JP4340873B2

JP4340873B2 - 燃焼装置

Info

Publication number: JP4340873B2
Application number: JP2004000833A
Authority: JP
Inventors: 量森本; 雅也吉村; 武志若田; 英雄植田
Original assignee: Noritz Corp
Current assignee: Noritz Corp
Priority date: 2004-01-06
Filing date: 2004-01-06
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2024-01-06
Also published as: JP2005195214A

Description

本発明は、都市ガス（例えば１３Ａガス）やＬＰＧ等のウォッベ指数（ＷＩ：Wobbe Index）の高いガス（以下、本明細書において「高ＷＩガス」という）と、燃料電池に供給される改質ガス（プロセスガス）や燃料電池による発電の際に未利用として残る水素を主成分とするガス（オフガス）等のウォッベ指数の低い水素含有ガス（以下、本明細書において「低ＷＩガス」という）との双方を燃焼させる燃焼装置に関し、特に２種類のガスを燃焼させる上での不都合を回避しつつＮＯx排出量の低減化を図るための技術に係る。

従来、燃焼装置として、高ＷＩガスと、低ＷＩガスとを予め混合した上で燃焼空間に噴出させて燃焼させるという予混合方式に構成したものが知られている（例えば特許文献１参照）。すなわち、まず高ＷＩガスと空気とを予混合し、これにさらに低ＷＩガスとして燃料電池のオフガスを混合して予混合ガスにした上で、炎孔から噴出させて燃焼させるようにしている。

特開２００２−２１３７１０号公報

ところが、上記の特許文献１に開示された予混合方式では、水素を多く含む低ＷＩガスを空気と予混合させて燃焼させることになり、このようにするとその燃焼速度が極めて高くなり、逆火が発生し易いという不都合が生じることになる。

そこで、本出願人は、特願２００２−１８９１２６にて、高ＷＩガスと、低ＷＩガスとを燃焼空間に対し別々にかつ燃焼空間の互いに異なる部位に供給する構成の燃焼装置を提案した。

しかしながら、かかる提案の燃焼装置では、上記の２種類のガスの安定燃焼は図り得るものの、発生するＮＯx濃度がかなり高くなるという不都合を生じる可能性が見出されるに至った。すなわち、低ＷＩガスである燃料電池のオフガス（以下、単に「オフガス」という）を空気と予混合状態にした高ＷＩガスが燃焼される炎孔位置よりも上流側位置から燃焼空間に対し噴出させるようにしているため、高ＷＩガスの燃焼雰囲気中にオフガスが導入されることになり、燃焼温度が高ＷＩガスだけを空気と共に燃焼させる場合よりも高温になってしまい、この結果、ＮＯx濃度が高くなると考えられる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高ＷＩガスと、低ＷＩガスとの双方を燃焼させる際の不都合発生を回避しつつも、ＮＯx排出量を低減化させ得る燃焼装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明では、燃料ガス供給系から供給される燃料ガスを高ウォッベ指数を有する第１ガスとし、燃料電池において発生する水素含有ガスを低ウォッベ指数を有する第２ガスとして、これら第１ガス及び第２ガスの双方を燃焼空間において燃焼させる燃焼装置を対象にして次の特定事項を備えることとした。すなわち、上記燃焼空間の上下流方向に対し互いに連通する上流側の一次燃焼室と、下流側の二次燃焼室とを備え、空気濃度が理論燃焼空気量よりも低く第１ガス濃度の高い過濃混合気が供給されて不完全燃焼火炎である一次火炎を上記一次燃焼室に形成する炎孔面と、上記炎孔面に形成される一次火炎よりも下流側位置であって上記二次燃焼室において、上記一次火炎から発生する燃焼ガスに二次空気を吹き出させる空気噴出部と、上記空気噴出部よりも下流側位置に開口し、上記空気噴出部からの二次空気の吹き出しにより上記燃焼ガスに含まれる未燃成分が二次燃焼される上記二次燃焼室に向けて上記第２ガスを吐出させる第２ガス吐出部とを備え、上記二次燃焼室において、上記未燃成分が二次燃焼されると同時に、上記第２ガス吐出部から吐出される第２ガスが拡散燃焼されて二次火炎が形成される構成とした。ここで、上記の「燃料ガス」とは、燃料ガス供給系から供給される都市ガス又はＬＰＧ等の通常の燃焼装置において燃焼対象とされる高ＷＩガスである燃料ガスのことであり、上記の「水素含有ガス」とは燃料電池に供給される水素を主成分とするプロセスガス及び／又は燃料電池による発電の際に未利用として残ってアノード極から排出されることになる水素を主成分とするオフガス等の低ＷＩガスである水素含有ガスのことである。

