(57)【要約】【課題】燃焼速度が大きい燃料を用いた場合に逆火の発生を防止することができるバーナ装置を提供する。【解決手段】燃料ガス（Ｆ）と助燃ガス（Ａ）との予混合気（Ｍ）を燃焼領域（Ｒ）に供給するバーナ装置（１）において、前記燃焼領域（Ｒ）に面するバーナ壁（３）に形成された、予混合気（Ｍ）を前記燃焼領域（Ｒ）に噴射するスリット状の噴射口（５）と、燃料ガス（Ｆ）および助燃ガス（Ａ）が導入され、前記噴射口（５）に向けて燃料ガス（Ｆ）と助燃ガス（Ａ）とが予混合される予混合通路（９）であって、前記噴射口（５）に向かって次第に通路面積が小さくなるように形成された予混合通路（９）とを設ける。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと助燃ガスとの予混合気を燃焼領域に供給するバーナを含むバーナ装置であって、
前記燃焼領域に面するバーナ壁に形成された、予混合気を前記燃焼領域に噴射するスリット状の噴射口と、
燃料ガスおよび助燃ガスが導入され、前記噴射口に向けて燃料ガスと助燃ガスとが予混合される予混合通路であって、前記噴射口に向かって次第に通路面積が小さくなるように形成された予混合通路と、
を備えるバーナ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のバーナ装置において、
助燃ガスを前記予混合通路に導入する助燃ガス導入室と、
外部から助燃ガスを前記助燃ガス導入室に供給する助燃ガス供給通路と、
を備え、
前記助燃ガス導入室が、
前記助燃ガス供給通路からの助燃ガスを前記バーナ壁に衝突させる冷却部と
前記冷却部において前記バーナ壁に衝突した助燃ガスを前記予混合通路に導くガイド部と、
を有するバーナ装置。
【請求項３】
請求項２に記載のバーナ装置において、
燃料ガスを前記予混合通路に導入する燃料ガス導入室と、
前記予混合通路と前記ガイド部とを区画する区画壁に形成された、助燃ガス導入口と、
前記燃料ガス導入室から前記助燃ガス導入口に、助燃ガスの流れ方向と交差する方向に燃料ガスを導入する燃料ガス導入口と、
を備えるバーナ装置。
【請求項４】
請求項３に記載のバーナ装置において、前記助燃ガス導入室の冷却部を形成するガイド壁によって、冷却部と燃料ガス導入室とが区画されているバーナ装置。
【請求項５】
請求項４に記載のバーナ装置において、複数の前記噴射口が、互いに平行かつ等間隔に設けられているバーナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば水素ガスのような燃料ガスと他の種類のガスとを混合して燃焼させるバーナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化のような環境問題の原因となる二酸化炭素の排出を抑えるため、いわゆる低炭素社会の実現に向けて、燃料に水素を利用するバーナ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／０２５８４０９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、燃焼速度が大きい燃料を燃焼させる場合は燃焼室で発生した火炎がバーナ側に戻ってくる逆火現象が生じ易い。このような燃焼速度が大きい燃料としては、例えば水素、または水素を高濃度で含むガス等が挙げられる。
【０００５】
本発明の目的は、燃焼速度が大きい燃料を用いた場合にも逆火の発生を防止することができるバーナ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明に係るバーナ装置は、
燃料を含む燃料ガスと、燃料ガスよりも燃焼速度が小さい助燃ガスの予混合気を燃焼領域に供給するバーナを含むバーナ装置であって、
前記燃焼領域に面するバーナ壁に形成された、予混合気を前記燃焼領域に噴射するスリット状の噴射口と、
燃料ガスおよび助燃ガスが導入され、前記噴射口に向けて燃料ガスと助燃ガスとが予混合される予混合通路であって、前記噴射口に向かって次第に通路面積が小さくなるように形成された予混合通路と、
を備えている。
【０００７】
この構成によれば、予混合通路が噴射口に向かって先細りとなる形状を有していることにより、噴射口から噴射される混合気の流速が増大するので、逆火の発生を効果的に防止することができる。しかも、噴射口をスリット状としたことにより、簡易な構造で上述の先細り形状を実現することができるとともに、スリット長さの調整や、並列的に配置する噴射口の数の調整による燃焼量の調整が設計上容易となる。
