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技術 水素ガス燃焼バーナーの制御方法

出願人 トヨタ自動車株式会社
発明者 平田耕一米谷望佐久間大祐中村雅之
出願日 2017年8月28日 (2年11ヶ月経過) 出願番号 2017-163677
公開日 2019年3月14日 (1年4ヶ月経過) 公開番号 2019-039636
状態 未査定
技術分野 燃焼システム
主要キーワード 構成物品 水素ガス供給管 実測温度 ターンダウン 窒素タンク 酸素含有ガス供給管 水素ガス供給源 環境負荷物質
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2019年3月14日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (8)

課題

ターンダウン時のNOxの生成を抑制する。

解決手段

水素ガス燃焼バーナーは、水素ガスを供給する水素ガス供給管12と、酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給管13と、水素ガス供給管12から水素ガスの供給を受けるとともに、酸素含有ガス供給管13から酸素含有ガスの供給を受け、水素ガスを燃焼させるバーナー部11と、バーナー部11に対し、水素ガス供給管12を介して供給される水素ガスの供給量と、酸素含有ガス供給管13を介して供給される酸素含有ガスの供給量を調整する調整機構15と、酸素含有ガスに比べて酸素濃度が低い不活性ガスをバーナー部11に供給する不活性ガス供給管14と、を備え、調整機構15の動作によりバーナー部に対する水素ガスの供給量を低下させた場合に、不活性ガスをバーナー部11に供給するとともに、酸素含有ガス供給管13によるバーナー部11への酸素含有ガスの供給を、流速を低下させずに行う。

概要

背景

従来、このような分野の技術として、特開2014−037906号公報がある。この公報に記載された燃焼バーナーは、燃焼炉目標温度実測温度の差から、燃料と空気の目標比を設定し、空気量の調節を行うことができる。

ここで図7は、水素酸素含有ガス(空気)の比率と、発生する窒素酸化物(以下、NOx)の関係を示したものである。具体的には、図7は、水素を十分に燃焼させる空気比を1として、空気が多くなれば燃焼は十分に行われるが生成されるNOxが増加し、空気が少な過ぎれば未燃水素が排出される状態となってしまうため、水素が十分に燃焼しつつNOxの発生が少なくなる空気比を狙いとする状態を示している。

概要

ターンダウン時のNOxの生成を抑制する。水素ガス燃焼バーナーは、水素ガスを供給する水素ガス供給管12と、酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給管13と、水素ガス供給管12から水素ガスの供給を受けるとともに、酸素含有ガス供給管13から酸素含有ガスの供給を受け、水素ガスを燃焼させるバーナー部11と、バーナー部11に対し、水素ガス供給管12を介して供給される水素ガスの供給量と、酸素含有ガス供給管13を介して供給される酸素含有ガスの供給量を調整する調整機構15と、酸素含有ガスに比べて酸素濃度が低い不活性ガスをバーナー部11に供給する不活性ガス供給管14と、を備え、調整機構15の動作によりバーナー部に対する水素ガスの供給量を低下させた場合に、不活性ガスをバーナー部11に供給するとともに、酸素含有ガス供給管13によるバーナー部11への酸素含有ガスの供給を、流速を低下させずに行う。

目的

本発明は、ターンダウン時のNOxの生成を抑制する水素ガス燃焼バーナーの制御方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

水素ガス酸素含有ガスを供給し、拡散燃焼方式で前記水素ガスを燃焼させる水素ガス燃焼バーナー制御方法であって、水素ガス燃焼バーナーは、前記水素ガスを供給する水素ガス供給管と、前記酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給管と、前記水素ガス供給管から前記水素ガスの供給を受けるとともに、前記酸素含有ガス供給管から前記酸素含有ガスの供給を受け、前記水素ガスを燃焼させるバーナー部と、前記バーナー部に対し、前記水素ガス供給管を介して供給される前記水素ガスの供給量と、前記酸素含有ガス供給管を介して供給される前記酸素含有ガスの供給量を調整する調整機構と、前記酸素含有ガスに比べて酸素濃度が低い不活性ガスを前記バーナー部に供給する不活性ガス供給管と、を備え、前記調整機構の動作により前記バーナー部に対する前記水素ガスの供給量を低下させた場合に、前記不活性ガスを前記バーナー部に供給するとともに、前記酸素含有ガス供給管による前記バーナー部への前記酸素含有ガスの供給を、流速を低下させずに行う、水素ガス燃焼バーナーの制御方法。

