JP2016118353A - 拡散燃焼バーナー - Google Patents
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Abstract
【課題】燃焼ガスを旋回流にし、加熱対象を均一に加熱することができる拡散燃焼バーナーを提供する。【解決手段】本開示の拡散燃焼バーナーは、水素製造装置等の加熱源として用いる拡散燃焼バーナーであって、炎を形成する炎形成室を画定するとともに、前記炎形成室へ空気を噴出するための複数の空気噴出孔を設けた炎孔板と、前記炎形成室へ燃料を噴出するディストリビューターと、前記炎孔板へ空気を供給する空気流路を形成するバーナー筒と、前記ディストリビューターに燃料を供給する燃料パイプと、前記炎孔板の空気噴出孔から前記炎形成室へ噴出される空気を旋回流にする旋回流形成手段と、を備える。【選択図】図1
Description
本開示は、燃料電池発電装置に水素を供給する水素製造装置内の改質触媒の加熱等に使用される、均一な加熱を得られるようにした拡散燃焼バーナーに関する。
燃料電池発電装置用の水素製造装置としては、一般に水蒸気改質反応を行う装置が用いられている。この水素生成装置の動作と構成について説明する。水素製造装置においては、炭化水素からなる原料ガスに、水蒸発部で改質水を蒸発させた水蒸気を混合し、混合ガスを生成する。その混合ガスを600〜800℃程度の温度にした改質部で改質反応させて、水素を主成分としたガス(改質ガス)を生成する。改質ガス中の一酸化炭素を低減するために、200〜300℃程度の温度にした変成部で、改質ガス中に含まれる一酸化炭素と水蒸気とを反応させて水素を生成する。変成部で残った一酸化炭素は、100〜200℃程度の温度にした選択酸化部にて酸化される。これにより、改質ガス中の一酸化炭素濃度が数ppmまで低減する。
改質反応に必要な熱を改質部に供給する方法としては、原料と同じガス、又は生成した水素のうち燃料電池で発電に使用されなかった残りのガス(オフガス)を、バーナーで燃焼し、その燃焼ガスを改質部の周囲に流して熱交換するのが一般的である。
このような方法の例として、改質反応器と燃焼ガス流との間の熱交換効率を高めつつ、周方向での温度分布を均一化するため、燃焼ガスに対して旋回流を付与するガイドベーンを炉体内の底部に配置した改質装置が提案されている(特許文献1参照。)。
また、水素製造装置用のバーナーとしては、燃焼室の中央部に比べて周辺部への空気供給量を多くして濃淡燃焼させることで、熱の利用効率を上げて、NOxの発生を抑制することができる、拡散燃焼バーナーが提案されている(特許文献2参照。)。
しかしながら、特許文献2の拡散燃焼バーナーを特許文献1の改質装置等で使用する場合、燃焼ガスを旋回流にすることができず、加熱対象を均一に加熱することができないという課題がある。
本開示は、前記課題を解決するもので、燃焼ガスを旋回流にし、加熱対象を均一に加熱することができる拡散燃焼バーナーを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本開示の一態様の拡散燃焼バーナーは、炎を形成する炎形成室を画定するとともに、前記炎形成室へ空気を噴出するための複数の空気噴出孔を設けた炎孔板と、前記炎形成室へ燃料を噴出するディストリビューターと、前記炎孔板へ空気を供給する空気流路を形成するバーナー筒と、前記ディストリビューターに燃料を供給する燃料パイプと、前記炎孔板の空気噴出孔から前記炎形成室へ噴出される空気を旋回流にする旋回流形成手段と、を備える。
以上のように、本開示の拡散燃焼バーナーによれば、拡散バーナーの燃焼ガスを旋回させて加熱対象を均一に加熱する機構を、熱に対する耐久保証が容易な形で実現することができる。
(本開示に係る一形態を得るに至った経緯)
図12は、特許文献1に記載された改質装置の構成図である。図12に示すように、特許文献1の改質装置においては、バーナー102によって燃焼された高温の燃焼ガスは、燃焼室103の下方に設けられたガイドベーン111によって旋回させられている。旋回させられた燃焼ガスは、改質反応器108の周囲に形成された流路106を流れることによって、熱伝導により加熱対象である改質反応器108を均一に加熱している。
図12は、特許文献1に記載された改質装置の構成図である。図12に示すように、特許文献1の改質装置においては、バーナー102によって燃焼された高温の燃焼ガスは、燃焼室103の下方に設けられたガイドベーン111によって旋回させられている。旋回させられた燃焼ガスは、改質反応器108の周囲に形成された流路106を流れることによって、熱伝導により加熱対象である改質反応器108を均一に加熱している。
