(57)【要約】      （修正有）【課題】蒸気メタン改質器またはエチレンクラッキング炉において、直線化された炎を生成する方法と装置を提供する。【解決手段】ＮＯＸの発生を減少させるために、燃料ステージングが用いられる可能性がある。直線化された炎の生成のための基準が示されている。これらの基準は、酸化剤パイプの配置とファーネスの配置に関係する。これらの基準を達成するためのファーネスおよび/又はバーナーの修正技術も示されている。【選択図】図３
2007127405.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファーネス(furnace)内において、直線化された炎(straightened flames)を生成させる方法であって：
複数の酸化剤パイプへ酸化剤を導入する工程であって、前記複数の酸化剤パイプの個々が、ファーネス内の第１の端の近傍にファーネス内と連通(fluidly communicating)する出口を有し、前記ファーネス内の第１の端が、水平投影エリアを有し、前記複数の酸化剤出口が、ファーネス内の第１の端からファーネス内の第２の端までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流(turbulent free-jet)の水平投影の組合せエリアを規定し、前記ファーネス内の第２の端がファーネス内の第１の端の反対側にあるものと；
複数の燃料パイプに燃料を導入する工程であって、前記複数の燃料パイプの個々が、ファーネス内の第１の端近傍に連通する出口を有し、前記複数の燃料パイプが、複数の酸化剤パイプと離間関係にある工程と；
燃料と酸化剤とをファーネス内で混合する工程と；
燃料と酸化剤とを反応させて、複数の炎部分(flame portion)を生成する工程と；
前記複数の炎部分からの熱を、複数の反応チャンバーに移送する工程であって、前記複数の反応チャンバーがファーネス内の第１の端からファーネス内の第２の端まで横断し、前記複数の反応チャンバーが、複数の酸化剤パイプと離間関係にあり且つ複数の燃料パイプと離間関係にあるエンド部（end portion)を有するものと；
ファーネス内の第１の端からファーネス内の第２の端までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアを、ファーネス内の第１の端の水平投影エリアの１０％〜１０５％の間に減少させる工程と、
を含む方法。
【請求項２】
ファーネス内の第１の端からファーネス内の第２の端までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアが、ファーネス内の第１の端の水平投影エリアの９０％〜１０５％の間に減少させられる請求項１の方法。
【請求項３】
ファーネス内の第１の端からファーネス内の第２の端までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアを減少させるステップが、複数の酸化剤パイプのうち少なくとも一つへ導入の終了を含む請求項１の方法。
【請求項４】
複数の酸化剤パイプのうち少なくともひとつで酸化剤の導入が止まっており、前記酸化剤の導入が止まっているパイプに隣接した複数の燃料パイプへの燃料の導入を終了する工程を含む請求項３の方法。
【請求項５】
ファーネス内の第１の端からファーネス内の第２の端までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアを減少させるステップが、複数の酸化剤パイプの少なくとも２つへの酸化剤の導入を終了する工程を含む請求項１の方法。
【請求項６】
前記複数の酸化剤パイプの少なくとも２つが、共通第２列（common secondary row）に位置付け(positioned)されている請求項５の方法。
【請求項７】
ファーネス内の第１の端からファーネス内の第２の端までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアを減少させるステップが、複数の酸化剤パイプの出口の少なくとも１つの断面積を減少させる工程を含む請求項１の方法。
【請求項８】
さらに複数の酸化剤パイプのうち少なくとも一つから、ファーネス内に実質的に垂直（vertical）下向きに酸化剤を導入する工程を含む請求項１の方法。
【請求項９】
さらに、隣接する酸化剤パイプの中心線へ向けた、垂直線から２５°〜６０°の間の角度で、ファーネス内の複数の燃料パイプのうち少なくとも一つから、燃料をファーネス内に導入する工程を含む請求項１の方法。
【請求項１０】
ファーネスであって：
ファーネス内の第１の端が、水平投影エリアを有し；
ファーネス内の第２の端が、ファーネス内の第１の端の反対側にあり；
複数の酸化剤パイプがファーネス内の第１の端の近傍にあり、前記複数の酸化剤パイプが個々ファーネス内と連通する出口を有し、前記複数の酸化剤パイプの出口が、ファーネス内の第１の端からファーネス内の第２の端までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアを規定し；
ファーネス内の第１の端に近い複数の燃料パイプで、前記複数の燃料パイプの個々が、ファーネス内に連関する燃料の出口を有しており、前記複数の燃料パイプが、複数の酸化剤パイプと離間関係にあり；
ファーネス内の第１の端からファーネス内の第２の端まで横断している複数の伸ばされた反応チャンバーが、複数の酸化剤パイプと離間関係にあり且つ複数の燃料パイプと離間関係にあるエンド部を有し；