技術分野

0001

本発明は、水素ガス燃焼バーナー制御方法に関する。

背景技術

0002

従来、このような分野の技術として、特開2014−037906号公報がある。この公報に記載された燃焼バーナーは、燃焼炉目標温度実測温度の差から、燃料と空気の目標比を設定し、空気量の調節を行うことができる。

0003

ここで図7は、水素酸素含有ガス(空気)の比率と、発生する窒素酸化物(以下、NOx)の関係を示したものである。具体的には、図7は、水素を十分に燃焼させる空気比を1として、空気が多くなれば燃焼は十分に行われるが生成されるNOxが増加し、空気が少な過ぎれば未燃水素が排出される状態となってしまうため、水素が十分に燃焼しつつNOxの発生が少なくなる空気比を狙いとする状態を示している。

先行技術

0004

特開2014−037906号公報

発明が解決しようとする課題

0005

しかしながら、従来の燃焼バーナーにおいて、水素ガスを燃料として用いている場合に、バーナーの出力を落として水素ガスの供給量下げると(以下、ターンダウン時)、水素ガスに対して供給される酸素の量が過剰な状態となり、NOxが生成されやすくなる。NOxが大量に発生する場合には、NOxを除去するための除去装置が必要となり、コストの増加に繋がる。
本発明は、ターンダウン時のNOxの生成を抑制する水素ガス燃焼バーナーの制御方法を提供するものである。

課題を解決するための手段

0006

本発明にかかる水素ガス燃焼バーナーの制御方法は、水素ガスと酸素含有ガスを供給し、拡散燃焼方式で前記水素ガスを燃焼させる水素ガス燃焼バーナーの制御方法であって、水素ガス燃焼バーナーは、前記水素ガスを供給する水素ガス供給管と、前記酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給管と、前記水素ガス供給管から前記水素ガスの供給を受けるとともに、前記酸素含有ガス供給管から前記酸素含有ガスの供給を受け、前記水素ガスを燃焼させるバーナー部と、前記バーナー部に対し、前記水素ガス供給管を介して供給される前記水素ガスの供給量と、前記酸素含有ガス供給管を介して供給される前記酸素含有ガスの供給量を調整する調整機構と、前記酸素含有ガスに比べて酸素濃度が低い不活性ガスを前記バーナー部に供給する不活性ガス供給管と、を備え、前記調整機構の動作により前記バーナー部に対する前記水素ガスの供給量を低下させた場合に、前記不活性ガスを前記バーナー部に供給するとともに、前記酸素含有ガス供給管による前記バーナー部への前記酸素含有ガスの供給を、流速を低下させずに行う。
これにより、水素ガスの供給量にあわせて不活性ガスを混入させ酸素濃度を低下させるとともに、酸素含有ガスの流速を低下させずに供給して燃焼を実行できる。

発明の効果

0007

これにより、ターンダウン時のNOxの生成を抑制することができる。

図面の簡単な説明

0008

実施の形態1にかかる水素ガス燃焼バーナー装置の図である。
実施の形態2にかかる水素ガス燃焼バーナー装置の図である。
実施の形態3にかかる水素ガス燃焼バーナー装置の図である。
実施の形態4にかかる水素ガス燃焼バーナー装置の図である。
実施の形態5にかかる水素ガス燃焼バーナー装置の図である。
実施の形態6にかかる水素ガス燃焼バーナー装置の図である。
関連する空気比と発生するNOxの量の関係を示す図である。

実施例

0009

・実施の形態1
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図1に示すように、水素ガス燃焼バーナー装置1は、バーナー部11と、水素ガス供給管12と、酸素含有ガス供給管13と、不活性ガス供給管14と、調整機構15と、を有する。

