JP2019527332A - 金属製バーナーコンポーネント - Google Patents
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Abstract
本開示は、バーナーコンポーネントが高い炉内温度に曝される、熱分解、改質、および蒸気発生などの工業プロセスで使用するための金属バーナーコンポーネントを設計するための方法を提供することを目的とする。バーナーコンポーネントは、一連の冷却チャネルと、炉の高温に曝されるバーナーの部分上に１つ以上の燃料および酸化剤の流れを向けるための内部バッフルとを含む。本開示はまた、結果として生じるバーナーを提供する。
Description
本開示は、金属コンポーネントが６００℃以上の高温に直接曝される固定された産業用とのバーナーに使用するための金属コンポーネントの設計に関するものである。そのようなバーナーは、過熱器などの加熱および発電などの熱分解、改質、精製、および非化学アプリケーションなどの化学プロセスを含む多くのアプリケーションに応用可能である。
エタンなどのパラフィンをエチレンなどのオレフィンに熱分解することはエネルギー集約的である。パラフィンは約１２００℃まで加熱された煙道ガスと共に炉内の管またはコイルを通過する。炉の内壁は、プロセスコイルに熱を放射する耐火材料である。壁は、床または壁、あるいはその両方の中で一連のバーナーによって加熱される。壁の温度は、７００℃〜１３５０℃、典型的には８００℃〜１２００℃の範囲の温度に達することがある。
現在、炉の内部のバーナーの部品は耐火材料で製造されているため、バーナーを重くしている。さらに、耐火物またはセラミックスは脆くなる傾向があり、操作中に破損する可能性がある。
特許文献１は、内面および外面を有し、閉鎖チャンバを提供する金属製の二重壁クォールが内部でバーナーを囲む高温バーナーに関する改良を開示している。冷却媒体がクォールを通過してバーナーをより低温に保つ。特許は、冷却媒体がバーナーに供給されている空気または燃焼からの排気ガスであり得ることを教示している。この参考文献は、二重壁のクォールが使用されていないため、本開示から離れて教示している。
非特許文献１には、金属バーナーが開示されている。バーナーは、壁に亘って空気を通過させてバーナーを冷却するための通路を内部金属バーナー壁内に有していない。さらに、バーナーは火炎に空気の渦流を与えて表面積を増やし火炎温度を下げるように設計されている。そのような火炎温度の低下は望ましくないかもしれない。
Ｊｏｈｎ Ｚｉｎｋ Ｃｏｍｐａｎｙ ＬＬＣに譲渡されたＢｕｓｓｍａｎの名称で２０１０年１月２８日に公開された特許文献２は、低ＮＯｘ排出を生み出すためにバーナーを教示する。図において、バーナーはタイル（例えばセラミックスまたは耐火物）であり、その中でかなりの量のバーナーがそのような材料でできている。対照的に、本開示のバーナーは、２０重量％未満のセラミックスまたは耐火物を含み、好ましくは、セラミックスまたは耐火物を含まない。さらに、セラミックスまたは耐火物が使用される場合、それは金属の外側にオーバーコートされる。
２００８年９月３０日に出願され２０１２年７月１７日に発行された特許文献３は、ガスタービンエンジン用の燃焼器を開示している。燃焼領域にはバッフル９がある。バッフルを冷却するのを助ける空気をバッフルの後ろに導入することができる。バッフルを冷却するのを助けるためにバッフルの裏にはチャネリングの種類のヒントや提案はない。
大阪ガス（株）のＡ．Ｏｈｍｏｒｉによる１９９８年国際ガス研究会議の抄録２６９〜２７６頁の論文「加熱炉用超小型低ＮＯｘバーナーの開発」
本開示は、コンポーネントをその変形温度より低く保つために、高い炉温度に直接曝されるバーナー表面からの必要な熱除去を計算する方法を提供しようとするものである。熱除去要件は、少なくとも１つまたはそれ以上の燃料の流れおよび酸化剤の流れをバーナー表面の上に向けるための冷却チャネルおよび内部バッフルの密度および寸法を決定するために使用される。
本開示は、熱伝導チャネル、フィン、流体燃焼バーナーの内面上の突起、または内部バッフルのうちの１つ以上のｖｂｂ２必要性を判断する方法であって、バーナーは６００℃以上の温度で作動し、厚さＴと、炉および１つ以上の酸化剤および燃料の流れを修正するバーナー内の内部バッフルに直接面する（炉およびバーナー内の内部バッフルの一部を形成する）平坦な非絶縁表面とを有する少なくとも１つの金属コンポーネントを含み、内部は、１つ以上の熱伝導チャネル、フィン、または突起、またはバーナーの一部を形成する内部バッフルのグリッドを有し、１つ以上の酸化剤および燃料が前記１つ以上の熱伝導チャネル、フィン、前記金属の内面上の突起の上を流れ、面から熱を除去し、前記バーナーの仮想または材料モデルを形成するステップと、バーナーがその変形温度より低い温度で作動するかどうかを判定するために、計算流体力学、バーナー試験、パイロットプラント試験、および商業試験を含む１つ以上の方法を用いて判断するステップとを含む方法を提供する。
