JP2022010303A - ノズルチップの製造方法及び燃料ノズルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ノズル先端部の冷却機構が不要なリジェネバーナ用ノズルチップと、このノズルチップを備えたリジェネバーナ用燃料ノズルと、この燃料ノズルを備えたリジェネバーナとを提供する。
【解決手段】リジェネバーナの燃料管の先端に設けられる、無機繊維成形体よりなるノズルチップ１。リジェネバーナの燃料口内に挿設されるリジェネバーナ用燃料ノズル２であって、金属製の筒状のノズル本体３と、該ノズル本体３の先端に取り付けられたノズルチップ１とを有する燃料ノズル２。空気口１２と、燃料ノズル設置孔１３に挿設された燃料ノズル２と、空気口１２にエアーチャンバ１１を介して連通する蓄熱室とを有するリジェネバーナ。
【選択図】図１

Description

本発明はリジェネバーナに用いられるノズルチップと、このノズルチップを備えたリジェネバーナ用燃料ノズルと、この燃料ノズルを備えたリジェネバーナに関する。

熱処理炉や鉄鋼加熱炉等の炉設備としてリジェネバーナを備えたものがある（例えば特許文献１）。リジェネバーナは、炉体の第１の炉壁と、該第１の炉壁に対面する第２の炉壁とに設置されている。各リジェネバーナは、空気口と、燃料口とを備え、空気口は蓄熱室に連通している。所定時間、第１の炉壁に設けられた第１のリジェネバーナを燃焼作動させ、第２の炉壁に設けられた第２のリジェネバーナの空気口から排ガスを吸引して第２の蓄熱室に導入して蓄熱材に蓄熱させる。この間、第１のリジェネバーナに供給される空気は、該第１の蓄熱室にて加熱されたものである。

該所定時間経過後は、第２のリジェネバーナを所定時間燃焼作動させ、第１のリジェネバーナの空気口から排ガスを吸引して第１の蓄熱室の蓄熱材に蓄熱させる。この間、第２のリジェネバーナの空気口に供給される空気は、第２の蓄熱室で加熱されたものである。以下、このサイクルが繰り返される。
本例の他には、隣合せに配置され燃焼動作と排ガス吸引動作を繰り返されるものもある。

上記の燃料口には燃料管が挿入されている。該燃料管は、先端が炉壁面と略面一状となるように設置されているところから、先端部は炉内の高温輻射熱を受けると共に、炉内の燃焼ガス雰囲気に晒され、炉内のスケール等により金属配管が腐食し易く、焼損・熱衝撃による割れが発生することになる。そのため、従来は、燃料管の先端部を水冷又は空冷する冷却機構を設けており、設備コストが嵩むと共に、二重金属配管構造で内側配管から燃料ガスを、外側配管から冷却用空気を同時に噴射する構成からエネルギーロスにもなっていた。

特開２００７－３０３６号公報

本発明は、燃料噴射孔ノズル（以下、燃料ノズルという）先端部の冷却機構が不要なリジェネバーナ用ノズルチップと、このノズルチップを備えたリジェネバーナ用燃料ノズルと、この燃料ノズルを備えたリジェネバーナ及びこのリジェネバーナを備えた工業炉とを提供することを目的とする。

本発明の要旨は次の通りである。

［１］ リジェネバーナの燃料ノズルの先端に設けられる、内孔を有する筒状のノズルチップであって、無機繊維成形体よりなるノズルチップ。

［２］ ［１］において、前記無機繊維成形体は、複数の無機繊維製ブロックからなり、該無機繊維製ブロックがニードルブランケットの積層体であるノズルチップ。

［３］ ［２］において、前記ニードルブランケットの積層体の厚み方向端部が、ノズルチップの内孔面及び先端面となるように設置されてなるノズルチップ。

［４］ ［１］～［３］のいずれかにおいて、前記無機繊維はアルミナ・シリカ繊維であることを特徴とするノズルチップ。

［５］ ［１］～［４］のいずれかにおいて、前記無機繊維成形体が無機バインダーを有することを特徴とするノズルチップ。

［６］ ［１］～［５］のいずれかにおいて、前記無機バインダーはアルミナ成分を含有することを特徴とするノズルチップ。

［７］ ［１］～［６］のいずれかにおいて、前記無機繊維成形体が耐酸化鉄腐食性組成物を有することを特徴とするノズルチップ。

［８］ ［１］～［７］のいずれかにおいて、前記ノズルチップは、内周側ほど嵩密度が高いことを特徴とするノズルチップ。

［９］ リジェネバーナの燃料口内に挿設されるリジェネバーナ用燃料ノズルにおいて、金属製の筒状のノズル本体と、該ノズル本体の先端に取り付けられた［１］～［８］のいずれかに記載のノズルチップとを有する燃料ノズル。

