JP2010230257A

JP2010230257A - 燃焼装置

Info

Publication number: JP2010230257A
Application number: JP2009079429A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Ebara; 裕行荏原; Akira Goto; 後藤　　晃
Original assignee: Dainichi Co Ltd; JX Nippon Oil and Energy Corp
Current assignee: Dainichi Co Ltd; Eneos Corp
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2010-10-14
Also published as: US20100248173A1; CN101846318A; US8573966B2; CN101846318B

Abstract

【課題】構造を複雑化することなく、液体燃料を完全に気化することのできる気化器を備えた燃焼装置を提供すること。
【解決手段】燃焼装置は、液体燃料を加熱気化して燃焼用ガスとする蒸発部６と、この燃焼用ガスと一次空気とを混合した予混合ガスを噴出する予混合ガス噴出部１１を備え、予混合ガス噴出部１１の流入口１２を蒸発部６よりも高い位置に設けた。このように構成することにより、蒸発部６と流入口１２の間には未気化の液体燃料を留まらせる空間が形成され、液体燃料が完全に気化するための十分な時間を与えることができるため、蒸発していない液体状態の燃料が予混合ガス噴出部１１に流入することを防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体燃料を気化した燃焼用ガスと一次空気とを混合した予混合ガスを燃焼する燃焼装置に関するものである。

従来、ヒータで加熱した気化器に液体燃料を供給し、液体燃料を加熱して気化させることで燃焼用ガスを生成する気化器を備えた燃焼装置が知られており、生成された燃焼用ガスは一次空気と混合されて予混合ガスとなり、その後バーナから噴出して燃焼される。

このような燃焼装置において、気化器での液体燃料の気化が不十分であると、気化しきれなかった燃料がタールとして堆積することによって気化不良を起こしたり、また燃料が液体のままバーナに到達することによって燃焼不良の原因となってしまう。そのため、液体燃料を完全に気化させるために様々な改良がなされてきている。

例えば、特許文献１では、一次空気と液体燃料を気化室に噴霧して予混合ガスを生成し、気化室で生成された予混合ガスをさらに気化混合室に噴霧することで、気化室で気化しきれなかった液体燃料を完全に気化する構造の気化器を備えたバーナが考え出されている。

このように構成することで、気化室と気化混合室での２回の気化チャンスがあるため、従来のものに比べ気化効率が上がることになるのである。

特開２００８−１７００３０号公報

しかしながら、液体燃料の気化に必要な要素としては、気化器の内容積と表面積だけでなく、液体燃料を蒸発させるための時間も重要である。つまり、気化のチャンスが増えたところで蒸発に必要な時間を与えることができなければ、液体燃料を完全に気化することにはならなかった。

そのため、液体燃料に蒸発するための十分な時間を与え、気化の途中段階において燃料を流出させないための手段が必要といえるのである。

本発明は、上記課題を解決するためのもので、構造を複雑化することなく、液体燃料を完全に気化することのできる気化器を備えた燃焼装置を提供することを目的とする。

本発明は、気化器を加熱するヒータと、液体燃料を加熱気化して燃焼用ガスとする蒸発部と、燃焼用ガスと一次空気とを混合して予混合ガスとする気化室と、気化室と連通し流入口と噴出口を有する予混合ガス噴出部と、気化器の鉛直下方に設けられ予混合ガスを燃焼するバーナ部とを備え、予混合ガス噴出部の流入口が蒸発部より高い位置に設けられていることを特徴とする燃焼装置である。

また、前記予混合ガス噴出部の穴長は流入口径よりも大であることを特徴とする請求項１記載の燃焼装置である。

また、前記予混合ガス噴出部と前記バーナ部は同軸上に配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃焼装置。

また、水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給管を備え、前記バーナ部は予混合ガスおよび水素含有ガスを燃焼することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃焼装置である。

また、前記バーナ部は、中央に予混合ガスが噴出する予混合ガス噴出孔と、予混合ガス噴出孔の外周に水素含有ガスが噴出する水素含有ガス噴出孔と、水素含有ガス噴出孔の外周に二次空気が噴出する二次空気噴出孔を有する炎板を備えることを特徴とする請求項４記載の燃焼装置である。

