JP2018091592A

JP2018091592A - 水素ガスバーナ構造およびこれを備えた水素ガスバーナ装置

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Publication number: JP2018091592A
Application number: JP2016237895A
Authority: JP
Inventors: 平田　耕一; Koichi Hirata; 耕一平田; 大祐佐久間; Daisuke Sakuma; 健志朗三村; Kenshiro Mimura
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-12-07
Filing date: 2016-12-07
Publication date: 2018-06-14
Anticipated expiration: 2036-12-07
Also published as: CN108224425B; US10627107B2; EP3333481B1; EP3333481A1; JP6551375B2; CN108224425A; US20180156451A1

Abstract

【課題】燃料ガスに水素ガスを用いた場合であっても、火炎温度を抑えることでＮＯｘの濃度を低減することができる水素ガスバーナ構造を提供する。【解決手段】水素ガスバーナ構造１には、先端が開放した、第１円筒管１０、第２円筒管２０、および第３円筒管３０が、内側から同心円状に配置されている。第１円筒管１０の内部には、水素ガスＧ１が流れる第１流路４１が形成されており、第１円筒管１０と第２円筒管２０との間には第１支燃性ガスＧ２が流れる第２流路４２が形成され、第２円筒管２０と、第３円筒管３０との間には、第２支燃性ガスＧ３が流れる第３流路４３が形成されている。第１円筒管１０の先端１１は、第２および第３円筒管２０、３０の先端２１、３１よりも、上流側に位置し、第２円筒管２０の内部には、水素ガスＧ１と第１支燃性ガスＧ２とが混合された混合ガスに点火する点火装置４０が配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスに水素ガスを用いた水素ガスバーナ構造およびこれを備えた水素ガスバーナ装置に関する。

従来から、燃料ガスに水素ガスを用いたガスバーナ装置（燃焼バーナ装置）が提案されており、水素ガスと酸素ガスを混合した混合ガスに、点火装置で点火することにより、火炎が生成される。

たとえば、特許文献１には、以下に示すガスバーナ装置の構造が提案されている。この構造では、同心円状に、内管と外管が配置され、内管には酸素含有ガス流路が形成されており、内管と外管との間には、燃料ガス流路が形成されている。さらに、内管の先端は蓋部により閉塞されており、内管の周方向および長手方向には、燃料ガス流路に、酸素含有ガスを径方向に噴出させる複数の噴出孔が形成されている。さらに、複数の貫通孔よりも上流側の内管の外壁面には、酸素含有ガスと燃料ガスとが混合された混合ガスに点火する点火装置が配置されている。

特許文献１に係るガスバーナ装置の構造では、内管の先端が蓋部で閉塞されていることから、内管に形成された複数の噴出孔から、径方向に噴出した酸素含有ガスは、燃料ガスと混合される。点火装置は、複数の貫通孔よりも上流側に配置されているので、点火装置による点火により、上流側から下流側に向けて、段階的に、混合ガスの燃焼が起こる。これにより、局所的な温度上昇がなく、ＮＯｘの発生を抑えることができる。

特開２００７−１６２９９３号公報

しかしながら、特許文献１に示す、ガスバーナ装置の構造に対して、燃料ガスに水素ガスを用いた場合、水素ガスは、都市ガスなどの炭化水素系ガスに比べて燃焼速度が速いため、水素ガスが拡散する前に水素ガスの燃焼が一気に進んでしまう。このため、水素ガスが燃焼した火炎部分は、都市ガスに比べて高温になり易く、空気中のＮ_２の酸化反応でＮＯｘが生成され、燃焼後の排ガス中にＮＯｘが比較的多く含まれ易くなる。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、燃料ガスに水素ガスを用いた場合であっても、緩慢な燃焼をさせることで火炎の高温化を抑えることにより、燃焼後の排ガス中のＮＯｘ濃度を低減することができる水素ガスバーナ構造およびこれを備えた水素ガスバーナ装置を提供することにある。

発明者らは鋭意検討を重ねた結果、燃料ガスである水素ガスが放出される方向と同じ方向に沿って、水素ガスの周りに酸素ガスを含む支燃性ガスを放出させれば、水素ガスと支燃性ガスとが積極的に混合されないと考えた。これにより、たとえ、都市ガスなどの炭化水素系ガスに比べて燃焼速度が速い水素ガスを用いたとしても、一気に燃焼が進むのを抑え、拡散燃焼を実現できると考えた。

