JP2007255744A - 管状火炎バーナ及び燃料改質器 - Google Patents

Abstract

【課題】空気比を大きくしても燃焼を継続でき、幅広い空気比に亘って使用可能なバーナを提供すること。幅広い空気比に亘って安定して運転できる燃料改質器を提供すること。
【解決手段】管状火炎バーナにおいて、一方の端が開放端で他方の端が閉鎖されている管状の燃焼室と、燃料を前記燃焼室の内周面の接線方向に向かって供給し、供給された前記燃料が前記燃焼室内で前記開放端に向かう旋回流を形成するように設置される燃料供給部と、酸化剤ガスを前記燃焼室の内周面の接線方向に向かって供給し、供給された前記酸化剤ガスが前記燃焼室内で前記開放端に向かう、前記燃料の旋回流と同じ方向に旋回する旋回流を形成するように設置される酸化剤ガス供給部とを備え、前記燃料と前記酸化剤ガスとの混合ガスが前記燃焼室内で旋回流を形成し、前記混合ガスの旋回流において上流側に前記燃料の濃度が高い領域を存在させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、管状火炎バーナ及び管状火炎バーナを加熱用バーナとして備える燃料改質器に関する。

炉や燃焼器に備えられるバーナとして、燃焼室内で燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを旋回させて点火し、管状の火炎を生成させる管状火炎バーナが知られている。例えば特許文献１には、一端が解放された管状の燃焼室と噴射方向が燃焼室内周面の接線方向を向いて開口したノズルを備えた管状火炎バーナが開示されている。燃料ガスと酸素含有ガスはノズルから燃焼室の内周面の接線方向に向かって高速で吹き込まれて燃焼室内で旋回流を形成し、その旋回流となった混合ガスに添加すると、燃焼室内に管状の火炎が生成される。

図１０（ａ）は特許文献１に開示された管状火炎バーナ１００の側面図、図１０（ｂ）は管状火炎バーナ１００のａ−ａ断面図である。公知のこの管状火炎バーナ１００において、管状の燃焼室１１０は、先端が解放されて燃焼排ガスの排出口１１０ａになっており、後端１１０ｂは点火用スパークプラグ１１１を備えている。後端の近傍には燃焼室に燃料ガスを吹き込む燃料ガス吹き込みノズルと酸素含有ガスを吹き込む酸素含有ガス吹き込みノズルが取り付けられている。吹き込みノズルは、同一管周上の４箇所に設けられており、管軸方向に沿ったスリットが燃料室へのノズル噴射口となるように設けられている。吹き込みノズル１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄは、噴射方向が燃焼室の内周面の接線方向でかつ同一回転方向になるように設けられており、このうち１０１ａと１０１ｃの２個は燃料ガス吹き込みノズル、１０１ｂと１０１ｄの２個は酸素含有ガス吹き込みノズルである。

燃料ガス吹き込みノズル１０１ａ、１０１ｃからは燃料ガスが燃焼室１１０の内周面の接線方向に向かって高速で吹き込まれ、酸素含有ガス吹き込みノズル１０１ｂ、１０１ｄからは酸素含有ガスが燃焼室１１０の内周面の接線方向に向かって高速で吹き込まれ、燃焼室１１０の内周面に近い領域で燃料ガスと酸素含有ガスが効率良く混合されながら旋回流が形成されるようになっている。その旋回流となった混合ガスに点火用スパークプラグ１１１によって適切に点火すると、燃焼室１１０内に管状の火炎が生成される。その燃焼ガスは燃焼室１１０の先端１１０ａから排出される。

また一般に、燃料電池の水素極に供給する水素含有ガスを生成するために、炭化水素系燃料を改質する燃料改質器が知られている。吸熱反応である改質反応を促進するため、バーナで燃料を燃焼して得られる高温の燃焼ガスによって改質触媒層を加熱することが知られている（例えば特許文献２）。

図１１は特許文献２に開示された燃料改質器１２０の断面図である。公知のこと燃料改質器１２０は、全体が円筒状の構成となっており、中央部には円筒状の容器１２１を有している。容器１２１は円筒状の外側筒体１２２と、この外側筒体１２２の内側に外側筒体１２２と間隔をあけて配置された円筒状の内側筒体１２３とを有する二重構造となっている。内側筒体１２３の内側には、円筒状のバーナ用保炎筒１２６を介して、バーナ１２７が設けられている。
外側筒体１２２の下端部は底板１２４により塞がれる一方、内側筒体１２３の下端部１２３ａは底板１２４から離れており、この内側筒体下端部１２３ａと底板１２４との間を介して、内側筒体１２３の内側と外側とが通じて高温ガス流路１２５となっている。
一方、外側筒体１２２の外側には、外側筒体１２２と間隔をあけて、断熱材が充填された二重円筒１２８が配置されている。二重円筒１２８と外側筒体１２２との間の空間部には改質触媒１３０が充填されて、改質触媒層１３１が設けられている。

