JP7302273B2

JP7302273B2 - バーナ

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Publication number: JP7302273B2
Application number: JP2019091331A
Authority: JP
Inventors: 宏偉彭; 務佐々木
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2019-05-14
Filing date: 2019-05-14
Publication date: 2023-07-04
Anticipated expiration: 2039-05-14
Also published as: JP2020186851A

Description

本発明は、バーナに関するものである。

従来、燃料電池システムなどにおいて、改質器の触媒を加熱するために、燃料電池から排出されるオフガスを燃料として利用するバーナを用いることが知られている。
例えば特許文献１には、燃料電池システムにおいて、燃料として都市ガスやＬＰＧ（高カロリーガス）と、燃料電池から排出されるオフガス（低カロリーガス）とを混合させて利用する燃焼装置を用いることが開示されている。

特開２００１－２０１０１９号公報

特許文献１の燃焼装置は、ガス混合部において低カロリーガスと高カロリーガスとを混合して用いることを前提としている。そして、内側に低カロリーガス供給路、外側に高カロリーガス供給路を設けた二重管構造となっている。また、内側に高カロリーガス供給路、外側に低カロリーガス供給路を設けた二重管構造であっても実質的に差がないことも示されている。
すなわち、ガス混合部において低カロリーガスと高カロリーガスとを混合して用いることを前提としている特許文献１の燃焼装置は、保炎に影響を与える燃料ガスの噴出速度を如何にして最適化するのかについては検討がなされていない。
発熱量の低い低カロリーガスとしての水素ガスあるいは水素ガスを含むオフガスは、発熱量の高い高カロリーガスとしての都市ガスと比べて、単位体積あたりの発熱量が数分の１程度である。したがって、仮にオフガスが噴出する開口部面積と都市ガスが噴出する開口部面積が同じ場合、オフガスのみを使用して都市ガスと同じ燃焼量を得るためには、都市ガスの数倍の噴出速度が必要となる。そして、燃料ガスの噴出速度が極端に速くなると、安定燃焼範囲が狭くなり、燃焼性能も悪化してしまう。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、発熱量の高い第１ガス、発熱量の低い第２ガス、いずれの燃料ガスを用いても、広い安定燃焼範囲が得られるバーナを提供することにある。

本発明は、第１ガスが流通する第１ガス流通路を形成する第１ガス流通管と、前記第１ガス流通管を包囲し、前記第１ガス流通管の外周面との間に前記第１ガスよりも発熱量の低い第２ガスが流通する第２ガス流通路を形成する第２ガス流通管と、前記第２ガス流通管を包囲し、前記第２ガス流通管の外周面との間に燃焼用空気が流通する燃焼用空気流路を形成するバーナ外筒と、前記第１ガス流通路を流れる第１ガスを噴出する第１ガス噴出部と、前記第２ガス流通路を流れる第２ガスを噴出し、前記第１ガス噴出部の開口面積より大きな開口面積である第２ガス噴出部と、を備え、前記第１ガス噴出部は径方向外側に向けて前記第１ガスを噴出し、前記第１ガス噴出部の噴出速度と、前記第２ガス噴出部の噴出速度が、第１ガスと第２ガスの其々の最大燃焼量において１：１．３から１．３：１の範囲内になるように、前記第１ガス噴出部の開口面積と、前記第２ガス噴出部の開口面積が設定されている、バーナに関する。

また、基端部が前記第２ガス流通管と接続されると共に、先端部がガスの流れの下流側に向かって拡開する円錐台状の保炎器を備え、前記保炎器の円錐台状の周面には、前記燃焼用空気が流通する複数の貫通孔が形成されており、前記複数の貫通孔は、前記拡開方向に間隔をおいた多列で形成され、前記第１ガス噴出部は、前記多列に形成された複数の貫通孔のうち、最も基端側の第１列目の貫通孔の近傍に向けて、前記第１ガスを噴出することが好ましい。

また、基端部が前記第２ガス流通管と接続されると共に、先端部がガスの流れの下流側に向かって拡開する円錐台状の保炎器を備え、前記保炎器の円錐台状の周面には、前記燃焼用空気が流通する複数の貫通孔が形成されており、前記保炎器の複数の貫通孔により第１燃焼用空気噴出部が形成され、前記保炎器を包囲する前記バーナ外筒の内周面と、前記保炎器の先端部との間に形成される環状の隙間部により第２燃焼用空気噴出部が形成され、前記第１燃焼用空気噴出部の開口面積と、前記第２燃焼用空気噴出部の開口面積との面積比が、２：３から３：２の範囲内であることが好ましい。

また、前記保炎器の先端部から前記バーナ外筒の先端部までのバーナ軸方向距離は、前記バーナ外筒の内径の０．７倍～１．３倍の範囲内であることが好ましい。

また、前記バーナ外筒に包囲されている前記保炎器の先端部は、前記バーナ外筒の内周面と平行な面を有することが好ましい。

本発明によれば、発熱量の高い第１ガス、発熱量の低い第２ガス、いずれの燃料ガスを用いても、広い安定燃焼範囲が得られるバーナを提供することができる。

本発明の一実施形態のバーナを示す図である。上記実施形態のバーナの保炎器周辺を示す拡大図である。図２ＡのＥ矢視図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態に係るバーナ１について、図面を参照しながら説明する。
本実施形態のバーナ１は、都市ガスやプロパンガスなどの高カロリーガスと、苛性ソーダ製造の副生ガスとして発生する水素ガスあるいは、燃料電池システムや水素製造システムから排出されるオフガスなどの低カロリーガスとを、燃料ガスとして利用するバーナである。

