JP4819276B2 - 管式加熱炉 - Google Patents
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Description
本発明は、加熱装置、特に、管内における製品流(Produktstrom)が間接的に加熱されるサーマル・プロセッシング・プラント(Thermoprozessanlage)に関する。
【0002】
サーマル・プロセッシング・プラントでは、しばしば圧力下にある流体(Fluid)が間接的に加熱され、この場合熱エネルギは、加熱のため、相変換(Phasenumwandlung)のため、反応熱(熱吸収性の反応(endotherme Reaktion))として又はこれらの効果の複合のために使用される。流体は、多くの場合その熱限界にまで負荷される加熱管内において案内される。この場合局部的な過熱が生じることは許されない。
【0003】
図7及び図8には、実地において知られているサーマル・プロセッシング・プラント1が示されている。サーマル・プロセッシング・プラント1は、例えば煉瓦積みされた炉壁2によって取り囲まれた各1つの内室を有しており、この内室の中には加熱管4が配置されている。これらの加熱管4を加熱するために、炉壁2の貫通孔内にはバーナ6が配置されている。図7に示された構成では加熱管4は、それぞれ鉛直方向に互いに並んで列を成して配置されているので、対を成した管列7の間には各1つの通路(Gasse)8が形成されている。バーナ6は燃料及び空気に軸方向の流出インパルスを与え、通路8内に火炎を放射する。この場合熱は特に火炎及びガス放射によって、加熱管4に伝達される。炉壁2からの放射は加熱管4に不均一に衝突する。
【0004】
従って比較的低い熱伝達性能しか得られない。さらにこの公知の配置形式は、火炎なしの酸化作用を有するバーナの使用のためには構成されておらず、このようなバーナは、加熱管4に対しては有害である還元雰囲気の比較的大きな領域を形成する。
【0005】
図8に示されたサーマル・プロセッシング・プラント1では加熱管4は、1列に内室3のほぼ真ん中に配置されている。炉壁2の貫通孔には渦流バーナ(Drallbrenner)6′が設けられており、これらの渦流バーナ6′は燃料及び供給される燃焼空気に、ほぼ半径方向の流出インパルスを与える。火炎及び炉壁2の加熱された領域は、火炎からのエネルギの大部分を放射によって加熱管4に伝達する。放射強度の高いゾーンは小さく、そのため、多数の渦流バーナ6′を設けることが必要である。
【0006】
ゆえに本発明の課題は、冒頭に述べた形式の加熱装置を改良して、管の過熱を回避しながら管を均一に加熱することができる加熱装置を提供することである。そしてこの場合可能な限りコンパクトな配置形式の得られることが望まれている。
【0007】
バーナ及び加熱管を本発明におけるように配置構成することによって、バーナは対向して位置している炉壁に、より高温の大きなゾーンを生ぜしめることができ、このようなゾーンは陰影形成なしに、加熱管と放射交換する。エネルギは固体放射(壁−管)、ガス放射(反応ゾーン−管)及び対流(完全に反応した燃焼成分−管)によって均一に伝達される。
【0008】
バーナは、流出する燃料・空気噴流に、有利な形式で大きな軸方向の流出インパルスを与える。この流出インパルスは有利には次のような、すなわち噴流が対向して位置している炉壁に達し、かつそこで高温のスポット/領域を生ぜしめる。バーナは燃料空気混合物・流出開口を有していても、又は燃料と空気のための別個の流出開口を有していてもよい。そしてこれによって熱が加熱管に放射される。
【0009】
火炎なしの酸化の原理に基づいて作動するバーナが使用される場合には、バーナ近傍においては温度ピークが形成されないので、バーナの前において互いに角度をおいて位置する管列区分は、比較的近くにおいてまとめられることができる。燃焼ガスの広域にわたる再循環は、特に火炎なしの酸化時に、極めて高い空気予加熱時にもNOx放出の最適な降下を可能にする。形成される比較的大きな還元領域は、管の配置形式に基づいて加熱管と接触しない。さらに管の配置形式は、コンパクトな構造形式と、加熱管における温度ピークなしの高い熱伝達性能とを可能にする。
【0010】
さらにまた、火炎なしの酸化のために適宜なバーナは、問題のある燃料の使用をも可能にし、通常火炎形成時に安定性に関する問題を生ぜしめるような組成の変化する燃料の使用をも可能にする。
【0011】
本発明の別の有利な構成は請求項2以下に記載されている。
【0012】
次に図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。
