JP6824685B2 - バーナ装置、バーナ装置の冷却媒体制御方法 - Google Patents

Description

本開示は、ガス化炉などの燃焼炉の炉内に設置され、バーナを冷却するための冷却管を備えるバーナ装置に関する。

石炭をガス化する方法としては、高温に保持されたガス化炉内に石炭等の微粉固体燃料と酸素や空気等のガス化剤をバーナから供給し、燃料中の可燃分を燃焼させることで一酸化炭素や水素などの可燃性ガスを生じさせ、灰分を有害成分の含まないスラグに変換して回収する気流層石炭ガス化法が知られている。この方法によれば、燃料ガスが高い効率で得られるとともに、環境保全性も優れ、しかも適用可能な原料種が多いため、石炭ガス化複合発電システム（ＩＧＣＣ）や石炭ガス化燃料電池複合発電システム等の次世代火力発電システム、石炭液化用、化学原料用等に用いる水素製造システム等への利用が期待されている。また、ガス化炉は、バイオマス燃料を熱化学的にガス化する際にも用いられる。

この種のガス化プラントに使用されるガス化炉には、微粉固体燃料を噴射するためのガス化用バーナ（以下、バーナ装置と略す。）が設けられている。このバーナ装置は一般に炉外から炉壁の貫通孔を通じて挿入され、その先端部が炉内に突き出た状態で炉壁に装着されている。炉内へ挿入されたバーナ装置の先端部は、灰の溶融温度以上の高温に曝されるだけでなく、溶融スラグの付着、剥離等により、大きな熱負荷を受けることがある。このようにバーナ装置の先端部が大きな熱負荷を受けた場合、先端部の溶損、き裂の発生、高温腐食による減肉等が発生し、バーナ装置の寿命が著しく低下する。

このため、例えば特許文献１〜３では、バーナ本体の外周を冷却水が流れる冷却管で取り囲むことにより、バーナ本体の冷却を図っている。より具体的には、特許文献１〜３では、冷却管は、バーナ装置のバーナ本体におけるガス化炉の炉壁から炉内に突き出した部分（以下、炉内突出部）に螺旋状に巻き回されるように、バーナ本体に接触して設けられている。なお、特許文献３では、バーナ本体に設けられた冷却管のうち炉内突出部の基端部（根元）から炉外の側に位置する冷却管と、炉内突出部に設けられた冷却管とをそれぞれ独立した冷却媒体系統にしても良いとされている。

特開２０１５−１６１４６２号公報 特許５８１８５５０号公報 特許５９６８２４７号公報

特許文献１〜３では、上述したようにバーナ本体を冷却管で取り囲むことにより、燃焼炉の運転時の熱負荷からバーナ装置の炉内突出部を保護している。しかしながら、運転時において炉内は非常に高温となるため、炉内の火炎による輻射や熱気流、炉内で生じる溶融スラグなどによって炉内突出部に設けられた冷却管が次第に減耗し、冷却管の内部を流通する冷却媒体が炉内に漏出する場合がある。そして、冷却管から炉内に漏出する冷却媒体の漏出量が多くなると、冷却管あるいはバーナ装置等の交換のために燃焼炉を停止せざるを得ず、燃焼炉（プラント）の稼働率を低下させてしまう。

そこで、燃焼炉の稼働率の低下をできるだけ抑制するために、冷却管における冷却媒体の流通量を絞る（減らす）ことにより、冷却媒体の炉内への漏出量の低減を図ることも本発明者らには考えられた。この手法によれば、燃焼炉の運転の停止を即座に行わずに先延ばしすることができるので、先延ばししている間に、交換品等の手配などといったメンテナンス作業の準備を行うことができる。このため、実際のメンテナンス作業に必要な時間のみ燃焼炉を停止すれば良いので、運転の停止時間の短縮により稼働率の低下を抑制することはできるが、減耗した冷却管のみならず、バーナ本体といったバーナ装置全体の損傷を引き起こす可能性がある。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、バーナ本体の損傷を回避しつつ、バーナ装置のメンテナンスによる燃焼炉の稼働率の低下を抑制可能なバーナ装置を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るバーナ装置は、
燃焼炉の炉壁から炉内に突出される炉内突出部を有するバーナ本体と、
前記炉内突出部の外周面の先端部を含む先端側領域を取り囲むように設けられた、前記バーナ本体を冷却するための冷却媒体が流通する先端側冷却管と、
前記炉内突出部の外周面の基端部と前記先端側領域との間の基端側領域を取り囲むように設けられた、前記冷却媒体が流通する基端側冷却管と、
前記先端側冷却管に前記冷却媒体を供給するための第１冷却媒体供給管と、
前記基端側冷却管に前記冷却媒体を供給するための第２冷却媒体供給管と、を備える。

燃焼炉の運転時には、炉内の火炎による輻射や熱気流、炉内で生じる溶融スラグなどによって冷却管が減耗し、穴があくなどして破損する結果、冷却管から冷却媒体が炉内に漏出する場合があるところ、本発明者らによって、炉内突出部の先端側領域を取り囲む冷却管に破損（穴）が生じやすいことが見出された。
上記（１）の構成によれば、バーナ本体の炉内突出部には、その先端側領域を冷却するための冷却系統（先端側冷却管および第１冷却媒体供給管）、および、基端側領域を冷却するための冷却系統（基端側冷却管および第２冷却媒体供給管）の２つの冷却系統が設けられている。このように、バーナ本体の炉内突出部に２以上の複数の冷却系統を設けることによって、複数の冷却系統の各々を構成する複数の冷却管の各々における冷却媒体の流通状態（流通実行状態、流通停止状態）を、それぞれ独立に制御することが可能である。

