JP2018169112A - Burner - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガス化装置などの燃焼炉に用いられるバーナに関する。 The present invention relates to a burner used in a combustion furnace such as a gasifier.
例えば、特許文献1には、バーナが示されている。このバーナは燃料となる石炭チャーや微粉炭を燃焼するものである。バーナは、バーナ二次管(外筒)の内側にバーナ一次管(ノズル)が配置されている。このバーナは、バーナ二次管の周囲に冷却管が巻回されている。冷却管は、冷却水が流され、バーナを冷却する。 For example, Patent Document 1 discloses a burner. This burner burns coal char and pulverized coal as fuel. In the burner, a burner primary pipe (nozzle) is disposed inside a burner secondary pipe (outer cylinder). In this burner, a cooling pipe is wound around the burner secondary pipe. The cooling pipe is supplied with cooling water to cool the burner.
特許文献1に示すようなバーナにおいては、冷却管について、ステンレス鋼では冷却管の内面と外面の温度差により、管内外面の熱伸び差が生じ、熱応力が作用する。つまり、冷却管の内面が冷たく、外面が熱いと外面の伸びが大きくなる状態になり、この状態が繰り替えされると疲労事象が生じる。熱伸び差が生じて熱応力の作用が繰り返し生じる理由としては、冷却管の表面のスラグ脱着や管外面側の温度変動によるものが挙げられる。このような熱応力が作用することで生じる熱疲労に対する疲労強度に課題があり、低合金鋼では硫化水素に対して耐食性が不足している課題がある。このため、熱伝導性および耐食性に優れるNi基合金(例えば、インコネル625やインコネル600)が採用される。ただし、Ni基合金の冷却管を採用した場合でも、バーナ噴流(チャーや微粉炭)の衝突による摩耗が懸念されるため、バーナ噴流の衝突対象範囲に長寿命化のための対策が必要となる。バーナ噴流の衝突の対策としては、例えば、肉盛溶接、溶射皮膜施工またはプロテクタの設置が挙げられる。しかし、肉盛溶接は、冷却管の肉厚が薄いため施工が難しく、溶射皮膜は、冷却管と皮膜の熱伸び差により剥離の課題がある。また、プロテクタの設置については、耐熱性の点で対応が難しい。 In the burner as shown in Patent Document 1, with respect to the cooling pipe, in stainless steel, due to the temperature difference between the inner face and the outer face of the cooling pipe, a difference in thermal expansion occurs between the inner and outer faces of the pipe, and thermal stress acts. That is, if the inner surface of the cooling pipe is cold and the outer surface is hot, the outer surface becomes stretched. When this state is repeated, a fatigue event occurs. The reason why the thermal stress difference occurs repeatedly due to the difference in thermal elongation is due to slag desorption on the surface of the cooling pipe or temperature fluctuation on the pipe outer surface side. There is a problem in fatigue strength against thermal fatigue caused by the action of such thermal stress, and there is a problem that low alloy steel has insufficient corrosion resistance against hydrogen sulfide. For this reason, Ni-based alloys (for example, Inconel 625 and Inconel 600) that are excellent in thermal conductivity and corrosion resistance are employed. However, even when a Ni-base alloy cooling pipe is used, there is a concern about wear due to the collision of the burner jet (char or pulverized coal), and therefore measures for extending the life are required in the target area of the burner jet collision. . Examples of countermeasures against the burner jet collision include overlay welding, thermal spray coating, or protector installation. However, overlay welding is difficult to construct because the thickness of the cooling pipe is thin, and the thermal spray coating has a problem of peeling due to the difference in thermal elongation between the cooling pipe and the coating. Moreover, it is difficult to install the protector in terms of heat resistance.
本発明は、上述した課題を解決するものであり、冷却管について耐食性、耐熱疲労性を付与しつつ耐摩耗性を備えることのできるバーナを提供することを目的とする。 This invention solves the subject mentioned above, and it aims at providing the burner which can provide abrasion resistance, providing corrosion resistance and heat fatigue resistance about a cooling pipe.
上述の目的を達成するために、本発明の一態様に係るバーナは、バーナノズルと、前記バーナノズルの炉内に向いた先端側を開放して前記バーナノズルの外表面を囲むように覆う外筒と、前記外筒の周りに巻回された冷却管と、少なくとも、前記バーナノズルの先端側に配置された前記冷却管の巻回の内周方向表面に、界面反応層を介して前記外筒が接合された合金皮膜と、を有する。 In order to achieve the above-mentioned object, a burner according to an aspect of the present invention includes a burner nozzle and an outer cylinder that covers the burner nozzle so as to surround the outer surface of the burner nozzle by opening a tip side facing the furnace. The outer cylinder is joined via an interface reaction layer to the cooling pipe wound around the outer cylinder and at least the inner circumferential surface of the cooling pipe wound on the tip side of the burner nozzle. And an alloy film.
