バーナ
【課題】使用する石炭種の変更に伴うバーナの交換作業を最小限にとどめ、多種多様な燃料に対して柔軟に対応できるバーナを提供すること。
【解決手段】搬送気体により搬送される粉体燃料を噴出する燃料ノズル５と、この燃料ノズルと同軸に外周を包囲して設けられた酸化剤供給管路７と、この酸化剤供給管路の外周を包囲して設けられた冷却水管路９とを備え、燃料ノズル５の先端部は、酸化剤供給管路の先端部の内面に接する拡径部１５と、この拡径部に形成された複数の酸化剤噴出孔１３とを有して形成され、燃料ノズルは、酸化剤供給管路７に軸方向で挿脱可能に支持されてなり、拡径部１５の外周面と酸化剤供給管路７の内周面との間には、シール部材（４９）が介装されていること。
【解決手段】搬送気体により搬送される粉体燃料を噴出する燃料ノズル５と、この燃料ノズルと同軸に外周を包囲して設けられた酸化剤供給管路７と、この酸化剤供給管路の外周を包囲して設けられた冷却水管路９とを備え、燃料ノズル５の先端部は、酸化剤供給管路の先端部の内面に接する拡径部１５と、この拡径部に形成された複数の酸化剤噴出孔１３とを有して形成され、燃料ノズルは、酸化剤供給管路７に軸方向で挿脱可能に支持されてなり、拡径部１５の外周面と酸化剤供給管路７の内周面との間には、シール部材（４９）が介装されていること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粉炭、チャーなどの粉体燃料をガス化炉等に噴射する内部水冷式のバーナに関する。
【背景技術】
【０００２】
各種ボイラやガス化炉等の燃焼装置においては、微粉炭や可燃性ガス、油等の燃料を噴射するためのバーナを備えている。このバーナは、一般に炉外から炉壁の貫通孔を通じて挿入され、挿入されたバーナの先端部が炉内に突出した状態で取り付けられている。バーナの先端部分には、燃料を噴射する燃料噴出孔と、燃料噴出孔の周囲に配置され、空気等の酸化材を噴出する複数の酸化剤供給孔が設けられている。
【０００３】
従来のガス化炉用の一例として、バーナが設けられた石炭ガス化炉の断面を図６の左図に示す。ガス化炉１０１は、バーナ１０３、ガス化部１０５、冷却部１０７、クエンチ部１０９を備えている。ガス化部１０５に設けられるバーナ１０３から炉内に噴出された微粉炭等の粉体燃料と酸化剤は、高温下で反応することにより、ＣＯと水素を主成分とする生成ガスが生じると共に微粉炭中に含まれる灰分が溶融状態となる。生成ガスは上方の冷却部１０７に移動して熱回収され、排気口１１１から炉外へ排出された後、後方のガスタービンや燃料電池等の燃料として使用される。
【０００４】
バーナ１０３は、図６の右図（横断面図）に示すように、円筒状のガス化炉内に旋回流を形成するため、炉の中心に対して軸の向きをずらして配置されている。炉内で旋回流が生じることにより、炉内に供給された微粉炭中の灰分は、旋回流によってガス化炉の内壁１１３に付着する。この内壁１１３に付着した灰分は、溶融灰となって内壁１１３を伝って下方のクエンチ部１０９に流下し、冷却水プール１１５で水砕された後、スラグとして炉外へ排出される。
【０００５】
このようなガス化炉に設置されるバーナとしては、例えば、中央に微粉炭燃料を供給する供給路を備え、これを包囲するように酸化剤を供給する供給路を配置し、さらにその外周側に冷却水の供給路を備えたバーナの構造が開示されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６３−１４２０９５号公報
【特許文献２】特開平２−２０６６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、微粉炭燃料は、使用される石炭種ごとに石炭中に含まれる酸素量や灰分の特性等が異なっている。そのため、微粉炭燃料の石炭種が変化するときには、酸化剤の供給量を石炭種に応じて最適な供給量に切り替える必要がある。また、炉内の旋回速度、つまり酸化剤の投入流速は、溶融灰の捕集量を確保するために、使用する石炭種等によらず一定値又は石炭種に応じて最適値に保つ必要がある。そのため、いずれにしても酸化剤供給孔の大きさや孔数は、使用する石炭種等に応じて適宜変更することが求められる。
【０００８】
特許文献１、２のように、従来のバーナ構造においては、酸化剤供給管がその外側を取り囲む冷却水供給管に固定される構造のため、石炭種が変わり酸化剤供給孔を切り替える必要が生じた場合、少なくとも冷却水供給管と酸化剤供給管を一体的に炉壁から取り外し、酸化剤供給管を別のものと交換しなければならず、大がかりな改造が必要になる。このように、従来のバーナ構造においては、使用する石炭種の変更による運転条件の変更について十分に配慮がされていなかった。
【０００９】
本発明の課題は、使用する石炭種の変更に伴うバーナの交換作業を最小限にとどめ、多種多様な燃料に対して柔軟に対応することができるバーナを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するため、搬送気体により搬送される粉体燃料を噴出する燃料ノズルと、この燃料ノズルと同軸に外周を包囲して設けられた酸化剤供給管路と、この酸化剤供給管路の外周を包囲して設けられた冷却水管路とを備えてなるバーナにおいて、燃料ノズルの先端部は、酸化剤供給管路の先端部の内面に接する拡径部と、この拡径部に形成された複数の酸化剤噴出孔とを有して形成され、燃料ノズルは、酸化剤供給管路に軸方向で挿脱可能に支持されてなり、拡径部の外周面と酸化剤供給管路の内周面との間には、シール部材が介装されていることを特徴とする。
【００１１】
このように、酸化剤噴出孔を有する拡径部を燃料ノズルの一部として形成し、その燃料ノズルを軸方向に挿脱可能な構造とすることにより、冷却水管路を取り外すことなく燃料ノズルだけを抜き出して酸化剤噴出孔の孔径や孔数等が異なる他の燃料ノズルを酸化剤供給管路の内側に装着することができる。このようなバーナ構造を採用することにより、バーナの交換作業を最小限にとどめることができ、多種多様な燃料に対して柔軟かつ容易に対応することが可能になる。
【００１２】
また、拡径部の外周面と酸化剤供給管路の内面との間にはシール部材が介装されているため、拡径部の外周面と酸化剤供給管路の内周面との間の気密性を高めることができる。これにより、酸化剤ガスの漏洩を抑制し、酸化剤ガスの噴出速度をより安定化させることができる。このように酸化剤ガスの噴出速度が安定化すると、炉内の旋回速度も安定化するため、生成ガス中の灰分の分離効率を向上させることができる。
【００１３】
この場合において、シール部材は、２００℃以下の低温部に配置されることが好ましい。これによれば、シール部材の耐久性を向上させることができ、かつ経済性を高めることができる。
【００１４】
また、拡径部の外周面の酸化剤供給管路の内面と対向する部位には、伝熱促進剤を装着することが好ましい。これによれば、拡径部と酸化剤供給管路との間にわずかな隙間が生じても、その隙間を埋めて拡径部や燃料ノズルの冷却効率の低下を抑制することができる。
【００１５】
また、冷却水管路を画成する管路部材の先端部分は、半球状に突出して環状に形成され、その先端部分の内部は冷却水を折り返す構造をなしているものとする。このようにすれば、冷却水管路の先端部分において、冷却水のよどみを生じることなく、流れが円滑になるため、冷却効果を改善することができる。また、このように断面が半球状の構造は、発生する熱応力を分散できるため、熱応力の発生を最小限にすることができ、その結果繰り返しの熱による熱疲労割れを抑制することが可能となる。
【００１６】
ところで、従来、冷却水管路の管路部材の先端部分には、耐熱性（耐酸化性）を考慮して、Ｃｒ含有量１８〜５０％のオーステナイト鋼が使用されている。しかし、バーナより噴出される微粉炭燃料の種類等によっては火炎の大きさが不安定となり、火炎からの熱輻射が大きく変動することがある。この変動が続くとバーナの先端側の表面温度が繰り返し上下し、例えば、燃料ノズルの肉厚方向に繰り返し温度差が発生し、熱疲労（熱衝撃）が生じてノズル表面に多数のき裂が生じるおそれがある。
