JP2016080314A - ボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】水素１００％の燃料に適したボイラ構成を得る。
【解決手段】圧力容器１１と、この圧力容器内１１で水素燃焼ガス１９を発生させる手段１４と、水素燃焼ガス１９により生成された蒸気を圧力容器１１から取り出す手段２４とを設け、水素燃焼ガスから水または蒸気に熱を伝達するための伝熱面を備えた部材を設けず、水素を燃焼させるためのバーナ１４を設けて水素燃焼ガスに対して水を噴霧する手段２１を設け、単一の圧力容器が複数の区画室に区画され、各区画室ごとに、その区画室の内部で水素燃焼ガスを発生させる手段と、水素燃焼ガスにより生成される蒸気を区画室から取り出す手段とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明はボイラに関する。

ボイラは、圧力・容量・効率を基本として、その目的に合った構造のものが開発されている。公知のボイラは、冷媒となる水等に、燃料の燃焼により生じた高温媒体より、伝熱面を介して熱が伝わり、それによって水が沸騰して蒸気が発生される。発生された蒸気は、ボイラを構成する密閉容器内にて高温・高圧の状態とされたうえで、ボイラから他へ供給されるようになっている。

ボイラの構造は、圧力・容量・効率のほかに、使用される燃料の種類によって変化することが多い。たとえば、これまでボイラに使用されてきた燃料としては、薪（木材）、石炭、重油、天然ガスなどが挙げられる。ボイラ構造に支配的な事項として、燃料の燃焼性能すなわち燃焼速度などが挙げられるほかに、燃焼後に発生する未燃焼物等が挙げられる。ボイラは、これらに耐えられる構造体であることが必要である。たとえば、固体燃料や液体燃料の場合は、燃料をガス化させたあとで着火を行うが、気体燃料であると、燃料そのものがガスであり、着火性が良好であり、同時に燃焼後の未燃焼物が存在せず、したがって未燃焼物が伝熱面に付着して性能低下をきたすおそれがないという利点がある。よって、気体燃料を燃焼させるボイラは、その構造体がある程度の自由度を有しているのが特徴である。

天然ガスは、原子比でみると水素の割合が８０となっており、水素１００％の燃料すなわち純水素に近づいたものである。天然ガスを燃料とするボイラは、すでに提案されている（特許文献１）。しかし、水素１００％の燃料は、天然ガスとは組成か異なるため、天然ガス燃焼用のボイラの構成を、そのまま水素燃焼用のボイラに適用させることは良策ではない。

特開２０１３−１９０１９４号公報

本発明は、水素１００％の燃料に適したボイラ構成を提案することを目的とする。

この目的を達成するため本発明のボイラは、圧力容器と、この圧力容器内で水素燃焼ガスを発生させる手段と、前記水素燃焼ガスにより生成された蒸気を前記圧力容器から取り出す手段とが設けられていることを特徴とする。

本発明のボイラによると、水素燃焼ガスから水または蒸気に熱を伝達するための伝熱面を備えた部材が設けられていないことが好ましい。

本発明のボイラは、水素を燃焼させるためのバーナが設けられていることが好ましく、水素燃焼ガスに対して水を噴霧する手段が設けられていることが好ましい。

本発明のボイラは、単一の圧力容器が複数の区画室に区画され、各区画室ごとに、その区画室の内部で水素燃焼ガスを発生させる手段と、前記水素燃焼ガスにより生成される蒸気を前記区画室から取り出す手段とが設けられていることが好ましい。

また本発明のボイラは、複数の圧力容器と、各圧力容器内で水素燃焼ガスを発生させる手段と、各圧力容器の内部において前記水素燃焼ガスにより生成された蒸気を前記各圧力容器から取り出す手段と、各圧力容器から取り出された蒸気を合流させる手段とを有することが好ましい。

本発明によれば、圧力容器内で発生した水素燃焼ガスを直接蒸気として取り出すことができるため、水素１００％の燃料に適したボイラ構成を提案することができる。

本発明の実施の形態のボイラを示す図である。 本発明の他の実施の形態のボイラを示す図である。 本発明のさらに他の実施の形態のボイラを示す図である。

図１に示すボイラにおいて、１１は圧力容器で、円筒状の胴部１２と、胴部１２の一端および他端に設けられた鏡板１３、１３とを有している。一方の鏡板１３の部分には、圧力容器１１の内部で水素を燃焼させるためのバーナ１４が設けられている。バーナ１４にはバルブ１５を備えた水素供給路１６と、バルブ１７を備えた酸素供給路１８とが接続されている。酸素供給路１８は、バーナ１４において水素を燃焼させるために、窒素を含む空気ではなく、窒素を含まない酸素のみをバーナ１４に供給する。バーナ１４は、水素を完全燃焼させることが必要である。このために特に適した燃焼機器や、そのための制御機器を用いる。

