WO2012133751A1 - バーナ、これを備えたガス化炉等の反応炉およびこれを備えた発電プラント - Google Patents

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潤 葛西
智史 下之門
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Definitions

  • the present invention relates to a burner, a reaction furnace such as a gasification furnace provided with the same, and a power plant equipped with the same, and more particularly to a burner installed in the reaction furnace such as a gasification furnace.
  • a reactor such as a gasification furnace provided in the power generation plant has a pressure vessel 11 and a reactor body 12 provided in the pressure vessel 11, as shown in FIG. 2 and FIG.
  • a space 13 called an annulus is provided between the vessel 11 and the reactor body 12 to maintain a high pressure state in the reactor 10.
  • the burner 20 has a base end on the side wall of the reaction furnace main body 12, extends from the side wall of the reaction furnace main body 12 toward the pressure vessel 11 and penetrates the pressure vessel 11. Is provided.
  • the burner 20 covers a fuel pipe 22 to which fuel such as pulverized coal is introduced by nitrogen as a carrier gas, and the outer periphery of the fuel pipe 22, and an oxidant such as air is oxidized between the fuel pipe 22 and the outer periphery thereof.
  • both the reactor body 12 and the pressure vessel 11 produce thermal expansion. Therefore, a thermal elongation difference occurs between the reaction furnace main body 12 and the pressure vessel 11 due to the difference in temperature and material. Thereby, as shown in FIG. 4, the burner 20 is bent.
  • the overall length of the oxidizing agent pipe 23 is lengthened to reduce the angular displacement.
  • fixed part of both ends by doing is below an allowance is used. Therefore, the length of the burner 20 (the length indicated by A in FIG. 2) is a length corresponding to the stress generated in the oxidizing agent pipe 23 (the burner selection length in FIG. 2).
  • the length of the burner 20 is determined to a length corresponding to the stress generated in the fixed portion of the oxidant pipe 23, the weight of the burner 20 increases and maintenance is performed when the burner 20 is pulled out for maintenance. There is a problem of deterioration and, in addition, the arrangement of equipment and piping around the burner 20 is limited.
  • the seal packing is provided with a gland packing 31 in the sleeve 32.
  • the sleeve 32, ie, the reaction furnace 12 side, and the oxidant pipe 3 are structured such that relative movement in the axial direction is permitted via the gland packing 31 (for example, Patent Documents 3 and 4).
  • the oxidizing agent pipe 3 extends so as to protrude into the reaction furnace 12, and the combustion position of the burner is largely changed. There is a problem that stable combustion can not be performed.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and the weight reduction and maintenance performance due to the reduction of the burner length, the improvement of the peripheral device arrangement, and the combustion position even if the burner is thermally elongated It is an object of the present invention to provide a burner which can perform stable combustion with almost no change, a reactor such as a gasification furnace equipped with the same, and a power plant equipped with the same.
  • the burner of the present invention adopts the following means. That is, according to the burner of the present invention, a fuel pipe and an oxidant pipe which is concentric with the fuel pipe and covers the outer periphery of the fuel pipe and into which the oxidant is introduced between the fuel pipe and the side wall of the fuel pipe And a protective cylinder covering the outer periphery of the oxidizing agent pipe, and a displacement absorbing member provided on at least a part of the extending direction of the protective cylinder and the oxidizing agent pipe, The pipe, the oxidant pipe and the protective cylinder are fixed to the side wall of the inner vessel of the gasification furnace in which the non-oxidizing gas is filled between the inner vessel and the outer vessel covering the inner vessel at the base end thereof.
  • the overall length being determined in response to the stresses in the fuel tube, the oxidizer tube being the oxidant
  • the length at which the pipe and the tip of the fuel pipe project into the gasification furnace does not change As, characterized in that it is positioned with respect to the side wall of the inner container.
  • the displacement absorbing member of the present invention also for the oxidizer tube of the burner, at least a part of the extending direction of the oxidizer tube of the burner whose base end is fixed to the side wall of the inner vessel of the gasification furnace Provided a displacement absorbing member.
  • the burner bends and the bending stress generated in the oxidizing agent pipe or the fuel pipe is generated in the oxidizing agent pipe Bending stress can be absorbed by the displacement absorbing member.
  • the burner length can be determined by the length of the fuel pipe according to the stress generated in the fuel pipe.
  • the bending stress generated is smaller compared to other tubes.
  • the burner length can be shortened compared to the conventional case where the burner length is determined based on the bending stress generated in the oxidant pipe which is a pipe diameter larger than the fuel pipe. Therefore, the weight of the burner can be reduced and the maintainability can be improved.
  • the displacement absorbing member a bendable flexible pipe, a bellows that expands and contracts in the extending direction of the oxidizing agent pipe, and the like are used.
  • the oxidizer tube is positioned relative to the sidewall of the inner container so that the length of the tip of the oxidizer tube projecting into the reactor does not change.
  • the thermal expansion in the axial direction of the oxidizing agent tube which occurs between the positioning portion (fixing portion) of the inner side wall and the furnace outer fixing portion, is absorbed by the above-mentioned displacement absorbing member. Since the length from the positioning portion (fixing portion) of the inner side wall to the furnace inner end of the oxidant pipe is small, the thermal expansion amount in the furnace inner axial direction of this portion is extremely small and negligible in combustion. As a result, the influence of the thermal expansion of the oxidant pipe is eliminated, and the burner can be stably burned at a predetermined position.
  • the effect of corrosion by the generated gas can be avoided by filling the non-oxidizing gas between the inner container and the outer container of the reactor comprising the inner container and the outer container. Since it is possible to use a displacement absorbing member such as a flexible pipe which is a thin-walled member and easily broken by corrosion for the oxidizing agent pipe of the burner, the burner of which the base end is fixed to the side wall of the inner vessel of the gasification furnace A displacement absorbing member is provided in at least a part of the extending direction of the oxidizing agent pipe.
  • the burner length is determined by the length of the fuel pipe according to the stress generated in the fuel pipe.
