JP4108630B2 - 異種燃料用燃焼装置 - Google Patents
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Description
定常運転中は、燃料電池での使い残しのガス(以下、オフガスという)を燃焼させることにより、吸熱反応である改質反応に必要な熱を改質器に供給する。このオフガスは、例えば水素約30vol%、二酸化炭素約30vol%、メタン約3vol%、水蒸気約30vol%、および窒素約5vol%を含有し、通常の天然ガスの単位体積あたりの発熱量と比較すると、オフガスの発熱量は約1/10程度である。
また、燃料電池での水素ガス利用率(消費率)が大きくなると、オフガス燃料中の可燃成分の割合が少なくなり、オフガス燃焼による発生熱量だけでは、吸熱反応である改質反応に必要な熱量が不足するという問題点があった。
この発明の実施の形態1について、図に基づいて説明する。図1は、この発明の実施の形態1による異種燃料用燃焼装置の構成を示す断面図である。
この外筐8の中央部には、概略円環状の液体燃料気化器2(以下、気化器と略称する)が設けられている。この気化器2は、円筒状の外壁2aと、この外壁2aの中央部に設けられた円筒状の内壁2bと、外壁2aと内壁2bとにより形成される空間の下部を塞ぐ底壁2cと、外壁2aと内壁2bとにより形成される空間の上部を塞ぐとともに、上方に形成される燃焼室(図示せず)との間を隔てる隔壁板4とを備えている。この隔壁板4は、中央部に円筒状の内壁2bにより形成された空間に連通する孔部を有し、側面部に横向きの液体燃料用炎孔5aと、上面部に上向きの液体燃料用炎孔5bとが、それぞれ全周にわたって等間隔で形成されている。外壁2aの上端部2eは熱回収壁として上方に延びている。
一方、気化器2の外壁2aと外筐8との間のリング状の空間は、2次空気の外周2次空気流路25を形成している。
なお、寸法の制約上、中心2次空気流路12の内径が小さい場合は、中心2次空気流路12の内部での旋回速度成分が減衰しやすくなるため、中心2次空気流路の入り口、途中、出口のいずれかに複数の中心2次空気旋回手段14を設ける。
先ず、気化混合室6がヒータ7により予熱される。気化器温度測定手段(図示せず)により測定された気化器温度が所定温度になった時点で空気入り口9を経由して、1次空気供給口11aから気化器2に1次空気が供給されるとともに液体燃料ノズル10から液体燃料である灯油が供給される。供給された灯油は気化器2内でヒータ7による加熱で気化し、導入された1次空気と混合して予混合気を形成後、炎孔5a、5bから燃焼室に流出する。流出した予混合気は、点火プラグ(図示せず)により着火されて予混合火炎19a、19bを炎孔5a、5bに形成する。炎孔5aに形成された火炎により、外壁2aの上端部2eは加熱され、気化器2の外壁を通じて気化器2の底壁2cに伝導熱が伝わり、気化混合室6の温度が灯油気化に適正な温度となる。
以降は、炎孔5aの火炎からの回収熱で灯油の気化熱を賄い、ヒータ7への電力供給は不要となる。灯油の燃焼により燃焼室下流に設けられた改質器(図示せず)の触媒は徐々に加熱される。
液体燃料の燃焼により加熱される改質触媒の温度は改質触媒温度測定手段(図示せず)によりモニタされており、この温度が所定温度になった時点で、改質器に原料灯油が供給される。改質器では原料灯油に加えて水蒸気が供給され、この両者により水蒸気改質が行われて水素ガスが発生する。この水素ガスは燃料電池(図示せず)に送られ発電される。燃料電池から排出される気体燃料であるオフガスは、気体燃料供給管16に供給される。
気体燃料供給管16から気体燃料ノズル13に供給されたオフガスは、燃料噴出孔13aから燃焼室に噴射される。一方、中心2次空気は、中心2次空気旋回手段14により旋回がかけられて中心2次空気流路12を通過し、中心2次空気流路出口から円筒保炎リング15内に供給される。
円筒保炎リング15内では燃料噴出孔13aから噴出されたオフガスと旋回した中心2次空気が混合する。この混合気は円筒保炎リング15の外に流出し、炎孔5bに形成されていた灯油気化燃焼火炎19aによって着火され、火炎13bを形成し燃焼を開始する。
円筒保炎リング15の直径と高さを適切に設定することにより、火炎安定性と火炎の広がりが適切に調整されるとともに、燃焼ガスと外周2次空気との良好な混合がなされる。これにより、小さな燃焼空間で燃焼が完了するとともに、改質器に適正な温度で、温度均一な燃焼ガスが得られることとなる。
図2は,この発明の実施の形態2による異種燃料用燃焼装置を示す断面図である。
異種燃料用燃焼装置1の気体燃料供給管16内部には、発熱体18より上流側で、気体燃料であるオフガスが発熱体18に直接接触するのを邪魔するステンレス板等で構成された邪魔板18aが設けられている。これにより、発熱体18の周囲を流れるオフガスの流速が遅くなるようになっている。
