JP2012032084A - 水素燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を所望の値以下に抑制可能な水素燃焼装置を提供する。
【解決手段】（１）式に従って、炎孔あたり出力（ｑ）、炎孔間距離（Ｄ）を設定することにより、所望のＮＯｘ値以下に抑えたバーナの設計が可能となる。なお、設定ＮＯｘ値は、対象燃焼装置の種類に対する法的規制等を考慮して、適宜選択することができる。Ｙ＝０．００３６Ｘ＋０．２２・・・・・（１）但し、Ｘ：ＮＯｘ値、ｙ：ｑ／√Ｄ。例えば、ＮＯｘ値２０ｐｐｍ以下が求められる場合には、ｑ／√Ｄ≦０．２９とすればよい。また、ＮＯｘ値４０ｐｐｍ、６０ｐｐｍ以下の場合には、それぞれｑ／√Ｄ≦０．３７、ｑ／√Ｄ≦０．４４とすればよい。
【選択図】図６

Description

本発明は、水素燃焼装置に係り、特に、燃焼排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を所望の値以下に抑制可能な水素燃焼装置に関する。

近年、燃焼によりＣＯ２を排出しない水素が、クリーンエネルギーとして注目されている。従来、水素の燃焼に関しては、水素と酸化剤（酸素又は空気）を燃焼部の上流側で予め混合する予混合燃焼方式が主である。
しかしながら水素の燃焼速度は著しく速いため、予混合燃焼方式を採用した場合、フラッシュバック（逆火）の危険性がある。従って、水素を燃料とする燃焼装置については、燃料と酸化剤とを別々に供給し、燃焼室内でこれらを混合させながら燃焼する拡散燃焼方式が適している。
従来、拡散燃焼方式の水素燃焼機器に関する開示は少ないが、例えば特許文献１が挙げられる。図７は、同文献による水素燃焼用バーナ１００の構成を示し、所定の間隔ｄを隔てて配置される金属製の第１の穴あき板１０１及び多孔性材料からなる第２の穴あき板１０２と、二つの穴あき板１０１，１０２により支持される多数の案内管１０３を備えている。各案内管１０３内には円筒状回転体からなる空気案内ピン１０５が挿入されている。空気案内ピン１０５は、先端に円板１０５ａを備え、かつ、軸方向に４つの案内通路１０５ｂを備えている。
かかる構成により水素燃焼用バーナ１００において、水素は穴あき板１０１，１０２により形成される分配室１０６に導入され、多孔性の穴あき板１０２の局部範囲で微細に分配され、この穴あき板１０２を通過して燃焼室１０７に入る。一方、空気は案内管１０３の案内通路１０５ｂを通って燃焼室１０７に導入され、円板１０５ａによる変向により円錐外周壁の形をした空気流が生じ、燃焼室１０７内で水素と混合して回転対称の拡散炎を形成する。

特開平９−１７８１２８号公報

しかしながら同文献には、隣接する炎孔間の距離について規定されておらず、燃焼量（インプット）が大きい場合には、隣接する炎孔が一体化して隣接する火炎同士が接触して局所的に高温になる箇所が生じて、窒素酸化物濃度の増加や熱効率の低下などの懸念がある。また、バーナ構造が複雑であるため、機器コストが高くなるという問題もある。

出願人らは、水素拡散燃焼に関して鋭意研究の結果、隣接炎孔間の離隔距離と炎孔あたり燃焼出力を適切に設定することにより、ＮＯｘ値を所定の値以下に抑制できることを見出し、試験により確認して本発明を完成した。
本発明は、以下の内容を要旨とする。すなわち、本発明に係る水素燃焼装置は、
（１）複数の炎孔から水素ガスを噴出させて、拡散燃焼方式により水素を燃焼させる水素燃焼装置であって、許容ＮＯｘ値（Ｘ）（但し、１０ｐｐｍ≦Ｘ≦７０ｐｐｍ）に対して、隣接する炎孔の両端間距離Ｄ（ｍｍ）及び単位炎孔あたり出力ｑ（ｋＷ）を、
ｑ／√Ｄ≦０．００３６Ｘ＋０．２２
となるように炎孔を配列して成ることを特徴とする。
（２）上記（１）の発明において、前記離隔距離（Ｄ）と前記単位炎孔あたり燃焼出力（ｑ）を、
ｑ／√Ｄ≦０．２９
となるように炎孔を配列して成ることを特徴とする。
（３）上記（１）の発明において、前記離隔距離（Ｄ）と前記単位炎孔あたり燃焼出力（ｑ）を、
ｑ／√Ｄ≦０．３７
となるように炎孔を配列して成ることを特徴とする。
（２）上記（１）の発明において、前記離隔距離（Ｄ）と前記単位炎孔あたり燃焼出力（ｑ）を、
ｑ／√Ｄ≦０．４４
となるように炎孔を配列して成ることを特徴とする。

