JPH10332116A

JPH10332116A - 渦流式バーナー

Info

Publication number: JPH10332116A
Application number: JP10120939A
Authority: JP
Inventors: Ivar Ivarsen Primdahl; イバール・イバルゼン・プリムダール
Original assignee: Haldor Topsoe AS
Current assignee: Topsoe AS
Priority date: 1997-05-01
Filing date: 1998-04-30
Publication date: 1998-12-15
Anticipated expiration: 2018-04-30
Also published as: ZA983606B; US6076745A; EP0875719B1; JP4077554B2; EP0875719A1; DE69802133T2; DE69802133D1; ATE207594T1; ES2167034T3

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】渦流バーナー中の酸化剤渦巻手段の混合効果
を高めること。【解決手段】バーナー管１及び、このバーナー管と同心
的にかつそれと間隔をあけて配置された酸化剤供給管
２、燃料ガス導入路の出口端に接続された燃料ガスイン
ゼクター１８、燃料ガスインゼクターと共通の対称軸を
有し、かつ酸化剤供給管の出口端に接続された酸化剤イ
ンゼクター５、酸化剤が酸化剤インゼクターから排出可
能となる前に、軸の周りで酸化剤に渦運動をさせるため
に、酸化剤インゼクターに備えられた静的渦巻き流形成
手段、を含む渦流式バーナーにおいて、酸化剤流を上流
区と下流区とに分割する仕切り部から構成される静的渦
巻き流形成手段を含み、この仕切り部には、酸化剤を上
流区から下流区へと移動させる一つの通路が設けられ、
この通路は、酸化剤の流れの方向を、変えるように設計
されており、それによって軸の周りに、酸化剤の回転流
を生ぜしめるように改良した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、バーナー管及び、
このバーナー管と同心的にかつそれと間隔をあけて配置
された酸化剤供給管（これによってこれらの管の間に環
状の燃料ガス導入路を形成せしめ、この際、この酸化剤
供給管及び燃料ガス導入路は別々の入口端及び別々の出
口端を有する）；上記燃料ガス導入路の出口端に接続さ
れた燃料ガスインゼクター（この燃料ガスインゼクター
は、上記燃焼管とこのインゼクターの共通の対称軸の周
りに実質的にＵ型の断面を有し、かつこの軸及びガス混
合域に向かって内側方向に指向する環状出口を有す
る）；上記燃料ガスインゼクターと共通の対称軸を持
ち、かつ上記酸化剤供給管の出口端に接続された酸化剤
インゼクター（この際、この酸化剤インゼクターの出口
はガス混合域に向かって指向する）；更に酸化剤が上
記酸化剤インゼクターから排出可能となる前に、軸の周
りで酸化剤に渦運動をさせるために、上記酸化剤インゼ
クターに備えられた静的渦巻き流形成手段；を含む渦流
式バーナーに関する。

【０００２】

【従来の技術】接触反応用のガスだき反応器に使用され
るこのようなバーナーはヨーロッパ特許B1 545,440号に
開示されている。この公知のバーナーの主な使用分野
は、炭化水素燃料の一次及び二次水蒸気改質によるかま
たはこれの自熱接触改質による水素及び一酸化炭素プロ
セスガスの製造であり、ここでの問題は、この方法が不
足当量(substoichiometric) の酸化剤供給量で行わなけ
ればならないことから、炭素煤含有量の少ないプロセス
ガスを製造することである。この従来技術では、この問
題に対しては、混合域に導かれる酸化剤に中心渦流を生
じさせ、その際、燃料を酸化剤流に周辺から供給するこ
とによって燃料ガス及び酸化剤に多数の混合点を付与す
ることで対処している。この酸化剤の渦または回転運動
は、渦巻き手段における勾配羽(pitched blades)によっ
て発生させる。

【０００３】更に、燃焼温度がしばしば1000℃を超える
ほど高いため、混合目的のためにバーナー表面に向けて
熱ガスを再循環するようにバーナーを設計した場合は、
燃焼域に隣接するバーナー表面が過熱される危険があ
る。ヨーロッパ特許第B1 545,440号では、そのバーナー
の設計は、バーナーから出た燃焼生成物流を中心軸に沿
って指向させることにより、燃焼域周辺の冷却器の所で
燃焼生成物の再循環を起こさせ、これによってこのガス
がバーナーの面に至る前に冷却され、そしてバーナーか
ら出る中央流と混合されて再加熱されるようになってい
る。

