JP2007263550A

JP2007263550A - フレア装置

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Publication number: JP2007263550A
Application number: JP2007079094A
Authority: JP
Inventors: Jianhui Hong; ホンジャンフイ; James Wilkins; ウィルキンズジェイムズ; Jeff William White; ウィリアムホワイトジェフ; Roger L Poe; エル．ポーロジャー
Original assignee: John Zink Co LLC
Current assignee: John Zink Co LLC
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2007-10-11
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Abstract

【課題】蒸気消費の少ない、可燃性ガスを燃焼させるためのフレア装置を提供する。
【解決手段】フレアチップユニットは、それらの間に輪状部を画定する内側部材と外側部材とを備えている。その輪状部は、可燃性ガスが通過する輪状ガス通路を画定している。蒸気によって移動される空気が内側部材を通過し、蒸気と空気の混合気が内側部材の排気口を出る。可燃性ガスと、空気と蒸気の混合気とが、内側部材の排気口と外側部材の出口開口部との間のプレミックスゾーン内で混合される。可燃性ガスと空気と蒸気の混合気は着火され、出口開口部の上方の大気中で燃焼する。このフレア装置は、複数のフレアチップユニットを備えていてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、改善されたフレア装置に関し、より具体的には効率的な蒸気補助式のフレア装置に関する。

可燃性ガスを燃焼させて処分するためのフレア装置は周知である。フレア装置は、一般にフレアスタックに装着され、引火性の廃ガスまたは他の引火性のガス流を処理するために、生産プラントや精錬プラント、加工プラントなどに配置されており、このようなフレア装置は限定しないがガス抜き、運転停止、混乱および／または緊急事態を含めた理由により転用される。フレア装置は、火災や動力故障など、プラントの緊急事態の場合にきわめて重要であり、また正しく動作するフレアシステムは、上記の状況または他の状況のいずれにおいても、プラントの破壊を防止するために重要な構成要素である。

一般に、引火性ガスは煤煙を生じることなく燃焼させることが望ましく、通常そのような無煙または実質的に無煙の燃焼は必須のものである。無煙の燃焼を達成する１つの方法は、燃焼用空気を蒸気ジェットポンプで供給することにより達成されるものであり、そのポンプはエゼクタと呼ばれることもある。燃焼用空気により、引火性ガスが十分に酸化して煤煙の発生が防止される。したがって、一般に蒸気はフレア装置において空気を移動させるための輸送力として用いられている。十分な量の燃焼用空気が供給され、その供給された空気が可燃性ガスと十分に混合すると、蒸気と空気の混合気および引火性ガスは無煙で燃焼することができる。一般的なフレア装置では、必要な燃焼用空気の一部のみが、送風機、または蒸気、圧縮空気もしくは他のガスを用いたジェットポンプなどの輸送力を用いて供給されている。必要な燃焼用空気の大部分は、火炎の長さに沿った周囲の空気から得られている。

ある種の既知の蒸気補助式フレア装置は、その中に引火性ガスが送給される概ね円筒形のガス管を備えている。下部からの蒸気は、吸気口における複数の蒸気管を介して送給され、蒸気管の湾曲部を通り抜けるよう強制され、それによって圧力降下が生じる。その湾曲部において、蒸気管は外筒と平行になるように向きが変えられる。中心の蒸気はガス管の中心に噴射され、その結果、引火性ガスおよび蒸気が外管を上向きに通過し、下部の蒸気管を出たところで混合する。ガス管の上端部すなわち出口において、蒸気噴射装置が蒸気を半径方向の内側に向けて噴射し、ガス管を出た混合気の外縁を制御し、蒸気と空気とガスの混合気に着火する。中心の蒸気は、ガス管の内部で燃焼が生じないように供給される。内部燃焼は、一般にパージ量などのガス流量が低い場合に見られ、横風や上部の蒸気によって発生するキャップ効果によって悪化し、またパージガスが空気よりも低い分子量を有する場合にも悪化する。パージ量とは一般に、フレアスタックにおける爆発を防止するために絶えずフレアに流れる最小のガス流量のことである。

他の種類の蒸気補助式フレアは、中心および上部の蒸気噴射装置のみを使用し、同様の方式で動作する。本明細書において説明する蒸気補助式フレアは、無煙の燃焼を達成することができる。しかしながら、そのようなフレア装置は過剰な騒音を生じることがある。下部からの蒸気による騒音は弱めることができるが、上部の蒸気による騒音は、燃え上がる火炎に近接しているので、弱めることは困難であり、また実用的でもない。下部の蒸気に対する消音器は、コストを増すだけでなく、フレアスタックの風荷重をも増加させ、結果としてフレアスタックのコストを増加させる。蒸気のコストが高く、また蒸気の供給に関連する配管およびフレアスタック構造のコストも高いので、より少ない蒸気を利用して無煙の燃焼を達成することが望ましい。したがって、騒音を低減するため、また効率を向上させ、それによってより多くの燃料がより少ない蒸気の付加で燃焼できるようにするために、可燃性ガスを空気と無煙で燃焼させることのできる改善されたフレア装置および方法が必要とされている。

本発明のフレア装置は、複数のフレアチップユニットを有している。各フレアチップユニットは、第１および第２の端部を有する外側部材と、吸気口および排気口を画定する内側部材とを有している。内側部材の少なくとも一部は、外側部材内に配置されており、好ましくは同心あるいは同軸に外側部材内に配置されている。輪状ガス通路は、各フレアチップユニットの内側部材と外側部材との間に画定されている。外側部材の上端部は出口開口部を画定しており、内側部材の上端部は内側部材の排気口を画定している。空気は、内側部材を通過し、内側部材の排気口を出て外側部材に入る。

可燃性ガスは、輪状ガス通路を通過し、輪状ガス通路を出て内側部材の排気口の上方で外側部材に入り、この外側部材内で可燃性ガスは空気と混合する。内側部材の排気口と出口開口部との間の空間はプレミックスゾーンと呼ばれることがあるが、そのように呼ばれる理由は、この空間において、ガスと少なくとも空気との混合気が、出口開口部を通り抜けて大気中で燃焼する前に混合される空間だからである。