よって、例えば、炉内状況の情報などに基づいて冷却管からの冷却媒体の漏出が判定された場合には、破損の可能性の高い先端側冷却管への冷却媒体の供給のみを停止することによって炉内への冷却媒体の漏出の停止を図りつつ、基端側冷却管によるバーナ本体の冷却を継続することができる。換言すれば、基端側冷却管による冷却によってバーナ本体の焼損を回避することにより、燃焼炉の運転の停止を即座に行わずに先延ばしすることができる。さらに、燃焼炉の運転の停止を先延ばししている間にメンテナンス作業の準備をすることにより、その分だけ燃焼炉の停止時間を短縮することが可能となる。このように燃焼炉の停止時間を短縮することによって、上述したようにバーナ本体の損傷を回避しつつ、バーナ装置のメンテナンスによる燃焼炉の稼働率の低下を抑制することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記基端側冷却管は、前記炉内突出部の外周面に巻回されている。
上記（２）の構成によれば、基端側冷却管を炉内突出部の外周面に巻回させることにより、基端側冷却管をバーナ本体に設置することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記基端側冷却管は、前記冷却媒体が流通するための、前記基端側領域を覆う円筒状の流路を形成する。
上記（３）の構成によれば、基端側領域を覆う円筒状の流路として基端側冷却管を形成することで、基端側冷却管をバーナ本体に設置することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、
前記第１冷却媒体供給管は、前記基端側冷却管により形成される前記流路の内部に設置される。
上記（４）の構成によれば、第１冷却媒体供給管を基端側冷却管の外部に設置するよりも、バーナ装置をコンパクト化することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（４）の構成において、
前記燃焼炉の炉壁は、炉外側に向かって曲成されることによって前記炉外に向かって窪むよう形成された窪み部を有し、
前記炉内突出部は、前記窪み部の底部から突出されている。
上記（５）の構成によれば、燃焼炉の炉壁の窪み部から炉内突出部が突出することにより、窪み部による炉内突出部の主に基端側領域の保護を図ることができる。また、冷却管の減耗箇所を先端側領域により絞るように図ることができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（５）の構成において、
前記炉内突出部の前記先端側領域は、前記炉内突出部の全長の半分の位置よりも前記先端部側に位置する。
上記（６）の構成によれば、減耗による破損（穴）が生じやすい領域に先端側冷却管を確実に配置することができると共に、減耗がしにくい領域に基端側冷却管を確実に配置することができる。

（７）本発明の少なくとも一実施形態に係るバーナ装置の冷却媒体制御方法は、
上記（１）〜（６）のいずれか１項に記載のバーナ装置に対する冷却媒体の供給を制御するバーナ装置の冷却媒体制御方法であって、
前記第１冷却媒体供給管から前記先端側冷却管に前記冷却媒体を供給する先端側領域冷却ステップと、
前記第２冷却媒体供給管から前記基端側冷却管に前記冷却媒体を供給する基端側領域冷却ステップと、
前記先端側冷却管あるいは前記基端側冷却管の少なくとも一方からの前記冷却媒体の漏出を判定する冷却媒体漏出判定ステップと、
前記冷却媒体漏出判定ステップによって前記冷却媒体の漏出を検出した場合に、前記先端側冷却管への前記冷却媒体の供給のみ停止する先端側領域冷却停止ステップと、を備える。

上記（７）の構成によれば、冷却管（先端側冷却管あるいは基端側冷却管）から炉内への冷却媒体の漏出が判定された場合には、本発明者らによって炉内突出部の先端側領域を取り囲む冷却管に破損（穴）が生じやすいことが見出されたため、先端側冷却管への冷却媒体の供給のみが停止される。これによって、燃焼炉の炉内への冷却媒体の漏出の停止を図りつつ、基端側冷却管によるバーナ本体の冷却を継続することができる。これによって、基端側冷却管による冷却によってバーナ本体の焼損を回避することにより、燃焼炉の運転の停止を即座に行わずに先延ばしすることができる。さらに、この燃焼炉の運転停止を先延ばししている間にメンテナンス作業の準備をすることにより、その分だけ燃焼炉の停止時間を短縮することが可能となる。このように燃焼炉の停止時間を短縮することによって、上述したようにバーナ本体の損傷を回避しつつ、バーナ装置のメンテナンスによる燃焼炉の稼働率の低下を抑制することができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、バーナ本体の損傷を回避しつつ、バーナ装置のメンテナンスによる燃焼炉の稼働率の低下を抑制可能なバーナ装置が提供される。