また、供給された液体燃料がオフガスの流れによって発熱体18の気化面外に飛び出し、液体燃料のまま気体燃料流路に残留するのを防止することができる。
この発明の実施の形態3による異種燃料用燃焼装置は、気体燃料供給管16の構成が実施の形態1と異なる。その他の構成は、実施の形態1と同様である。
気体燃料供給管16は、気体燃料であるオフガスが供給される大流量供給分岐部16bと、この大流量供給管16bに流れるオフガスの流速よりも遅い流速でオフガスが供給されるとともに、液体燃料が供給される小流量供給管16aとに分岐している。この小流量供給管16aには、液体燃料供給管17が接続されている。この小流量供給管16a内には、液体燃料供給管17から供給された液体燃料を気化する発熱体18が設けられている。これにより、小流量供給管16aは、オフガスと液体燃料蒸気との混合気を下流側に供給するようになっている。
大流量供給管16bから供給されたオフガスと、小流量供給管16aから供給されたオフガスと液体燃料蒸気との混合気とは、下流に設けられた混合部20で混合された後、気体燃料ノズル13に供給されるようになっている。
図4は、この発明の実施の形態4による異種燃料用燃焼装置の混合室の構成を示す平断面図であり、図5は、図4の異種燃料用燃焼装置の混合室の構成を示す側断面図である。
気体燃料供給管16と気体燃料ノズル13との間には、液体燃料と気体燃料であるオフガスとを撹拌混合する円形の円形混合室21が設けられている。この円形混合室21の混合空間21aを気体燃料は回転して流れるようになっている。この旋回流によって、円形混合室21内でのオフガスと液体燃料の蒸気の滞留時間を長くなり、オフガスと液体燃料とが十分に撹拌混合されるようになっている。
円形混合室21の側壁には、この側壁の接線方向に気体燃料供給管16が延設されている。この円形混合室21の側壁には、直方体構造の発熱体18が設けられている。この発熱体18の上方には、液体燃料供給管17が円形混合室21の円形状の天井に貫通している。この天井中央部には、気体燃料ノズル13が貫通している。発熱体18のオフガス気流の近傍には、発熱体18に接触するのを邪魔する邪魔板18aが設けられている。これにより、発熱体18の周囲を流れるオフガスの流速が遅くなるようになっている。
気体燃料供給管16から供給された気体燃料であるオフガスは、円形混合室21の内部の混合空間21aを回転するように流れ旋回流となる。このオフガスの旋回流は、円形混合室21の中央部に集まり、上昇気流となって気体燃料ノズル13に供給される。
液体燃料供給管17から供給された液体燃料は、発熱体18に供給され、この発熱体18の表面で加熱されて気化される。この液体燃料の蒸気は、オフガスの旋回流に乗って、オフガスと混合されることともに、円形混合室21の中央部に集まり、上昇気流となって気体燃料ノズル13に供給される。
また、邪魔板18aにより発熱体18の周囲を流れるオフガスの流速を遅くするので、発熱体18の周囲を流れるオフガスによって持ち去られる熱量を小さくすることができ、発熱体18の消費電力を低減させることができる。
さらに、供給された液体燃料がオフガスの流れによって発熱体18の気化面外に飛び出し、液体燃料のまま気体燃料流路に残留するのを防止することができる。
この発明の実施の形態5によるによる異種燃料用燃焼装置は、混合室の構成が実施の形態4と異なる。その他の構成、動作は、実施の形態4と同様である。
図6は、この発明の実施の形態5による異種燃料用燃焼装置の混合室の構成を示す平断面図であり、図7は、図6の異種燃料用燃焼装置の混合室の構成を示す側断面図である。
気体燃料供給管16と気体燃料ノズル13との間には、液体燃料と気体燃料であるオフガスとを撹拌混合する矩形の矩形混合室22が設けられている。気体燃料ノズル13は、この矩形混合室22の天井に貫通している。この矩形混合室22の混合空間22aをオフガスは乱流するようになっている。このオフガスと液体燃料蒸気の混合気の乱流は、上昇気流となって気体燃料ノズル13に供給されるようになっている。
矩形混合室22の側壁24には、気体燃料供給管16が接続されている。この側壁24には、発熱体18が設けられている。これにより、気体燃料供給管16から供給されたオフガスの気流が、発熱体18に直接当たらないようになっている。この発熱体18の上方には、液体燃料供給管17が矩形混合室22の矩形状の天井に接続されている。
さらに、供給された液体燃料がオフガスの流れによって発熱体18の気化面外に飛び出し、液体燃料のまま気体燃料流路に残留するのを防止することができる。
この発明の実施の形態6による異種燃料用燃焼装置は、実施の形態4と実施の形態5を合わせた構造となっている。
図8はこの発明の実施の形態6による異種燃料用燃焼装置の混合室の構成を示す平断面図であり、図9は、図8の異種燃料用燃焼装置の混合室の構成を示す側断面図である。
