JP2008249235A

JP2008249235A - 管状火炎バーナ

Info

Publication number: JP2008249235A
Application number: JP2007090425A
Authority: JP
Inventors: Katsuki Yagi; 克記八木
Original assignee: JFE Steel Corp; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: JFE Steel Corp; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-16

Abstract

【課題】管状火炎の安定性を向上させることができる管状火炎バーナを提供する。
【解決手段】基端を蓋板１１ａで閉塞された円筒型をなす燃焼筒１１と、燃焼筒１１の基端寄りの内周面に連絡して燃焼筒１１の内部に燃焼筒１１の内周面の接線方向で燃焼用ガス１を供給する燃焼用ガス供給ノズル１２とを備えている管状火炎バーナ１０において、燃焼筒１１の蓋板１１ａに連絡して燃焼筒１１の内部に燃焼筒１１の軸方向に沿って液体燃料３を噴霧用ガスによって霧状に噴射供給する液体燃料噴霧ノズル１４を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、管状火炎バーナに関し、特に、燃料電池に供給する燃料ガスを炭化水素系原料から生成させる改質器の燃焼バーナに適用すると有効なものである。

火炎を管状に発生させる従来の管状火炎バーナの一例を図５に示す。
図５に示すように、円筒型をなす燃焼筒１１１の基端面は、蓋板１１１ａで閉塞されている。燃焼筒１１１の基端寄りの内周面には、当該内周面の周方向に沿うように当該内周面の接線方向で当該燃焼筒１１１の内部に燃焼用ガス１を供給する燃焼用ガス供給ノズル１１２が当該燃焼筒１１１の周方向に沿って等間隔で複数（本例では２つ）連絡している。なお、図５中、１１３は点火器である。

このような従来の管状火炎バーナ１１０においては、燃焼用ガス１を燃焼用ガス供給ノズル１１２から燃焼筒１１１内に送給すると、当該燃焼用ガス１が当該燃焼筒１１１の内周面に沿って旋回しながら当該燃焼筒１１１の先端側へ向かって流れるようになるで、当該燃焼筒１１１の内部の燃焼用ガス１に上記点火器１１３で点火することにより、当該燃焼筒１１１の内周面に沿って管状火炎２が生成するようになる。

このため、上記管状火炎バーナ１１０によれば、周方向に対する加熱が均一になるので、燃焼排ガスの温度のバラつきを抑えることができ、燃焼排ガスによる加熱を均一に行うことができる（例えば、下記特許文献１等参照）。

特開平１１−２８１０１５号公報特開昭５６−１２４８３４号公報

前述したような管状火炎バーナ１１０においては、燃焼用ガス供給ノズル１１２の先端位置と燃焼筒１１１の蓋板１１１ａの位置（基端位置）との間に当該燃焼筒１１１の軸方向に沿って所定の間隔をあける、いわゆるバックスペースＳｂを設けることにより、燃焼筒１１１の内周面に沿って燃焼用ガス１を安定して旋回させて、管状火炎２の安定化を図るようにしている。しかしながら、上記バックスペースＳｂの設置だけでは、管状火炎２の安定化を十分に図ることが難しかった。

このようなことから、本発明は、管状火炎の安定性を向上させることができる管状火炎バーナを提供することを目的とする。

前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る管状火炎バーナは、基端を閉塞されて先端を開放された円筒型をなす燃焼筒と、前記燃焼筒の基端寄りの内周面に連絡して当該燃焼筒の内部に当該燃焼筒の内周面の接線方向で燃焼用ガスを供給する燃焼用ガス供給ノズルとを備えている管状火炎バーナにおいて、前記燃焼筒の基端に連絡して当該燃焼筒の内部に当該燃焼筒の軸方向に沿って燃焼用燃料を供給する燃焼用燃料供給ノズルを備えていることを特徴とする。

第二番目の発明に係る管状火炎バーナは、第一番目の発明において、前記燃焼用燃料が、液体燃料であり、前記燃焼用燃料供給ノズルが、前記液体燃料を霧状に噴射する燃焼用燃料噴霧ノズルであることを特徴とする。

