特開 2024-94907 水素燃焼ボイラ装置

(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】P2024094907

(43)【公開日】2024-07-10

(54)【発明の名称】水素燃焼ボイラ装置

(51)【国際特許分類】

   F23N 5/00 20060101AFI20240703BHJP

   F23N 5/24 20060101ALI20240703BHJP

【ＦＩ】

F23N5/00 Z

F23N5/24 106D

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022211824

(22)【出願日】2022-12-28

(71)【出願人】

【識別番号】000175272

【氏名又は名称】三浦工業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000220262

【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100126000

【弁理士】

【氏名又は名称】岩池 満

(74)【代理人】

【識別番号】100145713

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 竜太

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 務

(72)【発明者】

【氏名】伊東 航

(72)【発明者】

【氏名】川井 佑恭

(72)【発明者】

【氏名】矢川 憲利

(72)【発明者】

【氏名】山本 博道

(72)【発明者】

【氏名】小原 基

(72)【発明者】

【氏名】庄司 麻子

【テーマコード（参考）】

3K003

【Ｆターム（参考）】

3K003EA07

3K003FB01

3K003FB05

3K003GA03

3K003HA00

(57)【要約】

【課題】水素燃焼ボイラ装置の排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度を効果的に抑制する水素燃焼ボイラ装置を提供すること。
【解決手段】水素燃焼ボイラ装置１は、先混合または部分予混合のバーナ２０と、水素ガスＧ１及び窒素ガスＧ２を前記バーナ２０に同時に供給し、前記バーナ２０に供給された前記水素ガスＧ１及び前記窒素ガスＧ２の混合ガスの燃焼を制御する燃焼制御部４１と、を備え、前記燃焼制御部４１は、前記混合ガスの前記水素ガスＧ１（Ａ）及び前記窒素ガスＧ２（Ｂ）との混合比率を体積流量比（Ａ：Ｂ）で９５：５～７５：２５となるように制御する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

先混合または部分予混合のバーナと、
水素ガス及び窒素ガスを前記バーナに同時に供給し、前記バーナに供給された前記水素ガス及び前記窒素ガスの混合ガスの燃焼を制御する燃焼制御部と、を備え、
前記燃焼制御部は、前記混合ガスの前記水素ガス（Ａ）及び前記窒素ガス（Ｂ）との混合比率を体積流量比（Ａ：Ｂ）で９５：５～７５：２５となるように制御する、水素燃焼ボイラ装置。

【請求項2】

前記バーナに水素ガスを供給する水素供給ラインと、
前記バーナに窒素ガスを供給する窒素供給ラインと、を備え、
前記燃焼制御部は、前記燃焼に基づいて前記窒素ガス供給量を所定量に制御する、請求項１に記載の水素燃焼ボイラ装置。

【請求項3】

前記燃焼制御部は、
燃焼率に基づいて前記窒素ガス供給量を制御し、前記燃焼率の低下によって前記窒素ガスの前記体積流量比が増加する制御を行う請求項２に記載の水素燃焼ボイラ装置。

【請求項4】

前記水素供給ラインは、前記水素ガスの供給を遮断する水素供給遮断弁を備え、
前記窒素供給ラインは、前記水素供給遮断弁と前記バーナの間に接続され、
前記バーナが燃焼を停止した後に、前記水素供給ラインからの前記水素ガスの供給が停止された場合においてのみ、前記窒素供給ラインから前記窒素ガスを供給するように制御するポストパージ制御部と、を更に備える請求項２に記載の水素燃焼ボイラ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水素燃焼ボイラ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、水素ガスを燃料として用いる水素燃焼ボイラ装置が知られている。水素燃焼ボイラ装置は、燃料を燃焼させた場合に二酸化炭素を発生させない点等で注目されている。（特許文献１参照）

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１８－２００１６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

水素ガスは、燃焼時に二酸化炭素が発生する燃料ガス（例えば、ＬＮＧやＬＰＧ）に比して燃焼温度が高いため、水素ガスを燃料としてボイラ装置を運転させた場合、排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度が高くなってしまう。

