JP5558253B2 - Hydrogen combustion equipment - Google Patents
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Description
本発明は、水素燃焼装置に係り、特に、燃焼排ガス中の窒素酸化物(NOx)濃度を所望の値以下に抑制可能な水素燃焼装置に関する。 The present invention relates to a hydrogen combustion apparatus, and more particularly to a hydrogen combustion apparatus capable of suppressing a nitrogen oxide (NOx) concentration in combustion exhaust gas to a desired value or less.
近年、燃焼によりCO2を排出しない水素が、クリーンエネルギーとして注目されている。従来、水素の燃焼に関しては、水素と酸化剤(酸素又は空気)を燃焼部の上流側で予め混合する予混合燃焼方式が主である。
しかしながら水素の燃焼速度は著しく速いため、予混合燃焼方式を採用した場合、フラッシュバック(逆火)の危険性がある。従って、水素を燃料とする燃焼装置については、燃料と酸化剤とを別々に供給し、燃焼室内でこれらを混合させながら燃焼する拡散燃焼方式が適している。
従来、拡散燃焼方式の水素燃焼機器に関する開示は少ないが、例えば特許文献1が挙げられる。図7は、同文献による水素燃焼用バーナ100の構成を示し、所定の間隔dを隔てて配置される金属製の第1の穴あき板101及び多孔性材料からなる第2の穴あき板102と、二つの穴あき板101,102により支持される多数の案内管103を備えている。各案内管103内には円筒状回転体からなる空気案内ピン105が挿入されている。空気案内ピン105は、先端に円板105aを備え、かつ、軸方向に4つの案内通路105bを備えている。
かかる構成により水素燃焼用バーナ100において、水素は穴あき板101,102により形成される分配室106に導入され、多孔性の穴あき板102の局部範囲で微細に分配され、この穴あき板102を通過して燃焼室107に入る。一方、空気は案内管103の案内通路105bを通って燃焼室107に導入され、円板105aによる変向により円錐外周壁の形をした空気流が生じ、燃焼室107内で水素と混合して回転対称の拡散炎を形成する。
In recent years, hydrogen that does not emit CO2 due to combustion has attracted attention as clean energy. Conventionally, with respect to the combustion of hydrogen, a premixed combustion system in which hydrogen and an oxidant (oxygen or air) are mixed in advance upstream of the combustion section is mainly used.
However, since the burning rate of hydrogen is extremely high, there is a risk of flashback (backfire) when the premixed combustion method is adopted. Therefore, for a combustion apparatus using hydrogen as a fuel, a diffusion combustion system in which fuel and an oxidant are separately supplied and burned while mixing them in a combustion chamber is suitable.
Conventionally, there is little disclosure regarding diffusion combustion type hydrogen combustion equipment, but for example, Patent Document 1 can be cited. FIG. 7 shows a configuration of a
With this configuration, in the
しかしながら同文献には、隣接する炎孔間の距離について規定されておらず、燃焼量(インプット)が大きい場合には、隣接する炎孔が一体化して隣接する火炎同士が接触して局所的に高温になる箇所が生じて、窒素酸化物濃度の増加や熱効率の低下などの懸念がある。また、バーナ構造が複雑であるため、機器コストが高くなるという問題もある。 However, this document does not stipulate the distance between adjacent flame holes, and when the combustion amount (input) is large, the adjacent flame holes are integrated and adjacent flames come into contact with each other locally. There are places where the temperature becomes high, and there are concerns such as an increase in the concentration of nitrogen oxides and a decrease in thermal efficiency. Further, since the burner structure is complicated, there is a problem that the equipment cost is increased.
出願人らは、水素拡散燃焼に関して鋭意研究の結果、隣接炎孔間の離隔距離と炎孔あたり燃焼出力を適切に設定することにより、NOx値を所定の値以下に抑制できることを見出し、試験により確認して本発明を完成した。
本発明は、以下の内容を要旨とする。すなわち、本発明に係る水素燃焼装置は、
(1)複数の炎孔から水素ガスを噴出させて、拡散燃焼方式により水素を燃焼させる水素燃焼装置であって、
許容NOx値(X)(但し、10ppm≦X≦70ppm)及び要求出力Q(kW)に対して、炎孔数n、隣接する炎孔の両端間距離D(mm)及び単位炎孔あたり出力q(=Q/n:kW)が、
q/√D≦0.0036X+0.22
の関係を満たすように炎孔を配列して成ることを特徴とする。
(2)上記(1)の発明において、
q/√D≦0.29
の関係を満たすように炎孔を配列して成ることを特徴とする。
(3)上記(1)の発明において、
q/√D≦0.37
の関係を満たすように炎孔を配列して成ることを特徴とする。
(4)上記(1)の発明において、
q/√D≦0.44
の関係を満たすように炎孔を配列して成ることを特徴とする。
As a result of diligent research on hydrogen diffusion combustion, the applicants have found that the NOx value can be suppressed to a predetermined value or less by appropriately setting the separation distance between adjacent flame holes and the combustion output per flame hole. The present invention was completed after confirmation.
