JP2013024451A - ガス化用バーナ - Google Patents

Abstract

【課題】炉内から受ける熱負荷の影響を少なすること、及び、バーナ先端部のスラグの付着、成長を抑制すること。
【解決手段】第１のガス化剤供給管路９の外周を同軸に包囲して設けられ、搬送用気体に搬送される微粉固体燃料が流れる燃料供給管路１１と、燃料供給管路の外周を同軸に包囲する第２のガス化剤供給管路１３と、第２のガス化剤供給管路の外周を包囲する冷却水供給管７を備えたバーナ１であり、第１のガス化剤供給管路を流れるガス化剤は、第１の噴出孔１５から噴出され、第２のガス化剤供給管路を流れるガス化剤は、燃料供給管路の外側に同心状に設けられた複数の第２の噴出孔１９から噴出される。第２の噴出孔から噴出されるガス化剤の噴出速度は、燃料供給管路から噴出される微粉固体燃料の噴出速度よりも大きくなっている。
【選択図】図２

Description

本発明はガス化用バーナに係り、特に、石炭等の微粉炭原料及び酸素や空気等のガス化剤をガス化炉内に供給するガス化用バーナの構造に関する。

石炭をガス化する方法としては、高温に保持されたガス化炉内に石炭等の微粉固体燃料と酸素や空気等のガス化剤をバーナから供給し、燃料中の可燃分を燃焼させることで一酸化炭素や水素などの可燃性ガスを生じさせ、灰分を有害成分の含まないスラグに変換して回収する気流層石炭ガス化法が知られている。この方法によれば、燃料ガスが高い効率で得られるとともに、環境保全性も優れ、しかも適用可能な原料種が多いため、石炭ガス化複合発電システムや石炭ガス化燃料電池複合発電システム等の次世代火力発電システム、石炭液化用、化学原料用等に用いる水素製造システム等への利用が期待されている。

この種のガス化プラントに使用されるガス化炉には、微粉固体燃料を噴射するためのガス化用バーナ（以下、バーナと略す。）が設けられている。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、その先端部が炉内に突き出た状態で炉壁に装着されている。炉内へ挿入されたバーナの先端部は、灰の溶融温度以上の高温に曝されるだけでなく、溶融スラグの付着、剥離等により、大きな熱負荷を受けることがある。このようにバーナ先端部が大きな熱負荷を受けた場合、先端部の溶損、き裂の発生、高温腐食による減肉等が発生し、バーナの寿命が著しく低下する。

そのため、この種のバーナには何らかの冷却手段が設けられている。例えば、燃料ノズルの外周を円筒状の酸化剤供給管路で包囲するとともに、その酸化剤供給管路の外周を冷却水が流れる冷却水管路でさらに包囲するようにした多重管構造のバーナが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

ところで、ガス化炉内には、微粉固体燃料とガス化剤との反応によって生成した高温の可燃性ガスが充満している。このため、バーナから炉内に噴射されたガス化剤が可燃性ガスと混合、反応することにより、燃焼反応を引き起こし、高温領域が発生することがある。このような高温領域がバーナ先端部の近傍に発生した場合、バーナ先端部が大きな熱負荷を受けるおそれがある。

このような炉内における高温領域の発生を抑制する構造として、例えば、中心にガス化剤供給管路を備え、その外周側を円筒状の燃料供給管路で包囲したバーナ構造が開示されている（例えば、特許文献２参照）。これによれば、ガス化剤を取り囲むようにして搬送用ガスに同伴された微粉固体燃料が噴き出されるため、ガス化剤と炉内の可燃性ガスとの接触による燃焼が抑制され、バーナ先端部の近傍における高温領域の発生を抑制することができる。

また、特許文献２のバーナでは、酸化剤供給管路から噴出されるガス化剤がその外周側から供給される微粉固体燃料の噴流を貫くように直進し、ガス化剤と微粉固体原料との混合が遅くなるため、バーナによる火炎形成領域がバーナの先端部よりも遠方に形成され、バーナ先端部における熱負荷の影響が少なくなる。