気体燃料供給管16と気体燃料ノズル13との間には、液体燃料と気体燃料であるオフガスとを撹拌混合する円形の略円形混合室23が設けられている。この略円形混合室23の混合空間23aをオフガスは回転して流れるようになっている。この旋回流によって、略円形混合室23内でのオフガスと液体燃料の蒸気の滞留時間が長くなり、オフガスと液体燃料とが十分に撹拌混合されるようになっている。
略円形混合室23の側壁の一部には、その円形状の接線から外側領域に平板状側面24aが形成されており、この平板状側面24aに気体燃料供給管16および発熱体18が接続されている。これにより、気体燃料供給管16から供給されたオフガスの気流が、発熱体18に直接当たらないようになっている。この発熱体18の上方には、液体燃料供給管17が略円形混合室23の天井に接続されている。この天井中央部には、気体燃料ノズル13が接続されている。
また、気体燃料供給管16から供給されたオフガスの気流が、発熱体18に直接当たらないので、発熱体18の周囲を流れるオフガスによって持ち去られる熱量を小さくすることができ、発熱体18の消費電力を低減させることができる。
また、供給された液体燃料がオフガスの流れによって発熱体18の気化面外に飛び出し、液体燃料のまま気体燃料流路に残留するのを防止することができる。
また、気体燃料供給管17と発熱体18とは、同一平面側壁24aに取り付けられ単純な構造をしているので、製造コストを低く抑えることができる。
Claims (6)
- 燃料を燃焼させる燃焼室に連通する気体流路に設けられ、前記燃焼室に燃料を噴射するための複数の燃料噴出孔を一方の端部に有する気体燃料ノズルと、
前記気体燃料ノズルの他方の端部に接続され、前記気体燃料ノズルに気体燃料を供給するための気体燃料供給管と、
前記燃料噴出孔近傍に酸化剤を供給するための酸化剤供給手段と、
前記気体燃料ノズル内部に液体燃料を供給するための液体燃料供給管と、
前記液体燃料供給管の出口近傍に設けられ、前記液体燃料供給管から供給された前記液体燃料を気化させる発熱体とを備えていることを特徴とする異種燃料用燃焼装置。 - 前記気体燃料供給管内には、前記発熱体が設けられているとともに、前記気体燃料が前記発熱体に接触するのを邪魔する邪魔板が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の異種燃料用燃焼装置。
- 前記気体燃料供給管は、前記気体燃料が供給される大流量供給分岐部と、前記大流量供給分岐部に流れる前記気体燃料の流速よりも遅い流速で前記気体燃料が供給される小流量供給分岐部とに分岐し、前記大流量供給分岐部と前記小流量供給分岐部とから供給された前記気体燃料は、混合された後前記気体燃料ノズルに供給されるようになっており、
前記液体燃料供給管は、前記小流量供給分岐部に接続されており、
前記発熱体は、前記小流量供給分岐部内に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の異種燃料用燃焼装置。 - 前記気体燃料供給管と前記気体燃料ノズルとの間には、前記液体燃料と前記気体燃料を混合する円形混合室が設けられており、この円形混合室の側壁には前記発熱体が設けられており、
前記気体燃料供給管は、前記円形混合室の側壁の接線方向に接するように延設されており、
前記気体燃料ノズルは、前記円形混合室の天井中央部に貫通し、
前記液体燃料供給管は、前記発熱体の上方に位置するように前記天井に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の異種燃料用燃焼装置。 - 前記気体燃料供給管と前記気体燃料ノズルとの間には、前記液体燃料と前記気体燃料を混合する矩形混合室が設けられており、この矩形混合室の側壁には前記発熱体が設けられており、
前記気体燃料供給管は、前記側壁に接続されており、
前記気体燃料ノズルは、前記矩形混合室の天井に貫通し、
前記液体燃料供給管は、前記発熱体の上方に位置するように前記天井に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の異種燃料用燃焼装置。 - 前記気体燃料供給管と前記気体燃料ノズルとの間には、前記液体燃料と前記気体燃料を混合する略円形混合室が設けられており、この略円形混合室の側壁の一部には、その円形状の接線から外側領域に平板状側面が形成されており、前記平板状側面に前記発熱体および前記気体燃料供給管が接続されており、
前記気体燃料ノズルは、前記略円形混合室の天井中央部に貫通し、
前記液体燃料供給管は、前記発熱体の上方に位置するように前記天井に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の異種燃料用燃焼装置。
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