JP2023017223A - 燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼管内に燃料ガス及び酸化性ガスを導入するガス導入部について構造の簡単化及び加工の容易化を図りつつ、燃焼管内に燃料ガス及び酸化性ガスの旋回流を発生させることができる燃焼器を提供する。【解決手段】燃焼器４は、一端が開放されると共に他端に閉塞壁２３が固定された円筒状の燃焼管２０と、燃焼管２０に取り付けられ、燃焼管２０内にアンモニアガス及び空気を導入するガス導入管２１と、燃焼管２０内に導入されたアンモニアガスを着火させる点火プラグ２２とを備え、ガス導入管２１における燃焼管２０と接続される側の端には、アンモニアガス及び空気を燃焼管２０内に導出するガス出口部２１ａが設けられており、ガス導入管２１は、ガス出口部２１ａが燃焼管２０内に収容されるように燃焼管２０の差込孔２４に対して燃焼管２０の内側に向かって燃焼管２０の内周面２０ｂの接線方向に突出している。【選択図】図３

Description

本発明は、燃焼器に関する。

従来の燃焼器としては、例えば特許文献１に記載されているような管状火炎バーナが知られている。特許文献１に記載の管状火炎バーナは、基端が閉塞されると共に先端が開放され、燃焼室を形成する円筒状の燃焼管と、燃焼室に燃焼用空気を供給する複数の扁平状流路と、この扁平状流路に接続され、燃焼室に燃料ガスを供給する複数の燃料ガス供給路とを備えている。燃焼管の基端側部の側面には、燃焼室の筒軸心方向に沿って開口する複数のスリットが形成されている。扁平状流路は、スリットに接続されていると共に、燃焼室の筒軸心方向に相当する幅方向に沿って幅広となっている。スリットは、燃焼用空気及び燃料ガスを混合状態で燃焼室の内面の接線方向に向けて噴出するように構成されている。混合状態の燃焼用空気及び燃料ガスがスリットから燃焼室の内面の接線方向に向けて噴出されると、混合ガスが燃焼室の内面に沿って旋回し、旋回火炎（管状火炎）が形成される状態で燃料ガスが燃焼する。

特開２０１９－１００６７８号公報

上記従来技術においては、燃焼室内に燃料ガス及び燃焼用空気（酸化性ガス）の混合ガスの理想的な旋回流が生じるため、燃料ガスが燃焼されやすくなる。しかし、燃焼室内に燃料ガス及び燃焼用空気を導入するためのガス導入部として、燃焼管に微細なスリットを形成する必要がある。このため、ガス導入部の構造が複雑になると共に、ガス導入部の加工が困難になる。

本発明の目的は、燃焼管内に燃料ガス及び酸化性ガスを導入するガス導入部について構造の簡単化及び加工の容易化を図りつつ、燃焼管内に燃料ガス及び酸化性ガスの旋回流を発生させることができる燃焼器を提供することである。

本発明の一態様に係る燃焼器は、一端が開放されると共に他端側に閉塞壁が固定された円筒状の燃焼管と、燃焼管に取り付けられ、燃焼管内に燃料ガス及び酸化性ガスを導入するガス導入管と、閉塞壁に取り付けられ、ガス導入管により燃焼管内に導入された燃料ガスを着火させる点火部とを備え、燃焼管には、ガス導入管が差し込まれる差込孔が設けられており、ガス導入管における燃焼管と接続される側の端には、燃料ガス及び酸化性ガスを燃焼管内に導出するガス出口部が設けられており、ガス導入管は、ガス出口部が燃焼管内に収容されるように差込孔に対して燃焼管の内側に向かって燃焼管の内周面の接線方向に突出している。

このような燃焼器においては、ガス導入管により燃料ガス及び酸化性ガスが円筒状の燃焼管内に導入されると、燃料ガスと酸化性ガスとの混合ガスが燃焼管内を閉塞壁に向かって流れる。そして、点火部により混合ガス中の燃料ガスが着火して燃焼し、燃焼ガスが生成される。そして、燃焼ガスが燃焼管の開放側に流れる。ここで、ガス導入管は、ガス出口部が燃焼管内に収容されるように差込孔に対して燃焼管の内側に向かって燃焼管の内周面の接線方向に突出している。これにより、燃料ガス及び酸化性ガスが燃焼管内に導入されると、燃焼管内に燃料ガス及び酸化性ガスの旋回流（管状流）が発生する。従って、燃料ガスが旋回流の状態で着火することで、管状火炎が形成されることとなる。また、ガス導入管を燃焼管に取り付ける際には、燃焼管に単純な孔加工を施して差込孔を形成し、差込孔にガス導入管を差し込めばよい。これにより、燃焼管内に燃料ガス及び酸化性ガスを導入するガス導入部について、構造の簡単化及び加工の容易化が図られる。

