(57)【要約】      （修正有）【課題】不要な化学物質の完全燃焼を増強し、フレアスタックの運転中の煤煙の生成を低減する。【解決手段】高圧エアーは、フレア端からの所定の距離に置かれたフレアスタック内部のリングにマウントされたノズルから高速度で移動するジェットの形で放出され、ジェットの下流のスタック壁の部分は大気を入れるためにエアー通路により穿孔される。高速度のエアーの移動は、火炎領域へ上昇するスタックに流入する大気からの多くのエアーを誘導し、それにより火炎を上げて火炎領域でのエアー及びガスの乱流による混合を増強する。完全燃焼を保証する適切な化学量論的酸素量は、燃料ガス及び/又は不要な化学物質の流量変化の測定により判定され、フレアリング端に所定量の加圧されたエアー及び/又は大気を入れるために流量制御弁の調節を行う。【選択図】図１
2010236856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレアスタックの運転中の煤煙の生成を低減するために、不要な化学物質の完全燃焼を向上するための装置であって、
前記フレアスタックは、前記不要な化学物質と燃料ガスによって形成された燃焼性の混合物を含むフレアフィードストリームの放出のための排気口と、前記フレアスタック排気口付近に位置する点火器と、前記フレアスタック排気口付近の前記フレアスタックの外面の周囲に位置するシールドと、有し、
前記装置は、
a.前記フレアスタック排気口の外縁より下のまわりの所定の位置で離れて間を置いて配置され、各々は、前記フィードストリームの移動の方向で、前記フレアスタック排気口に向けられている複数の高圧エアージェットノズルと、
b.前記複数のノズルと接続する高圧エアーの発生源と、
c.所定の時間における前記フィードストリームを構成する前記不要な化学物質及び前記燃料ガスの完全燃焼のための化学量論的な酸素必要量を決定するための分析手段と、
d.前記ノズルへの前記高圧エアーの流量を制御するための流量制御弁と、
e.前記分析手段による最小限の前記酸素必要量の決定に応じて、前記高圧エアーの流量を調節するために前記流量調節弁を操作可能に接続した流量制御手段と、を有し、
それによって、前記ノズルからのエアーの放出は、複数の高速度エアージェットを形成し、前記フレアフィードストリームの燃焼を向上するために前記フレアスタック排気口に向かって移動する前記エアーの塊に付加的な空気を引き込む移動するエアーの塊を生成するとともに、前記フレアスタック排気口でのエアーの酸素含有量は、前記フィードストリームの完全燃焼のための必要量を満たすか超過することを特徴とする装置。  
【請求項２】
前記流量制御手段は、前記分析手段から受信されたデータに応じて前記流量調節弁に対して信号を送信するプログラムされた汎用コンピューターを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記分析手段は、
前記フィードストリーム中の燃焼性の成分を量的かつ質的に測定するための自動分析装置と、
前記不要な化学物質の完全燃焼のための相当する酸素必要量を計算するための手段と、
前記流量制御手段に対して信号を送信するための信号生成伝送手段と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
不要な化学物質の完全燃焼を増強し、フレアスタックの運転中の煤煙の生成を低減する方法であって、
前記方法は、
a.前記不要な化学物質と燃料ガスとの燃焼性の混合物から形成されたフレアフィードストリームを供給するステップと、
b.所定の間隔における前記フレアフィードストリームの成分の完全燃焼を保証するために最小限の化学量論的な酸素必要量を決定するステップと、
c.前記酸素必要量を対応するデジタル信号に変換するステップと、
d.燃焼性の混合物を生成するために前記フレアフィードストリームと混合する加圧されたエアーの発生源を設けるステップと、
e.流量制御弁に接続した制御器に対して送信された対応する酸素必要量のデジタル信号に応じて流量制御弁により前記加圧されたエアーの体積流量を制御するステップと、を含み、
それによって、前記フレアフィードストリームと混合したエアーの全体積は、前記フィードストリーム成分の完全燃焼を保証するのに十分であることを特徴とする方法。
【請求項５】
前記化学量論的な酸素必要量は、前記燃料ガスあるいは前記不要な化学物質あるいは両方の組成の既知の変化に応じて決定されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
周期的に前記フレアフィードストリームをサンプリングし、前記フィードストリームの完全燃焼のための前記化学量論的な酸素必要量を決定するためにサンプルを分析するステップを含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項７】
フレアスタックの運転中の煤煙の生成を低減するために、不要な化学物質の完全燃焼を向上するための装置であって、
前記フレアスタックは、前記不要な化学物質と燃料ガスによって形成された燃焼性の混合物を含むフレアフィードストリームの放出の排気口と、前記フレアスタック排気口付近に位置する点火器と、前記フレアスタック排気口付近の前記フレアスタックの外面の周りに位置するシールドと、を有し、
前記装置は、
