特開 2024-67981 先混合型水素ガスバーナ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024067981

(43)【公開日】2024-05-17

(54)【発明の名称】先混合型水素ガスバーナ

(51)【国際特許分類】

   F23D 14/22 20060101AFI20240510BHJP

   F23D 14/84 20060101ALI20240510BHJP

   F23C 99/00 20060101ALI20240510BHJP

   F23Q 9/00 20060101ALI20240510BHJP

【ＦＩ】

F23D14/22 E

F23D14/84 D

F23C99/00 323

F23C99/00 315

F23Q9/00 M

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022178448

(22)【出願日】2022-11-07

(71)【出願人】

【識別番号】505229472

【氏名又は名称】株式会社日本サーモエナー

(74)【代理人】

【識別番号】100129540

【弁理士】

【氏名又は名称】谷田 龍一

(74)【代理人】

【識別番号】100137648

【弁理士】

【氏名又は名称】吉武 賢一

(72)【発明者】

【氏名】三浦 智郎

(72)【発明者】

【氏名】正野 孝幸

(72)【発明者】

【氏名】青木 芳文

【テーマコード（参考）】

3K019

3K065

【Ｆターム（参考）】

3K019AA06

3K019BA02

3K019BB04

3K019CA03

3K065TA01

(57)【要約】

【課題】 ＮＯｘ排出量を低減し、水素燃料に適した先混合型水素ガスバーナを提供する。
【解決手段】 先混合型水素ガスバーナ１は、円筒状の送風管２と、送風管２内にはみ出さないように設けられた円板状の整流板３と、整流板３を貫通し、先端が閉じられた筒状先端部の周壁に複数のガスポート４ｂを有するガスノズル４と、送風管２の外側に配設されたパイロットバーナ５と、ガスノズル４の外周面と整流板３との間に設けられた一次空気通路７と、整流板３に放射状に配列された複数の通孔８ａの列からなる二次空気通路８と、整流板３の外周縁と送風管２の内周面との間に設けられた円環状の三次空気通路９と、を備え、ガスポート４ｂは、二次空気通路８の隣り合う列の方向の間の方向を向くように設けられ、パイロットバーナ５の噴出口５ａは、送風管２の先端２ａと隣り合うとともに二次空気通路８の隣り合う列間に配置され、且つ、ガスノズル４の中心軸４Ｙに向く。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

円筒状の送風管と、
前記送風管の噴出口内に、前記噴出口からはみ出さないように設けられた円板状の整流板と、
前記整流板を貫通し、先端が閉じられた筒状先端部の周壁に複数のガスポートを有するガスノズルと、
前記送風管の外側に配設されたパイロットバーナと、
前記ガスノズルの外周面と前記整流板との間に設けられた間隙からなる一次空気通路と、
前記整流板に放射状に配列された複数の通孔の列からなる二次空気通路と、
前記整流板の外周縁と前記送風管の内周面との間に設けられた円環状の間隙からなる三次空気通路と、
を備え、
前記複数のガスポートは、前記二次空気通路の前記通孔の隣り合う列の方向の間の方向を向くように設けられ、
前記パイロットバーナの噴出口は、前記送風管の先端と隣り合うとともに、前記二次空気通路の通孔の隣り合う列間に配置され、且つ、前記ガスノズルの中心軸に向くように設けられている、
先混合型水素ガスバーナ。

【請求項2】

前記一次空気通路、前記二次空気通路、前記三次空気通路の順に、通路面積が大きくなるように構成されている、請求項１に記載の先混合型水素ガスバーナ。

【請求項3】

前記整流板の外側面と前記送風管の先端との距離が０～１５ｍｍである、請求項１に記載の先混合型水素ガスバーナ。

【請求項4】

前記ガスノズルの外径が前記送風管の内径の１５～２５％であり、前記整流板から前記ガスポートの中心迄の距離が、前記送風管の内径の２５～３５％である、請求項１に記載の水素ガス用先混合式ガスバーナ。