図２は、後述する燃焼装置（図４参照）の上面中心部に単炎孔を設け、Ｈ２ガスを燃焼させたときの、出力（流量）（ｋＷ）と火炎長（ｍｍ）の関係を、炎孔径をパラメータとして示したものである。同図より、流量増加に比例して火炎長が伸びることが分かる。この場合、炎孔径が小さいほど燃焼量増加に対する炎長増加率は顕著である。
また図３は、Ｈ２又はＣＨ４ガスについて、炎孔径をパラメータとして出力（ｋＷ）とＮＯｘ値（ｐｐｍ）の関係を示したものである。同図より、ＣＨ４については出力が増加してもＮＯｘ値の変化は少ないのに対して、Ｈ２については出力増加に比例して、ＮＯｘ値が増加することが分かる。

一般に、火炎長が長くなるほど火炎が被加熱物等に接触して局所的に高温になる箇所が生じ、窒素酸化物濃度の増加や熱効率の低下などの不都合が生じる。従って、１火炎あたりの燃焼量を少なくし、水素を噴出する炎孔の面積を増やすことにより、火炎長を短くすることが適当である。この場合、隣り合う火炎同士が接触せず、互いに独立火炎を維持できることが条件となる。上記知見に基づいて、次に実際の燃焼装置に適用するため、複数炎孔の場合の最適炎孔配置について検討する。

具体的には、後述の図６より導出される（１）式に従って、炎孔あたり出力（ｑ）、炎孔間距離（Ｄ）を設定することにより、所望のＮＯｘ値以下に抑えたバーナの設計が可能となる。なお、設定ＮＯｘ値は、対象燃焼装置の種類に対する法的規制等を考慮して、適宜選択することができる。
Ｙ＝ ０．００３６Ｘ ＋ ０．２２・・・・・（１）
ここに、Ｘ：ＮＯｘ値、Ｙ：ｑ／√Ｄ
例えば、ＮＯｘ値２０ｐｐｍ以下が求められる場合には、ｑ／√Ｄ≦０．２９とすればよい。また、ＮＯｘ値４０ｐｐｍ、６０ｐｐｍ以下の場合には、それぞれｑ／√Ｄ≦０．３７、ｑ／√Ｄ≦０．４４ とすればよい。

本発明によれば、燃焼装置のタイプに応じてＮＯｘ値に関する法的規制などに応じて、所定の値以下に抑制できる燃焼機器の設計が可能となる。
また、本発明によればバーナ構造が簡易であるため、コストダウンが容易に実現できるという効果がある。

本発明の一実施形態に係る水素燃焼装置１の平面図である。 水素燃焼装置１の側面図である。 Ｈ２について、炎孔径をパラメータとした単炎孔拡散燃焼の場合の出力−炎長の関係を示す図である。 Ｈ２、ＣＨ４について、単炎孔拡散燃焼の場合の出力−ＮＯｘ値の関係を示す図である。 実施例の燃焼試験装置の概略構成を示す図である。 炎孔間距離（Ｄ）をパラメータとしたＨ２拡散燃焼における出力−ＮＯｘ値の関係を示す図である（実施例）。 炎孔間距離（Ｄ）をパラメータとした、ＮＯｘ値とｑ／√Ｄの関係を示す図である。 従来の拡散式水素燃焼バーナ１００の構成を示す図である。

以下、本発明に係る水素燃焼装置の実施形態について、さらに詳細に説明する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。
図１（ａ）、１（ｂ）を参照して、本発明の一実施形態に係る水素燃焼装置１は、３重に形成され、いずれもリング形状の外側バーナ２ａと、中側バーナ２ｂと、内側バーナ２ｃと、これら各バーナに水素ガスを供給するための供給配管４ａ〜４ｃと、各供給配管に介装される流量調整弁５ａ〜５ｃと、を主要構成として備えている。各バーナは、隣接バーナの炎孔により燃焼に影響を受けることなく、独立火炎が維持されるようにリング径Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃが設定されている。なお、図示を省略するが、水素燃焼装置１には、水平設置状態で同図の配置を保持するための支持部が設けられている。
各バーナの上側面の円周上には、一列に水素ガス噴出用の複数の炎孔３ａ−３ｃが設けられている。各バーナの炎孔径、総炎孔数、炎孔間距離（中心間及び両端間）、総インプット、炎孔あたり出力は、それぞれ表１のように設定されている。また、炎孔あたり出力（ｑ）と炎孔間距離（Ｄ）は、式（２−１）〜（２−３）の関係が成立するように設定されている。
バーナ２ａにつき、 ｑａ／√Ｄａ≦０．２９ ・・・・（２−１）
バーナ２ｂにつき、 ｑｂ／√Ｄｂ≦０．２９ ・・・・（２−２）
バーナ２ｃにつき、 ｑｃ／√Ｄｃ≦０．２９ ・・・・（２−３）

