JP6151201B2 - バーナ - Google Patents

Description

本発明は、ボイラ炉やガス化炉等の高熱負荷条件となる炉内で使用されるバーナに関する。

ボイラ炉やガス化炉などは、炉内部は高い熱負荷条件となっている。これらの炉で使用されるバーナの母材はステンレス鋼などの金属材料で製造されるのが一般的であるが、火炎や炉内輻射熱によって焼損、クリープ、疲労などの損傷を受ける。

そこで、バーナ母材を熱負荷から保護するために、バーナ先端部近傍に二次空気ノズルや熱遮蔽板が設置される。また、内部を冷却媒体（冷却水）が流通する冷却管をバーナの周囲に設けてバーナ母材を冷却する対策も採用されている。例えば特許文献１は、バーナの外周面に冷却管（冷却管コイル）をらせん状に巻きつけ、冷却用コイル内に冷却水を流通させる冷却機構を開示している。

特開２０１３−２４４５１号公報

特許文献１に開示されるような冷却管には、ステンレス鋼や耐熱合金鋼が用いられるのが一般的である。良好な熱伝導性を確保するためには管を薄肉化する必要があるが、薄肉化することにより強度が低下するほか、摩耗面で問題が生じていた。
また、特許文献１のように冷却管をらせん状に加工するのは困難である。このような形状の冷却管はバーナ本体と一体成型することができないので、バーナ本体と冷却管とを別々に製造した後に溶接する必要がある。この溶接部は強度面で最も脆弱な部分であり、バーナが高熱負荷条件に曝された際に溶接部から損傷が発生する恐れがあった。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、高熱負荷環境での使用に耐え得るバーナ構造を提供することを目的とする。

本発明の参考例としての一態様は、高熱負荷条件となる炉内に挿入されるバーナであって、バーナ本体と、燃料及び酸化剤が噴出する側の前記バーナ本体の先端部の周囲を覆うように設置される遮蔽筒と、を備え、前記遮蔽筒のうち高い熱負荷を受ける部材が銅合金からなり、前記遮蔽筒の内部に、前記遮蔽筒の軸方向に冷却媒体が流通可能である複数の軸方向流路と、前記先端部の側において隣り合う前記軸方向流路を連絡する連絡流路とで構成される冷却媒体流通路が形成されているバーナである。

本発明の参考例としての一態様では、遮蔽筒により炉内に配置されるバーナ本体の先端部が保護される。遮熱筒の内部に冷却媒体が流通する冷却媒体流通路が形成され、さらに遮蔽筒の中で高熱負荷を受ける部材は熱伝導性に優れる銅合金で形成されている。このような構成にすることにより、炉内に配置されるバーナ本体の先端部が遮蔽筒により効率的に遮熱されることになる。
本発明の参考例の遮熱筒は高い冷却性能を有している。高い熱負荷環境に曝されても本願発明の遮熱筒は高温になりにくく、更に遮熱筒内での温度差が小さい。このため、本発明の遮熱筒は高い疲労強度を有する。遮熱筒を厚肉としても十分な冷却性能を確保できるので、高熱による焼損に対して高い耐久性を確保することができる。更に、遮熱筒を厚肉化することができることによって、ガス化炉など燃料として粉体が含まれるガスを用いるバーナに適用される場合には、粉体の衝突による摩耗があっても耐用年数が長くなるので有利である。

上記態様において、前記遮蔽筒が、内筒と、前記内筒と接合される外筒とで構成され、前記外筒が前記高熱負荷を受ける部材であり、前記内筒の外周面または前記外筒の内周面に溝状の前記冷却媒体流通路が形成されていても良い。

特に内筒の外側周囲に冷却媒体流通路が形成された遮蔽筒は、加工が容易であるので有利である。一方、外筒の内側周囲に冷却媒体流通路が形成される場合は、炉からの輻射熱が大きい方で遮熱筒の母材が薄くなっているので冷却効果に優れる構成となる。

この場合、前記内筒が銅合金または低合金鋼からなることが好ましい。
内筒を銅合金で形成すれば、冷却効果が向上し、バーナの損傷を低減させることが可能である。一方、燃料に粉体を含む場合は、内筒を低合金鋼で形成すれば、耐摩耗性を向上させることが可能である。

