(57)【要約】【課題】  水素ガスを空気と混合させて燃焼させる場合に、水素ガスの燃焼速度が速くなって、局所的な温度上昇が起こったり、最高火炎温度が高くなったりして、ＮＯｘの発生量が多くなるのを簡単かつ適切に抑制する。【解決手段】  水素ガス供給管10を通して供給された水素ガスGhを空気と混合させて燃焼させる水素ガス燃焼装置において、水素ガスを供給する水素ガス供給管の外周側に一次空気A1を供給する一次空気供給管20を設け、この一次空気供給管の外周側に二次空気A2を供給する二次空気供給管30を設け、前記水素ガス供給管の先端部に水素ガスを前方に噴出させる主噴出口12を設けると共に、主噴出口よりも上流側の位置に水素ガスを水素ガス供給管の半径方向外側に噴出させる複数の副噴出口13を設け、一次空気供給管の先端から一次空気を噴出させる一次空気噴出口21を、水素ガス供給管の副噴出口よりも上流側の位置に設けた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガス供給管を通して供給された水素ガスを空気と混合させて燃焼させる水素ガス燃焼装置において、水素ガスを供給する水素ガス供給管の外周側に、一次空気を供給する一次空気供給管を設け、さらに前記の一次空気供給管の外周側に、二次空気を供給する二次空気供給管を設け、前記の水素ガス供給管の先端部に水素ガスを前方に噴出させる主噴出口を設けると共に、前記の主噴出口よりも上流側の位置に水素ガスを水素ガス供給管の半径方向外側に噴出させる複数の副噴出口を設け、前記の一次空気供給管の先端から一次空気を噴出させる一次空気噴出口を、前記の水素ガス供給管における副噴出口よりも上流側の位置に設けたことを特徴とする水素ガス燃焼装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水素ガス燃焼装置において、前記の一次空気供給管の先端における一次空気噴出口から前記の水素ガス供給管の半径方向外側に水素ガスを噴出させる副噴出口に向けて噴出させる一次空気の流速を速めるように、前記の一次空気供給管の先端部における水素ガス供給管との間の隙間を小さくしたことを特徴とする水素ガス燃焼装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の水素ガス燃焼装置において、前記の一次空気供給管の先端の一次空気噴出口よりも下流側における前記の水素ガス供給管の先端部に半径方向外側に膨出した膨出部を設け、この膨出部に水素ガスを水素ガス供給管の半径方向外側に噴出させる副噴出口を設けたことを特徴とする水素ガス燃焼装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の水素ガス燃焼装置において、前記の水素ガス供給管における前記の主噴出口から噴出させる水素ガスの量と、前記の副噴出口から噴出させる水素ガスの量との割合を８：２〜７：３の範囲にしたことを特徴とする水素ガス燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素ガス供給管を通して供給された水素ガスを空気と混合させて燃焼させる水素ガス燃焼装置に関するものである。特に、水素ガスを空気と混合させて燃焼させる場合に、水素ガスの燃焼速度が速くなって、局所的な温度上昇が起こったり、最高火炎温度が高くなったりして、ＮＯｘの発生量が多くなるのを簡単かつ適切に抑制できるようにした点に特徴を有するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、水素ガス供給管を通して導かれた水素ガスを空気と混合させて燃焼させるようにした水素ガス燃焼装置においては、水素ガスの燃焼速度が速いために、局所的な温度上昇が起こりやすく、また最高火炎温度も高くなって、ＮＯｘの発生量が多くなることが知られている。
【０００３】
そして、従来においては、特許文献１に示されるように、複数の炎孔から水素ガスを噴出させて、拡散燃焼方式により水素を燃焼させるようにした水素燃焼装置において、隣接する炎孔の両端間距離及び単位炎孔あたり出力を制御するようにして、水素ガスの燃焼時におけるＮＯｘの発生を抑制するようにしたものが提案されている。
【０００４】