燃料改質器１２０において、バーナ１２７に燃料と空気とを供給して燃焼することにより加熱用の高温ガスを生成すると、この高温ガスは、図１１に矢印で示すように内側筒体下端部１２３ａと底板１２４と間を通って高温ガス流路１２５へ流れ込み、この高温ガス流路１２５を下から上へと流れて改質触媒層１３１を加熱する。加熱された改質触媒層１３１に水蒸気と原料ガス（天然ガス等の炭化水素系ガス）を、図１１に矢印で示すように上から下へ流すと、改質触媒層１３１での改質反応によって原料ガスが改質され、水素リッチな改質ガスが得られる。

特開２００４−９３１１４号 特開２００３−２８６００３号

バーナに燃料と空気とを供給して燃焼させる場合において、燃焼温度の調節や燃焼排ガス量の調節は、供給する空気の量を調節することによって行われる。ところが、燃焼温度を低く調節する場合や燃焼排ガス量を増加させる場合に、供給する空気の量を増加させる（空気比を高くする）と、火炎が消えて燃焼が止まってしまうことがあり、空気比を大きく変化させながら安定な燃焼を続けることが難しかった。
なお、空気比とは、供給する空気量の，供給する燃料が完全に燃焼するために必要な空気量に対する比率である。

一方で、特に、燃料電池システムに用いられる燃料改質器で用いるバーナにおいては、空気比が変化しても失火せず安定な燃焼を続けることが求められている。具体的には、起動時には、燃料改質器全体の温度を短時間で上昇させるために多くの量の燃焼排ガスを流す必要があり、そのために加熱用バーナに供給する空気量を大きくする必要がある。その一方で、定常運転時は外部へ放出される熱をできるだけ小さくして熱交換の効率を上げるため、空気比を低く、１以上で、かつなるべく１に近づけて運転を行う必要がある。
更に、燃料電池の発電負荷に応じて供給する改質ガス量を調節するために燃料改質器の負荷変化を行う必要がある。この時、燃料側と空気側の流量調節機器の特性の違いによって変動の遅れが発生し、実際の空気比が設定値からずれるため、常に設定通りの空気比になるように厳密に制御することは難しい。従って、ある程度の空気比の変動に対して失火しにくいバーナが求められる。

ところが、従来は二次空気を用いず一次空気のみを用いるバーナで、広い空気比範囲に対して安定に燃焼できるバーナがないため、多量の燃焼排ガスが必要な場合でも空気比を上げて燃焼できず燃料改質器の起動に長時間を要するという問題があった。また、燃焼を継続させるために空気比をなるべく変動させないように精密な制御を行う必要があった。

本発明は、空気比を大きくした場合でも燃焼を継続でき、幅広い空気比に亘って使用可能なバーナを提供することを目的とする。また、起動時、定常運転時に要求される幅広い空気比に亘って安定して運転できる燃料改質器を提供することを目的とする。

本発明にかかる管状火炎バーナは、一方の端が開放端で、他方の端が閉鎖されている管状の燃焼室と、燃料を前記燃焼室の内周面の接線方向に向かって供給し、前記燃焼室内で前記開放端に向かう旋回流を形成するように設置される燃料供給部と、酸化剤ガスを前記燃焼室の内周面の接線方向に向かって供給し、前記燃焼室内で前記開放端に向かう、前記燃料の旋回流と同じ方向に旋回する旋回流を形成するように設置される酸化剤ガス供給部とを備え、前記燃料供給部と前記酸化剤ガス供給部は、前記燃料と前記酸化剤ガスとが混合した混合ガスが前記燃焼室内で旋回流を形成し、前記混合ガスの旋回流において上流側に前記燃料の濃度が高い領域を存在させるように設置されることを特徴とする。

本発明にかかる管状火炎バーナでは、燃料と酸化剤ガスは、それぞれ別の供給部から、管状の燃焼室で旋回流を形成するように供給される。燃料と酸化剤ガスは、それぞれの供給部から燃焼室の内周面の接線方向に向かって供給されると、燃焼室の内周面に沿って旋回しつつ燃焼室の開放端に向かって流れるらせん状の旋回流を形成する。こうして形成された燃料の旋回流と酸化剤ガスの旋回流とが混合した混合ガスが燃焼室内で旋回流を形成し、混合ガスの旋回流に点火すると、燃焼室内に管状の火炎が生成される。このとき、混合ガスの旋回流において上流側に、燃料の濃度が高い領域、すなわち混合ガスの空気比が１より小さい領域を存在させ、開放端に向かうに従って混合ガスの空気比を１より小さい領域から１より大きい領域まで連続的に変化させる。すると、混合ガスの旋回流において空気比が１付近となる箇所に局所的に火炎の温度が高くなる領域が存在することとなる。この局所的な高温部によって保炎ができ、空気比が変動しても失火しない安定な燃焼ができる。

本発明にかかる管状火炎バーナによると、燃料と酸化剤ガスとの混合ガスの旋回流において上流側に燃料の濃度が高く混合ガスの空気比が１より小さい領域を存在させることによって、空気比を大きくした場合でも燃焼を継続でき、その結果、幅広い空気比に亘って使用可能な安定した管状火炎バーナを得ることができる。

