JP2013540176A - 固体燃料の気化のためのバーナ - Google Patents

Abstract

本発明は、固体燃料の気化のためのバーナであって、固体燃料を排出するための開口部を有するバーナ前面を備え、固体燃料を排出するための開口部が、中央通路に流体連結され、中央通路は、通路の直径が第１の長さにわたって増加し、その後第２の長さにわたって減少してバーナ前面で終端する下流部を有し、中央通路の下流部の内側には、中空部材が配置され、中空部材は、中空部材の増加および減少する直径と位置合わせされた内部の増加する直径および内側の減少する直径を有し、連結導管が、中空部材の広がり部分に配置された排出開口部を有する、バーナに関する。
【選択図】なし

Description

本発明は、固体燃料の気化のためのバーナに関する。バーナは、ガスキャリアによって搬送された細かく微粉化された固体燃料などの炭素質燃料、たとえば窒素ガスおよび／または二酸化炭素などのガスキャリアによって搬送された微粉炭を、たとえば酸素含有ガスを用いて気化させ、加圧された合成ガス、燃料ガスまたは還元ガスを生成するのに使用するのに特に適している。

炭素質固体燃料の気化は、燃料と酸素を反応させることによって得られる。燃料は、主に、炭素および水素を可燃性成分として含有する。ガスによって搬送された細かく微粉化された炭素質燃料および酸素含有ガスは、バーナ内の別個のチャネルを介して比較的早い速度で反応器内に通される。反応器内では、炎が維持され、この中では、燃料が１３００℃を上回る温度で酸素含有ガス中の酸素と反応し、主に一酸化炭素および水素を生じさせる。

さまざまなバーナ設計が従来技術で提案されている。ＥＰ−Ａ−３２８７９４は、細かく微粉化された石炭が、バーナの長手方向軸に沿って配設された中央チャネルを介してバーナ前面に供給され、酸素含有ガスが、前記中央チャネルを取り囲む少なくとも１つの環状チャネルを介して供給されるバーナを説明している。酸素は、バーナ前面において石炭の流れ内に向けられる。

ＥＰ−Ａ−１３０６３０は、バーナ前面において、酸素含有ガスが中央チャネルから高速で排出され、また酸素含有ガスが環状出口からより低速で排出されるバーナを説明している。固体燃料は、前記中央と環状の酸素出口開口部間に位置するいくつかの流出開口部から排出される。この公報によれば、外側の低速の酸素ストリームは、バーナを高温ガスの吸引によって過熱することから保護する役割を果たす。この公報は、バーナが大量の処理量向けに使用される場合、固体燃料の出口開口部は、好ましくは、環状形状のものではないことを開示している。そのような設計は、固体燃料粒子のすべてと酸素が適正に接触する結果にならないことが述べられている。

ＥＰ−Ａ−３２８７９４によるバーナタイプは、商業的に大きな成功を伴って使用されている。しかし、高処理量時、バーナ前面への熱流束は、バーナの寿命がかなり短縮され得るような値まで上昇する。

ＥＰ−Ａ−１３０６３０は、低速の酸素遮蔽体を炎周りに施すことによってバーナ前面への熱流束の問題に対処する。ＥＰ−Ａ−１３０６３０によるバーナの欠点は、高処理量時、固体燃料は、別個のチャネルを通ってバーナ前面に進められ、これは、浸食問題を引き起こすことがあることである。別の問題は、固体燃料および酸素含有ガス用の複数のチャネルを備えた１つの金属体を製造する必要があるという事実により、設計が複雑になることである。

以下のバーナは、高処理量向けに使用可能であり、従来技術のバーナの欠点を有さないバーナであって、
固体燃料の気化のためのバーナであって、固体燃料を排出するための開口部と、酸素含有ガスを排出するための単一の中央開口部とを有するバーナ前面を備え、固体燃料を排出するための開口部は、中央通路と流体連結され、酸素含有ガスを排出するための開口部は、中央通路と同軸に配置された、酸素を通過させるための環状通路と流体連結され、
中央通路は、通路の直径が第１の長さにわたって増加し、その後第２の長さにわたって減少してバーナ前面で終端する下流部を有し、中央通路の下流部の内側には、一方の端部が閉じられバーナ前面に開口部を有する中空部材が配置され、この中空部材は、中央通路の増加および減少する直径と位置合わせされた増加する直径および減少する直径を有して固体燃料用の環状通路を形成し、この環状通路は、バーナ前面の、固体燃料を排出するための内向きに向けられた環状開口部内で終端し、
中空部材は、１つまたは複数の連結導管によって酸素含有ガス用の環状通路と流体連結され、中空部材の開口部は、酸素含有ガスを排出するための開口部をバーナの前面に有し、中空部材は、中空部材の増加および減少する直径と位置合わせされた増加する内径および減少する内径を有し、連結導管は、中空部材の広がり部分に配置された排出開口部を有する、バーナを提供することを目的とする。

