JP2011503498A - 燃焼制御のための方法、システム、および装置 - Google Patents
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Abstract
Description
この明細書中に開示される実施例は、ガスバーナおよびそのようなガスバーナの燃焼に関する。
異なる燃料種を用いて動作するように便利に適合させることができるバーナおよび燃焼システムを提供することは有用であるであろう。所与の燃料に対する空燃比の小さな変更を可能にするであろうバーナを提供することも有利であるだろう。さらに、単一の燃料を燃焼させているとき、燃料の切換および空燃費の制御の両方を可能にするであろう制御システムを提供することは有用であるだろう。
この明細書中に説明される実施例は、合成ガスおよび従来の燃料源などの炉燃料を同じ炉内で二者択一的に燃焼させることができる柔軟性を提供する。開示される実施例は、万が一1次源に途絶が起きた場合、プラントが燃料源の間で簡単に切換えることを可能にする。実施例は、単一の燃料を用いるときまたは体積発熱量が大きく異なる燃料間で切換えるとき、炉への総燃焼用空気量を制御する能力および/または炉バーナと壁バーナとの間で分割される空気を簡単に調節する能力を向上もさせる。実施例は、エチレン炉での使用に特によく適しているが、他の種類の炉でも用いることができる。
ベンチュリバーナアセンブリを用いる炉床バーナと壁バーナとの両方を使用する炉に対して、数値流体力学(computational fluid dynamics:CFD)シミュレーションを行ない、可変量の燃料を1次ポートを通しておよび2次ガスポートを通して噴射した。すべての例に対してのCFDシミュレーションは、Fluent社から購入可能なソフトウェアパッケージであるFluent(登録商標)を用いて行なわれた。他のソフトウェアパッケージを使用して、この明細書中に説明された結果を再現することができる。1組の炉床バーナのは、計12本のベンチュリアセンブリを有し、壁バーナは、計18本のベンチュリアセンブリを有した。壁バーナのためのベンチュリアセンブリは、壁バーナのためのものよりも流れの容量が大きかった。燃料は、体積発熱量がより高い燃料で、832英国熱量単位であった。ベンチュリ出口に抵抗構成部品は含まれなかった。アセンブリを通る空気流および加熱コイルの最大管金属温度が計算された。結果を以下に表1に示す。
出口にグリルを備えたベンチュリアセンブリに対してCFDシミュレーションが行なわれ、ガスの2次ポート流を変化させた。用いたガスは、水蒸気であった。1次噴射燃料の流れは一定であった。吸込まれた空気量を、2次ポートを通る水蒸気量とグリル抵抗係数との関数として求めた。結果を図6および図7に示す。
ベンチュリアセンブリの制御のCFDシミュレーションが行なわれ、総燃料を一定に維持しながら、ベンチュリ中のガスからなる2次ポート流を変化させた。これは、炉への入熱が一定な状態で達成することができる流量制御を表わす。用いられたガスは、発熱量がより低い燃料である。吸込まれた空気量は、2次ポートを通して供給された総燃料の割合と、スロートの直径Dと、グリル抵抗係数との関数として求められた。結果を図8に示す。
すべての燃料入口に固定されたオリフィスを備えた燃料噴射ポートを含む単一の燃焼システムを用いて従来の高体積発熱量燃料と合成ガス低体積発熱量燃料との両方を同じシステム上で燃焼させることの実現可能性を決定するために、CFDシミュレーションが実行された。従来の燃料は、90mol%CH4、10mol%H2であった。合成ガスは、43.6mol%CO、37.1mol%H2、および19mol%CO2であった。燃焼速度は、225百万英国熱量単位/時LHV(lower heating value:低位発熱量)であった。事例4Aは従来の燃料を用い、事例4Bは合成ガスを用いた。
CFDシミュレーションを、従来の燃料と合成ガスとの両方を用いて実行した。この場合、抵抗キャップが壁バーナに加えられて、流れをこれらのバーナから壁に沿って向けた。この壁抵抗を合成ガス流体積とともに加えることによって、空気流量が低下した。結果を以下に表3に、抵抗なしの事例4Aおよび4Bを抵抗事例5Aおよび5Bと比較して示す。
図1のベンチュリアセンブリ10に示されるようにベンチュリのスロート部、分岐部、分岐部より下流の直線部を含めて、さまざまな場所で2次燃料を加えることの効果を示すためにCFDシミュレーションを実行した。結果を表4および図10に示す。
Claims (46)