圧力容器１１には、バーナ１４により生じた水素燃焼ガス１９に水２０を噴霧するための水噴霧ノズル２１が設けられている。水素燃焼ガス１９と水２０とが混ざり合うことで、圧力容器１１の内部には、所定の温度および所定の圧力の蒸気が生成される。水噴射ノズル２１には、バルブ２２を備えた水供給路２３が接続されている。

圧力容器１１には、その内部で生成した蒸気を外部に取り出すための蒸気取出路２４が接続されている。蒸気取出路２４には、バルブ２５が設けられている。また圧力容器１１には、バルブ２６を備えたドレン路２７が接続されている。

水素燃焼ガス１９、すなわち水素と酸素とが反応することで生成された反応ガスは、そのままでは３０００度前後の高温である。これに、別に用意された水２０を水噴霧ノズル２１から噴霧することで、燃焼ガスを降温させるとともに、噴霧した水を蒸発させて、これら燃焼ガスと噴霧水２０とから、通常の使用に適した温度と圧力の蒸気を得る。

水噴霧ノズル２１は、圧力容器１１の内部の高温高圧の状況下で用いることができるものであれば、適宜のものを使用できる。熱交換効率の向上の観点や、圧力容器の内部での液滴の発生防止の観点から、水を微細な霧の状態、すなわちドライフォグの状態にして噴霧できるものが特に好ましい。また霧が蒸発する際の気化熱の吸収を利用して水素燃焼ガス１９を冷却させるために、噴霧水２０と水素燃焼ガス１９と最適に直接熱交換させることができるように水噴射ノズル２１を設置することが望ましい。なお、必要に応じて、圧力容器１１の内部に、水素燃焼ガス１９と噴霧水２０とを機械的に混合させるための手段を設けることもできる。

図示の圧力容器１１では、バーナ１４と水噴霧ノズル２１とが設けられた部分、つまり図１における左側の部分を、おおまかに、燃焼および蒸気生成領域として規定することができる。これに対し、図１における右側の部分を、おおまかに、蒸気貯留領域として規定することができる。

水素燃焼ガス１９は、水素と酸素とが瞬間的に反応して生成されるものである。このため、この燃焼ガス、すなわち燃焼により生じた高温の水蒸気は、過熱蒸気ではないかと考えることができる。そして、水素燃焼ガス１９と噴霧水２０との接触状況によっては完全に乾いた乾き度１００％の蒸気とはならないことも考えられる。そのような状況に対応するために、上述のようにドレン路２７が設けられている。また、このために、圧力容器１１の内部に気水の分離手段を設けることができる。また、図示は省略するが、圧力容器１１からの蒸気出口、すなわち蒸気取出路２４の入口の部分に、気水の分離手段を設けることもできる。

圧力容器１１は、水素燃焼ガス１９の温度と、発生した蒸気の圧力とに耐えるものを使用する。通常のボイラでは、燃焼ガスから水または蒸気に熱を伝達するための伝熱面を備えた部材、すなわち間接的に熱交換する部材が設けられており、燃焼ガスと発生蒸気とが直接接触しないように構成されている。しかし、図１に示されたボイラは、水素燃焼ガス１９から直接に蒸気を生成するものであるため、燃焼ガスから水または蒸気に熱を伝達するための伝熱面を備えた部材は、設ける必要がない。なお、圧力容器１１の横断面形状は、使用目的にあった経済的な形状であれば足り、特に規定されるものではない。横断面形状は、一般には円形となるが、四角形や三角形やその他の形状を採用することができる。円形の横断面形状を有する圧力容器として、図示のような円筒形のもののほかに、球形、円環形などの形態を挙げることができる。

生成した蒸気の圧力保持のために、次のような対処を施すことができる。すなわち、高温の水素燃焼ガス１９に噴霧水２０を接触させることにより、ガス温度が低下するとともに、噴霧水２０が気化することによる体積膨張が行われる。そこで、圧力容器１１の大きさを制限することにより、圧力容器１１の内部の蒸気圧力を希望どおりに設定することができる。つまり、希望蒸気圧力が低い場合は圧力容器１１の容積を小さくし、反対に希望蒸気圧力が高い場合は圧力容器１１の容積を大きくすることで対応可能である。

