(57)【要約】【課題】小型化してもコーキングが発生することがない反応炉を提供する。【解決手段】高温空気燃焼型バーナ９から放出される火炎１０を囲むように複数の反応管１２を配置する。仮想中心線ＰＬと内周壁面３との間の距離をＲとしたときに、複数の反応管としてその直径寸法ＤがＤ≦０．３Ｒの範囲に入るものを用いる。そして仮想中心線ＰＬと仮想円筒面ＰＳとの間の距離ｒを、０．６Ｒ≦ｒ≦０．７Ｒの関係になるように複数の反応管１２を配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の内周壁面と、底壁面と、該底壁面と対向する上壁面とによって囲まれた燃焼室を有する炉本体と、
前記底壁面及び前記上壁面の一方側から他方側に向かって火炎を放出する１以上の高温空気燃焼型バーナと、
前記１以上の高温空気燃焼型バーナから放出される前記火炎を囲むように前記底壁面と前記上壁面との間を延びる複数の反応管とを備え、
前記複数の反応管が、前記底壁面及び前記上壁面の中心を通る仮想中心線を中心にした仮想円筒面と交わる位置に配置されている反応炉であって、
前記火炎と面する前記反応管の内側部分におけるヒートフラックス分布と前記内周壁面と面する前記反応管の外側部分におけるヒートフラックス分布とが同様の状態になるように、前記仮想中心線と前記仮想円筒面との間の距離ｒが定められていることを特徴とする反応炉。
【請求項２】
円筒状の内周壁面と、底壁面と、該底壁面と対向する上壁面とによって囲まれた燃焼室を有する炉本体と、
前記底壁面及び前記上壁面の一方側から他方側に向かって火炎を放出する１以上の高温空気燃焼型バーナと、
前記１以上の高温空気燃焼型バーナから放出される前記火炎を囲むように前記底壁面と前記上壁面との間を延びる複数の反応管とを備え、
前記複数の反応管が、前記底壁面及び前記上壁面の中心を通る仮想中心線を中心にした仮想円筒面と交わる位置に配置されている反応炉であって、
前記仮想中心線と前記内周壁面との間の距離をＲとしたときに、前記仮想中心線と前記仮想円筒面との間の距離ｒが、０．６Ｒ≦ｒ≦０．７Ｒの関係になるように前記複数の反応管が配置されていることを特徴とする反応炉。
【請求項３】
前記複数の反応管の管中心がそれぞれ前記仮想円筒面上に位置している請求項１または２に記載の反応炉。
【請求項４】
前記複数の反応管は、前記仮想円筒面の周方向に等しい間隔をあけて配置されている請求項１または２に記載の反応炉。
【請求項５】
前記仮想中心線に沿って１本の火炎が延びているものとみなすことができるように、複数の前記高温空気燃焼型バーナが配置されている請求項１または２に記載の反応炉。
【請求項６】
前記高温空気燃焼型バーナは、前記燃焼室内の燃焼ガスを通気性を有する蓄熱手段を通して炉外に排出し且つ前記蓄熱手段の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を前記燃焼室内に供給する熱交換型燃焼用空気供給装置を備えた高温空気燃焼型蓄熱式バーナである請求項５に記載の反応炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温空気燃焼技術を用いた反応炉に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特開２００１−１５２１６６公報（特願平１１−３４３６２４号）には、高温空気燃焼技術を用いた反応炉に関する技術が開示されている。高温空気燃焼技術を用いると、燃焼室を大型化することなく、反応管列が配置される炉内の温度場の温度差をできるだけ小さくすることができる。
【特許文献１】特開２００１−１５２１６６公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
高温空気燃焼技術を用いると、反応炉内の温度差をできるだけ小さくすることができるものの、反応炉に関する技術者の常識では、バーナに反応管を近付け過ぎると火炎からの熱で反応管に割れが入ったり、コーキングが発生すると考えられている。そのため発明者たちも、高温空気燃焼型バーナから放出される火炎を囲むように複数の反応管を配置する小型の反応炉においても、複数の反応管をできるだけ火炎から離して反応管を炉壁に近付けて配置していた。そのため炉本体の直径寸法はあまり小さくできなかった。
【０００４】
しかしながら複数の反応管をできるだけ火炎から離して反応管を炉壁に近付けて配置すると、火炎と面する反応管の内側部分におけるヒートフラックス分布と内周壁面と面する反応管の外側部分におけるヒートフラックス分布との差が大きくなって、コーキングが発生することが発明者の研究で判った。
