JP2018162903A - バーナ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で種々の燃料種に対応する。【解決手段】ガス化バーナ１は、燃料が流通するように構成された燃料管１０と、冷却液が内部を循環するように構成された筒状の冷却部材３０と、燃料管１０と冷却部材３０との間で且つこれらの先端近傍に配置された筒状のノズルチップ２０とを備える。ノズルチップ２０の筒壁内には、ノズルチップ２０の軸方向に沿って延びるようにノズルチップ２０を貫通する酸化剤の貫通孔２１ｂが設けられている。ノズルチップ２０と燃料管１０との間、及び、ノズルチップ２０と冷却部材３０との間のうち少なくとも一方は、ネジによって螺合されている。【選択図】図３

Description

本開示は、バーナ及びその製造方法に関する。

石炭等の固体燃料が微粉末状となった微粉燃料をガス化して可燃性ガス等を生成するガス化炉が知られている。ガス化炉は、微粉燃料のガス化反応が行われる反応炉と、反応炉に設けられたガス化バーナとを備える。ガス化バーナの構成の一例は、例えば特許文献１に開示されている。当該ガス化バーナは、微粉燃料が流通する一つの燃料用流路と、酸化剤が流通する複数の酸化剤用流路と、冷却水が流通する冷却水用流路とが設けられた円柱状のノズルチップを有する。ノズルチップの先端面（以下、単に「先端面」という。）は反応炉内に露出している。

燃料用流路は、ノズルチップ内において、ノズルチップの中心線（以下、単に「中心線」という。）に沿って延びるように中心線上に配置されている。燃料用流路の吐出口は、先端面に開口している。複数の酸化剤用流路は、中心線に沿って延びると共に、燃料用流路を取り囲むように位置している。複数の酸化剤用流路の吐出口は、先端面に開口していると共に、中心線側に向かうように先端面に対して傾斜している。そのため、燃料用流路の吐出口から吐出された微粉燃料は、中心線上で且つ先端面から所定の大きさ離間した位置において、複数の酸化剤用流路の吐出口から吐出された酸化剤と混合され、反応炉内で燃焼する。

冷却水用流路は、中心線に沿って延びると共に、複数の酸化剤用流路を取り囲むように、ノズルチップ内に配置されている。冷却水用流路は、ガス化バーナの基端部側から先端面に向けて延び、先端面近傍において折り返した後、再び当該基端部側に向かって延びている。すなわち、冷却水用流路は先端面に開口していない。冷却水用流路は、内部を循環する冷却水によってガス化バーナ（ノズルチップ）を冷却する機能を有する。特許文献１に記載のガス化バーナにおいては、燃料用流路、複数の酸化剤用流路及び冷却水用流路は、一つのノズルチップに一体的に形成されている。

特開２０１５−１４０４３６号公報

ところで、これまでのガス化炉は例えば石炭発電所等の設備に併設されており、当該設備では当然に同じ燃料種（石炭発電所では石炭）が利用され続けられていた。そのため、ガス化炉においても、用いられる燃料種が変更されることは想定されていなかった。その理由は、次のとおりである。すなわち、仮に燃料種が変更されると、微粉燃料と酸化剤との混合状態も変化するので、ガス化バーナにおいて生ずる火炎の火炎長も変化してしまう。そのため、変化した後の火炎長に対して適切な大きさの反応炉とすべく、ガス化炉の大規模な改造が必要となってしまう。

近年、環境負荷の低減を目的として、石炭とバイオマス燃料（例えば、木質ペレット、木質チップ等）との混合燃料を用いたバイオマス混焼発電技術が注目されている。現在も、より優れた発電効率を達成するために、当該技術の研究開発が日々進められているところである。すなわち、石炭とバイオマス燃料との混合割合は、研究開発の動向によって将来的に変化しうる。ところが、当該混合割合の変化は、燃料種の変更に相当し、ガス化バーナにおける火炎長の変化に繋がる。そのため、研究開発が進むごとにガス化炉の大規模な改造を行うのは困難である。従って、ガス化炉を改造することなしに種々の燃料種に対応しうるガス化バーナの需要が、今後予測される。

そこで、本開示は、簡易な構成で種々の燃料種に対応することが可能なバーナ及びその製造方法を説明する。

［１］本開示の一つの観点に係るバーナは、燃料が流通するように構成された燃料管と、冷却液が内部を循環するように構成された筒状の冷却部材と、燃料管の先端近傍が内部に挿通され且つ自身が冷却部材の先端近傍に挿通された筒状のノズルチップとを備える。ノズルチップの筒壁内には、ノズルチップの軸方向に沿って延びるようにノズルチップを貫通する酸化剤の流路が設けられている。ノズルチップと燃料管との間、及び、ノズルチップと冷却部材との間のうち少なくとも一方は、ネジによって螺合されている。

本開示の一つの観点に係るバーナでは、ノズルチップと燃料管との間、及び、ノズルチップと冷却部材との間のうち少なくとも一方が、ネジによって螺合されている。そのため、燃料管及び冷却部材に対するノズルチップの取り付け及び取り外しが極めて容易である。従って、流路の向きが異なる複数種類のノズルチップを準備しておくことにより、ガス化炉の改造をすることなくノズルチップを交換するだけで、燃料種の変更に対応することができる。その結果、簡易な構成で種々の燃料種に対応することが可能となる。

［２］上記第１項に記載のバーナにおいて、ノズルチップと燃料管との間、及び、ノズルチップと冷却部材との間のうち一方は、ネジによって螺合されており、ノズルチップと燃料管との間、及び、ノズルチップと冷却部材との間のうち他方は、嵌合されていてもよい。

