CN109424957B - 用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构，该喷嘴结构能够减少所产生的NOx的量。用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构包括外管、与外管同中心地设置的内管、以及设置成使外管与内管之间的空间节流的稳定器。内管包括内管端部部分，该内管端部部分具有形成在内管端部部分中的轴向开孔和周向开孔，轴向开孔沿内管的轴向方向贯穿，周向开孔沿内管的径向方向贯穿。氢气流动穿过内管。周向开孔使氢气沿内管的径向方向从内管流出。

Description

用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构

技术领域

本公开涉及用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构。

背景技术

日本未审专利申请公开No.H11-201417公开了一种用于燃烧器的喷嘴结构，在该用于燃烧器的喷嘴结构中，燃烧气体与空气预先混合，使得NOx的产生被抑制。在该用于燃烧器的喷嘴结构中，烃类气体等通常被用作燃烧气体。

发明内容

本发明人已经发现了以下问题。应当指出的是，存在氢气被用作燃料气体的情况。在这些情况中，由于氢气与烃类气体相比是高活性的，因此燃烧火焰的温度可能局部地变高。结果是，有时会产生大量NOx。

本公开为减少在氢气燃烧器装置中所产生的NOx的量而做出。

第一示例性方面是用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构，该喷嘴结构包括外管、与外管同中心地设置的内管、以及设置成使外管与内管之间的空间节流的稳定器，其中，

内管包括内管端部部分，该内管端部部分具有形成在该内管端部部分中的轴向开孔和周向开孔，轴向开孔沿内管的轴向方向贯穿，周向开孔沿内管的径向方向贯穿，

氢气流动穿过内管，

周向开孔使氢气沿内管的径向方向从内管流出，

轴向开孔使氢气沿内管的轴向方向从内管流出，

含氧气体在外管与稳定器之间流动，

轴向开孔的横截面积S1与周向开孔的横截面积S2之间的比率S2/S1等于或低于50％，并且

内管和外管之间的空间的横截面积S4与稳定器的外边缘和外管之间的空间的横截面积S3之间的比率S3/S4等于或低于45％。

根据上述构造，通过限定比率S2/S1的上限确保了氢气的直流动特性。此外，通过限定比率S3/S4的上限防止了促进氢气与含氧气体的混合。结果是，可以防止燃烧火焰的温度局部地变高并且因此减少了所产生的NOx的量。

进一步地，可以限定比率S2/S1与比率S3/S4满足以下关系：

S3/S4≤0.0179×(S2/S1)2-1.7193×(S2/S1)+45。

根据上述构造，由于比率S2/S1和比率S3/S4的范围被进一步限制，因此进一步防止了促进氢气与含氧气体的混合。因此，可以进一步防止燃烧火焰的温度局部地变高并且因此进一步减少了所产生的NOx的量。

本公开可以减少氢气燃烧器装置中产生的NOx的量。

通过在下文中给出的详细描述和以仅说明的方式给出并且因此不应被认为是对本公开的限制的附图，将更充分地理解本公开的以上及其他目标、特征和优点。

附图说明

图1是示出了根据第一实施方式的喷嘴结构的立体图；

图2是根据第一实施方式的喷嘴结构的主要部分的截面图；

图3是根据第一实施方式的喷嘴结构的截面图；

图4是根据第一实施方式的喷嘴结构的主要部分的立体图；

图5是示出了关于氢气喷嘴孔面积比率S2/S1的就氧气浓度为11％而言所转换的NOx浓度的曲线图；

图6是示出了关于氢气喷嘴孔面积比率S2/S1和空气通道面积比率S3/S4的就氧气浓度为11％而言的NOx浓度的转换的等值线图(contour graph)；

图7是示出了根据第一实施方式的喷嘴结构的应用示例的示意性截面图；以及

图8是示出了根据第一实施方式的喷嘴结构的另一应用示例的示意性截面图。

具体实施方式

本发明人已经注意到氢气与含氧气体的混合程度影响所产生的NOx(氮氧化物)的量的现象。此外，为了减少所产生的NOx的量，本发明人已经研究了氢气和含氧气体的流动并且认为应当控制氢气与含氧气体的混合。于是，本发明人不断地且反复地研究喷嘴结构的形状、尺寸等，并且已经实现了本公开内容。

在下文中参照附图详细地说明了应用本公开的具体实施方式。然而，本公开不限于以下所示的实施方式。而且，为了使说明清楚，以下描述和附图被适当地简化。在图1至4中限定右手三维xyz坐标系统。

(第一实施方式)

