JP6904163B2 - 水素ガスバーナー装置 - Google Patents

Description

本発明は水素ガスバーナー装置に関する。

燃料ガスとして炭化水素系ガスを燃料供給管を通過させてノズルへ供給し、当該炭化水素系ガスを燃焼させるバーナーがある。このようなバーナーの一例が、特許文献１に開示されている。燃料供給管には、燃料ガスの供給又は停止を切り替える燃料ガスバルブが設けられている。

特開平０９−０９６４０２号公報

ところで、燃料ガスとして水素ガスを用いる場合がある。このような場合、水素ガスの供給を停止した後、燃料供給管内における燃料ガスバルブの下流側で、水素ガスが燃焼して、逆火現象が発生するおそれがある。この一因として、水素ガスは、炭化水素ガスと比較して燃焼しやすく、残留した水素ガスが、燃焼することが挙げられる。

本発明は、水素ガス供給管内における逆火現象の発生を抑制するものとする。

本発明に係る水素ガスバーナー装置は、
水素ガス供給管から供給された水素ガスと、酸素含有ガス供給管から供給された酸素含有ガスとをノズル先端部において着火する着火装置を備える水素ガスバーナー装置であって、
前記水素ガス供給管に設けられ、前記水素ガスの供給及び停止を切り替える水素ガスバルブと、
前記酸素含有ガス供給管に設けられ、前記酸素含有ガスの供給及び停止を切り替える酸素含有ガスバルブと、
前記水素ガスバルブ、前記酸素含有ガスバルブ、及び前記着火装置を制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、前記水素ガスの供給を止めた後、前記酸素含有ガスを規定時間供給し続けるよう前記水素ガスバルブと前記酸素含有ガスバルブとを制御しつつ、着火を継続して行うよう前記着火装置を制御する。
このような構成によれば、水素ガスの供給を停止した後、酸素含有ガスの供給と、着火動作とを継続する。これによって、水素ガス供給管において水素ガスバルブよりも下流側に残留した水素ガスを、ノズル先端部において燃焼させることができる。そのため、水素ガス供給管内における逆火現象の発生を抑制する。

本発明は、水素ガス供給管内における逆火現象の発生を抑制することができる。

実施の形態１に係る水素ガスバーナー装置の概略図である。 実施の形態１に係る水素ガスバーナー装置の要部の概略図である。 実施の形態１に係る水素ガスバーナー装置のシステム構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る水素ガスバーナー装置の動作を示すフローチャートである。 実施の形態１に係る水素ガスバーナー装置の各構成の動作タイムチャートである。 実施の形態２に係る水素ガスバーナー装置の概略図である。 実施の形態２に係る水素ガスバーナー装置のシステム構成を示すブロック図である。 実施の形態２に係る水素ガスバーナー装置の各構成の動作タイムチャートである。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、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。

（実施の形態１）
図１及び図２を参照して実施の形態１に係る水素ガスバーナー装置について説明する。

図１に示すように、水素ガスバーナー装置１００は、酸素含有ガス供給管１０と、水素ガス供給管２０と、ノズル３０と、炉４０と、着火用スパークプラグ５０とを備える。

酸素含有ガス供給管１０は、ノズル３０に接続されており、酸素含有ガスをノズル３０に供給する。酸素含有ガス供給管１０には、ブロワ１１と、酸素含有ガス流量計１２と、酸素含有ガスバルブ１３とが設けられている。ブロワ１１と、酸素含有ガス流量計１２と、酸素含有ガスバルブ１３とは、この順に酸素含有ガス供給管１０の上流から下流に向かって、設けられている。ブロワ１１は、酸素含有ガスを酸素含有ガス供給管１０内に送り込む。図１に示す一例では、酸素含有ガスとして、空気を用いた。なお、酸素含有ガスは、空気に限定されず、酸素を含むガスであればよい。また、酸素含有ガスは、水素を実質的に含まないと好ましい。酸素含有ガスは、公知の方法を用いて水素を除去する工程を含む製造方法を用いて生成されてもよい。酸素含有ガス流量計１２は、酸素含有ガス供給管１０内の酸素含有ガスの流量を測定する。酸素含有ガスバルブ１３は、酸素含有ガスの供給又は停止を切り換える。酸素含有ガス流量計１２及び酸素含有ガスバルブ１３は、用いた酸素含有ガスの種類に応じて、多種多様なバルブを用いるとよい。