本発明の一実施形態に係る燃焼炉の断面概略図である。 図１の燃焼炉におけるバーナ装置の設置位置を拡大した概略図であり、バーナ装置は窪み部から突出している。 図２Ａを矢印Ａの方向から見た図である。 本発明の一実施形態に係るバーナ装置の設置位置を拡大した概略図であり、バーナ装置は窪み部ではない炉壁から突出している。 本発明の一実施形態に係るバーナ装置の設置位置を拡大した概略図であり、冷却管は円筒状の流路を形成している。 図４Ａを矢印Ａの方向から見た図である。 図４Ａのａａ断面を示す図である。 図４Ａのｂｂ断面を示す図である。 本発明の一実施形態に係るバーナ装置の冷却媒体制御方法を示すフロー図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、本発明の一実施形態に係るバーナ装置１を備える燃焼炉７の断面概略図である。図１に示される燃焼炉７は石炭をガスに転換するガス化炉となっている。図１に示される実施形態のガス化炉は、図１に示されるように、コンバスタ部７ｃとリダクタ部７ｒを有している。コンバスタ部７ｃには、微粉炭バーナ１２及びチャーバーナ１４が設けられ、リダクタ部７ｒにはガス化バーナ１６が設けられている。微粉炭バーナ１２には、炭素含有燃料として微粉状にされた石炭（微粉炭）を供給する微粉炭供給経路８１と、酸化剤としての酸素含有ガス（例えば空気）を供給する酸化剤供給経路８２とが接続される。また、チャーバーナ１４にはチャー（未燃粒子）を供給するチャー供給流路８３が接続される。ガス化バーナ１６には、上述した微粉炭供給経路８１が接続される。

そして、ガス化炉の運転時において、コンバスタ部７ｃに投入された空気と石炭が燃焼して例えば１８００℃などの高温となり、石炭中の灰は溶けて溶融スラグ（液相）となって流れ落ち、コンバスタ部７ｃで燃焼して生成した高温の可燃性ガスは上昇する。この高温の可燃性ガスは、リダクタ部７ｒにおいて新たに投入された石炭と反応し、これによって、効率良く石炭をガスに転換することが可能となっている。なお、溶融スラグは、燃焼炉７の炉壁７１の内面を伝って排出口７２から排出される。排出口７２から排出された溶融スラグは、燃焼炉７の底部に貯留された水と接触して水砕スラグとなり、炉外に排出される。

次に、本発明の一実施形態に係るバーナ装置１について、図２Ａ〜図４Ｄを用いて説明する。
図２Ａは、図１の燃焼炉７におけるバーナ装置１の設置位置を拡大した概略図であり、バーナ装置は窪み部７３から突出している。図２Ｂは、図２Ａを矢印Ａの方向から見た図である。図３は、本発明の一実施形態に係るバーナ装置１の設置位置を拡大した概略図であり、バーナ装置１は窪み部７３ではない炉壁７１から突出している。図４Ａは、本発明の一実施形態に係るバーナ装置１の設置位置を拡大した概略図であり、冷却管３は円筒状の流路を形成している。図４Ｂは、図４Ａを矢印Ａの方向から見た図である。図４Ｃは、図４Ａのａａ断面を示す図である。また、図４Ｄは、図４Ａのｂｂ断面を示す図である。

図２Ａ〜図４Ｄに示されるように、バーナ装置１は、燃焼炉７の炉壁７１に形成された開口部を貫通するようにして設置される装置であり、バーナ本体２と、先端側冷却管３１および基端側冷却管３２を含む冷却管３と、第１冷却媒体供給管４１および第２冷却媒体供給管４２を含む冷却媒体供給管４と、を備える。
以下、バーナ装置１が備える上記の各々を説明する。なお、以下の説明では、上述した微粉炭バーナ１２を例としてバーナ装置１を説明するが、他の幾つかの実施形態では、バーナ装置１は、冷却管３を備えるものであれば、燃焼炉７に用いられる微粉炭バーナ１２やチャーバーナ１４、ガス化バーナ１６などのバーナであっても良い。

バーナ本体２は、燃焼炉７の炉壁７１に形成された開口部を貫通して設置される部分であり、バーナ本体２が前述の開口部に設置された際に、燃焼炉７の炉壁７１から炉内に突出する部分となる炉内突出部２２を有する（図２Ａ、図３、図４Ａ参照）。つまり、炉内突出部２２は、バーナ本体２における、燃焼炉７の炉壁７１の位置（根元）を含む基端部２２ｂから先端部２２ｔまでの部分となる。また、炉内突出部２２の外周面は、後述するように、突出する方向の先端側と基端側との間で先端側領域Ｒ１および基端側領域Ｒ２に分けられる。そして、炉内突出部２２は燃焼炉７の炉内に位置することから、燃焼炉７の運転時には、炉内の火炎による輻射や熱気流に晒されるだけでなく、溶融スラグの付着、剥離等により大きな熱負荷を受ける。このため、後述する冷却管３によって冷却されるようになっている。なお、図２Ａ〜図４Ｄに示される実施形態では、燃焼炉７の炉外側には、開口部を覆うように耐火材（例えばアルミナ、ＳｉＣ）が充填されたシールボックス（不図示）が設けられており、開口部において炉壁７１とバーナ装置１との隙間が耐火材７５で埋められている。

