JP6597662B2

JP6597662B2 - 水素ガスバーナ装置

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Description

本発明は、燃料ガスに水素ガスを用いた水素ガスバーナ装置に関する。

従来から、可燃性の燃料を点火装置で点火することにより、火炎を生成するバーナ装置が提案されている。たとえば、特許文献１には、燃料を噴霧する燃料ノズルを備えており、燃料ノズルの口径を制御することにより、燃料ノズルから噴出する燃料の流量を調整するバーナ装置が提案されている。

さらに、特許文献２には、燃料ガスと燃焼用空気を混合した混合ガスに、点火装置で点火することにより、火炎を生成するガスバーナ装置が提案されている。このガスバーナ装置は、燃焼用ノズルに供給される燃料ガスおよび燃焼用空気の供給量を調整する調整弁を備えており、ガスバーナ装置で燃焼した排ガスの熱で、燃焼用ノズルに供給される燃料ガスおよび燃焼用空気を加熱している。

特開２０１３−０２９２６５号公報特開２０１６−１６６６８３号公報

しかしながら、特許文献２のガスバーナ装置の如く燃焼前の燃料ガスを予め加熱した場合、要求される熱量に対して、加熱された燃料ガスの熱量は加味されていないため、必要以上の流量の燃料ガスを、燃焼用ノズルに供給してしまうことがある。

また、燃料ガスに水素ガスを用いた場合、他の燃料ガスに比べて燃焼速度が速いため、水素ガスが拡散する前に水素ガスの燃焼が一気に進んでしまう。特に、特許文献２のガスバーナ装置の如く、水素ガスを加熱した場合には、水素ガスの燃焼速度はさらに高まる。このため、水素ガスが燃焼した火炎部分は、都市ガス等が燃焼した火炎部分に比べて高温になり易く、空気中のＮ_２の酸化反応でＮＯｘが生成され、燃焼後の排ガス中にＮＯｘが比較的多く含まれ易くなる。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、要求される熱量に最適な流量の水素ガスを燃焼用ノズルに供給するとともに、水素ガスの燃焼により生成されるＮＯｘの濃度を低減することができる水素ガスバーナ装置を提供することにある。

本発明に係る水素ガスバーナ装置は、水素ガスと、酸素ガスを含む支燃性ガスと、が供給される燃焼用ノズルを備え、前記燃焼用ノズルに供給された前記水素ガスを燃焼させる水素ガスバーナ装置であって、前記水素ガスバーナ装置は、前記燃焼用ノズルの上流において、少なくとも前記水素ガスを加熱するガス加熱部と、前記ガス加熱部で加熱されて、前記燃焼用ノズルに供給される前記水素ガスの流量を調整する流量調整部と、前記流量調整部の下流において、前記燃焼用ノズルから放出される前記水素ガスの流速を調整する流速調整部と、前記流量調整部と前記流速調整部とを少なくとも制御する制御部とを、備えており、前記制御部は、前記ガス加熱部により加熱された前記水素ガスの温度と、前記水素ガスバーナ装置に要求される前記水素ガスの燃焼時の要求熱量とから、前記水素ガスの温度が高くなるに従って、前記流量調整部を通過する前記水素ガスの流量が減少するように、前記水素ガスの目標流量を設定し、前記流速調整部を介して前記燃焼用ノズルから放出される前記水素ガスの流速が、前記目標流量に応じた流速となり、かつ、前記目標流量の値が小さくなるに従って、前記水素ガスの前記流速が高くなるように目標流速を設定し、前記目標流量となるように前記流量調整部を制御し、前記目標流速となるように前記流速調整部を制御することを特徴とする。

本発明によれば、燃焼用ノズルの上流側において、ガス加熱部により、燃焼前の水素ガスを加熱するので、水素ガスの燃焼時の発熱量を補うことができる。流量調整部により、水素ガスの温度と要求熱量とから、水素ガスの温度がより高くなると、流量調整部を通過する水素ガスの流量がより少なくなるように、加熱された水素ガスの流量が調整される。これにより、加熱された水素ガスの熱量を加味して、要求熱量に対して適切な流量の水素ガスを燃焼用ノズルに供給することができる。

