特開 2024-8050 燃焼装置

(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】P2024008050

(43)【公開日】2024-01-19

(54)【発明の名称】燃焼装置

(51)【国際特許分類】

   F23K 5/00 20060101AFI20240112BHJP

   F23D 14/22 20060101ALI20240112BHJP

   F23L 15/00 20060101ALI20240112BHJP

【ＦＩ】

F23K5/00 303

F23D14/22 D

F23L15/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022109559

(22)【出願日】2022-07-07

(71)【出願人】

【識別番号】000211123

【氏名又は名称】中外炉工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100129791

【弁理士】

【氏名又は名称】川本 真由美

(74)【代理人】

【識別番号】100144200

【弁理士】

【氏名又は名称】奥西 祐之

(74)【代理人】

【氏名又は名称】鈴木 知

(72)【発明者】

【氏名】河本 祐作

(72)【発明者】

【氏名】田口 脩平

(72)【発明者】

【氏名】仲井 和成

(72)【発明者】

【氏名】大倉 莉奈

【テーマコード（参考）】

3K019

3K023

3K068

【Ｆターム（参考）】

3K019AA02

3K019BA04

3K019BB01

3K019BD01

3K019BD03

3K019CA00

3K023QA16

3K023QB03

3K023QC01

3K023QC08

3K068AA01

3K068AB19

3K068AB21

3K068BB05

(57)【要約】

【課題】簡単な構成であって、アンモニア燃料などの低発熱量燃料を良好に燃焼させることが可能な燃焼装置を提供する。
【解決手段】予熱された燃焼用空気が供給される燃焼空気管３と、燃焼空気管の内部に設けられ、供給される低発熱量燃料を噴出して燃焼空気管内で燃焼させる燃料ノズル２とを備え、燃料ノズルと燃焼空気管との間に、燃焼用空気で燃料ノズル内の低発熱量燃料を加熱する燃焼空気流路５が区画形成される。燃料ノズルの外周面２ｂには、燃焼空気流路に位置させて、熱伝達用のフィン２ｃが設けられる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

予熱された燃焼用空気が供給される燃焼空気管と、
該燃焼空気管の内部に設けられ、供給される低発熱量燃料を噴出して該燃焼空気管内で燃焼させる燃料ノズルとを備え、
該燃料ノズルと上記燃焼空気管との間に、燃焼用空気で燃料ノズル内の低発熱量燃料を加熱する燃焼空気流路が区画形成されることを特徴とする燃焼装置。

【請求項2】

前記燃料ノズルの外面には、前記燃焼空気流路に位置させて、熱伝達用のフィンが設けられることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。

【請求項3】

前記燃料ノズルの燃料噴出部の近傍には、前記燃焼空気流路を狭めるバッフルプレートが設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼装置。

【請求項4】

前記バッフルプレートの外回りに当該バッフルプレートから間隔を隔てて前記燃焼空気流路に設けられ、該燃焼空気流路の燃焼用空気を前記燃焼空気管に沿って直進させるスリーブが設けられることを特徴とする請求項３に記載の燃焼装置。

【請求項5】

前記燃焼空気管は、燃焼用空気を予熱するレキュペレータを有するラジアントチューブであることを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼装置。

【請求項6】

前記低発熱量燃料がアンモニア燃料であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、簡単な構成であって、アンモニア燃料などの低発熱量燃料を良好に燃焼させることが可能な燃焼装置を提供する。

【背景技術】

【0002】

二酸化炭素の排出量を削減するための燃焼燃料として注目されているアンモニアを燃焼させる技術に関し、特許文献１～４が知られている。

【0003】

特許文献１の「低燃焼性燃料燃焼装置」は、低燃焼性燃料を噴出させる噴出口が設けられた燃料供給管の外周側に、一次燃焼用空気を燃料供給管の外周に沿って旋回させながら燃料供給管の送り方向前方に導く一次空気供給管を設けると共に、一次空気供給管の送り方向下流側の外周側に、二次燃焼用空気を一次空気供給管の外周に沿って旋回させながら一次空気供給管の送り方向前方に導く二次空気供給管を設けるようにしている。