図13は、特許文献2に記載された拡散燃焼バーナーの構成図である。図13中の破線は、火炎を示す。図13に示すように、特許文献2の拡散燃焼バーナーにおいては、カップ状に形成された炎孔板201の孔207の直径が、カップ状の中心から周囲(外側)に向かって大きくなっている。これにより、特許文献2の拡散燃焼バーナーは、カップ状中心部は小流量の濃燃焼、カップ状周辺部は大流量の淡燃焼という濃淡燃焼を実現している。この構成により、特許文献2の拡散燃焼バーナーは、燃焼室204内の中心部の燃焼ガスの熱を周辺部の大流量の燃焼ガスで効率よく伝達すると共に、燃焼室204内の温度を下げてNOxの発生を抑制する効果を得ている。
そこで、本発明者らは、燃焼ガスを旋回流にして加熱対象を均一に加熱しつつ、NOxを低減することを実現すべく、特許文献1の構成の改質装置に特許文献2の拡散燃焼バーナーを適用することを試みた。
しかしながら、特許文献1の構成の改質装置に特許文献2の拡散燃焼バーナーを適用した場合、燃焼ガスを旋回させるために、燃焼ガスの流速を増大させたり、又は燃焼室内の圧力を高めたりすると、燃焼室内に乱流が生じて、炎の吹き消えが生じる。そのため、特許文献1の構成に特許文献2の拡散燃焼バーナーを適用した場合、高速の燃焼ガスをガイドベーンに当てることが難しく、旋回流を形成することができないという問題がある。
また、特許文献1の改質装置では、高温の燃焼ガスをガイドベーンに当てることにより、旋回流を形成しているため、高温での長時間連続運転、及び装置の起動停止における温度変化による繰り返し応力への耐久性の問題がある。
上記問題を解決するため、本発明者は、旋回流を形成する旋回流形成手段をバーナー側に設けることにより、燃焼ガスを旋回させて加熱対象を均一に加熱しつつ、熱に対する耐久性を向上させることが可能な拡散燃焼バーナーの構成を見出した。
本開示に係る第1の態様の拡散燃焼バーナーは、炎を形成する炎形成室を画定するとともに、前記炎形成室へ空気を噴出するための複数の空気噴出孔を設けた炎孔板と、前記炎形成室へ燃料を噴出するディストリビューターと、前記炎孔板へ空気を供給する空気流路を形成するバーナー筒と、前記ディストリビューターに燃料を供給する燃料パイプと、前記炎孔板の空気噴出孔から前記炎形成室へ噴出される空気を旋回流にする旋回流形成手段と、を備えてもよい。
本開示に係る第2の態様の拡散燃焼バーナーにおいて、前記第1の態様における前記旋回流形成手段は、前記バーナー筒内の空気流路において、前記炎孔板の手前に配置された旋回板であり、前記旋回板は、旋回流を形成する旋回流路を備えてもよい。
本開示に係る第3の態様の拡散燃焼バーナーにおいて、前記第2の態様における前記旋回板の旋回流路の出口における流路断面積は、前記空気噴出孔が位置する部分の前記炎孔板の側壁面と前記バーナー筒との間における空気流路の流路断面積と比べて、同等又は大きくてもよい。
本開示に係る第4の態様の拡散燃焼バーナーにおいて、前記第2又は3の態様における前記旋回板の旋回流路は、円周方向に傾斜して設けられた傾斜孔であってもよい。
本開示に係る第5の態様の拡散燃焼バーナーにおいて、前記第2〜4のいずれかの態様における前記旋回板の旋回流路の出口に、空気の流れを円周方向に傾斜させるように案内するガイドを設けてもよい。
本開示に係る第6の態様の拡散燃焼バーナーにおいて、前記第2又は3の態様における前記旋回板は、複数の羽根板を有するプロペラ形状を有し、前記旋回流路は、それぞれの羽根板間に形成されてもよい。
本開示に係る第7の態様の拡散燃焼バーナーにおいて、前記第1〜6のいずれかの態様における前記炎孔板の空気噴出孔の孔径は、前記炎孔板の板厚以上であってもよい。
本開示に係る第8の態様の拡散燃焼バーナーにおいて、前記第1の態様における前記旋回流形成手段は、前記炎孔板の空気噴出孔であり、前記空気噴出孔は、前記バーナー筒の円周方向に傾斜していてもよい。
本開示に係る第9の態様の拡散燃焼バーナーにおいて、前記第8の態様における前記空気噴出孔は、前記炎孔板の側壁面に対して前記炎形成室の下流側に向かって傾斜していてもよい。
本開示に係る第10の態様の拡散燃焼バーナーにおいて、前記第8又は9の態様における前記バーナー筒内の空気流路において、前記炎孔板の手前に配置された、複数の拡散孔を有する拡散板を備え、前記拡散板は、前記炎孔板と前記バーナー筒との間の流路に、前記炎孔板の内部空間よりも圧力の高い加圧空気層を形成してもよい。
本開示に係る第11の態様の水素製造装置は、前記第1〜10のいずれかの態様における拡散燃焼バーナーを備えてもよい。
