JP7064474B2

JP7064474B2 - 混焼バーナー

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Publication number: JP7064474B2
Application number: JP2019144368A
Authority: JP
Inventors: 脩平田口
Original assignee: Chugai Ro Co Ltd
Current assignee: Chugai Ro Co Ltd
Priority date: 2019-08-06
Filing date: 2019-08-06
Publication date: 2022-05-10
Anticipated expiration: 2039-08-06
Also published as: JP2021025713A

Description

本発明は、燃料として水素と都市ガスとを用い、ＮＯｘの発生や失火を抑えることが可能であり、かつ、水素の量と都市ガスの量とを調節（水素と都市ガスの割合の調節）することが可能な混焼バーナーに関する。

燃焼排ガスにおいて二酸化炭素を排出しないバーナーとしては、水素を燃料としたバーナーが理想とされているが、水素は高価であるため、現状では水素にメタンを主成分とした都市ガスを混合させて燃焼させる混焼バーナーが望まれている。混焼バーナーとしては、例えば、特許文献１が知られている。

特許文献１の「バーナ、燃焼器、及びガスタービン」は、炭化水素系の第１燃料（例えば、天然ガス）、第２燃料（例えば、水素ガス）、及び燃焼用空気を予め混合し、希薄で且つ均一な濃度分布の予混合気を燃焼器の燃焼室に噴射することができると共に、ＮＯｘの排出量を抑制できるバーナ、そのバーナを具備する燃焼器、及びガスタービンを提供する。予混合流路の上流側において外筒の外縁から中心に向けて流れる燃焼用空気の流れの中に、予混合流路内に突出する各第２燃料噴射ノズルから水素ガスを噴射することで、燃焼用空気の低速域の影響がなく濃度分布の均一な１次混合気が生成される。その後、１次混合気に第１燃料噴射ノズルから天然ガスを噴射することで、比重の大きい天然ガスと１次混合気が十分に撹拌混合されて希薄で且つ１次混合気よりも濃度分布が均一な２次混合気（予混合気）が生成される。このような予混合気を燃焼室内で燃焼させることで、燃焼排ガス中のＮＯｘを抑制できるように構成されている。このように特許文献１では、上流側から予混合流路に導入した燃焼用空気と、炭化水素系の第１燃料及び水素ガス等の第２燃料とを予混合流路内で混合して予混合気を生成し、この予混合気を下流側から燃焼室に噴射して燃焼させるバーナーを開示している。

国際公開第２０１６／１０４７２５号

上記背景技術のバーナーのように、メタンを主成分とした都市ガスと、水素と、燃焼用空気とを単純に混合して燃焼すると、水素の量と都市ガスの量との割合によって、失火する、あるいはＮＯｘが増大する。

具体的には、水素の量の割合が大きい場合にはＮＯｘが増大し、都市ガスの量の割合が大きい場合には失火するという課題がある。

その反面、操業の状態に応じて、水素の量と都市ガスの量とを調節することも求められている。

本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、燃料として水素と都市ガスとを用い、ＮＯｘの発生や失火を抑えることが可能であり、かつ、水素の量と都市ガスの量とを調節（水素と都市ガスの割合の調節）することが可能な混焼バーナーを提供することを目的とする。

本発明にかかる混焼バーナーは、燃焼用空気が供給されるバーナー本体管内に、水素を供給する水素ノズルと都市ガスを供給する都市ガスノズルとが設けられ、上記水素ノズル及び上記都市ガスノズルは、各々、先端に設けられた前方噴出孔と、当該先端側の側部に設けられ、該前方噴出孔と異なる開口面積の側方噴出孔とを備え、開孔総面積を１００％としたときに、上記水素ノズルの開孔面積比は、上記前方噴出孔の開孔面積が８０％～９０％であり、側方噴出孔の開孔面積が１０％～２０％であり、都市ガスノズルの開孔面積比は、前方噴出孔の開孔面積が０～２０％であり、側方噴出孔の開孔面積が８０％～１００％であることを特徴とする。

前記水素ノズルと前記都市ガスノズルとは、前記バーナー本体管内に当該バーナー本体管と平行に配置されていることを特徴とする。

前記水素ノズルと前記都市ガスノズルとは、前記バーナー本体管内に当該バーナー本体管と同軸に配置されていることを特徴とする。

前記水素ノズル及び前記都市ガスノズルの前記側方噴出孔は各々、周方向において互い間隔を隔てて複数設けられ、上記水素ノズルと上記都市ガスノズルのうち、中央に配置されている内側ノズルの前記側方噴出孔と、該水素ノズルと該都市ガスノズルのうち、外側に配置されている外側ノズルの前記側方噴出孔とは、周方向における位相が相違していることを特徴とする。

