(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化媒質を供給するための少なくとも１つの酸化媒質供給チャネルと複数の周囲の燃料供給チャネルとを備える炉用のバーナであって、
前記酸化媒質供給チャネルおよび前記燃料供給チャネルは、使用中に供給された酸化媒質と供給された燃料とが反応する際に火炎前面を形成するために、前記バーナの端部表面に相互に隣接して設置された出口開口を有し、
前記酸化媒質供給チャネルの前記出口開口および前記燃料供給チャネルの前記燃料出口開口は、前記バーナの前記端部表面に対して垂直であり、かつ、前記バーナの中心軸を含むように延在するように配置されるあらゆる平面に対して非対称的に設置され、
それにより、前記燃料出口開口の分布、および／または前記燃料出口開口の寸法、および／または前記燃料出口開口の出口角度、および／または前記燃料出口開口の形状が、前記平面に対して非対称的に設定され、
それにより、使用中に、前記バーナの前記端部表面に対して垂直であり、かつ、前記バーナの前記中心軸を含むように延在するように配置されるあらゆる平面に対して非対称的な火炎前面が生成されるバーナ。
【請求項２】
前記燃料供給チャネルが、少なくとも１つの燃料出口開口を備える端部先端部を備える、請求項１に記載のバーナ。
【請求項３】
少なくとも１つの端部先端部の構成が、前記バーナの他の端部先端部とは異なる請求項２に記載のバーナ。
【請求項４】
前記端部先端部が交換可能である請求項２または３に記載のバーナ。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の少なくとも１つのバーナを備える炉。
【請求項６】
前記バーナが前記炉の火室の壁部上に一列に設置される請求項５に記載の炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炉用のバーナに関する。
【背景技術】
【０００２】
該バーナは、公知であり、工業用のクラッキング設備（cracking installation）もしくはヒータもしくは水蒸気改質装置などの高温炉および／または低温炉に対して広く使用される。高温炉は、比較的高温で作動する、工業生産利用向けの、したがって実験用規模ではない炉であると理解される。典型的には、この動作温度範囲は、約１１００℃〜約１４００℃である。この動作温度は、維持することがかなり重要となる。また、かかるバーナは、１１００℃〜１４００℃の範囲外の温度にて作動する低温炉においても使用される。通常は、これらの炉は、火室の輻射セクション中に壁部取付け、または床部取付け、または天井部取付けされる。バーナは、炉を加熱する火炎前面を発生させる。炉内には、プロセス管が設置されているが、これらの管内を、例えば分解すべき炭化水素などの処理すべき生成物が、比較的高速で流れる。生産を高めるために、通常は、バーナは、比較的コンパクトな構成で位置決めされる。これらのバーナおよび／またはそれらの比較的コンパクトな構成の欠点は、火炎間相互干渉またはプロセス管方向への火炎のロールオーバが発生し得る点であり、これは、さらに管に達する場合もある。これは、プロセス効率および管の寿命を著しく減じる。火炎のロールオーバにより、管内部におけるコークスの形成が加速され、これにより、脱炭サイクル間の期間が短縮され、プロセス効率および炉の能力が低下する。さらに、プロセス管への火炎衝突により、管外部の外気が、交互に還元／酸化し、材料の劣化をもたらす。これにより、コストが上昇し、炉の可用性および／または能力が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第２００３／１４８２３６号明細書
【特許文献２】米国特許第２００７／２５４２５１号明細書
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Burners for Fired Heaters in General Refinery Services, API Recommended Practice 535 (Second Edition, January 2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、上述の欠点の少なくとも１つを未然に防ぐバーナを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
