特許ウォッチ

公開番号2025098320
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-02
出願番号2023214374
出願日2023-12-20
発明の名称燃焼器、燃焼システム、および燃焼方法
出願人国立大学法人香川大学
代理人弁理士法人山内特許事務所
主分類F23D 14/02 20060101AFI20250625BHJP(燃焼装置;燃焼方法)
要約【課題】未燃燃料の排出量を低減できる燃焼器、燃焼システム、および燃焼方法を提供する。
【解決手段】燃焼器AAは、一端が底部13で閉塞された第1燃焼筒10と、第1燃焼筒10に接続され第1燃焼筒10よりも内径が大きい第2燃焼筒20と、第1燃焼筒10の側壁に形成された第1噴出口16から側壁の内周面に沿い底部13に向かう方向に第1燃料を噴出する第1ノズル41と、第2燃焼筒20の側壁に形成された第2噴出口26から側壁の内周面に沿う方向に第2燃料を噴出する第2ノズルとを有する。第1燃料の旋回流が底部13で反射するため、第1燃料の滞留時間が長くなり、燃焼室の中央部において高温反応域を生成できる。その結果、燃料の燃焼が促進され、未燃燃料の排出量を低減できる。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
一端が底部で閉塞され他端が開口した円筒形の第１燃焼筒と、
一端が前記第１燃焼筒の開口端に接続され、前記第１燃焼筒よりも内径が大きい円筒形の第２燃焼筒と、
前記第１燃焼筒の第１側壁に形成された第１噴出口から、前記第１側壁の内周面に沿い前記底部に向かう方向に第１燃料を噴出する第１ノズルと、
前記第２燃焼筒の第２側壁に形成された第２噴出口から、前記第２側壁の内周面に沿う方向に第２燃料を噴出する第２ノズルと、を備える
ことを特徴とする燃焼器。
続きを表示（約 1,700 文字）【請求項２】
前記第２燃焼筒に接続され、開口端の内径が前記第２燃焼筒の内径よりも小さい火炎口を有する絞り部をさらに備える
ことを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
【請求項３】
前記第１燃焼筒の周方向に並んでおよび／または軸方向に多段階に形成された複数の前記第１噴出口のそれぞれから前記第１燃料を噴出する複数の前記第１ノズルを備える
ことを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
【請求項４】
前記第２燃焼筒の周方向に並んでおよび／または軸方向に多段階に形成された複数の前記第２噴出口のそれぞれから前記第２燃料を噴出する複数の前記第２ノズルを備える
ことを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
【請求項５】
請求項１～４のいずれかに記載の燃焼器と、
難燃性燃料を供給する難燃性燃料供給源と、
空気を供給する空気供給源と、
前記難燃性燃料と前記空気とを混合して得られた第１混合燃料を前記第１燃料として前記第１ノズルに供給するとともに、前記難燃性燃料と前記空気とを混合して得られた第２混合燃料を前記第２燃料として前記第２ノズルに供給する燃料流路と、
前記第１混合燃料および前記第２混合燃料の総括当量比が１．０～１．２となり、前記第１混合燃料の当量比が１．０超となり、前記第２混合燃料の当量比が前記第１混合燃料の当量比より低くなるように、前記難燃性燃料および前記空気の流量を制御する流量制御部と、を備える
ことを特徴とする燃焼システム。
【請求項６】
請求項１～４のいずれかに記載の燃焼器と、
難燃性燃料を供給する難燃性燃料供給源と、
助燃燃料を供給する助燃燃料供給源と、
空気を供給する空気供給源と、
前記難燃性燃料と前記空気とを混合して得られた第１混合燃料を前記第１燃料として前記第１ノズルに供給するとともに、前記助燃燃料と前記空気とを混合して得られた第２混合燃料を前記第２燃料として前記第２ノズルに供給する燃料流路と、
前記第１混合燃料および前記第２混合燃料の総括当量比が１．０～１．２となり、前記第１混合燃料の当量比が１．２以上となり、前記第２混合燃料の当量比が前記第１混合燃料の当量比より低くなるように、前記難燃性燃料、前記助燃燃料および前記空気の流量を制御する流量制御部と、を備える
ことを特徴とする燃焼システム。
【請求項７】
前記流量制御部は、前記難燃性燃料と前記助燃燃料とを合わせた全燃料に対する前記助燃燃料の割合が５～１５体積％となるように、前記難燃性燃料および前記助燃燃料の流量を制御する
ことを特徴とする請求項６記載の燃焼システム。
【請求項８】
請求項１～４のいずれかに記載の燃焼器を用いた燃焼方法であって、
当量比が１．０超の難燃性燃料と空気との混合燃料を前記第１燃料として前記第１ノズルに供給し、
当量比が前記第１混合燃料の当量比より低い難燃性燃料と空気との混合燃料を前記第２燃料として前記第２ノズルに供給し、
前記第１混合燃料および前記第２混合燃料の総括当量比は１．０～１．２である
ことを特徴とする燃焼方法。
【請求項９】
