(57)【要約】      （修正有）【課題】水素ガス噴射ノズルの先端に冷却液を循環させて燃焼熱からノズル先端を保護する水素ガス燃焼機を提供する。【解決手段】水素と酸素を混合した混合水素ガスを噴射する水素ガス噴射ノズル１と、化石燃料と空気を混合した混合燃料を噴射する化石燃料噴射ノズルと１１、それらの噴射燃料を燃焼させる燃焼室３０を備えた水素ガス燃焼機において、前記化石燃料噴射ノズル１１からの噴射燃料を燃焼させて火炎を形成し、その火炎に向かって水素ガス噴射ノズル１から混合水素ガスを噴射燃焼させる構成とし、前記水素ガス噴射ノズルの先端部分に冷却液循環部を形成し、燃焼時のノズル先端を冷却する構成とした。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素を混合した混合水素ガスを噴射する水素ガス噴射ノズルと、その混合水素ガスを燃焼させる燃焼室を備えた水素ガス燃焼機において、
前記水素ガス噴射ノズルの先端部分に冷却液循環部を形成し、燃焼時のノズル先端を冷却する構成とした水素ガス燃焼機。
【請求項２】
水素と酸素を混合した混合水素ガスを噴射する水素ガス噴射ノズルと、化石燃料と空気を混合した混合燃料を噴射する化石燃料噴射ノズルと、それらの噴射燃料を燃焼させる燃焼室を備えた水素ガス燃焼機において、
前記化石燃料噴射ノズルからの噴射燃料を燃焼させて火炎を形成し、その火炎に向かって水素ガス噴射ノズルから混合水素ガスを噴射燃焼させる構成とし、
前記水素ガス噴射ノズルの先端部分に冷却液循環部を形成し、燃焼時のノズル先端を冷却する構成とした水素ガス燃焼機。
【請求項３】
燃焼筒を水平方向に配置し、その燃焼筒内に沿って水平に化石燃料噴射ノズルを配置し、その化石燃料噴射ノズルからの噴射燃料に交差するように、前記化石燃料噴射ノズルの上方から斜め下方に向かって混合水素ガスを噴射する構成とした請求項２記載の水素ガス燃焼機。
【請求項４】
水素ガス噴射ノズルの燃焼室の突出部分に冷却液を充填し、
冷却液充填部の先端部分に冷却液の導入口を配置し、一方、ノズルの後方に冷却液の排出口を配置したことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の水素ガス燃焼機。
【請求項５】
水素と酸素を一定比率で混合する水素・酸素調整室を備え、ここでの水素に対する酸素の容積比を４％〜８％に設定し、その混合ガスを噴射する構成とした請求項１〜４いずれか記載の水素ガス燃焼機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素ガスを燃焼室に噴射して燃焼させる水素ガス燃焼機に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、プラント施設、工場、大型ビル、商業施設では集約した給湯設備を備え、これらの熱源として重油、灯油、ガス等を使用し、灯油ボイラー、ガスボイラー等によって、水を加熱して高温水を発生する構成となっている。
また、温水ボイラーから発生した蒸気は、施設における作業用、加熱用、および一般暖房用など、または、蒸気タービンなどの原動機を動かしたりする動力源としても利用される。
これらのボイラーは、ナフサ、ガソリン、灯油、軽油、重油、アルコール等の液体化石燃料のみを使用する構成であるため、多量の有害排気ガスが発生する。排出されるＮＯｘを低減するといっても、そのレベルには限界があり、相当量の濃度のＮＯｘの発生は避けられない。
そこで、本願出願人は、先に、水素ガスを燃焼させることによって、温水を得る技術として、特願２００４−１０６０３８号を出願している。
【特許文献１】特願２００４−１０６０３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前記公報記載の技術は水素ガスと化石燃料を同時に燃焼させて、温水を得る技術であるが、水素ガスは化石燃料に比べて燃焼熱が高温であるために、ノズル先端が熱により熔融するおそれがある。
