特許 7150102 二段燃焼装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-09-29

(45)【発行日】2022-10-07

(54)【発明の名称】二段燃焼装置

(51)【国際特許分類】

   F23C 99/00 20060101AFI20220930BHJP

   F23D 14/48 20060101ALI20220930BHJP

   F23D 14/22 20060101ALI20220930BHJP

【ＦＩ】

F23C99/00 324

F23D14/48 B

F23D14/22 E

F23C99/00 330

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2021106740

(22)【出願日】2021-06-28

【審査請求日】2021-06-28

(73)【特許権者】

【識別番号】516047175

【氏名又は名称】三菱重工パワーインダストリー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000785

【氏名又は名称】ＳＳＩＰ弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】津村 俊一

(72)【発明者】

【氏名】高嶋 洋平

(72)【発明者】

【氏名】冠木 豊

(72)【発明者】

【氏名】上妻 富明

(72)【発明者】

【氏名】田口 雄三

【審査官】宮下 浩次

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－１１１５９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０４５０８３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２３Ｃ ９９／００

Ｆ２３Ｄ １４／４８

Ｆ２３Ｄ １４／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素を含むガス燃料が流通するノズルと、
前記ノズルから噴出する前記ガス燃料に混合させる一次空気が流通する一次空気流路と、
前記一次空気が混合されて燃焼した前記ガス燃料に混合させる二次空気が流通する二次空気流路、を備え、
前記ノズルから噴出する前記ガス燃料に対する前記一次空気の空気比は、前記ノズルから噴出する前記ガス燃料に対する前記二次空気の空気比よりも低く、
前記ノズル内を流通する前記ガス燃料のガス圧は、３００ｋＰａ以上である二段燃焼装置。

【請求項2】

前記ノズルは、少なくとも１つの主孔と、前記主孔より孔径が小さい、少なくとも１つの副孔と、を含む請求項１に記載の二段燃焼装置。

【請求項3】

前記主孔は、前記ノズルの中心軸に対して２５度以上４５度以下の噴出角度で前記ガス燃料を噴出するように構成され、
前記副孔は、前記ノズルの前記中心軸に対して３５度以上５５度以下の噴出角度で前記ガス燃料を噴出するように構成され、
前記主孔の噴出角度は、前記副孔の噴出角度より小さい請求項２に記載の二段燃焼装置。

【請求項4】

前記主孔は、前記ノズルの中心軸に対して２５度以上３５度以下の噴出角度で前記ガス燃料を噴出するように構成され、
前記副孔は、前記ノズルの前記中心軸に対して３５度以上４５度以下の噴出角度で前記ガス燃料を噴出するように構成され、
前記主孔の噴出角度は、前記副孔の噴出角度より小さい請求項３に記載の二段燃焼装置。

【請求項5】

前記少なくとも１つの主孔は、前記ノズルの中心軸の周りに前記ノズルの前記中心軸を挟んで互いに対称となるように、前記ノズルの先端部に複数形成されている請求項２から４の何れか一項に記載の二段燃焼装置。

【請求項6】

前記少なくとも１つの副孔は、前記ノズルの中心軸の周りに前記ノズルの前記中心軸を挟んで互いに対称となるように、前記ノズルの先端部に複数形成されている請求項２から５の何れか一項に記載の二段燃焼装置。

【請求項7】

複数の前記主孔の開口面積の合計をＡ１、複数の前記副孔の開口面積の合計をＡ２とした場合に、比率Ａ１：Ａ２は８０：２０～９０：１０の間である請求項２から６の何れか一項に記載の二段燃焼装置。

【請求項8】

前記ノズルと前記一次空気流路とが設けられるガスバーナと、前記ガスバーナより火炉の上方の壁面に設けられ、前記二次空気流路からの二次空気を火炉内に噴出する二次空気噴出口と、を備える請求項１から７の何れか一項に記載の二段燃焼装置。

【請求項9】

前記ノズルの外周部に前記一次空気流路が設けられ、該一次空気流路の外周部に前記二次空気流路が設けられるガスバーナを備える請求項１から７の何れか一項に記載の二段燃焼装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、水素ガスを燃料として用いる二段燃焼装置に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、特許文献１には、水素ガスを燃料として用いるガスバーナが開示されている。この特許文献１には、ＮＯｘ（窒素酸化物）の発生を抑制するために、水素ガスと酸素ガスとを同じ方向に旋回させるとともに、旋回しながら噴出するそれぞれのガスの流速が同程度となるようにして、遠心力によって水素ガスと酸素ガスとの必要以上の混合を抑制する技術が開示されている。

【0003】

また、特許文献２には、ガスノズルの先端部にガスバーナの中心軸に対して３５°～４５°の噴射角度でガスを噴射する主孔と、ガスバーナの中心軸に対して４５°～５５°の噴射角度でガスを噴射する副孔と、が設けられ燃焼振動を抑えつつＮＯｘの発生を抑制するガスバーナについて、又二段燃焼について開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１９－０４５０８３号公報

【文献】特許第４６００８５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述のように特許文献１には、水素ガスを燃料として用いるガスバーナにおいて、ＮＯｘ（窒素酸化物）の発生を抑制する技術が示されている。係る技術によってある程度は抑制されるとしても、十分抑制することができない虞がある。