【００１７】
そのため、本発明では、冷却水管路を画成する管路部材の先端部分を、Ｃｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼で形成するものとする。このように最も熱疲労が問題となる冷却水管路の先端部分を、オーステナイト鋼やＮｉ基合金よりも熱伝導率が大きく線膨張係数が小さいフェライト鋼で形成することにより、先端部分に発生する熱応力を小さく抑えることができ、バーナの熱疲労寿命を長くすることができる。
【００１８】
一方、高温かつ燃焼ガス成分が充満した還元性雰囲気の炉内にバーナの冷却水管路が長時間曝された場合、上記のフェライト鋼で形成される冷却水管路の先端部分には、硫化及び酸化減肉等の不具合により高温腐食が進行し、耐熱疲労寿命が低下するおそれがある。
【００１９】
そこで、冷却水管路を画成する管路部材の先端部分は、Ｃｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼に代えて、ＡｌとＴｉを強化元素として添加しないＮｉ基合金で形成されるものとする。高強度Ｎｉ基合金は、一般にＡｌとＴｉを添加することによりγ´相を析出させて強化しているが、長時間使用すると時効硬化により感受性が高くなり、溶接割れ等が発生することがある。このため、本発明者らは、ＡｌとＴｉを強化元素として添加しないＮｉ基合金について高温腐食性を評価したところ、耐高温腐食性がＣｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼よりも格段に優れていることを知見した。
【００２０】
このＡｌとＴｉを強化元素として添加しないＮｉ基合金で形成される冷却水管路の先端部分は、フェライト鋼よりも熱伝導率が小さく線膨張係数が大きいが、冷却水管路の先端部分に発生する硫化及び酸化減肉等による耐熱疲労性の著しい低下を抑制することができ、かつ、熱疲労寿命はオーステナイト鋼よりも優れている。したがって、Ｃｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼よりも高温腐食性の過酷な環境下で使用するバーナの寿命を一層向上させることができる。
【００２１】
この場合において、冷却水管路を画成する管路部材の先端部分以外の残りの部分は、Ｃｒ含有量１８％以上のオーステナイト鋼又はＣｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼のいずれかで形成され、先端部分と残りの部分が溶接材料を用いて周溶接構造で接合されるとともに、その接合部分は、先端部分が炉外から炉壁を通して炉内に挿入された状態で、炉壁内面よりも炉外側となる位置に設けられているものとする。
【００２２】
すなわち、接合部分は異材溶接部であり、大きな温度変化があると他の部分よりも大きな熱応力が発生するが、本発明の構成によれば、接合部分および冷却水管路の先端部分以外の残りの部分がバーナから噴射された燃料により形成される火炎の輻射熱を直接受けることがないため、これらの部分の熱疲労に伴う劣化を抑制することができる。なお、接合部分の位置は、炉壁の内面よりも炉外側であってもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、使用する石炭種の変更に伴うバーナの交換作業を最小限にとどめることができ、多種多様な燃料に対し、柔軟に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明を適用してなる第１の実施形態のバーナの構成を示す縦断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図３】図１のＢ部を拡大して示す断面図である。
【図４】燃料ノズルの一例を示す断面図である。
【図５】Ａｌｌｏｙ６２５の高温硫化腐食試験の結果を示す線図である。
【図６】従来のガス化炉の構成を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を適用してなる微粉炭燃料噴出バーナ（以下、バーナと略す。）の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態のバーナの構成を示す縦断面図、図２は、図１のＡ−Ａ矢視断面図、図３は、図１のＢ部を拡大して示す断面図、図４は、燃料ノズルの一例を示す断面図である。
【００２６】
本実施形態のバーナ１は、ガス化炉の炉壁３の貫通孔に挿入され、先端側を炉壁３から炉内側に突き出した状態で炉壁３に装着されている。このバーナ１は、窒素ガスにより搬送される微粉炭燃料を噴出する円筒状の燃料ノズル５と、燃料ノズル５の外側を同軸に包囲して設けられる酸化剤供給管路７と、酸化剤供給管路７の外側を同軸に包囲して設けられる冷却管１９を備えて構成される。酸化剤供給管路７は、燃料ノズル５の外周面と冷却管１９の内周面との隙間に形成されて円環状の空間をなしている。冷却管１９の内部には、円環状の冷却水管路９が形成されている。
【００２７】
図１，２に示すように、燃料ノズル５の先端部分には、燃料噴出孔１１が設けられ、燃料噴出孔１１の外周側には、酸化剤ガスを噴出する酸化剤噴出孔１３が周方向に複数（８個）設けられている。燃料ノズル５の先端部分には、外周面を拡径させた大径の拡径部１５が形成され、この拡径部１５には、拡径部１５の軸中心側に向かって斜めに貫通する酸化剤噴出孔１３が設けられ、これにより噴出速度を高める構造になっている。
【００２８】
冷却管１９は、その先端側の内周面が拡径部１５の外周面と内接するとともに、先端側と基端側が封止された状態で、炉壁３に固定される構造になっている。すなわち、冷却管１９の外周面にはフランジ部２１が全周方向に張り出して形成され、このフランジ部２１は、炉壁３の貫通孔の内面から炉外側に張り出した筒状の金属板の先に形成されるフランジ部２３とガスケット２２を介して締結されている。
【００２９】
冷却管１９は、その内部の冷却水管路９が仕切り壁２５により内側流路２７と外側流路２９に区画された２重管構造となっている。冷却管１９の炉内側に突き出した先端部分３１は、炉内側に半球状に張り出して形成され、その内側を冷却水が折り返す構造になっている。冷却管１９の炉外側の外周面には、冷却水が供給される冷却水供給口３３と冷却水を排出する冷却水排出口３５が設けられ、冷却水供給口３３から供給された冷却水が内側流路２７を流れて炉内の先端部分で折り返し、外側流路２９を流れた冷却水が冷却水排出口３５から排出されるようになっている。
【００３０】
燃料ノズル５は、炉内に位置する拡径部１５の端面が炉内の冷却管１９の先端部分３１とほぼ同じ位置に配置され、炉外の微粉炭と窒素が供給される基端部分が冷却管１９の基端よりも炉外側に位置するようになっている。この冷却管１９の基端よりも炉外側に位置する燃料ノズル５には、外周面を同軸で包囲する円筒管３７が取り付けられている。この円筒管３７は、基端が燃料ノズル５の外周面から周方向に張り出した板状の面によって封止され、炉壁３側の開口端には、全周方向に張り出したフランジ部３９が形成されている。
【００３１】
一方、冷却管１９の基端には、冷却菅１９の内周面を炉外側に延出させた筒状の連結管４１が設けられている。連結管４１の基端には、全周方向に張り出したフランジ部４３が形成され、このフランジ部４３と円筒管３７のフランジ部３９が締結されるようになっている。
【００３２】
このように、燃料ノズル５は、炉壁３に取り付けられた冷却管１９と連結する連結管４１に、燃料ノズル５と連結された円筒管３７を着脱自在に取り付けることにより、炉壁３に支持される構造になっている。
【００３３】
円筒管３７には、酸化剤が供給される酸化材供給孔４５が形成され、酸化剤供給孔４５から導入された酸化剤ガスは、円筒管３７、連結管４１、酸化剤供給管路７の内部を順次通過して、酸化剤噴出孔１３から炉内へ噴出されるようになっている。
【００３４】