他の一実施形態は、炉の平衡運転条件下でのバーナーのシミュレーションを含む計算流体力学方法であって、
ａ． 金属コンポーネントの表面を通した炉からの熱流束［Ｗ／ｍ２Ｋ］を計算するステップと、
ｂ． 金属コンポーネントの内面から酸化剤および燃料のうちの前記１つ以上への対流熱伝達を計算するステップと、
ｃ． 炉の運転条件における金属成分の平衡温度を決定するステップと、
ｄ． 金属コンポーネントの計算された平衡温度を金属コンポーネントの変形温度と比較するステップと、
ｅ． 金属コンポーネントの変形温度が、金属コンポーネントの計算された平衡温度より２０°Ｃ以下低い場合：
ｉ）前記金属コンポーネントの内面上の熱伝導チャネル、フィン、突起の寸法および密度を修正するステップと、
ｉｉ）内部バッフルのうちの１以上を修正するステップであって、したがって、前記金属コンポーネントの内面上のガス速度および熱伝達率を修正するステップと、
ｆ） 金属コンポーネントの計算温度が金属コンポーネントの変形温度よりも少なくとも２０℃低くなるまでステップａ）からｅ）を繰り返すステップと
を含む方法を含む。
ａ． 金属コンポーネントの表面を通した炉からの熱流束［Ｗ／ｍ２Ｋ］を計算するステップと、
ｂ． 金属コンポーネントの内面から酸化剤および燃料のうちの前記１つ以上への対流熱伝達を計算するステップと、
ｃ． 炉の運転条件における金属成分の平衡温度を決定するステップと、
ｄ． 金属コンポーネントの計算された平衡温度を金属コンポーネントの変形温度と比較するステップと、
ｅ． 金属コンポーネントの変形温度が、金属コンポーネントの計算された平衡温度より２０°Ｃ以下低い場合：
ｉ）前記金属コンポーネントの内面上の熱伝導チャネル、フィン、突起の寸法および密度を修正するステップと、
ｉｉ）内部バッフルのうちの１以上を修正するステップであって、したがって、前記金属コンポーネントの内面上のガス速度および熱伝達率を修正するステップと、
ｆ） 金属コンポーネントの計算温度が金属コンポーネントの変形温度よりも少なくとも２０℃低くなるまでステップａ）からｅ）を繰り返すステップと
を含む方法を含む。
他の一実施形態では、ステップｆが満たされると、製造コストを最小にするために、ステップｆ）の基準を満たしながら、熱伝導チャネル、フィン、突起の寸法および密度、あるいは内部バッフルのサイズ、位置、および数のうちの１つ以上をさらに修正する。
他の一実施形態では、前記バーナーのための安全な操作窓を決定するために酸化剤および燃料の流速を修正するステップをさらに含む。
他の一実施形態では、燃料は天然ガスである。
他の一実施形態では、酸化剤は、空気と、酸素および不活性ガスの混合物とから選択される。
他の一実施形態では、バーナーはウォールバーナーである。
他の一実施形態では、バーナーは頂部下向きバーナーである。
他の一実施形態では、バーナーはフロアバーナーである。
他の一実施形態では、化学反応器用のバーナーは、上記のように調製される。
他の一実施形態では、ボイラー用バーナーは、上記のように調製される。
他の一実施形態では、ヒーター用バーナーは、上記のように調製される。
他の一実施形態は、上記のような１つ以上のバーナーを有する化学改質装置を提供する。
他の一実施形態は、上記のような１つ以上のバーナーを有するボイラーを提供する。
他の一実施形態は、上記のような１つ以上のバーナーを有する過熱器を提供する。
他の一実施形態は、上記のような１つ以上のバーナーを有する化学熱分解装置を提供する。
他の一実施形態は、上記のような１つ以上のバーナーを有する化学精製装置を提供する。
他の一実施形態では、バーナー試験、パイロットプラント試験、および商業試験のうちの１つ以上を含む、上記のような方法であって、
ａ． 熱伝導チャネル、フィン、選択された寸法および密度の突起、および選択されたサイズおよび位置の１つ以上の内部バッフルのうちの１つ以上を有する、７００℃から約１３５０℃の温度で安定な金属から１つ以上のバーナーコンポーネントまたはバーナー自体を製造するステップと、
ｂ． 試験条件下でのバーナーまたはバーナーコンポーネントの温度が金属の熱変形温度より２０℃未満低いかどうかを判定するために、熱伝導チャネル、フィン、突起、および内部バッフルのうちの前記１つ以上の上で、予想される動作温度ならびに燃料および酸化剤の様々な流動条件で、１つ以上のバーナー試験、パイロットプラント試験、および商業試験のうちの１つ以上の中でバーナーまたはバーナーコンポーネントを試験するステップと、
ｃ． 試験条件下のバーナーまたはコンポーネントの温度が金属の熱変形温度より２０℃未満低い場合、熱伝導チャネル、フィン、突起の寸法、熱伝導チャネル、フィン、突起の密度、および内部バッフルのサイズ、位置、および数に１つ以上の修正を有する新たなより多くのバーナーコンポーネントまたはバーナーを製造し、その熱伝達特性を向上させるステップと、
ｄ． バーナーまたはコンポーネントの熱変形温度が金属の熱変形温度より２０℃以上低くなるまでステップａからｃを繰り返すステップと
を含む方法が提供される。
