WO1998038459A1 - Four de chauffage pour fluide - Google Patents

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WO1998038459A1
WO1998038459A1 PCT/JP1998/000611 JP9800611W WO9838459A1 WO 1998038459 A1 WO1998038459 A1 WO 1998038459A1 JP 9800611 W JP9800611 W JP 9800611W WO 9838459 A1 WO9838459 A1 WO 9838459A1
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combustion
furnace
heating furnace
heat
exhaust gas
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PCT/JP1998/000611
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hajime Kato
Original Assignee
Hajime Kato
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L15/00—Heating of air supplied for combustion
    • F23L15/02—Arrangements of regenerators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the present invention relates to a fluid heating furnace, and more specifically, heats or preheats combustion air to a high temperature by a direct heat exchange effect between combustion exhaust gas and combustion air performed through a heat storage body. It relates to a fluid heating furnace equipped with a regenerative combustion air high-temperature preheating function.
  • tube-shaped heating furnaces in which heating tubes are arranged in a furnace area of a rectangular parallelepiped or box-shaped heating furnace or a heating furnace of an upright cylindrical shape are widely used for practical use.
  • a heating furnace a plurality of burners are arranged on a ceiling wall or a top wall, or a floor surface wall or a bottom wall of the heating furnace body, and are generated by a combustion reaction of a combustion fuel or a hydrocarbon-based fuel supplied to each burner.
  • Heating furnace main body a single heating tube row composed of multiple upright heating tubes is arranged and aligned on the center line of the left and right furnace walls, and multiple radial burners are dispersedly arranged on the furnace wall
  • various types of heating furnaces such as a so-called terraced wall heating furnace, which raises fire and combustion gas along the inner wall of the furnace wall of the heating furnace body, are known. ing.
  • such a heating furnace is provided with a structure for heating a heated pipe mainly by a heating means b disposed on a furnace wall or a heat radiation or radiant heat transfer action of a combustion device o.
  • the flue gas generated by the combustion operation of the burner and heating the heated tube still has a large amount of sensible heat that can be used effectively. Therefore, the exhaust heat recovery unit integrated in the upper area of the heating furnace main body, or a separate exhaust heat recovery device connected to the heating furnace main body via a flue, etc. Is additionally provided in the heating furnace as an auxiliary equipment for the heating furnace.
  • the temperature of the combustion exhaust gas introduced into the exhaust heat recovery section depends on the temperature conditions of the fluid to be heated introduced into the heated pipe, the heat load conditions of the heating furnace, and the like.
  • flue gas still typically has a high temperature of 700 ° C. to 110 ° C. Therefore, in order to effectively use the waste heat possessed by the flue gas, preheating or heating the fluid to be supplied to the heating furnace, preheating the combustion air to be supplied to the burner, or steam
  • waste heat recovery devices such as a heat exchange device or a waste heat recovery boiler for the purpose of generating or overheating, etc., are generally provided in the exhaust heat recovery unit.
  • the conventional heating furnace about 35% to 55% of the heat or enthalpy input to the heating furnace is supplied to the waste heat recovery unit.
  • an excessive amount of heat compared to the amount of heat consumed effectively for heating the fluid to be heated itself is supplied to a waste heat recovery device different from the intended purpose of using the heat input to the heating furnace. .
  • the thermal efficiency of the heating furnace is reduced as a whole, and the heat balance efficiency of the heating furnace, which can effectively and effectively utilize the heat input to the heating furnace, is hardly achieved.
  • burners having a combustion air preheating function have been proposed, and application of the burner to general heating furnaces has been studied.
  • the burner portion of the heating furnace of the above can be replaced with a high-period or fast-switching regenerative combustion device having a high-temperature preheating function for combustion air.
  • the sensible heat retained by the combustion exhaust gas in the furnace region is a honeycomb-structured ceramic regenerator constituting the high-cycle switching type regenerative combustion device.
  • the heat is stored in the heat storage body, and the amount of heat stored in the heat storage body is radiated to the combustion air by the heat transfer contact between the subsequent combustion air flow and the heat storage body, and the combustion air is heated to 800 ° C or more. Heat to high temperature.
  • the combustion exhaust gas made via the heat storage The sensible heat possessed by the flue gas can be effectively transferred to the combustion air flow by the direct heat exchange between the air and the combustion air, thus reducing the heat capacity or heat exchange capacity of the waste heat recovery section.
  • auxiliary equipment such as a waste heat recovery device can be omitted or reduced in size.
  • the application of the high-period switching regenerative combustion system to a conventional heating furnace achieves high efficiency of the heating furnace body by transferring the sensible heat of the combustion exhaust gas to the combustion air supply flow. It is merely intended to allow for further improvement or room for improvement.
  • the combustion flue gas in the furnace is increased by about 10% due to the hydrocarbon fuel fluid introduced into the furnace, and the specific heat of the carbon dioxide gas and steam constituting the combustion gas in the furnace is high temperature atmosphere. Gradually increase.
  • the in-furnace flue gas has sensible heat that exceeds the heat balance of the regenerator, and as a result, high-temperature flue gas that still retains the amount of heat that can recover waste heat passes through the regenerator. It will be exhausted. Therefore, it is desirable to take measures to further utilize the excess sensible heat of the combustion exhaust gas that exceeds the amount of sensible heat required for preheating the combustion air supply flow.
  • the combustion supply air flow preheated to a high temperature by the high-cycle switching regenerative combustion system blows into the furnace area as a high-speed air flow exceeding 50 to 8 Om / sec or a high-speed flow exceeding the blow-off limit of fire.
  • the high-speed high-temperature supply air flow can be heated, but depending on the arrangement of the heated pipes, the heated pipe section near the discharge port of the combustion supply air is locally heated to a high temperature, and the heated inside the furnace is heated.
  • the present invention is not desirable in order to realize a uniform temperature distribution of the heated pipe or a desired temperature gradient in the axial direction of the heated pipe because the outside atmosphere of the pipe can be uneven.
  • the objective is to make effective use of the characteristics or characteristics of a high-period or high-speed switching type thermal storage combustion system with a high-temperature preheating function for combustion air, and to achieve an economy that can exhibit high overall thermal efficiency.
  • Target and con An object of the present invention is to realize a heating furnace having a compact structure. Disclosure of the invention
  • a combustion device that generates and maintains the combustion of a fuel fluid by using high-temperature, especially combustion air preheated to a high temperature of 800 ° C or higher.
  • combustion reaction of it has a dominant effect on the heat transfer phenomenon of the heated pipe The fact that bright flames are not sufficiently generated in the combustion zone, and non-flame flames are mainly generated in the furnace as a flame that substantially controls the heating action.
  • Heat can be obtained mainly by the heat radiation of water vapor and carbon dioxide gas in the high-temperature combustion gas, and the combustion air preheated to a high temperature by a combustion device having a combustion air high-temperature preheating function has a considerably high speed, that is,
  • the present inventors have found that it is possible to blow the gas into the furnace area as a supply air flow having a flow rate of usually 8 Om / sec or more, and based on such knowledge, have reached the present invention.
  • a plurality of hollow heated tubes or a plurality of heated tubes filled with a catalyst are disposed in the furnace region of the heating furnace, and the atmosphere outside the heated tubes is heated by a combustion device.
  • a heating furnace having a structure for heating and generating and maintaining a heating and / or chemical reaction of a pipe fluid
  • a plurality of combustion devices arranged on the side wall surface and for introducing a combustion air supply flow into an intermediate region in the furnace between the heating tube rows,
  • Each of the combustion devices includes a heat storage body for storing sensible heat held by the combustion exhaust gas, and a burner capable of supplying a combustion fuel fluid to the combustion air supply flow, wherein the heat storage body includes combustion air or combustion air.
  • a heat dissipation mode in which the supply air stream is preheated to a high temperature by heat transfer contact with a combustion air supply stream comprising a combustion gas, and a heat storage mode in which heat is received by exchanging heat with the combustion exhaust gas in the furnace. Burning by a combustion air supply flow preheated to a high temperature by the heat storage element in a heat dissipation mode, and heating the heat storage element by a heat exchange action between the heat storage element in the heat storage mode and the combustion exhaust gas in the furnace;
  • the heat release mode and the heat storage mode of the heat storage element are alternately controlled at predetermined time intervals, and the burner is provided with a combustion air supply flow preheated by the heat storage element or the fuel in an intermediate region in the furnace. Injecting fluid, heating the heated pipe by the heat of combustion reaction of the fuel fluid,
  • the heating furnace further includes a flue gas deriving unit that derives a predetermined portion of a fluid portion of the flue gas generated in the furnace region to the outside of the heating furnace.
  • a heating furnace including a heat exchange device for performing heat exchange between the combustion exhaust gas derived from the heating furnace and the fluid to be heated and / or any fluid.
  • each heating tube row is arranged in a high-temperature combustion gas or a high-temperature atmosphere area surrounded by a furnace wall, and receives heat of steam and carbon dioxide in the high-temperature combustion gas effectively to be heated.
  • the combustion device blows the combustion air supply flow and the fuel fluid preheated to a high temperature into the intermediate region in the furnace between the rows of heating tubes.
  • the combustion gas directly contacts the heated pipe near the burner injection hole.
  • a uniform temperature distribution and temperature gradient of the heated pipe can be ensured without locally heating the heated pipe, and a good convection heat transfer effect can also be achieved.
  • a high heat transmission value of the pipe wall to be heated is achieved by the synergistic effect of the heat radiation effect of the high-temperature combustion gas and the convection heat transfer effect of the high-temperature high-speed supply air flow.
  • the combustion exhaust gas in the furnace has a total sensible heat amount exceeding a required sensible heat amount to be stored in the heat storage body of the combustion device.
  • the fluid portion of the ratio is led out of the heating furnace, and the heat exchange action with the fluid to be heated or an arbitrary fluid through the heat exchanger causes the combustion exhaust gas that exceeds the required sensible heat of the high-cycle switching type thermal storage combustion system.
  • Excess sensible heat can be effectively used for multiple purposes. Therefore, it was concluded that the sensible heat of the combustion exhaust gas exceeding the sensible heat that can be effectively used in the high-cycle switching regenerative heat storage system could be used effectively to achieve a further improvement in the overall thermal efficiency of the heating furnace. Become.
  • the in-furnace combustion exhaust gas is discharged from the second combustion device during the combustion operation of the first combustion device by the combustion air supply flow preheated to a high temperature by the heat storage body of the first combustion device. Passing through a second flow path containing the heat storage, heating the heat storage; During the combustion operation of the second combustion device due to the combustion air supply flow preheated to a high temperature by the heat storage material of the second combustion device, the combustion exhaust gas in the furnace passes through the first flow path including the heat storage material of the first combustion device. The regenerator is heated, and the flow path of the combustion exhaust gas in the furnace and the flow path of the combustion air supply flow are selectively switched to one of the first flow path and the second flow path at predetermined time intervals. Is done.
