JP2000186806A - バ―ナ―による炭化水素燃料の燃焼方法 - Google Patents
バ―ナ―による炭化水素燃料の燃焼方法Info
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- F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 バーナー外面の損傷を防ぐ、炭化水素燃料の
燃焼方法及びそれに使用される特定の設計のバーナーを
提供すること。 【解決手段】 腐食性雰囲気に曝されるバーナーにより
炭化水素燃料を燃焼させる際、このバーナーの外面を、
それに沿って非腐食性雰囲気（例えば水蒸気）を流すこ
とによって保護する。
燃焼方法及びそれに使用される特定の設計のバーナーを
提供すること。 【解決手段】 腐食性雰囲気に曝されるバーナーにより
炭化水素燃料を燃焼させる際、このバーナーの外面を、
それに沿って非腐食性雰囲気（例えば水蒸気）を流すこ
とによって保護する。
Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は、バーナーにより炭
化水素燃料を燃焼させる方法及びこの燃焼方法を行うた
めの装置に関する。
化水素燃料を燃焼させる方法及びこの燃焼方法を行うた
めの装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】炭化水
素燃料は、工業用の炉及びプロセス用加熱器の点火作業
のために化学工業において一般的に使用されており、適
当なバーナーが装備された反応容器中で進行する、熱を
必要とする反応に熱を供給する。
素燃料は、工業用の炉及びプロセス用加熱器の点火作業
のために化学工業において一般的に使用されており、適
当なバーナーが装備された反応容器中で進行する、熱を
必要とする反応に熱を供給する。
【０００３】公知のバーナーの一般的な欠点は、工業用
のバーナーに必要とされるような高速の燃料ガスの流速
においてバーナーの前面(face)が損傷を受けること、及
び高温下においてバーナーの表面が曝される腐食性雰囲
気によって金属のダスチング(Metal dusting) が起こる
ことである。
のバーナーに必要とされるような高速の燃料ガスの流速
においてバーナーの前面(face)が損傷を受けること、及
び高温下においてバーナーの表面が曝される腐食性雰囲
気によって金属のダスチング(Metal dusting) が起こる
ことである。
【０００４】米国特許第5,496,170 号は、バーナー前面
に隣接する燃焼域を通って高温の燃焼生成物が内部循環
することを防ぐために改善された設計の渦流式バーナー
を開示している。それによって、この高温の燃焼生成物
が原因のバーナーの前面の損傷が実質的に阻止される。
に隣接する燃焼域を通って高温の燃焼生成物が内部循環
することを防ぐために改善された設計の渦流式バーナー
を開示している。それによって、この高温の燃焼生成物
が原因のバーナーの前面の損傷が実質的に阻止される。
【０００５】
【課題を解決するための手段】バーナー表面の周囲の腐
食性雰囲気を希釈するかもしくは置き換えるのに十分な
量の保護雰囲気をバーナーのボディの外面及び前面に沿
って流した際に、腐食性雰囲気に曝される工業用バーナ
ーの金属ダスチング及び浸炭化が実質的に避けられるこ
とがここに見出された。
食性雰囲気を希釈するかもしくは置き換えるのに十分な
量の保護雰囲気をバーナーのボディの外面及び前面に沿
って流した際に、腐食性雰囲気に曝される工業用バーナ
ーの金属ダスチング及び浸炭化が実質的に避けられるこ
とがここに見出された。
【０００６】それゆえ、本発明は、腐食性雰囲気に曝さ
れるバーナーにより炭化水素燃料を燃焼させる方法であ
って、非腐食性雰囲気をこのバーナーの外面に沿って流
すことにより、この表面を腐食性雰囲気との接触から保
護する方法に関する。
れるバーナーにより炭化水素燃料を燃焼させる方法であ
