水素エネルギーシステム Vol.47, No.2 (2022)

特

集

工業炉用汎用水素バーナの開発とその用途展開
川崎 久志・池田 勇・朝山 雄介・柳谷 貴哉・神戸 寿夫・友澤 健一
中外炉工業株式会社〒592-8331 大阪府堺市西区築港新町2-4

Development of general-purpose hydrogen burners and their applications
for industrial furnaces
Hisashi KAWASAKI, Isamu IKEDA, Yusuke ASAYAMA, Takaya YANAGITANI,
Toshio KAMBE, Kenichi TOMOZAWA
Chugai Ro Co., Ltd
2-4 CHIKKO-SHINMACHI, NISHI-KU, SAKAI 592-8331, JAPANIn 2018, Chugai Ro Co., Ltd., with Toyota Motor Corporation, succeeded in developing theworld's first general-purpose industrial hydrogen burner. By changing the structure of thehydrogen combustion burner from the conventional burner, it became possible to slowly mix
hydrogen and combustion air and suppress a local flame temperature rise. In addition, theamount of NOx produced can be reduced to the less level than the conventional 13A combustion.
Furthermore, in order to reduce the environmental load of the industrial furnace, we also
developed a radiant tube and a superheated steam generator for this general-purpose hydrogenburner. By the development of the hydrogen combustion type radiant tube burner, it was
confirmed that the temperature distribution performance and safety are the same as those of
the conventional product, and the fuel conversion compatibility from the conventional productis possible. It was discovered that the superheated steam generator has the property of being
able to change the atmosphere inside the furnace to an oxidizing/reducing atmosphere bychanging the combustion ratio of hydrogen and Oxygen. We believe that the development ofthese devices has made great strides toward the construction of a carbon-free society.
Keywords: hydrogen burner, combustion, radiant tube, superheated steam, zero emission
経緯および、この汎用水素バーナを利用した設備の開発

1. 諸言

状況について紹介する。
気候変動・環境問題が世界的な課題として注目され、社会的に温室効果ガスの１つであるCO2排出を抑制する

2. 汎用水素バーナの開発

動きへの機運が高まってきている。特に2020年10月に菅首相（当時）が2050年カーボンニュートラル宣言をして

2.1. 工業用バーナの燃料に水素を利用してきた歴史

以降、国内におけるCO2排出抑制への動きはますます活

近年、広く利用されている13A都市ガスは、天然ガス

発になってきている。工業用バーナにおいても燃料を水が原料となるため、表1.の燃料特性に示すように、メタ

素やアンモニアなどへ転換するための研究が活発に行ンが主成分（約88%）である。1970年代ころは石炭を原われている。

料とした水素が主成分（約45%）の6C都市ガスも使用さ

本稿では、世界初の工業用汎用水素バーナを開発したれていた。また、製鉄所構内ではコークス製造工程から83 （2）

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特 集

得られる水素が主成分（約50%）のコークオーブンガスの2点を設定した。

（COG）が使用されている。つまり水素含有率50%程度① 低 NOx 化手法の確立の燃料であれば、工業用バーナにおける燃焼技術は確立② 燃焼安全手法の確立していると言える。しかしながら、近年の水素燃料とは
水素100%の燃料を意味し、上述の水素含有率50%程度の燃料とは明らかにその燃焼特性が異なる。そのため、新たな燃焼技術開発が必要になった。

2.3. 工業利用の汎用水素バーナの開発
中外炉工業とトヨタ自動車（株）は2018年に世界で初めて工業利用を目的とした汎用水素燃焼バーナを開発した[2]。

表1. 各種燃料特性
13A
都市ガス

燃料種

水素

速度（メタンの約8倍の速度）に起因するバーナ燃焼筒内

19.1

10.8

部での異常燃焼を防止し、断熱火炎温度上昇（メタンよ

4.74

2.39

り150oC上昇）に伴い増加するNOx生成量を低減する必

COG

41.7

17.0

3

11.00

4.20

0.841

0.705

0.467

0.09

理論空気量 (m N/m N)
3

密度 (kg/m N)

構成成分

6C
都市ガス

3

低位発熱量 (MJ/m N)
3

水素バーナ実用化のためには、水素の非常に早い燃焼

H2 (vol.%)

0

45

52

100

CH4 (vol.%)

88

22

27

0

N2 (vol.%)

0

10

5

0

CO2 (vol.%)

