JP2004239522A - 異種燃料用燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体燃料と気体燃料を燃焼させ、発熱量の小さな気体燃料でも安定して燃焼させることができる異種燃料用燃焼装置を得る。
【解決手段】液体燃料と一次空気とを混合させる気化混合室５が形成され、混合気が噴出して第１の火炎１６となる液体燃料用炎孔１９ａ、１９ｂが上部に形成され、中央に２次空気流路１１が形成された液体燃料気化器１と、２次空気流路１１の中央部に設けられ、気体燃料が流通し気体燃料が噴出して第２の火炎１５となる気体燃料用炎孔１９ｃが先端部に形成された気体燃料ノズル３１と、２次空気流路１１と気体燃料ノズル３１との間に形成された円筒状の空間に２次空気を流通させ、この２次空気を旋回させて気体燃料用炎孔１９ｃの近傍に逆流領域を形成し第２の火炎１５を保炎する中心２次空気旋回手段３２とを有する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、液体燃料と気体燃料を同時に燃焼させることができる異種燃料用燃焼装置に関し、特に単位体積あたりの発熱量の小さな気体燃料でも安定して燃焼させることができる異種燃料用燃焼装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の液体燃料用燃焼装置は、例えば液体燃料としての灯油を気化室に導入し、ここで空気と混合させて予混合気を形成し、それを炎孔から噴出して燃焼させている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
実公昭６０−１６８３３号公報（第１３７頁−１３８頁、第１−２図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成の従来の液体燃料用燃焼装置においては、液体燃料である例えば灯油のみを燃焼させることは可能である。一方、例えば灯油を燃料とする燃料電池では、灯油を改質して水素を発生させ、その水素を燃料電池に供給して発電する。そして、この水素を発生させる改質器を有する燃料電池システムにおいては、運転初期の冷起動時は灯油を液体燃料として燃焼させ、改質器（触媒）を動作可能な温度まで上昇させ、その後、原料の灯油を改質器に供給して水蒸気改質を行って水素を発生させ、それを燃料電池に供給する。そしてさらに、定常運転中は、燃料電池での使い残しのガス（以後、オフガスと称する）を燃焼させることにより、吸熱反応である改質反応に必要な熱を供給する。
【０００５】
このオフガスは、例えば水素約３０ｖｏｌ％、二酸化炭素約３０ｖｏｌ％、メタン約３ｖｏｌ％、水蒸気約３０ｖｏｌ％、窒素約５ｖｏｌ％からなり、通常の天然ガスの単位体積あたりの発熱量と比較すると、約１／１０の値しかない。このようなガスを灯油と同様に空気と予混合させて燃焼させようとすると、必要な燃焼量を得るためには供給するオフガス流量を大きくする必要がある。その結果、炎孔での吹き出し流速が大きくなり、火炎が炎孔から吹き飛んでしまい、燃焼が継続できなくなるという問題点があった。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、液体燃料と気体燃料をコンパクトな領域で同時に燃焼させることができ、単位体積あたりの発熱量の小さな気体燃料でも安定して燃焼させることができる異種燃料用燃焼装置を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る異種燃料用燃焼装置は、液体燃料と一次空気とを旋回混合させ混合気を生成する環状の気化混合室が形成され、混合気が噴出して第１の火炎となる液体燃料用炎孔が気化混合室の上部に形成され、気化混合室の中央を貫通して２次空気流路が形成された液体燃料気化器と、