JP2020091071A - 特殊バーナ - Google Patents
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Abstract
【課題】燃焼器本体の内壁付近で生じるクエンチングを防止し、難燃性燃料による予混合火炎の保炎性を向上させて安定的に燃焼させる特殊バーナを提供する。【解決手段】投入された燃料が内部で燃焼される燃焼器本体と、前記燃焼器本体内に設けられ、第１燃料を前記燃焼器本体内に旋回気流として送り込むスワラと、前記スワラの外部領域に複数配設されるパイロットバーナとを備えている。【選択図】図２
Description
本発明は特殊バーナに関し、より詳しくは、難燃性のアンモニア等を燃料とする特殊バーナに関する。
近年、二酸化炭素の排出量削減に要求に伴い、炭素系の燃料に代わる燃料として、燃焼しても二酸化炭素を排出しないアンモニアへの期待が高まっている。一方で、アンモニアは、難燃性燃料であって、炭素系の燃料と比較すると、点火（着火）しにくく燃焼速度が遅いという特性を有している。具体的には、炭素系燃料を点火するのに必要とするエネルギーが８０ｍＪから１２０ｍＪ程度であるのに対して、アンモニアを点火するには４００ｍＪから６００ｍＪ程度のエネルギーが必要となる。そして、アンモニアの層流燃焼速度は、炭素系燃料（例えばメタンやプロパンなどの一般的な炭化水素系燃料）の層流燃焼速度よりも約７倍程度遅い。
この難燃性のアンモニアを燃料とした燃焼装置についての検討が特許文献１で報告されている。この特許文献１では、かかる燃料を安定的に燃焼させる為、燃焼器本体（燃焼筒）のアンモニアが滞留する領域に点火プラグを配置させる技術が紹介されている。
しかしながら、特許文献１の燃焼装置では、燃焼器本体の内壁付近は燃焼器本体の外部の温度により低温となっており、火炎の急冷によって燃焼反応の停止（クエンチング）が発生してしまう。従って、このクエンチングにより、不完全燃焼ガスが発生してしまい、アンモニアによる火炎を形成させて安定的にアンモニアを燃焼させることができないという問題があった。
本発明の目的は上記の問題点を解決し、燃焼器本体の内壁付近の低温によるクエンチングを防止し、難燃性燃料による火炎を形成させて安定的に難燃性燃料を燃焼させる特殊バーナを提供することにある。
本発明に係る特殊バーナは、投入された燃料が内部で燃焼される燃焼器本体と、前記燃焼器本体内に設けられ、第１燃料を前記燃焼器本体内に旋回気流として送り込むスワラと、前記スワラの外部領域に複数配設されるパイロットバーナとを備えている。
本明細書では、「スワラの外部領域」とはスワラの周縁部から燃焼器本体の底部の周縁部までの領域のことを意味する。
この発明の特殊バーナは、パイロットバーナがスワラの外部領域に配設されるので、パイロット火炎と燃焼器本体の内壁との間の距離を短くすることが可能となる。従って、燃焼器本体の内壁付近が高温となるので、燃焼器本体の内壁付近の低温によるクエンチングを防止することができる。その結果、パイロット火炎が予混合気を燃焼させて予混合火炎を形成するための火移りの効率を向上させることができるので、アンモニアによる火炎を形成させて安定的にアンモニアを燃焼させることが可能となる。
さらに、パイロットバーナがスワラの外部領域に配設されるので、外部領域に発生する滞留領域内に生じる渦巻き流によって、パイロット火炎が予混合気を燃焼させて予混合火炎を形成するための火移りの効率を向上させることができる。従って、アンモニアによる火炎を形成させてより安定的にアンモニアを燃焼させることが可能となる。
ここで、「アンモニアによる火炎を形成させて安定的にアンモニアを燃焼させる」という効果には、燃料が燃焼状態を変化させる状態である燃焼変動を小さくするという効果を含み、さらには、燃焼が間歇的に起こることによる燃焼ガス圧の脈動に起因する装置全体を震わせる現象である燃焼振動を小さくするという効果も含んでいる。
