(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
・バーナー管及び、このバーナー管と同心的にかつそれと間隔をあけて配置された酸化剤供給管；  −これによってこれらの管の間に環状の燃料ガス導入路を形成せしめ、この際、この酸化剤供給管と燃料ガス導入路は、別々の入口端及び別々の出口端を有する−、
・上記燃料ガス導入路の出口端に接続された燃料ガスインゼクター；  −この燃料ガスインゼクターは、上記バーナー管とこのインゼクターの共通の対称軸の周りに実質的にＵ型の断面を有し、かつこの軸及びガス混合域に向かって内側方向に指向する環状出口を有する−、
・上記燃料ガスインゼクターと共通の対称軸を有し、かつ上記酸化剤供給管の出口端に接続された酸化剤インゼクター；  −この酸化剤インゼクターの出口はガス混合域に向かって指向し、かつこの出口には、ガス混合域中に伸びる環状のリップが設けられている−、
・酸化剤が上記酸化剤インゼクターから排出可能となる前に、上記軸の周りで酸化剤に渦運動をさせるために、上記酸化剤インゼクターに備えられた静的渦巻き流形成手段；
を含む渦流式バーナーにおいて、
酸化剤流を上流区と下流区とに分割する仕切り部から構成される静的渦巻き流形成手段を含み、この仕切り部には、酸化剤を上流区から下流区へと移動させるための少なくとも一つの通路が設けられ、この通路は、酸化剤の流れの方向を、仕切り部の上流の対称軸と平行する方向から、これと交差しかつ仕切り部の下流での軸に対して接線の方向に変え、それによって軸の周りに、酸化剤の回転流を生ぜしめるように改良したことを特徴とする上記渦流式バーナー。
【請求項２】
ガス混合域中で燃料ガス流を酸化剤流に対して主として垂直方向に向けるために、燃料ガス出口を囲む実質的に平面の内部表面が燃料ガスインゼクターに設けられている、請求項１の渦流式バーナー。
【請求項３】
仕切り部が、実質的に、その頂部が酸化剤の流れ方向の逆に向きかつ酸化剤供給管の内側に沿って伸びる環状の壁部を有する逆カップ状の形であり、その壁部に酸化剤のための通路が設けられている、請求項１または２の渦流式バーナー。
【請求項４】
仕切り部に３〜10個の通路が設けられている、請求項３の渦流式バーナー。
【請求項５】
壁部が円筒形の外側表面を有する、請求項３の渦流式バーナー。
【請求項６】
酸化剤出口より大きい直径を持ちかつ軸の周りに環状の断面を有する渦巻き室が、仕切り部と酸化剤出口との間に酸化剤インゼクター中に設けられ、この渦巻き室と酸化剤出口の間の遷移部を構成する表面部が曲線化されている、請求項１〜５のいずれか一つの渦流式バーナー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、
バーナー管及び、このバーナー管と同心的にかつそれと間隔をあけて配置された酸化剤供給管（これによってこれらの管の間に環状の燃料ガス導入路を形成せしめ、この際、この酸化剤供給管及び燃料ガス導入路は別々の入口端及び別々の出口端を有する）；
上記燃料ガス導入路の出口端に接続された燃料ガスインゼクター（この燃料ガスインゼクターは、上記燃焼管とこのインゼクターの共通の対称軸の周りに実質的にＵ型の断面を有し、かつこの軸及びガス混合域に向かって内側方向に指向する環状出口を有する）；
上記燃料ガスインゼクターと共通の対称軸を持ち、かつ上記酸化剤供給管の出口端に接続された酸化剤インゼクター（この際、この酸化剤インゼクターの出口はガス混合域に向かって指向する）；  更に
酸化剤が上記酸化剤インゼクターから排出可能となる前に、軸の周りで酸化剤に渦運動をさせるために、上記酸化剤インゼクターに備えられた静的渦巻き流形成手段；
を含む渦流式バーナーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
