JP2019045083A

JP2019045083A - 水素ガスバーナー装置

Info

Publication number: JP2019045083A
Application number: JP2017169594A
Authority: JP
Inventors: 中村　雅之; Masayuki Nakamura; 雅之中村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-09-04
Filing date: 2017-09-04
Publication date: 2019-03-22
Anticipated expiration: 2037-09-04
Also published as: JP6891740B2

Abstract

【課題】ＮＯｘの生成を抑制する。【解決手段】管内に水素ガスが流通し、一端部１１ａに開口を有する円筒形状の水素ガス管１１と、水素ガス管１１を包囲するように同心円状に配置され、酸素含有ガスが流通する円筒形状の酸素含有ガス管１２と、水素ガス管１１内に水素ガスを供給する水素ガス供給管１３と、酸素含有ガス管１２内に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給管１４と、を備え、水素ガス管１１は、端部１１ａとは異なる他端部１１ｂ側において、水素ガス管１１内を流れる水素ガスが旋回流となるように、管軸が交差した状態で水素ガス供給管１３が接続されており、酸素含有ガス管１２には、酸素含有ガス管１２内を流れる酸素含有ガスが旋回流となるよう、管軸が交差した状態で酸素含有ガス供給管１４が接続されており、水素ガス管１１から旋回しながら噴出する水素ガスの流速と、酸素含有ガス管１２内を旋回する酸素含有ガスの流速が略同速度である。【選択図】図１

Description

本発明は、水素ガスバーナー装置に関する。

従来、このような分野の技術として、特開２０００−２４９３０７号公報がある。この公報に記載されたバーナー装置では、空気旋回流を発生させて、空気と燃料の混合状態を促進することで、効率のよい燃焼を促進することができる。

特開２０００−２４９３０７号公報

しかしながら、燃焼バーナーにおいて水素ガスを燃料として用い、供給される空気と水素ガスを混合して混合ガスを形成して利用する場合には、水素ガスと空気との混合が激し過ぎることに起因して、水素ガスの反応性が高くなり過ぎることがある。この場合、燃焼火炎により局所的に高温になるスポットができやすくなり、燃焼によって窒素酸化物（以下、ＮＯｘ）が多く発生しやすくなる。ＮＯｘが大量に発生する場合には、ＮＯｘを除去するための除去装置が必要となり、コストの増加に繋がる。
本発明は、ＮＯｘの生成を抑制する水素ガスバーナー装置を提供するものである。

本発明にかかる水素ガスバーナー装置は、管内に水素ガスが流通し、一端部に前記水素ガスが噴出する開口部を有する円筒形状の水素ガス管と、前記水素ガス管を包囲するように同心円状に配置され、酸素含有ガスが流通する円筒形状の酸素含有ガス管と、前記水素ガス管内に水素ガスを供給する水素ガス供給管と、前記酸素含有ガス管内に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給管と、を備え、前記水素ガス管は、前記水素ガスが噴出する端部とは異なる他端部側において、前記水素ガス管内を流れる水素ガスが旋回流となるように、管軸が交差した状態で前記水素ガス供給管が接続されており、前記酸素含有ガス管には、前記酸素含有ガス管内を流れる酸素含有ガスが旋回流となるよう、管軸が交差した状態で前記酸素含有ガス供給管が接続されており、前記水素ガス管から旋回しながら噴出する前記水素ガスの流速と、前記酸素含有ガス管内を旋回する酸素含有ガスの流速が略同速度である。
これにより、水素ガスと酸素含有ガスの混合を抑制した状態で、水素ガスを燃焼させることができる。

これにより、燃焼によるＮＯｘの生成を抑制することができる。

水素ガスバーナー装置の図である。水素ガスバーナー装置をＡ視した状態を示した図である。水素ガスバーナー装置をＡ視した状態の拡大図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１に示すように、水素ガスバーナー装置１は、水素ガス管１１と、酸素含有ガス管１２と、水素ガス管１１に水素ガスを供給する水素ガス供給管１３と、酸素含有ガス管１２に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給管１４と、を備える。なお図１に示すように、水素ガスバーナー装置は、図１の右側が開口しており、水素ガス及び酸素含有ガスが噴出しながら燃焼する。なお例えば、酸素含有ガスには一般的な空気を用いることができるが、水素ガスを含まず酸素を含有するガスであれば良い。

