 a 15% de ar em excesso). Estas condições produzem chamas rígidas na fornalha, e há uma impingidela de chama mínima nas serpentinas. Com o surgimento das exigências de NOx, uma colocação de combustível em estágios foi usada. Para sistemas usando queimadores de soleira, um combustível de queimador de soleira secundário foi introduzido em pontos cada vez mais distantes da localização da mistura primária que iniciou a combustão. Sob estas condições, conforme a chama pobre se move para cima para a fornalha, o

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 33/100

26/38 combustível secundário se mistura lentamente na chama e completa uma combustão em uma temperatura mais baixa líquida. Quando os queimadores de parede são empregados em um forno, o perfil de liberação de calor que é obtido como resultado dos queimadores de soleira controlarem as características de liberação de calor da porção inferior da fornalha, enquanto os queimadores de parede controlam as características de liberação de calor da porção superior da fornalha. Em fornos em que ambos os queimadores de soleira e de parede são usados, a alta liberação de calor a partir do piso cria um ponto quente na fornalha, que cria um ponto alto correspondente no perfil de liberação de calor.

[051] A localização e a intensidade de um ponto quente a partir de qualquer queimador são dependentes da cinética de combustão de combustível de uma mistura de combustível e de ar em particular. Quanto mais perto da estequiométrica está a combustão, maior a temperatura do ponto quente. Ainda, sob condições próximas ou perto das estequiométricas, uma combustão de pico ocorre a alguma distância do queimador, isto é, longe do ponto de iniciação de combustão. A cinética de combustão e a cinética de mistura do ar e do combustível definem um perfil de liberação de calor para a chama. Tipicamente, a porção inferior da chama é fria, mas conforme a mistura ocorre, mais calor é liberado, o que eventualmente cria uma zona concentrada de liberação de calor alta ou ponto quente.

[052] Em fornos em que ambos os queimadores de soleira e de parede são usados, a alta liberação de calor a partir do piso cria um ponto quente na fornalha, que cria um ponto alto correspondente no perfil de liberação de calor.

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 34/100

27/38

O ponto de liberação de calor máxima tipicamente está no ponto em que a combustão do queimador de soleira se movendo verticalmente para cima na parede encontra a combustão dos queimadores de parede se movendo radialmente a partir do queimador de parede. As misturas de combustão se movendo em direções opostas tendem a amplificar qualquer ponto quente. O ponto de liberação de calor máxima a partir da combustão define um ponto de fluxo de calor máximo para a serpentina de processo e, daí, uma temperatura de metal de tubo máxima.

[053] O método mostrado aqui para operação de um aquecedor de pirólise para a pirólise de hidrocarbonetos provê um padrão de acendimento em que os queimadores de soleira operam com uma quantidade maior do que a estequiométrica de ar para a combustão de um combustível introduzido nos queimadores de soleira, e os queimadores de parede operam com menos do que a quantidade estequiométrica de ar, com botão de ação / expressão na quantidade de combustível introduzida nos queimadores de parede. Em algumas modalidades, o método provê uma zona de aquecimento radiante com um perfil de liberação de calor substancialmente uniforme pela distribuição de ar em torno da fornalha para a obtenção de relações de ar / combustível em particular. Isto contrasta com a prática conhecida anterior, onde para aquecedores de pirólise, o combustível é movido em torno da fornalha (em estágios), mas a relação líquida de ar para combustível para qualquer dado queimador permanece em uma faixa estreita ligeiramente acima da estequiométrica.