ａ． 熱伝導チャネル、フィン、選択された寸法および密度の突起、および選択されたサイズおよび位置の１つ以上の内部バッフルのうちの１つ以上を有する、７００℃から約１３５０℃の温度で安定な金属から１つ以上のバーナーコンポーネントまたはバーナー自体を製造するステップと、
ｂ． 試験条件下でのバーナーまたはバーナーコンポーネントの温度が金属の熱変形温度より２０℃未満低いかどうかを判定するために、熱伝導チャネル、フィン、突起、および内部バッフルのうちの前記１つ以上の上で、予想される動作温度ならびに燃料および酸化剤の様々な流動条件で、１つ以上のバーナー試験、パイロットプラント試験、および商業試験のうちの１つ以上の中でバーナーまたはバーナーコンポーネントを試験するステップと、
ｃ． 試験条件下のバーナーまたはコンポーネントの温度が金属の熱変形温度より２０℃未満低い場合、熱伝導チャネル、フィン、突起の寸法、熱伝導チャネル、フィン、突起の密度、および内部バッフルのサイズ、位置、および数に１つ以上の修正を有する新たなより多くのバーナーコンポーネントまたはバーナーを製造し、その熱伝達特性を向上させるステップと、
ｄ． バーナーまたはコンポーネントの熱変形温度が金属の熱変形温度より２０℃以上低くなるまでステップａからｃを繰り返すステップと
を含む方法が提供される。
運転例において、または他に指示がない限り、明細書および特許請求の範囲で使用される成分の量、反応条件などに関する全ての数または表現は、全ての場合において用語「約」により修飾されると理解されるべきである。したがって、そうでないと示されない限り、以下の明細書および添付の特許請求の範囲に記載される数値パラメータは、本開示が得ることを望む特性に応じて変わり得る近似値である。少なくとも、そして均等論の適用を特許請求の範囲に限定する試みとしてではなく、各数値パラメータは、報告された有効桁数に照らして、そして通常の丸め技法を適用することによって少なくとも解釈されるべきである。
本開示の広い範囲を記載する数値範囲およびパラメータは近似値であるにもかかわらず、特定の実施例に記載される数値は可能な限り正確に報告されている。しかしながら、いずれの数値も、それらのそれぞれの試験測定値に見られる標準偏差から必然的に生じる特定の誤差を本質的に含む。
また、本明細書に列挙された任意の数値範囲は、その中に包含されるすべての部分範囲を含むことを意図していることを理解すべきである。例えば、「１〜１０」の範囲は、列挙された最小値１と列挙された最大値１０との間およびそれらを含むすべての小範囲を含むこと、すなわち、１以上の最小値および１０以下の最大値を有するが意図されている。開示された数値範囲は連続的であるため、それらは最小値と最大値との間のあらゆる値を含む。他に明示的に示されていない限り、本出願において特定される様々な数値範囲は近似値である。
本明細書で表される全ての組成範囲は、実際には全体で１００パーセント（体積パーセントまたは重量パーセント）に制限され、それを超えない。複数の成分が組成物中に存在し得る場合、各成分の最大量の合計は１００％を超えることができ、そして当業者が容易に理解するように、実際に使用される成分の量は、最大１００パーセントに従うことが理解される。
本明細書で使用されるとき、そしてそれがバーナー材料に関する場合、バーナーの全構造に対して、実質的に金属または実質的に金属製、金属および金属製はすべて、バーナーの８０％以上が金属であることを意味し、後述するように、残りは、バーナーの限定された外面上のコーティングの上のオプションのセラミックスである。言い換えれば、バーナーは、２０重量％以下のセラミックスまたは耐火物、または１０％以下または５％以下のセラミックスまたは耐火物を有する。
本明細書で使用されるとき、冷却チャネルは、バーナーの内面に機械加工されており、冷却チャネルの寸法は、冷却チャネルの幅および高さを指す。冷却チャネルの幅は、冷却チャネルの基部で決定される。冷却チャネル（リブ）の高さは、チャネルの基部の上方の冷却チャネルの壁の高さを指す。しかしながら、冷却チャネルの壁が金属コンポーネントに対して垂直ではない場合、それは、壁の外側先端から冷却チャネルの基部までの高さを指す。
本明細書で使用されるとき、フィンとは、バーナーの内面に接着された金属の薄いリボンを指し、冷却フィンの寸法は、金属の表面の上方の冷却フィンの厚さと高さを指す。
本明細書で使用されるとき、突起とは、表面における表面積および乱流を増加させるための小さな離散的な表面改質を指す。
本明細書で使用されるとき、バッフルは、高い炉内温度に曝される表面上の１つ以上の酸化剤または燃料の流路および速度を修正するために使用される、バーナーの内側の金属板を指す。