第三番目の発明に係る管状火炎バーナは、第二番目の発明において、前記燃焼用燃料噴霧ノズルが、前記液体燃料を噴霧用ガスによって霧状に噴射するものであることを特徴とする。

第四番目の発明に係る管状火炎バーナは、第一番目から第三番目の発明のいずれかにおいて、前記燃焼用ガスが、ガス燃料と酸化剤との混合ガスであると共に、前記燃焼用燃料供給ノズルが、前記燃焼筒の基端寄りの内周面に連絡して当該燃焼筒の内部に先端から当該燃焼筒の内周面の接線方向で前記ガス燃料を供給するガス燃料供給ノズルと、前記ガス燃料供給ノズルの内部の先端寄りに連絡して当該ガス燃料供給ノズル内に先端から前記酸化剤を供給する酸化剤供給ノズルとを備えていることを特徴とする。

第五番目の発明に係る管状火炎バーナは、第四番目の発明において、前記燃焼用燃料供給ノズルの前記酸化剤供給ノズルが、前記ガス燃料供給ノズルへの前記酸化剤の供給方向と当該ガス燃料供給ノズルの前記ガス燃料の流通方向下流側との間の角度θを鋭角とするように、当該ガス燃料供給ノズルの先端寄りに先端を連絡しているものであることを特徴とする。

また、第六番目の発明は、炭化水素系原料と水蒸気とを燃焼バーナで加熱して改質反応させて、水素ガスを含有する燃料ガスを生成させる改質器において、前記燃焼バーナが、第一番目から第五番目の発明のいずれかの管状火炎バーナであることを特徴とする。

また、第七番目の発明は、炭化水素系原料と水蒸気とを燃焼バーナで加熱して改質反応させて、水素ガスを含有する燃料ガスを生成させる改質器と、前記改質器で生成した前記燃料ガスと、酸素ガスを含有する酸化ガスとを電気化学的に反応させて電力を発生させる燃料電池本体とを備えている燃料電池発電システムにおいて、前記改質器の前記燃焼バーナが、第一番目から第五番目の発明のいずれかの管状火炎バーナであることを特徴とする。

第八番目の発明は、第七番目の発明に係る燃料電池発電システムにおいて、前記改質器の前記管状火炎バーナで使用する前記燃焼用ガスが、前記燃料電池本体で発電に使用されて当該燃料電池本体から排出された水素を含有する燃料ガスからなるガス燃料と酸化剤との混合ガスであることを特徴とする。

第九番目の発明は、第七番目又は第八番目の発明に係る燃料電池発電システムにおいて、前記改質器の前記管状火炎バーナで使用する前記燃焼用燃料に、当該改質器で前記水蒸気と改質反応させて前記燃料ガスを生成させる前記炭化水素系原料を使用することを特徴とする。

本発明に係る管状火炎バーナによれば、燃焼筒の基端側のバックスペース部分の当量比を高めることができるので、バックスペースに隣接する管状火炎の始端部分周辺の燃焼温度を高めることができる。そのため、管状火炎の揺らぎを抑制して、管状火炎の安定性を大幅に向上させることができる。

本発明に係る管状火炎バーナの実施形態を図１，２に基づいて説明する。図１は、管状火炎バーナの概略構成図であり、Ａが、燃焼筒の軸方向に沿った断面図、Ｂが、燃焼筒の径方向に沿った断面図、図２は、図１の管状火炎バーナの作用を説明するグラフであり、Ａが、燃焼筒の軸方向の位置と燃焼筒の軸心部分の当量比との関係を表すグラフ、Ｂが、燃焼筒の軸方向の位置と燃焼温度との関係を表すグラフである。なお、本発明は、図面に基づいて以下に説明する実施形態のみに限定されるものではない。

図１に示すように、円筒型をなす燃焼筒１１の基端面は、蓋板１１ａで閉塞されている。燃焼筒１１の基端寄りの内周面には、当該内周面の周方向に沿うように当該内周面の接線方向で当該燃焼筒１１の内部に燃焼用ガス１（ガス燃料と酸化剤（例えば空気等）との混合ガス）を供給する燃焼用ガス供給ノズル１２が当該燃焼筒１１の周方向に沿って等間隔で複数（本実施形態では２つ）連絡している。

