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JP2014228164A - Design method for gas combustor - Google Patents

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JP2014228164A
JP2014228164A JP2013106180A JP2013106180A JP2014228164A JP 2014228164 A JP2014228164 A JP 2014228164A JP 2013106180 A JP2013106180 A JP 2013106180A JP 2013106180 A JP2013106180 A JP 2013106180A JP 2014228164 A JP2014228164 A JP 2014228164A
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三郎 湯浅
Saburo Yuasa
三郎 湯浅
毅司 櫻井
Takeshi Sakurai
毅司 櫻井
武夫 池田
Takeo Ikeda
武夫 池田
純子 井川
Junko Igawa
純子 井川
洋 押部
Hiroshi Oshibe
洋 押部
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Tokyo Gas Co Ltd
Tokyo Metropolitan Public University Corp
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Tokyo Gas Co Ltd
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Abstract

【課題】許容最大NOx濃度と所望の最大燃焼量に応じて、それに対応した所要の火炎存在領域を持つガス燃焼器を設計する方法を開示する。【解決手段】使用する燃料ガスに対応する燃焼負荷Xと発生するNOx濃度Yとの相関曲線Kを得、得ようとするガス燃焼器での所望の最大NOx濃度Yaと最大燃焼量Qaを設定し、相関曲線Kを用いて最大NOx濃度Yaに対応する燃焼負荷Xaを求め、燃焼負荷X=燃焼量Q/火炎存在領域Sから、火炎存在領域S=燃焼量Q/燃焼負荷Xであることを用い、最大燃焼量Qa/最大NOx濃度Yaに対応する燃焼負荷Xaの値となるようにガス燃焼器の火炎存在領域Sを設定する。炎口の間隔をA、噴射管1本当たりの炎口数をB、噴射管の間隔をC、噴射管の本数をDとした場合、火炎存在領域S=A?B?C?Dの条件を満たすように、A、B、C、Dの値を設定する。【選択図】図2Disclosed is a method for designing a gas combustor having a required flame existence region corresponding to an allowable maximum NOx concentration and a desired maximum combustion amount. A correlation curve K between a combustion load X corresponding to a fuel gas to be used and a generated NOx concentration Y is obtained, and a desired maximum NOx concentration Ya and a maximum combustion amount Qa in a gas combustor to be obtained are set. The combustion load Xa corresponding to the maximum NOx concentration Ya is obtained using the correlation curve K, and from the combustion load X = combustion amount Q / flame existence region S, the flame existence region S = combustion amount Q / combustion load X. Is used to set the flame existence region S of the gas combustor so as to be the value of the combustion load Xa corresponding to the maximum combustion amount Qa / maximum NOx concentration Ya. Assuming that the interval between the nozzles is A, the number of nozzles per injection tube is B, the interval between the injection tubes is C, and the number of injection tubes is D, the condition of the flame existence area S = A? B? C? D The values of A, B, C, and D are set so as to satisfy. [Selection] Figure 2

Description

本発明は、燃料としてガスを用いるガス燃焼器の設計方法に関する。   The present invention relates to a method for designing a gas combustor that uses a gas as a fuel.

燃料ガスとして炭化水素系の燃料ガスを用いるガス燃焼器は広く用いられており、また、近年になり、燃焼させても水しか生成せず、炭化水素系燃料と比べて温室効果ガスを発生しないことから、水素ガスを燃料ガスとして用いるガス燃焼器も提案されている。また、これらのガス燃焼器において、燃焼排ガス中に含まれるNOx濃度を低減することも課題となっており、いくつかの提案がされている。   Gas combustors that use hydrocarbon-based fuel gas as fuel gas have been widely used, and in recent years, only water is produced even when burned, and greenhouse gases are not generated compared to hydrocarbon-based fuel. Therefore, a gas combustor using hydrogen gas as a fuel gas has also been proposed. Moreover, in these gas combustors, reducing the NOx concentration contained in the combustion exhaust gas is also an issue, and several proposals have been made.

例えば、特許文献1では、濃淡予混合燃焼を利用したガス燃焼器において、複数の第1および第2のバーナーをもってバーナー群を構成し、燃焼時、第1または第2のバーナーに対する燃焼量を段階的に変更可能にするとともに、前記第1のバーナーの火炎に対して前記第2のバーナーの火炎を種火として機能させるようにすることで、低NOxを可能としたガス燃焼器が提案されている。特許文献2には、燃料領域を著しく増やすことによって、拡散燃焼の従来のバーナーと比べてNOx発生を大幅に減らすことができるようにした、水素を拡散燃焼する方法とこの方法を実施するためのバーナーが提案されている。特許文献3には、水素の拡散燃焼において、炎口間隔を適切に設定することで、NOx濃度を所望の値以下にするようにした水素燃焼装置が提案されている。   For example, in Patent Document 1, in a gas combustor using light and dark premixed combustion, a burner group is configured by a plurality of first and second burners, and the amount of combustion with respect to the first or second burner is staged during combustion. And a gas combustor that enables low NOx by allowing the flame of the second burner to function as a seed flame with respect to the flame of the first burner. Yes. Patent Document 2 discloses a method for diffusively burning hydrogen and a method for implementing this method, in which NOx generation can be significantly reduced by significantly increasing the fuel region as compared with a conventional burner for diffusion combustion. A burner has been proposed. Patent Document 3 proposes a hydrogen combustion apparatus in which the NOx concentration is set to a desired value or less by appropriately setting the interval between the flame openings in the diffusion combustion of hydrogen.