【0006】

水素は火炎温度が高いため高ＮＯｘになる課題を有しており、水素ガスを燃料として用いるガスバーナにおいても、燃焼振動を抑えつつＮＯｘの発生を抑制することが望まれている。

【0007】

一方、特許文献２には、燃焼振動を抑えつつＮＯｘの発生を抑制するガスバーナについて、又二段燃焼について示されているが、水素ガスを燃料として用いることについては開示されていない。

【0008】

本開示は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、燃焼振動を抑えつつＮＯｘの発生を抑制することができる水素ガスを燃料として用いる二段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】

【0009】

上記目的を達成するため、本開示に係る二段燃焼装置は、水素を含むガス燃料が流通するノズルと、前記ノズルから噴出する前記ガス燃料に混合させる一次空気が流通する一次空気流路と、前記一次空気が混合された前記ガス燃料に混合させる二次空気が流通する二次空気流路と、を備え、前記ノズルから噴出する前記ガス燃料に対する前記一次空気の空気比は、前記ノズルから噴出する前記ガス燃料に対する前記二次空気の空気比よりも低く、前記ノズル内を流通する前記ガス燃料のガス圧は、３００ｋＰａ以上である。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、燃焼振動を抑制しつつＮＯｘの発生を抑制することができる水素ガスを燃料として用いる二段燃焼装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態に係る二段燃焼装置の一部断面を示す概略側断面図、及びガスバーナへのガス燃料供給システムを示す概略構成図である。

【図2】ガスバーナへのガス燃料供給システムの他の例を示す概略構成図である。

【図3】ガスノズルの側断面図である（図４のＡ－Ａ線断面矢視図）。

【図4】ガスノズルの先端部を火炉内側から見た正面図である。

【図5】ガスバーナ入口圧力とＮＯｘとの関係を示す試験結果のグラフである。

【図6】さらに他の実施形態に係る小型ボイラのシステム概要図である。

【図7】さらに他の実施形態に係る中・大型ボイラのシステム概要図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、実施形態として記載されている、または図面に示されている構成部品の相対的配置等は、本発明の範囲をこれらに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

【0013】

＜一実施形態＞
図１には、本発明の一実施形態の二段燃焼装置１Ａの一部断面の概略側断面図を示す。火炉３Ａの壁面のバーナスロート部５にガスバーナ２が設けられている。ガスバーナ２は、ガスバーナ２の中心軸Ｃの部分に配置されるガスノズル７と、該ガスノズル７の外周部に燃焼用の空気を導入する一次空気流路９と、該一次空気流路９の外周部に設けられる二次空気流路１１の三重構造からなっている。

【0014】

ガスノズル７と一次空気流路９は円筒状の一次スリーブ１３の内部に設けられ、二次空気流路１１は一次スリーブ１３の外周側に設けられた円筒状の二次スリーブ１５の内部に形成される。

【0015】

そして、水素を含むガス燃料が、ガスノズル７の先端部分に形成される主孔２５と副孔２７から火炉３Ａ内に噴出される構造となっている。なお、二次空気流路１１の外周部に三次空気流路（図示せず）を設けても良い。このように、ガスバーナ２自体で二段燃焼装置１Ａを構成でき、二段燃焼装置１Ａをコンパクトに構成できる。バーナ３からの微粉炭を高温の火炉２内に向けて噴出するために炉壁１に開口され、かつ耐火材２０によりスロート状に形成された開口部４に、その耐火材２０の表面に向けて空気等の冷却体を噴出する噴出口２３を設ける。

【0016】

なお、「水素を含むガス燃料」には、水素と他の燃料を含むもの（混焼）と、水素のみ（専焼）とがあり、さらに、水素と他の燃料を含むものでも、水素が主たる燃料（水素の体積割合が５０％以上）、他の燃料が主たる燃料（水素の体積割合が５０％未満）に区分できる。「水素を含むガス燃料」とは、これらの場合をすべて含む。

【0017】

入口を形成する開口部２１から流入し、一次空気流路９を流れる中心空気である一次空気Ｆ１は直進流であるが、ガスノズル７の出口部分、すなわち、一次空気流路９の出口部分に設けられたスワラ（保炎器）１７によって、一次空気Ｆ１のうちの一部に旋回力が与えられ、スワラ１７の後流側の火炉３Ａ内の領域に淀み領域１９が形成され、この淀み領域１９にガス燃料が取りこまれることで、火炎の安定保持が可能となる。

【0018】

また、二次空気流路１１の入口部には、エアレジスタ２３が設置されて、エアレジスタタイプの旋回装置によって二次空気流路１１に流入する二次空気Ｆ２に旋回力が与えられる。

【0019】

また、火炉３Ａの壁面に形成されたガスバーナ２用の開口部分であるバーナスロート部５の外周部には、開口部の周囲を冷却するように水管６が開口部を囲うように設置されている。