また、図２Ａ〜図４Ｄに示される実施形態では、バーナ本体２は円筒状の形状を有している。また、図２Ａ〜図４Ｄに示されるように、円筒状のバーナ本体２の内部には、その中心部分に円筒状の形状を有する燃料供給管部２６が設けられている。そして、円筒状の燃料供給管部２６の内部によって燃料供給路２４が形成されており、燃料供給路２４は、上述した微粉炭供給経路８１に連通されることにより、微粉炭が通過するよう構成されている。また、バーナ本体２の内部においては、円筒状の外壁から離間するように円筒状の燃料供給管部２６が設けられることによって、円筒状の燃料供給管部２６の管壁と円筒状のバーナ本体２の外壁との間に、酸化剤供給路２５となる円筒状の空間を形成している。そして、酸化剤供給路２５は、上述した酸化剤供給経路８２に連通しており、酸素含有ガスが通過するよう構成されている。

冷却管３は、バーナ本体２を冷却するための冷却媒体Ｗが流通するよう構成されており、バーナ本体２を冷却するために、バーナ本体２（炉内突出部２２）に接触した状態で設けられる。また、図２Ａ〜図４Ｄに示されるように、冷却管３は、炉内突出部２２の外周面の先端部２２ｔを含む先端側領域Ｒ１を取り囲むように設けられた先端側冷却管３１と、炉内突出部２２の外周面の基端部２２ｂと先端側領域Ｒ１との間の基端側領域Ｒ２を取り囲むように設けられた基端側冷却管３２の２つの管からなっている。先端側冷却管３１および基端側冷却管３２は互いに独立した異なる管となっており、互いに独立した冷却系統で冷却媒体Ｗを流通させるよう構成される。つまり、先端側冷却管３１および基端側冷却管３２の各々は、冷却媒体Ｗの入口および出口をそれぞれ有しており、例えば、先端側冷却管３１の出口３１ｅと基端側冷却管３２の入口３２ｉとが直接連結されていないし、基端側冷却管３２の出口３２ｅと先端側冷却管３１の入口３１ｉとが直接連結されてもいない。なお、図２Ａ〜図４Ｄに示される実施形態では、基端側冷却管３２は、炉内突出部２２の基端側領域Ｒ２のみならず、燃焼炉７の炉壁７１の開口部に位置するバーナ本体２の部分も共に取り囲むように構成されている。

また、上述した先端側領域Ｒ１は、後述するように、燃焼炉７の運転時の熱負荷によって破損が特に生じやすい冷却管３の部分領域を含む領域であり、基端側領域Ｒ２は、先端側領域Ｒ１を除いた部分から構成される領域となる。幾つかの実施形態では、炉内突出部２２の先端側領域Ｒ１は、炉内突出部２２の全長（図２Ａ、図３、図４Ａにおいて、Ｒ１とＲ２で示される長さを足した長さに相当する長さ）の半分の位置よりも先端部２２ｔ側に位置する。上記の構成によれば、減耗による破損（穴）が生じやすい領域に先端側冷却管３１を確実に配置することができると共に、減耗がしにくい領域に基端側冷却管３２を確実に配置することができる。また、幾つかの実施形態では、先端側冷却管３１および基端側冷却管３２は同じ材料で形成されていても良いし、他の幾つかの実施形態では、減耗の特に生じやすい先端側冷却管３１を基端側冷却管３２よりも耐摩耗性や耐熱性に優れた材料で形成しても良い。

冷却媒体供給管４は、冷却管３に冷却媒体Ｗを供給するための流路を形成する管状の部材であり、冷却管３に接続されるよう構成される。より詳細には、第１冷却媒体供給管４１は、先端側冷却管３１に冷却媒体Ｗを供給するための冷却媒体供給管４であり、先端側冷却管３１に接続されることにより、その入口３１ｉ側から先端側冷却管３１に冷却媒体Ｗを供給するよう構成される。そして、先端側冷却管３１に供給された冷却媒体Ｗは、先端側冷却管３１を通過した後に、その出口３１ｅに接続される第１冷却媒体排出管５１を通って、例えば炉外に排出される。
他方、第２冷却媒体供給管４２は、基端側冷却管３２に冷却媒体Ｗを供給するための冷却媒体供給管４であり、基端側冷却管３２に接続されることにより、その入口３２ｉ側から基端側冷却管３２に冷却媒体Ｗを供給するよう構成される。そして、基端側冷却管３２に供給された冷却媒体Ｗは、基端側冷却管３２を通過した後に、その出口３２ｅに接続される第２冷却媒体排出管５２を通って、例えば炉外に排出される。このように、炉内突出部２２の先端部２２ｔ側から基端部２２ｂ側に向けて冷却媒体Ｗを流通させることで、より低温の冷却媒体Ｗによる先端部２２ｔ側の効率的な冷却を図っている。ただし、この実施形態には限定されず、他の幾つかの実施形態では、炉内突出部２２の基端部２２ｂ側から先端部２２ｔ側に向けて冷却媒体Ｗを流通させても良い。