請求項１～４のいずれかに記載の燃焼器を用いた燃焼方法であって、
当量比が１．２以上の難燃性燃料と空気との混合燃料を前記第１燃料として前記第１ノズルに供給し、
当量比が前記第１混合燃料の当量比より低い助燃燃料と空気との混合燃料を前記第２燃料として前記第２ノズルに供給し、
前記第１混合燃料および前記第２混合燃料の総括当量比は１．０～１．２である
ことを特徴とする燃焼方法。
【請求項１０】
前記難燃性燃料と前記助燃燃料とを合わせた全燃料に対する前記助燃燃料の割合が５～１５体積％である
ことを特徴とする請求項９記載の燃焼方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼器、燃焼システム、および燃焼方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、アンモニアなどの難燃性燃料を燃焼させる燃焼器、燃焼システム、および燃焼方法に関する。
続きを表示（約 4,000 文字）【背景技術】
【０００２】
地球温暖化という背景から、脱炭素社会に向けた取り組みが進められている。中でも、アンモニアは燃焼時に二酸化炭素を排出しないため、次世代のエネルギーとして注目されている。しかし、アンモニアは難燃性燃料であり、安定的に燃焼させることが困難である。そこで、高カロリーの都市ガスなどを助燃燃料として用いることが提案されている。
【０００３】
これに対して、本願発明者は、高カロリーの燃料ガスを用いることなく、燃料の燃焼性を向上させる燃焼器を提案している（特許文献１）。この燃焼器は、燃焼室の底部中央に主噴出部が形成され、側壁に旋回流発生噴出部が形成された構成である。主噴出部から噴出された第１燃料が主噴流を形成するとともに、旋回流発生噴出部から噴出された第２燃料が旋回流を形成する。旋回流の火炎から主噴流へ燃焼に必要な活性化学種および熱エネルギーが供給されることから、燃料の燃焼性が向上する。そのため、アンモニア専焼が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
国際公開第２０２３／１４０２９０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に開示された燃焼器は、未燃アンモニアの排出量が多いという問題がある。具体的には、第１燃料および第２燃料の流量にもよるが、燃焼器周囲の空間のアンモニア濃度が１，０００～２，５００ｐｐｍとなる。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑み、未燃燃料の排出量を低減できる燃焼器、燃焼システム、および燃焼方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１態様の燃焼器は、一端が底部で閉塞され他端が開口した円筒形の第１燃焼筒と、一端が前記第１燃焼筒の開口端に接続され、前記第１燃焼筒よりも内径が大きい円筒形の第２燃焼筒と、前記第１燃焼筒の第１側壁に形成された第１噴出口から、前記第１側壁の内周面に沿い前記底部に向かう方向に第１燃料を噴出する第１ノズルと、前記第２燃焼筒の第２側壁に形成された第２噴出口から、前記第２側壁の内周面に沿う方向に第２燃料を噴出する第２ノズルと、を備えることを特徴とする。
第２態様の燃焼器は、第１態様において、前記第２燃焼筒に接続され、開口端の内径が前記第２燃焼筒の内径よりも小さい火炎口を有する絞り部をさらに備えることを特徴とする。
第３態様の燃焼器は、第１または第２態様において、前記第１燃焼筒の周方向に並んでおよび／または軸方向に多段階に形成された複数の前記第１噴出口のそれぞれから前記第１燃料を噴出する複数の前記第１ノズルを備えることを特徴とする。
第４態様の燃焼器は、第１～第３態様のいずれかにおいて、前記第２燃焼筒の周方向に並んでおよび／または軸方向に多段階に形成された複数の前記第２噴出口のそれぞれから前記第２燃料を噴出する複数の前記第２ノズルを備えることを特徴とする。
第５態様の燃焼システムは、第１～第４態様のいずれかの燃焼器と、難燃性燃料を供給する難燃性燃料供給源と、空気を供給する空気供給源と、前記難燃性燃料と前記空気とを混合して得られた第１混合燃料を前記第１燃料として前記第１ノズルに供給するとともに、前記難燃性燃料と前記空気とを混合して得られた第２混合燃料を前記第２燃料として前記第２ノズルに供給する燃料流路と、前記第１混合燃料および前記第２混合燃料の総括当量比が１．０～１．２となり、前記第１混合燃料の当量比が１．０超となり、前記第２混合燃料の当量比が前記第１混合燃料の当量比より低くなるように、前記難燃性燃料および前記空気の流量を制御する流量制御部と、を備えることを特徴とする。