冷却チャネル、フィン、突起またはそれらの組み合わせの密度は、チャネルが存在する領域におけるチャネル、フィン、または突起のアレイを横切る単位長さあたりのチャネル、フィン、または突起のアレイの数を意味する（例えば、１ｃｍ当たり５チャネル）。これは、冷却チャネルの表面積の範囲とは異なる。例えば、金属コンポーネントの内面の半分だけが、冷却チャネル、フィン、または突起を有する場合、チャネル、フィン、または突起は、金属コンポーネントの全表面を覆うチャネルの場合とは異なる寸法を有することになる。これらの異なる設計に対する製造コストは、ある具体例において、チャネル、フィン、突起もしくは突起アレイの設計、またはそれらの組み合わせ、ならびに表面被覆率（熱伝導性構造の種類によって全体的または分離的のいずれか）が最適化され、製造コストを下げるように異なる。
炉に直接曝されるバーナーチップの冷却に関してはかなりの量の先行技術がある。ある具体例では、この技術は、ノズルの表面を横切ってノズルから出るガスを向けるためにある種の「旋回」羽根を必要とする。炉に曝されない表面（例：裏側または内側）上に、冷却チャネル、フィン、または突起、またはそれらの組み合わせを有する絶縁体（例えば、耐火物）無しで、炉に直接曝される平面片またはシートなどの金属コンポーネントを提供することに関する技術は無いようである。
本明細書で使用されるとき、平面とは、要素の湾曲の程度を指す。しかしながら、本開示はエンクロージャ（例えば、箱）の側面の形状または幾何学的形状によって限定されない。平面の表面が例示されているが、エンクロージャの面が湾曲または波状である実施形態もまた想定される。
ある具体例では、燃料は主に流体燃料、例えば天然ガスなどのガスである。ある具体例では、燃料は液体炭化水素、例えば飽和Ｃ４-１０脂肪族または環状炭化水素とすることができる。燃料は微粉炭などの固体粒子ではない。
ある具体例では、酸化剤は、気体酸素、例えば空気を含むが、それは酸素と窒素など不活性ガスとの混合物を含むこともできる。混合物は、最大約６０重量％の不活性ガス、例えば、６０〜４０重量％の不活性ガスを含むことができる。
本開示のバーナーは、出口から炉に向かって上流にチャンバを含み、炉に入る前に１つ以上の酸化剤および燃料混合物がそれを通過する。チャンバは、炉に直接曝される１つ以上の面または表面を有する１つ以上の金属コンポーネントを含む。金属コンポーネントの反対側は、チャンバの内部に面している。本開示によれば、熱伝導チャネル、フィンもしくは突起、またはそれらの組み合わせは、金属コンポーネントの内側に面する側に設けられ、それを通して酸化剤および燃料のうちの１つ以上が通過して、金属コンポーネントから熱を除去する。
しかしながら、問題は、部品が使用条件下で変形または劣化（軟化または溶解）しないように適切な量の冷却を提供するために、計算（例えばＣＦＤ）または実験（バーナー試験、パイロットプラント試験、またはプラント試験）またはそれらの組み合わせによって、チャネル、フィン、突起またはそれらの組み合わせの寸法および密度を決定することである。ある具体例では、金属コンポーネントの温度は、金属の変形または軟化温度より少なくとも２０℃低く保たれるべきである。
一実施形態では、本開示の第１のステップは、問題となっているバーナー、特に断熱被覆なしで炉に直接曝されることになるチャンバおよび金属コンポーネントのコンピュータモデルを作成することである。コンピュータモデルは、ＣＡＤ／ＣＡＭアプリケーションで使用される任意の既知の設計ソフトウェアによって生成することができる。出発点としてモデルを準備する際に、炉に直接曝される金属コンポーネントの面にはチャネルがないようにすべきである。反対側（例えば、チャンバの内側）は、熱伝導チャネル、フィン、もしくは突起、またはそれらの組み合わせが無くてもよく、または、経験豊富なオペレーターの目算に基づくサイズ、密度、および表面被覆率を有する、熱伝導チャネル、フィン、突起、またはそれらの組み合わせを有してもよい。バーナー内部のＣＡＤ／ＣＡＭモデルには、バッフルが無いようにすべきである。
ある具体例では、モデリングのための出発点は以下を含み得る。
長手方向チャネルは、存在する場合、０．１〜２の高さ対幅の比、ある具体例では０．５〜２、ある具体例では０．５〜１を有することができる。リブは、４〜２５ｍｍ、または８〜２２ｍｍ、ある例では１０〜２０ｍｍの高さを有することができる。
フィンは、長手方向チャネルに匹敵する寸法および間隔を有してもよい。それらは、約４〜２５ｍｍ、または８〜２２ｍｍ、ある例では１０〜２０ｍｍの高さと、２〜２０ｍｍ、ある具体例では５から１．５ｃｍまでの厚さを有し、２ｍｍ〜２ｃｍ、ある例では５ｍｍ〜１．５ｃｍの間隔で配置することができる。
フィンは、長方形、正方形、三角形、または台形などの多数の断面形状を有することができる。台形の形状は、完全に意図的なものではないかもしれないが、例えば、三角形の断面を製造する（例えば、鋳造または機械加工する）ことが非常に困難であるかまたは費用がかかる場合に製造プロセスから生じ得る。
ある具体例では、フィンは金属表面の一部として鋳造されてもよく、または金属表面に溶接されてもよい。
突起は閉じた中実体である。
突起は、例えば、四面体、角錐、立方体、円錐、球を通る断面（例えば半球以下）、楕円を通る断面、変形した楕円体を通る断面（例えば、涙滴）などの比較的小さな体積を含む比較的大きな外面を有する幾何学的形状を有することができる。突起に対していくつかの有用な形状は、
