(57)【要約】【課題】化石燃料と水素燃料とを併用することにより、燃焼効率を飛躍的に向上させ、有害排気ガスの発生を低減することが可能な水素混合燃焼ボイラの提供。【解決手段】化石燃料としての重油を燃焼させ、火炎を噴射する重油バーナ１２と、水素燃料を燃焼させ、この燃焼ガスを重油バーナ１２により噴射される火炎に向かって噴射する水素バーナ１３とを備える水素混合燃焼ボイラ１であり、重油バーナ１２および水素バーナ１３の混合燃焼ガスの熱と水との熱交換を行う。この水素混合燃焼ボイラ１では、重油バーナ１２により重油を燃焼させ、噴射させた火炎に対して、水素バーナ１３により燃焼させた水素燃料の燃焼ガスを噴射させることにより、重油バーナ１２により燃焼させた化石燃料が完全燃焼するようになり、燃焼効率が飛躍的に向上する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化石燃料を燃焼させ、火炎を噴射する第１のバーナと、
水素燃料を燃焼させ、この燃焼ガスを前記第１のバーナにより噴射される火炎に向かって噴射する第２のバーナと、
前記第１のバーナおよび第２のバーナの混合燃焼ガスの熱と水との熱交換を行う伝熱部と
を備えた水素混合燃焼ボイラ。
【請求項２】
前記第２のバーナは、酸素ガスを混合して燃焼させるものである請求項１記載の水素混合燃焼ボイラ。
【請求項３】
前記第１のバーナにより噴射される火炎を前記第２のバーナにより噴射される燃焼ガスによりさらに燃焼させる燃焼室と、
前記混合燃焼ガスの噴射方向に配置された加熱室とを有し、
前記加熱室は、前記伝熱部としての送水管を、前記混合燃焼ガスの噴射方向を軸として螺旋状に回転して形成された螺旋環を備えたものである
請求項１または２に記載の水素混合燃焼ボイラ。
【請求項４】
前記螺旋環は、外側の螺旋環と、この外側の螺旋環を通過した水を通過させる内側の螺旋環との複数の螺旋環により構成される請求項３記載の水素混合燃焼ボイラ。
【請求項５】
前記螺旋環は、前記内側の螺旋環を通過した水をさらに通過させる内径の小さい内側の螺旋環を備えた３重螺旋環である請求項４記載の水素混合燃焼ボイラ。
【請求項６】
前記複数の螺旋環は、すべて前記混合燃焼ガスの噴射方向の遠い方から通水するものである請求項４または５に記載の水素混合燃焼ボイラ。
【請求項７】
前記伝熱部として、前記混合燃焼ガスの突き当たりに配置された通水部を備えた請求項１から６のいずれかに記載の水素混合燃焼ボイラ。
【請求項８】
前記通水部は、内側に前記混合燃焼ガスの突き当たりの面から突出させた伝熱フィンを配置したものである請求項７記載の水素混合燃焼ボイラ。
【請求項９】
前記伝熱部として、前記混合燃焼ガスの排気路に沿ってさらに別の通水部を配置した請求項７または８に記載の水素混合燃焼ボイラ。
【請求項１０】
前記加熱室の周面に前記伝熱部としての通水部が配置され、
前記混合燃焼ガスの排気路が前記通水部内を通過して配置された
請求項３から９のいずれかに記載の水素混合燃焼ボイラ。
【請求項１１】
前記燃焼室の周面に前記伝熱部としての通水部を備えた請求項３から１０のいずれかに記載の水素混合燃焼ボイラ。
【請求項１２】
前記通水部を通過して加温された水を、最終的に前記送水管を通過させて高温水または蒸気とする請求項７から１１のいずれかに記載の水素混合燃焼ボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナフサ、ガソリン、灯油、軽油、重油やアルコール等の化石燃料と水素ガスとを燃料として高温水または蒸気を得る水素混合燃焼ボイラに関する。
【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る。これらの給湯設備は、熱源として重油、灯油やガス等を使用するボイラによって水を加熱して、高温水を発生する構成である。また、ボイラから発生した蒸気は、施設における作業用、加熱用や一般暖房用などとして利用される（例えば、特許文献１参照。）他、蒸気タービンなどの原動機を動かす動力源等としても利用される。
【０００３】
