JPH0639221Y2 - 炭化水素改質装置用バーナ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本考案は、メタン等の炭化水素を改質して水素を主成分
とする改質ガスを製造する炭化水素改質装置のバーナに
関し、詳細には未燃カーボンの発生並びに逆火を防止し
た炭化水素改質装置用バーナに関するものである。

［従来の技術］ 触媒を充填した加熱管内に、炭化水素等を流して加熱管
内で改質反応を起こさせる改質装置としては、例えば燃
料電池用のリフォーマが知られている。即ち燃料電池
は、燃料のもつ化学エネルギーを電気化学反応により直
接電気エネルギーに変換する機能をもっており、新エネ
ルギー関連技術として注目を集めている。尚該燃料電池
においては、燃料として水素，天然ガス，石炭ガス化ガ
ス等が使用される（特に水素を使用するものが多い）。
従って燃料電池には燃料供給装置が不可欠であり、安価
な炭化水素から水素を経済的に製造する上記改質装置が
利用される訳である。

第２図はこうした炭化水素改質装置の一例を示す断面説
明図であり、装置は、断熱材Ｐで形成される容器内に触
媒Ｓを充填した三重管構造の環状改質管Ｋを設置し、該
改質管Ｋの最内壁で囲まれる内部空間に先端部がバーナ
タイル31で被覆・保護されたバーナＡを挿設している。
バーナタイル31で改質管Ｋで囲まれた内部空間は燃焼領
域44となっており、バーナＡから放出される燃焼ガスは
燃焼領域44を降下し、改質管Ｋの下部を回り込んで改質
管Ｋの外周側へ至り、該外周側の燃焼ガス導出路42を上
昇して蓋体51に挿設された燃焼ガス排出管43から系外へ
放出される。

一方原料ガスＧは、断熱材Ｐを貫通して形成された導入
管21から断熱材容器内壁に沿って設けられた導入路20へ
至り、さらに導管22を通って改質管Ｋの内層通路14へ入
り、該内層通路14を降下してその底部で折返し、改質管
Ｋの外層通路15内を上昇し、さらにマニホールド61に集
められて取出管63から抜き出される。

即ちメタン等の原料ガスＧは上記流路を流れる間に燃焼
ガスによって加熱されると共に改質管Ｋ内の触媒の作用
を受けて、水素及び一酸化炭素等からなる改質ガスに変
換され、燃料電池等の消費部へ供給されることになる。

この様な炭化水素改質装置における、バーナとしては、
燃焼用空気，バーナ点火・立ち上げ用の燃料（例えば天
然ガス）及び燃料電池本体から返送循環されてくるリサ
イクルガス（水素を主成分とする）を供給する必要のあ
ることから、その中心位置にパイロットバーナを設けた
同心状多重管構造のバーナが使用される。そして多重管
構造のバーナ内流路は内側から外側に向かってリサイク
ルガス用流路，燃料ガス用流路，燃焼用空気流路に夫々
区分されている。

かかるバーナを使用して燃焼状態を形成するに当たっ
て、例えば燃焼立ち上げ時には、まず立ち上げ用燃料
（天然ガス）を燃焼させてバーナを昇温させる。このと
き原料ガスは未だ改質管へ供給されておらず、装置内の
温度（炉温）が所定温度まで上昇した時点ではじめて改
質管への原料ガスの供給が始まり、燃料電池部へ改質ガ
スが供給される。そしてそれよりある程度の時間が経過
した後に、燃料電池から排出されるリサイクルガス（水
素を主成分とする）がバーナへ返送供給され始める。又
改質装置を操業する過程において炉温が高くなりすぎた
場合には天然ガス等の供給を停止し、リサイクルガスだ
けを燃焼させ、一方炉温が低下しすぎた場合には燃料ガ
スを供給してリサイクルガスと混焼させる。

このようにバーナの燃焼状態は、リサイクルガス又は燃
料ガスを専焼させる場合及び両者を混焼させる場合があ
り、また燃焼状態に合わせて燃焼用空気供給量を制御す
る必要がある。特に改質装置においては改質反応効率を
高位安定化させる上で炉温を所定範囲に制御することが
重要であり、従って燃焼制御はより正確であることが要
求される。

しかるに上記バーナに供給される燃料ガスとリサイクル
ガスではその燃焼特性（燃焼速度，可燃範囲等）が大き
く異なっており、このことが燃焼制御をより厄介なもの
にしており、炉温を不安定化させる要因となっている。
さらに燃焼制御が不調の場合には不完全燃焼による未燃
カーボン（スス）等の発生やリサイクルガス流路への逆
火といった問題も発生し、バーナの性能を悪化させるこ
とになり、燃焼状態を一層不安定なものにしている。