【0005】

本発明は、水素燃焼ボイラ装置の排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度を効果的に抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、先混合または部分予混合のバーナと、水素ガス及び窒素ガスを前記バーナに同時に供給し、前記バーナに供給された前記水素ガス及び前記窒素ガスの混合ガスの燃焼状態を制御する燃焼制御部と、を備え、前記燃焼制御部は、前記混合ガスの前記水素ガス（Ａ）及び前記窒素ガス（Ｂ）との混合比率を体積流量比（Ａ：Ｂ）で９５：５～７５：２５となるように制御する、水素燃焼ボイラ装置に関する。

【0007】

また、前記バーナに前記水素ガスを供給する水素供給ラインと、前記バーナに前記窒素ガスを供給する窒素供給ラインと、前記燃焼制御部は、前記燃焼状態に基づいて前記窒素供給量を所定量に制御することが好ましい。

【0008】

また、前記燃焼制御部は、燃焼率に基づいて前記窒素ガス供給量を制御し、燃焼率の低下によって前記窒素ガスの前記体積流量比が増加する制御を行うことが好ましい。

【0009】

また、前記水素供給ラインは、前記水素ガスの供給を遮断する水素供給遮断弁を備え、前記窒素供給ラインは、前記水素供給遮断弁と前記バーナの間に接続され、前記バーナが燃焼を停止した後に、前記水素供給ラインからの前記水素ガスの供給が停止された場合においてのみ、前記窒素供給ラインから前記窒素ガスを供給するように制御するポストパージ制御部と、を更に備えることが好ましい。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、水素燃焼ボイラ装置は、水素ガスに窒素ガスを添加し、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの燃焼状態を制御することで、排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度を効果的に抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の実施形態に係る水素燃焼ボイラ装置を示す図である。

【図2】窒素添加率によるＮＯｘ低減率との関係を示す図である。

【図3】窒素添加率による排ガス中の残留水素濃度との関係を示す図である。

【図4】燃焼率とＮＯｘの関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施形態に係る水素燃焼ボイラ装置１について、図面を参照しながら説明する。
本実施形態の水素燃焼ボイラ装置１は、水を加熱して蒸気の生成を行う蒸気ボイラ（小型及び小規模の貫流ボイラ）であり、負荷機器（図示省略）に蒸気を供給する。この水素燃焼ボイラ装置１のバーナには、水素ガス、窒素ガス及び燃焼用空気が供給される。窒素供給ラインは、水素供給ラインに接続される。窒素ガスは、水素供給ラインを介して水素ガスに添加され、混合ガスとなる。水素ガス及び窒素ガスの混合ガスは、燃焼用空気と共にバーナで燃焼される。尚、本明細書における「ライン」とは、流路、経路、管路等の流体の流通が可能なラインの総称である。

【0013】

図１に示すように、本実施形態の水素燃焼ボイラ装置１は、缶体１０と、バーナ２０と、送風機３０と、水素供給ラインＬ１００と、窒素供給ラインＬ２００と、の空気供給ラインＬ３００と、制御部４０と、を備える。

【0014】

缶体１０は、複数の水管、下部ヘッダ、上部ヘッダ（いずれも図示せず）、及び燃焼室Ｂを含んで構成される。この缶体１０に供給される水が加熱されることで蒸気を生成する。

【0015】

バーナ２０は、本実施形態において、缶体１０の上部に配置される、先混合バーナである。バーナ２０には、水素供給ラインＬ１００から供給される水素ガスＧ１と、水素供給ラインＬ１００を介して窒素供給ラインＬ２００から供給される窒素ガスＧ２の混合ガスが供給されるとともに、空気供給ラインＬ３００から燃焼用空気Ａ１が供給される。バーナ２０は、供給された水素ガスＧ１と窒素ガスＧ２の混合ガスと燃焼用空気Ａ１を混合させて燃焼している。

【0016】

送風機３０は、バーナ２０に燃焼用空気Ａ１を供給する。送風機３０は、ファンと、このファンを回転させるモータと、を含んで構成され、インバータ（図示せず）によって周波数を制御することでモータの回転数を調整可能になっている。

【0017】

水素供給ラインＬ１００は、水素ガスＧ１をバーナ２０に供給する。より具体的には、水素供給ラインＬ１００は、下流側がバーナ２０の上方からバーナ２０に接続され、上流側が水素ガスＧ１を供給する供給源（図示せず）に接続される。また、水素供給ラインＬ１００は、バーナ２０内部の水素ガス配管を含むものとする。

