(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給流路の途中に圧力検知のための導管を有し、該導管が二つに分岐して隔膜式差圧センサーの受圧部とチャンバーを経由して該センサーの背圧部に連結された燃焼炉の着火状態の確認装置
【請求項２】
分岐した導管とチャンバーの間に制限オリフィスまたは絞り弁を有する請求項１の燃焼炉の着火状態の確認装置
【請求項３】
燃焼炉の燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給流路の途中に圧力検知のための導管を設置し、該導管を二つに分岐して隔膜式差圧センサーの受圧部とチャンバーを経由して該センサーの背圧部に連結し、受圧部と背圧部の差圧変動を検出することを特徴とする着火状態の確認方法
【請求項４】
炭化水素の部分酸化、または炭化水素の水蒸気改質ガスの部分酸化を有するガス改質製造装置において、部分酸化反応を行う燃焼炉への酸化剤ガスまたは炭化水素供給流路の途中に圧力検知のための導管を設置する請求項３の着火状態の確認方法
【請求項５】
炭化水素と水蒸気の接触反応による一次改質反応を行い、酸化剤ガスを加えて部分酸化した後、二次改質反応を行い、得られた高温ガスを一次改質反応の熱源に用いるガス改質装置において、部分酸化反応を行う燃焼炉への酸化剤ガスまたは炭化水素の供給流路の途中に圧力検知のための導管を設置する請求項３の着火状態の確認方法
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は燃焼炉の起動時における着火状態を確認するための装置およびその確認方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、燃焼炉は固体燃料から液体又は気体燃料への転換が図られ、これに伴って燃料の着火不良や失火による爆発事故が頻発する状況となった。このため燃焼炉における着火状態の変化を早期に発見して、燃焼炉への燃料停止等の安全措置操作を的確に行う自動装置が設置されている。
燃焼炉における着火不良や失火の検出方法は、種々検討が行われた結果、温度を検出する方法よりも光学的な方法が早期発見に有効であることから、現在は一般に火炎が放つ赤外線、紫外線や可視光線等の電磁波を捉える火炎監視装置が最も広く用いられている。
【０００３】
水素は将来のクリーンを燃料として、またメタノールは低公害で輸送が容易な安価な燃料として大量に使用するために大型装置の開発が要請されている。大型の水素およびメタノール製造装置の開発において最も問題となるのは炭化水素より合成ガスを製造するためのガス改質装置であり、熱効率が高く大型化が有利なガス改質装置として、水蒸気改質と部分酸化を組み合わせた方式が最近注目されている。
この方式は、炭化水素と水蒸気の接触反応による一次改質反応を行い、酸化剤ガスを加えて部分酸化した後、二次改質反応を行い、得られた高温ガスを一次改質反応の熱源に用いるものである。これは他から熱を供給することなく、従って一次改質反応管を外熱する改質炉を用いる必要も無いので、ガス改質装置を高圧化することができ、大型化が容易である等の利点がある。
このように一次改質反応、部分酸化および二次改質反応を行う自己熱交換型反応器（以下、これを『断熱リホーマー』と称する）については、特開昭６０−１８６４０１  号、特開平１−２６１２０１号および特開平２−１８３０３  号等に具体的な構造が示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
火炎が放つ赤外線、紫外線や可視光線等の電磁波を捉える火炎監視装置は、適切な位置に検出端を設置することにより火炎の有無が正確に検知され、その応答が早いことから、一般の燃焼炉において広く用いられている。しかしながらこれに用いられる光学センサー（光電管）は透明ガラスにより覆われていることから、高圧下での使用することができず、一般に１０気圧程度の圧力に耐える設計となっている。特殊に設計されたセンサーであっても２０〜３０気圧が限度であり、この特別設計のセンサーは相当高価である。
【０００５】
発明者等は断熱リホーマーを用いた大型水素製造装置の開発を行い、ガス改質装置を８０気圧以上の圧力として反応を行うプロセスを検討しているが、このプロセスにおいて一次改質ガスを部分酸化する工程を安全に起動するために、酸化剤ガスを導入した時の着火状態を確認することが必要である。
