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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-08-29
(45)【発行日】2024-09-06
(54)【発明の名称】燃焼装置
(51)【国際特許分類】
   F23N 5/24 20060101AFI20240830BHJP
   F23N 5/20 20060101ALI20240830BHJP
   F23C 1/00 20060101ALI20240830BHJP
   F23K 5/00 20060101ALI20240830BHJP
【FI】
F23N5/24 101F
F23N5/20 101Z
F23C1/00 301
F23K5/00 304
【請求項の数】 5
(21)【出願番号】P 2022148271
(22)【出願日】2022-09-16
(65)【公開番号】P2024043212
(43)【公開日】2024-03-29
【審査請求日】2024-07-01
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000000284
【氏名又は名称】大阪瓦斯株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001818
【氏名又は名称】弁理士法人R&C
(72)【発明者】
【氏名】北村 暁之
(72)【発明者】
【氏名】志賀 俊久
(72)【発明者】
【氏名】井上 智博
(72)【発明者】
【氏名】南 哲
【審査官】柳本 幸雄
(56)【参考文献】
【文献】特開2016-8790(JP,A)
【文献】特開2019-45094(JP,A)
【文献】特開2018-200166(JP,A)
【文献】中国実用新案第214198769(CN,U)
【文献】特開2019-39607(JP,A)
【文献】特開2022-167291(JP,A)
【文献】特開2020-159617(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F23C 1/00
F23N 5/20
F23K 5/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料ガスと、酸素を含む酸化剤とを混合した混合気を燃焼する燃焼装置であって、
前記燃料ガスとしての炭化水素ガスを主成分とする前記炭化水素ガスを通流する炭化水素ガス通流配管と、
前記燃料ガスとしての水素ガスを通流する水素ガス通流配管と、
前記水素ガス通流配管を通流する前記水素ガスの流量を調整可能な第1流量調整弁と、前記炭化水素ガス通流配管を通流する前記炭化水素ガスの流量を調整可能な第2流量調整弁と、を制御可能な制御装置とを備え、
前記炭化水素ガス通流配管は、前記水素ガス通流配管の前記第1流量調整弁の設置位置より下流側の下流側配管部位に対し、前記炭化水素ガスを通流可能な状態で連通接続されており、
前記制御装置は、前記第1流量調整弁を閉止状態とすると共に前記第2流量調整弁を開放状態として、前記水素ガス通流配管の前記下流側配管部位の前記水素ガスを前記炭化水素ガスによりパージする炭化水素ガスパージ制御を実行可能に構成されている燃焼装置。
【請求項2】
前記混合気に点火する点火装置を備え、
前記制御装置は、前記点火装置による点火前から点火時までは、前記第1流量調整弁を閉止状態とすると共に前記第2流量調整弁を開放状態とし、前記点火装置による点火後は、前記第1流量調整弁の開度を徐々に増加すると共に前記第2流量調整弁の開度を徐々に低下する点火時燃料流量制御を実行する請求項1に記載の燃焼装置。
【請求項3】
前記制御装置は、前記点火時燃料流量制御の実行後に、前記第1流量調整弁を開放状態とすると共に前記第2流量調整弁を閉止状態とする水素燃焼制御へ移行する請求項2に記載の燃焼装置。
【請求項4】
前記制御装置は、燃焼停止前に、前記第2流量調整弁の開度を零より大きい燃焼下限開度以上の開度に維持した状態で前記第1流量調整弁の開度を徐々に低下して零とする第1燃焼停止制御と、前記第1流量調整弁と前記第2流量調整弁の双方を閉止状態とする第2燃焼停止制御とを、記載の順に実行する燃焼停止制御を実行する請求項1~3の何れか一項に記載の燃焼装置。
【請求項5】