［３］上記第２項に記載のバーナにおいて、ノズルチップと燃料管との間、及び、ノズルチップと冷却部材との間のうち他方は、ＪＩＳ Ｂ ０４０１−１：２０１６（ＩＳＯ２８６−１：２０１０）にて定められる穴の公差域がＤ〜Ｈのいずれかで且つ軸の公差域がｄ〜ｈのいずれかとなるように、隙間嵌めにより嵌合されていてもよい。バーナは高温の反応炉内において使用されるので、ノズルチップ及び燃料管は使用時において熱膨張する。そのため、上記の条件で２つの部材が隙間嵌めされていると、冷却部材の製造時には、当該２つの部材の間に隙間が存することから両者を簡便に組み付けることができると共に、バーナの使用時においては、熱膨張の作用により当該隙間が減少するので、当該隙間からの酸化剤の流出を抑制することが可能となる。

［４］上記第３項に記載のバーナにおいて、ノズルチップと燃料管との間、及び、ノズルチップと冷却部材との間のうちの他方の隙間嵌めの長さは、１ｃｍ以上であってもよい。隙間嵌めの長さが１ｃｍ以上であると、ノズルチップの流路からではなく、隙間嵌めされた２つの部材間の隙間から酸化剤が流出したとしても、その流出量がごく僅かとなる傾向にある。そのため、バーナにおいて生ずる火炎の火炎長に影響が生じ難くなる。

［５］上記第１項〜第４項のいずれか一項に記載のバーナにおいて、冷却部材の先端部は、当該先端部の全質量に対するＮｉの含有量が４０質量％以上のニッケル合金で構成されていてもよい。ところで、反応炉内における燃料の燃焼により、反応炉内に酸性ガス（例えば、硫化水素、塩化水素など）が生ずる場合がある。このような酸性ガスは、反応炉の運転開始時及び運転停止時において反応炉内の温度が下がると酸性液となり、バーナの先端近傍に付着して、当該先端近傍を腐食させてしまう。このような現象は、「露点腐食」ともいわれる。加えて、冷却部材は、使用時において、反応炉からの熱で外表面が高温に加熱され且つ冷却液によって内部が冷却されるので、応力腐食割れが生じやすい。しかしながら、第５項に記載のバーナにおいては、冷却部材の先端部が耐食性の高い上記の材料によって構成されているので、冷却部材が露点腐食し難く、冷却部材の応力腐食割れも抑制することが可能となる。

［６］上記第１項〜第５項のいずれか一項に記載のバーナにおいて、冷却部材の先端部は、溶接によって基端部と接続されており、基端部のうち先端部寄りの部分は少なくとも、固溶化処理されたステンレス鋼であってもよい。この場合、溶接によって劣化したステンレス鋼の耐腐食性が、固溶化処理により回復する。そのため、冷却部材の応力腐食割れをより抑制することが可能となる。

［７］上記第１項〜第４項のいずれか一項に記載のバーナにおいて、冷却部材の先端部は、溶接によって基端部と接続されており、先端部と基端部との溶接箇所を含む領域を覆うように、先端部の表面に被覆層が配置されていてもよい。この場合、溶接によって耐腐食性が劣化した領域が被覆層で覆われる。そのため、冷却部材の応力腐食割れをより抑制することが可能となる。

［８］上記第７項に記載のバーナにおいて、被覆層は、当該先端部の全質量に対するＮｉの含有量が４０質量％以上のニッケル合金で構成されていてもよい。この場合、耐食性の高い上記の材料によって被覆層が構成されるので、被覆層が露点腐食し難い。そのため、冷却部材の応力腐食割れをいっそう抑制することが可能となる。

［９］上記第８項に記載のバーナにおいて、先端部は銅によって構成されており、基端部はステンレス鋼によって構成されていてもよい。この場合、熱伝導率が高いものの耐腐食性が低い銅が被覆層で覆われる。そのため、反応炉から最も熱を受けやすい先端部における熱交換を促進しつつ、先端部の応力腐食割れを被覆層によって抑制することが可能となる。また、銅はステンレス鋼と比較して安価であるため、冷却部材のコストを低減することが可能となる。

［１０］上記第１項〜第９項のいずれか一項に記載のバーナにおいて、冷却部材は、筒状の外周壁と、外周壁の内側に位置する筒状の内周壁と、外周壁及び内周壁の先端を接続する先端壁と、外周壁及び内周壁から離間するようにこれらの間に位置する筒状の内部壁とを含み、内部壁と、先端壁、外周壁又は内周壁との間には、スペーサが設けられていてもよい。この場合、スペーサによって、内部壁と先端壁、外周壁又は内周壁との間に空間が確保される。そのため、冷却液が当該空間内をスムーズに流れやすくなる。

［１１］上記第１項〜第１０項のいずれか一項に記載のバーナにおいて、燃料管の先端はノズルチップの先端面に露出していてもよい。この場合、使用時に反応炉から受ける熱により燃料管が熱膨張して、ノズルチップに対して伸びたとしても、その伸びがノズルチップによって規制されない。そのため、ノズルチップと燃料管との間に不要な応力が生じてしまうことを抑制できる。また、この場合、燃料管の先端がノズルチップ内に留まった状態で燃料管がノズルチップに取り付けられている場合とは異なり、燃料がノズルチップに接触することなく燃料管を流通して反応炉内に吐出される。そのため、燃料との接触によりノズルチップが摩耗してしまう虞を抑制することが可能となる。

［１２］上記第１項〜第１１項のいずれか一項に記載のバーナにおいて、燃料管の熱膨張率はノズルチップの熱膨張率よりも高くてもよい。この場合、使用時に反応炉から受ける熱により燃料管及びノズルチップが熱膨張すると、燃料管の熱膨張率の方が大きいので、燃料管がノズルチップに対してしっかりと締まり合う。従って、両者の隙間からの酸化剤の流出を抑制することが可能となる。

［１３］本開示の他の観点に係るバーナの製造方法は、燃料が流通するように構成された燃料管を用意する第１の工程と、冷却液が内部を循環するように構成された筒状の冷却部材を用意する第２の工程と、軸方向に沿って延びるように貫通する酸化剤の流路が筒壁内に設けられた筒状のノズルチップを用意する第３の工程と、燃料管の先端近傍をノズルチップ内に挿通すると共に、ノズルチップを冷却部材の先端近傍内に挿通する第４の工程とを含む。第４の工程では、ノズルチップと燃料管との間、及び、ノズルチップと冷却部材との間のうち少なくとも一方をネジによって螺合する。本開示の他の観点に係るバーナの製造方法は、上記第１項に係るバーナと同様の作用効果を奏する。