筒状をなし２次空気流路の中央部に同軸状に設けられ、気体燃料が流通し気体燃料が噴出して第２の火炎となる気体燃料用炎孔が先端部に形成された気体燃料ノズルと、２次空気流路の内周面と気体燃料ノズルの外周面との間に形成された円筒状の空間に２次空気を流通させ第２の火炎に２次空気を供給するとともに、２次空気を旋回させて気体燃料用炎孔の近傍に逆流領域を形成し第２の火炎を保炎する中心２次空気旋回手段とを有する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による異種燃料用燃焼装置を示す断面図である。図２は異種燃料用燃焼装置と周辺の機器との関係を示すブロック図である。本実施の形態の異種燃料用燃焼装置５０においては、概略円環状の液体燃料気化器１は、円筒状の外壁１ａ、外壁１ａの中央部に設けられた同じく円筒状の内壁１ｂ、外壁１ａと内壁１ｂが形成する空間の下部を塞ぐ底壁１ｃ、及び外壁１ａと内壁１ｂが形成する空間の上部を塞ぐとともに、上方に形成される燃焼室５０との間を隔てる隔壁板９から構成されている。隔壁板９は、中央部に内壁１ｂとつながる穴を有する概略ハット状をなし、側面部に横向きの液体燃料用炎孔１９ａが、上面部に上向きの液体燃料用炎孔１９ｂが、それぞれ全周にわたって等間隔に穿孔されている。
【０００９】
外壁１ａの上端部１ｅは熱回収壁として上方に延びている。液体燃料気化器１内には、環状通路からなる気化混合室５が形成されている。この気化混合室５は、液体燃料を気化して一次空気と旋回しながら混合させる旋回混合部をなしている。液体燃料気化器１の底壁１ｃに環状のヒータ２が埋め込まれている。ヒータ２は電流が流されて発熱する発熱体２ａと、この発熱体２ａを被覆する絶縁体２ｂとから構成されている。このようなに構成された液体燃料気化器１が、概略有底円筒状の外筐１３の中央部に設置されている。外筐１３の底部１３に空気流入口３３が形成され、この空気流入口３３を介して送風機９０から所定の流速及び流量の空気が矢印Ａのように、外筐１３内に送り込まれる。
【００１０】
外筐１３と液体燃料気化器１の外壁１ａを貫通して、小径の管からなる液体燃料噴射ノズル３が外部から気化混合室５内に至って延設されている。そして、この液体燃料噴射ノズル３と同軸に大径の１次空気流路管４が配置されている。１次空気流路管４の外側の端部は塞がれているが、外筐１３と液体燃料気化器１との間の空間に面する１次空気流路管４の側面に１次空気供給口４ａが設けられている。
【００１１】
概略円環状の液体燃料気化器１の中央部に円筒状の内壁１ｂの内周面１ｆとして形成された貫通穴は、第１の２次空気通路である中心２次空気流路１１を形成している。一方、液体燃料気化器１の外壁１ａと外筐１３の間の円筒状の空間は、第２の２次空気通路である外周２次空気流路１２を形成している。液体燃料気化器１の上方には燃焼室６０が設置されている。
【００１２】
中心２次空気流路１１に同軸状に円筒状の気体燃料用の気体燃料ノズル３１が設置されている。気体燃料ノズル３１の先端は天井部３１ａによって塞がれている。気体燃料ノズル３１の先端部には、４個の気体燃料用炎孔１９ｃが周方向に等間隔に穿孔されている。そして、中心２次空気流路１１の入口１１ａに、中心２次空気旋回手段３２が設置されている。中心２次空気旋回手段３２は、気体燃料ノズル３１の側面から径方向に延びるように形成された円板状の底板３２ａと、この底板３２ａ上に立設された複数枚の空気案内羽根３２ｂとから構成されている。空気案内羽根３２ｂは、図３に示すように、外周部から中心に向かって２次空気に回転を与えるように所定の角度傾いて設けられている。図１に戻り、中心２次空気流路１１の出口１１ｂには円筒保炎リング３４が設けられている。
【００１３】
次に異種燃料の燃焼の仕方について説明する。まず液体燃料燃焼、引き続いて気体燃料燃焼を行わせる方法について説明する。