上述のように構成することにより、蒸発部に供給された液体燃料に気化するための十分な時間を与え、気化していない液体燃料が気化室から流出することを防止することができる。

本発明の燃焼装置の正断面図である。本発明の炎板を示した図である。

好適と考える本発明の実施形態を、本発明の作用を示して簡単に説明する。

本発明は、液体燃料を気化した燃焼用ガスと一次空気とを混合した予混合ガスを生成する気化器を備え、この予混合ガスを気化器の鉛直下方に設けたバーナ部で燃焼する燃焼装置である。

具体的には、気化器に供給された液体燃料は、蒸発部で加熱されることによって気化して燃焼用ガスとなり、この燃焼用ガスは気化室で一次空気と混合されて予混合ガスとなった後、流入口から予混合ガス噴出部内に流入して噴出口からバーナ部に向けて噴出されるようになっている。

この予混合ガス噴出部の流入口は蒸発部より高い位置に設けられているので、蒸発部と流入口の間には液体燃料の受け皿となる空間が形成されることとなる。そして、この空間に未気化の液体燃料を留まらせることで液体燃料が完全に気化するための十分な時間を与えることができるため、蒸発していない液体状態の燃料が予混合ガス噴出部に流入することはないのである。つまり、噴出口から噴出される予混合ガスに含まれる燃料は完全に気化した燃焼用ガスのみとなり、バーナ部での燃焼状態を良好に維持することが可能となる。

以下、図面に基づいて本発明の燃焼装置について詳細な説明をする。

本発明は、燃焼用ガスと一次空気とを混合した予混合ガスを燃焼する燃焼装置であって、本実施例では、炭化水素等の原燃料（水素原料）から水素主成分の改質ガスを生成する改質装置を加熱するための燃焼装置として用いた場合を例に説明する。

図１は燃焼装置の正断面図であって、液体燃料を気化した燃焼用ガスと一次空気との予混合ガスを作出する気化器１と、予混合ガスおよび燃料電池で発生する水素含有ガスを燃焼するバーナ部２と、空気を供給する送風通路３が設けられている。

気化器１は、気化器１に液体燃料を供給する液体燃料供給管４と、気化器１を昇温させるためのヒータ５と、液体燃料を加熱気化して燃焼用ガスとする蒸発部６と、液体燃料を蒸発部６へ分散滴下させる滴下孔８を備えた仕切板７と、内部底面に蒸発部６を有し燃焼用ガスと一次空気とを混合して予混合ガスとする気化室９と、送風通路３からの空気を収容し燃焼用ガスと混合する一次空気とバーナ部２で形成される火炎に供給する二次空気とに分配する給気室１０と、予混合ガスを噴出する予混合ガス噴出部１１とを具備した構造である。

予混合ガス噴出部１１は、気化室９と連通し予混合ガスが流入する流入口１２と、予混合ガスを噴出する噴出口１３を備えており、流入口１２は蒸発部６よりも高い位置に設けられている。

バーナ部２は、予混合ガスを燃焼させる予混合ガスバーナ１４と、水素含有ガスを燃焼させる水素含有ガスバーナ１５と、給気室１０と連通しバーナ部２で形成される火炎に二次空気を供給する二次空気通路１６と、複数の貫通する噴出孔が設けられている炎板１７からなり、気化器１の鉛直方向下方に設けられている。

予混合ガスバーナ１４は円筒状の予混合ガス通路１８からなり、予混合ガス噴出部１１の噴出口１３から噴射された予混合ガスはこの予混合ガス通路１８に供給される。

水素含有ガスバーナ１５は、燃料電池で発生した水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給管１９と、この水素含有ガス供給管１９の下流端が連設する水素含有ガス室２０を有する構造であり、燃料電池の水素極から排出された水素含有ガスは、水素含有ガス供給管１９を通って水素含有ガス室２０に供給される。

そして、予混合ガス通路１８、水素含有ガス室２０および二次空気通路１６は、図２に示すように複数の貫通する噴出孔が設けられている炎板１７と連接しており、炎板１７によりバーナ部２が閉塞された状態となっている。