一実施形態の特殊バーナでは、前記各パイロットバーナは、前記燃焼器本体の内壁と前記パイロットバーナとの第１最短距離が前記パイロットバーナと前記スワラとの第２最短距離よりも小さくなる距離となるように前記外部領域に配設される。
この一実施形態の特殊バーナでは、各パイロットバーナは、燃焼器本体の内壁と各パイロットバーナとの第１最短距離が各パイロットバーナとスワラとの第２最短距離よりも小さくなる距離となるように前記外部領域に配設されるので、パイロット火炎と燃焼器本体の内壁との間の距離をさらに短くすることが可能となる。従って、燃焼器本体の内壁付近をさらに高温とすることができるので、燃焼器本体の内壁付近の低温によるクエンチングをさらに防止することができる。その結果、パイロット火炎が予混合気を燃焼させて予混合火炎を形成するための火移りの効率をより向上させることができるので、アンモニアによる火炎を形成させてより安定的にアンモニアを燃焼させることが可能となる。
さらに、各パイロットバーナは、燃焼器本体の内壁と各パイロットバーナとの第１最短距離が各パイロットバーナとスワラとの第２最短距離よりも小さくなる距離となるように前記外部領域に配設されるので、該外部領域に発生する滞留領域内に生じる渦巻き流によって、パイロット火炎が予混合気を燃焼させて予混合火炎を形成するための火移りの効率を向上させることができる。従って、アンモニアによる火炎を形成させてより安定的にアンモニアを燃焼させることが可能となる。
一実施形態の特殊バーナでは、前記各パイロットバーナは、前記燃焼器本体の内壁近傍に配設される。
この一実施形態の特殊バーナでは、各パイロットバーナが燃焼器本体の内壁近傍に配設されるので、燃焼器本体の内壁のさらに近傍を高温とすることができるので、燃焼器本体の内壁付近の低温によるクエンチングをさらに防止することができる。
さらに、各パイロットバーナが燃焼器本体の内壁近傍に配設されるので、燃焼器本体の内壁近傍に発生する滞留領域内に生じる渦巻き流によって、パイロット火炎が予混合気を燃焼させて予混合火炎を形成するための火移りの効率を向上させることができる。従って、アンモニアによる火炎を形成させてより安定的にアンモニアを燃焼させることが可能となる。
一実施形態の特殊バーナでは、前記各パイロットバーナは、円周方向に等ピッチで配設される。
この一実施形態の特殊バーナでは、各パイロットバーナが円周方向に等ピッチで配設されるので、燃焼器本体の内壁に形成される低温層を円周方向において均一とすることができる。従って、パイロット火炎が予混合気を燃焼させて予混合火炎を形成するための火移りの効率の低下を円周方向において均一的に抑制することができるので、予混合気の燃焼をより安定させることが可能となり、アンモニアによる火炎を形成させてさらに安定的にアンモニアを燃焼させることが可能となる。
一実施形態の特殊バーナでは、前記各パイロットバーナは、前記第１燃料よりも燃焼性が高い第２燃料を噴出する。
この一実施形態の特殊バーナでは、各パイロットバーナが第１燃料よりも燃焼性が高い第２燃料を噴出するので、パイロット火炎が予混合気を燃焼させて予混合火炎を形成するための火移りを効率良く行うことが可能となる。
一実施形態の特殊バーナでは、前記第１燃料はアンモニアガスであり、前記第２燃料はメタンガスである。
この一実施形態の特殊バーナでは、第１燃料がアンモニアガスであり、第２燃料がメタンガスであるので、パイロット火炎が予混合気を燃焼させて予混合火炎を形成するための火移りがより効率的となる。
一実施形態の特殊バーナでは、前記第２燃料を前記燃焼器本体の中心軸と平行方向に噴出する。