【請求項5】

前記一次空気通路の通路面積の全空気通路面積に対する比率が１５～２５％であり、前記二次空気通路の通路面積の全空気通路面積に対する比率が２５～３５％であり、前記三次空気通路の通路面積の全空気通路面積に対する比率が４５～５５％である、請求項２に記載の先混合型水素ガスバーナ。

【請求項6】

前記送風管が連通状に設けられるウィンドボックスを更に備え、
前記ウィンドボックスは、燃焼用空気が供給される空気供給口を備え、
前記パイロットバーナが、前記ウィンドボックスの空気供給口と前記送風管の軸線を挟んで反対側に配設されている、
請求項１に記載の先混合型水素ガスバーナ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、先混合型の水素ガスバーナに関する。

【背景技術】

【0002】

水素は燃焼の際に二酸化炭素を生じないため、ボイラ等の燃焼装置に用いる燃料として注目されている（特許文献１）。水素は、プロパン等の炭化水素ガスと比べ、燃焼速度が速く、火炎温度も高いため、ＮＯｘの排出量が増加する傾向にある。

【0003】

ボイラ等では、燃焼室に蒸気を吹き込んだり、燃焼中に水分を添加し、火炎温度を低下させてＮＯｘの低減を図る方法（特許文献１等）があるが、排ガス量が増えるため熱損失が増える（ボイラ効率が低下する。）。

【0004】

また、排ガスの一部を燃焼空気に混入して酸素分圧を下げるとともに、燃焼ガスの熱容量を増加させ、火炎温度を低下させてＮＯｘ低減を図る方法（非特許文献１等）もあるが、送付機が大型化することや、燃焼が不安定になる等の問題がある。そのため、先混合型ガスバーナの構造を改良し、自己排ガス再循環や分割火炎等の処置を施し、ＮＯｘ低減を図る方法（特許文献２、３等）が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２０－２６９２１号公報

【特許文献2】特開平５－１１３２０６号公報

【特許文献3】特開２００３－２５４５１２号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】日本マリンエンジニアリング学会誌 第46巻 第６号（2011）、「舶用機関におけるEGR（排ガス再循環）によるNOx低減技術」、古東文哉著

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、従来の先混合型ガスバーナの構造を改良したものは、燃焼速度の遅い都市ガス等を燃料に想定した構造であるため、燃焼速度が速い水素燃料に使用すると、水素が拡散する前に燃焼が一気に進んで火炎温度が高温となるためＮＯｘの排出量が増加するとともに、バーナ近傍で高温の火炎を形成してバーナを損傷するため、水素燃料の使用に適さない。

【0008】

そこで、本発明は、ＮＯｘ排出量を低減し、水素燃料に適した先混合型水素ガスバーナを提供することを主たる目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る先混合型水素ガスバーナは、円筒状の送風管と、前記送風管の噴出口内に、前記噴出口からはみ出さないように設けられた円板状の整流板と、前記整流板を貫通し、先端が閉じられた筒状先端部の周壁に複数のガスポートを有するガスノズルと、前記送風管の外側に配設されたパイロットバーナと、前記ガスノズルの外周面と前記整流板との間に設けられた間隙からなる一次空気通路と、前記整流板に放射状に配列された複数の通孔の列からなる二次空気通路と、前記整流板の外周縁と前記送風管の内周面との間に設けられた円環状の間隙からなる三次空気通路と、を備え、前記複数のガスポートは、前記二次空気通路の前記通孔の隣り合う列の方向の間の方向を向くように設けられ、前記パイロットバーナの噴出口は、前記送風管の先端と隣り合うとともに、前記二次空気通路の通孔の隣り合う列間に配置され、且つ、前記ガスノズルの中心軸に向くように設けられている。

