JP5732135B2 - Ｈ２用バーナの燃焼方法 - Google Patents
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Description
本発明は、Ｈ２用バーナおよびＨ２用バーナの燃焼方法に関する。
近年、深刻となっている地球温暖化を防止するため、太陽、風力、地熱、海洋、水力等の再生可能エネルギーに注目が集まっているが、それだけでなく、燃焼によって二酸化炭素を排出しないＨ２ガスも、理想的な燃料として有効な活用が期待されるようになっている。
本願は、２０１１年８月１７日に日本に出願された特願２０１１−１７８２１２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、２０１１年８月１７日に日本に出願された特願２０１１−１７８２１２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
しかしながら、Ｈ２ガスは、その物性から燃焼範囲が広く燃焼速度も速いため、これまで多用されてきた炭化水素系ガス、改質ガス、または都市ガス等の燃焼技術を適用することが困難であり、工業用の加熱源としては利用分野が限られていた。
また、Ｈ２ガスは、他の燃料と比べ燃焼しやすいので、一般的な水素燃焼においては、逆火に対する対策やＮＯＸ発生抑制に対する対策が重要な課題となっていた。
また、Ｈ２ガスは、他の燃料と比べ燃焼しやすいので、一般的な水素燃焼においては、逆火に対する対策やＮＯＸ発生抑制に対する対策が重要な課題となっていた。
一方、Ｈ２ガスは、他の燃料に比べ比較的低温で燃焼が継続するため、触媒を用いてＨ２ガスを燃焼させる場合は、安定して効率のよいバーナになることが知られている。
また、Ｈ２ガスは、炭化水素系ガスと比較すると、多くの金属や金属酸化物が有効な燃焼触媒になると言われており、特殊な例ではあるが、液体水素の自動着火方法として、極低温触媒燃焼方法が紹介されたことがある。
また、Ｈ２ガスは、炭化水素系ガスと比較すると、多くの金属や金属酸化物が有効な燃焼触媒になると言われており、特殊な例ではあるが、液体水素の自動着火方法として、極低温触媒燃焼方法が紹介されたことがある。
なお、国内では１９７０年代に通産省工業技術院サンシャイン計画が発足し、水素吸蔵合金や水素燃焼技術に関して多くの研究がなされていた。特に、大阪工業試験所においては、各種の金属や金属酸化物の特性が調査されており、Ｈ２活性の高い触媒を充填した触媒層に当量比のＨ２ガスと空気を通気することによって、室温での燃焼が可能なことが確認されていた。
水素エネルギー利用技術 大隈泰章著 アグネ技術センター
水素エネルギー最先端技術 水素の燃焼技術 ｐ５６５〜ｐ５７９ ＮＴＳ
ところで、一般に工業用燃焼炉の着火には、点火トランスを用いた直接点火式のパイロットバーナが用いられている。
ここで、パイロットバーナの燃料として、炭化水素系ガスや都市ガスのように燃焼速度が数十ｃｍ／ｓｅｃ程度の燃料を用いるのであれば問題はないが、燃料としてＨ２ガスを用いる場合は、その燃焼速度が２．６ｍ／ｓｅｃと速いため安全性に問題があった。
特に、燃焼炉内のパージ不良や未着火時のように、燃料と空気の混合気体が充満した状態で再着火すると、爆轟が生じる可能性があり、危険であった。
ここで、パイロットバーナの燃料として、炭化水素系ガスや都市ガスのように燃焼速度が数十ｃｍ／ｓｅｃ程度の燃料を用いるのであれば問題はないが、燃料としてＨ２ガスを用いる場合は、その燃焼速度が２．６ｍ／ｓｅｃと速いため安全性に問題があった。
特に、燃焼炉内のパージ不良や未着火時のように、燃料と空気の混合気体が充満した状態で再着火すると、爆轟が生じる可能性があり、危険であった。
また、パイロットバーナは、点火用の連続パイロットとして使用する場合だけでなく、時限パイロットとして使用する場合であっても、メインバーナへ火移りするまで一定時間燃焼させる必要がある。
そこで、本願発明者らは、Ｈ２ガスを燃料とし、触媒を用いて燃焼させるバーナを用いることについて鋭意検討したが、触媒によって一定時間燃焼を継続させると、触媒が焼結や酸化等によって劣化したり、担体の高温耐性が限界に達して触媒が劣化したりするという問題があることを突き止めた。
そこで、本願発明者らは、Ｈ２ガスを燃料とし、触媒を用いて燃焼させるバーナを用いることについて鋭意検討したが、触媒によって一定時間燃焼を継続させると、触媒が焼結や酸化等によって劣化したり、担体の高温耐性が限界に達して触媒が劣化したりするという問題があることを突き止めた。
