JP2004263974A - 燃焼装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高濃度水素ガスに二次燃焼空気が効率的に混合されるようにすることによって少ない二次燃焼空気量で高濃度水素ガスを良好に燃焼させ、もって燃焼ガスの温度低下を避けることができる燃焼装置を提供する。
【解決手段】燃焼装置１４には、原燃料ガス流路３４とオフガス流路３６が独立して形成されている。原燃料ガス流路３４には一次燃焼空気流路３８が連通しており、ファン３０によって取込まれた一次燃焼空気が過剰に供給されて予混合される。オフガスには一次燃焼空気流路３８が連通しておらず、一次燃焼空気が積極的に供給されない。原燃料ガスおよび空気の混合ガスとオフガスはバーナ３２下流で接触し、このときオフガスの燃焼に不足する分の空気が、原燃料ガスに供給された一次燃焼空気の過剰分によって補われる。少ない二次燃焼空気でオフガスを良好に燃焼させることができ、燃焼ガスの温度の低下を避けることができる。
【選択図】 図２
【解決手段】燃焼装置１４には、原燃料ガス流路３４とオフガス流路３６が独立して形成されている。原燃料ガス流路３４には一次燃焼空気流路３８が連通しており、ファン３０によって取込まれた一次燃焼空気が過剰に供給されて予混合される。オフガスには一次燃焼空気流路３８が連通しておらず、一次燃焼空気が積極的に供給されない。原燃料ガスおよび空気の混合ガスとオフガスはバーナ３２下流で接触し、このときオフガスの燃焼に不足する分の空気が、原燃料ガスに供給された一次燃焼空気の過剰分によって補われる。少ない二次燃焼空気でオフガスを良好に燃焼させることができ、燃焼ガスの温度の低下を避けることができる。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は燃焼装置に関し、詳しくは、炭化水素系ガスと高濃度水素ガスの両方を同時に燃焼する燃焼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】性質が異なる２種類のガスを同時に燃焼する燃焼装置が必要とされる。例えば、燃料電池式発電システムには、燃料電池に供給する水素を生成する改質器を加熱する燃焼装置が必要とされる。この燃焼装置は、原燃料ガスと燃料電池から排出されるオフガスを同時に燃焼させることが必要とされる。原燃料ガスは炭化水素系ガスであり、オフガスは高濃度水素ガスである。
原燃料ガスと高濃度水素ガスはそれぞれ性質が異なっている。例えば、炭化水素系ガスを全二次燃焼させると、煤が発生したり火炎長さが伸びたりする不具合が生じるため、一次燃焼空気を予混合して燃焼させるのが好ましい。しかし、水素ガスは燃焼速度が速いため、高濃度水素ガスに一次燃焼空気を予混合して燃焼させれば、やがて燃焼速度が加速して噴出速度を上回り、火炎の形成位置がバーナ内部に潜り込んで逆火現象が生じる恐れがある。
【０００３】
このように、性質の異なる２種類のガスを同時に同一のバーナで良好に燃焼させるための技術が特許文献１に示されている。この技術では、バーナに、炭化水素系ガス用炎孔群と高濃度水素ガス用炎孔群を別々に設け、炭化水素系ガスには一次燃焼空気を混合してから燃焼させ、高濃度水素ガスには一次燃焼空気を供給しないで燃焼させる。二次燃焼空気を火炎の周辺から供給することによって２種類のガスを完全燃焼させる。この燃焼技術によると、炭化水素系ガスは短い火炎長さで良好に燃焼し、高濃度水素ガスは逆火することなく燃焼する。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−１５２１１４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記の技術では、二次燃焼空気は火炎の外周からのみ供給される。この供給方法では、高濃度水素ガスと二次燃焼空気の接触面積が小さいため、高濃度水素ガスを完全燃焼させるためには多量の二次燃焼空気を供給する必要がある。しかしながら二次燃焼空気を多量に供給すると、燃焼ガスの温度が低下してしまう。改質器を改質に必要な高温（６００〜８００℃程度）に維持するためには、炭化水素系ガスの割合を増加させなければならず、非効率的である。
【０００６】
本発明では、高濃度水素ガスに二次燃焼空気が効率的に混合されるようにすることによって少ない二次燃焼空気量で高濃度水素ガスを良好に燃焼させ、もって燃焼ガスの温度低下を避けることができる燃焼装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段と作用と効果】本発明の燃焼装置は、炭化水素系ガス用炎孔群と高濃度水素ガス用炎孔群が形成されているバーナと、炭化水素系ガス用炎孔群に炭化水素系ガスを導く炭化水素系ガス流路と、高濃度水素ガス用炎孔群に高濃度水素ガスを導く高濃度水素ガス流路と、炭化水素系ガス流路に連通して炭化水素系ガスに過剰な一次燃焼空気を供給する一次燃焼空気流路を有する。
この燃焼装置では、炭化水素系ガスに燃焼空気が過剰に混合された状態で炭化水素系ガス用炎孔群から噴出する。過剰な空気は、高濃度水素ガスに二次燃焼空気として供給される。炭化水素系ガスに過剰に含まれる空気で補われるために、少ない二次燃焼空気で高濃度水素ガスを良好に燃焼させることができ、燃焼ガスの温度の低下を避けることができる。燃焼室をコンパクトにすることができ、燃焼装置全体の大きさを小型化することができる。
【０００８】
この燃焼装置は、炭化水素系ガスと高濃度水素ガスとを混合させる第１混合板を備えていることが好ましい。第１混合板はバーナの下流側に配設されている。この第１混合板を配設することによって、過剰な空気を含む炭化水素系ガスと高濃度水素ガスがよく混合される。燃焼空気が不足している高濃度水素ガスに、炭化水素系ガスに含まれる過剰な空気が混合されるために、高濃度水素ガスをさらに良好に燃焼させることができる。
【０００９】
また、炭化水素系ガス用炎孔群はバーナの中央部に配置されており、高濃度水素ガス用炎孔群はバーナの外周部に配置されていることが好ましい。
この燃焼装置によれば、炭化水素系ガスの火炎の外周に高濃度水素ガスの火炎が形成されるため、高濃度水素ガスは火炎の内側から炭化水素系ガスに含まれる過剰な空気が二次燃焼空気として供給され、よく混合されて燃焼する。上記の第１混合板が配設されていれば、さらによく混合されて良好に燃焼する。
【００１０】
さらに、一次燃焼空気流路から分岐していて高濃度水素ガス用炎孔群の外周側から二次燃焼空気を噴出する二次燃焼空気流路と、第１混合板の下流側に配設されていて二次燃焼空気流路から噴出する二次燃焼空気をバーナの中央部に向けて案内する第２混合板を有することが好ましい。
この燃焼装置によれば、まず第１混合板によって炭化水素系ガスと高濃度水素ガスがよく混合されて良好に燃焼する。さらにこの火炎の外側に二次燃焼空気が供給される。この二次燃焼空気は、第２混合板によって内側の火炎に向かって案内されるため、火炎に混合されやすく、炭化水素系ガスと高濃度水素ガスを完全燃焼させることができる。
【００１１】
あるいは逆に、炭化水素系ガス用炎孔群はバーナの外周部に配置されており、高濃度水素ガス用炎孔群はバーナの中央部に配置されていてもよい。この場合、一次燃焼空気流路から分岐していて高濃度水素ガス用炎孔群の中央部から二次燃焼空気を噴出する二次燃焼空気流路と、第１混合板の上流側に配設されていて二次燃焼空気流路から噴出する二次燃焼空気と高濃度水素ガスを混合させる第３混合板とを有することが好ましい。