【0010】

前記一次空気通路、前記二次空気通路、及び、前記三次空気通路は、その順に、通路面積が大きくなるように構成され得る。

【0011】

前記整流板の外側面と前記送風管の先端との距離は、０～１５ｍｍとし得る。

【0012】

前記ガスノズルの外径を前記送風管の内径の１５～２５％とし、前記整流板から前記ガスポートの中心迄の距離を、前記送風管の内径の２５～３５％とし得る。

【0013】

前記一次空気通路の通路面積の全空気通路面積に対する比率を１５～２５％、前記二次空気通路の通路面積の全空気通路面積に対する比率を２５～３５％、前記三次空気通路の通路面積の全空気通路面積に対する比率を４５～５５％とし得る。

【0014】

前記送風管が連通状に設けられるウィンドボックスを更に備え、前記ウィンドボックスは、燃焼用空気が供給される空気供給口を備え、前記パイロットバーナが、前記ウィンドボックスの空気供給口と前記送風管の軸線を挟んで反対側に配設され得る。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、上記構成を採用したことにより、一次空気通路から流出した一次空気は、ガスノズルの周囲をガスノズルに沿って流れ、ガスポートから噴出した水素ガスと混合しながら水素ガスを前方へ押し出し、二次空気通路から流出した二次空気は、放射状に噴出する水素ガスを分断するように流れ、三次空気通路から噴出した三次空気は、整流板の二次空気通路の通孔の隣り合う列の方向の間に沿うように中心軸方向に巻き込むような流れを形成し、その後一部の三次空気は一次空気と合流する。また、三次空気の中心軸方向に巻き込むような流れは、燃焼ガスの循環流（図５）を形成するため、一部の三次空気は、燃焼ガスと合流する。この一次～三次空気の一連の流れが、ガスノズルの先端側での最適な分割火炎の形成と、自己排ガス再循環を形成し、局所的な高温部を作ることなく緩慢な燃焼となるため、ＮＯｘが抑制される。

【0016】

また、パイロットバーナの先端がメインバーナの火炎に衝突しないように配置されているため、焼損のおそれがない。従来の化石燃料用のガスバーナでパイロットバーナをこのように配置するとメインバーナへの火移りが悪くなるが、水素燃料は化石燃料に比べて着火性が良い（燃焼範囲が広い）ことと、燃焼用空気が三次空気通路の側から一次空気通路の側へ巻込むような流れが生じるため、パイロットバーナの火炎が整流板に沿い、ガスポートの近傍で火炎を形成するため火移りが良くなるため、本発明におけるパイロットバーナの配置構成が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明に係る先混合型水素ガスバーナの一実施形態を示す縦断側面図である。

【図2】図１の先混合型水素ガスバーナの正面図である。

【図3】本発明に係る先混合型水素ガスバーナの流体解析画像である。

【図4】本発明に係る先混合型水素ガスバーナの流体解析画像である。

【図5】本発明に係る先混合型水素ガスバーナの流体解析画像である。

【図6】本発明に係る先混合型水素ガスバーナの流体解析画像である。

【図7】本発明に係る先混合型水素ガスバーナの流体解析画像である。

【図8】本発明に係る先混合型水素ガスバーナの流体解析画像である。

【図9】本発明に係る先混合型水素ガスバーナの流体解析画像である。

【図10】本発明に係る先混合型水素ガスバーナの流体解析画像である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本発明に係る先混合型水素ガスバーナの一実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明において、全図及び全実施形態を通じて同一又は類似の構成部分には同符号を付している。

【0019】

図１及び図２を参照して、先混合型水素ガスバーナ１は、燃焼用空気Ａを送る送風管２と、送風管２の噴出口２ａ内に噴出口２ａからはみ出さないように設けられた整流板３と、整流板３を貫通し先端４ａが閉じられた筒状先端部の周壁に複数のガスポート４ｂを有するガスノズル４と、送風管２の外側に配設されたパイロットバーナ５と、を備える。