このような背景の下、Ｈ２ガスを燃料に用いながら、安全な点火を行うことができ、かつ、触媒でのＨ２ガスの燃焼時間を短くできるバーナおよびバーナの燃焼方法が要望されていたが、有効適切なものが提供されていないのが実情であった。
また、請求項１に係る発明は、２つの異なるガスの流路を有し、第１の流路に触媒が設けられているＨ２用バーナの燃焼方法であって、前記第１の流路にＨ２ガスおよび第１の支燃性ガスを流し、前記触媒によって着火させて第１の流路の先端に火炎を形成する工程と、前記Ｈ２用バーナの第２の流路にＨ２ガスまたは第２の支燃性ガスを流す工程と、前記第１の流路の先端に形成された火炎を前記第２の流路の先端に火移りさせる工程と、Ｈ２ガスおよび第１の支燃性ガスのうち、前記第２の流路に流すガスと同様の種類のガスについて、前記第１の流路に流すことを停止する工程と、を有することを特徴とするＨ２用バーナの燃焼方法である。
また、請求項２に係る発明は、前記第１の流路の先端に火炎を形成した後に、前記第２の流路にＨ２ガスまたは第２の支燃性ガスを流すことを特徴とする請求項１に記載のＨ２用バーナの燃焼方法である。
また、請求項３に係る発明は、前記触媒が、Ｐｔ、Ｐｄ、ＰｄＯまたはＰｔＯ２のいずれか一種類以上を含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＨ２用バーナの燃焼方法である。
本発明のＨ２用バーナには、第１の流路に、Ｈ２ガスと支燃性ガスを供給することで着火可能な触媒が設けられている。これにより、第１の流路に支燃性ガスとＨ２ガスを流すことで、トランス等を用いずに触媒を用いて着火させることが可能となった。その結果、トランスを用いずに着火するので、Ｈ２ガスを燃料として用いてはいるが、爆轟等が生じることがなくなり、安全性が確保される。
また、第１の流路の先端から火移り可能な位置に第２の流路の先端が形成されている。
したがって、第１の流路に設けられた触媒によって種火を形成し、それと同時にもしくはそれと前後して、第２の流路にＨ２ガスまたは支燃性ガスを流し、第２の流路の先端に種火を火移りさせ、その後に第２の流路に流すガスと同様の種類のガスを、第１の流路に流すことを停止させることで、触媒の劣化を防止することができる。すなわち、触媒によって種火が形成され、それを火移りさせた後に、触媒に供給するＨ２ガスまたは支燃性ガスの片方の供給を停止することで、触媒でのＨ２ガスの燃焼を停止させることができ、触媒の劣化を防止することができる。また、Ｈ２ガスまたは支燃性ガスの片方について、第１の流路に流すことを停止しても、それと同じガスが第２の流路から供給されるので、第２の流路の先端において火炎を継続して形成することができる。
また、第１の流路の先端から火移り可能な位置に第２の流路の先端が形成されている。
したがって、第１の流路に設けられた触媒によって種火を形成し、それと同時にもしくはそれと前後して、第２の流路にＨ２ガスまたは支燃性ガスを流し、第２の流路の先端に種火を火移りさせ、その後に第２の流路に流すガスと同様の種類のガスを、第１の流路に流すことを停止させることで、触媒の劣化を防止することができる。すなわち、触媒によって種火が形成され、それを火移りさせた後に、触媒に供給するＨ２ガスまたは支燃性ガスの片方の供給を停止することで、触媒でのＨ２ガスの燃焼を停止させることができ、触媒の劣化を防止することができる。また、Ｈ２ガスまたは支燃性ガスの片方について、第１の流路に流すことを停止しても、それと同じガスが第２の流路から供給されるので、第２の流路の先端において火炎を継続して形成することができる。
また、本発明のＨ２用バーナは、第１の流路に形成された触媒が、Ｐｔ、Ｐｄ、ＰｄＯまたはＰｔＯ２のいずれか一種類以上を含有している。これにより、効率良く触媒において着火することができる。
また、本発明のＨ２用バーナは、第１の流路の先端に、火炎の形成を検知可能な検知機構が設けられている。これにより、第１の流路の先端に種火が形成されたか否かを正確に検知することが可能となり、第１の流路へのガスの供給の停止を精度良く行うことができる。
また、本発明のＨ２用バーナの燃焼方法は、第１の流路に形成された触媒にＨ２ガスと支燃性ガスを供給することで着火している。したがって、着火の際にトランスを用いないので、爆轟等が生じることがなく、安全性が確保される。
また、本発明のＨ２用バーナの燃焼方法では、触媒によって着火し、それと同時にまたはそれと前後して、第２の流路にＨ２ガスまたは支燃性ガスを流して種火を火移りさせ、第１の流路に流すガスのうち、第２の流路に流すガスと同様の種類のガスについては、流すことを停止している。この結果、触媒でのＨ２ガスの燃焼を停止することができ、触媒の劣化を防止することができる。また、第１の流路に流していたＨ２ガスまたは支燃性ガスの片方について、流すことを停止しても、それと同じガスを第２の流路に流すので、第２の流路の先端において、火炎を継続して形成することができる。
