JP2017138017A - バーナ、これを備えたボイラ及びこれを備えた船舶 - Google Patents

Abstract

【課題】大幅なボイラ構造の変化を伴わずに重油と水素との混焼が可能なバーナを提供する。
【解決手段】重油を噴射する複数の燃料噴射孔１８と、各燃料噴射孔１８の周囲から水素を噴射する複数の水素噴射孔２０と、各水素噴射孔２０の周囲から燃焼用空気を供給する空気供給部２２とを備えている。燃料噴射孔１８の噴射角度は、各燃料噴射孔１８が形成された燃料噴射管１７の中心軸線Ｃ１に対して両側にみた角度範囲が６０°以下とされている。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料油や燃料ガスと水素との混焼が可能なバーナ、これを備えたボイラ及びこれを備えた船舶に関するものである。

船舶の主機を駆動させる舶用ボイラは、重油やＬＮＧといった炭化水素燃料により運用している。
近年の排ガス規制強化の影響から、硫黄分を多く含む重油の使用に際して、高価な低硫黄重油への燃料転換や、高性能脱硫装置への改造が求められているが、ランニングコスト増加が想定される。また、炭化水素燃料は、二酸化炭素を含む燃焼ガスを排出し、地球温暖化への影響が懸念される。
これに対して、重油またはＬＮＧの一方を水素で代替することにより、硫黄酸化物の生成を抑制し、二酸化炭素排出量を削減することが検討されている。
炭化水素燃料であるＬＰＧと水素とを混焼するバーナについては、下記特許文献１に開示されている。

実公昭６０−４２２４７号公報

しかし、水素は燃料中に炭素を含まないため、輻射特性が重油やＬＮＧと大きく異なる。このため、火炉吸熱量の低下が問題となるが、上記特許文献１ではこの点について考慮されていない。

また、水素燃焼時に、重油・ＬＮＧ焚きボイラと同等の性能を得ることができる構造が求められる。水素燃焼は炭化水素燃料と比較して、輻射特性が劣るため、伝熱管のピッチを挟隙化して伝熱管の本数を増加することや、伝熱管にフィンを設置して伝熱面積を増大させることが考えられる。しかし、重油・ＬＮＧの燃焼排ガス中に含まれる固形物質の付着等による燃焼ガス流路閉塞等の観点から、このような対策は難しい。したがって、重油・ＬＮＧ焚きボイラから大幅な構造変更はできない。

以上から、水素燃焼時に輻射伝熱量が低下することにより、重油・ＬＮＧ焚き時と同等のボイラ性能を得ることができないという問題がある。
また、水素燃焼時に輻射伝熱量が低下することにより、火炉内での吸熱が十分に進まずに火炉出口温度が上昇することから、現行の蒸発管や過熱器の材料見直しが必要になるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、大幅なボイラ構造の変化を伴わずに燃料油または燃料ガスと水素との混焼が可能なバーナ、これを備えたボイラ及びこれを備えた船舶を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のバーナ、これを備えたボイラ及びこれを備えた船舶は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるバーナは、燃料油を噴射する複数の燃料噴射孔と、各前記燃料噴射孔の周囲から水素を噴射する複数の水素噴射孔と、各前記水素噴射孔の周囲から燃焼用空気を供給する空気供給部とを備えていることを特徴とする。

燃料噴射孔の周囲に水素を噴射するので、燃料噴射孔の周囲には、水素が噴射されて形成される水素領域が存在する。このため、燃料噴射孔から噴射された燃料油（例えば重油）は、さらに外周に存在する空気と出会う前に、燃料噴射孔の周囲に存在する水素領域に噴射される。この水素領域では、水素が燃料油よりも燃焼速度が速いため、水素の燃焼が燃料油の燃焼よりも優先して行われる。したがって、水素領域では、水素燃焼により酸素を消費しているため、酸素不足の領域となる。そして、燃料油は、水素が助燃剤となった状態で、酸素不足下での燃焼が安定的に行われる。これにより、燃料油は酸素不足下で燃焼を開始するので、積極的に煤の発生が進行し、粒子輻射率が増大する。したがって、水素を燃料として混合しても、炉内の輻射伝熱性能が低下することを回避して、十分な火炉吸熱量を確保することが可能となる。

