WO2023007929A1 - 燃焼器 - Google Patents

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WO2023007929A1
WO2023007929A1 PCT/JP2022/021296 JP2022021296W WO2023007929A1 WO 2023007929 A1 WO2023007929 A1 WO 2023007929A1 JP 2022021296 W JP2022021296 W JP 2022021296W WO 2023007929 A1 WO2023007929 A1 WO 2023007929A1
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gas
combustion
pipe
gas introduction
introduction pipe
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PCT/JP2022/021296
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English (en)
French (fr)
Inventor
鈴木秀明
河内浩康
竹内秀隆
Original Assignee
株式会社豊田自動織機
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C3/00—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/02—Premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air upstream of the combustion zone

Definitions

  • the present invention relates to combustors.
  • a tubular flame burner as described in Patent Document 1 As a conventional combustor, for example, a tubular flame burner as described in Patent Document 1 is known.
  • the tubular flame burner described in Patent Document 1 has a cylindrical combustion tube with a closed proximal end and an open distal end, forming a combustion chamber, and a plurality of flat flow passages for supplying combustion air to the combustion chamber. and a plurality of fuel gas supply passages connected to the flat flow passage for supplying fuel gas to the combustion chamber.
  • a plurality of slits that open along the cylinder axis direction of the combustion chamber are formed in the side surface of the base end portion of the combustion tube.
  • the flat flow path is connected to the slit and widened along the width direction corresponding to the axial direction of the cylinder of the combustion chamber.
  • the slit is configured to eject combustion air and fuel gas in a mixed state in a direction tangential to the inner surface of the combustion chamber.
  • the mixed combustion air and fuel gas are ejected from the slit in a tangential direction to the inner surface of the combustion chamber, the mixed gas swirls along the inner surface of the combustion chamber to form a swirling flame (tubular flame).
  • the fuel gas burns in the
  • An object of the present invention is to generate a swirling flow of fuel gas and oxidizing gas in the combustion tube while simplifying the structure and facilitating the processing of the gas introduction portion for introducing the fuel gas and the oxidizing gas into the combustion tube. It is to provide a combustor that can
  • a combustor includes a cylindrical combustion tube with one end open and a closed wall fixed on the other end side, and a combustion tube attached to the combustion tube for introducing fuel gas and oxidizing gas into the combustion tube. It is equipped with a gas introduction pipe to be introduced, and an igniter that is attached to the blocking wall and ignites the fuel gas introduced into the combustion pipe by the gas introduction pipe, and the combustion pipe is provided with an insertion hole into which the gas introduction pipe is inserted.
  • the end of the gas introduction pipe connected to the combustion pipe is provided with a gas outlet for introducing the fuel gas and the oxidizing gas into the combustion pipe, and the gas introduction pipe has a gas outlet. It protrudes tangentially to the inner peripheral surface of the combustion tube toward the inside of the combustion tube with respect to the insertion hole so as to be accommodated in the combustion tube.
  • the cross-sectional area of the gas introduction pipe is such that the flow rate of the mixed gas of the fuel gas and the oxidizing gas is 3 m/s to 25 m/s when the mixed gas is led out from the gas outlet into the combustion pipe.
  • the gas introduction pipe may have a circular cross section, and the ratio of the inner diameter of the gas introduction pipe to the inner diameter of the combustion pipe may be 0.30 to 0.45.
  • the combustion tube may have a body portion and a tapered portion that tapers from the body portion toward the blocking wall.
  • the insertion hole is provided in the main body, and the difference between the outer diameter radius of the proximal end of the tapered portion and the outer diameter radius of the distal end of the tapered portion may be less than or equal to the inner diameter radius of the main body portion.
  • a swirling flow of the fuel gas and the oxidizing gas is generated in the combustion tube while simplifying the structure and facilitating the processing of the gas introduction portion for introducing the fuel gas and the oxidizing gas into the combustion tube. be able to.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a reforming system provided with a combustor according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a perspective view of the combustor shown in FIG. 1
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the combustor shown in FIG. 2
  • FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV of FIG. 3
  • FIG. 4 is a perspective view showing a combustor as a comparative example
  • 6 is a cross-sectional view of the combustor shown in FIG. 5
  • FIG. 5 is a graph showing a comparison of the combustible range of ammonia gas with respect to the excess air ratio ⁇ in the combustor shown in FIG. 4;
  • FIG. 5 is a graph showing a comparison of the combustible range of ammonia gas with respect to the excess air ratio ⁇ in the combustor shown in FIG. 4;
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a combustor according to a second embodiment of the present invention
  • 9 is a graph showing a comparison of ammonia gas combustible range with respect to excess air ratio ⁇ in the combustor shown in FIG. 8
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a combustor according to a third embodiment of the invention
  • 11 is a graph showing a comparison of the combustible range of ammonia gas with respect to the excess air ratio ⁇ in the combustor shown in FIG. 10
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a modification of the combustor shown in FIG. 3;
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a reforming system equipped with a combustor according to the first embodiment of the present invention.
  • a reforming system 1 includes an ammonia gas supply source 2 , an air supply source 3 , a combustor 4 of this embodiment, and a reformer 5 .
  • the ammonia gas supply source 2 generates ammonia gas ( NH3 gas) as fuel gas.
  • the ammonia gas supply source 2 has an ammonia tank that stores ammonia in a liquid state and a vaporizer that vaporizes the liquid ammonia to generate ammonia gas.
  • the air supply source 3 generates air, which is an oxidizing gas.
  • the air supply source 3 for example, a blower or the like is used.
  • the combustor 4 burns the ammonia gas generated by the ammonia gas supply source 2 to generate high-temperature combustion gas.
  • the combustor 4 will be detailed later.
  • the reformer 5 is connected to the combustor 4.
  • the reformer 5 is connected to the combustor 4 directly or via a connecting pipe.
  • the reformer 5 generates a reformed gas containing hydrogen by reforming the ammonia gas using the heat generated by burning the ammonia gas.
  • the reformer 5 has an ATR catalyst 5a.
  • the ATR catalyst 5a burns the ammonia gas with the heat of the combustion gas generated in the combustor 4, and decomposes the ammonia gas into hydrogen with the combustion heat (self-heat) of the ammonia gas, thereby reforming the ammonia gas. It is an autothermal reforming catalyst.
  • the ATR catalyst 5a has, for example, a honeycomb structure.
  • the ATR catalyst 5a burns the ammonia gas in a temperature range of, for example, about 200°C to 400°C, and reforms the ammonia gas in a temperature range higher than the combustion temperature of the ammonia gas (eg, about 250°C to 500°C).
  • a cobalt-based catalyst, a rhodium-based catalyst, a ruthenium-based catalyst, a palladium-based catalyst, or the like is used.
  • the reformer 5 may separately have a combustion catalyst for burning the ammonia gas and a reforming catalyst for decomposing the ammonia gas into hydrogen.
  • the reforming system 1 also includes air channels 6 and 7 , throttle valves 8 and 9 , ammonia gas channels 10 and 11 , and injectors 12 and 13 .
  • the air flow path 6 connects the air supply source 3 and the combustor 4 .
  • the air flow path 6 is a flow path through which the air generated by the air supply source 3 flows toward the combustor 4 .
  • the air flow path 7 connects the air supply source 3 and the reformer 5 .
  • the air flow path 7 is a flow path through which the air generated by the air supply source 3 flows toward the reformer 5 .
