JP2005003293A - 改質炉及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも排熱の利用価値と利用率の高い改質炉及びその運転方法を提供する。
【解決手段】炉本体１内から排出される燃焼ガスの熱を利用して燃焼用空気を加熱する蓄熱式熱交換器３を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いる。蓄熱式熱交換器３の前段に、蓄熱式熱交換器３から排出されて温度が低下した燃焼ガスの熱を利用して蓄熱式熱交換器３に供給される燃焼用空気を加熱する副熱交換器４を配置する。蓄熱式熱交換器３と副熱交換器４との間に、蓄熱式熱交換器３から排出されて副熱交換器４に供給される燃焼ガスの熱の一部を回収する熱回収装置５を配置する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄熱式熱交換器を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いて、炉本体内を所定温度に加熱する改質炉及びその運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、一般的な蓄熱式熱交換器１０２を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いて炉本体内の反応管を所定温度に加熱する従来の炉本体１０１の構成の一例が示されている。一般的な改質炉では、蓄熱式熱交換器１０２を通してのみ燃焼ガスを排出している。
【０００３】
またＷＯ９８／１４５３６号公報には、炉本体内から排出される燃焼ガスの熱を利用して燃焼用空気を加熱する蓄熱式熱交換器を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いて、炉本体内の反応管を所定温度に加熱する従来の他の改質炉の一例が示されている。図３は、この公報に示された技術を概念図として示したものである。この従来技術は、炉本体１０１に対して設けた蓄熱式熱交換器１０２から炉本体１０１内に供給する燃焼用空気の温度を１０００℃以上にするとともに、炉本体１０１内の燃焼ガスの一部を対流部１０３に流して熱回収装置１０４で排熱回収することにより、燃焼ガスの排熱を有効利用することを提案している。そして具体的には、最大で燃焼ガスの３０％を対流部１０３に流し、燃焼ガスの７０％を蓄熱式熱交換器１０２に流すことがこの公報には開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
ＷＯ９８／１４５３６号公報 図１及び請求項６
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら図４に示した従来の構成では、排熱の利用率が悪いという問題がある。また図３に示した従来技術のように、蓄熱式熱交換器１０２で、例えば２０℃の燃焼用空気を１０００℃以上の高温に加熱すると、蓄熱式熱交換器の入口温度と出口温度の差が非常に大きくなる。そのため蓄熱式熱交換器を構成する蓄熱体や蓄熱体を保持する構造部材等に大きな熱衝撃すなわちサーマルショックを与えることになる。そこで図３の構成を用いる場合には、蓄熱式熱交換器を構成する蓄熱体や構造部材の仕様を、サーマルショックに耐えることができる仕様にすることになる。しかしながら、このような仕様でも運転，停止，開始の頻度、運転時間によっては、この問題を解決するのは難しい。またこの仕様の蓄熱式熱交換器を作ると、蓄熱式熱交換器の価格が非常に高くなる問題が生じる。
【０００６】
本発明の目的は、従来よりも排熱の利用価値と利用率の高い改質炉及びその運転方法を提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、蓄熱式熱交換器のサーマルショックを軽減することができる改質炉及びその運転方法を提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、上記目的に加えて、従来と同様の熱回収効率を実現できる改質炉及びその運転方法を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、安価な蓄熱式熱交換器と既存の熱交換器を用いて上記目的を達成できる改質炉及びその運転方法を提供することにある。
