JP7014632B2

JP7014632B2 - バーナ装置

Info

Publication number: JP7014632B2
Application number: JP2018028856A
Authority: JP
Inventors: 貴丈宇土; 昂志平野; 邦夫岡田; 敦史堀川
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2018-02-21
Filing date: 2018-02-21
Publication date: 2022-02-01
Anticipated expiration: 2038-02-21
Also published as: CN111868441A; EP3757457A4; CN111868441B; EP3757457B1; EP3757457A1; KR102441453B1; JP2019143895A; WO2019163488A1; KR20200119878A

Description

本発明は、例えば水素ガスのような燃料ガスと他の種類のガスとを混合して燃焼させるバーナ装置に関する。

近年、地球温暖化のような環境問題の原因となる二酸化炭素の排出を抑えるため、いわゆる低炭素社会の実現に向けて、燃料に水素を利用するバーナ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

米国特許出願公開第２０１２／０２５８４０９号明細書

しかしながら、燃焼温度が高い燃料を燃焼させる場合はＮＯｘが発生し易い。また、燃焼速度が大きい燃料を燃焼させる場合は燃焼室で発生した火炎がバーナ側に戻ってくる逆火現象が生じ易い。このような燃焼温度が高く、燃焼速度が大きい燃料としては、例えば水素、または水素を高濃度で含むガス等が挙げられる。

本発明の目的は、燃焼温度が高く、かつ燃焼速度が大きい燃料を用いた場合にもＮＯｘの発生を抑制できるとともに、逆火の発生を防止することができるバーナ装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明に係るバーナ装置は、
燃料ガスと助燃ガスとの予混合気を燃焼領域に供給するバーナ装置であって、
燃料ガスと助燃ガスとを予混合する予混合通路と、
前記予混合通路からの予混合気を通過させて燃焼領域に噴射する、焼結金属からなる多孔質のバーナヘッドと、
を備え、
前記バーナヘッドが、
前記予混合通路に面する裏側層であって、粒径が大きい焼結金属からなる裏側層と、
前記燃焼領域に面する表側層であって、前記裏側層よりも粒径が小さい焼結金属からなる表側層と、
を有している。

この構成によれば、大粒径の焼結金属粒子から形成されることにより大きな孔径を有する裏側層によって予混合気が整流され、圧力損失が生じることにより、予混合が促進される。さらに、小粒径の焼結金属粒子から形成されることにより小さな孔径を有する表側層を通過する際に、予混合気の流速が増大し、燃焼領域に高速の予混合気が噴射される。したがって、ＮＯｘの発生を抑制できるとともに、逆火を防止できる。

本発明の一実施形態において、前記バーナヘッドの内部に、前記予混合通路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路を形成する燃料ガス供給管の少なくとも一部が配設されていてもよい。この構成によれば、燃料ガス供給管を流れる燃料ガスによってバーナヘッドを冷却することができる。これにより、逆火が発生した場合や火炎がバーナ近くに形成された場合にも、バーナヘッドの焼損を防止することができる。

本発明の一実施形態において、前記バーナヘッドが、円筒状の当該バーナ装置の周壁を形成しており、前記燃料ガス供給管が、前記バーナヘッドの内部に配設された複数の外周燃料ガス供給管を含み、前記複数の外周燃料ガス供給管が、当該バーナ装置の軸心方向に平行に延び、かつ前記バーナヘッドの周方向に等間隔で配置されていてもよい。この構成によれば、バーナヘッドの噴射面において、燃料ガス供給管が存在しない予混合気の高速領域の間に、燃料ガス供給管が存在することにより予混合気が低速となる保炎領域が規則的な配置で形成される。この保炎領域の存在により、高速領域における大きな火炎の周方向の移動が制限され、バーナヘッド全体として安定した燃焼を実現できる。