【0020】

なお、ガスノズル７から噴出する水素を含むガス燃料に対する一次空気Ｆ１の空気比は、ガスノズル７から噴出するガス燃料に対する二次空気Ｆ２の空気比よりも低く、さらに、一次空気Ｆ１は、噴出するガス燃料に対する空気比が１未満になるように設定されている。空気比とはガス燃料を完全燃焼させるのに必要な空気量を１としたときの空気量の比率をいう。

【0021】

図３、図４に示すように、ガスノズル７の先端部分には、４つの主孔２５と、４つの副孔２７が設けられている。そして、全主孔を流れるガス燃料は、全ガス燃料流量の８０～９０％、全副孔を流れるガス燃料は、全ガス燃料流量の２０～１０％流れる構成になっている。すなわち、副孔２７は、主孔２５より孔径が小さく形成され、複数の主孔２５の開口面積の合計をＡ１、複数の副孔２７の開口面積の合計をＡ２とした場合に、比率Ａ１：Ａ２は８０：２０～９０：１０の間である。

【0022】

このように、副孔２７から噴出される燃料量を主孔２５から噴出される燃料量より少なくして、全副孔を流れるガス燃料が、全ガス燃料流量の２０～１０％流れる構成にすることで、副孔２７から噴出される燃料を一次空気の一部に旋回力を与えるスワラ（保炎器）１７の後流側に形成される淀み領域１９に取りこまれやすくして、火炎の安定保持を図り燃焼振動の抑制が可能になる。

【0023】

さらに、副孔２７から２０％を超えるような燃料が噴出されると、一次空気の一部に旋回力を与えるスワラ（保炎器）１７に焼損を与える虞れがあるため、全副孔を流れるガス燃料は、全ガス燃料流量の２０～１０％流れる構成が好ましい。

【0024】

また、図３、図４に示すように、ガスノズル７の先端部分の各主孔２５は、ガスノズル７の中心軸Ｃ（ガスバーナ２の中心軸Ｃでもある）を挟んで対称的に中心軸Ｃの周りに複数（４つ）配置され、中心軸Ｃを挟んで所定の噴出角度範囲に設定されている。以下、主孔２５の中心軸Ｃに対する仰角を主孔噴出角度θ１という。

【0025】

また、各副孔２７は、中心軸Ｃを挟んで対称的に中心軸Ｃの周りに複数（４つ）配置され、中心軸Ｃを挟んで所定の噴出角度範囲に設定されている。以下、副孔２７の中心軸Ｃに対する仰角を副孔噴出角度θ２という。そして、副孔噴出角度θ２は、主孔噴出角度θ１より大きい噴出角度でガス燃料を噴出するように構成されている。

【0026】

４つの主孔２５と４つの副孔２７はそれぞれ、中心軸Ｃの周りに主孔２５と副孔２７とが交互に均等に配置されている。すなわち、中心軸Ｃの周りにピッチ角度αが等しく４５度の間隔となっている。このように、主孔２５は、中心軸Ｃの周りに中心軸Ｃを挟んで互いに対称となるように、ガスノズル７の先端部に複数形成されているので、主孔２５から噴出されるガス燃料は、ガスバーナ２の中心に対して偏りなく均等に噴出される。

【0027】

また、副孔２７についても、中心軸Ｃの周りに中心軸Ｃを挟んで互いに対称となるように、ガスノズル７の先端部に複数形成されているので、副孔２７から噴出されるガス燃料は、ガスバーナ２の中心に対して偏りなく均等に噴出される。

【0028】

なお、図４示す正面図で、主孔２５の開口の中心位置２５ａと、副孔２７の開口の中心位置２７ａは、ガスノズル７の中心軸Ｃから距離が同一となるように設けられている。また、主孔２５及び副孔２７の断面形状は円形形状となっている。

【0029】

次に、図１を参照してガスバーナ２に水素を含むガス燃料を供給するシステム構成について説明する。水素を含むガス燃料が貯蔵される水素ガスタンク２９の出口には、入口弁３１が設けられ水素ガスタンク２９からのガス燃料の供給及び遮断が制御され、入口弁３１の出口側に減圧弁３３が設けられ所定の圧力に減圧される。

【0030】

減圧弁３３の下流側には図１に示すように順に、流量計３５、温度計３７、遮断弁３９、圧力計４１、流量調整弁４３、遮断弁４５、バーナ入口圧力計４７、バーナ入口弁４９が設けられている。バーナ入口弁４９を開弁することで、ガスバーナ２のガスノズル７にガス燃料が供給される。

【0031】

従って、主孔２５及び副孔２７からのガス燃料の噴出圧力は、ガスノズル７内を流通するガス燃料のガス圧であり、ガスバーナ２の入口圧力であり、バーナ入口圧力計４７で計測される。水素ガスタンク２９には、３００ｋＰａを超える高圧（例えば１５ＭＰａ）の水素を含むガス燃料が加圧されて貯蔵されており、減圧弁３３等によって減圧されて使用される３００ｋＰａ以上の目標ガス圧に減圧されてガスバーナ２に供給される。

【0032】

また、工場で生成される副生水素５１を適用する場合は、供給圧力が３～５０ＫＰａと低いので、図２に示すように、高圧化するためにブースタ５３を適用して、使用される３００ｋＰａ以上の目標ガス圧に上昇してガスバーナ２に供給される。