以上の請求項１に係る発明の場合、炎孔面において第１ガスと空気との過濃混合気が不完全燃焼状態で燃焼されるため、この炎孔面に形成される一次火炎から未燃成分を多く含む燃焼ガスが燃焼空間の下流側に流れることになる。そして、この下流側に流れた燃焼ガスが上記空気噴出部からの二次空気の吹き出しを受けて、その燃焼ガスに含まれる未燃成分が二次燃焼されることになる。この際、その二次燃焼域に対し上記第２ガス吐出部から第２ガスが吐出されて、上記未燃成分と共に二次燃焼されることになる。つまり、第１ガスが第１段階目で予混合燃焼ではあるものの過濃混合気とすることで不完全燃焼される一方、第２ガスが第２段階目で第１ガスの未燃成分及び二次空気と共に拡散燃焼により逆火を生じることなく燃焼されることになる。以上により、燃焼空間の上流側で第１ガスをその燃焼温度があまり高くならない範囲で一次燃焼させ、燃焼空間の下流側で上記未燃成分と共に第２ガスを完全燃焼させることが可能になり、これにより、ＮＯx排出量の低減化が図られる。より詳細には、高ウォッベ指数を有する第１ガスを過濃混合気の状態で一次燃焼室内において一次燃焼させることができ、つまり第２ガスとは混合させずに燃焼温度が過度に高温になることを回避した低ＮＯx排出状態で一次燃焼させることができ、そして、未燃焼の未燃成分を空気噴出部からの二次空気によって二次燃焼室内において第２ガスと共に二次燃焼させて完全燃焼させることができ、これにより、ＮＯx排出量の低減化を図ることができ、しかも、その二次燃焼の際に、予混合させずに第２ガス吐出部に供給して吐出させた第２ガスを拡散燃焼により同時に燃焼させることができ、第２ガスが水素を多量に含む低ウォッベ指数を有するガスであっても逆火の発生等の不都合を生じさせることはない。

なお、「空気濃度が理論燃焼空気量よりも低く第１ガス濃度の高い過濃混合気」とは、空気過剰率が１．０未満であることであり、完全燃焼に必要な理論燃焼空気量よりも不足した空気量を含む過濃混合気であり、可燃である限り、空気量がゼロ、つまり空気を全く含まない第１ガスそのものとしてもよい。好ましくは空気過剰率が０．５付近で少なくとも可燃限界以上の予混合気とする。

上記の請求項１の燃焼装置においては、以下の種々の特定事項を選択的に追加することで、上記の燃焼装置をより具体的に特定して各発明の作用をより具体的に得たり、新たな作用を得たりすることが可能になる。

すなわち、第１として、上記炎孔面を燃焼空間内の外側寄りの位置に配設し、上記空気噴出部をその炎孔面よりも内側寄りの位置に配設し、第２ガス吐出部を上記空気噴出部よりも下流側位置に開口するように配設する（請求項２）。この場合、外側寄りの位置の炎孔面に形成される一次火炎から燃焼ガスが下流側に流れ、この燃焼ガスに対し内側寄りの位置の空気噴出部から二次空気が吹き出されて二次燃焼が下流側に向けて生じ、この二次燃焼火炎内に第２ガスが吐出されて燃焼されることになる。この構成に対しては、上記炎孔面よりも下流側位置から燃焼空間に向けてその炎孔面に相対向するように張り出されて上記一次火炎からの燃焼ガスの流れを上記空気噴出部側に誘導する誘導壁を、さらに備えるようにすることができる（請求項３）。このようにすることにより、一次火炎から生じる燃焼ガスが誘導壁により空気噴出部に向けて誘導されるため、燃焼ガスの全てに対し二次空気を吹き出させて両者の混合が促進される。これにより、未燃成分が二次燃焼されずに排出されるおそれを回避して第２ガスと共に未燃成分の全てを完全燃焼させることがより確実に実現させることが可能となって、ＮＯx排出量の低減化をより確実に実現させ得ることになる。

