JP4059527B2 - 流体の加熱炉 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、流体の加熱炉に関するものであり、より詳細には、蓄熱体を介してなされる燃焼排ガスと燃焼用空気との直接的な熱交換作用によって燃焼用空気を高温に加熱ないし予熱する蓄熱式燃焼用空気高温予熱機能を備えた流体加熱炉に関するものである。
背景技術
流体を加熱する加熱炉において、直方体形態又は箱型形態の加熱炉、或いは、直立円筒形形態の加熱炉の炉内領域に加熱管を配置してなる管式加熱炉が広く実用に供されている。かかる加熱炉として、加熱炉本体の天井壁又は頂壁、或いは、床面壁又は底壁に複数のバーナーを配設し、各バーナーに供給される燃焼用燃料又は炭化水素系燃料の燃焼反応により生成する火焔及び高温燃焼ガスの熱放射によって被加熱管及び管内流体を加熱する形式の所謂箱型加熱炉又は直立円筒型加熱炉や、全体的に直方体形態を有し且つ矩形の平面形態又は横断面形態を有する加熱炉本体を備え、複数の直立加熱管からなる単一の加熱管列を左右の炉壁面の中心線上に整列配置し、炉壁面に複数の放射型バーナーを分散配置してなる放射壁型加熱炉等の形式の加熱炉、更には、加熱炉本体の炉壁内面に沿って火焔及び燃焼ガスを上昇せしめる所謂テラスウォール型加熱炉等の各種形式の加熱炉が知られている。一般に、このような加熱炉は、主として炉壁面に配置される加熱手段又は燃焼装置の熱放射又は輻射伝熱作用により被加熱管を加熱する構造を備える。
この種の形式の加熱炉においては、バーナーの燃焼作動により生成し且つ被加熱管を加熱した燃焼排ガスは、依然として有効利用可能な多大な顕熱を保有する。従って、加熱炉本体の上部域に一体的に配置された排熱回収部、或いは、煙道を介して加熱炉本体に接続された別体の排熱回収装置等が、燃焼排ガスの廃熱回収を意図した加熱炉付帯設備として付加的に加熱炉に配設される。
このような構造を備えた型式の加熱炉においては、排熱回収部に導入される燃焼排ガスの温度は、被加熱管に導入される被加熱流体の温度条件及び加熱炉の熱負荷条件等に応じて相違するが、このような燃焼排ガスは、通常は、７００℃〜１１００℃の高温度を依然として有する。従って、燃焼排ガスが保有する廃熱の有効利用を企図して、加熱炉に対して供給すべき被加熱流体の予熱又は加熱、バーナーに供給すべき燃焼用空気の予熱、或いは、水蒸気等の発生又は過熱を目的とした熱交換装置又は廃熱回収ボイラー等の各種廃熱回収装置が上記排熱回収部に一般に配設される。
しかしながら、従来構造の加熱炉においては、加熱炉に投入される熱量又はエンタルピーの約３５％〜５５％が上記廃熱回収装置に供給されるので、この種の加熱炉の熱収支バランスを考慮すると、被加熱流体自体の加熱に有効利用される消費熱量に比して過大な割合の熱量が、本来の加熱炉投入熱の利用目的と異なる廃熱回収装置に供給される結果となる。かくて、加熱炉の熱効率は、全体的に低下し、加熱炉投入熱量を効果的に有効利用し得る有利且つ経済的な加熱炉の熱収支効率は、事実上達成し難い。
近年に至り、燃焼用空気予熱機能を有するバーナーが提案され、一般加熱炉に対する該バーナの適用が検討されている。例えば、特開平６−２１３５８５号公報（特願平５−６９１１号）に開示された構成の高周期又は高速切換式蓄熱燃焼システムの構成によれば、従来型式の加熱炉のバーナー部分は、燃焼用空気高温予熱機能を有する高周期又は高速切換式蓄熱型燃焼装置に置換し得る。かかる高周期切換式蓄熱型燃焼装置を備えた加熱炉によれば、炉内領域の燃焼排ガスが保有する顕熱は、高周期切換式蓄熱型燃焼装置を構成するハニカム構造のセラミック製蓄熱体に伝熱し、該蓄熱体に蓄熱され、蓄熱体の蓄熱熱量は、引き続く燃焼用空気流と蓄熱体との伝熱接触により、燃焼用空気に放熱され、燃焼用空気を８００℃以上の高温に加熱する。かくして、蓄熱体を介してなされる燃焼排ガスと燃焼用空気との直接的な熱交換作用により、燃焼排ガスが保有する顕熱は、燃焼用空気流に効果的に伝熱し得るので、廃熱回収部の熱容量又は熱交換容量を低減し、廃熱回収装置等の付帯設備を省略ないし小型化することが可能となる。
しかしながら、従来構造の加熱炉に対する高周期切換式蓄熱燃焼システムの適用は、燃焼用排ガスが保有する顕熱を燃焼用給気流に伝熱することにより、加熱炉本体の高効率化を達成することを意図したものであるにすぎず、更なる改良又は改善の余地が残されている。例えば、炉内燃焼排ガスは、炉内に導入される炭化水素系燃料流体により概ね１０％程度増量し、しかも、炉内燃焼ガスを構成する炭酸ガス及び水蒸気の比熱は、高温雰囲気下に漸増する。この結果、炉内燃焼排ガスは、上記蓄熱体における熱収支バランスを上回る顕熱を保有し、この結果、更に廃熱回収可能な熱量を依然として保有する高温の燃焼排ガスが、蓄熱体を介して排気されてしまう。