本発明は、酸化剤として予熱された酸素富化ガスを用いて燃料を燃焼させるプロセスに関する。

産業界では、酸化剤、すなわち燃焼オキシダイザとしては空気が依然として最もよく使用されている。

しかしながら、特に燃焼効率を改善することにより、生成された熱エネルギーを最大限に利用し、NO_x等の汚染排出物を削減するために、酸化剤として空気の代わりに酸素を使用することが知られている。

酸素を用いた燃焼のエネルギーおよび環境面の利点はよく知られ、認められているものの、空気のそれと比較した酸素のコストにより、産業界における酸化剤としての酸素の使用は引き続き限定されている。

酸素燃焼効率をさらに改善し、それゆえある産業工程について必要な燃料および酸素の量を減らすために、酸素が予熱されておくようにするプロセスが開発されてきた。

特に、酸素を熱交換器内で予熱することが知られている。酸素を燃焼室の出口において燃焼ガス(排ガス)中に存在する残留熱で予熱することが特に知られており、これは、高温の排ガスと熱交換流体との間の第一の熱交換と、それに続く高温の熱交換流体(第一の熱交換から得られる)と酸素との間の第二の熱交換によって達成される。

このようなプロセスは、特に欧州特許出願第A−0 872 690号明細書および国際公開第2006/054015号パンフレットに記載されている。

しかしながら、熱交換器を用いて酸素を予熱する場合、高温の酸素との接触に対する材料の耐性という厄介な問題が生じる。そのため、国際公開第2008/141939号パンフレットに記載されているように、高温の酸素と接触する交換器の材料は、このガスによる酸化に対して非常に優れた耐性を示さなければならず、交換器の立ち上げまたはシャットダウン中に脆弱化してはならない。

最も一般的な鋼鉄はこれらの要求事項を満たさず、それゆえ、交換器はできるだけ十分に安全なものとならない。

国際公開第2008/141939号パンフレットにおいて、高温の酸素と接触する熱交換器の材料を選択する際の以下のような選択基準が提供されており、すなわち、その一例である金属合金は、交換器内で循環しなければならない酸素富化ガスの雰囲気中および交換器内で遭遇する最高温度に置かれたときに、この最高温度で1時間保持し、この温度での静止段階後に毎回室温に戻すことからなる各サイクルを1000回行った後に起こる重量増大が露出表面積0.1mg/cm²を超えないこと、とされる。

上記の耐性要件はまた、当然、設備の中の、高温の酸素と接触するいずれの金属部分にも適用され、これは例えば高温の酸素を燃焼室のバーナ/ランスに向かって輸送するためのパイプラインである。

このような合金のうちのいくつかが国際公開第2008/141939号パンフレットに記載されており、例えばインコネル600 H、インコネル600 L、インコネル800 Hその他である。

残念ながら、このような合金とそれに対応する組立プロセスはコストが高く、それは大多数の産業設備にとって、このような技術を使用し、それゆえ、予熱された酸素での燃焼の特に環境面での利点を享受する上での大きな障害である。

本発明の目的は、この欠点を少なくとも部分的に克服し、予熱された酸素での燃焼のより広い利用を可能にすることである。

特に、本発明の目的は、酸化剤として予熱された酸素富化ガスを使って燃料を燃焼させるための、堅牢で信頼性の高いプロセスと設備を製造でき、その一方で前記酸化剤の予熱に使用される機器類の製造コストを制限できるようにすることである。

本発明はそれゆえ、燃焼室の中で、予熱された酸素富化酸化剤で燃料を燃焼させるプロセスに関する。前記燃焼により、前記燃焼室の中に熱と排ガスが生成される。生成された排ガスは燃焼室から排出される。排出された排ガスの温度は室温よりはるかに高く、一般に1200℃と1600℃の間であるため、これらの排出された排ガスはかなりの量の残留熱を含む。