第２として、上記第２ガス吐出部からの第２ガスが上記燃焼空間の上下流方向に対し交差する方向に吐出されるようにその開口の向きを設定する（請求項４）。この場合には、空気噴出部からの二次空気の吹き出しにより下流側に向けて生じる二次燃焼の火炎に対し交差する方向から第２ガスが吐出されることになり、第２ガスの完全燃焼化をより確実に実現させ得ることになる。

第３として、上記燃焼空間を区画形成する区画壁から燃焼空間内に突出するように配設された点火手段と、この点火手段を冷却する冷却手段とをさらに備え、上記冷却手段として、冷却用空気を上記点火手段の上記区画壁寄りに位置する基部に向けて吹き出させる構成とする（請求項５）。この場合、冷却用の空気を燃焼空間側に向けてではなくて区画壁寄りに位置する基部に向けて吹き出させているため、燃焼空間側に形成される二次燃焼等の火炎が乱されることを回避しつつ、点火手段が火炎に炙られて過度に温度上昇することを回避してその熱的耐久性を確保し得ることになる。

第４として、上記燃焼空間を区画形成する区画壁から燃焼空間内に突出するように配設された炎検知手段と、この炎検知手段を冷却する冷却手段とをさらに備え、上記冷却手段として、冷却用空気を上記炎検知手段の上記区画壁寄りに位置する基部に向けて吹き出させる構成とする（請求項６）。この場合においても、冷却用の空気を燃焼空間側に向けてではなくて区画壁寄りに位置する基部に向けて吹き出させているため、燃焼空間側に形成される二次燃焼等の火炎が乱されることを回避してその燃焼状態を保持しつつ、炎検知手段が火炎に炙られて過度に温度上昇することを回避してその熱的耐久性を確保し得ることになる。

ここで、上記の第３又は第４の特定事項において、さらに、上記冷却手段を、冷却用空気が区画壁内面位置から区画壁の内周面に沿って吹き出される構成（請求項７）を追加するようにしてもよい。このようにすることにより、吹き出された空気が燃焼空間の外周囲である区画壁の内周面に沿って流れて旋回空気流が形成されることになり、この旋回空気流により形成される内周面に沿った旋回空気層によって、点火手段又は炎検知手段の冷却に加え、区画壁の壁面を二次燃焼等の火炎から防御して過度に温度上昇してしまうことが回避されることになる。しかも、燃焼空間側に向けて冷却用空気を吹き出すという従来採用されている冷却手段の場合と異なり、旋回空気層を形成するだけという少ない空気量で済むため、燃焼に寄与しない空気の吹き込み量の低減化も図り得る。

以上、説明したように、請求項１〜請求項７のいずれかの燃焼装置によれば、第１ガスを第１段階目で予混合燃焼ではあるものの過濃混合気とすることで不完全燃焼させ、第２段階目で第１ガスの未燃成分及び二次空気と共に第２ガスを拡散燃焼により逆火を生じることなく燃焼させることができる。これにより、燃焼空間の上流側で第１ガスをその燃焼温度があまり高くならない範囲で一次燃焼させ、燃焼空間の下流側で上記未燃成分と共に第２ガスを完全燃焼させることができ、第１ガス及び第２ガスを共に完全燃焼させつつ、ＮＯx排出量の低減化を図ることができる。より詳細には、高ウォッベ指数を有する第１ガスを過濃混合気の状態で一次燃焼室内において一次燃焼させることができ、つまり第２ガスとは混合させずに燃焼温度が過度に高温になることを回避した低ＮＯx排出状態で一次燃焼させることができ、そして、未燃焼の未燃成分を空気噴出部からの二次空気によって二次燃焼室内において第２ガスと共に二次燃焼させて完全燃焼させることができ、これにより、ＮＯx排出量の低減化を図ることができ、しかも、その二次燃焼の際に、予混合させずに第２ガス吐出部に供給して吐出させた第２ガスを拡散燃焼により同時に燃焼させることができ、第２ガスが水素を多量に含む低ウォッベ指数を有するガスであっても逆火の発生等の不都合を生じさせることはない。

特に、請求項２によれば、炎孔面と、空気噴出部と、第２ガス吐出部との相互の位置関係をより具体的に特定することができ、第１ガスと第２ガスとの双方を完全燃焼させて低ＮＯx排出量とし得る燃焼装置をより具体的に提供することができる。この場合、請求項３によれば、一次火炎から生じる燃焼ガスが誘導壁により空気噴出部に向けて誘導されるため、燃焼ガスの全てに対し二次空気を吹き出させて両者の混合促進を図ることができ、未燃成分が二次燃焼されずに排出されるおそれを回避して第２ガスと共に未燃成分の全てを完全燃焼させることができる。これにより、ＮＯx排出量の低減化をより確実に実現させることができるようになる。