【0018】

水素供給ラインＬ１００は、フレームアレスタ５０と、遮断弁としての第１遮断弁Ｖ１１及び第２遮断弁Ｖ１２と、流量調整弁Ｖ２１と、燃料元弁Ｖ１３と、第１流量センサ７１と、第１大気開放部１１０と、を備える。
フレームアレスタ５０は、水素供給ラインＬ１００に配置され、後述する窒素供給ラインＬ２００との接続位置よりも下流側に配置される。フレームアレスタ５０は、バーナ２０から水素供給ラインＬ１００に発生した逆火の上流側への進行を防止する。

【0019】

第１遮断弁Ｖ１１及び第２遮断弁Ｖ１２は、水素供給ラインＬ１００において、フレームアレスタ５０よりも上流側に配置される。第１遮断弁Ｖ１１及び第２遮断弁Ｖ１２は、電磁弁により構成され、水素供給ラインＬ１００の流路を開閉する。本実施形態において、第２遮断弁Ｖ１２は、第１遮断弁Ｖ１１よりも上流側に配置される。

【0020】

第１流量センサ７１は、水素供給ラインＬ１００において、第２遮断弁Ｖ１２よりも上流側に配置される。第１流量センサ７１は、水素供給ラインＬ１００を流れる水素ガスＧ１の流量を検出する。

【0021】

流量調整弁Ｖ２１は、水素供給ラインＬ１００において、第１遮断弁Ｖ１１の上流側に配置される。具体的には、流量調整弁Ｖ２１は、遮断弁としての第１遮断弁Ｖ１１の上流側に配置され、第２遮断弁Ｖ１２の下流側に配置される。流量調整弁Ｖ２１は、第１流量センサ７１の検出結果に基づいて、水素供給ラインＬ１００を流れる水素ガスＧ１の流量を調整する。

【0022】

燃料元弁Ｖ１３は、水素供給ラインＬ１００において、第１流量センサ７１の上流側に配置される。本実施形態では、燃料元弁Ｖ１３は、水素燃焼ボイラ装置１（の外部）の上流側近傍に配置され、手動弁により構成され、水素供給ラインＬ１００の流路を開閉する。

【0023】

第１大気開放部１１０は、水素供給ラインＬ１００において、燃料元弁Ｖ１３の上流側に配置される。第１大気開放部１１０は、大気開放ラインＬ５００と、この大気開放ラインＬ５００に配置される第１大気開放弁Ｖ５１と、を備える。第１大気開放部１１０は、第１大気開放弁Ｖ５１を開放して、燃料元弁Ｖ１３よりも上流側の水素供給ラインＬ１００の窒素ガスパージ及び水素置換を行う。

【0024】

窒素供給ラインＬ２００は、水素供給ラインＬ１００を介してバーナ２０に窒素ガスＧ２を供給する。より具体的には、窒素供給ラインＬ２００は、上流側が窒素ガスＧ２を供給する供給源６０に接続され、下流側は、水素供給ラインＬ１００における第１遮断弁Ｖ１１とフレームアレスタ５０との間に接続される。本実施形態では、窒素供給ラインＬ２００は第１遮断弁Ｖ１１の近傍に接続される。また、窒素供給ラインＬ２００は、後述するポストパージを行うパージラインを兼ねる。

【0025】

窒素供給ラインＬ２００は、供給弁としての第１供給弁Ｖ３１及び第２供給弁Ｖ３２と、流量調整弁Ｖ６１と、第２流量センサ７２と、を備える。

【0026】

第１供給弁Ｖ３１及び第２供給弁Ｖ３２は、窒素供給ラインＬ２００において、水素供給ラインＬ１００との接続部よりも上流側に配置される。第１供給弁Ｖ３１及び第２供給弁Ｖ３２は、電磁弁により構成され、窒素供給ラインＬ２００の流路を開閉して、窒素ガスＧ２の供給または停止を行う。

【0027】

第２流量センサ７２は、窒素供給ラインＬ２００において、第２供給弁Ｖ３２よりも上流側に配置される。第２流量センサ７２は、窒素供給ラインＬ２００を流れる窒素ガスＧ２の流量を検出する。