a.主要な表面は少なくとも2つの交差する曲線から成るラインの垂直軸に関する回転によって定義され、下部の表面は比較的より小さな半径を有し、前記フレアスタックの垂直軸と本体部の垂直軸とは一列に整列し、本体部の下流部のアーチ形の表面は、前記フレアスタック排気口の開いた上端部上に障害物なしで位置している三次元のコアンダ効果本体部と、
b.各々は前記フィードストリームの移動の方向で、前記フレアスタック排気口に向けられており、前記フレアスタック排気口の外縁より下の所定の位置で間を置いて配置された複数の高圧エアージェットノズルと、
c.前記複数のノズルと接続した高圧エアーの発生源と、を含み、
それによって、前記ノズルから放出されたエアーの少なくとも一部分が、前記コアンダ効果本体部の下流部の表面と接触し、そして、上部のアーチ形の表面上を流れ上がり、それによって、前記フレアスタック排気口の上の前記フィードストリームと混合するための移動するエアーの塊を生成し、それによって、前記フレアフィードストリームの燃焼を向上することを特徴とする装置。
【請求項８】
前記コアンダ効果本体部の主要な表面は2本の交差するカーブによって定義され、カーブ間の交差のラインは、前記シールドの上端部より下に、あるいは、上端部に位置することを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記各高圧ノズルが取り付けられており、前記高圧エアー発生源と接続する高圧エアーマニホールドをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記マニホールドは、前記シールドと前記フレアスタックの間の環状空間の中で前記フレアスタックを包囲することを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記マニホールドは、前記シールドの最下端部より下の位置でフレアスタックの内部を包囲することを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記複数ノズルの各々は、前記フレアスタック排気口より下に位置することを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１３】
前記高圧エアー発生源は、1標準平方インチ当たり約30〜35ポンドであることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１４】
外部の前記シールドは、前記シールドの長さを通じて前記フレアスタックと同心であることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１５】
前記シールドの下流部は、周囲の空気を導くために複数の空気吸気通路を備えることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記内部のマニホールドの上の前記フレアスタックの部分は、複数の空気吸気通路を備えることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１７】
前記コアンダ効果本体部を支持するために、前記シールドの周囲に間を置いて配置された放射状に伸長する複数の支持アームをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１８】
前記コアンダ効果本体部の大部分は前記シールドの上の位置まで及ぶことを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１９】
前記複数のエアージェットの各々は、前記フレアスタックの排気口より下の位置から移動することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記排気口付近の前記フレアスタックの外縁部から離れて間を置いて配置され、まわりに伸長し、それによってエアージェットと共に空気を上方へ導く、外部の同心のシールドを設けるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
貫通して広がり下流付近に位置した複数の開口を備える同心のシールドを設けるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記同心のシールドは、前記フレアスタック排気口の上の位置まで伸長することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
不要な化学物質の完全燃焼を向上し、フレアスタックの運転中の煤煙の生成を低減する方法であって、
前記方法は、
a.少なくとも1つは曲線から成り、水平の底部表面と交差する交差ラインの垂直軸に関する回転によって定義され、本体部の垂直軸は、前記フレアスタックの垂直軸と一列に整列し、本体部の下部のアーチ形の表面は、前記フレアスタック排気口の開いた上端部の上に障害物なしで位置している、三次元のコアンダ効果本体部を固定して位置を決めるステップと
b.前記不要な化学物質と燃料ガスとの燃焼性の混合物から形成されたフレアフィードストリームを供給するステップと、
c.前記フレアスタックの排気口から前記フレアフィードストリームを放出するステップと、
d.前記コアンダ効果本体部の上の燃焼領域に火炎を形成するためにフレアフィードストリームに点火するステップと、
e.前記フレアスタック排気口の外縁より下のまわりの所定の位置で間を置いて配置され、各々は燃焼領域の方に上方へ移動するエアージェットの形で複数の高速度エアーを提供するステップと、を含み、
