JP2005046753A - 反応炉の燃焼制御方法及び反応炉 - Google Patents

Abstract

【課題】反応炉内の温度差を従来より小さくすることができる高温空気燃焼技術を用いた反応炉を提供する。
【解決手段】隣接する２本以上の反応管７の間に形成された空間に反応管７が延びる方向に向かって燃料を噴射するように、第２バーナ８を配置する。炉本体１内が高温空気燃焼状態になるまでは第１バーナ３ａ〜６ａを燃焼させて反応炉内の温度を上昇させる。そして炉本体１内が高温空気燃焼状態になった後に、第２バーナ８の燃焼を開始し、以後第２バーナ８の燃焼量の増加に伴って複数の第１バーナ３ａ〜６ａの燃焼量を減少させて必要な燃焼状態を得る。燃焼室２の外部に配置されて燃焼室内の燃焼ガスを燃焼室外に出した後再度炉内に導入する燃焼ガス循環装置１２，１３を設ける。燃焼ガス循環装置１２，１３から燃焼室に再導入する燃焼ガスによって、第２バーナ８の火炎を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温空気燃焼技術を用いた反応炉及びその燃焼制御方法に関するものである。

特開平１１−１７９１９１号公報（特願平９−３５７２６３号）には、複数の反応管における反応効率を向上させる技術が開示されている。この技術では、複数の反応管によりそれぞれ構成された複数の反応管列が横に並べられた炉内の温度を、高温空気燃焼型蓄熱式燃焼装置を用いて上昇させる。

また特開２００１−１５２１６６公報（特願平１１−３４３６２４号）には、高温空気燃焼技術を用いた反応炉に関する技術が開示されている。この技術では、燃焼室を大型化することなく、反応管列が配置される炉内の温度場の温度差をできるだけ小さくすることができる。
特開平１１−１７９１９１号公報［図］ 特開２００１−１５２１６６［図］

高温空気燃焼技術を用いると、反応炉内の温度差をできるだけ小さくすることができる。しかしながら、反応管の本数や反応管列が多くなると、反応管それ自体が伝熱の抵抗となる。そのため複数の反応管間の空間の温度と、これらの空間の外側の空間の温度との差が大きくなる傾向が現れる。このような温度差は、反応管の割れの発生原因や、コーキングの発生原因となる。そのため、このような温度差を小さくする必要がある。また反応管に対する伝熱が壁輻射による壁支配になるため、反応管自体が自分よりも内側に位置する他の反応管に対して伝熱の陰となる。そのため各反応管の加熱に均一性を欠くことになり、反応管全体でみたときの受熱量（伝熱効率）が低下する問題が発生する。

そこで出願人は先に、複数の反応管の外側に配置する複数の第１バーナの他に複数の反応管の間に形成される空間に反応管が延びる方向に向かって燃料を噴射する１以上の第２バーナを設けて、燃焼室内の温度差を少なくして反応管の加熱をより均一化させる技術を提案した（特願２００２−９５９６８）。しかしながらこの技術を用いても、まだ燃焼室内には温度差が生じる。これは、燃焼室内の燃焼ガスの流れや、第２バーナの火炎の形状または性状に起因するものと考えられる。

本発明の目的は、反応炉内の温度差を従来より小さくすることができる高温空気燃焼技術を用いた反応炉の燃焼制御方法及び反応炉を提供することにある。

高温空気燃焼技術を適用する反応炉は、内部に炉壁によって囲まれた燃焼室を有する炉本体を有する。この炉本体の内部には、炉壁の対向する一対の壁部間に設置されて互いに同じ方向に延びるように並設された複数の反応管がある。また反応炉は、複数の反応管の外側に配置され且つ炉本体の炉壁に設けられて燃焼室内において燃料を燃焼する複数の第１バーナを備えている。また反応炉は、燃焼室内の排気ガスを通気性を有する蓄熱手段を通して炉外に排出し、蓄熱手段の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を燃焼室内に供給する熱交換型燃焼用空気供給装置を備えている。

一般的に、複数の反応管は炉本体内の燃焼室を囲む炉壁の対向する一対の炉壁間（例えば底壁と天井壁との間）に直接または支持構造を介して取り付けられている。また複数の第１バーナは、炉壁の底壁、天井壁、側壁のいずれかに取り付けられる。燃焼用空気は、一般的に蓄熱体の顕熱で８００℃以上の高温に加熱される。第１バーナと第１バーナ用燃焼用部分空気供給装置とが組み合わされて１台の高温空気燃焼型蓄熱式バーナを構成してもよい。高温空気燃焼型蓄熱式バーナとしては、例えば特開平１１−２２３３３５号公報及び特開２０００−３９１３８公報等に示されている周知の連続燃焼式蓄熱バーナシステムを用いることができる。この種の連続燃焼式蓄熱バーナシステムでは、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。しかし燃料は１本のバーナから連続的に供給できる。

また高温空気燃焼型蓄熱式バーナは、いわゆる交番式蓄熱バーナを用いて構成することもできる。交番式蓄熱バーナは、１つの蓄熱体全体に燃焼用空気と排気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る。交番式蓄熱バーナには、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。

特に本発明が制御の対象とする反応炉は、複数の反応管の隣接する２本以上の反応管の間に形成される空間に反応管管軸方向に向かって燃料を噴射する１以上の第２バーナを備えている。１以上の第２バーナは、複数の反応管が設置されている一対の壁部における一対の固定領域の少なくとも一方に固定されている。本発明のように、複数の反応管の集合体の内部に１以上の第２バーナを配置すれば、外側に位置する反応管の陰に位置する内側の反応管に対しても第２バーナからの熱を加えることができる。そのため、複数の反応管の集合体の内部における温度場をコントロールすることができ、反応炉内の温度差を小さくすることができる。