接触反応用のガスだき反応器に使用されるこのようなバーナーはヨーロッパ特許B1 545,440号に開示されている。この公知のバーナーの主な使用分野は、炭化水素燃料の一次及び二次水蒸気改質によるかまたはこれの自熱接触改質による水素及び一酸化炭素プロセスガスの製造であり、ここでの問題は、この方法が不足当量(substoichiometric) の酸化剤供給量で行わなければならないことから、炭素煤含有量の少ないプロセスガスを製造することである。この従来技術では、この問題に対しては、混合域に導かれる酸化剤に中心渦流を生じさせ、その際、燃料を酸化剤流に周辺から供給することによって燃料ガス及び酸化剤に多数の混合点を付与することで対処している。この酸化剤の渦または回転運動は、渦巻き手段における勾配羽(pitched blades)によって発生させる。
【０００３】
更に、燃焼温度がしばしば1000℃を超えるほど高いため、混合目的のためにバーナー表面に向けて熱ガスを再循環するようにバーナーを設計した場合は、燃焼域に隣接するバーナー表面が過熱される危険がある。ヨーロッパ特許第B1 545,440号では、そのバーナーの設計は、バーナーから出た燃焼生成物流を中心軸に沿って指向させることにより、燃焼域周辺の冷却器の所で燃焼生成物の再循環を起こさせ、これによってこのガスがバーナーの面に至る前に冷却され、そしてバーナーから出る中央流と混合されて再加熱されるようになっている。
【０００４】
通常、火炎温度を緩和しそして炭化水素の転化率を高めるために水蒸気が炭化水素燃料に供給されるが、これは煤形成を抑制する効果も持つ。この公知技術によるバーナーに組み入れられる渦巻き手段は、それの羽の勾配角に依存した混合効果を有し、そして勾配角が大きくなると、より低い水蒸気：炭化水素比（以下、S/C 比という）で供給することが可能となることが幾つかの実験により示されている。例えば30°の羽角度では、0.9 のS/C 比の煤限界点(soot limit)となり、一方60°の羽角度は 0.6のS/C 比にこの煤限界点を低減させる。煤限界点を更に低減させることが望ましいが、但し幾つかの物理的な条件によって、この羽勾配角は約60〜75℃に制約される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の一般的な課題は、渦流式バーナー中の酸化剤渦巻き流形成手段の混合効果を高めることである。
本発明の更なる課題は、不足当量の酸化剤供給をもって渦流式バーナーによって製造された流出ガスの炭素煤発生の傾向を低めることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
これらの及びその他の課題は、酸化剤流を上流区と下流区に分割しかつ酸化剤を上流区から下流区へと移動させるための少なくとも一つの通路が設けられている仕切り部から構成される静的渦巻き流形成手段を含み、この際、この通路は、酸化剤の流れの方向を、仕切り部の上流の対称軸と平行する方向から、これと交差しかつ仕切り部の下流の軸に対して接線の方向に変え、それによって軸の周りに、酸化剤の回転流を生じさせるように設計されている、請求項１の前文に示される型の渦流式バーナーにおいて達成される。
【０００７】
本発明では、酸化剤流の方向を、元の方向に対して90°まで変えることができ、一方、接線方向に指向した通路は酸化剤の渦運動を生じさせる。これによって、混合域に入る前に、出口を通過しながらの、つまり軸に沿った酸化剤の高められた回転が達成され、またそれゆえ、回転していない燃料ガスの半径方向の流れが回転する酸化剤ガスにぶつかって、ガス間に乱流を生じさせるので、燃料と酸化剤との高められた相互の混合が達成される。
【０００８】
本発明の好ましい態様の一つでは、ガス混合域中で酸化剤流に対して燃料ガス流を主として垂直に向けるための、燃料ガス出口を囲む実質的に平面の内部表面が燃料ガスインゼクターに設けられる。燃料ガスは、中央の酸化剤流に対して半径方向に押し進められて、酸化剤と平行な速度成分が全くない状態で襟状の流れ (callor-like stream) を形成する。燃料ガスと酸化剤とが、共通の運動成分が全くない状態でぶつかるため、最大の混合効果が達成される。