【０００５】
本発明の目的は、従来よりも小型化することができる反応炉を提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、小型化してもコーキングが発生することがない反応炉を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明が改良の対象とする反応炉は、円筒状の内周壁面と、底壁面と、該底壁面と対向する上壁面とによって囲まれた燃焼室を有する炉本体と、底壁面及び上壁面の一方側から他方側に向かって火炎を放出する１以上の高温空気燃焼型バーナと、１以上の高温空気燃焼型バーナから放出される火炎を囲むように底壁面と上壁面との間を延びる複数の反応管とを備えている。複数の反応管は、底壁面及び上壁面の中心を通る仮想中心線を中心にした仮想円筒面と交わる位置に配置されている。ここで「交わる」とは、仮想円筒面が反応管を部分的に横切ること又は仮想円筒面が反応管を二分することを意味する。なお本発明においては、複数の反応管と仮想円筒面とが交わる状態は、すべて同じである必要はなく、一部または全部の反応管と仮想円筒面との関係が異なっていてもよい。
【０００８】
本発明においては、火炎と面する反応管の内側部分におけるヒートフラックス分布と内周壁面と面する反応管の外側部分におけるヒートフラックス分布とが、同様の状態になるように、仮想中心線と仮想円筒面との間の距離ｒを定める。ここで「ヒートフラックス分布が同様の状態になる」とは、実用上から見て反応管の内側部分（火炎側）と外側部分（周壁部側）の温度差が許容できる温度差になる状態と言い換えることもできる。このようにすれば複数の反応管を火炎からできるだけ離すという発想で反応炉を構成することがなくなるので、従来よりも反応炉の炉本体を小形のものとすることができる。また火炎と面する反応管の内側部分におけるヒートフラックス分布と内周壁面と面する反応管の外側部分におけるヒートフラックス分布とが同様の状態になれば、反応管の管壁の各部の温度差が殆ど無くなって、反応管に割れが入ったり、コーキングが発生することがなくなる。
【０００９】
より具体的には、仮想中心線と内周壁面との間の距離をＲとしたときに、複数の反応管としてその直径寸法ＤがＤ≦０．３Ｒの範囲に入るものを用いるのが好ましい。また仮想中心線と仮想円筒面との間の距離ｒを、０．６Ｒ≦ｒ≦０．７Ｒの関係になるように複数の反応管を配置するのが好ましい。この数値範囲内に入るように、反応管の直径と仮想円筒面の位置を定めれば、反応管の本数の如何にかかわらず、火炎と面する反応管の内側部分におけるヒートフラックス分布と内周壁面と面する反応管の外側部分におけるヒートフラックス分布とを同様の状態にすることができる。
【００１０】
なお複数の反応管の管中心が、それぞれ仮想円筒面上に位置するように複数の反応管を配置すると、各反応管が置かれた状況が実質的に同一になるため、各反応管における反応速度に差が生じることがなくなる。
【００１１】
複数の反応管は、仮想円筒面の周方向に等しい間隔をあけて配置すれば、各反応管が置かれた状況が完全に同一になるため、最良の結果を得ることができる。
【００１２】
なお複数の高温空気燃焼型バーナを用いる場合には、仮想中心線に沿って１本の火炎が延びているものとみなすことができるように、複数の前記高温空気燃焼型バーナの位置や取付角度を定めてバーナを配置するのが好ましい。
【００１３】
使用する高温空気燃焼型バーナとしては、燃焼室内の燃焼ガスを通気性を有する蓄熱手段を通して炉外に排出し且つ蓄熱手段の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を燃焼室内に供給する熱交換型燃焼用空気供給装置を備えた高温空気燃焼型蓄熱式バーナを用いるのが好ましい。このようなバーナを用いると簡単且つ確実に高温空気燃焼雰囲気を作ることができる。このようなバーナでは、燃焼用空気を一般的に蓄熱体の顕熱で８００℃以上の高温に加熱することができる。高温空気燃焼型蓄熱式バーナとしては、例えば特開平１１−２２３３３５号公報及び特開２０００−３９１３８公報等に示されている周知の連続燃焼式蓄熱バーナシステムを用いることができる。この種の連続燃焼式蓄熱バーナシステムでは、１台のバーナ内部に分割した蓄熱体を有し、一部の蓄熱体に燃焼用空気を供給し、同時に他の部分の蓄熱体は燃焼ガスを吸引して蓄熱を行う。空気供給及び燃焼ガス排出の流路は一定周期で切り換えられ、１台のバーナシステム内部で蓄熱／放熱が繰り返される。高温空気の吐出口は切換と共に周方向に移動する。しかし燃料は１本のバーナから連続的に供給できる。