本発明は、このような考えに基づくものであり、本発明に係る水素ガス燃焼バーナ構造は、先端が開放した、第１円筒管、第２円筒管、および第３円筒管が、内側から同心円状に配置されており、前記第１円筒管の内部は、前記第１円筒管の先端に向かって水素ガスが流れる第１流路とされており、前記第１円筒管と、前記第２円筒管との間は、前記第２円筒管の先端に向かって、前記水素ガスの一次燃焼用の、酸素ガスを含む第１支燃性ガスが流れる第２流路とされており、前記第２円筒管と、前記第３円筒管との間は、前記第３円筒管の先端に向かって、前記水素ガスの二次燃焼用の、酸素ガスを含む第２支燃性ガスが流れる第３流路とされており、前記第１円筒管の先端は、前記第２および第３円筒管の先端よりも、前記水素ガスおよび前記第１および第２支燃性ガスが流れるガス流通方向の上流側に位置し、前記第２円筒管の内部には、前記水素ガスと前記第１支燃性ガスとが混合された混合ガスに点火する点火装置が配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、第１円筒管には、水素ガスが流れる第１流路が形成され、第１円筒管と、第２円筒管との間には、第２円筒管の先端に向かって、水素ガスの一次燃焼用の第１支燃性ガスが流れる第２流路が形成され、第１円筒管と第２円筒管とは、同心円状に配置されている。これにより、第１流路から放出される水素ガスは、第２流路から放出される第１支燃性ガスに囲まれるように、略同じ方向に向かって流れる。このため、水素ガスと第１支燃性ガスとは、積極的に混合されない。この状態で、水素ガスと第１支燃性ガスとが一部混合された領域で、これらが混合された混合ガスに点火装置で点火しても、燃焼負荷によらず、水素ガスと第１支燃性ガスとにより、緩慢な一次燃焼が起こる。

さらに、第２円筒管と第３円筒管との間には、水素ガスの二次燃焼用の第２支援性ガスが流れる第３流路が形成され、第２円筒管と第３円筒管とは、同心円状に配置されている。したがって、第２支燃性ガスも、第１支燃性ガスにより未燃焼となった水素ガスと、積極に混合されない。これにより、未燃焼の水素ガスと、第２支燃性ガスとにより、緩慢な二次燃焼が起こる。

このようにして、本発明では、水素ガスと第１支燃性ガスとの上述した一次燃焼後、一次燃焼で未燃焼となった水素ガスを、その周りを流れる第２支燃性ガスにより上述した二次燃焼を行うことができるため、水素ガスを緩慢に燃焼させることができる。これにより、燃料ガスに水素ガスを用いた場合であっても、緩慢な燃焼により火炎の高温化を抑えることにより、燃焼後の排ガス中のＮＯｘの発生を低減することができる。

第１実施形態に係る水素ガスバーナ構造の模式的断面図である。図１に示す水素ガスバーナ構造の先端近傍の断面図である。図２に示すＡ−Ａ線に沿った矢視方向の断面図である。第２実施形態に係る水素ガスバーナ構造の模式的断面図である。図４に示すＢ−Ｂ線に沿った矢視方向の断面図である。第３実施形態に係る水素ガスバーナ構造の模式的断面図である。実施例１、比較例１、および参考例１に係る燃焼負荷率とＮＯｘの濃度との関係を示した図である。第２円筒管と第３円筒管の先端間距離Ｌ２とＮＯｘの濃度との関係を示した図である。

以下に、図１〜５を参照しながら、ガスバーナ構造を備えたガスバーナ構造の２つの実施の形態を説明する。

〔第１実施形態〕
１．水素ガスバーナ装置１００について
図１は、第１実施形態に係る水素ガスバーナ構造１を備えた水素ガスバーナ装置１００の模式的断面図であり、図２は、図１に示す水素ガスバーナ構造１の先端近傍の断面図である。図３は、図２に示すＡ−Ａ線に沿った矢視方向の断面図である。

図１に示すように、第１実施形態に係る水素ガスバーナ装置１００は、水素ガスＧ１を燃料としたガスバーナ装置であって、水素ガスバーナ構造１と、水素ガスＧ１と、少なくとも後述する第１支燃性ガスＧ２の流量を制御する制御装置２とを少なくとも備えている。図１〜３に示すように、水素ガスバーナ構造１は、その先端側において、内側から同心円状（同じ中心軸Ｃ）に配置された第１円筒管１０、第２円筒管２０、および第３円筒管３０を備えている。第１円筒管１０、第２円筒管２０、および第３円筒管３０は、例えば、ステンレス鋼などの金属材料からなる。