本発明にかかる管状火炎バーナにおいて、酸化剤ガス供給部の位置から燃料供給部の位置までの角度が、旋回流の旋回方向に沿って１８０度未満になるように設置することによっても、燃料と酸化剤ガスとの混合ガスの旋回流において上流側に燃料の濃度が高く混合ガスの空気比が１より小さい領域を存在させることができる。前記酸化剤ガス供給部の位置から前記燃料供給部の位置までの角度が、旋回流の旋回方向に沿って９０度以下になるように設置することもできる。

また、本発明にかかる管状火炎バーナにおいて、前記酸化剤ガス供給部を前記燃料供給部よりも燃料室の管軸方向に沿って開放端側に設置することによっても、燃料と酸化剤ガスとの混合ガスの旋回流において上流側に燃料の濃度が高く混合ガスの空気比が１より小さい領域を存在させることができる。

また、本発明にかかる管状火炎バーナにおいて、前記酸化剤ガス供給部から燃焼室に供給される酸化剤ガスの流れの管軸方向に沿った速度成分が、前記燃料供給部から燃焼室に供給される燃料の流れの管軸方向に沿った速度成分よりも相対的に開放端側を向くようにすることによっても、燃料と酸化剤ガスとの混合ガスの旋回流において上流側に燃料の濃度が高く混合ガスの空気比が１より小さい領域を存在させることができる。

本発明にかかる管状火炎バーナは、燃料電池の水素極に供給する水素含有ガスを生成するために炭化水素系燃料を改質する燃料改質器における加熱用バーナとしての使用に適している。本発明にかかる燃料改質器は、上述の本発明にかかる管状火炎バーナを加熱用バーナとして備えた燃料改質器であって、上述の本発明にかかる管状火炎バーナと、前記管状火炎バーナから排出される燃焼ガスによって加熱されて炭化水素系の燃料と水とを水蒸気改質反応させることにより水素含有ガスを生成させる燃料改質触媒器とを備えることを特徴とする。

本発明にかかる燃料改質器によれば、空気比を大きくした場合でも燃焼を継続でき、幅広い空気比に亘って使用可能な管状火炎バーナを備えているため、起動時、定常運転時に要求される幅広い空気比に亘って安定して運転できる燃料改質器を得ることができる。

本発明にかかる燃料改質器によれば、さらに、管状の火炎の軸対称な加熱機能のため、バーナの周囲を周方向に均一に加熱することができる。また、燃料と酸化剤ガスとの混合ガスが高速に旋回する流れ場の中で、遠心力によって火炎が安定に保持される機構となっており、火炎形状が燃焼によって生じる浮力の影響を受けにくいことから、安定な加熱分布が得られる。

本発明に係る管状火炎バーナによれば、燃料と酸化剤ガスとの混合ガスの旋回流において上流側に燃料の濃度が高い領域、すなわち混合ガスの空気比が１より小さい領域を存在させ、開放端に向かうに従って混合ガスの空気比が１より小さい領域から１より大きい領域まで連続的に変化させることによって、混合ガスの旋回流において空気比が１付近となり局所的に火炎の温度が高くなる領域が存在することとなり、この局所的な高温部によって保炎ができ、空気比が変動しても失火しない安定な燃焼ができる。また、本発明にかかる燃料改質器によれば、空気比を大きくした場合でも燃焼を継続でき、幅広い空気比に亘って使用可能な管状火炎バーナを備えているため、起動時、定常運転時に要求される幅広い空気比に亘って安定して運転できる燃料改質器を得ることができる。

以下、図面を参照して本発明に係る管状火炎バーナ及び燃料改質器の実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではない。

なお、実施の形態においては酸素含有ガスとして空気を用いた場合の実施形態を示すが、酸素含有ガスは空気に限らず、酸素、酸素富化空気、酸素・排ガス混合ガスなど燃焼用の酸素を供給するためのガスを指す。
また、実施の形態においては燃料として都市ガスを用いた場合の実施形態を示すが、燃料は都市ガスの他天然ガスなど気体の炭化水素系燃料でもよいし、灯油、ガソリンなどの液体の炭化水素系燃料を気化したものでもよい。

［第一の実施形態］
図１及び図２を参照して、本発明の第一の実施形態にかかる管状火炎バーナを説明する。図１は、本発明の第一の実施形態にかかる管状火炎バーナ１０の断面図である。 図１に示す管状火炎バーナ１０は、一方の端が開放端１２ａで、管状の燃焼室１２と、燃焼室１２に都市ガスを供給する燃料ノズル１３及び燃焼室１２に空気を供給する空気ノズル１４を備えている。燃料ノズル１３には燃料を送り込むための燃料導入管１５が、空気ノズル１４に空気を送り込むための空気導入管１６とがそれぞれ備えられている。

図２は、図１のＡ−Ａ断面図であり、管状火炎バーナ１０の燃料ノズル１３及び空気ノズル１４の配置を示す断面図である。図２に示すように、燃料ノズル１３と空気ノズル１４は、ぞれぞれ、図２において矢印で示されるように燃焼室１２の内周面の接線方向に向かって形成されており、燃料ノズル１３及び空気ノズル１４から供給される都市ガス及び空気は、燃焼室１２の中で右回りの旋回流を形成する。
本実施の形態において、空気ノズル１４の位置から燃料ノズル１３の位置までの角度は、旋回流の旋回方向に沿って９０度の角度になるように設置されている。