例えば都市ガスやプロパンガスなどの炭化水素ガスを用い、これと水蒸気を改質器で反応させて、水素を主成分とする改質ガスを生成する水素製造技術が実用化されており、これを利用した水素製造装置や燃料電池システムが知られている。ここで、改質器における改質反応は触媒による吸熱反応であるため、この反応を進めるためには、熱源として燃焼装置を設ける必要がある。
このような燃焼装置のバーナでは、都市ガスやプロパンガスなどの高カロリーガスに加えて、水素ガスの製造装置および燃料電池システムで発生する低カロリーのオフガスが燃料ガスとして用いられる。
但し、改質器の運転開始時にはオフガスをバーナの燃料ガスとすることはできないため、この時は都市ガスやプロパンガス等の高カロリーガスが用いられる。その後、改質器が立ち上がり、オフガスが発生する状況となったところで、燃料ガスを高カロリーガスから低カロリーのオフガスに切り替える。また、第１ガスおよび第２ガスを同時に供給して燃焼させてもよい。
本実施形態のバーナ１は、燃料ガスとして、第１ガスとしての高カロリーガスに加えて、第２ガスとしての水素ガスあるいは水素ガスを含むオフガス（低カロリーガス）を用いることが可能なバーナである。

図１は、本実施形態に係るバーナ１を示す図である。図２Ａは、バーナ１の保炎器２２周辺を示す拡大図であり、図２Ｂは、図２ＡのＥ矢視図である。
図１に示すように、本実施形態のバーナ１は、基端ブロック５５に取り付けられている。基端ブロック５５の空気導入口５６には、送風機（図示省略）から燃焼用空気が送り込まれる。

図１、２Ａ、２Ｂに示すように、本実施形態のバーナ１は、第１ガス流通管１０と、第２ガス流通管２０と、保炎器２２と、バーナ外筒３０と、着火装置６０と、を備える。

第１ガス流通管１０は、第１ガス（高カロリーガス、図面におけるＧ１）が流通する第１ガス流通路Ｌ１を形成する管状部材であり、耐熱性の部材により形成されている。第１ガス流通管１０の先端部１２は封止されており、その先端部付近には、図２Ａ、２Ｂに示すように、第１ガスＧ１を径方向外側に向けて噴出する複数の第１ガス噴出孔１３が設けられている。本実施形態においては、６個の第１ガス噴出孔１３が設けられている。この複数の第１ガス噴出孔１３を総合したものが、第１ガス噴出部１３Ｔとなる。

第２ガス流通管２０は、第１ガス流通管１０を包囲し、第１ガス流通管１０の外周面との間に第１ガスよりも発熱量の低い第２ガス（低カロリーガス、図面におけるＧ２）が流通する第２ガス流通路Ｌ２を形成する管状部材であり、耐熱性の部材により形成されている。
第２ガス流通管２０の内周面と第１ガス流通管１０の外周面の間に形成された環状の隙間部からなる第２ガス流通路Ｌ２の出口部分（後述の保炎器２２の基端部付近）は、第２ガスＧ２を前方に向けて噴出する第２ガス噴出部２６を形成している。

保炎器２２は、第２ガス流通管の先端に接続されている。第２ガス流通管を構成する部分と保炎器２２を構成する部分は実質的に接続されていればよく、別部材を溶接等により接合してもよいし、一体の部材により形成してもよい。
保炎器２２の先端側は、第２ガスＧ２の流れの下流側（先端側）に向かって拡開する円錐台状となっている。

保炎器２２の円錐台状の周面には、燃焼用空気が流通する複数の貫通孔２４が形成されている。
複数の貫通孔２４は、拡開方向に間隔をおいた多列で構成されており、本実施形態においては、図２Ａ、図２Ｂに示すように３列で構成されている。具体的には、保炎器２２には、１列目の貫通孔２４Ａが６個、２列目の貫通孔２４Ｂが６個、３列目の貫通孔２４Ｃが６個形成されている。この複数の貫通孔２４を総合したものが、第１燃焼用空気（図２ＡにおけるＡ１）を噴出する第１燃焼用空気噴出部２４Ｔとなる。

保炎器２２先端部と、バーナ外筒３０の内周面３１との間には、燃焼用空気が流通する環状の隙間部が形成されている。この環状の隙間部は、第２燃焼用空気（図２ＡにおけるＡ２）が噴出する第２燃焼用空気噴出部３２を形成する。

保炎器２２外周部には位置決め用の複数の突出部２５、好ましくは３つ以上の突出部２５が形成されている。図２Ｂに示すように、本実施形態においては３つの突出部２５が形成されており、この３つの突出部２５が、バーナ外筒３０の内周面３１と接触し、第２ガス流通管が、バーナ外筒３０と略同軸に配置される。これにより、バーナ外筒３０の内周面３１と、保炎器２２先端部との間には、第２燃焼用空気噴出部３２を形成する環状の隙間部がバランスよく形成される。

