(57)【要約】【課題】酸化剤供給管の外周面に冷却水管を巻き回して形成されるバーナの先端部の熱損傷を抑制すること。【解決手段】本発明のバーナ１は、搬送気体により搬送される粉体燃料を噴出する円筒状の燃料ノズル５と、この燃料ノズル５の外周面を同軸に包囲する円筒状の酸化剤供給管７と、この酸化剤供給管７の外周面に巻き回される冷却水管９とを備え、この冷却水管９が密着して取り付けられる螺旋状の溝１７が酸化剤供給管７の外周面に形成され、冷却水管９は、酸化剤供給管７の外周面の先端部に巻き回される少なくとも最初の１周が拡径するように重ねて形成され、この最初の１周の冷却水管９と連通する冷却水入口管２１が酸化剤供給管７の外周面から離れて設けられ、最初の１周の冷却水管を除く他の冷却水管９の一部が、冷却水入口管２１又は酸化剤供給管７の少なくとも一方に溶接固定されていること。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
搬送気体により搬送される粉体燃料を噴出する円筒状の燃料ノズルと、この燃料ノズルの外周面を同軸に包囲する円筒状の酸化剤供給管と、この酸化剤供給管の外周面に巻き回される冷却水管とを備え、この冷却水管が密着して取り付けられる螺旋状の溝が前記酸化剤供給管の外周面に形成されるバーナにおいて、
前記冷却水管は、前記酸化剤供給管の外周面の先端部に巻き回される少なくとも最初の１周が拡径するように重ねて形成され、この最初の１周の冷却水管と連通する冷却水入口管が前記酸化剤供給管の外周面から離れて設けられ、
前記最初の１周の冷却水管を除く他の前記冷却水管の一部が、前記冷却水入口管又は前記酸化剤供給管の少なくとも一方に溶接固定されていることを特徴とするバーナ。
【請求項２】
前記燃料ノズルの外周面と前記酸化剤供給管の内周面との間に、前記燃料ノズルの外周面を同軸に包囲する円筒状の隔壁が設けられ、
前記隔壁の内周面と前記燃料ノズルの外周面との間に酸化剤ガスが通流する空間が形成され、前記隔壁の外周面と前記酸化剤供給管の内周面との間に酸素を有しない気体が通流する空間が形成されてなる請求項１に記載のバーナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はバーナに係り、特に、石炭等の固体原料及び酸化剤ガスをガス化炉内に供給するバーナの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭をガス化する方法としては、高温に保持されたガス化炉内に固体燃料の微粉炭と酸化剤ガスをバーナから供給し、燃料中の可燃分を燃焼させることで一酸化炭素及び水素を生じさせ、灰分を有害成分を含まないスラグに変換して回収する気流層石炭ガス化法が知られている。この方法によれば、燃料ガスが高い効率で得られるとともに、環境保全性も優れ、しかも適用可能な原料種が多いため、石炭ガス化複合発電システムや石炭ガス化燃料電池複合発電システム等の次世代火力発電システム、石炭液化用や化学原料用等に用いる水素製造システムへの利用が期待されている。
【０００３】
この種のガス化プラントに使用されるガス化炉には、微粉炭を噴射するためのバーナが設けられている。この種のバーナは、炉外から炉壁に形成される貫通孔に挿入され、先端部が炉内に突き出た状態で取り付けられている。
【０００４】
ところで、炉内に突き出たバーナの先端部は、灰の溶融温度以上の高温に曝されるだけでなく、溶融状態のスラグの付着、剥離等によって大きな熱負荷を受けることがある。このようにバーナの先端部が大きな熱負荷を受けた場合、熱疲労による割れや硫化腐食による減肉等が発生し、バーナの寿命が著しく低下する。そのため、この種のバーナは、燃料ノズルの外周面を同軸の円筒状の酸化剤供給管で包囲するとともに、その酸化剤供給管の外周面を冷却水が流れる冷却水管でさらに包囲する多重管構造が広く採用されている。
【０００５】