さらに、流速調整部により、流量調整部を通過した水素ガスの流量がより少なくなると水素ガスの流速がより高くなるように、燃焼用ノズルから水素ガスが放出される。すなわち、より高温に加熱された水素ガスが、より高い流速で燃焼用ノズルから放出されるので、水素ガスの燃焼領域を広げることができる。この結果、火炎部分の高温化を低減し、燃焼時に生成されるＮＯｘの濃度を低減することができる。

第１施形態に係る水素ガスバーナ装置の模式的概念図である。図１に示す水素ガスバーナ装置の制御部のブロック図である。温度測定計の測定原理を説明するための模式図である。水素ガスの流速を調整する調整板の動作を説明するための模式図である。図２に示す水素ガスバーナ装置の制御部の制御フロー図である。第２実施形態に係る水素ガスバーナ装置の模式的概念図である。図５に示す水素ガスバーナ装置の制御部のブロック図である。図６に示す水素ガスバーナ装置の制御部の制御フロー図である。

以下に、図１〜７を参照しながら、水素ガスバーナ装置の２つの実施の形態を説明する。

〔第１実施形態〕
１．水素ガスバーナ装置１について
図１は、本実施形態に係る水素ガスバーナ装置（以下、ガスバーナ装置）１の模式的概念図であり、ガスバーナ装置１を、水素ガスＧ１の燃焼によりワークＷを加熱する加熱炉１００に適用した例である。図１に示すように、第１実施形態に係るガスバーナ装置１は、水素ガスＧ１を燃料とした装置であって、水素ガスＧ１と、酸素ガスを含む支燃性ガスＧ２と、が供給される燃焼用ノズル１０を備えている。

具体的には、本実施形態では、３つの燃焼用ノズル１０が、加熱炉１００の上部に取付けられており、燃焼用ノズル１０から加熱炉１００内に放出される水素ガスＧ１を点火することにより、火炎Ｆが生成される。

本実施形態では、ガスバーナ装置１は、水素ガス供給源２１、熱交換器（ガス加熱部）２３、温度測定計（温度測定部）２５、および、流量調整弁（流量調整部）２６を備えている。水素ガス供給源２１から放出される水素ガスＧ１は、熱交換器２３により加熱される。熱交換器２３は、燃焼用ノズル１０よりも水素ガスＧ１の上流側に配置されている。後述する加熱炉１００内で水素ガスＧ１が燃焼した後の排ガスＧ４を、熱交換器２３の伝熱管２９に流すことにより、排ガスＧ４の熱で、配管２４に流れる水素ガスＧ１を加熱することができる。

なお、本実施形態では、燃焼用ノズル１０に供給される水素ガスＧ１を加熱するガス加熱部として、熱交換器２３を用いたが、例えば、この他にも、ガス加熱部としてヒータを用いて直接的に水素ガスＧ１を加熱してもよい。水素ガスＧ１を加熱することができるのであれば、ガス加熱部の装置構成は限定されるものではない。

温度測定計（温度測定部）２５は、熱交換器２３で加熱された水素ガスＧ１の温度を測定するものであり、流量調整弁２６よりも上流側に配置されている。本実施形態では、温度測定計２５は、図３Ａの左図に示すように、水素ガスＧ１が流れる配管２４に取付けられた２つの熱電対２５ａ、２５ｂからなる。２つの熱電対２５ａ、２５ｂは、配管２４の中心から異なる距離Ｌ１、Ｌ２で配置されている。なお、本実施形態では、２つの熱電対２５ａ、２５ｂにより、温度測定計２５は構成されるが、水素ガスＧ１の温度を計測することができるのであれば、その温度測定計の装置構成は、これに限定されるものではない。

流量調整弁２６は、熱交換器２３で加熱された水素ガスＧ１であり、燃焼用ノズル１０に供給される水素ガスＧ１の流量を調整するものである。流量調整弁２６は、後述する制御部４０からの制御信号により、流量調整弁２６の弁体（図示せず）を駆動させ、弁体を通過する水素ガスＧ１の流量が調整される。