第１円筒管１０の内部には、第１円筒管１０の先端１１に向かって燃料ガスとして、水素ガスＧ１が流れる第１流路４１が形成されている。具体的には、第１円筒管１０には、流量調整弁５２を介して、水素ガス供給源５１が接続されている。第１円筒管１０の先端１１は開放されており、先端１１には、円形の開口が形成されている。このようにして、第１円筒管１０の内部は、水素ガスＧ１が流れる第１流路４１とされ、第１流路４１では、中心軸Ｃに沿った方向（ガス流通方向ｄ）に沿って、水素ガスＧ１を流し、これを先端１１から放出させることができる。

第２円筒管２０の先端２１は開放されており、この先端２１には円形の開口が形成されている。第１円筒管１０と第２円筒管２０との間には、第２円筒管２０の先端２１に向かって、酸素ガスを含む第１支燃性ガスＧ２が流れる第２流路４２が形成されている。具体的には、第２円筒管２０は、第１円筒管１０を挿通した状態の接続部２２により接続されており、接続部２２は、流量調整弁６２を介して、第１支燃性ガス供給源６１に接続されている。

ここで、第１支燃性ガスＧ２は、水素ガスＧ１の一次燃焼用のガスである。後述する第２支燃性ガスＧ３は、第１支燃性ガスＧ２の不足により未燃焼となった水素ガスＧ１を燃焼させるための二次燃焼用のガスである。第１支燃性ガスＧ２および第２支燃性ガスＧ３は、酸素ガスを含有したガスであればよく、例えば、空気（大気）、または酸素ガスに不活性ガスを混合したガスなどを挙げることができる。

図１および図３に示すように、第２円筒管２０の基端に位置する接続部２２の内部には、複数の貫通孔２４が形成された整流板２３が配置されている。これにより、第１円筒管１０と、第２円筒管２０との間は、水素ガスＧ１の一次燃焼用の第１支燃性ガスＧ２が流れる第２流路４２とされ、整流板２３よりも下流の第２流路４２では、第２円筒管２０に供給された第１支燃性ガスＧ２を、中心軸Ｃに沿った方向（ガス流通方向ｄ）に沿って流すことができる。なお、本実施形態では整流板２３により、第１支燃性ガスＧ２の流れをガス流通方向ｄに沿って流したが、第１支燃性ガスＧ２にこのような流れを形成することができるのであれば、その構造は特に限定されるものではない。

第３円筒管３０の先端３１は開放されており、この先端３１には円形の開口が形成されている。水素ガスバーナ構造１の第２円筒管２０と、第３円筒管３０との間には、第３円筒管３０の先端３１に向かって酸素ガスを含む第２支燃性ガスＧ３が流れる第２流路４２が形成されている。具体的には、第３円筒管３０は、接続部３２により接続されており、接続部２２は、流量調整弁７２を介して、第２支燃性ガス供給源７１に接続されている。

第３円筒管３０の基端に位置する接続部３２の内部には、複数の貫通孔３４が形成された整流板３３が配置されている。これにより、第２円筒管２０と、第３円筒管３０との間は、水素ガスＧ１の二次燃焼用の第２支燃性ガスＧ３が流れる第２流路４２とされ、整流板３３よりも下流の第３流路４３では、第３円筒管３０に供給された第２支燃性ガスＧ３を、中心軸Ｃに沿った方向（ガス流通方向ｄ）に沿って流すことができる。なお、本実施形態では整流板３３により、第２支燃性ガスＧ３の流れをガス流通方向ｄに沿って流したが、第２支燃性ガスＧ３にこのような流れを形成することができるのであれば、その構造は特に限定されるものではない。

本実施形態では、好ましい態様として、第２流路４２の流路断面積は、第３流路４３の流路断面積よりも小さくなっている。これにより、第２流路４２を流れる第１支燃性ガスＧ２の流量が、第３流路４３を流れる第２支燃性ガスＧ３の流量よりも少ない状態をより簡単に実現できる。この結果、第１支燃性ガスＧ２による一次燃焼で、水素ガスＧ１を完全に燃焼させずに、第２支燃性ガスＧ３による二次燃焼で、一次燃焼において不燃焼となった水素ガスを完全に燃焼させることができる。