【0028】

流量調整弁Ｖ６１は、窒素供給ラインＬ２００において、第１供給弁Ｖ３１の上流側に配置される。具体的には、流量調整弁Ｖ６１は、供給弁としての第１供給弁Ｖ３１の上流側に配置され、第２供給弁Ｖ３２の下流側に配置される。流量調整弁Ｖ６１は、第２流量センサ７２の検出結果に基づいて、窒素供給ラインＬ２００を流れる窒素ガスＧ２の流量を調整する。

【0029】

空気供給ラインＬ３００は、バーナ２０に燃焼用空気Ａ１を供給する。空気供給ラインＬ３００の上流は、送風機３０に接続される。また、空気供給ラインＬ３００の下流側は、バーナ２０に接続される。

【0030】

制御部４０は、第１遮断弁Ｖ１１，第２遮断弁Ｖ１２、第１供給弁Ｖ３１及び第２供給弁Ｖ３２の開閉を制御する。また、制御部４０は、流量調整弁Ｖ２１及び流量調整弁Ｖ６１を制御し、送風機３０の起動、停止及びインバータの周波数を制御する。また、制御部４０は、第１流量センサ７１、第２流量センサ７２の測定信号を取得する。制御部４０は、燃焼制御部４１とポストパージ制御部４２と、を備える。

【0031】

燃焼制御部４１は、水素ガスＧ１及び窒素ガスＧ２をバーナ２０に同時に供給し、バーナ２０に供給される水素ガスＧ１と窒素ガスＧ２との混合比率を制御することで、バーナ２０に供給された水素ガスＧ１及び窒素ガスＧ２の混合ガスの燃焼状態を制御する。なお、水素ガスＧ１及び窒素ガスＧ２をバーナ２０に同時に供給することは、水素ガスＧ１及び窒素ガスＧ２の混合ガスを燃焼用空気Ａ１と混合する状態をいう。
具体的には、燃焼制御部４１は、バーナ２０に水素ガスＧ１及び窒素ガスＧ２の混合ガスと燃焼用空気Ａ１を供給し、混合ガスに含まれる窒素ガスＧ２は所定の添加率に調整されるように制御する。また、燃焼制御部４１は、送風機３０のインバータを制御することで、送風機３０のモータの回転数を調整する。これにより、水素ガスＧ１の供給量に基づいて、所定の空気比となるように燃焼状態を制御する。より具体的には、燃焼制御部４１は、水素ガスＧ１の流量を第１流量センサ７１が取得し、取得した測定流量に基づき、流量調整弁Ｖ２１の開度を調整するように制御することで、バーナ２０への水素ガスＧ１の供給量を調整する。また、燃焼制御部４１は、窒素ガスＧ２の流量を第２流量センサ７２が取得し、取得した測定流量に基づき、流量調整弁Ｖ６１の開度を調整するように制御することで、バーナ２０への窒素ガスＧ２の供給量を調整する。また、燃焼制御部４１は、所定の空気比となるように送風機３０のインバータを制御することで、バーナ２０への燃焼用空気Ａ１の供給量を調整する。

【0032】

ポストパージ制御部４２は、バーナ２０の燃焼を停止した後に、水素供給ラインＬ１００と、バーナ２０と、をポストパージする制御を行う。

【0033】

ポストパージ制御部４２は、水素供給ラインＬ１００から水素ガスＧ１の供給が停止された状態においてのみ、前記窒素供給ラインＬ２００から窒素ガスＧ２を供給するように制御する。

【0034】

本実施形態の水素燃焼ボイラ装置１の動作について説明する。
水素燃焼ボイラ装置１は、燃焼を燃焼制御部４１で制御し、バーナ２０の燃焼を停止した後はポストパージ制御部４２で制御する。