なお、本実施形態では、燃焼用ノズル１０に供給される水素ガスＧ１の流量を調整する流量調整部として、流量調整弁２６を設けた。この他にも、例えば、燃焼用ノズル１０の内部に、弁体を設けることにより、水素ガスＧ１の流量を調整してもよい。熱交換器２３で加熱された水素ガスの流量を調整することができるのであれば、流量調整部の装置構成は特に限定されるものではない。

本実施形態では、ガスバーナ装置１は、流量調整弁２６の下流において、燃焼用ノズル１０から放出される水素ガスＧ１の流速を調整する調整板２８と、これを回動させる駆動装置（図示せず）と、をさらに備えている。調整板２８は、弁体であり、燃焼用ノズル１０の水素ガスＧ１が流れる第１円筒管１１内に配置されている。

後述する制御部４０からの制御信号により、駆動装置が駆動され、調整板２８は、図３Ｂの左図から右図の如く回動する。これにより、第１円筒管１１の見かけ口径（流路断面）を制御し、水素ガスＧ１の流速が調整される。

なお、本実施形態では、燃焼用ノズル１０に供給される水素ガスＧ１の流速を調整する流速調整部として、調整板２８と駆動装置とを設けたが、この他にも、例えば、流量調整弁２６と燃焼用ノズル１０との間に、水素ガスＧ１の流速を調整する調整弁を設けてもよい。燃焼用ノズル１０から放出される水素ガスの流速を調整することができるのであれば、流速調整部の装置構成は特に限定されるものではない。

ガスバーナ装置１は、支燃性ガス供給源３１、温度測定計（温度測定部）３５、および、流量調整弁（流量調整部）３６を備えている。支燃性ガス供給源３１が供給する支燃性ガスＧ２は、酸素ガスを含んでいればよく、例えば、空気（大気）、または酸素ガスに不活性ガスを混合したガスなどを挙げることができる。

温度測定計３５は、燃焼用ノズル１０に供給される支燃性ガスＧ２の温度を測定するものであり、流量調整弁３６よりも上流側に配置されている。本実施形態では、温度測定計３５は、温度測定計２５と同様であるので、温度測定計３５の詳細な説明を省略する。

流量調整弁３６は、燃焼用ノズル１０に供給される支燃性ガスＧ２の流量を調整するものであり、後述する制御部４０からの制御信号により、流量調整弁３６の弁体（図示せず）を駆動させ、水素ガスＧ１の流量が調整される。

なお、本実施形態では、燃焼用ノズル１０に供給される支燃性ガスＧ２の流量を調整する流量調整部として、流量調整弁３６を設けたが、例えば、燃焼用ノズル１０の内部に、弁体を設けることにより、支燃性ガスＧ２の流量を調整してもよい。

流量調整弁３６で流量が調整された支燃性ガスＧ２は、燃焼用ノズル１０に供給される。燃焼用ノズル１０には、水素ガスＧ１が流れる第１円筒管１１の外周を覆うように、支燃性ガスＧ２を流す第２円筒管１２が形成されている。第１円筒管１１を流れる水素ガスＧ１と第２円筒管１２を流れる支燃性ガスＧ２とが、第２円筒管１２の先端側の一部の領域で混合される。この混合された領域には、パイロットバーナ用の点火プラグなどで例示される点火装置（図示せず）が配置されている。混合されたガスは、点火装置により点火され、これにより火炎Ｆが生成される。なお、点火装置の点火タイミングは、制御部４０により制御されてもよい。

本実施形態では、加熱炉１００内には、水素ガスまたは空気等のキャリアガスＧ３が流れるように構成されている。これにより、水素ガスＧ１が燃焼した後のガスが、キャリアガスＧ３と共に、排ガスＧ４として、加熱炉１００から排出される。

２．制御部４０について
制御部４０は、ハードウエアとして、例えば、ガスバーナ装置１に要求される要求熱量等を入力する入力部（図示せず）と、後述する目標流量、目標流速等を演算する演算部（図示せず）と、演算に要する数値等を記憶する記憶部（図示せず）とを備えている。さらに、制御部４０は、ソフトウエアとして、図２に示す構成を備えている。図２は、図１に示すガスバーナ装置１の制御部４０のブロック図である。