この燃焼装置によると、炭化水素系ガスの火炎の内側に高濃度水素ガスの火炎が形成されるため、高濃度水素ガスの火炎の外側からは炭化水素系ガスに含まれる過剰な空気が供給される。また、高濃度水素ガスの火炎の内側には二次燃焼空気が供給される。高濃度水素ガスは二次燃焼空気によく混合してよく燃焼する。上記の第１混合板が配設されていれば、さらによく混合される。
【００１２】
この燃焼装置のバーナに形成されている各炎孔の径が、バーナの下流側の開口部近傍で拡大していることが好ましい。
これによれば、炎孔から噴出するガスが拡散しやすいため、炭化水素系ガスと高濃度水素ガスとがよく混合される。
【００１３】
あるいは、炭化水素系ガス用炎孔群と高濃度水素ガス用炎孔群の境界に沿ってバーナの下流側の面に凹部が形成されていることが好ましい。
これによれば、炎孔から噴出したガスが、バーナに形成された凹部に向かって還流する。還流することによって、炭化水素系ガスと高濃度水素ガスとがよく混合される。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
（形態１） 炭化水素系ガス流路と高濃度水素ガス流路は独立した流路であり、炭化水素系ガスと高濃度水素ガスはバーナの下流側で混合される。
（形態２） 炭化水素系ガス流路には一次燃焼空気流路が連通しており、炭化水素系ガス流路内で炭化水素系ガスと一次燃焼空気が混合される。高濃度水素ガス流路には一次燃焼空気流路が連通しておらず、高濃度水素ガス流路には一次燃焼空気が供給されない。
（形態３） 二次燃焼空気は、第２混合板または第３混合板によって火炎に垂直方向から供給される。
【００１５】
【実施例】本発明を具現化した第１実施例を図１と図２を用いて説明する。図１は、本実施例の燃焼装置を組込んだ燃料電池式発電システムの模式図であり（燃焼装置を強調して示している）、図２は本実施例の燃焼装置の模式図である。図１に示す燃料電池式発電システム１０は、原燃料ガス供給ユニット１２と、燃焼装置１４と、改質器１６と、燃料電池１８を備えている。原燃料ガス供給ユニット１２には、原燃料ガス供給管２０が接続されている。原燃料ガス供給管２０は２０ａと２０ｂの２本に分岐し、分岐した原燃料ガス供給管２０ａは、燃焼装置１４に接続されており、分岐した原燃料ガス供給管２０ｂは、改質器１６に接続されている。燃焼装置１４に接続されている原燃料ガス供給管２０ａには、ガス流量を制御するためのガバナ２２が配設されている。改質器１６は、改質ガス供給管２４によって燃料電池１８と接続されている。さらに燃料電池１８は、オフガス供給管２６によって燃焼装置１４と接続されている。
【００１６】
原燃料ガスは、プロパンガスやブタンガス等の炭化水素系ガスから構成されている。この原燃料ガスは、原燃料ガス供給管２０ｂから改質器１６に供給されて改質ガスの原料になるほか、原燃料ガス供給管２０ａから燃焼装置１４へ供給されて改質器１６を加熱する燃焼装置１４の燃料にもなる。
原燃料ガスは、ガバナ２２によって制御された流量で燃焼装置１４へ供給される。燃焼装置１４はファン３０を備えており、このファン３０によって空気が取込まれて原燃料ガスと混合される。この混合ガスを燃料としてバーナ３２で燃焼する。なお、燃焼装置１４については後述する。
【００１７】
改質器１６には、原燃料ガスとともに水蒸気が供給され、燃焼装置１４のバーナ３２で加熱され、原燃料ガスの水蒸気改質が行なわれる。改質反応は改質触媒を利用する吸熱反応であり、改質触媒の活性温度は７００℃程度の高温である。このため、改質反応中は、バーナ３２によって継続的に加熱を行なって上記の高温を維持する必要がある。改質反応によって生成される改質ガスは、主に水素からなる水素リッチガスである。
【００１８】
改質器１６において生成された改質ガスは、改質ガス供給管２４から燃料電池１８に供給される。燃料電池１８には空気中の酸素も供給され、この酸素と改質ガス中の水素との電気化学的反応によって発電が行なわれる。
燃料電池１８に供給される水素ガスのうち、発電に利用されるのは最大でも約８０％であり、残りの約２０％は利用されることなく燃料電池１８を通過してオフガスとして排出される。このオフガスには水素が残されているため、オフガス供給管２６から燃焼装置１４に供給され、燃料として利用する。
【００１９】
燃焼装置１４について説明する。図２に示すように、原燃料ガス供給管２０ａは、燃焼装置１４の原燃料ガス流路３４に接続されている。この原燃料ガス流路３４は、ファン３０を有する一次燃焼空気流路３８と連通している。原燃料ガス流路３４は、燃焼装置１４の中心部を通過してバーナ３２の中央部の炎孔３２ｂ群と連通している。
また、オフガス供給管２６は、燃焼装置１４のオフガス流路３６に接続されている。オフガス流路３６は、原燃料ガス流路３４の外周側に形成されており、バーナ３２の外周部の炎孔３２ａ群と連通している。
なお原燃料ガス流路３４とオフガス流路３６はそれぞれ独立した流路であり、燃焼装置１４内で混合することはない。
【００２０】
次に燃焼装置１４の燃焼現象を説明する。燃焼装置１４では、原燃料ガスのみを燃焼する場合と、原燃料ガスとオフガスを同時に燃焼する場合がある。ここでは、原燃料ガスとオフガスを同時に燃焼する場合について説明する。
原燃料ガス供給管２０ａから原燃料ガス流路３４へ供給された原燃料ガスは、ファン３０によって取込まれた一次燃焼空気と混合される。このとき原燃料ガスの燃焼に必要な空気量を上回る量の空気が混合される。空気過多の混合ガスは、バーナ３２の中央部に形成されている炎孔３２ｂ群から噴出して燃焼し、バーナ３２の上面上に火炎を形成する。
オフガス供給管２６からオフガス流路３６へ供給されたオフガスは、バーナ３２の外周部に形成されている炎孔３２ａ群から噴出して燃焼し、バーナ３２の上面上に火炎を形成する。なおオフガス供給管２６とオフガス流路３６には一次燃焼空気流路が連通しておらず、一次燃焼空気は供給されない。
【００２１】
水素を多く含むオフガスに一次空気が予混合されると、火炎の形成位置がバーナ内部に潜り込んで逆火が起こる恐れがある。本実施例の燃焼装置１４では、オフガスに一次空気を供給せず、全二次燃焼させるので、逆火は生じない。
原燃料ガスには燃焼に必要な空気量を上回る空気が混合されている。この混合ガスとオフガスはバーナ３２の下流で接触するため、混合ガス中の過剰な空気をオフガスの二次燃焼空気として利用することができる。このため、火炎温度を低下させることなく良好に燃焼し、逆火することもない。短い火炎長さで燃焼させることができ、２種類のガスを良好に完全燃焼させることができる。
なお、燃焼装置１４の燃料が原燃料ガスのみのときには、原燃料ガスの燃焼に適した量の空気が供給されるようにファン３０の回転数が制御され、過剰な空気が供給されることはない。
【００２２】
次に、本発明を具現化した第２実施例を図３を用いて説明する。図３は、本実施例の燃焼装置の模式図である。ここでは主に、本実施例の燃焼装置と第１実施例の燃焼装置との相違点について説明し、同様な部分について同一符号を付すことによって、説明を省略する。
図３に示す本実施例の燃焼装置４０は、第１実施例の燃焼装置１４（図２参照）と同様に、図１に示す燃料電池式発電システム１０に組込まれ、改質器１６を加熱し、改質器１６を６００〜８００℃程度の高温に維持する。
【００２３】
図３に示すように、原燃料ガス供給管２０ａは、燃焼装置４０の原燃料ガス流路３４に接続されている。この原燃料ガス流路３４は、ファン３０を有する一次燃焼空気流路３８と連通している。原燃料ガス流路３４は、燃焼装置４０の外周部に形成されており、バーナ３２の外周部の炎孔３２ａ群と連通している。