これに対して、本発明は、酸化媒質を供給するための少なくとも１つの供給チャネルと複数の周囲の燃料供給チャネルとを備える炉用のバーナであって、前記酸化媒質供給チャネルおよび前記燃料供給チャネルは、使用中に供給された酸化媒質と供給された燃料とが反応する際に火炎前面を形成するために、バーナ端部表面に相互に隣接して設置された出口開口を有し、前記酸化媒質供給チャネルの前記出口開口および前記燃料供給チャネルの前記出口開口は、前記バーナの前記端部表面に対して横断して構成されるとともにバーナ中心軸を貫通して延在する任意の平面に対して非対称的に設置され、それにより、前記燃料出口開口の分布、および／または前記燃料出口開口の寸法、および／または前記燃料出口開口の出口角度、および／または前記燃料出口開口の形状が、前記任意の平面に対して非対称的に設定され、それにより、使用中に、前記任意の平面に対して非対称的な火炎前面が生成される、バーナを提供する。非対称的な火炎前面が得られるような燃料出口開口および酸化媒質出口開口の構成をとることにより、隣接し合うバーナの火炎前面の相互干渉を未然に防ぐおよび／または最小限に抑えることが可能となり、それにより、火炎のロールオーバのリスクが低下する。本出願人は、非対称的な火炎前面を発生させるバーナを用いた場合には、火炎のロールオーバは実質的に存在しないことを、実験により確認した。したがって、管および／または炉の寿命、コスト、効率、および／または能力が、より予測可能なものとなり、より制御可能なものとなり得る。
【０００７】
公知のバーナは、対称的な火炎前面を有する火炎を発生させるように構成される点を指摘しておく。実際に、公知のバーナは、対称的な火炎形状（円錐形状、円筒形状、または魚尾形状など）が保証されるバーナ規格に準拠する必要がある。かかるバーナ規格は、例えば、「非特許文献１」において規定されている。
【０００８】
このようなバーナは例えば特許文献１から知られており、特許文献１は超低ＮＯｘバーナを開示しており、ここで、燃料および酸化剤の供給状態で、ラージスケールボルテックス（登録商標）デバイスの周囲に、多燃料ステージランス（multiple fuel stage lances）が提供される。特許文献１に開示されるようなプロセス加熱用超低ＮＯｘガス燃料バーナは、超低ＮＯｘ放出のために、光らなく均一の燃焼空間（non-luminous, uniform and combustion space）を可能にする。これは、保炎器により実現され、火炎全体の安定性を維持するとともに複数の一様間隔で配置され、かつ燃料ランスを下流に分岐して、大量の燃焼ガスの再循環を形成するための炉空間内のいくつかの乱流噴流に、平衡燃料を噴射している。特許文献２は、バーナアセンブリ軸に対して円周位置に、燃料ノズル及び酸化剤ノズルのスタガード角度配置（staggered angular placement）を有する超低ＮＯｘバーナを開示している。燃料ノズルは、バーナノズルアセンブリから異なる半径方向距離に又は同じ距離に設けることができる。加えて、オキシ燃料（oxy-fuel）燃焼中の火炎安定性を得るために、オキシ燃料保炎器は、バーナタイルに設置することができる。
【０００９】
火炎形状は、バーナタイル、ガス先端部の穿孔、およびバーナの空気力学により決定される。丸形バーナタイルは、円錐状または円筒状の火炎形状を生成するために使用される。平坦火炎バーナは、矩形バーナタイルを用いて設計され、魚尾形状の火炎を発生させる。これらのバーナは、耐火性壁部の付近において発火する場合に、または管間隔に制限がある場合に、使用される。
【００１０】
本出願全体を通して、火炎前面の「対称」および「非対称」という用語は、３次元鏡映対称に基づく。３次元鏡映対称は、対称面の周囲における鏡映対称として定義される。完全を期すために、２次元鏡映対称は、線または軸の周囲における鏡映対称として定義され得るものであり、したがって３次元鏡映対称とは明らかに異なる点に留意されたい。
【００１１】
本発明のさらなる詳細においては、バーナの端部表面に対して横断する対称面は、バーナの端部表面に設置された、バーナの丸形バーナタイルまたは矩形バーナタイルなどのバーナタイルの対称面として定義される。
【００１２】
本発明の他の一態様によれば、酸化媒質供給チャネルの出口開口および燃料供給チャネルの出口開口は、バーナタイルの任意の対称面に対して非対称的に設置され、この対称面または任意の対称面は、端部表面、すなわちバーナの端部表面に設置されたバーナタイルに対して横断して構成される。
【００１３】
