(57)【要約】  各々がその内部に位置する加熱要素を有する、少なくとも１つの輻射加熱部を有する加熱炉装置が開示されている。この装置は少なくとも１つの輻射加熱部に動作するように接続された対流部を含み、対流部は少なくとも１つの垂直配向対流管を有する。少なくとも１つの対流管の各々は少なくとも１つの輻射加熱部に動作するように接続されている。少なくとも１つの対流管の各々は、内部を流れるプロセス流体を有する内管と、内管の所定部に沿って延びる外管とを備え、プロセス流体が少なくとも１つの輻射加熱部によって加熱され、外管は内管から離間されてそれらの間に流路を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々がその内部に位置する加熱要素を有する、少なくとも１つの輻射加熱部；および
前記少なくとも１つの輻射加熱部に動作するように接続された対流部
を備え、
前記対流部が少なくとも１つの垂直配向対流管を有し、
前記少なくとも１つの対流管の各々が、前記少なくとも１つの輻射加熱部に動作するように接続されていることを特徴とする加熱炉装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの対流管の各々が、
内部を流れるプロセス流体を有する内管；および
前記内管の所定部に沿って延びる外管
を備え、
前記プロセス流体が、前記少なくとも１つの輻射加熱部によって加熱され、
前記外管が、前記内管から離間されてそれらの間に流路を形成する
ことを特徴とする請求項１に記載の加熱炉装置。
【請求項３】
前記流路内で前記内管から前記外管に向かって外側に延びる少なくとも１つの半径方向延長フィンを更に備え、前記少なくとも１つの半径方向延長フィンの各々が前記外管の長さで延びていることを特徴とする請求項２に記載の加熱炉装置。
【請求項４】
前記流路が、第１の解放端および第２の解放端を有し、
前記流路の前記第１の解放端が、前記少なくとも１つの輻射加熱部に動作するように接続されており、
前記少なくとも１つの輻射加熱部内の排煙が、前記第１の開放端を介して前記少なくとも１つの輻射加熱部から前記流路に進入する
ことを特徴とする請求項３に記載の加熱炉装置。
【請求項５】
前記流路中を移動する排煙が前記第２の開放端を介して前記流路を出るように、前記第２の解放端が、プレナムに動作するように接続されていることを特徴とする請求項４に記載の加熱炉装置。
【請求項６】
予熱ユニットを更に備え、前記プレナムが前記予熱ユニットに動作するように結合されていることにより、前記流路を出る前記排煙が前記プレナムを通って前記予熱ユニットへ移動することを特徴とする請求項５に記載の加熱炉装置。
【請求項７】
外気を前記予熱ユニットに供給する押込送風機を更に備えることを特徴とする請求項６に記載の加熱炉装置。
【請求項８】
前記少なくとも１つの対流管の各々が、前記外管を囲む耐火層を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の加熱炉装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つの輻射加熱部が、
前記対流ユニットの一方側に位置する第１の輻射加熱部；および
前記対流ユニットの他方側に位置する第２の輻射加熱部
を、それらの間に前記対流ユニットが位置するように含むことを特徴とする請求項１に記載の加熱炉装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの対流管の各々が、
内部を流れるプロセス流体を有する内管；および
前記内管の所定部に沿って延びる少なくとも１つの外管
を備え、
前記プロセス流体が、前記第１の輻射加熱部および第２の輻射加熱部によって加熱され、
前記少なくとも１つの外管が、前記内管から離間されてそれらの間に流路を形成する
ことを特徴とする請求項９に記載の加熱炉装置。
【請求項１１】
前記流路内で前記内管から前記外管に向かって外側に延びる少なくとも１つの半径方向延長フィンを更に備え、前記少なくとも１つの半径方向延長フィンの各々が、前記外管の長さで延びていることを特徴とする請求項１０に記載の加熱炉装置。
【請求項１２】
前記流路が第１の解放端および第２の解放端を有し、
前記流路の前記第１の解放端が、前記第１の輻射加熱部および第２の輻射加熱部に動作するように接続されており、