特開平１０−２８８３１１号公報

特開２０１０−１０６１３２号公報

しかしながら、特許文献２のバーナは、例えば、環状に形成された微粉固体燃料の噴出口の面積と微粉固体燃料を搬送する搬送用ガスの供給量との関係で、バーナ先端から噴き出される搬送用ガスと微粉固体燃料は、バーナの先端に付着するスラグを吹き飛ばす程度の噴出速度を得られないことがある。このため、バーナの先端に付着したスラグは次第に成長し、その結果、バーナの火炎が偏向して炉壁に焼損が生じ、或いは、微粉固体燃料の噴出口が閉塞してガス化炉の安全運転に支障が出るおそれがある。

本発明は、炉内から受ける熱負荷の影響を少なくし、しかもバーナ先端部のスラグの付着、成長を抑制して安定なガス化炉の運転を可能とするガス化用バーナを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明のガス化用バーナは、ガス化剤が流れる第１のガス化剤供給管路と、この第１のガス化剤供給管路の外周を同軸に包囲して設けられ、搬送用気体により搬送される微粉固体燃料が流れる燃料供給管路と、この燃料供給管路の外周を同軸に包囲して設けられたガス化剤が流れる第２のガス化剤供給管路と、この第２のガス化剤供給管路の外周を包囲して設けられた冷却媒体が通流する冷却媒体通流管路とを備え、第１のガス化剤供給管路を流れるガス化剤は第１の噴出孔から噴出され、第２のガス化剤供給管路を流れるガス化剤は燃料供給管路の外側に同心状に設けられた複数の第２の噴出孔から噴出されてなり、第２の噴出孔から噴出されるガス化剤の噴出速度は、燃料供給管路から噴出される微粉固体燃料の噴出速度よりも大きくなるように形成されてなることを特徴とする。

このようにガス化剤の噴出口を第１の噴出孔と第２の噴出孔に分けることで、微粉固体燃料の噴出口の内周側と外周側からそれぞれ噴き出されるガス化剤の噴出速度や噴出量等の調整が可能となる。ここで、第２の噴出孔から噴出されるガス化剤が、微粉固体燃料の噴出速度よりも大きな所定の速度で噴出されるように調整することで、バーナ先端部に付着する溶融スラグを第２の噴出孔から噴出されるガス化剤によって吹き飛ばすことが可能となる。このため、バーナ先端部への溶融スラグの付着及び成長を抑制することができる。

また、第１の噴出孔から噴出されたガス化剤は、搬送用ガスと同伴する微粉固体燃料の噴流中を貫通するように直進して火炎を形成するために、バーナ先端部の近傍ではガス化剤と炉内の可燃性ガスとの接触が抑制されるとともに、バーナ先端部から遠い位置に火炎が形成される。このため、バーナ先端部が炉内から受ける熱負荷を小さくすることができる。また、第２の噴出孔から噴出されるガス化剤は、溶融スラグを吹き飛ばすことができればよいため、第２の噴出孔から噴出されるガス化剤の噴出量（単位時間あたりの噴出量）は、溶融スラグを吹き飛ばすことが可能な必要量となるように調整することで、バーナ先端部の近傍における高温領域の発生を抑制することができる。

一方、第２の噴出孔から噴出されるガス化剤の噴出量を必要以上に増やしていくと、炉内に充満する可燃性ガスとガス化剤の接触による燃焼反応が進み、バーナ先端部が炉内から受ける熱負荷が増大することになる。

ここで、本発明者らが、微粉固体燃料の噴出口の外周側から噴出するガス化剤の噴出量と、バーナ先端部が炉内から受ける熱負荷との関係を、熱流動解析により検討した結果を図５に示す。図５はバーナから噴出される全ガス化剤量に対する外周側から噴出されるガス化剤の噴出量の比率（％）を横軸とし、バーナ先端部が炉内から受ける熱流束の比（％）を縦軸としている。図において、横軸の数値が０％の場合は、外周側から全くガス化剤を供給しない場合で、特許文献２に開示された構造のガス化用バーナに相当する。また、横軸の数値が１００％の場合は逆に、ガス化剤の全量を外周側から供給する場合で、特許文献１に開示された構造のガス化用バーナに相当する。