【0020】

送風管２は、円筒状であり、ウィンドボックス６に連通接続されている。送風管２は、ブラスト管とも呼ばれる。ウィンドボックス６には、燃焼用空気の空気供給口６ａにエアダンパ６ｂが設けられ、エアダンパ６ｂによって燃焼用空気Ａの供給量を調節することができる。水素ガスＨＧが供給されるガスノズル４は、ウィンドボックス６を貫通し、ウィンドボックス６及び送風管２の内部を通っている。ガスノズル４は、図１に示すようにウィンドボックス６の底面を貫通させてウィンドボックス６内を真っ直ぐ伸びて整流板３の中心部を貫通する態様とするほか、ウィンドボックス６の側面を貫通してウィンドボックス６内で直角に曲がり、整流板３を貫通する態様とすることもできる（図４参照）。ガスノズル４の中心軸Ｙは、整流板３の中心を通っている。

【0021】

ガスノズル４の外周面と整流板３の内周縁との間に、一次空気通路７を構成する環状の間隙が設けられている。整流板３は、円板状であり、放射状に配列された複数の通孔８ａの列により構成される二次空気通路８が設けられている。複数の通孔８ａは、同心円上に形成されている。円板状の整流板３の外周縁と円筒状の送風管２の内周面との間に、三次空気通路９を構成する円環状の間隙が設けられている。整流板３の内周縁と外周縁には、心出しのための突起３ａ、３ｂが形成され得る。これらの心出しの突起３ａ、３ｂは、整流板３の中心を中心軸Ｙに一致させることができればよく、微小な突起とされる。

【0022】

ウィンドボックス６に供給された燃焼用空気Ａは、一次空気通路７、二次空気通路８、及び三次空気通路９からそれぞれ噴出する。整流板３は、ブラケット１０によりガスノズル４に固定することができる。

【0023】

整流板３は、送風管２の噴出口２ａ内に噴出口２ａからはみ出さないように、送風管２の噴出口２ａの端縁と面一になるか、噴出口２ａの端縁の近傍に配置される。整流板３が、送風管２の噴出口２ａよりはみ出していると、三次空気通路９から噴出する三次空気が送風管２の半径方向外側に噴出するため、好ましくない。

【0024】

整流板３の外側面と送風管２の先端との距離Ｈは、好ましくは０～１５ｍｍ、より好ましくは０～５ｍｍである。距離Ｈが１５ｍｍを超えると、送風管２内で保炎するようになり、ＮＯｘの排出量が増加し、整流板３も焼損し易くなるため好ましくない。

【0025】

ガスポート４ｂは、ガスノズル４の閉鎖された先端４ａの近傍に設けられ、各ガスポート４ｂの中心軸４Ｘ、即ち、水素ガスＨＧの噴射方向が、二次空気通路８の通孔８ａの隣り合う列の方向の間の方向を向くように設けられている。図示例のガスポート４ｂは、ガスノズル４の中心軸４Ｙを中心として等角度間隔（６０°間隔）で６個形成されている。また、ガスポート４ｂは、図２に示すように、通孔８ａの隣り合う列の中間位置、好ましくは、通孔８ａの隣り合う列の中心角αを２等分する位置に設けられている。ガスノズル４の先端部は、パイプの先端を塞いだだけのシンプルな構造である。ガスポート４ｂの個数及び配置間隔は適宜設定することができる。

【0026】

図示例では、整流板３には、３個の通孔８ａの列が放射状に６列、整流板３の中心を中心角として等角度間隔（６０°間隔）で形成されている。二次空気通路８の通孔８ａの列は、ガスポート４ｂの数に応じて設けられ、ガスポート４ｂの噴射方向と交互に設けられている。

