(57)【要約】【課題】耐腐食性、耐熱性及び耐摩耗性に優れるバーナの構造及び当該バーナを備えた湿式炉を提供する。【解決手段】溶融スラグを収容する湿式炉の炉壁に形成された開口部を貫通して設置されるバーナ本体と、前記バーナ本体の周囲に接した状態で前記バーナ本体を取り囲むように設けられ、内部を流通する冷却媒体によって前記バーナ本体を冷却する冷却管と、を備え、前記冷却管及び前記バーナ本体の表面において少なくとも前記溶融スラグと接触する面に、前記溶融スラグとの接触角が９０度以下であり、厚さが５μｍ以上１０００μｍ以下であるセラミックス皮膜２１が形成されるバーナ。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融スラグを収容する湿式炉の炉壁に形成された開口部を貫通して設置されるバーナ本体と、
前記バーナ本体の周囲に接した状態で前記バーナ本体を取り囲むように設けられ、内部を流通する冷却媒体によって前記バーナ本体を冷却する冷却管と、
を備え、
前記冷却管及び前記バーナ本体の表面において少なくとも前記溶融スラグと接触する面に、前記溶融スラグとの接触角が９０度以下であり、厚さが５μｍ以上１０００μｍ以下であるセラミックス皮膜が形成されるバーナ。
【請求項２】
前記冷却管及び前記バーナ本体の前記表面と前記セラミックス皮膜との間に中間層を更に備え、
前記冷却管、前記バーナ本体、前記中間層及び前記セラミックス皮膜の各材料は、前記冷却管側または前記バーナ本体側から前記セラミックス皮膜側に向かって熱膨張係数が段階的に減少する関係である請求項１に記載のバーナ。
【請求項３】
前記中間層が金属材料からなる層を含む請求項２に記載のバーナ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のバーナを備える湿式炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス化炉、溶融炉、ガス化溶融炉など、内部に溶融スラグを収容する湿式炉に設置されるバーナ、及びこれを備える湿式炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶融炉やガス化炉、ガス化溶融炉では、残渣や灰などを高温で溶かすことにより液状化し、溶融スラグを生成させている。溶融スラグの流動性を確保するために、炉内の温度は高温に保たれている。例えばガス化炉の場合は、１８００℃程度で残渣等の溶融が行われる。
【０００３】
これらの湿式炉の炉壁に開口部が設置され、この開口部からバーナが挿入される。バーナは炉内で大きな熱負荷を受ける。バーナ本体はオーステナイト鋼などの金属で形成されている。熱負荷による損傷を防止するため、バーナ本体の外周は冷却管により取り囲まれ、冷却管内部を流通する冷却媒体（冷却水）によりバーナ本体が冷却される構成となっている（例えば特許文献１）。また、特許文献１ではバーナ先端部にＡｌ２Ｏ３−Ｃｒ２Ｏ３の溶射層が形成されている。溶射層により、バーナ先端部での熱応力による亀裂の発生やバーナから噴射される微粉炭等による摩耗が防止されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２８８３１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特開２０１０−２５５８９２号公報の段落［００３０］に特許文献１の溶射層の問題点が指摘されている。すなわち、長時間の運転により特許文献１の溶射層が溶融スラグに侵食されて薄くなり、ひいては剥離してしまうことが問題となっていた。また、特許文献１のバーナ先端部に形成される溶射層は２ｍｍと厚い上に、バーナ先端部は高温に曝されるため、バーナ本体の母材と溶射層との間の熱膨張差による熱応力が大きくなり、溶射層の剥離が発生しやすい状況であった。溶射層が消失することにより、熱遮蔽効果が失われるとともに、バーナ本体の母材が腐食性のある環境に曝されて、バーナが損傷してしまう。