JP7236331B2 - バーナチップおよびそれを備えるバーナ - Google Patents

Description

本発明は、ガス化炉に用いられるバーナチップおよびそれを備えるバーナに関する。

ガス化炉に用いられるバーナは、石炭等の微粉固体燃料を炉内に噴出する円筒形状の燃料噴出ノズルと、燃料噴出ノズルの外周に沿って所定の間隔を空けて配置されて酸素等の酸化剤を炉内に噴出する複数の酸化剤噴出孔と、を有するバーナチップを先端部に備える。

バーナから酸化剤と共に噴出された微粉固体燃料をガス化するため、炉内は高温に維持されており、バーナは、バーナチップを含む先端部が高熱負荷による熱疲労や高温酸化を起こして損傷しやすい。そこで、バーナは、一般的に、微粉固体燃料を搬送する燃料搬送路の外周側に酸化剤を搬送する酸化剤搬送路が設けられ、さらに、酸化剤搬送路における先端部では、冷却水が内部に流れる冷却コイルが外周側に設けられた多重管構造を採用している。

例えば、特許文献１には、気流搬送される炭素と水素を含む微粉固体燃料が噴出される燃料噴出ノズルと、燃料噴出ノズルの外周側に配置されて酸化剤が噴出される複数の酸化剤供給孔（酸化剤噴出孔）と、を備えてなるノズルチップ（バーナチップ）を有するガス化バーナが開示されている。このガス化バーナにおける複数の酸化剤供給孔はそれぞれ、中心線が燃料噴出ノズルの中心線側に向けて傾斜して形成され、かつ中心線が酸化剤供給孔の先端中心と燃料噴出ノズルの中心線とを含む平面に対して同一方向に傾斜して形成されてなる。

この構成により、複数の酸化剤の噴流を微粉固体燃料の噴流に向かって効率よく旋回させながら衝突させて、燃料噴出ノズルの先端部近傍において石炭と酸化剤あるいは周囲の可燃性ガスと酸化剤との反応により形成される高温領域を縮小させている。

特許第６２２０６８５号公報

特許文献１に記載のガス化バーナにおいて、炉内に噴出させる酸化剤の噴流に直進性を持たせて、微粉固体燃料の噴流に対し酸化剤の噴流を勢いよく衝突させるべく、複数の酸化剤供給孔はそれぞれ、ある程度の貫通長を有して形成されており、その分ノズルチップの先端部は肉厚になっている。そのため、ノズルチップの先端部において、複数の酸化剤供給孔が形成されていない領域、すなわち隣り合う酸化剤供給孔の間の領域では、酸化剤の噴流が先端部まで行き渡らず高温に晒された状態となってしまい、酸化剤供給孔の外縁を起点とした亀裂の発生や、炉内に面した先端面における皺の発生等、ノズルチップの破損につながる。

そこで、本発明は、炉内に面する先端部の高温化を抑制して破損を低減することが可能なバーナチップおよびそれを備えたバーナを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、代表的な本発明は、ガス化炉に用いられるバーナの先端部に配置され、前記ガス化炉に向かって延びるチップ本体と、前記チップ本体の軸方向に沿って形成されて前記ガス化炉に燃料を噴出する燃料噴出ノズルと、前記チップ本体の先端部において前記燃料噴出ノズルの外周に沿って所定の間隔を空けて複数形成されて前記ガス化炉に酸化剤を噴出する酸化剤噴出孔と、前記チップ本体において前記燃料噴出ノズルの外周を囲んで形成されて複数の前記酸化剤噴出孔に酸化剤を搬送する酸化剤搬送路と、を備えるバーナチップにおいて、前記酸化剤搬送路は、前記燃料噴出ノズルの延伸方向に延びる第１搬送路と、前記第１搬送路の先端から前記チップ本体の径方向の内側に向かって延びる第２搬送路と、前記第２搬送路と前記酸化剤噴出孔との間に介在する空間部と、を有し、前記第２搬送路は、前記酸化剤噴出孔の後端よりも前記チップ本体の先端面側に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、上記の特徴により、炉内に面する先端部の高温化を抑制して破損を低減することができる。なお、上記した以外の課題、構成、及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１実施形態に係るバーナの先端部を示す外観斜視図である。 第１実施形態に係るバーナチップの一構成例を示す正面図である。 第１実施形態に係るバーナチップの軸方向の組合せ断面斜視図である。 第１実施形態に係るバーナチップの軸方向の断面図を示し、（ａ）は図２におけるＡ－Ａ線断面、（ｂ）は図２におけるＢ－Ｂ線断面である。 第１実施形態に係るバーナチップの背面図である。 本発明の第２実施形態に係るバーナチップの軸方向の組合せ断面斜視図である。 第２実施形態に係るバーナチップの軸方向の断面図を示し、（ａ）は酸化剤噴出孔が設けられた領域における断面、（ｂ）は隣り合う酸化剤噴出孔の間の領域における断面である。 第２実施形態に係るバーナチップの背面図である。

