JP2007322019A - 燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘ及び未燃分がなく、小型で安定した燃焼が得られる燃焼器を提供する。
【解決手段】燃焼部１１と、この燃焼部に燃料と空気を混合した燃料／空気混合気を供給する燃料供給部１２とからなり、燃料供給部は、スロート部の内周面に燃料供給口２５を設けたベンチュリー管型混合器と、このベンチュリー管型混合器の基端部に接続した燃焼空気供給口３１と、ベンチュリー管型混合器の先端部にてスパークを発生可能にした点火器とからなり、燃焼部は、上記燃料供給部と結合する枠体１６と、この枠体に断熱体１５ａ，１５ｂ，１５ｃを介して支持されると共に、一端が上記燃料供給部のベンチュリー管型混合器の先端に連通され、他端が上記枠体より突出されたセラミック筒１４と、からなり、上記セラミック筒を、酸化触媒として機能するセラミックス製とした燃焼器。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば家庭用小型燃料電池システムの燃料改質装置用の高温ガスを得るための燃焼器に関する。

この種の燃焼器から発生する燃焼ガスは、公害物質、すなわちＮＯｘ及び未燃分がないこと、及び、完全燃焼によって残留酸素量が少ないことが望ましい。

従来この種の燃焼器にあっては、（１）空気と燃料を爆発限界範囲内での濃度で混合し、この混合ガスを電気スパーク等の着火手段にて着火して火炎の形成をなし、その後は上記空気と燃料の混合ガスを継続して燃焼させるようにした燃焼器、（２）予熱された空気中に燃料を混合した予熱混合ガスを燃焼触媒により燃焼させるようにした燃焼器、（３）主燃焼器の加熱管の外側を補助燃焼器にて常時燃料の着火温度以上に加熱し、主燃焼器では上記加熱された加熱管に燃焼と空気の混合ガスを接触させて燃焼を継続させるようにした燃焼器、（４）燃料の着火温度以上に加熱された管に燃料と空気の混合ガスを接触して燃焼させた燃焼ガスを管の端でＵターンさせて管を加熱することにより燃焼を継続させるようにした燃焼器（特許文献１参照）等が知られている。

特開平１０−２６３０９号公報

上記従来の燃焼器では、現在開発が進められている家庭用小型燃料電池システムの燃料改質装置に使用するボイラーの燃焼器としては満足できるものではない。

この理由は、この種の装置に用いられる燃焼器にあっては、小型で燃焼室の容積が小さいことが要求される上、周囲の壁面の温度が１１０〜１８０℃程度の低温度であることが必要なために、非常に燃焼に不利な制約下にありながら、ＮＯｘが低くなった完全燃焼が要求されるからである。

更に、燃焼室の容積が小さいということは圧力変動を受け易いことを意味し、火炎燃焼の場合には、燃料の流れが１時的に止まって火炎が消失して燃焼が停止することになって蒸気の発生がなくなることがあるためである。

このため、改質触媒部においてＳ／Ｃ（水蒸気／炭素）の比が適性値よりも低くなり炭素の析出が発生し、燃料改質装置全体が停止してしまうこととなる。

さらに上記のような家庭用小型燃料電池システムにあっては、気体燃料と液体燃料の使用が要求される。運転のスタート時にあっては補助の点火器を使用せざるを得ないが、運転開始後はこの補助燃焼器をできる限り短時間で必要でない状態にし、しかも圧力変動等による外乱があっても燃焼が停止しない方法を採用することが必要である。

本発明は上記のことに鑑みなされたもので、公害物質であるＮＯｘ及び未燃物がなく、小型で、しかも少々の外乱があっても安定した燃焼ガスを得ることができるようにした燃焼器を提供することを目的とするものである。