特開平10−68507号公報JP-A-10-68507 特開平9−178128号公報JP-A-9-178128 特開2012−32084号公報JP 2012-32084 A

従来のガス燃焼器においては、発生するNOx濃度を低減するために、バーナーを構造的にどのように改良すべきか、また、燃焼火炎をどのように設定すべきか、について提案がなされかつ実行されており、低NOxガス燃焼器として有効に利用されている。   In conventional gas combustors, proposals have been made and implemented on how to structurally improve the burner and how to set the combustion flame to reduce the concentration of NOx produced. It is effectively used as a low NOx gas combustor.

一方、ガス燃焼器を使用する環境に応じて、燃焼時に許容される最大NOx濃度が異なる場合があり、また、一般に、利用者側で当該ガス燃焼器に求める最大燃焼量も異なっている。それで、許容最大NOx濃度と所望の最大燃焼量に応じて、それに対応した火炎存在領域を持つガス燃焼器を得ることができれば、そのガス燃焼器は、発生するNOx濃度を低減する観点からより有効なガス燃焼器となると考えられるが、そのような観点からのガス燃焼器の設計方法は提案されていない。   On the other hand, depending on the environment in which the gas combustor is used, the maximum NOx concentration allowed at the time of combustion may differ, and generally, the maximum combustion amount required for the gas combustor on the user side also differs. Therefore, if a gas combustor having a flame existence region corresponding to the allowable maximum NOx concentration and the desired maximum combustion amount can be obtained, the gas combustor is more effective from the viewpoint of reducing the generated NOx concentration. However, no design method for the gas combustor from such a viewpoint has been proposed.

本発明は、上記の観点からなされたものであり、許容最大NOx濃度と所望の最大燃焼量に応じて、それに対応した火炎存在領域を持つガス燃焼器を容易に設計することのできるガス燃焼器の設計方法を開示することを課題とする。   The present invention has been made from the above viewpoint, and can easily design a gas combustor having a flame existence region corresponding to an allowable maximum NOx concentration and a desired maximum combustion amount. It is an object to disclose a design method.

本発明者らは、ガス燃焼器に使用する燃料ガスは、その種類ごとに、燃焼負荷X(W/cm)と発生するNOx濃度Y(ppm)との間に固有の相関曲線Kを有していることに着目し、その固有の相関曲線Kを利用することで、許容最大NOx濃度と所望の最大燃焼量に応じて、それに対応した火炎存在領域を持つガス燃焼器を容易に設計できることを知見し、本発明をなすに到った。 The present inventors have an inherent correlation curve K between the combustion load X (W / cm 2 ) and the generated NOx concentration Y (ppm) for each type of fuel gas used in the gas combustor. By using the characteristic correlation curve K, it is possible to easily design a gas combustor having a flame existence region corresponding to the maximum allowable NOx concentration and the desired maximum combustion amount. As a result, they have reached the present invention.

すなわち、本発明によるガス燃焼器の設計方法は、使用する燃料ガスに対応する燃焼負荷X(W/cm)と発生するNOx濃度Y(ppm)との相関曲線Kを求める行程と、得ようとするガス燃焼器での所望の最大NOx濃度Ya(ppm)と最大燃焼量Qa(W)を設定する行程と、前記相関曲線Kを用いて前記最大NOx濃度Ya(ppm)に対応する燃焼負荷Xa(W/cm)を求める行程と、を備え、燃焼負荷X(W/cm)=燃焼量Q(W)/火炎存在領域Sから、火炎存在領域S=燃焼量Q(W)/燃焼負荷X(W/cm)であることを用い、最大燃焼量Qa(W)/最大NOx濃度Ya(ppm)に対応する燃焼負荷Xa(W/cm)の値となるように当該ガス燃焼器の火炎存在領域Sを設定することを特徴とする。 That is, the method for designing a gas combustor according to the present invention includes a process for obtaining a correlation curve K between the combustion load X (W / cm 2 ) corresponding to the fuel gas used and the NOx concentration Y (ppm) generated. The process of setting the desired maximum NOx concentration Ya (ppm) and the maximum combustion amount Qa (W) in the gas combustor and the combustion load corresponding to the maximum NOx concentration Ya (ppm) using the correlation curve K Xa (W / cm 2 ), and a combustion load X (W / cm 2 ) = combustion amount Q (W) / flame existence region S, flame existence region S = combustion amount Q (W) / Using the combustion load X (W / cm 2 ), the gas is adjusted so that the combustion load Xa (W / cm 2 ) corresponds to the maximum combustion amount Qa (W) / maximum NOx concentration Ya (ppm). It sets the flame existence area S of the combustor And

本発明による設計方法で製造される火炎存在領域Sを備えたガス燃焼器では、予め設定した最大燃焼量Qa(W)以下の燃焼量で運転すれば、燃焼排ガスに含まれるNOx濃度は、そのガス燃焼器の使用環境で許容される最大NOx濃度Ya(ppm)を超えることはなく、環境に優しいガス燃焼器となる。   In the gas combustor having the flame existence region S manufactured by the design method according to the present invention, the NOx concentration contained in the combustion exhaust gas is calculated by operating at a combustion amount equal to or less than the preset maximum combustion amount Qa (W). The maximum NOx concentration Ya (ppm) allowed in the environment where the gas combustor is used is not exceeded, and the gas combustor is friendly to the environment.

