JP4038876B2 - 粉体溶融バーナ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種の金属、酸化金属、酸化物、又はセラミックス等の粉体を溶融しつつ供給する際に用いられる粉体溶融バーナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境保護の観点から産業廃棄物の有効利用が多方面で試みられている。
例えば、製鋼の際に排出される還元スラグと集塵ダストは、以前においては殆んど利用価値がないため、廃棄されていた。しかし、上記還元スラグと集塵ダストを高温フレーム(火炎)中に供給して酸化スラグに溶製することにより、エージング処理をすることなくアスファルト舗装道路の路盤材とし、ダスト中のＺｎＯを回収し、且つＺｎ原料として再利用する処理方法が提案されている(特願平６-１１２０８参照)。
【０００３】
上記処理方法は、図５(Ａ)に示すような取鍋５１等を含む処理設備５０を用いて行われる。この取鍋５１の内部には還元スラグＳが装入され、取鍋５１の上部を覆う蓋板５２の中央には、この蓋板５２を垂直に貫通する粉体溶融バーナ(酸素バーナ)６０が配設されている。尚、図５(Ａ)の符号５４は蓋板５２に接続された集塵ダクト、符号５６，５６は取鍋５１を枢支するトラニオンを示す。
上記バーナ６０には、その中心にパイプ８１を通じて重油等の燃料８２が、パイプ８３，８４を通じて１次・２次酸素８５が送給される。また、バーナ６０には、パイプ８７を通じてホッパ８６内の粉末状のダストｄが、エア等の搬送ガス８８と共に流量調節可能なバルブ８９を介して送給される。更に、バーナ６０の外周部分を冷却するため、パイプ９１，９２を通じて冷却水９０が循環して供給される。
【０００４】
図５(Ｂ)は上記粉体溶融バーナ６０の先(下)端部を拡大して示す断面図、図５(Ｃ)はその部分底面図を示す。バーナ６０の最外部分６２は、中空構造体で仕切り板６４を介してＵターンする冷却水路６３が内設されている。該水路６３は上記パイプ９１，９２と連通している。また、その内側には上記パイプ８４と連通する２次酸素の流路６６が位置し、且つ下端にはリング体６５が固定され、該リング体６５に沿って円周方向に穿設された複数の丸孔６５ａが配設されている。
更に、上記流路６６の内側には隔壁６７を介して粉末状のダストｄの流路６８が位置し、その下端には楕円形状の長孔６９ａをリング状に配置した耐摩耗鋼からなるリング６９が固定されている。このリング６９は、例えばＦｅ−５％Ｃｒ−０．４％Ｃの組成を有する耐摩耗鋼を、切削加工によりリング形状に成形し且つ複数の長孔６９ａを孔明け加工したものである。尚、上記流路６８は前記パイプ８７及びこれを通じてホッパ８６等と連通している。
【０００５】
また、上記流路６８の内側には隔壁７０を介してリング形のスリット７１が位置し、このスリット７１には前記パイプ８３から送給される１次酸素８５が流れ下(先)端向きに吐出される。上記スリット７１の中心には前記パイプ８１に連通する燃料管７２が配設され、その下端には丸い小穴７４を円環状に穿設したコーン形状のキャップ７３が固定されている。
そして、霧化された燃料８２を１次・２次酸素８５により燃焼させ、図５(Ａ)に示すように、粉体溶融バーナ６０の先(下)端から高温火炎Ｆを発生させる。同時に、リング６９の各長孔６９ａからダストｄを火炎Ｆ中に供給し溶融しつつ、取鍋５１内の還元スラグＳと混合溶融することにより、ＦｅＯ,ＣａＯ等を主成分とする酸化スラグを生成することができる。この際、集塵ダクト５４からＺｎＯを主成分とする２次ダストが回収される。尚、上記ダストｄの供給量は上記スラグＳに対し所定割合になるようにバルブ８９によって予め調節されている。
【０００６】
ところが、上記ダストｄをエア等の搬送ガス８８と共に粉体溶融バーナ６０内の流路６８を通りリング６９の各長孔６９ａから噴射する際に、高速度で吐出されるダストｄが長孔６９ａの開口部付近に衝突するため、使用するに連れて各長孔６９ａが摩耗により拡大していく。係る摩耗はリング６９を前記耐摩耗鋼から成形しても抑制し難い。このため、上記摩耗によって各長孔６９ａと外側の２次酸素を吐出する円孔６５ａとの間が連通したり、長孔６９ａと内側の１次酸素を吐出するスリット７１との間が連通し、健全な高温火炎Ｆが発生できなくなる。従って、比較的短期間のうちにリング６９が損傷するため、粉体溶融バーナ６０全体を取替えざるを得ないという問題があった。
しかも、上記リング６９を耐摩耗鋼からリング形に切削加工し、且つ複数の長孔６９ａを孔明け加工するには工数とコストを要するという問題もあった。
【０００７】
【発明が解決すべき課題】
本発明は、以上に説明した従来の技術における問題点を解決し、健全な高温火炎を長期間に渉り安定して発生でき、且つ比較的容易且つ安価に製作可能な粉体溶融バーナを提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、粉体溶融バーナにおけるダスト等の粉体を吐出する送給孔の開口部付近に、例えばＷやＷ合金等の溶射層等からなる耐熱耐摩耗性の薄層を被覆することに着想して成されたものである。
