JP2019086245A - バーナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】浮き上がり火炎を安定的に形成することができるバーナ装置を提供する。【解決手段】燃料ガス（Ｆ）と助燃ガス（Ａ）との混合気（ＭＧ）を燃焼領域（Ｒ）に供給するバーナ装置（１）において、その下流端部から混合気（ＭＧ）を燃焼領域（Ｒ）に噴射する混合通路（９）と、前記混合通路（９）に、燃焼領域（Ｒ）に向けて燃料ガスを噴射する燃料ガス噴射ノズル（１５）と、前記混合通路（９）に径方向外側から助燃ガスを噴射する助燃ガス供給スワラ（２３）であって、断面視において前記燃料ガス噴射ノズル（１５）の燃料噴射孔（１９）の接線（Ｔ）方向に、助燃ガスの少なくとも一部が前記燃料ガス噴射ノズル（１５）から噴射された燃料ガスに直接衝突するように助燃ガスを噴射する助燃ガス供給スワラ（２３）とを設ける。【選択図】図２

Description

本発明は、例えば水素ガスのような燃料ガスと他の種類のガスとを混合して燃焼させるバーナ装置に関する。

近年、地球温暖化のような環境問題の原因となる二酸化炭素の排出を抑えるため、いわゆる低炭素社会の実現に向けて、燃料に水素を利用するバーナ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

米国特許出願公開第２０１２／０２５８４０９号明細書

しかしながら、燃焼速度が大きい燃料を燃焼させる場合はＮＯｘが発生し易い。また、燃焼速度が大きい燃料を燃焼させる場合は燃焼室で発生した火炎がバーナ側に戻ってくる逆火現象が生じ易い。このような燃料としては、例えば水素、または水素を高濃度で含むガス等が挙げられる。

これらの問題を解決するために、いわゆる浮き上がり火炎を利用することが考えられる。浮き上がり火炎とは、燃料の噴射部から下流側に離れた位置に火炎の基部が形成される火炎のことをいい、拡散火炎の状態から燃料の流速を上昇させることにより浮き上がり火炎の状態に遷移することが知られている。浮き上がり火炎では、燃料の噴射部から火炎の基部までの空間において燃料と空気の混合が行われることによってＮＯｘが低減されるとともに、火炎が浮き上がることによって逆火の発生が抑制される。もっとも、従来構造のバーナでは、安定的に浮き上がり火炎を形成、維持することが困難であることから、運転条件が必ずしも一定でないガスタービンやボイラのような実際の機器に使用することが困難であった。

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、浮き上がり火炎を安定的に形成することができるバーナ装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明に係るバーナ装置は、燃料ガスと助燃ガスとの混合気を燃焼領域に供給するバーナ装置であって、
その下流端部から混合気を燃焼領域に噴射する混合通路と、
前記混合通路に、燃焼領域に向けて燃料ガスを噴射する燃料ガス噴射ノズルと、
前記混合通路に径方向外側から助燃ガスを噴射する助燃ガス供給スワラであって、当該バーナ装置の軸心に直交する断面視において、前記燃料ガス噴射ノズルの燃料噴射孔の接線方向に、助燃ガスの少なくとも一部が前記燃料ガス噴射ノズルから噴射された燃料ガスに直接衝突するように助燃ガスを噴射する助燃ガス供給スワラと、
を備えている。

この構成によれば、燃料ガス噴射ノズルから噴射された燃料ガスに助燃ガスが直接吹き付けられることにより、燃料ガスの噴射部分から燃焼領域までの空間が不安定化されて浮き上がり火炎が形成されやすくなるとともに、燃料ガス噴射口付近において混合が促進される。加えて、助燃ガス供給スワラによって形成される旋回流れが、混合通路の出口付近にバーナ軸心回りの再循環領域を形成することにより、浮き上がり火炎が安定的に保持される。

本発明の一実施形態に係るバーナ装置において、前記助燃ガス供給スワラの各助燃ガス流路の幅が、当該助燃ガス供給スワラの入口から出口に向けて次第に狭くなっていてもよい。この構成によれば、助燃ガス供給スワラから高速の助燃ガス流が噴射されるので、より効果的に燃料ガスの噴射部分から燃焼領域までの空間を不安定化させることが可能となり、一層浮き上がり火炎を形成し易くすることができる。

