(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
管式加熱炉から排出される燃焼排ガスの一部を加えて通常の空気よりも酸素濃度が低くかつ少なくともその酸素濃度における吹き消え限界温度以上に予熱された高温希釈空気と燃料とを適正空気比時の化学当量比を変えないで管式加熱炉内で拡散燃焼させ、熱ガス流を被加熱管の周囲に断続的あるいは連続的若しくは周期的に流動させて被加熱管内の流体を加熱することを特徴とする管式加熱炉の加熱方法。
【請求項２】
高温希釈空気の予熱温度はその酸素濃度における燃料の自己着火温度以上であることを特徴とする請求項１記載の管式加熱炉の加熱方法。
【請求項３】
高温希釈空気は予熱温度が６００℃以上、酸素濃度が１７％以下であることを特徴とする請求項１記載の管式加熱炉の加熱方法。
【請求項４】
管式加熱炉からの排気ガスの一部を前記管式加熱炉に還流させると共に還流されなかった排気ガスとの熱交換によって高温に予熱された燃焼用空気とを混合して前記希釈空気を生成することを特徴とする請求項１記載の管式加熱炉の加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は管式加熱炉に関する。更に詳述すると、本発明は、管式加熱炉の被加熱管の加熱方法の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の管式加熱炉、例えばイソフロ型（ISOFLOW TYPE）管式加熱炉は、石油などの被加熱流体を通過させる１パスあるいは複数パスの被加熱管が炉壁に沿って幾重にも折り返されて配置され、その内側の炉底部に燃焼室が形成されている。燃焼室には拡散バーナが設置され、火炎が被加熱管と平行に形成されると共に炉頂部へ向けて燃焼ガスが流れ、ふく射伝熱および対流伝熱によって被加熱管を加熱するように設けられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の管式加熱炉は、燃焼室内の固定した領域に火炎が存在しているので、どうしても被加熱管に熱流束の不均一が生じる。これを是正するためには、イソフロ型管式加熱炉の場合、炉内で被加熱管が火炎からの直接放射を他の被加熱管によって遮られないようにし、かつ壁面からの反射による放射を増加すれば良いが、その結果炉内に設置される被加熱管本数が少なくなり、必要な加熱を行うためには大きな炉容積が必要となる。換言すると、被加熱管の最大熱流束と平均熱流束との比は、被加熱管の設置本数の粗密即ち被加熱管表面積と炉容積との比に依存することとなり、通常の配置条件では図４に示すようにほぼ１．６程度となることが知られている。このため、被加熱管の許容熱流束よりもかなり低く平均熱流束を設定せざるを得ず、加熱効率が悪くなる問題を有している。また、炉容積を大きくせずに被加熱管の設置本数を増やすため被加熱管を３列以上に配置しようとしても、火炎に近い管の最高熱流束が許容値以上となり、また火炎からの輻射熱が遮られる被加熱管が生じて熱流束が不均一となることから、被加熱管の平均熱流束が低下するため実際には不可能であった。
【０００４】
また、対流伝熱支配型管式加熱炉の場合、被加熱管周囲を通過するガス流速により伝熱量即ち熱流束が律束されていた。このため、平均熱流束が小さく加熱効率が良くないので、処理量を上げるには大型の加熱炉が必要とされている。
【０００５】
本発明は、炉容積当たりの被加熱管表面積を低下させることなく最大熱流束と平均熱流束との比を最小化すること、即ち管式加熱炉の炉容積を大きくせずに被加熱管を密に配置したまま熱流束の均一化を可能とする管式加熱炉の燃焼方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、本発明の管式加熱炉の加熱方法は、管式加熱炉から排出される燃焼排ガスの一部を加えて通常の空気よりも酸素濃度が低くかつ少なくともその酸素濃度における吹き消え限界温度以上に予熱された高温希釈空気と燃料とを適正空気比時の化学当量比を変えないで管式加熱炉内で拡散燃焼させ、熱ガス流を被加熱管の周囲に断続的あるいは連続的若しくは周期的に流動させて被加熱管内の流体を加熱するようにしている。
【０００７】
ここで本発明者等の燃焼状態の観察の結果、燃焼の安定性に対する空気の温度と酸素濃度の影響は図２に示す傾向にある。したがって、各酸素濃度における吹き消え限界温度（それよりも温度が低くなると吹き消えを起こしてしまう温度）以上に予熱された高温希釈空気と燃料とは、拡散混合して可燃範囲に入ると保炎機構の助けを受けてあるいは自発的に燃焼を開始する。しかし、酸素濃度が通常の空気よりもはるかに低く尚かつ希釈空気のボリュームが相当大きいので、通常の燃焼に比して熱発生速度が十分に低速な酸化発熱反応を伴ったものとなる。このため、被加熱管の周囲を断続的あるいは連続的若しくは周期的に流動する間にも絶えず酸化発熱発熱反応を持続して炉内の広範囲で燃焼し続け、顕熱が発生する過程で熱を奪われ被加熱管内の流体を加熱する。しかも、火炎ボリュームは低酸素濃度でかつ大容量の高温希釈空気によって顕著に増大するため、流速が速くなる。即ち、熱ガス流の流速が早く尚かつ非常に大きなボリュームで安定に燃焼する火炎が形成される。
