バーナ
【課題】バーナ近傍における高温場の形成を抑制し、熱応力によるき裂や高温腐食を防止すること。
【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３と、燃料ノズル３と同軸に外周を包囲して設けられ、酸化剤を噴出する酸化剤供給管路９と、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１３とを備え、酸化剤供給管路９と冷却水管路１３との間に、酸化剤を含まないガスを供給する環状の供給管路（１１）を同軸に介装する。また、搬送気体により搬送される粉体燃料を固気分離器５３に導いて固気分離し、分離後の粉体燃料の濃度が高い方の気体を燃料ノズルの基端側に供給し、粉体燃料の濃度が低い方の気体を環状の供給管路に供給する手段を備える。
【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３と、燃料ノズル３と同軸に外周を包囲して設けられ、酸化剤を噴出する酸化剤供給管路９と、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１３とを備え、酸化剤供給管路９と冷却水管路１３との間に、酸化剤を含まないガスを供給する環状の供給管路（１１）を同軸に介装する。また、搬送気体により搬送される粉体燃料を固気分離器５３に導いて固気分離し、分離後の粉体燃料の濃度が高い方の気体を燃料ノズルの基端側に供給し、粉体燃料の濃度が低い方の気体を環状の供給管路に供給する手段を備える。
【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、このようにガス化炉にバーナを設置する構造においては、炉内で生成された可燃性ガス（ＣＯ、Ｈ２等）及びチャー等がバーナの近傍で気流に巻き込まれ、酸化剤ガスと混合されることにより、発熱反応（燃焼）を生じさせることがある。このようにしてバーナの近傍に発熱反応に伴う高温場が形成されると、炉内に突出するバーナの先端側は加熱されて高温となり、熱応力によるき裂や高温腐食が発生するおそれがある。
【０００８】
本発明は、バーナ近傍における高温場の形成を抑制し、熱応力によるき裂や高温腐食を防止することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、酸化剤を噴出する酸化剤供給管路と、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、酸化剤供給管路と冷却水管路との間に、酸化剤を含まないガスを供給する環状の供給管路を同軸に介装したことを特徴とする。
【００１０】
このようにすれば、炉内に噴出される酸化剤ガスの外側に、酸化剤を含まないガスによるカーテン状の膜が形成されるため、可燃性ガスと酸化剤ガスとの接触を抑制することができる。これにより、可燃性ガスと酸化剤ガスとの接触に伴う発熱反応が抑制され、バーナ近傍の高温場の発生を抑えることができるため、バーナの先端側の温度を低く保持することができ、バーナの熱応力によるき裂や高温腐食を防止することができる。酸化剤を含まないガスとしては、窒素又は水蒸気を用いることができる。
【００１１】
この場合において、搬送気体により搬送される粉体燃料を固気分離器に導いて固気分離し、この分離後の粉体燃料の濃度が高い方の気体を燃料ノズルの基端側に供給し、粉体燃料の濃度が低い方の気体を環状の供給管路に供給する手段を備えて構成してもよい。このようにすれば、燃料ノズルに供給する気体の供給系と環状の供給管路に供給する気体の供給系を共通化できるため、気体の供給構造を簡素化することができる。
【００１２】
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てもよい。このようにすれば、炉内側に突出する冷却水管路の先端部分において、冷却水のよどみが生じることなく、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、先端部分の断面を半球状の構造にすれば、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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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をＣｒ含有量１８％以上のオーステナイト鋼で形成し、先端部分と残りの部分を、溶接材料を用いて周溶接構造で接合するとともに、その接合部分を、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るようにしてもよい。さらに、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と燃料ノズルを含むすべての構造部材をＣｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼で形成するようにしてもよい。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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】
【００２１】
本発明によれば、バーナ近傍における高温場の形成を抑制し、熱応力によるき裂や高温腐食を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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】本発明を適用してなるバーナの他の構成を示す縦断面図である。
【図４】本発明を適用してなる第２の実施形態のバーナの先端側の一部を示す図である。
【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】
【００２３】
（第１の実施形態）
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。）の第１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矢視断面図である。
【００２４】