前記第１および第２の輻射加熱部からの排煙が、前記第１の開放端を介して前記少なくとも１つの輻射加熱部から前記流路に進入する
ことを特徴とする請求項１１に記載の加熱炉装置。
【請求項１３】
前記流路中を移動する排煙が前記第２の開放端を介して前記流路を出るように、前記第２の解放端が、プレナムに動作するように接続されていることを特徴とする請求項１２に記載の加熱炉装置。
【請求項１４】
前記各内管が、
第１の垂直延長部；
第２の垂直延長部；および
前記第１の垂直延長部を前記第２の垂直延長部に接続する接続部
を備え、それによりプロセス流体が前記第１の垂直延長部中を通って前記接続部へ流れた後、前記第２の垂直延長部内に流れることを特徴とする請求項１２に記載の加熱炉装置。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの外管が、
前記第１の垂直延長部の所定部に沿って延びる第１の外管；および
前記第２の垂直延長部の所定部に沿って延びる第２の外管
を備えることを特徴とする請求項１４に記載の加熱炉装置。
【請求項１６】
前記各流路が第１の解放端および第２の解放端を有し、
前記流路の前記第１の解放端が、前記第１および第２の輻射加熱部に動作するように接続されており、
前記第１および第２の輻射加熱部の各々の排煙が、前記第１の開放端を介して前記流路に進入する
ことを特徴とする請求項１５に記載の加熱炉装置。
【請求項１７】
前記流路中を移動する排煙が前記第２の開放端を介して前記流路を出るように、前記第２の解放端の各々が、プレナムに動作するように接続されていることを特徴とする請求項１６に記載の加熱炉装置。
【請求項１８】
予熱ユニットを更に備え、前記プレナムが前記予熱ユニットに動作するように結合されていることにより、前記流路を出る前記排煙が、前記プレナムを通って前記予熱ユニットへ移動することを特徴とする請求項１７に記載の加熱炉装置。
【請求項１９】
外気を前記予熱ユニットに供給する押込送風機を更に備えることを特徴とする請求項１７に記載の加熱炉装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は垂直配置対流部を有する、陽圧を用いる高効率低排出加熱炉装置に関する。陽圧を用いることにより、加熱に必要な大きさを低減して小型炉設計をもたらす強制対流熱伝達を可能にする。本発明による加熱炉装置は、製油および石油化学用途で用いられると考えられる。
【背景技術】
【０００２】
石油精製所および石油化学プラントにおいて加熱炉が通例用いられているが、それはこれらの加熱炉が、通例他の用役源から得ることができない高レベルの熱を供給できるからである。現在商業的に実施されている従来の加熱炉は、輻射部と、対流部と、空気予熱器と、超低ＮＯｘバーナーとを含む。対流部は輻射部の上に位置する。対流部の対流管は水平配向を有する。
【０００３】
従来の加熱炉は予熱空気を利用して加熱炉効率を最大限にする。従来の加熱炉は押込送風機と吸出送風機とを有する平衡送風設計を必要とする。押込送風機は外気を予熱器へそしてその後加熱炉へ供給する。吸出送風機は排煙を引き出す。しかしこの装置は更なる外気を進入させやすい。外気の進入は加熱炉の運転に悪影響を与える。その結果従来の加熱炉は、燃焼関連不安定性を防止するために、３％以上の過剰なＯ２レベルで運転しなければならない。これは炉効率を低下させるため９１〜９２％という典型的最大達成可能炉効率しか達成されない。効率の低下は全ＮＯｘおよび温室効果ガス排出の増加をもたらす。
【０００４】
燃料に対する増え続ける要求、そのコストの上昇、と同時に排出削減に対する規制の強化により、排出を低減しつつ炉効率を最大にする加熱炉の必要性がある。この必要性は特に大型炉（１００ＭＢｔｕ／ｈｒを超える）にある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態の態様は、高効率、低排出および小型設計を有する加熱炉装置に関する。炉効率の上昇は燃料消費の低下をもたらし、エネルギーの節約並びにそれに対応するＮＯｘおよび温室効果ガス排出の低減につながる。
【０００６】
加熱炉内で陽圧（即ち大気を超える）を利用して外気の進入を防止することが本発明の一態様である。加熱炉装置全体が陽圧下で運転されてもよいことが考えられる。陽圧運転の利用は、より低い過剰Ｏ２の加熱炉装置の運転を可能にする。過剰Ｏ２の低減はより高い効率およびより低い排出をもたらす。