図２Ａ〜図４Ｄに示される実施形態では、第１冷却媒体供給管４１および第２冷却媒体供給管４２への冷却媒体Ｗの供給は、冷却媒体供給装置９を用いて行われている。冷却媒体供給装置９は、例えば燃焼炉７の炉外などに設置された貯水タンク９１からポンプ９２などを用いて冷却媒体Ｗを供給するように構成されていても良い。また、図２Ａ〜図４Ｄに示される実施形態では、第１冷却媒体排出管５１および第２冷却媒体排出管５２を用いて冷却管３から排出された冷却媒体Ｗは、冷却後に、再度、第１冷却媒体供給管４１および第２冷却媒体供給管４２にそれぞれ供給されることで、冷却媒体Ｗを循環させるシステムとなっている。この際、図２Ａ、図３、図４Ａに示されるように、第１冷却媒体排出管５１から先端側冷却管３１に循環される流路と、第２冷却媒体排出管５２からから先端側冷却管３１に循環される流路とが、それぞれ個別のライン（管）によって形成されても良い。あるいは、他の幾つかの実施形態では、共通化された循環流路の、例えば貯水タンク９１の上流側やポンプ９２の上流側などの適切な位置に設けられた分岐部から、第１冷却媒体供給管４１および第２冷却媒体供給管４２に分岐するように構成されていても良い。また、図２Ａ〜図４Ｄに示される実施形態では、２系統の冷却系統を有しているが、１以上の冷却系統が、先端側領域Ｒ１および基端側領域Ｒ２の少なくとも一方に設けられることで、バーナ装置１は、３以上の複数の冷却系統を有していても良い。

すなわち、図２Ａ〜図４Ｄに示される実施形態では、バーナ本体２の炉内突出部２２には、その先端側領域Ｒ１を冷却するための冷却系統（先端側冷却管３１および第１冷却媒体供給管４１）、および、基端側領域Ｒ２を冷却するための冷却系統（基端側冷却管３２および第２冷却媒体供給管４２）の２つの冷却系統が設けられている。このように、バーナ本体２の炉内突出部２２に２以上の複数の冷却系統を設けることによって、複数の冷却系統の各々を構成する複数の冷却管３の各々における冷却媒体Ｗの流通状態（流通状態、流通停止状態）を、それぞれ独立に制御することが可能となっている。

このようにバーナ装置１を構成したのは、炉内突出部２２に設けられた冷却管３は、炉内突出部２２が燃焼炉７の炉内に位置することから、炉内の火炎による輻射や熱気流、炉内で生じる溶融スラグなどによって減耗し、穴があくなどして破損する結果、冷却管３を流通する冷却媒体Ｗが炉内に漏出する場合があるところ、本発明者らによって、炉内突出部２２の先端側領域Ｒ１を取り囲む冷却管３に破損（穴）が生じやすいことが見出されたことによる。

そして、上記の構成によれば、炉内突出部２２の冷却管３は先端側領域Ｒ１と基端側領域Ｒ２との各々に別系統で設けられているので、例えば、炉内状況の情報などに基づいて冷却管３からの冷却媒体Ｗの漏出が判定された場合には、破損の可能性の高い先端側冷却管３１への冷却媒体Ｗの供給のみを停止することが可能である。つまり、この場合には、破損の可能性の高い先端側冷却管３１への冷却媒体Ｗの供給を停止することにより炉内への冷却媒体Ｗの漏出の停止を図りつつ、基端側冷却管３２によるバーナ本体２の冷却を継続することができる。換言すれば、基端側冷却管３２による冷却によってバーナ本体２の焼損を回避することにより、燃焼炉７の運転の停止を即座に行わずに先延ばしすることができる。さらに、燃焼炉７の運転の停止を先延ばししている間にメンテナンス作業の準備をすることにより、その分だけ燃焼炉７の停止時間を短縮することが可能となる。このように燃焼炉の停止時間を短縮することによって、上述したようにバーナ本体２の損傷を回避しつつ、バーナ装置１のメンテナンスによる燃焼炉７の稼働率の低下を抑制することができる。

また、幾つかの実施形態では、図２Ａ〜図２Ｂに示されるように、燃焼炉７の炉壁７１は、炉外側に向かって曲成されることによって炉外に向かって窪むよう形成された窪み部７３を有している。そして、炉内突出部２２は、窪み部７３の底部７３ｂから突出されている。このように、燃焼炉７の炉壁７１の窪み部７３から炉内突出部２２が突出することにより、窪み部７３による炉内突出部２２の主に基端側領域Ｒ２の保護を図ることができる。また、冷却管３の減耗箇所を先端側領域Ｒ１により絞るように図ることができる。
他の幾つかの実施形態では、図３に示されるように、燃焼炉７の炉壁７１は上述した窪み部７３は形成されておらず、炉内突出部２２は、重力の方向に沿って平坦状に形成された炉壁７１から突出されていても良い。

次に、冷却管３の構造に関する幾つかの実施形態について、説明する。
幾つかの実施形態では、図２Ａ〜図３に示されるように、基端側冷却管３２は、炉内突出部２２の外周面に巻回されている。換言すれば、管状の基端側冷却管３２が、炉内突出部２２の基端側領域Ｒ２において螺旋状に複数回巻き回されている。一方、先端側冷却管３１は、図２Ａ〜図３に示される実施形態では、管状の基端側冷却管３２が一周分だけ巻かれることによって先端側領域Ｒ１をカバーしている。ただし、本実施形態に限定されず、他の幾つかの実施形態では、先端側冷却管３１が複数回巻かれることによって先端側領域Ｒ１をカバーしても良い。このように、基端側冷却管３２を炉内突出部２２の外周面に巻回させることにより、基端側冷却管３２をバーナ本体２に設置することができる。