この一実施形態の特殊バーナでは、第２燃料が燃焼器本体の中心軸と平行方向に噴出されるので、燃焼器本体の内壁に形成される低温層を円周方向において均一とすることが可能となる。従って、パイロット火炎が予混合気を燃焼させて予混合火炎を形成するための火移りの効率の低下を円周方向において均一的に抑制することができるので、予混合気の燃焼をより安定させることが可能となり、アンモニアによる火炎を形成させてさらに安定的にアンモニアを燃焼させることが可能となる。
一実施形態の特殊バーナでは、前記各パイロットバーナ及び前記スワラは、前記燃焼器本体の底部にそれぞれ支持される。
この一実施形態の特殊バーナでは、各パイロットバーナ及びスワラは、燃焼器本体の底部にそれぞれ支持されるので、各パイロットバーナとスワラとの位置（距離）関係を容易に変更することが可能となる。従って、火移りの安定性の微調整を容易に行うことが可能となる。
一実施形態の特殊バーナでは、前記パイロットバーナを点火する点火プラグをさらに備える。
本発明に係る特殊バーナによれば、パイロットバーナがスワラの外部領域に配設されるので、パイロット火炎と燃焼器本体の内壁との間の距離を短くすることが可能となる。従って、燃焼器本体の内壁付近が高温となるので、燃焼器本体の内壁付近の低温によるクエンチングを防止することができる。その結果、パイロット火炎が予混合気を燃焼させて予混合火炎を形成するための火移りの効率を向上させることができるので、アンモニアによる火炎を形成させて安定的にアンモニアを燃焼させることが可能となる。
また、パイロット火炎を形成するパイロットバーナが燃焼器本体の内壁近傍に配設されているので、外部領域に発生する滞留領域内に生じる渦巻き流によって、パイロット火炎が予混合気を燃焼させて予混合火炎を形成するための火移りの効率を向上させることができる。従って、アンモニアによる火炎を形成させてより安定的にアンモニアを燃焼させることが可能となる。
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。
実施形態．
図１は本発明の実施形態に係る特殊バーナ２の一部切り欠き側面図及びその周辺の構成要素を示すブロック図であり、図２は図１の特殊バーナ２の底部１８を上側から見た概略図である。図１の特殊バーナ２は、筒状の耐熱ガラス製又はスチール製であって、投入された燃料が内部で燃焼される燃焼器本体４と、該燃焼器本体４内に燃料が送り込まれる円形状の投入口２２と、該投入口２２の下方に位置し、燃焼器本体４内に設けられたスワラ（旋回羽根）６と、燃焼性の低い難燃性の第１燃料（例えばアンモニアガスなど）を格納する燃料タンク１２ａと、第１燃料より燃焼性の高い第２燃料（例えばメタンガスなど）を格納する燃料タンク１２ｂと、酸化剤である空気を供給するエアコンプレッサ１２ｃと、第１燃料、第２燃料及び空気の供給量をそれぞれ調整するバルブ３０と、燃焼器本体４の底部１８に支持されるパイロットバーナ１４とを備えて構成される。ここで、図１の矢印Ｘが重力方向を示し、投入口２２の外周（スワラ６の周縁部）から投入口２２の中心部までの領域をスワラ６の内部領域といい、投入口２２の外周（スワラ６の周縁部）から円形状の底部１８の周縁部までの領域をスワラ６の外部領域という。
図１は本発明の実施形態に係る特殊バーナ２の一部切り欠き側面図及びその周辺の構成要素を示すブロック図であり、図２は図１の特殊バーナ２の底部１８を上側から見た概略図である。図１の特殊バーナ２は、筒状の耐熱ガラス製又はスチール製であって、投入された燃料が内部で燃焼される燃焼器本体４と、該燃焼器本体４内に燃料が送り込まれる円形状の投入口２２と、該投入口２２の下方に位置し、燃焼器本体４内に設けられたスワラ（旋回羽根）６と、燃焼性の低い難燃性の第１燃料（例えばアンモニアガスなど）を格納する燃料タンク１２ａと、第１燃料より燃焼性の高い第２燃料（例えばメタンガスなど）を格納する燃料タンク１２ｂと、酸化剤である空気を供給するエアコンプレッサ１２ｃと、第１燃料、第２燃料及び空気の供給量をそれぞれ調整するバルブ３０と、燃焼器本体４の底部１８に支持されるパイロットバーナ１４とを備えて構成される。