JP6894297B2

JP6894297B2 - 燃焼器

Info

Publication number: JP6894297B2
Application number: JP2017109131A
Authority: JP
Inventors: 尚史本澤
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2017-06-01
Filing date: 2017-06-01
Publication date: 2021-06-30
Anticipated expiration: 2037-06-01
Also published as: JP2018204837A

Description

本発明は、燃焼器に関する。

例えばバイオマス由来のオフガスや副生ガス等の発熱量や燃焼速度が小さく、燃焼性の悪いガス（以下、「低品位燃料」と称する）を、安価に燃焼処理又は熱利用する技術が求められている。これらの低品位燃料を燃焼するために、燃焼触媒や良質な燃料を付加して燃焼させる方法があるが、イニシャルコスト又はランニングコストの上昇が不可避となる。

そこで、上記したような低品位燃料を燃焼するために、旋回流を利用することが考えられる。燃料を旋回させて燃焼させる方法としては、旋回翼により混合管内で燃料を旋回させる方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１３３９５７号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている方法では、実現可能な旋回流の強さ（スワール数）に限界がある。すなわち、低品位燃料を安定して燃焼させることができない可能性がある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、低品位燃料を安定して燃焼させることが可能な燃焼器を提供することを目的とする。

本発明の一態様における燃焼器によれば、側壁に第１開口が形成されている筒状のガス供給管と、第１開口に接続されてガス供給管に第１ガスを供給し、第１ガスをガス供給管の内壁に沿って旋回させる第１供給部と、ガス供給管に連結されて管内で第１ガスを燃焼させる燃焼管と、ガス供給管及び燃焼管を覆って設けられ、燃焼管での燃焼により発生した排ガスをガス供給管側に環流させるガス環流管と、を備え、前記ガス供給管は、底壁の周縁にスリットが形成されており、前記スリットに接続されて前記ガス供給管に第３ガスを供給する第３供給部を有する。

本発明の実施形態によれば、低品位燃料を安定して燃焼させることが可能な燃焼器が提供される。

第１の実施形態における燃焼器を例示する図である。第１の実施形態におけるガス供給管、第１供給部、及び第２供給部を例示する図である。第１の実施形態におけるガス供給管、第１供給部、第２供給部、及びガス環流管を例示する図である。第１の実施形態における燃焼管を例示する図である。燃焼管における混合ガスの流れを説明するための図である。燃焼器における排ガスの流れを説明するための図である。実施例１〜３における排ガス中のＣＯ濃度が１０、１００、１０００ｐｐｍになるときの燃料ガス中のメタン濃度の測定結果を示す図である。実施例４〜６における排ガス中のＣＯ濃度が１０、１００、１０００ｐｐｍになるときの燃料ガス中のメタン濃度の測定結果を示す図である。第２の実施形態における燃焼器を例示する図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態における燃焼器１００を例示する図である。

図１に示されるように、燃焼器１００は、ガス供給管１０、第１供給部２０、第２供給部３０、燃焼管４０、点火プラグ５０、及びガス環流管６０を有する。

ガス供給管１０は、円筒状に形成されており、第１供給部２０及び第２供給部３０から供給される燃料ガスを燃焼管４０に供給する。第１供給部２０は、ガス供給管１０に接続され、例えば燃料ガスと空気とが予め混合された混合ガスを開口部２０Ａからガス供給管１０に供給する。第２供給部３０は、第１供給部２０とは異なる位置でガス供給管１０に接続され、例えば燃料ガスと空気とが予め混合された混合ガスを開口部３０Ａからガス供給管１０に供給する。

ガス供給管１０、第１供給部２０、及び第２供給部３０は、それぞれ別体として形成された後に接合されてもよく、何れか２つ以上が一体成形されてもよい。ガス供給管１０、第１供給部２０、及び第２供給部３０は、例えば耐熱性が高い樹脂や、金属材料等により形成される。

また、第１供給部２０からガス供給管１０に燃料ガスを供給し、第２供給部３０からガス供給管１０に空気を供給して、ガス供給管１０において混合される燃料ガスと空気との混合ガスを燃焼管４０に供給してもよい。

燃焼管４０は、例えばガラスにより円筒状に形成されている。燃焼管４０は、ガス供給管１０から混合ガスが供給され、点火装置である点火プラグ５０により混合ガスが点火されて管内に火炎Ｆが形成される。なお、燃焼管４０は、例えば金属材料等で形成されてもよい。