酸化剤は、少なくとも1つの熱交換器の中で、前記残留熱によって予熱され、このようにして予熱された酸化剤は、燃料を燃焼させるために燃焼室に供給される。

本発明によれば、酸素富化、より詳しくは80vol%〜100vol%、好ましくは90vol%〜100vol%の酸素含有量O1のオキシダイザが第一の熱交換器の中で、排出された排ガスからの残留熱の少なくとも第一の部分を含む第一の熱交換流体との熱交換によって加熱され、前記オキシダイザはそれゆえ、第一の交換器の入口における初期温度TOiから第一の交換器の出口における最終温度TOfまで加熱され、TOf>TOiである。第一の熱交換器からの加熱されたオキシダイザはその後、空気および/またはほぼ不活性のガスと混合されて、酸素富化、より詳しくは70vol%〜90vol%、好ましくは75vol%〜85vol%の酸素含有量O2の酸化剤が得られ、O2

TCiである。第二の熱交換器からの予熱された酸素富化酸化剤の少なくとも一部、好ましくは全部が、燃料の燃焼のために酸化剤として燃焼室に供給される。

第一の熱交換器の出口におけるオキシダイザの最終温度TOfは、有利な態様として、200℃〜400℃、好ましくは250℃〜400℃、より好ましくは300℃〜400℃である。第二の熱交換器の出口における酸化剤の最終温度TCfは、有利な態様としては、400℃〜850℃、好ましくは400℃〜700℃、より好ましくは500℃〜650℃である。

本発明によって、酸素富化酸化剤の予熱を最適化できる。そのため、特に酸素が豊富なオキシダイザは第一の熱交換器の中で加熱されるが、設備のうち、高温のオキシダイザと接触する構成要素のために特に酸化しない、およびそれゆえ高価な(上記参照)材料を使用する必要がなく、それは、高温のオキシダイザの温度が、予熱された酸化剤が燃焼室に供給される温度よりはるかに低いままであるからである。

さらに、酸化剤は第二の交換器の中で特に高温(少なくとも酸化剤が燃焼室に導入される温度)まで予熱されるが、設備のうち、予熱された酸化剤と接触する構成要素のために特に酸化しない、およびそれゆえ高価な材料を使用する必要がなく、それは、酸化剤の酸素含有量が、「工業用酸素」として知られるものの酸素含有量より少なく、より詳しくは90vol%を超えないからである。

排出された排ガスからの残留熱を回収し、酸化剤を予熱するために使用することに関する前記利点は、酸化剤の酸素含有量を(オキシダイザの酸素含有量に関して)減らすことが燃焼効率に与える影響より大きい。

本願の文脈において、 ・「酸素富化」または「富化」ガスとは、酸素含有量が70vol%より多いガスを意味すると理解される。 ・「ほぼ不活性の」ガスとは、燃焼室内の条件下で燃焼に(燃料としても酸化剤としても)関与しない1種または複数の物質を50vol%より多く含むガスを意味すると理解される。ほぼ不活性のガスはそれゆえ、必然的に50vol%未満の酸素を含む。 ・「熱交換器」とは、熱に寄与する熱交換流体と加熱対象の流体が別の空間内で循環し、熱交換流体が加熱対象の流体へと、2つの空間を分離する1枚または複数の壁を通じて、すなわち熱交換流体と加熱対象の流体とが直接接触せずに、または混ざり合うことなく熱を伝達する加熱設備または装置を意味すると理解される。 ・「バーナ」とは、少なくとも1種の燃料を少なくとも1種の酸化剤と接触させて、前記少なくとも1種の酸化剤による前記少なくとも1種の燃料の燃焼を可能にする装置または装置一式を意味すると理解される。バーナは一般に、燃料と酸化剤を燃焼領域へと注入するためのインジェクタおよび/またはランスを含む。 ・「残留熱」とは、燃焼室から燃焼により生成された排ガスと共に排出される熱を意味すると理解される。 ・「予熱」とは、燃料、酸化剤または、加熱もしくは溶融対象の供給材料等の生産物を、それが燃焼室内に導入される前に加熱することを意味すると理解される。

