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JP3018293B2 - 部分燃焼バーナー - Google Patents

部分燃焼バーナー

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JP3018293B2
JP3018293B2 JP1149784A JP14978489A JP3018293B2 JP 3018293 B2 JP3018293 B2 JP 3018293B2 JP 1149784 A JP1149784 A JP 1149784A JP 14978489 A JP14978489 A JP 14978489A JP 3018293 B2 JP3018293 B2 JP 3018293B2
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oxygen
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    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/46—Gasification of granular or pulverulent flues in suspension
    • C10J3/48—Apparatus; Plants
    • C10J3/50—Fuel charging devices
    • C10J3/506—Fuel charging devices for entrained flow gasifiers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D1/00—Burners for combustion of pulverulent fuel
    • F23D1/005—Burners for combustion of pulverulent fuel burning a mixture of pulverulent fuel delivered as a slurry, i.e. comprising a carrying liquid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
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    • F23D14/78—Cooling burner parts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
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  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、炭素質燃料の部分燃焼、特にたとえば粉末
化した石炭のような微細な固体燃料の部分燃焼に使用す
るためのバーナーに関するものであり、燃料を酸素含有
ガスと一緒に100バールまでの高められた圧力下で操作
する反応器空間中に導入して、加圧された合成ガス、燃
料ガスもしくは還元性ガスを生成させる。
〔従来の技術〕
固体炭素質燃料の部分燃焼（ガス化としても知られ
る）は、燃料と酸素との反応によって得られる。燃料は
主として炭素と水素とを燃焼成分として含有し、これら
成分は供給酸素（並びに存在させうる場合は水蒸気およ
び二酸化炭素）と反応して一酸化炭素と水素とを生成す
る。或る温度では、メタンを生成させることもできる。
固体燃料の部分燃焼には、少なくとも２種の異なる方
法が存在する。第１の方法においては、粒状の固体燃料
を反応器内で固定床もしくは流動床にて約1000℃以下の
温度で酸素含有ガスと接触させる。この方法の欠点は、
必らずしも全ゆる種類の固体燃料をこの方法で部分燃焼
させえないことである。たとえば、高度に膨潤する石炭
は不適である。何故なら、この種の石炭の粒子は容易に
焼結して反応器を閉塞する危険をもたらすからである。
より有利な方法は、微細な燃料をたとえば窒素もしく
は合成ガスのようなキャリヤガスにて反応器中へ比較的
高速度で導入する。反応器内には火炎が維持され、ここ
で燃料が約1000℃以上の温度にて酸素含有ガスと反応す
る。炭素質燃料は一般にバーナーを介して反応器中へ導