従って、燃焼用給気流の予熱に要する顕熱量を超える燃焼排ガスの余剰の顕熱に関し、更なる効率的利用を図る対策が望まれる。また、高周期切換式蓄熱燃焼システムにより高温に予熱された燃焼給気流は、５０乃至８０ｍ／秒を超える高速気流、或いは、火焔の吹き飛び限界を超える高速流として炉内領域に吹込み可能であるが、かかる高速の高温給気流は、被加熱管の配列にも依るが、燃焼給気流の吐出口近傍の被加熱管部分を局所的に高温に加熱し、炉内の被加熱管の管外雰囲気を不均等化し得ることから、被加熱管の均一な温度分布、或いは、所望の被加熱管軸線方向の温度勾配を実現する上で望ましくない。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃焼用空気高温予熱機能を有する高周期又は高速切換式蓄熱燃焼システムの特質又は特性を有効に利用するとともに、高度な総合熱効率を発揮し得る経済的且つコンパクトな構成の加熱炉を実現することにある。
発明の開示
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、高温、殊に、800℃以上の高温に予熱された燃焼用空気により燃料流体の燃焼を生起し且つ維持する燃焼装置の燃焼反応においては、被加熱管の伝熱現象に対して支配的に作用する輝炎が燃焼域に十分には生成せず、加熱作用を実質的に支配する火炎として不輝炎が主に炉内に生成するという事実に着目し、この結果、炉内領域の放射伝熱は、主として高温燃焼ガス中の水蒸気及び炭酸ガスの熱放射により確保し得るとともに、燃焼用空気高温予熱機能を有する燃焼装置により高温に予熱された燃焼用空気は、可成りの高速、即ち、通常８０ｍ／ｓｅｃ以上の流速の給気流として炉内領域に吹込み可能であることを見出し、かかる知見に基づき、本発明を達成するに至ったものである。
即ち、本発明によれば、中空の被加熱管又は触媒を管内に充填した複数の被加熱管を加熱炉の炉内領域に配設し、該被加熱管の管外雰囲気を燃焼装置により加熱して、炭化水素を含む管内流体を加熱し、炭化水素の化学反応を生起し且つ維持する構造を有する加熱炉において、
前記加熱炉の炉壁を構成する一対の第１側壁面に平行に配置された少なくとも３列の前記被加熱管の管列と、前記管列の間の各々の炉内中間領域に燃焼用給気流を夫々導入するように、前記第１側壁と交差する方向に延在する一対の第２側壁面に配置された複数の燃焼装置とを備え、
該燃焼装置は夫々、前記燃焼排ガスが保有する顕熱を蓄熱する蓄熱体と、燃焼用燃料流体を前記燃焼用給気流に供給可能なバーナーとを備え、前記蓄熱体は、燃焼用空気又は燃焼用ガスからなる燃焼用給気流との伝熱接触により該給気流を高温に予熱する放熱モードと、炉内燃焼排ガスとの熱交換により受熱する蓄熱モードとを反復し、前記燃焼装置は、放熱モードの前記蓄熱体により高温に予熱された燃焼用給気流により燃焼作動するとともに、蓄熱モードの前記蓄熱体と前記炉内燃焼排ガスとの熱交換作用により該蓄熱体を加熱し、
前記蓄熱体の放熱モード及び蓄熱モードは、所定の時間間隔にて交互に切換制御され、前記バーナーは、前記蓄熱体にて予熱された燃焼用給気流又は前記炉内中間領域に前記燃料流体を吹込み、該燃料流体の燃焼反応熱により被加熱管を加熱し、
前記加熱炉は更に、前記炉内領域に生成した燃焼排ガスの所定割合の流体部分を加熱炉外に導出する燃焼排ガス導出手段を備えるとともに、該導出手段により加熱炉から導出された燃焼排ガスと前記被加熱流体及び／又は任意の流体との熱交換を実行する熱交換装置を備えることを特徴とする加熱炉が提供される。
本発明の上記構成によれば、加熱炉の炉内領域には、３列以上の複数の管列が配置される。各管列は、高温の燃焼ガス又は炉壁面に包囲された高温雰囲気の領域に配置され、高温燃焼ガス中の水蒸気及び炭酸ガスの熱放射を有効に受熱し、加熱される。しかも、上記管列及び燃焼装置の配置によれば、加熱所要量当りの全炉壁（天井壁、床壁及び側壁）面積を最小化することができる。
また、本発明の上記構成によれば、燃焼装置は、高温に予熱した燃焼用給気流及び燃料流体を上記管列の間の炉内中間領域に吹込む。従って、上記燃焼装置は、通常８０ｍ／ｓｅｃ以上の高速給気流を炉内領域に吹込むにもかかわらず、燃焼ガスは、バーナー吹込み孔の近傍の被加熱管部分に直接的に接触せず、この結果、被加熱管を局所的に過熱することなく、被加熱管の均一な温度分布及び温度勾配を確保し得るとともに、良好な対流伝熱効果をも併せて達成し得る。
かくして、本発明によれば、高温の上記燃焼ガスの熱放射作用および高温の上記高速給気流の対流伝熱効果の相乗的作用効果により、高度な被加熱管管壁の熱貫流値が達成されるとともに、全体的に小型化し且つ炉壁面の熱損失量を低減し得る高熱効率且つ経済的な加熱炉を提供することができる。
