JP4050081B2

JP4050081B2 - 反応炉

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Publication number: JP4050081B2
Application number: JP2002095698A
Authority: JP
Inventors: 孝明毛利; 利晃吉岡; 良和穂積; 徹汐崎; 敏明長谷川; 晋持田
Original assignee: Chiyoda Corp
Current assignee: Chiyoda Corp
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: JP2003294206A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、いわゆる高温空気燃焼型蓄熱式バーナを用いた反応炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特開平１１−１７９１９１号公報（特願平９−３５７２６３号）には、複数の反応管により横に並んだ複数の反応管列を構成し、高温空気燃焼型蓄熱式燃焼装置を用いて炉内の温度を上昇させて複数の反応管における反応効率を向上させる技術が開示されている。また特開２００１−１５２１６６号公報（特願平１１−３４３６２４号）には、燃焼室を大型化することなく、反応管列が配置される温度場の温度差をできるだけ小さくすることができる高温空気燃焼技術を用いた反応炉に関する技術が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
反応管の本数や反応管列が多くなると、反応管列が抵抗となり、反応管列の内部での温度が大きくなる傾向が現れる。すなわち，高温空気燃焼技術により火焔形成はなくなるものの、反応管に対する伝熱が壁輻射による壁支配のために、反応管自体が内部の反応管の陰となり、反応管の加熱に均一性を欠くことになり、反応管全体でみたときの受熱量（伝熱効率）が低下する問題が発生する。
【０００４】
本発明の目的は、従来よりも受熱量（伝熱効率）を大きくすることができる反応炉を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内部に燃焼室を有する炉本体と、炉本体の炉壁に設けられて燃焼室内で燃料を燃焼する複数の第１バーナと、燃焼室内の排気ガスを通気性を有する複数の蓄熱体を通して炉外に排出し、複数の蓄熱体の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を複数の第１バーナに供給する複数の第１バーナ用燃焼用空気供給装置と、炉壁の対向する一対の壁部間に固定されて互いに同じ方向に延びるように並設された複数の反応管とを備え、複数の反応管の外側に複数の第１バーナが、反応管が延びる方向または反応管が延びる方向と交差する方向に燃料を噴射するように炉壁に固定されている高温空気燃焼技術を用いた反応炉を改良の対象とする。
【０００６】
一般的に、複数の反応管は炉本体内の燃焼室を囲む炉壁の対向する一対の炉壁（例えば底壁と天井壁、対向する一対の側壁）間に直接または支持構造を介して取付けられている。また複数の第１バーナは、炉壁の底壁、天井壁、側壁のいずれかに取付けられる。燃焼用空気は、一般的に蓄熱体の顕熱で８００℃以上の高温に加熱される。第１バーナと第１バーナ用燃焼用空気供給装置とが組み合わされて１台の高温空気燃焼型蓄熱式バーナを構成してもよい。高温空気燃焼型蓄熱式バーナとしては、例えば特開平１１−２２３３３５号公報及び特開２０００−３９１３８号公報等に示されている周知の連続燃焼式蓄熱バーナシステムを用いることができる。この種の連続燃焼式蓄熱バーナシステムでは、１台のバーナ内部に分割した蓄熱体を有し、一部の蓄熱体に燃焼用空気を供給し、同時に他の部分の蓄熱体は燃焼ガスを吸引して蓄熱を行う。