本願の請求項１記載の発明によれば、点火器を備えたベンチュリー管型の燃料・空気混合器の下流に、酸化触媒機能を有するセラミックス筒を配した燃焼器が提供される。

請求項２記載の発明によれば、ベンチュリー管型の燃料・空気混合器の先端に、混合気がセラミック筒内で渦流となるよう渦流発生器を設けた請求項１記載の燃焼器が提供される。

請求項３記載の発明によれば、セラミック筒の下流の先端部分を、このセラミック筒の先端周囲に更に燃焼室を形成する、頭部が閉鎖された円筒状の覆体で覆い、この覆体の円筒基端部に燃焼ガス流出孔を設けた請求項１，２のいずれか１項記載の燃焼器が提供される。

請求項４記載の発明によれば、覆体の外周面に放射促進性の塗料を塗布した請求項３記載の燃焼器が提供される。

請求項５記載の発明によれば、セラミック筒と、覆体の基端との間に、酸化触媒層を設けた請求項３，４のいずれか１項記載の燃焼器が提供される。

請求項１記載の発明によれば、例えば、現在開発が進んでいる家庭用小型燃料電池システムの燃料改質装置に使用するボイラーの燃焼器として好適な、小型の燃焼室であって、燃焼効率が良く、かつ、安定的に燃焼が可能な燃焼器を得ることができる。

請求項２記載の発明によれば、混合気が酸化触媒に十分接触されるため、より安定した燃焼が可能な燃焼器を得ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、セラミック筒から流出した燃焼ガスは、覆体で構成される燃焼室にてさらに完全な燃焼が促進される。

請求項４に記載の発明によれば、覆体の外面から放射熱を被加熱部に放射することができるので、被加熱部の加熱を促進することができる。

請求項５に記載の発明によれば、覆体内の燃焼室から通孔を通って外部に流出する燃焼ガスが酸化機能を有する触媒層を通るので、仮にセラミック筒内で燃焼した燃焼ガス中に未燃分が残留していたとしても、この触媒層を通る間にこの未燃分を完全に燃焼することができる。

本発明の実施の形態を図１及び図２に基づいて説明する。図１は本発明の燃焼器の要部を示す断面図、図２は本発明の燃焼器を使用したボイラーの一例を示す断面図である。

図１において、１は同心円状に配置された内筒２と外筒３とからなるボイラー本体、４はこのボイラー本体１の下端部に設けた本発明に係る燃焼器であり、この燃焼器４で発生した高温の燃焼ガスがボイラー本体１の内筒２の内面側に供給されることによって内筒２の内面が加熱されて、同心円状に配置された内筒２と外筒３の間に形成された媒体収容部５内に供給された水（蒸発媒体）が加熱されて高温のスチームを発生するようになっている。ボイラー本体１の下端には蒸発媒体用の媒体収容部５を閉じるボイラー下部フランジ６が一体結合されており、このボイラー下部フランジ６に燃焼器４の外周部に一体に設けた燃焼器フランジ７がボルト８、ナット９にて結合されることにより、燃焼器４がボイラー本体１の下端部に、燃焼器４の最上部に位置する覆体１０がボイラー本体１の内筒２内に突入した状態で結合されるようになっている。

燃焼器４は、上記燃焼ガスが噴出するセラミック筒１４を含む燃焼部１１と、この燃焼部１１に燃料と空気を混合した燃料／空気混合気を供給する燃料供給部１２とからなっている。
燃焼部１１は、最上方にあって内側に燃焼室１３を構成する燃焼室形成用覆体１０と、これの軸心部に配置され、上端を燃焼室１３内に解放したセラミック筒１４と、このセラミック筒１４の下部の外側を囲繞して配置したセラミックスにて構成された断熱体１５ａ，１５ｂ，１５ｃと、およびこれらを囲繞する枠体１６とからなっていて、枠体１６は燃焼器フランジ７に固定されている。