しかしながら第２バーナの燃焼を燃焼開始当初から積極的に行うと、燃焼開始当初に第２バーナからの熱が温度場内に大きな温度差を生じさせたり、局部過熱を生じさせる。また燃焼炉内の温度が高温空気燃焼状態に達した後には、複数の第１バーナからの熱が温度場内に温度差を生じさせる。そこで、原則的に、反応炉内が高温空気燃焼状態になるまでは複数の第１バーナのみを燃焼させて反応炉内の温度を上昇させる。そして反応炉内が高温空気燃焼状態になった後に、１以上の第２バーナの燃焼を開始し、以後１以上の第２バーナの燃焼量の増加に伴って複数の第１バーナの燃焼量を減少させて必要な燃焼状態を得る。なお反応炉内が高温空気燃焼状態になるまでの間、影響が無い程度に第２バーナを燃焼させてもよい。その場合には、主として複数の第１バーナを燃焼させて反応炉内の温度を上昇させる。そして反応炉内が高温空気燃焼状態になった後に、１以上の第２バーナの燃焼量を増大させ、以後１以上の第２バーナの燃焼量の増加に伴って複数の第１バーナの燃焼量を減少させて必要な燃焼状態を得ればよい。

本発明では、燃焼室の外部に配置されて燃焼室内の燃焼ガスを燃焼室外に出した後再度炉内に導入する燃焼ガス循環装置を設ける。そして燃焼ガス循環装置から燃焼室に再導入する燃焼ガスによって、１以上の第２バーナの火炎を制御する。具体的には、第２バーナの火炎が反応管が延びる方向に延びるように１以上の第２バーナの火炎を規制するガス流を燃焼室内に形成するように、燃焼ガス循環装置から燃焼室内に再導入する燃焼ガスの導入方向及び流量を定めるのが好ましい。

燃焼室内に燃焼ガス循環装置を配置すると、燃焼ガス循環装置を構成する部品の耐熱性を高めなければならないので装置の価格が著しく高くなる問題が発生する。本発明のように、燃焼ガス循環装置を燃焼室の外部に配置すれば、このような問題を解消できる。また本発明のように、燃焼室内に燃焼ガスを再度導入すれば、燃焼室内の温度を実質的に低下させることがない。更に燃焼ガス循環装置から燃焼室に再導入する燃焼ガスによって、１以上の第２バーナの火炎を制御すると、第２バーナの火炎の形状が原因で生じる新たな温度差の発生を抑制することができる。そして本発明の燃焼制御方法を採用すると、反応炉内が高温空気燃焼状態になった後には、１以上の第２バーナの燃焼量の増加に伴って複数の第１バーナの燃焼量を減少させて必要な燃焼状態を得る場合において、反応炉内の温度場の温度差が、反応管に割れを生じさせたり、コーキングを発生させるほどに大きくなるのを防止できる。

本発明の反応炉は、複数の第１バーナ用燃焼用部分空気供給装置と１以上の第２バーナ用燃焼用部分空気供給装置とを有している。複数の第１バーナ用燃焼用部分空気供給装置は、燃焼室内の排気ガスを通気性を有する１以上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複数の第１バーナに供給するように構成されている。また１以上の第２バーナ用燃焼用部分空気供給装置は、燃焼室内の排気ガスを通気性を有する１以上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前記１以上の第２バーナに供給する。なお燃焼室は１つであるので、複数の第１バーナ用燃焼用部分空気供給装置から供給された空気の一部が第２バーナにおける燃焼にも当然して用いられ、第２バーナ用燃焼用部分空気供給装置から供給された空気の一部が第１バーナにおける燃焼にも用いられる。

複数の第１バーナ及び第２バーナの配置は種々考えられるが、特に複数の第１バーナを一対の壁部の一方に固定し、複数の第２バーナを一対の壁部の他方に固定するのが好ましい。このようにすると第１バーナに対する燃焼用空気及び第１バーナからの熱の一部が第２バーナの近傍に近付くため、第２バーナの近傍に位置する複数の反応管の加熱を助けることになる。ただし第２バーナを一方の壁部に配置した場合でも、各反応管を局部加熱することなく、各反応管の受熱量を大きくすることが容易になる。

また一対の固定領域の一方の固定領域に１以上の第２バーナを固定した場合には、燃焼ガス循環装置の１以上の導出口及び複数の噴射口を、一対の固定領域の他方の固定領域の外側に位置する壁部の部分に配置するのが好ましい。この場合、複数の噴射口から燃焼室内に再導入された燃焼ガスが、一対の壁部の一方の固定領域の外側に位置する壁面に当った後、１以上の第２バーナの火炎を規制するガス流を形成するように、再導入するガス流の流入方向及び流入量を定めるのが好ましい。

なお第２バーナとしては、最高ガス温度が５００℃以上となる部分燃焼火炎を形成する構造を有しているものを用いるのが好ましい。また第１バーナと第１バーナ用燃焼用部分空気供給装置とを組み合わせて１台の高温空気燃焼型蓄熱バーナを構成し、第２バーナと第２バーナ用燃焼用部分空気供給装置とを組み合わせて１台の高温空気燃焼型蓄熱バーナを構成するのが好ましい。このようにすると燃焼制御を最も効率的に実施できる。なお反応管列の内部にはスペースが十分に確保できない場合が多いので、第２バーナ用燃焼用部分空気供給装置は、複数の反応管の外側から１以上の第２バーナに燃焼用空気を供給するように配置するのが好ましい。反応管の長さが短い場合には、第１バーナのための燃焼用空気供給装置を、第２バーナ用燃焼用部分空気供給装置として兼用することもできる。