ところで、これらのボイラは、ナフサ、ガソリン、灯油、軽油、重油や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。
【０００４】
そこで、本出願人は、先に、燃焼室内に螺旋状の送水管を配設して、水素ガスを燃焼させることにより、温水を得る技術として、特許文献２に記載の水素ガストリプルヒータを開発している。この水素ガストリプルヒータでは、水素を熱源とするので、環境汚染の原因となる炭化物、窒素酸化物を生じない。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２３５１６７号公報
【特許文献２】特開２００５−３０６８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、水素ガスはその爆発力により火炎のスピードが速く、噴射火炎の熱が局物的に集中するため、安定的な熱交換が困難であるという問題がある。また、上記特許文献２に記載の技術は、水素ガスを使用して、有害な排気ガスを低減させる技術であるが、燃焼後の排気ガスは直ちに排出されるため、排気ガスの熱が無駄に廃棄されるという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明においては、化石燃料と水素燃料とを併用することにより、燃焼効率を飛躍的に向上させ、有害排気ガスの発生を低減することが可能な水素混合燃焼ボイラを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の水素混合燃焼ボイラは、化石燃料を燃焼させ、火炎を噴射する第１のバーナと、水素燃料を燃焼させ、この燃焼ガスを第１のバーナにより噴射される火炎に向かって噴射する第２のバーナと、第１のバーナおよび第２のバーナの混合燃焼ガスの熱と水との熱交換を行う伝熱部とを備えたものである。
【０００９】
本発明の水素混合燃焼ボイラでは、第１のバーナにより化石燃料を燃焼させ、噴射させた火炎に対して、第２のバーナにより燃焼させた水素燃料の燃焼ガスを噴射させることにより、第１のバーナにより燃焼させた化石燃料が完全燃焼するようになり、燃焼効率が飛躍的に向上する。なお、化石燃料としては、ナフサ、ガソリン、灯油、軽油、重油やアルコール等の液体化石燃料の他、石炭や廃タイヤチップ等の固体化石燃料等を使用することが可能である。
【００１０】
ここで、第２のバーナは、酸素ガスを混合して燃焼させるものであることが望ましい。通常、重油等の化石燃料を燃焼させた場合、炭素が酸素と結合して二酸化炭素となるまでのエネルギが発生する。これが、通常のボイラ等で熱効率に使用される数値である。一方、本発明では、第２のバーナにより酸素ガスを混合して燃焼させることにより、化石燃料の炭素のガス化反応が起こるようになり、さらに大きなエネルギを得ることが可能となる。また、ガス化反応により、煤の発生を大幅に抑えることが可能となる。
【００１１】
本発明の水素混合燃焼ボイラは、第１のバーナにより噴射される火炎を第２のバーナにより噴射される燃焼ガスによりさらに燃焼させる燃焼室と、混合燃焼ガスの噴射方向に配置された加熱室とを有し、加熱室は、伝熱部としての送水管を、混合燃焼ガスの噴射方向を軸として螺旋状に回転して形成された螺旋環を備えたものであることが望ましい。
【００１２】
第１のバーナにより噴射される火炎を第２のバーナにより噴射される燃焼ガスによりさらに燃焼される燃焼室と、伝熱部としての送水管を螺旋環として配置した加熱室とを別に設けたことにより、第１のバーナにより噴射される火炎が直接送水管に接触しなくなり、また、燃焼室内において第１のバーナにより噴射される火炎を第２のバーナにより噴射される燃焼ガスにより完全燃焼させた後に、その混合燃焼ガスにより加熱室内において送水管内の水と熱交換することにより、送水管への煤の付着が大幅に低減され、煤の付着による熱伝達率の低下を少なくすることができる。また、伝熱部としての送水管が、高温の混合燃焼ガスを取り巻くように螺旋状に配置されることにより、効率良く熱交換を行わせることができる。
【００１３】