【００１４】
液体燃料燃焼
液体燃料気化器１がヒータ２で予熱され、気化器温度測定手段５５（図２）により、液体燃料気化器１の温度が所定温度になったことが検出されると、空気流入口３３を経由して流入した空気が、１次空気供給口４ａから液体燃料気化器１に１次空気として供給される。それと同時に、液体燃料ノズル３を経由して、液体燃料としての灯油が矢印Ｂで示されるように外部か気化混合室５内に供給される。
【００１５】
供給された灯油は気化混合室５内で気化し、導入された１次空気と混合して予混合気を形成する。予混合気は、その後、液体燃料用炎孔１９ａ、１９ｂから燃焼室５０に向かって流出する。流出した予混合気は図示しない点火プラグにより着火されて予混合火炎１６を炎孔１９ａ、１９ｂに形成する。炎孔１９ａに形成された火炎１６により外壁１ａの上端部１ｅが加熱され、液体燃料気化器１の外壁１ａを通じて液体燃料気化器１の底壁１ｃに熱が伝わる。それ以降は、炎孔１９ａの火炎１６からの回収熱で灯油の気化熱を賄い、ヒータ２への電力供給は不要となる。液体燃料の燃焼により燃焼室５０の下流に設けられた改質器７０の触媒は徐々に加熱される。
【００１６】
気体燃料燃焼
液体燃料の燃焼により加熱される改質器７０の改質触媒の温度は、改質触媒温度測定手段７５（図２）によりモニタされており、この温度が所定温度になった時点で、改質器７０に原料の気化灯油が供給される。改質器７０では原料灯油に加えて水蒸気が供給され、この両者により水蒸気改質が行われて水素が発生する。この水素は燃料電池８０に送られ発電に使用される。燃料電池８０から排出されるオフガスは改質器加熱用の異種燃料用燃焼装置５０の気体燃料ノズル３１に供給される。
【００１７】
矢印Ｃ（図１）に示すように気体燃料ノズル３１に供給されたオフガスはその先端に設けられた燃料噴出孔１９ｃから燃焼室６０に向かって噴射される。一方で中心２次空気は空気旋回手段３２により旋回がかけられて中心２次空気流路１１を通過し、中心２次空気流路１１の出口１１ｂから円筒保炎リング３４内に供給される。
【００１８】
円筒保炎リング３４内では燃料噴出口１９ｃから噴出されたオフガスと旋回のかけられた中心２次空気が混合する。それらは円筒保炎リング３４の外に流出し、液体燃料用炎孔１９ｂに形成されていた灯油気化燃焼火炎１６によって着火され燃焼を開始する。オフガス燃焼開始後は、それまで燃料ノズル３１に供給されていた灯油の供給を停止し、オフガスの単独燃焼に移行する。
【００１９】
オフガス燃焼によって作られた燃焼ガスは、外周２次空気流路１２を通過して燃焼室５０に供給される外周２次空気と混合、希釈され、改質器７０での水蒸気改質に適切な温度に調節される。円筒保炎リング３４の直径Ｄと高さＨを適切に設定することにより、火炎安定性と火炎の広がり、外周２次空気との良好な混合がなされ、小さな燃焼空間で燃焼が完了するとともに、改質器７０に適正な温度で、温度均一な燃焼ガスが得られる。
【００２０】
次に、円筒保炎リング３４について説明する。円筒保炎リング３４の高さＨ／直径Ｄの値が大き過ぎると火炎１６は燃焼器軸方向にのびて、コンパクトな燃焼ができないばかりか、外周２次空気との混合も悪くなり均一な温度の燃焼ガスを改質器７０に供給できなくなる。尚、この高さＨ／直径Ｄの値は、中心２次空気旋回手段３２による空気旋回強度、中心２次空気流路１１の内径、気体燃料用ノズルの外径に応じて決定される。尚、中心２次空気旋回手段３２による空気旋回強度は、図３の例では空気案内羽根３２ｂの角度が大きいほど大きくなる。空気旋回手段３２の設置位置は、中心２次空気流路１１の入口１１ａ、中間部、出口１１ｂのいずれかで良い。寸法の制約上中心２次空気流路１１の内径が大きくできない場合は、流路１１内部での旋回速度成分が減衰しやすくなるため、中心２次空気流路１１の入口１１ａ、中間部、出口１１ｂのいずれかに複数の空気旋回手段３２を設ける。