本発明の各実施形態に係るバーナチップおよびそれを備えるバーナは、石炭等の微粉固体燃料の可燃分をガス化させるガス化炉に用いられる。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係るバーナ１およびバーナチップ２の構成について、図１～５を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係るバーナ１の先端部を示す外観斜視図である。図２は、第１実施形態に係るバーナチップ２の一構成例を示す正面図である。図３は、第１実施形態に係るバーナチップ２の軸方向の組合せ断面斜視図である。図４（ａ）および図４（ｂ）は、第１実施形態に係るバーナチップ２の軸方向の断面図を示し、図４（ａ）は図２におけるＡ－Ａ線断面、図４（ｂ）は図２におけるＢ－Ｂ線断面である。図５は、第１実施形態に係るバーナチップ２の背面図である。

バーナ１は、ガス化炉に向かって延びる多重円管構造を有し、石炭等の微粉固体燃料と酸素等の酸化剤とをガス化炉内に供給して燃焼させる。バーナ１は、ガス化炉側の先端部に配置されたバーナチップ２と、バーナチップ２の外周において軸方向に沿って並んで配置された円環状の複数の冷却管３と、を備える。複数の冷却管３はそれぞれ、内部に冷却水が流れており、バーナチップ２を外周側から囲んで冷やしている。

バーナチップ２は、ガス化炉に向かって延びるチップ本体２１と、チップ本体２１の軸方向に沿って形成されてガス化炉に燃料としての石炭を噴出する燃料噴出ノズル２２と、チップ本体２１の先端部において燃料噴出ノズル２２の外周に沿って所定の間隔を空けて複数形成されてガス化炉に酸化剤としての酸素を噴出する酸化剤噴出孔２３と、チップ本体２１において燃料噴出ノズル２２の外周を囲んで形成されて酸化剤噴出孔２３に酸素を搬送する酸化剤搬送路２４と、を備える。

チップ本体２１は、図３～５に示すように、内部に燃料噴出ノズル２２が形成された内側円筒部２１１と、内側円筒部２１１の外周において同心状に設けられた外側円筒部２１２と、内側円筒部２１１と外側円筒部２１２とを先端側で接続する先端壁部２１３と、を有する。

内側円筒部２１１は、軸方向に沿って延びる第１円筒部２１１Ａと、第１円筒部２１１Ａの外周から径方向の外側に向かって張り出した張り出し部２１１Ｂと、張り出し部２１１Ｂの外端部分から軸方向の先端側（先端壁部２１３側）に向かって延びる第２円筒部２１１Ｃと、を含む。

本実施形態では、内側円筒部２１１は、第１円筒部２１１Ａにおいて先端壁部２１３と接続しており、張り出し部２１１Ｂおよび第２円筒部２１１Ｃは先端壁部２１３と軸方向に離間している。また、張り出し部２１１Ｂには、第１円筒部２１１Ａから第２円筒部２１１Ｃに向かって傾斜するテーパ面２１１Ｓが形成されている。

先端壁部２１３には、複数の酸化剤噴出孔２３がそれぞれ、１つの酸化剤搬送路２４から分岐する分流路として軸方向に延びて形成されている。したがって、先端壁部２１３は、複数の酸化剤噴出孔２３が設けられていない領域、すなわち隣り合う酸化剤噴出孔２３の間の領域では酸化剤搬送路２４を閉塞し、複数の酸化剤噴出孔２３が設けられた領域では複数の酸化剤噴出孔２３それぞれを介して酸化剤搬送路２４とガス化炉とを連通している。

