JP6863189B2 - 水素ガスバーナー装置用のノズル構造体 - Google Patents

Description

本発明は、水素ガスバーナー装置用のノズル構造体に関する。

特許文献１には、炭化水素系ガス等の燃焼ガスと、空気とを予混合し、ＮＯｘの発生を抑制するバーナー用のノズル構造体が開示されている。

特開２００５−１８８７７５号公報

ところで、燃料ガスとして水素ガスを用いる場合が有る。このような場合、水素ガスは、炭化水素系ガスと比較して高い反応性を有するため、燃焼炎の温度が局所的に高くなることが有る。そのため、ＮＯｘが多く発生することがあった。

本発明は、ＮＯｘの発生量を抑制するものとする。

本発明に係る水素ガスバーナー装置用のノズル構造体は、
外管と、当該外管の内側に当該外管と同心に配置された内管と、を備える水素ガスバーナー装置用のノズル構造体であって、
前記内管は、酸素含有ガスが前記内管の開口端から軸方向（例えば、軸Ｙ１に沿った方向、軸Ｙ１に略平行な方向等）に放出するように設けられ、
前記外管は、水素ガスが前記外管の内周面と前記内管の外周面との間を通過するように、前記内管の前記開口端から前記軸方向に延出する。
このような構成によれば、酸素含有ガスが、内管の開口端から軸方向に放出した後、外管における内管の開口端より軸方向に延び出ている部分の内側を進む。また、水素ガスが外管の内周面と内管の外周面との間を通過した後、酸素含有ガスの外周を進む。これらによって、酸素含有ガスと水素ガスとの接触を抑制するため、酸素含有ガスと水素ガスとの混合を抑制することができる。よって、燃焼炎の温度が局所的に高くなることを抑え、ＮＯｘの発生量を抑制することができる。

また、酸素含有ガスを前記軸方向に吹き出して、前記内管の前記内側を通過させる酸素含有ガス吹出口と、
水素ガスを前記外管の前記内周面と前記内管の前記外周面との間へ前記軸方向に吹き出して、前記外管の前記内周面と前記内管の前記外周面との間を通過させる水素ガス吹出口と、をさらに備え、
前記酸素含有ガス吹出口の形状は、円形状であり、
前記水素ガス吹出口の形状は、前記酸素含有ガス吹出口を囲む円環形状であることを特徴してもよい。
このような構成によれば、水素ガスと酸素含有ガスとをさらに軸方向に沿って送り出すため、水素ガスと酸素含有ガスとの混合の進行をさらに抑制する。よって、燃焼炎の温度が局所的に高くなることをさらに抑えるため、ＮＯｘの発生量をさらに抑制することができる。

また、前記外管の前記内周面には、前記内管の前記開口端から根元側において、前記内管側に突き出つつ、前記軸方向に延びるフィン、又は、前記内管の前記外周面には、前記外管側に突き出つつ、前記軸方向に延びるフィンが設けられていることを特徴してもよい。
このような構成によれば、水素ガスと酸素含有ガスとをさらに軸方向に沿って送り出すため、水素ガスと酸素含有ガスとの混合の進行をさらに抑制する。よって、燃焼炎の温度が局所的に高くなることをさらに抑えるため、ＮＯｘの発生量をさらに抑制することができる。

本発明は、ＮＯｘの発生量を抑制することができる。

実施の形態１に係る水素ガスバーナー装置用のノズル構造体の斜視図である。 実施の形態１に係る水素ガスバーナー装置用のノズル構造体の断面図である。 実施の形態１に係る水素ガスバーナー装置用のノズル構造体の断面図である。 空気流速Ｖａと水素流速Ｖｈとの比Ｖａ／Ｖｈに対するＮＯｘの発生量を示すグラフである。 空気比に対するＮＯｘの発生量を示すグラフである。 酸素含有ガスの酸素濃度に対するＮＯｘの発生量を示すグラフである。 実施の形態１に係る水素ガスバーナー装置用のノズル構造体の一変形例の断面図である。 実施の形態１に係る水素ガスバーナー装置用のノズル構造体の一変形例の断面図である。 実施の形態１に係る水素ガスバーナー装置用のノズル構造体の他の一変形例の断面図である。 実施の形態１に係る水素ガスバーナー装置用のノズル構造体の他の一変形例の断面図である。 燃焼負荷率に対するＮＯｘの発生量を示すグラフである。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。図１〜図４、図７〜図１０では、右手系三次元ｘｙｚ座標を規定した。

（実施の形態１）
図１〜図３を参照して実施の形態１について説明する。

図１及び図２に示すように、水素ガスバーナー装置用のノズル構造体１０は、外管１と、内管２と、ガス吹出部３とを備える。ノズル構造体１０は、水素ガスバーナー装置内のノズルとして利用される。