ここで、螺旋環は、外側の螺旋環と、この外側の螺旋環を通過した水を通過させる内側の螺旋環との複数の螺旋環により構成されるものであることが望ましい。混合燃焼ガスから遠い外側の螺旋環により予熱した水を、この混合燃焼ガスに近い内側の螺旋環により加熱することにより、最終的に高温水または蒸気を得ることが可能となる。また、伝熱部としての送水管が混合燃焼ガスを複数段に取り巻くことにより、混合燃焼ガスのエネルギを無駄なく熱交換させることが可能となる。
【００１４】
また、螺旋環は、内側の螺旋環を通過した水をさらに通過させる内径の小さい内側の螺旋環を備えた３重螺旋環であることが望ましい。これにより、水は混合燃焼ガスから遠い外側の螺旋環を経て、順に内側の螺旋環により加熱され、最終的に高温水または蒸気を得ることができる。
【００１５】
また、複数の螺旋環は、すべて混合燃焼ガスの噴射方向の遠い方から通水するものであることが望ましい。これにより、混合燃焼ガスの噴射方向の遠い方、すなわち温度が低い方から通水された水は混合燃焼ガスに近い方、すなわち温度が高い方へ通水され、その後、混合燃焼ガスの噴射方向の遠い方、すなわち温度が低い方へ戻されて、再度混合燃焼ガスの温度が低い方から高い方へ通水される。つまり、混合燃焼ガスの温度が高い方で折り返すことなく、一旦温度が低い方へ戻してから再度高い方へ通水することにより、温度の高い方で瞬間的に高温になりすぎて水蒸気が発生するのを防止することができる。水蒸気が発生した場合、螺旋環内の高い部分に気泡が溜まり、螺旋環内の通水が妨げられることになるが、水蒸気の発生が防止されることにより、この通水が妨げられることがなくなり、過剰な圧力が螺旋環に加わるのを防止することができる。
【００１６】
また、本発明の水素混合燃焼ボイラは、伝熱部として、混合燃焼ガスの突き当たりに配置された通水部を備えたものであることが望ましい。混合燃焼ガスが突き当たる部分は最も熱が籠もりやすいため、この混合燃焼ガスの突き当たりに通水部を配置して熱交換を行わせることにより、混合燃焼ガスのエネルギを無駄なく熱交換させることが可能となる。
【００１７】
ここで、通水部は、内側に混合燃焼ガスの突き当たりの面から突出させた伝熱フィンを配置したものであることが望ましい。これにより、燃焼ガスが突き当たる部分の熱を通水部の内側に配置した伝熱フィンにより直接水へ伝達することができ、熱交換効率が向上する。
【００１８】
また、本発明の水素混合燃焼ボイラは、伝熱部として、混合燃焼ガスの排気路に沿ってさらに別の通水部を配置したものであることが望ましい。これにより、混合燃焼ガスの熱を排気路を通じてさらに水と熱交換することができ、排気熱を有効利用することができる。
【００１９】
また、本発明の水素混合燃焼ボイラは、加熱室の周面に伝熱部としての通水部が配置され、混合燃焼ガスの排気路が通水部内を通過して配置されたものであることが望ましい。これにより、混合燃焼ガスの熱を加熱室の周面に配置した通水部と、この通水部内に配置された排気路によって余すところなく、水と熱交換することができる。
【００２０】
さらに、本発明の水素混合燃焼ボイラは、燃焼室の周面に伝熱部としての通水部を備えたものであることが望ましい。これにより、燃焼室内での化石燃料および水素燃料の燃焼による放射熱を利用して水と熱交換することができる。
【００２１】
また、本発明の水素混合燃焼ボイラは、通水部を通過して加温された水を、最終的に送水管を通過させて高温水または蒸気とするものであることが望ましい。これにより、通水部により予熱された水が、最終的に送水管により高温水または蒸気として得られる。
【発明の効果】
【００２２】
（１）化石燃料を燃焼させ、火炎を噴射する第１のバーナと、水素燃料を燃焼させ、この燃焼ガスを第１のバーナにより噴射される火炎に向かって噴射する第２のバーナと、第１のバーナおよび第２のバーナの混合燃焼ガスの熱と水との熱交換を行う伝熱部とを備えた構成により、第１のバーナにより燃焼させた化石燃料が完全燃焼するようになり、有害排気ガスの発生が低減される。また、燃焼効率が飛躍的に向上するので、省エネルギの水素混合燃焼ボイラを実現できる。