  • a throttle valve 8 is arranged in the air flow path 6 .
  • the throttle valve 8 is a flow control valve that controls the flow rate of air supplied to the combustor 4 .
  • a throttle valve 9 is arranged in the air flow path 7 .
  • the throttle valve 9 is a flow control valve that controls the flow rate of air supplied to the reformer 5 .
  • the ammonia gas flow path 10 connects the ammonia gas supply source 2 and the injector 12 .
  • the ammonia gas flow path 10 is a flow path through which the ammonia gas generated by the ammonia gas supply source 2 flows toward the injector 12 .
  • the ammonia gas flow path 11 connects the ammonia gas supply source 2 and the injector 13 .
  • the ammonia gas flow path 11 is a flow path through which the ammonia gas generated by the ammonia gas supply source 2 flows toward the injector 13 .
  • the injector 12 is a fuel injection valve that injects ammonia gas toward the combustor 4 .
  • the injector 12 injects ammonia gas between the throttle valve 8 and the combustor 4 in the air flow path 6 . Therefore, ammonia gas and air flow upstream of the combustor 4 in the air flow path 6 .
  • the injector 13 is a fuel injection valve that injects ammonia gas toward the reformer 5 .
  • the injector 13 injects ammonia gas between the throttle valve 9 and the reformer 5 in the air flow path 7 . Therefore, ammonia gas and air flow upstream of the reformer 5 in the air flow path 7 .
  • the reformer 5 is connected to the hydrogen utilization device 15 via the reformed gas flow path 14 .
  • the reformed gas channel 14 is a channel through which the reformed gas produced by the reformer 5 flows toward the hydrogen utilization device 15 .
  • the hydrogen utilization device 15 is a device that utilizes hydrogen contained in the reformed gas.
  • Examples of the hydrogen utilization device 15 include an ammonia engine and an ammonia gas turbine using ammonia gas as fuel, and a fuel cell that generates electricity by causing a chemical reaction between hydrogen and oxygen in the air.
  • FIG. 2 is a perspective view of the combustor 4.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of combustor 4 .
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV--IV of FIG. 2-4, the combustor 4 of this embodiment is a tubular flame burner.
  • the combustor 4 includes a combustion pipe 20, a gas introduction pipe 21 for introducing ammonia and air into the combustion pipe 20, and a spark plug 22 for igniting the ammonia gas introduced into the combustion pipe 20 through the gas introduction pipe 21. and
  • the combustion pipe 20 and the gas introduction pipe 21 are made of a metal material such as stainless steel that is corrosion resistant to ammonia gas.
  • the combustion pipe 20 and the gas introduction pipe 21 are cylindrical (circular in cross section).
  • the circular cross section means that the cross section taken perpendicularly to the axial direction of the combustion tube 20 and the gas introduction tube 21 has a circular shape.
  • the circular shape here includes not only a perfect circular shape but also an elliptical shape.
  • One end of the combustion tube 20 is open. That is, one end of the combustion tube 20 is an open end 20a. The other end of combustion tube 20 is closed. A circular block wall 23 is fixed to the other end of the combustion tube 20 .
  • One end of the gas introduction pipe 21 is connected to the combustion pipe 20 . That is, one end of the gas introduction pipe 21 is the end of the gas introduction pipe 21 that is connected to the combustion pipe 20 . The other end of the gas introduction pipe 21 is connected to the air flow path 6 described above.
  • the gas introduction pipe 21 is bent in a substantially L shape so as to extend along the axial direction of the combustion pipe 20 .
  • the combustion pipe 20 is provided with an insertion hole 24 having a circular cross section into which the gas introduction pipe 21 is inserted.
  • the insertion hole 24 is arranged in the axial center of the combustion tube 20 .
  • the insertion hole 24 is provided at a position such that the gas introduction pipe 21 is inserted into the combustion pipe 20 in the tangential direction of the inner peripheral surface 20 b of the combustion pipe 20 .
  • a mixed gas of ammonia gas and air flows inside the gas introduction pipe 21 .
  • One end of the gas introduction pipe 21 is provided with a gas outlet portion 21 a for leading out a mixed gas of ammonia gas and air into the combustion pipe 20 .
  • the gas introduction pipe 21 protrudes toward the inside of the combustion pipe 20 with respect to the insertion hole 24 in the tangential direction of the inner peripheral surface 20b of the combustion pipe 20 so that the gas outlet portion 21a is accommodated in the combustion pipe 20.
  • the tangential direction here includes not only the complete tangential direction but also the substantially tangential direction.
  • one end surface of the gas introduction pipe 21 defining the gas outlet portion 21a is arranged at a position corresponding to a virtual plane M along the same radial direction of the combustion pipe 20 inside the combustion pipe 20 (FIG. 3). reference).
  • a mixed gas of ammonia gas and air is introduced into the combustion tube 20 in the tangential direction of the inner peripheral surface 20b of the combustion tube 20, so that a swirling flow (tubular flow) of the mixed gas is generated inside the combustion tube 20.
  • the mixed gas flowing along the inner wall surface of the gas introduction pipe 21 in the axial direction of the gas introduction pipe 21 flows along the inner wall surface of the combustion pipe 20 through the gas outlet portion 21a.
  • the gas introduction pipe 21 has a circular cross section as described above.
  • the gas introduction pipe 21 has a flow rate (inrush flow rate) of 3 m/min when the mixed gas is introduced into the combustion tube 20 from the gas outlet 21b with respect to the flow rate (L/min) of the mixed gas of ammonia gas and air. It has a cross-sectional area S of s to 25 m/s.
  • the cross-sectional area S of the gas introduction pipe 21 is represented by the flow rate of the mixed gas/rush flow velocity of the mixed gas.
  • the spark plug 22 is attached to the center of the blocking wall 23 in the radial direction.
  • the ignition plug 22 is an ignition part that ignites the ammonia gas introduced into the combustion tube 20 to ignite the ammonia gas.
  • the mixed gas When the mixed gas is introduced into the combustion pipe 20 from the gas introduction pipe 21 in the combustor 4, the mixed gas flows inside the combustion pipe 20 as a swirling flow. Then, when the swirling mixed gas reaches the vicinity of the blocking wall 23, the ignition plug 22 is ignited, and the ammonia gas in the mixed gas is ignited and burned. Specifically, as shown in the following formula, ammonia and oxygen in the air chemically react to generate high-temperature combustion gas (exothermic reaction). NH3 +3/ 4O2- >1/2N2 + 3/ 2H2O ...(A)
  • the combustion gas flows through the combustion tube 20 toward the open end 20 a and is supplied to the reformer 5 . Then, the ATR catalyst 5a of the reformer 5 is warmed by the heat of the combustion gas, and the temperature of the ATR catalyst 5a rises. When the temperature of the ATR catalyst 5a reaches the combustible temperature, the ignition of the spark plug 22 is stopped, and the throttle valve 8 and the injector 12 are closed, thereby stopping the supply of air and ammonia gas to the combustor 4. Stop. This completes the generation of combustion gas by the combustor 4 .
  • the ammonia gas is burned by the ATR catalyst 5a, causing the exothermic reaction of the above formula (A), and the self-heat of the ATR catalyst 5a increases the temperature of the ATR catalyst 5a. rises further.
