CN108224425B - 氢气燃烧器结构及包括氢气燃烧器结构的氢气燃烧器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氢气燃烧器结构及包括氢气燃烧器结构的氢气燃烧器装置。氢气燃烧器结构包括第一圆筒管、第二圆筒管、第三圆筒管、和点火装置。第一圆筒管的内部被构造成使得氢气流动。在第一圆筒管和第二圆筒管之间的空间被构造成使得含有氧气的第一助燃气体流动。在第二圆筒管和第三圆筒管之间的空间被构造成使得含有氧气的第二助燃气体流动。点火装置被构造成点燃混合气体。在气体流动方向上，第一圆筒管的顶端位于第二和第三圆筒管的顶端的上游，其中氢气与第一助燃气体及第二助燃气体沿所述气体流动方向流动。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用氢气作为燃料气体的氢气燃烧器结构以及一种包括该氢气燃烧器结构的氢气燃烧器装置。
背景技术
在相关技术中，已经提出了使用氢气作为燃料气体的气体燃烧器装置(燃烧喷嘴装置)。在这些气体燃烧器装置中，通过利用点火装置点燃混合气体来产生火焰，该混合气体是通过使氢气与氧气相互混合而获得的。
例如，在日本未审定专利申请公报第2007-162993号(JP 2007-162993 A)中提出了以下描述的气体燃烧器装置的结构。关于该气体燃烧器装置的结构，内管和外管被同心地设置，含氧气体流动通道形成在内管中，并且燃料气体流动通道形成在内管和外管之间。此外，内管的顶端被盖体堵住，并且沿径向方向向燃料气体流动通道喷射含氧气体的多个喷射孔在内管的周向方向和纵向方向上形成。此外，点燃通过将含氧气体和燃料气体相互混合而获得的混合气体的点火装置在通孔的上游被设置在内管的外壁表面上。
关于与JP 2007-162993 A有关的气体燃烧器装置的结构，因为内管的顶端被盖体堵住，所以从形成在内管中的喷射孔沿径向方向喷射的含氧气体与燃料气体混合。因为点火装置被设置在通孔的上游，所以通过由点火装置执行的点火，混合气体的燃烧以逐步地方式从上游侧朝向下游侧发生。因此，不存在任何局部温度升高，并且NOx的产生能够受到抑制。
发明内容
然而，在氢气被用作在JP 2007-162993 A中示意的气体燃烧器装置的结构的燃料气体的情形中，氢气的燃烧速度高于碳氢化合物气体(诸如民用燃气)的燃烧速度。因此，氢气的燃烧在氢气扩散之前一次性进行。因此，燃烧的氢气的火焰部分的温度趋向于高于民用燃气的火焰部分的温度，通过在空气中的N2的氧化反应产生NOx，并且易于在燃烧之后的排气中含有相对大量的NOx。
本发明提供一种氢气燃烧器结构和一种包括该氢气燃烧器结构的氢气燃烧器装置，即使在氢气被用作燃料气体的情形中，该氢气燃烧器结构和氢气燃烧器装置仍然能够通过执行缓慢燃烧而抑制火焰的温度升高，以减小在燃烧之后的排气中的NOx的浓度。
作为敏锐的研究的结果，本发明人已经发现，当含有氧气的助燃气体在与作为燃料气体的氢气的释放方向相同的方向上围绕氢气释放时，氢气和助燃气体不主动地相互混合。因此地，本发明人已经发现，例如，即使当使用带有比碳氢化合物气体(诸如民用燃气)的燃烧速度高的燃烧速度的氢气时，仍然能够通过抑制一次性燃烧的进行而实现扩散燃烧。
