JP2024003430A - 燃焼システム - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで逆火を防止する。【解決手段】燃焼システムは、バーナ１１２と、燃料ガスの供給源１２２とバーナ１１２とを接続する燃料ガス供給路２３２と、送風機２１４とバーナ１１２とを接続する酸化剤ガス供給路２１２と、不活性ガスの供給源２５２と燃料ガス供給路２３２とを接続する不活性ガス供給路２５４と、流量制御部と、を備え、流量制御部は、バーナの運転中の少なくとも所定期間において、不活性ガス供給路を通じて燃料ガス供給路へ不活性ガスを供給する運転中制御と、不活性ガス供給路を通じた燃料ガス供給路への不活性ガスの供給を維持したまま、バーナへの燃料ガスの供給を停止してバーナの運転を停止する運転停止制御と、運転停止制御を行った後、不活性ガス供給路を通じた燃料ガス供給路への不活性ガスの供給を所定時間行うポストパージ制御と、を行う。【選択図】図３

Description

本発明は、工業加熱炉、ボイラ、冷温水器等の燃焼システムに関する。

近年、地球温暖化を防止するために、ＣＯ_２（二酸化炭素）排出量の削減が求められている。このため、化石燃料に加えて、または、化石燃料に代えて、水素を燃焼させる技術が注目されている。

燃料として水素を使用するバーナでは、運転開始前および運転停止後において、水素および空気を含む可燃混合気が燃料配管内に生成されることにより逆火が発生するおそれがある。

そこで、燃料配管にフレームアレスタを設置する技術が開発されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１８－２００１６６号公報

しかし、上記特許文献１の技術では、フレームアレスタに要するコストがかかるという問題がある。

本発明は、このような課題に鑑み、低コストで逆火を防止することが可能な燃焼システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の燃焼システムは、バーナと、燃料ガスの供給源とバーナとを接続する燃料ガス供給路と、送風機とバーナとを接続する酸化剤ガス供給路と、不活性ガスの供給源と燃料ガス供給路とを接続する不活性ガス供給路と、燃料ガス供給路を通じてバーナに供給される燃料ガスの流量、酸化剤ガス供給路を通じてバーナに供給される酸化剤ガスの流量、および、不活性ガス供給路を通じて燃料ガス供給路に供給される不活性ガスの流量のうちのいずれか１または複数を制御する流量制御部と、を備え、流量制御部は、バーナの運転中の少なくとも所定期間において、不活性ガス供給路を通じて燃料ガス供給路へ不活性ガスを供給する運転中制御と、不活性ガス供給路を通じた燃料ガス供給路への不活性ガスの供給を維持したまま、バーナへの燃料ガスの供給を停止してバーナの運転を停止する運転停止制御と、運転停止制御を行った後、不活性ガス供給路を通じた燃料ガス供給路への不活性ガスの供給を所定時間行うポストパージ制御と、を行う。

また、流量制御部は、運転中制御において、要求熱量に応じてバーナに供給される燃料ガスの流量を制御し、所定の空気比範囲内に維持されるようにバーナに供給される酸化剤ガスの流量を制御してもよい。

また、流量制御部は、不活性ガス供給路を通じた燃料ガス供給路への不活性ガスの供給を所定時間行うプレパージ制御と、プレパージ制御を行った後、不活性ガス供給路を通じた燃料ガス供給路への不活性ガスの供給を維持したまま、バーナへの燃料ガスの供給を開始してバーナの運転を開始する運転開始制御と、を行ってもよい。

また、流量制御部は、運転中制御において、燃料ガスを燃焼させることで生じる排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度に基づいて、不活性ガスの流量を制御してもよい。

また、流量制御部は、運転中制御において、バーナに供給される燃料ガスの流量を低下させる場合、燃料ガス供給路に供給される不活性ガスの流量を増加させてもよい。

また、流量制御部は、運転中制御において、バーナに供給される燃料ガスの流量をゼロにする場合であっても、燃料ガス供給路への不活性ガスの供給を維持してもよい。

本発明によれば、低コストで逆火を防止することが可能となる。

第１の実施形態に係る燃焼システムを説明する図である。 第１の実施形態に係る制御装置の機能ブロック図である。 第１の実施形態に係るガス供給部を説明する図である。 第１の実施形態に係る流量制御部の制御について説明する図である。 水素の流量と、排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度との関係を説明する図である。 第１の変形例に係る流量制御部の制御について説明する図である。 第２の変形例に係る流量制御部の制御について説明する図である。 第３の変形例に係る流量制御部の制御について説明する図である。 第４の変形例に係る流量制御部の制御について説明する図である。 第５の変形例に係る流量制御部の制御について説明する図である。 第６の変形例に係る流量制御部の制御について説明する図である。 第７の変形例に係る流量制御部の制御について説明する図である。 第２の実施形態に係る燃焼システムを説明する図である。 第２の実施形態に係る制御装置の機能ブロック図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

［第１の実施形態：燃焼システム１００］
図１は、第１の実施形態に係る燃焼システム１００を説明する図である。図１中、破線の矢印は、信号の流れを示す。図１に示すように、燃焼システム１００は、燃焼設備１１０と、ガス供給部１２０と、制御装置１３０とを含む。

燃焼設備１１０は、燃料ガスを燃焼させる炉である。燃焼設備１１０は、例えば、工業加熱炉、ボイラや冷温水器を構成する火炉等である。燃焼設備１１０は、１または複数のバーナ１１２を備える。

ガス供給部１２０は、燃料ガス、酸化剤ガス、および、不活性ガスのうちのいずれか１または複数をバーナ１１２に供給する。本実施形態において、ガス供給部１２０は、バーナ１１２ごとに設けられる。ガス供給部１２０には、燃料ガスの供給源１２２が接続される。燃料ガスの供給源１２２とガス供給部１２０との間には、主幹遮断弁１２４が設けられる。主幹遮断弁１２４は、燃料ガスの供給源１２２とガス供給部１２０との間に形成される流路を開閉する。燃焼システム１００の運転中、主幹遮断弁１２４は開状態に維持される。ガス供給部１２０の詳細については、後に説明する。