【0027】

ガスノズル４の外径φｄは、送風管２の内径φＤの１５～２５％とすることが好ましく、より好ましくは１５～２０％である。φｄ／φＤが１５％より小さいと、隣り合うガスポート４ｂからの水素ガスＨＧの噴射が近づき、最適な分割火炎を形成できなくなり、ＮＯｘの発生量が上昇する。一方、φｄ／φＤが２５％を超えると、隣り合うガスポート４ｂからの水素ガスＨＧ噴射が離れ、水素と燃焼用空気との混合が悪くなり、未燃水素が発生しやすくなる。

【0028】

整流板３からガスポート４ｂの中心迄の距離ｈは、送風管２の内径φＤの２５～３５％とすることが好ましく、より好ましくは、２５～３０％である。距離ｈが内径φＤの２５％より小さくなると、火炎が整流板３の近傍で保炎するようになり、燃焼が一機に進むため、ＮＯｘの排出量が増加し、整流板３も損傷するからである。一方、距離ｈが内径φＤの３５％より大きくなると、水素と燃焼用空気との混合が悪くなり、未燃水素が発生しやすくなるからである。

【0029】

ガスノズル４のノズル内部に送られた水素ガスは、閉鎖された先端４ａに衝突して、ガスノズル４の中心軸４Ｙを中心とする半径方向外側に噴出する。一次空気通路７から流出した一次空気は、ガスノズル４の周囲をガスノズル４に沿って流れ、ガスポート４ｂから噴出した水素ガスと直角に近い角度で衝突して急速に混合しながら水素ガスを前方へ押し出し、二次空気通路８から流出した二次空気は、放射状に噴出する水素ガスＨＧを仕切るエアカーテンを形成するように流れ、薄い円環状の三次空気通路９から噴出した三次空気は、二次空気通路８から流出した二次空気の流れの間を、一次空気通路７から流出した一次空気の流れの方へ引き寄せられ、整流板３に沿うようにガスノズル４の中心軸方向に巻き込むような流れを形成し、その後、一部の三次空気は、一次空気と合流する。また、三次空気の中心軸方向に巻き込むような流れは、火炉（図示せず。）の内部において、燃焼ガスの循環流（図５参照）を形成するため、一部の三次空気は、燃焼ガスと合流する。この一次～三次空気の一連の流れが、ガスノズル４の先端側での綺麗な分割火炎の形成と、自己排ガス再循環を形成し、局所的な高温部を作ることなく緩慢な燃焼となるため、ＮＯｘが抑制される。この一連の流れは、燃焼負荷が低下した場合であっても変わらないため、ガスバーナの特殊な構造は不要となる。ここで、自己排ガス再循環とは、燃焼用空気の噴出エネルギにより炉内の燃焼ガスを誘引し燃焼用空気と混合させることである。

【0030】

一次空気通路７、二次空気通路８、三次空気通路９は、その順に通路面積が大きくなるように構成されている。好ましくは、一次空気通路７の通路面積Ｓ１の全空気通路面積Ｓに対する比率Ｓ１／Ｓが１５～２５％、二次空気通路８の通路面積Ｓ２の全空気通路面積Ｓに対する比率Ｓ２／Ｓが２５～３５％、三次空気通路９の通路面積Ｓ３の全空気通路面積Ｓに対する比率Ｓ３／Ｓが４５～５５％である。

【0031】

一次空気通路７、二次空気通路８、三次空気通路９は、その順に通路面積を大きくすることで、一気に燃焼が進むことなく、且つ、全通路面積の約半分を占める三次空気通路９から噴出して中心軸Ｙ方向に向かう流れが、火炎外側に形成される燃焼ガスの循環流を促進する（排ガス再循環する）ことにより、緩慢な燃焼となり、また、二次空気通路８がガスポート４ｂの数に応じて放射状に分割配置されているため分割火炎を促進し、更に、ガスノズル４の先端部は、保炎板のようなガスの流れを遮るものが無く、ストレートな筒状で保炎し難い構造であるため、局所的な高温部も発生しないためＮＯｘの排出量を低減することができる。