四面体（三角形の底面と正三角形である３つの面をもつピラミッド）、
ジョンソン四角錐（正方形の底面と辺が正三角形である側面をもつ角錐）、
４つの二等辺三角形の側面をもつピラミッド、
二等辺三角形の側面をもつピラミッド（例えば、それが四面ピラミッドである場合、底面は正方形でなくてもよく、それは長方形または平行四辺形であり得る）、
球の一部（例えば、半球以下）、
楕円体の断面（例えば、楕円がその長軸または短軸を通って回転するときに形成される形状または体積を通る断面）、
涙滴の断面（例えば、一様に変形していない楕円体が変形軸に沿って回転したときに形成される形状または体積を通る断面）、
放物線の断面（例えば、放物線がその長軸を中心に回転するときに形成される形状または体積を通る断面−変形した半（またはそれ以下の）球）、例えば、異なるタイプのデルタ翼などを含む。
四面体（三角形の底面と正三角形である３つの面をもつピラミッド）、
ジョンソン四角錐（正方形の底面と辺が正三角形である側面をもつ角錐）、
４つの二等辺三角形の側面をもつピラミッド、
二等辺三角形の側面をもつピラミッド（例えば、それが四面ピラミッドである場合、底面は正方形でなくてもよく、それは長方形または平行四辺形であり得る）、
球の一部（例えば、半球以下）、
楕円体の断面（例えば、楕円がその長軸または短軸を通って回転するときに形成される形状または体積を通る断面）、
涙滴の断面（例えば、一様に変形していない楕円体が変形軸に沿って回転したときに形成される形状または体積を通る断面）、
放物線の断面（例えば、放物線がその長軸を中心に回転するときに形成される形状または体積を通る断面−変形した半（またはそれ以下の）球）、例えば、異なるタイプのデルタ翼などを含む。
突起の間隔および高さは、フィンのそれと同等である。それらは、約４〜２５ｍｍ、または８〜２２ｍｍ、ある例では１０〜２０ｍｍの高さ、および２〜２０ｍｍ、ある具体例では５〜１５ｃｍの厚さを有し、２ｍｍ〜２ｃｍ、いくつかの例では５ｍｍ〜１．５ｃｍ離間している。
突起はまた、金属の内面上に鋳造されてもよい。ある具体例では、突起はアレイを形成する。ある具体例では、アレイは対称的であり、例えば、それらは平行な列（線形アレイ）にあってもよいし、または隣接する列の突起がアレイ間隔だけずれていてもよい（ダイヤモンド型アレイ）。
チャネル、フィン、突起、またはそれらの組み合わせは、流路の内部表面積の約１５〜１００％、ある具体例では２５〜１００％、ある具体例では６０〜１００％を覆ってもよい。リブまたはチャネルが流路の内部表面積の１００％未満を覆うとき、リブまたはチャネルは、少なくとも熱分解炉にさらされるバーナーの部分の内部表面上に連続した一連の平行なリブまたはチャネルを形成する。
ある具体例では、バーナーは、バーナー幅の５０〜１００％の範囲にわたるバッフルを有し、高い炉内温度に曝される表面に隣接する流れ面積を２０〜７０％減少させることができる。
ある具体例では、少なくとも１つのガス状酸化剤用の前記１つ以上の出口の前方リップの１０％以下前方の領域から、前記１つ以上のガス状酸化剤用の前記１つ以上の出口の前方リップまでを支持する下降バッフルがあるバーナーが提供され、前記バッフルは、前記バーナーの前面の高さの５０〜９０％の高さからバーナーの上部金属セクションの内側を下降し、前記バーナーの面の幅の１００〜７５％バーナーの内面を横方向に横切って延在し、前記下降バッフルは、金属上部セクションの側壁に対して下降バッフルの両側に実質的に等しい開口部があるように配置され（本明細書で使用されるとき、実質的に等しい開口部とは、高さの変動が１０％未満、例えば、５％未満または２％未満であることを意味する）、必要に応じて、前記下降バッフルは、それを貫通する１つ以上の円形チャネルを有し、１つ以上の燃料供給ラインを通過させることができる。
さらなる一実施形態では、前記下部金属流路の上部壁から金属上部セクションのチャンバ内の開口面積の４５〜８５％前方に延在する上昇バッフルをさらに含むバーナーが提供される。
更なる一実施形態では、前記下部金属流路の上部壁から前方に延在する前記上昇バッフルが、その前方セクションにおいて開放頂部に向かって上方に曲げられて、上部セクションの前記内側前方壁と平行な上向き上昇バッフルを提供するバーナーが提供される。１つ以上の燃料供給ラインがそこを通過することを可能にするために、上部セクションの前壁および必要に応じて前記上昇バッフルの上方に延在するセクションがそれを貫通する１つ以上の円形チャネルを有し、１つ以上の燃料供給ラインが通過するのを可能にする。
更なる一実施形態では、前記下部金属流路の上壁から前方に延びる前記上昇バッフルが、上部セクションの内側前壁に面する表面に、前記実質的な金属製流路の内面上の前記少なくとも１つのガス状酸化剤の流れを方向付けるための一連の平行な長手方向内部リブをさらに含むバーナーが提供される。
また、ある具体例では、上昇バッフルと下降バッフルの両方が存在してもよい。
