JP5535888B2

JP5535888B2 - 超低カロリーガスバーナ構造及びバーナ装置

Info

Publication number: JP5535888B2
Application number: JP2010270715A
Authority: JP
Inventors: 潤司今田; 学永冨
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2030-12-03
Also published as: JP2012117795A

Description

本発明は、可燃性成分より不活性成分の方が多く含まれて自燃が困難な超低カロリーガスを燃料とした超低カロリーガスバーナ構造及びバーナ装置に係り、特に、可燃性成分としてＣＯを含む超低カロリーガスを燃料とした超低カロリーガスバーナ構造及びバーナ装置に関する。

一般に、製油所や製鉄所等で発生する副生ガスは、一酸化炭素（ＣＯ）や水素（Ｈ_２）等の可燃性成分とともに窒素（Ｎ_２）等の不活性成分を含み、その多くは可燃性成分に対して不活性成分の体積割合が高く自燃が困難な超低カロリーガスである。例えば、製油所には重油流動接触分解装置（ＲＦＣＣ；Residue Fluid Catalytic Cracking）が設けられるが、このＲＦＣＣ装置では可燃性成分としてＣＯを含む副生ガスが発生する。一例としてＲＦＣＣ装置から得られる副生ガスの性状を図６の表に示す。ここで、ＣＯを可燃性成分の主成分とした超低カロリーガスをＣＯガスと称する。なお、図６の表には比較例として、自燃可能な高カロリーの助燃料ガスの性状も併せて示している。この表に示されるようにＣＯガスには、不活性成分であるＮ_２が７０ｖｏｌ％、可燃性成分であるＣＯが４ｖｏｌ％含まれており、可燃性成分に対して不活性成分の方が体積割合が高い。さらにＣＯガスの発熱量は１３０ｋｃａｌ／Ｎｍ^３であり、助燃料ガスの発熱量８０００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３に比べて極めて低い値を示す。

このような副生ガスは従来廃棄されることが多かったが、近年、エネルギ資源の有効利用の観点から例えばＣＯボイラ等において燃料として用いられるようになってきた。超低カロリーガスを燃料として用いるボイラでは、複数の超低カロリーガスバーナが設けられる。この超低カロリーガスバーナは、二重管構造を有し、内管内から超低カロリーガスを供給し、内管と外管の間から超低カロリーガスの燃え切りに必要な空気を投入する簡素な構成が多く採用されている。

さらに、特許文献１（特開２００１−９９４０７号公報）には、製鉄所の副生ガス等の低カロリーガスを燃料としたガス燃焼バーナの構成が開示されている。このガス燃焼バーナは、燃料ガスと燃焼用空気の予混合ガスを供給する保炎バーナと、保炎バーナの周囲から燃料ガスと燃焼用空気とをそれぞれ吹き出す燃料ガス吹出口及び燃焼用空気吹出口からなる主バーナとを備え、さらに燃料ガス吹出口及び燃焼用空気吹出口にそれぞれ旋回器が設けられた構成となっている。

特開２００１−９９４０７号公報

上記したように超低カロリーガスは発熱量が非常に低いため、明確な火炎を形成せず、その燃焼反応は空気との混合律速となる。しかしながら、超低カロリーガスバーナでは空気量に対して大量のガスを投入する必要があるため、従来用いられていた二重管構造のバーナでは混合が不十分となり燃焼効率が低下したり、未燃ＣＯガスが残留してしまうという問題があった。
また、特許文献１に開示されるガス燃焼バーナは、このバーナ単体で保炎・燃焼を行なわせるものであるため構造が複雑であり、特に、燃焼反応の際に明確な火炎を形成しない発熱量の超低カロリーガスには適していなかった。

したがって、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、超低カロリーガスと空気との拡散混合を促進し、燃焼効率を向上させることができる超低カロリーガスバーナ構造及びバーナ装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る超低カロリーガスバーナ構造は、
可燃性成分より不活性成分の方が多く含まれて自燃が困難な超低カロリーガスを燃料とした超低カロリーガスバーナ構造において、
互いに同心に設けられた内管及び外管からなる二重管構造を有し、前記超低カロリーガスが供給される第１のガス流路が前記内管内又は前記内管と前記外管の間のうちいずれか一方に設けられ、空気が供給される第２のガス流路が前記内管内又は前記内管と前記外管の間のうち他の一方に設けられており、
前記第１のガス流路の断面積が前記第２のガス流路の断面積よりも大に形成されているとともに、前記内管のバーナ開口側にスワラが設けられており、
更に前記超低カロリーガスが供給される前記第１のガス流路が前記内管内に設けられ、前記空気が供給される前記第２のガス流路が前記内管と前記外管の間に設けられており、
前記第２のガス流路のバーナ開口側が封止されるとともに前記内管のバーナ開口側に前記第２のガス流路と前記第１のガス流路とを連通する空気噴出孔が形成され、前記内管内で前記超低カロリーガスと前記空気とを予混合することを特徴とする。

