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KR102334819B1 - 관 배열이 개선된 흡열 프로세스를 위한 장치 - Google Patents

관 배열이 개선된 흡열 프로세스를 위한 장치 Download PDF

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KR102334819B1
KR102334819B1 KR1020197005275A KR20197005275A KR102334819B1 KR 102334819 B1 KR102334819 B1 KR 102334819B1 KR 1020197005275 A KR1020197005275 A KR 1020197005275A KR 20197005275 A KR20197005275 A KR 20197005275A KR 102334819 B1 KR102334819 B1 KR 102334819B1
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다이애나 투도라체
Original Assignee
레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Application filed by 레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드 filed Critical 레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Abstract

흡열 프로세스를 실시하기 위한 퍼니스로서, 그러한 퍼니스는 기체 공급물을 변환하기 위한 촉매를 함유하는 관을 포함하고, 관은 퍼니스 내측에서 행으로 배치되고, 버너는 관들 사이에 그리고 관들과 관 행에 평행한 퍼니스 벽 사이에 장착되고, 버너 행 및 관 행은 단부 벽에 의해서 종료되고, 관의 각각의 행에서, T2W인 벽 단부 관으로부터 단부 벽까지의 거리, T2T인 섹션 내의 2개의 인접한 내부 관들 사이의 거리, 및 T2S인 2개의 인접한 섹션들의 2개의 대칭 단부 관들 사이의 거리를 갖는 섹션들로 분할되고, 행 내의 관은, 비율 T2T/T2W 및 T2T/T2S가 0.5 초과 및 2 미만이 되게 하는 방식으로 배열되고, 그에 따라 내부 관에 대한 외부 관(벽 단부 관 및 대칭 단부 관)으로의 열 전달의 차이를 제한하고 그리고 외부 관과 내부 관 사이의 온도차를 줄인다.

Description

관 배열이 개선된 흡열 프로세스를 위한 장치
본 발명은, 증기 메탄 개질(SMR) 및 외부 발화형 반응기 내의 탄화수소 공급원료 크랙킹(cracking)과 같은 다른 흡열 반응을 위한, 상단-발화형 또는 하단-발화형 퍼니스(bottom-fired furnace)의 설계에 관한 것이다.
비록 이하의 설명이 SMR 프로세스만을 언급할 것이나, 그러한 설명은 동일한 유형의 반응기를 이용하는 다른 프로세스에도 적용된다.
SMR 프로세스는 주로, 수증기의 존재 하에서 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)의 혼합물을 산출하기 위한 메탄과 같은 경질 탄화수소의 개질 반응을 기초로 한다. 주 반응은 흡열적이고, 느리며, 부가적인 열 입력뿐만 아니라 촉매를 필요로 한다. 일반적으로, SMR 반응기 성능은 열 전달에 의해서 제한되고, 반응의 반응속도에 의해서 제한되지 않는다.
산업적 실무에서, SMR 반응기는 일반적으로 퍼니스 내에 배치된 관을 포함하고, 그러한 관은, 가장 흔하게 펠릿 형태의, 촉매로 충진되고, 프로세스 가스 혼합물(일반적으로 메탄 및 증기)이 그에 공급된다.
몇몇 잘 알려진 구성이, (하향 발화형으로도 알려진) 상단 발화형, (상향 발화형으로도 알려진) 하단 발화형, 측면 발화형, 및 테라스 벽(terrace wall)을 나타내는 도 1에 의해서 도시된 바와 같은 퍼니스 설계를 위해서 이용될 수 있다.
상단-발화형 기술은 가장 많이 언급되는 설계 중 하나이고, 몇몇 기술 제공자에 의해서 제안된다. 상단-발화형 퍼니스는 전형적으로, 촉매 함유 관의 몇 개의 행(row)을 포함하는 내화재 라이닝된 파이어박스(refractory lined firebox)로 제조된다. 흡열 반응 발생을 위한 필요 열은 관들 사이에서 행으로 배치된 지붕 버너에 의해서, 그리고 또한 퍼니스의 벽을 따라서, 퍼니스 측면에 위치되는 부가적인 지붕 버너의 행에 의해서 제공된다. 버너의 연소 생성물은 일반적으로 수직 하향 송풍되고, 그에 따라 관 행들은 그 상부 부분 내에서 불꽃(flame)에 대면된다. 연도 가스 배기 수집기가 일반적으로 퍼니스 바닥 레벨에서 제공된다.
하단 발화형 기술은 현대 플랜트에서 덜 일반적이다. 하단 발화형 기술에 따라서, 버너는 관 행들 사이의 발화 지역의 바닥 상에서 행으로 배열되고 수직 상향으로 발화한다.
(파이어박스 설계로도 지칭되는) 퍼니스 설계의 주요 목적은, 관 최대 동작 온도 제약을 준수하면서, 버너로부터 - 버너 불꽃으로부터 그리고 또한 벽 및 고온 연도 가스로부터 관으로의 열 전달을 최대화하는 것이다. 관 최대 동작 온도 또는 (최대 동작 제약 또는 MOT로도 알려진) MOT는 몇몇 인자의 함수이고, 특히 관 기계적 부하(주로 공급 가스 압력)의, 관을 위해서 사용되는 합금의 기계적 성질의, 그리고 크리프(creep) 및 열 시효에 노출되는 관의 희망 수명의 함수이다.