ガス導入管は、燃料ガスと酸化性ガスとの混合ガスの流量に対し、ガス出口部から燃焼管内に混合ガスが導出される際の流速が３ｍ／ｓ～２５ｍ／ｓとなるような断面積を有していてもよい。このような構成では、酸化性ガスの過剰率に対する燃料ガスの燃焼可能範囲が広くなるため、燃料ガスが安定して燃焼しやすくなる。

ガス導入管は、断面円形状を呈し、燃焼管の内径に対するガス導入管の内径の比率は、０．３０～０．４５であってもよい。このような構成では、特に燃焼管内に供給される燃料ガスの流量が多いときに、酸化性ガスの過剰率に対する燃料ガスの燃焼可能範囲が更に広くなる。従って、燃料ガスが更に安定して燃焼しやすくなる。

燃焼管は、本体部と、本体部から閉塞壁に向かって先細りとなるテーパ部とを有してもよい。このような構成では、点火部の近傍において、燃焼管の軸方向に対する混合ガスの流速の対称性が良くなる。従って、燃料ガスが更に安定して燃焼しやすくなる。

差込孔は、本体部に設けられており、テーパ部の基端の外径半径とテーパ部の先端の外径半径との差分は、本体部の内径半径以下であってもよい。このような構成では、特に燃焼管内に供給される燃料ガスの流量が多いときに、酸化性ガスの過剰率に対する燃料ガスの燃焼可能範囲が更に広くなる。従って、燃料ガスが一層安定して燃焼しやすくなる。

本発明によれば、燃焼管内に燃料ガス及び酸化性ガスを導入するガス導入部について構造の簡単化及び加工の容易化を図りつつ、燃焼管内に燃料ガス及び酸化性ガスの旋回流を発生させることができる。

本発明の第１実施形態に係る燃焼器を備えた改質システムを示す概略構成図である。 図１に示された燃焼器の斜視図である。 図２に示された燃焼器の断面図である。 図３のIV－IV線断面図である。 比較例としての燃焼器を示す斜視図である。 図５に示された燃焼器の断面図である。 図４に示された燃焼器において空気過剰率λに対するアンモニアガスの燃焼可能範囲を比較して示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る燃焼器を示す断面図である。 図８に示された燃焼器において空気過剰率λに対するアンモニアガスの燃焼可能範囲を比較して示すグラフである。 本発明の第３実施形態に係る燃焼器を示す断面図である。 図１０に示された燃焼器において空気過剰率λに対するアンモニアガスの燃焼可能範囲を比較して示すグラフである。 図３に示された燃焼器の変形例を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、同一または同等の要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る燃焼器を備えた改質システムを示す概略構成図である。図１において、改質システム１は、アンモニアガス供給源２と、空気供給源３と、本実施形態の燃焼器４と、改質器５とを備えている。

アンモニアガス供給源２は、燃料ガスであるアンモニアガス（ＮＨ_３ガス）を発生させる。アンモニアガス供給源２は、特に図示はしないが、アンモニアを液体状態で貯蔵するアンモニアタンクと、液体のアンモニアを気化させてアンモニアガスを生成する気化器とを有している。

空気供給源３は、酸化性ガスである空気を発生させる。空気供給源３としては、例えば送風機等が用いられる。

燃焼器４は、アンモニアガス供給源２で発生したアンモニアガスを燃焼させて、高温の燃焼ガスを発生させる。燃焼器４については、後で詳述する。

改質器５は、燃焼器４と接続されている。改質器５は、燃焼器４と直接または接続管を介して接続されている。改質器５は、アンモニアガスを燃焼させて発生した熱を利用してアンモニアガスを改質することにより、水素を含有した改質ガスを生成する。