【００１４】
また高温空気燃焼型蓄熱式バーナは、いわゆる交番式蓄熱バーナを用いて構成することもできる。交番式蓄熱バーナは、１つの蓄熱体全体に燃焼用空気と排気ガスとを交互に流して、燃焼用空気を蓄熱体の顕熱で加熱するものである。交番式蓄熱バーナには、大別してバーナの燃焼を連続する連続燃焼タイプと、バーナの燃焼を断続する断続燃焼タイプとがある。連続燃焼タイプのものは、例えば特開平５−２５６４２３号公報や特開平６−１１１２１号公報に示されている。また断続燃焼タイプの一例は、特開平１−２２２１０２号公報に示されている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、従来よりも反応炉の炉本体を小形のものとすることができる。また火炎と面する反応管の内側部分におけるヒートフラックス分布と内周壁面と面する反応管の外側部分におけるヒートフラックス分布とを同様の状態にして、反応管の管壁の各部の温度差を殆ど無いものとすることができ、反応管に割れが入ったり、コーキングが発生することがなくなる。また本発明によれば、反応管の加熱の均一化を達成できることにより、より高熱流束を与えることができるので、反応炉を大幅に小型化することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１（Ａ）乃至（Ｃ）は、本発明を小形の改質用反応炉に適用した実施の形態の一例の構成を概略的に示すために用いる図である。図１において、符号１で示したものは、内部に燃焼室２を有する炉本体である。炉本体１は、円筒状の内周壁面３を有する筒状の周壁部４と、底壁面５を有する底壁部６と、底壁面５と対向する上壁面７を有する上壁部８とによって囲まれた燃焼室２を有する。炉本体１の底壁部（炉床）６は、実際には図示しない支持構造部によって支持されている。この例では、上壁面側から底壁面側に向かって火炎１０を放出する１つの高温空気燃焼型蓄熱式バーナからなる高温空気燃焼型バーナ９を上壁部８に固定している。図１において、９ａは高温空気燃焼型バーナ９の燃料噴射口である。
【００１７】
ここで用いる高温空気燃焼型蓄熱式バーナは、燃焼室２内において燃料を燃焼するバーナ部と、図示しない熱交換型燃焼用空気供給装置とが組み合わされて構成されている。熱交換型燃焼用空気供給装置は、燃焼室２内の燃焼ガスを通気性を有する蓄熱手段を通して炉外に排出し且つ蓄熱手段の顕熱で高温に加熱した燃焼用空気を燃焼室２内に供給する構造を有している。高温空気燃焼型バーナ９に用いることができる高温空気燃焼型蓄熱式バーナとしては、例えば特開平１１−２２３３３５号公報及び特開２０００−３９１３８公報等に詳細に開示されているので説明は省略する。燃焼用空気の加熱温度は、炉内の熱バランスと熱交換型燃焼用空気供給装置内の蓄熱手段の回転速度、切換速度、蓄熱手段の熱容量等の要素によって決まる。この例では燃焼用空気の温度が８００℃以上になるようにこれらの要素が決定されている。勿論このような高温に耐えるように、熱交換型燃焼用空気供給装置の各部の材料も選択されている。
【００１８】
またこの反応炉では、高温空気燃焼型バーナ９から放出される火炎１０を囲むように底壁面５と上壁面７との間を延びる３本の反応管１２を備えている。３本の反応管１２は、底壁面５及び上壁面７の中心を通る仮想中心線ＰＬを中心にした仮想円筒面ＰＳと交わる位置に配置されている。この例では、３本の反応管１２の管中心Ｃが、それぞれ仮想円筒面ＰＳ上に位置するように反応管１２が配置されている。また３本の反応管１２は、仮想円筒面ＰＳの周方向に等しい間隔（仮想中心線ＰＬを中心にして１２０°の角度間隔）をあけて配置されている。
【００１９】
具体的には、仮想中心線ＰＬと内周壁面３との間の距離をＲとしたときに、各反応管１２としてその直径寸法Ｄは、０．０５Ｒ≦Ｄ≦０．１Ｒの範囲に入るものを用いている。なお一般的には、直径寸法Ｄの好ましい範囲は、Ｄ≦０．３Ｒである。そして仮想中心線ＰＬと仮想円筒面ＰＳとの間の距離ｒを、０．６Ｒ≦ｒ≦０．７Ｒの関係になるように３本の反応管１２を配置している。
【００２０】