しかし、特許文献１に示されるように、水素ガスの燃焼時におけるＮＯｘの発生を抑制するため、隣接する炎孔の両端間距離及び単位炎孔あたり出力を制御する作業は非常に面倒であり、簡単にＮＯｘの発生を抑制することが困難であり、またこの特許文献１の実施例に示されるように、炎孔を多数配置させるようにすると、この燃焼装置全体が大きくなると共に、コストも高くつくという問題があった。
【０００５】
また、従来においては、特許文献２に示されるように、水素ガスを供給するバーナーガス管の内周側に空気管を保持させた二重管としたバーナーノズルにおいて、外周側のバーナーガス管を流れる燃料ガスの水素ガス流がノズル噴出直後に内周側空気流と速やかに混合するように、外周側ガス管の外壁をノズル先端部において管芯に向けて傾斜させるようにした水素用低ＮＯｘバーナーが提案されている。
【０００６】
しかし、特許文献２に示されるものにおいては、外周側ガス管のノズル先端部における傾斜と、外周側ガス管の導出口の口径とによって内周側の空気管から吸引される空気量が変化し、水素の燃焼を適切に制御してＮＯｘの発生を簡単に抑制することが困難であり、またこれらの条件を適切に設定しないと、逆火等が生じるという問題もあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−３２０８４号公報
【特許文献２】特公昭６０−１４２５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、水素ガス供給管を通して導かれた水素ガスを空気と混合させて燃焼させる水素ガス燃焼装置における前記のような問題を解決することを課題とするものである。
【０００９】
すなわち、本発明における水素ガス燃焼装置は、水素ガスを空気と混合させて燃焼させる場合に、水素ガスの燃焼速度が速くなって、局所的な温度上昇が起こったり、最高火炎温度が高くなったりして、ＮＯｘの発生量が多くなるのを簡単かつ適切に抑制できるようにすることを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明における水素ガス燃焼装置においては、前記のような課題を解決するため、水素ガス供給管を通して供給された水素ガスを空気と混合させて燃焼させる水素ガス燃焼装置において、水素ガスを供給する水素ガス供給管の外周側に、一次空気を供給する一次空気供給管を設け、さらに前記の一次空気供給管の外周側に、二次空気を供給する二次空気供給管を設け、前記の水素ガス供給管の先端部に水素ガスを前方に噴出させる主噴出口を設けると共に、前記の主噴出口よりも上流側の位置に水素ガスを水素ガス供給管の半径方向外側に噴出させる複数の副噴出口を設け、前記の一次空気供給管の先端から一次空気を噴出させる一次空気噴出口を、前記の水素ガス供給管の副噴出口よりも上流側の位置に設けるようにした。
【００１１】
ここで、本発明における水素ガス燃焼装置のように、水素ガスを供給する水素ガス供給管の外周側に一次空気を供給する一次空気供給管を設け、さらにこの一次空気供給管の外周側に二次空気を供給する二次空気供給管を設け、前記の水素ガス供給管の先端部に水素ガスを前方に噴出させる主噴出口を設けると共に、前記の主噴出口よりも上流側の位置に水素ガスを水素ガス供給管の半径方向外側に噴出させる複数の副噴出口を設け、前記の一次空気供給管の先端から一次空気を噴出させる一次空気噴出口を、前記の水素ガス供給管の副噴出口よりも上流側の位置に設けると、水素ガス供給管の副噴出口から噴出された水素ガスが、最初に前記の一次空気供給管の一次空気噴出口から噴出された一次空気と混合されて水素ガスの一部が一次燃焼される。そして、このように水素ガスの一部が一次燃焼された燃焼排ガスが、前記の二次空気供給管内を流れる二次空気に混合されて、二次空気供給管内を通して水素ガス供給管の先端部に導かれ、水素ガス供給管の先端部の主噴出口から前方に噴出させる水素ガスと、前記の一次燃焼された燃焼排ガスと二次空気供給管内を流れる二次空気とが混合されて徐々に二次燃焼されるようになる。
【００１２】
このように、水素ガス供給管の先端部の主噴出口から前方に噴出させる水素ガスを、前記の一次燃焼された燃焼排ガスと二次空気供給管内を流れる二次空気と混合させて二次燃焼させるようにすると、燃焼されやすい水素ガスの燃焼速度が速くなるのが抑制されて、局所的に温度が上昇するのが抑制されると共に、最高火炎温度が高くなるのも抑制されて、ＮＯｘの発生が抑制されるようになる。
