JP7340561B2 - 過熱水蒸気製造装置 - Google Patents

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この発明は、過熱水蒸気製造装置に関する。
特許文献1では、水素を酸素で燃焼させることで生成された燃焼ガスを過熱水蒸気として用いることが記載されている。
例えば、600℃~約2000℃の過熱水蒸気は、金属材料や無機材料の熱処理工程における焼成や脱脂洗浄や乾燥などに使用される。また、600℃以下の過熱水蒸気は、廃棄物の減容化処理や金型成形における加熱手段や食品の調理や脱臭や殺菌などに使用される。
特許5716950号公報
水素を酸素で燃焼させて生成される過熱水蒸気は、非常に高温であり、実用するためには、温度を下げて適切に制御する必要がある。特許文献1では、3000℃にもなる高温の過熱水蒸気の温度を下げる方法として、別途に調整室を設けて水を噴霧したりハニカムや蛇行流路に流して熱を吸収させたりしているが、過熱水蒸気の温度や流量の制御が難しく、設備も大型化するという問題がある。
そこで、この発明の課題は、小型であり、過熱水蒸気の温度や流量の制御が容易である過熱水蒸気製造装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、この発明の一態様に係る過熱水蒸気製造装置は、
水素含有ガスを酸素含有ガスで燃焼させることによって過熱水蒸気を生成する燃焼部が外周部に設けられているともに、水または蒸気を噴射する噴射部が中央部に設けられていて、前記噴射部が前記燃焼部によって周状に囲まれているバーナーと、
前記水または蒸気の流量を制御する冷却媒体流量コントローラとを備え、
前記過熱水蒸気に対する前記水または蒸気の供給量を制御することによって、前記過熱水蒸気の温度および生成量を制御することを特徴とする。
この発明によれば、水素含有ガスを酸素含有ガスで燃焼させて生成する過熱水蒸気の温度および生成量を、水素含有ガスおよび酸素含有ガスの燃焼発熱量と燃焼ガス(排気ガス)の熱量に対する水または蒸気の供給量によって制御できる。
一実施形態に係る過熱水蒸気製造装置を模式的に説明する図である。 図1に示した過熱水蒸気製造装置のバーナーにおける水の供給機構が、二流体噴霧方式である場合の模式的断面図である。 図1に示した過熱水蒸気製造装置のバーナーにおける水または蒸気の供給機構が、一流体噴霧方式である場合の模式的断面図である。 霧状水の噴射角度と、過熱水蒸気の噴射角度との関係を説明する図である。 水素および酸素の燃焼比率と、過熱水蒸気需要装置内における水素濃度および酸素濃度との関係を説明するグラフである。
以下、図面を参照しながら、この発明に係る過熱水蒸気製造装置1の実施の形態を説明する。なお、この開示において、過熱水蒸気42は、1気圧で100℃以上の温度に加熱した水蒸気のことを指す。
〔実施形態〕
図1から図4を参照しながら、一実施形態に係る過熱水蒸気製造装置1を説明する。図1は、一実施形態に係る過熱水蒸気製造装置1を模式的に説明する図である。図2は、図1に示した過熱水蒸気製造装置1のバーナー2における水の供給機構が、二流体噴霧方式である場合の模式的断面図である。図3は、図1に示した過熱水蒸気製造装置1のバーナー2における水または蒸気の供給機構が、一流体噴霧方式である場合の模式的断面図である。図4は、霧状水41の噴射角度と、過熱水蒸気42の噴射角度との関係を説明する図である。
図1に示すように、過熱水蒸気製造装置1は、バーナー2と、供給管4と、流量コントローラ5と、制御部6と、温度センサ7とを備える。過熱水蒸気製造装置1によって製造された過熱水蒸気42は、過熱水蒸気42を必要とする過熱水蒸気需要装置10に供給される。
制御部6は、温度センサ7および流量コントローラ5に電気的に接続されている。制御部6は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)およびROM(Read Only Memory)を含むコンピュータなどを用いて構成される。過熱水蒸気需要装置10は、過熱水蒸気42を必要とする装置である。バーナー2の先端部側が、過熱水蒸気需要装置10の中に配設されている。