ファンや送風機などの機械的な装置を利用することにより、内側部材を通じて空気を移動させることも可能であるが、好ましくは蒸気を空気の輸送力として利用する。蒸気を使用する方式と同様に、圧縮空気、窒素、二酸化炭素、燃料ガスまたは他のガスを、輸送力として使用することも可能である。本発明の好ましい実施形態において、蒸気は、空気を内側部材内に引き込むために十分な速度で、内側部材の吸気口内に噴射され、その結果、蒸気と空気の混合気は、内側部材の排気口を通じてプレミックスゾーン内に入る。好ましくは、プレミックスゾーンの長さは、輪状ガス通路の幅よりも大きく、好ましくは輪状ガス通路の幅の少なくとも４倍とする。プレミックスゾーンは、ガスが空気および蒸気と混合するための空間を提供し、さらに外周の制御を含んでいる。

好ましい実施形態において、本発明のフレア装置は、複数のフレアチップユニットを備えており、その複数のフレアチップユニットのそれぞれの内部にある輪状ガス通路は、単一の可燃性ガス供給部からガスを受け取る。その単一の可燃性ガス供給部は、例えば各フレアチップユニットが連結されたプレナムであってもよい。可燃性ガスは、そのプレナムから各フレアチップユニットの輪状ガス通路内に送給され、可燃性ガスと空気と蒸気の混合気は、各フレアチップユニットの出口開口部を通って大気中へと向かう。複数のフレアチップユニットにおける各ユニットは、好ましくはそれらに関連付けられた蒸気噴射装置を備えており、その蒸気噴射装置は空気がフレアチップユニットの内側部材を通過できるようにするための輸送力を供給するものである。好ましくは、蒸気噴射装置のそれぞれに単一の発生源から蒸気が供給される。可燃性ガスは、フレアスタックに連結されるガス管を通じてプレナムに送給することができる。

ここで図面を参照すると、フレアチップ１０とも呼ばれることがあるフレア装置を示している。フレア装置１０は、フレアスタックの最上部で使用するように形成されており、フレアスタックは、当技術分野では知られているように、可燃性ガスを可燃性ガス発生源からフレア装置１０に送給するものである。可燃性ガスは、精錬プラント、化学プラント、生産拠点、ＬＮＧ生産プラントまたは他の発生源からの廃ガスであってもよい。このガスは、例えば、プロパンガス、プロピレン、天然ガス、水素ガス、一酸化炭素、エチレンまたは他のガスを含んでいてもよい。フレア装置１０は、単一のガス供給源２０から可燃性ガスを受け取るための複数のフレアチップユニットすなわちフレア構造１５を備えており、その単一のガス供給源２０は、図１ではプレナム２０である。フレアスタック（不図示）に連結可能なガス管２５は、可燃性ガス発生源から可燃性ガスをプレナム２０に運んでいる。

フレア装置１０は、各フレアチップユニット１５を通じて空気を移動させる輸送力を供給するために複数の蒸気噴射装置３０を備えている。したがって、各フレアチップユニット１５は、それらに関連付けられた蒸気噴射装置３０をそれぞれ有している。そして、蒸気は、各蒸気噴射装置３０に単一の蒸気発生源（不図示）から供給されることが好ましい。蒸気発生源は、蒸気噴射装置に連結され、当技術分野では既知の任意の手段によって制御することができる。動作の際に、可燃性ガスは、ガス管２５を通じてプレナム２０に運ばれる。空気及び蒸気と可燃性ガスとの混合気は、それぞれのフレアチップユニット１５から大気中に出て効率的に燃焼するように着火される。本発明のフレア装置１０は、必要な蒸気をより少なくできるという点で、従来のフレアチップよりも効率的である。また、フレア装置１０は、他の蒸気補助式フレア装置よりも低い騒音のレベルで動作する。これらの利点および他の利点は、以下でより詳細に説明する。

ここで図２を参照すると、各フレアチップユニット１５は、内側管状部材３２と外側管状部材３４とを備えている。内側部材３２は長手方向の中心軸３６を有する概ね円筒形の内側部材であることが好ましい。内側部材３２は、第１の端部すなわち下端部３８と第２の端部すなわち上端部４０とを有している。吸気用の鐘状部４２が第１の端部３８に画定されるようにしてもよい。この吸気用の鐘状部４２は、蒸気を吸気口４４へ導くものである。蒸気噴射装置３０は、スパイダ型の噴射装置であってもよく、そのスパイダアームは蒸気を噴射する噴射口を有している。その蒸気は、吸気用の鐘状部の表面に導かれるようにしてもよいし、また内部のコアンダノズルと同様であってもよい。内側部材３２の吸気口４４は、下端部３８において画定され、上端部４０は内側部材３２の排気口４６を画定している。好ましい実施形態では、少なくとも空気、好ましくは蒸気と空気の混合気は、内側部材３２を通過して内側部材３２の排気口４６を通過し、外側部材３４内に入る。内側部材３２は外面４８と内面５０とを有し、その内面５０は内側部材３２を通過する空気または空気と蒸気の通路５２を画定している。内側部材３２は吸気口４４から排気口４６まで直線状の円筒であることが好ましく、湾曲、突起、窪みまたは他の妨害物がなく、したがって、内側部材３２を通る空気または蒸気と空気の流れが妨害されないことが好ましい。