【００１３】
また、本発明における水素ガス燃焼装置においては、前記の一次空気供給管の先端における一次空気噴出口から前記の水素ガス供給管の半径方向外側に水素ガスを噴出させる副噴出口に向けて噴出させる一次空気の流速を速めるように、前記の一次空気供給管の先端部における水素ガス供給管との間の隙間を小さくすることが好ましい。
【００１４】
このようにすると、水素ガス供給管の副噴出口から噴出された水素ガスと一次空気供給管の一次空気噴出口から噴出された一次空気とが混合されて一次燃焼された後の燃焼排ガスが、二次空気供給管内を流れる二次空気に効果的に巻き込まれながら、水素ガス供給管の主噴出口から前方に噴出された水素ガスと混合されて二次燃焼が行われるようになり、局所的に温度が上昇するのがより一層抑制されると共に、最高火炎温度が高くなるのもより抑制されて、ＮＯｘの発生がさらに抑制されるようになる。
【００１５】
また、本発明における水素ガス燃焼装置においては、前記の一次空気供給管の先端の一次空気噴出口よりも下流側における前記の水素ガス供給管の先端部に半径方向外側に膨出した膨出部を設け、この膨出部に水素ガスを水素ガス供給管の半径方向外側に噴出させる副噴出口を設けるようにすることが好ましい。
【００１６】
このように、一次空気供給管の先端の一次空気噴出口よりも下流側における水素ガス供給管の先端部に半径方向外側に膨出した膨出部を設け、この膨出部に水素ガスを水素ガス供給管の半径方向外側に噴出させる副噴出口を設けると、前記の一次空気供給管の先端における一次空気噴出口から噴出された一次空気が前記の膨出部に沿って広がりながら、この膨出部に設けられた前記の副噴出口から噴出された水素ガスと混合されて水素ガスの一部が広い範囲で一次燃焼されるようになる。そして、このように広い範囲で一次燃焼された燃焼排ガスが、前記の二次空気供給管内を流れる二次空気と広い範囲で混合されると共に、このように混合された燃焼排ガスと二次空気とが水素ガス供給管の先端における主噴出口に向かって広い範囲で巻き込まれるようにして導かれ、この主噴出口から前方に噴出された水素ガスと徐々に混合されて二次燃焼が行われるようになり、局所的に温度が上昇するのがより一層抑制されると共に、最高火炎温度が高くなるのもさらに抑制されて、ＮＯｘの発生がより一層抑制されるようになる。
【００１７】
また、本発明における水素ガス燃焼装置においては、前記の水素ガス供給管における前記の主噴出口から噴出させる水素ガスの量と、前記の副噴出口から噴出させる水素ガスの量との割合を８：２〜７：３の範囲にすることが好ましい。
【００１８】
このようにすると、水素ガス供給管の副噴出口から水素ガスが過剰に噴出されて一次空気供給管から噴出された一次空気と過剰に燃焼され、一次燃焼時に多くのＮＯｘが発生したり、主噴出口から噴出させる水素ガスが少なくなって十分な燃焼量が得られなくなるということがなく、水素ガス供給管の副噴出口から噴出された水素ガスと一次空気供給管から噴出された一次空気とが適当量混合されて一次燃焼され、適当量の燃焼排ガスが二次空気供給管内を流れる二次空気に適切に巻き込まれながら、水素ガス供給管の主噴出口から前方に噴出された水素ガスと混合されて二次燃焼が行われるようになり、局所的に温度が上昇するのが抑制されると共に、最高火炎温度が高くなるのも抑制されて、ＮＯｘの発生が抑制されるようになる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明における水素ガス燃焼装置においては、前記のように水素ガスを供給する水素ガス供給管の外周側に設けた一次空気供給管の一次空気噴出口から噴出させた一次空気と、水素ガス供給管の先端部における主噴出口よりも上流側の位置に設けた複数の副噴出口から半径方向外側に噴出させた水素ガスとを混合させて水素ガスの一部を一次燃焼させ、このように一次燃焼された燃焼排ガスを、一次空気供給管の外周側に設けた二次空気供給管内を流れる二次空気と混合させて水素ガス供給管の先端部に導き、これらを水素ガス供給管の先端部の主噴出口から前方に噴出させた水素ガスと混合させて二次燃焼させるようにした。
【００２０】