本実施形態の管状火炎バーナ１０では、都市ガスが燃料導入管１５から導入されて燃料ノズル１３から燃焼室１２の内周面の接線方向に向かって供給されると、都市ガスは、燃焼室１２の内周面に沿って旋回しつつ開放端１２ａに向かって流れるらせん状の旋回流を形成する。また、空気が空気導入管１６から導入されて空気ノズル１４から燃焼室１２の内周面の接線方向に向かって供給されると、空気は、燃焼室１２の内周面に沿って旋回しつつ開放端１２ａに向かって流れるらせん状の旋回流を形成する。燃焼室１２内で空気と都市ガスとが混合された混合ガスの旋回流が形成され、この旋回流に点火すると燃焼室１２内に管状の火炎が生成される。
管状火炎バーナ１０では、空気の旋回流が空気ノズル１４から９０度旋回した位置に燃料ノズル１３が設けられている。空気の旋回流は空気ノズル１４から９０度旋回する間に燃焼室１２の開放端１２ａ側にずれて流れ、燃料ノズル１３の付近の領域においては都市ガスの流れと完全に一致せず、都市ガスの濃度が高い領域が形成される。燃料ノズル１３の付近の領域では混合ガスの空気比が小さく、開放端側に向かうに従って混合ガスの空気比が１より小さい領域から１より大きい領域まで連続的に変化する。このとき、混合ガスの旋回流において空気比が１付近となる箇所に局所的に火炎の温度が高くなる領域が存在することとなる。この局所的な高温部によって保炎ができ、空気比が変動しても失火しない安定な燃焼ができる。

本実施形態の管状火炎バーナ１０によれば、都市ガスと空気との混合ガスの旋回流において上流側に燃料の濃度が高く空気比が１より小さい領域を存在させ、開放端に向かうに従って混合ガスの空気比が１より小さい領域から１より大きい領域まで連続的に存在させることによって、空気比が１付近となり局所的に火炎の温度が高くなる領域が燃焼室内部に存在することとなり、この局所的な高温部が保炎を促進する。その結果、空気比を大きくした場合でも燃焼を継続でき、幅広い空気比に亘って使用可能な安定した管状火炎バーナを得ることができる。

［第二の実施形態］
図３を参照して、本発明の第二の実施形態にかかる管状火炎バーナを説明する。図３は、本発明の第二の実施形態にかかる管状火炎バーナ２０の側面図である。図３に示す管状火炎バーナ２０は、第一の実施形態の管状火炎バーナ１０と同様、一方の端が開放端２２ａで、他方の端が閉鎖されている燃焼室２２を備え、燃焼室２２に都市ガスを供給する燃料ノズル２３と燃焼室２２に空気を供給する空気ノズル２４とを備えている。本実施形態の管状火炎バーナ２０において、空気ノズル２４は燃料ノズル２３よりも燃焼室２２の管軸方向に沿って開放端２２ａ側に設置されている。なお、第一の実施形態と同様、燃料ノズル２３と空気ノズル２４は、ぞれぞれ、燃焼室２２の内周面の接線方向に向かって形成されており、燃料ノズル２３及び空気ノズル２４から供給される都市ガス及び空気は、燃焼室２２の中で同じ方向に旋回する旋回流を形成するようになっている。

本実施形態の管状火炎バーナ２０では、都市ガスが燃料ノズル２３から燃焼室２２の内周面の接線方向に向かって供給されると、第一の実施形態と同様に都市ガスは燃焼室２２の内周面に沿って旋回しつつ開放端２２ａに向かって流れるらせん状の旋回流を形成する。また、空気が空気ノズル２４から燃焼室２２の内周面の接線方向に向かって供給されると、空気は、燃焼室２２の内周面に沿って旋回しつつ開放端２２ａに向かって流れるらせん状の旋回流を形成する。燃焼室１２内で空気と都市ガスとが混合された混合ガスの旋回流が形成され、この旋回流に点火すると燃焼室１２内に管状の火炎が生成される。
ここで、空気ノズル２４は燃焼室２２の管軸方向に沿って開放端２２ａ側、つまり都市ガスの旋回流の燃料ノズル２３より下流側にあるため、空気ノズル２４の付近の領域では都市ガスの濃度が高く空気比が１より小さい混合ガスが存在することとなる。混合ガスの空気比は、開放端に向かうに従って１より小さい領域から１より大きい領域まで連続的に変化する。このとき、混合ガスの旋回流において空気比が１付近となる箇所では局所的に火炎の温度が高くなり、この局所的な高温部によって保炎ができ、空気比が変動しても失火しない安定な燃焼ができる。