更に、炉内燃焼排ガスは、燃焼装置の蓄熱体に蓄熱すべき所要の顕熱量を超える全顕熱量を保有するが、本発明によれば、上記燃焼排ガス導出手段は、燃焼排ガスの所定割合の流体部分を加熱炉外に導出し、上記熱交換器を介してなされる被加熱流体又は任意流体との熱交換作用により、高周期切換式蓄熱燃焼システムの所要顕熱量を超える燃焼排ガスの余剰顕熱を多目的に有効利用し得る。従って、高周期切換式蓄熱燃焼システムにおいて有効利用可能な顕熱量を超える燃焼排ガスの保有顕熱量を有効に使用し、加熱炉の総合熱効率の更なる向上を達成することが可能となる。
本発明の好ましい実施形態によれば、第１燃焼装置の蓄熱体により高温に予熱された燃焼用給気流により第１燃焼装置が燃焼作動する間、前記炉内燃焼排ガスは、第２燃焼装置の蓄熱体を含む第２流路を通過し、該蓄熱体を加熱し、他方、第２燃焼装置の蓄熱体により高温に予熱された燃焼用給気流により第２燃焼装置が燃焼作動する間、炉内燃焼排ガスは、第１燃焼装置の蓄熱体を含む第１流路を通過し、該蓄熱体を加熱し、炉内燃焼排ガスの流路及び燃焼用給気流の流路は、所定の時間間隔にて第１流路又は第２流路のいずれか一方に選択的に切換制御される。
本発明の好適な実施形態において、上記高周期切換式蓄熱燃焼システムにおいて要求される所要顕熱量を超える顕熱を保有する所望の流量の燃焼排ガス部分は、上記燃焼排ガス導出手段を介して炉内領域から炉外に導出される。好ましくは、炉内より導出すべき燃焼排ガス部分の流量比は、加熱炉の全循環流量又は全給排流量の１０％〜３０％（重量比）に設定される。
本発明の更に好適な実施形態によれば、炉床より隆起する燃焼排ガス導出ダクトが、加熱管列と平行に加熱炉の底壁面に配設される。好ましくは、燃焼排ガス導出ダクトは、矩形断面、梯形断面又は浦鉾形断面性状を有する耐火煉瓦製ダクト又は耐熱セラミック製ダクトからなり、炉内の燃焼排ガスを通気可能な複数の排気開口部又は通気孔がダクト側壁の壁体に穿設される。燃焼排ガス導出量は、排気誘引ファンの誘引圧力および排気開口部又は通気孔の開口面積等により調整又は規制される。燃焼排ガス導出ダクトにより画成された加熱炉の床部分の流体搬送ダクトは、多数の上記排気開口部又は通気孔を介して炉内領域と相互連通し、燃焼排ガスの所定割合の流体部分は、流体搬送ダクトを介して加熱炉外界に抜出される。
本発明の好ましい実施形態において、上記燃料流体として天然ガスが使用される。上記燃焼用空気は、平均温度２０℃の外界雰囲気の空気であり、上記蓄熱体において約１０５０℃まで加熱された燃焼用空気と、加熱炉に併設された上記熱交換器にて約３００℃まで予熱された天然ガスとが、上記バーナーに供給され、燃焼反応し、被加熱管内の被加熱流体を加熱する。被加熱流体を加熱した結果、約１１００℃に降温した燃焼排ガスの約８５％が、上記蓄熱体に導かれ、該蓄熱体を介して上記燃焼用空気と熱交換し、約８５℃に降温した後、大気に放出される。他方、残余の１５％の燃焼排ガスは、加熱炉に併設された熱交換器に給送され、被加熱流体及び燃料天然ガスを予熱し、約１７０℃に降温した後、大気に放出される。この結果、上記加熱炉本体の稼働による熱効率は、８９．５％に達し、上記熱交換装置を含む上記加熱炉全体の総合熱効率は、９５．５％に達する。なお、かかる熱効率値は、炉壁を含む加熱炉筐体、熱交換器及び配管等よりの熱損失約１％を考慮したものである。
本発明の或る好適な実施形態によれば、上記被加熱管は、触媒を充填した水蒸気改質管からなり、上記熱交換装置は、水蒸気及び炭化水素の混合ガスを加熱する熱交換器、或いは、上記燃料流体を加熱する熱交換器を含む。
好ましくは、上記加熱管列の間隔（Ｗ）は、上記炉内領域の奥行（Ｄ）に対する間隔（Ｗ）の比率により定義される奥行（Ｄ）／間隔（Ｗ）の値が、実質的に２乃至８の範囲内の値を指示するように設定される。更に好ましくは、上記被加熱管の相互間隔（ｐ）は、上記被加熱管の外径（ｄ）に対する間隔（ｐ）の比率として定義される間隔（Ｐ）／外径（ｄ）の値が、実質的に１．５乃至２．５の範囲内の値を指示するように設定される。
本発明の好適な実施形態によれば、本発明に係る加熱炉は、アンモニア合成用改質反応ガス製造プラント、メタノール合成用改質反応ガス製造プラント、或いは、水素ガス製造プラントにおける水蒸気改質炉として使用される。本発明の他の好適な実施形態においては、本発明に係る加熱炉は、エチレン製造プラントの反応炉として使用される。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施例に係る加熱炉を水素製造用又はメタノール合成用水蒸気改質反応炉として使用した装置系の構成を示す概略フロー図である。
図２は、図１に示す加熱炉の全体構造を示す概略縦断面図である。
図３は、図１に示す加熱炉の全体構造を示す概略横断面図及び排気ガスダクトの構造を示す縦断面図である。
図４は、加熱炉のバーナー組立体の全体構成及び作動形態を示す概略ブロックフロー図である。
図５は、第１及び第２バーナー組立体の配列に関する変形例を例示する加熱炉の部分断面図である。