この結果によれば、微粉固体燃料の噴出口の外周側から全ガス化剤の噴出量の５０％、つまり半分の量を噴出した場合でも、バーナ先端部が受ける熱負荷の増加は１０％以下に抑えられるが、それ以上のガス化剤を外周側から供給すると熱負荷が急激に増加することが判明した。

このことから、第２の噴出孔から噴出されるガス化剤の噴出量は、第１の噴出孔から噴出されるガス化剤と第２の噴出孔から噴出されるガス化剤を合計した全ガス化剤噴出量の半分以下となるように形成されてなるものとする。このようにすることで、バーナ先端部への熱負荷の影響を少なくすることができる。

また、第２の噴出孔は、この第２の噴出孔から噴射されるガス化剤が、第１のガス化剤供給管路の軸芯と平行な方向に噴射されるように形成されてもよい。このような方向でガス化剤を噴射できるようにすることで、ガス化剤がバーナ先端面に付着する溶融スラグを吹き飛ばす作用を最も高めることができる。

また、冷却媒体通流管路は、冷却媒体が流れる環状の空間が仕切壁を隔てて外周側と内周側とで画成され、この冷却媒体通流管路の先端部分は、半球状に突出して環状に形成され、その先端部分の内側は冷却媒体を折り返す構造をなしているものであってもよい。

また、冷却媒体通流管路は、第２の酸化剤供給管路の外周面に沿って冷却媒体が流れる冷却管路が螺旋状に巻き回されて構成され、この冷却管は第２の酸化剤供給管路の先端側から巻き回しが開始されてなるものであってもよい。

本発明のガス化用バーナによれば、炉内から受ける熱負荷の影響を少なくすることができる。また、バーナ先端部のスラグの付着、成長を抑制して安定なガス化炉の運転を実現できる。

本発明が適用されてなるガス化用バーナの第１の実施形態の正面図である。 図１のガス化用バーナの側断面図である。 本発明が適用されてなるガス化用バーナの第２の実施形態の正面図である。 図４のガス化用バーナの側断面図である。 微粉固体燃料の噴出口の外周側から噴出するガス化剤の噴出量と、バーナ先端部が炉内から受ける熱負荷との関係を示す線図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明を適用してなるガス化用バーナの第１の実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。

本実施形態のバーナは、微粉固体燃料である微粉炭をガス化するガス化炉の炉壁に設けられるものとして説明するが、燃料とガス化剤を噴出するバーナであれば、この例に限られるものではない。また、本実施形態では、ガス化剤として酸素や空気等の酸化剤ガスを用いるが、これに限られるものではない。

本実施形態のバーナ１は、図示しないガス化装置の炉壁の貫通孔に挿入され、先端側を炉壁から炉内側に突き出した状態で炉壁に装着されている。このバーナ１は、中心に位置する円筒状のガス化剤供給管３と、ガス化剤供給管３の外周を同軸に包囲して設けられる円筒状の燃料供給管５と、燃料供給管５の外周を同軸で包囲して設けられる円環状の冷却水供給管７を備えて構成される。

ガス化剤供給管３の内側は、ガス化剤が流れる第１のガス化剤供給管路９となっている。ガス化剤供給管３の外周面と燃料供給管５の内周面に挟まれて形成される環状の空間は、搬送用気体に搬送された微粉炭が流れる燃料供給管路１１となっている。燃料供給管５の外周面と冷却水供給管７の内周面に挟まれて形成される環状の空間は、ガス化剤が流れる第２のガス化剤供給管路１３となっている。燃料供給管路１１を流れる搬送用ガスとしては、燃焼反応に対して不活性な窒素等の不活性ガスが用いられる。