0

10

3

0

CO (vol.%)

0

5

10

0

そ の 他 (vol.%)

12

8

3

0

要があった。なお、断熱火炎温度とは、外部への熱損失がないと仮定し、計算で求められる火炎温度のことである。図1.は従来型バーナで燃料のみ水素に転換して燃焼した時の写真である。通常であれば、図2.の従来型バー
ナで13A都市ガスを燃焼した時のように、バーナ燃焼筒が赤熱することはない。しかし、水素の早い燃焼速度に2.2. 燃料としての水素の特性と開発課題
水素と、一般的な工業用燃料である都市ガスの主成分
メタンの物性値を表2.に示す。水素は広い可燃範囲をもより、バーナ燃焼筒内部での異常燃焼によりバーナ燃焼
筒の赤熱が起こった。

ち反応性に富んだ燃料であることから、燃焼反応を安定させやすい。その反面、燃焼速度が極めて速く逆火しや

燃焼筒赤熱ありすい点や、リークしやすく最小着火エネルギーが小さい
ためガス漏れなどから火災が起きる可能性が高い点があり、安全管理面では注意を必要とする。また燃焼速度が速いことは局所的な温度上昇を引き起こしやすく、最高火炎温度も高いためサーマルNOxの生成が促進されNOx濃度が高くなりやすい。従って工業炉に適した火炎図1. 従来型バーナでの水素燃焼特性を持つ水素バーナの開発にあたり課題として以下

燃焼筒赤熱なし
表 2.

水素とメタンの物理的特性 [1]水素メタン

空気中における燃焼限界 下限（vol.％）
上限

4

5

75

15

燃焼速度（cm/s）

265

40

着火温度（℃）

572

580

最小着火エネルギー（MJ）

0.02

0.28

3
密度 (kg/m N)

0.08

0.65

と燃焼空気の混合状態の最適化を進めた結果、バーナ燃

低位発熱量

3
(MJ/m N)

10.8

35.8

焼筒内部での異常燃焼を防止しかつNOx生成量を低減

理論空気量

3
3
(m N/m N)

2.39

9.57

できるバーナ構造を確立した。図3.にバーナ構造の模式

2158

1967

図を示す。技術的なポイントは以下の3点である。

断熱火炎温度 (℃）

図2. 従来型バーナでの13A都市ガス燃焼
上記の課題解決のために、バーナ燃焼筒内部での水素84 （3）

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特 集・水素と燃焼空気を平行に吐出する

3. 水素燃焼式ラジアントチューブバーナの開発

・水素と燃焼空気の吐出口の距離を離す・水素の吐出速度を高める

3.1. 熱処理炉用RTバーナ
前章にて述べた、汎用水素バーナを当社製品の1つである金属熱処理炉に適合させるべく、実用化に向け、更

特
特許
許申
申請
請中
中

なる開発を行った。金属熱処理炉とは、処理材料に機械

燃焼空気
Air

的な性質を与えるために加熱・冷却を行う設備である。
処理目的に応じ、加熱温度及び保持時間、加熱・冷却速度、雰囲気条件を制御する機能を持ち、多種少量生産に適したバッチ式と、少品種多量生産に適した連続式がある。

Flame
⽕炎

Gas
水
素

金属熱処理炉において雰囲気処理を伴う場合は、ラジ

図3. 汎用水素バーナの構造

アントチューブバーナ（以下RTバーナと表記する）を使用した間接燃焼方式が一般的である。RTバーナおよび炉

図4.に示すように、このバーナ構造を採用することで内循環ファンの使用により、チューブ輻射とファンによ

水素と燃焼空気の混合が緩慢に、かつ、局所的な火炎温る対流で炉内の加熱を行い、燃焼ガス・燃焼排ガスが処度上昇を抑制することが可能となり、その結果バーナ燃

理材料に直接接触することなく加熱が可能となる。さら

焼筒の赤熱も無くなったに、加熱しつつ、炉内の炭素濃度（カーボンポテンシャ

また、NOx生成量も13A都市ガスを燃焼した場合と同等以下にまで低減可能となった（グラフ1.：燃焼量100%で13A都市ガス29ppm O2=11%換算、水素19ppm O2=11%換算）。

ル）や窒素濃度（窒素ポテンシャル）を制御することが可能となる。
今回、水素の実用化を目指した製品は大容量W型RTバーナ（以下WRBGと表記する）である。WRBGは、炉内の空間が狭く高出力を必要とする場合に適しており、当燃焼筒赤熱なし

