JP5473913B2 - バーナー - Google Patents

Description

本発明は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ものであり、これらの通路が上流の供給側から下流の放出端部に通じ、共反応性のガス状又はガス搬送媒体の別々の流れを燃焼ゾーンに供給する。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。

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。

ここで用いられている「酸素含有ガス」とは、遊離酸素Ｏ_２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。

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。

ＵＳ−Ａ−２００３／００５６４３９は、高融点合金から作られた合成ガスを製造するためのバーナーを記載する。ＵＳ−Ａ−２００４／００６７４６１は、バーナーを通過するときにガスの渦を生成する手段を有するバーナーを記載する。

ＵＳ４，８８７，９６２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。通路を互いに対称的に配置すると共に、反応体物質の自由な流れに対する障害が最小の安定した配置にて通路を保持するために、スペーサが用いられる。

炭素質燃料の流れの温度は一般に８０℃であるが、酸素含有ガスの流れの温度は一般に約３００〜３５０℃である。燃焼ゾーンの温度は１３００℃以上になり得る。バーナーは一方の端部にてほぼ周囲条件にさらされ、その放出端部にて燃焼ゾーンの条件にさらされる。その結果、バーナーの種々の部分に、異なる熱応力膨張が生じる。バーナーの縦の長さは一般に、１．５〜２．５ｍの間で変わるので、種々の部分の間での膨張の差が環状スリットの幅に著しい影響を与え、その結果、酸素含有ガスの流出に著しい影響を与え得る。

一般に同軸通路は、輸送されるガスのための側面入口を備える。このことにより、同軸通路上でガスの流れが不均一に分布し、このことも酸素含有ガスの流出に影響を与え得る。

本発明の目的は、ガス成分について更に一定かつ安定的な流出が可能なバーナー構造を提供することである。

本発明の目的は次のバーナーにより達せられる。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、接続ブロックが少なくとも前記同軸通路と交差し、前記接続ブロックが前記外壁と前記内壁をつなぎ、前記ブロックの両側の対応する通路部分に揃えて１以上の開口部を備え、前記接続ブロックが前記内壁及び前記外壁と交差し両壁を２つの部分に分割し、両壁の前記２つの部分が前記接続ブロックに対して互いに揃えて接合される、前記バーナー。

出願人は、接続ブロックが外壁と内壁の熱膨張の差を限定することによって環状スリットの寸法を安定させることを見いだした。加えて、接続ブロックは振動を抑制し、ガス流に対して均等化効果を有し、同軸通路の全周にわたって均一なガス流を得る。

接続ブロックはバーナーの上流部分をその下流部分に接続する。ここで用いられている「上流部分」なる用語は、バーナー中のガス流の流れ方向に関するものであり、供給源と接続ブロックの間のバーナー部分をいい、「下流」なる用語は、接続ブロックと放出端部の間のバーナーの部分をいう。

流通開口部は、例えば同軸通路の周囲にわたって均一に分布した円形の開口部とし得る。別法として、流通開口部は異なる形状、例えばスリットを有し得る。開口部の縁部は例えば面取りするか又は丸みを帯びさせることもできる。流れ方向において、流通開口部を、中央通路の縦軸に平行にするか、又は接線方向及び／若しくは軸方向において縦軸に対して或る角度を有するようにできる。

接続ブロックは内壁及び外壁と交差し、両方の壁を２つの部分に分割し、それらを互いに揃えて接続ブロックに接続できるので、モジュール式のバーナーが可能となる。下流の壁部分は、接続ブロックのもう一方の側の上流部分よりも高い温度及び大きな温度変化にさらされる。この構造では、これらの激しく露出される下流部分を独立に交換できる。

中央通路を形成する内壁は、例えば一定の直径を有することができる。随意に、内壁をその長さの一部にわたってテーパーにできる。

バーナーを過熱から保護するために、一般に、冷却ジャケットを通って外壁全体に流れる水などの冷媒を用いてバーナーを冷却する。冷却ジャケットは、放出端部の近くにて互いに連通している２つの同軸ジャケット通路を備えることができる一方、それらの他端にてジャケット通路の１つが冷媒供給源に連結され、もう一方のジャケット通路が冷媒放出部に連結される。本発明の特定の態様では、接続ブロックが両方のジャケット通路に交差し、また冷媒流のための流通開口部を備える。