  • the fuel pipe having the smallest pipe diameter among the pipe and the protective cylinder constituting the burner is compared at the same length and bending amount, the bending stress generated is smaller compared to the other pipes. In other words, when the generated stress is allowed to be equal, the same amount of bending can be handled with a shorter length than other pipes having a large pipe diameter.
  • the burner length can be shortened compared to the conventional case where the burner length is determined based on the bending stress generated in the oxidant pipe which is a pipe diameter larger than the fuel pipe. Therefore, the weight of the burner can be reduced and the maintainability can be improved.
  • the oxidant pipe is positioned with respect to the side wall of the inner container, and the thermal expansion in the axial direction of the oxidant pipe between the positioning portion (fixing portion) of the inner side wall and the furnace outer fixing portion is the same as described above. Absorb by the displacement absorbing member. Since the length from the positioning portion (fixing portion) of the inner side wall to the furnace inner end of the oxidant pipe is small, the thermal expansion amount in the furnace inner axial direction of this portion is extremely small and negligible in combustion. As a result, the influence of the thermal expansion of the oxidant pipe is eliminated, and the burner can be stably burned at a predetermined position.
  • FIG. 1 An integrated coal gasification combined cycle (IGCC) fueled by a carbon-containing fuel (for example, coal etc.) mainly comprises a coal gasification furnace (reactor) 10 and a gas turbine (not shown). , An exhaust heat recovery boiler (not shown), and a steam turbine (not shown).
  • IGCC integrated coal gasification combined cycle
  • a coal supply facility for supplying pulverized coal to the coal gasifier 10 is provided.
  • This coal supply facility is equipped with a crusher (not shown) that crushes raw material coal into pulverized coal of several ⁇ m to several hundreds of ⁇ m, and the pulverized coal pulverized by this crusher has a constant flow rate of nitrogen etc.
  • a crusher not shown
  • the coal gasification furnace 10 is called an annulus between a reaction furnace (inner vessel) 12 which is a water-cooled wall, a pressure vessel (outer vessel) 11 covering the reaction furnace 12, and the reactor 12 and the pressure vessel 11.
  • a space portion 13 is provided.
  • the space 13 is filled with a nonoxidizing gas such as nitrogen gas, for example.
  • the burner 1 is fixed to the side wall of the reaction furnace 12 of such a coal gasifier 10 so as to be orthogonal to the side wall.
  • the burner 1 is fixed to a reactor side opening 12 a opened in a side wall of the reactor 12 via a seal box 15.
  • the seal box 15 is made of, for example, SUS and a refractory material, and the burner 1 penetrates a substantially central portion thereof.
  • the oxidant pipe 3 is positioned relative to the reactor 12 by the fixing portion 30.
  • the fixing portion 30 includes a sleeve 30a and an oxidant pipe flange portion 30b.
  • the proximal end of the sleeve 30a is joined and fixed to the seal box 15 side. That is, the sleeve 30a is fixed to the inner container 12 side.
  • the oxidizing agent pipe flange part 30b which had disk shape was provided in the oxidizing agent pipe 3 by the side of the outer side container 11 (right side in the figure).
  • the sleeve 30a and the oxidant pipe flange portion 30b can be connected in a state where they are butted.
  • the fixing portion 30 is fastened and fixed by a fixing tool 30c such as a bolt.
  • the oxidant pipe 3 is provided with an expansion 7 for an oxidant pipe.
  • the pressure vessel side opening 11a is a flange, and is fixed by a support cylinder 16 capable of supporting the burner 1 to the pressure vessel side opening 11a, which is a flange, and a bolt (not shown). Both ends of the support cylinder 16 are flange portions 16a and 16b.
  • the burner 1 is substantially concentric with the fuel pipe 2 and the fuel pipe 2, and is substantially concentric with the oxidant pipe 3 covering the outer periphery of the fuel pipe 2, with the fuel pipe 2 and the oxidant pipe 3. And a guide tube (protective tube) 4 covering the outer periphery of
  • the fuel pipe 2 is a tube into which pulverized fuel such as pulverized coal transported by nitrogen or the like is introduced.
  • the fuel pipe 2 extends through the seal box 15 into the reactor body 12 at one end thereof as shown in FIG. Further, the other end of the fuel pipe 2 is connected to a pulverized fuel transport pipe (not shown) for transporting fuel such as pulverized coal from a pulverizer.
  • the fuel pipe 2 is a stress generated in the fuel pipe 2, for example, a penetration portion (not shown) of the fuel pipe 2 penetrating the seal box 15, and a penetration of the fuel pipe 2 penetrating a flange portion 3a described later.
  • the length in the extension direction (the burner selection length in FIG. 1) is determined in accordance with the stress generated in the portion (not shown). Therefore, the length in the extension direction of the fuel pipe 2 is substantially equal to the length (length) of the burner 1.
  • the fuel pipe 2 has a plurality of supports 6 extending outward from its outer wall.
  • a plurality of supports 6 are provided radially in the circumferential direction of the fuel pipe 2 and at different positions in the axial direction of the fuel pipe 2.
  • the extending end of the radially extending support 6 is in the vicinity of the inner wall of the oxidizing agent pipe 3 and is not fixed to the inner wall of the oxidizing agent pipe 3.
  • the oxidant pipe 3 covers the outer periphery of the fuel pipe 2 and has a larger outside dimension than the fuel pipe 2.
  • An oxidizing agent introducing flange portion 3 c is provided on the side wall of the oxidizing agent pipe 3.
  • air which is an oxidizing agent, is introduced between the inner wall and the outer wall of the fuel pipe 2 from the oxidizing agent introducing flange portion 3c.
  • the oxidizing agent pipe 3 extends through the seal box 15 into the reactor 12 as shown in FIG. 1 at one end thereof. Further, a flange portion 3 a is provided in the vicinity of the end opposite to the end connected to the seal box 15 of the oxidant pipe 3. Furthermore, the oxidizing agent pipe 3 is provided with a flange portion 3b on the side of the coal gasifier 10 rather than the flange portion 3a, and can be connected to the flange portion 4a provided on a guide cylinder 4 described later. .