そこで燃焼状態を安定化させるべく第3,4図に示す様な
バーナ構造も提案されており、これらのバーナは天然ガ
スを混焼させる高負荷燃焼時においても保炎性能が維持
される様に設計されたバーナである。即ち、天然ガスを
混焼させる高負荷燃焼時、燃焼実内に保炎管10,18を設
けたり、燃焼室内で空気に旋回力を持たせて混合状態を
向上させる（第３図参照）という構造を採用したり、さ
らに空気混合位置をバーナの上流側位置と下流側位置の
２カ所に設け、混合状態を向上させる（第４図参照）等
の工夫も採用されている。

［考案が解決しようとする課題］ 従来のバーナは以上のように構成されているが、第３
図，第４図に示すようなバーナは単に天然ガスと空気と
の混合状態を上げることだけを意図しており、燃焼特性
の異なる複数の可燃性ガスを用いて燃焼させる場合への
適用は意図されておらず、従って満足し得る燃焼状態が
得られず、炉温の不安定化、不完全燃焼に伴う未燃カー
ボンの発生やリサイクルガス流路への逆火といった問題
を解消するには至っていない。

本考案はこうした事情に着目してなされたものであっ
て、燃焼特性の異なる可燃性ガスを良好に燃焼させ、不
完全燃焼に伴なう未燃カーボンの発生やリサイクルガス
流路への逆火を防止し得る様な炭化水素改質装置用バー
ナを提供しようとするものであり、これによって適確な
燃焼制御を達成し、改質反応を効率良く進めようとする
ものである。

［課題を解決するための手段］ しかして上記目的を達成した本考案のバーナは、燃焼用
空気、炭化水素系燃料，該炭化水素系燃料より燃焼性の
良好なリサイクルガスが夫々独立して流れる各流路を形
成した同心状多重管と、該多重管の先端に設けられた噴
射ノズルと、該多重管の軸心位置に設けられたパイロッ
トバーナを有し、上流側に上記燃焼用空気と上記炭化水
素系燃料の合流点を設け、それより下流側に上記リサイ
クルガスの合流点を形成してなる点に要旨を有するもの
である。

［作用］ 炭化水素系燃料（例えば天然ガス）とリサイクルガスの
燃焼特性を比較すると、炭化水素系燃料は燃焼速度も遅
く、可燃範囲も狭いので、空気との混合状態が悪いとき
は不完全燃焼を起こし、さらには気流による吹き消えを
起こし易い。一方リサイクルガスの燃焼性は非常に良好
で、その為に逆火を起こし易いという欠点があり、逆火
によってバーナに致命的な損傷を与えることがある。

本考案においてはこうした可燃性ガスの燃焼特性の違い
に鑑みて、燃焼性の悪い炭化水素系燃料はバーナ内流路
の噴射ノズルから上流側へ一定の供給を逆のぼった位置
で前もって燃焼用空気と合流させる構成を採用してお
り、これによって空気との十分な混合を達成し、噴射後
に完全燃焼するようにしている。そして燃焼性の良好な
リサイクルガスについては上記炭化水素系燃料合流点よ
りも下流側、即ち噴射ノズルに比較的近いところで燃焼
用空気と合流させて混合する構成を採用しており、これ
によって未燃カーボンの発生が抑制され、且つクリーン
な所謂ブルー炎を得ることができる。

［実施例］ 第１図（Ａ）は第１実施例に係るバーナを示す要部拡大
断面説明図、第１図（Ｂ）は第１図（Ａ）の右側面図で
あり、同心状多重管構造からなるバーナの軸心位置に点
火用パイロットバーナ４が配置され、その外側にリサイ
クルガス流路3,天然ガス流路2,燃焼用空気流路１が上記
々載の順序に形成されている。そしてバーナ先端には天
然ガスと空気の混合流、又はリサイクルガスと空気の混
合流、又は天然ガスと空気とリサイクルガスの混合流を
噴射するノズルチップ５が取付けられている。７はノズ
ルチップ５に設けられた噴出孔である。天然ガスと空気
の合流点はノズルチップ５から距離Ｌだけ逆上った地点
に設けられており、具体的には天然ガス流路２と燃焼用
空気流路１を画成する管壁８の周面上に第１図（Ｃ）
（正面図）に示す様に、複数個の天然ガス導入孔６を設
けて燃焼用空気と合流させている。尚Ｌの値について
は、炭化水素系燃料として天然ガスを使用する場合、30
mm以上とすることが望まれる。一方燃焼速度も大きく、
可燃範囲も広い水素主成分のリサイクルガスについては
噴射ノズルチップ５の直前で燃焼用空気と混合させるよ
うにしている。