前記水素ガス通流配管の前記炭化水素ガス通流配管の合流部の下流側にフレームアレスターを備える請求項1~3の何れか一項に記載の燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、燃料ガスと、酸素を含む酸化剤とを混合して燃焼する燃焼装置、及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、地球温暖化等の環境問題に対応するべく、二酸化炭素が排出されない脱炭素燃焼技術として、燃料ガスとして水素ガスを用いると共に酸化剤として酸素等を用いる水素バーナが知られている(特許文献1を参照)。
当該水素バーナは、燃焼により二酸化炭素が排出され難く、脱炭素燃焼技術の一つとして挙げられるが、燃料ガスとしての水素ガスは、最小着火エネルギーが都市ガス13Aに比べて1/10以下であり着火し易く、燃焼範囲(空気比)は、最大で10であり、都市ガス13Aに比して5倍以上で、低濃度でも燃焼する特性を有する。
【0003】
そこで、安全性を考慮して、燃料ガスが通流する燃料ガス通流配管を、窒素ガスを通流する窒素パージを行うことにより、燃料ガス通流配管における逆火を防止する技術が知られている(特許文献2を参照)。当該特許文献2に開示の技術は、燃料ガス通流配管の途中に、パージ用の窒素ガス通流配管を連通接続すると共に当該窒素ガス通流配管を開閉する開閉弁を備え、パージが必要な場合に当該開閉弁を開放状態として、窒素ガスを燃料ガス通流配管に通流するパージ制御を実行可能に構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開平07-232929号公報
【文献】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】
上記特許文献1に開示の水素バーナにおいて、上記特許文献2に開示される窒素ガスによるパージ制御を実行する構成が考えられるが、窒素ガスによるパージを行う場合、パージに用いる窒素は、燃焼に寄与しないにも関わらず、少なくともバーナの燃焼停止時に消費されるため、経済性の観点から改善の余地があった。また、窒素を供給するためには、窒素ボンベを用意する必要があるから、定期的なボンベの交換を要するため、運用における作業効率の観点からも改善の余地があった。
【0006】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料ガスとして水素ガスを用いる場合にも安全な運用を図りながら、経済性の向上及び運用における作業効率の向上を図り得る燃焼装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するための燃焼装置は、
燃料ガスと、酸素を含む酸化剤とを混合した混合気を燃焼する燃焼装置であって、その特徴構成は、
前記燃料ガスとしての炭化水素ガスを主成分とする前記炭化水素ガスを通流する炭化水素ガス通流配管と、
前記燃料ガスとしての水素ガスを通流する水素ガス通流配管と、
前記水素ガス通流配管を通流する前記水素ガスの流量を調整可能な第1流量調整弁と、前記炭化水素ガス通流配管を通流する前記炭化水素ガスの流量を調整可能な第2流量調整弁と、を制御可能な制御装置とを備え、
前記炭化水素ガス通流配管は、前記水素ガス通流配管の前記第1流量調整弁の設置位置より下流側の下流側配管部位に対し、前記炭化水素ガスを通流可能な状態で連通接続されており、
前記制御装置は、前記第1流量調整弁を閉止状態とすると共に前記第2流量調整弁を開放状態として、前記水素ガス通流配管の前記下流側配管部位の前記水素ガスを前記炭化水素ガスによりパージする炭化水素ガスパージ制御を実行可能に構成されている点にある。
【0008】
上記特徴構成によれば、制御装置が、第1流量調整弁を閉止状態にすると共に第2流量調整弁を開放状態として、水素ガス通流配管の下流側配管部位の水素ガスを炭化水素ガスによりパージする炭化水素ガスパージ制御を実行可能に構成されているから、例えば、燃焼装置での燃焼を停止する燃焼停止前に、当該炭化水素ガスパージ制御を実行することで、水素ガス通流配管に水素が残留することを防止でき、燃焼装置の次の燃焼開始時(点火装置による点火時)に、水素ガス通流配管にて水素が逆火することを回避でき、安全な運用を図ることができる。
特に、当該炭化水素ガスパージ制御は、一般的なガス供給網にて供給可能な都市ガス13A等の炭化水素ガスによりパージするので、通常ボンベ等により供給される窒素によりパージする場合に比べて、ボンベの入れ替え作業等を省略でき、運用における作業効率の向上を図ることができると共に経済性の向上を図ることができる。
また、炭化水素ガスパージ制御を燃焼装置の燃焼開始前に実行する場合、パージに用いた炭化水素ガスは、燃焼装置により加熱される炉内に供給されて燃焼の用に供され、炉内が予熱されるから、窒素等をパージガスとして用いる場合に比べ、更なる経済性の向上を図ることができる。