請求項４によれば、第２ガスを燃焼空間の上下流方向に対し交差する方向に吐出させているため、第２ガスの完全燃焼化をより確実に実現させることができる。

請求項５によれば、冷却手段から吹き出される冷却用空気によって、燃焼空間側に形成される二次燃焼等の火炎を乱すことなく、点火手段を冷却することができ、その熱的耐久性を確保することができる。

請求項６によれば、冷却手段から吹き出される冷却用空気によって、燃焼空間側に形成される二次燃焼等の火炎を乱すことなく、炎検知手段を冷却することができ、その熱的耐久性を確保することができる。

請求項７によれば、冷却手段から吹き出される冷却用空気により燃焼空間の外周囲である区画壁の内周面に沿って旋回空気層を形成することができ、この旋回空気層によって、請求項５の点火手段又は請求項６の炎検知手段の冷却に加え、区画壁の壁面を二次燃焼等の火炎から防御してその区画壁の過度の温度上昇を確実に回避することができる。しかも、燃焼空間側に向けて冷却用空気を吹き出すという従来採用されている冷却手段の場合と異なり、燃焼に寄与しない空気の吹き込み量の低減化も図ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の実施形態に係る燃焼装置を原理的に示したものである。同図において、符号２が燃焼空間であり、この燃焼空間２に臨んで外側寄りの位置に炎孔面３が配設され、この炎孔面３よりも内側寄りの位置に空気噴出部４及び第２ガス吐出部５が上記燃焼空間２の下流側（同図の上側）に向けて所定量突出するよう配設されている。そして、上記炎孔面３に相対向する位置に誘導壁６が張り出すように配設されている。上記の「外側寄りの位置」及び「内側寄りの位置」とは、燃焼装置が円筒型であればその内周側である中心側位置に空気噴出部４及び第２ガス吐出部５が配設され、これを取り囲むように外周側位置に炎孔面３が配設されるということであり、燃焼装置が平面視矩形の角筒型であればその幅方向中央位置に空気噴出部４及び第２ガス吐出部５が配設され、これを挟んで両外側位置にそれぞれ炎孔面３が配設されるということである。以下、燃焼装置が円筒型に構成されている場合について説明し、燃焼空間２の上流側が図１の下側、下流側が同図の上側であるとして説明する。

上記の燃焼空間２は円筒状の区画壁２１により区画され、上端側（下流端側）には図示省略の加熱対象が配設される。上記空気噴出部４及び第２ガス吐出部５は、上流側から空気が供給される大径筒４１と、この大径筒４１内を貫通するよう配設され上流側から第２ガスとして水素を含む低ＷＩガスが供給される小径筒５１とから内外二重管により形成されている。すなわち、上記空気噴出部４は上記大径筒４１の先端面（上端面）から上側に向けて開口する複数の噴出口４２，４２，…により構成され、上記第２ガス吐出部５は上記大径筒４１よりも上側に所定量突出するように配設された小径筒５１の先端部の外周面から外周側に向けて開口する複数の吐出口５２，５２，…により構成されている。つまり、上記空気噴出部４の各噴出口４２は燃焼空間２の下流側に向けて二次空気を吹き出すように開口される一方、上記第２ガス吐出部５の各吐出口５２はその燃焼空間２の上下流方向に直交する側に向けて第２ガスを吐出するように開口され、二次空気と第２ガスとの互いの流れの向きが交差するようになっている。又、上記空気噴出部４は炎孔面３に形成される後述の一次火炎３２の先端よりも下流側に位置付けられている。

上記の第２ガスとしては、例えば燃料電池システムのアノード極から排出されるオフガスが挙げられる。又、このようなオフガスに加えて、あるいは、オフガスの代わりに燃料電池に供給されるプロセスガスの一部を用いるようにしてもよい。

上記誘導壁６は燃焼空間２の上下流方向に対し上記空気噴出部４とほぼ同じ位置の区画壁２１内周面から内周側に突出する内周フランジ状に形成され、この誘導壁６の先端縁と、空気噴出部４の大径筒４１との間に狭窄部２２が形成されるようになっている。この誘導壁６によって燃焼空間２が上記狭窄部２２を通して互いに連通する一次燃焼室２３と、二次燃焼域である二次燃焼室２４とに区画されることになる。つまり、上記一次燃焼室２３は、上記誘導壁６と、これに相対向する炎孔面３と、大径筒４１の外周面と、区画壁２１の内周面とによって、略区画されることになる。