【００２３】
（２）第２のバーナが、酸素ガスを混合して燃焼させるものであることにより、化石燃料の炭素のガス化反応が起こるようになり、さらに大きなエネルギを得ることが可能となる。また、ガス化反応により、煤の発生を大幅に抑えることが可能となるため、ボイラ本体へ煤が付着することによる能力低下を防ぐことができる。
【００２４】
（３）第１のバーナにより噴射される火炎を第２のバーナにより噴射される燃焼ガスによりさらに燃焼させる燃焼室と、混合燃焼ガスの噴射方向に配置された加熱室とを有し、加熱室は、伝熱部としての送水管を、混合燃焼ガスの噴射方向を軸として螺旋状に回転して形成された螺旋環を備えた構成により、送水管への煤の付着が大幅に低減され、煤の付着による熱伝達率の低下を少なくすることができるので、長期に渡って安定した稼働が可能となる。また、伝熱部としての送水管が、高温の混合燃焼ガスを取り巻くように螺旋状に配置されることにより、効率良く熱交換を行わせることができるので、短時間で水を加温することが可能となる。
【００２５】
（４）螺旋環が、外側の螺旋環と、この外側の螺旋環を通過した水を通過させる内側の螺旋環との複数の螺旋環により構成されることにより、混合燃焼ガスから遠い外側の螺旋環により予熱された水が、この混合燃焼ガスに近い内側の螺旋環により加熱されるので、最終的に高温水または蒸気を得ることが可能となる。また、伝熱部としての送水管が混合燃焼ガスを複数段に取り巻くことにより、混合燃焼ガスのエネルギを無駄なく利用することが可能となる。
【００２６】
（５）複数の螺旋環は、すべて混合燃焼ガスの噴射方向の遠い方から通水するものであることにより、螺旋環内に気泡が溜まるのを防止することができ、螺旋環に過剰な圧力が加わるのを防止して螺旋環を保護することができる。
【００２７】
（６）混合燃焼の突き当たりに通水部を配置したことにより、混合燃焼ガスの突き当たりの最も熱が籠もりやすい部分の熱を確実に回収することができる。
【００２８】
（７）通水部が、内側に混合燃焼ガスの突き当たりの面から突出させた伝熱フィンを配置したものであることにより、混合燃焼ガスの突き当たりの最も熱が籠もりやすい部分の熱を伝熱フィンにより直接水へ伝達することができ、この部分の熱を確実に回収することが可能となる。
【００２９】
（８）伝熱部として、混合燃焼ガスの排気路に沿ってさらに別の通水部を配置したことにより、排気熱を有効利用できる。
【００３０】
（９）加熱室の周面に伝熱部としての通水部が配置され、混合燃焼ガスの排気路が通水部内を通過して配置されたものであることにより、混合燃焼ガスの熱を加熱室の周面に配置した通水部と、この通水部内に配置された排気路によって余すところなく、水と熱交換することができ、混合燃焼ガスのエネルギを無駄なく利用することが可能となる。
【００３１】
（１０）燃焼室の周面に伝熱部としての通水部を備えたものであることにより、燃焼室内での化石燃料および水素燃料の燃焼による放射熱を利用して水と熱交換することができ、化石燃料および水素燃料のエネルギを無駄なく利用することが可能となる。
【００３２】
（１１）通水部を通過して加温された水を、最終的に送水管を通過させて高温水または蒸気とするものであることにより、通水部により予熱された水が、最終的に送水管により高温水または蒸気として確実に得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
図１は本発明の実施の形態における給湯システムの系統図、図２は図１の水素混合燃焼ボイラの断面図、図３は図２のＡ−Ａ断面図、図４は図２のＢ−Ｂ断面図、図５は図２のＣ−Ｃ断面図、図６は図２のＤ−Ｄ断面図、図７は図２のＥ−Ｅ断面図である。
【００３４】
図１において、本発明の実施の形態における給湯システムは、瞬間湯沸かし器としての水素混合燃焼ボイラ１と、一定量の湯を貯湯する貯湯タンク２と、貯湯タンク２から各所へ給湯され、使用された後の湯（水）が集水されるストレージタンク３とを有する。
【００３５】