本发明是基于上述发现的。本发明的第一方面涉及一种氢气燃烧器结构，该氢气燃烧器结构包括：第一圆筒管，所述第一圆筒管的顶端是敞开的；第二圆筒管，所述第二圆筒管被与第一圆筒管同心地设置在第一圆筒管的外侧；第三圆筒管，所述第三圆筒管被与第一圆筒管及第二圆筒管同心地设置在第二圆筒管的外侧；和点火装置，所述点火装置被设置在第二圆筒管的内部。第一圆筒管的内部被构造成使得氢气朝向第一圆筒管的顶端流动。在第一圆筒管和第二圆筒管之间的空间被构造成使得用于氢气的一次燃烧的含有氧气的第一助燃气体朝向第二圆筒管的顶端流动。在第二圆筒管和第三圆筒管之间的空间被构造成使得用于氢气的二次燃烧的含有氧气的第二助燃气体朝向第三圆筒管的顶端流动。点火装置被构造成点燃通过将氢气和第一助燃气体相互混合而获得的混合气体。在气体流动方向上，第一圆筒管的顶端位于第二和第三圆筒管的顶端的上游，其中氢气与第一助燃气体及第二助燃气体沿气体流动方向流动。
根据本发明的第一方面，第一流动通道形成在第一圆筒管中，氢气流过该第一流动通道。第二流动通道形成在第一圆筒管和第二圆筒管之间，用于氢气的一次燃烧的第一助燃气体通过该第二流动通道朝向第二圆筒管的顶端流动。第一圆筒管和第二圆筒管被同心地设置。因此，从第一流动通道释放的氢气基本沿相同的方向流动以便包围从第二流动通道释放的第一助燃气体。因此，氢气和第一助燃气体不主动地相互混合。在上述状态中，即使当在氢气与第一助燃气体部分地相互混合的区域中通过点火装置点燃氢气与第一助燃气体相互混合的混合气体时，由于氢气和第一助燃气体，仍然发生缓慢的一次燃烧，而与燃烧负荷无关。
此外，第三流动通道形成在第二圆筒管和第三圆筒管之间，用于氢气的二次燃烧的第二助燃气体流过该第三流动通道。第二圆筒管和第三圆筒管被同心地设置。因此，第二助燃气体也不主动地与未被第一助燃气体燃烧的氢气混合。因此，由于未燃烧的氢气和第二助燃气体，发生缓慢的二次燃烧。
在根据本发明的第一方面的氢气燃烧器结构中，第三圆筒管的顶端可以位于第二圆筒管的顶端的在气体流动方向上的上游。
在根据本发明的第一方面的氢气燃烧器结构中，第一圆筒管可以包括在第一圆筒管的顶端附近的管壁中的通孔，所述通孔允许第一圆筒管的管壁的内侧和外侧相互连通。点火装置可以被设置在通孔的在气体流动方向上的下游。
本发明的第二方面涉及一种氢气燃烧器装置，该氢气燃烧器装置包括：所述氢气燃烧器结构；和控制装置，所述控制装置被构造成控制要被供应到氢气燃烧器结构的氢气和至少第一助燃气体的流量。第一助燃气体和第二助燃气体是相同的助燃气体。控制装置被构造成控制第一助燃气体的流量，使得第一助燃气体的流量低于使氢气完全燃烧的流量并且低于第二助燃气体的流量。
如上所述，利用本发明的氢气燃烧器结构和氢气燃烧器装置，因为在上述的在氢气和第一助燃气体之间的一次燃烧之后未在该一次燃烧中燃烧的氢气能够通过围绕该氢气流动的第二助燃气体经受上述二次燃烧，所以氢气能够缓慢地燃烧。因此，即使在氢气被用作燃料气体的情形中，通过利用缓慢燃烧抑制火焰的温度升高，仍然能够减少在燃烧之后的排气中的NOx的产生。
附图说明
下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1是包括根据第一实施例的氢气燃烧器结构的氢气燃烧器装置的示意性截面视图；
图2是在图1中示意的氢气燃烧器结构的顶端附近的截面视图；
图3是沿着在图2中示意的线III-III截取的在箭头方向上的截面视图；
图4是根据第二实施例的氢气燃烧器结构的示意性截面视图；
图5是沿着在图4中示意的线V-V截取的在箭头方向上的截面视图；
图6是根据第三实施例的氢气燃烧器结构的示意性截面视图；
图7是示意在根据示例1、比较示例1和参考示例1的燃烧负荷率和NOx的浓度之间的关系的视图；并且
图8是示意在第二圆筒管和第三圆筒管的顶端之间的距离与NOx的浓度之间的关系的视图。
具体实施方式