WRBG

図4. 汎用水素バーナの火炎Ⓡ

図5. バッチ式ガス浸炭炉（ハイ・シフター ）イメージ

WRBG
I 型シングルエンド型 RT バーナ
グラフ1. 汎用水素バーナのNOx生成量特性
図6. 連続式ガス浸炭炉（CCF）イメージ

85 （4）

水素エネルギーシステム Vol.47, No.2 (2022)

特 集社主力製品のバッチ式ガス浸炭炉（ハイ・シフター：図

インナップがあり、燃焼容量は22～75 kWといった幅広5.）や、連続式ガス浸炭炉（CCF：図6.）の昇温帯等におい燃焼容量に対応可能である。
これまでI型の小容量シングルエンド型RTバーナは当いて使用される。

社・競合他社も含め製品化・実証段階にあると発表され3.2. 新型WRBG型H2バーナ 概要・性能ているが、大容量の水素燃焼対応W型チューブ形状は業

今回開発した新型WRBG型H2バーナ（以下WRBG-H2

界初となる。WRBGは、小容量の燃焼器に比べ、炉内・と表記する）とラジアントチューブの構造概略図を図7.

炉外の設置スペース・コスト面で有利なため、狭い空間に示す。W型ラジアントチューブの片側はバーナ、もうで高出力が必要なバッチ炉や連続炉の昇温帯に多数採片側は熱交換器が接続されており、従来の都市ガス対応

用されている。このような理由から、WRBG-H2の開発に燃焼器（RBG型バーナ）と同じ燃焼器＋レキュペレータ

より、新設炉はもちろんのこと、既設炉に対しても、脱の構成となっている。

炭素化に向けた水素燃料への転換が可能となった。
② 高い省エネ性能
図9.にWRBG-H2にて使用している熱交換器（レキュペ
レータ）の構造を示す。従来型のレキュペレータより熱交換部を凹凸の形状とし、伝熱面積を広くすることで、熱交換性能が向上した。従来型レキュペレータの場合、炉内温度950℃時、排ガス温度は700℃弱程度であったものが、新型レキュペレータの場合、600℃弱程度となり、100℃近く排ガスの顕熱が減少し排ガス損失基準の有効

図7. 新型WRBG型H2バーナ（WRBG-H2）

熱量（AH）で約5%程度改善し、省エネルギー性能が向上する。例えば、WRBG-H2をハイ・シフターに適用した

WRBG-H2では、燃料ガス・燃焼エア混合部を適正化し、場合、有効熱量（AH）が5%改善すると、水素燃焼時は高効率で低NOxを可能とするため、新型のレキュペレー

年間約100万円、13A燃焼時は年間約20万円のランニング

タとEGR（排ガス再循環部）部の機構を刷新し、水素でコスト減（燃料代）につながる。（年間24時間×300日操の利用を実現した。

業、水素単価100円/m3Nとした場合）

以下の項目でWRBG-H2の特徴・性能を説明する。
① 燃焼量の大容量化
チューブ径毎の対応可能な燃焼容量を図8.に示す。

図9. 新型高効率熱交換器（レキュペレータ）③ 低排出NOx性能
WRBG-H2の排出NOx性能を図10.に示す。
WRBG-H2は炉温950℃において11%O2換算値で数10ppm

図8. ラジアントチューブサイズに対応する燃焼容量～150ppmまで対応可能であり、水素燃焼時でも都市ガス
WRBG-H2のチューブ径は5B又は6Bというサイズのラ燃焼時と同等以下の排出NOx性能となる。水素燃焼の特86 （5）

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特 集徴として、燃焼反応速度が速く、火炎温度が高いことがる都市ガス仕様と同等であることが確認された。また、あり、一般的にサーマルNOxの排出量は高くなる傾向が

開発当初より懸念していたW型チューブでは燃焼器かある。さらに、間接燃焼の特徴として、チューブ内でのら第一ベンド（曲がり）までの間での局所的な高温化は、

狭空間燃焼であるため、燃焼排ガスを火炎内に巻き込む

今回開発したWRBG-H2では見られなかった。このため、ことによるNOx低減効果が見込めず、直火燃焼と比べ排チューブ温度は都市ガス時と同等以下となり、局所的な出NOxは高くなる傾向にある。各自治体にもよるがNOx