上記覆体１０は釣鐘状（あるいは茶筒のキャップ状）になっていて、上記断熱体１５ａ，１５ｂ，１５ｃに伏せた状態で設けられており、これの部周面には、上下方向に長いスリット状の通孔１７が設けてある。そして覆体１０の内部には、上記通孔１７の高さにわたって酸化機能を有するセラミックス小粒子からなる触媒層１８が設けられている。上記セラミック筒１４の上端は燃焼室１３内において、覆体１０の天井内面との間に所定の間隔Ｌを有すると共に、上記触媒層１８の上面に対して所定の高さＨを有していて、セラミック筒１４の上端から流出する燃焼ガスは燃焼室１３から触媒層１８間を通って通孔１７よりボイラー本体１の内筒２内に流出するようになっている。

燃料供給部１２は、これの上端部に設けた取付けフランジ２１を介してボルト２２にて上記燃焼部１１の下面にパッキンを介して固定されるようになっている。
取付けフランジ２１にはこれを貫通してベンチュリー管型混合器２３が固着されている。このベンチュリー管型混合器２３の出口部は上記燃焼部１１のセラミック筒１４と同心状で、かつその出口径はセラミック筒１４の内径と略同径になっていて、これの出口端がセラミック燃焼筒１４の下端に対接するようになっている。そしてこの対接部には渦流発生器２４が設けてある。この渦流発生器２４はベンチュリー管型混合器２３からの混合気流を円周方向へ、すなわち、セラミック筒１４の内周面に向くような渦流が発生するような形状とされている。

ベンチュリー管型混合器２３のスロート部の内周面には複数の燃料噴出孔２５が設けられている。この燃料噴出孔２５はベンチュリー管型混合器２３のスロート部に設けた燃料マニホールド２５ａを介して燃料供給口２６に接続されている。
ベンチュリー管型混合器２３の軸心部には点火器の点火棒導管２７が設けてある。この点火棒導管２７は、これの上端部が渦流発生器２４の中央に固着される一方、その下端部がベンチュリー管型混合器２３の下方へ突出させて設けてある。そしてこの点火棒導管２７には、点火棒２８が、これの先端が点火棒導管２７より突出するように嵌挿してある。

ベンチュリー管型混合器２３の基端部にはクロス形の管継手２９が接続されており、上記点火棒導管２７の下端部はこの管継手２９内に位置されている。そしてこの管継手２９の上記ベンチュリー管型混合器２３との接続口に対して直交する一方の接手口が点火器用電源棒接続口となっていて、ここから点火器用電源棒３０が挿入してあり、これの先端が接続管２９内において上記点火棒２８に電気的に接続されるようになっている。また、上記直交する他方の接続口に燃焼空気供給口３１が接続されている。さらに、管継手２８のベンチュリー管型混合器２３との接続口の延長線上の接続口にベンチュリー管型混合器２３内を透視可能にした燃焼状態監視口３２が接続されている。

図１に示されたボイラー本体１に対する燃焼器４の作用を以下に説明する。

燃料供給部１２の空気供給口３１より燃焼用空気を供給すると共に、燃料供給口２６より供給される燃料を燃料噴出口２５よりベンチュリー管型混合器２３のスロート部に噴出することにより、この空気と燃料はこのスロート部よりベンチュリー管型混合器２３の出口に至る間で混合されて燃料／空気混合気（以下混合気という）となってベンチュリー管型混合器２３の出口からセラミック筒１４内に流入される。このとき、セラミック筒１４内に流入する混合気は渦流発生器２４により燃焼筒１４の内周面に沿った渦流となっている。そしてこの状態で点火器用電源棒３０に通電して点火棒２８の先端にスパークを形成して上記混合気を点火する。

これにより混合気は燃焼を開始する。そしてこの点火後は、混合気の燃料と空気の混合割合の濃淡にも影響されるが、２分以内で火花を止めてもセラミック筒１４が酸化触媒として機能する温度以上に加熱されていれば、上記燃焼は継続する。