以下、本開示の実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。また、各図においては、説明を容易なものとするため、各要素を誇張して示している。
(実施の形態1)
図1は、本開示の実施の形態1に係る拡散燃焼バーナーを備えた水素製造装置の構成図を示す。図1に示すように、実施の形態1における水素製造装置1は、拡散燃焼バーナー2と、拡散燃焼バーナー2により加熱される改質部3と、を備える。拡散燃焼バーナー2は、燃料と空気とを混合させて燃焼するバーナーであり、旋回流を形成することが可能なバーナーである。改質部3は、拡散燃焼バーナー2から排出された燃焼ガスの熱によって加熱されることによって、水素を主成分としたガス(改質ガス)を生成する。なお、水素製造装置1は、改質ガス中に含まれる一酸化炭素と水蒸気とを反応させて水素を生成する変成部と、変成部で残った一酸化炭素を酸化する選択酸化部を備えるが、周知の構成を利用できるため、説明を省略する。
図1は、本開示の実施の形態1に係る拡散燃焼バーナーを備えた水素製造装置の構成図を示す。図1に示すように、実施の形態1における水素製造装置1は、拡散燃焼バーナー2と、拡散燃焼バーナー2により加熱される改質部3と、を備える。拡散燃焼バーナー2は、燃料と空気とを混合させて燃焼するバーナーであり、旋回流を形成することが可能なバーナーである。改質部3は、拡散燃焼バーナー2から排出された燃焼ガスの熱によって加熱されることによって、水素を主成分としたガス(改質ガス)を生成する。なお、水素製造装置1は、改質ガス中に含まれる一酸化炭素と水蒸気とを反応させて水素を生成する変成部と、変成部で残った一酸化炭素を酸化する選択酸化部を備えるが、周知の構成を利用できるため、説明を省略する。
拡散燃焼バーナー2について説明する。
図2は、本開示の実施の形態1に係る拡散燃焼バーナー2の構成図を示す。図2に示すように、拡散燃焼バーナー2は、炎を形成する炎形成室20を画定する炎孔板21と、燃料を噴出するディストリビューター22と、炎孔板21への空気流路を形成するバーナー筒23と、旋回流を形成する旋回板24と、燃料を供給する燃料パイプ25と、を備える。なお、拡散燃焼バーナー2には、着火するためのイグナイター、燃焼を検知するためのフレームロッドを備える構成とするが、周知の構成を利用できるため、その詳細の図示および説明は省略する。
図2は、本開示の実施の形態1に係る拡散燃焼バーナー2の構成図を示す。図2に示すように、拡散燃焼バーナー2は、炎を形成する炎形成室20を画定する炎孔板21と、燃料を噴出するディストリビューター22と、炎孔板21への空気流路を形成するバーナー筒23と、旋回流を形成する旋回板24と、燃料を供給する燃料パイプ25と、を備える。なお、拡散燃焼バーナー2には、着火するためのイグナイター、燃焼を検知するためのフレームロッドを備える構成とするが、周知の構成を利用できるため、その詳細の図示および説明は省略する。
炎孔板21は、燃料と空気とを混合して炎4を形成する炎形成室20を画定する板である。炎孔板21は、カップ状に形成されており、カップの内側に炎形成室20が形成されている。カップ状の炎孔板21は、改質部3が配置される側に開口しており、炎形成室20が改質部3の内部と繋がっている。炎形成室20では、燃料と空気とが混合され、混合されたガスをイグナイター等により着火して炎4を形成している。この炎4によって混合ガスが燃焼し、燃焼ガスが改質部3に送られる。炎孔板21の側壁面には、炎孔板21の外側(バーナー筒23内の空気流路)から炎形成室20へ空気を噴出する多数の空気噴出孔26が設けられている。空気噴出孔26の孔径deは、炎孔板21の板厚te以上であるのが好ましい。実施の形態1において、空気噴出孔26の孔径deは、約2〜3mmであり、炎孔板21の板厚teは、約1〜2mmである。また、空気噴出孔26は、千鳥状に炎孔板21の側壁面に設けられている。
ディストリビューター22は、炎形成室20において周方向均一に燃料を噴射する装置である。ディストリビューター22は、カップ状に形成された炎孔板21の中心(炎形成室20の中央)に取り付けられている。ディストリビューター22の先端には、燃料を噴出する孔が設けられている。
バーナー筒23は、その内部に炎孔板21へ空気を供給する空気流路を形成する筒である。バーナー筒23は、拡散燃焼バーナー2の外部から空気を取り入れるための空気供給口を有する。また、バーナー筒23内の空気流路には、旋回板24が配置されている。
