JP4022421B2 - 燃焼器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体燃料とガスを混焼するための燃焼器に関する。特には混焼用バーナーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の混焼用バーナーの多くは、大型でしかも構造が複雑なものが殆どであった。大型になる要因として、火炎を小さくできないために炉を小さくできず、その結果燃焼器全体の大きさが小型化できないという点があった。この点を含め、従来から小型化の努力がある程度なされてきてはいるものの、特に燃料電池システム等の用途においては、さらなる機器の小型化が望まれていた。
【０００３】
また、低コスト化は一般的に要求されることだが、特に燃料電池システムの普及を図るためには、その構成機器の低コスト化が強く求められており、燃焼器についても低コスト化を一層進める必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、複雑な構造を採らずに、混焼用燃焼器の燃焼火炎を短く、細くし、燃焼器を小型化することを目的とする。あわせて、低コストな燃焼器を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、液体燃料バーナーの周囲にガスバーナーが設けられた混焼用の燃焼器において、
（１）該液体燃料バーナーの燃焼用空気を噴出する噴出口が、円筒状のスタビライザーの側壁に該液体燃料バーナーの液体燃料噴霧軸に向けて空けられた貫通孔であって該液体燃料噴霧軸を中心とする円周に沿って複数配置された貫通孔であり、該液体燃料噴霧軸と該液体燃料バーナーの燃焼用空気の噴出軸とが９０度の角度θａ₁で交わり、
（２）該液体燃料バーナーの液体燃料噴霧軸と該ガスバーナーのガス燃料噴出軸とが９０度の角度θｇで交わり、
（３）該液体燃料バーナーの液体燃料噴霧軸と該ガスバーナーの燃焼用空気の噴出軸とが４５〜９０度の角度θａ₂で交わり、かつ、
（４）二段の燃焼用絞りを有し、
一段目の燃焼用絞りが、該ガスバーナーのガス燃料の噴出口と、該ガスバーナーの燃焼用空気の噴出口との間に配され、
二段目の燃焼用絞りが、該ガスバーナーの燃焼用空気の噴出口より下流側に配され、
一段目の燃焼用絞りは二段目の燃焼用絞りよりも絞り径が小さくかつ液体燃料噴霧軸に対する傾斜が小さく、
（５）ウインドボックスの内部に、該スタビライザー、該スタビライザーの内側に液体燃料を噴霧するノズル、該ノズルに液体燃料を供給するノズルパイプ、および該ガス燃料の噴出口にガス燃料を供給するガスパイプが設けられ、
該液体燃料バーナーの燃焼用空気を噴出する噴出口に空気を導く空気流路と該ガスバーナーの燃焼用空気の噴出口に空気を導く空気流路のいずれもが、該ノズルパイプの外壁および該ガスパイプの外壁とウインドボックス内壁とによって形成される空間を含む
ことを特徴とする混焼用の燃焼器である。
【０００６】
上記（１）および（３）の構成により、灯油保炎器（スタビライザー）によって保炎している火炎に、液体燃料バーナーの燃焼用空気を９０度の角度で、また、ガスバーナーの燃焼用空気を４５〜９０度の角度で当てることができ、燃焼空気の流れによって火炎の広がりを抑制することができる。従って、火炎の広がりを抑え、火炎を短くすることができる。
【０００７】
上記（２）の構成により、火炎に９０度の角度で周囲から中央部に向けてガスを噴出させ、混合を促進し、もって燃焼を促進して火炎を短くするとともに、ガスの噴出流により火炎の広がりを抑えている。
【０００８】
上記（４）の構成により、（１）および（２）で抑制された後になお広がろうとする火炎について、一段目の絞りでその広がりを抑制し、さらに二段目の絞りでその広がりを限りなく抑制し、また、流れの向きを変えることで混合をさらに促進して燃焼を促進し、その結果、短炎化している。
【０００９】
【発明の実施の形態】
液体燃料としては、圧力噴霧の容易性の観点から、沸点が１００℃以上であることが好ましく、すすの発生を抑えて本発明の火炎短縮効果を最大限に引き出す観点から、沸点が３５０℃以下であることが好ましい。例えば灯油が好適である。
【００１０】
ガス燃料としては、燃焼しうるガスであれば用いることができ、例えば都市ガスや石油ガス、また燃料電池のアノード排ガスなどの燃料極系ラインのガスを用いることもできる。使用するガスによって発熱量に差があるが、発熱量に応じてガス噴出口のサイズなどを適宜設計し、好適な燃焼状態を実現することができる。
【００１１】
以下、図面を用いて本発明の一実施形態について説明する。図１および図２は、それぞれ本発明の燃焼器の一実施形態を示す側断面図および正面図である。図３は、液体燃料の噴霧軸と燃焼用空気の噴出軸およびガス燃料の噴出軸の位置関係を説明するための模式図であり、（ａ）が燃焼器側断面に係る模式図、（ｂ）が燃料器正面（スタビライザー部）に係る模式図である。