本実施形態のバーナ１は、ガス化炉の炉壁７１の貫通孔に挿入され、先端側を炉壁７１から炉内側に突き出した状態で炉壁７１に装着されている。このバーナ１は、図１に示すように、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３と、燃料ノズル３の外側を同軸に包囲して設けられる円筒状の酸化剤供給管５と、酸化剤供給管５の外側を同軸に包囲して設けられる円環状の冷却管７を備えて構成される。燃料ノズル３の外周面と酸化剤供給管５の内周面との間には、酸化剤ガスが流れる円環状の酸化剤供給管路９が形成されている。酸化剤供給管５の外周面と冷却管７の内周面との間には、窒素ガスが流れる円環状の窒素ガス供給管路１１が形成されている。冷却管７は、その内部に円環状の冷却水管路１３が形成されている。
【００２５】
図１，２に示すように、燃料ノズル３の先端部分（炉内側）には、燃料噴出孔１５が設けられ、燃料噴出孔１５の外周側には、酸化剤ガスを噴出する酸化剤噴出孔１７が周方向に複数（８個）設けられている。燃料ノズル３の先端部分には外周面を拡径させた大径の拡径部１９が形成され、この拡径部１９には、拡径部１９の軸中心側に向かって斜めに貫通する酸化剤噴出孔１５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。
【００２６】
酸化剤供給管５は、その先端部分の内周面に燃料ノズル３の拡径部１９の外周面が内接されており、基端側の外周面には全周方向に張り出したフランジ部２１が形成されている。燃料ノズル３の基端側の外周面には、この外周面から全周方向に張り出した板状の面により一端側が封止されると共に燃料ノズル３を同軸で包囲する円筒管２３が連結されており、この円筒管２３の他端側の開口部の周縁から全周方向に張り出して形成されるフランジ部２５がフランジ部２１と締結されるようになっている。
【００２７】
酸化剤供給管５の基端側の外周面には、酸化剤供給管５を同軸で包囲する円筒管２７が連結されており、この円筒管２７は、酸化剤供給管５の外周面から全周方向に張り出した板状の面により一端側が封止され、他端側の開口端が冷却管７の端面と連結されている。
【００２８】
冷却管７は、内部の冷却水管路１３が仕切り壁２９により内側流路３１と外側流路３３に区画された２重管構造となっており、先端側と基端側が封止された状態で、炉壁７１に固定される構造になっている。すなわち、冷却管７の外周面にはフランジ部３５が全周方向に張り出して形成され、このフランジ部３５は、炉壁７１の貫通孔の内面から炉外側に突出した筒状の金属板の先端から全周方向に張り出して形成されるフランジ部３７とガスケット３９を介して締結されている。
【００２９】
冷却管７の炉内側に突き出した先端部分４１は、炉内側に半球状に突出して形成され、その内側を冷却水が折り返す構造となっている。冷却管７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４３と冷却水を排出する冷却水排出口４５が設けられ、冷却水供給口４３から供給された冷却水が内側流路３１を流れて炉内の先端部分で折り返し、外側流路３３を経由して冷却水排出口４５から排出されるようになっている。冷却管７の先端部分４１は、燃料ノズル３の炉内に位置する拡径部１７の端面とほぼ同じ位置に配置されている。
【００３０】
このように、炉壁７１、冷却管７、円筒管２７、酸化剤供給管５は、互いに連結された構造体となっているため、燃料ノズル３と連結された円筒管２３を酸化剤供給管５に着脱自在に取り付けることにより、燃料ノズル３を支持する構造となっている。
【００３１】
円筒管２７には、窒素ガスが供給される窒素ガス供給口４７が設けられている。これにより、窒素ガス供給口４７から供給された窒素ガスは、円筒管２７を介して酸化剤供給管５の外周面と冷却管７の内周面との間に形成される窒素ガス供給管路１１を通流し、窒素ガス噴出口４９より炉内に噴出されるようになっている。窒素ガス噴出口４９は、例えば、図２に示すように、酸化剤噴出孔１７を外側から取り囲むように環状に形成されている。
【００３２】
円筒管２３には、酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス供給口５１が設けられている。これにより、酸化剤ガス供給口５１から供給された酸化剤ガスは、円筒管２３を介して燃料ノズル３の外周面と酸化剤供給管５の内周面との間に形成される酸化剤供給管路９を通流し、酸化剤噴出孔１７より炉内に噴出されるようになっている。
【００３３】
燃料ノズル３の基端には、固気分離器５３が連設されている。固気分離器５３は、燃料ノズル３の基端部を同軸に延在させた筒状の容器からなり、基端側に向かって内径を徐々に拡径する胴部５５を有し、胴部５５の基端側の端面は封止されている。この端面には、配管５７の一端側が貫設した状態で固定されており、配管５７の他端側は、窒素ガス供給口４７と接続されている。固気分離器５３の側面には、導入口５９が設けられている。
【００３４】
このように構成されるバーナ１において、窒素ガスに同伴された微粉炭燃料は、導入口５９から固気分離器５３内に導かれ、旋回流が形成されることにより、窒素ガスとの固気分離が行われる。固気分離器５３内で分離された大部分の微粉炭燃料を含む窒素ガスは、燃料ノズル３に供給され、燃料噴出孔１５より炉内に噴出される。一方、微粉炭燃料を殆ど含まない窒素ガスは、配管５７を通じて窒素ガス供給管路１１内に供給され、窒素ガス噴出口４９より炉内に噴出される。また、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給口５１から酸化剤供給管路９内に導入され、酸化剤供給管路９を通じて拡径部１９の酸化剤噴出孔１７より炉内に噴出される。
【００３５】
炉内では、微粉炭燃料と酸化剤とが接触してガス化反応（部分酸化反応）を開始する。このガス化反応により生成されるＣＯや水素ガスを主成分とする高温の可燃性ガスは、バーナ近傍で酸化剤ガスと混合されやすく、高温場を形成する要因となる。本実施形態のバーナ構造によれば、酸化剤ガスを外側から筒状に取り囲むように、窒素ガスによるカーテン状の膜を形成することができるため、炉内に噴出された酸化剤ガスと炉内で生成された可燃性ガスとの接触を抑え、バーナ近傍における発熱反応の開始を抑制することができる。