金属製壁は、４〜２５ｍｍ、または８〜２２ｍｍ、ある例では、１０〜２０ｍｍの厚さを有することができる。
ある具体例では、バーナー設計またはそのコンポーネントは、試験バーナーから商業プラントサイズまでのサイズで製造され、バーナー試験設備、パイロットプラント設備を使用して、またはプラント試験において実験的に試験されることができる。製造されたバーナーの熱変形に対する耐性が評価され、変形に対する耐性を改善するためにバーナーに改良を加えることができる。改良されたバーナーの試験は、適切な設計を達成するための反復プロセスとなるだろう。
ある具体例では、金属コンポーネントのモデルはその後、作動中のバーナーの計算流体力学モデルで使用される。入力データには、酸化剤と燃料の流量と組成、炉の幾何学的形状、およびプロセスのデューティーが含まれる。燃料の対流冷却と燃焼燃料の熱放出に対するバーナーを通って流れる酸化剤との間にはバランスがある。対流冷却流速は、熱放出速度、燃料組成、および典型的な過剰空気と相互依存し、その結果、１％〜１０％の湿ったモル濃度の酸素をもたらす。バーナーの必要とされる熱放出と、酸化剤および燃料の流速は、バーナーの大きさの範囲を規定するであろう。この範囲は、酸化剤の速度および冷却に必要な燃料速度の範囲によってさらに規定されるであろう。そしてそれがバーナーを通って流れるとき、燃料と酸化剤の最大実用圧力降下が起こる。燃料および酸化剤の流量は、当業者によって必要に応じて計算することができる。
シミュレーションの出力には、炉とバーナー全体の伝導性、対流性、および放射性の熱伝達が含まれる。ある具体例では、燃料の燃焼熱は、流速がチャネル上を流れる流体への対流熱伝達を増大させるが、炉内の熱および温度も増大させるので考慮される。モデルは炉の平衡温度と金属部分の平衡温度を計算する必要がある。次にモデルは金属部分の平衡温度を、軟化温度または熱変形温度より低い特定の温度差（例えば、１０℃〜４０℃）などの所定の温度と比較する。潜在的には溶解温度を使用することができるが、それは部品の故障に近すぎる。安全性のマージンが無い。
モデルが平衡温度は軟化温度未満の必要な差であると決定した場合、モデルをさらに実行する必要はない。温度が熱変形温度に近すぎる場合は、チャネルおよび内部バッフルの寸法、密度、および表面被覆率が変更され、平衡温度が要求される温度（例えば、変形温度-２０℃）と比較される。満足のいく平衡温度（例えば、変形温度-２０℃）が得られるまで、チャネル寸法、密度、および表面被覆率の各変化に対してこのプロセスが繰り返される。
ある具体例では、適切な平衡温度が得られた後、金属表面をさらにモデル化して、チャネルについてより経済的なパターンおよび／またはチャネルについてより機械的に安定なパターンを得ることができる。
チャンバは任意の形状とすることができる。ある具体例では、チャンバは炉に曝される少なくとも１つの平面を有する。チャンバは、以下の形状のうちの１つ以上から選択することができる。いくつかの例ではＮは４より大きい偶数であるが、Ｎは４より大きい整数（例えば、５、６、７、８）であるＮ面プリズム（六角形プリズム、八角形プリズム等）。チャンバは、矩形プリズム（Ｎは４）または三角形プリズム（Ｎは３）などの形状の組み合わせを含んでもよい。球および管は、一般的にチャンバにとって好ましい形状ではない。チャンバは、典型的には、一方の側（平面）に入口を有し、他方の側または上面に出口を有する。
ある具体例では、チャンバを通る乱流を有することが望ましい。ある例では、流れの乱流を増大させるためにチャンバ内に１つ以上の内部バッフルがあってもよい。乱流はまた、チャネルからチャンバを通って流れる流体への熱伝達を助ける。
バーナーに使用される炉に直接曝される金属コンポーネントは、約７００℃〜約１３５０℃、または約８５０℃〜約１２００℃、または８５０℃〜１１００℃の温度で機械的に安定であるべきである。金属コンポーネントは、鍛造ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼およびＨＰ、ＨＴ、ＨＵ、ＨＷおよびＨＸステンレス鋼から選択されるステンレス鋼、耐熱鋼、ならびにニッケル基合金などの任意の高温鋼から製造することができる。コイルパスは、高強度低合金鋼（ＨＳＬＡ）、高強度構造用鋼、または超高強度鋼とすることができる。そのような鋼の分類および組成は当業者に知られている。
一実施形態では、ステンレス鋼、例えば耐熱ステンレス鋼は、１３〜５０、または２０〜５０、または２０〜３８重量％のクロムを含む。ステンレス鋼は、２０〜５０、または２５〜５０、または２５〜４８、または約３０〜４５重量％のＮｉをさらに含んでもよい。ステンレス鋼の残部は実質的に鉄とすることができる。
