JP7262521B2 - ガスバーナ、及び燃焼設備 - Google Patents

Description

本開示は、ガスバーナ、及び燃焼設備に関する。

例えば、特許文献１には、水素ガスを燃料として用いるガスバーナが開示されている。この特許文献１には、燃料の燃焼によるＮＯｘ（窒素酸化物）の発生を抑制するために、水素ガスと酸素ガスとを流速が同程度となるように旋回させて、水素ガスと酸素ガスとの混合を抑制する技術が開示されている。

特開２０１９－０４５０８３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ＮＯｘの発生を十分に抑制することができない虞がある。本開示は、上述の課題に鑑みてなされたものであって、ＮＯｘの発生を十分に抑制することができるガスバーナ、及びこのガスバーナを備える燃焼設備を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示に係るガスバーナは、水素を含むガス燃料が流通するノズルと、前記ノズルから噴出する前記ガス燃料に混合させる一次空気が流通する一次空気流路を含む一次空気流路部と、を備え、前記ノズルから噴出する前記ガス燃料に対する前記一次空気の空気比をｍ１とすると、ｍ１≦０．７を満たす。

本開示のガスバーナによれば、ＮＯｘの発生を十分に抑制することができる。

一実施形態に係るガスバーナを備える燃焼設備の構成を概略的に示す図である。 一実施形態に係るガスバーナの構成を概略的に示す図である。 空気比とガス燃料の燃焼速度との関係を示すグラフである。

以下、本開示の実施の形態によるガスバーナについて、図面に基づいて説明する。かかる実施の形態は、本開示の一態様を示すものであり、この開示を限定するものではなく、本開示の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。

（燃焼設備の構成）
図１は、一実施形態に係るガスバーナ１を備える燃焼設備１００の構成を概略的に示す図である。図１に例示するように、燃焼設備１００は、火炉１０２と、火炉１０２内にガス燃料Ｆを噴出するガスバーナ１と、ガス燃料供給装置１０４と、空気供給装置１０６と、を備える。このような燃焼設備１００は、例えば、ボイラであって、火炉１０２内に噴出されたガス燃料Ｆを燃焼することで高温の燃焼ガスＧを生成し、この高温の燃焼ガスＧから熱を回収することで蒸気を生成する。尚、燃焼ガスＧの熱は、火炉１０２内に設けられる熱交換器によって回収されてもよいし、火炉１０２外に設けられる熱交換器によって回収されてもよい。

図１に例示する形態では、ガスバーナ１は、ガス燃料Ｆと一次空気Ａ１とを混合した混合気Ｆａを火炉１０２内に噴出することで、火炎Ｘを形成してガス燃料Ｆを燃焼している。尚、別の実施形態では、ガスバーナ１は、火炉１０２内において混合気Ｆａが生成されるように、ガス燃料Ｆ及び一次空気Ａ１のそれぞれを火炉１０２内に噴出する。

ガス燃料Ｆは、水素を含んでいる。ガス燃料供給装置１０４は、水素を含むガス燃料Ｆをガスバーナ１に供給する。このようなガス燃料供給装置１０４は、例えば、水素ガスが貯蔵されている水素ガスタンクを含み、水素ガスタンクとガスバーナとを接続する配管を介して、水素ガスをガスバーナ１に供給する。

空気供給装置１０６は、例えば、空気を送付する送風機（ＦＤＦ）を含み、ガスバーナ１に一次空気Ａ１を供給する。図１に例示する形態では、空気供給装置１０６は、ガスバーナ１に一次空気Ａ１を供給するとともに、火炉１０２内に二次空気Ａ２を供給可能であるように構成されている。二次空気Ａ２の供給口（アフターエアポート）は、火炉１０２内を流通する燃焼ガスＧの流通方向において、火炎Ｘが形成される火炎位置より後流に位置するように、火炉１０２の壁面に形成される。つまり、燃焼設備１００は、燃焼ガスＧと二次空気Ａ２とを混合することで、燃焼ガスＧに含まれる未燃のガス燃料Ｆを燃焼可能であるように構成されている。尚、火炎位置は、ガス燃料Ｆに含まれる成分や火炉１０２内に噴出される混合気Ｆａの噴出圧などによって変化するが、予め推定可能である。