【０００８】
本発明の一実施形態に係るバーナ装置は、助燃ガスを前記予混合通路に導入する助燃ガス導入室と、外部から助燃ガスを前記助燃ガス導入室に供給する助燃ガス供給通路とを備え、前記助燃ガス導入室が、前記助燃ガス供給通路からの助燃ガスを前記バーナ壁に衝突させる冷却部と、前記冷却部において前記バーナ壁に衝突した助燃ガスを前記予混合通路に導くガイド部とを有してもよい。この構成によれば、助燃ガスを燃焼領域に面するバーナ壁に衝突させてバーナ壁を冷却することにより、バーナ壁の焼損を防止することができる。
【０００９】
本発明の一実施形態に係るバーナ装置は、燃料ガスを前記予混合通路に導入する燃料ガス導入室と、前記予混合通路と前記ガイド部とを区画する区画壁に形成された、助燃ガス導入口と、前記燃料ガス導入室から前記助燃ガス導入口に、助燃ガスの流れ方向と交差する方向に燃料ガスを導入する燃料ガス導入口とを備えてもよい。この構成によれば、燃料ガスと助燃ガスとが交差する際のせん断力によって、予混合通路における混合が促進され、ＮＯｘの発生が抑制される。
【００１０】
本発明の一実施形態に係るバーナ装置において、前記助燃ガス導入室の冷却部を形成するガイド壁によって、冷却部と燃料ガス導入室とが区画されていてもよい。この構成によれば、ガイド壁を燃料ガス導入室を形成する壁としても利用することにより、バーナ装置全体の構造の簡易化、寸法の小型化が可能となる。
【００１１】
本発明の一実施形態に係るバーナ装置において、複数の前記噴射口が、互いに平行かつ等間隔に設けられていてもよい。この構成によれば、予混合気を複数の噴射口から分散して噴射することにより、局所的な高温化が抑制され、これによってＮＯｘの発生がさらに抑制される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係るバーナ装置によれば、水素ガスのような燃焼速度が大きい燃料を用いた場合にも逆火の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係るバーナ装置の概略構造を示す縦断面図である。
【図２】図１のバーナ装置を燃焼領域側から見た側面図である。
【図３】図１のバーナ装置を示す断面図である。
【図４】図３の一部を拡大して示す断面図である。
【図５】図４のV-V線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態に係るバーナ装置１を示す。同図に示すバーナ装置１は、燃料を含む燃料ガスと助燃ガスとの予混合気ＭＧを燃焼領域Ｒに供給する装置である。バーナ装置１は、例えば、ボイラやガスタービンのような動力装置の加熱装置として用いられる。
【００１５】
燃料ガスは、例えば燃焼速度が大きく、可燃濃度範囲が広い燃料であり、本実施形態では、燃料ガスとして水素含有ガス、例えば水素ガスを使用している。また、本実施形態では、助燃ガスとして空気Ａを使用している。助燃ガスとしては、空気のほかに、例えば、空気中の酸素濃度を調整したガス、排ガス等を使用することができる。以下の説明では、燃料ガスを「燃料Ｆ」とし、助燃ガスを「空気Ａ」として説明する。
【００１６】
バーナ装置１は、燃焼領域Ｒに面する平板状のバーナ壁３を有しており、バーナ壁３に形成された噴射口５から予混合気Ｍを燃焼領域Ｒに噴射する。図示の例では、バーナ装置１全体のケーシング７の一部である燃焼領域Ｒに面する壁がバーナ壁３を形成している。噴射口５は、燃料Ｆと空気Ａとが予混合される予混合通路９の下流端の開口として設けられている。なお、以下の説明では、バーナ壁３に直交する方向、つまり予混合気Ｍの噴射方向（以下、単に「噴射方向」と呼ぶ。）Ｚにおける燃焼領域Ｒ側を単に「下流側」と呼び、その反対側を単に「上流側」と呼ぶ。図２に示すように、噴射口５は、スリット状、すなわち細長く延びる矩形状の開口として形成されている。本実施形態では、バーナ装置１は複数（図示の例では５つ）の噴射口５を有している。これら複数の噴射口５は、互いに平行かつ等間隔に設けられている。
【００１７】
図１に示すように、バーナ装置１は、燃料Ｆを予混合通路９に導入する燃料導入室（燃料ガス導入室）１１と、空気Ａを予混合通路９に導入する空気導入室（助燃ガス導入室）１３とを有する。燃料導入室１１には、燃料供給通路１５を介して外部から燃料Ｆが供給される。空気導入室１３には、空気供給通路１７を介して外部から空気Ａが供給される。
【００１８】