【０００７】
陽圧運転の利用は、加熱炉の対流部における排煙からプロセス流体への熱の強制対流熱伝達も可能にする。強制対流熱伝達は、プロセス流体を加熱するのに必要な有効対流熱伝達面を低減し、ユニットサイズを低減する。
【０００８】
縦方向フィン付き垂直管を有する対流部を提供することは本発明の他の態様である。管は半径方向に延びる離間フィンを有する。この配置はプロセス流体への熱伝達を強化する。
【０００９】
小型構成を有する加熱炉を提供することは本発明の他の態様である。独自の配置は対流部を輻射部間に配置することよって達成される。
【００１０】
本発明による加熱炉は炉全体にわたり陽圧で動作するため、押込送風機しか必要としない。押込送風機よりもメンテナンス上の問題になりやすい吸出送風機は必要ない。
【００１１】
加熱炉全体にわたり押込送風のみを利用すると、炉を１〜２％というより低い過剰Ｏ２レベルで運転することができる。そのようなものとして９５％という保有熱効率を達成することができる。加えてより高い効率の結果、低燃料燃焼のため推定３％低いＮＯｘおよび温室効果ガス排出を実現することができる。
【００１２】
これらおよび他の態様は、２つの輻射室間に位置する垂直管配向の対流部を有する２連垂直管箱型輻射部を含む加熱炉装置を対象とする本発明により実現することができる。本発明の対流部設計概念は以下のような加熱炉に特有である。対流部内の各管は、空部と縦方向フィン付き管を有する区分フィン付き部とで構成されている。各管のフィン付き管部は、排煙外郭を形成して排煙流用経路を提供する外部耐火裏付き金属スリーブに包まれている。輻射部からの排煙は対流部の上部に進入し、熱を管内のプロセス流体と交換するが、従来の二重管式熱交換器内の流路と同様に、まず空部と、その後各管の排煙外郭内のフィン付き部と交換する。このように各管内のプロセス流体流に対する排煙流は、各通路内の交互並流および向流の組み合わせである。各管の周囲の排煙外郭は管シート内に溶接され、管シートは排煙プレナム内に溶接されている。各外郭からの排煙はプレナム内に出るとともに、高効率空気予熱ユニット中を流れ、その後煙突内に通される。押込送風機からの外気は空気予熱ユニット内で予熱され、その後炉床に位置するバーナーに通される。押込送風機は予熱燃焼空気流と、炉全体にわたる空気および排煙流回路用の必要なヘッド（通例２５インチの水）とを提供する。本発明では吸出送風機は存在しない。
【００１３】
本発明の態様によれば加熱炉装置は少なくとも１つの輻射加熱部を含む。各輻射加熱部は加熱要素を含む。加熱炉装置は少なくとも１つの輻射加熱部に動作するように接続された対流部を更に含む。対流部は垂直配向されているとともに、少なくとも１つの垂直配向対流コイルを含む。上部支持管を有する垂直管配向はメンテナンスの減少をもたらす。吸出送風機および関連する管類の排除は、低コストの設計を加える。各対流管の一部は少なくとも１つの輻射加熱部に動作するように接続されている。
【００１４】
本発明によれば少なくとも１つの対流管の各々は、内部を流れるプロセス流体を有する内管を含む。プロセス流体は少なくとも１つの輻射加熱部によって加熱される。各対流管は内管の所定部に沿って延びる外管も含む。外管は内管から離間されてそれらの間に流路を形成する。流路は、内管から外管に向かって外側に延びる、内部に位置する少なくとも１つの半径方向延長フィンを含んでもよい。各フィンは外管の長さ延びている。強制対流とフィン間のより広い空間との組み合わせは、フィン付き管の付着物を事実上排除する。付着物の低減および／または排除は、設計効率および低メンテナンスコストの維持に役立つ。垂直管の各々は縦方向延長フィンにより囲まれた内管を含むことが好ましい。管およびフィンは耐火裏付き金属スリーブによって囲まれている。外管は外管を囲む耐火層を含むことが好ましい。
【００１５】
本発明の一態様によれば流路は第１の解放端と第２の解放端とを有する。流路の第１の解放端は少なくとも１つの輻射加熱部に動作するように接続されている。この配置によれば少なくとも１つの輻射加熱部からの排煙は、第１の開放端を介して流路に進入する。排煙は内管内に含まれるプロセス流体を更に加熱するように作用する。流路中を移動する排煙が第２の開放端を介して流路を出てプレナム内に入るように、第２の解放端がプレナムに動作するように接続されている。プレナムが予熱ユニットに動作するように結合されて、流路を出る排煙がプレナムを通って予熱ユニットへ移動し、そこで排煙が進入外気を予熱する。