【0033】

図５に、水素を含むガス燃料のガスバーナ２の入口圧力（主孔２５及び副孔２７からの噴出圧力）とＮＯｘとの関係を示す試験結果のグラフを示す。試験条件は表１に示すとおりである。

【0034】

【表1】

【0035】

また、試験は、ガスバーナ２の入口圧力を、８０ＫＰａ（比較ベース）、３００ＫＰａ、５００ＫＰａ、９００ＫＰａの４条件について確認した。噴出圧力の変更は、ガスバーナ２の構造は変えずに、燃料量を一定にしてガスノズル７の先端部に形成される主孔２５及び副孔２７の孔径を変更することで試験した。例えば、表２に示すような孔径に変更した。また、燃焼試験時の主孔２５及び副孔２７の噴出角度は、主孔噴出角度θ１が４０°、副孔噴出角度θ２が４５°である。

【0036】

【表2】

【0037】

一般的に、都市ガスやＬＰＧ等を燃料とするボイラバーナでは、最大１３０ＫＰa程度で適用され、水素を燃料とする場合でも最大８０ＫＰa程度であるため、８０ＫＰａを基準として比較した。図５の試験結果のグラフに示すように、３００ＫＰａ、５００ＫＰａ、９００ＫＰａと低減することが確認された。９００ＫＰａでは約３０％のＮＯｘ低減効果が見られた。従って、ＮＯｘ低減効果が認められた３００ＫＰａ以上を高圧化の設定圧力とした。さらに望ましくは、５００ＫＰａ以上に設定するとよい。

【0038】

以上のように構成された一実施形態によれば、二段燃焼と、水素を含むガス燃料と、水素を含むガス燃料のガス圧を３００ｋＰａ以上に高圧化することによって、燃焼振動を抑制しつつ、ＮＯｘの発生を抑制することができる。次に、この一実施形態の作用効果について下記（Ａ）～（Ｄ）に詳述する。

【0039】

（Ａ）水素を含むガス燃料は一次空気Ｆ１と混合して燃焼してから、二次空気Ｆ２と混合して燃焼するので、ＮＯｘの発生を抑制することができる。すなわち、二段燃焼を行うことでＮＯｘの発生を抑制するように構成されている。

【0040】

燃料が燃焼する領域の温度が低ければ、ＮＯｘの発生は抑制される。従って、一次空気Ｆ１の空気比は二次空気Ｆ２の空気比よりも低いので、ガス燃料と一次空気Ｆ１とが混合して燃焼した領域（第１領域）の燃焼温度は、ガス燃料と二次空気Ｆ２とが混合して燃焼した領域（第２領域）の燃焼温度と比較して低くなっている。従って、二段燃焼によって、ＮＯｘの発生を抑制することができる。

【0041】

（Ｂ）水素を含むガス燃料のガス圧を３００ｋＰａ以上に高圧化することで、ガス燃料と一次空気との混合を促進させ、ガス燃料を第２領域よりも温度の低い第１領域で燃焼させる割合が相対的に増加する。また、水素は圧縮性流体であり、高圧化する程噴射孔出口で一気に拡散するため、空気との混合が促進され、低空気比で燃焼する割合が相対的に増加する。これらによって、水素を含むガス燃料を高圧化することで低ＮＯｘ化が達成される。

【0042】

（Ｃ）さらに、従来のガスバーナでは、燃焼振動の発生を抑制するため、ノズルから噴出されるガス燃料の噴出圧が３００ｋＰａ未満となるように構成されていることが多い。例えば、都市ガスやＬＰＧ等を燃料とするボイラバーナでは、最大１３０ＫＰa程度で適用され、水素を燃料とする場合でも最大８０ＫＰa程度である。

【0043】

本出願の発明者らの知見によれば、水素を含むガス燃料であれば、噴出圧を３００ｋＰａ以上に高圧化しても、燃焼振動が抑制されていることを見出した。

【0044】

すなわち、一般に、燃焼振動は、バーナとボイラなどの火炉との組合せで発生するので、バーナと火炉とのマッチングが悪いと燃焼振動が発生することになる。燃焼振動はバーナでのガス燃料の燃焼音が火炉内で共鳴するために生じるが、この現象は音圧によってガスバーナの空気量もしくは燃料量が変化し、発熱変動が発生し、これが音圧変動へと連鎖的に変化して生じるものである。

【0045】

そして、これらの変動はフィードバックループであることから、ループを形成している何かの要因を取り除いてやれば燃焼振動は発生しない。そして発熱変動の主たる原因は着火不良によるため、ガスバーナの保炎を強化すれば、火炉内からの音圧変動を受けても大きな発熱変動に繋がらないので燃焼振動が発生しない。

【0046】

水素は、都市ガスやＬＰＧに比較して燃焼速度が速く燃焼性が良いため、保炎性すなわち燃焼の安定性が強化され、燃焼振動のポテンシャルは都市ガスやＬＰＧより低減できると考えられる。従って、水素を含むガス燃料のガス圧を３００ｋＰａ以上に高圧化しても、燃焼振動は発生しにくいため、燃焼振動を抑制しつつＮＯｘの発生を抑制することができる。