改質器５は、ＡＴＲ触媒５ａを有している。ＡＴＲ触媒５ａは、燃焼器４で発生した燃焼ガスの熱によりアンモニアガスを燃焼させると共に、そのアンモニアガスの燃焼熱（自己熱）によりアンモニアガスを水素に分解することで、アンモニアガスを改質する自己熱式改質触媒である。ＡＴＲ触媒５ａは、例えばハニカム構造を有している。

ＡＴＲ触媒５ａは、例えば２００℃～４００℃程度の温度領域においてアンモニアガスを燃焼させると共に、アンモニアガスの燃焼温度よりも高い温度領域（例えば２５０℃～５００℃程度）においてアンモニアガスを改質する。ＡＴＲ触媒５ａとしては、例えばコバルト系触媒、ロジウム系触媒、ルテニウム系触媒またはパラジウム系触媒等が使用される。

なお、改質器５は、ＡＴＲ触媒５ａに代えて、アンモニアガスを燃焼させる燃焼触媒と、アンモニアガスを水素に分解する改質触媒とを別々に有していてもよい。

また、改質システム１は、空気流路６，７と、スロットルバルブ８，９と、アンモニアガス流路１０，１１と、インジェクタ１２，１３とを備えている。

空気流路６は、空気供給源３と燃焼器４とを接続している。空気流路６は、空気供給源３で発生した空気が燃焼器４に向けて流れる流路である。空気流路７は、空気供給源３と改質器５とを接続している。空気流路７は、空気供給源３で発生した空気が改質器５に向けて流れる流路である。

スロットルバルブ８は、空気流路６に配設されている。スロットルバルブ８は、燃焼器４に供給される空気の流量を制御する流量制御弁である。スロットルバルブ９は、空気流路７に配設されている。スロットルバルブ９は、改質器５に供給される空気の流量を制御する流量制御弁である。

アンモニアガス流路１０は、アンモニアガス供給源２とインジェクタ１２とを接続している。アンモニアガス流路１０は、アンモニアガス供給源２で発生したアンモニアガスがインジェクタ１２に向けて流れる流路である。アンモニアガス流路１１は、アンモニアガス供給源２とインジェクタ１３とを接続している。アンモニアガス流路１１は、アンモニアガス供給源２で発生したアンモニアガスがインジェクタ１３に向けて流れる流路である。

インジェクタ１２は、燃焼器４に向けてアンモニアガスを噴射する燃料噴射弁である。インジェクタ１２は、空気流路６におけるスロットルバルブ８と燃焼器４との間にアンモニアガスを噴射する。このため、空気流路６における燃焼器４の上流側には、アンモニアガス及び空気が流れる。

インジェクタ１３は、改質器５に向けてアンモニアガスを噴射する燃料噴射弁である。インジェクタ１３は、空気流路７におけるスロットルバルブ９と改質器５との間にアンモニアガスを噴射する。このため、空気流路７における改質器５の上流側には、アンモニアガス及び空気が流れる。

改質器５は、改質ガス流路１４を介して水素利用装置１５と接続されている。改質ガス流路１４は、改質器５により生成された改質ガスが水素利用装置１５に向けて流れる流路である。

水素利用装置１５は、改質ガスに含まれる水素を利用する装置である。水素利用装置１５としては、例えばアンモニアガスを燃料としたアンモニアエンジンやアンモニアガスタービン、或いは水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う燃料電池等が挙げられる。

図２は、燃焼器４の斜視図である。図３は、燃焼器４の断面図である。図４は、図３のIV－IV線断面図である。図２～図４において、本実施形態の燃焼器４は、管状火炎バーナである。

燃焼器４は、燃焼管２０と、この燃焼管２０内にアンモニア及び空気を導入するガス導入管２１と、このガス導入管２１により燃焼管２０内に導入されたアンモニアガスを着火させる点火プラグ２２とを備えている。

燃焼管２０及びガス導入管２１は、アンモニアガスに対して耐腐食性を有するステンレス鋼等の金属材料で形成されている。燃焼管２０及びガス導入管２１は、円筒状（断面円形状）を呈している。断面円形状とは、燃焼管２０及びガス導入管２１の軸方向に垂直に切った断面で円形状のことである。ここでいう円形状は、真円形状だけでなく、楕円形状も含む。