なお複数の反応管を、隣接する他の反応管との距離が等しくなるように配置し、複数の第２バーナを、隣接する複数の反応管との間の距離が等しくなるように配置すると、複数の反応管の内部の温度場をより均一なものに近づけることができる。

本発明のように、燃焼ガス循環装置を燃焼室の外部に配置して、燃焼室内に燃焼ガスを再度導入し、燃焼ガス循環装置から燃焼室に再導入する燃焼ガスによって、１以上の第２バーナの火炎を制御すると、第２バーナの火炎の形状が原因で生じる温度差の発生を安価に抑制することができる。また本発明によれば、反応炉内が高温空気燃焼状態になった後に、１以上の第２バーナの燃焼量の増加に伴って複数の第１バーナの燃焼量を減少させて必要な燃焼状態を得る場合において、反応炉内の温度場の温度差が、反応管に割れを生じさせたり、コーキングを発生させるほどに大きくなるのを防止できる。

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、本発明を試験用の改質用反応炉に適用した実施の形態の一例の構成を概略的に示す図である。図１において、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は、一対の壁部を構成する底壁（炉床）１ａ及び上壁（炉天井）１ｂと、幅方向（図１の紙面で見た前後方向）に位置する一対の壁部を構成する側壁１ｃ及び１ｄと、横方向（図１の紙面で見た左右方向）の一対の壁部を構成する側壁１ｅ及び１ｆとを備えている。

炉本体１の底壁（炉床）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いる。炉本体１の底壁１ａには、それぞれ高温空気燃焼型蓄熱式バーナを構成する４台の連続燃焼式蓄熱バーナ３乃至６が固定されている。そして炉本体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７…が配置されている。

ここで用いる連続燃焼式蓄熱バーナ３乃至６は、炉本体１の炉壁に設けられている。連続燃焼式蓄熱バーナ３乃至６は、燃焼室２内において燃料を燃焼する第１バーナ３ａ〜６ａと、第１バーナ用燃焼用部分空気供給装置３ｂ〜６ｂとが組み合わされて構成されている。第１バーナ用燃焼用部分空気供給装置３ｂ〜６ｂは、通気性を有する１以上の蓄熱体（図示せず）を有している。そして第１バーナ用燃焼用部分空気供給装置３ｂ〜６ｂは、燃焼室２内の排気ガスを通気性を有する１以上の蓄熱体（図示せず）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複数の第１バーナ３ａ〜６ａに供給するように構成されている。このような連続燃焼式蓄熱バーナの構造は、特開平１１−２２３３３５号公報及び特開２０００−３９１３８公報等に詳細に開示されているので説明は省略する。

燃焼用空気の加熱温度は、第１バーナ用燃焼用部分空気供給装置３ｂ〜６ｂ内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。この例では燃焼用空気の温度が８００℃以上になるようにこれらの要素が決定されている。勿論このような高温に耐えるように各部の材料も選択されている。そして第１バーナ用燃焼用部分空気供給装置３ｂ〜６ｂの後方には、ダクト構造体が設けられている。ダクト構造体は、燃焼用空気を供給する図示しない空気ダクトと排気ガスを排出する排気ガスダクトとを備えている。更にこのダクト構造体の後方には、燃焼用空気を空気ダクトに送り込む押し込み送風機と排気ガスを排気ガスダクトから引き出す誘引送風機とが配置されている。

本実施の形態のように４台の連続燃焼式蓄熱バーナ３乃至６を用いる場合、各連続燃焼式蓄熱バーナのためのダクト構造体は、４台のダクト構造体を集合させて構成した集合構造を有している。すなわち集合構造のダクト構造体は、４台のダクト構造体に対して例えば１台の押し込み送風機と誘引送風機とを用意し、これらを用いて燃焼用空気の供給と排気ガスの排気とを行う。この例では、２台の連続燃焼式蓄熱バーナ３及び４を複数の反応管７の群の片側に、反応管７の管軸方向に沿って燃料を噴射するように配置する。また２台の連続燃焼式蓄熱バーナ５及び６を、複数の反応管７の群の反対側の片側に反応管７の管軸方向に沿って燃料を噴射するように配置する。図１においては、連続燃焼式蓄熱バーナ３乃至６から出た燃焼用空気の流れを矢印で示している。

７本の反応管７は、六角形の各頂点と六角形の中心にそれぞれ反応管が位置するように配置されている。そして７本の反応管７の隣接する反応管間に形成される空間に向かって、第２バーナ８が配置されている。

７本の反応管７中の隣接する２本以上の反応管の間に形成される空間に反応管７の管軸方向に向かって燃料を噴射するように、４本の第２バーナ８がそれぞれ配置されている。これらの第２バーナ８は、複数の反応管７が設置されている上壁１ｂの固定領域にそれぞれ固定されている。

また炉本体１の側壁１ｃ及び１ｄには、２台の第２バーナ用燃焼用部分空気供給装置１０及び１１が配置されている。この２台の第２バーナ用燃焼用部分空気供給装置１０及び１１は、前述の連続燃焼式蓄熱バーナ３乃至６のバーナを除いた部分の構成と同様に構成されている。すなわち２台の第２バーナ用燃焼用部分空気供給装置１０及び１１は、蓄熱体と回転機構と送風装置等から構成されている。２台の第２バーナ用燃焼用部分空気供給装置１０及び１１は、燃焼室２内の排気ガスを通気性を有する蓄熱体を通して炉外に排出し、蓄熱体の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を対応する第２バーナ８に供給する構造を有している。ここで第２バーナ用燃焼用部分空気供給装置１０及び１１から供給される空気量は、第２バーナ８から供給される燃料流量に対する理論燃料空気量の５０％未満にする。そして空気量は、好ましくは３０％未満、より好ましくは５〜２０％にすることがよい。