  • the oxidant pipe expansion (displacement absorbing member) in a part (at least a part in the extension direction, two places in FIG. 1) in the axial direction exposed in the support cylinder 16 and the space 13 in the oxidant pipe 3 ) 7 is provided.
  • the oxidant pipe expansion 7 is a pipe which can be bent and axially expanded and contracted.
  • the guide cylinder 4 covers the outer circumferences of the combustion pipe 2 and the oxidant pipe 3 and has a larger outside dimension than the oxidant pipe 3.
  • the guide cylinder 4 has an oxidant pipe 3 and a fuel pipe 2 inside.
  • a non-oxidizing gas is introduced into the space (not shown) between the inner wall of the guide cylinder 4 and the outer wall of the oxidizing agent pipe 3 on the outer wall between the flange portion 4a and the flange portion 4b of the guide cylinder 4
  • a nonoxidizing gas introduction pipe and a flange portion 4c are provided.
  • the non-oxidizing gas introduced from the flange 4c is, for example, nitrogen gas.
  • the guide cylinder 4 is supported at one end by the seal box 15 and at the other end by the flange 4 b.
  • the guide cylinder 4 is provided at its end opposite to one end fixed to the seal box 15 with a flange portion 4a connected to the flange portion 3b provided on the aforementioned oxidizing agent pipe 3. Further, a flange portion 4 b is provided on the guide cylinder 4 closer to the coal gasifier 10 than the flange portion 4 a, and can be connected to the flange portion 16 b of the support cylinder 16.
  • the guide cylinder 4 has a function of blocking the space 13 and the space around the oxidizing agent pipe 3 and protecting the oxidizing agent pipe 3 from generated gas, char and the like that may partially flow in in rare cases.
  • a nonoxidizing gas for example, nitrogen
  • a nonoxidizing gas introduction pipe and the flange portion 4c to maintain a nitrogen atmosphere. It has become.
  • the guide cylinder 4 is provided with the guide cylinder expansion 5 in a part (two places in FIG. 1) in the axial direction exposed to the inside of the support cylinder 16 and the space 13.
  • the guide cylinder expansion 5 is a pipe capable of bending and axial expansion and contraction in the same manner as the oxidant pipe expansion 7.
  • the state of the stress applied to the burner 1 due to the operation of the power generation plant will be described with reference to FIG.
  • thermal expansion occurs in the reactor body 12 and the pressure vessel 11 of the coal gasifier (reactor) 10.
  • the thermal elongation generated in the reaction furnace main body 12 and the pressure vessel 11 causes a difference (thermal elongation difference) due to the difference in the material and temperature between the reaction furnace main body 12 and the pressure vessel 11. Therefore, the burner 1 inserted into the reaction furnace main body 12 from the outside of the pressure vessel 11 is, for example, the side fixed to the reaction furnace main body 12 via the seal box 15 (hereinafter referred to as “base end” ) Is displaced downward with the start of operation.
  • the oxidant pipe expansion 7 is also provided in the oxidant pipe 3, when the proximal end of the burner 1 tries to be displaced downward. In this case, the oxidant pipe expansion 7 is bent downward. As a result, it is possible to relieve the bending stress generated in the base end portion of the oxidizing agent pipe 3, the flange portion 3 b of the oxidizing agent pipe 3, and the fixing portion of the oxidizing agent pipe 3.
  • the bending stress generated in the oxidizing agent pipe 3 is relieved by the oxidizing agent pipe expansion 7, but the bending stress is generated in the fuel pipe 2 by the downward displacement of the burner 1.
  • the fuel pipe 2 has a smaller pipe diameter than the oxidant pipe 3 and the guide cylinder 4 constituting the burner 1 and the same length and bending amount are compared, bending occurs as compared with other pipes. Stress is small.
  • the length of the burner 1 (the length indicated by A in FIG. 1) can be determined according to the burner selection length of the fuel pipe 2 determined according to the bending stress generated in the fuel pipe 2, and the oxidant pipe The burner length can be made shorter than in the case of 3 selected.
  • the space 13 of the coal gasification furnace (reactor) 10 is filled with the non-oxidizing gas introduced from the non-oxidizing gas introduction pipe 4c, it partially flows from the inside of the reaction furnace main body 12 Ingress of corrosive product gas is prevented. Therefore, there is no possibility that the oxidant pipe 3 and the oxidant pipe expansion 7 are corroded by the corrosive product gas.
  • the oxidant pipe 3 is positioned by the fixing portion 30 with respect to the reactor body 12. This positioning is performed so that the length at which the burner tip 3d of the oxidant pipe 3 and the fuel pipe 2 protrudes into the reactor does not change, and the positioning part 30 (fixed part) of the inner side wall and the furnace outside
  • the thermal expansion in the axial direction of the oxidizing agent pipe 3 generated between the fixing portions is absorbed by the aforementioned expansion 7 for an oxidizing agent pipe. Since the length from the positioning part 30 (fixed part) of the inner side wall to the furnace inner end of the oxidizing agent pipe 3 is small, the thermal expansion amount in the furnace inner axial direction of this part is extremely small and negligible in combustion. .
  • coal gasification furnace (reactor) 10 provided with this, and a power plant provided with this, the following operation effects are produced.
  • reaction furnace reaction furnace
  • the reactor body (inner vessel) 12 and the pressure vessel (outer vessel) 11 Extension of the oxidizing agent pipe 3 of the burner 1 which is filled with nitrogen gas which is a non-oxidizing gas and whose base end is fixed to the side wall of the reactor main body 12 of the coal gasifier (reactor) 10
  • An oxidant pipe expansion (displacement absorbing member) 7 is provided in part (at least part) of the direction.
  • the burner 1 is bent and bending stress generated in the oxidant pipe 3 and the fuel pipe 2
  • the bending stress generated in the oxidant pipe 3 can be absorbed by the expansion 7 for an oxidant pipe.