【００１０】
本発明の更に他の目的は、従来よりも蓄熱式熱交換器の寿命を長くすることができる改質炉及びその運転方法を提供することにある。
【００１１】
本発明の更に他の目的は、従来と同様の熱回収効率を得ることができて、しかも従来よりも安価な改質炉を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、炉本体内から排出される燃焼ガスの熱を利用して燃焼用空気を加熱する蓄熱式熱交換器を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いて、炉本体内を所定温度に加熱する改質炉を改良の対象とする。本発明においては、蓄熱式熱交換器の前段に、蓄熱式熱交換器から排出されて温度が低下した燃焼ガスの熱を利用して蓄熱式熱交換器に供給される燃焼用空気を加熱する副熱交換器を配置する。このような構成を採用すると、排気する燃焼ガスの熱利用価値と利用率を高めることができる。また副熱交換器で所定の温度まで加熱した燃焼用空気を蓄熱式熱交換器で加熱すればよいことになるため、蓄熱式熱交換器の入口温度と出口温度の差を小さくすることができる。そのため蓄熱式熱交換器に加わるサーマルショックを従来よりも大幅に小さくすることができる。その結果、蓄熱式熱交換器の寿命を大幅に延ばすことができるだけでなく、蓄熱式熱交換器の仕様を従来よりも大幅に緩和することができるので、改質炉を安価に構成することができる。また副熱交換器としては、既製の熱交換器を使用することが可能になるため、このことも改質炉の価格の低減下に大きく寄与する。
【００１３】
副熱交換器として、蓄熱タイプを含むあらゆるタイプの熱交換器を用いることができ、熱交換器の種類は特定のものに限定されるものではない。
【００１４】
また蓄熱式燃焼バーナとしては、例えば特開平１１−２２３３３５号公報及び特開２０００−３９１３８号公報等に示されている周知の連続燃焼式蓄熱式燃焼バーナを用いることができる。この種の連続燃焼式蓄熱式燃焼バーナでは、１台のバーナ内部に分割した蓄熱体を有し、一部の蓄熱体に燃焼用空気を供給し、同時に他の部分の蓄熱体は燃焼ガスを吸引して蓄熱を行う。空気供給及び燃焼ガス排出の流路は一定周期で切り換えられ、１台のバーナシステム内部で蓄熱／放熱が繰り返される。高温空気の吐出口は切換と共に周方向に移動するが、燃料は１本のバーナから連続的に供給できる。また蓄熱式燃焼バーナとしては、いわゆる交番式蓄熱式燃焼バーナを用いることもできる。交番式蓄熱式燃焼バーナは、１つの蓄熱体全体に燃焼用空気と燃焼ガスとを交互に流して、燃焼用空気を蓄熱体の顕熱で加熱するものであり、大別してバーナの燃焼を連続する連続燃焼タイプと、バーナの燃焼を断続する断続燃焼タイプとがある。連続燃焼タイプのものは、例えば特開平５−２５６４２３号公報や特開平６−１１１２１号公報に示されている。また断続燃焼タイプの一例は、特開平１−２２２１０２号公報に示されている。なお改質炉には、１台以上の蓄熱式燃焼バーナが用いられる。複数台の蓄熱式燃焼バーナを用いる場合に、各蓄熱式燃焼バーナに対応して副熱交換器をそれぞれ設けてもよい。しかしながら複数台の蓄熱式燃焼バーナに対して１台または複数台の副熱交換器を用いるように複数台の蓄熱式熱交換器と複数台の副熱交換器とを接続してもよいのは勿論である。
【００１５】