  • the ammonia gas is reformed by the ATR catalyst 5a. Specifically, a cracking reaction of ammonia occurs (endothermic reaction) and a reformed gas containing hydrogen is generated as shown in the following formula.
  • the reformed gas flows through the reformed gas channel 14 and is supplied to the hydrogen utilization device 15 .
  • FIG. 5 is a perspective view showing a combustor as a comparative example.
  • 6 is a cross-sectional view of the combustor shown in FIG. 5;
  • the combustor 50 of this comparative example includes a cylindrical combustion tube 51 with one end open and the other end closed, and four cylinders for introducing ammonia and air into the combustion tube 51.
  • a flat gas introduction member 52 and a spark plug 53 for igniting the ammonia gas introduced into the combustion tube 51 are provided.
  • Each gas introduction member 52 is fixed to the combustion tube 51 so that the gas outlet portion 52 a communicates with the slit 54 .
  • the gas introduction member 52 is arranged so as to cooperate with the slit 54 to introduce ammonia and air in the tangential direction of the inner peripheral surface 51 b of the combustion tube 51 . Therefore, an ideal swirling flow of ammonia and air is formed.
  • the gas introduction portion for introducing ammonia gas and air into the combustion tube 51 is composed of four flat gas introduction members 52 . Therefore, it is necessary to form four fine slits 54 in the combustion tube 51 . As a result, the structure of the gas introduction portion becomes complicated and the processing of the gas introduction portion becomes difficult. Moreover, since the four gas introduction members 52 extend in four directions along the radial direction of the combustion tube 51, the size of the combustor 50 is increased.
  • the mixed gas of the ammonia gas and air clogs the inside of the combustion pipe 20. It flows towards wall 23 . Then, the ammonia gas in the mixed gas is ignited by the ignition plug 22 and combusted to generate combustion gas. Combustion gas then flows to the open side of the combustion tube 20 .
  • the gas introduction pipe 21 extends toward the inside of the combustion pipe 20 with respect to the insertion hole 24 so that the gas outlet portion 21a is accommodated in the combustion pipe 20 in the tangential direction of the inner peripheral surface 20b of the combustion pipe 20.
  • the combustion amount of ammonia gas is proportional to the flow rate of ammonia gas.
  • the excess air ratio ⁇ corresponds to the composition of the mixed gas of ammonia gas and air.
  • the excess air ratio ⁇ >1 the mixed gas is in a lean (excess air) state.
  • the excess air ratio ⁇ 1 the mixed gas is in a rich (excess fuel) state.
  • the gas introduction pipe 21 has an inrush flow velocity of 3 m/s to 25 m when the mixed gas is introduced into the combustion pipe 20 from the gas outlet 21b with respect to the flow rate of the mixed gas of ammonia gas and air. /s.
  • ammonia gas can be combusted more than when the cross-sectional area S of the gas introduction pipe 21 does not satisfy the above conditions (see broken lines Q1 and Q2).
  • the range widens to the lean side as a whole.
  • a solid line P1 and a dashed line Q1 indicate the combustion limit value on the lean side.
  • a solid line P2 and a dashed line Q2 indicate the combustion limit value on the rich side.
  • the combustible range of ammonia gas is the area between solid lines P1 and P2 and the area between broken lines Q1 and Q2.
  • the cross-sectional area S of the gas introduction pipe 21 is approximately 80 mm ⁇ 2>.
  • a distance X (see FIG. 4) from the central axis of the gas introduction pipe 21 to the blocking wall 23 is 10 mm to 100 mm.
  • the combustible range of the ammonia gas with respect to the excess air ratio ⁇ is widened, so that the ammonia gas can stably burn easily. Therefore, the combustion performance of the combustor 4 is enhanced.
  • FIG. 8 is a sectional view showing a combustor according to the second embodiment of the invention, and is a view corresponding to FIG.
  • a combustor 4A of this embodiment includes a combustion pipe 20, a gas introduction pipe 21, and a spark plug 22, as in the first embodiment.
  • the ratio of the inner diameter R2 of the gas introduction pipe 21 to the inner diameter R1 of the combustion pipe 20 (the inner diameter R2 of the gas introduction pipe 21/the inner diameter R1 of the combustion pipe 20) is larger than in the first embodiment. ing. Specifically, the ratio of the inner diameter R2 of the gas introduction pipe 21 to the inner diameter R1 of the combustion pipe 20 is 0.30 to 0.45.
  • the gas inlet pipe 21 has a gas outlet portion 21b (see FIG. 3) with respect to the flow rate (L/min) of the mixed gas of ammonia gas and air. It has a cross-sectional area S such that the inrush flow velocity when the mixed gas is led out into the combustion tube 20 from 3 m/s to 25 m/s.
  • the ratio of the inner diameter R2 of the gas introduction pipe 21 to the inner diameter R1 of the combustion pipe 20 and the cross-sectional area S of the gas introduction pipe 21 meet the above conditions.
  • the combustible range of the ammonia gas is widened on the lean side as a whole, and when the flow rate of the ammonia gas supplied into the combustion tube 20 is particularly high, the ammonia The combustible range of gas is widened to the rich side.
  • the cross-sectional area S of the gas introduction pipe 21 and the distance X (see FIG. 4) from the central axis of the gas introduction pipe 21 to the blocking wall 23 are the same as in the first embodiment.
  • the combustible range of ammonia gas with respect to the excess air ratio ⁇ is further widened. Therefore, the ammonia gas is more stable and easier to burn.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a combustor according to a third embodiment of the present invention, corresponding to FIG.
  • a combustor 4B of this embodiment includes a combustion tube 30, and the gas introduction tube 21 and spark plug 22 described above.
  • One end of the combustion tube 30 is an open end 30a.
  • a blocking wall 33 is fixed to the other end of the combustion tube 30 .
  • the combustion tube 30 has a body portion 31 whose diameter is generally uniform along the axial direction and a tapered portion 32 that tapers from the body portion 31 toward a blocking wall 33 .
  • the tapered portion 32 is arranged closer to the other end of the combustion tube 30 than the body portion 31 is.
  • An insertion hole 24 (see FIGS. 2 and 3) into which the gas introduction pipe 21 is inserted is provided in the body portion 31 .
  • the difference ⁇ r between the outer diameter radius Ra of the proximal end 32 a of the tapered portion 32 and the outer diameter radius Rb of the distal end 32 b of the tapered portion 32 is equal to or less than the inner diameter radius Rc of the main body portion 31 .
  • the outer radius Ra of the proximal end 32 a of the tapered portion 32 is equal to the outer radius of the body portion 31 .
  • the inner diameter radius Rc of the main body portion 31 is the difference between the outer diameter radius of the main body portion 31 and the thickness of the main body portion 31 .
  • the blocking wall 33 is fixed to the tip 32b of the tapered portion 32. As shown in FIG.
  • the outer radius Rb of the tip 32b of the tapered portion 32 is substantially equal to the radius of the blocking wall 33. As shown in FIG.
  • the gas introduction pipe 21 allows the flow rate (L/min) of the mixed gas of ammonia gas and air to flow from the gas outlet 21b (see FIG. 3) into the combustion pipe 30. It has a cross-sectional area S such that the inrush velocity when the gas is led out is 3 m/s to 25 m/s.
  • the combustion tube 30 has a tapered portion 32 that tapers from the body portion 31 toward the blocking wall 33 . Therefore, in the vicinity of the ignition plug 22, the symmetry of the flow velocity of the mixed gas with respect to the axial direction of the combustion tube 30 is improved. Therefore, the ammonia gas is more stable and easier to burn.