水素ガス供給管２０は、ノズル３０に接続されており、水素ガスをノズル３０に供給する。水素ガス供給管２０は、水素ガスタンク２１と、水素流量計２２と、水素ガスバルブ２３とを備える。水素ガスタンク２１と、水素流量計２２と、水素ガスバルブ２３とは、この順に水素ガス供給管２０の上流から下流に向かって、設けられている。水素ガスタンク２１は、所定量の水素ガスを貯蔵する。水素流量計２２は、水素ガス供給管２０内の水素の流量を測定する。水素ガスバルブ２３は、水素ガスの供給又は停止を切り換える。

ノズル３０は、炉４０に設けられている。図１に示す一例では、ノズル３０は、炉４０の炉本体４１の側壁４１ｂに設けられている。図２に示すように、ノズル３０は、ノズル本体３１と、水素ガス供給ノズル３２と、ノズル内スパークプラグ３３とを備える。

ノズル本体３１は、筒状壁３１ａと、筒状壁３１ａの一端を閉口する閉口端部３１ｂと、筒状壁３１ａの他端を開口する開口端部３１ｃとを備える。開口端部３１ｃは、ノズル３０の先端部に相当する。筒状壁３１ａは、外筒状部３１ａａと、外筒状部３１ａａの内側に配置された内筒状部３１ａｂとを備える。外筒状部３１ａａは、酸素含有ガス供給管１０が接続されている。酸素含有ガス供給管１０は、外筒状部３１ａａの内側へ酸素含有ガスを供給する。この供給した酸素含有ガスは、閉口端部３１ｂに向かって流れ、閉口端部３１ｂ又はその近傍に到達する。その後、この供給した酸素含有ガスは、内筒状部３１ａｂの内側を通過して、開口端部３１ｃに向かって流れ、開口端部３１ｃに到達する。

水素ガス供給ノズル３２は、両端部が閉口された筒状体３２ａである。筒状体３２ａの一端部３２ｂは、水素ガス供給管２０が接続されており、水素ガス供給管２０から水素ガスを供給される。筒状体３２ａの他端部３２ｃは、水素ガスを流出するメイン流出孔３２ｄと、サブ流出孔３２ｅとを備える。メイン流出孔３２ｄは、サブ流出孔３２ｅよりも大きいため、多量の水素ガスを流出する。

水素ガス供給ノズル３２は、ノズル本体３１の内側に配置されている。具体的には、ノズル本体３１と、水素ガス供給ノズル３２とは、それぞれの軸が同じ仮想軸上に沿って延びるように、配置される。水素ガス供給ノズル３２の一端部３２ｂは、閉口端部３１ｂに支持され、他端部３２ｃは、フレーム３１ｄを介して支持される。他端部３２ｃの一部がノズル本体３１から突き出ており、メイン流出孔３２ｄと、サブ流出孔３２ｅとが、ノズル本体３１の外側に位置する。メイン流出孔３２ｄとサブ流出孔３２ｅとから流出した水素ガスは、開口端部３１ｃ又はその近傍に到達し、酸素含有ガスと合流する。

ノズル内スパークプラグ３３は、ノズル本体３１の筒状壁３１ａの内筒状部３１ａｂと、水素ガス供給ノズル３２の外周面との間に設けられている。ノズル内スパークプラグ３３の先端３３ａは、ノズル本体３１の筒状壁３１ａと、水素ガス供給ノズル３２の外周面との間に位置する。ノズル内スパークプラグ３３は、スパークすることによって、その先端３３ａから火花状の電気の流れを発生することができる。火花状の電気の流れを発生させると、ノズル本体３１の筒状壁３１ａの内側に残留した水素ガスを燃焼させることができる。

