JP2008527283A - 低温液体を気化させるための装置および方法 - Google Patents

Abstract

低温液体を気化させるための装置を提供する。その装置は、燃料の無炎熱酸化によって排気ガスを生成する手段を含む。その装置は、また、排気ガスから低温液体へ熱を伝達する手段を含む。熱を伝達する手段は、排気ガスを生成する手段から排気ガスを受け取るために連結される。排気ガスを生成する手段は、所望により、充填床、充填床に燃料と空気の混合物を送るために配置された燃料と空気の混合物の注入口、および酸化器から熱を伝達する手段へ排気ガスを送るために配置された排気口を有する酸化器を含む。熱を伝達する手段は、所望により、熱伝達媒体を保持するように構成された容器、容器の中に伸びる低温液体用導管、および排気ガスを生成する手段から容器へ排気ガスを送るために配置された多孔分散管を含む。

Description

本発明は、低温液体を気化させる装置および方法に関する。特に、低温液体の気化のための熱を供給するための装置に関する。

しばしば低温液体を気化させること（すなわち低温液体の蒸発を引き起こし気化した状態にすること）が必要になったり、望まれることがある。液体の気化については種々様々の用途が存在するが、たとえば、液体天然ガス（ＬＮＧ）を燃料源として取り扱い分配することができるように液体天然ガスを気化させることがしばしば必要になったり、望まれることがある。

多くの気化装置は、必要な気化熱を生成させるために、バーナーと共に作動する。たとえば、水中燃焼型の蒸発器は、液化ガスの気化のための交換器管束とともにガスバーナーの燃焼排ガス管が取り付けられた水浴を含む。ガスバーナーは水浴の中に燃焼排ガスを放出し、それが水を加熱し、管束を通って流れる液化ガスを気化させるための熱を供給する。そのような気化装置は、たとえば、ＳＵＢ−Ｘの登録商標でシーラス・フルーイド・プロセシング社（Selas Fluid Processing Corporation）の１部門であるティー・サーマル社（T-Thermal Company）によって提供されている。

この型の蒸発器は、信頼でき、かつコンパクトな大きさであるが、それらは操作するのに費用がかかるようになるかもしれない。たとえば、そのような装置から窒素酸化物（ＮＯｘ）の放出を減少させるために、現在の慣行は、ＮＯｘの放出を減少させるための水注入と組み合わせて気体燃料バーナーを利用している。そのような装置においては、ＮＯｘの放出は３体積％酸素（乾燥量基準）換算値で約３０ｐｐｍｖｄに低減される。

ＮＯｘ放出をさらに削減するには、燃焼後触媒処理を必要とするかもしれない。たとえば、触媒処理システムは、水中に沈んだ液体浴の出口に配置してもよい。そのような処理は、液体浴を出るガスが燃焼後触媒システムに入る前に該ガスの含水量を減らすために、液体浴を出るガスを再加熱するために、バーナーの排気の一部分を利用する。しかしながら、バーナー排気のこの一部分の対応する使用は、バーナーガスのこの部分が低温液体を加熱するためには使用されないので、システムのエネルギー効率を落とすことになる。

したがって、低温液体の気化のための改善された方法および装置の必要性が残っている。

本発明の１つの態様によれば、低温液体を気化させる装置（system）が提供される。その装置は、燃料の無炎熱酸化によって排気ガスを生成する手段を含む。その装置は、また、排気ガスから低温液体へ熱を伝達する手段も含む。熱を伝達する手段は排気ガスを生成する手段から排気ガスを受け取るように連結されている。

排気ガスを生成する手段は、随意に、酸化器（oxidizer）を含み、酸化器は、充填床（matrix bed）、充填床に燃料と空気の混合物を送るように配置された燃料と空気の混合物の注入口、および酸化器から熱を伝達する手段に排気ガスを送るように配置された排気口を有する。熱を伝達する手段は、随意に、熱伝達媒体を保持するように構成された容器、容器の中に伸びる低温液体用導管、および排気ガスを生成する手段から容器に排気ガスを送るように配置された多孔分散管を含む。

本発明の別の態様によれば、低温液体を気化させる方法が提供される。その方法は、排気ガスを生成するために無炎熱酸化器中で燃料を酸化することを含む。その後、熱は排気ガスから低温液体へ伝達され、それによって低温液体を気化させる。酸化する工程は、随意に、充填床に燃料と空気の混合物を送ることを含み、伝達する工程は、随意に、熱伝達媒体に排気ガスを導入することを含む。

本発明のさらに別の態様によれば、方法は低温液体の気化器に熱源を供給する。その方法は、気化器に無炎熱酸化器を連結すること、および気化器に排気ガスを送るように無炎熱酸化器を構成することを含む。連結する工程は、随意に、気化器の多孔分散管に無炎酸化器の排気口を連結することを含む。

本発明のさらに別の態様によれば、ＮＯｘ放出の少ない低温液体を気化させる方法が提供される。その方法は、無炎熱酸化器を使用して燃料を酸化すること、および酸化する工程によって発生した排気ガスから低温液体へ熱を伝達することを含む。その方法は、随意に、３体積％酸素（乾燥量基準）換算で約５ｐｐｍｖｄ未満のＮＯｘを放出すること、約４ｐｐｍｖｄ以下のＮＯｘを放出すること、または約２ｐｐｍｖｄ以下のＮＯｘを放出することを含む。また、その方法は、随意に、触媒処理なしで行なわれる。