第１のガス化剤供給管路９を流れるガス化剤は、噴出孔１５から炉内に噴出され、燃料供給管路１１を流れる微粉炭及び搬送用気体は、環状の噴出口１７から炉内に噴出されるようになっている。第２のガス化剤供給管路１３を流れるガス化剤は、燃料供給管路１１の外側に同心状に設けられた複数の噴出孔１９から炉内に噴出されるようになっている。

噴出孔１９は、燃料供給管５の先端部分の外周面を拡径させた拡径部２１を貫いて形成され、噴出孔１９から噴射されるガス化剤がガス化剤供給管３の軸芯方向に向かうように斜めに形成されている。噴出孔１９は、正面から見て周方向に渡り等間隔に形成されている（図１）。拡径部２１の外周面は、冷却水供給管７の内周面と接するようになっている。

冷却水供給管７は、その内部の冷却水管路が仕切壁２３により内側流路２５と外側流路２７に区画された２重構造となっている。冷却水供給管７の炉内側に突き出した先端部分２９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となっている。図示しない冷却水供給口から供給された冷却水は、内側流路２５を流れて炉内の先端部分２９で折り返し、外側流路２７を流れた後に図示しない冷却水排出口から排出されるようになっている。

第１のガス化剤供給管路９と第２のガス化剤供給管路１３に供給されるガス化剤は、図示しないガス化剤供給口から供給されたガス化剤が途中で分岐されて第１のガス化剤供給管路９と第２のガス化剤供給管路１３に供給されるようになっている。また、燃料供給管路１１に供給される微粉炭は、図示しない燃料供給口から搬送用ガスに同伴されて供給されるようになっている。

本実施形態のバーナ１は、噴出口１７から噴出される微粉炭が、搬送用ガスに同伴されて例えば毎秒１０〜２０ｍの速度で噴出されるのに対し、噴出孔１５及び噴出孔１９からそれぞれ噴出されるガス化剤が、噴出口１７から噴出される微粉炭の噴出速度よりも速い速度で噴出されるように形成されている。例えば、噴出孔１９から噴出されるガス化剤は、例えば毎秒４０〜１００ｍの速度で噴出されるようになっている。

一方、噴出孔１９から噴出されるガス化剤の噴出量は、噴出孔１５から噴出されるガス化剤と噴出孔１９から噴出されるガス化剤とを合計した全ガス化剤噴出量の半分、つまり５０％以下となるように噴出孔１９の開口面積、つまり噴出孔１９の孔径や噴出孔１９の孔数などが設定されている。ここで、噴出量とは、単位時間当たりのガス化剤の噴出量を意味する。

このように構成されるバーナ１は、ガス化剤が噴出孔１５，１９より炉内に噴出されるとともに、搬送用ガスに同伴された微粉炭が噴出口１７より炉内に噴出される。そして、炉内に噴出された微粉炭とガス化剤が接触することで燃焼反応が開始され、この発熱によりガス化反応が進行し、一酸化炭素や水素等の可燃性ガスが生成される。

本実施形態のバーナ１は、微粉炭の噴出口１７の外側に複数の噴出孔１９を設け、この噴出孔１９から噴出されるガス化剤が、噴出口１７から噴出される微粉炭の噴出速度よりも速い所定の速度で噴出されるように形成されるため、噴出孔１９から高速で噴出されたガス化剤によって、バーナ１の先端面の周縁部などに付着する溶融スラグを容易に吹き飛ばすことができる。このため、バーナ１の先端面への溶融スラグの付着及び成長を抑制することができる。

また、噴出孔１５から噴出されるガス化剤は、炉内において、搬送用ガスと同伴する微粉炭の噴流中を貫通するように直進するため、バーナ１の火炎がバーナ１の先端部から遠方に形成される一方、バーナ１の先端部の近傍では、噴出孔１５から噴出されたガス化剤が微粉炭の搬送用ガスによって包囲されるため、ガス化剤と炉内の燃焼性ガスとの接触が抑制される。このため、バーナ１の先端部が炉内から受ける熱負荷を少なくすることができる。