前記ファーネス内の第１の端からファーネス内の第２の端までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアが、ファーネス内の第１の端の水平投影エリアの１０％〜１０５％の間にある、
ことを含むファーネス。
【請求項１１】
ファーネス内の第１の端からファーネス内の第２の端までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアが、ファーネス内の第１の端の水平投影エリアの９０％〜１０５％の間にある請求項１０のファーネス。
【請求項１２】
ファーネス内の第１の端が０．８より大きいアスペクト比を有する請求項１０のファーネス。
【請求項１３】
燃料パイプの数が、酸化剤パイプの数の少なくとも４倍より多い請求項１０のファーネス。
【請求項１４】
さらに、ファーネス内の第１の端からファーネス内の第２の端までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアを減少させる手段を有する請求項１０のファーネス。
【請求項１５】
ファーネス内の第１の端からファーネス内の第２の端までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアを減少させる手段が、複数の酸化剤パイプのうち少なくとも一つの出口の断面積を減少させる方法を含む請求項１４のファーネス。
【請求項１６】
少なくとも一つの不使用の酸化剤パイプを含む請求項１０のファーネス。
【請求項１７】
少なくとも二つの不使用の酸化剤パイプを含む請求項１０のファーネス。
【請求項１８】
少なくとも二つの不使用の酸化剤パイプが共通第２列に位置付けされている請求項１７のファーネス。
【請求項１９】
複数の燃料パイプの少なくとも一つが、隣接する酸化剤パイプの中心線に向かった角度を有しており、前記角度が垂直線から２５°〜６０°の間にある請求項１０のファーネス。
【請求項２０】
ファーネスであって：
ファーネス内の第１の端が、水平投影エリアでアスペクト比が０．８より大きいエリアを有し；
ファーネス内の第２の端がファーネス内の第１の端の反対側にあり；
複数の酸化剤パイプがファーネス内の第１の端の近いところにあり、前記複数の酸化剤パイプが個々のファーネス内と連通する出口を有し、前記複数の酸化剤パイプの出口が、ファーネス内の第１の端からファーネス内の第２の端までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアを規定し；
ファーネス内の第１の端に複数の燃料パイプで、前記複数の燃料パイプの個々が、ファーネス内に連関する燃料の出口を有しており、前記複数の燃料パイプが、複数の酸化剤パイプと離間関係にあり；
ファーネス内の第１の端からファーネス内の第２の端まで横断している複数の伸ばされた反応チャンバーが、複数の酸化剤パイプと離間関係にあり且つ複数の燃料パイプと離間関係にあるエンド部を有し；
前記ファーネス内の第１の端からファーネス内の第２の端までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアが、ファーネス内の第１の端の水平投影エリアの９０％〜１０４％の間にある、
ことを含むファーネス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファーネス内で直線化された炎を生成する方法とファーネス、特に複数列の反応チャンバー（例えば処理チューブ）と複数列の低ＮＯXバーナーを有するファーネスで、下向きの火と上向き火を直線化する方法とファーネスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
大型の下向き火と上向き火を有する複数列のファーネス（例えば改質ファーネスとエチレンクラッキングファーネス）は、ファーネス内に複雑なガス流パターンを有している。望ましくないガス流パターンは炎を反らし(deflect)、処理チューブに局所的な過熱を引き起こし、その結果ファーネスの性能に影響を及ぼす。
【０００３】
従来の下向き火を有する蒸気メタン改質ファーネス１０１を図１に示す。供給ガス（蒸気＋天然ガス）が処理チューブ１８０の上から供給されるが、前記処理チューブは改質触媒で満たされている。供給ガスは、触媒で満たされた処理チューブ１８０中で改質され、合成ガス（当初はＨ2、ＣＯ、ＣＨ4、Ｈ2ＯとＣＯ2）を生成する、前記合成ガスは処理チューブ１８０の底部から排出される。バーナー１１１は炎１３０を発生させ、吸熱改質反応に必要な熱を供給する。排出された合成ガスは、例えば圧力スイング吸収装置(pressure swing absorber)(ＰＳＡ)内で再精製され、さらに純粋化され、水素製品となる。残留ガスは、バーナー１１１に戻されて燃料として使用される可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１に、複数列バーナー１１１の典型的なファーネス内のガス流パターン（図の左端）を示している。炎で生ずる流れがファーネス内のガスを取り込む（entrain)結果、炎１３０の辺りに再循環ループを作る。炎の下ではファーネス内のガスがプラグ形状に似た形で下向きに流れ、最後は耐火性の送気管トンネル１２２の横の取り込み口を通って排出される。
【０００５】
複数の下向きで複数列の従来型の細い炎を生成するファーネスは、ファーネス内の配置上、炎の周りに充分なフローエリアがあり、図１に示すように、直線の炎１３０を促進するファーネス内の上部に再循環ゾーンを作り出してしまう可能性がある。
【０００６】