水素混合燃焼ボイラ１は、主として図２に示すように、水平方向に寝かせて配置された円錐台形状の燃焼室１０と、水平方向に寝かせて配置され、燃焼室１０に連結された円筒形状の加熱室１１と、燃焼室１０の基端側から挿入された重油バーナ１２と、同じく燃焼室１０の基端側から重油バーナ１２に並設挿入された水素バーナ１３と、燃焼室１０を取り巻いて配置された通水部１４と、加熱室１１を取り巻いて配置された通水部１５，１６と、燃焼後のガスを排気する排気路１７，１８とから構成される。
【００３６】
重油バーナ１２は、本実施形態においては化石燃料としての重油を燃焼させ、火炎を噴射するバーナである。また、水素バーナ１３は、水素燃料としての液体水素を燃焼させるバーナであり、この燃焼ガスを重油バーナ１２により噴射される火炎の根元に向かって噴射するように配置されている。また、水素バーナ１３には、酸素ガスが供給されており、水素燃料に酸素ガスを混合して燃焼させる。燃焼室１０では、水素バーナ１３により噴射される燃焼ガスが、重油バーナ１２により噴射される火炎に接触して共に燃焼する。このとき、水素バーナ１３へ供給された酸素ガスにより、重油バーナ１２により噴射される火炎に含まれる炭素のガス化反応が起こるため、大きな燃焼エネルギが得られる。
【００３７】
加熱室１１は、重油バーナ１２および水素バーナ１３の混合燃焼ガスの噴射方向に配置された、熱と水との熱交換を行う空間である。また、この加熱室１１の後方、すなわち重油バーナ１２および水素バーナ１３の混合燃焼ガスの突き当たりには、通水部１６が配置されている。燃焼室１０、加熱室１１および通水部１６は、フランジ１９，２０，２１で接続されて一体となっている。
【００３８】
また、燃焼室１０の内周の全部およびこの燃焼室１０に隣接する加熱室１１の内周の一部は、耐火性の砕石とアルミナ質の水硬セメント等の結合剤とを混合したキャスタブル２２が設けられた耐熱構造となっている。なお、本実施形態における水素混合燃焼ボイラ１では、燃焼室１０の基端側の径は４９０ｍｍ、フランジ１９側の径は７００ｍｍ、長さ６８０ｍｍであり、キャスタブル２２の厚さは約１００ｍｍである。通水部１４は、キャスタブル２２の外周に面して厚さ１００ｍｍに形成された筒状の金属製タンクであり、重油バーナ１２および水素バーナ１３の混合燃焼ガスの熱と水との熱交換を行う伝熱部を構成している。通水部１４には下側に吸水口Ｐが配設され、上側に排水口Ｑが配設されている。
【００３９】
加熱室１１は、内径８００ｍｍ、長さ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。加熱室１１は、内壁２３と外壁２４の二重構造であり、この内壁２３と外壁２４の間が通水部１５を構成している。この通水部１５は、重油バーナ１２および水素バーナ１３の混合燃焼ガスの熱と水との熱交換を行う伝熱部を構成しており、内部に水が貯留される。また、この通水部１５を貫通するように混合燃焼ガスの排気路１７（排気管）が、内壁２３を取り巻くように多数配置されている（図４参照。）。そのため、排気路１７は通水部１５内の水に包まれており、排気流は加熱室１１の壁面に挿通された多数の排気路１７を通過して、通水部１５の水に熱を与えながら排気される。
【００４０】
なお、図５に示すように排気路１７は、フランジ２０，２１（図２参照）のほぼ中間位置で、互いに等間隔で配置されるように、支持板２５により支持されている。また、支持板２５には通水路となる半円状の凹部２６が形成されており、この凹部２６により支持板２５により隔てられる通水部１５内の通水が確保されている。同様に、フランジ２１には、通水部１６と通水部１５との間の通水を確保するための連通孔２７（図６参照）が多数形成されている。
【００４１】
通水部１６は、加熱室１１の混合燃焼ガスの突き当たりを閉塞するように形成されている。通水部１６は、加熱室１１の燃焼ガスの突き当たりを閉塞する円盤部２８と、円盤部２８をフランジ２１に支持する円筒状の側壁部２９と、これら円盤部２８および側壁部２９を覆うように配設された円盤状の蓋部３０と、蓋部３０をフランジ２１に支持する側壁部３１とから構成されている。円盤部２８および側壁部２９が内壁を、蓋部３０および側壁部３１が外壁を構成し、これらの内壁と外壁との間に水が貯留される。通水部１６は、重油バーナ１２および水素バーナ１３の混合燃焼ガスの熱と水との熱交換を行う伝熱部を構成し、貯留した水はこの混合ガスの突き当たりの熱との熱交換により加温される。
