JP4819276B2 - 管式加熱炉 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、加熱装置、特に、管内における製品流（Produktstrom）が間接的に加熱されるサーマル・プロセッシング・プラント（Thermoprozessanlage）に関する。
【０００２】
サーマル・プロセッシング・プラントでは、しばしば圧力下にある流体（Fluid）が間接的に加熱され、この場合熱エネルギは、加熱のため、相変換（Phasenumwandlung）のため、反応熱（熱吸収性の反応（endotherme Reaktion））として又はこれらの効果の複合のために使用される。流体は、多くの場合その熱限界にまで負荷される加熱管内において案内される。この場合局部的な過熱が生じることは許されない。
【０００３】
図７及び図８には、実地において知られているサーマル・プロセッシング・プラント１が示されている。サーマル・プロセッシング・プラント１は、例えば煉瓦積みされた炉壁２によって取り囲まれた各１つの内室を有しており、この内室の中には加熱管４が配置されている。これらの加熱管４を加熱するために、炉壁２の貫通孔内にはバーナ６が配置されている。図７に示された構成では加熱管４は、それぞれ鉛直方向に互いに並んで列を成して配置されているので、対を成した管列７の間には各１つの通路（Ｇａｓｓｅ）８が形成されている。バーナ６は燃料及び空気に軸方向の流出インパルスを与え、通路８内に火炎を放射する。この場合熱は特に火炎及びガス放射によって、加熱管４に伝達される。炉壁２からの放射は加熱管４に不均一に衝突する。
【０００４】
従って比較的低い熱伝達性能しか得られない。さらにこの公知の配置形式は、火炎なしの酸化作用を有するバーナの使用のためには構成されておらず、このようなバーナは、加熱管４に対しては有害である還元雰囲気の比較的大きな領域を形成する。
【０００５】
図８に示されたサーマル・プロセッシング・プラント１では加熱管４は、１列に内室３のほぼ真ん中に配置されている。炉壁２の貫通孔には渦流バーナ（Drallbrenner）６′が設けられており、これらの渦流バーナ６′は燃料及び供給される燃焼空気に、ほぼ半径方向の流出インパルスを与える。火炎及び炉壁２の加熱された領域は、火炎からのエネルギの大部分を放射によって加熱管４に伝達する。放射強度の高いゾーンは小さく、そのため、多数の渦流バーナ６′を設けることが必要である。
【０００６】
ゆえに本発明の課題は、冒頭に述べた形式の加熱装置を改良して、管の過熱を回避しながら管を均一に加熱することができる加熱装置を提供することである。そしてこの場合可能な限りコンパクトな配置形式の得られることが望まれている。
【０００７】
バーナ及び加熱管を本発明におけるように配置構成することによって、バーナは対向して位置している炉壁に、より高温の大きなゾーンを生ぜしめることができ、このようなゾーンは陰影形成なしに、加熱管と放射交換する。エネルギは固体放射（壁−管）、ガス放射（反応ゾーン−管）及び対流（完全に反応した燃焼成分−管）によって均一に伝達される。
【０００８】
バーナは、流出する燃料・空気噴流に、有利な形式で大きな軸方向の流出インパルスを与える。この流出インパルスは有利には次のような、すなわち噴流が対向して位置している炉壁に達し、かつそこで高温のスポット／領域を生ぜしめる。バーナは燃料空気混合物・流出開口を有していても、又は燃料と空気のための別個の流出開口を有していてもよい。そしてこれによって熱が加熱管に放射される。
【０００９】
火炎なしの酸化の原理に基づいて作動するバーナが使用される場合には、バーナ近傍においては温度ピークが形成されないので、バーナの前において互いに角度をおいて位置する管列区分は、比較的近くにおいてまとめられることができる。燃焼ガスの広域にわたる再循環は、特に火炎なしの酸化時に、極めて高い空気予加熱時にもＮＯx放出の最適な降下を可能にする。形成される比較的大きな還元領域は、管の配置形式に基づいて加熱管と接触しない。さらに管の配置形式は、コンパクトな構造形式と、加熱管における温度ピークなしの高い熱伝達性能とを可能にする。
【００１０】
さらにまた、火炎なしの酸化のために適宜なバーナは、問題のある燃料の使用をも可能にし、通常火炎形成時に安定性に関する問題を生ぜしめるような組成の変化する燃料の使用をも可能にする。
【００１１】
本発明の別の有利な構成は請求項２以下に記載されている。
【００１２】
次に図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。
【００１３】