【0047】

（Ｄ）さらに、ガスノズル７内を流通する水素を含むガス燃料のガス圧を３００ｋＰａ以上に高圧化することで、配管径やガスバーナを大型化することなくより大量の水素を含むガス燃料を燃焼することができる。

【0048】

すなわち、水素は都市ガスやＬＰＧに比較して発熱量が小さく必要とするボリュームが大きくなるが、高圧化によって、配管径やガスバーナ２を、大型化をすることなく対応が可能となる。さらに、小型化が可能になるメリットも有している。

【0049】

なお、上述した一実施形態は、ガスバーナ２に、水素を含むガス燃料が流通するガスノズル７と、ガス燃料に混合させる一次空気が流通する一次空気流路９と、一次空気が混合されたガス燃料に混合させる二次空気流路１１と、を備えて、ガスバーナ２自体で二段燃焼装置１Ａを構成するが、ガスバーナ２内の二次空気流路１１だけでは、ガスバーナ２や火炉３Ａのサイズ等によっては、二次空気量が十分確保できない場合があるため、二次空気量を確保するために、ガスバーナ２より火炉３Ａの上方の壁面に、二次空気を追加的に火炉３Ａ内に噴出する追加二次空気噴出口（追加二次空気アフターエアポート）（不図示）を設けてもよい。

【0050】

＜他の実施形態＞
他の実施形態では、主孔２５は、ガスノズル７の中心軸Ｃを挟んで５０度～９０度の範囲に設定され、ガスノズル７の中心軸Ｃに対して２５度以上４５度以下の主孔噴出角度θ１でガス燃料を噴出するように構成されている。

【0051】

また、副孔２７は、ガスノズル７の中心軸Ｃを挟んで７０度～１１０度の範囲に設定され、ガスノズル７の中心軸Ｃに対して３５度以上５５度以下の副孔噴出角度θ２でガス燃料を噴出するように構成されている。そして、既に説明したように主孔噴出角度θ1は、副孔噴出角度θ２より小さい。

【0052】

以上の他の実施形態の構成によれば、主孔噴出角度θ１が４５度を超えると火炉３Ａ内の圧力変動による燃焼振動のポテンシャルが大きくなる。また、主孔噴出角度θ１が２５度未満になると、長炎化が過剰となりボイラの熱吸収特性に影響を与える。従って、主孔噴出角度θ１を２５度から４５度とすることにより、火炎の安定化と長炎化が両立されることから、燃焼振動を抑制できると共に、長炎化による緩慢燃焼で火炎温度が低減し低ＮＯｘ化を達成できる。

【0053】

さらに、水素は、都市ガスやＬＰＧに比較して燃焼速度が速く、相対的に短炎となるため、主孔噴出角度θ１を都市ガスやＬＰＧのガス燃料の場合に比較して２５度から３５度のように狭角度に設定してもボイラの熱吸収特性への影響は問題ない。

【0054】

また、副孔２７については、副孔噴出角度θ２が３５度未満であると保炎効果が弱くなり振動ポテンシャルが上昇する。また、副孔噴射角度θ２が５５度を超えると、スワラ１７近傍での保炎性が強くなり過ぎるため、スワラ１７の焼損ポテンシャルが大きくなると共に、ＮＯｘの上昇が懸念される。従って、副孔噴出角度θ２は３５度から５５度が適正範囲である。

【0055】

さらに、水素は、都市ガスやＬＰＧに比較して燃焼速度が速く、保炎性が良いため、副孔噴出角度θ２を都市ガスやＬＰＧのガス燃料の場合に比較して３５度から４５度のように狭角度に設定しても燃焼振動への影響は問題ない。

【0056】

従って、水素を含むガス燃料の噴出圧力を３００ＫＰａ以上に高圧化するとともに、主孔噴出角度θ１を２５度から４５度とし、副孔噴出角度θ２を３５度から５５度に設定することにより、燃焼振動を抑制できると共に、ＮＯｘの発生量を低減することができる。

【0057】

さらに、噴出角度を狭角度側に設定して主孔噴出角度θ１を２５度から３５度とし、副孔噴出角度θ２を３５度から４５度に設定することが好ましい。このように噴出角度を狭角度側に設定することによって、より低ＮＯｘ化を達成できる。

【0058】

＜さらなる他の実施形態＞
上述した一実施形態及び他の実施形態では、ガスバーナ２に、水素を含むガス燃料が流通するガスノズル７と、ガス燃料に混合させる一次空気が流通する一次空気流路９と、一次空気が混合されたガス燃料に混合させる二次空気流路１１と、を備え、一次空気の空気比は、二次空気の空気比よりも低く、ノズル内を流通するガス燃料のガス圧は、３００ｋＰａ以上とする構成である。すなわち、ガスバーナ２自体で二段燃焼装置１Ａを構成する。