外側部材３４は、好ましくは内側部材３２と同軸であり、長手方向の中心軸３６を共有している。外側部材３４は、第１の端部すなわち下端部５４と第２の端部すなわち上端部５６とを有している。出口開口部５８は、上端部５６により画定されている。外側部材３４は、外面６０と内面６２とを有している。輪状ガス通路６４と呼ばれる輪状通路が、内側部材３２と外側部材３４との間で画定されている。ガス吸気口６６は、図示した実施形態では外側部材３４の下端部５４で画定されており、ガス排気口６８は内側部材３２の上端部４０で画定されている。図面より明らかなように、内側部材３２の排気口４６は、出口開口部５８よりも下側に配置されており、尚且つ出口開口部５８から離隔されている。排気口４６と出口開口部５８との間の距離は、プレミックスゾーン（予備混合領域）７０と呼ばれることもある。ガス排気口６８を通じて輪状ガス通路６４を出た可燃性ガスは、プレミックスゾーン７０に入り、少なくとも空気と混合され、また図示の実施形態では内側部材３２の排気口４６を通過してきた空気と蒸気の混合気と混合される。可燃性ガスは、空気と蒸気の混合気とプレミックスゾーン７０において混合され、ガスと蒸気と空気の混合気は出口開口部５８を通過し、大気中で燃焼するように着火される。したがって、プレミックスゾーン７０の長さは、筒内において空気と蒸気の流れが十分に広がって可燃性ガスと混合されるような長さとなる。プレミックスゾーン７０の長さ７２は、好ましくは輪状ガス通路６４の幅７４よりも大きく、さらに好ましくは輪状ガス通路６４の幅７４の少なくとも４倍大きく、またより好ましくは輪状ガス通路６４の幅７４の４倍から５倍大きくなるようにする。外側部材３４のうち内側部材３２の上方に延びてプレミックスゾーン７０を画定している部分は、外周制御部分と呼ばれることもある。これは外側部材３４のこの部分によって、燃焼が発生する前に空気と可燃性ガスが混合することを可能にしていることに加えて、周囲の風が未燃焼の可燃性ガスを押し流したり、大気中に煤煙を生じたりすることを防止しているからである。

好ましい実施形態において、外側部材３４は円筒区間７８を備えており、その円筒区間７８は外側部材３４の下端部５４から円筒区間７８の上端部８０まで延びている。円筒区間７８は、第１の円筒区間７８と呼ばれることもある。半径方向内向きに向かう円錐部は末細の円錐状部８２と呼ばれることもあり、円筒区間７８の上端部８０から上向きに上端部８４まで延びている。末細の円錐状部８２は、好ましくは少なくとも空気とガスとの混合を促進する。第２の円筒区間８６は、末細の円錐状部８２から上向きに延びている。第２の円筒区間８６は、少なくとも空気とガスとの混合をさらに促進し、より均等な速度分布を可能にする。第２の円筒区間８６は、上端部８８を有している。半径方向外向きに向かう円錐状部は末広の円錐状部９０と呼ばれることもあり、第２の円筒区間８６の上端部８８から上向きに延びている。末広の円錐状部９０は、半径方向外向きに第２の円筒区間８６から約４５°の角度で広がっていることが好ましい。概ね水平な火炎保持リングである火炎保持リング９２は、末広の円錐状部９０の上端部９１から半径方向内向きに延びていることが好ましい。火炎保持リング９２は、複数の開口部９９を備えていてもよく、その複数の開口部９９を可燃性の混合気が通過し、安定な火炎を火炎保持リング９２上に形成することを可能にしている。図１では、８つの開口部９９を示している。しかしながら、より多くの開口部９９を図１に示す間隔よりも近い間隔となるように形成することが好ましい。火炎保持リング９２は、空気と蒸気と可燃性ガスの混合気の流れを妨げたり、制限したりすることがないことが好ましい。したがって、補助媒体または輸送ガス（すなわち、蒸気、圧縮空気、燃料ガスもしくは他の任意のガス）あるいは送風機の空気が失われた場合でも、可燃性ガスを内側部材３２内へ逆向きに、すなわち下向きに流動させることはない。出口開口部５８を備えた火炎保持リング９２の内径は、第２の円筒区間８６の内径に等しいか、それよりもわずかに小さいことが好ましい。火炎保持リング９２の内径は、出口開口部５８が輪状ガス排気口６８の断面積よりも小さい断面積となることが好ましく、ガス排気口６８の面積よりも２０％大きい断面積となることがより好ましい。

図２の実施形態において、プレナム２０は、概ね曲線状の上部プレート９３と、曲線状の下部プレート９４とを備えており、それらのプレートは断面形状が概ね楕円の形状を形成しており、またプレナム内部９５を画定している。外側部材３４は、プレナム内部９５内へ延びており、その結果として下端部５４およびガス吸気口６６はプレナム内部９５の中に配置されている。外側部材３４は、吸気用の鐘状部９７を備えていてもよい。あるいは、外側部材３４は、下端部５４が曲線状の上部プレート９３で終端するように形成されていてもよく、これにより、ガス吸気口６６が曲線状の上部プレート９３によって画定されるようになってもよい。内側部材３２は、プレナム２０を完全に貫いて延びており、したがって、第１および第２の端部３８、４０はそれぞれ、プレナム２０の外部に配置されている。このようにして、単一の可燃性ガス供給部であるプレナム２０は、可燃性ガスを複数のフレアチップユニット１５に供給し、より具体的には、ガス管２５を通じてプレナム２０に入る可燃性ガスを、可燃性ガス発生源（不図示）から各フレアチップユニット１５の輪状ガス通路６４に送給している。

可燃性ガスは、ガス排気口６８を通過して輪状ガス通路６４から出て、プレミックスゾーン７０に入る。可燃性ガスは、内側部材３２を通って移動してきた少なくとも空気と混合される。空気は、蒸気噴射装置３０によって内側部材３２内に噴射された蒸気と共に各内側部材３２を通って移動してくることが好ましい。本明細書で示すように、蒸気は、各噴射装置３０に単一の蒸気発生源から供給されることが好ましく、また空気が蒸気と共に吸気口４４から内側部材３２内に引き込まれるような速度で噴射されることが好ましい。蒸気噴射装置３０は、スパイダ型の噴射装置、または他の既知の噴射装置を備えていてもよく、また蒸気噴射装置および吸気用の鐘状部４２は、内部コアンダノズルと同様に動作することが可能である。空気と蒸気の混合気は、内側部材３２の排気口４６を通過してプレミックスゾーン７０に入り、その中で可燃性ガスと混合する。可燃性の空気と蒸気の混合気は、出口開口部５８を通過し、そこで大気中で着火されて燃焼する。