前記燃焼筒１１の前記蓋板１１ａには、燃焼用燃料である灯油等の液体燃料３を噴霧用ガス（例えば空気等）によって霧状に噴射する燃焼用燃料供給ノズルである液体燃料噴霧ノズル１４が当該燃焼筒１１と同軸をなすように連絡している。なお、図１中、１３は点火器である。

このような本実施形態に係る管状火炎バーナ１０においては、燃焼用ガス１を燃焼用ガス供給ノズル１２から燃焼筒１１内に送給すると共に、液体燃料３を液体燃料噴霧ノズル１４から燃焼筒１１内に噴霧すると、当該燃焼用ガス１が当該燃焼筒１１の内周面に沿って旋回しながら当該燃焼筒１１の先端側へ向かって流れるようになると共に、当該液体燃料３が霧状燃料４となって燃焼筒１１の内部に基端側から供給されるので、当該燃焼筒１１の内部の燃焼用ガス１及び霧状燃料４への上記点火器１３による点火に伴って、当該燃焼用ガス１により、当該燃焼筒１１の内周面に沿った管状火炎２が生成すると共に、当該霧状燃料４により、当該管状火炎２の内周面に沿った管状火炎５が生成する。

すなわち、霧状燃料４は、上記燃焼用ガス１の旋回流によって、燃焼筒１１の径方向外側に拡散して、上記管状火炎２の内周面に沿った管状火炎５となるのである。

ここで、液体燃料３を液体燃料噴霧ノズル１４から燃焼筒１１内に噴霧していることから、上述したような管状火炎５が生成するだけでなく、燃焼用ガス供給ノズル１２の先端位置と燃焼筒１１の蓋板１１ａの位置（基端位置）との間のバックスペースＳｂ部分に霧状燃料４が存在するようになるので、図２Ａに示すように、当該バックスペースＳｂ部分の当量比を高くすることができる。

このため、図２Ｂに示すように、上記バックスペースＳｂに隣接する管状火炎２の始端部分周辺の燃焼温度を高めることができる。

したがって、本実施形態によれば、管状火炎２の揺らぎを抑制して、管状火炎２の安定性を大幅に向上させることができる。

［他の実施形態］
なお、上述した実施形態では、ガス燃料と酸化剤とを混合した燃焼用ガス１を燃焼用ガス供給ノズル１２から燃焼筒１１内に送給して管状火炎２を生成させるようにしたが、他の実施形態として、例えば、図３に示すように、燃焼筒１１の内周面の周方向に沿うように当該内周面の接線方向で当該燃焼筒１１の内部に酸化剤（例えば空気等）１ｂを供給する酸化剤供給ノズル２２を当該燃焼筒１１の周方向に沿って等間隔で複数（本実施形態では２つ）連絡した管状火炎バーナ２０とすることにより、当該酸化剤供給ノズル２２から燃焼筒１１内に酸化剤１ｂを送給すると共に、前記燃焼用ガス供給ノズル１２から燃焼筒１１内にガス燃料１ａを送給、すなわち、燃焼筒１１内でガス燃料１ａと酸化剤１ｂとを混合させて、管状火炎２を生成させるようにすることも可能である。しかしながら、上述した実施形態のように、ガス燃料と酸化剤とを混合した燃焼用ガス１を燃焼用ガス供給ノズル１２から燃焼筒１１内に送給するようにすると、ガス燃料と酸化剤とが均一に混合しやすくなり、管状火炎２の安定化を高めることができるので、好ましい。