また、本発明のＨ２用バーナの燃焼方法では、触媒によって着火し、それと同時にまたはそれと前後して、第２の流路にＨ２ガスまたは支燃性ガスを流して種火を火移りさせ、第１の流路に流すガスのうち、第２の流路に流すガスと同様の種類のガスについては、流すことを停止している。この結果、触媒でのＨ２ガスの燃焼を停止することができ、触媒の劣化を防止することができる。また、第１の流路に流していたＨ２ガスまたは支燃性ガスの片方について、流すことを停止しても、それと同じガスを第２の流路に流すので、第２の流路の先端において、火炎を継続して形成することができる。
以下、本発明の一実施形態であるＨ２用バーナおよびＨ２用バーナの燃焼方法について、図面を参照して説明する。
＜Ｈ２用バーナ＞
図１は、本発明の一実施形態であるＨ２用バーナ１を示す断面図である。
Ｈ２用バーナ１は、内部に２つの異なるガスの流路Ａ，Ｂを有するパイプ状の構造体であり、図１に示すように、外管２と、外管２内に配置された内管３と、内管３の先端３ａ側に形成された触媒４と、内管３内に配置された内管５と、を有した構成となっている。
図１は、本発明の一実施形態であるＨ２用バーナ１を示す断面図である。
Ｈ２用バーナ１は、内部に２つの異なるガスの流路Ａ，Ｂを有するパイプ状の構造体であり、図１に示すように、外管２と、外管２内に配置された内管３と、内管３の先端３ａ側に形成された触媒４と、内管３内に配置された内管５と、を有した構成となっている。
外管２は、パイプ状の中空管体であって、内側に内管３が配置されており、外管２の先端２ａには開口部２ｃが形成されている。また、開口部２ｃの下流側が燃焼部分６となっており、火炎Ｆが形成可能なように構成されている。
また、外管２の先端２ａとは反対側の一端２ｂ（後端）側には、支燃性ガス供給装置７が配管８を介して接続されており、外管２は、燃焼部分６に支燃性ガス（第２の支燃性ガス）を供給することが可能なように形成されている。
内管３は、パイプ状の中空管体であって、外管２と軸線方向を同一にしつつ外管２内に配置されており、内管３の先端３ａには火炎（図示略）が形成可能なように構成されている。
内管３の先端３ａとは反対側の一端３ｂ（後端）側には、Ｈ２ガス供給装置９が配管１０を介して接続されており、内管３は、触媒４及び燃焼部分６にＨ２ガスを供給することが可能なように形成されている。
内管３の先端３ａとは反対側の一端３ｂ（後端）側には、Ｈ２ガス供給装置９が配管１０を介して接続されており、内管３は、触媒４及び燃焼部分６にＨ２ガスを供給することが可能なように形成されている。
また、内管３の先端３ａ側の内部には、触媒４（触媒層）が充填されており、内管３の先端３ａは、複数の噴出孔３ｃが形成されたノズル状に形成されている。なお、内管３の配置位置は、内管３の先端３ａに形成された火炎が、外管２の先端２ａに火移り可能な位置であれば、どのような位置であってもよい。たとえば内管３の先端３ａの位置を、外管２の先端２ａの位置よりも引っ込んだ位置とすることもでき、または突き出た位置とすることもできる。この場合、内管３の先端３ａによる火炎の形成領域が、外管２の先端２ａによる火炎Ｆの形成領域と少なくとも一部でも重なっていれば、内管３の先端３ａに形成された火炎が外管２の先端２ａに火移り可能となるため、かかる位置関係を満たすように、外管２の先端２ａの位置に対して内管３の先端３ａの位置を任意に調整することができる。
触媒４は、Ｈ２ガスと支燃性ガスが供給されることで着火可能となるものであればどのようなものであってもよく、Ｐｔ、Ｐｄ、ＰｄＯまたはＰｔＯ２のいずれか一種類以上を含有するものを用いると、効率よく着火可能となる。
特に、ＰｄまたはＰｄＯを触媒として用いた場合は、供給される支燃性ガスの流量を変化させても、Ｈ２解離触媒として有用であり、また、Ｈ２ガスの流量が過多な状態であっても、十分な着火性能を有するので、より好ましい。
なお、触媒４は、最高で５００〜８００度の温度に達する。
特に、ＰｄまたはＰｄＯを触媒として用いた場合は、供給される支燃性ガスの流量を変化させても、Ｈ２解離触媒として有用であり、また、Ｈ２ガスの流量が過多な状態であっても、十分な着火性能を有するので、より好ましい。
なお、触媒４は、最高で５００〜８００度の温度に達する。
また、内管３の内部には、触媒４よりも上流側において、更に内管５が配置されている。
内管５は、パイプ状の中空管体であって、内管３や外管２と軸線方向を同一にしつつ内管３内に配置されている。
内管５は、パイプ状の中空管体であって、内管３や外管２と軸線方向を同一にしつつ内管３内に配置されている。