図1に示すように、バーナー2の基部側には、供給管4が接続されている。供給管4は、冷却媒体供給管4aと、水素含有ガス供給管4bと、酸素含有ガス供給管4cとを有する。冷却媒体供給管4aは、冷却媒体としての水または蒸気をバーナー2に供給するために、バーナー2の冷却媒体供給口25に接続されている。水素含有ガス供給管4bは、水素含有ガスをバーナー2に供給するために、例えば、バーナー2の第1供給口27に接続されている。酸素含有ガス供給管4cは、酸素含有ガスをバーナー2に供給するために、例えば、バーナー2の第2供給口28に接続されている。ここで、冷却媒体として用いる「蒸気」は、ボイラーなどで生成させた、100℃~300℃の「低温水蒸気」であることが好ましい。蒸気の温度が低いため、過熱水蒸気42の温度を下げる効果が大きくなる。また、ここでいう「水素含有ガス」とは、水素や純水素の他、メタンやプロパンやブタンや都市ガスなどの炭化水素系ガスも含まれる。また、「酸素含有ガス」とは、酸素や純酸素の他、空気や酸素富化空気なども含まれる。
流量コントローラ5は、例えば、マスフローコントローラである。流量コントローラ5は、冷却媒体流量コントローラ5aと、水素含有ガス流量コントローラ5bと、酸素含有ガス流量コントローラ5cとを有する。冷却媒体流量コントローラ5aは、冷却媒体供給管4aの途中に設けられて、水または蒸気の流量を制御する。水素含有ガス流量コントローラ5bは、水素含有ガス供給管4bの途中に設けられて、水素含有ガスの流量を制御する。酸素含有ガス流量コントローラ5cは、酸素含有ガス供給管4cの途中に設けられて、酸素含有ガスの流量を制御する。水素含有ガス流量コントローラ5bおよび酸素含有ガス流量コントローラ5cをそれぞれ制御して水素含有ガスおよび酸素含有ガスの各流量を制御することにより、水素含有ガスを酸素含有ガスで燃焼させる燃焼量が制御される。
図2に示すように、バーナー2は、第1管21を取り囲むように、第1管21を中心にして同心に配置された複数の管21a、22、23を有する。第1管21は、冷却媒体供給口25および気流供給口26を有し、バーナー2の中央部に配置されている。第1管21の外側には、気流管21aが配置されており、気流管21aは、気流供給口26を有する。気流管21aの外側には、第2管22が配置されており、第2管22は、第1供給口27を有する。気流管21aと第2管22との間の空隙には、第1流路37が形成される。第1流路37には、例えば、水素含有ガスが流れる。第2管22の外側には、第3管23が配置されており、第3管23は、第2供給口28を有する。第2管22と第3管23との間の空隙には、第2流路38が形成される。第2流路38には、例えば、酸素含有ガスが流れる。なお、第1流路37には酸素含有ガスが流れ、第2流路38には水素含有ガスが流れるようにすることもできる。
第3管23の外側には、図示しない冷却管が配置されている。冷却管には、冷却液(例えば、冷却水)を流すための冷却流路(図示せず)が形成されている。なお、バーナー2を構成する第1管21、気流管21a、第2管22、第3管23および冷却管は、熱変形を防ぐため、耐熱性金属などから作られる。
バーナー2の先端部には、噴射部31および燃焼部32が設けられている。噴射部31はバーナー2の中央部に設けられるとともに、燃焼部32はバーナー2の外周部に設けられる。噴射部31は、バーナー2の軸方向から見て、燃焼部32によって周状に囲まれている。噴射部31は、第1管21の先端部に位置して、微小な噴射孔25bを少なくとも1つ有する。噴射部31は、第1管21の中を流れる液体の水を、噴射孔25bを通じて噴射することによって、霧状水41を生成する。霧状水41は、側面から見て、扇形をしている。