【０００４】通常、火炎温度を緩和しそして炭化水素の
転化率を高めるために水蒸気が炭化水素燃料に供給され
るが、これは煤形成を抑制する効果も持つ。この公知技
術によるバーナーに組み入れられる渦巻き手段は、それ
の羽の勾配角に依存した混合効果を有し、そして勾配角
が大きくなると、より低い水蒸気：炭化水素比（以下、
S/C 比という）で供給することが可能となることが幾つ
かの実験により示されている。例えば30°の羽角度で
は、0.9 のS/C 比の煤限界点(soot limit)となり、一方
60°の羽角度は 0.6のS/C 比にこの煤限界点を低減させ
る。煤限界点を更に低減させることが望ましいが、但し
幾つかの物理的な条件によって、この羽勾配角は約60〜
75℃に制約される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の一般的な課題
は、渦流式バーナー中の酸化剤渦巻き流形成手段の混合
効果を高めることである。本発明の更なる課題は、不足
当量の酸化剤供給をもって渦流式バーナーによって製造
された流出ガスの炭素煤発生の傾向を低めることであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】これらの及びその他の課
題は、酸化剤流を上流区と下流区に分割しかつ酸化剤を
上流区から下流区へと移動させるための少なくとも一つ
の通路が設けられている仕切り部から構成される静的渦
巻き流形成手段を含み、この際、この通路は、酸化剤の
流れの方向を、仕切り部の上流の対称軸と平行する方向
から、これと交差しかつ仕切り部の下流の軸に対して接
線の方向に変え、それによって軸の周りに、酸化剤の回
転流を生じさせるように設計されている、請求項１の前
文に示される型の渦流式バーナーにおいて達成される。

【０００７】本発明では、酸化剤流の方向を、元の方向
に対して90°まで変えることができ、一方、接線方向に
指向した通路は酸化剤の渦運動を生じさせる。これによ
って、混合域に入る前に、出口を通過しながらの、つま
り軸に沿った酸化剤の高められた回転が達成され、また
それゆえ、回転していない燃料ガスの半径方向の流れが
回転する酸化剤ガスにぶつかって、ガス間に乱流を生じ
させるので、燃料と酸化剤との高められた相互の混合が
達成される。

【０００８】本発明の好ましい態様の一つでは、ガス混
合域中で酸化剤流に対して燃料ガス流を主として垂直に
向けるための、燃料ガス出口を囲む実質的に平面の内部
表面が燃料ガスインゼクターに設けられる。燃料ガス
は、中央の酸化剤流に対して半径方向に押し進められ
て、酸化剤と平行な速度成分が全くない状態で襟状の流
れ(callor-like stream) を形成する。燃料ガスと酸化
剤とが、共通の運動成分が全くない状態でぶつかるた
め、最大の混合効果が達成される。

【０００９】本発明の他の好ましい態様では、仕切り部
を、実質的に、頂部が酸化剤の流れ方向の反対方向に向
きかつ酸化剤供給管の内部に沿って伸びる環状の壁部を
有する逆向きのカップの形状とし、この壁部に酸化剤の
ための通路を設ける。その際、この仕切り部は、酸化剤
流のための機械加工した一つまたはそれ以上の通路を除
いて、酸化剤供給管の端を封止する挿入物としてかなり
簡単に設計し得る。これによって、酸化剤流は、仕切り
部中の一つまたはそれ以上の通路によって元の流れ方向
に対して交差する方向の流れになるまで、酸化剤管と上
記壁部の間を通ることができる。

【００１０】乱流によって生ずる圧力損を最小化しなが
ら仕切り部の上流と下流の対称的な流れを保証するため
には、２〜４個の通路を設けることが好ましい。仕切り
部の壁部は、一般的には、簡単でかつ費用のかからない
設計である円筒状の外側表面を有する。本発明による更
なる態様では、軸の周りに環状の断面を有しかつ酸化剤
出口よりも大きな直径を持つ渦巻き室が、仕切り部と酸
化剤出口との間に酸化剤インゼクター中に設けられ、こ
の際、渦巻き室と酸化剤出口との間の遷移部を構成する
表面部分は湾曲される。この渦巻き室は、酸化剤が出口
を通過してこの室を出る前にこれの回転運動を高め、そ
して湾曲した遷移部は乱流を低く抑え、これによってこ
の回転運動が邪魔されることも避けられる。