燃焼管２０の一端は、開放されている。つまり、燃焼管２０の一端は、開放端２０ａとなっている。燃焼管２０の他端は、閉塞されている。燃焼管２０の他端には、円形状の閉塞壁２３が固定されている。

ガス導入管２１の一端は、燃焼管２０に接続されている。つまり、ガス導入管２１の一端は、ガス導入管２１における燃焼管２０と接続される側の端である。ガス導入管２１の他端は、上記の空気流路６と接続されている。ガス導入管２１は、燃焼管２０の軸方向に沿って延びるように略Ｌ字状に曲げられている。

燃焼管２０には、ガス導入管２１が差し込まれる断面円形状の差込孔２４が設けられている。差込孔２４は、燃焼管２０の軸方向の中央部に配置されている。差込孔２４は、ガス導入管２１が燃焼管２０に対して燃焼管２０の内周面２０ｂの接線方向に差し込まれるような位置に設けられている。

ガス導入管２１の内部には、アンモニアガスと空気との混合ガスが流れる。ガス導入管２１の一端には、アンモニアガスと空気との混合ガスを燃焼管２０内に導出するガス出口部２１ａが設けられている。ガス導入管２１は、ガス出口部２１ａが燃焼管２０内に収容されるように差込孔２４に対して燃焼管２０の内側に向かって燃焼管２０の内周面２０ｂの接線方向に突出している。なお、ここでいう接線方向は、完全な接線方向だけでなく、略接線方向も含んでいる。

このとき、ガス出口部２１ａを画成するガス導入管２１の一端面は、燃焼管２０内における燃焼管２０の同じ径方向に沿った仮想面Ｍに相当する位置に配置されている（図３参照）。これにより、アンモニアガスと空気との混合ガスが燃焼管２０内に燃焼管２０の内周面２０ｂの接線方向に導入されるため、燃焼管２０内に混合ガスの旋回流（管状流）が発生する。具体的には、ガス導入管２１の内壁面に沿ってガス導入管２１の軸方向に流れる混合ガスは、ガス出口部２１ａを通って燃焼管２０の内壁面に沿って燃焼管２０の周方向に流れるようになる。従って、ガス導入管２１のガス出口部２１ａが燃焼管２０内に収容されないようにガス導入管２１の一端面を燃焼管２０の外周面に連結した場合（例えば図５及び図６と同様の構造）に比べて、混合ガスの旋回流が発生しやすくなる。

ガス導入管２１は、上述したように断面円形状を呈している。ガス導入管２１は、アンモニアガスと空気との混合ガスの流量（Ｌ／ｍｉｎ）に対し、ガス出口部２１ｂから燃焼管２０内に混合ガスが導出される際の流速（突入流速）が３ｍ／ｓ～２５ｍ／ｓとなるような断面積Ｓを有している。ガス導入管２１の断面積Ｓは、混合ガスの流量／混合ガスの突入流速で表される。

点火プラグ２２は、閉塞壁２３の径方向中心部に取り付けられている。点火プラグ２２は、燃焼管２０内に導入されたアンモニアガスに点火してアンモニアガスを着火させる点火部である。

このような燃焼器４において、ガス導入管２１により燃焼管２０内にアンモニアガスと空気との混合ガスが導入されると、混合ガスが旋回流となる（図３参照）。このとき、混合ガスの一部が燃焼管２０内を旋回流の状態で閉塞壁２３に向かって流れる（図４参照）。そして、混合ガスが閉塞壁２３の近傍に達すると、点火プラグ２２により混合ガス中のアンモニアガスが着火して管状火炎が形成され、燃焼ガスが発生する。燃焼ガスは、残りの混合ガスと共に燃焼管２０の開放端２０ａに向かって流れる（図４参照）。

以上のような燃焼器４を備えた改質システム１が起動されると、スロットルバルブ８，９及びインジェクタ１２，１３が開弁することで、空気が空気流路６，７を燃焼器４及び改質器５に向かってそれぞれ流れると共に、インジェクタ１２，１３から燃焼器４及び改質器５に向かってアンモニアガスがそれぞれ噴射される。すると、アンモニアガスと空気との混合ガスが燃焼器４及び改質器５にそれぞれ供給される。