従来の技術と同様の熱回収効率を得るためには、蓄熱式熱交換器と副熱交換器との間に、蓄熱式熱交換器から排出されて副熱交換器に供給される燃焼ガスの熱の一部を回収する熱回収装置を配置するか、蓄熱式熱交換器と副熱交換器との間に、蓄熱式熱交換器から排出されて副熱交換器に供給される燃焼ガスの一部を熱回収装置に分配する燃焼ガス分配路を設ければよい。このようにすれば熱回収装置でも燃焼ガスの排熱を回収するため、熱回収効率を従来と同様のレベルまたはそれ以上のレベルまで上げることができる。とりわけ、蓄熱式熱交換器の出口の燃焼ガスの温度が高温（６００℃〜７００℃）となるため、著しく利用価値が向上する。なお熱回収装置で回収する熱量を適宜に定めることにより、副熱交換器における燃焼用空気の加熱温度を決定すれば、結果として蓄熱式熱交換器と副熱交換器とで分担する燃焼用空気の加熱割合を調整することができる。なお副熱交換器における燃焼用空気の出口温度が２５０℃〜４００℃になるように、熱回収装置の熱回収量を定めれば、既製の熱交換器を使用することが可能になって、改質炉の価格を低減できる。
【００１６】
本発明の改質炉の運転方法では、燃焼用空気を副熱交換器と蓄熱式熱交換器の両方で加熱して、蓄熱式熱交換器に加わるサーマルショックを軽減する。また熱回収装置の熱回収量を調整することにより、副熱交換器における燃焼用空気の加熱温度を決定する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明を炭化水素等の改質に用いる高温空気燃焼技術を用いた改質炉に本発明を適用した実施の形態の一例の概略の構成図である。符号１で示したものは、内部に燃焼室２を有する炉本体である。炉本体１の底壁１ａは、実際には図示しない支持構造部によって支持されており、底壁１ａには１台以上の蓄熱式燃焼バーナが固定されている。図１においては、この蓄熱式燃焼バーナを備えている蓄熱式熱交換器３だけを図示してある。図１には図示していないが、炉本体１の底壁１ａと上壁１ｂとを貫通するように、複数本の反応管が配置されている。
【００１８】
ここで用いる蓄熱式燃焼バーナは、炉本体１の燃焼室２内において燃料を燃焼するバーナ（図示せず）と蓄熱式熱交換器３とを備えている。蓄熱式熱交換器３は、通気性を有する１以上の蓄熱体（図示せず）と、燃焼室２内の燃焼ガスをこの蓄熱体を通して炉外に排出し、１以上の蓄熱体の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を炉内に供給するように構成された燃焼用空気供給装置（図示せず）とが組み合わされて構成されている。このような蓄熱式燃焼バーナの構造は、特開平１１−２２３３３５号公報及び特開２０００−３９１３８号公報等に詳細に開示されているので説明は省略する。
【００１９】
燃焼用空気の加熱温度は、燃焼用空気供給装置の回転機構の回転速度、蓄熱体の通気性、蓄熱体の長さ等の要素によって決まる。この例では４００℃の燃焼用空気の温度が１０００℃以上になるようにこれらの要素が決定されている。そして蓄熱式熱交換器３の前段には、図示しない空気ダクトと燃焼ガスを排出する燃焼ガスダクトを有するダクト構造体を介して副熱交換器４が設けられている。この例では、例えば副熱交換器４として公知の隔壁式熱交換器を用いている。そして副熱交換器４の前段には、図示しない空気ダクトと燃焼ガスダクトとを介して燃焼用空気を副熱交換器４に送り込む押し込み送風機と燃焼ガスを副熱交換器４から引き出す誘引送風機が配置されている。またこの例では、蓄熱式熱交換器３と副熱交換器４との間の燃焼ガスダクトには、燃焼ガスの一部から排熱を回収する熱回収装置５に燃焼ガスの一部を配分する燃焼ガス分配路６が設けられている。熱回収装置５は、回収した熱でＦＥＥＤ予熱等を行う。
【００２０】
本実施の形態では、燃焼室２内から排出される燃焼ガスを１００％としたときに、１００％の燃焼ガスを蓄熱式熱交換器３に通した後、５０％の燃焼ガスを熱回収装置５に分配し、残りの５０％の燃焼ガスを副熱交換器４に流す。このような配分比率で燃焼ガスを排出した場合に、燃焼ガスの温度を１１００℃、副熱交換器４に入力される空気の温度を２０℃、蓄熱式熱交換器３の熱交換率を３１％、副熱交換器４の熱交換率を２９％として、シミュレーションをしてみると、図示のように燃焼用空気及び燃焼ガスの温度が変化することが判る。なおこのシミュレーションでは、常温に対する燃焼排ガスの持つエンタルピーを１００％と定義している。