【０００９】
本発明の他の好ましい態様では、仕切り部を、実質的に、頂部が酸化剤の流れ方向の反対方向に向きかつ酸化剤供給管の内部に沿って伸びる環状の壁部を有する逆向きのカップの形状とし、この壁部に酸化剤のための通路を設ける。その際、この仕切り部は、酸化剤流のための機械加工した一つまたはそれ以上の通路を除いて、酸化剤供給管の端を封止する挿入物としてかなり簡単に設計し得る。これによって、酸化剤流は、仕切り部中の一つまたはそれ以上の通路によって元の流れ方向に対して交差する方向の流れになるまで、酸化剤管と上記壁部の間を通ることができる。
【００１０】
乱流によって生ずる圧力損を最小化しながら仕切り部の上流と下流の対称的な流れを保証するためには、２〜４個の通路を設けることが好ましい。
仕切り部の壁部は、一般的には、簡単でかつ費用のかからない設計である円筒状の外側表面を有する。
本発明による更なる態様では、軸の周りに環状の断面を有しかつ酸化剤出口よりも大きな直径を持つ渦巻き室が、仕切り部と酸化剤出口との間に酸化剤インゼクター中に設けられ、この際、渦巻き室と酸化剤出口との間の遷移部を構成する表面部分は湾曲される。この渦巻き室は、酸化剤が出口を通過してこの室を出る前にこれの回転運動を高め、そして湾曲した遷移部は乱流を低く抑え、これによってこの回転運動が邪魔されることも避けられる。
【００１１】
酸化剤インゼクターの出口に、ガス混合域中に伸びる環状のリップが設けられている場合は、燃料と酸化剤の混合点がバーナーの面から移動してこれから離れる。これは、特にこのリップが非常に鋭い角度で設計されている時に顕著である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい態様を、図面を参照しながら以下に詳細に記載する。
本発明の第一の好ましい態様では、燃料ガス用のバーナーは外側のバーナー管１からなり、この中に直径がこれより小さい酸化剤供給管２が同心で設けられる。バーナー管１と酸化剤管２は、それらの間に燃料ガスの供給用のダクト３を形成する。酸化剤管は、酸化剤供給用のダクト４を定める。ダクト３及び４は、図示されていないが別々の入口を有する。
【００１３】
酸化剤管２の出口には、円筒状のスカート７が設けられた逆向きのカップの形状の仕切り部６からなる全体設計の酸化剤インゼクター５が装備される。他の態様では、この仕切り部はドーム型、錐型(taper) または円盤型であることができる。スカート７のリムは、管２の端に溶接された末端片８中にはめ込まれ、これによって６、７及び８の部品の間に渦巻き室９が定められる。仕切り部６は、管２の壁にねじ込まれかつそれに溶接されたスタッド14によって同じ場所に維持されるが、このような形をとらない他の態様も可能であり、例えば末端片８に仕切り部を溶接することもできる。図１及び２に示されるように、仕切り部６は、スカート７中に機械加工したスリット10として形成される酸化剤用の三つの通路を有する。この通路は他の形状、例えば丸穴であってもよく、またこれより多くても少なくてもよい。スリット10は、仕切り部６の円筒状の内側に面した側に対して接線方向に指向する。末端片８と同心で、酸化剤インゼクター出口11が設けられ、また出口11と、末端片８の平坦な上側１３との間での乱流を低減するための湾曲した遷移部12を設け、それによって出口11は漏斗のような形状となる。出口11を囲む環状のリップ15は、末端片８の他の部分では平坦な外側表面から突出する。リップ15は傾斜角γを有し、これは好ましくは15〜40°の範囲である。
【００１４】