図２Ａに示すように、保炎器２２の先端部には、バーナ外筒３０の内周面３１との間で平行面を形成する平行周面２３が全周に亘って形成されている。これにより、燃焼用空気の流れが適切に整流され、保炎性が高まる。

なお、本実施形態の複数の貫通孔２４は、その貫通軸方向が、図１、図２Ａにおいて矢印Ｄで示されるように、第２ガス流通管の管軸方向と一致するように形成されている。

バーナ外筒３０は、第２ガス流通管２０を包囲し、これにより、第２ガス流通管の外周面との間に燃焼用空気（図面におけるＡ）が流通する燃焼用空気流路Ｌ３を形成している。
バーナ外筒３０は、耐熱性を有する金属からなる板状部材を筒状に成形することで形成される。あるいは、パイプ材により形成されてもよい。
なお、燃焼を安定化させることおよび、バーナ外筒３０の赤熱を防ぐことを考慮して、図１、図２Ａに示すように、バーナ外筒３０の先端部から、保炎器２２の先端部までのバーナ軸方向距離Ｌは、バーナ外筒の内径Ｈの０．７倍～１．３倍の範囲内とすることが好ましい。

着火装置６０は、燃料ガス、主には第１ガス流通路Ｌ１から噴出される第１ガスに着火する装置である。着火装置６０は、第２ガス流通管２０に沿って延び、第２ガス流通管２０とバーナ外筒３０との間の領域に配置される。着火装置６０は、その先端部にスパークロッド６１を備えている。スパークロッド６１は、保炎器２２の貫通孔２４（本実施形態においては、２列目の貫通孔２４Ｂ）に挿入されている。これにより、スパークロッド６１の先端は、保炎器２２内に位置づけられる。

なお、本実施形態のバーナ１は、火炎検知部７０も備えている。図１に示すように、火炎検知部７０は、保炎器２２よりも基端側に配置されている。火炎検知部７０は、保炎器２２に保炎された火炎の検知可能な紫外線火炎検知器等の光学的センサにより構成されている。この火炎検知部７０は、第２ガス流通管とバーナ外筒３０との間の空間（燃焼用空気流路Ｌ３）を通じて火炎を検知できるような態様で、第２ガス流通管およびバーナ外筒３０の管軸方向の基端側において、基端ブロック５５に配置されている。
ここで、本実施形態の保炎器２２の貫通孔２４は、その貫通軸方向が、第２ガス流通管の管軸方向と一致するように形成されている。よって、本実施形態のバーナ１は、貫通孔２４の貫通軸方向に、火炎検知部７０が配置される態様となる。
この場合、本実施形態における貫通孔２４は、第２ガス流通管の管軸方向から見たときの透過面積（貫通孔の投影面積）が最大化される。
よって、貫通孔２４の貫通面積（貫通孔を通過する空気量）を変えることなく、第２ガス流通管の管軸方向の基端側に配置されている火炎検知部７０に到達する光量を増やすことができ、火炎検知レベルを高めることができる。なお、貫通孔２４の貫通軸方向とは、貫通孔２４の中心軸が延びる方向を意味する。
このように、火炎を検知するための透過面積および通過する空気量を調整する貫通面積を考慮した設計的な自由度を高める上で、保炎器２２に形成されている貫通孔２４の貫通軸方向は、上述のように第２ガス流通管の管軸方向と一致するように形成されていることが好ましい。但し、それ以外の構成を採用してもよく、例えば、貫通孔２４の貫通軸方向が、保炎器の円錐台状の周面の法線ベクトル方向と一致している構成を採用してもよい。

次に、第１ガス噴出部１３Ｔと第２ガス噴出部２６の開口面積の関係について説明する。なお、第１ガス噴出部１３Ｔは、第１ガス流通管１０の複数の第１ガス噴出孔１３を総合したものであり、第１ガス噴出部１３Ｔの開口面積とは、複数の第１ガス噴出孔１３の開口面積の合計値である。
例えばオフガス等の低カロリーガスは、都市ガス等の高カロリーガスと比べて、単位体積あたりの発熱量が数分の１である。したがって、仮にオフガスが噴出する開口部面積と都市ガスが噴出する開口部面積が同じ場合、オフガスのみを使用して都市ガスと同じ燃焼量を得るためには、都市ガスの数倍の噴出速度が必要となる。そして、燃料ガスの噴出速度が極端に速くなると、安定燃焼範囲が狭くなり、燃焼性能も悪化してしまう。

そこで、本実施形態においては、第２ガス噴出部２６の開口面積を、第１ガス噴出部１３Ｔの開口面積よりも大きくし、かつ、第１ガス噴出部１３Ｔにおける第１ガスの噴出速度と、第２ガス噴出部２６における第２ガスの噴出速度が、第１ガスと第２ガスの其々の最大燃焼量において１：１．３から１．３：１の範囲内になるように、第１ガス噴出部１３Ｔの開口面積と、第２ガス噴出部２６の開口面積を設定している。

