TWI810718B - 氫能燃燒器之噴注系統 - Google Patents
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Abstract
一種氫能燃燒器之噴注系統,包含外管、第一噴注單元、及複數個第二噴注單元。第一噴注單元設於外管中,且包含第一內管及第一外管。第一內管配置以噴注氫氣。第一外管圍設於第一內管外,且配置以噴注空氣。第二噴注單元設於外管中,且彼此等距排列於第一噴注單元外。每個第二噴注單元包含第二內管及第二外管。第二內管配置以噴注氫氣。第二外管圍設於第二內管外,且配置以噴注空氣。每個第二噴注單元距離外管之內側面第一距離,每個第二噴注單元距離第一噴注單元第二距離。
Description
本揭露是有關於一種噴注裝置,且特別是有關於一種氫能燃燒器之噴注系統。
氫是地球上最豐富的元素之一,不但已經被廣泛運用在工業生產中,也可作為燃料使用。氫燃燒所產生之碳排放源低於化石燃料,或甚至無碳排放。因此,氫燃燒具有相當大的潛在市場。
相較於天然氣,氫氣單位體積之熱值較低,例如在相同的壓力與體積下,氫氣之熱值僅為天然氣之約1/3至約1/4。由於這樣的特性,在燃燒氫氣時,需要提供較大的燃料流量,才能滿足相同功率下的燃燒條件。
另外,氫氣之燃燒速度較天然氣快,例如氫氣之層流燃燒速度約為天然氣之8倍。因此,在燃燒氫氣時,燃燒器容易產生局部過熱的問題,而產生高溫的NOx排放與機頭燒蝕問題。而且,不同於天然氣,燃燒氫氣時氫氣與空氣不需預先混合,以防止燃燒爆炸及產生NOx。
此外,氫氣之可燃範圍較大,且引燃之能量較小,
在燃燒氫氣時,常因流速不足而容易造成稀燃易吹熄的問題。舉例而言,在氫氣流速較慢時,燃燒所產生之火力會有斷斷續續的現象,進而產生燃燒穩定性問題。因此,亟需一種能夠克服上述氫氣燃燒問題之噴注系統。
因此,本揭露之一目的就是在提供一種氫能燃燒器之噴注系統,其透過同軸設計之噴注單元,使氫氣與空氣可平行射出,而可在不預先混合的情況下燃燒形成擴散火焰。藉此,可預防燃燒溫度過高,而可達成減少NOx排放之目的,同時可減少燃燒器機頭燒損的可能性,以提升燃燒器可靠度。
本揭露之另一目的就是在提供一種氫能燃燒器之噴注系統,其透過提供數個噴注單元,可使個別噴注單元依據氫氣燃燒空燃比定比例分流管路。如此,可維持單一噴注單元之氣體流速,預防流速不足所產生之穩定性問題及降低機頭燒損的可能性,同時可根據不同加熱功率需求提供不同的加熱火力。
本揭露之又一目的就是在提供一種氫能燃燒器之噴注系統,其可根據不同應用之燃燒需求或空間限制,而透過調整同軸噴注單元之間的距離,來調整燃燒焰型,進而可增加氫能燃燒器之應用多樣性。
根據本揭露之上述目的,提出一種氫能燃燒器之噴注系統。此氫能燃燒器之噴注系統包含外管、第一噴注單
元、及複數個第二噴注單元。外管沿一方向延伸。第一噴注單元設於外管中,且沿與外管相同之方向延伸。第一單元包含第一內管及第一外管。第一內管配置以噴注氫氣。第一外管圍設於第一內管外,且配置以噴注空氣。第二噴注單元設於外管中,且彼此等距排列於第一噴注單元外,並沿與外管及第一噴注單元相同之方向延伸。每個第二噴注單元包含第二內管及第二外管。第二內管配置以噴注氫氣。第二外管圍設於第二內管外,且配置以噴注空氣。每個第二噴注單元距離外管之內側面第一距離,每個第二噴注單元距離第一噴注單元第二距離。
依照本揭露之一實施例,上述第一內管與上述第二內管,以及上述第一外管與上述第二外管以相同速度分別噴出氫氣與空氣。
依照本揭露之一實施例,上述第一距離等於上述第二距離。
依照本揭露之一實施例,上述第一距離小於上述第二距離。
依照本揭露之一實施例,上述第一距離大於上述第二距離。
依照本揭露之一實施例,上述複數個第二噴注單元包含三個第二噴注單元。
依照本揭露之一實施例,上述氫能燃燒器之噴注系統之第一噴注集合包含上述第一噴注單元,上述氫能燃燒器之噴注系統之第二噴注集合包含上述複數個第二噴注單
元。
依照本揭露之一實施例,上述第一噴注集合與上述第二噴注集合配置以在第一操作模式同時啟動,且上述第一噴注集合或上述第二噴注集合配置以在第二操作模式啟動。