【0059】

これに対して、さらなる他の実施形態は、図６、図７に示すように、水素を含むガス燃料６０が流通するガスノズル６１、９１と一次空気Ｆ１が流通する一次空気流路６３、９３とが設けられるガスバーナ６５、９５と、このガスバーナ６５、９５より火炉３Ｂ、３Ｃの上方の壁面７３、９０に設けられ、二次空気流路６７、９７からの二次空気Ｆ２を火炉３Ｂ、３Ｃ内に噴出する二次空気アフターエアポート（二次空気噴出口）６９、９９と、を備え、一次空気の空気比は、二次空気の空気比よりも低く、ガスノズル６１、９１内を流通するガス燃料のガス圧は、３００ｋＰａ以上として二段燃焼装置１Ｂ、１Ｃを構成する。

【0060】

図６は、小型ボイラのシステム概要図である。ボイラの火炉３Ｂの底部にガスバーナ６５が設置され、上方に向かってガス燃料及び一次空気Ｆ１が噴出される。このガスバーナ６５より上方の火炉３Ｂの壁面７３に二次空気アフターエアポート６９が設けられ、火炉３Ｂ内に向かって二次空気Ｆ２が噴出されるようになっている。また、ボイラからは、蒸気が発生されると共に、排出される排ガスは節炭器７５を通って煙突７７から外部に排出される。

【0061】

ガスバーナ６５のガスノズル６１には、水素を含むガス燃料が供給される。この水素を含むガス燃料の供給システムは、図１、図２で説明したガス燃料供給システムと同様である。また、一次空気流路６３と二次空気流路６７への一次空気Ｆ１と二次空気Ｆ２は、押込通風機７９から押し込まれる空気を、流量調整弁８１、８３を介して所定の空気比になるように調整して供給される。

【0062】

図７は、中・大型ボイラのシステム概要図である。ボイラの火炉３Ｃの壁面９０にガスバーナ９５が設置され、火炉３Ｃ内に向かってガス燃料及び一次空気Ｆ１が噴出される。このガスバーナ９５より上方の火炉３Ｃの壁面９０に二次空気アフターエアポート９９が設けられ、火炉３Ｃ内に向かって二次空気Ｆ２が噴出されるようになっている。また、ボイラからは、蒸気が発生されると共に、排出される排ガスは節炭器１０５、誘引通風機１０６を通って煙突１０７から排出される。

【0063】

ガスバーナ９５のガスノズル９１には、水素を含むガス燃料が供給される。この水素を含むガス燃料の供給システムは、図１、図２で説明したガス燃料供給システムと同様である。また、一次空気流路９３と二次空気流路９７への一次空気Ｆ１と二次空気Ｆ２は、押込通風機１０９から押し込まれる空気を、流量調整弁１１１、１１３を介して所定の空気比になるように調整して供給される。

【0064】

以上の図６、図７に示す実施形態においては、ガスバーナ６５、９５と、火炉３Ｂ、３Ｃの壁面７３、９０に設けた二次空気アフターエアポート６９、９９と、を備えて、二段燃焼装置１Ｂ、１Ｃを構成できる。そして、係る二段燃焼装置１Ｂ、１Ｃによっても、既に一実施形態において説明した二段燃焼装置１Ａと同様の作用効果を奏する。

【0065】

その他、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態に適宜組み合わせてもよい。

【0066】

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

【0067】

（１）一の態様に係る二段燃焼装置は、水素を含むガス燃料が流通するノズル（一実施形態記載のガスノズル７、さらなる他の実施形態記載のガスノズル６１、９１）と、前記ノズルから噴出する前記ガス燃料に混合させる一次空気が流通する一次空気流路（一実施形態記載の一次空気流路９、さらなる他の実施形態記載の一次空気流路６３、９３）と、前記一次空気が混合された前記ガス燃料に混合させる二次空気が流通する二次空気流路（一実施形態記載の二次空気流路１１、さらなる他の実施形態記載の二次空気流路６７、９７）と、を備え、前記ノズルから噴出する前記ガス燃料に対する前記一次空気の空気比は、前記ノズルから噴出する前記ガス燃料に対する前記二次空気の空気比よりも低く、前記ノズル内を流通する前記ガス燃料のガス圧は、３００ｋＰａ以上である。

【0068】

本開示に係る二段燃焼装置によれば、水素を含むガス燃料は一次空気と混合して燃焼してから、二次空気と混合して燃焼するので、ＮＯｘの発生を抑制することができる。すなわち、二段燃焼を行うことでＮＯｘの発生を抑制するように構成されている。

【0069】

燃料が燃焼する領域の温度が低ければ、ＮＯｘの発生は抑制される。一次空気の空気比は二次空気の空気比よりも低いので、ガス燃料と一次空気とが混合して燃焼した領域（第１領域）の燃焼温度は、ガス燃料と二次空気とが混合して燃焼した領域（第２領域）の燃焼温度と比較して低くなっていることが多い。そして、ノズル内を流通する水素を含むガス燃料のガス圧を３００ｋＰａ以上とすることで、ガス燃料と一次空気との混合を促進させ、ガス燃料を第２領域よりも温度の低い第１領域で燃焼させる割合が相対的に増加する。これによって、ＮＯｘの発生を抑制することができる。

【0070】

また、水素は圧縮性流体であり、高圧化する程噴射孔出口で一気に拡散するため、空気との混合が促進され、低空気比で燃焼する割合が相対的に増加することで低ＮＯｘ化が達成される。