本発明において、使用する燃料ガスの種類に制限はなく、水素ガスであってもよく、炭化水素系の燃料ガスであってもよい。燃焼方法も、拡散燃焼であってもよく、予混合燃焼であってもよい。   In the present invention, the type of fuel gas to be used is not limited, and may be hydrogen gas or hydrocarbon fuel gas. The combustion method may also be diffusion combustion or premixed combustion.

なお、本発明において、「火炎存在領域S」とは、炎口に形成される火炎の全体を平面視したときに、火炎の外縁によって形成される領域をいっており、燃焼器が複数個の炎口を等しい密度で分布しているものにあっては、最も周縁に位置する火炎の外縁を結ぶ仮想線によって囲まれる領域をいっている。   In the present invention, the “flame existence area S” refers to an area formed by the outer edge of the flame when the entire flame formed in the flame opening is viewed in plan, and there are a plurality of combustors. In the case where the craters are distributed at an equal density, a region surrounded by an imaginary line connecting the outer edges of the flame located at the most peripheral edge is described.

本発明によるガス燃焼器の設計方法のより具体的な態様は、2本以上の噴射管が平行かつ等間隔に配置されており、各噴射管には等間隔に2個以上の炎口が形成されているガス燃焼器を設計する方法であって、前記炎口の間隔をA(cm)、噴射管1本当たりの炎口数をB、噴射管の間隔をC(cm)、噴射管の本数をDとし、火炎存在領域S=A×B×C×Dと定義するとともに、(a)使用する燃料ガスに対応する燃焼負荷X(W/cm)と発生するNOx濃度Y(ppm)との相関曲線Kを得る行程と、(b)得ようとするガス燃焼器での所望の最大NOx濃度Ya(ppm)と最大燃焼量Qa(W)を設定する行程と、(c)前記相関曲線Kを用いて最大NOx濃度Ya(ppm)に対応する燃焼負荷Xa(W/cm)を求める行程と、を備え、燃焼負荷X(W/cm)=燃焼量Q(W)/火炎存在領域Sから、火炎存在領域S=燃焼量Q(W)/燃焼負荷X(W/cm)であることを用い、最大燃焼量Qa(W)/最大NOx濃度Ya(ppm)に対応する燃焼負荷Xa(W/cm)の値が前記火炎存在領域Sとなるように、前記A、B、C、Dの値を設定することを特徴とする。 A more specific aspect of the method for designing a gas combustor according to the present invention is that two or more injection tubes are arranged in parallel and at equal intervals, and each injection tube has two or more flame ports formed at equal intervals. A method of designing a gas combustor, in which the interval between the flame ports is A (cm), the number of flame ports per one injection tube is B, the interval between the injection tubes is C (cm), and the number of injection tubes Is defined as D, and the flame existence region S = A × B × C × D, and (a) the combustion load X (W / cm 2 ) corresponding to the fuel gas used and the generated NOx concentration Y (ppm) (B) a step of setting a desired maximum NOx concentration Ya (ppm) and a maximum combustion amount Qa (W) in the gas combustor to be obtained; and (c) the correlation curve. Using K, the combustion load Xa (W / cm 2 ) corresponding to the maximum NOx concentration Ya (ppm) is obtained. And from the combustion load X (W / cm 2 ) = combustion amount Q (W) / flame existence region S, flame existence region S = combustion amount Q (W) / combustion load X (W / cm 2 ) A, B so that the value of the combustion load Xa (W / cm 2 ) corresponding to the maximum combustion amount Qa (W) / maximum NOx concentration Ya (ppm) becomes the flame existence region S. , C, D values are set.

上記の設計方法で製造された前記A、B、C、Dで定義される矩形状の火炎存在領域Sを備えたガス燃焼器において、予め設定した最大燃焼量Qa(W)以下の燃焼量で運転すれば、燃焼排ガスに含まれるNOx濃度は、そのガス燃焼器の使用環境で許容される最大NOx濃度Ya(ppm)を超えることはなく、環境に優しいガス燃焼器となる。   In the gas combustor having the rectangular flame existence region S defined by the A, B, C, and D manufactured by the above design method, the combustion amount is equal to or less than the preset maximum combustion amount Qa (W). If it is operated, the NOx concentration contained in the combustion exhaust gas does not exceed the maximum NOx concentration Ya (ppm) allowed in the environment in which the gas combustor is used, and it becomes an environmentally friendly gas combustor.