燃料ガスは、燃焼速度が速いガス、および、断熱火炎温度が高いガスのうちのいずれか一方または両方である。燃料ガスは、例えば、水素およびアセチレンのうちのいずれか一方または両方を少なくとも含む。水素の燃焼速度は、炭化水素系燃料ガス（例えば、都市ガスの１３Ａ）の約７倍である。水素の断熱火炎温度は、メタン、または、都市ガスの１３Ａよりも約２００℃高い。本実施形態では、燃料ガスとして水素を例に挙げる。

酸化剤ガスは、空気、酸素、および、酸素富化ガスのうちの１または複数を含む。本実施形態では、酸化剤ガスとして空気を例に挙げる。

不活性ガスは、窒素、二酸化炭素、ヘリウム、アルゴン、および、燃焼排ガスのうちの１または複数を含む。本実施形態では、不活性ガスとして窒素を例に挙げる。

図２は、第１の実施形態に係る制御装置１３０の機能ブロック図である。図２に示すように、制御装置１３０は、中央制御部１３２と、メモリ１３４とを含む。

中央制御部１３２は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成される。中央制御部１３２は、ＲＯＭからＣＰＵを動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出す。中央制御部１３２は、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して燃焼システム１００全体を管理および制御する。

本実施形態において、中央制御部１３２は、流量制御部１４０として機能する。流量制御部１４０は、ガス供給部１２０を制御する。流量制御部１４０の詳細については、後に説明する。

メモリ１３４は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ等で構成される。メモリ１３４は、中央制御部１３２に用いられるプログラムや各種データを記憶する。例えば、メモリ１３４は、ＮＯｘ情報等を保持する。ＮＯｘ情報は、燃焼される水素の流量と、当該水素の燃焼によって生じる排気ガスに含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度が所定値となる窒素の流量とが関連付けられた情報である。ＮＯｘ情報は、実験、シミュレーション等によって予め作成され、メモリ１３４に保持される。

［ガス供給部１２０］
図３は、第１の実施形態に係るガス供給部１２０を説明する図である。図３に示すように、ガス供給部１２０は、酸化剤供給部２１０と、燃料供給部２３０と、不活性ガス供給部２５０とを含む。

[酸化剤供給部２１０]
酸化剤供給部２１０は、バーナ１１２に空気を供給する。本実施形態において、酸化剤供給部２１０は、酸化剤ガス供給路２１２と、送風機２１４と、流量制御弁２１６と、流量調整弁２１８とを含む。

酸化剤ガス供給路２１２は、送風機２１４と、バーナ１１２とを接続する流路である。送風機２１４の吸入側は、大気開放される。送風機２１４の吐出側は、酸化剤ガス供給路２１２に接続される。送風機２１４は、酸化剤ガス供給路２１２を通じて、空気をバーナ１１２に供給する。

流量制御弁２１６は、酸化剤ガス供給路２１２に設けられる。流量制御弁２１６は、流量制御部１４０によって開度が調整される。流量制御弁２１６は、例えば、コントロールモータ付きバタフライバルブである。

流量調整弁２１８は、酸化剤ガス供給路２１２における流量制御弁２１６とバーナ１１２との間に設けられる。流量調整弁２１８は、例えば、バタフライバルブである。

[燃料供給部２３０]
燃料供給部２３０は、バーナ１１２に水素を供給する。本実施形態において、燃料供給部２３０は、燃料ガス供給路２３２と、圧力調整弁２３４と、遮断弁２３６ａ、２３６ｂと、均圧弁２３８と、流量調整弁２４０とを含む。

燃料ガス供給路２３２は、燃料ガス（水素）の供給源１２２（主幹遮断弁１２４）とバーナ１１２とを接続する流路である。

圧力調整弁２３４は、燃料ガス供給路２３２に設けられる。圧力調整弁２３４は、下流に供給される水素の圧力を、予め設定された圧力に整圧する。

遮断弁２３６ａ、２３６ｂは、燃料ガス供給路２３２における圧力調整弁２３４の下流側に設けられる。遮断弁２３６ａ、２３６ｂは、燃料ガス供給路２３２を開閉する。

均圧弁２３８は、燃料ガス供給路２３２における遮断弁２３６ｂの下流側に設けられる。均圧弁２３８は、酸化剤ガス供給路２１２と燃料ガス供給路２３２とを均圧する。均圧弁２３８を備えることにより、酸化剤ガス供給路２１２における流量制御弁２１６の下流側（流量制御弁２１６とバーナ１１２との間）と、燃料ガス供給路２３２における均圧弁２３８の下流側（均圧弁２３８とバーナ１１２との間）の圧力を、実質的に等しい圧力（例えば、２ｋＰａＧ）とすることができる。また、均圧弁２３８の作用により、流量制御弁２１６によって空気の流量が制御されることで、空気と水素との流量の比率（空気比）を一定に保ちながら水素の流量を制御することができる。

流量調整弁２４０は、燃料ガス供給路２３２における均圧弁２３８とバーナ１１２との間に設けられる。流量調整弁２４０は、例えば、バタフライバルブである。

[不活性ガス供給部２５０]
不活性ガス供給部２５０は、燃料ガス供給路２３２に窒素を供給する。本実施形態において、不活性ガス供給部２５０は、不活性ガス（窒素）の供給源２５２と、不活性ガス供給路２５４と、圧力調整弁２５６と、圧力スイッチ２５８と、遮断弁２６０と、流量調整弁２６２と、逆止弁２６４とを含む。