관에 전달되는 열의 임의의 증대는, 생산성의 증가에 의한 또는 자본 지출과 관련하여 가치 있는 파이어박스의 조밀성(compactness)의 개선에 의한, 직접적인 긍정적 영향을 갖는다. 그러나, 전달되는 열의 증대는 일반적으로 더 높은 관 외피 온도 레벨을 암시하고, 이는 관의 수명을 단축하거나, 훨씬 더 고가인 더 내성적인 합금의 이용을 요구한다.
퍼니스 내의 열 듀티 분배(heat duty distribution)의 균질성 결여는 관의 일부가 다른 관보다 더 고온이 되게 할 것이고; 그에 따라, 관의 온도 프로파일은 퍼니스의 설계를 위한 그리고 동작 중의 중요 요소이다. 관 온도 프로파일은, 성능과 내구성 사이의 양호한 절충을 찾고자 할 때 결정적인 정보를 제공하고, 양호한 절충은 사실상 본질적이다.
그에 따라, 동작 중에, 퍼니스의 성능은 가장 고온인 관의 온도에 의해서 제한되고; 이는 MOT보다 더 높은 온도가 되지 않아야 한다. 한편, 프로세스 성능 즉, 생산성은 평균 관 열 플럭스 및 온도에 따라 달라진다. 그에 따라, 가장 고온인 관 온도와 평균 관 온도 사이의 차이가 작을수록; 퍼니스 성능이 더 좋아진다.
단순함을 위해서, 이하의 설명의 대부분이 상단 발화형 퍼니스와 관련하여 이루어진다. 그러나, 하단 발화형 퍼니스와 관련된 도면 및 설명이 비교될 수 있다는 것을 주목할 수 있을 것이다.
도 2에 도시된 바와 같은, 그러한 상단 발화형 퍼니스에서, 촉매 함유 관이 퍼니스 내에서 행으로 배열된다. 공급물이 관의 상단 부분을 통해서 공급되고; - 주 성분으로서의 수소 및 일산화탄소, 그리고 몇몇 적은 성분 및 트레이스(trace)를 포함하는 - 생산된 합성 가스가 관의 하단 부분에서 회수된다. 버너는 관 행들 사이에서 그리고 관과 벽 사이에서 행으로 배열된다. 결과적인 연도 가스가 배기 터널을 통해서 추출된다.
도 3은, 각각의 행이 각각 16개의 관으로 이루어진 3개의 섹션(베이(bay))으로 구성되는, 48개의 관으로 이루어진 8개의 행 - 그리고 또한 각각 5개의 버너를 포함하는 3개의 섹션으로 배열되고, 그리고 관 행에 평행한 15개의 버너로 이루어진 9개의 행을 보여주는 동일한 상단-발화형 퍼니스의 상면도를 도시한다. 버너의 행은 벽("단부 벽"으로 또한 식별되는, Y축을 따른 벽)에 의해서 종료된다. 모든 관의 행에서, 단부 벽에 대면되는 단부 관은 "벽 단부 관"으로서 식별된다.
관 또는 버너의 각각의 행에서, 각각의 행 내의 많은 수의 관 및/또는 버너는, 퍼니스의 안전을 보장하기 위한 지지 빔의 부가를 필요로 하는, 퍼니스 내의 기하형태적 제약을 유도하고; 그에 따라 그러한 지지부는 관의 행들 및 버너의 행들을 또한 주기적으로 반복되는 몇 개의 (베이로도 알려진) 섹션으로 분할한다. 각각의 섹션은 단부 벽에 의해서 또는 대칭 평면 - 지지부의 설치를 허용하기 위한 2개의 인접 섹션들 사이에 남아 있는 공간의 중간에 위치되는 평면에 의해서 종료된다. 대칭 평면에 가장 근접한 단부 관은 "대칭 단부 관" 또는 "대칭 관"으로서 식별된다.
"외부 섹션 관" 또는 "외부 관"이라는 표현은 "벽 단부 관" 및 "대칭 단부 관"을 지칭하고, 그들 사이에서 구분하지 않는다.
"벽 단부 관" 또는 "대칭 관"이 아닌 모든 관은 "내부 섹션 관" 또는 "내부 관"으로서 식별된다.
"벽 단부 관"에 근접한 단부 벽의 존재 및 관 행을 섹션으로 분할하는 것 - 그에 따라 2개의 특정 인접 관들 사이에 상이한 공간을 생성하는 것 - 은 "벽 단부 관", "대칭 단부 관", 및 "내부 관" 사이의 이용 가능한 열의 불균질한 배분(repartition)을 초래한다.
모든 설명에서, "버너의 행"이라는 표현은 "관 행에 평행한 버너의 행"으로 이해되고, 이러한 행의 방향은 또한 X 축으로 식별된다.
본 발명이 적용되는 퍼니스에서, 즉 관 행에 평행한 행으로 배치되는 버너를 갖는 퍼니스에서, 각각의 버너에서 버너에 의해서 생성되는 불꽃 제트의 방향은:
- 근접한 공통 유동 제트들과의 상호작용, 및
- 동일한 행에 속한 관들 사이의 열의 불균질한 배분을 또한 초래할 수 있는 벽(존재하는 경우)의 존재에 의해서 영향을 받는다.