前記外側ノズルは、前記前方噴出孔を備える先端ノズル部と、前記内側ノズルの外周面から間隔を隔てて配置される内周面を有する筒状のノズル本体部とを有し、上記先端ノズル部と上記ノズル本体部のうちの一方は、上記内側ノズルと相対移動不能に設けられ、上記先端ノズル部と上記ノズル本体部のうちの他方は、上記内側ノズルの外周面に螺合され、上記一方との間に該ノズル本体部内と連通するスリットを形成し、螺合された上記他方が回転して移動されることにより上記スリットの開口面積が変化されることを特徴とする。

本発明にかかる混焼バーナーにあっては、燃料として水素と都市ガスとを用い、ＮＯｘの発生や失火を抑えることができ、かつ、水素の量と都市ガスの量とを調節（水素と都市ガスの割合の調節）することできる。

本発明に係る混焼バーナーの第１実施形態を示す概略側断面図である。本発明に係る混焼バーナーの第２実施形態を示す概略側断面図である。図２中、Ａ－Ａ線矢視断面図である。図２に示した第２実施形態に係る混焼バーナーの変形例を説明する要部拡大断面図である。図２に示した第２実施形態に係る混焼バーナーの他の変形例を説明する要部拡大断面図である。

以下に、本発明にかかる混焼バーナーの好適な実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。図１には、第１実施形態に係る混焼バーナー１が示されている。

第１実施形態に係る混焼バーナー１は、燃焼用空気が供給される中空筒状のバーナー本体管２と、バーナー本体管２内に配置され、水素を供給する管状の水素ノズル３及び都市ガスを供給する管状の都市ガスノズル４とを備えている。

バーナー本体管２には、燃焼用空気の供給量を単独で調節可能な空気バルブ２ａを有する空気供給管２ｂが接続されている。

水素ノズル３には、水素の供給量を単独で調節可能な水素バルブ３ａを有する水素供給管３ｂが接続されている。都市ガスノズル４には、都市ガスの供給量を単独で調節可能な都市ガスバルブ４ａを有する都市ガス供給管４ｂが接続されている。

ここで、都市ガスとは、メタンを主成分とする天然ガスである。以下の説明においては、混焼バーナー１の火口１ａ側を、混焼バーナー１の先端側として説明する。

水素ノズル３及び都市ガスノズル４は、バーナー本体管２内に、当該バーナー本体管２と平行に配置される。

水素ノズル３及び都市ガスノズル４は、バーナー本体管２の断面において、当該バーナー本体管２の中心位置を挟むように、互いに間隔を隔てて配置されている。

水素ノズル３及び都市ガスノズル４には各々、前方噴出部として、先端壁部３ｄ，４ｄに、これらノズル３，４の内径よりも小さな直径の前方噴出孔３ｃ，４ｃが設けられている。

水素ノズル３及び都市ガスノズル４には各々、側方噴出部として、先端側の周面部３ｅ，４ｅに、側方噴出孔３ｆ，４ｆが複数設けられている。

複数の側方噴出孔３ｆ，４ｆは、例えば、水素ノズル３及び都市ガスノズル４の周方向に沿って、等間隔に４つ設けられている。すなわち、側方噴出孔３ｆ，４ｆは、周方向に９０°間隔で配置されている。

前方噴出孔３ｃ，４ｃと側方噴出孔３ｆ，４ｆとは、開孔面積を異ならせている。そして、水素ノズル３からの水素と都市ガスノズル４からの都市ガスは、混合されることなく、言い換えれば混合気とされることなく、図示しないスパークプラグで着火されて、個別に火炎を生成する。すなわち、混焼バーナー１の火口１ａからは、個別に生成された、燃焼用空気と水素の燃焼反応による火炎及び燃焼用空気と都市ガスの燃焼反応による火炎の双方が噴出される。

本願発明者らは、バーナー本体管２に配置した水素ノズル３または都市ガスノズル４を用いた予備実験により、前方噴出孔３ｃ，４ｃと側方噴出孔３ｆ，４ｆの開孔面積の割合を異ならせることで、燃焼時に発生するＮＯｘの量が相違することを予め確認している。