本実施形態の管状火炎バーナ２０によっても、都市ガスと空気との混合ガスの旋回流において上流側に燃料の濃度が高く空気比が１より小さい領域を存在させ、開放端側に向かうに従って混合ガスの空気比が１より小さい領域から１より大きい領域まで連続的に存在させることによって、空気比が１付近となり局所的に火炎の温度が高くなる領域が燃焼室内部に存在することによってできる局所的な高温部が保炎を促進する。その結果、空気比を大きくした場合でも燃焼を継続でき、幅広い空気比に亘って使用可能な安定した管状火炎バーナを得ることができる。

［第三の実施形態］
図４を参照して、本発明の第三の実施形態にかかる管状火炎バーナを説明する。図４は、本発明の第三の実施形態にかかる管状火炎バーナ３０の側面図である。図４に示す管状火炎バーナ３０は、第一及び第二の実施形態の管状火炎バーナ１０、２０と同様、一方の端が開放端３２ａで、他方の端が閉鎖されている燃焼室３２を備え、燃焼室３２に都市ガスを供給する燃料ノズル３３と燃焼室３２に空気を供給する空気ノズル３４とを備えている。本実施形態の管状火炎バーナ３０において、燃料ノズル３３は燃焼室３２の内周面の接線方向に向かって形成され、その燃焼室３２の管軸方向に対する吹き込み角度が垂直となるように設置されている。一方、空気ノズル３４は、燃焼室３２の内周面の接線方向に向かって形成され、空気の吹き込み方向が燃料の吹き込み方向よりも開放端側を向くように、燃焼室３２の管軸方向に対して傾きをもって設置されている。
なお、第一及び第二の実施形態と同様、燃料ノズル３３及び空気ノズル３４から供給される都市ガス及び空気は、燃焼室３２の中で同じ方向に旋回する旋回流を形成するようになっている。

本実施形態の管状火炎バーナ３０では、都市ガスが燃料ノズル３３から燃焼室３２の内周面の接線方向に向かって供給されると、第一及び第二の実施形態と同様に都市ガスは燃焼室３２の内周面に沿って旋回しつつ開放端３２ａに向かって流れるらせん状の旋回流を形成する。また、空気が空気ノズル３４から燃焼室３２の内周面の接線方向に向かって、かつ、燃料の吹き込み方向よりも開放端３２ａ側に傾いた方向に向かって供給されると、空気は、燃焼室３２の内周面に沿って旋回しつつ開放端３２ａに向かって流れるらせん状の旋回流を形成する。燃焼室１２内で空気と都市ガスとが混合された混合ガスの旋回流が形成され、この旋回流に点火すると燃焼室１２内に管状の火炎が生成される。
ここで、空気の吹き込み方向が燃料の吹き込み方向よりも開放端側を向くように、空気ノズル３４が燃焼室３２の管軸方向に対して傾きをもって設置されているため、空気ノズル３４における空気の流れの管軸方向に沿って開放端３２ａ側に向いた速度成分は、燃料ノズル３３における都市ガスの流れの管軸方向に沿って開放端３２ａ側に向いた速度成分よりも大きくなっている。そのため、空気ノズル３４の付近の領域では都市ガスの濃度が高く空気比が１より小さい混合ガスが存在することとなる。混合ガスの空気比は、開放端に向かうに従って１より小さい領域から大きい領域まで連続的に変化する。このとき、混合ガスの旋回流において空気比が１付近となる箇所では局所的に火炎の温度が高くなり、この局所的な高温部によって保炎ができ、空気比が変動しても失火しない安定な燃焼ができる。

本実施形態の管状火炎バーナ３０によっても、都市ガスと空気との混合ガスの旋回流において上流側に燃料の濃度が高く空気比が１より小さい領域を存在させ、開放端側に向かうに従って混合ガスの空気比が１より小さい領域から１より大きい領域まで連続的に変化させることができ、空気比が１付近となり局所的に火炎の温度が高くなる領域が燃焼室内部に存在することによって、局所的な高温部が保炎を促進する。その結果、空気比を大きくした場合でも燃焼を継続でき、幅広い空気比に亘って使用可能な安定した管状火炎バーナを得ることができる。

［第四の実施形態］
図５を参照して、本発明の第四の実施形態にかかる燃料改質器を説明する。図５は、本発明の第四の実施形態にかかる燃料改質器４０の断面図である。図５に示す燃料改質器４０は、管状火炎バーナ４１と、管状火炎バーナ４１を囲んで設置された内側筒体４５と、内側筒体４５の外側に設置された外側筒体４８と、外側円筒体４８の下部を塞ぐ底板４６とを備え、外側筒体４８の外側には燃料改質触媒４９が充填された燃料改質触媒器５０が備えられている。
管状火炎バーナ４１は、一方の端が開放端４２ａで、他方の端が閉鎖されている燃焼室４２を備え、燃焼室４２に都市ガスを供給する燃料ノズル４３と燃焼室４２に空気を供給する空気ノズル４４とを備えている。燃料ノズル４３と空気ノズル４４は、ぞれぞれ、燃焼室４２の内周面の接線方向に向かって形成されており、燃料ノズル４３及び空気ノズル４４から供給される都市ガス及び空気は、燃焼室４２の中で同じ方向に旋回する旋回流を形成するようになっている。燃料ノズル４３は、第一の実施形態にかかる管状火炎バーナと同様に、空気の旋回流が空気ノズル４４から９０度旋回した位置に設けられている。
内側筒体４５は底板４６から離れており、内側筒体４５の下端と底板４６との間をで折り返して内側筒体４５と外側筒体４８との間を通る燃焼ガス流路４７が形成されている。