それによって、前記ノズルから放出されたエアーの少なくとも一部が、前記コアンダ効果本体部の下部表面と接触し、上部のアーチ形の表面の上を流れ上り、それによって、前記フレアスタック排気口の上の前記フィードストリームと混合する移動する空気の塊を生成し、それによって、前記フレアフィードストリームの燃焼を向上させることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気に放出される不要な副産物の流れを燃やすために使用される、増強された大気の流れを有するフレアリングあるいはフレアスタックの構造および運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、PCT/US02/12443（国際公開番号WO 02/086386）に示された装置と方法に改善を提供するものであり、その開示全体は参照によってこれによって組込まれる。
【０００３】
不要な処理副産物の流れのフレアリング（焼却処理）や支援された開放燃焼は、環境中へ放出するために、有毒ガスおよび蒸気をより有害でない燃焼生成物へ酸化させて転換するために一般に使用されている。
【０００４】
不要な生成物と燃料の混合物は、フレアや火炎を形成するための燃焼領域で混合物が点火されるフレア先端部やフレアスタック排気口へ上昇するフィードストリームを形成するためにフレアスタックの基部に導かれる。
【０００５】
混合物の効率的かつ完全な燃焼は、必ずしも達成されるとは限らない。処理が適切に管理されない場合には、煤煙もこの処理によって生成される。煤煙は、燃焼プロセスが不完全であることや、有毒または不要な処理物質が、より有害でない形式に転換されていないことの指標になりえる。煤煙はさらに大気汚染の可視の成分である。そして、その排除や軽減は、一貫した運用上の目標である。
【０００６】
煤煙の生成を低減するために、フレアリングスタックと協動する補助加圧エアー設備および蒸気システムが先行技術として知られている。
【０００７】
低圧エアー補助システムは、無煙の運転に必要なエアーと燃料との混合を提供するために強制的なエアーを使用する。フレアスタックの底部に一般に設置されるファンは、燃焼に必要な空気を供給する。蒸気に補助されたフレアシステムは、無煙のフレームを生成するために、エアー、蒸気および燃料ガスが、ともに混合される火炎先端の燃焼領域に蒸気を注入するために蒸気リングとノズルを使用する。
【０００８】
フレアリングスタックの本体から放出されたガスに引き付けられて上昇する塊の中に空気を導くために、先行技術のいくつかのシステムにおいては、同心の障壁やシールドがフレア先端部や排気口を包囲する。
【０００９】
フレアリングのための蒸気および低圧エアー補助は、両システムは不要な副産物の処理のための代替手段と比較して一般に有効で比較的経済的な技術と考えられるため、一般的に使用されている。
【００１０】
しかしながら、これらの先行技術のシステムには両方とも様々な欠点および不備がある。低圧エアー補助は、少なくとも1つのファンのために、フレアスタックに専用の設備投資を必要とする。蒸気補助システムは、比較的高い設備要求およびメンテナンス/交換スケジュールを有する精巧な制御装置を一般的に必要とする。連続運転を行う場合には、正確な保全計画を必要とし、故障の場合や大修理の場合には、バックアップ・システムさえも必要とする。
【００１１】
WO 02/086386に示された先行技術のシステムの改善には、同心のシールドとフレアスタック排気口の外側の間に位置するマニホールドに位置する複数の高圧エアージェットノズルがある。シールドの隣接面は、シールドとフレアスタックの間の空間の中への空気の流量を増大するために穴が空けられている。
【００１２】
実際上、この構造は、煤煙を除去し十分に低減するために有効であることがわかった。しかしながら、フレアスタックの一番上の構造物は、非常に高温の燃焼ガスに露出されるため、設備としての耐用年数が短くなる。
【００１３】
WO02/086386に示されるような先行技術の装置および方法での使用実績に基づいて、フィードストリームガス成分の向上した燃焼が、煤煙の抑制と共に達成されたことが分かった。
【００１４】
しかしながら、乱流ガス中の熱集中の増加は、高圧及び低圧エアージェットおよび関連する配管と同様に、フィードストリームのガスの流れと誘導された空気の流れとを制御し導くために使用される金属性の構成部材の寿命を短くすることわかった。
【００１５】
このように、フレアリング先端部に取り付けられた金属性の構成部材の有用な作動期間を延長する改善されたフレアリングのための装置および方法を提供する必要性が存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
したがって、本発明は、先端部の構成部材の付近の高温の乱流ガスの集中を回避するフレアスタックの運転の改善された装置および方法を提供することを目的とする。
【００１７】
本発明の他の目的は、フィードストリームの適切な混合を確実にするための加圧エアーの量と、所定の実際の化学量論的な必要量に基づいた、不要な化学物質および燃料の完全燃焼とを制御するための手段を提供することである。
【００１８】
さらに、本発明の他の目的は、最高温度で燃えているガスに対する暴露を低減するために、燃焼領域をシールドおよび他の関連する先端部の構成部材の上に上げるようにフレアリングスタックを運転することである。
【００１９】