例えば、第１ガスを高カロリーガスの都市ガス（１３Ａ）とした場合、その低位発熱量は４０．６ＭＪ／ｍ３Ｎである。一方、第２ガスを、都市ガス（１３Ａ）よりも発熱量の低い水素とした場合、その低位発熱量は１０．８ＭＪ／ｍ３Ｎである。
そして、第１ガス使用時における最大燃焼量（ＭＪ／ｈ）と第２ガス使用時における最大燃焼量（ＭＪ／ｈ）が同じである場合、第２ガス噴出部２６の開口面積を、第１ガス噴出部１３Ｔの開口面積の３．８倍程度とすれば、其々の噴出部からの噴出速度（ｍ／ｓ）が略同等となる。すなわち、第１ガス噴出部１３Ｔの開口面積と、第２ガス噴出部２６の開口面積との面積比は、第１ガスの発熱量と、第２ガスの発熱量との比に応じて設定される。

このように、各噴出部からの噴出速度を同程度とする上で、其々のガス使用時の最大燃焼量は同じとし、「（第１ガスの低位発熱量／第２ガスの低位発熱量）＝（第２ガスの噴出部開口面積／第１ガスの噴出部開口面積）」の関係となるように、各噴出部の開口面積を設定することが、最も望ましい態様である。但し、燃焼性が悪化しない程度の噴出速度の違いは許容できるため、第１ガス噴出部１３Ｔにおける第１ガスの噴出速度と、第２ガス噴出部２６における第２ガスの噴出速度が、１：１．３から１．３：１の範囲内になるように、より好ましくは、１：１．２～１．２：１の範囲内になるように、第１ガス噴出部１３Ｔの開口面積と、第２ガス噴出部２６の開口面積を設定する。

例えば上述の第１ガスを都市ガス（１３Ａ）とし、第２ガスを水素とした例では、第２ガス噴出部２６の開口面積を、第１ガス噴出部１３Ｔの開口面積の２．９倍～４．９倍とする。これにより、第１ガス噴出部１３Ｔにおける第１ガスの噴出速度と、第２ガス噴出部２６における第２ガスの噴出速度が、第１ガスと第２ガスの其々の最大燃焼量において、１：１．３から１．３：１の範囲内となる。より好ましくは、第２ガス噴出部２６の開口面積を、第１ガス噴出部１３Ｔの開口面積の３．１倍～４．５倍とする。これにより、第１ガス噴出部１３Ｔにおける第１ガスの噴出速度と、第２ガス噴出部２６における第２ガスの噴出速度が、第１ガスと第２ガスの其々の最大燃焼量において、１：１．２から１．２：１の範囲内となる。

なお、炭化水素ガスから水素を製造する過程で発生するオフガス（例えば、Ｈ_２、ＣＯ_２、ＣＨ_４、ＣＯの混合ガス）の場合、その低位発熱量は、通常、都市ガス（１３Ａ）の６分の１程度である。
よって、其々のガス使用時の最大燃焼量を同じとし、第２ガス噴出部２６の開口面積を、第１ガス噴出部１３Ｔの開口面積の６倍程度とすれば、其々の噴出部からの噴出速度（ｍ／ｓ）が略同等となる。
この場合は、第２ガス噴出部２６の開口面積を、第１ガス噴出部１３Ｔの開口面積の４．６倍～７．８倍とする。これにより、第１ガス噴出部１３Ｔにおける第１ガスの噴出速度と、第２ガス噴出部２６における第２ガスの噴出速度が、第１ガスと第２ガスの其々の最大燃焼量において、１：１．３から１．３：１の範囲内となる。より好ましくは、第２ガス噴出部２６の開口面積を、第１ガス噴出部１３Ｔの開口面積の５倍～７．２倍とする。これにより、第１ガス噴出部１３Ｔにおける第１ガスの噴出速度と、第２ガス噴出部２６における第２ガスの噴出速度が、第１ガスと第２ガスの其々の最大燃焼量において、１：１．２から１．２：１の範囲内となる。

このように、第１ガスと第２ガスの噴出速度の差を一定の許容範囲内に制限することで、制御可能な燃焼範囲において、燃料ガスと燃焼用空気とを適切に混合し、燃焼状態を安定化させることができる。

なお、其々のガス使用時の最大燃焼量は略同等とすることが好ましい。例えば、第１ガスを都市ガス（１３Ａ）とし、第２ガスを水素とした例では、システムとして、第２ガスの供給可能流量（体積流量、単位：Ｎｍ^３）の上限値を、第１ガスの供給可能流量（体積流量、単位：Ｎｍ^３）の上限値の３．８倍程度とし、其々のガス使用時の最大燃焼量は略同等とすることが好ましい。例えば、±３０％程度を許容範囲として、２．７～５．４倍とする。これにより、ガス種が切り替わった時にも、燃焼範囲の発熱量が略同じとなるように制御することが可能となる。但し、其々のガス使用時の最大燃焼量は、ある程度異なっていてもよい。この場合は、其々のガスの低位発熱量に加えて、其々のガス使用時の最大燃焼量における其々のガスの流量も考慮して、第１ガス噴出部１３Ｔの開口面積と、第２ガス噴出部２６の開口面積との比を設定することが好ましい。