【0035】

最初に、水素燃焼ボイラ装置１の燃焼制御の動作について説明する。
燃焼制御部４１は、送風機３０を起動して、空気供給ラインＬ３００から燃焼用空気Ａ１をバーナ２０に供給を開始する。次に、第１遮断弁Ｖ１１及び第２遮断弁Ｖ１２を開放し、さらに、流量調整弁Ｖ２１の開度を調整する。第１遮断弁Ｖ１１及び第２遮断弁Ｖ１２が開放され、流量調整弁Ｖ２１の開度が調整されることで、水素供給ラインＬ１００が開放され、バーナ２０への水素ガスＧ１の供給が開始される。バーナ２０への水素ガスＧ１の供給が開始されてすぐに、バーナ２０は着火動作を開始し、バーナ２０が燃焼を開始する。バーナ２０の燃焼が開始された後に、着火動作を終了する。
また、着火工程後に、燃焼制御部４１は、第１供給弁Ｖ３１及び第２供給弁Ｖ３２を開放し、さらに、流量調整弁Ｖ６１の開度を調整する。第１供給弁Ｖ３１及び第２供給弁Ｖ３２を開放し、さらに、流量調整弁Ｖ６１の開度が調整されることで、窒素供給ラインＬ２００が開放され、バーナ２０への窒素ガスＧ２の供給が開始される。バーナ２０の所定の燃焼状態に応じて、流量調整弁Ｖ２１により水素ガスＧ１の流量を制御し、流量調整弁Ｖ６１により窒素ガスＧ２の流量を制御する。また、送風機３０のモータの回転数を制御して燃焼用空気Ａ１の流量を調整する。具体的には、燃焼制御部４１は、燃焼率に基づいて窒素ガスＧ２の添加率を設定する。設定された窒素ガスＧ２の添加率となるように、水素ガスＧ１及び窒素ガスＧ２の混合ガスにおける所定の体積流量比となるように流量調整弁Ｖ２１及び流量調整弁Ｖ６１を制御する。また、送風機３０のモータの回転数を制御する。

【0036】

このように、本実施形態のこの水素燃焼ボイラ装置１においては、バーナ２０に水素ガスＧ１、窒素ガスＧ２及び燃焼用空気Ａ１が供給される。窒素供給ラインＬ２００は、水素供給ラインＬ１００に接続され、窒素ガスＧ２は、水素供給ラインＬ１００を介して水素ガスＧ１に添加され、混合ガスとなる。水素ガスＧ１及び窒素ガスＧ２の混合ガスは、燃焼用空気Ａ１と共にバーナ２０で燃焼され、バーナ２０で燃焼されることによって発生した熱により、給水が加熱され蒸気が生成される。

【0037】

次に、水素燃焼ボイラ装置１の燃焼停止制御の動作について説明する。
燃焼制御部４１は、バーナ２０の燃焼を停止させるために、第１遮断弁Ｖ１１及び第２遮断弁Ｖ１２を閉止する。また、第１供給弁３１及び第２供給弁Ｖ３２を閉止する。第１遮断弁Ｖ１１又は第２遮断弁Ｖ１２が閉止されることで、水素供給ラインＬ１００が閉止され、バーナ２０への水素ガスＧ１の供給が停止される。バーナ２０は、水素ガスＧ１の供給が停止されることにより、燃焼が停止される。

【0038】

最後に、水素燃焼ボイラ装置１のポストパージ制御の動作について説明する。
ポストパージ制御部４２は、バーナ２０における水素ガスＧ１の燃焼を停止した後にポストパージを実施する。

【0039】

ポストパージ制御部４２は、第１遮断弁Ｖ１１及び第２遮断弁Ｖ１２が閉止された後に第１供給弁Ｖ３１及び第２供給弁Ｖ３２の開放状態を所定時間維持し、ポストパージを実施する。本実施形態では、ポストパージ制御部４２は、第１遮断弁Ｖ１１及び第２遮断弁Ｖ１２が閉止された状態においてのみ第１供給弁Ｖ３１及び第２供給弁Ｖ３２の開放を許容する。これにより、ポストパージを行う場合に水素ガスＧ１が誤ってバーナ２０に供給されることを防げる。

【0040】

このように、第１供給弁Ｖ３１及び第２供給弁Ｖ３２が開放されることで、窒素ガスＧ２の供給源６０から窒素供給ラインＬ２００を通じて、水素供給ラインＬ１００に窒素ガスＧ２が供給される。水素供給ラインＬ１００に供給された窒素ガスＧ２は、フレームアレスタ５０を通り、バーナ２０から噴出する。バーナ２０から噴出した水素ガスＧ１は、空気供給ラインＬ３００からバーナ２０に供給される燃焼用空気Ａ１と共に、缶体１０からパージされる。