【００３６】
本実施形態のバーナ１によれば、炉内におけるバーナ近傍の高温場の発生を抑制し、バーナ１の先端部分の温度を低く保つことができるため、先端部分の熱変形、摩耗、溶損等といった問題を解消することができ、バーナ１の寿命改善を図ることができる。これにより、バーナ交換等に伴うメンテナンス費用を低減することができ、経済性を向上させることができる。
【００３７】
また、本実施形態では、固気分離器５３を設けているため、窒素ガス供給管路１１と燃料ノズル３に別々の気体を同時に供給する手段を簡単化することができ、コンパクトなバーナを実現することができる。本実施形態では、窒素ガス供給管路１１より噴出させる酸化剤を含まないガスとして、窒素ガスを用いる例を説明したが、これに限られるものではなく、他の不活性ガス、例えば、水蒸気等を用いるようにしてもよい。なお、本実施形態では、固気分離器５３として旋回方式のものを説明したが、分離方式はこの例に限られるものではない。
【００３８】
また、上記の実施形態のノズルに代えて、例えば、図３に示すように、図１のバーナから固気分離器５３を除いた構成のバーナを用いることもできる。これによれば、窒素ガス供給管路１１に供給する窒素は直接供給方式となるが、基本的に図１のバーナ１と同様の効果を得ることができる。さらにこの構成によれば、例えば、燃料ノズル３に供給する微粉炭燃料を窒素ガスに同伴させて供給すると共に、窒素ガス供給管路１１には窒素ガス以外の水蒸気等を供給することができるため、供給ガスの選択の自由度を高めることができる。
【００３９】
本実施形態のバーナ１において、燃料ノズル３を変更する際は、円筒管２３のフランジ部２５と酸化剤供給管５のフランジ部２１との接続部分、及び配管５７の接続部分（フランジ部分）６１の締結をそれぞれ解除して分離し、燃料ノズル３を炉外側に抜き出すようにする。このとき、拡径部１９は、酸化剤供給管５の内側を摺動しながら移動する。一方、燃料ノズル５を取り付ける際は、これと反対の動作を行えばよい。このように、バーナ１は、冷却管７を炉壁７１に固定したままの状態で、燃料ノズル３をバーナ本体から容易に挿脱することができるため、燃料ノズル３の交換作業の負担が少なくて済む。
【００４０】
また、図１、図３のバーナにおいて、拡径部１９の酸化剤供給管５に内接する面には、断面が例えば半円状の溝を周方向に形成し、その溝内にオーリングなどを装着させるようにしてもよい。このようにオーリングを介在させることにより、拡径部１９と酸化剤供給管５との隙間をより気密に保つことができ、酸化剤の漏洩を防ぐことができる。この場合、オーリングは、できるだけ炉内側から離れた位置、好ましくは、冷却管７の冷却効果により、オーリングの表面温度が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。
【００４１】
さらに、拡径部１９と酸化剤供給管５との隙間部分に位置する拡径部１９の表面には、伝熱促進剤を装着するようにしてもよい。このようにすれば、バーナ１の先端部分の冷却効果を向上させることができる。この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。
【００４２】
なお、特開平１０−２８８３１１号公報によれば、中央の燃料ノズルの外周を包囲するように酸化剤供給路を形成し、その酸化剤供給路の外周を包囲するように円環状に形成された冷却管を配置し、さらに冷却管の外周側から不活性ガスを周状に噴出させる構造のバーナが開示されている。しかし、このような構造の場合、炉内に噴出された不活性ガスと酸化剤との間に、炉内で生成された可燃性ガスが入り込むため、可燃性ガスの遮断効果が十分ではない。これに対し、本実施形態のバーナ構造によれば、冷却管７と酸化剤供給管路９との間に窒素ガス供給管路１１が配置されているため、不活性ガスによる可燃性ガスの遮断効果を高めることができる。
【００４３】
（第２の実施形態）
以下、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面を参照して説明する。図４は、本実施形態を説明するためのバーナの先端側を拡大して示す図である。なお、図４において、第１の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４４】
本実施形態では、第１の実施形態で説明したバーナの構造において、特に冷却管の先端部分の材質を所定のフェライト鋼製としたことを特徴とするものである。
【００４５】
図４に示すように、ノズル１は、特に冷却管７の先端部分４１が炉内で高温に晒されるため、従来は、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。ここで、冷却管７は内部に冷却水が循環する水冷構造としてバーナの温度上昇を抑える構造となっている。ところが、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る。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場合がある。
【００４６】
耐熱性に優れる材料として、例えば、高価なＮｉ基耐熱合金或いは線膨張係数の低い特殊な高Ｃｒ材料（Ｃｒ：６５％フェライト鋼）を用いる例が報告（例えば、特開平２−３３５０３号公報）されている。しかし、時間経過とともにき裂は発生し、そのまま放置すると、き裂が進展して貫通に至るおそれがあるため、比較的短時間でバーナを交換する必要があった。また熱応力の観点からすると、熱伝導率が大きく、線膨張係数の小さい前述のフェライト鋼を用いることが好ましいが、耐熱性が劣るため、高温の火炎やガスに晒されるバーナには使用できないという問題があった。
【００４７】
そこで、本実施形態では、冷却管の先端部分４１を除く部分（以下、本体部分という。）は、従来と同様の１８％Ｃｒオーステナイト鋼製とし、先端部分４１は、Ｃｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼、具体的には９Ｃｒ−１Ｍｏ−Ｎｂ−Ｖ鋼を用いるようにした。ここで、先端部分４１とは、少なくとも半球状に突出して形成される冷却管７の球面部分を含み、好ましくは、その先端部分４１とその他の本体部分との周溶接による溶接部分（接合部）を、完全に炉壁７１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４１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７１の内面よりも炉外側であってもよい。