本発明によれば、二重管構造の内管のバーナ開口側にスワラを設けた構成としたため、内管内に供給される超低カロリーガス又は空気が旋回してバーナから吹き出し、内管と外管の間から吹き出す空気又は超低カロリーガスとの拡散混合が促進され、燃焼効率を向上させることができる。また、スワラが内管側に設けられているため、旋回流を生じた超低カロリーガス又は空気は外周側に向けて拡がり、外周側から供給される空気又は超低カロリーガスと混合しやすくなり、拡散混合効果をより一層高めることができる。特に本発明は、バーナが保炎機能を有していないため燃焼反応の際に明確な火炎を形成しない発熱量の超低カロリーガスに適している。
なお、超低カロリーガスとは、ＣＯやＨ_２等の可燃性成分よりＮ_２等の不活性成分の方が体積割合が高く、自燃が困難なガスであり、例えば製油所や製鉄所等で発生する副生ガスが挙げられる。

また、前記超低カロリーガスが供給される前記第１のガス流路が前記内管と前記外管の間に設けられ、前記空気が供給される前記第２のガス流路が前記内管内に設けられており、前記第２のガス流路に接続される空気供給ラインに加圧機構付ファンを設けた構成とすることが好ましい。
これは、超低カロリーガスに比べて体積比率の小さい空気を内管側から旋回させながら供給する構成としているため、空気が旋回により拡がって外周側の超低カロリーガスと均一に混合し、燃焼効率を向上させることが可能となる。さらに、空気供給ラインに加圧機構付ファンを設けているため、スワラの圧力損失に関わらず確実に必要な量の空気を供給することが可能である。

また、前記超低カロリーガスが供給される前記第１のガス流路が前記内管内に設けられ、前記空気が供給される前記第２のガス流路が前記内管と前記外管の間に設けられており、前記第２のガス流路のバーナ開口側が封止されるとともに前記内管のバーナ開口側に前記第２のガス流路と前記第１のガス流路とを連通する空気噴出孔が形成され、前記内管内で前記超低カロリーガスと前記空気とを予混合することが好ましい。
これは、超低カロリーガスを内管側から旋回させながら供給する構成としているため、多量の超低カロリーガスに旋回がかかり、バーナから供給される流体が全体的に旋回することとなり拡散混合が促進され、燃焼効率を向上させることが可能となる。また、超低カロリーガスと空気とを予混合させる構成であるため、より一層拡散混合効果を高めることが可能となる。

さらに、前記超低カロリーガスが、製油所の重油流動接触分解装置（ＲＦＣＣ）で発生し、可燃性成分としてＣＯを含有するガスであることが好ましい。
ＲＦＣＣ装置で発生する副生ガス（以下、ＣＯガスと略称する）は、発熱量が２００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３以下である場合が多く、燃焼反応の際に明確な火炎を形成しない程度の発熱量しか有していないが、本発明の構成を適用することで燃焼効率を高く維持でき、エネルギを有効利用することが可能である。

さらにまた、上記した超低カロリーガスバーナ構造が直線状に複数配列され、隣り合う超低カロリーガスバーナ構造同士の間に自燃可能な助燃料が供給される助燃バーナが配置されていることを特徴とする超低カロリーガスバーナ装置を提案する。
この超低カロリーガスバーナ装置は、複数の超低カロリーガスバーナ構造の間に助燃バーナを配置し、助燃バーナで形成される火炎の熱を利用して超低カロリーガスを燃焼させるようにしたものである。このように複数の超低カロリーガスバーナ構造と助燃バーナとを組み合わせてバーナ装置を構成することにより、超低カロリーガスバーナ構造又は助燃バーナの設置位置や設置本数の自由度が広がり、超低カロリーガスの発熱量や燃焼性能に応じた燃焼効率の高いバーナ装置を簡単に製造することができる。

