JP3142875B2 - 後退した先端及びガスブラストをもつ改良された部分酸化処理バーナ - Google Patents

後退した先端及びガスブラストをもつ改良された部分酸化処理バーナ

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、固体炭化水素系燃料をキャリヤ液に加えた
ポンプ送達可能なスラリー又は液体炭化水素系燃料の部
分酸化による、H2及びCOを含む混合ガス、たとえば合成
ガス、燃料ガス及び還元性ガスの製造に使用するための
バーナ設計及び性能における改善に関する。
環タイプバーナは、部分酸化ガス発生装置に燃料流を
導入するのに用いられてきた。たとえば、譲受人を同じ
くする米国特許第5,261,602号明細書では、多孔質のセ
ラミック先端を使用するいわゆる「ホットチップ」設計
の改良されたバーナがそのようなシステムに用いられて
いる。このようなバーナは、異なる燃料流を同時に部分
酸化反応器に導入するのに使用される。複数の燃料流を
そのようなシステムに導入するための一環型、二環型及
び三環型のバーナが、たとえば譲受人を同じくする米国
特許第3,528,930号明細書、第3,758,037号明細書及び第
4,443,230号明細書にそれぞれ示されている。
炭化水素系燃料をキャリヤ液に加えたポンプ送達可能
なスラリー混合物又は特定の液体炭化水素系燃料におけ
るそのようなバーナの使用において、灰分含量の高い原
料を扱う際にもっとも頻繁に遭遇する問題は、バーナ本
体に対するスラグ付着物の問題である。このような付着
物は、ガス化装置の作動を不安定にする。スラグ付着物
は、バーナ本体に形成し、燃料及び遊離酸素含有ガスの
バーナ噴霧パターンを妨害するまでに増大する。この結
果、製造されるガス中の二酸化炭素及びメタンのレベル
が増大、変動し、ガス化装置の温度を、安全性の理由の
ためにガス化装置を運転停止しなければならない温度ま
で上昇させる。特に「汚れた」原料は、この問題を特に
悪化させる効果を及ぼすことができる。一つのそのよう
な原料は、水スラリー中に石炭及び汚れを、灰（すなわ
ち無機質）としての固形分30％〜40％とともに含む。
このようなバーナは、バーナの外面と接触する、相互
作用区域中の再循環ガスと接触する。これらのガスは、
華氏1,700度〜3,500度の範囲の温度を有することができ
る。バーナは、冷却液、たとえば水が通過する冷却路に
より、これらの温度に耐えるように冷却される。冷却コ
イルがバーナの長手に沿ってバーナの外面に巻き付けら
れている。また、バーナ表面にさらなる冷却を提供する
ために環形の冷却チェンバが使用されてきた。放射ガス
化装置からバーナ表面に達し、さらにバーナ表面を通過
して冷却液に達する熱流束のため、バーナ先端近くの金
属に熱応力亀裂が生じるおそれがある。これらの亀裂
が、バーナを完全に動作不能にしかねない、種々の原料
における流れの変性を引き起こすおそれがある。
発明の概要 簡潔に述べるならば、本発明は、ガス化装置の性能に
影響するバーナ付着物の潜在性を減らし、同軸方向に並
べられた環状のバーナ環の機械的切り離しによって熱誘
発金属疲労亀裂を減らすように設計されたバーナ本体を
提供する。これは、本発明においては、冷却水ジャケッ
トを噴霧ノズルから切り離し、バーナノズル又はノズル
アセンブリを冷却水ジャケットの中に軸方向に引き込ん
でノズルへの放射熱流を減らし、バーナノズルの周囲の
ガス流動パターンを変化させて粒子の衝突を減らし、冷
却水ジャケット中の冷却水流動パターンを改善してジャ
ケット温度を下げ、溶融スラグ粒子の付着を防ぎ、バー
ナノズルと冷却水ジャケットとの間にガスパージ及び付
着物ブラストの通路を設けることによって達成される。
外側の冷却液ジャケットはまた、全面面積を小さくし
て、溶融スラグ付着物形成のための表面積を最小限に
し、放射熱伝導を減らし、それが、ガスブラスト通路と
ともに、形成するかもしれない付着物が冷却液ジャケッ
トとバーナノズル自体との間の隙間にまたがるのを困難
にする。
本発明の上記の特徴及び利点は、本発明の以下の詳細
な説明を添付の図面と併せて参照することによって明確
に理解することができる。図面は、例を示すだけであ