酸化剤を得るために加熱されたオキシダイザと混合されるガスは、空気、ほぼ不活性のガス、または空気とほぼ不活性のガスとの混合物から選択できる。ほぼ不活性のガスは、蒸気、CO₂、燃焼室から排出された排ガス、または前記ほぼ不活性のガスのうちの少なくとも2種の混合物から選択できる。

NO_xの生成を最小限に限定することが重要である場合、好ましくは、蒸気、CO₂、燃焼室から排出された排ガス、または前記ガスのうちの少なくとも2種の混合物が利用される。

具体的な実施形態によれば、排出された排ガスからの残留熱を含む熱交換流体の主流が供給され、前記主流が少なくとも2つの部分に分割される。第一の部分は、第一の熱交換器内で使用される第一の熱交換流体を構成し、第二の部分は第二の交換器内で第二の熱交換流体として使用される。この場合、熱交換流体の主流の第三の部分を、有利な態様として、燃焼室の上流で別の熱交換器において第三の部分と燃料との熱交換によって燃料を予熱するために使用できる。

代替的な実施形態によれば、熱交換流体の主流の少なくとも第一の部分は、第二の熱交換流体として使用され、主流の前記少なくとも一部は、それが第二の熱交換器を通過した後に第一の熱交換流体として使用される。

したがって、熱交換流体の主流の少なくとも第二の部分を、燃焼室の上流で別の熱交換器において第三の部分と燃料との熱交換によって燃料を予熱するために使用することが有利である。

排出された排ガスの少なくとも一部を第一および/または第二の熱交換流体として使用することができる。

他の実施形態によれば、排出された排ガスからの残留熱は、補助流体を補助熱交換器の中で排出された排ガスとの熱交換によって加熱することにより回収される。

その後、補助熱交換器内で加熱された前記補助流体の少なくとも一部は、第一および/または第二の熱交換流体として、好ましくは第一および第二の熱交換流体として使用される。

この場合、好ましくは、空気またはほぼ不活性の流体、または空気とほぼ不活性の流体との混合物が補助流体として使用される。ほぼ不活性の流体は、好ましくは、蒸気、CO₂、前記ガスの混合物から選択される。補助流体は好ましくは空気である。補助交換器の出口における補助流体の温度は、有益な態様としては、600℃〜900℃、好ましくは650℃〜800℃、より好ましくは650℃〜700℃である。

すると、特に有利な点として、加熱されたオキシダイザを、 (i)補助熱交換器からの加熱された補助流体の、 (ii)第一の熱交換器からの補助流体の、それが第一の熱交換流体として使用された後の、または (iii)第二の熱交換器からの補助流体の、それが第二の熱交換流体として使用された後の、 一部と混合することによって酸素富化酸化剤が取得できる。

このようにして、排出された排ガスからの残留熱の回収が最適化される。

異なる熱交換器、および特に第一および第二の熱交換器を、各々がそれ自体の外側ケーシングを有する別の装置の形態で提供できる。

しかしながら、前記熱交換器はまた、1つの同じ装置の中に組み込む、すなわち、1つの同じ外側ケーシングにより取り囲むことができる。

燃焼室は、溶融室、清澄・精錬室、溶融−清澄・精錬室、または溶融材料供給装置、好ましくはガラスもしくは金属溶融室、ガラスもしくは金属清澄・精錬室、ガラスもしくは金属溶融−清澄・精錬室、または溶融ガラスもしくは溶融金属供給装置とすることができる。

すると、燃焼プロセスは、特にガラスまたは金属を溶融/清澄・精錬/供給するための溶融プロセスの、清澄・精錬プロセスの、溶融−清澄・精錬プロセスの、または溶融材料供給プロセスの一部を形成する。