上記の設計方法で製造されたガス燃焼器において、1つの火炎が必要以上に大きくなる、あるいは隣接する炎口に形成される火炎同士が合体すると、燃焼排ガス中のNOx濃度が高くなる恐れがある。そのために、火炎をできるだけ小さくすること、また各々の炎口に形成される火炎が、隣接する炎口に形成される火炎と独立する状態に、炎口の径および各炎口間の間隔を設定することが望ましい。実際のガス燃焼器の設計に当たっては、実験をとおして、燃料ガスの種類や所要の火炎存在領域Sに対応した最適の炎口の間隔:A(cm)、噴射管1本当たりの炎口数:B、噴射管の間隔:C(cm)、噴射管の本数:D、炎口径:Eの値を設定することとなるが、本発明者らの実験では、使用する燃料ガスが水素であり、炎口径:Eが好ましは0.03cm以下であって、炎口の間隔:Aが0.63cm以上、噴射管の間隔:Cが0.95cm以上の値を用いることにより、小型の火炎を形成することができ、NOxの発生を効果的に抑制できることを知った。   In the gas combustor manufactured by the above design method, when one flame becomes larger than necessary or when flames formed in adjacent flame ports are combined, the NOx concentration in the combustion exhaust gas may be increased. . For that purpose, the flame diameter and the interval between each flame mouth are set so that the flame is made as small as possible, and the flame formed in each flame mouth is independent of the flame formed in the adjacent flame mouth. It is desirable to do. In designing an actual gas combustor, through experiments, the optimum flame interval corresponding to the type of fuel gas and the required flame presence area S: A (cm), the number of flame ports per injection tube: B, the interval between the injection pipes: C (cm), the number of injection pipes: D, the diameter of the flame opening: E, the fuel gas to be used is hydrogen in our experiments, Flame diameter: E is preferably 0.03 cm or less, Flame interval: A is 0.63 cm or more, and injection pipe interval: C is 0.95 cm or more. It was found that NOx generation can be effectively suppressed.

従って、前記炎口の間隔をA(cm)、噴射管1本当たりの炎口数をB、噴射管の間隔をC(cm)、噴射管の本数をDとし、火炎存在領域S=A×B×C×Dと定義するようにした上記のガス燃焼器の設計方法において、小型の火炎を形成すること、さらに使用する燃料ガスが水素の場合には、炎口径が0.03cm以下、炎口の間隔Aとして0.63cm以上、噴射管の間隔Cとして0.95cm以上の値を用いることは、好ましい態様となる。   Therefore, the flame interval is A (cm), the number of flame ports per injection tube is B, the interval between injection tubes is C (cm), the number of injection tubes is D, and the flame existence area S = A × B In the above gas combustor design method defined as xCxD, a small flame is formed, and when the fuel gas used is hydrogen, the flame diameter is 0.03 cm or less. It is preferable to use a value of 0.63 cm or more as the interval A and 0.95 cm or more as the interval C of the injection tube.

本発明の設計方法を用いることにより、許容最大NOx濃度と所望の最大燃焼量に応じて、それに対応した所要の火炎存在領域を持つガス燃焼器を容易に設計することができるようになる。   By using the design method of the present invention, it becomes possible to easily design a gas combustor having a required flame existence region corresponding to the allowable maximum NOx concentration and the desired maximum combustion amount.

使用する燃料ガスに対応する燃焼負荷X(W/cm)と発生するNOx濃度Y(ppm)との相関曲線Kの一例を示すグラフ。The graph which shows an example of the correlation curve K of the combustion load X (W / cm < 2 >) corresponding to the fuel gas to be used, and the NOx density | concentration Y (ppm) to generate | occur | produce. 燃焼器の一例とその火炎存在領域を説明する図。The figure explaining an example of a combustor and the flame presence area | region. 炎口の間隔の違いにより隣接する火炎が合体した状態(a)と合体しない状態(b)を示す写真。The photograph which shows the state (b) which does not unite the state (a) which the adjacent flame united | combined by the difference in the space | interval of a flame mouth. 噴射管の間隔の違いにより隣接する火炎が合体した状態(a)と合体しない状態(b)を示す写真。The photograph which shows the state (b) which does not unite the state (a) which the adjacent flame united | combined by the difference in the space | interval of an injection pipe.

以下、本発明によるガス燃焼器の設計方法を実施の形態に基づき説明する。   Hereinafter, a method for designing a gas combustor according to the present invention will be described based on embodiments.

(1)最初に、使用する燃料ガスに対応する燃焼負荷X(W/cm)と発生するNOx濃度Y(ppm)との相関曲線Kを求める。具体的には、1個または複数個の炎口を備えた1本または複数本の噴射管を用意し、燃料ガスの燃焼量Q(燃料ガスの噴出流速)を変化させて燃焼を行い、燃焼排ガス中のNOx濃度を測定し、それを用いて、図1に示すようなグラフを作成する。 (1) First, a correlation curve K between the combustion load X (W / cm 2 ) corresponding to the fuel gas to be used and the generated NOx concentration Y (ppm) is obtained. Specifically, one or a plurality of injection pipes having one or a plurality of flame openings are prepared, and combustion is performed by changing the combustion amount Q (fuel gas injection flow rate) of the fuel gas. The NOx concentration in the exhaust gas is measured, and a graph as shown in FIG. 1 is created using the measured NOx concentration.

なお、ここで、燃焼量Q:燃焼器に供給する燃料量、燃焼面積S:燃焼器において燃焼火炎が形成される面積、燃焼負荷X:X=Q/S(すなわち、単位燃焼面積あたりの燃焼量)、NOx濃度Y:燃焼排ガス単位体積当たりに含まれるNOxの量、を意味するものとし、図1に示すグラフにおいて、NOx濃度Yは、燃焼排ガスをサンプリングして分析し、NOxと同時に計測している酸素濃度から、下記換算式(式1)により、O=0%換算することで算出した。
換算式:NOx濃度Y(ppm:O=0%)=NOx濃度(ppm)×21/(21−O濃度(%)):式1
Here, the combustion amount Q: the amount of fuel supplied to the combustor, the combustion area S: the area where the combustion flame is formed in the combustor, the combustion load X: X = Q / S (that is, the combustion per unit combustion area) 1), NOx concentration Y: means the amount of NOx contained per unit volume of combustion exhaust gas. In the graph shown in FIG. 1, NOx concentration Y is measured by sampling combustion exhaust gas and analyzing it simultaneously with NOx. The oxygen concentration was calculated by converting O 2 = 0% by the following conversion formula (Formula 1).
Conversion formula: NOx concentration Y (ppm: O 2 = 0%) = NOx concentration (ppm) × 21 / (21−O 2 concentration (%)): Formula 1