他のプレナム構成を用いることもでき、本明細書における説明は限定することを意図するものではない。たとえば、図３に示すフレア装置１０ａは、概ね円筒形のドラムを備えたプレナム９６を有しており、そのドラムは、下部プレート９８と、上部プレート１００と、その上部プレート１００と下部プレート９８とを連結する側壁１０２とを有している。図２のフレアチップユニットと同じ構成要素については、図３でも同様の符号が付けられているが、添え字「ａ」を含んでいる。プレナム９６は、図２に示す実施形態で説明したように、可燃性ガスが供給されるプレナム内部１０４を画定している。図３に示す実施形態では、分子シール、または管状のシール１０６が備えられている。分子シール１０６は、下端部１０８を有しており、その下端部１０８は下部プレート９８に連結されており、そこから上端部１１０へ向かって上向きに延びている。上端部１１０は、外側部材３４ａの下端部５４ａよりも高くなるように配置され、尚且つ下端部５４ａに外接している。その結果、シールの輪状部１１２が分子シール１０６と外側部材３４ａとの間に画定される。したがって、図３に示す実施形態において、外側部材３４ａの下端部５４ａはプレナム内部１０４内に配置されている。可燃性ガスは、プレナム９６に入り、分子シール１０６の上端部１１０を回り、外側部材３４ａの下端部５４ａを回り、輪状ガス通路６４ａ内へと上向きに移動する。分子シール１０６の設置は任意であるが、内部燃焼が起こる可能性やパージガスの必要性を軽減するために使用することができる。分子シール１０６は、空気がプレナム９６に入ることを防止し、またプレナム９６内での燃焼を防止する。空気が可燃性ガスよりも重い場合、空気は分子シール１０６の底部に滞留する。空気が可燃性ガスよりも軽い場合、空気は可燃性ガスによって押し出される。

図４は、本発明のフレア装置１０ｂを示しており、ここで、ガス供給部は、ガスをガス管２５から受け取るライザー１１４を備えている。本明細書で説明するように、ガスライザー１１４は、管状のスポーク１１６を通じてガスを分配し、そのスポーク１１６が、それぞれ可燃性ガスをフレアチップユニットに送給している。図４におけるフレアチップユニットは、図２と同様の符号が付けられており、添え字「ｂ」を含んでいる。

本発明のフレア装置は、従来のフレア装置に対して多数の利点をもたらすものであり、従来のフレア装置の構成の１つを図１６および１７に概略的に示す。従来のフレアチップ１１６は、外筒１１８を備えており、その外筒１１８内に可燃性ガスが送給される。蒸気は、中央の蒸気噴射装置１２０を通じて外筒１１８内に噴射される。複数ある下部の蒸気噴射装置１２２が、複数ある下部の蒸気管１２４内に蒸気を送る。可燃性ガスは、外側シリンダ１１８内で下部の蒸気管１２４の間を移動する。上部に供給される蒸気は、上部の蒸気噴射装置１２６によって噴射される。この上部の蒸気は、外周制御を維持するために必要であり、また空気と蒸気と可燃性ガスの混合気を外側シリンダ１１８の上方に効率的に供給して無煙燃焼させるために必要である。

フレアチップ１１６は、本発明のフレア装置よりも多くの蒸気を必要とするが、この理由は、噴射装置１２２からの蒸気が本発明の内側部材３２のように直線状の経路をたどるのではなく、曲がって向きを変えるからである。さらに、中心および上部からの蒸気噴射装置だけでなく、時には下部からの蒸気噴射装置も必要となるため、従来技術の構成で生成される騒音は極めて大きいものとなり、下部からの蒸気に対しては消音器が必要になることもある。燃え上がる火炎がそれらの消音器に損傷を与えることがあるため、上部からの蒸気は、消音することが困難になるか、または非実用的である。本発明の各フレアチップユニットは、蒸気の噴射場所を１箇所しか必要とせず、蒸気の発生源を１つしか必要としないが、従来技術の構成では蒸気の発生源として一般に、上部、下部および中心の各位置に蒸気噴射装置が必要となる。中心、下部および上部からの蒸気は、共通の蒸気ラインに連結できることもあるが、そのようにすると動作の柔軟性が低下し、問題を生じることがある。

たとえば、中心の蒸気を下部または上部の蒸気に連結すると、蒸気ラインを共有する他の蒸気発生源をオフにせずに中心の蒸気をオフにすることは不可能となる。ある悪条件下では、中心の蒸気をオフにし、他の蒸気発生源を稼動させ続けることが望ましい場合がる。そのような悪条件としては、１）酷寒または極寒の天候、２）酸性のガス、３）水と反応してポリマーを形成するガスなどが挙げられるが、これらに限定されるわけではない。１つまたは複数の上述した悪条件下において、中心の蒸気をオフにするには、通常パージガス速度を相当に増加させて、内部燃焼によってフレアチップが急速に損傷することを防止する必要がある。パージガス速度を増加させると、しばしば高コストとなって末端の消費者に影響が及ぶことになる。本発明は、中心の蒸気や高いパージ速度を必要とせずに、内部燃焼を防止することができる。試験が示したところでは、最低量の輸送力（例えば、蒸気または送風機）を利用した場合でも、輪状ガス通路６４においても、プレナム２０においても、また管２５においても内部燃焼は生じない。本発明では、完全に蒸気が停止した場合でも、内部燃焼を防止することができる。または、少なくとも以下の方法によって内部燃焼を制限することができる。その方法としては、１）圧縮空気または窒素などの他の輸送ガスを蒸気ラインに送ること、２）パージ速度を相当に増加させることである。これらはいずれも自動化することが可能である。

従来技術の構成における他の欠点は、下部および上部からの蒸気の個別制御を調整することが困難なことである。上部からの蒸気は通常、垂直にかつ内向きに噴射される。異なる蒸気ノズルからの上部の蒸気は、フレアチップの上方で衝突して、局所的な高圧領域を生じることがある。この高圧領域は、可燃性の混合気を、フレアチップ内に送り込んで内部燃焼を生じ、また下に向かって下部の蒸気管内に送り込むことがある。それによってフレアチップ全体が火炎に包まれることがある。これは一般に、上部の蒸気によるキャップ効果と呼ばれている。下部の蒸気速度が、キャップ効果に打ち勝つために不十分である場合、可燃性の混合気は下向きにかつ逆向きに移動し、下部の蒸気管の吸気口を通ってフレアチップは火炎に包まれ、急速にチップを損傷する。したがって、上部の蒸気に対して下部の蒸気の流速は十分な速度を維持することが必要である。本発明は、単一の蒸気発生源のみを必要としているので、上部および下部における蒸気の制御を個別に調整する必要性を排除している。