図３に示すように、拡径部１５の冷却管１９に内接する内面には、断面が例えば半円状の溝４７が全周方向に形成されており、溝４７内には、オーリング４９が装着されている。このように拡径部１５の外周面と冷却管１９の内面との間にオーリング４９を介在させることにより、拡径部１５と冷却管１９との隙間を気密に保ち、酸化剤の漏洩を防ぐことができる。オーリング４９は、できるだけ炉内側から離れた位置、好ましくは、冷却管１９の冷却効果により、オーリング４９の表面温度が２００℃以下となる位置に配置するのがよい。これにより、耐熱温度の低い一般的なシール材を用いても長時間にわたってシール機能を保つことができる。なお、オーリング５１の材質としては、例えば、耐熱温度２００℃のフッ素樹脂製のものを用いることができる。
【００３５】
このようにして構成されるバーナ１においては、先ず、燃料ノズル５を炉外側から拡径部１５を冷却管１９の内側に摺動させながら挿入し、燃料ノズル５と連結された円筒管３７のフランジ部３９を連結管４１のフランジ部４３と締結することにより、バーナ１に取り付けることができる。反対に、フランジ部３９とフランジ部４３の締結を解除して、燃料ノズル５をバーナ１から抜き出すことにより、燃料ノズル５をバーナ１から取り外すことができる。
【００３６】
次に、微粉炭燃料を含む窒素ガスが燃料ノズル５内に供給されるとともに、酸化剤供給口４５から酸化剤となる空気又は酸素が酸化剤供給管路７に供給されると、燃料噴出孔１１より噴出された微粉炭燃料と酸化剤噴出孔１３より噴出された酸化剤とが炉内で接触して部分酸化反応を開始する。この反応時の発熱によりガス化反応が進行し、高温のＣＯ、水素ガス等が炉内で生成される。
【００３７】
ここで、炉内に生じる旋回流が弱いときは、炉壁３への灰分の付着量が減少するため、ガス化部１０５（図６）における溶融灰の捕集量が低下する。
【００３８】
反対に、炉内の旋回流が強すぎるときは、炉壁３に付着した溶融灰が再飛散して溶融灰の捕集量が低下する。すなわち、例えば、使用する微粉炭燃料が、酸素含有率が高く、或いは、発熱量が小さい石炭種に切り替えられた場合、酸化剤噴出孔１３をそのままの状態にして酸化剤の供給量を増やすと、酸化剤噴出孔１３から噴出される酸化剤の速度が増加して炉内の旋回速度が上昇し、旋回流によって炉壁３に捕集された溶融スラグが再飛散し、溶融灰の捕集量が低下、つまり炉内から排出される排ガスのスラグ含有量が増加することになる。
【００３９】
このような現象を抑制するためには、酸化剤噴出孔１３の大きさや孔数等を適宜切り替えて、酸化剤の供給速度を調整することにより、旋回流の強さを最適化することが必要となる。
【００４０】
本実施形態のバーナ１は、冷却管１９を炉壁３に固定したままの状態で、酸化剤噴出孔１３が形成された拡径部１５を有する燃料ノズル５をバーナ１から挿脱して交換するだけで、酸化剤噴出孔１３の交換を可能とするものである。このため、従来のバーナ構造のように、大幅な改造工事を必要とせず、交換作業の負担を大幅に低減することができる。
【００４１】
例えば、酸化剤の噴出速度を低減させるには、図１の燃料ノズル５を抜き出して、図４に示すように、別途用意しておいた燃料ノズル５´を挿入することにより、酸化剤噴出孔を８個から１０個に切り換えることができる。これにより、酸化剤の噴出速度を低減できるため、酸素含有量が低く、発熱量の少ない石炭種に切り替わった場合でも、短時間で酸化剤噴出孔の孔径や孔数を変更することができ、適正な酸化剤の供給量のもと、効率よく運転を行うことができる。
【００４２】
また、本実施形態では、燃料ノズル５は、バーナ１全体からみると比較的小さな構成品であり、このような小さな燃料ノズル５だけを交換することでバーナ１の交換を実質的に可能としていることから、交換作業の負担を少なくし、交換費用を低減することができる。
【００４３】
また、従来のバーナ構造によれば、長期の運転を行うと、冷却管１９と炉壁３との接続部分に溶融スラグが付着し、或いは、ガス化炉本体に熱変形等が生じるなどにより、バーナの交換作業に弊害を生じていたのに対し、本実施形態のバーナ１によれば、燃料ノズル５が小さく、酸化剤の噴出も手伝って、溶融スラグの付着に伴う弊害を抑制することができる。これにより、燃料ノズル５の抜き出しを容易に行うことができる。
【００４４】
また、本実施形態では、燃料ノズル５の拡径部１５と冷却管１９との間にオーリング４９などのシール機構を設けているため、酸化剤ガスの漏洩を防ぐことができる。これにより、酸化剤ガスの噴出速度を安定化することができるため、ガス化炉内の旋回速度を安定に保つことができ、溶融スラグの回収効率をより安定化することができる。
【００４５】
また、本実施形態では、冷却管１９の先端部分３１を、炉内側に半球状に突出させて形成し、その先端部分の内側を冷却水が折り返す構造としているため、先端部分が例えば平坦面の構造と比べて冷却水の流れが円滑になり、よどみが抑制されるため、高い冷却効果を得ることができる。また、このように断面が半球状の構造は、発生する熱応力を分散できるため、熱応力の発生を最小限にすることができ、その結果繰り返しの熱による熱疲労割れを抑制することが可能となる。
【００４６】
ところで、拡径部１５と冷却管１９との隙間はできるだけ小さい方が気密性や冷却性能を向上させる上で望ましいが、燃料ノズル５の挿脱性を確保するためには、ある程度、隙間量（例えば、約０．３ｍｍ）を確保しておくことが好ましい場合もある。ただし、ガス化炉内のガス温度は１５００℃〜１８００℃と非常に高温のため、隙間を設けることによって拡径部１５の冷却が不十分になると、バーナ１の先端部分が高温化し、長期運転による表面摩耗を招くおそれがある。
【００４７】
このため、本実施形態では、例えば隙間部分に位置する拡径部１５の表面に、予め伝熱促進剤を装着するようにしている。このようにすれば、拡径部１５と冷却管１９の内周面との間にわずかな隙間が生じても、伝熱促進剤がその隙間を埋めて拡径部１５や燃料ノズル５の冷却効率の低下を防ぐことができる。ここで、伝熱充填剤としては、伝熱セメント、セラミック系コーティング剤等を用いることができる。
【００４８】
さらに、本実施形態では、炉内側に突出する冷却管１９の先端部分を、Ｃｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼で形成している。従来は、冷却管１９の先端部分は、耐熱性（耐酸化性）を考慮して、Ｃｒ含有量１８〜５０％のオーステナイト鋼の素材が用いられていた。しかし、微粉炭燃料によっては、火炎の大きさが不安定で火炎からの熱輻射が大きく変動する場合があり、この変動が続くと、バーナ１の先端部分の表面温度が繰り返し上下して冷却管１９等の肉厚方向に繰り返し温度差が生じ、熱疲労（熱衝撃）で表面にき裂が生じるおそれがある。特に、冷却管１９の内部には、冷却水が流れているため、温度差による熱疲労が大きい。本実施形態では、このような熱疲労が最も問題となる冷却管１９の先端部分に熱疲労寿命に優れたフェライト鋼を用いているため、従来構造に比べて大幅なバーナの寿命改善を得ることができる。
【００４９】
ここで、先端部分３１とは、少なくとも半球状に突出して形成される冷却管１９の球面部分を含み、好ましくは、その先端部分３１とその他の本体部分との周溶接による溶接部分（接合部）は、完全に炉壁３の内部に位置するようにする。つまり球面部分から炉壁内部の所定の位置までの広い範囲を先端部分３１としてもよい。これはバーナ１から噴射される燃料で形成される火炎からの輻射熱を溶接部分が直接受けないようにするためである。また溶接部分は、異材溶接部であり、大きな温度変化があると他の部分よりも大きな熱応力が発生するため、それを避けるためでもある。なお、溶接部分の位置は、炉壁３の内面よりも炉外側であってもよい。
【００５０】