[054] Em certas modalidades descritas aqui, a mistura

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 35/100

28/38 de ar e de combustível de queimador de parede tem não mais do que em torno de 85% da quantidade estequiométrica de ar para combustão. Em alguns casos, a mistura de ar e de combustível de queimador de parede tem entre em torno de 50% e 80% da quantidade estequiométrica de ar para combustão. Os queimadores de soleira provêem ar em excesso para resultar em uma quantidade total de ar para o aquecedor de em torno de 10 a 15% em excesso em relação à quantidade estequiométrica. A quantidade de ar em excesso nos queimadores de soleira depende do número de queimadores de parede operando sob condições menores do que as estequiométricas, considerando-se que o acendimento de um único queimador de soleira é aproximadamente em torno de 6 a 10 vezes o acendimento de um único queimador de parede. O critério importante é a operação dos queimadores de parede em condições subestequiométricas. Em algumas modalidades,

os queimadores	de	soleira operam com	em torno	de	15% a	em
torno	de	100% de ar em excesso, ou de	em torno	de	20% a	em
torno	de	90% de	ar	em excesso, ou, às	vezes, de	em	torno	de
20% a	em	torno	de	80% de ar em excess	o. A quantidade de	ar

em excesso depende do padrão de acendimento em particular desejado para os queimadores de soleira e de parede e do combustível em particular em uso. Usualmente, o ar em excesso geral para o forno inteiro permanece em aproximadamente de 10 a 15% de ar em excesso consistente com a obtenção de boa eficiência térmica. O padrão de acendimento mostrado leva a vários efeitos:

[055] A chama de queimador de soleira com ar em excesso tem uma temperatura mais baixa, se comparada com as condições de operação de forno convencionais. Isto leva a

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 36/100

29/38 um NOx reduzido e uma chama estável.

[056] O ar em excesso a partir da chama de queimador de soleira se mistura com o efluente rico em combustível do queimador de parede e entra em combustão a uma elevação mais alta na fornalha, se comparado com as condições de operação de forno convencionais. Isto reduz a interação de queimador de soleira - queimador de parede, evitando que a chama vertical do queimador de soleira se destaque da parede e forme pontos quentes. Também é responsável pela redução de NOx.

[057] A massa mais alta de ar de soleira se movendo verticalmente permite uma melhor mistura de combustível ar no topo da fornalha, levando a uma liberação de calor melhorada e a mais fluxo para a porção superior da serpentina de pirólise.

[058] Embora não pretendendo ser limitado pela teoria, acredita-se que estes efeitos sejam devido a mudanças nos padrões de combustão resultantes da alta quantidade de ar em excesso introduzida nos queimadores de soleira em combinação com o ar menos do que estequiométrico para os queimadores de parede. Tipicamente, os fornos são feitos funcionar a de 10 a 15% de ar em excesso, para se garantir uma combustão completa e estável de combustível. Em um forno operado de acordo com o padrão de acendimento mostrado, o ar em excesso mais alto a partir dos queimadores de soleira aumenta o fluxo em massa dos gases de combustão verticalmente. A quantidade mais alta de ar em excesso a partir do queimador de soleira e a intensidade mais baixa de combustão na parede resultante do ar reduzido se combinam para a produção de uma diferença de momento no

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 37/100

30/38 ponto em que há um ponto quente criado em um forno convencional de acendimento de soleira / parede e minimizam o destacamento da chama da parede. O padrão de acendimento mostrado também muda o padrão de fluxo de calor típico na fornalha para aumento do comprimento da zona de vórtice. O uso de uma mistura subestequiométrica de combustível e de ar no queimador de parede permite uma rápida combustão do combustível de queimador de parede em um ambiente rico em combustível, até o ar disponível ser praticamente consumido, antes de mudar para uma combustão mais gradual, conforme a mistura rica em combustível se misturar com o ar em excesso da parte inferior da fornalha introduzido nos queimadores de soleira. A combinação de mais ar em excesso nos queimadores de soleira e o ar subestequiométrico nos queimadores de parede também reduz o NOx e provê um perfil de liberação de calor mais suave através do comprimento vertical da fornalha, e promove temperaturas de metal de serpentina mais uniformes e melhor uso da metalurgia da serpentina. Em resumo, a operação de um forno de pirólise de acordo com o padrão de acendimento mostrado melhora a utilização de serpentina ao efetuar uma uniformidade maior na temperatura de metal de tubo e no perfil de fluxo pela serpentina por toda a elevação da fornalha, conforme evidenciado pelos dados providos abaixo.