この結果、本発明における水素ガス燃焼装置においては、水素ガス供給管を通して供給される水素ガスが、一次空気供給管から導かれた一次空気と混合されて一次燃焼された後、このように一次燃焼された燃焼排ガスが二次空気供給管を流れる二次空気と混合されて二次燃焼されるようになり、燃焼されやすい水素ガスの燃焼速度が速くなるのが抑制されて、局所的に温度が上昇するのが抑制されると共に、最高火炎温度が高くなるのも抑制されて、ＮＯｘの発生が抑制されるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態において、水素ガスを供給する水素ガス供給管の外周側に、一次空気を供給する一次空気供給管を設け、さらに前記の一次空気供給管の外周側に、二次空気を供給する二次空気供給管を設け、前記の水素ガス供給管の先端部に水素ガスを前方に噴出させる主噴出口を設けると共に、前記の主噴出口よりも上流側の位置に水素ガスを水素ガス供給管の半径方向外側に噴出させる複数の副噴出口を設けた水素ガス燃焼装置を炉壁に取り付けて使用する状態を示した概略断面説明図である。
【図２】前記の図１に示した水素ガス燃焼装置の概略部分断面説明図である。
【図３】前記の実施形態における水素ガス燃焼装置において、一次空気供給管の先端の一次空気噴出口よりも下流側における前記の水素ガス供給管の先端部に半径方向外側に膨出した膨出部を設け、この膨出部に水素ガスを水素ガス供給管の半径方向外側に噴出させる副噴出口を設けた変更例に係る水素ガス燃焼装置を炉壁に取り付けて使用する状態を示した概略断面説明図である。
【図４】前記の図３に示した水素ガス燃焼装置の概略部分断面説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の実施形態に係る水素ガス燃焼装置を、添付図面に基づいて具体的に説明する。なお、本発明に係る水素ガス燃焼装置は、下記の実施形態に示したものに限定されず、発明の要旨を変更しない範囲において、適宜変更して実施できるものである。
【００２３】
ここで、図１及び図２に示す実施形態に係る水素ガス燃焼装置においては、水素ガスＧｈを供給する水素ガス供給管１０の外周側に、一次空気Ａ１を供給する一次空気供給管２０を設け、さらにこの一次空気供給管２０の外周側に、二次空気Ａ２を供給する二次空気供給管３０を設け、この二次空気供給管３０の先端部における燃焼管３１が炉壁１を貫通するように設けている。
【００２４】
そして、この実施形態に係る水素ガス燃焼装置においては、前記の水素ガス供給管１０の先端部に水素ガスＧｈを噴出させる噴出用口金１１を取り付け、この噴出用口金１１の先端面に水素ガスＧｈを前方に噴出させる主噴出口１２を設けると共に、この主噴出口１２よりも上流側の位置における噴出用口金１１の外周面に水素ガスＧｈを水素ガス供給管１０の半径方向外側に噴出させる複数の副噴出口１３を設け、前記の一次空気供給管２０の先端から一次空気を噴出させる一次空気噴出口２１を、前記の水素ガス供給管１０における前記の副噴出口１３よりも上流側に位置するように設けている。
【００２５】
ここで、前記のように噴出用口金１１の先端面に水素ガスＧｈを前方に噴出させる主噴出口１２を設けると共に、この主噴出口１２よりも上流側の位置における噴出用口金１１の外周面に水素ガスＧｈを水素ガス供給管１０の半径方向外側に噴出させる複数の副噴出口１３を設けるにあたっては、例えば、主噴出口１２として直径が１４ｍｍのものを設け、副噴出口１３として直径が３．５ｍｍのものを周方向に所要間隔で８つ設けるようにしている。そして、前記のように主噴出口１２と各副噴出口１３とから水素ガスＧｈを噴出させるにあたって、主噴出口１２から噴出させる水素ガスＧｈの量と、各副噴出口１３から噴出させる水素ガスＧｈの合計量との割合が８：２〜７：３の範囲になるようにすることが好ましい。
【００２６】
また、この実施形態に係る水素ガス燃焼装置においては、前記の水素ガス供給管１０の先端部に水素ガスＧｈを噴出させる噴出用口金１１を取り付け、噴出用口金１１が取り付けられた水素ガス供給管１０の先端部の外径が大きくなるようにし、前記の一次空気供給管２０の内周と水素ガス供給管１０の外周との間の隙間が、噴出用口金１１が取り付けられた水素ガス供給管１０の先端部において小さくなるようにしている。つまり、流路に段差をつけることにより、噴出用口金１１の上流部分よりも一次空気の流路面積を小さくしている。
【００２７】
