JP3938358B2 - フレアスタック燃焼装置および方法 - Google Patents

Description

この発明は、大気中に放出するために不要な副生成物の燃焼に用いられるフレアスタックの構造と運転に関する。
（発明の背景）
不要な副生成物流の火炎式または補助開放式燃焼は、通常、環境中に放出できるようにするため、酸化させて有毒な気体と蒸気とを有害性の少ない燃焼生成物に変換するために用いられている。

不要な生成物と燃料の混合物は、火炎を形成するために混合物が燃焼領域で点火されるフレアチップやフレアスタックの出口まで上昇するフィードストリームを形成するため、フレアスタックの基礎に供給される。

効率的で完全な混合物の燃焼がいつも得られるわけではない。処理が適切に操作されなかった場合、煙もこの処理において作り出されることになる。

煙の発生は、燃焼過程が不完全であったこと、そして毒性があり、不要な生成物が、有害性の少ない物質に変換されていなかったことの指標となる。煙は大気汚染の目に見える成分であり、その排除および減少は普遍の目的であるといえる。

従来技術では、煙の生成を減少させるために、フレアスタックと組み合わせた空気と水蒸気システムの取付が行われていた。

低い圧力の空気補助システムが、煙のない運転のため必要な、空気と燃料の混合物に空気を供給するために使われている。

通常、フレアスタックの底部に設けられているファンが必要な燃焼用空気を供給する。

フレアシステムを加勢する水蒸気は、水蒸気リングと、無煙火炎を作り出すために水蒸気を空気と水蒸気と燃料気体が混合しているフレアチップにある燃焼領域に噴射するノズルとを用いて噴射する。

従来技術のシステムでは、同軸のバーナーまたはシールドをフレアチップや出口の周囲に設けているものがある。

燃焼を加勢する水蒸気と低圧空気は一般に使われているものである。なぜなら、両方のシステムは、不要な副生成物の生成を排除するための他の手段と比較して、一般に効果的であり、比較的経済的な技術と見なされているからである。

しかしながら、両方の従来技術のシステムは、種々の欠点と欠陥を有している。低圧空気で加勢するシステムは、フレアスタック専用となる少なくとも１つのファンを設置するのためにかなりの資金の支出を必要とする。

継続的な運転をするためには、厳しい保守計画が必要となり、故障や大々的な修理のときには、バックアップシステムが必要となる。水蒸気補助システムは、比較的高い有用な要求条件を有する高度の制御装置を必要とし、保守と交換の期間を必要とすることがあり得る。

フレアスタックの燃焼効率の改善のための様々な方法と装置の構成が、公開された特許文献の中で提案されてきた。

例として、ＵＳＰ５７８８４７７は、内向きや、上向きや、高圧の空気をスタック端部の燃料ガスの出口の上に噴射するために、横にずらした角度に向けることのできる、いろいろなノズルが取り付けられたリングマニホールドを開示する。

同様にして、ＵＳＰ４６５２２３２においては、スタックを取り囲み、流体を廃棄ガススタックの縁の高さもしくは多少上に放出するように、複数のノズルが、高圧流体マニホールドに取り付けられ、そしてノズルは上向きに角度をつけられている。

他の構造は、ＵＳＰ４０１９８５２において、背景技術として開示されている。

最初の２つの従来技術の特許の構成において、横風などの予見できる大気の状況のもと火炎に飲み込まれるのでなければ、高圧の流体の出口を含むノズルまたはマニホールドは火炎の至近にある。これら設備に関する保守と交換のコストは重要となりうる。

それゆえ、本発明の主な目的は、設置するのに、より高価でなく、保守は最小限に抑えられ、工場の運転において見いだされる、様々な運転状況に適応できる、燃焼ガスの完全な燃焼を向上させるための装置と方法を提供することである。

本発明のもう一つの目的は、既に存在するフレアスタックや出口の構成に大きな改造を加えることなく、容易に適合できる方法と装置を提供することである。
（発明の概要）
上記目的と他の特徴は、同軸上にあるシールドとスタックによって範囲を定められるリング状の間隙に高速の噴射や水蒸気を用い、周囲の外気より低い気圧にある高速移動空気の領域を作り出すために、それらが火炎の方向に移動する本発明の方法と装置によって実現される。

この低圧領域により、リング状の間隙に大気を導き入れ、燃焼領域の方向への大量の空気の流れを作り出す。大量の空気は、フィードストリームの完全な燃焼を支援するため燃焼領域へ向けられる。