入され、さらに酸素含有ガスもバーナーを介して反応器
中へ導入される。或る方法においては、たとえば水蒸気
もしくは二酸化炭素のような媒介ガスを酸素含有ガスと
混合してバーナーを介し反応器に導入する。この種の媒
介ガスは、しばしば反応器ガスの望ましくない完全変換
をもたらしうるような酸素と反応器ガスとの尚早な接触
を減少させ或いは防止するのに有利である。
本発明のバーナーは、慣用の耐火材ライニングされた
部分酸化ガス発生器（本明細書中では反応器またはガス
化装置とも称する）の反応帯域中に反応体を水平方向に
導入するのに適している。特に、反応体のための複数の
バーナーを燃焼帯域の周辺に位置せしめることによりバ
ーナージェットを互いに衝突させて部分酸化工程を容易
化させると共に耐火材壁部の浸蝕を最小化させるよう
な、固体燃料ガス化装置に使用するのに適している。
火炎温度は3000℃を越え、或いはそれ以上になりうる
ので、この種のバーナーの主たる問題は、ガス化工程に
際し高熱線と潜在的な腐食環境とによってもたらされる
バーナーフロント（バーナーフェースとも呼ばれる）に
対する損傷を防止することである。過熱からバーナーフ
ロントを保護するには、バーナーフロント壁部の外表面
に耐火材ライニングを施こし、かつ／または中空壁部材
に内部冷却通路を設けて、ここに冷却用流体を高速度で
循環させるのが慣例である。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明の課題は、高い腐食速度とならないよう確保す
ると共に、バーナーフロントに対する均一な冷却を与え
て長時間操作に際しバーナーの劣化および損傷さえ生ぜ
しめるような全ゆる熱応力を最小化させるべく、特定方
式にて冷却用流体を流動させる内部構造を備えた改良バ
ーナーを提供することにある。
本発明の他の課題は、平滑な曲線バーナーフェース設
けた形状を有し、ガス化反応から生ずる腐食性環境およ
び熱線の存在下に耐久性を増大させるような寸法を有す
るバーナーを提供することにある。曲線フロントはバー
ナーフロント面構造を比較的柔軟にさせ、これにより損
傷をもたらしうるような局部的熱応力の発生なしに比較
的高い局部熱線に耐えることができる。
〔課題を解決するための手段〕
したがって本発明は微細な固体炭素質燃料を酸素含有
ガスにより燃焼帯域で部分燃焼させるためのバーナーを
提供し、このバーナーは供給端部と放出端部とを有し、
さらに バーナーの長手軸線に沿って配置されかつバーナーの
放出端部に出口を備えて燃料を燃焼帯域に供給するため
の中心流路を備え； さらに前記中心流路に対し同軸配置されかつバーナー
の放出端部に直径Ｄの出口を有する実質的に環状の流路
を備え、この環状流路は酸素含有ガス流を燃焼帯域まで
前記長手軸線に対し鋭角で供給して前記供給酸素を前記
中央流路から供給された燃料に交差するよう指向させる
形状を有し； さらに前記バーナーの放出端部に前記実質的に環状の
流路に対し同軸配置されると共に、前記燃料と前記酸素
含有ガスとが燃焼帯域まで流過する中央開孔部を有する
中空壁部材を備え、前記放出端部にて前記中空壁部材は
前記実質的に環状の流路の出口入力からバーナーの横方
向寸法まで延在するバーナーの長手軸線に対しほぼ垂直
な円弧形状を含む曲線状の外表面を備え、バーナーの横
周辺における前記中空壁部材はバーナーの放出端部から
バーナーの供給端部の方向へ少なくとも1/2Dの距離だけ
延在し、前記中空壁部材は半径方向にほぼ均一な断面積
の内部構造を有し、前記中空壁部材は（ａ）この中空壁
部材の近位第１端部に流体冷却剤を供給するための前記
実質的に環状の流路に隣接配置された供給導管と（ｂ）
前記中空壁部材の他端部から流体冷却剤を近位的に通過
させるよう配置された戻し導管とに作用接続され、これ
により流体冷却剤を前記中空壁部材を介し前記供給導管
から外方向かつほぼ半径方向に流動させ、前記中空壁部
材は冷却剤をほぼ一定の運動量で流過させる寸法を有す
る ことを特徴とする。
かくしてバーナーは、放出端部およびその他のバーナ
ー部品が過度の金属温度および／または応力を受けるこ
となく長時間にわたり操作することができる。
〔実施例〕
以下、添付図面を参照して本発明を実施例により一層
詳細に説明する。
図示した同一の部材は同一の参照数字で示されている
ことに注目すべきである。
第１図および第２図を参照して、たとえば粉末化石炭
のような炭素質燃料を部分燃焼させるための一般に参照
数字10で示したバーナーは中央流路12を備え、この流路
