JP4422545B2 - 反応炉及び反応炉における伝熱促進方法 - Google Patents

Description

本発明は、炉本体内に複数の反応管が配置された反応炉及び反応炉における伝熱促進方法に関するものである。

特開平１１−１７９１９１号公報（特願平９−３５７２６３号）には、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公報（特願平１１−３４３６２４号）には、高温空気燃焼技術を用いて燃焼室を大型化することなく、反応管列が配置される炉内の温度場の温度差をできるだけ小さくする技術が開示されている。
特開平１１−１７９１９１号公報 特開２００１−１５２１６６公報

複数の反応管の外側から複数の反応管が配置された領域に輻射エネルギを放射して複数の反応管を加熱する場合、各反応管の管壁の周囲温度に大きな差が生じる問題がある。この問題は、燃焼室内の温度差が小さくなる高温空気燃焼雰囲気中においても同様に現れる。

このような温度差は、反応管の割れの発生原因や、コーキングの発生原因となる。そのため、このような温度差を小さくする必要がある。また反応管に対する伝熱が壁輻射による壁支配になるため、反応管自体が自分よりも内側に位置する他の反応管に対して伝熱の陰となる。そのため各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。

本発明の目的は、反応管の管壁の温度差をできるだけ小さくすることができる反応炉及び反応炉における伝熱促進方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、反応管の加熱の均一化を達成することができて、より高熱流束を与えることができる反応炉及び反応炉における伝熱促進方法を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、従来よりも大幅に小型化が可能な反応炉を提供することにある。

本発明が改良の対象とする反応炉は、対向する一対の壁部と該一対の壁部間に位置する周壁とからなる炉壁によって囲まれた燃焼室を内部に有する炉本体と、炉壁の対向する一対の壁部間を延びるように設置され互いに間隔をあけて配置された複数の反応管と、複数の反応管の外側に配置され、燃焼ガスを複数の反応管が位置する領域に向かって放出する少なくとも１台のバーナとを備えている。複数の反応管は、少なくとも１台のバーナから放出される燃焼ガスが放出される方向と該方向と交差する方向とに間隔をあけるように配置されている。

本発明においては、少なくとも１台のバーナから放射された熱を輻射して近傍に位置する１以上の反応管を加熱する輻射変換体を、２以上の反応管の間に配置する。このような輻射変換体を配置すると、バーナから放射された熱では直接加熱することができない複数の反応管の一部分（バーナ側から見たときに裏側に位置して熱が加わらない、いわゆる影になる部分）を輻射変換体からの輻射熱で加熱することができる。その結果、温度が低くなる傾向にある、反応管のいわゆる影になる管壁部分に熱を積極的に伝熱して、反応管の管壁における温度差を小さくすることができる。輻射変換体の配置位置は、周囲の反応管との距離や、反応管の直径寸法等を考慮して、各反応管の管壁における温度差ができるだけ小さくなるように定めればよい。

高温空気燃焼技術を用いて炉本体内を高温空気燃焼雰囲気（例えば、燃焼用空気の温度を８００℃以上になるようにし、炉内の温度を１０００℃以上にして得た雰囲気）にするのが好ましい。高温空気燃焼雰囲気では、燃焼室内の場の温度差が小さくなるため、それだけ反応管の管壁の各部の温度差も小さくなる。そのためこのような雰囲気中において輻射変換体を用いると、反応管の管壁の各部の温度差をより小さいものとすることができる。

輻射変換体は、バーナからの熱の一部を通過させることができ、しかも適当な方向に輻射（反射及び再放射）できるものであれば、その構造は任意である。例えば、金属製の多孔板または金属製の網から輻射変換体を構成することができる。金属製の多孔板または金属製の網は、安価であり、また変形及び加工が容易であり、しかも重量が極端に重くなることがないので、設置が容易であるという利点が得られる。

なお輻射変換体における空間率（熱がそのまま通過する貫通孔が全体に占める割合）は、輻射変換体の存在がその後ろに位置する反応管の加熱の重大な障害にならず、しかも周囲の反応管の加熱に必要な輻射熱を得ることができるように定めることになる。好ましい空間率は、３０〜７０％であり、より好ましい空間率は４０乃至６０％である。この下限値が、必要以上に小さくなり過ぎると、輻射変換体が熱伝達の大きな障害となり、上限値が大きくなり過ぎると、必要な輻射熱（熱伝達）が得られなくなる。