って、非腐食性雰囲気をこのバーナーの外面に沿って流
すことにより、この表面を腐食性雰囲気との接触から保
護する方法に関する。
【０００７】適当な非腐食性雰囲気としては、高められ
た温度において金属表面上で金属ダスチングまたは浸炭
化反応(carburization) を引き起こさないあらゆるガス
状媒体の使用が可能である。
た温度において金属表面上で金属ダスチングまたは浸炭
化反応(carburization) を引き起こさないあらゆるガス
状媒体の使用が可能である。
【０００８】適当な非腐食性雰囲気には、水蒸気、H2、
CO2 及び窒素またはこれらの混合物が包含される。
CO2 及び窒素またはこれらの混合物が包含される。
【０００９】更に本発明は、金属製外面の内側に燃料及
び酸化剤を供給するための通路を、及び燃料と酸化剤と
の燃焼のためのオリフィスを含む、炭化水素燃料の酸化
剤による燃焼のためのバーナーであって、同心的にかつ
間隔を置いてバーナーの上記金属製外面の少なくとも一
部を囲み、そしてその表面に沿って保護雰囲気を導通さ
せるように適合された壁に改善点を持つ上記バーナーを
提供する。
び酸化剤を供給するための通路を、及び燃料と酸化剤と
の燃焼のためのオリフィスを含む、炭化水素燃料の酸化
剤による燃焼のためのバーナーであって、同心的にかつ
間隔を置いてバーナーの上記金属製外面の少なくとも一
部を囲み、そしてその表面に沿って保護雰囲気を導通さ
せるように適合された壁に改善点を持つ上記バーナーを
提供する。
【００１０】上記のバーナーを反応器中で使用する際
は、この壁は、バーナーの外面を適当な間隔を置いて囲
み、それによってこのバーナーの使用中に保護雰囲気を
導通するための通路を形成する反応器の頂部において、
耐火性のライニング材料によって形成することができ
る。
は、この壁は、バーナーの外面を適当な間隔を置いて囲
み、それによってこのバーナーの使用中に保護雰囲気を
導通するための通路を形成する反応器の頂部において、
耐火性のライニング材料によって形成することができ
る。
【００１１】以下の記載には、ライニングされた耐火性
反応器の頂部に備え付けられた本発明のよるバーナーの
断面図を示す図の参照の下に、本発明の具体例の一つを
より詳細に説明する。
反応器の頂部に備え付けられた本発明のよるバーナーの
断面図を示す図の参照の下に、本発明の具体例の一つを
より詳細に説明する。
【００１２】
【実施の態様】円筒形の金属製上部表面４及び円錐形の
金属製オリフィス６を備えた外面を有するバーナー２
は、反応器１の頂部に搭載される。上部表面４とオリフ
ィス６の一部との間の環状空間10は、バーナー１の頂部
においてバーナー表面と耐火性ライニング８との間に形
成される。この環状空間10を通って、水蒸気が上部表面
４に沿って流れそしてオリフィス６に向かう。環状空間
10を通過するこの水蒸気は、腐食性の燃焼雰囲気から外
面を保護し、この燃焼雰囲気により引き起こされるその
表面上での浸炭化もしくは金属クラスチング(metal clu
sting)反応を防ぐ。
金属製オリフィス６を備えた外面を有するバーナー２
は、反応器１の頂部に搭載される。上部表面４とオリフ
ィス６の一部との間の環状空間10は、バーナー１の頂部
においてバーナー表面と耐火性ライニング８との間に形
成される。この環状空間10を通って、水蒸気が上部表面
４に沿って流れそしてオリフィス６に向かう。環状空間
10を通過するこの水蒸気は、腐食性の燃焼雰囲気から外
面を保護し、この燃焼雰囲気により引き起こされるその
表面上での浸炭化もしくは金属クラスチング(metal clu
sting)反応を防ぐ。
【００１３】
【実施例】自熱式改質器(ATR) パイロットプラント中
で、米国特許第5,496,170 号に記載の型のバーナーを用
いて様々な態様の本発明による方法を行った。このバー
ナーは、これを囲むスリーブ中を流れる水蒸気の流れに
より、バーナーの壁の外側での金属ダスチングに対して
