JP7002074B2 - 拡散燃焼バーナー - Google Patents

Description

この発明は、水素を燃料に含む燃料ガスを燃焼させる、非予混合タイプの拡散燃焼バーナーに関するものである。

加熱炉は、自動車、窯業、食品などの生産プロセスを支える基盤であるが、その燃料ガスとしては、メタン等の都市ガスが使用されるのが一般的である。
一方、二酸化炭素の排出量をおさえるため、水素燃料を加熱炉に用いたいという要求がある。

そこで、二酸化炭素を排出しない燃料として、水素を燃料とするバーナーが考えられているが、水素を燃料とするバーナーを加熱炉で用いる場合には、通常、燃焼負荷（燃料投入量）の大きなバーナーを加熱炉の数ヶ所に設置して運転している。そのため、加熱炉全体の温度分布や燃焼雰囲気を制御することには限界があり、それらを任意に制御することは難しい。

また、水素火炎は不揮炎（ほぼ見えない火炎）であり、輻射効果は極めて小さく、熱風による対流加熱によって炉内を加熱する形態となるが、前述のように、燃焼負荷の大きなバーナーを加熱炉の数ヶ所に設置した場合には、熱風による対流加熱によって炉内を加熱するという特徴を活かす構造とはなっていなかった。

さらに、水素は広い燃焼範囲と速い燃焼速度を有しているため、予混合タイプのバーナーでは逆火しやすいという問題があり、実用されていないのが現状である。
このような問題を解決するバーナーとして、例えば特許文献１には、一面に耐高温性多孔質部材を張設して燃焼面とした、逆火しにくい予混合タイプの水素表面燃焼バーナーが記載されている。

特開２０００－１８５２５号公報

しかしながら、水素を燃料に含む燃料ガスを燃焼させる場合には、水素ガスが速い燃焼速度を有するため、例えば特許文献１に示すようなバーナーを使用したとしても、非予混合タイプの拡散燃焼バーナーのような着火安定性と燃焼安定性を確保することは難しい、という課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、燃焼速度の速い燃料である水素を含む燃料ガスを燃焼させる場合であっても、着火安定性と燃焼安定性を確保した拡散燃焼バーナーを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明は、水素を燃料に含む燃料ガスを燃焼させる拡散燃焼バーナーであって、前記拡散燃焼バーナーは、その筐体の内部に、隔離層によって隔離された燃料室と空気室を備え、前記燃料室には、前記水素を含む燃料ガスを外部から供給するための燃料導入管が接続され、前記空気室には、燃焼に必要な空気を外部から供給するための空気導入管が接続されており、前記燃料室から前記水素を含む燃料ガスを前記筐体の上面より上方に噴射させるマイクロ燃料ヘッドと、前記空気室から前記空気を前記筐体の表面より上方に噴射させるマイクロ空気ヘッドとを備え、前記マイクロ燃料ヘッドと前記マイクロ空気ヘッドとはそれぞれの中心軸を同じにする柱状の管体であり、前記マイクロ燃料ヘッドの内径は２ｍｍ以下であり、前記マイクロ空気ヘッドの内径は前記マイクロ燃料ヘッドの外径よりも大きく、前記マイクロ空気ヘッドの上端は前記筐体の上面と同一面上またはそれより上方に突出しており、かつ、前記マイクロ燃料ヘッドの上端は前記マイクロ空気ヘッドの上端より上方に突出している、という位置関係に配置された前記マイクロ燃料ヘッドと前記マイクロ空気ヘッドとの組み合わせを複数有しており、前記複数の組み合わせのうち、ある１組の前記マイクロ燃料ヘッドと前記マイクロ空気ヘッドに火がつけばスムーズに隣の組の前記マイクロ燃料ヘッドと前記マイクロ空気ヘッドに火が燃え移り、短時間ですべてのヘッドの組に火がついて面で燃やすことができることを特徴とする。