本実施形態では、図３および図４（ａ）に示すように、複数の酸化剤噴出孔２３はそれぞれ、先端（ガス化炉側）が後端ＢＥよりも燃料噴出ノズル２２側に近づくように燃料噴出ノズル２２の中心線Ｃに対して所定の角度（例えば１５°）傾斜している。なお、図１および図２では、８つの酸化剤噴出孔２３が燃料噴出ノズル２２の外周に沿って等間隔に並んでいるが、複数であれば酸化剤噴出孔２３の数に制限はなく、バーナ１の仕様に応じて変更可能である。

酸化剤搬送路２４は、内側円筒部２１１、外側円筒部２１２、および先端壁部２１３によって囲まれた空間に形成されており、燃料噴出ノズル２２の延伸方向に延びる第１搬送路２４１と、第１搬送路２４１の先端からチップ本体２１の径方向の内側（燃料噴出ノズル２２側）に向かって延びる第２搬送路２４２と、第２搬送路２４２と複数の酸化剤噴出孔２３との間に介在する空間部２４０と、を有している。

第１搬送路２４１は、内側円筒部２１１の張り出し部２１１Ｂに形成されたテーパ面２１１Ｓによって、チップ本体２１の先端側に向かうにつれて径方向の外側に寄るように径方向の幅が漸次狭くなっている。図３および図４（ａ）に示すように、第１搬送路２４１は、酸化剤噴出孔２３の後端ＢＥよりもチップ本体２１（先端壁部２１３）の先端面２１３Ａ側に延出している。

第２搬送路２４２は、複数の酸化剤噴出孔２３それぞれの後端ＢＥよりもチップ本体２１の先端面２１３Ａ側に位置しており、複数の酸化剤噴出孔２３が配置された領域の外周側を囲むように連続して形成されている。

空間部２４０は、複数の酸化剤噴出孔２３が配置された領域の後方に位置しており、第１円筒部２１１Ａの外側かつ第２円筒部２１１Ｃの内側において燃料噴出ノズル２２を外周側から囲むように連続して形成されている。

酸化剤搬送路２４内を搬送される酸素は、第１搬送路２４１、第２搬送路２４２、空間部２４０の順に通過した後、複数の酸化剤噴出孔２３のそれぞれからガス化炉内に噴出される。このとき、チップ本体２１の径方向において複数の酸化剤噴出孔２３が配置された領域の外周側の領域に第２搬送路２４２が形成されていることで、先端壁部２３１の当該領域における厚みが酸化剤噴出孔２３の軸方向の長さよりも薄くなる。これにより、ガス化炉からの熱によって高温になりやすい先端壁部２３１の外縁部を、チップ本体２１の内部から効率良く冷やすことができる。

また、第２搬送路２４２と酸化剤噴出孔２３との間に空間部２４０を設けることにより、搬送されてきた酸素を酸化剤噴出孔２３からすぐに噴出させずに空間部２４０で留まらせて、バーナチップ２の先端部をより効果的に冷やすことができる。

例えば、ガス化炉内のガス温度が約１６００℃の場合、酸化剤搬送路２４が燃料噴出ノズル２２の延伸方向に沿った搬送路のみで構成されている場合には、バーナチップ２の先端部は約８００℃まで熱せられるのに対し、本実施形態のように、酸化剤搬送路２４が第１搬送路２４１、第２搬送路２４２、および空間部２４０で構成されている場合には、バーナチップ２の先端部は約５００℃まで下がる。

このように、酸化剤搬送路２４によって搬送される酸素を用いてチップ本体２１をその内部から冷やすことにより、ガス化炉内に面するバーナチップ２の先端部の高温化を抑制して破損を低減し、長寿命化を図ることができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係るバーナ１およびバーナチップ２Ａの構成について、図６～８を参照して説明する。なお、図６～８において、第１実施形態に係るバーナ１およびバーナチップ２Ａについて説明したものと共通する構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図６は、本発明の第２実施形態に係るバーナチップ２Ａの軸方向の組合せ断面斜視図である。図７（ａ）および図７（ｂ）は、第２実施形態に係るバーナチップ２Ａの軸方向の断面図を示し、図７（ａ）は酸化剤噴出孔２３が設けられた領域における断面、図７（ｂ）は隣り合う酸化剤噴出孔２３の間の領域における断面である。図８は、第２実施形態に係るバーナチップ２Ａの背面図である。

本実施形態に係るバーナチップ２Ａでは、酸化剤搬送路２４Ａの構成が第１実施形態に係る酸化剤搬送路２４の構成と異なっており、それに伴って内側円筒部２１４の構成についても第１実施形態に係る内側円筒部２１１の構成と異なっている。