【０００６】
しかしながら一般に用いられている電磁波による火炎監視装置は、上記理由により使用することができない。発明者等はこれに代わるものとして温度センサーによる監視を検討したが、断熱リホーマーの燃焼室  （炉）  の内部温度は１５００℃以上となるので該温度に耐える材料の温度センサーが無く、このため温度センサーをセラミックス等の耐熱材を用いた保護管に入れて検出することも試みたが、厚い保護管壁を介しての検知では時間遅れを生じるので危険であった。
【０００７】
また一般の燃焼炉の着火では燃料ガスと酸化剤ガスを少量導入しながら電気スパークを発生させることにより行われるが、上記の如く燃焼室  （炉）  の内部温度が１５００℃以上となる場合には電気スパークを設置することが困難である。このため燃料ガスを着火点よりも高温に加熱して、酸化剤ガスを少量導入し、着火させる方式を採らざるを得ないが、その着火の確認がされずに可燃性ガスと酸化剤ガスの導入を継続した場合には炉内爆発の危険があり、その被害は極めて大きいものとなるので絶対に避けなければならない。
本発明の目的は、特にこのような高圧の燃焼炉において着火状態を完全に確認して燃焼炉の安全な運転を継続する方法及びその装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明者等は上記の如き課題を有する燃焼炉の着火状態の確認方法、特に高圧下で燃焼を行う断熱リホーマーの着火状態の確認について鋭意検討した結果、燃焼炉の燃料ガス又は酸化剤ガスの供給流路の途中の圧力の変化を検出することにより、燃焼炉の着火状態が速やかに確認されることを見出し本発明に到達した。
【０００９】
すなわち本発明は、燃焼炉の燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給流路の途中に圧力検知のための導管を設置し、該導管を二つに分岐して隔膜式差圧センサーの受圧部とチャンバーを経由して該センサーの背圧部に連結し、受圧部と背圧部の差圧変動を検出することを特徴とする着火状態の確認方法及びその装置である。
【００１０】
本発明の方法および装置は一般の低圧の燃焼炉に於いて採用されるが、圧力１０気圧以上、特に３０気圧以上の高圧下で燃焼が行われる燃焼炉において有利に用いられる。このような高圧の燃焼炉が用いられるの例としては、▲１▼炭化水素の部分酸化によるガス改質装置、▲２▼炭化水素と水蒸気の接触反応により一次改質反応を行った後、燃焼室  （炉）  において空気または酸素を混合して部分酸化を行い、次に二次改質反応を行うガス改質装置、および▲３▼炭化水素と水蒸気の接触反応による一次改質反応を行い、酸化剤ガスを加えて部分酸化した後、二次改質反応を行い、得られた高温ガスを一次改質反応の熱源に用いるガス改質装置（断熱リホーマー）が挙げられる。このようにして得られた改質ガスは水素や一酸化炭素の製造、或いはメタノール、アンモニアや有機化学物質を合成するための合成ガスの製造に用いられる。
【００１１】
本発明における燃焼炉は燃料ガスと酸化剤ガスを混合して酸化反応が行われる装置のことであり、例えば前述の断熱リホーマーの如き反応器の燃焼室も含まれる。従って本発明における燃焼炉には、各種物質の加熱、水蒸気の発生または加熱用の一般の燃焼炉の他、上記の如く水素や一酸化炭素の製造、メタノールやアンモニア等の合成ガスの製造のために炭化水素の部分酸化を行う場合に用いられる反応器等がある。
【００１２】
燃焼炉に使用される燃料ガスとしては、天然ガスやＬＰＧの如き気体燃料が挙げられるが、更に部分酸化が行われる水蒸気改質ガスも含まれ、またアンモニア、メタノールや有機化学物質の合成装置等から放出されるパージガス、或いはこれらのガスの混合物等も含まれる。酸化剤ガスとしては、酸素ガス、空気および酸素富化された空気等が挙げられる。これらの燃料ガスおよび酸化剤ガスは燃焼炉における燃焼状態を好適に維持するために、燃焼炉に加熱して供給されることが多く、また部分酸化を行う場合等の炭素析出を防止するために水蒸気を燃料ガスまたは酸化剤ガスに混合されることもある。
【００１３】
燃料ガスが酸化剤ガスと接触して着火する瞬間は、大小の差はあるが必ず小さな爆発的な燃焼を生じ、これを音や光で確認することが一般に行われている。
