JP5642552B2 - 噴霧器付きバーナー - Google Patents

Description

本発明は、液体燃料と酸素含有ガスを供給側から放出端部に別々に供給するための少なくとも２つの同軸チャネルを備えたバーナーに関するものであり、このバーナーは放出端部に突っ込まれた双流体噴霧器ヘッドを備える。

ＵＳ２，４１４，４５９は、可燃性混合物を形成すべく供給される気流により透過性の薄肉の噴霧に燃料を噴霧化する流体燃料バーナーを開示する。この噴霧は中空円錐台の形状をなし、包囲する燃焼空気に対して露出する表面を最大にする。このバーナーは冷却されないので、高温負荷の下では使用できない。

ＷＯ−Ａ−０１／５５６４０は、液体燃料と酸素含有ガスを別々に供給するための少なくとも２つのチャネルを備えたバーナーを記載する。このバーナーは、バーナーの放出端部に固定された双流体噴霧器ヘッドを有する。

ＵＳ−Ａ−３２６６５５２は、炉の内部で生じた熱からバーナーを保護するための冷却ジャケットを有するバーナーを記載する。

固体の炭素質物質から気体状燃料を得るために、搬送ガスにより搬送される細粒固体燃料（例えば窒素ガス及び／又は二酸化炭素などの搬送ガスにより搬送される微粉炭）を、酸素含有ガスを用いてガス化反応器において部分燃焼させる。不完全な燃焼ゆえに、ガス搬送される炭素質燃料を反応させて更なる燃焼に適した燃料ガスを形成する。このような部分燃焼プロセスは、例えば加圧合成ガス、燃料ガス又は還元ガスを製造するために用いる。

反応器内では、火炎が維持され、１３００℃を越える温度にて燃料が酸素含有ガス中の酸素と反応して一酸化炭素と水素を形成する。特定の温度では、メタンを生成することもできる。

ガス化反応器を始動するためには、温度と圧力を燃料と酸素含有ガスが反応できる十分な高さのレベルまで上昇させなければならない。粉炭などの重質で難点火性の燃料を燃焼させるための一般的な方法は、吹き飛ばされにくく、主燃料流の点火に使用される燃料を用いて相対的に小さな始動火炎を生成することである。温度と圧力の上昇中かつ主燃料流の点火中に始動火炎を点火して安定な火炎を維持するためにいくつかの手段を設ける必要がある。燃焼工程が例えば石炭ガス化プロセスにおいて閉じ込められた閉鎖加圧空間内で実施される場合、通常は点火を２つの段階で実施する。まず、点火用の火炎を生成し、この火炎を気体又は液体の燃料を点火するのに用いて、第２の相対的に大きな火炎を生成し、次にこの大きな火炎を主燃料流の点火に使用する。加圧燃焼室において燃料流を点火する上記プロセスは、通常は点火装置と、気体又は液体燃料に作用する別の始動バーナーとによって実施する。始動バーナーは、主燃料流を点火するためだけでなく、主燃料を導入する前に燃焼室を加圧し加熱するためにも用いる。

本発明の目的は、超高温及び高圧負荷にて動作する反応器において使用する始動バーナーとして用いることができる噴霧器を備えた液体燃料用バーナーを提供することである。

本発明の目的は、液体燃料と酸素含有ガスを別々に供給するため、同軸状に離間して配置され供給側から放出端部に延びる少なくとも２つの管状壁により形成される２以上のチャネルを備えたバーナーであって、前記バーナーが、酸素含有ガスの供給チャネルに整列した１以上の第１流路と液体燃料の供給チャネルに整列した第２流路とを含む放出端部に固定された双流体噴霧器ヘッドを備え、第２流路は、前記１以上の第１流路が穴の同軸リングに通じる前の地点にて一定角度にて第１流路に通じ、前記管状供給チャネル壁を包囲するように冷却ジャケットが同軸配置され、前記穴が冷却ジャケットから一定距離にて噴霧器ヘッドを貫通し、噴霧器ヘッドが第１金属から作られ、冷却ジャケットが第１金属より低い熱伝導率の第２金属から作られるバーナーにより達せられる。