燃焼器４においてガス導入管２１から燃焼管２０内に混合ガスが導入されると、混合ガスが燃焼管２０内を旋回流として流れる。そして、旋回流の混合ガスが閉塞壁２３の近傍に達すると、点火プラグ２２が点火することで、混合ガス中のアンモニアガスが着火して燃焼する。具体的には、下記式のように、アンモニアと空気中の酸素とが化学反応し、高温の燃焼ガスが生成される（発熱反応）。
ＮＨ_３＋３／４Ｏ_２→１／２Ｎ_２＋３／２Ｈ_２Ｏ …（Ａ）

燃焼ガスは、燃焼管２０内を開放端２０ａに向かって流れて改質器５に供給される。そして、燃焼ガスの熱によって改質器５のＡＴＲ触媒５ａが暖められ、ＡＴＲ触媒５ａの温度が上昇する。そして、ＡＴＲ触媒５ａの温度が燃焼可能温度に達すると、点火プラグ２２の点火が停止すると共に、スロットルバルブ８及びインジェクタ１２が閉弁することで、燃焼器４への空気及びアンモニアガスの供給が停止する。これにより、燃焼器４による燃焼ガスの生成が完了する。

また、ＡＴＲ触媒５ａの温度が燃焼可能温度に達すると、ＡＴＲ触媒５ａによりアンモニアガスが燃焼することで、上記（Ａ）式の発熱反応が起こり、ＡＴＲ触媒５ａの自己熱によってＡＴＲ触媒５ａの温度が更に上昇する。

そして、ＡＴＲ触媒５ａの温度が改質可能温度に達すると、ＡＴＲ触媒５ａによりアンモニアガスが改質される。具体的には、下記式のように、アンモニアの分解反応が起こり（吸熱反応）、水素を含む改質ガスが生成される。改質ガスは、改質ガス流路１４を流れて水素利用装置１５に供給される。
ＮＨ_３→３／２Ｈ_２＋１／２Ｎ_２ …（Ｂ）

図５は、比較例としての燃焼器を示す斜視図である。図６は、図５に示された燃焼器の断面図である。図５及び図６において、本比較例の燃焼器５０は、一端が開放されると共に他端が閉塞された円筒状の燃焼管５１と、この燃焼管５１内にアンモニア及び空気を導入する４つの扁平状のガス導入部材５２と、燃焼管５１内に導入されたアンモニアガスを着火させる点火プラグ５３とを備えている。

燃焼管５１には、周方向に沿って４つのスリット５４が等間隔に形成されている。スリット５４は、燃焼管５１の軸方向に延びている。各ガス導入部材５２は、ガス出口部５２ａがスリット５４と連通するように燃焼管５１に固定されている。ガス導入部材５２は、スリット５４と協働してアンモニア及び空気を燃焼管５１の内周面５１ｂの接線方向に導入するように配置されている。従って、アンモニア及び空気の理想的な旋回流が形成される。

しかし、本比較例では、燃焼管５１内にアンモニアガス及び空気を導入するガス導入部は、４つの扁平状のガス導入部材５２によって構成されている。このため、燃焼管５１に４つの微細なスリット５４を形成する必要がある。その結果、ガス導入部の構造が複雑になると共に、ガス導入部の加工が困難になる。また、４つのガス導入部材５２が燃焼管５１の径方向に沿って四方に延びているため、燃焼器５０の大型化につながる。

そのような課題に対し、本実施形態では、ガス導入管２１によりアンモニアガス及び空気が円筒状の燃焼管２０内に導入されると、アンモニアガスと空気との混合ガスが燃焼管２０内を閉塞壁２３に向かって流れる。そして、点火プラグ２２により混合ガス中のアンモニアガスが着火して燃焼し、燃焼ガスが生成される。そして、燃焼ガスが燃焼管２０の開放側に流れる。ここで、ガス導入管２１は、ガス出口部２１ａが燃焼管２０内に収容されるように差込孔２４に対して燃焼管２０の内側に向かって燃焼管２０の内周面２０ｂの接線方向に突出している。これにより、アンモニアガス及び空気が燃焼管２０内に導入されると、燃焼管２０内にアンモニアガス及び空気の旋回流（管状流）が発生する。従って、アンモニアガスが旋回流の状態で着火することで、管状火炎が形成されることとなる。また、ガス導入管２１を燃焼管２０に取り付ける際には、燃焼管２０に単純な孔加工を施して差込孔２４を形成し、差込孔２４にガス導入管２１を差し込めばよい。これにより、燃焼管２０内にアンモニアガス及び空気を導入するガス導入部について、構造の簡単化及び加工の容易化が図られる。さらに、ガス導入管２１が燃焼管２０の軸方向に沿って延びるように曲がっているため、燃焼器４の径方向の寸法が小さくなり、燃焼器４の小型化が図られる。