本発明の一実施形態に係るバーナ装置において、前記混合気通路の下流端部に形成された混合気噴射口の直径が、前記助燃ガス供給スワラの出口の直径よりも小さく設定されていてもよい。この構成によれば、燃料ガスと助燃ガスとの混合気の流速を、混合気噴射口において大きくすることにより、この部分で火炎が形成されにくくなるので、さらに浮き上がり火炎が形成されやすくなる。また、これにより、燃料ガスと助燃ガスとの混合距離を長くとることができる。

本発明の一実施形態に係るバーナ装置において、前記混合通路、燃料ガス噴射ノズル、および助燃ガス供給スワラからなるバーナ本体ユニットＢＵを複数備え、当該バーナ装置内に助燃ガスを導入する助燃ガス導入口が、各バーナ本体ユニットＢＵの前記助燃ガス供給スワラの入口よりも、燃料ガスの噴射方向における上流側に配置されていてもよい。この構成によれば、助燃ガス導入口がスワラの入口と同一の軸心方向位置に設けられた場合と異なり、助燃ガス導入口からの助燃ガスが、助燃ガス導入口に対向するスワラ入口部分に直接流れ込まず、後方へ移動する過程で分散するので、各助燃ガス供給スワラに均一に供給される。

本発明に係るバーナ装置によれば、浮き上がり火炎を安定的に形成することができる。

本発明の第１実施形態に係るバーナ装置を示す縦断面図である。 図１のバーナ装置に用いられる助燃ガス供給スワラを示す平面図である。 図１のバーナ装置の一部を拡大して示す縦断面図である。 本発明の第２実施形態に係るバーナ装置を示す縦断面図である。 図４のV-V線に沿った断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態に係るバーナ装置１を示す。同図に示すバーナ装置１は、燃料ガスと助燃ガスとの混合気ＭＧを燃焼領域Ｒに供給する装置である。バーナ装置１は、例えば、ガスタービンやボイラのような動力装置の加熱装置として用いられる。

燃料ガスは、例えば燃焼速度が大きく、可燃濃度範囲が広い燃料であり、本実施形態では、燃料ガスとして水素含有ガス、例えば水素ガスを使用している。また、本実施形態では、助燃ガスとして空気Ａを使用している。助燃ガスとしては、空気のほかに、例えば、空気中の酸素濃度を調整したガス、排ガス等を使用することができる。以下の説明では、燃料ガスを「燃料Ｆ」とし、助燃ガスを「空気Ａ」として説明する。

バーナ装置１は全体としてほぼ円筒形状に形成されている。図示の例では、燃焼領域Ｒに面するほぼ円板状のバーナ壁３と、有底円筒状のバーナ筒５とによってバーナ装置１のケーシング７が形成されている。バーナ壁３は、例えば図示しないボルトによってバーナ筒５の開口部に連結されている。バーナ装置１は、燃料Ｆと空気Ａとを混合する混合通路９を有しており、混合通路９の下流端部に形成された混合気噴射口１１から混合気ＭＧが燃焼領域Ｒへ噴射される。混合通路９および混合気噴射口１１はバーナ装置１と同心状に配置されている。図示の例では、ケーシング７のバーナ壁３の中心部に軸心方向の貫通孔である混合気噴射孔１３が形成されており、混合気噴射孔１３の下流端開口が混合気噴射口１１を形成している。なお、以下の説明において、バーナ装置１の軸心Ｃ１方向における燃焼領域Ｒ側（すなわち混合気ＭＧ流れの下流側）を単に「後方」と呼び、その反対側（すなわち混合気ＭＧ流れの上流側）を単に「前方」と呼ぶ場合がある。

バーナ装置１は、さらに、混合通路９に燃料Ｆを噴射する燃料噴射ノズル（燃料ガス噴射ノズル）１５と、混合通路９に空気Ａを供給する空気供給路（助燃ガス供給路）１７とを備えている。燃料噴射ノズル１５には、燃料Ｆを噴射する燃料噴射孔１９が形成されている。燃料噴射孔１９はバーナ装置１の軸心Ｃ１に沿って延びている。すなわち、燃料噴射ノズル１５は、燃料Ｆを、混合通路９に、軸心Ｃ１に沿って燃焼領域Ｒに向けて噴射するように構成されている。