バーナー管１に取り付けられたスタッド16は、管１の底部末端の所の突出部17に対して酸化剤管２を固定する。但し、管２を固定するには他の手段も可能である。燃料ガス供給ダクト３は、全体的にＵ型の燃料インゼクター18につながり、ここで、このＵの底部は、一般的に、管１、２及び末端片８の対称軸21と同心の円形の開口部19が中央に設けられた平面である。それによって、開口部19の内部の稜と末端片８上のリップ15の間に環状の開口部として燃料ガス管の出口20が定められる。よって、ガス混合域が出口11と20の間に生まれ、そしてここから混合域は、バーナーから離れて更に軸21にそって伸びる。燃料ガスインゼクター18の底部には、高温の燃焼生成物との接触を避けるために、開口部19を囲む鈍角の円錐形の表面22がその外側に設けられる（そうしないと、この燃焼生成物がインゼクター18を過熱する恐れがある）。
【００１５】
図３に示した本発明の他の態様は、酸化剤インゼクターに、つららのような形の伸長したブラッフ(bluff) ボディ23が設けられていることを除き、上記の第一の態様と共通の細部を特徴とする。ボディ23は、仕切り部６の頂部に固定するかまたはこれと一体化され、そして酸化剤出口11及び開口部19を通過して伸びる。このブラッフボディ23の存在は、酸化剤インゼクター５の中かつガス混合域の頂部の所に環状の空間24を付与して、そして酸化剤ガスの不動のまたは動きの遅い中心部の形成を排除する。
【００１６】
炭化水素化合物を含む燃料ガス、水蒸気及び場合によっては前の工程から持ち込まれた一酸化炭素をダクト３を通して高圧で供給し、そしてこれは燃料インゼクター18を通って出口20に向かって流れ、この際、この流れの最後の部分は軸21に向かって半径方向かつ襟様(collar-like) に指向される。ダクト４に供給される、空気、酸素または酸素豊富空気であることができる、酸化剤の直線流は、それが仕切り部６と管２との間の末端片８に到達した時にその方向を90°変えてそしてスリット10を通して押し入れられる。スリット10が接線方向であるために、渦巻き室９に入る酸化剤ガスの副流は、かなり少ない運動成分またはこれが全くなしでも室９内でガスの回転運動を軸方向に誘発する。酸化剤が出口11を介して排出される際に、これは、ガス混合域に到達しそして出口20からの交差方向の燃料ガス流とぶつかる時もなお回転または渦運動を有している。酸化剤及び燃料がリップ15のそばに流れる際、リップ15の形状及び傾斜角がこの二つのガス流を出口から離れた所に一緒に流れさせ、これによって高温の燃焼域がバーナーから遠ざけられる。酸化剤の強烈な回転運動のために、混合域における燃料と酸化剤との良好な混合が得られ、これによってこの不足当量方法における炭素煤の形成傾向が低められる。この混合効果は、軸に沿って動く酸化剤に対して実質的に垂直な燃料ガスの噴射によって高められる。
【００１７】
本発明のバーナーは、上記に示した方法以外の他の燃焼目的にも使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のバーナーの好ましい態様の立面断面図を示す。
【図２】図２は、図１のII-II 線に沿った断面図を示す。
【図３】図３は、本発明による第二の態様の立面断面図を示す。
【符号の説明】
１・・・バーナー管
２・・・酸化剤供給管
３・・・燃料ガス供給用ダクト
４・・・酸化剤供給用ダクト
５・・・酸化剤インゼクター
６・・・仕切り部
７・・・スカート
８・・・末端片
９・・・渦巻き室
10・・・スリット
11・・・酸化剤インゼクター出口
12・・・遷移部
13・・・末端片８の平坦な上側
14・・・スタッド
15・・・環状リップ
16・・・スタッド
17・・・突出部
18・・・燃料ガスインゼクター
19・・・開口部
20・・・燃料ガスインゼクター出口
21・・・軸
22・・・鈍角の円錐形の表面
23・・・ブラッフボディ
24・・・環状空間
【図１】
0004077554.tif 000002
【図２】
0004077554.tif 000003
【図３】
0004077554.tif 000004