この発明の拡散燃焼バーナーによれば、マイクロ燃料ヘッドの上端をマイクロ空気ヘッドの上端より上方に突出させているので、火炎が安定する（着火安定性および燃焼安定性を確保できる）だけでなく、部品としてのヘッドの焼損を防止することができる。また、マイクロ燃料ヘッドの内径を２ｍｍ以下としたことにより、このマイクロ燃料ヘッドおよびマイクロ空気ヘッドの組をたくさん並べることができるので、アレイ状に面で燃やすことができるため、均一に加熱することができる。

実施の形態１における拡散燃焼バーナーの外観構成の一例を示す図である。 実施の形態１における拡散燃焼バーナーの内部構成の一部を示す断面図である。 図１に示す拡散燃焼バーナー１００を上方から見た場合の上面図である。 図３に示す上面図において、ある１組のマイクロ燃料ヘッド１およびマイクロ空気ヘッド２と、それと隣り合うマイクロ燃料ヘッド１およびマイクロ空気ヘッド２との位置関係を示す拡大図である。 ある１組のマイクロ燃料ヘッド１およびマイクロ空気ヘッド２の中心軸と、それと隣り合うマイクロ燃料ヘッド１およびマイクロ空気ヘッド２の中心軸との間の距離による実験結果を示す表である。

以下、この発明の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。
水素を燃料に含むバーナーを加熱炉で用いる場合、従来では、燃焼負荷（燃料投入量）の大きなバーナー（数１０～数１０００ｋＷのバーナー）を加熱炉の数ヶ所に設置して運転していた。そのため、加熱炉全体の温度分布や燃焼雰囲気を制御することには限界があり、任意に制御することは難しかった。また、水素火炎は不輝炎（ほぼ見えない火炎）であり、輻射効果は極めて小さく、熱風による対流加熱によって炉内を加熱する形態となるが、その特徴を活かす構造となっていなかった。

実施の形態１．
この実施の形態１は、水素を燃料に含む燃料ガスを燃焼させる、非予混合タイプの拡散燃焼バーナーに関するものである。
図１は、この発明の実施の形態１における拡散燃焼バーナー１００の外観構成の一例を示す図である。また、図２は、この発明の実施の形態１における拡散燃焼バーナー１００の内部構成の一部を示す断面図である。

図１および図２に示すように、この拡散燃焼バーナー１００は、筐体１０の内部にそれぞれ独立した燃料室１１と空気室１２を備えている。この際、燃料室１１と空気室１２は隔離層１３により隔離されており、下から燃料室１１、隔離層１３、空気室１２の順に重ねられた二重構造となっている。

また、燃料室１１には、水素を含む燃料ガスＡを外部から供給するための燃料導入管２１が接続され、空気室１２には、燃焼に必要な空気Ｂを外部から供給するための空気導入管２２が接続されている。これにより、燃料室１１には燃料ガスＡが送り込まれ、空気室１２には空気Ｂが送り込まれる。

さらに、燃料室１１から水素を含む燃料ガスＡを筐体１０の上面３より上方に噴射させるマイクロ燃料ヘッド１と、空気室１２から空気Ｂを噴射させるマイクロ空気ヘッド２とを備えている。このマイクロ燃料ヘッド１とマイクロ空気ヘッド２は中心軸を同じにする円柱状の管体であり、マイクロ燃料ヘッド１の内径は２ｍｍ以下とし、この実施の形態１では１ｍｍのものを使用する。また、マイクロ空気ヘッド２の内径はマイクロ燃料ヘッド１の外径よりも大きい。すなわち、マイクロ空気ヘッド２は、マイクロ燃料ヘッド１を囲むように配置されている。なお、この実施の形態１では、マイクロ燃料ヘッド１の外径は１．２ｍｍ、マイクロ空気ヘッド２の内径は２ｍｍとする。

このように配置することにより、図２に示すように、燃料ガスＡはマイクロ燃料ヘッド１の円柱状の管体の穴から上方に噴射され、空気Ｂはマイクロ空気ヘッド２の円柱状の管体とマイクロ燃料ヘッド１の円柱状の管体とで挟まれたドーナツ状の穴から上方に噴射される。すなわち、この拡散燃焼バーナー１００は、燃料ガスＡと空気Ｂとが別々に噴出され、そこでようやく燃料ガスＡと空気Ｂとが混合することにより燃焼する非予混合タイプの拡散燃焼バーナーである。

