(57)【要約】【課題】燃料を排ガス顕熱回収と化学吸熱を利用して予熱することにより排ガス顕熱回収効率が向上する燃焼装置を提供する。また、他の目的として、燃料を排ガス顕熱回収と化学吸熱を利用して予熱する一方、燃焼用空気を排ガス顕熱で予熱することにより、排ガス顕熱回収効率が更に向上する燃焼装置を提供する。【解決手段】燃焼用空気１０３との熱交換により所定温度に降温した燃焼排ガス１０２は、第３流路２５の隔壁２８−４の４つの通気口３３から４つの連通孔２７に流入して第３流路２５から第２流路２４に流通経路が切り換わる。更に、燃焼排ガス１０２は、第２流路２４の隔壁２８―１の４つの通気口３１を介して第２流路２４の基端側に流通する。その際、燃焼排ガス１０２の熱が改質触媒層２６に吸熱され、改質触媒層２６で改質反応が行なわれる。改質触媒層２６に流入した混合流体１００は、ＣＯとＨ２を主成分とする改質燃料１０１に改質される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナ部と、
前記バーナ部に燃焼用空気を供給する燃焼用空気流路と、
前記バーナ部に燃料を供給する燃料流路と、
前記バーナ部で生成された燃焼排ガスを流通させる燃焼排ガス流路とを有し、
前記バーナ部は、前記燃焼用空気流路、前記燃料流路、及び前記燃焼排ガス流路の末端側に配置され、
前記燃料供給路の少なくとも一部に改質触媒を充填してなる改質触媒層を有し、
前記燃焼排ガス流路は、前記燃料供給路の外側又は内側に配置されており、
前記燃焼排ガスは、前記燃焼排ガス流路の末端側から基端側に流通して当該燃焼排ガスの顕熱で前記改質触媒層を加熱する一方、
改質原料と反応剤からなる混合流体を前記燃料供給路の基端側から末端側に供給し、前記加熱された前記改質触媒層に当該混合流体を通過させることにより、前記混合流体を吸熱反応で改質して改質燃料を生成し、
前記バーナ部において、前記改質燃料を燃焼することを特徴とする燃焼装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃焼装置において、
前記燃焼排ガス流路の内側に前記燃焼用空気流路を配置し、前記燃焼排ガスの顕熱で前記燃焼用空気流路を流通する前記燃焼用空気を予熱する燃焼装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃焼装置において、
内管と、前記内管より大径の外管と、前記外管と内管との中間径である中間径管が同軸上に配置された三重管構造を有し、
前記内管の内部空間は、前記燃焼用空気流路としての第１流路が形成され、
前記内管と前記中間径管との環状空間は、前記燃料流路としての第２流路が形成され、
前記中間径管と前記外管との環状空間は、前記燃焼排ガス流路としての第３流路が形成され、
前記第２流路の少なくとも一部に前記改質触媒が充填された前記改質触媒層を有する燃焼装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の燃焼装置において、
内管と、前記内管より大径の外管と、前記外管と内管との中間径である中間径管が同軸上に配置された三重管構造を有し、
前記内管の内部空間を第１流路、前記内管と前記中間径管との環状空間を第２流路、前記中間径管と前記外管との環状空間を第３流路として形成し、
前記第１流路は、前記燃料流路であると共に、当該第１流路の少なくとも一部に前記改質触媒が充填された前記改質触媒層を有し、
前記燃焼用空気は、前記第３流路の基端側から供給される一方、前記第２流路に流入して当該第２流路の末端側から前記バーナ部に供給され、
前記燃焼排ガスは、前記第３流路の末端側から供給される一方、前記第２流路に流入して当該第２流路の基端側から排出される燃焼装置。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載の燃焼装置において、
内管と、前記内管より大径の外管と、前記外管と内管との中間径である中間径管が同軸上に配置された三重管構造を有し、
前記内管の内部空間を第１流路、前記内管と前記中間径管との環状空間を第２流路、前記中間径管と前記外管との環状空間を第３流路として形成し、
前記第１流路は、前記燃焼用空気流路であり、
前記第３流路は、その基端側近傍の少なくとも一部に前記改質触媒が充填された前記改質触媒層を有し、
前記改質触媒層を通過して生成された前記改質燃料は、前記第３流路から前記第２流路に流入して当該第２流路の末端側から前記バーナ部に供給され、
前記燃焼排ガスは、前記第３流路の末端側から供給される一方、前記第２流路に流入して当該第２流路の基端側から排出される燃焼装置。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載の燃焼装置において、
前記中間径管の周方向には、前記第２流路と前記第３流路が連通する複数の連通孔が形成されており、
前記第２流路及び前記第３流路はそれぞれ、前記複数の連通孔を前記軸方向から挟むように対向配置された一対の隔壁を有し、
前記一対の隔壁には、周方向に複数の通気口と閉塞部材が交互に形成され、
前記一対の隔壁のそれぞれに形成されている前記各閉塞部材は、前記軸に直交する平面視において互いに非対称に配置されており、
前記一対の隔壁のそれぞれに形成されている前記各閉塞部材の端部同士が前記軸方向に沿って伸びる仕切り部材によって接続されており、
