特開 2024-90496 水素燃料燃焼器

(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】P2024090496

(43)【公開日】2024-07-04

(54)【発明の名称】水素燃料燃焼器

(51)【国際特許分類】

   F23D 14/22 20060101AFI20240627BHJP

【ＦＩ】

F23D14/22 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022206444

(22)【出願日】2022-12-23

(71)【出願人】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】弁理士法人有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】武藤 貞行

(72)【発明者】

【氏名】深井 宏一

【テーマコード（参考）】

3K019

【Ｆターム（参考）】

3K019AA00

3K019BA04

3K019BB02

3K019BD01

3K019BD10

3K019CA03

3K019CC05

(57)【要約】

【課題】水素燃料燃焼器であって、水素燃料を吐出するノズルから離れた位置に火炎が生成されることによってノズルの焼損を防止し得るものを提案する。
【解決手段】水素燃料燃焼器は、燃焼用空気を吹き出す空気吹出口を有するボディと、空気吹出口から吹き出した燃焼用空気の流れの中へ水素燃料を噴出する少なくとも１つのラバールノズルを有し、ラバールノズルから噴出する水素燃料のガス流速が超音速となる供給圧力で水素燃料が供給されるバーナと、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃焼用空気を吹き出す空気吹出口を有するボディと、
前記空気吹出口から吹き出した前記燃焼用空気の流れの中へ水素燃料を噴出する少なくとも１つのラバールノズルを有し、前記ラバールノズルから噴出する前記水素燃料のガス流速が超音速となる供給圧力で前記水素燃料が供給されるバーナと、を備える、
水素燃料燃焼器。

【請求項2】

前記バーナは当該バーナの先端に配置された少なくとも２つの前記ラバールノズルを有し、
前記ラバールノズルの各々は、互いに異なる方向へバーナ中心軸に対して傾いたノズル中心軸を有する、
請求項１に記載の水素燃料燃焼器。

【請求項3】

前記バーナは当該バーナの先端に環状に並んで配置された複数の前記ラバールノズルを有し、
前記ラバールノズルの各々は、バーナ中心軸に対して傾いたノズル中心軸を有する、
請求項１に記載の水素燃料燃焼器。

【請求項4】

複数の前記バーナが、前記空気吹出口の内部で環状に並んで配置されている、
請求項１に記載の水素燃料燃焼器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、水素燃料を燃焼する水素燃料燃焼器に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、水素燃料は、燃焼してもＣＯ_２を排出しない低環境負荷且つクリーンな燃料として注目されている。水素は、燃焼速度が速く且つ燃焼温度が高いという燃焼特性を有する。そのため、従来のガス燃料であるＬＮＧやＬＰＧと同様に水素を燃焼器で燃焼させると、水素燃料を噴出するノズル噴口の直ぐ近傍に火炎が生じ、その火炎によってノズルが焼損するおそれがある。ノズルの焼損を回避するためには、ノズル噴口から離れた位置に火炎が生じるように、ノズル噴口からの燃料の噴射速度及び噴射圧力を高めることが好ましい。

【0003】

特許文献１では、高速の火炎噴流を形成するために、燃料ガスを吐出する燃料ノズルと、燃焼用空気を吐出する空気ノズルと、燃料ガスに着火するための高温ガスを吐出する高温ノズルとを備え、燃料ノズル及び空気ノズルがラバールノズルであるバーナが提案されている。高温ノズルは高温ガス生成用バーナと接続されており、高温ガス生成用バーナで燃料ガスの燃焼によって生じた高温ガス流が高温ノズルから吐出される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１９－１６８２０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１のバーナは、燃料ガスとともに高温ガスが吐出されて高温ガスによって着火することから、高速の火炎噴流は形成されるが、ノズルから離れた位置に火炎が生じるとはいえない。