【００１１】酸化剤インゼクターの出口に、ガス混合域
中に伸びる環状のリップが設けられている場合は、燃料
と酸化剤の混合点がバーナーの面から移動してこれから
離れる。これは、特にこのリップが非常に鋭い角度で設
計されている時に顕著である。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の好ましい態様を、図面を
参照しながら以下に詳細に記載する。本発明の第一の好
ましい態様では、燃料ガス用のバーナーは外側のバーナ
ー管１からなり、この中に直径がこれより小さい酸化剤
供給管２が同心で設けられる。バーナー管１と酸化剤管
２は、それらの間に燃料ガスの供給用のダクト３を形成
する。酸化剤管は、酸化剤供給用のダクト４を定める。
ダクト３及び４は、図示されていないが別々の入口を有
する。

【００１３】酸化剤管２の出口には、円筒状のスカート
７が設けられた逆向きのカップの形状の仕切り部６から
なる全体設計の酸化剤インゼクター５が装備される。他
の態様では、この仕切り部はドーム型、錐型(taper) ま
たは円盤型であることができる。スカート７のリムは、
管２の端に溶接された末端片８中にはめ込まれ、これに
よって６、７及び８の部品の間に渦巻き室９が定められ
る。仕切り部６は、管２の壁にねじ込まれかつそれに溶
接されたスタッド14によって同じ場所に維持されるが、
このような形をとらない他の態様も可能であり、例えば
末端片８に仕切り部を溶接することもできる。図１及び
２に示されるように、仕切り部６は、スカート７中に機
械加工したスリット10として形成される酸化剤用の三つ
の通路を有する。この通路は他の形状、例えば丸穴であ
ってもよく、またこれより多くても少なくてもよい。ス
リット10は、仕切り部６の円筒状の内側に面した側に対
して接線方向に指向する。末端片８と同心で、酸化剤イ
ンゼクター出口11が設けられ、また出口11と、末端片８
の平坦な上側との間での乱流を低減するための湾曲した
遷移部12を設け、それによって出口11は漏斗のような形
状となる。出口11を囲む環状のリップ15は、末端片８の
他の部分では平坦な外側表面から突出する。リップ15は
傾斜角γを有し、これは好ましくは15〜40°の範囲であ
る。

【００１４】バーナー管１に取り付けられたスタッド16
は、管１の底部末端の所の突出部17に対して酸化剤管２
を固定する。但し、管２を固定するには他の手段も可能
である。燃料ガス供給ダクト３は、全体的にＵ型の燃料
インゼクター18につながり、ここで、このＵの底部は、
一般的に、管１、２及び末端片８の対称軸21と同心の円
形の開口部19が中央に設けられた平面である。それによ
って、開口部19の内部の稜と末端片８上のリップ15の間
に環状の開口部として燃料ガス管の出口20が定められ
る。よって、ガス混合域が出口11と20の間に生まれ、そ
してここから混合域は、バーナーから離れて更に軸21に
そって伸びる。燃料ガスインゼクター18の底部には、高
温の燃焼生成物との接触を避けるために、開口部19を囲
む鈍角の円錐形の表面22がその外側に設けられる（そう
しないと、この燃焼生成物がインゼクター18を過熱する
恐れがある）。

【００１５】図３に示した本発明の他の態様は、酸化剤
インゼクターに、つららのような形の伸長したブラッフ
(bluff) ボディ23が設けられていることを除き、上記の
第一の態様と共通の細部を特徴とする。ボディ23は、仕
切り部６の頂部に固定するかまたはこれと一体化され、
そして酸化剤出口11及び開口部19を通過して伸びる。こ
のブラッフボディ23の存在は、酸化剤インゼクター５の
中かつガス混合域の頂部の所に環状の空間24を付与し
て、そして酸化剤ガスの不動のまたは動きの遅い中心部
の形成を排除する。

【００１６】炭化水素化合物を含む燃料ガス、水蒸気及
び場合によっては前の工程から持ち込まれた一酸化炭素
をダクト３を通して高圧で供給し、そしてこれは燃料イ
ンゼクター18を通って出口20に向かって流れ、この際、
この流れの最後の部分は軸21に向かって半径方向かつ襟
様(collar-like) に指向される。ダクト４に供給され
る、空気、酸素または酸素豊富空気であることができ
る、酸化剤の直線流は、それが仕切り部６と管２との間
の末端片８に到達した時にその方向を90℃変えてそして
スリット10を通して押し入れられる。スリット10が接線
方向であるために、渦巻き室９に入る酸化剤ガスの副流
は、かなり少ない運動成分またはこれが全くなしでも室
９内でガスの回転運動を軸方向に誘発する。酸化剤が出
口11を介して排出される際に、これは、ガス混合域に到
達しそして出口20からの交差方向の燃料ガス流とぶつか
る時もなお回転または渦運動を有している。酸化剤及び
燃料がリップ15のそばに流れる際、リップ15の形状及び
傾斜角がこの二つのガス流を出口から離れた所に一緒に
流れさせ、これによって高温の燃焼域がバーナーから遠
ざけられる。酸化剤の強烈な回転運動のために、混合域
における燃料と酸化剤との良好な混合が得られ、これに
よってこの不足当量方法における炭素煤の形成傾向が低
められる。この混合効果は、軸に沿って動く酸化剤に対
して実質的に垂直な燃料ガスの噴射によって高められ
る。