まず、図６ならびに図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、酸化剤搬送路２４Ａは、第２搬送路２４２Ａが、第１実施形態に係る第２搬送路２４２の構成と異なり、複数の酸化剤噴出孔２３が配置された領域の外周側を囲むように連続して形成されておらず、隣り合う酸化剤噴出孔２３の間の領域に対応して複数配置されている。したがって、本実施形態では、チップ本体２１を先端側から軸方向に見た場合に、８つの第２搬送路２４２Ａと８つの酸化剤噴出孔２３とが交互に配置されている。

また、第１実施形態に係る第２搬送路２４２は、チップ本体２１の径方向において複数の酸化剤噴出孔２３よりも外側に位置していたが、本実施形態に係る第２搬送路２４２Ａは、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、チップ本体２１の径方向において空間部２４０Ａの前方を横切るように酸化剤噴出孔２３の位置よりも内側まで延びている。すなわち、本実施形態に係る第２搬送路２４２Ａの路長は、第１実施形態に係る第２搬送路２４２の路長よりも長い。

なお、本実施形態に係る第１搬送路２４１Ａの先端および第２搬送路２４２Ａは、第１実施形態と同様に、複数の酸化剤噴出孔２３の後端ＢＥよりも先端面２１３Ａ側に位置している。

そして、酸化剤搬送路２４Ａは、第１搬送路２４１Ａ、第２搬送路２４２Ａ、および空間部２４０Ａに加えて、第３搬送路２４３を有している。第３搬送路２４３は、チップ本体２１の径方向において複数の酸化剤噴出孔２３および空間部２４０Ａよりも内側に配置され、第２搬送路２４２Ａの先端から燃料噴出ノズル２２の延伸方向（中心線Ｃ）に沿って後方に向かって延びて第２搬送路２４２Ａと空間部２４０Ａとを接続する。第３搬送路２４３は、第２搬送路２４２Ａと異なり、燃料噴出ノズル２２を外周側から囲むように連続して形成されている。

本実施形態に係る内側円筒部２１４は、軸方向に沿って延びる第１円筒部２１４Ａと、第１円筒部２１１Ａの外周から径方向の外側に向かって張り出した張り出し部２１４Ｂと、張り出し部２１１Ｂの先端部分の外端から外側円筒部２１２（第１搬送路２４１Ａ）に向かって径方向外側に突出する複数の突出部２１４Ｃと、を含む。

張り出し部２１４Ｂは、図６および図７（ａ）に示すように、複数の酸化剤噴出孔２３が形成された領域では先端壁部２１３と接続されており、隣り合う酸化剤噴出孔２３の間の領域では第２搬送路２４２Ａが形成されていることにより先端壁部２１３と軸方向に離間している。第３搬送路２４３および空間部２４０Ａは、張り出し部２１４Ｂを切り欠くようにして形成されている。

複数の突出部２１４Ｃはそれぞれ、図７（ｂ）および図８に示すように、隣り合う酸化剤噴出孔２３の間の領域、すなわち第２搬送路２４２Ａが配置された領域に対応して配置されている。したがって、本実施形態では、チップ本体２１を先端側から軸方向に見た場合に、８つの突出部２１４Ｃと８つの酸化剤噴出孔２３とが交互に配置されている。

このように、内側円筒部２１４が複数の突出部２１４Ｃを有することにより、第１搬送路２４１Ａは、第２搬送路２４２Ａが配置された領域（隣り合う酸化剤噴出孔２３の間の領域）に対応する部分におけるチップ本体２１Ａの径方向に沿った路幅Ｗ１が、酸化剤噴出孔２３の位置に対応する部分におけるチップ本体２１Ａの径方向に沿った路幅Ｗ２よりも狭く形成されている（Ｗ１＜Ｗ２）。

酸化剤搬送路２４Ａ内を搬送される酸素は、第１搬送路２４１Ａ、第２搬送路２４２Ａ、第３搬送路２４３、空間部２４０Ａの順に通過した後、複数の酸化剤噴出孔２３のそれぞれからガス化炉内に噴出される。このとき、第２搬送路２４２Ａが、チップ本体２１の径方向において空間部２４０Ａの前方を横切るように酸化剤噴出孔２３の位置よりも内側まで延びているため、ガス化炉に面する先端壁部２１３の先端面２１３Ａをより広範囲に内部から冷やすことができる。