この炎板１７に設けられた噴出孔のうち、炎板１７の中央部に設けられた予混合ガス噴出孔１７ａは予混合ガス通路１８と連通しており、これら炎孔は予混合ガスを導出する予混合ガス導出部２１として構成されていて、この予混合ガス導出部２１から噴出する燃焼用混合ガスは点火装置２４により点火されて燃焼を開始する。

そして、予混合ガス噴出孔１７ａの周囲に設けられた水素含有ガス噴出孔１７ｂは、水素含有ガス室２０と連通しており、水素含有ガスを導出する水素含有ガス導出部２２として構成されている。

さらに、炎板１７の周縁部には水素含有ガス噴出孔１７ｂの周囲を取り囲むように二次空気噴出孔１７ｃが設けられており、この二次空気噴出孔１７ｃは二次空気通路１６と連通していて、二次空気を導出する二次空気導出部２３として構成されている。従って、送風通路３から給気室１０に流入した空気は、二次空気導出部２３から噴出して、予混合ガスバーナ１４および水素含有ガスバーナ１５で形成される火炎に二次空気として供給される。

点火装置２４および燃焼状態を検知する炎検知装置２５は、二次空気通路１６内に挿通されており、炎板１７を貫通してその先端が予混合ガス導出部２１に臨むように設けられている。

次に、前述した構成から成る本実施例に係る燃焼装置の動作について説明する。

まず、燃料電池の運転が指示されると、ヒータ５への通電を開始して気化器１を加熱する。そして気化器１の温度が液体燃料を気化することのできる温度に達したことをセンサー（図示省略）が検知すると、気化器１へ液体燃料の供給を開始する指示が出され、液体燃料は液体燃料供給管４を通って気化器１に供給される。

気化器１に供給された液体燃料は、仕切板７上に落下して四方に満遍なく広がり、滴下孔８から蒸発部６に滴下する。そして、蒸発部６に滴下した液体燃料は加熱気化されて燃焼用ガスとなり、燃焼用ガスが気化室９内に拡散することになる。

このとき、送風通路３から給気室１０へ供給された空気の一部は液体燃料供給管４の隙間から気化室９内に一次空気として取り込まれるため、一次空気と気化室９に拡散した燃焼用ガスとが混合されて予混合ガスとなる。

この予混合ガスは、流入口１２から予混合ガス噴出部１１内へ流入して噴出口１３から予混合ガス通路１８に噴出される。なお、流入口１２は蒸発部６よりも高い位置に設けられているので、蒸発部６と流入口１２の間には液体燃料の受け皿となる空間が形成されることとなる。そして、この空間に未気化の液体燃料を留まらせることで液体燃料が完全に気化するための十分な時間を与えることができるため、蒸発していない液体状態の燃料が予混合ガス噴出部１１に流入することはない。つまり、噴出口１３から予混合ガス通路１８に噴出される予混合ガスに含まれる燃料は完全に気化した燃焼用ガスのみとなり、バーナ部２での燃焼状態を良好に維持することが可能となるのである。

また、予混合ガス噴出部１１を設けたことで、気化室９内部の圧力を上昇させることになり、この圧力上昇によって液体燃料の蒸発に伴って発生する気化室９内部の圧力変動を小さくすることができるため燃焼量の変動が抑制されるとともに、燃焼用ガスと一次空気との混合も十分に行われるので噴出される予混合ガスは均一なものとなる。

なお、上述の効果を得るためには、予混合ガス噴出部１１の穴長を噴出口１３径よりも大とし、好ましくは２倍以上の比率となるように構成する。

そして予混合ガスは、予混合ガス通路１８を通って炎板１７の中央部に設けられた予混合ガス導出部２１より噴出して、点火装置２４により点火されて予混合ガスバーナ１４での燃焼が開始される。

この際、二次空気導出部２３からは二次空気が噴出されており、予混合ガスの燃焼により形成される火炎の先端付近に二次空気が供給されて予混合ガスは完全燃焼することになる。また、予混合ガスバーナ１４の燃焼状態は、炎検知装置２５によって監視されている。