【0071】

また、従来では、燃焼振動の発生を抑制するため、ノズルから噴出されるガス燃料の噴出圧が３００ｋＰａ未満となるように構成されていることが多い。例えば、都市ガスやＬＰＧ（液化石油ガス）等を燃料とするボイラバーナでは、最大１３０ＫＰa程度で適用され、水素を燃料とする場合でも最大８０ＫＰa程度である。

【0072】

本出願の発明者らの知見によれば、水素を含むガス燃料であれば、噴出圧を３００ｋＰａ以上に高圧化しても、燃焼振動が抑制されていることを見出した。

【0073】

すなわち、本開示に係る二段燃焼装置によれば、水素は、都市ガスやＬＰＧに比較して燃焼速度が速く燃焼性が良いため、保炎性すなわち燃焼の安定性が強化され、燃焼振動のポテンシャルは都市ガスやＬＰＧより低減できると考えられる。従って、水素を含むガス燃料のガス圧を３００ｋＰａ以上に高圧化しても、燃焼振動は発生しにくいため、燃焼振動を抑制しつつＮＯｘの発生を抑制することができる。

【0074】

また、ノズル内を流通する水素を含むガス燃料のガス圧を３００ｋＰａ以上に高圧化することで、配管径やガスバーナを大型化することなくより大量の水素を含むガス燃料を燃焼することができる。

【0075】

水素は都市ガスやＬＰＧに比較して発熱量が小さく必要とするボリュームが大きくなるが、高圧化によって、配管径やガスバーナを、大型化をすることなく対応が可能となる。さらに、小型化が可能になるメリットも有している。

【0076】

（２）別の態様に係る二段燃焼装置は、（１）に記載の二段燃焼装置であって、前記ノズルは、少なくとも１つの主孔（一実施形態記載の主孔２５）と、前記主孔より孔径が小さい、少なくとも１つの副孔（一実施形態記載の副孔２７）と、を含む。

【0077】

このような構成（２）によれば、副孔から噴出される燃料量を主孔から噴出される燃料量より少なくして、副孔から噴出される適正量の保炎用燃料を一次空気の一部に旋回力を与えるスワラ（保炎器）の後流側に形成される保炎に適した低流速の淀み領域に取りこまれやすくして、スワラ近傍の火炎の安定保持を図り燃焼振動の抑制が可能になる。

【0078】

（３）さらに別の態様に係る二段燃焼装置は、（２）に記載の二段燃焼装置であって、前記主孔は、前記ノズルの中心軸（一実施形態記載のガスノズルの中心軸Ｃ）に対して２５度以上４５度以下の噴出角度（他の実施形態記載の主孔噴出角度θ１）で前記ガス燃料を噴出するように構成され、前記副孔は、前記ノズルの前記中心軸に対して３５度以上５５度以下の噴出角度（他の実施形態記載の副孔噴出角度θ２）で前記ガス燃料を噴出するように構成され、前記主孔の噴出角度は、前記副孔の噴出角度より小さい。

【0079】

このような構成（３）によれば、主孔からのガス燃料の噴出角度（ノズルの中心軸Ｃに対する仰角）を４５度より小さくすることで、火炎の長炎化による緩慢燃焼を促進させることができる。４５度を超えると火炉内の圧力変動による燃焼振動のポテンシャルが大きくなる。主孔の噴出角度が２５度未満になると、長炎化が過剰となりボイラの熱吸収特性に影響を与える。従って、主孔の噴出角度を２５度以上４５度以下とすることにより、火炎の安定化と長炎化が両立されることから、燃焼振動を抑制できると共に、長炎化による緩慢燃焼で火炎温度が低減し低ＮＯｘ化を達成できる。

【0080】

副孔については、副孔の噴出角度を５５度より小さくしていくことで、ＮＯｘの発生量を低減できる。副孔の噴出角度が５５度を超えると、バーナのスワラ近傍での保炎が強くなり過ぎて焼損ポテンシャルが大きくなると共に、ＮＯｘの上昇が懸念される。副孔の噴出角度が３５度未満であると保炎効果が弱くなり振動ポテンシャルが上昇する。従って、副孔の噴出角度を３５度以上５５度以下とすることで、燃焼振動を抑制できると共に、ＮＯｘの発生量を低減することができる。

【0081】

（４）さらに別の態様に係る二段燃焼装置は、（３）に記載の二段燃焼装置であって、前記主孔は、前記ノズルの中心軸に対して２５度以上３５度以下の噴出角度で前記ガス燃料を噴出するように構成され、前記副孔は、前記ノズルの前記中心軸に対して３５度以上４５度以下の噴出角度で前記ガス燃料を噴出するように構成され、前記主孔の噴出角度は、前記副孔の噴出角度より小さい。

【0082】

このような構成（４）によれば、水素は、都市ガスやＬＰＧに比較して燃焼速度が速く、相対的に短炎となるため、主孔からの噴出角度を構成（３）に比較して２５度から３５度のように狭角度に設定してもボイラの熱吸収特性への影響は問題なく、長炎化による緩慢燃焼で火炎温度の低減によって、より低ＮＯｘ化を達成できる。