本発明はまた、上記のようなバーナを用いて固体燃料を気化させることによって水素および一酸化炭素を含む混合物を調製する方法であって、酸素含有ガスが、酸素含有ガス用の通路を通過させられ、固体燃料およびキャリアガスが中央通路を通過させられ、気化がバーナの前面で起こる方法に関する。

本発明によるバーナの前面部の長手方向部分を示す図である。 図１のバーナの断面部分ＡＡ’を示す図である。

本出願人は、ＥＰ−Ａ−１３０６３０の教示とは対照的に、固体燃料用の環状開口部を有するバーナが高処理量作動用に提供され得ることを見出した。すべての酸素を酸素含有ガス用の中央開口部を通るように向けることにより、固体燃料との十分な接触が達成される。詳細なコンピュータシミュレーションでは、炎がバーナ前面から幾分持ち上げられることを予測している。これは、バーナ前面への熱流束を大幅に低減し、それによって前記バーナ前面の寿命、ならびに固体燃料用の環状通路および酸素含有ガスを排出するための開口部を分離する周縁部の寿命を引き延ばす。

本発明によるバーナは、ＥＰ−Ａ−１３０６３０によるバーナのように、低速で酸素含有ガスを排出するための環状出口を有さない。中空部材および中央通路の寸法の位置合わせにより、浸食を抑制する、固体燃料の流路が生じる。

本明細書で使用される用語「酸素含有ガス」は、遊離酸素Ｏ_２を含有するガスを示し、空気、酸素富化空気（すなわち２１モル％を上回る酸素）、さらに実質的な純酸素（すなわち約９５モル％を上回る酸素）を含み、残りは窒素および／または希ガスなどの空気中に通常見出されるガスを含むことが意図される。

本明細書で使用される用語「炭素質固体燃料」は、石炭、石炭からのコークス、石炭液化残留物、石油コークス、煤煙、バイオマス、ならびに油頁岩、タールサンドおよびピッチから取り出される粒子状固体の群からのさまざまなガス搬送された可燃性材料およびそれらの混合物を含むことが意図される。石炭は、褐炭、亜れき青炭、れき青炭、および無煙炭を含む、いかなるタイプのものでもよい。炭素質固体燃料は、好ましくは、材料の少なくとも約９０重量％が９０ミクロン未満になり、水分含量が約５重量パーセント未満になるような粒子サイズまで細かくされる。固体燃料は、キャリアガス、好ましくは窒素または二酸化炭素と混合してバーナに供給される。

本明細書において使用される用語の高容量バーナは、２ｋｇ／秒を上回る固体が環状開口部から排出される工程を含むことが意図される。そのような高容量バーナの環状開口部の幅は、好ましくは４ｍｍ〜１５ｍｍである。環状開口部から排出されるときの固体の好ましい速度は、５ｍ／ｓ〜１５ｍ／ｓである。

本発明は、図１および２を用いてさらに説明されるものとする。図１は、本発明によるバーナ（１）の前面部の長手方向部分を示している。バーナ（１）は、固体燃料を排出するための開口部（３）と、酸素含有ガスを排出するための単一の中央開口部（４）とを有するバーナ前面（２）を有する。固定燃料を排出するための開口部（３）は、中央通路（５）と流体連結される。通路（６）が、中央通路（５）と同軸に配置される。

中央通路（５）は、通路（５）の直径が第１の長さ（７）にわたって増加し、その後第２の長さ（８）にわたって減少してバーナ前面（２）で終端する下流部を有する。中央通路の下流部の内側には、一方の端部（１０）が閉じられバーナ前面（２）のところに開口部（１１）を有する中空部材（９）が配置される。中空部材（９）は、中央通路（５）の増加および減少する直径と位置合わせされた増加する直径および減少する直径を有して固体燃料用の環状通路（１２）を形成し、この環状通路は、バーナ前面（２）の、固体燃料を排出するための内向きに向けられた環状開口部（１３）内で終端する。好ましくは、直径の位置合わせは、環状通路（１２）の幅がほぼ一定に維持されて浸食を抑えるように選択される。