図６は、触媒管又は被加熱管の炉内配列に関する変形例を例示する加熱炉の概略断面構成図である。
図７は、バーナー組立体の構成に関する変形例を例示する蓄熱燃焼システムの概略ブロック図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
図１は、本発明の実施例に係る加熱炉を備えた装置系の概略構成を示すフロー図であり、加熱炉は、本実施例において、水素製造用又はメタノール合成用水蒸気改質反応炉として使用される。
図１に示す装置系は、水蒸気改質反応ガス炉を構成する加熱炉１と、炭化水素及び水蒸気の混合ガスが通過可能な第１熱交換器２と、燃料ガスが通過可能な第２熱交換器３とを備える。改質装置を構成する加熱炉１及び第１熱交換器２は、炭化水素及び水蒸気の混合ガスの原料供給ラインL1及び原料給送ラインL2を介して直列に接続される。原料給送ラインL2は、加熱炉１の触媒管１０と連通し、触媒管１０は、加熱炉本体１１を上下方向に貫通する。
炭化水素及び水蒸気の混合ガスは、触媒管１１の上端部に導入され、触媒管１１内を流下し、触媒管１１の管壁を介してなされる炉内燃焼域の高温燃焼ガスの加熱作用により受熱する。触媒管１１内において、混合ガスの水蒸気改質反応が進行するとともに、混合ガスの温度が上昇し、所定の温度に昇温した改質反応ガスが、触媒管１１の下端部から改質ガス送出ラインL3に導出される。改質ガス送出ラインL3は、所定の次工程を実行する装置系（図示せず）に接続され、改質反応ガスを所定の次工程（精製工程）に給送する。
加熱炉１は、所定の触媒を充填した触媒管１０と、バーナー及び蓄熱体を備えたバーナー組立体１２、１３と、炉内燃焼域を画成する加熱炉本体１１とを有する。加熱炉本体１１の燃焼排ガスは、排気ガスラインE1、E2、E3により構成される第１排気ガス系統と、大気放出ラインE4からなる第２排気ガス系統とを介して、改質反応ガス製造プラント外に排気される。
加熱炉本体１１に接続された排気ガスラインE1は、上記第１熱交換器２を介して、排気ガスラインE2に連通する。排気ガスラインE2は、第２熱交換器３を介して、排気ガスラインE3に連通する。排気誘引ファン６が、排気ガスラインE3に介装され、第１、第２熱交換器２、３及び排気ガスラインE1、E2、E3を介して加熱炉本体１１の燃焼排ガスを誘引する。原料供給ラインL1を介して供給された炭化水素及び水蒸気の混合ガスは、第１熱交換器２にて加熱炉本体１１の燃焼排ガスと熱交換し、燃料ガス供給ラインLFを介して供給される燃料流体は、第２熱交換器３にて排気ガスラインE2の燃焼排ガスと熱交換する。
加熱炉本体１１の両側部に複数段に配列されたバーナー組立体１２、１３は、所定の時間間隔を隔てて間欠的又は周期的に燃焼作動するバーナー（図示せず）を備える。各バーナー組立体１２、１３のバーナーは、燃料ガス供給ラインLFを介して燃料ガス供給源（図示せず）に連結されるとともに、燃焼空気供給ラインLAを介して、燃焼空気送風機４に接続される。各バーナー組立体１２、１３には、所定構造を有する蓄熱体（図示せず）が配設される。排気誘引ファン５が、大気放出ラインE4に介装され、加熱炉本体１１の排気ガスは、排気誘引ファン５の誘引圧力により各バーナー組立体１２、１３の蓄熱体を介して大気放出ラインE4に誘引される。
次に、図２及び図３を参照して、上記加熱炉１の各部構成について詳細に説明する。
図２は、図１に示す加熱炉１の全体構造を示す概略縦断面図であり、図３は、図１に示す加熱炉１の全体構造を示す概略横断面図である。また、図３（Ａ）は、図３に示すＩ−Ｉ線における排気ガスダクトの縦断面図である。
図２に示す如く、加熱炉１は、上記触媒管１０が上下方向に貫通する加熱炉本体１１と、加熱炉本体１１の炉内領域１５を上下方向に貫通する複数の触媒管１０とを備える。炉内領域１５に実質的に垂直に立設された各触媒管１０は、高合金製遠心鋳造管等のリフォーマーチューブからなり、触媒管１０内には、炭化水素・水蒸気混合ガスの改質反応を活性化するニッケル結晶触媒等の所定の触媒が充填される。各触媒管１０の上端部は、加熱炉本体１１の頂壁１１ｃを貫通し、触媒管１０の熱伸縮を吸収可能なヘアピンチューブを介して原料供給配管１６に連結され、原料供給配管１６は、原料供給ヘッダー（図示せず）に連結される。各触媒管１０は、加熱炉本体１１の炉内領域１５に複数列に整列配置される。触媒管列は、原料供給管１６の管長方向又は軸線方向に整列し且つ実質的に垂直に配置された複数の触媒管１０により構成される。本実施例において、各触媒管列は、図３に示す如く、炉内領域１５に直線的に整列配置された１０乃至１５本程度の触媒管１０を含み、触媒管列は、加熱炉本体１１の幅員方向に所定の相互間隔Ｗを隔てて炉内領域１５に５列に配列される。
