以下図面を参照して本発明の実施の形態� ��詳細に説明する。図1(A)及び(B)は、それぞれ 本発明の高温空気燃焼技術を用いた反応炉の 実施の形態における後に詳しく説明するバー ナ及び通気口複合構造体1と反応管Pとの配置� ��係の一例を示す図である。また図2はバーナ 及び通気口複合構造体1の平面図であり、図3� ��バーナ及び通気口複合構造体1の部分斜視図 である。バーナ及び通気口複合構造体1は、� �焼排ガス排出口または高温空気供給口とし� �利用される二つの通気口2及び3と、バーナ構 造体4とが、耐火性を有する耐火構造部材5に� ��持されてセットになった構造を有している� ��

 図1(A)及び(B)において、符号6で示したも� �は、内部に燃焼室7を有する炉本体である。� ��本体6は、底壁(炉床)6a及び上壁(炉天井)6bと� ��横方向に位置する一対の側壁6c及び6dと、幅 方向に位置する一対の側壁6e及び6fとを備え� �いる。炉本体6の底壁(炉床)6aは、図示しない 支持構造部によって支持されている。そして 炉本体6の底壁6aと上壁6bとを貫通するように� ��複数本の反応管Pが配置されている。この実 施の形態では、それぞれ複数本(図上は12本)� �反応管Pからなる2列の反応管列8A及び8Bが、� �離Lをあけて平行に配置されている。この例� ��は1列の反応管列に含まれる、隣り合う2本� �反応管P,P間の距離はほぼ等しくなるように� �複数の反応管Pが配置されている。この例で� ��、炉本体6の底壁6aに、6台のバーナ及び通気 口複合構造体1が配置されている。

 図4は、バーナ及び通気口複合構造体1の� �成部分の一部断面図(図2のIV-IV線断面図)と、 その下方に配置される熱交換型燃焼用空気供 給装置9の主要部分の構成との関係を示す図� �ある。交番式熱交換型の燃焼用空気供給装� �9は、燃焼室7内の燃焼排ガスを二つの流路F1, F2と通気性を有する蓄熱手段10または11を通し て炉外に排出し且つ蓄熱手段10または11の顕� �で高温に加熱した燃焼用空気を複数の反応� �Pの管軸方向(反応管が延びる方向)に沿って� �焼室7内に供給する。通気口2及び3につなが� �た給排気通路2A及び3Aには具体的な構造を図� ��しないダクト構造体内の流路F1及びF2が接続 されている。これらの流路F1及びF2は、給排� �通路2A及び3Aを通る燃焼排ガスを蓄熱手段10� �び11に案内し、また蓄熱手段10及び11で加熱� �れた燃焼用空気を給排気通路2A及び3Aへと案� ��する。なお図4に示すように、ダクト構造体 は、二つの流路F1及びF2を通る燃焼排ガスま� �は燃焼用空気の熱を利用して後述する予燃� �空気流路19を通る空気を加熱できるように構 成されている。ダクト構造体において、二つ の流路F1及びF2と予燃焼空気流路19との間は、 熱伝達可能に構成されている。このように構 成すると、燃焼排ガスや燃焼用空気の熱が、 予燃焼空気の加熱にも利用され、加熱された 予燃焼空気が燃焼室7内に入ることにより、� �効率を上げることができる。

 図4に示された状態は、通気口3が高温空� �供給口として利用され、通気口2が燃焼排ガ� ��排出口として利用されているときであり、� ��のときの流体の流れを矢印で示してある。� ��熱手段10及び11のいずれを燃焼用空気の加熱 用として利用するか(または燃焼排ガスの熱� �蓄熱用として利用するか否か)は、ダクト構� ��の途中に設けられた切替制御弁12及び13の切 替動作を制御する切替制御装置15の制御によ� ��決定される。切替制御弁12及び13は、蓄熱手 段10及び11を押込送風機16及び誘引送風機17の� ��ずれか一方に接続するために使用される。

 図4に示すように、通気口3が高温空気供� �口として利用され、通気口2が燃焼排ガス排� ��口として利用されているときには、切替制� ��弁12は蓄熱手段11を送風機16に接続し、切替� ��御弁13は蓄熱手段10を誘引送風機17に接続す� ��。また通気口2が高温空気供給口として利用 され、通気口3が燃焼排ガス排出口として利� �されているときには、切替制御弁12は蓄熱手 段11を誘引送風機17に接続し、切替制御弁13は 蓄熱手段10を押込送風機16に接続する。本例� �は、燃焼用空気は、蓄熱手段の顕熱で800℃� �上の高温に加熱されている。