そして、上記炎孔面３には図示省略の燃料ガス供給系から供給された第１ガスとして高ＷＩガスである燃料ガス（例えば都市ガス１３Ａ）と空気とが予混合されて所定の過濃混合気とされたものが供給されて、この過濃混合気による一次燃焼により各炎孔３１には不完全燃焼火炎である一次火炎３２，３２，…が一次燃焼室２３に形成されるようになっている。上記の所定の過濃混合気としては、空気過剰率が１．０（１００％）未満、好ましくは空気過剰率が０．５近傍でかつ可燃限界以上に設定された燃料ガス濃度の高い過濃混合気が供給されるようになっており、上記一次火炎３２から未燃成分を多く含む燃焼ガスが発生する。そして、この燃焼ガスは誘導壁６に誘導されて狭窄部２２を通過して空気噴出部４側に流れ、流れてきた燃焼ガスに対し空気噴出部４の各噴出口４２から二次空気が吹き出される。この二次空気を受けて燃焼ガス中の未燃成分が燃焼（二次燃焼）されると同時に、第２ガス吐出部５の各吐出口５２から吐出され第２ガスが上記二次空気により拡散燃焼されて二次燃焼室２４において二次火炎４５が形成されることになる。なお、上記炎孔面３に対し上記の過濃混合気に代えて空気を予混合しない燃料ガスそのものを供給して一次燃焼させるようにしてもよい。この場合にも燃焼ガス中の未燃成分が増加するだけで本実施形態での二段燃焼を適用することができる。

以上の燃焼装置では、一次燃焼室２３において高ＷＩガスである第１ガスを過濃混合気の状態で一次燃焼室２３内において一次燃焼させることができ、つまり第２ガスとは混合させずに燃焼温度が過度に高温になることを回避した低ＮＯx排出状態で一次燃焼させることができる。そして、未燃焼の未燃成分を空気噴出部４からの二次空気によって二次燃焼室２４内において第２ガスと共に二次燃焼させて完全燃焼させることができる。これにより、ＮＯx排出量の低減化を図ることができる。しかも、その二次燃焼の際に、予混合させずに第２ガス吐出部５に供給して吐出させた第２ガスを拡散燃焼により同時に燃焼させることができ、第２ガスが水素を多量に含む低ＷＩガスであっても逆火の発生等の不都合を生じさせることはない。

又、上記の誘導壁６により炎孔面３の下流側が覆われるようになっているため、一次火炎３２，３２，…の伸長が抑制され、空気噴出部４に対し燃焼ガスのみを誘導させることができ、空気噴出部４からの二次空気を燃焼ガスのみに対して吹き出させることができる。つまり、上記誘導壁６が空気噴出部４からの二次空気と、炎孔火炎３２，３２，…との直接の接触を分離・遮断する機能と、一次火炎３２，３２，…から発生する燃焼ガスの流れを空気噴出部４から吹き出される二次空気に対し交差するように誘導する機能とを発揮する。そして、上記分離・遮断機能により二次空気が一次火炎３２，３２，…に直接に接触することに起因するＮＯx増大を回避して低ＮＯx化に寄与し、また、上記誘導機能により燃焼ガスの乱流化を抑制しつつ燃焼ガスと二次空気との混合促進を図ることができる。

なお、この第１実施形態において、誘導壁６の直ぐ下流側位置の区画壁２１に設けた吹き出し口２５，２５，…から燃焼空間２（二次燃焼室２４）の内周側に向けて若干量の空気を吹き出させることにより、一次火炎３２により炙られる誘導壁６自体を冷却することができると同時に、二次火炎４５を区画壁２１から離隔して区画壁２１が過度に高温にならないようにすることができる。

又、上記第１実施形態の燃焼装置を用いて第１ガスを用いずに第２ガスのみを燃焼させることもできる。すなわち、炎孔面３に対する第１ガスの供給を開閉弁等の開閉手段を閉じることで停止させた状態で、空気噴出部４に対する空気の供給と、第２ガス吐出部５に対する第２ガスの供給とを行い、点火手段７により点火することにより、第２ガスを拡散燃焼させることもできる（図１の符号５３の拡散燃焼火炎参照）。

