JP2009204285A - バーナおよびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固体酸化物燃料電池装置などから排出される高温低酸素空気を酸化剤として用いて安定な高温空気燃焼を行うためのバーナとその運転方法を得る。
【解決手段】中心部に配されたガスガン２と、このガスガンの外周部に配された空気送給管群３を有し、ガスガン２は、気体燃料を送給する燃料送給管２１と、これの外周部に同軸状に配されて新鮮パイロット空気を送給するパイロット空気送給管２２とから構成され、空気送給管群３は、新鮮空気を送給する複数の空気送給管３１と、高温低酸素空気を送給する複数の燃焼排ガス送給管３２とからなり、これら２種の送給管が円周上において交互に配置されており、ガスガンの噴出口が、前記空気送給管群の噴出口よりもバーナの内部側に位置しているバーナである。
【選択図】図１

Description

この発明は、加熱炉、ボイラー、燃焼炉、乾燥炉、熱風炉、化学反応炉などの加熱手段として用いられるバーナおよびその運転方法に関し、特に固体酸化物燃料電池装置、燃焼炉などから排ガスとして排出される高温で低酸素濃度の空気（以下、高温低酸素空気と言うことがある。）を酸化剤として使用して高温空気燃焼させるバーナに関する。

高温空気燃焼とは、高温低酸素空気を酸化剤として使用して８００℃以上の高温で燃焼させるもので、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量が少なく、伝熱効果が高く、さらには高温低酸素空気が有する熱を有効に回収、利用できる利点があるとされている。
この高温空気燃焼のためのバーナとしては、例えば特開平７−２４８１０３号公報、特開平９−１３３３２４号公報などに開示されたバーナが知られている。

しかしながら、これら先行発明でのバーナにあっては、安定な高温空気燃焼を行わせるために、高温低酸素空気に新鮮空気を混合して酸素濃度を調整しているので、供給空気中の酸素濃度の低減が不十分であり、窒素酸化物の低減が不十分となっている。また、新鮮空気を混合しているので、高温低酸素空気が有している熱を十分回収できない問題があった。
また、高温低酸素空気を混入するためバーナの構成部材の高温による変形を防止する必要があり、そのために高価な材料を要したり、あるいは高温低酸素空気に新鮮空気を混合するための構造が複雑になっている。さらに、点火時は、イグナイタロッド等を使用し、バーナのノズル先端部付近でスパークさせて行うことが多いため、小型化に限界を生じていた。
特開平７−２４８１０３号公報 特開平９−１３３３２４号公報

よって、本発明における課題は、低酸素空気でも安定した高温空気燃焼が行え、しかも窒素酸化物の発生量が少なく、高温低酸素空気が有している熱を十分に回収できるため燃料削減につながり、省スペースに設置できるようなバーナおよびその運転方法を得ることにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、高温空気燃焼を行うためのバーナであって、
中心部に配されたガスガンと、このガスガンの外周部に配された空気送給管群を有し、
前記ガスガンは、気体燃料を送給する燃料送給管と、これの外周部に同軸状に配されて新鮮パイロット空気を送給するパイロット空気送給管と、前記燃料送給管の先端部分に形成された主燃料噴出ノズルおよび副燃料噴出孔とを備え、主燃料噴射ノズルは燃料送給管の中心軸上に配置され、副燃料噴出孔は燃料送給管の側部に複数形成され、
前記空気送給管群は、新鮮空気を送給する複数の空気送給管と、高温低酸素空気を送給する複数の燃焼排ガス送給管とからなり、これら２種の送給管が円周上において交互に配置されており、
前記ガスガンの噴出口が、前記空気送給管群の噴出口よりもバーナの内部側に位置していることを特徴とするバーナである。

請求項２にかかる発明は、耐火材からなる円柱体の中心軸にそって中心孔を穿孔し、この中心孔の周囲に円周状に複数の周囲孔を穿孔し、中心孔に前記ガスガンを収容し周囲孔に前記空気送給管と前記燃焼排ガス送給管を交互に収容してなることを特徴とする請求項１に記載のバーナである。

請求項３にかかる発明は、請求項１または２に記載のバーナの運転方法であって、
燃焼開始時においては、ガスガンの燃料送給管に気体燃料を、パイロット空気送給管に新鮮空気を、空気送給管群の空気送給管に新鮮空気を送給して点火、燃焼を始め、その後気体燃料と新鮮空気との供給量を徐々に増量し、
燃焼温度が７００℃を越えた時点で、空気送給管への新鮮空気の供給量を減量するとともに燃焼排ガス送給管に高温低酸素空気を送給し始め、ついで新鮮空気の送給を停止して安定な高温空気燃焼に移行することを特徴とするバーナの運転方法である。