窒素の供給源２５２は、例えば、窒素を貯留する窒素ボンベ、または、窒素製造装置である。窒素製造装置は、例えば、窒素分離膜を備え、圧縮空気から窒素を分離する。窒素の供給源２５２として、窒素製造装置を採用することで、窒素に要するコストを低減することができる。

不活性ガス供給路２５４は、窒素の供給源２５２と燃料ガス供給路２３２とを接続する流路である。本実施形態において、不活性ガス供給路２５４は、窒素の供給源２５２と、燃料ガス供給路２３２における遮断弁２３６ｂと均圧弁２３８との間を接続する。

圧力調整弁２５６は、不活性ガス供給路２５４に設けられる。圧力調整弁２５６は、下流に供給される窒素の圧力を、予め設定された圧力に整圧する。

圧力スイッチ２５８は、不活性ガス供給路２５４における圧力調整弁２５６の下流側に設けられる。圧力スイッチ２５８は、窒素の供給源２５２の圧力が所定値未満となったことを検知する。例えば、窒素の供給源２５２が窒素ボンベである場合、圧力スイッチ２５８は、窒素ボンベの圧力が所定値未満となったことを検知する。圧力スイッチ２５８を備えることにより、窒素ボンベの交換時期を把握することが可能となる。

遮断弁２６０は、不活性ガス供給路２５４における圧力スイッチ２５８の下流側に設けられる。遮断弁２６０は、不活性ガス供給路２５４を開閉する。

流量調整弁２６２は、不活性ガス供給路２５４における遮断弁２６０の下流側に設けられる。流量調整弁２６２は、流量制御部１４０によって開度が調整される。流量調整弁２６２は、例えば、バタフライバルブである。

逆止弁２６４は、不活性ガス供給路２５４における流量調整弁２６２の下流側に設けられる。逆止弁２６４は、燃料ガス供給路２３２から不活性ガス供給路２５４への水素の進入を防止する。

[流量制御部１４０による制御]
続いて、流量制御部１４０によるガス供給部１２０の制御について説明する。

流量制御部１４０は、燃料ガス供給路２３２を通じてバーナ１１２に供給される水素の流量、不活性ガス供給路２５４を通じて燃料ガス供給路２３２に供給される窒素の流量、および、酸化剤ガス供給路２１２を通じてバーナ１１２に供給される空気の流量のうちのいずれか１または複数を制御して、プレパージ制御、運転開始制御、運転中制御、運転停止制御、および、ポストパージ制御を行う。

運転開始制御は、バーナ１１２への水素の供給を開始してバーナ１１２（燃焼設備１１０）の運転を開始する制御である。運転中制御は、バーナ１１２（燃焼設備１１０）の運転中に行われる。運転中制御は、バーナ１１２（燃焼設備１１０）を効率よく運転するために行われる制御である。運転停止制御は、バーナ１１２への水素の供給を停止してバーナ１１２（燃焼設備１１０）の運転を停止する制御である。プレパージ制御は、運転開始制御の前に行われる制御である。ポストパージ制御は、運転停止制御の後に行われる制御である。

本実施形態において、流量制御部１４０は、遮断弁２３６ａ、２３６ｂおよび流量制御弁２１６を制御して、バーナ１１２に供給される空気および水素の流量を制御する。また、流量制御部１４０は、遮断弁２６０および流量調整弁２６２を制御して、燃料ガス供給路２３２に供給される窒素の流量を制御する。

図４は、第１の実施形態に係る流量制御部１４０の制御について説明する図である。図４中、縦軸は、流量を示す。図４中、横軸は時間を示す。なお、時刻Ｔ０において、送風機２１４は停止しており、主幹遮断弁１２４は開弁されており、遮断弁２３６ａ、２３６ｂ、２６０は、閉弁されている。

図４に示すように、流量制御部１４０は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までプレパージ制御を行う。また、流量制御部１４０は、時刻Ｔ２に運転開始制御を行う。そして、流量制御部１４０は、時刻Ｔ７に運転停止制御を行う。したがって、流量制御部１４０は、時刻Ｔ２後、時刻Ｔ７前まで運転中制御を行うことになる。また、流量制御部１４０は、時刻Ｔ７から時刻Ｔ８までポストパージ制御を行う。以下、各制御について詳述する。

[プレパージ制御、運転開始制御]
流量制御部１４０は、時刻Ｔ１において、遮断弁２６０を開弁し、不活性ガス供給路２５４を通じた燃料ガス供給路２３２への窒素の供給を開始してプレパージ制御を開始する。流量制御部１４０は、流量調整弁２６２の開度を調整し、燃料ガス供給路２３２に供給される窒素を流量Ｆａに制御する。

また、流量制御部１４０は、時刻Ｔ１において、送風機２１４の動作を開始させ、燃焼設備１１０内を空気でパージする。

そして、時刻Ｔ１から所定時間経過後の時刻Ｔ２において、流量制御部１４０は、遮断弁２３６ａ、２３６ｂを開弁し、燃料ガス供給路２３２を通じたバーナ１１２への水素の供給を開始し、点火して、バーナ１１２の運転を開始する運転開始制御を行う。また、図４に示すように、流量制御部１４０は、不活性ガス供給路２５４を通じた燃料ガス供給路２３２への窒素の供給を維持したまま、運転開始制御を行う。また、運転開始制御において、流量制御部１４０は、流量制御弁２１６の開度を調整し、空気の流量を所要の流量に制御するとともに、バーナ１１２に供給される水素を流量Ｆ１に制御する。流量Ｆ１は、点火に必要な最小限の流量である。

