(57)【要約】  本発明は、バーナーに関し、バーナーは、（ａ）バーナーパイプと、（ｂ）酸素含有ガスおよび燃料ガスを混合するために、および、バーナーパイプ内に結果として生じるガス混合物を排出するために、バーナーパイプの中に配置された混合手段と、（ｃ）混合手段の下流で、バーナーパイプの中心にある安定化手段とを含み、安定化手段は、流れ方向に広くなる円錐形状の本体を含む。【選択図】図１
2014501904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナーであって、前記バーナーは、
（ａ）バーナーパイプと、
（ｂ）酸素含有ガスと燃料ガスを混合し、結果として生じるガス混合物を前記バーナーパイプ内に排出するために、前記バーナーパイプの中に配置された混合手段と、
（ｃ）前記混合手段の下流で、前記バーナーパイプの中心にある安定化手段とを含み、
前記安定化手段は、流れ方向に広くなる円錐形状の本体を含む、バーナー。
【請求項２】
前記円錐形状の本体は、中実の本体である、請求項１に記載のバーナー。
【請求項３】
前記円錐形状の本体は、中空の本体である、請求項１に記載のバーナー。
【請求項４】
前記安定化手段は、前記円錐形状の本体の上流端部に接続された円筒形状の本体をさらに含む、請求項１から３までのいずれか一項に記載のバーナー。
【請求項５】
前記円錐形状の本体の円錐角度は、５度から４５度の範囲にある、請求項１から４までのいずれか一項に記載のバーナー。
【請求項６】
前記円錐形状の本体の円形ベース部の直径と、この円形ベース部における前記バーナーパイプの内径との間の比率は、０．３５から０．９５の範囲にある、請求項１から５までのいずれか一項に記載のバーナー。
【請求項７】
前記混合手段は、その長手方向軸線が前記バーナーパイプの長手方向軸線と一致するように配置された混合管である、請求項１から６までのいずれか一項に記載のバーナー。
【請求項８】
前記バーナーは、火炎検出手段をさらに含む、請求項１から７までのいずれか一項に記載のバーナー。
【請求項９】
前記バーナーは、点火手段をさらに含む、請求項１から８までのいずれか一項に記載のバーナー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バーナーに関し、より具体的には、燃料ガスおよび酸素含有ガスが、点火の前に予混合されるガスバーナーに関する。本発明のバーナーは、とりわけ、ガス状の炭化水素含有燃料の部分酸化によって合成ガスを製造するための部分酸化反応器の中の補助バーナーまたは加熱（ｈｅａｔ−ｕｐ）バーナーとして適切である。
【背景技術】
【０００２】
部分酸化プロセスは、例えば、加圧された合成ガス、燃料ガス、または、還元ガスの生成のために使用される。このために、ガス状のまたは液体の炭化水素燃料および酸素含有ガスが、例えば、ＷＯ−Ａ−９６／０３３４５に記載されているように、メインガス化バーナーを介して反応器の中へ導入される。反応器の中で、火炎が維持され、その中では、燃料が、酸素含有ガスと反応し、一酸化炭素および水素を含むガスを形成する。
【０００３】
部分酸化反応器を起動するために、反応器およびその耐火性ライニングの温度は、燃料が酸素含有ガスとともに自然発火することを可能にするのに十分に高いレベルまで上昇させられるべきであり、その結果、部分酸化反応が開始される。このために、補助バーナーが、使用されることが可能である。補助バーナーは、酸素含有ガスと炭化水素燃料の混合物が、これらの反応物質がメインガス化バーナーを介して反応器の中へ導入されたときに、自発的に点火されるような高いレベルまで、反応器および耐火性ライニングの温度を上昇させるのに十分に高い容量を有していなければならない。したがって、常に、補助バーナーの容量（すなわち、バーナー口の単位面積当たりに生成される出力）を最大化することを目指している。
【０００４】
補助バーナーは、適切には、メインガス化バーナーの内側に、その中心軸線に沿って、永久的にまたは後退可能な方式のいずれかで位置付けられている。このように、分離されたノズルおよび耐火性プラグは反応器の中に必要ない。メインガス化バーナーの寸法は限られているので、補助バーナーは、前記メインガス化バーナーの中に装着されるようにコンパクトでなければならない。
【０００５】