本発明の一実施形態において、各外周燃料ガス供給管が、前記バーナヘッドの、予混合気の流れ方向における上流側に燃料ガス入口を有し、前記燃料ガス供給管が、さらに、当該バーナ装置の軸心上に設けられて、前記複数の外周燃料ガス供給管に前記バーナヘッドの、予混合気の流れ方向における下流端部で連通し、前記バーナヘッドの前記上流側に前記予混合通路への燃料ガス出口を有する中心燃料ガス供給管を含んでいてもよい。この構成によれば、外周燃料供給管を円筒形状のバーナヘッドの内部に設ける場合にも、配管構造の複雑化およびバーナ装置全体の寸法増大が抑制される。

本発明に係るバーナ装置によれば、燃焼温度が高く、燃焼速度が大きい燃料を用いた場合にもＮＯｘの発生を抑制できるとともに、逆火の発生を防止することができる。

本発明の一実施形態に係るバーナ装置の概略構造を示す破断斜視図である。図１のバーナ装置の燃料ガス導出部の一例を示す平面図である。図１のバーナ装置の燃料ガス導出部の一例を示す平面図である。図１のバーナ装置のバーナヘッドを拡大して示す横断面図である。図１の変形例に係るバーナ装置の概略構成を模式的に示す縦断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態に係るバーナ装置を示す。同図に示すバーナ装置１は、燃料ガスと助燃ガスとの予混合気Ｍを燃焼領域Ｒに供給する装置である。バーナ装置１は、例えば、ボイラやガスタービンのような動力装置の加熱装置として用いられる。

燃料ガスは、例えば燃焼温度が高く、燃焼速度が大きく、可燃濃度範囲が広い燃料であり、本実施形態では、燃料ガスとして水素含有ガス、例えば水素ガスを使用している。また、本実施形態では、助燃ガスとして空気Ａを使用している。助燃ガスとしては、空気のほかに、例えば、空気中の酸素濃度を調整したガス、排ガス等を使用することができる。以下の説明では、燃料ガスを「燃料Ｆ」とし、助燃ガスを「空気Ａ」として説明する。

バーナ装置１は、全体としてほぼ円筒形状を有している。バーナ装置１の内方空間が、燃料Ｆと空気Ａとが予混合される予混合通路３を形成している。このバーナ装置１は、燃焼領域Ｒに面して予混合気Ｍを燃焼領域Ｒに噴射する部分（図１の右側部分）である噴射部１ａと、燃料Ｆおよび空気Ａをバーナ装置１内に導入する部分（図１の左側部分）である基部１ｂとを有する。噴射部１ａと基部１ｂとは、バーナ装置１の軸心Ｃ方向に並んでいる。バーナ装置１の噴射部１ａと基部１ｂとの境界部分には、このバーナ装置１が使用される加熱装置への連結部となり、かつ燃焼領域Ｒと、燃料Ｆおよび／または空気Ａの導入空間とを区画するフランジ５が設けられている。以下の説明において、バーナ装置１の軸心方向における燃焼領域Ｒ側（つまり噴射部１ａ側）を「後側」と呼び、燃焼領域と反対側（つまり基部１ｂ側）を「前側」と呼ぶ。本実施形態では、予混合通路３における予混合気Ｍの流れ方向の上流側が前側であり、下流側が後側である。

燃焼領域Ｒに予混合気Ｍを噴射するバーナヘッド７は、バーナ装置１の噴射部１ａの周壁を形成している。予混合通路３の予混合気Ｍは、バーナヘッド７を径方向に通過して燃焼領域Ｒに噴射される。基部１ｂの後端部、つまり、フランジ５を介して噴射部１ａに隣接する部分には、環状の燃料導入部９が設けられている。燃料導入部９の内部からバーナヘッド７の内部にかけて、バーナ装置１の軸心Ｃに平行に延びる外周燃料供給通路１１が形成されている。各外周燃料供給通路１１は外周燃料供給管１３によって形成されている。この例では、複数の外周燃料供給管１３がバーナ装置１の周方向に等間隔に配置されている。燃料導入部９の周壁９ａに、燃料導入部９の外方空間と各外周燃料供給通路１１を連通させる、径方向に延びる複数の燃料導入孔１５が設けられている。各燃料導入孔１５が外周燃料供給通路１１への燃料入口であり、各燃料導入孔１５を介して、バーナ装置１の外部からの燃料Ｆが各外周燃料供給通路１１へ導入される。