以上記載のように本発明によれば、二重管構造の内管のバーナ開口側にスワラを設けた構成としたため、内管内に供給される超低カロリーガス又は空気が旋回してバーナから吹き出し、内管と外管の間から吹き出す空気又は超低カロリーガスとの拡散混合が促進され、燃焼効率を向上させることができる。また、スワラが内管側に設けられているため、旋回流を生じた超低カロリーガス又は空気は外周側に向けて拡がり、外周側から供給される空気又は超低カロリーガスと混合しやすくなり、拡散混合効果をより一層高めることができる。

本発明の第１実施形態に係る超低カロリーガスバーナ構造の側面図である。図１のＡ−Ａ矢視図である。本発明の第２実施形態に係る超低カロリーガスバーナ構造の側面図である。図３のＢ−Ｂ矢視図である。本発明の第３実施形態に係る超低カロリーガスバーナ装置の正面図である。ＣＯガスの成分を示す表である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
本発明の実施形態に係る超低カロリーガスバーナ構造は、可燃性成分より不活性成分の方が多く含まれて自燃が困難な超低カロリーガスを燃料とする。ここで超低カロリーガスとは、ＣＯやＨ_２等の可燃性成分よりＮ_２等の不活性成分の方が体積割合が高く、自燃が困難なガスであり、例えば製油所や製鉄所等で発生する副生ガスが挙げられる。好適に超低カロリーガスは、ＣＯが可燃性成分の主成分であり、発熱量が５００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３以下のガスとし、より好適には発熱量が８０ｋｃａｌ／Ｎｍ^３〜２００ｋｃａｌ／Ｎｍ^３のガスとする。

超低カロリーガスバーナ構造は、互いに同心に設けられた内管及び外管からなる二重管構造を有し、超低カロリーガスが供給される第１のガス流路が内管内又は内管と外管の間のうちいずれか一方に設けられ、空気が供給される第２のガス流路が内管内又は内管と外管の間のうち他の一方に設けられている。さらに、第１のガス流路の断面積が第２のガス流路の断面積よりも大に形成されているとともに、内管のバーナ開口側にスワラが設けられている。
そして、内管から超低カロリーガス又は空気が旋回しながら供給され、内管と外管との間から空気又は超低カロリーガスが供給され、旋回により超低カロリーガスと空気との拡散混合が促進されて燃焼効率を向上させることができる。
具体的な実施形態を以下の第１実施形態〜第３実施形態で説明する。

（第１実施形態）
図１及び図２を参照して、本発明の第１実施形態に係る超低カロリーガスバーナ構造の構成を説明する。ここで、図１は本発明の第１実施形態に係る超低カロリーガスバーナ構造の側面図で、図２は図１のＡ−Ａ矢視図（バーナ構造の正面図）である。
この第１実施形態は、超低カロリーガスがスワラの圧力損失に対応したガス圧力を有していない場合に特に適している。

超低カロリーガスバーナ構造１は、互いに同心に設けられた内管２及び外管３からなる二重管構造を有している。内管２と外管３の間には第１のガス流路５が形成され、この第１のガス流路５には超低カロリーガスが供給される。内管２内には第２のガス流路６が形成され、この第２のガス流路６には空気が供給される。なお、図２には超低カロリーガスバーナ構造１をケーシング１０内に設置した場合を示している。
ここで、第１のガス流路５の断面積と第２のガス流路６の断面積との比は、超低カロリーガスの成分及び流量と、空気の流量とに基づいて設定される。

また、内管２のバーナ開口４側内部には、スワラ７が設けられている。スワラ７は内管２の内周面に固定設置された複数の旋回羽根からなり、第２のガス流路６を流れる空気を旋回させる。
さらに、内管２内の第１のガス流路６に接続された空気供給ライン８上にブーストアップファン（加圧機構付きファン）９が設けられている。このブーストアップファン９によりスワラ７の圧力損失に応じた空気圧力で第２のガス流路６に空気を供給するようになっている。