各バーナの流量調整弁５ａ−５ｃは、それぞれ独立に流量を調整できるように構成されており、必要出力に対応して適宜、燃焼バーナ本数、インプットを調整可能としている。
水素燃焼装置１は以上のように構成されており、これにより最小インプット０から最大インプット（Ｑａ＋Ｑｂ＋Ｑｃ）の範囲で、ＮＯｘ値２０ｐｐｍ以下で燃焼させることができる。

なお、本実施形態では各バーナの炎孔径をそれぞれ異なる構成としたが、炎孔あたり出力（ｑ）と炎孔間距離（Ｄ）が、式（２−１）〜（２−３）を満足する範囲であれば同一炎孔径であってもよい。
また、本実施形態ではＮＯｘ値２０ｐｐｍ以下を想定したバーナ設定値としているが、法的規制等を考慮して適宜、設定値を選択することができる。
また、バーナ本数についても３本に限定されることなく、各バーナ炎孔径、総炎孔数、炎孔間距離等が上式を満足すれば、任意のバーナ本数を選択することができる。

以下、本発明の妥当性を実証するために行った試験の内容について説明する。
図４に示すように、燃焼装置の上面中央部に３個の炎孔を一列に配設した試験装置を用いて、水素を供給し燃焼させてＮＯｘ値を測定した。炎孔径、炎孔間隔（両端間）、炎孔あたり出力の組み合わせは表２の通りである。

図５に、各炎孔間隔における単位出力とＮＯｘ値の関係を示す。さらに、同図より、各炎孔間隔についてＮＯｘ値が２０，４０，６０ｐｐｍのときの炎孔あたり出力を求め、このときのｑ／√Ｄの値をプロットして図６を得た。同図より、同一ＮＯｘ値のときのｑ／√Ｄの値は、炎孔間隔に関わらずほぼ同一であることが分かった。
この場合の一次回帰式は、Ｘ：ＮＯｘ値、Ｙ：ｑ／√Ｄとすると、
Ｙ＝０．００３６Ｘ＋０．２２ ・・・・（１）
で表される。
以上のことから、
ｑ／√Ｄ≦０．００３６Ｘ＋０．２２・・・・（１’）
を満たすように、隣接炎孔の両端間距離及び単位炎孔あたり出力をバーナ設計することにより、少なくとも１０−７０ｐｐｍの範囲で、ＮＯｘ値（ｘ）を所望の値以下に抑制可能となる。

本発明は、家庭用、業務用、産業用等の用途を問わず、水素拡散燃焼バーナを搭載した燃焼装置に広く適用可能である。

１・・・・水素燃焼装置
２ａ、２ｂ、２ｃ・・・・バーナ
３ａ、３ｂ、３ｃ・・・・炎孔
４ａ、４ｂ、４ｃ・・・・水素供給配管
５ａ、５ｂ、５ｃ・・・・流量調整弁

Claims (4)

1. 複数の炎孔から水素ガスを噴出させて、拡散燃焼方式により水素を燃焼させる水素燃焼装置であって、
   許容ＮＯｘ値（Ｘ）（但し、１０ｐｐｍ≦Ｘ≦７０ｐｐｍ）に対して、隣接する炎孔の両端間距離Ｄ（ｍｍ）及び単位炎孔あたり出力ｑ（ｋＷ）を、
   ｑ／√Ｄ≦０．００３６Ｘ＋０．２２
   となるように炎孔を配列して成ることを特徴とする水素燃焼装置。
2. 前記離隔距離（Ｄ）と前記単位炎孔あたり燃焼出力（ｑ）を、
   ｑ／√Ｄ≦０．２９
   となるように炎孔を配列して成ることを特徴とする請求項１に記載の水素燃焼装置。
3. 前記離隔距離（Ｄ）と前記単位炎孔あたり燃焼出力（ｑ）を、
   ｑ／√Ｄ≦０．３７
   となるように炎孔を配列して成ることを特徴とする請求項１に記載の水素燃焼装置。
4. 前記離隔距離（Ｄ）と前記単位炎孔あたり燃焼出力（ｑ）を、
   ｑ／√Ｄ≦０．４４
   となるように炎孔を配列して成ることを特徴とする請求項１に記載の水素燃焼装置。
   
   

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