【００４２】
また、通水部１６の円盤部２８の内壁の内側には、金属板を屈曲成形して表面積を増大させた伝熱フィン３２が多数配置されている。なお、この伝熱フィン３２は、加温された水が上昇する際に隣接する伝熱フィン３２間を上昇し、効率良く伝熱フィン３２と接触しながら熱交換を行うように鉛直方向に配置されている。なお、本実施形態において、伝熱フィン３２は円盤部２８から約５０ｍｍ突出させている。また、円盤部２８の下側には点検孔３３が配置されている。
【００４３】
燃焼室１０の周面に配置された通水部１４から排出された水は、加熱室１１の周面に配置された通水部１５の吸水口Ｒより圧力をかけて注水され、通水部１５，１６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。
【００４４】
加熱室１１内では、重油バーナ１２および水素バーナ１３の混合燃焼ガスの熱気流は通水部１６の円盤部２８の中心部分に衝突し、衝突した気流は３６０°周囲に分散する。この分散した気流は、さらに側壁部２９に衝突して排気路１７へ導かれる。排気路１７では通水部１５を通過して、通水部１５内の水へ熱を放出しながら、排気路１８へ集約されて、煙突１８より外部へ排出される。
【００４５】
また、加熱室１１の内部には、重油バーナ１２および水素バーナ１３の混合燃焼ガスの噴射方向を軸として螺旋状に回転して形成された送水管３４が配置されている。この送水管３４は、重油バーナ１２および水素バーナ１３の混合燃焼ガスの噴射方向の遠い方、すなわち送水口Ｔ側から蓋部３０および円盤部２８を貫通して螺旋状に回転しながら燃焼室１０側へ向かう外側の螺旋環３５と、この外側の螺旋環３５を通過した水を一旦円盤部２８側まで真っ直ぐに引き戻して再び螺旋状に回転しながら螺旋環３５の内側を燃焼室１０側へ向かう中間の螺旋環３６と、さらにこの螺旋環３６を通過した水を一旦円盤部２８側まで真っ直ぐに引き戻して再び螺旋状に回転しながら螺旋環３６の内側を燃焼室１０側へ向かう内側の螺旋環３７から構成されている。すなわち、これらの螺旋環３５，３６，３７は加熱室１１内に沿って、環が水平方向に３重に形成されている。
【００４６】
なお、螺旋環３５，３６，３７は、それぞれ所定ピッチで回転して環を構成しているが、１回転ごとに隙間が形成されており、各螺旋環３５，３６，３７はそれぞれの隙間に沿って環が形成されている。すなわち、中間の螺旋環３６は、内側の螺旋環３７の隙間に面して通過するように配置されており、この隙間を通じて重油バーナ１２および水素バーナ１３の混合燃焼ガスの熱が直射されるようになっている。また、外側の螺旋環３５も同様に、中間の螺旋環３６の隙間に面して環が通過するように配置されている。このように、内側、中間、外側のそれぞれの螺旋環３７，３６，３５が交互に交差するように配置されることにより、この交差する隙間から熱が伝導されて、外側の螺旋環３５まで効率的に熱が伝導される。
【００４７】
これらの送水管３４は、耐熱性合金によって構成されている。また、内側の螺旋環３７の環径は３３０ｍｍ、中間の螺旋環３６の環径は５５０ｍｍ、外側の螺旋環３５の環径は６３０ｍｍとなっている。なお、本実施形態において使用する送水管３４の太さは呼び径２５Ａ（日本工業規格）であって、内径約２８．４ｍｍ、外径約３４ｍｍであるが、この送水管３４の太さは供給水量に応じて適宜変更されうる。また、これらの螺旋環３５，３６，３７を構成する送水管３４は、一連の連続管によって構成され、送水口Ｔより圧力を掛けて送り込まれた水は、外側の螺旋環３７を経て中間の螺旋環３６へ送り込まれ、そして、最終的に内側の螺旋環３５を通過して、熱交換を受ける。この内側の螺旋環３５では、最も火炎に近接するので、そこを通過する際に高温水となり、排出口Ｕより取り出される。
【００４８】
次に本実施形態における水素混合燃焼ボイラ１の作用を説明する。