【0013】
図1は、本発明のように配置されたバーナ及び加熱管を備えたサーマル・プロセッシング・プラントを示す水平方向断面図である。
【0014】
図2は、サーマル・プロセッシング・プラントの別の実施例を示す水平方向断面図である。
【0015】
図3は、図1又は図2に示されたサーマル・プロセッシング・プラントを示す斜視図である。
【0016】
図4は、サーマル・プロセッシング・プラントの別の変化実施例を示す図である。
【0017】
図5は、サーマル・プロセッシング・プラントのさらに別の変化実施例を示す図である。
【0018】
図6は、サーマル・プロセッシング・プラントのバーナの原理を示す断面図である。
【0019】
図7は、従来技術によるサーマル・プロセッシング・プラントを示す断面図である。
【0020】
図8は、従来技術による別のサーマル・プロセッシング・プラントを示す断面図である。
【0021】
図1に示されているサーマル・プロセッシング・プラント1は、炉室3を制限していて壁を形成している煉瓦積みされた炉壁2(2a,2b)を備えている。炉室3内には複数の加熱管4が配置されていて、これらの加熱管4内を、加熱される又は高温に保たれる流体が流れる。この流体は、加熱管4を通る途中で化学的に変化させられる。
【0022】
加熱管4は図1に示されているように、軸方向にかつ互いに間隔をおいてジグザグの列10を成して配置されている。この場合加熱管4の各グループ11は管列区分を形成しており、これらの管列区分は、互いに対して平行に方向付けられているのではなく、0とは異なった有利には鋭角(例えば30°〜80°)を互いに間に成している。列区分11,12によって形成される角度は、互いに向かい合っている両方の炉壁2a,2bに向かって交互に開放している。図1に示された実施例では、グループ11,12によって形成された列区分は、それ自体それぞれ真っ直ぐであり、この場合グループ11の区分は互いに平行である。グループ12の列区分もまたこの実施例では真っ直ぐでありかつ互いに平行である。しかしながらまた、グループ11,12の列区分がそれぞれ湾曲されていたり、円弧状になるように、加熱管4を配置することも可能である。
【0023】
加熱管4を加熱するためにはバーナ6a,6bが設けられており、これらのバーナ6a,6bは炉壁2a,2bの相応な開口に位置決めされている。バーナ6a,6bは図1に示された実施例では、火炎なしの酸化(flammenlose Oxidation)のために調整されたバーナである。これらのバーナ6a,6bは燃料空気噴流、つまり軸方向の流出インパルスを有する量流14a,14bを生ぜしめ、この軸方向の流出インパルスは、それぞれ対向して位置している炉壁2a,2bに向けられている。バーナ流出部においては相応な流体技術的な構成によって、炎の安定化が阻止される。
【0024】
バーナ6a,6bから流出する量流14a,14bはそれぞれ、互いに隣接し合う2つの加熱管4の間を通り、この隣接し合う2つの加熱管4のうちの1つは、グループ11に所属し、他方の加熱管4はグループ12に所属している。これによって、図1に矢印15で示された広域にわたる再循環流が形成され、そしてグループ11,12の列区分の間には広域にわたる反応ゾーンが生じる。
【0025】
バーナ6a,6bは、復熱式バーナもしくはレキュペレータバーナ(Rekuperatorbrenner)又は蓄熱式バーナ(Regeneratorbrenner)として構成されており、このようなバーナは高い空気予加熱を可能にする。例えば図6に、レキュペレータバーナ6の原理図が示されている。このレキュペレータバーナ6は中央の燃料供給導管17を有しており、この燃料供給導管17は軸方向の流出インパルスをもって流出させる。さらにバーナ6は空気供給部18を有しており、この空気供給部18は流出する燃焼空気に同様に軸方向の流出インパルスを与える。空気供給部18はレキュペレータ管19を介して、逆方向で排ガス導管20を介して炉室から導かれる排ガス流との間で熱交換する。レキュペレータ管19は熱交換器である。バーナ6を通して排ガスを排出することによって、温度調整ゾーンは互いに僅かしか影響し合わなくなる。
【0026】
図3に示されているように、例えば各炉壁2a,2bにはそれぞれ1列に複数のバーナ6が配置されており、この場合バーナ6(6a,6b)はそれぞれ、加熱管4に対して横方向に向けられた流出インパルスを生ぜしめ、かつグループ毎に、加熱管4に対して平行に向けられた列を成して配置されている。バーナ6aは均一な間隔をおいて配置されていても又は異なった間隔をおいて配置されていてもよい。例えば下流に向けられた流体流の場合第1ゾーンにおいては比較的大きなバーナ数(高いバーナ密度)が存在しており、これによって流入する流体流をまず初めに迅速に加熱することができ、この場合その下に位置しているゾーン2,3には相応に僅かな数のバーナ6で、得られた温度を十分に維持することができる。