[059] Deve ser entendido que os exemplos a seguir são dados apenas para fins de ilustração e de modo que o método de acendimento mostrado aqui possa ser mais plenamente entendido. Estes exemplos não são pretendidos para limitação de forma alguma do escopo da exposição, a menos que especificamente indicado de outra forma.

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 38/100

31/38

Exemplo 1 [060] As Figuras 5 e 6 representam dados de simulações de dinâmica dos fluidos computacional (CFD) para demonstração dos respectivos perfis de temperatura vertical de um forno a etileno queimando um combustível de metano / hidrogênio usando um padrão de acendimento convencional e o novo padrão de acendimento descrito aqui. As simulações de dinâmica dos fluidos computacional para todos os exemplos foram realizadas usando-se Fluent, um pacote de software computacional comercialmente disponível a partir da Fluent, Inc. Outros pacotes de software conhecidos na técnica podem ser utilizados com a presente invenção, para a recriação dos resultados descritos aqui.

[061] Para ambos os padrões de acendimento, o forno a

etileno consumiu	um total de	348 MM BTU/h	(101,99 MW)	, e	a
distribuição	de	combustível	consistiu	em	84% para	os
queimadores	de	soleira e 16	% para uma	única fileira	de
queimadores	de	parede. Os	queimadores	de	parede	estão
localizados	a uma distância	de em torno	de	31 pés	(9,	45

metros) acima da soleira. As simulações mostram a temperatura de metal de tubo como uma função da elevação do queimador de soleira até o topo do forno. As múltiplas linhas representam várias posições na circunferência da serpentina em qualquer elevação. Em ambos os casos, um queimador de soleira sem um sistema do tipo venturi foi usado. O “caso convencional” tinha uma abertura e tiragem dimensionadas para a obtenção de um ar ligeiramente acima do estequiométrico. Os exemplos das novas modalidades tinham uma abertura e tiragem dimensionadas para a obtenção de um fluxo de ar mais alto do que o caso convencional

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 39/100

32/38 (para a soma de combustível primário e secundário no queimador de soleira).

[062] Na Figura 5, o forno a etileno foi operado de acordo com um padrão de acendimento convencional, em que ambos os queimadores de parede e os queimadores de soleira tinham uma relação de ar para combustível de 19, 6, o que representa aproximadamente 10% de excesso de ar estequiométrico.

[063] Na Figura 6, o forno a etileno tinha o mesmo padrão de distribuição de combustível, por exemplo, 84% do combustível nos queimadores de soleira e 16% do combustível nos queimadores de parede. Mas, em contraste com o padrão de acendimento convencional da Figura 5, os queimadores de parede foram projetados e operados com uma relação em massa de ar para combustível de 9,8 ou aproximadamente 50% do ar estequiométrico necessário para a combustão. A massa de ar não injetada nos queimadores de parede foi movida para os queimadores de soleira. Dada a carga menor dos queimadores de parede, a mudança substancial na relação de ar para combustível de queimador de parede não representou um grande impacto sobre a relação de ar para combustível do queimador de soleira. Os queimadores de soleira foram operados a uma relação de ar para combustível de 21,5, o que representa aproximadamente 21% de ar em excesso. O forno inteiro (queimadores de soleira e de parede) operou em geral a 10% de ar em excesso.

[064] Comparando os dois gráficos, o perfil de temperatura de metal de tubo resultante do padrão de acendimento da Fig. 6 é mais plano, o que é indicativo de uma diferença menor entre as temperaturas máxima e mínima

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 40/100

33/38 pela extensão da serpentina. Um perfil de temperatura mais plano em relação à altura da serpentina também indica uma utilização de serpentina melhorada e uma temperatura de metal de pico mais baixa. Mais ainda, embora os exemplos correspondentes às Fig. 5 e 6 tivessem ambos a mesma entrada de calor para a serpentina de processo, a superfície de tubo mais próxima da chama (curva de topo) da Figura 6 tinha uma temperatura máxima de 1293 K, enquanto o método convencional mostrado na Fig. 5 produziu uma temperatura de superfície de tubo máxima de 1308 K. A diferença é de 15 K. Para a Figura 6, pode ser visto que há uma quantidade substancialmente maior de calor absorvida no topo da serpentina (elevação mais alta) . Não há uma queda de temperaturas de metal nesta zona, que indicaria um fluxo de calor mais baixo para a serpentina naquele ponto. O fundo da serpentina de pirólise tem condições similares,