別の態様によれば、本発明は、媒体を含む充填床、および充填床の中に伸び且つ充填床の中に反応ガスを送るために配置された出口を有する注入管を有する無炎熱酸化器を提供する。充填床は、注入管の出口の近くの空隙の輪郭を定めている。

酸化器において、随意に、平円板が注入管の出口に隣接して配置され、反応ガスを注入管から遠ざかるように導くように構成される。充填床の中に輪郭を定められた空隙は、随意に、実質的に円柱状である。

別の態様によれば、本発明は、無炎熱酸化器中の圧力損失を減少させる方法を提供し、その方法は充填床によって輪郭を定められた空隙の中に注入管から反応ガスを導入することを含む。

次に、図を参照しながら本発明を説明する。そのような図は、本発明を限定するというよりはむしろ説明することを意図しており、本発明の説明を容易にするためにここに含まれている。それらの図は、寸法比率は正確ではなく、機械製図として役立つようには意図されていない。

無炎熱酸化器（ＦＴＯ）は、用役分配システムへ注入する前に液化天然ガスのような液体を気化させるために、本発明の１つの態様による低温熱交換器と連結されている。その結果として得られた気化装置は、通常従来の燃焼プロセスにはつきものの環境への窒素酸化物（ＮＯｘ）の放出を最小にする。多孔性の不活性媒体の充填床における商用燃料ガスと空気の熱反応は、無炎熱酸化器を使用して遂行される。反応は、所望により、充填床の内部の非平面反応波（non-planar reaction wave）を確立し維持することができる装置の中で行われる。

一般に、そして１つの典型的な実施態様によれば、気化装置は、充填床を含む容器、充填床の中に伸びる１つまたは２つ以上の供給管、バーナーまたは他の充填床予熱装置、（ペンシルベニア州ブルーベルのティーサーマル社（T-Thermal Company）が提供するSub-X（登録商標）熱交換器のような）熱交換器への連結配管、プロセス制御装置、および大気への排気口を含む。（たとえば図３に示される酸化器によって形成される非平面反応波のような）非平面反応波は、充填床の少なくとも一部を商用の燃料ガスと空気の混合物の最低の反応温度に加熱し、その混合物を制御された速度で供給管に供給することにより確立される。供給管を出る際、商用の燃料ガスと空気の混合物は非平面反応波で反応し、熱と無毒な燃焼生成物を生ずる。

非平面反応波で発生した熱は、運転中ずっと容器の内表面を８７１℃（１６００°Ｆ）以上、１３１６℃（２４００°Ｆ）未満の温度に維持し、それにより放出ＮＯｘの形成を最小にする。高温排気ガスは、容器から、配管を通って、水浴の中に沈められた特殊な低温熱交換器へ導かれる。急冷された排気ガスが水浴を経由する管の外表面と接触するとき、低温液体は熱交換器の内部にある管を通して導かれる。熱交換器の内部の低温液体は、水浴内の加熱されたガスの流れに起因するガス状生成物への相変化を完了する。排気ガスは水浴を出て、煙突経由で大気へ放出される。

装置の天然ガス気化能力は、運転圧条件に依存するが、約４，２００，０００〜５，７００，０００ｍ^３／日（約１５０〜２００百万立方フィート／日）の範囲にある。無炎熱酸化器の発熱速度は１２７ＧＪ／時（１２０ＭＭＢｔｕ／ｈｒ）であり、窒素酸化物の放出速度は減少する。

無炎酸化プロセスからの窒素酸化物の放出は、３体積％酸素（乾燥量基準）換算値で約２ｐｐｍｖｄであり、それは現行のバーナー排気からの窒素酸化物放出より著しく低い。無炎酸化の使用は、後燃焼接触ＮＯｘ還元処理システムを不要にするとともに水注入も不要にする。この触媒処理システムが不要になることにより、次には、触媒とそれに関連する（アンモニアのような）還元剤の両方の繰り返し使用が省かれることになる。触媒は、限りある操業寿命を持っており、交換に費用がかかる。還元剤の省略は、アンモニアの貯蔵と取り扱いをしなくなることによって、装置の操作をより安全にすることができる。排気ガスを再加熱するために要求される必要な熱の供給とともに後触媒処理システムの省略は、低温液体を加熱するための無炎酸化排気をすべてを利用することによって、システムエネルギー効率を増加させるであろう。

一般に、図を参照し、そして本発明の１つの態様に従って、装置１、１００が、低温液体を気化させるために提供される。低温液体のような液体を加熱しまたは気化させるために、装置１、１００は、水中に沈められた熱交換器コイルに熱の供給を提供するために無炎酸化を利用する。

装置１、１００は、燃料と空気の混合物の無炎熱酸化によって排気ガスを生成する手段を含む。たとえば、排気ガスを生成する手段は、所望により、充填床２９、４２、７２、１１２を有する酸化器２、１０、４０、７０、１０８、充填床２９、４２、７２、１１２へ燃料と空気の混合物を送るために配置された燃料と空気の混合物の注入口４、５４、および酸化器２、１０、４０、７０、１０８から排気ガスを送るために配置された排気口５、４５、７８Ａ、７８Ｂ、１１４を含む。