【００４８】
溶接部分の溶接材料としては、一般の９Ｃｒ鋼用或いはオーステナイト鋼用の溶接材料ではなく、線膨張係数が両者の中間的な値を示すＮｉ基耐熱鋼用の溶接材料を用いるのがよい。
【００４９】
本実施形態では、最も熱疲労が問題となる先端部分４１に熱疲労寿命に優れる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が得られる。しかし、使用温度条件が過酷で長時間の使用によって酸化が進行したり微細き裂が発生したりした場合は、溶接部分で切断し、その切断された先端部分４１のみ交換すればよいため、保守も容易である。ここで、先端部分４１を除く本体部分は、耐酸化性、耐腐食性のよいオーステナイト鋼であるため、ほぼ半永久的に使用でき、保守面での経済性の観点からも効果が大きい。
【００５０】
また、本実施形態では、先端部分４１のみフェライト鋼を用いているが、その他の部分、例えば、冷却管７や燃料ノズル５、拡径部１７等の一部又は全部を同一材料のフェライト鋼（９Ｃｒ−１Ｍｏ−Ｎｂ−Ｖ鋼）とすることもできる。これは、炉外側の温度が低く、耐久性がそれほど問題にならない場合に適したもので、上記の例と同様の効果を得ることができる。
【００５１】
（第３の実施形態）
以下、本発明を適用してなるバーナの第３の実施形態について説明する。本実施形態では、冷却管７の先端部分４１の材質について、第２の実施形態と異なる素材を用いる場合について説明する。
【００５２】
第２の実施形態で説明したように、冷却管７の先端部分４１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４１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、先端部分４１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、先端部分４１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。
【００５３】
そこで、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４１を形成するようにしている。
【００５４】
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７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】
【００５５】
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。
【００５６】
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７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。
【００５７】
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。
【００５８】
一方、冷却管７の先端部分４１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４１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。
【００５９】
また、先端部分４１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、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４１と本体部分との溶接部分は、完全に炉壁７１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４１としてもよい。尚、溶接部分の位置は、炉壁７１内部の内面より炉外側であってもよい。
【００６０】
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７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４１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】
【００６１】
１ バーナ
３ 燃料ノズル
５ 酸化剤供給管
７ 冷却管
９ 酸化剤供給管路
１１ 窒素ガス供給管路
１３ 冷却水管路
１５ 燃料噴出孔
１７ 酸化剤噴出孔
１９ 拡径部
２１，２５，３５，３７ フランジ部
２３，２７ 円筒管
４１ 先端部分
４３ 冷却水供給口
４５ 冷却水排出口
４７ 窒素ガス供給口
４９ 窒素ガス噴出口
５１ 酸化剤ガス供給口
５３ 固気分離器
５９ 導入口
７１ 炉壁
【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、このようにガス化炉にバーナを設置する構造においては、炉内で生成された可燃性ガス（ＣＯ、Ｈ２等）及びチャー等がバーナの近傍で気流に巻き込まれ、酸化剤ガスと混合されることにより、発熱反応（燃焼）を生じさせることがある。このようにしてバーナの近傍に発熱反応に伴う高温場が形成されると、炉内に突出するバーナの先端側は加熱されて高温となり、熱応力によるき裂や高温腐食が発生するおそれがある。
【０００８】
本発明は、バーナ近傍における高温場の形成を抑制し、熱応力によるき裂や高温腐食を防止することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、酸化剤を噴出する酸化剤供給管路と、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、酸化剤供給管路と冷却水管路との間に、酸化剤を含まないガスを供給する環状の供給管路を同軸に介装したことを特徴とする。
【００１０】