炉４０は、炉本体４１と、炉本体４１の上部に設けられた排気筒４２とを備える。炉本体４１は、底４１ａと、底４１ａから上方に延びる側壁４１ｂと、側壁４１ｂの上側端部に設けられる天井４１ｃとを備える。底４１ａと、側壁４１ｂと、天井４１ｃとが囲む空間４１ｄは、所定のワークを収容することができる大きさを備えるとよい。排気筒４２は、具体的には、天井４１ｃに設けられている。排気筒４２は、炉本体４１の内側に位置する排ガスを炉本体４１の外側に排出する。

着火用スパークプラグ５０は、炉４０の炉本体４１の内側に配置されており、着火用スパークプラグ５０の先端５０ａは、水素ガス供給ノズル３２の他端部３２ｃ近傍に位置する。着火用スパークプラグ５０は、水素ガス、及び酸素含有ガスを着火させる着火動作をする。具体的には、着火用スパークプラグ５０は、スパークすることによって、その先端５０ａから火花状の電気の流れを発生させる。この電気の流れによって、ノズル本体３１の開口端部３１ｃとに到達した水素ガス、及び酸素含有ガスが着火する。着火すると、燃焼炎Ｆ１がメイン流出孔３２ｄ又はその近傍に発生し、燃焼炎Ｆ２がサブ流出孔３２ｅ又はその近傍に発生する。ノズル本体３１の開口端部３１ｃは、ノズル３０の先端部に相当するため、燃焼炎Ｆ１、Ｆ２がノズル３０の先端部において発生する。

次に、図３を参照して、水素ガスバーナー装置１００のシステム構成について説明する。

図３に示すように、水素ガスバーナー装置１００は、コントローラ６１と、水素流量計２２と、酸素含有ガス流量計１２と、電源スイッチ６０と、水素ガスバルブ２３と、酸素含有ガスバルブ１３と、ノズル内スパークプラグ３３と、着火用スパークプラグ５０とを備える。

電源スイッチ６０は、ユーザ（図示略）の操作を受けて、水素ガスバーナー装置１００のＯＮ、ＯＦＦを切り替える指令信号をコントローラ６１へ送る。水素流量計２２は、水素ガス供給管２０内の水素ガス流量を計測し、この計測した水素ガス流量を示す信号をコントローラ６１へ送る。酸素含有ガス流量計１２は、酸素含有ガス供給管１０内の空気流量を計測し、この計測した空気流量を示す信号をコントローラ６１へ送る。

コントローラ６１は、電源スイッチのＯＮ・ＯＦＦ、水素ガス流量、空気流量等に応じて、適宜、水素ガスの供給又は停止を示す指令信号を水素ガスバルブ２３に送り、空気の供給又は停止を示す指令信号を酸素含有ガスバルブ１３に送る。コントローラ６１は、ハードウェア構成として、例えば、シーケンス制御装置、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を有する演算回路と、プログラムメモリやデータメモリその他のＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）等を有する記憶装置等を備える。

コントローラ６１は、電源スイッチＯＮ・ＯＦＦ、水素ガス流量、空気流量等に応じて、適宜、スパーク発生動作の開始及び停止を示す指令信号をノズル内スパークプラグ３３に送る。同様に、コントローラ６１は、電源スイッチＯＮ・ＯＦＦ、水素ガス流量、空気流量等に応じて、適宜、着火動作の開始及び停止を示す指令信号を着火用スパークプラグ５０に送る。