このように、流量制御部１４０は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２まで、不活性ガス供給路２５４を通じた燃料ガス供給路２３２への窒素の供給を行うプレパージ制御を行う。なお、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの時間は、燃焼設備１１０内が空気で置換（パージ）される時間と、燃料ガス供給路２３２内が窒素で置換される時間とのうち、長い方の時間に設定される。なお、燃焼設備１１０内が空気で置換される時間は、空気の供給を開始してから燃焼設備１１０内の容積の５倍程度の空気が供給されるまでの時間である。また、燃料ガス供給路２３２内が窒素で置換される時間は、例えば、窒素の供給を開始してから燃料ガス供給路２３２内の容積の５倍程度の窒素が供給されるまでの時間である。なお、一般的に、燃焼設備１１０内が空気で置換される時間の方が、燃料ガス供給路２３２内が窒素で置換される時間よりも長い。

[運転中制御]
そして、流量制御部１４０は、時刻Ｔ２後に、不活性ガス供給路２５４を通じた燃料ガス供給路２３２への窒素の供給を維持したまま、燃焼設備１１０の要求熱量（要求温度）に応じて、バーナ１１２に供給される空気と水素の流量を制御する運転中制御を行う。

例えば、流量制御部１４０は、点火が完了したら（時刻Ｔ３）、流量制御弁２１６の開度を大きくして空気の流量を増加させ、バーナ１１２に供給される水素を流量Ｆ２に制御する。流量Ｆ２は、流量Ｆ１より大きい流量である。流量Ｆ２は、定格燃焼に必要な流量である。

そして、流量制御部１４０は、流量Ｆ２に到達したら（時刻Ｔ４）、流量Ｆ２に維持して時刻Ｔ５まで定格燃焼を行う。

定格燃焼後、つまり、時刻Ｔ５から時刻Ｔ６までの間、流量制御部１４０は、燃焼設備１１０の要求熱量に基づいて、流量制御弁２１６の開度を調整し、バーナ１１２に供給される空気の流量を制御することで、空気比を一定に保ちながら水素を流量Ｆ１以上、流量Ｆ２以下の範囲に制御する。また、流量制御部１４０は、時刻Ｔ５から時刻Ｔ６までの間、メモリ１３４に保持されたＮＯｘ情報を参照し、排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度が所定値以下となるように、流量調整弁２６２の開度を制御して、燃料ガス供給路２３２に供給される窒素を流量Ｆａ以上、流量Ｆｂ以下の範囲に制御する。

図５は、混合ガス中の窒素の体積割合と、排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度との関係を説明する図である。図５中、縦軸は、排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度を示し、横軸は、燃料ガス供給路２３２からバーナ１１２に供給される混合ガス（水素および窒素）に含まれる窒素の体積％［ｖｏｌ％］を示す。また、図５中、丸は、燃料ガス供給路２３２からバーナ１１２に供給される混合ガスの流量が相対的に低い場合（低流量）を示す。図５中、三角は、燃料ガス供給路２３２からバーナ１１２に供給される混合ガスの流量が相対的に高い場合（高流量）を示す。また、図５中、燃料ガス供給路２３２からバーナ１１２に供給される混合ガス中の窒素が０％（つまり水素のみが供給される）の場合であって、低流量の場合のＮＯｘの濃度を１００としている。

図５に示すように、混合ガスの流量に拘わらず、混合ガス中の窒素濃度が上昇するに従って、排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度は低下する。

また、図５に示す例では、混合ガスの流量が高流量である場合の方が、低流量である場合と比較して、排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度は低い傾向が見られる。これは、混合ガスの流量が高流量である場合、低流量である場合よりもバーナ１１２から噴出される混合ガスおよび空気の流速が高くなるためである。したがって、燃焼設備１１０内のバーナ１１２近傍において、混合ガスおよび空気の噴流によって伴流される燃焼室内の排気ガスの量が増加する。その結果、燃焼領域の酸素濃度が低下することにより火炎温度が低下し、ＮＯｘの発生量が抑制されているためである（自己排ガス再循環による低ＮＯｘ効果）。

したがって、図４に示すように、流量制御部１４０は、時刻Ｔ５から時刻Ｔ６までの間、要求熱量に応じてバーナ１１２に供給される水素の流量を低下させる場合、燃料ガス供給路２３２に供給される窒素の流量を増加させる。これにより、流量制御部１４０は、排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度を低減することができる。

なお、窒素の流量Ｆａは、水素の流量Ｆ２の場合にＮＯｘの濃度が所定値となる流量、および、プレパージ制御の際に燃焼設備１１０内が空気で置換される時間以下の時間で燃料ガス供給路２３２内を窒素で置換できる流量のうちの大きい方の流量である。また、窒素の流量Ｆｂは、流量Ｆａ超の流量であり、水素の流量Ｆ１の場合に、ＮＯｘの濃度が所定値となる流量である。

そして、時刻Ｔ６において、流量制御部１４０は、流量制御弁２１６の開度を調整し、空気の流量を制御して、水素の流量を流量Ｆ２とし、流量Ｆ２に維持して定格燃焼を行う。流量制御部１４０は、定格燃焼の際、流量調整弁２６２の開度を調整し、燃料ガス供給路２３２に供給される窒素を流量Ｆａに維持する。

[運転停止制御、ポストパージ制御]
そして、流量制御部１４０は、時刻Ｔ７において、不活性ガス供給路２５４を通じた燃料ガス供給路２３２への窒素の供給を維持したまま、バーナ１１２への水素の供給を停止してバーナ１１２の運転を停止する運転停止制御を行う。

具体的に説明すると、流量制御部１４０は、時刻Ｔ７において、遮断弁２３６ａ、２３６ｂを閉弁し、燃料ガス供給路２３２を通じたバーナ１１２への水素の供給を停止し、バーナ１１２の運転を停止する運転停止制御を行う。

そして、流量制御部１４０は、運転停止制御を行った時刻Ｔ７から所定時間経過後の時刻Ｔ８において、遮断弁２６０を閉弁し、不活性ガス供給路２５４を通じた燃料ガス供給路２３２への窒素の供給を停止してポストパージ制御を行う。また、流量制御部１４０は、時刻Ｔ８において、送風機２１４の動作を停止させる。