この場合、上記燃焼が液体燃料（例えば灯油）を使用する場合にはこの燃料自体は常温の状態で供給するが、燃焼用空気を２００〜２５０℃程度に予熱して供給する。この実施例の構成では気体燃料も用いることができる。

点火された混合気は燃焼を開始し、この燃焼ガスはセラミック筒１４の内部を、これの内周壁に沿って上方へ流れる。この結果、セラミック筒１４自身は、触媒活性温度以上に昇温されることとなる。この結果、セラミック筒１４が昇温された時点で点火棒２８による点火を停止しても、ベンチュリー管型混合器２３からの混合気は触媒活性温度以上に昇温されたセラミック筒１４の内周面に接触することにより、この混合気には直ちに酸化反応が生じ、燃焼は継続することとなる。

このような燃焼状態はセラミック筒１４の上方（下流側）へ行くに従って激しくなり、セラミック筒１４の上端部で、混合気の大部分が燃焼される。なお、このときの燃焼状態はセラミック筒１４の長さによって影響される。このことからこのセラミック筒１４の長さは燃料供給部１２から供給される混合気の大部分が燃焼される長さに設計する。

セラミック筒１４に供給される混合気は一様の濃度に混合されているので、このセラミック筒１４内での燃焼反応は非常に速い。例えば、混合気の理論燃焼温度が１４００〜１６００℃位のときには７／１０００秒位の速度を示す。そのため、燃焼筒１４の材質は以下に示す性質を有するものが望ましい。

すなわち、上述した酸化機能を有するセラミック筒１４の必要な条件とは、（１）耐熱衝撃性に強いこと、（２）触媒活性温度が低いこと、（３）放射率が高いこと、（４）高温度で機械的強度が高いこと、（５）熱伝動度が高いこと、である。

このような性質を有するセラミックスとしては、ＳｉＣ，Ｓｉ_３Ｎ_４，ＺｒＯ_２，及びＺｒＯ_２に５〜２０％の他の金属酸化物を添加したもの等が適している。

ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ₄のＳｉの非酸化物のセラミックスは触媒活性温度が６４０〜６４５℃と割合高いが、それ以外は上記条件を満足するので実用上充分使用可能である。また、ＺｒＯ_２単体では、触媒活性温度が４６５℃を示すが、ＣｏＯ，Ｃｒ_２Ｏ_３，ＭｎＯ_２，Ｌａ_２Ｏ_３，ＳｎＯ_２，Ｙ_２Ｏ_３，ＴｂＯ_２及びＭｇＯを５％から２０％まで混合したものは触媒活性温度が３３０℃から４９７℃程度まで低下させることが可能である（非特許文献１参照）。
第９回触媒燃焼に関するシンポジウム（平成２年５月２５日）中ＺｒＯ２複合酸化物による触媒燃焼

上述の（１）の耐熱衝撃性に強いことが必要なのは、燃焼速度が速いため、セラミック筒１４の内側から受ける熱量の変化が大きいことによるためである。このようなことからセラミック筒１４自身の温度変化が大きく、肉厚を厚くすると、セラミック筒１４内部の温度差が大きくなって熱衝撃で破壊してしまうからである。これを防止するためには（５）の熱伝導度が高いことが要求されるのである。また、熱伝導度が高い場合には、燃焼ガスの下流側で受けた熱を上流側へ伝えるのに適し、また（３）の放射率の高いことも同様の作用を発揮する。

セラミック筒１４内にて発生した燃焼ガスは、セラミック筒１４の先端から燃焼室１３へ流入し、この燃焼室１３を構成する覆体１０の内面に沿って下方へ方向を変え、触媒層１８を通って通孔１７よりボイラー本体１の内筒２内に流出される。

このときにおいて、燃焼部１１にて燃焼される燃焼ガスは、これが通過する流路の容積が小さく、かつ冷壁面に囲繞されている場合には、この燃焼ガス中に未燃分が残ってしまう恐れがあるが、この燃焼部１１では、セラミック筒１４よりの燃焼ガスは覆体１０にて構成されて比較的大きな空間となっているので、ここでの燃焼が続行されて高温（１５００〜１７００℃）となり、燃焼ガスの未燃分は略完全に燃焼される。