本発明の主な特徴は、空気の噴射を用いて、周囲の環境からの大量の空気を低圧領域から上方向へ流すことである。

本発明の装置は、１つ以上の分配リングマニフォールドと、フレアスタックの縁や端の下の所定の距離に位置し、連動しているノズルとから構成される。ノズルの出口は、端や火炎の方の上方に高圧空気の噴射が導かれるよう向けられている。好ましい高圧運転の範囲は約３０から６０ｐｓｉｇである。さらに好ましくは約３０から３５ｐｓｉｇである。

ノズルが位置する縁の下からの距離は、実験的にまたは公知の方法や数学モデルや式により決定される。位置は、空気と燃料と廃棄ガスとの乱れた混合を作り出すために、スタックとシールドにより範囲が定められるリング状の間隙への大気の流入や流れを最大化する低圧領域を最適化する。

ノズルは、垂直軸および隣接したフレアスタックの表面に接する方向に対して角度がつけられている方が有利である。このノズルの位置の効果は、シールドとスタックとの間のリング状の間隙に空気噴射の渦巻き状または螺旋状の上昇を少なくとも最初に作り出す。さらに螺旋状の動きを促進するため、複数のベーンがリング状の間隙に取り付けられている。好ましくは、シールドの内側表面に取り付けるのがよい。

ベーンは、曲線形状であり、少なくともフレアスタックの終端から高圧ノズルの周辺の領域まで伸びていることが好ましい。

膨張する空気の上昇に対するのベーンの効果は、火炎の中の廃棄ガスと燃料の完全燃焼を向上させる乱流を作りだし、そして／または維持することである。

さらに好ましい実施例は複数の低圧空気の流れが、スタックの開口端または縁の周囲に位置しているノズルから概して上側および内側に向けられていることである。低圧ノズルにとって好ましい運転範囲は約５から１０ｐｓｉｇ（３４．５〜６８．９ｋＰａ）である。

本発明の装置と方法は、既にあるまたは新たに建設される、フレアスタックの縁または端と同じ高さで終端している上端の縁を有する、または、それらのシールドはスタックの上に伸びており、まっすぐの側面を有するか、テーパーのある側面を有するシールドを備えるフレアスタックに対して有利に用いることができる。

本発明の方法は、製造設備と製品から生じる不要ガスの、煙のない燃焼への経済的な解決を与える。

高圧ガスは、フレアスタックの外部から高圧空気分配リングマニフォールドまで伸びる配管によって供給される。そして、噴射がシールドによって囲まれる。煙のない運転ために必要な乱流の領域が作り出される。

本発明の実施に用いられる装置の特有の構成は、燃焼ガスの比率とフレアチップまたは出口の形状によって変化する。

本発明は高圧空気の経済的な使用を可能とする。必要とされる圧縮空気の量は、従来技術のシステムで使用されている、水蒸気または低圧空気のどちらか一方の必要量と比較して比較的少ない。さらに、配管とノズルは、水蒸気の不利な効果を受けない。
（発明の詳細な説明）
本発明を図１を参照して説明する。図１では大気に開放されているスタック端またはスタック出口１２で末端をなすフレアスタック１０の上部が概略的に描かれている。

フレアスタック１０には、フィードストリーム１６がスタック出口１２から出るように、通常の方法で可燃性のフィードストリーム１６を点火するために用いられている点火装置１４が１個以上備えられている。

この実施例において、フレアスタック１０と中心軸が同軸上にあるバリアまたはシールド５０は、フレアスタック１０の上端部付近に位置している。そして、シールド５０の上端５４はスタック出口１２と同じ高さに位置している。

シールド５０は一般的な筒状の形状を有し、フレアスタック１０の外壁に取り付けられた複数のブラケット５５により支持されている。

可燃性のフィードストリーム１６の組成と、フレアスタック１０とスタック出口１２と点火装置１４との特有の構成は、いかなる従来技術の構成ともなりうるし、将来開発される新しい設計のいかなる構成ともなりうる。

図１に示される本発明の実施例では、高圧マニフォールド３０は、フレアスタック１０の外部を取り囲み、複数の高圧ノズル３２または他の出口が備えられている。そして、複数の高圧ノズル３２の各々または他の出口がスタック出口１２や火炎の方向である上向きに向けられた空気の噴射を作り出す。

高圧マニフォールド３０には、高圧空気の安定した供給源とつながる高圧空気ダクト３４を通して高圧空気が送り込まれる。

より好ましい実施例としては、約３０から３５ｐｓｉｇの圧力で高圧ノズル３２に空気が届くことである。高圧ノズル３２は、フレアスタック１０やフレアチップの形状や可燃性のフィードストリーム１６とその圧力の構成等に基づいて導かれる所定の間隔で、高圧マニフォールド３０上に位置する。

