JP2019128125A - バーナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼温度が高く、燃焼速度の大きい燃料を用いた場合にＮＯｘ発生を抑制し、逆火発生による焼損を防止できるバーナ装置を提供する。【解決手段】予混合通路（１５）および予混合気噴射口（５）を有し、周壁（９ａ）に燃料ガス導入孔（１３）が形成された予混合気噴射筒（９）と、予混合気噴射筒を取り囲む燃料ガス導入室（２１）と、バーナ壁（３）に向けて燃料ガス（Ｆ）を噴射することにより燃料ガス導入室に燃料ガスを供給する複数の燃料ガス供給管（２３）とを備えるバーナ装置（１）において、複数の予混合気噴射筒９を仮想円（Ｃ）上に配列し、複数の燃料ガス供給管（２３）が、平面視で、仮想円の中心上に配置された中心燃料ガス供給管（２３Ａ）と、円周上に配置された複数の周上燃料ガス供給管（２３Ｂ）とを含み、予混合気噴射筒および周上燃料ガス供給管を、平面視で、同一の仮想円上に等間隔に、かつ所定の数の割合で配置する。【選択図】図１

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、燃焼温度が高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。逆火現象が発生する結果、バーナ装置が焼損するおそれがある。このような燃焼温度が高く、燃焼速度が大きい燃料としては、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。

本発明の目的は、燃焼温度が高く、かつ燃焼速度が大きい燃料を用いた場合にもＮＯｘの発生を抑制できるとともに、逆火の発生による焼損を防止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、
内側に予混合通路を形成する筒状の予混合気噴射筒であって、
前記燃焼領域に面するバーナ壁の壁面に開口し、予混合気を前記燃焼領域に噴射する予混合気噴射口と、
前記予混合気噴射口と反対側の端部の開口である、助燃ガスを導入する助燃ガス導入口と、
周壁に形成された、燃料ガスを導入する燃料ガス導入孔と、
を有する予混合気噴射筒と、
前記予混合気噴射筒の前記周壁の周囲を取り囲む、前記バーナ壁の裏側の空間として形成された燃料ガス導入室と、
前記バーナ壁に向けて燃料ガスを噴射することにより前記燃料ガス導入室に燃料ガスを供給する複数の燃料ガス供給管と
を備え、
複数の前記予混合気噴射筒が仮想円の円周上に配列されており、
複数の前記燃料ガス供給管が、平面視において、前記仮想円の中心上に配置された中心燃料ガス供給管と、前記仮想円の円周上に配置された複数の周上燃料ガス供給管とを含み、
複数の前記予混合気噴射筒および複数の前記周上燃料ガス供給管が、平面視において、同一の仮想円上に、互いに等間隔に、かつ、所定の数の前記予混合気噴射筒に一つの割合で前記周上燃料ガス供給管が位置するように配置されている。
なお、ここでの「平面視」とは、バーナ装置を燃料領域側から見ることをいう。

この構成によれば、燃料ガス供給管によってバーナ壁に噴射される燃料ガスによってバーナ壁が冷却されるので、逆火が発生した場合にもバーナ壁の焼損を防止することができる。さらに、規則的に配列された複数の予混合気噴射筒から予混合気を分散して噴射することにより、局所的な高温化が抑制されるので、ＮＯｘの発生が抑制される。

本発明の一実施形態に係るバーナ装置は、前記中心燃料ガス供給管と、複数の前記周上燃料ガス供給管とが、平面視において同一仮想直線上に配列されていてもよい。この構成によれば、複数の燃料ガス供給管を直線状に配列することにより、複数の予混合気噴射筒に対して燃料が均一的に供給される。これにより、複数の予混合気噴射筒から噴射される予混合気の燃料濃度が均一化されるので、局所的な高温化が効果的に抑制される。

本発明の一実施形態に係るバーナ装置は、さらに、他の複数の周上燃料ガス供給管が、平面視において、前記仮想直線と直交する他の仮想直線上に配置されていてもよい。この構成によれば、複数の燃料ガス供給管を十字状に配列することにより、複数の予混合気噴射筒に対して燃料が一層均一的に供給される。これにより、複数の予混合気噴射筒９から噴射される予混合気の燃料濃度が一層均一化されるので、局所的な高温化がさらに効果的に抑制される。

本発明に係るバーナ装置によれば、燃焼温度が高く、かつ燃焼速度が大きい燃料を用いた場合にもＮＯｘの発生を抑制できるとともに、逆火の発生による焼損を防止することができる。

本発明の一実施形態に係るバーナ装置の概略構造を示す縦断面図である。 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。 図１のバーナ装置の予混合噴射筒を示す横断面図である。 図１のバーナ装置の予混合噴射筒と燃料ガス供給管の配列例を示す平面図である。 図１の変形例に係るバーナ装置の予混合噴射筒と燃料ガス供給管の配列例を示す平面図である。