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、耐腐食性、耐熱性及び耐摩耗性に優れるバーナの構造及び当該バーナを備えた湿式炉を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、溶融スラグを収容する湿式炉の炉壁に形成された開口部を貫通して設置されるバーナ本体と、前記バーナ本体の周囲に接した状態で前記バーナ本体を取り囲むように設けられ、内部を流通する冷却媒体によって前記バーナ本体を冷却する冷却管と、を備え、前記冷却管及び前記バーナ本体の表面において少なくとも前記溶融スラグと接触する面に、前記溶融スラグとの接触角が９０度以下であり、厚さが５μｍ以上１０００μｍ以下であるセラミックス皮膜が形成されるバーナである。
【０００８】
本発明のバーナは、バーナ本体及び冷却管の表面のうち、少なくとも溶融スラグと接触する部分にセラミックス皮膜が形成されている。このセラミックス皮膜は薄いために、冷却媒体による冷却効果が高く、セラミックス皮膜表面が十分に冷却される。すなわち、本発明のバーナに形成されるセラミックス皮膜は優れた遮熱効果を有する。また、スラグとセラミックス皮膜との反応が抑制されてセラミックス皮膜の消失を抑制することが可能である。
【０００９】
本発明のセラミックス皮膜は溶融スラグとの濡れ性に優れるため、溶融スラグがセラミックス皮膜に付着しやすい。セラミックス皮膜が十分に冷却されているため、セラミックス皮膜表面に付着した溶融スラグが冷却される。これにより、セラミックス皮膜が施されたバーナ本体及び冷却管の表面に固相スラグが形成される。この固相スラグはセラミックス皮膜との密着性が良好となるため、バーナ本体及び冷却管の表面から剥離しにくく、バーナ本体及び冷却管の表面に保持される。
【００１０】
このように本発明では、セラミックス皮膜及び固体スラグにより優れた遮熱効果及び防食効果が得られ、バーナ本体や冷却管の母材の損傷を防止することができる。
【００１１】
また、バーナ先端は溶融スラグに曝されるとともに、微粉炭やチャーを燃焼させる場合には微粉炭やチャーが衝突して先端の摩耗による減肉が発生する。セラミックス皮膜は耐摩耗性に優れるため、バーナ先端の摩耗による減肉が抑制される。
【００１２】
上記態様において、前記冷却管及び前記バーナ本体の前記表面と前記セラミックス皮膜との間に中間層を更に備え、前記冷却管、前記バーナ本体、前記中間層及び前記セラミックス皮膜の各材料は、前記冷却管側または前記バーナ本体側から前記セラミックス皮膜側に向かって熱膨張係数が段階的に減少する関係であることが好ましい。この場合、前記中間層が金属材料からなる層を含むことが好ましい。
【００１３】
バーナ本体や冷却管の母材は一般に金属材料である。母材とセラミックス皮膜との熱膨張係数差が大きい場合には、バーナが高温に曝されたときにバーナ本体や冷却管内に熱応力が発生する。
上記態様の中間層を形成すれば、セラミックス皮膜に負荷される応力を緩和することができ、セラミックス皮膜の損傷を抑制することができるとともに、セラミックス皮膜表面からの固相スラグの剥離を効果的に防止することができる。
【００１４】
本発明の別の一態様は、上記のバーナを備える湿式炉である。本発明のバーナはセラミックス皮膜及び固相スラグによって保護されて損傷の発生が抑制されている。このため、湿式炉を長時間継続して運転することが可能である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のバーナでは、セラミックス皮膜は溶融スラグとの濡れ性に優れるため溶融スラグがセラミックス皮膜に付着しやすく、またセラミックス皮膜が十分に薄いので表面に付着した冷却されて固相スラグが形成される。固相スラグとセラミックス皮膜とにより、バーナ本体及び冷却管の母材が熱及び腐食性環境から保護される。また、セラミックス皮膜により先端部での耐摩耗性が良好なバーナを得ることができる。