［１０］ ［９］において、前記ノズルチップの基端部が前記ノズル本体の先端部に内嵌しており、該ノズル本体の先端部に求心方向に装着されたビスが前記ノズルチップに刺入されていることを特徴とする燃料ノズル。

［１１］ 空気口と、燃料口と、該燃料口に挿設された燃料ノズルと、該空気口に連通する蓄熱室とを有するリジェネバーナにおいて、該燃料ノズルが［９］ないし［１０］のいずれかに記載の燃料ノズルであることを特徴とするリジェネバーナ。

［１２］ ［１１］に記載のリジェナバーナを有する工業炉。

本発明のノズルチップは、無機繊維成形体よりなるため、耐火性、耐腐食性、及び耐熱衝撃性が良好であり、冷却機構が不要である。本発明のノズルチップを設置したリジェネバーナを有する工業炉は、従来と比べて数％エネルギーを節約可能である。

実施の形態に係るノズルチップの斜視図である。 実施の形態に係るノズルチップの断面図である。 実施の形態に係る燃料ノズルの先端部の断面図である。 実施の形態に係る燃料ノズルの先端部の断面図である。 実施の形態に係るリジェネバーナを設置した炉体の断面図である。 別の実施の形態に係るリジェネバーナを設置した炉体の断面図である。 実施の形態に係るノズルチップの製造方法を説明する斜視図である。 実施の形態に係るノズルチップの製造方法を説明する断面図である。 図８のIX－IX線断面図である。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。

図１，２に実施の形態に係るノズルチップを示す。このノズルチップ１は、無機繊維成形体よりなる。このノズルチップ１は、内孔１ａを有した略円筒状である。内孔１ａは、ノズルチップ１の軸心部を軸心線方向に延在している。なお、ノズルチップ１は、図４のように、先端側の軸心線方向Ｘが基端側の軸心と斜交方向となっていてもよい。

この実施の形態では、ノズルチップ１の基端側の外周面に、先端側よりも小径の凹段部１ｂが設けられている。

図３は、このノズルチップ１を備えた燃料ノズル２の先端部の軸心線方向の断面図である。この燃料ノズル２は、金属製のパイプよりなるノズル本体３と、該ノズル本体３の先端に取り付けられたノズルチップ１とを有する。ノズル本体３の先端部がノズルチップ１の凹段部１ｂに外嵌している。ノズル本体３の先端部外周面から求心方向にビス４が打ち込まれ、このビス４がノズルチップ１に刺し込まれることにより、ノズルチップ１がノズル本体３に対し不動状に取り付けられる。なお、ノズルチップ１とノズル本体３の固定方法については、該ノズルチップ１と接するノズル本体３の先端近傍の内周にモルタル等の接着剤を塗布し、該ノズルチップ１と該ノズル本体３とを接着固定する方法でもよい。

ノズル本体３の先端近傍の内周には、凸部３ａが周設されている。ノズルチップ１の基端側の端面は、凸部３ａの先端側立下り面３ｂに当接している。凸部３ａは、ノズルチップ１の内孔１ａと等径かつ同軸状の第１内周面３ｃを有する。

好ましくは、図４の通り、該第１内周面３ｃから離隔するほど大径となるテーパ状の第２内周面３ｄとを有する。このように内孔１ａと第１内周面３ｃとを等径かつ同軸状とすると共に、テーパ状の内周面３ｄを設けることにより、ノズル本体３の先端部付近における流路抵抗が小さくなる。

ノズルチップ１の先端部の外径、凹段部１ｂの外径は、燃料ノズル２のサイズに応じて適宜調整すれば良いが、燃料ノズル２の外径は通常４０～２５０ｍｍ、内径は通常１０～１５０ｍｍであるので、当該範囲内であることが好ましい。

図５は、この燃料ノズル２を有するリジェネバーナ５を備えた炉体の壁面６の水平断面図である。

炉体壁面６に設けられたリジェネバーナ設置口６ａにリジェネバーナ５が嵌合配置されている。このリジェネバーナ５は、キャスタブル耐火物よりなるバーナタイル１０と、該バーナタイル１０に装備された１対の燃料ノズル２とを有する。