開示された実施形態はまた、ニッケルおよび／またはコバルト基の極度のオーステナイト系高温合金（ＨＴＡ）と共に使用されてもよい。ある具体例では、合金は主要量のニッケルまたはコバルトを含む。ある具体例では、高温ニッケル基合金は、約５０〜７０、または約５５〜６５重量％のＮｉと、約２０〜１０重量％のＣｒと、約２０〜１０重量％のＣｏと、約５〜９重量％のＦｅと、組成物を１００重量％にするために、以下に記載する残りの１種以上の微量元素を含む。ある具体例では、高温コバルト基合金は、４０〜６５重量％のＣｏと、１５〜２０重量％のＣｒと、２０〜１３重量％のＮｉと、４重量％未満のＦｅと、残部の以下に示す１種以上の微量元素と、２０重量％以下のＷとを含む。成分の合計は、最大１００重量％である。
ある具体例では、鋼は、少なくとも０．２重量％、最大３重量％、または例えば１．０重量％、最大２．５重量％、または最大２重量％のマンガンと、０．３〜２、または例えば、０．８〜１．６、または例えば１．９重量％未満のＳｉと、３未満、または２重量％未満のチタンと、ニオブ（例えば、２．０未満、または１．５重量％未満のニオブ）と、他のすべての微量金属と、２．０重量％未満の量の炭素とを含む多数の微量元素をさらに含むことができる。微量元素は、鋼の組成が合計１００重量％になるような量で存在する。
上記のようなバーナーは炉の壁に取り付けることができ、床に取り付ける、または天井に取り付けることもできる（例えば、改質器のように）。場合によっては、壁、床、または天井内の耐火物内張りは、それを通してバーナーが適合する開口部を有し、次いでバーナーが適合された開口部を塞ぐために耐火物およびセメントが使用される。バーナーはまた、酸化剤、例えば空気をバーナーに供給するために炉用の外部支持体（フレーム）および外部ダクトに取り付けられる。また、燃料供給ラインは、燃料供給源、例えば、天然ガスに接続される。
金属製バーナーはまた、パイロットライトなどの補助機器、およびダクト作業用の接合部材のための燃料供給装置、ならびに任意の機械的酸化剤流量コントローラならびに計装を含む。
本開示は、以下の実証により示される。
（実証）
（実証）
ここで本開示の一実施形態を、図１、図２、および図３を参照して実証する。図２は、エタンをエチレンに熱分解するために使用されるようなＦｏｓｔｅｒ-Ｗｈｅｅｌｅｒ熱分解炉の簡単な概略図を示す。図２に示すエチレンクラッカーなどの熱分解装置では、供給原料２０１（エタンと水蒸気の混合物）は、一般的に炉の対流部と呼ばれる２０３の排気部分を通過するコイル２０２に入る。供給物は、対流部内で制御された特定の温度に予熱される。ある具体例では、蒸気もまた、別のコイル２０７内の対流部で加熱される。ある具体例では、ボイラー給水もまた、別のコイル２０６内の対流部で加熱される。供給原料２０１を有するコイル２０２は、２０５を出る前に、炉の放射部２０４を通過し、その点で、急速に低温に急冷することができる。コイル２０２は、炉２０４の放射部を通過し、バーナー２０８によって発生された熱に曝される。図２に示される炉は、２つの放射部を有する分解炉構成を示し、コイルは両方の放射部を通過する。単一の放射部を有する炉を含む他の多数の構成がある。
ＮＯＶＡ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓのエタン熱分解装置の放射セクションの動作をモデル化するために、これまで計算流体力学（ＣＦＤ）が使用されてきた。ある具体例では、この特定の熱分解炉のこのセクションの運転は、２１５℃の燃焼空気と、６０％のモル分率の水素と４０％のモル分率の天然ガスとの混合物からなる燃料とを１３０℃の予熱温度で予熱した。炉内のバーナーは、通常高温炉で使用される耐火物で構成された市販の低ＮＯｘバーナーである。単一のバーナーの熱放出速度は、煙道ガスの湿った酸素のモル濃度が２％のときに約５ＭＭＢｔｕ／ｈｒ（１．５ＭＷ）である。プロセスコイルの表面温度、耐火バーナーの表面温度、煙道ガス出口温度、およびプロセスコイル熱伝達率を含むがこれらに限定されない実プラントデータおよびＣＦＤモデルの結果が比較された。モデル化された測定値とプラント運転測定値との比較は、それが実用的な方法でプラント性能の予測に使用できるように十分に近いこと（１０％以内）がわかった。
この検証作業は、本開示に従って耐火材料の代わりに金属を構成材料として使用して設計されたバーナーの性能を予測するために、本発明者らによるモデル要件および設定を定義するために使用された。図２は、放射セクション２０４を備えたフォスター−ホイーラー型熱分解炉の概略図とバーナー２０８の位置とを示す。図３は、本特許に従って設計され、上記段落で説明されたのと等しい条件で動作する（例えば、図１に示される）バーナーのＣＦＤによって予測されるような表面温度を示す。温度スケールは、５００℃から１０００℃の間の温度を示すように選択された範囲を有する。この範囲より上または下の温度は、スケールの両端に示される。図３は、この例のバーナーについて、表面温度が９００℃以下であり、これはバーナー構築に使用されるであろう金属の変形温度より低いことを示している。これは、バーナーの燃焼速度と燃焼空気によって引き起こされる内部冷却速度と金属バーナーの設計との間に熱伝達のバランスがあることを示している。
Claims (18)
- 熱伝導チャネル、フィン、流体燃焼バーナーの内面上の突起、または内部バッフルのうちの１つ以上の必要性を判断する方法であって、