り、本発明を限定するものではないことが理解されよ
う。
図面の簡単な説明 図１は、本発明の概念による部分酸化バーナアセンブ
リの横断面図又は側面図である。
図２は、図１のアセンブリのバーナ先端又は端部を縦
断面で示す拡大詳細図である。
発明の詳細な説明 まず図１を参照すると、本発明の概念に従って部分酸
化反応器に使用するためのバーナアセンブリが示されて
いる。バーナアセンブリの供給管の形状の詳細は、本発
明に関しては重要ではない。原料供給管13は、望むなら
ば、譲受人を同じくする米国特許第3,528,930号明細
書、第3,758,037号明細書及び第4,430,230号明細書に示
すような一環型、二環型又は三環型の設計であってもよ
いし、望むならば、さらに多数の環をもつ設計であって
もよい。本発明を説明するために、原料供給管路又は管
13とは、合成ガス、燃料ガス又は還元性ガスを製造する
ために、原料を無触媒部分酸化反応に供給するような設
計の供給管を総称的にいうものとみなす。原料は通常、
固形炭化水素系燃料をキャリヤ液、たとえば水もしくは
液体炭化水素中に粉砕したポンプ送達可能なスラリー又
は液体炭化水素中の無機固形分と、遊離酸素含有ガス、
たとえば空気とを、添加混合された温度調整剤ととも
に、又は温度調整剤なしで含む。図１のバーナアセンブ
リの供給端を上流端と呼び、バーナアセンブリの反応区
域端又はノズル端を下流端と呼ぶ。
図１のバーナアセンブリを符号10で示す。所望の作動
圧力にある遊離酸素含有ガスを、フランジ付きコネクタ
12に取り付けられた管状導管12Aを介して供給する。同
様に、ポンプ送達可能なスラリー原料を、フランジ付き
コネクタ11に取り付けられた管状導管11Aを介してバー
ナアセンブリ10に供給する。炭化水素供給管と酸素供給
管とは、二流路バーナと交換されてもよく、本発明に影
響することない。これらの成分の混合は、供給管設計に
したがって内部的に起こり、それから得られる原料が、
フランジ付きコネクタ17を通過して反応容器（図示せ
ず）に入る総原料供給管13に、その上流端から進入す
る。また、反応容器の外で、冷却液供給管19に固定され
た冷却液供給コネクタ15がフランジ付き隔壁コネクタ17
を通過している。ブラストガス供給コネクタ16が、以下
さらに詳細に説明する目的のために、不活性ガス（たと
えばN2）の高圧供給源（図示せず）に接続され、この目
的のために管状導管24に供給される。冷却液戻り管18は
また、フランジ付き隔壁コネクタ17を通過し、反応容器
の内部から加熱された冷却液を戻すための外側のコネク
タ14で終端している。
フランジ付きコネクタ17（反応容器に通じる）の内側
では、冷却液供給管路19が原料供給管13の外面にその長
手に沿ってらせんに巻かれて冷却液を下流側のバーナ先
端に供給している。これを図２の断面図により詳細に示
す。反応容器の内部には、華氏1,700度〜華氏3,500度の
範囲の温度の高温ガスが存在することが思い起こされよ
う。この領域における凝縮ガス、たとえばHClによる攻
撃から供給管路13、18、19及び24を保護するために、こ
れらの供給管路はすべて特殊な耐火材料又はセラミック
に埋設又は注封されている。
図２に示すバーナ先端アセンブリの付近では、温度は
華氏2,300度〜華氏3,000度の範囲である。燃料及び装置
の作動条件に依存して、フライアッシュ、スラグ又は微
粒状炭素すすが目的生成物、たとえばH2及びCOともに生
成されるおそれがある。また、CO2、H2O、N2、Ａ、C
H4、H2O及びCOSの１種以上が存在するかもしれない。原
料流を反応区域に送達する後退したノズル20を包囲する
冷却液ジャケット21中を流れる冷却液によってバーナ先
端が冷却されるため、スラグ又はフライアッシュの付着
物がその上に凝縮することができる。このような付着物
が蓄積し、バーナの下流端でのガス流動パターンを乱
し、それにより、バーナを作動不能にするおそれがあ
る。バーナ先端20の温度をスラグ付着温度よりも低くす
るために、ノズルの先端20は、図２に示す冷却液ジャケ
ット21の外端21Aから軸方向内側に距離23だけ後退して
いる。さらには、ジャケット21中を通過する冷却液
