JP6863175B2 - 水素ガス燃焼用ノズル、ラジアントチューブバーナー及び水素ガス燃焼方法 - Google Patents

Description

本発明は水素ガス燃焼用ノズルに関する。

例えば、水素ガスを燃料として用いたガスバーナーは、水素ガスを供給する燃焼用ノズルを備えている。
特許文献１には、水素ガスと空気とを供給する燃焼用ノズルが開示されている。

特開２００４−２５６３５２号公報

発明者は、水素ガスと空気とを供給する水素ガス燃焼用ノズルに関し、以下の問題点を見出した。
例えば、炭酸水素ガスを燃料として用いるガスバーナーにおいて、炭酸水素ガスと一次空気とを燃焼用ノズル内において混合し、一次空気が混合された炭酸水素ガスにｎ次空気（但しｎ≧２）を混合することにより、燃焼効率を高める方法が知られている。

図５は、本発明が解決しようとする課題に係る水素ガス燃焼用ノズルの縦断面図である。なお、図面に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。例えば、ｚ軸正方向が鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面である。また、図５において、矢印の方向は、水素ガス、一次空気、二次空気、及び三次空気の供給方向を示す。

図５に示すように、水素ガス燃焼用ノズル１００は、ｘ軸に沿って延設された多重管構造のノズルである。水素ガス燃焼用ノズル１００の最も外側の管は、水素ガスを供給する水素ガス管１０２である。水素ガス管１０２の内側には、一次空気を供給する一次空気管１０３が延設されている。一次空気管１０３の内側には、二次空気を供給する二次空気管１０４が延設されている。二次空気管１０４の内側には、三次空気を供給する三次空気管１０５が延設されている。

水素ガスは、水素ガス管２内を通ってｘ軸正方向に供給され、水素ガス管２のｘ軸正方向側の端近傍において、一次空気と混合される。そして、着火装置（不図示）を用いて着火され、火炎を生じる。このとき、水素ガス管１０２内において、対流が発生するため、水素ガスと一次空気とが混合する。

水素ガスは、炭酸水素ガスに比較して燃焼条件が広く、かつ、燃焼速度が速い。したがって、水素ガスと一次空気とが混合されると、水素ガスは、水素ガス管１０２内において局所的に激しく燃焼し、高温の火炎を生じる。しかしながら、高温の火炎を生じている場合には、空気中の窒素ガスが酸素ガスと反応しやすくなるため、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）が生じやすい。

近年、水素ガスと空気との混合を適正化すると、火炎温度の局所的な上昇が抑制されるため、ＮＯ_Ｘの発生が抑制されることが明らかになりつつある。
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、ＮＯｘの発生を抑制することができる水素ガス燃焼用ノズルを提供するものである。

本発明の一態様に係る水素ガス燃焼用ノズルは、
水素ガスを供給する水素ガス管と、前記水素ガス管の内側に同心円状に配置され、ｋ次空気を供給するｋ次空気管（但し、１≦ｋ≦ｎかつｎ≧２）と、を備える多重管構造の水素ガス燃焼用ノズルであって、
ｋ＋１次空気管の先端が前記ｋ次空気管の先端よりもｋ次空気の下流側に位置するように、前記ｋ次空気管の内側に前記ｋ＋１次空気管が配置され、
前記水素ガス管の外半径をＸ（ｍｍ）、前記ｋ次空気管のうち二次空気管の外半径をＹ（ｍｍ）、前記水素ガス管内の前記水素ガスが供給される領域の断面積をＳ_Ｈ２（ｍｍ^２）、前記水素ガスの流量をＱ_Ｈ２、一次空気からｎ次空気の流量の合計をＱ_ａｉｒ、前記ｋ次空気の比をλ_ｋ（但し、λ_１＋…＋λ_ｋ＋…＋λ_ｎ＝１）、とする場合に、以下の数式（１）及び数式（２）を満たすものである。

本発明に係る水素ガス燃焼用ノズルは、数式（１）及び数式（２）を満たしている。このような構成により、水素ガスと空気との混合を適正化することができるため火炎温度の局所的な上昇を抑制することができる。その結果、ＮＯｘの発生を抑制することができる。

本発明により、ＮＯｘの発生を抑制することができる水素ガス燃焼用ノズルを提供することができる。

実施の形態に係る水素ガス燃焼用ノズルの縦断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う水素ガス燃焼用ノズルの横断面図である。 実施の形態に係る水素ガス燃焼用ノズル内の対流の様子を示す図である。 本発明が解決しようとする課題に係る水素ガス燃焼用ノズル内の対流の様子を示す図である。 本発明が解決しようとする課題に係る水素ガス燃焼用ノズルの縦断面図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。なお、ｎは２以上の整数であれば限定されず、例えば、本実施の形態では、ｎ＝３の場合について説明を行う。