【００２１】
このような構成の異種燃料用燃焼装置においては、灯油等の液体燃料と一次空気とを旋回混合させ混合気を生成する環状の気化混合室５が形成され、この混合気が噴出して第１の火炎１６となる液体燃料用炎孔１９ａ、１９ｂが、気化混合室５の上部に形成され、さらに気化混合室５の中央を貫通して２次空気流路１１が形成された液体燃料気化器１と、筒状をなし２次空気流路１１の中央部に同軸状に設けられ、気体燃料が流通し、この気体燃料が噴出して第２の火炎１５となる気体燃料用炎孔１９ｃが先端部に形成された気体燃料ノズル３１と、２次空気流路１１の内周面１１ｃ（１ｆ）と気体燃料ノズル３１の外周面３１ｂとの間に形成された円筒状の空間に２次空気を流通させ、この第２の火炎１５に２次空気を供給するとともに、この２次空気を旋回させて気体燃料用炎孔１９ｃの近傍に逆流領域を形成し第２の火炎１５を保炎する中心２次空気旋回手段３２とを有する。そのため、液体燃料と気体燃料をコンパクトな領域で同時に燃焼させることができる。
【００２２】
また、気体燃料ノズル３１は、気体燃料用炎孔１９ｃが２次空気流路１１の出口１１ｂに位置するように配置され、気体燃料ノズル３１の先端部を囲繞し内周面が気体燃料用炎孔１９ｃに対向するように設けられた円筒保炎リング３４をさらに有する。そのため、単位体積あたりの発熱量の小さな気体燃料でも安定して燃焼させることができる。
【００２３】
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２による異種燃料用燃焼装置を示す断面図である。実施の形態１に対して、気体燃料用ノズル３１の燃料噴射口１９ｃの中心２次空気流路１１での設定位置を変えることで別用途、例えば暖房機用燃焼器としての新たな特徴を得ることができる。すなわち、気体燃料用ノズル３１を中心２次空気流路１１に設置する際、図４のように中心２次空気流路１１の入口１１ａに燃料噴射口１９ｃと中心２次空気旋回手段３２を設ける。一方、液体燃料気化器１の底壁１ｃに設置していたヒータは、本実施の形態では設けない。
【００２４】
異種燃料用燃焼装置をこのように構成し、はじめに気体燃料ノズル３１に気体燃料を供給し、ガス燃料による火炎１５を中心２次空気流路１１に形成し、その燃焼熱で液体燃料気化器１が予熱され、灯油気化に適正な温度に液体燃料気化器１の底壁温度が到達した時点で、灯油を燃料ノズル３から供給して灯油予混合燃焼に移行する。
【００２５】
このような構成の異種燃料用燃焼装置においては、気体燃料ノズル３１は、気体燃料用炎孔１９ｃが２次空気流路１１の入口１１ａに位置するように配置されている。この構成で、はじめに気体燃料燃焼を実施することで、従来のようにヒータによる液体燃料気化器を予熱し液体燃料気化器が灯油気化適正温度になるまで待つことなく、短時間で燃焼を開始できる。すなわち、燃焼開始までの待ち時間が長いという従来の灯油気化燃焼方式の暖房機での欠点をなくし、暖房装置の運転スイッチが入れられた直後に燃焼運転を開始することができる。
【００２６】
尚、本実施の形態の気体燃料ノズル３１は、気体燃料用炎孔１９ｃが２次空気流路１１の入口１１ａに位置するように配置されているが、２次空気流路１１の中間部に位置するように配置されても、所定の効果を得ることができる。
【００２７】
実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態４による異種燃料用燃焼装置を示す断面図である。実施の形態２に対して、気体燃料ノズル３１の内部にヒータ３６を設ける。このヒータ３６の熱容量は液体燃料気化器１の熱容量に比較して非常に小さい。このヒータ３６でノズル３１に供給された液体燃料を気化することで、実施の形態２での気体燃料の場合ほど燃焼開始までの時間は短縮できないが、液体燃料気化器１とヒータ３６の熱容量の相違分だけ速やかに短時間で液体燃料の燃焼を開始できる。
