JP2009525452A

JP2009525452A - 最適化されたノズルを備えたガスバーナ

Info

Publication number: JP2009525452A
Application number: JP2008552715A
Authority: JP
Inventors: ヴォートベルク・ジルケ; ゴルファル・エヴゲニ; ヨハニング・ヨアヒム
Original assignee: ウーデ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2007-01-20
Publication date: 2009-07-09
Also published as: ES2344370T3; EP1979676A1; EP1979676B1; WO2007090512A1; DK1979676T3; CA2637762A1; ATE465375T1; DE102006005386B4; CN101379346B; HK1130875A1; RU2008135671A; DE502007003500D1; CN101379346A; US20090224208A1; DE102006005386A1

Abstract

【課題】反応用管路をできる限り均一に加熱すること。
【解決手段】共通の管路に接続されたメインガスノズルとサブガスノズルとを含んで成り、燃焼ガス又は混合燃焼ガスの燃焼用のガスバーナであって、前記サブガスノズルが前記メインガスノズルの径方向周囲に互いに対称に配置されており、該メインガスノズルがその径方向へ開口した複数の孔を有しており、これら複数の孔のうち幾つかは水平孔として形成され、かつ、該水平孔を通過する垂線が前記メインガスノズルに直交するよう設定されている一方、前記複数の孔のうちその他のものは非水平孔として形成され、かつ、該非水平孔を通過する垂線が前記メインガスノズルに対して流れ方向に鋭角となるよう設定されている前記ガスバーナにおいて、前記サブガスノズル間の中心を通り前記メインガスノズルの回転軸に平行な仮想中心線を設定し、該仮想中心線へ前記各非水平孔を配向した。

Description

本発明は、中央に配置された共通の管路に接続されたメインガスノズルとサブガスノズルとを含んで成る、酸素を含んだ合成ガス燃焼用のガスバーナに関するものである。ここで、サブガスノズル間の中心を通りメインガスノズルの回転軸に平行な仮想中心線を設定し、メインガスノズルに設けられつつ下方へ向けられた非水平孔を前記仮想中心線へ配向している。

燃焼ガス又は燃焼混合ガスを燃焼させる際に段階式のガスバーナを用いることが知られており、燃焼ガスは、メインガスノズルを介してまず燃焼室内又は炉内へ導入され、酸素又は酸素を含んだガスと混合された後、燃焼される。また、第１の燃焼段階で不完全に燃焼されたガス成分を燃焼させるためにメインガスノズルの下流側にサブガスノズルが設けられており、このサブガスノズルは、燃焼ガスの一部を燃焼室内又は炉内に導入し、燃焼可能な成分をそこで酸化すなわち燃焼させる。

このようなガスバーナは、工業的には、例えば水素（Ｈ₂）及び一酸化炭素（ＣＯ）を製造するための上方から加熱された合成ガス炉に対して使用されるものである。このような合成ガス炉においては、触媒で満たされた多数の反応用管路が、上方から加熱される燃焼室を貫通して設けられている。このガス内に設けられた反応用管路は、ガス中間室を加熱する多数の段階式ガスバーナによって加熱される。なお、触媒で満たされた反応用管路内には、通常、メタン、プロパン、ブタン又はこれらの混合物としての低級炭化水素であるフィードガスが供給される。

ところで、触媒で満たされた反応用管路における必要な反応温度に達していない範囲では、反応が全く起きないか、起きてもわずかとなってしまう。そして、これにより合成過程全体の反応度合が低下してしまうことになる。また、局所的に異常に高温な箇所が生じてしまうと、これが損傷の原因となってしまう。

そこで、メインガスノズル及びサブガスノズル近傍で非常に大きなレイノルズ数を生じさせ、大きな乱流を発生させても、同じ構造の反応用管路において従来と異なる反応を生じさせる必要がある。

本発明は上記問題にかんがみてなされたもので、その目的とするところは、反応用管路をできる限り均一に加熱することが可能な方法及びガスバーナを提供することにある。

上記目的は、独立請求項及び従属請求項に記載された発明によって達成される。独立請求項には、中央に配置された共通の管路に接続された少なくとも１つのメインガスノズルと少なくとも２つのサブガスノズルとを含んで成り、酸素若しくは酸素を含んだ混合ガスである燃焼ガス又は混合燃焼ガスの燃焼用のガスバーナであって、前記サブガスノズルが前記メインガスノズルの径方向周囲に互いに対称に配置されており、該メインガスノズルの上流側に少なくとも１つの流体ガイド部材が設けられており、該メインガスノズルがその径方向へ開口した複数の孔を有しており、これら複数の孔のうち幾つかは水平孔として形成され、かつ、該水平孔を通過する垂線が前記メインガスノズルに直交するよう設定されている一方、前記複数の孔のうちその他のものは非水平孔として形成され、かつ、該非水平孔を通過する垂線が前記メインガスノズルに対して流れ方向に鋭角となるよう設定されている前記ガスバーナが開示されている。