前記バーナーは６００℃以上の温度で作動し、厚さＴと、炉および１つ以上の酸化剤および燃料の流れを修正するバーナー内の内部バッフルに直接面する（炉およびバーナー内の内部バッフルの一部を形成する）平坦な非絶縁表面とを有する少なくとも１つの金属コンポーネントを含み、
内部は、１つ以上の熱伝導チャネル、フィン、または突起、または前記バーナーの一部を形成する内部バッフルのグリッドを有し、１つ以上の酸化剤および燃料が前記１つ以上の熱伝導チャネル、フィン、前記金属の内面上の突起の上を流れて、前記面から熱を除去し、前記バーナーの仮想または材料モデルを形成するステップと、バーナーがその変形温度よりも低い温度で作動するかどうかを判定するために、計算流体力学、バーナー試験、パイロットプラント試験、および商業試験を含む１つ以上の方法を用いて判断するステップとを含む方法。 - ａ． 金属コンポーネントの表面を通した炉からの熱流束［Ｗ／ｍ２Ｋ］を計算するステップと、
ｂ． 金属コンポーネントの内面から酸化剤および燃料のうちの前記１つ以上への対流熱伝達を計算するステップと、
ｃ． 前記炉の運転条件における前記金属成分の平衡温度を決定するステップと、
ｄ． 前記金属コンポーネントの計算された平衡温度を前記金属コンポーネントの前記変形温度と比較するステップと、
ｅ． 前記金属コンポーネントの前記変形温度が、前記金属コンポーネントの計算された平衡温度より２０°Ｃ以下低い場合、
ｉ）前記金属コンポーネントの内面上の前記熱伝導チャネル、フィン、突起の寸法および密度を修正するステップと、
ｉｉ）前記内部バッフルのうちの１以上を修正するステップであって、したがって、前記金属コンポーネントの内面上のガス速度および熱伝達率を修正するステップと、
ｆ） 前記金属コンポーネントの前記計算温度が前記金属コンポーネントの前記変形温度よりも少なくとも２０℃低くなるまでステップａ）からｅ）を繰り返すステップと
を含む、炉の平衡運転条件下でのバーナーのシミュレーションを含む計算流体力学方法を含む請求項１に記載の方法。 - ステップｆが満たされた後、製造コストを最小にするために、ステップｆ）の基準を満たしながら、前記熱伝導チャネル、フィン、突起の寸法および密度、あるいは内部バッフルのサイズ、位置、および数のうちの１つ以上をさらに修正する、請求項２に記載の方法。
- 前記バーナーのための安全な操作窓を決定するために酸化剤および燃料の流速を修正するステップをさらに含む、請求項３に記載の方法。
- 前記燃料は天然ガスである、請求項１に記載の方法。
- 前記酸化剤は、空気と、酸素および不活性ガスの混合物とから選択される、請求項１に記載の方法。
- 前記バーナーはウォールバーナーである、請求項１に記載の方法。
- 前記バーナーは頂部下向きバーナーである、請求項１に記載の方法。
- 前記バーナーはフロアバーナーである、請求項１に記載の方法。
- 請求項１に記載の方法で調製された化学反応器用のバーナー。
- 請求項１に記載の方法で調製されたボイラー用バーナー。
- 請求項１に記載の方法で調製されたヒーター用バーナー。
- 請求項１０に記載の１つ以上のバーナーを有する化学改質装置。
- 請求項１１に記載の１つ以上のバーナーを有するボイラー。
- 請求項１２に記載の１つ以上のバーナーを有する過熱器。
- 請求項１０に記載の１つ以上のバーナーを有する化学熱分解装置。
- 請求項１０に記載の１つ以上のバーナーを有する化学精製装置。
- ａ． 熱伝導チャネル、フィン、選択された寸法および密度の突起、および選択されたサイズおよび位置の１つ以上の内部バッフルのうちの１つ以上を有する、７００℃から約１３５０℃までの温度で安定な金属から１つ以上のバーナーコンポーネントまたはバーナー自体を製造するステップと、
ｂ． 前記試験条件下での前記バーナーまたはバーナーコンポーネントの温度が前記金属の熱変形温度より２０℃未満低いかどうかを判定するために、前記熱伝導チャネル、フィン、突起、および内部バッフルのうちの１つ以上の上で、予想される動作温度ならびに前記燃料および酸化剤の様々な流動条件で、１つ以上のバーナー試験、パイロットプラント試験、および商業試験のうちの１つ以上の中で前記バーナーまたはバーナーコンポーネントを試験するステップと、
ｃ． 前記試験条件下の前記バーナーまたはコンポーネントの温度が前記金属の前記熱変形温度より２０℃未満低い場合、前記熱伝導チャネル、フィン、突起の寸法、前記熱伝導チャネル、フィン、突起の密度、および内部バッフルのサイズ、位置、および数に１つ以上の修正を有する新たなより多くのバーナーコンポーネントまたは前記バーナーを製造し、その熱伝達特性を向上させるステップと、
ｄ． バーナーまたはコンポーネントの熱変形温度が前記金属の熱変形温度より２０℃以上低くなるまでステップａからｃを繰り返すステップと
を含む、バーナー試験、パイロットプラント試験、および商業試験のうちの１つ以上を含む、請求項１に記載の方法。
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