穴と冷却ジャケットの距離を維持することによりバーナー部品に与える熱損傷の危険性が効果的に抑制されることが分かった。特にバーナーの停止準備中の場合に、停止の前又はその間に窒素などの不活性ガスで酸素を徐々に置き換えるなどの可能な安全手段があるにもかかわらず、酸素含有ガスの流速が下がることで、火炎が穴の中に逆流する危険が生じる。冷却ジャケットについて最高の熱伝導率を用いる傾向にあるが、本発明によるバーナーの２金属構造により、一方における高い機械的強度と他方における優れた放熱との間で最適なバランスが実現できることが分かった。

適切には、冷却ジャケットは鋼から作ることができ、噴霧器ヘッドは、より高い熱伝導率の金属、例えば２５０Ｗ／ｍ＊Ｋ以上（例えば３００Ｗ／ｍ＊Ｋ以上）の熱伝導率の金属、例えば銅又は好ましくは銅合金から作られる。

特に冷却ジャケットから半径方向に所定の距離にある部品を更に効果的に冷却するために、バーナーは中央冷媒供給チャネルと環状冷媒返送チャネルとを備えることができ、この環状冷媒返送チャネルは、噴霧器ヘッドの外面の下で冷媒流路により作動連結された冷媒供給チャネルと共に同軸配置される。

随意に、噴霧器ヘッドは、冷却ジャケットの対応するネジと機能的に協同するネジを備えたネジ付きスカートを有してもよい。このスカートは、冷却ジャケットの外面の対応する外側ネジに一致する内側ネジを備えることができる。別法として、スカートは、該スカートを包囲する冷却ジャケットの表面上の対応する内側ネジに一致する外側ネジを備えることができる。

バーナーの種々の部品の熱膨張の差に対応するため、スリーブ継手により噴霧器ヘッドを１以上の管状チャネル壁に接続し、噴霧器ヘッドに対して当該部品を軸方向にスライドさせることができる。

当該穴が噴霧燃料の流れを音速以上に加速するような大きさを有するならば、大気圧から２０バールの圧力までの全圧力範囲にわたって火炎と穴の距離を維持することができる。この流れの加速は、流路を徐々に狭めることによって実現できる。

穴は円形の開口とすることができ、あるいはスリット形状、楕円形、多角形又は他の適当な形状としてもよい。穴は任意の適当な深さを有することができる。一般に、穴が深ければ深いほど、例えばバーナーの停止準備中に火炎が逆流して損傷を与える危険性が小さくなる。

酸素含有ガスの供給チャネルと穴は、ガス流の流速を調整して燃料の分割と噴霧化を最適化するような大きさにできる。

以下、単なる例として添付図面により本発明をさらに詳細に説明する。

本発明によるバーナーの縦断面斜視図である。 図１Ａのバーナーの側面図である。 図１Ｂの線Ａ−Ａでのバーナーの断面図である。 図１Ｃの線Ｂ−Ｂでのバーナーの断面図である。 図１Ｃの線Ｄ−Ｄでのバーナーの断面図である。 図１Ｃの線Ｇ−Ｇでのバーナーの断面図である。 本発明によるバーナーの別の態様についての縦断面図である。

