JP2017162564A - 燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電効率及び燃料電池による加熱効率を向上させることができる燃焼装置が要望されている。【解決手段】加熱炉２の炉壁２Ａに設置される燃焼装置１であって、燃料Ｆを燃料過濃状態で燃焼させる燃焼器３と、燃焼器３から排出された燃焼ガスＣＧと空気Ａとを化学反応させることにより発電を行う燃料電池４と、を備え、燃料電池４は、炉壁２Ａから炉内Ｉに突出する状態で設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、加熱炉の炉壁に設置される燃焼装置に関する。

上記のような燃焼装置として、例えば、特許文献１に記載の燃焼装置が既に知られている。特許文献１に記載の燃焼装置は、燃料を燃料過濃状態で燃焼させる燃焼器（文献では「一次燃焼器」）と、燃焼器から排出された燃焼ガスと空気とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池（文献では「燃料電池セル」）と、を備えている。特許文献１に記載の燃焼装置は、燃料を燃焼器によって燃料過濃状態で燃焼させて、燃焼器から排出された燃焼ガスと空気とを燃料電池によって化学反応させることにより発電を行うと共に、燃料電池や排ガス等の熱によって炉内の加熱対象物を加熱（輻射加熱）する。

特開２０１４−８６１８０号公報

特許文献１に記載の燃焼装置では、燃料電池が炉外に位置しているため、燃料電池の熱が炉外に放熱され易い。このため、燃料電池が適正な作動温度域で発電を行っている状態において、燃料電池の温度が低下して、燃料電池の発電効率が低下する虞がある。また、燃料電池の熱が炉外に放熱されることにより、燃料電池の熱によって加熱対象物を加熱する効率が低下する虞もある。

上記状況に鑑み、燃料電池の発電効率及び燃料電池による加熱効率を向上させることができる燃焼装置が要望されている。

本発明の特徴は、
加熱炉の炉壁に設置される燃焼装置であって、
燃料を燃料過濃状態で燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器から排出された燃焼ガスと空気とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池と、を備え、
前記燃料電池は、前記炉壁から炉内に突出する状態で設けられていることにある。

本特徴構成によれば、燃料電池が炉壁から炉内に突出する状態で設けられていることにより、燃料電池の熱が炉外に放熱され難いため、燃料電池が適正な作動温度域で発電を行っている状態において、燃料電池の温度低下を抑制して、燃料電池の発電効率を向上させることができる。また、燃料電池のうち炉壁から炉内に突出する部分から燃料電池の熱が炉内に放熱されることにより、燃料電池の熱によって炉内の加熱対象物を加熱する効率を向上させることができる。

さらに、本発明において、
前記燃料電池は、前記炉壁から炉外に突出しない状態で設けられていると好適である。

本特徴構成によれば、燃料電池が炉壁から炉外に突出しない状態で設けられていることにより、燃料電池のうち炉壁から炉内に突出する部分が長くなる。これにより、燃料電池の熱が炉外に更に放熱され難く、燃料電池から炉内に放熱される熱量を増大させることができる。

さらに、本発明において、
前記燃焼器及び前記燃料電池を内装する第一外筒を備え、
前記第一外筒内に、前記空気が流通する空気通路が形成され、
前記第一外筒の周壁のうち前記炉壁から炉内に突出する部分に、前記空気通路と炉内とを連通させる連通孔が形成されていると好適である。

本特徴構成によれば、空気通路内の空気が連通孔を介して炉内のうち第一外筒の外周に流出する。これにより、空気によるフィルム冷却層が第一外筒の外周に形成されることになって、過昇温による第一外筒の損傷を抑制することができる。

さらに、本発明において、
前記空気通路は、前記第一外筒の軸心方向に沿って形成され、
前記空気通路を流通する前記空気の流通方向において、前記連通孔のうち前記第一外筒の内周面側の端部は、前記連通孔のうち前記第一外筒の外周面側の端部よりも上流側に位置していると好適である。