特許文献１には、円筒状の酸化剤供給管の少なくとも炉内に露出する外周部分を小径の冷却水管で螺旋状に巻き回したバーナ構造が開示されている。このように冷却水管を流れる冷却水は比較的少ない水量で冷却水管の内面に対して均等かつ十分な流速を確保できるから、バーナの先端部分を効率良く冷却することができる。また、バーナは、炉内の熱の影響を受けて、長手方向にある程度伸び変形するが、特許文献１の構造によれば、冷却水管の冷却効果によって熱伸び変形が抑制されるだけでなく、炉外に設けられたシールエキスパンション構造によって、熱伸び変形が吸収される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２８１４１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１では、酸化剤供給管の外周に巻き回した冷却水管の熱伸び変形について配慮されていないため、冷却水管が炉内で大きな熱負荷を受けると、熱伸び変形するおそれがある。すなわち、冷却水管は、炉外から炉壁の貫通孔を通されてバーナの先端側へ延びる冷却水入口管の先端側を屈曲させた後、酸化剤供給管の先端側の外周面から螺旋状に巻き回して形成される。このため、冷却水入口管はある程度拘束されるが、螺旋状の冷却水管はバーナの長手方向で殆ど拘束されない状態となっている。したがって、バーナの先端部が大きな熱負荷を受けると、冷却水管がバーナの長手方向に熱伸び変形を起こし、高温の炉内側に突き出てしまい、バーナの先端部が冷却不足となって熱損傷するおそれがある。
【０００８】
また、このように冷却水管が熱伸び変形した結果、バーナからの噴流が偏向されると、バーナの先端部に溶融スラグが付着し易くなり、その付着した溶融スラグが成長することでガス化炉の安定操業に支障をきたすおそれがある。
【０００９】
これに対し、冷却水管を酸化剤供給管の外周面に溶接固定することで、冷却水管の熱伸び変形を抑制することが考えられる。しかし、溶接による固定部分は、冷却水管の表面と比べて温度が高くなり易いため、バーナの先端部が大きな熱負荷を受けた場合、固定部分に過大な熱応力が発生するだけでなく、高温酸化や硫化腐食による減肉等が発生し、冷却水管の熱損傷を引き起こすおそれがある。
【００１０】
本発明は、酸化剤供給管の外周面に冷却水管を巻き回して形成されるバーナの先端部の熱損傷を抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明のバーナは、搬送気体により搬送される粉体燃料を噴出する円筒状の燃料ノズルと、この燃料ノズルの外周面を同軸に包囲する円筒状の酸化剤供給管と、この酸化剤供給管の外周面に巻き回される冷却水管とを備え、この冷却水管が密着して取り付けられる螺旋状の溝が酸化剤供給管の外周面に形成されるバーナにおいて、冷却水管は、酸化剤供給管の外周面の先端部に巻き回される少なくとも最初の１周が拡径するように重ねて形成され、この最初の１周の冷却水管と連通する冷却水入口管が酸化剤供給管の外周面から離れて設けられ、最初の１周の冷却水管を除く他の冷却水管の一部が、冷却水入口管又は酸化剤供給管の少なくとも一方に溶接固定されていることを特徴とする。
【００１２】
このように、酸化剤供給管に巻き回す冷却水管の少なくとも最初の１周を拡径するように重ねて形成することで、バーナの先端部の冷却効率を高めることができる。ここで、冷却水管の溶接による固定部分は、バーナの先端側ほど炉内の熱負荷の影響を強く受け、熱損傷し易いことから、最初の１周の冷却水管を溶接することなく、他の部分の冷却水管を溶接固定することで、溶接部分を基点とする冷却水管の熱損傷を防ぐとともに、最初の１周の冷却水管の拘束力を高めて、熱伸び変形を抑制することができる。また、最初の１周の冷却水管に溶接による固定部分を設けていないから、最初の１周の冷却水管が全周に渡って酸化剤供給管を均一に冷却することができ、バーナの先端部の冷却効率を高めることができる。したがって、本発明によれば、冷却水管の熱劣化と熱伸び変形を抑制できるから、バーナの先端部の冷却不足による熱損傷を防ぐことができ、ガス化炉を安定に操業することができる。
【００１３】
この場合において、燃料ノズルの外周面と酸化剤供給管の内周面との間に、燃料ノズルの外周面を同軸に包囲する円筒状の隔壁が設けられ、隔壁の内周面と燃料ノズルの外周面との間に酸化剤ガスが通流する空間が形成され、隔壁の外周面と酸化剤供給管の内周面との間に酸素を有しない気体が通流する空間が形成されてなるものとする。
【００１４】
