JP5331713B2

JP5331713B2 - 予備混合なしの多孔性水素バーナー

Info

Publication number: JP5331713B2
Application number: JP2009551237A
Authority: JP
Inventors: ジェロームコラン; アンドレニコル; ヴィリィナストル
Original assignee: イエフペ
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2008-02-14
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2028-02-14
Also published as: RU2009135815A; EP2129966A2; CA2675989A1; FR2913097A1; FR2913097B1; WO2008122707A2; EP2129966B1; US9739482B2; KR101435699B1; KR20090118036A; RU2451877C2; CA2675989C; WO2008122707A3; JP2010519501A; US20110027739A1

Description

本発明は、熱流束の正確なモニタリングを必要とする種々のタイプの炉、特に、水素の製造を特に目的とする天然ガスまたはナフサを蒸気改質（vapor-reforming）するための炉の上に設置されることを目的とする新しい多孔性（porous）水素バーナーに関する。

表現「水素バーナー」は、広い意味において理解されるべきであり、このバーナーの燃料は高純度の水素であり得ることを意味するが、より一般的には、水素を含有するあらゆるガスを意味する。

酸化剤は、酸素を含有するあらゆるガスであり得、特には、空気であるが、酸素高含量のまたは酸素低含量の空気でもよい。酸化剤は、特別な場合には高純度の酸素でさえあり得る。

この新しいバーナーは、予備混合なしの多孔性バーナーのカテゴリーに戻る。燃料側を酸化剤側から分離する多孔性要素をそれは有し、これにより多孔性要素の内側またはそれの外側表面近くで燃料が起こるからである。

より具体的には、本発明の目的であるバーナーは、燃料および酸化剤が多孔性要素（以下「多孔性」とも称される）の両側上に導入される場合に、多孔性要素の内側表面が燃料と接触しており、多孔性要素の外側表面は酸化剤と接触しているという意味の範囲内の多孔性バーナーである。

燃料および酸化剤は、互いに、それらの側から多孔性要素を通じて拡散し、
・内燃が生じるだろう所定の加熱表面に沿う前記多孔性要素の内側；これは、放射モード操作または放射バーナーモード操作と呼ばれる：または、
・酸化剤側上の多孔性要素の外側表面の近く
のいずれかで一緒になる。

炎（この炎は、拡散炎または予備混合炎である）を生じさせるバーナーに対する多孔性バーナーの利点は、
・汚染物質放出の低減、
・安定性の問題をも起こし得る火炎燃焼のものより制御された表面形状（geometry）による燃焼、
・希釈された燃焼がホットポイントの危険性を制限するための機材の明瞭に改善された耐久性、
・多孔性要素内に、燃焼温度を５００℃に近い値に低下させることを可能にする燃焼触媒を組み込む実現性
である。

したがって、本発明によるバーナーは、多孔性バーナー（予備加熱なし）であって、本発明者らがバーナーの長さを都合よく呼ぶことにする前記バーナーの主寸法に従う熱流束をモニタリングすることを可能にする燃料分配要素をさらに有する多孔性バーナーである。

熱流束のモニタリングは、分配器の表面上に穴空けされ、かつ、セクションに群化された一組のオリフィスによって行われる。各セクションは、同一径のオリフィスを群化する。

分配器に沿うこれらのオリフィス全ての分配は、本発明の不可欠の部分である。一般に、本発明によるバーナーは、少なくとも２つのセクションを有する燃料分配器を有することになり、各セクションは、所与のオリフィス径によって特徴付けられ、バーナーの長さＬの所定の部分を占める。

燃料および酸化剤は、多孔性要素の２つの向かい合わせの側を介して達し、この多孔性要素は、予備混合要素の役割を果たさず、逆に、燃料および酸化剤を分離する帯域の役割を果たすことに留意されるべきである。

さらに、流体力学条件、特に、多孔性要素から分配器を分離する環状スペースにおける燃料のスピードは重要な役割を果たす。炎の安定性が、制限された範囲の流量において保証されるからである。流量があまりに少ない場合、炎は消え得る一方で、流量があまりに多い場合、炎は吹き消され得る。

多孔性バーナーの分野における従来技術は非常に広大であり、本発明者らは、それ故に、水素燃料または大部分について水素の詳細を与える特許を、全体的に円筒形状の表面形状に固守することによって扱っていくことになる。