（ガスバーナの構成）
一実施形態に係るガスバーナ１の構成について説明する。図２は、一実施形態に係るガスバーナ１の構成を概略的に示す図である。一実施形態では、図２に例示するように、ガスバーナ１は、ノズル２と、一次空気流路部４と、を備える。図２に例示する形態では、ガスバーナ１は、火炉１０２の炉壁を開口するバーナスロート部１０８に設けられている。バーナスロート部１０８は、例えば、耐火材によって形成されている。

ノズル２は、円筒形状を有しており、ガス燃料供給装置１０４から供給されるガス燃料Ｆが流通するガス燃料流路６を含む。ノズル２の先端２ａは、ノズル２の軸線Ｃが延びる軸方向Ｄ１の火炉１０２側に位置し、ガス燃料流路６の出口１０を形成している。

一次空気流路部４は、空気供給装置１０６から供給される一次空気Ａ１が流通する一次空気流路８を含む。一次空気流路部４（スリーブ）は、円筒形状を有しており、ノズル２の軸方向Ｄ１に沿って延びている。一次空気流路部４の内径はノズル２の外径より大きく、ノズル２が一次空気流路部４内に配置されている。一次空気流路部４は、一次空気流路部４の内壁面とノズル２の外壁面との間に、一次空気流路８を含む。言い換えると、一次空気流路８は、ノズル２の外周に形成されている。一次空気流路部４は、一次空気流路８の出口１２がバーナスロート部１０８の開口１１０と面するように、ノズル２の軸方向Ｄ１の火炉１０２側の一端４ａがバーナスロート部１０８に接続している。

ガスバーナ１は、ノズル２から噴出するガス燃料Ｆに一次空気Ａ１を混合させるように構成されている。図２に例示する形態では、ガスバーナ１は、ガス燃料Ｆと一次空気Ａ１とを混合する混合空間１４を含む。この混合空間１４は、ノズル２の軸方向Ｄ１において、ノズル２の先端２ａが一次空気流路部４の一端４ａよりも火炉１０２側とは反対側に位置することで形成されている。つまり、ガス燃料流路６の出口１０は、混合空間１４に開口している。ガス燃料流路６の出口１０から流出したガス燃料Ｆは、混合空間１４で一次空気Ａ１と混合された後に、バーナスロート部１０８の開口１１０を通って火炉１０２内に噴出される。

一実施形態に係るガスバーナ１は、ノズル２から噴出するガス燃料Ｆに対する一次空気Ａ１の空気比をｍ１とすると、ｍ１≦０．７を満たす。空気比とはガス燃料Ｆを完全燃焼するのに必要な空気量を１としたときの空気量の比率をいう。一実施形態では、燃焼設備１００は、火炉１０２内に供給される二次空気Ａ２の空気比をｍ２とすると、１≦ｍ１＋ｍ２≦１．５を満たし、例えば、ｍ１＋ｍ２＝１．２である。つまり、燃焼設備１００は、ガス燃料Ｆを完全燃焼するように構成されている。

（作用・効果）
一実施形態に係るガスバーナ１の作用・効果について説明する。一般的に、燃料（例えば、水素、プロパン、メタンなど）の燃焼による燃焼温度は、燃料に対する空気比がおよそ１（理論空気量）の場合に最も高温となる。そして、空気比を１より低減すると、燃焼可能な燃料の量が減少するので、燃焼温度が低減し、ＮＯｘの発生を抑制する。一実施形態によれば、ｍ１≦０．７を満たすので、ガス燃料Ｆの燃焼による燃焼温度を低減させ、ＮＯｘの発生を十分に抑制することができる。