前記燃焼用空気、前記燃焼排ガス、及び前記改質燃料は、前記通気口と前記連通孔を介して前記第３流路から前記第２流路へ流入する燃焼装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃焼装置において、
前記混合流体は、少なくとも炭素及び水素を有する有機化合物と水蒸気が混合した混合物であり、前記吸熱反応は、前記混合流体から水素を生成する水蒸気改質反応である燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼装置に関する。より詳細には、燃料流路に形成された改質触媒層を燃焼排ガス顕熱で加熱し、加熱された改質触媒層に少なくとも炭素と水素からなる有機化合物を含有する原料ガスと水蒸気とを通過させることにより、それらを吸熱反応（化学反応）で改質して例えば一酸化炭素と水素からなる改質燃料を生成し、この改質燃料を燃焼させる燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、先端が閉塞された外管の内部に先端を開口した内管を同軸上に配置し、外管の後端側に排気部と、内管の後端側から内管内に貫通して配置された燃料ガス供給管を有するシングルエンド型ラジアントチューブバーナは公知である（例えば、特許文献１〜特許文献３参照。）。
【０００３】
特許文献１〜３に記載のシングルエンド型ラジアントチューブバーナは、燃料ガス供給管から供給された燃料ガスと、内管と燃料ガス供給管との間に形成した環状空間に供給された燃焼用空気とを燃焼室内で混合させて燃焼を実行する。燃焼により生成された燃焼排ガスは、外管の閉塞端部で反転した後、外管と内管とで形成される環状空間を通って外管を加熱すると共に、この燃焼排ガスの流れと対向して供給される燃焼用空気を予熱した後、排気部を介して排気される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開平４−２５９１２号公報
【特許文献２】特開２００１−１８２９１２号公報
【特許文献３】特開２００２−３４９８０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１〜３に記載のシングルエンド型ラジアントチューブバーナに代表されるように、燃焼排ガスと空気の熱交換による燃焼用空気を予熱する方法において、その回収熱量（Ｑ＝ｈ・Ａ・ΔＴ）は伝熱面積（Ａ）、熱伝達率（ｈ）、及び温度差（ΔＴ）に依存するため、排ガス顕熱回収効率を更に向上させるには限界があった。
【０００６】
他方、排ガス顕熱回収効率を更に向上させるための１つの手法として、燃料ガスを排ガス顕熱で予熱することが考えられる。例えば、メタンガス（低位発熱量：8557kcal／m3N、理論空気量：9.57m3N／m3N）等の高カロリーガスの場合、燃料ガスの予熱効果は空気予熱の予熱効果に比べて非常に小さい。これに対して、例えば、ＣＯＧとＢＦＧとＬＤＧの混合ガスからなるＭガス（低位発熱量：2300kcal／m3N、理論空気量：2.219m3N／m3N）や、水素ガス（低位発熱量：2570kcal／m3N、理論空気量：2.39m3N／m3N）等の低カロリーガスを燃焼させる場合、空気予熱だけによる燃焼排ガスからの熱回収を考えた場合、熱回収量は小さく、むしろ熱回収の面から考えると、低カロリーの燃料ガス予熱は空気予熱以上に予熱効果が大きいといえる。また、低カロリーガスは、着火性が良くないため、予熱することにより着火しやすくし、安全に利用できるようになる。
【０００７】
しかしながら、特許文献１〜３に記載のシングルエンド型ラジアントチューブバーナでは、排ガス顕熱を熱交換して燃焼用空気を予熱することはできるが、燃料ガスまでも予熱することはその構造上、非常に困難である。
【０００８】
そこで、発明者らは鋭意検討した結果、改質触媒層を燃焼排ガス顕熱で加熱し、改質触媒層に蓄熱した熱量で少なくとも炭素と水素からなる有機化合物を含有する原料ガスと水蒸気とを予熱すると同時にそれらを吸熱反応で改質すると、燃焼排ガスから得られた熱は化学ポテンシャルに変換されるため、受熱側の温度が高くなりにくくなる。即ち、温度差が拡大するため排ガス顕熱回収効率が向上することを知見した。また、燃料を上述の排ガス顕熱回収と化学吸熱を利用して予熱すると共に、燃焼用空気は従来と同様に排ガス顕熱を熱交換して燃料と燃焼用空気の両方を予熱することで、排ガス顕熱回収効率が更に向上することを知見した。
【０００９】
本発明は、燃料を排ガス顕熱回収と化学吸熱を利用して予熱することにより排ガス顕熱回収効率が向上する燃焼装置を提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、燃料を排ガス顕熱回収と化学吸熱を利用して予熱する一方、燃焼用空気を排ガス顕熱で予熱することにより、排ガス顕熱回収効率が更に向上する燃焼装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の燃焼装置は、バーナ部と、前記バーナ部に燃焼用空気を供給する燃焼用空気流路と、前記バーナ部に燃料を供給する燃料流路とを有し、前記バーナ部で生成された燃焼排ガスを流通させる燃焼排ガス流路と、前記バーナ部は、前記燃焼用空気流路、前記燃料流路、及び前記燃焼排ガス流路の末端側に配置され、前記燃料供給路の少なくとも一部に改質触媒を充填してなる改質触媒層を有し、前記燃焼排ガス流路は、前記燃料供給路の外側又は内側に配置されており、前記燃焼排ガスは、前記燃焼排ガス流路の末端側から基端側に流通して当該燃焼排ガスの顕熱で前記改質触媒層を加熱する一方、改質原料と反応剤からなる混合流体を前記燃料供給路の基端側から末端側に供給し、前記加熱された前記改質触媒層に当該混合流体を通過させることにより、前記混合流体を吸熱反応で改質して改質燃料を生成し、前記バーナ部において、前記改質燃料を燃焼する。