【0006】

本開示は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、水素燃料燃焼器であって、水素燃料を吐出するノズルから離れた位置に火炎が生成されることによってノズルの焼損を防止し得るものを提案することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る水素燃料燃焼器は、
燃焼用空気を吹き出す空気吹出口を有するボディと、
前記空気吹出口から吹き出した前記燃焼用空気の流れの中へ水素燃料を噴出する少なくとも１つのラバールノズルを有し、前記ラバールノズルから噴出する前記水素燃料のガス流速が超音速となる供給圧力で前記水素燃料が供給されるバーナと、を備えるものである。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、水素燃料燃焼器であって、水素燃料を吐出するノズルから離れた位置に火炎が生成されることによってノズルの焼損を防止し得るものを提案できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本開示の第１実施形態に係るセンターファイヤ型の水素燃料燃焼器の概略構成を示す断面図である。

【図2】図２は、図１の水素燃料燃焼器のガスバーナの先端部の拡大断面図である。

【図3】図３は、図１の水素燃料燃焼器のガスバーナの先端部を後流側から見た図である。

【図4】図４は、本開示の第２実施形態に係るマルチスパッド型の水素燃料燃焼器の概略構成を示す断面図である。

【図5】図５は、図４の水素燃料燃焼器を後流側から見た図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

次に、図面を参照して本開示の実施の形態を説明する。本開示に係る水素燃料燃焼器は、水素燃料を燃焼するものであり、例えば、ボイラの火炉や燃焼炉の燃焼器として用いられる。

【0011】

〔第１実施形態〕
図１は、本開示の第１実施形態に係るセンターファイヤ型の水素燃料燃焼器１Ａの概略構成を示す断面図である。図１に示す水素燃料燃焼器１Ａは、センターファイヤ型バーナであって、燃焼用空気の流路を形成する筒状のボディ２１と、ボディ２１の略中央に配置されたバーナ２２Ａとを備える。バーナ２２Ａはバーナ中心軸Ｃを中心としてバーナ中心軸Ｃと平行に延びる。バーナ２２Ａの先端部の周囲には保炎器２９が設けられている。バーナ２２Ａには水素燃料供給源１６から所定の供給圧力で水素燃料が供給され、バーナ２２Ａの先端から水素燃料が噴出する。水素燃料は、水素又は水素を含むガスである。水素燃料供給源１６は、高圧の水素ガスを収容した水素タンクや、水素タンクと当該水素タンクから出た水素を加圧する圧縮機の組み合わせ等が例示される。

【0012】

ボディ２１は、バーナ中心軸Ｃと平行に延びる筒状を呈する。ボディ２１の外周には、ボディ２１の内部と連通された風箱２３が設けられている。風箱２３には空気供給管２５が接続されており、燃焼空気供給源１５から空気供給管２５を通じて風箱２３へ燃焼用空気が圧送される。風箱２３とボディ２１の間にはエアレジスタ２４が介在しており、風箱２３内の燃焼用空気はエアレジスタ２４によって燃焼に適した量に整えられてボディ２１内へ送り込まれる。

【0013】

ボディ２１の内部には、バーナ中心軸Ｃと平行に延びる内筒２６がボディ２１と同心状に配置されている。ボディ２１の内部には、内筒２６より内周側の一次空気流路３１と、内筒２６より外周側の二次空気流路３２が形成されている。保炎器２９は、一次空気流路３１を流れる燃焼用空気を旋回させる機能を併せ備える。また、二次空気流路３２には、二次空気流路３２を流れる燃焼用空気を旋回させるスワラ３６が配置されている。但し、スワラ３６は省略されていてもよい。このように内外二層の空気流路が形成されているが、内筒２６は省略されて空気流路は単層であってもよい。ボディ２１の先端は、一次空気流路３１及び二次空気流路３２を通過した燃焼用空気が吹き出す空気吹出口３０となっている。図示された例では、内筒２６の先端は拡径しているが、内筒２６は先端まで一定のものや、先端が縮径したものが採用されてもよい。