更に本実施の形態では、燃焼室２の外部に配置されて燃焼室内の燃焼ガスを燃焼室外に出した後、再度炉内に導入する２台の燃焼ガス循環装置１２及び１３を設けている。燃焼ガス循環装置１２及び１３の一例の構造は図２及び図３に示すとおりである。本実施の形態では、燃焼ガス循環装置１２及び１３から燃焼室２に再導入する燃焼ガスによって、第２バーナ８の火炎を制御する。具体的には、第２バーナ８の火炎が反応管７が延びる方向に延びるように第２バーナ８の火炎を規制するガス流を燃焼室２内に形成するように、燃焼ガス循環装置１２及び１３から燃焼室２内に再導入する燃焼ガスの導入方向及び流量を定めている。この例では、上壁１ｂの固定領域に第２バーナ８を固定しているため、燃焼ガス循環装置１２及び１３の１以上の導出口及び噴射口を、第２バーナ８が固定される固定領域とは反対側の固定領域（底壁１ａの反応管７によって囲まれる領域）の外側に位置する底壁１ａの部分に配置している。この場合、複数の噴射口から燃焼室内に再導入された燃焼ガスが、上壁１ｂの固定領域（上壁１ｂの反応管７によって囲まれた領域）の外側に位置する壁面に当った後、第２バーナ８の火炎を規制するガス流を形成するように、再導入するガス流の流入方向（図中に黒い矢印で示す方向）及び流入量を定めている。この例では、上壁１ｂに当たったガス流が第２バーナ側に向かうように、燃焼ガス循環装置１２及び１３の後述する噴射口の位置及び噴射角度を定めている。ちなみにガス流の流入量は全所要空気流入量の０．２倍〜２倍量であり、第１バーナ用燃焼用部分空気供給装置３ｂ〜６ｂ及び第２バーナ用燃焼用部分空気供給装置１０及び１１から供給される空気流入量の１〜２０倍である。燃焼ガス循環装置１２及び１３から再流入するガス流のほうが、空気供給装置３ｂ〜６ｂ及び１０及び１１からの空気の流れよりも強くなるので、これにより再流入するガス流によって第２バーナの火炎の制御が可能になる。

ここでガス流による第２バーナの火炎の制御とは、ガス流によって第２バーナの火炎をできるだけ反応管７が延びる方向に延ばすように制御することを意味する。このようにすることにより、第２バーナの火炎の存在により発生する温度差または局部過熱をより小さいものとすることができる。なお燃焼ガス循環装置１２及び１３の台数は任意である。

次に図２及び図３を用いて燃焼ガス循環装置１２及び１３の具体的な構成を説明する。なおこれらはそれぞれ同じ構造であるため、燃焼ガス循環装置１２を例にしてその構造を説明する。燃焼ガス循環装置１２は蓄熱装置１０２（１０２Ａ，１０２Ｂ）、給排切換弁装置１０３（１０３Ａ，１０３Ｂ）及び循環ファン１０４を備えている。蓄熱装置１０２及び給排切換弁装置１０３は、炉内領域１０９を区画する底壁１ａに配置される。蓄熱装置１０２は、蓄熱体ケース１２２内に蓄熱体１２１を収容した構造を有し、蓄熱体ケース１２２は支持基板１２３を貫通する。支持基板１２３は、底壁１ａと同質の耐熱・耐火材料からなる。支持基板１２３は、底壁１ａと一体化し、炉内領域１０９に面する炉内壁面１９２を底壁１ａとともに形成する。

各蓄熱体１２１は、円柱形の外形を有するハニカム構造のセラミックス製蓄熱体からなり、多数の狭小流路を有する。蓄熱体１２１の各流路は、蓄熱装置１０２の軸線方向に蓄熱体１２１を貫通する。蓄熱体１２１は、リジェネレータ型熱交換器を構成し、０．９以上の温度効率を発揮する。この形式の熱交換器の構造は、例えば、特開平６−２１３５８５号公報等に詳細に開示されているので、更なる詳細な説明は、省略する。

蓄熱体ケース１２２は、支持基板１２３を貫通する金属製円筒形部材からなり、支持基板１２３に一体的に支持される。蓄熱体ケース１２２の先端部は、蓄熱体１２１の先端面から更に炉内側に延び、僅かに縮径して炉内領域１０９に開口する。蓄熱体ケース１２２の先端円形開口は、炉内ガス給排口１２０を構成する。給排口１２０は、炉内領域１０９の燃焼ガスを導出する燃焼ガス導出口として機能するとともに、加圧後の燃焼ガスを炉内領域１０９に噴射する燃焼ガス噴射口として機能する。

各蓄熱装置１０２と対応する各給排切換弁装置１０３は、蓄熱装置１０２と同軸上に整列し、支持基板１２３から炉外に突出する。各弁装置１０３は、弁機構１３０，燃焼ガス導入口１３１，燃焼ガス導出口１３２及び弁駆動装置１３３を備える。弁駆動装置１３３は、弁機構１３０を駆動して、弁機構１３０を導出位置又は導入位置に切り換える。弁機構１３０は、導入ポート１３４又は導出ポート１３５を選択的に開閉制御可能な二位置制御弁として機能する。