上記保護構造によりバーナの損傷が抑制されているため、本発明の湿式炉は長時間の運転に耐え得るものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ガス化炉の断面概略図である。
【図２】図１のガス化炉におけるバーナ設置位置を拡大した概略図である。
【図３】第１実施形態におけるバーナ本体または冷却管の外側表面の断面拡大図である。
【図４】第２実施形態におけるバーナ本体または冷却管の外側表面の断面拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［第１実施形態］
以下では、石炭ガス化炉を例に挙げて本発明の第１実施形態を説明する。なお、本発明はガス化炉に限定されず、ガス化溶融炉、産業廃棄物の溶融プラントに設置される溶融炉と言った、溶融スラグを内部に収容する湿式炉であれば適用可能である。
【００１８】
本発明における溶融スラグは、石炭ガス化炉から排出されるスラグや産業廃棄物から発生するスラグ等である。一例として、スラグの組成はＳｉＯ２：５０〜６０ｗｔ％、Ａｌ２Ｏ３：１０〜３０ｗｔ％、ＣａＯ：約５ｗｔ％、Ｆｅ２Ｏ３：約５ｗｔ％、その他：残部である。
【００１９】
図１は、ガス化システムに設置されるガス化炉の断面概略図である。ガス化炉１内部にはガス化室２が形成されている。ガス化室２の炉壁は、オーステナイト鋼などの金属で作製されている。ガス化室２の炉壁の外側外周には、炉壁を冷却する水冷管（図示せず）が設置されている。
ガス化室２の炉壁にバーナ６が設置される。バーナ６には、微粉状にされた石炭（微粉炭）を供給する微粉炭供給経路３と、酸化剤としての空気を供給する酸化剤供給経路５とが接続する。微粉炭供給経路３は、バーナ６よりも上方でガス化室２にも接続して設けられる。チャー（未燃粒子）を供給するチャー供給流路４が、ガス化室２に接続する。
【００２０】
微粉炭供給経路３、チャー供給流路４及び酸化剤供給経路５から、それぞれ微粉炭、チャー及び空気が供給される。バーナ６により１８００℃程度の高温で微粉炭及びチャーが燃焼し、可燃性ガス及び溶融スラグ（液相）が生成される。
【００２１】
チャーを含む可燃性ガスは、ガス化室２上部から排出される。ガス化室２の下部には排出口７が形成されている。溶融スラグはガス化室２の炉壁内面を伝って排出口７から排出される。ガス化炉１の底部に水が貯留されている。排出口７から排出される溶融スラグは、水と接触して水砕スラグとなり、炉外に排出される。
【００２２】
図２は図１のガス化炉におけるバーナ設置位置を拡大した断面概略図である。
バーナ６は、バーナ本体１１と、バーナ本体１１の周囲に巻回された冷却管１２とを備える。バーナ本体１１及び冷却管１２の母材は熱伝導率が高い金属（例えば、銅、アルミ、ＳＵＳなど）である。
【００２３】
バーナ本体１１内には、微粉炭と搬送用の気体とが流通する燃料供給路１３と、酸化剤が流通する酸化剤供給路１４とが設けられる。バーナ本体１１の先端部に噴出孔１５ａ，１５ｂが設けられ、噴出孔１５ａ，１５ｂから微粉炭及び酸化剤が噴出される。
冷却管１２は、内部に冷却水（冷却媒体）が流通するようになっている。
【００２４】
ガス化室の炉壁１０は、バーナ６が設置される位置で炉外側に向かって曲成されている。炉外側に向かって突出している炉壁１０に開口部が設けられ、噴出孔１５ａ，１５ｂが設けられたバーナ先端がガス化炉内側に向けられてバーナ本体１１が開口部に挿通される。
【００２５】
ガス化炉の炉外側に開口部を覆うようにシールボックス（不図示）が設けられる。シールボックス内には耐火材が充填されている。耐火材は、例えばアルミナ、ＳｉＣである。図２に示すように、開口部において炉壁１０とバーナ６との隙間が耐火材１６で埋められる。
【００２６】
図２に示すように、先端部のバーナ本体１１及び冷却管１２が、ガス化炉の内部空間に露出している。ガス化炉の内部空間に露出している部分はガス化炉内の溶融スラグと接触する部分である。本実施形態では、図３に示すように、バーナ本体１１及び冷却管１２の母材２０の外側表面（冷却水の流通側と反対側の表面）にセラミックス皮膜２１が形成される。