  • the length of the burner 1 (the length indicated by A in FIG. 1) is determined by the burner selection length of the fuel pipe 2 which is determined according to the bending stress generated in the fuel pipe 2.
  • the fuel pipe 2 constituting the burner 1 the oxidant pipe 3 and the guide cylinder (protective pipe) 4
  • the fuel pipe 2 having the smallest pipe diameter generates a small bending stress.
  • the length of the burner 1 is determined based on the bending stress generated in the oxidant pipe 3 which is a pipe diameter larger than the fuel pipe 2. Therefore, the weight of the burner 1 can be reduced and the maintainability can be improved.
  • coal gasifier (reactor) 10 capable of reducing the space around the burner 1. Therefore, the space of the power plant can be reduced.
  • the thermal expansion in the axial direction of the oxidizing agent tube 3 generated between the positioning portion 30 (fixed portion) of the inner side wall and the furnace outer fixed portion is fixed by the positioning portion 30 of the inner side wall and oxidized. It absorbs by expansion 7 for an oxidizing agent pipe installed in agent pipe 3. Since the length from the positioning part 30 (fixed part) of the inner side wall to the furnace inner end of the oxidizing agent pipe 3 is small, the thermal expansion amount in the furnace inner axial direction of this part is extremely small and negligible in combustion. . As a result, the burner tip 3d of the oxidizing agent pipe 3 is prevented from being thermally expanded to a large extent and being changed in position.
  • the oxidant pipe 3 is provided with an expansion 7 for an oxidant pipe. Thereby, the thermal expansion of the oxidizing agent pipe 3 on the side of the outer container 11 from the fixing portion 30 can be absorbed by the expansion 7 for an oxidizing agent pipe.
  • the oxidant pipe expansion 7 and the guide cylinder expansion 5 are provided as the displacement absorbing member, the present invention is not limited to this, and the oxidant pipe 3 and the guide cylinder 4 are provided. It may be an expansion such as a bellows that can expand and contract in the extending direction.
  • the pulverized fuel such as pulverized coal introduced into the fuel pipe 2 may be, for example, char, oil, gas or the like.
  • burner 2 fuel pipe 3 oxidant pipe 3 d burner tip 4 guide cylinder (protection cylinder) 4c Inert gas introduction pipe and flange 7 Expansion for oxidant pipe (displacement absorber) 10 Coal gasifier (reactor) 11 Pressure vessel (outer vessel) 12 Reactor main body (inner container) 13 space (annular) part A burner length (full length)

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Abstract