燃料改質器４０において、管状火炎バーナ４１は第一の実施形態にかかる管状火炎バーナと同様に動作する。すなわち、都市ガスが管状火炎バーナ４１の燃料ノズル４３から燃焼室４２の内周面の接線方向に向かって供給されると、都市ガスは燃焼室４２の内周面に沿って旋回しつつ開放端４２ａに向かって流れるらせん状の旋回流を形成する。また、空気も空気ノズル４２から燃焼室４２の内周面の接線方向に向かって供給されると、空気は燃焼室４２の内周面に沿って旋回しつつ開放端４２ａに向かって流れるらせん状の旋回流を形成する。燃焼室４２内で空気と都市ガスとが混合された混合ガスの旋回流が形成され、この旋回流に点火すると燃焼室４２内に管状の火炎が生成される。ここで、空気の旋回流が空気ノズル４４から９０度旋回した位置に、燃料ノズル４３が設けられている。空気の旋回流は空気ノズル４４から９０度旋回する間に燃焼室４２の開放端４２ａ側にずれて流れ、燃料ノズル４３の付近の領域においては都市ガスの流れと完全に一致せず、都市ガスの濃度が高い領域が形成される。燃料ノズル４３の付近において混合ガスの空気比が１に付近となる領域が形成され、局所的に火炎の温度が高くなり、この局所的な高温部によって保炎ができ、空気比が変動しても失火しない安定な燃焼ができる。

管状火炎バーナ４１によって生成された燃焼ガスは、図５の白矢印で示されるように内側筒体４５の下端と底板４６との間を通って燃焼ガス流路４７に流れ込み、燃焼ガス流露４７を流れて、外側筒体４８を介して燃料改質触媒器５０を加熱する。加熱された改質触媒器５０に原料ガス（都市ガスと水蒸気）を供給すると、燃料改質触媒器５１での改質反応によって原料ガスが改質され、改質ガス（水素含有ガス）が得られる。

本実施の形態にかかる燃料改質器４０によれば、本発明にかかる燃料改質器によれば、空気比を大きくした場合でも燃焼を継続でき、幅広い空気比に亘って使用可能な管状火炎バーナを加熱用バーナとして備えているため、起動時、定常運転時に要求される幅広い空気比に亘って使用する場合でも安定して運転できる燃料改質器を得ることができる。
本実施の形態にかかる燃料改質器４０によれば、さらに、管状の火炎の軸対称な加熱機能のため、バーナの周囲を周方向に均一に加熱することができる。また、燃料と酸化剤ガスとの混合ガスが高速に旋回する流れ場の中で、遠心力によって火炎が安定に保持される機構となっており、火炎形状が浮力の影響を受けにくいことから、安定な加熱分布が得られる。

なお、前述した第一乃至第三の実施形態は、適宜組み合わせたり、変形して実施してもよい。例えば、第一の実施形態と第二の実施形態を組み合わせて、空気ノズルの位置から燃料ノズルの位置までの角度が旋回流の旋回方向に沿って４５度の角度になるように設置しつつ、空気ノズルを燃料ノズルよりも燃焼室の管軸方向に沿って開放端側に設置してもよい。また、第一の実施形態、第二の実施形態において、第三の実施形態のように空気の吹き込み方向が燃料の吹き込み方向よりも開放端側を向くように空気ノズルを燃焼室の管軸方向に対して傾けて設置してもよい。

以下、本発明の効果を示す実施例について説明する。
一方の端が開放端である管状の燃焼室と、燃料室の内周面の接線方向に向かって都市ガス、空気を供給するノズルを備えた管状火炎バーナにおいて、燃料ノズルと空気ノズルの配置や都市ガスと空気の供給方法を変化させて、空気比を大きくした場合の管状火炎バーナの燃焼の安定性を評価した。
具体的には、燃料ノズルと空気ノズルの配置や都市ガスと空気の供給方法を、後述するケース１からケース７のように変化させ、それぞれのケースについて都市ガスの供給量を一定（１．６ＮＬ／分）として空気の供給量を空気比１（約１７．６ＮＬ／分）から徐々に大きくしていき、火炎が消失したときの空気比の大きさを測定した。