例えば、ＥＰ−Ａ−２，０８５，６９６は、点火器バーナーを含む補助バーナーを開示しており、点火器バーナーは、第一次燃料供給ラインおよび１つまたは複数の第二次燃料供給ラインに接続され、そのそれぞれは、点火器バーナーの下流に所定の距離を隔ててバーナー口につながっている。酸素含有ガスの流れのための供給物が、点火器バーナーの上流に位置付けられている。第二次燃料供給ラインのバーナー口は、適切には、それぞれ、流れ方向に広くなる円錐状のディスクによって取り囲まれている。バーナー口の中のノズル開口は、円錐状のディスクの内部側面に沿ってガス流れを案内するように方向付けられている。これは、第二次燃料供給ラインのバーナー口から来る火炎の安定性の改善をもたらす。
【０００６】
ＥＰ−Ａ−２，０８５，６９６による補助バーナーから来る火炎は、火炎安定性を制御することをより難しくする多数の火炎から構成される。そのうえ、ＥＰ−Ａ−２，０８５，６９６の補助バーナーでは、燃料と酸素含有ガスの予混合は起こらず、それは、バーナーの内側のすす形成のリスクを増加させる。最終的に、多数の燃料供給ラインが中心点火器バーナーの周りに対称的に配置されるべきであるので、この補助バーナーの製造は、比較的複雑である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、改良されたバーナーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
したがって、本発明は、バーナーに関し、バーナーは、
（ａ）バーナーパイプと、
（ｂ）酸素含有ガスと燃料ガスを混合するために、および、前記バーナーパイプ内に結果として生じるガス混合物を排出するために、前記バーナーパイプの中に配置された混合手段と、
（ｃ）前記混合手段の下流で、前記バーナーパイプの中心にある安定化手段とを含み、
前記安定化手段は、流れ方向に広くなる円錐形状の本体を含む。
【０００９】
本発明のバーナーは、高い加熱容量を有し、非常にコンパクトである。そのうえ、それは、単一の燃料供給ラインを有しており、製造が複雑でない。また、スタビライザーの特定の構成に起因して、火炎安定性が非常に良好であり、一方、同時に、燃料の高い処理能力が実現されることが可能であるということも見い出された。本バーナーのコンパクト性、高い加熱容量、良好な火炎安定性、および、高い燃料処理能力は、本発明のバーナーを、部分酸化反応器のメインバーナーの中の補助バーナーとして非常に適切なものにする。
【００１０】
本明細書で使用されているような「流れ方向」、「上流」、および「下流」の表現は、バーナーが作動しているときのバーナーの中のガス（すなわち、燃料ガス、酸素含有ガス、および、燃料ガスと酸素含有ガスの混合物）の流れ方向を意味している。
【００１１】
安定化手段またはスタビライザーは、その長手方向軸線に沿って、バーナーパイプの中心に配設されている。安定化手段の機能は、安定化手段とバーナーパイプの内側壁との間のゾーンの中に、燃料ガスと酸素含有ガスの混合物の安定的で均質的な流れを確実にすることであり、バーナーヘッドに向かって安定化手段の下流に安定的な火炎が存在するようになっている。
【００１２】
本発明によれば、安定化手段は、安定化手段の下流端部に円錐形状の本体を含んでおり、円錐形状の本体は、流れ方向に広くなっている。安定化手段の位置を考えると、円錐形状の安定化本体の軸線は、バーナーパイプの長手方向軸線と一致している。円錐形状のスタビライザー本体に関して、この文脈で使用されているような「軸線」の用語は、円形ベース部の中心、および、円錐形状のスタビライザー本体の（仮想の）頂点を通過する直線を意味しており、その周りで、円錐形状の安定化本体の側方表面または外側表面が、回転対称性を有している。
【００１３】
円錐形状の本体に加えて、また、安定化手段は、円錐形状の本体の上流端部および／または下流端部に接続された１つまたは複数の円筒形状の本体を含むことも可能であり、１つの円筒形状の本体または複数の円筒形状の本体は、（１つまたは複数の）円筒形状部の中心長手方向軸線が円錐形状部の軸線と一致するように、円錐形状の本体に接続されている。円錐形状部の下流端部に接続されたスタビライザーの任意の円筒形状部は、適切には、円錐形状部の円形ベース部と実質的に同じ直径を有することとなる。本発明の好適な実施形態では、安定化手段は、円錐形状の本体の上流端部に接続された円筒形状の本体をさらに含む。