conforme evidenciado	por	temperaturas de metal	similares.
Um fluxo	de	calor	mais	uniforme representa	uma melhor
utilização	da	serpent	ina.
Exemplo 2
[065]	As	Figuras	7 e	8 representam dados de	simulações

de CFD para demonstração dos respectivos perfis de fluxo de calor verticais em um forno a etileno queimando o mesmo combustível de metano / hidrogênio. Os casos são idênticos aos casos mostrados nas Figuras 5 e 6. Os fornos são operados de acordo com o padrão de acendimento convencional e uma modalidade do novo padrão de acendimento descrito aqui. Na Figura 7, o gráfico tem um “fluxo de calor de pico” pronunciado de 1,2e+5 W/m² a uma elevação de aproximadamente 9 metros do fundo da fornalha. Isto está na

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 41/100

34/38 elevação da fileira única dos queimadores de parede naquele aquecedor. As porções de topo e de fundo da serpentina são relativamente mais frias do que a porção média da serpentina. Assim, o pico mais pronunciado da Figura 7 ilustra a presença de um “ponto quente” que se forma como resultado do aumento no fluxo na fornalha sob condições de acendimento convencionais no ponto em que a chama de queimador de soleira encontra com a chama de queimador de parede.

[066] O gráfico da Figura 8 não mostra o diferencial de fluxo de calor extremo entre as porções de topo, de fundo e média da serpentina, que foram evidentes na Figura

7. Como resultado, o padrão de acendimento da presente exposição produz um perfil de fluxo mais plano com um fluxo máximo de 1,12 x 10⁵ W/m² em uma elevação de aproximadamente 11 metros acima da soleira ou significativamente acima da elevação da fileira de queimadores de parede. A redução no fluxo máximo é de em

torno de 6,7%. Esta K na temperatura de	redução metal de	se traduz em uma tubo máxima.	redução de	15
Exemplo 3
[067] O	Efeito	de um	ar em movimento	em torno	da
fornalha foi	ainda	mais pronunciado quando	combustíveis
alternativos	foram	queimado	s. Uma simulação	de CFD	foi
conduzida, na	qual	um forno	de pirólise foi	aceso com	um

gás de síntese, ao invés de com a mistura de metano: hidrogênio a 90:10 convencional. A composição do gás de síntese foi:

Tabela 1

Combustível Convencional

Gás de Síntese

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 42/100

35/38

% em mol
CH4	90	0
H2	10	37,1
CO	0	43, 6
CO2	0	19,3
Total	100	100
Valor de Aquecimento	22000	4280
(BTU/lb) [x 2,326 kJ/kg]
Ar / Combustível (relação	17,5	2,6
estequiométrica)

[068] O combustível de gás de síntese requereu quantidades consideravelmente mais baixas de ar por unidade de combustível. A relação de ar para combustível estequiométrica para este combustível de gás de síntese foi de 2,6.

[069] As Figuras 9A e 9B são gráficos dos respectivos perfis de temperatura de metal de tubo de saída por toda a elevação de um forno a etileno acendendo o combustível de gás de síntese sob condições convencionais de acendimento e

sob condições	de	acordo com uma modalidade da presente
invenção.	As	Figuras 9A e	9B representam dados	de
simulações	de	CFD	de um forno	a etileno no qual 45%	do
combustível	foram	distribuídos	para os queimadores	de

soleira e 55%	do combustível foram	distribuídos	para	seis
(6) fileiras	de queimadores de	parede que	estavam
localizadas ao	longo do forno.
[070] Na	Figura 9A, a relação	em massa de	ar	para

combustível para todos os queimadores (queimadores de soleira e de parede) foi de 3,02, o que refletiu uma condição de ar em excesso de 15%. Conforme indicado pelo

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 43/100

36/38 gráfico, o padrão de acendimento convencional produz um perfil de temperatura “com pico” com uma temperatura máxima de 1355 K. A combustão deste combustível prosseguiu muito rapidamente, como resultado do teor de hidrogênio mais alto naquele combustível. É notado que o componente de hidrogênio tem uma liberação de calor muito alta e queima rapidamente. Isto levou a um ponto de combustão máxima mais baixo no forno que foi bastante intensa.