【0014】

図２は、図１の水素燃料燃焼器１Ａのバーナ２２Ａの先端部の拡大断面図であり、図３は、図１の水素燃料燃焼器１Ａのバーナ２２Ａの先端部を後流側から見た図である。図２及び図３に示すように、バーナ２２Ａの先端部には複数のノズル２２０が設けられている。複数のノズル２２０は、バーナ２２Ａの先端部において周方向に分散して配置されている。複数のノズル２２０の噴口は、バーナ２２Ａの先端部において環状に並んで配置されている。但し、ノズル２２０は少なくとも２つであればよく、複数の２２は分散して配置されていればよい。

【0015】

複数のノズル２２０は、空気吹出口３０から吹き出した燃焼用空気の流れの中へ水素燃料を噴射する。複数のノズル２２０の各々は、バーナ中心軸Ｃに対して傾いたノズル中心軸Ｃ１を有する。また、複数のノズル２２０のノズル中心軸Ｃ１は、バーナ中心軸Ｃに対して互いに異なる方向へ傾いている。ノズル中心軸Ｃ１は、ノズル２２０の中心を通り、ノズル２２０の延伸方向と平行な仮想の軸線である。バーナ中心軸Ｃとノズル中心軸Ｃ１の成す角度が、ノズル２２０から噴射される水素燃料の噴射角度θである。噴射角度θは任意であって、特に限定されるわけではないが、バーナ中心軸Ｃに対して３５°以上５０°以下程度が例示される。また、複数のノズル２２０は、噴射角度θが相互に異なるノズル２２０を含んでいてもよい。

【0016】

複数のノズル２２０の各々は、ラバールノズルとなっている。ラバールノズルは、ノズルの入口から中途部まで縮径し、中途部から出口まで拡径している流路を有する、縮小・拡大ノズルである。ノズル２２０はラバールノズルであるので、バーナ２２Ａへ供給される水素燃料の圧力を高めることによって、ノズル２２０から噴出する水素燃料のガス流速をチョーク流れを超える状態（即ち、マッハ数Ｍが１より大きい状態）に遷移させることができる。つまり、バーナ２２Ａへの水素燃料の供給圧力を高めることによって、ノズル２２０から水素燃料を超音速で噴出することが可能である。ここで「音速」は噴出する水素燃料の温度における音速を意味する。

【0017】

上記構成の水素燃料燃焼器１Ａでは、燃焼空気供給源１５から空気供給管２５を通じて風箱２３からへ圧送された燃焼用空気は、風箱２３から空気流路３１，３２へ流入し、空気流路３１，３２を通って空気吹出口３０から吹き出す。空気吹出口３０から吹き出す燃焼用空気の流速は、音速未満であって、特に限定されないが、３０ｍ／ｓ以上１００ｍ／ｓ以下と例示される。水素燃料供給源１６からバーナ２２Ａへ、各ノズル２２０から吹き出す水素燃料が超音速となる供給圧力で水素燃料が供給される。これにより、空気吹出口３０から吹き出した燃焼用空気の流れの中へ、各ノズル２２０の噴口から水素燃料が超音速で噴出する。ノズル２２０の噴口から噴出する水素燃料の流速は、超音速であればよく、特に限定されないが、３５０ｍ／ｓ以上１０００ｍ／ｓ以下と例示される。噴出した水素燃料は燃焼用空気と混合して燃焼し、火炎が生じる。ここで、ノズル２２０から噴出する水素燃料の噴出速度は超音速であることから、ノズル２２０の噴口の直ぐ後流側の位置ではなく、ノズル２２０の噴口から後流側へ離れた位置に火炎が形成される。

【0018】

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態を説明する。図４は、本開示の第２実施形態に係るマルチスパッド型の水素燃料燃焼器１Ｂの概略構成を示す断面図であり、図５は、水素燃料燃焼器１Ｂを後流側から見た図である。なお、本実施形態の説明においては、前述の第１実施形態と同一又は類似の機能を有する部材には図面に同一の符号を付す。