図１は、本発明のように配置されたバーナ及び加熱管を備えたサーマル・プロセッシング・プラントを示す水平方向断面図である。
【００１４】
図２は、サーマル・プロセッシング・プラントの別の実施例を示す水平方向断面図である。
【００１５】
図３は、図１又は図２に示されたサーマル・プロセッシング・プラントを示す斜視図である。
【００１６】
図４は、サーマル・プロセッシング・プラントの別の変化実施例を示す図である。
【００１７】
図５は、サーマル・プロセッシング・プラントのさらに別の変化実施例を示す図である。
【００１８】
図６は、サーマル・プロセッシング・プラントのバーナの原理を示す断面図である。
【００１９】
図７は、従来技術によるサーマル・プロセッシング・プラントを示す断面図である。
【００２０】
図８は、従来技術による別のサーマル・プロセッシング・プラントを示す断面図である。
【００２１】
図１に示されているサーマル・プロセッシング・プラント１は、炉室３を制限していて壁を形成している煉瓦積みされた炉壁２（２ａ，２ｂ）を備えている。炉室３内には複数の加熱管４が配置されていて、これらの加熱管４内を、加熱される又は高温に保たれる流体が流れる。この流体は、加熱管４を通る途中で化学的に変化させられる。
【００２２】
加熱管４は図１に示されているように、軸方向にかつ互いに間隔をおいてジグザグの列１０を成して配置されている。この場合加熱管４の各グループ１１は管列区分を形成しており、これらの管列区分は、互いに対して平行に方向付けられているのではなく、０とは異なった有利には鋭角（例えば３０°〜８０°）を互いに間に成している。列区分１１，１２によって形成される角度は、互いに向かい合っている両方の炉壁２ａ，２ｂに向かって交互に開放している。図１に示された実施例では、グループ１１，１２によって形成された列区分は、それ自体それぞれ真っ直ぐであり、この場合グループ１１の区分は互いに平行である。グループ１２の列区分もまたこの実施例では真っ直ぐでありかつ互いに平行である。しかしながらまた、グループ１１，１２の列区分がそれぞれ湾曲されていたり、円弧状になるように、加熱管４を配置することも可能である。
【００２３】
加熱管４を加熱するためにはバーナ６ａ，６ｂが設けられており、これらのバーナ６ａ，６ｂは炉壁２ａ，２ｂの相応な開口に位置決めされている。バーナ６ａ，６ｂは図１に示された実施例では、火炎なしの酸化（flammenlose Oxidation）のために調整されたバーナである。これらのバーナ６ａ，６ｂは燃料空気噴流、つまり軸方向の流出インパルスを有する量流１４ａ，１４ｂを生ぜしめ、この軸方向の流出インパルスは、それぞれ対向して位置している炉壁２ａ，２ｂに向けられている。バーナ流出部においては相応な流体技術的な構成によって、炎の安定化が阻止される。
【００２４】
バーナ６ａ，６ｂから流出する量流１４ａ，１４ｂはそれぞれ、互いに隣接し合う２つの加熱管４の間を通り、この隣接し合う２つの加熱管４のうちの１つは、グループ１１に所属し、他方の加熱管４はグループ１２に所属している。これによって、図１に矢印１５で示された広域にわたる再循環流が形成され、そしてグループ１１，１２の列区分の間には広域にわたる反応ゾーンが生じる。
【００２５】
バーナ６ａ，６ｂは、復熱式バーナもしくはレキュペレータバーナ（Rekuperatorbrenner）又は蓄熱式バーナ（Regeneratorbrenner）として構成されており、このようなバーナは高い空気予加熱を可能にする。例えば図６に、レキュペレータバーナ６の原理図が示されている。このレキュペレータバーナ６は中央の燃料供給導管１７を有しており、この燃料供給導管１７は軸方向の流出インパルスをもって流出させる。さらにバーナ６は空気供給部１８を有しており、この空気供給部１８は流出する燃焼空気に同様に軸方向の流出インパルスを与える。空気供給部１８はレキュペレータ管１９を介して、逆方向で排ガス導管２０を介して炉室から導かれる排ガス流との間で熱交換する。レキュペレータ管１９は熱交換器である。バーナ６を通して排ガスを排出することによって、温度調整ゾーンは互いに僅かしか影響し合わなくなる。
【００２６】
図３に示されているように、例えば各炉壁２ａ，２ｂにはそれぞれ１列に複数のバーナ６が配置されており、この場合バーナ６（６ａ，６ｂ）はそれぞれ、加熱管４に対して横方向に向けられた流出インパルスを生ぜしめ、かつグループ毎に、加熱管４に対して平行に向けられた列を成して配置されている。バーナ６ａは均一な間隔をおいて配置されていても又は異なった間隔をおいて配置されていてもよい。例えば下流に向けられた流体流の場合第１ゾーンにおいては比較的大きなバーナ数（高いバーナ密度）が存在しており、これによって流入する流体流をまず初めに迅速に加熱することができ、この場合その下に位置しているゾーン２，３には相応に僅かな数のバーナ６で、得られた温度を十分に維持することができる。