また、オフガス供給管２６は、燃焼装置４０のオフガス流路３６に接続されている。オフガス流路３６は、原燃料ガス流路３４の中心部を通過してバーナ３２の中央部の炎孔３２ｂ群と連通している。
原燃料ガス流路３４とオフガス流路３６はそれぞれ独立した流路であり、燃焼装置４０内で混合することはない。
【００２４】
燃焼装置４０の燃焼現象を説明する。上記の燃焼装置４０で、原燃料ガスとオフガスを燃料とする場合について説明する。
原燃料ガス供給管２０ａから原燃料ガス流路３４へ供給された原燃料ガスは、ファン３０によって取込まれた一次燃焼空気と混合される。このとき、原燃料ガスの燃焼に必要な空気量を上回る量の空気が混合される。空気過多の混合ガスは、バーナ３２の外周部に形成されている炎孔３２ａ群から噴出して燃焼し、バーナ３２の上面上に火炎を形成する。
オフガス供給管２６からオフガス流路３６へ供給されたオフガスは、バーナ３２の中央部に形成されている炎孔３２ｂ群から噴出して燃焼し、バーナ３２の上面上に火炎を形成する。なおオフガスには一次燃焼空気流路が連通しておらず、一次燃焼空気は供給されない。
【００２５】
本実施例の燃焼装置４０は、第１実施例の燃焼装置１４と同様に、原燃料ガスと空気の混合ガスとオフガスがバーナ３２の下流で混合するため、混合ガス中の過剰な空気をオフガスの燃焼に利用することができる。混合ガス中の過剰な空気は、混合ガスの燃焼によって勢いを得ており、その勢いを得た空気がオフガスに供給されるために、二次燃焼空気とオフガスはよく混合する。よって、オフガスは、火炎温度を低下させることなく良好に燃焼し、逆火することもない。燃焼装置４０によると、短い火炎長さで燃焼させることができ、２種類のガスを良好に完全燃焼させることができる。
【００２６】
次に、本発明を具現化した第３実施例を図４を用いて説明する。図４は、本実施例の燃焼装置の模式図である。ここでは主に、本実施例の燃焼装置と第１実施例の燃焼装置との相違点について説明し、同様な部分について同一符号を付すことによって、説明を省略する。
図４に示す本実施例の燃焼装置５０は、第１実施例の燃焼装置１４（図２参照）のバーナ３２の下流に混合板５２が配設されたものである。混合板５２は、バーナ３２の上面を覆う形状であり、中央部に開口を有している。
【００２７】
燃焼装置５０の燃焼現象を説明する。上記の燃焼装置５０で、原燃料ガスとオフガスを燃料とする場合について説明する。
原燃料ガス供給管２０ａから原燃料ガス流路３４へ供給された原燃料ガスは、ファン３０によって取込まれた一次燃焼空気と混合される。このとき、原燃料ガスの燃焼に必要な空気量を上回る量の空気が混合される。空気過多の混合ガスは、バーナ３２の中央部に形成されている炎孔３２ｂ群から噴出して燃焼し、バーナ３２の上面上に火炎を形成する。
オフガス供給管２６からオフガス流路３６内へ供給されたオフガスは、バーナ３２の外周部に形成されている炎孔３２ａ群から噴出して燃焼するとともに、混合板５２によって原燃料ガスと混ざり合って燃焼し、バーナ３２の上面上に火炎を形成する。
【００２８】
本実施例の燃焼装置５０は、第１実施例の燃焼装置１４と同様に、原燃料ガスと空気の混合ガスとオフガスはバーナ３２の炎孔３２ａ，３２ｂ群から噴出する。本実施例の燃焼装置５０では、オフガスは、混合板５２によって内側の原燃料ガスと空気の混合ガスとよく混合され、混合ガス中の過剰分の空気を積極的に燃焼に利用する。よってオフガスは、火炎温度を低下させることなく良好に燃焼し、逆火することもない。混合板５２を配設することによって、２種類のガスをさらによく混合することができ、良好に完全燃焼させることができる。
【００２９】
次に、本発明を具現化した第４実施例を図５を用いて説明する。図５は本実施例の燃焼装置の模式図である。ここでは主に、本実施例の燃焼装置と第２実施例の燃焼装置との相違点について説明し、同様な部分について同一符号を付すことによって、説明を省略する。
図５に示す本実施例の燃焼装置６０は、第２実施例の燃焼装置４０（図３参照）のバーナ３２の下流に混合板５２が配設されたものである。混合板５２は、バーナ３２の上面を覆う形状であり、中央部に開口を有している。
【００３０】
燃焼装置６０における燃焼現象を説明する。上記の燃焼装置６０で、原燃料ガスとオフガスを燃料とする場合について説明する。
原燃料ガス供給管２０ａから原燃料ガス流路３４へ供給された原燃料ガスは、ファン３０によって取込まれた一次燃焼空気と混合される。このとき、原燃料ガスの燃焼に必要な空気量を上回る量の空気が混合される。空気過多の混合ガスは、バーナ３２の外周部に形成されている炎孔３２ａ群から噴出して燃焼し、バーナ３２の上面上に火炎を形成する。
オフガス供給管２６からオフガス流路３６内へ供給されたオフガスは、バーナ３２の中央部に形成されている炎孔３２ｂ群から噴出して燃焼するとともに、混合板５２によって原燃料ガスと混ざり合って燃焼し、バーナ３２の上面上に火炎を形成する。
【００３１】
本実施例の燃焼装置６０では、オフガスは、混合板５２によって外周側の原燃料ガスと空気の混合ガスとよく混合され、混合ガス中の過剰分の空気を積極的に燃焼に利用する。混合ガスの過剰な空気は、混合ガスの燃焼によって勢いを得ており、その勢いを得た空気がオフガスに供給されるために、二次燃焼空気とオフガスはよく混合する。よってオフガスは、火炎温度を低下させることなく良好に燃焼し、逆火することもない。混合板５２を配設することによって、２種類のガスをさらによく混合することができ、良好に完全燃焼させることができる。
【００３２】
次に、本発明を具現化した第５実施例を図６を用いて説明する。図６は本実施例の燃焼装置の模式図である。ここでは主に、本実施例の燃焼装置と第３実施例の燃焼装置５０との相違点について説明し、同様な部分について同一符号を付すことによって、説明を省略する。
図６に示す本実施例の燃焼装置７０は、第３実施例の燃焼装置５０（図４参照）のオフガス流路３６の外周側に、一次燃焼空気流路３８から分岐した二次燃焼空気流路７４が形成されたものである。この二次燃焼空気流路７４はバーナ３２の外周側に開口している。
また、混合板５２の下流にもう１枚の混合板７２が配設されている。この混合板７２は、バーナ３２の火炎面３２ｂと二次燃焼空気流路７４の開口を覆う形状であり、中央部に開口を有している。
【００３３】
燃焼装置７０における燃焼現象を説明する。上記の燃焼装置７０で、原燃料ガスとオフガスを燃料とする場合について説明する。
原燃料ガス供給管２０ａから原燃料ガス流路３４へ供給された原燃料ガスは、ファン３０によって取込まれた一次燃焼空気と混合される。このとき、原燃料ガスの燃焼に必要な空気量を上回る量の空気が混合される。空気過多の混合ガスは、バーナ３２の中央部に形成されている炎孔３２ｂ群から噴出して燃焼し、バーナ３２の上面上に火炎を形成する。
オフガス供給管２６からオフガス流路３６内へ供給されたオフガスは、バーナ３２の外周部に形成されている炎孔３２ａ群から噴出して燃焼するとともに、混合板５２によって原燃料ガスと混ざり合って燃焼し、バーナ３２の上面上に火炎を形成する。
さらに、二次燃焼空気流路７４からの二次燃焼空気は、バーナ３２の外周側を通過して混合板７２によって混合板５２の下流側に回り込み、原燃料ガスとオフガスの混合ガスの火炎に外側から供給される。
【００３４】