外管１は、軸Ｙ１を有する円筒状部１ａを備える。具体的には、円筒状部１ａは、ガス吹出部３に取り付けられており、ガス吹出部３から軸Ｙ１に沿って略直線状に延びる。外管１は、内側から熱を与えられて、外側へ輻射熱を発する材料からなる。外管１は、例えば、ラジアントチューブである。

図１及び図２に示す外管１の一例におけるガス吹出部３側の一端部１ｂは、開口する一方、他端部１ｃは、閉塞している。図１に示す円筒状部１ａの一例は、軸Ｙ１に沿って略直線状に延びる円筒状体であるが、これに限定されず、曲線上に曲がって延びる筒状部をさらに備えてもよく、例えば、Ｕ字状やＭ字状に曲線上に曲がって延びる円筒状部をさらに備えてもよい。また、図１及び図２に示す外管１の一例では、他端部１ｃは、ガス吹出部３によって閉塞されているが、適宜、排ガスを排出するために開口部を備えてもよい。

内管２は、開口端２ｂ及び根元側端部２ｃが開口した円筒状体である。内管２は、ガス吹出部３に取り付けられており、外管１の内側に外管１と同心に配置されている。よって、内管２は、外管１の円筒状部１ａと同様に、軸Ｙ１を有する円筒状体である。内管２は、外管１よりも短いため、外管１は、内管２の開口端２ｂより軸Ｙ１に沿った方向に延び出ている。

ガス吹出部３は、酸素含有ガスを吹き出す酸素含有ガス吹出口３ａと、水素ガスを吹き出す水素ガス吹出口３ｂとを備える。酸素含有ガスは、例えば、空気、又は、混合ガスを用いることができる。この混合ガスとして、例えば、排ガスと空気、又は窒素と空気とを混合して形成される。酸素含有ガスは、常温であってもよいし、予熱されていてよい。なお、酸素含有ガスは、空気に限定されず、酸素を含むガスであればよい。また、酸素含有ガスは、水素を実質的に含まないと好ましい。酸素含有ガスは、公知の方法を用いて水素を除去する工程を含む製造方法を用いて生成されてもよい。

酸素含有ガス吹出口３ａは、円形状を有し、酸素含有ガスを軸Ｙ１に沿った方向に吹き出し、内管２の内側を通過させる。内管２は、酸素含有ガスを内管２の開口端２ｂから軸Ｙ１に沿った方向に放出する。

水素ガス吹出口３ｂは、酸素含有ガス吹出口３ａを囲む円環形状を有する。水素ガス吹出口３ｂは、水素ガスを外管１の内周面１ｄと内管２の外周面２ｅとの間へ軸Ｙ１に略平行な方向に吹き出し、外管１の内周面１ｄと内管２の外周面２ｅとの間を通過させる。外管１と内管２とは、水素ガスを内管２の開口端２ｂから軸Ｙ１に沿った方向に放出する。

（発熱方法）
次に、図１〜図３を参照して、水素ガスバーナー装置用のノズル構造体１０を用いた発熱方法について説明する。

図２に示すように、酸素含有ガスを酸素含有ガス吹出口３ａから吹き出しつつ、水素ガスを水素ガス吹出口３ｂから吹き出す。すると、水素ガスと酸素含有ガスとを内管２の開口端２ｂから軸Ｙ１に略平行な方向に放出する。酸素含有ガスが、内管２の開口端２ｂから軸Ｙ１に沿った方向に放出した後、外管１の内側において、開口端２ｂより外管１の一端部１ｂ側に延び出ている部分を進む。また、水素ガスが外管１の内周面１ｄと内管２の外周面２ｅとの間を通過した後、酸素含有ガスの外周を進む。これらによって、酸素含有ガスと水素ガスとの接触を抑制するため、酸素含有ガスと水素ガスとの混合を抑制することができる。

続いて、点火プラグなどの着火装置（図示略）を用いて、スパークさせて、水素ガスを着火させ、燃焼させる。すると、管状炎Ｆ１が発生し、内管２の開口端２ｂから外管１の一端部１ｂ側へ延びて、収束する。管状炎Ｆ１は、外管１を熱して、外管１は、輻射熱を発生することによって、発熱する。

ここで、水素ガスバーナー装置用のノズル構造体１０を用いた発熱方法の燃焼条件について説明する。水素ガスバーナー装置用のノズル構造体１０を用いた発熱方法の一例を用いて、各条件のＮＯｘ発生量を計測した。この計測した結果を、図４〜図６に示した。