（水）19は、図示するように配設された内部の環状バッ
フル壁22の使用によってその通路の深さが最小限にされ
ている。管路19からの冷却液はジャケット21に入り、バ
ッフル22があるため、冷却ジャケット21の先端21Aに達
するまでジャケット21の外面に沿って流れる。冷却液
は、環22Aを介してジャケット21の内壁の間を冷却液戻
り導管18に戻る。
バーナのノズル20には、原料供給導管13及びノズル20
を冷却液ジャケット21の中心に維持する傾向を示す壁厚
部又はフランジ25が設けられている。周期的に、高圧不
活性ガス、たとえばN2が導管24を介してガスブラスト通
路26に供給され、そこで、通路26に沿って軸方向に流れ
て、ノズル20の近くの反応区域に出ることができる。高
圧ガスのこれらのブラストは、ノズル20の先端の近く、
又は通路26の中又は先端区域21Aに蓄積する傾向のある
溶融スラグを吹き飛ばすことができる。標準温度及び圧
力で０〜2,000の毎時標準立方フィート（SCFH）、好ま
しくは250SCFHの範囲の可能なパージガス速度（バーナ
サイズに依存する）がこの目的に使用される。10分ごと
に0.6秒間のブラスト１回から１分ごとに0.6秒間のブラ
スト１回の頻度でガスブラストを使用することができ
る。
そのうえ、ノズル20のバーナ先端と冷却水ジャケット
21との間のガスブラスト通路26が、ノズル20及び冷却液
ジャケット21に対する熱応力を最小限にする。これは、
ノズル20及びジャケット21の熱膨張及び収縮を小さく
し、ひいては、この源からの金属疲労を小さくする。ま
た、ノズル20を引き込むことにより、原料噴霧そのもの
が遮蔽を形成するため、反応区域からの放射熱負荷が減
る。これがノズル20の温度を下げ、また、反応区域から
ノズル20に衝突する粒子を減らし、ノズル20又はジャケ
ット21におけるスラグ蓄積の可能性を減らす。
ノズル20の引き込み距離23は、当然、原料噴霧が冷却
ジャケット21に衝突にしないまでの、ノズル設計、管
径、原料流量、原料の種類などの関数である。距離23
は、たとえば約2.5mm〜21.6mm（0.1インチ〜0.85イン
チ）まで変化することができ、通常に使用される典型的
な原料流量、原料の種類、ノズル設計及び管径の場合に
好ましい範囲は約7.6mm〜10.2mm（0.3インチ〜0.4イン
チ）である。
この設計のバーナを、原料中に固形分30％〜40％を灰
として含む特に汚れた石炭及び汚れの原料で試験した。
驚くべき良好な結果が得られ、101時間でバーナを１回
運転し、より短い時間で数回運転した結果、バーナには
無視できるスラグしか付着しなかった。この原料を用い
て実施した従来のバーナ設計の運転は、６時間を超えな
いうちに必ずバーナへのスラグ蓄積による問題を生じ
た。
比較的障害のないガスブラスト通路26及びノズル20の
距離23の引き込みに加えて、本発明の好ましいバーナ設
計は、先に説明したバーナ先端の優れた水流特性ととも
に、反応区域に露出した最小限の表面積21Aの先端を有
するバーナを使用する。冷却環先端21Aの湾曲が、入射
放射に対する冷却される面の比率を最大限にし、それに
より、冷却先端区域の温度を下げる。環状のバッフル22
によって生じるジャケット21内の冷却液の均一な分布は
また、ジャケットにおいて、従来の設計におけるよりも
薄い金属の使用を可能にする。これはまた、移動する冷
却水の冷却効果を増強する。これらの特徴すべてが合わ
さって冷却ジャケットの外面温度を有意に下げ、したが
って、溶融スラグ粒子がジャケット21に付着し、付着物
を形成する可能性を減らす。特に、関係区域に面し、入
射放射加熱によって通常はもっとも高温であろう区域2
0、21Aが可能な限り冷却される。これが、表面の温度
を、これらの表面に衝突するかもしれないスラグ粒子の
付着温度未満に維持することを保証する。また、経路26
中の窒素の小さな連続パージがこれらの面への粒子の拡
散を減らす。この目的には、バーナの動作に対して無視
できる衝突しか有さない、きわめて小さな窒素流しか必
要ではない。
前記の説明は、図示する設計に対し、当業者には明ら
かである他の変更及び代替えを構成することができる。
添付の請求項の目的は、本発明の真髄に該当するような