このように、流量制御部１４０は、時刻Ｔ７から時刻Ｔ８まで、不活性ガス供給路２５４を通じた燃料ガス供給路２３２への窒素の供給を行うポストパージ制御を行う。時刻Ｔ７から時刻Ｔ８までの時間は、燃料ガス供給路２３２内が窒素で置換される時間に設定される。なお、時刻Ｔ７から時刻Ｔ８までの時間は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの時間と同じであってもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る燃焼システム１００は、プレパージ制御およびポストパージ制御を行う。したがって、燃焼システム１００では、燃料ガス供給路２３２内に、水素と空気との可燃混合気が形成されることを回避することができる。特に、燃焼速度が速い、水素等の燃料ガスは、逆火発生率が高いが、プレパージ制御およびポストパージ制御を行うことにより、燃焼システム１００は、逆火の発生を防止することが可能となる。

また、燃焼システム１００は、燃料ガス供給路２３２に窒素を供給するといった簡易な構成で、燃料ガス供給路２３２にフレームアレスタ等の逆火阻止装置を設置することなく逆火による設備損壊等のリスクを最小化することができる。これにより、燃焼システム１００は、低コストで逆火を防止することが可能となる。

また、燃焼システム１００は、プレパージ制御およびポストパージ制御に加えて、運転中制御において、窒素を燃料ガス供給路２３２に供給する。これにより、燃焼システム１００は、水素を窒素で希釈することができ、火炎温度を低下させることが可能となる。このため、燃焼システム１００は、水素等の火炎温度の高い燃料ガスの排気ガス中のＮＯｘの濃度を低減することが可能となる。

さらに、燃焼システム１００は、バーナ１１２の燃料噴射口から噴射される混合ガス（水素および窒素）の流速を増加させることができるため、自己排ガス再循環を促進することが可能となる。これにより、燃焼システム１００は、火炎温度を低下させることができ、排気ガス中のＮＯｘの濃度をさらに低減することが可能となる。

また、燃焼システム１００は、運転中制御において、ＮＯｘの濃度が所定値以下となるように、窒素の流量を制御する。これにより、排気ガス中のＮＯｘの濃度を所定値以下に低減することができる。

また、燃焼システム１００は、運転中制御において、窒素を燃料ガス供給路２３２に供給するため、バーナ１１２のノズル等を冷却することができ、バーナ１１２の耐久性を向上することが可能となる。

また、上記したように、流量制御部１４０は、運転中制御において、空気比を一定に保ちつつ、要求熱量に応じて、バーナ１１２に供給される水素の流量を制御する。これにより、流量制御部１４０は、運転中制御において、水素の燃焼による加熱運転の熱効率を向上させることができる。

[第１の変形例]
上記第１の実施形態において、運転中制御の時刻Ｔ５から時刻Ｔ６までの間、流量制御部１４０は、メモリ１３４に保持されたＮＯｘ情報を参照し、排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度が所定値以下となるように、流量調整弁２６２の開度を制御する場合を例に挙げた。しかし、流量制御部１４０は、運転中制御において、不活性ガス供給路２５４を通じて燃料ガス供給路２３２へ窒素を供給すればよい。

図６は、第１の変形例に係る流量制御部１４０の制御について説明する図である。図６中、縦軸は、流量を示す。図６中、横軸は時間を示す。

図６に示すように、第１の変形例の流量制御部１４０は、運転中制御の時刻Ｔ５から時刻Ｔ６までの間、流量調整弁２６２の開度を調整し、燃料ガス供給路２３２に供給される窒素を流量Ｆａに維持する。

つまり、第１の変形例の流量制御部１４０は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ８までの間、燃料ガス供給路２３２に供給される窒素が流量Ｆａとなるように、流量調整弁２６２の開度を維持する。

以上説明したように、第１の変形例の流量制御部１４０は、運転中制御において、窒素を燃料ガス供給路２３２に供給する。これにより、第１の変形例の流量制御部１４０は、火炎温度を低下させることができ、排気ガス中のＮＯｘの濃度を低減することが可能となる。

また、第１の変形例の流量制御部１４０は、運転中制御において、窒素を燃料ガス供給路２３２に供給するため、バーナ１１２のノズル等を冷却することができ、バーナ１１２の耐久性を向上することが可能となる。

[第２の変形例]
図７は、第２の変形例に係る流量制御部１４０の制御について説明する図である。図７中、縦軸は、流量を示す。図７中、横軸は時間を示す。

図７に示すように、第２の変形例の流量制御部１４０は、運転中制御において、バーナ１１２に供給される水素の流量に対し、一定割合の窒素を供給するように、流量調整弁２６２を制御する。

例えば、第２の変形例の流量制御部１４０は、バーナ１１２に供給される水素が流量Ｆ１である場合、窒素が流量Ｆｃとなるように、流量調整弁２６２を制御する。窒素の流量Ｆｃは、上記流量Ｆａ以上であり、例えば、水素の流量Ｆ１の２０体積％である。また、第２の変形例の流量制御部１４０は、バーナ１１２に供給される水素が流量Ｆ２である場合、窒素が流量Ｆｄとなるように、流量調整弁２６２を制御する。窒素の流量Ｆｄは、例えば、水素の流量Ｆ２の２０体積％である。

以上説明したように、第２の変形例の流量制御部１４０は、窒素の流量を、水素の流量に対して所定の体積割合（例えば、２０体積％）とする。これにより、第２の変形例では、水素の燃焼量に拘わらず、排気ガス中のＮＯｘの濃度を低減することができる（図５参照）。したがって、第２の変形例では、水素の燃焼量（燃焼条件）に拘わらず、排気ガス中のＮＯｘの濃度を所定値未満とすることが可能となる。

また、第２の変形例の流量制御部１４０は、運転中制御において、窒素を燃料ガス供給路２３２に供給する。これにより、第２の変形例の流量制御部１４０は、火炎温度を低下させることができ、排気ガス中のＮＯｘの濃度を低減することが可能となる。