スタビライザーの下流円形端部、すなわち、円錐形状部のベース部、または、スタビライザーの円筒部の下流端部は、閉じた円形平面であることが可能であるか、または、開いていることが可能である。したがって、円錐形状部、および／または、上流端部もしくは下流端部においてそれに接続された任意の円筒形状部は、中実または中空であることが可能である。１つの好適な実施形態では、円錐形状の本体は、中実の本体である。別の好適な実施形態では、円錐形状の本体は、中空の本体である。そのうえ、さらなる好適な実施形態では、スタビライザーは、その上流端部において円筒部に接続された円錐部から構成されており、円錐部および円筒部は、両方とも中空であり、円筒部が、その上流端部において閉じられている。
【００１４】
円錐角度αは、円錐形状のスタビライザー本体の軸線と側方表面との間の角度である。この円錐角度αは、適切には、５度から４５度の範囲内、好ましくは８度から３０度の間、より好ましくは１０度から２０度の間にある。
【００１５】
安定化手段の寸法は、バーナーパイプの寸法に応じて変化することが可能である。スタビライザーの円錐形状の本体の円形ベース部の直径と、円形ベース部におけるバーナーパイプの内径との間の比率は、適切には、０．３５から０．９５、好ましくは０．４５から０．９２、より好ましくは０．５０から０．９０の範囲にあるということが見い出されている。円錐形状部、および、円錐形状部の上流の円筒形状部を含むスタビライザーの場合、円筒部の直径は、典型的には、円錐形状部の円形ベース部の直径の４０％から９０％、好ましくは４５％から８５％、より好ましくは５０％から８０％となる。スタビライザーの様々な部品の長さの間の比率は、とりわけ、要求される負荷、および、酸素含有ガスと炭化水素燃料ガスの混合物のガス速度に依存することとなり、予期される環境に関して適当な比率を選択することは、十分に、当業者の通常の能力の範囲内である。
【００１６】
バーナーパイプおよびスタビライザーの絶対的な寸法は、とりわけ、バーナーの意図される使用、ガス速度、および要求される負荷に依存し、適当な寸法を選択することは、十分に、当業者の通常の能力の範囲内である。例えば、スタビライザーの円錐形状の本体の円形ベース部の直径は、適切には、２５ｍｍから８０ｍｍの間であることが可能であり、一方、前述の円形ベース部が配置されている場所におけるバーナーパイプの直径は、適切には、円形ベース部の直径の１．１倍から２倍の間の範囲であることが可能である。
【００１７】
バーナーにおいて一般的に経験される現象は、バーナーを通って高速に移動するガスの共振である。バーナーが作動しているとき、そのような共振は、例えば、バーナーが大きな騒音を出すこと、および／または、バーナーが振動し始めることを、結果として生じさせる可能性がある。バーナーが作動されている場所に応じて、音の強さは、許容限界値内に維持されなければならない。騒音が許容できない大きさになった場合、すなわち、音の強さが強くなりすぎた場合、騒音を低減するために対策がとられなければならない。振動が激しくなりすぎた場合、これは、バーナーに重大な損傷を引き起こす可能性があり、バーナーの負荷および寿命に影響を与えることとなる。そのうえ、それは、メインバーナーの損傷にさらにつながる可能性がある。任意の共振効果を防止するか、または、とにかく抑制するために、本発明のバーナーは、また、バッフル、羽根、または翼などのような、１つまたは複数の共振抑制手段を含むことも可能である。これらの共振抑制手段は、典型的には、スタビライザーの円錐形状部の上流に、例えば、その上流端部において円錐形状部に接続された円筒部の上に配置されることとなる。
【００１８】
バーナーパイプは、適切には、長手方向軸線を有する管状の本体であり、例えば、開いた円筒である。バーナー口、すなわち、火炎がバーナーから出ていくバーナーパイプの端部は、バーナーパイプの上流部と同じ直径を有することが可能であるが、また、より小さい直径、または、より大きい直径を有することも可能である。また、バーナーパイプは、スタビライザーの円錐形状部が始まる点から下流方向に広くなり、例えば、スタビライザーの円錐形状部と平行に広くなることも可能である。当業者は、とりわけ、意図された使用、所望のガス処理能力、ガス速度、および、要求される容量に応じて、バーナーパイプの最適な形状を選択することが可能であろう。
【００１９】