ところで、ガス導入管２１によりアンモニアガス及び空気が燃焼管２０内に導入されると、アンモニアガスと空気との混合ガスの旋回流が発生する。しかし、混合ガスが燃焼管２０内を旋回すると、混合ガスがガス導入管２１に干渉するため、点火プラグ２２の近傍において燃焼管２０の軸方向に対する混合ガスの流速の対称性が崩れることがある。この場合には、図７に示されるように、空気過剰率λに対するアンモニアガスの燃焼可能範囲に影響を与えてしまう。

図７において、アンモニアガスの燃焼量は、アンモニアガスの流量に比例している。空気過剰率λは、アンモニアガスと空気との混合ガスの組成に相当する。空気過剰率λ＝１は、ストイキ（燃料が完全燃焼する理論空燃比）状態である。空気過剰率λ＞１は、リーン（空気過剰）状態である。空気過剰率λ＜１は、リッチ（燃料過剰）状態である。

本実施形態では、ガス導入管２１は、アンモニアガスと空気との混合ガスの流量に対し、ガス出口部２１ｂから燃焼管２０内に混合ガスが導出される際の突入流速が３ｍ／ｓ～２５ｍ／ｓとなるような断面積Ｓを有している。この場合には、図７の実線Ｐ１，Ｐ２で示されるように、ガス導入管２１の断面積Ｓが上記の条件を満たさない場合（破線Ｑ１，Ｑ２参照）に比べて、アンモニアガスの燃焼可能範囲が全体的にリーン側に広くなる。実線Ｐ１及び破線Ｑ１は、リーン側の燃焼限界値を示している。実線Ｐ２及び破線Ｑ２は、リッチ側の燃焼限界値を示している。このため、アンモニアガスの燃焼可能範囲は、実線Ｐ１，Ｐ２間の領域及び破線Ｑ１，Ｑ２間の領域である。このとき、ガス導入管２１の断面積Ｓは、約８０ｍｍ^２である。ガス導入管２１の中心軸から閉塞壁２３までの距離Ｘ（図４参照）は、１０ｍｍ～１００ｍｍである。

このように本実施形態によれば、空気過剰率λに対するアンモニアガスの燃焼可能範囲が広くなるため、アンモニアガスが安定して燃焼しやすくなる。従って、燃焼器４の燃焼性能が高くなる。

図８は、本発明の第２実施形態に係る燃焼器を示す断面図であり、図４に対応する図である。図８において、本実施形態の燃焼器４Ａは、上記の第１実施形態と同様に、燃焼管２０と、ガス導入管２１と、点火プラグ２２とを備えている。

本実施形態では、上記の第１実施形態に比べて、燃焼管２０の内径Ｒ１に対するガス導入管２１の内径Ｒ２の比率（ガス導入管２１の内径Ｒ２／燃焼管２０の内径Ｒ１）が大きくなっている。具体的には、燃焼管２０の内径Ｒ１に対するガス導入管２１の内径Ｒ２の比率は、０．３０～０．４５である。

また、本実施形態では、上記の第１実施形態と同様に、ガス導入管２１は、アンモニアガスと空気との混合ガスの流量（Ｌ／ｍｉｎ）に対し、ガス出口部２１ｂ（図３参照）から燃焼管２０内に混合ガスが導出される際の突入流速が３ｍ／ｓ～２５ｍ／ｓとなるような断面積Ｓを有している。

