(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央の酸化剤供給管と外側の同心的な燃料供給管とを含むバーナー管を備えた旋回流式バーナーであって、この際、上記酸化剤供給管には、静的な旋回流発生ブレードと中央に在する同心的な筒状内腔とを有する同心的な筒状ガイドボディが装備されており、
前記ガイドボディ、酸化剤供給管及び燃料供給管の出口末端は、バーナーの軸周りにＵ字型の輪郭を有しており、
前記ガイドボディの輪郭は酸化剤供給管の内壁の輪郭を倣うものであり、及び
前記旋回流発生ブレードは、前記ガイドボディの下部の外側表面から酸化剤供給管の内側表面にまで伸び、そして前記ガイドボディと酸化剤供給管の下部の内壁との間の空間に同心的に配置されている、上記旋回流式バーナー。
【請求項２】
静的旋回流発生ブレードを有する中央に在するブラッフボディを中央の腔中に更に含み、この際、前記静的旋回流発生ブレードが、ブラッフボディの表面からガイドボディの表面にまで伸びる、請求項１の旋回流式バーナー。
【請求項３】
旋回流発生ブレードが、15°〜75°の傾斜角で旋回器に配置されている、請求項１または２の旋回流式バーナー。
【請求項４】
中央の酸化剤供給管及び外側の燃料供給管が、出口端部において15°〜60°の先端角を有する、請求項１または２の旋回流式バーナー。
【請求項５】
ガスを燃料とする反応器において接触的プロセスを行うために請求項１〜４のいずれか一つのバーナーを使用する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、炭化水素燃料の燃焼、詳しくは、炭化水素を燃料とする燃焼反応器に使用するための旋回流式ボディを有するバーナーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼反応物が旋回して流れるバーナーは、燃焼強度の高い安定した火炎を必要とするガスを燃料とする工業的な炉及びプロセスヒーターの加熱に主に使用される。従来の設計による旋回流式バーナーは、酸化剤供給ポートに囲まれた燃料供給用の管を中心に備えたバーナー管を有する。燃焼域における燃料と酸化剤との激しい混合は、上記中心管上のバーナー面に設置された旋回器に酸化剤を通すことによって為される。それによって酸化剤の流れが旋回し、この旋回流が、燃焼生成物の高レベルの内側並びに外側での再循環及びそれゆえ高い燃焼強度を可能とする。
【０００３】
上記の設計による慣用の旋回流式バーナーの一般的な欠点の一つは、バーナー面が、この設計の工業的バーナーに要求される高いガス流速において、燃焼域の中心軸に沿う高レベルの内側の再循環によって引き起こされる過熱に曝されることである。それによって、高温の燃焼生成物がバーナー面に向かって逆流し、そのため急激に高温にまで加熱される結果、バーナー面が破壊されてしまう。
【０００４】
バーナー面に向かう燃焼生成物の内側の再循環の程度が実質的に低められた、小規模乃至中規模の用途に使用するための旋回流式バーナーが米国特許第5,496,170 号に開示されている。この特許に開示されるバーナーの設計は、全流れ方向を燃焼域の軸に沿って集中された酸化剤の旋回流をバーナーに与えかつこれと同時に燃料ガス流を同軸に向かわせることによって、高い燃焼強度を有しかつ高温の燃焼生成物の不利益な内側の再循環の無い安定した火炎をもたらす。
【０００５】
上記特許に開示される旋回流式バーナーは、バーナー管、及びこのバーナー管と同心でかつ間隔を空けて配置された中央の酸化剤供給管を含んでなる。それによって、これらの管の間に環状の燃料ガス流路が形成され、この際、この酸化剤供給管と燃料ガス流路は、別個の入口端部及び別個の出口端部を有する。Ｕ字形の酸化剤及び燃料ガス噴射器が、バーナー面に共軸的に配置される。このバーナーには更に、酸化剤噴射器の内部まで伸びる静的旋回流発生ブレード(static swirler blade)を有するブラッフボディ(bluff body)が装備される。旋回流発生ブレードは、それらの上流末端と下流末端の間に在する上記ブラッフボディ上に据え付けられ、そして酸化剤噴射室の表面にまで伸びる。
【０００６】
大規模な反応器用のバーナーでは、旋回流発生ブレードはより長い長さとより大きな面積を有する。そのため、ブレードの機械的安定性は悪くなる。そうでない場合は、旋回流発生ブレードの長さを短くするために、ブラッフボディをより大きいサイズで作らなければならない。
【０００７】
不利なことに、大規模な旋回流式バーナーの旋回流発生ブレードは、機械的安定性に関わる問題及び意図しない振動を引き起こす大きさを持つ。それ以外では、すなわち旋回流ブラッフボディを大きくすると、このボディ周りを流れる酸化剤の圧力低下が不都合に増大する。この増大する圧力低下は、燃料及び／または酸化剤供給管の出口端部を広げることによって補うことができる。しかし、そうすると燃焼域の軸の周りでの望ましい流動パターンが、この軸の周りで不利に乱れてしまう。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
