JP7404589B1

JP7404589B1 - 水素燃焼式ダクトバーナ

Info

Publication number: JP7404589B1
Application number: JP2023151300A
Authority: JP
Inventors: 裕也鎌田
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2023-09-19
Filing date: 2023-09-19
Publication date: 2023-12-25
Anticipated expiration: 2043-09-19

Abstract

【課題】水素燃焼によるバーナ部品の赤熱（異常過熱）による熱損傷を抑制する。【解決手段】水素燃焼式ダクトバーナ２０は、水素噴出口２４Ａから水素ガスを保炎空間Ｒへ噴出させる水素噴出ヘッダ２２と、水素噴出ヘッダ２２の水素噴出口２４Ａを挟んだ両側から、水素ガスの噴出方向に対して保炎空間Ｒの下流端の開口が広がるように延出配置された一対の空気噴出プレート３４と、一対の空気噴出プレート３４の各々に設けられ、保炎空間Ｒへ空気を噴出させる空気噴出ノズル３６と、保炎空間Ｒの内壁の一部を構成し、一対の空気噴出プレート３４間を連結する一対のサイドプレート４０と、一対のサイドプレート４０から連続する開口の端部を覆い、少なくとも１の空気噴出ノズル３６からの空気噴出方向の延長線と重なるように配置された一対の閉塞板４４と、を備えている。【選択図】図２

Description

本願の開示する技術は、水素燃焼式ダクトバーナに関する。

従来、ダクト内に熱風を発生させる熱風発生バーナを配置して熱風を供給するダクトバーナが用いられている。ダクトバーナは、燃料噴出ヘッダ、空気噴出プレート、サイドプレートを有している（特許文献１参照）。

ところで、近年、脱炭素燃料として水素ガスが注目されているが、水素ガスは、都市ガスと比べて、燃焼速度が速く、火炎温度が高い。

特開２００４－２８６２８２号公報

特許文献１のようなダクトバーナの燃料として水素ガスを使用した場合、火炎によりバーナ部品の赤熱（異常過熱）が生じやすく、バーナ部品の熱損傷や劣化が生じるという問題がある。

本開示は上記事実を考慮し、水素燃焼によるバーナ部品の赤熱による熱損傷を抑制する、水素燃焼式ダクトバーナを提供することを目的とする。

第１態様の水素燃焼式ダクトバーナは、水素噴出口から水素ガスを保炎空間へ噴出させる水素噴出ヘッダと、前記水素噴出ヘッダの水素噴出口を挟んだ両側から、水素ガスの噴出方向に対して前記保炎空間の下流端の開口が広がるように延出配置された一対の空気噴出プレートと、前記一対の空気噴出プレートの各々に設けられ、前記保炎空間へ空気を噴出させる空気噴出ノズルと、前記水素ガスの噴出方向に延出されて前記保炎空間の内壁の一部を構成し、一対の前記空気噴出プレート間を連結する一対のサイドプレートと、前記一対のサイドプレートから連続する前記開口の端部を覆い、少なくとも１の前記空気噴出ノズルからの空気噴出方向の延長線と重なるように配置された一対の閉塞板と、を備えている。

第１態様の水素燃焼式ダクトバーナは、水素噴出口から水素ガスを保炎空間へ噴出させる水素噴出ヘッダを有し、水素噴出口を挟んだ両側から、水素ガスの噴出方向に対して開口が広がるように、一対の空気噴出プレートが延出配置されている。そして、一対の空気噴出プレートの各々には、保炎空間へ空気を噴出させる空気噴出ノズルが形成されている。また、保炎空間の一部の内壁を構成するサイドプレートが、一対の空気噴出プレート間を連結するように設けられている。さらに、一対のサイドプレートから連続する開口の端部を覆う一対の閉塞板が設けられている。

水素噴出口からは、保炎空間へ水素ガスが噴出され、空気噴出ノズルからは、保炎空間へ空気が噴出される。水素ガスと空気は混合され、水素ガスは保炎空間で燃焼する。閉塞板は、少なくとも１の空気噴出ノズルからの空気噴出方向の延長線と重なるように配置されているので、当該空気噴出ノズルから噴出された空気は閉塞板へ当たり、サイドプレートに沿って保炎空間の上流側へ戻る流れができる。この空気流れにより、サイドプレートの温度上昇が抑制され、水素燃焼による熱損傷を抑制することができる。

第２態様の水素燃焼式ダクトバーナは、第１態様の水素燃焼式ダクトバーナにおいて、前記閉塞板は、前記水素噴出口からの水素噴出方向の延長線と重ならないように配置されている。