【0027】
また付加的なバーナ6′′が設けられていてもよく、これらのバーナ6′′は加熱管4に対して平行に向けられていて、ひいてはこれらの加熱管4に対して平行に向けられた流出インパルスを有している。これらのバーナは有利にはジグザグに、グループ11,12(図1)によって制限された炉室3の領域16の上もしくは下に配置されている。これらのバーナは例えばプラントの始動時、つまり最初の加熱のために働き、この場合これらのバーナは加熱管4に対して平行に火炎を放射し、かつ後で遮断され、火炎なしの酸化に切り換えられるか又はさらに運転される。有利な実施例ではバーナ6′′は、火炎を生ぜしめる火炎ホルダ(Flammenhalter)を備えたバーナであり、これに対してバーナ6a,6bは、火炎なしの酸化のために構成されていて例えば加熱された状態において初めて接続される、火炎ホルダのないバーナである。必要とあらば、バーナ6a,6bはしかしながらまた切換え可能なバーナであってもよく、このようなバーナは点火のためにはまず初め火炎をもって作動し、必要な温度が得られると、火炎なしの運転に切り換わる。
【0028】
上に述べたサーマル・プロセッシング・プラント1は以下に記載のように作動する:
運転中、バーナ6a,6bは加熱管4に対して横方向にかつ炉壁2a,2bに対してほぼ直角に、燃料空気噴流を放出し、この燃料空気噴流はそれぞれ対向して位置している炉壁2a,2bに向けられている。噴流は隣接し合う加熱管4の間を貫流して、火炎なしの酸化が行われる酸化ゾーン16に達する。この酸化ゾーン16において自由になる熱はガス流が炉壁2a,2bに達し、この炉壁2a,2bにおいて、強く加熱された相応な領域21が形成される。この領域21からの熱放射は、酸化ゾーン16からの熱放射同様、陰影(Abschattung)なしに加熱管4に衝突する。熱分布は比較的均一であり、つまりすべての加熱管4はほぼ等しい熱量を有している。
【0029】
バーナ6a,6bの交互に逆向きのインパルスによって、広域にわたる循環が生ぜしめられる(矢印15参照)。この広域にわたる再循環は、各グループ11,12の加熱管4をそれぞれ取り囲み、これによって均一かつ対流的な熱伝達が達成される。加熱管4は、還元雰囲気(reduzierende Atmosphaere)が存在する酸化ゾーン16の外側に位置しており、これによって相応な管摩耗が防止される。
【0030】
加熱管4は図1に示された実施例では、相互に普遍的に等しい間隔をおいて配置されている。加熱管の数、加熱管相互の間隔及び、グループ11,12の区分が互いに成す角度とによって、加熱管4への熱分布に有利な影響を与えることができる。加熱管の角度、数及び間隔によって、管表面に対する炉壁2の面積の比を規定することができ、この場合有利には、管表面の面積と炉壁の面積とが互いにほぼ同じであることが望ましい。
【0031】
バーナ6は有利には個々に調整可能及び接続・遮断可能である。このようになっていると、炉室3内における熱分布に対して所望のように付加的に影響を与えることができる。
【0032】
図2には、本発明によるサーマル・プロセッシング・プラント1の変化実施例が示されている。この実施例では、火炎なしの酸化のために構成されたバーナの代わりに、それぞれ対向して位置する炉壁2a,2bに向けられた火炎を生ぜしめるバーナ6が設けられている。しかしながら加熱管4のジグザグ状の配置形式及び広域にわあたる流れ状態は、図1に示された実施例におけると同様である。また、図3に示されているように付加的なバーナ6′が設けられていてもよい。
【0033】
図4に示されているように、火炎を出すバーナでも火炎なしのバーナでも、加熱管4を波形に形成された列に配置することが可能である。このような列もまた、加熱管4のグループ11,12によって形成されかつ互いに平行に方向付けられていない区分を有している。図1及び図2に示された実施例と同じに、グループ11,12は有利には同数の加熱管4を有しており、この場合グループ11の加熱管4とグループ12の加熱管4との間の間隔は、対応するバーナ6を起点として対向して位置している炉壁に到るまで増大している。間隔の増大は直線的である必要はない。同様に加熱管4同士の間における間隔も等間隔である必要はない。
【0034】