バーナー2は、例えば、図2に示すように、過熱水蒸気42の温度を制御する冷却媒体としての液体の水を用い、水素含有ガス、酸素含有ガスまたは蒸気と一緒に噴射孔25bから噴射する二流体噴霧ノズル30aを有することができる。このとき、図2に示すように、第1管21および気流管21aは、冷却媒体供給口25に連通して液体の水が流れる冷却媒体流路25aと、気流供給口26に連通して水素含有ガス、酸素含有ガスまたは蒸気が流れる気流流路26aとを有する、いわゆる二重管構造にすることができる。これにより、水素含有ガス、酸素含有ガスまたは蒸気が高速で流れることによって、液体の水がせん断されるため、霧状水41の粒子径を小さくできる(すなわち微粒子化できる)とともに、霧状水41の粒子を均一に分散できるので、過熱水蒸気42の温度の均一化や制御が容易になる。
また、バーナー2は、例えば、図3に示すように、過熱水蒸気42を冷却する冷却媒体として水または蒸気を用い、それに圧力を印加することによって、水または蒸気を噴射孔25bから噴射する一流体噴霧ノズル30bを有することができる。このとき、液体の水または蒸気は、図示しない加圧手段(例えば、ポンプ)によって加圧される。これにより、噴射部31の構成がシンプルになるので、霧状水41を低コストで生成できる。なお、図3に示す一流体噴霧ノズル30bの場合、第1流路37は、第1管21と第2管22との間の空隙に形成される。
燃焼部32は、第1流路37および第2流路38の先端部に位置して、第1流路37および第2流路38の先端部から水素含有ガスおよび酸素含有ガスを噴射する、いわゆる二重管構造をしている。図4に示すように、燃焼部32は、水素含有ガスを酸素含有ガスで燃焼させることによって、燃焼炎を生成するとともに、燃焼の結果物として過熱水蒸気42を生成する。燃焼炎の断熱理論火炎温度は、約3000℃であり、過熱水蒸気42の温度も同様の高温になる。したがって、燃焼部32は、高温の過熱水蒸気42を生成する。なお、燃焼部32によって生成される過熱水蒸気42は、側面から見て扇形をしている。
燃焼部32によって生成される過熱水蒸気42に対して、噴射部31から噴射された霧状水41が加えられるとき、液体状態の霧状水41が気体状態の水蒸気に変化する過程で過熱水蒸気42から熱が奪われるので、過熱水蒸気42の温度が下がる。霧状水41が気体状態に変化した水蒸気は、そのまま過熱水蒸気42に混合される。過熱水蒸気42に対して加えられる霧状水41の量が多いと、過熱水蒸気42の温度低下が促進され、過熱水蒸気42の生成量が多くできる。反対に、過熱水蒸気42に対して加えられる霧状水41の量が少ないと、過熱水蒸気42の温度低下および生成量が抑制できる。
上記構成によれば、過熱水蒸気42に対する水または蒸気の供給量に応じて過熱水蒸気42の温度および生成量が制御できるので、所望の温度や供給量の過熱水蒸気42を製造できる。また、外観は、一般的なバーナーとほぼ変わらないため、小型であり、取り扱いが非常にしやすくなる。
また、燃焼部32において燃焼量を多くすると、過熱水蒸気42の温度低下が抑制され、過熱水蒸気42の生成量が多くなる。反対に、燃焼部32において燃焼量を少なくすると、過熱水蒸気42の温度低下が促進され、過熱水蒸気42の生成量が少なくなる。したがって、燃焼部32において水素含有ガスを酸素含有ガスで燃焼させる燃焼量を制御することによっても、過熱水蒸気42の温度および生成量が制御できる。
図2および図3に示すように、噴射部31の先端が、燃焼部32の先端に対して、水の噴射方向の上流側に位置するように構成されている。これにより、噴射部31の先端が高温の燃焼部32の先端よりも後退した位置にあるので、噴射部31が高温に曝されにくくなり、噴射部31の耐久性が向上する。
図4に示すように、霧状水41の噴射角度xが、過熱水蒸気42の噴射角度yよりも小さくなるように構成されている。これにより、霧状水41が過熱水蒸気42の範囲内で分散するので、霧状水41が過熱水蒸気42の温度制御に無駄なく寄与して、過熱水蒸気42の温度の均一化が可能になる。