依照本揭露之一實施例,上述複數個第二噴注單元包含四個至六個噴注單元,其中上述氫能燃燒器之噴注系統之第一噴注集合包含上述第一噴注單元與上述複數個第二單元中之至少一者,上述氫能燃燒器之噴注系統之第二噴注集合包含其餘的上述複數個第二噴注單元。
依照本揭露之一實施例,上述第一噴注集合與上述該第二噴注集合配置以在第一操作模式同時啟動,其中上述第一噴注集合或上述第二噴注集合配置以在第二操作模式啟動。
100:氫能燃燒器之噴注系統
100a:氫能燃燒器之噴注系統
100b:氫能燃燒器之噴注系統
100c:氫能燃燒器之噴注系統
100d:氫能燃燒器之噴注系統
120:外管
122:內側面
140:第一噴注單元
142:第一內管
142a:噴射端
143:第一空間
144:第一外管
144a:噴射端
160:第二噴注單元
160a:第二噴注單元
160b:第二噴注單元
160c:第二噴注單元
160d:第二噴注單元
160e:第二噴注單元
160f:第二噴注單元
162:第二內管
162a:噴射端
163:第二空間
164:第二外管
164a:噴射端
200:加熱段
210:持溫段
D1:方向
d1:第一距離
d2:第二距離
配合所附圖式閱讀能使本揭露之目的、特徵、優勢、以及實施例能夠更簡單易懂。需注意的是,根據業界的標準實務,各特徵並未依比例繪示。事實上,為了使討論更為清楚,可任意地增加或減少各特徵的尺寸。
圖1係繪示依照本揭露之一實施方式之一種氫能燃燒器之噴注系統的示意圖。
圖2係繪示依照本揭露之一實施方式之氫能燃燒器之噴注系統的配置的示意圖。
圖3係繪示依照本揭露之一實施方式之氫能燃燒器之噴注系統的配置的示意圖。
圖4係繪示依照本揭露之一實施方式之氫能燃燒器之噴注系統的配置的示意圖。
圖5係繪示依照本揭露之一實施方式之氫能燃燒器之噴注系統的配置的示意圖。
圖6係繪示一種氫能燃燒器之應用的溫度曲線與氫能燃燒器之輸出功率的關係圖。
以往氫氣燃燒在火力需求功率較小時,常採取如同天然氣燃燒時降低流速的作法來減少輸出功率。然而,這樣的作法使得氫氣之流速無法維持,而可能使燃燒在機頭內產生,進而損壞機頭。同時,降低氫氣之流速易導致燃燒時所產生之稀燃易吹熄的問題。此外,因燃燒空間的限制而降低氫氣之流速亦會造成上述問題。有鑑於此,本揭露提出一種氫能燃燒器之噴注系統,透過數個同軸設置之氫氣噴注口與空氣噴注口,可使得氫氣與空氣平行射出,在不預先混合的情況下可形成擴散火焰,同時可維持單一噴注口之氣體流速。藉此,可預防燃燒溫度過高,而可達成減少NOx排放之目的,同時可減少燃燒器機頭燒損的可能性,可提升燃燒器可靠度。
本揭露之氫能燃燒器之噴注系統主要係可適用於以氫氣作為燃料之燃燒器的噴注裝置。請參照圖1,圖1
係繪示依照本揭露之一實施方式之一種氫能燃燒器之噴注系統的示意圖。在此實施方式中,氫能燃燒器之噴注系統100主要可包含外管120、第一噴注單元140、及數個第二噴注單元160。外管120可沿方向D1延伸,即方向D1可為外管120之軸心延伸方向。在一些示範例子中,外管120可為一圓筒狀結構。在一些其他例子中,外管120亦可為任意適合形狀的筒狀結構,例如矩形等多邊形筒狀結構。外管120可由任意適合的材料所製成。在一些示範例子中,外管120可由可耐高溫之材料所製成。
第一噴注單元140可設於外管120中。舉例而言,第一噴注單元140可設於外管120內之中心處,如圖1所示。第一噴注單元140亦沿方向D1延伸。第一噴注單元140可例如與外管120同軸設置。在一些例子中,第一噴注單元140主要包含第一內管142與第一外管144。在一些例子中,第一內管142可設於第一噴注單元140之中心處。在第一噴注單元140與外管120同軸設置的例子中,第一內管142與外管120同軸。第一內管142可用以噴注氫氣。舉例而言,第一內管142具有噴射端142a,而第一內管142之與噴射端142a相對之另一端(未示出)可連接氫氣供應單元(未示出)。如此氫氣可沿與方向D1相反的方向注入第一內管142,而透過第一內管142之噴射端142a噴出。