上記態様において、本発明の一態様では、前記遮蔽筒が、円筒形状の第１部材と、円筒形状を有し、前記先端部の側で前記第１部材と接合される第２部材とで構成され、前記第１部材が前記高熱負荷を受ける部材であり、前記第１部材の内部に前記軸方向流路が形成され、前記第２部材の前記第１部材と接触する面に、前記第２部材の円周方向に環状の前記連絡流路が溝として形成されていても良い。

上記構成では２つの部材の接合面積が小さいので、疲労強度の低下を抑制することができる。また、バーナ本体の先端部側に位置するために熱負荷が大きくなる第２部材に環状の連絡流路を設けているので、第２部材の冷却効率を高めることができる。

この場合、複数の前記軸方向流路が前記第１部材の円周方向に沿って配列されていても良い。こうすることで冷却効率を高めることができる。また、遮蔽筒の製造が容易であるという利点がある。

あるいは、複数の前記軸方向流路が前記第１部材の径方向に沿って配列され、前記第１部材の外側の前記軸方向流路内では、前記冷却媒体が前記先端部側に向かって流通し、前記第１部材の内側の前記軸方向流路内では、前記冷却媒体が前記先端部側から離れる方向に流通する構成としても良い。
上記構成では、熱負荷が高い遮熱筒外側により低い温度の冷却媒体が流れることになるので、冷却効率を高めることが可能となる。

この場合、前記第２部材が銅合金または低合金鋼からなることが好ましい。
第２部材を銅合金で形成すれば、冷却効果が向上し、バーナの損傷を低減させることが可能である。一方で、燃料に粉体を含む場合は、第２部材を低合金鋼で形成すれば、耐摩耗性を向上させることが可能である。

本発明によれば、炉内に配置されるバーナ本体の先端部が高い冷却性能を有する遮蔽筒によって保護されるので、バーナ本体の損傷を抑制することができる。また、遮蔽筒自体も高疲労強度及び高耐久性を有する。従って、本発明のバーナは長寿命となり、メンテナンス頻度や費用を削減できるという効果を奏する。

一実施形態に係るバーナの概略図である。 参考実施形態に係る遮蔽筒の概略図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）はＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は遮蔽筒の側面展開図である。 参考実施形態の別の例に係る遮蔽筒のＡ−Ａ’断面図である。 第１実施形態に係る遮蔽筒の概略図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は第１部材のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は第２部材を第１部材側から見た概略図、（ｄ）は冷却媒体流通路を説明する概略図である。 第１実施形態の別の例に係る遮蔽筒のＡ−Ａ’断面図である。 第２実施形態に係る遮蔽筒の概略図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は第１部材のＡ−Ａ’断面図である。

図１は、本発明の一実施形態に係るバーナの概略図である。バーナ１は、ボイラ炉やガス化炉などの内部が高熱負荷条件となる炉に設置される。

バーナ１は、バーナ本体１０と遮蔽筒２０とで構成される。バーナ本体１０内には、燃料が流通する燃料供給路１１と、酸化剤が流通する酸化剤供給路１２とが設けられる。バーナ本体１０の先端部に燃料及び酸化剤が噴出される噴出孔（不図示）が設けられている。噴出孔が設けられている側のバーナ本体１０の先端部は、遮蔽筒２０内に挿入されている。

炉壁２は、炉外側に向かって曲成されている。炉外側に向かって突出している炉壁２に開口部３が設けられ、噴出孔が設けられている側のバーナ本体１０の先端部が炉内側に向くようにして開口部３にバーナ１が挿通される。

炉壁２の炉外側に開口部３を覆うようにケーシング４が設けられる。ケーシング４内には耐火材が充填されている。耐火材は、例えばアルミナ、ＳｉＣである。開口部３には、炉壁２と遮蔽筒２０との間にシール部材５が設けられる。開口部３では、シール部材５及び耐火材により炉内と炉外とか隔離されている。

冷却管６ａ，６ｂが炉壁２の外側で遮蔽筒２０に接続する。冷却管６ａは、遮蔽筒２０に冷却媒体（例えば冷却水）を供給する。冷却管６ｂは、遮蔽筒２０内を流通した後の冷却媒体を遮蔽筒２０から排出させる。