点火プラグ５０は、ガス供給管１０の底壁に設けられた図示しない取り付け穴に取り付けられ、点火部がガス供給管１０の内部に臨んでいる。点火プラグ５０は、外部から印加される高電圧によって火花放電を発生し、燃焼管４０の混合ガスに点火する。なお、燃焼管４０の混合ガスに点火できるものであれば、点火装置は点火プラグ５０に限定されない。

ガス環流管６０は、筒状に形成され、ガス供給管１０及び燃焼管４０を覆って取り付けられている。また、ガス環流管６０の取り付けにあたって第１供給部２０及び第２供給部３０と支障が生じる箇所には、ガス環流管６０に切り欠き６１が形成されている。ガス環流管６０は、熱伝導率の低い金属材料等、例えばステンレスにより形成される。

ガス環流管６０は、燃焼管４０で混合ガスが燃焼することによって発生した排ガスを閉口した上端６２で折り返させ、燃焼管４０の外側を通してガス供給管１０側に環流させる。また、ガス環流管６０の下端近傍には、筒状の排気管６３が取り付けられ、排気管６３の開口部６３Ａから環流した排ガスを排気する。

次に、図２及び図３を参照しながら、燃焼器１００の各部について詳細に説明する。

図２は、第１の実施形態におけるガス供給管１０、第１供給部２０、及び第２供給部３０を例示する側面図である。また、図３は、第１の実施形態におけるガス供給管１０、第１供給部２０、第２供給部３０、及びガス環流管６０を例示する図であり、図２のＡ−Ａ断面図にガス環流管６０を併せて記載した図である。

ガス供給管１０は、図２及び図３に示されるように、図示しない点火プラグの取り付け穴を除き、下端側が底壁により塞がれた円筒状に形成されている。ガス供給管１０の内部には、第１供給部２０及び第２供給部３０から燃料ガスが供給されるガス室１１が形成されている。

また、図２に示されるように、ガス供給管１０のガス室１１の上方には、ガス室１１よりも直径が大きく燃焼管４０が挿入される燃焼管受け部１５が形成されている。燃焼管受け部１５の内周面には、例えば耐熱性および密閉性が高い材料で円環状に形成されているシールリング１６が取り付けられている。燃焼管受け部１５に取り付けられているシールリング１６により、燃焼管受け部１５と燃焼管４０との間が密閉される。

ガス供給管１０の側壁には、第１開口１２及び第２開口１３が形成されている。第１開口１２及び第２開口１３は、図２に示されるように、それぞれガス供給管１０の軸方向に延びる矩形状に形成されている。なお、本実施形態では、第１開口１２と第２開口１３とが、ガス供給管１０の周方向に１８０°異なる位置に形成されているが、これに限られるものではない。

第１供給部２０は、図２及び図３に示されるように、平板状に形成されており、ガス供給管１０の側壁の接線方向に延びるようにガス供給管１０に接続されている。第１供給部２０は、内部に第１ガス流路２１が形成されており、第１ガス流路２１が第１開口１２に通じるようにガス供給管１０に接続されている。

第２供給部３０は、第１供給部２０と同様に平板状に形成されており、ガス供給管１０の側壁の接線方向に延びるようにガス供給管１０に接続されている。第２供給部３０は、内部に第２ガス流路３１が形成されており、第２ガス流路３１が第２開口１３に通じるようにガス供給管１０に接続されている。

第１ガス流路２１は、ガス供給管１０のガス室１１の内壁面の接線方向に延びるように第１開口１２に接続されている。また、第２ガス流路３１は、ガス供給管１０のガス室１１の内壁面の接線方向に延びるように第２開口１３に接続されている。このため、第１ガス流路２１及び第２ガス流路３１からガス供給管１０に供給された混合ガスは、図３に示されるように、ガス供給管１０の側壁の内周面に沿って流れてガス室１１の内部で旋回する。また、ガス供給管１０に供給された混合ガスは、ガス室１１の内部で旋回しながら上昇し、図１に示されるように燃焼管４０に供給されて燃焼する。

また、第１供給部２０から燃料ガスが供給され、第２供給部３０から空気が供給される場合には、燃料ガスと空気とがガス室１１の内部で旋回しながら混合され、燃料ガスと空気との混合ガスとなって燃焼管４０に供給される。

ガス環流管６０は、図３に示されるように、環流した排ガスを排気する排気管６３が取り付けられている。燃焼管４０で混合ガスが燃焼することによって発生した排ガスは、ガス環流管６０の上端６２で折り返され、旋回しながらガス供給管１０側に環流され、排気管６３から排気される。

また、排気管６３は、旋回する排ガスが排気されやすいように、ガス環流管６０の中心軸から偏倚して取り付けられている。なお、本実施形態では、２箇所に排気管６３が取り付けられているが、これに限られるものではない。