このシミュレーションの結果では、２０℃の空気を副熱交換器で４００℃まで加熱することにより、蓄熱式熱交換器３に入力される燃焼用空気と蓄熱式熱交換器３から出力される燃焼用空気の温度差を６００℃まで下げられることが判る。同様の条件で図３に示した従来の技術を実施すると、蓄熱式熱交換器１０２に入力される燃焼用空気と蓄熱式熱交換器１０２から出力される燃焼用空気の温度差は９８０℃となる。本実施の形態のように、温度差が６００℃まで下がれば、蓄熱式熱交換器のサーマルショックに対する仕様は、従来の半分の温度差に対する仕様でよくなるため、蓄熱式熱交換器３の価格を大幅に低減することができる。また温度差が小さくなる分、サーマルショックが軽減されて、蓄熱式熱交換器３の寿命も従来の技術を使用する場合と比べて大幅に延ばすことができるようになる。
【００２１】
なお図１に示すように、１００％の燃焼ガスを蓄熱式熱交換器３に通した後、６２％の燃焼ガスを熱回収装置５に分配し、残りの３８％の燃焼ガスを副熱交換器４に流すと、２０℃の空気は２５０℃まで加熱される。
【００２２】
また本実施の形態のように、熱回収装置５を用いて、余剰な排熱を回収すれば、熱回収効率を従来と同等またはそれ以上に高めることができ、排熱の利用価値も格段と向上させることができる。なお熱回収装置５の熱回収量は、蓄熱式熱交換器３における燃焼用空気の入口温度と出口温度との差が共に６００℃〜７５０℃になるように定めるのが好ましい。このようにすれば、副熱交換器４として既製の製品をそのまま使用することが可能になるだけでなく、副熱交換器４及び蓄熱式熱交換器３の価格を低減することができる。
【００２３】
図２は、本発明の第２の実施の形態の概略構成図である。図２において、図１に示した構成部材と同様の部材には、図１に付した符号と同じ符号を付してある。図１の実施の形態と比較して、図２の実施の形態では、蓄熱式熱交換器３と副熱交換器４との間の燃焼ガス通路の途中に、蓄熱式熱交換器３から排出されて副熱交換器４に供給される燃焼ガスの熱の一部を回収する熱回収装置５を配置している点である。そのため図１の実施の形態と異なって、熱回収装置５及び副熱交換器４のそれぞれには、燃焼室２から排出された燃焼ガスの１００％が通ることになる。図２にも、図１の場合の同じ条件でシミュレーションした結果を示してある。図２の実施の形態でも、図１の実施の形態と同様に、蓄熱式熱交換器３の入出力の温度差は６００℃〜７５０℃となる。そして図２の実施の形態のほうが、副熱交換器４から排出される燃焼ガスの温度が低下するため、図１の実施の場合よりも熱回収率が高くなる。
【００２４】
なお副熱交換器４において空気を加熱する好ましい温度範囲は、図１の実施の形態の場合には、２５０℃〜４００℃であり、副熱交換器４に入力される燃焼ガスの好ましい温度範囲は、６００℃〜７００℃である。これらの温度範囲であれば、蓄熱式熱交換器３に加わる温度差を６００℃〜７５０℃の温度範囲のものとすることができる。
【００２５】
上記実施の形態は、いずれも高温空気燃焼技術を用いた改質炉に本発明を適用したものであるが、本発明の一般の改質炉にも当然にして通用できるのは勿論である。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、排熱の利用価値と利用率の高い改質炉及びその運転方法が提供される。さらに本発明によれば、副熱交換器で所定の温度まで加熱した燃焼用空気を蓄熱式熱交換器で加熱すればよいため、蓄熱式熱交換器の入口温度と出口温度の差を小さくすることができ、蓄熱式熱交換器に加わるサーマルショックを従来よりも大幅に小さくすることができる利点がある。その結果、蓄熱式熱交換器の寿命を大幅に延ばすことができるだけでなく、蓄熱式熱交換器の仕様を従来よりも大幅に緩和することができるので、改質炉を安価に構成することができる。
【００２７】