また、第２の変形例の流量制御部１４０は、運転中制御において、窒素を燃料ガス供給路２３２に供給するため、バーナ１１２のノズル等を冷却することができ、バーナ１１２の耐久性を向上することが可能となる。

[第３の変形例]
図８は、第３の変形例に係る流量制御部１４０の制御について説明する図である。図８中、縦軸は、流量を示す。図８中、横軸は時間を示す。

図８に示すように、第３の変形例の流量制御部１４０は、運転中制御の時刻Ｔ５から時刻Ｔ６までの間、燃焼設備１１０の要求熱量に基づいて、遮断弁２３６ａ、２３６ｂを閉弁する（水素の流量がゼロ）期間がある。第３の変形例の流量制御部１４０は、このような運転中制御中における水素の流量がゼロとなる期間においても、燃料ガス供給路２３２への窒素の供給を維持する。

運転中制御中において、水素の供給を停止する際に、燃料ガス供給路２３２への窒素の供給を停止する比較例が考えられる。このような比較例では、水素の供給を再開する前に、燃料ガス供給路２３２を窒素でパージしなければ、逆火が生じるおそれがある。つまり、比較例では、水素の供給を再開する前に燃料ガス供給路２３２の窒素パージが必須となる。このため、比較例では、運転中制御中における水素の供給停止、供給再開の応答性が低下し、燃焼設備１１０の温度制御の精度が低下してしまうという問題がある。

一方、第３の変形例の流量制御部１４０は、運転中制御において、燃料ガス供給路２３２へ常時窒素を供給する。このため、第３の変形例の流量制御部１４０は、運転中制御中における水素の供給停止および供給再開の切り換えを瞬時に行うことができ、水素の供給停止、供給再開の応答性を高めることが可能となる。したがって、第３の変形例の流量制御部１４０は、燃焼設備１１０の温度制御を高精度に行うことができる。

また、第３の変形例の流量制御部１４０は、窒素の流量を、水素の流量に対して所定の体積割合（例えば、２０体積％）とする。これにより、第３の変形例では、水素の燃焼量に拘わらず、排気ガス中のＮＯｘの濃度を低減することができる（図５参照）。したがって、第３の変形例では、水素の燃焼量に拘わらず、排気ガス中のＮＯｘの濃度を所定値未満とすることが可能となる。

[第４の変形例]
図９は、第４の変形例に係る流量制御部１４０の制御について説明する図である。図９中、縦軸は、流量を示す。図９中、横軸は時間を示す。

図９に示すように、第４の変形例の流量制御部１４０は、バーナ１１２に供給される水素の流量がゼロ、または、流量Ｆ２となるように、遮断弁２３６ａ、２３６ｂを開閉する。例えば、第４の変形例の１４０は、時刻Ｔ２から時刻Ｔ５において、遮断弁２３６ａ、２３６ｂを開弁し、バーナ１１２に流量Ｆ２の一定流量の水素を供給する。

また、第４の変形例の流量制御部１４０は、時刻Ｔ５から時刻Ｔ６までの間、燃焼設備１１０の要求熱量に基づいて、バーナ１１２に供給される水素の流量がゼロ（供給停止）、または、流量Ｆ２（供給再開）となるように、遮断弁２３６ａ、２３６ｂを開閉する。

そして、時刻Ｔ６から時刻Ｔ７において、第４の変形例の流量制御部１４０は、バーナ１１２に供給される水素が流量Ｆ２となるように、遮断弁２３６ａ、２３６ｂの開状態を維持する。

また、第４の変形例の流量制御部１４０は、第１の変形例と同様に、時刻Ｔ１から時刻Ｔ８までの間、燃料ガス供給路２３２に供給される窒素が流量Ｆａとなるように、流量調整弁２６２の開度を維持する。

以上説明したように、第４の変形例の流量制御部１４０は、運転中制御において、燃料ガス供給路２３２へ常時窒素を供給する。このため、第４の変形例の流量制御部１４０は、運転中制御中における水素の供給停止および供給再開の切り換えを瞬時に行うことができ、水素の供給停止、供給再開の応答性を高めることが可能となる。したがって、第４の変形例の流量制御部１４０は、燃焼設備１１０の温度制御を高精度に行うことができる。

[第５の変形例]
図１０は、第５の変形例に係る流量制御部１４０の制御について説明する図である。図１０中、縦軸は、流量を示す。図１０中、横軸は時間を示す。

図１０に示すように、第５の変形例の流量制御部１４０による水素の流量制御（遮断弁２３６ａ、２３６ｂの開閉制御）は、第４の変形例と同様である。

一方、第５の変形例の流量制御部１４０は、運転中制御において、バーナ１１２に供給される水素の流量に対し、一定割合の窒素を供給するように、流量調整弁２６２を制御する。

例えば、第５の変形例の流量制御部１４０は、バーナ１１２に供給される水素が流量Ｆ２である場合、窒素が流量Ｆｅとなるように、流量調整弁２６２を制御する。窒素の流量Ｆｅは、例えば、水素の流量Ｆ２の２０体積％である。また、第５の変形例の流量制御部１４０は、バーナ１１２に供給される水素の流量がゼロである場合、窒素が流量Ｆａとなるように、流量調整弁２６２を制御する。

以上説明したように、第５の変形例の流量制御部１４０は、運転中制御において、燃料ガス供給路２３２へ常時窒素を供給する。このため、第５の変形例の流量制御部１４０は、運転中制御中における水素の供給停止および供給再開の切り換えを瞬時に行うことができ、水素の供給停止、供給再開の応答性を高めることが可能となる。したがって、第５の変形例の流量制御部１４０は、燃焼設備１１０の温度制御を高精度に行うことができる。