このような場合には、図９の実線Ｐ１，Ｐ２で示されるように、燃焼管２０の内径Ｒ１に対するガス導入管２１の内径Ｒ２の比率とガス導入管２１の断面積Ｓが上記の条件を満たさない場合（破線Ｑ１，Ｑ２参照）に比べて、アンモニアガスの燃焼可能範囲が全体的にリーン側に広くなると共に、特に燃焼管２０内に供給されるアンモニアガスの流量が多いときに、アンモニアガスの燃焼可能範囲がリッチ側に広くなる。このとき、ガス導入管２１の断面積Ｓ及びガス導入管２１の中心軸から閉塞壁２３までの距離Ｘ（図４参照）は、上記の第１実施形態と同様である。

このように本実施形態によれば、特に燃焼管２０内に供給されるアンモニアガスの流量が多いときに、空気過剰率λに対するアンモニアガスの燃焼可能範囲が更に広くなる。従って、アンモニアガスが更に安定して燃焼しやすくなる。

図１０は、本発明の第３実施形態に係る燃焼器を示す断面図であり、図４に対応する図である。図１０において、本実施形態の燃焼器４Ｂは、燃焼管３０と、上記のガス導入管２１及び点火プラグ２２とを備えている。

燃焼管３０の一端は、開放端３０ａとなっている。燃焼管３０の他端には、閉塞壁３３が固定されている。燃焼管３０は、径が軸方向に沿って全体的に等しい本体部３１と、この本体部３１から閉塞壁３３に向かって先細りとなるテーパ部３２とを有している。テーパ部３２は、本体部３１よりも燃焼管３０の他端側に配置されている。ガス導入管２１が差し込まれる差込孔２４（図２及び図３参照）は、本体部３１に設けられている。

テーパ部３２の基端３２ａの外径半径Ｒａとテーパ部３２の先端３２ｂの外径半径Ｒｂとの差分Δｒは、本体部３１の内径半径Ｒｃ以下である。テーパ部３２の基端３２ａの外径半径Ｒａは、本体部３１の外径半径に等しい。本体部３１の内径半径Ｒｃは、本体部３１の外径半径と本体部３１の厚みとの差である。閉塞壁３３は、テーパ部３２の先端３２ｂに固定されている。テーパ部３２の先端３２ｂの外径半径Ｒｂは、閉塞壁３３の半径にほぼ等しい。

ガス導入管２１は、上記の第１実施形態と同様に、アンモニアガスと空気との混合ガスの流量（Ｌ／ｍｉｎ）に対し、ガス出口部２１ｂ（図３参照）から燃焼管３０内に混合ガスが導出される際の突入流速が３ｍ／ｓ～２５ｍ／ｓとなるような断面積Ｓを有している。

このような本実施形態では、燃焼管３０は、本体部３１から閉塞壁３３に向かって先細りとなるテーパ部３２を有している。このため、点火プラグ２２の近傍において、燃焼管３０の軸方向に対する混合ガスの流速の対称性が良くなる。従って、アンモニアガスが更に安定して燃焼しやすくなる。

また、本実施形態では、差込孔２４は、本体部３１に設けられており、テーパ部３２の基端３２ａの外径半径Ｒａとテーパ部３２の先端３２ｂの外径半径Ｒｂとの差分Δｒは、本体部３１の内径半径Ｒｃ以下である。

このような場合には、図１１の実線Ｐ１，Ｐ２で示されるように、燃焼管３０がテーパ部３２を有しないと共にガス導入管２１の断面積Ｓが上記の条件を満たさない場合（破線Ｑ１，Ｑ２参照）に比べて、アンモニアガスの燃焼可能範囲が全体的にリーン側に広くなると共に、特に燃焼管３０内に供給されるアンモニアガスの流量が多いときに、アンモニアガスの燃焼可能範囲がリッチ側に広くなる。このとき、ガス導入管２１の断面積Ｓ及びガス導入管２１の中心軸から閉塞壁２３までの距離Ｘ（図４参照）は、上記の第１実施形態と同様である。また、テーパ部３２の基端３２ａの外径半径Ｒａとテーパ部３２の先端３２ｂの外径半径Ｒｂとの差分Δｒは、例えば３ｍｍ～１０ｍｍである。テーパ部３２の長さＨは、例えば１０ｍｍ～７０ｍｍである。テーパ部３２の長さＨは、テーパ部３２の基端３２ａからテーパ部３２の先端３２ｂ（閉塞壁３３）までの長さである。