上記構成の実施例バーナにおいては、高負荷時あるいは
低負荷時の如何にかかわらず、未燃カーボンの発生のな
い安定した火炎を形成することができた。又低負荷燃焼
時においても、バーナの損傷につながる逆火現象を回避
することができた。

第５図は第２実施例を示す第１図（Ｃ）相当図で、管壁
８には天然ガス導入孔６が千鳥状に穿設されている。こ
のような構成を採用することによって天然ガスと燃焼用
空気の混合を一層促進することができる。

第６図は、第３実施例を示す第１図（Ａ）相当図で、パ
イロットバーナ４の外周に内側から外側へ向かって燃焼
用空気流路1,天然ガス流路2,リサイクルガス流路３を夫
々この記載の順序に形成したものである。そして燃焼用
空気流路１と天然ガス流路２を仕切る隔壁８には、天然
ガスを内側へ向けて噴出する複数個の導入孔６を穿設し
ている。

第７図は第４実施例を示す第１図（Ａ）相当図であり、
リサイクルガス流路3,天然ガス流路2,燃焼用空気流路１
の各流路の配列は第１実施例（第１図）と同様である
が、バーナ先端にはノズルチップを設けていない。

リサイクルガスは天然ガスと比較すると５倍以上の燃焼
速度を有すると共に可燃範囲も広く燃焼性が非常に良好
なガスである。従って噴射ノズル直前でリサイクルガス
と燃焼用空気を敢えて混合させなくとも、即ち本実施例
のようにリサイクルガス噴出口と燃焼用空気噴出口を完
全に分離し、個別に噴射した後、はじめて両者が混合す
る方式においても安定燃焼が達成され、未燃カーボンの
発生を防止することができる。

一方燃焼性の悪い炭化水素系燃料は噴出口により距離Ｌ
だけ上流側の位置において燃焼用空気と混合するので空
気と十分に混合することができるが、第７図に示す様に
燃焼用空気流路１に旋回器９を介設すれば天然ガスと空
気との混合を一層促進させることができる。

第８図は第５実施例を示す第１図（Ａ）相当図であり、
水素主成分のリサイクルガスについては第１実施例（第
１図例）と同様に噴射ノズルの直前において空気と混合
する構造であるが、炭化水素系燃料（例えば天然ガス）
については、ノズルチップ５より上流側の位置において
空気と平行に天然ガスを噴出させ、ノズルに到達するま
での間で燃焼用空気と混合する構造を採用している。こ
のとき第４実施例（第７図例）と同様に燃焼用空気流路
に旋回器９を取付けて混合を促進することが望まれる。

［考案の効果］ 本考案は以上の様に構成されており、燃焼特性の異なる
可燃性ガスを良好に燃焼させることができ、未燃カーボ
ンの発生や逆火現象を防止することができる炭化水素改
質装置用バーナを提供することができた。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は実施例バーナを示す要部拡大断面説明
図、第１図（Ｂ）は第１図（Ａ）の右側面図、第１図
（Ｃ）は第１図（Ａ）に示される実施例バーナの天然ガ
ス導入孔の配設の様子を示す正面図、第２図は改質装置
の概要を示す断面図、第3,4図は従来例のバーナを示す
断面説明図、第５図は第２実施例バーナを示す第１図
（Ｃ）相当図、第６〜８図は第３〜５実施例バーナを示
す第１図（Ａ）相当図てある。 １…燃焼用空気流路、２…天然ガス流路、３…リサイク
ルガス流路 ４…パイロットバーナ、５…ノズルチップ、６…導入孔 ７…噴出孔、８…隔壁、９…旋回器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 青木 守 兵庫県神戸市須磨区横尾２―26―16 (56)参考文献 特公 昭58−19926（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】燃焼用空気、炭化水素系燃料、該炭化水素
   系燃料より燃焼性の良好なリサイクルガスが夫々独立し
   て流れる各流路を形成した同心状多重管と、該多重管の
   先端に設けられた噴射ノズルと、該多重管の軸心位置に
   設けられたパイロットバーナを有し、 上流側に上記燃焼用空気と上記炭化水素系燃料の合流点
   を設け、それより下流側に上記リサイクルガスの合流点
   を形成してなることを特徴とする炭化水素改質装置用バ
   ーナ。