都市ガスやＬＰＧ等をガス燃料として用いる従来からのガスバーナは、ガス燃料に混合させる一次空気の空気比が０．９以上に設計されていることが多い。これに対して、一実施形態によれば、ガスバーナ１は、ｍ１≦０．７を満たすので、従来からのガスバーナと比較して、一次空気Ａ１が流通する一次空気流路８のサイズを小さくすることができる。よって、ガスバーナ１のコンパクト化を図ることができる。

ところで、燃料に対する空気比を１より小さくすることで、ＮＯｘの発生を抑制できるが、燃料の燃焼速度（着火性・燃焼性）が悪化する場合がある。図３は、空気比とガス燃料Ｆの燃焼速度との関係を示すグラフであって、横軸が空気比を表し、縦軸が燃焼速度を表している。図３において、Ｌ１は水素を含むガス燃料Ｆの燃焼速度を表し、Ｌ２はプロパンを含むガス燃料の燃焼速度を表し、Ｌ３はメタンを含むガス燃料の燃焼速度を表している。Ｌ４、Ｌ５、及びＬ６のそれぞれは、水素と一酸化炭素とを含むガス燃料Ｆの燃焼速度を表している。Ｌ７は、一酸化炭素を含むガス燃料の燃焼速度を表している。Ｌ１～Ｌ７のそれぞれは、燃焼が発生する空気比から空気比が大きくなるにつれて大きくなり、各成分に応じた空気比で最大値に達する。そして、Ｌ１～Ｌ７のそれぞれは、最大の燃焼速度となる空気比から空気比がさらに大きくなるにつれて小さくなる。

図３に示すように、メタン（Ｌ２）やプロパン（Ｌ３）は、空気比の範囲が０．６～２程度で０を超える燃焼速度となっている。つまり、メタンやプロパンが燃焼するためには、０．６～２程度の空気比を有する一次空気を供給する必要がある。メタンやプロパンは、空気比が１より小さくなるにつれて燃焼速度が低減している。つまり、メタンやプロパンは、空気比を１より小さくすると着火性・燃焼性が悪化する。さらに、メタンやプロパンは、炭素成分を含むので、燃焼性の悪化により、一酸化炭素や煤が発生する虞がある。

一方で、水素（Ｌ１）は、空気比の範囲が０．２～２程度で０を超える燃焼速度となり、空気比が０．６の場合に最大の燃焼速度を有する。そして、水素は、空気比が０．６より小さくなるにつれて燃焼速度が低減している。水素はメタンやプロパンと比較して燃焼速度が非常に大きく、水素の燃焼速度は、空気比が１より小さい場合であっても、空気比が１である場合のメタンやプロパンの燃焼速度より大きい。つまり、水素は、メタンやプロパンと比較して、低空気比条件下での着火性・燃焼性に優れている。尚、水素は、炭素成分を含まないので、燃焼しても一酸化炭素や煤を発生させない点でも優れている。

一実施形態によれば、ガス燃料Ｆは水素を含むので、ｍ１≦０．７（低空気比条件下）を満たしたとしても、火炉１０２内でのガス燃料Ｆの燃焼が可能である程度に、ガス燃料Ｆの着火性・燃焼性を確保することができる。

幾つかの実施形態では、ガスバーナ１は、ｍ１≧０．２を満たす。図３に示すように、水素は、空気比が０．２未満であると燃焼速度が非常に小さくなり、燃焼しなくなる虞がある。このため、ｍ１≧０．２を満たすことで、水素の燃焼が可能な一次空気Ａ１の空気比ｍ１を確保し、水素を含むガス燃料Ｆの燃焼を促進させることができる。

幾つかの実施形態では、ガスバーナ１は、０．５５≦ｍ１≦０．６５を満たす。図３に示すように、水素は、空気比が０．６であると燃焼速度が最大値となる。このため、０．５５≦ｍ１≦０．６５を満たすことで、水素を含むガス燃料Ｆの着火性・燃焼性の向上を図ることができる。