  • the flue gas portion having a desired flow rate and having a sensible heat exceeding a required sensible heat amount required in the high cycle switching type regenerative combustion system is supplied to the furnace via the flue gas deriving means. It is led out of the furnace from the inner region.
  • the flow ratio of the flue gas portion to be led out of the furnace is set to 10% to 30% (weight ratio) of the total circulation flow or the total supply / discharge flow of the heating furnace.
  • the flue gas derivation duct rising from the hearth is arranged on the bottom wall surface of the heating furnace in parallel with the row of heating tubes.
  • the flue gas outlet duct is made of a refractory brick or heat-resistant ceramic duct having a rectangular cross section, a trapezoidal cross section, or a U-shaped cross section, and has a plurality of exhaust openings through which the combustion flue gas in the furnace can pass.
  • a ventilation hole is formed in the wall of the duct side wall. The amount of exhausted flue gas is adjusted or regulated by the attraction pressure of the exhaust air induction fan and the area of the exhaust opening or vent hole.
  • the fluid transfer duct at the floor of the heating furnace defined by the flue gas outlet duct is interconnected with the furnace area through a number of the above-mentioned exhaust openings or vents. It is extracted to the outside of the heating furnace through the fluid transfer duct.
  • natural gas is used as the fuel fluid.
  • the combustion air is air in an external atmosphere having an average temperature of 20 ° C.
  • the combustion air heated to about 150 ° C in the heat storage body and the heat exchanger provided in a heating furnace.
  • the natural gas preheated to about 300 ° C. is supplied to the burner, where it undergoes a combustion reaction to heat the fluid to be heated in the pipe to be heated.
  • about 85% of the combustion exhaust gas which has been cooled to about 110 ° C. is led to the heat accumulator, and exchanges heat with the combustion air via the heat accumulator, and Released to atmosphere after cooling to 85 ° C.
  • the remaining 15% of the flue gas is sent to a heat exchanger attached to the heating furnace. Then, the fluid to be heated and the fuel natural gas are preheated, cooled to about 170 ° C, and released to the atmosphere. As a result, the thermal efficiency due to the operation of the heating furnace body reaches 89.5%, and the total thermal efficiency of the entire heating furnace including the heat exchange device reaches 95.5%.
  • This thermal efficiency value takes into account the heat loss of about 1% from the heating furnace housing including the furnace walls, heat exchangers and piping.
  • the heated pipe comprises a water vapor reforming pipe filled with a catalyst, and the heat exchange device heats a mixed gas of steam and hydrocarbon. It includes a heat exchanger or a heat exchanger that heats the fuel fluid.
  • the interval (W) between the rows of heating tubes is substantially equal to the value of depth (D) / interval (W) defined by the ratio of the interval (W) to the depth (D) of the in-furnace region. It is set to indicate a value within the range of 2 to 8. More preferably, the mutual interval (P) between the heated tubes is a value of the interval (P) / outer diameter (d) defined as a ratio of the interval (p) to the outer diameter (d) of the heated tube. , Are set to indicate values substantially in the range of 1.5 to 2.5.
  • the heating furnace according to the present invention comprises a reforming reaction gas producing plant for ammonia synthesis, a reforming reaction gas producing plant for methanol synthesis, or a steam reforming plant in a hydrogen gas producing plant. Used as a quality furnace.
  • the heating furnace according to the present invention is used as a reactor of an ethylene production plant.
  • FIG. 1 is a schematic flow chart showing the configuration of an apparatus system using a heating furnace according to an embodiment of the present invention as a steam reforming reactor for producing hydrogen or synthesizing methanol.
  • FIG. 2 is a schematic vertical sectional view showing the entire structure of the heating furnace shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the entire structure of the heating furnace shown in FIG. 1 and a vertical cross-sectional view showing the structure of the exhaust gas duct.
  • FIG. 4 is a schematic block flow diagram showing the overall configuration and operation of the burner assembly of the heating furnace.
  • FIG. 5 is a partial cross-sectional view of a heating furnace illustrating a modification example of the arrangement of the first and second burner assemblies.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional configuration diagram of a heating furnace illustrating a modification example of an arrangement of catalyst tubes or heated tubes in the furnace.
  • FIG. 7 is a schematic block diagram of a heat storage combustion system illustrating a modification of the configuration of the burner assembly.
  • FIG. 1 is a flow diagram showing a schematic configuration of an apparatus system provided with a heating furnace according to an embodiment of the present invention.
  • the heating furnace according to this embodiment is a water steam reformer for hydrogen production or methanol synthesis. Used as a reactor.
  • the apparatus system shown in FIG. 1 includes a heating furnace 1 constituting a steam reforming reaction gas furnace, a first heat exchanger 2 through which a mixed gas of hydrocarbon and steam can pass, and an is 2 through which fuel gas can pass. And a heat exchanger 3.
  • the heating furnace 1 and the first heat exchanger 2 that constitute the reformer are connected in series via a raw material supply line L1 and a raw material supply line L2 of a mixed gas of hydrocarbon and steam.
  • the raw material feed line L2 communicates with the catalyst tube 10 of the heating furnace 1, and the catalyst tube 10 vertically penetrates the heating furnace main body 11.
  • the mixed gas of hydrocarbon and steam is introduced into the upper end of the catalyst tube 11, flows down in the catalyst tube 201, and burns at a high temperature in the furnace combustion zone through the tube wall of the catalyst tube 11. Heat is received by the heating action of the gas.
  • the steam reforming reaction of the mixed gas proceeds, and the temperature of the mixed gas rises, and the reforming reaction gas heated to a predetermined temperature is reformed from the lower end of the catalyst tube 11. It is led to the gas delivery line L3.
  • the reformed gas delivery line L3 is connected to a system (not shown) for executing a predetermined next process,
  • the heating furnace 1 includes a catalyst tube 10 filled with a predetermined catalyst, burner assemblies 12 and 13 including a burner and a heat storage body, and a heating furnace main body 11 that defines a combustion zone in the furnace. You.
  • the flue gas from the heating furnace body 11 is composed of exhaust gas lines El, E2, and E3.
  • the gas is exhausted to the outside of the reforming reaction gas production plant via the first exhaust gas system and the second exhaust gas system consisting of the atmospheric release line E4.
  • the exhaust gas line E1 connected to the heating furnace body 11 communicates with the exhaust gas line E2 via the first heat exchanger 2.
  • the exhaust gas line E2 communicates with the exhaust gas line E3 via the second heat exchanger 3.
  • An exhaust gas induction fan 6 is provided in the exhaust gas line E3, and attracts the combustion exhaust gas of the heating furnace main body 11 through the first and second heat exchangers 2, 3 and the exhaust gas lines El, E2, E3.
  • the mixed gas of hydrocarbon and steam supplied through the raw material supply line L1 exchanges heat with the combustion exhaust gas of the heating furnace body 11 in the first heat exchanger 2, and is supplied through the fuel gas supply line LF.
  • the fuel fluid exchanges heat with the exhaust gas of the exhaust gas line E2 in the second heat exchanger 3.
  • the burner assemblies 12 and 13 arranged in a plurality of stages on both sides of the heating furnace body 11 are provided with burners (not shown) that operate intermittently or periodically at predetermined time intervals. .
  • the burners of each burner assembly 12 and 13 are connected to a fuel gas supply source (not shown) via a fuel gas supply line LF, and are also provided via a combustion air supply line LA. Connected to the combustion air blower 4.
  • Each of the burner assemblies 12 and 13 is provided with a heat storage body (not shown) having a predetermined structure.
  • An exhaust fan 5 is interposed in the atmosphere discharge line E4, and the exhaust gas of the heating furnace body 11 is released to the atmosphere via the heat storage bodies of the burner assemblies 12 and 13 by the attraction pressure of the exhaust fan 5. Attracted to release line E4.
  • FIG. 2 is a schematic longitudinal sectional view showing the entire structure of the heating furnace 1 shown in FIG. 1
  • FIG. 3 is a schematic transverse sectional view showing the entire structure of the heating furnace 1 shown in FIG.
  • FIG. 3A is a longitudinal sectional view of the exhaust gas duct taken along the line I-I shown in FIG.
  • the heating furnace 1 includes a heating furnace body 11 through which the catalyst tube 10 vertically penetrates, and a plurality of catalysts vertically penetrating through an in-furnace region 15 of the heating furnace body 11.
  • Tube 10 Each catalyst tube 10 erected substantially vertically in the furnace region 15 is made of a reformer tube such as a high-alloy centrifugal tube and the like.
  • a predetermined catalyst such as a nickel crystal catalyst for activating the reforming reaction of the hydrogen / steam mixed gas is filled.
  • each catalyst tube 10 penetrates the top wall 11 c of the heating furnace body 11 and is connected to the raw material supply pipe 16 via a hairpin tube capable of absorbing the thermal expansion and contraction of the catalyst tube 10,
  • the raw material supply pipe 16 is connected to a raw material supply header (not shown).
  • the catalyst tubes 10 are arranged in a plurality of rows in the furnace region 15 of the heating furnace body 11.
  • the catalyst tube row is constituted by a plurality of catalyst tubes 10 which are aligned in the tube length direction or the axial direction of the raw material supply tube 16 and arranged substantially vertically.
  • each catalyst tube row includes about 10 to 15 catalyst tubes 10 linearly arranged in the furnace region 15.
  • the heating furnace body 1
  • each catalyst tube 10 penetrates the bottom wall 1 Id of the heating furnace body 11 and is connected to a reforming reaction gas discharge pipe 17 via a hairpin tube, and the discharge line is formed.
  • the pipe 17 is connected to a collector (not shown) connected to the first feed line L3 (FIG. 1).
  • the heating furnace main body 11 has a first side wall 1 la and a second side wall 1 lb which are laid or lined with a refractory is insulating material such as a refractory insulating brick or a castable refractory material.
  • the pair of second side walls 1 lb extend in the width direction of the catalyst tube row, and the opposing first left and right side walls 11 a extend parallel to the catalyst tube row.
  • the first and second side walls 11 a and l ib are oriented in directions orthogonal to each other, and are interconnected at each corner of the in-furnace region 15.
  • the 20-paner assemblies 12 and 13 are arranged on the second side walls 11b on both sides in a vertically arranged plural stages.
  • the burner assemblies 12 and 13 are alternately arranged in the vertical direction on the second side wall 11b, and alternately arranged at a predetermined interval in the width direction of the second side wall 1lb. Is done.