上述した第１、第２、および第３流路４１、４２、４３を形成することができるのであれば、第１、第２、および第３円筒管１０、２０、３０の大きさは、特に限定されるものではない。たとえば、第１円筒管１０の外径は、５〜５０ｍｍ、内径は、４〜３０ｍｍ、肉厚は、１〜１１ｍｍであることが好ましく、第２円筒管２０の外径は、３０〜２００ｍｍ、内径は、２５〜１８０ｍｍ、肉厚は、１〜１１ｍｍであることが考えられる。また、第３円筒管３０の外径は、４５〜２５０ｍｍ、内径は、３５〜２２０ｍｍ、肉厚は、１〜１６ｍｍであることが考えられる。さらに、第１〜第３円筒管の長さは、９０〜２２０ｍｍであることが考えられる。

本実施形態では、第１円筒管１０の先端１１は、第２および第３円筒管２０、３０の先端２１、３１よりも、水素ガスＧ１および第１および第２支燃性ガスＧ２、Ｇ３が流れるガス流通方向ｄの上流側に位置している。さらに、第３円筒管３０の先端３１は、第２円筒管２０の先端２１よりも、ガス流通方向ｄの上流側に位置している。

たとえば、第１円筒管の先端１１と第２円筒管の先端２１との距離Ｌ１は、水素ガスＧ１と第１支燃性ガスＧ２により安定した一次燃焼が可能であれば、特に限定されるものではないが、１００〜２１０ｍｍである。さらに、第２円筒管２０の先端２１と、第３円筒管３０の先端３１との距離Ｌ２も、第１支燃性ガスＧ２の不足により未燃焼となった水素ガスを燃焼させることができるのであれば、特に限定されるものではない。しかしながら、後述する発明者らの実験の結果から、少なくとも０ｍｍよりも大きく、例えば、１０〜１３０ｍｍに設定される。これにより、上述した水素ガスバーナ構造１と、流量調整弁５２、６２、７２の弁開度を調整とにより、調整される水素ガスバーナ装置１００の燃焼負荷率によらず、燃焼後の排ガスのＮＯｘの生成量を低減することができる。

さらに、水素ガスバーナ構造１は、例えば、パイロットバーナ用の点火プラグなどで例示される点火装置４０を備えている。図１および図２では、点火装置４０の構造を簡略化して記載しており、これらの図面では、点火装置４０の点火位置（点火棒の先端）を示している。

点火装置４０は、第２円筒管２０の内部において、水素ガスＧ１と第１支燃性ガスＧ２とが混合された混合ガスに点火する。具体的には、本実施形態では、水素ガスＧ１と第１支燃性ガスＧ２とは、第１円筒管１０の先端１１の近傍において、混合されるため、点火装置４０は、第１円筒管１０の先端１１の近傍に配置されている。

制御装置２から出力される制御信号に基づいて流量調整弁５２、６２、７２の弁開度を調整し、設定された各ガスの流量で各ガスを水素ガスバーナ構造１に供給するように、制御装置２は、これらのガスの流量を制御（調整）する。具体的には、まず、制御装置２は、水素ガスバーナ装置１００の燃焼負荷率（出力される熱量の比率）に応じて、水素ガスＧ１の流量を設定し、これに応じた第１支燃性ガスＧ２および第２支燃性ガスＧ３の流量を設定する。この際、水素ガスバーナ装置１００の燃焼負荷率の最小値において、水素ガスＧ１が第１円筒管１０の先端１１から放出される流速が、少なくとも１５ｍ／ｓとなるように、流速制御用の絞り弁（図示せず）をさらに設けてもよい。

第１支燃性ガスＧ２および第２支燃性ガスＧ３の流量の設定は、以下のように行う。具体的には、第２流路４２を流れる第１支燃性ガスＧ２の流量が、第１流路４１に流れる水素ガスＧ１を完全燃焼させる流量よりも少なく、かつ、第３流路４３を流れる第２支燃性ガスＧ３の流量よりも少なくなるように、これらの流量を設定する。

なお、第１支燃性ガスＧ２の流量は、第１流路４１に流れる水素ガスＧ１を完全燃焼させる流量の５％以下の流量に、設定されることが好ましい。また、第２支燃性ガスＧ３で、未燃焼となった水素ガスＧ１を完全に燃焼させることができる流量に、第２支燃性ガスＧ３の流量が設定されることが好ましい。

