原油加熱炉バーナーのレトロフィット

バーナーのレトロフィットにより、粗製プロセス炉からのNOx排出量を削減し、より堅牢な運転を実現しました。

Zeeco 最近、米国メキシコ湾岸の大規模製油所と原油加熱プロセス炉のバーナー改造プロジェクトに取り組む機会があった。既存のバーナーは、常温の強制通風燃焼空気で作動するように設計された炭素鋼製ロータリーレジスターを使用する従来型の排ガス設計であった。炉内には合計16台の既存バーナーが設置され、共通のエアプレナムを利用していた。

製油所では、運転上の課題から既存のバーナーの交換を模索していました。

1. オリジナルのバーナーロータリーレジスターが動作不能になり、1つの設定で固まってしまっていたのです。
2. レジスターを使える状態に戻しても、湾岸の高湿度・塩分濃度の空気で炭素鋼が酸化し、短時間で再び凍結してしまうのだ。

既存のバーナーは、ガス焚き用のマルチチップ設計で、液体燃料の焚き付け機能も備えていました。プロジェクト開始前の打ち合わせで、製油所から液体燃料を燃焼させる機能を削除することが指示されました。また、メンテナンスが容易でNOxの発生が少ない新しい設計の燃料ガスバーナーを採用したいとのことでした。

この改造プロジェクトが予定されているターンアラウンドでは、炉の床を修正する時間が十分ではありません。したがって、提案された解決策は、ヒーター床と耐火物の改造を伴うことができず、改造バーナーは炉内の既存のバーナー取り付け部に適合する必要があります。

まとめとして、粗熱器バーナー改修の主な優先順位と設計目標は以下の通りでした。

• 一般的なエアプレナムに取り付けるバーナーレジスターの設計を使用します。
• このバーナーレジスターのデザインは、湾岸の大気中で錆びにくい材質でなければならない。
• バーナーレジスタは、予見可能な将来にわたって凍結することなく運用できるよう、十分に堅牢である必要があります。
• 供給されるバーナーは、既存の炉の耐火床の開口部に床を修正することなく適合しなければならない
• バーナーを同じ数（16個）使用することで、経済的に実現不可能な床改造を防ぐのが精製業者の希望だったのです
• バーナーは、運用・保守担当者がメンテナンスしやすいものでなければならない
• 現在炉内に設置されている従来型エミッションバーナーに対して、NOx排出量をある程度削減できるようなバーナーを設計する必要があります。

製油所からの機械的要件とバーナー運転に関するプロセス要件をすべて検討した結果、Zeeco の GB シングルジェット・バーナーが最適なソリューションとして選ばれた。

GBシングルジェットバーナー設計の特徴

GBシングルジェットバーナーは、従来のエミッションバーナーの設計をベースに、段階的空気供給、段階的燃料供給、内部排ガス再循環（IFGR）を取り入れ、エミッションを低減させたバーナーである。このバーナーは、コーンアセンブリ上で燃焼するシングルガスチップを使用していますが、バーナーの中心線上で燃焼するのではなく、バーナータイルの内径に近いところで燃焼するように、チップとコーンがオフセットされています（図1参照）。

図1.GB シングルジェットバーナーのバーナースロート部。
と IFGR ゾーンの様子を示しています。

ガスチップとコーンのオフセット設計により、バーナースロート内の燃焼用空気の一定割合をステージングし、バーナ火炎の基部にIFGRを発生させることができます。ガスチップとコーンアセンブリの位置は、IFGRの量を増加させ、安定した低圧ゾーンを作り、燃焼ゾーンへのIFGRの量を最大化するのに役立っています。IFGRの導入により、火炎中心部のピーク火炎温度を大幅に低下させることができます。図2に示すように、ピーク火炎温度を下げることで、熱的NOx排出量を削減することができます。GBシングルジェットバーナ構成のシングルチップ、オフセット設計は、原料ガス従来のエミッションバーナと比較して、操作とメンテナンスを簡素化し、排出量を削減することができます。

図2.ピーク火炎温度と熱NOx生成量の関係。

GBシングルジェットバーナーのもう一つの特徴は、バーナー構成部品のコンパクト化です。多くの低NOxバーナーは、安定したバーナー火炎を提供するために、多数のガスチップ、複雑なタイル形状、フレームホルダーを使用していますが、それでも排出要件を満たすことができます。GBバーナーでは、単一のガスチップとコーンアセンブリを使用するだけで、排出ガス規制を満たすことができます。また、このバーナーのタイル形状は、通常、ストレートサイドタイルです。より費用対効果の高いタイル形状であることに加え、一般的な低NOxバーナーに必要とされるタイルフットプリントよりも小さくなっています。タイルフットプリントが小さいため、高価な床鋼材や耐火物の改造が不要で、既存の炉のバーナー取り付け部へのレトロフィット用途が簡素化されます。