請求項４にかかる発明は、前記高温低酸素空気が、温度３５０〜８００℃、酸素濃度６〜２１体積％の空気であることを特徴とする請求項３に記載のバーナの運転方法である。
請求項５にかかる発明は、前記高温低酸素空気が、固体酸化物燃料電池装置からの排ガスであることを特徴とする請求項３または４記載のバーナの運転方法である。

本発明によれば、固体酸化物燃料電池装置などから排ガスとして排出される高温低酸素空気の熱エネルギーが、バーナの熱出力に転化されて有効に回収され、燃料消費量が減少する。また、バーナから排出される排ガス中の窒素酸化物も減少する。
さらに、バーナの燃焼開始時においては、酸素濃度の高い新鮮空気を酸化剤として使用しているので、着火が確実に行われ、安定した燃焼状態で燃焼が開始されることになる。これにより、バーナへの高温低酸素空気の導入が円滑に行われ、高温空気燃焼状態に円滑に移行でき、この高温空気燃焼状態を安定して保つことができる。
また、高温低酸素空気だけでは、所定の空燃比を確保できない場合、高温低酸素空気と新鮮空気との混合気体を用いることで、高温空気燃焼状態を安定して保つことができる。

図１ないし図４は、この発明のバーナの一例を示すものである。
この例のバーナは、図１に示すように、耐火材料からなるボディ１とこのボディ１内に収められたガスガン２とボディ１内であってガスガン２の外側に収められた空気送給管群３とから概略構成されている。

ボディ１は、ケイ酸カルシウム成形体などの耐火材からなる円柱体であって、その中心軸に沿って長さ方向に延びる１個の中心孔が穿孔され、この中心孔の外側であって、かつ円周状に中心孔と平行に延びる８個の周囲孔が穿孔されたものである。

図１および図２に示すように、このボディ１の中心孔には、ガスガン２が収められ、個々の周囲孔には、４個の空気送給管３１・・・と４個の燃焼排ガス送給管３２・・・とが交互に収められて空気送給管群３が構成されている。
図１に示すように、空気送給管群３をなす各送給管の開口先端部は、ボディ１の開口先端部とほぼ同一の位置となっており、ガスガン２の開口先端部は、中心孔の開口先端部よりも内側（バーナの後側）に位置している。
ガスガン２の開口先端部からボディ１の中心孔の開口先端部までの間において、中心孔の開口径が開口先端部に向けて徐々に拡がって略円錐状の空間が形成されている。

ボディ１の後側にはボディカバー８がボディ１を包囲するようにして設けられており、その後方に金属パイプ５が設けられている。この金属パイプ５には、新鮮空気を導入する新鮮空気導入パイプ６と高温低酸素空気を導入する燃焼排ガス導入パイプ７が接続されている。
新鮮空気導入パイプ６は、ボディ１内で図示しないマニホールドを介して４個の空気送給管３１・・・に連通されており、燃焼排ガス導入パイプ７は、ボディ１内で図示しないマニホールドを介して４個の燃焼排ガス送給管３２・・・に連通されている。

これにより、新鮮空気導入パイプ６から導入された新鮮空気は４個の空気送給管３１・・・に流れ、その開口先端部から噴出し、燃焼排ガス導入パイプ７から導入された高温低酸素空気は４個の燃焼排ガス送給管３２・・・に流れ、その開口先端部から噴出するように構成されている。

図３は、前記ガスガン２を示すものである。このガスガン２は、気体燃料を送給する燃料送給管２１とこの燃料送給管２１の外側に同軸状に配されて新鮮パイロット空気を送給するパイロット空気送給管２２とからなる二重管構造となっている。この燃料送給管２１とパイロット空気送給管２２とは、電気的に絶縁されている。
また、図１に示すように、このガスガン２の前側の大半の部分は、前述の通り、ボディ１内に収容されているが、後側の一部分は前記ボディ１から突出して後方に延びて露出している。

燃料送給管２１の先端部は、その内径が縮径した円筒状の主燃料噴出ノズル２３となっており、この主燃料噴出ノズル２３から前方に向けて気体燃料の多くが噴出するように構成されている。この主燃料噴出ノズル２３からわずかに後側の燃料送給管２１の側壁部には、これを貫通して形成された複数の副燃料噴出孔２８・・・が設けられている。これらの副燃料噴出孔２８・・・は、燃料送給管２１の外周壁に対して非対称の位置に形成されており、少量の気体燃料が燃料送給管２１の側方に向けて広い範囲に分散して噴出するように構成されている。