図１と２から理解できるように、高速での高圧ノズル３２からの圧力がかけられた空気流の排出により、空気が上方向に動くように高圧ノズル３２の下方に低圧の領域が作り出される。空気は、フレアスタック１０とシールド５０との間にあるリング状の空間５６に吸い込まれる。この誘導された空気流は、火炎の方へ上昇し、大量の空気を供給する。そして、フィードストリーム１６の中の燃料ガスと不要な化学物質の完全な燃焼を向上させるため最終的に高温のガスと混合される。

混合は乱流状態で行われる。そして、そのことは、さらにフィードストリーム１６の完全な燃焼をさらに向上させる。

高圧ノズル３２の周囲および下方の領域からの大気流の十分な量を確保するため、外部のシールド５０は、その下方の周囲に複数の空気流路５２を設けることが好ましい。空気流路５２の大きさ、数、間隔は、設備特有の空気流の要求値に応じて定められる。

もし、高圧マニフォールド３０が、フレアスタック１０とシールド５０との間にあるリング状の空間５６への空気の流れを邪魔する大きさと構成を有しているなら、その場合は、シールド５０に、付加的な空気流路５２が、乱流を向上させ燃焼領域５８での完全な燃焼に必要とされる十分な量の空気流を確保するために設けられる。

本発明が用いられている装置の構造を基礎としたリング状の空間５６の中への大気の流れを最大限に利用することが望ましい。リング状の空間５６の大きさは、空気の流量率とその乱流が減少するほど大きくするべきではない。

通常の技術からも明らかなように、燃焼している間は、シールド５０は火炎に近接しているため加熱される。シールド５０の加熱の一つの効果は、大気が加熱されたシールドの表面に接触し、それゆえ、空気の膨張と空気の上昇とをおこさせることである。

本発明の配置によって噴射圧がかけられた高速の空気の存在がない場合でも、垂直方向の自然対流または煙突効果による空気流がフレアスタック１０とシールド５０との間のリング状の空間５６に作り出される。

本発明の装置では、この効果は、空気噴射と、下と周りから環状の空間にある低圧領域に入るように誘導された大量の大気によって向上し強められる。上昇する増加した量の空気は加熱され、さらに膨張し乱流となり、燃焼領域５８での燃焼を増強する。シールド５０の先端部の周囲も、金属と空気との間での温度差が大きいため、燃焼領域５８での乱流の増加に貢献する。

反応領域または燃焼領域５８での低圧の付圧状態での移動は、煙のない反応を促進し、そして火炎の周囲の風を制御する。

本発明の実施に使用される加圧された空気の量は、外気から誘導された空気と比較してとても少ない。リングと高圧ノズル３２の構成に依存して、加圧された空気の量と、リング状の空間５６に吸い込まれた大気の量との比率は
１対３００まで可能である。

引き続いて図１と２に言及すれば、複数の間隔をもったバッフルまたはベーン３６は、空気の流れをフレアスタック１０とシールド５０との間のリング状の空間５６に向けるために、適宜設けられる。

なお、図１から３においては図面の明瞭性のために、描いたベーン３６の数を限定している。

ベーン３６は、ベーン３６が突き出しているリング状の空間５６を通る誘導路の中で膨張した空気を誘導することにより、火炎の中心で、より均質の空気を供給することに貢献できる。

発明のより好ましい実施例では、ベーン３６は、各々の高圧ノズル３２の側面に配置されているシールド５０に取り付けられており、近傍の高圧ノズル３２から発する空気の噴出の角度に相当する、角度で垂直から傾けられている。

こうして、図示された実施例においては８個の高圧ノズル３２の各々に対応して２個のベーンが設けられており、合計１６個のベーン３６が設けられている
。

ベーン３６は、上昇した空気をフレアスタック１０の縁に向かわせるため、らせん形状を有していても良い。さらに好ましい実施例は、低圧ダクト４２に設けられた複数の低圧ノズル４０を、スタック出口１２の周囲付近に間隔を空けて配置することである。低圧ノズル４０には、約５から１０ｐｓｉｇの低圧空気の供給源からの空気が供給されている。

図１に示すように、低圧ノズル４０は低圧ダクト４２の下流にある圧力減少装置４５とつながっている。
もう一つの選択肢としては、独立した低圧マニフォールドシステム（不図示）を設けることもできる。高圧または低圧の一方または両方の空気の供給と分配のためのシステム、他の代替のシステムの配置は、従来の技術より明らかであろう。