このバーナは、冷却管と外筒との間に合金皮膜を配置することで、冷却管と外筒とを合金皮膜を介して接触させることができる。これにより、冷却管と外筒とが点で接している場合よりも、熱が伝達する領域をより大きくすることができる。つまり、冷却管と外筒との間の燃焼用空気が通過する部分を合金皮膜で埋めることができ、合金皮膜を介して冷却管と外筒との間で熱を伝達することができる。これにより、冷却管で外筒をより高い効率で冷却することができ、外筒の温度上昇を抑制することができる。これにより、外筒の特に炉内に向いたバーナノズルの先端側が炉内の高温燃焼ガスまたは高温ガス化ガスにさらされることにより生じる高温腐食の発生を抑制することができる。冷却管と外筒が一体化することで炉に対するバーナおよび外筒に対する冷却管の取り付け位置に対する設置精度の向上を図ることができる。 In this burner, by disposing an alloy film between the cooling pipe and the outer cylinder, the cooling pipe and the outer cylinder can be brought into contact with each other via the alloy film. Thereby, the area | region which heat | fever transfers can be enlarged more than the case where the cooling pipe and the outer cylinder are in contact with a point. That is, the part through which the combustion air passes between the cooling pipe and the outer cylinder can be filled with the alloy film, and heat can be transmitted between the cooling pipe and the outer cylinder via the alloy film. Thereby, an outer cylinder can be cooled more efficiently with a cooling pipe, and the temperature rise of an outer cylinder can be suppressed. Thereby, generation | occurrence | production of the high temperature corrosion which arises when the front-end | tip side of the burner nozzle especially facing the inside of an outer cylinder is exposed to the high temperature combustion gas or high temperature gasification gas in a furnace can be suppressed. By integrating the cooling pipe and the outer cylinder, it is possible to improve the installation accuracy with respect to the mounting position of the burner with respect to the furnace and the cooling pipe with respect to the outer cylinder.
また、本発明の一態様に係るバーナでは、前記界面反応層は、冷却管の金属と前記合金皮膜の金属とが混在した領域である。 In the burner according to one embodiment of the present invention, the interface reaction layer is a region in which a metal of a cooling pipe and a metal of the alloy film are mixed.
このバーナは、界面反応層が冷却管の金属と前記合金皮膜の金属とが混在した領域であり、界面反応により合金皮膜および冷却管の構成元素が拡散し固溶することで冶金的に冷却管と合金皮膜とを面状に接合し連結している。これにより、冶金的に結合することで、1つの金属となり、隙間や空隙などの断熱層がなくなるため、熱伝達率が向上する。 In this burner, the interface reaction layer is a region where the metal of the cooling pipe and the metal of the alloy film are mixed, and the constituent elements of the alloy film and the cooling pipe are diffused and dissolved by the interface reaction, so that the cooling pipe is metallurgically metallized. And the alloy film are joined and connected in a planar shape. Thereby, it joins metallurgically and it becomes one metal, and since heat insulation layers, such as a clearance gap and a space | gap, are lose | eliminated, a heat transfer rate improves.
また、本発明の一態様に係るバーナでは、前記合金皮膜は、前記冷却管の全表面に設けられることが好ましい。 In the burner according to one aspect of the present invention, the alloy film is preferably provided on the entire surface of the cooling pipe.
このバーナは、冷却管の全表面に耐食性および耐摩耗性を有する合金皮膜を設けることで、冷却管の全表面での耐食性、耐摩耗性の低下を抑制できるため、冷却管の母材に比較的安価な金属を採用することができる。 Compared to the base material of the cooling pipe, this burner can suppress the deterioration of corrosion resistance and wear resistance on the entire surface of the cooling pipe by providing an alloy film with corrosion resistance and wear resistance on the entire surface of the cooling pipe. An inexpensive metal can be used.
また、本発明の一態様に係るバーナでは、前記合金皮膜は、巻回により隣接する各前記冷却管の隙間を埋めて設けられることが好ましい。 In the burner according to one aspect of the present invention, it is preferable that the alloy film is provided by filling a gap between adjacent cooling pipes by winding.
このバーナは、巻回により隣接する各冷却管の隙間を合金皮膜で埋めることで、冷却管と合金皮膜が一体化し、従来の点接触かつ隙間が有る構造に対して、合金被膜を介して、冷却管同士の熱伝導性が向上するため、外筒に対してより効果的な冷却効果を得ることができる。 This burner fills the gap between adjacent cooling pipes by winding with an alloy film, so that the cooling pipe and the alloy film are integrated, with the conventional point contact and gap structure, through the alloy film, Since the thermal conductivity between the cooling pipes is improved, a more effective cooling effect can be obtained for the outer cylinder.
また、本発明の一態様に係るバーナでは、前記合金皮膜は、前記外筒の外側表面に面で接触することが好ましい。 Moreover, in the burner which concerns on 1 aspect of this invention, it is preferable that the said alloy film contacts the outer surface of the said outer cylinder in a surface.