【００１１】
前記燃焼排ガス流路の内側に前記燃焼用空気流路を配置し、前記燃焼排ガスの顕熱で前記燃焼用空気流路を流通する前記燃焼用空気を予熱することが好ましい。
【００１２】
上述の燃焼装置において、内管と、前記内管より大径の外管と、前記外管と内管との中間径である中間径管が同軸上に配置された三重管構造を有し、前記内管の内部空間は、前記燃焼用空気流路としての第１流路が形成され、前記内管と前記中間径管との環状空間は、前記燃料流路としての第２流路が形成され、前記中間径管と前記外管との環状空間は、前記燃焼排ガス流路としての第３流路が形成され、前記第２流路の少なくとも一部に前記改質触媒が充填された前記改質触媒層を有している。
【００１３】
上述の燃焼装置において、内管と、前記内管より大径の外管と、前記外管と内管との中間径である中間径管が同軸上に配置された三重管構造を有し、前記内管の内部空間を第１流路、前記内管と前記中間径管との環状空間を第２流路、前記中間径管と前記外管との環状空間を第３流路として形成し、前記第１流路は、前記燃料流路であると共に、当該第１流路の少なくとも一部に前記改質触媒が充填された前記改質触媒層を有し、前記燃焼用空気は、前記第３流路の基端側から供給される一方、前記第２流路に流入して当該第２流路の末端側から前記バーナ部に供給され、前記燃焼排ガスは、前記第３流路の末端側から供給される一方、前記第２流路に流入して当該第２流路の基端側から排出される。
【００１４】
上述の燃焼装置において、内管と、前記内管より大径の外管と、前記外管と内管との中間径である中間径管が同軸上に配置された三重管構造を有し、前記内管の内部空間を第１流路、前記内管と前記中間径管との環状空間を第２流路、前記中間径管と前記外管との環状空間を第３流路として形成し、前記第１流路は、前記燃焼用空気流路であり、前記第３流路は、その基端側近傍の少なくとも一部に前記改質触媒が充填された前記改質触媒層を有し、前記改質触媒層を通過して生成された前記改質燃料は、前記第３流路から前記第２流路に流入して当該第２流路の末端側から前記バーナ部に供給され、前記燃焼排ガスは、前記第３流路の末端側から供給される一方、前記第２流路に流入して当該第２流路の基端側から排出される。
【００１５】
上述の燃焼装置において、前記中間径管の周方向には、前記第２流路と前記第３流路が連通する複数の連通孔が形成されており、前記第２流路及び前記第３流路はそれぞれ、前記複数の連通孔を前記軸方向から挟むように対向配置された一対の隔壁を有し、前記一対の隔壁には、周方向に複数の通気口と閉塞部材が交互に形成され、前記一対の隔壁のそれぞれに形成されている前記各閉塞部材は、前記軸に直交する平面視において互いに非対称に配置されており、前記一対の隔壁のそれぞれに形成されている前記各閉塞部材の端部同士が前記軸方向に沿って伸びる仕切り部材によって接続されており、前記燃焼用空気、前記燃焼排ガス、及び前記改質燃料は、前記通気口と前記連通孔を介して前記第３流路から前記第２流路へ流入する。
【００１６】
上述のいずれか１つに記載の燃焼装置において、前記混合流体は、少なくとも炭素及び水素を有する有機化合物と水蒸気が混合した混合物であり、前記吸熱反応は、前記混合流体から水素を生成する水蒸気改質反応である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、燃料を排ガス顕熱回収と化学吸熱を利用して予熱することにより排ガス顕熱回収効率が向上する燃焼装置を提供できる。また、燃料を排ガス顕熱回収と化学吸熱を利用して予熱する一方、燃焼用空気を排ガス顕熱で予熱することにより、排ガス顕熱回収効率が更に向上する燃焼装置を提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】加熱炉の炉壁に設けられた実施の形態１に係る燃焼装置の概略構成図である。
【図２】実施の形態１に係る燃焼装置のノズル部の詳細構造を示す図である。
【図３】（ａ）は図２におけるＡ−Ａ方向から見たノズル部の縦断面図、（ｂ）は図２におけるＢ−Ｂ方向から見たノズル部の縦断面図、（ｃ）は図２におけるＣ−Ｃの方向から見たノズル部の縦断面図である。
【図４】（ａ）は図２におけるＤ−Ｄ方向から見たノズル部の横断面図、（ｂ）は図２におけるＥ−Ｅ方向から見たノズル部の横断面図である。
【図５】ノズル部の要部における斜視断面図である。
【図６Ａ】実施の形態２に係る燃焼装置のノズル部の詳細構造を示す図である。
【図６Ｂ】図６ＡにおけるＦ−Ｆ方向から見たノズル部の部分断面図である。
【図６Ｃ】図６ＡにおけるＧ−Ｇ方向から見たノズル部の部分断面図である。
【図７】実施の形態３に係る燃焼装置のノズル部の詳細構造を示す図である。
【図８Ａ】実施の形態１の変形例に係る燃焼装置のノズル部の詳細構造を示す図である。
【図８Ｂ】図８ＡにおけるＨ−Ｈ方向から見たノズル部の部分断面図である。