ここで、図１の矢印Ｘが重力方向を示し、投入口２２の外周（スワラ６の周縁部）から投入口２２の中心部までの領域をスワラ６の内部領域といい、投入口２２の外周（スワラ６の周縁部）から円形状の底部１８の周縁部までの領域をスワラ６の外部領域という。
図１の燃焼器本体４は、重力方向に細長い筒状の耐熱ガラス製又はスチール製の胴部１６と、該胴部１６の上側開口部を覆う蓋部２０と、該胴部１６の下側開口部を覆う底部１８とを備えて構成される。図１の底部１８の中央部（中心部）には、アンモニアガスなどの難燃性の第１燃料を燃焼器本体４内に送り込まれる円形状の投入口２２が設けられる。また、図１の蓋部２０の中央部には炎が噴出する出力口２４が設けられている。
スワラ６は、燃焼器本体４を水平に切断したときの中心部付近で燃焼器本体４の底部１８に支持されている。スワラ６は駆動部（図示せず）により回転し、この回転により第１燃料が燃焼器本体４内に旋回気流Ｓ１として送り込まれる。ここで、第１燃料は燃料タンク１２ａに接続されたバルブ３０と、エアコンプレッサ１２ｃに接続されたバルブ３０とを調整することにより、所定の濃度の第１燃料を燃焼器本体４内に旋回気流Ｓ１として送り込むことが可能となる。なお、投入口２２から流れ込んだ旋回気流Ｓ１は、旋回しながら燃焼器本体４の内壁（内周面）に沿うように広がりつつ上方に進む。燃焼器本体４の中央部分の第１燃焼は、この流れに引っ張られ、燃焼器本体４の中央部分では、第１燃料は渦巻き状となりながら、下方から上方に流れる。
また、パイロットバーナ１４は、スワラ６の外部領域に複数配設される。詳細には、パイロットバーナ１４は、スワラ６に対して同心で投入口２２の周縁部（スワラ６の周縁部）を取り囲むように円周方向に等ピッチで燃焼器本体４の内壁近傍に複数配設されており、第１燃料よりも燃焼性が高い第２燃料を噴出する。ここで、第２燃料は燃料タンク１２ｂに接続されたバルブ３０と、エアコンプレッサ１２ｃに接続されたバルブ３０とを調整することにより、所定の濃度の第２燃料を各パイロットバーナ１４に送り込むことが可能となる。
さらに、各パイロットバーナ１４には、該各パイロットバーナ１４を点火する点火プラグ１０が各パイロットバーナ１４近傍にそれぞれ設けられている。ここで、点火プラグ１０は、先端部が鉤状である放電極１０ａと、先端部が鉤状である接地電極１０ｂとを有し、放電極１０ａ及び接地電極１０ｂは底部１８から燃焼器本体４の内部に突出するようにそれぞれ形成されている。なお、放電極１０ａには、電圧発生部（図示せず）から高電圧が印加され、これにより、放電極１０ａの先端部と接地電極１０ｂの先端部との間に火花が発生し、パイロットバーナ１４から噴出された第２燃料に点火される。
この構成により、各パイロットバーナ１４がスワラ６の外部領域に配設されるので、パイロット火炎と燃焼器本体４の内壁との間の距離と短くすることが可能となる。従って、燃焼器本体の内壁付近が高温となるので、燃焼器本体の内壁付近の低温によるクエンチングを防止することができる。その結果、パイロット火炎が予混合気を燃焼させて予混合火炎を形成するための火移りの効率を向上させることができるので、アンモニアによる火炎を形成させて安定的にアンモニアを燃焼させることが可能となる。
また、各パイロットバーナ１４が円周方向に等ピッチで配設されるので、燃焼器本体４の内壁に形成される低温層を円周方向において均一とすることができる。従って、パイロット火炎が予混合気を燃焼させて予混合火炎を形成するための火移りの効率の低下を円周方向において均一的に抑制することができるので、予混合気の燃焼をより安定させることが可能となり、アンモニアによる火炎を形成させてさらに安定的にアンモニアを燃焼させることが可能となる。