 バーナ構造体4は、高カロリー燃料ガスと 予燃焼空気とが混合された予燃焼高カロリー 燃料ガスを噴出する予燃焼高カロリー燃料ガ ス噴出口20と、低カロリー燃料ガスを噴射す� ��4つの低カロリー燃料ガス噴出口21とを備え� ��いる。予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口20� �び4つの低カロリー燃料ガス噴出口21は、耐� �材料によって一体に形成された耐火筒23に形 成されている。この耐火筒23は、中央に予燃� ��高カロリー燃料ガス噴出口20及びこの予燃� �高カロリー燃料ガス噴出口20につながる予燃 焼室24を有している。また耐火筒23は、予燃� �室24の底部25に高カロリー燃料ガス噴出口26� �予燃焼空気噴出口18とを備えている。この実 施の形態では、耐火筒23の底部25を、予燃焼� �気が流れる外管27と、高カロリー燃料ガスが 流れる内管28とが同心的に配置されて構成さ� ��た二重管が貫通している。なお図4には、図 示していないが、図2に示すように、外管27の 先端部と内管28の先端部との間には予燃焼空� ��ノズル29が嵌合されている。予燃焼室24内で は、予燃焼空気と高カロリー燃料ガスとが混 合され高カロリー燃料ガスの一部が燃焼して いる高温の予燃焼高カロリー燃料ガスが生成 されている。この予燃焼高カロリー燃料ガス の一部は、予燃焼空気によって一部燃焼して いるが、大部分は未燃焼のまま後述する燃焼 室7内の混合開始領域CAまで到達する。なお外 管27と内管28は、耐火構造部材5の内部を延び� ��いる。なお燃焼動作時には、内管28に、図� �しない高カロリー燃料ガス(天然ガス等)源か ら絞り弁等の流量制御手段を介して連続して 高カロリー燃焼ガスが供給される。

 また耐火筒23には、予燃焼高カロリー燃� �ガス噴出口20を囲むように周方向に所定の間 隔をあけて配置された4つの低カロリー燃料� �ス噴出口21と、予燃焼室24を囲むように配置� ��れ且つ4つの低カロリー燃料ガス噴出口21に� ��ながる4本の低カロリー燃料ガス通路30とが� ��成されている。4本の低カロリー燃料ガス通 路30は、耐火構造部材5の内部に配置された4� �の低カロリー燃料ガス延長通路31と連結され ている。なお4本の低カロリー燃料ガス延長� �路31には、プラントから出る各種の低カロリ ー燃焼ガスが絞り弁等の流量制御手段を介し て連続して供給される。反応炉が水素生成プ ラントであれば、水素精製時の改質ガスから 製品水素を抽出した後のオフガス(水素を含� �パージガス)を、この低カロリー燃料ガスと� ��て利用可能である。この例では、4つの低カ ロリー燃料ガス噴出口21は、周方向に90度ず� �間隔をあけて形成されているが、低カロリ� �燃料ガス噴出口21は予燃焼高カロリー燃料ガ ス噴出口20を囲む領域に分散して配置されて� ��てもよい。すなわち複数の低カロリー燃料� ��ス噴出口21を不等間隔で配置してもよいの� �勿論である。

 予燃焼高カロリー燃料ガスと通気口2また は3から供給される燃焼用空気とは、バーナ� �び通気口複合構造体1の上方に形成される混� ��開始領域CA[図1(B)参照]で交わる。低カロリ� �燃料ガス噴出口21から噴出される低カロリー 燃料ガスは、混合開始領域CAに到達するまで� ��間に、予燃焼高カロリー燃料ガスの熱で予� ��され、また一部が燃焼する。混合開始領域C Aに到達した、予燃焼高カロリー燃料ガスと� �カロリー燃料ガスとは、混合開始領域CAで燃 焼用空気と混合されて、本格的に燃焼を開始 するようにバーナ構造体の各部の寸法と各ガ スの噴射速度、そして燃焼用空気の噴射速度 が定められている。