本実施例の燃焼装置７０でも第３実施例の燃焼装置５０と同様に、オフガスは、混合板５２によって内側の原燃料ガスと空気の混合ガスとよく混合され、混合ガス中の過剰分の空気を積極的に燃焼に利用する。さらに、燃焼装置７０の外周側には二次燃焼空気流路７４が形成されており、この二次燃焼空気流路７４から二次燃焼空気が噴出する。噴出した二次燃焼空気は混合板７２によって火炎に外周側から垂直に供給される。よってオフガスは、火炎の内外から効率よく二次燃焼空気を供給され、火炎温度を低下させることなく良好に燃焼し、逆火することもない。２枚の混合板５２，７２を配設することによって、２種類のガスをさらに良好に完全燃焼させることができる。
【００３５】
次に、本発明を具現化した第６実施例を図７を用いて説明する。図７は本実施例の燃焼装置の模式図である。ここでは主に、本実施例の燃焼装置と第４実施例の燃焼装置６０との相違点について説明し、同様な部分について同一符号を付すことによって説明を省略する。
図７に示す本実施例の燃焼装置８０は、第４実施例の燃焼装置６０（図５参照）のオフガス流路３６の中心部に、一次燃焼空気流路３８から分岐した二次燃焼空気流路８４が形成されたものである。この二次燃焼空気流路８４はバーナ３２の中央部に開口している。
また、混合板５２の上流にもう１枚の混合板８２が配設されている。この混合板８２は、二次燃焼空気流路８４の開口を覆う形状である。
【００３６】
燃焼装置８０における燃焼現象を説明する。上記の燃焼装置８０で、原燃料ガスとオフガスを燃料とする場合について説明する。
原燃料ガス供給管２０ａから原燃料ガス流路３４へ供給された原燃料ガスは、ファン３０によって取込まれた一次燃焼空気と混合される。このとき、原燃料ガスの燃焼に必要な空気量を上回る量の空気が混合される。空気過多の混合ガスは、バーナ３２の外周部に形成されている炎孔３２ａ群から噴出して燃焼し、バーナ３２の上面上に火炎を形成する。
オフガス供給管２６からオフガス流路３６内へ供給されたオフガスは、バーナ３２の中央部に形成されている炎孔３２ｂ群から噴出して燃焼するとともに、混合板５２によって原燃料ガスと混ざり合って燃焼し、バーナ３２の上面上に火炎を形成する。
さらに、二次燃焼空気流路８４からの二次燃焼空気は、バーナ３２の中心部を通過して混合板８２によって混合板５２の上流側に回り込み、原燃料ガスとオフガスの混合ガスの火炎に中心から供給される。
【００３７】
本実施例の燃焼装置８０でも第５実施例の燃焼装置７０と同様に、オフガスは、混合板５２によって外側の原燃料ガスと空気の混合ガスとよく混合され、混合ガス中の過剰分の空気を積極的に燃焼に利用する。さらに、燃焼装置８０の中心部には二次燃焼空気流路８４が形成されており、この二次燃焼空気流路８４から二次燃焼空気が噴出する。噴出した二次燃焼空気は混合板８２によって火炎に中心から垂直に供給される。よってオフガスは、火炎の内外から効率よく二次燃焼空気を供給され、火炎温度を低下させることなく良好に燃焼し、逆火することもない。２枚の混合板５２，８２を配設することによって、２種類のガスをさらに良好に完全燃焼させることができる。
【００３８】
燃焼装置のバーナの下流において、原燃料ガスと空気の混合ガスにオフガスをよく混合させることによって、燃焼空気が不足しているオフガスに混合ガス中の余剰空気を効率よく供給し、どちらのガスも良好に燃焼させることができる。この混合を促進させるために、第３実施例から第６実施例には、１または２枚の混合板が配設されている。
また、バーナの形状を工夫することによっても、この混合を促進させることができる。図８と図９は燃焼装置のバーナ近傍の模式図であり、これらは、第１実施例の燃焼装置に、上記の目的で形状を工夫したバーナを配設した様子を示す図である。なお、図８と図９に示す形状のバーナを、第２実施例から第６実施例の燃焼装置にも配設することができる。
【００３９】
図８に示すバーナ１３２の炎孔１３２ａ，１３２ｂは、炎孔１３２ａ，１３２ｂの開口近傍で徐々に炎孔の径が拡大する形状になっている。炎孔１３２ａ，１３２ｂをこのような形状にすると、原燃料ガスおよび空気の混合ガスとオフガスは、図中の矢印に示すようにバーナ１３２の炎孔１３２ａ，１３２ｂ群から拡散する。この拡散によって、これらのガスがバーナ１３２の下流でよく混合される。
また、図９に示すバーナ２３２の上面上には、原燃料ガス流路が連通している炎孔２３２ｂ群と、オフガス流路が連通している炎孔２３２ａ群との境界部分に、凹部２３２ｃが形成されている。この凹部２３２ｃでは、凹部２３２ｃ近傍の炎孔２３２ａ，２３２ｂから噴出する原燃料ガスと空気の混合ガスとオフガスは、図中の矢印に示すように凹部に向かって還流する。この還流によって、これらのガスがバーナ２３２の下流でよく混合される。
上記のようにバーナの炎孔や火炎面の形状を工夫することによって、原燃料ガスおよび空気の混合ガスとオフガスの混合を促進させることができる。これらのバーナ１３２，２３２と、第３実施例から第６実施例の燃焼装置のような混合板５２，７２，８２を併用すれば、さらに効果的である。
【００４０】
本発明の燃焼装置では、原燃料ガス流路とオフガス流路はバーナの炎孔を通過するまで独立しており、原燃料ガスのみを燃料とする場合と、原燃料ガスとオフガスを燃料とする場合がある。原燃料ガスのみを燃料とする場合には、逆火現象が発生する恐れはないため、全一次燃焼方式で燃焼させる。原燃料ガスとオフガスを燃料とする場合、水素を多く含んでいるオフガスを全一次燃焼方式で燃焼させると逆火が発生しやすい。従って、原燃料ガスは、燃焼に必要な空気量を上回る量の空気と予混合した後に炎孔から噴出させ、オフガスは、一次燃焼空気を供給せずに炎孔から噴出させる。これらのガスはバーナの下流で接触し、このとき、オフガスの燃焼に不足する分の空気は、原燃料ガスに過剰に含まれる空気によって補われる。これによって、少ない二次燃焼空気でオフガスを良好に燃焼させることができ、燃焼ガスの温度の低下を避けることができる。火炎長さが短くなるため、燃焼室をコンパクトにすることができ、ひいては燃焼装置全体の大きさを小型化することができる。
【００４１】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、本明細書に示した実施例の燃焼装置は、オフガスは全二次燃焼方式で燃焼させるが、オフガスに、逆火が発生しない程度の過少な一次空気を供給したブンゼン燃焼方式で燃焼させてもよい。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃焼装置を組込んだ燃料電池式発電システムの模式図。
【図２】第１実施例の燃焼装置の模式図。
【図３】第２実施例の燃焼装置の模式図。
【図４】第３実施例の燃焼装置の模式図。
【図５】第４実施例の燃焼装置の模式図。
【図６】第５実施例の燃焼装置の模式図。
【図７】第６実施例の燃焼装置の模式図。
【図８】本発明の燃焼装置のバーナ近傍の模式図。
【図９】本発明の燃焼装置の別のバーナ近傍の模式図。
【符号の説明】
１０：燃料電池式発電システム
１２：原燃料ガス供給ユニット
１４：燃焼装置（第１実施例）
１６：改質器
１８：燃料電池
２０：原燃料ガス供給管
２２：ガバナ
２４：改質ガス供給管
２６：オフガス供給管
３０：ファン
３２：バーナ
３４：原燃料ガス流路
３６：オフガス流路
３８：一次燃焼空気流路
４０：燃焼装置（第２実施例）
５０：燃焼装置（第３実施例）
５２：混合板
６０：燃焼装置（第４実施例）
７０：燃焼装置（第５実施例）
７２：混合板
７４：二次燃焼空気流路
８０：燃焼装置（第６実施例）
８２：混合板
１３２：バーナ、１３２ａ：炎孔
２３２：バーナ、２３２ａ，２３２ｂ：炎孔、２３２ｃ：凹部