特に、前記公報記載の技術は化石燃料の火炎に接近させて水素ガスを噴射する構成であるため、水素ガス噴射ノズルのノズル先端が化石燃料の火炎に接近して、熱による損傷を受けやすいという問題がある。
本発明は係る従来の問題点を解決するためになされたものであって、その目的とするとことは、水素ガス噴射ノズルの先端に冷却液を循環させて燃焼熱からノズル先端を保護する水素ガス燃焼機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
前記目的を達成するための手段として請求項１記載の水素ガス燃焼機では、水素と酸素を混合した混合水素ガスを噴射する水素ガス噴射ノズルと、その混合水素ガスを燃焼させる燃焼室を備えた水素ガス燃焼機において、前記水素ガス噴射ノズルの先端部分に冷却液循環部を形成し、燃焼時のノズル先端を冷却する構成とした。
【０００５】
請求項２記載の水素ガス燃焼機では、水素と酸素を混合した混合水素ガスを噴射する水素ガス噴射ノズルと、化石燃料と空気を混合した混合燃料を噴射する化石燃料噴射ノズルと、それらの噴射燃料を燃焼させる燃焼室を備えた水素ガス燃焼機において、前記化石燃料噴射ノズルからの噴射燃料を燃焼させて火炎を形成し、その火炎に向かって水素ガス噴射ノズルから混合水素ガスを噴射燃焼させる構成とし、前記水素ガス噴射ノズルの先端部分に冷却液循環部を形成し、燃焼時のノズル先端を冷却する構成とした。
【０００６】
請求項３記載の水素ガス燃焼機では、請求項２記載の水素ガス燃焼機において、燃焼筒を水平方向に配置し、その燃焼筒内に沿って水平に化石燃料噴射ノズルを配置し、その化石燃料噴射ノズルからの噴射燃料に交差するように、前記化石燃料噴射ノズルの上方から斜め下方に向かって混合水素ガスを噴射する構成とした。
【０００７】
請求項４記載の水素ガス燃焼機では、請求項１〜３いずれか記載の水素ガス燃焼機において、水素ガス噴射ノズルの燃焼室の突出部分に冷却液を充填し、冷却液充填部の先端部分に冷却液の導入口を配置し、一方、ノズルの後方に冷却液の排出口を配置したことを特徴とする。
【０００８】
請求項５記載の水素ガス燃焼機では、請求項１〜４いずれか記載の水素ガス燃焼機において、水素と酸素を一定比率で混合する水素・酸素調整室を備え、ここでの水素に対する酸素の容積比を４％〜８％に設定し、その混合ガスを噴射する構成とした。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、前記構成を採用することにより、以下の効果が得られる。
水素ガスの燃焼熱は化石燃料に比較して高温であり、ノズル先端が高熱により熔融するおそれがあるが、請求項１記載の水素ガス燃焼機では、水素ガス噴射ノズルの先端部分に冷却液循環部を形成するので、ノズル先端を冷却して熱損を防止する。
【００１０】
化石燃料は燃焼熱が水素ガスに比較して低温であり、不完全燃焼によりＮＯｘを発生させるが、請求項２記載の水素ガス燃焼機では、化石燃料と水素ガスを共に燃焼させるので、水素ガスの高熱によりＮＯｘを低減させる。
また、水素ガス噴射ノズルの先端は冷却されるので、化石燃料の火炎にノズル先端を接近させる場合であっても、熱損を防止する。
【００１１】
請求項３記載の水素ガス燃焼機では、燃焼筒を水平方向に配置し、その燃焼筒内に沿って水平に化石燃料噴射ノズルを配置し、その化石燃料噴射ノズルからの噴射燃料に交差するように、前記化石燃料噴射ノズルの上方から斜め下方に向かって混合水素ガスを噴射する構成としたので、化石燃料をほぼ完全燃焼させる。
【００１２】