次に、図４及び図５を参照して水素ガスバーナー装置１００の動作の一例を説明する。

電源スイッチ６０を入れて（ＯＮ）、水素ガスバーナー装置１００の運転を開始する（予備燃焼ステップＳＴ１）。さらに、電源スイッチを入れた時点ｔ１において、着火用スパークプラグ５０の着火動作と、ノズル内スパークプラグ３３のスパーク発生動作とを開始する。その後、着火用スパークプラグ５０の着火動作を引き続き継続して行う。一方、ノズル内スパークプラグ３３を、スパークを発生させることによって、ノズル３０内、及び水素ガス供給管２０において水素ガスバルブ２３よりも下流側に残留した水素ガスを着火させる。所定期間経過後においてノズル内スパークプラグ３３のスパーク発生動作を停止する。ノズル内スパークプラグ３３のスパーク発生動作は、ノズル３０、及び水素ガス供給管２０において水素ガスバルブ２３よりも下流側に残留した水素ガスを十分に燃焼させるまで行うとよい。

続いて、水素及び空気の供給を開始し、水素及び空気の燃焼を開始する（水素燃焼開始ステップＳＴ２）。具体的には、水素及び空気の供給を開始した時点ｔ２において、着火用スパークプラグ５０の着火動作を引き続き行い、さらにその所定の期間の経過後、かつ時点ｔ３の前の時点において、当該着火動作を停止する。そのため、着火用スパークプラグ５０の着火動作によって、水素及び空気は燃焼し始める。水素及び空気を継続して供給するため、燃焼し続ける。なお、水素及び空気の供給を開始した時点ｔ２において、すでにノズル内スパークプラグ３３のスパーク発生動作は、停止したままである。さらにその所定の期間の経過後、かつ時点ｔ３の前の時点において、当該発生動作を停止したままである。

続いて、電源スイッチ６０を切って（ＯＦＦ）、水素ガスの供給を停止する（水素供給停止ステップＳＴ３）。ここで、所定の量の水素ガスは、水素ガス供給管２０において水素ガスバルブ２３よりも下流側に残留している。一方、空気を炉４０へ供給し続ける。これによって、ノズル３０及び炉４０の温度を下げる。また、ノズル内スパークプラグ３３のスパーク発生動作を再び行い、断続して行う。水素ガス供給管２０において水素ガスバルブ２３よりも下流側に残留したガスを着火させて燃焼させる。

続いて、空気の供給を停止する（空気供給停止ステップＳＴ４）。言い換えると、水素ガスの供給を停止した時点ｔ３から、所定の時間が経過した時点ｔ４までの規定時間、空気の供給と、ノズル内スパークプラグ３３のスパーク発生動作とを継続して行う。具体的には、ノズル３０及び炉４０の温度を十分に下げた後に空気の供給を停止するとよい。

最後に、ノズル内スパークプラグ３３のスパーク発生動作を停止する（ノズル内スパーク動作停止ステップＳＴ５）。言い換えると、水素ガスの供給を停止した時点ｔ３から、所定の時間が経過した時点ｔ５までの所定時間、ノズル内スパークプラグ３３のスパーク発生動作を継続して行う。水素ガス供給管２０において水素ガスバルブ２３よりも下流側にさらに残留し続けたガスを着火させて燃焼させる。

以上より、上記した一動作例によれば、水素ガスの供給を停止した後、酸素含有ガスの供給と、ノズル内スパークプラグ３３の着火動作とを継続する。これによって、水素ガス供給管２０において水素ガスバルブ２３よりも下流側に残留した水素ガスを、ノズル３０において燃焼させることができる。そのため、水素ガス供給管２０内における逆火現象の発生を抑制することができる。

（実施の形態２）
次に、図６及び図７を参照して実施の形態２に係る水素ガスバーナー装置について説明する。

図６に示すように、水素ガスバーナー装置２００は、炉内スパークプラグ５１を含むことを除いて、水素ガスバーナー装置１００（図１参照）と同じ構成を有する。炉内スパークプラグ５１は、炉４０の炉本体４１の天井４１ｃに設けられている。炉内スパークプラグ５１は、ノズル３０よりも排気筒４２に近いとよい。炉内スパークプラグ５１は、その先端５１ａにおいてスパークを発生することができる。