(X 축을 따라) 관 행에 평행한 버너의 행 내의 불꽃 제트들의 상호작용으로부터 초래되는 행 내의 관들 사이의 열 분배의 불균질성은 이미 고려되었고; 해결책이 발견되었고 아직 공개되지 않은 계류중인 유럽 특허출원 EP 15307007.3에서 개시되었고, 이는, 관 행에 인접한 버너의 행 내의 버너의 배분으로부터 초래되는 관의 과열 (또는 과소 가열)의 문제를 해결한다. 그에 따라, 이러한 유형의 관들 사이의 열 분배의 불균질성은 본 발명에서 고려되지 않는다.
그러나, 주로 외부 섹션 관과 관련되고 앞서 인용한 특허출원에 의해서 해결되지 않은 열 분배의 불균질성 문제는 아직 남아 있다.
본 발명은 X-축을 따라 행을 형성하는 관의 거동에 초점을 맞추는 것을 목적으로 하고 이를 개선하는 것을 목적으로 하며; 더 구체적으로 본 발명은, 버너의 잘못된 설계 또는 버너의 부적절한 동작과 별개로, 단부 벽 및 관들의 섹션들 사이의 간극의 영향으로 인한, 행을 따른 벽 단부 관, 대칭 단부 관, 및 내부 관의 가열의 균질성 부족에 대한 해결책을 제공하는 것을 목적으로 한다.
벽 단부 관 및 대칭 관은, 가장 근접한 내부 관 이웃들과 비교할 때, 단부 벽과 더 큰 각 관계(view factor)를 갖는다(표면과(i) 표면(j)의 각 관계는, 표면(j)에 의해서 교차되는(intercepted) 표면(i)을 빠져 나가는 방사선(radiation)의 분율(fraction)로서 규정된다). 내부 관에 대해서 비교될 때 단부 관의 더 큰 각도 섹션이 단부 벽에 노출된다(단부 벽과의 더 큰 각도 인자를 의미한다). 고온 벽에 대한 더 큰 노출은, 단부 벽 관이 더 많은 복사 열을 받을 것임을 의미한다.
한편, 관이 그 주변부에서 냉각되는 경항을 고려하면, 2개의 인접한 대칭 관들은 2개의 인접한 내부 관들보다 서로 더 근접하지 않으며, 그에 따라 이들은 내부 관보다 고온의 연소 가스의 보다 상당한 부피에 의해서 둘러싸이고; 벽 단부 관은 그 근접부에서, 연소 가스보다 저온인 단지 하나의 내부 관만을 갖는다. 그에 따라, 대칭 단부 관 및 벽 단부 관은, 내부 관 보다, 주위의 고온 연소 가스로부터 더 많은 대류 및 복사 열을 수용한다.
열 전달의 불균질성에 관한 이러한 현상을 설명하기 위해서, 연소 챔버와 관형 촉매 반응기 사이의 열 전달의 계산을 위한 3-D 컴퓨터 유체 역학(CFD) 문제 해결자(solver)를 이용하여 수치적 시뮬레이션을 하였다.
이러한 목적으로, 상단 발화형 SMR 퍼니스 대표 베이(representative bay)가 규정되고: 규정된 "대표 베이"는 전술한 바와 같은 대표 섹션 - 즉, 연관될 때, 퍼니스를 나타내는 섹션이 되어야 하고; 이들은 또한 벽 또는 대칭 평면의 존재를 고려하여야 한다. 이어서, 모듈형 표준 개질기는, 희망 플랜트 용량을 달성하기 위해서 대표 베이들을 조립하는 것에 의해서 구성될 수 있다.
행 내의 관 및 버너의 수 및/또는 부가적인 기하형태적 제약에 따라, 상이한 유형의 "대표 베이"가 많은 수의 버너 및 관과 함께 존재할 수 있다. 그러나, 본 발명이, 버너의 수, 관의 수와 관련하여, 그리고 섹션의 단부(단부 벽 또는 섹션들 사이의 대칭)와 관련하여, 모든 유형의 섹션에 적용된다는 것을 주목할 수 있을 것이다.
상이한 대표 베이가 도 4에 도시되어 있다.
도 5는 도 4의 대표의 16개의 관에 대한 최대 관 온도를 나타낸다.
외부 관의 과열이 강조된다. 대표 베이는, 양 단부에서 단부 벽에 의해서 종료되는, 동일한 파워의 5개의 버너로 이루어진 2개의 행에 의해서 가열되는, 16개의 관의 하위세트(subset)로 구성된다. 도면은, 단부 벽의 존재가 개질 관에 대한 불균질한 열 전달을 유도한다는 것을 보여주고; 3-D CFD 결과에 의해서 보여지는 바와 같이, 대표 베이의 벽 단부 관이 내부 관 보다 더 높은 외피-온도에 도달한다는 것을 보여준다. 제시된 경우에, 대표 베이 내의 벽 단부 관에 대한 최대 외피 온도 값과 내부 관에 대한 최대 외피 온도 값 평균 사이의 차이가 약 5 ℃이다.