旋回板24は、バーナー筒23内の空気流路に旋回流を形成するための旋回流形成手段である。図3は、旋回板24の斜視図である。図4は、図3の旋回板24のB−B断面図である。図3及び図4に示すように、旋回板24は、円板形状を有し、その中心に燃料パイプ25が通る孔を設けている。また、旋回板24は、旋回流を形成する旋回流形成流路として、旋回板24の中心から同心円上に複数の傾斜孔27が設けられている。傾斜孔27は、旋回板24の上面(空気が流入する面)に対して斜め方向に設けられており、空気をバーナー筒23の軸方向から円周方向に斜めに傾けて噴出することにより旋回流を形成している。図4に示すように、傾斜孔27の孔深さhが傾斜孔27の孔径dよりも長くなるように、傾斜孔27の孔径dは、板厚t以下にするのが好ましい。実施の形態1において、傾斜孔27の孔径dは約2〜4mmであり、板厚tは約3〜5mmである。
図1及び図2に示すように、旋回板24は、バーナー筒23内の空気流路において、炎孔板21に対して所定の距離を有して配置される。所定の距離とは、旋回板24と、旋回板24に最も近い炎孔板21の空気噴出孔26との間に、旋回流(例えば、1旋回程度の旋回流)を発生させることが可能な距離である。
また、空気噴出孔26が位置する部分の炎孔板21の側壁面とバーナー筒23との間における空気流路の流路断面積Sfは、旋回板24の傾斜孔27の流路断面積Ssと同等程度、又は小さくすることが好ましい。流路断面積Sfについて、図5を用いて説明する。図5は、図2の拡散燃焼バーナーのA−A断面図である。図5に示すように、流路断面積Sfは、拡散燃焼バーナー2のA−A断面における炎孔板21とバーナー筒23との間の空気の流路の断面積である。即ち、流路断面積Sfは、空気噴出孔26が位置する部分の炎孔板21の側壁の外周(図5中の点線)とバーナー筒23の内壁との間における空気流路の断面積である。また、旋回板24の傾斜孔27の流路断面積Ssは、傾斜孔27の流路断面積Sb×傾斜孔27の数nで計算される。実施の形態1においては、Sf≦Ssを実現するために、バーナー筒23の内径を炎孔板21の最大外径に合わせてできるだけ小さくし、旋回板24の傾斜孔27の数、大きさ、又は形状等を調整して、傾斜孔27の流路断面積を大きくしてもよい。
燃料パイプ25は、ディストリビューター22に燃料を供給するパイプである。燃料パイプ25は、ディストリビューター22と接続されている。
次に、改質部3について説明する。
改質部3は、燃焼室31と、燃焼室31内に設けられた燃焼筒32と、燃焼筒32の外周に形成された燃焼ガス流路33と、燃焼筒32の外周を、燃焼ガス流路33を挟んで囲うように配置される改質反応器34と、を備える。
改質部3は、燃焼室31と、燃焼室31内に設けられた燃焼筒32と、燃焼筒32の外周に形成された燃焼ガス流路33と、燃焼筒32の外周を、燃焼ガス流路33を挟んで囲うように配置される改質反応器34と、を備える。
燃焼室31は、拡散燃焼バーナー2の下流に設けられており、拡散燃焼バーナー2から送られてきた燃焼ガスが旋回しながら流れる。
燃焼筒32は、燃焼室31を囲うように設けられた中空円筒状の筒である。燃焼筒32は、燃焼室31内を旋回する燃焼ガスを下壁面に当て、燃焼ガス流路33へ供給する。このように、燃焼筒32を設けることで、燃焼筒32と改質反応器34との間で形成される燃焼ガス流路33を流れる燃焼ガスの流速を大きくすることができるため、燃焼ガスの熱をより効果的に利用することができる。
燃焼ガス流路33は、燃焼筒32と改質反応器34との間に形成される流路である。燃焼ガス流路33は、燃焼ガスが通過するガス流路であり、燃焼ガスの熱によって改質反応器34を加熱する流路である。
改質反応器34は、内部に改質触媒35を含むものである。改質反応器34は、燃焼ガス流路33を流れる燃焼ガスの熱によって加熱されることにより触媒35を加熱し、改質反応を行っている。
次に、拡散燃焼バーナー2の動作について説明する。
拡散燃焼バーナー2において、燃料は、燃料パイプ25からディストリビューター22へ供給される。燃料を供給されたディストリビューター22は、先端に設けられた燃料噴出孔から炎孔板21の炎形成室20(カップの内側)へ周方向均一に燃料を噴射する。
拡散燃焼バーナー2において、燃料は、燃料パイプ25からディストリビューター22へ供給される。燃料を供給されたディストリビューター22は、先端に設けられた燃料噴出孔から炎孔板21の炎形成室20(カップの内側)へ周方向均一に燃料を噴射する。