図１Ａ−Ｆは、上流の供給側Ａから下流の放出端部Ｚに液体燃料と酸素含有ガスを供給するためのチャネル２及び３を備えるバーナー１の端部領域を示す。噴霧器ヘッド４がバーナー１の放出端部に突っ込められる。噴霧器ヘッド４から離れたところでは、バーナー１は縦軸に沿って配置された以下の同軸離間配置の部品から作られる：
− 内部冷却システムの冷却水を供給するための内部冷却水チャネル６を形成する内管５、
− 冷却水の排出用の環状冷却水返送チャネル８を形成すると共に、内管５を同軸包囲する第２管７、
− ディーゼル又はオイルなどの液体燃料の供給用の環状供給チャネル２を形成すると共に、第２管７を同軸包囲する第３管９、
− 酸素含有ガスを供給する環状供給チャネル３を形成し、冷却ジャケット１１の内壁を形成すると共に、第３管９を同軸包囲する第４管１０、
− 冷却ジャケット１１を、放出端部Ｚの方向に延びる冷却水供給流路と、その反対方向に延びる冷却水返送路１４とに分離する円筒分離壁１２、
− 冷却ジャケット１１の外壁を形成する外壁１５。

図１Ａにおいて、矢印Ｗ’は内部冷却システムにおける冷却水の流路を示し、矢印Ｗ”は冷却ジャケット１１における冷却水の流路を示す。矢印Ｏは酸素含有ガスの流路を示し、矢印Ｆは液体燃料の流路を示す。

部品を同軸配置にて固定するために、スペーサー（図示せず）を使用できる。

放出端部Ｚでは、縦軸に垂直に配置された周端壁１６により冷却ジャケット１１が閉鎖される。端壁１６から一定距離のところで、セパレータ１２が終わり、冷却水が冷却水ジャケット１１の供給側１３から放出側１４に通ることができる。この地点で、冷却水は最大の熱負荷にてこれらの部品を通過する。

噴霧器ヘッド４は、下流の前部１７と、バーナー１の縦軸に沿って同軸配置された円筒部１８とを備える。その上流側では、円筒部１８が、第２管７に緊密に嵌め込まれる上流同軸突出部１９を有し、第２管７は、密封リング２１により密封されるスリーブ継手を形成するように拡大した内径を有し、熱膨張の差に対応すべく軸方向に移動できる。前部１７は円形の前壁２４を備える。円筒部１８は内穴２９を備える。内部冷却システムの内管５は内穴２９を通って前部１７の内部空間２８に通じる。内管５の外面と内穴２９の内面との間の空間は、冷媒返送流路を形成する。径方向に延びる返送チャネル３０が、前部１７の開放された内部空間２８と、円筒部１８の内穴２９を連結する。返送チャネル３０は各々が等間隔に配置される。

内部冷却水システムにおいて、冷却水は内管５から冷却水チャネル６を通って前部１７の開放内部空間２８に入り、そこで返送チャネル３０を通って半径方向に流れ、中央穴２９の内面と内管５の外面により形成される冷却水返送路に入る。

燃料供給チャネル２を形成する第３円筒９は、噴霧器ヘッド４の円筒部１８の上流端部３２と緊密な嵌合を形成する下流端部３１を有する。この嵌合は２つの密封リング３３により密封されてスリーブ継手を形成し、継手部分の熱膨張の差に対応すべく軸方向に移動できる。円筒部１８は、等距離にて配置された縦穴３４からなるリングを備え、縦穴３４の各々は、バーナーの縦軸に平行に燃料供給チャネル２から噴霧器ポート３５に延びる。

噴霧器ヘッド４は、噴霧器ヘッド４の円筒部１８を同軸包囲する円筒スカート３６を備え、環状チャネル３７を酸素含有ガスの供給チャネル３と整列させる。環状チャネル３７は、噴霧器ポート３５を通して縦穴３４に連通する。噴霧器ヘッド４の円形前壁２４は、環状チャネル３７に連通した穴３８を備える。