以上より、燃料ガスとして水素ガスを用いる場合にも安全な運用を図りながら、経済性の向上及び運用における作業効率の向上を図ることができる燃焼装置を実現できる。
【0009】
燃焼装置の更なる特徴構成は、
前記混合気に点火する点火装置を備え、
前記制御装置は、前記点火装置による点火前から点火時までは、前記第1流量調整弁を閉止状態とすると共に前記第2流量調整弁を開放状態とし、前記点火装置による点火後は、前記第1流量調整弁の開度を徐々に増加すると共に前記第2流量調整弁の開度を徐々に低下する点火時燃料流量制御を実行する点にある。
【0010】
通常、水素の点火時には、火炎が急速に伝播し、発生する強い圧力や音による破壊現象(燃焼爆発)を伴う場合がある。
上記特徴構成の如く、点火時燃料流量制御を実行することで、点火前から点火時までは、第1流量調整弁を閉止状態とすると共に第2流量調整弁を開放状態とするから、点火時には、炭化水素ガスを燃料ガスとする混合気に点火することができる。これにより、窒素パージする場合でも回避することができなかった、水素点火による燃焼爆発の発生を回避できる。
更に、点火後には、燃料ガスにおける水素ガスの割合を徐々に増加するから、瞬間的に炭化水素ガスから水素ガスへ切り換える場合に比べ、燃焼爆発のリスクを十分に低減して、安全に燃料ガス種を切り換えることができる。
【0011】
燃焼装置の更なる特徴構成は、
前記制御装置は、前記点火時燃料流量制御の実行後に、前記第1流量調整弁を開放状態とすると共に前記第2流量調整弁を閉止状態とする水素燃焼制御へ移行する点にある。
【0012】
上記特徴構成によれば、点火時燃料流量制御の実行後であって、点火が適切に実行された後には、燃料ガスとして水素ガスを用いる水素燃焼制御へ移行するから、炭化水素ガスを燃料ガスとして使う場合に比べ、排ガス性状を向上できクリーンな燃焼を実現できる。
【0013】
燃焼装置の更なる特徴構成は、
前記制御装置は、燃焼停止前に、前記第2流量調整弁の開度を零より大きい燃焼下限開度以上の開度に維持した状態で前記第1流量調整弁の開度を徐々に低下して零とする第1燃焼停止制御と、前記第1流量調整弁と前記第2流量調整弁の双方を閉止状態とする第2燃焼停止制御とを、記載の順に実行する燃焼停止制御を実行する点にある。
【0014】
上記特徴構成の如く、第1燃焼停止制御及び第2燃焼停止制御を記載の順に実行することで、燃料ガスとしての炭化水素ガスの流量を一定以上に維持しながら燃料ガスとしての水素ガスの流量を徐々に減少させて零にした後、燃料ガスの流量を零にして、水素ガス通流配管の第2流量調整弁の設置位置より下流側の下流側配管部位に水素ガスを残留させないから、次の燃焼装置の点火時に、水素ガスに点火され燃焼爆発が発生することを防止して、安全性の向上を図ることができる。
【0015】
燃焼装置の更なる特徴構成は、
前記水素ガス通流配管の前記炭化水素ガス通流配管の合流部の下流側にフレームアレスターを備える点にある。
【0016】
これまで説明してきた特徴構成を有する燃焼装置によれば、効果的に水素ガスの逆火を防止することができるのであるが、更に、上記特徴構成の如く、水素ガス通流配管の前記炭化水素ガス通流配管の合流部の下流側にフレームアレスターを備えることで、水素ガス通流配管のみでなく、炭化水素ガス通流配管への逆火の発生する虞をも効果的に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
図1】本発明に係る燃焼装置の概略構成図である。
図2】燃焼開始処理に係る制御フロー図である。
図3】燃焼停止処理に係る制御フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
本発明の実施形態に係る燃焼装置100は、燃料ガスとして水素ガスを用いる場合にも安全な運用を図りながら、経済性の向上及び運用における作業効率の向上を図り得る燃焼装置に関する。以下、図1~3に基づいて、当該実施形態に係る燃焼装置100を説明する。
【0019】
当該実施形態に係る燃焼装置100は、燃料ガスと燃焼用空気(酸素を含む酸化剤の一例)とを混合した混合気を燃焼するものであって、燃料ガスと燃焼用空気との流量を制御して混合気を所望の空気比として燃焼するべく、制御装置Sとしての流量制御部S2による電子リンケージ方式を採用している。
当該燃焼装置100は、図1に示すように、燃料ガスとしての炭化水素(例えば、メタン)を主成分とする炭化水素ガス(例えば、都市ガス13A)を通流する炭化水素ガス通流配管L2と、燃料ガスとしての水素ガスを通流する水素ガス通流配管L1と、インバータ方式で回転数が制御されるブロアBにより圧送される燃焼用空気を通流する燃焼用空気通流配管L3とを、バーナ本体BNaに連通接続して構成されており、バーナ本体BNaにて図示しない点火装置により混合気に点火する形態で、燃焼火炎を形成する。