装置１、１００は、また、排気ガスから低温液体へ熱を伝達する手段も含む。たとえば、熱を伝達する手段は、所望により、熱伝達媒体を保持するように構成された容器１２２を有する気化器３、容器の中に伸びる低温液体用導管１１８、１４４、および排気ガスを生成する手段から容器１２２へ排気ガスを送るために配置された多孔分散管１３８を含む。

装置１、１００の熱を伝達する手段は排気ガスを生成する手段から排気ガスを受け取るために連結されている。このように、排気ガスを生成する手段における反応すなわち酸化の生成物は、熱を伝達する手段へ送られる。そのような熱伝達は、低温液体の気化を引き起こす。

装置１、１００の使用において、燃料と空気の混合物は、無炎熱酸化器２、１０、４０、７０、１０８の中で酸化され、排気ガスを生成する。その後、熱は、排気ガスから低温液体へ伝達され、それによって低温液体を気化させる。酸化する工程は、所望により、充填床２９、４２、７２、１１２の中に燃料と空気の混合物を送る工程を含み、伝達する工程は、所望により、水のような熱伝達媒体の中に排気ガスを導入する工程を含む。

本発明の１つの態様に従って低温液体の気化器を変更しまたは改造するために、無炎熱酸化器２、１０、４０、７０、１０８は気化器３へ連結され、その無炎熱酸化器２、１０、４０、７０、１０８は気化器３へ排気ガスを送るように構成される。連結する工程は、所望により、無炎酸化器２、１０、４０、７０、１０８の排気口５、４５、７８Ａ、７８Ｂ、１１４を気化器３の多孔分散管１３８に連結することを含む。

本発明の別の態様に従ってＮＯｘ放出を減少させるために、燃料と空気の混合物は無炎熱酸化器２、１０、４０、７０、１０８を使用して酸化され、酸化する工程によって発生した排気ガスからの熱は低温液体へ伝達される。ＮＯｘ放出は、３体積％酸素（乾燥量基準）換算で、ＮＯｘ約５ｐｐｍｖｄ未満、好ましくはＮＯｘ約４ｐｐｍｖｄ以下、より好ましくはＮＯｘ約２ｐｐｍｖｄ以下に減らすことができる。ＮＯｘ放出の削減は、所望により、触媒処理なしで行なわれる。

本発明の別の態様によれば、無炎熱酸化器７０は、媒体を含む充填床７２、充填床７２の中に伸びかつ充填床７２の中に反応ガスを送るために配置された出口を有する注入管８０を有する。充填床７２は、注入管８０の出口の近傍の空隙７３の輪郭を定める。平円板８２は、所望により、注入管８０の出口に隣接して配置され、反応ガスを注入管８０から遠ざかるように導くように構成される。空隙７３は、所望により、実質的に円柱状である。

したがって、無炎熱酸化器中の圧力損失を減少させるために、反応ガスは、注入管８０から、充填床７２によって輪郭を定められた空隙７３に導入してもよい。また、複数の排気口７８Ａ、７８Ｂを、酸化器７０から反応したガスを排出するために用意してもよい。

本発明が、天然ガス燃料の燃焼から生じる窒素酸化物の放出（ＮＯｘ）が非常に少ない、効率的な気化技術を提供することが、分かった。たとえば、無炎熱酸化器での約１７５％過剰空気と比較して、典型的なバーナーシステムは、ＬＮＧ気化器において４０％以内の過剰空気で作動し得る。そのような過剰空気は、それが、酸化器において達成される最大断熱温度を、高水準のＮＯｘ生成のためのゼリドビッチ反応機構必要条件未満に制限するという点で有益である。バーナーと無炎熱酸化器の技術を比較したとき、燃料消費量は変わらないが、装置によって扱われるガスの容積は、本発明によれば無炎熱酸化器装置の方が著しく大きい。

水注入を伴うＬＮＧ気化器バーナーシステムは、３５〜５０ｐｐｍｖｄの範囲のＮＯｘ放出を生成することができる。本発明による熱源として無炎熱酸化器を使用したＬＮＧ気化器は、２ｐｐｍｖｄ未満および４ｐｐｍｖｄ超のＮＯｘ放出も同様に考えられるが、２〜４ｐｐｍｖｄの範囲内のＮＯｘ放出を生成することができる（先のＮＯｘ放出の値は、乾燥量基準の３体積％酸素に換算されている）。

（たとえばＮＯｘ排ガス規制に従うために）ＮＯｘ放出を減少させるために、バーナーシステムは、典型的には、触媒と還元剤化学薬品の注入を伴う後燃焼処理工程を使用する。これらの後燃焼制御システムは、費用がかかり、維持するのが難しく、かつ触媒の洗浄と置換のために定期的な運転休止を要求する傾向がある。

特に図で説明するために選ばれた実施態様に言及すれば、図１は、本発明の１つの態様による、通常数字１によって示される、気化装置の実施態様の図式的な説明を提供する。気化装置１は、気化器３に連結された無炎熱酸化器２を含む。無炎熱酸化器２は、無炎熱酸化器２内での反応のための燃料と空気の混合物４を受け取るように構成される。無炎熱酸化器２は、また、燃料と空気の混合物４の酸化すなわち反応の結果生成される排気ガス５を送るように構成される。

気化器３は、無炎熱酸化器２から排気ガス５を受け取るように構成される。気化器３は、また、低温液体６を受け取り、かつ気化したガス７を送るように構成される。気化器３は、また、放出物（emissions）８を送るように構成される。