【0019】

図４及び図５に示すように、本実施形態に係る水素燃料燃焼器１Ｂは、マルチスパッド型バーナであって、燃焼用空気の流路を形成する筒状のボディ２１と、ボディ２１に内挿された複数のバーナ２２Ｂ（即ち、ガススパッド）とを備える。複数のバーナ２２Ｂはバーナ中心軸Ｃと平行に延び、バーナ中心軸Ｃを中心として環状に並んで配置されている。水素燃料供給源１６から各バーナ２２Ｂへ水素燃料が所定の供給圧力で供給され、各バーナ２２Ｂの先端からバーナ中心軸Ｃと略平行に水素燃料が噴出する。水素燃料は、水素又は水素を含むガスである。水素燃料供給源１６は、高圧の水素ガスを収容した水素タンクや、水素タンクと当該水素タンクから出た水素を加圧する圧縮機の組み合わせ等が例示される。

【0020】

ボディ２１は、バーナ中心軸Ｃと平行に延びる筒状を呈する。ボディ２１の外周には、ボディ２１の内部と連通された風箱２３が設けられている。風箱２３には空気供給管２５が接続されており、燃焼空気供給源１５から空気供給管２５を通じて風箱２３へ燃焼用空気が圧送される。風箱２３とボディ２１の間にはエアレジスタ２４が介在しており、風箱２３内の燃焼用空気はエアレジスタ２４によって燃焼に適した量に整えられボディ２１へ送り込まれる。

【0021】

ボディ２１の内部には、バーナ中心軸Ｃと平行に延びる内筒２６がボディ２１と同心状に配置されている。ボディ２１の内部には、内筒２６より内周側の一次空気流路３１と、内筒２６より外周側の二次空気流路３２が形成されている。ボディ２１の先端は、一次空気流路３１及び二次空気流路３２を通過した燃焼用空気が吹き出す空気吹出口３０となっている。複数のバーナ２２Ｂは、一次空気流路３１と二次空気流路３２の間に配置されている。

【0022】

各バーナ２２Ｂの先端部には、ノズル２２０が設けられている。ノズル２２０の各々は、ラバールノズルとなっている。ラバールノズルは、ノズルの入口から中途部まで縮径し、中途部から出口まで拡径している流路を有する、縮小・拡大ノズルである。ノズル２２０はラバールノズルであるので、バーナ２２Ｂへ供給される水素燃料の圧力を高めることによって、ノズル２２０から噴出する水素燃料のガス流速をチョーク流れを超える状態（即ち、マッハ数Ｍが１より大きい状態）に遷移させることができる。つまり、バーナ２２Ｂへの水素燃料の供給圧力を高めることによって、ノズル２２０から水素燃料を超音速で噴出することが可能である。ここで「音速」は噴出する水素燃料の温度における音速を意味する。

【0023】

上記構成の水素燃料燃焼器１Ｂでは、燃焼空気供給源１５から空気供給管２５を通じて風箱２３からへ圧送された燃焼用空気は、風箱２３から空気流路３１，３２へ流入し、空気流路３１，３２を通って空気吹出口３０から吹き出す。水素燃料供給源１６から各バーナ２２Ｂへ、各ノズル２２０から吹き出す水素燃料が超音速となる供給圧力で水素燃料が供給される。これにより、空気吹出口３０から吹き出した燃焼用空気の流れの中へ、各ノズル２２０の噴口から水素燃料が超音速で噴出する。噴出した水素燃料は燃焼用空気と混合して燃焼し、火炎が生じる。ここで、ノズル２２０から噴出する水素燃料の噴出速度は超音速であることから、ノズル２２０の噴口の直ぐ後流側の位置ではなく、ノズル２２０の噴口から後流側へ離れた位置に火炎が形成される。

【0024】

〔総括〕
本開示の第１の項目に係る水素燃料燃焼器１Ａ，１Ｂは、
燃焼用空気を吹き出す空気吹出口３０を有するボディ２１と、
空気吹出口３０から吹き出した燃焼用空気の流れの中へ水素燃料を噴出する少なくとも１つのラバールノズル２２０を有し、ラバールノズル２２０から噴出する水素燃料のガス流速が超音速となる供給圧力で水素燃料が供給されるバーナ２２Ａ，２２Ｂと、を備えるものである。