図２に示す如く、各触媒管１０の下端部は、加熱炉本体１１の底壁１１ｄを貫通し、ヘアピンチューブを介して改質反応ガス排出配管１７に連結され、排出配管１７は、第１給送ラインL3（図１）に接続されたコレクター（図示せず）に連結される。加熱炉本体１１は、耐火断熱煉瓦又はキャスタブル耐火材料等の耐火断熱材料により入張り又は内張りされた第１側壁１１ａ及び第２側壁１１ｂを備える。一対の第２側壁１１ｂは、触媒管列の幅員方向に延び、対向する左右の第１側壁１１ａは、触媒管列に平行に延在する。第１及び第２側壁１１ａ、１１ｂは、互いに直交する方向に配向され、炉内領域１５の各隅部域において相互連接する。
バーナー組立体１２、１３は、上下方向に複数段の配列をなして両側の第２側壁１１ｂに配設される。バーナー組立体１２、１３は夫々、第２側壁１１ｂにおいて上下方向に交互に整列配置されるとともに、第２側壁１１ｂの幅員方向に所定間隔を隔てて交互に整列配置される。本実施例において、バーナー組立体１２、１３は、上下４段且つ左右４列に配置された一群のバーナー組立体１２、１３として各第２側壁１１ｂに配設され、バーナー組立体１２、１３の給排気口１４が、各触媒管列の間に位置する炉内中間領域において各第２側壁１１ｂの壁面に開口し、所定間隔を隔てて整列配置される。
第１熱交換器２において４００℃〜７００℃の温度に加熱された炭化水素及び水蒸気の混合物は、原料供給配管１６を介して触媒管１０内に導入される。炭化水素・水蒸気混合物は、触媒管１０内を流下する間に、触媒管１０の外界雰囲気又は管外雰囲気を形成する高温の燃焼ガスの放射及び対流伝熱作用により加熱され、触媒の活性化作用の下に進行する炭化水素及び水蒸気の吸熱リフォーミング反応により改質反応を受けるとともに、触媒管１０の管壁を介して入熱した顕熱により６００℃〜９００℃の温度に昇温する。触媒管１０内の吸熱改質反応により生成した高温の反応生成物は、排出配管１７を介してコレクター（図示せず）に集められ、次工程（精製工程）に供給される。
炉内領域１５の熱負荷、即ち、バーナー組立体１２、１３による所要入熱量は、水蒸気・炭化水素混合ガスの改質反応に要する所要の反応熱量及び該原料ガスを所定温度に昇温せしめる所要顕熱量の総熱量に実質的に相応する。図３に示す如く、触媒管列の間隔Ｗ及び炉内領域１５の奥行Ｄは、加熱炉１に配設されるバーナー１９（図４）の容量及び触媒管１０の設計表面温度に基づいて一般に設定される。しかしながら、高温に予熱された燃焼用空気又は燃焼排ガスが直接に触媒管１０に接触する結果として触媒管１０の一部分が局所的に過熱する不均一な加熱態様を確実に回避するとともに、高温の燃焼ガスの熱放射作用に要する所望の燃焼ガス厚み又は燃焼ガス容積を確保すべく、上記触媒管列の間隔Ｗは、好適には、奥行Ｄ／間隔Ｗの値が実質的に２乃至８の値を指示するように設定される。更に好適には、触媒管１０の単位面積当りの熱貫流値が必要且つ十分な値を指示し、触媒管１０の管壁が適当な熱伝導作用を発揮し得るように、各触媒管１０の相互間隔ｐは、触媒管１０の外径ｄに対する間隔ｐの比率（間隔ｐ／外径ｄ）が実質的に１．５乃至２．５の値を指示するように設定される。なお、触媒管１０の全長は、管内流体の圧力損失の許容範囲内において、適当な温度勾配及び加熱容量を発揮する適切な炉内全長に任意に設定し得る。
図２及び図３に示す如く、排気ガスダクト４０が、加熱炉本体１１の底壁１１ｄに配置される。排気ガスダクト４０は、触媒管列の間の炉内中間領域に配置され、底壁１１ｄ上に隆起し、触媒管列及び第１側壁１１ａと平行に炉内領域１５に延在する。図３（Ａ）に示す如く、各排気ガスダクト４０は、底壁１１ｄの上面から上方に延びる左右の側壁４２と、側壁４２の頂端縁を相互連結する頂壁４１とを備える。所定の開口面積を有する複数の燃焼排ガス導出孔４３が、所定間隔を隔てて側壁４２に穿設される。頂壁４１及び側壁４２によって画成されたダクト内帯域は、燃焼排ガス導出孔４３を介して炉内雰囲気と相互連通するとともに、第１側壁１１ａ及び触媒管列と平行に底壁１１ｃ上に延びる燃焼排ガス導出路を構成する。排気ガスダクト４０は、連通管４４（図２）を介して排気ガスラインE1に連結され、加熱炉１の炉内領域１５において生成した所定流量割合の燃焼排ガスは、排気ガスダクト４０、連通管４４及び排気ガスラインE1を介して、上記第１熱交換器２（図１）に送出される。本例において、連通管４４は、図３に破線で示す如く、排気ガスダクト４０の一端部に連結され、排気ガスダクト４０のダクト内領域に開口する。
図４は、各バーナー組立体１２、１３の作動形態を示すブロックフロー図である。
図４に示す如く、バーナー組立体１２、１３は夫々、燃料ガス供給ラインLFおよび燃焼空気供給ラインLAに接続されたバーナー１８と、燃焼用空気を予熱する切換蓄熱型熱交換器１９とを備える。バーナー１８は、給排気口１４と熱交換器１９との間に位置する燃焼用空気流路に燃料流体を吹込む第１バーナー及び／又はパイロットバーナーと、給排気口１４に隣接した炉壁面に配置され且つ炉内燃焼域に向かって燃料流体を吹込む第２バーナー又は主バーナーとから略構成される。