無炎熱酸化器２から気化器３に送られた高温排気ガス５は、低温液体６を蒸気７に気化させる。したがって、排気ガス５からの熱は、低温液体６の気化のための熱源を供給し、無炎熱酸化器２から気化器３に受け取られた排気ガス５は、さらなる処理または大気への放出のいずれかのために放出物８の形で気化器３から放出される。

図２は、通常数字１０によって示される、無炎充填床反応器の典型的な実施態様を図示しており、それは、無炎熱酸化器２の構成要素として、図１に示された気化装置１の中で使用することができる。

図２に言及すれば、平面反応波２２を含む無炎充填床反応器１０内の内部温度帯域の模式図が示されている。無炎充填床反応器１０のさらなる詳細は、米国特許第６，０１５，５４０号明細書に見いだすことができ、それはそっくりそのまま引用によってここに組み入れられる。

無炎反応器１０は、多孔性の不活性媒体２９の充填床を有する容器２５を含む。容器は耐火材料で内張りされている。平面反応波の前に、典型的には、一定の反応温度より低い温度の低温帯域２７がある。平面反応波２２の後に、典型的には少なくとも６４９℃（１２００°Ｆ）以上の高温帯域２６がある。温度検知器２０を使用することによって、平面反応波２２を、充填床内に位置させ、プロセス制御器２８の出力端末（output end）を制御することによって、所望の点に移動させることができる。

この平面反応波温度分布図（temperature profile）は酸化には効果的であるが、腐食性生成物または反応物（たとえば酸性ガスまたはそれらの前駆物質）が低温帯域２７において容器２５の内表面２３上に凝縮する傾向があり得る。腐食性生成物または反応物が、容器２５の内部表面２３に隣接している耐火材料２４の内張りを通して移動するとき、この凝縮が生じる場合がある。さらに、容器が耐熱性合金から造られ、耐火材料の内張りがない場合は、腐食性生成物または反応物が、なおも、低温帯域２７において容器の内表面上に凝縮する場合がある。この凝縮は、次には、容器の内表面の侵食に通じる場合がある。結果的に、容器の寿命が縮まる場合もあるし、耐食性を改善するためにより高価な建造材料が必要になるかもしれない。

図３は、無炎充填床反応器４０の別の実施態様を示し、それは１つまたは２つ以上の化学薬品を酸化させるために使用することができる。無炎充填床反応器４０のさらなる詳細は、米国特許第６，０１５，５４０号明細書に見いだすことができる。

図３に言及すれば、通常数字４０によって示される無炎充填床反応器は、無炎熱酸化器２の構成要素として、図１に示される気化装置１において使用することができる。

図３に示されるように、無炎充填床反応器は多孔性の不活性媒体の充填床４２を含む容器４１、容器の内表面６４に隣接して位置する容器の耐火性内張り６３、反応性のプロセス流４４を受け取るための供給管４３（容器の中に通じる供給管４３の一部は耐火性内張り６２で断熱されている。）、反応したプロセス流４６を取り出すための排気口４５、および充填床４２の上に位置する空隙空間４７を含む。充填床４２は、加熱用注入口４９を通して、空気のような加熱された媒体（従来の燃料ガスバーナーによって発生させた燃焼排ガス）４８を導入することによって加熱される。反応性プロセス流は、混合装置５０の中で、酸化し得る物質を含む蒸気流５１、随意の酸化剤流５２（たとえば空気または酸素）および随意の補足の燃料ガス流５３を混合することによって形成される。

反応性プロセス流を形成した後、それを供給管４３の原料注入口５４に供給する。その後、反応性プロセス流は、供給管４３の出口５５に導かれる。非平面反応波５６が、供給管４３の出口５５と容器の底５７のほぼまわりの領域に位置する充填床の中に確立される。反応性プロセス流４４は非平面反応波５６で反応（この実施態様では酸化）し、反応したプロセス流４６を生成する。反応したプロセス流４６は、充填床４２を通り、空隙空間４７を通り、そして排気口４５から外へ導かれる。

排気口４５は、容器４１を出る前の反応したプロセス流４６が供給管４３内の流れ方向とは向流になるように、配置される。排気口４５は、空隙空間４７または充填床４２のいずれに連結してもよい。しかし、排気口は空隙空間４７に連結することが好ましい。無炎充填床反応器４０内の温度を監視するために、温度検知器５８を使用してもよい。温度検知器５８から入力を受け取り、それに応答して、反応性プロセス流４４、蒸気流５１、随意の酸化剤流５２、随意の補足の燃料ガス流５３および／または加熱された媒体４８（たとえば従来の燃料ガスバーナーによって発生させた燃焼排ガス）の流量を制御するために、プロセス制御器５９を使用してもよい。

図４は、図１に示された気化装置１の無炎熱酸化器２の構成要素として使用することができる、通常数字７０によって示される、無炎熱酸化器の概要透視図を示す。無炎熱酸化器７０は、上方は上部表面７４まで及ぶ充填床７２を含む。充填床７２の上部表面７４は、少なくとも部分的に、酸化器の上部空隙７６の輪郭を定めている。

２つの対立した排気導管７８Ａおよび７８Ｂが、酸化器の上部空隙７６から反応したガスを排出するために、配置されている。特に、充填床７２から酸化器の上部空隙７６に入る反応したガスは、無炎熱酸化器７０から排気ダクト７８Ａおよび７８Ｂを経由して運ばれる。導管７８Ａおよび７８Ｂのような２つの対立する排気導管の設置は、無炎熱酸化器７０が遭遇した圧力損失を減少させることが判明した。

