燃烧器装置
相关申请
本申请要求2018年2月21日申请的日本特愿2018-028856的优先权，以参考的方式引用其全部内容作为本申请的一部分。
技术领域
本发明涉及将例如氢气这样的燃料气体和其他种类的气体混合并燃烧的燃烧器装置。
背景技术
二氧化碳的排放是全球变暖这样的环境问题的原因，近年来，为了抑制成二氧化碳的排放，实现所谓的低碳社会，提出了利用氢作为燃料的燃烧器装置(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开第2012/0258409号说明书
发明内容
发明所要解决的问题
但是，在使燃烧温度高的燃料燃烧的情况下，容易产生NOx。另外，在使燃烧速度大的燃料燃烧的情况下，容易产生在燃烧室产生的火焰返回到燃烧器侧的回火现象。作为这种燃烧温度高、燃烧速度大的燃料，例如可以举出氢、或以高浓度含有氢的气体等。
本发明的目的在于提供一种燃烧器装置，即使在使用燃烧温度高且燃烧速度大的燃料的情况下，也能够抑制NOx的产生，并且能够防止回火的产生。
用于解决问题的手段
为了实现上述目的，本发明的燃烧器装置是一种向燃烧区域供给燃料气体和助燃气体的预混合气体的燃烧器装置，其中，所述燃烧器装置具备：
预混合通路，其将燃料气体和助燃气体预混合；以及
由烧结金属构成的多孔质的燃烧器头，其使来自所述预混合通路的预混合气体通过并将其向燃烧区域喷射，
所述燃烧器头具备：
里侧层，其面向所述预混合通路，由粒径大的烧结金属构成，和
表侧层，其面向所述燃烧区域，由粒径比所述里侧层小的烧结金属构成。
根据该结构，里侧层由大粒径的烧结金属颗粒形成而具有大孔径，利用该里侧层对预混合气体进行整流，产生压力损失，由此促进预混合。另外，表侧层由小粒径的烧结金属颗粒形成而具有小孔径，通过该表侧层时，预混合气体的流速增大，可以向燃烧区域喷射高速的预混合气体。因此，能够抑制NOx的产生，并且能够防止回火。
在本发明的一个实施方式中，可以在上述燃烧器头的内部配设有燃料气体供给管的至少一部分，该燃料气体供给管形成向上述预混合通路供给燃料气体的燃料气体供给通路。根据该结构，能够利用在燃料气体供给管中流动的燃料气体来冷却燃烧器头。由此，即使在发生了回火的情况下或在燃烧器附近形成火焰的情况下，也能够防止燃烧器头的烧损。
在本发明的一个实施方式中，还可以是，所述燃烧器头形成圆筒状的该燃烧器装置的周壁，所述燃料气体供给管包括配设在所述燃烧器头的内部的多个外周燃料气体供给管，所述多个外周燃料气体供给管与该燃烧器装置的轴心方向平行地延伸，且等间隔地配置在所述燃烧器头的周向上。根据该结构，在燃烧器头的喷射面中，在不存在燃料气体供给管的预混合气体的高速区域之间，以规则的配置形成因存在燃料气体供给管而使预混合气体成为低速的火焰稳定区域。由于该火焰稳定区域的存在，高速区域中的大火焰的周向移动受到限制，能够实现燃烧器头整体上稳定地燃烧。
在本发明的一个实施方式中，还可以是，各外周燃料气体供给管在所述燃烧器头的预混合气体的流动方向的上游侧具有燃料气体入口，所述燃料气体供给管还包括中心燃料气体供给管，所述中心燃料气体供给管设置在该燃烧器装置的轴心上，在所述燃烧器头的预混合气体的流动方向的下游端部与所述多个外周燃料气体供给管连通，在所述燃烧器头的所述上游侧具有朝向所述预混合通路的燃料气体出口。根据该结构，即使在将外周燃料供给管设置在圆筒形状的燃烧器头的内部的情况下，也能够抑制配管结构的复杂化以及燃烧器装置整体的尺寸增大。
权利要求书和/或说明书和/或附图中公开的至少两种结构的任何组合也属于本发明。特别地，权利要求书中的各权利要求中2项以上任意的组合也属于本发明。