【0041】

この後、ポストパージ制御部４２は、第１供給弁Ｖ３１及び第２供給弁Ｖ３２を閉止する。次いで、ポストパージ制御部４２は、送風機３０を停止する。

【0042】

図２は、燃焼用ガスとしての水素ガスに窒素ガス添加率を変化させたときのＮＯｘ低減率のグラフである。バーナＡは一般的な先混合バーナ、バーナＢは自己再循環先混合バーナの試験結果を示す。先混合バーナ及び自己再循環先混合バーナを備えたボイラ装置においてはそれぞれ、水素ガスに対する窒素ガスの添加率が増加するに伴ってＮＯｘ低減率（窒素添加０％時のＮＯｘ濃度に対する百分率）は増加した。

【0043】

本発明者は、図２に示されるように、窒素添加率に対するＮＯｘ低減率の関係は正の逓減的な傾きを持つ曲線を示し、窒素添加率の増分に対するＮＯｘ低減率の増分は、窒素添加率が低いほど大きくなることを見出した。図２に示されるデータに基づくと、バーナＡのＮＯｘ低減率の増分は、窒素添加率が５％から１０％では約１８．５％、窒素添加率が１５％から２０％では約１０．５％、窒素添加率が２５％から３０％では約５．５%であった。窒素添加率を２５％以下では、窒素添加による排ガス中ＮＯｘ濃度の低減効果が顕著であり、排ガス中のＮＯｘ濃度を効率的に抑制できる。これより、窒素添加率が２５％以下の範囲では、窒素添加率の増加量が小さい場合であっても、排ガス中のＮＯｘ濃度の低減効果は顕著に発揮される。バーナＢにおいても、同様の効果が得られる。

【0044】

そして、図２を参照すると、水素ガスと窒素ガスの混合ガスは、水素ガス（Ａ）と窒素ガス（Ｂ）との混合比率が体積流量比（Ａ：Ｂ）で９５：５のとき、または窒素ガスの比率がそれ以上であれば、排ガス中に含まれるＮＯｘ低減率が２０％以上となり、明らかな窒素低減効果を確保できる。即ち、前記窒素ガスの添加率が、前記水素ガスと前記窒素ガスの前記混合ガスの体積流量の５％以上であれば、排ガス中に含まれるＮＯｘ低減率が２０％以上となり、好ましいことがわかる。

【0045】

図３は、バーナＡにおいて、燃焼用ガスとしての水素ガスに窒素ガス添加率を変化させたときの排ガス中に含まれる水素濃度のグラフである。図３に示されるように、水素ガスと窒素ガスの混合ガスは、水素ガス（Ａ）と窒素ガス（Ｂ）との混合比率が体積流量比（Ａ：Ｂ）で６０：４０のときに、排ガス中に含まれる残留水素濃度が０．２％を超える結果となった。一方、排ガス中に含まれる残留水素濃度は、水素ガス（Ａ）と窒素ガス（Ｂ）との混合比率が体積流量比（Ａ：Ｂ）で７５：２５のとき、水素ガス（Ａ）と窒素ガス（Ｂ）との混合比率が体積流量比（Ａ：Ｂ）で６０：４０のときの半分以下になった。即ち、前記窒素ガスの添加率が、前記水素ガスと前記窒素ガスの前記混合ガスの体積流量の２５％以下であれば、排ガス中に含まれることが許容される残留水素濃度０．２％未満を確保できる。残留水素濃度０．２％は燃料として供給された水素ガスの約０．５％（空気比１．３の場合）に相当する。残留水素濃度を０．２％未満にすることで供給された水素ガスの９９％以上を燃焼することができる。
つまり、排ガス中に含まれるＮＯｘ低減率と、排ガス中に含まれる残留水素濃度を考慮すると、燃焼制御部４１は、窒素ガスＧ２の添加率が、水素ガスＧ１と窒素ガスＧ２の混合ガスの体積流量の５％以上２５％以下となるように窒素ガスＧ２を制御することが好ましい。

【0046】

また、図３に示されるように、水素ガスと窒素ガスの混合ガスは、水素ガス（Ａ）と窒素ガス（Ｂ）との混合比率が体積流量比（Ａ：Ｂ）で９０：１０のときに、排ガス中に含まれる残留水素がほとんど発生しない見込みであるため、窒素ガスの使用コスト及び排ガス中に含まれる残留水素濃度を考慮すると、水素ガスと窒素ガスの混合ガスは、水素ガス（Ａ）と窒素ガス（Ｂ）との混合比率が体積流量比（Ａ：Ｂ）で９５：５～９０：１０であることがより好ましい。
つまり、燃焼制御部４１は、窒素ガスＧ２の添加率が、水素ガスＧ１と窒素ガスＧ２の混合ガスの体積流量の５％以上１０％以下となるように窒素ガスＧ２を制御することがより好ましい。