The gist of the present invention is as follows. That is, the hydrogen combustion apparatus according to the present invention is
(1) A hydrogen combustion apparatus that injects hydrogen gas from a plurality of flame holes and burns hydrogen by a diffusion combustion method,
For the allowable NOx value (X) (where 10 ppm ≦ X ≦ 70 ppm) and the required output Q (kW) , the number of flame holes n, the distance D (mm) between both ends of adjacent flame holes, and the output q per unit flame hole (= Q / n: kW) it is,
q / √D ≦ 0.0036X + 0.22
It is characterized by arranging the flame holes so as to satisfy the relationship .
(2) In the invention of (1) above,
q / √D ≦ 0.29
It is characterized by arranging the flame holes so as to satisfy the relationship .
(3) In the invention of (1) above,
q / √D ≦ 0.37
It is characterized by arranging the flame holes so as to satisfy the relationship .
( 4 ) In the invention of (1) above,
q / √D ≦ 0.44
It is characterized by arranging the flame holes so as to satisfy the relationship .
図2は、後述する燃焼装置(図4参照)の上面中心部に単炎孔を設け、H2ガスを燃焼させたときの、出力(流量)(kW)と火炎長(mm)の関係を、炎孔径をパラメータとして示したものである。同図より、流量増加に比例して火炎長が伸びることが分かる。この場合、炎孔径が小さいほど燃焼量増加に対する炎長増加率は顕著である。
また図3は、H2又はCH4ガスについて、炎孔径をパラメータとして出力(kW)とNOx値(ppm)の関係を示したものである。同図より、CH4については出力が増加してもNOx値の変化は少ないのに対して、H2については出力増加に比例して、NOx値が増加することが分かる。
FIG. 2 shows a relationship between output (flow rate) (kW) and flame length (mm) when a single flame hole is provided at the center of the upper surface of a combustion apparatus (see FIG. 4) described later, and H2 gas is burned. The flame hole diameter is shown as a parameter. From the figure, it can be seen that the flame length increases in proportion to the increase in flow rate. In this case, the flame length increase rate with respect to the increase in the combustion amount is more remarkable as the flame hole diameter is smaller.
FIG. 3 shows the relationship between the output (kW) and the NOx value (ppm) for the H2 or CH4 gas with the flame hole diameter as a parameter. From the figure, it can be seen that the change in NOx value is small for CH4 even when the output is increased, whereas the NOx value is increased in proportion to the increase in output for H2.
一般に、火炎長が長くなるほど火炎が被加熱物等に接触して局所的に高温になる箇所が生じ、窒素酸化物濃度の増加や熱効率の低下などの不都合が生じる。従って、1火炎あたりの燃焼量を少なくし、水素を噴出する炎孔の面積を増やすことにより、火炎長を短くすることが適当である。この場合、隣り合う火炎同士が接触せず、互いに独立火炎を維持できることが条件となる。上記知見に基づいて、次に実際の燃焼装置に適用するため、複数炎孔の場合の最適炎孔配置について検討する。 In general, the longer the flame length, the more the flame comes into contact with the object to be heated and the like, and there are places where the temperature locally rises, causing inconveniences such as an increase in nitrogen oxide concentration and a decrease in thermal efficiency. Accordingly, it is appropriate to shorten the flame length by reducing the amount of combustion per flame and increasing the area of the flame hole for ejecting hydrogen. In this case, it is a condition that adjacent flames are not in contact with each other and independent flames can be maintained. Based on the above findings, the optimum flame hole arrangement in the case of a plurality of flame holes will be examined for application to an actual combustion apparatus.