なお、この実施の形態１では、マイクロ燃料ヘッド１とマイクロ空気ヘッド２はそれぞれの中心軸を同じにする円柱状の管体として説明するが、それぞれの中心軸を同じにする柱状の管体であれば、円柱状である必要はない。例えば、楕円柱状であってもよいし、正六角柱状や正八角柱状などであってもよいし、その正六角柱や正八角中の角が少し丸みを帯びているような柱状などであってもよい。

また、図２では、マイクロ空気ヘッド２は、この拡散燃焼バーナー１００の筐体１０の上面３よりも少しだけ上方に突出させて配置されているが、マイクロ空気ヘッド２の上端が筐体１０の上面３と同一面上であってもよい。一方、マイクロ燃料ヘッド１は、マイクロ空気ヘッド２よりもさらに上方に突出させて配置されている。
すなわち、マイクロ空気ヘッド２の上端は筐体１０の上面３と同一面上またはそれより上方に突出しており、かつ、マイクロ燃料ヘッド１の上端はマイクロ空気ヘッド２の上端より上方に突出している。

これは、水素を燃料に含む燃料ガスＡを用いる際に、水素は燃焼速度が速いため、もしマイクロ燃料ヘッド１がより突出していないと、火がついてもすぐに消えてしまい火炎が安定しないからである。また、水素を含む燃料ガスが噴出するマイクロ燃料ヘッド１の方が突出していることにより、空気が冷えるため、部品としてのヘッドの焼損が防止されるという効果もある。

さらに、図２では、マイクロ空気ヘッド２の下端は、この拡散燃焼バーナー１００の筐体１０の上面３の下面と同じ位置までの長さとなっている（面一になっている）が、上面３の下面よりさらに下方に突出していてもよい。また、図２では、マイクロ空気ヘッド２と上面３は別部材であるように示されているが、マイクロ空気ヘッド２と上面３を一体型の部材として構成してもよい。

同様に、図２では、マイクロ燃料ヘッド１の下端は、隔離層１３の下面と同じ位置までの長さとなっている（面一になっている）が、隔離層１３の下面よりさらに下方に突出していてもよい。また、図２では、マイクロ燃料ヘッド１と隔離層１３は別部材であるように示されているが、マイクロ燃料ヘッド１と隔離層１３を一体型の部材として構成してもよい。

ここで、実際に水素を燃料に含む燃料ガスを燃焼させた実験、および、それによって得られた結果について説明する。なお、今回の発明とは直接の関係はないので図示および詳細な説明は省略するが、水素投入量と空気比とが、水素炎にどのような影響を及ぼすかについても実験を行った。まず、空気比を一定（１．０５）として、水素投入量を０．１ｋＷ～１．０ｋＷまで徐々に増やしていくと、火炎伸長も徐々に大きくなっていくことがわかった。また、水素投入量を一定（０．１ｋＷの場合、０．５ｋＷの場合、１．０ｋＷの場合）として、空気比を１．０５～２．０まで徐々に増やしていっても、水素投入量が同じであれば、火炎伸長もほぼ同じであることがわかった。すなわち、水素炎の火炎形状については、水素投入量と空気比とを調整することによって制御可能であるという結果が得られた。

次に、図３は、図１に示す拡散燃焼バーナー１００を上方から見た場合の上面図である。図１および図３に示すように、この実施の形態における拡散燃焼バーナー１００は、３×１０＝３０組のマイクロ燃料ヘッド１およびマイクロ空気ヘッド２を並べている。そして、前述のとおり、マイクロ燃料ヘッド１の内径は、２ｍｍ以下とする。これは、２ｍｍより大きな内径になると、これほど多くは並べられなくなるため、面で燃やすことにならないからである。すなわち、このマイクロ燃料ヘッド１およびマイクロ空気ヘッド２の組数が多い拡散燃焼バーナーの方が、アレイ状に面で燃やすことができるため、均一に加熱できるというメリットがある。

