JP2019039590A

JP2019039590A - 水素ガス燃焼用ノズル

Info

Publication number: JP2019039590A
Application number: JP2017161102A
Authority: JP
Inventors: 健志朗三村; Kenshiro Mimura
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-08-24
Filing date: 2017-08-24
Publication date: 2019-03-14

Abstract

【課題】水素ガスと空気との混合が抑制されるため、火炎温度の局所的な上昇を抑制することができる水素ガス燃焼用ノズルを提供する。【解決手段】水素ガスを供給する水素ガス管２と、水素ガス管２を覆うように配置され、一次空気を供給する一次空気管３と、一次空気管３を覆うように配置され、二次空気を供給する二次空気管４と、を備える多重管構造の水素ガス燃焼用ノズルであって、水素ガス管２の内径と管厚、一次空気管３の内径と一次空気管３の端と水素ガス管２の端との距離等の設計因子を、水素ガスと空気との混合を抑制できるものとした。【選択図】図１

Description

本発明は水素ガス燃焼用ノズルに関する。

例えば、水素ガスを燃料として用いたガスバーナーは、水素ガスを供給する燃焼用ノズルを備えている。
特許文献１には、水素ガスと空気とを供給する燃焼用ノズルが開示されている。

特開２００４−２５６３５２号公報

発明者は、水素ガスと空気とを供給する水素ガス燃焼用ノズルに関し、以下の問題点を見出した。
例えば、炭酸水素ガスを燃料として用いるガスバーナーにおいて、炭酸水素ガスと一次空気とを燃焼用ノズル内において混合し、一次空気が混合された炭酸水素ガスに二次空気を混合することにより、燃焼効率を高める方法が知られている。

水素ガスは、炭酸水素ガスに比較して燃焼条件が広く、かつ、燃焼速度が速い。したがって、水素ガスと一次空気とを混合する場合、水素ガスは、燃焼ノズル内の一部分において局所的に激しく燃焼し、高温の火炎を生じることがある。しかしながら、高温の火炎を生じている場合には、空気中の窒素ガスが酸素ガスと反応しやすくなるため、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）が生じやすい。

近年、水素ガスと空気との混合を適正化すると、火炎温度の局所的な上昇が抑制されるため、ＮＯ_Ｘの発生が抑制されることが明らかになりつつある。
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、ＮＯｘの発生を抑制することができる水素ガス燃焼用ノズルを提供するものである。

本発明の一態様に係る水素ガス燃焼用ノズルは、
水素ガスを供給する水素ガス管と、
前記水素ガス管を覆うように配置され、一次空気を供給する一次空気管と、
前記一次空気管を覆うように配置され、二次空気を供給する二次空気管と、を備える多重管構造の水素ガス燃焼用ノズルであって、
前記水素ガス管の内径をφ_Ｈ２（ｍｍ）、前記水素ガス管の管厚をｔ（ｍｍ）、前記一次空気管の内径をφ_ａｉｒ１（ｍｍ）、前記一次空気管の端と前記水素ガス管の端との距離をＬ_１（ｍｍ）、水素ガスの供給量をＱ_Ｈ２（ｍ^３／ｈ）、一次空気と二次空気との比をλ_１：λ_２（但し、λ_１＋λ_２＝１）、とした場合に、以下の数式（１）〜（３）をすべて満たすものである。

本発明に係る水素ガス燃焼用ノズルは、数式（１）〜（３）をずべて満たしている。このような構成により、水素ガスと空気との混合を抑制することができるため火炎温度の局所的な上昇を抑制することができる。その結果、ＮＯｘの発生を抑制することができる。

本発明により、ＮＯｘの発生を抑制することができる水素ガス燃焼用ノズルを提供することができる。

実施の形態に係る水素ガス燃焼用ノズルの縦断面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う水素ガス燃焼用ノズルの横断面図である。実施の形態にかかる水素ガス燃焼用ノズルの縦断面図である。ＮＯｘ濃度の望小特性解析の結果を示すグラフである。水素ガス燃焼用ノズルの温度を測定した結果を示す図である。水素ガス燃焼用ノズルの温度を測定した結果を示す図である。燃焼量とＮＯｘ濃度の関係を測定した結果を示すグラフである。一次空気の流速と水素ガスの流速との割合と、ＮＯｘの発生と、の関係を測定した結果を示すグラフである。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

図１は、実施の形態に係る水素ガス燃焼用ノズル１の構成について説明する縦断面図である。図１に示すように、水素ガス燃焼用ノズル１は、水素ガス管２、一次空気管３、及び二次空気管４を備える。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う水素ガス燃焼用ノズル１の横断面図である。

なお、当然のことながら、図１及びその他の図面に示した右手系ｘｙｚ直交座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸正方向が鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面であり、図面間で共通である。