本特徴構成によれば、第一外筒の軸心方向に沿って流通する空気通路内の空気が、連通孔のうち第一外筒の内周面側の端部から連通孔に流入して、連通孔のうち第一外筒の外周面側の端部から炉内のうち第一外筒の外周に流出する。ここで、空気通路を流通する空気の流通方向において、連通孔のうち第一外筒の内周面側の端部は、連通孔のうち第一外筒の外周面側の端部よりも上流側に位置している。これにより、空気通路を流通する空気がその流通方向を急激に変化させることなく連通孔を流通することになり、空気通路内の空気を連通孔を介して炉内のうち第一外筒の外周にスムーズに流出させることができる。また、例えば、第一外筒の軸心方向に直交する方向に空気を流通させる場合に比べて、第一外筒の外側で第一外筒の近傍に空気を流出させてフィルム冷却層を形成することにより、当該フィルム冷却層による第一外筒の冷却効果を一層高めることができる。

さらに、本発明において、
前記連通孔は、複数設けられていると好適である。

本特徴構成によれば、空気通路内の空気が複数の連通孔を介して炉内のうち第一外筒の外周に流出することにより、空気による第一外筒の外周部に対する冷却効果を高めることができる。

さらに、本発明において、
前記連通孔は、前記第一外筒の周方向に複数設けられていると好適である。

本特徴構成によれば、第一外筒の外周部を周方向の広い範囲に亘って冷却することができる。

さらに、本発明において、
前記連通孔は、前記第一外筒の軸心方向に複数設けられていると好適である。

本特徴構成によれば、第一外筒の外周部を軸心方向の広い範囲に亘って冷却することができる。

さらに、本発明において、
前記第一外筒に外嵌される第二外筒を備え、
前記第一外筒と前記第二外筒との間に、炉内からの排ガスが流通する排ガス通路が形成され、
前記第二外筒は、前記第一外筒の軸心方向に直交する方向視において、前記連通孔と重複しない状態で設けられていると好適である。

本特徴構成によれば、連通孔から炉内のうち第一外筒部の外周に流出する空気と、排ガス通路を流通する排ガスとが互いに干渉することがなく、両者の流通性を確保することができる。

さらに、本発明において、
前記第二外筒は、前記第一外筒の軸心方向において、前記第一外筒のうち前記燃焼器を内装する部分の全長に亘って設けられていると好適である。

本特徴構成によれば、第一外筒のうち燃焼器を内装する部分の全長が、排ガス通路内の排ガスによって加熱されて、第一外筒内の燃焼器が第一外筒の輻射熱によって全体的に加熱されることになる。これにより、燃焼器本体の温度が適正温度から低下しないように燃焼器を保温して、燃焼器による燃料の燃焼効率を向上させることができる。

燃焼装置を示す縦断面図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。

本発明を実施するための形態について、図面に基づき説明する。なお、以下の説明では、図１において、紙面右側を「先端側」、紙面左側を「基端側」とする。

〔燃焼装置の全体構成〕
図１及び図２に示すように、燃焼装置１は、加熱炉２の炉壁２Ａに設置されている。燃焼装置１は、燃料Ｆを燃焼器３によって燃料過濃状態で燃焼させて、燃焼器３から排出された燃焼ガスＣＧと空気Ａとを燃料電池４によって化学反応させることにより発電を行うと共に、火炎Ｂを先端部から噴出して炉内Ｉの加熱対象物（図示省略）を加熱する。燃焼装置１は、燃焼器３と、燃料電池４と、燃焼筒５（本発明に係る「第一外筒」に相当）と、排ガス筒６（本発明に係る「第二外筒」に相当）と、空気筒７と、を備えている。燃焼器３及び燃料電池４は、基端側からこの順に並ぶ状態で燃焼筒５に内装されている。空気Ａは、燃焼器３と燃料電池４とで共用されている。