【0004】

特許文献２の「低燃焼性燃料燃焼装置」は、燃焼用空気を導く空気案内管の中央部に、低燃焼性燃料を供給する燃料供給管を設け、この燃料供給管の先端部の外周に前記の低燃焼燃料を外周側に噴出させる放射状噴出口を設け、この放射噴出口よりも燃料供給管の下流側の外周に一次燃焼管を設け、燃料供給管の先端部の外周と一次燃焼管の内周との間に旋回用内羽根を設け、さらに一次燃焼管の下流側の先端部の外周と前記の空気案内管の内周との間に旋回用外羽根を設けて構成されている。

【0005】

特許文献３の「低発熱量ガス燃料用予混合バーナー装置」は、低発熱量高発熱量ガス燃料の一方又は双方を燃焼させる予混合バーナー装置であって、高発熱量ガスと低発熱量ガスとを供給するガス供給装置と、上記ガスを所定流速で受け一次空気を導入してガス流と混合させるバーナー管と、長い狭い長方形梯形断面で狭い巾を下流側としたバーナーヘッドと、バーナーヘッドの寸法より大きな巾としてバーナーヘッドと同じ方向にテーパした側壁を有する開口を形成した炉と、バーナーヘッドを上記開口に挿入して炉床より下方にバーナー装置を支持する手段と、上記開口内のバーナーヘッドの垂直相対位置調整手段とを備えて構成されている。

【0006】

特許文献４の「超低発熱量ガス燃焼装置」は、蓄熱体を通して燃焼用空気又は処理ガスもしくは予混合ガスの供給及び燃焼ガスの排出を行い蓄熱体に対する燃焼排ガス及び燃焼用空気や処理ガスなどの流れを相対的に切り替えて燃焼排ガスで加熱された蓄熱体を通して高温の燃焼用空気や処理ガスなどを供給する１組の蓄熱型バーナシステムを炉体に設置し、燃焼用空気や処理ガス又は燃焼用空気と処理ガスの双方の、予混合ガスを、蓄熱体との短時間の直接熱交換により高い温度効率で高温に予熱してから供給し、高温の燃焼用空気や処理ガス若しくは燃焼用空気と処理ガスの双方か予混合ガスが保有するエンタルピーによって火炎を維持するために必要な熱量を補って、４００Ｋｃａｌ／Ｎｍ３以下の低い発熱量の処理ガス中の可燃性物質の燃焼あるいは有臭成分を安定燃焼させるようにしている。

【0007】

燃焼用空気を予熱する技術として、特許文献５が知られている。特許文献１の「ラジアントチューブ式加熱装置のレキュペレータ保護方法」は、ラジアントチューブ式加熱装置において、レキュペレータを、ラジアントチューブ内において該レキュペレータの先端部が炉壁の炉内側の面から突出しない位置まで該ラジアントチューブに挿入すると共に、ラジアントチューブ内おけるレキュペレータの先端部よりも炉内側に、ラジアントチューブからの輻射熱を遮る遮断部とバーナーの排ガスを流通させる流通部とを有する耐火部材を、該レキュペレータの先端部に接触しない程度に近接させて配設するようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０２２－１２９２７号公報

【特許文献2】特許第６９０６８８１号公報

【特許文献3】特開昭５５－１３４２１４号公報

【特許文献4】特開平６－２４１４３１号公報

【特許文献5】特開２０１１－９４９００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

アンモニア燃料などの低発熱量燃料は、で大変燃えにくい。その対応策として、特許文献１では、低燃焼性燃料を噴出させる噴出口が設けられた燃料供給管の外周側に、燃焼用空気を燃料供給管の外周に沿って旋回させながら燃料供給管の送り方向前方に導くようにしている。