在下文中，将参考图1到图5描述包括氢气燃烧器结构的氢气燃烧器装置和该氢气燃烧器结构的两个实施例。
第一实施例
1.氢气燃烧器装置100
图1是包括根据第一实施例的氢气燃烧器结构1的氢气燃烧器装置100的示意性截面视图。图2是在图1中示意的氢气燃烧器结构1的顶端附近的截面视图。图3是沿着在图2中示意的线III-III截取的在箭头方向上的截面视图。
如在图1中所示意地，根据第一实施例的氢气燃烧器装置100是以氢气G1作为燃料的氢气燃烧器装置，并且至少包括氢气燃烧器结构1和控制装置2，控制装置2控制氢气G1和至少将在下面描述的第一助燃气体G2的流量。如在图1到3中所示意地，该氢气燃烧器结构1包括在氢气燃烧器结构1的顶端侧上从内侧同心地(相同的中心轴线C)设置的第一圆筒管10、第二圆筒管20、和第三圆筒管30。第一圆筒管10、第二圆筒管20、和第三圆筒管30例如由金属材料(诸如不锈钢)制成。
第一流动通道41形成在第一圆筒管10的内部，氢气G1作为燃料气体通过第一流动通道41朝向第一圆筒管10的顶端11流动。具体地，氢气供应源51经由流量调节阀52被连接到第一圆筒管10。第一圆筒管10的顶端11是敞开的，并且在顶端11处形成圆形开口。如上所述，第一圆筒管10的内部是第一流动通道41，氢气G1流动通过第一流动通道41，并且在第一流动通道41中，使氢气G1在沿着中心轴线C的方向(气体流动方向d)上流动，并且氢气G1能够从顶端11释放。
第二圆筒管20的顶端21是敞开的，并且在顶端21处形成圆形开口。第二流动通道42形成在第一圆筒管10和第二圆筒管20之间，含有氧气的第一助燃气体G2通过第二流动通道42朝向第二圆筒管20的顶端21流动。具体地，第二圆筒管20在插入了第一圆筒管10的状态下被连接部22连接，并且连接部22经由流量调节阀62被连接到第一助燃气体供应源61。
这里，第一助燃气体G2是氢气G1的一次燃烧气体。将在下面描述的第二助燃气体G3是用于燃烧由于第一助燃气体G2的不足而未被燃烧的氢气G1的二次燃烧气体。第一助燃气体G2和第二助燃气体G3可以是含有氧气的气体。例如，能够包括通过将惰性气体与空气(环境空气)或者氧气混合而获得的气体。
如在图1和3中所示意地，形成有多个通孔24的矫直板23被设置在位于第二圆筒管20的基端处的连接部22的内部。因此，第二流动通道42形成在第一圆筒管10和第二圆筒管20之间，用于氢气G1的一次燃烧的第一助燃气体G2流动通过该第二流动通道42。在矫直板23下游的第二流动通道42中，使供应到第二圆筒管20的第一助燃气体G2在沿着中心轴线C的方向(气体流动方向d)上流动。另外，在本实施例中，通过矫直板23使第一助燃气体G2在气体流动方向d上流动。然而，当能够在第一助燃气体G2中形成如上所述的流动时，该结构不被特别地限制。
第三圆筒管30的顶端31是敞开的，并且在顶端31处形成圆形开口。第三流动通道43形成在氢气燃烧器结构1的第二圆筒管20和第三圆筒管30之间，含有氧气的第二助燃气体G3通过第三流动通道43朝向第三圆筒管30的顶端31流动。具体地，第三圆筒管30被连接部32连接，并且连接部32经由流量调节阀72被连接到第二助燃气体供应源71。
形成有多个通孔34的矫直板33被设置在位于第三圆筒管30的基端处的连接部32的内部。因此，第三流动通道43形成在第二圆筒管20和第三圆筒管30之间，用于氢气G1的二次燃烧的第二助燃气体G3流动通过第三流动通道43。在矫直板33下游的第三流动通道43中，使供应到第三圆筒管30的第二助燃气体G3在沿着中心轴线C的方向(气体流动方向d)上流动。另外，在本实施例中，通过矫直板33使第二助燃气体G3在气体流动方向d上流动。然而，当能够在第二助燃气体G3中形成如上所述的流动时，该结构不被特别地限制。