また、主燃料噴射ノズル２３の先端は、パイロット空気送給管２２の先端よりも前方に位置し、パイロット空気送給管２２の先端が副燃料噴射孔２８・・よりも後方に位置するようになっている。
さらに、燃料送給管の２１の後端部は気体燃料を導入する燃料導入口２４に連通されている。

パイロット空気送給管２２の先端部分には、図４に示すように、円周状に二重に配された複数の噴出孔２５・・が形成されており、この噴出孔２５・・から新鮮パイロット空気が噴出するようになっている。パイロット空気送給管２２の後側部分はパイロット空気導入口（図３には描かれていない）に連通されている。

ガスガン２の後側の突出部分には、点火プラグ２７が取り付けられており、この点火プラグ２７の一方の電極が燃料送給管２１に電気的に接続されており、他方の電極がパイロット空気送給管２２に電気的に接続されており、前記噴出ノズル２３と前記パイロット空気送給管２２の先端部付近との間で放電が行われるように構成されている。

点火プラグ２７には、図示しない点火トランスが接続されており、点火トランスから高圧電流を点火プラグ２７に印加することで、ガスガン２の先端開口部付近で放電が行われ、点火がなされるようになっている。

このようなバーナにあっては、ガスガン２の燃料送給管２１の副燃料噴出孔２８・・から気体燃料の一部が噴出して、パイロット空気送給管２２に流れる新鮮空気と混合して一次燃焼が行われる。この際、副燃料噴出孔２８・・が非対称に設けられているので、新鮮空気との混合が不均一となり、広い範囲で着火可能となる。

気体燃料の残部は、主燃料噴出ノズル２３から前方に噴出して、パイロット空気送給管２２および空気送給管群３の空気送給管３１・・に流れる新鮮空気あるいは燃焼排ガス送給管３２・・を流れる高温低酸素空気と混合して二次燃焼する。

空気送給管群３をなす空気送給管３１・・と燃焼排ガス送給管３２・・が円周上交互に配置されているので、空気送給管３１・・あるいは燃焼排ガス送給管３２・・から噴出される新鮮空気あるいは高温低酸素空気の流れが、主燃料噴射ノズル２３から噴出される気体燃料の流れを均一に取り囲むようになり、両者の混合が良好になって、いずれの空気であっても二次燃焼が良好に行われる。

このため、新鮮空気のみを供給する場合でも、新鮮空気と高温低酸素空気とを供給する場合でも安定な燃焼が行われ、燃焼温度が７００℃以上となった場合には高温低酸素空気のみを供給しても安定な高温空気燃焼が行われ、高温空気燃焼への円滑な移行が可能となる。

次に、このようなバーナの運転方法について、燃焼炉にこのバーナを設置した例により説明する。
図５は、バーナ運転開始時の気体燃料、新鮮空気、高温低酸素空気などの供給時期などを示すタイミングチャートの一例を示すものである。

まず、時刻ｔ_０のバーナの起動時にあっては、ガスガン２の燃料送給管２１に気体燃料を供給し、ガスガン２のパイロット空気送給管２２および空気送給管群３の空気送給管３１・・に新鮮空気を供給する。パイロット空気送給管２２への空気流量よりも空気送給管３１・・への空気流量を多くする。
点火プラグ２７を作動させてガスガン２の先端開口部付近で点火し、燃焼を開始する。
この状態をしばらく維持して炉内の温度を徐々に昇温してゆく。

次いで、時刻ｔ_１になると、燃料送給管２１への気体燃料の供給流量を増量し、これに伴って空気送給管３１・・への新鮮空気供給流量を増量して、燃焼を続行し、炉内の温度を昇温してゆく。
燃焼温度が７００℃を越える時刻ｔ_２になると、空気送給管３１・・への新鮮空気の供給流量を徐々に減量するとともに、燃焼排ガス送給管３２・・に高温低酸素空気の供給を開始し、その供給流量を徐々に増量する。この間も炉内温度は昇温を続ける。

時刻ｔ_３になると、高温低酸素空気の燃焼排ガス送給管３２・・への供給流量を一定とし、空気送給管３１・・への新鮮空気の供給を停止する。パイロット空気送給管２２への新鮮空気の供給は続行する。この間も炉内温度は昇温を続け、高温空気燃焼が可能な８００℃に近づく。

時刻ｔ_４になると、炉内温度は８００℃以上となり、気体燃料の燃料送給管２１への供給量を減量する。時刻ｔ_４以降では、酸化剤は高温低酸素空気のみとなるが、安定な高温空気燃焼状態が維持される。