図７に示すように、水素ガスバーナー装置２００は、システム構成として、炉内スパークプラグ５１を含むことを除いて、水素ガスバーナー装置１００（図３参照）と同じ構成を有する。コントローラ６１は、電源スイッチＯＮ・ＯＦＦ、水素ガス流量、空気流量等に応じて、適宜、スパーク発生動作の開始及び停止を示す指令信号を炉内スパークプラグ５１に送る。

次に、図８を参照して水素ガスバーナー装置２００の動作の一例を説明する。この一例は、上記した水素ガスバーナー装置１００の動作の一例（図４及び図５参照）と同じ構成を有する。

電源スイッチ６０を入れて（ＯＮ）、水素ガスバーナー装置２００の運転を開始する（予備燃焼ステップＳＴ２１）。さらに、電源スイッチを入れた時点ｔ１において、着火用スパークプラグ５０の着火動作と、ノズル内スパークプラグ３３のスパーク発生動作と、炉内スパークプラグ５１のスパーク発生動作とを開始する。その後、着火用スパークプラグ５０の着火動作を引き続き継続して行う。一方、ノズル内スパークプラグ３３を、スパークを発生させることによって、ノズル３０内、及び水素ガス供給管２０において水素ガスバルブ２３よりも下流側に残留した水素ガスを着火させる。所定期間経過後においてノズル内スパークプラグ３３のスパーク発生動作を停止する。ノズル内スパークプラグ３３のスパーク発生動作は、ノズル３０、及び水素ガス供給管２０において水素ガスバルブ２３よりも下流側に残留した水素ガスを十分に燃焼させるまで行うとよい。また、炉内スパークプラグ５１の着火動作を継続し、時点ｔ２以後において着火動作を断続的に行う。

続いて、水素及び空気の供給を開始し、水素及び空気の燃焼を開始する（水素燃焼開始ステップＳＴ２２）。具体的には、水素及び空気の供給を開始した時点ｔ２において、着火用スパークプラグ５０の着火動作を引き続き行い、さらにその所定の期間の経過後、かつ時点ｔ３の前の時点において、当該着火動作を停止する。そのため、着火用スパークプラグ５０の着火動作によって、水素及び空気は燃焼し始める。水素及び空気を継続して供給するため、燃焼し続ける。なお、水素及び空気の供給を開始した時点ｔ２において、すでにノズル内スパークプラグ３３のスパーク発生動作は、停止したままである。さらにその所定の期間の経過後、かつ時点ｔ３の前の時点において、当該発生動作を停止したままである。また、炉内スパークプラグ５１の着火動作を断続的に継続するため、炉４０内側において水素ガスを燃焼させることができる。そのため、ユーザが意図しない静電気が発生することによって水素ガスが異常燃焼することを抑制する。

続いて、電源スイッチ６０を切って（ＯＦＦ）、水素ガスの供給を停止する（水素供給停止ステップＳＴ２３）。ここで、所定の量の水素ガスは、水素ガス供給管２０において水素ガスバルブ２３よりも下流側に残留している。一方、空気を炉４０へ供給し続ける。これによって、ノズル３０及び炉４０の温度を下げる。また、ノズル内スパークプラグ３３のスパーク発生動作は再び行い、断続的に行う。水素ガス供給管２０において水素ガスバルブ２３よりも下流側に残留したガスを着火させて燃焼させることによって、水素ガスの異常燃焼の発生を抑制することができる。また、炉内スパークプラグ５１の着火動作を、水素燃焼開始ステップＳＴ２２における炉内スパークプラグ５１の着火動作と比較して、高い頻度で行う。そのため、炉４０内側において水素ガスを燃焼させることができる。