保護された。バーナーのノズルの外側は合金を材料に作
製された。なおこの合金は、その外側に水蒸気の保護流
が存在しない場合には、金属のダスチングにより損傷を
受けることが予備実験において確認されたものである。
これと同時に、煤の形成に関して各々のバーナーの性能
を、特定の水蒸気／炭素比(S/C) についてその臨界温度
を測定することにより試験した。臨界温度は、各々の試
験において、煤の限界値を超えるまで反応器の出口温度
(TEXIT)を徐々に下げることによって測定した。更に、
その値は、保護水蒸気流は用いずに、ただし他の条件、
すなわち入口での流速、作業圧力及び水蒸気／炭素比に
ついては同じ条件において各々のバーナーについても求
めた。水蒸気／炭素比（S/C)は、水蒸気の全供給量のモ
ル数を、全炭化水素供給物中の炭素原子のモル数(C 1)で
割った値と定義される。上記の試験で用いたパイロット
プラントは、ATR 反応器に様々な供給物流を供給するた
めの装置、ATR 反応器、及び発生ガスを後処理するため
の装置を含む。
で、米国特許第5,496,170 号に記載の型のバーナーを用
いて様々な態様の本発明による方法を行った。このバー
ナーは、これを囲むスリーブ中を流れる水蒸気の流れに
より、バーナーの壁の外側での金属ダスチングに対して
保護された。バーナーのノズルの外側は合金を材料に作
製された。なおこの合金は、その外側に水蒸気の保護流
が存在しない場合には、金属のダスチングにより損傷を
受けることが予備実験において確認されたものである。
これと同時に、煤の形成に関して各々のバーナーの性能
を、特定の水蒸気／炭素比(S/C) についてその臨界温度
を測定することにより試験した。臨界温度は、各々の試
験において、煤の限界値を超えるまで反応器の出口温度
(TEXIT)を徐々に下げることによって測定した。更に、
その値は、保護水蒸気流は用いずに、ただし他の条件、
すなわち入口での流速、作業圧力及び水蒸気／炭素比に
ついては同じ条件において各々のバーナーについても求
めた。水蒸気／炭素比（S/C)は、水蒸気の全供給量のモ
ル数を、全炭化水素供給物中の炭素原子のモル数(C 1)で
割った値と定義される。上記の試験で用いたパイロット
プラントは、ATR 反応器に様々な供給物流を供給するた
めの装置、ATR 反応器、及び発生ガスを後処理するため
の装置を含む。
【００１４】各供給物流は、天然ガス(NG)、水蒸気、酸
素及び水素から構成されるものであった。これらガスは
全て、作業圧力まで圧縮、作業温度まで予熱した。天然
ガスの平均的な組成を表１に示す。この天然ガスは、AT
R 反応器に導入する前に脱硫した。これらの供給物流は
組み合わせて三つの流れとし、ATR のバーナーに向けて
流した。天然ガス、水素及び水蒸気からなる第一の供給
物流を約500 ℃の温度まで予熱した。
素及び水素から構成されるものであった。これらガスは
全て、作業圧力まで圧縮、作業温度まで予熱した。天然
ガスの平均的な組成を表１に示す。この天然ガスは、AT
R 反応器に導入する前に脱硫した。これらの供給物流は
組み合わせて三つの流れとし、ATR のバーナーに向けて
流した。天然ガス、水素及び水蒸気からなる第一の供給
物流を約500 ℃の温度まで予熱した。
【００１５】酸素及び水蒸気を含む第二の供給物流を20
0 ℃〜220 ℃に予熱した。水蒸気のみからなる第三の供
給物流は450 ℃に加熱した。
0 ℃〜220 ℃に予熱した。水蒸気のみからなる第三の供
給物流は450 ℃に加熱した。
【００１６】ATR 反応器中では、不足化学理論量での燃
焼と、それに次ぐ触媒作用による水蒸気改質及びシフト
反応を行った。入口及び出口におけるガスの組成をガス
クロマトグラフィーにより分析した。得られた発生ガス
は、改質及びシフト反応に関して平衡状態にあった。AR
T 反応器の下流では、得られたプロセスガスを冷却し
て、この発生ガス中に含まれる水蒸気の大部分のものを
凝縮した。
焼と、それに次ぐ触媒作用による水蒸気改質及びシフト