［１４］上記第１３項に記載の方法において、冷却部材は、二重管の一端が先端壁で閉塞されると共に他端側において内側管が外側管よりも長くなるように構成された冷却部材の先端部と、冷却部材の内周壁に対応すると共にステンレス鋼によって構成された内側筒状部と、冷却部材の外周壁に対応すると共にステンレス鋼によって構成された外側筒状部とを用意する第１のサブステップと、第１のサブステップの後に、内側管の他端と内側筒状部の一端とを溶接する第２のサブステップと、第２のサブステップの後に、外側管の他端と外側筒状部の一端とを溶接して一体化部品を形成する第３のサブステップと、第３のサブステップの後に、（Ａ）一体化部品を加熱して、内側筒状部及び外側筒状部を構成するステンレス鋼を固溶化処理するか、又は、（Ｂ）先端部と外側筒状部との溶接箇所を含む領域を覆うように、一体化部品の先端近傍に被覆層を形成する第４のサブステップとを経て得られてもよい。この場合、上記第６項又は第７項に係るバーナと同様の作用効果が得られる。

本開示に係るバーナ及びその製造方法によれば、簡易な構成で種々の燃料種に対応することが可能となる。

図１は、本実施形態に係るガス化炉の一例を示す概略図である。 図２は、ガス化バーナの一例を示す断面図である。 図３は、ガス化バーナの先端部を拡大して示す断面図である。 図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図５は、ガス化バーナの製造工程を説明するための図である。 図６は、ガス化バーナの製造工程を説明するための図である。 図７は、ガス化バーナの他の例を示す断面図である。 図８は、ガス化バーナの他の例を示す断面図である。 図９は、ガス化バーナの他の例を示す断面図である。 図１０は、ガス化バーナの他の例を示す断面図である。

以下に説明される本開示に係る実施形態は本発明を説明するための例示であるので、本発明は以下の内容に限定されるべきではない。以下の説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

［石炭ガス化炉］
まず、本実施形態に係るガス化バーナ１（バーナ）が用いられる設備の一例として、石炭ガス化炉１００について、図１を参照して説明する。石炭ガス化炉１００は、炉底部１０１と、部分酸化部１０２（反応炉）と、熱分解部１０３（反応炉）とを備える。炉底部１０１、部分酸化部１０２及び熱分解部１０３は、いずれも筒状を呈しており、下方から上方に向かうにつれてこの順に接続されている。

炉底部１０１は、部分酸化部１０２において発生した溶融状態のスラグＳを受ける機能を有する。炉底部１０１内には、例えば水が貯留されている。部分酸化部１０２から落下したスラグＳは、炉底部１０１において冷却された後、炉底部１０１の底壁から外部に排出される。

部分酸化部１０２は、高温（例えば、１５５０℃〜１６５０℃程度）の雰囲気下で微粉燃料である微粉炭を部分燃焼させる機能を有する。部分酸化部１０２の周壁には、微粉炭及び酸化剤を部分酸化部１０２内に供給するための少なくとも一つのガス化バーナ１が設けられている。

部分酸化部１０２において部分燃焼された微粉炭は、可燃性の高温ガスＧ１（例えば、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、水素ガス、水蒸気ガス等）に変化し、上方に位置する熱分解部１０３に供給される。微粉炭中の灰分は、ガス化の際に溶融し、スラグＳとして炉底部１０１に落下する。

熱分解部１０３は、部分酸化部１０２から供給された高温ガスＧ１によって微粉炭を熱分解し、熱分解ガスＧ２（例えば、一酸化炭素ガス、水素ガス、メタンガス等）を得る機能を有する。熱分解部１０３の周壁には、微粉炭を熱分解部１０３に供給するための少なくとも一つの供給ノズル１０４が設けられている。熱分解部１０３において生じた熱分解ガスＧ２は、石炭ガス化炉１００の炉頂部から炉外に排出される。

［ガス化バーナの詳細］
続いて、図２〜図４を参照して、ガス化バーナ１の詳細について説明する。ガス化バーナ１は、図２に示されるように、断熱材１０５を介して部分酸化部１０２の周壁に取り付けられている。ガス化バーナ１は、図２〜図４に示されるように、燃料管１０と、ノズルチップ２０と、冷却部材３０とを備える。

燃料管１０は、燃料である微粉炭の流路として機能する。燃料管１０は、本実施形態において、一方向に延びる直管である。具体的には、微粉炭は、不活性ガス（例えば、窒素ガス）をキャリアガスとして、燃料管１０内を搬送される。燃料管１０は、耐熱性を有する材料（例えば、ステンレス鋼）で構成されていればよい。ステンレス鋼としては、例えば、ＳＵＳ３１０Ｓ等であってもよい。

ノズルチップ２０は、図２〜図４に示されるように、燃料管１０と冷却部材３０との間で且つこれらの先端近傍に配置されている。ノズルチップ２０は、耐熱性を有する材料（例えば、ステンレス鋼）で構成されていればよい。ステンレス鋼としては、例えば、ＳＵＳ３１０Ｓであってもよい。

ノズルチップ２０は、図３及び図４に示されるように、円板状を呈する本体部２１と、本体部２１に一体的に設けられた延長部２２とを含む。本体部２１には、一つの貫通孔２１ａと、複数の貫通孔２１ｂ（流路）とが設けられている。一つの貫通孔２１ａは、本体部２１の中心軸上を延びており、本体部２１を厚さ方向において貫通している。そのため、本体部２１は、円筒状を呈している。本体部２１の外周面には、雄ネジＭｓ（ネジ）が設けられている。