このバーナは、合金皮膜が外筒の外側表面に面で接触することで、熱伝達性が向上し、より効果的な冷却が可能になる。 In this burner, when the alloy film comes into contact with the outer surface of the outer cylinder in a surface, the heat transfer property is improved, and more effective cooling is possible.
また、本発明の一態様に係るバーナでは、前記合金皮膜は、少なくとも前記冷却管の巻回の内側表面に界面反応層を介して接合されると共に、前記外筒の外側表面に界面反応層を介して接合されて、前記冷却管と前記外筒とを結合することが好ましい。 In the burner according to one aspect of the present invention, the alloy film is bonded to at least the inner surface of the winding of the cooling pipe via the interface reaction layer, and the interface reaction layer is formed on the outer surface of the outer cylinder. It is preferable that the cooling pipe and the outer cylinder be joined together.
このバーナは、合金皮膜が冷却管と外筒との両方と界面反応層で介して接合される。これにより、冷却管と外筒とが、合金皮膜を通じて面接触となるため、外筒と冷却管との間の熱の伝達をより効率よく行うことができ、外筒をより効果的に冷却することができる。この結果、外筒2の先端2aの温度の低減による耐久性向上を図ることができる。
In this burner, the alloy film is bonded to both the cooling pipe and the outer cylinder through an interface reaction layer. Thereby, since a cooling pipe and an outer cylinder will be in surface contact through an alloy film, the heat transfer between an outer cylinder and a cooling pipe can be performed more efficiently, and an outer cylinder is cooled more effectively. be able to. As a result, durability can be improved by reducing the temperature of the
また、本発明の一態様に係るバーナでは、前記冷却管は、巻回の内側表面に前記外筒の外側表面に沿って対面する対向面が形成されていることが好ましい。 In the burner according to one aspect of the present invention, it is preferable that the cooling pipe has an opposing surface that faces the outer surface of the outer cylinder on the inner surface of the winding.
このバーナは、冷却管が外筒に面接触するため、冷却管と外筒とが直接する面積が向上し、また、接触しやすい状態とすることができる。これにより、密着性向上や冷却面積の向上が図れ、より効果的な冷却が可能となる。 In this burner, since the cooling pipe is in surface contact with the outer cylinder, the area directly contacted by the cooling pipe and the outer cylinder is improved, and the burner can be in a state of being easily contacted. Thereby, the adhesiveness and the cooling area can be improved, and more effective cooling is possible.
本発明によれば、冷却管について耐食性、耐熱疲労性を付与しつつ耐摩耗性を備えることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, abrasion resistance can be provided, providing corrosion resistance and heat fatigue resistance about a cooling pipe.