(2)次に、得ようとするガス燃焼器での所望の最大NOx濃度Ya(ppm)と最大燃焼量Qa(W)を設定する。一例として、最大NOx濃度Ya(ppm)を23ppm、最大燃焼量Qa(W)を350Wと設定する。 (2) Next, the desired maximum NOx concentration Ya (ppm) and the maximum combustion amount Qa (W) in the gas combustor to be obtained are set. As an example, the maximum NOx concentration Ya (ppm) is set to 23 ppm, and the maximum combustion amount Qa (W) is set to 350 W.

(3)次に、前記相関曲線Kを用いて前記最大NOx濃度Ya(ppm)(23ppm)に対応する燃焼負荷Xa(W/cm)を求める。ここでは、前記燃焼負荷Xa(W/cm)は24.5(W/cm)とする。 (3) Next, the combustion curve Xa (W / cm 2 ) corresponding to the maximum NOx concentration Ya (ppm) (23 ppm) is obtained using the correlation curve K. Here, the combustion load Xa (W / cm 2 ) is 24.5 (W / cm 2 ).

(4)次に、燃焼負荷X(W/cm)は燃焼量Q(W)/火炎存在領域Sであることから、火炎存在領域Sは燃焼量Q(W)/燃焼負荷X(W/cm)と表すことができるので、この式を用い、最大燃焼量Qa(W)(350W)/最大NOx濃度Ya(ppm)(23ppm)に対応する燃焼負荷Xa(W/cm)(24.5(W/cm)の値となるように当該ガス燃焼器の火炎存在領域Sを設定する。 (4) Next, since the combustion load X (W / cm 2 ) is the combustion amount Q (W) / flame existence region S, the flame existence region S is the combustion amount Q (W) / combustion load X (W / since it can be expressed as cm 2), using this equation, the maximum combustion amount Qa (W) (350W) / maximum NOx concentration Ya (ppm) (23ppm) corresponding to the combustion load Xa (W / cm 2) ( 24 The flame existence area S of the gas combustor is set so as to have a value of .5 (W / cm 2 ).

(5)そのようにして設定された火炎存在領域Sを備えたガス燃焼器は、前記した最大燃焼量Qa(W)(350W)以下の燃焼量で運転すれば、予め設定した最大NOx濃度Ya(23ppm)以下での運転が可能となる。 (5) If the gas combustor having the flame existence region S set as described above is operated at a combustion amount equal to or less than the maximum combustion amount Qa (W) (350 W), the preset maximum NOx concentration Ya Operation at (23 ppm) or less is possible.

(6)一つの例として、設計しようとするガス燃焼器1が、図2に示すように、2本以上の噴射管(図示のものでは4本の噴射管)2が平行かつ等間隔に配置されており、各噴射管2には等間隔に2個以上の炎口(図示のものでは10個の炎口)3が形成されているガス燃焼器1である場合、前記炎口3の間隔をA(cm)、噴射管2の1本当たりの炎口数をB、噴射管2の間隔をC(cm)、噴射管2の本数をDとし、その火炎存在領域Sを、A×B×C×Dとして定義した場合、図2に示す形態のガス燃焼器1においては、前記最大燃焼量Qa(W)(350W)/最大NOx濃度Ya(ppm)(23ppm)に対応する燃焼負荷Xa(W/cm)(24.5(W/cm)の値となるように、前記A、B、C、Dの値を適宜選択して火炎存在領域Sを設定することで、所期のガス燃焼器を得ることができる。 (6) As an example, the gas combustor 1 to be designed has two or more injection tubes (four injection tubes in the figure) 2 arranged in parallel and at equal intervals as shown in FIG. In the case of the gas combustor 1 in which two or more flame ports (10 flame ports in the illustrated example) 3 are formed at equal intervals in each injection pipe 2, the interval between the flame ports 3. Is A (cm), B is the number of flame ports per injection tube 2, C (cm) is the interval between the injection tubes 2, D is the number of injection tubes 2, and the flame existence area S is A × B × When defined as C × D, in the gas combustor 1 of the form shown in FIG. 2, the combustion load Xa (corresponding to the maximum combustion amount Qa (W) (350 W) / maximum NOx concentration Ya (ppm) (23 ppm). W / cm 2 ) (24.5 (W / cm 2 ) so that the values of A, B, C, and D are appropriately selected. By setting the flame existence area S, the desired gas combustor can be obtained.

以下、実施例により本発明を説明する。   Hereinafter, the present invention will be described by way of examples.