図示の例では、ケーシング７の内部に、燃料導入室１１を内方に形成する燃料ヘッダ１９が設けられている。燃料ヘッダ１９の上流側壁１９ａには、燃料供給通路１５を形成する燃料供給管２１が接続されている。燃料導入室１１は、図３に示すように、燃料供給通路１５から供給された燃料Ｆを、噴射方向Ｚに直交する平面方向へ拡散させる共通の拡散部１１ａと、拡散部１１ａから各予混合通路９へ向けて燃料Ｆを導入する、予混合通路９毎に設けられた導入部１１ｂとを有する。図示の例では、導入部１１ｂは、拡散部１１ａの下流側壁から下流側へ向けて突出する通路として形成されている。
【００１９】
図示の例では、燃料供給管２１は、導入部１１ｂの直上流側に配置されている。より具体的には、燃料供給管２１は、スリット状の噴射口５の長手方向（以下、「スリット長手方向」と呼ぶ。）Ｘを横断する方向（以下、「スリット横断方向」と呼ぶ。）Ｙに並ぶ複数（この例では５つ）の導入部１１ｂのうち中央に配置された導入部１１ｂの直上流側に配置されている。当該導入部１１ｂの入口の、燃料供給管２１の下流側に相当する部分には、整流板２３が設けられている。燃料供給管２１内の燃料供給通路１５を通って燃料導入室１１の拡散部１１ａに供給された燃料Ｆは、整流板２３に衝突して、噴射方向Ｚに直交する平面方向へ拡散され、各導入部１１ｂへ均等に導入される。もっとも、整流板２３は省略してもよい。
【００２０】
燃料ヘッダ１９はケーシング７の下流側壁であるバーナ壁３および上流側壁７ａのいずれからも離間し、かつケーシング７の周壁７ｂに接するように配置されている。燃料ヘッダ１９によって上流側部分と下流部側部分とに区画されたケーシング７内の空間のうち、下流側部分が空気導入室１３を形成している。ケーシング７内の空間の上流側部分の周壁には、空気供給管２５が接続されており、燃料ヘッダ１９には、燃料ヘッダ１９を噴射方向Ｚに貫通して上流側部分と下流側部分とを連通させる空気連通路２７が設けられている。空気供給管２５内の通路、ケーシング７内の空間の上流側部分および空気連通路２７が、空気供給通路１７を形成している。なお、燃料ヘッダ１９は、ケーシング７の周壁７ｂから離間していてもよい。
【００２１】
本実施形態では、図４に示すように、予混合通路９は、噴射口５に向かって次第に通路面積が小さくなるように形成されている。図示の例では、予混合通路９は、バーナ壁３のスリット状の噴射口５の両側縁から上流側に突設された区画壁３１，３１の間に形成されている。この区画壁３１によって予混合通路９と空気導入室１３とが区画されている。区画壁３１の対向する両内壁面３１ａ，３１ａが、上流側から下流側へ向かって互いに近接するように傾斜していることによって、予混合通路９のスリット横断方向Ｙの通路幅が噴射口５に向かって次第に小さくなっており、これによって予混合通路９が噴射口５に向かって次第に通路面積が小さくなるように形成されている。なお、予混合通路９のスリット長手方向Ｘの通路幅は上流側から下流側へかけて一定である。予混合通路９の上流端と下流端とのスリット横断方向Ｙの通路幅の比は、１０：９〜１０：３の範囲にあることが好ましく、本実施形態では１０：６となっている。
【００２２】
区画壁３１の上流側端部には、空気導入室１３からの空気Ａを予混合通路９内へ導入するための空気導入口（助燃ガス導入口）３３が形成されている。燃料導入室１１の導入部１１ｂの底壁（下流側壁）３５は、予混合通路９を形成する区画壁３１の上流側端面に当接するように設けられている。導入部１１ｂの底壁３５には、上記区画壁３１の空気導入口３３に連通する燃料導入口（燃料ガス導入口）３７が形成されている。燃料導入口３７によって、燃料導入室１１の燃料Ｆが、空気導入口３３へ、空気Ａの流れ方向と交差する方向に導入される。
【００２３】
本実施形態では、図４のV-V線断面図である図５に示すように、空気導入口３３は、スリット長手方向Ｘに沿って並べられた、区画壁３１を貫通する複数の空気導入孔として設けられている。また、燃料導入口３７は、空気導入孔に対応するようにスリット長手方向Ｘに沿って並べられた、導入部１１ｂの底壁３５を貫通する複数の燃料導入孔として設けられている。もっとも、空気導入口３３の態様はこの例に限定されず、例えば、長手方向に沿って延びる１つまたは複数のスリット状の開口であってもよい。燃料導入口３７の態様もこの例に限定されず、例えば、長手方向に沿って延びる１つまたは複数のスリット状の開口であってもよい。
【００２４】