- 上流空気入口と、1次噴射燃料入口を備えた集束部と、前記集束部より下流にあるスロート部と、前記スロート部より下流にある分岐部と、出口と、前記集束部より下流かつ前記出口より上流に配置された2次ガス入口とを有するベンチュリアセンブリを含むバーナにおける空燃比の制御方法であって、前記1次噴射燃料入口に燃料を導入するステップと、前記空気入口を通して吸込によって空気を受取るステップと、前記2次ガス入口を通してガスを供給するステップとを備え、前記2次ガス入口を通して供給される前記ガスの流量および含有量は、所望の空燃比を前記出口を通してもたらすように選択される、方法。
- 前記燃料の発熱量は、約100英国熱量単位/標準立方フィートから約1200英国熱量単位/標準立方フィートの範囲である、請求項1に記載の方法。
- 前記燃料は、従来の燃料または合成ガスであって、前記従来の燃料および合成ガスを、交換可能に供給することができる、請求項2に記載の方法。
- 前記2次ガス入口を通して供給される前記ガスは、燃料である、請求項1に記載の方法。
- 前記2次ガス入口を通して供給される前記ガスは、不活性ガスである、請求項1に記載の方法。
- 前記2次ガス入口を通して燃料および不活性ガスが交換可能に供給される、請求項1に記載の方法。
- 前記2次ガス入口を通して燃料と不活性ガスとの混合物が供給される、請求項1に記載の方法。
- 前記2次ガス入口は、前記スロート部より下流に配置されている、請求項1に記載の方法。
- 前記ベンチュリアセンブリは、前記分岐部より下流に管状部を含み、前記2次ガス入口は、前記管状部に形成されている、請求項1に記載の方法。
- 前記2次ガス入口より下流で流れ方向と流速とのうち少なくとも1つを変更するステップをさらに備える、請求項1に記載の方法。
- 前記流れ方向と流速とのうち少なくとも1つを変更するステップは、流れ抵抗構成部品でもって行われる、請求項10に記載の方法。
- 前記バーナは炉床バーナである、請求項1に記載の方法。
- 前記バーナは壁バーナである、請求項1に記載の方法。
- 前記出口より下流に誘引通風器が含まれている、請求項1に記載の方法。
- 前記ベンチュリアセンブリの上流にダンパが含まれていて、前記空気入口を通る空気の流量の追加的な制御を提供する、請求項1に記載の方法。
- 体積発熱量が100から1200英国熱量単位/標準立方フィートの範囲の燃料を交換可能に用いることができる、請求項1に記載の方法。
- 上流空気入口と、1次噴射燃料入口を備えた集束部と、前記集束部より下流にあるスロート部と、前記スロート部より下流にある分岐部と、出口と、前記集束部より下流かつ前記出口より上流に配置された2次ガス入口とを有するベンチュリアセンブリを含む少なくとも1つのバーナを有するヒータの燃焼方法であって、前記1次噴射燃料入口に燃料を導入するステップを備え、前記燃料は、前記空気入口の中に空気を吸込み、前記方法は、さらに前記2次ガス入口を通してガスを供給するステップを備え、選択された空燃比の空気と燃料との混合物が、前記出口を通って前記ベンチュリアセンブリを出る、方法。
- 低発熱量燃料と高発熱量燃料とを交換可能に用いることができる、請求項17に記載の方法。
- 前記ガスは燃料を含む、請求項17に記載の方法。
- 前記ガスは不活性ガスを含む、請求項17に記載の方法。
- 前記ベンチュリアセンブリは、前記2次ガス入口より下流に位置決めされた抵抗構成部品を有する、請求項17に記載の方法。
- 前記ヒータは、複数の炉床バーナと複数の壁バーナとを有し、前記燃料は、発熱量が低く、前記低発熱量燃料の少なくとも一部を、前記炉床バーナに隣接する第1の場所と前記ヒータの壁にありかつ前記壁バーナより下で前記炉床バーナより上にある第2の場所とのうち少なくとも1つに位置決めされた少なくとも1つの追加のポートを通して供給するステップをさらに備える、請求項17に記載の方法。
- 空気入口と、1次噴射燃料入口を備えた集束部と、前記集束部より下流にあるスロート部と、前記スロート部より下流にある分岐部と、出口と、前記集束部より下流かつ前記出口より上流に配置された2次ガス入口とを含むベンチュリアセンブリを備えるバーナ。
- 前記2次ガス入口より下流に配置された抵抗構成部品をさらに備える、請求項23に記載のバーナ。
- 前記抵抗構成部品は、前記出口の近傍に配置されている、請求項24に記載のバーナ。
- 前記バーナは炉床バーナである、請求項23に記載のバーナ。
- 前記バーナは壁バーナである、請求項23に記載のバーナ。
- 前記ベンチュリアセンブリの上流に配置されたダンパをさらに備える、請求項23に記載のバーナ。
- 前記2次ガス入口は、燃料と不活性ガスとのうち少なくとも1つの供給ラインに接続されるように構成されている、請求項23に記載のバーナ。
- 前記2次ガス入口は、燃料供給ラインと不活性ガス供給ラインとの両方に接続されるように構成されている、請求項23に記載のバーナ。