そして、水素ノズル３の場合、燃焼時のＮＯｘの発生量をより抑えることが可能な開孔面積比は、開孔総面積を１００％としたときに、前方噴出孔３ｃの開孔面積が８０％～９０％であり、側方噴出孔３ｆの開孔面積が１０％～２０％であることを確認している。

また、都市ガスノズル４の場合には、燃焼時のＮＯｘの発生量をより抑えることが可能な開孔面積比は、前方噴出孔４ｃの開孔面積が０～２０％であり、側方噴出孔４ｆの開孔面積が８０％～１００％であることを確認している。

このため、例えば、水素ノズル３では、前方噴出孔３ｃの開孔面積が、開孔総面積の８０％に設定され、４つの側方噴出孔３ｆの開孔面積の総和が、開孔総面積の２０％に設定されている。都市ガスノズル４では、前方噴出孔４ｃの開孔面積が、開孔総面積の２０％に設定され、４つの側方噴出孔４ｆの開孔面積の総和が、開孔総面積の８０％に設定されている。

第１実施形態の混焼バーナー１によれば、燃焼用空気が供給されるバーナー本体管２内に、水素を供給する水素ノズル３と都市ガスを供給する都市ガスノズル４とが別個に設けられ、水素と都市ガスとは混合されることなく、個別に燃焼に供されるようになっていて、水素ノズル３に接続された水素供給管３ｂの水素バルブ３ａ及び都市ガスノズル４に接続された都市ガス供給管４ｂの都市ガスバルブ４ａを調節することにより、バーナー本体管２内に供給する水素の量と都市ガスの量の割合は、容易に調節することができる。

水素ノズル３及び都市ガスノズル４は各々、前方噴出孔３ｃ，４ｃと、当該前方噴出孔３ｃ，４ｃと異なる開孔面積の側方噴出孔３ｆ，４ｆとを有しているので、前述のようなＮＯｘの発生を抑えつつ水素及び都市ガスを燃焼させることが可能な開孔面積に、前方噴出孔３ｃ，４ｃと側方噴出孔３ｆ，４ｆを設定することにより、燃焼時のＮＯｘの発生や失火を抑えることができる。

このため、燃料として、水素と都市ガスとを用い、ＮＯｘの発生や失火を抑え、かつ、水素の量と都市ガスの量とを調節（水素と都市ガスの割合の調節）可能な混焼バーナー１を構成することができる。

水素ノズル３と都市ガスノズル４とを、バーナー本体管２内に、当該バーナー本体管２と平行に配置することにより、簡単な構造で、ＮＯｘの発生や失火を抑え、かつ、水素の量と都市ガスの量とを調節（水素と都市ガスの割合の調節）可能な混焼バーナー１を提供することができる。このため、製造が極めて容易であり、低コストで製造することができる。

図２及び図３には、第２実施形態に係る混焼バーナー１０が示されている。第２実施形態の混焼バーナー１０は、水素ノズル３と都市ガスノズル４０とが、バーナー本体管２内に同軸で設けられている。第１実施形態と同一構成については、図中で同一符号を付して示し、その説明は省略する。

第２実施形態の混焼バーナー１０は、中空筒状のバーナー本体管２内で、水素ノズル３がバーナー本体管２の中心に位置し、水素ノズル３の外側に、当該水素ノズル３を包囲するように都市ガスノズル４０が設けられている。

都市ガスノズル４０には、第１実施形態と同様に、都市ガスの供給量を単独で調節可能な都市ガスバルブ４０ａを有する都市ガス供給管４０ｂが接続されている。

本実施形態においては、水素ノズル３と都市ガスノズル４０のうち、中央に配置されている水素ノズル３が内側ノズルに相当し、水素ノズル３と都市ガスノズル４のうち、外側に配置されている都市ガスノズル４０が外側ノズルに相当する。

水素ノズル３は、都市ガスノズル４０の先端壁部４０ｄより、火口１０ａとなるバーナー本体管２の先端側に突出している。従って、都市ガスノズル４０の先端壁部４０ｄは、水素ノズル３の外側に位置されている。

水素ノズル３では、先端壁部３ｄの前方噴出孔３ｃの開孔面積が、開孔総面積の８０％に設定され、都市ガスノズル４０の先端壁部４０ｄよりも突出する部位の側部である周面の４つの側方噴出孔３ｆの開孔面積の総和は、開孔総面積の２０％に設定されている。４つの側方噴出孔３ｆは、水素ノズル３の周方向に沿って等間隔で設けられている。