まず、燃料である重油を霧化して空気と混合し、圧力を掛けて重油バーナ１２から噴射する。この噴射すると同時に、点火装置（図示せず。）によって燃焼し、火炎を形成する。次に、この重油バーナ１２の火炎に向けて水素バーナ１３から水素ガスおよび酸素ガスを噴射する。この水素バーナ１３は重油バーナ１２から噴射される火炎に対してゆるい角度で横切るように噴射されるので、重油バーナ１２の火炎の吹き出し部分に接触して、共に燃焼する。
【００４９】
ここで、水素の燃焼により生じる炎は、その先端の温度が２０００〜２５００℃と非常に高く、これより遠ざかると温度が急激に低くなる性質を有している。したがって、水素の燃焼だけでは水を加温するのに不充分であるが、この水素の燃焼による高温の燃焼ガスを重油の火炎と接触させることにより、重油の燃焼を補助して完全燃焼させることができ、水を加温するのに充分な熱量が得られる。また、水素の燃焼により生じる炎は直線的であるが、重油バーナ１２の火炎との接触により、内側の螺旋環３５，３６，３７に混合燃焼ガスが広がり、加熱室１１全体を加熱する。
【００５０】
また、このとき、水素バーナ１３から噴射された酸素ガスにより、重油バーナ１２により噴射される火炎に含まれる炭素のガス化反応が起こるため、さらに大きな燃焼エネルギが得られる。また、このガス化反応により、煤の発生を大幅に抑えることが可能となるため、ボイラ本体へ煤が付着することによる能力低下を防ぐことができる。したがって、同量の重油を普通に燃焼させた場合と比較して、エネルギ効率が良く、加熱室１１および排気も汚さずに水素混合燃焼ボイラ１を稼働させることができる。
【００５１】
吸水口Ｐから圧力を掛けて送り込まれた水は、通水部１４を循環して排水口Ｑから排出される。この通水部１４では、水はキャスタブル２２を通じて加熱室１１から伝わる熱により加温されて、吸水口Ｐから排水口Ｑに到るまでに５℃前後の温度上昇がなされる。この排出口Ｑからの水は連結管（図示せず。）を介して、加熱室１１の周面に配置された通水部１５へ吸水口Ｒから圧力を掛けて送り込まれる。
【００５２】
通水部１５では、水は加熱室１１からの放射熱を受けて加温される。また、この通水部１５内には排気路１７が通過しているので、この排気路１７を通過する排気ガスによっても加温されることになる。また、加熱室１１後部の通水部１６では混合燃焼ガスの気流が衝突して加温されることになるが、この通水部１６では内部に伝熱フィン３２が配置されているので、効率的な熱交換がなされる。このように通水部１５，１６で熱せられた水は、上昇しながら通水部１５，１６内を通過して対流し、加熱室１１の熱を受けて１０℃前後の温度上昇がなされる。
【００５３】
なお、加熱室１１の混合燃焼ガスは、円盤部２８へ衝突した後に周囲に広がり、周囲の排気路１７へ流れて煙突１８より排出されるが、前述のようにこの排気路１７は通水部１５内で水中を通過しているので、この通水部１５内の水との熱交換が行われ、最終的に排気ガスは常温に近い温度として煙突１８より排出される。ここでは、排気をスムーズに行うために、吸気ブロアを排気路１７に設けることも可能である。
【００５４】
次に、通水部１６の排出口Ｓから排出された水は、吸水口Ｔより送水管３４へ送られる。送水管３４は、加熱室１１内で３重の螺旋環３５，３６，３７として配設されているが、まず外側の螺旋環３５において、加熱室１１内に滞留する熱気によって、緩やかに加熱される。そして、やや加熱された水は次に、中間の螺旋環３６に送り込まれる。中間の螺旋環３６では、混合燃焼ガスに近づくので、この混合燃焼ガスからの放射熱によって、さらに加熱される。この中間の螺旋環３６で加熱された温水は最終的に、内側の螺旋環３７に送り込まれ、ここで、最終的に７５℃〜９０℃へ加熱される。
【００５５】