循環ファン１０４の吐出口には、燃焼ガス導入管１４１が接続され、燃焼ガス導入管１４１は、導入管１４２，１４３に分岐し、導入管１４２，１４３は、各弁装置１０３の燃焼ガス導入口１３１にそれぞれ接続される。他方、循環ファン１０４の吸引口には、燃焼ガス導出管１４６が接続され、燃焼ガス導出管１４６は、導出管１４４，１４５に分岐し、導出管１４４，１４５は、各弁装置１０３の燃焼ガス導出口１３２にそれぞれ接続される。循環ファン１０４の吸引圧力は、燃焼ガス導出管１４６，１４５，１４４、弁装置１０３及び蓄熱装置１０２を介して一方の給排口１２０に作用し、循環ファン１０４の給気押込み圧力は、導入管１４１，１４２，１４３、弁装置１０３及び蓄熱装置１０２を介して他方の給排口１２０に作用する。

図２に示す第１作動状態では、第１弁装置１０３Ａの弁機構１３０は、燃焼ガス導入ポート１３４を閉鎖し且つ燃焼ガス導出ポート１３５を開放した導出位置に位置し、第２弁装置１０３Ｂの弁機構１３０は、導入ポート１３４を開放し且つ導出ポート１３５を閉鎖した導入位置に位置する。燃焼ガスは、循環ファンの吸引圧力下に、矢印で示す如く、第１蓄熱装置１０２Ａの給排口１２０から第１蓄熱装置１０２Ａ内に流入し、蓄熱体１２１の流路を通過して第１弁装置１０３Ａ内に流入する。高温の燃焼ガスは、蓄熱体１２１と伝熱接触して放熱し、降温する。同時に、蓄熱体１２１は、燃焼ガスが保有する顕熱を受熱して昇温する。蓄熱体１２１との熱交換により冷却した燃焼ガスは、第１弁装置１０３Ａの導出口１３２及び導出管１４５，１４６を介して循環ファン１０４に吸引される。循環ファン１０４は、比較的低温の燃焼ガスを加圧し、導入管１４１，１４２を介して第２弁装置１０３Ｂの導入口１３１に供給する。燃焼ガスは、第２弁装置１０３Ｂから第２蓄熱装置１０２Ｂに流入し、蓄熱体１２１と伝熱接触する。蓄熱体１２１は、比較的低温の燃焼ガスとの熱交換により放熱し、冷却する。同時に、燃焼ガスは、蓄熱体１２１が保有する顕熱を受熱して昇温し、高温の再導入ガスとして第２蓄熱装置１０２Ｂの給排口１２０から炉内領域１０９に吹き出す。昇温後の燃焼ガスは、第１蓄熱装置１０２Ａに流入する燃焼ガスと概ね同等の温度を有する。

蓄熱装置１０２、弁装置１０３、循環ファン１０４、導出管１４４，１４５，１４６及び導入管１４１，１４２，１４３からなるガス循環回路を循環するガスの温度Ｔｉ、Ｔｏ、Ｔ１、Ｔ２は、例えば、以下のとおり設定される。

導出時の燃焼ガス温度（給排口１２０） Ｔｉ＝１２００℃
蓄熱体通過後の燃焼ガス温度（弁装置１０３） Ｔ１＝２００℃
弁装置導入時のガス温度（導入口１３１） Ｔ２＝１００〜１５０℃
再導入時のガス温度（給排口１２０） Ｔｏ＝１１５０℃
なお、蓄熱体１２１通過後のガス温度Ｔ１と、弁装置１０３に導入するガス温度Ｔ２との相違（温度降下）は、主として、導出管１４４，１４５，１４６及び導入管１４１，１４２，１４３の管壁表面からの放熱に起因する。

図３に示す第２作動状態では、第２弁装置１０３Ｂの弁機構１３０は、導入ポート１３４を閉鎖し且つ導出ポート１３５を開放した導入位置に位置する。燃焼ガスは、循環ファン１０４の誘引圧力下に、矢印で示す如く、第２蓄熱装置１０２Ｂの給排口１２０に流出し、蓄熱体１２１、第２弁装置１０３Ｂ、導出管１４４、１４６を介して、循環ファン１０４に吸引され、循環ファン１０４により加圧され、導入管１４１、１４３、第１蓄熱装置１０２Ａを介して、第１蓄熱装置１０２Ａの給排口１２０から炉内領域１０９に吹出す。この循環回路において、燃焼ガスは、第２蓄熱装置１０２Ｂの蓄熱体１２１と熱交換して冷却し、第１蓄熱装置１０２Ａの蓄熱体１２１と熱交換して昇温する。第１蓄熱装置１０２Ａの給排口１２０は、第２蓄熱装置１０２Ｂの給排口１２０に流出する燃焼ガスと同等温度の再導入ガスを炉内領域１０９に噴出する。

上記循環回路は又、燃焼ガスの一部を系外に排気する排気管１４７（破線で示す）を備える。排気管１４７は、導入管１４１に接続される。排気管１４７には、排気制御弁１４８が介装され、排気制御弁１４８は、蓄熱体１２１の過熱を防止すべく、所望により５〜１０％程度の燃焼ガスを大気等に排気する。

燃焼ガス循環装置１２は、弁駆動装置１３３、排気制御弁１４８及び循環ファン１０４の作動を制御する制御ユニットＣ／Ｕ（図２のみに図示する）を備える。制御ユニットＣ／Ｕは、各弁駆動装置１３３の切換時期を協調制御し、各弁装置１０３の位相（導出位置又は導入位置）を逆位相に設定する。弁駆動装置１３３は、制御ユニットＣ／Ｕの制御下に所定時間毎に弁装置１０３の弁位置を切り換え、燃焼ガス循環装置１２は、図２に示す第１作動状態と、図３に示す第２作動状態とを所定時間毎に交互に反復する。