バーナーの様々なコンポーネントが製作される材料は、バーナーについて標準的に使用されるものであり、作動しているときにバーナー内において到達し得る最大許容温度に応じて適当な材料を選択することは、十分に、当業者の通常の能力の範囲内である。一般的に使用される材料の例は、耐熱鋼である。
【００２０】
本発明によるバーナーは、予混合タイプのバーナーである。したがって、酸素含有ガスと燃料ガスを、スタビライザーの上流で混合するための混合手段を含んでおり、スタビライザーの上流において、酸素含有ガスおよび燃料ガスは、スタビライザーの周辺に導かれる前に混合され、点火される。他のタイプのバーナーは、燃料ガスおよび酸素含有ガスがバーナー開口部の近辺だけで混合され、結果として生じる混合物が引き続いて点火されるバーナーである。このタイプのバーナーの例は、上述のＥＰ−Ａ−２，０８５，６９６に開示されている。
【００２１】
本発明によるバーナーでは、混合手段は、適切には、燃料ガスの供給のための１つまたは複数の入口部と、酸素含有ガスの供給のための１つまたは複数の入口部と、燃料ガスと酸化ガスの混合物を、混合管から、混合管とバーナーパイプの内側壁との間の空間に排出するための１つまたは複数の出口部とを有する混合管である。混合管は、適切には、その長手方向軸線がバーナーパイプの長手方向軸線と一致するように配置されている。本発明の１つの好適な実施形態では、混合管は、燃料ガスのための単一の入口部と、燃料ガスの入口部の下流の、酸素含有ガスのための多数の入口部とを有する。燃料ガスは、例えば、混合管の上流端部において、ノズルを通して注入されることが可能であり、一方、酸素含有ガスは、混合管の中の１つまたは複数の孔部またはスリットを通って、混合管に進入することが可能である。典型的に、孔部またはスリットの数は、混合管の寸法によって、および、必要とされる酸素の量によって、ある程度決定されることとなる。実用的には、混合管は、酸素含有ガスのための１個から１０個の孔部、スリット、または、異なる形状の入口部を含むことが可能である。燃料ガスが高速で吹き込まれた場合、それは、酸素含有ガスを吸い込むこととなり、混合管の内側に結果として生じる乱流の中で、両方のガスが、密接に混合される。代替的に、酸素含有ガスと燃料ガスの両方は、適切なノズルを介して混合管の中へ注入され、結果として生じる乱流の中で、両方のガスが混合される。混合管の中の任意の乱流は、羽根などのような特定の内部構造体によって強化されることが可能である。
【００２２】
次いで、結果として生じる酸素含有ガスと燃料ガスの混合物は、適切には、酸素含有ガスのための入口部の下流の多数の出口部を通して、混合パイプから放出される。明らかに、酸素含有ガスのための入口部と、酸素含有ガスと燃料ガスの混合物の出口部との間の距離は、効果的な混合を可能にするように十分に長くするべきである。そのうえ、ガス混合物は、スタビライザーに向かって流れて点火されるが、バーナーおよびその内部コンポーネントのための冷却手段としての役割も果たす。バーナーおよびそのコンポーネントを冷却することは、バーナーの運転を維持するために重要である。温度が高すぎると、コンポーネントの劣化につながることとなり、最終的に、加熱容量の低下、および性能の悪化につながることとなる。
【００２３】
酸素含有ガスは、例えば、周囲空気、または、酸素富化空気、すなわち、２１体積％よりも多い酸素を含有する空気であることが可能である。
使用されることとなる燃料ガスは、炭化水素含有の可燃性ガスであり、適切には、一酸化炭素と水素の混合物を形成するための部分酸化反応への供給物として使用されることが可能な炭化水素含有ガスである。適切な供給物の例は、天然ガスなどのような供給物を含むメタン、付随ガス、または、Ｃ１−４炭化水素の混合物である。好ましくは、供給物は、主として、すなわち、８０体積％よりも多いＣ１−４炭化水素、特に、９０体積％よりも多いＣ１−４炭化水素を含む。非常に適切には、天然ガスまたは予備改質反応器の流出物が使用され、予備改質反応器では、天然ガスが、続いて起こる部分酸化反応のために予備改質され、一酸化炭素と水素の混合物が形成される。
【００２４】
好ましくは、バーナーは、スパークプラグ、熱線、または、それらの組み合わせなどのような点火手段を含み、燃料ガスと酸素含有ガスの可燃性混合物を点火する。点火手段は、適切には、酸素含有ガスと燃料ガスの可燃性ガス混合物がバーナー口に向けて点火され、安定的な火炎が得られるようになっているような場所において、バーナーの中に組み込まれている。本発明の好適な実施形態では、点火手段は、スタビライザーに取り付けられた１つまたは複数（通常、４個よりも多くない）のスパークプラグである。スタビライザーが上流円筒部を含む場合、１つのスパークプラグまたは複数のスパークプラグは、適切には、この円筒部の上に配設される。