アスペクト比が０．８より大きい新規な低ＮＯXバーナー技術を具体化する過程で、本発明者らは、時折反った炎を生成する従来型のバーナーの代わりに低ＮＯXバーナーを使用すると、結果として、例えば処理チューブなどの反応チャンバーの不均一加熱の問題を生じることを見出した。図２に示されている様に、新規な低ＮＯXバーナーはいくつかの反応チャンバー８０に向かって反っていたり傾いていたりする、より広い炎３１を生成する。曲がって、反応チャンバーに火が当たると、反応チャンバーの壁を局所的に熱し、処理ガスの温度が、列によって（例えば、いくつかの列は”熱い”反応チャンバーで、いくつか列は”より低温の”列になるというように）変動する。そうすると、いくつかの反応チャンバー壁の過熱を生じ、壁温度の不均一性を生じ、一処理のヘッダーから次の処理までの(from one process header to another)処理ガスのガス温度の大きな偏りと、放射効率の低下、およびファーネスとその部品の寿命を縮める可能性がある。
【０００７】
本発明者らは、例えば、大型タイプのファーネス内で炎を直線化し、炎の反りを減少させるいくつかの共通する方法を試みた。これらの方法は、下記を含む：
炎がチャンバー壁にぶつかっているいくつかのバーナーでの燃料の調整：選択されたバーナーの燃焼率を減少させると、火勢が減少される。このようにして、過熱や高熱（hot spot)範囲が生ずるのを回避できる可能性がある。しかし、多くの場合、ファーネス内のある場所にある問題をファーネス内の他の場所に移しただけで、他の場所で問題が再発生する。
燃料注入ノズルの変更：高熱エリアにあるいくつかのバーナーノズル（あるいはバーナーの列）は、開口直径がより小さい（燃焼率がより小さい）ノズルと交換される。
炎の化学量論の変更：高熱領域のバーナーへの燃料の流量は減少させられるが、燃焼空気の流れは同じままである。そうするとファーネス内の選択されたエリアでは、燃料不足の燃焼を起こす。燃料不足の燃焼は、炎のピーク温度を下げて過熱を減少させるのに役立つ。
サイド列(side row)のバーナーのより低燃焼率化：これは、サイド列のバーナーが中央列のバーナーの６０％〜７０％の燃焼率である種々の大型ファーネスで使用される。サイド列のバーナーは、ファーネスの側壁に近い位置にある。サイド列のバーナーの燃焼率を下げると、ファーネスの中心へ向かって炎が曲がることを防ぐ傾向がある。
【０００８】
上記の方法は、不満足であることが判明した。さらにこれらの方法は、恒久的な問題の解決にならず、ファーネスの性能を低下せる一時的な解決策であることが判明した。ガスのパターンが不安定であるファーネスの中では、あるエリアで炎の安定化と直線化の努力は、他のエリアでの望ましくない結果となった。言い換えると、単にあるエリアで起きた問題を、他のエリアに移しただけとなった。これらの方法は、ファーネス内のガスと炎との相互作用に関連した問題を除いていない。
【０００９】
複数列のバーナーと複数の反応チャンバー列を有するファーネスに、低ＮＯXバーナーを使用して直線化された炎を出す方法とファーネスを有することが望ましい。
【００１０】
複数列のバーナーと複数列の反応チャンバーを有するファーネスに、低ＮＯXバーナーを使用して下向きまたは上向きの直線化された炎を生成する方法とファーネスを有することが望ましい。
【００１１】
反応チャンバーを過熱せず、複数列の反応チャンバーで均一な反応処理ガスを供給する方法とファーネスを有することが望ましい。
【００１２】
低ＮＯXバーナーを使用して、反応チャンバーの炎の反りとその結果生じるぶつかりを減らせるファーネスと方法を有することが望ましい。
【００１３】
ファーネスの燃焼スペースを充分に活用しファーネスの効率を上げつつ、低ＮＯXバーナーを使用して直線化された炎を生成する方法とファーネスを有することが望ましい。
【００１４】
アスペクト比が０．８より大きい低ＮＯXバーナーを使用して直線化された炎を生成する方法とファーネスを有することが望ましい。
【００１５】
どの炎の反りも反応チャンバーの方ではなくむしろ隣の炎の方に向いている複数列のバーナーと複数列の反応チャンバーを有するファーネスに低ＮＯXバーナーを使用して直線化された炎を生成する方法とファーネスを有することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明はファーネス内で直線化された炎を生成する方法とファーネスに関するものである。本方法は、酸化剤を複数の酸化剤パイプに導入する工程を含み、前記複数の酸化剤のパイプの個々は、ファーネス内の第１の端の近傍にファーネス内と連通する出口を有している。ファーネス内の第１の端は水平投影エリアを有する。前記複数の酸化剤出口が、ファーネス内の第１の端からファーネス内の第２の端までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアを規定している。前記ファーネス内の第２の端がファーネス内の第１の端の反対側にある。
【００１７】
本方法は、さらに複数の燃料パイプへ燃料の導入を含んでおり、前記燃料パイプは、個々がファーネス内の第１の端に連通する出口を有している。複数の燃料パイプは、複数の酸化剤パイプと離間関係にある。
【００１８】
本方法は、さらに燃料と酸化剤をファーネス内で混合する工程を含み、複数の炎部分を形成するように燃料と酸化剤が反応する工程を含む。
【００１９】
本方法は、さらに複数の炎から複数の反応チャンバーへの熱の移送を含み、前記複数の反応チャンバーは、ファーネス内の第１の端から第２の端まで横断している。複数の反応チャンバーは、複数の酸化剤パイプと離間関係且つ複数の燃料パイプと離間関係にあるエンド部を有している。
【００２０】