【００２７】
また付加的なバーナ６′′が設けられていてもよく、これらのバーナ６′′は加熱管４に対して平行に向けられていて、ひいてはこれらの加熱管４に対して平行に向けられた流出インパルスを有している。これらのバーナは有利にはジグザグに、グループ１１，１２（図１）によって制限された炉室３の領域１６の上もしくは下に配置されている。これらのバーナは例えばプラントの始動時、つまり最初の加熱のために働き、この場合これらのバーナは加熱管４に対して平行に火炎を放射し、かつ後で遮断され、火炎なしの酸化に切り換えられるか又はさらに運転される。有利な実施例ではバーナ６′′は、火炎を生ぜしめる火炎ホルダ（Flammenhalter）を備えたバーナであり、これに対してバーナ６ａ，６ｂは、火炎なしの酸化のために構成されていて例えば加熱された状態において初めて接続される、火炎ホルダのないバーナである。必要とあらば、バーナ６ａ，６ｂはしかしながらまた切換え可能なバーナであってもよく、このようなバーナは点火のためにはまず初め火炎をもって作動し、必要な温度が得られると、火炎なしの運転に切り換わる。
【００２８】
上に述べたサーマル・プロセッシング・プラント１は以下に記載のように作動する：
運転中、バーナ６ａ，６ｂは加熱管４に対して横方向にかつ炉壁２ａ，２ｂに対してほぼ直角に、燃料空気噴流を放出し、この燃料空気噴流はそれぞれ対向して位置している炉壁２ａ，２ｂに向けられている。噴流は隣接し合う加熱管４の間を貫流して、火炎なしの酸化が行われる酸化ゾーン１６に達する。この酸化ゾーン１６において自由になる熱はガス流が炉壁２ａ，２ｂに達し、この炉壁２ａ，２ｂにおいて、強く加熱された相応な領域２１が形成される。この領域２１からの熱放射は、酸化ゾーン１６からの熱放射同様、陰影（Abschattung）なしに加熱管４に衝突する。熱分布は比較的均一であり、つまりすべての加熱管４はほぼ等しい熱量を有している。
【００２９】
バーナ６ａ，６ｂの交互に逆向きのインパルスによって、広域にわたる循環が生ぜしめられる（矢印１５参照）。この広域にわたる再循環は、各グループ１１，１２の加熱管４をそれぞれ取り囲み、これによって均一かつ対流的な熱伝達が達成される。加熱管４は、還元雰囲気（reduzierende Atmosphaere）が存在する酸化ゾーン１６の外側に位置しており、これによって相応な管摩耗が防止される。
【００３０】
加熱管４は図１に示された実施例では、相互に普遍的に等しい間隔をおいて配置されている。加熱管の数、加熱管相互の間隔及び、グループ１１，１２の区分が互いに成す角度とによって、加熱管４への熱分布に有利な影響を与えることができる。加熱管の角度、数及び間隔によって、管表面に対する炉壁２の面積の比を規定することができ、この場合有利には、管表面の面積と炉壁の面積とが互いにほぼ同じであることが望ましい。
【００３１】
バーナ６は有利には個々に調整可能及び接続・遮断可能である。このようになっていると、炉室３内における熱分布に対して所望のように付加的に影響を与えることができる。
【００３２】
図２には、本発明によるサーマル・プロセッシング・プラント１の変化実施例が示されている。この実施例では、火炎なしの酸化のために構成されたバーナの代わりに、それぞれ対向して位置する炉壁２ａ，２ｂに向けられた火炎を生ぜしめるバーナ６が設けられている。しかしながら加熱管４のジグザグ状の配置形式及び広域にわあたる流れ状態は、図１に示された実施例におけると同様である。また、図３に示されているように付加的なバーナ６′が設けられていてもよい。
【００３３】
図４に示されているように、火炎を出すバーナでも火炎なしのバーナでも、加熱管４を波形に形成された列に配置することが可能である。このような列もまた、加熱管４のグループ１１，１２によって形成されかつ互いに平行に方向付けられていない区分を有している。図１及び図２に示された実施例と同じに、グループ１１，１２は有利には同数の加熱管４を有しており、この場合グループ１１の加熱管４とグループ１２の加熱管４との間の間隔は、対応するバーナ６を起点として対向して位置している炉壁に到るまで増大している。間隔の増大は直線的である必要はない。同様に加熱管４同士の間における間隔も等間隔である必要はない。
【００３４】