【0083】

また、副孔についても、水素は、都市ガスやＬＰＧに比較して燃焼速度が速く、保炎性が良いため、副孔からの噴出角度を構成（３）に比較して３５度から４５度のように狭角度に設定しても燃焼振動への影響は問題なく、より低ＮＯｘ化を達成できる。

【0084】

（５）さらに別の態様に係る二段燃焼装置は、（２）から（４）の何れかに記載の二段燃焼装置であって、前記少なくとも１つの主孔は、前記ノズルの前記中心軸の周りに前記ノズルの前記中心軸を挟んで互いに対称となるように、前記ノズルの先端部に複数形成されている。

【0085】

このような構成（５）によれば、主孔から噴出され水素を含むガス燃料は、ノズルの中心に対して偏りなく均等に噴出できるので長炎による緩慢燃焼化を滞りなく対応できる。

【0086】

（６）さらに別の態様に係る二段燃焼装置は、（２）から（５）の何れかに記載の二段燃焼装置であって、前記少なくとも１つの副孔は、前記ノズルの前記中心軸の周りに前記ノズルの前記中心軸を挟んで互いに対称となるように、前記ノズルの先端部に複数形成されている。

【0087】

このような構成（６）によれば、副孔からの噴出される水素を含むガス燃料は、ノズルの中心に対して偏りなく均等に噴出できるので、スワラ廻りの保炎領域を均等に形成し、燃焼振動のポテンシャルを低減可能。

【0088】

（７）さらに別の態様に係る二段燃焼装置は、（２）から（６）の何れかに記載の二段燃焼装置であって、複数の前記主孔の開口面積の合計をＡ１、複数の前記副孔の開口面積の合計をＡ２とした場合に、比率Ａ１：Ａ２は８０：２０～９０：１０の間である。

【0089】

このような構成（７）によれば、副孔から噴出される燃料を一次空気の一部に旋回力を与えるスワラ（保炎器）の後流側に形成される淀み領域に取りこまれやすくして火炎の安定保持を図り燃焼振動の抑制が可能になるとともに、副孔から２０％を超えるような燃料が噴出されると、一次空気の一部に旋回力を与えるスワラ（保炎器）に焼損を与える虞れがあるため、このような虞れを防止できる。

【0090】

（８）さらに別の態様に係る二段燃焼装置は、（１）から（７）の何れかに記載の二段燃焼装置であって、前記ノズルと前記一次空気流路とが設けられるガスバーナ（さらなる他の実施形態記載のガスバーナ６５、９５）と、前記ガスバーナより火炉の上方の壁面に設けられ、前記二次空気流路からの二次空気を火炉内に噴出する二次空気噴出口（さらなる他の実施形態記載の二次空気アフターエアポート６９、９９）と、を備える。

【0091】

このような構成（８）によれば、ノズルと一次空気流路とが設けられたガスバーナと、二次空気噴出口と、を備えて二段燃焼装置を構成できる。

【0092】

（９）さらに、別の態様に係る二段燃焼装置は、（１）から（７）の何れかに記載の二段燃焼装置であって、前記ノズルの外周部に前記一次空気流路が設けられ、該一次空気流路の外周部に前記二次空気流路が設けられるガスバーナ（一実施形態記載のガスバーナ２）を備える。

【0093】

このような構成（９）によれば、ガスバーナ自体で二段燃焼装置を構成でき、二段燃焼装置をコンパクトに構成できる。

【符号の説明】

【0094】

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 二段燃焼装置
２、６５、９５ ガスバーナ
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ 火炉
５ バーナスロート部
６ 水管
７、６１、９１ ガスノズル（ノズル）
９、６３、９３ 一次空気流路
１１、６７、９７ 二次空気流路
１３ 一次スリーブ
１５ 二次スリーブ
１７ スワラ（保炎器）
１９ 淀み領域
２１ 開口部
２３ エアレジスタ
２５ 主孔
２７ 副孔
２９ 水素ガスタンク
３１ 入口弁
３３ 減圧弁
３５ 流量計
３７ 温度計
３９、４５ 遮断弁
４１ 圧力計
４３ 流量調整弁
４７ バーナ入口圧力計
４９ バーナ入口弁
５１ 副生水素
５３ ブースタ
６９、９９ 二次空気アフターエアポート（二次空気噴出口）
Ｃ ガスバーナ及びガスノズルの中心軸
Ｆ１ 一次空気
Ｆ２ 二次空気
θ１ 主孔噴出角度
θ２ 副孔噴出角度

【要約】

【課題】燃焼振動を抑えつつＮＯｘの発生を抑制することができる水素ガスを燃料として用いる二段燃焼装置を提供すること。
【解決手段】水素を含むガス燃料が流通するノズルと、ノズルから噴出する前記ガス燃料に混合させる一次空気が流通する一次空気流路と、一次空気が混合されたガス燃料に混合させる二次空気が流通する二次空気流路と、を備え、ノズルから噴出するガス燃料に対する一次空気の空気比は、ノズルから噴出するガス燃料に対する二次空気の空気比よりも低く、ノズル内を流通するガス燃料のガス圧は、３００ｋＰａ以上である。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】