複数の貫通孔２１ｂ（本実施形態では、図４に示されるように８つの貫通孔２１ｂ）は、本体部２１の中心軸方向から見て、貫通孔２１ａを囲むように円形状に並んでいる。そのため、複数の貫通孔２１ｂは、筒状を呈する本体部２１の周壁（筒壁）内に設けられているともいえる。各貫通孔２１ｂは、本体部２１の中心軸方向に沿って貫通している。各貫通孔２１ｂは、本体部２１の後端面Ｓ１側から先端面Ｓ２側に向かうにつれて本体部２１の中心軸に近づくように傾斜している。中心軸に対する貫通孔２１ｂの傾斜角は、燃料管１０から供給される燃料種、部分酸化部１０２のサイズ等によって種々の大きさに設定しうるが、例えば１０°〜５０°程度であってもよい。各貫通孔２１ｂは、酸化剤（例えば、酸素と水蒸気との混合ガス）の流路として機能する。

延長部２２は、円筒状を呈しており、後端面Ｓ１から本体部２１の中心軸に沿って延びている。延長部２２の筒孔２２ａは、本体部２１の貫通孔２１ａと連通している。貫通孔２１ａ及び筒孔２２ａ内には、燃料管１０の先端部が挿通されている。本実施形態では、図２〜図４に示されるように、燃料管１０の先端は、ノズルチップ２０の先端面Ｓ２と略同一面上に位置しており、先端面Ｓ２から露出している。

本実施形態では、ノズルチップ２０の貫通孔２１ａ内に燃料管１０の先端近傍が挿通されている。具体的には、ノズルチップ２０と燃料管１０とは嵌合している。ノズルチップ２０と燃料管１０とは、締まり嵌めにより嵌合されていてもよいし、隙間嵌めにより嵌合されていてもよいし、中間嵌めにより嵌合されていてもよい。隙間嵌め又は中間嵌めの場合、ＪＩＳ Ｂ ０４０１−１：２０１６（ＩＳＯ２８６−１：２０１０）にて定められる穴（貫通孔２１ａ及び筒孔２２ａの内周面）の公差域がＤ〜Ｈのいずれかで且つ軸（燃料管１０の外周面）の公差域がｄ〜ｈのいずれかであってもよい。

より詳しくは、穴（貫通孔２１ａ及び筒孔２２ａの内周面）の公差域クラスＸと、軸（燃料管１０の外周面）の公差域クラスｙとの組み合わせを「Ｘ／ｙ」と表した場合に、当該組み合わせが「Ｈ８／ｄ９」、「Ｈ９／ｄ９」、「Ｈ７／ｅ７」、「Ｈ８／ｅ８」又は「Ｈ９／ｅ９」である、いわゆる「軽転合」（隙間嵌めの一種）であってもよい。当該組み合わせが「Ｈ６／ｆ６」、「Ｈ７／ｆ７」、「Ｈ８／ｆ７」又は「Ｈ８／ｆ８」である、いわゆる「転合」（隙間嵌めの一種）であってもよい。当該組み合わせが「Ｈ６／ｇ５」又は「Ｈ７／ｇ６」である、いわゆる「精転合」（隙間嵌めの一種）であってもよい。当該組み合わせが「Ｈ６／ｈ５」、「Ｈ７／ｈ６」、「Ｈ８／ｈ７」、「Ｈ８／ｈ８」又は「Ｈ９／ｈ９」である、いわゆる「滑合」（中間嵌めの一種）であってもよい。当該組み合わせが「Ｈ６／ｈ５」又は「Ｈ６／ｈ６」である、いわゆる「押込」（中間嵌めの一種）であってもよい。

隙間嵌めの場合、その隙間嵌めの長さ（貫通孔２１ａ及び筒孔２２ａと燃料管１０との嵌合長）は、１ｃｍ以上であってもよいし、３ｃｍ以上であってもよいし、３．５ｃｍ以上であってもよいし、５ｃｍ以上であってもよい。隙間嵌めの長さが、１ｃｍ以上であると、燃料管１０、ノズルチップ２０及び冷却部材３０が同心円状に配置されたガス化バーナ１の計算モデルでリーク量の理論値を計算したときに、ノズルチップ２０と燃料管１０との間の隙間から漏れうる酸化剤の流量が、貫通孔２１ｂから吐出される酸化剤の流量に対して１％以下となる。そのため、ガス化バーナ１において生ずる火炎の火炎長に影響が生じ難くなる。

冷却部材３０は、全体として筒状を呈しており、冷却液がその内部（筒壁内）を循環するように構成されている。ガス化バーナ１は高温の部分酸化部１０２内において使用されるので、冷却液は、熱交換により冷却部材３０を冷却して、冷却部材３０の破損等を防止する機能を有する。冷却部材３０は、図３及び図４に示されるように、先端部３１と、中間部３２，３３と、基端部３４，３５と、内部壁３６とを含む。

先端部３１は、耐熱性を有する材料で構成されていればよい。ところで、部分酸化部１０２内における燃料の燃焼により、部分酸化部１０２内に酸性ガス（例えば、硫化水素、塩化水素など）が生ずる場合がある。このような酸性ガスは、石炭ガス化炉１００の運転開始時及び運転停止時において部分酸化部１０２内の温度が下がると酸性液となり、ガス化バーナ１の先端近傍に付着して、当該先端近傍を腐食させてしまう（露点腐食）。加えて、冷却部材３０は、使用時において、部分酸化部１０２からの熱で外表面が高温に加熱され且つ冷却液によって内部が冷却されるので、応力腐食割れが生じやすい。そこで、先端部３１は、例えば、その全質量に対するＮｉの含有量が４０質量％以上のニッケル合金で構成されていてもよい。このようなニッケル合金は耐食性が高いので、冷却部材３０（先端部３１）が露点腐食し難く、冷却部材３０（先端部３１）の応力腐食割れも抑制することが可能となる。このようなニッケル合金としては、例えば、インコネル７１８、Ａｌｌｏｙ７１８等が挙げられる。