0010

バーナー部11には、水素ガス供給管12と、酸素含有ガス供給管13が夫々連結されている。バーナー部11には、水素ガス供給管12から水素ガスが供給されるとともに、酸素含有ガス供給管13から酸素含有ガスが供給された状態で、拡散燃焼方式により水素ガスを燃焼させる。

0011

水素ガス供給管12は、水素ガス供給源(図示せず)からバーナー部11に対して水素ガスを供給するための管である。すなわち、水素ガス供給管12の一端は水素ガス供給源に連結され、他端がバーナー部11に連結している。水素ガス供給管12には、後述する調整機構15Aが設けられており、調整機構15Aの動作により水素ガスの供給量が制御される。例えば、バーナー部11における出力を下げたい場合には、調整機構15Aによって、水素ガス供給管12を介して供給される水素ガスの供給量を低下させる。

0012

酸素含有ガス供給管13は、酸素含有ガス供給源(図示せず)からバーナー部11に対して酸素含有ガスを供給するための管である。すなわち、酸素含有ガス供給管13の一端は酸素含有ガス供給源に連結され、他端がバーナー部11に連結している。酸素含有ガス供給管13には、後述する調整機構15Bが設けられており、調整機構15Bの動作により酸素含有ガスの供給量が制御される。なお、酸素含有ガスとは、常温の空気、予熱空気排ガスを混合した空気、窒素を混合した空気など、バーナー部11において燃料となる水素ガスが混入されていない酸素を含むガスであれば、種類は問わない。

0013

不活性ガス供給管14は、酸素含有ガス供給管13に不活性ガスを供給するための管である。不活性ガス供給管14は、一端が不活性ガス供給源(図示せず)に連結され、他端が酸素含有ガス供給管13に連結されている。ここで、不活性ガス供給管14を流れる不活性ガスは、燃料となる水素ガスが混入しておらず、窒素や排気ガスなどが混入された空気である。なお、この不活性ガスの酸素濃度は、酸素含有ガス供給管13に流れている酸素含有ガスの酸素濃度より低い。不活性ガス供給管14を流れる不活性ガスは、後述する調整機構15Cの動作により、ターンダウン時に酸素含有ガス供給管13に流れ込むように制御される。酸素含有ガス供給管13において、不活性ガスが酸素含有ガスと混合されることにより、バーナー部11に流入するガスの酸素濃度は、不活性ガスと混合される前の酸素含有ガスの酸素濃度より低くなる。

0014

なお、不活性ガス供給管14は、酸素含有ガス供給管13内に不活性ガスを供給する際に、酸素含有ガス供給管13を流れる酸素含有ガスとほぼ同方向に不活性ガスが流れる状態で供給可能であるように、酸素含有ガス供給管13に連結されていてもよい。例えば不活性ガス供給管14において、酸素含有ガス供給管13と連結される端部側が、バーナー部11側を向いた状態となるようにして、酸素含有ガス供給管13と連結されていてもよい。

0015

調整機構15は、水素ガス供給管12、酸素含有ガス供給管13、不活性ガス供給管14にそれぞれ設けられており、水素ガス、酸素含有ガス、不活性ガスの供給量や流速を調整する。例えば調整機構15はバルブであり、開閉動作によって夫々のガスの供給量や流速を変更する。水素ガス供給管12に設けられた調整機構を調整機構15A、酸素含有ガス供給管に設けられた調整機構を調整機構15B、不活性ガス供給管14に設けられた調整機構を調整機構15Cとして説明する。

0016

不活性ガス供給管14に設けられた調整機構15Cは、バーナー部11における燃焼の強弱の変更、すなわち、水素ガス供給管12からバーナー部11への水素ガスの供給量に応じて、不活性ガス供給管14の開閉を変更し、酸素含有ガス供給管13への不活性ガスの供給量を変更する。

0017

例えば調整機構15Cでは、調整機構15Aの動作によりバーナー部11での燃焼を弱めるために水素ガスの供給を減少させターンダウン状態となった場合には、不活性ガスが酸素含有ガス供給管13に流入する量が増加するように、バルブを開口させる。