バーナタイル１０は、先端面１０ａが炉体壁面６の炉内面と面一状となるように配置されている。バーナタイル１０内の後部側には、エアーチャンバ１１が設けられ、該エアーチャンバ１１からバーナタイル先端面にまで空気口１２が貫設されている。空気口１２を挟んで１対の燃料ノズル設置孔（燃料口）１３，１３が設けられている。各燃料ノズル設置孔１３は、バーナタイル１０の先端面１０ａから後面まで、該先端面１０ａと垂直方向に貫設されている。

各燃料ノズル設置孔１３に燃料ノズル２が挿入配置されている。燃料ノズル２の先端部のノズルチップ１の先端面がバーナタイル１０の先端面１０ａと面一状となっている。ノズルチップ１として内孔１ａが燃料ノズル２の軸心線方向に延在したものが採用され、燃料ノズル２は、内孔１ａの先端部の軸心線方向Ｘが空気口１２の軸心線と平行となるように配置されている。

エアーチャンバ１１は、リジェネバーナ蓄熱室（図示略）に連通している。燃料ノズル２の後端側は燃料配管（図示略）が接続されている。

リジェネバーナ５が燃焼作動する場合には、蓄熱室にて加熱された空気がエアーチャンバ１１から空気口１２を介して炉内に噴出する。また、燃料ノズル２から燃料（この場合、ガス燃料）が噴出し、空気と混ざり合って燃焼する。

リジェネバーナ５が蓄熱作動する場合には、燃料ノズル２への燃料供給が停止されると共に、空気口１２、エアーチャンバ１１を介して炉内燃焼排ガスが蓄熱室に送られる。

この実施の形態では、燃料ノズル２の先端部が無機繊維成形体よりなるノズルチップ１によって構成されているので、燃料ノズル２の先端部の耐火性、耐腐食性、耐熱衝撃性が良好である。また、該先端部の冷却機構は不要である。

なお、上記実施の形態では、ノズルチップ１の内孔１ａの先端部の軸心線方向Ｘが空気口１２の軸心線と平行となっているが、図６のリジェネバーナ５’のように、燃料ノズル設置孔１３’を炉内面に対し斜め方向に貫設した場合には、ノズルチップ１’として、ノズルチップ１と同様に内孔１ａが燃料ノズル２の軸心線方向に延在したものが採用されるが、燃料ノズル２は、内孔１ａの先端部の軸心線方向Ｘが空気口１２の軸心線の延長線上と交わる方向となるように配置されている。図６のその他の構成は図５と同一であり、同一符号は同一部分を示している。

上記のノズルチップ１の製造方法について図７～９を参照して説明する。

この製造方法では、図７の通り、無機繊維製ブロック２０を複数個用いる。ブロック２０は、第１端面２５と第２端面２６とを有した略長方体形状であるが、１つの長手方向の側面に斜面２４ａが設けられている。これにより、ブロック２０は、細幅の第１長手側面２１と、該第１長手側面２１と平行な第２長手側面２２を有した略台柱形状となっている。

第１長手側面２１と第２長手側面２２の一方の長側辺との間が、平面状の第３長手側面２３となっている。第３長手側面２３と反対側は、第４長手側面２４となっている。この第４長手側面２４のうち第１長手側面２１側が前記斜面２４ａとなっている。

ブロック２０の第２端面２６と第２長手側面２２とが交わる部分に切欠部２７が設けられている。

各ブロック２０は、第３長手側面２３を隣接するブロック２０の第４長手側面２４に当接させるように、且つ第１長手側面２１をインナモールド３０の筒部３１の外周面に当てるようにして該筒部３１の外周に配列される。

隣接するブロック２０同士を強く押し付けるよう圧迫することにより、各ブロック２０は図７のＴ方向（第３長手側面２３と第４長手側面２４とが接近する方向）に押し縮められ、隣接するブロック２０，２０同士は隙間なく密着し、筒部３１を取り巻く筒状体となる。

なお、この筒状体にあっては、内周側ほどＴ方向に強く押し縮められることになるが、内周側の角を一部切り欠くことで（斜面２４ａ）、内周側の嵩密度をコントロールでき、成形性が良い点で好ましい。なかでも、内周側の嵩密度の圧縮率が３０～６５％、外周側の嵩密度の圧縮率が２０～４０％であることが好ましい。

この筒状体の外周に無機繊維のシート２８を巻き付ける。この実施の形態では、シート２８を２層に巻回しているが、１層又は３層以上であってもよい。

このシート２８の外周を取り巻くようにアウタモールド（図示略）を装着する。

インナモールド３０は、前記筒部３１と、該筒部３１の両端にそれぞれ設けられたフランジ３２，３３とを有する。筒部３１には、多数の小孔３４が設けられている。筒部３１は、例えばパンチングプレートを用いて製作される。なお、一方のフランジ３２は筒部３１に対して着脱可能となっている。