そして上記燃焼室１３内の燃焼ガスはこの燃焼室１３を構成している覆体１０の内面に沿って下方へ流れを変え、触媒層１８を通った後、通孔１７よりボイラー本体１の内筒２内に流入し、この内筒２の内面を加熱する。そしてこのとき燃焼ガスは触媒層１８のセラミックス小粒子に接触することにより、燃焼ガス中の未燃分が完全燃焼される。そしてこの触媒層１８により燃料と燃焼用空気の変動により燃焼が停止するのが防止される。

上記触媒層１８を構成する酸化機能を有するセラミックス小粒子はＳｉＣの中空粒子が有利である。

上記実施例に示した燃焼器４において、家庭用の燃料電池システムのスチーム発生用の燃焼器としての一例としての各部材の寸法をあげれば、セラミック筒１４の内径は２０ｍｍ、厚みは２、５ｍｍ長さは４０ｍｍであり、また覆体１０の内径は５０ｍｍ、そして図１に示したＨの寸法は１０ｍｍ、ｌの寸法は１５ｍｍである。

以上、図１に示した燃焼器は、家庭用の燃料電池システムのスチーム発生器用のボイラー本体１に適用した例を示すものであり、このボイラー本体１の空間部５に充満している水が沸騰され、発生したスチームが媒体収容部５の上部に接続したスチーム管より導出されるものである。この場合、覆体１０を長期間使用するためには、高温ガスから受けた熱をできる限り空間５側へ伝熱する必要があるが、この実施例では、鋼製の覆体１０の外周面側に放射促進性塗料、例えば放射率が９２％以上の放射塗料、を塗布することにより、燃焼部１１において理論燃焼温度が１６００℃の燃焼ガスを発生しても覆体１０の壁部の温度は９５０℃とすることができ、この放射促進性塗料を塗布することにより覆体１０は長期間の使用に耐えることができることとなる。

図２は、本発明に係る燃焼器４を用いたボイラーの一実施例を示すもので、ボイラー本体１の内筒２内で、かつ燃焼部１１の上方に、多数の水管３３，３３…からなる熱交換部３４を配置した構成になっている。熱交換部３４の上方には水受けタンク３５が設けてあり、この水受けタンク３５に水の出入管３６が接続されている。そして熱交換部３４の各水管３２の入口部は水受がタンク３５に接続されており、出口部が出口室３７に接続されている。この出口室３７は導管３８にて媒体収容部５の下部に連通されている。ボイラー本体１の内筒２の上部は熱交換部３４を支持する支持板３９にて閉じられており、この内筒２の内側に排気管４０が接続されている。４１は上記媒体収容部５に発生したスチームを取り出すスチーム出口管である。

このようなボイラーでは、燃焼器４の燃焼部１１よりボイラー本体１の内筒２内に流入した燃焼ガスの熱は、内筒２の内面から媒体収容部５に直接作用すると共に、熱交換部３４にても熱交換されて媒体収容部５に給水される水を予熱することができ、燃焼部１１に発生した燃焼ガスの熱を有効に用いることができる。

上記実施例において、燃焼器４の燃焼部１１において、セラミック筒１４の長さを適当にすることにより、燃料供給部１２のベンチュリー管型混合器２３から供給された混合気を既に未燃分が殆どない状態に燃焼させることができる場合には、燃焼室１３を構成するための覆体１０を省略することができる（覆体１０を省略した実施例については後述）。

また、上記覆体１０を備えた場合でも、この覆体１０内に構成される燃焼室での燃焼が行われて、燃焼ガス中の未燃分が完全に燃焼されるならば、覆体１０の通孔１７を塞ぐようにして入れた触媒層１８はなくてもよい。