本発明とその利点は、本発明における例に関する以下の説明においてより詳しく例示されており、図1〜4を参照する。

本発明によるプロセスの各種の実施形態を実施するための設備の概略図である。

本発明によるプロセスの各種の実施形態を実施するための設備の概略図である。

本発明によるプロセスの各種の実施形態を実施するための設備の概略図である。

本発明によるプロセスの各種の実施形態を実施するための設備の概略図である。

異なる図面において、同じ参照番号は異なる実施形態に対応する構成部品を示す。

I.実施例1および2:中間流体による残留熱の回収と、加熱された中間流体とほぼ不活性のガスの第一および第二の熱交換流体としての使用 I.1:実施例1(図1) 図1に示されているように、燃焼室1の内部では、例えば燃焼室内の供給材料(例えば、蒸気、金属、ガラス形成剤、その他)を加熱し、および/または溶融させるための燃焼によって熱が生成される。生成された排ガス11は燃焼室1から、排ガスのための出口によって排出される。排出された排ガス11は残留熱を含む。本発明によれば、この残留熱は、燃焼室1の上流で、酸化剤を、および好ましくは酸化剤と燃料を予熱するために、量において回収される。

このために、排出された排ガス11(または前記排ガスの少なくとも一部)は、補助熱交換器10の中に導入される。この補助熱交換器10において、補助流体21が、排出された排ガスとの熱交換によって加熱される。図の例において、加熱対象の補助流体21は室温の空気である。

補助交換器10の出口において、冷却された排ガス12は、適当であればクリーニング処理(図示せず)の後で煙突に運ばれ、粉塵その他の汚染物質が除去される。

加熱された補助流体22は、700℃程度の温度であり、熱交換流体の主流を構成する。

前記主流22は、いくつかの部分(23、24、25)に分割される。

熱交換流体の第一の部分24は、酸素含有量の高いオキシダイザ41を加熱するために、第一の熱交換器40aの中に導入される。

図の例において、オキシダイザ41の酸素含有量は約100vol%、一般的に99vol%程度である。オキシダイザの供給源(図示せず)は、例えばオキシダイザ導管、オキシダイザタンクまたは、酸素含有量の高いガスを生成する設備、例えば大気気体を分離するユニットとすることができる。

この第一の部分24からの低温化された熱交換流体44は、第一の交換器40aの出口で回収される。

加熱されたオキシダイザは、約400℃の温度で第一の交換器40aから出る。これは加熱された熱交換流体(補助流体(空気))26と、加熱されたオキシダイザが100部(vol)に対して熱交換流体26が12部(vol)の割合で混合される。

このようにして、酸素含有量91.5vol%、温度402℃程度の酸素富化酸化剤42が得られ、この酸化剤は第二の交換器40bの中に導入される(表1参照)。

図1に示される設備において、加熱されたオキシダイザと熱交換流体との混合物は、第一の熱交換器40aの加熱されたオキシダイザのための出口において、一方で熱交換流体の第一の部分24を第一の交換器40aに運ぶラインを、他方で第一の交換器40aの加熱されたオキシダイザのための出口を第二の交換器40bの富化酸化剤のための入口に接続するラインに接続するパイプラインによって生成される。第一のラインの上に取り付けられたバルブが、このようにしてそれらを接続するパイプラインを通じて第二のラインに誘導される熱交換流体の流速を調整する。

第二の交換器40bにおいて、このようにして得られた酸素富化酸化剤42は次に、加熱された熱交換流体の第二の部分23との熱交換によって、予熱温度650℃まで加熱される。この第二の部分からの低温化された熱交換流体45は、第二の交換器40bから排出され、予熱された酸素富化酸化剤43は、燃焼室1の1つまたは複数のバーナ2に前記燃焼室1の中で燃料を燃焼させるために供給され、熱と排ガスが生成される。

第一の交換器40aの中のオキシダイザ41の温度は比較的低いままであることにより、この第一の交換器40aを、高温のほぼ純粋な酸素に対するその特に高い抵抗力で知られる特に高価な材料に頼らずに製造し、その一方で、前記第一の交換器40aの高い耐久性と高い信頼性を提供することが可能である。

酸素富化酸化剤42の酸素含有量が、オキシダイザ41の酸素含有量より低いことにより、第二の交換器40bの酸化剤42、43が高温であるのにかかわらず、この第二の交換器40bも同様に、そのような高価な材料に頼らずに製造し、その一方で、第二の交換器40bの高い耐久性と高い信頼性を提供することが可能である。