内管５の先端５ａとは反対側の一端５ｂ（後端）側には、支燃性ガス供給装置２１が配管２２を介して接続されており、内管５は、触媒４および燃焼部分６に支燃性ガス（第１の支燃性ガス）を供給することが可能なように形成されている。また、内管５の配置位置は、内管５の先端５ａが、触媒４に支燃性ガスを吹き付けることが可能な位置であれば、どのような位置であってもよい。
このようにＨ２用バーナ１には、外管２と外管２内に配置された内管３との間の空間に、流路Ａ（第２の流路）が形成され、内管３と内管３内に配置された内管５との間の空間に流路Ｃが形成され、内管５内には、流路Ｄが形成される。加えて、内管３の先端３ｃ側では、流路Ｃと流路Ｄが合流してなる流路Ｂ（第１の流路）が形成される。
すなわち、流路Ａは支燃性ガスが、流路ＢはＨ２ガスおよび支燃性ガスが、流路ＣはＨ２ガスが、流路Ｄは支燃性ガスが、それぞれ流れるように構成されている。
すなわち、流路Ａは支燃性ガスが、流路ＢはＨ２ガスおよび支燃性ガスが、流路ＣはＨ２ガスが、流路Ｄは支燃性ガスが、それぞれ流れるように構成されている。
また、Ｈ２用バーナ１は、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、外管２の内側でかつ内管３の先端３ａの下流側に位置する空間に、火炎を検知するための検知機構２３を設けてもよい。これにより、内管３に火炎が形成されたか否かを素早く正確に検知することができる。検知機構２３としては、例えばフレームロッド、温度計、ＵＶセンサー等を挙げることができる。
本実施形態のＨ２用バーナ１は、以上のような構成をしている。
本実施形態のＨ２用バーナ１は、以上のような構成をしている。
なお、上記実施形態においては、外管２に支燃性ガス供給装置７を、内管３にＨ２供給装置９を、内管５に支燃性ガス供給装置２１を接続させたが、必ずしもこのような態様に限定されない。例えば、外管２にＨ２ガス供給装置を接続させても構わない。また、内管３に支燃性ガス供給装置を、内管５にＨ２ガス供給装置を接続させても構わない。
＜Ｈ２用バーナの燃焼方法＞
次に、上記したＨ２用バーナ１を用いたＨ２用バーナの燃焼方法について説明する。
まず、支燃性ガス供給装置２１を用いて、内管５内の流路Ｄに支燃性ガスを流し、Ｈ２ガス供給装置９を用いて内管３と内管５との間の空間に形成された流路ＣにＨ２ガスを流す。
なお、支燃性ガス供給装置２１が供給する支燃性ガスは、例えば空気や酸素であってもよい。
次に、上記したＨ２用バーナ１を用いたＨ２用バーナの燃焼方法について説明する。
まず、支燃性ガス供給装置２１を用いて、内管５内の流路Ｄに支燃性ガスを流し、Ｈ２ガス供給装置９を用いて内管３と内管５との間の空間に形成された流路ＣにＨ２ガスを流す。
なお、支燃性ガス供給装置２１が供給する支燃性ガスは、例えば空気や酸素であってもよい。
これにより、内管３の先端３ａ側に形成された流路Ｂには、流路Ｃを流れるガスと流路Ｄを流れるガスが合流することで、Ｈ２ガスと支燃性ガスが流れることになり、内管３の先端３ａ側に設けられた触媒４にもＨ２ガスと支燃性ガスが供給されることとなる。その結果、Ｈ２ガスは触媒４にて燃焼を開始し（着火し）、流路Ｂの先端である内管３の先端３ａに火炎（図示略）が形成される。
触媒４によるＨ２ガスの着火原理は、詳細な点は不明なことが多いが、Ｐｄ膜によるＨ２透過現象などの研究から、定性的に次のように考えられている。
まず、Ｈ２分子が触媒４上に吸着し、このＨ２分子が触媒４上でＨ原子に解離する。そして、解離してできたＨ原子が酸素と反応することによって反応熱が生じる。その結果、この反応熱を発火エネルギーとしてＨ２が燃焼状態に移行すると考えられている。
まず、Ｈ２分子が触媒４上に吸着し、このＨ２分子が触媒４上でＨ原子に解離する。そして、解離してできたＨ原子が酸素と反応することによって反応熱が生じる。その結果、この反応熱を発火エネルギーとしてＨ２が燃焼状態に移行すると考えられている。
なお、流路Ｃおよび流路Ｄに流すガスの流量は、触媒４を通過したＨ２および支燃性ガスの温度がＨ２の自然発火温度である５３０℃を上回る温度になるのであればどのような流量でもよく、適宜決定すればよい。
流路Ｂの先端に火炎が形成されたら、それと同時にまたはそれと前後して、支燃性ガス供給装置７を用いて、外管２と内管３との間に形成された流路Ａに支燃性ガスを流す。これにより、流路Ｂの先端に形成された火炎を、流路Ａの先端である外管２の先端２ａに火移りさせ、流路Ａの先端に火炎Ｆを形成する。
なお、支燃性ガス供給装置７が供給する支燃性ガスは、例えば空気や酸素であってもよく、必ずしも支燃性ガス供給装置２１が供給する支燃性ガスと同一のガスである必要はない。