本実施形態では、制御部４０は、上述した演算部に、ガス温度算出部４１、目標流量設定部４３、流量制御部４４、目標流速設定部４５、および、流速制御部４７を、少なくとも備えている。ガス温度算出部４１は、温度測定計２５で計測された２つの熱電対２５ａ、２５ｂの測定結果から、配管２４の中心Ｃに流れる水素ガスＧ１の温度を算出する（図３Ａ左図参照）。

具体的には、配管２４の中心Ｃから熱電対２５ａまでの距離Ｌ１と、配管２４の中心から熱電対２５ｂまでの距離Ｌ２と、熱電対２５ａ、２５ｂで測定された温度Ｔ１、Ｔ２とから、例えば一次関数を利用した外挿により、配管２４の中心を流れる水素ガスＧ１の温度Ｔ０を算出する（図３Ａ右図参照）。同様に、ガス温度算出部４１は、温度測定計３５で測定された測定結果から、配管の中心を流れる支燃性ガスＧ２の温度も算出する。

目標流量設定部４３は、熱交換器２３により加熱された水素ガスＧ１の温度と、ガスバーナ装置１に要求される水素ガスＧ１の燃焼時の要求熱量とから、水素ガスＧ１の温度が高くなるに従って、流量調整弁２６を通過する水素ガスＧ１の流量が減少するように、燃焼用ノズル１０に供給される水素ガスＧの目標流量を算出し、これを設定する。なお、水素ガスＧ１の温度は、ガス温度算出部４１で算出された水素ガスＧ１の温度の値を用いる。

目標流量Ｑｔｒは、要求熱量をＷとし、常温（例えば２０℃）時の基準流量をＱｎとし、水素ガスの比熱をＣとし、常温と加熱された水素ガスＧ１の温度との温度差をΔＴとし、補正係数をαとしたときに、以下の式（１）から算出される。
Ｑｔｒ=α・Ｗ・Ｑｎ／（Ｗ＋Ｃ・ΔＴ）…（１）

この式からも明らかなように、加熱された水素ガスＧ１の温度が増加すると、常温の状態から加熱された水素ガスＧ１の熱量Ｃ・ΔＴが増加する。したがって、上式によれば、加熱された水素ガスＧ１の温度が高くなるに従って、温度差ΔＴが大きくなり、目標流量Ｑｔｒは、Ｗ／（Ｗ＋ＣΔＴ）の割合で減少する。このように、本実施形態によれば、加熱された水素ガスＧ１の熱量を加味した水素ガスＧ１の流量を、目標流量Ｑｔｒとして算出することができる。

なお、本実施形態では、目標流量設定部４３は、上述した式（１）により、水素ガスＧ１の目標流量Ｑｔｒを算出した。しかしながら、熱交換器２３により加熱された水素ガスＧ１の温度が高くなるに従って、目標流量Ｑｔｒが減少するように、目標流量Ｑｔｒを算出することができるのであれば、上述した式に限定されるものではない。また、水素ガスＧ１の温度と、要求熱量とのマップを用いて、このマップから目標流量Ｑｔｒを抽出し、これを設定してもよい。

さらに、目標流量設定部４３は、設定された水素ガスＧ１の目標流量Ｑｔｒに対して、燃焼に必要な支燃性ガスＧ２の目標流量を算出し、これを設定する。具体的には、水素ガスＧ１の目標流量Ｑｔｒと、支燃性ガスＧ２の目標流量との比が一定となるように、支燃性ガスＧ２の目標流量を算出する。

流量制御部４４は、燃焼用ノズル１０に供給される水素ガスＧ１および支燃性ガスＧ２が、設定された目標流量となる制御信号を流量調整弁２６、３６に送り、流量調整弁２６、３６を制御する。なお、本実施形態では、支燃性ガスＧ２の目標流量を設定し、流量調整弁３６を制御したが、水素ガスＧ１の目標流量Ｑｔｒに対して、燃焼に必要な支燃性ガスＧ２の流量が常に確保できるのであれば、制御部４０は、支燃性ガスＧ２の目標流量の設定を省略してもよい。