都市ガスノズル４０の先端壁部４０ｄには、４つの前方噴出孔４０ｃが周方向に沿って等間隔に設けられ、都市ガスノズル４０の周面には、４つの側方噴出孔４０ｆが周方向に沿って等間隔に設けられている。

都市ガスノズル４０では、４つの前方噴出孔４０ｃの開孔面積の総和が、開孔総面積の２０％に設定され、４つ側方噴出孔４０ｆの開孔面積の総和が、開孔総面積の８０％に設定されている。

第２実施形態の混焼バーナー１０では、水素ノズル３の４つの側方噴出孔３ｆと、都市ガスノズル４０の４つの前方噴出孔４０ｃとは、各々周方向における位置が、互いに異なるように配置されている。

たとえば、図３に示すように、水素ノズル３の４つの側方噴出孔３ｆは、９０°間隔で、上下方向及び上下方向と直交する左右方向に水素ガスを噴出するように配置され、都市ガスノズル４０の４つの前方噴出孔４０ｃは、水素ノズル３の４つの側方噴出孔３ｆに対して周方向に４５°ずらした位置から都市ガスを噴出するように配置されている。

すなわち、水素ノズル３の４つの側方噴出孔３ｆと都市ガスノズル４０の４つの前方噴出孔４０ｃとは、混焼バーナー１０の周方向で位相が相違している。

また、第２実施形態の混焼バーナー１０では、バーナー本体管２と都市ガスノズル４０との間に、スパークプラグ５が設けられている。スパークプラグ５は、都市ガスノズル４０の４つの側方噴出孔４０ｆのうち、いずれかの側方噴出孔４０ｆ近傍に配置されている。

第２実施形態の混焼バーナー１０によれば、第１実施形態と同様に、水素と都市ガスとを各々別々に燃焼させることとし、水素バルブ３ａ及び都市ガスバルブ４０ａを調節することでバーナー本体管２内に供給される水素の量及び都市ガスの量を容易に調節（水素と都市ガスの割合の調節）できると共に、燃焼時のＮＯｘの発生や失火を抑えることができる。

また、第２実施形態の混焼バーナー１０は、水素ノズル３と都市ガスノズル４０とがバーナー本体管２内に同軸で設けられているので、水素ノズル３及び都市ガスノズル４０のノズルレイアウトをコンパクト化でき、混焼バーナー１０のサイズを小さくすることができる。

水素ノズル３の４つの側方噴出孔３ｆと都市ガスノズル４０の４つの前方噴出孔４０ｃとは、混焼バーナー１０の周方向における位相が相違しているので、水素ノズル３と都市ガスノズル４０とを同軸に配置したとしても、水素と都市ガスとを、混合気とせずに、各々別々に燃焼させることができる。

第２実施形態においては、都市ガスノズル４０の側方噴出部として、４つの側方噴出孔４０ｆを備える例について説明したが、これに限るものではない。

例えば、都市ガスノズル４０の側方噴出部として、都市ガスノズル４０の周面に、全周に亘るスリットを形成するようにしてもよい。

具体的には、図４に示すように、同軸に配置する水素ノズル３の外周側に位置する外側ノズルをなす都市ガスノズル４０を、先端ノズル部としての先端壁部４２と、内側ノズルをなす水素ノズル３の外周面３ｇと間隔を隔てて配置される内周面４３ａを有する筒状のノズル本体部４３とから構成する。そして、これら先端壁部４２とノズル本体部４３とを、全周スリットによる側方噴出孔４０ｆが形成できるように分離可能に構成する。この場合には、側方噴出孔４０ｆの幅を変更できるように構成することができる。

詳細には、都市ガスノズル４０のノズル本体部４３は、バーナー本体管２及び水素ノズル３と同軸に配置された状態で、図２に示すようにバーナー本体管２及び水素ノズル３に対し固定して設けられている。

都市ガスノズル４０の先端壁部４２には、内周側に雌ねじ４２ａが形成され、水素ノズル３の外周面３ｇに形成された雄ねじ３ｈに螺合されている。

先端壁部４２は、回転されることにより、水素ノズル３の長さ方向に移動されるので、ノズル本体部４３との間隔が変化する。

これにより、先端壁部４２とノズル本体部４３との間にスリットが形成され、ノズル本体部４３内と連通する側方噴出孔４０ｆの幅が変化し、前方噴出孔４０ｃとの開孔面積の割合を変更することができる。