次に、冷却管１９の先端部分３１について、他の素材を用いる場合について説明する。上記のように、冷却管１９の先端部分は、Ｃｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼で形成することにより、先端部分に発生する熱応力を小さくし、バーナの熱疲労寿命を大幅に長くすることができる。しかしながら、高温の炉内で燃焼ガス成分が満たされた還元性雰囲気において、バーナの冷却管１９の先端部分が長時間曝されると、フェライト鋼では耐高温腐食性が十分ではないため、冷却管１９の先端部分に硫化及び酸化減肉等の不具合が発生し、高温腐食が進行することがある。これにより、熱疲労が蓄積し、長時間連続運転が困難となる場合がある。
【００５１】
本実施形態では、このような問題を解決するため、フェライト鋼に代えて、ＡｌとＴｉを強化元素として添加しないＮｉ基合金を用いて、冷却管１９の先端部分を形成するようにしている。
【００５２】
一般に、高強度Ｎｉ基合金は、ＡｌとＴｉを添加してγ´相を析出させることにより強化しているが、長時間使用すると時効硬化により感受性が高くなり、溶接割れが発生することがある。そこで、本発明者らは、ＡｌとＴｉを強化元素として添加しないＮｉ基合金について、冷却管１９の素材としての適否を検討した。具体的には、ＡｌとＴｉを強化元素として添加しないＮｉ基合金として、Ａｌｌｏｙ６２５を用いた所定形状のブランクを作製すると共にＣｒ含有量９％のフェライト鋼を用いたブランクを比較用として作製した。そして、これらのブランクを６００℃の還元性の腐食環境中に放置し、時間毎の減肉量を測定した。このときの時間と減肉量の関係を図５に示す。また、Ａｌｌｏｙ６２５の組成を表１に示す。
【表１】
【００５３】
図５に示すように、Ｃｒ含有量９％のフェライト鋼を用いたブランクは、時間経過と共に減肉量が増大するのに対し、Ａｌｌｏｙ６２５を用いたブランクは１００時間経過してもブランクの減肉は進行せず、減肉量はゼロであった。このことから、Ａｌｌｏｙ６２５は、Ｃｒ含有量９％のフェライト鋼と比べて優れた耐高温腐食性を示すことが判明した。
【００５４】
このように、ＡｌとＴｉを強化元素として添加しないＮｉ基合金は、フェライト鋼よりも熱伝導率が小さく線膨張係数が大きいが、硫化及び酸化減肉等による耐熱疲労性の著しい低下を抑制することができ、かつ、熱疲労寿命はオーステナイト鋼よりも優れている。したがって、ＡｌとＴｉを強化元素として添加しないＮｉ基合金を用いて冷却管１９等を形成することにより、Ｃｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼よりも高温腐食における過酷な環境下で使用するバーナの寿命を長くすることができる。
【００５５】
本実施形態では、ＡｌとＴｉを強化元素として添加しないＮｉ基合金として、Ａｌｌｏｙ６２５を示したが、これに限られるものではなく、他の添加元素の含有率についても特に制限はない。ここで、Ｎｉ基合金においてＡｌとＴｉが強化元素となるのは、組織中にγ´相が析出されて素材の強度向上が発現されるまでこれらの元素を添加した場合に限られる。したがって、ＡｌとＴｉが不可避的に含まれるＮｉ基合金についても、ＡｌとＴｉを強化元素として添加しないＮｉ基合金に含まれる。
【００５６】
一方、冷却管１９の先端部分３１を除く部分（以下、本体部分という。）は、Ｃｒ含有量１８％以上のＣｒオーステナイト鋼、又はＣｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼で形成するものとする。また、先端部分３１と本体部分との周溶接による溶接部分は、例えば、線膨張係数がフェライト鋼とオーステナイト鋼の両者の中間的な値を示すＮｉ基合金用溶材を溶接材料として用いるのがよい。
【００５７】
また、先端部分３１は、フェライト鋼を用いる場合と同様、バーナ１から噴射される燃料で形成される火炎からの輻射熱を溶接部分が直接受けないようにするため、少なくとも半球状に突出して形成される冷却管１９の球面部分を含み、好ましくは、その先端部分３１とその他の本体部分との溶接部分は、完全に炉壁３の内部に位置するようにする。つまり球面部分から炉壁内部の所定の位置までの広い範囲を先端部分３１としてもよい。尚、溶接部分の位置は、炉壁３内部の内面より炉外側であってもよい。
【００５８】
このように、本実施形態によれば、冷却管１９の先端部分を、耐熱疲労性や耐高温腐食性に優れたＡｌとＴｉを強化元素として添加しないＮｉ基合金で形成しているため、高温腐食が生じやすい還元性雰囲気の環境においても、バーナの寿命を格段に向上させることができる。また、冷却管１９の先端部分の材質は時効効果が生じなく、溶接割れの感受性が低いため、万一き裂が発生しても、溶接部分で切断し、先端部分３１のみの交換を簡単に行うことができる。さらに、貴金属のＮｉ基合金が先端部分だけに使用されるため、保守面での経済性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００５９】
１ バーナ
３ 炉壁
５ 燃料ノズル
７ 酸化剤供給管路
９ 冷却水管路
１１ 燃料噴出孔
１３ 酸化剤噴出孔
１５ 拡径部
１９ 冷却管
２１，２３，３９，４３ フランジ部
２５ 仕切り壁
３１ 先端部分
３３ 冷却水供給口
３５ 冷却水排出口
３７ 円筒管
４１ 連結管
４５ 酸化材供給孔
４７ 溝
４９ オーリング
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粉炭、チャーなどの粉体燃料をガス化炉等に噴射する内部水冷式のバーナに関する。
【背景技術】
【０００２】
各種ボイラやガス化炉等の燃焼装置においては、微粉炭や可燃性ガス、油等の燃料を噴射するためのバーナを備えている。このバーナは、一般に炉外から炉壁の貫通孔を通じて挿入され、挿入されたバーナの先端部が炉内に突出した状態で取り付けられている。バーナの先端部分には、燃料を噴射する燃料噴出孔と、燃料噴出孔の周囲に配置され、空気等の酸化材を噴出する複数の酸化剤供給孔が設けられている。
【０００３】
従来のガス化炉用の一例として、バーナが設けられた石炭ガス化炉の断面を図６の左図に示す。ガス化炉１０１は、バーナ１０３、ガス化部１０５、冷却部１０７、クエンチ部１０９を備えている。ガス化部１０５に設けられるバーナ１０３から炉内に噴出された微粉炭等の粉体燃料と酸化剤は、高温下で反応することにより、ＣＯと水素を主成分とする生成ガスが生じると共に微粉炭中に含まれる灰分が溶融状態となる。生成ガスは上方の冷却部１０７に移動して熱回収され、排気口１１１から炉外へ排出された後、後方のガスタービンや燃料電池等の燃料として使用される。
【０００４】
バーナ１０３は、図６の右図（横断面図）に示すように、円筒状のガス化炉内に旋回流を形成するため、炉の中心に対して軸の向きをずらして配置されている。炉内で旋回流が生じることにより、炉内に供給された微粉炭中の灰分は、旋回流によってガス化炉の内壁１１３に付着する。この内壁１１３に付着した灰分は、溶融灰となって内壁１１３を伝って下方のクエンチ部１０９に流下し、冷却水プール１１５で水砕された後、スラグとして炉外へ排出される。
【０００５】
このようなガス化炉に設置されるバーナとしては、例えば、中央に微粉炭燃料を供給する供給路を備え、これを包囲するように酸化剤を供給する供給路を配置し、さらにその外周側に冷却水の供給路を備えたバーナの構造が開示されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６３−１４２０９５号公報
【特許文献２】特開平２−２０６６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、微粉炭燃料は、使用される石炭種ごとに石炭中に含まれる酸素量や灰分の特性等が異なっている。そのため、微粉炭燃料の石炭種が変化するときには、酸化剤の供給量を石炭種に応じて最適な供給量に切り替える必要がある。また、炉内の旋回速度、つまり酸化剤の投入流速は、溶融灰の捕集量を確保するために、使用する石炭種等によらず一定値又は石炭種に応じて最適値に保つ必要がある。そのため、いずれにしても酸化剤供給孔の大きさや孔数は、使用する石炭種等に応じて適宜変更することが求められる。