図５に示されているように、必要とあらば付加的に加熱管４′を設けることができ、この加熱管４′は例えば過熱管（Ueberhitzerrohr）として働き、別のプロセス段階に配属されているか、又はさもなくば加熱管４とは基本的に異なった条件下にある。しかしながら付加的な管４′を、これらの管４′がサーマル・プロセッシング・プラント１の上記運転に対して殆ど影響を与えないように、配置することが望まれる。
【００３５】
サーマル・プロセッシング・プラント１は、炉室内において波形の列を成して配置されている加熱管４を有している。それぞれ「波の山」及び「波の谷」にバーナが設けられていて、これらのバーナは、対向して位置している炉壁に向けられたガス噴流を生ぜしめる。炉壁及び反応ゾーンの放射熱（燃焼熱）が加熱管を均一に加熱する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のように配置されたバーナ及び加熱管を備えたサーマル・プロセッシング・プラントを示す水平方向断面図である。
【図２】 サーマル・プロセッシング・プラントの別の実施例を示す水平方向断面図である。
【図３】 図１又は図２に示されたサーマル・プロセッシング・プラントを示す斜視図である。
【図４】 サーマル・プロセッシング・プラントの別の変化実施例を示す図である。
【図５】 サーマル・プロセッシング・プラントのさらに別の変化実施例を示す図である。
【図６】 サーマル・プロセッシング・プラントのバーナの原理を示す断面図である。
【図７】 従来技術によるサーマル・プロセッシング・プラントを示す断面図である。
【図８】 従来技術による別のサーマル・プロセッシング・プラントを示す断面図である。

Claims (6)

1. 加熱装置であって、
   加熱可能な内室（３）を少なくとも部分的に画成する壁装置（２）が設けられていて、該壁装置（２）が、互いに平行な２つの壁（２ａ，２ｂ）から成っており、
   単数又は複数の加熱される流体を案内する、複数の加熱管（４）が設けられていて、これらの加熱管（４）が、内室（３）内において互いに平行に配置されており、
   内室（３）を加熱するために、前記加熱管（４）の長手方向軸線に対して直交する方向で、前記両壁（２ａ，２ｂ）にそれぞれ少なくとも１つのバーナ（６；６ａ，６ｂ）が設けられていて、対向して位置する両壁（２ａ，２ｂ）にそれぞれ設けられたバーナ（６；６ａ，６ｂ）が、互いにずらされて配置されていて、これらのバーナ（６；６ａ，６ｂ）がそれぞれ、壁装置（２）の、各バーナ（６；６ａ，６ｂ）に対向して位置している壁領域（２１）に向かって方向付けられており、
   前記加熱管（４）が、少なくとも２つの列区分（１１，１２）を有する列（１０）を成して配置されており、該列区分（１１，１２）のうちの互いに隣接した２つの列区分の間において、各バーナ（６；６ａ，６ｂ）が、前記壁（２ａ，２ｂ）に沿って配置されており、前記列区分（１１，１２）はそれぞれバーナ（６；６ａ，６ｂ）から離れる方向において、各列区分（１１，１２）に所属の加熱管（４）が各バーナ（６；６ａ，６ｂ）と該バーナ（６；６ａ，６ｂ）に対向して位置している壁領域（２１）とを結ぶ線に対して垂直な方向で離れるように、配置されていることを特徴とする加熱装置。
2. 前記加熱管（４）が互いに間隔をおいて、ジグザグ状又は波形の列（１０）に配置されている、請求項１記載の加熱装置。
3. 前記バーナ（６；６ａ，６ｂ）が、該バーナ（６；６ａ，６ｂ）からのガス噴流が互いに隣接した２つの列区分（１１，１２）の互いに隣接し合う２つの加熱管（４）の間を通って内室領域に向けられるように、方向付けられている、請求項１記載の加熱装置。
4. 前記加熱管（４）の長手方向軸線に対して直交する方向に方向付けられたそれぞれ複数のバーナ（６）が、前記少なくとも２つの列区分（１１，１２）に配置されており、前記バーナ（６；６ａ，６ｂ）がそれぞれ、壁装置（２）の、各バーナ（６；６ａ，６ｂ）に対向して位置している壁領域（２１）に向かって、互いに対して平行に方向付けられている、請求項１記載の加熱装置。
5. 前記両壁（２ａ，２ｂ）に設けられた前記バーナ（６；６ａ，６ｂ）に加えて、複数のバーナ（６′′）が前記加熱管（４）の長手方向軸線に対して平行に方向付けられている、請求項１記載の加熱装置。
6. 前記バーナ（６；６ａ，６ｂ）がそれぞれ、壁装置（２）の、各バーナ（６；６ａ，６ｂ）に対向して位置している壁領域（２１）に向かって方向付けられ、内室（３）に導入される燃料及び燃焼空気に、渦流を殆ど又はまったく有していない主として軸方向の流出インパルスを与える、請求項１記載の加熱装置。

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