(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央通路（２）と前記中央通路（２）を取り囲む少なくとも１つの同軸通路（６）とを備えたバーナー（１）であって、前記中央通路と同軸通路は上流の供給側から下流の放出端部に通じ、前記中央通路（２）及び前記同軸通路（６）は下流の固定されていない外側端部を有する同心状の内壁及び外壁（３、５）により規定され、前記外側端部は、前記同軸通路（６）の放出端部を形成すると共に前記中央通路（２）の隣接した放出端部に向かって合流する環状スリット（１０）を規定する外形を有し、前記バーナー（１）が冷却ジャケット（１４）により包まれると共に二重壁の前面（２１）を有し、前記前面の二重壁が１以上のバッフル（２８）により間隔をあけて配置されて冷却ジャケット（１４）に作動自在に連結された冷媒流路を形成し、冷却ジャケット（１４）が上流区域（１４Ａ）と移行区域（２５）とを有し、前記移行区域（２５）が冷却ジャケット（１４Ａ）の上流区域より小さい外径を有する前記前面（２１）に縮径し、冷却ジャケットの移行区域（２５）と冷却ジャケットの上流部分とが、接続ブロック（１１）の両側に取り付けられ、接続ブロック（１１）は内壁及び外壁の上流及び下流部分（３Ａ、３Ｂ、５Ａ、５Ｂ）に取り付けられ、前記通路（６、２）及び前記冷媒流路を通って流通可能にする開口部（１２、１３、２０）を有する、前記バーナー。
【請求項２】
前記移行区域（２５）が少なくとも部分的にテーパー状である請求項１に記載のバーナー。
【請求項３】
螺旋経路が冷却ジャケットの移行区域（２５）に形成され、前記前面（２１）内の流路に作動自在に連結される請求項１又は２に記載のバーナー。
【請求項４】
冷却ジャケット（１４）が、バーナーの中央通路（２）に対して同心状の通路区域（３２）を形成する少なくとも３つの平行バッフル（１９）を有する少なくとも１つの区画室（１８Ｂ）を備え、各バッフル（１９）が、平行な仕切り部（３６）を有する２つの対向するバッフル端部（３４、３５）の間に開口部（３３）を備え、各仕切り部（３６）がバッフル端部（３４）を隣接バッフル（１９）の対向したバッフル端部（３５）に連結する請求項１〜３のいずれか一項に記載のバーナー。
【請求項５】
通路区域（３２）の断面積が冷媒流の方向における次の通路区域（３２）の断面積より小さい請求項４に記載のバーナー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共反応性のガス状又はガス搬送媒体の別々の流れを供給するために中央通路と中央通路を取り囲む少なくとも１つの同軸通路とを備えたバーナーに関する。このバーナーは、例えば加圧合成ガス、燃料ガス又は還元ガスを製造するために酸素含有ガスを用いて、搬送ガスにより搬送される微細固体燃料などの炭素質燃料（例えば、窒素ガス及び／又は二酸化炭素などの搬送ガスにより搬送される微粉炭）の部分燃焼に使用するのに特に適している。
【背景技術】
【０００２】
固体炭素質燃料の部分燃焼（ガス化ともいう）は、燃料と酸素の反応により行われる。燃料は可燃性の成分として主に炭素と水素を含む。ガス搬送の微細炭素質燃料と酸素含有ガスとが、相対的に高い速度にてバーナー内の別々の通路を通って反応器に送られる。反応器内では、燃料が１３００℃より高い温度にて酸素含有ガス中の酸素と反応して一酸化炭素と水素を主に形成するように、火炎が維持される。
【０００３】
ここで用いられている「酸素含有ガス」とは、遊離酸素Ｏ２を含有したガスをいい、空気、酸素に富んだ空気、すなわち２１モル％より多い酸素、及び実質的に純粋な酸素、すなわち約９５モル％より多い酸素を含み、残りは窒素などの空気中に通常見いだされるガス、及び／又は希ガスを含む。
【０００４】