なお、本実施形態においては、第１ガス（高カロリーガス）のガス流路を内側（中心側）にその外側に第２ガス（低カロリーガス）のガス流路を配置する態様を採用している。仮にその逆の態様、すなわち、第２ガス（低カロリーガス）のガス流路を内側（中心側）にその外側に第１ガス（高カロリーガス）のガス流路を配置する態様を採用した場合、燃焼量を同じとし、かつ第１ガスと第２ガスの噴出部からの噴出速度を同じとするためには、第１ガスが噴出する環状のガス噴出部の開口面積を相対的に小さくするために、第１ガスが流通する断面環状のガス流路の幅を狭くする必要がある。このように断面環状のガス流路の幅を狭くした場合、周方向で偏流が起こりやすく、安定した燃焼が困難になる恐れがある。
本実施形態の構成、すなわち、第１ガス流通管１０を包囲し、第１ガス流通管１０の外周面との間に第１ガスよりも発熱量の低い第２ガスが流通する第２ガス流通路Ｌ２を形成する第２ガス流通管２０を設ける構成であれば、第２ガスが流通する断面環状の第２ガス流通路Ｌ２の流路幅をある程度確保することが可能となり、燃焼を安定化することができる。

なお、先混合バーナでは、燃料ガスと燃焼用空気との混合を促進し、安定的に燃焼させるために、一定範囲の噴出速度とする必要がある。また、負荷機器の要求に応じて、負荷率（燃焼量）が２０％から１００％の範囲で変動する。よって、この範囲での燃焼を可能にする燃料供給が必要となるため、第１ガス噴出部１３Ｔからの第１ガスの噴出速度および第２ガス噴出部２６からの第２ガスの噴出速度は、好ましくは２ｍ／ｓから３０ｍ／ｓ、より好ましくは４ｍ／ｓから２０ｍ／ｓとする。

以上のように、第１ガス（高カロリーガス）と第２ガス（低カロリーガス）の発熱量の違いに応じて、第２ガス噴出部２６の開口面積の方が、第１ガス噴出部１３Ｔの開口面積よりも大きくなるように、第１ガス噴出部１３Ｔの開口面積と第２ガス噴出部２６の開口面積の面積比を適切に設定し、第１ガス噴出部１３Ｔの噴出速度と、第２ガス噴出部２６の噴出速度が、第１ガスと第２ガスの其々の最大燃焼量において１：１．３から１．３：１の範囲内になるようにすることにより、発熱量の高い第１ガス、発熱量の低い第２ガス、いずれの燃料ガスを用いても、広い安定燃焼範囲を得ることができる。
また、第１ガス流通管１０を包囲し、第１ガス流通管１０の外周面との間に第１ガスよりも発熱量の低い第２ガスが流通する第２ガス流通路Ｌ２を形成する第２ガス流通管２０を設ける構成を採用することにより、第２ガスが流通する断面環状の第２ガス流通路Ｌ２の流路幅をある程度確保することが可能となり、その結果、広い流量範囲で流れが安定し、ターンダウン比（最低燃焼量と定格燃焼量の比）を大きくすることもできる。

次に、第１燃焼用空気噴出部２４Ｔと第２燃焼用空気噴出部３２の開口面積の関係について説明する。

本実施形態においては、第１燃焼用空気噴出部２４Ｔの開口面積と、第２燃焼用空気噴出部３２の開口面積との面積比を、２：３から３：２の範囲内としている。第１燃焼用空気噴出部２４Ｔの開口面積と、第２燃焼用空気噴出部３２の開口面積との面積比は、１：１である事が望ましく、また、後述するように、第２燃焼用空気の流速変化によって、燃焼が安定化するように燃焼域で燃料ガスと混合する第２燃焼用空気の割合を制御できればよく、２：３から３：２の範囲内であればよい。
なお、第１燃焼用空気噴出部２４Ｔとは、保炎器２２の複数の貫通孔２４を総合したものであり、第１燃焼用空気噴出部２４Ｔの開口面積とは、複数の貫通孔２４の開口面積の合計値である。

これにより、燃焼量が変動しても、燃焼域（燃料と空気の混合域）の空気比が適切に保たれ、燃焼を安定化させることができる。例えば、空気比が大きい（過剰空気量が多い）場合は、第２燃焼用空気噴出部から噴出する空気の流速は速くなり、燃焼領域の外側（バーナ外筒３０の内側近傍）を通過する空気は燃焼反応に寄与しない割合が増加する。言い換えれば、燃料ガスはまず第１燃焼用空気と混合して相対的に低い空気比で燃焼し、その燃焼領域に第２燃焼用空気が混合して燃焼するため、保炎器２２の中央付近では外周付近に比べて等量比に近い燃焼が維持されることで、燃焼域の空気比が過剰に高まることを避けることができ、燃焼を安定化させることができる。

なお、バーナ外筒３０の先端部と、保炎器２２の先端部とのバーナ軸方向距離Ｌは、バーナ外筒の内径Ｈの０．７倍～１．３倍の範囲内とすることが好ましい。
これにより、第２燃焼用空気噴出部３２からの第２燃焼用空気Ａ２と燃料ガスとが混合する領域を確保し燃焼を安定化させると共に、バーナ外筒３０が燃焼用空気により適切に冷却されるため、バーナ外筒３０の赤熱を防ぐことができる。