【０００８】
特許文献１、２のように、従来のバーナ構造においては、酸化剤供給管がその外側を取り囲む冷却水供給管に固定される構造のため、石炭種が変わり酸化剤供給孔を切り替える必要が生じた場合、少なくとも冷却水供給管と酸化剤供給管を一体的に炉壁から取り外し、酸化剤供給管を別のものと交換しなければならず、大がかりな改造が必要になる。このように、従来のバーナ構造においては、使用する石炭種の変更による運転条件の変更について十分に配慮がされていなかった。
【０００９】
本発明の課題は、使用する石炭種の変更に伴うバーナの交換作業を最小限にとどめ、多種多様な燃料に対して柔軟に対応することができるバーナを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するため、搬送気体により搬送される粉体燃料を噴出する燃料ノズルと、この燃料ノズルと同軸に外周を包囲して設けられた酸化剤供給管路と、この酸化剤供給管路の外周を包囲して設けられた冷却水管路とを備えてなるバーナにおいて、燃料ノズルの先端部は、酸化剤供給管路の先端部の内面に接する拡径部と、この拡径部に形成された複数の酸化剤噴出孔とを有して形成され、燃料ノズルは、酸化剤供給管路に軸方向で挿脱可能に支持されてなり、拡径部の外周面と酸化剤供給管路の内周面との間には、シール部材が介装されていることを特徴とする。
【００１１】
このように、酸化剤噴出孔を有する拡径部を燃料ノズルの一部として形成し、その燃料ノズルを軸方向に挿脱可能な構造とすることにより、冷却水管路を取り外すことなく燃料ノズルだけを抜き出して酸化剤噴出孔の孔径や孔数等が異なる他の燃料ノズルを酸化剤供給管路の内側に装着することができる。このようなバーナ構造を採用することにより、バーナの交換作業を最小限にとどめることができ、多種多様な燃料に対して柔軟かつ容易に対応することが可能になる。
【００１２】
また、拡径部の外周面と酸化剤供給管路の内面との間にはシール部材が介装されているため、拡径部の外周面と酸化剤供給管路の内周面との間の気密性を高めることができる。これにより、酸化剤ガスの漏洩を抑制し、酸化剤ガスの噴出速度をより安定化させることができる。このように酸化剤ガスの噴出速度が安定化すると、炉内の旋回速度も安定化するため、生成ガス中の灰分の分離効率を向上させることができる。
【００１３】
この場合において、シール部材は、２００℃以下の低温部に配置されることが好ましい。これによれば、シール部材の耐久性を向上させることができ、かつ経済性を高めることができる。
【００１４】
また、拡径部の外周面の酸化剤供給管路の内面と対向する部位には、伝熱促進剤を装着することが好ましい。これによれば、拡径部と酸化剤供給管路との間にわずかな隙間が生じても、その隙間を埋めて拡径部や燃料ノズルの冷却効率の低下を抑制することができる。
【００１５】
また、冷却水管路を画成する管路部材の先端部分は、半球状に突出して環状に形成され、その先端部分の内部は冷却水を折り返す構造をなしているものとする。このようにすれば、冷却水管路の先端部分において、冷却水のよどみを生じることなく、流れが円滑になるため、冷却効果を改善することができる。また、このように断面が半球状の構造は、発生する熱応力を分散できるため、熱応力の発生を最小限にすることができ、その結果繰り返しの熱による熱疲労割れを抑制することが可能となる。
【００１６】
ところで、従来、冷却水管路の管路部材の先端部分には、耐熱性（耐酸化性）を考慮して、Ｃｒ含有量１８〜５０％のオーステナイト鋼が使用されている。しかし、バーナより噴出される微粉炭燃料の種類等によっては火炎の大きさが不安定となり、火炎からの熱輻射が大きく変動することがある。この変動が続くとバーナの先端側の表面温度が繰り返し上下し、例えば、燃料ノズルの肉厚方向に繰り返し温度差が発生し、熱疲労（熱衝撃）が生じてノズル表面に多数のき裂が生じるおそれがある。
【００１７】
そのため、本発明では、冷却水管路を画成する管路部材の先端部分を、Ｃｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼で形成するものとする。このように最も熱疲労が問題となる冷却水管路の先端部分を、オーステナイト鋼やＮｉ基合金よりも熱伝導率が大きく線膨張係数が小さいフェライト鋼で形成することにより、先端部分に発生する熱応力を小さく抑えることができ、バーナの熱疲労寿命を長くすることができる。
【００１８】
一方、高温かつ燃焼ガス成分が充満した還元性雰囲気の炉内にバーナの冷却水管路が長時間曝された場合、上記のフェライト鋼で形成される冷却水管路の先端部分には、硫化及び酸化減肉等の不具合により高温腐食が進行し、耐熱疲労寿命が低下するおそれがある。
【００１９】
そこで、冷却水管路を画成する管路部材の先端部分は、Ｃｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼に代えて、ＡｌとＴｉを強化元素として添加しないＮｉ基合金で形成されるものとする。高強度Ｎｉ基合金は、一般にＡｌとＴｉを添加することによりγ´相を析出させて強化しているが、長時間使用すると時効硬化により感受性が高くなり、溶接割れ等が発生することがある。このため、本発明者らは、ＡｌとＴｉを強化元素として添加しないＮｉ基合金について高温腐食性を評価したところ、耐高温腐食性がＣｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼よりも格段に優れていることを知見した。
【００２０】
このＡｌとＴｉを強化元素として添加しないＮｉ基合金で形成される冷却水管路の先端部分は、フェライト鋼よりも熱伝導率が小さく線膨張係数が大きいが、冷却水管路の先端部分に発生する硫化及び酸化減肉等による耐熱疲労性の著しい低下を抑制することができ、かつ、熱疲労寿命はオーステナイト鋼よりも優れている。したがって、Ｃｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼よりも高温腐食性の過酷な環境下で使用するバーナの寿命を一層向上させることができる。
【００２１】
この場合において、冷却水管路を画成する管路部材の先端部分以外の残りの部分は、Ｃｒ含有量１８％以上のオーステナイト鋼又はＣｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼のいずれかで形成され、先端部分と残りの部分が溶接材料を用いて周溶接構造で接合されるとともに、その接合部分は、先端部分が炉外から炉壁を通して炉内に挿入された状態で、炉壁内面よりも炉外側となる位置に設けられているものとする。
【００２２】
すなわち、接合部分は異材溶接部であり、大きな温度変化があると他の部分よりも大きな熱応力が発生するが、本発明の構成によれば、接合部分および冷却水管路の先端部分以外の残りの部分がバーナから噴射された燃料により形成される火炎の輻射熱を直接受けることがないため、これらの部分の熱疲労に伴う劣化を抑制することができる。なお、接合部分の位置は、炉壁の内面よりも炉外側であってもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、使用する石炭種の変更に伴うバーナの交換作業を最小限にとどめることができ、多種多様な燃料に対し、柔軟に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明を適用してなる第１の実施形態のバーナの構成を示す縦断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図３】図１のＢ部を拡大して示す断面図である。
【図４】燃料ノズルの一例を示す断面図である。
【図５】Ａｌｌｏｙ６２５の高温硫化腐食試験の結果を示す線図である。