図４は、第１の実施形態における燃焼管４０を例示する図である。

図４に示されるように、燃焼管４０は、小径部４１、テーパ部４２、大径部４３を有する。

小径部４１は、内径がガス供給管１０のガス室１１の内径に等しく、外径がガス供給管１０の燃焼管受け部１５の内径に等しい円筒状に形成されている。燃焼管４０は、小径部４１が燃焼管受け部１５に挿入されることでガス供給管１０に連結される。テーパ部４２は、小径部４１に連結され、小径部４１から離れるほど内径が大きくなる截頭円錐状に形成されている。大径部４３は、内径が小径部４１の内径よりも大きい円筒状に形成され、テーパ部４２に連結されている。

図５は、燃焼管４０における混合ガスの流れを説明するための図である。

燃焼管４０には、ガス供給管１０のガス室１１の内周面に沿って旋回しながら上昇する混合ガスが供給される。燃焼管４０に供給された混合ガスは、小径部４１及びテーパ部４２を通って大径部４３に達するように、各部の内周面に沿って旋回しながら上昇していく。

ここで、燃焼管４０の内部では、混合ガスが旋回することにより内部のガスが外周側に引き寄せられて内周面に近い部分の圧が高まり、中央部分の圧が低くなるように圧力差が生じる。また、混合ガスの旋回流は、テーパ部４２及び大径部４３において徐々に内径が大きくなるにしたがって弱まっていく。このため、燃焼管４０に供給された混合ガスは、旋回しながら上昇して大径部４３に達した後、図５に示されるように、テーパ部４２及び小径部４１で圧が低下している旋回流の中央部分に向かって下降するように流れる。

燃焼管４０の内部において上記したように混合ガスが流れることで、混合ガスの燃焼により形成される火炎Ｆは、図５に示されるようにテーパ部４２付近に位置することになる。このように、第１の実施形態における燃焼管４０によれば、火炎Ｆの位置がテーパ部４２付近で安定し、混合ガスを安定的に燃焼させることが可能になる。

図６は、燃焼器１００における排ガスの流れを説明するための図である。

燃焼管４０で混合ガスが燃焼することによって発生した排ガスは、ガス環流管６０の上端６２で折り返される。折り返された排ガスは、旋回しながら燃焼管４０の外側を通ってガス供給管１０側に環流され、排気管６３から排気される。

このとき、燃焼管４０が高温の排ガスで覆われることにより、燃焼管４０の管内に形成される火炎からの輻射熱による損失が低減し、燃焼性を向上させることが可能になる。また、ガス供給管１０が高温の排ガスで覆われることにより、ガス供給管１０から燃焼管４０に供給される混合ガスが予熱され、燃焼性を向上させることが可能になる。

なお、燃焼器１００におけるガス供給管１０、第１供給部２０、第２供給部３０、燃焼管４０、及びガス環流管６０の各部の寸法は、上記した例に限定されるものではなく、適宜変更されてもよい。また、ガス供給管１０、燃焼管４０、及びガス環流管６０の形状は、それぞれガスが旋回可能な筒状であればよく、円筒状に限られるものではない。また、燃焼管４０は、必ずしもテーパ部４２を有している必要はない。

また、第１供給部２０及び第２供給部３０は、本実施形態ではガス供給管１０の側壁の接線方向に延びるように設けられているが、ガス供給管１０の内部で供給したガスを旋回させることが可能であれば、本実施形態において例示した構成に限られない。

また、第１供給部２０及び第２供給部３０は、何れか一方のみが設けられてもよく、第１供給部２０及び第２供給部３０に加えて、同様の構成でガス供給管１０に燃料ガス等を供給する１つ以上の供給部がさらに設けられてもよい。また、燃焼器１００に設けられる供給部及びガス流路の形状は、ガス供給管１０のガス室１１の内部に旋回流を形成可能であれば、第１の実施形態において例示した形状に限られるものではない。

＜実施例＞
次に、第１の実施形態における燃焼器１００において、図２に示されるガス供給管１０の第１開口１２及び第２開口１３の高さＨ１、図３に示される第１供給部２０の第１ガス流路２１の幅Ｗ１及び第２供給部３０の第２ガス流路３１の幅Ｗ２、図４に示される燃焼管４０のテーパ部４２の角度θ（テーパ部４２の内壁面と、小径部４１の内壁面及び大径部４３の内壁面とがなす角）、及び燃焼管４０の寸法を以下のように設定し、メタンと二酸化炭素の混合ガスを燃料ガスとして、燃料ガス中のメタン濃度が低い低品位燃料について、燃料ガス中のメタン濃度を測定した実施例を説明する。