  • the burner assemblies 12 and 13 are composed of a group of burner assemblies 12 and 13 arranged in four stages vertically and four rows horizontally.
  • the burner assemblies 12, 13 are arranged on each second side wall 11 b in such a manner that the supply / exhaust ports 14 of the burner assemblies 12, 13 are located in the middle region in the furnace located between the respective catalyst tube rows. Opened on the wall of 11b and arranged at predetermined intervals.
  • Hydrocarbons heated to a temperature of 400 ° C. to 700 ° C. in the first heat exchanger 2 and The mixture of steam is introduced into the catalyst tube 10 via the raw material supply line 16. While flowing down the catalyst tube 10, the hydrocarbon / steam mixture is heated by the radiation and convection heat transfer of the high-temperature combustion gas that forms the external atmosphere or the outside atmosphere of the catalyst tube 10, and the catalyst is heated.
  • 600 ° C to 900 ° C by the sensible heat input through the tube wall of the catalyst tube 10. Heat to a temperature of ° C.
  • the high-temperature reaction product generated by the endothermic reforming reaction in the catalyst tube 10 is collected by a collector (not shown) via a discharge pipe 17 and supplied to the next step (purification step).
  • the heat load in the furnace area 15, that is, the required heat input by the burner assemblies 12 and 13, is the required reaction heat required for the reforming reaction of the steam / hydrocarbon mixed gas and the raw material gas is raised to a predetermined temperature. It substantially corresponds to the total amount of required sensible heat to be heated.
  • the distance W between the catalyst tube rows and the depth D of the in-furnace region 15 are the capacity of the burner 19 (Fig. 4) provided in the heating furnace 1 and the design surface of the catalyst tube 10. Generally set based on temperature.
  • the interval W between the catalyst tube rows is preferably set to a value of depth D / interval W substantially from 2 to 2.
  • the mutual interval P of 10 is set such that the ratio of the interval p to the outer diameter d of the catalyst tube 10 (interval p / outer diameter d) substantially indicates a value of 1.5 to 2.5. .
  • the entire length of the catalyst tube 10 can be arbitrarily set to an appropriate total length in the furnace that exhibits an appropriate temperature gradient and heating capacity within an allowable range of the pressure loss of the fluid in the tube.
  • an exhaust gas duct 40 is arranged on the bottom wall 11 d of the heating furnace main body 11.
  • the exhaust gas duct 40 is arranged in the middle area in the furnace between the catalyst tube rows, rises above the bottom wall 11 d, and extends in the furnace area 15 in parallel with the catalyst tube row and the first side wall 11 a. Extend.
  • each exhaust gas duct 40 is located above the bottom wall 11d. It has left and right side walls 42 extending upward from the surface, and a top wall 41 interconnecting the top edges of the side walls 42.
  • a plurality of flue gas outlet holes 43 having a predetermined opening area are formed in the side wall 42 at predetermined intervals.
  • the zone in the duct defined by the top wall 41 and the side wall 42 communicates with the atmosphere inside the furnace through the flue gas outlet hole 43, and is parallel to the first side wall 11a and the catalyst tube row.
  • a flue gas discharge passage extends above the bottom wall 11c.
  • the exhaust gas duct 40 is connected to an exhaust gas line E1 via a communication pipe 44 (FIG. 2), and the combustion exhaust gas having a predetermined flow rate generated in the furnace area 15 of the heating furnace 1 is supplied to the exhaust gas duct 40, It is sent to the first heat exchanger 2 (FIG. 1) via the communication pipe 44 and the exhaust gas line E1.
  • the communication pipe 44 is connected to one end of the exhaust gas duct 40 as shown by a broken line in FIG.
  • An opening is provided in the area of the duct 40.
  • FIG. 4 is a block flow diagram showing an operation mode of each burner assembly 12, 13.
  • the burner assemblies 12 and 13 are a burner 18 connected to the fuel gas supply line and the combustion air supply line LA, respectively, and a switching heat storage type heat preheating the combustion air. And an exchanger 19.
  • the burner 18 is provided with a first burner and / or a pilot burner that blows a fuel fluid into a combustion air flow path located between the air supply / exhaust port 14 and the heat exchanger 19, and an air supply / exhaust port 14.
  • a second burner or a main burner which is disposed on an adjacent furnace wall and injects a fuel fluid toward a furnace internal combustion region;
  • the switchable heat storage type heat exchanger 19 recovers waste heat by heat exchange with the combustion exhaust gas of the heating furnace body 11 (heat storage mode) and heat exchange with the combustion air in the line LA (radiation mode). Preheat combustion air.
  • the group of burner assemblies 12 and the group of burner assemblies 3D are configured to set the waste heat recovery operation and the combustion operation at predetermined time intervals, for example, at intervals of 20 to 120 seconds, preferably at 60 seconds or less.
  • a high-period or high-speed regenerative heat storage combustion system that alternately repeats at a predetermined time interval is set, and each of the switched regenerative heat exchangers 19 alternately performs the heat storage mode and the heat release mode alternately. .
  • a burner 18 and a switching regenerative heat exchanger 19 are interposed in series.
  • the first flow path HI and the second flow path H2 selectively communicate with the combustion air supply line LA or the atmosphere release line E4 via a four-way valve V that is switched and controlled at predetermined time intervals.
  • the four-way valve V connects the first flow path HI of the burner assembly 12 to the combustion air supply line LA at the first position shown in FIG. 4A, and the second flow path of the burner assembly 13 H2 is connected to the atmosphere release line E4.
  • the four-way valve V connects the first flow path HI to the atmosphere release line E4 and the second flow path H2 to the combustion air supply line LA at the second position shown in FIG. 4 (B).
  • Each burner 18 is connected to a fuel gas supply line LF via a fuel supply valve (not shown), and each fuel supply valve is controlled by a control device (not shown).
  • the synchronous switching operation is performed at the switching timing of the direction valve V, and the fuel gas is alternately supplied to one of the first and second burner assemblies 12 and 13. Therefore, the burner 18a of the first burner assembly 12 burns at the first position (FIG. 4 (A)) of the four-way valve V, and the second position (FIG. 4 (B)) of the four-way valve V. ), The combustion operation is stopped.
  • the burner 18 b of the second burner assembly 13 starts the combustion operation at the second position (FIG. 4B) of the four-way valve V, and Stop the combustion operation at 1 position (Fig. 4 (A)).
  • the combustion exhaust gas derived from the heating furnace main body 11 passes through the switching regenerative heat exchanger 19 b of the second burner assembly 13 and the atmospheric discharge line E4. Exhaust heat of the combustion exhaust gas is stored in the regenerative heat exchanger 19b of the second parner assembly 13 (FIG. 4 (A)).
  • the regenerative heat exchanger 19b is maintained in the heat storage mode in which the flue gas contacts the combustion exhaust gas.
  • the regenerative heat exchanger 19b of the second burner assembly 13 is introduced via the combustion air supply line LA and the second flow path H2 during the subsequent combustion operation of the second burner assembly 3D 13. Preheat the combustion air (Fig. 4 (B)).
  • the exhaust heat of the flue gas discharged from the heating furnace main body 11 is stored in the switched heat storage type heat exchanger 19 a of the first burner assembly 12. (Fig. 4 (B)). Therefore, during the combustion operation of the second burner assembly 13, the heat storage type heat exchanger 19 a is held in the above heat storage mode, while the heat storage type heat exchanger 19 b is provided with the combustion air and the heat transfer. It is kept in contact heat dissipation mode.
  • the regenerative heat exchanger 19 a preheats the combustion air introduced via the combustion air supply line LA and the first flow path HI during the combustion operation of the first burner assembly 12 following the bow I. (Fig. 4 (A)). That is, the regenerative heat exchanger 19a is maintained in the above-described heat release mode when the first burner assembly 12 performs the combustion operation.
  • a ceramic or metal heat storage body having a honeycomb structure provided with a large number of flow paths can be preferably used.
  • a ceramic heat storage element generally used as a catalyst carrier and having a large number of narrow channels can be preferably used.
  • the honeycomb-type regenerator has a desired volumetric efficiency, and the wall thickness of each honeycomb wall constituting the regenerator of the honeycomb structure is set to 1.6 or less, and The distance between the walls (honeycomb pitch) is set to 5 thighs or less.
  • the structure of this type of honeycomb-type heat storage element is disclosed in detail in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 6-213585 (Japanese Patent Application No. Hei 5-69911). Further detailed description is omitted by quoting.
  • the high-temperature fluid (combustion exhaust gas) and the low-temperature fluid (combustion air) are alternately supplied to the regenerative heat exchangers is 19 of the first and second burner assemblies 12 and 13.
  • the amount of heat removed from the high-temperature fluid by the heat transfer contact is given to the low-temperature fluid by the heat transfer contact with the low-temperature fluid, thereby performing heat exchange between the high-temperature fluid and the low-temperature fluid.
  • the direct heat exchange effect of the high-temperature fluid (combustion exhaust gas) and the low-temperature fluid (combustion air) through the heat storage unit 19 is used, and the switching time of the fluid passage (flow path) is shortened.
  • the temperature efficiency of about 60 to 70%, which was the limit in the conventional heat exchanger, can be reduced to 70 to 100%. Can be improved.
  • Each of the burners 18 of the first and second burner assemblies 12 and 13 is disposed in a large number of blow holes (supply / exhaust ports 14) formed in the side wall 11 b of the heating furnace 1. Under the high-speed switching control of the control device 25 (not shown), synchronous switching control is performed together with the four-way valve V (FIG. 5). Each of the burners 18 is alternately burned by the combustion air blown by the combustion air blower FA and the fuel fluid such as natural gas supplied through the fuel gas supply line LF. The temperature of the combustion air in the combustion air supply line LA rises due to the heat transfer effect of the heat storage type heat exchanger 19 of the burner assembly 12 or 13.For example, it is preheated to 800 to 150 ° C.
  • the combustion reaction is performed by the fuel gas of the burner 18 supplied by the fuel gas supply line LF, and the catalyst tube 10 is heated.
  • Most of the combustion exhaust gas generated in the heating furnace body 11 exchanges heat with the regenerative heat exchanger 19 of the parner assembly 12 or 13 and reaches, for example, 50 to 200 ° C. After cooling, it is released to the atmosphere via the atmospheric release line E4 and the chimney.
  • a predetermined portion of the flue gas portion preferably a flue gas fluid portion having a weight ratio of 10 to 30%, is drawn or introduced into the flue gas outlet hole 43 of the exhaust gas duct 40, and is introduced into the exhaust gas duct 40 duct. It is supplied to the first heat exchanger 2 and the second heat exchanger 3 via the area, the communication pipe 44 and the exhaust gas line E1.