切換蓄熱型熱交換器１９は、加熱炉本体１１の燃焼排ガスとの熱交換（蓄熱モード）により廃熱回収し且つラインLAの燃焼用空気との熱交換（放熱モード）により燃焼用空気を予熱する。一群のバーナー組立体１２および一群のバーナー組立体１３は、廃熱回収運転及び燃焼運転を所定の時間間隔、例えば、２０乃至１２０秒間隔、好ましくは、６０秒以下に設定された所定の時間間隔にて交互に反復する高周期又は高速切換式蓄熱燃焼システムを構成し、各々の切換蓄熱型熱交換器１９は、蓄熱モード及び放熱モードを交互に反復実施する。
図４に示すように、バーナー１８及び切換蓄熱型熱交換器１９を直列に介装した第１流路H1および第２流路H2は、所定時間毎に切換制御される４方弁Ｖを介して燃焼空気供給ラインLA又は大気放出ラインE4と選択的に連通する。４方弁Ｖは、図４（Ａ）に示す第１位置において、バーナー組立体１２の第１流路H1を燃焼空気供給ラインLAに連通させ、バーナー組立体１３の第２流路H2を大気放出ラインE4に連通させる。他方、４方弁Ｖは、図４（Ｂ）に示す第２位置において、第１流路H1を大気放出ラインE4に連通させ、第２流路H2を燃焼空気供給ラインLAに連通させる。各バーナー１８は、燃料供給弁（図示せず）を介して燃料ガス供給ラインLFに接続されており、各燃料供給弁は、制御装置（図示せず）の制御下に４方弁Ｖの切換時期に同期切換作動し、第１及び第２バーナー組立体１２、１３の一方に交互に燃料ガスを供給する。従って、第１バーナー組立体１２のバーナー１８ａは、４方弁Ｖの第１位置（図４（Ａ））において燃焼作動し、４方弁Ｖの第２位置（図４（Ｂ））において燃焼作動を停止し、他方、第２バーナー組立体１３のバーナー１８ｂは、４方弁Ｖの第２位置（図４（Ｂ））において燃焼作動し、４方弁Ｖの第１位置（図４（Ａ））において燃焼作動を停止する。
第１バーナー組立体１２が燃焼作動する間、加熱炉本体１１から導出された燃焼排ガスは、第２バーナー組立体１３の切換蓄熱型熱交換器１９ｂ及び大気放出ラインE4を介して排気され、燃焼排ガスの排熱は、第２バーナー組立体１３の蓄熱型熱交換器１９ｂに蓄熱される（図４（Ａ））。かくして、第１バーナー組立体１２が燃焼作動時には、蓄熱型熱交換器１９ｂは、燃焼排ガスと伝熱接触する蓄熱モードに保持される。
第２バーナー組立体１３の蓄熱型熱交換器１９ｂは、引き続く第２バーナー組立体１３の燃焼作動の間に、燃焼空気供給ラインLA及び第２流路H2を介して導入される燃焼用空気を予熱する（図４（Ｂ））。第２バーナー組立体１３が燃焼作動する間、加熱炉本体１１から導出された燃焼排ガスの排熱は、第１バーナー組立体１２の切換蓄熱型熱交換器１９ａに蓄熱される（図４（Ｂ））。従って、第２バーナー組立体１３の燃焼作動時に、蓄熱型熱交換器１９ａは、上記蓄熱モードに保持され、他方、蓄熱型熱交換器１９ｂは、燃焼用空気と伝熱接触する放熱モードに保持される。
蓄熱型熱交換器１９ａは、引き続く第１バーナー組立体１２の燃焼作動の間に、燃焼空気供給ラインLA及び第１流路H1を介して導入される燃焼用空気を予熱する（図４（Ａ））。即ち、蓄熱型熱交換器１９ａは、第１バーナー組立体１２の燃焼作動時に、上記放熱モードに保持される。
上記蓄熱型熱交換器１９として、多数の流路を備えたハニカム構造のセラミック製又は金属製蓄熱体を好ましく使用し得る。かかる蓄熱体として、一般に触媒担体として使用され且つ多数の狭小流路を備えるセラミック製蓄熱体を好適に使用し得る。更に好適には、ハニカム型蓄熱体は、所望の容積効率を有し、ハニカム構造の蓄熱体を構成する各ハニカム壁の壁厚は、１．６mm以下に設定され、ハニカム壁の相互間隔（ハニカムピッチ）は、５mm以下に設定される。この種のハニカム型蓄熱体の構造については、特開平６−２１３５８５号公報（特願平５−６９１１号）に詳細に開示されているので、該公開公報を引用することにより、更なる詳細な説明を省略する。
このように、上記第１及び第２バーナー組立体１２、１３の各蓄熱型熱交換器１９には、高温流体（燃焼排ガス）と低温流体（燃焼用空気）とが交互に供給され、伝熱接触により高温流体から奪った熱量を低温流体との伝熱接触により低温流体に与え、これにより、高温流体と低温流体との熱交換を実行する。かくして、蓄熱体１９を介してなされる高温流体（燃焼排ガス）及び低温流体（燃焼用空気）の直接的な熱交換作用を使用し、しかも、流体通過経路（流路）の切換時間を短時間、好ましくは、６０秒以下の所定時間に設定することにより、従来の熱交換器にて限界とされていた６０乃至７０％程度の温度効率を７０乃至１００％に向上させることができる。