空気供給及び燃焼ガス排出の流路は一定周期で切り換えられ、１台のバーナシステム内部で蓄熱／放熱が繰り返される。高温空気の吐出口は切換と共に周方向に移動するが、燃料は１本のバーナから連続的に供給できる。また高温空気燃焼型蓄熱式バーナは、いわゆる交番式蓄熱バーナを用いて構成することもできる。交番式蓄熱バーナは、１つの蓄熱体全体に燃焼用空気と排気ガスとを交互に流して、燃焼用空気を蓄熱体の顕熱で加熱するものであり、大別してバーナの燃焼を連続する連続燃焼タイプと、バーナの燃焼を断続する断続燃焼タイプとがある。連続燃焼タイプのものは、例えば特開平５−２５６４２３号公報や特開平６−１１１２１号公報に示されている。また断続燃焼タイプの一例は、特開平１−２２２１０２号公報に示されている。
【０００７】
本発明においては、複数の反応管の隣接する２本以上の反応管の間に形成される空間に反応管が延びる方向に向かって燃料を噴射するように、一対の壁部の複数の反応管が固定されている一対の固定領域の少なくとも一方に固定された１本以上の第２バーナと、燃焼室内の排気ガスを通気性を有する１以上の蓄熱体を通して炉外に排出し、１以上の蓄熱体の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を１本以上の第２バーナに供給する１以上の第２バーナ用燃焼用空気供給装置とを更に設ける。なお１本の第２バーナと１台の第２バーナ用燃焼用空気供給装置とが組み合わされて１台の高温空気燃焼型蓄熱バーナが構成されていてもよい。
【０００８】
そして本発明においては、複数の第１バーナのみで複数の反応管を加熱したときの複数の反応管の受熱量（伝熱効率）を１としたときに、複数の反応管の受熱量が１より大きくなるように、複数の第１バーナと１本以上の第２バーナの位置関係と、複数の第１バーナと１本以上の第２バーナの燃焼割合とを定める。
【０００９】
本発明においては、複数の反応管の集合体の内部に１本以上の第２バーナを配置して、外側に位置する反応管の陰に位置する反応管に対しても第２バーナからの熱を加えることにより、複数の反応管の集合体の内部における温度場をできるだけ均一にして内部反応管への熱供給不足を防止する。特に、本発明においては、複数の反応管の伝熱効率（第２バーナを燃焼させた場合の複数の反応管の受熱量／複数の第１バーナのみで複数の反応管を加熱したときの複数の反応管の受熱量）が、前述の１より大きくなるように、複数の第１バーナと１本以上の第２バーナの位置関係と、複数の第１バーナと１本以上の第２バーナの燃焼割合とを定めているので、従来よりも受熱量（伝熱効率）を大きくすることができる。
【００１０】
なお複数の第１バーナを一対の壁部の一方に固定し、１本以上の第２バーナを一対の壁部の他方に固定するのが好ましい。そして複数の第１バーナは、複数の反応管を間に挟む位置関係になるように分散して配置する。このようにすると第１バーナに対する燃焼用空気及び第１バーナからの熱の一部が第２バーナの近傍に近付くため、第２バーナの近傍に位置する複数の反応管の加熱を助けることにより、第２バーナを一方の壁部に配置した場合でも、各反応管を局部加熱することなく、各反応管の受熱量を大きくすることが容易になる。
【００１１】
また一対の壁部にそれぞれ１本以上の第２バーナを固定してもよい。この場合には、炉壁の前記一対の壁部とは異なる他の対向する一対の壁部に複数の第１バーナを、複数の反応管を間に挟む位置関係になるように分散して配置するのが好ましい。この配置構成を採用すると、現時点では最も伝熱効率を大きくすることができる。
【００１２】
なお複数の第１バーナと１本以上の第２バーナの燃焼割合を８０：２０にすると、第１バーナと第２バーナの配置を可能な範囲で様々に変更した場合でも、各反応管の受熱量を大きくすることができる。
【００１３】