【００１６】
本発明の他の態様によれば、加熱炉装置は押込送風機を備える。押込送風機は外気を予熱ユニットに供給し、外気はその後少なくとも１つの輻射加熱部に供給される。本発明によれば、外気を供給するとともに加熱炉装置中に外気を移動させるために、押込送風機しか必要ではない。そのようなものとして加熱炉装置は陽圧下で動作する。
【００１７】
本発明の他の態様によれば加熱炉装置は、第１の輻射加熱部と第２の輻射加熱部とを含む。第１および第２の加熱部は、対流ユニットが間に位置するように対流ユニットの両側に位置する。第１および第２の輻射加熱部は、プロセス流体が対流ユニットを介して流れる際にプロセス流体を加熱する。
【００１８】
各対流管は概してＵ状内管を有し得ることが考えられる。各内管は第１の垂直延長部と、第２の垂直延長部と、第１の垂直延長部を第２の垂直延長部に接続する接続部とを備える。プロセス流体は第１の垂直延長部中を接続部内に流れた後、第２の垂直延長部内に流れる。垂直延長部の各々は垂直延長部の所定部に沿って延びる外管を含み得る。第１の外管は第１の垂直延長部の所定部に沿って延びるとともに、第２の外管は第２の垂直延長部の所定部に沿って延びる。流路は内管と第１の外管との間および内管と第２の外管との間に位置する。各流路は第１の解放端と第２の解放端とを有する。第１および第２の輻射加熱部の各々の排煙が第１の開放端を介して流路に進入するように、流路の各第１の解放端が第１および第２の輻射加熱部に動作するように接続されている。流路中を移動する排煙が第２の開放端を介して流路を出るように、第２の解放端の各々がプレナムに動作するように接続されている。
【００１９】
本発明のこれらの態様および他の態様は、詳細な説明および添付の図面を併用することで明らかになろう。
【００２０】
ここで添付の図面に関連して本発明を説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
ここで図に従って本発明をより詳細に説明する。本発明の実施形態による加熱炉装置１０が図１に図示されている。加熱炉装置１０は、外気を空気予熱ユニット１２に供給する押込送風機ユニット１１を含む。押込送風機ユニット１１は陽圧下で外気を空気予熱ユニット１２に供給する。押込送風機ユニット１１は加熱炉装置１０を陽圧下に維持して、外気の進入を防止するように動作する。
【００２２】
外気は図１に図示するように空気予熱ユニット１２中を移動する。外気はその後管路１３中を移動する。管路１３は加熱炉装置１０の少なくとも１つの輻射加熱部１４に接続されている。管路１３は予熱空気を輻射加熱部１４に供給する。各輻射加熱部１４内に位置するのは、少なくとも１つの加熱要素１４１である。加熱要素１４１は予熱空気を更に加熱する。各加熱要素１４１はバーナーまたは他の適当な熱源であることが考えられる。加熱要素１４１は様々な加熱炉サイズ、サービスおよびデューティを備える多数の用途で商業的に実績のある超低ＮＯｘバーナーであることが好ましい。
【００２３】
輻射加熱部１４はプロセス流体を含む管類１４２によって囲まれている。輻射加熱部１４内の加熱空気は図２に示されるよう上方に移動する。輻射加熱部１４の一方側に位置しているのは垂直配置対流加熱部１５である。対流加熱部１５は、輻射加熱部１４と対流加熱部１５とが動作するように接続されるように、輻射加熱部１４に隣接配向されている。一対の輻射加熱部１４ａおよび１４ｂは図２に示されるように設けられていることが好ましい。輻射加熱部１４ａおよび１４ｂは両方とも対流加熱部１５に動作するように接続されている。このような配置により、外気が加熱要素１４１によって加熱された時に生成される加熱排煙は、対流加熱部１５に向けられて対流加熱部１５を通過するプロセス流体を加熱する。
【００２４】
ここで図２および３に関連して対流加熱部１５をより詳細に説明する。垂直配向対流加熱部１５は一対の輻射加熱部１４ａと１４ｂとの間に位置決めされている。対流加熱部１５は複数の垂直延長管１５１を含む。各垂直延長管１５１は、プロセス流体が流れる内管１５２を含む。外管１５３が内管１５２の所定の長さに沿って延びている。外管１５３は内管１５２の全長に沿って延びていないことが好ましく、その理由は明らかになるであろう。外管１５３は、流路１５４が間に形成されるように内管１５２から離間されている。複数の半径方向延長フィン１５５が、流路１５４内で内管１５２から外管１５３に向かって外側に向かって延びている。熱伝導フィン１５５は流路１５４内で十分に離間されて、流路１５４を通過する排煙からのフィン１５５上の堆積物によって形成され得る、流路１５４内の付着物を防止する。外管１５３は外耐火層１５６を含んでもよい。