流通開口部の半径方向の幅は、例えば同軸通路の半径方向の幅と等しいか又はいくらか小さくでき、例えば、半径方向の通路幅の８５〜１００％又は必要ならさらに小さくできる。

内壁の外側端部と接続ブロックの下流側との間の距離は、例えば接続ブロックの直径の約１〜３倍とし得る。

特定の態様では、接続ブロックの側面の一方又は両方に、１以上の同心突出部を階段状の構成にて備え、その直径の各々が接続ブロックに取り付けられる同心壁の一つに対応し、組み立て中に溶接機を容易に接近させることができる。

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燃焼ゾーンの壁の腐食を最小にする。

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、耐熱ライニングをバーナー前壁の外面に付与でき且つ／又は好ましくは内部冷却通路を有する中空壁部材を使用でき、この内部冷却通路を通して流体冷媒を特定の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、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。さらに好ましくは、流路は例えばＵＳ４，８８７，９６２に記載のような螺旋流路である。このような螺旋流路は、例えば同心バッフルにより得ることができ、この同心バッフルが、バッフルにおける中断部を介して互いに連通した同心流路区域を形成する一方、交差した仕切りにより、中断部を通る流れが次の同心流路区域に送られる。

随意に、更にモジュール的に構成できるように、接続ブロックの一方の側面を、内壁及び外壁の同軸配置の上流部分の外側端部に溶接することによって、バーナーを製造できる。内壁及び外壁の下流部分を、対応する上流部分に揃えて接続ブロックの第２の側面に取付け又は溶接できる。外壁の上流部分を接続ブロックに溶接した後に冷却ジャケットを製造するために、２つの包囲ケーシングを接続ブロックに溶接し、接続ブロックにおける開口部の２つの同心円形配列に整列した２つの同心区画室を形成できる。

冷却通路回路を完成するために、二重壁の円筒状の本体を使用でき、その二重壁の外側が内壁の上流縁部を全周にわたって露出させたままにし、本体はその下流側にて前面により蓋をされ、前面は中央開口部を形成する縁部を有し、外壁の縁部に隣接している。円筒状の本体の二重壁の間の空間は、上流の冷却ジャケット区画室の一つに連通し、前面の開口部の近くにてそれが外側の通路壁の周りを取り囲む空間に連通し、この空間は他の上流の冷却ジャケット区画室に連通している。このことにより外壁と接続ブロックとの間に間隙が形成され、内壁を接続ブロックに溶接する溶接機を更に容易に近づけることができる。円筒状の本体の二重壁の内側を接続ブロックに溶接した後、少なくとも２つの分離したＣ形部分に分割される環状カバープレートが、接続ブロック及び円筒状の本体に溶接され、二重壁の外側と接続ブロックとの間の間隙を閉鎖する。

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、ＺｒＯ_２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。

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。

本発明によるバーナーの前部分の縦断面図を示す。 図１のバーナーの接続ブロックの平面図を示す。 図１のバーナーの接続ブロックの断面図を示す。

図１は、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は中央通路２を備える。中央通路２は上流部分３Ａと下流部分３Ｂとを有する円筒状の内壁３により形成される。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。

上流部分５Ａと下流部分５Ｂと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。同軸通路６は、酸素含有ガスを燃焼ゾーンに流入させるための出口を形成する開放放出端部７を有する。

内壁３は一定の内径を有する。下流内壁部分３Ｂは***部分８を有し、その外径は円錐状に拡大した後に放出出口４に向かって減少していき、この例では断面が三角形の環状***を形成する。下流外壁部分５Ｂは、燃焼ゾーンの方向に円錐状端部９を有する円筒を形成する。内壁部分３Ｂの環状***８と外壁部分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***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。

内壁及び外壁の上流部分３Ａ、５Ａは、それらの対応する下流部分３Ｂ、５Ｂに揃えて接続ブロック１１に溶接される。接続ブロック１１を図２の平面図及び図３の断面図にて示す。