さらに、本発明のバーナによれば、前記燃料噴射孔の噴射角度は、各燃料噴射孔が形成された燃料噴射管の中心軸線に対して両側にみた角度範囲が６０°以下とされていることを特徴とする。

燃料噴射孔の噴射角度について、燃料噴射管の中心軸線に対して両側にみた角度範囲を６０°以下の範囲とすることで、中心軸線側に傾斜した噴射角度とする。これにより、水素噴射孔から水素が噴射されて形成される水素領域に対して重油が可及的に長く存在することができ、また、水素領域の外側に位置する空気に対して可及的に遅く導くことができる。したがって、燃料油の酸素不足下での燃焼を促進することができ、輻射率を増大することができる。

また、本発明のバーナは、燃料ガスを噴射する複数の燃料噴射孔と、各前記燃料噴射孔の隣に設けられ、該燃料噴射孔よりも小径とされた水素を噴射する複数の水素噴射孔と、各前記燃料噴射孔および各前記水素噴射孔の周囲から燃焼用空気を供給する空気供給部とを備えていることを特徴とする。

燃料ガスを噴射する燃料噴射孔の隣に、水素を噴射する水素噴射孔が配置されている。そして、水素噴射孔は、燃料噴射孔よりも小径とされている。したがって、燃料噴射孔から噴射された燃料ガスは、水素噴射孔よりも多くの燃料が供給されるので燃料過剰となり、酸素不足下での燃焼となる。
一方、水素噴射孔から噴射された水素は、水素が燃料ガスよりも燃焼速度が速いため、水素の燃焼が燃料ガスの燃焼よりも優先して行われて酸素を消費する。これにより、燃料ガスの燃料をさらに酸素不足下で行わせることができる。
燃料ガスは、水素が助燃剤となった状態で、酸素不足下で安定的に燃焼させられるので、水素を燃料として混合しても、炉内の輻射伝熱性能が低下することを回避して、十分な火炉吸熱量を確保することが可能となる。

また、本発明のボイラは、上記のいずれかに記載のバーナを備えていることを特徴とする。

上記のいずれかのバーナを備えているので、燃料に水素を混合しても安定した燃焼が行われる。したがって、ボイラ構造の大幅な変更を行うことなく水素混合燃焼を実現することができる。

また、本発明の船舶は、上記のボイラを備えていることを特徴とする。

舶用ボイラとして上記のボイラを備えているので、大幅な構造変更を行うことなく水素混合燃焼を実現するボイラを備えた船舶を提供することができる。

酸素不足下での燃料油または燃料ガスの燃焼を積極的に導入することによって水素燃焼による輻射伝熱量の低下を補うことができるので、大幅なボイラ構造の変化を必要としない。

本発明の一実施形態に係る舶用ボイラを示した縦断面図である。 図１のバーナを示した正面図である。 図２のバーナから噴射される重油の噴射角度を示した縦断面図である。 バーナからの噴射状態を示し、（ａ）は一実施形態を示した縦断面図であり、（ｂ）は参考例を示した縦断面図である。 第２実施形態に係るバーナを示した正面図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
図１には、本実施形態にかかる舶用ボイラ（以下、単に「ボイラ」という。）１が示されている。ボイラ１は、船舶に設置されており、船舶の主機の駆動に用いられる。

ボイラ１は、二胴水管ボイラとされている。ボイラ１は、火炉２の上部に設置された風箱１４内に複数のバーナ３を備えている。図１では、１つのバーナ３が示されているが、紙面垂直方向に他のバーナ３が設置されている。