- 前記抵抗構成部品は、流れ方向と流速とのうち少なくとも1つを変更する、請求項24に記載のバーナ。
- 前記バーナは、前記集束部より下流かつ前記出口より上流に配置された2次ガス入口を有する複数のベンチュリアセンブリを備える、請求項23に記載のバーナ。
- 空気入口と、1次噴射燃料入口を備えた集束部と、前記集束部より下流にあるスロート部と、前記スロート部より下流にある分岐部と、出口と、前記集束部より下流かつ前記出口より上流に配置された2次ガス入口とを含む少なくとも1つのベンチュリアセンブリを含むバーナアセンブリにおける空燃比を制御するための燃焼制御システムであって、
前記1次噴射燃料入口での燃料入口流を制御するように構成された第1の流量制御装置と、前記2次ガス入口へのガス入口流を制御するように構成された第2の流量制御装置と、前記燃料入口での前記燃料の発熱量がより低いかより高いかを判断するように構成された燃料分析構成部品とを備える、燃焼制御システム。 - 前記第1および第2の流量制御装置のうち少なくとも1つは、バルブである、請求項33に記載の燃焼制御システム。
- 前記第1および第2の流量制御装置のうち少なくとも1つは、圧力調整器である、請求項33に記載の燃焼制御システム。
- 前記空気入口流量の制御を支援するためのダンパをさらに備える、請求項33に記載の燃焼制御システム。
- 炉床と、側壁と、空気入口と1次噴射燃料入口を備えた集束部と前記集束部より下流にあるスロート部と前記スロート部より下流にある分岐部と出口と前記集束部より下流かつ前記出口より上流に配置された2次ガス入口とを含むベンチュリアセンブリを含む少なくとも1つのバーナを備えたバーナアセンブリとを含む炉のための燃焼制御システムであって、
前記1次噴射燃料入口への燃料入口流を制御するように構成された第1の流量制御装置と、前記2次ガス入口への入口流を制御するように構成された第2の流量制御装置とを備える、燃焼制御システム。 - 前記第1および第2の流量制御装置を通る流量は、前記燃料の組成、前記燃料の発熱量、ヒータの前記出口での酸素含有量、および前記ベンチュリアセンブリを通る所望の空気流量のうち少なくとも1つに応じて変えられる、請求項37に記載の燃焼制御システム。
- 炉床と壁とのうち少なくとも1つにある第1の組のステージングされたバーナポートと、前記第1の組のステージングされたバーナポートへの入口流を制御するように構成された第2の流量制御装置とをさらに備える、請求項38に記載の燃焼制御システム。
- 前記第1の組のステージングされたバーナポートに隣接する第2の組のステージングされたバーナポートへの低発熱燃料の入口流を制御するように構成された第3の流量制御装置をさらに備える、請求項39に記載の燃焼制御システム。
- 前記1次噴射燃料入口に供給されている前記燃料の組成と発熱量とのうち少なくとも1つを求めるように構成された燃料分析構成部品をさらに備える、請求項38に記載の燃焼制御システム。
- 前記第1および第2の燃料制御装置は、前記燃料分析構成部品によって制御される、請求項41に記載の燃焼制御システム。
- 炉床と、側壁と、炉燃料入口と第1の燃料入口と第2の燃料入口とを備えたベンチュリアセンブリを含むバーナとを含む炉のための燃焼制御システムであって、
前記炉の燃焼後酸素含有量を求めるように構成された酸素分析構成部品を備え、前記酸素分析構成部品は、前記ベンチュリアセンブリの前記第1および第2の燃料入口への相対燃料流量を調節するために用いられる、炉のための燃焼制御システム。 - 炉床と、側壁と、炉燃料入口と補足的な燃料入口とを備えたバーナとを含む炉のための燃焼制御システムであって、
前記燃料入口での前記燃料の発熱量がより低いかより高いかを判断するように構成された燃料分析構成部品を備え、前記燃料分析構成部品は、前記炉燃料入口と前記補足的な燃料入口とのうち少なくとも1つへの燃料の流量を制御するために用いられる、炉のための燃焼制御システム。 - 複数の炉床バーナと、複数の壁バーナと、前記複数の炉床バーナと前記複数の壁バーナとのうち少なくとも1つのための第1の組のステージングされたバーナポートと、前記第1の組に隣接する第2の組のステージングされたバーナポートとを備える炉であって、
前記第1の組のステージングされたバーナポートのみが発熱量のより高い燃料で用いられ、前記1の組のステージングされたバーナポートおよび前記第2の組のステージングされたバーナポートの両方が発熱量のより低い燃料で用いられる、炉。 - 前記炉床バーナおよび前記壁バーナは、発熱量のより高い燃料および発熱量のより低い燃料で交換可能に動作するように構成されている、請求項45に記載の炉。
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