그에 따라, 버너 배열로부터 초래되지 않는 관 행을 따른 가열의 균일성 부족의 문제가 존재하고, 본 발명은, 외부 관(또한 벽 단부 관 및 대칭 단부 관)의 과열을 제한함으로써, 상단 발화형(그리고 또한 하단 발화형) SMR 내의 열 플럭스 균질성을 개선하기 위해서, 이러한 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
발명자는, 관이 행으로 배열되는 방식, 관들, 단부 벽들 및 대칭 평면들 사이의 몇몇 거리, 그리고 보다 정확하게 일부 특정 거리비가 관의 불균일한 가열을 방지하는데 있어서 매우 중요하다는 것을 발견하였다. 관심 대상 거리가 도 6에 표시되어 있고; 이러한 도면은 5개의 버너로 이루어진 2개의 행들이 측면에 위치되는(flanked) 16개의 정렬된 관과 함께 도 4의 대표 베이 중 하나를 도시하고, 하나의 단부는 벽이고 제2 단부는 대칭 평면이다. 그러한 도면에서, 이하의, 핵심 매개변수로 확인된 거리가 또한 표시되어 있다:
- T2T는 베이 내의 2의 인접 관들 사이의 거리이고;
- T2W는 벽 단부 관과 단부 벽 사이의 거리이며;
- T2S는 2개의 대칭 단부 관들 사이의 거리이고, 그에 따라 (2개의 인접 베이들 사이의) 대칭 평면에 근접한 관과 대칭 평면 사이의 거리의 2배이다.
본 발명자가 결정적인 것으로 간주하는 비율은 T2T/T2S 및 T2T/T2W이다.
본 발명의 목적은 행 내의 관들 사이의 열 분배를 완화하는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은 외부 관과 내부 관 사이의 온도차를 감소시키는 것이다.
본 발명은, 버너 행을 따른 관의 최적화된 배열에 의해서, 외부 관의 과열 문제를 방지할 수 있는 퍼니스 및 이러한 퍼니스를 설계하는 방법으로 그러한 목적을 달성하는 것을 제시한다.
그에 따라, 본 발명의 목적은 흡열 프로세스를 실시하기 위한 퍼니스를 제시하는 것이고, 그러한 퍼니스는 기체 공급물을 변환하기 위한 촉매를 함유하는 관을 포함하고, 관은 퍼니스 내측에서 복수의 행으로 배치되고, 버너는 관 행과 관 행 사이에 그리고 관 행과 관 행에 평행한 퍼니스 벽 사이에서 행으로 장착되고, 버너 행 및 관 행은 단부 벽에 의해서 종료되고, 관의 각각의 행에서, T2W인 벽 단부 관으로부터 단부 벽까지의 거리, T2T인 섹션 내의 2개의 인접한 내부 관들 사이의 거리, 및 T2S인 2개의 인접한 섹션들의 2개의 대칭 단부 관들 사이의 거리를 갖는 섹션들로 분할되고, 행 내의 관은, 비율(T2T/T2W 및 T2T/T2S)이 0.5 초과 및 2 미만이 되게 하는 방식으로 배열되고, 그에 따라 내부 관에 대한 외부 관(벽 단부 관 및 대칭 단부 관)으로의 열 전달의 차이를 제한하고 그리고 외부 관과 내부 관 사이의 온도차를 줄이는 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예가 이하에서 제공된다:
본 발명의 바람직한 퍼니스에서, 비율(T2T/T2W 및 T2T/T2S)은 0.75 초과 및 1.75 미만이고, 그에 따라 외부 관과 내부 관 사이의 관 온도차의 개선된 감소를 초래한다.
바람직하게, T2T/T2W 및 T2T/T2S은 동일하고, 이들은 0.75 초과 및 1.75 미만이다.
본 발명은 퍼니스 지붕에 장착된 버너를 갖는 퍼니스에 특히 적합하다.
다른 실시예에 따라, 버너는 바닥에 장착되고 및 수직 상향 발화된다.
본 발명의 개질기는 유리하게 증기 메탄 개질기 퍼니스이다.
다른 양태에 따라, 본 발명은 관 및 버너를 포함하는 퍼니스에서 실시되는 흡열 프로세스에 관한 것이고, 그러한 프로세스는:
- 기체 공급물을 변환하기 위한 촉매를 함유하는 관 내로 기체 공급물 및 증기를 도입하는 단계로서, 그러한 관은 퍼니스 내측에서 행으로 배치되는, 단계,
- 관 행과 관 행 사이에 그리고 관 행과 관 행에 평행한 퍼니스 벽 사이에 행으로 장착되는 버너 내에서 공기와 함께 연료를 연소시키는 단계,
- 관 내에서 생성된 생성물을 방출하는 단계를 포함하고,
버너 행 및 관 행이 단부 벽에 의해서 종료되고, T2W인 벽 단부 관으로부터 단부 벽 까지의 거리, T2T인 섹션 내의 2개의 인접 관들 사이의 거리, 및 T2S인 2개의 인접 섹션들의 2개의 대칭 단부 관들 사이의 거리를 갖는 섹션들로 분할되며, 행 내의 관은, 비율(T2T/T2W 및 T2T/T2S)이 0.5 초과 및 2 미만이 되게 하는 방식으로 배열되고, 그에 따라 내부 관에 대한 외부 관(벽 단부 관 및 대칭 단부 관)으로의 열 전달의 차이를 제한하고 그리고 외부 관과 내부 관 사이의 온도차를 줄이는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 프로세스는 - 단독적인 또는 조합된 - 이하의 프로세스일 수 있다:
- 증기 메탄 개질을 위한 프로세스.