バーナ３は、空気ダクト１３を介して導入される燃焼用空気としてのバーナ空気を用いて、重油（燃料油）と水素を燃焼して燃焼ガスを生成する。バーナ３の下部には、円筒状のスロート１５が取り付けられており、スロート１５の内側は、火炉２側に進むにつれて径が拡大する円錐台形状の中空部となっている。バーナ３は、旋回ベーン１６ａ，１６ｂ（図２参照）を備えており、旋回ベーン１６ａ，１６ｂによってバーナ空気が旋回させられることによって旋回噴流を噴射する。旋回噴流は、火炉２内を上方から下方へと流れ、燃焼ガス流れ下流側である側方に位置するフロントバンクチューブ４へと向かう。

バーナ３から噴射された旋回噴流は火炎を形成し、これにより生成された高温の燃焼ガスは、火炉２の燃焼ガス流れ下流に配設されたフロントバンクチューブ４、過熱器５及び蒸発管群（蒸発器）６を順番に通過する。

フロントバンクチューブ４は、多数の伝熱管から構成され、下方から上方にわたって設けられ、燃焼ガス流れに直交するように平面状に配置されている。フロントバンクチューブ４は、火炉２の下方に設けられたヘッダ１２と上方の蒸気ドラム１０との間を接続する。

過熱器５は、多数の伝熱管から構成され、フロントバンクチューブ４に対して平行に下方から上方の途中位置まで設けられ、燃焼ガス流れに直交するように平面状に配置されている。過熱器５は、火炉２の下方に設けられた２つのヘッダ１１に接続されている。すなわち、一方のヘッダ１１から飽和蒸気が供給され、伝熱管内を上方へ流れて頂部５ａで折り返した後に下方に流れる間に、燃焼ガスによって過熱状態まで加熱され、他方のヘッダ１１へと導かれる。

蒸発管群６は、多数の伝熱管から構成され、過熱器５に対して平行に下方から上方にわたって設けられ、燃焼ガス流れに直交するように平面状に配置されている。蒸発管群６は、下方の水ドラム９と上方の蒸気ドラム１０との間を接続している。下方の水ドラム９内の水が加熱されて蒸発されるにしたがい上方に上昇し、蒸気ドラム１０内に蒸気が導かれるようになっている。蒸気ドラム１０内の飽和蒸気が、図示しない経路を通り過熱器５のヘッダ１１へと導かれて過熱されるようになっている。

フロントバンクチューブ４、過熱器５及び蒸発管群６の伝熱管内を流れる水や蒸気と熱交換を終えた燃焼ガスは、出口側ガスダクト７を通ってガス出口８からボイラ１の外部へ排出される。

図２には、バーナ３の正面図が示されている。バーナ３の中央には、円筒形状の燃料噴射管１７がバーナ３の中心軸線Ｃ１に沿って設けられており、この燃料噴射管１７の先端には、複数の燃料噴射孔１８が等角度間隔を有して円周方向に設けられている。

燃料噴射管１７を包囲するように、燃料噴射管１７と共通の中心軸線Ｃ１を有する円筒形状の水素噴射管１９が設けられている。水素噴射管１９の先端には、複数の水素噴射孔２０が等角度間隔を有して円周方向に設けられている。

水素噴射管１９を包囲するように、水素噴射管１９と共通の中心軸線Ｃ１を有する円筒形状の空気供給管２１ａ，２１ｂが二重管構造をなして設けられている。空気供給管２１ａ，２１ｂには、放射状に伸びる複数の旋回ベーン１６ａ，１６ｂが設けられており、空気供給管２１ａ，２１ｂの先端の空気供給部２２ａ，２２ｂから旋回空気流が流されるようになっている。

図３には、燃料噴射孔１８の噴射角度が示されている。同図に示されているように、燃料噴射孔１８の噴射方向は、バーナ３（即ち燃料噴射管１７）の中心軸線Ｃ１に対して傾斜している。燃料噴射孔１８の噴射角度は、バーナ３の中心軸線Ｃ１に対して両側にみた角度範囲θが６０°以下とされている。一般の重油炊きボイラのバーナの燃料噴射孔の噴射角度範囲が８０°〜１００°の範囲なので、本実施形態の燃料噴射孔１８の噴射角度は狭角化されている。