即ち、本発明の粉体溶融バーナ（請求項１）は、燃料噴射孔、粉体送給孔、及び、酸素送給孔を互いに同心円状で且つ長手方向に沿って平行に配置されたバーナであって、上記燃料噴射孔が中心に配置され、その周囲に沿ってリング状の前記粉体送給孔、及び、リング状の酸素送給孔が同心円状に配置されており、上記リング状の粉体送給孔は、リング板とその内側に同心で配設されたリングとの間に位置し、且つ放射方向に沿った複数の仕切り壁によって区切られると共に、係る粉体送給孔を形成する上記リング板の内周面、上記リングの外周面、及び、上記仕切り壁の表面に、耐熱耐摩耗性の薄層が被覆されている、ことを特徴とする。
【０００９】
これによれば、粉体送給孔を形成する前記リング板の内周面、リングの外周面、及び、仕切り壁の表面に、Ｗ溶射層等からなる耐熱耐摩耗性の薄層を厚さが少なくとも数１０μｍ以上、例えば厚さ約１００〜５００μｍ程度で被覆することによって、粉体送給孔の先端側における摩耗を著しく低減することができる。そのため、健全な高温火炎を長期間に渉り安定して発生できると共に、比較的容易且つ安価に粉体溶融バーナを製作することが可能となる。
更に、燃料噴射孔が中心に配置され、その周囲に沿ってリング状の粉体送給孔、及び、リング状の酸素送給孔が同心円状に配置されているため、燃焼効率が良く健全な高温火炎を確実に得られ、且つ長期間に渉り安定して発生させることが可能となる。しかも、前記仕切り壁の表面にも係る耐熱耐摩耗性の薄層が被覆されているため、搬送ガスと共にダスト等の粉体を均一な密度の層流として安定して吐出でき、健全な高温火炎を確実に得ることができる。
尚、上記被覆を行う方法には溶射の他に、プラズマ等を用いる高温肉盛方法や、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）等が含まれる。
【００１０】
更に、前記リング状の粉体送給孔は、内外２重の前記リング状の酸素送給孔同士の間に配置されている、粉体溶融バーナ（請求項２）も含まれる。
これによれば、燃焼効率が良く健全な高温火炎を確実に得られ、且つ長期間に渉り安定して発生させることが可能となる。
【００１１】
尚、前記耐熱耐摩耗性の薄層は、Ｗ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｖ，Ｃｏ，Ｂ，Ｎｉ，Ｃｒの何れかをベースとする合金からなる。
更に、前記耐熱耐摩耗性の薄層は、Ｗ，Ｖ，Ｃｏ、Ｂの何れかを含む超硬、Ｗ，Ｖ，Ｃｏ、Ｂの何れかを含むセラミックス、あるいは、Ｗ，Ｖ，Ｃｏ、Ｂの何れかを含む金属炭化物も含有する。上記超硬にはＷＣ，ＶＣ等、セラミックスにはＶＣ，ＮｂＣ，ＴａＣ，ＢＣ，ＢＮ等、金属炭化物にはＣｒ ３ Ｃ等が含まれる。
これらによれば、粉体送給孔の開口部付近の摩耗を確実に抑制することができ、健全な高温火炎を長期間に渉り安定して維持することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下において、本発明の実施に好適な形態を図面と共に説明する。
図１(Ａ)及び(Ｂ)は本発明の１つの形態である粉体溶融バーナ１の先(下)端部分の断面と先端(底)面を示し、図２はその要部の分解斜視図を示す。
上記バーナ１は直径約２００ｍｍのサイズを有する円筒体で、その最外側にはＳＳ４０等の構造用鋼からなる中空円筒体２が位置し、リング形の仕切り板４を介して長手方向に沿ってＵターンする冷却水路３が全周に渉り内設されている。該水路３は図示しない冷却水用タンクのパイプと連通している。
また、中空円筒体２の内側には２次酸素の送給路８が位置し、且つ先(下)端にはリング体７が固定され、このリング体７の円周方向に沿ってリング状に穿設された複数の丸い酸素送給孔６が穿設されている。上記送給路８は図示しない酸素タンクと連通し、図１(Ａ)で２次酸素が下向きに流れ送給孔６から吐出される。
【００１３】
更に、上記流路８の内側における円筒形の隔壁１１と更にその内側の隔壁１３との間には、ダスト等の粉体を送給するリング状の粉体送給路１０ａが配設され、その先(下)端に粉体送給孔１０が位置する。上記粉体送給路１０ａの内周面と粉体送給孔１０の先端面に渉って、例えばＷ基合金(60％Ｗ-20％Ｎｉ-20％Ｃｒ)を溶射した厚さ約１００〜数１００μｍの耐熱耐摩耗性の薄層１２が均一に被覆されている。尚、薄層１２は、Ｎｉ−Ｃｒ系合金,ＷＣ−Ｃｏ,Ｃｒ3Ｃ−ＮｉＣｒ等を上記同様の厚さに溶射して形成することもできる。
図１(Ｂ)及び図２に示すように、この粉体送給孔１０内には粉体送給路１０ａに沿って、リング板９とその内側のテーパ付きリング１４が互いに同心で配設される。上記リング１４の外周面には粉体送給路１０ａを８つに分割する仕切り壁１５が放射方向に立設されている。そして、上記リング板９の内周面と両端面、上記リング１４の外周面と両端面、及び各仕切り壁１５の表面に上記薄層１２が均一に被覆されている。
【００１４】
尚、上記隔壁１１,１３、及びリング板９、リング１４も前記同様の構造用鋼からなる。また、粉体送給路１０ａは図示しないホッパ及び搬送ガス用のタンクと連通し、ダスト等の粉体とエア等の搬送ガスが粉体送給孔１０から吐出される。
更に、上記粉体送給路１０ａの内側には隔壁１３を介して円環形のスリットを呈する１次酸素の送給路１６ａが位置し、その先(下)端に酸素送給孔１６が開口している。この送給路１６ａは図示しない酸素タンクと連通し、図１(Ａ)で１次酸素が下向きに流れ、酸素送給孔１６から吐出される。
上記送給路１６ａの中心で且つ本バーナ１の中心には前記同様の構造用鋼からなる燃料管１７が配設され、その先(下)端に固定したキャップ１９の先端面の中心には燃料噴射孔１８が開口している。上記燃料管１７は図示しない噴霧機等を介して灯油タンク等に連通している。
【００１５】