この時に人には感知できないが周辺の気相に微小な気圧変化を生じ、またその後燃焼が安定に継続すれば、燃焼開始以前とは明らかに異なる燃焼による特徴ある微小な圧力変動がみられる。本発明ではこの着火と燃焼が継続している状態を「着火状態」と称している。もしこの微小圧力変化を捉えることができれば、瞬時にして着火の状態を確認できることになる。本発明は燃料ガス又は酸化剤ガスの供給流路の途中に導管を設置して隔膜式差圧センサーを取付けることによりこの微小圧力変化を検知するものである。
【００１４】
燃料ガス又は酸化剤ガスの供給流路から微差圧センサーへの導管には一般に内径  ３〜１０ｍｍ程度の配管が用いられ、隔膜式の差圧伝送器の受圧側に接続される。隔膜式の差圧伝送器の背圧側には圧力変動を吸収するための容器  （チャンバー）  が設置されて導管を通してもとの燃料ガス又は酸化剤ガスの供給流路に接続される。この導管の流量を調整するために制限オリフィス又は絞り弁が設置される。但しこの導管に内径  ０．２〜１ｍｍ  程度の配管を用いればこのような制限オリフィスや絞り弁を無くすこともできる。
【００１５】
微小圧力変化を検知するための微差圧センサーには隔膜式の差圧伝送器が用いられる。この微差圧センサーは圧力測定スパンが水柱圧  ３０００ｍｍ  以下のもの、好ましくは水柱圧  ５００ｍｍ以下のものが好適に用いられる。微差圧センサーで検知された情報は記録計に記録して着火状態を捉えることができ、警報に接続することが好ましい。
【００１６】
燃料ガス又は酸化剤ガスの供給流路に微差圧センサーへの導管を取付ける位置は、燃焼バーナーまでの距離が大きいと検知の感度が鈍くなるので好適な距離が選定される。着火時間は燃料ガス又は酸化剤ガスの供給弁から燃焼バーナーまでの距離、該流路の配管径、ガス流量、圧力、温度から予め計算することができ、この時間の計算値と微差圧センサーによる圧力が変動した時間を対比することにより着火状態が確実に確認される。
【００１７】
【実施例】
次に図面を用いた本発明の実施例により、本発明を具体的に説明する。図１は断熱リホーマーに本発明の着火確認装置を設置した場合の系統図である。
図１における反応器は特開昭６０−１８６４０１  に示された断熱リホーマーである。その外穀１  の内部に一次改質反応管２  が設置され、原料の炭化水素と水蒸気の混合ガスは流路３  から導入され、この一次改質反応管内に充填された触媒との接触することにより一次改質反応が行われる。
【００１８】
一次改質ガスはその輸送管４  を経て燃焼室５  に導入される。一方、酸化剤ガス（酸素）  は流路６  からその流量調節弁７  を経て流路８  より燃焼室に導入され、一次改質ガスの部分酸化が行われる。部分酸化されたガスは二次改質触媒層９  と接触して二次改質ガスとなり、この高温ガスは一次改質反応管２  の外側を通過して一次改質反応の熱源として利用された後、流路１０から次の工程に送られて熱回収が行われ、冷却されて未反応水蒸気が凝縮・分離される。
【００１９】
本発明の着火確認装置は、燃焼室５  に酸化剤ガスを導入する流路８  の途中に設置される。燃焼室５  内の微小圧力変化を鋭敏に捉えるため圧力を検出するための導管１１はできるだけ燃焼室の近くに設置し、その途中に弁類や曲がり部分をなるべく少なくすることが望ましい。この導管は微差圧センサー１２の受圧側へ連結される導管１３と、チャンバー１４に連結される導管１５に分岐され、この導管１５の途中には絞り弁１６が設置されている。また微差圧センサー１２の背圧側とチャンバーは導管１７により連結されている。
微差圧センサー１２からの情報は、伝送回路１８を経て、記録計１９に送られ連続的に記録されることにより圧力変化を制御室で監視することができ、また警報にも連結されている。
【００２０】
図１の断熱リホーマーを起動する場合は、まず流路３  から可燃性ガスと水蒸気の混合ガスを着火温度より高い温度に加熱して供給し、該断熱リホーマー反応器の内部が十分加熱されて燃焼室５  の内部も着火温度よりも高温となったことを確認する。次に酸化剤ガスの調節弁７（又は仕切弁）  を開いて酸化剤ガスを燃焼室に導入して、燃料ガスが着火し且つ燃焼が継続していることを微差圧センサーにより確認する。
着火の瞬間は燃焼室  （炉）  内での小爆発により瞬間的に圧力が上昇する。この時に発生した微小圧力波が酸化剤ガス流路８  、導管１１および導管１３を経て微差圧センサー１２の受圧側に伝わり、微差圧センサー１２の背圧側はチャンバー１４と導管１５の途中には絞り弁１６があるため瞬間的な圧力の上昇は減衰、消去されてしまうため、微差圧センサーによる差圧の検出から着火が確認される。