第一外管144可圍設於第一內管142外。第一外管144可與第一內管142同軸。在這樣的例子中,當第一
噴注單元140與外管120同軸時,第一外管144亦與外管120同軸。第一外管144可用以噴注空氣。具體而言,第一外管144與其所包圍之第一內管142之間形成第一空間143。類似於第一內管142,第一外管144具有噴射端144a,且第一外管144之與噴射端144a相對之另一端(未示出)可連接空氣供應單元(未示出),以使得第一空間143與空氣供應單元流體連通。但,空氣供應單元並不與第一內管142流體連通。如此,可利用空氣供應單元將空氣注入第一內管142與第一外管144之間之第一空間143,再透過第一外管144之噴射端144a噴出空氣。第一空間143之於第一噴注單元140所佔據的空間比例可根據氫氣燃燒時所需之空燃比而定。
第二噴注單元160可設於外管120中,且位於第一噴注單元140外。具體而言,第二噴注單元160介於第一噴注單元140與外管120的內側面122之間。因此,外管120可包圍第一噴注單元140與第二噴注單元160。在一些例子中,這些第二噴注單元160可彼此等距地設於外管120中之第一噴注單元140外。換言之,第二噴注單元160可圍繞第一單元140外且彼此等距地設置。與外管120及第一噴注單元140相同,每個第二噴注單元160皆沿方向D1延伸。在圖1所示之例子中,第二噴注單元160之數量配置為三個。在一些其他例子中,第二噴注單元160之數量可配置為四個、五個、或六個。然而,第二噴注單元160之數量不限於上述數量,而可依照實際應用
需求調整。
在一些示範例子中,每個第二噴注單元160包含第二內管162與第二外管164。在一些例子中,第二內管162可設於第二噴注單元160之中心處,第二內管162可配置以噴注氫氣。類似於第一內管142,第二內管162具有噴射端162a,而第二內管162之與噴射端162a相對之另一端(未示出)亦可連接氫氣供應單元(未示出),而使第二內管162與氫氣供應單元流體連接。利用此氫氣供應單元將氫氣注入第二內管162中,而從第二內管162之噴射端162a噴射氫氣。
第二外管164可圍設於第二內管162外。第二外管164可用以噴注空氣。具體而言,第二外管164與其所包圍之第二內管162之間形成第二空間163。類似於第一外管144,第二外管164具有噴射端164a,且第二外管164之與噴射端164a相對之另一端(未示出)可連接空氣供應單元(未示出),以使得第二空間163與空氣供應單元流體連通。而此時,空氣供應單元並不與第二內管162流體連通。藉此,可利用此空氣供應單元將空氣注入第二內管162與第二外管164之間之第二空間163,再透過第二外管164之噴射端164a噴射空氣。第二空間163之於第二噴注單元160所佔據的空間比例可根據氫氣燃燒時所需之空燃比而定。
第一外管144圍設於第一內管142外,且第二外管164圍設於第二內管162外,而使第一外管144與第
一內管142同軸設置、及第二外管164與第二內管162同軸設置,而可同時噴注氫氣與空氣以進行燃燒。藉此,第一噴注單元140與第二噴注單元160皆可平行射出氫氣與空氣,以在燃燒時形成擴散火焰。如此一來,可防止燃燒之溫度過高而燃燒助燃空氣中之氮氣成分,進而可減少NOx產生。此外,防止燃燒溫度過高亦可減少噴注系統之機頭燒損,而可提升燃燒器之可靠度,並可減少更換機頭零件的成本。
在一些示範例子中,第一內管142與第二內管162,以及第一外管144與第二外管164可以相同的速度分別噴出氫氣與空氣,即第一噴注單元140與第二噴注單元160以相同速度噴出氫氣與空氣。藉此,可降低氫氣與空氣接觸交界處之攪拌作用,而避免因攪拌混和造成燃燒加劇,或氣體於噴出口處即開始劇烈燃燒造成燃燒器機頭毀損。
本揭露之氫能燃燒器之噴注系統亦可透過配置不同數量之噴注單元來滿足多段火力之需求。請參照圖2至圖6,其中圖2至圖5係分別繪示依照本揭露之一實施方式之氫能燃燒器之噴注系統的配置的示意圖,圖6係繪示一種氫能燃燒器之應用的溫度曲線與氫能燃燒器之輸出功率的關係圖。如圖2所示,氫能燃燒器之噴注系統100a之噴注單元的數量可配置為四個。具體而言,在圖2所示之例子中,氫能燃燒器之噴注系統100可包含第一噴注單元140與三個第二噴注單元160a~160c。如上所述,三