さらに、噴出孔１９から噴出されるガス化剤は、バーナ１の先端部に付着する溶融スラグを吹き飛ばすことができる程度の噴出量、つまり、バーナ１から噴出される全ガス化剤噴出量の５０％以下に調整されるため、炉内の可燃性ガスと必要以上に混合されて燃焼することがない。このため、バーナ１の先端部の近傍における高温領域の発生を抑制することができる。

（第２の実施形態）
以下、本発明を適用してなるガス化用バーナの第２の実施形態について、図３及び図４を参照して説明する。なお、本実施形態では、第１の実施形態と同一の構成には、同じ符号を付して説明を省略し、第１の実施形態と異なる構成や特徴部について説明する。

本実施形態のバーナ３１は、燃料供給管５の先端部分に形成される拡径部２１の外周面が筒状の封止管３３の内周面と当接するように連結して形成され、燃料供給管５の外周面と封止管３３の内周面に挟まれて形成される環状の空間は、ガス化剤が流れる第２のガス化剤供給管路１３となっている。拡径部２１には、ガス化剤を噴出する噴出孔３５が貫通して形成されるが、この噴出孔３５は、噴出孔３５から噴射されるガス化剤がガス化剤供給管３の軸芯と平行な方向に向かうように形成されている。

封止管３３の外周面には、冷却用コイル３７が巻き回されている。この冷却用コイル３７は、炉外から炉壁を貫通させて炉内に導入され、封止管３３の先端側へ向けて延在してから屈曲する冷却水導入管３９と一端が連通され、封止管３３の先端側から基端側へ向かって螺旋状に巻き回されている。これにより、炉外側から供給された冷却水は、冷却水導入管３９を経由した後、封止管３３に巻き回された冷却用コイル３７をガス化剤供給管３の軸芯に対してほぼ接線方向に流れ、炉外側に戻される。

本実施形態のバーナ３１は、亜れき青炭や褐炭等の燃焼性又はガス化反応性が比較的高い石炭種をガス化する場合に好適である。このような石炭種をガス化する場合は、第１の実施形態のように、噴出孔１９から噴出するガス化剤をガス化剤供給管３の軸芯に向けて噴出させ、微粉炭との混合を促進させる必要がなく、噴出孔１９から噴出されるガス化剤を微粉炭の噴流方向と平行に噴出させることにより、噴流の貫通力を一層強め、バーナ１の先端部に付着する溶融スラグを吹き飛ばす作用を高めることができる。これにより、バーナ１の先端面への溶融スラグの付着及び成長を効果的に抑制することができる。

また、本実施形態のバーナ３１においても、噴出孔１５から噴出されるガス化剤は、搬送用ガスと同伴する微粉炭の噴流中を貫通するように直進するため、火炎の形成領域はバーナ１の先端から遠方に形成される一方、バーナ１の先端部の近傍では、噴出孔１５から噴出されたガス化剤が微粉炭の搬送用ガスで包囲されるため、ガス化剤と炉内の燃焼性ガスとの接触が抑制される。このため、バーナ１の先端部が炉内から受ける熱負荷を少なくすることができる。

さらに、噴出孔３５から噴出されるガス化剤は、バーナ１の先端部に付着する溶融スラグを吹き飛ばすことができる程度の噴出量、つまり、バーナ１から噴出される全ガス化剤噴出量の５０％以下に調整することで、バーナ１の先端部の近傍における高温領域の発生を抑制することができる。

以上述べたように、上記の実施形態によれば、炉内からの過大な熱負荷からバーナ先端部を保護することができるため、バーナ先端部の熱疲労に起因する割れや高温酸化・硫化腐食による減肉の発生を抑制することができ、バーナの寿命を向上させることができる。また、バーナ先端部への溶融スラグの付着及び成長を抑制することができるため、スラグの付着や成長によるバーナの火炎の偏向或いは微粉炭の噴出口１７の閉塞等を生じることがなく、安定なガス化炉の運転を実現することができる。