また、他の幾つかの実施形態では、図４Ａ〜図４Ｄに示されるように、基端側冷却管３２は、冷却媒体Ｗが流通するための、基端側領域Ｒ２を覆う円筒状の流路を形成する。詳述すると、バーナ装置１は、バーナ本体２の外周面を取り囲む（覆う）ように設けられた円筒状の形状を有する外周管４６を、さらに備えている。そして、外周管４６によって炉内突出部２２が取り囲まれることによって、バーナ本体２の外壁と外周管４６との間に円筒状の空間が形成されている（図４Ａ、図４Ｃ、図４Ｄ参照）。さらに、この、バーナ本体２と外周管４６とにより形成された上記の円筒状の空間は、円筒状の形状を有する内部壁３３によって、バーナ本体２側の円筒状の内側空間と、その外周側に位置する円筒状の外側空間とに分割されている。また、バーナ本体２の外壁と上記の内部壁３３との間に形成された円筒状の内側空間と、内部壁３３と外周管４６との間に形成された円筒状の外側空間は、炉内突出部２２の先端側領域Ｒ１と基端側領域Ｒ２との境界において領域境界隔壁４７で閉じられると共に、領域境界隔壁４７に沿ってその基端部２２ｂ側に形成された連通路４８によって互いに連通されている。そして、上述のようにして形成された円筒状の内側空間に、第２冷却媒体供給管４２から冷却媒体Ｗが供給されるように構成される。

すなわち、炉内突出部２２の外周面の基端側領域Ｒ２と、その外周側に位置する上記の内部壁３３と、領域境界隔壁４７とによって、炉内突出部２２の外周面の基端側領域Ｒ２を取り囲む基端側冷却管３２が形成されている。このように、基端側領域Ｒ２を覆う円筒状の流路として基端側冷却管３２を形成することで、基端側冷却管３２をバーナ本体２に設置することができる。また、上記の内部壁３３と、その外周側に位置する外周管４６と、領域境界隔壁４７とによって、第２冷却媒体排出管５２が形成されている。このため、図４Ａに示されるように、第２冷却媒体供給管４２から供給された冷却媒体Ｗは、炉内突出部２２の基端側領域Ｒ２を取り囲む基端側冷却管３２によって形成された円筒状の流路を、基端部２２ｂ側から先端部２２ｔ側に向けて流れる。その後、連通路４８通って、この基端側冷却管３２の外側に沿って形成された第２冷却媒体排出管５２に流入し、先端部２２ｔの側から基端部２２ｂの側に向かって第２冷却媒体排出管５２を流れる。

一方、図４Ａ〜図４Ｄに示される実施形態では、炉内突出部２２の外周側に位置する上述した外周管４６は、上記の領域境界隔壁４７を越えて炉内突出部２２の先端部２２ｔまで伸びており、外周管４６の先端と炉内突出部２２の先端部２２ｔとは、円筒状の炉内突出部２２の径方向に延在する封止壁４９によって連結されることで、閉じられている。すなわち、炉内突出部２２の外周面の先端側領域Ｒ１と、その外周側に位置する外周管４６と、領域境界隔壁４７と、封止壁４９とによって、先端側領域Ｒ１を取り囲む環状の先端側冷却管３１が形成されている（図４Ａ〜図４Ｂ参照）。

また、図４Ｃに示されるように、環状に形成された先端側冷却管３１の内部は、隔壁３１ｓによって内部が分割されている。このため、第１冷却媒体供給管４１を介して入口３１ｉから流入した冷却媒体Ｗは、先端側冷却管３１の内部において、この隔壁３１ｓを迂回するように流れることで、出口３１ｅに向かう。図４Ａ〜図４Ｄに示される実施形態では、図４Ｃに示されるように、先端側冷却管３１の入口３１ｉと出口３１ｅとは隔壁３１ｓを挟んで隣接するように設けられているため、冷却媒体Ｗは、炉内突出部２２の外周を一周するようにして、先端側冷却管３１を入口３１ｉから出口３１ｅに流れる。

そして、図４Ａ、図４Ｃ〜図４Ｄに示されるように、第１冷却媒体供給管４１は、基端側冷却管３２により形成される流路の内部に設置されている。つまり、第１冷却媒体供給管４１は、基端側冷却管３２の内部において、炉内突出部２２の基端部２２ｂ側から先端部２２ｔ側まで延在しており、先端部２２ｔ側の端部において先端側冷却管３１に接続している。また、第１冷却媒体排出管５１も、基端側冷却管３２により形成される流路の内部に設置されている。これによって、第１冷却媒体供給管４１や第１冷却媒体排出管５１を基端側冷却管３２の外部に設置するよりも、バーナ装置１をコンパクト化することができる。

以上、本発明の幾つかの実施形態に係るバーナ装置１について説明した。次に、上述した構成を備えるバーナ装置１の冷却管３（先端側冷却管３１および基端側冷却管３２）に対する冷却媒体Ｗの供給を制御するバーナ装置の冷却媒体制御方法について、図５を用いて説明する。図５は、本発明の一実施形態に係るバーナ装置１の冷却媒体制御方法を示すフロー図である。図５に示されるように、バーナ装置１の冷却媒体制御方法は、先端側領域冷却ステップ（Ｓ１）と、基端側領域冷却ステップ（Ｓ２）と、冷却媒体漏出判定ステップ（Ｓ３〜Ｓ４）と、先端側領域冷却停止ステップ（Ｓ５）と、を備える。以下、図５のフローに沿って、本発明の一実施形態に係るバーナ装置１の冷却媒体制御方法を説明する。