先端部３１は、図３に示されるように、先端壁３１ａと、内側管３１ｂと、外側管３１ｃとで構成されている。先端壁３１ａは、円環状を呈する平板である。先端壁３１ａは、ノズルチップ２０の先端面Ｓ２と略同一面上に位置している。内側管３１ｂ及び外側管３１ｃは共に、円筒状を呈している。内側管３１ｂの一端は、先端壁３１ａの内周縁に一体的に設けられている。外側管３１ｃの一端は、先端壁３１ａの外周縁に一体的に設けられている。換言すれば、内側管３１ｂ及び外側管３１ｃは二重管を構成しており、内側管３１ｂは外側管３１ｃ内に位置している。先端壁３１ａは、内側管３１ｂ及び外側管３１ｃの一端を閉塞している。

内側管３１ｂ及び外側管３１ｃは共に、先端壁３１ａから同じ側（冷却部材３０の基端側）に向けて延びている。本実施形態において、内側管３１ｂの長さは、外側管３１ｃの長さよりも長い。すなわち、内側管３１ｂの他端は、外側管３１ｃの他端よりも冷却部材３０の基端側に位置している。そのため、内側管３１ｂ及び外側管３１ｃの径方向において外側から見て、内側管３１ｂの他端は、外側管３１ｃによって覆われていない。

内側管３１ｂの内周面のうち先端部には、雌ネジＦｓ（ネジ）が設けられている。当該雌ネジＦｓは、ノズルチップ２０の外周面に設けられた雄ネジＭｓと螺合可能に構成されている。本実施形態では、内側管３１ｂの雌ネジＦｓにノズルチップ２０の雄ネジＭｓが螺合することにより、ノズルチップ２０が冷却部材３０の先端近傍に挿通された状態となる。

中間部３２，３３は共に、図２〜図４に示されるように、円筒状を呈している。図３に示されるように、中間部３２（内側筒状部）の一端は、溶接部Ｗ１を介して、内側管３１ｂの他端に接合されている。中間部３３（外側筒状部）の一端は、溶接部Ｗ２を介して、外側管３１ｃの他端に接合されている。換言すれば、中間部３２，３３は二重管を構成しており、中間部３２は中間部３３内に位置している。中間部３２，３３は、冷却部材３０の基端部の一部として機能する。

本実施形態において、中間部３２，３３の長さは同程度である。そのため、内側管３１ｂに接続された中間部３２の他端は、外側管３１ｃに接続された中間部３３の他端よりも冷却部材３０の基端側に位置している。すなわち、中間部３２，３３の径方向において外側から見て、中間部３２の他端は、中間部３３によって覆われていない。

中間部３２，３３は、耐熱性を有する材料（例えば、ステンレス鋼）で構成されていればよい。中間部３２に用いられるステンレス鋼としては、例えば、ＳＵＳ３１０Ｓ等であってもよい。中間部３３に用いられるステンレス鋼としては、例えば、ＳＵＳ３１０Ｓ等であってもよい。中間部３２，３３がステンレス鋼で構成されている場合には、ステンレス鋼が固溶化処理されていてもよい。

基端部３４，３５は共に、図２〜図４に示されるように、円筒状を呈している。基端部３４，３５は、耐熱性を有する材料（例えば、ステンレス鋼）で構成されていればよい。基端部３４に用いられるステンレス鋼としては、例えば、ＳＵＳ３０４等であってもよい。基端部３５に用いられるステンレス鋼としては、例えば、ＳＵＳ３１０Ｓ等であってもよい。基端部３４の一端は、溶接部Ｗ３を介して、中間部３２の他端に接合されている。基端部３５の一端は、溶接部Ｗ２を介して、中間部３３の他端に接合されている。換言すれば、基端部３４，３５は二重管を構成しており、基端部３４は基端部３５内に位置している。

溶接によって接合された内側管３１ｂ、中間部３２及び基端部３４は、全体として、冷却部材３０の内周壁を構成している。溶接によって接合された外側管３１ｃ，中間部３３及び基端部３５は、全体として、冷却部材３０の外周壁を構成している。

内部壁３６は、図２〜図４に示されるように、円筒状を呈している。内部壁３６は、冷却部材３０の内周壁（内側管３１ｂ、中間部３２及び基端部３４）と、冷却部材３０の外周壁（外側管３１ｃ，中間部３３及び基端部３５）との間に位置している。内部壁３６には、複数のスペーサ３６ａと、複数のスペーサ３６ｂとが設けられている。

複数のスペーサ３６ａは、図３及び図４に示されるように、円柱状を呈しており、内部壁３６の先端面に設けられている。本実施形態では、３つのスペーサ３６ａが、内部壁３６の周方向において略等間隔に並んでいる。複数のスペーサ３６ａは、内部壁３６の延在方向において、内部壁３６の先端面から外方に向けて突出している。そのため、複数のスペーサ３６ａは、先端壁３１ａと内部壁３６との間に位置している。これにより、内部壁３６は、冷却部材３０の先端壁３１ａと離間した状態が保たれる。

複数のスペーサ３６ｂは、図３及び図４に示されるように、四角柱状を呈しており、内部壁３６の先端近傍において内部壁３６の外周面に設けられている。本実施形態では、３つのスペーサ３６ｂが内部壁３６の周方向において略等間隔に並んでいる。複数のスペーサ３６ｂは、内部壁３６の径方向において、内部壁３６の外周面から外方に向けて突出している。そのため、複数のスペーサ３６ｂは、冷却部材３０の外周壁（基端部３５）と内部壁３６との間に位置している。これにより、内部壁３６は、冷却部材３０の外周壁（基端部３５）と離間した状態が保たれる。また、内部壁３６の外周面にスペーサ３６ｂが設けられることにより剛性が高まり、内部壁３６の先端近傍が変形し難くなるので、内部壁３６は、冷却部材３０の内周壁（基端部３４）と離間した状態も保たれる。