幾つかの実施形態では、ガス燃料Ｆは、一酸化炭素をさらに含む。そして、ガス燃料Ｆに対する水素の割合が５体積％以上である。ここで、図３に示されるＬ４、Ｌ５、及びＬ６のそれぞれについて説明する。Ｌ４は、ガス燃料Ｆに対する一酸化炭素の割合が９５体積％であり、且つ、水素の割合が５体積％である。Ｌ５は、ガス燃料Ｆに対する一酸化炭素の割合が７５体積％であり、且つ、水素の割合が２５体積％である。Ｌ６は、ガス燃料Ｆに対する一酸化炭素の割合が５０体積％であり、且つ、水素の割合が５０体積％である。

一酸化炭素は、メタンやプロパンと比較して着火性・燃焼性が低いことが知られている（図３のＬ２、Ｌ３、及びＬ７を参照）。しかしながら、図３に示すように、ガス燃料Ｆが一酸化炭素を含んでいたとしても、このガス燃料Ｆに対する水素の割合が５体積％以上であれば、メタンやプロパンを含むガス燃料と比較して、燃焼速度を大きくすることができる。さらに、一酸化炭素と水素とを含むガス燃料Ｆは、空気比ｍ１が１より小さい場合に最大の燃焼速度を有する。より具体的には、一酸化炭素と水素とを含むガス燃料Ｆは、水素を含むガス燃料Ｆと比較して、低い空気比で最大の燃焼速度となる。つまり、一酸化炭素と水素とを含むガス燃料Ｆは、空気比ｍ１が０．７以下であっても、火炉１０２内での燃焼が可能である程度の着火性・燃焼性を有する。このため、ガスバーナ１を一酸化炭素の燃焼に適用することができる。

幾つかの実施形態では、ガス燃料Ｆの主成分は一酸化炭素である。ガス燃料Ｆの主成分とは、ガス燃料Ｆに含まれる全ての成分のうち最も高い含有率を有する成分である。ガス燃料Ｆは、一酸化炭素と水素以外の成分を含んでいてもよいが、一酸化炭素の含有率は一酸化炭素以外の成分の含有率よりも高い。このような構成によれば、ガスバーナ１で燃焼する一酸化炭素の量を増大することができる。

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

［１］本開示に係るガスバーナ（１）は、水素を含むガス燃料（Ｆ）が流通するノズル（２）と、前記ノズルから噴出する前記ガス燃料に混合させる一次空気（Ａ１）が流通する一次空気流路（８）を含む一次空気流路部（４）と、を備え、前記ノズルから噴出する前記ガス燃料に対する前記一次空気の空気比をｍ１とすると、ｍ１≦０．７を満たす。

一般的に、燃料（例えば、水素、プロパン、メタンなど）の燃焼による燃焼温度は、燃料に対する空気比がおよそ１（理論空気量）の場合に最も高温となる。そして、空気比を１より低減すると、燃焼可能な燃料の量が減少するので、燃焼温度が低減し、ＮＯｘの発生を抑制する。一実施形態によれば、ｍ１≦０．７を満たすので、ガス燃料Ｆの燃焼による燃焼温度を低減させ、ＮＯｘの発生を十分に抑制することができる。

図３に示すように、水素（Ｌ１）は、空気比が１より小さい場合であっても、空気比が１である場合のメタンやプロパンの燃焼速度より大きい。このため、上記［１］に記載の構成によれば、ガス燃料は水素を含むので、ｍ１≦０．７（低空気比条件下）を満たしたとしても、ガス燃料の燃焼が可能である程度に、ガス燃料の着火性・燃焼性を確保することができる。