図1に示すように、噴射部31の噴射方向下流側には、温度センサ7が、配設されている。温度センサ7は、燃焼部32から噴射された過熱水蒸気42に対して霧状水41が加えられた過熱水蒸気42の温度を測定する。制御部6は、温度センサ7によって測定された過熱水蒸気42の測定温度に基づいて、過熱水蒸気42が所望の温度になるように、冷却媒体流量コントローラ5aにおける水または蒸気の流量を制御する。霧状水41の供給量が多くなると、過熱水蒸気42の温度低下が促進され、過熱水蒸気42の生成量が多くなる。反対に、霧状水41の供給量が少なくなると、過熱水蒸気42の温度低下および生成量が抑制される。また、燃焼部32において燃焼量を多くすると、過熱水蒸気42の温度低下が抑制され、過熱水蒸気42の生成量が多くなる。反対に、燃焼部32において燃焼量を少なくすると、過熱水蒸気42の温度低下が促進され、過熱水蒸気42の生成量が少なくなる。このようにして、温度や供給量が制御でき、所望の温度や供給量の過熱水蒸気42を製造できる。
図5を参照しながら、水素および酸素の燃焼比率と、過熱水蒸気需要装置10内における水素濃度および酸素濃度との関係を説明する。過熱水蒸気需要装置10は、例えば炉である。図5において、横軸が水素および酸素の燃焼比率であり、左側の縦軸が炉内水素濃度(%)であり、右側の縦軸が炉内酸素濃度(%)である。燃焼比率は、水素が完全燃焼するときの酸素の量を基準としたその燃焼時における酸素の割合である。燃焼比率が1.0である場合(水素:酸素のモル比が、2:1)、水素および酸素の完全燃焼を示す。燃焼比率が1.0よりも小さい場合(●印で示す)、燃焼比率が小さくなるに従って炉内水素濃度が高くなり、炉内が水素リッチ(還元雰囲気)になることを示す。燃焼比率が1.0よりも大きい場合(■印で示す)、燃焼比率が大きくなるに従って炉内酸素濃度が高くなり、炉内が酸素リッチ(酸化雰囲気)になることを示す。
過熱水蒸気製造装置1において、水素含有ガス流量コントローラ5bおよび/または酸素含有ガス流量コントローラ5cを制御して水素含有ガスおよび/または酸素含有ガスの供給量を制御することによって、過熱水蒸気42の生成に使用されずに余剰となった水素または酸素が過熱水蒸気需要装置10に提供される。
例えば、燃焼比率を1.0(完全燃焼)よりも小さくする(例えば、酸素含有ガスの供給量を変えずに水素含有ガスの供給量を多くする)と、燃焼における水素が余剰になり提供される水素の量が多くなる。余剰の水素は、過熱水蒸気需要装置10の雰囲気制御に使用できる。余剰の水素の量が多ければ、過熱水蒸気需要装置10の雰囲気を還元雰囲気にする。なお、燃焼比率を1.0よりも小さくするためには、水素含有ガスの供給量を多くする以外に、酸素含有ガスの供給量を少なくしてもよい。
また、燃焼比率を1.0(完全燃焼)よりも大きくする(例えば、水素含有ガスの供給量を変えずに酸素含有ガスの供給量を多くする)と、燃焼における酸素が余剰となり提供される酸素の量が多くなる。余剰の酸素は、過熱水蒸気需要装置10の雰囲気制御に使用できる。余剰の酸素の量が多ければ、過熱水蒸気需要装置10の雰囲気を酸化雰囲気にする。なお、燃焼比率を1.0よりも大きくするためには、酸素含有ガスの供給量を多くする以外に、水素含有ガスの供給量を少なくしてもよい。
したがって、水素含有ガスおよび/または酸素含有ガスの供給量を制御して、余剰となって提供される水素または酸素の量を制御することによって、過熱水蒸気需要装置10(例えば、炉)の雰囲気を制御できる。余剰の水素の量が多ければ、過熱水蒸気需要装置10の雰囲気を還元雰囲気にして、余剰の酸素の量が多ければ、過熱水蒸気需要装置10の雰囲気を酸化雰囲気にすることができる。
この発明の具体的な実施の形態や数値について説明したが、この発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
この発明および実施形態をまとめると、次のようになる。
この発明の一態様に係る過熱水蒸気製造装置1は、