第２態様の水素燃焼式ダクトバーナによれば、水素噴出口から噴出された水素ガスが直接閉塞板に当たることがないため、水素ガス燃焼による火炎でのサイドプレートの温度上昇を抑制することができる。

第３態様の水素燃焼式ダクトバーナは、第１態様または第２の態様の水素燃焼式ダクトバーナにおいて、前記水素噴出ヘッダの長手方向の両端の各々１／１０以上の領域は、前記水素噴出口が形成されない水素非噴出部とされている。

第３態様の水素燃焼式ダクトバーナによれば、水素噴出ヘッダの長手方向端部には水素非噴出部が形成されているので、水素ガス燃焼による火炎がサイドプレートから離れた位置で形成され、サイドプレートの温度上昇を抑制することができる。

第４態様の水素燃焼式ダクトバーナは、第１態様～第３の態様のいずれか１項の水素燃焼式ダクトバーナにおいて、前記空気噴出プレートの水素ガスの噴出上流側の少なくとも３／５の領域は、前記空気噴出ノズルが形成されない空気非噴出部とされている。

第４態様の水素燃焼式ダクトバーナによれば、空気噴出プレートの水素ガスの噴出上流側３／５の領域からは、空気が噴出されないので、水素ガスの燃焼位置を開口外側にずらすことができる。これにより、水素噴出ヘッダ、一対の空気噴出プレート、一対のサイドプレートの温度上昇が抑制され、水素燃焼による熱損傷を抑制することができる。

本開示によれば、水素燃焼によるバーナ部品の赤熱（異常過熱）による熱損傷を抑制することができる。

本実施形態の水素燃焼式熱風バーナを用いた熱風乾燥システムの概略構成を示す図である。本実施形態の水素燃焼式熱風バーナの斜視図である。本実施形態の水素燃焼式熱風バーナの正面図である。図２のＡ－Ａ線の断面図である。図２のＢ－Ｂ線の断面図である。

以下、図面を参照して本開示の実施形態を詳細に説明する。

図１には、本実施形態の水素燃焼式熱風バーナ２０を用いた熱風乾燥システム１０の概略構成が示されている。熱風乾燥システム１０は、乾燥炉１２、循環ダクト１４を備えている。乾燥炉１２には、水素燃焼式熱風バーナ２０で発生させた熱風が供給され、炉内において被乾燥物に対し熱風乾燥が行われる。乾燥炉１２には、排気路１２Ａが接続されており、炉内のガスが一部排気される。

循環ダクト１４は、乾燥炉１２を経由してガスが内部で循環する経路を構成している。循環ダクト１４内のガスＧは、不図示の循環ファンにより循環されている。循環ダクト１４内には、乾燥炉１２の上流側に水素燃焼式熱風バーナ２０が配設されている。

水素燃焼式熱風バーナ２０は、水素ガスを空気中の酸素で燃焼させ、この燃焼により生じた燃焼ガスを噴出して熱風を発生させるものである。水素燃焼式熱風バーナ２０は、水素噴出ヘッダ２２、空気噴出筒３０を備えている。水素噴出ヘッダ２２には、水素ガス供給管Ｐ１が接続されており、水素ガス供給管Ｐ１から水素噴出ヘッダ２２へ水素ガスが供給される。空気噴出筒３０には、空気供給管Ｐ２が接続されており、空気供給管Ｐ２から空気噴出筒３０へ空気が供給される。

水素噴出ヘッダ２２は、空気噴出筒３０の内部に配置され、図２及び図３に示されるように、水素噴出側に長方形状の水素噴出プレート２４が配置されている。水素噴出プレート２４には、長尺方向に一列に複数の水素噴出口２４Ａが形成されている。水素噴出口２４Ａは、水素噴出プレート２４の長尺方向の両端部には形成されていない。この、水素噴出プレート２４において水素噴出口２４Ａが形成されていない部分を「水素非噴出部２６」と称する。水素非噴出部２６の長尺方向の長さＳ１は、水素噴出プレート２４の長尺方向の全体の長さＳ０の１／１０以上、３／８以下であることが好ましい。これにより、水素ガスは、後述する一対のサイドプレート４０から離れた中央部から噴出される。本実施形態では、水素非噴出部２６の長尺方向の長さＳ１は、水素噴出プレート２４の長尺方向の全体の長さＳ０の１／４程度とされている。