 次に、図2及び図4に示した、予燃焼高カ� �リー燃料ガス噴出口20及び低カロリー燃料ガ ス噴出口21の位置と、二つの通気口2及び3の� �置との間の高さ寸法L2及び予燃焼高カロリー 燃料ガス噴出口20の中心と二つの通気口2及び 3の中心との間の距離L1の好ましい関係につい て説明する。これらの距離L1及び高さ寸法L2� �ついては、次の2つの条件を満たす長さに設� ��するのが好ましい。すなわち第1の条件は、 予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口20及び低カ� ��リー燃料ガス噴出口21から噴出した燃料ガ� �が、高温空気燃焼場に到達する前に燃焼排� �ス排出口として利用される通気口2または3か ら排出されるのを抑制できる長さにすること である。ここで高温空気燃焼場とは、混合開 始領域CAよりも上に形成されて高温空気で燃� ��が行われる燃焼場である。また第2の条件は 、予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口20及び低� ��ロリー燃料ガス噴出口21から噴出した燃料� �スが、燃焼排ガス排出口に燃焼排ガスが吸� �されるのを部分的に妨げる長さに設定する� �とである。前述の距離L1を、これら第1及び� �2の条件を満たす長さに設定すると、燃焼排� ��ス排出口として利用される通気口に向かう� ��焼排ガスの一部を燃料ガスと一緒に再度高� ��空気燃焼場に戻して再燃焼することができ� ��ため、燃焼排ガス中に含まれる未燃焼ガス( CO,炭化水素など)の量を、小さくすることが� �きる。

 具体的には、燃焼用空気の供給及び燃焼� ��ガスの排出を80~200m/secの速度でするものと� �る。そして二つの通気口2及び3のそれぞれの 中心線と予燃焼高カロリー燃料ガス噴出口20� ��中心線との間の距離L1は、350~500mmとする。� �た耐火筒23の高さ寸法L2を、50~600mmとする。� �らにL1/L2が、1~10の値になるようにする。特� �L1/L2が、2~5になるようにすると、燃焼室7の� �部である程度の量の燃焼排ガスが循環して� �度燃焼する再循環現象が発生するので、燃� �排ガス中のCOの量を小さくすることができる 効果が高くなる。また二つの通気口2及び3の� ��心間の距離PCD=2L1と、それぞれの通気口の直 径Daとの比PCD/Daを3~6.5とするのが好ましい。� �のような数値範囲を採用すると、高温空気� �焼場において、安定して、予燃焼高カロリ� �燃料ガスと低カロリー燃料ガスを燃焼させ� �ことができる。

 以下上記の数値範囲の根拠について説明す� ��。図5(A)及び(B)は、解析モデルに基づいて、 燃焼用空気の供給及び燃焼排ガスの排出を200 m/secとし、距離L1を500mmとし、耐火筒23の高さ� ��法L2を0mm(筒なし)及び200mmとした場合におい� ��、シミュレーションにより解析したときの� ��焼状態を模擬的に示す図である。図5(A)及び (B)を対比すると分かるように、耐火筒23が無� ��場合(L2=0mm)には、燃料ガスの一部が通気口� �引き込まれているのが分かる。また下記の� �1は、耐火筒23の高さ寸法と排出される燃焼� �ガス中のCO濃度を示している。

 表1を見ると、耐火筒23の高さ寸法L2を400mm にした場合に、CO濃度が最も低下することが� ��かる。実用上の観点から見ると、高さ寸法L 2は50~600mmの範囲が好ましい。耐火筒23の好ま� ��い高さ寸法は、CO濃度の低減の目標値の定� �方によって異なってくる。耐火筒23の高さ寸 法が50mmの場合でも、0mmの場合と比べてCO濃度 は、30%以上低減している。このレベルでも実 用上の観点からは、十分である。また表1に� �、高さ寸法L2が600mmより長い場合について記� ��していないが、高さ寸法L2をこれ以上長く� �ると、燃焼排ガス排出口として利用される� �気口に向かう燃焼排ガスの一部を燃料ガス� �一緒に再度高温空気燃焼場に戻して再燃焼� �せる効果が低下するため、高さ寸法L2の上限 は600mmとしている。

 図6(A)乃至(C)は、図5と同じ条件における� �焼室7内のガスの流れをシミュレーションに� ��り求めた結果を示す模式図である。この図� ��らわかるように、耐火筒23の高さ寸法を200mm と400mmにした場合には、燃焼排ガス排出口に� ��い込まれようとする燃焼排ガスが、燃料ガ� ��の流れに沿って戻る現象(再循環現象)が明� �に発生している。これに対して耐火筒23の高 さ寸法を600mmにすると、この再循環現象が発� ��しづらくなって、燃焼排ガスの大部分が排� ��されるような状態が始まる。なお耐火筒23� �無い場合には、燃料ガスの一部が燃焼排ガ� �排出口から直接排出されるため、CO濃度は大 幅に大きくなる。