目標流速設定部４５は、調整板（流速調整部）２８を介して燃焼用ノズル１０から放出される水素ガスＧ１の流速が、目標流量Ｑｔｒに応じた流速となり、かつ、目標流量Ｑｔｒの値が小さくなるに従って、水素ガスＧ１の流速が高くなるように、目標流速を算出し、これを設定する。具体的には、図３Ｂの左図に示す、調整板２８の未制御の状態から、図３Ｂの右図のように、制御時に回動する調整板２８の回動角度（弁開度）θを算出する。この回動角度θが、水素ガスＧ１の目標流速に応じた値となる。

具体的には、回動角度θは、燃焼用ノズル１０の第１円筒管１１の直径をφとし、調整板２８の長さをｌとしたときに、以下の式（２）で算出することができる。
θ＝ｓｉｎ^ー１（φ／ｌ（（Ｑｎ−Ｑｔｒ）／Ｑｔｒ）^１／２）…（２）
式（２）からも明らかなように、水素ガスＧ１の目標流量Ｑｔｒが減少するに従って、回動角度θが増加するように、回動角度θが算出される。

なお、本実施形態では、式（２）を用いることにより、水素ガスＧ１の目標流速Ｑｔｒに対応する回動角度θを算出した。しかしながら、例えば、水素ガスＧ１の目標流量Ｑｔｒが減少するに従って、回動角度θが増加するように、回動角度θを算出することができるのであれば、式（２）とは異なる他の式を用いてもよく、目標流量Ｑｔｒと、回動角度θとの対応関係のテーブルから、回動角度θを算出してもよい。

流速制御部４７は、目標流速として設定された回動角度θに、調整板２８が回動するように調整板２８を駆動する駆動装置に制御信号を送り、調整板２８の回動角度θを制御する。これにより、燃焼用ノズル１０から放出される水素ガスＧ１の流速を制御することができる。

本実施形態では、水素ガスＧ１の温度が高くなるに従って、水素ガスＧ１の流量が減少するように、目標流量Ｑｔｒが設定され、目標流量Ｑｔｒの値が小さくなるに従って、回動角度θが増加するように、回動角度θが算出される。すなわち、水素ガスＧ１の温度が上昇するに従って、回動角度θが増加し、燃焼用ノズル１０から放出される水素ガスＧ１の目標流速が高くなる。

この結果、より高温に加熱された水素ガスＧ１は、より高い流速で燃焼用ノズル１０から放出されることになるので、水素ガスＧ１の燃焼領域がより広くなる（火炎Ｆが大きくなる）。このようにして、火炎Ｆの部分が高温になることを抑え、燃焼時のＮＯｘ濃度が増加することを抑制することができる。

以下に、図４を参照しながら、ガスバーナ装置１の制御部４０の制御フローを説明する。図４は、図２に示すガスバーナ装置１の制御部４０の制御フロー図である。まず、ステップＳ４１で、制御部４０にガスバーナ装置１に要求される要求熱量を入力する。ステップＳ４１では、要求熱量を入力したが、例えば、加熱炉１００内の昇温すべき目標温度を制御部４０に入力し、入力された目標温度から要求熱量を算出してもよい。

次に、ステップＳ４２に進み、燃焼を開始する。具体的には、要求熱量に合わせて、水素ガスＧ１および支燃性ガスＧ２を、燃焼用ノズル１０に供給し、水素ガスＧ１を燃焼させるとともに、熱交換器２３を用いて、水素ガスＧ１を加熱する。温度測定計２５、３５により、水素ガスＧ１および支燃性ガスＧ２の温度を計測する。具体的には、水素ガスＧ１および支燃性ガスＧ２の温度は、ガス温度算出部４１で算出される。加熱された水素ガスＧ１の温度が安定した状態で、ステップＳ４３に進む。

次に、ステップＳ４３に進み、目標流量設定部４３で、上述したように、水素ガスＧ１および支燃性ガスＧ２の目標流量を設定し、流量制御部４４は、水素ガスＧ１および支燃性ガスＧ２が目標流量となるように、流量調整弁２６、３６を制御する。