バーナーの機械的特徴-異なるエアレジスターの設計

製油所との話し合いの結果、設計と材質の改良が必要なバーナーの主な機械的特徴は、エアレジスター・アセンブリであることが判明しました。先に述べたように、既存の回転式エアレジスター・アセンブリは位置が固着しており、製油所がバーナーを設計通りに運転することを妨げていました。精錬所のメンテナンス担当者は、炉の長期的な効率運転を達成するためにバーナーをコントロールする術を持たなかった。また、一部のバーナーではロータリーレジスターが凍結し、バーナーから入る完全燃焼用の空気が不足しているため、凍結したロータリーレジスターは安全上危険な状態となっていました。

製油所の担当者と現場で打ち合わせを行った後、Zeeco バーナー設計チームは、交換用バーナー用に回転式レジスターの代わりに回転式インレットベーンを備えたエアレジスターを選択した。回転式インレットベーンは、バーナー用の既存の炉床開口部に適合し、固定式エアレジスターに取り付けられた回転式レジスターに依存しないため、最適な設計を提供した。ロータリーインレットベーンは、コモンエアプレナム内の固定シリンダー上でベーンの中心線を中心に回転する。この固定シリンダーはバーナー前面プレートに溶接され、レジスターシャフト、リンケージアーム、コネクティングギア、ベーンシャフトベアリングが取り付けられる（図3参照）。

図3.ピーク火炎温度と熱NOx生成量の関係。

この設計では，燃料の完全燃焼を保証するために十分な燃焼空気と余剰空気を流すための最適な開口面積となる6枚のインレットベーンが選ばれた．図3に示すように、バーナには1つのダンパーハンドルがあり、バーナ上のすべてのレジスタインレットベーンを同時に調整することができます。各インレットベーンには、ベーンの中心線に溶接されたダンパー軸があり、このダンパー軸はバーナ前面板を貫通して突出しています。各ダンパーシャフトは、リンケージアームとギアを使用してダンパーハンドルに接続されています。また、各ダンパーシャフトの突出部にはパッキン軸受があり、バーナーの寿命までベーンインレットダンパーの円滑な作動を保証するために潤滑油を塗布することができます。図4は、ベーンインレットレジスターとその動きを駆動するリンクアームの構成をさらに説明するためのバーナー前板の底面図である。これは、バーナー前面プレートが共通空気プレナムアセンブリに取り付けられたときに、下から真上に見た図であることに注意することが重要である。

図4.
共通エアプレナムアセンブリに取り付けたときの、バーナー前面プレートの下からの図。

すべてのベーン式インレットレジスターは、付属のダンパーハンドルアセンブリ1つで簡単に操作できます（図4参照）。ダンパーハンドルはバネ式で、所定の位置にロックすることができます。ダンパーは、全開（設定番号8）と全閉（設定番号0）の間で32の個別設定があります。これは、バーナーに入る燃焼空気を制御するためのより良い方法を製油所の運転担当者に提供し、個々のロック可能な設定は、炉内のすべての16バーナーの燃焼空気レジスタ設定の一貫性のために52 Revamps 2017 www.eptq.com を可能にするであろう。

建設資材のアップグレード

ベーンインレットレジスターを使用した改良型バーナーレジスターの設計は、より堅牢なソリューションを提供しますが、製油所は、建設資材を改良しなければ、将来的に同様のレジスター凍結問題に直面する可能性があることを懸念していました。当初のバーナーロータリーレジスターは、鋳鋼と炭素鋼シートメタルで構成されていました。既存の共通エアプレナム内に設置された内部バーナー部品であるため、どちらの表面も塗装されていませんでした。そのため、米国メキシコ湾岸の高湿度・塩分濃度の環境下で、既存のバーナーレジスターの設計が酸化し、錆びが発生したのです。

バーナー設計チームは、製油所との協議の結果、固定エアシリンダー、インレットベーン、インレットベーンダンパーシャフトの材質として304ステンレスを選択しました。このタイプのオーステナイト系ステンレス鋼は、もともと錆や酸化に強いため、内部のベーン入口空気レジスタコンポーネントを塗装したり、コーティングしたりする必要がなく、将来的なメンテナンスコストを削減することができます。

後付けしやすいバーナータイルのデザイン

GBシングルジェットバーナーは、同じ放熱量と空気側の圧力損失を持つ他の低NOxまたは超低NOxバーナーよりも一般的に物理的サイズが小さくなっています。このバーナーサイズは、バーナー前面プレートのコモンエアプレナムへの必要な取り付け寸法に容易に適合しました。