噴射部１ａの後端部となるバーナ装置１の一端部は閉止されて有底状に形成されており、その内方空間が、各外周燃料供給通路１１に連通する共通の燃料ヘッダ室１７を形成している。バーナ装置１の中心部には、燃料ヘッダ室１７に連通し、軸心Ｃに沿って延びる中心燃料供給通路１９を形成する共通の中心燃料供給管２１が設けられている。中心燃料供給管２１は、燃料ヘッダ室１７から基部１ｂの内方空間まで延びており、中心燃料供給管２１の下流端部（前端部）に位置する燃料導出部２３から、予混合通路３へ燃料Ｆが導出される。このように、図示の例では、外周燃料供給通路１１，燃料ヘッダ室１７および中心燃料供給通路１９によって、予混合通路３への燃料供給通路２５が構成されている。

基部１ｂの前端部となる、バーナ装置１の他端部は無底状に形成されており、その開口が空気導入口２７を形成している。空気導入口２７から導入された空気Ａは、中心燃料供給管２１の燃料導出部２３において燃料Ｆに合流する。

図示の例では、基部１ｂの前端部に、空気Ａの流れを軸心Ｃ方向に沿った均一な流れに整流する整流機構２９が設けられている。具体的には、この例では、整流機構２９は、空気導入口２７の開口部に設けられて、この開口部の内方空間を周方向に均等分割する分割羽根３１と、分割羽根３１の下流に設けられた複数（この例では２つ）の円環状の整流多孔板３３からなる。整流機構２９を構成するこれらの各要素は、中心燃料供給管２１から前方へ延設された中央支柱３５の外周に設けられている。もっとも、整流機構２９の態様はこの例に限定されない。例えば、整流機構３３として分割羽根３１および整流多孔板３３のいずれか一方のみが設けられていてもよい。また、整流機構２９は省略してもよい。

図示の例では、中心燃料供給管２１の燃料導出部２３は、中心燃料供給管２１から放射状に突設された複数（この例では８つ）のスポーク状管３９の管群４１として設けられている。図２に示すように、各スポーク状管３９の後側に、燃料Ｆの予混合通路３への出口となる燃料導出孔４３が設けられている。この例では、各スポーク状管３９に、複数の燃料導出孔４３がスポーク状管３９の長手方向に沿って等間隔に配列されている。

また、この例の燃料導出部２３は２組のスポーク状管３９の管群４１を備えている。図３に模式的に示すように、２組の管群は、実線で示す一方の管群４１Ａの各スポーク管３９Ａの周方向位置が、破線で示す他方の管群４１Ｂの隣り合うスポーク管３９Ｂ，３９Ｂ間の中央の周方向位置となるように配置されている。

また、図１に示した例では、燃料導出部２３の予混合通路３における下流側（後側）に、燃料Ｆと空気Ａとの予混合を促進する予混合促進部材４５が設けられている。より具体的には、この例では、予混合促進部材４５として、複数（この例では３つ）の円環状の予混合多孔板４５が設けられている。各予混合多孔板４５は、中心燃料供給管２１の外周に設けられている。なお、予混合促進部材４５は省略してもよい。

もっとも、本実施形態において、予混合通路３へ各ガスを供給するための構造および予混合通路３において予混合を促進するための構造は、上記で説明した態様に限定されない。

以下に、本実施形態におけるバーナヘッド７の構造について詳細に説明する。バーナヘッド７は、焼結金属からなる多孔質の部材として構成されている。焼結金属の粒子間に形成された微細な空孔が、予混合通路３から燃焼領域Ｒまでの予混合気Ｍの流路を形成する。