高温化もないため、チューブ寿命の短命化は起きないとの排出規制値は、総排ガスで150ppm以下（11%O2換算値）

考えられる。

というところが多く、水素社会の普及に向けては、水素
燃焼時のNOxの低減が急務である。もし従来型と同燃焼器構成で水素燃焼を行う場合、都市ガスの2～3倍程度の排出NOx（300～400ppm（11%O2換算値））が発生し、排出規制値を大きく超過する。
熱交換器（レキュペレータ）

図11. WRBG-H2の排出NOx性能
図10. WRBG-H2の排出NOx性能
局所的
高温部なし

今回、WRBG-H2では、燃焼器の燃料ガス・燃焼エア混合部において多段燃焼を行う構造を採用して水素燃焼への最適化を図り、また、燃焼空気を自己循環した燃焼
第3ベンド

排ガスと混合させ、燃焼空気中のO2濃度を薄めることに第2ベンド

よる燃焼の緩慢化により低排出NOxを達成した。なお、

第1ベンド

燃焼空気への排ガス循環率の増加に伴うデメリットとして有効熱量の低下による省エネ性能の悪化が考えら
グラフ2. WRBGチューブにおける温度分布

れるが、前述の説明のように新型レキュペレータによる高い熱交換性能で省エネ性能も同時に実現している。

⑤ 燃料転換対応・安全性④ 温度分布性能

本バーナは、13A都市ガスにおいても、従来RBG型バ

燃焼時の温度分布性能は、処理材料の品質やラジアンーナより新型WRBGに更新することで、有効熱量（AH）

トチューブの耐久性に影響を与える重要な指標である。

が向上する。炉温、制御方法等にもよるが、一般的に、従来の都市ガス仕様と同等の炉内・チューブ温度性能が従来バーナ燃焼器単体比で、AHは5%程度向上するため求められる。しかしながら、上述のように水素の理論断

燃料節約率で約7%程度、CO2量も加熱源分で7%程度削

熱火炎温度は都市ガスよりも高く、従来型と同様の燃焼減することが可能である。さらに将来的に水素が普及す方式では、ラジアントチューブ火炎介在部の温度が高くれば比較的低コストかつ簡便に燃料転換も可能となる。

なり、炉内温度分布の悪化や変形や焼損によるチューブ

WRBG-H2は、上述図3.のようなバーナ構造（ノズルミ

寿命の短命化が懸念される。そのため、W型ラジアント

ックス構造）を採用しており、燃料はノズルから供給後チューブの温度分布測定を行った。図11.にW型ラジアンに燃焼エアと混合する構造である。これによりノズルのトチューブの概略図、グラフ2.に水素燃焼時と都市ガス

燃料供給側は燃焼範囲に入らないため、逆火が発生せず

燃焼時それぞれのラジアントチューブ温度分布を示す。

安全に燃焼が可能である。さらに、低燃焼時（ターンダ

チューブ温度を熱電対にて計測した結果、WRBG-H2

ウン、燃焼負荷33%）でも火炎が大きく形成されるため、のラジアントチューブにおける温度分布は、従来型であ都市ガスで使用する汎用的なウルトラビジョン（火炎検87 （6）

水素エネルギーシステム Vol.47, No.2 (2022)

特 集知器）で安定した火炎検知が可能となった。

やや悪化している影響としては、W型とI型が混在している構成の影響が大きいと考えられ、通常では、混在させ

3.3. WRBG-H2を用いた水素燃焼実証炉て使用することはないため、同等の性能を有していると前述のWRBG-H2と同時に実用化したI型水素ラジアン
トチューブバーナを実装させた水素燃焼試験炉を紹介考えられる。
本章で記述した新型WRBG型H2バーナは、従来の13A
用RBG型燃焼器に対しての燃焼容量・排出NOx性能・省する。装置概略を図12.に示す。

エネ性能の3点に対する有利性と、従来品と同等の温度分布性能・安全性、そして従来品からの燃料転換対応性が確認された。燃焼炉に適用した時の使用性も良好であり、実用可能な段階にあることが確認された。このような大容量のW型と小容量のI型での水素適用化により、幅広い用途の金属熱処理炉に対して加熱源の水素燃焼化が可能になったと言える。
図12. 水素燃焼試験炉概略図