＜第２実施形態＞
図２は、本発明の燃焼装置を燃料電池システムの改質器に設けられる改質器バーナに適用して具体的に構成した例を示すものである。この第２実施形態の燃焼装置は第１実施形態のそれと二段燃焼の原理自体は同じである。なお、第１実施形態と同等構成の要素には第１実施形態と同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。

この第２実施形態ではそれぞれ下側が有底とされた内周側区画壁２１ａと、外周側区画壁２１ｂとの二重筒状の区画壁とされており、外周側区画壁２１ｂに対し空気供給管８１が連通されて、内外周側区画壁２１ａ，２１ｂ間の環状空間８２と底側空間８３とに対し上記空気供給管８１からの空気が供給されるようになっている。内周側区画壁２１ａの底部側が図３にも示すように仕切壁９０を有する外周側の旋回混合室９１と、この旋回混合室９１の内周側の混合気分配室９２とに区画され、この混合気分配室９２から所定の過濃混合気が炎孔面３に供給されるようになっている。

上記旋回混合室９１は上流側が開口８４において第１ガスとしての都市ガスの供給ノズル９が連通接続され、この供給ノズル９から第１ガスが旋回混合室９１に供給される際に、第１実施形態で説明したと同様の過濃混合気となるよう所定量の空気が開口８４の隙間を通して底側空間８３から巻き込まれるようになっている。そして、上記旋回混合室９１に供給された第１ガスと空気は周方向に旋回（図３においては反時計方向に１周）しながら予混合され、予混合された過濃混合気が下流側の連通口９３（図３参照）から混合気分配室９２に入り込み、炎孔面３の各炎孔に分配供給されるようになっている。又、上記底側空間８３から大径筒部４１に対し空気が内周側の環状隙間８５を通して供給されるようになっている。

上記炎孔面３は、図４に詳細例を示すように一次燃焼室２３側に台形形状をなして突出され、空気噴出部４を構成する大径筒４１と隙間を隔てて減圧壁３３が下流側に立ち上がるように形成されている。そして、上記の台形形状の炎孔面３の頂壁面に一次炎孔として主炎孔３１，３１，…が形成され、両斜壁面に補助炎孔３１ａ，３１ａが形成されており、上記各主炎孔３１には主炎（一次火炎）３２が形成されるようになっている。又、外周側の斜壁面と区画壁２１ａとで挟まれる減速間隙には補助炎孔３１ａからの少量の過濃混合気と、区画壁２１ａの空気口２６からの少量の空気とにより補助炎３２ａが形成され、内周側の斜壁面と減圧壁３３とで挟まれる減速間隙には同様に補助炎孔３１ａからの少量の過濃混合気と、大径筒部４１の空気口４３からの少量の空気とにより補助炎３２ａが形成されるようになっている。以上により炎孔面３に形成される一次火炎３２の火炎安定性を確保するようにしている。

また、第２ガス吐出部５は、上流側が燃料電池のアノード極から導出されたオフガスの供給管と接続された第１実施形態と同様の小径筒５１と、その先端（上端）に固定された先端部材５４とを備えている。そして、上記の先端部材５４に貫通された吐出口５２，５２，…から外周側と、斜め上側とに向けてオフガスを第２ガスとして吐出するようになっている。

以上の第２実施形態においても、一次燃焼室２３において第１ガスである高ＷＩの都市ガスを過濃混合気の状態で一次燃焼室２３内において一次燃焼させることができ、つまり第２ガスであるオフガスとは混合させずに燃焼温度が過度に高温になることを回避した低ＮＯx排出状態で一次燃焼させることができる。そして、未燃焼の未燃成分を空気噴出部４からの二次空気によって二次燃焼室２４内においてオフガスと共に二次燃焼させて完全燃焼させることができる。これにより、ＮＯx排出量の低減化を図ることができる。しかも、その二次燃焼の際に、オフガスを拡散燃焼により同時に燃焼させることができ、オフガスが水素を多量に含む低ＷＩガスであっても逆火の発生等の不都合を生じさせることはない。

なお、炎孔面において火炎安定性を確保するための構成としては、上記の図４の例以外にも種々の構成を採用することができる。例えば、図５（ａ）に示すように図４における減圧壁３３を省略してもよく、又、炎孔面３を図５（ｂ）に示すように台形形状ではなくて四角形状に突出させてもよく、更に、図５（ｃ）に示すように内外両側にそれぞれ減圧壁３３を設けるようにしてもよい。