【図８Ｃ】図８ＡにおけるＩ−Ｉ方向から見たノズル部の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態に係る燃焼装置について、添付図面に従って説明する。なお、以下の説明では、方向や位置を表す用語（例えば、「基端」や「末端」等）を便宜上用いるが、これらは発明の理解を容易にするためであり、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が限定されるものではない。また、以下の説明は、本発明の一形態の例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。また、以下に説明する配管の直径や各流路の断面積は概略を示すものであり、実際には流体の流量や圧力によって適宜設計される。また、動作説明で用いた温度についても説明を容易にするためであり、実際の温度は燃焼装置の各部の設計によって異なる。
【００２０】
図１は加熱炉６０の炉壁６２に設置された燃焼装置１を示す。この燃焼装置１は、軸芯１０に沿ってそれぞれ配置されたバーナタイル１１と、バーナ本体１２と、バーナタイル１１及びバーナ本体１２の中央部を貫通して設けられた３重管構造のノズル部１４とを有する。本発明の実施の形態に係る燃焼装置１は、バーナタイル１１の末端側（図の右側端部）のバーナ部１５で燃料（改質燃料１０１）と燃焼用空気１０３が混合して燃焼する、所謂、先混合式のバーナである。
【００２１】
バーナタイル１１には、バーナ部１５で燃焼を継続させるためのパイロットバーナ１６が軸芯１０に対して所定の角度に傾斜して設けられている。バーナ本体１２の後端部には燃料供給管１７が設けられている。図１に示すように、燃料供給管１７の後端部には、少なくとも炭素及び水素を有する有機化合物の一例であるメタンガス（改質原料ガス）と、反応剤の一例である水蒸気とを混合した混合流体１００を供給する原料配管１７０が接続されている。一方、バーナ本体１２の内部に挿入されている燃料供給管１７の先端部は、後述するノズル部１４の燃料流路と連結されている。
【００２２】
また、バーナ本体１２の上端部には、燃焼排ガス１０２を排気する排ガス排出管１８が設けられている。排ガス排出管１８は、後述するノズル部１４の燃焼排ガス流路と連通していると共に、当該排ガス排出管１８の下流側に設置された図示しない排ガス吸引ファンと連通している。なお、バーナ本体１２と排ガス排出管１８には耐火断熱材が内張りされている。図示するように、ノズル部１４の外周面（後述する外管２１）には、燃焼用空気１０３を供給する燃焼用空気供給管１９がバーナ本体１２の周壁を貫通して接続されている。燃焼用空気供給管１９は、後述するノズル部１４の燃焼用空気流路と連通していると共に、当該燃焼用空気供給管１９の上流側に設置された図示しない燃焼用空気供給ファンと連通している。
【００２３】
次に、本発明の実施形態に係る燃焼装置１の特徴部分であるノズル部１４の構造について以下のとおり説明する。
【００２４】
《実施の形態１》
図２は、実施の形態１に係る燃焼装置１のノズル部１４の詳細構造を示す。図３（ａ）〜図３（ｃ）は図２におけるＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ、及びＣ−Ｃの各方向から見たノズル部１４の縦断面図を示し、図４（ａ）〜図４（ｂ）は図２におけるＤ−Ｄ、及びＥ−Ｅの各方向から見たノズル部１４の横断面図を示す。図５はノズル部１４の要部における斜視断面図を示す。
【００２５】
ノズル部１４は、同一の軸芯１０上に配置された内管２０と、内管２０より大径の外管２１と、内管２０と外管２１との中間径である中間径管２２からなる三重管構造を有する。このノズル部１４は、内管２０の内部空間を第１流路２３、内管２０と中間径管２２との環状空間を第２流路２４、外管２１と中間径管２２との環状空間を第３流路２５として形成している。
【００２６】
図２に示すように、第１流路２３の内部には、例えば直径１ｍｍ〜３ｍｍの粒状もしくはハニカム状の改質触媒が充填されており、水蒸気改質反応を促進させる改質触媒層２６を形成している。このため、第１流路２３はバーナ部１５に改質燃料１０１を供給する燃料流路として機能する。即ち、第１流路２３の基端側（図の左側端部）から供給されるメタンガスと水蒸気からなる混合流体１００を、改質触媒層２６に通過させることで反応させ、混合流体１００中の炭化水素が水蒸気により水素と一酸化炭素に改質し、それらが改質燃料１０１として第１流路２３の末端側（図の右側端部）からバーナ部１５に供給されるようにしてある。
【００２７】
改質触媒層２６を構成する改質触媒としては、典型的には、ルテニウムをアルミナに担持させたルテニウム系改質触媒や、ニッケルをアルミナに担持させたニッケル系改質触媒が用いられる。その他、パラジウム、白金、銅、ロジウム等の金属を、シリカ、マグネシア等の酸化物セラミックスに担持させたものや、それらにウラン、アルカリ、アルカリ土類金属の酸化物を添加したものが用いられる。
【００２８】
本実施の形態では、第１流路２３内の全部の領域に改質触媒層２６を形成しているが、第１流路２３内の少なくとも一部の領域に改質触媒層２を形成することも可能である。
【００２９】
図２、及び図３（ｃ）に示すように、中間径管２２の略中央部の周方向には、第２流路２４と第３流路２５が連通する矩形状の８つの連通孔２７が形成されている。また、第２流路２４には、この複数の連通孔２７を軸芯１０方向から挟むように対向配置された一対の隔壁２８―１，２８−２が設けられている。同様に、第３流路２５における一対の隔壁２８―１，２８−２と対応する位置にも、一対の隔壁２８−３，２８−４が対向配置されている。
【００３０】