特許文献１には、多孔性の触媒バーナーであって、２つの燃焼室を含み、第１の燃焼室には燃料が送り込まれ、第２の室には、第１の室から得られた燃焼流出物が送り込まれ、２つの室は、５０％の多孔度および１ｎｍ〜１ｍｍの多孔（pore）サイズを有する多孔性触媒バリヤによって分離され、前記バリヤの厚さが０．０５〜１０ｍｍであるものが記載されている。

特許文献２には、安全弁を通じて抜け出るガスのための燃焼システムを含む燃料ガス貯蔵装置であって、該燃焼システムは、燃料分配器を取り囲む多孔性要素を含むバーナーからなるものが記載されている。燃料分配は均一であり、多孔性要素は、燃料および酸化剤の拡散帯域または混合帯域の役割を果たす。

米国特許第５８１０５７７号明細書米国特許第６６９９０３２号明細書

図１は、単一管バージョンにおける本発明によるバーナーの図を示す。図２は、より改善されたバージョンにおける本発明によるバーナーであって、酸化剤は多孔性要素に隣接している第１のスペースに導入され、燃焼が起源である煙は、第１のスペースを取り囲む第２のスペースにおいて回収されるものの図を示す。図３は、燃料分配器のより具体的な図および結果として生じた熱流速特性の例を示す。図４は、加熱されるべき一組の管内の本発明によるバーナーの配列の図表示を提供する。図５は、バーナーの長手軸に沿う多孔性要素の外側表面における燃料の放射スピードのバリエーションを提供する曲線である。点線の曲線は均一なオリフィス分配に対応し、実線の曲線は、本発明によるオリフィス分配に対応する。それは、実施例の構成において詳細に示されている。図６は、バーナーの中心を加熱されるべき管の中心につなぎ合わせる方向における水素の消費量Ｙ（Ｈ_２）の変化を示す；前記方向は、中心間であり、これも実施例の構成の範囲内に詳細に示されている。

（発明の要約説明）
本発明による水素バーナーは、予備混合なしのバーナーであり、長さＬおよび径Ｄの円筒形の表面形状を有し、Ｌ／Ｄ比は１０〜５００、好ましくは３０〜３００である。本発明によるバーナーは、非均一のオリフィス分配を有する中心水素分配器を有し、それは、その長さＬの全体を少なくとも覆う中心分配器を取り囲む環状形状の多孔性要素を有し、前記多孔性要素の厚さは０．１〜２ｃｍであり、前記多孔性要素の内部表面は、中心分配器からの距離０．５〜１０ｃｍに位置する。

本発明によるバーナーの分配器は、好ましくは、所定数のセクションに分割され、各セクションの長さは、１０ｍｍ〜２ｍ、好ましくは２０ｍｍ〜１．５ｍの幅で変動する。

本発明による水素バーナーは好ましくは中心燃料分配器を有し、前記中心分配器は好ましくは少なくとも２つのセクションに分割され、各セクションは、同一径のオリフィスを有し、少なくとも１つのセクションは、他のセクションの径とは異なる径のオリフィスを有する。

より好ましい様式では、中心分配器は、少なくとも２つのセクションに分割され、各セクションは、燃料の流れの方向において分配器に沿う軸方向距離に伴って増加していく径のオリフィスを有する。

一層より好ましくは、中心分配器は、少なくとも２つのセクションに分割され、各セクションは、燃料の流れの方向において指数関数型の法則に従って増加していく径のオリフィスを有する。

同一セクションのオリフィスの中心間距離は、一般的には０．５〜５０ｃｍ、好ましくは１〜２０ｃｍである。

バーナーの長さＬは、一般的には２〜１５ｍ、好ましくは５〜１２ｍである。

本発明によるバーナーの不可欠な部分を形成する多孔性要素は、好ましくは少なくとも５０％、より好ましくは少なくとも８０％の多孔度（porosity）を有する。

同一の場合に、多孔性要素は、異なる多孔度の少なくとも２つの帯域を有し得る。

燃料、一般的には水素は、好ましくは、中心分配器に０．１〜１０ＭＰａの圧力で導入される。

本発明によるバーナーの変形例によると、酸化剤は、好ましくは、バーナーの多孔性要素を取り囲む第１の環状スペースに導入され、燃焼ガスは、第１の環状スペースを取り囲む第２の環状スペースにおいて収集される。