空気は、バーナー筒23の空気供給口からバーナー筒23内に供給される。バーナー筒23内に供給された空気は、空気供給口と旋回板24との間の空気流路を流れることによって、旋回板24の流入面、即ち上面に対して均一な流れの状態で、旋回板24に供給される。旋回板24に供給された空気は、傾斜孔27から斜め方向に噴出されることにより、旋回板24と炎孔板21との間の空気流路で旋回流を形成する。旋回流となった空気は、炎孔板21の空気噴出孔26を通って炎形成室20に、旋回流の勢いを残した状態で噴出される。
炎形成室20では、ディストリビューター22から噴出された燃料と、炎孔板21の空気噴出孔26から噴出された空気と、が混合されることにより、混合ガスが形成される。混合ガスは、旋回流の勢いを残した状態の空気の流れによって、旋回させられる。また、炎形成室20ではイグナイターにより混合ガスに着火し、炎4を形成する。この炎4により、混合ガスが旋回しながら燃焼し、燃焼ガスが改質部3の燃焼室31内に送られる。
改質部3においては、拡散燃焼バーナー2から送られてきた燃焼ガスが燃焼筒32の内部(燃焼室31)を旋回しながら流れる(図1中の黒矢印)。燃焼室31を流れる燃焼ガスは、燃焼筒32の下端で折り返し、燃焼ガス流路33を旋回しながら流れる(図1中の破線黒矢印)。燃焼ガス流路33を流れる燃焼ガスは、改質反応器34を加熱することにより、その内部の触媒35を加熱する。
本開示の実施の形態1に係る拡散燃焼バーナー2によれば、以下の効果を奏することができる。
本開示の実施の形態1に係る拡散燃焼バーナー2は、バーナー筒23内の空気流路において、炎孔板21の手前に旋回流を形成する旋回板24を備える。拡散燃焼バーナー2は、旋回板24によって、バーナー筒23内の空気流路を流れる空気に旋回流を付与している。旋回された空気は、炎孔板21の空気噴出孔26から旋回流の勢いを残した状態で、炎孔板21の内側の炎形成室20へ噴出される。このような構成により、拡散燃焼バーナー2においては、燃料と空気との混合ガスを旋回させながら、その中で炎4を形成するため、旋回した燃焼ガスを得ることができる。その結果、拡散燃焼バーナー2は、低流速の燃焼ガスであっても旋回流にすることができるため、加熱対象である改質部3の改質反応器34等を均一に加熱することができる。また、拡散燃焼バーナー2は、旋回流を形成するためのガイドベーン等の機構を高温となる改質部3の燃焼室31に設けなくてもよいため、熱に対する耐久性を向上させることができる。
実施の形態1において、旋回板24は、バーナー筒23内の空気流路において、炎孔板21に対して所定の距離(例えば、1旋回程度の旋回流が発生する空間を確保することができる距離)を有して配置されている。この構成により、旋回板24で形成された旋回流を、炎孔板21の外周で均一に旋回させることができる。
実施の形態1において、炎孔板21の空気噴出孔26とバーナー筒23の内壁との間における炎孔板21の空気噴出孔26の手前の流路断面積Sfは、旋回板24の傾斜孔27の流路断面積Ssと同等程度、又は小さくなっている。この構成により、旋回板24で形成された旋回流が、流速を落とさないようにすることができ、又は流速を増大させることができる。そのため、炎孔板21の外周付近(炎孔板21とバーナー筒23の内壁との間の流路)で旋回流の勢いを保持することができる。
実施の形態1において、炎孔板21は、カップ状に形成されており、炎孔板21の空気噴出孔26は、炎孔板21の外側に向かうほど孔径が大きくなっている。また、流路断面積Sfは、炎孔板21の外側(バーナー筒23の下流)に向かうほど小さくなっている。このため、カップ状の炎孔板21の中心に近い流路断面積Sfが大きい領域では、旋回空気の流速が遅くなる。これにより、旋回空気の流速が遅くなる領域(流路断面積Sfが大きい領域)では、孔径の小さい空気噴出孔26から噴出される空気の量を抑えることができる。一方、炎孔板21の外側(バーナー筒23の下流)に近い流路断面積Sfが小さい領域では、旋回空気の流速が速くなる。これにより、旋回空気の流速が速くなる領域(流路断面積Sfが小さい領域)では、孔径の大きい空気噴出孔26から、旋回の勢いが強い空気を炎形成室20内に噴出することができる。
実施の形態1において、炎孔板21の空気噴出孔26の孔径deは、炎孔板21の板厚te以上となっている。このような構成により、空気が炎孔板21の外側から空気噴出孔26を通って噴出する際に、孔の内壁によって空気の流れる方向が変更されることを抑制できる。したがって、空気噴出孔26は、炎孔板21の外側の空間で旋回する空気の勢いを残した状態で、炎形成室20に空気を噴出することができる。