4. 水素燃焼式過熱水蒸気発生装置の開発

試験炉には、前方にW型RTバーナが左右に2式、後方

4.1. 燃焼式過熱水蒸気発生装置の開発経緯にI型RTバーナが2カ所×2式＝4本が設置されている。当

前章で述べた、RTバーナに加え、水素燃焼の利用普及

社のスタンダードなハイ・シフターと同じサイズの加熱や新加熱用途開発を目指し、当社では、水素を利用した室（有効寸法610 x 920 x H580 mm）を有し、自動での点『過熱水蒸気』にも着目し開発を進めている。
過熱水蒸気とは、沸点以上に加熱した水蒸気を指し、

火・燃焼・温度制御機能を備えている。
上記設備を用いて、空炉時における昇温能力の確認を

2000年代前半には食品の加熱利用でオーブンレンジに行った。常温から浸炭炉の操業温度である940℃となる機能搭載され脚光を浴び、近年では一部の工業用途にもまでの昇温時間を測定した結果、水素燃焼仕様での昇温利用されている。一般的に、過熱水蒸気の利用により、

時間は都市ガス燃焼仕様時と同等となり、燃料の違いに酸素濃度が極めて低い状態で、非加熱材を短時間で均一よる昇温能力の差異はないことが確認された。

に加熱が可能である。一方で、過熱水蒸気は酸化力が非

さらに、治具と熱電対を用い、温度分布測定を行った。

常に強く、ステンレスであっても600℃前後で酸化して治具は金属丸棒を用い作った直方体状で、熱電対は直方しまう[4] ため、過熱水蒸気発生装置内や炉への導入配体の頂点および中心部の9点に設置し、温度分布測定を管の材料選定が難しい。そのため1000℃以上の過熱水蒸行った。表3に窒化炉の操業温度である550℃と、浸炭炉気を発生させる装置の開発は困難とされていた。
このような過熱水蒸気を発生させる過程での問題にの操業温度である940℃で測定を行った結果を示す。

対して、当社では水素燃焼技術を用いて解決できないかと考えた。水素：2と酸素：1の当量比で完全燃焼させる

表3. 炉内温度分布測定結果と、燃焼ガスはH2Oガスつまり水蒸気のみであり、また水素×酸素燃焼における断熱理論火炎温度は2900℃以上となるため、非常に高温の過熱水蒸気を生成可能である。
グラフ3.に過熱水蒸気を用いた際の伝熱計算結果を示し※仕様巾は各温度 10℃以内ているが、低温域では通常の過熱水蒸気発生装置同様に凝縮潜熱により材料加熱を早め、高温域では水蒸気の高両条件共に均熱後の温度差は従来都市ガス燃焼炉とい放射伝熱により加熱が可能である。

同等の10℃以内に抑えることができ、従来と同等の温度

本章では、水素と酸素の燃焼により発生する過熱水蒸

分布性能を持つことを確認した。温度分布が従来炉より気を利用した加熱試験装置の概要を紹介するとともに、

88 （7）

水素エネルギーシステム Vol.47, No.2 (2022)

特 集装置の性質・材料への効果についても述べる。

まうため、炉の昇温時や材料投入時、加熱終了後の降温時には処理材や炉体・配管にて結露してしまう懸念がある。
そのため、試験装置上部より高温の不活性ガスにて予熱・脱ガス（脱気）し、結露の懸念がある温度帯で過熱水蒸気が炉内に侵入しないような構造とした。
4.3.過熱水蒸気試験装置の性能
空炉にて炉温および雰囲気ガスの測定を行った結果をグラフ4.、グラフ5.に示す。グラフ4.は水素と酸素を35kWにて燃焼させ、点火からの経過時間に対し炉温を測グラフ3. 炉温に対する各種伝熱量の変化定した結果、および同様の方法で、燃焼中、バーナ中心部からの水を噴霧した結果を示す。噴霧水の有無に関わ4.2. 過熱水蒸気試験装置の構造

らず、点火より5～10分で加熱室内の温度は1000℃に達過熱水蒸気試験装置の構造および外形を図13.に、燃焼し、点火より90分後には噴霧水なしで1532 ℃まで、3 kg/h

時の炉内写真を図14.に示す。試験装置は図13.の左側かの水を噴霧した際には1396℃まで昇温した。加熱室内の

ら水素バーナ、燃焼室、加熱室の3カ所から構成されてい温度を下げるために燃焼量を減らすと発生する水蒸気る。水素バーナにて水素2：酸素1の割合で燃焼させ、発量も低下してしまうが、グラフ4.の結果より、水噴霧量