(1)相関曲線Kの設定
燃料ガスとして水素を用い、直径が0.03cmである炎口を0.63cm間隔で6個形成した噴射管を用い、燃焼量Q(水素の噴出流速)を弱火から強火まで複数に変化させて燃焼を行った。燃焼量ごとに前記式1によりNOx濃度Y(ppm:O=0%)を測定し、それを連続した曲線として結ぶことで、図1に示す燃焼負荷X(W/cm)と発生するNOx濃度Y(ppm)との相関曲線Kを得た。なお、燃焼は常温、大気圧で行い、空気は自然対流で供給されるようにした。実験において、形成される火炎はすべての燃焼量において、分割された小型の火炎であり、隣接する火炎同士が合体することはなかった。
(1) Setting of correlation curve K Using hydrogen as the fuel gas and using an injection pipe formed with six flame outlets with a diameter of 0.03 cm at intervals of 0.63 cm, the combustion amount Q (hydrogen injection flow rate) is low. It was burned by changing from multiple to high fire. The NOx concentration Y (ppm: O 2 = 0%) is measured for each combustion amount according to the above equation 1, and is connected as a continuous curve, thereby generating the combustion load X (W / cm 2 ) shown in FIG. A correlation curve K with NOx concentration Y (ppm) was obtained. Combustion was performed at room temperature and atmospheric pressure, and air was supplied by natural convection. In the experiment, the flame formed was a small flame divided in all combustion amounts, and adjacent flames did not merge.

(2)最大NOx濃度Ya(ppm)と最大燃焼量Qa(W)の設定
下記の表1に示すように最大NOx濃度Ya(ppm)と最大燃焼量Qa(W)を設定した。
(2) Setting of maximum NOx concentration Ya (ppm) and maximum combustion amount Qa (W) As shown in Table 1 below, maximum NOx concentration Ya (ppm) and maximum combustion amount Qa (W) were set.

(3)次に、燃焼負荷X(W/cm)=燃焼量Q(W)/火炎存在領域Sであり、火炎存在領域S=燃焼量Q(W)/燃焼負荷X(W/cm)であることから、各実施例について、最大燃焼量Qa(W)/最大NOx濃度Ya(ppm)に対応する燃焼負荷Xa(W/cm)を求め、その値となるように火炎存在領域S(cm)を演算した。その結果を表1に示した。 (3) Next, combustion load X (W / cm 2 ) = combustion amount Q (W) / flame existence region S, and flame existence region S = combustion amount Q (W) / combustion load X (W / cm 2) Therefore, for each of the examples, the combustion load Xa (W / cm 2 ) corresponding to the maximum combustion amount Qa (W) / maximum NOx concentration Ya (ppm) is obtained, and the flame existence region is set to the value. S (cm 2 ) was calculated. The results are shown in Table 1.

(4)ガス燃焼器の設計
ガス燃焼器として、2本以上の噴射管が平行かつ等間隔に配置されており、各噴射管には等間隔に2個以上の炎口が形成されているガス燃焼器を設計するものとし、炎口の間隔をA(cm)、噴射管1本当たりの炎口数をB、噴射管の間隔をC(cm)、噴射管の本数をDとし、火炎存在領域S=A×B×C×Dと定義した。そして、実施例1〜3については、火炎存在領域Sを満足するものとして、炎口径:Eが0.03cm、炎口の間隔:Aが0.63cm、噴射管1本当たりの炎口数:Bが6個、噴射管の間隔:Cが0.95cm、噴射管の間隔:Dが4本とした燃焼器を設計した。また、実施例4〜6については、炎口径:Eが0.03cm、炎口の間隔:Aが0.63cm、噴射管1本当たりの炎口数:Bが14個、噴射管の間隔:Cが0.95cm、噴射管の本数:Dが24本とした燃焼器を設計した。
(4) Gas combustor design As a gas combustor, two or more injection pipes are arranged in parallel and at equal intervals, and each injection pipe has two or more flame ports formed at equal intervals. Assume that the combustor is designed, the interval between the flame ports is A (cm), the number of flame ports per injection tube is B, the interval between the injection tubes is C (cm), the number of injection tubes is D, and the flame existence area S = A × B × C × D. And about Examples 1-3, the flame diameter: E is 0.03 cm, the space | interval of a flame mouth: A is 0.63 cm, and the flame mouth number per injection tube: B as satisfying the flame presence area | region S A combustor was designed with 6 nozzles, spray tube spacing: C of 0.95 cm, and spray tube spacing: D of 4. Further, in Examples 4 to 6, the flame diameter: E is 0.03 cm, the gap between the flame openings: A is 0.63 cm, the number of flame holes per one injection pipe: B is 14, the gap between the injection pipes: C Was designed to be 0.95 cm and the number of injection tubes: D was 24.

(5)実施例1〜6について得たガス燃焼器を用いて、設定した最大燃焼量Qa(W)での燃焼実験を行い、実際に発生したNOx量を測定した。その結果を表1に示した。

Figure 2014228164
(5) Using the gas combustors obtained for Examples 1 to 6, a combustion experiment was performed at the set maximum combustion amount Qa (W), and the amount of NOx actually generated was measured. The results are shown in Table 1.
Figure 2014228164