以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。以下の実施形態では、バーナをガス化装置のガス化炉に配置した場合として説明するが、ガス化炉以外の燃焼機器のバーナとしても用いることができる。 Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by this embodiment. In addition, constituent elements in the following embodiments include those that can be easily replaced by those skilled in the art or those that are substantially the same. In the following embodiment, the case where the burner is arranged in the gasification furnace of the gasification apparatus will be described, but it can also be used as a burner for combustion equipment other than the gasification furnace.
まず、図1を用いて、本実施形態に係るバーナを有するガス化装置について説明する。図1は、本実施形態に係るバーナを有するガス化装置の概略構成を示す模式図である。ガス化装置100は、供給された固形燃料をガス化する。ガス化装置100に供給する燃料としては、例えば、石炭などの炭素含有固体燃料が用いられる。ガス化装置100は、例えば石炭ガス化複合発電設備(IGCC:Integrated Coal Gasification Combined Cycle)に適用される。石炭ガス化複合発電設備は、空気を酸化剤として用いており、ガス化装置100において、燃料から生成ガスを生成する空気燃焼方式を採用している。そして、石炭ガス化複合発電設備は、ガス化装置100で生成した生成ガスを、ガス精製装置で精製して燃料ガスとした後、ガスタービン設備に供給して発電を行っている。すなわち、本実施形態の石炭ガス化複合発電設備は、空気燃焼方式(空気吹き)の発電設備となっている。
First, a gasifier having a burner according to this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a gasifier having a burner according to the present embodiment. The
ガス化装置100は、給炭装置で製造された微粉炭が供給されると共に、チャー回収装置で回収されたチャー(石炭の未反応分および灰分)が戻されて再利用可能に供給されている。イナートガスとは、酸素含有率が約5体積%以下の不活性ガスであり、窒素ガスや二酸化炭素ガスやアルゴンガスなどが代表例であるが、必ずしも約5%以下に制限されるものではない。
The
このガス化装置100は、図には明示しないが、ガスタービン設備(圧縮機)からの圧縮空気供給ラインが接続され、ガスタービン設備で圧縮された圧縮空気が供給可能となっている。また、ガス化装置100は、空気分離装置が接続されている。空気分離装置は、大気中の空気から窒素と酸素を分離生成するものであり、第1窒素供給ラインと酸素供給ラインとが接続されている。第1窒素供給ラインは、ガス化装置100に接続されている。また、第1窒素供給ラインは、その途中に第2窒素供給ラインが分岐して接続され、さらにガス化装置100寄りに給炭装置からの給炭ラインが接続されている。第1窒素供給ラインから分岐した第2窒素供給ラインもガス化装置100に接続されている。第2窒素供給ラインは、その途中にチャー回収装置からのチャー戻しラインが接続されている。酸素供給ラインは、圧縮空気供給ラインを介してガス化装置100に接続されている。そして、空気分離装置によって分離された窒素は、第1窒素供給ラインおよび第2窒素供給ラインを流通することで、石炭やチャーの搬送用ガスとして利用される。また、空気分離装置によって分離された酸素は、酸素供給ラインおよび圧縮空気供給ラインを流通することで、ガス化装置100において酸化剤として利用される。さらに、空気分離装置は、酸素供給ラインによって、圧縮空気供給ラインと接続されている。
Although not shown in the drawing, the
ガス化装置100は、図1に示すように、ガス化炉101と、熱交換器102と、を備えている。ガス化炉101は、鉛直方向に延びて形成されており、鉛直方向の下方側に微粉炭および酸素が供給され、部分燃焼させてガス化した可燃性ガス(生成ガス)が鉛直方向の下方側から上方側に向かって流通している。ガス化炉101は、圧力容器110と、圧力容器110の内部に設けられるガス化炉壁111とを有している。そして、ガス化炉101は、圧力容器110とガス化炉壁111との間の空間にアニュラス部115を形成している。また、ガス化炉101は、ガス化炉壁111の内部の空間において、鉛直方向の下方側(つまり、生成ガスの流通方向の上流側)から順に、コンバスタ部116、ディフューザ部117、リダクタ部118を形成している。
As shown in FIG. 1, the
圧力容器110は、内部が中空空間となる筒形状に形成され、上端部にガス排出口121が形成される一方、下端部(底部)にスラグホッパ122が形成されている。ガス化炉壁111は、内部が中空空間となる筒形状に形成され、その壁面が圧力容器110の内面と対向して設けられている。本実施形態では圧力容器110は、円筒形状で、ガス化炉壁111は、多角筒形状や円筒形状に形成されている。そして、ガス化炉壁111は、図示しない支持部材により圧力容器110内面に連結されている。
The