それゆえ、本発明の主な課題は、旋回式ボディ、好ましくは、大規模の旋回式バーナーで生ずる上記問題のない大きさ及び形状を有するブラッフボディ及び旋回流発生ブレードを装備する大規模な旋回式バーナーで使用するための旋回式ボディを得ることである。
【０００９】
【課題を達成するための手段】
それゆえ、本発明は、中央の酸化剤供給管と、外側の同心的な燃料供給管とを含んでなるバーナー管を備えた旋回流式バーナーであって、この際、上記酸化剤供給管には、静的旋回流発生ブレードと中央に在する同心的な筒状内腔とを有する同心的な筒状ガイドボディが装備され、上記旋回流発生ブレードは、上記ガイドボディの外側表面から酸化剤供給管の内側表面にまで伸び、そして上記ガイドボディと酸化剤供給管の下部の内壁との間の空間に同心的に配置されている、上記旋回流式バーナーに関する。
【００１０】
一つの態様では、該バーナーは、中央に在する内腔静的(borestatic)旋回流発生ブレードと中央に在するブラッフボディを更に含み、そしてこの際、前記静的旋回流発生ブレードは、ブラッフボディの表面からガイドボディの表面まで伸びる請求項１に記載の旋回流式バーナーからなる。
【００１１】
操業中の旋回流発生ブレードの追加的な安定化は、酸化剤供給管の内側表面の所で外側旋回流発生ブレードをバーナーに固定することによって為される。その際、ガイドボディは、内側旋回流発生ブレードの外縁に据え付けられる。
【００１２】
内側旋回流発生ブレードは、好ましくは、ブラッフボディの外側表面を機械加工することによって形成される。
【００１３】
旋回器で引き起こされる旋回流は、燃料ガスと酸化剤との接触領域を増大させることによってこれらの混合を促進する。旋回流発生ブレードの傾斜角を15°〜75°、好ましくは20°〜45°の角度に調節した時に効果的な混合が達成される。
【００１４】
燃料ガスと酸化剤との混合は、ブラッフボディの中央部周りでかつガイドボディの上部に内側旋回流発生ブレードを、そしてブラッフボディの下部周りでかつガイドボディの下部に外側旋回流発生ブレードを配置することによって更に強めることができる。
【００１５】
バーナー面に隣接する燃焼域の軸に沿って進む燃料反応物の内方向への流れパターンは、燃料供給管及び酸化剤供給管の出口端部のＵ字形の輪郭によって達成され、さもなくばバーナー面の過熱及び破壊を招く燃焼域軸周りの高温領域における高温燃焼生成物の再循環を防ぐ。
【００１６】
内方向に向かう流動パターンは、燃焼域の低温外側領域における外側の再循環の度合いを高める。この領域からは、冷却された燃焼生成物しかバーナー面へ戻らず、ここで、この生成物は高温の燃焼域中に吸収されそしてそこで再加熱される。
【００１７】
上記の流動パターンを実質的に維持するためには、ガイドボディの輪郭が、酸化剤供給管の内壁の輪郭に倣うことが追加的に好ましい。
【００１８】
ガス燃焼型反応器において本発明のバーナーを操業する場合は、冷却された燃焼生成物のリサイクル流は、燃焼域を囲む反応壁を高温の燃焼生成物の影響から有利に保護し、反応器の寿命を長くする。
【００１９】
噴射室の出口端部に近いバーナー面の所の温度は、出口末端において最小の先端角をもって鋭く縁取りされた酸化剤管を作ることによって更に低くすることができる。噴射器の低減された加熱及び適当な機械的強度は、15°〜60°、好ましくは15°〜40°の先端角で達成される。
【００２０】
本発明のバーナーの更に別の利点は、冷却された燃焼生成物の高程度の外側の再循環が、燃焼出口域における均一な温度分布を与えることである。
【００２１】
このことは、生成物の収率が、燃焼出口域に通常配置される触媒床での温度分布に強く依存する、加熱接触式反応器(fired catalytic reactors)の操業において非常に重要である。
【００２２】
本発明の別の態様では、ガイドボディは中実であり、そしてバーナーの軸と同心的にその中間部において内腔が設けられる。この態様は、外側旋回流発生ブレードの同半径を持って上述の通りの旋回効果を保証し、更にこれと同時に、酸化剤ガス流量を多くして操業する場合に圧力低下を低く抑えることを保証する。高温反応域はバーナーの先端から遠ざけられ、しかしなお、バーナー軸回りでの反応するガスの回転運動は維持される。
【００２３】
それゆえ、本発明のバーナーは、余分な圧力低下または機械的な不安定性を生むことがなく、加熱及び接触的プロセスが行われるガスを燃料とする大規模な反応器に特に有用である。
【００２４】
【実施の態様】
本発明の上記の課題及び利点は、添付図面の参照の下、以下の記載によってより詳しく説明される。添付図は、本発明の二つの具体的な態様による旋回流式バーナーにおける燃料及び酸化剤供給管の下部の断面図を示す。