これによれば、酸素を有しない気体の通流と噴出に伴うバーナの先端部の冷却効果を得ることができるから、炉内の熱負荷の変動によるバーナの先端部の温度変動を抑制することができ、バーナの先端部の熱劣化をより確実に防ぐことができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、酸化剤供給管の外周面に冷却水管を巻き回して形成されるバーナの先端部の熱損傷を抑制することができ、ガス化炉の安定した操業を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明が適用されるバーナの第１の実施形態の構成を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図である。
【図２】本発明が適用されるバーナの第２の実施形態の構成を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第１の実施形態）
以下、本発明を適用してなるバーナの第１の実施形態について、図１を参照して説明する。本実施形態のバーナは、微粉炭をガス化するガス化炉の炉壁に設けられるものとして説明するが、燃料と酸化剤ガスを噴出するガス化用バーナであれば、この例に限られるものではない。
【００１８】
本実施形態のバーナ１は、図示しないガス化炉の炉壁の貫通孔に挿入され、先端側を炉壁から炉内側に突き出した状態で炉壁に装着されている。このバーナ１は、窒素ガス等の搬送用ガスに同伴された微粉炭３を搬送する空間が形成される円筒状の燃料ノズル５と、この燃料ノズル５の外周を同軸で包囲して設けられる円筒状の酸化剤供給管７と、この酸化剤供給管７の外周面に沿って巻き回される小径の冷却水管９を備えて構成される。燃料ノズル５の外周面と酸化剤供給管７の内周面との間には、酸素や空気等の酸化剤ガス１１が通流する円環状の流路が形成されている。
【００１９】
燃料ノズル５の内側の空間を搬送用ガスとともに通流する微粉炭３は、噴出口１２から炉内に噴出され、燃料ノズル５の外周面と酸化剤供給管７の内周面との間の円環状の空間を通流する酸化剤ガス１１は、燃料ノズル５の先端部の外側に同芯状に設けられる複数（本実施形態では８つ）の噴出孔１４から炉内にそれぞれ噴出されるようになっている。
【００２０】
燃料ノズル５の先端部の外周面と酸化剤供給管７の先端部の内周面との隙間に形成される円環状の空間は、燃料ノズル５の軸方向に向かって所定の角度をなして形成される。すなわち、燃料ノズル５の先端部の外周面は、その先端側に向かって縮径する円錐状の傾斜面１３をなして形成され、この傾斜面１３と対向する酸化剤供給管７の先端部の内周面は、傾斜面１３と一定の間隔を隔てた先窄みの傾斜面１５をなして形成される。このように構成することで、噴出口１２から炉内に噴出された微粉炭３と噴出孔１４から炉内に噴出された酸化剤ガス１１との接触効率が高められるため、微粉炭３と酸化剤ガス１１が効率よく反応してガス化効率を高めることができる。
【００２１】
酸化剤供給管７の外周面には、冷却水管９が装着される溝１７が螺旋状に形成されている。溝１７は、溝断面が半円状に形成され、断面円形の冷却水管９が溝１７内に密着して取り付けられるようになっている。
【００２２】
一方、酸化剤供給管７は、先端部の内周面が傾斜面１５をなしているため、その裏側の外周面は先端側に向かって縮径する円錐状の傾斜面１９をなしている。ここで、バーナの先端部分に溝１７を形成しようとする場合、本実施形態のように複雑な形状を有する先端部に半円状の溝１７を形成することは、加工技術的に困難を極める。そのため、最先端に形成される溝１７ａは、図１に示すように、その先端側の約半分が傾斜面１９と連なって先端側に開放された断面形状となっている。
【００２３】
冷却水管９は、炉外から炉壁を貫通させて炉内の酸化剤供給管７の先端側へ延びる冷却水入口管２１の先端側を屈曲させて、酸化剤供給管７の外周面の先端側から外周面に螺旋状に巻き回して形成される。冷却水管９は、酸化剤供給管７に巻き回される最初の１周が周方向に拡径するように２重に巻き回されている。この２重に巻き回される内巻き管２３と外巻き管２５は、互いに周方向で重なり合って設けられ、内巻き管２３は、溝１７ａと密着した状態となっている。本実施形態では、炉外側から冷却水入口管２１を経由して供給された冷却水２７は、外巻き管２５、内巻き管２３の順に冷却水管９の最初の１周を流れた後、２周以降の冷却水管９に経由して螺旋状に流れて、炉外に戻される。