【００２８】
【発明の効果】
この発明に係る異種燃料用燃焼装置は、液体燃料と一次空気とを旋回混合させ混合気を生成する環状の気化混合室が形成され、混合気が噴出して第１の火炎となる液体燃料用炎孔が気化混合室の上部に形成され、気化混合室の中央を貫通して２次空気流路が形成された液体燃料気化器と、筒状をなし２次空気流路の中央部に同軸状に設けられ、気体燃料が流通し気体燃料が噴出して第２の火炎となる気体燃料用炎孔が先端部に形成された気体燃料ノズルと、２次空気流路の内周面と気体燃料ノズルの外周面との間に形成された円筒状の空間に２次空気を流通させ第２の火炎に２次空気を供給するとともに、２次空気を旋回させて気体燃料用炎孔の近傍に逆流領域を形成し第２の火炎を保炎する中心２次空気旋回手段とを有するので、液体燃料と気体燃料をコンパクトな領域で同時に燃焼させることができ、単位体積あたりの発熱量の小さな気体燃料でも安定して燃焼させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による異種燃料用燃焼装置を示す断面図である。
【図２】この発明の異種燃料用燃焼装置と周辺の機器との関係を示すブロック図である。
【図３】中心２次空気旋回手段の横断面に２次空気の流れを示す矢印を付加した横断面である。
【図４】この発明の実施の形態２による異種燃料用燃焼装置を示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態３による異種燃料用燃焼装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 液体燃料気化器、２ ヒータ、５ 気化混合室、１１ ２次空気流路、１１ｃ（１ｆ） ２次空気流路の内周面、１５ 第２の火炎、１６ 第１の火炎、１９ａ，１９ｂ 液体燃料用炎孔、１９ｃ 気体燃料用炎孔、３１ 気体燃料ノズル、３１ｂ 気体燃料ノズル外周面、３２ 中心２次空気旋回手段、３４ 円筒保炎リング。

Claims (4)

1. 液体燃料と一次空気とを旋回混合させ混合気を生成する環状の気化混合室が形成され、該混合気が噴出して第１の火炎となる液体燃料用炎孔が該気化混合室の上部に形成され、該気化混合室の中央を貫通して２次空気流路が形成された液体燃料気化器と、
   筒状をなし前記２次空気流路の中央部に同軸状に設けられ、気体燃料が流通し該気体燃料が噴出して第２の火炎となる気体燃料用炎孔が先端部に形成された気体燃料ノズルと、
   前記２次空気流路の内周面と前記気体燃料ノズルの外周面との間に形成された円筒状の空間に２次空気を流通させ前記第２の火炎に該２次空気を供給するとともに、該２次空気を旋回させて前記気体燃料用炎孔の近傍に逆流領域を形成し前記第２の火炎を保炎する中心２次空気旋回手段と
   を有することを特徴とする異種燃料用燃焼装置。
2. 前記気体燃料ノズルは、前記気体燃料用炎孔が前記２次空気流路の出口に位置するように配置され、
   前記気体燃料ノズルの先端部を囲繞し内周面が前記気体燃料用炎孔に対向するように設けられた円筒保炎リングをさらに有する
   ことを特徴とする請求項１記載の異種燃料用燃焼装置。
3. 前記気体燃料ノズルは、前記気体燃料用炎孔が前記２次空気流路の入口部から中間部の間に位置するように配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の異種燃料用燃焼装置。
4. 前記気体燃料ノズル内にヒータを設けた
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか記載の異種燃料用燃焼装置。

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