上記した構成を備える超低カロリーガスバーナ構造１では、内管２と外管３の間に形成された第１のガス流路５には超低カロリーガスが供給され、一方、ブーストアップファン９により所定の空気圧力で、内管２内に形成された第２のガス流路６に空気が供給され、この空気はスワラ７によって旋回流を形成する。そして、第１のガス流路５から噴出される多量の超低カロリーガスと、第２のガス流路６から旋回しながら噴出される少量の空気とが混合され、混合ガスは不図示の助燃バーナの熱を利用して燃焼する。

このように第１実施形態では、二重管構造の内管２のバーナ開口４側にスワラ７を設けた構成としたため、内管２内に供給される空気が旋回してバーナから吹き出し、内管２と外管３の間から吹き出す超低カロリーガスとの拡散混合が促進され、燃焼効率を向上させることができる。また、スワラ７が内管２側に設けられているため、旋回流を形成した空気は外周側に向けて拡がり、外周側から供給される超低カロリーガスと混合しやすくなり、拡散混合効果をより一層高めることができる。特に本実施形態は、バーナが保炎機能を有していないため燃焼反応の際に明確な火炎を形成しない超低カロリーガスに適している。
さらに、空気供給ライン８にブーストアップファン９を設けているため、スワラ７の圧力損失に関わらず確実に必要な量の空気を供給することが可能である。

（第２実施形態）
図３及び図４を参照して、本発明の第２実施形態に係る超低カロリーガスバーナ構造の構成を説明する。ここで、図３は本発明の第２実施形態に係る超低カロリーガスバーナ構造の側面図で、図４は図３のＢ−Ｂ矢視図（バーナ構造の正面図）である。
この第２実施形態は、超低カロリーガスがスワラの圧力損失に対応したガス圧力を有している場合に特に適している。

超低カロリーガスバーナ構造１１は、互いに同心に設けられた内管１２及び外管１３からなる二重管構造を有している。内管１２内には第１のガス流路１５が形成され、この第１のガス流路１５には超低カロリーガスが供給される。内管１２と外管１３の間には第２のガス流路１６が形成され、この第２のガス流路１６には空気が供給される。
ここで、第１のガス流路１５の断面積と第２のガス流路１６の断面積との比は、超低カロリーガスの成分及び流量と、空気の流量とに基づいて設定される。

また、内管１２のバーナ開口１４側内部には、スワラ１７が設けられている。スワラ１７は内管１２の内周面に固定設置された複数の旋回羽根からなり、第１のガス流路１５を流れる超低カロリーガスを旋回させる。
さらに、第２のガス流路１６のバーナ開口１４側が封止されるとともに、内管１２のバーナ開口１４側に、第２のガス流路１６と第１のガス流路１５とを連通する空気噴出孔１８が形成され、内管１２内で超低カロリーガスと空気とを予混合する構成となっている。空気噴出孔１８は、内管１２の周方向に複数設けられていることが好ましく、さらにまた、バーナの軸方向にも複数設けられていてもよい。

上記した構成を備える超低カロリーガスバーナ構造１１では、内管１２内に形成された第１のガス流路１５には超低カロリーガスが供給され、この超低カロリーガスはスワラ１７によって旋回流を形成し、一方、内管１２と外管１３の間に形成された第２のガス流路１６には空気が供給される。そして、第１のガス流路１５から旋回しながら噴出される多量の超低カロリーガスと、第２のガス流路１６から噴出される少量の空気とが混合され、混合ガスは不図示の助燃バーナの熱を利用して燃焼する。

このように第２実施形態では、二重管構造の内管１２のバーナ開口１４側にスワラ１７を設けた構成としたため、内管１２内に供給される超低カロリーガスが旋回してバーナから吹き出し、内管１２と外管１３の間から吹き出す空気との拡散混合が促進され、燃焼効率を向上させることができる。また、スワラ１７が内管側に設けられているため、旋回流を形成した超低カロリーガスは外周側に向けて拡がり、外周側から供給される空気と混合しやすくなり、拡散混合効果をより一層高めることができる。このとき、多量の超低カロリーガスに旋回がかかり、バーナから供給される流体が全体的に旋回することとなり拡散混合が促進され、燃焼効率を向上させることが可能となる。また、超低カロリーガスと空気とを予混合させる構成であるため、より一層拡散混合効果を高めることが可能となる。