【００２４】
本実施形態では、冷却水管９の最初の１周を２重に巻き回しているが、２重に限らず、例えば３重以上で巻き回すこともできる。また、冷却水管９は、最初の１周に加えて、２周目以降も同様に重ねて巻き回すこともできる。
【００２５】
冷却水管９は、溝１７内に密着して取り付けられるため、バーナ１の長手方向に対してある程度拘束される。そのため、炉内温度の変動や溶融スラグの付着、剥離の繰り返し等によってバーナ１の先端部が炉内から受ける熱負荷が大きくなった場合でも、冷却水管９が酸化剤供給管７に対して、酸化剤供給管７の長手方向に熱伸び変形して高温の炉内へ突き出ることが抑制される。よって、バーナ１の先端部を炉内の熱負荷から保護することができる。また、このように冷却水管９の熱伸び変形を抑えることで、バーナ１からの噴流の偏向を抑制することができるから、バーナ１の先端部に溶融スラグが付着して成長するのを防ぐことができる。さらに、溝１７は、冷却水管９の形状に合わせて形成されるため、冷却水管９と酸化剤供給管７の外周壁との接触面積が最大限確保され、しかも溝１７のフィン効果により伝熱が促進されるため、バーナ１の冷却効率を高めることができる。
【００２６】
また、本実施形態では、冷却水管９は、最初の１周が拡径方向に重ねて２重に巻き回されるため、バーナ１の先端部の冷却効率を高めることができる。特に、バーナ１と炉壁の貫通孔との間に間隙があると、この間隙を基点としてスラグの付着、成長が生じ易くなるが、バーナ１の最先端部で冷却水管９を２重に巻き回すことで、バーナ１と貫通孔との間の間隙を小さくできるから、間隙を基点とするスラグの付着、成長を防ぐことができる。
【００２７】
ところで、冷却水管９は、溝内に密着して取り付けられるため、バーナ１の長手方向に対してある程度拘束されるが、内巻き管２３と外巻き管２５との間、及び、内巻き管２３と溝１７ａとの間は、何ら拘束されていない（内巻き管２３は、先端側に向かって開放された溝１７ａと密着しているだけなので、バーナ１の長手方向で拘束されていない）。そのため、冷却水管９の最初の１周が熱伸び変形すると、バーナ１の先端部分の冷却効果が失われ、バーナ１の先端部分の熱損傷を引き起こすおそれがある。
【００２８】
この点、本実施形態の冷却水管９は、酸化剤供給管７に巻き回される２周目の冷却水管９が、酸化剤供給管７の外周面と離れて配置される冷却水入口管２１との間で、溶接固定部２９により溶接固定されている。ここで、冷却水管９は、最初の１周の冷却水管９に溶接固定部を設けていないことが重要である。すなわち、冷却水管９の溶接固定部２９は、冷却水管９の表面よりも温度が上がり易く、バーナ１の先端側ほど炉内の熱負荷の影響を受けて温度が上がり易いため、最初の１周の冷却水管９は溶接することなく、２周目以降の冷却水管９を溶接固定する。これにより、溶接固定部２９を基点とする冷却水管９の熱損傷を防ぎながら、最初の１周の冷却水管９をある程度の拘束力で拘束することができる。その結果、冷却水管９の最初の１周が過度に熱伸び変形してバーナ１の先端部の冷却不良が生じたり、熱伸び変形した冷却水管９によってバーナ１の噴流を阻害することがなくなる。また、最初の１周の冷却水管９は、溶接固定部を設けていないことから、酸化剤供給管７を周方向で均一かつ効率的に冷却することができる。したがって、本実施形態によれば、冷却水管９によるバーナ１の先端部の冷却効率が高められることに加えて、冷却水管９の熱劣化と熱伸び変形を抑制できるから、バーナ１の先端部の冷却不足による熱損傷を防ぐことができ、安定した操業を実現できる。
【００２９】
本実施形態では、溶接固定部２９をバーナ１の先端部の直前部、つまり冷却水管９の２周目に設けているが、溶接固定部２９を設ける位置は、最初の１周を除けば、２周目の位置に限定されるものではなく、例えば、３周目以降の冷却水管９と冷却水入口管２１を溶接固定してもよい。また、冷却水管９と溶接固定する相手部材は、冷却水入口管２１に限られるものではなく、例えば、冷却水管９を酸化剤供給管７の外周面と溶接固定してもよい。さらに、冷却水管９の溶接固定部２９は、１箇所に限定されるものではなく、複数箇所に設けてもよい。