酸化剤は、好ましくは、バーナーの長手軸に本質的に平行な方向に、１〜１００ｍ／ｓ、好ましくは３〜８０ｍ／ｓのスピードで流通する。

多孔性要素の内部表面に放出される燃料の平均の放射スピードは、一般的には２ｍｍ／ｓ〜１００ｃｍ／ｓ、好ましくは０．５〜１０ｃｍ／ｓである。

本発明によるバーナーは、長さ全体にわたる管の十分に制御された加熱を要求するあらゆるタイプの炉、特に天然ガスまたはナフサの蒸気改質（vapor-reforming）用の炉に適用され得る。

（発明の詳細な説明）
本発明によるバーナーの詳細な説明は、基本バージョンの図１および詳細なバージョンの図２によって行われる。

図３は、燃料分配器のより具体的な図を提供し、基本構成および改良構成の両方において適用可能である。

用いられている数は、図に拘わらず同一の要素を指している場合同一である。

基本バージョンのバーナーは、以下を含む。

ａ）中心燃料分配器（１）：これは、族に群化された所定数のオリフィス（８）を含み、該族は、所与のオリフィスの径に対応する。

分配器は、一般的には、Ｌ／Ｄ比１０〜５００を有する円筒形状を有することになる。

本発明の枠組み内で、この分配器には、好ましくは０．１〜１０ＭＰａである圧力において利用可能な燃料が送り込まれる。

燃料は、水素をあらゆる比率で含有するあらゆる燃料ガスであり得、場合によっては、高純度の水素であり得る。

ｂ）環状形状の多孔性要素（２）：これは、分配器の長さ全体に少なくともわたって中心分配器を取り囲み、０．１〜２ｃｍの厚さを有し、多孔性要素の内部表面から分配器を分離する距離は０．５〜１０ｃｍである。内部表面は、分配器にもっとも近いところであるとして規定される。

多孔性要素は、分配器と少なくとも同一の長さを有する方向において分配器を取り囲み、ある場合には、分配器の端部と前記多孔性要素の内壁との間のスペースを自由にすることを可能にして、燃焼ガスの燃焼の度合いを改善することを可能にする、より長い長さを有する方向において分配器を取り囲む。

多孔性要素の多孔度は、少なくとも５０％、好ましくは８０％超である。前記多孔度は、多孔性要素のあらゆる部分の表面形状容積に対する空の容積の比として規定される。

この多孔度は、一般的には、多孔性要素の長さ全体にわたって均質であるが、所定の要素の長さにおいてそれに違いをつけることは可能である。例えば、多孔度Ｐ１を有する多孔性要素の長さの第１の部分およびＰ１とは異なる多孔度Ｐ２を有する多孔性要素の長さの第２の部分を有することが可能である。

この多孔性要素は、典型的には、例えば、鉄、クロム、アルミニウム、チタン、ジルコニウム等、場合によってはイットリウムを含む種々の金属の合金から作製される金属発泡体からなることになる。このような合金の例は、PORVAIR社によって市販されている材料ＦｅＣｒＡｌＹである。多孔性要素はまた、例えばムライト、コーディエライトから作製されるセラミック発泡体からなり得る。

細孔のサイズは、一般的には０．２〜０．６ｍｍである。

環状スペース（３）と呼ばれる、多孔性要素（２）から分配器（１）を分離するスペースは、本発明によるバーナーの操作において重要な役割を果たす。分配器から得られる燃料は、多孔性要素中の取り入れ口（intake）においてそれが保有すべき並びに可能な流れの所定の長手方向の特性を有するからである。これをするために、環状スペースの内部の燃料の線スピードは、好ましくは、適切に高い値を有するべきである。あまりに低いスピードは、環状スペース（３）の内側の燃料の長手方向の拡散を促進するだろうことが知られているからである。

さらに、多孔性要素の内側またはその外側表面の近くの燃焼の生成は、一般的に、多孔性要素の内側の燃料のスピードが好ましくは酸化剤の拡散速度より高いままである場合により容易に行われる。