　燃料管２と、燃料管２の外周を覆い、燃料管２の側壁との間に酸化剤が導入される酸化剤管３と、酸化剤管３の延在方向の少なくとも一部に設けられる変位吸収部材７と、を備え、燃料管２、酸化剤管３は、基端部が反応炉１０の内側容器１２の側壁に固定されて、内側容器１２の側壁から外側に向かって外側容器１１を貫通して延在しており、全長が、燃料管２に生じる応力に応じて決定され、酸化剤管３は、酸化剤管３および燃料管２の先端がガス化炉１０内に突出する長さを抑制するように、内側容器１２の側壁に対して位置決めされており、内側の側壁の位置決め部３０（固定部）と炉外側固定部の間に生じる酸化剤管３の軸方向の熱伸びは、酸化剤管３に設置された変位吸収部材７により吸収することを特徴とする。

Description

バーナ、これを備えたガス化炉等の反応炉およびこれを備えた発電プラント
　本発明は、バーナ、これを備えたガス化炉等の反応炉およびこれを備えた発電プラントに関し、特に、ガス化炉等の反応炉に設置されるバーナに関するものである。
　発電プラントに備えられているガス化炉等の反応炉は、図２および図４に示すように、圧力容器１１と、圧力容器１１内に設けられる反応炉本体１２とを有しており、圧力容器１１と反応炉本体１２との間にはアニュラスと呼ばれる空間部１３を備えて反応炉１０内の高圧状態を維持している。このような反応炉１０には、反応炉本体１２の側壁に基端部を有し、反応炉本体１２の側壁から圧力容器１１に向かって延在して圧力容器１１を貫通しているバーナ２０が設けられている。
　バーナ２０は、搬送ガスである窒素等によって微粉炭などの燃料が導かれる燃料管２２と、燃料管２２の外周を覆っており、燃料管２２の外周との間に空気等の酸化剤が酸化剤取り合い用フランジ部２３ｃから導かれる酸化剤管２３と、酸化剤管２３の外周に設けられているガイド筒２４とを備えている。
　発電プラント（図示せず）運転時には、反応炉本体１２および圧力容器１１ともに熱伸びを生じる。そのため、温度や材質の違いにより反応炉本体１２と圧力容器１１との間には熱伸び差が生じる。これにより、図４に示すように、バーナ２０が撓んでしまう。
　図４のようにバーナ２０が撓むことによって、酸化剤管２３の基端部や炉外側固定部（以下、「固定部」という。）に応力が発生・集中してバーナ２０の変形や破損を生じる恐れがある。このようなガイド筒２４や酸化剤管２３に発生する応力を緩和するために、バーナ２０のガイド筒２４や酸化剤管２３にエキスパンション２５など（図２および図４には、ガイド筒２４にのみエキスパンション２５が設けられていることを示す）を用いて固定部の変形や破損を防止する方法が考えられる。（例えば、特許文献１、２）。
しかし、従来、石炭ガス化複合発電プラントなどのガス化炉等の反応炉システムでは、反応炉１０の空間部１３に反応炉本体１２で生成された生成ガスの一部が導かれる構造となっており、特許文献１に開示されているように、ガイド筒２４や酸化剤管２３にエキスパンション２５を用いた場合には、エキスパンション２５が薄肉部材のため生成ガス中の腐食性ガスにより腐食し破口する場合があった。特に、酸化剤管２３の場合は、空気等の酸化剤が漏洩することとなり、酸化剤管２３にエキスパンション２５などの変位吸収部材を用いることは実用的ではなかった。
　このような腐食などの影響を鑑みて、酸化剤管２３の固定部に発生する応力を緩和するために、特許文献１に記載のように酸化剤管２３の全長を長くして角度変位を小さくすることにより両端の固定部に発生する応力を許容値以下として変形や破損を防止する方法が用いられている。そのため、バーナ２０長（図２中のＡで示す長さ）は、酸化剤管２３に生じる応力に対応した長さ（図２中のバーナ選定長さ）とされている。
特開２００３－３３６８０９号公報 特開平７－１３３９０４号公報 特開平１０－３０００２２号公報 特開平１０－２８１４１４号公報
　しかしながら、酸化剤管２３の固定部に生じる応力に対応した長さにバーナ２０長を決定した場合には、バーナ２０の重量が増加して、バーナ２０を引き抜いてメンテナンスをする際にメンテナンス性が悪くなるという問題が生じ、加えてバーナ２０周辺の機器・配管の配置が制限される状況であった。
　また、図５で示されるように、従来のシールボックス１５付近には、スリーブ３２内にグランドパッキン３１を設けたシール構造としていた。したがって、スリーブ３２すなわち反応炉１２側と、酸化剤管３とは、グランドパッキン３１を介して軸方向への相対移動が許容される構造となっていた（例えば特許文献３、４）。
このため、酸化剤管３が高温の酸化剤が内部を流れることにより熱伸びを起こすと、反応炉１２内に酸化剤管３が突出するように伸びてバーナの燃焼位置が大きく変化してしまい、安定した燃焼を行うことができないという問題があった。
　本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであって、バーナ長さの低減による重量の軽量化およびメンテナンス性、周辺機器配置の向上、並びに、バーナに熱伸びが生じても燃焼位置がほとんど変化せず、安定した燃焼を行うことができるバーナ、これを備えたガス化炉等の反応炉およびこれを備えた発電プラントを提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明のバーナは、以下の手段を採用する。
　すなわち、本発明に係るバーナによれば、燃料管と、該燃料管と略同心円状であり該燃料管の外周を覆い、該燃料管の側壁との間に酸化剤が導入される酸化剤管と、該酸化剤管の外周を覆う保護筒と、該保護筒および前記酸化剤管のそれぞれに対して、それらの延在方向の少なくとも一部に設けられる変位吸収部材と、を備え、前記燃料管、前記酸化剤管および前記保護筒は、それらの基端部が内側容器と該内側容器を覆う外側容器との間に非酸化性ガスが充満するガス化炉の前記内側容器の側壁に固定されて、該内側容器の側壁から外側に向かって前記外側容器を貫通して延在しており、全長が、前記燃料管に生じる応力に応じて決定され、前記酸化剤管は、該酸化剤管および前記燃料管の先端が前記ガス化炉内に突出する長さが変化しないように、前記内側容器の側壁に対して位置決めされていることを特徴とする。
　内側容器と外側容器とを備えるガス化炉の内側容器と外側容器との間に非酸化性ガスを充満させることにより、生成ガスによる腐食の影響を回避することができ、腐食に弱いフレキシブル管などの変位吸収部材を、バーナの酸化剤管にも用いることが可能となるので、ガス化炉の内側容器の側壁に基端部が固定されるバーナの酸化剤管の延在方向の少なくとも一部に変位吸収部材を設けることとした。これにより、内側容器と外側容器との温度や材質の違いによってこれらの間に熱伸び差が生じた際に、バーナが撓んで酸化剤管や燃料管に生じる曲げ応力のうち酸化剤管に生じる曲げ応力を変位吸収部材によって吸収させることができる。酸化剤には、例えば空気が用いられる。