 二つの通気口2及び3のそれぞれの中心と� �燃焼高カロリー燃料ガス噴出口20の中心との 間の距離L1は、短すぎてもまた長すぎても、� ��火筒23の効果(再循環現象の発生)がほとんど なくなる。この距離L1の適当な数値範囲は、3 50~500mmである。この数値範囲は、二つの通気� ��2及び3の中心間の距離PCD=2L1と、それぞれの� ��気口の直径Daとの比PCD/Daを3~6.5とすることが 好ましいことが試験により確認されたこと、 及びL1/L2を1から10の値とすることが好ましい� ��とが試験により確認されたことに基づいて� ��められた。

 図7に示す曲線C1乃至C3は、それぞれ前述� �耐火筒23の高さ寸法を前述の数値範囲内の200 mmとし、二つの通気口2及び3の中心間の距離PC D=2L1を700mm、870mm及び1000mmとし、それぞれの距 離PCDを固定したときに燃焼用空気の供給及び 燃焼排ガスの排出の速度すなわち流速[通気� �空気流速]を80~200m/secの範囲で変化させたと� �に設定可能な比PCD/Daと流速との関係を求め� �結果を示している。曲線C1が示す対応関係は 、距離PCDを700mmとしたときに速度を80~200m/sec� �範囲で変化させたときに設定可能な比PCD/Da� �流速との関係を示す下限対応関係である。� �の下限対応関係より下の領域R1に含まれる対 応関係では、燃料ガスと空気とが接近した位 置において、急速に混合されるため、促進燃 焼となり、燃焼排ガス中のNOxが増加すること になる。曲線C3が示す対応関係は、距離PCDを1 000mmとしたときに速度を80~200m/secの範囲で変� �させたときに設定可能な比PCD/Daと流速との� �係を示す上限対応関係である。また図7にお� ��て、上下方向に延びる直線SL1が示す範囲は� ��燃焼排ガスの排出速度(通気口空気流速)を80 m/sec一定としたときに、距離PCDを700~1000mmの範 囲で変化させたときに設定可能な比PCD/Daの適 正範囲である。この直線SL1よりも左側の領域 及び曲線C3よりも上の領域R2に含まれる対応� �係では、燃料ガスと空気との混合不良が発� �して、燃焼が不安定となる。図7において、� ��下方向に延びる直線SL2が示す範囲は、燃焼� ��ガスの排出速度(通気口空気流速)を200m/sec一 定としたときに、距離PCDを700~1000mmの範囲で� �化させたときに設定可能な比PCD/Daの適正範� �である。この直線SL2よりも右の領域R4に含ま れる対応関係では、空気流速が速いために、 火炎の吹き飛びが発生して、燃焼が不安定と なる。曲線C2は、比PCD/Daと流速との対応関係� ��、下限対応関係と上限対応関係との間の対� ��関係となっている。この領域R1と領域R2と領 域R4との間の領域R3に入る対応関係となるよ� �に、比PCD/Daと流速との対応関係を定めれば� �前述の第1及び第2の条件が満たされて、良好 な燃焼を得ることができる。耐火筒23の高さ� ��法を変えた場合も、図7と同様の傾向が得ら れる。

 なお低カロリー燃料ガスの有効利用とい� ��観点から見ると、再循環現象の発生は、必� ��しも重要ではない。すなわち低カロリー燃� ��ガスの有効利用という観点から見ると、低� ��ロリー燃料ガスを確実に加熱して、高温空� ��燃焼場で燃焼させることができればよい。� ��カロリー燃料ガスは予燃焼空気と予め混合� ��て一部燃焼するため、高温空気燃焼場中の� ��合開始領域CAに到達する高カロリー燃料ガ� �の温度は、所定の温度まで上昇している。� �かしながら低カロリー燃料ガスは、高カロ� �ー燃料ガスと比べてボリュームが大きいた� �、高カロリー燃料ガスと同様に、予燃焼空� �と混合し一部燃焼して温度を上昇させるこ� �は難しい。そこで本実施の形態のように、� �燃焼高カロリー燃料ガス噴出口20の周囲に、 複数の低カロリー燃料ガス噴出口21を分散し� ��配置することにより、予燃焼高カロリー燃� ��ガスの流れに沿って低カロリー燃料ガスを� ��温空気燃焼場の混合開始領域CAに供給でき� �ようにすると、予燃焼高カロリー燃料ガス� �熱で、低カロリー燃料ガスは加熱された状� �となる。その結果、予燃焼空気により一部� �焼した高温の高カロリー燃料ガスと低カロ� �ー燃料ガスとが、高温空気燃焼場の混合開� �領域CAで燃焼用空気と交わって、効率よく燃 焼することになる。よって本実施の形態によ れば、高温空気燃焼技術を用いる場合におい ても、高温空気燃焼に影響を与えることなく 、低カロリー燃料ガスを有効利用できる。