本発明の他の主要な目的は、煤煙が生成されず燃料及び不要な化学物質の効率的かつ完全な燃焼を促進するのに非常に有効であり、最小限のメンテナンスしか要求せず、産業プラントの運転中で予想される日々の運転条件の変化に対して適応可能なフレアガスの完全燃焼を向上する装置および方法を提供することである。
【００２０】
本発明の他の目的は、既存のフレアスタック本体およびフィードストリーム成分の運搬システムを著しく修正せずに、既存のフレアリングスタックへの使用に容易に適合する方法と装置を提供することである。
【００２１】
なお、フレアリングスタックおよびフレアスタックという用語は、この説明の中で交換可能に使用される。ここに使用されるように、空気とは、フレアスタックを取り巻く周囲の空気を意味し、ノズルから放出され、および/または、高圧または低圧ダクトによって運ばれる、加圧エアーとは区別される。
【００２２】
ノズルに送られる加圧エアーの発生源は、ノズルの運転に邪魔をしないようにするために残骸を含まないべきである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記の目的およびさらなる長所は、下記に述べられる新しい要素および機能を包含する本発明の装置および方法によって提供される。
【００２４】
1. エアー流量制御
本発明の1つの態様において、燃料とエアーとの比率を制御するための手段は、燃料および不要な化学物質を含むフィードストリームに少なくとも化学論量的に必要な量の酸素を供給することにより、フレアリングスタック先端部でこれらの成分の完全燃焼を保証するために備えられる。
【００２５】
流量計あるいは他の測定手段は、フレアリングシステムに供給されるエアーの量が、フィードストリーム成分の完全燃焼を保証するのに必要な最小限の化学量論的な量を越えるものであることを確認するために備えられる。
【００２６】
好ましい実施形態において、流量計は、現在のエアー流量に相当する信号（最も好ましくはデジタル信号)を生成する。流量計の信号は、演算装置へ入力される。それはプログラムされた汎用コンピューターである。
【００２７】
十分な量の酸素が、フレアリング領域に送られていることを処理信号が示す場合には、他の信号が、流量制御手段に出力される。流量制御手段は、電気信号(例えば、演算装置からの信号)に応答し、電子的に指示する制御器を有する流量制御弁を含む。そのような弁制御器および組み合わさる弁は当業者においてよく知られている。
【００２８】
さらに好ましくは、本発明の実施形態は、フィードストリーム成分の完全燃焼のための化学量論的な酸素必要量を決定する分析手段を含んでいる。フレアスタックのフィードストリームの燃料と不要な化学物質の完全燃焼をもたらすために十分な酸素を供給するためのエアーの最低量を決定するために、自動分析手段は、不要な物質を燃焼させることを可能とするフィードストリーム成分の完全燃焼のための化学量論的な酸素必要量を決定するために備えられる。
【００２９】
所定の設備については、フレアスタックに供給される可能性のある不要な物質は、よく知られており、それらの分析的な特性を判定することは可能である。
【００３０】
分析結果は、プログラムに入力される。そして、次に、そのプログラムは一般の条件の下で要求される最小限のエアー流量を少なくとも提供するために、弁制御器に所定の信号を提供する。
【００３１】
自動分析手段は、対応する信号を提供するために適切にプログラムされた汎用コンピューターが好ましくは用いられる。適切な分析装置は、当業者によく知られており、市販で入手可能である。
【００３２】
特に好ましい実施形態において、フレアリングスタックフィードストリームの規定のサンプルのための化学量論的な酸素必要量に対応する信号が格納され、一般の圧力および温度条件の下での加圧エアーの必要量を導くために較正された流量弁制御器に送信される。
【００３３】
本発明のさらに好ましい実施形態において、装置は、フレアリングスタックの中への高圧エアー流量を直接制御し、かつ、フレアスタック上端部の燃焼領域に導入される空気量をも間接的に制御するために使用される流量制御弁を含む。最も好ましくは、制御弁は、プログラムされた汎用コンピューターから受信したデジタル信号に応答して自動操作される。
【００３４】
設備が、燃やされる不要な化学物質の量に関して十分に定常的な状態で運転する場合には、燃料と不要な化学物質の分析の必要性は、例えば月１回の頻度になりえ、分析機器および流量調節弁操作手段の一貫した運転を確認するのみでよい。
【００３５】
フレアスタックフィードストリームの混合物が、変化および／または著しい変化を受けない現場作業においては、サンプリングと較正チェックはより低い頻度で予定すればよい。フィードストリームの混合物が、設備の全体の運転に関連した予測することが困難な変数に依存する、あるより大きな頻度で変化することが知られているか予想される場合には、フィードストリームの自動サンプリングは、所定の間隔で予定することが可能である。
【００３６】
サンプルの分析結果は、関連するシステムのメモリデバイスに格納されて供給されるエアーの現在の量と比較され、何らかの調整が決定され、適切な量の酸素がフィードストリームと混合するように、そのための信号は、流量制御弁のための電子制御器へ送信される。
【００３７】
設備の運転条件により、不要な化学物質の量および/または種類の変動が生じる場合には、その後、より頻繁な分析試験が、完全燃焼および煤煙の抑制を保証するために、燃料および酸素/エアーの適切な化学量論的量がフレアリングシステムへ導入されていることを保証するために要求される。
【００３８】