基端部３４の他端は、図２に示されるように、基端壁３４ａを介して、溶接によって燃料管１０の外周面に接続されている。基端壁３４ａは円環状を呈する平板であり、基端壁３４ａの貫通孔内には燃料管１０が挿通されている。そのため、燃料管１０と、冷却部材３０の外周壁と、基端壁３４ａと、ノズルチップ２０とで囲まれた空間Ｖ１が形成されている。基端部３４の他端近傍には、空間Ｖ１に連通する配管３４ｂが設けられている。配管３４ｂは、酸化剤の供給源（図示せず）に接続されている。酸化剤は、配管３４ｂを通じて空間Ｖ１内に供給され、ノズルチップ２０に向けて空間Ｖ１内を流通した後、貫通孔２１ｂから吐出される。

内部壁３６の他端は、図２に示されるように、溶接によって基端部３４の外周面に接続されている。すなわち、内部壁３６の他端は、基端部３４の他端よりもノズルチップ２０寄りに位置している。そのため、冷却部材３０の内周壁と、内部壁３６と、先端壁３１ａとで囲まれた空間Ｖ２が形成されている。内部壁３６の他端近傍には、空間Ｖ２に連通する配管３６ｃが設けられている。配管３６ｃは、熱交換器（図示せず）に接続されている。

基端部３５の他端は、図２に示されるように、溶接によって内部壁３６の外周面に接続されている。すなわち、基端部３５の他端は、内部壁３６の他端よりもノズルチップ２０寄りに位置している。そのため、冷却部材３０の外周壁と、内部壁３６と、先端壁３１ａとで囲まれた空間Ｖ３が形成されている。基端部３５の他端近傍には、空間Ｖ３に連通する配管３６ｄが設けられている。配管３６ｄは、熱交換器（図示せず）に接続されている。

配管３６ｃから空間Ｖ２内に供給された冷却液は、ノズルチップ２０に向けて空間Ｖ２内を流通した後、先端壁３１ａと内部壁３６の先端との間を折り返して、配管３６ｄに向けて空間Ｖ３を流通する。冷却液は、配管３６ｄから冷却部材３０の外部に排出された後、熱交換器により冷却され、熱交換器から再び配管３６ｃに導入される。

［ガス化バーナの製造方法］
続いて、図５及び図６を参照して、ガス化バーナ１の製造方法について説明する。まず、冷却部材３０を用意する。具体的には、図５（ａ）に示されるように、先端部３１の内側管３１ｂの他端と、中間部３２の一端とを対向させる。この状態で、内側管３１ｂの他端と中間部３２の一端とを溶接する。これにより、図５（ｂ）に示されるように、内側管３１ｂと中間部３２とが溶接部Ｗ１によって接合される。このとき、内側管３１ｂの他端が外側管３１ｃの他端よりも冷却部材３０の基端側に位置しているので、内側管３１ｂの他端と中間部３２の一端との間に溶接トーチが向かうことが外側管３１ｃによって妨げられ難い。

次に、図５（ｂ）に示されるように、先端部３１の外側管３１ｃの他端と、中間部３３の一端とを対向させる。この状態で、外側管３１ｃの他端と中間部３３の一端とを溶接する。これにより、図６（ａ）に示されるように、外側管３１ｃと中間部３３とが溶接部Ｗ２によって接合される。こうして、先端部３１及び中間部３２，３３が一体化された一体化部品が形成される。次に、中間部３２，３３がステンレス鋼で構成されている場合には、得られた一体化部品を加熱炉で所定温度（例えば、１０００℃以上）まで加熱した後に急冷し、当該ステンレス鋼を固溶化処理する。

次に、図６（ａ）に示されるように、中間部３２の他端と、基端部３４の一端とを対向させる。この状態で、中間部３２の他端と基端部３４の一端とを溶接する。これにより、図６（ｂ）に示されるように、中間部３２と基端部３４とが溶接部Ｗ３によって接合される。このとき、中間部３２の他端が中間部３３の他端よりも冷却部材３０の基端側に位置しているので、中間部３２の他端と基端部３４の一端との間に溶接トーチが向かうことが中間部３３によって妨げられ難い。次に、基端部３４の他端に基端壁３４ａの外周縁を溶接する。

次に、図６（ｂ）に示されるように、中間部３３の他端と、基端部３５の一端とを対向させる。この状態で、中間部３３の他端と基端部３５の一端とを溶接する。これにより、図３に示されるように、中間部３３と基端部３５とが溶接部Ｗ４によって接合される。

次に、冷却部材３０の内周壁（内側管３１ｂ、中間部３２及び基端部３４）と、冷却部材３０の外周壁（外側管３１ｃ，中間部３３及び基端部３５）との間に、内部壁３６を挿入する。次に、内部壁３６の他端を基端部３４の外周面に溶接する。次に、基端部３５の他端を内部壁３６の外周面に溶接する。以上により、冷却部材３０が完成する。

続いて、内側管３１ｂの内周面のうち先端部に設けられた雌ネジＦｓに対して、本体部２１の外周面に設けられた雄ネジＭｓを螺合する。これにより、冷却部材３０にノズルチップ２０が取り付けられる。

続いて、基端壁３４ａの貫通孔と、ノズルチップ２０の貫通孔２１ａ及び筒孔２２ａとに、燃料管１０を挿通する。これにより、燃料管１０の先端部が、ノズルチップ２０に対して隙間嵌めにより嵌合される。こうして、燃料管１０がノズルチップ２０に取り付けられる。次に、基端壁３４ａの貫通孔の内周面を、燃料管１０の外周面に溶接する。以上により、ガス化バーナ１が完成する。

［作用］
以上のような本実施形態では、ノズルチップ２０と冷却部材３０との間がネジ（雄ネジＭｓ及び雌ネジＦｓ）によって螺合されている。そのため、冷却部材３０に対するノズルチップ２０の取り付け及び取り外しが極めて容易である。従って、酸化剤が流通する貫通孔２１ｂの向きが異なる複数種類のノズルチップ２０を準備しておくことにより、石炭ガス化炉１００の改造をすることなくノズルチップ２０を交換するだけで、燃料種の変更に対応することができる。その結果、簡易な構成で種々の燃料種に対応することが可能となる。