ガス化炉壁111は、圧力容器110の内部を内部空間154と外部空間156に分離する筒状の部材である。ガス化炉壁111は、断面形状が変わらない筒ではなく、一部に凹凸や絞りが設けられている。ガス化炉壁111は、その上端部が、圧力容器110のガス排出口121に接続され、その下端部が圧力容器110の底部と隙間を空けて設けられている。そして、圧力容器110の底部に形成されるスラグホッパ122には、貯留水が溜められており、ガス化炉壁111の下端部が貯留水に浸水することで、ガス化炉壁111の内外を封止している。ガス化炉壁111には、バーナ126、127が挿入され、内部空間154に熱交換器102が配置されている。バーナ126、127の構造については後述する。
The
アニュラス部115は、圧力容器110の内側とガス化炉壁111の外側に形成された空間、つまり外部空間156であり、上述したように空気分離装置で分離された不活性ガスである窒素が、第1窒素供給ラインおよび第2窒素供給ラインを通って供給される。このため、アニュラス部115は、窒素が充満する空間となる。なお、このアニュラス部115の鉛直方向の上部付近には、ガス化炉101内を均圧にするための図示しない炉内均圧管が設けられている。炉内均圧管は、ガス化炉壁111の内外を連通して設けられ、ガス化炉壁111の内部(コンバスタ部116、ディフューザ部117およびリダクタ部118)と外部(アニュラス部115)とを均圧にしている。
The
コンバスタ部116は、微粉炭およびチャーと空気とを一部燃焼させる空間となっており、コンバスタ部116におけるガス化炉壁111には、複数のバーナ126からなる燃焼装置が配置されている。コンバスタ部116で微粉炭およびチャーの一部を燃焼した高温の燃焼ガスは、ディフューザ部117を通過してリダクタ部118に流入する。
The
リダクタ部118は、ガス化反応に必要な高温状態に維持されコンバスタ部116からの燃焼ガスに微粉炭を供給して、微粉炭を揮発分(一酸化炭素、水素、低級炭化水素など)へと熱分解してガス化されて可燃性ガスを生成する空間となっており、リダクタ部118におけるガス化炉壁111には、複数のバーナ127からなる燃焼装置が配置されている。
The
熱交換器102は、ガス化炉壁111の内部に設けられると共に、リダクタ部118のバーナ127の鉛直方向の上方側に設けられている。熱交換器102は、ガス化炉壁111の鉛直方向の下方側(生成ガスの流通方向の上流側)から順に、蒸発器(エバポレータ)131、過熱器(スーパーヒータ)132、節炭器(エコノマイザ)134が配置されている。これらの熱交換器102は、リダクタ部118において生成された生成ガスと熱交換を行うことで、生成ガスを冷却する。また、蒸発器(エバポレータ)131、過熱器(スーパーヒータ)132、節炭器(エコノマイザ)134は、図に記載されたその数量を限定するものではない。
The
ここで、上述した本実施形態のガス化装置100の作動について説明する。ガス化装置100ガス化炉101において、リダクタ部118のバーナ127により窒素と微粉炭が投入されて点火されると共に、コンバスタ部116のバーナ126により微粉炭およびチャーと圧縮空気(酸素)が投入されて点火される。すると、コンバスタ部116では、微粉炭とチャーの燃焼により高温燃焼ガスが発生する。また、コンバスタ部116では、微粉炭とチャーの燃焼により高温ガス中で溶融スラグが生成され、この溶融スラグがガス化炉壁111へ付着すると共に、炉底へ落下し、最終的にスラグホッパ122内の貯水へ排出される。そして、コンバスタ部116で発生した高温燃焼ガスは、ディフューザ部117を通ってリダクタ部118に上昇する。このリダクタ部118では、ガス化反応に必要な高温状態に維持されて、微粉炭が高温燃焼ガスと混合し、高温の還元雰囲気場において微粉炭を揮発分(一酸化炭素、水素、低級炭化水素など)へと熱分解してガス化反応が行われ、可燃性ガス(生成ガス)が生成される。ガス化した可燃性ガス(生成ガス)が鉛直方向の下方側から上方側に向かって流通する。
Here, the operation of the
次に、図1に加え、図2から図4を用いて、バーナの構造について説明する。ここで、バーナ126と、バーナ127は、同様の構造であるので、以下バーナ10として説明する。図2は、本実施形態に係るバーナの側断面図である。図3は、本実施形態に係るバーナの合金皮膜部分の模式拡大断面図である。図4は、本実施形態に係るバーナの一部拡大断面図である。
Next, the structure of the burner will be described with reference to FIGS. 2 to 4 in addition to FIG. Here, since the
図2に示すように、本実施形態のバーナ10は、上述したように、圧力容器110およびガス化炉壁111(図1参照)を貫通して、内部が高温になる炉Hの内側に挿入されている。バーナ10は、ノズル(バーナノズル)1と、外筒(二次空気管)2と、冷却管3と、合金皮膜4と、旋回羽根5と、を有する。
As shown in FIG. 2, the
ノズル1は、一次空気および燃料(チャーや微粉炭)を噴射する。ノズル1は、噴射口である先端1a側が炉Hの内部に向いた向きで配置されている。外筒2は、二次空気を供給するもので、ノズル1の先端1a側を開放しノズル1の外側を覆うように設けられている。外筒2は、ノズル1の周囲を囲むように配置されている。つまり、バーナ10は、ノズル1と外筒2とが二重管となる。本実施形態のバーナ10は、ノズル1と外筒2とが互いの中心線CLを一致させるように配置された二重の円筒管となる。外筒2は、炉H内側の端部である先端2aが、ノズル1の先端1aよりも長く形成されている。旋回羽根5は、ノズル1と外筒2との間に設けられている。旋回羽根5は、外筒2により供給される二次空気を旋回流とする。そして、バーナは、ノズル1および外筒2により供給される燃料および空気(一次空気および二次空気)によって炉H内にて火炎を形成する。