個第二噴注單元160a~160c可圍繞第一噴注單元140外等距設置,而呈現一三角形配置,如圖2所示。
在一些例子中,可依照不同火力需求而使用氫能燃燒器之噴注系統100a的不同噴注單元。舉例而言,在圖2所示之例子中,氫能燃燒器之噴注系統100a的第一噴注集合可包含第一噴注單元140,而氫能燃燒器之噴注系統100a的第二噴注集合可包含所有之第二噴注單元160a~160c。在一些例子中,需要進行全火加熱時,如圖6所示之加熱段200,可使用氫能燃燒器之噴注系統100a的所有噴注單元同時進行噴注,以快速升溫至所需的溫度。換言之,在加熱段200時,可同時啟動包含第一噴注單元140之第一噴注集合與包含第二噴注單元160a~160c之第二噴注集合,以同時進行噴注。
在到達所需之溫度後,僅需維持溫度之較低的火力輸出功率時,如圖6所示之持溫段210,就可使用氫能燃燒器之噴注系統100a之部分的噴注單元進行噴注。具體而言,在持溫段210時,由於所需火力輸出功率較低,可僅啟動包含第一噴注單元140之第一噴注集合、或包含第二噴注單元160a~160c之第二噴注集合,來進行噴注即可。
如此,圖2所示之例子可提供三種不同的火力輸出,例如同時使用包含第一噴注單元140之第一噴注集合與包含第二噴注單元160a~160c之第二噴注集合來提供100%的火力輸出功率;使用包含第二噴注單元
160a~160c之第二噴注集合來提供約75%的火力輸出功率;或使用包含第一噴注單元140之第一噴注集合來提供約25%的火力輸出功率。
在圖3中,氫能燃燒器之噴注系統100b之噴注單元的數量可配置為五個。具體而言,在圖3所示之例子中,氫能燃燒器之噴注系統100b可包含第一噴注單元140與四個第二噴注單元160a~160d。如以上關於圖2所述,在如圖3之噴注單元配置的一些例子中,氫能燃燒器之噴注系統100b之第一噴注集合可包含第一噴注單元140與第二噴注單元160a~160d中之至少一者,而氫能燃燒器之噴注系統100b之第二噴注集合可包含其餘之第二噴注單元。舉例而言,第一噴注集合可包含第一噴注單元140及第二噴注單元160a與160c,第二噴注子集合可包含第二噴注單元160b與160d。類似地,可在如圖6所示之加熱段200與持溫段210中根據所需火力輸出功率啟動第一噴注集合及/或第二噴注集合以進行噴注。以上關於圖2與圖3所描述之第一噴注集合與第二噴注集合所包含之噴注單元不限於上述例子之組合,而可根據需求改變。
在圖4與圖5中,氫能燃燒器之噴注系統100c與100d之噴注單元的數量可分別配置為六個與七個。具體而言,在圖4所示之例子中,氫能燃燒器之噴注系統100c可包含第一噴注單元140與五個第二噴注單元160a~160e。而在圖5所示之例子中,氫能燃燒器之噴注系統100d可包含第一噴注單元140與六個第二噴注單元
160a~160f。圖4與圖5所示之例子中的噴注集合可類似於圖2與圖3所述,在此不再贅述。然而,在一些其他例子中,圖2至圖5所示之噴注單元的配置可依照不同的火力輸出功率需求而包含更多噴注集合,例如可更包含第三或更多的噴注集合。
透過同時或部分使用實施方式之氫能燃燒器之噴注系統100或100a~100d的噴注單元,可在不同火力需求階段,如圖6所示之加熱段200或持溫段210,提供不同的火力輸出功率。如此一來,不會因為輸出火力功率的需求下降而需減少單一噴注單元之氣體流速。藉此,可預防氣體流速不足所產生之燃燒可靠度與機頭燒損問題。
以上關於圖2至圖5之氫能燃燒器之噴注系統100的噴注單元的數量或配置提供為例子。其他例子中之噴注單元的數量或配置可不同於圖2至圖5所述。