このように各ガスの流量が設定された流量となるように、制御装置２は、流量調整弁５２、６２、７２を駆動し、水素ガスＧ１、第１および第２支燃性ガスＧ２、Ｇ３の流量を調整する。本実施形態では、その好ましい態様として、制御装置２を備えた例を示したが、しかしながら、制御装置２を備えない場合は、流量調整弁５２、６２、７２を流れる流量を直接手動で調整してもよい。また、制御装置２により、点火装置４０の点火タイミングを制御してもよい。さらに、第２支燃性ガスＧ３が、未燃焼となった水素ガスＧ１を完全に燃焼させることができる充分な流量を供給できるのであれば、第２支燃性ガスＧ３の流量を一定とし、制御装置２は、第２支燃性ガスＧ３の流量を制御せず、水素ガスＧ１および第１支燃性ガスＧ２の流量のみを制御してもよい。

２．水素ガスバーナ構造１を用いた水素ガスＧ１の燃焼方法について
本実施形態では、図１に示す水素ガスバーナ装置１００を用いて、制御装置２による流量調整弁５２、６２、７２の駆動制御により、水素ガスＧ１、第１および第２支燃性ガスＧ２、Ｇ３の流量が以下の関係を満たした状態で、水素ガスＧ１を燃焼させる。

具体的には、第２流路４２を流れる第１支燃性ガスＧ２の流量が、第１流路４１に流れる水素ガスＧ１を完全燃焼させる流量よりも少なくなるように、水素ガスＧ１と第１支燃性ガスＧ２とを流す。これに加えて、第２流路４２を流れる第２支燃性ガスＧ３の流量が、第３流路４３を流れる第２支燃性ガスＧ３の流量よりも少なくなるように、第１支燃性ガスＧ２と第２支燃性ガスＧ３とを流す。

水素ガスＧ１、第１および第２支燃性ガスＧ２、Ｇ３の流量の上述した関係を、満たしつつ、点火装置４０により、水素ガスＧ１と第１支燃性ガスＧ２が混合された混合ガスに点火する。

本実施形態では、同心円状に配置された第１円筒管１０と第２円筒管２０とにより、第１流路４１から放出される水素ガスＧ１と、第２流路４２から放出される第１支燃性ガスＧ２とが、略同じ方向に向かって流れる。このため、第２円筒管２０の内部において、水素ガスＧ１と第１支燃性ガスＧ２とは、積極的に混合されない。さらに、第１円筒管１０の先端１１は、第２円筒管２０の先端２１よりも上流側に位置するので、第１円筒管１０の先端１１よりも下流側の第２円筒管２０の内部において、水素ガスＧ１を囲うように第１支燃性ガスＧ２を放出させることができる。

この状態で、第１円筒管１０の先端１１よりも下流側の第２円筒管２０の内部において、水素ガスＧ１と第１支燃性ガスＧ２とが一部混合された領域において、点火装置４０で混合ガスに点火する。これにより、水素ガスＧ１と第１支燃性ガスＧ２とにより、緩慢な一次燃焼が起こる。また、本実施形態では、第２流路４２を流れる第１支燃性ガスＧ２の流量が、第１流路４１に流れる水素ガスＧ１を完全燃焼させる流量よりも少ないため、水素ガスＧ１が一次燃焼において、完全燃焼が抑えられ、緩慢な燃焼になるものと考えられる。緩慢な燃焼では火炎温度が極端に高くなりにくく、ＮＯｘの生成も抑制されると考えられる。

本実施形態では、同心円状に配置された第２円筒管２０と第３円筒管３０とにより、第３流路４３から放出される第２支燃性ガスＧ３は、中心軸Ｃと交わる方向に流れ難い。したがって、第２支燃性ガスＧ３も、第１支燃性ガスＧ２により未燃焼となった水素ガスＧ１と、積極的に混合されない。これにより、未燃焼の水素ガスＧ１と、第２支燃性ガスＧ３よりにより、緩慢な二次燃焼が起こる。

また、本実施形態では、制御装置２により、第２流路４２を流れる第１支燃性ガスＧ２の流量が、第３流路４３を流れる第２支燃性ガスＧ３の流量よりも少なくなるように制御される。これにより、第１支燃性ガスＧ２による水素ガスＧ１の一次燃焼が制限され、その周りを流れる第２支燃性ガスＧ３により、未燃焼の水素ガスが二次燃焼する。

このような一次燃焼および二次燃焼により、水素ガスＧ１を拡散燃焼させることができるため、火炎Ｆの温度の上昇を抑制することができる。これにより、燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度を低減することができるとともに、水素ガスバーナ装置１００の寿命を向上させることができる。さらに、炭化水素系ガスに比べて燃焼速度が速い水素ガスであっても、これを拡散燃焼させるので、ガス流通方向ｄの上流側に向かう逆火を低減することができる。