本方法は、さらにファーネス内の第１の端からファーネス内の第２の端までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアを、ファーネス内の第１の端の水平投影エリアの１０％〜１０５％の間、または、９０％〜１０５％の間、または９０％〜１０４％の間に減少させることを含んでいる。
【００２１】
本発明は、さらにファーネス内で直線化された炎を発生させるファーネスに関するもののである。ファーネスは、水平投影エリアを有する内壁の第１の端と、第１の内壁の反対側にある第２の内壁を含んでいる。
【００２２】
ファーネスはさらにファーネス内の第１の端近傍に複数の酸化剤パイプを含んでおり、酸化剤パイプは、個々のファーネスの内部と連通する出口を有している。複数の酸化剤パイプ出口は、ファーネス内の第１の端からファーネス内の第２の端までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアを規定している。ファーネス内の第１の端からファーネス内の第２の端までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアは、ファーネス内の第１の端の水平投影エリアの１０％〜１０５％の間、または９０％〜１０５％の間、または９０％〜１０４％の間である。
【００２３】
ファーネスはさらに、ファーネス内の第１の端の近傍に複数の燃料パイプを含んでいる。複数の燃料パイプは個々ファーネス内と連通する出口を有している。複数の燃料パイプは、複数の酸化剤パイプと離間関係にある。
【００２４】
ファーネスはさらに、複数の延長された反応チャンバーを含んでおり、前記反応チャンバーはファーネス内の第１の端から第２の端まで横断している。複数の延長された反応チャンバーは、複数の酸化剤パイプと離間関係且つ複数の燃料パイプと離間関係にあるエンド部を有している。
【００２５】
本発明の態様では、ファーネスは、所望により、ファーネス内の第１の端から第２の端までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアを減少させる手段を含んでいる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の態様においては、現在の発明は、ファーネスの中で直線化された炎を生成する方法に関するものである。ファーネス１の断面図を示した図３を見ると、発明の方法は、酸化剤の複数の酸化剤パイプ１１への導入を含む。酸化剤は、酸素およびさらに燃料および/又は燃焼生成物を含んでもよい。酸化剤は空気でもよい。酸化剤は、少なくとも体積比で１０％の酸素を含んでいる可能性がある。酸化剤は、燃料を前燃焼ファーネスであらかじめ空気と前燃焼し、酸化剤パイプに誘導してもよい、酸化剤は、室温、または室温より高い温度に暖められてもよい。
【００２７】
酸化剤のパイプ１１は、ファーネス１の内側と連通する出口１２を有しており、前記出口１２は、ファーネス１の内壁の端５０の近傍にある。酸化剤の出口１２は、内壁の端５０と同一平面にあって（flush with）もよい。図３に示すように、ファーネス１は、また内壁の端５０と反対側にある内壁の端６０を有している。ファーネス内の端は、ファーネス壁の内側表面によって特徴付けられている。酸化剤パイプ１１は、同様の配置(geometry)を有していてもよいし、または異なる配置を有していてもよい。酸化剤の出口１２は、同様の断面を有していてもよいし、または異なる断面を有していてもよい。
【００２８】
図３の例に示すように、下向き火のファーネス内の端５０はファーネスの天井か上部であり、ファーネス内の端６０はファーネスの底面部か下部である。平らな表面として示されているが、ファーネス内の端５０は傾いているか、アーチ状でもよい。
【００２９】
図３に示された態様では、酸化剤は実質的に垂直下向きにファーネス内に導入される。本開示の目的のために、実質的に垂直下向きとは、垂直線から１０°のエリア内にあることを意味する。
【００３０】
図４で示したファーネス１の平面図のように、ファーネス内の端５０は、長方形の斜線で示されたエリアであり、水平投影エリア７１を有する。水平投影エリアとは、水平平面に通常の方向で水平平面上に投影されたエリアである。ファーネス内の端５０の表面が、例えば傾いていたり、アーチ状だったりして平面でない場合には、表面は水平投影エリアを与えるよう水平平面上へ投影される。通常は工業的スケールの改質器は、水平投影エリアが、４６．５m2（５００平方フィート）と４６４．５m2（５０００平方フィート）の間のどこかにある。
【００３１】
図５に示されているように、個々の酸化剤出口１２は、ファーネス内の端５０からファーネス内の端６０までの平均距離の３０％にあたる乱れた自由噴流の水平投影のエリア８５を規定する。これらの乱れた自由噴流の水平投影のエリア８５を合計すると、乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアとなる。前記乱れた自由噴流の水平投影のエリアは、水平平面での噴流の断面に関係がある。
【００３２】
乱れた自由噴流のエリアは、以下の式によって規定される。
【００３３】
【数１】
2007127405.tif 000003
【００３４】
式中
【数２】
2007127405.tif 000004
【００３５】