中空部材（９）は、好ましくは、中空部材（９）の増加および減少する直径と位置合わせされた増加する内径（１５）および減少する内径（１６）を有する。これは、中空部材内に円錐形状の部分および円錐台形状の部分を有する中空空間を画定する。中空部材（９）は、１つまたは複数の連結導管（１４）を用いて酸素含有ガス用の環状通路（６）と流体連結される。連結導管（１４）は、中央通路（５）内に配置された中空部材（９）を保持するスペーサでもある。導管（１４）の設計は、使用時、渦が、固体流または酸素含有ガス、またはその両方に付与されるようなものでよい。好ましくは、連結導管（１４）は、中空部材（９）の広がり部分、換言すれば、円錐部内に配置された排出開口部（１７）を有する。排出開口部（１７）は、適切には楕円形態を有し、この場合、より長い方の寸法がバーナの軸線と位置合わせされる。好ましい実施形態では、開口部（１４）の数は３である。図１はまた、円錐台形状の端部に中空部材の開口部（１１）を示しており、この開口部は、バーナ前面（２）において酸素含有ガスを排出するための開口部（４）である。こうして、酸素含有ガスを排出するための開口部（４）は、中空部材（９）および連結導管（１４）を介して、酸素含有ガスを通過させるための環状通路（６）と流体連結される。

中空部材（９）の寸法および形状は、好ましくは、酸素含有ガスがその開口部（１１）から均一に分散された流れで排出されるように選択される。好ましくは、この開口部から排出される酸素含有ガスの速度は、３０ｍ／ｓ〜９０ｍ／ｓである。中空部材の形状は、円錐端部およびバーナ前面（２）にある円錐台端部を含み、この場合、いずれの部分も直接的に、または任意選択で管状部によって連結される。円錐端部（１０）の上部の傾斜によって作られる角度は、好ましくは５度〜４０度である。この角度は、固体流が中央通路（５）から環状通路（１２）に吐き出される位置における浸食を抑えるために、大きくなりすぎてはならない。

好ましくは、固体燃料を排出するための開口部（３）を、酸素含有ガスを排出するための開口部（４）から分離する、バーナ前面（２）にある中空部材（９）の周縁部（２５）の幅は、０．５ｍｍ〜３ｍｍである。固体燃料を排出するための、内向きに向けられた環状開口部（１３）の流出方向およびバーナ（１）の軸線によって形成される角度は、好ましくは３度〜４５度、より好ましくは５度〜３０度である。この範囲内では、酸素含有ガスと燃料の間の最適な接触が達成されながら、炎の十分な持ち上げ、したがって熱流束の低減も達成することが見出されている。

図１のバーナはまた、環状通路（６）周りに配置された使用前冷却剤用の好ましい環状通路（１９）も有する。通路（１９）の周りには、使用済み冷却剤用の環状通路（２０）が存在する。適切には、通路（６）、（１９）および（２０）は連結ブロック（２１）で終端し、この連結ブロックには、中央通路（５）用の中央開口部と、使用済み冷却剤を冷却ジャケット（２３）から通路（２０）まで通すための複数の開口部（２２）と、使用前冷却剤を通路（１９）から冷却ジャケット（２３）まで通すための複数の開口部（２４）とが設けられる。連結ブロック（２１）の存在は、損傷の可能性のある中空部材（９）を簡単に取り換えることができるために有利である。中空部材の円錐台部分は、冷却ジャケット（２３）および中央通路（５）の円錐台壁部分（２６）を連結ブロック（２１）から切り離すことによって取り外され得る。連結ブロック（２１）は、適切には、本明細書で説明されたような簡単な取り外しを可能にするために、中央通路（５）の直径が、増加する直径から減少する直径に逆転する位置に配置される。

冷却ジャケット（２３）は、好ましくは、先に述べられたＥＰ−Ａ−３２８７９４で説明されるような、またはＣＮ−Ａ−１０１３６３６２４で説明されるような冷却ジャケットである。そのような冷却ジャケット（２３）は、連結ブロック（２１）で始まり、バーナ前面（２）で終端する、バーナセクションの外部を画定する二重壁（２８、２９）を有する。二重壁（２８、２９）は、前記バーナセクションおよびバーナ前面（２）の一部を包囲する冷却剤用の流路を画定する１つまたは複数のバッフル（３０）によって間隔があけられる。バーナ前面（２）では、使用前冷却剤は、壁（２９）および中央通路（５）の壁（２６）によって画定された使用前冷却剤区画（３１）を介して開口部（３２）内に流入する。使用前冷却剤区画（３１）は、開口部（２４）を介して通路（１９）と流体連結される。

酸素含有ガス、固体燃料、使用前および使用済み冷却剤のための供給連結部を有するバーナ（１）の端部は、図１では示されない。ＣＮ−Ａ−１０１３６３６２２で説明されるような設計が、この目的のために適切に使用され得る。

図２に使用される参照符号は、上記で説明されたものと同じ意味を有する。加えて、図２は、環状通路（２０）の外壁（２７）を示している。図２は、３つの開口部（１７）を有する好ましい実施形態を示している。図１では、１つだけの連結導管（１４）および３つの開口部のうち１つの開口部（１７）の代替の実施形態が示される。

Claims (15)