ここで、上記水平孔及び非水平孔の形状は円形でもよいし、他の形状であってもよい。ただし、これら孔を通過する垂線は、常に該孔の中心を通るように設定される必要がある。

そして、本発明の本質は、上記ガスバーナにおいて、前記サブガスノズル間の中心を通り前記メインガスノズルの回転軸に平行な仮想中心線を設定し、該仮想中心線へ前記各非水平孔を配向したことにある。ここで、非水平孔とサブガスノズルの数を同数に設定することが理想である。また、サブガスノズルをメインガスノズルよりも下流側に設けるのが好ましい。さらに、メインガスノズルに少なくとも１つの垂直孔を設けて、ガスバーナを最適化することも可能である。こうすることにより、組み立てた状態で、燃焼ガスを回転軸方向へ流出させることが可能である。

また、ガスバーナのヘッド、あるいはメインガスノズルのヘッドは定期的に交換しなければならない磨耗部材であるので、メインガスノズルに取外し可能なヘッド部を設け、該ヘッド部内に前記仮想中心線へ配向された非水平孔を形成するのが好ましい。サブガスノズルに対してのメインガスノズルにおける開口部の構造的な設定は、当業者が適宜行えばよい。ここでは、メインガスノズルはメインガス管路にフランジ継手によって固定されている。そして、孔の位置によって開口部の間違った配置が避けられるようになっている。

さらに、前記ヘッド部をメインガス管路に螺着することも考えられ、また、弾性支持された球体、コッターピン又はカウンタねじによって固定することも考えられる。ただし、これは他の形態であってもよい。また、前記流体ガイド部材をヘッド部に直接設けるか、又は直接接続させるのが好ましい。

ところで、本発明は、更に上記のようなガスバーナを備えた水素及び一酸化炭素を含んだ合成ガス製造用の改質炉にも関するものであるとともに、上記のようなガスバーナを備えた上記改質炉によって行う水素及び一酸化炭素を含んだ合成ガスの製造方法にも関するものである。

本発明によれば、反応用管路をできる限り均一に加熱することが可能である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１及び図２には、本発明によるガスバーナの一例が示されている。ただし、これは、本発明をこれに限定するものではない。

図１は本発明によるガスバーナ、メインガスノズル及びサブガスノズルの斜視図であり、管路２を介してバーナ管路１内へ酸素又は酸素を含んだガスが供給されるようになっている。このバーナ管路１の中心部には第１の燃焼ガス管路３が設けられており、該第１の燃焼ガス管路３からは４つの比較的小さな第２の燃焼ガス管路４が分岐してサブガスノズル５にそれぞれ接続されている。

この第２の燃焼ガス管路４は、それぞれ対称に配置されており、第１の燃焼ガス管路３から径方向外方へ延伸された後バーナ管路１の壁面に対して平行に曲げられ下方へ延設されている。そして、この第２の燃焼ガス管路４の下部末端にはそれぞれサブガスノズル５が設けられている。

一方、第１の燃焼ガス管路３は、曲げられることなくメインガスノズル６へ延設されている。図１に概要が示され、図２に詳細が示されているように、複数の水平孔７と、複数の下方へ配向された非水平孔８とがメインガスノズル６に周設されている。なお、メインガスノズル６の上方には、本実施の形態では傘状に形成された流れ方向転換部９が設けられている。

しかして、図１には破線で示す中心線１０が示されており、この中心線１０は、２つの第２の燃焼ガス管路４の間に位置し、第１の燃焼ガス管路３に平行となっている。そして、非水平孔８を通過する垂線がこの中心線に正確に配向されている。このような構成は、図１において１つの非水平孔８について記載しているが、他の非水平孔８についても同様なものとなっている。なお、非水平孔８から噴出する燃焼ガスの噴出方向は破線１１によって示されている。

図２には、メインガスノズル６を拡大した詳細図と、そのＡＡ線に沿った断面図とが示されている。この詳細図に示すように、メインガスノズル６の水平孔７から噴出するガスは、矢印１３で示すように第１の燃焼ガス管路３の回転軸１２に対して直角に噴出する。また、矢印１４は、非水平孔８からバーナ管路１へ噴出する燃焼ガスの噴出方向を示している。