図１に示すように、水素ガス管２は、ｘ軸に沿って延設された金属管であり、水素ガスを供給する。一次空気管３は、水素ガス管２を覆うように配置されている金属管であり、一次空気を供給する。二次空気管４は、一次空気管３を覆うように配置されている金属管であり、二次空気を供給する。図２に示すように、水素ガス管２、一次空気管３、及び二次空気管４は、同心円状に配置されており、水素ガス燃焼用ノズル１は、多重管構造のノズルである。

具体的には、図１に示すように、一次空気は、水素ガス管２と一次空気管３との間に生じる間隙から供給される。また、二次空気は、一次空気管３と二次空気管４との間に生じる間隙から供給される。図１において、矢印の方向は、水素ガス、一次空気、及び二次空気の供給方向を示す。

水素ガスは、水素ガス管２内を通ってｘ軸正方向に供給され、水素ガス管２のｘ軸正方向側の端近傍において、一次空気と混合する。そして、着火装置（不図示）を用いて着火され、火炎５を生じる。火炎５は、水素ガス及び一次空気の供給方向に沿って、ｘ軸正方向側に延びる。一次空気が混合された水素ガスは、燃焼しながら一次空気管３のｘ軸正方向側の端まで供給され、二次空気と混合する。

一次空気が含有する酸素ガスの量は、水素ガスを完全燃焼させるには不十分であることが多い。そこで、一次空気が混合された水素ガスに、二次空気を混合すると、水素ガスを完全燃焼させることができる。

図３は、水素ガス燃焼用ノズル１の設計について説明する縦断面図である。図３に示すように、水素ガス管２の管厚さをｔ、水素ガス管２の内径をφ_H2、一次空気管３の内径をφ_air1とする。さらに、水素ガス管２のｘ軸正方向側の端と一次空気管３のｘ軸正方向側の端との距離を一次長さＬ_１、水素ガス管２のｘ軸正方向側の端と二次空気管４のｘ軸正方向側の端との距離を二次長さＬ_２とする。また、水素ガスの供給量をＱ_Ｈ２、一次空気の供給量をＱ_ａｉｒ１、二次空気の供給量をＱ_ａｉｒ２とする。一次空気の供給量Ｑ_ａｉｒ１と二次空気の供給量Ｑ_ａｉｒ２との比は、λ_１：λ_２とする。但し、λ_１＋λ_２＝１である。

また、燃焼量Ｑは、水素ガスの供給量Ｑ_Ｈ２に比例する。表１は、燃焼量Ｑと、水素ガスの供給量Ｑ_Ｈ２、一次空気の供給量Ｑ_ａｉｒ１、及び二次空気の供給量Ｑ_ａｉｒ２と、の関係を示す表である。一次空気の供給量Ｑ_ａｉｒ１、及び二次空気の供給量Ｑ_ａｉｒ２は、水素ガスを完全燃焼させるのに十分な量の酸素ガスを供給できるものであれば、特に制限されない。例えば、一次空気の供給量Ｑ_ａｉｒ１、及び二次空気の供給量Ｑ_ａｉｒ２が２１％の酸素ガスを含む場合、Ｑ_Ｈ２≦２．３８（Ｑ_ａｉｒ１＋Ｑ_ａｉｒ２）を満たすことが望ましい。

水素ガス燃焼用ノズル１の設計因子を調整すると、水素ガスと空気との混合を抑制することができるため、ＮＯｘの発生を抑制できると考えられる。そこで、発明者は、以下の直交実験を行った。

まず、二次長さＬ_２、一次長さＬ_１、管厚さｔ、燃焼量Ｑの４つの各設計因子について、表２に示すように、それぞれ３つの水準ａ１〜a３、ｂ１〜ｂ３、ｃ１〜ｃ３、及びｄ１〜ｄ３を設定した。表３に示すＬ９直交表を用いて、ＣＡＥ上において直交実験を行い、ＮＯｘ濃度の望小特性解析を実施した。図４は、望小特性解析の結果から計算されたＳＮ比を示すグラフである。ＳＮ比が最も０に近い水準を採用すると、ＮＯｘの発生を抑制することができると考えられる。

図４に示すように、二次長さＬ_２及び管厚さｔは、各水準間においてＳＮ比に大きな差が見られなかった。したがって、二次長さＬ_２及び管厚さｔは、ＮＯｘの発生にほとんど影響を及ぼさないと考えられる。

一方、一次長さＬ_１は、水準ｂ３を採用した場合に、ＳＮ比が最も０に近づく。表２に示すように、水準ｂ３は、一次長さＬ_１が最も長い場合である。したがって、一次長さＬ_１は、水準ｂ３以上の長さであることが望ましいと考えられる。