[071] Na Figura 9B, o mesmo forno a etileno e o padrão de distribuição de combustível foram usados; contudo, o ar para os queimadores de parede foi reduzido para 63% da quantidade estequiométrica ou uma relação de ar para combustível em massa de 2,19 (incluindo o combustível queimado na parede para estabilização de parede). O saldo de ar foi dirigido para os queimadores de soleira. Sob as circunstâncias de uma percentagem muito mais alta do combustível queimado nos queimadores de parede e a operação destes queimadores em condições subestequiométricas, os queimadores de soleira operam a um excesso de 60% do estequiométrico. Conforme ilustrado no gráfico da Figura 9B, o padrão de acendimento que foi usado teve um efeito dramático sobre a temperatura de metal de tubo. O gráfico não teve um pico agudo, mas, ao invés disso, foi uma curva suave com uma temperatura máxima de 1280 K. Se comparada com as condições de acendimento convencionais, a operação do forno de acordo com o novo padrão de acendimento descrito aqui produziu uma redução de 75 K na temperatura de metal de tubo máxima.

Exemplo 4 [072] Uma CFD foi conduzida, na qual três níveis

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 44/100

37/38 diferentes de acendimento foram usados com combustíveis convencionais. Temperaturas de metal de tubo progressivamente mais baixas resultaram, conforme o ar nos queimadores de parede foi reduzido para abaixo do estequiométrico. O combustível foi uma mistura de metano e hidrogênio a 90 / 10. Os resultados são mostrados na Tabela 2 abaixo.

Tabela 2
Combustível Convencional de Estudo de Aquecedor a Etileno

Caso	4-1	4-2	4-3
Relação de Ar para Combustível
Total	18,58	18,37	18,55
Soleira	20,71	22,88	19, 02
Parede	17,15	15,33	18,26

T de Saída de Serpentina, K	1102	1101	1106
T de Parede de Ligação, K	1446	1466	1442
Fração em Mole de O2 de Gás Combustível	0,0115	0,0095	0,0096
TMT Máx., K	1288	1270	1300

[073] A Tabela 2 mostra que, conforme as relações de combustível mudam, as temperaturas de metal de tubo máximas (TMTs) se deslocam. O ar de soleira mais alto resulta nas temperaturas de metal mais baixas (caso 4-2).

[074] As modalidades descritas aqui são particularmente úteis na produção de olefinas, e são úteis em sistemas empregando queimadores convencionais, bem como de NOx baixo. As modalidades são particularmente úteis onde um grande número de queimadores de parede é empregado e

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 45/100

38/38 onde combustíveis alternativos são usados.

[075] Embora as modalidades tenham sido descritas com referência a fornos a etileno, o padrão de acendimento não está limitado a esses queimadores, ou a seus arranjos ou detalhes. Os fornos que acendem com uma combinação de queimadores de parede e de queimadores de soleira em que os queimadores de parede são operados com menos do que em torno de 80% do ar estequiométrico requerido, ou entre 50% e 80% do ar estequiométrico requerido com o saldo de ar sendo introduzido nos queimadores de soleira, os quais operam com entre em torno de 20% e 100% de ar em excesso, são incluídos. Uma quantidade mais alta de ar também pode ser usada. O escopo também não é limitado pelo padrão ou pelas localizações dos queimadores de soleira ou de parede no forno. De modo similar, outras modificações, adaptações e alternativas podem ocorrer a alguém versado na técnica, sem que se desvie do espírito e do escopo das modalidades descritas aqui.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método de operação de um aquecedor (10), o aquecedor (10) incluindo:

uma zona de aquecimento radiante (14) compreendendo uma soleira de fundo (42), paredes opostas (34, 36), uma porção de fundo incluindo uma seção de queimador de soleira e uma porção superior incluindo uma seção de queimador de parede;

pelo menos uma serpentina de aquecedor tubular (26) localizada na zona de aquecimento radiante (14);

a seção de queimador de soleira compreendendo uma pluralidade de queimadores de soleira (46) localizados adjacentes à soleira de fundo (42) para acendimento na zona de aquecimento radiante (14); e a seção de queimador de parede compreendendo uma pluralidade de queimadores de parede (56) localizados adjacentes às paredes opostas (34, 36), o método caracterizado pelo fato de compreender:

a introdução na seção de queimador de parede de uma primeira mistura de ar e de combustível que tem uma quantidade menor do que a quantidade estequiométrica de ar para combustão de um combustível introduzido na seção de queimador de parede, e a introdução na seção de queimador de soleira de uma segunda mistura de ar e de combustível que tem uma quantidade maior do que a quantidade estequiométrica de ar para combustão de um combustível introduzido na seção de queimador de soleira, a quantidade geral de ar introduzido na seção de queimador de soleira e na seção de queimador de parede

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 47/100
2/4 sendo pelo menos uma quantidade estequiométrica.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a primeira mistura de ar e de combustível compreender de 50% a 80% da quantidade estequiométrica de ar para combustão.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o aquecedor (10) operar com 10% a 15% a mais do que a quantidade estequiométrica de ar para combustão em geral.
4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a quantidade maior do que a quantidade estequiométrica de ar para a combustão de um combustível introduzido na seção de queimador de soleira compreende de 20% a 100% de ar em excesso.
5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de pelo menos uma dentre a seção de queimador de parede e a seção de queimador de soleira incluir um ponto de introdução suplementar para pelo menos um dentre ar e combustível.
6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o combustível conter pelo menos 25% de gás hidrogênio.

7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender:

a introdução da segunda mistura de ar e de combustível na seção de queimador de soleira em uma direção geralmente paralela à extensão da serpentina de aquecimento (26); e

a combustão do combustível e do ar na zona de aquecimento radiante (14) , onde o ar e uma porção do combustível introduzido na seção de queimador de parede

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 48/100

3/4 entram em combustão a uma primeira taxa de combustão e uma porção do ar introduzido na seção de queimador de soleira entra em combustão com uma porção do combustível introduzido na seção de queimador de parede em uma segunda

taxa de combustão que é mais lenta do que a primeira taxa de combustão. 8. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o aquecedor (10) operar com pelo menos 10% a mais do que a quantidade estequiométrica de ar em geral. 9. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender: a introdução da primeira mistura de ar e de

combustível compreendendo não mais do que 85% da quantidade estequiométrica de ar para combustão na seção de queimador de parede;

a introdução da segunda mistura de ar e de combustível que compreende entre 20% e 100% a mais do que a quantidade estequiométrica de ar para combustão na seção de queimador

de soleira em uma direção geralmente paralela a uma serpentina de aquecimento (26 ); e a combustão do combustível e do ar na zona de aquecimento radiante (14) , onde o ar e uma porção do

combustível introduzido na seção de queimador de parede entram em combustão a uma primeira taxa e uma porção do ar introduzido na seção de queimador de soleira entra em combustão com uma porção do combustível introduzido na seção de queimador de parede em uma segunda taxa de combustão que é mais lenta do que a primeira taxa de combustão, para redução da taxa de combustão geral na seção

Petição 870190033136, de 05/04/2019, pág. 49/100

4/4 de queimador de parede do aquecedor (10), onde o aquecedor (10) opera com pelo menos 10% a mais do que a quantidade estequiométrica de ar em geral.

10. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do referido aquecedor (10) ser um

aquecedor de pirólise.

11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que seção de queimador de parede queima com menos com menos do que 85% da quantidade estequiométrica de ar. 12. Método, de acordo com a reivindicação 10,

caracterizado pelo fato de que seção de queimador de soleira queima com entre 20% a 100% a mais do que a quantidade estequiométrica de ar.