在本实施例中，作为优选的方面，第二流动通道42的横截面面积小于第三流动通道43的横截面面积。因此，能够更加简单地实现流动通过第二流动通道42的第一助燃气体G2的流量低于流动通过第三流动通道43的第二助燃气体G3的流量的状态。结果，在一次燃烧中未被燃烧的氢气G1能够通过使用第二助燃气体G3的二次燃烧被完全地燃烧，而无需通过使用第一助燃气体G2的一次燃烧完全地燃烧氢气G1。
当能够形成上述第一、第二和第三流动通道41、42、43时，第一、第二和第三圆筒管10、20和30的尺寸不被特别地限制。例如，优选的是，第一圆筒管10的外径是5mm到50mm，其内径是4mm到30mm，并且其厚度是1mm到11mm。考虑第二圆筒管20的外径是30mm到200mm，其内径是25mm到180mm，并且其厚度是1mm到11mm。另外地，考虑第三圆筒管30的外径是45mm到250mm，其内径是35mm到220mm，并且其厚度是1mm到16mm。此外，考虑第一到第三圆筒管的长度是90mm到220mm。
在本实施例中，在气体流动方向d上，第一圆筒管10的顶端11位于第二和第三圆筒管20、30的顶端21、31的上游，其中氢气G1和第一及第二助燃气体G2、G3沿气体流动方向d流动。此外，第三圆筒管30的顶端31位于第二圆筒管20的顶端21的在气体流动方向d的上游。
例如，虽然当利用氢气G1和第一助燃气体G2稳定的一次燃烧是可能的时，在第一圆筒管10的顶端11与第二圆筒管20的顶端21之间的距离L1不被特别地限制，但是该距离是100mm到210mm。此外，当能够燃烧由于第一助燃气体G2不足而未被燃烧的氢气G1时，在第二圆筒管20的顶端21与第三圆筒管30的顶端31之间的距离L2也不被特别地限制。然而，根据将在下面描述的本发明人的试验结果，距离L2大于至少0mm，并且例如被设定为10mm到130mm。因此，利用上述氢气燃烧器结构1和流量调节阀52、62、72的阀开度调节，能够减少在燃烧之后的排气的NOx的产量，而与要被调节的氢气燃烧器装置100的燃烧负荷率无关。
此外，氢气燃烧器结构1包括点火装置40，点火装置40被例示为例如用于导燃器的火花塞等。在图1和2中，简化并且描述了点火装置40的结构，并且示意了点火装置40的点火位置(点火棒的顶端)。
点火装置40在第二圆筒管20的内部点燃其中氢气G1和第一助燃气体G2相互混合的混合气体。具体地，在本实施例中，氢气G1和第一助燃气体G2在第一圆筒管10的顶端11附近相互混合。因此，点火装置40被设置在第一圆筒管10的顶端11附近。
控制装置2控制(调节)相应的气体的流量，以便基于从控制装置2输出的控制信号调节流量调节阀52、62、72的阀开度，并且在相应的气体的设定流量下向氢气燃烧器结构1供应相应的气体。具体地，首先，控制装置2根据氢气燃烧器装置100的燃烧负荷率(输出热量的速率)来设定氢气G1的流量，并且根据氢气G1的流量的设定来设定第一助燃气体G2和第二助燃气体G3的流量。在该情形中，可以进一步设置用于流动速度控制的节流阀(未示意)，使得在氢气燃烧器装置100的燃烧负荷率的最小值处，氢气G1从第一圆筒管10的顶端11释放的流动速度达到至少15m/s。
第一助燃气体G2和第二助燃气体G3的流量的设定如下地执行。具体地，第一助燃气体G2和第二助燃气体G3的流量被如此设定，使得流动通过第二流动通道42的第一助燃气体G2的流量低于使流动到第一流动通道41的氢气G1完全燃烧的流量并且低于流动通过第三流动通道43的第二助燃气体G3的流量。