図５及び図６は、水素ガスを着火した際の水素ガス燃焼用ノズル１の温度を測定した結果である。なお、図５及び図６では、水素ガス燃焼用ノズル１のｘ軸正方向側端部の一部のみを示している。図５に示す水素ガス燃焼用ノズル１の一次長さＬ_１は、１００ｍｍ（水準ｂ３）である。また、図６に示す水素ガス燃焼用ノズル１の一次長さＬ１は、０ｍｍ（水準ｂ１）である。

図５に示す水素ガス燃焼用ノズル１は、図６に示す水素ガス燃焼用ノズル１よりも、一次長さＬ_１が長く、火炎温度が高温（１３００℃〜２０００℃）となっている領域が少ない。つまり、一次長さＬ_１を長くすると、火炎５の温度上昇を抑制することができる。したがって、以下の数式（１）で示されるように、一次長さＬ_１が、水素ガス管２の断面積に対して、一定以上の長さであるように設計されることが好ましい。

図４に示すように、燃焼量Ｑは、水準ｄ２を採用した場合にＳＮ比が最も０に近づく。したがって、燃焼量Ｑが略１５万ｋｃａｌ／ｈであることが好ましいと考えられる。図７は、燃焼量ＱとＮＯｘ濃度の関係を測定した結果を示すグラフである。図７に示すように、燃焼量Ｑが１５万ｋｃａｌ／ｈ（水準ｄ２）である場合、ＮＯｘの発生が少ないことが確認された。

さらに、発明者は、水素ガス管２の内径をφ_H2が同一である場合において、水素ガスの供給量Ｑ_Ｈ２を多くすると、ＮＯｘの発生が抑制されることを見出した。つまり、以下の数式（２）で示される関係を満たすと、ＮＯｘの発生を抑制することができる。

以上、数式（１）及び数式（２）が、図４に示す直交実験の結果より見出されたことを説明した。次に、数式（３）について詳細に説明する。

一次空気の流速が水素ガスの流速よりも速い場合、水素ガスは、一次空気に覆われながら一次空気管３内に供給される。そのため、一次空気管３内において、水素ガスの拡散が抑制される。したがって、一次空気の流速が、水素ガスの流速よりも遅い場合よりも、水素ガスが緩慢に燃焼すると考えられる。図８は、一次空気の流速と水素ガスの流速との割合と、ＮＯｘの発生と、の関係を測定した結果を示すグラフである。図８に示すように、一次空気の流速が水素ガスの流速よりも早い場合には、ＮＯｘの発生が抑制されている。

一次空気の流速が水素ガスの流速よりも速く、かつ、一次空気及び二次空気が含有する酸素ガスの濃度が２１％である場合、以下の数式（３）が成立する。

数式（３）の導出方法を説明する。
まず、一次空気の流速が水素ガスの流速よりも速い場合、以下の数式（４）が成立する。

数式（４）を式変形すると、数式（５）が導かれる。

ここで、水素ガスの燃焼は、以下の化学式（１）で表される。
２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ・・・化学式（１）

つまり、水素ガスと酸素ガスとを２：１の割合で混合すると、水素ガスは完全燃焼する。例えば、空気中に２１％の酸素ガスが含まれる場合、水素ガスと空気とを１：２．３８の割合で混合すると、水素ガスは完全燃焼する。したがって、空気中に２１％の酸素ガスが含まれる場合、以下の数式（６）を満たすと、水素ガスは完全燃焼することができる。

また、λ_１＋λ_２＝１であるから、一次空気の供給量Ｑ_ａｉｒ１は、以下の数式（７）のように表すことができる。

数式（６）を数式（７）に代入すると、数式（８）を導出することができる。

数式（８）を数式（５）に代入し、式変形することにより、数式（３）を導出することができる。

数式（１）〜（３）をすべて満たす場合、水素ガスと空気との混合を抑制することができるため、火炎温度の局所的な上昇を抑制することができる。その結果、ＮＯｘの発生を抑制することができる。

以上で説明した本実施の形態に係る発明により、ＮＯｘの発生を抑制することができる水素ガス燃焼用ノズルを提供することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１水素ガス燃焼用ノズル
２水素ガス管
３一次空気管
４二次空気管
５火炎

Claims

水素ガスを供給する水素ガス管と、
前記水素ガス管を覆うように配置され、一次空気を供給する一次空気管と、
前記一次空気管を覆うように配置され、二次空気を供給する二次空気管と、を備える多重管構造の水素ガス燃焼用ノズルであって、
前記水素ガス管の内径をφ_Ｈ２（ｍｍ）、前記水素ガス管の管厚をｔ（ｍｍ）、前記一次空気管の内径をφ_ａｉｒ１（ｍｍ）、前記一次空気管の端と前記水素ガス管の端との距離をＬ_１（ｍｍ）、水素ガスの供給量をＱ_Ｈ２（ｍ^３／ｈ）、一次空気と二次空気との比をλ_１：λ_２（但し、λ_１＋λ_２＝１）、とした場合に、以下の数式（１）〜（３）をすべて満たす水素ガス燃焼用ノズル。