実施の形態1において、バーナー筒23内の空気流路においては、空気供給口と旋回板24との間の流路が、所定の長さを有するように形成されていてもよい。所定の長さとは、旋回板24に流入する空気の流れが均一になるために必要な長さである。このように構成することにより、旋回板24において旋回流を形成しやすくなる。
なお、実施の形態1において、旋回流形成手段としての旋回板24について、円周方向に傾斜して設けられた傾斜孔27を設けた構成を説明したが、これに限定されない。旋回板24は、旋回流を形成する構成を有していればよい。例えば、図6〜8に示す旋回板であってもよい。
図6は、旋回板の変形例を示す。図7は、図6の旋回板のC−C断面図を示す。図6及び図7に示すように、旋回板24aは、旋回流路の出口に空気の流れを円周方向に傾けて案内するガイド27aを設けた構成としてもよい。ガイド27aは、例えば、空気の流れる方向を傾ける囲い又は小坂である。ガイド27aは、旋回流路の出口で空気の流れをバーナー筒23の円周方向に斜めに傾けている。そのため、図3及び図4に示す旋回板24と比べて、旋回板24aでは、板厚tを薄くすることができる。また、ガイド27aは、プレス加工で切り起こすことにより、旋回板24aの旋回流路を形成するのと同時に形成することができる。そのため、旋回板24aは、低いコストで製造することができる。
図8は、旋回板の別の変形例を示す。図8に示すように、旋回板24bは、複数の羽根板を備えるプロペラ形状を有していてもよい。複数の羽根板は、それぞれ所定の角度に傾けて設けられている。旋回板24bの旋回流路は、それぞれの羽根板間に形成されている。したがって、旋回板24bに供給された空気は、それぞれの傾斜した羽根板の上面に沿って、羽根板間を流れることによって旋回流となる。このような構成によって、旋回流を省スペースで形成することができるため、旋回板24bと炎孔板21との間の距離を短くすることができる。その結果、装置の小型化を実現できる。
なお、実施の形態1において、炎孔板21は、カップ状に形成されていると説明したが、これに限定されない。炎孔板21は、炎形成室20を画定する形状であればよく、例えば、円筒形状や円錐形状であってもよい。
(実施の形態2)
本開示の実施の形態2に係る拡散燃焼バーナーについて、図9を参照して説明する。図9は、実施の形態2に係る拡散燃焼バーナー2aの全体構成図である。実施の形態2においては、実施の形態1と同一又は同等の構成については同じ符号を付して説明する。また、実施の形態2では、実施の形態1と重複する記載は省略する。
本開示の実施の形態2に係る拡散燃焼バーナーについて、図9を参照して説明する。図9は、実施の形態2に係る拡散燃焼バーナー2aの全体構成図である。実施の形態2においては、実施の形態1と同一又は同等の構成については同じ符号を付して説明する。また、実施の形態2では、実施の形態1と重複する記載は省略する。
図9に示すように、拡散燃焼バーナー2aは、炎孔板21aと、ディストリビューター22と、バーナー筒23と、燃料パイプ25と、拡散板28と、を備える。実施の形態2においては、実施の形態1と比べて、旋回板24の代わりに拡散板28を備える点と、炎孔板21aの空気噴出孔26aが炎孔板21aの側壁面に対して斜めに傾斜して設けられている点と、が異なる。拡散燃焼バーナー2aは、炎孔板21aに設けられた空気噴出孔26aによって、旋回流を形成している。
拡散板28は、炎孔板21aとバーナー筒23との間の流路を流れる空気を整流すると共に加圧空気層を形成する板である。加圧空気層とは、炎孔板21aの内側の炎形成室20よりも圧力が高くなっている層をいう。拡散板28は、複数の拡散孔29を設けた円板形状を有する。拡散板28に設けられる複数の拡散孔29は、バーナー筒23の軸方向に向かって同一の孔径で形成されている。拡散板28は、バーナー筒23内の空気流路において、炎孔板21aの手前に配置されており、バーナー筒23内の空気流路を流れる空気を、拡散孔29を通すことによって、炎孔板21aへ流れる空気を整流するとともに加圧している。
炎孔板21aの空気噴出孔26aは、炎形成室20に空気を噴出する際に、旋回流を形成するため、炎孔板21aの側壁面に対して斜めに傾けて設けられている。炎孔板21aを上から見たときの空気噴出孔26aの傾斜について、図10を用いて説明する。図10は、図9の炎孔板21aのD−D断面図である。図10に示すように、空気噴出孔26aは、バーナー筒23の円周方向(図10中のX−X方向)に斜めに傾斜して設けられている。具体的には、空気噴出孔26aは、炎孔板21aを上から見たとき、図10中のX−X方向において時計回りの方向に角度θ1傾斜して設けられている。そのため、空気噴出孔26aから噴出される空気は、炎形成室20で旋回する。上記の構成とするためには、炎孔板21aの空気噴出孔26aの孔径deに対して、流路長となる孔の深さheを大きくする必要がある。したがって、空気噴出孔26aの孔径deは、炎孔板21aの板厚te以下にすることが好ましい。