図２に示されるように、空気噴出筒３０は、一面を開口とする箱状の外壁３２を備え、外壁３２から離れた内部に水素噴出ヘッダ２２が配設されている。水素噴出プレート２４（水素噴出ヘッダ２２）の水素噴出口２４Ａを挟んだ上部及び下部からは、一対の空気噴出プレート３４が水素ガスの噴出方向外側に向かって延出配置されている。一対の空気噴出プレート３４は、互いの距離が、水素ガスの噴出方向の外側に向かうにつれて広がるように配置されている。一対の空気噴出プレート３４の各々の延出先端には、上側、下側に各々折り曲げられたフランジ部３５が形成されている。フランジ部３５の上端、下端は、外壁３２に連結されている。

水素噴出プレート２４（水素噴出ヘッダ２２）の水素噴出口２４Ａを挟んだ左右の両端からは、一対のサイドプレート４０が水素ガスの噴出方向外側に向かって延出配置されている。一対のサイドプレート４０の各々の延出先端は、外壁３２に連結されている。

空気噴出筒３０の内部には、外壁３２、水素噴出ヘッダ２２、一対の空気噴出プレート３４、一対のサイドプレート４０により区画された空気室３１が形成されている。また、空気噴出筒３０の内部で、水素噴出プレート２４の水素ガス噴出外側には、一対の空気噴出プレート３４、一対のサイドプレート４０に囲まれた、保炎空間Ｒが形成されている。保炎空間Ｒは、水素ガス噴出方向の外側に向かって上下方向が徐々に広がり、空気噴出筒３０の外側へ開口する開口部Ｒ０が形成されている。開口部Ｒ０が保炎空間Ｒの下流端となる。保炎空間Ｒは、外部から囲まれていることにより、火炎を維持する機能を有すると共に、水素ガスの噴出方向へ火炎を誘導している。

一対の空気噴出プレート３４の内の上側空気噴出プレート３４Ａには、空気室３１から保炎空間Ｒへ空気を噴出する、複数の上側空気噴出ノズル３６Ａが形成されている。複数の上側空気噴出ノズル３６Ａは、本実施形態では、上側空気噴出プレート３４Ａの延出方向に２列、左右方向に１２個が並ぶように形成されている。

図３にも示されるように、上側空気噴出ノズル３６Ａは、上側空気噴出プレート３４Ａの延出方向の開口部Ｒ０側にのみ形成されており、水素噴出プレート２４側には形成されていない。この、上側空気噴出プレート３４Ａにおいて上側空気噴出ノズル３６Ａが形成されていない部分を「空気非噴出部３８Ａ」と称する。空気非噴出部３８Ａの延出方向の長さＬ１は、上側空気噴出プレート３４Ａの延出方向の全体の長さＬ０の３／５以上、４／５以下であることが好ましい。これにより、空気は、保炎空間Ｒの奥側（水素噴出プレート２４側）からは噴出されない。本実施形態では、空気非噴出部３８Ａの延出方向の長さＬ１は、保炎空間Ｒに露出している上側空気噴出プレート３４Ａの延出方向の全体の長さＬ０の３／５程度とされている。

上側空気噴出ノズル３６Ａは、図５に示されるように、上側空気噴出プレート３４Ａのプレート面の法線方向Ｈに対して、空気噴出方向Ｄ１が開口部Ｒ０の外側へ傾斜するように設けられている。すなわち、上側空気噴出ノズル３６Ａは、上側空気噴出プレート３４Ａを左右方向から見て、開口部Ｒ０側の上側空気噴出プレート３４Ａのプレート面に対し、空気噴出方向Ｄ１が９０°未満の傾斜角度θ１で設定されている。

なお、空気噴出方向Ｄ１は、上側空気噴出ノズル３６Ａの中心軸の空気噴出方向Ｄ１の延長線上に下側空気噴出プレート３４Ｂが配置されず、当該延長線が開口部Ｒ０より外側に延出されるように設定されることが好ましい。また、傾斜角度θ１は、３０°以上６０°以下であることが好ましい。本実施形態では、空気噴出方向Ｄ１の傾斜角度θ１は、４５°とされている。

一対の空気噴出プレート３４の内の下側空気噴出プレート３４Ｂにも、空気室３１から保炎空間Ｒへ空気を噴出する、複数の下側空気噴出ノズル３６Ｂが形成されている。複数の下側空気噴出ノズル３６Ｂは、本実施形態では、下側空気噴出プレート３４Ｂの延出方向に２列、左右方向に１２個が並ぶように形成されている。