【0010】

特許文献２では、燃料供給管の放射状噴出口よりも下流側の外周に一次燃焼管を設け、燃料供給管の先端部と一次燃焼管の内周との間、及び、一次燃焼管の下流側の先端部との空気案内管の内周との間にそれぞれ旋回用の羽根を設けている。

【0011】

特許文献３では、低発熱量ガス燃料を燃焼させるバーナー装置に予熱された燃焼用空気を導入するようにし、また、特許文献４では、超低発熱量ガス燃焼装置が備えるバーナーに燃焼用空気を予熱してから供給するようにしている。

【0012】

燃料供給管の外周に沿って燃焼用空気を旋回させながら導入する、あるいは旋回用の羽根を設けて低発熱量燃料と燃焼用空気とを攪拌すると、燃焼用空気の旋回により火炎が広がってしまい、遠くまで届きにくい。

【0013】

また、バーナー構造が複雑になって製造が困難であり、コストも嵩むという課題があった。

【0014】

燃焼用空気を予熱し、燃料供給管の外周に沿って旋回させながら導入すると、燃料と激しく反応して、過剰な燃焼となってしまうという課題があった。

【0015】

本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、簡単な構成であって、アンモニア燃料などの低発熱量燃料を良好に燃焼させることが可能な燃焼装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0016】

本発明にかかる燃焼装置は、予熱された燃焼用空気が供給される燃焼空気管と、該燃焼空気管の内部に設けられ、供給される低発熱量燃料を噴出して該燃焼空気管内で燃焼させる燃料ノズルとを備え、該燃料ノズルと上記燃焼空気管との間に、燃焼用空気で燃料ノズル内の低発熱量燃料を加熱する燃焼空気流路が区画形成されることを特徴とする。

【0017】

前記燃料ノズルの外面には、前記燃焼空気流路に位置させて、熱伝達用のフィンが設けられることを特徴とする。

【0018】

前記燃料ノズルの燃料噴出部の近傍には、前記燃焼空気流路を狭めるバッフルプレートが設けられることを特徴とする。

【0019】

前記バッフルプレートの外回りに当該バッフルプレートから間隔を隔てて前記燃焼空気流路に設けられ、該燃焼空気流路の燃焼用空気を前記燃焼空気管に沿って直進させるスリーブが設けられることを特徴とする。

【0020】

前記燃焼空気管は、燃焼用空気を予熱するレキュペレータを有するラジアントチューブであることを特徴とする。

【0021】

前記低発熱量燃料がアンモニア燃料であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0022】

本発明にかかる燃焼装置にあっては、予熱された燃焼用空気で低発熱量燃料を加熱する燃料ノズルを備えるという簡単な構成であって、アンモニア燃料などの低発熱量燃料を良好に燃焼させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明にかかる燃焼装置の第１実施形態を示す側断面図である。

【図2】本発明にかかる燃焼装置の第２実施形態を示す断面図である。

【図3】図２に示した燃焼装置を正面方向から見た断面図である。

【図4】本発明にかかる燃焼装置の第３実施形態を示す断面図である。

【図5】図４に示した燃焼装置を正面方向から見た断面図である。

【図6】図４に示した燃焼装置を組み込んだラジアントチューブバーナの一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下に、本発明に係る燃焼装置の好適な実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。

【0025】

第１実施形態に係る燃焼装置１は、図１に示すように、アンモニア燃料などの低発熱量燃料を供給する燃料ノズル２と、燃料ノズル２の外側に、燃料ノズル２と同軸に配置されて設けられ、予熱された燃焼用空気が供給される燃焼空気管３とを備えている。

【0026】

すなわち、この燃焼装置１は、予熱された燃焼用空気が供給される燃焼空気管３と、燃焼空気管３の内部に設けられ、供給される低発熱量燃料を噴出して燃焼空気管３内で燃焼させる、管状の燃料ノズル２とを備え、燃料ノズル２と燃焼空気管３との間には、燃焼用空気で燃料ノズル２内の低発熱量燃料を加熱する燃焼空気流路５が区画形成される。