〔燃焼器〕
燃焼器３は、都市ガス等の燃料Ｆを燃料過濃状態で燃焼させる。燃焼器３は、先端面が開口する筒状（例えば、円筒状）に形成されている。燃焼器３には、燃料Ｆと空気Ａとの混合気Ｍ（過濃予混合気）がヘッダー８を介して供給される。燃焼器３のうちヘッダー８（混合室８ｃ）内に突出する部分には、混合気入口部３ａが形成されている。燃焼器３内には、混合気Ｍを燃焼させる燃焼室３ｂが形成されている。混合気入口部３ａは、混合気Ｍを燃焼器３の内周の接線方向に沿って燃焼室３ｂに流入させるように形成されている。すなわち、燃焼器３は、燃焼室３ｂで混合気Ｍが旋回燃焼して燃焼器３の周壁から僅かに離間した管状火炎を形成する管状火炎バーナによって構成されている。

燃焼器３は、複数（例えば、七個）設けられている。七個の燃焼器３のうち、一の燃焼器３は、その軸心が燃焼筒５の軸心Ｘ上に位置するように配置され、残りの燃焼器３は、一の燃焼器３の軸心（燃焼筒５の軸心Ｘ）を中心とする同一円周上に等角度間隔で配置されている。

〔ヘッダー〕
ヘッダー８は、基端面が開口する筒状（例えば、円筒状）に形成されている。ヘッダー８の基端面には、燃料入口部８ａが形成されている。ヘッダー８の周壁には、空気入口部８ｂが形成されている。ヘッダー８内には、混合気Ｍを生成する混合室８ｃが形成されている。

〔燃料電池〕
燃料電池４は、燃焼ガスＣＧ中の水素や一酸化炭素等の還元成分と空気Ａ中の酸素とを電解質４ｃによって化学反応させることにより発電を行う。本実施形態では、燃料電池４として、例えば、固体酸化物形の燃料電池が採用されている。燃料電池４は、先端面及び基端面が開口する円筒型セルによって構成されている。燃料電池４の周壁は、内周面側の燃料極４ａ（アノード極）と外周面側の空気極４ｂ（カソード極）とで電解質４ｃを挟む三層構造である。燃料電池４内には、燃焼室３ｂから排出された燃焼ガスＣＧが流通する燃焼ガス通路４ｄが形成されている。

燃料電池４は、複数（例えば、七個）設けられている。七個の燃料電池４のうち、一の燃料電池４は、その軸心が燃焼筒５の軸心Ｘ上に位置するように配置され、残りの燃料電池４は、一の燃料電池４の軸心（燃焼筒５の軸心Ｘ）を中心とする同一円周上に等角度間隔で配置されている。

燃料電池４は、炉壁２Ａから炉内Ｉに突出する状態で、かつ、炉壁２Ａから炉外Ｏに突出しない状態で設けられている。燃料電池４の基端は、炉壁２Ａの内周面よりも炉外Ｏ側であって炉壁２Ａの外周面よりも炉内Ｉ側に位置している。すなわち、燃料電池４は、全部が炉壁２Ａの外周面よりも炉内Ｉ側に位置するように設けられている。具体的には、燃料電池４は、大部分が炉壁２Ａの内周面よりも炉内Ｉ側に位置し、一部が炉壁２Ａの内周面よりも炉外Ｏ側であって炉壁２Ａの外周面よりも炉内Ｉ側に位置するように設けられている。