低圧ノズル４０は、最適の火炎の燃焼パターンを乱す可能性のある大気中の横風の影響を最小化する機能を有し、そして、二酸化炭素が火炎から生成され、これ以上の不要な反応を防ぐ機能を有する。

より好ましい実施例として、低圧ノズル４０は約０.０６２５ｍ／２ｍｍの直径を有し、フレアスタック１０の頂上の近くにおいて９０°の間隔をもって配置されている。低圧ノズル４０はフレアスタック１０の開口に交差する直径線に対して４５°の角度に向けられている。

上記の好ましい実施例において、高圧マニフォールド３０に複数の高圧ノズル３２が取り付いている。代替の実施例においては、管状の高圧マニフォールド３０は、機械加工され、さもなくば、高圧ノズル３２のかわりに高圧空気の放出のための方向づけられた複数の出口が備えられている。

これらの出口は好ましくは、約４５°の角度を持ち、フレアスタック１０の表面等に隣接して接する方向に高圧空気の噴射を放出する。

空気の噴射の水平ベクトルは、出口を通過する直径に対して垂直である。

２つのさらなる本発明の実施例が図４と５に示されている。ここで、高圧ノズルは同様の配置が採用されている。図４において、シールド５０は、内側に向かってテーパー状になる上端部５０′を有し、フレアスタック１０の末端の上で末端をなしている。

図５において、シールド５０は筒状であり、スタックの上で同様に末端をなしている。寸法およびシールド５０とフレアスタック１０の相対的な間隔、そして寸法の変化は、装置と運転状態にいくらかの変化を必要とするかもしれない。それらのすべては本発明の適用範囲に入っており、そして、通常の技術と理解されるであろう。
（例）
本発明の方法の実地試験を、燃料と廃棄ガスの混合気に対して不十分な酸素の量しか供給されないため、大量の目に見える煙を放出しているフレアスタックに対して行った。

以下のデータは、本方法の効果を証明している。この試験において、流量比を基礎とした空気の必要量は水蒸気の必要量の、１．２倍のみであった。

煙の強度データは、比較測定のための工業的に受け入れられている規格を基礎としている。単位は、ＭＭＳＣＦＤは、百万標準立方フィート／日であり、ＳＣＦＭは、標準立方フィート／分である。

上に述べた特徴は本発明の主要な特徴である。従来技術の一つからも明らかであるように、この実施例に限定されない。そして、構成の詳細はフレアチップの形状や、設備の運転特性に関する他のパラメータとともに変化する。当業者は、ここで述べられている本発明の特徴的な実施例に対して、通常の試行を用いているに過ぎない多くの均等物を認識し、確認するだろう。

そのような均等物は、続く請求項の範囲内に包含されていることを意味している。

上からみた斜視図であり、部分的に断面が示され、本発明の一つの好ましい実施例が示されている。 図１の２−２線で切断した図１の断面図である。 図１の実施例の平面図である。 異なる設計のフレアチップを用いた、本発明のもう１つの実施例の概略の側面図であり、部分的に破断図となっている。 さらに異なる設計のフレアチップを用いた、本発明のさらなる実施例の概略の側面図であり、部分的に破断図となっている。

Claims (22)