生した燃焼ガスの過熱水蒸気が燃焼室を通り、加熱室内の増減を利用し、加熱室内の温度を変えることが可能でのワーク（□150 mm×50 mmH以内）を加熱するという構あるということが分かる。

造である。また、バーナ中心部より水を噴霧することが出来る構造となっており、火炎温度や炉内温度、過熱水
蒸気発生量の調整が可能である。さらに、過熱水蒸気は100oC（飽和水蒸気量）以下になると、たちまち凝縮してしグラフ4. 経過時間における加熱室内温度の変化
⽔素バーナ

燃焼室

加熱室

図13. 過熱水蒸気試験装置概略図

グラフ5.は、炉温1100℃一定で水素バーナの燃焼酸素比を変化させたときの加熱室内水素濃度および酸素濃度を測定した結果である。燃焼酸素比が1.00のときは、当量比で水素：酸素＝2：1で燃焼しており、加熱室内の残留水素、残留酸素濃度ともに0%の完全燃焼状態となった。燃焼酸素比が1.00より小さくなればなるほど、水素リッチで燃焼し、1.00より大きくなればなるほど酸素リッチで燃焼する。水素と酸素の流量バランスが完全燃焼時の当量比から大きく外れるとバーナが失火する可能性があり、燃焼酸素比0.75～2.00の範囲内で試験を実施

図 14. 燃焼時における過熱水蒸気試験装置内写真したところ、炉内の水素濃度は0.0～16.1%の範囲で、酸89 （8）

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特 集

素濃度は0.0～43.6%の範囲で加熱処理をすることができ

室内での最高温度と最低温度の偏差は200℃から600℃た。これにより1つの炉で多品種の材料処理行いたい場

での昇温時は15℃以下（±8℃以下）、1100 ℃での高温保合や、温度帯によって雰囲気を変化させたい場合（酸化持時は8℃以下（±4℃以下）と温度分布は非常に良好で→還元や還元→酸化など）、また、様々な用途での使用あり、また800℃の昇温時は温度差が付くものの、高温保が可能となる。

持時は温度分布が600℃以下と同等であるため、昇温速
度を下げれば温度偏差15℃以下が可能と考えられる。また800℃から1100℃では昇温時は40 ℃以下（±20℃以下）、
高温保持時は30℃以下（±15℃以下）と高温でも良好な温度分布となった。通常のバーナ加熱では、火炎に近い側の温度が高いが、このような温度分布の向上が見られたのは、水蒸気の均一的に短時間で加熱が可能という点に加え、燃焼室・加熱室を分割した構造としたためであると考えられる。
4.4. 13A都市ガス燃焼による過熱水蒸気発生
4.4.1. 水素と13A都市ガス燃焼の比較

グラフ5. 燃焼酸素比変化時の加熱室内水素/酸素濃度

ここまで、水素燃焼により発生させた過熱水蒸気の利
さらに上記空炉での試験に加え、材料を入れ加熱試験点を示してきたが、前述の通り、水素は現時点に於いても行った。鋼片に熱電対を付けたものを4個用意し、図15.

は汎用可燃ガス（都市ガスなど）と比較して高価な燃料のように配置、加熱を行った結果をグラフ6.に示す。バであるため、各社の導入障壁が非常に高いのが現状であーナ側を材料温度1とし、90°間隔で時計回りに材料温度る。表4に水素と13A都市ガスのコストおよび低位発熱量

2・3・4、材料温度1の昇温速度は10℃/min.とした。加熱を比較した結果を示す。
表4. 水素と13A都市ガスのコストおよび燃焼量比較

現在、13A都市ガスの価格が60 円/ m3Nであるのに対し
図15. 炉内の材料温度配置図

水素は100 円/ m3N、また低位発熱量は13A都市ガスが40.6 MJ m3N、水素が10.8 MJ/ m3Nであるため、発熱量等価とした場合の水素のユーティリティーコストは13A都市ガスの6.3 倍となる。一方で政府の指針では、水素の価格は2030 に30 円/ m3N、2050年に20円/ m3N［5］となるた
め、将来的な水素コストは、13A都市ガスの1.3倍と、漸近していくと予想される。
そこで、13A都市ガス燃焼による過熱水蒸気発生にも着目し検討を行った。13A都市ガスは酸素との燃焼反応により、二酸化炭素（CO2）と水（H2O）を生成するため、水素燃焼と比較して水蒸気の分圧が下がる。さらに水素