都市ガスやＬＰＧ等をガス燃料として用いる従来からのガスバーナは、ガス燃料に混合させる一次空気の空気比が０．９以上に設計されていることが多い。これに対して、上記［１］に記載の構成によれば、ｍ１≦０．７を満たすので、従来からのガスバーナと比較して、一次空気が流通する一次空気流路のサイズを小さくすることができる。よって、ガスバーナのコンパクト化を図ることができる。

［２］幾つかの実施形態では、上記［１］に記載の構成において、ｍ１≧０．２を満たす。

図３に示すように、水素は、空気比が０．２未満であると燃焼速度が非常に小さくなり、燃焼しなくなる虞がある。上記［２］に記載の構成によれば、ｍ１≧０．２を満たすので、水素の燃焼が可能な一次空気の空気比を確保し、水素を含むガス燃料の燃焼を促進させることができる。

［３］幾つかの実施形態では、上記［１］又は［２］に記載の構成において、前記ガス燃料は、一酸化炭素をさらに含み、前記ガス燃料に対する前記水素の割合が５体積％以上である。

一酸化炭素は、メタンやプロパンと比較して着火性・燃焼性が低いことが知られている（図３のＬ２、Ｌ３、及びＬ７を参照）。しかしながら、図３に示すように、一酸化炭素と水素とを含むガス燃料は、このガス燃料Ｆに対する水素の割合が５体積％以上であれば、空気比ｍ１が０．７以下であっても、燃焼が可能である程度の燃焼速度（着火性・燃焼性）を有する。このため、上記［３］に記載の構成によれば、ガスバーナ１を一酸化炭素の燃焼に適用することができる。

［４］幾つかの実施形態では、上記［３］に記載の構成において、前記ガス燃料の主成分は一酸化炭素である。

上記［４］に記載の構成によれば、ガスバーナで燃焼する一酸化炭素の量を増大することができる。

［５］本開示に係る燃焼設備（１００）は、火炉（１０２）と、前記火炉内にガス燃料を噴出する上記［１］から［４］の何れか１つに記載のガスバーナと、を備える。

上記［５］に記載の構成によれば、ガスバーナによってＮＯｘの発生を抑制することができる。このため、燃焼設備から排出されるＮＯｘの量を抑制することができる。

１ ガスバーナ
２ ノズル
４ 一次空気流路部
８ 一次空気流路
１００ 燃焼設備
１０２ 火炉

Ａ１ 一次空気
Ｆ ガス燃料
ｍ１ 空気比

Claims (4)

1. 火炉の炉壁を開口するバーナスロート部に設けられるガスバーナであって、
   水素を含むガス燃料が流通するノズルと、
   前記バーナスロート部内を通って前記火炉内に供給され前記ノズルから噴出する前記ガス燃料に混合させる燃焼用空気が流通する燃焼用空気流路を含む燃焼用空気流路部と、を備え、
   前記ガス燃料に対する前記水素の割合が５体積％以上であり、
   前記ガス燃料は、一酸化炭素をさらに含み、
   前記ノズルから噴出する前記ガス燃料に対する前記燃焼用空気の空気比をｍ１とすると、
   ０．２≦ｍ１≦０．７を満たす、
   ガスバーナ。
2. 前記ガス燃料の主成分は一酸化炭素である、
   請求項１に記載のガスバーナ。
3. 火炉と、
   前記火炉内にガス燃料を噴出する請求項１又は２に記載のガスバーナと、を備える、
   燃焼設備。
4. 火炉と、
   前記火炉内にガス燃料を噴出する請求項１又は２に記載のガスバーナと、を備え、
   前記火炉の壁面には、前記燃焼用空気とは別の後燃焼用空気を供給するための供給口が形成されており、
   前記供給口は、前記ガス燃料の燃焼によって生成され前記火炉内を流通する燃焼ガスの流通方向において、火炎が形成される火炎位置より後流に位置し、
   前記ノズルから噴出する前記ガス燃料に対する前記後燃焼用空気の空気比をｍ２とすると、
   １≦ｍ１＋ｍ２≦１．５を満たす、
   燃焼設備。

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