したがって、本発明によれば、バーナ、少なくとも酸化媒質供給チャネルの出口開口および燃料供給チャネルの出口開口を含むバーナの端部表面は、対称面を有さない。したがって、本発明によるバーナにより発生した火炎前面は、やはり対称面を有さない。かかるバーナを用いることにより、先行技術のバーナの欠点が、少なくとも部分的に克服されて、隣接し合うバーナの火炎前面の相互干渉が未然に防がれ、および／または少なくとも最小限に抑えられ、それにより、火炎のロールオーバのリスクが低下する。
【００１４】
燃料出口開口は、非対称的に設置される。例えば、燃料出口開口の能力は、例えば高能力開口および低能力開口など、それぞれ異なり得るものであり、能力は、非対称的に設定される。一実施形態においては、燃料出口開口自体が、対称面に対して対称的な分布を幾何学的に有し得るが、低能力開口と高能力開口との間には差が存在し得るため、結果として能力の分布が非対称的になる。
【００１５】
有利には、本発明は、火室の動作温度を実現することが非常に重要である炉において適用される。この温度は、高温炉においては比較的高く、または低温炉においては比較的低いものであり得る。
【００１６】
代替的には、および／または追加的には、燃料出口開口の幾何学的分布は、対称面に対して非対称的であってもよく、その結果、非対称的な火炎前面が得られる。例えば、同一の燃料出口開口を非対称分布に設置すると、非対称的な火炎前面が形成され得る。
【００１７】
代替的には、および／または追加的には、出口開口の寸法は、対称面に対して非対称的に設定されてもよく、その結果、非対称的な火炎前面が得られる。例えば、燃料出口開口は、対称面に対して対称的に設置され得るが、それぞれ異なる寸法の出口開口が対称面に対して非対称的に分布することにより、非対称的な火炎前面が生成され得る。
【００１８】
代替的には、および／または追加的には、出口開口の出口角度は、非対称的な火炎前面を生成するために、対称面に対して非対称的に分布してもよい。
【００１９】
代替的には、および／または追加的には、出口開口の形状は、非対称的な火炎前面を生成するために、対称面に対して非対称的に分布してもよい。
【００２０】
出口開口を備える端部先端部を燃料供給チャネルの上に設置することにより、燃料出口開口の非対称構成が、比較的容易に実現され得る。これらの端部先端部は、通常は交換可能であり、そのため、出口開口の構成は、端部先端部を交換することにより変更され得る。好ましくは、非対称的な火炎前面を生成するために、様々な端部先端部が用意される。これらの端部先端部は、能力、出口開口の寸法、出口開口の個数、出口開口の出口角度、出口開口の形状等々においてそれぞれ異なり得る。
【００２１】
さらに、本発明は、非対称的な火炎前面を発生させる少なくとも１つのバーナを備える炉に関する。
【００２２】
さらなる有利な実施形態が、下位クレーム中に示される。
【００２３】
図面に示す例示的な実施形態に基づき、本発明をさらに説明する。これらの例示的な実施形態は、本発明の非限定的な実例として提示される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明によるバーナを有する炉の概略斜視図である。
【図２】図１の炉の詳細の概略斜視図である。
【図３】本発明によるバーナ端部表面の一実施形態の概略正面図である。
【図４】本発明によるバーナ端部表面の一実施形態の概略正面図である。
【図５】本発明によるバーナ端部表面の一実施形態の概略正面図である。
【図６ａ】端部先端部の概略正面図である。
【図６ｂ】図６ａの端部先端部の概略断面図である。
【図７ａ】火室の側壁部上に設置される標準的な先行技術のバーナの火炎エンベロープの概略断面図である。
【図７ｂ】本発明による非対称的なバーナの第１の実施形態の火炎エンベロープの概略断面図である。
【図７ｃ】本発明による非対称的なバーナの第２の実施形態の火炎エンベロープの概略断面図である。
【図８ａ】管レーン間に設置された標準的な先行技術のバーナの火炎エンベロープの概略断面図である。
【図８ｂ】管レーン間に設置された本発明によるバーナの火炎エンベロープの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
これらの図面は、本発明の実施形態を概略的に示すに過ぎず、非限定的な例として提示される点に、留意されたい。図面では、同一のまたは対応するパーツが、同一の参照数字で示される。
【００２６】
図１は、火室または輻射セクション２を備える炉１を示す。ここでは、火室２は、大型の矩形密閉チャンバ３として提示される。典型的には、チャンバ３は、幅が約３〜４メートル、高さが約１０〜１５メートル、および長さが約１０〜２０メートルである。典型的には側壁部４から１〜２メートルの位置であるこのチャンバのほぼ中心に、１列の配管５が設置される。配管５は、共にチャンバ３の上側部８に設けられた入口開口６および排出開口７を有することが可能である。この場合に、配管５は、Ｕ字型で構成されてもよい。あるいは、配管５は、チャンバ３の上側部８に入口開口６を有してもよく、チャンバ３の下側部９に排出開口７を有してもよい。また、他の構成がこの配管に関して可能である。