具体的には、ガス供給管１０の第１開口１２及び第２開口１３の高さＨ１を１０ｍｍとした。また、第１供給部２０の第１ガス流路２１の幅Ｗ１及び第２供給部３０の第２ガス流路３１の幅Ｗ２を１ｍｍとした。

また、燃焼管４０の小径部４１の内径Ｄ１を１７ｍｍ（ガス供給管１０のガス室１１の内径Ｄ１も同様に１７ｍｍ）、テーパ部４２の角度θを１０°、大径部４３の内径Ｄ２を３０ｍｍとした。また、燃焼管４０の小径部４１の長さＬ１を３０ｍｍ、大径部４３の長さＬ２を２００ｍｍとした。

なお、第１の実施形態における各実施例では、第１ガス流路２１及び第２ガス流路３１から、予めメタンを二酸化炭素で希釈した燃料ガスと空気とを混合した混合ガスを供給して、燃料ガス中のメタン濃度を測定した。

（実施例１）
実施例１では、上記構成の燃焼器１００において、供給される混合ガスの流量［Ｌ／ｍｉｎ］を１．０Ｌ／ｍｉｎに固定して、燃料中の可燃成分と空気中の酸素との比を理論燃空比で除した当量比を変えながら燃料ガス中のメタン濃度を測定した。なお、実施例１では、排気管６３から排気される排ガスのＣＯ（一酸化炭素）濃度が１０ｐｐｍになる場合について測定を行った。

（実施例２）
実施例２では、排気管６３から排気される排ガスのＣＯ（一酸化炭素）濃度が１００ｐｐｍになる場合について測定を行った他は、実施例１と同様の条件である。

（実施例３）
実施例３では、排気管６３から排気される排ガスのＣＯ（一酸化炭素）濃度が１０００ｐｐｍになる場合について測定を行った他は、実施例１と同様の条件である。

実施例１〜３における燃料ガス中のメタン濃度の測定結果を、図７に示す。図７に示されているグラフは、横軸が当量比であり、縦軸が燃料ガス中のメタン濃度［％］である。

図７より、実施例１では、当量比０．８７において、燃料ガス中のメタン濃度が最も低い１２．０％となった。また、実施例２では、当量比０．８７において、燃料ガス中のメタン濃度が最も低い１１．７％となった。また、実施例３では、当量比０．７９〜０．８７において、燃料ガス中のメタン濃度が最も低い１１．３％となった。

実施例１〜３の測定結果より、上記構成の燃焼器１００においては、当量比０．８７付近で燃料ガス中のメタン濃度が最も低くなることが分かる。そこで、当量比を０．８７に固定して、燃焼器１００に供給される混合ガスの流量［Ｌ／ｍｉｎ］を変えながら燃料ガス中のメタン濃度を測定した。

（実施例４）
実施例４では、上記構成の燃焼器１００において、当量比を０．８７に固定して、供給される混合ガスの流量［Ｌ／ｍｉｎ］を変えながら燃料ガス中のメタン濃度を測定した。なお、実施例１では、排気管６３から排気される排ガスのＣＯ（一酸化炭素）濃度が１０ｐｐｍになる場合について測定を行った。

（実施例５）
実施例５では、排気管６３から排気される排ガスのＣＯ（一酸化炭素）濃度が１００ｐｐｍになる場合について測定を行った他は、実施例４と同様の条件である。

（実施例６）
実施例６では、排気管６３から排気される排ガスのＣＯ（一酸化炭素）濃度が１０００ｐｐｍになる場合について測定を行った他は、実施例４と同様の条件である。

実施例４〜６における燃料ガス中のメタン濃度の測定結果を、図８に示す。図８に示されているグラフは、横軸が燃焼器１００に供給される混合ガスの流量［Ｌ／ｍｉｎ］であり、縦軸が燃料ガス中のメタン濃度［％］である。

図８より、実施例４では、流量２４Ｌ／ｍｉｎにおいて燃料ガス中のメタン濃度が最も低い１１．４％となった。また、実施例５では、流量２４．２Ｌ／ｍｉｎにおいて燃料ガス中のメタン濃度が最も低い１１．２％となった。また、実施例６では、流量２４．７Ｌ／ｍｉｎにおいて燃料ガス中のメタン濃度が最も低い１０．８％となった。

これらの値は、既往研究（H．F．Coward，G．W．Jones，Limits of Flammability of Gases and Vapors，U．S．Bur．Mines Bull．No．503（1952））におけるメタンを二酸化炭素で希釈して予熱を行わない場合の燃焼可能な燃料ガス中のメタン濃度（２２．８％）と比較して、大幅に改善されている。