ここで用いられる「固体炭素質燃料」という用語は、ガスに搬送される種々の可燃性物質、及び石炭、石炭からのコークス、石炭液化残留物、石油コークス、煤、バイオマス、及びオイルシェール、タールサンド及びピッチから得られる粒子状固体の群からの混合物を含む。石炭は亜炭、亜ビチューメン、ビチューメン及び無煙炭を含めて任意の種類にし得る。好ましくは、固体炭素質燃料は、少なくとも約９０重量％の物質が９０ミクロン未満となりかつ水分含有量が約５重量％未満となるように、粒子サイズが砕かれる。
【０００５】
ＵＳ−Ａ−４８８７９６２はこのような部分燃焼プロセスのためのバーナーを開示する。バーナーは、燃料を燃焼ゾーンに供給するための出口を有する中央通路と、中央通路出口を取り囲むと共に中央通路の出口からの固体燃料の流れと交差し混合する酸素含有ガスを供給するための出口を有する同軸環状通路とを備える。バーナーはさらに、バーナーの放出端部に配置された前面を備える。前面は中央開口を有し、これを通って燃料と酸素含有ガスとが燃焼ゾーンに流れる。出口に近づくにつれ、酸素含有ガスを供給する環状通路の直径が小さくなり、縦軸に対して或る角度をなす。このようにして得られた傾斜した環状スリットは、酸素含有ガスが一定かつ均一に分布するように安定した寸法を有するべきである。流れ方向における環状スリットの傾斜により、出てくるガス流は、中央通路から下流の燃焼ゾーンに入る共反応性の可燃性物質の流れと交差し混ざり合う。
【０００６】
燃焼温度は１３００℃以上に到達するかもしれないので、このようなバーナーの主な関心事は、ガス化プロセス中に高熱流束により生じるバーナー前部（バーナー面ともいう）への損傷を防ぐことである。バーナーを過熱から保護するために、ＵＳ−Ａ−４８８７９６２には、内部冷却通路を有する中空壁部材を使用することが提案されており、この内部冷却通路を通して流体冷媒を螺旋流路に沿って高速で循環させ、バーナー前面を確実に均等に冷却し、特に最終的には冷媒の漏洩を生じ得る疲労応力によって長期にわたる運転中にバーナーの劣化とさらには故障さえも引き起こし得る熱応力を最小にできる。ＵＳ−Ａ−４８８７９６２では、バーナー前部の全体を冷却するには多数の螺旋旋回が必要とされるので、かなりの圧力低下が生じる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、特に熱応力が最大の場合に冷媒流の効率を高めることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の目的は、中央通路と前記中央通路を取り囲む少なくとも１つの同軸通路とを備えたバーナーであって、前記中央通路と同軸通路は上流の供給側から下流の放出端部に通じ、前記中央通路及び前記同軸通路は下流の固定されていない外側端部を有する同心状の内壁及び外壁により規定され、前記外側端部は、前記同軸通路の放出端部を形成すると共に前記中央通路の隣接した放出端部に向かって合流する環状スリットを規定する外形を有し、前記バーナーが冷却ジャケットにより包まれると共に二重壁の前面を有し、前記前面の二重壁が１以上のバッフルにより間隔をあけて配置されて冷却ジャケットに作動自在に連結された冷媒流路を形成し、冷却ジャケットが前記前面のより小さい外径に縮径する移行区域を有する前記バーナーを提供することによって達せられる。移行区域は例えば全体的又は部分的にテーパー状、半球状、又は階段状にするか、あるいは流れの方向においてより小さい直径に縮径する他の適当な形状を有してもよい。その結果、燃料と酸素の流れが交差して混ざり合って熱応力が最大となる通路の先端に冷却効果が集中する。前面内の流路における圧力低下が効果的に抑制される。
【０００９】
冷却ジャケットの移行区域は、その上流部分に直接連結できる。別法として、冷却ジャケットにより包囲された下流のバーナー部分を有する冷却ジャケットの移行区域と、冷却ジャケットにより包囲されたバーナー部分を有する冷却ジャケットの上流部分とが、接続ブロックの両側に取り付けられ、接続ブロックが、通路及び冷媒流路の上流部分からそれらの下流部分に流通可能にする開口部を有する。このような接続ブロックの利点は、環状スリットを通るガスの流出がさらに安定し一定になることである。