【００２５】
図１は本発明の態様のうちの一つを示す。このバーナーの燃料供給管１は、酸化剤供給管２を同心的に囲む。この酸化剤供給管２は、旋回流発生ブレード４を備えたガイドボディ３を有する。旋回流発生ブレード４は、前記ガイドボディの下部周りで平面Ｂに配置される。ガイドボディ３には、該バーナー中に同心的に配置される酸化剤供給用の内腔５が設けられる。
【００２６】
図２では、燃料供給管３によって囲まれた酸化剤供給管１の下部に、中央に在するブラッフボディ２が与えられている。酸化剤供給管１は、更に、内側旋回流発生ブレード４及び外側旋回流発生ブレード10を備えている。ブラッフボディ２は、ドーム型の上流末端とテーパーのついた下流末端を有する。旋回流発生ブレード４は、ブラッフボディ２の表面を機械加工することによって得られるブラッフボディ２の統合された一部である。この際、旋回流発生ブレード４は、ボディ２の外側表面から、ブラッフボディ２と管１の壁14との間に管１中に共軸的に配置されるガイドボディ８まで伸びる。ブレード４は、管１中において、ボディ２の上部とガイドボディ８の上部との間に軸Ａの周りに配置される。ブレード４は、ガイドボディ及びブレードにそれぞれ設けられた溝７及び凸縁５によって、熱膨張に対し適当な許容度をもってガイドボディ８に固定される。
【００２７】
外側旋回流発生ブレード10は、軸Ａと垂直でそしてブラッフボディ２及び壁14の下部を通る平面Ｂに重心をもって及び軸Ａ周りに、酸化剤供給管中においてガイドボディ８と壁14との間の空間に配置される。
【００２８】
内側ブレードの場合と同じように、外側旋回流発生ブレード10は、壁14中に作られた溝13に嵌め込まれたブレードの凸縁９によって酸化剤管壁14に許容度をもって固定される。ブレード10は、更に、ガイドボディ８の表面に据え付けられる。それ以外では、ブレード10を、ガイドボディの統合された一部として形成することもできる。
【００２９】
管１の出口端部16では、壁14及びガイドボディ８は、軸Ａ周りにＵ字形の断面内表面を有する。
【００３０】
このＵ字の形は、筒状部と円錐部とを有する適当な金属製ボディを機械加工することによって得るのが都合がよい。その際、筒状部と円錐部との間の変移角(transition angle)は好ましくは115 °〜170 °の範囲である。
【００３１】
出口端部16を囲む壁14の縁には、以下により詳しく述べるが、過熱からこの縁を保護するために最小の先端角γをもってテーパーがつけられる。
【００３２】
この先端角は通常15°〜60°、好ましくは15°〜40°である。
【００３３】
本発明のバーナーの操業時は、酸化剤流が、旋回流発生ブレード４及び10を通ることによって旋回流となる。更に、ブラッフボディ２によって及びガイドボディ８、酸化剤管１及び燃料管３の出口端部のＵ字形の輪郭によって、上記旋回酸化剤流は、流れ全体が燃焼域の軸周りに方向付けられてこの燃焼域中に導入される。
【００３４】
その結果、酸化剤と燃料ガス流との混合が、燃焼域の軸周りの高温領域において主に為されるようになる。この際、高温の燃焼生成物のこの領域内での不利益な内側再循環が防止される。再循環は、燃焼域の低温の外側領域においてのみ起こり、噴射室の出口端部に近い低減された材料温度を導く。上述の通り、この領域の温度は、酸化剤噴射室の出口端部周りの酸化剤噴射部の縁の角度γによって更に制御することができ、これによって酸化剤と燃料ガスとの混合域が、先端角度を小さくすればそれだけ上記の縁から離れた所に維持される。
【００３５】
非常に強い燃焼強度を必要とする用途においては、出口端部の領域に不活性ガスまたは水蒸気を加えることによって更にバーナー面を高温度から保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、ブラッフボディを持たず、ガイドボディと酸化剤供給管の内壁との間にのみ旋回流発生ブレードを装備する場合の本発明の態様の一つを示す。
【図２】図２は、ブラッフボディを有し、ブラッフボディとガイドボディの内側表面との間及びガイドボディと酸化剤供給管の内壁との間に旋回流発生ブレードを装備する場合の本発明の態様の一つを示す。
【符号の説明】
図１について：
１＝燃料供給管；  ２＝酸化剤供給管；  ３＝ガイドボディ；  ４＝旋回流発生ブレード；  ５＝内腔
図２について：
１＝酸化剤供給管；  ２＝ブラッフボディ；  ３＝燃料供給管；  ４＝内側旋回流発生ブレード；  ５＝ブレード固定用の凸縁；  ７＝ブレード固定用の溝；
８＝ガイドボディ；  ９＝ブレード固定用の凸縁；  １０＝外側旋回流発生ブレード；  １３＝ブレード固定用の溝；  １４＝酸化剤供給管の内壁；  １６＝出口端部
【図１】
0003934416.tif 000002
【図２】
0003934416.tif 000003