炎孔板21aを側方からみたときの空気噴出孔26aの傾斜について、図11を用いて説明する。図11は、実施の形態2における炎孔板21aの空気噴出孔26を示す断面図を示す。図11に示すように、空気噴出孔26aは、炎孔板21aの側壁面に対して前記炎形成室20の下流側に向かって角度θ2傾斜するように設けられている。このような構成にすることにより、空気噴出孔26aの流路が長くなり、燃焼室4内の旋回流の勢いを強めることができる。
拡散燃焼バーナー2aの動作について説明する。
拡散燃焼バーナー2aにおいては、バーナー筒23内の空気流路を流れる空気は、拡散板28の拡散孔29を通ると、炎孔板21aと拡散板28との間の流路に均一に拡散されて整流される。整流された空気は、炎孔板21aと拡散板28との間の流路から炎孔板21aの空気噴出孔26aへ流れる。このとき、炎孔板21aの空気噴出孔26aの孔径deは、拡散板28の拡散孔29の孔径よりも小さいため、炎孔板21aとバーナー筒23との間の流路では、加圧空気層が形成される。加圧空気層は、炎孔板21aの内側の炎形成室20よりも圧力が高くなっているため、空気噴出孔26aから炎形成室20へ空気がスムーズに噴出される。
拡散燃焼バーナー2aにおいては、バーナー筒23内の空気流路を流れる空気は、拡散板28の拡散孔29を通ると、炎孔板21aと拡散板28との間の流路に均一に拡散されて整流される。整流された空気は、炎孔板21aと拡散板28との間の流路から炎孔板21aの空気噴出孔26aへ流れる。このとき、炎孔板21aの空気噴出孔26aの孔径deは、拡散板28の拡散孔29の孔径よりも小さいため、炎孔板21aとバーナー筒23との間の流路では、加圧空気層が形成される。加圧空気層は、炎孔板21aの内側の炎形成室20よりも圧力が高くなっているため、空気噴出孔26aから炎形成室20へ空気がスムーズに噴出される。
空気噴出孔26aは、バーナー筒23の円周方向(図10中のX−X方向)に斜めに傾斜して設けられている。そのため、空気噴出孔26aから噴出された空気は、炎孔板21aの内側の炎形成室20内で旋回しながら流れる。
本開示に係る実施の形態2の拡散燃焼バーナー2aによれば、以下の効果を奏することができる。
本開示の拡散燃焼バーナー2aは、炎孔板21aの空気噴出孔26aを、バーナー筒23の円周方向(図10中のX−X方向)に斜めに傾斜させて設けることによって、空気噴出孔26aから噴出される空気を旋回流にしている。そのため、拡散燃焼バーナー2aでは、旋回流を形成する手段を小型化でき、例えば、大きな燃焼室で旋回流を形成する場合に有利である。
拡散燃焼バーナー2aは、空気噴出孔26aを、炎形成室20の下流側に向かって傾斜するように設けている。そのため、拡散燃焼バーナー2aは、空気噴出孔26の流路を長くして旋回流を強めることができ、拡散燃焼バーナー2の下流に設けられる燃焼室31において、燃焼ガスの温度を均一にすることができる。
なお、実施の形態2においては、拡散板28を備える構成について説明したが、これに限定されない。拡散燃焼バーナー2aは、炎孔板21aとバーナー筒23との間の流路を流れる空気を整流し、炎孔板21aの内側の炎形成室20の圧力よりも高くなる構成であれば、拡散板28を備えなくてもよい。また、実施の形態2においては、拡散板28に設けられる複数の拡散孔29は、同一の孔径を有し、バーナー筒23の軸方向に沿って形成されていると説明したが、これに限定されない。例えば、複数の拡散孔29は、異なる方向に向かって形成されていてもよいし、それぞれの孔径が異なっていてもよい。
実施の形態2において、炎孔板21aの側壁面には、同一の傾斜角度θ2を有する複数の空気噴出孔26aが設けられているが、これに限定されない。複数の空気噴出孔26aの傾斜角度については、改質部3の燃焼室31に応じて、それぞれ別々の角度に設定することができる。例えば、炎形成室20の中央部に近い空気噴出孔と、炎形成室20の周辺付近の空気噴出孔とで孔の傾斜角度を変更してもよい。保炎をしたい炎形成室20の中央部(燃焼室31の中央部)は、空気噴出孔の傾斜角度を緩やかにして旋回流を緩めることによって吹き消えを抑制することができる。一方、高温の大流量の燃焼ガス流が必要な炎形成室20の周辺付近(燃焼室31の周辺付近)は、空気噴出孔の傾斜角度を急峻にして旋回流を強めることによって、ガス温度を均一にすることができる。このように、空気噴出孔26aの傾斜角度θ2は、燃焼室31の領域(燃焼ガスが通る領域)に応じて、調整してもよい。