このようにすれば、炉内に噴出される酸化剤ガスの外側に、酸化剤を含まないガスによるカーテン状の膜が形成されるため、可燃性ガスと酸化剤ガスとの接触を抑制することができる。これにより、可燃性ガスと酸化剤ガスとの接触に伴う発熱反応が抑制され、バーナ近傍の高温場の発生を抑えることができるため、バーナの先端側の温度を低く保持することができ、バーナの熱応力によるき裂や高温腐食を防止することができる。酸化剤を含まないガスとしては、窒素又は水蒸気を用いることができる。
【００１１】
この場合において、搬送気体により搬送される粉体燃料を固気分離器に導いて固気分離し、この分離後の粉体燃料の濃度が高い方の気体を燃料ノズルの基端側に供給し、粉体燃料の濃度が低い方の気体を環状の供給管路に供給する手段を備えて構成してもよい。このようにすれば、燃料ノズルに供給する気体の供給系と環状の供給管路に供給する気体の供給系を共通化できるため、気体の供給構造を簡素化することができる。
【００１２】
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てもよい。このようにすれば、炉内側に突出する冷却水管路の先端部分において、冷却水のよどみが生じることなく、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、先端部分の断面を半球状の構造にすれば、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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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をＣｒ含有量１８％以上のオーステナイト鋼で形成し、先端部分と残りの部分を、溶接材料を用いて周溶接構造で接合するとともに、その接合部分を、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るようにしてもよい。さらに、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と燃料ノズルを含むすべての構造部材をＣｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼で形成するようにしてもよい。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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】
【００２１】
本発明によれば、バーナ近傍における高温場の形成を抑制し、熱応力によるき裂や高温腐食を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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】本発明を適用してなるバーナの他の構成を示す縦断面図である。
【図４】本発明を適用してなる第２の実施形態のバーナの先端側の一部を示す図である。
【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】
【００２３】
（第１の実施形態）
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。）の第１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矢視断面図である。
【００２４】
本実施形態のバーナ１は、ガス化炉の炉壁７１の貫通孔に挿入され、先端側を炉壁７１から炉内側に突き出した状態で炉壁７１に装着されている。このバーナ１は、図１に示すように、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３と、燃料ノズル３の外側を同軸に包囲して設けられる円筒状の酸化剤供給管５と、酸化剤供給管５の外側を同軸に包囲して設けられる円環状の冷却管７を備えて構成される。燃料ノズル３の外周面と酸化剤供給管５の内周面との間には、酸化剤ガスが流れる円環状の酸化剤供給管路９が形成されている。酸化剤供給管５の外周面と冷却管７の内周面との間には、窒素ガスが流れる円環状の窒素ガス供給管路１１が形成されている。冷却管７は、その内部に円環状の冷却水管路１３が形成されている。
【００２５】
図１，２に示すように、燃料ノズル３の先端部分（炉内側）には、燃料噴出孔１５が設けられ、燃料噴出孔１５の外周側には、酸化剤ガスを噴出する酸化剤噴出孔１７が周方向に複数（８個）設けられている。燃料ノズル３の先端部分には外周面を拡径させた大径の拡径部１９が形成され、この拡径部１９には、拡径部１９の軸中心側に向かって斜めに貫通する酸化剤噴出孔１５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。
【００２６】
酸化剤供給管５は、その先端部分の内周面に燃料ノズル３の拡径部１９の外周面が内接されており、基端側の外周面には全周方向に張り出したフランジ部２１が形成されている。燃料ノズル３の基端側の外周面には、この外周面から全周方向に張り出した板状の面により一端側が封止されると共に燃料ノズル３を同軸で包囲する円筒管２３が連結されており、この円筒管２３の他端側の開口部の周縁から全周方向に張り出して形成されるフランジ部２５がフランジ部２１と締結されるようになっている。
【００２７】
酸化剤供給管５の基端側の外周面には、酸化剤供給管５を同軸で包囲する円筒管２７が連結されており、この円筒管２７は、酸化剤供給管５の外周面から全周方向に張り出した板状の面により一端側が封止され、他端側の開口端が冷却管７の端面と連結されている。
【００２８】
冷却管７は、内部の冷却水管路１３が仕切り壁２９により内側流路３１と外側流路３３に区画された２重管構造となっており、先端側と基端側が封止された状態で、炉壁７１に固定される構造になっている。すなわち、冷却管７の外周面にはフランジ部３５が全周方向に張り出して形成され、このフランジ部３５は、炉壁７１の貫通孔の内面から炉外側に突出した筒状の金属板の先端から全周方向に張り出して形成されるフランジ部３７とガスケット３９を介して締結されている。
【００２９】