また蓄熱式熱交換器と副熱交換器との間に、蓄熱式熱交換器から排出されて副熱交換器に供給される燃焼ガスの熱の一部を回収する熱回収装置を配置するか、蓄熱式熱交換器と副熱交換器との間に、蓄熱式熱交換器から排出されて副熱交換器に供給される燃焼ガスの一部を熱回収装置に分配する燃焼ガス分配路を設ければ、熱回収装置でも燃焼ガスの排熱を回収することができるため、熱回収効率を従来と同様のレベルまたはそれ以上のレベルまで上げることができる利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を炭化水素等の改質に用いる高温空気燃焼技術を用いた改質炉に本発明を適用した実施の形態の一例の概略構成図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の概略構成図である。
【図３】蓄熱式燃焼バーナを用いた従来の改質炉の一例の概略構成図である。
【図４】一般的な蓄熱式熱交換器を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いた従来の改質炉の一例の概略構成図である。
【符号の説明】
１ 炉本体
２ 燃焼室
３ 蓄熱式熱交換器
４ 副熱交換器
５ 熱回収装置

Claims (8)

1. 炉本体内から排出される燃焼ガスの熱を利用して燃焼用空気を加熱する蓄熱式熱交換器を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いて、炉本体内を所定温度に加熱する改質炉であって、
   前記蓄熱式熱交換器の前段に、前記蓄熱式熱交換器から排出されて温度が低下した前記燃焼ガスの熱を利用して前記蓄熱式熱交換器に供給される前記燃焼用空気を加熱する副熱交換器が配置されていることを特徴とする改質炉。
2. 前記蓄熱式熱交換器と前記副熱交換器との間に、前記蓄熱式熱交換器から排出されて前記副熱交換器に供給される前記燃焼ガスの熱の一部を回収する熱回収装置が配置されている請求項１に記載の改質炉。
3. 前記蓄熱式熱交換器と前記副熱交換器との間に、前記蓄熱式熱交換器から排出されて前記副熱交換器に供給される前記燃焼ガスの一部を熱回収装置に分配する燃焼ガス分配路が設けられている請求項１に記載の改質炉。
4. 前記蓄熱式熱交換器における前記燃焼用空気の入口温度と出口温度との差が共に６００℃〜７５０℃になるように、前記熱回収装置の熱回収量が定められている請求項２または３に記載の改質炉。
5. 炉本体内から排出される燃焼ガスの熱を利用して燃焼用空気を加熱する蓄熱式熱交換器を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いて、炉本体内を所定温度に加熱する改質炉の運転方法であって、
   前記蓄熱式熱交換器の前段に、前記蓄熱式熱交換器から排出されて温度が低下した前記燃焼ガスの熱を利用して前記熱交換器に供給される前記燃焼用空気を加熱する副熱交換器を設け、
   前記燃焼用空気を前記副熱交換器と前記蓄熱式熱交換器の両方で加熱して、前記蓄熱式熱交換器に加わるサーマルショックを軽減することを特徴とする改質炉の運転方法。
6. 前記蓄熱式熱交換器と前記副熱交換器との間に、前記蓄熱式熱交換器から排出されて前記副熱交換器に供給される前記燃焼ガスの熱の一部を回収する熱回収装置を配置し、
   前記熱回収装置の熱回収量を調整することにより、前記副熱交換器における前記燃焼用空気の加熱温度を決定することを特徴とする請求項５に記載の改質炉の運転方法。
7. 前記蓄熱式熱交換器と前記副熱交換器との間に、前記蓄熱式熱交換器から排出されて前記副熱交換器に供給される前記燃焼ガスの一部を熱回収装置に分配する燃焼ガス分配路を設け、
   前記燃焼ガス分配路に流す前記燃焼ガスの量を調整することにより，前記副熱交換器における前記燃焼用空気の加熱温度を決定することを特徴とする請求項５に記載の改質炉の運転方法。
8. 前記蓄熱式熱交換器における前記燃焼用空気の入口温度と出口温度との差が共に６００℃〜７５０℃になるようにすることを特徴とする請求項５に記載の改質炉の運転方法。

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