複数の反応管の配列または配置態様は任意である。例えば、複数の反応管が１本の反応管を囲むように複数の反応管を配置するようにしてもよい。この場合には、輻射変換体は１本の反応管と他の複数の反応管との間に位置するように配置する。このようにすれば輻射変換体の両側に位置する反応管に対して輻射熱を簡単且つ確実に与えることができる。

なおこの場合、輻射変換体は、１本の反応管の周囲を囲む筒形状を有しているのが好ましい。このように輻射変換体を筒形状にすると、１つの輻射変換体を中心の反応管に対して配置すればよいので、輻射変換体の設置が容易になる。

また複数の反応管は、複数の反応管が列を成すように配置されて構成された複数の反応管列を燃焼ガスが放出される方向に並ぶように配置してもよい。この場合には、輻射変換体を隣り合う２本の反応管列の間に位置するように配置する。このようにすると輻射変換体の両側に位置する２本の反応管列を構成する複数の反応管の裏面（いわゆる影になる部分）を簡単且つ確実に輻射変換体からの輻射熱によって加熱することができる。

本発明の反応炉における伝熱促進方法においては、バーナから放射された熱を輻射して近傍に位置する１以上の反応管を加熱する輻射変換体を、２以上の反応管の間に配置する。そして輻射変換体からの輻射熱でバーナから放射された熱では直接加熱することができない複数の反応管の一部分を加熱する。したがって本発明の方法によれば、簡単に各反応管の管壁の温度差を小さくすることができる。

本発明によれば、反応管を加熱する輻射変換体を、２以上の反応管の間に配置することにより、バーナから放射された熱では直接加熱することができない複数の反応管の一部分を輻射変換体からの輻射熱で加熱することができるので、温度が低くなる傾向にある、反応管のいわゆる影になる管壁部分に熱を積極的に伝熱して、反応管の管壁における温度差を小さくすることができる利点が得られる。その結果、本発明によれば、より高熱流束を与えることができ、従来よりも反応炉を大幅に小型化することが可能になる。

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（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明を小形の改質用反応炉に適用した実施の形態の一例の上壁を除去した状態の概略平面図及び概略斜視図である。また図２は、反応炉内の内部の構造を示した概略斜視図である。これらの図において、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、一対の壁部を構成する底壁（炉床）１ａ及び図示しない上壁（炉天井）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を構成する側壁１ｂ及び１ｃと、横方向（図１の紙面で見た左右方向）の一対の壁部を構成する側壁１ｄ及び１ｅとを備えている。

炉本体１の底壁（炉床）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いる。炉本体１の側壁１ｂ及び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連続燃焼式蓄熱バーナ３及び４が上下方向に距離をあけて２台ずつ配置されている。７本の反応管５ａ〜５ｇは、炉本体１の底壁１ａと図示しない上壁とを貫通するように配置されている。７本の反応管５ａ〜５ｇは、１本の反応管５ａを囲むように６本の反応管５ｂ〜５ｇを配置している。６本の反応管５ｂ〜５ｇは、正六角形の角に位置するように周方向に６０度ずつ離して配置されている。そして輻射変換体６が、中央の反応管５ａと他の６本の反応管５ｂ〜５ｇとの間に位置するように配置されている。この輻射変換体６は、１本の反応管５ａの周囲を囲む筒形状を有している。輻射変換体６を筒形状にすると、１つの輻射変換体を中心の反応管５ａに対して配置すればよいので、輻射変換体６の設置が容易になる。

輻射変換体６は、バーナ３及び４からの熱の一部を通過させることができ、しかも適当な方向に輻射（反射または再放射）できる構造を有している。具体的には、金属製の網を筒状に変形させて輻射変換体６を構成している。金属製の網は、安価であり、また変形及び加工が容易であり、しかも重量が極端に重くなることがないので、設置が容易である。輻射変換体６における空間率（熱がそのまま通過する貫通孔が全体に占める割合）は、輻射変換体６の存在がその後ろに位置する反応管５ａの加熱の重大な障害にならず、しかも周囲の反応管５ｂ〜５ｇの加熱に必要な輻射熱を得ることができるように定めている。好ましい空間率は、３０〜７０％である。この実施の形態では、より好ましい空間率である４０乃至６０％の範囲に入る空間率になるように構成された輻射変換体を用いている。この実施の形態では、中心の反応管５ａの仮想中心を中心として、反応管５ａの相当直径の１．２倍〜３倍の位置に輻射変換体６を配置している。