上記第１及び第２バーナー組立体１２、１３の各バーナー１８は、加熱炉１の側壁部１１ｂに形成された多数の吹込み孔（給排気口１４）に配設され、制御装置（図示せず）の高速切換制御下に４方弁Ｖ（図５）とともに同期切換制御される。各バーナー１８は、燃焼空気送風機FAにより圧送された燃焼用空気および燃料ガス供給ラインLFを介して供給された天然ガス等の燃料流体により、交互に燃焼する。
燃焼空気供給ラインLAの燃焼用空気は、バーナー組立体１２又は１３の蓄熱型熱交換器１９の伝熱作用により昇温し、例えば、８００乃至１５００℃に予熱され、しかる後、燃料ガス供給ラインLFにより供給されるバーナー１８の燃料ガスにて燃焼反応し、触媒管１０を加熱する。加熱炉本体１１にて発生した燃焼排ガスの大部分は、バーナー組立体１２又は１３の蓄熱型熱交換器１９と熱交換し、例えば５０乃至２００℃に冷却し、大気放出ラインE4及び集合煙突等を介して大気に放出される。
所定割合の燃焼排ガス部分、好適には重量比１０〜３０％の燃焼排ガス流体部分は、排気ガスダクト４０の燃焼排ガス導出孔４３に誘引ないし導入され、排気ガスダクト４０のダクト内領域、連通管４４及び排気ガスラインE1を介して、第１熱交換器２及び第２熱交換器３に供給される。燃焼排ガスは、第１熱交換器２及び第２熱交換器３において、炭化水素・水蒸気混合ガス及び燃焼用燃料流体と熱交換し、かかる廃熱回収工程により１００℃〜２５０℃に冷却し、しかる後、集合煙突等を介して大気に放散される。
以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明は、上記実施に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変更又は変形が可能であり、かかる変更又は変形例も又、本発明に含まれるものであることはいうまでもない。
例えば、上記第１及び第２バーナー組立体１２、１３の配列は、任意に設定し得るものであり、適切な燃焼ガスの放射伝熱作用及び対流伝熱作用を発揮する燃焼ガス気流を上記触媒管列又は被加熱管列の間の炉内中間領域に形成し得る任意のバーナー配列を採用することができる。例えば、図５（Ａ）に示す如く、炉壁の幅員方向に隔設された複数のバーナー組立体を単一の管列中間領域に配置し、左右一対の第１及び第２バーナー組立体１２、１３を炉壁の上下方向に整列配置したバーナー配列を採用しても良い。更には、上下一対の第１及び第２バーナー組立体１２、１３を炉壁の幅員方向に整列配置したバーナー配列（図５（Ｂ））、或いは、触媒管又は被加熱管１０の両側に管１０を挟む態様にて左右一対の第１及び第２バーナー組立体１２、１３を配置してなるバーナー配列（図５（Ｃ））等の各種バーナー配列を本発明に従って適宜採用することが可能である。
また、上記製造装置系において、上記加熱炉１のバーナー組立体１２、１３として、他の構造形式の高周期又は高速切換式蓄熱燃焼システム、例えば、複数のセラミックボール等のボール型蓄熱体又は球形蓄熱体を備えた切換蓄熱式燃焼空気高温予熱機構を備えたバーナー組立体を採用することが可能である。
更に、排気ガスダクト４０に対する連通管４４の接続位置は、排気ガスダクト４０の一端部分に限定されるものではなく、排気ガスダクト４０の中央部分又は両端部分に設定しても良い。
また、被加熱管は、炉内領域を垂直に貫通するように配置された上記実施例の触媒管又は被加熱管の形態に限定されるものではなく、本発明の加熱炉においては、図６に示す如く、各種形態の被加熱管の構成を採用することができる。例えば、図６（Ａ）に示す被加熱管１０は、炉内中央領域に配置された垂直且つ中空の上昇管１０ｂと、上昇管１０ｂの下端部が連結される下位連結管１０ｃと、下位連結管１０ｃを介して相互連結された触媒充填管１０ａとから構成され、被加熱流体は、触媒充填管１０ａ内を流下し、加熱され、上昇管１０ｂ内を上昇し、流出する。また、図６（Ｂ）及び図６（Ｄ）に示す被加熱管１０は、全体的に下方に延びるＵ字形態の連続管からなり、各連続管内の被加熱流体は、被加熱管１０の一方の上端部から流入し、管内を流下し、被加熱管１０の他方の上端部から流出する。更に、図６（Ｃ）及び図６（Ｅ）に示す被加熱管１０は、全体的に水平方向に延びるＵ字形態の連続管からなり、管内の被加熱流体は、被加熱管１０の上端部又は下端部から流入し、管内を流通し且つ受熱し、被加熱管１０の他方の端部から流出する。