図５のステップＳ１において先端側領域冷却ステップが実行される。先端側領域冷却ステップ（Ｓ１）は、第１冷却媒体供給管４１から先端側冷却管３１に冷却媒体Ｗを供給するステップである。換言すれば、先端側領域冷却ステップ（Ｓ１）は、先端側領域Ｒ１の冷却を開始するステップである。また、ステップＳ２において基端側領域冷却ステップ実行される。基端側領域冷却ステップ（Ｓ２）は、第２冷却媒体供給管４２から基端側冷却管３２に冷却媒体Ｗを供給するステップである。換言すれば、基端側領域冷却ステップ（Ｓ２）は、基端側領域Ｒ２の冷却を開始するステップである。具体的には、幾つかの実施形態では、第１冷却媒体供給管４１および第２冷却媒体供給管４２に冷却媒体Ｗを流すためのポンプ９２を起動させても良い。他の幾つかの実施形態では、ポンプ９２の起動と共に、第１冷却媒体供給管４１および第２冷却媒体供給管４２にそれぞれ設置された、冷却媒体Ｗの流量を制御することが可能な流量制御弁（９４、９５）をそれぞれ開けることによって、行っても良い。なお、これらのステップ（Ｓ１〜Ｓ２）は、燃焼炉７の運転の開始と共に実行されても良い。先端側領域冷却ステップ（Ｓ１）および基端側領域冷却ステップ（Ｓ２）は同時に実行されても良いし、基端側領域冷却ステップ（Ｓ２）の後に、先端側領域冷却ステップ（Ｓ１）を実行しても良い。

その後、ステップＳ３〜ステップＳ４において冷却媒体漏出判定ステップが実行される。冷却媒体漏出判定ステップ（Ｓ３）は、先端側冷却管３１あるいは基端側冷却管３２の少なくとも一方の冷却管３からの冷却媒体Ｗの漏出（漏出の有無）を判定するステップである。例えば、炉内状況の変化に基づいて上記の判定を実行しても良い。具体的には、冷却管３の破損によって冷却管３から冷却媒体Ｗが漏出すると、例えばコンバスタ部７ｃなどの炉内の温度が下がるので、燃焼炉７の排出口７２などにおいて溶融スラグの流れが悪くなるとう現象が生じる。また、リダクタ部７ｒから上へ上昇するガス化ガスの成分が変化するという現象が生じる。例えば、冷却媒体Ｗの漏出時には、ガス化ガスの一成分となる水素や二酸化炭素、水の成分が正常時と比べると増加し、逆に、一酸化炭素が正常時と比べると低下する。このため、このような炉内状況を監視することによって、溶融スラグの流れが悪くなるという現象や、ガス化ガスの成分の変動を検出することにより、冷却管３から冷却媒体Ｗしたことを検知することができる。あるいは、冷却管３の破損を直接的に検出しても良い。

したがって、ステップＳ３において炉内状況を監視することにより、冷却管３（先端側冷却管３１および基端側冷却管３２からなる冷却管３）からの冷却媒体Ｗの漏出を監視（判定）する。そして、ステップＳ４において、監視（判定）の結果、冷却管３からの冷却媒体Ｗの漏出は発生していないと判定された場合には、ステップＳ３に再び戻る。逆に、ステップＳ４において、冷却管３からの冷却媒体Ｗの漏出が発生したと判定された場合には、ステップＳ５において、先端側領域冷却停止ステップを実行する。先端側領域冷却停止ステップ（Ｓ５）は、冷却媒体漏出判定ステップ（Ｓ３〜Ｓ４）によって冷却媒体Ｗの漏出を検出した場合に、先端側冷却管３１への冷却媒体Ｗの供給のみを停止するステップである。つまり、先端側冷却管３１への冷却媒体Ｗの供給を停止する一方で、基端側冷却管３２への冷却媒体Ｗの供給を継続する。具体的には、例えば、幾つかの実施形態では、先端側冷却管３１に接続される第１冷却媒体供給管４１へ冷却媒体Ｗを供給するためのポンプ９２を停止しても良い。他の幾つかの実施形態では、第１冷却媒体供給管４１に設置された流量制御弁９４を閉じることによって、先端側冷却管３１への冷却媒体Ｗの供給を停止しても良い。

そして、上記のステップＳ５の後に図５のフローを終了する。なお、ステップＳ５の後には、先端側冷却管３１への冷却媒体Ｗの供給が停止され、かつ、基端側冷却管３２への冷却媒体Ｗの供給が継続されつつ、燃焼炉７の運転が継続されている状況となる。このような運転状況の間に、交換部材の調達、作業員の手配などといったメンテナンス作業の準備が行われる。そして、この準備が整った後に、燃焼炉７の運転を停止し、実際のメンテナンス作業を実行する。