  • the insertion hole 24 is provided in the main body portion 31, and the difference ⁇ r is equal to or smaller than the inner diameter radius Rc of the body portion 31 .
  • a difference ⁇ r between the outer diameter radius Ra of the proximal end 32a of the tapered portion 32 and the outer diameter radius Rb of the distal end 32b of the tapered portion 32 is, for example, 3 mm to 10 mm.
  • the length H of the tapered portion 32 is, for example, 10 mm to 70 mm.
  • the length H of the tapered portion 32 is the length from the proximal end 32a of the tapered portion 32 to the distal end 32b of the tapered portion 32 (blocking wall 33).
  • the combustible range of ammonia gas with respect to the excess air ratio ⁇ is further widened. Therefore, the ammonia gas is more stable and easier to burn.
  • one gas introduction pipe 21 is attached to the combustion pipe 20 or the combustion pipe 30, but the number of gas introduction pipes 21 is not particularly limited to one, and may be plural.
  • two gas introduction pipes 21 may be attached to the combustion pipe 20 .
  • two insertion holes 24 are provided in the combustion tube 20 at intervals of 180 degrees in the circumferential direction.
  • the gas introduction pipe 21 extends toward the inside of the combustion pipe 20 with respect to each insertion hole 24 so that the gas outlet portion 21a is accommodated in the combustion pipe 20 in the tangential direction of the inner peripheral surface 20b of the combustion pipe 20. protrudes to
  • the gas introduction pipe 21 has a cylindrical shape (circular cross section), but it is not particularly limited to such a shape.
  • the shape of the gas introduction pipe 21 may be a square tubular shape (quadrangular cross section) or the like.
  • the blocking walls 23, 33 are fixed to the other ends of the combustion tubes 20, 30 (ends opposite to the open ends). may be fixed near the other ends of the combustion tubes 20,30. The point is that the blocking walls 23 and 33 should be fixed to the other ends of the combustion tubes 20 and 30 .
  • the combustors 4, 4A, and 4B of the above embodiment are provided in the reforming system 1, but the present invention may be applied to systems other than the reforming system.
  • ammonia gas is used as the fuel gas, but the present invention is also applicable to combustors that use hydrocarbon gas or the like as the fuel gas.
  • air is used as the oxidizing gas
  • the present invention is also applicable to combustors that use oxygen as the oxidizing gas.
  • combustion pipe 20b inner peripheral surface 21 gas introduction pipe 21a gas outlet portion 22 spark plug (ignition portion) 23 closed wall 24 insertion hole 30 combustion tube 31 main body 32 tapered portion 32a base end 32b tip 33 closed wall S cross-sectional area R1, R2 inner diameter Ra, Rb outer diameter radius Rc inner diameter radius ⁇ r difference

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Abstract

燃焼器（４）は、一端が開放されると共に他端に閉塞壁（２３）が固定された円筒状の燃焼管（２０）と、燃焼管（２０）に取り付けられ、燃焼管（２０）内にアンモニアガス及び空気を導入するガス導入管（２１）と、燃焼管（２０）内に導入されたアンモニアガスを着火させる点火プラグ（２２）とを備え、ガス導入管（２１）における燃焼管（２０）と接続される側の端には、アンモニアガス及び空気を燃焼管（２０）内に導出するガス出口部（２１ａ）が設けられており、ガス導入管（２１）は、ガス出口部（２１ａ）が燃焼管（２０）内に収容されるように燃焼管（２０）の差込孔（２４）に対して燃焼管（２０）の内側に向かって燃焼管（２０）の内周面（２０ｂ）の接線方向に突出している。