水素含有ガスを酸素含有ガスで燃焼させることによって過熱水蒸気42を生成する燃焼部32が外周部に設けられているともに、水または蒸気を噴射する噴射部31が中央部に設けられていて、前記噴射部31が前記燃焼部32によって周状に囲まれているバーナー2と、
前記水または前記蒸気の流量を制御する冷却媒体流量コントローラ5aとを備え、
前記過熱水蒸気42に対する前記水または前記蒸気の供給量を制御することによって、前記過熱水蒸気42の温度および生成量を制御することを特徴とする。
上記構成によれば、過熱水蒸気42に対する水または蒸気の供給量に応じて過熱水蒸気42の温度および生成量が制御できるので、温度や供給量が制御された過熱水蒸気42を製造できる。また、外観は、一般的なバーナーとほぼ変わらないため、小型であり、取り扱いが非常にしやすくなる。
また、一実施形態の過熱水蒸気製造装置1では、
前記燃焼部32において前記水素含有ガスを前記酸素含有ガスで燃焼させる燃焼量を制御することによって、前記過熱水蒸気42の温度および生成量を制御する。
上記実施形態によれば、燃焼部32における燃焼量に応じて過熱水蒸気42の温度および生成量が制御された過熱水蒸気42を製造できる。
また、一実施形態の過熱水蒸気製造装置1では、
前記バーナー2が、前記水を前記水素含有ガスまたは前記酸素含有ガスと一緒に噴射して霧状水41を生成する二流体噴霧ノズル30aを有する。
上記実施形態によれば、水を霧状にすることで水の粒子を均一に分散できるとともに霧状水41の粒子径を小さくできる(すなわち微粒子化できる)ので、過熱水蒸気42の温度の均一化や制御が容易になる。また、高速気流として水素含有ガスまたは酸素含有ガスを用いれば、それらは燃焼部32における燃焼に寄与し、過熱水蒸気42として利用できる。
また、一実施形態の過熱水蒸気製造装置1では、
前記バーナー2が、前記水または前記蒸気に圧力を印加することによって前記水または前記蒸気を噴射して霧状水41を生成する一流体噴霧ノズル30bを有する。
上記実施形態によれば、霧状水41を生成する噴射部31の構成がシンプルになるので、霧状水41を低コストで生成できる。
また、一実施形態の過熱水蒸気製造装置1では、
前記霧状水41の噴射角度xが、前記過熱水蒸気42の噴射角度yよりも小さい。
上記実施形態によれば、霧状水41が過熱水蒸気42の範囲内で分散するので、霧状水41が過熱水蒸気42の温度制御に無駄なく寄与して、過熱水蒸気42の温度の均一化が可能になる。
また、一実施形態の過熱水蒸気製造装置1では、
前記過熱水蒸気42の温度を測定する温度センサ7と、前記冷却媒体流量コントローラ5aを制御する制御部6とを備え、
前記制御部6は、前記過熱水蒸気42の測定温度に基づいて、前記冷却媒体流量コントローラ5aにおける前記水または前記蒸気の前記流量を制御する。
上記実施形態によれば、過熱水蒸気42を必要とする装置10に対して所望の温度や供給量の過熱水蒸気42を提供できる。
また、一実施形態の過熱水蒸気製造装置1では、
前記蒸気は低温水蒸気である。
上記実施形態によれば、蒸気の温度が低いため、過熱水蒸気42の温度を下げる効果が大きくなる。
また、一実施形態の過熱水蒸気製造装置1では、
前記水素含有ガスは水素であり、および/または、前記酸素含有ガスは酸素である。
上記実施形態によれば、燃焼によって発生するCO、CO、NOなどの不純物を抑制でき、特に水素および酸素だけを用いた場合は、不純物の無い、純粋な過熱水蒸気42を製造できる。
また、一実施形態の過熱水蒸気製造装置1では、
前記水素含有ガスおよび/または前記酸素含有ガスの供給量を制御することによって、前記過熱水蒸気42の生成に使用されずに余剰となった水素または酸素を過熱水蒸気需要装置10の雰囲気に提供する。
上記実施形態によれば、余剰となって提供される水素または酸素は、過熱水蒸気需要装置10(例えば、炉)に提供されて、過熱水蒸気需要装置10の雰囲気を制御できる。余剰の水素の量が多ければ、過熱水蒸気需要装置10の雰囲気を還元雰囲気にして、余剰の酸素の量が多ければ、過熱水蒸気需要装置10の雰囲気を酸化雰囲気にすることができる。