本発明をある程度の詳細さをもって各実施の形態において説明したが、これらの実施の形態の開示内容は構成の細部において変化してしかるべきものであり、各実施の形態における要素の組合せや順序の変化は請求された本発明の範囲及び思想を逸脱することなく実現し得るものである。
本開示の拡散燃焼バーナーは、旋回流を形成する旋回流形成手段を備えることにより、燃焼ガスを旋回させて改質反応器を均一に加熱することができるため、ガスや物質の合成分解プロセスにおける加熱用途に適用できる。例えば、本開示の拡散燃焼バーナーは、水素製造装置、排ガス処理、ゴミの分解処理、化学薬品の合成分解等の用途に適用できる等の用途に適用できる。
1 水素製造装置
2 拡散燃焼バーナー
21 炎孔板
22 ディストリビューター
23 バーナー筒
24 旋回板
25 燃料パイプ
26 空気噴出孔
27 傾斜孔
28 拡散板
29 拡散孔
3 改質部
31 燃焼室
32 燃焼筒
33 燃焼ガス流路
34 改質反応器
35 改質触媒
2 拡散燃焼バーナー
21 炎孔板
22 ディストリビューター
23 バーナー筒
24 旋回板
25 燃料パイプ
26 空気噴出孔
27 傾斜孔
28 拡散板
29 拡散孔
3 改質部
31 燃焼室
32 燃焼筒
33 燃焼ガス流路
34 改質反応器
35 改質触媒
Claims (11)
- 炎を形成する炎形成室を画定するとともに、前記炎形成室へ空気を噴出するための複数の空気噴出孔を設けた炎孔板と、
前記炎形成室へ燃料を噴出するディストリビューターと、
前記炎孔板へ空気を供給する空気流路を形成するバーナー筒と、
前記ディストリビューターに燃料を供給する燃料パイプと、
前記炎孔板の空気噴出孔から前記炎形成室へ噴出される空気を旋回流にする旋回流形成手段と、
を備える、拡散燃焼バーナー。 - 前記旋回流形成手段は、前記バーナー筒内の空気流路において、前記炎孔板の手前に配置された旋回板であり、
前記旋回板は、旋回流を形成する旋回流路を備える、
請求項1に記載の拡散燃焼バーナー。 - 前記旋回板の旋回流路の出口における流路断面積は、前記空気噴出孔が位置する部分の前記炎孔板の側壁面と前記バーナー筒との間における空気流路の流路断面積と比べて、同等又は大きい、請求項2に記載の拡散燃焼バーナー。
- 前記旋回板の旋回流路は、円周方向に傾斜して設けられた傾斜孔である、請求項2または3に記載の拡散燃焼バーナー。
- 前記旋回板の旋回流路の出口に、空気の流れを円周方向に傾斜させるように案内するガイドを設けた、請求項2〜4のいずれか一項に記載の拡散燃焼バーナー。
- 前記旋回板は、複数の羽根板を有するプロペラ形状を有し、
前記旋回流路は、それぞれの羽根板間に形成される、
請求項2または3に記載の拡散燃焼バーナー。 - 前記炎孔板の空気噴出孔の孔径は、前記炎孔板の板厚以上である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の拡散燃焼バーナー。
- 前記旋回流形成手段は、前記炎孔板の空気噴出孔であり、
前記空気噴出孔は、前記バーナー筒の円周方向に傾斜している、請求項1に記載の拡散燃焼バーナー。 - 前記空気噴出孔は、前記炎孔板の側壁面に対して前記炎形成室の下流側に向かって傾斜している、請求項8に記載の拡散燃焼バーナー。
- 更に、前記バーナー筒内の空気流路において、前記炎孔板の手前に配置された、複数の拡散孔を有する拡散板を備え、
前記拡散板は、前記炎孔板と前記バーナー筒との間の流路に、前記炎孔板の内部空間よりも圧力の高い加圧空気層を形成する、
請求項8または9に記載の拡散燃焼バーナー。 - 請求項1〜10のいずれか一項に記載の拡散燃焼バーナーを備える、水素製造装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2014259283A JP2016118353A (ja) | 2014-12-22 | 2014-12-22 | 拡散燃焼バーナー |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2014
- 2014-12-22 JP JP2014259283A patent/JP2016118353A/ja active Pending
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