このように、一次空気供給管２０の内周と水素ガス供給管１０の外周との間の隙間が、噴出用口金１１が取り付けられた水素ガス供給管１０の先端部において小さくなるようにすると、一次空気供給管２０の先端における一次空気噴出口２１から前記の水素ガス供給管１０の半径方向外側に水素ガスＧｈを噴出させる各副噴出口１３に向けて噴出される一次空気の流速が速められる。この結果、水素ガス供給管１０の各副噴出口１３から噴出された水素ガスＧｈと一次空気供給管２０の一次空気噴出口２１から噴出された一次空気Ａ１とが混合されて一次燃焼された後の燃焼排ガスが、二次空気供給管３０内を流れる二次空気Ａ２に効果的に巻き込まれながら、水素ガス供給管１０の先端部に導かれるようになる。
【００２８】
そして、このように一次燃焼された後の燃焼排ガスが、二次空気供給管３０内を流れる二次空気Ａ２に効果的に巻き込まれながら、水素ガス供給管１０の先端部に導かれると、このように一次燃焼された後の燃焼排ガスが効果的に巻き込まれて水素ガス供給管１０の先端部に導かれた二次空気Ａ２と、水素ガス供給管１０の先端部に設けられた噴出用口金１１における主噴出口１２から前方に噴出された水素ガスＧｈとが徐々に混合されて二次燃焼が行われるようになり、局所的に温度が上昇するのが抑制されると共に、最高火炎温度が高くなるのも防止されて、ＮＯｘが発生するのが抑制されるようになる。
【００２９】
ここで、前記の図１及び図２に示す実施形態に係る水素ガス燃焼装置においては、水素ガス供給管１０の先端部に水素ガスＧｈを噴出させる噴出用口金１１を取り付けるにあたり、外径が一定になった噴出用口金１１を取り付けるようにしたが、水素ガス供給管１０の先端部に取り付ける噴出用口金１１はこのようなものに限定されない。
【００３０】
例えば、図３及び図４に示す実施形態に係る水素ガス燃焼装置のように、前記の水素ガス供給管１０の先端部に取り付ける噴出用口金１１として、前記の一次空気供給管２０の先端における一次空気噴出口２１よりも下流側に前記の水素ガス供給管１０の半径方向外側に膨出した膨出部１１ａを設け、この噴出用口金１１の先端面に前記のように水素ガスＧｈを前方に噴出させる主噴出口１２を設けると共に、この主噴出口１２よりも上流側の位置で前記のように水素ガス供給管１０の半径方向外側に膨出した膨出部１１ａに、水素ガスＧｈを水素ガス供給管１０の半径方向外側に噴出させる複数の副噴出口１３を設けるようにすることができる。
【００３１】
ここで、このように水素ガス供給管１０の先端部に取り付ける噴出用口金１１において、一次空気供給管２０の先端の一次空気噴出口２１よりも下流側に半径方向外側に膨出した膨出部１１ａを設け、この膨出部１１ａに設けた前記の複数の副噴出口１３から水素ガスＧｈを水素ガス供給管１０の半径方向外側に噴出させようにすると、前記の一次空気供給管２０の先端における一次空気噴出口２１から噴出された一次空気Ａ１が前記の膨出部１１ａに沿って広がりながら、この膨出部１１ａに設けられた各副噴出口１３から噴出された水素ガスＧｈと混合されて一部の水素ガスＧｈが広い範囲で一次燃焼されるようになる。
【００３２】
そして、このように広い範囲で一次燃焼された燃焼排ガスが、前記の二次空気供給管３０内を流れる二次空気Ａ２と広い範囲で混合されると共に、このように混合された燃焼排ガスと二次空気Ａ２とが水素ガス供給管１０の先端部に取り付けられた噴出用口金１１の先端における主噴出口１２に向かって広い範囲で巻き込まれるようにして導かれ、この主噴出口１２から前方に噴出された水素ガスＧｈと徐々に混合されて二次燃焼が行われるようになり、局所的に温度が上昇するのが前記の場合よりも一層抑制されると共に、最高火炎温度が高くなるのもさらに防止されて、ＮＯｘが発生するのがより一層抑制されるようになる。
【符号の説明】
【００３３】
１      ：炉壁
１０    ：水素ガス供給管
１１    ：噴出用口金
１１ａ  ：膨出部
１２    ：主噴出口
１３    ：副噴出口
２０    ：一次空気供給管
２１    ：一次空気噴出口
３０    ：二次空気供給管
３１    ：燃焼管
Ａ１    ：一次空気
Ａ２    ：二次空気
Ｇｈ    ：水素ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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