【００２７】
冷却管１２に関しては、冷却管１２の外側表面の全て（炉内に露出していない部分を含む）にセラミックス皮膜２１が形成されていても良い。または、少なくとも溶融スラグと接触する部分（図２で炉内に露出した部分）にのみセラミックス皮膜２１が形成されていても良い。溶融スラグとの接触部分のみにセラミックス皮膜を形成する場合は、冷却管１２の外側表面全体にセラミックス皮膜２１が形成されていても良い。または、冷却管１２の外側表面のうち炉内に面する側の表面、すなわち、炉内からの輻射熱及び腐食を受ける部分にのみにセラミックス皮膜２１が設けられていても良い。
【００２８】
セラミックス皮膜２１は、５μｍ以上１０００μｍ以下、好ましくは１５０μｍ以上５００μｍ以下の膜厚に形成される。セラミックス皮膜２１は、大気圧プラズマ溶射、電子ビーム物理蒸着などによって成膜される。
【００２９】
セラミックス皮膜２１は、スラグの軟化点以上（具体的に１０００℃〜１５００℃）における溶融スラグと接触角が９０度以下、より好ましくは６０度以下となるセラミックスである。上記接触角であれば、溶融スラグとセラミックス皮膜２１との間で十分な濡れ性が確保できる。具体的に、セラミックス皮膜２１の材質は、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３（例えばムライト）系材料、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ（例えばコージェライト）系材料、Ａｌ２Ｏ３、ＣｒＯ３系材料、ＭｇＯ系材料、ＺｒＯ３系材料（例えばＣａＯ−ＺｒＯ３系材料）、ＺｒＯ２系材料（例えばＹ２Ｏ３−ＺｒＯ２系材料（８ｗｔ％Ｙ２Ｏ３安定化ジルコニア））、ＳｉＣ系材料である。表１に、各材料から作製した皮膜と溶融スラグとの接触角をまとめる。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
本実施形態のセラミックス皮膜２１は薄いため、冷却媒体によるバーナ本体１１及び冷却管１２の冷却効果が大きい。このため、優れた遮熱効果を得ることができるとともに、セラミックス皮膜２１と溶融スラグとの反応を抑制することができる。
【００３２】
上述の接触角を有するセラミックス皮膜２１をバーナ本体１１及び冷却管１２の母材表面に形成すると、溶融スラグとの濡れ性が良好であるので、溶融スラグがセラミックス皮膜２１表面に付着しやすくなる。バーナ本体１１及び冷却管１２は冷却管１２内を流通する冷却媒体により冷却されているため、セラミックス皮膜２１に付着した溶融スラグは冷却されて固相スラグとなる。この固相スラグは溶融スラグと同じ材質であるから、固相スラグの表面に更に溶融スラグが付着しやすい。また、固相スラグはセラミックス皮膜との密着性が良好となるため、バーナ本体１１及び冷却管１２から剥離しにくい。従って、バーナ本体１１及び冷却管１２の母材はセラミックス皮膜２１及び固相スラグによって腐食性環境から保護される。
【００３３】
バーナ本体１１や冷却管１２の母材及びセラミックス皮膜２１は溶融スラグからの熱の影響により膨張するが、母材（金属材料）とセラミックス皮膜２１との熱膨張係数に差があると、セラミックス皮膜２１の表面に亀裂が発生する場合がある。この亀裂にスラグが入り込むが、セラミックス皮膜２１は薄く十分に冷却されているため、亀裂内でスラグが固化する。つまり、セラミックス皮膜２１が損傷してもバーナ本体１１や冷却管１２が固相スラグにより腐食性環境から保護される。
【００３４】
また、バーナ本体１１の噴出孔１５ａ側先端や噴出孔１５ａに向いている冷却管１２は、バーナ６の噴出孔１５ａから噴出される微粉炭等の粒子が衝突して摩耗による減肉が発生しやすい。本実施形態は、摩耗による減肉が発生する部分にもセラミックス皮膜２１が形成されているので、バーナ本体１１や冷却管１２の耐摩耗性が向上する。
【００３５】