反応を行った。入口及び出口におけるガスの組成をガス
クロマトグラフィーにより分析した。得られた発生ガス
は、改質及びシフト反応に関して平衡状態にあった。AR
T 反応器の下流では、得られたプロセスガスを冷却し
て、この発生ガス中に含まれる水蒸気の大部分のものを
凝縮した。
【００１７】
【表１】
【００１８】市販の合金製品であるHaynes-230を用いて
作製したバーナーを使用して二つの試験を行った。この
合金は、0.35及び0.6 の水蒸気／炭素比の作業条件下に
バーナーの壁の外側に水蒸気からなる保護流を存在させ
ないで予備試験したところ、このバーナーの外側には、
約155 時間の作業時間の後に金属のダスチングによる損
傷が生じた。本発明による水蒸気による保護の下での試
験における対応する作業条件を以下の表２にまとめる。
作製したバーナーを使用して二つの試験を行った。この
合金は、0.35及び0.6 の水蒸気／炭素比の作業条件下に
バーナーの壁の外側に水蒸気からなる保護流を存在させ
ないで予備試験したところ、このバーナーの外側には、
約155 時間の作業時間の後に金属のダスチングによる損
傷が生じた。本発明による水蒸気による保護の下での試
験における対応する作業条件を以下の表２にまとめる。
【００１９】上記のタイプのバーナーを、以下の表３に
示す参考実験“SP S/C 0.60 ref.”及び“SP S/C 0.35
ref.”によって、水蒸気スリーブ中に水蒸気を存在させ
ないでその煤形成に関しての限界値について試験した。
次いで、バーナーの壁の外側に沿って水蒸気スリーブ中
にある一定の割合の水蒸気を流した場合のこの煤限界値
を観察した。この煤形成に係わる性能試験のための作業
条件も、バーナーのこのような性能を特徴付ける臨界温
度（T critical) と一緒に表３中にまとめて記す。
示す参考実験“SP S/C 0.60 ref.”及び“SP S/C 0.35
ref.”によって、水蒸気スリーブ中に水蒸気を存在させ
ないでその煤形成に関しての限界値について試験した。
次いで、バーナーの壁の外側に沿って水蒸気スリーブ中
にある一定の割合の水蒸気を流した場合のこの煤限界値
を観察した。この煤形成に係わる性能試験のための作業
条件も、バーナーのこのような性能を特徴付ける臨界温
度（T critical) と一緒に表３中にまとめて記す。
【００２０】
【表２】
【００２１】金属ダスチング試験は、各々0.60(MD S/C
0.60) 及び0.35(MD S/C 0.35) の水蒸気／炭素比(S/C)
で行う。これらの作業条件を以下の表に示す。なおこの
表中、T Inlet,1 及びT Inlet,2 は、各々、第一及び第
二供給物流の入口温度であり、そしてT Exit及びP Exit
は、反応器から排出されるガスの温度及び圧力であり、
そこに示す条件においてはその水蒸気改質及びシフト反
応は平衡状態にある。
0.60) 及び0.35(MD S/C 0.35) の水蒸気／炭素比(S/C)
で行う。これらの作業条件を以下の表に示す。なおこの
表中、T Inlet,1 及びT Inlet,2 は、各々、第一及び第
二供給物流の入口温度であり、そしてT Exit及びP Exit
は、反応器から排出されるガスの温度及び圧力であり、
そこに示す条件においてはその水蒸気改質及びシフト反
応は平衡状態にある。
【００２２】各々の試験後、ATR 反応器から使用したバ
ーナーを検査のために取り出す。壁の外側に保護水蒸気
流を流さないで用いたバーナーには、ガスノズルの外面
上で生じた金属ダスチングにより腐食された表面を有す
る領域が観察されたが、水蒸気で保護したバーナーのノ
ズルの外側には、その外面上に金属ダスチングが生じた
形跡は観察されなかった。
ーナーを検査のために取り出す。壁の外側に保護水蒸気
流を流さないで用いたバーナーには、ガスノズルの外面
上で生じた金属ダスチングにより腐食された表面を有す