無炎熱酸化器７０は、また、充填床７２の中に、充填床７２の上部表面７４より下の位置に、ガスの予備混合物を送るために、充填床７２の中まで下方へ伸びる予備混合ガスディップ管（dip tube）８０を含む。ディップ管８０は、予備混合ガスディップ管８０の出口に隣接して配置されたディップ管出口方向転換平円板８２を有する。平円板８２は、反応ガスをディップ管の壁から遠ざかるように方向転換するのを助ける。

さて図５に言及すれば、図４に示された無炎熱酸化器７０の変形が示されている。特に、図５に示されるように、無炎熱酸化器７０の性能を改善するために、その充填床７２が変形された無炎熱酸化器７０が提供される。ガスが充填床７２の中に制約がより少ない状態で流れることができ、無炎熱酸化器７０内の圧力損失が下がるように、セラミック媒体床すなわち充填床７２の中に、ディップ管出口のすぐ下に、空隙が作成されている。空隙は、円柱状の空隙（voidage）７３の形で提供されている。１つの典型的な実施態様においては、空隙７３は、約２．４４ｍ（約８フィート）（ディップ管出口方向転換平円板８２の直径に概略相当する）の直径および約０．９１ｍ（約３フィート）の深さを有する。

図５に示された空隙７３の態様は形状が実質的に円柱状であるが、空隙は種々様々の幾何学的形状（たとえば、球、半球、楕円、長方形または他の幾何学図形）を有してもよいことが考えられる。

さて図６Ａおよび６Ｂに言及すれば、通常数字１００によって示される気化装置の別の実施態様が図示されている。気化装置１００は、気化装置１００に空気を送り込むように構成された送風機１０２を含む。送風機１０２の下流には、充填床を予熱する（後述する）ために気化装置１００の運転開始中に使用される運転開始バーナー１０４がある。送風機１０２の下流には、また、燃料を、送風機１０２によって導入された空気と混合するために構成された燃料と空気の混合機１０６がある。

気化装置１００は、また、燃料と空気の混合機１０６によって提供される燃料と空気の混合物を受け取るように構成された無炎熱酸化器容器１０８を含む。無炎熱酸化器容器１０８は、気化装置１００において液体を気化させるために使用される熱を発生させる。特に、高温ガスは無炎熱酸化器容器１０８から高温ガス導管１１４を経由して運ばれる。

高温ガス導管１１４から、高温ガスはＳＣＶ貯槽１２２に導入される。その後、ガスは、排気分離器１２４および排気筒１２６によってＳＣＶ貯槽１２２から運ばれる。

図６Ｃは、無炎熱酸化器容器１０８およびＳＣＶ貯槽１２２の内部の詳細を見せるために壁の一部が取り除かれた、気化装置１００のもう一つの立面図である。図６Ｃにおける図解は、また、無炎熱酸化器１０８内の燃焼排ガスの流れのパターンを矢印によって示す。

無炎熱酸化器１０８は、セラミックス充填物１１２の中まで下方に伸びるディップ管１１０を含む。燃料と空気の混合物は、セラミックス充填物１１２内での酸化すなわち反応のためにセラミックス充填物１１２にディップ管１１０を通して送られる。燃料と空気の混合物の反応すなわち酸化によって生じた燃焼排ガスは、図６Ｃ中の矢印によって示されるように、セラミックス充填物１１２の中を上方へ進み、無炎熱酸化器１０８の内部のセラミックス充填物１１２の上の空間に移動する。その後、燃焼排ガスは、無炎熱酸化器１０８から外に送り出され、そしてＳＣＶ貯槽１２２に運ぶための高温ガス導管１１４の中に送り出される。高温ガス導管１１４は、燃焼排ガスからの熱の損失を減少させるために好ましくは断熱される。

ＳＣＶ貯槽１２２は、水または他の適当な媒体のような熱伝達媒体で少なくとも部分的に充填される。運転中は、無炎熱酸化器１０８からの高温燃焼排ガスは熱伝達媒体の中に導かれ、それが熱伝達媒体の中に泡となって吹き込まれ、熱伝達媒体を加熱し、熱伝達媒体から熱伝達媒体の中に位置する管束の中を流れる低温液体への熱伝達を引き起こす。

より特別には、ＳＣＶ貯槽１２２は、高温ガス導管１１４から高温燃焼排ガスを受け取るために連結されたアセンブリー１１６のような多岐管と分配器のシステムを含む。多岐管と分配器のアセンブリーの詳細は、後ほど、図７Ａないし７Ｄを参照して記述する。ＳＣＶ貯槽１２２は、また、管束１１８を含み、その管束の中を低温液体が気化のために循環する。管束１１８のさらなる詳細は、後ほど、図８Ａおよび８Ｂを参照して記述する。液体天然ガス注入口と天然ガス排出口の多岐管は、数字１２０によって示されるように、ＳＣＶ貯槽１２２の中に設けられる。液体天然ガスが管束に導入され、生じる天然ガスが管束から放出されるのは、注入口と排出口の多岐管１２０によってである。