本揭露之氫能燃燒器之噴注系統可進一步依照燃燒空間需求與限制而提供不同的燃燒焰型。在一些應用,例如金屬工業爐中,燃燒器常受限於燃燒空間較小而需降低火力,以避免燃燒產生之火焰過度接觸工業爐體;亦或是在燃燒空間較大時,需加大火力才可完整加熱燃燒空間。因此,本揭露之氫能燃燒器之噴注系統可進一步調整同軸設置之噴注單元之間的距離,以調整燃燒所產生之焰型,進而使燃燒器可適用於各種大小之燃燒空間進行加熱。
請回頭參照圖1。如圖1所示,第二噴注單元160可距離外管120之內側面122第一距離d1,且第二噴注
單元160可距離第一噴注單元140第二距離d2。在圖1所示之例子中,第一距離d1等於第二距離d2,即第二噴注單元160位於第一噴注單元140與外管120之內側面122之間之中央處。
在另一些例子中,第一距離d1可大於第二距離d2,而使得第二噴注單元160離外管120之內側面122比離第一噴注單元更遠。在這樣的例子中,第一噴注單元140與第二單元160之間的距離較小,如此在進行氫氣與空氣之噴注時,在第一噴注單元140與第二噴注單元160燃燒所產生的火焰較容易互相影響,進而產生較短且胖之焰型的火焰,可適用於燃燒空間較小的應用中。
在一些其他例子中,第一距離d1可小於第二距離d2,而使得第二噴注單元160離外管120之內側面122比離第一噴注單元更近。在這樣的例子中,第一噴注單元140與第二單元160之間的距離較大,如此在進行氫氣與空氣之噴注時,在第一噴注單元140與第二噴注單元160燃燒所產生的火焰較不易互相影響,進而產生較長且瘦之焰型的火焰,可適用於燃燒空間較大的應用中。
透過調整氫能燃燒器之噴注系統100中之第一噴注單元140與第二噴注單元160之間的距離,可調整燃燒所產生之火焰的焰型。如此,可依照燃燒空間的限制產生對應所需之燃燒火焰,使得利用本揭露之噴注系統的氫能燃燒器可適用於各種空間大小的應用中。
由以上實施例可知,本揭露之一優點就是因為本揭
露之氫能燃燒器之噴注系統透過同軸設計之噴注單元,使氫氣與空氣可平行射出,而可在不預先混合的情況下燃燒形成擴散火焰。藉此,可預防燃燒溫度過高,而可達成減少NOx排放之目的,同時可減少燃燒器機頭燒損的可能性,以提升燃燒器可靠度。
本揭露之另一優點就是因為本揭露之氫能燃燒器之噴注系統透過提供複數個噴注單元,可使個別噴注單元依據氫氣燃燒空燃比定比例分流管路。如此,可維持單一噴注單元之氣體流速,預防流速不足所產生之穩定性問題及降低機頭燒損的可能性,同時可根據不同加熱功率需求提供不同的加熱火力。
本揭露之又一優點就是因為本揭露之氫能燃燒器之噴注系統可根據不同應用之燃燒需求或空間限制,而透過調整同軸噴注單元之間的距離,來調整燃燒焰型,進而可增加氫能燃燒器之應用多樣性。
本揭露之實施方式已以實施例揭示如上,然其並非用以限定本揭露,熟習此技藝者可在不脫離本揭露之精神和範圍內,做出各種改變、替換、以及變動,因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
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164:第二外管
164a:噴射端
D1:方向
d1:第一距離
d2:第二距離
Claims (10)
- 一種氫能燃燒器之噴注系統,包含:一外管,沿一方向延伸;一第一噴注單元,設於該外管中,且沿該方向延伸,其中該第一噴注單元包含:一第一內管,配置以噴注氫氣;以及一第一外管,圍設於該第一內管外,且配置以噴注空氣;以及複數個第二噴注單元,設於該外管中,且彼此等距地排列於該第一噴注單元外,並沿該方向延伸,其中每一該些第二噴注單元包含:一第二內管,配置以噴注氫氣;以及一第二外管,圍設於該第二內管外,且配置以噴注空氣;其中每一該些第二噴注單元距離該外管之一內側面一第一距離,每一該些第二噴注單元距離該第一噴注單元一第二距離。
- 如請求項1所述之氫能燃燒器之噴注系統,其中該第一內管與該些第二內管,以及該第一外管與該些第二內管以一相同速度分別噴出氫氣與空氣。
- 如請求項1所述之氫能燃燒器之噴注系統,其中該第一距離等於該第二距離。
- 如請求項1所述之氫能燃燒器之噴注系統,其中該第一距離小於該第二距離。
- 如請求項1所述之氫能燃燒器之噴注系統,其中該第一距離大於該第二距離。