以上の燃料噴射孔１８(燃料管１７)、１次酸素送給孔１６(同送給路１６ａ)、粉体送給孔１０(同送給路１０ａ)、及び２次酸素送給孔６(同送給路８)は、粉体溶融バーナ１内において互いに同心円で且つ長手方向に沿い平行に配置される。
係る構造を有する粉体溶融バーナ１は、上記耐熱耐摩耗性の薄層１２を粉体送給孔１０から粉体送給路１０ａに沿って、前記リング板９及びリング１４の表面に対し軸方向で少なくとも数１０ｃｍに渉って被覆している。
【００１６】
図３は、係るバーナ１の先端部における作用を示す。
先ず、前記中空円筒体２における内側の冷却水路３には図示で上方の基部から破線で示す冷却水２０が下向きに供給される。この冷却水２０は、バーナ１の内部全体を冷却しつつ逆に暖められて、先端側の仕切り板４をＵターンして外側の冷却水路３を上昇し、温水２１として前述の冷却水用タンクに復流される。
尚、図３中で符号３０は前記燃料管１７とキャップ１９を結合するネジ部、符号３２は隔壁１３とリング１４を結合するネジ部、符号３４はリング板９の外周面に設けた凹溝３６内に嵌装した耐熱シールリングを示す。また、リング１４は図示のように、テーパ部分１４ａと円筒部分１４ｂに分けて形成しても良い。
【００１７】
また、図３に示すように、前記１次及び２次酸素の送給路１６ａ，８には、それぞれ１次酸素２２及び２次酸素２８が送給され、送給孔１６，６から吐出される。同時に、中心の燃料管１７には燃料２４が送給され、燃料噴射孔１８から吐出されると共に、上記各酸素２２，２８によって燃焼され、バーナ１の先(下)方に高温火炎を発生させる。この場合、上記燃料２４は霧状の灯油であり、これに供給した１次及び２次酸素２２，２８の合計量は、灯油(燃料)２４が完全燃焼するのに必要な理論酸素量(酸素比１.０)とした。
【００１８】
更に、図３に示すように、前記粉体送給路１０ａには、ダスト等の粉体２６が搬送ガスであるエアと共に送給され、リング板９、リング１４、及び各仕切り壁１５の間を通って、粉体送給孔１０から吐出される。この際、粉体２２は高速でリング板９、リング１４、及び各仕切り壁１５の表面にも接触したり衝突する。
しかし、リング板９の内周面と両端面、リング１４の外周面と両端面、及び各仕切り壁１５の表面には、前述したＷ基合金を溶射した厚さ約１００〜数１００μｍの薄層１２が均一に被覆されているので、摩耗したり、表面や内部に亀裂やクラックが発生するのを著しく抑制することができる。
尚、上記での搬送ガスである上記エアの量は、灯油２４の完全燃焼に必要な理論酸素量の５％相当の酸素を含有する。従って、これに上記１次酸素２２及び２次酸素２８を加えると、高温火炎中における灯油２４に対する酸素比は１．０５であり、酸素が若干過剰な状態に設定されている。
【００１９】
以上のような状態で、粉体２６として製鋼排出物のＦｅＯ，ＺｎＯを主成分とするダストをエアと共に、前記送給路１０ａを通じて送給孔１０から吐出させ、高温火炎中に供給して溶融した。この溶融したダストは、例えば前記図５の取鍋５１内の還元スラグＳと混合溶融することにより、ＦｅＯ，ＣａＯを主成分とする酸化スラグを生成することができた。因みに、前記Ｗ基合金の薄層１２を厚さ３００μｍで先端から長さ２０ｃｍに渉り被覆した粉体溶融バーナ１と、これと同じ外径を有し耐摩耗鋼製のリング６９を用いた従来のバーナ６０について、同様の条件による高温火炎を発生させてテストした。
その結果、従来のバーナ６０が粉体(ダスト:スラグの混合比が２:１)溶融量で１５００tonで摩耗したのに対し、本発明のバーナ１は１５０００tonを超えても継続使用でき、従来のものより少なくとも約１０倍以上の寿命を有していたことが判明した。
【００２０】
これは、上記バーナ１内の前記薄層１２が硬質で且つ靱性を有するため、エアと共に高速で送給される粉体２６が衝突しても、摩耗したり亀裂やクラック等を生じにくかったことによると考えられる。
また、上記バーナ１における前記薄層１２を形成するＷ基合金の溶射層は、約１００〜３００μｍ又は５００μｍの厚さに１回又は数回の溶射工程によって形成できる。従って、従来のバーナ６０における耐摩耗鋼を切削及び孔明け加工するリング体６９に比較し、少ない工程で且つ短時間に均一に被覆でき、しかも安価にて得ることができる。
【００２１】
図４(Ａ)及び(Ｂ)は、参考形態の粉体溶融バーナ４０に関する。尚、以下において前記バーナ１と同じか同様の部分や要素には、同じか同様の符号を用いる。
このバーナ４０の最外側の中空円筒体２も仕切り板４を介してＵターンする冷却水路３が内設され、該水路３は図示しない冷却水用タンクパイプと連通する。
また、その内側に酸素の送給路８が位置し、且つ下端にはリング体７が固定され、このリング体７の円周方向に沿ってリング状に穿設された複数の丸い酸素送給孔６が穿設されている。上記送給路８は図示しない酸素タンクと連通し、図４(Ａ)で酸素が下向きに流れ送給孔６から吐出される。
【００２２】
図４(Ａ)に示すように、上記送給路８の内側に円筒形の隔壁４８が位置し、この隔壁４８とバーナ４０の中心に位置する粉体送給管４１との間には、図４(Ｂ)にも示すように、霧状の灯油等を送給するリング状の燃料送給路４５が配設され、その先(下)端にリング状の燃料噴射孔４６が位置する。燃料送給路４５も図示しない噴霧機等を介して灯油タンク等に連通する。また、上記粉体送給管４１の内周面と粉体送給孔４３の先端面に渉って、Ｗ基合金等を溶射した厚さ約１００〜数１００μｍの耐熱耐摩耗性の薄層４２が均一に被覆されている。