- 비율(T2T/T2W 및 T2T/T2S)이 0.75 초과 및 1.75 미만인 프로세스.
- 비율(T2T /T2W 및 T2T/T2S)이 동일한, 제9항에 따른 프로세스.
- 퍼니스가 상단 발화형 퍼니스인, 제7항 내지 제10항에 따른 프로세스.
- 퍼니스가 한단 발화형 퍼니스인, 제7항 내지 제10항에 따른 프로세스.
본 발명의 퍼니스 및 그 장점이 이하의 예에서 그리고 도면을 기초로 더 구체적으로 설명될 것이다.
도 1은 전형적인 퍼니스 설계에 대한 버너 구성을 도시한다.
도 2는 합성가스 합성을 위해서 이용되는 상단-발화형 퍼니스의 3D 표상을 이용하여 전형적인 배열을 도시한다.
도 3은, 관 및 버너 구성을 강조한, 상단-발화형 퍼니스의 상면도를 도시한다.
도 4는 퍼니스 스케일(scale)에서 "대표 베이"를 강조한 동일 퍼니스의 상면도를 도시한다.
도 5는 양 측면에서 벽에 의해서 종료된 선택된 "대표 베이"의 16개의 관에 대한 최대 관 외피 온도 프로파일을 도시한다.
도 6은, 일 단부가 단부 벽이고 제2 단부가 대칭 평면인, 5개의 절반 버너의 2개의 행이 측면에 위치된 16개의 정렬된 관을 갖는 대표 베이 내의 관의 배분을 위한 - 본 발명에 따른 - 핵심 매개변수를 도시한다.
도 7은, 양 측면에서 벽에 의해서 종료된, 하나의 행으로 정렬되고 5개의 절반 버너의 2개의 행이 측면이 위치되는 16개의 관으로, 도 5의 대표 베이의 관의 상이한 배분을 도시한다.
도 8은, 도 7에 표시된 3가지 경우에 대한, 내부 관 및 외부 관의 6 m 높이(관은 12 m 높이를 갖는다)에서의 관 원주방향 온도와 그와 동일한 높이에서의 평균 온도 사이의 차이를 도시한다.
도 9는 도 8의 동일한 3가지 경우에 대한 대표 베이의 16개의 관에 대한 최대 관 외피 온도를 도시한다.
도 10은 대표 베이의 소정 범위에 적용된 시뮬레이션의 결과 및 분석이 기재된 표를 도시한다.
전술한 바와 같이, 본 발명은, 흡열 프로세스를 실시하기 위한 - 도 1에 도시된 바와 같은 - 상단 발화형 또는 하단 발화형의 퍼니스의 개선된 설계를 제시하는 것을 목적으로 한다. 그러한 목적은, 행을 따른 관의 개선된 배분으로, X-축에 평행한, 관의 행을 따른 온도 변동을 완화시키기 위한 것이다.
행을 따른 관들을 식별하고 그 최적의 배열을 제시할 수 있게 하기 위해서, 수치적 시뮬레이션이 몇몇 SMR 플랜트에 대한 상이한 값들(T2T, T2W 및 T2S)에 대해서 실시되었다.
"대표 베이" 내의 관의 최적의 배분을 식별하기 위해서 이용되는 도구는, 기존 설계로부터 초래되는 관 온도의 차이를 제공하기 위한 앞서서 사용된 도구이다.
수치적 시뮬레이션은, 연소 챔버와 관형 촉매 반응기 사이의 열 전달의 계산을 위한 3-D 컴퓨터 유체 역학(CFD) 문제 해결자를 이용하여, 상단-발화형 SMR "대표 베이"에서 이루어졌다.
주어진 퍼니스에서, 대표 베이가 선택된다; 규정된 "대표 베이"는 반복된 섹션의 대표이어야 할 수 있고, 또한 벽의 존재 그리고 또한 2개 이상의 섹션을 갖는 퍼니스에 대한 섹션들 사이의 공극을 고려하여야 할 수 있다. 이어서, 희망 용량을 갖는 모듈형 표준 개질기가 적합한 수의 대표 베이를 조립함으로써 구성될 수 있다.
도면에 관한 이하의 더 구체적인 설명의 판독은 본 발명의 이해에 도움이 될 것이다.
도 2는 퍼니스의 3-D 사시도이고; 더 정확하게, 도 2는 메탄 및 증기를 함유하는 공급물로부터 합성 가스를 생산하기 위해서 이용되는 상단-발화형 퍼니스(1)의 전형적인 배열을 도시한다. 촉매 관(2)은 퍼니스(1) 내에서 행으로 배열된다. 공급물은, 상단으로부터 하단으로, 일반적으로 12 m 높이의 관(2)을 통해서 공급되고; 주 성분으로서 수소 및 일산화탄소, 및 그리고 잔류물을 포함하는 생산된 합성 가스가 관(2)의 하단 부분으로부터 회수된다. 버너(3)는 관 행들 사이에서 그리고 관 행과 벽 사이에서 행으로 배열된다. 결과적인 연도 가스가 배기 터널(4)을 통해서 회수된다.