【0047】

図４は、燃焼状態指令信号に基づく燃焼率と、ＮＯｘ濃度との関係を示すグラフである（水素ガスへの窒素ガス添加率０％）。なお、ＮＯｘ濃度は、サンプリングされた気体試料のＯ２濃度により異なるため、Ｏ２（０％）換算値のＮＯｘ相対値を示している。燃焼率１００％のときの排ガス中のＮＯｘ濃度の相対値を１とした。

【0048】

図４に示されるように、水素燃焼ボイラ装置においては、低燃焼状態から高燃焼状態の範囲において、燃焼率が高くなるほどＮＯｘ濃度が低くなるという現象が発生することが確認されている。換言すると、燃焼率が低くなるほどＮＯｘ濃度が高いということを、本発明者は見出している。

【0049】

燃焼制御部４１は、燃焼率に基づいて窒素ガス供給量を制御し、燃焼率の低下によって窒素ガスＧ２の体積流量比が増加する制御を行うことが好ましい。なお、燃焼率の低下によって窒素ガスＧ２の体積流量比が増加する制御を行うことは、燃焼率が低いときほど窒素ガスＧ２の体積流量比が高くなるように制御を行うことを含む。これにより、必要以上の窒素ガスＧ２を供給することなく、排ガス中のＮＯｘ濃度を効率的に抑制することができる。例えば、燃焼率が３０％以下の場合に限り、窒素ガスＧ２の供給をする制御をすることで、より効率的に排ガス中のＮＯｘ濃度を抑制することができる。
なお、本実施形態における制御は、（１）所定の燃焼率の値に達したときに、窒素ガスＧ２の供給を開始する制御を行うこと、（２）燃焼率が低くなるにつれて連続的に窒素ガス供給量を高くなるように制御を行うこと、（３）燃焼率が低くなるにつれて段階的に窒素ガス供給量を高くなるように制御を行うこと等が含まれる。

【0050】

以上、本発明の水素燃焼ボイラ装置の好ましい実施形態につき説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。

【0051】

例えば、上記実施形態において、バーナ２０は部分予混合バーナを採用することができる。これにより、水素ガスＧ１中に窒素ガスＧ２を添加することで、排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度を効果的に低減することができる。
なお、部分予混合バーナとは、一次空気及び燃料ガスを予混合した後にバーナのノズルから一次空気及び燃焼ガスの混合ガスを噴出させ、必要な理論空気量を二次空気として供給するものである。部分予混合バーナが予混合で必要な空気の量は全燃焼空気の３０～８０％程度である。

【0052】

また、上記実施形態において、着火工程後に、第１供給弁Ｖ３１及び第２供給弁Ｖ３２を開放し、さらに、流量調整弁Ｖ６１の開度が調整されることで、バーナ２０への窒素ガスＧ２の供給が開始される制御としたが、これに限らない。例えば、着火工程において、第１供給弁Ｖ３１及び第２供給弁Ｖ３２を開放し、流量調整弁Ｖ６１の開度が調整されることで、窒素供給ラインＬ２００が開放されてもよい。

【0053】

また、上記実施形態において、水素ガスＧ１及び窒素ガスＧ２を別々のラインから供給し、バーナ２０の上流側でそれぞれのラインを合流させて水素ガスＧ１及び窒素ガスＧ２の混合ガスをバーナ２０に供給していたが、これに制限されない。
例えば、窒素供給ラインＬ２００を水素供給ラインＬ１００における第１遮断弁Ｖ１１とフレームアレスタ５０との間に接続し、水素供給ラインＬ１００を介して窒素ガスＧ２をバーナ２０に供給したが、これに制限されず、窒素供給ラインＬ２００はバーナ２０に直接接続されてもよい。

【0054】

また、上記実施形態において、フレームアレスタ５０を水素供給ラインＬ１００に配置したが、これに制限されない。即ち、フレームアレスタ５０を含まない構成とすることもできる。この場合、窒素供給ラインＬ２００は、第１遮断弁Ｖ１１の下流側であれば、いずれの位置に接続されてもよい。