水素ガス管１１は、内部を水素ガスが流通するとともに、一端部には水素ガスが噴出する開口部を有する円筒形状である。具体的には、第１の端部１１ａに開口部が設けられており、第２の端部１１ｂの近傍では水素ガス管１１の外周側から水素ガスを供給するための水素ガス供給管１３が接続されている。ここで図１及び図２に示すように、水素ガス管１１と水素ガス供給管１３は、夫々の管軸がねじれの位置となるように交差しており、すなわち偏芯するように接続されている。言い換えると、水素ガス管１１の第２の端部１１ｂ近傍では、水素ガス管１１の管軸からずれた位置に、水素ガス供給管１３から水素ガスが流入する。なお、水素ガスの流速は、水素ガス供給管１３から水素ガス管１１に水素ガスを供給する際の加圧力の増減によって調整する。

これにより、水素ガス管１１内では、第２の端部１１ｂから第１の端部１１ａ側に、旋回流となって水素ガスが流れる。例えば図２に示すように、第１の端部１１ａ側から第２の端部１１ｂ側を見る視点（図１のＡ視）において、水素ガスは、反時計回りに回転しながら第１の端部１１ａ側から噴出する方向に流れており、すなわち旋回流となる。

なお典型的には、図１に示すように、水素ガス管１１の第２の端部１１ｂは、後述する酸素含有ガス管１２の第２の端部１２ｂより外側に配置されている。言い換えると、水素ガス管１１は、酸素含有ガス管１２の第２の端部１２ｂを貫通するように配置されている。

酸素含有ガス管１２は、内部を酸素含有ガスが流通する円筒形状である。酸素含有ガス管１２は、水素ガス管１１に比べて大径で形成されている。また、酸素含有ガス管１２は、水素ガス管１１を包囲するように同心円状に配置されている。なお、酸素含有ガス管１２の第１の端部１２ａは開口部が設けられており、第２の端部１２ｂの近傍では酸素含有ガス管１２の外周側から酸素含有ガスを供給ための酸素含有ガス供給管１４が接続されている。ここで、図１及び図２に示すように、酸素含有ガス管１２と酸素含有ガス供給管１４、夫々の管軸がねじれの位置となるように交差して接続されている。言い換えると、酸素含有ガス管１２の第２の端部１２ｂ近傍では、酸素含有ガス管１２の管軸からずれた位置に、酸素含有ガス供給管１４から酸素含有ガスが流入する。

これにより、酸素含有ガス管１２内では、第２の端部１２ｂから第１の端部１２ａ側に、旋回流となって酸素含有ガスが流れる。例えば図２に示すように、図１のＡ視において、酸素含有ガスは、反時計回りに回転しながら第１の端部１２ａ側から噴出する方向に流れており、すなわち、旋回流となる。なお、酸素含有ガス管１２内で酸素含有ガスが旋回する方向と、水素ガス管１１内で水素ガスが旋回する方向は、同方向である。酸素含有ガス管１２内で酸素含有ガスが旋回する流速は、水素ガス管１１内で流れる水素ガスが第１の端部１１ａから噴出する際に旋回している流速と略同一の速度とする。なお、酸素含有ガスの流速は、酸素含有ガス供給管１４から酸素含有ガス管１２に酸素含有ガスを供給する際の加圧力の増減によって調整する。

ここで図１に示すように、水素ガス管１１の第１の端部１１ａは、酸素含有ガス管１２内に配置されている。これにより、水素ガス管１１の第１の端部１１ａから噴出する水素ガスは、水素ガス管１１内で旋回した状態を保ちながら、酸素含有ガス管１２内に噴出し、酸素含有ガス管１２内の酸素含有ガスと混合され、酸素含有ガス管１２の第１の端部１２ａから噴出して燃焼する。

水素ガス供給管１３は、一端部が水素ガス供給源（図示せず）に接続されており、他端部が水素ガス管１１の第２の端部１１ｂの近傍に接続されている。水素ガス供給管１３は、水素ガスが水素ガス管１１内で旋回するように圧送して供給を行う。