したがって、図４（ａ）に示すように、燃料噴射孔１８から噴射された重油は、符号Ｊ１で示すように、水素噴射孔２０からバーナ３の中心軸線Ｃ１と平行に噴射された水素流れＨ１に対して小さな交差角をもって流れる。したがって、重油が水素噴射孔２０の外周側を流れる空気流れＡ１に到達するまでの時間を長くとることができる。
水素噴射孔２０から噴射された水素によって循環渦Ｒ１が形成され、水素燃焼による着火が行われる。この水素燃焼が起点となり重油の燃焼が行われ、炭素を含む燃料粒子Ｐによる発光が行われる。

これに対して、図４（ｂ）に示した一般の重油炊きボイラの場合には、燃料噴射角が大きいので、燃料噴射孔１８の外周側に位置する空気流れＡ１に直接向かい、重油が空気流れＡ１に比較的早く到達することになる。

本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
燃料噴射孔１８の周囲に水素を噴射するので、燃料噴射孔１８の周囲には、水素が噴射されて形成される水素領域が存在する。このため、燃料噴射孔１８から噴射された重油は、さらに外周に存在する空気と出会う前に、燃料噴射孔１８の周囲に存在する水素領域に噴射される。この水素領域では、水素が重油よりも燃焼速度が速いため、水素の燃焼が重油の燃焼よりも優先して行われる。したがって、水素領域では、水素燃焼により酸素を消費しているため、酸素不足の領域となる。そして、重油は、水素が助燃剤となった状態で、酸素不足下で安定的に燃焼が行われる。これにより、重油は酸素不足下で燃焼を開始するので、積極的な煤の発生が進行し、粒子輻射率が増大する。したがって、水素を燃料として混合しても、炉内の輻射伝熱性能が低下することを回避して、十分な火炉吸熱量を確保することが可能となる。

例えば、比重０．９の重油を空気過剰率１．０で燃焼させた場合と、空気過剰率０．９で燃焼させた場合とを比較すると、火炎内平均輻射率はおよそ３倍程度になる。したがって、本実施形態のように、酸素不足下で重油の燃焼を行うことは炉内の輻射伝熱性能を改善するのに有効となる。
輻射率がｎ倍になることで、水素混焼量を高めることができ、重油燃焼量を１／ｎまで削減することができる。これにより、燃焼量に対する重油中の硫黄分が占める割合が低下することから、排ガス中硫黄酸化物濃度が低下する。
また、本実施形態によれば、水素混焼が可能となるので、低硫黄重油への燃料転換、脱硫装置高性能化といった措置が不要になる。
また、水素混焼によって重油燃焼量が低下するので、二酸化炭素排出量を削減できる。

燃料噴射孔１８の噴射角度について、燃料噴射管１７の中心軸線Ｃ１に対して両側にみた角度範囲を６０°以下の範囲とすることで、中心軸線Ｃ１側に傾斜した噴射角度とすることとした。これにより、水素噴射孔２０から水素が噴射されて形成される水素領域に対して重油が可及的に長く存在することができ、また、水素領域の外側に位置する空気に対して可及的に遅く導くことができる。したがって、重油の酸素不足下での燃焼を促進することができ、輻射率を増大することができる。
また、水素の燃焼速度が重油よりも十分に速いことから、バーナ３近傍での安定燃焼を期待でき、水素が助燃剤として働くことで噴射角が狭くなった場合にも、着火・保炎性能を確保することができる。

また、上述のように本実施形態のバーナ３は、重油と水素との混合燃焼を安定して行うことができるので、過熱器５等の材質の変更といったボイラ構造の大幅な変更を行う必要がない。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
本実施形態では、第１実施形態に対して、燃料が重油ではなくＬＮＧ（燃料ガス）である点で相違する。したがって、バーナの構造が異なるが、ボイラの全体構造は同様なので、その説明は省略する。