도 3은, 각각의 행이 각각 16개의 관으로 이루어진 3개의 섹션(10)으로 배열된, 48개의 관으로 이루어진 8개의 행(5) - 그리고, 관 행에 평행한, 그리고 각각 5개의 버너로 이루어진 동일한 3개의 섹션(10)으로 배열된, 15개의 버너(9)로 이루어진 9개의 행(6)을 갖는 상단-발화형 퍼니스(1)의 상면도를 제공한다. 관의 행(5)은 벽(7)("단부 벽"으로 또한 식별되는, Y축을 따른 벽)에 의해서 종료된다. 모든 관의 행(5)에서, 벽(7)에 대면되는 단부 관(8a)은 "벽 단부 관"으로서 식별된다. 행 내에서, 벽 단부 관은 일 측면 상에서 벽(7)에 의해서 그리고 대향 측면 상에서 관에 의해서 둘러싸인다. 행 내에서, 내부 섹션 관(8c)은, 각각의 측면에 하나씩, 2개의 관에 의해서 둘러싸인다. 흡열 개질 반응이 관 내에서 발생되고, 그에 따라, 관 외피 표면은 내화 벽 및 연소 가스보다 저온이다. 단부 벽의 존재 및 더 고온인 연소 가스가 단부 관 버너의 과열을 초래할 수 있다.
이미 설명한 바와 같이, 관 및 버너의 중요한 수는, 퍼니스의 안전을 보장하기 위한, 지지 빔의 부가를 필요하게 하고; 그러한 지지부는 행을 (섹션으로 알려진 또는 베이(10)로 알려진) 몇 개의 부분으로 분할한다. 섹션(10)은 벽(7)에 의해서 또는 2개의 인접 섹션을 분리하는 대칭 평면(11)에 의해서 종료된다. 대칭 평면(11)에 가장 근접한 단부 관(8b)은 "대칭 단부 관"으로서 식별된다. 2개의 인접 베이의 2개의 대칭 단부 관(8b) 사이의 거리 또는 간극은, 동일 베이 내의 2개의 관 사이의 거리보다 중요하고, 결과적으로 내부 섹션 관보다 퍼니스 단부 벽에서 더 큰 각 관계 그리고 또한 이들을 둘러싸는 고온의 연소 가스의 더 큰 부피는, 내부 관(8c)과 비교할 때, 과열을 유도한다.
도 4는 퍼니스 스케일에서 "대표 베이"를 강조한 퍼니스의 상면도를 도시한다 - 회색 직사각형 참조. 예로서, "대표 베이"(12)는, 일 단부(W)가 단부 벽(17)을 나타내고 제2 단부(S)가 - 2개의 인접 섹션 사이의 공극(간극)의 중간의 - 대칭 평면(11)을 나타내는, 동일한 파워(power)의 5개의 버너로 이루어진 2개의 행에 의해서 가열되는, 16개의 정렬된 관으로 이루어진 하위세트로 구성된다.
도 5는, 3-D CFD 모델의 도움으로, T2T = 0.35m, T2W = 0.52 M, T2T/T2W = 0.67를 갖는, 각각의 단부에 하나씩의 벽에 의해서 종료되는 16개의 관 및 5개의 버너를 갖는 대표 베이에 대해서 계산된 최대 관 온도의 프로파일을 나타낸다. 이는, 관에 대한 열 전달이 균질하지 않다는 것을 명확하게 보여준다. 내부 관에 비교하여 더 높은 외피-온도가 외부 관에 대해서 관찰되고; 온도차는 5 ℃에 달한다.
전술한 바와 같이, 본 발명은, 모두가 행을 따르는 열 플럭스를 결과적으로 제어하기 위해서, 그리고 최종적으로 전체 퍼니스 내의 열 플럭스 제어를 개선하기 위해서, 대표 베이 내의 열 플럭스 불균질성을 제어하는 것을 목적으로 한다. 이러한 결과를 달성하기 위해서, 본 발명은, 행을 따른 개선된 관 배열 설계의 도움으로, 외부 관에 전달되는 열을 제한하는 것을 목적으로 한다.
관의 배열을 최적화하기 위해서, 상이한 SMR 플랜트들의 거동의 수치적 시뮬레이션이 실시되었다.
대표 베이(12)는 본 발명을 설명하기 위한 중요한 특정 거리를 디스플레이하기 위해서 이용될 것이다. 전술한 바와 같이, 행을 따른 관의 배열은 3개의 거리(T2T, T2W 및 T2S)에 의해서 규정될 수 있다. 도 6에서 식별된 거리는 이하에 상응한다:
- T2T는 대표 베이 내의 2의 인접 관들 사이의 거리이고;
- T2W는 대표 베이 내의 단부 벽(7)과 벽 단부 관(8a) 사이의 거리이며;
- T2S는 2개의 대칭 단부 관 사이의 거리이다.
앞서 식별된 3개의 거리는 매우 중요하고, 더 정확하게 2개의 비율(T2T/T2S 및 T2T/T2W)의 형태로 행을 나타낸다.
언급: 베이는 이하의 비율의 쌍에 의해서 특징지어질 수 있다:
- 측면 상의 단부 벽(7) 및 타 측면 상의 대칭 평면에 근접한 베이에 대한 (T2T/T2W 및 T2T/T2S)
- 양 단부 상에서 대칭 평면(11)을 갖는 중간 섹션에 대한 (T2T/T2S 및 T2T/T2S)
- 나의 섹션만을 갖는 소형 개질기의 경우에, 양 단부에서 단부 벽(7)을 갖는 섹션에 대한 (T2T/T2W 및 T2T/T2W). 이러한 구성은 이하에서 제시되는 시뮬레이션을 위해서 그리고 본 발명을 설명하기 위한 시뮬레이션과 관련된 도면들을 위해서 이용될 것이다.