〔燃焼筒〕
燃焼筒５は、炉壁２Ａから炉内Ｉ及び炉外Ｏに突出する状態で設けられている。燃焼筒５のうち炉壁２Ａから炉内Ｉに突出する部分の長さＬ１は、燃焼筒５のうち炉壁２Ａから炉外Ｏに突出する部分の長さＬ２よりも長い。燃焼筒５は、先端面が開口する筒状（例えば、円筒状）に形成されている。燃焼筒５の周壁のうち炉壁２Ａから炉外Ｏに突出する部分には、空気入口部５ａが形成されている。燃焼筒５内のうちヘッダー８、燃焼器３及び燃料電池４の外側には、空気Ａが流通する空気通路５ｂが形成されている。空気通路５ｂは、燃焼筒５の軸心Ｘ方向に沿って形成されている。燃焼筒５の周壁のうち炉壁２Ａから炉内Ｉに突出する部分には、連通孔５ｃが形成されている。

〔連通孔〕
連通孔５ｃは、空気通路５ｂと炉内Ｉとを連通させている。連通孔５ｃは、燃焼筒５の軸心Ｘ方向に等間隔Ｄ１で複数設けられていると共に、燃焼筒５の周方向に等間隔Ｄ２で複数設けられている。連通孔５ｃは、燃焼筒５の内周面と燃焼筒５の外周面とに亘る孔（例えば、丸孔）である。連通孔５ｃは、燃焼筒５の軸心Ｘ方向に対して斜め方向に燃焼筒５の周壁を貫通している。具体的には、連通孔５ｃは、燃焼筒５の軸心Ｘ方向に対して、連通孔５ｃを流通する空気Ａの流通方向下流側ほど燃焼筒５の軸心Ｘから離れる側に傾斜する方向に、燃焼筒５の周壁を貫通している。すなわち、空気通路５ｂを流通する空気Ａの流通方向（燃焼筒５の軸心Ｘ方向）において、連通孔５ｃのうち燃焼筒５の内周面側の端部は、連通孔５ｃのうち燃焼筒５の外周面側の端部よりも上流側に位置している。

〔排ガス筒〕
排ガス筒６は、燃焼筒５に外嵌されており、炉壁２Ａから炉外Ｏに突出する状態で設けられている。排ガス筒６は、燃焼筒５のうち連通孔５ｃよりも基端側の部分に外嵌されている。すなわち、排ガス筒６は、燃焼筒５の軸心Ｘ方向に直交する方向視において、連通孔５ｃと重複しない状態で設けられている。排ガス筒６は、燃焼筒５の軸心Ｘ方向において、燃焼筒５のうち燃焼器３を内装する部分の全長に亘って設けられている。すなわち、排ガス筒６は、燃焼筒５のうち燃焼器３を内装する部分の全部と重複する状態で設けられている。排ガス筒６の先端は、燃焼器３と燃料電池４との境界よりも先端側に位置している。

排ガス筒６は、先端面が開口する筒状（例えば、円筒状）に形成されている。排ガス筒６の先端面には、排ガス入口部６ａが形成されている。燃焼筒５と排ガス筒６との間には、排ガスＥＧが流通する排ガス通路６ｂが形成されている。排ガス筒６からは、排ガス通路６ｂ内の排ガスＥＧを外気中に排出する排出部６ｃが上方に延出している。

〔空気筒〕
空気筒７は、排ガス筒６のうち炉壁２Ａから炉外Ｏに突出する部分に外嵌されている。空気筒７には、空気入口部７ａが形成されている。空気筒７内のうち燃焼筒５及び排ガス筒６の外側には、空気Ａが流通する空気通路７ｂが形成されている。空気筒７の周壁のうち上面からは、排出部６ｃが上方に突出している。

〔燃焼装置における空気や燃料等の流れ〕
次に、燃焼装置１における空気Ａや燃料Ｆ等の流れについて、図１により説明する。図１に示すように、外気（空気Ａ）が空気入口部７ａから空気通路７ｂに流入する。そして、空気Ａが空気通路７ｂを流通して空気入口部５ａから空気通路５ｂに流入する。

空気通路５ｂでは、空気Ａが先端側に流通して燃焼筒５の先端面から炉内Ｉに流出する。また、空気通路５ｂ内の空気Ａが連通孔５ｃを介して炉内Ｉのうち燃焼筒５の外周に流出する。これにより、空気Ａによるフィルム冷却層Ｃが燃焼筒５の外周に形成されることになって、過昇温による燃焼筒５の損傷を抑制することができる。