このように本実施形態によれば、特に燃焼管３０内に供給されるアンモニアガスの流量が多いときに、空気過剰率λに対するアンモニアガスの燃焼可能範囲が更に広くなる。従って、アンモニアガスが一層安定して燃焼しやすくなる。

なお、本発明は、上記実施形態には限定されない。例えば上記実施形態では、燃焼管２０または燃焼管３０にガス導入管２１が１つ取り付けられているが、ガス導入管２１の数としては、特に１つには限られず、複数あってもよい。例えば図１２に示されるように、燃焼管２０に２つのガス導入管２１が取り付けられていてもよい。この場合、差込孔２４は、燃焼管２０に周方向に１８０度離れて２つ設けられている。そして、ガス導入管２１は、ガス出口部２１ａが燃焼管２０内に収容されるように各差込孔２４に対して燃焼管２０の内側に向かって燃焼管２０の内周面２０ｂの接線方向に突出している。

また、上記実施形態では、ガス導入管２１は円筒状（断面円形状）を呈しているが、特にそのような形態には限られない。例えば、上記の第１及び第３実施形態では、ガス導入管２１の形状としては、角筒状（断面四角形状）等であってもよい。

また、上記実施形態では、閉塞壁２３，３３は燃焼管２０，３０の他端（開放端の反対側の端）に固定されているが、特にその形態には限られず、閉塞壁２３，３３は燃焼管２０，３０の他端の近傍に固定されていてもよい。要は、閉塞壁２３，３３は燃焼管２０，３０の他端側に固定されていればよい。

また、上記実施形態の燃焼器４，４Ａ，４Ｂは、改質システム１に具備されているが、本発明は、改質システム以外のシステム等にも適用してもよい。

また、上記実施形態では、燃料ガスとしてアンモニアガスが使用されているが、本発明は、燃料ガスとして炭化水素ガス等を使用する燃焼器にも適用可能である。

また、上記実施形態では、酸化性ガスとして空気が使用されているが、本発明は、酸化性ガスとして酸素を使用する燃焼器にも適用可能である。

４，４Ａ，４Ｂ…燃焼器、２０…燃焼管、２０ｂ…内周面、２１…ガス導入管、２１ａ…ガス出口部、２２…点火プラグ（点火部）、２３…閉塞壁、２４…差込孔、３０…燃焼管、３１…本体部、３２…テーパ部、３２ａ…基端、３２ｂ…先端、３３…閉塞壁、Ｓ…断面積、Ｒ１，Ｒ２…内径、Ｒａ，Ｒｂ…外径半径、Ｒｃ…内径半径、Δｒ…差分。

Claims (5)

1. 一端が開放されると共に他端側に閉塞壁が固定された円筒状の燃焼管と、
   前記燃焼管に取り付けられ、前記燃焼管内に燃料ガス及び酸化性ガスを導入するガス導入管と、
   前記閉塞壁に取り付けられ、前記ガス導入管により前記燃焼管内に導入された前記燃料ガスを着火させる点火部とを備え、
   前記燃焼管には、前記ガス導入管が差し込まれる差込孔が設けられており、
   前記ガス導入管における前記燃焼管と接続される側の端には、前記燃料ガス及び前記酸化性ガスを前記燃焼管内に導出するガス出口部が設けられており、
   前記ガス導入管は、前記ガス出口部が前記燃焼管内に収容されるように前記差込孔に対して前記燃焼管の内側に向かって前記燃焼管の内周面の接線方向に突出している燃焼器。
2. 前記ガス導入管は、前記燃料ガスと前記酸化性ガスとの混合ガスの流量に対し、前記ガス出口部から前記燃焼管内に前記混合ガスが導出される際の流速が３ｍ／ｓ～２５ｍ／ｓとなるような断面積を有している請求項１記載の燃焼器。
3. 前記ガス導入管は、断面円形状を呈し、
   前記燃焼管の内径に対する前記ガス導入管の内径の比率は、０．３０～０．４５である請求項２記載の燃焼器。
4. 前記燃焼管は、本体部と、前記本体部から前記閉塞壁に向かって先細りとなるテーパ部とを有する請求項２または３記載の燃焼器。
5. 前記差込孔は、前記本体部に設けられており、
   前記テーパ部の基端の外径半径と前記テーパ部の先端の外径半径との差分は、前記本体部の内径半径以下である請求項４記載の燃焼器。

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