【発明の属する技術分野】本発明は燃焼装置に関し、詳しくは、炭化水素系ガスと高濃度水素ガスの両方を同時に燃焼する燃焼装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】性質が異なる２種類のガスを同時に燃焼する燃焼装置が必要とされる。例えば、燃料電池式発電システムには、燃料電池に供給する水素を生成する改質器を加熱する燃焼装置が必要とされる。この燃焼装置は、原燃料ガスと燃料電池から排出されるオフガスを同時に燃焼させることが必要とされる。原燃料ガスは炭化水素系ガスであり、オフガスは高濃度水素ガスである。
原燃料ガスと高濃度水素ガスはそれぞれ性質が異なっている。例えば、炭化水素系ガスを全二次燃焼させると、煤が発生したり火炎長さが伸びたりする不具合が生じるため、一次燃焼空気を予混合して燃焼させるのが好ましい。しかし、水素ガスは燃焼速度が速いため、高濃度水素ガスに一次燃焼空気を予混合して燃焼させれば、やがて燃焼速度が加速して噴出速度を上回り、火炎の形成位置がバーナ内部に潜り込んで逆火現象が生じる恐れがある。
【０００３】
このように、性質の異なる２種類のガスを同時に同一のバーナで良好に燃焼させるための技術が特許文献１に示されている。この技術では、バーナに、炭化水素系ガス用炎孔群と高濃度水素ガス用炎孔群を別々に設け、炭化水素系ガスには一次燃焼空気を混合してから燃焼させ、高濃度水素ガスには一次燃焼空気を供給しないで燃焼させる。二次燃焼空気を火炎の周辺から供給することによって２種類のガスを完全燃焼させる。この燃焼技術によると、炭化水素系ガスは短い火炎長さで良好に燃焼し、高濃度水素ガスは逆火することなく燃焼する。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−１５２１１４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記の技術では、二次燃焼空気は火炎の外周からのみ供給される。この供給方法では、高濃度水素ガスと二次燃焼空気の接触面積が小さいため、高濃度水素ガスを完全燃焼させるためには多量の二次燃焼空気を供給する必要がある。しかしながら二次燃焼空気を多量に供給すると、燃焼ガスの温度が低下してしまう。改質器を改質に必要な高温（６００〜８００℃程度）に維持するためには、炭化水素系ガスの割合を増加させなければならず、非効率的である。
【０００６】
本発明では、高濃度水素ガスに二次燃焼空気が効率的に混合されるようにすることによって少ない二次燃焼空気量で高濃度水素ガスを良好に燃焼させ、もって燃焼ガスの温度低下を避けることができる燃焼装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段と作用と効果】本発明の燃焼装置は、炭化水素系ガス用炎孔群と高濃度水素ガス用炎孔群が形成されているバーナと、炭化水素系ガス用炎孔群に炭化水素系ガスを導く炭化水素系ガス流路と、高濃度水素ガス用炎孔群に高濃度水素ガスを導く高濃度水素ガス流路と、炭化水素系ガス流路に連通して炭化水素系ガスに過剰な一次燃焼空気を供給する一次燃焼空気流路を有する。
この燃焼装置では、炭化水素系ガスに燃焼空気が過剰に混合された状態で炭化水素系ガス用炎孔群から噴出する。過剰な空気は、高濃度水素ガスに二次燃焼空気として供給される。炭化水素系ガスに過剰に含まれる空気で補われるために、少ない二次燃焼空気で高濃度水素ガスを良好に燃焼させることができ、燃焼ガスの温度の低下を避けることができる。燃焼室をコンパクトにすることができ、燃焼装置全体の大きさを小型化することができる。
【０００８】
この燃焼装置は、炭化水素系ガスと高濃度水素ガスとを混合させる第１混合板を備えていることが好ましい。第１混合板はバーナの下流側に配設されている。この第１混合板を配設することによって、過剰な空気を含む炭化水素系ガスと高濃度水素ガスがよく混合される。燃焼空気が不足している高濃度水素ガスに、炭化水素系ガスに含まれる過剰な空気が混合されるために、高濃度水素ガスをさらに良好に燃焼させることができる。
【０００９】
また、炭化水素系ガス用炎孔群はバーナの中央部に配置されており、高濃度水素ガス用炎孔群はバーナの外周部に配置されていることが好ましい。
この燃焼装置によれば、炭化水素系ガスの火炎の外周に高濃度水素ガスの火炎が形成されるため、高濃度水素ガスは火炎の内側から炭化水素系ガスに含まれる過剰な空気が二次燃焼空気として供給され、よく混合されて燃焼する。上記の第１混合板が配設されていれば、さらによく混合されて良好に燃焼する。
【００１０】
さらに、一次燃焼空気流路から分岐していて高濃度水素ガス用炎孔群の外周側から二次燃焼空気を噴出する二次燃焼空気流路と、第１混合板の下流側に配設されていて二次燃焼空気流路から噴出する二次燃焼空気をバーナの中央部に向けて案内する第２混合板を有することが好ましい。
この燃焼装置によれば、まず第１混合板によって炭化水素系ガスと高濃度水素ガスがよく混合されて良好に燃焼する。さらにこの火炎の外側に二次燃焼空気が供給される。この二次燃焼空気は、第２混合板によって内側の火炎に向かって案内されるため、火炎に混合されやすく、炭化水素系ガスと高濃度水素ガスを完全燃焼させることができる。
【００１１】
あるいは逆に、炭化水素系ガス用炎孔群はバーナの外周部に配置されており、高濃度水素ガス用炎孔群はバーナの中央部に配置されていてもよい。この場合、一次燃焼空気流路から分岐していて高濃度水素ガス用炎孔群の中央部から二次燃焼空気を噴出する二次燃焼空気流路と、第１混合板の上流側に配設されていて二次燃焼空気流路から噴出する二次燃焼空気と高濃度水素ガスを混合させる第３混合板とを有することが好ましい。
この燃焼装置によると、炭化水素系ガスの火炎の内側に高濃度水素ガスの火炎が形成されるため、高濃度水素ガスの火炎の外側からは炭化水素系ガスに含まれる過剰な空気が供給される。また、高濃度水素ガスの火炎の内側には二次燃焼空気が供給される。高濃度水素ガスは二次燃焼空気によく混合してよく燃焼する。上記の第１混合板が配設されていれば、さらによく混合される。
【００１２】
この燃焼装置のバーナに形成されている各炎孔の径が、バーナの下流側の開口部近傍で拡大していることが好ましい。
これによれば、炎孔から噴出するガスが拡散しやすいため、炭化水素系ガスと高濃度水素ガスとがよく混合される。
【００１３】
あるいは、炭化水素系ガス用炎孔群と高濃度水素ガス用炎孔群の境界に沿ってバーナの下流側の面に凹部が形成されていることが好ましい。
これによれば、炎孔から噴出したガスが、バーナに形成された凹部に向かって還流する。還流することによって、炭化水素系ガスと高濃度水素ガスとがよく混合される。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
（形態１） 炭化水素系ガス流路と高濃度水素ガス流路は独立した流路であり、炭化水素系ガスと高濃度水素ガスはバーナの下流側で混合される。
（形態２） 炭化水素系ガス流路には一次燃焼空気流路が連通しており、炭化水素系ガス流路内で炭化水素系ガスと一次燃焼空気が混合される。高濃度水素ガス流路には一次燃焼空気流路が連通しておらず、高濃度水素ガス流路には一次燃焼空気が供給されない。
（形態３） 二次燃焼空気は、第２混合板または第３混合板によって火炎に垂直方向から供給される。
【００１５】