遮蔽筒２０は、冷却媒体を遮蔽筒２０内部に流通させることによりバーナ本体１０を冷却して、バーナ本体１０が火炎や輻射熱により温度上昇して損傷を受けることを防止する役割を果たす。

［参考実施形態］
図２は、本発明の参考実施形態に係る遮蔽筒の概略図である。図２（ａ）は遮蔽筒２０の斜視図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。図２（ｃ）は遮蔽筒２０の内筒の側面図である。

参考実施形態の遮蔽筒２０は外筒２１と内筒２２とを有する二重管構造となっている。
外筒２１は輻射熱などにより高い熱負荷を受ける部材である。外筒２１は熱伝導率が高い材料である銅合金で作製される。

内筒２２は銅合金または低合金鋼で作製される。例えば、輻射熱などの影響により高い熱負荷を受け、耐熱性が必要とされる場合には、内筒２２は銅合金で作製される。バーナ１の燃料に微粉炭などの粉体が含まれる場合には、粉体の衝突による摩耗を抑制するために、内筒２２は耐摩耗性に優れる低熱合金鋼（例えば２Ｃｒ鋼）で作製される。

図２（ｂ），（ｃ）に示すように、内筒２２の外周面に冷却媒体流通路３０が形成されている。冷却媒体流通路３０は、軸方向流路３１と連絡流路３２とで構成されている。連絡流路３２は炉の中心側に位置し、バーナ本体１０の噴出孔近傍に位置する。

図２（ｃ）に示すように、内筒２２の軸方向に沿って複数の溝状の軸方向流路３１が形成される。隣り合う２本の軸方向流路３１が溝状の連絡流路３２によって連絡される。図２では連絡流路３２はＵ字形状であるが、これに限定されず他の形状を採用することが可能である。軸方向流路３１の数は、冷却効率等を考慮して適宜設計される。

溝状の冷却媒体流通路３０が形成された内筒２２と外筒２１とはロウ付けなどにより接合される。これにより、軸方向流路３１と連絡流路３２とが連通する。連絡流路３２により連絡された１組の軸方向流路３１のうち一方（３１ａ）が冷却管６ａに連結され、他方の軸方向流路３１（３１ｂ）が冷却管６ｂに連結される。冷却媒体（冷却水）は、冷却管６ａから遮蔽筒２０に送給され、軸方向流路３１を炉外側から炉内側に向かって流通する。冷却媒体は炉内側の端部で連絡流路３２を通って軸方向流路３１を炉内側から炉外側に戻り、遮蔽筒２０から冷却管６ｂに排出される。

図２の遮蔽筒２０は内筒２２の外周面に溝状の冷却媒体流通路３０を形成してから外筒２１と接合して作製されるので、加工が容易である。

参考実施形態の遮蔽筒２０は炉からの輻射熱により高熱負荷を受ける部材である外筒２１が銅合金でからなるので、炉内に配置されるバーナ本体が効率的に遮熱されることになる。
高い冷却性能を有しているので遮蔽筒２０自体も高温になりにくく、遮蔽筒２０内での温度差が小さくなるため、高い疲労強度を示す。また、遮熱筒を厚肉としても十分な冷却性能を確保できるので、高熱による焼損や、燃料に粉体が含まれる場合には粉体の衝突による摩耗に対しても高い耐久性を有する。

図３は、参考実施形態の遮蔽筒の別の例であり、図２（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。図３の遮蔽筒４０は、内筒４２に代えて、外筒４１の内周面に冷却媒体流通路５０が形成されている。冷却媒体流通路５０の形状は図２（ｃ）と同じとすることができる。
このように外筒４１に溝状の冷却媒体流通路５０を形成すると、冷却媒体流通路５０の位置で外筒４１が薄くなり、外筒４１の外周面の冷却効果が高くなるという効果を得ることができる。

［第１実施形態］
図４は、本発明の第１実施形態に係る遮蔽筒の概略図である。図４（ａ）は遮蔽筒１２０の斜視図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。図４（ｃ）は遮蔽筒１２０の第２部材を第１部材側から見た概略図である。