更に、上記粉体送給管４１も図示しないホッパ及び搬送ガス用のタンクと連通し、ダスト等の粉体とエア等の搬送ガスが粉体送給孔４３から吐出される。尚、上記隔壁４８と粉体送給管４１も前記同様の構造用鋼からなる。
【００２３】
上記送給路８を通り送給孔６から吐出される酸素と、燃料送給路４５を通り燃料噴射孔４６から吐出される灯油等の燃料とによって、バーナ４０の先(下)方に高温火炎を発生させる。同時に中心の粉体送給管４１を通り、粉体送給孔４３から搬送ガスであるエアと共に吐出されるダスト等の粉体が上記高温火炎中に供給されて溶融される。
この際、上記粉体送給管４１の内周面と粉体送給孔４３の先端面には、Ｗ基合金等を溶射した厚さ約１００〜数１００μｍの耐熱耐摩耗性の薄層４２が均一に被覆されているので、高速で送給される粉体が衝突しても、摩耗したり亀裂やクラック等を生じにくい。従って、係るバーナ４０も従来の前記バーナ６０に比較して、著しく耐久性を高めることができる。しかも、このバーナ４０は前記バーナ１に対し構造も簡素で小型化も容易にできるという利点も有する。
【００２４】
本発明は以上において説明した各形態に限定されるものではない。
例えば、図１(Ａ)及び図３の粉体溶融バーナ１において、前記粉体送給孔１０(同路１０ａ)を燃料送給管１７の外周側に配設すると共に、逆に１次酸素送給孔１６(同路１６ａ)をその外周側に配設しても良い。この場合、前記２次酸素送給孔８を省略することもできる。
また、図４のバーナ４０において、前記燃料噴射孔４６(同送給路４５)と粉体送給孔４３と互い逆にして、前者をバーナ４０の中心に配設し、後者をその外周側に配設しても良い。この場合、リング形となる粉体送給孔４３内には前記仕切り壁１５を同様に内設することが望ましい。尚、バーナ１,４０の断面形状は、円形以外の例えば８角形以上の正多角形にすることも可能である。
【００２５】
更に、前記耐熱耐摩耗性の薄層には、Ｎｂ,Ｍｏ,Ｔａ,Ｖ,Ｃｏ,Ｂ、又はこれらをベースとする合金を用いたり、或いは、Ｗ,Ｖ,Ｃｏ,又はＢを含むＷＣ,ＶＣ等の超硬、ＶＣ,ＮｂＣ,ＴａＣ,ＢＣ等のセラミックス、Ｃｒ3Ｃ等の金属炭化物を含有するものとすることも可能である。また、これらの被覆方法には前記溶射の他に、プラズマ等の中に上記材料を粉末化して供給し、被処理部材の表面上に薄く肉盛りする高温肉盛方法や、所定の圧力容器内に被処理部材と共に粉末化した上記材料を密封し、高温高圧下で焼結／焼成させる熱間静水圧プレス(ＨＩＰ)を採用することも可能である。
【００２６】
また、溶融される粉体には、前記ダストやスラグの他、各種の金属、酸化金属、酸化物、又はセラミックスを用いることもできる。これらを用いると本発明のバーナは、例えば、炉壁や取鍋内にセラミックス等からなる耐火物の粉体を薄く溶射等して耐火被覆を行うことにも使用可能である。また、金属の粉体を溶融しつつ被処理部材の表面に肉盛りする肉盛装置として使用することも可能である。更に、粉体化した廃棄物を溶融して無害化することにも活用可能である。
加えて、前記燃料には、灯油や重油等の液体燃料の他、天然ガス、プロパンガス、石炭ガス等のガス燃料、或いは、微粉末化した石炭やコークスの固体燃料を用いたり、更にはこれらを適宜組み合せて併用することも可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上において説明した本発明の粉体溶融バーナによれば、健全な高温火炎を長期間に渉り安定して発生できると共に、従来のバーナに比べて著しく耐久性を高めることができる。しかも、前記粉体供給孔を形成するリングの外周面、リング板の内周面、および仕切り壁の表面に耐熱耐摩耗性の薄層が被覆されているため、搬送ガスと共にダスト等の粉体を均一な密度の層流として安定して吐出でき、健全な高温火炎を確実に得ることができる。従って、保守管理等のメンテナンスも少なくすることができる。更に、特殊な材質の構成部材を用いることなく、所望の仕様に応じて容易に且つ自在に耐熱耐摩耗性の薄層を被覆できると共に、比較的安価に製作することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】(Ａ)は本発明における粉体溶融バーナの１形態を示す部分断面図、(Ｂ)は(Ａ)の底面図。
【図２】図１の粉体溶融バーナの要部を示す分解斜視図。
【図３】図１の粉体溶融バーナの作用を示す部分拡大断面図。
【図４】(Ａ)は参考形態の粉体溶融バーナを示す部分断面図、(Ｂ)は(Ａ)の底面図。
【図５】(Ａ)は集塵ダスト等の粉体を再利用するための処理設備を示す概略図、(Ｂ)は(Ａ)の設備中に用いられる従来の粉体溶融バーナ先端の一点鎖線部分Ｂを拡大して示す部分断面図、(Ｃ)は(Ｂ)の部分底面図。
【符号の説明】
１……………粉体溶融バーナ
６……………２次酸素送給孔（酸素送給孔）
９……………リング板
１０…………粉体送給孔
１２…………耐熱耐摩耗性の薄層
１４…………リング
１５…………仕切り壁
１６…………１次酸素送給孔（酸素送給孔）
１８…………燃料噴射孔
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種の金属、酸化金属、酸化物、又はセラミックス等の粉体を溶融しつつ供給する際に用いられる粉体溶融バーナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境保護の観点から産業廃棄物の有効利用が多方面で試みられている。