【実施例】本発明を具現化した第１実施例を図１と図２を用いて説明する。図１は、本実施例の燃焼装置を組込んだ燃料電池式発電システムの模式図であり（燃焼装置を強調して示している）、図２は本実施例の燃焼装置の模式図である。図１に示す燃料電池式発電システム１０は、原燃料ガス供給ユニット１２と、燃焼装置１４と、改質器１６と、燃料電池１８を備えている。原燃料ガス供給ユニット１２には、原燃料ガス供給管２０が接続されている。原燃料ガス供給管２０は２０ａと２０ｂの２本に分岐し、分岐した原燃料ガス供給管２０ａは、燃焼装置１４に接続されており、分岐した原燃料ガス供給管２０ｂは、改質器１６に接続されている。燃焼装置１４に接続されている原燃料ガス供給管２０ａには、ガス流量を制御するためのガバナ２２が配設されている。改質器１６は、改質ガス供給管２４によって燃料電池１８と接続されている。さらに燃料電池１８は、オフガス供給管２６によって燃焼装置１４と接続されている。
【００１６】
原燃料ガスは、プロパンガスやブタンガス等の炭化水素系ガスから構成されている。この原燃料ガスは、原燃料ガス供給管２０ｂから改質器１６に供給されて改質ガスの原料になるほか、原燃料ガス供給管２０ａから燃焼装置１４へ供給されて改質器１６を加熱する燃焼装置１４の燃料にもなる。
原燃料ガスは、ガバナ２２によって制御された流量で燃焼装置１４へ供給される。燃焼装置１４はファン３０を備えており、このファン３０によって空気が取込まれて原燃料ガスと混合される。この混合ガスを燃料としてバーナ３２で燃焼する。なお、燃焼装置１４については後述する。
【００１７】
改質器１６には、原燃料ガスとともに水蒸気が供給され、燃焼装置１４のバーナ３２で加熱され、原燃料ガスの水蒸気改質が行なわれる。改質反応は改質触媒を利用する吸熱反応であり、改質触媒の活性温度は７００℃程度の高温である。このため、改質反応中は、バーナ３２によって継続的に加熱を行なって上記の高温を維持する必要がある。改質反応によって生成される改質ガスは、主に水素からなる水素リッチガスである。
【００１８】
改質器１６において生成された改質ガスは、改質ガス供給管２４から燃料電池１８に供給される。燃料電池１８には空気中の酸素も供給され、この酸素と改質ガス中の水素との電気化学的反応によって発電が行なわれる。
燃料電池１８に供給される水素ガスのうち、発電に利用されるのは最大でも約８０％であり、残りの約２０％は利用されることなく燃料電池１８を通過してオフガスとして排出される。このオフガスには水素が残されているため、オフガス供給管２６から燃焼装置１４に供給され、燃料として利用する。
【００１９】
燃焼装置１４について説明する。図２に示すように、原燃料ガス供給管２０ａは、燃焼装置１４の原燃料ガス流路３４に接続されている。この原燃料ガス流路３４は、ファン３０を有する一次燃焼空気流路３８と連通している。原燃料ガス流路３４は、燃焼装置１４の中心部を通過してバーナ３２の中央部の炎孔３２ｂ群と連通している。
また、オフガス供給管２６は、燃焼装置１４のオフガス流路３６に接続されている。オフガス流路３６は、原燃料ガス流路３４の外周側に形成されており、バーナ３２の外周部の炎孔３２ａ群と連通している。
なお原燃料ガス流路３４とオフガス流路３６はそれぞれ独立した流路であり、燃焼装置１４内で混合することはない。
【００２０】
次に燃焼装置１４の燃焼現象を説明する。燃焼装置１４では、原燃料ガスのみを燃焼する場合と、原燃料ガスとオフガスを同時に燃焼する場合がある。ここでは、原燃料ガスとオフガスを同時に燃焼する場合について説明する。
原燃料ガス供給管２０ａから原燃料ガス流路３４へ供給された原燃料ガスは、ファン３０によって取込まれた一次燃焼空気と混合される。このとき原燃料ガスの燃焼に必要な空気量を上回る量の空気が混合される。空気過多の混合ガスは、バーナ３２の中央部に形成されている炎孔３２ｂ群から噴出して燃焼し、バーナ３２の上面上に火炎を形成する。
オフガス供給管２６からオフガス流路３６へ供給されたオフガスは、バーナ３２の外周部に形成されている炎孔３２ａ群から噴出して燃焼し、バーナ３２の上面上に火炎を形成する。なおオフガス供給管２６とオフガス流路３６には一次燃焼空気流路が連通しておらず、一次燃焼空気は供給されない。
【００２１】
水素を多く含むオフガスに一次空気が予混合されると、火炎の形成位置がバーナ内部に潜り込んで逆火が起こる恐れがある。本実施例の燃焼装置１４では、オフガスに一次空気を供給せず、全二次燃焼させるので、逆火は生じない。
原燃料ガスには燃焼に必要な空気量を上回る空気が混合されている。この混合ガスとオフガスはバーナ３２の下流で接触するため、混合ガス中の過剰な空気をオフガスの二次燃焼空気として利用することができる。このため、火炎温度を低下させることなく良好に燃焼し、逆火することもない。短い火炎長さで燃焼させることができ、２種類のガスを良好に完全燃焼させることができる。
なお、燃焼装置１４の燃料が原燃料ガスのみのときには、原燃料ガスの燃焼に適した量の空気が供給されるようにファン３０の回転数が制御され、過剰な空気が供給されることはない。
【００２２】
次に、本発明を具現化した第２実施例を図３を用いて説明する。図３は、本実施例の燃焼装置の模式図である。ここでは主に、本実施例の燃焼装置と第１実施例の燃焼装置との相違点について説明し、同様な部分について同一符号を付すことによって、説明を省略する。
図３に示す本実施例の燃焼装置４０は、第１実施例の燃焼装置１４（図２参照）と同様に、図１に示す燃料電池式発電システム１０に組込まれ、改質器１６を加熱し、改質器１６を６００〜８００℃程度の高温に維持する。
【００２３】
図３に示すように、原燃料ガス供給管２０ａは、燃焼装置４０の原燃料ガス流路３４に接続されている。この原燃料ガス流路３４は、ファン３０を有する一次燃焼空気流路３８と連通している。原燃料ガス流路３４は、燃焼装置４０の外周部に形成されており、バーナ３２の外周部の炎孔３２ａ群と連通している。
また、オフガス供給管２６は、燃焼装置４０のオフガス流路３６に接続されている。オフガス流路３６は、原燃料ガス流路３４の中心部を通過してバーナ３２の中央部の炎孔３２ｂ群と連通している。
原燃料ガス流路３４とオフガス流路３６はそれぞれ独立した流路であり、燃焼装置４０内で混合することはない。
【００２４】
燃焼装置４０の燃焼現象を説明する。上記の燃焼装置４０で、原燃料ガスとオフガスを燃料とする場合について説明する。
原燃料ガス供給管２０ａから原燃料ガス流路３４へ供給された原燃料ガスは、ファン３０によって取込まれた一次燃焼空気と混合される。このとき、原燃料ガスの燃焼に必要な空気量を上回る量の空気が混合される。空気過多の混合ガスは、バーナ３２の外周部に形成されている炎孔３２ａ群から噴出して燃焼し、バーナ３２の上面上に火炎を形成する。
オフガス供給管２６からオフガス流路３６へ供給されたオフガスは、バーナ３２の中央部に形成されている炎孔３２ｂ群から噴出して燃焼し、バーナ３２の上面上に火炎を形成する。なおオフガスには一次燃焼空気流路が連通しておらず、一次燃焼空気は供給されない。
【００２５】
本実施例の燃焼装置４０は、第１実施例の燃焼装置１４と同様に、原燃料ガスと空気の混合ガスとオフガスがバーナ３２の下流で混合するため、混合ガス中の過剰な空気をオフガスの燃焼に利用することができる。混合ガス中の過剰な空気は、混合ガスの燃焼によって勢いを得ており、その勢いを得た空気がオフガスに供給されるために、二次燃焼空気とオフガスはよく混合する。よって、オフガスは、火炎温度を低下させることなく良好に燃焼し、逆火することもない。燃焼装置４０によると、短い火炎長さで燃焼させることができ、２種類のガスを良好に完全燃焼させることができる。
【００２６】