【0027】

燃料ノズル２は、例えばステンレスなどの耐熱金属のような熱伝導性が良好な材質で形成される。

【0028】

燃料ノズル２には、低発熱量燃料及び燃焼用空気の流通方向（以下、流通方向という）における下流側の先端に、低発熱量燃料を燃焼空気管３の内部に噴出する燃料噴出部２ａが設けられている。

【0029】

燃料ノズル２の外周面２ｂには、放射状もしくは環状に突出する熱伝達用のフィン２ｃが、燃料ノズル２の長さ方向（流通方向）に適宜間隔を空けて、かつ燃焼空気流路５に位置させて、複数設けられる。尚、フィン２ｃは、必ずしも設けなくてもよい。

【0030】

燃焼空気管３は、内周面３ａが燃料ノズル２の外周面２ｂから間隔を空けて配置されており、これら燃焼空気管３の内周面３ａと燃料ノズル２の外周面２ｂとの間の、燃料ノズル２の先端である燃料噴出部２ａから反対側の基端である燃焼空気管３への取付基部２ｄまでの区間に、燃焼空気流路５が区画される。

【0031】

燃焼空気管３は、流通方向において、燃料ノズル２よりも下流側へ延出されている。

【0032】

燃焼空気管３からは、上流側において、燃料ノズル２が外部へ突出され、燃料ノズル２への低発熱量燃料の流量を調整する流量調整弁４が設けられる。

【0033】

燃焼空気管３には、予め加熱された燃焼用空気が供給される。燃焼用空気は、燃料ノズル２の外側の燃焼空気流路５を流通して、燃料噴出部２ａよりも下流側に向かって流通される。

【0034】

第１実施形態に係る燃焼装置１にあっては、低発熱量燃料の燃料ノズル２が熱伝導性の良好な材質で形成され、燃焼空気管３内には、予熱された燃焼用空気が供給され、この燃焼用空気が燃焼空気流路５に流通されるので、燃料ノズル２内の低発熱量燃料は、燃料ノズル２を介して、加熱された燃焼用空気によって昇温され、これにより燃焼しやすくなる。

【0035】

特に、アンモニア（ＮＨ３）の場合は、窒素と水素に分解され、水素によって非常に燃焼しやすくなる。

【0036】

すなわち、燃料ノズル２内の低発熱量燃料であるアンモニアが水素と窒素とに分解され易くなって、良好に燃焼させることができる。

【0037】

燃焼空気管３は、燃料ノズル２よりも下流側に延出されているので、燃料噴出部２ａから噴出される昇温された低発熱量燃料は、予熱されている燃焼用空気と混合される。これにより、低発熱量燃料による火炎Ｆを生じさせることができる。

【0038】

燃焼空気管３は、燃料ノズル２の外周側に、当該燃料ノズル２の外周面２ｂと間隔を空けて配置されているので、低発熱量燃料の噴出方向と同一方向に燃焼用空気が流通される。

【0039】

これにより、燃焼による火炎Ｆの広がる方向は、低発熱量燃料及び燃焼用空気の流通方向とが同じ向きとなり、例えば、燃焼用空気を旋回させて供給する場合よりも、火炎Ｆを直進方向へ、より遠くまで到達させることができる。

【0040】

燃料ノズル２の外周面２ｂには、燃焼空気流路５に位置するフィン２ｃが設けられているので、フィン２ｃにより、燃料ノズル２の表面積を増やして伝熱性能を向上することができて、低発熱量燃料を効率よく昇温し、そしてまたアンモニアであればその分解を促進することができる。