好ましくは、燃料のスピードは、依然として、酸化剤が多孔性要素の内側で拡散することを可能にするために制限値を超えるべきでない。

これらの２つの条件を考慮に入れて、それらを最適化することにより、多孔性要素の入口における燃料のスピード２ｍｍ／ｓ〜１．０ｍ／ｓ、好ましくは０．５〜１０ｃｍ／ｓが採用されるに至る。このスピードは、具体的には、バーナーの長手軸に垂直な軸に沿っていくスピードとして規定され、これは、従来通り、放射スピードと呼ばれることになる。このスピードは、したがって、多孔性要素の表面において額面上である。

本発明によるバーナーの改善されたバージョンにおいて、多孔性要素（２）における外側容積は、多孔性要素（２）の外側表面に本質的に平行であり、かつ、ほぼ円筒形状を有する壁（６）によって、多孔性要素（２）の外側表面と前記壁（６）との間の第１のスペース（４）および壁（６）の外側に位置する容積に対応する第２スペース（５）に分割される。

壁（６）におけるこの外側容積は、第２の壁（７）によって制限され得る。この第２の壁（７）は、壁（６）にほぼ平行であり、第２のスペース（５）を前記壁（６）と前記壁（７）の間に範囲を定めている。好ましくは、この第２のスペース（５）は、下部によって第１のスペース（４）と連絡するスペースであることになり、ほぼ垂直な壁（７）は、次いで、ほぼ水平な壁（８）に接続され、この壁（７）および（８）は、本発明によるバーナーを取り囲む室を構成する。

本発明によるバーナーの詳細なバージョンでは、酸化剤は、スペース（４）に許容され、多孔性要素（２）の内側または前記多孔性要素（２）の外側表面の近くで燃料に加わり、燃焼ガスを発生させる燃焼を生じさせ、この燃焼ガスは、第１のスペース（４）において見出され、第２のスペース（５）に通すことによって排出される。

好ましくは、スペース（４）に導入される酸化剤の線スピードは、１〜１００ｍ／ｓ、好ましくは３〜８０ｍ／ｓであり、スペース（５）における燃焼ガスの流通の線スピードは、好ましくは２〜１５０ｍ／ｓである。

（実施例および本発明の例証）
以下の実施例は、バーナーおよび加熱されることを目的とする管の中心をつなぎ合わせる方向における燃料消費および温度の観点から本発明によるバーナーの効果を証明することを目的とする。

メタン蒸気改質反応器（methane vapor-reforming reactor）の管の加熱におけるバーナーの適用において、表面形状の構成は図４において示される。

加熱されるべき流体を含む管（Ｔ）および本発明によるバーナー（Ｂ）は、正方形ピッチ（square pitch）の五つ目型（quincunx）に置かれる。

バーナーの中心を加熱されるべき管の中心から分離する距離は２１０ｍｍである。

バーナーの長さは１２メートルであり、バーナーのそれぞれの分配器は、１０メートルの長さを有する。

各バーナーのＬ／Ｄ比は１２０である。

分配器と多孔性要素の内壁との間の距離は１５ｍｍである。

多孔性要素の厚さは１ｃｍである。

分配器は、１ｍの長さを有する１０のセクションに分割される。各セクションは、考慮されるセクション上に置かれるオリフィスの全表面積を生じさせる。

セクションは、同一径のオリフィスを有する分配器の部分として規定される。

分配オリフィスの全表面積は、２つの場合において表２に明記される：
・場合１：これは、分配器全体にわたって均一のサイズのオリフィスに対応する。１ｍのセクションに対応する一組のオリフィスの表面積は１５．７ｃｍ^２である。この場合は、本発明に対応しない。それは、比較の目的で提供される；
・場合２（本発明に合致する）：これは、バーナーの長手距離において増加していくサイズのオリフィスに対応し、１つのセクションから次へのオリフィスの全表面積の増加は、事実上指数関数的である。この場合は本発明に対応する。

試薬の流量および温度および圧力の条件は表１に示される。

図５は、第１の場合において、多孔性要素の外側表面上の燃料の放射スピード（Ｕｒ）は、バーナーの長手軸（ｄ）に沿って大幅な変動を有することを示す。第１の場合に対応する曲線は図５の点線である。

第２の場合において、オリフィスの分配の法則のため、燃料の放射スピード（Ｕｒ）は、バーナーの長手軸（ｄ）に沿ってはるかにより均質である。放射スピード（Ｕｒ）のこのより良好な均質性は、管に沿って本質的に全て一定である熱流れを保証する。この第２の局面に対応する曲線は図５において実線である。この点は、長さが１２メートルである管に特に重要である。