は長手軸線14に沿って配置されると共に微細な固体燃料
をキャリヤガス（たとえば窒素もしくは合成ガス）にて
下流の燃焼帯域（図示せず）まで供給するための放出口
16を有する。中央流路は一般に約10〜約50mmの範囲の直
径を有する。酸素含有ガスのためのほぼ環状の流路18を
前記中央流路12の周囲に同心配置し、この環状流路18は
酸素含有ガスを燃焼帯域中に流入させる出口を形成した
直径Ｄの自由端部20を有する。有利には、出口20は長手
軸線14に対し約20〜約60゜の角度で配置されて、酸素含
有ガスの流出する流れが出口16から流出する固体燃料の
流れに交差してこれと混合するようにする。直径Ｄを有
する出口20は、バーナーにおけるノズルの喉部、すなわ
ち最も狭い部分を形成する。酸素含有ガスは、所望なら
ば、たとえば水蒸気もしくは二酸化炭素のような媒介ガ
スを含有することもできる。これら流路を互いに半径方
向に離間させるべく慣用のセパレータを使用し、たとえ
ば整列ピン、フィン、センタリング羽根、スペーサなど
の慣用手段を用いて流路を互いに対称的に離間させると
共に、これら流路を反応体流の自由な流動に対し最小の
障害にで安定な整列状態に保持する。
バーナー10はさらに中空壁部材26を備え、この部材は
曲線状（たとえばトロイド状）外表面を有してバーナー
の長手軸線14に対しほぼ垂直なフロント面28を形成し、
さらに前記長手軸線に対し平行にバーナーの供給端部ま
で延在する環状円筒部分を備える。中空壁部材は均一断
面の流動領域を備え、この領域はフロント面（すなわち
バーナーの放出端部）からバーナーの供給端部の方向に
延在すると共に、一般に少なくとも約0.5D、有利には少
なくとも約Ｄ、特に約２〜約10Dの距離にわたり長手軸
線に対し平行である。中空壁部材は供給導管30に作用接
続された最中心端部に位置し、たとえば調温された水の
ような液体冷却剤を中空壁部材に供給すると共に、戻し
導管34に作用接続されたバーナーの周辺に前記中空壁通
路の他端部を位置せしめて、前記中空壁通路から液体冷
却剤を移送する。水を冷却剤として使用する場合は、こ
れをバーナーの最大熱発生に際し戻し導管に流入する水
が約５℃以下、特に約３℃以下だけ上昇するよう充分高
い流速で中空壁部材に供給する。冷却剤としては約100
〜約230℃の範囲の温度を有する調温された水を用いる
のが有利であると判明した。
有利には、バーナーの曲線状端部は喉部の下流に短い
距離で延在し、この距離はたとえば通常2D未満であり、
特にほぼ環状の通路の端部から約0.2〜約1Dとして、或
る種の反応性の高い供給物につき生じうるような尚早な
燃焼を防止しまたは減少させる。
反応体の燃焼からバーナーフェースの下流への対流熱
伝導を可能にする一方、中空壁部材の内部における冷却
液の沸とうを実質的にまたは全く回避するのが本発明の
利点である。中空壁部材のほぼ一定な断面積の使用は冷
却液の一定の運動量を確保して、バーナーフェースおよ
び放出端部における均一な低金属温度を可能にする。
他の利点は、複数のバーナーを用いる或る種の気化器
構造で生じうるような枠対称的熱線に耐えうる全体的な
機械構造である。
たとえば酸素含有ガスにより炭素質燃料（たとえば粉
末化石炭）をガス化するため上記バーナー10を操作する
際、たとえば窒素もしくは合成ガスのようなキャリヤ流
体に懸濁させた石炭を中央流路12を介し出口16まで移送
してバーナーの放出端部の下流に配置された反応器の燃
焼帯域に石炭を導入する。同時に、酸素含有ガスを環状
流路18を介し出口20まで移送して、石炭および酸素含有
ガスの反応体を反応器空間内で強力に混合する。所望な
らば、反応体の混合は、適する流路に設けた邪魔板の回
転体（図示せず）により一方もしくは両方の流れに付与
された回動により、さらに促進することができる。石炭
の安定な流出を促進するには、石炭流動に利用しうる断
面積を出口近傍におけるバーナーの少なくとも１部にわ
たり一定に保つべきである。
キャリヤガス中の粉末化燃料の流れにつき、流速が制
御される。バーナーの燃焼管理（すなわちバーナーの始
動もしくは停止）は、炭素質燃料および酸素含有ガスの
供給流のそれぞれにつき流速を変化させると共に固体供
給物における酸素と炭素との原子比をほぼ一定に維持す
ることにより行なわれる。一般に、水分および無灰分石
炭の１トン当り0.9〜１トンの酸素要求が硬質石炭につ
き典型的であり、低品質の石炭については１トン当り0.