  • the flue gas exchanges heat with the hydrocarbon / steam mixed gas and the fuel fluid for combustion in the first heat exchanger 2 and the second heat exchanger 3, and the waste heat recovery process causes the waste heat to be recovered at 100 ° C. to 250 ° C. Cooled to ° C, and then released to the atmosphere via a chimney.
  • the arrangement of the first and second panner assemblies 12 and 13 can be arbitrarily set, and the combustion gas exerts an appropriate radiant heat transfer function and a convective heat transfer function of the combustion gas.
  • Any burner arrangement capable of forming an air flow in the furnace intermediate region between the above-described catalyst tube row or heated pipe row can be employed.
  • a plurality of parner assemblies separated in the width direction of the furnace wall are arranged in a single pipe row intermediate region, and a pair of left and right first and second burner assemblies are arranged.
  • a burner arrangement in which 12 and 13 are arranged vertically in the furnace wall may be employed.
  • a pair of upper and lower first and second burner assemblies 12 and 13 are arranged in a row in the width direction of the furnace wall (FIG. 5 (B)), or a catalyst tube or a heated tube 10 is arranged.
  • Burner arrangement in which a pair of left and right first and second burner assemblies 12 and 13 are arranged in such a manner as to sandwich the tube 10 on both sides Fig. 5 (C)
  • a high-period or high-speed switching type heat storage and combustion system of another structural type for example, a ball type such as a plurality of ceramic balls It is possible to employ a burner assembly provided with a switching regenerative combustion air high temperature preheating mechanism having a regenerator or a spherical regenerator.
  • connection position of the communication pipe 44 to the exhaust gas duct 40 is not limited to one end of the exhaust gas duct 40, but may be set at the center or both ends of the exhaust gas duct 40.
  • the heated pipe is not limited to the form of the catalyst pipe or the heated pipe of the above embodiment which is disposed so as to vertically penetrate the furnace area.
  • FIG. As shown in the above, various configurations of the heated pipe can be adopted.
  • the heated pipe 10 shown in Fig. 6 (A) has a vertical and hollow riser pipe 10b arranged in the central area inside the furnace and a lower connection where the lower end of the riser pipe 10b is connected. It comprises a pipe 10 c and a catalyst filling pipe 10 a interconnected via a lower connecting pipe 10 c, and the fluid to be heated flows down in the catalyst filling pipe 10 a and is heated. , Riser rises in 1 Ob and flows out.
  • the heated pipes 10 shown in FIGS. 6 (B) and 6 (D) are U-shaped continuous pipes extending downward as a whole, and the fluid to be heated in each continuous pipe is a heated pipe. It flows in from one upper end of the pipe 10, flows down in the pipe, and flows out of the other upper end of the pipe 10 to be heated. Further, the heated pipe 10 shown in FIGS. 6 (C) and 6 (E) is a U-shaped continuous pipe extending in the entire horizontal direction, and the fluid to be heated in the pipe is a heated pipe.
  • the burner assembly 12, 13 is a heat storage combustion system of a type including a rotary heat storage body 20 which is formed in a cylindrical outer shape as a whole.
  • a heat storage combustion system of a type including a disc-shaped flow path switching means 32 can be configured.
  • Fig. 7 (A) the rotary storage that constitutes the thermal storage combustion system is shown.
  • the heat body 20 is interposed in a first flow path (combustion air flow path) HI and a second flow path (combustion exhaust gas flow path) H2 isolated by the partition 21.
  • the rotary regenerator 20 alternately comes into contact with the combustion air flowing in the first flow path HI and the flue gas flowing in the second flow path H2, and alternately repeats the heat storage mode and the radiation mode.
  • the first heat storage part 22 and the second heat storage part 23 are provided.
  • the fixed heat storage element 30 includes a first flow path HI and a second flow path H2 separated by a partition wall 31, a rotating disk type flow path switching device 32, Is provided.
  • the flow path switching device 32 includes an air supply port 34 constantly communicating with the combustion air supply path 33, and an exhaust gas outlet 36 constantly communicating with the combustion exhaust gas flow path 35.
  • the first heat storage portion 37 and the second heat storage portion 38 alternately repeat the heat storage mode and the heat release mode by the rotation of the flow path switching device 32.