The nozzle 1 injects primary air and fuel (char and pulverized coal). The nozzle 1 is arranged in such a direction that the
冷却管3は、内部に冷却水(冷却媒体)が流通する。冷却管3は、外筒2の周りを取り囲むように渦巻き(螺旋)状に巻回されている。冷却管3は、1本の管が外筒2の延在方向に沿って並設されるように外筒2の周りに巻回されていても、複数の管が外筒2の延在方向に沿って並設されるように外筒2の周りに巻回されていてもよい。冷却管3は、外筒2の先端2aから基端(図示せず)に至り並設し炉H外に通じている。そして、炉H外から供給された冷却水が冷却管3に流通することで、炉H内から外筒2への熱を遮蔽すると共に、外筒2を冷却することでノズル1の先端1a側の高熱から外筒2を保護できる。冷却管3は、例えば、熱伝導性および耐食性に優れるNi基合金(例えば、インコネル(登録商標)625)により形成されている。
Cooling water (cooling medium) flows through the
合金皮膜4は、冷却管3の巻回の内側表面3aに設けられている。合金皮膜4は、冷却管3と一体で形成され、外筒2と接している。合金皮膜4は、図2に示すように、ノズル1の先端1a側に配置された冷却管3の巻回の内側表面3aに設けられている。具体的には、図2に示す合金皮膜4は、ノズル1の先端1a側に配置された冷却管3の巻回の内側表面3aのみに設けられている形態を示す。また、合金皮膜4は、冷却管3が外筒2の先端2aから突出するように設けられ、この突出した部分において巻回の内側表面3aに合金皮膜4が設けられている。
The
合金皮膜4は、自溶性合金皮膜であって、材料組成は、一例として、Ni−18〜30wt%、Cr−5〜10wt%、Mo−1.5〜3.0wt%、Fe−1〜6wt%、B−1〜5wt%、Si−1〜5wt%とである。
The
合金皮膜4の合金は、外筒2の耐食性および硬度を向上させる組成である。合金皮膜4の合金の耐食性は、冷却管3の金属、例えばインコネル625と類似組成を採用する。また、合金皮膜4の合金は、BおよびSiの成分を調整することで、硬度や、融点を調整することができる。合金皮膜4は、耐食性、耐摩耗性、熱伝導性、耐熱疲労性(線膨張率)に優れる。また、合金皮膜4は、皮膜厚さを100μm以上5000μm以下とすることが好ましい。
The alloy of the
バーナ10は、図3に示すように、合金皮膜4と冷却管3との間に界面反応層6を有する。界面反応層6は、冷却管3の表面と合金皮膜4とを接合している。界面反応層6は、冷却管3の金属と合金皮膜4の金属とが混在した領域である。界面反応層6は、界面反応により合金皮膜4および冷却管3の構成元素が拡散し固溶することで冶金的に冷却管3と合金皮膜4とを面状に接合し連結している。これにより、冶金的に結合することで、1つの金属となり、隙間や空隙などの断熱層がなくなるため、熱伝達率が向上する。
As shown in FIG. 3, the
本実施形態のバーナ10は、図2に示すように、少なくともノズル1の先端1a側に配置された冷却管3の巻回の内側表面3aに界面反応層6を介して接合された合金皮膜4を有する。バーナ10は、冷却管3と外筒2との間に合金皮膜4を配置することで、冷却管3と外筒2とを合金皮膜4を介して接触させることができる。これにより、冷却管3と外筒2とが点で接している場合よりも、熱が伝達する領域をより大きくすることができる。つまり、冷却管3と外筒2との間の燃焼用空気が通過する部分を合金皮膜4で埋めることができ、合金皮膜4を介して冷却管3と外筒2との間で熱を伝達することができる。これにより、冷却管3で外筒2をより高い効率で冷却することができ、外筒2の温度上昇を抑制することができる。これにより、外筒2の特に炉内に向いたバーナノズルの先端2a側が炉内の高温燃焼ガスまたは高温ガス化ガスにさらされることにより生じる高温腐食の発生を抑制することができる。冷却管3と外筒2が一体化することで炉Hに対するバーナ10および外筒2に対する冷却管3の取り付け位置に対する設置精度の向上を図ることができる。
As shown in FIG. 2, the
また、バーナ10は、摩耗や高温腐食や耐熱性が懸念されるノズル1の先端1a側に配置された冷却管3の巻回の内側表面3aに合金皮膜4を設けることで、ノズル1からの粒子流れによる摩耗および高温腐食に対して冷却管3を保護することができる。これにより、バーナ10の耐摩耗性および耐食性を高くすることができ、バーナ10の寿命を長くすることができる。また、合金皮膜4は、界面反応層6を介して冷却管3に接合された冶金的な接合であるため、耐熱性を向上し、冷却管3との熱延び差に起因する剥離を抑止することができ、耐熱疲労性を備えることができる。この結果、冷却管3について耐食性、耐熱疲労性を付与しつつ耐摩耗性を備えることができる。
Further, the
本実施形態のバーナ10は、図2に示すように、合金皮膜4が、巻回により隣接する各冷却管3の隙間を埋めて設けられることが好ましい。バーナ10は、巻回により隣接する各冷却管3の隙間を合金皮膜4で埋めることで、冷却管3と合金皮膜4が一体化し、従来の点接触かつ隙間が有る構造に対して、合金被膜4を介して、冷却管3同士の熱伝導性が向上するため、外筒2に対してより効果的な冷却効果を得ることができる。
As shown in FIG. 2, the