流路Ａの先端に火炎Ｆが形成されたら、支燃性ガス供給装置２１によって流路Ｃに、ひいては流路Ｂに支燃性ガスを流すことを停止させ、流路Ｂの先端側に設けられた触媒４でのＨ２ガスの着火を停止させる。
なお、触媒でのＨ２ガスの燃焼時間が長いと、触媒の劣化が激しくなることからから、支燃性ガスの供給の停止は、流路Ｂの先端に種火が形成されてから、または流路Ａの先端に火炎Ｆが形成されてから、間をおかず、略同時に行われるのが好ましい。
なお、触媒でのＨ２ガスの燃焼時間が長いと、触媒の劣化が激しくなることからから、支燃性ガスの供給の停止は、流路Ｂの先端に種火が形成されてから、または流路Ａの先端に火炎Ｆが形成されてから、間をおかず、略同時に行われるのが好ましい。
なお、外管２内に検知機構２３を設けた場合は、この検知機構２３によって、流路Ｂの先端に火炎が形成されたか否かを正確に検知することができるので、流路Ｂへの支燃性ガスの供給の停止を精度よく行うことができる。
また、上記実施形態においては、流路Ａおよび流路Ｄに支燃性ガスを流し、流路ＣにＨ２ガスを流す場合について説明したが、必ずしもこの態様に限定されない。
流路ＡにＨ２ガスを流すようにしてもよい。また、流路ＢにＨ２ガスと支燃性ガスの両方を流すことができるのであれば、流路Ｃおよび流路Ｄに流すガスの選択は適宜決定すればよい。
流路ＡにＨ２ガスを流すようにしてもよい。また、流路ＢにＨ２ガスと支燃性ガスの両方を流すことができるのであれば、流路Ｃおよび流路Ｄに流すガスの選択は適宜決定すればよい。
このような場合も、流路Ａの先端に火炎Ｆを形成した後に、Ｈ２ガスおよび支燃性ガスのうち、流路Ａに流すガスと同様の種類のガスについて、流路Ｂへの供給を停止すればよい。ここで、同様の種類のガスについて供給を停止するとは、例えば流路Ａに供給する支燃性ガスが空気であり、流路Ｂに供給する支燃性ガスが酸素の場合に、この流路Ｂに供給する支燃性ガス（この場合は酸素）の供給を停止することも含む。
本実施形態のＨ２用バーナ１には、流路Ｂに、Ｈ２ガスと支燃性ガスを供給することで着火可能な触媒４が設けられている。これにより、流路Ｂに支燃性ガスとＨ２ガスを供給することで、トランス等を用いずに触媒４を用いて着火させることが可能となった。その結果、トランスを用いずに着火するので、Ｈ２ガスを燃料として用いてはいるが、爆轟等が生じることがなくなり、安全性が確保される。
また、流路Ｂの先端から火移り可能な位置に、流路Ａの先端が形成されている。したがって、流路Ｂに設けられた触媒４によって種火を形成し、それと同時にもしくはそれと前後して、流路Ａに支燃性ガスを供給し、流路Ａの先端に種火を火移りさせ、その後に支燃性ガスの流路Ｂへの供給を停止することで、触媒の劣化を防止することができる。すなわち、触媒によって種火が形成され、それを火移りさせた後に、触媒に供給する支燃性ガスの供給を停止することで、Ｈ２ガスと支燃性ガスの両方ともが触媒を通過する時間を短くすることができ、触媒での燃焼を停止することで、触媒の劣化を防止することができる。また、支燃性ガスを流路Ｂに流すことを停止しても、それと同じガスである支燃性ガスが流路Ａから供給されるので、流路Ａの先端において火炎を継続して形成することができる。
また、流路Ｂの先端から火移り可能な位置に、流路Ａの先端が形成されている。したがって、流路Ｂに設けられた触媒４によって種火を形成し、それと同時にもしくはそれと前後して、流路Ａに支燃性ガスを供給し、流路Ａの先端に種火を火移りさせ、その後に支燃性ガスの流路Ｂへの供給を停止することで、触媒の劣化を防止することができる。すなわち、触媒によって種火が形成され、それを火移りさせた後に、触媒に供給する支燃性ガスの供給を停止することで、Ｈ２ガスと支燃性ガスの両方ともが触媒を通過する時間を短くすることができ、触媒での燃焼を停止することで、触媒の劣化を防止することができる。また、支燃性ガスを流路Ｂに流すことを停止しても、それと同じガスである支燃性ガスが流路Ａから供給されるので、流路Ａの先端において火炎を継続して形成することができる。
また、本実施形態のＨ２用バーナ１の燃焼方法は、流路Ｂに形成された触媒４にＨ２ガスと支燃性ガスを供給することで着火している。したがって、着火の際にトランスを用いないので、爆轟等が生じることがなく、安全性が確保される。
また、触媒４によって着火して流路Ｂの先端に種火を形成し、それと同時にもしくはそれと前後して流路Ａに支燃性ガスを流し、流路Ａの先端に種火を火移りさせ、支燃性ガスを流路Ｂに流すのを停止している。この結果、支燃性ガスの供給を停止しているので、触媒でのＨ２ガスの燃焼を短くすることができ、触媒の劣化を防止することができる。また、支燃性ガスを流路Ｂに流すことを停止しても、流路Ａに支燃性ガスを流すので、火炎Ｆを継続して形成することができる。