図４は、図３に示す上面図において、ある１組のマイクロ燃料ヘッド１およびマイクロ空気ヘッド２と、それと隣り合うマイクロ燃料ヘッド１およびマイクロ空気ヘッド２との位置関係を示す拡大図である。また、図５は、ある１組のマイクロ燃料ヘッド１およびマイクロ空気ヘッド２の中心軸と、それと隣り合うマイクロ燃料ヘッド１およびマイクロ空気ヘッド２の中心軸との間の距離による実験結果を示す表である。

図４に示すように、ある１組のマイクロ燃料ヘッド１およびマイクロ空気ヘッド２の中心軸と、それと隣り合うマイクロ燃料ヘッド１およびマイクロ空気ヘッド２の中心軸との間の距離をＬとする。図５では、この中心軸間の距離Ｌを５．０ｍｍ、７．５ｍｍ、１０．０ｍｍ、１２．５ｍｍ、１５．０ｍｍ、１７．５ｍｍ、２０．０ｍｍ、２２．５ｍｍとした場合の８種類について、ある１組のマイクロ燃料ヘッド１およびマイクロ空気ヘッド２でついた火が隣に燃え移っていくかどうかをテストした結果を示している。

そして、図５に示すとおり、Ｌ＝５．０ｍｍ、７．５ｍｍ、１０．０ｍｍ、１２．５ｍｍ、１５．０ｍｍ、１７．５ｍｍの場合には、何の問題もなくスムーズに火が隣の組のマイクロ燃料ヘッド１およびマイクロ空気ヘッド２に燃え移り、最終的にすべてのヘッドの組に火がついて、面で燃やすことができた。また、Ｌ＝２０．０ｍｍの場合には、多少、時間がかかるケースも見受けられたが、最終的にすべてのヘッドの組に火がついて、面で燃やすことができた。しかし、Ｌ＝２２．５ｍｍの場合には、隣に火が燃え移らず、火がつかないヘッドの組が存在した。

この実験結果により、Ｌを２０ｍｍより大きくすると、隣のマイクロ燃料ヘッド１およびマイクロ空気ヘッド２の組に火が燃え移らないことがあると考えられる。そして、一箇所でも火がついていない箇所があると、急にドンッと燃える可能性があるため、確実にすべての組のヘッドに火がついていないと危険である。したがって、ある１組のマイクロ燃料ヘッド１およびマイクロ空気ヘッド２の中心軸と、それと隣り合うマイクロ燃料ヘッド１およびマイクロ空気ヘッド２の中心軸との間の距離Ｌは、２０ｍｍ以下であることが望ましい。

また、ある１組のマイクロ燃料ヘッド１およびマイクロ空気ヘッド２と、それと隣り合うマイクロ燃料ヘッド１およびマイクロ空気ヘッド２との中心軸間の距離Ｌの下限値としては、マイクロ燃料ヘッド１の内径や管厚、マイクロ空気ヘッド２の管厚や外径によって可能な値は必然的に決まる。なお、Ｌが小さいほどたくさんのヘッドの組を並べることができるが、あまりにも小さいものは製作も困難であるため、マイクロ燃料ヘッド１およびマイクロ空気ヘッド２の内径や管厚に合わせて妥当な下限値が必然的に決まる。

すなわち、ある１組のマイクロ燃料ヘッド１とマイクロ空気ヘッド２の中心軸と、それと隣り合う組のマイクロ燃料ヘッド１とマイクロ空気ヘッド２の中心軸との間の距離を、２０ｍｍ以下とすることにより、ある１組のマイクロ燃料ヘッド１とマイクロ空気ヘッド２に火がつけばスムーズに隣の組のマイクロ燃料ヘッド１とマイクロ空気ヘッド２にも火が燃え移り、短時間ですべてのヘッドの組に火がついて面で燃やすことができるので、製作可能で、かつ、安全に、均一に加熱することができる。