【００１２】
ここでは液体燃料として灯油を用いており、ガス燃料としては高分子個体電解質型燃料電池のアノード排ガスを用いている。このように、液体燃料を使用する燃料電池システムにおいて、当該液体燃料とアノード排ガスとを混焼させる燃焼器を採用することは好ましい。なぜなら、燃料電池のアノード排ガスは燃料電池の燃料利用率等によって発熱量が変化するが、液体燃料と混焼することによって燃焼を安定させることができ、その燃焼用液体燃料も燃料電池の燃料と同じであるため、燃料供給のための設備を兼用することができることから、省スペース化、省コスト化を図ることができ、しかも本発明の燃焼器は小型、低コストであるため、燃料電池システムを小型化、低コスト化するのに有効だからである。
【００１３】
ここに示す燃焼器は、燃焼用空気および灯油の供給量を調節する手段を有する、最大負荷から一定の部分負荷まで連続的に変化させることのできる比例燃焼器であるが、本発明はこれに限らず、一定負荷の運転のみに使用される燃焼器も含む。
【００１４】
燃焼用空気は不図示の送風機によってウインドボックス１に送り込まれ、矢印Ａで示す燃焼用空気（以下、一次空気という。）と矢印Ｂで示す燃焼用空気（以下、二次空気という。）に分配される。
【００１５】
灯油はバーナー中央部に設けられた灯油用ノズルパイプ５に送り込まれ、油用ノズル６により矢印Ｃの方向に噴霧される。スタビライザー７に設けられた多数の一次空気噴出口７ａから噴出する一次空気によって油用ノズルから噴霧された灯油が燃焼するが、このとき矢印Ｄで示す一次空気の噴出軸と、矢印Ｃで示される灯油の噴霧軸とは４５〜９０度の角度で交わる。すなわち、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、液体燃料噴霧軸（矢印Ｃを含む軸）と燃焼用一次空気の噴出軸（矢印Ｄを含む軸）とのなす角度θａ₁が４５〜９０度の角度をなして交わり、一次空気の流れにより、噴霧された灯油と空気との混合が促進され、燃焼が促進されると同時に、噴霧された際に広がろうとする灯油が中央部に押し戻され、火炎の広がりが抑制できる。二つの流体の混合を短い距離で促進するという観点から角度θａ₁は６０度以上が好ましく、８０度以上がより好ましい。また二つの流体が対向流となることにより発生する圧力損失を抑えるという観点から角度θａ₁は９０度以下とする。
【００１６】
液体燃料噴霧軸は、噴霧口から噴霧される液体燃料の滴が形成する円錐形の噴霧流の中心線を意味し、ここでは油用ノズル６から噴霧される灯油の噴霧流の中心線を意味する。
【００１７】
また、燃焼用一次空気等のガスについての噴出軸は、当該ガスの噴出口から流出するガス流の中心線を意味する。
【００１８】
なお、上記のように、一次空気および二次空気が存在する形態において、液体燃料噴霧軸と燃焼用空気の噴出軸とが４５〜９０度の角度θａで交わるとは、液体燃料噴霧軸と燃焼用一次空気の噴出軸とがなす角度θａ₁と、液体燃料噴霧軸と燃焼用二次空気の噴出軸とがなす角度θａ₂との両者が４５〜９０度で交わることを意味する。
【００１９】
スタビライザーの出口においては、ガスバーナ用ガスパイプ３、ガスパイプに設けられたガス燃料噴出口３ａを経てガス燃料が供給され、スタビライザーから出てくる一次空気と混合され、さらにガス燃焼用の保炎器コンバスタ４に設けられた多数の二次空気噴出口４ａから噴出する二次空気によって燃焼する。このとき、矢印Ｅを含む軸であるガス燃料の噴出軸は、灯油用ノズルの灯油噴霧軸（矢印Ｃを含む軸）とは４５〜９０度の角度で交わる。すなわち、図３（ａ）に示すように、液体燃料噴霧軸（矢印Ｃを含む軸）とガス燃料の噴出軸（矢印Ｅを含む軸）とのなす角度θｇが４５〜９０度の角度をなして交わり、これによって一次空気とガス燃料の混合が促進され、火炎の広がりが抑制されるとともに短炎化が実現される。なお図示していないが、液体燃料噴霧軸（矢印Ｃを含む軸）とガス燃料の噴出軸（矢印Ｅを含む軸）との正面から見た位置関係は、図３（ｂ）に示す場合と同様である。前記角度θａ₁について述べた理由と同様の理由から、θｇも６０度以上が好ましく、８０度以上がより好ましく、また９０度以下とする。
【００２０】
さらに、燃焼用二次空気の噴出軸（矢印Ｆを含む軸）と灯油噴霧軸（矢印Ｃを含む軸）とは、４５〜９０度の角度（θａ₂）で交わり、これによって一次空気の場合と同様、二次空気と燃料と混合促進、火炎の広がり防止、短炎化が実現される。なお図示していないが、燃焼用二次空気の噴出軸（矢印Ｆを含む軸）と液体燃料噴霧軸（矢印Ｃを含む軸）との正面から見た位置関係は、図３（ｂ）に示す場合と同様である。また、前記角度θａ₁について述べた理由と同様の理由から、θａ₂も６０度以上が好ましく、８０度以上がより好ましく、また９０度以下とする。