　以上により、バーナ長は、燃料管に生じる応力に応じた燃料管の長さによって決めることができる。ここで、バーナを構成する管および保護筒の中で管径が最小の燃料管は、同一の長さ・曲げ量で比較した場合、他管に比べて発生する曲げ応力が小さい。言い換えると、発生応力を同等まで許容する場合、管径が大きい他管よりも短い長さで同一の曲げ量に対応できる。そのため、燃料管よりも大きな管径である酸化剤管に生じる曲げ応力を基にバーナ長を決定していた従来の場合に比べて、バーナ長を短尺化することができる。したがって、バーナ重量の低減およびメンテナンス性の向上を図ることができる。
　なお、変位吸収部材としては、曲げ可能なフレキシブル管や酸化剤管の延在方向に伸縮するベローズ等が用いられる。
　また、酸化剤管は、酸化剤管の先端が反応炉内に突出する長さが変化しないように、内側容器の側壁に対して位置決めされている。内側の側壁の位置決め部（固定部）と炉外側固定部の間に生じる酸化剤管の軸方向の熱伸びは、前述の変位吸収部材により吸収する。内側の側壁の位置決め部（固定部）から酸化剤管の炉内側先端までの長さは小さいため、この部分の炉内側軸方向の熱伸び量はきわめて小さく、燃焼上無視できるものである。これにより、酸化剤管の熱伸びの影響がなくなり、バーナを所定の位置で安定して燃焼させることができる。
　さらに、本発明に係るガス化炉等の反応炉によれば、上記に記載のバーナを備えたことを特徴とする。
　バーナ長を短尺化することが可能なバーナを用いることとした。そのため、ガス化炉等の反応炉に設置されるバーナ周りのスペースの低減やメンテナンス性の向上を図ることができる。
　さらに、本発明に係る発電プラントによれば、上記に記載の反応炉を備えたことを特徴とする。
　バーナ周りのスペースを低減することが可能な反応炉を用いることとした。そのため、発電プラントのスペースの低減やメンテナンス性の向上を図ることができる。
　上述した発明によれば、内側容器と外側容器とを備える反応炉の内側容器と外側容器との間に非酸化性ガスを充満させることにより、生成ガスによる腐食の影響を回避することができ、薄肉部材で腐食により破口しやすいフレキシブル管などの変位吸収部材を、バーナの酸化剤管に用いることが可能となるので、ガス化炉の内側容器の側壁に基端部が固定されるバーナの酸化剤管の延在方向の少なくとも一部に変位吸収部材を設けることとした。これにより、内側容器と外側容器との温度や材質の違いによってこれらの間に熱伸び差が生じた際に酸化剤管が撓んで酸化剤管に生じる曲げ応力を変位吸収部材によって吸収させることができる。また、バーナ長は、燃料管に生じる応力に応じた燃料管の長さにより決まることとした。ここで、バーナを構成する管や保護筒の中で管径が最小の燃料管は、同一の長さ・曲げ量で比較した場合、他管に比べて発生する曲げ応力が小さい。言い換えると、発生応力を同等まで許容する場合、管径が大きい他管よりも短い長さで同一の曲げ量に対応できる。そのため、燃料管よりも大きな管径である酸化剤管に生じる曲げ応力を基にバーナ長を決定していた従来の場合に比べて、バーナ長を短尺化することができる。したがって、バーナ重量の低減およびメンテナンス性の向上を図ることができる。
　また、酸化剤管が内側容器の側壁に対して位置決めされており、内側の側壁の位置決め部（固定部）と炉外側固定部の間に生じる酸化剤管の軸方向の熱伸びは、前述の変位吸収部材により吸収する。内側の側壁の位置決め部（固定部）から酸化剤管の炉内側先端までの長さは小さいため、この部分の炉内側軸方向の熱伸び量はきわめて小さく、燃焼上無視できるものである。これにより、酸化剤管の熱伸びの影響がなくなり、バーナを所定の位置で安定して燃焼させることができる。
本発明の一実施形態に係る石炭ガス化複合発電プラントの石炭ガス化炉に設けられているバーナの据付時の概略構成図である。 従来の石炭ガス化複合発電プラントのガス化炉に設けられているバーナの据付時の概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る酸化剤管固定部の詳細図である。 図２に示したバーナの石炭ガス化複合発電プラント運転時の概略構成図である。 従来のバーナのシール部の詳細図である。
　図１には、本発明の一実施形態に係る石炭ガス化複合発電プラントの石炭ガス化炉に設けられているバーナの概略構成図が示されている。
　炭素含有燃料（例えば石炭等）を燃料とする石炭ガス化複合発電プラント（ＩＧＣＣ；Integrated　Coal　Gasification　Combined　Cycle）は、主として、石炭ガス化炉（反応炉）１０と、ガスタービン（図示せず）と、排熱回収ボイラ（図示せず）、蒸気タービン（図示せず）とを備えている。
　石炭ガス化炉１０の上流側には、石炭ガス化炉１０へと微粉炭を供給する石炭供給設備（図示せず）が設けられている。この石炭供給設備は、原料炭を粉砕して数μｍ～数百μｍの微粉炭とする粉砕機（図示せず）を備えており、この粉砕機によって粉砕された微粉炭が一定流量ずつ窒素等の搬送ガスとともに石炭ガス化炉１０へと搬送される。
　石炭ガス化炉１０は、水冷壁である反応炉（内側容器）１２と、反応炉１２を覆っている圧力容器（外側容器）１１と、反応炉１２と圧力容器１１との間にアニュラスと呼ばれる空間部１３とを備えている。空間部１３には、例えば窒素ガスといった非酸化性ガスが充満している。
　このような石炭ガス化炉１０の反応炉１２の側壁には、側壁に対して直交するようにバーナ１が固定されている。バーナ１は、反応炉１２の側壁に開口している反応炉側開口部１２ａにシールボックス１５を介して固定されている。シールボックス１５は、例えば、ＳＵＳと耐火材とからなり、その略中心部をバーナ１が貫通している。
　一端がシールボックス１５を介して反応炉１２の側壁に固定されているバーナ１は、反応炉１２の側壁に対して直交するように延在して、反応炉１２の反応炉側開口部１２ａに対向するように設けられている圧力容器１１の圧力容器側開口部１１ａを貫通している。