附图说明
根据以附图为参考的下述对优选实施方式的说明，可以更清楚地理解本发明。然而，实施方式和附图仅用于图示和说明，不用于限定本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求书确定。在附图中，多个附图中的相同附图标记表示相同或相应的部分。
图1是表示本发明的一个实施方式的燃烧器装置的概略结构的剖视立体图。
图2是表示图1的燃烧器装置的燃料气体导出部的一例的俯视图。
图3是表示图1的燃烧器装置的燃料气体导出部的一例的俯视图。
图4是放大表示图1的燃烧器装置的燃烧器头的横剖视图。
图5是示意性地表示图1的变形例的燃烧器装置的概略结构的纵剖视图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。图1表示本发明一个实施方式的燃烧器装置。该图所示的燃烧器装置1是将燃料气体和助燃气体的预混合气体M向燃烧区域R供给的装置。燃烧器装置1例如作为锅炉或燃气轮机等动力装置的加热装置使用。
燃料气体例如是燃烧温度高、燃烧速度大、可燃浓度范围宽的燃料，在本实施方式中，使用含氢气体例如氢气作为燃料气体。另外，在本实施方式中，使用空气A作为助燃气体。作为助燃气体，除了空气以外，例如还可以使用调整了空气中的氧浓度的气体、废气等。在以下的说明中，将燃料气体记为“燃料F”，将助燃气体记为“空气A”进行说明。
燃烧器装置1具有整体大致圆筒形状。燃烧器装置1的内部空间形成燃料F和空气A预混合的预混合通路3。该燃烧器装置1具有喷射部1a和基部1b，喷射部1a面向燃烧区域R，是将预混合气体M向燃烧区域R喷射的部分(图1的右侧部分)，基部1b是将燃料F及空气A导入燃烧器装置1内的部分(图1的左侧部分)。喷射部1a和基部1b在燃烧器装置1的轴心C方向排列。在燃烧器装置1的喷射部1a与基部1b的边界部分设有凸缘5。凸缘5成为与燃烧器装置1所使用的加热装置的连结部，并且划分燃烧区域R和燃料F和/或空气A的导入空间。在以下的说明中，将燃烧器装置1的轴心方向的燃烧区域R侧(即喷射部1a侧)称为“后侧”，将燃烧区域的相反侧(即基部1b侧)称为“前侧”。在本实施方式中，预混合通路3中的预混合气体M的流动方向的上游侧为前侧，下游侧为后侧。
向燃烧区域R喷射预混合气体M的燃烧器头7形成燃烧器装置1的喷射部1a的周壁。预混合通路3的预混合气体M沿径向通过燃烧器头7而向燃烧区域R喷射。在基部1b的后端部、即经由凸缘5与喷射部1a邻接的部分设有环状的燃料导入部9。从燃料导入部9的内部到燃烧器头7的内部，形成有与燃烧器装置1的轴心C平行地延伸的外周燃料供给通路11。各外周燃料供给通路11由外周燃料供给管13形成。在该例中，多个外周燃料供给管13等间隔地配置在燃烧器装置1的周向上。在燃料导入部9的周壁9a设有多个沿径向延伸的燃料导入孔15，该燃料导入孔15使燃料导入部9的外方空间与各外周燃料供给通路11连通。各燃料导入孔15是向外周燃料供给通路11的燃料入口，经由各燃料导入孔15将来自燃烧器装置1的外部的燃料F向各外周燃料供给通路11导入。
成为喷射部1a的后端部的燃烧器装置1的一端部被封闭而形成为有底状。喷射部1a的后端部的内侧空间形成与各外周燃料供给通路11连通的共用的燃料集管室17。在燃烧器装置1的中心部设有共同的中心燃料供给管21，该中心燃料供给管21与燃料集管室17连通，形成沿着轴心C延伸的中心燃料供给通路19。中心燃料供给管21从燃料集管室17延伸到基部1b的内侧空间。从位于中心燃料供给管21的下游端部(前端部)的燃料导出部23向预混合通路3导出燃料F。这样，在图示的例子中，由外周燃料供给通路11、燃料集管室17以及中心燃料供给通路19构成向预混合通路3的燃料供给通路25。