酸素含有ガス供給管１４は、一端部が酸素含有ガス供給源（図示せず）に接続されており、他端部が酸素含有ガス管１２の第２の端部１２ｂの近傍に接続されている。酸素含有ガス供給管１４は、酸素含有ガスが酸素含有ガス管１２内で旋回するように圧送して供給を行う。

次に、水素ガスバーナー装置１において、水素ガス管１１内に水素ガスを供給し、酸素含有ガス管１２に酸素含有ガスを供給して燃焼させるときの動作について詳述する。

図１及び図２に示すように、水素ガス管１１内では水素ガスが第１の端部１１ａ側に螺旋状に移動して噴出し、酸素含有ガス管１２内では酸素含有ガスが第１の端部１２ａ側に螺旋状に移動する。

このとき、水素ガス管１１は径が小さいことから、第１の端部１１ａから噴出する際の水素ガスの旋回の径が小さくなる。同様に、酸素含有ガス管１２の径は大きいため、酸素含有ガスの旋回の径は大きくなる。したがって酸素含有ガス管１２内では、水素ガスが内側、酸素含有ガスが外側に配置された状態で、それぞれ同方向に、螺旋状に流れる状態となる。

ここで、酸素Ｏ_２（分子量３２）の分子量は水素Ｈ_２（分子量２）の１６倍である。螺旋状に流れる夫々のガスにかかる遠心力は、ｍ：質量、ｖ：速度、ｒ：半径として、

によって定まる。したがって、仮に酸素含有ガスを酸素Ｏ_２と仮定した場合であっても、重量比の換算によれば、酸素含有ガスにかかる遠心力は水素ガスにかかる遠心力の１６倍となり、酸素含有ガスにかかる遠心力の方が大きくなる。

そのため図３に示すように、酸素含有ガスは遠心力によって、酸素含有ガス管１２の壁部１２ｃ側に向かう力が大きく働く。これに対し、水素ガスに働く遠心力は小さいため、水素ガスが壁部１２ｃ側に向かう力は相対的に小さい。したがって、質量差によって酸素含有ガスと水素ガスはより分離される状態となるため、ガス同士の混合が抑制される。

なお、水素ガス及び酸素含有ガスを旋回流とせずに用いる場合、バーナー自体の構造が複雑かつ非対称の形状であることが多く、ガス流はこのバーナー形状に依存した流れになる。そのため、不規則にガス同士が混合されやすく、ホットスポットが発生しやすくなる。しかしながら本実施形態では、夫々のガスを旋回流として用いることで、ガスの流れを容易にコントロールし、ホットスポットの発生を抑制することができる。

したがって、水素ガス管１１を流れる水素ガスと、酸素含有ガス管１２を流れる酸素含有ガスを同じ方向に旋回させるとともに、水素ガス管１１の第１の端部１１ａから噴出する際の水素ガスの流速と、酸素含有ガス管１２の酸素含有ガスの流速が略同速度とすることにより、遠心力によってガス同士の必要以上の混合を抑制できる。その結果、燃焼速度が緩やかになり、燃焼火炎によるホットスポットが発生しにくくなることで、ＮＯｘの発生を抑制することができる。

１水素ガスバーナー装置
１１水素ガス管
１２酸素含有ガス管
１３水素ガス供給管
１４酸素含有ガス供給管

Claims

管内に水素ガスが流通し、一端部に前記水素ガスが噴出する開口を有する円筒形状の水素ガス管と、
前記水素ガス管を包囲するように同心円状に配置され、酸素含有ガスが流通する円筒形状の酸素含有ガス管と、
前記水素ガス管内に水素ガスを供給する水素ガス供給管と、
前記酸素含有ガス管内に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給管と、を備え、
前記水素ガス管は、前記水素ガスが噴出する端部とは異なる他端部側において、前記水素ガス管内を流れる水素ガスが旋回流となるように、管軸が交差した状態で前記水素ガス供給管が接続されており、
前記酸素含有ガス管には、前記酸素含有ガス管内を流れる酸素含有ガスが旋回流となるよう、管軸が交差した状態で前記酸素含有ガス供給管が接続されており、
前記水素ガス管から旋回しながら噴出する前記水素ガスの流速と、前記酸素含有ガス管内を旋回する酸素含有ガスの流速が略同速度である
水素ガスバーナー装置。