図６は、本発明の効果を示す実施例における管状火炎バーナの、燃料ノズルと空気ノズルの配置及び都市ガスと空気の供給方法を変化させた、ケース１からケース７の説明図である。これらはいずれも、管状火炎バーナの燃焼室を開放端方向に向かってみた場合の断面図である。
［ケース１］
燃焼室の内周面の接線方向に向かって４つのノズルが設けられており、それぞれのノズルから隣り合うノズルとの間は旋回流の旋回方向に沿って９０度の角度になるように設置されている。燃料ノズルと空気ノズルはそれぞれ２つずつあり、燃料ノズルと空気ノズルとが交互に設置されている。
［ケース２］
燃焼室の内周面の接線方向に向かって、燃料ノズルと空気ノズルが１つずつ設けられている。空気ノズルの位置から燃料ノズルの位置までの角度は、旋回流の旋回方向に沿って９０度の角度になるように設置されている。
［ケース３］
燃焼室の内周面の接線方向に向かって、燃料ノズルと空気ノズルが１つずつ設けられている。燃料ノズルの位置から空気ノズルの位置までの角度は、旋回流の旋回方向に沿って９０度の角度になるように設置されている。
［ケース４］
燃焼室の内周面の接線方向に向かって４つのノズルが設けられており、それぞれのノズルから隣り合うノズルとの間は旋回流の旋回方向に沿って９０度の角度になるように設置されている。燃料ノズルと空気ノズルはそれぞれ２つずつあり、２つの燃料ノズルが隣り合い、２つの空気ノズルが隣り合うように設置されている。
［ケース５］
燃焼室の内周面の接線方向に向かって、燃料ノズルと空気ノズルが１つずつ設けられている。燃料ノズルの位置と空気ノズルの位置との間の角度は、旋回流の旋回方向に沿って１８０度の角度になるように設置されている。
［ケース６］
燃焼室の内周面の接線方向に向かって１つのノズルが設けられている。都市ガスと空気との混合ガスがノズルから供給される。
［ケース７］
燃焼室の内周面の接線方向に向かって３つのノズルが設けられている。空気ノズルの位置から燃料ノズルの位置までの角度は、旋回流の旋回方向に沿って９０度の角度になるように設置されており、さらにもう１つの空気ノズルが、燃料ノズルの位置から旋回流の旋回方向に沿って９０度の角度になるように設置されている。

図７は、ケース１からケース７のそれぞれの都市ガス及び空気の供給方法で、都市ガスの供給量を一定（１．６ＮＬ／分）として空気の供給量を空気比１（約１７．６ＮＬ／分）から徐々に大きくしていき、火炎が消失したときの空気比の大きさを測定した結果である。ケース１の場合は空気比１．５で、ケース３乃至５の場合は空気比１．２で、ケース６の場合は空気比１．３で、ケース７の場合は空気比１．６で火炎が消失するが、ケース２の場合は空気比２．０まで燃焼を継続することができた。

本実施例にかかる管状火炎バーナの作用・効果を、図８を参照して説明する。図８（ａ）は本実施例のケース２のように、燃料ノズルと空気ノズルが１つずつ設けられ、空気ノズルの位置から燃料ノズルの位置までの角度が旋回流の旋回方向に沿って９０度になるようにした場合の、都市ガスと空気の流れを模式的に表した図である。図８（ａ）に示すように、都市ガスと空気はそれぞれ燃料ノズルと空気ノズルから燃焼室の内周面の接線方向に向かって供給されて、燃焼室の内周面に沿って旋回しつつ開放端側に向かって流れるらせん状の旋回流を形成する。空気の旋回流は空気ノズルを出て９０度旋回する間に燃焼室の開放端側にずれて流れるので、燃料ノズル付近の領域においては空気の流れと都市ガスの流れとが完全に一致せず、都市ガスの濃度が高く空気比が小さい部分が、燃焼室の内周面に沿ってほぼ１周に亘って形成される。
図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す管状火炎バーナの、燃焼室の管軸に沿って開放端側に向かう方向での火炎の温度と局所的な空気比の変化を表したグラフである。図８（ｂ）に表されるように、空気比は、混合ガスの旋回流の上流側の燃焼室の内周面に沿ってほぼ１周に亘る領域では小さいが、開放端側に向かうに従って徐々に大きくなり、開放端側に近づくに従って一定の値に近づく。火炎の温度は、空気比が１に近い領域で局所的に高くなり、開放端側に近づいて空気比が一定の値に近づくに従って、火炎の温度も一定の値に近づく。

このように、都市ガスと空気との混合ガスの旋回流において上流側に都市ガスの濃度が高い（空気比の小さい）領域を存在させることによって、上流側から開放端側に向かうに従って空気比が１より小さい領域から１より大きい領域まで連続的に変化するため、途中、空気比が１に近い領域が存在する。その領域で局所的に火炎の温度が高くなり、この局所的な高温部によって保炎ができ、空気比が変動しても失火しない安定な燃焼ができる。