次に、ステップＳ４４に進み、目標流速設定部４５で、水素ガスＧ１の目標流速に相当する調整板２８の回動角度を設定し、流速制御部４７は、水素ガスＧ１が目標流速となるように、調整板２８を制御する。

次にステップＳ４５に進み、火炎Ｆが生成された際に、逆火が生じていないかを判定する。具体的には、燃焼用ノズル１０の内部に配置された温度計（図示せず）で計測された温度から、逆火が生じているかの判定をする。ステップＳ４５で、逆火が生じている場合には、ステップＳ４４に戻り、水素ガスＧ１の流速がより高くなるように、調整板２８を制御する。一方、逆火が生じていない場合には、継続して火炎Ｆを生成する。

本実施形態によれば、燃焼用ノズル１０の上流側において、燃焼前の水素ガスＧ１が加熱されるので、水素ガスＧ１の燃焼時の発熱量を補うことができる。さらに、加熱された水素ガスＧ１の温度と要求熱量とから、水素ガスＧ１の温度がより高くなると、流量調整弁２６を通過する水素ガスＧ１の流量がより少なくなるように、加熱された水素ガスＧ１の流量が調整される。これにより、加熱された水素ガスＧ１の熱量を加味して、要求熱量に対して適切な流量の水素ガスＧ１を燃焼用ノズル１０に供給することができ、水素ガスＧ１の過剰な消費を抑えることができる。

さらに、流量調整弁２６を通過した水素ガスＧ１の流量がより少なくなると水素ガスＧ１の流速がより高くなるように、燃焼用ノズル１０から水素ガスＧ１が放出される。すなわち、より高温に加熱された水素ガスＧ１が、より高い流速で燃焼用ノズル１０から放出されることになるので、水素ガスＧ１の燃焼領域を広げることができる。この結果、火炎Ｆの部分の高温化を低減し、燃焼時に生成されるＮＯｘの濃度を低減することができる。

〔第２実施形態〕
図５は、第２実施形態に係るガスバーナ装置１の模式的概念図である。図６は、図５に示すガスバーナ装置１の制御部４０のブロック図である。第２実施形態に係るガスバーナ装置１が、第１実施形態のものと相違する点は、熱交換器２３で支燃性ガスＧ２をさらに加熱する点と、温度調整弁２２、３２を設けた点と、制御部４０による制御である。以下に、相違点のみを説明し、その他の部分は、第１実施形態のガスバーナ装置１と同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。

図５に示すように、本実施形態に係るガスバーナ装置１の熱交換器２３は、排ガスＧ４の熱で、配管３４に流れる支燃性ガスＧ２も加熱する。ガスバーナ装置１は、熱交換器（ガス加熱部）２３で加熱される水素ガスＧ１の流量を調整することにより、加熱される水素ガスＧ１の温度を調整する温度調整弁（温度調整部）２２を備えている。同様に、ガスバーナ装置１は、支燃性ガスＧ２の流量を調整することにより、加熱される支燃性ガスＧ２の温度を調整する温度調整弁（温度調整部）３２をさらに備えている。

温度調整弁２２は、水素ガス供給源２１と、熱交換器２３で加熱される水素ガスＧ１の配管２４の部分との間に、配置されている。たとえば、温度調整弁２２は、加熱された水素ガスＧ１の温度が高い場合には、水素ガスＧ１の流量を増加させるように、制御部４０からの制御信号により、水素ガスＧ１の流量を調整する。同様に、温度調整弁３２は、支燃性ガス供給源３１と、熱交換器２３で加熱される支燃性ガスＧ２の配管３４の部分との間に、配置されている。たとえば、温度調整弁３２は、加熱された支燃性ガスＧ２の温度が高い場合には、支燃性ガスＧ２の流量を増加させるように、制御部４０からの制御信号により、支燃性ガスＧ２の流量を調整する。

本実施形態では、図６に示すように、制御部４０は、熱交換器（ガス加熱部）２３により加熱される水素ガスＧ１および支燃性ガスＧ２の上限温度を制限するように、温度調整弁２２、３２を制御する温調制御部４２をさらに備えている。