【０００８】
また、本発明の管式加熱炉の加熱方法は、高温希釈空気の予熱温度をその酸素濃度における燃料の自己着火温度以上、より好ましくは６００℃以上としている。この場合、保炎機構を必要とせず、燃料が拡散混合して可燃範囲に入ると自発的に燃焼を起こす。
【０００９】
更に、本発明の管式加熱炉の加熱方法は、管式加熱炉からの排気ガスの一部を管式加熱炉に還流させると共に還流されなかった排気ガスとの熱交換によって高温に予熱された燃焼用空気とを混合して希釈空気を生成するようにしている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
図１に本発明の加熱方法を実施した管式加熱炉の一例を概略で示す。この管式加熱炉は特に型式には限定を受けず、イソフロ型管式加熱炉でも対流伝熱支配型管式加熱炉でも適用可能である。例えば、イソフロ型管式加熱炉に適用する場合、円筒形の断熱・耐熱製の炉体の中に同心円状に３パスあるいはそれ以上の被加熱管が上端と下端とでそれぞれ折り返されて配置されている。この管式加熱炉１の底部中央の燃焼室に少なくとも１基の拡散バーナ２が配置されている。拡散バーナ２は、特にその構造に限定を受けるものではないが、例えば管式加熱炉１内から排気された燃焼ガスの一部を炉外循環経路３を経て循環させると共に残りの燃焼ガスの顕熱を高熱効率の熱交換器４で熱回収して燃焼用空気を予熱し、これら予熱された燃焼用空気と再循環燃焼ガスとを混合して通常の空気よりも酸素濃度が低く化学当量比を変えない容量でかつ少なくともその酸素濃度における吹き消え限界温度以上に予熱された高温希釈空気を得てこれで燃料を拡散燃焼させるバーナシステムが採用されている。
【００１２】
炉外循環系路３は、炉頂部に接続された排気管５と炉底部のバーナ２に接続された燃焼用空気供給管６とを連結し、管式加熱炉１から排気された燃焼ガスの一部をそのまま循環させるように設けられている。
【００１３】
一方、燃焼用空気は、管式加熱炉１の排気管５を通って排気される燃焼ガスの一部と熱交換器４を介して熱交換して燃焼ガスの顕熱で予熱される。なお、図中の符号７，８はファンである。
【００１４】
以上のように構成された管式加熱炉によると、管式加熱炉１の炉頂部から排出される燃焼ガスの一部はそのままの温度で循環経路３を経て炉底部の拡散バーナ２に接続された燃焼用空気供給管６に還流される。同時に、燃焼用空気は熱交換器４において炉外循環経路３側に分流しなかった燃焼ガスの一部との間に熱交換して熱効率に見合った温度にまで予熱される。高温の空気と燃焼排ガスとはバーナに供給される前に混合されて所定の温度でかつ所定の酸素濃度に希釈された高温希釈空気とされて供給される。例えば、高温希釈空気は、各酸素濃度におけるる少なくとも吹き消え限界温度以上、より好ましくは自己着火温度以上に予熱され、かつ通常の空気よりもはるかに酸素濃度が低く、より好ましくは１５％以下に調整されている。ここで、高温希釈空気は、例えば６００℃以上に予熱すれば、火炎のボリュームが顕著に増大する１５％以下の酸素濃度にしたときに必ず吹き消え限界温度以上となり、吹き消えが起こることがない。
【００１５】
そして、この希釈空気は適正空気比時の化学当量比を変えない容量が供給される。高温希釈空気は酸素濃度が通常の空気よりも低い上に高温であるため、化学当量比を変えないと酸化剤容量が相当に増大する。
【００１６】
したがって、各バーナスロート内に流れ込み、各燃料ノズルから噴射された燃料と混合されて発生する酸化発熱反応ガスは従来のものよりも遥かに増大し高速で流動することとなる。例えば図３に示すように、同じ燃料を酸素濃度２１％、温度５０℃の燃焼用空気を用いて拡散燃焼させた場合（実線で示す火炎）に比べて、酸素濃度３％、温度１０１０℃の高温希釈空気を用いて拡散燃焼させた場合（仮想線で湿す火炎）は火炎ボリュームが２０倍以上にも達した。
【００１７】