これらの運転条件の下では、分析手段からの信号は、流量制御弁の設定を動かすための制御手段に順番に送信される適切なデジタル信号の生成のためにプログラムされたコンピューターへ機械的に入力される。
【００３９】
計測と制御に関する当業者には明らかなように、上流の運転条件の変動は、フィードストリームの成分の混合物を判定する自動サンプリング装置を起動するために使用される。さらに、当業者には明らかなように、フレアスタックへ導かれた空気の体積流量および/または圧力の変化は、フレアスタックを通して、あるいは、フレアスタックの外側の面とフレアスタック排気口付近に取り付けられたシールドの内部との間の環状空間へのシステムに引き込まれるエアー量の変化を引き起こす。
【００４０】
これらの体積および質量流量は、よく確立している計算式を使用して計算することが可能であり、および/または、管理された実験室でのテストや、現場で経験的に判定することが可能である。
【００４１】
周囲の温度、湿度および風の条件のような環境要因を考慮して、化学量論的な酸素/エアー必要量の計算は、最小値を設定するために使用され、多数の設計要素が、環境上、また他の関連する外部要因のために、実際の高圧エアーの付加を増やすために適用される。
【００４２】
本発明の特に好ましい実施形態において、フレアスタックに向けられた加圧されたエアーは、フレアフィードストリームの燃焼を向上するためにフレアスタック排気口に移動しているエアーの塊とフィードストリームの中へ付加的な空気を引き寄せる低圧領域を生成するために使用される。
【００４３】
システムに引き寄せられる空気の量は、実験的におよび/または経験的に決定され、システムに引き寄せられる空気の量は、流量制御弁によってシステムへ入れられた高圧エアーの量に関する考慮に入れられる。
【００４４】
2. フレアスタックエアージェット
１つの態様において、本方法と本装置は、火炎の直接の接触と、フレア先端の金属構造用部材へのふく射熱による負荷の低減とを広く包含する。この効果は、フィードストリームの完全燃焼を支援するだけでなく、火炎を引き上げて、かつ、先端の近辺から熱を運び去る役目をする増加したエアーを供給することにより達成される。
【００４５】
本発明のさらなる実施形態において、フレアスタック排気口の上方へ複数の高速に移動するエアージェットを向けるために、高圧エアー増幅ノズルは、フレアスタック排気口付近のフレアリングスタックの内部に設置される。
【００４６】
内部のエアー増幅ノズルの位置の上のフレアスタックの部分には、増幅ノズルから放出された高速で移動するエアージェットによって生成された低圧領域の結果として、フレアスタック中の移動するエアーの塊の中へ空気の流入を可能にする複数の穿孔が備えられている。
【００４７】
ここで使用される用語である、「エアー流増幅器」および「エアー増幅器」は、高速度、高体積および低圧エアーの出力を生成するために、圧縮エアーの発生源と組み合わせたベンチュリを使用したノズルを指す。相応の装置は、米国特許4,046,492号および米国特許6,243,966号に記述される。それらの開示は、参照によってここに組込まれ、本出願の一部となる。
【００４８】
圧縮エアーは、ベンチュリの狭くなったスロートや高速度部の周囲の環状のチェンバーやマニホールドに供給される。その後、圧縮エアーは、マニホールド中の環状の絞り弁によって、排気口の方へベンチュリの内側の表面に沿って、下流に流れるように向けられる。
【００４９】
マニホールドから通常入る高圧エアー流は、コアンダ輪郭と一致する中心部分および排気口の内壁の滑らかななだらかな曲率に従う。この従うエアー流は、吸気口の中へ多くのエアーを引き込むベンチュリの中で低圧領域を生成し、増幅装置から、所望の高速度、高体積および低圧エアーの出力を生成する。
【００５０】
少なくとも10:1から75:1さらには300:1までの増幅比を有するエアー増幅ノズルの使用が好ましい。これは、従来のノズルの比率である約3:1と比較して優れている。
【００５１】
本発明の実施での使用に適しているエアー増幅ノズルは市販されており、シンシナティ(オハイオ)のエグザイア社や、アムハースト（ニューヨーク）のネックスフローテクノロジーズや、アーティックスリミテッド（各々の会社は、対応するアドレスのウェブサイトを有している）から購入可能である。
【００５２】
本発明の方法及び装置の1つの実施形態において、複数の高速度エアージェットあるいは流れは、フレアスタック排気口より下の位置のフレアリングスタックの内部に位置する。フレアスタックを取り巻く空気を導入するために、エアージェットの上の近接したフレアスタックの部分には、穿孔が備えられる。
【００５３】
空気より低い圧力である速く移動するエアーの内部の領域を生成するために、噴出口から放出された高圧エアーは、火炎領域の方向に移動する。この低圧の内部領域は、フレアスタックの穿孔を通じて空気を引き寄せ、燃焼領域の方向に移動する、エアーのより大きな塊を生成する。
【００５４】
エアーのこのより大きな塊は、混合を支援し、かつ、フレアリング中にフィードストリームの完全燃焼を達成するために燃焼領域へ向けられる。ノズルは、フレアスタック壁の内部の表面を包囲する環状のマニホールドに好ましくは取り付けられ、フレアスタックの壁を貫通する配管によって高圧エアーの発生源に接続される。
【００５５】
高圧エアーは、フレアスタックの壁を貫通して、高圧エアー分配リング環状マニホールドおよびエアージェットまで、フレアスタックの外部に延伸した配管によって供給される。それによって、無煙の運転に必要とされる乱気流の領域が、燃焼領域の中に生成される。