具体的には、温調制御部４２は、ガス温度算出部４１で算出された水素ガスＧ１および支燃性ガスＧ２の温度が、上限温度４５０℃以下となる際には、この上限温度を超えないように、温度調整弁２２、３２を制御する。温調制御部４２は、加熱された水素ガスＧ１（支燃性ガスＧ２）の流量が増加するように、温度調整弁２２（３２）を制御する。これにより、加熱される水素ガスＧ１（支燃性ガスＧ２）の上限温度を、４５０℃に制限する。

なお、水素ガスＧ１が、５００℃を超える際には、水素ガスＧ１が、水素ガスが予期せぬ箇所で燃焼するおそれがあるので、本実施形態で、水素ガスＧ１および支燃性ガスＧ２の上限温度を、４５０℃に設定している。ただし、熱交換器２３により、加熱される水素ガスＧ１および支燃性ガスＧ２の温度が、常時４５０℃以下を維持できるのであれば、温度調整弁２２、３２を省略することができ、水素ガスＧ１および支燃性ガスＧ２の温度制御を行わなくてもよい。また、第１実施形態の如く、熱交換器２３で支燃性ガスＧ２を加熱しないのであれば、温度調整弁３２等を省略することができ、支燃性ガスＧ２の温度制御を行わなくてもよい。

さらに、本実施形態では、目標流量設定部４３は、第１実施形態で示した式（１）に対して、さらに、加熱された支燃性ガスＧ２の温度に基づいて、支燃性ガスＧ２の熱量を加味した項を加えることにより、水素ガスＧ１の目標流量Ｑｔｒを算出してもよい。具体的には、本実施形態では、目標流量設定部４３は、加熱された支燃性ガスＧ２の温度が高くなるに従って、水素ガスＧ１の目標流量Ｑｔｒが減少するように、水素ガスＧ１の目標流量Ｑｔｒを算出する。これにより、燃焼時の要求熱量に対して、加熱された支燃性ガスＧ２の熱量分を補うことができ、水素ガスＧ１をさらに最適な流量に調整することができ、水素ガスＧ１の過剰な消費を抑えることができる。

本実施形態では、制御部４０は、熱交換器２３により加熱された支燃性ガスＧ２の温度に基づいて、目標流速設定部４５で設定された目標流速を補正する目標流速補正部４６をさらに備えている。具体的には、支燃性ガスＧ２の温度から、燃焼用ノズル１０から放出される支燃性ガスＧ２の熱量を算出し、この熱量が大きくなるに従って、目標流速設定部４５で設定された目標流速が高くなるように、目標流速設定部４５で設定された目標流速を補正する。

これにより、加熱された支燃性ガスＧ２により、水素ガスＧ１と支燃性ガスＧ２とが混合したガスの温度が上昇したとしても、水素ガスＧ１が、より高い流速で燃焼用ノズル１０から放出されるので、水素ガスＧ１の燃焼領域を広げることができる。この結果、火炎Ｆの部分の高温化を低減し、燃焼時に生成されるＮＯｘの濃度を低減することができる。

以下に、図７を参照しながら、ガスバーナ装置１の制御部４０の制御フローを説明する。図７は、図６に示すガスバーナ装置１の制御部４０の制御フロー図である。まず、ステップＳ７１において、第１実施形態と同様に、制御部４０にガスバーナ装置１に要求される要求熱量を入力する。

次に、ステップＳ７２に進み、要求熱量に応じて、燃焼用ノズル１０に水素ガスＧ１を供給し、これを燃焼する。なお、流量調整弁２６、３６は、要求熱量に応じた室温時の目標流量となるように、水素ガスＧ１および支燃性ガスＧ２流量を調整する。

次に、ステップＳ７３に進み、温度調整弁２２、３２を制御する。たとえば、水素ガスＧ１および支燃性ガスＧ２の温度を上昇させるため、水素ガスＧ１および支燃性ガスＧ２の流量が減少するように、温度調整弁２２、３２を制御する。