例えば、製鋼の際に排出される還元スラグと集塵ダストは、以前においては殆んど利用価値がないため、廃棄されていた。しかし、上記還元スラグと集塵ダストを高温フレーム(火炎)中に供給して酸化スラグに溶製することにより、エージング処理をすることなくアスファルト舗装道路の路盤材とし、ダスト中のＺｎＯを回収し、且つＺｎ原料として再利用する処理方法が提案されている(特願平６-１１２０８参照)。
【０００３】
上記処理方法は、図５(Ａ)に示すような取鍋５１等を含む処理設備５０を用いて行われる。この取鍋５１の内部には還元スラグＳが装入され、取鍋５１の上部を覆う蓋板５２の中央には、この蓋板５２を垂直に貫通する粉体溶融バーナ(酸素バーナ)６０が配設されている。尚、図５(Ａ)の符号５４は蓋板５２に接続された集塵ダクト、符号５６，５６は取鍋５１を枢支するトラニオンを示す。
上記バーナ６０には、その中心にパイプ８１を通じて重油等の燃料８２が、パイプ８３，８４を通じて１次・２次酸素８５が送給される。また、バーナ６０には、パイプ８７を通じてホッパ８６内の粉末状のダストｄが、エア等の搬送ガス８８と共に流量調節可能なバルブ８９を介して送給される。更に、バーナ６０の外周部分を冷却するため、パイプ９１，９２を通じて冷却水９０が循環して供給される。
【０００４】
図５(Ｂ)は上記粉体溶融バーナ６０の先(下)端部を拡大して示す断面図、図５(Ｃ)はその部分底面図を示す。バーナ６０の最外部分６２は、中空構造体で仕切り板６４を介してＵターンする冷却水路６３が内設されている。該水路６３は上記パイプ９１，９２と連通している。また、その内側には上記パイプ８４と連通する２次酸素の流路６６が位置し、且つ下端にはリング体６５が固定され、該リング体６５に沿って円周方向に穿設された複数の丸孔６５ａが配設されている。
更に、上記流路６６の内側には隔壁６７を介して粉末状のダストｄの流路６８が位置し、その下端には楕円形状の長孔６９ａをリング状に配置した耐摩耗鋼からなるリング６９が固定されている。このリング６９は、例えばＦｅ−５％Ｃｒ−０．４％Ｃの組成を有する耐摩耗鋼を、切削加工によりリング形状に成形し且つ複数の長孔６９ａを孔明け加工したものである。尚、上記流路６８は前記パイプ８７及びこれを通じてホッパ８６等と連通している。
【０００５】
また、上記流路６８の内側には隔壁７０を介してリング形のスリット７１が位置し、このスリット７１には前記パイプ８３から送給される１次酸素８５が流れ下(先)端向きに吐出される。上記スリット７１の中心には前記パイプ８１に連通する燃料管７２が配設され、その下端には丸い小穴７４を円環状に穿設したコーン形状のキャップ７３が固定されている。
そして、霧化された燃料８２を１次・２次酸素８５により燃焼させ、図５(Ａ)に示すように、粉体溶融バーナ６０の先(下)端から高温火炎Ｆを発生させる。同時に、リング６９の各長孔６９ａからダストｄを火炎Ｆ中に供給し溶融しつつ、取鍋５１内の還元スラグＳと混合溶融することにより、ＦｅＯ,ＣａＯ等を主成分とする酸化スラグを生成することができる。この際、集塵ダクト５４からＺｎＯを主成分とする２次ダストが回収される。尚、上記ダストｄの供給量は上記スラグＳに対し所定割合になるようにバルブ８９によって予め調節されている。
【０００６】
ところが、上記ダストｄをエア等の搬送ガス８８と共に粉体溶融バーナ６０内の流路６８を通りリング６９の各長孔６９ａから噴射する際に、高速度で吐出されるダストｄが長孔６９ａの開口部付近に衝突するため、使用するに連れて各長孔６９ａが摩耗により拡大していく。係る摩耗はリング６９を前記耐摩耗鋼から成形しても抑制し難い。このため、上記摩耗によって各長孔６９ａと外側の２次酸素を吐出する円孔６５ａとの間が連通したり、長孔６９ａと内側の１次酸素を吐出するスリット７１との間が連通し、健全な高温火炎Ｆが発生できなくなる。従って、比較的短期間のうちにリング６９が損傷するため、粉体溶融バーナ６０全体を取替えざるを得ないという問題があった。
しかも、上記リング６９を耐摩耗鋼からリング形に切削加工し、且つ複数の長孔６９ａを孔明け加工するには工数とコストを要するという問題もあった。
【０００７】
【発明が解決すべき課題】
本発明は、以上に説明した従来の技術における問題点を解決し、健全な高温火炎を長期間に渉り安定して発生でき、且つ比較的容易且つ安価に製作可能な粉体溶融バーナを提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、粉体溶融バーナにおけるダスト等の粉体を吐出する送給孔の開口部付近に、例えばＷやＷ合金等の溶射層等からなる耐熱耐摩耗性の薄層を被覆することに着想して成されたものである。
即ち、本発明の粉体溶融バーナ（請求項１）は、燃料噴射孔、粉体送給孔、及び、酸素送給孔を互いに同心円状で且つ長手方向に沿って平行に配置されたバーナであって、上記燃料噴射孔が中心に配置され、その周囲に沿ってリング状の前記粉体送給孔、及び、リング状の酸素送給孔が同心円状に配置されており、上記リング状の粉体送給孔は、リング板とその内側に同心で配設されたリングとの間に位置し、且つ放射方向に沿った複数の仕切り壁によって区切られると共に、係る粉体送給孔を形成する上記リング板の内周面、上記リングの外周面、及び、上記仕切り壁の表面に、耐熱耐摩耗性の薄層が被覆されている、ことを特徴とする。
【０００９】