另外，优选的是，第一助燃气体G2的流量被设定为是使流动到第一流动通道41的氢气G1完全燃烧的流量的5％或者更低的流量。另外地，优选的是，第二助燃气体G3的流量被设定为是使未被燃烧的氢气G1能够完全燃烧的流量。
如上所述，控制装置2驱动流量调节阀52、62、72，并且调节氢气G1以及第一和第二助燃气体G2、G3的流量，使得相应的气体的流量变为所设定的流量。在本实施例中，已经作为优选的方面示意了包括控制装置2的示例。然而，在不包括控制装置2的情形中，流动通过流量调节阀52、62、72的气体的流量可以直接地并且人工地调节。另外地，点火装置40的点火正时可以由控制装置2控制。此外，，当第二助燃气体G3能够以能够完全燃烧未被燃烧的氢气G1的足够的流量来供应时，可以使第二助燃气体G3的流量恒定，并且控制装置2可以不控制第二助燃气体G3的流量，并且可以控制氢气G1和第一助燃气体G2的流量。
2.使用氢气燃烧器结构1燃烧氢气G1的方法
在本实施例中，在氢气G1以及第一和第二助燃气体G2、G3的流量满足以下关系的状态下，使用在图1中示意的氢气燃烧器装置100，通过由控制装置2执行的流量调节阀52、62、72的驱动控制来燃烧氢气G1。
具体地，使氢气G1和第一助燃气体G2流动，使得流动通过第二流动通道42的第一助燃气体G2的流量低于使流动到第一流动通道41的氢气G1完全燃烧的流量。另外，使第一助燃气体G2和第二助燃气体G3流动，使得流动通过第二流动通道42的第一助燃气体G2的流量低于流动通过第三流动通道43的第二助燃气体G3的流量。
在氢气G1与第一和第二助燃气体G2、G3的流量之间的上述关系得以满足时，通过将氢气G1与第一助燃气体G2相互混合而获得的混合气体被点火装置40点燃。
在本实施例中，由于第一圆筒管10和第二圆筒管20被同心地设置，所以从第一流动通道41释放的氢气G1和从第二流动通道42释放的第一助燃气体G2在基本相同的方向上流动。因此，在第二圆筒管20的内部，氢气G1和第一助燃气体G2并不主动地相互混合。而且，由于第一圆筒管10的顶端11位于第二圆筒管20的顶端21的上游，所以第一助燃气体G2能够被释放以便在第一圆筒管10的顶端11下游包围在第二圆筒管20的内部的氢气G1。
在上述状态下，在第一圆筒管10的顶端11的下游的第二圆筒管20的内部的氢气G1与第一助燃气体G2部分地相互混合的区域中通过点火装置40点燃混合气体。因此，由于氢气G1和第一助燃气体G2，发生缓慢的一次燃烧。另外地，在本实施例中，流动通过第二流动通道42的第一助燃气体G2的流量低于使流动到第一流动通道41的氢气G1完全燃烧的流量。因此，在一次燃烧中，认为氢气G1的完全燃烧受到抑制并且其缓慢燃烧得以执行。在缓慢燃烧中，认为火焰F的温度难以极度地增加并且NOx的产生也受到抑制。
在本实施例中，由于被同心地设置的第二圆筒管20和第三圆筒管30，从第三流动通道43释放的第二助燃气体G3难以在与中心轴线C交叉的方向上流动。因此，第二助燃气体G3也不主动地与未被第一助燃气体G2燃烧的氢气G1混合。因此，由于未燃烧的氢气G1和第二助燃气体G3，发生缓慢的二次燃烧。
另外地，在本实施例中，控制装置2执行控制，使得流动通过第二流动通道42的第一助燃气体G2的流量低于流动通过第三流动通道43的第二助燃气体G3的流量。因此，利用第一助燃气体G2的氢气G1的一次燃烧受到限制，并且未燃烧的氢气G1被围绕氢气G1流动的第二助燃气体G3二次燃烧。