グラフ 6. 経過時間時の材料温度と燃焼量の変化

燃焼と同様に中心部より水を噴霧することで、火炎温度

90 （9）

水素エネルギーシステム Vol.47, No.2 (2022)

特 集や炉内温度、過熱水蒸気発生量の調整が可能である。

いことを示したが、この試験からも同様の結果が得られまた、グラフ7.に水素燃焼と13A都市ガス燃焼の伝熱た。この結果から、水素×酸素燃焼のように、炉内水素・量を計算した結果を示す。ここでは水素×酸素燃焼、13A

酸素濃度の調整は不可能であるが、超高温の過熱水蒸気

都市ガス×酸素燃焼、13A都市ガス×空気燃焼、電熱加熱の発生は可能である。次世代材料の試験については、水の4つの加熱方式について比較を行った。水素×酸素燃焼

素燃焼で検討を進め、足下の社会実装化については、13と13A都市ガス×酸素燃焼の伝熱量はほぼ同等であり、Ａ都市ガス燃焼を利用するなど、用途、目的に応じた使13A都市ガス×空気燃焼の1.5～2.0倍、電熱加熱の3.5～4.0

用方法を検討することで過熱水蒸気による加熱技術の倍熱効率が良い計算結果となった。

利用が拡大していくことを期待する。
4.5. 開発品を用いた試験実施例と今後の展望
最後に、本過熱水蒸気試験装置を用いて行った試験実施例である車載用廃リチウムイオンバッテリー（以下廃LiBと称す）加熱試験と今後の展望について述べる。
図16.に過熱水蒸気にて車載用廃LiBを加熱処理した試験前後の写真を示す。今後、スマートフォンやハイブリッド車、電気自動車などで使用されたLiBの廃棄量増加が予想される中、LiB内に含まれるニッケル、コバルトな
どのレアメタルは枯渇資源であり、資源の取れない我がグラフ 7. 温度変化時の各加熱方法における伝熱量変化

国にとって電池製造上の戦略資源でもあることから、廃LiBからニッケル、コバルトなどを回収、リサイクルし再4.4.2. 13A都市ガス燃焼による過熱水蒸気生成

度LiB製造に利用する動きが注目されている。通常、廃上述の結果を踏まえ、
水素と同様に35 kWにて13A都市

LiBリサイクルを行う工程として廃LiBを放電・簡易解体

ガスを燃焼させ、点火からの経過時間に対し炉温を測定を行った後、熱処理により無害化し、熱処理済みLiBを破した。その結果をグラフ8.に示す。

砕・選別処理し、ニッケル、コバルトなどを含む粉末（ブラックマス）を得る『前工程』、ブラックマスから乾式
精錬・湿式精錬などによりレアメタルを抽出する『後工程』に大きく分別される。前工程の加熱時、 大気中で熱処理を行うと電解液の有機溶剤及びセパレータ樹脂、他付随する樹脂が大気中の酸素と反応し、炉内温度が著しく上昇し制御が困難になる。このような理由から、廃LiBの前工程では、炉内に窒素などの不活性ガスを入れ、炉内酸素濃度を一定以下にして熱処理を行うか、又は、廃LiBを安全に処理できる状態になるまで放電・解体した

グラフ8. 経過時間における加熱室内温度の変化
点火より5～10分で炉温は1000℃に達し、点火より90分後には噴霧水なしで1550℃まで、3 kg/hの水を噴霧した際には1358℃まで昇温可能であった。水素燃焼と同様に、水の噴霧量によって、加熱室内の温度変化が可能であるということが分かった。また、前章にて計算結果から水素×酸素燃焼と13A都市ガス×酸素燃焼の伝熱量が近91 （10）

図 16. 加熱処理前後における廃 LiB の状態変化

水素エネルギーシステム Vol.47, No.2 (2022)

特集2050 年の温室効果ガス実質排出ゼロに向けて、関連技

後に熱処理をする必要がある。
今回、過熱水蒸気を用いて加熱試験を実施したところ、術の研究開発を加速して行く所存であり、本稿で紹介さ前工程の破砕処理を行う前まで一貫で安全に熱処理をせて頂いた、試験設備はいずれも当社研究所内に設置し行うことが可能であると分かった。これは炉内が過熱水ており、見学や試験を行うことが可能である。

蒸気で満たされることで、炉内の残留酸素濃度が1%以下
であるが水蒸気による酸化反応が起こり、電解液の有機

参考文献

溶剤やセパレータ樹脂などを自燃させずに処理が可能

1.