更に、上記バーナー組立体の具体的な装置構成は、蓄熱燃焼システムの使用目的及び使用条件に相応して適当に設計変更し得るものである。例えば、上記バーナー組立体１２、１３は、図７（Ａ）に示す如く、全体的に円柱形態の外形に成形された回転式蓄熱体２０を備えた形式の蓄熱燃焼システム、或いは、図７（Ｂ）に示す如く、円盤型の流路切換手段３２を備えた形式の蓄熱燃焼システムとして構成し得る。なお、図７（Ａ）において、蓄熱燃焼システムを構成する回転式蓄熱体２０は、隔壁２１によって隔絶された第１流路（燃焼空気流路）H1及び第２流路（燃焼排ガス流路）H2に介装される。回転式蓄熱体２０は、第１流路H1を流動する燃焼用空気と、第２流路H2を流動する燃焼排ガスとに交互に接触し、蓄熱モード及び放熱モードを交互に反復する第１蓄熱体部分２２及び第２蓄熱体部分２３を備える。また、図７（Ｂ）において、固定式蓄熱体３０は、隔壁３１によって隔絶された第１流路H1及び第２流路H2と、回転円盤型の流路切換装置３２とを備える。流路切換装置３２は、燃焼空気供給路３３と常時連通する空気供給口３４と、燃焼排ガス流路３５と常時連通する排ガス排出口３６とを備え、蓄熱体３０の第１蓄熱体部分３７及び第２蓄熱体部分３８は、流路切換装置３２の回転により、蓄熱モード及び放熱モードを交互に反復する。
産業上の利用可能性
以上説明した如く、本発明の上記構成によれば、燃焼用空気高温予熱機能を有する高周期又は高速切換式蓄熱燃焼システムの特質又は特性を有効に利用するとともに、高度な総合熱効率を発揮し得る経済的且つコンパクトな構成の加熱炉を実現することが可能となる。

Claims (6)

1. 中空の被加熱管又は触媒を管内に充填した複数の被加熱管を加熱炉の炉内領域に配設し、該被加熱管の管外雰囲気を燃焼装置により加熱して、炭化水素を含む管内流体を加熱し、炭化水素の化学反応を生起し且つ維持する構造を有する加熱炉において、
   前記加熱炉の炉壁を構成する一対の第１側壁面に平行に配置された少なくとも３列の前記被加熱管の管列と、前記管列の間の各々の炉内中間領域に燃焼用給気流を夫々導入するように、前記第１側壁と交差する方向に延在する一対の第２側壁面に配置された複数の燃焼装置とを備え、
   該燃焼装置は夫々、前記燃焼排ガスが保有する顕熱を蓄熱する蓄熱体と、燃焼用燃料流体を前記燃焼用給気流に供給可能なバーナーとを備え、前記蓄熱体は、燃焼用空気又は燃焼用ガスからなる燃焼用給気流との伝熱接触により該給気流を高温に予熱する放熱モードと、炉内燃焼排ガスとの熱交換により受熱する蓄熱モードとを反復し、前記燃焼装置は、放熱モードの前記蓄熱体により高温に予熱された燃焼用給気流により燃焼作動するとともに、蓄熱モードの前記蓄熱体と前記炉内燃焼排ガスとの熱交換作用により該蓄熱体を加熱し、
   前記蓄熱体の放熱モード及び蓄熱モードは、所定の時間間隔にて交互に切換制御され、前記バーナーは、前記燃焼用給気流又は前記炉内中間領域に前記燃料流体を吹込み、該燃料流体の燃焼反応熱により被加熱管を加熱し、
   前記加熱炉は更に、前記炉内領域に生成した燃焼排ガスの所定割合の流体部分を加熱炉外に導出する燃焼排ガス導出手段を備えるとともに、該導出手段により加熱炉から導出された燃焼排ガスと前記被加熱流体及び／又は任意の流体との熱交換を実行する熱交換装置を備えることを特徴とする加熱炉。
2. 前記燃焼装置は、第１及び第２燃焼装置を備え、該第１燃焼装置の蓄熱体により高温に予熱された燃焼用給気流により第１燃焼装置が燃焼作動する間、前記炉内燃焼排ガスは、前記第２燃焼装置の蓄熱体を含む第２流路を通過し、該蓄熱体を加熱し、他方、第２燃焼装置の蓄熱体により高温に予熱された燃焼用給気流により第２燃焼装置が燃焼作動する間、前記炉内燃焼排ガスは、第１燃焼装置の蓄熱体を含む第１流路を通過し、該蓄熱体を加熱し、
   前記炉内燃焼排ガスの流路及び前記燃焼用給気流の流路は、所定の時間間隔にて第１流路又は第２流路のいずれか一方に選択的に切換制御されることを特徴とする請求項１に記載の加熱炉。
3. 加熱炉の炉床部分に流体導出手段を構成する燃焼排ガスの導出帯域が、炉床から隆起する耐火材料の燃焼排ガス導出ダクトにより形成され、該導出帯域は、前記加熱管列と平行に加熱炉の底壁面に配設され、前記導出帯域は、炉内領域の燃焼排ガスを通気可能な排気開口部を有し、該排気開口部を介して炉内領域と相互連通し、炉内燃焼排ガスの所定割合の流体部分が、前記導出帯域を介して加熱炉外界に導出され、前記熱交換装置に送出されることを特徴とする請求項１又は２に記載の加熱炉。
4. 前記燃焼排ガスの所定割合は、重量比１０乃至３０％に設定されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の加熱炉。
5. 前記炉内領域の奥行（Ｄ）に対する前記加熱管列の間隔（Ｗ）の比率により定義される奥行（Ｄ）／間隔（Ｗ）の値が、実質的に２乃至８の範囲内の値を指示するように設定されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の加熱炉。
6. 前記被加熱管の外径（ｄ）に対する前記被加熱管の相互間隔（ｐ）の比率として定義される間隔（ｐ）／外径（ｄ）の値が、実質的に１．５乃至２．５の範囲内の値を指示するように設定されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の加熱炉。

Images