  • the characteristics or characteristics of a high-period or high-speed switching type regenerative combustion system having a high-temperature preheating function for combustion air are effectively used, and a high overall thermal efficiency is exhibited. It is possible to realize an economical and compact heating furnace that can be obtained.

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Description

明 細 書 流 体 の 加 熱 炉
5
技術分野
本発明は、 流体の加熱炉に関するものであり、 より詳細には、 蓄熱体を介して なされる燃焼排ガスと燃焼用空気との直接的な熱交換作用によって燃焼用空気を 高温に加熱ないし予熱する蓄熱式燃焼用空気高温予熱機能を備えた流体加熱炉に 関するものである。 背景技術
流体を加熱する加熱炉において、 直方体形態又は箱型形態の加熱炉、 或いは、 直立円筒形形態の加熱炉の炉内領域に加熱管を配置してなる管式加熱炉が広く実 5 用に供されている。 かかる加熱炉として、 加熱炉本体の天井壁又は頂壁、 或いは、 床面壁又は底壁に複数のバーナーを配設し、 各バーナーに供給される燃焼用燃料 又は炭化水素系燃料の燃焼反応により生成する火熵及び高温燃焼ガスの熱放射に よって被加熱管及び管内流体を加熱する形式の所謂箱型加熱炉又は直立円筒型加 熱炉や、 全体的に直方体形態を有し且つ矩形の平面形態又は横断面形態を有する 0 加熱炉本体を備え、 複数の直立加熱管からなる単一の加熱管列を左右の炉壁面の 中心線上に整列配置し、 炉壁面に複数の放射型バーナーを分散配置してなる放射 壁型加熱炉等の形式の加熱炉、 更には、 加熱炉本体の炉壁内面に沿って火焰及び 燃焼ガスを上昇せしめる所謂テラスゥォール型加熱炉等の各種形式の加熱炉が知 られている。 一般に、 このような加熱炉は、 主として炉壁面に配置される加熱手 b 段又は燃焼装置の熱放射又は輻射伝熱作用により被加熱管を加熱する構造を備え る o
この種の形式の加熱炉においては、 バーナーの燃焼作動により生成し且つ被加 熱管を加熱した燃焼排ガスは、 依然として有効利用可能な多大な顕熱を保有する 従って、 加熱炉本体の上部域に一体的に配置された排熱回収部、 或いは、 煙道を 介して加熱炉本体に接続された別体の排熱回収装置等が、 燃焼排ガスの廃熱回収 を意図した加熱炉付帯設備として付加的に加熱炉に配設される。
このような構造を備えた型式の加熱炉においては、 排熱回収部に導入される燃 焼排ガスの温度は、 被加熱管に導入される被加熱流体の温度条件及び加熱炉の熱 負荷条件等に応じて相違するが、 このような燃焼排ガスは、 通常は、 7 0 0 °C〜 1 1 0 0 °Cの高温度を依然として有する。 従って、 燃焼排ガスが保有する廃熱の 有効利用を企図して、 加熱炉に対して供給すべき被加熱流体の予熱又は加熱、 バ ーナ一に供給すべき燃焼用空気の予熱、 或いは、 水蒸気等の発生又は過熱を目的 とした熱交換装置又は廃熱回収ボイラー等の各種廃熱回収装置が上記排熱回収部 に一般に配設される。
しかしながら、 従来構造の加熱炉においては、 加熱炉に投入される熱量又はェ ンタルピーの約 3 5 %〜5 5 %が上記廃熱回収装置に供給されるので、 この種の 加熱炉の熱収支バランスを考慮すると、 被加熱流体自体の加熱に有効利用される 消費熱量に比して過大な割合の熱量が、 本来の加熱炉投入熱の利用目的と異なる 廃熱回収装置に供給される結果となる。 かくて、 加熱炉の熱効率は、 全体的に低 下し、 加熱炉投入熱量を効果的に有効利用し得る有利且つ経済的な加熱炉の熱収 支効率は、 事実上達成し難い。
近年に至り、 燃焼用空気予熱機能を有するバーナーが提案され、 一般加熱炉に 対する該ノ ーナの適用が検討されている。 例えば、 特開平 6— 2 1 3 5 8 5号公 報 （特願平 5— 6 9 1 1号） に開示された構成の高周期又は高速切換式蓄熱燃焼 システムの構成によれば、 従来型式の加熱炉のバーナー部分は、 燃焼用空気高温 予熱機能を有する高周期又は高速切換式蓄熱型燃焼装置に置換し得る。 かかる高 周期切換式蓄熱型燃焼装置を備えた加熱炉によれば、 炉内領域の燃焼排ガスが保 有する顕熱は、 高周期切換式蓄熱型燃焼装置を構成するハニカム構造のセラミツ ク製蓄熱体に伝熱し、 該蓄熱体に蓄熱され、 蓄熱体の蓄熱熱量は、 引き続く燃焼 用空気流と蓄熱体との伝熱接触により、 燃焼用空気に放熱され、 燃焼用空気を 8 0 0 °C以上の高温に加熱する。 かくして、 蓄熱体を介してなされる燃焼排ガス と燃焼用空気との直接的な熱交換作用により、 燃焼排ガスが保有する顕熱は、 燃 焼用空気流に効果的に伝熱し得るので、 廃熱回収部の熱容量又は熱交換容量を低 減し、 廃熱回収装置等の付帯設備を省略ないし小型化することが可能となる。 しかしながら、 従来構造の加熱炉に対する高周期切換式蓄熱燃焼システムの適 用は、 燃焼用排ガスが保有する顕熱を燃焼用給気流に伝熱することにより、 加熱 炉本体の高効率化を達成することを意図したものであるにすぎず、 更なる改良又 は改善の余地が残されている。 例えば、 炉内燃焼排ガスは、 炉内に導入される炭 化水素系燃料流体により概ね 1 0 %程度増量し、 しかも、 炉内燃焼ガスを構成す る炭酸ガス及び水蒸気の比熱は、 高温雰囲気下に漸増する。 この結果、 炉内燃焼 排ガスは、 上記蓄熱体における熱収支バランスを上回る顕熱を保有し、 この結果、 更に廃熱回収可能な熱量を依然として保有する高温の燃焼排ガスが、 蓄熱体を介 して排気されてしまう。 従って、 燃焼用給気流の予熱に要する顕熱量を超える燃 焼排ガスの余剰の顕熱に関し、 更なる効率的利用を図る対策が望まれる。 また、 高周期切換式蓄熱燃焼システムにより高温に予熱された燃焼給気流は、 5 0乃至 8 O m/秒を超える高速気流、 或いは、 火焰の吹き飛び限界を超える高速流とし て炉内領域に吹込み可能であるが、 かかる高速の高温給気流は、 被加熱管の配列 にも依るが、 燃焼給気流の吐出口近傍の被加熱管部分を局所的に高温に加熱し、 炉内の被加熱管の管外雰囲気を不均等化し得ることから、 被加熱管の均一な温度 分布、 或いは、 所望の被加熱管軸線方向の温度勾配を実現する上で望ましくない 本発明は、 かかる課題に鑑みてなされたものであり、 その目的とするところは、 燃焼用空気高温予熱機能を有する高周期又は高速切換式蓄熱燃焼システムの特質 又は特性を有効に利用するとともに、 高度な総合熱効率を発揮し得る経済的且つ コンパク卜な構成の加熱炉を実現することにある。 発明の開示
本発明者は、 上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、 高温、 殊に、 800 °C以上の高温に予熱された燃焼用空気により燃料流体の燃焼を生起し且つ維持す る燃焼装置の燃焼反応においては、 被加熱管の伝熱現象に対して支配的に作用す る輝炎が燃焼域に十分には生成せず、 加熱作用を実質的に支配する火炎として不 輝炎が主に炉内に生成するという事実に着目し、 この結果、 炉内領域の放射伝熱 は、 主として高温燃焼ガス中の水蒸気及び炭酸ガスの熱放射により確保し得ると ともに、 燃焼用空気高温予熱機能を有する燃焼装置により高温に予熱された燃焼 用空気は、 可成りの高速、 即ち、 通常 8 O m/ s e c以上の流速の給気流として 炉内領域に吹込み可能であることを見出し、 かかる知見に基づき、 本発明を達成 するに至ったものである。
即ち、 本発明によれば、 中空の被加熱管又は触媒を管内に充填した複数の被加 熱管を加熱炉の炉内領域に配設し、 該被加熱管の管外雰囲気を燃焼装置により加 熱し、 管内流体の加熱及び/又は化学反応を生起し且つ維持する構造を有する加 熱炉において、
前記加熱炉の炉壁を構成する一対の第 1側壁面に平行に配置された少なくとも 3列の前記被加熱管の加熱管列と、 前記第 1側壁と交差する方向に延在する一対 の第 2側壁面に配置され且つ前記加熱管列の間の炉内中間領域に燃焼用給気流を 導入する複数の燃焼装置と備え、
該燃焼装置は夫々、 前記燃焼排ガスが保有する顕熱を蓄熱する蓄熱体と、 燃焼 用燃料流体を前記燃焼用給気流に供給可能なバーナーとを備え、 前記蓄熱体は、 燃焼用空気又は燃焼用ガスからなる燃焼用給気流との伝熱接触により該給気流を 高温に予熱する放熱モードと、 炉内燃焼排ガスとの熱交換により受熱する蓄熱モ 一ドとを反復し、 前記燃焼装置は、 放熱モードの前記蓄熱体により高温に予熱さ れた燃焼用給気流により燃焼作動するとともに、 蓄熱モードの前記蓄熱体と前記 炉内燃焼排ガスとの熱交換作用により該蓄熱体を加熱し、
前記蓄熱体の放熱モード及び蓄熱モードは、 所定の時間間隔にて交互に切換制 御され、 前記パーナ一は、 前記蓄熱体にて予熱された燃焼用給気流又は前記炉内 中間領域に前記燃料流体を吹込み、 該燃料流体の燃焼反応熱により被加熱管を加 熱し、
前記加熱炉は更に、 前記炉内領域に生成した燃焼排ガスの所定割合の流体部分 を加熱炉外に導出する燃焼排ガス導出手段を備えるとともに、 該導出手段により 加熱炉から導出された燃焼排ガスと前記被加熱流体及び/又は任意の流体との熱 交換を実行する熱交換装置を備えることを特徴とする加熱炉が提供される。
本発明の上記構成によれば、 加熱炉の炉内領域には、 3列以上の複数の加熱管 列が配置される。 各加熱管列は、 高温の燃焼ガス又は炉壁面に包囲された高温雰 囲気の領域に配置され、 高温燃焼ガス中の水蒸気及び炭酸ガスの熱放射を有効に 受熱し、 加熱される。 しかも、 上記加熱管列及び燃焼装置の配置によれば、 加熱 所要量当りの全炉壁 （天井壁、 床壁及び側壁） 面積を最小化することができる。 また、 本発明の上記構成によれば、 燃焼装置は、 高温に予熱した燃焼用給気流 及び燃料流体を加熱管列の間の炉内中間領域に吹込む。 従って、 上記燃焼装置は、 通常 8 O m/ s e c以上の高速給気流を炉内領域に吹込むにもかかわらず、 燃焼 ガスは、 バーナー吹込み孔の近傍の被加熱管部分に直接的に接触せず、 この結果、 被加熱管を局所的に過熱することなく、 被加熱管の均一な温度分布及び温度勾配 を確保し得るとともに、 良好な対流伝熱効果をも併せて達成し得る。
かくして、 本発明によれば、 高温の上記燃焼ガスの熱放射作用および高温の上 記高速給気流の対流伝熱効果の相乗的作用効果により、 高度な被加熱管管壁の熱 貫流値が達成されるとともに、 全体的に小型化し且つ炉壁面の熱損失量を低減し 得る高熱効率且つ経済的な加熱炉を提供することができる。
更に、 炉内燃焼排ガスは、 燃焼装置の蓄熱体に蓄熱すべき所要の顕熱量を超え る全顕熱量を保有するが、 本発明によれば、 上記燃焼排ガス導出手段は、 燃焼排 ガスの所定割合の流体部分を加熱炉外に導出し、 上記熱交換器を介してなされる 被加熱流体又は任意流体との熱交換作用により、 高周期切換式蓄熱燃焼システム の所要顕熱量を超える燃焼排ガスの余剰顕熱を多目的に有効利用し得る。 従って、 高周期切換式蓄熱燃焼システムにおいて有効利用可能な顕熱量を超える燃焼排ガ スの保有顕熱量を有効に使用し、 加熱炉の総合熱効率の更なる向上を達成するこ とが可肯 となる。