このように、水は通水部１４，１５，１６により予熱が行われ、合計１５℃前後の温度上昇がなされた後、最終的に加熱室１１内の螺旋環３５，３６，３７により熱交換を受ける。加熱室１１内では、３重の螺旋環３５，３６，３７を通過しながら、熱交換を受けるので、熱利用を効率的に行うことができ、従来では、７５℃〜９０℃の高温水を得るためには、同規模の熱量を発するバーナでは、長い燃焼室と、それに沿った螺旋環が必要だったところ、本実施形態における水素混合燃焼ボイラ１では、３重構造とすることにより、熱交換を行う接触面積が増大し、螺旋環３５，３６，３７の距離を短縮し、小さな加熱室１１によって同規模の接触面積を実現している。また、螺旋環３５，３６，３７は内側、中間、外側へ、それぞれ混合燃焼ガスの熱を受ける面が交差して配置されているので、隙間を通して効率的に熱が伝達される。
【００５６】
すなわち、従来では、内側の螺旋環３７に相当する部位を長く確保しなければ、高温水を得ることができなかったが、本発明では、中間の螺旋環３６および外側の螺旋環３５によって、予め暖水が生成されるので、その暖水を最終的に内側の螺旋環３７によって高温へ加熱するので、短い距離によって高温水を生成することが可能となる。なにより、本実施形態における水素混合燃焼ボイラ１では、重油バーナ１２の火炎に対して水素バーナ１３の燃焼ガスを接触させることにより、高効率で重油を燃焼させることができることから、省エネルギの給湯システムを実現できる。
【００５７】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の具体的な構成は上記実施の形態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、上記実施形態において、必要に応じて、通水部１４，１５，１６および送水管３４に圧力をかけて水を送水するポンプを設定することも可能である。また、上記実施形態では燃焼室１０および加熱室１１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、重油バーナ１２に代えて、ナフサ、ガソリン、灯油、軽油、重油やアルコール等の液体化石燃料の他、石炭や廃タイヤチップ等の固体化石燃料等を使用するバーナを用いる構成とすることも可能である。さらに、最終的に蒸気を得る場合には、螺旋環３５，３６，３７の長さを変更することで対応可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の水素混合燃焼ボイラは、プラント施設、工場、大型ビル、商業施設等の給湯設備や蒸気設備等に有用である。特に、本発明の水素混合燃焼ボイラは、化石燃料と水素燃料とを併用することにより、燃焼効率を飛躍的に向上させ、有害排気ガスの発生を低減した高温水または蒸気を得るボイラとして好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施の形態における給湯システムの系統図である。
【図２】図１の水素混合燃焼ボイラの断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】図２のＣ−Ｃ断面図である。
【図６】図２のＤ−Ｄ断面図である。
【図７】図２のＥ−Ｅ断面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１  水素混合燃焼ボイラ
２  貯湯タンク
３  ストレージタンク
１０  燃焼室
１１  加熱室
１２  重油バーナ
１３  水素バーナ
１４，１５，１６  通水部
１７  排気路
１８  煙突
１９，２０，２１  フランジ
２２  キャスタブル
２３  内壁
２４  外壁
２５  支持板
２６  凹部
２７  連通孔
２８  円盤部
２９  側壁部
３０  蓋部
３１  側壁部
３２  フィン
３３  点検孔
３４  送水管
３５，３６，３７  螺旋環
【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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【図６】
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【図７】
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