因为如上所述氢气G1能够通过一次燃烧和二次燃烧而扩散地燃烧，所以火焰F的温度升高能够受到抑制。因此，在燃烧排气中NOx的浓度能够减小，并且氢气燃烧器装置100的寿命能够得到改进。此外，因为即使当氢气G1具有比碳氢化合物气体高的燃烧速度时氢气G1仍然被扩散燃烧，所以朝向在气体流动方向d上的上游侧的逆火能够减小。
特别地，因为在气体流动方向d上第三圆筒管30的顶端31位于第二圆筒管20的顶端21的上游，所以流过第三流动通道43的第二助燃气体G3在远离中心轴线C的方向上径向地排放。因此，在一次燃烧中的未燃烧氢气G1能够通过第二助燃气体G3二次燃烧，使得反应时间变得更长。结果，如将在下面描述地，在燃烧之后的排气中的NOx能够减少，而与氢气燃烧器装置100的燃烧负荷率无关。
第二实施例
图4是根据第二实施例的氢气燃烧器结构1的示意性截面视图，并且图5是沿着在图4中示意的线V-V截取的在箭头方向上的截面视图。根据第二实施例的氢气燃烧器结构不同于根据第一实施例的氢气燃烧器结构的方面在于，在第一圆筒管中设置通孔和点火装置的位置。因此，将省略与第一实施例的相同的构造的详细说明。
根据本实施例的氢气燃烧器结构1在第一圆筒管10的顶端11附近的管壁中包括通孔16，该通孔16允许第一流动通道41与第二流动通道42相互连通。另外地，点火装置40被设置在通孔16的在气体流动方向d上的下游。
因此，穿过通孔16的少量氢气G1和穿过第二流动通道42的第一助燃气体G2能够相互混合，并且混合气体能够被在第一圆筒管10的顶端11的在气体流动方向d上的上游的点火装置40点燃。结果，如上所述，因为无需在带有相对高的热产生密度(能量密度)的第一圆筒管10的顶端11下游设置点火装置40，所以点火装置40的寿命能够得到改进。
第三实施例
图6是根据第三实施例的氢气燃烧器结构的示意性截面视图。如在图6中所示意地，根据第三实施例的氢气燃烧器结构不同于根据第一实施例的氢气燃烧器结构之处在于，允许第二圆筒管20的基端26与第三圆筒管30的连接部32的内部连通，并且第一和第二助燃气体G2、G3经由共同的流量调节阀82从助燃气体供应源81供应。因此，将省略与第一实施例的相同的构造的详细说明。
在本实施例中，第二圆筒管20在基端26侧上被夹在矫直板23、33之间。第二圆筒管20在第二圆筒管20的基端26处是敞开的，并且被设置在第三圆筒管30的连接部32内。第三圆筒管30被连接到连接部32，并且连接部32被连接到助燃气体供应源81，助燃气体供应源81经由流量调节阀82供应含有氧气的助燃气体G，诸如空气。因此，第一和第二助燃气体G2、G3从共同的助燃气体供应源81供应，并且第一和第二助燃气体G2、G3的总流量由一个流量调节阀82调节。
这里，多个通孔24、34以图3中示意的阵列状态形成，使得相应的矫直板23、33具有根据流动到第二和第三流动通道42、43的第一和第二助燃气体G2、G3的流量比的流量截面面积比。具体地，通过设定矫直板23、33的相应的通孔24、34的孔径来设定矫直板23、33的流量截面面积比，以使得流动通过第二流动通道42的第一助燃气体G2的流量低于流动通过第三流动通道43的第二助燃气体G3的流量。
如上所述，形成有通孔24、34的相应的矫直板23、33用作节流件，节流件将流到第二和第三流动通道42、43的第一和第二助燃气体G2、G3的流量比保持恒定。而且，即使当控制装置2调节(控制)流量调节阀82的阀开度时，仍然能够使第一和第二助燃气体G2、G3以恒定的节流比(第一和第二助燃气体G2、G3的恒定流量比)流动到第二和第三流动通道42、43。