0018

これにより、酸素含有ガス供給管13で流れるガスは、酸素含有ガスと不活性ガスの混合ガスとなる。バーナー部11には、酸素含有ガス供給管13から、酸素濃度が低下した混合ガスが供給される。

0019

このとき、酸素含有ガス供給管13を流れる混合ガスは、調整機構15のバルブを開口する前の酸素含有ガスのみが流れているときに比べてガス全体の流量が多く、流速が増加した状態となる。

0020

したがって、ターンダウン時であっても、空気比を低く維持したまま、バーナー部11に供給される酸素含有ガスの流速を高めることができ、燃焼によって生じるNOx濃度を抑制することができる。

0021

なお、燃焼範囲が広く、燃焼速度が速い水素燃料であっても、拡散燃焼方式で燃焼させているため逆火の危険がない。また、燃料として燃えやすく、失火しにくく、煤煙をださない水素を採用することにより、安定燃焼を図ることができ、空気比を低く保ちつつ燃焼量の範囲を大きく取ることができる。その結果、省エネに寄与することができる。さらに、燃焼時に二酸化炭素を排出せず、かつNOxの発生を抑制でき、環境負荷物質の発生を低減できる。

0022

・実施の形態2
図2に示すように、水素ガス燃焼バーナー装置2は、バーナー部11と、水素ガス供給管12と、酸素含有ガス供給管13と、不活性ガス供給管24と、調整機構25と、を有する。ここで、実施の形態1に示した水素ガス燃焼バーナー装置2と同一の機能を奏する構成物品に付いては同様の符号を付し、説明を省略する。なお調整機構25は、不活性ガス供給管24に設けられ、ガス流量、流速を調整するバルブである。

0023

不活性ガス供給管24は、一端部がバーナー部11の近傍に設けられている。これにより不活性ガス供給管24では、バーナー部11における燃焼によって発生した燃焼ガス(排気ガス)を不活性ガスとして管内に流入させ、ターンダウン時には調整機構25のバルブを開口することにより、この不活性ガスを酸素含有ガス供給管13に供給する。

0024

これによりターンダウン時には、バーナー部11に供給される酸素含有ガスに不活性ガスを混入させることができ、バーナー部11において、燃焼によって生じるNOx濃度を抑制することができる。

0025

・実施の形態3
図3に示すように、水素ガス燃焼バーナー装置3は、バーナー部11と、水素ガス供給管12と、酸素含有ガス供給管13と、不活性ガス供給管34と、調整機構35と、窒素タンク36と、を有する。なお調整機構35は、不活性ガス供給管34に設けられたガス流量、流速を調整するバルブである。

0026

不活性ガス供給管34は、一端部が窒素タンク36に連結されており、他端部が酸素含有ガス供給管13に連結されている。ターンダウン時には調整機構35であるバルブを開口することで、不活性ガス供給管34を介し、酸素含有ガス供給管13に対して、窒素タンク36に蓄積されている窒素を不活性ガスとして混入する。

0027

これにより、バーナー部11において、燃焼によって生じるNOx濃度を抑制することができる。

0028

・実施の形態4
図4に示すように、水素ガス燃焼バーナー装置4は、バーナー部11と、水素ガス供給管12と、酸素含有ガス供給管13と、不活性ガス供給管44と、調整機構45と、窒素タンク46と、を有する。なお調整機構45は、不活性ガス供給管44に設けられ、ガス流量、流速を調整するバルブである。

0029

不活性ガス供給管44は、一端部が窒素タンク46に連結されており、他端部が水素ガス供給管12に連結されている。ターンダウン時には調整機構45であるバルブを開口することで、不活性ガス供給管44を介し、水素ガス供給管12に対して、窒素タンク36に蓄積されている窒素を不活性ガスとして混入する。

0030

これによりバーナー部11に流入する酸素含有ガス供給管13から酸素含有ガスの流量や流速を変更せずに、空気比を変更することができ、燃焼によって生じるNOx濃度を抑制することができる。