【００１７】本発明のバーナーは、上記に示した方法以
外の他の燃焼目的にも使用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明のバーナーの好ましい態様の立
面断面図を示す。

【図２】図２は、図１のII-II 線に沿った断面図を示
す。

【図３】図３は、本発明による第二の態様の立面断面図
を示す。

【符号の説明】

１・・・バーナー管２・・・酸化剤供給管３・・・燃料ガス供給用ダクト４・・・酸化剤供給用ダクト５・・・酸化剤インゼクター６・・・仕切り部７・・・スカート８・・・末端片９・・・渦巻き室 10・・・スリット 11・・・酸化剤インゼクター出口 12・・・遷移部 13・・・末端片８の平坦な上側 14・・・スタッド 15・・・環状リップ 16・・・スタッド 17・・・突出部 18・・・燃料ガスインゼクター 19・・・開口部 20・・・燃料ガスインゼクター出口 21・・・軸 22・・・鈍角の円錐形の表面 23・・・ブラッフボディ 24・・・環状空間

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】バーナー管及び、このバーナー管と同心的
にかつそれと間隔をあけて配置された酸化剤供給管； −これによってこれらの管の間に環状の燃料ガス導入路
を形成せしめ、この際、この酸化剤供給管と燃料ガス導
入路は、別々の入口端及び別々の出口端を有する−上記
燃料ガス導入路の出口端に接続された燃料ガスインゼク
ター； −この燃料ガスインゼクターは、上記バーナー管とこの
インゼクターの共通の対称軸の周りに実質的にＵ型の断
面を有し、かつこの軸及びガス混合域に向かって内側方
向に指向する環状出口を有する−上記燃料ガスインゼク
ターと共通の対称軸を有し、かつ上記酸化剤供給管の出
口端に接続された酸化剤インゼクター； −この酸化剤インゼクターの出口はガス混合域に向かっ
て指向する−酸化剤が上記酸化剤インゼクターから排出
可能となる前に、上記軸の周りで酸化剤に渦運動をさせ
るために、上記酸化剤インゼクターに備えられた静的渦
巻き流形成手段；を含む渦流式バーナーにおいて、酸化剤流を上流区と下流区とに分割する仕切り部から構
成される静的渦巻き流形成手段を含み、この仕切り部に
は、酸化剤を上流区から下流区へと移動させるための少
なくとも一つの通路が設けられ、この通路は、酸化剤の
流れの方向を、仕切り部の上流の対称軸と平行する方向
から、これと交差しかつ仕切り部の下流での軸に対して
接線の方向に変え、それによって軸の周りに、酸化剤の
回転流を生ぜしめるように改良したことを特徴とする上
記渦流式バーナー。
【請求項２】ガス混合域中で燃料ガス流を酸化剤流に
対して主として垂直方向に向けるために、燃料ガス出口
を囲む実質的に平面の内部表面が燃料ガスインゼクター
に設けられている、請求項１の渦流式バーナー。
【請求項３】仕切り部が、実質的に、その頂部が酸化
剤の流れ方向の逆に向きかつ酸化剤供給管の内側に沿っ
て伸びる環状の壁部を有する逆カップ状の形であり、そ
の壁部に酸化剤のための通路が設けられている、請求項
１または２の渦流式バーナー。
【請求項４】仕切り部に３〜10個の通路が設けられて
いる、請求項３の渦流式バーナー。
【請求項５】壁部が円筒形の外側表面を有する、請求
項３の渦流式バーナー。
【請求項６】酸化剤出口より大きい直径を持ちかつ軸
の周りに環状の断面を有する渦巻き室が、仕切り部と酸
化剤出口との間に酸化剤インゼクター中に設けられ、こ
の渦巻き室と酸化剤出口の間の遷移部を構成する表面部
が曲線化されている、請求項１〜５のいずれか一つの渦
流式バーナー。
【請求項７】酸化剤インゼクターの出口に、ガス混合
域中に伸びる環状のリップが設けられている、請求項１
〜６のいずれか一つの渦流式バーナー。