また、触媒４によって着火して流路Ｂの先端に種火を形成し、それと同時にもしくはそれと前後して流路Ａに支燃性ガスを流し、流路Ａの先端に種火を火移りさせ、支燃性ガスを流路Ｂに流すのを停止している。この結果、支燃性ガスの供給を停止しているので、触媒でのＨ２ガスの燃焼を短くすることができ、触媒の劣化を防止することができる。また、支燃性ガスを流路Ｂに流すことを停止しても、流路Ａに支燃性ガスを流すので、火炎Ｆを継続して形成することができる。
なお、上記したＨ２用バーナ１は、外管２の内部に内管３が配置された構成となっているが、２つの異なる流路が形成可能で、第１の流路の先端に形成された火炎が、第２の流路の先端に火移り可能であれば、バーナの構造はどのようなものであってもよく、分離された２つの管体から構成されてもよい。
２つの管体から構成される例としては、例えば図３に示すように、上記した外管２の内部に配置されていた内管３を、外管２の横に配置してもよい。
２つの管体から構成される例としては、例えば図３に示すように、上記した外管２の内部に配置されていた内管３を、外管２の横に配置してもよい。
また、上記実施形態では、内管３の内部に更に内管５を設けた場合について説明したが、内管５を設けずに、内管３内にＨ２ガスと支燃性ガスを両方とも供給する構成を採用しても構わない。
ここで、内管３の内部に内管５を設けた場合は、予めＨ２ガスと支燃性ガスとを混合することなく、触媒４にＨ２ガスと支燃性ガスを供給するので、点火の際に逆火が起きる可能性が低い。これに対し、内管５を設けず、単に内管３内にＨ２ガスと支燃性ガスの両方を供給する場合は、これらのガスが予め混合されるので、適宜逆火を防ぐための措置を採るのが好ましい。
ここで、内管３の内部に内管５を設けた場合は、予めＨ２ガスと支燃性ガスとを混合することなく、触媒４にＨ２ガスと支燃性ガスを供給するので、点火の際に逆火が起きる可能性が低い。これに対し、内管５を設けず、単に内管３内にＨ２ガスと支燃性ガスの両方を供給する場合は、これらのガスが予め混合されるので、適宜逆火を防ぐための措置を採るのが好ましい。
次に、本実施形態のＨ２用バーナのメリットについて、加熱対象ガスの加熱処理方法およびフレアースタックを例にして更に説明する。
＜対象ガスの加熱処理方法＞
図４に示すように、本実施形態のＨ２用バーナを用いた加熱対象ガスの加熱処理装置２４は、メインバーナ２５と、メインバーナ２５の先端に設けられたＨ２用バーナ１とから概略構成されている。
図４に示すように、本実施形態のＨ２用バーナを用いた加熱対象ガスの加熱処理装置２４は、メインバーナ２５と、メインバーナ２５の先端に設けられたＨ２用バーナ１とから概略構成されている。
メインバーナ２５は、メインバーナ２５の先端部分の空間である燃焼部分２６に対象ガスを供給する配管２７と、配管２７の外周を囲うように形成され、燃焼部分２６に燃料を供給する噴出口２８ａが設けられたメインバーナ本体２８とから構成されている。なお、メインバーナ本体２８には、メインバーナ本体２８に燃料を導入するための配管２９が接続されている。
この加熱処理装置２４を用いて加熱対象ガスを加熱処理する場合は、まずパイロットバーナであるＨ２用バーナ１を点火する。そして、メインバーナ２５の配管２７から加熱対象ガスを、メインバーナ本体２８から燃料をそれぞれ供給し、Ｈ２用バーナ１の火炎を用いて、メインバーナ２５を点火する。このようにしてメインバーナ２５の先端の燃焼部分２６に火炎（図示略）を形成し、対象ガスを加熱処理する。
一般に、メインバーナの燃料としてＨ２ガスを用いる場合、炉内においてＨ２ガスと支燃性ガスの混合による爆発を防止するため、上記のように予めパイロットバーナを点火させてから、メインバーナに燃料を導入することとなる。
ここで、従来は、パイロットバーナ用の燃料としてＨ２ガスを用いることができなかったことから、パイロットバーナには、メインバーナの燃料とは異なった炭化水素系ガス等の燃料を導入する装置およびその漏洩を検知する装置が必要であった。そのため、メインバーナの点火動作に必要なコストが嵩むという不都合があった。
一方、本実施形態のＨ２用バーナ１を用いれば、Ｈ２ガスを燃料として用いながらも、安全に点火することができるため、Ｈ２以外の燃料の供給装置およびその漏洩を検知する装置が不要となり、メインバーナ２５の点火にかかる費用を抑制することができる。
ここで、従来は、パイロットバーナ用の燃料としてＨ２ガスを用いることができなかったことから、パイロットバーナには、メインバーナの燃料とは異なった炭化水素系ガス等の燃料を導入する装置およびその漏洩を検知する装置が必要であった。そのため、メインバーナの点火動作に必要なコストが嵩むという不都合があった。