また、予混合ガス噴出部１１と予混合ガスバーナ１５（予混合ガス通路１８）と予混合ガス導出部２１は同軸上に配置されているので、燃焼装置をコンパクトに構成することができるだけでなく、火炎分布のバランスのよい燃焼が可能となる。さらには、熱が中心軸方向に集まるのでヒータ５の加熱効率も高くすることができるといった効果もある。

このように、予混合ガスが燃焼することにより改質装置が加熱される。そして、改質装置の温度が作動温度まで上昇すると、炭化水素等の原燃料としての灯油から水素主成分の改質ガスの生成が開始され、この水素主成分の改質ガスは燃料電池に供給されて燃料電池が作動し、発電運転が行われる。

燃料電池の発電運転の際、該燃料電池に供給された水素主成分の改質ガスは全てが発電に消費されるものではなく、数１０％程度の未反応水素ガスを含有したまま水素含有ガスとして燃料電池の水素極から排出され、この水素含有ガスも燃焼装置での燃焼に用いられる。

具体的には、水素極から排出された水素含有ガスは、水素含有ガス供給管１９を通って水素含有ガス室２０に供給され、水素含有ガス導出部２２から噴出する。すると、既に予混合ガス導出部２１に形成されている火炎と接触することで着火して燃焼し、予混合ガスと水素含有ガスの両方による燃焼が開始される。

そして、両者の火炎は二次空気導出部２３から供給される二次空気を取り込むことで完全燃焼し、改質装置の加熱を継続する。この予混合ガス導出部２１と水素含有ガス導出部２２は同一の炎板１７上に設けられ、該両者間の距離は短い為、水素含有ガス導出部２２から噴出した水素含有ガスは確実に火炎と接触して着火することになる。

ところで、改質装置が作動した直後は燃料電池に対する水素主成分の改質ガスの供給が安定しないため、燃料電池から排出される水素含有ガスの量も不安定である。よって、水素含有ガスだけでは安定した燃焼を維持することは難しいため、改質装置の作動後しばらくは予混合ガスと水素含有ガスの両方による燃焼が継続されることとなる。

そして、水素含有ガスの燃焼が安定した時点で気化器１への液体燃料の供給を停止し、水素含有ガス単独での燃焼に移行する。なお、水素含有ガスの量は燃料電池の出力に左右されるため、水素含有ガスバーナ１５単独燃焼時においては、燃料電池の出力が低く水素含有ガスの排出量が少ない場合は燃焼量が不足し、改質装置の作動に必要な温度を維持できなくなる。そこで、図示省略のセンサーにより検知される改質装置の温度が所定値以下となった場合は、ふたたび気化器１に液体燃料を供給して予混合ガスを発生させ、予混合ガスと水素含有ガスの両方を燃焼させることで改質装置を加熱する。

１気化器
２バーナ部
５ヒータ
６蒸発部
９気化室
１１予混合ガス噴出部
１２流入口
１３噴出口
１７炎板
１７ａ予混合ガス噴出孔
１７ｂ水素含有ガス噴出孔
１７ｃ二次空気噴出孔
１９水素含有ガス供給管

Claims

気化器を加熱するヒータと、液体燃料を加熱気化して燃焼用ガスとする蒸発部と、燃焼用ガスと一次空気とを混合して予混合ガスとする気化室と、気化室と連通し流入口と噴出口を有する予混合ガス噴出部と、気化器の鉛直下方に設けられ予混合ガスを燃焼するバーナ部とを備え、予混合ガス噴出部の流入口が蒸発部より高い位置に設けられていることを特徴とする燃焼装置。
前記予混合ガス噴出部の穴長は流入口径よりも大であることを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
前記予混合ガス噴出部と前記バーナ部は同軸上に配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃焼装置。
水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給管を備え、前記バーナ部は予混合ガスおよび水素含有ガスを燃焼することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃焼装置。
前記バーナ部は、中央に予混合ガスが噴出する予混合ガス噴出孔と、予混合ガス噴出孔の外周に水素含有ガスが噴出する水素含有ガス噴出孔と、水素含有ガス噴出孔の外周に二次空気が噴出する二次空気噴出孔を有する炎板を備えることを特徴とする請求項４記載の燃焼装置。