また、第５の変形例の流量制御部１４０は、窒素の流量を、水素の流量に対して所定の体積割合（例えば、２０体積％）とする。これにより、第５の変形例では、水素の燃焼量に拘わらず、排気ガス中のＮＯｘの濃度を低減することができる（図５参照）。したがって、第５の変形例では、水素の燃焼量に拘わらず、排気ガス中のＮＯｘの濃度を所定値未満とすることが可能となる。

[第６の変形例]
図１１は、第６の変形例に係る流量制御部１４０の制御について説明する図である。図１１中、縦軸は、流量を示す。図１１中、横軸は時間を示す。

図１１に示すように、第６の変形例の流量制御部１４０による窒素の流量制御（流量調整弁２６２の制御）は、第１の変形例と同様である。

一方、第６の変形例の流量制御部１４０は、運転中制御において、バーナ１１２に供給される水素の流量をゼロ（供給停止）、流量Ｆ１（供給再開）、および、流量Ｆ２（供給再開）のいずれかに制御する。図１１に示すように、第６の変形例の流量制御部１４０は、運転開始制御（時刻Ｔ２）において、水素が流量Ｆ１となるように流量制御弁２１６の開度を調整し、空気の流量および水素の流量を制御する。また、第６の変形例の流量制御部１４０は、運転中制御の時刻Ｔ３において、水素が流量Ｆ２となるように流量制御弁２１６の開度を大きくして空気の流量を増加させるとともに、水素の流量を増加させて定格燃焼を行う。

そして、第６の変形例の流量制御部１４０は、運転中制御の時刻Ｔ５から時刻Ｔ６までの間、燃焼設備１１０の要求熱量に基づいて、バーナ１１２に供給される水素の流量が、ゼロ、流量Ｆ１、および、流量Ｆ２のいずれかとなるように、流量制御弁２１６の開度を調整し、空気の流量および水素の流量を制御する。

また、第６の変形例の流量制御部１４０は、運転中制御の時刻Ｔ６から時刻Ｔ７までの間、水素が流量Ｆ２となるように流量制御弁２１６の開度を調整して定格燃焼を行う。

以上説明したように、第６の変形例の流量制御部１４０は、運転中制御において、燃料ガス供給路２３２へ常時窒素を供給する。このため、第６の変形例の流量制御部１４０は、運転中制御中における水素の供給停止および供給再開の切り換えを瞬時に行うことができ、水素の供給停止、供給再開の応答性を高めることが可能となる。したがって、第６の変形例の流量制御部１４０は、燃焼設備１１０の温度制御を高精度に行うことができる。

[第７の変形例]
図１２は、第７の変形例に係る流量制御部１４０の制御について説明する図である。図１２中、縦軸は、流量を示す。図１２中、横軸は時間を示す。

図１２に示すように、第７の変形例の流量制御部１４０による水素の流量制御（流量制御弁２１６の制御）は、第６の変形例と同様である。

一方、第７の変形例の流量制御部１４０は、運転中制御において、バーナ１１２に供給される水素の流量に対し、一定割合の窒素を供給するように、流量調整弁２６２を制御する。

例えば、第７の変形例の流量制御部１４０は、バーナ１１２に供給される水素が流量Ｆ１である場合、窒素が流量Ｆｆとなるように、流量調整弁２６２を制御する。窒素の流量Ｆｆは、上記流量Ｆａ超であり、例えば、水素の流量Ｆ１の２０体積％である。また、第７の変形例の流量制御部１４０は、バーナ１１２に供給される水素が流量Ｆ２である場合、窒素が流量Ｆｇとなるように、流量調整弁２６２を制御する。窒素の流量Ｆｇは、例
えば、水素の流量Ｆ２の２０体積％である。

また、第７の変形例の流量制御部１４０は、運転中制御において、バーナ１１２に供給される水素の流量がゼロである場合であっても、窒素が流量Ｆａとなるように、流量調整弁２６２を制御する。

以上説明したように、第７の変形例の流量制御部１４０は、運転中制御において、燃料ガス供給路２３２へ常時窒素を供給する。このため、第７の変形例の流量制御部１４０は、運転中制御中における水素の供給停止および供給再開の切り換えを瞬時に行うことができ、水素の供給停止、供給再開の応答性を高めることが可能となる。したがって、第７の変形例の流量制御部１４０は、燃焼設備１１０の温度制御を高精度に行うことができる。

また、第７の変形例の流量制御部１４０は、窒素の流量を、水素の流量に対して所定の体積割合（例えば、２０体積％）とする。これにより、第７の変形例では、水素の燃焼量に拘わらず、排気ガス中のＮＯｘの濃度を低減することができる（図５参照）。したがって、第７の変形例では、水素の燃焼量に拘わらず、排気ガス中のＮＯｘの濃度を所定値未満とすることが可能となる。

[第２の実施形態]
図１３は、第２の実施形態に係る燃焼システム３００を説明する図である。図１４は、第２の実施形態に係る制御装置３３０の機能ブロック図である。図１３中、破線の矢印は、信号の流れを示す。

図１３に示すように、燃焼システム３００は、燃焼設備１１０と、ガス供給部１２０と、濃度センサ３１０と、制御装置３３０とを含む。なお、上記燃焼システム１００と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

濃度センサ３１０は、燃焼設備１１０内において、水素を燃焼させることで生じる排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度を検出する。

図１４に示すように、制御装置３３０は、中央制御部３３２と、メモリ３３４とを含む。

中央制御部３３２は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成される。中央制御部３３２は、ＲＯＭからＣＰＵを動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出す。中央制御部３３２は、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して燃焼システム３００全体を管理および制御する。

メモリ３３４は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ等で構成される。メモリ３３４は、中央制御部３３２に用いられるプログラムや各種データを記憶する。