図示しないアウタモールドは、インナモールド３０と同様の形状であるが、アウタモールドは、１対の半割体よりなり、１対の半割体を組み合わせることにより、その内側がシート２８を巻きつけた無機繊維製ブロック２０と同様の形状とされる。１対の半割体でシート２８付き筒状体を挟み付け、シート２８付き筒状体を縮径方向に押し縮めて押縮体２９（図８）とする。

インナモールド３０及びアウタモールドによって挟まれた押縮体２９に無機バインダー液を含浸させる。この際、無機バインダー液を、インナモールド３０と同様に多数の小孔を有するアウタモールドを通して押縮体２９の外周面側から供給し、インナモールド３０の筒部３１内をサクション（吸引）してバインダー液を押縮体の内周側から吸引排出するのが好ましい。このようにすると、押縮体の内周側ほど多量の無機バインダー液が付着残留するようになる。また、サクションすることにより、主として無機繊維の交点付近に無機バインダーが付着残留するようになる。

次に、このように無機バインダー液を付着させた押縮体を乾燥する。この乾燥を行うには、筒部３１内を吸引しながら外周側から温風を当てるのが好ましいが、これに限定されない。乾燥終了後、脱型（アウタモールド及びインナモールド３０を脱型）し、次いで焼成して無機バインダーを無機繊維に焼き付ける。その後、必要に応じて切削加工してバリを除去すると共に、規格寸法に仕上げる。これにより、ノズルチップ１が製作される。

このようにして製造されたノズルチップ１にあっては、押縮体２９の内周側ほど嵩密度が高く、またバインダー付着量は内孔側ほど徐々に多くなるので、ノズルチップの内周面に沿って、繊維結着強度の高い高嵩密度部が形成される。この高嵩密度部を設けることにより、ノズルチップは耐風食性に優れたものとなる。なお、ノズルチップ１の最内周面から５ｍｍまでの範囲における嵩密度は、最外周側の嵩密度の１．１～４．０倍特に１．５～３．０倍であることが好ましい。
ノズルチップ１の最内周面から５ｍｍまでの範囲におけるバインダー濃度は、無機繊維１００重量部あたり、１５重量部以上３００重量部以下であることが好ましい。

このノズルチップは、無機繊維と無機バインダーとで構成されており、耐火性、耐腐食性、耐熱性、耐熱衝撃性に優れ、昇温時の予備加熱が不要である。また、水冷、空冷等の冷却機構が不要である。さらに、軽量でハンドリング性に優れる。

無機繊維としては、アルミナ重量分率が６５重量％以上のアルミナ質繊維が好ましく、具体的にはアルミナ／シリカ、これらを含むジルコニア、スピネル、チタニア等の単独、又は複合繊維が挙げられるが、特に好ましいのは耐熱性、繊維強度（靭性）、安全性の点で、アルミナ／シリカ系繊維、特に多結晶質アルミナ／シリカ系繊維である。

アルミナ／シリカ系繊維のアルミナ／シリカの組成比（重量比）は６５～９８／３５～２のムライト組成、又はハイアルミナ組成と呼ばれる範囲にあることが好ましく、さらに好ましくは７０～９５／３０～５、特に好ましくは７０～７４／３０～２６の範囲である。

無機繊維の８０重量％以上、好ましくは９０重量％以上、特に好ましくはその全量が上記ムライト組成の多結晶アルミナ／シリカ系繊維であることが好ましい。

また、無機繊維は、ＣａＯ３～２０重量％、Ａｌ_２Ｏ_３７０～９４．５重量％、及びＭｇＯ１～１０重量％を含み、かつ、ＣａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３及びＭｇＯの合計の含有割合が繊維全体の９５重量％以上である無機繊維も好適である。この無機繊維は、耐スケール性に優れ、かつ断熱材として十分な繊維強度を有する。

上記のブロック２０は、ニードル処理したニードルブランケットの積層体よりなることが好ましい。この場合、ブランケットの厚み方向端部がノズルチップの内孔面及び先端面（図７のＴ方向の面）となるように設置されてなることが燃料ガスによる風食に強い点で好ましい。