成为基部1b前端部的燃烧器装置1的另一端部形成为无底状。基部1b的前端部的开口形成空气导入口27。从空气导入口27导入的空气A在中心燃料供给管21的燃料导出部23与燃料F合流。
在图示的例子中，在基部1b的前端部设有将空气A的流动整流为沿着轴心C方向的均匀的流动的整流机构29。具体而言，在该例中，整流机构29由分割叶片31和多个(在该例中为两个)圆环状的整流多孔板33构成，该分割叶片31设置在空气导入口27的开口部，将该开口部的内方空间沿周向均等地分割，该整流多孔板33设置在分割叶片31的下游。构成整流机构29的这些各要素设置在从中心燃料供给管21向前方延伸设置的中央支柱35的外周。但是，整流机构29的形态并不限于该例。例如，作为整流机构33，也可以仅设置分割叶片31及整流多孔板33中的某一方。另外，也可以省略整流机构29。
在图示的例子中，中心燃料供给管21的燃料导出部23设置为从中心燃料供给管21呈放射状突出设置的多个(在该例子中为8个)辐条状管39的管组41。如图2所示，在各辐条状管39的后侧设有成为燃料F向预混合通路3的出口的燃料导出孔43。在该例中，在各辐条状管39，沿着辐条状管39的长度方向等间隔地排列有多个燃料导出孔43。
另外，该例的燃料导出部23具备两组辐条状管39的管组41。如图3示意性所示，两组管组被配置成以实线所示的第1管组41A的各辐条管39A的周向位置成为虚线所示的第2管组41B的相邻的辐条管39B、39B间的中央的周向位置。
另外，在图1所示的例子中，在燃料导出部23的预混合通路3的下游侧(后侧)设有促进燃料F和空气A的预混合的预混合促进部件45。更具体而言，在该例中，作为预混合促进部件45，设有多个(在该例中为3个)圆环状的预混合多孔板45。各预混合多孔板45设置在中心燃料供给管21的外周。另外，也可以省略预混合促进部件45。
但是，在本实施方式中，用于向预混合通路3供给各气体的结构以及用于在预混合通路3中促进预混合的结构并不限于上述说明的方式。
以下，对本实施方式中的燃烧器头7的结构进行详细说明。燃烧器头7构成为由烧结金属构成的多孔质的部件。在烧结金属颗粒之间形成的微孔形成从预混合通路3至燃烧区域R的预混合气体M的流路。
具体而言，如图4所示，燃烧器头7具有面向预混合通路3的里侧层51(该图的以大间隔的交叉影线表示的层)和面向燃烧区域R的表侧层53(该图的以小间隔的交叉影线表示的层)。在表侧层53和里侧层51中，形成各层的烧结金属颗粒的粒径不同。即，在本实施方式中，形成表侧层53的烧结金属颗粒的粒径比形成里侧层51的烧结金属颗粒的粒径小。
里侧层51由大粒径的烧结金属颗粒形成而具有大的孔径、即大的流路径。利用这样的里侧层51的流路对预混合气体M进行整流，促进预混合。另一方面，表侧层53由粒径比里侧层51小的烧结金属颗粒形成而具有比里侧层51小的孔径、即小的流路径。在通过这样的表侧层53的流路时，预混合气体M的流速增大，可向燃烧区域R喷射高速的预混合气体M。
作为成为形成燃烧器头7的烧结金属的原材料的金属材料，例如可以使用不锈钢、青铜、镍等。另外，形成里侧层51的烧结金属颗粒的粒径(直径)例如为500～1500μm。形成表侧层53的烧结金属颗粒的粒径例如为50～400μm。