此外，控制装置2控制(调节)相应的气体的流量，以便基于从控制装置2输出的控制信号来调节流量调节阀52、82的阀开度，并且以相应的气体的设定流量向氢气燃烧器结构1供应相应的气体。在本实施例中，控制装置2输出控制信号，使得氢气G1的流量满足在第一实施例中示意的与第一助燃气体G2的流量的关系。因此，控制装置2驱动流量调节阀52、82，并且调节流量调节阀52、82的阀开度。第二助燃气体G3以关于第一助燃气体G2恒定的流量比流动通过第三流动通道43。
如上所述，在本实施例中，来自助燃气体供应源81的助燃气体G能够通过一个流量调节阀82以恒定的流量比分成第一和第二助燃气体G2、G3。因此，与第一实施例的相比较，装置的构造得以简化。另外，本实施例的结构可以应用于第二实施例的氢气燃烧器装置100。
在下文中，将描述根据本发明的示例。
示例1
使用包括根据第二实施例的氢气燃烧器结构1的氢气燃烧器装置100来燃烧氢气G1。具体地，第一圆筒管10的内径是16mm并且其外径是34mm，第二圆筒管20的内径是93mm并且其外径是102mm，并且第三圆筒管30的内径是118mm并且其外径是128mm。从第二圆筒管20的顶端21到第一圆筒管10的顶端11的距离L1是160mm。从第二圆筒管20的顶端21到第三圆筒管30的顶端31的距离L2是80mm。
接着，使氢气G1流到第一流动通道41，同时控制装置改变氢气G1的流量，使得氢气燃烧器装置100的燃烧负荷率变化。空气被用作流动到第二流动通道42的第一助燃气体G2和流动到第三流动通道43的第二助燃气体G3。另外地，使第一助燃气体G2流动到第二流动通道42以便具有是使流动到第一流动通道41的氢气G1完全燃烧的流量的5％的流量。使第二助燃气体G3流动到第三流动通道43以便具有使由于第一助燃气体G2不足而未被燃烧的氢气G1完全燃烧的流量。伴随燃烧负荷率的改变的在燃烧之后的排气中包括的NOx的浓度被测量。测量结果在图7中示意。
比较示例1
制备了其中在图1中示意的氢气燃烧器装置100的第一圆筒管10的顶端11被堵住并且在第一圆筒管10的顶端11附近的周壁中设置与第二流动通道42连通的多个通孔的氢气燃烧器装置。在比较示例1中，使氢气G1流动到第一流动通道41，同时改变氢气G1的流量，使得氢气燃烧器装置100的燃烧负荷率变化。不使第二助燃气体G3流动，并且使第一助燃气体G2流动。另外地，使第一助燃气体G2流动到第二流动通道42以便具有使流动到第一流动通道41的氢气G1完全燃烧的流量。伴随燃烧负荷率的改变的在燃烧之后的排气中包括的NOx的浓度被测量。测量结果在图7中示意。
参考示例1
使用比较示例1的氢气燃烧器装置测量伴随燃烧负荷率的改变的在燃烧之后的排气中包括的NOx的浓度。在参考示例1中，存在替代氢气地使用碳氢化合物基天然气(民用燃气)的差别。
结果1
如在图7中所示意地，在包括根据示例1的氢气燃烧器结构1的氢气燃烧器装置100中，在燃烧之后的排气中的NOx的浓度低于比较示例1的浓度。另外地，根据参考示例1的在燃烧之后的排气中的NOx的浓度低于比较示例1的浓度。
从以上结果，在比较示例1的氢气燃烧器装置中，认为通过堵住第一圆筒管10的顶端11并且从第一圆筒管10的顶端11附近的周壁的通孔主动地使氢气G1与第一助燃气体G2混合，氢气G1在窄的空间中一次性燃烧。因此，认为火焰F的温度变高并且因此NOx的浓度变得高于示例1。
在另一方面，在参考示例1中，使用了天然气。因此，天然气的燃烧速度低于氢气的燃烧速度。因此，认为发生缓慢燃烧并且火焰F的温度变得低于比较示例1的火焰F的温度。
示例2