- 如請求項1所述之氫能燃燒器之噴注系統,其中該些第二噴注單元包含三個第二噴注單元。
- 如請求項6所述之氫能燃燒器之噴注系統,其中該氫能燃燒器之噴注系統之一第一噴注集合包含該第一噴注單元,該氫能燃燒器之噴注系統之一第二噴注集合包含該些第二噴注單元。
- 如請求項7所述之氫能燃燒器之噴注系統,其中該第一噴注集合與該第二噴注集合配置以在一第一操作模式同時啟動,且該第一噴注集合或該第二噴注集合配置以在一第二操作模式啟動。
- 如請求項1所述之氫能燃燒器之噴注系統,其中該些第二噴注單元包含四個至六個噴注單元,其中該氫能燃燒器之噴注系統之一第一噴注集合包含該第一噴注單元與該些第二噴注單元中之至少一者,該氫能燃燒器之 噴注系統之一第二噴注集合包含其餘之該些第二噴注單元。
- 如請求項9所述之氫能燃燒器之噴注系統,其中該第一噴注集合與該第二噴注集合配置以在一第一操作模式同時啟動,其中該第一噴注集合或該第二噴注集合配置以在一第二操作模式啟動。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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TW110143302A TWI810718B (zh) | 2021-11-22 | 2021-11-22 | 氫能燃燒器之噴注系統 |
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TW110143302A TWI810718B (zh) | 2021-11-22 | 2021-11-22 | 氫能燃燒器之噴注系統 |
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TW202321622A TW202321622A (zh) | 2023-06-01 |
TWI810718B true TWI810718B (zh) | 2023-08-01 |
Family
ID=87803764
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TW110143302A TWI810718B (zh) | 2021-11-22 | 2021-11-22 | 氫能燃燒器之噴注系統 |
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TW (1) | TWI810718B (zh) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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TW592286U (en) * | 1999-12-23 | 2004-06-11 | Boc Group Plc | Apparatus for the partial oxidation of hydrogen sulphide, and burner for use in said apparatus |
CN109424957A (zh) * | 2017-09-04 | 2019-03-05 | 丰田自动车株式会社 | 用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构 |
CN111810950A (zh) * | 2017-09-05 | 2020-10-23 | 丰田自动车株式会社 | 用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构 |
-
2021
- 2021-11-22 TW TW110143302A patent/TWI810718B/zh active
Patent Citations (3)
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