【００２１】
このように着火の瞬間は微差圧センサーの受圧側と背圧側の差圧が瞬間的に増大することから確認される。着火の際の操作圧力に制約は特に無いが、安全面から起動時は該反応器または燃焼室  （炉）  内の圧力を平常の操作圧力よりも低くすることが好ましい。
酸化剤ガスが流路８  を経て燃焼室に達する時間は、その管径、燃焼室までの距離および酸化剤ガス量、温度、圧力により計算されるが、その時間は数秒ないし数十秒となるように燃焼室までの距離等を設計しておく必要がある。予めこの時間を計算しておき、ほぼその時間内に着火の状態が確認されない場合には、酸化剤ガスと可燃性ガスの供給を停止して、不活性ガスを該反応器に導入し、該反応器内を不活性ガスで完全に置換し、前述の加熱度操作を再度行うこととなる。
【００２２】
燃焼室  （炉）  内での着火の状態が確認された後は、流路３  からの可燃性ガス（炭化水素）と水蒸気の混合ガスの供給量と、酸化剤ガスの供給量を増大して該反応器を昇圧し、平常運転に移行する。
以上、図１の断熱リホーマーを起動する場合の説明を行ったが、他の部分酸化を有する炭化水素の反応器や一般の燃焼炉に本発明の着火確認装置を設置した場合にも同様の操作が行われる。
【００２３】
【実施例】
図１に示す断熱リホーマー反応器（操作圧力  ８０ｋｇ／ｃｍ２  Ｇ  、燃焼室内径０．７ｍ）  において、系内を窒素ガスで置換した後、流路３  から可燃性ガスと水蒸気の混合ガス（ＣＯ  ０．８  ｍｏｌ％、ＣＯ２  ３．９ｍｏｌ％  、ＣＨ４  ９．１ｍｏｌ％  、  Ｈ２  ２４．８ｍｏｌ％、  Ｎ２  ４．０ｍｏｌ％  、  Ｈ２  Ｏ  ５７．４ｍｏｌ％）  ３５ｋｇｍｏｌ／ｈｒを  ６３０℃で導入し、圧力を  １７．９ｋｇ／ｃｍ２  Ｇ  に保持した。酸化剤ガスの調節弁７  から燃焼室までの流路８  の距離は  １６．２ｍであり、内径は１６．２ｍｍである。この配管も同様の圧力で窒素ガスによる置換も行った。
二次改質触媒層９  の温度が  ６１５℃となり、着火温度以上に達したことが確認された後、調節弁７  を開けて純酸素ガスを    ７．５  Ｎｍ３  ／ｈｒ  で反応器に導入した。
【００２４】
この時の微差圧センサーの差圧の変動を図２に示す。これによると調節弁７  を開けた瞬間の小さな圧力ピークと２４秒後に第２の圧力ピークおよびその後の燃焼による特徴ある圧力変動が確１され、二次改質触媒層９  の温度はその後  ６１５℃より徐々に上昇した。
流路８  の距離と内径、および導入された純酸素ガスの量とその圧力・温度条件から純酸素ガスが調節弁７  から燃焼室に至る時間は凡そ２１秒であることから、この第２の圧力ピーク時において燃焼室５  で着火が行われたものと判断される。
その後、流路３  から供給するガスを天然ガスと水蒸気の混合ガスとし、純酸素ガスと共に徐々に増量して昇圧し、圧力  ８０ｋｇ／ｃｍ２  Ｇ  の平常運転に移行した。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の方法によれば燃焼炉の起動時における着火状況を迅速に確認できるので、燃焼炉を安全に起動することができる。また本発明の着火確認装置は平常運転時においても微差圧センサーの差圧の感度を上げ、更に平常運転時の極微小変動の監視を継続することにより、例えば純酸素バーナーの破損や失火を含めた燃焼の異常を確認することもできる。
本発明の方法は高圧で燃焼が行われる反応器等における燃焼室（炉）にも適用することができ、コスト的にも極めて有利な方法である。
【００２６】
【図面の簡単な説明】
【図１】断熱リホーマーに本発明の着火確認装置を設置した場合の系統図を示す。
【図２】実施例における微差圧センサーの差圧の変動を示す。
【００２７】
【符号の説明】
１  断熱リホーマーの外穀
２    一次改質反応管
３    原料炭化水素と水蒸気の混合ガスの流路
４    一次改質ガス輸送管
５    燃焼室
６    酸化剤ガス  （酸素）  の流路
７    流量調節弁
９    二次改質触媒層
１０    二次改質ガスの出口流路
１１    圧力検出用導管
１２    微差圧センサー
１４    チャンバー
１６    絞り弁
１９    記録計
【図１】
0003552730.tif 000002
【図２】
0003552730.tif 000003