図の実施形態によれば、加熱された熱交換流体22の第三の部分25は、燃料31を予熱するために別の熱交換器30の中で使用される。天然ガス等の気体燃料の場合、燃料は一般に、400℃〜600℃の予熱温度まで加熱される。

この第三の部分25からの低温化された熱交換流体33が別の交換器30から排出され、別の交換器30からの予熱された燃料32はバーナ2に供給され、燃焼室1の中で予熱された酸化剤43により焼却される。

I.2:実施例2(図2) 図2に示される実施形態とは、主に、加熱された熱交換流体22の一部23だけが、それぞれオキシダイザ41の加熱と酸化剤42の予熱に使用される点で、図1に示されるものと異なる。

加熱された熱交換流体22の前記部分23はまず、第二の熱交換器40bの中で酸素富化酸化剤42を予熱するために使用され、この部分からの部分的に低温化された熱交換流体45が第二の交換器40bから排出されて、オキシダイザ41を加熱するために第一の交換器40aの中に導入される。

第二の交換器40bの中に導入された酸素富化酸化剤42は、第一の交換器40aからの加熱されたオキシダイザを前記第一の交換器40aからの低温化された熱交換流体(補助流体(空気))44の一部27と、加熱されたオキシダイザが100部(vol)に対して熱交換流体が12部(vol)の割合で混合することによって得られる。

加熱されたオキシダイザと加熱された熱交換流体の混合物は、第一の交換器40aの加熱されたオキシダイザのための出口において、一方で、第一の交換器40aの低温化された熱交換流体44のための出口を、他方で第一の交換器40aの加熱されたオキシダイザのための出口を第二の交換器40bの富化酸化剤のための入口に接続するラインに接続するパイプラインによって生成される。第二のラインに誘導される低温化された熱交換流体の流速はここでも、バルブ27’によって調整される。

異なる交換器40a、40b、30の中で熱交換流体として機能した後に、補助流体または補助流体の部分44、45、33は、(i)再循環させるか、(ii)大気中に送るか(補助流体の性質からそれが可能な場合)、または(iii)その場で他の目的のために使用できる。

II.実施例3および4:燃焼室から排出された排ガスの第一および第二の熱交換流体としての使用 II.1:実施例3(図3) 図3の実施形態は、主に、燃焼室1から排出された排ガス11の少なくとも一部が高温の熱交換流体22として直接使用される点で図1のそれと異なる。

それゆえ、残留熱は排出された排ガス22から、それぞれ第一の熱交換器40aの中のオキシダイザ41と、第二の熱交換器40bの中の酸化剤42と、別の熱交換器30の中の燃料31に直接(補助交換器10の中の熱交換流体として使用される補助流体を介在させてそこに伝達されずに)伝えられる。

このようにして、プラントのコストと熱エネルギー損失が軽減される。しかしながら、本発明によるプロセスのこの選択肢の長期間の使用は一般に、比較的清浄な排ガス、すなわち粉塵や凝集物の含有量の低い排ガスを生成する加熱プロセスに限定される。

酸素富化酸化剤42は、第一の交換器40aからの加熱されたオキシダイザを空気と、特に周囲空気と、またはほぼ不活性のガス28、例えば周囲空気、蒸気、N₂、またはCO₂と混合することによって得られる。

II.2:実施例4(図4) 図4の実施形態も同様に、燃焼室1から排出される排ガス11の少なくとも一部が高温の熱交換流体22として使用される点で図2のそれと異なる。

酸素富化酸化剤42は、第一の交換器40aからの加熱されたオキシダイザを空気、特に周囲空気と、またはほぼ不活性のガス28、例えば蒸気、N₂、またはCO₂と混合することによって得られる。

熱交換流体として機能した後に、低温化された排ガス44’、45’、33’は、排出された排ガスのうち、加熱交換流体として使用されなかった部分12’と同様に、煙突へと送られる。