　図３に示されるように、酸化剤管３は、反応炉１２に対して固定部３０によって位置決めされている。固定部３０は、スリーブ３０aと酸化剤管フランジ部３０ｂを備えている。シールボックス１５側に、スリーブ３０ａの基端部が接合されて固定されている。すなわち、スリーブ３０aは、内側容器１２側に固定されている。また、外側容器１１側（図において右側）の酸化剤管３には、円板形状を有した酸化剤管フランジ部３０ｂが設けられている。スリーブ３０ａと、酸化剤管フランジ部３０ｂが突き合わされた状態で、接続可能とされている。また、固定部３０は、ボルト等の固定具３０ｃによって締結されて固定されている。
　また、酸化剤管３には、酸化剤管用エキスパンション７が設けられている。
　圧力容器側開口部１１ａは、フランジとなっており、バーナ１をフランジである圧力容器側開口部１１ａに支持することが可能な支持筒１６とボルト（図示せず）によって固定されている。支持筒１６の両端部は、フランジ部１６ａ、１６ｂとなっている。
　バーナ１は、燃料管２と、燃料管２と略同心円状であり燃料管２の外周を覆っている酸化剤管３と、燃料管２および酸化剤管３と略同心円状であり酸化剤３の外周を覆っているガイド筒（保護管）４とを備えている。
　燃料管２は、その内部に窒素等によって搬送された微粉炭等の微粉燃料が導かれるものである。燃料管２は、その一端が図１に示すように、シールボックス１５を貫通して反応炉本体１２内に延在している。また、燃料管２の他端は、粉砕機からの微粉炭等の燃料を搬送する微粉燃料搬送配管（図示せず）に接続されている。
　燃料管２は、燃料管２に生じる応力、例えば、シールボックス１５を貫通している燃料管２の貫通部（図示せず）や、後述するフランジ部３ａを貫通している燃料管２の貫通部（図示せず）に生じる応力に応じてその延在方向の長さ（図１中のバーナ選定長さ）が決定されている。そのため、燃料管２の延在方向の長さは、バーナ１長（全長）と略同等とされている。
　燃料管２は、その外壁から外側に向かって延在している複数のサポート６を有している。サポート６は、燃料管２の円周方向に放射状、かつ、燃料管２の軸方向の異なる位置に複数設けられている。放射状に延在しているサポート６の延在端は、酸化剤管３の内壁の近傍とされており、酸化剤管３の内壁には固定されていない。このように複数のサポート６を燃料管２の外壁に設けることによって、燃料管２を酸化剤管３の内側から支持している。
　酸化剤管３は、燃料管２の外周を覆っており、燃料管２よりもその外形寸法が大きいものとされている。酸化剤管３の側壁には、酸化剤導入用フランジ部３ｃが設けられている。酸化剤管３には、その内壁と燃料管２の外壁との間に酸化剤である例えば空気が、酸化剤導入用フランジ部３ｃから導入される。
　酸化剤管３は、その一端が図１に示すように、シールボックス１５を貫通して反応炉１２内に延在している。また、酸化剤管３のシールボックス１５に接続している端部と反対端の近傍には、フランジ部３ａが設けられている。さらに、酸化剤管３には、フランジ部３ａよりも石炭ガス化炉１０側にフランジ部３ｂが設けられており、後述するガイド筒４に設けられているフランジ部４ａと接続可能とされている。
　酸化剤管３は、支持筒１６内および空間部１３内に晒されている軸方向の一部（延在方向の少なくとも一部、図１においては２個所）に酸化剤管用エキスパンション（変位吸収部材）７が設けられている。酸化剤管用エキスパンション７は、曲げ及び軸方向の伸縮が可能な管である。
　ガイド筒４は、燃焼管２および酸化剤管３の外周を覆っており、酸化剤管３よりもその外形寸法が大きいものとされている。ガイド筒４は、その内部に酸化剤管３と燃料管２とを有している。ガイド筒４のフランジ部４ａとフランジ部４ｂとの間の外壁には、ガイド筒４の内壁と酸化剤管３の外壁との間の空間部（図示せず）に非酸化性ガスを導入する非酸化性ガス導入管およびフランジ部４ｃが設けられている。
　このフランジ部４ｃから導入される非酸化性ガスは、例えば、窒素ガスなどである。また、ガイド筒４は、一端をシールボックス１５に、他端をフランジ４ｂに支持されている。
　ガイド筒４は、シールボックス１５に固定されている一端と反対端に、前述した酸化剤管３に設けられているフランジ部３ｂに接続されるフランジ部４ａが設けられている。また、ガイド筒４には、フランジ部４ａよりも石炭ガス化炉１０側にフランジ部４ｂが設けられており、支持筒１６のフランジ部１６ｂと接続可能とされている。
　ガイド筒４は、空間部１３と酸化剤管３周辺の空間とを遮断し、ごくまれに一部流入してくる場合がある生成ガスやチャー等から酸化剤管３を保護する役目を持つ。ガイド筒４の内側と酸化剤管３の外側との間の空間には、非酸化性ガス導入管およびフランジ部４ｃより非酸化性ガス（たとえば窒素）が供給され、窒素雰囲気に保たれるようになっている。
　ガイド筒４は、支持筒１６内および空間部１３内に晒されている軸方向の一部（図１においては２個所）にガイド筒用エキスパンション５が設けられている。ガイド筒用エキスパンション５は、酸化剤管用エキスパンション７と同様に曲げ及び軸方向の伸縮が可能な管である。
　次に、発電プラントが運転することによるバーナ１に付加される応力の様子について図１を用いて説明する。
　発電プラント（図示せず）が運転することによって、石炭ガス化炉（反応炉）１０の反応炉本体１２および圧力容器１１に熱伸びが生じる。反応炉本体１２と圧力容器１１とに生じる熱伸びによって、反応炉本体１２と圧力容器１１との材質や温度の違いにより差（熱伸び差）が生じる。そのため、圧力容器１１の外側から反応炉本体１２内へと挿入されているバーナ１は、例えば、シールボックス１５を介して反応炉本体１２に固定されている側（以下、「基端部」という。）が運転開始とともに下方へと変位する。
　しかし、ガイド筒４に設けられているガイド筒用エキスパンション５に加えて、酸化剤管３にも酸化剤管用エキスパンション７が設けられているためバーナ１の基端部が下方に変位しようとした際には、酸化剤管用エキスパンション７が下方に撓むこととなる。これにより、酸化剤管３の基端部、酸化剤管３のフランジ部３ｂと酸化剤管３の固定部に生じる曲げ応力を緩和することができる。
　このように酸化剤管３に生じる曲げ応力が酸化剤管用エキスパンション７によって緩和されるが、バーナ１が下方に変位することによって燃料管２に曲げ応力が発生することとなる。ここで、燃料管２は、バーナ１を構成している酸化剤管３やガイド筒４よりも管径が小さく、同一の長さ・曲げ量で比較した場合、他管に比べて発生する曲げ応力が小さい。言い換えると、発生応力を同等まで許容する場合、管径が大きい他管よりも短い長さで同一の曲げ量に対応できる。そのため、燃料管２に発生する曲げ応力に応じて決まる燃料管２のバーナ選定長さに応じて、バーナ１長（図１中のＡで示す長さ）を決定することができ、酸化剤管３で選定した場合よりバーナ長を短くすることができる。