【0055】

また、上記実施形態において、燃料元弁Ｖ１３を手動弁により構成したが、これに限らない。例えば、燃料元弁をエア駆動弁により構成してもよい。

【0056】

以上説明した本実施形態の水素燃焼ボイラ装置１によれば、以下のような効果を奏する。
（１）本実施形態の水素燃焼ボイラ装置１は、バーナ２０は先混合バーナであり、水素ガスＧ１及び窒素ガスＧ２をバーナ２０に同時に供給し、バーナ２０に供給された水素ガスＧ１及び窒素ガスＧ２の混合ガスの燃焼を制御する燃焼制御部４１と、を備え、燃焼制御部４１は、前記混合ガスの前記水素ガスＧ１（Ａ）及び前記窒素ガスＧ２（Ｂ）との混合比率を体積流量比（Ａ：Ｂ）で９５：５～７５：２５となるように制御する。つまり、燃焼制御部４１は、窒素ガスＧ２の添加率が、水素ガスＧ１と窒素ガスＧ２の混合ガスの体積流量の５％以上２５％以下となるように制御する。これにより、排ガス中のＮＯｘ濃度を効果的に抑制することができる。
これは、燃料ガスとしての水素ガスＧ１に窒素ガスＧ２が添加されることにより、水素ガスＧ１がバーナ２０で燃焼する際に、窒素ガスＧ２の存在により局所的な高温域の形成が抑制されることでサーマルＮＯｘの発生が抑制されるものと推察される。さらに、水素ガスＧ１（Ａ）と窒素ガスＧ２（Ｂ）の体積流量比（Ａ：Ｂ）が９５：５～７５：２５のときに、窒素ガスＧ２は、サーマルＮＯｘの発生を抑制する効率を高める。

【0057】

（２）上記（１）の水素燃焼ボイラ装置１は、バーナ２０に水素ガスＧ１を供給する水素供給ラインと、バーナ２０に窒素ガスＧ２を供給する窒素供給ラインと、を備え、燃焼制御部４１は、燃焼状態に基づいて窒素ガスＧ２の供給量を所定量に制御する。これにより、容易に排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度を効果的に抑制できる。

【0058】

（３）上記（１）又は（２）の水素燃焼ボイラ装置１において、燃焼制御部４１は、燃焼率に基づいて窒素ガスＧ２の供給量を制御し、燃焼率の低下によって、水素ガスＧ１及び窒素ガスＧ２の混合ガスの窒素ガスＧ２の供給量が増加する制御を行う。これにより、必要以上の窒素ガスＧ２を供給することなく、燃焼状態に応じて排ガス中のＮＯｘ濃度を効率的に抑制することができる。

【0059】

（４）上記（１）から（３）の水素燃焼ボイラ装置１において、水素供給ラインＬ１００は、水素ガスＧ１の供給を遮断する水素供給遮断弁である第１遮断弁Ｖ１１及び第２遮断弁Ｖ１２を備え、窒素供給ラインＬ２００は、水素供給遮断弁である第１遮断弁Ｖ１１とフレームアレスタ５０の間に接続され、バーナ２０が燃焼を停止した後に、水素供給ラインＬ１００から水素ガスＧ１が停止された場合においてのみ、窒素供給ラインＬ２００から窒素ガスＧ２を供給するように制御するポストパージ制御部を更に備える。
これにより、燃焼時のバーナ２０には、窒素供給ラインＬ２００を通じて、水素ガスＧ１の供給と同時に窒素ガスＧ２を供給することができ、非燃焼時のバーナ２０には、窒素ガスＧ２を供給してバーナ２０のパージをすることができる。さらに、燃焼時のバーナ２０に窒素ガスＧ２の供給をすることができる装置構成において、ハードウエアを変更することなく非燃焼時のバーナ２０のパージをすることができる。

【符号の説明】

【0060】

１ 水素燃焼ボイラ
２０ バーナ
４１ 燃焼制御部
４２ ポストパージ制御部
Ｌ１００ 水素供給ライン
Ｌ２００ 窒素供給ライン
Ｇ１ 水素ガス
Ｇ２ 窒素ガス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】