第６態様の燃焼システムは、第１～第４態様のいずれかの燃焼器と、難燃性燃料を供給する難燃性燃料供給源と、助燃燃料を供給する助燃燃料供給源と、空気を供給する空気供給源と、前記難燃性燃料と前記空気とを混合して得られた第１混合燃料を前記第１燃料として前記第１ノズルに供給するとともに、前記助燃燃料と前記空気とを混合して得られた第２混合燃料を前記第２燃料として前記第２ノズルに供給する燃料流路と、前記第１混合燃料および前記第２混合燃料の総括当量比が１．０～１．２となり、前記第１混合燃料の当量比が１．２以上となり、前記第２混合燃料の当量比が前記第１混合燃料の当量比より低くなるように、前記難燃性燃料、前記助燃燃料および前記空気の流量を制御する流量制御部と、を備えることを特徴とする。
第７態様の燃焼システムは、第６態様において、前記流量制御部は、前記難燃性燃料と前記助燃燃料とを合わせた全燃料に対する前記助燃燃料の割合が５～１５体積％程度となるように、前記難燃性燃料および前記助燃燃料の流量を制御することを特徴とする。
第８態様の燃焼方法は、第１～第４態様のいずれかの燃焼器を用いた燃焼方法であって、当量比が１．０超の難燃性燃料と空気との混合燃料を前記第１燃料として前記第１ノズルに供給し、当量比が１．０未満の難燃性燃料と空気との混合燃料を前記第２燃料として前記第２ノズルに供給することを特徴とする。
第９態様の燃焼方法は、第１～第４態様のいずれかの燃焼器を用いた燃焼方法であって、当量比が１．３以上の難燃性燃料と空気との混合燃料を前記第１燃料として前記第１ノズルに供給し、当量比が０．７以下の助燃燃料と空気との混合燃料を前記第２燃料として前記第２ノズルに供給することを特徴とする。
第１０態様の燃焼方法は、第９態様において、前記難燃性燃料と前記助燃燃料とを合わせた全燃料に対する前記助燃燃料の割合が５～１５体積％程度であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
第１態様によれば、第１燃料および第２燃料の旋回流により活性化学種を供給できる。また、第１燃料の旋回流が底部で反射するため、第１燃料の滞留時間が長くなり、燃焼室の中央部において高温反応域を生成できる。その結果、燃料の燃焼が促進され、未燃燃料の排出量を低減できる。
第２態様によれば、絞り部により燃料の旋回半径が絞られ、活性化学種が旋回中心に集中するため、燃焼安定性が高まる。
第３態様によれば、複数の第１ノズルから第１燃料を噴出することで燃焼器への燃料供給量を多くでき、燃焼熱を増加できる。
第４態様によれば、複数の第２ノズルから第２燃料を噴出することで燃焼器への燃料供給量を多くでき、燃焼熱を増加できる。
第５態様によれば、第１混合燃料と第２混合燃料とで当量比に差異を設けることで、未燃燃料の排出量を低減できるとともに、窒素酸化物の排出量も低減できる。
第６態様によれば、第２燃料として助燃燃料と空気との混合燃料を用いることで、未燃燃料の排出量をさらに低減できるとともに、窒素酸化物の排出量をさらに低減できる。
第７態様によれば、全燃料に対する助燃燃料の割合が少ないので、二酸化炭素の排出量を低減できる。
第８態様によれば、第１混合燃料と第２混合燃料とで当量比に差異を設けることで、未燃燃料の排出量を低減できるとともに、窒素酸化物の排出量も低減できる。
第９態様によれば、第２燃料として助燃燃料と空気との混合燃料を用いることで、未燃燃料の排出量をさらに低減できるとともに、窒素酸化物の排出量をさらに低減できる。
第１０態様によれば、全燃料に対する助燃燃料の割合が少ないので、二酸化炭素の排出量を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
第１実施形態に係る燃焼器の斜視図である。
同燃焼器の縦断面図である。
同燃焼器の正面図である。
同燃焼器の平面図である。
第１実施形態に係る燃焼システムの説明図である。
第２実施形態に係る燃焼システムの説明図である。
燃焼室内の燃料の流線を示す図である。
火炎の安定燃焼領域を示すグラフである。
図（Ａ）は第１混合燃料の流量と未燃アンモニア濃度との関係を示すグラフである。図（Ｂ）は第１混合燃料の流量と窒素酸化物濃度との関係を示すグラフである。
図（Ａ）は第１混合燃料および第２混合燃料の当量比をいずれも１．０とした場合のＮＯ濃度分布を示す図である。図（Ｂ）は第１混合燃料の当量比を１．３とし、第２混合燃料の当量比を０．７にした場合のＮＯ濃度分布を示す図である。
図（Ａ）は第１混合燃料の当量比と未燃アンモニア濃度との関係を示すグラフである。図（Ｂ）は第１混合燃料の当量比と窒素酸化物濃度との関係を示すグラフである。
第２混合燃料の空気比と窒素酸化物濃度との関係を示すグラフである。
図（Ａ）は第１混合燃料の流量と未燃アンモニア濃度との関係を示すグラフである。図（Ｂ）は第１混合燃料の流量と窒素酸化物濃度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
〔第１実施形態〕
（燃焼器）
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る燃焼器ＡＡは、第１燃焼筒１０、第２燃焼筒２０、および絞り部３０を有する。また、燃焼器ＡＡは、その内部に燃料を供給する第１ノズル４１、および第２ノズル４２を有する。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許