【００１０】
随意に、冷却ジャケットは少なくとも１つの区画室を備え、バッフルが螺旋流路を形成する。螺旋流路は、例えば、バーナーの中央通路に対して同心状の平行な通路区域を形成する少なくとも３つの平行なバッフルを用いて経済的に実現でき、各バッフルは平行な仕切り部を有する２つの対向したバッフル端部の間に中断部を備え、平行な仕切り部の各々がバッフル端部と隣接バッフルの対向したバッフル端部とを連結する。このように、仕切り部が冷媒流を１つの通路区域から次の通路区域に導く。冷媒流を液圧的に最適化するために、通路区域の大きさを、例えば、通路区域の断面積が冷媒流の方向において次の通路区域の断面積よりも小さくなるようにしてもよい。
【００１１】
本バーナーは、反応体を所望の方法にて、すなわち垂直、水平又は或る角度にて部分酸化ガス発生器の反応ゾーンに導入するのに十分適し、特に、燃焼ゾーンの実質的に向かい合った側に配置された反応体用の複数のバーナーを有する固体燃料ガス化装置を使用するのに特に適し、それにより反応体が水平に導入され、バーナー噴射が互いに衝突して部分酸化プロセスを促進すると共に耐火壁の腐食を最小にする。
【００１２】
通常、バーナーは耐熱物質、特に例えばＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）として販売されている耐熱金属及び耐熱合金から作られ、例えば溶接、蝋付けなどにより製造される。高い負荷運転のため、通常は金属で作られた酸素含有ガスの通路及び出口の内側を、ＺｒＯ２などの酸化物塗膜で内側をコーティングしてもよく、酸素による金属の燃焼の危険性なく、酸素含有ガスの高速の流れを適用することができる。
【００１３】
本明細書は以下の発明の開示を包含する。
［１］中央通路（２）と前記中央通路（２）を取り囲む少なくとも１つの同軸通路（６）とを備えたバーナー（１）であって、前記中央通路と同軸通路は上流の供給側から下流の放出端部に通じ、前記中央通路（２）及び前記同軸通路（６）は下流の固定されていない外側端部を有する同心状の内壁及び外壁（３、５）により規定され、前記外側端部は、前記同軸通路（６）の放出端部を形成すると共に前記中央通路（２）の隣接した放出端部に向かって合流する環状スリット（１０）を規定する外形を有し、前記バーナー（１）が冷却ジャケット（１４）により包まれると共に二重壁の前面（２１）を有し、前記前面の二重壁が１以上のバッフル（２８）により間隔をあけて配置されて冷却ジャケット（１４）に作動自在に連結された冷媒流路を形成し、冷却ジャケット（１４）が上流区域（１４Ａ）と移行区域（２５）とを有し、前記移行区域（２５）が冷却ジャケット（１４Ａ）の上流区域より小さい外径を有する前記前面（２１）に縮径する、前記バーナー。
［２］前記移行区域（２５）が少なくとも部分的にテーパー状である［１］に記載のバーナー。
［３］冷却ジャケット（１４）の移行区域（２５）が前記前面（２１）内の流路に作動自在に連結された螺旋流路を包囲する［１］又は［２］に記載のバーナー。
［４］冷却ジャケットの移行区域（２５）と冷却ジャケットの上流部分とが、前記通路（６、２）及び前記冷媒流路を通って流通可能にする開口部（１２、１３、２０）を有する接続ブロック（１１）の両側に取り付けられる［１］〜［３］のいずれか一項に記載のバーナー。
［５］冷却ジャケット（１４）が、バーナーの中央通路（２）に対して同心状の通路区域（３２）を形成する少なくとも３つの平行バッフル（１９）を有する少なくとも１つの区画室（１８Ｂ）を備え、各バッフル（１９）が、平行な仕切り部（３６）を有する２つの対向するバッフル端部（３４、３５）の間に開口部（３３）を備え、各仕切り部（３６）がバッフル端部（３４）を隣接バッフル（１９）の対向したバッフル端部（３５）に連結する［１］〜［４］のいずれか一項に記載のバーナー。