図４に示すように、空気流速Ｖａと水素流速Ｖｈとの比Ｖａ／Ｖｈが、１.０近傍である場合に、ＮＯｘ発生量が下限値である。そのため、比Ｖａ／Ｖｈは、１.０近傍であるとよい。例えば、比Ｖａ／Ｖｈは、０．１以上３．０以下の範囲内にあるとよい。空気流速Ｖａと水素流速Ｖｈとは、内管２の内径と内管２の厚みとを変更することによって、それぞれ変更することができる。

また、図５に示すように、空気比が増大すると、ＮＯｘ発生量は増大する傾向にある。空気比は、１.０以上１.５以下の範囲内にあると好ましい。空気比が１．０以上である場合、計算上、未燃水素が排出されないと考えられるため、好ましい。また、空気比が１．５以下である場合、多量の空気を必要としないことから、省エネルギーであるため、好ましい。

また、図６に示すように、酸素含有ガスの酸素濃度が増大すると、ＮＯｘ発生量は増大する傾向にある。酸素含有ガスの酸素濃度は、例えば、体積％で、１０％以上２１％以下であるとよい。酸素含有ガスの酸素濃度が１０％以上であれば、安定して燃焼炎を発生することができて、好ましい。酸素含有ガスの酸素濃度が２１％を下回れば、空気の酸素濃度よりも低いため、ＮＯｘの発生量を低減させることができて、好ましい。

以上より、酸素含有ガスが、内管２の開口端２ｂから軸Ｙ１に沿った方向に放出した後、外管１における内管２の開口端２ｂより軸Ｙ１に沿った方向に延出している部分の内側を進む。また、水素ガスが外管１の内周面１ｄと内管２の外周面２ｅとの間を通過した後、酸素含有ガスの外周を進む。これらによって、酸素含有ガスと水素ガスとの混合が抑制されて、水素ガスが緩慢に燃焼する。そのため管状炎Ｆ１の温度が局所的に高くなることを抑え、ＮＯｘの発生量を抑制することができる。また、逆火現象も生じ難い。

また、ノズル構造体１０は、ガス吹出部３を備え、ガス吹出部３は、円形状を有する酸素含有ガス吹出口３ａと、円環形状を有する水素ガス吹出口３ｂとを備える。酸素含有ガス吹出口３ａが、酸素含有ガスを軸Ｙ１に沿った方向に均一に送り出すため、断面円形状の酸素含有ガスの流れが形成される。また、水素ガス吹出口３ｂが、水素ガスを軸Ｙ１に略平行な方向に均一に送り出すため、断面円環形状の水素ガスの流れが形成される。よって、断面円環形状の水素ガスが、断面円形状の酸素含有ガスの外周に流れる。そのため、水素ガスと酸素含有ガスとの混合の進行をさらに抑制する。従って、管状炎Ｆ１の温度が局所的に高くなることをさらに抑えるため、ＮＯｘの発生量をさらに抑制することができる。

（実施の形態１の変形例）
次に、図７及び図８を参照して実施の形態１に係るノズル構造体の変形例について説明する。

図７及び図８に示すように、ノズル構造体２０は、フィン４を備えるところを除いて、ノズル構造体１０（図１〜図３参照）と同じ構成を有する。フィン４は、内管２の外周面２ｅに設けられている。図７に示すように、フィン４は、内管２の開口端２ｂから根元側端部２ｃにおいて、外管１側に突き出つつ、外管１の軸Ｙ１に沿って延びる。図８に示すように、フィン４は、内管２の外周面２ｅに複数枚設けられ、軸Ｙ１を中心とした放射線状に、外周面２ｅから立ち上がるように、設けられている。図８に示すフィン４の一例は、内管２の外周面２ｅに１２枚設けられている。図８に示すフィン４の一例は、それぞれ、軸Ｙ１を中心として、３６０°を１２等分割した角度範囲、すなわち３０°間隔を互いに空けている。

ここで、ノズル構造体２０は、フィン４を備え、フィン４は、水素ガス吹出口３ｂから吹き出された水素ガスを、さらに軸Ｙ１に略平行な方向に外管１の一端部１ｂ側へ送り出すように案内する。また、フィン４は、水素ガスが軸Ｙ１を中心として旋回するように流れることを抑制する。そのため、水素ガスと酸素含有ガスとの混合の進行をさらに抑制する。よって、管状炎Ｆ１の温度が局所的に高くなることをさらに抑えるため、ＮＯｘの発生量をさらに抑制することができる。