また１以上の第２バーナ用燃焼用空気供給装置が、複数の反応管の外側から１本以上の第２バーナに燃焼用空気を供給するように配置されている場合、第２バーナ用燃焼用空気供給装置から供給される空気量を、第２バーナから供給される燃料流量に対する理論燃料空気量の３０％未満にするのが好ましい。このようにすると、燃焼効率の高い良好な燃焼を得ることができる。
【００１４】
反応管列の内部にはスペースが十分に確保できない場合が多いので、第２バーナ用燃焼用空気供給装置は、複数の反応管の外側から１以上の第２のノズルに燃焼用空気を供給するように配置するのが好ましい。反応管の長さが短い場合には、第１バーナのための燃焼用空気供給装置を、第２バーナ用燃焼用空気供給装置として兼用することもできる。
【００１５】
なお複数の反応管を、隣接する他の反応管との距離が等しくなるように配置し、複数の第２バーナを、隣接する複数の反応管との間の距離が等しくなるように配置すると、複数の反応管の内部の温度場をほぼ均一にすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明を試験用の分解炉に適用した実施の形態の一例の概略の構成図である。符号１で示したものは、内部に燃焼室２を有する炉本体である。炉本体１は、一対の壁部である底壁（炉床）１ａ及び上壁（炉天井）１ｂと、幅方向（図１の紙面で見た前後方向）に位置する一対の壁部である側壁１ｃ及び１ｄと、横方向（図１の紙面で見た左右方向）の一対の壁部である側壁１ｅ及び１ｆとを備えている。
【００１７】
炉本体１の壁部１ａは、実際には図示しない支持構造部によって支持されており、炉本体１の側壁（壁部）１ｃにはそれぞれ高温空気燃焼型蓄熱式バーナを構成する４台の連続燃焼式蓄熱バーナ３乃至６が固定されている。そして炉本体１の底壁１ａと上壁１ｂとを貫通するように、複数本の反応管７…が配置されている。
【００１８】
ここで用いる連続燃焼式蓄熱バーナ３乃至６は、炉本体１の炉壁に設けられて燃焼室２内において燃料を燃焼する第１バーナ（図示せず）と燃焼室２内の排気ガスを通気性を有する１以上の蓄熱体（図示せず）を通して炉外に排出し、１以上の蓄熱体の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を複数の第１バーナに供給するように構成された第１バーナ用燃焼用空気供給装置とが組み合わされて構成されている。このような連続燃焼式蓄熱バーナの構造は、特開平１１−２２３３３５号公報及び特開２０００−３９１３８号公報等に詳細に開示されているので説明は省略する。
【００１９】
燃焼用空気の加熱温度は、回転機構の回転速度、蓄熱体の通気性、蓄熱体の長さ等の要素によって決まる。この例では燃焼用空気の温度が８００℃以上になるようにこれらの要素が決定されている。勿論このような高温に耐えるように各部の材料も選択されている。そして第１バーナ用燃焼用空気供給装置の後方には、燃焼用空気を供給する図示しない空気ダクトと排気ガスを排出する排気ガスダクトを有するダクト構造体とが設けられ、更にこのダクト構造体の後方には、燃焼用空気を空気ダクトに送り込む押し込み送風機と排気ガスを排気ガスダクトから引き出す誘引送風機が配置されている。本実施の形態のように４台の連続燃焼式蓄熱バーナ３乃至６を用いる場合には、各連続燃焼式蓄熱バーナのダクト構造体は、例えば１台の押し込み送風機と誘引送風機とによって燃焼用空気の供給と排気ガスの排気とを行えるように、４台のダクト構造体を集合させて構成した集合構造を有している。この例では、７本の反応管７…の群の両側に、反応管７…が延びる方向と直交する方向に燃料を噴射するようにバーナ３乃至６が配置されている。４台の連続燃焼式蓄熱バーナ３乃至６のうち、２台の連続燃焼式蓄熱バーナ３及び４は、７本の反応管７…の群の片側に上下方向に距離をあけて配置されており、２台の連続燃焼式蓄熱バーナ５及び６は、２台の連続燃焼式蓄熱バーナ３及び４とは７本の反応管７…の群を間に挟んで反対側に上下方向に距離をあけて配置されている。図１においては、連続燃焼式蓄熱バーナ３乃至６から出た燃焼用空気の流れを矢印で示している。