既存バーナーの物理的な設置方法を検討した結果、プロジェクトチームは炉床上に既に設置されている既存のタイル取り付け板を再利用することにしました。この既存のタイル取り付けプレートには、炉床開口部とバーナータイルに対して、ベーンインレットレジスターを備えた固定シリンダーを適切に位置決めするためのアライメントタブが設置されていました。

プロジェクトチームが直面した唯一の問題は、選択したバーナーのフットプリントが小さいため、既存のタイルの外径が約27インチであるのに対し、新しいバーナーに必要なバーナータイルの外径は23インチしかないことでした。バーナータイルを小さくしても、GBシングルジェットバーナーは既存のバーナーと同じ圧力損失を使用することになる。標準的なタイルサイズを使用するためにバーナースロートの直径を変更した場合、バーナー全体の圧力損失が減少し、バーナーの燃焼空気量や余剰空気の制御が難しくなります。そこで、GBバーナーの円筒形のバーナータイルの厚さを2倍にして、既存のバーナータイルと同じ外径を確保することにしたのである。バーナータイルを厚くすることで、製油所では炉床を変更することなく、既存のバーナータイルを新しいバーナータイルに置き換えることができる。バーナータイルの外径を同じにすることは、この炉に割り当てられた3週間の納期内に改修を完了させるために必要だった。全体としてタイトなスケジュールであるため、プロジェクトで節約できる時間はすべて節約する必要があった。

Zeeco 、バーナータイルに水性60%_{Al2 O3}(アルミナ)耐火物の使用を計画していた。この材料の使用温度は3000°F（1650°C）ですが、製油所は、耐火物のセラミック結合に達するのに必要な乾燥時間が、ターンアラウンド終了後の炉のフル装填までの時間を妨げることを懸念していました。プロジェクトチームは、新しいバーナータイルにリン酸塩結合耐火物を選択しました。リン酸塩結合バーナータイルのアルミナ含有率は 60%_{Al2 O3}で、使用温度は 3000°F（1650°C）と同じですが、耐火物を鋳造して形状を整えた後に予備焼成する必要がありません。リン酸塩結合材は鋳造工程で発熱反応を起こし、この発熱反応によって耐火物がセラミック結合まで加熱されるため、バーナータイルは追加の乾燥時間を必要としません。製油所のプロセス要件に基づき、ターンアラウンド後に炉の温度を上昇させることができます。

GBシングルジェットデザインの調整機能

このプロジェクトチームが過去のバーナー改造から得た教訓の一つは、バーナーを設置した後に機械的な調整が可能でなければならないことである。製油所の多くは、何十年も使い続けている炉を選んで改修しています。製油所の操業担当者は、炉の外側のメンテナンスには非常に熱心ですが、炉の内部の運転領域は、ターンアラウンド時にしか点検・メンテナンスが行われません。現在、ほとんどの製油所では、2～5年ごとに定期点検が計画されているため、内部の損傷を修正する機会が少なくなっています。

一般的なレトロフィットの課題は、稼働中の炉の炉床耐火物が各バーナー位置で均等でないことです。数十年にわたる使用により、炉床耐火物のレベルは低下し、一部のエリアのみがターンアラウンドの機会に部分的に補修されることがあります。そのため、プロジェクトチームは、各バーナーの位置で特定の耐火物の厚さに機械的に調整することを計画し、実行する必要があります。もし機械的な調整が行われないと、低NOx排出を達成するためにバーナーの動作を最適化することができません。また、炉内耐火物の差が大きすぎると、バーナーの安定運転に影響を与える可能性があります。

GBシングルジェットバーナーには、バーナー前面の取り付け穴の追加、主燃料ガスライザーとパイロットの垂直調整用取り付けハブ、主燃料ガスライザーとパイロットの水平調整用スライド取り付け板という3つの調整箇所があります。

図4では、バーナー前面プレートの追加取り付け穴の位置を簡単に確認することができます。このように調整することで、既設バーナーの撤去時にエアプレナムの既設取付ボルトが損傷した場合の解決策となる。このような場合でも、フロントプレートに既存の取り付けボルトから少しずらした取り付け穴を設けることで、メンテナンス担当者が新しいバーナーを取り付けられるようになりました。破損した既存の取り付けボルトをドリルで取り外す代わりに、新しい取り付けボルトを新しい位置に取り付けることができます。破損した取付ボルトをいちいち修理するよりも、破損した取付ボルトを切断して、新しい取付ボルトを取り付けた方がはるかに早い。

調整可能な第二の分野は、主燃料ガスライザーとパイロットアセ ンブリの垂直位置を調整するための取り付けハブと止めネジが含まれ ていることである。図5には，取り付けハブの位置と，上下方向の調整を容易にするために緩めることができる止めネジを示した。