弁装置１０３及び循環ファン１０４は、いずれの作動状態においても、蓄熱装置１０２で冷却した燃焼ガスに接触するにすぎず、従って、弁装置１０３及び循環ファン１０４には、過大な熱応力が作用せず、これに伴う熱劣化の問題も発生しない。

燃焼ガス循環装置１２及び１３の構造は、図２及び図３に示されるものに限定されるものではない。例えば、第１蓄熱装置１０２Ａ及び第２蓄熱装置１０２Ｂの他に第３蓄熱装置を設けてもよい。この場合、１台の蓄熱装置から燃焼ガスを燃焼室外に導出し、残りの２台の蓄熱装置を通して再度燃焼ガスを燃焼室内に導入するようにし、導出と導入とを順番にずらすようにしてもよい。

この構造では、複数の反応管７は、各バーナから出る高温燃焼ガスの輻射熱と炉壁からの輻射熱で加熱される。この実施の形態において、燃焼室２の内部の温度が８００℃以上になるように高温空気燃焼を行うと、燃焼室２内の温度を高くしても、燃焼室２内の反応管７が配置される温度場の温度差を小さくすることができる。

図１の実施の形態に戻って、この構成で、燃焼開始当初から、第２バーナ８の燃焼を積極的に行うと、燃焼開始当初に第２バーナ８からの熱が温度場内に大きな温度差を生じさせたり、局部過熱を生じせることが発明者の研究により分かっている。また炉本体１内が、高温空気燃焼状態に達した後に、複数の第１バーナ３ａ〜６ａからの熱だけでは、温度場内に温度差が生じる。そこで本発明の燃焼制御方法では、原則的に、炉本体１内が高温空気燃焼状態になるまでは複数の第１バーナ３ａ〜６ａのみを燃焼させて炉本体１内の温度を上昇させる。なお炉本体１内が高温空気燃焼状態になるまでの間、影響が無い程度に第２バーナ８を燃焼させてもよい。具体的には、局部過熱が発生しないまたはコーキングが発生しない程度に第２バーナ８を燃焼させておいてもよい。なおその場合においても、高温空気燃焼状態になるまでは、主として複数の第１バーナ３ａ〜６ａを燃焼させて炉本体１内の温度を上昇させることになる。ちなみに高温空気燃焼状態とは、本実施の形態では、炉本体１内が８００℃以上になった状態と定義される。

炉本体１内が高温空気燃焼状態になった後は、第２バーナ８の燃焼を開始するか、または第２バーナ８の燃焼量の増加を開始する。そして以後第２バーナ８の燃焼量の増加に伴って複数の第１バーナ３ａ〜６ａの燃焼量を減少させて必要な燃焼状態を得る。そして必要な燃焼状態が得られた以降は、必要な燃焼状態が得られたときの複数の第１バーナ３ａ〜６ａの燃焼量と第２バーナ８の燃焼量との燃焼割合を維持する。

必要な燃焼状態は、目標とする運転状態によって変わる。例えば、複数の反応管７のそれぞれの円周方向の管壁温度分布が極端に不均一な状態にならない燃焼状態を得るためには、複数の第１バーナ３ａ〜６ａの燃焼量と第２バーナ８の燃焼量との燃焼割合を、５０：５０〜０：１００の範囲にするのが好ましい。また排気ガス中の酸素濃度の平均値は、３．５〜６％の範囲になるように熱交換型燃焼用空気供給装置を構成する第１バーナ用燃焼用部分空気供給装置３ｂ〜６ｂ及び２台の第２バーナ用燃焼用部分空気供給装置１０及び１１から燃焼室２内に供給される空気の量を定めるのが好ましい。

なお第２バーナ８としては、最高ガス温度が５００℃以上となる部分燃焼火炎を形成する構造を有しているものを用いるのが好ましい。例えば、図４に概念的に示すように、第２バーナ８を炉壁１ｘの壁面よりも所定の距離下げて、第２バーナ８の前方に燃料と空気の混合室１５を形成することにより、部分燃焼火炎を形成することができる。

また第２バーナ８の配置は、均等配置である必要はなく、図５に示すように第２バーナを配置してもよい。また図５に示すように、燃焼ガス循環装置１４Ａ〜１４Ｆを反応管７が固定される固定領域の外側に、該固定領域を囲むように配置してもよい。このような配置においても、燃焼ガス循環装置１４Ａ〜１４Ｆは第２バーナ８のそれぞれから出る火炎が反応管７が延びる方向に延びるように、燃焼ガスの噴射方向及び噴射量が適宜に定められている。

また図６及び図７に示すように、第１バーナ及び第２バーナの配置は任意である。更に第２バーナの配置に対応して燃焼ガス循環装置の配置も種々変えることができる。なお図６及び図７の実施の形態には、図１に示した実施の形態で用いる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説明を省略する。