次に、本発明を具現化した第３実施例を図４を用いて説明する。図４は、本実施例の燃焼装置の模式図である。ここでは主に、本実施例の燃焼装置と第１実施例の燃焼装置との相違点について説明し、同様な部分について同一符号を付すことによって、説明を省略する。
図４に示す本実施例の燃焼装置５０は、第１実施例の燃焼装置１４（図２参照）のバーナ３２の下流に混合板５２が配設されたものである。混合板５２は、バーナ３２の上面を覆う形状であり、中央部に開口を有している。
【００２７】
燃焼装置５０の燃焼現象を説明する。上記の燃焼装置５０で、原燃料ガスとオフガスを燃料とする場合について説明する。
原燃料ガス供給管２０ａから原燃料ガス流路３４へ供給された原燃料ガスは、ファン３０によって取込まれた一次燃焼空気と混合される。このとき、原燃料ガスの燃焼に必要な空気量を上回る量の空気が混合される。空気過多の混合ガスは、バーナ３２の中央部に形成されている炎孔３２ｂ群から噴出して燃焼し、バーナ３２の上面上に火炎を形成する。
オフガス供給管２６からオフガス流路３６内へ供給されたオフガスは、バーナ３２の外周部に形成されている炎孔３２ａ群から噴出して燃焼するとともに、混合板５２によって原燃料ガスと混ざり合って燃焼し、バーナ３２の上面上に火炎を形成する。
【００２８】
本実施例の燃焼装置５０は、第１実施例の燃焼装置１４と同様に、原燃料ガスと空気の混合ガスとオフガスはバーナ３２の炎孔３２ａ，３２ｂ群から噴出する。本実施例の燃焼装置５０では、オフガスは、混合板５２によって内側の原燃料ガスと空気の混合ガスとよく混合され、混合ガス中の過剰分の空気を積極的に燃焼に利用する。よってオフガスは、火炎温度を低下させることなく良好に燃焼し、逆火することもない。混合板５２を配設することによって、２種類のガスをさらによく混合することができ、良好に完全燃焼させることができる。
【００２９】
次に、本発明を具現化した第４実施例を図５を用いて説明する。図５は本実施例の燃焼装置の模式図である。ここでは主に、本実施例の燃焼装置と第２実施例の燃焼装置との相違点について説明し、同様な部分について同一符号を付すことによって、説明を省略する。
図５に示す本実施例の燃焼装置６０は、第２実施例の燃焼装置４０（図３参照）のバーナ３２の下流に混合板５２が配設されたものである。混合板５２は、バーナ３２の上面を覆う形状であり、中央部に開口を有している。
【００３０】
燃焼装置６０における燃焼現象を説明する。上記の燃焼装置６０で、原燃料ガスとオフガスを燃料とする場合について説明する。
原燃料ガス供給管２０ａから原燃料ガス流路３４へ供給された原燃料ガスは、ファン３０によって取込まれた一次燃焼空気と混合される。このとき、原燃料ガスの燃焼に必要な空気量を上回る量の空気が混合される。空気過多の混合ガスは、バーナ３２の外周部に形成されている炎孔３２ａ群から噴出して燃焼し、バーナ３２の上面上に火炎を形成する。
オフガス供給管２６からオフガス流路３６内へ供給されたオフガスは、バーナ３２の中央部に形成されている炎孔３２ｂ群から噴出して燃焼するとともに、混合板５２によって原燃料ガスと混ざり合って燃焼し、バーナ３２の上面上に火炎を形成する。
【００３１】
本実施例の燃焼装置６０では、オフガスは、混合板５２によって外周側の原燃料ガスと空気の混合ガスとよく混合され、混合ガス中の過剰分の空気を積極的に燃焼に利用する。混合ガスの過剰な空気は、混合ガスの燃焼によって勢いを得ており、その勢いを得た空気がオフガスに供給されるために、二次燃焼空気とオフガスはよく混合する。よってオフガスは、火炎温度を低下させることなく良好に燃焼し、逆火することもない。混合板５２を配設することによって、２種類のガスをさらによく混合することができ、良好に完全燃焼させることができる。
【００３２】
次に、本発明を具現化した第５実施例を図６を用いて説明する。図６は本実施例の燃焼装置の模式図である。ここでは主に、本実施例の燃焼装置と第３実施例の燃焼装置５０との相違点について説明し、同様な部分について同一符号を付すことによって、説明を省略する。
図６に示す本実施例の燃焼装置７０は、第３実施例の燃焼装置５０（図４参照）のオフガス流路３６の外周側に、一次燃焼空気流路３８から分岐した二次燃焼空気流路７４が形成されたものである。この二次燃焼空気流路７４はバーナ３２の外周側に開口している。
また、混合板５２の下流にもう１枚の混合板７２が配設されている。この混合板７２は、バーナ３２の火炎面３２ｂと二次燃焼空気流路７４の開口を覆う形状であり、中央部に開口を有している。
【００３３】
燃焼装置７０における燃焼現象を説明する。上記の燃焼装置７０で、原燃料ガスとオフガスを燃料とする場合について説明する。
原燃料ガス供給管２０ａから原燃料ガス流路３４へ供給された原燃料ガスは、ファン３０によって取込まれた一次燃焼空気と混合される。このとき、原燃料ガスの燃焼に必要な空気量を上回る量の空気が混合される。空気過多の混合ガスは、バーナ３２の中央部に形成されている炎孔３２ｂ群から噴出して燃焼し、バーナ３２の上面上に火炎を形成する。
オフガス供給管２６からオフガス流路３６内へ供給されたオフガスは、バーナ３２の外周部に形成されている炎孔３２ａ群から噴出して燃焼するとともに、混合板５２によって原燃料ガスと混ざり合って燃焼し、バーナ３２の上面上に火炎を形成する。
さらに、二次燃焼空気流路７４からの二次燃焼空気は、バーナ３２の外周側を通過して混合板７２によって混合板５２の下流側に回り込み、原燃料ガスとオフガスの混合ガスの火炎に外側から供給される。
【００３４】
本実施例の燃焼装置７０でも第３実施例の燃焼装置５０と同様に、オフガスは、混合板５２によって内側の原燃料ガスと空気の混合ガスとよく混合され、混合ガス中の過剰分の空気を積極的に燃焼に利用する。さらに、燃焼装置７０の外周側には二次燃焼空気流路７４が形成されており、この二次燃焼空気流路７４から二次燃焼空気が噴出する。噴出した二次燃焼空気は混合板７２によって火炎に外周側から垂直に供給される。よってオフガスは、火炎の内外から効率よく二次燃焼空気を供給され、火炎温度を低下させることなく良好に燃焼し、逆火することもない。２枚の混合板５２，７２を配設することによって、２種類のガスをさらに良好に完全燃焼させることができる。
【００３５】
次に、本発明を具現化した第６実施例を図７を用いて説明する。図７は本実施例の燃焼装置の模式図である。ここでは主に、本実施例の燃焼装置と第４実施例の燃焼装置６０との相違点について説明し、同様な部分について同一符号を付すことによって説明を省略する。
図７に示す本実施例の燃焼装置８０は、第４実施例の燃焼装置６０（図５参照）のオフガス流路３６の中心部に、一次燃焼空気流路３８から分岐した二次燃焼空気流路８４が形成されたものである。この二次燃焼空気流路８４はバーナ３２の中央部に開口している。
また、混合板５２の上流にもう１枚の混合板８２が配設されている。この混合板８２は、二次燃焼空気流路８４の開口を覆う形状である。
【００３６】
燃焼装置８０における燃焼現象を説明する。上記の燃焼装置８０で、原燃料ガスとオフガスを燃料とする場合について説明する。
原燃料ガス供給管２０ａから原燃料ガス流路３４へ供給された原燃料ガスは、ファン３０によって取込まれた一次燃焼空気と混合される。このとき、原燃料ガスの燃焼に必要な空気量を上回る量の空気が混合される。空気過多の混合ガスは、バーナ３２の外周部に形成されている炎孔３２ａ群から噴出して燃焼し、バーナ３２の上面上に火炎を形成する。
オフガス供給管２６からオフガス流路３６内へ供給されたオフガスは、バーナ３２の中央部に形成されている炎孔３２ｂ群から噴出して燃焼するとともに、混合板５２によって原燃料ガスと混ざり合って燃焼し、バーナ３２の上面上に火炎を形成する。