Ｄ0は酸化剤出口１２の直径であり、一般的には０．２０３ｍ（８インチ）〜０．５０８ｍ（２０インチ）の間のどこかにある。出口の直径Ｄ0が円形でない場合は、水力直径（hydraulic diameter)が使用される。投影されたエリアは長さＬで計算される。本発明開示の目的上、Ｌはファーネス内の端５０からファーネス内の端６０までの全長(overall)の距離の３０％と見積もられ、図３に示すように、全長の距離は、効果的に露出した反応チャンバー８０の長さ、またはいわゆる熱された距離（heated length)である。ファーネス内の端５０からファーネス内の端６０までの全長の距離は、例えばトンネル１２２および/又はバーナー管の延長部（図に示されていないが）などの突起部を除外した長さである。一般的には、反応チャンバーの長さは、６．１ｍ（２０フィート）〜１５．２４ｍ（５０フィート）の間のどこかである。ファーネス内の端５０とファーネス内の端６０の距離が変化している場合には、平均距離が使用される。θは、半分の速度の境界線によって囲むことにより規定される乱れた自由噴流のエリアの広がり角であり、噴流軸方向の速度は噴流軸での局所的最大速度の半分まで減速する。この角度は２０°（ペリーの化学工学ハンドブック（Perry's Chemical Engineering Handbook）、第６版、頁５-２２)と２４°（F.W.White、粘性流動（Viscous Fluid Flow）ニューヨークマグローヒル社、１９７４年、頁５０９)の間のどこかにある。本発明の開示の目的上、θは２２°である。上記のように定義された乱れた自由噴流のエリアは、酸化剤のパイプとファーネスの物理的配置によって規定される。
【００３６】
乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアは、個々の乱れた自由噴流のエリアの単純合算値である。この計算法によると、乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアは、ファーネスの断面積より大きい可能性がある。
【００３７】
図３を再度参照すると、本発明の方法は、燃料を複数の燃料パイプ２１に導く工程を含んでいる。燃料は、蒸気メタン改質ファーネスおよび/又はエチレンクラッキングファーネスで使用される当業者に知られたものであれば、どんな燃料でもよい。燃料は、少なくともメタン、天然ガス、燃料用精製ガス、ＰＳＡから得られたガス、改質器の排気ガス(tail gas)などの低分子量炭化水素類である。図３に示すように、少なくともいくつかのガスが、酸化剤とは別にファーネス内に導入される。これは、時には燃料ステージング（fuel staging)と呼ばれ、Air Products and Chemicals,Incの米国特許第６，７７３，２５６号、第６，８６６，５０３号に記載されているように、ファーネスからのＮＯXの放出を減少させる上で効果的であることが出来る。
【００３８】
多数の燃料のパイプ２１は一つの酸化剤のパイプ１１と連携していてもよい。燃料パイプ２１はファーネス１の内面へ連通する出口２２を有しており、出口２２は、ファーネス１の内面の端５０近辺にある。燃料パイプの出口２２はファーネス内の端５０と同一平面にあってもよく、または燃料パイプ２１がファーネス内に伸びていて、出口２２が酸化剤１２の出口の下流にあってもよい。燃料パイプ２１は、同じような配置を有していてもよいし、異なる配置を有していてもよい。燃料の出口２２は同じような断面であってもよく、または異なる断面を有していてもよい。燃料出口２２は、米国特許第６，８６６，５０３号に記載されているように、特別な断面を有していてもよい。
【００３９】
複数の燃料パイプ２１から出た燃料と複数の酸化剤パイプ１１から出た酸化剤が、ファーネス内で混合して反応し、複数の炎部分３０を形成する。いくらかの燃料と酸化剤はあらかじめ混合され、酸化剤パイプ１１に導入される可能性があるが、少なくともいくらかの燃料と酸化剤はファーネス内で混合され、いわゆる燃料ステージングを用いる（employ）。
【００４０】
複数の炎部分３０から発生した熱は、複数の延長された反応チャンバー８０に移送される。蒸気メタン改質器の場合、反応チャンバー８０は、改質触媒で少なくとも部分的に満たされている。エチレン改質ファーネスの場合は、反応チャンバー８０は、少なくともエチレンクラッキング触媒で満たされていてもよいし、部分的に満たされていなくてもよい。適した改質またはエチレンクラッキング触媒は、従来のもので当業者に知られている。反応チャンバー８０はファーネス内の端５０からファーネス内の端６０までを横断している。反応チャンバー８０は、複数の酸化剤パイプ１１と燃料パイプ２１と離間関係にあるエンド部８１を有する。処理ガスが反応チャンバー８０の中を、ファーネス内に行き渡った燃焼ガスと並行流または逆行流で流れる可能性がある。
【００４１】
本発明者らは、循環するファーネス内のガスが供給されるだけの充分なスペースがない、特にアスペクト比が０．８より大きくないと、ファーネス１内の炎は、反っておりおよび/又は不安定である可能性があることを発見した。不安定で反っている炎は、他の反応チャンバー８０よりも、ある反応チャンバー８０を不均一に熱する可能性がある。
【００４２】
一般的には、ファーネス内の端５０の幅と長さは、それぞれファーネスの幅と長さと同じである。本発明の開示の目的上、アスペクト比はファーネス内の端５０によって決定される。ファーネス内の端５０のアスペクト比（ファーネスのアスペクト比）は、ファーネスの列の長さのディメンション（row length dimension）（ファーネスの内部ディメンション）に対するファーネスの幅のディメンション（furnace width dimension）である。列の長さは第１の列の方向と関係があり、幅は第２の列の方向と関係がある。
【００４３】