これによれば、粉体送給孔を形成する前記リング板の内周面、リングの外周面、及び、仕切り壁の表面に、Ｗ溶射層等からなる耐熱耐摩耗性の薄層を厚さが少なくとも数１０μｍ以上、例えば厚さ約１００〜５００μｍ程度で被覆することによって、粉体送給孔の先端側における摩耗を著しく低減することができる。そのため、健全な高温火炎を長期間に渉り安定して発生できると共に、比較的容易且つ安価に粉体溶融バーナを製作することが可能となる。
更に、燃料噴射孔が中心に配置され、その周囲に沿ってリング状の粉体送給孔、及び、リング状の酸素送給孔が同心円状に配置されているため、燃焼効率が良く健全な高温火炎を確実に得られ、且つ長期間に渉り安定して発生させることが可能となる。しかも、前記仕切り壁の表面にも係る耐熱耐摩耗性の薄層が被覆されているため、搬送ガスと共にダスト等の粉体を均一な密度の層流として安定して吐出でき、健全な高温火炎を確実に得ることができる。
尚、上記被覆を行う方法には溶射の他に、プラズマ等を用いる高温肉盛方法や、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）等が含まれる。
【００１０】
更に、前記リング状の粉体送給孔は、内外２重の前記リング状の酸素送給孔同士の間に配置されている、粉体溶融バーナ（請求項２）も含まれる。
これによれば、燃焼効率が良く健全な高温火炎を確実に得られ、且つ長期間に渉り安定して発生させることが可能となる。
【００１１】
尚、前記耐熱耐摩耗性の薄層は、Ｗ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｖ，Ｃｏ，Ｂ，Ｎｉ，Ｃｒの何れかをベースとする合金からなる。
更に、前記耐熱耐摩耗性の薄層は、Ｗ，Ｖ，Ｃｏ、Ｂの何れかを含む超硬、Ｗ，Ｖ，Ｃｏ、Ｂの何れかを含むセラミックス、あるいは、Ｗ，Ｖ，Ｃｏ、Ｂの何れかを含む金属炭化物も含有する。上記超硬にはＷＣ，ＶＣ等、セラミックスにはＶＣ，ＮｂＣ，ＴａＣ，ＢＣ，ＢＮ等、金属炭化物にはＣｒ ３ Ｃ等が含まれる。
これらによれば、粉体送給孔の開口部付近の摩耗を確実に抑制することができ、健全な高温火炎を長期間に渉り安定して維持することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下において、本発明の実施に好適な形態を図面と共に説明する。
図１(Ａ)及び(Ｂ)は本発明の１つの形態である粉体溶融バーナ１の先(下)端部分の断面と先端(底)面を示し、図２はその要部の分解斜視図を示す。
上記バーナ１は直径約２００ｍｍのサイズを有する円筒体で、その最外側にはＳＳ４０等の構造用鋼からなる中空円筒体２が位置し、リング形の仕切り板４を介して長手方向に沿ってＵターンする冷却水路３が全周に渉り内設されている。該水路３は図示しない冷却水用タンクのパイプと連通している。
また、中空円筒体２の内側には２次酸素の送給路８が位置し、且つ先(下)端にはリング体７が固定され、このリング体７の円周方向に沿ってリング状に穿設された複数の丸い酸素送給孔６が穿設されている。上記送給路８は図示しない酸素タンクと連通し、図１(Ａ)で２次酸素が下向きに流れ送給孔６から吐出される。
【００１３】
更に、上記流路８の内側における円筒形の隔壁１１と更にその内側の隔壁１３との間には、ダスト等の粉体を送給するリング状の粉体送給路１０ａが配設され、その先(下)端に粉体送給孔１０が位置する。上記粉体送給路１０ａの内周面と粉体送給孔１０の先端面に渉って、例えばＷ基合金(60％Ｗ-20％Ｎｉ-20％Ｃｒ)を溶射した厚さ約１００〜数１００μｍの耐熱耐摩耗性の薄層１２が均一に被覆されている。尚、薄層１２は、Ｎｉ−Ｃｒ系合金,ＷＣ−Ｃｏ,Ｃｒ3Ｃ−ＮｉＣｒ等を上記同様の厚さに溶射して形成することもできる。
図１(Ｂ)及び図２に示すように、この粉体送給孔１０内には粉体送給路１０ａに沿って、リング板９とその内側のテーパ付きリング１４が互いに同心で配設される。上記リング１４の外周面には粉体送給路１０ａを８つに分割する仕切り壁１５が放射方向に立設されている。そして、上記リング板９の内周面と両端面、上記リング１４の外周面と両端面、及び各仕切り壁１５の表面に上記薄層１２が均一に被覆されている。
【００１４】
尚、上記隔壁１１,１３、及びリング板９、リング１４も前記同様の構造用鋼からなる。また、粉体送給路１０ａは図示しないホッパ及び搬送ガス用のタンクと連通し、ダスト等の粉体とエア等の搬送ガスが粉体送給孔１０から吐出される。
更に、上記粉体送給路１０ａの内側には隔壁１３を介して円環形のスリットを呈する１次酸素の送給路１６ａが位置し、その先(下)端に酸素送給孔１６が開口している。この送給路１６ａは図示しない酸素タンクと連通し、図１(Ａ)で１次酸素が下向きに流れ、酸素送給孔１６から吐出される。
上記送給路１６ａの中心で且つ本バーナ１の中心には前記同様の構造用鋼からなる燃料管１７が配設され、その先(下)端に固定したキャップ１９の先端面の中心には燃料噴射孔１８が開口している。上記燃料管１７は図示しない噴霧機等を介して灯油タンク等に連通している。
【００１５】
以上の燃料噴射孔１８(燃料管１７)、１次酸素送給孔１６(同送給路１６ａ)、粉体送給孔１０(同送給路１０ａ)、及び２次酸素送給孔６(同送給路８)は、粉体溶融バーナ１内において互いに同心円で且つ長手方向に沿い平行に配置される。
係る構造を有する粉体溶融バーナ１は、上記耐熱耐摩耗性の薄層１２を粉体送給孔１０から粉体送給路１０ａに沿って、前記リング板９及びリング１４の表面に対し軸方向で少なくとも数１０ｃｍに渉って被覆している。
【００１６】
図３は、係るバーナ１の先端部における作用を示す。