具体的には、図４に示すように、バーナヘッド７は、予混合通路３に面する裏側層５１（同図の大きな間隔のクロスハッチングで示す層）と、燃焼領域Ｒに面する表側層５３（同図の小さな間隔のクロスハッチングで示す層）とを有している。表側層５３と裏側層５１とでは、各層を形成する焼結金属粒子の粒径が異なる。すなわち、本実施形態では、表側層５３を形成する焼結金属粒子の粒径が、裏側層５１を形成する焼結金属粒子の粒径よりも小さい。

裏側層５１は、大粒径の焼結金属粒子から形成されることによって大きな孔径、すなわち大きな流路径を有する。このような裏側層５１の流路によって予混合気Ｍが整流され、予混合が促進される。他方、表側層５３は、裏側層５１よりも小粒径の焼結金属粒子から形成されることによって裏側層５１よりも小さな孔径、すなわち小さな流路径を有する。このような表側層５３の流路を通過する際に、予混合気Ｍの流速が増大し、燃焼領域Ｒに高速の予混合気Ｍが噴射される。

バーナヘッド７を形成する焼結金属の素材となる金属材料としては、例えばステンレス鋼、青銅、ニッケル等を使用することができる。また、裏側層５１を形成する焼結金属粒子の粒径（直径）は、例えば500～1500μｍである。表側層５３を形成する焼結金属粒子の粒径は、例えば50～400μｍである。

また、上述したように、バーナヘッド７の内部に、外周燃料供給通路１１を形成する外周燃料供給管（燃料ガス供給管）１３が配設されている。図示の例では、複数の外周燃料供給管１３が、バーナヘッド７の周方向に等間隔に配置されている。また、表側層５３と裏側層５１とはほぼ同一の厚み（径方向幅）を有しており、表側層５３と裏側層５１の境界部分に各外周燃料供給管１３が配設されている。

バーナヘッド７の内部に外周燃料供給管１３のような燃料供給管を配設することにより、燃料供給管を流れる燃料Ｆによってバーナヘッド７が冷却される。この冷却により、逆火現象が生じた場合や火炎がバーナ近くに形成された場合にもバーナヘッド７の焼損を防止することができる。

さらに、外周燃料供給管１３が、バーナヘッド７の周方向に等間隔に配置されていることによって、バーナヘッド７の予混合気Ｍの噴射面において、外周燃料供給管１３が存在しない予混合気Ｍの高速領域ＨＲの間に、外周燃料供給管１３が存在することにより予混合気Ｍが低速となる保炎領域ＦＲが規則的な配置で形成される。この保炎領域ＦＲの存在により、高速領域ＨＲにおける大きな火炎の周方向の移動が制限され、バーナヘッド７全体として安定した燃焼が実現される。

また、本実施形態では、上述したように、各外周燃料ガス供給管１３が、バーナヘッド７の、予混合気Ｍの流れ方向における上流側（前側）に位置する基部１ｂに燃料入口を有し、中心燃料供給管２１が、複数の外周燃料供給管１３にバーナヘッド７の、予混合気Ｍの流れ方向における下流端部（後端部）で連通し、バーナヘッドの前記上流側で予混合通路３への燃料出口を有している。このように構成することにより、外周燃料供給管１３を円筒形状のバーナヘッド７の内部に設ける場合にも、配管構造の複雑化およびバーナ装置１全体の寸法増大が抑制される。

もっとも、バーナヘッド７の内部における外周燃料供給管１３および中心燃料供給管２１の配列態様はこの例に限定されない。また、バーナヘッド７内部に外周燃料供給管１３のような燃料供給管を配設することは必須ではない。