図９は、本実施例にかかる管状火炎バーナとの比較例として、ケース２における燃料ノズルと空気ノズルの位置を入れ替えた場合の作用・効果を説明する説明図である。図９（ａ）は、ケース３のように、燃料ノズルと空気ノズルが１つずつ設けられ、燃料ノズルの位置から空気ノズルの位置までの角度が旋回流の旋回方向に沿って９０度になるようにした場合の、都市ガスと空気の流れを模式的に表した図である。図９（ａ）に示すように、都市ガスと空気はそれぞれ燃料ノズルと空気ノズルから燃焼室の内周面の接線方向に向かって供給されて、燃焼室の内周面に沿って旋回しつつ開放端側に向かって流れるらせん状の旋回流を形成する。都市ガスの旋回流は燃料ノズルを出て９０度旋回する間に燃焼室の開放端側にずれて流れるので、空気ノズル付近の領域においては空気の流れと都市ガスの流れとが完全に一致せず、空気比が大きく、都市ガスの濃度の低い混合ガスとなる。
図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す管状火炎バーナの、燃焼室の管軸に沿って開放端側に向かう方向での火炎の温度と局所的な空気比の変化を表したグラフである。図９（ｂ）に表されるように、空気比は、混合ガスの旋回流の上流側で大きく、開放端側に向かうに従って徐々に小さくなり、一定の値に近づく。火炎の温度は、開放端側に向かうに従って上昇し、さらに開放端側に近づくに従って一定の値に近づく。

このように、都市ガスと空気との混合ガスの旋回流において上流側に都市ガスの濃度が高い領域を存在させず、逆に混合ガスの旋回流の上流側に空気比の高い領域を存在させると、空気比が増加によって失火しやすくなる。

本発明に係る管状火炎バーナは、空気比を変動させて運転した場合でも安定して燃焼を続けることができる。本発明に係る管状火炎バーナは燃料電池に水素含有ガスを供給するための改質器の加熱用バーナとして特に適しており、産業上、極めて有益に利用することができる。

本発明の第一の実施形態にかかる管状火炎バーナの断面図である。 本発明の第一の実施形態にかかる管状火炎バーナの燃料ノズル及び空気ノズルの配置を示す断面図である。 本発明の第二の実施形態にかかる管状火炎バーナの側面図である。 本発明の第三の実施形態にかかる管状火炎バーナの側面図である。 本発明の第四の実施形態にかかる燃料改質器の断面図である。 実施例における管状火炎バーナの、燃料ノズルと空気ノズルの配置及び都市ガスと空気の供給方法を変化させた、ケース１からケース７の説明図である。 実施例において火炎が消失したときの空気比の大きさを測定した結果を示す図である。 実施例に係る管状火炎バーナの作用・効果を示す説明図である。 比較例に係る管状火炎バーナの作用・効果を示す説明図である。 従来の管状火炎バーナの側面図及びそのａ−ａ断面図である。 従来の燃料改質器の断面図である。

符号の説明

１０、２０、３０、４１ 管状火炎バーナ
１２、２２、３２、４２ 燃焼室
１２ａ、２２ａ、３２ａ、４２ａ 開放端
１３、２３、３３、４３ 燃料ノズル
１４、２４、３４、４４ 空気ノズル
１５ 燃料供給管
１６ 空気供給管
４０ 燃料改質器
４５ 内側筒体
４６ 底板
４７ 燃焼排ガス流路
４８ 外側筒体
４９ 燃料改質触媒
５０ 燃焼改質触媒器

Claims (6)

1. 一方の端が開放端で、他方の端が閉鎖されている管状の燃焼室と、燃料を前記燃焼室の内周面の接線方向に向かって供給し、供給された前記燃料が前記燃焼室内で前記開放端に向かう旋回流を形成するように設置される燃料供給部と、酸化剤ガスを前記燃焼室の内周面の接線方向に向かって供給し、供給された前記酸化剤ガスが前記燃焼室内で前記開放端に向かう、前記燃料の旋回流と同じ方向に旋回する旋回流を形成するように設置される酸化剤ガス供給部とを備え、前記燃料供給部と前記酸化剤ガス供給部は、前記燃料と前記酸化剤ガスとが混合した混合ガスが前記燃焼室内で旋回流を形成し、前記混合ガスの旋回流において上流側に前記燃料の濃度が高い領域を存在させるように設置されることを特徴とする管状火炎バーナ。
2. 請求項１に記載の管状火炎バーナにおいて、前記酸化剤ガス供給部の位置から前記燃料供給部の位置までの角度が、燃料及び酸化剤ガスの旋回流の旋回方向に沿って１８０度未満であることを特徴とする管状火炎バーナ。
3. 請求項２に記載の管状火炎バーナにおいて、前記燃料酸化剤ガス供給部の位置から前記燃料供給部の位置までの角度が、燃料及び酸化剤ガスの旋回流の旋回方向に沿って９０度以下であることを特徴とする管状火炎バーナ。
4. 請求項１に記載の管状火炎バーナにおいて、前記酸化剤ガス供給部が前記燃料供給部よりも前記燃料室の管軸方向に沿って開放端側に設置されることを特徴とする管状火炎バーナ。
5. 請求項１に記載の管状火炎バーナにおいて、前記酸化剤ガス供給部から燃焼室に供給される酸化剤ガスの流れの管軸方向に沿った速度成分が、前記燃料供給部から燃焼室に供給される燃料の流れの管軸方向に沿った速度成分よりも相対的に開放端側を向くことを特徴とする管状火炎バーナ。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の管状火炎バーナと、前記管状火炎バーナから排出される燃焼ガスに加熱されて炭化水素系の燃料と水とを水蒸気改質反応させることにより水素含有ガスを生成させる燃料改質触媒器とを備えることを特徴とする燃料改質器。
   

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