本実施形態では、内部壁３６と先端壁３１ａとの間にスペーサ３６ａが設けられており、内部壁３６と基端部３５との間にスペーサ３６ｂが設けられている。そのため、スペーサ３６ａ，３６ｂによって、内部壁３６と先端壁３１ａ及び基端部３５との間に空間Ｖ２，Ｖ３が確保される。従って、冷却液が当該空間Ｖ２，Ｖ３内をスムーズに流れやすくなる。

本実施形態では、燃料管１０の先端がノズルチップ２０の先端面Ｓ２に露出している。そのため、使用時に部分酸化部１０２から受ける熱により燃料管１０が熱膨張して、ノズルチップ２０に対して伸びたとしても、その伸びがノズルチップ２０によって規制されない。そのため、ノズルチップ２０と燃料管１０との間に不要な応力が生じてしまうことを抑制できる。また、燃料管１０の先端がノズルチップ２０内に留まった状態で燃料管１０がノズルチップ２０に取り付けられている場合とは異なり、燃料がノズルチップ２０に接触することなく燃料管１０内を流通して部分酸化部１０２内に吐出される。そのため、燃料との接触によりノズルチップ２０が摩耗してしまう虞を抑制することが可能となる。

本実施形態において、中間部３２，３３が固溶化処理されたステンレス鋼である場合には、中間部３２，３３と先端部３１との溶接によって劣化したステンレス鋼の耐腐食性が、固溶化処理により回復する。そのため、冷却部材３０の応力腐食割れをより抑制することが可能となる。なお、中間部３２，３３と基端部３４，３５との間も溶接によって接合されているので、基端部３４，３５がステンレス鋼によって構成されていると、基端部３４，３５も劣化する。しかしながら、図２に示されるように、ガス化バーナ１は断熱材１０５を介して部分酸化部１０２に取り付けられおり、断熱材１０５は冷却部材３０の外周面の大部分を覆っている。そのため、部分酸化部１０２において生ずる高温ガスＧ１は、中間部３２，３３と基端部３４，３５との接合部近傍には殆ど入り込まない。

［他の実施形態］
以上、本開示に係る実施形態について詳細に説明したが、本発明の要旨の範囲内で種々の変形を上記の実施形態に加えてもよい。例えば、図７に示されるように、燃料管１０とノズルチップ２０とがネジ（雄ネジＭｓ及び雌ネジＦｓ）によって螺合しており、ノズルチップ２０と冷却部材３０とが嵌合（例えば、隙間嵌め）されていてもよい。また、図８に示されるように、ノズルチップ２０と燃料管１０とがネジ（雄ネジＭｓ及び雌ネジＦｓ）によって螺合しており、ノズルチップ２０と冷却部材３０とがネジ（雄ネジＭｓ及び雌ネジＦｓ）によって螺合していてもよい。すなわち、ノズルチップ２０と燃料管１０との間、及び、ノズルチップ２０と冷却部材３０との間の少なくとも一方が、ネジによって螺合されていてもよい。

図９に示されるように、燃料管１０の先端がノズルチップ２０の先端面Ｓ２に露出していなくてもよい。具体的には、燃料管１０の先端がノズルチップ２０内に留まった状態で、燃料管１０がノズルチップ２０に取り付けられていてもよい。

図１０に示されるように、冷却部材３０の先端部３１の表面に被覆層３７が配置されていてもよい。この場合、冷却部材３０は、中間部３２，３３を有しておらず、内側管３１ｂと基端部３４とが溶接部Ｗ１によって直接接合されており、外側管３１ｃと基端部３５とが溶接部Ｗ２によって直接接合されている。被覆層３７は、先端部３１の表面のうち外部に露出している領域と、溶接部Ｗ２の外表面と、基端部３５の外周面のうち先端部３１近傍の領域とを覆っている。被覆層３７は、例えば、肉盛りによって形成されていてもよい。被覆層３７が溶接部Ｗ２の外表面及びその近傍を覆っているので、溶接によって耐腐食性が劣化した領域が被覆層３７によって保護される。そのため、冷却部材３０の応力腐食割れをより抑制することが可能となる。

図１０の形態において、被覆層３７は、先端部３１の全質量に対するＮｉの含有量が４０質量％以上のニッケル合金で構成されていてもよい。このようなニッケル合金は耐食性が高いので、被覆層３７が露点腐食し難い。そのため、冷却部材３０の応力腐食割れをいっそう抑制することが可能となる。このようなニッケル合金としては、例えば、インコネル７１８、Ａｌｌｏｙ７１８等が挙げられる。

図１０の形態において、先端部３１は銅によって構成されており、基端部３４，３５はステンレス鋼によって構成されていてもよい。この場合、熱伝導率が高いものの耐腐食性が低い銅が被覆層３７で覆われる。そのため、部分酸化部１０２から最も熱を受けやすい先端部３１における熱交換を促進しつつ、先端部３１の応力腐食割れを被覆層３７によって抑制することが可能となる。また、銅はステンレス鋼と比較して安価であるため、冷却部材３０のコストを低減することが可能となる。

燃料管１０を構成する材料の熱膨張率（線膨張係数）は、ノズルチップ２０を構成する材料の熱膨張率（線膨張係数）よりも大きくてもよい。例えば、燃料管１０がＳＵＳ３１０Ｓ（０℃〜６５０℃の平均線膨張係数が１７．５×１０^−６／℃）で構成されており、ノズルチップ２０がＳＵＳ４３０（０℃〜６５０℃の平均線膨張係数が１２．８×１０^−６／℃）で構成されていてもよい。この場合、使用時に部分酸化部１０２から受ける熱により燃料管１０及びノズルチップ２０が熱膨張すると、燃料管１０の熱膨張率の方が大きいので、燃料管１０がノズルチップ２０に対してしっかりと締まり合う。従って、両者の隙間からの酸化剤の流出を抑制することが可能となる。