参照图1至图4描述了根据第一实施方式的喷嘴结构。

如图1和图2中所示，喷嘴结构10包括外管1、内管2以及稳定器3。喷嘴结构10用作设置在氢气燃烧器装置中的喷嘴。

外管1包括具有假想轴线Y1的筒形本体1a，并且该筒形本体1a的一个端部1b是敞开的。含氧气体被供给至外管1，并且含氧气体在外管1与内管2之间流动。在图1中所示的示例中，空气被用作含氧气体。然而，其不限于空气并且可以使用任何含氧气体。此外，优选的是不含大量氢的含氧气体。含氧气体可以通过使用包括用公开已知的方法去除氢的过程的制造方法来产生。

如图2和图4中所示，内管2包括筒形本体2a，并且作为筒形本体2a的端部中的一个端部的内管端部部分2b是敞开的。内管2同中心地设置在外管1内。换言之，内管2具有与外管1相同的轴线Y1。内管端部部分2b具有沿着内管2的轴线Y1贯穿(即，延伸)的轴向开孔2c以及沿内管2的径向方向贯穿(即，延伸)的周向开孔2d。

在图4中示出的示例中，在内管2的内管端部部分2b中于外周表面2f上形成有多个周向开孔2d且形成为使得所述多个轴向开孔2d沿周向方向布置。在图4中示出的示例中，所述多个周向开孔2d围绕轴线Y1以辐射状图案贯穿内管端部部分2b。在图4中示出的示例中，周向开孔2d中的每个周向开孔具有大致圆形的形状。然而，周向开孔2d的形状不限于大致圆形的形状。换言之，周向开孔2d可以具有各种形状，比如缝状形状。

氢气被供给至内管2并且氢气流动穿过内管2的内部。轴向开孔2c使氢气沿着内管2的轴线Y1从内管2流出。此外，周向开孔2d使氢气沿内管2的径向方向从内管2流出。注意的是，内管2的径向方向是从内管2的轴线Y1沿着与该轴线Y1大致成直角地相交的横截面朝向外管1的方向。

注意的是，图1中示出的喷嘴结构10的示例还包括空气罐8和氢气罐9。如图1和图2中所示，从空气罐8向外管1的内周表面1e与内管2的外周表面2f之间的空间供给空气。此外，从氢气罐9向内管2的内部供给氢气。注意的是，尽管图1中所示的喷嘴结构10的示例包括空气罐8，但其可以替代地包括鼓风机。此外，喷嘴结构10可以包括用于调节所供给的氢气的量和/或流率以及/或者所供给的含氧气体的量和/或流率的装置。

稳定器3是由阻挡含氧气体的材料制成的环状构件。稳定器3优选地通过大体上使用一种片状材料形成。此外，稳定器3可以设置有形成为供含氧气体穿过的通气孔。然而，稳定器3优选地未设置有通气孔。注意的是，稳定器3可以设置有用于安装火花塞和/或检测设备的孔，比如窗口。稳定器3设置在内管2的外周表面2f上。稳定器3从内管2的外周表面2f朝向外管1的内周表面1e延伸。此外，由于稳定器3使外管1与内管2之间的空间节流(即，窄化)，因此含氧气体能够穿过的空间变得较小。注意的是，稳定器3可以是筒形本体并且可以在内管2的内管端部部分2b与内管2的基侧端部部分(即，在该示例中Y-轴上的正向侧上)之间大致覆盖内管2的外周表面2f的整个区域。

(喷嘴结构的细节)

接下来，详细地描述喷嘴结构10。如图3和图4中所示，轴向开孔2c的横截面积S1、周向开孔2d的横截面积S2、稳定器3的外部边缘3f与外管1之间的空间的横截面积S3、以及内管2与外管1之间的空间的横截面积S4被限定。具体地，如图4中所示，横截面积S1是在喷嘴结构10的横截面上的由轴向开孔2c的敞开端部环绕的区域的面积(即，尺寸)。横截面积S2是多个周向开孔2d的总横截面积。横截面积S3是喷嘴结构10的横截面上的由稳定器3的外部边缘3f与外管1的内周表面1e环绕的区域的面积(即，尺寸)。横截面积S4是喷嘴结构10的横截面上的由内管2的外周表面2f与外管1的内周表面1e环绕的区域的面积(即，尺寸)。

轴向开孔2c的横截面积S1与周向开孔2d的横截面积S2之间的比率S2/S1[％](也被称为氢气喷嘴孔面积比率S2/S1)满足下面所示的关系表达式1。

S2/S1＜50 (关系表达式1)