次に、ステップＳ７４に進み、水素ガスＧ１および支燃性ガスＧ２の温度が、４５０℃以下であるかを判定する。水素ガスＧ１および支燃性ガスＧ２の少なくとも一方の温度が、４５０℃を超えている場合には、ステップＳ７３に戻る。ここで、水素ガスＧ１が、４５０℃を超えている場合には、水素ガスＧ１の流量が増加するように、温度調整弁２２を制御する。また、支燃性ガスＧ２が、４５０℃を超えている場合には、支燃性ガスＧ２の流量が増加するように、温度調整弁３２を制御する。

一方、ステップＳ７４で、水素ガスＧ１および支燃性ガスＧ２の温度が、４５０℃以下である場合には、ステップＳ７５に進み、目標流量設定部４３で、上述したように、水素ガスＧ１および支燃性ガスＧ２の目標流量を設定し、流量制御部４４は、水素ガスＧ１および支燃性ガスＧ２が目標流量となるように、流量調整弁２６、３６を制御する。

次にステップＳ７６に進み、目標流速設定部４５で、水素ガスＧ１の目標流速に相当する調整板２８の回動角度を設定し、目標流速補正部４６で補正した回動角度となるように、調整板２８を制御する。

次にステップＳ７７に進み、第１実施形態と同様に、火炎Ｆが生成された際に、逆火が生じていないかを判定する。ステップＳ７７で、逆火が生じている場合には、ステップＳ７６に戻り、水素ガスＧ１の流速がより高くなるように、調整板２８を制御する。一方、逆火が生じていない場合には、継続して火炎Ｆを生成する。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１：水素ガスバーナ装置、１０：燃焼用ノズル、２３：熱交換器（ガス加熱部）、２２：温度調整弁（温度調整部）、２６：流量調整弁（流量調整部）、２８：調整板（流速調整部）、４０：制御部、４２：温調制御部、４３：目標流量設定部、４４：流量制御部、４５：目標流速設定部、４６：目標流速補正部、４７：流速制御部、Ｇ１：水素ガス、Ｇ２：支燃性ガス

Claims

水素ガスと、酸素ガスを含む支燃性ガスと、が供給される燃焼用ノズルを備え、前記燃焼用ノズルに供給された前記水素ガスを燃焼させる水素ガスバーナ装置であって、
前記水素ガスバーナ装置は、
前記燃焼用ノズルの上流において、少なくとも前記水素ガスを加熱するガス加熱部と、
前記ガス加熱部で加熱されて、前記燃焼用ノズルに供給される前記水素ガスの流量を調整する流量調整部と、
前記流量調整部の下流において、前記燃焼用ノズルから放出される前記水素ガスの流速を調整する流速調整部と、
前記流量調整部と前記流速調整部とを少なくとも制御する制御部とを、備えており、
前記制御部は、前記ガス加熱部により加熱された前記水素ガスの温度と、前記水素ガスバーナ装置に要求される前記水素ガスの燃焼時の要求熱量とから、前記水素ガスの温度が高くなるに従って、前記流量調整部を通過する前記水素ガスの流量が減少するように、前記水素ガスの目標流量を設定し、
前記流速調整部を介して前記燃焼用ノズルから放出される前記水素ガスの流速が、前記目標流量に応じた流速となり、かつ、前記目標流量の値が小さくなるに従って、前記水素ガスの前記流速が高くなるように目標流速を設定し、
前記目標流量となるように前記流量調整部を制御し、前記目標流速となるように前記流速調整部を制御することを特徴とする水素ガスバーナ装置。
前記水素ガスバーナ装置は、前記ガス加熱部で加熱される前記水素ガスの流量を調整することにより、加熱される前記水素ガスの温度を調整する温度調整部をさらに備えており、
前記制御部は、前記ガス加熱部により加熱される前記水素ガスの上限温度を制限するように、前記温度調整部を制御することを特徴とする請求項１に記載の水素ガスバーナ装置。
前記ガス加熱部は、前記支燃性ガスをさらに加熱するものであり、
前記制御部は、前記支燃性ガスの温度に基づいて、前記設定された目標流速を補正することを特徴とする請求項１または２に記載の水素ガスバーナ装置。