【0025】

上記構成の水素燃料燃焼器１Ａ，１Ｂでは、空気吹出口３０から吹き出した燃焼用空気の流れの中へ、各ラバールノズル２２０の噴口から水素燃料が超音速で噴出する。ラバールノズル２２０から噴出する水素燃料の噴出速度は超音速であることから、ラバールノズル２２０の噴口の直ぐ後流側の位置ではなく、ラバールノズル２２０の噴口から後流側へ離れた位置に火炎が形成される。よって、生じた火炎によってバーナ２２Ａ，２２Ｂが焼損することを防止できる。また、ラバールノズル２２０の噴口から後流側へ離れた位置に火炎が形成されることによって、従来のバーナと比較して火炎長が長くなり、火炎表面積が大きくなる。これにより、火炎の局所的な高温部の発生が抑制され、かつ、火炎の冷却が均一化されることによって、燃焼熱により生じるＮＯ_Ｘの低減効果が期待される。また、バーナ２２Ａ，２２Ｂへの水素燃料の供給圧力が高くなるほど、水素燃料の圧縮率も高くなるので、空気供給管２５を小径化して設備の省スペース化に寄与できる。

【0026】

本開示の第２の項目に係る水素燃料燃焼器１Ａは、第１の項目に係る水素燃料燃焼器１Ａにおいて、バーナ２２Ａは当該バーナ２２Ａの先端に配置された少なくとも２つのラバールノズル２２０を有し、ラバールノズル２２０の各々は、互いに異なる方向へバーナ中心軸Ｃに対して傾いたノズル中心軸Ｃ１を有するものである。

【0027】

本開示の第３の項目に係る水素燃料燃焼器１Ａは、第１の項目に係る水素燃料燃焼器１Ａにおいて、バーナ２２Ａは当該バーナ２２Ａの先端に環状に並んで配置された複数のラバールノズル２２０を有し、ラバールノズル２２０の各々は、バーナ中心軸Ｃに対して傾いたノズル中心軸Ｃ１を有するものである。

【0028】

第２及び第３の項目に係る水素燃料燃焼器１Ａでは、１つのバーナ２２Ａに複数のノズル２２０が設けられているが、ノズル中心軸Ｃ１がバーナ中心軸Ｃに対し傾き、かつ、複数のノズル２２０のバーナ中心軸Ｃに対する傾き方向が互いに異なるので、複数のノズル２２０から噴出した水素燃料の干渉を抑えることができる。また、水素燃料の燃焼により生じた火炎の干渉を抑えることができ、火炎の局所的な高温箇所の発生を抑制できる。

【0029】

本開示の第４の項目に係る水素燃料燃焼器１Ｂは、第１の項目に係る水素燃料燃焼器１Ｂにおいて、複数のバーナ２２Ｂが、空気吹出口３０の内部で環状に並んで配置されているものである。

【0030】

このように、本開示に係る水素燃料燃焼器１Ａ，１Ｂはセンターファイヤ型及びマルチスパッド型のバーナに適用できる。

【0031】

以上の本開示の議論は、例示及び説明の目的で提示されたものであり、本開示を本明細書に開示される形態に限定することを意図するものではない。例えば、前述の詳細な説明では、本開示の様々な特徴は、本開示を合理化する目的で２つの実施形態に纏められているが、複数の特徴のうち幾つかが組み合わされてもよい。また、本開示に含まれる複数の特徴は、上記で論じたもの以外の代替の実施形態、構成、又は態様に組み合わされてもよい。

【符号の説明】

【0032】

１Ａ，１Ｂ：水素燃料燃焼器
２１ ：ボディ
２２Ａ，２２Ｂ：バーナ
３０ ：空気吹出口
３１，３２：空気流路
２２０ ：ノズル（ラバールノズル）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】