이하의 도면들은, 시뮬레이션이 적용된 그리고 결과가 얻어진, 관의 상이한 배분들을 나타낸다.
도 7은, 동일하게 유지되는 비율(T2T/T2W 및 T2T/T2W)에 의해서 특징지어지는 도 5의 베이의 16개의 관의 3rodml 상이한 배분들을 도시하고; 각각의 경우에, 비율(T2T/T2W)이 식별되고, 관은 배분에 따라 검은색 원, 회색 원, 또는 백색 원으로서 표시된다. 벽 단부 관(8a-1, 8a-2 및 8a-3)은 단부 벽으로부터 상이한 거리들에 위치된다. 내부 관(6-1, 6-2 및 6-3)은 이들 사이에서 동일한 간극을 가지고 또는 벽 단부 관을 갖는다. 이하의 관련 도면들에서 동일한 형상들을 이용하여 3개의 경우를 구별할 것이다. 3개의 경우에, EP 15307007.3에 따른 유사 유동 패턴을 보장하도록, 5개의 버너의 배분이 이루어졌다.
도 8은 6 m 높이에서의 관 원주방향 온도와 동일 높이에서의 평균 관 온도 사이의 차이를 동일한 3개의 경우에 대해서 도시한다. 각각의 경우에 대해서 벽 단부 관 및 내부 관: 8a-1 및 6-1, 8a-2 및 6-2, 그리고 최종적으로 외부 관(8a-3) 및 내부 관(6-3)이 도시되어 있다.
수치적 시뮬레이션의 결과는, 벽 단부 관이 관의 배분에 따라서 더 많이 또는 더 적게 가열될 것임을 강조한다. 벽과 단부 관 사이의 거리가 관 피치(2개의 내부 관 사이의 거리)보다 멀 때, 벽 단부 관이 과열되고, T2T/T2W ~ 0.7을 갖는 검은색 원의 참조된 경우에 대한 효과가 관찰되었다. 내부 관에 가장 근접한 벽 단부 관에 대한 온도 원주방향 프로파일은 비율(T2T/T2W = 1)을 갖는 회색 원의 참조된 경우에 상응한다(즉, 벽 단부 관과 가장 근접한 단부 벽 사이의 거리는 관들 사이의 거리와 동일하다. 백색 원 참조 경우에서, 벽 단부 관은 단부 벽에 너무 근접하고, 이는 단부 벽에 대면되는 관 각도 섹션의 과소 과열을 초래한다. 벽 단부 관이 벽에 너무 근접할 때, 이는 고온 가스로부터의 열 전달을 방해할 것이다. 그에 따라, 관의 쉐도우(shadow) 내에 위치된 벽의 스트림은 다른 벽 영역에 비해서 적은 복사 플럭스를 방출할 것이다.
도 9는 동일한 3개의 경우에 대한 최대 관 외피 온도 프로파일을 도시하고, 관 원주방향 프로파일에 대해서 이루어진 관찰을 확인하며: 회색 원의 참조된 관 온도 프로파일은 약 5℃의 가장 고온의 관과 가장 저온의 관 사이의 온도 확산(spread)을 갖고 더 균일하고 규칙적인 반면, 검은색 원의 참조된 경우는 약 8℃의 관 온도 확산을 초래하고, 그리고 백색 원의 참조된 관 온도 프로파일은, 약 19℃의 가장 큰 온도 확산을 초래하는 벽 단부 관의 가열 하의 분할(sever)을 나타낸다.
일반적인 설계 규칙을 검색하기 위해서, T2T, T2S 및 T2W 거리에 대한 상이한 값들을 갖는 10개의 참조 베이의 예에 대해서 매개변수 연구를 실시하였다. 이러한 연구는, 최적의 비율(T2T/T2W 및 T2T/T2S)을 식별할 수 있게 하였고, 그에 따라 최적의 설계 규칙을 규정할 수 있게 하였으며, 그리고 또한 관들 사이의 온도 균질화와 관련한 이득을 추정할 수 있게 하였다.
도 10은, 상이한 참조 베이들 내의 가장 근접한 내부 관의 듀티에 대한 외부 관의 관 듀티(관에 전달된 열)의 백분율에 미치는 관 배열의 영향이 기재된 표를 도시한다. 내부 관 듀티에 대한 외부 관의 상대적인 듀티가, 내부 관에 대한, 외부 관에 의해서 수용된 열의 양을 정량화할 것이다.
본 발명의 주 목적이 관의 행을 따른 온도 불균일성의 문제를 해결하는 것임에 따라, 이는 최적의 예가 가능한 한 작은 상대적 듀티 값을 제공하는 것을 의미하고; 도시된 예에서, 가장 큰 상대적 듀티 값은 약 3%인 반면, 더 낮은 것은 -3%에 근접한다. 0%에 근접한 상대적 듀티는, 내부 및 외부 관이 유사한 온도를 갖는다는 것을 나타내는 반면, 3%에 근접한 또는 그 초과의 큰 상대적 듀티는 외부 관이 과열된다는 것을 나타내고, 그리고 -3%에 근접한 또는 그 미만의 작은 상대적 듀티는 외부 관이 과소 과열된다는 것을 나타낸다. 따라서, 베이 내의 상대적 듀티가 0%에 근접할수록, 증기 메탄 개질기의 성능이 더 높아진다.