Description

燃焼器
　本発明は、燃焼器に関する。
　従来の燃焼器としては、例えば特許文献１に記載されているような管状火炎バーナが知られている。特許文献１に記載の管状火炎バーナは、基端が閉塞されると共に先端が開放され、燃焼室を形成する円筒状の燃焼管と、燃焼室に燃焼用空気を供給する複数の扁平状流路と、この扁平状流路に接続され、燃焼室に燃料ガスを供給する複数の燃料ガス供給路とを備えている。燃焼管の基端側部の側面には、燃焼室の筒軸心方向に沿って開口する複数のスリットが形成されている。扁平状流路は、スリットに接続されていると共に、燃焼室の筒軸心方向に相当する幅方向に沿って幅広となっている。スリットは、燃焼用空気及び燃料ガスを混合状態で燃焼室の内面の接線方向に向けて噴出するように構成されている。混合状態の燃焼用空気及び燃料ガスがスリットから燃焼室の内面の接線方向に向けて噴出されると、混合ガスが燃焼室の内面に沿って旋回し、旋回火炎（管状火炎）が形成される状態で燃料ガスが燃焼する。
特開２０１９－１００６７８号公報
　上記従来技術においては、燃焼室内に燃料ガス及び燃焼用空気（酸化性ガス）の混合ガスの理想的な旋回流が生じるため、燃料ガスが燃焼されやすくなる。しかし、燃焼室内に燃料ガス及び燃焼用空気を導入するためのガス導入部として、燃焼管に微細なスリットを形成する必要がある。このため、ガス導入部の構造が複雑になると共に、ガス導入部の加工が困難になる。
　本発明の目的は、燃焼管内に燃料ガス及び酸化性ガスを導入するガス導入部について構造の簡単化及び加工の容易化を図りつつ、燃焼管内に燃料ガス及び酸化性ガスの旋回流を発生させることができる燃焼器を提供することである。
　本発明の一態様に係る燃焼器は、一端が開放されると共に他端側に閉塞壁が固定された円筒状の燃焼管と、燃焼管に取り付けられ、燃焼管内に燃料ガス及び酸化性ガスを導入するガス導入管と、閉塞壁に取り付けられ、ガス導入管により燃焼管内に導入された燃料ガスを着火させる点火部とを備え、燃焼管には、ガス導入管が差し込まれる差込孔が設けられており、ガス導入管における燃焼管と接続される側の端には、燃料ガス及び酸化性ガスを燃焼管内に導出するガス出口部が設けられており、ガス導入管は、ガス出口部が燃焼管内に収容されるように差込孔に対して燃焼管の内側に向かって燃焼管の内周面の接線方向に突出している。
　このような燃焼器においては、ガス導入管により燃料ガス及び酸化性ガスが円筒状の燃焼管内に導入されると、燃料ガスと酸化性ガスとの混合ガスが燃焼管内を閉塞壁に向かって流れる。そして、点火部により混合ガス中の燃料ガスが着火して燃焼し、燃焼ガスが生成される。そして、燃焼ガスが燃焼管の開放側に流れる。ここで、ガス導入管は、ガス出口部が燃焼管内に収容されるように差込孔に対して燃焼管の内側に向かって燃焼管の内周面の接線方向に突出している。これにより、燃料ガス及び酸化性ガスが燃焼管内に導入されると、燃焼管内に燃料ガス及び酸化性ガスの旋回流（管状流）が発生する。従って、燃料ガスが旋回流の状態で着火することで、管状火炎が形成されることとなる。また、ガス導入管を燃焼管に取り付ける際には、燃焼管に単純な孔加工を施して差込孔を形成し、差込孔にガス導入管を差し込めばよい。これにより、燃焼管内に燃料ガス及び酸化性ガスを導入するガス導入部について、構造の簡単化及び加工の容易化が図られる。
　ガス導入管は、燃料ガスと酸化性ガスとの混合ガスの流量に対し、ガス出口部から燃焼管内に混合ガスが導出される際の流速が３ｍ／ｓ～２５ｍ／ｓとなるような断面積を有していてもよい。このような構成では、酸化性ガスの過剰率に対する燃料ガスの燃焼可能範囲が広くなるため、燃料ガスが安定して燃焼しやすくなる。
　ガス導入管は、断面円形状を呈し、燃焼管の内径に対するガス導入管の内径の比率は、０．３０～０．４５であってもよい。このような構成では、特に燃焼管内に供給される燃料ガスの流量が多いときに、酸化性ガスの過剰率に対する燃料ガスの燃焼可能範囲が更に広くなる。従って、燃料ガスが更に安定して燃焼しやすくなる。
　燃焼管は、本体部と、本体部から閉塞壁に向かって先細りとなるテーパ部とを有してもよい。このような構成では、点火部の近傍において、燃焼管の軸方向に対する混合ガスの流速の対称性が良くなる。従って、燃料ガスが更に安定して燃焼しやすくなる。
　差込孔は、本体部に設けられており、テーパ部の基端の外径半径とテーパ部の先端の外径半径との差分は、本体部の内径半径以下であってもよい。このような構成では、特に燃焼管内に供給される燃料ガスの流量が多いときに、酸化性ガスの過剰率に対する燃料ガスの燃焼可能範囲が更に広くなる。従って、燃料ガスが一層安定して燃焼しやすくなる。
　本発明によれば、燃焼管内に燃料ガス及び酸化性ガスを導入するガス導入部について構造の簡単化及び加工の容易化を図りつつ、燃焼管内に燃料ガス及び酸化性ガスの旋回流を発生させることができる。
本発明の第１実施形態に係る燃焼器を備えた改質システムを示す概略構成図である。 図１に示された燃焼器の斜視図である。 図２に示された燃焼器の断面図である。 図３のIV－IV線断面図である。 比較例としての燃焼器を示す斜視図である。 図５に示された燃焼器の断面図である。 図４に示された燃焼器において空気過剰率λに対するアンモニアガスの燃焼可能範囲を比較して示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る燃焼器を示す断面図である。 図８に示された燃焼器において空気過剰率λに対するアンモニアガスの燃焼可能範囲を比較して示すグラフである。 本発明の第３実施形態に係る燃焼器を示す断面図である。 図１０に示された燃焼器において空気過剰率λに対するアンモニアガスの燃焼可能範囲を比較して示すグラフである。 図３に示された燃焼器の変形例を示す断面図である。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、同一または同等の要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
　図１は、本発明の第１実施形態に係る燃焼器を備えた改質システムを示す概略構成図である。図１において、改質システム１は、アンモニアガス供給源２と、空気供給源３と、本実施形態の燃焼器４と、改質器５とを備えている。
　アンモニアガス供給源２は、燃料ガスであるアンモニアガス（ＮＨ３ガス）を発生させる。アンモニアガス供給源２は、特に図示はしないが、アンモニアを液体状態で貯蔵するアンモニアタンクと、液体のアンモニアを気化させてアンモニアガスを生成する気化器とを有している。
　空気供給源３は、酸化性ガスである空気を発生させる。空気供給源３としては、例えば送風機等が用いられる。
　燃焼器４は、アンモニアガス供給源２で発生したアンモニアガスを燃焼させて、高温の燃焼ガスを発生させる。燃焼器４については、後で詳述する。
　改質器５は、燃焼器４と接続されている。改質器５は、燃焼器４と直接または接続管を介して接続されている。改質器５は、アンモニアガスを燃焼させて発生した熱を利用してアンモニアガスを改質することにより、水素を含有した改質ガスを生成する。
　改質器５は、ＡＴＲ触媒５ａを有している。ＡＴＲ触媒５ａは、燃焼器４で発生した燃焼ガスの熱によりアンモニアガスを燃焼させると共に、そのアンモニアガスの燃焼熱（自己熱）によりアンモニアガスを水素に分解することで、アンモニアガスを改質する自己熱式改質触媒である。ＡＴＲ触媒５ａは、例えばハニカム構造を有している。