ここで、ガス燃料１ａと酸化剤１ｂとを混合した燃焼用ガス１を燃焼筒１１内に送給するにあたって、例えば、図４に示すように、燃焼筒１１の基端寄りの内周面に連絡して当該燃焼筒１１の内部に先端から当該燃焼筒１１の内周面の接線方向でガス燃料１ａを供給するガス燃料供給ノズル３２ａと、ガス燃料供給ノズル３２ａの内部の先端寄りに連絡して当該ガス燃料供給ノズル３２ａ内に先端から酸化剤１ｂを供給する酸化剤供給ノズル３２ｂとを備え、当該酸化剤供給ノズル３２ｂが、ガス燃料供給ノズル３２ａへの酸化剤１ｂの供給方向と当該ガス燃料供給ノズル３２ａのガス燃料１ａの流通方向下流側との間の角度θを鋭角（０°を超えた９０°未満の角度）とするように、ガス燃料供給ノズル３２ａの先端寄りに先端を連絡している複数（本実施形態では２つ）の燃焼用ガス供給ノズル３２を備えた管状火炎バーナ３０を適用すると、ガス燃料１ａと酸化剤１ｂとを予混合する部分の体積を必要最小限に抑えることができるので、逆火によるトラブルを防止する効果を高めることができ、非常に好ましい。

なお、前記酸化剤としては、空気（窒素ガスと酸素ガスとの混合ガス）を始めとして、二酸化炭素ガスと酸素ガスとの混合ガス等のような酸素ガスと他のガスとを混合した酸化ガスはもちろんのこと、単体の酸素ガスそのものからなる酸化ガスも当然にして利用することができる。

また、上述した実施形態では、前記ノズル１２，２２，３２を燃焼筒１１の周方向に沿って等間隔で２つ設けるようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記ノズル１２，２２，３２を、燃焼筒１１の周方向に沿って不等間隔で設けることや、燃焼筒１１の周方向に沿って３つ以上設けることや、燃焼筒１１に１つだけ設けることも可能である。

また、上述した実施形態では、灯油等の液体燃料３を液体燃料噴霧ノズル１４から噴霧用ガス（例えば空気等）によって霧状に噴射するようにしたが、他の実施形態として、例えば、燃焼筒の基端に連絡して当該燃焼筒の内部に当該燃焼筒の軸方向に沿ってガス燃料を供給するガス燃料噴霧ノズルを設け、前記液体燃料に代えてガス燃料を供給するようにすることも可能である。

なお、前記噴霧用ガスとしては、空気を始めとして、窒素ガスや二酸化炭素ガスや酸素ガスやこれらの混合ガス等が利用可能である。

また、例えば、灯油や都市ガス等の炭化水素系原料と水蒸気とを加熱して改質反応させて、水素ガスを含有する燃料ガス（改質ガス）を生成させる改質器の燃焼バーナとして、上述した各実施形態に係る管状火炎バーナを利用する、すなわち、炭化水素系原料と水蒸気とを燃焼バーナで加熱して改質反応させて、水素ガスを含有する燃料ガス（改質ガス）を生成させる改質器と、この改質器で生成した上記燃料ガス（改質ガス）と酸素ガスを含有する酸化ガス（例えば空気等）とを電気化学的に反応させて電力を発生させる燃料電池本体とを備えている燃料電池発電システムにおいて、上記改質器の上記燃焼バーナに、上述した各実施形態に係る管状火炎バーナを適用すると、燃料電池本体で発電に使用されて当該燃料電池本体から排出された水素を含有する燃料ガス（発電反応に使用されずに残った水素ガスを含有）を前記ガス燃料として利用することができると共に、上記改質器で水蒸気と反応させて上記燃料ガスを生成させる灯油や都市ガス等の上記炭化水素系原料を前記燃焼用燃料として利用することができるので、非常に好ましい。特に、１０ｋＷ級の比較的小型の燃料電池発電システムの改質器の燃焼バーナに利用すると、その規模に最も適切に対応することが可能となるので、極めて好適である。

本発明に係る管状火炎バーナは、管状火炎の揺らぎを抑制して、管状火炎の安定性を大幅に向上させることができることから、例えば、１０ｋＷ級の比較的小型の燃料電池の改質器の燃焼バーナに利用すると、その規模に最も適切に対応することが可能となるので、産業上、極めて有益に利用することができる。

本発明に係る管状火炎バーナの実施形態の概略構成図であり、Ａが、燃焼筒の軸方向に沿った断面図、Ｂが、燃焼筒の径方向に沿った断面図である。図１の管状火炎バーナの作用を説明するグラフであり、Ａが、燃焼筒の軸方向の位置と燃焼筒の軸心部分の当量比との関係を表すグラフ、Ｂが、燃焼筒の軸方向の位置と燃焼温度との関係を表すグラフである。本発明に係る管状火炎バーナの他の実施形態の要部の概略構成図である。本発明に係る管状火炎バーナのさらに他の実施形態の要部の概略構成図である。従来の管状火炎バーナの一例の概略構成図である。