【００３０】
（第２の実施形態）
次に、本発明を適用してなるバーナの第２の実施形態について、図２を参照して説明する。本実施形態では第１の実施形態と異なる構成について説明し、第１の実施形態と同一の構成部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００３１】
本実施形態のバーナ３１は、燃料ノズル３３の外周面と酸化剤供給管３５の内周面との間に燃料ノズル３３の外周面を同軸に包囲する円筒状の隔壁３７を配置し、燃料ノズル３３の外周面と隔壁３７の内周面との間に酸化剤ガス１１が通流する円環状の空間を形成し、隔壁３７の外周面と酸化剤供給管３５の内周面との間に酸素を含有しない気体３９が通流する円環状の空間を形成している点で、第１の実施形態と相違する。ここで、気体３９とは、酸素を含有しない気体を意味し、例えば、窒素、炭酸ガス等の不活性ガス、水蒸気又はガス化炉で発生する生成ガスの一部等を用いることができる。
【００３２】
燃料ノズル３３の内側の空間を搬送用ガスとともに通流する微粉炭３は、噴出口４０から炉内に噴出され、燃料ノズル３３の外周面と隔壁３７の内周面との間の空間を通流する酸化剤ガス１１は、燃料ノズル３３の外側に同芯状に設けられる複数（本実施形態では８つ）の噴出孔４２から炉内に噴出され、隔壁３７の外周面と酸化剤供給管３５の内周面との間の空間を通流する気体３９は、円環状の噴出口４４から炉内に噴出されるようになっている。
【００３３】
また、第１の実施形態で説明した燃料ノズル５の先端部と酸化剤供給管７の先端部にそれぞれ形成される傾斜面１３，１５は、本実施形態の場合、それぞれ燃料ノズル３３の先端部の傾斜面４１と隔壁３７の先端部の傾斜面４３に相当し、酸化剤ガス１１は、傾斜面４１と傾斜面４３との間の流路を流れて噴出孔４２から燃料ノズル３３の軸芯方向に向かってそれぞれ噴出するようになっている。
【００３４】
本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。また、このように気体３９を噴出させる構造を有することで、気体３９の通流と噴出に伴うバーナ３１の先端部の冷却効果を得ることができ、先端部の温度変動を抑制することができる。また、気体３９の噴出によるブロー効果により、バーナ３１の先端部への溶融スラグの付着、成長を抑制することができる。
【００３５】
加えて、本実施形態では、酸化剤ガス１１が通流する流路を取り囲むように気体３９が通流する流路を形成しているため、炉内に噴出された酸化剤ガス１１の外側には、酸素を含まない気体３９の筒状の幕が形成される。このように気体３９の幕を形成することにより、炉内で生成された可燃性ガスと酸化剤ガス１１との接触を抑制することができるため、可燃性ガスの回収率を向上させることができる。また、バーナ３１の先端部の近傍で、可燃性ガスと酸化剤ガス１１とが反応することによる高温場の発生を防ぐことができるため、バーナ３１の先端部の熱損傷を防ぐことができる。
【００３６】
以上、本発明の実施形態を図面により詳述してきたが、上記実施形態は本発明の例示にしか過ぎないものであり、本発明は上記実施形態の構成にのみ限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、本発明に含まれることは勿論である。
【００３７】
例えば、バーナ１，３１の先端部には、それぞれ酸化剤ガス１１が通流する流路を傾斜させて形成する例を説明したが、このように傾斜構造を設けずに、燃料ノズル５，３３に対して、酸化剤供給管７や隔壁３７をストレートの構造として形成してもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１，３１  バーナ
３  微粉炭
５，３３  燃料ノズル
７，３５  酸化剤供給管
９  冷却水管
１１  酸化剤ガス
１７  溝
２１  冷却水入口管
２３  内巻き管
２５  外巻き管
２７  冷却水
２９  溶接固定部
３７  隔壁
３９  気体
【図１】
2014126354.tif 000003
【図２】
2014126354.tif 000004