さらに、二次燃焼空気流路８４からの二次燃焼空気は、バーナ３２の中心部を通過して混合板８２によって混合板５２の上流側に回り込み、原燃料ガスとオフガスの混合ガスの火炎に中心から供給される。
【００３７】
本実施例の燃焼装置８０でも第５実施例の燃焼装置７０と同様に、オフガスは、混合板５２によって外側の原燃料ガスと空気の混合ガスとよく混合され、混合ガス中の過剰分の空気を積極的に燃焼に利用する。さらに、燃焼装置８０の中心部には二次燃焼空気流路８４が形成されており、この二次燃焼空気流路８４から二次燃焼空気が噴出する。噴出した二次燃焼空気は混合板８２によって火炎に中心から垂直に供給される。よってオフガスは、火炎の内外から効率よく二次燃焼空気を供給され、火炎温度を低下させることなく良好に燃焼し、逆火することもない。２枚の混合板５２，８２を配設することによって、２種類のガスをさらに良好に完全燃焼させることができる。
【００３８】
燃焼装置のバーナの下流において、原燃料ガスと空気の混合ガスにオフガスをよく混合させることによって、燃焼空気が不足しているオフガスに混合ガス中の余剰空気を効率よく供給し、どちらのガスも良好に燃焼させることができる。この混合を促進させるために、第３実施例から第６実施例には、１または２枚の混合板が配設されている。
また、バーナの形状を工夫することによっても、この混合を促進させることができる。図８と図９は燃焼装置のバーナ近傍の模式図であり、これらは、第１実施例の燃焼装置に、上記の目的で形状を工夫したバーナを配設した様子を示す図である。なお、図８と図９に示す形状のバーナを、第２実施例から第６実施例の燃焼装置にも配設することができる。
【００３９】
図８に示すバーナ１３２の炎孔１３２ａ，１３２ｂは、炎孔１３２ａ，１３２ｂの開口近傍で徐々に炎孔の径が拡大する形状になっている。炎孔１３２ａ，１３２ｂをこのような形状にすると、原燃料ガスおよび空気の混合ガスとオフガスは、図中の矢印に示すようにバーナ１３２の炎孔１３２ａ，１３２ｂ群から拡散する。この拡散によって、これらのガスがバーナ１３２の下流でよく混合される。
また、図９に示すバーナ２３２の上面上には、原燃料ガス流路が連通している炎孔２３２ｂ群と、オフガス流路が連通している炎孔２３２ａ群との境界部分に、凹部２３２ｃが形成されている。この凹部２３２ｃでは、凹部２３２ｃ近傍の炎孔２３２ａ，２３２ｂから噴出する原燃料ガスと空気の混合ガスとオフガスは、図中の矢印に示すように凹部に向かって還流する。この還流によって、これらのガスがバーナ２３２の下流でよく混合される。
上記のようにバーナの炎孔や火炎面の形状を工夫することによって、原燃料ガスおよび空気の混合ガスとオフガスの混合を促進させることができる。これらのバーナ１３２，２３２と、第３実施例から第６実施例の燃焼装置のような混合板５２，７２，８２を併用すれば、さらに効果的である。
【００４０】
本発明の燃焼装置では、原燃料ガス流路とオフガス流路はバーナの炎孔を通過するまで独立しており、原燃料ガスのみを燃料とする場合と、原燃料ガスとオフガスを燃料とする場合がある。原燃料ガスのみを燃料とする場合には、逆火現象が発生する恐れはないため、全一次燃焼方式で燃焼させる。原燃料ガスとオフガスを燃料とする場合、水素を多く含んでいるオフガスを全一次燃焼方式で燃焼させると逆火が発生しやすい。従って、原燃料ガスは、燃焼に必要な空気量を上回る量の空気と予混合した後に炎孔から噴出させ、オフガスは、一次燃焼空気を供給せずに炎孔から噴出させる。これらのガスはバーナの下流で接触し、このとき、オフガスの燃焼に不足する分の空気は、原燃料ガスに過剰に含まれる空気によって補われる。これによって、少ない二次燃焼空気でオフガスを良好に燃焼させることができ、燃焼ガスの温度の低下を避けることができる。火炎長さが短くなるため、燃焼室をコンパクトにすることができ、ひいては燃焼装置全体の大きさを小型化することができる。
【００４１】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、本明細書に示した実施例の燃焼装置は、オフガスは全二次燃焼方式で燃焼させるが、オフガスに、逆火が発生しない程度の過少な一次空気を供給したブンゼン燃焼方式で燃焼させてもよい。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃焼装置を組込んだ燃料電池式発電システムの模式図。
【図２】第１実施例の燃焼装置の模式図。
【図３】第２実施例の燃焼装置の模式図。
【図４】第３実施例の燃焼装置の模式図。
【図５】第４実施例の燃焼装置の模式図。
【図６】第５実施例の燃焼装置の模式図。
【図７】第６実施例の燃焼装置の模式図。
【図８】本発明の燃焼装置のバーナ近傍の模式図。
【図９】本発明の燃焼装置の別のバーナ近傍の模式図。
【符号の説明】
１０：燃料電池式発電システム
１２：原燃料ガス供給ユニット
１４：燃焼装置（第１実施例）
１６：改質器
１８：燃料電池
２０：原燃料ガス供給管
２２：ガバナ
２４：改質ガス供給管
２６：オフガス供給管
３０：ファン
３２：バーナ
３４：原燃料ガス流路
３６：オフガス流路
３８：一次燃焼空気流路
４０：燃焼装置（第２実施例）
５０：燃焼装置（第３実施例）
５２：混合板
６０：燃焼装置（第４実施例）
７０：燃焼装置（第５実施例）
７２：混合板
７４：二次燃焼空気流路
８０：燃焼装置（第６実施例）
８２：混合板
１３２：バーナ、１３２ａ：炎孔
２３２：バーナ、２３２ａ，２３２ｂ：炎孔、２３２ｃ：凹部
Claims (7)
- 炭化水素系ガス用炎孔群と高濃度水素ガス用炎孔群が形成されているバーナと、
炭化水素系ガス用炎孔群に炭化水素系ガスを導く炭化水素系ガス流路と、
高濃度水素ガス用炎孔群に高濃度水素ガスを導く高濃度水素ガス流路と、
炭化水素系ガス流路に連通して炭化水素系ガスに過剰な一次燃焼空気を供給する一次燃焼空気流路と
を有することを特徴とする燃焼装置。 - バーナの下流側に配設されていて炭化水素系ガスと高濃度水素ガスを混合させる第１混合板を有することを特徴とする請求項１の燃焼装置。
- 炭化水素系ガス用炎孔群はバーナの中央部に配置されており、高濃度水素ガス用炎孔群はバーナの外周部に配置されていることを特徴とする請求項１または２の燃焼装置。
- 一次燃焼空気流路から分岐していて高濃度水素ガス用炎孔群の外周側から二次燃焼空気を噴出する二次燃焼空気流路と、第１混合板の下流側に配設されていて二次燃焼空気流路から噴出する二次燃焼空気をバーナの中央部に向けて案内する第２混合板を有することを特徴とする請求項３の燃焼装置。
- 炭化水素系ガス用炎孔群はバーナの外周部に配置されており、高濃度水素ガス用炎孔群はバーナの中央部に配置されており、
一次燃焼空気流路から分岐していて高濃度水素ガス用炎孔群の中央部から二次燃焼空気を噴出する二次燃焼空気流路と、第１混合板の上流側に配設されていて二次燃焼空気流路から噴出する二次燃焼空気と高濃度水素ガスを混合させる第３混合板とを有することを特徴とする請求項１または２の燃焼装置。 - 各炎孔の径がバーナの下流側の開口部近傍で拡大していることを特徴とする請求項１から６の何れかの燃焼装置。
- 炭化水素系ガス用炎孔群と高濃度水素ガス用炎孔群の境界に沿って、バーナの下流側の面に、凹部が形成されていることを特徴とする請求項１から６の何れかの燃焼装置。
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