【００２０】
７本の反応管７…は、六角形の頂点と六角形の中心にそれぞれ反応管が位置するように配置されている。そして７本の反応管７…の隣接する反応管間に形成される空間に向かって、第２バーナ８…及び９…が配置されている。
【００２１】
７本の反応管７…の隣接する２本以上の反応管の間に形成される空間に反応管７が延びる方向に向かって燃料を噴射するように、４本の第２バーナ８…及び４本の第２バーナ９…がそれぞれ配置されている。これらの第２バーナ８…及び９…は、複数の反応管７…が固定されている底壁１ａと上壁１ｂの固定領域にそれぞれ固定されている。
【００２２】
また炉本体１の側壁１ｃには、上下方向に間隔をあけて２台の第２バーナ用燃焼用空気供給装置１０及び１１が配置されている。この２台の第２バーナ用燃焼用空気供給装置１０及び１１は、前述の連続燃焼式蓄熱バーナ３乃至６のバーナを除いた部分の構成と同様に構成されている。すなわち蓄熱体と回転機構と送風装置等から構成されており、燃焼室２内の排気ガスを通気性を有する蓄熱体を通して炉外に排出し、蓄熱体の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を対応する第２バーナ８または９に供給する構造を有している。ここで第２バーナ用燃焼用空気供給装置１０及び１１から供給される空気量は、第２バーナ８及び９から供給される燃料流量に対する理論燃料空気量の３０％未満にするのが好ましい。
【００２３】
この構造では反応管７…は、各バーナから出る高温燃焼ガスの輻射熱と炉壁からの輻射熱で加熱される。この実施の形態において、燃焼室２の内部の温度が８００℃以上になるように高温空気燃焼を行うと、燃焼室２内の温度を高くしても、燃焼室２内の反応管７…が配置される温度場の温度差を小さくすることができる。
【００２４】
本実施の形態においては、４台の連続燃焼式蓄熱バーナ（第１バーナ）３乃至６のみで７本の反応管７を加熱したときの７本の反応管の受熱量を１としたときに、７本の反応管７…の受熱量が１より大きくなるように、連続燃焼式蓄熱バーナ（第１バーナ）３乃至６と８本の第２バーナ８…及び９…の位置関係と、４台の連続燃焼式蓄熱バーナ（第１バーナ）３乃至６と８本の第２バーナ８…及び９…の燃焼割合とを定めている。後に効果を説明するように、この例では、連続燃焼式蓄熱バーナ（第１バーナ）３乃至６と８本の第２バーナ８…及び９…の燃焼割合を、８０：２０にしている。
【００２５】
図２は、本発明の第２の実施の形態の概略構成を示す図である。図２において、図１に示した部材と同様の部材には、図１に付した符号と同じ符号を付して説明を省略する。この例では、上壁１ｂ側にのみ４本の第２バーナ８…を配置している点で、図１の実施の形態と相違する。
【００２６】
図３は、本発明の第３の実施の形態の概略構成を示す図である。図３においては、図１に示した部材と同様の部材には、図１に付した符号と同じ符号を付して説明を省略する。この例では、底壁１ａ側にのみ４本の第２バーナ９…を配置している点で、図１の実施の形態と相違する。
【００２７】
図４は、本発明の第４の実施の形態の概略構成を示す図である。図４において、図１に示した部材と同様の部材には、図１に付した符号と同じ符号を付して説明を省略する。この例では、炉本体１の底壁１ａ側にのみ４本の第２バーナ９…を配置している点と、４台の連続燃焼式蓄熱バーナ３乃至６を炉本体１の上壁１ｂに固定している点で図１に示した実施の形態とは相違する。なお図４においては、図１に示した２台の第２バーナ用燃焼用空気供給装置１０及び１１の図示を省略してある。図４の実施の形態においては、２台の連続燃焼式蓄熱バーナ３及び４を反応管７の群の片側に反応管７に沿って燃料を噴射するように配置し、２台の連続燃焼式蓄熱バーナ５及び６を反応管７の群の反対側の片側に反応管７に沿って燃料を噴射するように配置している。
【００２８】