この数値範囲内に入るように、反応管１２の直径Ｄと仮想円筒面ＰＳの位置を定めれば、反応管１２の本数の如何にかかわらず、火炎１０と面する反応管１２の内側部分におけるヒートフラックス分布と、周壁部４の内周壁面３と面する反応管１２の外側部分におけるヒートフラックス分布とを同様の状態にすることができる。図２（Ａ）は、高温空気燃焼技術を用いない従来の反応炉における反応管の配置状態と熱伝達の様子を模式的に示す図である。高温空気燃焼技術を用いない場合には、バーナからの火炎Ｆにより熱で反応管Ｐが局部的に加熱されるのを防ぐために、反応管は影響を受けない範囲において火炎からできるだけ離して配置される。そのため従来の反応炉では、反応管Ｐは炉壁Ｗにできるだけ近付けて配置されている。図２（Ａ）において複数の矢印は、熱線を示している。またこのときの１本の反応管Ｐの周囲におけるヒートフラックス分布を図２（Ａ）の右側に拡大して示している。この図から判るように、従来の反応炉では、ヒートフラックス分布が火炎Ｆ側に大きく偏っている。
【００２１】
これに対して本発明の実施の形態の反応炉においては、上記実施の形態の条件を満たすことにより、図２（Ｂ）の状態が得られる。なお図２（Ｂ）においては、反応管の数を４本としている。すなわち本発明の実施の形態の反応炉においては、従来と比べて、反応管１２が火炎１０により近づいた位置に配置されている。そのため周壁部４の内周壁面３と面する反応管１２の外側部分１２ａには、周壁部４の内周壁面３からの輻射熱が加わり、この外側部分１２ａの温度も従来と比べて上がる。本実施の形態においては、図２（Ｂ）の右側に拡大して示したように、反応管１２の周囲におけるヒートフラックス分布が、ほぼ等しくなる。すなわち、火炎１０と面する反応管１２の内側部分１２ｂにおけるヒートフラックス分布と内周壁面３と面する反応管１２の外側部分１２ａにおけるヒートフラックス分布とが同様の状態になる。その結果、反応管の管壁の各部の温度差が殆ど無くなって、反応管に割れが入ったり、コーキングが発生することがなくなる。
【００２２】
図３は、仮想中心線ＰＬと内周壁面３との間の距離をＲを１ｍ、１．５ｍ及び２ｍとにした場合において、仮想中心線ＰＬと仮想円筒面ＰＳとの間の距離ｒと距離Ｒとの比ｒ／Ｒを変えたときの反応管の内側部分（中心側）と外側部分（壁側）の熱流束（ヒートフラックス）をシミュレーションにより計算した結果を示している。なお計算に使用した反応管の直径は、１５ｃｍであり反応管の長さは５ｍであった。またバーナに代えて、１２００℃の高温空気を用いることにした。図３から判るように、実線と破線の交点部において、反応管の内側部分（中心側）と外側部分（壁側）の熱流束（ヒートフラックス）がほぼ等しくなっている。周壁部４の内径の半径寸法すなわち距離Ｒが大きくなるほど、交点部におけるｒ／Ｒの値は大きくなる傾向を示している。いずれにしても０．６Ｒ≦ｒ≦０．７Ｒの関係が成立する範囲では、反応管の内側部分（中心側）と外側部分（壁側）の熱流束（ヒートフラックス）がほぼ同様の状態（実用上から見て反応管の内側部分と外側部分の温度差が許容できる温度差になる状態）にあると見ることができる。小型の反応炉であれば、実用的なＲの値は４ｍ程度で十分である。このようなことから本発明では、０．６Ｒ≦ｒ≦０．７Ｒの関係を必須の条件と定めた。
【００２３】
なお反応管の本数は、炉本体の周壁部の直径（距離Ｒ）が大きくなるほど増やすことができる。また通常、反応管の本数が多くなりすぎると、火炎からの熱が周壁部に到達しなくなるものの、意外なことに、本数を増やしてもガスの循環さえ十分であれば、炉内空間のバランスが良いために、反応管の加熱の均一性を維持できることが判った。そのため反応管の数は、周壁部の直径（距離Ｒ）と、周壁部側からの必要とする輻射熱の量と、炉内のガスの循環環境に応じて自ずと定まることになる。
【００２４】
上記の実施の形態では、１台の高温空気燃焼型バーナを用いたが、複数台の高温空気燃焼型バーナを用いてもよい。なおその場合には、仮想中心線ＰＬに沿って１本の火炎が延びているものとみなすことができるように、複数の高温空気燃焼型バーナの位置や取付角度を定めて各バーナを配置すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】（Ａ）乃至（Ｃ）は、本発明の反応炉の実施の形態の概略構成を説明するために用いる図である。
【図２】（Ａ）及び（Ｂ）は、従来の反応炉と本発明の反応炉における反応管の加熱状態を説明するために用いる図である。
【図３】本発明の反応炉の実施の形態の実験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  炉本体
２  燃焼室
３  内周壁面
４  周壁部
５  底壁面
６  底壁部
７  上壁面
８  上壁部
９  高温空気燃焼型バーナ
１０  火炎
１２  反応管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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