無機繊維シート２８も同様のニードルブランケットよりなることが好ましい。

＜無機バインダー＞
無機バインダーとしては、無機質の微粒子であれば特段の制限はない。無機バインダーの材料としては、アルミナ成分、ジルコニア成分、チタニア成分、マグネシア成分又はカルシア成分等のなどの１種又は２種以上を含んでいてもよい。アルミナ成分、カルシア成分またはスピネル成分を含有することがブランケットをノズルチップ等に成形加工した際に耐風食性等の機械的特性に優れる点で好ましく、アルミナ成分、及びカルシア成分またはスピネル成分を含有することがＦｅＯスケールによる腐食を抑制できる点でより好ましく、アルミナ成分及びカルシア成分を含有することがさらにＦeＯスケールによる腐食を抑制でき、少量添加で効果がみられる点で特に好ましい。
無機バインダーの平均粒子径としては、通常４～３０ｎｍであり、より好ましくは７～１５ｎｍである。
無機バインダーの原料としては、無機質ゾルおよび金属塩またはその混合物など、焼成後に酸化物を形成するものであればよい。

無機質ゾルとしては、液体溶媒中に無機バインダーが均一に分散したものであれば限定はないが、アルミナゾル、ジルコニアゾル、チタニアゾル、マグネシアゾル又はカルシアゾルなどの１種又は２種以上が挙げられる。また、金属塩としては上記金属種の蟻酸、酢酸、クエン酸、シュウ酸、安息香酸、リンゴ酸などの有機酸塩、また、硝酸などの鉱酸塩が挙げられる。アルミナゾルは熱膨張係数値が無機繊維集合体と近い点で好ましい。

鉄鋼製品の加熱炉など、雰囲気中に酸化鉄成分が存在する炉に用いられるノズルチップの無機バインダーとしては、耐酸化鉄腐食性組成物である、アルミナ成分（例えばＡｌ_２Ｏ_３）とカルシア成分（例えば、ＣａＯ）とを含むアルミナ／カルシア系組成物又はアルミナ成分（例えばＡｌ_２Ｏ_３）とマグネシア成分（例えば、ＭｇＯ）とを含むスピネル系組成物を含むことが好適である。この無機バインダーは特にノズルチップの無機繊維がムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・１ＳｉＯ_２）質繊維である場合に特に効果的である。

ノズルチップ用無機バインダーの平均付着量は、無機繊維１００質量部に対し、２～１００質量部であり、より好ましくは１０～６０質量部である。上記範囲にあるとことで、耐スケール性向上や熱収縮率が良好かつ成形性がよい点で好ましい。

即ち、炉内雰囲気中のＦｅＯ又はＦｅ_２Ｏ_３成分は、１０００℃以上の高温域においてムライトに固溶し、ＦｅＯ又はＦｅ_２Ｏ_３とＳｉＯ_２とが反応して低融点相が生成すると共に、残りのアルミナ成分が結晶化する（αアルミナとなる）。低融点相が生成することにより、ムライト繊維が腐食し易くなる。

無機バインダー中に、マグネシア（ＭｇＯ）成分やカルシア（ＣａＯ）成分が存在すると、バインダー焼き付け工程においてカルシア成分がムライト質繊維の特に繊維表面（単繊維の外周面）に取り込まれるようになる。このＭｇＯ含有ムライトやＣａＯ含有ムライトはＦｅＯ又はＦｅ_２Ｏ_３との反応性が低いので、ムライト質繊維の耐酸化鉄腐食性が向上する。

マグネシア及びカルシア成分の付着量は、無機繊維１００質量部に対し、０．３～２０質量部であり、より好ましくは０．５～１０質量部である。上記範囲にあるとことで、耐スケール性向上や熱収縮率が良好かつ成形性がよい点で好ましい。

なお、無機バインダーがアルミナ成分とカルシア成分とを含むものである場合、無機バインダー液としてアルミナ微粒子が分散した酢酸カルシウム溶液を使用し、無機バインダーの焼き付け温度（焼成温度）は９００～１３００℃特に９５０～１２５０℃程度とすることが好ましい。

上記実施の形態は本発明の一例であり、本発明は上記以外の形態とされてもよい。例えば、上記実施の形態ではブロック２０に切欠部２７を設けることにより、ノズルチップ１の凹段部１ｂを形成するようにしているが、バインダーを付着させ、乾燥及び焼成した後のノズルノズルチップ素体に切削加工を施して凹段部１ｂを形成してもよい。

１，１’ ノズルチップ
１ａ 内孔
２ 燃料ノズル
３ ノズル本体
４ ビス
５，５’ リジェネバーナ
６ 炉体壁面
１０ バーナタイル
１１ エアーチャンバ
１２ 空気口
１３，１３’ 燃料ノズル設置孔
２０ 無機繊維ブロック
２８ 無機繊維シート
２９ 押縮体
３０ インナモールド

Claims (1)

1. リジェネバーナの燃料ノズルの先端に設けられる、内孔を有する筒状のノズルチップであって、無機繊維成形体よりなるノズルチップ。

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