(6)考察
表1に示すように、本発明の設計方法によって設計されたガス燃焼器は、設定した最大燃焼量Qa(W)で燃焼させた場合でも、燃焼排ガス中のNOx濃度は、予め設定した最大NOx濃度Ya(ppm)を超えることはなかった。このときの火炎の状態は、図3(b)や図4(b)のように、各々の炎口に形成される火炎が、隣接する炎口に形成される火炎と独立する状態であった。炎口径と燃料の種類が影響する拡散の特性時間が、火炎の炎口径に対する長さとそこを通過する燃料の流速が影響する反応の特性時間より短い場合には、小型の火炎により火炎温度が必要以上に高温になるのを避けることができ、NOx低減することが可能となる。このことは、使用環境等から要請されるNOx排出量規制に適合したガス燃焼器を、本発明による設計方法に従うことにより、容易にかつ確実に設計製造できることを示している。
(6) Consideration As shown in Table 1, even when the gas combustor designed by the design method of the present invention is burned at the set maximum combustion amount Qa (W), the NOx concentration in the combustion exhaust gas is determined in advance. The set maximum NOx concentration Ya (ppm) was never exceeded. The state of the flame at this time was a state where the flame formed in each flame mouth was independent of the flame formed in the adjacent flame mouth as shown in FIG. 3 (b) and FIG. 4 (b). . If the characteristic time of diffusion affected by the flame diameter and the type of fuel is shorter than the characteristic time of the reaction where the length of the flame relative to the flame diameter and the flow rate of the fuel passing through it is shorter than the characteristic time of the reaction, a flame temperature is required due to a small flame. Thus, it is possible to avoid a high temperature and to reduce NOx. This indicates that a gas combustor that complies with the NOx emission regulations required by the usage environment and the like can be easily and reliably designed and manufactured by following the design method according to the present invention.

(7)他の実施例
(7−1)炎口の間隔をA(cm)について、
実施例1〜6について、燃焼時における火炎の状態を噴射管の長い方向の側面から観察した。その最大燃焼量時での写真を図3(b)に示した。各火炎は小さく、それぞれ独立しており、隣接する火炎が合体するのは観察されなかった。比較として、火炎存在領域Sの値は変えることなく、炎口の間隔をA(cm)を0.63mmから0.50mmとしたものを用いて燃焼実験を行ったところ、図3(a)に示すように、隣接する火炎が合体する現象が見られた。火炎が合体すると火炎長や炎口径の大きい1つの火炎が形成されたと考えられるから、高温部が形成されやすく、NOx濃度が増加する可能性がある。このことから、本実施例において、炎口の間隔Aを0.63cm以上とすることは、NOx濃度を増加させない観点から、好ましいことがわかった。
(7) Other Examples (7-1) About A (cm),
About Examples 1-6, the state of the flame at the time of combustion was observed from the side surface of the injection tube in the long direction. A photograph at the maximum combustion amount is shown in FIG. Each flame was small and independent, and adjacent flames were not observed to coalesce. As a comparison, a combustion experiment was conducted using a flame opening interval A (cm) of 0.63 mm to 0.50 mm without changing the value of the flame existence region S. As shown in FIG. As shown, there was a phenomenon where adjacent flames coalesced. When the flames are combined, it is considered that one flame having a large flame length and a large flame diameter is formed, so that a high temperature part is likely to be formed, and the NOx concentration may increase. From this, in the present Example, it turned out that it is preferable that the space | interval A of a flame mouth shall be 0.63 cm or more from a viewpoint which does not increase a NOx density | concentration.

(7−2)噴射管の間隔C(cm)について、
実施例1〜6について、燃焼時における火炎の状態を斜め上方から見て観察した。その最大燃焼量時での写真を図4(b)に示した。各噴射管の火炎は小さく、それぞれ独立しており、また、隣接する噴射管の火炎同士が合体するのは観察されなかった。比較として、火炎存在領域Sの値は変えることなく、噴射管の間隔C(cm)を0.95mmから0.63mmとしたものを用いて燃焼実験を行ったところ、図4(a)に示すように、隣接する噴射管の火炎同士が合体する現象が見られた。火炎が合体すると火炎長や炎口径の大きい1つの火炎が形成されたと考えられるから、高温部が形成されやすく、NOx濃度が増加する可能性がある。このことから、本実施例において、噴射管の間隔C(cm)を0.95mm以上とすることは、NOx濃度を増加させない観点から、好ましいことがわかった。
(7-2) About the interval C (cm) of the injection pipe,
About Examples 1-6, the state of the flame at the time of combustion was observed seeing from diagonally upward. A photograph at the maximum combustion amount is shown in FIG. The flames of the injection tubes were small and independent from each other, and it was not observed that the flames of the adjacent injection tubes merged. As a comparison, a combustion experiment was conducted using a flame spacing region S of 0.95 mm to 0.63 mm without changing the value of the flame existence region S. As shown in FIG. Thus, a phenomenon was observed in which the flames of adjacent injection pipes merged. When the flames are combined, it is considered that one flame having a large flame length and a large flame diameter is formed, so that a high temperature part is likely to be formed, and the NOx concentration may increase. From this, in the present Example, it turned out that it is preferable that the space | interval C (cm) of an injection pipe shall be 0.95 mm or more from a viewpoint which does not increase a NOx density | concentration.

(7−3)炎口径Eについて、
実施例1〜6について、火炎存在領域Sの値は変えることなく、炎口径Eを変化させた場合、(6)考察で言及した通り、拡散の特性時間が反応の特性時間よりも短くなるような燃焼量の範囲であれば、NOx排出を抑制できることが予想される。従って、本実施例において、炎口径Eを0.03cm以下に設定して、小型の火炎を形成することは、より好ましい態様となる。
(7-3) For the flame diameter E,
In Examples 1 to 6, when the flame diameter E is changed without changing the value of the flame existence region S, as described in (6), the diffusion characteristic time is shorter than the reaction characteristic time. It is expected that NOx emission can be suppressed within a range of a proper combustion amount. Therefore, in the present embodiment, it is a more preferable aspect to set the flame diameter E to 0.03 cm or less to form a small flame.