図６は、本発明の反応炉の他の実施の形態を示している。この実施の形態では、７本の反応管７…の隣接する２本以上の反応管の間に形成される空間に反応管７が延びる方向に向かって燃料を噴射するように、４本の第２バーナ９が底壁１ａの固定領域に固定され、４本の第２バーナ８が上壁１ｂの固定領域に固定されている。また炉本体１の側壁１ｃには、上下方向に間隔をあけて２台の燃焼ガス循環装置１２ａ及び１３ａが上下方向に間隔を開けて配置され、側壁１ｄには更に２台の燃焼ガス循環装置１２ｂ及び１３ｂが上下方向に間隔を開けて配置されている。第２バーナ８及び９に対する燃焼用空気の供給は、図示しない第２バーナ用燃焼用部分空気供給装置から適宜に行われる。この例では、燃焼ガス循環装置１２ａ及び１３ａ並びに１２ｂ及び１３ｂが側壁１ｃ及び１ｄに設けられている。これらの燃焼ガス循環装置１２ａ及び１３ａ並びに１２ｂ及び１３ｂは、反応管群の内側に向かう流れを強制的に形成させ、第２バーナ８及び９から出て反応管群の外へ広がろうとする火炎を側方から規制し、反応管群の内側で火炎を形成するように規制する。

図７は、本発明の反応炉の更に他の実施の形態の概略構成を示す図である。この例では、底壁１ａ側に４本の第２バーナ９を配置しており、４台の連続燃焼式蓄熱バーナ３乃至６を炉本体１の上壁１ｂに固定している点と、２台の燃焼ガス循環装置１２及び１３を上壁１ｂに固定している点で図１の実施の形態とは異なる。なお図７の実施の形態では、第２バーナ用燃焼用部分空気供給装置は図示していない。

上記の各実施の形態では、第２バーナと第２バーナ用燃焼用部分空気供給装置とを別個に設けているが、これらを一つのバーナシステムとした連続燃焼式蓄熱バーナを用いて、第２バーナと第２バーナ用燃焼用部分空気供給装置とを集中配置するようにしてもよいのは勿論である。

また上記の実施の形態では、高温空気燃焼型蓄熱式燃焼バーナとして連続燃焼式蓄熱バーナを用いたが、回転式蓄熱バーナ及び交番式蓄熱バーナ等のその他の形式の高温空気燃焼型蓄熱式燃焼バーナを用いてもよいのは勿論である。

本発明のように第２バーナの火炎を制御すると、第２バーナの火炎の形状が原因で生じる温度差の発生を安価に抑制することができる。また本発明によれば、反応炉内が高温空気燃焼状態になった後に、１以上の第２バーナの燃焼量の増加に伴って複数の第１バーナの燃焼量を減少させて必要な燃焼状態を得る場合において、反応炉内の温度場の温度差が、反応管に割れを生じさせたり、コーキングを発生させるほどに大きくなるのを防止できる。

本発明を試験用の分解炉に適用した第１の実施の形態の概略構成を示す図である。 燃焼ガス循環装置の構造の一例の一状態を示す断面図である。 図２に示した燃焼ガス循環装置の構造の他の状態を示す断面図である。 第２バーナの出口部分の構造の一例を示す概略拡大断面図である。 第２バーナ及び燃焼ガス循環装置の異なる配置状態を示す図である。 本発明を試験用の改質炉に適用した第２の実施の形態の概略構成を示す図である。 本発明を試験用の改質炉に適用した第３の実施の形態の概略構成を示す図である。

符号の説明

１ 炉本体
１ａ 底壁
１ｂ 上壁
３〜６ 連続燃焼式蓄熱バーナ
３ａ〜６ａ 第１バーナ
８，９ 第２バーナ
１０，１１ 第２バーナ用燃焼用部分空気供給装置
１２，１３ 燃焼ガス循環装置

Claims (7)