【0020】
水素ガス通流配管L1には、通流する水素ガスの流量を計測する第1流量計F1と、通流する水素ガスの流量を制御する第1流量調整弁V1と、流路の開放状態と閉止状態とを切り換える第1開閉弁SV1及び第2開閉弁SV2と、下流側から上流側への流体の通流を阻止する第1逆止弁GV1とを、上流側から記載の順に備えられている。
炭化水素ガス通流配管L2には、通流する炭化水素ガスの流量を計測する第2流量計F2と、通流する炭化水素ガスの流量を制御する第2流量調整弁V2と、流路の開放状態と閉止状態とを切り換える第3開閉弁SV3及び第4開閉弁SV4と、下流側から上流側への流体の通流を阻止する第2逆止弁GV2とを、上流側から記載の順に備えられている。
【0021】
炭化水素ガス通流配管L2は、少なくとも、水素ガス通流配管L1の第1流量調整弁V1の設置位置より下流側の下流側配管部位に対し、炭化水素ガスを通流可能な状態で連通接続されることが好ましい。当該実施形態では、図1に示すように、炭化水素ガス通流配管L2の第2逆止弁GV2の下流側部位が、水素ガス通流配管L1の第1逆止弁GV1の下流側部位の合流部Gにて接続されている。水素ガス通流配管L1の合流部Gの下流側(下流側配管部位に含まれる配管部位)には、フレームアレスターFAが設けられている。
【0022】
即ち、水素ガス通流配管L1には、バーナ本体BNaに近い側から記載の順に、フレームアレスターFA、第1逆止弁GV1が設けられており、水素ガスの逆火を好適に防止できる構成となっている。
特に、フレームアレスターFAは、水素ガス通流配管L1のうち、炭化水素ガス通流配管L2との合流部Gの下流側に設けられるため、フレームアレスターFAより上流側の水素ガス通流配管L1及び炭化水素ガス通流配管L2の双方へ逆火が発生する虞を低減できる。
【0023】
燃焼用空気通流配管L3には、通流する燃焼用空気の流量を計測する第3流量計F3と、通流する水素ガスの流量を制御する第3流量調整弁V3とが、上流側から記載の順に設けられている。
【0024】
制御装置Sは、ハードウェアとソフトウェアとが協働する形で各種機能を発揮するよう構成されている。
当該制御装置Sとしての流量制御部S2は、バーナ本体BNaにて形成される燃焼火炎により加熱される燃焼炉Rの内部の温度を計測する温度センサNDの計測結果に基づいて、燃料ガスや燃焼用空気の流量を制御するよう構成されている。換言すると、流量制御部S2は、温度センサNDにて計測される温度が、制御装置Sとしての記憶部S1に予め記憶される目標温度となるように、第1流量計F1と第2流量計F2と第3流量計F3にて計測される流量に基づいて、第1流量調整弁V1と第2流量調整弁V2と第3流量調整弁V3の開度を制御する。
更に、流量制御部S2は、バーナ本体BNaに供給される混合気の空気比が、記憶部S1に記憶される所望の空気比となるように、第1流量計F1と第2流量計F2と第3流量計F3にて計測される流量に基づいて、第1流量調整弁V1と第2流量調整弁V2と第3流量調整弁V3の開度を制御する。
【0025】
以上の構成の如く、当該実施形態に係る燃焼装置100は、燃料ガスとして水素ガスを用いるものであるが、当該水素ガスをパージするために、燃焼に寄与しない窒素等のガスを用いない構成を採用している。即ち、燃焼装置100は、バーナ本体BNaへガスを供給する配管等の構成として、水素ガス通流配管L1と炭化水素ガス通流配管L2と燃焼用空気通流配管L3のみを備えて構成されている。
当該構成を採用した場合、水素ガスの点火時の燃焼爆発の発生を回避したり、配管への逆火を抑制するべく、図2に示す燃焼開始処理及び図3に示す燃焼停止処理に係るフローに基づいて、燃焼が制御される。
【0026】
燃焼開始処理に係る制御に関し、流量制御部S2は、図2に示すように、まずもって、ブロアBを所定の回転速度で働かせると共に、第3流量調整弁V3を所定の開度として燃焼用空気通流配管L3へ燃焼用空気を通流させる(#11)。
【0027】
次に、流量制御部S2は、水素ガス通流配管L1の合流部Gの下流側を燃料ガスとしての炭化水素ガスによりパージするべく、第3開閉弁SV3及び第4開閉弁SV4を開放状態とすると共に第2流量調整弁V2を予め決められた所定開度の開放状態として(#12)、炭化水素ガスを炭化水素ガス通流配管L2及び合流部Gの下流側の水素ガス通流配管L1を介してバーナ本体BNaへ通流させる炭化水素ガスパージ制御を実行する。