冷却管７の炉内側に突き出した先端部分４１は、炉内側に半球状に突出して形成され、その内側を冷却水が折り返す構造となっている。冷却管７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４３と冷却水を排出する冷却水排出口４５が設けられ、冷却水供給口４３から供給された冷却水が内側流路３１を流れて炉内の先端部分で折り返し、外側流路３３を経由して冷却水排出口４５から排出されるようになっている。冷却管７の先端部分４１は、燃料ノズル３の炉内に位置する拡径部１７の端面とほぼ同じ位置に配置されている。
【００３０】
このように、炉壁７１、冷却管７、円筒管２７、酸化剤供給管５は、互いに連結された構造体となっているため、燃料ノズル３と連結された円筒管２３を酸化剤供給管５に着脱自在に取り付けることにより、燃料ノズル３を支持する構造となっている。
【００３１】
円筒管２７には、窒素ガスが供給される窒素ガス供給口４７が設けられている。これにより、窒素ガス供給口４７から供給された窒素ガスは、円筒管２７を介して酸化剤供給管５の外周面と冷却管７の内周面との間に形成される窒素ガス供給管路１１を通流し、窒素ガス噴出口４９より炉内に噴出されるようになっている。窒素ガス噴出口４９は、例えば、図２に示すように、酸化剤噴出孔１７を外側から取り囲むように環状に形成されている。
【００３２】
円筒管２３には、酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス供給口５１が設けられている。これにより、酸化剤ガス供給口５１から供給された酸化剤ガスは、円筒管２３を介して燃料ノズル３の外周面と酸化剤供給管５の内周面との間に形成される酸化剤供給管路９を通流し、酸化剤噴出孔１７より炉内に噴出されるようになっている。
【００３３】
燃料ノズル３の基端には、固気分離器５３が連設されている。固気分離器５３は、燃料ノズル３の基端部を同軸に延在させた筒状の容器からなり、基端側に向かって内径を徐々に拡径する胴部５５を有し、胴部５５の基端側の端面は封止されている。この端面には、配管５７の一端側が貫設した状態で固定されており、配管５７の他端側は、窒素ガス供給口４７と接続されている。固気分離器５３の側面には、導入口５９が設けられている。
【００３４】
このように構成されるバーナ１において、窒素ガスに同伴された微粉炭燃料は、導入口５９から固気分離器５３内に導かれ、旋回流が形成されることにより、窒素ガスとの固気分離が行われる。固気分離器５３内で分離された大部分の微粉炭燃料を含む窒素ガスは、燃料ノズル３に供給され、燃料噴出孔１５より炉内に噴出される。一方、微粉炭燃料を殆ど含まない窒素ガスは、配管５７を通じて窒素ガス供給管路１１内に供給され、窒素ガス噴出口４９より炉内に噴出される。また、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給口５１から酸化剤供給管路９内に導入され、酸化剤供給管路９を通じて拡径部１９の酸化剤噴出孔１７より炉内に噴出される。
【００３５】
炉内では、微粉炭燃料と酸化剤とが接触してガス化反応（部分酸化反応）を開始する。このガス化反応により生成されるＣＯや水素ガスを主成分とする高温の可燃性ガスは、バーナ近傍で酸化剤ガスと混合されやすく、高温場を形成する要因となる。本実施形態のバーナ構造によれば、酸化剤ガスを外側から筒状に取り囲むように、窒素ガスによるカーテン状の膜を形成することができるため、炉内に噴出された酸化剤ガスと炉内で生成された可燃性ガスとの接触を抑え、バーナ近傍における発熱反応の開始を抑制することができる。
【００３６】
本実施形態のバーナ１によれば、炉内におけるバーナ近傍の高温場の発生を抑制し、バーナ１の先端部分の温度を低く保つことができるため、先端部分の熱変形、摩耗、溶損等といった問題を解消することができ、バーナ１の寿命改善を図ることができる。これにより、バーナ交換等に伴うメンテナンス費用を低減することができ、経済性を向上させることができる。
【００３７】
また、本実施形態では、固気分離器５３を設けているため、窒素ガス供給管路１１と燃料ノズル３に別々の気体を同時に供給する手段を簡単化することができ、コンパクトなバーナを実現することができる。本実施形態では、窒素ガス供給管路１１より噴出させる酸化剤を含まないガスとして、窒素ガスを用いる例を説明したが、これに限られるものではなく、他の不活性ガス、例えば、水蒸気等を用いるようにしてもよい。なお、本実施形態では、固気分離器５３として旋回方式のものを説明したが、分離方式はこの例に限られるものではない。
【００３８】
また、上記の実施形態のノズルに代えて、例えば、図３に示すように、図１のバーナから固気分離器５３を除いた構成のバーナを用いることもできる。これによれば、窒素ガス供給管路１１に供給する窒素は直接供給方式となるが、基本的に図１のバーナ１と同様の効果を得ることができる。さらにこの構成によれば、例えば、燃料ノズル３に供給する微粉炭燃料を窒素ガスに同伴させて供給すると共に、窒素ガス供給管路１１には窒素ガス以外の水蒸気等を供給することができるため、供給ガスの選択の自由度を高めることができる。
【００３９】
本実施形態のバーナ１において、燃料ノズル３を変更する際は、円筒管２３のフランジ部２５と酸化剤供給管５のフランジ部２１との接続部分、及び配管５７の接続部分（フランジ部分）６１の締結をそれぞれ解除して分離し、燃料ノズル３を炉外側に抜き出すようにする。このとき、拡径部１９は、酸化剤供給管５の内側を摺動しながら移動する。一方、燃料ノズル５を取り付ける際は、これと反対の動作を行えばよい。このように、バーナ１は、冷却管７を炉壁７１に固定したままの状態で、燃料ノズル３をバーナ本体から容易に挿脱することができるため、燃料ノズル３の交換作業の負担が少なくて済む。
【００４０】
また、図１、図３のバーナにおいて、拡径部１９の酸化剤供給管５に内接する面には、断面が例えば半円状の溝を周方向に形成し、その溝内にオーリングなどを装着させるようにしてもよい。このようにオーリングを介在させることにより、拡径部１９と酸化剤供給管５との隙間をより気密に保つことができ、酸化剤の漏洩を防ぐことができる。この場合、オーリングは、できるだけ炉内側から離れた位置、好ましくは、冷却管７の冷却効果により、オーリングの表面温度が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。
【００４１】