0031

・実施の形態5
図5に示すように、水素ガス燃焼バーナー装置5は、バーナー部11と、水素ガス供給管12と、酸素含有ガス供給管13と、第1の不活性ガス供給管54Aと、第2の不活性ガス供給管54Bと、第1の調整機構55Aと、第2の調整機構55Bと、窒素タンク56を有する。

0032

第1の不活性ガス供給管54Aと、第1の調整機構55Aと、窒素タンク56は、実施の形態4に示した不活性ガス供給管44、調整機構45、窒素タンク46と同様に動作を行う。すなわち、第1の不活性ガス供給管54Aは、一端部が窒素タンク56に連結されており、他端部が水素ガス供給管12に連結されている。ターンダウン時には第1の調整機構55Aであるバルブを開口することで、第1の不活性ガス供給管54Aを介し、水素ガス供給管12に対して、窒素タンク56に蓄積されている窒素を不活性ガスとして混入する。

0033

さらに、第2の不活性ガス供給管54B、第2の調整機構55Bは、実施の形態2に示した不活性ガス供給管24、調整機構25と同様の動作を行う。すなわち、第2の不活性ガス供給管54Bは、一端部がバーナー部11の近傍に設けられている。これにより第2の不活性ガス供給管54Bでは、バーナー部11における燃焼によって発生した燃焼ガスを不活性ガスとして管内に流入させ、ターンダウン時には第2の調整機構55Bであるバルブを開口することにより、この不活性ガスを酸素含有ガス供給管13に供給する。

0034

これにより、水素ガス供給管12と、酸素含有ガス供給管13のそれぞれに不活性ガスを供給し、バーナー部11において、燃焼によって生じるNOx濃度を抑制することができる。

0035

・実施の形態6
図6に示すように、水素ガス燃焼バーナー装置6は、バーナー部11と、水素ガス供給管12と、酸素含有ガス供給管13と、第1の不活性ガス供給管64Aと、第2の不活性ガス供給管64Bと、第1の調整機構65Aと、第2の調整機構65Bと、第1の窒素タンク66Aと、第2の窒素タンク66Bと、を有する。

0036

第1の不活性ガス供給管64Aと、第1の調整機構65Aと、第1の窒素タンク66Aは、実施の形態4に示した不活性ガス供給管44、調整機構45、窒素タンク46と同様に動作を行う。すなわち、第1の不活性ガス供給管64Aは、一端部が第1の窒素タンク66Aに連結されており、他端部が水素ガス供給管12に連結されている。ターンダウン時には第1の調整機構65Aであるバルブを開口することで、第1の不活性ガス供給管64Aを介し、水素ガス供給管12に対して、第1の窒素タンク66Aに蓄積されている窒素を不活性ガスとして混入する。

0037

さらに、第2の不活性ガス供給管64B、第2の調整機構65B、第2の窒素タンク66Bは、実施の形態3に示した不活性ガス供給管34、調整機構35、窒素タンク36と同様の動作を行う。すなわち、第2の不活性ガス供給管64Bは、一端部が第2の窒素タンク66Bに連結されており、他端部が酸素含有ガス供給管13に連結されている。ターンダウン時には第2の調整機構65Bであるバルブを開口することで、第2の不活性ガス供給管64Bを介し、酸素含有ガス供給管13に対して、第2の窒素タンク66Bに蓄積されている窒素を不活性ガスとして混入する。

0038

これにより、水素ガス供給管12と、酸素含有ガス供給管13のそれぞれに不活性ガスとして窒素を供給し、バーナー部11において、燃焼によって生じるNOx濃度を抑制することができる。

0039

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

0040

1、2、3、4、5、6水素ガス燃焼バーナー装置
11バーナー部
12水素ガス供給管
13酸素含有ガス供給管
14不活性ガス供給管
15、15A、15B、15C調整機構
24 不活性ガス供給管
25 調整機構
34 不活性ガス供給管
35 調整機構
36窒素タンク
44 不活性ガス供給管
45 調整機構
46 窒素タンク
54A、54B 不活性ガス供給管
55A、55B 調整機構
56 窒素タンク
64A、64B 不活性ガス供給管
65A、65B 調整機構
66A、66B 窒素タンク

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