図１及び図２に示すように、パイロットバーナ１４は、燃焼器本体４の内壁とパイロットバーナ１４との第１最短距離Ｌ１がパイロットバーナ１４とスワラ６との第２最短距離Ｌ２よりも小さくなるように配設される。この構成により、パイロット火炎を形成するパイロットバーナ１４が燃焼器本体４の内壁近傍に配設されることとなるので、燃焼器本体４の内壁をより効率的に温めることが可能となる。
以上のように構成された特殊バーナ２の作用効果について以下に説明する。
図１の特殊バーナ２による燃料の燃焼方法では、燃焼の開始時では、燃焼性の高い第２燃料（例えばメタンガスなど）が各パイロットバーナ１４に送り込まれて、この第２燃料は燃焼器本体４の中心軸と平行方向に噴出される。この構成により、燃焼器本体４の内壁に形成される低温層を円周方向において均一とすることが可能となる。従って、パイロット火炎が予混合気を燃焼させて予混合火炎を形成するための火移りの効率の低下を円周方向において均一的に抑制することができるので、予混合気の燃焼をより安定させることが可能となり、アンモニアによる火炎を形成させてさらに安定的にアンモニアを燃焼させることが可能となる。
ここで、先ず、各パイロットバーナ１４から噴出された第２燃料が点火プラグ１０により点火されてパイロット火炎が形成される。これにより、燃焼器本体４の内壁側が温められる。次に、難燃性の高い第１燃料（例えばアンモニアガスなど）がスワラ６を介して、燃焼器本体４内に旋回気流Ｓ１として送り込まれる。ここで、各パイロットバーナ１４のパイロット火炎から第１燃料に火移りし、予混合火炎を形成し、出力口２４から炎が噴出される。
この構成により、パイロット火炎を形成するパイロットバーナ１４が燃焼器本体４の内壁近傍に配設されているので、燃焼器本体４の内壁のさらに近傍を高温とすることができるので、燃焼器本体４の内壁付近の低温によるクエンチングを防止することができる。従って、パイロット火炎が予混合気を燃焼させて予混合火炎を形成するための火移りの効率を向上させることができるので、アンモニアによる火炎を形成させて安定的にアンモニアを燃焼させることが可能となる。
さらに、本実施形態の特殊バーナ２のパイロットバーナ１４が燃焼器本体４の内壁近傍に配設されていることによる更なる効果について図３を用いて説明する。図３は図１の特殊バーナ２の効果を説明するための概念図である。
図３に示すように、燃焼器本体４の中央部では、スワラ６の回転により第１燃料が旋回気流Ｓ１として旋回しながら上方に進む。燃焼器本体４の内壁近傍（投入口２２の外周の外側）は、この旋回気流Ｓ１の流れから外れている。この旋回気流Ｓ１の流れから外れた位置は、滞留領域となる。ここで、旋回気流Ｓ１が流れる部分は気圧が低くなるため、各パイロットバーナ１４から噴出された第２燃料はこの気圧が低くなる部分に引っ張られて渦巻き流Ｓ２が発生する。従って、滞留領域では渦巻き流Ｓ２が発生するので、第２燃料は各パイロットバーナ１４の上方を繰り返して通過する。
上述したように、燃焼器本体４の内壁付近に形成される滞留領域において渦巻き流Ｓ２が発生するので、パイロット火炎から予混合気にさらに効率的に火移りすることができる。従って、アンモニアによる火炎を形成させてより安定的にアンモニアを燃焼させることが可能となる。