図６に示すように、酸化剤パイプ１１は、第１および第２の列にアライメントされている。反応チャンバー８０も、また第１と第２の列に(in primary and secondary rows)アライメントされている。反応チャンバー８０の第１の列は近くの離間する列に対応している。図６に示すように、Ｅ−Ｅの線が、反応チャンバー８０の第１の列の中心を通っている。酸化剤パイプ１１の第１の列が、反応チャンバー８０の第１の列に対して設置の許容幅の範囲内で、平行にアライメントされている。例えば、Ｄ−Ｄの線が、酸化剤パイプ１１の第１の列の中心を通っている。第２の列が、設置の許容幅の範囲内で、反応チャンバー８０の第１の列に対して直角にアライメントされている。例えば、Ａ−Ａの線は、酸化物のパイプの第２の列の中心を通っている。
【００４４】
従来のバーナーの設置および低ＮＯXバーナーの設置プロジェクト（project）に関連した観察が表１に要約されている。４つの異なるファーネスが表に示されている。ケース１と２は同じファーネスである。規格化（normalized）された反応チャンバーの長さは、ケース１のファーネスの反応チャンバーの長さで規格化した反応チャンバーの長さである。ケース１、２、５は大きなアスペクト比を有するファーネスに関係しており、前記アスペクト比が０．８より大きい、一方ケース３、４では、アスペクト比は小さく、０．８より小さい。ケース１から４は、燃料ステージングを有するファーネスが関係しているが、ケース５は燃料ステージングがないファーネスが関係している。表１において”３０％の割合のエリア”とは、ファーネス内の第１の端から第２の端までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアの値を、ファーネス内の端５０の水平投影エリアで割った計算値である。
【００４５】
ケース３と４の結果は、”３０％の割合のエリア”は、アスペクト比が０．８より小さいファーネスでは重要でないであろうということを示している。なぜなら、１２７％と１３０％のエリアでは、反応チャンバーへの炎の衝突が観察されなかったからである。
【００４６】
ケース５の結果は、”３０％の割合のエリア”は、ファーネスのアスペクト比が０．８より大きい燃料ステージバーナーがないファーネスにとって重要でないことを示している。なぜなら、１２８％の割合のエリアでは、反応チャンバーへの炎衝突が観察されなかったからである。
【００４７】
しかしながら、ケース１と２は重要な発見を示している。ケース１と２は、ファーネスのアスペクト比が０．８より大きく、燃料ステージを有するバーナーを使用したファーネスに関係している。”３０％の割合のエリア”が１０８％であるケース１は、反応チャンバーに炎が当たっているのが観察された。これに対して、"３０％の割合のエリア"が１０４％であるケース２は、反応チャンバーへの炎の衝突が観察されなかった。
【００４８】
ケース２は、５つの不使用の酸化剤パイプの結果（詳細は以下に示す）”３０％の割合のエリア”が減少しているため、ケース１とは異なる。不使用の酸化物パイプと関連する燃料パイプも不使用であった。
【００４９】
これらの結果は、アスペクト比が０．８より大きく、燃料ステージングのバーナーを有するファーネスは、”３０％の割合のエリア”が、約１０４％以下であれば、反応チャンバー８０への炎の衝突は避けることができるということを示している。
【００５０】
【表１】
2007127405.tif 000005
【００５１】
発明の態様に従えば、ファーネス内の端５０から端６０までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアは、ファーネス内の端５０の水平投影エリアの１０％〜１０５％の間に減少させられている。ファーネス内の端５０からファーネス内の端６０への平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアは、９０％〜１０５％の間、またはファーネス内の端５０の水平投影エリアの９０％〜１０４％の間に減らすことができる。
【００５２】
ファーネス内の端５０から端６０までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影のエリアの減少によって、ファーネス内の循環ガスに充分なスペースが与えられ、それによって炎を直線化し、反応チャンバー８０のさらに均一な加熱を供給する。
【００５３】
ファーネス内の端５０から端６０までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影のエリアは、何らかの方法で減少させられることが可能であろう。複数ある酸化剤のパイプ１１のうちの少なくともひとつへの酸化剤の導入の終了で、減少させられることが可能であろう。酸化剤が実質的にまたは完全に遮断されれば、不使用の酸化剤のパイプが作られる。空気の残留流が、ファーネス内の端５０から端６０までの平均距離の１０％を突き抜けるのに充分な勢いがなければ、酸化剤の導入は実質的に終了する。乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアへの寄与は、不使用の酸化剤のパイプでは０である。不使用の酸化剤パイプと連携および/又は隣接して、燃料パイプ２１への燃料の導入は、終了する可能性がある。
【００５４】
多数の酸化パイプへの酸素の導入は終了して、ファーネス内の端５０から端６０までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアを減少させる。不使用の酸化剤のパイプが、共通第２列に位置付けされていれば、さらに良い結果が得られることを、本発明者らは発見した。図６に３つの不使用の酸化剤のパイプ１４とそれに連携した不使用の燃料パイプ２４を示す。共通する第２の列に位置づけされた不使用の酸化剤のパイプが示されている。
【００５５】