また、混合室８ｃには、空気通路５ｂ内の空気Ａが空気入口部８ｂから流入すると共に、燃料Ｆが燃料入口部８ａから流入する。そして、混合室８ｃでは、燃料Ｆと空気Ａとが混合されて混合気Ｍが生成されて、混合気Ｍが混合気入口部３ａから燃焼器３に供給される。

その際、混合気Ｍが燃焼器３の内周の接線方向に沿って燃焼室３ｂに流入することにより、燃焼器３の軸心周りの旋回流が発生する。そうすると、燃焼室３ｂでは、混合気Ｍが旋回燃焼して燃焼器３の周壁から僅かに離間した管状火炎が形成されることになる。そして、この管状火炎による燃焼ガスＣＧが旋回しながら燃焼ガス通路４ｄに流入することになる。これにより、燃焼ガスＣＧが燃料電池４のうち燃料極４ａ（アノード極）に広く一様に接触し易くなって、燃料電池４の発電効率を向上させることができる。そして、燃焼ガスＣＧが燃焼ガス通路４ｄを流通して、火炎Ｂが燃料電池４の先端部から噴出される。

また、炉内Ｉの排ガスＥＧが排ガス入口部６ａから排ガス通路６ｂに流入する。そして、排ガスＥＧが排ガス通路６ｂを流通して、排出部６ｃから外気中に排出される。ここで、空気通路７ｂ内の空気Ａと排ガス通路６ｂ内の排ガスＥＧとの熱交換が排ガス筒６を介して行われることにより、排ガスＥＧの排熱を回収することができる。

ちなみに、本実施形態では、燃焼装置１の稼動が停止されると、燃料Ｆの供給が停止し、空気Ａの供給がしばらく続いて、燃焼器３等の冷却や炉内Ｉのパージを行うようになっている。

以上によれば、燃料電池４が炉壁２Ａから炉内Ｉに突出する状態で設けられていることにより、燃料電池４の熱が炉外Ｏに放熱され難いため、燃料電池４が適正な作動温度域で発電を行っている状態において、燃料電池４の温度低下を抑制して、燃料電池４の発電効率を向上させることができる。また、燃料電池４のうち炉壁２Ａから炉内Ｉに突出する部分から燃料電池４の熱が炉内Ｉに放熱されることにより、燃料電池４の熱によって前記加熱対象物を加熱する効率を向上させることができる。

また、燃料電池４が炉壁２Ａから炉外Ｏに突出しない状態で設けられていることにより、燃料電池４のうち炉壁２Ａから炉内Ｉに突出する部分が長くなる。これにより、燃料電池４の熱が炉外に更に放熱され難く、燃料電池４から炉内Ｉに放熱される熱量を増大させることができる。

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、燃料電池４として、固体酸化物形の燃料電池が採用されているが、これに代えて、燃料電池４として、例えば、溶融炭酸塩形やリン酸形、固体高分子形等の燃料電池が採用されていてもよい。

（２）上記実施形態では、燃料電池４は、大部分が炉壁２Ａの内周面よりも炉内Ｉ側に位置し、一部が炉壁２Ａの内周面よりも炉外Ｏ側であって炉壁２Ａの外周面よりも炉内Ｉ側に位置するように設けられているが、全部が炉壁２Ａの内周面よりも炉内Ｉ側に位置するように設けられていてもよい。

（３）上記実施形態では、燃料電池４は、炉壁２Ａから炉外Ｏに突出しない状態で設けられているが、一部が炉壁２Ａから炉外Ｏに突出する状態で設けられていてもよい。

（４）上記実施形態では、燃焼器３及び燃料電池４は、それぞれ七個ずつ設けられているが、上記実施形態に係る個数に限定されるものではない。

（５）上記実施形態では、連通孔５ｃは、燃焼筒５の軸心Ｘ方向に対して斜め方向に燃焼筒５の周壁を貫通しているが、燃焼筒５の軸心Ｘ方向に直交する方向に燃焼筒５の周壁を貫通していてもよい。