本発明の好ましい実施形態によれば、 第 1燃焼装置の蓄熱体により高温に予熱 された燃焼用給気流により第 1燃焼装置が燃焼作動する間、 前記炉内燃焼排ガス は、 第 2燃焼装置の蓄熱体を含む第 2流路を通過し、 該蓄熱体を加熱し、 他方、 第 2燃焼装置の蓄熱体により高温に予熱された燃焼用給気流により第 2燃焼装置 が燃焼作動する間、 炉内燃焼排ガスは、 第 1燃焼装置の蓄熱体を含む第 1流路を 通過し、 該蓄熱体を加熱し、 炉内燃焼排ガスの流路及び燃焼用給気流の流路は、 所定の時間間隔にて第 1流路又は第 2流路のいずれか一方に選択的に切換制御さ れる。
本発明の好適な実施形態において、 上記高周期切換式蓄熱燃焼システムにおい て要求される所要顕熱量を超える顕熱を保有する所望の流量の燃焼排ガス部分は、 上記燃焼排ガス導出手段を介して炉内領域から炉外に導出される。 好ましくは、 炉内より導出すべき燃焼排ガス部分の流量比は、 加熱炉の全循環流量又は全給排 流量の 1 0 %〜3 0 % (重量比） に設定される。
本発明の更に好適な実施形態によれば、 炉床より隆起する燃焼排ガス導出ダク 卜が、 加熱管列と平行に加熱炉の底壁面に配設される。 好ましくは、 燃焼排ガス 導出ダクトは、 矩形断面、 梯形断面又は浦鋅形断面性状を有する耐火煉瓦製ダク ト又は耐熱セラミック製ダク卜からなり、 炉内の燃焼排ガスを通気可能な複数の 排気開口部又は通気孔がダクト側壁の壁体に穿設される。 燃焼排ガス導出量は、 排気誘引ファンの誘引圧力および排気開口部又は通気孔の開口面積等により調整 又は規制される。 燃焼排ガス導出ダクトにより画成された加熱炉の床部分の流体 搬送ダクトは、 多数の上記排気開口部又は通気孔を介して炉内領域と相互連通し、 燃焼排ガスの所定割合の流体部分は、 流体搬送ダクトを介して加熱炉外界に抜出 される。
本発明の好ましい実施形態において、 上記燃料流体として天然ガスが使用され る。 上記燃焼用空気は、 平均温度 2 0 °Cの外界雰囲気の空気であり、 上記蓄熱体 において約 1 0 5 0 °Cまで加熱された燃焼用空気と、 加熱炉に併設された上記熱 交換器にて約 3 0 0 °Cまで予熱された天然ガスとが、 上記バーナーに供給され、 燃焼反応し、 被加熱管内の被加熱流体を加熱する。 被加熱流体を加熱した結果、 約 1 1 0 0 °Cに降温した燃焼排ガスの約 8 5 %が、 上記蓄熱体に導かれ、 該蓄熱 体を介して上記燃焼用空気と熱交換し、 約 8 5 °Cに降温した後、 大気に放出され る。 他方、 残余の 1 5 %の燃焼排ガスは、 加熱炉に併設された熱交換器に給送さ れ、 被加熱流体及び燃料天然ガスを予熱し、 約 1 7 0 °Cに降温した後、 大気に放 出される。 この結果、 上記加熱炉本体の稼働による熱効率は、 8 9 . 5 %に達し、 上記熱交換装置を含む上記加熱炉全体の総合熱効率は、 9 5 . 5 %に達する。 な お、 かかる熱効率値は、 炉壁を含む加熱炉筐体、 熱交換器及び配管等よりの熱損 失約 1 %を考慮したものである。
本発明の或る好適な実施形態によれば、、上記被加熱管は、 触媒を充填した水蒸 気改質管からなり、 上記熱交換装置は、 水蒸気及び炭化水素の混合ガスを加熱す る熱交換器、 或いは、 上記燃料流体を加熱する熱交換器を含む。
好ましくは、 上記加熱管列の間隔 （W) は、 上記炉内領域の奥行 （D ) に対す る間隔 （W) の比率により定義される奥行 （D ) /間隔 （W) の値が、 実質的に 2乃至 8の範囲内の値を指示するように設定される。 更に好ましくは、 上記被加 熱管の相互間隔 （P ) は、 上記被加熱管の外径 （d ) に対する間隔 （p ) の比率 として定義される間隔 （P ) /外径 （d ) の値が、 実質的に 1 . 5乃至 2 . 5の 範囲内の値を指示するように設定される。
本発明の好適な実施形態によれば、 本発明に係る加熱炉は、 アンモニア合成用 改質反応ガス製造プラント、 メタノール合成用改質反応ガス製造プラント、 或い は、 水素ガス製造プラントにおける水蒸気改質炉として使用される。 本発明の他 の好適な実施形態においては、 本発明に係る加熱炉は、 エチレン製造プラントの 反応炉として使用される。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の実施例に係る加熱炉を水素製造用又はメ夕ノール合成用水蒸気 改質反応炉として使用した装置系の構成を示す概略フロー図である。
図 2は、 図 1に示す加熱炉の全体構造を示す概略縦断面図である。
図 3は、 図 1に示す加熱炉の全体構造を示す概略横断面図及び排気ガスダク卜の 構造を示す縦断面図である。
図 4は、 加熱炉のバーナー組立体の全体構成及び作動形態を示す概略プロックフ ロー図である。 図 5は、 第 1及び第 2バーナー組立体の配列に関する変形例を例示する加熱炉の 部分断面図である。
図 6は、 触媒管又は被加熱管の炉内配列に関する変形例を例示する加熱炉の概略 断面構成図である。
5 図 7は、 バーナー組立体の構成に関する変形例を例示する蓄熱燃焼システムの概 略ブロヅク図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 添付図面を参照して、 本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
1 0 図 1は、 本発明の実施例に係る加熱炉を備えた装置系の概略構成を示すフロー 図であり、 加熱炉は、 本実施例において、 水素製造用又はメタノール合成用水蒸 気改質反応炉として使用される。
図 1に示す装置系は、 水蒸気改質反応ガス炉を構成する加熱炉 1と、 炭化水素 及び水蒸気の混合ガスが通過可能な第 1熱交換器 2と、 燃料ガスが通過可能な第 i s 2熱交換器 3とを備える。 改質装置を構成する加熱炉 1及び第 1熱交換器 2は、 炭化水素及び水蒸気の混合ガスの原料供給ライン L1及び原料給送ライン L2を介し て直列に接続される。 原料給送ライン L2は、 加熱炉 1の触媒管 1 0と連通し、 触 媒管 1 0は、 加熱炉本体 1 1を上下方向に貫通する。
炭化水素及び水蒸気の混合ガスは、 触媒管 1 1の上端部に導入され、 触媒管 2 0 1 1内を流下し、 触媒管 1 1の管壁を介してなされる炉内燃焼域の高温燃焼ガス の加熱作用により受熱する。 触媒管 1 1内において、 混合ガスの水蒸気改質反応 が進行するとともに、 混合ガスの温度が上昇し、 所定の温度に昇温した改質反応 ガスが、 触媒管 1 1の下端部から改質ガス送出ライン L3に導出される。 改質ガス 送出ライン L3は、 所定の次工程を実行する装置系 （図示せず） に接続され、 改質
2 5 反応ガスを所定の次工程 （精製工程） に給送する。
加熱炉 1は、 所定の触媒を充填した触媒管 1 0と、 バーナー及び蓄熱体を備え たバーナー組立体 1 2、 1 3と、 炉内燃焼域を画成する加熱炉本体 1 1とを有す る。 加熱炉本体 1 1の燃焼排ガスは、 排気ガスライン El、 E2、 E3により構成され る第 1排気ガス系統と、 大気放出ライン E4からなる第 2排気ガス系統とを介して、 改質反応ガス製造プラント外に排気される。
加熱炉本体 1 1に接続された排気ガスライン E1は、 上記第 1熱交換器 2を介し て、 排気ガスライン E2に連通する。 排気ガスライン E2は、 第 2熱交換器 3を介し て、 排気ガスライン E3に連通する。 排気誘引ファン 6が、 排気ガスライン E3に介 装され、 第 1、 第 2熱交換器 2、 3及び排気ガスライン El、 E2、 E3を介して加熱 炉本体 1 1の燃焼排ガスを誘引する。 原料供給ライン L1を介して供給された炭化 水素及び水蒸気の混合ガスは、 第 1熱交換器 2にて加熱炉本体 1 1の燃焼排ガス と熱交換し、 燃料ガス供給ライン LFを介して供給される燃料流体は、 第 2熱交換 器 3にて排気ガスラィン E2の燃焼排ガスと熱交換する。
加熱炉本体 1 1の両側部に複数段に配列されたパーナ一組立体 1 2、 1 3は、 所定の時間間隔を隔てて間欠的又は周期的に燃焼作動するバーナー （図示せず） を備える。 各バ一ナ一組立体 1 2、 1 3のバ一ナ一は、 燃料ガス供給ライン LFを 介して燃料ガス供給源 （図示せず） に連結されるとともに、 燃焼空気供給ライン LAを介して、 燃焼空気送風機 4に接続される。 各バーナー組立体 1 2、 1 3には、 所定構造を有する蓄熱体 （図示せず） が配設される。 排気誘引ファン 5が、 大気 放出ライン E4に介装され、 加熱炉本体 1 1の排気ガスは、 排気誘引ファン 5の誘 引圧力により各バーナー組立体 1 2、 1 3の蓄熱体を介して大気放出ライン E4に 誘引される。
次に、 図 2及び図 3を参照して、 上記加熱炉 1の各部構成について詳細に説明 する。
図 2は、 図 1に示す加熱炉 1の全体構造を示す概略縦断面図であり、 図 3は、 図 1に示す加熱炉 1の全体構造を示す概略横断面図である。 また、 図 3 (A) は、 図 3に示す I一 I線における排気ガスダクトの縦断面図である。
図 2に示す如く、 加熱炉 1は、 上記触媒管 1 0が上下方向に貫通する加熱炉本 体 1 1と、 加熱炉本体 1 1の炉内領域 1 5を上下方向に貫通する複数の触媒管 1 0とを備える。 炉内領域 1 5に実質的に垂直に立設された各触媒管 1 0は、 高 合金製遠心踌造管等のリフォーマーチューブからなり、 触媒管 1 0内には、 炭化 水素 ·水蒸気混合ガスの改質反応を活性化するニッケル結晶触媒等の所定の触媒 が充填される。 各触媒管 1 0の上端部は、 加熱炉本体 1 1の頂壁 1 1 cを貫通し、 触媒管 1 0の熱伸縮を吸収可能なヘアピンチューブを介して原料供給配管 1 6に 連結され、 原料供給配管 1 6は、 原料供給ヘッダー （図示せず） に連結される。
5 各触媒管 1 0は、 加熱炉本体 1 1の炉内領域 1 5に複数列に整列配置される。 触 媒管列は、 原料供給管 1 6の管長方向又は軸線方向に整列し且つ実質的に垂直に 配置された複数の触媒管 1 0により構成される。 本実施例において、 各触媒管列 は、 図 3に示す如く、 炉内領域 1 5に直線的に整列配置された 1 0乃至 1 5本程 度の触媒管 1 0を含み、 触媒管列は、 加熱炉本体 1 1の幅員方向に所定の相互間
1 0 隔 Wを隔てて炉内領域 1 5に 5列に配列される。