以与在示例1中相同的方式，使用氢气燃烧器装置100测量在燃烧之后的排气中的NOx的浓度。示例2不同于示例1之处在于，在氢气燃烧器装置100的燃烧负荷率变成10％、50％和100％并且从第二圆筒管20的顶端21到第三圆筒管30的顶端31的距离L2关于相应的燃烧负荷率从-80mm改变到80mm的条件下，使氢气G1流动到第一流动通道41。另外，距离L2的负值是当第三圆筒管30的顶端31位于第二圆筒管20的顶端21的上游时从第二圆筒管20的顶端21到第三圆筒管30的顶端31的距离。在第二圆筒管20和第三圆筒管30的顶端之间的距离与NOx的浓度之间的关系在图8中示意。
结果2
在先前描述的比较示例1中，如在图7中所示意地，在20％的燃烧负荷率下，在燃烧之后的排气中的NOx的浓度是大约50ppm。然而，如在图8中所示意地，在示例2中，即使当燃烧负荷率是10％并且距离L2是-80mm时，在燃烧之后的排气中的NOx的浓度仍然是大约40ppm。从上述结果，能够理解，在示例2的氢气燃烧器装置中在燃烧之后的排气中的NOx的浓度低于在比较示例1的浓度，而与距离L2无关。
而且，从在图7中示意的结果，认为通过使从第二圆筒管20的顶端21到第三圆筒管30的顶端31的距离L2大于0mm，能够与燃烧负荷率无关地减小NOx的浓度。此外，认为通过使从第二圆筒管20的顶端21到第三圆筒管30的顶端31的距离L2等于或者大于10mm，能够更加可靠地减小NOx的浓度。
虽然以上已经使用本发明的实施例给出了详细说明，但是具体构造不限于本实施例和示例，并且即使当在不偏离本发明的范围的情况下作出设计变化时，这些设计变化也被包括在本发明中。
Claims (3)
1.一种氢气燃烧器结构，包括：
第一圆筒管，所述第一圆筒管的顶端是敞开的，所述第一圆筒管的内部被构造成使得氢气朝向所述第一圆筒管的顶端流动；
第二圆筒管，所述第二圆筒管被与所述第一圆筒管同心地设置在所述第一圆筒管的外侧，在所述第一圆筒管和所述第二圆筒管之间的空间被构造成使得用于所述氢气的一次燃烧的含有氧气的第一助燃气体朝向所述第二圆筒管的顶端流动；
第三圆筒管，所述第三圆筒管被与所述第一圆筒管及所述第二圆筒管同心地设置在所述第二圆筒管的外侧，在所述第二圆筒管和所述第三圆筒管之间的空间被构造成使得用于所述氢气的二次燃烧的含有氧气的第二助燃气体朝向所述第三圆筒管的顶端流动；和
点火装置，所述点火装置被设置在所述第二圆筒管的内部，所述点火装置被构造成点燃通过将所述氢气和所述第一助燃气体相互混合而获得的混合气体，
其中，在气体流动方向上，所述第一圆筒管的顶端位于所述第二圆筒管及第三圆筒管的顶端的上游，其中所述氢气和所述第一助燃气体及所述第二助燃气体沿所述气体流动方向流动，
其特征在于，所述第三圆筒管的顶端位于所述第二圆筒管的顶端的在所述气体流动方向上的上游。
2.根据权利要求1所述的氢气燃烧器结构，其特征在于：
所述第一圆筒管包括在所述第一圆筒管的顶端附近的管壁中的通孔，所述通孔允许所述第一圆筒管的管壁的内侧和外侧相互连通；并且
所述点火装置被设置在所述通孔的在所述气体流动方向上的下游。
3.一种氢气燃烧器装置，其特征在于包括：
根据权利要求1或2所述的氢气燃烧器结构；和
控制装置，所述控制装置被构造成控制要被供应到所述氢气燃烧器结构的所述氢气和至少所述第一助燃气体的流量，其中
所述第一助燃气体和所述第二助燃气体是相同的助燃气体，并且
所述控制装置被构造成控制所述第一助燃气体的流量，使得所述第一助燃气体的流量低于使所述氢气完全燃烧的流量并且低于所述第二助燃气体的流量。
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