本実施形態のバーナ10は、外筒2の先端2a側の一部を冷却管3および合金皮膜4と共に切断した断面図である図4に示すように、合金皮膜4が、外筒2の外側表面2bに面(内面)4aで接触することが好ましい。具体的には、図4に示すように、合金皮膜4の内面4aを外筒2の外側表面2bの形状に合わせて加工して外筒2の外側表面2bと面で接触できるように形成する。このため、バーナ10は、合金皮膜2と外筒2が一体化し、合金被膜4を介して、冷却管3と外筒2との間の熱伝導性が向上するため、外筒2に対してより効果的な冷却効果を得ることができる。
As shown in FIG. 4, which is a cross-sectional view in which the
ここで、冷却管3への合金皮膜4の施工ついて説明する。まず、冷却管3は、外筒2の周りに巻回できるように渦巻き状に形成されている。合金皮膜4は、合金皮膜4と同組成で構成されるアモルファス合金粉末を用いて形成される。また、施工時は、アモルファス合金粉末をスラリー化して塗布し、その後過熱して焼結させる。ここで、アモルファス合金粉末のスラリーは、冷却管3同士の隙間に粉末が入りやすくなるよう、かつ顕著な流出が無いように、粘度を300cp以上2300cp以下とする。
Here, the construction of the
合金皮膜4の形成方法をより具体的に説明する。まず、アモルファス合金粉末のスラリーを生成する(第1ステップ)。次に、基材である冷却管3の表面をブラスト処理する(第2ステップ)。なお、第1ステップと第2ステップは処理の順番が同時でも逆でもよい。次に、ブラスト処理した冷却管3の表面にアモルファス合金粉末のスラリーを塗布する(第3ステップ)。塗布方法は、スラリーに冷却管3を浸けるディッピングまたはスラリーを冷却管3に吹き付けるスプレー拭き付けやはけ塗りなどを用いることができる。次に、塗布したスラリーを乾燥させる(第4ステップ)。乾燥は、例えば、40℃以上80℃以下の環境に2時間から24時間置くことで実行できる。合金皮膜4の形成方法は、第3ステップと第4ステップを繰り返し実行して、冷却管3に形成する膜の厚みを所定の厚みまで成長させる。合金皮膜4の形成方法は、膜厚を所定の厚みまで成長させた後、不活性ガス雰囲気中加熱(真空炉、環境制御電気炉、専用コイルを用いた高周波加熱など)する(第5ステップ)。加熱処理することで、アモルファス合金粉末が合金皮膜4となり、かつ、冷却管3と合金皮膜4と境界部分が界面反応層6となる。合金皮膜4を上記方法で形成することで、溶射と比較して塗布時の熱源が不要となり、更に基材との密着性を高くすることができる。
The method for forming the
ここで、バーナ10は、上記のように冷却管3の巻回の内側表面3aに合金皮膜4を設けた後、渦巻き状の冷却管3が外筒2の周りに設置できるように、図4に示すように、合金皮膜4の内面4aを外筒2の外側表面2bの形状に合わせて加工して外筒2の外側表面2bと面で接触できるように形成する。このように構成することで、熱伝達性が向上し、より効果的な冷却が可能になる。
Here, after the
ここで、上記実施形態のバーナ10は、合金皮膜4をノズル1の先端1aの冷却管3と外筒2との間にのみ設けたがこれに限定されない。図5は、本実施形態に係るバーナの他の例の側断面図である。図5に示すバーナ10の合金皮膜4は、ノズル1の先端1a側に配置された冷却管3の表面の全周に合金皮膜4が設けられている。バーナ10は、合金皮膜4を冷却管3の周囲の全周に設けることで、外筒2に加え、冷却管3を保護することができる。また、冷却管3の全周に配置することで、合金皮膜4と冷却管3との密着性をより高くすることできる。
Here, although the
また、バーナ10は、冷却管3の全表面に耐食性および耐摩耗性を有する合金皮膜4を設けることで、冷却管3の全表面での耐食性、耐摩耗性の低下を抑制できるため、冷却管3の母材に比較的安価な金属(例えば、低合金綱)を採用することができる。
Moreover, since the
図6は、本実施形態に係るバーナの他の例の側断面図である。図6に示すバーナ10は、冷却管3の全表面に合金皮膜4が設けられている。つまり、図6に示すバーナ10の合金皮膜4は、バーナ10の軸方向において、外筒2の先端2a付近に配置された冷却管3の周囲に加え、冷却管3の他の部分の周囲にも設けられている。ここで、合金皮膜4は、炉Hの内部に配置されている冷却管3の部分の全域に設けることが好ましい。バーナ10は、合金皮膜4をバーナ10の軸方向において、外筒2の先端2aと対面する冷却管3の周囲に加え、外筒2の他の部分と対面する冷却管3の周囲にも設けることで、先端2a以外の部分の外筒2もより効率よく冷却することができる。これにより、外筒2の熱をより確実に吸収することができ、先端2aの温度が上昇することをより確実に抑制することができ、先端2aの高温腐食をより抑制することができる。
FIG. 6 is a side sectional view of another example of the burner according to the present embodiment. In the
上述した実施形態では、渦巻き状に形成した状態の冷却管3に対して合金皮膜4を設けているが、外筒2の周りに渦巻き状に冷却管3を巻回した状態で、冷却管3の表面に合金皮膜4を設けてもよい。つまり、上記実施形態では、合金皮膜4を冷却管3との間に界面反応層6が形成される構造としたが、合金皮膜4を冷却管3と外筒2の両方と一体化して合金皮膜4と冷却管3との間、合金皮膜4を外筒2との間の両方に界面反応層6が設けられた構造としてもよい。
In the embodiment described above, the