＜第３実施形態＞
図６は第３実施形態に係る燃焼装置を示す。この第３実施形態は第２実施形態を基本にしてその点火手段７に対し冷却手段１１を設けたものである。

すなわち、図７にも示すように点火手段７の近傍位置の内周側区画壁２１ａに燃焼空間２側に切り起こし部２７を設け、その開口２８が上記点火手段７の基部７１に向いて開口するようにする。そして、内外周の両区画壁２１ａ，２１ｂ間の環状隙間８２から空気が上記開口２８を通して点火手段７の基部７１に吹き付けられるようにしている。

この第３実施形態の場合には、上記開口２８から基部７１に吹き付けられた空気は内周側区画壁２１ａの内周面に沿って旋回するようになり、この旋回空気流によって上記基部７１を含んだ旋回空気層が形成されることになる。これにより、冷却のための旋回空気層が二次火炎４５（図１参照）を乱すことなく、つまり、二次火炎４５の燃焼状態に悪影響を及ぼすことなく、点火手段７の冷却を行うことができるようになる。これにより、点火手段７を構成する点火プラグの保護硝子の熱的耐久性を維持もしくは向上させることができるようになる。さらに、上記旋回空気層の形成によって、点火手段７のみならず、二次火炎４５と内周側区画壁２１ａとの間を遮断して、内周側区画壁２１ａが過度に高温にならないように冷却することができる。その上に、例えば点火手段７の基部から径方向内方側に向けて空気を吹き付けて冷却を図る場合と比べ、吹き付ける冷却用空気量、つまり燃焼に寄与しない吹き付け空気量を減らすことができることになる。

なお、上記の切り起こし部２７は図６の如く半円状もしくは楕円状に曲げ起こしたものでも、台形形状もしくは角形状に曲げ起こしたものでも、あるいは、３辺に切断線を入れて内側に切り起こしたものでも、いずれでもよい。

＜第４実施形態＞
図８は第４実施形態に係る燃焼装置を示す。この第４実施形態は第２実施形態を基本にして、シース熱電対等により構成される炎検知手段１２に対し冷却手段１３を設けたものである。

すなわち、上記炎検知手段１２を二次燃焼室２４の下流端側位置（排気口２９近傍位置）の区画壁２１ａ，２１ｂを貫通させて中心寄り位置まで突出させる一方、この炎検知手段１２の直近の上流側位置に上記冷却手段１３によって冷却用の旋回空気層を形成するようにしている。このような旋回空気層を形成させる冷却手段１３は、内周側区画壁２１ａの周方向に設けた旋回羽根により構成され、この旋回羽根の外周側に環状隙間８２から供給した空気が旋回羽根を通過する間に二次燃焼室２４への吹き出し方向が上記区画壁２１ａの内周面に沿って旋回する方向に変換されるようにしている。

この第４実施形態の場合には、上記環状隙間８２から冷却手段１３の旋回羽根に流入した空気が二次燃焼室２４では区画壁２１ａの内周面に沿った周方向の流れとなって吹き出されることになる。これにより、炎検知手段１２の基部１２１を含んだ領域に旋回空気層が形成され、この旋回空気層により、二次火炎４５又はオフガス火炎５３（図１参照）を乱すことなく、炎検知手段１２の冷却を行うことができるようになる。特に上記オフガス火炎５３として、オフガスを大流量で吐出させた大能力火炎５３ａ（図８参照）であっても、小流量で吐出させた小能力火炎５３ｂであっても、いずれでもそれらの燃焼状態に悪影響を与えることなく炎検知手段１２の冷却を確実に行うことができ、その熱的耐久性を維持して炎検知を確実に行うことができるようになる。

＜他の実施形態＞
図９（ａ）又は図９（ｂ）に示すように炎孔面１４を燃焼空間２ａ内の中央位置（内側寄りの位置）に配設し、空気噴出部１５をその炎孔面１４よりも外周側（外側寄りの位置）でかつ燃焼空間２ａの下流側（上側）に配設し、第２ガス吐出部１６を上記空気噴出部１５よりも外周側でさらに下流側位置に配設してもよい。このようにするには、例えば互いに離した内外周方向に三重筒となした区画壁１７，１８，１９により燃焼空間２ａを形成するようにすればよい。そして、空気噴出部１５から二次空気を吹き出させる噴出口１５１と、第２ガス吐出部１６から第２ガスを吹き出させる吐出口１６１とを、図９（ａ）の如く互いに交差するように開口させても、図９（ｂ）の如く同じ内周側に開口させても、いずれでもよい。