上記の構成によれば、冷却管３（先端側冷却管３１あるいは基端側冷却管３２）から炉内への冷却媒体Ｗの漏出が判定された場合には、先端側冷却管３１への冷却媒体Ｗの供給のみが停止される。これによって、燃焼炉７の炉内への冷却媒体Ｗの漏出の停止を図りつつ、基端側冷却管３２によるバーナ本体２の冷却を継続することができる。これによって、基端側冷却管３２による冷却によってバーナ本体２の焼損を回避することにより、燃焼炉７の運転の停止を即座に行わずに先延ばしすることができる。さらに、この燃焼炉７の運転停止を先延ばししている間にメンテナンス作業の準備をすることにより、その分だけ燃焼炉７の停止時間を短縮することが可能となる。このように燃焼炉の停止時間を短縮することによって、上述したようにバーナ本体２の損傷を回避しつつ、バーナ装置１のメンテナンスによる燃焼炉７の稼働率の低下を抑制することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、上述した実施形態では燃焼炉７をガス化炉として説明したが、燃焼炉７は、ガス化溶融炉、産業廃棄物の溶融プラントに設置される溶融炉など、溶融スラグを内部に収容する湿式炉であっても良い。また、上述した実施形態では、バーナ装置１は、石炭燃料をガス化するガス化炉に備えられているものを例に説明したが、バーナ装置１は、バイオマス燃料などの他の燃料をガス化するためのガス化炉（燃焼炉７）が備えるものであっても良い。

１ バーナ装置
１２ 微粉炭バーナ
１４ チャーバーナ
１６ ガス化バーナ
２ バーナ本体
２２ 炉内突出部
２２ｂ 基端部
２２ｔ 先端部
２４ 燃料供給路
２５ 酸化剤供給路
２６ 燃料供給管部
３ 冷却管
３１ 先端側冷却管
３１ｉ 先端側冷却管の入口
３１ｅ 先端側冷却管の出口
３１ｓ 隔壁
３２ 基端側冷却管
３２ｉ 基端側冷却管の入口
３２ｅ 基端側冷却管の出口
３３ 内部壁
４ 冷却媒体供給管
４１ 第１冷却媒体供給管
４２ 第２冷却媒体供給管
４６ 外周管
４７ 領域境界隔壁
４８ 連通路
４９ 封止壁
５１ 第１冷却媒体排出管
５２ 第２冷却媒体排出管
７ 燃焼炉
７ｃ コンバスタ部
７ｒ リダクタ部
７１ 炉壁
７２ 排出口
７３ 窪み部
７３ｂ 窪み部の底部
７５ 耐火材
８１ 微粉炭供給経路
８２ 酸化剤供給経路
８３ チャー供給流路
９ 冷却媒体供給装置
９１ 貯水タンク
９２ ポンプ
９４ 流量制御弁
９５ 流量制御弁

Ｒ１ 先端側領域
Ｒ２ 基端側領域
Ｗ 冷却媒体

Claims (7)

1. 燃焼炉の炉壁から炉内に突出される炉内突出部を有するバーナ本体と、
   前記炉内突出部の外周面の先端部を含む先端側領域のみを取り囲むように設けられた、前記バーナ本体を冷却するための冷却媒体が流通する先端側冷却管と、
   前記炉内突出部の外周面の基端部と前記先端側領域との間の基端側領域を取り囲むように設けられた、前記冷却媒体が流通する基端側冷却管と、
   前記先端側冷却管に前記冷却媒体を供給するための第１冷却媒体供給管と、
   前記基端側冷却管に前記冷却媒体を供給するための第２冷却媒体供給管と、を備えることを特徴とするバーナ装置。
2. 前記基端側冷却管は、前記炉内突出部の外周面に巻回されていることを特徴とする請求項１に記載のバーナ装置。
3. 前記基端側冷却管は、前記冷却媒体が流通するための、前記基端側領域を覆う円筒状の流路を形成することを特徴とする請求項１に記載のバーナ装置。
4. 前記第１冷却媒体供給管は、前記基端側冷却管により形成される前記流路の内部に設置されることを特徴とする請求項３に記載のバーナ装置。
5. 前記燃焼炉の炉壁は、炉外側に向かって曲成されることによって前記炉外に向かって窪むよう形成された窪み部を有し、
   前記炉内突出部は、前記窪み部の底部から突出されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のバーナ装置。
6. 前記炉内突出部の前記先端側領域は、前記炉内突出部の全長の半分の位置よりも前記先端部側に位置することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のバーナ装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のバーナ装置に対する冷却媒体の供給を制御するバーナ装置の冷却媒体制御方法であって、
   前記第１冷却媒体供給管から前記先端側冷却管に前記冷却媒体を供給する先端側領域冷却ステップと、
   前記第２冷却媒体供給管から前記基端側冷却管に前記冷却媒体を供給する基端側領域冷却ステップと、
   前記先端側冷却管あるいは前記基端側冷却管の少なくとも一方からの前記冷却媒体の漏出を判定する冷却媒体漏出判定ステップと、
   前記冷却媒体漏出判定ステップによって前記冷却媒体の漏出を検出した場合に、前記先端側冷却管への前記冷却媒体の供給のみを停止する先端側領域冷却停止ステップと、を備えることを特徴とするバーナ装置の冷却媒体制御方法。
   

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