このように、各実施例における燃料ガス中のメタン濃度は、既往研究における燃料ガス中のメタン濃度よりも低く、燃焼器１００においてメタンの濃度が低い混合ガスでも燃焼可能であることが分かる。

以上で説明したように、第１の実施形態における燃焼器１００によれば、ガス環流管６０により、燃焼管４０での燃焼により発生した排ガスをガス供給管１０側に環流させることで、メタン濃度が低い低品位燃料であっても安定して燃焼させることが可能になる。

[第２の実施形態]
次に、第２の実施形態について図面に基づいて説明する。なお、既に説明した実施形態と同一構成部分についての説明は省略する。

図９は、第２の実施形態における燃焼器２００を例示する図である。

第２の実施形態における燃焼器２００は、図９に示されるように、ガス供給管１０の底壁の周縁に沿って円環状のスリット１８が形成されている。ガス供給管１０には、スリット１８に接続されるガス流路を内部に有する第３供給部７０が連結されている。なお、スリット１８は、本実施形態とは異なる形状であってもよい。

燃焼器２００において、例えば、第１供給部２０及び第２供給部３０からガス供給管１０に空気を供給し、第３供給部７０からスリット１８を通じて燃料ガスを供給する。なお、燃焼器２００には、第１供給部２０及び第２供給部３０の何れか一方のみが設けられてもよく、同様の構成でガス供給管１０に燃料ガス等を供給する供給部がさらに１つ以上設けられてもよい。

このようにガス供給管１０に燃料ガス及び空気を供給することで、ガス室１１の内部で燃料ガスと空気とが旋回しながら混合される。ガス供給管１０において混合された燃料ガス及び空気の混合ガスは、旋回しながら上昇して燃焼管４０に供給されて点火プラグ５０により点火されて燃焼する。

このとき、燃焼管４０の内部において上記したように混合ガスが流れることで、混合ガスの燃焼により形成される火炎Ｆは、図４に示されるようにテーパ部４２付近に位置することになる。このように、第２の実施形態における燃焼管４０によれば、火炎Ｆの位置がテーパ部４２付近で安定し、混合ガスを安定的に燃焼させることが可能になる。

また、燃焼管４０で混合ガスが燃焼することによって発生した排ガスは、ガス環流管６０の上端６２で折り返され、旋回しながらガス供給管１０側に環流され、排気管６３から排気される。

第２の実施形態における燃焼器２００では、上記したように、第１供給部２０及び第２供給部３０から供給される空気と、第３供給部７０から供給される燃料ガスとがガス供給管１０において混合され、混合ガスとなって旋回しながら燃焼管４０に供給される。第２の実施形態における燃焼器２００によれば、第１の実施形態における燃焼器２００と同様に、低品位燃料を安定して燃焼させることができる。

以上、実施形態に係る燃焼器について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

１０ガス供給管
１８スリット
２０第１供給部
２１第１ガス流路
３０第２供給部
３１第２ガス流路
４０燃焼管
４１小径部
４２テーパ部
４３大径部
５０点火プラグ
６０ガス環流管
７０第３供給部
１００、２００燃焼器

Claims

側壁に第１開口が形成されている筒状のガス供給管と、
前記第１開口に接続されて前記ガス供給管に第１ガスを供給し、前記第１ガスを前記ガス供給管の内壁に沿って旋回させる第１供給部と、
前記ガス供給管に連結されて管内で前記第１ガスを燃焼させる燃焼管と、
前記ガス供給管及び前記燃焼管を覆って設けられ、前記燃焼管での燃焼により発生した排ガスを前記ガス供給管側に環流させるガス環流管と、を備え、
前記ガス供給管は、底壁の周縁にスリットが形成されており、
前記スリットに接続されて前記ガス供給管に第３ガスを供給する第３供給部を有する
燃焼器。
前記ガス供給管の底壁に取り付けられて点火部が前記ガス供給管の内部に臨む点火装置をさらに備える
請求項１に記載の燃焼器。
前記ガス環流管は、ステンレス製である
請求項１又は請求項２に記載の燃焼器。
前記燃焼管は、前記ガス供給管に連結される円筒状の小径部と、前記小径部に連結されて前記小径部から離れるほど内径が大きくなるように形成されているテーパ部と、前記テーパ部に連結される円筒状の大径部と、を有する
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃焼器。
前記ガス供給管は、前記側壁に第２開口が形成されており、
前記第２開口に接続されて前記ガス供給管に第２ガスを供給し、前記第２ガスを前記ガス供給管の内壁に沿って旋回させながら前記第１ガスと混合させる第２供給部を有する
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃焼器。