空気供給路１７は、より具体的には、混合通路９の上流部の径方向外側から空気Ａを混合通路９に供給するように構成されている。図示の例では、空気供給路１７は、ケーシング７のバーナ筒５の内側の空間として形成されている。ケーシング７のバーナ筒５の周壁に複数の空気導入口２１が形成されており、空気導入口２１を介して外部の空気Ａが空気供給路１７に導入される。空気供給路１７の出口部には空気供給スワラ（助燃ガス供給スワラ）２３が設けられている。空気供給スワラ２３を介して、空気Ａは軸心Ｃ１回りの旋回流として混合通路９に供給される。図２に示すように、空気供給スワラ２３は、軸心Ｃ１に対して偏心する方向に延びる、周方向に等間隔に配置された複数（この例では４つ）の流路（以下、「スワラ流路」という。）２５を有している。

また、この例では、図１に示すように、空気供給スワラ２３は、円環板状の基部２３ａと、基部２３ａ上に突設された複数の流路壁２３ｂとを有する。円環板状の基部２３ａの中心部の嵌合孔２７が、燃料噴射ノズル１５の下流端部の外周面に嵌合されている。図２に示すように、流路壁２３ｂの間に上記各スワラ流路２５が形成されている。図示の例では、各スワラ流路２５を形成する、偏心方向に延びる２つの流路壁２３ｂ，２３ｂの壁面２３ｂａ，２３ｂａは、いずれも平面状（つまり、バーナ装置１の軸心Ｃ１に直交する断面視において直線状）に形成されている。

本実施形態では、より具体的には、空気供給スワラ２３は、バーナ装置１の軸心Ｃ１に直交する断面視において燃料噴射孔１９の接線Ｔ方向に空気Ａを噴射するように構成されている。ここで、本明細書における「バーナ装置の軸心に直交する断面視において燃料噴射孔の接線方向に空気を噴射するように構成」とは、空気供給スワラ２３が、各スワラ流路２５を形成する、偏心方向に延びる２つの流路壁２３ｂ，２３ｂの壁面２３ｂａ，２３ｂａのうち、空気Ａの旋回方向Ｓにおける前側の壁面２３ｂに平行な燃料噴射孔１９の接線Ｔが、上記断面視において当該スワラ流路２５の出口（以下、「スワラ出口」という。）２５ａを通過する位置および形状に形成されていることを意味する。

なお、各スワラ流路２５を形成する、偏心方向に延びる２つの流路壁２３ｂ，２３ｂの壁面２３ｂａ，２３ｂａは、図示したような平面状に限らず、例えば曲面状に形成されていてもよい。旋回方向Ｓにおける前側の壁面２３ｂａが曲面状に形成されている場合には、当該壁面２３ｂａの下流側半分の任意の一点に平行な燃料噴射孔１９の接線Ｔを上記「壁面に平行な燃料噴射孔の接線」とする。

本実施形態における空気供給スワラ２３は、上記の構造を有することにより、各スワラ流路２５から噴射される空気Ａの少なくとも一部が、燃料噴射孔１９から噴射された燃料Ｆに直接衝突するように構成されている。

また、図示の例では、空気供給スワラ２３の各スワラ流路２５の幅が、スワラ流路２５の入口（以下、「スワラ入口」という。）２５ｂからスワラ出口２５ａに向けて、次第に狭くなっている。

図３に示すように、本実施形態では、混合気通路９の下流端部に形成された混合気噴射口１１の直径Ｄｍが、スワラ出口２５ａの直径Ｄｓよりも小さい。より具体的には、図示の例では、空気供給スワラ２３の後方に、混合気噴射孔１３が形成されたバーナ壁３が当接している。したがって、混合気通路９の上流部分から段差状に下流部分（この例では混合気噴射孔１３）の直径が小さくなっており、下流部分の下流端部である混合気噴射口１１の直径Ｄｍも、スワラ出口２５ａの直径Ｄｓよりも小さくなっている。なお、スワラ出口２５ａから混合気噴射口１１にかけての形状は図示の例に限定されず、例えば、混合気通路９の下流部分の流路径が、混合気噴射口１１へ向けてテーパ状に小さくなるように形成されていてもよい。