【００２１】
本発明の燃焼器は、液体燃料およびガスの混焼の燃焼保炎面の下流側に二段の絞りを有する。燃焼用絞りは、燃焼流体（一部燃焼済みとなっていてもよい燃料と空気との混合流体）流路の断面積をいったん細くして再度広げる手段である。これにより流れを乱し、流体の混合を促進することができる。スタビライザーの下流に設けられた一段目絞り８は、スタビライザーによって保炎している火炎の広がりをさらに抑え、一段目絞り８の下流に設けられた二段目絞り９は、より一層火炎の広がりを抑えている。
【００２２】
ウインドボックス先端口に設けられたエアーコーン２はバーナー全体の覆いで、ここでは二次空気の流路を形成し、バーナー先端の二段目絞り手前に二次空気を導く。
【００２３】
図１および２に示した本発明に係る灯油バーナーでは、燃焼用空気（一次、二次とも）の旋回流と流路の急拡大によって保炎する従来技術に係るバーナーに比べて、火炎の長さを三分の二以下に抑えることができた。これに応じて燃焼器の大きさも小型化することができる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明により、従来より小型化された混焼用燃焼器が提供された。この燃焼器では、燃焼火炎を短く、細くすることが可能である。また、この燃焼器は、構造が複雑でなく、小型であるため、従来の燃焼器よりも低コスト化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃焼器の一実施形態を示す側断面図である。
【図２】本発明の燃焼器の一実施形態を示す正面図である。
【図３】本発明の燃焼器の一実施形態につき、燃料及び空気の流れ方向を示す模式図であり、（ａ）がその側断面図、（ｂ）がスタビライザー部の正面図である。
【符号の説明】
１ ウインドボックス
２ エアーコーン
３ ガスバーナ用ガスパイプ
３ａ ガス燃料噴出口
４ ガス燃焼用コンバスター
４ａ 通気穴
５ 灯油用ノズルパイプ
６ 油用ノズル
７ スタビライザー
７ａ 通気穴
８ 絞り（一段目）
９ 絞り（二段目）
Ａ 分配された一次空気の流れを示す矢印
Ｂ 分配された二次空気の流れを示す矢印
Ｃ 灯油噴霧方向を示す矢印
Ｄ 一次空気の噴出方向を示す矢印
Ｅ ガス燃料の噴出方向を示す矢印
Ｆ 二次空気の噴出方向を示す矢印
θａ₁ 液体燃料バーナーの液体燃料噴霧軸と燃焼用空気（一次）の噴出軸となす角度
θａ₂ 液体燃料バーナーの液体燃料噴霧軸と燃焼用空気（二次）の噴出軸となす角度
θｇ 液体燃料バーナーの液体燃料噴霧軸とガスバーナーのガス燃料噴出軸とがなす角度

Claims (4)

1. 液体燃料バーナーの周囲にガスバーナーが設けられた混焼用の燃焼器において、
   該液体燃料バーナーの燃焼用空気を噴出する噴出口が、円筒状のスタビライザーの側壁に該液体燃料バーナーの液体燃料噴霧軸に向けて空けられた貫通孔であって該液体燃料噴霧軸を中心とする円周に沿って複数配置された貫通孔であり、該液体燃料噴霧軸と該液体燃料バーナーの燃焼用空気の噴出軸とが９０度の角度θａ₁で交わり、
   該液体燃料バーナーの液体燃料噴霧軸と該ガスバーナーのガス燃料噴出軸とが９０度の角度θｇで交わり、
   該液体燃料バーナーの液体燃料噴霧軸と該ガスバーナーの燃焼用空気の噴出軸とが４５〜９０度の角度θａ₂で交わり、かつ、
   二段の燃焼用絞りを有し、
   一段目の燃焼用絞りが、該ガスバーナーのガス燃料の噴出口と、該ガスバーナーの燃焼用空気の噴出口との間に配され、
   二段目の燃焼用絞りが、該ガスバーナーの燃焼用空気の噴出口より下流側に配され、
   一段目の燃焼用絞りは二段目の燃焼用絞りよりも絞り径が小さくかつ液体燃料噴霧軸に対する傾斜が小さく、
   ウインドボックスの内部に、該スタビライザー、該スタビライザーの内側に液体燃料を噴霧するノズル、該ノズルに液体燃料を供給するノズルパイプ、および該ガス燃料の噴出口にガス燃料を供給するガスパイプが設けられ、
   該液体燃料バーナーの燃焼用空気を噴出する噴出口に空気を導く空気流路と該ガスバーナーの燃焼用空気の噴出口に空気を導く空気流路のいずれもが、該ノズルパイプの外壁および該ガスパイプの外壁とウインドボックス内壁とによって形成される空間を含む
   ことを特徴とする混焼用の燃焼器。
2. 前記角度θａ₂が、８０〜９０度である請求項１記載の燃焼器。
3. 前記液体燃料が灯油である請求項１または２記載の燃焼器。
4. 前記ガス燃料が、燃料電池のアノード排ガスである請求項１〜３のいずれか一項記載の燃焼器。

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