さらに、拡径部１９と酸化剤供給管５との隙間部分に位置する拡径部１９の表面には、伝熱促進剤を装着するようにしてもよい。このようにすれば、バーナ１の先端部分の冷却効果を向上させることができる。この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。
【００４２】
なお、特開平１０−２８８３１１号公報によれば、中央の燃料ノズルの外周を包囲するように酸化剤供給路を形成し、その酸化剤供給路の外周を包囲するように円環状に形成された冷却管を配置し、さらに冷却管の外周側から不活性ガスを周状に噴出させる構造のバーナが開示されている。しかし、このような構造の場合、炉内に噴出された不活性ガスと酸化剤との間に、炉内で生成された可燃性ガスが入り込むため、可燃性ガスの遮断効果が十分ではない。これに対し、本実施形態のバーナ構造によれば、冷却管７と酸化剤供給管路９との間に窒素ガス供給管路１１が配置されているため、不活性ガスによる可燃性ガスの遮断効果を高めることができる。
【００４３】
（第２の実施形態）
以下、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面を参照して説明する。図４は、本実施形態を説明するためのバーナの先端側を拡大して示す図である。なお、図４において、第１の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４４】
本実施形態では、第１の実施形態で説明したバーナの構造において、特に冷却管の先端部分の材質を所定のフェライト鋼製としたことを特徴とするものである。
【００４５】
図４に示すように、ノズル１は、特に冷却管７の先端部分４１が炉内で高温に晒されるため、従来は、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。ここで、冷却管７は内部に冷却水が循環する水冷構造としてバーナの温度上昇を抑える構造となっている。ところが、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る。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場合がある。
【００４６】
耐熱性に優れる材料として、例えば、高価なＮｉ基耐熱合金或いは線膨張係数の低い特殊な高Ｃｒ材料（Ｃｒ：６５％フェライト鋼）を用いる例が報告（例えば、特開平２−３３５０３号公報）されている。しかし、時間経過とともにき裂は発生し、そのまま放置すると、き裂が進展して貫通に至るおそれがあるため、比較的短時間でバーナを交換する必要があった。また熱応力の観点からすると、熱伝導率が大きく、線膨張係数の小さい前述のフェライト鋼を用いることが好ましいが、耐熱性が劣るため、高温の火炎やガスに晒されるバーナには使用できないという問題があった。
【００４７】
そこで、本実施形態では、冷却管の先端部分４１を除く部分（以下、本体部分という。）は、従来と同様の１８％Ｃｒオーステナイト鋼製とし、先端部分４１は、Ｃｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼、具体的には９Ｃｒ−１Ｍｏ−Ｎｂ−Ｖ鋼を用いるようにした。ここで、先端部分４１とは、少なくとも半球状に突出して形成される冷却管７の球面部分を含み、好ましくは、その先端部分４１とその他の本体部分との周溶接による溶接部分（接合部）を、完全に炉壁７１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４１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７１の内面よりも炉外側であってもよい。
【００４８】
溶接部分の溶接材料としては、一般の９Ｃｒ鋼用或いはオーステナイト鋼用の溶接材料ではなく、線膨張係数が両者の中間的な値を示すＮｉ基耐熱鋼用の溶接材料を用いるのがよい。
【００４９】
本実施形態では、最も熱疲労が問題となる先端部分４１に熱疲労寿命に優れる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が得られる。しかし、使用温度条件が過酷で長時間の使用によって酸化が進行したり微細き裂が発生したりした場合は、溶接部分で切断し、その切断された先端部分４１のみ交換すればよいため、保守も容易である。ここで、先端部分４１を除く本体部分は、耐酸化性、耐腐食性のよいオーステナイト鋼であるため、ほぼ半永久的に使用でき、保守面での経済性の観点からも効果が大きい。
【００５０】
また、本実施形態では、先端部分４１のみフェライト鋼を用いているが、その他の部分、例えば、冷却管７や燃料ノズル５、拡径部１７等の一部又は全部を同一材料のフェライト鋼（９Ｃｒ−１Ｍｏ−Ｎｂ−Ｖ鋼）とすることもできる。これは、炉外側の温度が低く、耐久性がそれほど問題にならない場合に適したもので、上記の例と同様の効果を得ることができる。
【００５１】
（第３の実施形態）
以下、本発明を適用してなるバーナの第３の実施形態について説明する。本実施形態では、冷却管７の先端部分４１の材質について、第２の実施形態と異なる素材を用いる場合について説明する。
【００５２】
第２の実施形態で説明したように、冷却管７の先端部分４１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４１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、先端部分４１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、先端部分４１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。
【００５３】
そこで、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４１を形成するようにしている。
【００５４】
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７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】
【００５５】