なお、本実施形態のバーナ１は、切替手段（図示省略）により、第１ガス流通路Ｌ１への第１ガスＧ１の供給と、第２ガス流通路Ｌ２への第２ガスＧ２の供給とを、選択的に切り替えることが可能な態様をとることもできる。
これにより、第１ガスＧ１、第２ガスＧ２の、いずれか一方のみの燃料ガスを供給することが可能となり、いずれの供給状態であっても、広い安定燃焼範囲を得ることができる。また、第１ガスおよび第２ガスを同時に供給して燃焼させてもよい。

次に、本実施形態のバーナ１の動作について説明する。
送風機（図示省略）より、基端ブロック５５の空気導入口５６から燃焼用空気Ａ（図１参照）が供給される。空気導入口５６から供給された燃焼用空気Ａは、バーナ外筒３０の内部に流入する。

バーナ外筒３０の内部に流入した燃焼用空気Ａは、燃焼用空気流路Ｌ３を通じて基端側から先端側に向かって供給され、その一部が第１燃焼用空気Ａ１（図２Ａ参照）として、保炎器２２に形成された複数の貫通孔２４を通じて保炎器２２内に噴出する。
また、それ以外の燃焼用空気Ａは、第２燃焼用空気Ａ２（図２Ａ参照）として、バーナ外筒３０の内周面３１と保炎器２２先端部との間に形成された環状の隙間部から保炎器２２の先端側に噴出する。
ここで、保炎器２２の複数の貫通孔２４を総合したものである第１燃焼用空気噴出部２４Ｔの開口面積と、環状の隙間部からなる第２燃焼用空気噴出部３２の開口面積との面積比が、２：３から３：２の範囲内となるように設定されているため、燃焼量が変動しても、燃焼域（燃料と空気の混合域）の空気比が適切に保たれ、燃焼が安定化する。

改質器の運転開始時においては、燃料ガスとして高カロリーガスが用いられる。
このとき、高カロリーガスである第１ガスＧ１は、第１ガス流通路Ｌ１を通過して、第１ガス流通管１０の先端部付近に形成された第１ガス噴出部１３Ｔを構成する複数の第１ガス噴出孔から径方向外側に向けて噴出する。これにより、第１ガスＧ１と燃焼用空気Ａとの混合が促進される。そして、この混合された気体が、保炎器２２内おいてスパークロッド６１により着火されて燃焼する。
なお、第１ガス流通路Ｌ１はバーナ１の中心部分にあるため、第１ガスＧ１は、保炎器の内壁に沿って噴出する第２ガスＧ２に比べて燃焼用空気Ａの流れと混合するまでの距離が長い。よって、第１ガスを径方向外側に向けて噴出することで、燃焼用空気Ａとの混合を促進することができる。

なお、図２Ａ、図２Ｂに示すように、第１ガス噴出部１３Ｔは、保炎器２２に多列に形成された複数の貫通孔２４のうち、最も基端側の第１列目の貫通孔２４Ａの近傍に向けて、第１ガスＧ１を噴出する態様とすることが好ましい。
これにより、第１ガスと燃焼用空気との混合が促進され、燃焼を安定化させることができる。
また、図２Ｂに示すように、保炎器２２の第１列目の貫通孔２４Ａの数と、第１ガス噴出孔１３の数は好ましくは同数とし、貫通孔２４Ａと第１ガス噴出孔１３の角度位置は一致させておくことが好ましい。すなわち、図２Ｂにおいて、第１ガス流通管１０の中心軸と、第１ガス噴出孔１３の中心軸とを線で結んだ場合に、その結んだ線の延長線上に、貫通孔２４Ａが存在するように、貫通孔２４Ａと、第１ガス噴出孔１３を配置することが好ましい。
これにより、第１ガスと燃焼用空気との混合が促進され、燃焼を安定化させることができる。

次に、改質器が立ち上がった後、切替手段（図示省略）が、高カロリーガスとしての第１ガスＧ１を第１ガス流通路Ｌ１に供給している状態から、オフガス（低カロリーガス）としての第２ガスＧ２を第２ガス流通路Ｌ２に供給する状態に切り替える。
これにより、オフガス（低カロリーガス）である第２ガスＧ２は、第２ガス流通路Ｌ２を通過して、第２ガス噴出部２６から前方に向けて噴出し、第２ガスＧ２と燃焼用空気Ａとの混合が促進され、引き続き燃焼状態を継続する。

ここで、高カロリーガスと低カロリーガスは発熱量が異なるため、同じ燃焼量とするためには必要となるガス流量が異なってくるが、第１ガス噴出部１３Ｔにおける第１ガスの噴出速度と、第２ガス噴出部２６における第２ガスの噴出速度が、第１ガスと第２ガスの其々の最大燃焼量において１：１．３から１．３：１の範囲内になるように、第１ガス噴出部１３Ｔの開口面積と、第２ガス噴出部２６の開口面積を設定しているため、ガスを切り替えた場合においても、ガスの噴出速度が大幅に変化することがない。よって、燃焼を安定化させることができる。