　なお、石炭ガス化炉（反応炉）１０の空間部１３には、非酸化性ガス導入管４ｃより導入される非酸化性ガスで満たされているため、反応炉本体１２内より一部流入してくる腐食性を有する生成ガスの進入を防いでいる。そのため、腐食性を有する生成ガスにより酸化剤管３および酸化剤管用エキスパンション７が腐食される恐れがない。
　図３に示されるように、酸化剤管３は、反応炉本体１２に対して固定部３０によって位置決めされている。この位置決めは、酸化剤管３および燃料管２のバーナ先端部３ｄが反応炉内に突出する長さが変化しないように位置決めされており、内側の側壁の位置決め部３０（固定部）と炉外側固定部の間に生じる酸化剤管３の軸方向の熱伸びは、前述の酸化剤管用エキスパンション７により吸収する。内側の側壁の位置決め部３０（固定部）から酸化剤管
３の炉内側先端までの長さは小さいため、この部分の炉内側軸方向の熱伸び量はきわめて小さく、燃焼上無視できるものである。
　以上の通り、本実施形態に係るバーナ１、これを備えている石炭ガス化炉（反応炉）１０およびこれを備えている発電プラントによれば、以下の作用効果を奏する。
　反応炉本体（内側容器）１２と圧力容器（外側容器）１１とを備えている石炭ガス化炉（反応炉）１０の、反応炉本体１２と圧力容器１１との間である空間部１３には、非酸化性ガスである窒素ガスが充満しており、石炭ガス化炉（反応炉）１０の反応炉本体１２の側壁に基端部が固定されているバーナ１の酸化剤管３の延在方向の一部（少なくとも一部）には、酸化剤管用エキスパンション（変位吸収部材）７を設けることとした。これにより、反応炉本体１２と圧力容器１１との温度や材質の違いによってこれらの間に熱伸び差が生じた際にバーナ１が撓んで酸化剤管３や燃料管２に生じる曲げ応力のうち酸化剤管３に生じる曲げ応力を、酸化剤管用エキスパンション７によって吸収させることができる。また、バーナ１は、燃料管２に生じる曲げ応力に応じて決定される燃料管２のバーナ選定長さによってバーナ１長（図１中のＡで示す長さ）が決まることとした。ここで、バーナ１を構成している燃料管２、酸化剤管３やガイド筒（保護管）４の中で管径が最小の燃料管２は、発生する曲げ応力が小さい。そのため、燃料管２よりも大きな管径である酸化剤管３に生じる曲げ応力を基にバーナ１長を決定していた従来の場合に比べて、バーナ１長を短尺化することができる。したがって、バーナ１重量の低減およびメンテナンス性の向上を図ることができる。
　全長を短尺化することが可能なバーナ１を用いることとした。そのため、石炭ガス化炉（反応炉）１０に設置されるバーナ１周りのスペースを低減することができる。
　バーナ１周りのスペースを低減することが可能な石炭ガス化炉（反応炉）１０を用いることとした。そのため、発電プラントのスペースの低減を図ることができる。
　酸化剤管３が、内側の側壁の位置決め部３０によって固定され、内側の側壁の位置決め部３０（固定部）と炉外側固定部の間に生じる酸化剤管３の軸方向の熱伸びは、酸化剤管３に設置している酸化剤管用エキスパンション７により吸収する。内側の側壁の位置決め部３０（固定部）から酸化剤管３の炉内側先端までの長さは小さいため、この部分の炉内側軸方向の熱伸び量はきわめて小さく、燃焼上無視できるものである。これにより、酸化剤管３のバーナ先端部３ｄが大きく熱伸びして位置変化することを抑制する。これにより、バーナの先端部３ｄが所定の位置からほとんど変化しないため、安定したバーナの燃焼を行うことができる。また、酸化剤管３には酸化剤管用エキスパンション７を設けている。これにより、固定部３０から外側容器１１側の酸化剤管３の熱伸びを、酸化剤管用エキスパンション７によって吸収することができる。
　なお、本実施形態では、変位吸収部材として酸化剤管用エキスパンション７およびガイド筒用エキスパンション５を設けるとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、酸化剤管３およびガイド筒４の延在方向に伸縮可能なベローズ等のエキスパンションであっても良い。
　また、燃料管２内に導入される微粉炭等の微粉燃料は、例えば、チャー、油、ガス等であっても良い。
１　バーナ
２　燃料管
３　酸化剤管
３ｄ　バーナ先端部
４　ガイド筒（保護筒）
４ｃ　不活性ガス導入管およびフランジ
７　酸化剤管用エキスパンション（変位吸収部材）
１０　石炭ガス化炉（反応炉）
１１　圧力容器（外側容器）
１２　反応炉本体（内側容器）
１３　空間（アニュラス）部
Ａ　バーナ長（全長）

Claims (4)

  1. 　燃料管と、
    　該燃料管と該燃料管の外周を覆い、該燃料管の外面との間に酸化剤が導入される酸化剤管と、前記酸化剤管の延在方向の少なくとも一部に設けられる変位吸収部材と、を備え、
    　前記燃料管、前記酸化剤管は内側容器の側壁に固定されて、該内側容器の側壁から外側に向かって前記外側容器を貫通して延在しており、
    　全長が、前記燃料管に生じる応力に応じて決定され、
    　前記酸化剤管は、先端が反応炉内に突出する長さを抑制するように、前記内側容器の側壁に対して位置決めされており、内側の側壁の位置決め部と炉外側固定部の間に生じる酸化剤管の軸方向の熱伸びは、酸化剤管に設置された変位吸収部材により吸収することを特徴とする反応炉用バーナ。
  2. 　請求項１に記載のバーナを備えたことを特徴とする反応炉。
  3. 　請求項２に記載の反応炉を備えたことを特徴とする発電プラント。
  4. 　前記燃料管と、
    　該燃料管と該燃料管の外周を覆い、該燃料管の外面との間に前記酸化剤が導入される前記酸化剤管と、該酸化剤管の延在方向の少なくとも一部に設けられる前記変位吸収部材と、を備え、
    　前記燃料管、前記酸化剤管は、それらの基端部が前記反応炉の内側容器の側壁に固定される前記反応炉用バーナの固定方法であって、
    　前記バーナの全長が、前記燃料管に生じる応力に応じて決定され、
    　前記酸化剤管は、先端が前記反応炉内に突出する長さを抑制するように、前記内側容器の側壁に対して位置決めされており、内側の側壁の前記位置決め部と前記炉外側固定部の間に生じる前記酸化剤管の軸方向の熱伸びは、前記酸化剤管に設置された前記変位吸収部材により吸収することを特徴とする反応炉用バーナの固定方法。
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