図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、一対の隔壁２８―１，２８−２は、周方向に交互に形成された扇状の閉塞部材３０と、扇状の通気口３１で構成されている。同様に、一対の隔壁２８−３，２８−４もまた、周方向に交互に形成された扇状の閉塞部材３２と、扇状の通気口３３で構成されている。なお、閉塞部材３０，３２、及び通気口３１，３３の形状は扇形に限らず、例えば矩形であってもよい。
【００３１】
図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、一対の隔壁２８―１，２８−２、２８−３，２８−４のそれぞれに形成されている各閉塞部材３０、３２は、軸芯１０に直交する平面視において互いに非対称（本実施の形態の場合、例えば、隔壁２８―１の一の閉塞部材３０の対向面には、隔壁２８−２の一の通気口３１が配置されている。同様に、隔壁２８−３の一の閉塞部材３２の対向面には、隔壁２８−４の一の通気口３３が配置されている。）に配置されている。
【００３２】
図３（ａ）〜図３（ｃ）、及び図５に示すように、一対の隔壁２８―１，２８−２における各閉塞部材の３０の対向する端部３５，３６同士が軸芯１０方向に伸びる仕切り部材４０によって接続されており、隣接する内部空間が各仕切り部材４０によって区画されている。
【００３３】
一対の隔壁２８−３，２８−４についても同様に、各閉塞部材３２の対向する端部３７，３８同士が軸芯１０方向に伸びる別の仕切り部材４１によって接続されており、隣接する内部空間が各仕切り部材４１によって区画されている。これらにより、８つの連通孔２７は、それぞれ流通経路が異なる２種類の４つの連通孔２７に分けられ、第２流路２４と第３流路２５とがそれぞれ交差する構成となっている。
【００３４】
このため、図４（ａ）、及び図５に示すように、第３流路２５の基端側から供給される燃焼用空気１０３は、当該第３流路２５に設けられている隔壁２８−３の４つの通気口３３から中間径管２２の略中央部の周方向に形成されている４つの連通孔２７に流入することで第３流路２５から第２流路２４に流通経路が切り換わり、当該燃焼用空気１０３が第２流路２４に設けられている隔壁２８−２の４つの通気口３１を介して末端側のバーナ部１５に供給される。このように、本実施の形態では、第３流路２５の基端側が燃焼用空気１０３の入口を構成すると共に、第２流路２４の末端側が燃焼用空気１０３の出口を構成している。
【００３５】
一方、バーナ部１５で生成された燃焼排ガス１０２（炉内の高温雰囲気）は、図４（ｂ）、及び図５に示すように、第３流路２５の末端側から流入し、隔壁２８−４の４つの通気口３３から中間径管２２に形成されている上述の４つの連通孔２７に流入することで第３流路２５から第２流路２４に流通経路が切り換わり、当該燃焼排ガス１０２が第２流路２４に設けられている隔壁２８―１の４つの通気口３１を介して第２流路２４の基端側から排出される。このように、本実施の形態では、第３流路２５の末端側が燃焼排ガス１０２の入口を構成すると共に、第２流路２４の基端側が燃焼排ガス１０２の出口を構成している。
【００３６】
《燃焼装置の動作》
次に、本実施の形態の燃焼装置１の動作について図１、図３（ｃ）、図４、及び図５を参照して以下に説明する。本動作説明では、燃焼継続中の燃焼装置１によって加熱炉６０の炉内温度が所定温度（例えば、約１０００℃）に昇温されている状態での動作を説明する。
【００３７】
少なくとも炭素及び水素を有する有機化合物の一例であるメタンガス（改質原料ガス）と、反応剤の一例である水蒸気とを混合した混合流体１００が燃料供給管１７から供給される。混合流体１００は、ノズル部１４の第１流路２３の基端側から改質触媒層２６に流入する。
【００３８】
また、図示しない燃焼用空気供給ファンから供給された燃焼用空気１０３は、燃焼用空気供給管１９を介して第３流路２５の基端側の近傍に流入し、当該第３流路２５に設けられている隔壁２８−３の４つの通気口３３から中間径管２２の略中央部の周方向に形成されている４つの連通孔２７に流入することで第３流路２５から第２流路２４に流通経路が切り換わる。続いて、燃焼用空気１０３は、第２流路２４に設けられている隔壁２８−２の４つの通気口３１を介して末端側のバーナ部１５に供給される。
【００３９】
一方、加熱炉６０内で生成された例えば、約７００℃の燃焼排ガス１０２は、図示しない排ガス吸引ファンの駆動により第３流路２５の末端側から流入する。その際、燃焼排ガス１０２の流通方向と対向して第２流路２４内を流通する燃焼用空気１０３は、燃焼排ガス１０２の顕熱で中間径管２２の周壁を介して間接的に加熱され、当該燃焼用空気１０３が約２００℃〜５００℃に昇温する。
【００４０】
燃焼用空気１０３との熱交換により温度が約６００℃に降温した燃焼排ガス１０２は、第３流路２５に設けられている隔壁２８−４の４つの通気口３３から中間径管２２に形成されている上述の４つの連通孔２７に流入することで第３流路２５から第２流路２４に流通経路が切り換わる。続いて、燃焼排ガス１０２は、第２流路２４に設けられている隔壁２８―１の４つの通気口３１を介して第２流路２４の基端側に向かって流通する。その際、燃焼排ガス１０２の熱が改質触媒層２６に吸熱され、改質触媒層２６では温度上昇を伴いながら改質反応が行なわれる。改質触媒に改質反応を発現させるには、改質触媒層２６を改質反応の生じる温度以上にしておく必要がある。
【００４１】