【００５６】
本発明の実施の中で使用される装置の特有の構成は、フレアガス比率、および、フレア先端や排気口の形状によって変化する。
【００５７】
本発明は、経済的な高圧エアーの使用を実現する。先行技術のシステムの中で使用される低圧エアーあるいは蒸気の必要量の一方と比較して、必要とされる圧縮エアーの量は比較的小さい。さらに、配管とノズルは、蒸気の悪影響にさらされない。上に言及されるように、加圧されたエアーは残骸が取り除かれるべきである。
【００５８】
本発明の特に好ましい実施形態において、フレアスタック排気口は、先行技術の設備のようなシールドに囲まれ、フレアバレルの穿孔は、エアー増幅ジェットから、包囲するシールドの最下の縁に対応する垂直な位置までに広がる。
【００５９】
3. コアンダ効果本体部の設置
本発明のさらに好ましい実施形態において、フィードストリーム中の燃料および不要な化学物質およびエアーの動きのパターンをさらに修正するために、そして、完全燃焼を促進するエアーとの混合を増強するために、コアンダ効果本体部が、フレアスタック排気口の上に取り付けられる。
【００６０】
ここで使用される用語の「コアンダ効果本体部」は、流体の流れの中に置かれる表面の輪郭あるいは形状を有する場合に、吹き付ける流体を表面に従わせ、そのために表面に接している間の流体の流量比率を増加させる閉曲面を意味する。
【００６１】
本発明で使用されるコアンダ効果本体部は、フレアリングスタックの軸に一致する垂直軸に交差する1つの好ましくは2つの弧の回転によって定義される。コアンダ効果本体部は、立体であり、フレアスタック排気口に面するその下部の表面は、上方へ湾曲している。
【００６２】
下部のアーチ形の表面は、コアンダ効果本体部の上部のアーチ形の表面より小さな直径を有する円弧によって定義され、結果として、松ぼっくりの断面に類似している横断面の形状となる。
【００６３】
コアンダ効果本体部の表面上で移動する流体の挙動は、文献によく明らかにされており、外表面の特定の構成は、特定のフレアリングスタック設備の中に存在する実寸法および運転条件に基づいて判定される。
【００６４】
本発明の実施に従って、フィードスタック成分およびフレアリングスタック排気口から放出されたすべての補助のエアーも、コアンダ効果本体部の下部の湾曲した部分に吹き付け、より高い速度でその外表面に沿って滑り、それにより、空気との混合に導く低圧エアーの包囲領域を生成する。
【００６５】
実際の燃焼が、コアンダ本体部の上部の領域および/または本体の上の領域で生じる。この運転方法は、同心のシールドや、存在する場合には支持部材、マニホールド及び接続する低圧エアージェット、などのようなフレアリングスタックの上部および関連する構成要素に対する熱負荷を低減する。
【００６６】
フレアリングスタックの構造および運転においてコアンダ効果を利用することは、先行技術から知られている。先行技術の装置は、「チューリップ端」として知られている。そのような装置の使用は、米国特許4,634,372に開示されている。
【００６７】
チューリップ端は、限定された運転条件の下でのみ、無煙の火炎を生成することが見出された。風の条件が不安定な場合には、チューリップ端は有効ではなく、正常な運転には比較的高いガス流速を必要とする。更に、火炎と先端の金属との大きな接触面積のために、これらの先行技術の装置は、比較的短い運転寿命となっている。
【００６８】
コアンダ効果本体部は、フレアスタック排気口の上のフィードストリームが下側に接触し、フレアスタックと周囲のシールドの間で移動する高速で移動する大量の空気及び加圧されたエアーが上部の表面に接触する位置に配置される。
【００６９】
混合は、閉じ込める発生源から出て来る流体の流れは、流れが接触し吹き付ける前の最初の方向からそれによって進路を変えられる曲面に従う傾向がある場合に生じるコアンダ効果の結果として達成される。
【００７０】
したがって、エアーの流れが、気流の最初の方向からわずかに遠ざけて湾曲した固体の表面に沿って流れている場合には、流れは、流体の流れと曲面との間の接触時間を最大限にするために、表面に従う傾向がある。
【００７１】
流体のタイプおよび運転条件によって、最大接触時間を維持する曲率半径は変化する。曲率半径が鋭すぎる場合には、流体の流れは、しばらくの接触を維持し、その後、はく離し、その流れを続ける。経験的な決定は、流動性の流れの圧力および吐出し量に基づいてなすことが可能である。
【００７２】
本発明のコアンダ効果本体部は、周囲のシールドに固定される複数の放射状に伸びる支持部材に好ましくは支持される。これらの支持物の形状および構成材料は、例えば、気流に関しての流線形のデザインの採用により、それらの耐用年数を最大限にするために選択されている。
【００７３】
特に好ましい構成材料は、ニッケル、鉄およびクロムからなる耐食合金であり、ハイパフォーマンスアロイ株式会社（インディアナ州46072チプトン）によりインコロイ（登録商標）として販売されている。
【００７４】
特に好ましい製品は、高いクリープ破断強度があるインコロイ（登録商標）800 HTである。
【００７５】
長期間にわたる燃焼の高温に対する金属部材の接触によって引き起こされる故障と疲労をさらに低減するために、合金の化学的バランスは、炭化、酸化および窒化環境に対する優れた耐性を持つべきである。
【００７６】