ケース１とケース２は、不使用の酸化剤パイプの積極的効果を示している。ケース２では、ファーネスの中央にある第２の列の５つの酸化剤パイプが不使用である。ファーネスの底部近傍のチューブの壁の温度は、光温度計を使用して個々の反応チャンバーの温度が測定された。反応チャンバー壁の温度の全体的な標準偏差は、ケース１、ケース２では、それぞれ５１華氏と３４華氏であった。
【００５６】
ファーネス内の端５０から端６０までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアを減少させる別の方法は、複数の酸化剤パイプの出口の少なくともひとつの断面積の減少させることである。これは、酸化剤パイプの出口の断面積の減少が、ファーネス内の端５０から端６０までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアに影響を与えていることは、乱れた自由噴流の水平投影のエリアの値を計算すれば容易に明らかとなる。酸化剤パイプの出口の断面積は、耐火性のまたはセラミック製のスリーブを付けても、減少させられるだろう。スリーブは、酸化剤のパイプに合うように設計されたチューブ状の部品か入れ子でもよい。図７にぴったりしたスリーブ１５を付けた酸化剤のパイプを示す。
【００５７】
本発明者らはまた、炎の直線化は、燃料の導入角度に影響されることを発見した。本発明の態様では、複数の燃料パイプ２１の少なくとも一つからファーネス内へ燃料の導入角度が、連携した酸化剤パイプ１１の中心線に向けてられていることを含む方法を図８に示す。角度は、垂直線から１°〜９０°、または垂直線から１５°〜６０°、または垂直線から２５°〜６０°、または垂直線から２５°〜４５°である。
【００５８】
１０の燃料ランス（fuel lances)のうち４つが、連携した酸化剤パイプに向かった角度を有する場合について、コンピューターを使った流体動力学シミュレーションが行われた。シミュレーションの結果は、角度を付けた燃料の導入で、ファーネス内の端５０の水平投影エリアに比べて、より大きいファーネス内の端５０から端６０までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアが、許容されることを示した。酸化剤パイプを、隣接し連携した空気噴流に向けて角度を付けると、連携した空気噴流が、ファーネス内の端５０の水平投影エリアに比べて、より広い乱れた自由噴流の水平投影のエリアを許容する酸化剤パイプの有効直径を減少させる。
【００５９】
本発明のもう一つの態様では、現在の発明はファーネス内の直線化された炎を生成するためのファーネスに関連するものである。ファーネスは、ファーネス１の断面図を示した図３に参照される技術的に既知の方法が用いることができる。図３に示すように、発明にかかるファーネスは複数の酸化剤パイプ１１を含んでいる。複数の酸化剤パイプ１１は、第１および第２の列にアライメントされていてもよい。酸化剤パイプ１１は、ファーネス１の内部に連通する出口１２を有しており、出口１２はファーネス１の内壁５０の近傍にある。図３に示すように、ファーネス１はまた、ファーネス内の端５０の反対側にあるファーネス内の端６０を有している。ファーネス１は、ファーネス内の端５０とファーネス内の端６０をつなぐファーネスの内表面を少なくとも一つ有しており、内壁を形成している。酸化剤パイプ１１は、同様の配置を有していてもよく、または異なる配置を有していてもよい。酸化剤の出口１２は同様の断面を有していてもよいし、異なる断面を有していてもよい。
【００６０】
図４のファーネス１の平面図に示すように、ファーネス内の端５０は、水平投影エリア７１を有しており、斜線のエリアで表されている。水平投影エリアは、水平平面への通常方向（in a direction normal）で、水平平面上に投影したエリアである。ファーネス内の端５０が、例えば斜めのまたはアーチ状で、平面でない場合は、表面はまた水平投影され、
【００６１】
水平投影エリアとなる。ファーネス内の端５０はアスペクト比で０．８より大きい比率を有している。
【００６２】
図５に示すように、個々の酸化剤の出口１２は、ファーネス内の端５０から端６０までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影のエリア８５を規定する。乱れた自由噴流の水平投影のエリア８５は、乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアを示す。
【００６３】
再度図３を参照すると、発明にかかるファーネスは、複数の燃料パイプ２１を含んでいる。図３に示すように、燃料パイプ２１は酸化剤パイプ１１と離間関係にある。別の燃料パイプは時々燃料ステージングランス（fuel staging lances)を意味し（are referred to)、ステージング燃料の技術は、上記ファーネスからのＮＯX放出の削減に効果的である。
【００６４】
複数の燃料パイプ２１は、１つの酸化剤パイプ１１と連携していてもよい。燃料パイプ２１の数は、酸化剤パイプ１１の少なくとも４倍より多くてもよい。あるいは、図４に示されているように、燃料パイプ２１の数は、少なくとも酸化剤パイプ１１の１０倍より多くてもよい。燃料パイプ２１は、ファーネス１の内部と連通する出口２２を有しており、出口２２はファーネス１内の端５０に近いところにある。燃料出口２２は、ファーネス内の端５０と同一平面にあってもよいし、または、燃料パイプ２１は、出口２２が酸化剤出口１２から下向きに流せる位、ファーネス内に伸びていてもよい。燃料パイプ２１は、同様の配置を有していてもよいし、異なる配置を有していてもよい。燃料の出口２２は同様の断面を有していてもよいし、異なる断面を有していてもよい。燃料の出口２２は、米国特許第６，８６６，５０３号に記述されているような特殊な断面を有していてもよい。