7トンの酸素がより代表的である。酸素含有ガスを約35
〜約100m/秒の範囲の平均速度で供給することにより操
作するのが有利である。
通常、バーナーは高温耐性材料、特に高温耐性金属お
よびたとえばインコネルのような合金および／またはセ
ラミックで加工される。高能率の操作には、酸素含有ガ
スのための流路および出口は、一般に金属で作成されか
つたとえばZrO2もしくはセラミックのような酸化物コー
ティングで内部被覆することができ、酸素による金属燃
焼の危険なしに高い酸素含有ガスの速度を用いることが
できる。
本明細書で使用する「固体炭素質燃料」という用語は
石炭、石炭からのコークス、石炭液化残油、石油コーク
ス、煤、特にオイルシェール、タールサンドおよびピッ
チから得られた粒状固体よりなる群から選択される各種
の物質およびその混合物を包含することを意図する。石
炭は任意の種類とすることができ、亜炭、サブビチュー
メン、ビチューメンおよび無煙炭を包含する。固体炭素
質燃料は、有利には材料の90％が90μｍ未満となりかつ
水分含有量が約５重量％未満となるような粒子寸法まで
磨砕される。
本明細書で使用する「酸素含有ガス」という用語は空
気、酸素リッチな空気（すなわち21モル％より多い酸
素）、並びに実質的に純粋な酸素（すなわち約95モル％
より多い酸素）を包含することを意図し、残部は一般に
窒素および稀ガスのような空気中に存在するガスからな
っている。
以上、本発明を好適実施例につき説明したが、本発明
の範囲内において種々の改変をなしうることが当業者に
は明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明によるバーナーの放出端部を含むフロン
ト部分の縦断面図であり、 第２図は第１図のII−II線断面図である。 10……バーナー、12……中央流路、14……長手軸線、16
……放出口、18……環状流路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−142730（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−128312（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−158911（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F23D 1/00 - 1/06 F23D 17/00 - 23/00 F23D 14/78 F23D 11/24 F23C 11/00

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】微細な固体炭素質燃料を酸素含有ガスによ
    り燃焼帯域で部分燃焼させるためのバーナーにおいて、
    供給端部と放出端部とを有し、さらに バーナーの長手軸線に沿って配置されかつバーナーの放
    出端部に出口を備えて燃料を燃焼帯域に供給するための
    中央流路を備え； さらに前記中央流路に対し同軸配置されかつバーナーの
    放出端部に直径Ｄの出口を有する実質的に環状の流路を
    備え、この環状流路は酸素含有ガス流を燃焼帯域まで前
    記長手軸線に対し鋭角で供給して前記供給酸素を前記中
    央流路から供給された燃料に交差するよう指向させる形
    状を有し； さらに前記バーナーの放出端部に、前記実質的に環状の
    流路に対し同軸配置されると共に、前記燃料と前記酸素
    含有ガスとが燃焼帯域まで流過する中央開孔部を有する
    中空壁部材を備え、前記放出端部にて前記中空壁部材は
    前記実質的に環状の流路の出口からバーナーの横方向寸
    法まで延在するバーナーの長手軸線に対しほぼ垂直な円
    弧形状を含む曲線状の外表面を備え、バーナーの横周辺
    における前記中空壁部材はバーナーの放出端部からバー
    ナーの供給端部の方向へ少なくとも1/2Dの距離だけ延在
    し、前記中空壁部材は半径方向にほぼ均一な断面積の内
    部構造を有し、前記中空壁部材は（ａ）この中空壁部材
    の近位第１端部に流体冷却剤を供給するための前記実質
    的に環状の流路に隣接配置された供給導管と、（ｂ）前
    記中空壁部材の他端部から流体冷却剤を近位的に通過さ
    せるように配置された戻し導管とに作用接続され、これ
    により流体冷却剤を前記中空壁部材を介し前記供給導管
    から外方向かつほぼ半径方向に流動させ、前記中空壁部
    材は冷却剤をほぼ一定の運動量で流過させる寸法を有す
    る ことを特徴とする部分燃焼バーナー。
  2. 【請求項２】実質的に環状の流路が、酸素含有ガスをバ
    ーナーの長手軸線に対し20〜60゜の鋭角にて供給する形
    状を備えたことを特徴とする請求項１記載のバーナー。
  3. 【請求項３】中空流路が10〜50mmの直径を有することを
    特徴とする請求項１記載のバーナー。
  4. 【請求項４】中空壁部材が、バーナーの放出端部からバ
    ーナーの供給端部の方向にかつ長手軸線に対しほぼ平行
    に少なくとも約Ｄの距離だけ延在する均一な断面積を有
    することを特徴とする請求項１記載のバーナー。
  5. 【請求項５】中空壁部材が、バーナーの放出端部から約
    ２〜約10Dの範囲の距離で延在することを特徴とする請
    求項４記載のバーナー。
JP1149784A 1988-06-16 1989-06-14 部分燃焼バーナー Expired - Fee Related JP3018293B2 (ja)

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