さて、図７Ａないし７Ｄに言及すれば、多岐管と分配器のアセンブリーの１つの実施態様の詳細が図示されている。アセンブリー１１６のような多岐管と分配器のアセンブリーは、高温ガス導管１１４から高温ガスを受け取り、かつＳＣＶ貯槽１２２の中の熱伝達媒体（たとえば水）の中にその高温ガスを送るように構成される。より特別には、多岐管と分配器のアセンブリー１１６は、加熱されたガスの流れを受け取り、ＳＣＶ貯槽の中へ実質的に一様に分配するためにそのガスを分割し、高温ガスと熱伝達媒体と最後には管束１１８の中を循環する液体天然ガスのような低温液体との間の熱伝達を促進する。

特に図７Ａに言及すれば、多岐管と分配器のアセンブリー１１６は、他の横断面形状も考えられるが、実質的に円筒形状の管体（shell）１２８を含む。管体１２８はフランジ１３０によって高温ガス導管１１４に連結される。管体１２８の反対端は板１３２によって蓋をされている。複数のつり金具１３４は、組み立て、解体、改良および／または保守中に管体１２８の取り扱いを容易にするために、管体１２８の上面に沿って設けられている。複数の支柱１３６が、ＳＣＶ貯槽１２２（図示せず）の土台に管体１２８を支持するために設けられている。

管体１２８の内部から熱伝達媒体へ高温ガスを分配するのを容易にするために、多岐管と分配器のアセンブリー１１６には複数の多孔分散管１３８が設けられている。各多孔分散管１３８は、管体１２８から外に伸びており、管体１２８から高温ガスを受け取り、かつＳＣＶ貯槽１２２内の熱伝達媒体に高温ガスを送るために管体１２８に連結されている。

図７Ｂは、多岐管と分配器のアセンブリー１１６の端面図であるが、それには、多孔分散管１３８と、多岐管と分配器アセンブリー１１６の管体１２８との関係が示されている。特に、各多孔分散管１３８は、管体１２８の軸を実質的に横切る角度で、管体１２８の下部から外に伸びている。

図７Ｃは、多岐管と分配器のアセンブリー１１６の横断面端面図であり、多孔分散管１３８の内部からＳＣＶ貯槽１２２内の熱伝達媒体へ高温ガスが流れるように、各多孔分散管１３８には、閉鎖端１４０および多くの開口部１４２（通常その上部表面に沿って配置されている）が設けられている。

図７Ｄは、多孔分散管１３８の一部分の平面図である。各多孔分散管１３８には、複数列の開口部１４２がある（図７Ｄには２列の開口部が示されている）。開口部１４２によって、高温ガスは、各多孔分散管１３８の内部から、ＳＣＶ貯槽１２２内の熱伝達媒体の中に流れる。

多岐管と分配器のアセンブリー１１６の特定の実施態様が説明の目的で図に示されているが、熱伝達媒体に高温ガスを送るために、種々様々の配置が使用し得る。気化装置の特定の用途または大きさの制約にも依るが、多岐管と分配器のアセンブリーは、種々様々の形、大きさおよび構成を有することができる。しかしながら、好ましくは、該アセンブリーは、低温液体の気化のために実質的に均一に熱を分配することができるように、熱伝達媒体に高温ガスを実質的に均一に分配するように構成されるであろう。

さて、図８Ａおよび８Ｂには、ＳＣＶ貯槽１２２に使用するために構成された管束の典型的な実施態様が図示されている。図８Ａに図示された管束１４４は４本の管を含み、各管は、液体天然ガス（または他の低温液体）の入口１４６から、気化した天然ガス（または他のガス）の出口１４８にまで及んでいる。管束１４４の入口１４６と出口１４８は、図６Ｃに図示された注入口と排出口の多岐管１２０に該当する。

管束１４４の横断面端面図（明瞭化のために管は取り除いてある。）である図８Ｂに図示されるように、入口１４６と出口１４８は、管束１４４のような管束に連結するための開口部が多く設けられている。したがって、多くの管束１４４が、互いの隣りに配置され、低温液体が気化のために通ることができる流路の密な集団を提供するために、入口１４６と出口１４８を連絡し液体が流れるように連結されている。たとえば、入口１４６と出口１４８は、１５本までのまたはそれ以上の管束１４４を収容することができ、各管束１４４は４本の管を含む。そのような実施態様においては、管束アセンブリーは、液体天然ガス（ＬＮＧ）のような低温液体の流れのために、６０本の管を提供するであろう。各管束１４４は、また、管が４本より少なくてもよいし４本より多くてもよい。そして、管束アセンブリーは、管束が１５列より少なくてもよいし１５列より多くてもよい。

本発明の１つの態様によれば、無炎熱酸化器は、ディップ管出口に円柱状の空隙を作成するように変更することができる。また、平らな平円板を、反応ガスをディップ管壁から遠ざかるように導くために、ディップ管の端に追加することができる。これらの変更をＣＦＤモデルで実行したところ、圧力損失の著しい低減をもたらし、また、セラミック媒体床内への反応ガスの封じ込めが改善されるように、反応波の形が変化した。