特に、第３円筒管３０の先端３１は、第２円筒管２０の先端２１よりも、ガス流通方向ｄの上流側に位置しているので、第３流路４３を流れる第２支燃性ガスＧ３は、中心軸Ｃから離れる方向に、放射状に放出される。これにより、一次燃焼において未燃焼の水素ガスＧ１を、第２支燃性ガスＧ３により、反応時間が長くなるように二次燃焼させることができる。この結果、後述するように、水素ガスバーナ装置１００の燃焼負荷率によらず、燃焼後の排ガス中のＮＯｘを低減することができる。

〔第２実施形態〕
図４は、第２実施形態に係る水素ガスバーナ構造１の模式的断面図であり、図５は、図４に示すＢ−Ｂ線に沿った矢視方向の断面図である。第２実施形態に係る水素ガスバーナ構造が、第１実施形態に係る水素ガスバーナ構造と相違する点は、第１円筒管に貫通孔を設けた点と、点火装置の位置である。したがって、第１実施形態と同じ構成は、その詳細な説明を省略する。

本実施形態に係る水素ガスバーナ構造１は、第１円筒管１０の先端１１の近傍の管壁に、第１流路４１と第２流路４２とを連通する貫通孔１６が形成されている。また、点火装置４０は、貫通孔１６よりも、ガス流通方向ｄの下流の第２流路４２に配置されている。

これにより、貫通孔１６を通過する僅かな水素ガスＧ１と第２流路４２を通過する第２支燃性ガスＧ３とが混合され、第１円筒管１０の先端１１よりもガス流通方向ｄに沿った上流において、点火装置４０により混合ガスに点火することができる。このような結果、発熱密度（エネルギ密度）の高い第１円筒管１０の先端１１よりも下流に、点火装置４０を配置する必要がないので、点火装置４０の寿命を向上させることができる。

〔第３実施形態〕
図６は、第３実施形態に係る水素ガスバーナ構造の模式的断面図である。図６に示すように、第３実施形態に係る水素ガスバーナ構造が、第１実施形態に係る水素ガスバーナ構造と相違する点は、第２円筒管２０の基端２６を、第３円筒管３０の接続部３２の内部に連通させ、第１および第２支燃性ガスＧ２、Ｇ３を、共通の流量調整弁８２を介して支燃性ガス供給源８１から供給した点である。したがって、第１実施形態と同じ構成は、その詳細な説明を省略する。

本実施形態では、第２円筒管２０は、基端２６側において、整流板２３、３３により挟持されている。第２円筒管２０は、第２円筒管２０の基端２６は解放されており、第３円筒管３０の接続部３２内に配置されている。第３円筒管３０は、接続部３２に接続されており、接続部３２は、流量調整弁８２を介して、空気などの酸素を含む支燃性ガスＧを供給する支燃性ガス供給源８１に接続されている。したがって、第１および第２支燃性ガスＧ２、Ｇ３は、共通の支燃性ガス供給源８１から供給され、これらの総流量は、１つの流量調整弁８２により調整される。

ここで、各整流板２３、３３は、第２および第３流路４２、４３に流す第１および第２支燃性ガスＧ２、Ｇ３の流量比に応じた流量断面積比となるように、複数の貫通孔２４、３４が、図３に示す配列状態で形成されている。具体的には、第２流路４２を流れる第１支燃性ガスＧ２の流量が、第３流路４３を流れる第２支燃性ガスＧ３の流量よりも少なくなるように、整流板２３、３３の各貫通孔２４、３４の口径を設定することにより、整流板２３、３３の流量断面積比が設定されている。

このように、複数の貫通孔２４、３４が形成された各整流板２３、３３は、第２および第３流路４２、４３に流れる第１および第２支燃性ガスＧ２、Ｇ３の流量比を一定にする絞り部となる。そして、制御装置２が流量調整弁８２の弁開度を調整（制御）しても、一定の絞り比（第１および第２支燃性ガスＧ２、Ｇ３を一定の流量比）で、第１および第２支燃性ガスＧ２、Ｇ３を、第２および第３流路４２、４３に流すことができる。