図１および図２のフレア装置は、プレナム２０と６つのフレアチップユニット１５とを備えている。図４のライザーを備えた実施形態では、４つのフレアチップユニットを備えている。本発明のフレア装置において、より多いまたはより少ないフレアチップユニットを使用してもよく、また必要に応じて単一のフレアチップユニットをフレア装置として利用してもよい。たとえば、図１５は単一のフレアチップ装置１３０を示している。フレアチップユニット１３０は、各フレアチップユニット１５と類似しているので、輪状ガス通路１３６を画定する内側部材１３２と外側部材１３４とを有している。外側部材１３４は出口開口部１３８を画定している。内側部材１３２は、先に述べた内側部材３２と概ね同一であり、好ましくは蒸気噴射装置１４０から蒸気を受け取るように構成されている。また必要に応じて内側部材１３２を通じて空気を移動させるためのファンや他の既知の構造から、内側部材１３２が空気を単に受け取るようにすることも可能である。内側部材１３２は、任意選択により、吸気用の鐘状部を備えていてもよいことが理解できるだろう。好ましい実施形態では、空気を引き込み、内側部材１３２の上端部の排気口１４２を通じてプレミックスゾーン１４４内へ空気を上向きに移動させるために十分な速度で、蒸気が噴射される。外側部材１３４は閉じた下端部１４５を有し、可燃性ガスの吸気口すなわち入口１４６は外側部材１３４の側面に画定されている。それ以外の点では、外側部材１３４は、先に述べた外側部材３４と実質的に同一である。可燃性ガスは、当技術分野で知られているように、フレアスタックから供給される。プレミックスゾーン１４４において混合された蒸気と空気と可燃性燃料の混合気は、出口開口部１３８を出て、好ましくは無煙の方式で大気中に放出されて燃焼する。この点において、単一のフレアチップユニット１３０の動作は、フレアチップユニット１５について説明した通りである。

本明細書で説明するフレア装置のフレアチップユニットの外側部材は、複数の異なる構成を備えていてもよい。ある例示的な構成の上部を図８〜１４に示す。図８は、末細の円錐状部１５２を有する外側部材１５０を示しており、この外側部材１５０は概ね円筒形の区間１５４から上向きに延びている。円錐角１５５は、０°と７５°の間、好ましくはおよそ１７°である。末細の円錐状部１５２によって画定される出口開口部１５６は、基本的に輪状ガス排気口である輪状の燃料通路の絞り点（チョークポイント）１５８の面積と比較して、小さくなく尚且つ２０％大きい面積を有していることが好ましい。必要に応じて、フレアチップユニットの内側部材の上端部は、図９および図１０に示すように、末細の円錐状部１６０または末広の円錐状部１６２が取り付けられるようにしてもよい。

図１１のフレアチップユニットの外側部材は、フレアチップユニットの外側部材の円筒状部分１６７から上向きに延びる第１および第２の末細の円錐状部１６４および１６６を備えており、ここで、第１の末細の円錐状部１６４の円錐角１６８は、第２の末細の円錐状部１６６の円錐角１７０よりも小さい。図１２において、外側部材の概ね円筒状の部分１７１は、第１および第２の末細の円錐状部１７２および１７４をそれぞれ備えており、第１の円錐角１７６は、第２の円錐角１７８よりも大きい。図１３では、双曲線形状１８０が外側部材の円筒状の区間１８２から上向きに延びている。フレアチップユニットの最も簡潔な構成を図１４に示しており、この構成は単に、直線状の円筒内側部材１８４および円筒外側部材１８６を備えている。図８〜図１４に示すフレアチップユニットは、それぞれ本明細書で説明したフレアチップユニット１５と同様に動作することが理解できるであろう。図８〜図１４は、単に可能となる様々な構成を例示するために追加したものである。すべての場合の内側部材は、その吸気口から排気口まで直線状の円筒形であることが好ましく、その円筒形には蒸気を導くための吸気用の鐘状部が任意に選択して形成されている。

本明細書で論じるように、フレアチップユニットの好ましい実施形態は、フレアチップユニット１５を備えており、そのフレアチップユニット１５は、外側部材３４と内側部材３２とを有し、内側部材３２はその吸気口４４から排気口４６まで実質的に直線状である。必要に応じて、図６および図７に示すように、内側部材が途中に湾曲部を備えたフレアチップユニットを利用してもよい。図６および図７には、フレアチップユニット２００および２００ａをそれぞれ示している。フレアチップユニット２００ａは、フレアチップ２００と類似しているので、共通の部品には同じ識別符号を付けて添え字「ａ」を付与している。フレアチップユニット２００ａは、さらなる蒸気噴射装置が追加されたものであり、したがって、主な説明はフレアチップユニット２００に関するものと同一である。

フレアチップユニット２００は、内側部材２０２と外側部材２０４とを有している。内側部材２０２は、通路２０３を画定しており、空気や、好ましくは蒸気噴射装置２０６から供給される蒸気によって移動する空気を受け取れるようになっている。蒸気および空気は、内側部材２０２の吸気口２０８に入る。蒸気および空気は、内側部材２０２の排気口２１０を通過する。内側部材２０２は、外側部材２０４の側面を貫通しており、また吸気口区間２１２から概ね鉛直な区間２１４へ曲がる湾曲部２１１を備え、この湾曲部２１１は外側部材２０４の中に位置している。ガスは、外側部材２０４内に送給され、内側部材２０２の鉛直部分２１４と外側部材２０４との間に画定された輪状ガス通路２１６を上向きに通過する。鉛直区間２１４と外側部材２０４とは同軸であり、長手方向の重心軸２１５を共有している。プレミックスゾーン２１８は、排気口２１０と外側部材２０４の出口開口部２２０との間に画定されている。内側部材２０２内に蒸気を送給するための複数の開口部２２３を有するドーナツ形状のプレナム２２２から、内側部材２０２内に蒸気が噴射されることを除いて、フレアチップユニット２００ａはフレアチップユニット２００と同一のものである。