一方、第１流路２３の基端側から供給されて改質触媒層２６に流入した混合流体１００は、下式の化学反応により一酸化炭素と水素を主成分とする改質燃料１０１に改質される。
【００４２】
［数１］
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ＝ＣＯ＋３Ｈ２+Ｑ１
【００４３】
上式に示す化学反応により、１モルのメタンと１モルの水蒸気から１モルの一酸化炭素と３モルの水素が生成される。メタンの燃焼潜熱量（発熱量）は１モルあたり８９０ＫＪであり、理論燃焼温度（燃焼で生成する熱が外部に失われることなく、全て燃焼ガスの加熱に使われるものと仮定して理論的に計算した温度）は２０５１℃である。これに対して、１モルの一酸化炭素と３モルの水素の燃焼潜熱量の合計は２８３＋（３×２８６）＝１１４１ＫＪとなり、[数１]のＱ１は−２５１ＫＪ／モルの負の値になり、[数１]が吸熱反応であることが理解できる。
【００４４】
即ち、１モルのメタンが１モルの水蒸気と反応する場合、外部から２５１ＫＪの熱を吸収し、燃焼潜熱量が２５１ＫＪ増加した一酸化炭素と水素を主成分とする改質燃料１０１を生成する。改質燃料１０１は反応がほぼ平衡に達すると、改質触媒層２６の出口側から第１流路２３の末端側のバーナ部１５に供給される。
【００４５】
燃焼用空気１０３との熱交換、及び上述の吸熱反応により約２００℃に降温した燃焼排ガス１０２は、第２流路２４の基端側から排ガス排出管１８を介して図示しない煙道に排気される。
【００４６】
なお、一酸化炭素と水素の理論燃焼温度はそれぞれ、２３８９℃、２２５４℃であり、メタンの理論燃焼温度よりも高い。このため、メタンを燃料として燃焼するよりも、一酸化炭素や水素を燃焼する方が燃焼火炎温度や加熱炉６０の炉内温度を高くできる。即ち、加熱炉６０内の雰囲気と材料（被加熱物）との温度差が拡大し、材料への輻射伝熱、及び対流伝熱の効率向上が期待できる。
【００４７】
このように、本実施の形態の燃焼装置１によれば、燃料（改質燃料１０１）を排ガス顕熱回収と化学吸熱を利用して予熱する一方、燃焼用空気１０３を排ガス顕熱で予熱することができる。その結果、排ガス顕熱回収効率を更に向上することができる。
【００４８】
《実施の形態２》
図６Ａは、実施の形態２に係る燃焼装置１のノズル部１４の詳細構造を示す。図６Ｂ、及び図６Ｃは図６ＡにおけるＦ−Ｆ、及びＧ−Ｇの各方向から見たノズル部１４の部分断面図を示す。図６Ａに示すように、実施の形態２に係る燃焼装置１のノズル部１４の基本構造は、実施の形態１で説明した燃焼装置１のノズル部１４と同じであるので、同一構成部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００４９】
図６Ａに示すように、第１流路２３は、燃焼用空気１０３が基端側から末端側（図６Ａの左から右に向かう方向）に向かって流通する燃焼用空気流路を構成している。また、第３流路２５における基端側から隔壁２８−３までの領域には、改質触媒を充填した改質触媒層２６が形成されている。
【００５０】
このような構成のノズル部１４を有する燃焼装置１の動作を説明する。図６Ａ、図６Ｃに示すように、加熱炉６０内で生成された燃焼排ガス１０２は、図示しない排ガス吸引ファンの駆動により第３流路２５の末端側から流入した後、第３流路２５に設けられている隔壁２８−４の４つの通気口３３から中間径管２２に形成されている上述の４つの連通孔２７に流入することで第３流路２５から第２流路２４に流通経路が切り換わる。続いて、燃焼排ガス１０２は、第２流路２４に設けられている隔壁２８―１の４つの通気口３１を介して第２流路２４の基端側に向かって流通する。
【００５１】
一方、図示しない燃焼用空気供給ファンから供給された燃焼用空気１０３は、第１流路２３の基端側に流入し、当該第１流路２３の基端側から末端側に向かって供給される。また、混合流体１００は、第３流路２５の基端側から供給されて改質触媒層２６に流入する。
【００５２】
第２流路２４を流通する燃焼排ガス１０２の流通方向と対向して第１流路２３内を流通する燃焼用空気１０３は、燃焼排ガス１０２の顕熱で内管２０の周壁を介して間接的に加熱され、当該燃焼用空気１０３が所定温度に昇温する。それと同時に、燃焼排ガス１０２の熱が第３流路２５内に形成されている改質触媒層２６に吸熱され、改質触媒層２６では温度上昇し、改質温度以上の温度に保持された状態で改質反応が行なわれる。燃焼用空気１０３との熱交換、及び上述の吸熱反応により約２００℃に降温した燃焼排ガス１０２は、第２流路２４の基端側から排ガス排出管１８を介して図示しない煙道に排気される。
【００５３】
図６Ｂに示すように、第３流路２５の基端側から供給されて改質触媒層２６に流入した混合流体１００は、実施の形態１で説明した化学反応により一酸化炭素と水素を主成分とする改質燃料１０１に改質される。改質燃料１０１は反応がほぼ平衡に達すると、改質触媒層２６の出口側に流出し、第３流路２５に設けられている隔壁２８−３の４つの通気口３３から中間径管２２に形成されている上述の４つの連通孔２７に流入することで第３流路２５から第２流路２４に流通経路が切り換わる。
【００５４】
続いて、改質燃料１０１は、第２流路２４に設けられている隔壁２８−２の４つの通気口３１を介して第２流路２４の末端側に向かって流通する。その際、改質燃料１０１は図６Ｃに示すように、第３流路２５の末端側から順次流入する高温の燃焼排ガス１０２との熱交換により中間径管２２の周壁を介して間接的に加熱される。その結果、上述の燃焼排ガス１０２との熱交換により更に加熱された改質燃料１０１が第２流路２４の末端側からバーナ部１５に供給されると共に、上述の燃焼排ガス１０２との熱交換により所定温度に予熱された燃焼用空気１０３が第１流路２３の末端側からバーナ部１５に供給され、当該バーナ部１５で燃焼火炎を形成する。