1…過熱水蒸気製造装置
2…バーナー
4…供給管
4a…冷却媒体供給管
4b…水素含有ガス供給管
4c…酸素含有ガス供給管
5…流量コントローラ
5a…冷却媒体流量コントローラ
5b…水素含有ガス流量コントローラ
5c…酸素含有ガス流量コントローラ
6…制御部
7…温度センサ
10…過熱水蒸気需要装置
21…第1管
21a…気流管
22…第2管
23…第3管
25…冷却媒体供給口
25a…冷却媒体流路
25b…噴射孔
26…気流供給口
26a…気流流路
27…第1供給口
28…第2供給口
30a…二流体噴霧ノズル
30b…一流体噴霧ノズル
31…噴射部
32…燃焼部
37…第1流路
38…第2流路
41…霧状水
42…過熱水蒸気
x…霧状水の噴射角度
y…過熱水蒸気の噴射角度

Claims (9)

  1. 水素含有ガスを酸素含有ガスで燃焼させることによって過熱水蒸気を生成する燃焼部が外周部に設けられているともに、水または蒸気を噴射する噴射部が中央部に設けられていて、前記噴射部が前記燃焼部によって周状に囲まれているバーナーと、
    前記水または前記蒸気の流量を制御する冷却媒体流量コントローラとを備え、
    前記噴射部の先端は、前記燃焼部の先端に対して、前記水または前記蒸気の噴射方向の上流側に位置して、
    前記過熱水蒸気に対する前記水または前記蒸気の供給量を制御することによって、前記過熱水蒸気の温度および生成量を制御することを特徴とする、過熱水蒸気製造装置。
  2. 前記燃焼部において前記水素含有ガスを前記酸素含有ガスで燃焼させる燃焼量を制御することによって、前記過熱水蒸気の温度および生成量を制御することを特徴とする、請求項1に記載の過熱水蒸気製造装置。
  3. 前記バーナーが、前記水を前記水素含有ガスまたは前記酸素含有ガスと一緒に噴射して霧状水を生成する二流体噴霧ノズルを有することを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の過熱水蒸気製造装置。
  4. 前記バーナーが、前記水または前記蒸気に圧力を印加することによって前記水または前記蒸気を噴射して霧状水を生成する一流体噴霧ノズルを有することを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の過熱水蒸気製造装置。
  5. 前記霧状水の噴射角度が、前記過熱水蒸気の噴射角度よりも小さいことを特徴とする、請求項3または請求項4に記載の過熱水蒸気製造装置。
  6. 前記過熱水蒸気の温度を測定する温度センサと、前記冷却媒体流量コントローラを制御する制御部とを備え、
    前記制御部は、前記過熱水蒸気の測定温度に基づいて、前記冷却媒体流量コントローラにおける前記水または前記蒸気の前記流量を制御することを特徴とする、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の過熱水蒸気製造装置。
  7. 前記蒸気は低温水蒸気であることを特徴とする、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の過熱水蒸気製造装置。
  8. 前記水素含有ガスは水素であり、および/または、前記酸素含有ガスは酸素であることを特徴とする、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の過熱水蒸気製造装置。
  9. 前記水素含有ガスおよび/または前記酸素含有ガスの供給量を制御することによって、前記過熱水蒸気の生成に使用されずに余剰となった水素または酸素を過熱水蒸気需要装置の雰囲気に提供することを特徴とする、請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の過熱水蒸気製造装置。
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