図６は、バーナーの中心を加熱されるべき管の中心につなぎ合わせる方向（中心間方向）における水素の消費量Ｙ（Ｈ_２）の変化を示す。

この方向における距離（ｒ）の基点は、従来通り、考慮されているバーナーの多孔性要素の外側表面上で選択される。値Ｙ（Ｈ_２）は、図６の左の縦座標上で読み取られる。

図６は、水素の量Ｙ（Ｈ_２）は中心間方向において迅速に減少することを示す。導入される事実上９０％の水素は、１０ｍｍの距離上で消費され、これは、結論として、燃焼域が多孔性要素の近くに位置することを意味する。これは、したがって、高度に局地化された燃焼の場合である。

図６はまた、（図６の右上で）中心間方向における燃焼ガスの温度Ｔの変化を示す（０℃＝２７３Ｋ）。

この温度は、多孔性要素の外側表面の近く、または、実施例の場合には、前記外側表面から１０ｍｍにおいて最大１８００Ｋを提示する。温度Ｔは、次いで、１２００Ｋ以下である値に達するまで下がる。この値は、非耐火物質に適応可能であり、これは、管の冶金の選択および方法の効率において特に有利である。

Claims

長さＬおよび径Ｄの円筒形の表面形状を有する予備混合なしの水素バーナーであって、Ｌ／Ｄ比１０〜５００であり、非均一径オリフィス分配を有する中心水素分配器を水素バーナー内に同心状に有し、中心水素分配器を少なくともその長さＬにわたって取り囲む環状形状の多孔性要素を有し、前記多孔性要素の厚さは０．１〜２ｃｍであり、前記多孔性要素の内部表面は、中心水素分配器から０．５〜１０ｃｍの距離に位置し、前記中心水素分配器は、少なくとも２つのセクションに分割され、各セクションは、同一径のオリフィスを有し、少なくとも１つのセクションは、他のセクションの径とは異なる径のオリフィスを有し、かつ、各セクションは、水素の流れの方向において中心水素分配器に沿う軸方向距離に伴って増加する径の非均一径を有するものである、バーナー。
中心水素分配器は、少なくとも２つのセクションに分割され、各セクションは、水素の流れの方向において実質上指数関数的に増加していく全表面積のオリフィスを有する、請求項１に記載の予備混合なしの水素バーナー。
長さＬは２〜１５ｍである、請求項１または２に記載の予備混合なしの水素バーナー。
同一セクションのオリフィスの中心間距離は、０．５〜５０ｃｍである、請求項１〜３のいずれか１つに記載の予備混合なしの水素バーナー。
多孔性要素は、少なくとも５０％の多孔度を有する、請求項１〜４のいずれか１つに記載の予備混合なしの水素バーナー。
多孔性要素は、異なる多孔度の少なくとも２つの帯域を有する、請求項１〜５のいずれか１つに記載の予備混合なしの水素バーナー。
水素は、中心水素分配器に０．１〜１０ＭＰａの圧力で導入される、請求項１〜６のいずれか１つに記載の予備混合なしの水素バーナー。
酸化剤は、バーナーの多孔性要素を取り囲む第１の環状スペースに導入され、燃焼ガスは、第１の環状スペースを壁を介して取り囲む第２の環状スペースにおいて収集される、請求項１〜７のいずれか１つに記載の予備混合なしの水素バーナー。
酸化剤は、バーナーの長手軸にほぼ平行な方向に１〜１００ｍ／ｓのスピードで流通する、請求項１〜８のいずれか１つに記載の予備混合なしの水素バーナー。
多孔性要素の内部表面に放出される水素の平均放射スピードは２ｍｍ／ｓ〜１００ｃｍ／ｓである、請求項１〜９のいずれか１つに記載の予備混合なしの水素バーナー。
中心水素分配器は、所定数のセクションに分割され、各セクションの長さは１０ｍｍ〜２ｍである、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の予備混合なしの水素バーナー。
天然ガスまたはナフサの蒸気改質のための炉へ、請求項１〜１１のいずれか１つに記載の予備混合なしの水素バーナーを適用する方法。