さらに、制御装置２から出力される制御信号に基づいて流量調整弁５２、８２の弁開度を調整し、設定された各ガスの流量で各ガスを水素ガスバーナ構造１に供給するように、制御装置２は、これらのガスの流量を制御（調整）する。本実施形態では、水素ガスＧ１の流量に対して、第１実施形態に示した、第１支燃性ガスＧ２の流量の関係を満たすように、制御装置２は、制御信号を出力する。これにより、制御装置２は、流量調整弁５２、８２を駆動させ、これらの弁開度を調整する。第２支燃性ガスＧ３は、第１支燃性ガスＧ２に対して一定の流量比で、第３流路４３を流れる。

このようにして、本実施形態では、１つの流量調整弁８２により、支燃性ガス供給源８１からの支燃性ガスＧを、一定の流量比で、第１および第２支燃性ガスＧ２、Ｇ３に分流することができるので、第１実施形態のものに比べて、装置構成がシンプルになる。なお、本実施形態の構造を、第２実施形態の水素ガスバーナ装置１００に適用してもよい。

以下に本発明に係る実施例を説明する。

＜実施例１＞
第２実施形態に係る水素ガスバーナ構造１を備えた水素ガスバーナ装置１００を用いて、水素ガスを燃焼させた。具体的には、第１円筒管１０の内径１６ｍｍ、外径３４ｍｍ、第２円筒管２０の内径９３ｍｍ、外径１０２ｍｍ、および、第３円筒管３０の内径１１８ｍｍ、外径１２８ｍｍにした。第２円筒管２０の先端２１から第１円筒管１０の先端１１までの距離Ｌ１を１６０ｍｍにした。第２円筒管２０の先端２１から第３円筒管３０の先端３１までの距離Ｌ２を８０ｍｍにした。

次に、水素ガスバーナ装置１００の燃焼負荷率が変化するように、水素ガスＧ１の流量を変化させながら、水素ガスＧ１を第１流路４１に流した。第２流路４２に流れる第１支燃性ガスＧ２および第３流路４３に流れる第２支燃性ガスＧ３に、空気を使用した。また、第１流路４１に流れる水素ガスＧ１を完全燃焼させる流量の５％の流量となるように、第１支燃性ガスＧ２を第２流路４２に流した。第１支燃性ガスＧ２の不足により未燃焼となった水素ガスＧ１を完全に燃焼させる流量となるように、第２支燃性ガスＧ３を第３流路４３に流した。燃焼負荷率が変化に伴う、燃焼後の排ガスに含まれるＮＯｘ濃度を測定した。この結果を図７に示す。

＜比較例１＞
図１に示す水素ガスバーナ装置１００の第１円筒管１０の先端１１を閉塞し、第１円筒管１０の先端１１の近傍の周壁に、第２流路４３に連通する複数の貫通孔を設けたガスバーナ装置を準備した。比較例１では、水素ガスバーナ装置１００の燃焼負荷率が変化するように、水素ガスＧ１の流量を変化させながら、水素ガスＧ１を第１流路４１に流した。第２支燃性ガスＧ３を流さず、第１支燃性ガスＧ２のみを流した。第１流路４１に流れる水素ガスＧ１を完全燃焼させる流量となるように、第１支燃性ガスＧ２を第２流路４２に流した。燃焼負荷率が変化に伴う、燃焼後の排ガスに含まれるＮＯｘ濃度を測定した。この結果を図７に示す。

＜参考例１＞
比較例１のガスバーナ装置を用いて、燃焼負荷率が変化に伴う、燃焼後の排ガスに含まれるＮＯｘ濃度を測定した。参考例１では、水素ガスの代わりに炭化水素系の天然ガス（都市ガス）を用いた点が相違する。

（結果１）
図７に示すように、実施例１に係る水素ガスバーナ構造１を備えた水素ガスバーナ装置１００では、比較例１のものに比べて、燃焼後の排ガス中のＮＯｘ濃度が低くなっていた。また、参考例１に係る燃焼後の排ガス中のＮＯｘ濃度は、比較例１のものよりも低かった。

この結果から、比較例１のガスバーナ装置は、第１円筒管１０の先端１１を閉塞し、第１円筒管１０の先端１１の近傍の周壁の貫通孔から、水素ガスＧ１が第１支燃性ガスに積極的に混合されたことにより、水素ガスが狭い空間で一気に燃焼したと考えられる。これにより、火炎の温度が高くなり、ＮＯｘ濃度が実施例１のものに比べて高くなったと考えられる。

一方、参考例１では、天然ガスを用いたので、水素ガスに比べて、天然ガスの燃焼速度が遅いため、緩慢な燃焼となり、火炎の温度は、比較例１のものよりも低くなったと考えらえる。