【００２７】
ここでは床である壁部４に、１列のバーナ１０が設置される。あるいは、バーナは、側壁部上にまたは天井壁部上に設置されてもよい。したがって、バーナ１０は、配管５の両側に設置され、両側から配管を加熱する。他の一実施形態においては、バーナは、配管のレーン間に設置されてもよい。バーナ１０は、チャンバ３およびチャンバ３内に設置された配管５を加熱する火炎前面（flame front）を発生させる。典型的には、チャンバ３は、高温炉の場合には約１１００℃〜１４００℃まで加熱される。
【００２８】
例えば、高温炉においては、エタン、プロパン、またはブタンなどの炭化水素を含む流れが、配管５を通り給送される。典型的には、この流れは、約２００ｍ／ｓの速度で配管５を通り給送される。入口開口６におけるこの流れの温度は、典型的には５００℃〜６００℃である。チャンバ３内にこの流れが比較的短期間にわたり滞留する間に、この流れの温度は、約８００℃〜９００℃にまで加熱されて、例えばエチレンまたはプロピレンなどを生成する化学反応を達成する。
【００２９】
典型的には、この配管の合金の最高温度は、約１１００℃である。したがって、火炎前面は、配管５には到達しないことが重要となる。なぜなら、火炎前面が配管５に到達すると、この材料の温度が過剰に高くなる、および／または、堆積物が配管の内側に形成され、これが反応効率を低下させるからである。高効率の観点から、バーナ１０は、相互に対して比較的近くに配置されるが、その場合には、火炎のロールオーバが発生する場合があり、これが、配管５および／または炉２の寿命を短縮させる、効率を低下させる、および／または能力を低下させる場合がある。
【００３０】
図７ａおよび図８ａは、標準的な対称的な先行技術のバーナの火炎エンベロープの概略断面図を示す。図７ａは、側壁部取付け型の対称的な先行技術のバーナの火炎エンベロープを示す。図８ａは、配管５のレーン間に配置された対称的な先行技術のバーナの火炎エンベロープを示す。配管５は、上方へと延在してもよく、先行技術のバーナは、床上に設置されてもよい。これらの火炎エンベロープが対称的であることにより、火炎間相互干渉が、領域Ｃにおいて生じる場合がある。
【００３１】
図２は、バーナ１０および配管５を示す。端部表面１１と配管５との間の距離は、典型的には約０．５〜約２メートルに限定されるが、火炎前面は、配管５へは延伸しない。
【００３２】
バーナ１０は、例えば燃焼用空気などの酸化媒質のための供給チャネル１２と、複数の燃料供給チャネル１３とを備える。燃料供給チャネル１３は、酸化媒質供給チャネル１２に対して周囲に設置される。供給チャネル１２、１３は、それぞれバーナ端部表面１１にて終端する出口開口１４、１５を有する。出口開口１４、１５は、使用中に、供給された酸化媒質と供給された燃料とが反応すると、火炎前面が形成されるように、相互に隣接して設置される。燃料出口開口１５は、端部表面１１にて終端してもよく、または、例えば燃料供給チャネル１３が端部表面１１から幾分か延在する場合などには、端部表面１１の若干外部にて終端してもよく、または、例えば燃料供給チャネル１３が端部表面１１の幾分か上流にて終端する場合には、端部表面１１の内部にて終端してもよい。多数の変更が、可能であり、バーナ端部表面１１に設置された出口開口１４、１５の範囲内に含まれると見なされる。
【００３３】
使用中に、酸化媒質は、酸化媒質供給チャネル１２を経由して供給され、酸化媒質出口開口１４を経由して排出される。燃料は、燃料供給チャネル１３を経由して供給され、燃料出口開口１５を経由して射出される。燃料および酸化媒質が反応し、火炎前面が生成されて、チャンバ３を加熱する。
【００３４】
好ましくは、火炎前面は、例えば卵形状または内方湾曲部を有する凹形状等々、非対称的である。図７ｂ、図７ｃ、および図８ｂは、非対称的なバーナからの非対称的な火炎エンベロープの例を示す。非対称的な火炎前面の場合には、隣接するバーナ１０の火炎前面との相互干渉は、限定された状態に留まり、これにより、火炎前面が配管５に達する火炎のロールオーバに関するリスクが低下する。特に、図８ｂは、隣接し合う非対称の火炎エンベロープ間の相互干渉が存在しないことを示す。
【００３５】