【0041】

第２実施形態に係る燃焼装置１は、図２及び図３に示されている。図２は、図３中、Ａ－Ａ線に沿う断面図である。

【0042】

図示するように、第２実施形態にかかる燃焼装置１は、第１実施形態に係る燃焼装置１の燃料ノズル２の燃料噴出部２ａの近傍に位置させて、外周面２ｂの全周に亘って設けられ、燃焼空気流路５を狭めるバッフルプレート７と、バッフルプレート７の外回りに、当該バッフルプレート７から燃焼空気管３側へ間隔を隔てて燃焼空気流路５に設けられ、燃焼空気流路５の燃焼用空気を燃焼空気管３に沿って直進させるスリーブ８とを備えている。

【0043】

スリーブ８は、燃料ノズル２の外周面２ｂ及び燃焼空気管３の内周面３ａのいずれとも間隔を空けて、燃焼空気管３及び燃料ノズル２の長さ方向に設けられる。

【0044】

スリーブ８は、流通方向における上流側の一端部８ａが燃料ノズル２に設けられたバッフルプレート７の外周面７ａに、スペーサー９を介して設けられる。

【0045】

スリーブ８の下流側の他端部８ｂは、燃料ノズル２の燃料噴出部２ａよりも下流側へ延出される。

【0046】

スリーブ８の内周面８ｃとバッフルプレート７の外周面７ａとの間に介在されるスペーサー９は、図示例では、バッフルプレート７の周方向における４か所に、等間隔で配置される。

【0047】

バッフルプレート７とスリーブ８との間であって、周方向に隣り合うスペーサー９同士の間には、燃焼空気流路５をスリーブ８の内方へ連通させる空隙Ｓが形成される。

【0048】

また、スリーブ８と燃焼空気管３との間には、燃焼空気流路５から燃焼空気管３の長さ方向に燃焼用空気が流れる流路６が形成される。

【0049】

燃焼空気流路５を流通する燃焼用空気は、燃料ノズル２の外側を流通し、バッフルプレート７によって、当該バッフルプレート７から取付基部２ｄまで区画された範囲で、燃焼用空気の流速が抑えられる。

【0050】

これにより、低発熱量燃料を加熱する時間を長く得ることができ、さらに高い温度に昇温することができて，低発熱量燃料が燃えやすくなる。

【0051】

また、燃焼用空気は、空隙Ｓ及び流路６とに分かれて、燃料噴出部２ａよりも下流側に向かって流通される。

【0052】

バッフルプレート７には、スリーブ８の内方へ向けて、燃料に着火するためのスパークプラグ１０が設けられる。

【0053】

第２実施形態に係る燃焼装置１にあっては、燃料ノズル２の先端（燃料噴出部２ａ）側に、燃料ノズル２の外周面２ｂから突出させてバッフルプレート７を設けているので、バッフルプレート７によって、燃焼空気管３（燃焼空気流路５）内を流れる燃焼用空気による低発熱量燃料の加熱時間を長くして、低発熱量燃料を燃えやすくすることができる。

【0054】

特に、アンモニア燃料の場合は、水素と窒素に分解する作用を促進することができる。

【0055】

従って、低発熱量燃料をより確実に、急速燃焼ではなく緩慢燃焼させて、良好に燃焼させることができる。

【0056】

バッフルプレート７の外回りにスリーブ８を備え、このスリーブ８の内側の空隙Ｓと外側の流路６双方に燃焼空気流路５から燃焼用空気を流通させることができ、空隙Ｓを流通する燃焼用空気によって低発熱量を燃焼させ、かつ流路６を流通してスリーブ８の下流側へ流出する燃焼用空気の流れによって、火炎Ｆを直進させて、より遠くまで到達させることができる。

【0057】

第３実施形態に係る燃焼装置１は、図４及び図５に示されている。図４は、図５中、Ｂ－Ｂ線に沿う断面図である。

【0058】

第２実施形態の燃焼装置１では、バッフルプレート７にスパークプラグ１０だけが設けられてる例について説明したが、第３実施形態にかかる燃焼装置１では、バッフルプレート７には、燃焼空気流路５からスリーブ８内方へ向けて燃焼用空気を流出させる通孔７ｂが設けられる。