【００２５】
また、バーナーには、適切には、火炎検出手段が設けられている。そのような火炎検出手段は、バーナーパイプの中において、火炎を効果的に検出することができるような位置に配置されることとなる。典型的に、これは、スタビライザーの中、スタビライザーの上、または、スタビライザーの下流となるであろう。火炎検出は、例えば、イオン化またはＵＶをスキャニングすることによって行われることが可能である。好ましくは、火炎検出手段は、スタビライザー本体の下流端部において円形ベース部の中心から流れ方向に延在するイオン化ロッドである。また、火炎検出器などのようなＵＶ検出手段も、適切に使用されることが可能であるが、このタイプの検出手段は、耐熱性が低いので、それは、火炎の最大熱に露出されないような位置に位置付けられるべきである。例えば、ＵＶ検出手段は、適切には、中空のスタビライザーの場合、スタビライザーの内側に配置されることとなる。
【００２６】
本発明のバーナーは、ガスケット、ハウジング、フランジ、リム、燃料ガスおよび酸素含有ガスの供給のためのパイプ、ノズルなどのような、このタイプのバーナーの中に通常存在する部品およびコンポーネントをさらに含むことが可能である。
【００２７】
本発明によるバーナーは、とりわけ、部分酸化反応器のための高負荷コンパクト型補助バーナーまたは加熱バーナーとして有用である。随意的に、バーナーは、そのようなメインガス化バーナーの一体部分であることが可能であり、例えば、後退可能な部分または固定された部分などであることが可能である。本発明によるバーナーが、補助バーナーとして使用され、かつ、メインバーナーの一体部分を形成するとした場合、メインバーナーのための酸素含有ガスが、この補助バーナーの周りを流れる。このように、酸素含有ガスのこの流れは、補助バーナーのバーナーパイプの外側壁のための冷却手段としての役割も果たす。バーナーパイプを冷却する追加的な方式または代替的な方式は、閉ループのバーナー冷却水システムによるものである。適切には、本発明のバーナーは、火炎とバーナー口との間の直接接触が最小化されるように設計されており、前記バーナー口の燃焼、および、前記バーナー口の内側のコークス形成を避ける。
【００２８】
ここで、本発明が、単なる一例として添付の図面を参照して、より詳細に説明されることとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明によるバーナーの下流部を長手方向断面で示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図１では、円錐形状部（３）と、円錐形状部（３）の上流端部に接続された円筒形状部（４）とから構成されるスタビライザー（２）が、バーナーパイプ（１）の長手方向軸線（７）に沿って、バーナーパイプ（１）の中心に配設されている。矢印は、酸素含有ガスおよび燃料ガスの可燃性混合物の流れ方向を示しており、その混合物は、バーナーパイプの上流セクションに配置された混合手段の中で、燃料ガスと酸素含有ガスを混合することによって得られる。スタビライザーの円筒形状部（４）は、スパークプラグ（５）を包含しており、一方、イオン化ロッド（６）が、スタビライザー（２）の下流端部において、スタビライザー（２）の円形ベース部から延在している。スタビライザー（２）を支持し、イオン化ロッド（６）への電気的接続を案内するために、中心パイプ（８）が使用されている。
【実施例】
【００３１】
以下の寸法の図１による下流部を有するバーナー、
−パイプ（１）の内径が５４ｍｍ、
−中実の円錐形状部（３）の円形ベース部の直径が４６ｍｍ、
が、空気流量６８８ｋｇ／ｈｒおよび天然ガス流量４０ｋｇ／ｈｒで、ガスに対する空気の比率が１７．２で作動された。バーナーは、良好な火炎安定性を証明する１９．９ｍＡの強力なイオン化信号を与えた。
【図１】
2014501904.tif 000003
【国際調査報告】
2014501904.tif 000004
2014501904.tif 000005
2014501904.tif 000006