図5に示されているように、必要とあらば付加的に加熱管4′を設けることができ、この加熱管4′は例えば過熱管(Ueberhitzerrohr)として働き、別のプロセス段階に配属されているか、又はさもなくば加熱管4とは基本的に異なった条件下にある。しかしながら付加的な管4′を、これらの管4′がサーマル・プロセッシング・プラント1の上記運転に対して殆ど影響を与えないように、配置することが望まれる。
【0035】
サーマル・プロセッシング・プラント1は、炉室内において波形の列を成して配置されている加熱管4を有している。それぞれ「波の山」及び「波の谷」にバーナが設けられていて、これらのバーナは、対向して位置している炉壁に向けられたガス噴流を生ぜしめる。炉壁及び反応ゾーンの放射熱(燃焼熱)が加熱管を均一に加熱する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のように配置されたバーナ及び加熱管を備えたサーマル・プロセッシング・プラントを示す水平方向断面図である。
【図2】 サーマル・プロセッシング・プラントの別の実施例を示す水平方向断面図である。
【図3】 図1又は図2に示されたサーマル・プロセッシング・プラントを示す斜視図である。
【図4】 サーマル・プロセッシング・プラントの別の変化実施例を示す図である。
【図5】 サーマル・プロセッシング・プラントのさらに別の変化実施例を示す図である。
【図6】 サーマル・プロセッシング・プラントのバーナの原理を示す断面図である。
【図7】 従来技術によるサーマル・プロセッシング・プラントを示す断面図である。
【図8】 従来技術による別のサーマル・プロセッシング・プラントを示す断面図である。
Claims (6)
- 加熱装置であって、
加熱可能な内室(3)を少なくとも部分的に画成する壁装置(2)が設けられていて、該壁装置(2)が、互いに平行な2つの壁(2a,2b)から成っており、
単数又は複数の加熱される流体を案内する、複数の加熱管(4)が設けられていて、これらの加熱管(4)が、内室(3)内において互いに平行に配置されており、
内室(3)を加熱するために、前記加熱管(4)の長手方向軸線に対して直交する方向で、前記両壁(2a,2b)にそれぞれ少なくとも1つのバーナ(6;6a,6b)が設けられていて、対向して位置する両壁(2a,2b)にそれぞれ設けられたバーナ(6;6a,6b)が、互いにずらされて配置されていて、これらのバーナ(6;6a,6b)がそれぞれ、壁装置(2)の、各バーナ(6;6a,6b)に対向して位置している壁領域(21)に向かって方向付けられており、
前記加熱管(4)が、少なくとも2つの列区分(11,12)を有する列(10)を成して配置されており、該列区分(11,12)のうちの互いに隣接した2つの列区分の間において、各バーナ(6;6a,6b)が、前記壁(2a,2b)に沿って配置されており、前記列区分(11,12)はそれぞれバーナ(6;6a,6b)から離れる方向において、各列区分(11,12)に所属の加熱管(4)が各バーナ(6;6a,6b)と該バーナ(6;6a,6b)に対向して位置している壁領域(21)とを結ぶ線に対して垂直な方向で離れるように、配置されていることを特徴とする加熱装置。 - 前記加熱管(4)が互いに間隔をおいて、ジグザグ状又は波形の列(10)に配置されている、請求項1記載の加熱装置。
- 前記バーナ(6;6a,6b)が、該バーナ(6;6a,6b)からのガス噴流が互いに隣接した2つの列区分(11,12)の互いに隣接し合う2つの加熱管(4)の間を通って内室領域に向けられるように、方向付けられている、請求項1記載の加熱装置。
- 前記加熱管(4)の長手方向軸線に対して直交する方向に方向付けられたそれぞれ複数のバーナ(6)が、前記少なくとも2つの列区分(11,12)に配置されており、前記バーナ(6;6a,6b)がそれぞれ、壁装置(2)の、各バーナ(6;6a,6b)に対向して位置している壁領域(21)に向かって、互いに対して平行に方向付けられている、請求項1記載の加熱装置。
- 前記両壁(2a,2b)に設けられた前記バーナ(6;6a,6b)に加えて、複数のバーナ(6′′)が前記加熱管(4)の長手方向軸線に対して平行に方向付けられている、請求項1記載の加熱装置。
- 前記バーナ(6;6a,6b)がそれぞれ、壁装置(2)の、各バーナ(6;6a,6b)に対向して位置している壁領域(21)に向かって方向付けられ、内室(3)に導入される燃料及び燃焼空気に、渦流を殆ど又はまったく有していない主として軸方向の流出インパルスを与える、請求項1記載の加熱装置。
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