（実施の形態１の他の変形例）
次に、図９及び図１０を参照して実施の形態１に係るノズル構造体の他の変形例について説明する。

図９及び図１０に示すように、ノズル構造体３０は、フィン５を備えるところを除いて、ノズル構造体１０（図１〜図３参照）と同じ構成を有する。フィン５は、外管１の内周面１ｄにおける内管２側に設けられている。図９に示すように、フィン５は、内管２の開口端２ｂから根元側端部２ｃにおいて、内管２側に突き出つつ、外管１の軸Ｙ１に略平行な方向に延びる。フィン５は、外管１の内周面１ｄに複数枚設けられ、軸Ｙ１を中心とした放射線状に、内周面１ｄから立ち上がるように、設けられている。図９及び図１０に示すフィン５の一例は、外管１の内周面１ｄに１２枚設けられている。図９に示すフィン５の一例は、それぞれ、軸Ｙ１を中心として、３６０°を１２等分割した角度範囲、すなわち３０°間隔を互いに空けている。

ここで、ノズル構造体３０は、フィン５を備え、フィン５は、水素ガス吹出口３ｂから吹き出された水素ガスを、さらに軸Ｙ１に略平行な方向に外管１の一端部１ｂ側へ送り出すように案内する。また、フィン５は、水素ガスが軸Ｙ１を中心として旋回するように流れることを抑制する。そのため、水素ガスと酸素含有ガスとの混合の進行をさらに抑制する。よって、管状炎Ｆ１の温度が局所的に高くなることをさらに抑えるため、ＮＯｘの発生量をさらに抑制することができる。

次に、ノズル構造体１０（図１〜図３参照）に係る実施例を用いて燃焼実験を行い、燃焼負荷率に対するＮＯｘ発生量を計測した結果について説明する。

なお、比較例１では、燃料ガスとして炭化水素系ガスを用いて、ノズル構造体１０と異なる構成を有する公知のノズル構造体を用いて燃焼実験を行なった。この公知のノズル構造体は、燃料ガスとして炭化水素系ガスを用いた場合に、よく利用されている。比較例２では、燃料ガスとして水素ガスを用いて、ノズル構造体１０と異なる構成を有する公知のノズル構造体を用いて燃焼実験を行なった。比較例１及び比較例２では、いずれも燃焼負荷率に対するＮＯｘ発生量を計測した。

図１１に示すように、実施例では、燃焼負荷率が増大しても、ＮＯｘ発生量は一定となる傾向にある。一方、比較例１及び比較例２では、燃焼負荷率が増大すると、ＮＯｘ発生量も増大する傾向にある。比較例１及び比較例２のＮＯｘ発生量は、燃焼負荷率にも関わらず、いずれも実施例のＮＯｘ発生量と比較して高かった。つまり、実施例のＮＯｘ発生量は、比較例１及び比較例２のＮＯｘ発生量と比較して低かった。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、ノズル構造体２０、３０（図７〜図１０参照）は、フィン４、５をそれぞれ備えたが、フィン４、５をいずれも備えてよい。

１０、２０、３０ ノズル構造体
１ 外管
１ｄ 内周面
２ 内管
２ｂ 開口端 ２ｅ 外周面
３ ガス吹出部
３ａ 酸素含有ガス吹出口 ３ｂ 水素ガス吹出口
４、５ フィン
Ｙ１ 軸

Claims (3)

1. 外管と、当該外管の内側に当該外管と同心に配置された内管と、を備える水素ガスバーナー装置用のノズル構造体であって、
   前記内管は、酸素含有ガスが前記内管の開口端から軸方向に放出するように設けられ、
   前記外管は、水素ガスが前記外管の内周面と前記内管の外周面との間を通過するように、前記内管の前記開口端から前記軸方向に延出し、
   前記外管の前記内周面には、前記内管の前記開口端から根元側において、前記内管側に突き出つつ、前記軸方向に延びるフィン、又は、前記内管の前記外周面には、前記外管側に突き出つつ、前記軸方向に延びるフィンが設けられている、
   水素ガスバーナー装置用のノズル構造体。
2. 前記酸素含有ガスを前記軸方向に吹き出して、前記内管の前記内側を通過させる酸素含有ガス吹出口と、
   水素ガスを前記外管の前記内周面と前記内管の前記外周面との間へ前記軸方向に吹き出して、前記外管の前記内周面と前記内管の前記外周面との間を通過させる水素ガス吹出口と、をさらに備え、
   前記酸素含有ガス吹出口の形状は、円形状であり、
   前記水素ガス吹出口の形状は、前記酸素含有ガス吹出口を囲む円環形状である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の水素ガスバーナー装置用のノズル構造体。
3. 前記酸素含有ガスの酸素濃度は、体積％で、１０％以上２１％以下である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の水素ガスバーナー装置用のノズル構造体。

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