図7は、本実施形態に係るバーナの他の例の合金皮膜部分の模式拡大断面図である。図8は、本実施形態に係るバーナの一部拡大断面図であって外筒2の先端2a側の一部を冷却管3および合金皮膜4と共に切断した断面図である。図7および図8に示すバーナ10は、界面反応層6aと、界面反応層6bとを含む。界面反応層6aは、合金皮膜4と冷却管3の内側表面3aとの間に形成される。バーナ10は、合金皮膜4が、冷却管3の巻回の内側表面3aに界面反応層6aを介して接合される。また、バーナ10は、合金皮膜4が、外筒2の外側表面2bに界面反応層6bを介して接合されて、冷却管3と外筒2とを結合する。合金皮膜4を設ける位置は、上記実施形態と同様に、外筒2の先端2aのみとしても、外筒2の軸方向の先端2a以外の部分を含んでもよい。また、冷却管3の周囲の全周でも、外筒2側の面のみでもよい。
FIG. 7 is a schematic enlarged cross-sectional view of an alloy film portion of another example of the burner according to the present embodiment. FIG. 8 is a partial enlarged cross-sectional view of the burner according to the present embodiment, and is a cross-sectional view in which a part of the
図7および図8に示すバーナ10は、合金皮膜4が冷却管3と外筒2との両方と界面反応層6a、6bで介して接合される。これにより、冷却管3と外筒2とが、合金皮膜4を通じて面接触となるため、外筒2と冷却管3との間の熱の伝達をより効率よく行うことができ、外筒をより効果的に冷却することができる。この結果、外筒2の先端2aの温度の低減による耐久性向上を図ることができる。
In the
図9は、本実施形態に係るバーナの一部拡大断面図であって外筒2の先端2a側の一部を冷却管3および合金皮膜4と共に切断した断面図である。バーナ10は、図9に示すように、冷却管3の巻回の内側表面3aに外筒2の外側表面2bに沿って対面する対向面3aaを形成してもよい。対向面3aaは、外筒2の軸方向において、つまり軸方向に沿った断面において、外筒2の外側表面2bと平行な面である。対向面3aaは、図9に示すように、巻回した後に外筒2の外側表面2bに沿うよう面となるように切削したり押し潰したりして形成することができ、あるいは、巻回する前の冷却管3の成形時に予め形成してもよい。図9に示すバーナ10は、対向面3aaにより冷却管3が外筒2に面接触するため、冷却管3と外筒2とが直接する面積が向上し、また、接触しやすい状態とすることができる。これにより、密着性向上や冷却面積の向上が図れ、より効果的な冷却が可能となる。また、冷却管3の対向面3aa以外の外筒2と対面する位置には、合金皮膜4を形成することで、冷却管3と冷却管3との間に合金皮膜4を充填することができ、冷却管3と外筒2との間で熱が伝わりやすくすることができる。この結果、外筒2の先端2aの温度の低減による耐久性向上を図ることができる。
FIG. 9 is a partially enlarged cross-sectional view of the burner according to the present embodiment, and is a cross-sectional view in which a part of the
なお、冷却管3の摩耗損傷は、ノズル1の先端1aと外筒2の先端2aとの位置関係や、外筒2の先端2aと冷却管3の位置関係により決まる場合があるが、その据付精度が出難い。さらに、冷却管3の摩耗は、外筒2の先端2aの減肉により生じる。このため、外筒2と冷却管3とを合金皮膜4で一体にすることで、据付時の位置決め精度が向上し、外筒2の先端2aにも合金皮膜4が設けられて外筒2の耐久性向上に寄与するため、摩耗の発生時期を遅くすることが可能となり、長寿命化に繋がる。
The wear damage of the
1 ノズル
1a 先端
2 外筒
2a 先端
2b 外側表面
3 冷却管
3a 内側表面
3aa 対向面
4 合金皮膜
4a 内面
6(6a、6b) 界面反応層
10 バーナ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (7)
前記バーナノズルの炉内に向いた先端側を開放して前記バーナノズルの外表面を囲むように覆う外筒と、
前記外筒の周りに巻回された冷却管と、
少なくとも、前記バーナノズルの先端側に配置された前記冷却管の巻回の内周方向表面に、界面反応層を介して前記外筒が接合された合金皮膜と、を有するバーナ。 A burner nozzle,
An outer cylinder covering the outer surface of the burner nozzle by opening the tip side facing the furnace of the burner nozzle;
A cooling pipe wound around the outer cylinder;
A burner having at least an alloy film in which the outer cylinder is joined via an interface reaction layer on the inner circumferential surface of the winding of the cooling pipe disposed on the tip side of the burner nozzle.
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