（第３実施形態）
図５を参照して、本発明の第３実施形態に係る超低カロリーガスバーナ装置の構成を説明する。ここで、図５は第３実施形態に係る超低カロリーガスバーナ装置の正面図である。
超低カロリーガスバーナ装置は、超低カロリーガスバーナ構造と助燃バーナとを組み合わせた構成となっている。なお、図５には第１実施形態の超低カロリーガスバーナ構造１を採用した構成を示しているが、第２実施形態の超低カロリーガスバーナ構造１１を採用してもよいことは勿論である。

この超低カロリーガスバーナ装置１００は、超低カロリーガスバーナ構造１が直線状に複数配列され、隣り合う超低カロリーガスバーナ構造１同士の間に助燃バーナ２０が配置された構成となっている。具体的には、４本の超低カロリーガスバーナ構造１が直線状に配列され、その中央に助燃バーナ２０が配置されている。これらは、長尺状のケーシング１０により各バーナ位置が設定され、一体的に配置されている。

助燃バーナ２０は、中央部に助燃料流路２２が複数形成され、その周囲に空気流路２１が形成されている。この助燃バーナ２０は、助燃料流路２２から供給される助燃料と空気流路２１から供給される空気とが混合し、火炎を形成して燃焼する。なお、助燃料は、自燃可能な発熱量を有する燃料であり、例えば、天然ガスやＬＰガス、あるいは重油等の助燃料が用いられる。

上記した第３実施形態によれば、複数の超低カロリーガスバーナ構造１と助燃バーナ２０とを組み合わせて超低カロリーガスバーナ装置１００を構成することにより、超低カロリーガスバーナ構造１又は助燃バーナ２０の設置位置や設置本数の自由度が広がり、超低カロリーガスの発熱量や燃焼性能に応じた燃焼効率の高い超低カロリーガスバーナ装置１００を簡単に製造することができる。
また、従来超低カロリーガスを燃料としたボイラは、燃焼に必要な滞留時間が長く必要とされ、ボイラサイズが大型化していたが、本実施形態の超低カロリーガスバーナ装置１００をボイラに用いることで、滞留時間の短縮化が図れ、ボイラサイズのコンパクト化が可能となる。さらに、既設のボイラにも適用可能で、これにより燃焼効率の改善が図れる。

１、１１超低カロリーガスバーナ構造
２、１２内管
３、１３外管
５、１５第１のガス流路
６、１６第２のガス流路
７、１７スワラ
８空気供給ライン
９ブーストアップファン
１０ケーシング
１８空気噴出孔
２０助燃バーナ
２１空気流路
２２助燃料流路
１００超低カロリーガスバーナ装置

Claims

可燃性成分より不活性成分の方が多く含まれて自燃が困難な超低カロリーガスを燃料とした超低カロリーガスバーナ構造において、
互いに同心に設けられた内管及び外管からなる二重管構造を有し、前記超低カロリーガスが供給される第１のガス流路が前記内管内又は前記内管と前記外管の間のうちいずれか一方に設けられ、空気が供給される第２のガス流路が前記内管内又は前記内管と前記外管の間のうち他の一方に設けられており、
前記第１のガス流路の断面積が前記第２のガス流路の断面積よりも大に形成されているとともに、前記内管のバーナ開口側にスワラが設けられており、
更に前記超低カロリーガスが供給される前記第１のガス流路が前記内管内に設けられ、前記空気が供給される前記第２のガス流路が前記内管と前記外管の間に設けられており、
前記第２のガス流路のバーナ開口側が封止されるとともに前記内管のバーナ開口側に前記第２のガス流路と前記第１のガス流路とを連通する空気噴出孔が形成され、前記内管内で前記超低カロリーガスと前記空気とを予混合することを特徴とする超低カロリーガスバーナ構造。
前記超低カロリーガスが供給される前記第１のガス流路が前記内管と前記外管の間に設けられ、前記空気が供給される前記第２のガス流路が前記内管内に設けられており、
前記第２のガス流路に接続される空気供給ラインに加圧機構付ファンを設けたことを特徴とする請求項１に記載の超低カロリーガスバーナ構造。
前記超低カロリーガスが、製油所の重油流動接触分解装置で発生し、可燃性成分としてＣＯを含有するガスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の超低カロリーガスバーナ構造。
請求項１乃至３のいずれかに記載の超低カロリーガスバーナ構造が直線状に複数配列され、隣り合う超低カロリーガスバーナ構造同士の間に自燃可能な助燃料が供給される助燃バーナが配置されていることを特徴とする超低カロリーガスバーナ装置。