なお、この発明の実施の形態１にける拡散燃焼バーナー１００の材質としては、例えばステンレスやチタンやインコネルなどであり、この実施の形態１では、この拡散燃焼バーナー１００を３Ｄプリンターで製作している。この結果、図１の外観構成図に示すとおり、ネジどめの必要がないため、ネジどめするタイプのバーナーに比べて、小型化することができるというメリットもある。

以上のように、この発明の実施の形態１における拡散燃焼バーナー１００によれば、マイクロ燃料ヘッド１の上端をマイクロ空気ヘッド２の上端より上方に突出させているので、火炎が安定する（着火安定性および燃焼安定性を確保できる）だけでなく、部品としてのヘッドの焼損を防止することができる。また、マイクロ燃料ヘッド１の内径を２ｍｍ以下としたことにより、このマイクロ燃料ヘッド１およびマイクロ空気ヘッド２の組をたくさん並べることができるので、アレイ状に面で燃やすことができるため、均一に加熱することができる。

さらに、ある１組のマイクロ燃料ヘッド１とマイクロ空気ヘッド２の中心軸と、それと隣り合う組のマイクロ燃料ヘッド１とマイクロ空気ヘッド２の中心軸との間の距離Ｌを、２０ｍｍ以下としたことにより、ある１組のマイクロ燃料ヘッド１とマイクロ空気ヘッド２に火がつけばスムーズに隣の組のマイクロ燃料ヘッド１とマイクロ空気ヘッド２にも火が燃え移り、短時間ですべてのヘッドの組に火がついて面で燃やすことができるので、製作可能で、かつ、安全に、均一に加熱することができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ マイクロ燃料ヘッド
２ マイクロ空気ヘッド
３ 筐体１０の上面
１０ 筐体
１１ 燃料室
１２ 空気室
１３ 隔離層
２１ 燃料導入管
２２ 空気導入管
１００ 拡散燃焼バーナー

Claims (2)

1. 水素を燃料に含む燃料ガスを燃焼させる拡散燃焼バーナーであって、
   前記拡散燃焼バーナーは、その筐体の内部に、隔離層によって隔離された燃料室と空気室とを備え、
   前記燃料室には、前記水素を含む燃料ガスを外部から供給するための燃料導入管が接続され、前記空気室には、燃焼に必要な空気を外部から供給するための空気導入管が接続されており、
   前記燃料室から前記水素を含む燃料ガスを前記筐体の上面より上方に噴射させるマイクロ燃料ヘッドと、前記空気室から前記空気を前記筐体の表面より上方に噴射させるマイクロ空気ヘッドとを備え、
   前記マイクロ燃料ヘッドと前記マイクロ空気ヘッドとはそれぞれの中心軸を同じにする柱状の管体であり、前記マイクロ燃料ヘッドの内径は２ｍｍ以下であり、前記マイクロ空気ヘッドの内径は前記マイクロ燃料ヘッドの外径よりも大きく、前記マイクロ空気ヘッドの上端は前記筐体の上面と同一面上またはそれより上方に突出しており、かつ、前記マイクロ燃料ヘッドの上端は前記マイクロ空気ヘッドの上端より上方に突出している、という位置関係に配置された前記マイクロ燃料ヘッドと前記マイクロ空気ヘッドとの組み合わせを複数有しており、
   前記複数の組み合わせのうち、ある１組の前記マイクロ燃料ヘッドと前記マイクロ空気ヘッドに火がつけばスムーズに隣の組の前記マイクロ燃料ヘッドと前記マイクロ空気ヘッドに火が燃え移り、短時間ですべてのヘッドの組に火がついて面で燃やすことができる
   ことを特徴とする拡散燃焼バーナー。
2. ある１組の前記マイクロ燃料ヘッドと前記マイクロ空気ヘッドの中心軸と、それと隣り合う組の前記マイクロ燃料ヘッドと前記マイクロ空気ヘッドの中心軸との間の距離が、２０ｍｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１記載の拡散燃焼バーナー。
   

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