本実施形態において、中央制御部３３２は、信号取得部３４０、流量制御部３４２として機能する。

信号取得部３４０は、濃度センサ３１０の検出結果を取得する。

流量制御部３４２は、上記第１の実施形態と同様に、燃料ガス供給路２３２を通じてバーナ１１２に供給される水素の流量、不活性ガス供給路２５４を通じて燃料ガス供給路２３２に供給される窒素の流量、および、酸化剤ガス供給路２１２を通じてバーナ１１２に供給される空気の流量のうちのいずれか１または複数を制御して、プレパージ制御、運転開始制御、運転停止制御、および、ポストパージ制御を行う。

本実施形態において、流量制御部３４２は、運転中制御中の定格燃焼後、つまり、時刻Ｔ５から時刻Ｔ６までの間、燃焼設備１１０の要求熱量に基づいて、流量制御弁２１６の開度を調整し空気の流量を制御することで、バーナ１１２に供給される水素を流量Ｆ１以上、流量Ｆ２以下の範囲に制御する。また、流量制御部１４０は、時刻Ｔ５から時刻Ｔ６までの間、信号取得部３４０によって取得された濃度センサ３１０の検出結果に基づき、排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度が所定値以下となるように、流量調整弁２６２の開度を制御して、燃料ガス供給路２３２に供給される窒素を流量Ｆａ以上、流量Ｆｂ以下の範囲に制御する。

以上説明したように、本実施形態に係る燃焼システム３００は、運転中制御において、ＮＯｘの濃度が所定値以下となるように、窒素の流量を制御する。これにより、排気ガス中のＮＯｘの濃度を所定値以下に低減することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記第１の実施形態において、燃料供給部２３０が、均圧弁２３８を備える場合を例に挙げた。しかし、燃料供給部２３０は、均圧弁２３８に代えて、流量制御弁を備えてもよい。流量制御弁は、例えば、コントロールモータ付きバタフライバルブである。

また、上記第１の実施形態において、燃料供給部２３０が、遮断弁２３６ａおよび遮断弁２３６ｂを備える構成を例に挙げた。しかし、燃料供給部２３０は、遮断弁２３６ａおよび遮断弁２３６ｂのうちのいずれか一方を備えていればよい。

また、上記第１の実施形態、および、第１～第７の変形例において、流量制御部１４０がプレパージ制御を行う場合を例に挙げた。しかし、流量制御部１４０は、運転開始制御、運転中制御、運転停止制御、および、ポストパージ制御を少なくとも行えばよい。

また、上記第２の実施形態の燃焼システム３００が、第１～第７の変形例の制御を行ってもよい。

また、上記第１の実施形態および第２の実施形態において、ガス供給部１２０が均圧弁２３８を備え、空気比を一定とする場合を例に挙げた。しかし、流量制御部は、少なくとも運転中制御において、空気比が所定の空気比範囲内に維持されるように、要求熱量に応じてバーナ１１２に供給される燃料ガスの流量を制御し、バーナ１１２に供給される酸化剤ガスの流量を制御してもよい。

１００ 燃焼システム
１１２ バーナ
１４０ 流量制御部
２１２ 酸化剤ガス供給路
２３２ 燃料ガス供給路
２５４ 不活性ガス供給路
３００ 燃焼システム
３４２ 流量制御部

Claims (6)

1. バーナと、
   燃料ガスの供給源と前記バーナとを接続する燃料ガス供給路と、
   送風機と前記バーナとを接続する酸化剤ガス供給路と、
   不活性ガスの供給源と前記燃料ガス供給路とを接続する不活性ガス供給路と、
   前記燃料ガス供給路を通じて前記バーナに供給される燃料ガスの流量、前記酸化剤ガス供給路を通じて前記バーナに供給される酸化剤ガスの流量、および、前記不活性ガス供給路を通じて前記燃料ガス供給路に供給される不活性ガスの流量のうちのいずれか１または複数を制御する流量制御部と、
   を備え、
   前記流量制御部は、
   前記バーナの運転中の少なくとも所定期間において、前記不活性ガス供給路を通じて前記燃料ガス供給路へ前記不活性ガスを供給する運転中制御と、
   前記不活性ガス供給路を通じた前記燃料ガス供給路への前記不活性ガスの供給を維持したまま、前記バーナへの前記燃料ガスの供給を停止して前記バーナの運転を停止する運転停止制御と、
   前記運転停止制御を行った後、前記不活性ガス供給路を通じた前記燃料ガス供給路への前記不活性ガスの供給を所定時間行うポストパージ制御と、
   を行う、燃焼システム。
2. 前記流量制御部は、前記運転中制御において、要求熱量に応じて前記バーナに供給される前記燃料ガスの流量を制御し、所定の空気比範囲内に維持されるように前記バーナに供給される酸化剤ガスの流量を制御する、請求項１に記載の燃焼システム。
3. 前記流量制御部は、
   前記不活性ガス供給路を通じた前記燃料ガス供給路への前記不活性ガスの供給を所定時間行うプレパージ制御と、
   前記プレパージ制御を行った後、前記不活性ガス供給路を通じた前記燃料ガス供給路への前記不活性ガスの供給を維持したまま、前記バーナへの前記燃料ガスの供給を開始して前記バーナの運転を開始する運転開始制御と、
   を行う、請求項１または２に記載の燃焼システム。
4. 前記流量制御部は、前記運転中制御において、前記燃料ガスを燃焼させることで生じる排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度に基づいて、前記不活性ガスの流量を制御する、請求項１または２に記載の燃焼システム。
5. 前記流量制御部は、前記運転中制御において、前記バーナに供給される前記燃料ガスの流量を低下させる場合、前記燃料ガス供給路に供給される前記不活性ガスの流量を増加させる、請求項１または２に記載の燃焼システム。
6. 前記流量制御部は、前記運転中制御において、前記バーナに供給される前記燃料ガスの流量をゼロにする場合であっても、前記燃料ガス供給路への前記不活性ガスの供給を維持する、請求項１または２に記載の燃焼システム。

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