先ず、前記中空円筒体２における内側の冷却水路３には図示で上方の基部から破線で示す冷却水２０が下向きに供給される。この冷却水２０は、バーナ１の内部全体を冷却しつつ逆に暖められて、先端側の仕切り板４をＵターンして外側の冷却水路３を上昇し、温水２１として前述の冷却水用タンクに復流される。
尚、図３中で符号３０は前記燃料管１７とキャップ１９を結合するネジ部、符号３２は隔壁１３とリング１４を結合するネジ部、符号３４はリング板９の外周面に設けた凹溝３６内に嵌装した耐熱シールリングを示す。また、リング１４は図示のように、テーパ部分１４ａと円筒部分１４ｂに分けて形成しても良い。
【００１７】
また、図３に示すように、前記１次及び２次酸素の送給路１６ａ，８には、それぞれ１次酸素２２及び２次酸素２８が送給され、送給孔１６，６から吐出される。同時に、中心の燃料管１７には燃料２４が送給され、燃料噴射孔１８から吐出されると共に、上記各酸素２２，２８によって燃焼され、バーナ１の先(下)方に高温火炎を発生させる。この場合、上記燃料２４は霧状の灯油であり、これに供給した１次及び２次酸素２２，２８の合計量は、灯油(燃料)２４が完全燃焼するのに必要な理論酸素量(酸素比１.０)とした。
【００１８】
更に、図３に示すように、前記粉体送給路１０ａには、ダスト等の粉体２６が搬送ガスであるエアと共に送給され、リング板９、リング１４、及び各仕切り壁１５の間を通って、粉体送給孔１０から吐出される。この際、粉体２２は高速でリング板９、リング１４、及び各仕切り壁１５の表面にも接触したり衝突する。
しかし、リング板９の内周面と両端面、リング１４の外周面と両端面、及び各仕切り壁１５の表面には、前述したＷ基合金を溶射した厚さ約１００〜数１００μｍの薄層１２が均一に被覆されているので、摩耗したり、表面や内部に亀裂やクラックが発生するのを著しく抑制することができる。
尚、上記での搬送ガスである上記エアの量は、灯油２４の完全燃焼に必要な理論酸素量の５％相当の酸素を含有する。従って、これに上記１次酸素２２及び２次酸素２８を加えると、高温火炎中における灯油２４に対する酸素比は１．０５であり、酸素が若干過剰な状態に設定されている。
【００１９】
以上のような状態で、粉体２６として製鋼排出物のＦｅＯ，ＺｎＯを主成分とするダストをエアと共に、前記送給路１０ａを通じて送給孔１０から吐出させ、高温火炎中に供給して溶融した。この溶融したダストは、例えば前記図５の取鍋５１内の還元スラグＳと混合溶融することにより、ＦｅＯ，ＣａＯを主成分とする酸化スラグを生成することができた。因みに、前記Ｗ基合金の薄層１２を厚さ３００μｍで先端から長さ２０ｃｍに渉り被覆した粉体溶融バーナ１と、これと同じ外径を有し耐摩耗鋼製のリング６９を用いた従来のバーナ６０について、同様の条件による高温火炎を発生させてテストした。
その結果、従来のバーナ６０が粉体(ダスト:スラグの混合比が２:１)溶融量で１５００tonで摩耗したのに対し、本発明のバーナ１は１５０００tonを超えても継続使用でき、従来のものより少なくとも約１０倍以上の寿命を有していたことが判明した。
【００２０】
これは、上記バーナ１内の前記薄層１２が硬質で且つ靱性を有するため、エアと共に高速で送給される粉体２６が衝突しても、摩耗したり亀裂やクラック等を生じにくかったことによると考えられる。
また、上記バーナ１における前記薄層１２を形成するＷ基合金の溶射層は、約１００〜３００μｍ又は５００μｍの厚さに１回又は数回の溶射工程によって形成できる。従って、従来のバーナ６０における耐摩耗鋼を切削及び孔明け加工するリング体６９に比較し、少ない工程で且つ短時間に均一に被覆でき、しかも安価にて得ることができる。
【００２１】
図４(Ａ)及び(Ｂ)は、参考形態の粉体溶融バーナ４０に関する。尚、以下において前記バーナ１と同じか同様の部分や要素には、同じか同様の符号を用いる。
このバーナ４０の最外側の中空円筒体２も仕切り板４を介してＵターンする冷却水路３が内設され、該水路３は図示しない冷却水用タンクパイプと連通する。
また、その内側に酸素の送給路８が位置し、且つ下端にはリング体７が固定され、このリング体７の円周方向に沿ってリング状に穿設された複数の丸い酸素送給孔６が穿設されている。上記送給路８は図示しない酸素タンクと連通し、図４(Ａ)で酸素が下向きに流れ送給孔６から吐出される。
【００２２】
図４(Ａ)に示すように、上記送給路８の内側に円筒形の隔壁４８が位置し、この隔壁４８とバーナ４０の中心に位置する粉体送給管４１との間には、図４(Ｂ)にも示すように、霧状の灯油等を送給するリング状の燃料送給路４５が配設され、その先(下)端にリング状の燃料噴射孔４６が位置する。燃料送給路４５も図示しない噴霧機等を介して灯油タンク等に連通する。また、上記粉体送給管４１の内周面と粉体送給孔４３の先端面に渉って、Ｗ基合金等を溶射した厚さ約１００〜数１００μｍの耐熱耐摩耗性の薄層４２が均一に被覆されている。
更に、上記粉体送給管４１も図示しないホッパ及び搬送ガス用のタンクと連通し、ダスト等の粉体とエア等の搬送ガスが粉体送給孔４３から吐出される。尚、上記隔壁４８と粉体送給管４１も前記同様の構造用鋼からなる。
【００２３】
上記送給路８を通り送給孔６から吐出される酸素と、燃料送給路４５を通り燃料噴射孔４６から吐出される灯油等の燃料とによって、バーナ４０の先(下)方に高温火炎を発生させる。同時に中心の粉体送給管４１を通り、粉体送給孔４３から搬送ガスであるエアと共に吐出されるダスト等の粉体が上記高温火炎中に供給されて溶融される。