【0059】

通孔７ｂを設けることにより、低発熱量燃料に与える燃焼用空気の量を増やしたり、また、通孔７ｂの大きさによって、流量を調節することができる。

【0060】

第３実施形態にかかる燃焼装置１では、燃焼用空気の予熱を簡易な構造で確保することができる。

【0061】

予熱された燃焼用空気を燃焼装置１に供給する方法の一例が図６に示されている。

【0062】

図６では、例えば第３実施形態の燃焼装置１に対して、燃焼用空気を高温の燃焼排ガスで予熱するレキュペレータ１１を有するラジアントチューブバーナ１２に用いた場合が示されている。

【0063】

ラジアントチューブバーナ１２では、ラジアントチューブ１２ａを燃焼空気管３として、燃焼装置１が組み込まれる。

【0064】

ラジアントチューブ１２ａの排気側には、ラジアントチューブ１２ａ内に熱交換用のチャンバ１３が設けられ、チャンバ１３内には、燃焼用空気供給管１４が設けられる。

【0065】

燃焼用空気供給管１４から供給される燃焼用空気は、チャンバ１３で予熱され、当該チャンバ１３の先端で折り返して流れ、流路１６を流通して、燃焼装置１に向かって流れる。

【0066】

そして、燃焼装置１において、低発熱量燃料との燃焼反応で火炎Ｆを生成し、燃焼排ガスとなってレキュペレータ１１へ向けて流れていく。

【0067】

燃焼排ガスは、チャンバ１３の外側を流通する際に、燃焼用空気供給管１４からの燃焼用空気と熱交換して、燃焼用空気を予熱する。

【0068】

ラジアントチューブバーナ１２は起動時、ラジアントチューブ１２ａ内の温度が低く、レキュペレータ１１で燃焼用空気を十分に予熱することが難しい。

【0069】

そこで、ラジアントチューブバーナ１２の起動時には、都市ガスなどの炭化水素系の化石燃料を用いて火炎Ｆを生成してラジアントチューブ１２ａ内の温度を高め、高温の燃焼排ガスを得た後、低発熱量燃料に切り替えることが好ましい。

【0070】

このため、図示例では、燃焼装置１の燃料ノズル２には、最初、化石燃料を供給し、その後、低発熱量燃料に切り替えるために、切替用バルブ１５ａ，１５ｂが備えられている。

【0071】

図６は、第３実施形態にかかる燃焼装置１を適用した場合を示しているが、第１及び第２実施形態にかかる燃焼装置１を適用して、ラジアントチューブバーナ１２を構成してもよいことはもちろんである。

【0072】

上述したように、本発明では、燃えにくい低発熱量燃料を簡単な構造で燃えやすくすることができる。

【0073】

アンモニア燃料の場合には、高温で分解した水素を得ることができ、低発熱量の燃料であっても、燃えやすくすることができる。

【0074】

また、上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはいうまでもない。

【符号の説明】

【0075】

１ 燃焼装置
２ 燃料ノズル
２ａ 燃料噴出部
２ｂ 外周面
２ｃ フィン
２ｄ 取付基部
３ 燃焼空気管
３ａ 内周面
４ 流量調整弁
５ 燃焼空気流路
６ 流路
７ バッフルプレート
７ａ 外周面
７ｂ 通孔
８ スリーブ
８ａ スリーブの一端部（上流側）
８ｂ スリーブの他端部（下流側）
８ｃ 内周面
９ スペーサー
１０ スパークプラグ
１１ レキュペレータ
１２ ラジアントチューブバーナ
１２ａ ラジアントチューブ
１３ チャンバ
１４ 燃焼用空気供給管
１５ａ，１５ｂ 切替用バルブ
１６ 流路
Ｆ 火炎
Ｓ 空隙

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】