本実施形態のバーナはセラミックス皮膜２１及び固相スラグによって保護されて損傷の発生が抑制されている。このため、湿式炉を長時間継続して運転することが可能である。
【００３６】
なお、第１実施形態において、セラミックス皮膜２１の表面はブラスト処理などにより粗面化されていても良い。こうすることにより、固相スラグとの接触面積が増大し、スラグがセラミックス皮膜２１から剥離しにくくなる。この結果、遮熱効果及び防食効果を更に向上させることが可能となる。
【００３７】
［第２実施形態］
図４は、第２実施形態におけるバーナ本体または冷却管の外側表面の断面拡大図である。上記で説明したように、バーナ本体及び冷却管の母材は金属材料からなる。セラミックス皮膜材料と母材の材料との熱膨張係数差が大きい場合には、セラミックス皮膜が剥離する可能性がある。このような場合は、セラミックス皮膜２１とバーナ本体１１及び冷却管１２の母材２０の外側表面との間に中間層２２が形成される。
図４では中間層２２は１層で表しているが、複数の中間層が積層されていても良い。
【００３８】
第２実施形態では、母材２０側からセラミックス皮膜２１側に向かって熱膨張係数が段階的に減少するように、炉壁１０、中間層２２、及び、セラミックス皮膜２１の材質が選定される。
【００３９】
上述の熱膨張係数の関係が達成できる中間層２２としては、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金やＮｉＣｏＣｒＡｌＹ合金などの金属材料が適用できる。
中間層２２は図４に示すように１層でも良いし、複数層が形成されていても良い。複数の中間層２２では、母材２０側からセラミックス皮膜２１側に向かって熱膨張係数が段階的に減少するように、各中間層２２の材質を変える。このように複数の中間層を形成する場合には、例えば、母材２０側には金属材料からなる中間層が形成され、セラミックス皮膜２１側にはセラミックス皮膜２１に用いた材料よりも熱膨張係数が大きいセラミックス材料からなる中間層が形成される。このとき、母材２０、セラミックス皮膜２１、中間層２２の間の熱膨張差がそれぞれ同程度となるように、複数の中間層２２の各材質が選定されると良い。
【００４０】
表２は第２実施形態のバーナにおける材料選定の例である。表２の例では、冷却効果と炉内の熱負荷とを考慮して、中間層２２と母材２０との熱膨張係数の差、及び、セラミックス皮膜２１と中間層２２の熱膨張係数の差がほぼ同じとなるように設計されている。
【００４１】
【表２】
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【００４２】
本実施形態のセラミックス皮膜２１及び中間層２２を設ければ、第１実施形態と比較して、炉内に溶融スラグが収容された場合にセラミックス皮膜２１に生じる応力を緩和させることができる。この結果、セラミックス皮膜２１及び固相スラグの剥離が効果的に防止されるので、耐熱性、耐腐食性及び耐摩耗性に優れるバーナとすることができる。
【００４３】
本実施形態のバーナも第１実施形態と同様に損傷の発生が抑制されている。このため、湿式炉を長時間継続して運転することが可能である。
【００４４】
第２実施形態においても、セラミックス皮膜２１の表面はブラスト処理などにより粗面化されていても良い。こうすることにより、固相スラグとの接触面積が増大し、スラグがセラミックス皮膜２１から剥離しにくくなる。この結果、遮熱効果及び防食効果を更に向上させることが可能となる。
【符号の説明】
【００４５】
１  ガス化炉
２  ガス化室
３  微粉炭供給経路
４  チャー供給流路
５  酸化剤供給経路
６  バーナ
７  排出口
１０  炉壁
１１  バーナ本体
１２  冷却管
１３  燃料供給路
１４  酸化剤供給路
１５  噴出孔
１６  耐火材
２０  母材
２１  セラミックス皮膜
２２  中間層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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