図５は、本発明の第５の実施の形態の概略構成を示す図である。図５において、図１に示した部材と同様の部材には、図１に付した符号と同じ符号を付して説明を省略する。この例では、炉本体１の上壁１ｂ側にのみ４本の第２バーナ８…を配置している点と、４台の連続燃焼式蓄熱バーナ３乃至６を炉本体１の底壁１ａに固定している点で図１に示した実施の形態とは相違する。なお図５においても図４と同様に、図１に示した２台の第２バーナ用燃焼用空気供給装置１０及び１１の図示を省略してある。図５の実施の形態においては、２台の連続燃焼式蓄熱バーナ３及び４を反応管７の群の片側に反応管７に沿って燃料を噴射するように配置し、２台の連続燃焼式蓄熱バーナ５及び６を反応管７の群の反対側の片側に反応管７に沿って燃料を噴射するように配置している。
【００２９】
下記の表は、第１乃至第５の実施の形態について、連続燃焼式蓄熱バーナ３乃至６と第２バーナ８…又は９…の燃焼割合を変えた場合の各反応管７の受熱量または伝熱効率の変化を示すものである。
【００３０】
【表１】

上記の結果は、図５に示した第５の実施の形態において、第２バーナ８を利用しないで連続燃焼式蓄熱バーナ３乃至６のみで加熱を行った場合における全反応管７…の受熱量を便宜的に１とした場合における各燃焼割合における第１乃至第５の実施の形態の全反応管７の受熱量を示したものであり、この数字は伝熱効率を示すものである。燃焼割合の欄には、「連続燃焼式蓄熱バーナ（第１バーナ）３乃至６：第２バーナ（８，９）」の燃焼割合を示している。上記表からは、第１、第４及び第５の実施の形態において、燃焼割合を８０：２０にすると、燃焼効率が１以上になることが分かる。また各実施の形態における燃焼割合「１００％：０％」の受熱量をそれぞれ１とすれば、燃焼割合を８０：２０にしたときに、第１乃至第５の実施の形態における燃焼効率は１以上の最大値となる。したがっていずれの実施の形態においても、燃焼割合を８０：２０にするのが好ましい。
【００３１】
図６乃至図８は、第６乃至第８の実施の形態における連続燃焼式蓄熱バーナ３乃至５と第２バーナ（８，９）の位置関係の異なる例を示している。これらの実施の形態においても、上記に説明したように、燃焼割合を８０：２０にすると燃焼効率を最大にすることができる。
【００３２】
上記の各実施の形態では、第２バーナと第２バーナ用燃焼用空気供給装置とを別個に設けているが、これらを一つのバーナシステムとした連続燃焼式蓄熱バーナを用いて、第２バーナと第２バーナ用燃焼用空気供給装置とを集中配置するようにしてもよいのは勿論である。
【００３３】
また上記の実施の形態では、高温空気燃焼型蓄熱式燃焼バーナとして連続燃焼式蓄熱バーナを用いたが、回転式蓄熱バーナ及び交番式蓄熱バーナ等のその他の形式の高温空気燃焼型蓄熱式燃焼バーナを用いてもよいのは勿論である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、複数の反応管の集合体の内部に１本以上の第２バーナを配置して、外側に位置する反応管の陰に位置する反応管に対しても第２バーナからの熱を加えることにより、複数の反応管の集合体の内部における温度場をできるだけ均一にして内部反応管への熱供給不足を防止することができる。特に、本発明によれば、複数の反応管の伝熱効率が、前述の１より大きくなるように、複数の第１バーナと１本以上の第２バーナの位置関係と、複数の第１バーナと１本以上の第２バーナの燃焼割合とを定めているので、従来よりも受熱量（伝熱効率）を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を試験用の分解炉に適用した第１の実施の形態の概略構成を示す図である。
【図２】本発明を試験用の分解炉に適用した第２の実施の形態の概略構成を示す図である。
【図３】本発明を試験用の分解炉に適用した第３の実施の形態の概略構成を示す図である。
【図４】本発明を試験用の分解炉に適用した第４の実施の形態の概略構成を示す図である。