　ＡＴＲ触媒５ａは、例えば２００℃～４００℃程度の温度領域においてアンモニアガスを燃焼させると共に、アンモニアガスの燃焼温度よりも高い温度領域（例えば２５０℃～５００℃程度）においてアンモニアガスを改質する。ＡＴＲ触媒５ａとしては、例えばコバルト系触媒、ロジウム系触媒、ルテニウム系触媒またはパラジウム系触媒等が使用される。
　なお、改質器５は、ＡＴＲ触媒５ａに代えて、アンモニアガスを燃焼させる燃焼触媒と、アンモニアガスを水素に分解する改質触媒とを別々に有していてもよい。
　また、改質システム１は、空気流路６，７と、スロットルバルブ８，９と、アンモニアガス流路１０，１１と、インジェクタ１２，１３とを備えている。
　空気流路６は、空気供給源３と燃焼器４とを接続している。空気流路６は、空気供給源３で発生した空気が燃焼器４に向けて流れる流路である。空気流路７は、空気供給源３と改質器５とを接続している。空気流路７は、空気供給源３で発生した空気が改質器５に向けて流れる流路である。
　スロットルバルブ８は、空気流路６に配設されている。スロットルバルブ８は、燃焼器４に供給される空気の流量を制御する流量制御弁である。スロットルバルブ９は、空気流路７に配設されている。スロットルバルブ９は、改質器５に供給される空気の流量を制御する流量制御弁である。
　アンモニアガス流路１０は、アンモニアガス供給源２とインジェクタ１２とを接続している。アンモニアガス流路１０は、アンモニアガス供給源２で発生したアンモニアガスがインジェクタ１２に向けて流れる流路である。アンモニアガス流路１１は、アンモニアガス供給源２とインジェクタ１３とを接続している。アンモニアガス流路１１は、アンモニアガス供給源２で発生したアンモニアガスがインジェクタ１３に向けて流れる流路である。
　インジェクタ１２は、燃焼器４に向けてアンモニアガスを噴射する燃料噴射弁である。インジェクタ１２は、空気流路６におけるスロットルバルブ８と燃焼器４との間にアンモニアガスを噴射する。このため、空気流路６における燃焼器４の上流側には、アンモニアガス及び空気が流れる。
　インジェクタ１３は、改質器５に向けてアンモニアガスを噴射する燃料噴射弁である。インジェクタ１３は、空気流路７におけるスロットルバルブ９と改質器５との間にアンモニアガスを噴射する。このため、空気流路７における改質器５の上流側には、アンモニアガス及び空気が流れる。
　改質器５は、改質ガス流路１４を介して水素利用装置１５と接続されている。改質ガス流路１４は、改質器５により生成された改質ガスが水素利用装置１５に向けて流れる流路である。
　水素利用装置１５は、改質ガスに含まれる水素を利用する装置である。水素利用装置１５としては、例えばアンモニアガスを燃料としたアンモニアエンジンやアンモニアガスタービン、或いは水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う燃料電池等が挙げられる。
　図２は、燃焼器４の斜視図である。図３は、燃焼器４の断面図である。図４は、図３のIV－IV線断面図である。図２～図４において、本実施形態の燃焼器４は、管状火炎バーナである。
　燃焼器４は、燃焼管２０と、この燃焼管２０内にアンモニア及び空気を導入するガス導入管２１と、このガス導入管２１により燃焼管２０内に導入されたアンモニアガスを着火させる点火プラグ２２とを備えている。
　燃焼管２０及びガス導入管２１は、アンモニアガスに対して耐腐食性を有するステンレス鋼等の金属材料で形成されている。燃焼管２０及びガス導入管２１は、円筒状（断面円形状）を呈している。断面円形状とは、燃焼管２０及びガス導入管２１の軸方向に垂直に切った断面で円形状のことである。ここでいう円形状は、真円形状だけでなく、楕円形状も含む。
　燃焼管２０の一端は、開放されている。つまり、燃焼管２０の一端は、開放端２０ａとなっている。燃焼管２０の他端は、閉塞されている。燃焼管２０の他端には、円形状の閉塞壁２３が固定されている。
　ガス導入管２１の一端は、燃焼管２０に接続されている。つまり、ガス導入管２１の一端は、ガス導入管２１における燃焼管２０と接続される側の端である。ガス導入管２１の他端は、上記の空気流路６と接続されている。ガス導入管２１は、燃焼管２０の軸方向に沿って延びるように略Ｌ字状に曲げられている。
　燃焼管２０には、ガス導入管２１が差し込まれる断面円形状の差込孔２４が設けられている。差込孔２４は、燃焼管２０の軸方向の中央部に配置されている。差込孔２４は、ガス導入管２１が燃焼管２０に対して燃焼管２０の内周面２０ｂの接線方向に差し込まれるような位置に設けられている。
　ガス導入管２１の内部には、アンモニアガスと空気との混合ガスが流れる。ガス導入管２１の一端には、アンモニアガスと空気との混合ガスを燃焼管２０内に導出するガス出口部２１ａが設けられている。ガス導入管２１は、ガス出口部２１ａが燃焼管２０内に収容されるように差込孔２４に対して燃焼管２０の内側に向かって燃焼管２０の内周面２０ｂの接線方向に突出している。なお、ここでいう接線方向は、完全な接線方向だけでなく、略接線方向も含んでいる。
　このとき、ガス出口部２１ａを画成するガス導入管２１の一端面は、燃焼管２０内における燃焼管２０の同じ径方向に沿った仮想面Ｍに相当する位置に配置されている（図３参照）。これにより、アンモニアガスと空気との混合ガスが燃焼管２０内に燃焼管２０の内周面２０ｂの接線方向に導入されるため、燃焼管２０内に混合ガスの旋回流（管状流）が発生する。具体的には、ガス導入管２１の内壁面に沿ってガス導入管２１の軸方向に流れる混合ガスは、ガス出口部２１ａを通って燃焼管２０の内壁面に沿って燃焼管２０の周方向に流れるようになる。従って、ガス導入管２１のガス出口部２１ａが燃焼管２０内に収容されないようにガス導入管２１の一端面を燃焼管２０の外周面に連結した場合（例えば図５及び図６と同様の構造）に比べて、混合ガスの旋回流が発生しやすくなる。
　ガス導入管２１は、上述したように断面円形状を呈している。ガス導入管２１は、アンモニアガスと空気との混合ガスの流量（Ｌ／ｍｉｎ）に対し、ガス出口部２１ｂから燃焼管２０内に混合ガスが導出される際の流速（突入流速）が３ｍ／ｓ～２５ｍ／ｓとなるような断面積Ｓを有している。ガス導入管２１の断面積Ｓは、混合ガスの流量／混合ガスの突入流速で表される。
　点火プラグ２２は、閉塞壁２３の径方向中心部に取り付けられている。点火プラグ２２は、燃焼管２０内に導入されたアンモニアガスに点火してアンモニアガスを着火させる点火部である。
　このような燃焼器４において、ガス導入管２１により燃焼管２０内にアンモニアガスと空気との混合ガスが導入されると、混合ガスが旋回流となる（図３参照）。このとき、混合ガスの一部が燃焼管２０内を旋回流の状態で閉塞壁２３に向かって流れる（図４参照）。そして、混合ガスが閉塞壁２３の近傍に達すると、点火プラグ２２により混合ガス中のアンモニアガスが着火して管状火炎が形成され、燃焼ガスが発生する。燃焼ガスは、残りの混合ガスと共に燃焼管２０の開放端２０ａに向かって流れる（図４参照）。
　以上のような燃焼器４を備えた改質システム１が起動されると、スロットルバルブ８，９及びインジェクタ１２，１３が開弁することで、空気が空気流路６，７を燃焼器４及び改質器５に向かってそれぞれ流れると共に、インジェクタ１２，１３から燃焼器４及び改質器５に向かってアンモニアガスがそれぞれ噴射される。すると、アンモニアガスと空気との混合ガスが燃焼器４及び改質器５にそれぞれ供給される。