本実施形態において、空気導入室１３は、空気供給通路１７からの空気Ａをバーナ壁３に衝突させる冷却部１３ａと、冷却部１３ａにおいてバーナ壁３に衝突した助燃ガスを予混合通路９に導くガイド部１３ｂとを有している。
【００２５】
より具体的には、図４に示すように、燃料導入室１１の複数の導入部１１ｂは、スリット横断方向Ｙに互いに離間して配置されており、隣り合う導入部１１ｂ，１１ｂの間の位置に、空気供給通路１７の空気連通路２７が配置されている。換言すれば、燃料導入室１１の複数の導入部１１ｂと、空気連通路２７とは、スリット横断方向Ｙに沿って交互に配置されている。なお、図示の例では、各導入部１１ｂ間の位置において、複数の空気連通路２７がスリット長手方向Ｘに沿って並べて設けられている。
【００２６】
このように配置された隣り合う導入部１１ｂの対向する側壁は、空気連通路２７から噴射された空気Ａをバーナ壁３へ向けてガイドするガイド壁４１を形成している。空気導入室１３の上流側部分は、このような構造を有することにより、空気供給通路１７の空気連通路２７から噴射された空気Ａをバーナ壁３に衝突させてバーナ壁３を冷却する冷却部１３ａが形成されている。図示の例では、ガイド壁４１によって、空気導入室１３の冷却部１３ａと燃料導入室１１の燃料導入部１１ｂとが区画されている。
【００２７】
空気Ａを、バーナ壁３に衝突させてバーナ壁３を冷却することにより、高温の燃焼領域Ｒに面するバーナ壁３の焼損が防止される。しかも、図示の例では、空気供給通路１７の最下流部に、その上流側よりも狭い通路面積を有し、かつバーナ壁３に直交する方向に延びる空気連通路２７が設けられている。この構造によって、空気Ａがバーナ壁３へ向けて整流された状態で空気連通路２７から噴射されるので、バーナ壁３の冷却が促進される。もっとも、空気供給通路１７の構成は図示の例に限定されない。
【００２８】
各ガイド壁４１は、区画壁３１の上流端部に設けられた空気導入口３３よりも下流側まで延びている。このようにしてガイド壁４１の空気導入口３３よりも下流側まで延設された延長部４１ａと区画壁３１との間の通路が、冷却部１３ａにおいてバーナ壁３に衝突した空気Ａを、空気導入口３３を介して予混合通路９へ導くガイド部１３ｂを形成している。
【００２９】
燃料導入部１１ｂの底壁３５（すなわち予混合通路９の上流側壁）は、その断面形状が、中央部が下流側へ突出する突出部３５ａとして形成されている。より具体的には、図示の例では、燃料導入部１１ｂの底壁３５は、その断面形状が、中央部が下流側へ山形に突出する突出部３５ａとして形成されている。突出部３５ａの下流端の位置は、空気導入口３３の上流端の位置よりも下流側である。このように構成することにより、空気導入口３３から予混合通路９内に、噴射方向Ｚに対してほぼ直交する方向に導入された空気Ａと燃料Ｆとの予混合気Ｍが突出部３５ａに衝突して予混合気Ｍの乱流が発生し、予混合が促進される。もっとも、予混合通路９の底壁９ａに突出部３５ａを形成することは必須ではない。
【００３０】
以上説明した本実施形態に係るバーナ装置１によれば、予混合通路９が噴射口５に向かって先細りとなる形状を有していることにより、噴射口５から噴射される予混合気Ｍの流速が増大するので、逆火現象を効果的に防止することができる。しかも、噴射口５をスリット状としたことにより、簡易な構造で上述の先細り形状を実現することができるとともに、スリット長さの調整や、並列的に配置する噴射口５の数の調整による燃焼量の調整が設計上容易となる。
【００３１】
なお、本実施形態に係るバーナ装置１は、上述したボイラ装置やガスタービンのみならず、他の種類の動力装置にも適用することができる。
【００３２】
以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００３３】
１  バーナ装置
５  噴射口
９  予混合通路
１１  燃料導入室（燃料ガス導入室）
１３  空気導入室（助燃ガス導入室）
１３ａ  冷却部
１３ｂ  ガイド部
１５  燃料供給通路（燃料ガス供給通路）
１７  空気供給通路（助燃ガス供給通路）
３１  区画壁
３３  空気導入口（助燃ガス供給口）
３７  燃料導入口（燃料ガス導入口）
４１  ガイド壁
Ａ  空気（助燃ガス）
Ｆ  燃料（燃料ガス）
Ｍ  予混合気
Ｒ  燃焼領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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