円筒スカート３６は、冷却ジャケット内壁１０の内面上の内側ネジと協同する外側ネジ（図示せず）を備える。

圧力をかけて燃料液を供給し、噴霧器ヘッド４の円筒部１８における縦穴３４に入れ、噴霧器ポート３５を通して環状チャネル３７に入れ、ここで高速で流れている酸素含有ガスが燃料を噴霧化する。噴霧燃料を穴３８を通して音速にて放出し、酸素含有ガスにより覆われた微細燃料液滴からなる円錐噴霧を形成する。噴霧燃料は音速で流れるので、反応器内で大気圧から２０バールの圧力までの高圧条件下でさえ噴霧器ヘッドから一定距離のところで火炎が始まる。火炎と噴霧器ヘッド４とのこの距離により、バーナー部品への加熱が抑えられ、火炎が穴３８に逆流する危険性が低められる。

冷却ジャケット壁１０、１５、１６はステンレス鋼から作られる。これは、冷却の他にも、機械的な負荷、特に圧力負荷からチャネル部品と噴霧器ヘッド４を保護する働きをする。噴霧器ヘッド４は銅合金から作られる。

図２は図１Ａ−Ｄのバーナーに類似の構造のバーナーを断面にて示す。構造上同様の細部は、図１と同じ参照番号にて示す。図２のバーナーは、噴霧器ヘッド４と冷却ジャケット１１の内壁１０との間でネジ連結を行うためのネジ付き内側スカートを備えない。代りに、噴霧器ヘッドは、冷却ジャケット外壁１５の外面に設けられた外側ネジと協同する内側ネジを有するスカート３６”を備える。

ＵＳ２，４１４，４５９ ＷＯ−Ａ−０１／５５６４０ ＵＳ−Ａ−３２６６５５２

１…バーナー
２…燃料供給チャネル
３…酸素含有ガス供給チャネル
４…噴霧器ヘッド
５…内管
６…内部冷却水チャネル
７…第２管
９…第３管
１０…第４管
１１…冷却ジャケット
１７…前部
１８…円筒部
３４…第２流路
３７…第１流路
３８…穴

Claims (6)

1. 液体燃料と酸素含有ガスを別々に供給するため、同軸状に離間して配置され供給側から放出端部に延びる少なくとも２つの管状壁（９、１０）により形成される２以上のチャネル（２、３）を備えたバーナー（１）であって、前記バーナー（１）が、酸素含有ガスの供給チャネル（３）に整列した１以上の第１流路（３７）と液体燃料の供給チャネル（２）に整列した第２流路（３４）とを含む放出端部に固定された双流体噴霧器ヘッド（４）を備え、第２流路（３４）は、前記１以上の第１流路（３７）が、双流体噴霧器ヘッド（４）に環状に配置された穴（３８）に通じる前の地点にて一定角度にて第１流路（３７）に通じ、前記管状壁（９、１０）を包囲するように冷却ジャケット（１１）が同軸配置され、前記穴（３８）が冷却ジャケット（１１）から一定距離にて噴霧器ヘッド（４）を貫通し、噴霧器ヘッド（４）が第１金属から作られ、冷却ジャケット（１１）が第１金属より低い熱伝導率の第２金属から作られるバーナー（１）。
2. 冷却ジャケット（１１）が鋼から作られ、噴霧器ヘッド（４）が銅合金から作られる請求項１に記載のバーナー。
3. 噴霧器ヘッド（４）が、バーナー（１）の縦軸に沿って配置された中央冷媒チャネル（６）を、中央冷媒チャネル（６）に対して同軸配置された環状冷媒チャネル（８）に連結する内部空間（２８）を備える請求項１又は２に記載のバーナー。
4. 噴霧器ヘッド（４）が、冷却ジャケット（１１）の対応するネジと機能的に協同するネジを備えるネジ付きスカート（３６、３６”）を有する請求項１〜３のいずれか一項に記載のバーナー。
5. 噴霧器ヘッド（４）が管状壁（９）の少なくとも１つとスリーブ継手により連結される請求項４に記載のバーナー。
6. 前記穴（３８）が噴霧燃料の流れを音速以上に加速する大きさを有する請求項１〜５のいずれか一項に記載のバーナー。