【0032】

パイロットバーナ５は、点火用の元混合式バーナであり、ノズル内で燃料ガスＰＧと燃焼用空気ＰＡとが混合された混合ガスに、内蔵された点火装置１１によって点火し、火炎を噴出させる。パイロットバーナ５の燃料ガスＰＧは、化石燃料（都市ガス１３Ａ、プロパンガス等）としてもよいし、水素燃料としてもよい。

【0033】

パイロットバーナ５の噴出口５ａは、図１に示されるように送風管２の先端と隣り合って配置されるとともに、図２に示されるように二次空気通路８の隣り合う通孔８ａの列間に配置され、且つ、ガスノズル４の中心軸４Ｙに向けられている。パイロットバーナ５の先端の噴出口５ａがメインバーナの火炎に衝突しないように配置されているため、パイロットバーナ５の焼損のおそれがない。従来の化石燃料用のガスバーナでパイロットバーナをこのように配置するとメインバーナへの火移りが悪くなるが、水素燃料は化石燃料に比べて着火性が良い（燃焼範囲が広い）ことと、本発明に係る先混合式水素ガスバーナの上記構成を採用することにより、燃焼用空気が三次空気通路９の側から一次空気通路の側へ巻込むような流れが生じるため、パイロットバーナ５の火炎が整流板３に沿い、ガスポート４ｂの近傍で火炎を形成するため火移りが良くなるため、本発明におけるパイロットバーナ５の配置構成が実現できる。

【0034】

パイロットバーナ５は、図示例のように、ウィンドボックス６の空気供給口６ａと送風管２の軸線（ガスノズル４の中心軸４Ｙと一致する。）を挟んで反対側に配設されることが好ましい。ウィンドボックス６内の空気の編流により、燃焼用空気Ａの三次空気通路９側から一次空気通路７側へ巻込む流れが強く形成されるためである。

【0035】

整流板３からガスポート４ｂの中心軸４Ｘ迄の距離ｈと送風管２の内径φＤとについて行った流体解析の解析結果を図３～図８に示す。図３及び図４はｈ／φＤ＝２５％、図５及び図６はｈ／φＤ＝３０％、図７及び図８はｈ／φＤ＝３５％である。図３、図５及び図７は、図２のＭ－Ｍ断面に相当し、図４、図６、及び図８は、図２のＮ－Ｎ断面に相当する。図３～図８の結果から、ｈ／φＤ＝２５％になると三次空気の巻込みがガスポートから噴出した水素の流れに干渉してくることにより混合が良化し、整流板の近傍で保炎し始めるため部分的な高温部が生じ、ＮＯｘが上昇し、整流板も損傷し易くなることから、ｈ／φＤ≧２５％が好ましい。また、ｈ／φＤ＝３５％になると、三次空気の巻込みとガスポートから噴出した水素の流れが離れすぎることで混合が悪化し、水素の未燃分が発生し易くなるため、ｈ／φＤ≦３５％とすることが好ましい。

【0036】

次にメイン燃焼の燃焼負荷を２０％について行った流体解析の解析結果を図９及び図１０に示す。図９は図２のＭ－Ｍ断面に相当し、図１０は図２のＮ－Ｎ断面に相当する。ｈ／φＤ＝３０％とした。図９及び図１０の結果は、燃焼負荷を２０％迄下げた場合でも、局所的な高温部を発生させることがないため、バーナを赤熱させることによる損傷を防ぎ、ＮＯｘの発生も抑制し得ることを示す。

【0037】

本発明は、上記実施形態に限定解釈されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

【符号の説明】

【0038】

１ 先混合型水素ガスバーナ
２ 送風管
３ 整流板
４ ガスノズル
５ パイロットバーナ
６ ウィンドボックス
７ 一次空気通路
８ 二次空気通路
９ 三次空気通路
ＨＧ 水素ガス
Ａ 燃焼用空気

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】