フレア装置は、単一のフレアチップユニットとして使用されても、単一の可燃性ガス供給部を有する複数のフレアチップユニットとして使用されたとしても、無煙燃焼を達成するために必要な蒸気の量を低減させることができる。たとえば、図１４に示すような２つの直線状円筒を備えた単一のフレアチップユニットの場合、毎時３，２００ポンド（１，４５２キログラム）の蒸気消費速度で、１時間当たり１３，０００ポンド（５，８９７キログラム）のプロピレンの無煙燃焼が達成された。内側部材は直径８インチ（２０．３２センチメートル）の管状部材、外側部材は直径１２インチ（３０．４８センチメートル）の管状部材であった。図１６および１７に示す装置に類似し、中心および上部の蒸気噴射装置のみを使用する類似した寸法の従来の装置は、１時間当たり１６，０００ポンド（７，２５８キログラム）のプロピレンの無煙燃焼を達成するために、１時間当たり６，０００ポンド（２７２．２キログラム）の蒸気を必要とする。したがって、本発明では蒸気消費量を３４％削減することができる。本明細書で説明する単一のユニットを、直径１６インチ（４０．６４センチメートル）の内側部材および直径２４インチ（８１．２８センチメートル）の外側部材へと寸法を２倍に拡大し、またプレミックスゾーンを図１５のものに改良すると、１時間当たり３９，０００ポンド（１７，６９０キログラム）のプロピレンを無煙燃焼させるのに、１時間当たり１３，０００ポンド（５，８９７キログラム）の蒸気が必要であった。図１６および図１７に示すものと同様の類似した寸法のフレア装置の場合では、１時間当たり３４，５００ポンド（１５，６４９キログラム）のプロピレンを燃焼させるのに、１時間当たり１６，０００ポンド（７，２５８キログラム）の蒸気が必要であり、これはプロピレンに対して蒸気を２８％削減することになる。複数のフレアチップユニットがプレナムによって連結されている場合、その効率の改善は、単一のフレアチップユニットと同様であり、多くの場合ではより効率を改善することができる。この理由は、複数のフレアチップユニット１５の間の空間によって、大気中の空気を各フレアチップユニットから個々の火炎の中に引き込むことができるからである。個々のフレアチップユニットは、その上方に火炎を有し、ある時点ですべての火炎が１つになり、中空の内部を有する概ね円筒形の火炎を形成する。空気は、その１つになった火炎の中に中空の内部から引き込まれることになる。極限まで火炎の高さが成長すると、単一の火炎が存在することになる。従来技術の構成では、単一の火炎がフレアチップから出ていただけなので、大気から引き込む空気が本発明と比較して少なかった。したがって、本発明では、空気を大気から火炎に引き込むので、無煙を達成するという点で、従来技術の構成よりも効率的である。

したがって、本発明は、その目的を達成するように、また上記の目標および利点ならびに本発明に固有の目標および利点が得られるように、十分に適合することが分かる。本発明の特定の好ましい実施形態について、その開示を目的として説明してきたが、部品の構成および配置ならびにステップの実施において様々な変更を当業者は行うことができ、それらの変更は添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲および趣旨に含まれている。

図１は、本発明のフレア装置の斜視図である。図２は、図１の２−２線における断面図である。図３は、本発明のさらなる実施形態の図２に類似した断面図であり、この実施形態は概ね円筒形状のプレナムを有している。図４は、ガスライザーをガス供給部として利用する本発明の実施形態の断面図である。図５は、図４の５−５線から見た図である。図６は、フレアチップユニットの他の実施形態の図である。図７は、フレアチップユニットの他の実施形態の図である。図８は、フレアチップユニットの他の実施形態、具体的には、様々な外側部材の構成を備えた実施形態である。図９は、フレアチップユニットの他の実施形態、具体的には、様々な外側部材の構成を備えた実施形態である。図１０は、フレアチップユニットの他の実施形態、具体的には、様々な外側部材の構成を備えた実施形態である。図１１は、フレアチップユニットの他の実施形態、具体的には、様々な外側部材の構成を備えた実施形態である。図１２は、フレアチップユニットの他の実施形態、具体的には、様々な外側部材の構成を備えた実施形態である。図１３は、フレアチップユニットの他の実施形態、具体的には、様々な外側部材の構成を備えた実施形態である。図１４は、フレアチップユニットの他の実施形態、具体的には、様々な外側部材の構成を備えた実施形態である。図１５は、単一のフレアチップユニットの実施形態を示す。図１６は、従来技術のフレア装置の概略図である。図１７は、従来技術のフレア装置の概略図である。