【００５５】
このように、実施の形態２に係る燃焼装置１によれば、実施の形態１で例示した燃焼装置１と同様に、燃料（改質燃料１０１）を排ガス顕熱回収と化学吸熱を利用して予熱する一方、燃焼用空気１０３を排ガス顕熱で予熱することができる。その結果、排ガス顕熱回収効率を更に向上することができる。なお、燃焼用空気１０３は混合流体１００（改質燃料１０１）よりも絶対量が多いため、本実施の形態においては、流路が交差する前後で中間径管２２の直径を異ならせ、第２流路２４と第３流路２５の断面積を異ならせることが好ましい。
【００５６】
《実施の形態３》
図７は、実施の形態３に係る燃焼装置１のノズル部１４の詳細構造を示す。図７に示すように、実施の形態３に係る燃焼装置１のノズル部１４は、実施の形態１、２で例示したノズル部１４と同様に、同一の軸芯１０上に配置された内管２０と、内管２０より大径の外管２１と、内管２０と外管２１との中間径である中間径管２２からなる三重管構造を有する。
【００５７】
図示するように、内管２０の内部空間は、燃焼用空気１０３が基端側から末端側へ（図７の左から右に向かう方向）流通する燃焼用空気流路としての第１流路２３が形成されている。また、内管２０と中間径管２２との環状空間は、混合流体１００が基端側から流入し末端側から改質燃料１０１が流出する燃料流路としての第２流路２４が形成されている。さらに、外管２１と中間径管２２との環状空間は、燃焼排ガス１０２が末端側から基端側に（図７の右から左に向かう方向）向かって流通する燃焼排ガス流路としての第３流路２５が形成されている。図７に示すように、第２流路２４における基端側から末端側までの全ての領域には、改質触媒を充填した改質触媒層２６が形成されている。
【００５８】
なお、本実施の形態では、第２流路２４内の全部の領域に改質触媒層２６を形成しているが、第２流路２４内の少なくとも一部の領域に改質触媒層２６を形成することも可能である。
【００５９】
このような構成のノズル部１４を有する燃焼装置１の動作を説明する。図示しない燃焼用空気供給ファンから供給された燃焼用空気１０３は、第１流路２３の基端側から末端側に向かって供給される。混合流体１００は、第２流路２４の基端側から改質触媒層２６に流入する。
【００６０】
加熱炉６０内で生成された燃焼排ガス１０２は、図示しない排ガス吸引ファンの駆動により第３流路２５の末端側から流入すると、燃焼排ガス１０２の熱が第２流路２４内に形成されている改質触媒層２６に吸熱され、改質触媒層２６では温度上昇し、改質温度以上の温度に保持された状態で改質反応が行なわれる。
【００６１】
一方、第２流路２４の基端側から供給されて改質触媒層２６に流入した混合流体１００は、実施の形態１、２で説明した化学反応により一酸化炭素と水素を主成分とする改質燃料１０１に改質される。改質燃料１０１は反応がほぼ平衡に達すると、改質触媒層２６の出口側、即ち、第２流路２４の末端側からバーナ部１５に供給される。
【００６２】
また、第２流路２４の更に内側の第１流路２３の内を流通する燃焼用空気１０３は、当該燃焼用空気１０３の流通方向と対向して第３流路２５を流通する燃焼排ガス１０２と熱交換が行われる。この場合、第１流路２３と第３流路２５との間に改質触媒層２６が介在しているため、実施の形態１、２と比較して熱交換効率は低くなるが、燃焼用空気１０３を約２００℃程度まで予熱することができる。予熱された燃焼用空気１０３は第１流路２３の末端側からバーナ部１５に供給され、バーナ部１５において改質燃料１０１と混合して燃焼火炎を形成する。上述の吸熱反応、及び燃焼用空気１０３との熱交換により所定温度に降温した燃焼排ガス１０２は、第３流路２５の基端側から排ガス排出管１８を介して図示しない煙道に排気される。
【００６３】
このように、実施の形態３の燃焼装置１によれば、実施の形態１、２で例示した燃焼装置１と比較して排ガス顕熱回収効率は低くなるが、燃料（改質燃料１０１）を排ガス顕熱回収と化学吸熱を利用して予熱する一方、燃焼用空気１０３を排ガス顕熱で予熱することができる。
【００６４】
なお、上述した実施の形態１〜３では、少なくとも炭素及び水素を有する有機化合物を含む改質原料として、メタンを用いる形態を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、アルコールやエタノール、灯油、重油等を霧化したものやＬＰＧ（Liquefied Petroleum Gas）を改質原料として用いることができる。
【００６５】
《実施の形態１の変形例》
実施の形態１では、改質触媒層２６を燃焼排ガス顕熱で加熱し、改質触媒層２６に蓄熱した熱量でメタンガスと水蒸気とを混合した混合流体１００とを予熱する形態を例示したが、第１流路２３に改質触媒層２６を形成しなくとも、実施の形態１と同様に燃料と燃焼用空気の両方を予熱することができる。
【００６６】
図８Ａは、実施の形態１の変形例に係る燃焼装置１のノズル部１４の詳細構造を示す。図８Ｂ、及び図８Ｃは図８ＡにおけるＨ−Ｈ、及びＩ−Ｉの各方向から見たノズル部１４の部分断面図を示す。図８Ａ〜図８Ｃを参照すれば明らかなように、本変形例は、実施の形態１で例示したノズル部１４において、第１流路２３に形成されていた改質触媒層２６を除去したものである。それ以外のノズル部１４の構造は、実施の形態１で説明した燃焼装置１のノズル部１４と同じであるので、同一構成部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００６７】