図 2に示す如く、 各触媒管 1 0の下端部は、 加熱炉本体 1 1の底壁 1 I dを貫 通し、 ヘアピンチューブを介して改質反応ガス排出配管 1 7に連結され、 排出配 管 1 7は、 第 1給送ライン L3 (図 1 ) に接続されたコレクター （図示せず） に連 結される。 加熱炉本体 1 1は、 耐火断熱煉瓦又はキャス夕ブル耐火材料等の耐火 i s 断熱材料により入張り又は内張りされた第 1側壁 1 l a及び第 2側壁 1 l bを備 える。 一対の第 2側壁 1 l bは、 触媒管列の幅員方向に延び、 対向する左右の第 1側壁 1 1 aは、 触媒管列に平行に延在する。 第 1及び第 2側壁 1 1 a、 l i b は、 互いに直交する方向に配向され、 炉内領域 1 5の各隅部域において相互連接 する。
2 0 パーナ一組立体 1 2、 1 3は、 上下方向に複数段の配列をなして両側の第 2側 壁 1 1 bに配設される。 バーナー組立体 1 2、 1 3は夫々、 第 2側壁 1 1 bにお いて上下方向に交互に整列配置されるとともに、 第 2側壁 1 l bの幅員方向に所 定間隔を隔てて交互に整列配置される。 本実施例において、 パーナ一組立体 1 2、 1 3は、 上下 4段且つ左右 4列に配置された一群のバーナー組立体 1 2、 1 3と
2 5 して各第 2側壁 1 1 bに配設され、 バーナー組立体 1 2、 1 3の給排気口 1 4が、 各触媒管列の間に位置する炉内中間領域において各第 2側壁 1 1 bの壁面に開口 し、 所定間隔を隔てて整列配置される。
第 1熱交換器 2において 4 0 0 °C~ 7 0 0 °Cの温度に加熱された炭化水素及び 水蒸気の混合物は、 原料供給配管 1 6を介して触媒管 1 0内に導入される。 炭化 水素 ·水蒸気混合物は、 触媒管 1 0内を流下する間に、 触媒管 1 0の外界雰囲気 又は管外雰囲気を形成する高温の燃焼ガスの放射及び対流伝熱作用により加熱さ れ、 触媒の活性化作用の下に進行する炭化水素及び水蒸気の吸熱リフォーミング 反応により改質反応を受けるとともに、 触媒管 1 0の管壁を介して入熱した顕熱 により 6 0 0 °C~ 9 0 0 °Cの温度に昇温する。 触媒管 1 0内の吸熱改質反応によ り生成した高温の反応生成物は、 排出配管 1 7を介してコレクター （図示せず） に集められ、 次工程 （精製工程） に供給される。
炉内領域 1 5の熱負荷、 即ち、 バーナー組立体 1 2、 1 3による所要入熱量は、 水蒸気 ·炭化水素混合ガスの改質反応に要する所要の反応熱量及び該原料ガスを 所定温度に昇温せしめる所要顕熱量の総熱量に実質的に相応する。 図 3に示す如 く、 触媒管列の間隔 W及び炉内領域 1 5の奥行 Dは、 加熱炉 1に配設されるバー ナー 1 9 (図 4 ) の容量及び触媒管 1 0の設計表面温度に基づいて一般に設定さ れる。 しかしながら、 高温に予熱された燃焼用空気又は燃焼排ガスが直接に触媒 管 1 0に接触する結果として触媒管 1 0の一部分が局所的に過熱する不均一な加 熱態様を確実に回避するとともに、 高温の燃焼ガスの熱放射作用に要する所望の 燃焼ガス厚み又は燃焼ガス容積を確保すべく、 上記触媒管列の間隔 Wは、 好適に は、 奥行 D/間隔 Wの値が実質的に 2乃至 8の値を指示するように設定される。 更に好適には、 触媒管 1 0の単位面積当りの熱貫流値が必要且つ十分な値を指示 し、 触媒管 1 0の管壁が適当な熱伝導作用を発揮し得るように、 各触媒管 1 0の 相互間隔 Pは、 触媒管 1 0の外径 dに対する間隔 pの比率 （間隔 p/外径 d ) が 実質的に 1 . 5乃至 2 . 5の値を指示するように設定される。 なお、 触媒管 1 0 の全長は、 管内流体の圧力損失の許容範囲内において、 適当な温度勾配及び加熱 容量を発揮する適切な炉内全長に任意に設定し得る。
図 2及び図 3に示す如く、 排気ガスダクト 4 0が、 加熱炉本体 1 1の底壁 1 1 dに配置される。 排気ガスダクト 4 0は、 触媒管列の間の炉内中間領域に配置さ れ、 底壁 1 1 d上に隆起し、 触媒管列及び第 1側壁 1 1 aと平行に炉内領域 1 5 に延在する。 図 3 (A ) に示す如く、 各排気ガスダクト 4 0は、 底壁 1 1 dの上 面から上方に延びる左右の側壁 4 2と、 側壁 4 2の頂端縁を相互連結する頂壁 4 1とを備える。 所定の開口面積を有する複数の燃焼排ガス導出孔 4 3が、 所定 間隔を隔てて側壁 4 2に穿設される。 頂壁 4 1及び側壁 4 2によって画成された ダクト内帯域は、 燃焼排ガス導出孔 4 3を介して炉内雰囲気と相互連通するとと もに、 第 1側壁 1 1 a及び触媒管列と平行に底壁 1 1 c上に延びる燃焼排ガス導 出路を構成する。 排気ガスダクト 4 0は、 連通管 4 4 (図 2 ) を介して排気ガス ライン E1に連結され、 加熱炉 1の炉内領域 1 5において生成した所定流量割合の 燃焼排ガスは、 排気ガスダクト 4 0、 連通管 4 4及び排気ガスライン E1を介して、 上記第 1熱交換器 2 (図 1 ) に送出される。 本例において、 連通管 4 4は、 図 3 に破線で示す如く、 排気ガスダクト 4 0の一端部に連結され、 排気ガスダクト
4 0のダクト内領域に開口する。
図 4は、 各バーナー組立体 1 2、 1 3の作動形態を示すプロックフロー図であ る o
図 4に示す如く、 バ一ナ一組立体 1 2、 1 3は夫々、 燃料ガス供給ライン お よび燃焼空気供給ライン LAに接続されたバーナー 1 8と、 燃焼用空気を予熱する 切換蓄熱型熱交換器 1 9とを備える。 バーナー 1 8は、 給排気口 1 4と熱交換器 1 9との間に位置する燃焼用空気流路に燃料流体を吹込む第 1バーナー及び/又 はパイロットバーナーと、 給排気口 1 4に隣接した炉壁面に配置され且つ炉内燃 焼域に向かって燃料流体を吹込む第 2バーナー又は主バ一ナ一とから略構成され o
切換蓄熱型熱交換器 1 9は、 加熱炉本体 1 1の燃焼排ガスとの熱交換 （蓄熱モ ード） により廃熱回収し且つライン LAの燃焼用空気との熱交換 （放熱モード） に より燃焼用空気を予熱する。 一群のバーナー組立体 1 2および一群のバーナー組 立体 1 3は、 廃熱回収運転及び燃焼運転を所定の時間間隔、 例えば、 2 0乃至 1 2 0秒間隔、 好ましくは、 6 0秒以下に設定された所定の時間間隔にて交互に反 復する高周期又は高速切換式蓄熱燃焼システムを構成し、 各々の切換蓄熱型熱交 換器 1 9は、 蓄熱モード及び放熱モードを交互に反復実施する。
図 4に示すように、 バーナー 1 8及び切換蓄熱型熱交換器 1 9を直列に介装し た第 1流路 HIおよび第 2流路 H2は、 所定時間毎に切換制御される 4方弁 Vを介し て燃焼空気供給ライン LA又は大気放出ライン E4と選択的に連通する。 4方弁 Vは、 図 4 (A) に示す第 1位置において、 バーナー組立体 1 2の第 1流路 HIを燃焼空 気供給ライン LAに連通させ、 バーナー組立体 1 3の第 2流路 H2を大気放出ライン E4に連通させる。 他方、 4方弁 Vは、 図 4 ( B ) に示す第 2位置において、 第 1 流路 HIを大気放出ライン E4に連通させ、 第 2流路 H2を燃焼空気供給ライン LAに連 通させる。 各バ一ナ一 1 8は、 燃料供給弁 （図示せず） を介して燃料ガス供給ラ イン LFに接続されており、 各燃料供給弁は、 制御装置 （図示せず） の制御下に 4 方弁 Vの切換時期に同期切換作動し、 第 1及び第 2バーナー組立体 1 2、 1 3の 一方に交互に燃料ガスを供給する。 従って、 第 1バーナー組立体 1 2のバーナー 1 8 aは、 4方弁 Vの第 1位置 （図 4 (A) ) において燃焼作動し、 4方弁 Vの 第 2位置 （図 4 ( B ) ) において燃焼作動を停止し、 他方、 第 2バーナー組立体 1 3のバーナー 1 8 bは、 4方弁 Vの第 2位置 （図 4 ( B ) ) において燃焼作動 し、 4方弁 Vの第 1位置 （図 4 (A) ) において燃焼作動を停止する。
第 1バーナー組立体 1 2が燃焼作動する間、 加熱炉本体 1 1から導出された燃 焼排ガスは、 第 2バーナー組立体 1 3の切換蓄熱型熱交換器 1 9 b及び大気放出 ライン E4を介して排気され、 燃焼排ガスの排熱は、 第 2パーナ一組立体 1 3の蓄 熱型熱交換器 1 9 bに蓄熱される （図 4 (A) ) 。 かくして、 第 1バーナー組立 体 1 2が燃焼作動時には、 蓄熱型熱交換器 1 9 bは、 燃焼排ガスと伝熱接触する 蓄熱モードに保持される。
第 2バーナー組立体 1 3の蓄熱型熱交換器 1 9 bは、 引き続く第 2バーナー組 立体 1 3の燃焼作動の間に、 燃焼空気供給ライン LA及び第 2流路 H2を介して導入 される燃焼用空気を予熱する （図 4 ( B ) ) 。 第 2バーナー組立体 1 3が燃焼作 動する間、 加熱炉本体 1 1から導出された燃焼排ガスの排熱は、 第 1バーナー組 立体 1 2の切換蓄熱型熱交換器 1 9 aに蓄熱される （図 4 ( B ) ) 。 従って、 第 2バーナー組立体 1 3の燃焼作動時に、 蓄熱型熱交換器 1 9 aは、 上記蓄熱モー ドに保持され、 他方、 蓄熱型熱交換器 1 9 bは、 燃焼用空気と伝熱接触する放熱 モードに保持される。 蓄熱型熱交換器 1 9 aは、 弓 Iき続く第 1バーナー組立体 1 2の燃焼作動の間に、 燃焼空気供給ライン LA及び第 1流路 HIを介して導入される燃焼用空気を予熱する (図 4 (A) ) 。 即ち、 蓄熱型熱交換器 1 9 aは、 第 1バーナー組立体 1 2の燃 焼作動時に、 上記放熱モードに保持される。
5 上記蓄熱型熱交換器 1 9として、 多数の流路を備えたハニカム構造のセラミツ ク製又は金属製蓄熱体を好ましく使用し得る。 かかる蓄熱体として、 一般に触媒 担体として使用され且つ多数の狭小流路を備えるセラミック製蓄熱体を好適に使 用し得る。 更に好適には、 ハニカム型蓄熱体は、 所望の容積効率を有し、 ハニカ ム構造の蓄熱体を構成する各ハニカム壁の壁厚は、 1 . 6誦以下に設定され、 ハ 1 0 二カム壁の相互間隔 （ハニカムピッチ） は、 5腿以下に設定される。 この種のハ 二カム型蓄熱体の構造については、 特開平 6— 2 1 3 5 8 5号公報 （特願平 5— 6 9 1 1号） に詳細に開示されているので、 該公開公報を引用することにより、 更なる詳細な説明を省略する。
このように、 上記第 1及び第 2バーナー組立体 1 2、 1 3の各蓄熱型熱交換器 i s 1 9には、 高温流体 （燃焼排ガス） と低温流体 （燃焼用空気） とが交互に供給さ れ、 伝熱接触により高温流体から奪った熱量を低温流体との伝熱接触により低温 流体に与え、 これにより、 高温流体と低温流体との熱交換を実行する。 かくして、 蓄熱体 1 9を介してなされる高温流体 （燃焼排ガス） 及び低温流体 （燃焼用空気） の直接的な熱交換作用を使用し、 しかも、 流体通過経路 （流路） の切換時間を短
2 0 時間、 好ましくは、 6 0秒以下の所定時間に設定することにより、 従来の熱交換 器にて限界とされていた 6 0乃至 7 0 %程度の温度効率を 7 0乃至 1 0 0 %に向 上させることができる。