【図６】従来のガス化炉の構成を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を適用してなる微粉炭燃料噴出バーナ（以下、バーナと略す。）の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態のバーナの構成を示す縦断面図、図２は、図１のＡ−Ａ矢視断面図、図３は、図１のＢ部を拡大して示す断面図、図４は、燃料ノズルの一例を示す断面図である。
【００２６】
本実施形態のバーナ１は、ガス化炉の炉壁３の貫通孔に挿入され、先端側を炉壁３から炉内側に突き出した状態で炉壁３に装着されている。このバーナ１は、窒素ガスにより搬送される微粉炭燃料を噴出する円筒状の燃料ノズル５と、燃料ノズル５の外側を同軸に包囲して設けられる酸化剤供給管路７と、酸化剤供給管路７の外側を同軸に包囲して設けられる冷却管１９を備えて構成される。酸化剤供給管路７は、燃料ノズル５の外周面と冷却管１９の内周面との隙間に形成されて円環状の空間をなしている。冷却管１９の内部には、円環状の冷却水管路９が形成されている。
【００２７】
図１，２に示すように、燃料ノズル５の先端部分には、燃料噴出孔１１が設けられ、燃料噴出孔１１の外周側には、酸化剤ガスを噴出する酸化剤噴出孔１３が周方向に複数（８個）設けられている。燃料ノズル５の先端部分には、外周面を拡径させた大径の拡径部１５が形成され、この拡径部１５には、拡径部１５の軸中心側に向かって斜めに貫通する酸化剤噴出孔１３が設けられ、これにより噴出速度を高める構造になっている。
【００２８】
冷却管１９は、その先端側の内周面が拡径部１５の外周面と内接するとともに、先端側と基端側が封止された状態で、炉壁３に固定される構造になっている。すなわち、冷却管１９の外周面にはフランジ部２１が全周方向に張り出して形成され、このフランジ部２１は、炉壁３の貫通孔の内面から炉外側に張り出した筒状の金属板の先に形成されるフランジ部２３とガスケット２２を介して締結されている。
【００２９】
冷却管１９は、その内部の冷却水管路９が仕切り壁２５により内側流路２７と外側流路２９に区画された２重管構造となっている。冷却管１９の炉内側に突き出した先端部分３１は、炉内側に半球状に張り出して形成され、その内側を冷却水が折り返す構造になっている。冷却管１９の炉外側の外周面には、冷却水が供給される冷却水供給口３３と冷却水を排出する冷却水排出口３５が設けられ、冷却水供給口３３から供給された冷却水が内側流路２７を流れて炉内の先端部分で折り返し、外側流路２９を流れた冷却水が冷却水排出口３５から排出されるようになっている。
【００３０】
燃料ノズル５は、炉内に位置する拡径部１５の端面が炉内の冷却管１９の先端部分３１とほぼ同じ位置に配置され、炉外の微粉炭と窒素が供給される基端部分が冷却管１９の基端よりも炉外側に位置するようになっている。この冷却管１９の基端よりも炉外側に位置する燃料ノズル５には、外周面を同軸で包囲する円筒管３７が取り付けられている。この円筒管３７は、基端が燃料ノズル５の外周面から周方向に張り出した板状の面によって封止され、炉壁３側の開口端には、全周方向に張り出したフランジ部３９が形成されている。
【００３１】
一方、冷却管１９の基端には、冷却菅１９の内周面を炉外側に延出させた筒状の連結管４１が設けられている。連結管４１の基端には、全周方向に張り出したフランジ部４３が形成され、このフランジ部４３と円筒管３７のフランジ部３９が締結されるようになっている。
【００３２】
このように、燃料ノズル５は、炉壁３に取り付けられた冷却管１９と連結する連結管４１に、燃料ノズル５と連結された円筒管３７を着脱自在に取り付けることにより、炉壁３に支持される構造になっている。
【００３３】
円筒管３７には、酸化剤が供給される酸化材供給孔４５が形成され、酸化剤供給孔４５から導入された酸化剤ガスは、円筒管３７、連結管４１、酸化剤供給管路７の内部を順次通過して、酸化剤噴出孔１３から炉内へ噴出されるようになっている。
【００３４】
図３に示すように、拡径部１５の冷却管１９に内接する内面には、断面が例えば半円状の溝４７が全周方向に形成されており、溝４７内には、オーリング４９が装着されている。このように拡径部１５の外周面と冷却管１９の内面との間にオーリング４９を介在させることにより、拡径部１５と冷却管１９との隙間を気密に保ち、酸化剤の漏洩を防ぐことができる。オーリング４９は、できるだけ炉内側から離れた位置、好ましくは、冷却管１９の冷却効果により、オーリング４９の表面温度が２００℃以下となる位置に配置するのがよい。これにより、耐熱温度の低い一般的なシール材を用いても長時間にわたってシール機能を保つことができる。なお、オーリング５１の材質としては、例えば、耐熱温度２００℃のフッ素樹脂製のものを用いることができる。
【００３５】
このようにして構成されるバーナ１においては、先ず、燃料ノズル５を炉外側から拡径部１５を冷却管１９の内側に摺動させながら挿入し、燃料ノズル５と連結された円筒管３７のフランジ部３９を連結管４１のフランジ部４３と締結することにより、バーナ１に取り付けることができる。反対に、フランジ部３９とフランジ部４３の締結を解除して、燃料ノズル５をバーナ１から抜き出すことにより、燃料ノズル５をバーナ１から取り外すことができる。
【００３６】
次に、微粉炭燃料を含む窒素ガスが燃料ノズル５内に供給されるとともに、酸化剤供給口４５から酸化剤となる空気又は酸素が酸化剤供給管路７に供給されると、燃料噴出孔１１より噴出された微粉炭燃料と酸化剤噴出孔１３より噴出された酸化剤とが炉内で接触して部分酸化反応を開始する。この反応時の発熱によりガス化反応が進行し、高温のＣＯ、水素ガス等が炉内で生成される。
【００３７】
ここで、炉内に生じる旋回流が弱いときは、炉壁３への灰分の付着量が減少するため、ガス化部１０５（図６）における溶融灰の捕集量が低下する。
【００３８】
反対に、炉内の旋回流が強すぎるときは、炉壁３に付着した溶融灰が再飛散して溶融灰の捕集量が低下する。すなわち、例えば、使用する微粉炭燃料が、酸素含有率が高く、或いは、発熱量が小さい石炭種に切り替えられた場合、酸化剤噴出孔１３をそのままの状態にして酸化剤の供給量を増やすと、酸化剤噴出孔１３から噴出される酸化剤の速度が増加して炉内の旋回速度が上昇し、旋回流によって炉壁３に捕集された溶融スラグが再飛散し、溶融灰の捕集量が低下、つまり炉内から排出される排ガスのスラグ含有量が増加することになる。
【００３９】
このような現象を抑制するためには、酸化剤噴出孔１３の大きさや孔数等を適宜切り替えて、酸化剤の供給速度を調整することにより、旋回流の強さを最適化することが必要となる。
【００４０】
本実施形態のバーナ１は、冷却管１９を炉壁３に固定したままの状態で、酸化剤噴出孔１３が形成された拡径部１５を有する燃料ノズル５をバーナ１から挿脱して交換するだけで、酸化剤噴出孔１３の交換を可能とするものである。このため、従来のバーナ構造のように、大幅な改造工事を必要とせず、交換作業の負担を大幅に低減することができる。
【００４１】
例えば、酸化剤の噴出速度を低減させるには、図１の燃料ノズル５を抜き出して、図４に示すように、別途用意しておいた燃料ノズル５´を挿入することにより、酸化剤噴出孔を８個から１０個に切り換えることができる。これにより、酸化剤の噴出速度を低減できるため、酸素含有量が低く、発熱量の少ない石炭種に切り替わった場合でも、短時間で酸化剤噴出孔の孔径や孔数を変更することができ、適正な酸化剤の供給量のもと、効率よく運転を行うことができる。
【００４２】
また、本実施形態では、燃料ノズル５は、バーナ１全体からみると比較的小さな構成品であり、このような小さな燃料ノズル５だけを交換することでバーナ１の交換を実質的に可能としていることから、交換作業の負担を少なくし、交換費用を低減することができる。
【００４３】
また、従来のバーナ構造によれば、長期の運転を行うと、冷却管１９と炉壁３との接続部分に溶融スラグが付着し、或いは、ガス化炉本体に熱変形等が生じるなどにより、バーナの交換作業に弊害を生じていたのに対し、本実施形態のバーナ１によれば、燃料ノズル５が小さく、酸化剤の噴出も手伝って、溶融スラグの付着に伴う弊害を抑制することができる。これにより、燃料ノズル５の抜き出しを容易に行うことができる。