另外，如上所述，在燃烧器头7的内部配设有形成外周燃料供给通路11的外周燃料供给管(燃料气体供给管)13。在图示的例子中，多个外周燃料供给管13在燃烧器头7的周向上等间隔地配置。另外，表侧层53和里侧层51具有大致相同的厚度(径向宽度)。在表侧层53和里侧层51的边界部分配设有各外周燃料供给管13。
通过在燃烧器头7的内部配设外周燃料供给管13那样的燃料供给管，可利用在燃料供给管中流动的燃料F冷却燃烧器头7。由于该冷却，即使在发生回火现象的情况下或在燃烧器附近形成火焰的情况下，也能够防止燃烧器头7的烧损。
并且，外周燃料供给管13在燃烧器头7的周向上等间隔地配置，由此，在燃烧器头7的预混合气体M的喷射面上，在不存在外周燃料供给管13的预混合气体M的高速区域HR之间，以规则的配置形成有因外周燃料供给管13的存在而使预混合气体M成为低速的火焰稳定区域FR。由于该火焰稳定区域FR的存在，高速区域HR中的大火焰的周向移动受到限制，能够实现燃烧器头7整体上稳定的燃烧。
另外，在本实施方式中，如上所述，各外周燃料气体供给管13在燃烧器头7的位于预混合气体M的流动方向的上游侧(前侧)的基部1b具有燃料入口，中心燃料供给管21在燃烧器头7的预混合气体M的流动方向的下游端部(后端部)与多个外周燃料供给管13连通，在燃烧器头的上述上游侧具有通往预混合通路3的燃料出口。通过这样构成，即使在将外周燃料供给管13设置在圆筒形状燃烧器头7的内部的情况下，也能够抑制配管构造的复杂化及燃烧器装置1整体的尺寸增大。
不过，燃烧器头7内部的外周燃料供给管13及中心燃料供给管21的排列方式并不限于该例。另外，在燃烧器头7内部配设外周燃料供给管13那样的燃料供给管不是必须的。
另外，在本实施方式中，示出了燃烧器头7具有仅由表侧层53和里侧层51构成的双层结构的例子，但燃烧器头7并不限于这样的双层结构。即，燃烧器头7也可以在表侧层53与里侧层51之间具有由烧结金属构成的一个或多个中间层。此时的中间层例如具有比表侧层53的烧结金属粒径大且比里侧层的烧结金属粒径小的烧结金属粒径。
另外，燃烧器头7由烧结金属形成，只要具有由粒径大的烧结金属构成的里侧层51和由粒径比里侧层51小的烧结金属构成的表侧层53，则形状不限于上述说明的圆筒形状。燃烧器头7例如也可以如图5中作为变形例所示那样为平板形状。在该例中，在燃烧器装置1的预混合通路3的下游端部安装有平板形状的燃烧器头7，该燃烧器头7具有与燃烧器装置1的轴心C正交的预混合喷射面。另外，在该情况下，虽然未图示，但也可以在燃烧器头7的内部配设燃料供给管。
根据以上说明的本实施方式的图1的燃烧器装置1，里侧层51由大粒径的烧结金属颗粒形成而具有大孔径，利用该里侧层51对预混合气体M进行整流，可促进预混合。进而，表侧层53由小粒径的烧结金属颗粒形成而具有小孔径，通过该表侧层53时，预混合气体M的流速增大，可向燃烧区域R喷射高速的预混合气体M。因此，能够抑制NOx的产生，并且能够防止回火。
另外，本实施方式的燃烧器装置1不仅能够适用于上述锅炉装置或燃气轮机，还能够适用于其他种类的动力装置。
如上所述，参照附图对优选的实施方式进行了说明，但在不脱离本发明的主旨的范围内，能够进行各种追加、变更或删除。因此，这样的技术也包含在本发明的范围内。
符号说明
1燃烧器装置
3预混合通路
7燃烧器头
11 外周燃料供给通路(燃料气体供给通路)
13 外周燃料供给管(燃料气体供给管)
19 中心燃料供给通路(燃料气体供给通路)
21 外周燃料供给管(燃料气体供给管)
25 燃料供给通路(燃料气体供给通路)
51 里侧层
53 表侧层
A空气(助燃气体)
F燃料(燃料气体)
M预混合气体
R燃烧区域