＜実施例２＞
実施例１と同じようにして、水素ガスバーナ装置１００を用いて、燃焼後の排ガス中のＮＯｘ濃度を測定した。実施例１と相違する点は、水素ガスバーナ装置１００の燃焼負荷率が、１０％、５０％、１００％となる条件で、水素ガスＧ１を、第１流路４１に流し、各燃焼負荷率に対して、第２円筒管２０の先端２１から第３円筒管３０の先端３１までの距離Ｌ２を−８０ｍｍ〜８０ｍｍまで変化させた。なお、距離Ｌ２がマイナスの値は、第３円筒管３０の先端３１が、第２円筒管２０の先端２１よりも上流側に位置しているときの第２円筒管２０の先端２１から第３円筒管３０の先端３１までの距離である。第２円筒管２０と第３円筒管３０の先端間距離とＮＯｘの濃度との関係を図８に示す。

（結果２）
先に説明した比較例１では、図７に示すように、燃焼負荷率が２０％では、燃焼後の排ガス中のＮＯｘ濃度は、５０ｐｐｍ程度であった。しかしながら、図８に示すように、実施例２では、燃焼負荷率が１０％であり、距離Ｌ２が−８０ｍｍであっても、燃焼後の排ガス中のＮＯｘ濃度は、４０ｐｐｍ程度であった。この結果から、距離Ｌ２によらず、実施例２のガスバーナ装置は、比較例１のものよりも、燃焼後の排ガス中のＮＯｘ濃度が低減されていることが分かる。

さらに、図７に示す結果から、第２円筒管２０の先端２１から第３円筒管３０の先端３１までの距離Ｌ２を、０ｍｍよりも大きくにすることにより、燃焼負荷率に拘わらず、ＮＯｘ濃度を低減することができると考えられる。さらに、第２円筒管２０の先端２１から第３円筒管３０の先端３１までの距離Ｌ２を１０ｍｍ以上にすることにより、より確実にＮＯｘ濃度を低減することができると考えられる。

以上、本発明の実施の形態を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１：水素ガスバーナ構造、２：制御装置、１０：第１円筒管、２０：第２円筒管、３０：第３円筒管、４１：第１流路、４２：第２流路、４３：第３流路、１００：水素ガスバーナ装置、Ｇ１：水素ガス、Ｇ２：第１支燃性ガス、Ｇ３：第２支燃性ガス

Claims

先端が開放した、第１円筒管、第２円筒管、および第３円筒管が、内側から同心円状に配置されており、
前記第１円筒管の内部は、前記第１円筒管の先端に向かって水素ガスが流れる第１流路とされており、
前記第１円筒管と、前記第２円筒管との間は、前記第２円筒管の先端に向かって、前記水素ガスの一次燃焼用の、酸素ガスを含む第１支燃性ガスが流れる第２流路とされており、
前記第２円筒管と、前記第３円筒管との間は、前記第３円筒管の先端に向かって、前記水素ガスの二次燃焼用の、酸素ガスを含む第２支燃性ガスが流れる第３流路とされており、
前記第１円筒管の先端は、前記第２および第３円筒管の先端よりも、前記水素ガスおよび前記第１および第２支燃性ガスが流れるガス流通方向の上流側に位置し、
前記第２円筒管の内部には、前記水素ガスと前記第１支燃性ガスとが混合された混合ガスに点火する点火装置が配置されていることを特徴とする水素ガスバーナ構造。
前記第３円筒管の先端は、前記第２円筒管の先端よりも、前記ガス流通方向の上流側に位置していることを特徴とする請求項１に記載の水素ガスバーナ構造。
前記第１円筒管の先端の近傍の管壁には、前記第１流路と前記第２流路とを連通する貫通孔が形成されており、前記貫通孔よりも前記ガス流通方向の下流の前記第２流路に前記点火装置が配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の水素ガスバーナ構造。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の水素ガスバーナ構造と、前記水素ガスバーナ構造に供給する前記水素ガスと、少なくとも前記第１支燃性ガスの流量を制御する制御装置とを、備えた水素ガスバーナ装置であって、
前記第１支燃性ガスと前記第２支燃性ガスとは同じ支燃性ガスであり、
前記制御装置によって、前記第２流路を流れる前記第１支燃性ガスの流量が、前記第１流路に流れる水素ガスを完全燃焼させる流量よりも少なく、かつ、前記第３流路を流れる前記第２支燃性ガスの流量よりも少なくなるように、前記第１支燃性ガスの流量が調整されることを特徴とする水素ガスバーナ装置。