図２－４に示されるように、下側空気噴出ノズル３６Ｂは、下側空気噴出プレート３４Ｂの延出方向の水素噴出プレート２４側には形成されていない。この、下側空気噴出プレート３４Ｂにおいて下側空気噴出ノズル３６Ｂが形成されていない部分を「空気非噴出部３８Ｂ」と称する。空気非噴出部３８Ｂの延出方向の長さＬ２は、下側空気噴出プレート３４Ｂの延出方向の全体の長さＬ０の３／５以上、４／５以下であることが好ましい。これにより、空気は、保炎空間Ｒの奥側（水素噴出プレート２４側）からは噴出されない。本実施形態では、空気非噴出部３８Ｂの延出方向の長さＬ２は、保炎空間Ｒに露出している下側空気噴出プレート３４Ｂの延出方向の全体の長さＬ０の３／５程度とされている。

下側空気噴出ノズル３６Ｂは、図５に示されるように、下側空気噴出プレート３４Ｂのプレート面の法線方向Ｈに対して、空気噴出方向Ｄ２が開口部Ｒ０の外側へ傾斜するように設けられている。すなわち、下側空気噴出ノズル３６Ｂは、下側空気噴出プレート３４Ｂを左右方向から見て、開口部Ｒ０側の下側空気噴出プレート３４Ｂのプレート面に対し、空気噴出方向Ｄ２が９０°未満の傾斜角度θ２で設定されている。

なお、空気噴出方向Ｄ２は、下側空気噴出ノズル３６Ｂの中心軸の空気噴出方向Ｄ２の延長線上に上側空気噴出プレート３４Ａが配置されず、当該延長線が開口部Ｒ０より外側に延出されるように設定されることが好ましい。また、傾斜角度θ２は、３０°以上６０°以下であることが好ましい。本実施形態では、空気噴出方向Ｄ２の傾斜角度θ２は、４５°とされている。

開口部Ｒ０の左右端部には、開口部Ｒ０の一部を覆う一対の板状の閉塞板４４が設けられている。水素ガスの噴出上流側から見て、一対の閉塞板４４の内の右閉塞板４４Ａは、開口部Ｒ０の水素ガスの噴出上流側から見て右端部を覆うように設けられている。右閉塞板４４Ａは、開口部Ｒ０側から見て、少なくとも左端に形成された上側空気噴出ノズル３６Ａ及び下側空気噴出ノズル３６Ｂを覆う位置に配設されている。また、右閉塞板４４Ａは、開口部Ｒ０側から見て、水素噴出口２４Ａと重なり合わない位置（水素噴出口２４Ａを覆わない位置）に配設されている。

また、一対の閉塞板４４の内の左閉塞板４４Ｂは、開口部Ｒ０の水素ガスの噴出上流側から見て左端部を覆うように設けられている。左閉塞板４４Ｂは、開口部Ｒ０側から見て、少なくとも右端形成された上側空気噴出ノズル３６Ａ及び下側空気噴出ノズル３６Ｂを覆う位置に配設されている。また、左閉塞板４４Ｂは、開口部Ｒ０側から見て、水素噴出口２４Ａと重なり合わない位置（水素噴出口２４Ａを覆わない位置）に配設されている。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。

熱風乾燥システム１０の稼働は、循環ダクト１４内で気体を循環させつつ、水素燃焼式熱風バーナ２０で熱風を発生させる。水素燃焼式熱風バーナ２０での熱風発生時には、水素ガス供給管Ｐ１から水素噴出ヘッダ２２へ水素ガスを供給し、空気供給管Ｐ２から空気噴出筒３０へ空気を供給し、不図示の着火装置により着火が行われる。

水素ガスは、水素噴出口２４Ａから噴出され、空気は空気噴出ノズル３６から噴出される。水素ガスと空気とが混合されて燃焼し、燃焼により熱風となった燃焼ガスが乾燥炉１２へ供給され、乾燥炉１２での乾燥に供される。

本実施形態の水素燃焼式熱風バーナ２０では、上側空気噴出ノズル３６Ａ及び下側空気噴出ノズル３６Ｂからは、開口部Ｒ０の外側へ向かって空気が噴出される。したがって、水素噴出口２４Ａから噴出された水素ガスとの混合は、上側空気噴出ノズル３６Ａ及び下側空気噴出ノズル３６Ｂが形成されている位置よりも保炎空間Ｒの外側となる。これにより、上側空気噴出ノズル３６Ａ及び下側空気噴出ノズル３６Ｂからの空気の噴出方向が、空気噴出プレート３４のプレート面に対して法線方向の場合と比較して、水素ガスの燃焼位置を開口外側へずらすことができ、保炎空間Ｒ内の温度の過度な上昇を抑制することができる。