選択された合金は、華氏1200度から華氏1600度での長期の使用の後に、非脆性に耐えうるべきである。合金は、さらにステンレススチールに一般に使用される技術によって溶接することに適しているべきである。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】図１は、本発明の好ましい一実施形態を示すフレアスタックの上部の断面図である。
【図２】図２は、図1の実施形態の平面図である。
【図３】図３は、デザインが相違するフレアチップシールドと共に使用される本発明の他の実施形態を示すフレアチップの側面図である。
【図４】図４は、デザインがさらに相違するフレアチップシールドと共に使用される本発明のさらなる実施形態を示すフレアチップの側面図である。
【図５】図５は、本発明のエアー制御システムの概要図である。
【図６】図６は、部分的には、本発明の他の好ましい実施形態を示す部分的には断面図の側面透視図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７８】
本発明は、大気に開放している排気口や先端部(12)で終端となるフレアリングスタック(10)の上部が概略的に図示される図1を参照してさらに説明される。
【００７９】
フレアスタックは、フィードストリームがフレアスタック排気口(12)を出るときに、燃焼性のフィードストリームに点火する一般的な方法で使用される1つの以上の点火器(14)を備える。本実施形態において、同心の防壁やシールド(50)は、その上端部(54)をフレアスタック排気口(12)と同じ高さとして、フレアスタックの上端部の周囲に位置する。
【００８０】
燃焼性のフィードストリーム(16)の構成、およびフレアスタック(10)、排気口(12)および点火器の特定の構成は、先行技術における既知のあらゆる構成や、今後開発される任意の新しいデザインでよい。
【００８１】
図1に示された本発明の実施形態の実施において、高圧マニホールド(80)は、フレアスタック本体(10)の内面付近に位置し、その周囲には、一定間隔で配置され、フレアスタック排気口(12)に向けてエアーの噴出を上方へ向けたノズル(82)が取り付けられている。
【００８２】
特に好ましい実施形態において、ノズル(82)は、比較的少量の圧縮エアーを使用して、大量の移動するエアーを生成することが可能であるエアー増幅ノズルである。
【００８３】
ノズル(82)の上のフレアスタック壁の部分には、開口や穿孔(92)が備えられており、それを介して、周囲の空気は、ノズル(82)によって放出されたエアーの急速に移動する噴出によって生成された低圧領域の結果として引き寄せられる。
【００８４】
マニホールド(80)は、高圧ダクト(34)に付けられたダクト(86)によって供給される。使用されたエアー増幅ノズルの数は、フレアスタックの直径、フィードストリームのボリューム、吐出し量および他の変数によって決定され、このことは、当技術の範囲内にある。
【００８５】
図1の実施形態において、高圧マニホールド(30)は、フレアスタック(10)の外部を包囲しており、複数の高圧ノズル(32)あるいは他の排気口を備え、各々の高圧ノズル(32)あるいは他の排気口は、フレアスタック排気口および火炎の方向に上方へ導かれるエアーの噴出を生成する。
【００８６】
マニホールド(30)には、高圧エアーの安定した発生源と接続する高圧エアーダクト(34)によって供給される。好ましい実施形態において、エアーは約30〜35psiの圧力でノズルに送られる。
【００８７】
図2に示されるように、高圧ノズルは、フレアスタック、フレア先端部及び燃焼性のフィードストリームの混合物の形状及びその圧力に基づいた所定の間隔で、内部マニホールド(80)及び外部マニホールド(30)に配置される。
【００８８】
図1から理解されるように、高速度のノズル(32)および(82)からの加圧されたエアーの放出は、エアーの上昇とともに、ノズルの近くに低圧領域を生成する。空気は、フレアスタック及びフレアスタック(10)とシールド(50)の間の環状領域(56)に引き込まれる。
【００８９】
この引き起こされた気流は、火炎の方へ上昇する多くのエアーを供給し、最終的に燃料ガスとフィードストリーム中の不要な化学物質の完全燃焼を向上するために高温のガスと混合する。混合は乱流であり、それはさらにフィードストリームの完全燃焼を向上する。
【００９０】
高圧ノズル(32)及び(82)より下の周囲の領域から流入する十分な空気の量を確実にするため、フレアスタック(10)および外部シールド(50)には、それぞれの周囲に、一定間隔で配置された複数の空気通路(52)および(92)が、好ましくは備えられている。
【００９１】
空気通路(52、92)のサイズ、数および間隔は、特定の設備の空気流の必要量から決定される。マニホールドが、フレアスタックの上へのフィードストリームの流れや、フレアスタックとシールドとの間のエアーを妨げるサイズおよび形状である場合には、次に、追加の空気通路(52、92)が、火炎領域での完全燃焼および乱流を向上するために必要な量を供給するために十分な量のエアー流を保証するために備えられる。
【００９２】
先端部のまわりのシールド(50)は、さらに金属と空気の間の高い温度の差により、燃焼領域の乱流を増加させる役目をすることが可能である。反応または燃焼領域での低圧移動は、無煙の反応を促進し、さらに火炎のまわりの風を制御する。
【００９３】