第１実施形態の遮蔽筒１２０は、円筒状の第１部材１２１と、円筒状の第２部材１２２とで構成される。

第１部材１２１は輻射熱などにより高い熱負荷を受ける部材である。第１部材１２１は銅合金で作製される。

第２部材１２２は、第１部材１２１に対して炉中心側で、バーナ本体１０の噴出孔近傍に位置する。第２部材１２２は銅合金または低合金鋼で作製される。例えば、輻射熱などの影響により高い熱負荷を受け、耐熱性が必要とされる場合には、第２部材１２２は銅合金で作製される。第２部材１２２の燃料に微粉炭などの粉体が含まれる場合には、粉体の衝突による摩耗を抑制するために、第２部材１２２は低熱合金鋼（例えば２Ｃｒ鋼）で作製される。

第１部材１２１に、軸方向に第１部材１２１を貫通する軸方向流路１３１が複数形成されている。図４（ｂ）に示すように、軸方向流路１３１の断面形状は略円形である。第１部材１２１の周方向に沿って、軸方向流路１３１が複数配列される。軸方向流路１３１の数は、冷却効率等を考慮して適宜設計される。

図５は、軸方向流路の断面形状の別の例を説明する図である。図５は、図４（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。図５に示される軸方向流路１４１ａ，１４１ｂは、第１部材１２１の周方向に沿った帯状の断面形状を有している。一方の軸方向流路１４１ａが冷却管６ａに連結される。他方の軸方向流路１４１ｂが冷却管６ｂに連結される。図５では軸方向流路１４１が２つ形成されている例を示しているが、３以上の軸方向流路１４１が形成されていても良い。

図４（ｃ）に示すように、第２部材１２２の第１部材１２１との対向面に環状の連絡流路１３２が溝として形成される。連絡流路１３２がバーナ本体１０の噴出孔近傍となるように、第２部材１２２の大きさが設計される。

軸方向流路１３１が形成された第１部材１２１と連絡流路１３２が形成された第２部材１２２とが、ネジ締結、ロウ付け、溶接などにより結合される。第１部材１２１と第２部材１２２とが接合することにより、軸方向流路１３１と連絡流路１３２とが繋がり、冷却媒体流通路となる。

図４（ｄ）に本実施形態の冷却媒体流通路の概略図を示す。冷却媒体流通路のうち、一部の軸方向流路１３１は冷却管６ａに連結され、残りの軸方向流路１３１は冷却管６ｂに連結される。図４（ｄ）では、軸方向流路１３１が第１部材１２１の周方向に交互に、冷却管６ａ及び冷却管６ｂに連絡する構成となっているが、本実施形態はこの構成に限定されない。

冷却媒体（冷却水）は、冷却管６ａから遮蔽筒１２０に送給され、軸方向流路１３１を炉外側から炉内側に向かって流通する。冷却媒体は炉内側の端部で連絡流路１３２を通って軸方向流路１３１を炉内側から炉外側に戻り、遮蔽筒１２０から冷却管６ｂに排出される。

第１実施形態の遮蔽筒１２０も、炉内に配置されるバーナ本体１０を効率的に遮熱し、高い疲労強度を示す。遮蔽筒を厚肉としても十分な冷却性能を確保できるので、焼損や摩耗に対しても高い耐久性を得ることができる。
特に第１実施形態の遮蔽筒１２０は第２部材１２２に環状の連絡流路１３２が設けられているので、バーナ本体１０の冷却効果が大きい。また、第１部材１２１と第２部材１２２との接合面積が小さいので、疲労強度の低下を抑制することができる。第１実施形態の遮蔽筒１２０は、冷却媒体流通路の形状が簡素であるので加工が容易である。

［第２実施形態］
図６は、本発明の第２実施形態に係る遮蔽筒の概略図である。図６（ａ）は遮蔽筒２２０の斜視図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。図６において図４と同じ構成には同じ符号を付す。
第２実施形態の遮蔽筒２２０は、円筒状の第１部材２２１と、円筒状の第２部材１２２とで構成される。第１部材２２１が異なる以外は、遮蔽筒２２０は第１実施形態と同じである。