すべての変形を包含することである。
フロントページの続き (72)発明者 ロビン，アレン・モーリス アメリカ合衆国、カリフォルニア 92806、アナハイム、イースト・ジェリ ッド・アベニュー 2517 (72)発明者 ウィンター，ジョン・ダケット アメリカ合衆国、カリフォルニア 92686、ヨーバ・リンダ、ケントウォー ター 5241 (72)発明者 ウォルフェンバーガー，ジェームズ・ケ ネス アメリカ合衆国、カリフォルニア 91042、タユンガ、アルパイン・ウェイ 7655 (56)参考文献 特開 昭60−141602（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F23C 1/10 F23C 11/00 F23D 1/00 F23D 17/00 - 21/00

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】炭化水素系燃料又は固形炭化水素系燃料を
    キャリヤ液に加えたポンプ送達可能なスラリーを含む反
    応体燃料流を部分酸化させるためのバーナであって、中
    央の導管と、下流に流れる環状通路を備えた複数の離間
    した同軸方向の導管とを含み、前記導管が、それらの下
    流端で、部分酸化反応器中の反応区域に通じ、前記中央
    導管が、反応区域に通じる減径ノズルで終端し、前記ノ
    ズルが、前記反応区域から包囲する冷却液ジャケットの
    中へと軸方向に後退し、該ジャケットが、完全に閉じた
    端部を有する同軸方向に並べられた部材であり、その上
    流端に取り付けられた冷却液供給管路及び冷却液戻り管
    路と、前記ジャケットの内部を、入力冷却液流路と、出
    力冷却液流路とに分割する環状の同軸方向に並べられた
    内部バッフルとを有し、前記流路が、互いに及び前記中
    央導管と同軸方向に並び、前記バッフルがほぼ前記ジャ
    ケットの下流閉鎖端まで延び、前記ジャケットに対して
    内側に、前記入力及び出力冷却液流路を形成し、前記ジ
    ャケットの前記下流閉鎖端が、周囲と一致し、前記中央
    導管から離れた可能な限り小さな表面積を有し、前記中
    央導管のノズルが、前記ノズルからの物質の噴霧が前記
    ジャケットの内壁に接することを避けるよう可能な限り
    前記ジャケットの下流端の中に後退され、該ジャケット
    の内壁と該中央導管との間の環が、該ノズルに通して反
    応区域に抜くことができる高圧で比較的不活性のガスの
    供給源をその上流端に供給される同軸方向に並んだ環状
    のガスブラスト通路を形成しているバーナ。
  2. 【請求項２】前記中央の導管が、前記ノズルの前記ガス
    ブラスト通路の中で中央位置を維持するための同軸方向
    に並べられた肩を前記ノズル端よりも上流側に有する請
    求項１記載のバーナ。
  3. 【請求項３】前記冷却液ジャケット及び内部バッフルの
    形状が、前記冷却液供給管路からの冷却液が、まず前記
    ジャケットの外壁に沿ってその下流端に送られたのち、
    その内壁に沿って前記冷却液戻り管路に送られるような
    形状である請求項２記載のバーナ。
  4. 【請求項４】前記中央導管の前記ノズルが前記冷却液ジ
    ャケットの下流端から2.5mm〜21.6mm後退している請求
    項３記載のバーナ。
  5. 【請求項５】前記中央導管の前記ノズルが前記冷却液ジ
    ャケットの下流端から7.6mm〜10.2mm後退している請求
    項４記載のバーナ。
  6. 【請求項６】バーナの表面に対する前記粒子の拡散を制
    限するために窒素ガスの連続流が該ガスブラスト通路中
    に維持されている請求項４記載のバーナ。
  7. 【請求項７】窒素ガスの音速ブラストがまた周期的に前
    記ガスブラスト通路の中に導入されて、バーナの表面に
    形成するかもしれない付着物を除去する請求項６記載の
    バーナ。
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