上記第 1及び第 2バーナー組立体 1 2、 1 3の各バーナー 1 8は、 加熱炉 1の 側壁部 1 1 bに形成された多数の吹込み孔 （給排気口 1 4 ) に配設され、 制御装 2 5 置 （図示せず） の高速切換制御下に 4方弁 V (図 5 ) とともに同期切換制御され る。 各バーナー 1 8は、 燃焼空気送風機 FAにより圧送された燃焼用空気および燃 料ガス供給ライン LFを介して供給された天然ガス等の燃料流体により、 交互に燃 焼する。 燃焼空気供給ライン LAの燃焼用空気は、 バーナー組立体 1 2又は 1 3の蓄熱型 熱交換器 1 9の伝熱作用により昇温し、 例えば、 8 0 0乃至 1 5 0 0 °Cに予熱さ れ、 しかる後、 燃料ガス供給ライン LFにより供給されるバーナー 1 8の燃料ガス にて燃焼反応し、 触媒管 1 0を加熱する。 加熱炉本体 1 1にて発生した燃焼排ガ スの大部分は、 パーナ一組立体 1 2又は 1 3の蓄熱型熱交換器 1 9と熱交換し、 例えば 5 0乃至 2 0 0 °Cに冷却し、 大気放出ライン E4及び集合煙突等を介して大 気に放出される。
所定割合の燃焼排ガス部分、 好適には重量比 1 0〜 3 0 %の燃焼排ガス流体部 分は、 排気ガスダクト 4 0の燃焼排ガス導出孔 4 3に誘引ないし導入され、 排気 ガスダクト 4 0のダクト内領域、 連通管 4 4及び排気ガスライン E1を介して、 第 1熱交換器 2及び第 2熱交換器 3に供給される。 燃焼排ガスは、 第 1熱交換器 2 及び第 2熱交換器 3において、 炭化水素 ·水蒸気混合ガス及び燃焼用燃料流体と 熱交換し、 かかる廃熱回収工程により 1 0 0 °C〜2 5 0 °Cに冷却し、 しかる後、 集合煙突等を介して大気に放散される。
以上、 本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、 本発明は、 上記実施 に限定されるものではなく、 特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内におい て、 種々の変更又は変形が可能であり、 かかる変更又は変形例も又、 本発明に含 まれるものであることはいうまでもない。
例えば、 上記第 1及び第 2パーナ一組立体 1 2、 1 3の配列は、 任意に設定し 得るものであり、 適切な燃焼ガスの放射伝熱作用及び対流伝熱作用を発揮する燃 焼ガス気流を上記触媒管列又は被加熱管列の間の炉内中間領域に形成し得る任意 のバーナー配列を採用することができる。 例えば、 図 5 ( A) に示す如く、 炉壁 の幅員方向に隔設された複数のパーナ一組立体を単一の管列中間領域に配置し、 左右一対の第 1及び第 2バーナー組立体 1 2、 1 3を炉壁の上下方向に整列配置 したバーナー配列を採用しても良い。 更には、 上下一対の第 1及び第 2バーナー 組立体 1 2、 1 3を炉壁の幅員方向に整列配置したバーナー配列 （図 5 ( B ) ) 、 或いは、 触媒管又は被加熱管 1 0の両側に管 1 0を挟む態様にて左右一対の第 1 及び第 2バーナー組立体 1 2、 1 3を配置してなるバーナー配列 （図 5 ( C ) ) 等の各種ノ、'一ナー配列を本発明に従って適宜採用することが可能である。
また、 上記製造装置系において、 上記加熱炉 1のバーナー組立体 1 2、 1 3と して、 他の構造形式の高周期又は高速切換式蓄熱燃焼システム、 例えば、 複数の セラミックボール等のボール型蓄熱体又は球形蓄熱体を備えた切換蓄熱式燃焼空 気高温予熱機構を備えたバーナー組立体を採用することが可能である。
更に、 排気ガスダクト 4 0に対する連通管 4 4の接続位置は、 排気ガスダクト 4 0の一端部分に限定されるものではなく、 排気ガスダクト 4 0の中央部分又は 両端部分に設定しても良い。
また、 被加熱管は、 炉内領域を垂直に貫通するように配置された上記実施例の 触媒管又は被加熱管の形態に限定されるものではなく、 本発明の加熱炉において は、 図 6に示す如く、 各種形態の被加熱管の構成を採用することができる。 例え ば、 図 6 (A) に示す被加熱管 1 0は、 炉内中央領域に配置された垂直且つ中空 の上昇管 1 0 bと、 上昇管 1 0 bの下端部が連結される下位連結管 1 0 cと、 下 位連結管 1 0 cを介して相互連結された触媒充填管 1 0 aとから構成され、 被加 熱流体は、 触媒充填管 1 0 a内を流下し、 加熱され、 上昇管 1 O b内を上昇し、 流出する。 また、 図 6 ( B ) 及び図 6 ( D ) に示す被加熱管 1 0は、 全体的に下 方に延びる U字形態の連続管からなり、 各連続管内の被加熱流体は、 被加熱管 1 0の一方の上端部から流入し、 管内を流下し、 被加熱管 1 0の他方の上端部か ら流出する。 更に、 図 6 ( C ) 及び図 6 ( E ) に示す被加熱管 1 0は、 全体的に 水平方向に延びる U字形態の連続管からなり、 管内の被加熱流体は、 被加熱管
1 0の上端部又は下端部から流入し、 管内を流通し且つ受熱し、 被加熱管 1 0の 他方の端部から流出する。
更に、 上記バーナー組立体の具体的な装置構成は、 蓄熱燃焼システムの使用目 的及び使用条件に相応して適当に設計変更し得るものである。 例えば、 上記バー ナ一組立体 1 2、 1 3は、 図 7 ( A) に示す如く、 全体的に円柱形態の外形に成 形された回転式蓄熱体 2 0を備えた形式の蓄熱燃焼システム、 或いは、 図 7 ( B ) に示す如く、 円盤型の流路切換手段 3 2を備えた形式の蓄熱燃焼システムとして 構成し得る。 なお、 図 7 (A) において、 蓄熱燃焼システムを構成する回転式蓄 熱体 2 0は、 隔壁 2 1によって隔絶された第 1流路 （燃焼空気流路） HI及び第 2 流路 （燃焼排ガス流路） H2に介装される。 回転式蓄熱体 2 0は、 第 1流路 HIを流 動する燃焼用空気と、 第 2流路 H2を流動する燃焼排ガスとに交互に接触し、 蓄熱 モード及び放熱モ一ドを交互に反復する第 1蓄熱体部分 2 2及び第 2蓄熱体部分 2 3を備える。 また、 図 7 ( B ) において、 固定式蓄熱体 3 0は、 隔壁 3 1によ つて隔絶された第 1流路 HI及び第 2流路 H2と、 回転円盤型の流路切換装置 3 2と を備える。 流路切換装置 3 2は、 燃焼空気供給路 3 3と常時連通する空気供給口 3 4と、 燃焼排ガス流路 3 5と常時連通する排ガス排出口 3 6とを備え、 蓄熱体 3 0の第 1蓄熱体部分 3 7及び第 2蓄熱体部分 3 8は、 流路切換装置 3 2の回転 により、 蓄熱モード及び放熱モードを交互に反復する。 産業上の利用可能性
以上説明した如く、 本発明の上記構成によれば、 燃焼用空気高温予熱機能を有 する高周期又は高速切換式蓄熱燃焼システムの特質又は特性を有効に利用すると ともに、 高度な総合熱効率を発揮し得る経済的且つコンパクトな構成の加熱炉を 実現することが可能となる。

Claims

請 求 の 範 囲
1. 中空の被加熱管又は触媒を管内に充填した複数の被加熱管を加熱炉の炉内領 域に配設し、 該被加熱管の管外雰囲気を燃焼装置により加熱し、 管内流体の加 熱及び/又は化学反応を生起し且つ維持する構造を有する加熱炉において、 前記加熱炉の炉壁を構成する一対の第 1側壁面に平行に配置された少なくと も 3列の前記被加熱管の加熱管列と、 前記第 1側壁と交差する方向に延在する 一対の第 2側壁面に配置され且つ前記加熱管列の間の炉内中間領域に燃焼用給 気流を導入する複数の燃焼装置と備え、
該燃焼装置は夫々、 前記燃焼排ガスが保有する顕熱を蓄熱する蓄熱体と、 燃 焼用燃料流体を前記燃焼用給気流に供給可能なバーナーとを備え、 前記蓄熱体 は、 燃焼用空気又は燃焼用ガスからなる燃焼用給気流との伝熱接触により該給 気流を高温に予熱する放熱モードと、 炉内燃焼排ガスとの熱交換により受熱す る蓄熱モードとを反復し、 前記燃焼装置は、 放熱モードの前記蓄熱体により高 温に予熱された燃焼用給気流により燃焼作動するとともに、 蓄熱モードの前記 蓄熱体と前記炉内燃焼排ガスとの熱交換作用により該蓄熱体を加熱し、 前記蓄熱体の放熱モ一ド及び蓄熱モードは、 所定の時間間隔にて交互に切換 制御され、 前記バーナーは、 前記燃焼用給気流又は前記炉内中間領域に前記燃 料流体を吹込み、 該燃料流体の燃焼反応熱により被加熱管を加熱し、
前記加熱炉は更に、 前記炉内領域に生成した燃焼排ガスの所定割合の流体部 分を加熱炉外に導出する燃焼排ガス導出手段を備えるとともに、 該導出手段に より加熱炉から導出された燃焼排ガスと前記被加熱流体及び/又は任意の流体 との熱交換を実行する熱交換装置を備えることを特徴とする加熱炉。
2. 前記燃焼装置は、 第 1及び第 2燃焼装置を備え、 該第 1燃焼装置の蓄熱体に より高温に予熱された燃焼用給気流により第 1燃焼装置が燃焼作動する間、 前 記炉内燃焼排ガスは、 前記第 2燃焼装置の蓄熱体を含む第 2流路を通過し、 該 蓄熱体を加熱し、 他方、 第 2燃焼装置の蓄熱体により高温に予熱された燃焼用 給気流により第 2燃焼装置が燃焼作動する間、 前記炉内燃焼排ガスは、 第 1燃 焼装置の蓄熱体を含む第 1流路を通過し、 該蓄熱体を加熱し、
前記炉内燃焼排ガスの流路及び前記燃焼用給気流の流路は、 所定の時間間隔 にて第 1流路又は第 2流路のいずれか一方に選択的に切換制御されることを特 5 徴とする請求項 1に記載の加熱炉。
3. 加熱炉の炉床部分に流体導出手段を構成する燃焼排ガスの導出帯域が、 炉床 から隆起する耐火材料の燃焼排ガス導出ダクトにより形成され、 該導出帯域は、 前記加熱管列と平行に加熱炉の底壁面に配設され、 前記導出帯域は、 炉内領域 の燃焼排ガスを通気可能な排気開口部を有し、 該排気開口部を介して炉内領域 と相互連通し、 炉内燃焼排ガスの所定割合の流体部分が、 前記導出帯域を介し て加熱炉外界に導出され、 前記熱交換装置に送出されることを特徴とする請求 項 1又は 2に言 3載の加熱炉。
4. 前記燃焼排ガスの所定割合は、 重量比 1 0乃至 3 0 %に設定されることを特 徴とする請求項 1乃至 3のいずれか 1項に記載の加熱炉。
ι 5 5. 前記炉内領域の奥行 （D ) に対する前記加熱管列の間隔 （W) の比率により 定義される奥行 （D ) /間隔 （W) の値が、 実質的に 2乃至 8の範囲内の値を 指示するように設定されることを特徴とする請求項 1乃至 4のいずれか 1項に 記載の加熱炉。
6. 前記被加熱管の外径 （d ) に対する前記被加熱管の相互間隔 （P ) の比率と して定義される間隔 （p ) /外径 （d ) の値が、 実質的に 1 . 5乃至 2 . 5の 範囲内の値を指示するように設定されることを特徴とする請求項 1乃至 5のい ずれか 1項に記載の加熱炉。
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