Claims

可燃性ガスを燃焼させるためのフレア構造であって、
第１および第２の端部を備え、前記第２の端部が出口開口部を画定する外側部材と、
吸気口および排気口を有する内側部材とを備え、
前記内側部材の少なくとも一部は、前記外側部材内に同軸に配置され、前記外側部材と前記内側部材との間に輪状ガス通路を画定し、
前記内側部材の排気口は前記外側部材の前記出口開口部の下方に配置され、
前記外側部材内に配置された前記内側部材の一部は実質的に直線状の円筒形であり、
少なくとも空気は前記内側部材の排気口を通過し、前記輪状ガス通路を通過してきた可燃性ガスと前記外側部材内の前記内側部材の上方で混合され、
前記可燃性ガスと少なくとも空気との混合気は燃焼するために前記出口開口部から前記外側部材を出るフレア構造。
請求項１に記載のフレア構造であって、
前記内側部材内に空気を引き込み、かつ空気を前記内側部材を通過させるのに十分な速度で、前記内側部材の吸気口内に蒸気を噴射する蒸気噴射装置をさらに備え、
空気と蒸気の混合気は前記内側部材の排気口を出て前記外側部材に入り、前記空気と蒸気の混合気は前記外側部材内で前記可燃性ガスと混合され、前記可燃性ガスと前記空気と蒸気の混合気は、燃焼するために前記出口開口部を通過するフレア構造。
請求項２に記載のフレア構造であって、前記外側部材の前記第１の端部が、前記可燃性ガスを前記輪状ガス通路に送給するためのガス吸気口を画定するフレア構造。
請求項２に記載のフレア構造であって、前記外側部材は前記ガス吸気口から前記出口開口部まで直線状の円筒であるフレア構造。
請求項２に記載のフレア構造であって、
前記外側部材は、第１および第２の端部を有する第１の円筒部分を備え、
前記第１の円筒部分の前記第１の端部は前記外側部材の前記第１の端部を含み、
前記第１の円筒部分の前記第２の端部から上向きに延びる末細の円錐状部を備えたフレア構造。
請求項５に記載のフレア構造であって、前記末細の円錐状部の少なくとも一部は、前記内側部材の前記排気口の上方で延びるフレア構造。
請求項６に記載のフレア構造であって、前記外側部材は、前記末細の円錐状部から上向きに延びる第２の円筒部分をさらに備えたフレア構造。
請求項７に記載のフレア装置であって、
前記外側部材は、
前記第２の円筒部分から上向きに延びる末広の円錐状部と、
前記末広の円錐状部の上端部から半径方向内向きに延びる概ね水平なリングとをさらに備えており、
前記水平リングは前記出口開口部を画定するフレア装置。
フレア装置であって、
請求項２に記載された複数のフレア構造と、
前記可燃性ガスを受け入れるためのプレナムとを備えており、
前記可燃性ガスは前記フレア構造内の前記輪状ガス通路に前記プレナムから送給されるフレア装置。
請求項９に記載のフレア装置であって、各フレアユニットの前記外側部材の前記吸気口に外接する分子シールをさらに備えたフレア装置。
請求項１０に記載のフレア装置であって、前記分子シールは、前記分子シールの第１の端部において前記プレナムに連結され、そこから上向きに前記分子シールの第２の端部へと延びる管状のシールを含み、
前記複数のフレア構造のそれぞれにおいて、前記分子シールと前記外側部材は、前記可燃性ガスが前記輪状ガス通路に入る前に通過しなければならないシール輪状部を画定するフレア装置。
可燃性ガスを燃焼させるためのフレア装置であって、
第１および第２の端部を有する単一の外側部材と、吸気口および排気口を有する単一の内側部材とを備え、前記内側部材の一部は前記外側部材内に配置されて輪状ガス通路を画定する複数のフレアチップユニットと、
可燃性ガスをそれぞれの前記フレアチップユニットの前記輪状ガス通路に送給するための可燃性ガス供給部とを備え、
前記輪状ガス通路を出た前記可燃性ガスは、前記外側部材内で前記内側部材の前記排気口を通過した少なくとも空気と混合され、前記少なくとも空気と前記可燃性ガスとの混合気は、前記外側部材の前記第２の端部で画定される出口開口部を通過するフレア装置。
請求項１２に記載のフレア装置であって、前記外側部材の前記第１の端部は、前記輪状ガス通路のガス吸気口を画定するフレア装置。
請求項１２に記載のフレア装置であって、
前記可燃性ガス供給部は可燃性ガスの発生源に連結されたプレナムを備え、
前記フレアチップユニットのそれぞれは前記プレナムに連結され、それによって前記ガス発生源から前記プレナムにより受け入れられた可燃性ガスは、前記プレナムから各輪状ガス通路内に送給されるフレア装置。
請求項１４に記載のフレア装置であって、
前記プレナムはプレナム内部を画定し、
可燃性ガスは前記可燃性ガス発生源から前記プレナム内に送給され、
それぞれの前記外側部材の第１の端部は前記プレナム内部に配置され、前記外側部材は前記プレナム内部から前記プレナム外部へ延び、
前記内側部材は前記プレナムを貫通し、これによって各前記フレアチップユニットの前記内側部材の吸気口および排気口は前記プレナムの外側にあるフレア装置。
請求項１５に記載のフレア装置であって、
前記プレナムは、
概ね平坦な上部プレートと、
前記上部プレートに連結され、かつ前記上部プレートから下向きに延びる円筒側壁と、
前記可燃性ガスを受け取るための開口部を有し、前記円筒側壁に連結された平坦な下部プレートとを備え、
前記上部プレート、前記下部プレート及び前記円筒側壁が、前記プレナム内部を画定するフレア装置。
請求項１６に記載の装置であって、複数の管状のシールをさらに備え、それぞれの前記管状のシールは前記下部プレートから上向きに延び、かつ各フレアチップユニットの前記外側部材の前記下端部に外接する装置。
請求項１４に記載のフレア装置であって、前記プレナムは曲線状の下部プレートに連結された曲線状の上部プレートを備えて前記プレナム内部を画定するフレア装置。
請求項１８に記載のフレア装置であって、前記曲線状の上部プレートおよび下部プレートは側壁によって連結されるフレア装置。
請求項１２に記載のフレア装置であって、
前記可燃性ガス供給部は、
可燃性ガスの発生源から可燃性ガスを受け取るためのガスライザーと、
前記ガスライザーから延びる複数のスポークとを備え、
それぞれの前記スポークは前記ライザーから前記複数のフレアチップユニットのうちの１つにガスを送給するフレア装置。
請求項１２に記載のフレア装置であって、
前記内側部材のそれぞれの中に蒸気を噴射するための蒸気噴射装置をさらに備え、
前記蒸気は空気を前記内側部材内に引き込んで、その空気と蒸気との混合気は前記内側部材の排気口を通過し、前記外側部材内で前記可燃性ガスと混合し、蒸気と空気と可燃性ガスの混合気は各フレアチップユニットの前記出口開口部を通過するフレア装置。
請求項１２に記載のフレア装置であって、