請求項４記載の水素ガス燃焼機では、水素ガス噴射ノズルの燃焼室の突出部分に冷却液を充填し、冷却液充填部の先端部分に冷却液の導入口を配置し、一方、ノズルの後方に冷却液の排出口を配置したので、ノズル先端を燃焼室内に長く突設する場合であっても、先端部分は確実に冷却される。
【００１３】
請求項５記載の水素ガス燃焼機では、水素と酸素を一定比率で混合する水素酸素調整室を備え、ここでの水素に対する酸素の容積比を４％〜８％に設定し、その設定後の混合ガスを噴射する構成としたので、燃焼に必要な酸素濃度が低く設定され、水素ガスの爆発力を抑制できる。
そのため、必要以上の爆発燃焼を防止して、燃焼室または化石燃料の火炎状態に適した燃焼を維持できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１５】
本発明の水素ガス燃焼機に設置する水素ガス噴射ノズル１は、水素と酸素を混合してその混合ガスを噴射するノズルであり、図１に示すように、燃焼室内に挿入される円筒形の小径部２と、その小径部の後方に接続された径太の基部３から構成されている。
このうち小径部２は、外筒４とその内側に挿通された混合ガスの通気路５を有し、外筒４は耐熱性金属によって構成され、内部には冷却液６が充填されている。
外筒４の内部には冷却液６が充填されて循環するので、外筒全体は冷却されて燃焼熱による熱損が防止される。
また、外筒４の内部には通気路５が直状に通過し、水素と酸素の混合ガスが冷却液に冷却されながら、燃焼室内に噴射されるようになっている。
【００１６】
前記小径部２の内部上方には冷却液の導入管７が挿通されて先端部分へ達している。この冷却液導入管７から冷却液が圧力を掛けて送り込まれる。
一方、小径部２の内部下方の後部には冷却液の排出管８が挿通され、この排出管８から冷却液が排出されるようになっている。
このように、ノズル先端に冷却液の導入口９が形成され、後方に冷却液の排出口１０が形成されているので、先端から後方にかけて冷却液が循環し、高熱にさらされる先端を効率的に冷却させることができる。
【００１７】
前記水素ガス噴射ノズルの基部３の後端に冷却液入口、酸素ガス入口、水素ガス入口、冷却液出口が接続されている。
冷却水入口には冷却水タンクが接続され、循環ポンプによって圧力を掛けて導入管からノズルの先端部分へ水が送り込まれる。
冷却液出口は、外筒内で高温となった冷却液を排出し、出口から排出された水は冷却水タンクへ循環する。
酸素ガス入口からは酸素ガスボンベから酸素が導入され、水素ガス入口からは水素ガスボンベから水素が導入される。そして、基部の内部には水素・酸素調整室２２が設けられて、供給されたガスがここで混合されて通気路５から噴射される。
これらの、酸素ガスの供給、水素ガスの供給、冷却液の循環は制御装置によって制御され、一定の酸素ガス、水素ガスが供給されると共に、冷却液の循環が制御される。
また、制御装置は後述するボイラー全体の稼働を制御する。
【００１８】
前記酸素ガスボンベは７ｍ３の容積を有し内部には１５０ｋｇ／ｃｍ２のガスが充填されている。前記水素ガスボンベは７ｍ３の容積を有し内部には１５０ｋｇ／ｃｍ２のガスが充填されている。
【００１９】
前記基部には水素ガス導入管２０と、酸素ガス導入管２１が配置され、これらの導入管はガス調整室２２に接続されている。このガス調整室２２は水素と酸素を混合する空間であり、ここで混合された混合ガスが通気路５から噴射される。
また、ノズルの基部の水素導入管と酸素ガス導入管にはにそれぞれ流量調整弁２３，２４が設定されている。
この流量調整弁２３，２４は酸素と水素のそれぞれの流量を規制するものであり、導入圧力が同一の場合はここで酸素と水素の割合が規制される。
また、水素ガス導入管２０には逆流防止器２５が設定されて、水素ガスの逆流を防止する。
本実施例では酸素の流量を容積比において、水素の流量の４％〜８％になるように設定している。