さらに、酸化剤搬送路２４Ａが第３搬送路２４３を有することにより、第２搬送路２４２Ａを通過した酸素をチップ本体２１の軸方向に沿って後方に一旦戻した上で、空間部２４０Ａに流入させることになるため、第１実施形態のように第２搬送路２４２を通過した酸素をそのまま酸化剤噴出孔２３から噴出させるよりも、バーナチップ２Ａの先端部において酸素をより長く留まらせることができ、バーナチップ２Ａの先端部をより効果的に冷やすことが可能となる。

また、本実施形態では、第２搬送路２４２Ａが配置された領域に対応して突出部２１４Ｃが形成されていることにより、第２搬送路２４２Ａへ流入する酸素の量を低減して、複数の酸化剤噴出孔２３の位置の外側領域へも酸素が流入しやすくすることで、チップ本体２１Ａの外縁部全体を偏りなく冷やすことができる。

例えば、ガス化炉内のガス温度が約１６００℃の場合、第１実施形態に係る酸化剤搬送路２４の構成ではバーナチップ２の先端部は約５００℃まで下がったのに対し、本実施形態に係る酸化剤搬送路２４Ａの構成ではバーナチップ２の先端部は約４００℃まで下がる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、他の様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１ バーナ
２，２Ａ バーナチップ
３ 冷却管
２１，２１Ａ チップ本体
２２ 燃料噴出ノズル
２３ 酸化剤噴出孔
２４，２４Ａ 酸化剤搬送路
２１３Ａ 先端面
２１４Ｃ 突出部
２４０，２４０Ａ 空間部
２４１，２４１Ａ 第１搬送路
２４２，２４２Ａ 第２搬送路
２４３ 第３搬送路
ＢＥ 後端
Ｗ１，Ｗ２ 路幅

Claims (4)

1. ガス化炉に用いられるバーナの先端部に配置され、前記ガス化炉に向かって延びるチップ本体と、前記チップ本体の軸方向に沿って形成されて前記ガス化炉に燃料を噴出する燃料噴出ノズルと、前記チップ本体の先端部において前記燃料噴出ノズルの外周に沿って所定の間隔を空けて複数形成されて前記ガス化炉に酸化剤を噴出する酸化剤噴出孔と、前記チップ本体において前記燃料噴出ノズルの外周を囲んで形成されて複数の前記酸化剤噴出孔に酸化剤を搬送する酸化剤搬送路と、を備えるバーナチップにおいて、
   前記酸化剤搬送路は、
   前記燃料噴出ノズルの延伸方向に延びる第１搬送路と、
   前記第１搬送路の先端から前記チップ本体の径方向の内側に向かって延びる第２搬送路と、
   前記第２搬送路と前記酸化剤噴出孔との間に介在する空間部と、を有し、
   前記第２搬送路は、
   前記酸化剤噴出孔の後端よりも前記チップ本体の先端面側に設けられている
   ことを特徴とするバーナチップ。
2. 請求項１に記載のバーナチップにおいて、
   前記第２搬送路は、
   隣り合う前記酸化剤噴出孔の間の領域に対応して複数配置され、かつ前記チップ本体の径方向において前記空間部の前方を横切るように前記酸化剤噴出孔の位置よりも内側まで延び、
   前記酸化剤搬送路は、
   前記チップ本体の径方向において前記空間部よりも内側に配置され、前記第２搬送路の先端から前記燃料噴出ノズルの延伸方向に沿って後方に向かって延びて前記第２搬送路と前記空間部とを接続する第３搬送路をさらに有する
   ことを特徴とするバーナチップ。
3. 請求項２に記載のバーナチップにおいて、
   前記チップ本体は、
   隣り合う前記酸化剤噴出孔の間の領域に対応した複数の位置においてそれぞれ、前記第１搬送路に向かって径方向外側に突出する突出部を有し、
   前記第１搬送路は、
   隣り合う前記酸化剤噴出孔の間の領域に対応する部分における前記チップ本体の径方向に沿った路幅が、前記酸化剤噴出孔の位置に対応する部分における前記チップ本体の径方向に沿った路幅よりも狭い
   ことを特徴とするバーナチップ。
4. ガス化炉に用いられるバーナにおいて、
   請求項１～３のいずれか１項に記載のバーナチップと、
   前記バーナチップの外周において前記チップ本体の軸方向に沿って並んで配置されて内部を冷却水が流れる環状の複数の冷却管と、を備える
   ことを特徴とするバーナ。

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