前記外側部材のそれぞれは、
概ね円筒形の部分と、
第１の円筒形の部分から上向きに延びる末細の円錐状部と、
前記末細の円錐状部から上向きに延びる第２の円筒形の部分とを備えるフレア装置。
請求項２２に記載のフレア装置であって、
前記外側部材のそれぞれは、
前記第２の円筒形の部分から上向きに延びる末広の領域と、
前記末広の領域から内側に延び、かつ前記出口開口部を画定する火炎保持リングとをさらに備えるフレア装置。
請求項１２に記載のフレア装置であって、前記内側部材のそれぞれに関連付けられた蒸気噴射装置であって、蒸気を各フレアチップユニットの前記内側部材内に噴射し、空気を前記内側部材内に引き込むのに十分な速度で、尚且つ空気が前記内側部材を通過するのに十分な速度で、蒸気を噴射する蒸気噴射装置をさらに備えたフレア装置。
請求項２４に記載のフレア装置であって、前記フレアチップユニットのそれぞれは、前記内側部材の排気口と前記出口開口部との間にプレミックスゾーンを画定し、可燃性ガスと蒸気と空気の混合気が前記出口開口部を通過する前に、前記プレミックスゾーンにおいて、前記内側部材の排気口を出た蒸気と空気の混合気と前記輪状ガス通路を出た可燃性ガスとを混合するフレア装置。
請求項２５に記載のフレア装置であって、前記フレアチップユニットの前記内側部材の上方で延びる前記外側部材の一部は、外周制御部分を備えているフレア装置。
請求項２４に記載のフレア装置であって、前記蒸気噴射装置は単一の蒸気発生源から蒸気を受け取るフレア装置。
可燃性ガスを燃焼させるための蒸気補助式フレア構造であって、
第１の端部および第２の端部を備え、前記第２の端部が出口開口部を画定する単一で管状の外側部材と、
前記外側部材内に同軸に配置され、空気と蒸気の混合気の通路を画定し、吸気口および排気口を有する単一で管状の内側部材と、
前記外側部材と前記内側部材との間に画定された輪状ガス通路と、
前記単一の内側部材内に蒸気を噴射するための蒸気噴射装置とを備えており、
蒸気と空気の混合気は前記内側部材の排気口を通過して前記外側部材内にあるプレミックスゾーン内に入り、前記輪状ガス通路内に送給された可燃性ガスは前記輪状ガス通路を出て前記プレミックスゾーンに入り、前記蒸気と空気の混合気と混合され、それにより可燃性ガスと蒸気と空気の混合気が、前記出口開口部を通じて出る蒸気補助式フレア構造。
請求項２８に記載された複数の蒸気補助式フレア構造を備えたフレア装置であって、前記蒸気補助式フレア構造はプレナムに連結され、前記プレナムは前記可燃性ガスを可燃性ガス発生源から受け取り、前記可燃性ガスを前記複数のフレア構造の前記輪状ガス通路に送給するフレア装置。
請求項２９に記載のフレア装置であって、単一の蒸気発生源が前記複数のフレア装置内にある前記複数の蒸気噴射装置に蒸気を供給するフレア装置。
請求項２９に記載のフレア装置であって、前記複数のフレア装置のそれぞれにおいて、前記外側部材の第１の端部が、前記輪状ガス通路へのガス吸気口を画定するフレア装置。
請求項２９に記載のフレア装置であって、前記内側部材は前記吸気口から前記排気口まで直線状の円筒であるフレア装置。
請求項３０に記載のフレア装置であって、前記内側部材の排気口から前記出口開口部までの距離が、前記輪状ガス通路の幅よりも大きいフレア装置。
請求項３３に記載のフレア装置であって、前記内側部材の排気口から前記出口開口部までの距離が、前記輪状ガス通路の少なくとも４倍であるフレア装置。
請求項２９に記載のフレア装置であって、
前記外側部材は、
前記輪状ガス通路の長さの少なくとも一部に沿って延びる第１の円筒区間と、
前記第１の円筒区間から上向きに延びる末細の円錐状部とを備えるフレア装置。
請求項３５に記載のフレア装置であって、
前記末細の円錐状部から上向きに延びる第２の円筒区間と、
前記第２の円筒区間から上向きに延びる末広の円錐状部と、
前記末広の円錐状部の上端部に連結された火炎保持リングとをさらに備えるフレア装置。
請求項２８に記載の蒸気補助式フレア構造であって、前記管状の外側部材は、第１の円筒区間と、そこから上向きに延びる末細の円錐状部とを備え、前記末細の円錐状部の少なくとも一部は、前記プレミックスゾーンを画定する蒸気補助式フレア構造。
請求項３７に記載の蒸気補助式フレア構造であって、
前記プレミックスゾーンは、前記末細の円錐状部の前記少なくとも一部と、前記末細の円錐状部から上向きに延びる第２の円筒区間と、前記第２の円筒区間から上向きに延びる末広の円錐状部と、前記末広の円錐状部の上端部から半径方向内向きに延びる火炎保持リングとによって画定される蒸気補助式フレア構造。
請求項２８に記載の蒸気補助式フレア構造であって、可燃性ガスを前記輪状ガス通路に送給するためのガス吸気口が、前記管状の外側部材の側面に画定される蒸気補助式フレア構造。
可燃性ガスを燃焼させる方法であって、
（ａ）同軸で構成された管状の内側部材と管状の外側部材との間の輪状部内に前記可燃性ガスを送給するステップと、
（ｂ）前記内側部材を通過させて前記内側部材の排気口から、前記外側部材のプレミックスゾーン内へと空気を移動させるステップと、
（ｃ）前記輪状部を通じて前記プレミックスゾーン内へ前記可燃性ガスを送るステップと、
（ｄ）前記外側部材の出口開口部を通じて前記空気と可燃性ガスを放出するステップと、
（ｅ）前記空気および可燃性ガスに着火するステップとを含む方法。
請求項４０に記載の方法であって、前記空気を移動させるステップは、空気を前記内側部材内に引き込むのに十分な速度で、尚且つ空気を前記内側部材の排気口へ移動させるのに十分な速度で、蒸気を前記内側部材内に噴射する方法。
請求項４１に記載の方法であって、前記内側部材からの蒸気と空気の混合気を前記可燃性ガスと前記プレミックスゾーン内で混合して可燃性混合気を形成するステップと、前記出口開口部を通過した前記可燃性混合気に着火するステップとを含む方法。
請求項４１に記載の方法であって、前記内側部材および外側部材はフレアチップユニットを構成し、前記方法は、複数の前記フレアチップユニットに対してステップ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）を実施するステップをさらに備える方法。
請求項４３に記載の方法であって、ステップ（ａ）は、各前記フレアチップユニットの前記輪状部に単一のガス供給部から前記可燃性ガスを送給する方法。
請求項４３に記載の方法であって、各前記フレアチップユニットにおいて単一の蒸気発生源から蒸気噴射装置に蒸気を供給するステップを含む方法。
請求項４１に記載の方法であって、前記プレミックスゾーンの長さが、前記輪状ガス通路の幅の少なくとも４倍である方法。