接続ブロック１１は、同軸通路６のための流通開口部１２と、中央通路２の一部を形成する中央開口部１３とを備え、開口部１３は内壁部分３Ａ及び３Ｂと同じ内径を有する。ブロック１１の下流側の面と内壁部分３Ｂの下流側の外端部との間の距離Ｘは、接続ブロック１１の直径の１〜３倍である。

同軸通路６は冷却ジャケット１４により包まれ、冷却ジャケット１４は接続ブロック１１の上流側に上流部分１４Ａを有し、接続ブロック１１の下流側に下流部分１４Ｂを有する。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、２つの同軸区画室、すなわち内側区画室１７Ａと外側区画室１８Ａとを形成する。

同様に、冷却ジャケット１４の下流部分１４Ｂが、内側ジャケット壁１５Ｂと外側ジャケット壁１６Ｂとを備えた二重壁の円筒本体を形成し、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、上流側の内側区画室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。

二重壁の円筒本体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。

二重壁の前面２１は下流側の前壁２４と裏側壁２５とを有し、それらが同心バッフル２６により間隔をあけられ同心状の流路区域２７を形成する。流路区域２７の各々は、内側バッフルにおける中断の直後に内側と外側バッフル２６をつなぐ仕切りによって閉鎖される（図示せず）。このように、バッフル２６が螺旋流路を形成する。この流路は下流側の冷却ジャケット区画室１８Ｂと連通している。前面２１の開口部２３の近くにて、前面２１の前壁２４と裏側壁２５との間の冷媒流路区域２７は、前面の裏側壁２５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。

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の流路区域２７、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を通って冷媒放出口に流れる。

接続ブロック１１の上流側には、階段状の同心突出部３１が設けられ、その各々の直径は、接続ブロック１１に取り付けられる同軸状の上流壁部分３Ａ、５Ａの一つに対応している。接続ブロック１１の下流側には、円形リム３２、３３が設けられ、その外径は接続ブロック１１に取り付けられる夫々の下流壁部分３Ｂ、５Ｂの外径に対応している。

接続ブロック１１の近くにて、二重壁の円筒本体１４Ｂの内壁１５Ｂが外壁１６Ｂに対して突出し、内壁１５Ｂの上流縁部が全周にわたって露出している。このことにより円周方向に隙間が作られ、溶接機を近づけて内壁１５Ｂを接続ブロック１１に溶接することができる。内壁１５Ｂを接続ブロック１１に溶接した後、２つの別個のＣ形リング部分３４となっている環状のカバープレートが接続ブロック１１及び円筒状の本体１４Ｂに溶接されて隙間を閉じる。

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。図２に示されるように、開口部１２、２０の配列は各々が中央開口部１３に対して同心状の円形配置となっている。

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、酸素含有ガスを環状通路に通して出口に送り、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。石炭の安定した流出を促進するために、石炭の流れに利用可能な断面積は、出口近くのバーナーの中央通路の少なくとも一部にわたって一定に維持すべきである。

ＵＳ−Ａ−２００３／００５６４３９ ＵＳ−Ａ−２００４／００６７４６１ ＵＳ４，８８７，９６２

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…***部分
９…円錐状端部
１０…環状スリット
１１…接続ブロック
１２…流通開口部
１４…冷却ジャケット

Claims (8)