符号の説明

１燃焼用ガス
１ａガス燃料
１ｂ酸化剤
２管状火炎
３液体燃料
４霧状燃料
５管状火炎
１０管状火炎バーナ
１１燃焼筒
１１ａ蓋板
１２燃焼用ガス供給ノズル
１３点火器
１４液体燃料噴霧ノズル
２０管状火炎バーナ
２２酸化剤供給ノズル
３０管状火炎バーナ
３２燃焼用ガス供給ノズル
３２ａガス燃料供給ノズル
３２ｂ酸化剤供給ノズル

Claims

基端を閉塞されて先端を開放された円筒型をなす燃焼筒と、
前記燃焼筒の基端寄りの内周面に連絡して当該燃焼筒の内部に当該燃焼筒の内周面の接線方向で燃焼用ガスを供給する燃焼用ガス供給ノズルと
を備えている管状火炎バーナにおいて、
前記燃焼筒の基端に連絡して当該燃焼筒の内部に当該燃焼筒の軸方向に沿って燃焼用燃料を供給する燃焼用燃料供給ノズルを備えている
ことを特徴とする管状火炎バーナ。
請求項１において、
前記燃焼用燃料が、液体燃料であり、
前記燃焼用燃料供給ノズルが、前記液体燃料を霧状に噴射する燃焼用燃料噴霧ノズルである
ことを特徴とする管状火炎バーナ。
請求項２において、
前記燃焼用燃料噴霧ノズルが、前記液体燃料を噴霧用ガスによって霧状に噴射するものである
ことを特徴とする管状火炎バーナ。
請求項１から請求項３のいずれかにおいて、
前記燃焼用ガスが、ガス燃料と酸化剤との混合ガスであると共に、
前記燃焼用燃料供給ノズルが、
前記燃焼筒の基端寄りの内周面に連絡して当該燃焼筒の内部に先端から当該燃焼筒の内周面の接線方向で前記ガス燃料を供給するガス燃料供給ノズルと、
前記ガス燃料供給ノズルの内部の先端寄りに連絡して当該ガス燃料供給ノズル内に先端から前記酸化剤を供給する酸化剤供給ノズルと
を備えている
ことを特徴とする管状火炎バーナ。
請求項４において、
前記燃焼用燃料供給ノズルの前記酸化剤供給ノズルが、前記ガス燃料供給ノズルへの前記酸化剤の供給方向と当該ガス燃料供給ノズルの前記ガス燃料の流通方向下流側との間の角度θを鋭角とするように、当該ガス燃料供給ノズルの先端寄りに先端を連絡しているものである
ことを特徴とする管状火炎バーナ。
炭化水素系原料と水蒸気とを燃焼バーナで加熱して改質反応させて、水素ガスを含有する燃料ガスを生成させる改質器において、
前記燃焼バーナが、請求項１から請求項５のいずれかの管状火炎バーナである
ことを特徴とする改質器。
炭化水素系原料と水蒸気とを燃焼バーナで加熱して改質反応させて、水素ガスを含有する燃料ガスを生成させる改質器と、
前記改質器で生成した前記燃料ガスと、酸素ガスを含有する酸化ガスとを電気化学的に反応させて電力を発生させる燃料電池本体と
を備えている燃料電池発電システムにおいて、
前記改質器の前記燃焼バーナが、請求項１から請求項５のいずれかの管状火炎バーナである
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
請求項７において、
前記改質器の前記管状火炎バーナで使用する前記燃焼用ガスが、前記燃料電池本体で発電に使用されて当該燃料電池本体から排出された水素を含有する燃料ガスからなるガス燃料と酸化剤との混合ガスである
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
請求項７又は請求項８において、
前記改質器の前記管状火炎バーナで使用する前記燃焼用燃料に、当該改質器で前記水蒸気と改質反応させて前記燃料ガスを生成させる前記炭化水素系原料を使用する
ことを特徴とする燃料電池発電システム。