図１は、本実施の形態に係る水素ガス燃焼用ノズル１の構成について説明する縦断面図である。図１に示すように、水素ガス燃焼用ノズル１は、水素ガス管２、一次空気管３、二次空気管４、及び三次空気管５を備える。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う水素ガス燃焼用ノズル１の横断面図である。水素ガス燃焼用ノズル１は、例えば、ラジアントチューブバーナー用ノズルに好適である。

なお、当然のことながら、図１及びその他の図面に示した右手系ｘｙｚ直交座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸正方向が鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面であり、図面間で共通である。

図１において、矢印の方向は、水素ガス、一次空気、二次空気、及び三次空気の供給方向を示す。つまり、水素ガス、一次空気、二次空気、及び三次空気は、水素ガス燃焼用ノズル１の根元部から先端部に向かって供給される。

図１に示すように、水素ガス管２は、ｘ軸に沿って延設された金属管であり、水素ガスを供給する。一次空気管３は、水素ガス管２の内側に配置されている金属管であり、一次空気を供給する。二次空気管４は、一次空気管３の内側に配置されている金属管であり、二次空気を供給する。三次空気管５は、二次空気管４の内側に配置されている金属管であり、三次空気を供給する。

また、二次空気管４の先端（ｘ軸正方向側の端）は、一次空気管３の先端よりも、ｘ軸正方向側に位置している。そして、三次空気管５の先端は、二次空気管４の先端よりも、ｘ軸正方向側、すなわち二次空気の下流側に位置している。

図２に示すように、水素ガス管２、一次空気管３、二次空気管４、及び三次空気管５は、同心円状に配置されており、水素ガス燃焼用ノズル１は、多重管構造のノズルである。具体的には、図１に示すように、水素ガスは、水素ガス管２と一次空気管３との間に生じる間隙から供給される。一次空気は、一次空気管３と二次空気管４との間に生じる間隙から供給される。二次空気は、二次空気管４と三次空気管５との間に生じる間隙から供給される。

水素ガスは、水素ガス管２と一次空気管３との間に生じる間隙を通ってｘ軸正方向に供給され、一次空気管３の先端近傍において、一次空気と混合する。そして、着火装置（不図示）を用いて着火され、火炎を生じる。火炎は、水素ガス及び一次空気の供給方向に沿って、ｘ軸正方向側に延びる。一次空気と混合した水素ガスは、燃焼しながら二次空気管４の先端まで供給され、二次空気と混合する。さらに、二次空気と混合した水素ガスは、燃焼しながら三次空気管５の先端まで供給され、三次空気と混合する。

一次空気が含有する酸素ガスの量は、水素ガスを完全燃焼させるには不十分であることが多い。そこで、一次空気と混合した水素ガスが、二次空気及び三次空気と混合すると、水素ガスは完全燃焼することができる。

水素ガス燃焼用ノズル１をラジアントチューブバーナー用ノズルとして用いる場合、例えば、水素ガス管２の先端に、ラジアントチューブ（不図示）を接続する。そして、水素ガス燃焼用ノズル１内及びラジアントチューブ内において、水素ガスを燃焼させることによって、ラジアントチューブを加熱する。

本実施の形態に係る水素ガス燃焼用ノズル１は、水素ガス管２の外半径をＸ（ｍｍ）、二次空気管４の外半径をＹ（ｍｍ）とした場合に、以下の数式（１）を満たすことが好ましい。

数式（１）を満たすように水素ガス燃焼用ノズル１を設計すると、数式（１）を満たさない場合よりも、水素ガス管２と二次空気管４との間に生じる間隙の断面積が小さくなる。

さらに、水素ガス燃焼用ノズル１は、以下の数式（２）を満たしていることが好ましい。つまり、水素ガス、一次空気、二次空気、及び三次空気の各流量が以下の数式（３）の関係を満たしていることが好ましい。但し、水素ガス管２と一次空気管３との間に生じる間隙の断面積、すなわち、水素ガス管２内の水素ガスが供給される領域の断面積をＳ_Ｈ２（ｍｍ^２）とし、一次空気管３と二次空気管４との間に生じる間隙の断面積、すなわち一次空気管３内の一次空気が供給される領域の断面積をＳ_ａｉｒ１（ｍｍ^２）とし、二次空気管４と三次空気管５との間に生じる間隙の断面積、すなわち、二次空気管４内の二次空気が供給される領域の断面積をＳ_ａｉｒ２（ｍｍ^２）とし、三次空気管５内の三次空気が供給される領域の断面積をＳ_ａｉｒ３（ｍｍ^２）とし、水素ガスの流量をＱ_Ｈ２（ｍ^３／ｈ）とし、一次空気、二次空気、及び三次空気の各流量の合計をＱ_ａｉｒ（ｍ^３／ｈ）とし、一次空気、二次空気、及び三次空気の流量の比をλ_１：λ_２：λ_３（但し、λ_１＋λ_２＋λ_３＝１）とする。