尚、当該炭化水素ガスパージ制御において、流量制御部S2は、第1開閉弁SV1及び第2開閉弁SV2を閉止状態に維持すると共に、第1流量調整弁V1を閉止状態として、水素ガスがバーナ本体BNaに導かれることを禁止する。
【0028】
流量制御部S2は、予め定められた第1パージ時間(水素ガス通流配管L1の合流部Gの下流側の配管容積の5倍以上に相当する流量の炭化水素ガスを流す時間)の間、炭化水素ガスパージ制御を実行した後(#13、#14)、図示しない点火装置により、炭化水素ガスと燃焼用空気との混合気に点火する(#15)。当該点火時には、第2流量調整弁V2は、零より大きい燃焼下限開度以上の所定開度に維持される。
尚、炭化水素ガスパージ制御により、燃焼炉Rへ流出した炭化水素ガスは、点火後に、燃焼して燃焼炉Rの予熱等に寄与することになり、パージと燃焼の双方に寄与する。
【0029】
即ち、流量制御部S2は、点火装置による点火前から点火時までは、第1流量調整弁V1を閉止状態とすると共に第2流量調整弁V2を開放状態とするのであるが、点火装置による点火後は、第1流量調整弁V1の開度を徐々に増加して水素ガスの流量を増加すると共に第2流量調整弁V2の開度を徐々に低下して炭化水素ガスの流量を減少させる点火時燃料流量制御を実行する(#16)。
流量制御部S2は、当該点火時燃料流量制御において、空気比が予め定められた所定値となるように、第1流量調整弁V1と第2流量調整弁V2と第3流量調整弁V3の開度を制御する。
【0030】
流量制御部S2は、点火時燃料流量制御の実行後に、第1流量調整弁V1を、所定の出力で所定の空気比となる所定開度の開放状態に維持すると共に、第2流量調整弁V2の開度が零の閉止状態とする水素燃焼制御へ移行する(#17)。当該水素燃焼制御は、燃料ガスとして水素ガスのみを燃焼するものである。
【0031】
次に、燃焼停止制御としての第1燃焼停止制御及び第2燃焼停止制御を実行する燃焼停止処理に係る制御を、図3の制御フローに基づいて説明する。
燃焼停止処理に係る制御では、流量制御部S2は、まずもって、第1流量調整弁V1の開度を徐々に低下させて水素ガスの流量を減少すると共に、第2流量調整弁V2の開度を徐々に増加させて炭化水素ガスの流量を増加し(#21)、第1流量調整弁V1の開度を零まで低下させて維持すると共に第2流量調整弁V2の開度を零より大きい燃焼下限開度以上の所定開度に維持する第1燃焼停止制御を実行する(#22)。
流量制御部S2は、当該第1燃焼停止制御において、空気比が予め定められた所定値となるように、第1流量調整弁V1と第2流量調整弁V2と第3流量調整弁V3の開度を制御する。
【0032】
次に、流量制御部S2は、予め定められた第2パージ時間(水素ガス通流配管L1の合流部Gの下流側の配管容積の5倍以上に相当する流量の炭化水素ガスを流す時間)の間、炭化水素ガスパージ制御を実行した後(#23、#24)、第2流量調整弁V2の開度を零まで低下して、第1流量調整弁V1と第2流量調整弁V2の双方を閉止状態とする第2燃焼停止制御を実行する(#25)。
その後、流量制御部S2は、第1開閉弁SV1と第2開閉弁SV2と第3開閉弁SV3と第4開閉弁SV4とを閉止状態とし、ブロアBを停止させると共に第3流量調整弁V3を閉止状態として燃焼を停止する(#26)。
【0033】
〔別実施形態〕
(1)上記実施形態では、燃料ガスとしての水素の燃焼に伴う逆火等を防止するべく、フレームアレスターFA、第1逆止弁GV1、第2逆止弁GV2を設ける構成を示したが、これらの構成は、設けなくても構わない。
【0034】
(2)上記実施形態において、流量制御部S2は、点火時流量制御及び第1燃焼停止制御において、水素ガス及び炭化水素ガスの流量を制御する際に、混合気の空気比が予め定められた所定値となるように、各種流量調整弁の開度を制御するものとした。
当該空気比は、必ずしも一定の値である必要はなく、混合気が安定燃焼する範囲となるよう制御されるものとしても構わない。
【0035】
尚、上記実施形態(別実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【0036】
本発明の燃焼装置は、燃料ガスとして水素ガスを用いる場合にも安全な運用を図りながら、経済性の向上及び運用における作業効率の向上を図り得る燃焼装置として、有効に利用可能である。
【符号の説明】
【0037】
13A :都市ガス
100 :燃焼装置
FA :フレームアレスター
L1 :水素ガス通流配管
L2 :炭化水素ガス通流配管
S :制御装置
V1 :第1流量調整弁
V2 :第2流量調整弁
図1
図2
図3