続いて、空気の供給を停止する（空気供給停止ステップＳＴ２４）。つまり、水素ガスの供給を停止した時点ｔ３から、所定の時間が経過した時点ｔ４までの規定時間、空気の供給と、ノズル内スパークプラグ３３のスパーク発生動作と、炉内スパークプラグ５１の着火動作とを継続して行う。具体的には、ノズル３０及び炉４０の温度を十分に下げた後に空気の供給を停止するとよい。

最後に、ノズル内スパークプラグ３３のスパーク発生動作と炉内スパークプラグ５１の着火動作とを停止する（ノズル内スパーク動作停止ステップＳＴ２５）。つまり、水素ガスの供給を停止した時点ｔ３から、所定の時間が経過した時点ｔ５までの所定時間、ノズル内スパークプラグ３３のスパーク発生動作を継続して行う。水素ガス供給管２０において水素ガスバルブ２３よりも下流側にさらに残留し続けたガスを着火させて燃焼させることによって、水素ガスの異常燃焼の発生を抑制することができる。また、炉内スパークプラグ５１の着火動作を引き続き同じ頻度で行う。そのため、炉４０内側において水素ガスを燃焼させることができる。

以上より、上記した一動作例によれば、実施の形態１と同様に、一動作例水素ガスの供給を停止した後、酸素含有ガスの供給と、ノズル内スパークプラグ３３の着火動作とを継続する。これによって、水素ガス供給管２０において水素ガスバルブ２３よりも下流側に残留した水素ガスを、ノズル３０において燃焼させることができる。そのため、水素ガス供給管２０内における逆火現象の発生を抑制することができる。

また、上記した一動作例によれば、炉内スパークプラグ５１が全ての工程中において着火動作を行う。そのため、炉４０内側における水素ガスを燃焼させることができ、ユーザの意図しない静電気による水素ガスの異常燃焼の発生を抑制することができる。

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。例えば、上記した水素ガスバーナー装置１００、２００は、炉４０を備えたが、ボイラを備えてもよい。また、水素ガスバーナー装置１００、２００は、着火用スパークプラグ５０を備えたが、他の種類方式の着火装置を備えてもよい。

１００、２００ 水素ガスバーナー装置
１０ 酸素含有ガス供給管 １３ 酸素含有ガスバルブ
２０ 水素ガス供給管 ２３ 水素ガスバルブ
３０ ノズル
３２ 水素ガス供給ノズル ３３ ノズル内スパークプラグ
４０ 炉 ５０ 着火用スパークプラグ
６１ コントローラ

Claims (1)

1. 水素ガス供給管から供給された水素ガスと、酸素含有ガス供給管から供給された酸素含有ガスとをノズル先端部において着火するノズル側着火装置を備え、前記ノズルは、ノズル本体と、前記水素ガス供給管が接続した水素ガス供給ノズルと、ノズル内着火装置と、を備える水素ガスバーナー装置であって、
   前記水素ガス供給管に設けられ、前記水素ガスの供給及び停止を切り替える水素ガスバルブと、
   前記酸素含有ガス供給管に設けられ、前記酸素含有ガスの供給及び停止を切り替える酸素含有ガスバルブと、
   前記ノズル先端部が設けられ、排気筒を備える炉と、
   前記炉内において前記ノズルよりも前記排気筒に近い炉内着火装置と、
   前記水素ガスバルブ、前記酸素含有ガスバルブ、前記ノズル側着火装置、前記炉内着火装置、及び前記ノズル内着火装置を制御するコントローラと、を備え、
   前記水素ガス供給ノズルは、前記ノズル本体の内側に配置され、
   前記ノズル内着火装置は、前記ノズル本体と、前記水素ガス供給ノズルの外周面との間に設けられ、
   前記コントローラは、前記水素ガスの供給を止めた後、前記酸素含有ガスを規定時間供給し続けるよう前記水素ガスバルブと前記酸素含有ガスバルブとを制御しつつ、着火を継続して行うよう前記ノズル内着火装置と前記炉内着火装置とを制御する、
   水素ガスバーナー装置。

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