1. 炉壁によって囲まれた燃焼室を内部に有する炉本体と、
   前記炉壁の対向する一対の壁部間に設置されて同じ方向に延びるように並設された複数の反応管と、
   前記複数の反応管の外側に配置され且つ前記炉本体の炉壁に設けられて前記燃焼室内において燃料を燃焼する複数の第１バーナと、
   前記複数の反応管の間に形成される空間に前記反応管が延びる方向に向かって燃料を噴射するように前記一対の壁部の一方に固定された１以上の第２バーナと、
   前記燃焼室内の燃焼ガスを通気性を有する蓄熱手段を通して炉外に排出し且つ前記蓄熱手段の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を前記燃焼室内に供給する熱交換型燃焼用空気供給装置とを備えた反応炉の制御方法であって、
   前記燃焼室の外部に配置されて前記燃焼室内の前記燃焼ガスを前記燃焼室外に出した後再度前記燃焼室内に導入する燃焼ガス循環装置を設け、
   前記燃焼ガス循環装置から前記炉内に再導入する前記燃焼ガスによって、前記１以上の第２バーナの火炎を制御することを特徴とする反応炉の燃焼制御方法。
2. 前記第２バーナの火炎が前記反応管が延びる方向に延びるように前記１以上の第２バーナの火炎を規制するガス流を前記燃焼室内に形成するように、前記燃焼ガス循環装置から前記燃焼室内に再導入する前記燃焼ガスの導入方向及び流量を定めることを特徴とする請求項１に記載の反応炉の燃焼制御方法。
3. 炉壁によって囲まれた燃焼室を内部に有する炉本体と、
   前記炉本体の前記炉壁の対向する一対の壁部間に設置されて同じ方向に延びるように並設された複数の反応管と、
   前記複数の反応管の外側に配置され且つ前記炉本体の前記炉壁に設けられて前記燃焼室内において燃料を燃焼する複数の第１バーナと、
   前記複数の反応管の隣接する２本以上の前記反応管の間に形成される空間に反応管管軸方向に向かって燃料を噴射するように、前記一対の壁部の前記複数の反応管が設置されている一対の固定領域の少なくとも一方に固定された１以上の第２バーナと、
   前記燃焼室内の排気ガスを通気性を有する蓄熱手段を通して炉外に排出し且つ前記蓄熱手段の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を前記燃焼室内に供給する熱交換型燃焼用空気供給装置とを備えた反応炉の燃焼制御方法であって、
   前記燃焼室の外部に配置されて前記燃焼室内の前記燃焼ガスを前記燃焼室外に出した後再度前記燃焼室に導入する燃焼ガス循環装置を更に設け、
   前記反応炉内が高温空気燃焼状態になるまでは前記複数の第１バーナのみを燃焼させて前記燃焼室内の温度を上昇させる工程と、
   前記燃焼室内が高温空気燃焼状態になった後に、前記１以上の第２バーナの燃焼を開始する工程と、
   前記１以上の第２バーナの燃焼量の増加に伴って前記複数の第１バーナの燃焼量を減少させて必要な燃焼状態を得る工程と、
   前記燃焼ガス循環装置から前記燃焼室内に再導入する前記燃焼ガスによって、前記１以上の第２バーナの火炎を制御する工程とからなることを特徴とする反応炉の燃焼制御方法。
4. 炉壁によって囲まれた燃焼室を内部に有する炉本体と、
   前記炉本体の炉壁の対向する一対の壁部間に設置されて同じ方向に延びるように並設された複数の反応管と、
   前記複数の反応管の外側に配置され且つ前記炉本体の炉壁に設けられて前記燃焼室内において燃料を燃焼する複数の第１バーナと、
   前記複数の反応管の隣接する２本以上の前記反応管の間に形成される空間に反応管管軸方向に向かって燃料を噴射するように、前記一対の壁部の前記複数の反応管が設置されている一対の固定領域の少なくとも一方に固定された１以上の第２バーナと、
   前記燃焼室内の排気ガスを通気性を有する蓄熱手段を通して炉外に排出し且つ前記蓄熱手段の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を前記燃焼室内に供給する熱交換型燃焼用空気供給装置とを備えた反応炉の燃焼制御方法であって、
   前記燃焼室の外部に配置されて前記燃焼室内の前記燃焼ガスを前記燃焼室外に出した後再度前記燃焼室内に導入する燃焼ガス循環装置を更に設け、
   前記反応炉内が高温空気燃焼状態になるまでは主として前記複数の第１バーナを燃焼させて前記燃焼室内の温度を上昇させる工程と、
   前記燃焼室内が高温空気燃焼状態になった後に、前記１以上の第２バーナの燃焼量を増大させる工程と、
   前記１以上の第２バーナの燃焼量の増加に伴って前記複数の第１バーナの燃焼量を減少させて必要な燃焼状態を得る工程と、
   前記燃焼ガス循環装置から前記燃焼室内に再導入する前記燃焼ガスによって、前記１以上の第２バーナの火炎を制御する工程とからなることを特徴とする反応炉の燃焼制御方法。
5. 前記第２バーナの火炎が前記反応管が延びる方向に延びるように前記１以上の第２バーナの火炎を規制するガス流を前記燃焼室内に形成するように、前記燃焼ガス循環装置から前記燃焼室内に再導入する前記燃焼ガスの導入方向及び流量を定めることを特徴とする請求項３または４に記載の反応炉の燃焼制御方法。
6. 前記一対の固定領域の一方の固定領域に前記１以上の第２バーナが固定され、
   前記一対の固定領域の他方の固定領域が位置する前記壁部には、前記他方の固定領域の外側位置に前記燃焼ガス循環装置の１以上の導出口及び複数の噴射口が配置され、
   前記複数の噴射口から前記燃焼室内に再導入された前記燃焼ガスは、前記一対の壁部の前記一方の固定領域の外側に位置する壁面に当った後前記１以上の第２バーナの前記火炎を規制する前記ガス流を形成することを特徴とする請求項５に記載の反応炉の燃焼制御方法。
7. 内部に燃焼室を有する炉本体と、
   前記炉本体の炉壁に設けられて前記燃焼室内において燃料を燃焼する複数の第１バーナと、
   前記燃焼室内の排気ガスを通気性を有する１以上の蓄熱体を通して炉外に排出し、前記１以上の蓄熱体の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を前記複数の第１バーナに供給するように構成された複数の第１バーナ用燃焼用部分空気供給装置と、
   前記炉壁の対向する一対の壁部間に固定されて互いに同じ方向に延びるように並設された複数の反応管とを備え、
   前記複数の反応管の外側に複数の前記第１バーナが、前記反応管が延びる方向または前記反応管が延びる方向と交差する方向に燃料を噴射するように前記炉壁に固定されている反応炉であって、
   前記複数の反応管の隣接する２本以上の前記反応管の間に形成される空間に前記反応管が延びる方向に向かって燃料を噴射するように、前記一対の壁部の前記複数の反応管が固定されている一対の固定領域の少なくとも一方に固定された１以上の第２バーナと、
   前記燃焼室内の排気ガスを通気性を有する１以上の蓄熱体を通して炉外に排出し、前記１以上の蓄熱体の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を前記１以上の第２バーナに供給する１以上の第２バーナ用燃焼用部分空気供給装置と、
   前記燃焼室の外部に配置されて前記燃焼室内の前記燃焼ガスを前記燃焼室外に出した後再度前記燃焼室内に導入する燃焼ガス循環装置とを更に備え、
   前記第２バーナの火炎が前記反応管が延びる方向に延びるように前記１以上の第２バーナの火炎を規制するガス流を前記燃焼室内に形成するように、前記燃焼ガス循環装置から前記燃焼室内に再導入する前記燃焼ガスの導入方向及び流量が定められていることを特徴とする反応炉。

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