井上雅弘、水素の安全利用、電気設備学会誌：263-266、 2016となったためであると考えられる。また、セパレータ等

2.

トヨタ自動車株式会社ニュースリリースの炭素分は水との反応で分解され、有価金属のみのリサ

https://global.toyota/jp/newsroom/corporate/25255692.html

イクルしやすい形となる。このような800～1000℃付近

2018年11月8日

で起こる炭素と水の反応は、一般的に水性ガス化反応と

3.

中外炉サーモテックニュース Vol. 03 （2020 年 3 月）

呼ばれており、石炭のガス化等で利用されている。［5］https://chugai.co.jp/wp/wp-content/uploads/2019/12/

この反応が利用できることも、水素燃焼での過熱水蒸気_03.pdf発生の利点であると考えられる。
この水素燃焼式過熱水蒸気発生装置を用いることで、

、

CRTTN

4.

諸石 大司;＇防食技術＇、 25、 97-104 (1976)

5.

経済産業省 「今後の水素政策の課題と対応の方向性中間

CO2を排出しない環境問題解決の加熱装置としてだけで整理（案）」 2021年3月22日

はなく、電池の安全なリサイクルや新規機能性材料の加https://www.meti.go.jp/shingikai/energy_environment/suiso_nen

熱、鋼材の高速昇温、セラミックスの脱脂焼結の一貫処

ryo/pdf/025_01_00.pdf

理など、現状の加熱装置ではできないニーズに応える新6.

技術として商品化に向けた開発を加速していくことが『ハイ・シフターは中外炉工業の登録商標です』

森田 義郎;＇燃料協会誌＇，53，564，(1974)

期待できる。
筆者紹介
1.

5. おわりに

川崎 久志 （KAWASAKI Hisashi）
中外炉工業株式会社 商品開発部 開発探索課

2018年に当社は、トヨタ自動車（株）ともに、世界初

https://chugai.co.jp/[趣味] 鉱物収集、旅行の工業用汎用水素バーナを開発に成功した。水素燃焼バーナの構造を専用化することで、水素と燃焼空気中の酸

Email: hisashi_kawasaki@n.chugai.co.jp

2.

池田 勇 （IKEDA Isamu）

素との混合が緩慢に、かつ、局所的な火炎温度上昇を抑

中外炉工業株式会社 プラント事業本部制することが可能となった。また、NOx生成量も従来のサーモシステム事業部

13A燃焼と同等以下にまで低減可能となった。さらに、Email: isamu_ikeda@n.chugai.co.jp

工業炉の環境負荷低減に向け、この汎用水素バーナの用3.

朝山 雄介 （ASAYAMA Yusuke）

途開発拡大を目的としてラジアントチューブおよび過中外炉工業株式会社 熱処理事業本部 開発部

熱水蒸気発生装置の開発も行った。水素燃焼式ラジアン

Email: yuusuke_asayama@n.chugai.co.jp

トチューブバーナの開発においては、従来品と同等の温4.

柳谷 貴哉 （YANAGITANI Takaya）

度分布性能・安全性、そして従来品からの燃料転換対応

中外炉工業株式会社 熱処理事業本部 開発部

性が確認された。燃焼炉に適用した時の使用性も良好でEmail: takaya_yanagitani@n.chugai.co.jp

あり、実用可能な段階にあることが確認できた。水素燃5.

神戸 寿夫（KAMBE Toshio）

焼後の排ガスが水蒸気のみということに着目した過熱

中外炉工業株式会社 商品開発部 開発探索課

水蒸気発生装置では、水素と酸素の供給比率を変えるこ

Email: toshio_kanbe@n.chugai.co.jpとで炉内雰囲気を酸化・還元雰囲気に振ることが可能な

6.

友澤 健一（TOMOZAWA Kenichi）

性質を持つことを発見した。いずれの開発も、脱炭素社

中外炉工業株式会社 商品開発部

会の構築に向け大きく前進できると考えている。当社は、Email: kenichi_tomozawa@n.chugai.co.jp

92 （11）