側方噴出孔４０ｆを構成するスリットの寸法の変更方法としては、図５に示すように、先端壁部４２を水素ノズル３の外周面３ｇに一体として設け、水素ノズル３を、水素ガス供給管３ｂ側で、ノズル本体部４３に設けた雌ねじ４３ｂに、水素ノズル３に設けた雄ねじ３ｈを螺合可能とし、水素ノズル３を回転することにより、ノズル本体部４３に対し、都市ガスノズル４０の先端壁部４２を設けた水素ノズル３を長さ方向に移動するようにしても良い。そのようにすれば、混焼バーナー１０を炉体（図示せず）に取り付けたときに、炉体の外部から水素ノズル３を長さ方向に移動することができる。

第２実施形態においては、水素ノズル３の外側に都市ガスノズル４０が設けられている例について説明したが、水素供給管３ｂ及び水素バルブ３ａと都市ガス供給管４ｂ，４０ｂ及び都市ガスバルブ４ａ，４０ａとの位置を入れ替えて、都市ガスの外側で水素を噴出させるようにしてもよい。

なお、水素は、都市ガスよりも着火性がよいので、スパークプラグ５から離れていても着火する。そこで、ノズル本体部４３の外側にスパークプラグ５を設ける場合には、着火性の劣る都市ガスがスパークプラグ５に近くなるように、都市ガスノズル４，４０を、水素ノズル３の外側に配置した方が、都市ガスも着火しやすくなり、好ましい。

上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはいうまでもない。

１，１０混焼バーナー
１ａ，１０ａ火口
２バーナー本体管
２ａ空気バルブ
２ｂ空気供給管
３水素ノズル
３ａ水素バルブ
３ｂ水素供給管
３ｃ前方噴出孔
３ｄ先端壁部
３ｅ周面部
３ｆ側方噴出孔
３ｇ外周面
３ｈ雄ねじ
４，４０都市ガスノズル
４ａ，４０ａ都市ガスバルブ
４ｂ，４０ｂ都市ガス供給管
４ｃ，４０ｃ前方噴出孔
４ｄ，４０ｄ，４２先端壁部
４ｅ周面部
４ｆ，４０ｆ側方噴出孔
５スパークプラグ
４２ａ，４３ｂ雌ねじ
４３ノズル本体部
４３ａ内周面
４３ｂ雌ねじ

Claims

燃焼用空気が供給されるバーナー本体管内に、水素を供給する水素ノズルと都市ガスを供給する都市ガスノズルとが設けられ、
上記水素ノズル及び上記都市ガスノズルは、各々、先端に設けられた前方噴出孔と、当該先端側の側部に設けられ、該前方噴出孔と異なる開口面積の側方噴出孔とを備え、
開孔総面積を１００％としたときに、上記水素ノズルの開孔面積比は、上記前方噴出孔の開孔面積が８０％～９０％であり、側方噴出孔の開孔面積が１０％～２０％であり、都市ガスノズルの開孔面積比は、前方噴出孔の開孔面積が０～２０％であり、側方噴出孔の開孔面積が８０％～１００％であることを特徴とする混焼バーナー。
前記水素ノズルと前記都市ガスノズルとは、前記バーナー本体管内に当該バーナー本体管と平行に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の混焼バーナー。
前記水素ノズルと前記都市ガスノズルとは、前記バーナー本体管内に当該バーナー本体管と同軸に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の混焼バーナー。
前記水素ノズル及び前記都市ガスノズルの前記側方噴出孔は各々、周方向において互い間隔を隔てて複数設けられ、
上記水素ノズルと上記都市ガスノズルのうち、中央に配置されている内側ノズルの前記側方噴出孔と、該水素ノズルと該都市ガスノズルのうち、外側に配置されている外側ノズルの前記側方噴出孔とは、周方向における位相が相違していることを特徴とする請求項３に記載の混焼バーナー。
前記外側ノズルは、前記前方噴出孔を備える先端ノズル部と、前記内側ノズルの外周面から間隔を隔てて配置される内周面を有する筒状のノズル本体部とを有し、
上記先端ノズル部と上記ノズル本体部のうちの一方は、上記内側ノズルと相対移動不能に設けられ、
上記先端ノズル部と上記ノズル本体部のうちの他方は、上記内側ノズルの外周面に螺合され、上記一方との間に該ノズル本体部内と連通するスリットを形成し、
螺合された上記他方が回転して移動されることにより上記スリットの開口面積が変化されることを特徴とする請求項４に記載の混焼バーナー。