具体的には、後述の図6より導出される(1)式に従って、炎孔あたり出力(q)、炎孔間距離(D)を設定することにより、所望のNOx値以下に抑えたバーナの設計が可能となる。なお、設定NOx値は、対象燃焼装置の種類に対する法的規制等を考慮して、適宜選択することができる。
Y= 0.0036X + 0.22・・・・・(1)
ここに、X:NOx値、Y:q/√D
例えば、NOx値20ppm以下が求められる場合には、q/√D≦0.29とすればよい。また、NOx値40ppm、60ppm以下の場合には、それぞれq/√D≦0.37、q/√D≦0.44 とすればよい。
Specifically, according to the equation (1) derived from FIG. 6 to be described later, by setting the output per flame (q) and the inter-flame distance (D), the burner suppressed to a desired NOx value or less. Design becomes possible. The set NOx value can be selected as appropriate in consideration of legal restrictions on the type of target combustion device.
Y = 0.0036X + 0.22 (1)
Here, X: NOx value, Y: q / √D
For example, when a NOx value of 20 ppm or less is required, q / √D ≦ 0.29 may be set. Further, when the NOx values are 40 ppm and 60 ppm or less, q / √D ≦ 0.37 and q / √D ≦ 0.44, respectively.
本発明によれば、燃焼装置のタイプに応じてNOx値に関する法的規制などに応じて、所定の値以下に抑制できる燃焼機器の設計が可能となる。
また、本発明によればバーナ構造が簡易であるため、コストダウンが容易に実現できるという効果がある。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the design of the combustion apparatus which can be suppressed below to a predetermined value according to the legal regulation regarding a NOx value etc. according to the type of a combustion apparatus is attained.
Further, according to the present invention, since the burner structure is simple, there is an effect that cost reduction can be easily realized.
以下、本発明に係る水素燃焼装置の実施形態について、さらに詳細に説明する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。
図1(a)、1(b)を参照して、本発明の一実施形態に係る水素燃焼装置1は、3重に形成され、いずれもリング形状の外側バーナ2aと、中側バーナ2bと、内側バーナ2cと、これら各バーナに水素ガスを供給するための供給配管4a〜4cと、各供給配管に介装される流量調整弁5a〜5cと、を主要構成として備えている。各バーナは、隣接バーナの炎孔により燃焼に影響を受けることなく、独立火炎が維持されるようにリング径Ra、Rb、Rcが設定されている。なお、図示を省略するが、水素燃焼装置1には、水平設置状態で同図の配置を保持するための支持部が設けられている。
各バーナの上側面の円周上には、一列に水素ガス噴出用の複数の炎孔3a−3cが設けられている。各バーナの炎孔径、総炎孔数、炎孔間距離(中心間及び両端間)、総インプット、炎孔あたり出力は、それぞれ表1のように設定されている。また、炎孔あたり出力(q)と炎孔間距離(D)は、式(2−1)〜(2−3)の関係が成立するように設定されている。
バーナ2aにつき、 qa/√Da≦0.29 ・・・・(2−1)
バーナ2bにつき、 qb/√Db≦0.29 ・・・・(2−2)
バーナ2cにつき、 qc/√Dc≦0.29 ・・・・(2−3)
Hereinafter, embodiments of the hydrogen combustion apparatus according to the present invention will be described in more detail. Needless to say, the scope of the present invention is described in the claims and is not limited to the following embodiments.
Referring to FIGS. 1 (a) and 1 (b), a hydrogen combustion apparatus 1 according to an embodiment of the present invention is formed in three layers, both of which are a ring-shaped
A plurality of
For
For the
For the
水素燃焼装置1は以上のように構成されており、これにより最小インプット0から最大インプット(Qa+Qb+Qc)の範囲で、NOx値20ppm以下で燃焼させることができる。
The hydrogen combustion apparatus 1 is configured as described above, and can thereby be combusted at a NOx value of 20 ppm or less in the range from the
なお、本実施形態では各バーナの炎孔径をそれぞれ異なる構成としたが、炎孔あたり出力(q)と炎孔間距離(D)が、式(2−1)〜(2−3)を満足する範囲であれば同一炎孔径であってもよい。
また、本実施形態ではNOx値20ppm以下を想定したバーナ設定値としているが、法的規制等を考慮して適宜、設定値を選択することができる。
また、バーナ本数についても3本に限定されることなく、各バーナ炎孔径、総炎孔数、炎孔間距離等が上式を満足すれば、任意のバーナ本数を選択することができる。
In this embodiment, the flame hole diameters of the burners are different from each other. However, the output per flame hole (q) and the distance between flame holes (D) satisfy the expressions (2-1) to (2-3). As long as it is within the range, the same flame hole diameter may be used.
In the present embodiment, the burner set value is assumed to be a NOx value of 20 ppm or less, but the set value can be appropriately selected in consideration of legal regulations and the like.