無炎熱酸化器は、内径（ＩＤ）１．５２ｃｍ（６０インチ）、長さ６．１０ｍ（２０フィート）のディップ管を有するＣＦＤモデルに組み立てた。セラミック媒体は、商業用途に使用されているような２．５４ｃｍ（１インチ）の鞍形状のものを、４．８８ｍ（１６フィート）の深さに充填して、模擬実験をした。ディップ管は、セラミック媒体床の中に２．４４ｍ（８フィート）沈めて、模擬実験をした。２本の直角の排気導管を、セラミック媒体床の表面からの燃焼排ガスを運ぶために使用して、模擬実験をした。導管は、セラミック媒体床の上の頭隙（headspace）に１８０度離して取り付けて、模擬実験をした。導管の寸法は、高さ０．６７ｍ（２．５フィート）、幅４．５７ｍ（１５フィート）、長さ３．０５ｍ（１０フィート）にして、模擬実験をした。ディップ管の出口には反応ガスをディップ管壁から遠ざかるように方向転換させるために、直径２．４４ｍ（８フィート）の平円板を取り付けて、模擬実験をした。無炎熱酸化器中の圧力損失を低下させるために、ガスがより少ない制約で流れることができるように、セラミック媒体床の中のディップ管出口のすぐ下に空隙を作成して、模擬実験をした。空隙は、直径２．４４ｍ（８フィート）、高さ０．９１ｍ（３フィート）の円柱状容積にして、模擬実験をした。

ＬＮＧ気化器は、熱交換器管束および水浴中の圧力損失により熱源に１４．９ｋＰａ（６０インチ水柱）背圧を与えるように、模擬実験をした。ディップ管出口への平円板の付加、およびセラミック媒体床の中に構築された空隙は、無炎熱酸化器中の圧力損失を著しく低減させた。模擬実験では、無炎熱酸化器の総圧力損失はわずか４．２ｋＰａ（１７インチ水柱（ＷＣ））であり、圧力損失の低減は約１１．２ｋＰａ（約４５インチ水柱）であった。

模擬実験によれば、ディップ管を下降する、予備混合されたガスの速度は、約１５．２ｍ／ｓ（約５０フィート／秒）である。総質量流量は約１９９６ｋｇ／分（約４４００ポンド／分）であり、それは１２９ＧＪ／時（１２２ＭＭＢｔｕ／時）ＨＨＶの放熱量を与える。燃焼用空気は１９５５ｋｇ／分（４３１１ポンド／分）の流速で供給され、燃料ガスは３９．１３ｋｇ／分（８６．２６ポンド／分）の流速で供給される。そして、模擬実験によれば、燃焼排ガスの体積％組成は次のとおりである。

ディップ管出口の下の随意の円柱状の空隙を有するセラミック床において、ガス速度分布図は著しく異なり、それが静圧損失の著しい低減に寄与することが分かった。特に、ディップ管出口平円板およびディップ管の下の空隙を設けた後の無炎熱酸化器内の温度分布図は、ディップ管出口点にもセラミック媒体を充填し、ディップ管出口に平円板が付いていない無炎熱酸化器の温度分布図と異なる。また、セラミック媒体表面の上の頭隙の中の一酸化炭素は、改良されていない酸化器モデルと比較して、より少ないことが分かった。一酸化炭素の燃え尽くしはいずれの設計においても排気導管より以前に達成されるが、この特徴は改良されており、装置の運転をより融通が利くものにする。

ディップ管の出口に取り付けた方向転換平円板、およびディップ管出口の下に配置された円柱状の空隙を有する無炎熱酸化器についてのＣＦＤモデル化結果は、酸化器の静圧損失の著しい低減を示した。この改良は、ＬＮＧ気化器用途における無炎熱酸化器のための運転上の経済面に利益を与える。無炎酸化器の圧力損失は、今や、わずか４．２ｋＰａ（１７インチ水柱）になる。

ＬＮＧ気化器熱交換器の圧力損失が無炎熱酸化器燃焼排ガス流量に影響されないと仮定すれば、系全体の圧力損失は３０．４ｋＰａ（１２２インチ水柱）から１９．２ｋＰａ（７７インチ水柱）に減少した。これは、ここに示された無炎熱酸化器の改良により圧力損失が３７％低減したことを示す。無炎熱酸化器だけの圧力損失の減少は、この改良された設計において７２．６％であり、かなり大きい。

温度分布図は、改良された設計では、反応波がセラミック媒体床に一層よく閉じ込められていることを示している。性能の損失がなければ頭隙の中にいくらかの低温ガスが抜け出ることはこれまで一般に許容できると考えられてきたが、無炎熱酸化器の活力を増加させ、かつ低温ガスが抜け出ることによる性能の損失が認められるのを減らすために、反応波はセラミックの媒体床の内部の残るべきである。

ここでは特定の実施態様を参照して本発明を説明し記述するが、本発明は示された詳細に制限されるものではない。むしろ、特許請求の範囲の均等の範囲内で、かつ本発明から逸脱することがなければ、細部において様々な変更をしてもよい。

たとえば、気化器および無炎熱酸化器の特定の構造は、本発明にとって決定的ではなく、本発明の範囲内で変更してもよい。種々様々の熱源および熱交換器が、本発明の態様に従って、利用できる。同様に、（無炎熱酸化器のような）熱源に関して（気化器のような）熱交換器の方位は、特定の運転パラメーターに満たすために変更することができる。

本発明の好ましい実施態様がここに示され記述されているが、そのような実施態様は例としてのみ提供されていることが理解されるであろう。多数の変形、変更および置換が、本発明の精神から逸脱することなしに、当業者に思い浮かぶであろう。したがって、添付された特許請求の範囲は、本発明の精神および範囲の中にあるものとして、そのような変形のすべてを包含することが意図されている。