生成される蒸気の量について説明する。圧力を無視して蒸発量のみを得る観点にもとづき、約３０００度の水素燃焼ガス１９から、たとえば２００度の蒸気を得る場合には、水噴霧ノズル２１から噴霧すべき水２０の量は、水素と酸素の燃焼量から理論的な計算によって求めることができる。これにより、蒸発量を決めることができる。しかし、圧力を考慮すべきで、その場合は、水を噴霧することによる反応の後の体積膨張を求めた結果から、生成される蒸気の量が決まる。この蒸気の量にもとづき、圧力容器１１の大きさを求めることができる。

負荷変動について説明する。蒸気が実際に使用されるときには、ユーザ側の負荷に見合った制御を行うことが必要である。たとえば、バーナ１４を１基だけしか設けない場合は、燃焼幅つまりターンダウン比は、制御機器にもとづく制約により、せいぜい１：５〜１：１０程度であり、大きくとれない。また、仮に燃焼幅を１：５とした場合は、蒸気量はそれなりに要求量に維持することができるが、体積の減少により圧力容器１１の内部圧力が低下する。したがって、蒸気量は満足できるが、圧力の点で対応できないという事態を招く。

これに対し、一つの圧力容器に複数のバーナ１４を設けて、それぞれ制御する場合は、１基のバーナ１４の燃焼幅が上記のように１：５であっても、５基のバーナを設置すれば、最少燃料を１：２５まで絞ることができることになる。しかし、その場合も、蒸発量を絞ることは可能であるが、圧力の点で対応することができない。

このような問題点に対応するために、小さな圧力容器を複数設置する。たとえば図２は、単一の圧力容器１１の内部を仕切壁２８によって複数に区画することで、小さな区画室２９が複数設置された形態としたものである。そして、各区画室２９ごとにバーナ１４を設ける。図２では、図示の簡単化のために、バルブを備えた水素供給路１６とバルブを備えた酸素供給路１８とを、一つの矢印によって表現している。２１は水噴射ノズル、２７はドレン路で、これらは図１と同じものである。２４ａは、各区画室２９からの蒸気取出路で、それぞれバルブ２５ａを備えている。各蒸気取出路２４ａは、バルブ２５ａよりも下流側で一つの蒸気取出路２４にまとめられている。

図３は、小さな圧力容器を複数設置した別の例を示す。ここでは、互いに独立した円筒形の小形の圧力容器１１ａを複数設置している。それ以外の構成は、図２に示したものと同じである。

すなわち、図２および図３に示される装置においては、それぞれの区画室２９や小形の圧力容器１１ａの容積を最少燃焼に対応した大きさとする。そして、これらの区画室２９や小形の圧力容器１１ａにおける最低蒸発量を「１」として、たとえば５倍の蒸発量の要求があるときは５つの区画室２９や圧力容器１１ａを稼働させ、１０倍の蒸発量の要求があるときは１０の区画室２９や圧力容器１１ａを稼働させる。区画室２９や圧力容器１１ａの稼働・非稼働は、バーナ１４についてのオン・オフ制御により調節する。これにより、負荷変動つまり所望蒸気量の変動に対応することができるとともに、蒸発量が変動しても蒸気圧力を一定に保つことができる。
高圧の要望がある場合には、圧力容器として、上述の容器構造体よりも高圧に適した管状構造体を適用することができる。

１１、１１ａ 圧力容器
１４ バーナ
１９ 水素燃焼ガス
２１ 水噴射ノズル
２４，２４ａ 蒸気取出路

Claims (6)

1. 圧力容器と、この圧力容器内で水素燃焼ガスを発生させる手段と、前記水素燃焼ガスにより生成された蒸気を前記圧力容器から取り出す手段とが設けられていることを特徴とするボイラ。
2. 水素燃焼ガスから水または蒸気に熱を伝達するための伝熱面を備えた部材が設けられていないことを特徴とする請求項１記載のボイラ。
3. 水素を燃焼させるためのバーナが設けられていることを特徴とする請求項１または２記載のボイラ。
4. 水素燃焼ガスに対して水を噴霧する手段が設けられていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項記載のボイラ。
5. 単一の圧力容器が複数の区画室に区画され、各区画室ごとに、その区画室の内部で水素燃焼ガスを発生させる手段と、前記水素燃焼ガスにより生成される蒸気を前記区画室から取り出す手段とが設けられていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項記載のボイラ。
6. 複数の圧力容器と、各圧力容器内で水素燃焼ガスを発生させる手段と、各圧力容器の内部において前記水素燃焼ガスにより生成された蒸気を前記各圧力容器から取り出す手段と、各圧力容器から取り出された蒸気を合流させる手段とを有することを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項記載のボイラ。

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