以上説明した本実施形態に係る図１のバーナ装置１１によれば、空気供給スワラ２３からの空気Ａ（助燃ガス）が燃料噴射ノズル１５から噴射された燃料Ｆ（燃料ガス）に直接吹き付けられることにより、燃料Ｆの噴射部分から燃焼領域Ｒまでの空間（通常火炎の基部となる部分）が不安定化されて、燃焼領域Ｒにおいて浮き上がり火炎ＬＦが形成されやすくなるとともに、燃料噴射孔１９付近において混合が促進される。加えて、空気供給スワラ２３によって形成される旋回流れが、混合通路９の出口付近にバーナ軸心Ｃ１回りの再循環領域を形成することにより、浮き上がり火炎ＬＦが安定的に保持される。

本実施形態では、特に、図２に示したように、空気供給スワラ２３の各スワラ流路２５の幅が、空気供給スワラ２３の入口２５ｂから出口２５ａに向けて次第に狭くなっていることにより、空気供給スワラ２３から高速の助燃ガス流が噴射されるので、より効果的に燃料Ｆの噴射部分から燃焼領域Ｒまでの空間を不安定化させることが可能となり、一層安定的に浮き上がり火炎ＬＦを維持することができる。もっとも、空気供給スワラ２３の各スワラ流路２５は、図示の例と異なり、スワラ入口２５ｂからスワラ出口２５ａにかけて均一の幅を有するように構成されていてもよい。

さらに、本実施形態では、特に、図３に示したように、混合気通路９の下流端部に形成された混合気噴射口１１の直径Ｄｍが、スワラ出口２５ａの直径Ｄｓよりも小さいことにより、燃料Ｆ（燃料ガス）と空気Ａ（助燃ガス）との混合気ＭＧの流速が、混合気噴射口１１において大きくなる。これにより、この部分で火炎が形成されにくくなるので、さらに浮き上がり火炎ＬＦが形成されやすくなる。また、燃料Ｆと空気Ａとの混合距離が長くなることにより混合促進されるので、局所的な高温域の発生が抑制され、ＮＯｘ発生量が低減される。もっとも、混合気噴射口１１の直径Ｄｍとスワラ出口２５ａの直径Ｄｓとは同一であってもよい。

次に、図４に示す、本発明の第２実施形態に係るバーナ装置１１について説明する。本実施形態のバーナ装置１は、第１実施形態と異なり、１つの円筒状のケーシング７内に、混合通路９、燃料噴射ノズル１５、および空気供給スワラ２３を有するバーナ本体ユニットＢＵを複数（この例では７個）備えている。バーナ本体ユニットＢＵを構成する混合通路９、燃料ガス噴射ノズル、および助燃ガス供給スワラの構成は第１実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。

図示の例では、ケーシング７の内部に、複数のバーナ本体ユニットＢＵが、円筒状のケーシング７の軸心Ｃ２と各バーナ本体ユニットＢＵの軸心（燃料噴射ノズル１５の軸心）Ｃ３とが平行になる向きに設置されている。

より具体的には、ケーシング７の内部空間は、円板状の隔壁３１によって、下流側（燃焼領域Ｒ側）の空気導入室３３と、上流側の燃料導入室３５とに区画されている。複数のバーナ本体ユニットＢＵは空気導入室３３内に配置されている。ケーシング７の底壁の中心部に形成された燃料導入孔３７を介して、外部から燃料Ｆが燃料導入室３５へ導入される。隔壁３１には、各燃料噴射ノズル１５の燃料噴射孔１９に対応する位置に、燃料供給孔３９が形成されている。燃料導入室３５へ導入された燃料Ｆは、各燃料供給孔３９を介して燃料噴射孔１９へ供給される。このように、外部からの燃料Ｆをいったん共通の燃料導入室３５に導入してから複数の燃料噴射孔１９へ供給することにより、各燃料噴射孔１９へ供給される燃料Ｆが均質化される。

ケーシング７の周壁の下流側部に形成された空気導入口２１を介して、外部から空気Ａが空気導入室３３へ導入される。図５に示すように、空気導入口２１は、周方向に等間隔に複数（この例では６つ）設けられている。図示の例では、空気導入室３３の中心部に１つのバーナ本体ユニットＢＵが配置され、その周りに複数（この例では６個）のバーナ本体ユニットＢＵが周方向に等間隔に配列されている。これら周方向に配列されたバーナ本体ユニットＢＵの、隣り合うバーナ本体ユニットＢＵ間の中央に相当する周方向位置に、各空気導入口２１が形成されている。もっとも、空気導入口２１の数および周方向の配置構成は、この例に限定されない。