以上説明した本実施形態のバーナ１によれば、以下のような効果が奏される。

（１）本実施形態のバーナ１は、第１ガスが流通する第１ガス流通路Ｌ１を形成する第１ガス流通管１０と、第１ガス流通管１０を包囲し、第１ガス流通管１０の外周面との間に第１ガスよりも発熱量の低い第２ガスが流通する第２ガス流通路Ｌ２を形成する第２ガス流通管２０と、第２ガス流通管２０を包囲し、第２ガス流通管の外周面との間に燃焼用空気が流通する燃焼用空気流路Ｌ３を形成するバーナ外筒３０と、第１ガス流通路Ｌ１を流れる第１ガスを噴出する第１ガス噴出部１３Ｔと、第２ガス流通路Ｌ２を流れる第２ガスを噴出し、第１ガス噴出部１３Ｔの開口面積より大きな開口面積である第２ガス噴出部２６と、を備え、第１ガス噴出部１３Ｔは径方向外側に向けて第１ガスを噴出し、第１ガス噴出部１３Ｔの噴出速度と、第２ガス噴出部２６の噴出速度が、第１ガスと第２ガスの其々の最大燃焼量において１：１．３から１．３：１の範囲内になるように、第１ガス噴出部１３Ｔの開口面積と、第２ガス噴出部２６の開口面積が設定されている。
このように、第１ガス噴出部１３Ｔの噴出速度と、第２ガス噴出部２６の噴出速度が、第１ガスと第２ガスの其々の最大燃焼量において１：１．３から１．３：１の範囲内になるようにすることにより、発熱量の高い第１ガス、発熱量の低い第２ガス、いずれの燃料ガスを用いても、広い安定燃焼範囲を得ることができる。

（２）本実施形態のバーナ１は、基端部が第２ガス流通管２０と接続されると共に、先端部がガスの流れの下流側に向かって拡開する円錐台状の保炎器２２を備え、保炎器２２の円錐台状の周面には、燃焼用空気が流通する複数の貫通孔２４が形成されており、複数の貫通孔２４は、拡開方向に間隔をおいた多列で形成され、第１燃焼用空気噴出部２４Ｔは、多列に形成された複数の貫通孔２４のうち、最も基端側の第１列目の貫通孔２４Ａの近傍に向けて、第１ガスを噴出する。
これにより、第１ガスと燃焼用空気との混合が促進され、燃焼を安定化させることができる。

（３）本実施形態のバーナ１は、基端部が第２ガス流通管２０と接続されると共に、先端部がガスの流れの下流側に向かって拡開する円錐台状の保炎器２２を備え、保炎器２２の円錐台状の周面には、燃焼用空気が流通する複数の貫通孔２４が形成されており、保炎器２２の複数の貫通孔２４により第１燃焼用空気噴出部２４Ｔが形成され、保炎器２２を包囲するバーナ外筒３０の内周面３１と、保炎器２２の先端部との間に形成される環状の隙間部により第２燃焼用空気噴出部３２が形成され、第１燃焼用空気噴出部２４Ｔの開口面積と、第２燃焼用空気噴出部３２の開口面積との面積比が、２：３から３：２の範囲内である。
これにより、燃焼量が変動しても、燃焼域（燃料と空気の混合域）の空気比が適切に保たれ、燃焼を安定化させることができる。例えば、空気比が大きい（過剰空気量が多い）場合は、第２燃焼用空気噴出部から噴出する空気の流速は速くなり、燃焼領域の外側（バーナ外筒３０の内側近傍）を通過する空気は燃焼反応に寄与しない割合が増加する。言い換えれば、燃料ガスはまず第１燃焼用空気と混合して相対的に低い空気比で燃焼し、その燃焼領域に第２燃焼用空気が混合して燃焼するため、保炎器２２の中央付近では外周付近に比べて等量比に近い燃焼が維持されることで、燃焼域の空気比が過剰に高まることを避けることができ、燃焼を安定化させることができる。

（４）本実施形態のバーナ１の保炎器２２の先端部からバーナ外筒３０の先端部までのバーナ軸方向距離Ｌは、バーナ外筒３０の内径Ｈの０．７倍～１．３倍の範囲内である。
これにより、第２燃焼用空気噴出部３２からの第２燃焼用空気と燃料ガスとが混合する領域を確保し燃焼を安定化させると共に、バーナ外筒３０が燃焼用空気により適切に冷却されるため、バーナ外筒３０の赤熱を防ぐことができる。

（５）本実施形態のバーナ１のバーナ外筒３０に包囲されている保炎器２２の先端部は、バーナ外筒３０の内周面３１と平行な平行周面２３を有する。
これにより、第２燃焼用空気噴出部３２からの第２燃焼用空気の流れが適切に整流され、保炎性が高まる。

以上、本発明の温水製造システムの好ましい各実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
例えば、炭化水素ガスから水素を製造する過程で発生するオフガスを燃料ガスとして用いるバーナであれば、水素製造装置および燃料電池システム等に限らず適用可能である。その他、第１ガスと、第１ガスよりも燃焼量の低い第２ガスとを使用する各種のバーナにも適用可能である。また、第１ガスおよび第２ガスを同時に供給して燃焼させてもよい。