1…ガス燃焼器、
2…噴射管、
3…炎口。
1 ... Gas combustor,
2 ... injection pipe,
3 ... The flame mouth.

Claims (4)

使用する燃料ガスに対応する燃焼負荷X(W/cm)と発生するNOx濃度Y(ppm)との相関曲線Kを求める行程と、
得ようとするガス燃焼器での所望の最大NOx濃度Ya(ppm)と最大燃焼量Qa(W)を設定する行程と、
前記相関曲線Kを用いて前記最大NOx濃度Ya(ppm)に対応する燃焼負荷Xa(W/cm)を求める行程と、を備え、
燃焼負荷X(W/cm)=燃焼量Q(W)/火炎存在領域Sから、火炎存在領域S=燃焼量Q(W)/燃焼負荷X(W/cm)であることを用い、最大燃焼量Qa(W)/最大NOx濃度Ya(ppm)に対応する燃焼負荷Xa(W/cm)の値となるように当該ガス燃焼器の火炎存在領域Sを設定することを特徴とするガス燃焼器の設計方法。
A step of obtaining a correlation curve K between the combustion load X (W / cm 2 ) corresponding to the fuel gas used and the generated NOx concentration Y (ppm);
A step of setting a desired maximum NOx concentration Ya (ppm) and a maximum combustion amount Qa (W) in the gas combustor to be obtained;
A step of obtaining a combustion load Xa (W / cm 2 ) corresponding to the maximum NOx concentration Ya (ppm) using the correlation curve K,
From combustion load X (W / cm 2 ) = combustion amount Q (W) / flame presence region S, flame existence region S = combustion amount Q (W) / combustion load X (W / cm 2 ) The flame existence region S of the gas combustor is set so as to be a value of the combustion load Xa (W / cm 2 ) corresponding to the maximum combustion amount Qa (W) / maximum NOx concentration Ya (ppm). How to design a gas combustor.
2本以上の噴射管が平行かつ等間隔に配置されており、各噴射管には等間隔に2個以上の炎口が形成されているガス燃焼器を設計する方法であって、
前記炎口の間隔をA(cm)、噴射管1本当たりの炎口数をB、噴射管の間隔をC(cm)、噴射管の本数をDとし、火炎存在領域S=A×B×C×Dと定義するとともに、
(a)使用する燃料ガスに対応する燃焼負荷X(W/cm)と発生するNOx濃度Y(ppm)との相関曲線Kを得る行程と、
(b)得ようとするガス燃焼器での所望の最大NOx濃度Ya(ppm)と最大燃焼量Qa(W)を設定する行程と、
(c)前記相関曲線Kを用いて最大NOx濃度Ya(ppm)に対応する燃焼負荷Xa(W/cm)を求める行程と、を備え、
燃焼負荷X(W/cm)=燃焼量Q(W)/火炎存在領域Sから、火炎存在領域S=燃焼量Q(W)/燃焼負荷X(W/cm)であることを用い、最大燃焼量Qa(W)/最大NOx濃度Ya(ppm)に対応する燃焼負荷Xa(W/cm)の値が前記火炎存在領域Sとなるように、前記A、B、C、Dの値を設定することを特徴とするガス燃焼器の設計方法。
A method of designing a gas combustor in which two or more injection tubes are arranged in parallel and at equal intervals, and each injection tube has two or more flame ports formed at equal intervals,
The flame exit area S = A × B × C, where A (cm) is the interval between the flame ports, B is the number of flame ports per injection tube, C (cm) is the interval between the injection tubes, and D is the number of injection tubes. X defined as D,
(A) a step of obtaining a correlation curve K between the combustion load X (W / cm 2 ) corresponding to the fuel gas used and the generated NOx concentration Y (ppm);
(B) a step of setting a desired maximum NOx concentration Ya (ppm) and a maximum combustion amount Qa (W) in the gas combustor to be obtained;
(C) using the correlation curve K to obtain a combustion load Xa (W / cm 2 ) corresponding to the maximum NOx concentration Ya (ppm),
From combustion load X (W / cm 2 ) = combustion amount Q (W) / flame presence region S, flame existence region S = combustion amount Q (W) / combustion load X (W / cm 2 ) The values of A, B, C, and D so that the value of the combustion load Xa (W / cm 2 ) corresponding to the maximum combustion amount Qa (W) / maximum NOx concentration Ya (ppm) becomes the flame existence region S. A method for designing a gas combustor, characterized in that
使用する燃料ガスが水素であり、炎口の間隔Aとして0.63cm以上、噴射管の間隔Cとして0.95cm以上の値を用いることを特徴とする請求項2に記載のガス燃焼器の設計方法。   3. The gas combustor design according to claim 2, wherein the fuel gas to be used is hydrogen, and a value of 0.63 cm or more is used as the gap A of the crater and a value of 0.95 cm or more is used as the distance C of the injection pipe. Method. 炎口径が0.03cm以下の値を用いることを特徴とする請求項3に記載のガス燃焼器の設計方法。   The method for designing a gas combustor according to claim 3, wherein a value having a flame diameter of 0.03 cm or less is used.
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