注意的是，面积S2可以具有大于0(零)％的任何值以使燃烧火焰稳定。此外，也已经通过实验证实，当比率S2/S1至少为4％时，燃烧火焰能够被充分地稳定。

稳定器3的外部边缘3f和外管1之间的空间的横截面积S3与内管2和外管1之间的空间的横截面积S4之间的比率S3/S4[％](也被称为空气通道面积比率S3/S4)满足下面所示的关系表达式2。

S3/S4＜45 (关系表达式2)

注意的是，面积S3可以具有大于0(零)％的任何值。这是用于防止燃烧突然发生并且从而防止过大的压降。此外，已经通过实验证实，当该比率S3/S4至少为10.0％时，压降不会有在用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构中造成实际问题的有害影响。

优选的是满足上面示出的关系表达式1和2，这是因为当上述表达式1和2被满足时，在预定条件下NOx的浓度(下文中被称作“NOx浓度”)可以被减小至20ppm或更低。当NOx浓度等于或低于20ppm时，NOx浓度低于针对各种环境的以及针对各种气体燃烧器装置的NOx浓度的规定值。因此，即使当喷嘴结构10被用在各种环境下以及用于各种气体燃烧器装置时，喷嘴结构10的NOx浓度可以被降低到NOx浓度的规定值以下。

进一步地，比率S2/S1和比率S3/S4优选地满足下面所示的关系表达式3。

S3/S4≤0.0179×(S2/S1)2-1.7193×(S/S1)+45 (关系表达式3)

当满足上面所示关系表达式3时，在预定条件下NOx浓度可以被更可靠地减小至20ppm或更低。因此，即使当喷嘴结构10被用在各种环境下以及用于各种气体燃烧器装置时，喷嘴结构10的NOx浓度可以被更可靠地降低到NOx浓度的规定值以下。

(燃烧火焰产生方法)

接下来，描述通过将空气用作含氧气体而由喷嘴结构10产生燃烧火焰的方法。

如图2中所示，在使氢气沿内管2的径向方向从周向开孔2d流出的同时，也使氢气在沿着内管2的轴线Y1的方向上从轴向开孔2c流出。此外，使空气经由外管1的另一端部1c流至外管1的所述一个端部1b。就用于燃烧的条件而言，含氧气体中氧气的浓度为例如不低于10质量％且不高于21质量％(mass％)。当空气被用作含氧气体时，空气比率优选地例如为1.0至1.5，并且更优选地为1.0至1.1。其他用于燃烧的条件基本上与使用烃类气体的气体燃烧器装置的公开已知的喷嘴结构类似。

从周向开孔2d流出的氢气沿着稳定器3行进并到达外管1的内周表面1e或外管1的周缘。同时，在穿过稳定器3之后，空气沿着外管1的内周表面1e流动并且与从周向开孔2d流出的氢气接触。空气和氢气朝向外管1的所述一个端部1b流动。然后，空气和氢气穿过所述一个端部1b并且排放至外管1的外部。氢气中的小部分氢气与空气中的氧气的小部分氧气在稳定器3与外管1的所述一个端部1b之间的部分中彼此反应。氢气与氧气之间的这种反应的反应物进入燃烧火焰(将在稍后描述)。

同时，从轴向开孔2c流出的氢气流至外管1的所述一个端部1b并且排放至外管1的外部。通过使用设置在外管1的所述一个端部1b附近的点火装置比如火花塞(未示出)，产生火花等并且氢气被点燃并燃烧。结果是，可以从喷嘴结构10的外管1的所述一个端部1b产生燃烧火焰。氢气与空气中的氧气之间的上述反应的反应物进入燃烧火焰并且因此可以使燃烧火焰稳定。因此，面积S2可以具有大于0(零)％的任何值。

[示例]

接下来，参照图5和图6说明了针对喷嘴结构10的示例以及针对其比较示例对所产生的NOx的量进行测量的实验。

在实验中，在燃烧量被调节至20％的情况下，对在喷嘴结构10的示例中的NOx浓度与比较示例中的NOx浓度进行比较。就实验的条件而言，空气比率被调节至1.1至1.2。空气被用作含氧气体。氧气浓度为21％。其他用于燃烧的条件基本上与使用烃类气体的公开已知的喷嘴结构类似。在比较示例中使用下述喷嘴结构：该喷嘴结构具有与喷嘴结构10的结构相同的结构，只是该喷嘴结构具有下述特征中的至少一者：该喷嘴结构的比率S2/S1大于50％；以及该喷嘴结构的比率S3/S4大于45％。注意的是，当比率S3/S4为100％时，意味着根据比较示例的喷嘴结构不具有对应于稳定器3的任何结构。根据示例1、示例2、示例4和示例5的喷嘴结构的稳定器中的每个稳定器不具有可以供空气流动穿过的通风孔。根据示例3的喷嘴结构的稳定器具有可以供空气流动穿过的通风孔。