この際、上記粉体送給管４１の内周面と粉体送給孔４３の先端面には、Ｗ基合金等を溶射した厚さ約１００〜数１００μｍの耐熱耐摩耗性の薄層４２が均一に被覆されているので、高速で送給される粉体が衝突しても、摩耗したり亀裂やクラック等を生じにくい。従って、係るバーナ４０も従来の前記バーナ６０に比較して、著しく耐久性を高めることができる。しかも、このバーナ４０は前記バーナ１に対し構造も簡素で小型化も容易にできるという利点も有する。
【００２４】
本発明は以上において説明した各形態に限定されるものではない。
例えば、図１(Ａ)及び図３の粉体溶融バーナ１において、前記粉体送給孔１０(同路１０ａ)を燃料送給管１７の外周側に配設すると共に、逆に１次酸素送給孔１６(同路１６ａ)をその外周側に配設しても良い。この場合、前記２次酸素送給孔８を省略することもできる。
また、図４のバーナ４０において、前記燃料噴射孔４６(同送給路４５)と粉体送給孔４３と互い逆にして、前者をバーナ４０の中心に配設し、後者をその外周側に配設しても良い。この場合、リング形となる粉体送給孔４３内には前記仕切り壁１５を同様に内設することが望ましい。尚、バーナ１,４０の断面形状は、円形以外の例えば８角形以上の正多角形にすることも可能である。
【００２５】
更に、前記耐熱耐摩耗性の薄層には、Ｎｂ,Ｍｏ,Ｔａ,Ｖ,Ｃｏ,Ｂ、又はこれらをベースとする合金を用いたり、或いは、Ｗ,Ｖ,Ｃｏ,又はＢを含むＷＣ,ＶＣ等の超硬、ＶＣ,ＮｂＣ,ＴａＣ,ＢＣ等のセラミックス、Ｃｒ3Ｃ等の金属炭化物を含有するものとすることも可能である。また、これらの被覆方法には前記溶射の他に、プラズマ等の中に上記材料を粉末化して供給し、被処理部材の表面上に薄く肉盛りする高温肉盛方法や、所定の圧力容器内に被処理部材と共に粉末化した上記材料を密封し、高温高圧下で焼結／焼成させる熱間静水圧プレス(ＨＩＰ)を採用することも可能である。
【００２６】
また、溶融される粉体には、前記ダストやスラグの他、各種の金属、酸化金属、酸化物、又はセラミックスを用いることもできる。これらを用いると本発明のバーナは、例えば、炉壁や取鍋内にセラミックス等からなる耐火物の粉体を薄く溶射等して耐火被覆を行うことにも使用可能である。また、金属の粉体を溶融しつつ被処理部材の表面に肉盛りする肉盛装置として使用することも可能である。更に、粉体化した廃棄物を溶融して無害化することにも活用可能である。
加えて、前記燃料には、灯油や重油等の液体燃料の他、天然ガス、プロパンガス、石炭ガス等のガス燃料、或いは、微粉末化した石炭やコークスの固体燃料を用いたり、更にはこれらを適宜組み合せて併用することも可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上において説明した本発明の粉体溶融バーナによれば、健全な高温火炎を長期間に渉り安定して発生できると共に、従来のバーナに比べて著しく耐久性を高めることができる。しかも、前記粉体供給孔を形成するリングの外周面、リング板の内周面、および仕切り壁の表面に耐熱耐摩耗性の薄層が被覆されているため、搬送ガスと共にダスト等の粉体を均一な密度の層流として安定して吐出でき、健全な高温火炎を確実に得ることができる。従って、保守管理等のメンテナンスも少なくすることができる。更に、特殊な材質の構成部材を用いることなく、所望の仕様に応じて容易に且つ自在に耐熱耐摩耗性の薄層を被覆できると共に、比較的安価に製作することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】(Ａ)は本発明における粉体溶融バーナの１形態を示す部分断面図、(Ｂ)は(Ａ)の底面図。
【図２】図１の粉体溶融バーナの要部を示す分解斜視図。
【図３】図１の粉体溶融バーナの作用を示す部分拡大断面図。
【図４】(Ａ)は参考形態の粉体溶融バーナを示す部分断面図、(Ｂ)は(Ａ)の底面図。
【図５】(Ａ)は集塵ダスト等の粉体を再利用するための処理設備を示す概略図、(Ｂ)は(Ａ)の設備中に用いられる従来の粉体溶融バーナ先端の一点鎖線部分Ｂを拡大して示す部分断面図、(Ｃ)は(Ｂ)の部分底面図。
【符号の説明】
１……………粉体溶融バーナ
６……………２次酸素送給孔（酸素送給孔）
９……………リング板
１０…………粉体送給孔
１２…………耐熱耐摩耗性の薄層
１４…………リング
１５…………仕切り壁
１６…………１次酸素送給孔（酸素送給孔）
１８…………燃料噴射孔
Claims (2)
- 燃料噴射孔、粉体送給孔、及び、酸素送給孔を互いに同心円状で且つ長手方向に沿って平行に配置されたバーナであって、
上記燃料噴射孔が中心に配置され、その周囲に沿ってリング状の前記粉体送給孔、及び、リング状の酸素送給孔が同心円状に配置されており、
上記リング状の粉体送給孔は、リング板とその内側に同心で配設されたリングとの間に位置し、且つ放射方向に沿った複数の仕切り壁によって区切られると共に、
上記粉体送給孔を形成する上記リング板の内周面、上記リングの外周面、及び、上記仕切り壁の表面に、耐熱耐摩耗性の薄層が被覆されている、
ことを特徴とする粉体溶融バーナ。 - 前記リング状の粉体送給孔は、内外２重の前記リング状の酸素送給孔同士の間に配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の粉体溶融バーナ。
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