［６］通路区域（３２）の断面積が冷媒流の方向における次の通路区域（３２）の断面積より小さい［５］に記載のバーナー。
以下、単なる例として添付の図面に関して本発明をさらに詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明によるバーナーの縦断面図を示す。
【図２】図１のバーナーの下流の冷却ジャケット部分の側面図であり、外壁の一部を取り除いてある。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、例えば窒素又は炭酸ガスにより運ばれる微粉炭などの炭素質燃料の部分燃焼のためのバーナー１を示す。バーナー１は、縦軸に沿って配置された円筒状の内壁３により形成される中央通路２を備え、中央通路２は、ガスにより運ばれる燃料を燃焼ゾーンに供給するための放出出口４を有する。円筒状の外壁５が、内壁３の周りに同心円状に配置される。内壁３と外壁５とが、酸素含有ガスを供給するための同軸環状通路６を形成する。内壁３は二重壁の上流部分３Ａと一重壁の下流部分３Ｂとを有する。同様に、外壁５は二重壁の上流部分５Ａと一重壁の下流部分５Ｂとを有する。同軸通路６は、酸素含有ガス流を燃焼ゾーンに入れるための出口を形成する開放した放出端部７を有する。
【００１６】
内壁３は一定の内径を有すると共に、円錐状の膨張部分８を有し、その拡大した外径は放出出口４に向かって減少していき、この特定の実施例では断面が三角形の環状隆起を形成する。外壁の下流部分５Ｂは、流れの方向において収斂していく円錐状端部９を有する円筒を形成する。下流の内壁部分３Ｂの部分８と下流の外壁部分５Ｂの円錐状端部９とが、均一な幅の環状スリット１０を形成し、そこでの部分８は放出出口４の方向に減少していく直径を有する。この環状スリット１０が同軸通路６の放出出口７を形成する。
【００１７】
内壁及び外壁の部分３Ａ、３Ｂ、５Ａ、５Ｂは、接続ブロック１１に溶接される。接続ブロックは、同軸通路６に揃えられた開口１２と、中央通路２に揃えられた中央開口部１３とを備え、開口部１３は中央通路２と同じ直径を有する。
【００１８】
同軸通路６は接続ブロック１１の上流側にて冷却ジャケット１４Ａにより包囲され、接続ブロック１１の下流側にて下流部分１４Ｂにより包囲される。２つの同軸ケーシング１５Ａ、１６Ａが接続ブロック１１の上流側に溶接され、上流冷却ジャケット区域１４Ａの２つの同軸区画室１７Ａ、１８Ａを形成する。
【００１９】
冷却ジャケット１４Ｂの下流部分が、内側ジャケット壁１５Ｂと外側ジャケット壁１６Ｂとを備え、内側ジャケット壁１５Ｂが、上流の内側ケーシング１５Ａに対する下流側の延長部を形成し、外側ジャケット壁１６Ｂが、ケーシング１６Ａに対する下流側の延長部を形成する。ジャケット壁１５Ｂとジャケット壁１６Ｂとの間の空間１８Ｂは、上流側の冷却ジャケット区画室１８Ａに対する下流側の延長部を形成しており、バッフル１９により分割されて螺旋通路になっている。内側ジャケット壁１５Ｂと外壁部分５Ｂとの間の空間１７Ｂは、上流側の冷却ジャケット区画室１７Ａに対する下流側の延長部を形成する。接続ブロック１１は開口部２０の２つの同心円形配列を備え、上流側の冷却ジャケット区画室１７Ａ及び１８Ａを下流側の冷却ジャケット区画室１７Ｂ及び１８Ｂにそれぞれ接続する。
【００２０】
冷却ジャケット区域１４Ｂの下流には、冷却ジャケット壁１５Ｂ、１６Ｂに対して直角に二重壁の前面２１が配置される。前面２１は中央開口部２３を形成する内側縁部２２を有し、内側縁部２２は同軸通路の外壁５Ｂの外側縁部に隣接している。
【００２１】
前面２１の外径は、上流の冷却ジャケット部分１４Ａの外径より小さい。流れ方向において下流の冷却ジャケット部分１４Ｂは、上流の冷却ジャケットケーシング１４Ａと同じ外径を有する第１区域２４と、前面２１の外径に縮径していく部分的にテーパー状の移行性第２区域２５とを有する。
【００２２】