１バーナ
１０第１ガス流通管
１３第１ガス噴出孔
１３Ｔ第１ガス噴出部
２０第２ガス流通管
２２保炎器
２３平行周面
２４（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ）貫通孔
２４Ｔ第１燃焼用空気噴出部
２６第２ガス噴出部
３０バーナ外筒
３２第２燃焼用空気噴出部
Ｌ１第１ガス流通路
Ｌ２第２ガス流通路
Ｌ３燃焼用ガス流路
Ａ燃焼用空気
Ａ１第１燃焼用空気
Ａ２第２燃焼用空気
Ｇ１第１ガス
Ｇ２第２ガス

Claims

第１ガスが流通する第１ガス流通路を形成する第１ガス流通管と、
前記第１ガス流通管を包囲し、前記第１ガス流通管の外周面との間に前記第１ガスよりも発熱量の低い第２ガスが流通する第２ガス流通路を形成する第２ガス流通管と、
前記第２ガス流通管を包囲し、前記第２ガス流通管の外周面との間に燃焼用空気が流通する燃焼用空気流路を形成するバーナ外筒と、
前記第１ガス流通路を流れる第１ガスを噴出する第１ガス噴出部と、
前記第２ガス流通路を流れる第２ガスを噴出し、前記第１ガス噴出部の開口面積より大きな開口面積である第２ガス噴出部と、
第１ガスを前記第１ガス流通路に供給している状態から、第２ガスを前記第２ガス流通路に供給する状態に切り替える切替手段と、を備え、
前記第１ガスは都市ガスであり、
前記第２ガスは水素ガスであり、
前記第１ガス噴出部は径方向外側に向けて前記第１ガスを噴出し、
前記切替手段がガス種を切り替えた場合において、燃焼範囲の発熱量が略同じとなるよう、前記第１ガス噴出部の噴出速度と、前記第２ガス噴出部の噴出速度が、第１ガスと第２ガスの其々の最大燃焼量において１：１．３から１．３：１の範囲内になるように、前記第２ガス噴出部の開口面積は、前記第１ガス噴出部の開口面積の２．９倍～４．９倍に設定されている、バーナ。
第１ガスが流通する第１ガス流通路を形成する第１ガス流通管と、
前記第１ガス流通管を包囲し、前記第１ガス流通管の外周面との間に前記第１ガスよりも発熱量の低い第２ガスが流通する第２ガス流通路を形成する第２ガス流通管と、
前記第２ガス流通管を包囲し、前記第２ガス流通管の外周面との間に燃焼用空気が流通する燃焼用空気流路を形成するバーナ外筒と、
前記第１ガス流通路を流れる第１ガスを噴出する第１ガス噴出部と、
前記第２ガス流通路を流れる第２ガスを噴出し、前記第１ガス噴出部の開口面積より大きな開口面積である第２ガス噴出部と、
第１ガスを前記第１ガス流通路に供給している状態から、第２ガスを前記第２ガス流通路に供給する状態に切り替える切替手段と、を備え、
前記第１ガスは都市ガスであり、
前記第２ガスは炭化水素ガスから水素を製造する過程で発生するオフガスであり、
前記第１ガス噴出部は径方向外側に向けて前記第１ガスを噴出し、
前記切替手段がガス種を切り替えた場合において、燃焼範囲の発熱量が略同じとなるよう、前記第１ガス噴出部の噴出速度と、前記第２ガス噴出部の噴出速度が、第１ガスと第２ガスの其々の最大燃焼量において１：１．３から１．３：１の範囲内になるように、前記第２ガス噴出部の開口面積は、前記第１ガス噴出部の開口面積の４．６倍～７．８倍に設定されている、バーナ。
基端部が前記第２ガス流通管と接続されると共に、先端部がガスの流れの下流側に向かって拡開する円錐台状の保炎器を備え、
前記保炎器の円錐台状の周面には、前記燃焼用空気が流通する複数の貫通孔が形成されており、
前記複数の貫通孔は、前記拡開方向に間隔をおいた多列で形成され、
前記第１ガス噴出部は、前記多列に形成された複数の貫通孔のうち、最も基端側の第１列目の貫通孔の近傍に向けて、前記第１ガスを噴出する、請求項１または請求項２に記載のバーナ。
基端部が前記第２ガス流通管と接続されると共に、先端部がガスの流れの下流側に向かって拡開する円錐台状の保炎器を備え、
前記保炎器の円錐台状の周面には、前記燃焼用空気が流通する複数の貫通孔が形成されており、
前記保炎器の複数の貫通孔により第１燃焼用空気噴出部が形成され、
前記保炎器を包囲する前記バーナ外筒の内周面と、前記保炎器の先端部との間に形成される環状の隙間部により第２燃焼用空気噴出部が形成され、
前記第１燃焼用空気噴出部の開口面積と、前記第２燃焼用空気噴出部の開口面積との面積比が、２：３から３：２の範囲内である、請求項１～３のいずれか１項に記載のバーナ。
前記保炎器の先端部から前記バーナ外筒の先端部までのバーナ軸方向距離は、前記バーナ外筒の内径の０．７倍～１．３倍の範囲内である、請求項４に記載のバーナ。
前記バーナ外筒に包囲されている前記保炎器の先端部は、前記バーナ外筒の内周面と平行な面を有する、請求項３～５のいずれか１項に記載のバーナ。