【図５】本発明を試験用の分解炉に適用した第５の実施の形態の概略構成を示す図である。
【図６】本発明を試験用の分解炉に適用した第６の実施の形態の概略構成を示す図である。
【図７】本発明を試験用の分解炉に適用した第７の実施の形態の概略構成を示す図である。
【図８】本発明を試験用の分解炉に適用した第８の実施の形態の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１炉本体
２燃焼室
３〜６連続燃焼式蓄熱バーナ（第１バーナ）
７反応管
８，９第２バーナ
１０，１１第２バーナ用燃焼用空気供給装置

Claims

内部に燃焼室を有する炉本体と、
前記炉本体の炉壁に設けられて前記燃焼室内において燃料を燃焼する複数の第１バーナと、
前記燃焼室内の排気ガスを通気性を有する１以上の蓄熱体を通して炉外に排出し、前記１以上の蓄熱体の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を前記複数の第１バーナに供給するように構成された複数の第１バーナ用燃焼用空気供給装置と、
前記炉壁の対向する一対の壁部間に固定されて互いに同じ方向に延びるように並設された複数の反応管とを備え、
前記複数の反応管の外側に複数の前記第１バーナが、前記反応管が延びる方向または前記反応管が延びる方向と交差する方向に燃料を噴射するように前記炉壁に固定されている高温空気燃焼技術を用いた反応炉であって、
前記複数の反応管の隣接する２本以上の前記反応管の間に形成される空間に前記反応管が延びる方向に向かって燃料を噴射するように、前記一対の壁部の前記複数の反応管が固定されている一対の固定領域の少なくとも一方に固定された１本以上の第２バーナと、
前記燃焼室内の排気ガスを通気性を有する１以上の蓄熱体を通して炉外に排出し、前記１以上の蓄熱体の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を前記１本以上の第２バーナに供給する１以上の第２バーナ用燃焼用空気供給装置とを更に備え、
前記複数の第１バーナのみで前記複数の反応管を加熱したときの前記複数の反応管の受熱量を１としたときに、前記複数の反応管の伝熱効率が１より大きくなるように、前記複数の第１バーナと前記１本以上の第２バーナの位置関係と、前記複数の第１バーナと前記１本以上の第２バーナの燃焼割合とを定めたことを特徴とする反応炉。
前記複数の第１バーナが前記一対の壁部の一方に固定され、前記１本以上の第２バーナが前記一対の壁部の他方に固定され、
前記複数の第１バーナは前記複数の反応管を間に挟む位置関係になるように分散して配置されている請求項１に記載の反応炉。
前記一対の壁部にそれぞれ前記１本以上の第２バーナが固定されており、
前記炉壁の前記一対の壁部とは異なる他の対向する一対の壁部に前記複数の第１バーナが、前記複数の反応管を間に挟む位置関係になるように分散して配置されている請求項１に記載の反応炉。
前記複数の第１バーナと前記１本以上の第２バーナの燃焼割合が８０：２０である請求項１に記載の反応炉。
１以上の前記第２バーナ用燃焼用空気供給装置が、前記複数の反応管の外側から前記１本以上の第２バーナに前記燃焼用空気を供給するように配置され、前記第２バーナ用燃焼用空気供給装置から供給される空気量は、前記第２バーナから供給される燃料流量に対する理論燃料空気量の３０％未満である請求項１に記載の反応炉。
前記複数の反応管は、隣接する他の反応管との距離が等しくなるように配置され、
複数の前記第２バーナは、隣接する複数の前記反応管との間の距離が等しくなるように配置されている請求項５に記載の反応炉。
前記第１バーナと前記第１バーナ用燃焼用空気供給装置とが組み合わされて１台の高温空気燃焼型蓄熱バーナが構成されており、
前記第２バーナと前記第２バーナ用燃焼用空気供給装置とが組み合わされて１台の高温空気燃焼型蓄熱バーナが構成されている請求項１に記載の反応炉。