図３ａは、図１及び図２に示す本発明によるガスバーナを使用した場合のメインガスノズル６近傍の温度変化のシミュレーション計算結果を示すグラフである。ここで、Ｘ軸はメインガスノズルとの間隔をミリメートル単位で示すものであり、グラフには等温線が示されている。

一方、図３ｂは、非水平孔８を通過する垂線をサブガスノズル５へ配向した場合の比較例を示すグラフである。この図３ｂに示すように、この比較例と本発明によるものの間には顕著な差が見られる。比較例においては、メインガスノズル６のすぐ近くにおいて２０５０℃にも達する一方、６００℃までしか昇温しない範囲も存在し、不完全燃焼が起きている。

このような問題は、メインガスノズル６近傍で大きな乱流が発生するとともに理想的な混合を常に仮定するため、予想し得ないものであった。また、このようなバーナ管路１への影響以外にも、この不完全燃焼の結果、排ガス中のＮＯ_X、Ｎ₂Ｏ及びＣＯの濃度が高まることになってしまう。

図３ａに示すように、本発明によるガスバーナの温度分布は比較例のものと違って一様な分布となっており、過熱範囲又は粗悪な燃焼範囲が生じない。そのため、バーナ管路１の最適な加熱及びより完全な燃焼が図られるようになっている。

本発明によるガスバーナ、メインガスノズル及びサブガスノズルの斜視図である。メインガスノズルを拡大した詳細図と、そのＡＡ線に沿った断面図である。本発明におけるメインガスノズル近傍の温度変化のシミュレーション計算結果を示すグラフである。比較例におけるメインガスノズル近傍の温度変化のシミュレーション計算結果を示すグラフである。

符号の説明

１バーナ管路
２管路
３第１の燃焼ガス管路
４第２の燃焼ガス管路
５サブガスノズル
６メインガスノズル
７水平孔
８非水平孔
９流れ方向転換部
１０中心線
１１燃焼ガス噴射方向
１２回転軸
１３燃焼ガス噴射方向

Claims

中央に配置された共通の管路に接続された少なくとも１つのメインガスノズルと少なくとも２つのサブガスノズルとを含んで成り、酸素若しくは酸素を含んだ混合ガスである燃焼ガス又は混合燃焼ガスの燃焼用のガスバーナであって、前記サブガスノズルが前記メインガスノズルの径方向周囲に互いに対称に配置されており、該メインガスノズルの上流側に少なくとも１つの流体ガイド部材が設けられており、該メインガスノズルがその径方向へ開口した複数の孔を有しており、これら複数の孔のうち幾つかは水平孔として形成され、かつ、該水平孔を通過する垂線が前記メインガスノズルに直交するよう設定されている一方、前記複数の孔のうちその他のものは非水平孔として形成され、かつ、該非水平孔を通過する垂線が前記メインガスノズルに対して流れ方向に鋭角となるよう設定されている前記ガスバーナにおいて、
前記サブガスノズル間の中心を通り前記メインガスノズルの回転軸に平行な仮想中心線を設定し、該仮想中心線へ前記各非水平孔を配向したことを特徴とするガスバーナ。
前記非水平孔と前記サブガスノズルの数を同数としたことを特徴とする請求項１記載のガスバーナ。
前記メインガスノズルに少なくとも１つの垂直孔を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のガスバーナ。
前記サブガスノズルを前記メインガスノズルよりも下流側に設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスバーナ。
前記メインガスノズルが取外し可能なヘッド部を備え、該ヘッド部内に前記仮想中心線へ配向された前記非水平孔を形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスバーナ。
前記ヘッド部をメインガス管路に螺着可能に形成したことを特徴とする請求項５記載のガスバーナ。
前記ヘッド部及び前記メインガス管路を通る貫通孔を設けるとともに、該貫通孔を、これにカウンタねじ又はコッターピンが嵌挿可能であるように形成したことを特徴とする請求項５又は６記載のガスバーナ。
前記ヘッド部をフランジ継手によってメインガス管路の端部に固定したことを特徴とする請求項５記載のガスバーナ。
前記流体ガイド部材を前記ヘッド部に直接設けるか、又は直接接続したことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のガスバーナ。
水素及び一酸化炭素を含んだ合成ガス製造用の改質炉において、
請求項１〜９のいずれかに記載のガスバーナを設けたことを特徴とする改質炉。
水素及び一酸化炭素を含んだ合成ガスの製造方法において、
請求項１〜８のいずれかに記載のガスバーナを備えて成る改質炉によって行うことを特徴とする合成ガス製造方法。