　燃焼器４においてガス導入管２１から燃焼管２０内に混合ガスが導入されると、混合ガスが燃焼管２０内を旋回流として流れる。そして、旋回流の混合ガスが閉塞壁２３の近傍に達すると、点火プラグ２２が点火することで、混合ガス中のアンモニアガスが着火して燃焼する。具体的には、下記式のように、アンモニアと空気中の酸素とが化学反応し、高温の燃焼ガスが生成される（発熱反応）。
　　　　ＮＨ３＋３／４Ｏ２→１／２Ｎ２＋３／２Ｈ２Ｏ　　　…（Ａ）
　燃焼ガスは、燃焼管２０内を開放端２０ａに向かって流れて改質器５に供給される。そして、燃焼ガスの熱によって改質器５のＡＴＲ触媒５ａが暖められ、ＡＴＲ触媒５ａの温度が上昇する。そして、ＡＴＲ触媒５ａの温度が燃焼可能温度に達すると、点火プラグ２２の点火が停止すると共に、スロットルバルブ８及びインジェクタ１２が閉弁することで、燃焼器４への空気及びアンモニアガスの供給が停止する。これにより、燃焼器４による燃焼ガスの生成が完了する。
　また、ＡＴＲ触媒５ａの温度が燃焼可能温度に達すると、ＡＴＲ触媒５ａによりアンモニアガスが燃焼することで、上記（Ａ）式の発熱反応が起こり、ＡＴＲ触媒５ａの自己熱によってＡＴＲ触媒５ａの温度が更に上昇する。
　そして、ＡＴＲ触媒５ａの温度が改質可能温度に達すると、ＡＴＲ触媒５ａによりアンモニアガスが改質される。具体的には、下記式のように、アンモニアの分解反応が起こり（吸熱反応）、水素を含む改質ガスが生成される。改質ガスは、改質ガス流路１４を流れて水素利用装置１５に供給される。
　　　　ＮＨ３→３／２Ｈ２＋１／２Ｎ２　　　…（Ｂ）
　図５は、比較例としての燃焼器を示す斜視図である。図６は、図５に示された燃焼器の断面図である。図５及び図６において、本比較例の燃焼器５０は、一端が開放されると共に他端が閉塞された円筒状の燃焼管５１と、この燃焼管５１内にアンモニア及び空気を導入する４つの扁平状のガス導入部材５２と、燃焼管５１内に導入されたアンモニアガスを着火させる点火プラグ５３とを備えている。
　燃焼管５１には、周方向に沿って４つのスリット５４が等間隔に形成されている。スリット５４は、燃焼管５１の軸方向に延びている。各ガス導入部材５２は、ガス出口部５２ａがスリット５４と連通するように燃焼管５１に固定されている。ガス導入部材５２は、スリット５４と協働してアンモニア及び空気を燃焼管５１の内周面５１ｂの接線方向に導入するように配置されている。従って、アンモニア及び空気の理想的な旋回流が形成される。
　しかし、本比較例では、燃焼管５１内にアンモニアガス及び空気を導入するガス導入部は、４つの扁平状のガス導入部材５２によって構成されている。このため、燃焼管５１に４つの微細なスリット５４を形成する必要がある。その結果、ガス導入部の構造が複雑になると共に、ガス導入部の加工が困難になる。また、４つのガス導入部材５２が燃焼管５１の径方向に沿って四方に延びているため、燃焼器５０の大型化につながる。
　そのような課題に対し、本実施形態では、ガス導入管２１によりアンモニアガス及び空気が円筒状の燃焼管２０内に導入されると、アンモニアガスと空気との混合ガスが燃焼管２０内を閉塞壁２３に向かって流れる。そして、点火プラグ２２により混合ガス中のアンモニアガスが着火して燃焼し、燃焼ガスが生成される。そして、燃焼ガスが燃焼管２０の開放側に流れる。ここで、ガス導入管２１は、ガス出口部２１ａが燃焼管２０内に収容されるように差込孔２４に対して燃焼管２０の内側に向かって燃焼管２０の内周面２０ｂの接線方向に突出している。これにより、アンモニアガス及び空気が燃焼管２０内に導入されると、燃焼管２０内にアンモニアガス及び空気の旋回流（管状流）が発生する。従って、アンモニアガスが旋回流の状態で着火することで、管状火炎が形成されることとなる。また、ガス導入管２１を燃焼管２０に取り付ける際には、燃焼管２０に単純な孔加工を施して差込孔２４を形成し、差込孔２４にガス導入管２１を差し込めばよい。これにより、燃焼管２０内にアンモニアガス及び空気を導入するガス導入部について、構造の簡単化及び加工の容易化が図られる。さらに、ガス導入管２１が燃焼管２０の軸方向に沿って延びるように曲がっているため、燃焼器４の径方向の寸法が小さくなり、燃焼器４の小型化が図られる。
　ところで、ガス導入管２１によりアンモニアガス及び空気が燃焼管２０内に導入されると、アンモニアガスと空気との混合ガスの旋回流が発生する。しかし、混合ガスが燃焼管２０内を旋回すると、混合ガスがガス導入管２１に干渉するため、点火プラグ２２の近傍において燃焼管２０の軸方向に対する混合ガスの流速の対称性が崩れることがある。この場合には、図７に示されるように、空気過剰率λに対するアンモニアガスの燃焼可能範囲に影響を与えてしまう。
　図７において、アンモニアガスの燃焼量は、アンモニアガスの流量に比例している。空気過剰率λは、アンモニアガスと空気との混合ガスの組成に相当する。空気過剰率λ＝１のとき、混合ガスはストイキ（燃料が完全燃焼する理論空燃比）状態である。空気過剰率λ＞１のとき、混合ガスはリーン（空気過剰）状態である。空気過剰率λ＜１のとき、混合ガスはリッチ（燃料過剰）状態である。
　本実施形態では、ガス導入管２１は、アンモニアガスと空気との混合ガスの流量に対し、ガス出口部２１ｂから燃焼管２０内に混合ガスが導出される際の突入流速が３ｍ／ｓ～２５ｍ／ｓとなるような断面積Ｓを有している。この場合には、図７の実線Ｐ１，Ｐ２で示されるように、ガス導入管２１の断面積Ｓが上記の条件を満たさない場合（破線Ｑ１，Ｑ２参照）に比べて、アンモニアガスの燃焼可能範囲が全体的にリーン側に広くなる。実線Ｐ１及び破線Ｑ１は、リーン側の燃焼限界値を示している。実線Ｐ２及び破線Ｑ２は、リッチ側の燃焼限界値を示している。このため、アンモニアガスの燃焼可能範囲は、実線Ｐ１，Ｐ２間の領域及び破線Ｑ１，Ｑ２間の領域である。このとき、ガス導入管２１の断面積Ｓは、約８０ｍｍ２である。ガス導入管２１の中心軸から閉塞壁２３までの距離Ｘ（図４参照）は、１０ｍｍ～１００ｍｍである。
　このように本実施形態によれば、空気過剰率λに対するアンモニアガスの燃焼可能範囲が広くなるため、アンモニアガスが安定して燃焼しやすくなる。従って、燃焼器４の燃焼性能が高くなる。
　図８は、本発明の第２実施形態に係る燃焼器を示す断面図であり、図４に対応する図である。図８において、本実施形態の燃焼器４Ａは、上記の第１実施形態と同様に、燃焼管２０と、ガス導入管２１と、点火プラグ２２とを備えている。
　本実施形態では、上記の第１実施形態に比べて、燃焼管２０の内径Ｒ１に対するガス導入管２１の内径Ｒ２の比率（ガス導入管２１の内径Ｒ２／燃焼管２０の内径Ｒ１）が大きくなっている。具体的には、燃焼管２０の内径Ｒ１に対するガス導入管２１の内径Ｒ２の比率は、０．３０～０．４５である。
　また、本実施形態では、上記の第１実施形態と同様に、ガス導入管２１は、アンモニアガスと空気との混合ガスの流量（Ｌ／ｍｉｎ）に対し、ガス出口部２１ｂ（図３参照）から燃焼管２０内に混合ガスが導出される際の突入流速が３ｍ／ｓ～２５ｍ／ｓとなるような断面積Ｓを有している。
　このような場合には、図９の実線Ｐ１，Ｐ２で示されるように、燃焼管２０の内径Ｒ１に対するガス導入管２１の内径Ｒ２の比率とガス導入管２１の断面積Ｓが上記の条件を満たさない場合（破線Ｑ１，Ｑ２参照）に比べて、アンモニアガスの燃焼可能範囲が全体的にリーン側に広くなると共に、特に燃焼管２０内に供給されるアンモニアガスの流量が多いときに、アンモニアガスの燃焼可能範囲がリッチ側に広くなる。このとき、ガス導入管２１の断面積Ｓ及びガス導入管２１の中心軸から閉塞壁２３までの距離Ｘ（図４参照）は、上記の第１実施形態と同様である。