また、本実施形態では、上側空気噴出ノズル３６Ａ及び下側空気噴出ノズル３６Ｂを、上側空気噴出プレート３４Ａ、下側空気噴出プレート３４Ｂの延出方向の開口部Ｒ０側にのみ形成しており、空気非噴出部３８Ａ、３８Ｂを設けている。これにより、上側空気噴出プレート３４Ａ、下側空気噴出プレート３４Ｂの全面に上側空気噴出ノズル３６Ａ及び下側空気噴出ノズル３６Ｂを設けた場合と比較して、水素ガスの燃焼位置を開口外側へずらすことができ、保炎空間Ｒ内の温度の過度な上昇を抑制することができる。

また、本実施形態では、上側空気噴出ノズル３６Ａの中心軸の空気噴出方向Ｄ１の延長線上に下側空気噴出プレート３４Ｂが配置されず、下側空気噴出ノズル３６Ｂの中心軸の空気噴出方向Ｄ２の延長線上に上側空気噴出プレート３４Ａが配置されていない。したがって、水素ガスの燃焼炎が、直接上側空気噴出プレート３４Ａ、下側空気噴出プレート３４Ｂへ吹き付けられず、上側空気噴出プレート３４Ａ、下側空気噴出プレート３４Ｂの過度な温度上昇を抑制することができる。

また、本実施形態では、水素噴出口２４Ａを、水素噴出プレート２４の中央部に形成し、水素噴出プレート２４の長尺方向の両端部に水素非噴出部２６を設けている。これにより、一対のサイドプレート４０から離れた位置から水素ガスが噴出され、一対のサイドプレート４０の過度な温度上昇を抑制することができる。

また、本実施形態では、一対の閉塞板４４を設けている。水素噴出口２４Ａは、閉塞板４４と重なり合っておらず、左右方向の端部に設けられた空気噴出ノズル３６から噴出された空気が閉塞板４４に当たるため、閉塞板４４に当たった空気は上流側へ戻り、サイドプレート４０に沿って空気流が発生する。したがって、サイドプレート４０の近傍において、過度な温度上昇を抑制することができる。

なお、本実施形態では、上側空気噴出プレート３４Ａ、下側上側空気噴出プレート３４Ｂの水素ガスの噴出上流側に空気噴出ノズルが形成されない空気非噴出部３８Ａ、３８Ｂを形成したが、必ずしも空気非噴出部３８Ａ、３８Ｂを形成しなくてもよい。

また、本実施形態では、上側空気噴出ノズル３６Ａ、下側空気噴出ノズル３６Ｂについて、プレート面に対して、空気噴出方向Ｄ１、Ｄ２が開口部Ｒ０の外側へ傾斜するように設けたが、空気噴出方向Ｄ１、Ｄ２をプレート面の法線方向に向けてもよい。

２０水素燃焼式熱風バーナ
２２水素噴出ヘッダ
２４Ａ水素噴出口
３４空気噴出プレート
３６空気噴出ノズル
３８Ａ、３８Ｂ空気非噴出部
４０サイドプレート
４４閉塞板４４
Ｒ保炎空間
Ｒ０開口部（開口）

Claims

水素噴出口から水素ガスを保炎空間へ噴出させる水素噴出ヘッダと、
前記水素噴出ヘッダの水素噴出口を挟んだ両側から、水素ガスの噴出方向に対して前記保炎空間の下流端の開口が広がるように延出配置された一対の空気噴出プレートと、
前記一対の空気噴出プレートの各々に設けられ、前記保炎空間へ空気を噴出させる空気噴出ノズルと、
前記水素ガスの噴出方向に延出されて前記保炎空間の内壁の一部を構成し、一対の前記空気噴出プレート間を連結する一対のサイドプレートと、
前記一対のサイドプレートから連続する前記開口の端部を覆い、少なくとも１の前記空気噴出ノズルからの空気噴出方向の延長線と重なるように配置された一対の閉塞板と、
を備えた、水素燃焼式ダクトバーナ。
前記閉塞板は、前記水素噴出口からの水素噴出方向の延長線と重ならないように配置されている、請求項１に記載の水素燃焼式ダクトバーナ。
前記水素噴出ヘッダの長手方向の両端の各々１／１０以上の領域は、前記水素噴出口が形成されない水素非噴出部とされている、
請求項１に記載の水素燃焼式ダクトバーナ。
前記空気噴出プレートの水素ガスの噴出上流側の少なくとも３／５の領域は、前記空気噴出ノズルが形成されない空気非噴出部とされている、
請求項１に記載の水素燃焼式ダクトバーナ。