なお、本実施形態では、バーナヘッド７が表側層５３および裏側層５１のみからなる２層構造を有する例を示したが、バーナヘッド７はこのような２層構造に限定されない。すなわち、バーナヘッド７は、表側層５３と裏側層５１との間に、焼結金属からなる１つまたは複数の中間層を有していてもよい。この場合の中間層は、例えば、表側層５３の焼結金属粒子径よりも大きく裏側層の焼結金属粒子径よりも小さい焼結金属粒子径を有している。

また、バーナヘッド７は、焼結金属から形成されており、粒径が大きい焼結金属からなる裏側層５１と、裏側層５１よりも粒径が小さい焼結金属からなる表側層５３とを有していれば、形状は上記で説明した円筒形状に限定されない。バーナヘッド７は、例えば、図５に変形例として示すように、平板形状であってもよい。この例では、バーナ装置１の予混合通路３の下流端部に、バーナ装置１の軸心Ｃに直交する予混合噴射面を有する平板形状のバーナヘッド７が取付けられている。また、この場合も、図示はしないが、バーナヘッド７の内部に燃料供給管が配設されていてもよい。

以上説明した本実施形態に係る図１のバーナ装置１によれば、大粒径の焼結金属粒子から形成されることにより大きな孔径を有する裏側層５１によって予混合気Ｍが整流され、予混合が促進される。さらに、小粒径の焼結金属粒子から形成されることにより小さな孔径を有する表側層５３を通過する際に、予混合気Ｍの流速が増大し、燃焼領域Ｒに高速の予混合気Ｍが噴射される。したがって、ＮＯｘの発生を抑制できるとともに、逆火を防止できる。

なお、本実施形態に係るバーナ装置１は、上述したボイラ装置やガスタービンのみならず、他の種類の動力装置にも適用することができる。

以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１バーナ装置
３予混合通路
７バーナヘッド
１１外周燃料供給通路（燃料ガス供給通路）
１３外周燃料供給管（燃料ガス供給管）
１９中心燃料供給通路（燃料ガス供給通路）
２１外周燃料供給管（燃料ガス供給管）
２５燃料供給通路（燃料ガス供給通路）
５１裏側層
５３表側層
Ａ空気（助燃ガス）
Ｆ燃料（燃料ガス）
Ｍ混合気
Ｒ燃焼領域

Claims

燃料ガスと助燃ガスとの予混合気を燃焼領域に供給するバーナ装置であって、
燃料ガスと助燃ガスとを予混合する予混合通路と、
前記予混合通路からの予混合気を通過させて燃焼領域に噴射する、焼結金属からなる多孔質のバーナヘッドと、
を備え、
前記バーナヘッドが、
前記予混合通路に面する裏側層であって、粒径が大きい焼結金属からなる裏側層と、
前記燃焼領域に面する表側層であって、前記裏側層よりも粒径が小さい焼結金属からなる表側層と、
を有し、かつ、
当該バーナ装置の周壁を形成しており、
前記周壁内に、前記予混合通路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路を形成する燃料ガス供給管の少なくとも一部が配設されている、
バーナ装置。
請求項１に記載のバーナ装置において、前記周壁が円筒状であり、前記燃料ガス供給管が、前記バーナヘッドの内部に配設された複数の外周燃料ガス供給管を含み、前記複数の外周燃料ガス供給管が、当該バーナ装置の軸心方向に平行に延び、かつ前記バーナヘッドの周方向に等間隔で配置されているバーナ装置。
請求項２に記載のバーナ装置において、
各外周燃料ガス供給管が、前記バーナヘッドの、予混合気の流れ方向における上流側に燃料ガス入口を有し、
前記燃料ガス供給管が、さらに、当該バーナ装置の軸心上に設けられて、前記複数の外周燃料ガス供給管に前記バーナヘッドの、予混合気の流れ方向における下流端部で連通し、前記バーナヘッドの前記上流側に前記予混合通路への燃料ガス出口を有する中心燃料ガス供給管を含む、
バーナ装置。