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。
【００５６】
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７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。
【００５７】
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。
【００５８】
一方、冷却管７の先端部分４１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４１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。
【００５９】
また、先端部分４１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、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４１と本体部分との溶接部分は、完全に炉壁７１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４１としてもよい。尚、溶接部分の位置は、炉壁７１内部の内面より炉外側であってもよい。
【００６０】
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７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４１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】
【００６１】
１ バーナ
３ 燃料ノズル
５ 酸化剤供給管
７ 冷却管
９ 酸化剤供給管路
１１ 窒素ガス供給管路
１３ 冷却水管路
１５ 燃料噴出孔
１７ 酸化剤噴出孔
１９ 拡径部
２１，２５，３５，３７ フランジ部
２３，２７ 円筒管
４１ 先端部分
４３ 冷却水供給口
４５ 冷却水排出口
４７ 窒素ガス供給口
４９ 窒素ガス噴出口
５１ 酸化剤ガス供給口
５３ 固気分離器
５９ 導入口
７１ 炉壁
【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、酸化剤を噴出する酸化剤供給管路と、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、
前記酸化剤供給管路と前記冷却水管路との間に、前記酸化剤を含まないガスを供給する環状の供給管路を同軸に介装したことを特徴とするバーナ。
【請求項２】
前記酸化剤を含まないガスは、窒素又は水蒸気であることを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
【請求項３】
前記搬送気体により搬送される前記粉体燃料を固気分離器に導いて固気分離し、分離後の前記粉体燃料の濃度が高い方の気体を前記燃料ノズルの基端側に供給し、前記粉体燃料の濃度が低い方の気体を前記環状の供給管路に供給する手段を備えることを特徴とする請求項１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５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と前記燃料ノズルを含むすべての構造部材が、Ｃｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼で形成されていることを特徴とする請求項５に記載のバーナ。
【請求項８】
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９】
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８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、酸化剤を噴出する酸化剤供給管路と、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、
前記酸化剤供給管路と前記冷却水管路との間に、前記酸化剤を含まないガスを供給する環状の供給管路を同軸に介装したことを特徴とするバーナ。
【請求項２】
前記酸化剤を含まないガスは、窒素又は水蒸気であることを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
【請求項３】
前記搬送気体により搬送される前記粉体燃料を固気分離器に導いて固気分離し、分離後の前記粉体燃料の濃度が高い方の気体を前記燃料ノズルの基端側に供給し、前記粉体燃料の濃度が低い方の気体を前記環状の供給管路に供給する手段を備えることを特徴とする請求項１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５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と前記燃料ノズルを含むすべての構造部材が、Ｃｒ含有量９〜１７％のフェライト鋼で形成されていることを特徴とする請求項５に記載のバーナ。
【請求項８】
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９】
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８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２０１１−１２８６６（Ｐ２０１１−１２８６６Ａ）
【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２００９−１５６５２１（Ｐ２００９−１５６５２１）
【出願日】平成２１年７月１日（２００９．７．１）
【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７月１日（２００９．７．１）
【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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