図 5.主燃料ガスライザーとパイロットアセンブリのセットスクリューと取付ハブの上下調整。

セットスクリューとマウントハブを提供することで、床耐火物の不均一な部分や数十年の使用で歪んだヒーター床の影響を緩和することが可能です。これにより、設置担当者はコーンアセンブリ、主燃料ガスチップ、パイロット位置を正確に設定し、バーナーの最適な動作とNOx排出量の低減を実現できます。将来のメンテナンス時に不用意なミスアライメントを防ぐため、メーカーは精製業者が、ターンアラウンド中に各バーナーを適切にセットした後、取り付けハブを鋲打ち溶接して静止させることを推奨しました。この場合も、そうすることで、将来のメンテナンス作業中に、燃料ガスライザー、コーンアセンブリ、パイロット位置の偶発的な垂直移動を防ぐことができます。

3つ目の調整可能な部分は、バーナー前板にスロット穴を設けた小型バーナー燃料ガスライザーとパイロット取り付け板を搭載したことである。これにより、主燃料ガスライザー、コーンアセンブリ、およびパイロット位置の間の発射形状を変えることなく、バーナーの主な発射機構を水平方向に調整することができる。図6に、バーナに設けられたこの小型の取付板を示す。

図 6.バーナー燃料ガスライザーとパイロット取り付け板水平調整板。

この小さな前面プレートは、共通エアプレナムの取り付け位置とバーナーのためのヒーター床の開口部の位置の不一致を緩和します。コモンエアプレナムとヒーターフロアの2つの開口部が同心でない場合、小型のスライド式フロントプレートの取り付けナットを緩めて、ガスライザー、コーンアセンブリ、パイロットをバーナータイルの内径の適切な位置に調整することが可能です。バーナーは、ガスライザー、コーンアセンブリ及びパイロットがバーナータイルの内径から離れた位置にあっても十分に作動するが、そのように作動すると、バーナーはバーナー火炎の基部へのIFGRが減少するので、熱NOx排出が増加することになる。図6に示すような調整を行うことで、NOx性能を犠牲にすることなく、炉床の既存のバーナー間隔に短時間でレトロフィットを完了させるために必要な柔軟性を持たせることができる。

メンテナンスのしやすさ

バーナー改造の最後の項目は、精製業者からメンテナンスが容易なバーナーを採用するようにとの要望があったことです。GBシングルジェット設計は、ガスチップ付きのシングルガスライザーアセンブリを使用しています。この設計は、ほとんどの製油所の保守・運転担当者に馴染みのある従来の排ガス用バーナーと非常によく似ています。この類似設計により、製油所のメンテナンス担当者は既存の清掃手順を容易に利用することができます。燃料ガスライザーの取り外しは、4つの取り付けナットを外し、燃料ガスライザーをバーナーから取り外すことによって容易に達成される。図7は、定期的なメンテナンスとクリーニングが必要な燃料ガスライザーとガスチップを示したものです。

図7 低NOxバーナー燃料ガスライザーとガスチップの取り外しが容易な単一化により、複数のガスチップを持つ低NOxバーナーのメンテナンスに要する時間を大幅に短縮することができます。

結論と教訓

このレトロフィットは2016年末に実施され、提供されたバーナーは機械的な問題なく稼働しています。製油所の担当者は、このバーナーが満足のいく運転で、より堅牢なソリューションを提供したことに満足しています。

製油所では、3週間の納期内に数日の余裕をもってバーナーの改造を実施することができた。床耐火物の改造は必要なく、厚みを増したバーナータイルを使用することで、2交代制の作業で16枚すべてのタイルを取り付けることができた。製油所では、コモンエアプレナムの取り付けボルトが損傷したため、バーナー前面プレートの追加取り付け穴の約25％を利用する必要がありました。Zeeco 、ターンアラウンドの最後の部分で現場に立ち、最適な性能とサーマルNOx排出のために、燃料ガスライザー、コーンアセンブリ、パイロットの垂直方向と水平方向の位置調整を支援しました。製油所からのフィードバックによると、新しいベーンインレットレジスターアセンブリーには錆や酸化の痕跡はなく、運転担当者は最適なバーナー性能を得るためにベーンインレットエアレジスターを簡単に調整できるようになりました。NOxの削減は二次的な要件であったが、製油所は新しいバーナーが以前のバーナーの半分のNOx排出量で運転されていると報告している。製油所はバーナーの性能に満足し、運転と保守が容易なバーナーを手に入れ、原油加熱器からの熱NOx排出を削減した。

ライアン・D・ロバーツはZeeco 社のシニア・アプリケーション・エンジニアである。バーナー・グループで20年のキャリアを積み、現在は既存バーナーの改造に注力している。オクラホマ大学で機械工学の理学士号を取得。