Further, the number of burners is not limited to three, and any number of burners can be selected as long as each burner flame hole diameter, total flame hole number, flame hole distance, and the like satisfy the above formula.
以下、本発明の妥当性を実証するために行った試験の内容について説明する。
図4に示すように、燃焼装置の上面中央部に3個の炎孔を一列に配設した試験装置を用いて、水素を供給し燃焼させてNOx値を測定した。炎孔径、炎孔間隔(両端間)、炎孔あたり出力の組み合わせは表2の通りである。
As shown in FIG. 4, using a test apparatus in which three flame holes are arranged in a row at the center of the upper surface of the combustion apparatus, hydrogen was supplied and burned to measure the NOx value. Table 2 shows combinations of flame hole diameter, flame hole interval (between both ends), and output per flame hole.
図5に、各炎孔間隔における単位出力とNOx値の関係を示す。さらに、同図より、各炎孔間隔についてNOx値が20,40,60ppmのときの炎孔あたり出力を求め、このときのq/√Dの値をプロットして図6を得た。同図より、同一NOx値のときのq/√Dの値は、炎孔間隔に関わらずほぼ同一であることが分かった。
この場合の一次回帰式は、X:NOx値、Y:q/√Dとすると、
Y=0.0036X+0.22 ・・・・(1)
で表される。
以上のことから、
q/√D≦0.0036X+0.22・・・・(1’)
を満たすように、隣接炎孔の両端間距離及び単位炎孔あたり出力をバーナ設計することにより、少なくとも10−70ppmの範囲で、NOx値(x)を所望の値以下に抑制可能となる。
FIG. 5 shows the relationship between unit output and NOx value at each flame hole interval. Further, from the figure, the output per flame hole when the NOx value was 20, 40, 60 ppm for each flame hole interval was obtained, and the value of q / √D at this time was plotted to obtain FIG. From the figure, it was found that the value of q / √D at the same NOx value was almost the same regardless of the flame hole interval.
In this case, the linear regression equation is X: NOx value, Y: q / √D,
Y = 0.0036X + 0.22 (1)
It is represented by
From the above,
q / √D ≦ 0.0036X + 0.22 (1 ′)
The NOx value (x) can be suppressed to a desired value or less in the range of at least 10-70 ppm by designing the burner for the distance between both ends of the adjacent flame holes and the output per unit flame so as to satisfy the above.
本発明は、家庭用、業務用、産業用等の用途を問わず、水素拡散燃焼バーナを搭載した燃焼装置に広く適用可能である。 The present invention can be widely applied to a combustion apparatus equipped with a hydrogen diffusion combustion burner regardless of uses such as home use, business use, and industrial use.
1・・・・水素燃焼装置
2a、2b、2c・・・・バーナ
3a、3b、3c・・・・炎孔
4a、4b、4c・・・・水素供給配管
5a、5b、5c・・・・流量調整弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (4)
許容NOx値(X)(但し、10ppm≦X≦70ppm)及び要求出力Q(kW)に対して、炎孔数n、隣接する炎孔の両端間距離D(mm)及び単位炎孔あたり出力q(=Q/n:kW)が、
q/√D≦0.0036X+0.22
の関係を満たすように炎孔を配列して成ることを特徴とする水素燃焼装置。 A hydrogen combustion apparatus that injects hydrogen gas from a plurality of flame holes and burns hydrogen by a diffusion combustion method,
For the allowable NOx value (X) (where 10 ppm ≦ X ≦ 70 ppm) and the required output Q (kW) , the number of flame holes n, the distance D (mm) between both ends of adjacent flame holes, and the output q per unit flame hole (= Q / n: kW) it is,
q / √D ≦ 0.0036X + 0.22
A hydrogen combustion apparatus comprising flame holes arranged so as to satisfy the above relationship .
q/√D≦0.29
の関係を満たすように炎孔を配列して成ることを特徴とする水素燃焼装置。 In claim 1,
q / √D ≦ 0.29
Hydrogen combustion apparatus characterized by comprising by arranging the burner port so as to satisfy the relationship.
q/√D≦0.37
の関係を満たすように炎孔を配列して成ることを特徴とする水素燃焼装置。 In claim 1,
q / √D ≦ 0.37
Hydrogen combustion apparatus characterized by comprising by arranging the burner port so as to satisfy the relationship.
q/√D≦0.44
の関係を満たすように炎孔を配列して成ることを特徴とする水素燃焼装置。 In claim 1,
q / √D ≦ 0.44
Hydrogen combustion apparatus characterized by comprising by arranging the burner port so as to satisfy the relationship.
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