表1示出了针对喷嘴结构10的示例以及针对比较示例的NOx浓度的测量结果。

[表1]

图5示出了NOx浓度与比率S2/S1的关系。如图5中所示，当比率S2/S1较低时，NOx浓度趋于较低。认为这种趋势的一个原因在于：当比率S2/S1较低时，氢气沿内管2的轴向方向的直流动特性增大，并且因此氢气较少可能与空气混合。具体地，当比率S2/S1较低时，周向开孔2d的横截面积S2相对于轴向开孔2c的横截面积S1的比率较低。因此，相比于沿内管2的径向方向从周向开孔2d流动的氢气的量，沿内管2的轴向从轴向开孔2c流动的氢气的量趋于增大。因此，氢气以使得氢气沿内管2的轴向方向——即，沿着喷嘴结构10的轴向方向——直行进的方式流动。

如图5中所示，当比率S2/S1等于或低于50％时，NOx浓度等于或低于80ppm。优选的是NOx浓度等于或低于80ppm，这是因为当NOx浓度等于或低于80ppm时，NOx浓度低于针对一般的环境以及针对一般的装置的NOx浓度的规定值。因此，已经确定轴向开孔2c的横截面积S1与周向开孔2d的横截面积S2之间的比率S2/S1[％]应当满足下面所示的关系表达式1。

S2/S1≤50 (关系表达式1)

接下来，在比率S2/S1处于高于0％但不高于50％的范围内的情况下，在将比率S3/S4在预定的范围内改变的同时对NOx浓度进行测量。图6示出了测量的结果。如图6中所示，当比率S3/S4减小时，所产生的NOx的量趋于减少。当比率S3/S4等于或低于45％时，在预定的条件下NOx浓度可以为20ppm或更低。优选的是NOx浓度等于或低于20ppm，这是因为当NOx浓度等于或低于20ppm时，NOx浓度低于针对一般的环境以及针对一般的装置的NOx浓度的规定值。

示例1中的NOx浓度低于示例3中的NOx浓度。这种现象的一个可能的原因如下。即，根据示例3的喷嘴结构的稳定器具有通风孔，而根据示例1的喷嘴结构的稳定器不具有通风孔。结果是，相比于示例3，在示例1中空气与氢气不太可能彼此混合。

接下来，图5示出了表示NOx浓度与比率S2/S1及比率S3/S4的关系的等值线图。比率S3/S4减小得越多，所产生的NOx浓度的量减少得越多。认为这种趋势的一个原因在于当比率S3/S4减小时，空气的流速减小，并且因此与氢气混合的空气的量减小。此外，作为另一原因，认为当比率S3/S4减小时，空气流动穿过更远离氢气的位置，并且因此氢气不太可能与空气混合。

接下来，通过使用统计质量控制方法获得了表示NOx浓度为20ppm的响应面的表达式1(关系表达式3)。具体地，对于下面所示的表2中所示的测量结果，表示NOx浓度为20ppm的响应面的表达式是通过借助于使用用于针对统计质量控制方法的实验设计的响应面法对多个特征进行优化而获得的。注意的是，“StatWorks”(注册商标)被用作统计分析软件。此外，特征值为“NOx浓度”。除“NOx浓度”之外的因素——即，“S2/S1”、“S3/S4”、“NOx浓度”、“炉温”、“空气比率”、“炉内氧气空气比率”以及“燃烧量”——被用作变量。

[表2]

类似地，对于NOx浓度为70ppm、60.4ppm、50.8ppm、41.2ppm、31.6ppm、22ppm和12.4ppm的情况中的每种情况，分别获得了表示响应面的表达式。图6示出了根据获得的响应面的表达式获得的曲线。注意的是，表2中所示的示例6至示例29以及比较示例6至比较示例20是通过实验获得的。因此，应当指出的是，NOx浓度的测量值包括变量并且因此其并非必须与图6中所示的等值线图一致。

下面示出了表示所产生的NOx的量为20ppm的响应面的表达式(关系表达式3)。

S3/S4≤0.0179×(S2/S1)2-1.7193×(S2/S1)+45 (关系表达式3)