1. 不要な化学物質の完全燃焼を向上させ、それによってフレアスタックの運転において煙の形成を最小化する装置であって、
   前記フレアスタックは、
   不要な化学物質と燃料気体により形成される可燃性の混合物から構成されるフィードストリームを放出する出口と、前記可燃性の混合物から火炎を生成するための前記フレアスタックの出口の付近に位置する点火装置と、前記スタック出口付近で前記フレアスタックの外側表面と同軸に位置するシールドとを有し、
   前記装置は、
   ａ．前記シールドと前記フレアスタックにより範囲が定められるリング状の間隙の中の前記スタック出口の外側の周辺の下部でかつ、周方向に所定の間隔をおいて配置されている複数の高圧空気噴射ノズルを具備し、
   前記複数の高圧空気噴射ノズルの各々は、前記スタック出口に向けられそして前記フィードストリームの移動の方向に向けられており、
   ｂ．前記複数の高圧空気噴射ノズルとつながっている高圧空気供給源を具備し、
   それによって前記高圧噴射ノズルからの空気の放出が複数の高速空気噴射を形成し、付加的な大気を前記スタック出口の方向へ移動している空気の中に引き寄せる空気の流れを作り出し、それにより前記フィードストリームの燃焼を向上させるようにし、そして、
   ｃ．前記スタック出口の周辺に位置し内側に向けられている複数の低圧ノズルを具備し、
   前記複数の低圧ノズルにより形成された低圧の空気の幕は、火炎の基部の前記スタック出口から内側及び上向きの流れを形成し、火炎の最適な燃焼型を乱す可能性のある大気中の横風の影響を低減した装置。
2. 前記複数の高圧ノズルの各々が取り付けられ、前記高圧空気供給源につながっている高圧マニフォールドを有する請求項１に記載の装置。
3. 前記高圧空気マニフォールドは、前記シールドと前記フレアスタックとの間の環状の空間の中で、前記フレアスタックを取り囲んでいる請求項２に記載の装置。
4. 前記複数の高圧空気噴射ノズルの各々は、
   前記フレアスタックの壁に対して接し、そして前記フレアスタックの縦軸に対して鋭角である角度に空気の噴射を向ける位置にある請求項１に記載の装置。
5. 前記高圧空気供給源は約３０から３５ｐｓｉｇの圧力である請求項１に記載の装置。
6. 前記シールドの全長に渡って、前記シールドの中心軸と、前記フレアスタックの中心軸とは同軸である請求項１に記載の装置。
7. 前記シールドの下部には複数の空気吸入路が設けられている請求項６に記載の装置。
8. 前記フレアスタックの外周において間隔を持ち、一般に前記高速空気噴射の角度に対し平行に伸びる複数の空気誘導ベーンを有する請求項６に記載の装置。
9. 複数の空気誘導ベーンは、前記複数の高圧空気噴射ノズルの各々の付近の前記シールドの表面から伸張している一対の空気誘導ベーンを含む請求項８に記載の装置。
10. 前記複数の低圧ノズルは、前記スタック出口の縁部の周りに位置し、該スタック出口の直径方向に対して約４５°の角度で内側に向けられている請求項１に記載の装置。
11. 前記低圧ノズルは前記シールドの上縁部の下に位置している請求項１０に記載の装置。
12. 前記低圧ノズルは約５から１０ｐｓｉｇの圧力の空気が供給されている請求項１０に記載の装置。
13. 前記シールドは前記スタック出口の上の位置まで伸びている請求項６に記載の装置。
14. 前記シールドの上部は内側にテーパーがつけられている請求項１３に記載の装置。
15. 不要化学物質の完全燃焼と運転中のフレアスタックの出口からの煙の形成の減少とを向上させる方法であって、
    ａ．前記不要化学物質と燃料気体の可燃性の混合物から形成されるフィードストリームを供給し、
    ｂ．前記フレアスタックのスタック出口から前記フィードストリームを放出し、
    ｃ．燃焼領域で火炎を形成するため、前記フィードストリームに点火し、
    ｄ．前記スタック出口の外側の周辺の下部でかつ、周方向に所定の間隔を置いた空気の噴射という形で複数の高速空気流を供給し、前記複数の空気の噴射の各々は、前記燃焼領域に向かって前記フレアスタックの壁に沿って上方に流れるように向けられ、そのことにより前記スタック出口の末端の下に低圧領域を作り出し、前記空気の噴射は前記低圧領域への大気の流入を引き起こし、前記フィードストリームの燃焼を向上するため前記燃焼領域での乱流を引き起こし、
    ｅ．複数の内側に向けられた低圧空気流をフレアスタックの出口周辺に供給し、前記低圧空気流により形成された低圧の空気の幕が、火炎の基部のスタック出口から内側及び上向きの流れとして形成され、横風の影響を低減する方法。
16. 前記複数の空気噴射の各々は前記スタック出口の下の位置から移動する請求項１５に記載の方法。
17. 前記スタック出口付近の周囲の部分の周囲に伸び、そして間隔をもって配置される外部の同芯のシールドを備え、それによって大気を前記空気噴射とともに上方に向けるステップをさらに有する請求項１５に記載の方法。
18. 下流の終端付近に位置し、前記シールドに広がる複数の開口部を有する同芯の前記シールドを備えるステップをさらに有する請求項１７に記載の方法。
19. 同芯の前記シールドが前記スタック出口の上の位置まで伸びている請求項１７に記載の方法。
20. 前記複数の内向きの低圧空気流を、前記スタック出口の直径方向に対して約４５°の角度に向けるステップをさらに有する請求項１５に記載の方法。
21. 前記シールドは、前記スタック出口端と同じ高さで終端した上端を含む請求項１に記載の装置。
22. 前記シールドは、前記スタック出口の上に伸張した上端を含む請求項１に記載の装置。

Images