【００６５】
図８に示すような本発明の態様においては、燃料パイプ２１は、連携した酸化剤パイプ１１の中心線に向かった角度を有していてもよい。角度は、垂直線から１°〜９０°、または垂直線から１５°〜６０°、または、垂直線から２５°〜６０°、または垂直線から２５°〜４５°であってもよい。
【００６６】
酸化剤パイプ１１と燃料パイプ２１は、耐熱性の材料の可能性があるバーナータイルまたはブロックに形成されていてもよい。
【００６７】
ファーネスはさらに、複数の反応チャンバー８０を含んでいる。蒸気メタン改質器の場合、反応チャンバー８０は少なくとも部分的には、改質触媒で満たされている。エチレンクラッキングファーネスの場合は、反応チャンバー８０は少なくとも部分的にはエチレンクラッキング触媒で満たされている可能性があるし、満たされていない可能性がある。適した改質またはエチレンクラッキング触媒は、当該技術分野で知られた伝統的なものである。反応チャンバー８０はファーネス内の端５０からファーネス内の端６０まで横断している。反応チャンバー８０は、複数の酸化剤パイプ１１と燃料パイプ２１と離間関係にあるエンド部８１を有する。
【００６８】
本発明の態様に従って、ファーネス１は、ファーネス内の端５０から端６０までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアが、ファーネス内の端５０の水平投影エリアの１０％〜１０５％の間となっている。ファーネス内の端５０から端６０までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアは、ファーネス内の端５０の水平投影エリアの９０％〜１０５％の間であってもよいし、９０％〜１０４％の間であってもよい。
【００６９】
ファーネス内の端５０から端６０までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアが、ファーネス内の端５０の水平投影エリアの１０％〜１０５％の間、または９０％〜１０５％の間、または９０％〜１０４％の間であるように、ファーネスが設計され、組み立てられてもよい。あるいは、ファーネス内の端５０から端６０までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアが、ファーネス内の端５０の水平投影エリアの１０％〜１０５％の間、または９０％〜１０５％の間、または９０％〜１０４％の間であるように、ファーネスは修正されていてもよい。
【００７０】
修正されたファーネスは、ファーネス内の端５０から端６０までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアを減少させる手段を有していてもよい。乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアを減少させる手段には、少なくとも一つの不使用の酸化剤パイプを含んでいてもよい。乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアを減少させる手段は、少なくとも二つの不使用の酸化剤パイプを含んでいてもよい。この場合、共通第２列に、少なくとも二つの使用されない酸化剤パイプが位置付けされている可能性がある。
【００７１】
乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアを減少させる手段は、複数の酸化剤パイプの少なくとも一つが、断面積で減少させる手段を含んでいてもよい。例えば、耐熱性またはセラミック製のスリーブを付けることで、酸化剤パイプの断面積が減少させられてもよい。スリーブは、酸化剤パイプに合うように設計されたチューブ状の部品または入れ子でもよい。図７に、スリーブ１５がついた３つの酸化剤パイプを示す。
【００７２】
ファーネス内の端５０から端６０までの平均距離の３０％である乱れた自由噴流の水平投影の組合せエリアを減少させるもう一つの手段は、バーナータイルのうち少なくとも一つを、酸化剤パイプ出口の直径が小さいバーナータイルで置き換えることである。
【００７３】
具体的な態様の参照のために、ここに示し記載するが、いずれにせよ本発明は、示された詳細に限定されることを意図していない。むしろ、本発明の精神から離れることなく、特許請求の範囲に均等な範囲で、種々の修正が細部にわたって行われてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】図１は、細い炎が下向きに燃焼しているファーネスの断面を示したスキーム図である。
【図２】図２は、反れて広がった炎が下向きに燃焼しているファーネスの断面を示したスキーム図である。
【図３】図３は、直線化され広がった炎が下向きに燃焼しているファーネスの断面を示したスキーム図である。
【図４】図４は、ファーネスの平面図を示したスキーム図である。
【図５】図５は、酸化剤のパイプの乱れた自由噴流の水平投影のエリアを示したファーネスの平面図を示したスキーム図である。
【図６】図６は、不使用の酸化剤のパイプを示したファーネスの平面図を示したスキーム図である。
【図７】図７は、酸化剤のパイプの出口の断面エリアを減少させる手段を示したファーネスの平面図を示したスキーム図である。
【図８】図８は、隣接する酸化剤パイプの中心線に向けた角度を付けた燃料パイプを示したファーネスの平面図を示したスキーム図である。
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
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