本発明の１つの典型的な実施態様による気化装置のブロック概略図である。

図１に図示された気化装置において使用することができる無炎熱酸化器の１つの実施態様の概略図である。

図１に図示された気化装置において使用することができる無炎熱酸化器の別の実施態様の概略図である。

図１に図示された気化装置において使用することができる無炎熱酸化器のさらに別の実施態様の透視図である。

図１に図示された気化装置において使用することができる無炎熱酸化器のさらに別の実施態様の透視図である。

図６Ａは、本発明による気化装置の別の実施態様の立面図である。図６Ｂは、図６Ａに図示された気化装置の平面図である。図６Ｃは、内部の詳細を明らかにするために取り除かれた部分を有する、図６Ａに示される気化装置の立面図である。

図７Ａは、図６Ａに図示された気化装置において使用することができる多岐管と分配器のアセンブリーの１つの実施態様の立面図である。図７Ｂは、図７Ａに図示された多岐管と分配器のアセンブリーの端面図である。図７Ｃは、図７Ａに図示された多岐管と分配器のアセンブリーの横断面端面図である。図７Ｄは、図７Ａに図示された多岐管と分配器のアセンブリーの一部の平面図である。

図８Ａは、図６Ａに図示された気化装置において使用することができる管束アセンブリーの１つの実施態様の立面図であり、そして図８Ｂは、図８Ａに図示された管束アセンブリーの横断面端面図である。

Claims (20)

1. 低温液体を気化させる装置であって、該装置は燃料の無炎熱酸化によって排気ガスを生成する手段および排気ガスから低温液体に熱を伝達する手段を含み、熱を伝達する手段は排気ガスを生成する手段から排気ガスを受け取るように連結されている、装置。
2. 排気ガスを生成する手段が、充填床、充填床に燃料と空気の混合物を送るように配置された燃料と空気の混合物の注入口、および酸化器から熱を伝達する手段に排気ガスを送るために配置された排気口を有する酸化器を含む、請求項１に記載の装置。
3. 熱を伝達する手段が、熱伝達媒体を保持するように構成された容器、該容器の中に伸びた低温液体用導管、および排気ガスを生成する手段から該容器に排気ガスを送るように配置された多孔分散管を含む請求項１に記載の装置。
4. 低温液体を気化させる装置であって、該装置が排気ガスを生成するように構成された無炎熱酸化器、無炎熱酸化器から排気ガスを受け取るために連結された熱交換器を含み、熱交換器が排気ガスから低温液体に熱を伝達するように構成されている、装置。
5. 無炎熱酸化器が、充填床、該充填床に燃料と空気の混合物を送るように配置された燃料と空気の混合物の注入口、および該酸化器から熱交換器に排気ガスを送るように配置された排気口を含む、請求項４に記載の装置。
6. 熱交換器が、熱伝達媒体を保持するように構成された容器、該容器の中に伸びた低温液体用導管、および該無炎熱酸化器から該容器に排気ガスを送るように配置された多孔分散管を含む、請求項４に記載の装置。
7. 低温液体を気化させる方法であって、該方法が、排気ガスを生成するために無炎熱酸化器の中で燃料を酸化する工程、および低温液体を気化させるために排気ガスから低温液体に熱を伝達する工程を含む、方法。
8. 酸化する工程が燃料と空気の混合物を充填床に送ることを含む、請求項７に記載の方法。
9. 伝達する工程が排気ガスを熱伝達媒体に導入することを含む、請求項７に記載の方法。
10. 低温液体の気化器に熱源を供給する方法であって、該方法が気化器に無炎熱酸化器を連結する工程および気化器に排気ガスを送るように無炎熱酸化器を構成する工程を含む、方法。
11. 連結する工程が気化器の多孔分散管に無炎酸化器の排気口を連結することを含む、請求項１０に記載の方法。
12. ＮＯｘ放出の少ない低温液体を気化させる方法であって、該方法が無炎熱酸化器を使用して燃料を酸化する工程、酸化する工程によって発生させられた排気ガスから低温液体に熱を伝達する工程を含む、方法。
13. ３体積％酸素（乾燥量基準）換算値で約５ｐｐｍｖｄ未満のＮＯｘを放出する工程をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. ３体積％酸素（乾燥量基準）換算値で約４ｐｐｍｖｄ以下のＮＯｘを放出する工程をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
15. ３体積％酸素（乾燥量基準）換算値で約２ｐｐｍｖｄ以下のＮＯｘを放出する工程をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
16. 放出する工程が触媒処理なしで行なわれる、請求項１３に記載の方法。
17. 無炎熱酸化器であって、該酸化器は充填床および注入管を含み、充填床は媒体を含み、注入管は充填床の中に伸び、かつ反応ガスを充填床に送るように配置された出口を有し、充填床は注入管の出口の近くの空隙の輪郭を定めている、無炎熱酸化器。
18. 注入管の出口に隣接して配置され、反応ガスを注入管から遠ざかるように導くように構成された平円板をさらに含む、請求項１７に記載の無炎熱酸化器。
19. 空隙が実質的に円柱状である、請求項１７に記載の無炎熱酸化器。
20. 充填床によって輪郭を定められた空隙に注入管から反応ガスを導入することを含む、無炎熱酸化器中の圧力損失を減少させる方法。

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