ここで用いる連続燃焼式蓄熱バーナ３及び４は、燃焼室２内において燃料を燃焼するバーナと、バーナ用燃焼用部分空気供給装置とが組み合わされて構成されている。バーナ用燃焼用部分空気供給装置は、通気性を有する１以上の蓄熱体（図示せず）を有している。そしてバーナ用燃焼用部分空気供給装置は、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バーナに供給するように構成されている。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公報等に詳細に開示されているので説明は省略する。

燃焼用空気の加熱温度は、炉内の熱バランスとバーナ用燃焼用部分空気供給装置内の蓄熱体の回転速度、切り替え速度、蓄熱体の熱容量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。そしてバーナ用燃焼用部分空気供給装置の後方には、ダクト構造体が設けられている。ダクト構造体は、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とを備えている。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とが配置されている。

バーナ３及び４からの火炎は、高温空気燃焼雰囲気では、前方と横とに広がる。また炉壁全体からの輻射熱も加わって、反応管に対する熱源は大きな熱源とみなすことができる。そのため図３に示すように、燃焼室２の内部では、熱源からの熱が大きな光源からの光の照射と同様にして、様々な方向から反応管５ａ〜５ｇに熱線が進む。輻射変換体６に当った熱及び燃焼ガスは、輻射変換体自身の温度を高温にする。高温に加熱された輻射変換体６からの熱は、あらゆる方向へと再放射され、熱源から見ると反応管５ｂ及び５ｃ並びに５ｅ及び５ｆの裏側または非加熱面となる部分（いわゆる影になる部分）に放射される。その結果、反応管５ａ〜５ｇの管壁の各部の温度には、他の反応管と同様に極端に大きな温度差が生じないようになる。また輻射変換体６によって囲まれた中央の反応管５ａの管壁温度が上昇する。

ちなみに中心の反応管５ａと周囲の反応管５ｂ〜５ｇとの間のピッチを反応管の直径寸法と同じ寸法にし、輻射変換体６の空間率を５６％とし、反応管を流れるプロセス流体の量を最大能力時の７０％とした場合において、連続燃焼式蓄熱バーナ３及び４の給気と排気の割合を１：３とし、その他の条件を同じにして、輻射変換体６を設けた場合と設けない場合についての各反応管の管壁温度を測定した。輻射変換体６を設けない場合には、反応管５ｂ，５ｃ，５ｅ及び５ｆの中央の反応管５ａと面した側の管壁温度と熱源と面した側の管壁温度との温度差が、５０℃近くあった。これに対して輻射変換体６を設けた場合には、この温度差がほぼ解消されることが確認された。また輻射変換体６を設けた場合には、輻射変換体６を設けない場合と比べて、中央の反応管５ａの管壁温度が、３０℃〜７０℃程度上昇すること、反応管５ｂ，５ｃ，５ｅ及び５ｆの中央の反応管５ａと面した側の管壁温度が、２９℃〜５０℃程度上昇すること、そして反応管５ｂ〜５ｇの周囲の炉壁と面した側の管壁温度が、１０℃〜２０℃程度低下することが確認された。

また図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、輻射変換体７を外側輻射変換体７ａと内側輻射変換体７ｂの二重構造にしてもよい。このような二重構造にする場合には、極端に外側輻射変換体７ａと内側輻射変換体７ｂの設置半径を変え両者の間に空間的に幅を持たせても良い。このような空間的な幅を持たせた構造にすると、二重構造にしたとしても圧力損失をあまり大きくすることなく見掛け上の空間率を小さくすることができる。

また図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、輻射変換体８を複数の分割輻射変換体８ａ〜８ｆによって構成してもよい。このような分割輻射変換体８ａ〜８ｆを用いれば、分割輻射変換体の数及び配置位置を任意に定めることにより、部分的に温度差を調整することが可能になる。

反応炉の炉本体１の周壁の横断面形状は、図６（Ａ）乃至（Ｃ）に示すように、矩形、多角形、円形等種々の形状を採用することができる。特に図６（Ｃ）のように炉本体の周壁の横断面形状を円形にすると、炉壁からの輻射が均等になるため、温度差を小さくすることが容易になる。