数式（２）を満たすように水素ガス燃焼用ノズル１を設計すると、水素ガス、一次空気、二次空気、及び三次空気の単位面積当たりの流量が略一定となる。

数式（１）及び数式（３）を満たす場合、水素ガス燃焼用ノズル１は、水素ガス管２と二次空気管４との間に生じる間隙の断面積が小さく、かつ、水素ガス及び一次空気の単位面積当たりの流量が略一定である。そのため、水素ガス管２と二次空気管４との間に生じる間隙において、対流が起こりにくいと考えられる。そこで、発明者は、以下に示すシミュレーションを行った。

図３は、本実施の形態に係る水素ガス燃焼用ノズル１内の対流の様子をシミュレーションした結果を示す図である。図４は、本発明が解決しようとする課題に係る水素ガス燃焼用ノズル１００内の対流の様子をシミュレーションした結果を示す図である。図３及び図４においては、解析ソルバーを用いてシミュレーションを行った。具体的には、Ｆｌｕｅｎｔ ｖｅｒ．１６．２（ＡＮＳＹＳ社）を用いて、計算は定常、メッシュ数は１００万要素とし、三次元解析を行った。

図３及び図４において、矢印は、対流の方向を示す。図３及び図４に示すように、水素ガス燃焼用ノズル１は、水素ガス燃焼用ノズル１００よりも、水素ガス管２と二次空気管４との間に生じる間隙において、対流が起こりにくくなっている。

以下の表１は、本実施の形態に係る水素ガス燃焼用ノズル１及び本発明が解決しようとする課題に係る水素ガス燃焼用ノズル１００をラジアントチューブバーナー用ノズルとして用いた場合における、ラジアントチューブ内の温度及びＮＯｘ濃度を測定した結果を示す表である。

表１に示すように、水素ガス燃焼用ノズル１は、水素ガス燃焼用ノズル１００よりも、ラジアントチューブ内の温度が低く、かつ、ラジアントチューブ内のＮＯｘ濃度が低い。これは、水素ガス管２と二次空気管４との間に生じる間隙において、対流が起こりにくくなっていることに起因すると考えられる。

水素ガス燃焼用ノズル１内の水素ガス管２と二次空気管４との間に生じる間隙において、水素ガスは、一次空気と緩やかに混合し、緩やかに燃焼する。したがって、火炎温度が上昇しにくく、ＮＯｘの発生が抑制される。つまり、数式（１）及び数式（２）を満たすと、水素ガスと一次空気との混合が適正化され、火炎温度の局所的な上昇が抑制される。そのため、ＮＯｘの発生が抑制される。

以上で説明した本実施の形態に係る発明により、ＮＯｘの発生を抑制することができる水素ガス燃焼用ノズルを提供することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１、１００ 水素ガス燃焼用ノズル
２、１０２ 水素ガス管
３、１０３ 一次空気管
４、１０４ 二次空気管
５、１０５ 三次空気管

Claims (3)

1. 水素ガスを供給する水素ガス管と、前記水素ガス管の内側に同心円状に配置され、ｋ次空気を供給するｋ次空気管（但し、１≦ｋ≦ｎかつｎ≧２）と、を備える多重管構造の水素ガス燃焼用ノズルであって、
   ｋ＋１次空気管の先端が前記ｋ次空気管の先端よりもｋ次空気の下流側に位置するように、前記ｋ次空気管の内側に前記ｋ＋１次空気管が配置され、
   前記水素ガス管の外半径をＸ（ｍｍ）とし、
   前記ｋ次空気管のうち二次空気管の外半径をＹ（ｍｍ）とし、
   前記水素ガス管内の前記水素ガスが供給される領域の断面積をＳ_Ｈ２（ｍｍ^２）とし、
   一次空気管内の一次空気が供給される領域からｎ次空気管内のｎ次空気が供給される領域の各断面積をＳ _ａｉｒ１ ，…，Ｓ _ａｉｒｎ とし、
   前記一次空気管の先端近傍における前記水素ガスの体積流量をＱ_Ｈ２ とし、
   前記一次空気管の先端における前記一次空気の体積流量から前記ｎ次空気管の先端における前記ｎ次空気の体積流量の合計をＱ_ａｉｒ とし、
   前記ｋ次空気管の前記先端における前記ｋ次空気の体積流量の比をλ_ｋ（但し、λ_１＋…＋λ_ｋ＋…＋λ_ｎ＝１）、とする場合に、
   以下の数式（１）及び数式（２）を満たす、
   ラジアントチューブバーナー用の水素ガス燃焼用ノズル。
   

   

   
2. 請求項１に記載の水素ガス燃焼用ノズルとラジアントチューブと着火装置とを備える、
   ラジアントチューブバーナー。
3. 請求項２に記載のラジアントチューブバーナーによる水素ガス燃焼方法であって、
   前記一次空気管から前記ｎ次空気管によって順次水素ガスに空気を混合させつつ水素ガスを燃焼させる、
   水素ガス燃焼方法。

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