水素と酸素をそのモル比が水素：酸素で２：１とすると、完全に反応して水蒸気が生成されやすくなるが、本実施例ではこの完全反応比よりも酸素の割合を低く設定している。
この酸素の割合を低く設定することにより、混合ガスの爆発力を抑制して稼働に適した火炎が形成される。
【００２０】
図２は水素ガス噴射ノズル１と化石燃料噴射ノズル１１の配置状態を示している。
化石燃料噴射ノズル１１は燃焼室内に水平方向に突設され、水素ガス噴射ノズル１は化石燃料噴射ノズルの１１上側から、斜め下方に向かって挿入されている。
水素ガス噴射ノズル１からは混合水素ガスが噴射され、化石燃料噴射ノズル１１からの噴射火炎１２に接触して共に燃焼する。
水素ガス噴射ノズル１の先端は化石燃料噴射ノズルよりも前方へやや突出し、化石燃料噴射ノズルからの火炎１２が広がる頂点部分から斜め下に横切るように噴射される。
ここで、化石燃料噴射ノズルの火炎は噴射口から徐々に広がった後にその先端が収束しているが、水素ガス噴射ノズルからの火炎は、化石燃料の火炎の最大に広がった頂点または最大に広がった頂点のやや根本側から斜め下に噴射している。
これにより、水素ガス噴射ノズルの火炎が化石燃料の火炎全体に行き渡り、混合水素ガスの燃焼により生じる炎は、１８００〜２０００℃と非常に高いため、化石燃料を完全燃焼させる。
【００２１】
次に、本発明の水素ガス燃焼機の全体構造について説明する。
本発明の水素ガス燃焼機は、図３に示すように、水平方向に伸びる円筒形の燃焼室３０と、燃焼室３０の基端側から挿入された化石燃焼噴射ノズル１１と、同じく、燃焼室の基端側から挿入されて、燃焼ガス噴射ノズルの上側に並設挿入された水素ガス噴射ノズル１と、燃焼室を取り巻いて配置された通水部３１，３２，３３と、燃焼後のガスを排気する排気路３４を主要な構成としている。
【００２２】
前記燃焼室３０は、ノズル近傍の一次燃焼室３５と、ノズルからの噴射火炎が広がる二次燃焼室３６とを有し、燃焼室の後部は通水部３３によって閉塞されている。
燃焼室３０の全体形状は円筒形であり、一次燃焼室３５、二次燃焼室３６及び後部通水部３３はフランジで接続されて一体となっている。
【００２３】
前記燃焼室３０の基部には一次燃焼室が配置され、その内周は耐火性の砕石とアルミナ質の水硬セメントのような結合剤を混合生成したキャスタブル３７によって耐熱構造となっている。
一次燃焼室３５の入口径は４９０ｍｍ、先端径は７００ｍｍ、奥行き６８０ｍｍであり、キャスタブルの厚さは約１００ｍｍとなっている。そして、キャスタブルの外周に面して通水部３１が配置されている。
この通水部３１は円錐の先端をカットしたような筒状の金属製タンクであり、入口側が収束して先に向かって拡幅したラッパ状である。このタンクの筒状部は幅１００ｍｍの厚さを有し、その１００ｍｍ幅に水が貯留している。
前記通水部はキャスタブルの外周に密着し、キャスタブルを通して伝達する熱によって内部の水が加温される。
通水部には下側に給水口Ｐが配置され、その給水口Ｐより圧力をかけて通水部内に注水されて、通水タンク内を通過しながら加温されて上部排水口Ｑより排出される。
この給水口Ｐから排水口Ｑに到るまでに水温が上昇することになる。
【００２４】
一次燃焼室３５に続く二次燃焼室３６は内径８００ｍｍ、奥行き１８００ｍｍの円筒形の構造物であり、耐熱性金属によって構成されている。
一次燃焼室３５はノズルから噴射される燃料に点火し、二次燃焼室３６はその火炎が広がる空間である。
この二次燃焼室は内壁３８と外壁３９の二重構造であり、この内壁３８と外壁３９の間に水が貯留し、その貯留部分の水中を通過して排気路３４（排気管）が配置されている。そのため、排気路３４は水に包まれて、排気流は二次燃焼室の壁面に挿通された多数の排気路を通過して、通水部３２に熱を与えながら排気されることになる。