図５には、本実施形態に係るバーナ３’の正面図が示されている。バーナ３’は、ＬＮＧと水素との混焼に用いられる。バーナ３’には、複数の燃料噴射孔１８’が等角度間隔を有して円周方向に複数設けられている。また、各燃料噴射孔１８’の間には、水素噴射孔２０’が等角度間隔を有して円周方向に設けられている。すなわち、燃料噴射孔１８’の両隣に、水素噴射孔２０’が配置されている。水素噴射孔２０’の口径は、燃料噴射孔１８’の口径よりも小さい。
燃料噴射孔１８’及び水素噴射孔２０’の外周側には、複数の旋回ベーン１６を有する空気供給部２２が設けられている。

本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
ＬＮＧを噴射する燃料噴射孔１８’の両隣に、水素を噴射する水素噴射孔２０’が配置されている。そして、水素噴射孔２０’は、燃料噴射孔１８’よりも小径とされている。したがって、燃料噴射孔１８’から噴射されたＬＮＧは、水素噴射孔２０’よりも多くの燃料が供給されるので燃料過剰となり、酸素不足下での燃焼となる。
一方、水素噴射孔２０’から噴射された水素は、水素がＬＮＧよりも燃焼速度が速いため、水素の燃焼がＬＮＧの燃焼よりも優先して行われて酸素を消費する。これにより、ＬＮＧの燃料をさらに酸素不足下で行わせることができる。
ＬＮＧは、水素が助燃剤となった状態で、酸素不足下で安定的に燃焼させられるので、ＬＮＧ中の炭素分の発光によって輻射量を増加させることができる。したがって、水素を燃料として混合しても、炉内の輻射伝熱性能が低下することを回避して、十分な火炉吸熱量を確保することが可能となる。

なお、バーナ３’で燃焼させる燃料ガスとしては、本実施形態のように典型的にはＬＮＧが挙げられるが、例えばＬＰＧのように他の燃料ガスであっても良い。また、燃料噴射孔１８’から噴射する燃料ガスに水素を混合してもよい。

１ ボイラ
２ 火炉
３，３’ バーナ
４ フロントバンクチューブ
５ 過熱器
５ａ 頂部
６ 蒸発管群
９ 水ドラム
７ 出口側ガスダクト
８ ガス出口
１０ 蒸気ドラム
１１ ヘッダ
１２ ヘッダ
１３ 空気ダクト
１４ 風箱
１５ スロート
１６，１６ａ，１６ｂ 旋回ベーン
１７ 燃料噴射管
１８，１８’ 燃料噴射孔
１９ 水素噴射管
２０，２０’ 水素噴射孔
２１ａ，２１ｂ 空気供給管
２２，２２ａ，２２ｂ 空気供給部

Claims (5)

1. 燃料油を噴射する複数の燃料噴射孔と、
   各前記燃料噴射孔の周囲から水素を噴射する複数の水素噴射孔と、
   各前記水素噴射孔の周囲から燃焼用空気を供給する空気供給部と、
   を備えていることを特徴とするバーナ。
2. 前記燃料噴射孔の噴射角度は、各前記燃料噴射孔が形成された燃料噴射管の中心軸線に対して両側にみた角度範囲が６０°以下とされていることを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
3. 燃料ガスを噴射する複数の燃料噴射孔と、
   各前記燃料噴射孔の隣に設けられ、該燃料噴射孔よりも小径とされた水素を噴射する複数の水素噴射孔と、
   各前記燃料噴射孔および各前記水素噴射孔の周囲から燃焼用空気を供給する空気供給部と、
   を備えていることを特徴とするバーナ。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のバーナを備えていることを特徴とするボイラ。
5. 請求項４に記載のボイラを備えていることを特徴とする船舶。

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