非対称の火炎前面を生成するために、燃料出口開口１５は、バーナ１０の端部表面１１に対して横断する（transverse）対称面に対して非対称的に設置される。図３、図４、および図５は、対称面Ａに対する燃料出口開口１５の非対称構成の例を示す。対称面Ａは、例えばバーナ１０の端部表面１１に設置されるバーナタイルのなど、バーナ１０の端部表面１１の対称面として定義される。かかる対称面Ａは、バーナ１０の端部表面１１に対して横断して延在し、それと同時に、バーナ１０の中心軸（図示せず）を貫通して延在する。実際には、燃料出口開口１５は、バーナ１０の端部表面１１に対して横断し、前記バーナ１０の中心軸（図示せず）を貫通して延在する、任意の平面に対して非対称的に設置されてもよい。燃料出口開口１５は、図４に図示するように非対称に設置することが可能である。また、燃料出口開口の能力（capacity）は、図３に図示するように、非対称的に分布してもよい。高能力の燃料出口開口１５ａは、対称面Ａに対して非対称に分布する。これらの燃料開口１５、１５ａは、対称面Ａに対して、または任意の他の対称面に対して、対称的に設置されるが、その能力は、非対称的に設定され、それにより、非対称的な火炎前面が得られる。
【００３６】
図４に示す別の実施形態においては、燃料出口開口１５は、対称面Ａに対して非対称的に分布し、それにより非対称的な火炎前面をもたらす。換言すれば、図４においては、燃料出口開口１５は、中心軸Ｃに対して非対称的に分布して、隣接し合う燃料出口開口１５は、中心軸Ｃに対して相互に異なる円周方向距離および／または半径方向距離にて設置される。
【００３７】
図５に示す別の実施形態においては、燃料出口開口１５、１５ａは、非対称的に分布し、これらの燃料出口開口の能力は、対称面Ａまたは任意の他の対称面に対して非対称的に設定される。高能力燃料出口開口１５ａは、対称面Ａに対して非対称的に分布する。さらに、燃料出口開口１５、１５ａは、対称面Ａに対して非対称的に分布し、それにより、非対称的な火炎前面が得られる。また、この実施形態においては、隣接し合う燃料出口開口１５、１５ａ間の半径方向距離、および／または隣接し合う燃料出口開口１５、１５ａ間の円周方向距離は、変更されてもよい。
【００３８】
非対称的な火炎前面をもたらす燃料出口開口の多数の構成および分布が可能であり、これらは全て、本発明の範囲内に含まれると見なされる。また、対称面に対して非対称的に分布する出口開口のそれぞれ異なる出口角度、および／またはそれぞれ異なる寸法、および／またはそれぞれ異なる形状を設定することにより、非対称的な火炎前面が生成されてもよい。
【００３９】
燃料供給チャネル１３の端部部分は、非対称的に設置された、本発明による複数の端部先端部１６を備える。図６に示すように、端部先端部１６は、燃料出口開口１５を備える。燃料ガスは、チャネル１３を通り矢印Ｂの方向に流れる。端部先端部１６は、好ましくは炉２の使用中に、交換可能であってもよい。端部先端部１６が交換可能であることにより、例えば通常能力の端部先端部１５が、高能力の端部先端部と比較的容易に置換され得る。また、端部先端部１６は、それぞれ異なる出口開口１５を備えてもよい。これらの出口開口１５は、それぞれ異なる出口角度、および／またはそれぞれ異なる寸法、および／またはそれぞれ異なる形状を有してもよい。非対称的に分布する端部先端部が、それぞれ異なる出口開口の特徴、例えば寸法、形状、出口角度、能力等々を備えることにより、非対称的な火炎前面が生成され得る。
【００４０】
多数の変更が、当業者には自明であろう。あらゆる変更は、以下の特許請求の範囲において規定されるような本発明の範囲内に含まれるものとして理解される。
【符号の説明】
【００４１】
１  炉
２  火室、輻射セクション
３  大型の矩形密閉チャンバ
４  側壁部
５  配管
６  入口開口
７  排出開口
８  上側部
９  下側部
１０  バーナ
１１  端部表面
１２  酸化媒供給チャネル
１３  燃料供給チャネル
１４  酸化媒質出口開口
１５  燃料出口開口
１５ａ  燃料出口開口
１６  端部先端部
Ａ  対称面
Ｂ  矢印
Ｃ  中心軸
【図１】
0006039582.tif 000002
【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６ａ】
0006039582.tif 000007
【図６ｂ】
0006039582.tif 000008
【図７ａ】
0006039582.tif 000009
【図７ｂ】
0006039582.tif 000010
【図７ｃ】
0006039582.tif 000011
【図８ａ】
0006039582.tif 000012
【図８ｂ】
0006039582.tif 000013