一方、本実施形態のＨ２用バーナ１を用いれば、Ｈ２ガスを燃料として用いながらも、安全に点火することができるため、Ｈ２以外の燃料の供給装置およびその漏洩を検知する装置が不要となり、メインバーナ２５の点火にかかる費用を抑制することができる。
＜フレアースタック＞
次に、本実施形態のＨ２用バーナ１を用いたフレアースタックのメリットについて説明する。
図５に示すように、フレアースタック４１は、燃焼させる所望のガスの貯蔵設備４２と接続された放出塔４３と、放出塔４３の先端に設けられたＨ２用バーナ１とから構成されている。
次に、本実施形態のＨ２用バーナ１を用いたフレアースタックのメリットについて説明する。
図５に示すように、フレアースタック４１は、燃焼させる所望のガスの貯蔵設備４２と接続された放出塔４３と、放出塔４３の先端に設けられたＨ２用バーナ１とから構成されている。
このフレアースタック４１を用いてガスを燃焼させる場合は、まずＨ２用バーナ１を点火する。そして、貯蔵設備４２から燃焼させる所望のガスを放出塔４３に送り、放出塔４３の先端において、Ｈ２用バーナ１の火炎を用いて、所望のガスを点火して燃焼させればよい。
ここで、従来のフレアースタックであれば、放出塔の先端に設置するバーナとしては、通常のパイロットバーナを用いていたので、点火用プラグなどの電気エネルギーを用いて点火する必要があった。
そのため、電気を供給する設備が必要であり、また、フレアースタックを保安設備としても用いる際には、停電時に備えてバッテリーや非常用発電機といった予備電源を用意する必要があった。
そのため、電気を供給する設備が必要であり、また、フレアースタックを保安設備としても用いる際には、停電時に備えてバッテリーや非常用発電機といった予備電源を用意する必要があった。
しかしながら、本実施形態のＨ２用バーナ１を用いれば、触媒４上にＨ２ガスと支燃性ガスを通気するだけで点火が可能であるため、電気を供給する設備および予備電源を必要としない。このため、電気を供給する設備および予備電源ならびにそれらの維持にかかる費用を抑制することができる。
また、貯蔵設備４２に貯蔵された燃焼させるガスがＨ２ガスである場合は、そのＨ２ガスをＨ２用バーナの燃料とすればよいので、バーナの燃料およびそれを供給するための設備も必要がなくなり、費用を抑制することができる。
更に、Ｈ２ガスを燃料として用いた火炎は、従来のバーナのように炭化水素系ガスを燃料として用いた場合と比較して、吹き消えを起こし難いため、Ｈ２用バーナ１を用いると、放出塔４３内の風速を大きくした際にも吹き消えずに機能する。
この結果、同流量のガスをフレアースタック４１で処理しようとした場合、Ｈ２用バーナ１を用いると、従来のバーナを使用する場合と比較して放出塔４３の塔内径を小さくすることが可能となり、フレアースタック４１自体の小型化が可能となる。
この結果、同流量のガスをフレアースタック４１で処理しようとした場合、Ｈ２用バーナ１を用いると、従来のバーナを使用する場合と比較して放出塔４３の塔内径を小さくすることが可能となり、フレアースタック４１自体の小型化が可能となる。
以上、本発明を実施形態に基づき説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
以下、実施例により、本発明を更に詳しく説明するが、本発明は下記実施例に何ら制限されるものではない。
（実施例１）
実施例１では、上記したＨ２用バーナ１と同様なＨ２用バーナを用いて、外管２にＨ２ガスを１０Ｌ／ｍｉｎの流量で、内管５にＨ２ガスを１．５Ｌ／ｍｉｎの流量で供給し、内管３に供給する空気の流量を変化させた際の、着火までに要する時間を測定した。使用した触媒はＰｄであり、周囲および初期ガス温度は２０℃とした。結果を図６に示す。なお、着火の確認は、外管２内の先端側に設置された温度計を用いて行った。
実施例１では、上記したＨ２用バーナ１と同様なＨ２用バーナを用いて、外管２にＨ２ガスを１０Ｌ／ｍｉｎの流量で、内管５にＨ２ガスを１．５Ｌ／ｍｉｎの流量で供給し、内管３に供給する空気の流量を変化させた際の、着火までに要する時間を測定した。使用した触媒はＰｄであり、周囲および初期ガス温度は２０℃とした。結果を図６に示す。なお、着火の確認は、外管２内の先端側に設置された温度計を用いて行った。
図６に示すように、触媒上のＨ２濃度は、２０〜３０体積％程度であると着火までに要する時間が短くなっている。
これは、Ｈ２濃度ごとにおけるスパークによる最小発火エネルギーの測定結果（図７参照）とよく合致しており、触媒上でＨ２の燃焼が行われていることが認められる。