　このように本実施形態によれば、特に燃焼管２０内に供給されるアンモニアガスの流量が多いときに、空気過剰率λに対するアンモニアガスの燃焼可能範囲が更に広くなる。従って、アンモニアガスが更に安定して燃焼しやすくなる。
　図１０は、本発明の第３実施形態に係る燃焼器を示す断面図であり、図４に対応する図である。図１０において、本実施形態の燃焼器４Ｂは、燃焼管３０と、上記のガス導入管２１及び点火プラグ２２とを備えている。
　燃焼管３０の一端は、開放端３０ａとなっている。燃焼管３０の他端には、閉塞壁３３が固定されている。燃焼管３０は、径が軸方向に沿って全体的に等しい本体部３１と、この本体部３１から閉塞壁３３に向かって先細りとなるテーパ部３２とを有している。テーパ部３２は、本体部３１よりも燃焼管３０の他端側に配置されている。ガス導入管２１が差し込まれる差込孔２４（図２及び図３参照）は、本体部３１に設けられている。
　テーパ部３２の基端３２ａの外径半径Ｒａとテーパ部３２の先端３２ｂの外径半径Ｒｂとの差分Δｒは、本体部３１の内径半径Ｒｃ以下である。テーパ部３２の基端３２ａの外径半径Ｒａは、本体部３１の外径半径に等しい。本体部３１の内径半径Ｒｃは、本体部３１の外径半径と本体部３１の厚みとの差である。閉塞壁３３は、テーパ部３２の先端３２ｂに固定されている。テーパ部３２の先端３２ｂの外径半径Ｒｂは、閉塞壁３３の半径にほぼ等しい。
　ガス導入管２１は、上記の第１実施形態と同様に、アンモニアガスと空気との混合ガスの流量（Ｌ／ｍｉｎ）に対し、ガス出口部２１ｂ（図３参照）から燃焼管３０内に混合ガスが導出される際の突入流速が３ｍ／ｓ～２５ｍ／ｓとなるような断面積Ｓを有している。
　このような本実施形態では、燃焼管３０は、本体部３１から閉塞壁３３に向かって先細りとなるテーパ部３２を有している。このため、点火プラグ２２の近傍において、燃焼管３０の軸方向に対する混合ガスの流速の対称性が良くなる。従って、アンモニアガスが更に安定して燃焼しやすくなる。
　また、本実施形態では、差込孔２４は、本体部３１に設けられており、テーパ部３２の基端３２ａの外径半径Ｒａとテーパ部３２の先端３２ｂの外径半径Ｒｂとの差分Δｒは、本体部３１の内径半径Ｒｃ以下である。
　このような場合には、図１１の実線Ｐ１，Ｐ２で示されるように、燃焼管３０がテーパ部３２を有しないと共にガス導入管２１の断面積Ｓが上記の条件を満たさない場合（破線Ｑ１，Ｑ２参照）に比べて、アンモニアガスの燃焼可能範囲が全体的にリーン側に広くなると共に、特に燃焼管３０内に供給されるアンモニアガスの流量が多いときに、アンモニアガスの燃焼可能範囲がリッチ側に広くなる。このとき、ガス導入管２１の断面積Ｓ及びガス導入管２１の中心軸から閉塞壁２３までの距離Ｘ（図４参照）は、上記の第１実施形態と同様である。また、テーパ部３２の基端３２ａの外径半径Ｒａとテーパ部３２の先端３２ｂの外径半径Ｒｂとの差分Δｒは、例えば３ｍｍ～１０ｍｍである。テーパ部３２の長さＨは、例えば１０ｍｍ～７０ｍｍである。テーパ部３２の長さＨは、テーパ部３２の基端３２ａからテーパ部３２の先端３２ｂ（閉塞壁３３）までの長さである。
　このように本実施形態によれば、特に燃焼管３０内に供給されるアンモニアガスの流量が多いときに、空気過剰率λに対するアンモニアガスの燃焼可能範囲が更に広くなる。従って、アンモニアガスが一層安定して燃焼しやすくなる。
　なお、本発明は、上記実施形態には限定されない。例えば上記実施形態では、燃焼管２０または燃焼管３０にガス導入管２１が１つ取り付けられているが、ガス導入管２１の数としては、特に１つには限られず、複数あってもよい。例えば図１２に示されるように、燃焼管２０に２つのガス導入管２１が取り付けられていてもよい。この場合、差込孔２４は、燃焼管２０に周方向に１８０度離れて２つ設けられている。そして、ガス導入管２１は、ガス出口部２１ａが燃焼管２０内に収容されるように各差込孔２４に対して燃焼管２０の内側に向かって燃焼管２０の内周面２０ｂの接線方向に突出している。
　また、上記実施形態では、ガス導入管２１は円筒状（断面円形状）を呈しているが、特にそのような形態には限られない。例えば、上記の第１及び第３実施形態では、ガス導入管２１の形状としては、角筒状（断面四角形状）等であってもよい。
　また、上記実施形態では、閉塞壁２３，３３は燃焼管２０，３０の他端（開放端の反対側の端）に固定されているが、特にその形態には限られず、閉塞壁２３，３３は燃焼管２０，３０の他端の近傍に固定されていてもよい。要は、閉塞壁２３，３３は燃焼管２０，３０の他端側に固定されていればよい。
　また、上記実施形態の燃焼器４，４Ａ，４Ｂは、改質システム１に具備されているが、本発明は、改質システム以外のシステム等にも適用してもよい。
　また、上記実施形態では、燃料ガスとしてアンモニアガスが使用されているが、本発明は、燃料ガスとして炭化水素ガス等を使用する燃焼器にも適用可能である。
　また、上記実施形態では、酸化性ガスとして空気が使用されているが、本発明は、酸化性ガスとして酸素を使用する燃焼器にも適用可能である。
　４，４Ａ，４Ｂ　　燃焼器
　２０　　燃焼管
　２０ｂ　　内周面
　２１　　ガス導入管
　２１ａ　　ガス出口部
　２２　　点火プラグ（点火部）
　２３　　閉塞壁
　２４　　差込孔
　３０　　燃焼管
　３１　　本体部
　３２　　テーパ部
　３２ａ　　基端
　３２ｂ　　先端
　３３　　閉塞壁
　Ｓ　　断面積
　Ｒ１，Ｒ２　　内径
　Ｒａ，Ｒｂ　　外径半径
　Ｒｃ　　内径半径
　Δｒ　　差分

 

Claims (5)

  1. 　一端が開放されると共に他端側に閉塞壁が固定された円筒状の燃焼管と、
    　前記燃焼管に取り付けられ、前記燃焼管内に燃料ガス及び酸化性ガスを導入するガス導入管と、
    　前記閉塞壁に取り付けられ、前記ガス導入管により前記燃焼管内に導入された前記燃料ガスを着火させる点火部とを備え、
    　前記燃焼管には、前記ガス導入管が差し込まれる差込孔が設けられており、
    　前記ガス導入管における前記燃焼管と接続される側の端には、前記燃料ガス及び前記酸化性ガスを前記燃焼管内に導出するガス出口部が設けられており、
    　前記ガス導入管は、前記ガス出口部が前記燃焼管内に収容されるように前記差込孔に対して前記燃焼管の内側に向かって前記燃焼管の内周面の接線方向に突出している燃焼器。
  2. 　前記ガス導入管は、前記燃料ガスと前記酸化性ガスとの混合ガスの流量に対し、前記ガス出口部から前記燃焼管内に前記混合ガスが導出される際の流速が３ｍ／ｓ～２５ｍ／ｓとなるような断面積を有している請求項１記載の燃焼器。
  3. 　前記ガス導入管は、断面円形状を呈し、
    　前記燃焼管の内径に対する前記ガス導入管の内径の比率は、０．３０～０．４５である請求項２記載の燃焼器。
  4. 　前記燃焼管は、本体部と、前記本体部から前記閉塞壁に向かって先細りとなるテーパ部とを有する請求項２または３記載の燃焼器。
  5. 　前記差込孔は、前記本体部に設けられており、
    　前記テーパ部の基端の外径半径と前記テーパ部の先端の外径半径との差分は、前記本体部の内径半径以下である請求項４記載の燃焼器。

     
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