本発明の第１実施形態の燃焼装置を示す断面説明図である。第２実施形態の燃焼装置を示す縦断面説明図である。図２のＡ−Ａ線における断面説明図である。炎孔面の例を示す拡大断面説明図である。図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）は炎孔面の他の構成例を示す断面説明図である。第３実施形態を示す部分斜視図である。図６のＢ−Ｂ線における拡大断面説明図である。第４実施形態を示す部分端面図である。他の実施形態を示す部分斜視図であり、図９（ａ）は二次空気と第２ガスとを交差する方向に吹き出させる場合、図９（ｂ）は二次空気と第２ガスとを同じ方向に吹き出させる場合を示す。

符号の説明

２，２ａ燃焼空間
３炎孔面
４，１５空気噴出部
５，１６第２ガス吐出部
６誘導壁
７点火手段
１１，１３冷却手段
１２炎検知手段
２４二次燃焼室（二次燃焼域）
７１点火手段の基部
１２１炎検知手段の基部

Claims

燃料ガス供給系から供給される燃料ガスを高ウォッベ指数を有する第１ガスとし、燃料電池において発生する水素含有ガスを低ウォッベ指数を有する第２ガスとして、これら第１ガス及び第２ガスの双方を燃焼空間において燃焼させる燃焼装置であって、
上記燃焼空間の上下流方向に対し互いに連通する上流側の一次燃焼室と、下流側の二次燃焼室とを備え、
空気濃度が理論燃焼空気量よりも低く第１ガス濃度の高い過濃混合気が供給されて不完全燃焼火炎である一次火炎を上記一次燃焼室に形成する炎孔面と、
上記炎孔面に形成される一次火炎よりも下流側位置であって上記二次燃焼室において、上記一次火炎から発生する燃焼ガスに対し二次空気を吹き出させる空気噴出部と、
上記空気噴出部よりも下流側位置に開口し、上記空気噴出部からの二次空気の吹き出しにより上記燃焼ガスに含まれる未燃成分が二次燃焼される上記二次燃焼室に向けて上記第２ガスを吐出させる第２ガス吐出部と
を備え、
上記二次燃焼室において、上記未燃成分が二次燃焼されると同時に、上記第２ガス吐出部から吐出される第２ガスが拡散燃焼されて二次火炎が形成されるように構成されている
ことを特徴とする燃焼装置。
請求項１に記載の燃焼装置であって、
上記炎孔面が燃焼空間内の外側寄りの位置に配設され、上記空気噴出部がその炎孔面よりも内側寄りの位置に配設され、上記第２ガス吐出部が上記空気噴出部よりも下流側位置に開口するように配設されている、燃焼装置。
請求項２に記載の燃焼装置において、
上記炎孔面よりも下流側位置から燃焼空間に向けてその炎孔面に相対向するように張り出されて上記一次火炎からの燃焼ガスの流れを上記空気噴出部側に誘導する誘導壁を、さらに備えている、燃焼装置。
請求項２又は請求項３に記載の燃焼装置において、
上記第２ガス吐出部からの第２ガスが上記燃焼空間の上下流方向に対し交差する方向に吐出されるようにその開口の向きが設定されている、燃焼装置。
請求項１に記載の燃焼装置において、
上記燃焼空間を区画形成する区画壁から燃焼空間内に突出するように配設された点火手段と、この点火手段を冷却する冷却手段とをさらに備え、
上記冷却手段は冷却用空気を上記点火手段の上記区画壁寄りに位置する基部に向けて吹き出させるように構成されている、燃焼装置。
請求項１に記載の燃焼装置において、
上記燃焼空間を区画形成する区画壁から燃焼空間内に突出するように配設された炎検知手段と、この炎検知手段を冷却する冷却手段とをさらに備え、
上記冷却手段は冷却用空気を上記炎検知手段の上記区画壁寄りに位置する基部に向けて吹き出させるように構成されている、燃焼装置。
請求項５又は請求項６に記載の燃焼装置において、
上記冷却手段は、冷却用空気が区画壁内面位置から区画壁の内周面に沿って吹き出されるように構成されている、燃焼装置。