【００４４】
また、本実施形態では、燃料ノズル５の拡径部１５と冷却管１９との間にオーリング４９などのシール機構を設けているため、酸化剤ガスの漏洩を防ぐことができる。これにより、酸化剤ガスの噴出速度を安定化することができるため、ガス化炉内の旋回速度を安定に保つことができ、溶融スラグの回収効率をより安定化することができる。
【００４５】
また、本実施形態では、冷却管１９の先端部分３１を、炉内側に半球状に突出させて形成し、その先端部分の内側を冷却水が折り返す構造としているため、先端部分が例えば平坦面の構造と比べて冷却水の流れが円滑になり、よどみが抑制されるため、高い冷却効果を得ることができる。また、このように断面が半球状の構造は、発生する熱応力を分散できるため、熱応力の発生を最小限にすることができ、その結果繰り返しの熱による熱疲労割れを抑制することが可能となる。
【００４６】
ところで、拡径部１５と冷却管１９との隙間はできるだけ小さい方が気密性や冷却性能を向上させる上で望ましいが、燃料ノズル５の挿脱性を確保するためには、ある程度、隙間量（例えば、約０．３ｍｍ）を確保しておくことが好ましい場合もある。ただし、ガス化炉内のガス温度は１５００℃〜１８００℃と非常に高温のため、隙間を設けることによって拡径部１５の冷却が不十分になると、バーナ１の先端部分が高温化し、長期運転による表面摩耗を招くおそれがある。
【００４７】
このため、本実施形態では、例えば隙間部分に位置する拡径部１５の表面に、予め伝熱促進剤を装着するようにしている。このようにすれば、拡径部１５と冷却管１９の内周面との間にわずかな隙間が生じても、伝熱促進剤がその隙間を埋めて拡径部１５や燃料ノズル５の冷却効率の低下を防ぐことができる。ここで、伝熱充填剤としては、伝熱セメント、セラミック系コーティング剤等を用いることができる。
【００４８】
さらに、本実施形態では、炉内側に突出する冷却管１９の先端部分を、Ｃｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼で形成している。従来は、冷却管１９の先端部分は、耐熱性（耐酸化性）を考慮して、Ｃｒ含有量１８〜５０％のオーステナイト鋼の素材が用いられていた。しかし、微粉炭燃料によっては、火炎の大きさが不安定で火炎からの熱輻射が大きく変動する場合があり、この変動が続くと、バーナ１の先端部分の表面温度が繰り返し上下して冷却管１９等の肉厚方向に繰り返し温度差が生じ、熱疲労（熱衝撃）で表面にき裂が生じるおそれがある。特に、冷却管１９の内部には、冷却水が流れているため、温度差による熱疲労が大きい。本実施形態では、このような熱疲労が最も問題となる冷却管１９の先端部分に熱疲労寿命に優れたフェライト鋼を用いているため、従来構造に比べて大幅なバーナの寿命改善を得ることができる。
【００４９】
ここで、先端部分３１とは、少なくとも半球状に突出して形成される冷却管１９の球面部分を含み、好ましくは、その先端部分３１とその他の本体部分との周溶接による溶接部分（接合部）は、完全に炉壁３の内部に位置するようにする。つまり球面部分から炉壁内部の所定の位置までの広い範囲を先端部分３１としてもよい。これはバーナ１から噴射される燃料で形成される火炎からの輻射熱を溶接部分が直接受けないようにするためである。また溶接部分は、異材溶接部であり、大きな温度変化があると他の部分よりも大きな熱応力が発生するため、それを避けるためでもある。なお、溶接部分の位置は、炉壁３の内面よりも炉外側であってもよい。
【００５０】
次に、冷却管１９の先端部分３１について、他の素材を用いる場合について説明する。上記のように、冷却管１９の先端部分は、Ｃｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼で形成することにより、先端部分に発生する熱応力を小さくし、バーナの熱疲労寿命を大幅に長くすることができる。しかしながら、高温の炉内で燃焼ガス成分が満たされた還元性雰囲気において、バーナの冷却管１９の先端部分が長時間曝されると、フェライト鋼では耐高温腐食性が十分ではないため、冷却管１９の先端部分に硫化及び酸化減肉等の不具合が発生し、高温腐食が進行することがある。これにより、熱疲労が蓄積し、長時間連続運転が困難となる場合がある。
【００５１】
本実施形態では、このような問題を解決するため、フェライト鋼に代えて、ＡｌとＴｉを強化元素として添加しないＮｉ基合金を用いて、冷却管１９の先端部分を形成するようにしている。
【００５２】
一般に、高強度Ｎｉ基合金は、ＡｌとＴｉを添加してγ´相を析出させることにより強化しているが、長時間使用すると時効硬化により感受性が高くなり、溶接割れが発生することがある。そこで、本発明者らは、ＡｌとＴｉを強化元素として添加しないＮｉ基合金について、冷却管１９の素材としての適否を検討した。具体的には、ＡｌとＴｉを強化元素として添加しないＮｉ基合金として、Ａｌｌｏｙ６２５を用いた所定形状のブランクを作製すると共にＣｒ含有量９％のフェライト鋼を用いたブランクを比較用として作製した。そして、これらのブランクを６００℃の還元性の腐食環境中に放置し、時間毎の減肉量を測定した。このときの時間と減肉量の関係を図５に示す。また、Ａｌｌｏｙ６２５の組成を表１に示す。
【表１】
【００５３】
図５に示すように、Ｃｒ含有量９％のフェライト鋼を用いたブランクは、時間経過と共に減肉量が増大するのに対し、Ａｌｌｏｙ６２５を用いたブランクは１００時間経過してもブランクの減肉は進行せず、減肉量はゼロであった。このことから、Ａｌｌｏｙ６２５は、Ｃｒ含有量９％のフェライト鋼と比べて優れた耐高温腐食性を示すことが判明した。
【００５４】
このように、ＡｌとＴｉを強化元素として添加しないＮｉ基合金は、フェライト鋼よりも熱伝導率が小さく線膨張係数が大きいが、硫化及び酸化減肉等による耐熱疲労性の著しい低下を抑制することができ、かつ、熱疲労寿命はオーステナイト鋼よりも優れている。したがって、ＡｌとＴｉを強化元素として添加しないＮｉ基合金を用いて冷却管１９等を形成することにより、Ｃｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼よりも高温腐食における過酷な環境下で使用するバーナの寿命を長くすることができる。
【００５５】
本実施形態では、ＡｌとＴｉを強化元素として添加しないＮｉ基合金として、Ａｌｌｏｙ６２５を示したが、これに限られるものではなく、他の添加元素の含有率についても特に制限はない。ここで、Ｎｉ基合金においてＡｌとＴｉが強化元素となるのは、組織中にγ´相が析出されて素材の強度向上が発現されるまでこれらの元素を添加した場合に限られる。したがって、ＡｌとＴｉが不可避的に含まれるＮｉ基合金についても、ＡｌとＴｉを強化元素として添加しないＮｉ基合金に含まれる。
【００５６】
一方、冷却管１９の先端部分３１を除く部分（以下、本体部分という。）は、Ｃｒ含有量１８％以上のＣｒオーステナイト鋼、又はＣｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼で形成するものとする。また、先端部分３１と本体部分との周溶接による溶接部分は、例えば、線膨張係数がフェライト鋼とオーステナイト鋼の両者の中間的な値を示すＮｉ基合金用溶材を溶接材料として用いるのがよい。
【００５７】
また、先端部分３１は、フェライト鋼を用いる場合と同様、バーナ１から噴射される燃料で形成される火炎からの輻射熱を溶接部分が直接受けないようにするため、少なくとも半球状に突出して形成される冷却管１９の球面部分を含み、好ましくは、その先端部分３１とその他の本体部分との溶接部分は、完全に炉壁３の内部に位置するようにする。つまり球面部分から炉壁内部の所定の位置までの広い範囲を先端部分３１としてもよい。尚、溶接部分の位置は、炉壁３内部の内面より炉外側であってもよい。
【００５８】