図６の遮蔽筒２２０では、第１部材２２１に２つの軸方向流路２３１ａ，２３１ｂが径方向に配列して形成されている。軸方向流路２３１ａ，２３１ｂは、隔壁２２３により隔離される。軸方向流路２３１ａ，２３１ｂは第１部材２２１と第２部材１２２とが接合されたときに、連絡流路１３２によって連通し、冷却媒体流通路となる。

外側の軸方向流路２３１ａは冷却管６ａに連結され、内側の軸方向流路２３１ｂは冷却管６ｂに連結される。冷却媒体は、外側の軸方向流路２３１ａ内を炉内側（バーナ本体の先端部側）に向かって流通し、内側の軸方向流路２３１ｂ内を炉外側に向かって（先端部側から離れる方向に）流通する。

図６の軸方向流路２３１ａ，２３１ｂは、三重管構造とするか、円筒状の第１部材２２１に軸方向に貫通する環状の貫通孔を穿設して形成される。

三重管構造の場合は、径の異なる３つの円筒部材を用い、径の大きい円筒部材内に径が小さい円筒部材を入れる構成とする。隣り合う円筒部材の間には、スペーサ（図６では不図示）が設置され、各円筒部材が所定の間隔で離間している。各円筒部材の間の空間が、軸方向流路２３１ａ，２３１ｂを構成する。

軸方向流路２３１ａ，２３１ｂを貫通孔にする場合は、隔壁２２３が固定されるように貫通孔を形成する。

ここでは２つの軸方向流路２３１ａ，２３１ｂが形成される場合を例に挙げて説明したが、第１部材が厚肉であれば３以上の軸方向流路が形成されていても良い。このような場合は、最外周の軸方向流通路を冷却管６ａに接続させる。

第２実施形態の遮蔽筒２２０は、熱負荷が大きくなる第１部材２２１の外周側に位置する軸方向流路２３１ａに冷却管６ａから供給された冷却媒体を流通させるので、冷却効率をより高めることができるという有利な効果を奏する。

１ バーナ
２ 炉壁
３ 開口部
４ ケーシング
５ シール部材
６ 冷却管
１０ バーナ本体
１１ 燃料供給路
１２ 酸化剤供給路
２０，４０，１２０，２２０ 遮蔽筒
２１，４１ 外筒
２２，４２ 内筒
３０，５０ 冷却媒体流通路
３１（３１ａ，３１ｂ），１３１，１４１ａ，１４１ｂ，２３１ａ，２３１ｂ 軸方向流路
３２，１３２ 連絡流路
１２１ 第１部材
１２２ 第２部材
２２３ 隔壁

Claims (4)

1. 高熱負荷条件となる炉内に挿入されるバーナであって、
   バーナ本体と、
   炉内側の前記バーナ本体の先端部の周囲を覆うように設置される遮蔽筒と、
   を備え、
   前記遮蔽筒のうち高い熱負荷を受ける部材が銅合金からなり、
   前記遮蔽筒の内部に、前記遮蔽筒の軸方向に冷却媒体が流通可能である複数の軸方向流路と、前記先端部の側において隣り合う前記軸方向流路を連絡する連絡流路とで構成される冷却媒体流通路が形成され、
   前記遮蔽筒が、円筒形状の第１部材と、円筒形状を有し、前記先端部の側で前記第１部材と接合される第２部材とで構成され、
   前記第１部材が前記高熱負荷を受ける部材であり、前記第１部材の内部に前記軸方向流路が形成され、
   前記第２部材の前記第１部材と接触する面に、前記第２部材の円周方向に環状の前記連絡流路が溝として形成されているバーナ。
2. 複数の前記軸方向流路が前記第１部材の円周方向に沿って配列されている請求項１に記載のバーナ。
3. 複数の前記軸方向流路が前記第１部材の径方向に沿って配列され、
   前記第１部材の外側の前記軸方向流路内では、前記冷却媒体が前記先端部側に向かって流通し、
   前記第１部材の内側の前記軸方向流路内では、前記冷却媒体が前記先端部側から離れる方向に流通する請求項１に記載のバーナ。
4. 前記第２部材が銅合金または低合金鋼からなる請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のバーナ。

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