上記の実施形態では、燃料として微粉炭を用いる石炭ガス化炉１００を例にとって説明したが、微粉炭以外の他の燃料を用いるプラントのガス化バーナ１に対しても、本発明を適用しうる。さらに、微粉燃料（固体燃料）、液体燃料又は気体燃料を燃焼させる燃焼炉に用いられる燃焼バーナに対しても、本発明を適用しうる。

１…ガス化バーナ（バーナ）、１０…燃料管、２０…ノズルチップ、２１ｂ…貫通孔（流路）、３０…冷却部材、３１…先端部、３１ａ…先端壁、３１ｂ…内側管（内周壁）、３１ｃ…外側管（外周壁）、３２…中間部（内側筒状部；内周壁；基端部）、３３…中間部（外側筒状部；外周壁；基端部）、３４…基端部（内周壁）、３５…基端部（外周壁）、３６…内部壁、３６ａ，３６ｂ…スペーサ、３７…被覆層、１００…石炭ガス化炉、Ｆｓ…雌ネジ（ネジ）、Ｍｓ…雄ネジ（ネジ）、Ｓ２…先端面、Ｗ１〜Ｗ４…溶接部。

Claims (14)

1. 燃料が流通するように構成された燃料管と、
   冷却液が内部を循環するように構成された筒状の冷却部材と、
   前記燃料管の先端近傍が内部に挿通され且つ自身が前記冷却部材の先端近傍に挿通された筒状のノズルチップとを備え、
   前記ノズルチップの筒壁内には、前記ノズルチップの軸方向に沿って延びるように前記ノズルチップを貫通する酸化剤の流路が設けられており、
   前記ノズルチップと前記燃料管との間、及び、前記ノズルチップと前記冷却部材との間のうち少なくとも一方は、ネジによって螺合されている、バーナ。
2. 前記ノズルチップと前記燃料管との間、及び、前記ノズルチップと前記冷却部材との間のうち一方は、ネジによって螺合されており、
   前記ノズルチップと前記燃料管との間、及び、前記ノズルチップと前記冷却部材との間のうち他方は、嵌合されている、請求項１に記載のバーナ。
3. 前記ノズルチップと前記燃料管との間、及び、前記ノズルチップと前記冷却部材との間のうち他方は、ＪＩＳ Ｂ ０４０１−１：２０１６（ＩＳＯ２８６−１：２０１０）にて定められる穴の公差域がＤ〜Ｈのいずれかで且つ軸の公差域がｄ〜ｈのいずれかとなるように、隙間嵌めにより嵌合されている、請求項２に記載のバーナ。
4. 前記ノズルチップと前記燃料管との間、及び、前記ノズルチップと前記冷却部材との間のうちの他方の隙間嵌めの長さは、１ｃｍ以上である、請求項３に記載のバーナ。
5. 前記冷却部材の先端部は、当該先端部の全質量に対するＮｉの含有量が４０質量％以上のニッケル合金で構成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のバーナ。
6. 前記冷却部材の先端部は、溶接によって基端部と接続されており、
   前記基端部のうち前記先端部寄りの部分は少なくとも、固溶化処理されたステンレス鋼である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のバーナ。
7. 前記冷却部材の先端部は、溶接によって基端部と接続されており、
   前記先端部と前記基端部との溶接箇所を含む領域を覆うように、前記先端部の表面に被覆層が配置されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のバーナ。
8. 前記被覆層は、当該先端部の全質量に対するＮｉの含有量が４０質量％以上のニッケル合金で構成されている、請求項７に記載のバーナ。
9. 前記先端部は銅によって構成されており、前記基端部はステンレス鋼によって構成されている、請求項８に記載のバーナ。
10. 前記冷却部材は、
    筒状の外周壁と、
    前記外周壁の内側に位置する筒状の内周壁と、
    前記外周壁及び前記内周壁の先端を接続する先端壁と、
    前記外周壁及び前記内周壁から離間するようにこれらの間に位置する筒状の内部壁とを含み、
    前記内部壁と、前記先端壁、前記外周壁又は前記内周壁との間には、スペーサが設けられている、請求項１〜９のいずれか一項に記載のバーナ。
11. 前記燃料管の先端は前記ノズルチップの先端面に露出している、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のバーナ。
12. 前記燃料管の熱膨張率は前記ノズルチップの熱膨張率よりも高い、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のバーナ。
13. 燃料が流通するように構成された燃料管を用意する第１の工程と、
    冷却液が内部を循環するように構成された筒状の冷却部材を用意する第２の工程と、
    軸方向に沿って延びるように貫通する酸化剤の流路が筒壁内に設けられた筒状のノズルチップを用意する第３の工程と、
    前記燃料管の先端近傍を前記ノズルチップ内に挿通すると共に、前記ノズルチップを前記冷却部材の先端近傍内に挿通する第４の工程とを含み、
    前記第４の工程では、前記ノズルチップと前記燃料管との間、及び、前記ノズルチップと前記冷却部材との間のうち少なくとも一方をネジによって螺合する、バーナの製造方法。
14. 前記冷却部材は、
    二重管の一端が先端壁で閉塞されると共に他端側において内側管が外側管よりも長くなるように構成された前記冷却部材の先端部と、前記冷却部材の内周壁に対応すると共にステンレス鋼によって構成された内側筒状部と、前記冷却部材の外周壁に対応すると共にステンレス鋼によって構成された外側筒状部とを用意する第１のサブステップと、
    前記第１のサブステップの後に、前記内側管の他端と前記内側筒状部の一端とを溶接する第２のサブステップと、
    前記第２のサブステップの後に、前記外側管の他端と前記外側筒状部の一端とを溶接して一体化部品を形成する第３のサブステップと、
    前記第３のサブステップの後に、（Ａ）前記一体化部品を加熱して、前記内側筒状部及び前記外側筒状部を構成するステンレス鋼を固溶化処理するか、又は、（Ｂ）前記先端部と前記外側筒状部との溶接箇所を含む領域を覆うように、前記一体化部品の先端近傍に被覆層を形成する第４のサブステップとを経て得られる、請求項１３に記載の方法。

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