一方、燃焼供給部１２における渦流発生器２４は、ベンチュリー管型混合器２３による混合効果が十分に得られる場合には省略してもよい。

以上の実施例においては、セラミック筒１４の出口側には覆体１０が配されていたが、先述のように燃焼器４の燃焼部１１において、セラミック筒１４の長さを適当にすることにより、燃料供給部１２のベンチュリー管型混合器２３から供給された混合気を既に未燃分が殆どない状態に燃焼させることができる場合には、燃焼室１３を構成するための覆体１０を省略することができる。このような場合の実施例を図３に示す。図３の実施例においては、セラミック筒１４の出口側は、内部にセラミック筒１４からの燃焼ガスを半径方向外側へ導出するための多数の案内通路１９を備えた断熱体１５ｄで閉鎖されている。この断熱体１５ｄから円周方向外側に導出された燃焼ガスは、図３の上方に排出される過程において、多数の垂直下降水管が円周方向に間隔をおいて内部に配置された内筒２と外筒３よりなるボイラー本体１の内筒１と、このボイラー本体１の中央領域に配置された多数の水管３３の各外壁を加熱する。

なお、図３の実施例においては、セラミック筒１４は図１の実施例とは異なり、酸化触媒として機能する温度以上になることを期待しえないその上流領域については、セラミック筒１４を省略し、かわりにその省略した部分には、断熱体１５ａが、セラミック筒１４の内径と同径の燃焼路を形成している。このような構造は、セラミック筒の材料費を節約できるので、コスト的に有利であり、改質器の加熱用、又は、固形酸化物を利用する燃料電池のスタート時の加熱用としても用いることができる。

本発明の燃焼器の一実施例の要部を示す断面図である。 図１の実施例の燃焼器が使用されたボイラーの一実施例を示す断面図である。 本発明の燃焼器の別の実施例と、それを備えたボイラーの別の実施例とを示す断面図である。

符号の説明

１…ボイラー本体、２…内筒、３…外筒、４…燃焼器、５…媒体収容部、６…ボイラー下部フランジ、７…燃焼器フランジ、８…ボルト、９…ナット、１０…覆体、１１…燃焼部、１２…燃料供給部、１３…燃焼室、１４…セラミック筒、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…断熱体、１６…枠体、１７…通孔、１８…触媒層、１９ 案内通路、２１…取付けフランジ、２２…ボルト、２３…ベンチュリー管型混合器、２４…渦流発生器、２５…燃料噴出口、２５ａ…マニホールド、２６…燃料供給口、２７…点火棒導管、２８…点火棒、２９…管継手、３０…点火器用電源棒、３１…燃焼空気供給口、３２…燃焼状態監視口、３３…水管、３４…熱交換器、３５…水受けタンク、３６…給水管、３７…出口室、３８…導管、３８…ジャケット側液導管、３８ａ…水管側液導管、３９…支持板、４０…排気管、４１…スチーム出口管。

Claims (5)

1. 点火器を備えたベンチュリー管型の燃料・空気混合器の下流に、酸化触媒機能を有するセラミックス筒を配したことを特徴とする燃焼器。
2. ベンチュリー管型の燃料・空気混合器の先端に、混合気がセラミック筒内で渦流となるよう渦流発生器を設けたことを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
3. セラミック筒の下流の先端部分を、このセラミック筒の先端周囲に更に燃焼室を形成する、頭部が閉鎖された円筒状の覆体で覆い、この覆体の円筒基端部に燃焼ガス流出孔を設けたことを特徴とする請求項１，２のいずれか１項記載の燃焼器。
4. 覆体の外周面に放射促進性の塗料を塗布したことを特徴とする請求項３記載の燃焼器。
5. セラミック筒と、覆体の基端との間に、酸化触媒層を設けたことを特徴とする請求項３，４のいずれか１項記載の燃焼器。
   
   

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