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予混合気Ｍ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、ボイラやガスタービン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、例えば燃焼温度が高く、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、燃焼領域Ｒに面する平板状のバーナ壁３を有しており、バーナ壁３に開口する予混合気噴射口５から予混合気Ｍを燃焼領域Ｒに噴射する。図示の例では、バーナ装置１の円筒状のバーナヘッド７の一部である、燃焼領域Ｒに面する壁がバーナ壁３を形成している。バーナヘッド７には、複数の筒状の予混合気噴射筒９が設けられている。この例では、予混合気噴射筒９は円筒状部材である。各予混合気噴射筒９は、バーナヘッド７を燃焼領域Ｒ側から、バーナ装置１の軸心方向の反対側（図１の左側。以下、単に「裏側」と呼ぶ。）に貫通するように配置されている。予混合気噴射筒９の両端の開口のうち、バーナ壁３の壁面における開口が予混合気噴射口５を形成している。

予混合気噴射筒９の他端（裏側端）の開口は、空気を予混合気噴射筒９内に導入する空気導入口（助燃ガス導入口）１１を形成している。また、図２に示すように、予混合気噴射筒９の周壁９ａには、燃料Ｆを予混合気噴射筒９内に導入する燃料導入孔１３（燃料ガス導入孔）が形成されている。この例では、図３に示すように、複数（図示の例では４つ）の燃料導入孔１３が予混合気噴射筒９の周方向に等間隔に配列されている。図２に示す予混合気噴射筒９の内側の空間が、燃料Ｆと空気Ａとを予混合して予混合気Ｍを生成する予混合通路１５を形成している。

図示の例では、バーナ装置１全体のケーシング１７の内部空間が空気導入室１９を形成している。バーナ装置１の外部から空気導入室１９に供給された空気Ａが、空気導入口１１に導入される。

バーナヘッド７内のバーナ壁３の裏側における、予混合気噴射筒９の周壁９ａを取り囲む空間は、燃料導入室（燃料ガス導入室）２１を形成している。図示の例では、バーナヘッド７の裏側壁７ａに燃料供給管（燃料ガス供給管）２３が接続されている。燃料供給管２３からの燃料Ｆが、燃料導入室２１に供給された後、燃料導入孔１３を介して予混合通路１５に導入される。

本実施形態では、図１に示すように、バーナ装置１は、複数の燃料供給管２３を備えている。各燃料供給管２３は、バーナ壁３に向けて燃料Ｆを噴射することにより燃料導入室２１に燃料Ｆを供給する。具体的には、各燃料供給管２３の下流端２３ａは、バーナヘッド７の裏側壁７ａの予混合気噴射筒９と重ならない位置に接続されている。このように配置された燃料供給管２３から、バーナ装置１（バーナヘッド７）の軸心方向に燃料Ｆが噴射されることによって、バーナ壁３に向けて燃料Ｆが噴射される。

なお、図示の例では、複数の燃料供給管２３は、その上流部において共通の単一の燃料供給母管２５から分岐して設けられている。もっとも、複数の燃料供給管２３は、その最上流端まで各々独立した管であってもよい。

図４に示すように、本実施形態では、複数の予混合気噴射筒９が仮想円Ｃの円周上に配列されている。図示の例では、同心の複数（この例では３つ）の仮想円Ｃの円周上に、それぞれ複数の予混合気噴射筒９が配列されている。以下の説明では、便宜上、これらの仮想円を外径側から順に第１仮想円Ｃ１，第２仮想円Ｃ２，第３仮想円Ｃ３と呼ぶ。なお、複数の予混合気噴射筒９が単一の仮想円Ｃの円周上に配列されていてもよい。

複数（図示の例では３つ）の燃料供給管２３のうち、１つの燃料供給管２３は、平面視において、複数の仮想円Ｃのうちの１つの仮想円Ｃ（この例では第２仮想円Ｃ２）の中心上に配置されており、残りの複数の燃料供給管２３が当該仮想円Ｃの円周上に配置されている。本明細書では、仮想円Ｃの中心上に配置された燃料供給管２３を中心燃料供給管２３Ａと呼び、仮想円Ｃの円周状に配置された燃料供給管２３を周上燃料供給管２３Ｂと呼ぶ。このようにして、複数の燃料供給管２３は、１つの中心燃料供給管２３Ａと、複数の周上燃料供給管２３Ｂとを含む。

本実施形態では、さらに、複数の予混合気噴射筒９および複数の周上燃料供給管２３Ｂが、平面視において、同一の仮想円Ｃ上に、互いに等間隔に、かつ、所定の数の予混合気噴射筒９に一つの割合で周上燃料供給管２３Ｂが位置するように配置されている。図示の例では、平面視において、第２仮想円Ｃ２上に、８つの予混合気噴射筒９と４つの周上燃料供給管２３Ｂが、互いに等間隔に、かつ、２つの予混合気噴射筒９に１つの周上燃料供給管２３Ｂが位置するように配置されている。