第１の実施形態と第２の実施形態では、冷却構造に加えて、第２のガス化剤供給管路１３や噴出孔１９、３５の構成が異なる例を説明したが、これらの構造に限定されるものではなく、例えば、両実施形態の冷却構造だけを交換してもよいし、噴出孔１９、３５の構造だけを交換してもよい。要は、第１のガス化剤供給管路９の外周側に燃料供給管路１１が配置され、燃料供給管路１１の外周側に第２のガス化剤供給管路１３が配置され、第２のガス化剤供給管路１３の外周側に冷却構造が配置され、噴出口１７から噴出される微粉炭の噴出速度よりも噴出孔１９，３５から噴出されるガス化剤の噴出速度が大きくなるように形成されていればよい。

なお、特開平９−２４３０２８号公報には、１次酸素流路の外周側に燃料ガス流路を形成し、さらにその外周側に２次酸素流路を形成する多重構造のバーナが開示されているが、これは、２次酸素の噴出速度を燃料ガスの噴出速度よりも低くすることで、安定な火炎長の長い低輝度火炎を形成させるものである。これに対し、本発明が適用されるバーナ１は、微粉炭の保炎性には問題がなく、むしろバーナ先端部に付着又は成長する溶融スラグを吹き飛ばすために、微粉炭の噴出口１７の外周側から、微粉炭の噴出速度よりも速い速度でガス化剤を噴出させることを必須としている。このため、上記公報の技術では、バーナ先端部に付着する溶融スラグを吹き飛ばすことができない。

１，３１ バーナ
３ ガス化剤供給管
５ 燃料供給管
７ 冷却水供給管
９ 第１のガス化剤供給管路
１１ 燃料供給管路
１３ 第２のガス化剤供給管路
１５，１９，３５ 噴出孔
１７ 噴出口
２１ 拡径部
２３ 仕切壁
２５ 内側流路
２７ 外側流路
２９ 先端部分
３３ 封止管
３７ 冷却用コイル
３９ 冷却水導入管

Claims (5)

1. ガス化剤が流れる第１のガス化剤供給管路と、該第１のガス化剤供給管路の外周を同軸に包囲して設けられ、搬送用気体により搬送される微粉固体燃料が流れる燃料供給管路と、該燃料供給管路の外周を同軸に包囲して設けられたガス化剤が流れる第２のガス化剤供給管路と、該第２のガス化剤供給管路の外周を包囲して設けられた冷却媒体が通流する冷却媒体通流管路とを備え、
   前記第１のガス化剤供給管路を流れるガス化剤は、第１の噴出孔から噴出され、前記第２のガス化剤供給管路を流れるガス化剤は、前記燃料供給管路の外側に同心状に設けられた複数の第２の噴出孔から噴出されてなり、
   前記第２の噴出孔から噴出される前記ガス化剤の噴出速度は、前記燃料供給管路から噴出される前記微粉固体燃料の噴出速度よりも大きくなるように形成されてなるガス化用バーナ。
2. 前記第２の噴出孔から噴出される前記ガス化剤の噴出量は、前記第１の噴出孔から噴出される前記ガス化剤と前記第２の噴出孔から噴出される前記ガス化剤を合計した全ガス化剤噴出量の半分以下となるように形成されてなる請求項１に記載のガス化用バーナ。
3. 前記第２の噴出孔は、該第２の噴出孔から噴射される前記ガス化剤が、前記第１のガス化剤供給管路の軸芯と平行な方向に噴射されるように形成されてなる請求項１又は２に記載のガス化用バーナ。
4. 前記冷却媒体通流管路は、前記冷却媒体が流れる環状の空間が仕切壁を隔てて外周側と内周側とで画成され、該冷却媒体通流管路の先端部分は、半球状に突出して環状に形成され、その先端部分の内側は前記冷却媒体を折り返す構造をなしている請求項１乃至３のいずれかに記載のガス化用バーナ。
5. 前記冷却媒体通流管路は、前記第２の酸化剤供給管路の外周面に沿って前記冷却媒体が流れる冷却管路が螺旋状に巻き回されて構成され、該冷却管は前記第２の酸化剤供給管路の先端側から巻き回しが開始されてなる請求項１乃至３のいずれかに記載のガス化用バーナ。

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