1. 固体燃料の気化のためのバーナ（１）であって、固体燃料を排出するための開口部（３）と、酸素含有ガスを排出するための単一の中央開口部（４）とを有するバーナ前面（２）を備え、前記固体燃料を排出するための開口部（３）は、中央通路（５）と流体連結され、前記酸素含有ガスを排出するための開口部（４）は、前記中央通路（５）と同軸に配置された、酸素を通過させるための環状通路（６）と流体連結され、
   前記中央通路（５）は、前記中央通路（５）の直径が第１の長さ（７）にわたって増加し、その後第２の長さ（８）にわたって減少して前記バーナ前面（２）で終端する下流部を有し、前記中央通路（５）の前記下流部の内側には、一方の端部（１０）が閉じられ前記バーナ前面（２）に開口部（１１）を有する中空部材（９）が配置され、前記中空部材（９）は、前記中央通路（５）の増加および減少する直径と位置合わせされた増加する直径および減少する直径を有して固体燃料用の環状通路（１２）を形成し、前記固体燃料用の環状通路（１２）は、前記バーナ前面（２）における、固体燃料を排出するための内向きに向けられた環状開口部（１３）で終端し、
   前記中空部材（９）は、１つまたは複数の連結導管（１４）によって酸素含有ガス用の前記環状通路（６）と流体連結され、前記中空部材の前記開口部（１１）は、前記バーナ前面（２）において前記酸素含有ガスを排出するための開口部（４）であり、前記中空部材（９）は、前記中空部材（９）の増加および減少する直径と位置合わせされた増加する内径（１５）および減少する内径（１６）を有し、前記連結導管（１４）は、前記中空部材（９）の広がり部分に配置された排出開口部（１７）を有する、バーナ。
2. 前記排出開口部（１７）が楕円形態を有し、長い方の寸法が、前記バーナの軸線と位置合わせされる、請求項１に記載のバーナ。
3. 前記開口部（１４）の数が３である、請求項１または２に記載のバーナ。
4. 前記開口部（１４）の数が１である、請求項１または２に記載のバーナ。
5. 前記固体燃料を排出するための開口部（３）を前記酸素含有ガスを排出するための開口部（４）から分離する、前記バーナ前面（２）における前記中空部材（９）の周縁部（２５）の幅が、０．５ｍｍ〜３ｍｍである、請求項１から４までのいずれか一項に記載のバーナ。
6. 前記固体燃料を排出するための内向きに向けられた環状開口部（１３）の流出方向と前記バーナ（１）の軸線によって形成される角度が、３度〜４５度である、請求項１から５までのいずれか一項に記載のバーナ。
7. 前記固体燃料を排出するための内向きに向けられた環状開口部（１３）の流出方向と前記バーナ（１）の軸線によって形成される角度が、５度〜３０度である、請求項１から５までのいずれか一項に記載のバーナ。
8. 前記中空部材（９）の閉じられた前記端部（１０）が円錐形状を有する、請求項１から７までのいずれか一項に記載のバーナ。
9. 前記環状通路（６）の周りに、使用前冷却剤用の環状通路（１９）が存在し、前記使用前冷却剤用の環状通路（１９）の周りに、使用済み冷却剤用の環状通路（２０）が存在し、前記環状通路（６）、前記環状通路（１９）および前記環状通路（２０）は連結ブロック（２１）で終端し、前記連結ブロック（２１）に、前記中央通路（５）用の中央開口部と、使用済み冷却剤を冷却ジャケット（２３）から前記環状通路（２０）まで通すための複数の開口部（２２）と、使用前冷却剤を前記環状通路（１９）から前記冷却ジャケット（２３）まで通すための複数の開口部（２４）とが設けられる、請求項１から８までのいずれか一項に記載のバーナ。
10. 前記連結ブロック（２１）は、前記中央通路（５）の直径が、増加する直径から減少する直径に逆転する位置に配置される、請求項９に記載のバーナ。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のバーナを用いて固体燃料を気化させることによって水素および一酸化炭素の混合物を調製する方法であって、
    酸素含有ガスが前記環状通路（６）を通過させられ、固体燃料およびキャリアガスが前記中央通路（５）を通過させられ、前記バーナ前面（２）において気化が起こる、方法。
12. 前記開口部（１１）から排出されるときの酸素含有ガスが、３０ｍ／ｓ〜９０ｍ／ｓの速度を有し、前記環状開口部（１３）から排出されるときの固体の流れが、５ｍ／ｓ〜１５ｍ／ｓの速度を有する、請求項１１に記載の方法。
13. ２ｋｇ／秒を超える流量の固体が、前記環状開口部（１３）から排出される、請求項１１または１２に記載の方法。
14. 固体が、石炭、石油コークスまたはバイオマスである、請求項１１から１３までのいずれか一項に記載の方法。
15. キャリアガスが、窒素または二酸化炭素である、請求項１１から１４までのいずれか一項に記載の方法。

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