优选的是满足上面所示的关系表达式，这是因为当上面所示的关系表达式被满足时，NOx浓度的计算结果可以被可靠地降低至20ppm或更低。

基于关系表达式3，当比率S3/S4等于或低于45％时，NOx浓度可以是20ppm或更低。因此，已经确定在稳定器3和外管1的内周表面1e之间的空间的横截面积S3与在内管2的外周表面2f和外管1的内周表面1e之间的空间的横截面积S4之间的比率S3/S4[％]应当满足下面所示的关系表达式2。

S3/S4≤45 (关系表达式2)

(应用示例)

接下来，参照图7和图8对用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构10的应用示例进行描述。

如图7中所示，用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构10可以被用作配备有燃烧器装置的炉20的部件。具有燃烧器装置的炉20包括炉本体4和喷嘴结构10。炉本体4包括主体4a和排气管4b。主体4a具有盒形形状并保持(即，储存)工件W1。排气管4b设置在主体4a的上部部分并且将在主体4a内部产生的排气G1引导至主体4a的外部。喷嘴结构10设置在主体4a中，使得由喷嘴结构10产生的燃烧火焰F1朝向主体4a的内部形成。喷嘴结构10可以设置在离开排气管4b预定距离的位置。

注意的是，当喷嘴结构10产生燃烧火焰F1时，其可以主要通过对流和热传导加热工件W1。类似于具有使用烃类气体作为燃料气体的燃烧器装置的公开已知的炉，具有燃烧器装置的炉20可以通过使用各种热处理方法对由各种材料制成的工件W1进行热处理。例如，工件W1可以由金属材料(比如铝合金或钢)或陶瓷材料制成。注意的是，由燃烧火焰F1产生的排气G1穿过排气管4b并被排放至主体4a的外部。

如图8中所示，用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构10可以被用作配备有辐射管燃烧器装置的炉30的部件。配备有辐射管燃烧器装置的炉30包括炉本体5、辐射管6以及喷嘴结构10。炉本体5包括主体5a和排气管5b。主体5a具有盒形形状并保持(即，储存)工件W1。排气管5b设置在主体5a的上部部分并将在辐射管6内部产生的排气G2引导至主体5a的外部。喷嘴结构10设置在主体5a中，使得由喷嘴结构10产生的燃烧火焰F1朝向主体5a的内部形成。辐射管6设置成将喷嘴结构10连接至排气管5b。由喷嘴结构10产生的燃烧火焰F1形成在辐射管6的内部。喷嘴结构10优选地设置在离开排气管5b预定距离的位置。

注意的是，当喷嘴结构10产生燃烧火焰F1时，辐射管6首先被加热并因此产生辐射热。工件W1可以主要通过该辐射热被加热。类似于具有使用烃类气体作为燃料气体的辐射管燃烧器装置的公开已知的炉，具有辐射管燃烧器装置的炉30可以通过使用各种热处理方法对由各种材料制成的工件W1进行热处理。例如，工件W1可以由金属材料(比如铝合金或钢)或陶瓷材料制成。由燃烧火焰F1产生的排气G2穿过辐射管6和排气管5b并被排放至主体5a的外部。

注意的是，本公开不限于上述实施方式并且本公开可以根据需要修改而不背离本公开的精神。例如，尽管在上述实施方式中喷嘴结构10包括稳定器3，但其也可以包括控制阀。

通过如此描述的公开内容，明显的是本公开的实施方式可以以许多方式变化。这些变型不应当被视为背离本公开的精神和范围，并且对于本领域技术人员而言明显的所有这些改型旨在包括于所附权利要求的范围内。

Claims (2)

1.一种用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构，所述喷嘴结构包括外管、与所述外管同中心地设置的内管、以及配置成使所述外管与所述内管之间的空间节流的稳定器，其中，

所述内管包括内管端部部分，所述内管端部部分具有形成在所述内管端部部分中的轴向开孔和周向开孔，所述轴向开孔沿所述内管的轴向方向贯穿，所述周向开孔沿所述内管的径向方向贯穿，

氢气流动穿过所述内管，

所述周向开孔使氢气沿所述内管的所述径向方向从所述内管流出，

所述轴向开孔使氢气沿所述内管的所述轴向方向从所述内管流出，

含氧气体在所述外管与所述稳定器之间流动，

所述轴向开孔的横截面积S1与所述周向开孔的横截面积S2之间的比率S2/S1等于或低于50％，并且

所述内管和所述外管之间的空间的横截面积S4与所述稳定器的外边缘和所述外管之间的空间的横截面积S3之间的比率S3/S4等于或低于45％。

2.根据权利要求1所述的用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构，其中，所述比率S2/S1与所述比率S3/S4满足以下关系：

S3/S4≤[0.0179×(S2/S1)²-1.7193×(S2/S1)+45]％。

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