 特に、本実施の形態のように、複数の低� ��ロリー燃料ガス噴出口21を、予燃焼高カロ� �ー燃料ガス噴出口20を中心とし、仮想円上に 周方向に等間隔あけて配置すると、低カロリ ー燃料ガスが予燃焼高カロリー燃料ガスの周 囲を、バランス良く流れることになり、複数 本の低カロリー燃料ガスの流れが予燃焼高カ ロリー燃料ガスの流れを大きく乱すことがな い。そのため安定した高温空気燃焼を得るこ とができる。

 図1の本実施の形態の反応炉において、交 番式熱交換型の燃焼用空気供給装置9におけ� �燃焼用空気の供給及び燃焼排ガスの排出を80 ~200m/secの速度で行う場合において、次のよう に燃焼用空気と予燃焼空気との空気比を定め ることにより、燃焼排ガス中のCOの排出量を� ��なくして、しかも燃料ガスの使用効率を高� ��ることができる。また使用した燃料ガス燃� ��装置の具体的な条件は、前述の具体的なシ� ��ュレーションを行ったものの条件と同じに� ��た。

 使用する空気比については、複数台の燃� ��ガス燃焼装置における高温空気供給口(2ま� �は3)から供給される燃焼用空気の空気量Q1と� ��数台の燃料ガス燃焼装置の高カロリー燃料� ��スに混合される予燃焼空気の空気量Q2との� �計量(Q1+Q2)を、燃焼に必要な理論空気量Qsの1. 02~1.10倍とし、Q2/(Q1+Q2)が0.011~0.047の範囲の値� �なるようするのが好ましい。前述の構造の� �料ガス燃焼装置を用いる場合に、空気量に� �して、このような条件設定をすると、安定� �た燃焼を行って、COの排出量を少なくして、 しかも燃料ガスの使用効率を高めることがで きることがシミュレーションと試験によって 確認されている。

 図8は、予燃焼空気量比=Q2/(Q1+Q2)を0,0.0038,0 .0075,0.011,0.015,0.023,0.035,0.047とした場合に、空� ��比λ=(Q1+Q2)/Qsを変えて、燃焼状態を確認した 結果を示す表である。この表から、安定燃焼 (図8の○印参照)を得るためには、燃焼用空気 の空気量Q1と複数台の燃料ガス燃焼装置の高� ��ロリー燃料ガスに混合される予燃焼空気の� ��気量Q2との合計量(Q1+Q2)を、燃焼に必要な理� ��空気量Qsの1.02~1.10倍とし、予燃焼空気量比=Q 2/(Q1+Q2)が0.011~0.047の範囲の値になるようにす� ��のが好ましいことが分かる。図8から分かる ように、これらの数値範囲を外れると、不完 全燃焼または不安定燃焼の傾向が現れるか(� �8中の△印参照)、不完全燃焼または不安定燃 焼状態になる(図8の×印参照)。不完全燃焼ま� ��は不安定燃焼の傾向が現れた場合には、燃� ��排ガス中のCO濃度は増加し、不完全燃焼ま� �は不安定燃焼状態になった場合にはさらに� �焼排ガス中のCO濃度は増加する。

 なお上記燃焼条件の範囲であれば、目標� ��率60%以上の輻射部熱効率ηが得られること� �確認されている。なお輻射部熱効率ηは、η= QdíQf×100=(Qf-Qw-Ql)íQf×100の計算式で計算され� �。Qfは燃焼量、Qdは輻射部での吸収熱量、Qw� �炉壁からの放熱量、Qlは排ガスが系外へ持ち 去る熱量である。

 なお上記の燃焼条件は、反応炉の燃焼室� ��大きくなって、燃焼室の大きさに応じて高� ��空気燃焼を得るために必要な燃料ガス燃焼� ��置の台数を増やした場合にも、適用できる� ��件である。