また図７に示すように、複数の反応管９…，１０…及び１１…によりそれぞれ反応管列Ｌ１〜Ｌ３を形成するように配置してもよい。この例では、３本の反応管列Ｌ１〜Ｌ３を燃焼ガスが放出される方向に並ぶように配置している。そして反応管列Ｌ１〜Ｌ３を構成する反応管はそれぞれ千鳥状にまたは互い違いになるように配置されている。またこの例では、輻射変換体１２及び１３を隣り合う２本の反応管列Ｌ１と反応管列Ｌ２との間及び反応管列Ｌ２と反応管列Ｌ３との間に位置するように配置している。このようにすると輻射変換体の両側に位置する２本の反応管列Ｌ１及びＬ３を構成する複数の反応管の裏面（いわゆる熱源から見て非加熱面となる部分または影になる部分）を輻射変換体１２及び１３からの輻射熱によって加熱することができる。

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。

また上記の実施の形態では、高温空気燃焼雰囲気中の反応炉に対して本発明を適用しているが、本発明は一般の反応炉においても当然にして適用できる。

本発明によれば、反応管の管壁の温度差を小さくすることができるので、反応管に割れを生じさせたり、コーキングが発生するのを防止できる。

（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明を小形の改質用反応炉に適用した実施の形態の一例の一部を上壁を除去した状態の概略平面図及び概略斜視図である。 反応炉内の内部の構造を示した概略斜視図である。 輻射変換体の作用及び機能を説明するために用いる図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、輻射変換体の異なる例を示す反応炉内の内部の構造を示した概略斜視図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、輻射変換体の更に異なる例を示す反応炉内の内部の構造を示した概略斜視図である。 （Ａ）乃至（Ｃ）は、炉本体の形状の異なる例をそれぞれ示す図である。 複数の反応管列を用いた反応炉に本発明を適用した実施の形態の構成を示す図である。

１ 炉本体
１ａ 底壁
１ｂ〜１ｅ 側壁
３，４ 連続燃焼式蓄熱バーナ
５ａ〜５ｇ 反応管
６，７，８ 輻射変換体

Claims (8)

1. 対向する一対の壁部と該一対の壁部間に位置する周壁とからなる炉壁によって囲まれた燃焼室を内部に有する炉本体と、
   前記炉壁の前記一対の壁部間を延びるように設置され互いに間隔をあけて配置された複数の反応管と、
   前記複数の反応管の外側に配置され、燃焼ガスを前記複数の反応管が位置する領域に向かって放出する少なくとも１台のバーナとを備え、
   前記複数の反応管が、前記少なくとも１台のバーナから放出される前記燃焼ガスが放出される方向と該方向と交差する方向とに間隔をあけるように配置されている反応炉であって、
   前記少なくとも１台のバーナから放射された熱を輻射して近傍に位置する１以上の前記反応管を加熱する輻射変換体が、２以上の前記反応管の間に配置されていることを特徴とする反応炉。
2. 前記炉本体内が高温空気燃焼雰囲気にあることを特徴とする請求項１に記載の反応炉。
3. 前記輻射変換体が、金属製の多孔板または金属製の網から構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の反応炉。
4. 前記輻射変換体における空間率が、３０〜７０％である請求項３に記載の反応炉。
5. 前記複数の反応管は、複数の前記反応管が１本の前記反応管を囲むように配置されており、
   前記輻射変換体は前記１本の反応管と他の前記複数の反応管との間に位置するように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の反応炉。
6. 前記輻射変換体は、前記１本の反応管の周囲を囲む筒形状を有していることを特徴とする請求項５に記載の反応炉。
7. 前記複数の反応管は、複数の前記反応管が列を成すように配置されて構成された複数の反応管列が前記燃焼ガスが放出される方向に並ぶように配置されており、
   前記輻射変換体が隣り合う２本の前記反応管列の間に位置するように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の反応炉。
8. 対向する一対の壁部と該一対の壁部間に位置する周壁とからなる炉壁によって囲まれた燃焼室を内部に有する炉本体と、
   前記炉壁の前記対向する一対の壁部間を延びるように設置され互いに間隔をあけて配置された複数の反応管と、
   前記複数の反応管の外側に配置され、燃焼ガスを前記複数の反応管が位置する領域に向かって放出する少なくとも１台のバーナとを備え、
   前記複数の反応管が、前記少なくとも１台のバーナから放出される前記燃焼ガスが放出される方向と該方向と交差する方向とに間隔をあけるように配置されている反応炉における伝熱促進方法であって、
   前記少なくとも１台のバーナから放射された熱を輻射して近傍に位置する１以上の前記反応管を加熱する輻射変換体を、２以上の前記反応管の間に配置し、前記輻射変換体からの輻射熱で前記バーナから放射された前記熱では直接加熱することができない前記複数の反応管の一部分を加熱することを特徴とする反応炉における伝熱促進方法。

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