【００２５】
前述したように外管１５３は内管１５２の全長に沿って延びていない。このような配置により開口１５７および１５８は流路１５４の対向端に形成されている。第１の開口１５７は外管１５３の上端に位置して、輻射加熱部１４ａおよび１４ｂから流路１５４内への排煙の流れを可能にする。加熱フローガスはフィン１５５の上方を通過して流路１５４内へ流れ、それによりフィン１５５を加熱する。熱はその後フィン１５５から内管１５２内に位置するプロセス流体へ伝達される。流路１５４内への排煙の進入の前に、排煙は内管１５２の上部露出部に接触する。これが内管１５２の加熱をもたらす。熱はその後内管１５２中を流れるプロセス流体に伝達される。
【００２６】
排煙が流路１５４中を移動した後、排煙は開口１５８を介して流路１５４を出る。外管１５３は、対流加熱部１５の下方に位置するプレナム１６に接続されまたはプレナム１６内に延びている。このような配置により第２の開口１５８はプレナム１６内に位置する。図１に示すようにプレナム１６は空気予熱ユニット１２に接続されている。対流加熱部１５からプレナム１６内に出る排煙は空気予熱ユニット１２に移動し、そこで排煙は図１に示すように煙突１７を介して出る前に進入する外気を予熱する。
【００２７】
内管１５２が、対流加熱部１５を通過する多数の通路を生成してプロセス流体を加熱することが考えられる。内管１５２の各垂直部は上述した様態で内管１５２の所定の長さに沿って延びる外管１５３を含み、そのため内管１５２の各垂直部がその周りに形成される対応流路を含むことになる。接続部を内管１５２の垂直部の上下端に形成することにより、プロセス流体の流れを、対流加熱部１５中の通路の他の垂直部内に再指向させることができる。更に各対流加熱部１５が複数の別々の内管１５２を含み得ることも考えられる。このような配置により２つ以上のプロセス流体を、単一の対流加熱部１５によって加熱することができる。
【００２８】
加熱炉装置１０の全体にわたる陽圧による押込送風設計の結果、空気進入が排除され、そのためより低い過剰Ｏ２運転を可能にする。より低い過剰Ｏ２は相当するより高い効率、並びにより低いＮＯｘおよび温室効果ガス排出をもたらす。
【００２９】
以下の表１に示すように本発明は、空気予熱器を利用した１００ＭＢｔｕ／ｈｒの従来加熱炉と比べた場合、加熱炉熱効率の３％の上昇、ＮＯｘおよび温室効果ガス排出の３％低減を提供することが推定される。空気予熱器のない従来加熱炉と比べた場合、上昇はより顕著である。
【００３０】
【表１】
2009540267.tif 000003
【００３１】
本明細書に説明したように本発明において様々な変形を行うことができるとともに、特許請求の範囲に規定したように本発明の趣旨および範囲内にあり、そのような趣旨と範囲とから逸脱することのない、装置および方法の多様な実施形態がなされうる。添付の明細書に含まれる内容はすべて、あくまでも例示として解釈されるものであって限定することを意味するものではないことが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態による最新式加熱炉装置の側面斜視図である。
【図２】図１の最新式加熱炉装置の２連垂直管箱型輻射部の概略図である。
【図３】対流部管の部分斜視図である。
【図４】内管およびフィンを図示する対流管の部分斜視図である。
【図５】本発明の実施形態による対流加熱部を図示する斜視図である。
【図６】本発明による対流加熱部に隣接する１つの輻射加熱部の概略図である。
【図１】
2009540267.tif 000004
【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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【国際調査報告】
2009540267.tif 000010
2009540267.tif 000011
2009540267.tif 000012