本変形例において、第１流路２３は、バーナ部１５に例えば、ＣＯＧとＢＦＧとＬＤＧの混合ガスからなるＭガス等の低カロリーの燃料ガス１１０を供給する燃料流路として構成されている。
【００６８】
本変形例に係る燃焼装置１の動作を説明する。図８Ａ、図８Ｃに示すように、加熱炉６０内で生成された燃焼排ガス１０２は、図示しない排ガス吸引ファンの駆動により第３流路２５の末端側から流入した後、第３流路２５に設けられている隔壁２８−４の４つの通気口３３から中間径管２２の略中央部の周方向に形成されている４つの連通孔２７に流入することで第３流路２５から第２流路２４に流通経路が切り換わる。続いて、燃焼排ガス１０２は、第２流路２４に設けられている隔壁２８―１の４つの通気口３１を介して第２流路２４の基端側に向かって流通する。
【００６９】
その際、燃焼排ガス１０２の流通方向と対向して第１流路２３内を流通する低カロリーの燃料ガス１１０は、燃焼排ガス１０２の顕熱で内管２０の周壁を介して間接的に加熱され、当該燃料ガス１１０が所定温度に昇温する。それと同時に、燃焼排ガス１０２の流通方向と対向して第３流路２５内を流通する燃焼用空気１０３（図８Ｂ参照）もまた、燃焼排ガス１０２の顕熱で加熱される。
【００７０】
図８Ｂに示すように、予熱された燃焼用空気１０３は、第３流路２５に設けられている隔壁２８−３の４つの通気口３３から中間径管２２の周方向に形成されている上述の４つの連通孔２７に流入することで第３流路２５から第２流路２４に流通経路が切り換わる。続いて、燃焼用空気１０３は、第２流路２４に設けられている隔壁２８−２の４つの通気口３１を介して第２流路２４の末端側に向かって流通する。その際、前段で予熱されている燃焼用空気１０３は、第３流路２５の末端側から順次流入する高温の燃焼排ガス１０２の顕熱で中間径管２２の周壁を介してさらに加熱され、第２流路２４の末端側で約２００℃〜５００℃に昇温する。
【００７１】
その結果、上述の燃焼排ガス１０２との熱交換により予熱された低カロリーの燃料ガス１１０が第１流路２３の末端側からバーナ部１５に供給されると共に、上述の燃焼排ガス１０２との熱交換により所定温度に予熱された燃焼用空気１０３が第２流路２４の末端側からバーナ部１５に供給され、当該バーナ部１５で燃焼火炎を形成する。
【００７２】
［背景技術］でも述べたように、天然ガス等の高カロリーガスの場合、燃料ガスの予熱効果は空気予熱の予熱効果に比べて非常に小さいが、低カロリーガスを燃焼させる場合、空気予熱だけによる燃焼排ガスからの熱回収を考えた場合、熱回収量は小さく、むしろ熱回収の面から考えると、低カロリーの燃料ガス予熱は空気予熱以上に予熱効果が大きい。このように、本変形例によれば、低カロリーの燃料ガス１１０と燃焼用空気１０３の両方を燃焼排ガス１０２の顕熱で予熱することができる。なお、燃焼排ガス１０２を第２流路２４の末端側から第３流路２５の基端側に流通させ、燃焼用空気１０３を第２流路２４の基端側から第３流路２５の末端側に流通させる構成としても同様の作用効果を奏することができる。但し、この場合、燃焼排ガス１０２は、第１流路２３及び第３流路２５の末端側から噴射される燃料ガス１０１と燃焼用空気１０３の噴流の間に介在するため、当該燃焼排ガス１０２が排気されにくくなることを考慮する必要がある。
【００７３】
なお、上述した実施の形態１〜３、及び変形例において、燃料流路内又は燃料流路の外周面に伝熱面積を増大させるフィンを設けて排ガス顕熱回収効率を向上させることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明に係る燃焼装置は、実施の形態１〜３、及び変形例で例示した直火式の燃焼装置のみならず、例えば、シングルエンド型ラジアントチューブ燃焼装置にも適用できる。
【符号の説明】
【００７５】
１  燃焼装置
１０  軸芯
１１  バーナタイル
１２  バーナ本体
１４  ノズル部
１５  バーナ部
１７  燃料供給管
１８  排ガス排出管
１９  燃焼用空気供給管
２０  内管
２１  外管
２２  中間径管
２３  第１流路
２４  第２流路
２５  第３流路
２６  改質触媒層
２７  連通孔
２８−１〜２８−４  隔壁
３０，３２  閉塞部材
３１，３３  通気口
４０，４１  仕切り部材
６０  加熱炉
６２  炉壁
１００  混合流体
１０１  改質燃料
１０２  燃焼排ガス
１０３  燃焼用空気
１１０  燃料ガス（低カロリーガス）
【図１】
2016085006.tif 000003
【図２】
2016085006.tif 000004
【図３】
2016085006.tif 000005
【図４】
2016085006.tif 000006
【図５】
2016085006.tif 000007
【図６Ａ】
2016085006.tif 000008
【図６Ｂ】
2016085006.tif 000009
【図６Ｃ】
2016085006.tif 000010
【図７】
2016085006.tif 000011
【図８Ａ】
2016085006.tif 000012
【図８Ｂ】
2016085006.tif 000013
【図８Ｃ】
2016085006.tif 000014