これは、Ｈ２濃度ごとにおけるスパークによる最小発火エネルギーの測定結果（図７参照）とよく合致しており、触媒上でＨ２の燃焼が行われていることが認められる。
（実施例２）
実施例２では、実施形態で説明したＨ２用バーナ１と同様なＨ２用バーナを用い、触媒としてＰｄ，Ｐｔ，ＰｄＯおよびＰｔＯ２のそれぞれを用いた場合について、着火性能の比較を行った。具体的には、外管２にＨ２ガスを１０Ｌ／ｍｉｎの流量で、内管５にＨ２ガスを２Ｌ／ｍｉｎの流量で供給し、内管３内に供給する空気の流量を変化させながら、点火動作後３０秒で到達する最高温度を計測することで、性能比較を行った。なお、最高温度の測定は、図８に示すように、内管３の先端３ａの外壁に設置した温度センサー４４を用いて行った。結果を図９に示す。
実施例２では、実施形態で説明したＨ２用バーナ１と同様なＨ２用バーナを用い、触媒としてＰｄ，Ｐｔ，ＰｄＯおよびＰｔＯ２のそれぞれを用いた場合について、着火性能の比較を行った。具体的には、外管２にＨ２ガスを１０Ｌ／ｍｉｎの流量で、内管５にＨ２ガスを２Ｌ／ｍｉｎの流量で供給し、内管３内に供給する空気の流量を変化させながら、点火動作後３０秒で到達する最高温度を計測することで、性能比較を行った。なお、最高温度の測定は、図８に示すように、内管３の先端３ａの外壁に設置した温度センサー４４を用いて行った。結果を図９に示す。
図９に示すように、いずれの触媒においても、触媒を通過したＨ２と支燃性ガスとがＨ２の自然発火点５３０℃を上回る温度を示す空気風量の範囲が存在し、Ｈ２ガスの着火に必要な性能を有していることが分かった。
また、ＰｄまたはＰｄＯを触媒として用いた場合は、空気流量の広い範囲において触媒を通過したＨ２と支燃性ガスとが５３０℃以上の温度に到達することから、Ｈ２解離触媒として非常に有用であることが分かる。
また、ＰｄまたはＰｄＯを触媒として用いた場合は、空気流量の広い範囲において触媒を通過したＨ２と支燃性ガスとが５３０℃以上の温度に到達することから、Ｈ２解離触媒として非常に有用であることが分かる。
また、ＰｄまたはＰｄＯを触媒として用いた場合は、触媒上を通気する空気流量が、Ｈ２ガス量に対して理論空気比未満であった場合でも高い温度上昇が確認された。これは、理論空気比未満であった場合、触媒で加熱された未燃Ｈ２ガスが、ノズル噴出孔先端にて自然発火し、火炎を生成するためである。したがって、これらの触媒を用いた場合は、燃料過多な空気比においても十分な着火性能を有している。
また、実施例２では、最高で７５０℃まで温度が上昇したが、いずれの条件でも逆火は確認されず、予めＨ２ガスと支燃性ガスを混合させない構造を採用することで、Ｈ２の温度が上昇した際でも逆火が発生することなく、点火が行えることが確認された。
本発明によれば、Ｈ２用バーナの第１の流路に支燃性ガスとＨ２ガスを流すことでトランスを用いずに着火するので、Ｈ２ガスを燃料として用いてはいるが、爆轟等が生じることがなくなり、安全性が確保される。したがって、本発明は、Ｈ２用バーナおよびその燃焼方法に好適に用いることができる。
１・・・Ｈ２用バーナ、２・・・外管、２ａ・・・外管の先端、３・・・内管、３ａ・・・内管の先端、４・・・触媒、５・・・内管、５ａ・・・内管の先端、６・・・燃焼部分、７，２１・・・支燃性ガス供給装置、８，１０，２２，２７，２９・・・配管、９・・・Ｈ２ガス供給装置、２３・・・検知機構、２４・・・加熱処理装置、２５・・・メインバーナ、２６・・・燃焼部分、２８・・・メインバーナ本体、４１・・・フレアースタック、４２・・・貯蔵設備、４３・・・放出塔
Claims (3)
- ２つの異なるガスの流路を有し、第１の流路に触媒が設けられているＨ２用バーナの燃焼方法であって、
前記第１の流路にＨ２ガスおよび第１の支燃性ガスを流し、前記触媒によって着火させて第１の流路の先端に火炎を形成する工程と、
前記Ｈ２用バーナの第２の流路にＨ２ガスまたは第２の支燃性ガスを流す工程と、
前記第１の流路の先端に形成された火炎を前記第２の流路の先端に火移りさせる工程と、
Ｈ２ガスおよび第１の支燃性ガスのうち、前記第２の流路に流すガスと同様の種類のガスについて、前記第１の流路に流すことを停止する工程と、
を有することを特徴とするＨ２用バーナの燃焼方法。 - 前記第１の流路の先端に火炎を形成した後に、前記第２の流路にＨ２ガスまたは第２の支燃性ガスを流すことを特徴とする請求項１に記載のＨ２用バーナの燃焼方法。
- 前記触媒が、Ｐｔ、Ｐｄ、ＰｄＯまたはＰｔＯ２のいずれか一種類以上を含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＨ２用バーナの燃焼方法。
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