る領域が観察されたが、水蒸気で保護したバーナーのノ
ズルの外側には、その外面上に金属ダスチングが生じた
形跡は観察されなかった。
【００２３】
【表３】
【００２４】バーナーの煤形成に関する性能を調べるた
めに、四つの試験を行い、水蒸気スリーブ中に水蒸気流
を存在させて作業した場合の臨界温度(Tcritical) を測
定した。この四つの試験は、表３中に示すように0.60及
び0.35の水蒸気／炭素比で行った。表３中にはこの臨界
温度(Tcritical) も示す。スリーブ中への水蒸気の流量
は変動した。これと同様に第一供給物流中への水蒸気の
流量も、プロセスへの水蒸気の総流量を一定に保つため
に変動した。結果は、水蒸気スリーブなしで操作した
（参考試験）同じタイプのバーナーで得られた結果と比
較する。これらの試験に顕著な差異は観察されなかっ
た。それゆえ、プロセスに導入される水蒸気の全量の８
〜35％に相当する量の水蒸気をバーナーの外面上に水蒸
気スリーブ中に流して作業しても、煤の形成に関しては
バーナーの性能に影響を及ぼさない。
めに、四つの試験を行い、水蒸気スリーブ中に水蒸気流
を存在させて作業した場合の臨界温度(Tcritical) を測
定した。この四つの試験は、表３中に示すように0.60及
び0.35の水蒸気／炭素比で行った。表３中にはこの臨界
温度(Tcritical) も示す。スリーブ中への水蒸気の流量
は変動した。これと同様に第一供給物流中への水蒸気の
流量も、プロセスへの水蒸気の総流量を一定に保つため
に変動した。結果は、水蒸気スリーブなしで操作した
（参考試験）同じタイプのバーナーで得られた結果と比
較する。これらの試験に顕著な差異は観察されなかっ
た。それゆえ、プロセスに導入される水蒸気の全量の８
〜35％に相当する量の水蒸気をバーナーの外面上に水蒸
気スリーブ中に流して作業しても、煤の形成に関しては
バーナーの性能に影響を及ぼさない。
【図１】図１は、ライニングされた耐火性反応器の頂部
に備え付けられた本発明のよるバーナーの断面図を示
す。
に備え付けられた本発明のよるバーナーの断面図を示
す。
１ ・・・ 反応器 ２ ・・・ バーナー ４ ・・・ 円筒形の金属製上部表面 ６ ・・・ 円錐形の金属製オリフィス ８ ・・・ 耐火性のライニング 10 ・・・ 環状の空間
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 オーラーフ・ホルム− クリステンセン デンマーク国、1453コペンハーゲン・カ ー、サンクト・ペーデルスストラーデ、 21，３ (72)発明者 ペーター・ザイヤー・クリステンセン デンマーク国、2400コペンハーゲン・エ ヌ・フアウ、グラースヴエイク、１テー・ フアウ
Claims (7)
- 【請求項１】 腐食性雰囲気に曝されるバーナーにより
炭化水素燃料を燃焼させる方法であって、このバーナー
の外面を、それに沿って非腐食性雰囲気を流すことによ
って保護する上記方法。 - 【請求項２】 非腐食性雰囲気が、水蒸気、H2、CO2 、
窒素またはこれらの混合物からなる、請求項１の方法。 - 【請求項３】 炭化水素燃料が水蒸気と一緒に燃焼され
る、請求項１の方法。 - 【請求項４】 非腐食性雰囲気が水蒸気からなる、請求
項２の方法。 - 【請求項５】 水蒸気の少なくとも一部を、非腐食性雰
囲気と一緒に炭化水素燃料に加える、請求項３の方法。 - 【請求項６】 金属製外面の内側に燃料及び酸化剤を供
給するための通路を、及び燃料を酸化剤で燃焼させるた
めのオリフィス、及び同心的にかつ間隔を空けてバーナ
ーの上記金属製外面の少なくとも一部を囲み、この表面
に沿って保護雰囲気を導通するように適合された壁を含
む、酸化剤で炭化水素燃料を燃焼させるためのバーナ
ー。 - 【請求項７】 壁が、耐火性のライニング材料によって
形成されている、請求項6 のバーナー。
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