また、二次燃焼室３６の内壁には筋状に凹部が形成され、通水部との熱交換面積が広く確保されている。
【００２５】
また、円盤部の下側には点検孔４０が配置されている。
一次燃焼室の通水部から排出された水は二次燃焼室の通水部の給水口Ｒより圧力をかけて注水され、通水部を通過しながら加温されて上部排出口Ｓより排出される構成となっている。この給水口Ｒから排出口Ｓに到るまでに水温が上昇することになる。
【００２６】
次に本発明の作用を説明する。
灯油、重油、軽油、天然ガス等の化石燃料を霧化して空気と混合し、圧力を掛けて化石燃料噴射ノズル１１から噴射する。噴射すると同時に、点火装置によって燃焼し、火炎を形成する。
次に、水素ガス噴射ノズル１から混合ガスを噴射する。この水素ガス噴射ノズルは化石燃料噴射ノズル１１の上から噴射燃料をゆるい角度で横切るように噴射されるので、化石燃料の火炎の噴出し部分に接触して、共に燃焼する。
前記水素ガスは燃焼により高熱を発し、化石燃料の燃焼を補助する。また、水素ガスの燃焼は直線的であるが、化石燃料との接触により、燃焼室内部に広がる。
【００２７】
給水口Ｐから圧力をかけて送り込まれた水は通水部３１を循環して排水口Ｑから排出される。この通水部３１では一次燃焼室からの熱を受けて温度上昇がなされる。排出口Ｑからの水は連結管を介して、側面の通水部３２の給水口Ｒへ送り込まれる。
側面の通水部３２では、二次燃焼室３６からの熱を受けて加温される。ここでは、排気路３４が通過しているので、排気路３４を通過する排気ガスによって加温されることになる。
一方、後部通水部３３では噴射火炎の気流が衝突して加温されることになるが、後部通水部３３では内部にフィン４１が配置されているので、効率的な熱交換がなされる。
通水部３２，３３では熱せられた水が上昇しながら側片４２を通過して対流し、二次燃焼室３６の熱を受けて温度上昇がなされる。
【００２８】
以上、実施例を説明したが、本発明の具体的な構成は前記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。
例えば、前記実施例では燃焼室を水平方向に配置したが、垂直方向に配置することも可能である。
また、前記実施例では化石燃料と水素燃料の両方を使用する構成としたが、水素燃料のみを使用する場合であっても本発明に含まれる。
また、冷却液としては水を使用したが、オイル等の液体を使用する場合であっても同一の作用となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】水素ガス噴射ノズルの断面図と本発明のブロック図である。
【図２】水素ガス噴射ノズルと化石燃料噴射ノズルの配置を示す説明図である。
【図３】水素ガス燃焼機の断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  水素ガス噴射ノズル
２  小径部
３  基部
４  外筒
５  通気路
６  冷却液
７  導入管
８  排出管
９  導入口
１０  排出口
１１  化石燃料噴射ノズル
１２  火炎
２０  水素ガス導入管
２１  簡素ガス導入管
２２  ガス調整室
２３  流量調整弁
２４  流量調整弁
３０  燃焼室
３１  通水部
３２  通水部
３３  通水部
３４  排気路
３５  一次燃焼室
３６  二次燃焼室
３７  キャスタブル
３８  内壁
３９  外壁
４０  点検孔
４１  フィン
４２  側片
【図１】
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【図２】
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【図３】
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