このように、本実施形態によれば、冷却管１９の先端部分を、耐熱疲労性や耐高温腐食性に優れたＡｌとＴｉを強化元素として添加しないＮｉ基合金で形成しているため、高温腐食が生じやすい還元性雰囲気の環境においても、バーナの寿命を格段に向上させることができる。また、冷却管１９の先端部分の材質は時効効果が生じなく、溶接割れの感受性が低いため、万一き裂が発生しても、溶接部分で切断し、先端部分３１のみの交換を簡単に行うことができる。さらに、貴金属のＮｉ基合金が先端部分だけに使用されるため、保守面での経済性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００５９】
１ バーナ
３ 炉壁
５ 燃料ノズル
７ 酸化剤供給管路
９ 冷却水管路
１１ 燃料噴出孔
１３ 酸化剤噴出孔
１５ 拡径部
１９ 冷却管
２１，２３，３９，４３ フランジ部
２５ 仕切り壁
３１ 先端部分
３３ 冷却水供給口
３５ 冷却水排出口
３７ 円筒管
４１ 連結管
４５ 酸化材供給孔
４７ 溝
４９ オーリング
【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燃料ノズルと、該燃料ノズルと同軸に外周を包囲して設けられた酸化剤供給管路と、該酸化剤供給管路の外周を包囲して設けられた冷却水管路とを備えてなるバーナにおいて、
前記燃料ノズルの先端部は、前記酸化剤供給管路の先端部の内面に接する拡径部と、該拡径部に形成された複数の酸化剤噴出孔とを有して形成され、該燃料ノズルは、前記酸化剤供給管路に軸方向で挿脱可能に支持されてなり、
前記拡径部の外周面と前記酸化剤供給管路の内周面との間には、シール部材が介装されていることを特徴とするバーナ。
【請求項２】
前記シール部材は、２００℃以下の低温部に設けられることを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
【請求項３】
前記拡径部の外周面の前記酸化剤供給管路の内面と対向する部位には、伝熱促進剤が装着されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のバーナ。
【請求項４】
前記冷却水管路を画成する管路部材の先端部分は、半球状に突出して環状に形成され、その先端部分の内部は冷却水を折り返す構造をなしていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のバーナ。
【請求項５】
前記冷却水管路を画成する管路部材の先端部分は、Ｃｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼で形成されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のバーナ。
【請求項６】
前記冷却水管路を画成する管路部材の先端部分は、ＡｌとＴｉを強化元素として添加しないＮｉ基合金で形成されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のバーナ。
【請求項７】
前記冷却水管路を画成する管路部材の前記先端部分以外の残りの部分は、Ｃｒ含有量１８％以上のオーステナイト鋼又はＣｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼のいずれかで形成され、前記先端部分と前記残りの部分が溶接材料を用いて周溶接構造で接合されるとともに、その接合部分は、前記先端部分が炉外から炉壁を通して炉内に挿入された状態で、炉壁内面よりも炉外側となる位置に設けられていることを特徴とする請求項６に記載のバーナ。
【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燃料ノズルと、該燃料ノズルと同軸に外周を包囲して設けられた酸化剤供給管路と、該酸化剤供給管路の外周を包囲して設けられた冷却水管路とを備えてなるバーナにおいて、
前記燃料ノズルの先端部は、前記酸化剤供給管路の先端部の内面に接する拡径部と、該拡径部に形成された複数の酸化剤噴出孔とを有して形成され、該燃料ノズルは、前記酸化剤供給管路に軸方向で挿脱可能に支持されてなり、
前記拡径部の外周面と前記酸化剤供給管路の内周面との間には、シール部材が介装されていることを特徴とするバーナ。
【請求項２】
前記シール部材は、２００℃以下の低温部に設けられることを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
【請求項３】
前記拡径部の外周面の前記酸化剤供給管路の内面と対向する部位には、伝熱促進剤が装着されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のバーナ。
【請求項４】
前記冷却水管路を画成する管路部材の先端部分は、半球状に突出して環状に形成され、その先端部分の内部は冷却水を折り返す構造をなしていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のバーナ。
【請求項５】
前記冷却水管路を画成する管路部材の先端部分は、Ｃｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼で形成されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のバーナ。
【請求項６】
前記冷却水管路を画成する管路部材の先端部分は、ＡｌとＴｉを強化元素として添加しないＮｉ基合金で形成されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のバーナ。
【請求項７】
前記冷却水管路を画成する管路部材の前記先端部分以外の残りの部分は、Ｃｒ含有量１８％以上のオーステナイト鋼又はＣｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼のいずれかで形成され、前記先端部分と前記残りの部分が溶接材料を用いて周溶接構造で接合されるとともに、その接合部分は、前記先端部分が炉外から炉壁を通して炉内に挿入された状態で、炉壁内面よりも炉外側となる位置に設けられていることを特徴とする請求項６に記載のバーナ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１２８６３（Ｐ２０１１−１２８６３Ａ）
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５６０３８（Ｐ２００９−１５６０３８）
【出願日】平成２１年６月３０日（２００９．６．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１６年度〜２０年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、多目的石炭ガス製造技術開発（ＥＡＧＬＥ）／パイロット試験設備およびゼロエミッション化技術に関する研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００２１７６８６）電源開発株式会社 (207)
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月３０日（２００９．６．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１６年度〜２０年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、多目的石炭ガス製造技術開発（ＥＡＧＬＥ）／パイロット試験設備およびゼロエミッション化技術に関する研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００２１７６８６）電源開発株式会社 (207)
【出願人】（０００００５４４１）バブコック日立株式会社 (683)
【Ｆターム（参考）】
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