また、図４に示すように、各空気導入口２１は、各バーナ本体ユニットＢＵのスワラ入口２５ｂよりも、燃料Ｆの噴射方向（図示の例ではバーナ装置１の軸心方向）における上流側に配置されている。空気導入口２１をこのように配置することにより、空気導入口２１がスワラ入口２５ｂと同一の軸心方向位置に設けられた場合と異なり、空気導入口２１からの空気Ａが、空気導入口２１に対向するスワラ入口２５ｂ部分に直接流れ込まず、後方へ移動する過程で分散するので、各空気供給スワラ２３に均一に供給される。

より具体的には、図示の例では、空気供給スワラ２３は、その円環板状の基部２３ａが、燃料噴射ノズル１５の下流端部の外周面に形成された嵌合部１５ａに嵌合されており、各空気導入口２１は、燃料噴射ノズル１５の嵌合部１５ａよりも前方部分に相当する軸心Ｃ２方向位置に形成されている。空気導入口２１をこのように配置することにより、空気導入口２１から導入された空気Ａは、いったん燃料噴射ノズル１５に衝突した後に後方へ流れてスワラ入口２１に導入されるので、その過程において空気導入口２１からの空気Ａの分散が促進され、各空気供給スワラ２３に極めて均一に供給される。

なお、図１に示した第１実施形態においても、各空気導入口２１は、スワラ入口２５ｂよりも、燃料Ｆの噴射方向における上流側に配置されており、これによって複数のスワラ入口２５ｂに均等に空気Ａが供給される。もっとも、第２実施形態のように、共通の空気導入室３３内に複数のバーナ本体ユニットＢＵ（複数の空気供給スワーラ２３）が設けられている場合には、空気Ａの流れの偏りがより生じやすいので、空気導入口２１をスワラ入口２５ｂよりも上流側に配置することによって、より大きな上述の効果を得ることができる。

以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ バーナ装置
９ 混合通路
１５ 燃料噴射ノズル（燃料ガス噴射ノズル）
２１ 空気導入口（助燃ガス導入口）
２３ 空気供給スワラ（助燃ガス供給スワラ）
２５ スワラ流路
２５ａ スワラ出口
２５ｂ スワラ入口
Ａ 空気（助燃ガス）
ＢＵ バーナ本体ユニット
Ｆ 燃料（燃料ガス）
ＭＧ 混合気
Ｒ 燃焼領域

Claims (4)

1. 燃料ガスと助燃ガスとの混合気を燃焼領域に供給するバーナ装置であって、
   その下流端部から混合気を燃焼領域に噴射する混合通路と、
   前記混合通路に、燃焼領域に向けて燃料ガスを噴射する燃料ガス噴射ノズルと、
   前記混合通路に径方向外側から助燃ガスを噴射する助燃ガス供給スワラであって、当該バーナ装置の軸心に直交する断面視において、前記燃料ガス噴射ノズルの燃料噴射孔の接線方向に、助燃ガスの少なくとも一部が前記燃料ガス噴射ノズルから噴射された燃料ガスに直接衝突するように助燃ガスを噴射する助燃ガス供給スワラと、
   を備えるバーナ装置。
2. 請求項１に記載のバーナ装置において、前記助燃ガス供給スワラの各流路の幅が、当該助燃ガス供給スワラの入口から出口に向けて次第に狭くなっているバーナ装置。
3. 請求項１または２に記載のバーナ装置において、前記混合気通路の下流端部に形成された混合気噴射口の直径が、前記空気供給スワラの出口の直径よりも小さいバーナ装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のバーナ装置であって、
   前記混合通路、燃料ガス噴射ノズル、および助燃ガス供給スワラからなるバーナ本体ユニットを複数備え、
   当該バーナ装置内に助燃ガスを導入する助燃ガス導入口が、各バーナ本体ユニットの前記助燃ガス供給スワラの入口よりも、燃料ガスの噴射方向における上流側に配置されているバーナ装置。

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