검색된 관 비율 규칙은 이하이다:
- 간격 -2% 내지 2% 내의 상대적 듀티 값을 가지기 위해서, 비율(T2T/T2W 및 T2T/T2S)은 0.5보다 커야 하고 2보다 작아야 한다.
- 비율(T2T/T2W 및 T2T/T2S)이 0.75보다 크고 1.25보다 작은 경우에, 예상되는 상대적 듀티 값은 -1% 내지 1% 간격 이내가 될 것이다.
마지막으로, 비율 규칙은 주로, 대표 베이 내의 관의 수(그리고 버너의 수)에 따라 달라지지 않는다.
전술한 결과는, 모두가 행을 따르는 더 규칙적인 관 온도를 획득하기 위해서 모두가 행을 따른 관의 배열에 적용될 필요가 있는 설계 규칙을 제공한다.
전술한 규칙의 관찰은, 관 과열 및 고장을 방지하는데 기여할 것이고, 관의 교체 및 중단이 그에 따라 감소될 것이다.

Claims (12)

  1. 흡열 공정을 실시하기 위한 퍼니스로서, 기체 공급물을 변환하기 위한 촉매를 함유하는 관들을 포함하고, 상기 관들은 상기 퍼니스 내측에서 복수의 행으로 배치되고, 버너가 상기 관 행과 관 행 사이에 그리고 상기 관 행과 상기 관 행에 평행한 상기 퍼니스 벽 사이에서 행으로 장착되고, 상기 버너 행 및 상기 관 행은 단부 벽에 의해서 종료되고, 관의 각각의 행에서, T2W인 벽 단부 관으로부터 단부 벽까지의 거리, T2T인 섹션 내의 2개의 인접한 내부 관들 사이의 거리, 및 T2S인 2개의 인접한 섹션들의 2개의 대칭 단부 관들 사이의 거리를 갖는 섹션들로 분할되는, 퍼니스에 있어서, 상기 행 내의 상기 관은, 비율(T2T/T2W 및 T2T/T2S)이 0.5 초과 및 2 미만이 되게 하는 방식으로 배열되고, 그에 따라 상기 내부 관에 대한 외부 관(벽 단부 관 및 대칭 단부 관)으로의 열 전달의 차이를 제한하고 그리고 외부 관과 내부 관 사이의 온도차를 줄이는 것을 특징으로 하는 퍼니스.
  2. 제1항에 있어서,
    비율(T2T/T2W 및 T2T/T2S)이 0.75 초과 및 1.75 미만인 것을 특징으로 하는 퍼니스.
  3. 제2항에 있어서,
    T2T/T2W 및 T2T/T2S가 동일한 것을 특징으로 하는 퍼니스.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버너가 상기 퍼니스 지붕에 장착되는 것을 특징으로 하는 퍼니스.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버너가 상기 퍼니스의 바닥에 장착되고 수직 상향 발화되는 것을 특징으로 하는 퍼니스.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    증기 메탄 개질 퍼니스인, 퍼니스.
  7. 관 및 버너를 포함하는 퍼니스 내에서 실시되는 흡열 공정으로서:
    - 기체 공급물을 변환하기 위한 촉매를 함유하는 관 내로 기체 공급물 및 증기를 도입하는 단계로서, 상기 관들은 상기 퍼니스 내측에서 복수의 행으로 배치되는, 단계,
    - 상기 관 행과 관 행 사이에 그리고 상기 관 행과 상기 관 행에 평행한 상기 퍼니스 벽 사이에 행으로 장착되는 버너 내에서 공기와 함께 연료를 연소시키는 단계,
    - 상기 관 내에서 생성된 생성물을 방출하는 단계를 포함하고,
    상기 버너 행 및 상기 관 행이 단부 벽에 의해서 종료되고, T2W인 벽 단부 관으로부터 상기 단부 벽까지의 거리, T2T인 섹션 내의 2개의 인접 관들 사이의 거리, 및 T2S인 2개의 인접 섹션들의 2개의 대칭 단부 관들 사이의 거리를 갖는 섹션들로 분할되는, 공정에 있어서, 상기 행 내의 상기 관은, 비율(T2T/T2W 및 T2T/T2S)이 0.5 초과 및 2 미만이 되게 하는 방식으로 배열되고, 그에 따라 내부 관에 대한 외부 관(벽 단부 관 및 대칭 단부 관)으로의 열 전달의 차이를 제한하고 그리고 외부 관과 내부 관 사이의 온도차를 줄이는 것을 특징으로 하는 공정.
  8. 제7항에 있어서,
    증기 메탄 개질을 위한, 공정.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 비율(T2T/T2W 및 T2T/T2S)이 0.75 초과 및 1.75 미만인, 공정.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 비율(T2T/T2W 및 T2T/T2S)이 동일한, 공정.
  11. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 퍼니스가 상단 발화형 퍼니스인, 공정.
  12. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 퍼니스가 하단 발화형 퍼니스인, 공정.
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