このとき、少なくとも吹き消え限界温度以上に予熱された高温希釈空気と燃料とは、図２に示すように酸素濃度が通常の空気（２１％）より低くても、拡散混合して可燃範囲に入ると保炎機構の助けを受けてあるいは自発的に燃焼を開始する。しかし、酸素濃度が通常の空気よりもはるかに低く尚かつ希釈空気のボリュームが相当大きいので、通常の燃焼に比して熱発生速度が十分に低速な酸化発熱反応を伴ったものとなる。そして、流速が速く尚かつ広範囲で燃焼し続ける燃焼ガスは、多数の管がめぐらされた炉内においてこれまでよりも格段に流速を速めて対流伝熱性を向上させると共に、炉内の広範囲な領域で流れながら絶えず燃焼し続けて顕熱が発生する過程で熱を奪われ被加熱管内の流体を加熱する。更に熱ガスの流量は酸素濃度が通常の空気よりもはるかに低い高温希釈空気を使うため、通常の燃焼時よりも遥かに増大して炉内のガス流動が激しくなり、炉内ガスの混合の促進や対流伝熱量の増加を起こして局部的な温度差が解消される。したがって、熱流束のピークを作らず、炉内のほぼ全域において顕熱を発生させながら対流伝熱と輻射伝熱とで被加熱管を加熱することができる。空気比を変えずに燃焼用酸化剤としてのボリュームを増やして酸素濃度を通常の空気よりも遥かに低くし尚かつ温度を吹き消え限界温度以上に上げるときに、酸化発熱反応が通常の空気を用いた場合に比べて非常に遅いにもかかわらず安定して燃焼する現象が起こる。
【００１８】
一方、排気系に接続されている熱交換器４では、被加熱流体たるボイラ水の加熱に使われた後の燃焼排ガスの熱が高効率で回収されて燃焼用空気の予熱が行われる。同時に、炉内の燃焼ガスは、循環ファン７によって発生する負圧によって炉外循環系路３へ取り出され、高効率の熱交換によって排ガスの顕熱を回収して高温に予熱された燃焼用空気と混合されて所定の酸素濃度及び温度の希釈空気として再び燃焼室内へ高速で噴射される。
【００１９】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、再循環させる排ガス中に蒸気などを注入してさらに最高火炎温度を低下させることもある。
【００２０】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明の管式加熱設備によると、炉内に流速が速く尚かつ広範囲で燃焼し続ける顕著に増大した火炎を形成できるので熱流束の局所的ピークが発生しない。したがって、被加熱管の最大熱流束と平均熱流束との比は図４に示すように著しく小さく１に近づいてくるので、被加熱管の設置本数の粗密即ち被加熱管表面積と炉容積との比に依存することがなくなり、炉内に設置される被加熱管本数を増やすことができる。依って、必要な加熱を行うためには、炉容積を小型化して被加熱管の設置本数を密にすることができ、炉のコンパクト化が可能となる。例えば、イソフロ型管式加熱炉の場合、炉容積を大きくせずに３列以上に被加熱管を配置して被加熱管本数を増やすことが可能となるので、同じ大きさの管式加熱炉でも加熱処理量が飛躍的に増大し、同じ処理量とする場合には炉を小さくできる。
【００２１】
また、対流伝熱支配型管式加熱炉の場合にも、火炎ボリュームが顕著に増大して被加熱管周囲を通過するガスの流速が速くなるため、対流伝熱による伝熱量が増加すると共に、広範囲で燃焼し続けながら被加熱管周囲を流れるので輻射伝熱をも同時に受ける。したがって、被加熱管の平均熱流束を増加することができ、加熱効率を良くして炉のコンパクト化あるいは加熱処理時間の短縮が可能である。
【００２２】
また、炉内温度の均一化により、炉構造物に対する熱ストレスを小さくすると共に炉内全域の管への熱流束を均一にできる。更に、酸化発熱反応が十分に低速であるため、燃焼騒音や振動燃焼を抑制できる。
【００２３】
また、本発明の管式加熱炉の加熱方法は、高温希釈空気の予熱温度を燃料の自己着火温度以上、より好ましくは６００℃以上としている。この場合、燃料が拡散混合して可燃範囲に入ると自発的に燃焼を起こし、より安定燃焼する。
【００２４】
更に、本発明の管式加熱炉の加熱方法は、管式加熱炉からの排気ガスの一部を管式加熱炉に還流させると共に還流されなかった排気ガスとの熱交換によって高温に予熱された燃焼用空気とを混合して希釈空気を生成するようにしている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加熱方法を実施する管式加熱炉の一例を示す概略図である。
【図２】安定燃焼に対する燃焼用空気の温度と酸素濃度の影響を示すグラフである。
【図３】燃焼用空気の酸素濃度と温度とを変えた場合の火炎ボリュームの変化を示す説明図である。
【図４】被加熱表面積と炉容積との比に対する最大熱流束と平均熱流束との比との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  管式加熱炉
２  拡散バーナ
３  炉外循環系路
４  熱交換器
５  排気管
６  空気供給管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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