本発明の実施の中で使用される圧縮エアーの量は、大気から誘導された空気と比較して、非常に少量である。フレアスタックと環状空間に引き寄せられた空気に対する圧縮エアー量の比率は、リングとノズルの配置により、最大1:300とすることが可能である。
【００９４】
さらなる好ましい実施形態において、ダクト(42)によって供給される複数の低圧風制御ノズル(40)は、フレアスタック排気口(12)の周囲に一定間隔で配置される。ノズル(40)には、低圧エアーの発生源によって供給される。
【００９５】
本発明の重要な態様は、周囲からの大量の空気を誘導するエアージェットの使用である。使用される主要な装置は、分配リングおよびノズルを含んでいる。分配リングは、その表面にノズルを設置することが可能である。さもなくば、エアージェットは、複数の適合する管継手を通してリングを出ることが可能である。
【００９６】
ノズルのデザインおよび型は、高速度のエアージェットと、フィードストリームの完全な反応を促進するために燃焼領域の近辺からの空気を誘導する相対的に低圧の関連領域とを生成するために選択される。
【００９７】
ここで、図5の概要図を参照すると、フレアスタックフィードストリームダクト(70)が、多成分の量のガスとともにフレアリング・スタック(10)の最下部に認められる。フィードストリームは、視覚的な読み出し及びライン(104)を経由して制御手段(120)へ送信されるデジタル信号の両方を提供することが可能な流量測定ゲージ(102)を有するサンプリング領域(100)を通過する。
【００９８】
サンプリング領域(100)からのフィードストリームサンプリングダクト(106)は、所定の間隔で分析手段(110)に、フィードストリームのサンプルを提供する。分析の結果は、(110)でデジタル信号に変換され、信号ライン(112)を通じて制御手段(120)へ送信される。
【００９９】
分析手段と接続する変換器によるプログラムされたプロセッサ(122)は、分析手段(110)によって識別された燃焼性の混合物のための化学量論的な酸素必要量を計算し、メモリ素子中に格納されるヒストリカルなデータのすべてと共に結果を格納する。
【０１００】
適宜、プロセッサは、高圧ダクト(34)を介してフレアリング・スタック(10)の上部の中へのエアーの流量を調節するために、制御部(124)に対してデジタル命令を送信する。高圧エアーは、圧縮機(132)によって、あるいは設備で利用可能な他の都合のよい供給源から供給することができる。
【０１０１】
流量制御弁(130)は、制御部(124)から信号を受信するために信号ライン(136)を介して接続されるバルブ制御部(134)を備える。高圧流量指示ゲージ(138)は、さらに視覚的な読み出し及びライン(139)を介してプロセッサ(122)に送信されるデジタル信号を提供することができる。
【０１０２】
本発明の実施形態の運転方法において、供給ダクト(70)の中のフィードストリームの組成の変化は、プロセッサ(122)によって判定され、次に、流量制御弁(130)に対して適切な調節を行うために、バルブ制御部(134)にそのための信号を送信する制御部(124)に送信される。
【０１０３】
例えば、化学量論的な酸素必要量が、フィードストリームの組成の変化の結果、増加する場合には、制御弁(130)は、フレアスタックの上部の端のマニホールド(80)およびノズル(82)への供給ダクト(34)を介した高圧エアー流を増加させるために開かれる。
【０１０４】
制御手段(120)のプログラムされた運転は、フレアスタックとシールド(50)との間の環状空間へおよび/またはフレアスタックに引き寄せられた空気の量において、ノズルを介して増加したエアー流のすべての影響を考慮に入れる
【０１０５】
ここで、図6の概要図を参照すると、コアンダ効果本体部(200)は、フレアスタック(10)の排気口の上に支持された位置に示される。
【０１０６】
図示された実施形態において、複数の支持体(210)は、付近の包囲するシールド(50)から伸長し、通過する流体の流れの抵抗力および潜在的なその腐食作用を低減するために、好ましくは耐食材料であり、流線形をなす横断面を有する。
【０１０７】
本実施形態において、高圧エアノズル(32)は、フレアスタックの上端部の外面を囲む環状マニホールド(30)に接続している。高圧ノズルから噴射される高速で移動するエアーの効果によって生成された環状の低圧領域に周囲の空気を導入するために、同心のシールドは、穿孔(52)を備える。
【０１０８】
コアンダ効果本体部(200)は、その外面に沿ったフィードストリームの流れを増大するように構成され、次に、混合領域でのエアーの乱流の混合と、本体の上の燃焼領域中の不要な化学物質および燃料の最終的な完全燃焼をもたらす。
【０１０９】
図6から理解されるように、コアンダ効果本体部は、フレアリングスタックの縦方向の軸と整列する垂直軸を有する。この位置決定は、上昇するフィードストリーム(70)及びコアンダ本体部(200)の表面に吹き付け、最終的にはコアンダ本体部(200)の表面とのなだらかな接触へと変化する気流の対称的なフローを増強する。
【０１１０】
本発明はいくつかの特定の実施形態に関して図示され記述された。当業者には明らかなように、構成要素と機能の変形および他の組み合わせは、本発明の原理原則から外れずに試みることが可能であり、本発明の範囲は請求の範囲の記載に基づいて判断される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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