（６）上記実施形態では、連通孔５ｃは、燃焼筒５の軸心Ｘ方向に等間隔Ｄ１で複数設けられていると共に、燃焼筒５の周方向に等間隔Ｄ２で複数設けられているが、上記実施形態に係る個数や間隔に限定されるものではない。

（７）上記実施形態では、連通孔５ｃは、丸孔であるが、他の断面形状の孔、例えば、楕円形や四角形の孔、スリット等であってもよい。

（８）上記実施形態では、排ガス筒６は、燃焼筒５の軸心Ｘ方向において、燃焼筒５のうち燃焼器３を内装する部分の全長に亘って設けられている、すなわち、燃焼筒５のうち燃焼器３を内装する部分の全部と重複する状態で設けられているが、燃焼筒５のうち燃焼器３を内装する部分の一部と重複する状態で設けられていてもよい。

（９）上記実施形態では、燃焼筒５及び排ガス筒６は、円筒状に形成されているが、他の形状の筒状に形成されていてもよい。

本発明は、加熱炉の炉壁に設置される燃焼装置に利用可能である。

１ 燃焼装置
２ 加熱炉
２Ａ 炉壁
３ 燃焼器
４ 燃料電池
５ 燃焼筒（第一外筒）
５ｂ 空気通路
５ｃ 連通孔
６ 排ガス筒（第二外筒）
６ｂ 排ガス通路
Ａ 空気
ＣＧ 燃焼ガス
Ｆ 燃料
Ｉ 炉内
Ｏ 炉外
Ｘ 第一外筒の軸心

Claims (9)

1. 加熱炉の炉壁に設置される燃焼装置であって、
   燃料を燃料過濃状態で燃焼させる燃焼器と、
   前記燃焼器から排出された燃焼ガスと空気とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池と、を備え、
   前記燃料電池は、前記炉壁から炉内に突出する状態で設けられている燃焼装置。
2. 前記燃料電池は、前記炉壁から炉外に突出しない状態で設けられている請求項１に記載の燃焼装置。
3. 前記燃焼器及び前記燃料電池を内装する第一外筒を備え、
   前記第一外筒内に、前記空気が流通する空気通路が形成され、
   前記第一外筒の周壁のうち前記炉壁から炉内に突出する部分に、前記空気通路と炉内とを連通させる連通孔が形成されている請求項１又は２に記載の燃焼装置。
4. 前記空気通路は、前記第一外筒の軸心方向に沿って形成され、
   前記空気通路を流通する前記空気の流通方向において、前記連通孔のうち前記第一外筒の内周面側の端部は、前記連通孔のうち前記第一外筒の外周面側の端部よりも上流側に位置している請求項３に記載の燃焼装置。
5. 前記連通孔は、複数設けられている請求項３又は４に記載の燃焼装置。
6. 前記連通孔は、前記第一外筒の周方向に複数設けられている請求項５に記載の燃焼装置。
7. 前記連通孔は、前記第一外筒の軸心方向に複数設けられている請求項５又は６に記載の燃焼装置。
8. 前記第一外筒に外嵌される第二外筒を備え、
   前記第一外筒と前記第二外筒との間に、炉内からの排ガスが流通する排ガス通路が形成され、
   前記第二外筒は、前記第一外筒の軸心方向に直交する方向視において、前記連通孔と重複しない状態で設けられている請求項３から７の何れか一項に記載の燃焼装置。
9. 前記第二外筒は、前記第一外筒の軸心方向において、前記第一外筒のうち前記燃焼器を内装する部分の全長に亘って設けられている請求項８に記載の燃焼装置。

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