二重壁の前面２１は下流側の前壁２６と裏側壁２７とを有し、それらがバッフル２８により間隔をあけられ、下流の冷却ジャケット区画室１８Ｂに連通した螺旋流路２９を形成する。前面２１の開口部２３の近くにて、前面２１の前側壁２６と裏側壁２７との間の流路２９は、前面の裏側壁２７の開口部３０を介して下流側の冷却ジャケット区画室１７Ｂに連通している。
【００２３】
上流の内側冷却ジャケット区画室１７Ａは液体冷媒の供給源に連結される。冷媒は内側冷却ジャケット区画室１７Ａからブロック１１の開口部２０、下流の区画室１７Ｂ、開口部３０、前面２１の流路２９、外側冷却ジャケット区画室１８Ｂ、ブロック１１の開口部２０及び外側区画室１８Ａを通って冷媒放出部に流れる。
【００２４】
図１のバーナー１は本質的に円筒状である。ブロック１１は、冷却ジャケットの外径に対応した直径を有する円形のブロックである。開口部１２及び２０は中央開口部１３に対して同心状の円形配置となっている。
【００２５】
図２は、下流の冷却ジャケット部分１４Ｂを示し、その外壁１６Ｂは部分的に取り除かれており、内壁１５Ｂと外壁１６Ｂとの間の下流の冷却ジャケット区画室１８Ｂ内の螺旋流路３１を示す。螺旋流路３１中において結果として得られる冷媒の流れの方向は、バーナー通路中の反応ガス媒体の流れ方向と反対であることが分かる。冷却ジャケット区画室１８Ｂ内において、冷媒は前面２１に取り付けられた小径区域から大径区域２４の方向に流れる。図２では、冷媒の流れる方向を矢印Ａで示す。バッフル１９は互いに平行になると共に壁１５Ｂ、１６Ｂに対して垂直になるように配置され、平行な通路区域３２を形成する。バッフル１９は、上部バッフル端部３４と下部バッフル端部３５との間の開口部３３により中断される。下部バッフル端部３５の各々は、冷媒の流れ方向Ａにおいて次に配置されたバッフル１９の上部バッフル端部３５に仕切り部３６によって連結され、これは２つの隣接するバッフル１９の最も近い対向バッフル端部である。このように、開口部３３は、通過する冷媒を１つの通路区域３２から冷媒の流れ方向における次の通路区域３２に導く。通路区域３２の各々は、冷媒の流れ方向における前の通路区域よりも広いので、冷媒の流れ方向において流路の断面積が階段状に増していく。２つの隣接する開口部３３の間の最短距離は、前の通路区域３２の幅よりも小さくすべきでなく、冷媒の流れ方向Ａにおける次の通路区域３２の幅よりも大きくすべきでない。このため、上部バッフル縁部３４（及びそれぞれの下部バッフル縁部３５）は、軸方向に一致しておらず、上部バッフル縁部３４の各々は、冷媒の流れ方向における前の上部バッフル縁部３４に対して接線方向に突出している。同様に、下部バッフル縁部３５の各々は、冷媒の流れ方向における次の上部バッフル縁部３５に対して接線方向に突出する。開口部３３は、内壁及び外壁部分１５Ｂ、１６Ｂの円筒形状の後でわずかにアーチ形状を有する。
【００２６】
酸素含有ガスにより炭素質燃料、例えば微粉炭をガス化するための上記のバーナーの運転中、例えば、窒素又は二酸化炭素などの運搬流体中に浮遊している上記の石炭を中央通路に通して、バーナーの下流に配置された反応器の燃焼ゾーンに石炭を導入するための出口に送る。同時に、酸素含有ガスを同軸通路に通してその出口に送り、石炭と酸素含有ガスの反応体を反応器の空間内で激しく混合する。反応体の混合は、適当な通路中のバッフルの渦本体により一方又は両方の流れに加えられた渦巻き運動によって更に促進できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２７】
【特許文献１】ＵＳ−Ａ−４８８７９６２
【符号の説明】
【００２８】
１…バーナー
２…中央通路
３…内壁
４…放出出口
５…外壁
６…同軸通路
７…放出端部
８…膨張部分
９…円錐状端部
１０…環状スリット
１１…接続ブロック
１２…開口部
１４…冷却ジャケット
【図１】
0005522689.tif 000002
【図２】
0005522689.tif 000003