本実施形態では、パイロット火炎を形成するパイロットバーナ１４が燃焼器本体４の内壁近傍に配設されたが、本発明はこれに限定されない。例えば、パイロット火炎を形成するパイロットバーナ１４が燃焼器本体４の内壁に沿って配設されるように構成されてもよい。この場合においても、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。さらに、本実施形態と比較すると、燃焼器本体４の内壁付近をさらに高温とすることが可能となるので、火移りの効率をさらに向上することができる。従って、本実施形態と比較すると、予混合気の燃焼をさらに安定させることが可能となるので、アンモニアによる火炎を形成させてより安定的にアンモニアを燃焼させることが可能となる。
また、本実施形態では、パイロットバーナ１４から噴出される第２燃料が、燃焼器本体４の中心軸と平行方向に噴出されるように構成されたが、本発明はこれに限定されない。例えば、第２燃料がスワラ６によって形成された再循環領域に向けて噴出されるように構成されてもよい。この場合においても、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。さらに、本実施形態と比較すると、スワラ６によって形成される再循環領域に対してパイロットバーナ１４から噴出された第２燃料が適度に供給されて、より安定したガス火炎を形成することが可能となる。
さらに、本実施形態では、難燃性燃料としてアンモニアを用いて説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、難燃性燃料としてアンモニア化合物や他の難燃性燃料を用いてもよく、さらに、それらを主原料として炭素系化合物などの他の物質が混合されていてもよい。
上述の実施形態は例示に過ぎず、この発明の範囲から逸脱することなく種々の変形が可能である。
２ 特殊バーナ
４ 燃焼器本体
６ スワラ
１４ パイロットバーナ
２２ 投入口
２４ 出力口
１８ 底部
２０ 蓋部
４ 燃焼器本体
６ スワラ
１４ パイロットバーナ
２２ 投入口
２４ 出力口
１８ 底部
２０ 蓋部
Claims (10)
- 投入された燃料が内部で燃焼される燃焼器本体と、
前記燃焼器本体内に設けられ、第１燃料を前記燃焼器本体内に旋回気流として送り込むスワラと、
前記スワラの外部領域に複数配設されるパイロットバーナと、
を備えた特殊バーナ。 - 前記各パイロットバーナは、前記燃焼器本体の内壁と前記パイロットバーナとの第１最短距離が前記パイロットバーナと前記スワラとの第２最短距離よりも小さくなる距離となるように前記外部領域に配設される請求項１記載の特殊バーナ。
- 前記各パイロットバーナは、前記燃焼器本体の内壁近傍に配設される請求項１又は２記載の特殊バーナ。
- 前記各パイロットバーナは、前記燃焼器本体の内壁に沿って配設される請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の特殊バーナ。
- 前記各パイロットバーナは、円周方向に等ピッチで配設される請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の特殊バーナ。
- 前記各パイロットバーナは、前記第１燃料よりも燃焼性が高い第２燃料を噴出する請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の特殊バーナ。
- 前記第１燃料はアンモニアガスであり、前記第２燃料はメタンガスである請求項６記載の特殊バーナ。
- 前記各パイロットバーナは、前記第２燃料を前記燃焼器本体の中心軸と平行方向に噴出する請求項６又は７記載の特殊バーナ。
- 前記各パイロットバーナ及び前記スワラは、前記燃焼器本体の底部にそれぞれ支持される請求項１〜８のうちのいずれか１つに記載の特殊バーナ。
- 前記各パイロットバーナを点火する点火プラグをさらに備えた請求項１〜９のうちのいずれか１つに記載の特殊バーナ。
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