1. 中央通路（２）と前記中央通路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、接続ブロック（１１）が少なくとも前記同軸通路（６）と交差し、前記接続ブロック（１１）が前記外壁（５）と前記内壁（３）をつなぎ、前記ブロック（１１）の両側の対応する通路部分に揃えて１以上の開口部（１２）を備え、前記接続ブロック（１１）が前記内壁（３）及び前記外壁（５）と交差し両壁を２つの部分（３Ａ、３Ｂ；５Ａ、５Ｂ）に分割し、両壁の前記２つの部分が前記接続ブロック（１１）に対して互いに揃えて接合され、前記外壁（５）が冷却ジャケット（１４）により包まれ、前記接続ブロック（１１）が冷媒流の流通開口部（２０）を形成する前記冷却ジャケットの幅にわたって延びる、前記バーナー。
2. 冷却ジャケット（１４）が放出端部の近くにて互いに連通した２つの同軸ジャケット区画室（１７Ａ、１８Ａ）を備え、それらの他端部にてジャケット区画室（１７Ａ）の一方が冷媒供給源に連結され、もう一方の区画室（１８Ａ）が冷媒放出部に連結され、接続ブロック（１１）が両方のジャケット区画室（１７Ａ、１８Ａ）に交差すると共に冷媒流の流通開口部（２０）を備える、請求項１に記載のバーナー。
3. 内壁（３）の外側端部と接続ブロック（１１）の下流側面との間の距離が接続ブロック（１１）の直径の約１〜３倍である、請求項１または２に記載のバーナー。
4. 接続ブロックの側面の少なくとも１つが、階段状に構成された１以上の同心突出部（３１）を備え、その直径の各々が接続ブロック（１１）に取付けられた同心壁（３Ａ、５Ａ）の一つに対応する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のバーナー。
5. 接続ブロック（１１）の少なくとも１つの側面が、接続ブロック（１１）に取付けられる円筒状の部分（３Ｂ、５Ｂ）の外径との締まり嵌めを形成する１以上の円形リム（３２、３３）を備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載のバーナー。
6. 請求項１に記載のバーナー（１）の製造方法であって、中央通路（２）と前記中央通路（２）を少なくとも１つの同軸通路（６）が取り囲み、前記中央通路及び同軸通路（２、６）が上流の供給側から下流の放出端部に通じ、中央通路（２）と同軸通路（６）とが、固定されていない下流の外側端部を有する同心状の内壁（３）及び外壁（５）により形成され、前記外側端部が環状スリット（１０）を形成する外形を有し、前記環状スリット（１０）が同軸通路（６）の放出端部を形成すると共に中央通路（２）の隣接した放出端部に向かって合流し、接続ブロック（１１）の一方の側面が内壁及び外壁（３Ａ、５Ａ）の同軸状に配置された上流部分の外側端部に溶接され、接続ブロック（１１）が、中央通路（２）に揃えて配置された中央開口部（１３）と同軸通路（６）に揃えて配置された開口部（１２）の円形配列とを備え、内壁（３Ｂ）の下流部分及びその後で外壁（５Ｂ）の下流部分が、対応する上流部分に揃えて接続ブロック（１１）の第２の側面に溶接される、製造方法。
7. 外壁（５Ａ）の上流部分を接続ブロック（１１）に溶接した後、周囲の２つのケーシング（１５Ａ、１６Ａ）を接続ブロックに溶接して冷却ジャケット（１４）の２つの同心区画室（１７Ａ、１８Ａ）を形成し、接続ブロック（１１）が冷却ジャケット区画室（１７Ａ、１８Ａ）に揃えられた２つの同心円形配置の開口部（２０）を備えた、請求項６に記載の製造方法。
8. 下流の冷却ジャケット区画室（１７Ｂ、１８Ｂ）が二重壁の円筒状の本体（１４Ｂ）により設けられ、その二重壁の外側（１６Ｂ）が内壁（１５Ｂ）の上流縁部を全周にわたって露出させ、本体（１４Ｂ）がその下流側にて前面（２１）により蓋をされ、前面（２１）が、中央開口部（２３）を形成すると共に外壁（５）の縁部に隣接する縁部（２２）を有し、円筒状の本体（１４Ｂ）の二重壁（１５Ｂ、１６Ｂ）の間の空間（１８Ｂ）が上流の冷却ジャケット区画室（１８Ａ）の１つに連通し、前面（２１）の開口部（２３）の近くにて、外側通路壁（５Ｂ）の周りを取り囲む空間（１７Ｂ）に連通し、前記空間（１７Ｂ）がもう一方の上流の冷却ジャケット区画室（１７Ａ）に連通し、円筒状の本体の二重壁（１５Ｂ）の内側を接続ブロック（１１）に溶接した後、少なくとも２つのＣ形の部分（３４）に分離される環状のカバープレートを、接続ブロック（１１）と円筒状の本体（１４Ｂ）とに溶接して二重壁の外側と接続ブロック（１１）との間の間隙を閉鎖する、請求項７に記載の製造方法。