より具体的には、本実施形態では、中心燃料供給管２３Ａと、複数（この例では２つ）の周上燃料供給管２３Ｂとが同一の仮想直線（第１仮想直線）Ｌ１上に配列されている。

なお、予混合気噴射筒９および燃料供給管２３の数および配列態様は、複数の予混合気噴射筒９および複数の周上燃料供給管２３Ｂが、平面視において、同一の仮想円Ｃ上に、互いに等間隔に、かつ、所定の数の予混合気噴射筒９に一つの割合で周上燃料供給管２３Ｂが位置するように配置されていれば、図示の例に限定されない。

より具体的には、図５に変形例として示すように、複数（この例では４つ）の周上燃料供給管２３Ｂが、平面視において、中心燃料供給管２３Ａを中心とした十字状に配置されていてもよい。すなわち、この例では、中心燃料供給管２３Ａと、複数の周上燃料供給管２３Ｂのうちの一部（この例では２つ）の周上燃料供給管２３Ｂとが同一の仮想直線（第１仮想直線）Ｌ１上に配列されており、かつ、他の複数の周上燃料供給管２３Ｂが、第１仮想直線と直交する他の仮想直線（第２仮想直線）Ｌ２上に配列されている。

あるいは、例えば、複数の周上燃料供給管２３Ｂとして、１つの仮想円Ｃ上のみならず、複数の仮想円Ｃ上に配置された燃料供給管２３を含んでいてもよい。その場合、径方向に隣り合う仮想円Ｃ１，Ｃ２間において、周上燃料供給管２３Ｂの周方向位置が異なっていることが好ましい。

いずれの例の配列によっても、複数の予混合気噴射筒９に対して燃料Ｆが均一的に供給される。これにより、複数の予混合気噴射筒９から噴射される予混合気Ｍの燃料Ｆの濃度が均一化されるので、局所的な高温化が効果的に抑制される。

以上説明した本実施形態に係る図１のバーナ装置１によれば、燃料供給管２３によってバーナ壁３に噴射される燃料Ｆによってバーナ壁３が冷却されるので、逆火が発生した場合にもバーナ壁３の焼損を防止することができる。なお、逆火が発生した場合に限らず、火炎がバーナ近傍で形成された場合にもバーナ壁３の焼損が防止される。さらに、規則的に配列された複数の予混合気噴射筒９から予混合気Ｍを分散して噴射することにより、局所的な高温化が抑制されるので、ＮＯｘの発生が抑制される。

なお、本実施形態に係るバーナ装置１は、上述したボイラ装置やガスタービンのみならず、他の種類の動力装置にも適用することができる。

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
３ バーナ壁
５ 予混合気噴射口
９ 予混合気噴射筒
９ａ 予混合気噴射筒の周壁
１１ 空気導入口（助燃ガス導入口）
１３ 燃料導入孔（燃料ガス導入孔）
１５ 予混合通路
２１ 燃料導入室（燃料ガス導入室）
２３ 燃料供給管（燃料ガス供給管）
２３Ａ 中心燃料供給管（燃料ガス供給管）
２３Ｂ 周上燃料供給管（燃料ガス供給管）
Ａ 空気（助燃ガス）
Ｃ 仮想円
Ｆ 燃料（燃料ガス）
Ｍ 混合気
Ｒ 燃焼領域

Claims (3)

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、
   内側に予混合通路を形成する筒状の予混合気噴射筒であって、
   前記燃焼領域に面するバーナ壁の壁面に開口し、予混合気を前記燃焼領域に噴射する予混合気噴射口と、
   前記予混合気噴射口と反対側の端部の開口である、助燃ガスを導入する助燃ガス導入口と、
   周壁に形成された、燃料ガスを導入する燃料ガス導入孔と、
   を有する予混合気噴射筒と、
   前記予混合気噴射筒の前記周壁の周囲を取り囲む、前記バーナ壁の裏側の空間として形成された燃料ガス導入室と、
   前記バーナ壁に向けて燃料ガスを噴射することにより前記燃料ガス導入室に燃料ガスを供給する複数の燃料ガス供給管と
   を備え、
   複数の前記予混合気噴射筒が仮想円の円周上に配列されており、
   複数の前記燃料ガス供給管が、平面視において、前記仮想円の中心上に配置された中心燃料ガス供給管と、前記仮想円の円周上に配置された複数の周上燃料ガス供給管とを含み、
   複数の前記予混合気噴射筒および複数の前記周上燃料ガス供給管が、平面視において、同一の仮想円上に、互いに等間隔に、かつ、所定の数の前記予混合気噴射筒に一つの割合で前記周上燃料ガス供給管が位置するように配置されている
   バーナ装置。
2. 請求項１に記載のバーナ装置において、前記中心燃料ガス供給管と、複数の前記周上燃料ガス供給管とが、平面視において同一仮想直線上に配列されているバーナ装置。
3. 請求項２に記載のバーナ装置において、さらに、他の複数の周上燃料ガス供給管が、平面視において前記仮想直線と直交する他の仮想直線上に配置されているバーナ装置。

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