気体燃料としては、液化天然ガス（ＬＮＧ）、液化石油ガス（ＬＰＧ）、プロパン、ブタンなどが用いられる。
ここで、新鮮空気とは、通常の酸素濃度２１体積％、温度５〜５０℃の大気中の空気を指し、高温低酸素空気と区別するための用語である。
高温低酸素空気とは、温度３５０〜５５０℃、酸素濃度６〜２１体積％の空気を指し、例えば各種燃焼炉、固体酸化物燃料電池、固体酸化物燃料電池装置などから排出される排ガスなどがこれに該当する。

ここでの固体酸化物燃料電池装置とは、周知の固体酸化物燃料電池に燃焼炉や熱交換器などの熱機器を付属させたものを指し、固体酸化物燃料電池からの排ガスをさらにこれら熱機器に導入して利用したのち、これら熱機器から二次的に排出される排ガスも、本発明の高温低酸素空気に含まれる。
また、前記燃焼温度とは、バーナの先端面から前方に３０ｃｍ離れ、かつバーナの外周壁面から側方に１０ｃｍ離れた位置で測定された炉内の温度を言うものとする。

バーナに供給される新鮮空気流量と高温低酸素空気の合計量は、同時に供給される気体燃料が完全燃焼するに十分な酸素量を含むものとされ、理論空気量の１．１倍程度となるように調整される。
そして、時刻ｔ_４以降での燃焼状態は、高温空気燃焼の状態となっており、伝熱効果が高く、窒素酸化物の発生も抑えられた状態となる。この高温空気燃焼の状態を維持して所要時間バーナの燃焼を継続すればよい。
バーナの燃焼を停止する際には、ガスガン２の燃料送給管２１への気体燃料の供給を停止し、燃焼排ガス送給管３２・・への高温低酸素空気の供給を停止する。

このような運転方法を採用することで、高温低酸素空気を利用した高温空気燃焼に円滑に移行でき、安定な高温空気燃焼を実現することができる。また、高温低酸素空気が有する熱エネルギーを失うことなく、バーナの熱出力に利用することができ、気体燃料の消費量を低減することが可能になり、システム全体の熱効率が高いものとなる。

本発明のバーナの一例を示す一部断面視した側面図である。 図１に示したバーナの開口先端部を示す図面である。 本発明のバーナにおけるガスガンの一例を示す一部断面視した側面図である。 図２に示したガスガンの開口先端部を示す図面である。 本発明の運転方法の一例を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１・・ボディ、２・・ガスガン、３・・空気送給管群、２１・・燃料送給管、２２・・パイロット空気送給管、３１・・空気送給管、３２・・燃焼排ガス送給管、２３・・主燃料噴射ノズル、２８・・副燃料噴射孔

Claims (5)

1. 高温空気燃焼を行うためのバーナであって、
   中心部に配されたガスガンと、このガスガンの外周部に配された空気送給管群を有し、
   前記ガスガンは、気体燃料を送給する燃料送給管と、これの外周部に同軸状に配されて新鮮パイロット空気を送給するパイロット空気送給管と、前記燃料送給管の先端部分に形成された主燃料噴出ノズルおよび副燃料噴出孔とを備え、主燃料噴射ノズルは燃料送給管の中心軸上に配置され、副燃料噴出孔は燃料送給管の側部に複数形成され、
   前記空気送給管群は、新鮮空気を送給する複数の空気送給管と、高温低酸素空気を送給する複数の燃焼排ガス送給管とからなり、これら２種の送給管が円周上において交互に配置されており、
   前記ガスガンの噴出口が、前記空気送給管群の噴出口よりもバーナの内部側に位置していることを特徴とするバーナ。
2. 耐火材からなる円柱体の中心軸にそって中心孔を穿孔し、この中心孔の周囲に円周状に複数の周囲孔を穿孔し、中心孔に前記ガスガンを収容し周囲孔に前記空気送給管と前記燃焼排ガス送給管を交互に収容してなることを特徴とする請求項１に記載のバーナ。
3. 請求項１または２に記載のバーナの運転方法であって、
   燃焼開始時においては、ガスガンの燃料送給管に気体燃料を、パイロット空気送給管に新鮮空気を、空気送給管群の空気送給管に新鮮空気を送給して点火、燃焼を始め、その後気体燃料と新鮮空気との供給量を徐々に増量し、
   燃焼温度が７００℃を越えた時点で、空気送給管への新鮮空気の供給量を減量するとともに燃焼排ガス送給管に高温低酸素空気を送給し始め、ついで新鮮空気の送給を停止して安定な高温空気燃焼に移行することを特徴とするバーナの運転方法。
4. 前記高温低酸素空気が、温度３５０〜５５０℃、酸素濃度６〜２１体積％の空気であることを特徴とする請求項３に記載のバーナの運転方法。
5. 前記高温低酸素空気が、固体酸化物燃料電池装置からの排ガスであることを特徴とする請求項３または４記載のバーナの運転方法。

Images