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JP7745586B2 - Hydrogen combustion furnace and method for operating the same - Google Patents
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JP7745586B2 - Hydrogen combustion furnace and method for operating the same - Google Patents

Hydrogen combustion furnace and method for operating the same

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JP7745586B2 JP2023042337A JP2023042337A JP7745586B2 JP 7745586 B2 JP7745586 B2 JP 7745586B2 JP 2023042337 A JP2023042337 A JP 2023042337A JP 2023042337 A JP2023042337 A JP 2023042337A JP 7745586 B2 JP7745586 B2 JP 7745586B2
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Description

本発明は、水素燃焼炉、及び水素燃焼炉の運転方法に関する。 The present invention relates to a hydrogen combustion furnace and a method for operating a hydrogen combustion furnace.

カーボンニュートラルの要請の実現に向けて、COガス排出量の削減のための技術開発に関心が高まっている。金属やガラスなどの製造過程で用いられる、所謂工業炉では、大量のCOガスを排出しており、その削減は重要な課題と認識されている。 Toward the realization of the demand for carbon neutrality, there is growing interest in the development of technologies to reduce CO2 gas emissions. Industrial furnaces used in the manufacturing process of metals, glass, etc. emit large amounts of CO2 gas, and reducing this amount is recognized as an important issue.

従来から、COガス削減技術や省エネ技術の有効な手段として、酸素燃焼が知られている。酸素燃焼とは、酸化剤として酸素または空気に酸素を富化した酸素富化空気を用いる燃焼方法であり、工業炉において広く用いられている。酸素燃焼では、燃焼に寄与しない酸化剤中の窒素量が減るため、火炎温度の上昇や排ガス熱損の削減といったメリットが得られ、結果として熱効率の向上による燃料使用量の削減が可能となる。すなわち、炭化水素燃料の使用量を削減できるため、COガス排出量の削減に大きく寄与する。 Oxyfuel combustion has long been known as an effective means of reducing CO2 gas emissions and saving energy. Oxyfuel combustion is a combustion method that uses oxygen or oxygen-enriched air, which is air enriched with oxygen, as an oxidant, and is widely used in industrial furnaces. Oxyfuel combustion reduces the amount of nitrogen in the oxidant that does not contribute to combustion, resulting in benefits such as an increase in flame temperature and a reduction in exhaust gas heat loss. As a result, improved thermal efficiency makes it possible to reduce fuel consumption. In other words, the reduction in the amount of hydrocarbon fuel used significantly contributes to reducing CO2 gas emissions.

従来の省エネ技術に加えて、炭化水素燃料の水素エネルギへの転換が期待されている。特許文献1には、工業的な燃焼炉において、燃料として水素ガスを使用する燃焼バーナ(水素バーナ)を用いた技術が開示されている。 In addition to conventional energy-saving technologies, there are hopes for the conversion of hydrocarbon fuels to hydrogen energy. Patent Document 1 discloses technology that uses a combustion burner (hydrogen burner) that uses hydrogen gas as fuel in an industrial combustion furnace.

特開2020-094740号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-094740

ところで、燃焼バーナと燃焼炉とを用いる炉内燃焼では、投入したエネルギが、炉内で有効に利用される熱量と、排ガスとして系外へ排出されて損失となる熱量とに分類される。例えば、酸素比1.05、排ガス温度1300℃とした場合、燃料として炭化水素燃料(例えば、メタン)を用いた場合、及び水素を用いた場合のいずれも、酸化剤中の酸素濃度が高いほど排ガス熱損失の割合が小さい(すなわち、炉内で有効に利用される熱量の割合が高く、加熱効率が高いことを意味する)ことが知られている。加熱効率が高いほど、炉を所定温度まで昇温、及び維持するために必要な量が少なくてすむため、燃料として水素を用いる水素バーナの仕様に際して、酸素燃焼を適用することで、燃料コストの削減が期待できる。 In furnace combustion using a combustion burner and combustion furnace, the input energy is divided into heat that is effectively utilized within the furnace and heat that is lost by being discharged to the outside of the system as exhaust gas. For example, when the oxygen ratio is 1.05 and the exhaust gas temperature is 1300°C, it is known that the higher the oxygen concentration in the oxidizer, the smaller the rate of exhaust gas heat loss (i.e., the higher the rate of heat that is effectively utilized within the furnace, meaning higher heating efficiency), whether the fuel is a hydrocarbon fuel (e.g., methane) or hydrogen. The higher the heating efficiency, the less fuel is needed to heat the furnace to a specified temperature and maintain it. Therefore, applying oxyfuel combustion to hydrogen burners that use hydrogen as fuel can be expected to reduce fuel costs.

しかしながら、水素燃焼では、炭化水素燃料に比較して火炎温度が高いため、サーマルNOxを主とするNOx排出量が増加すると一般的に言われている。酸素燃焼でも同様に、火炎温度が高温となることから、特に酸素富化の状態では、NOx排出量が増加することが知られている。したがって、水素燃焼と酸素燃焼とを組合せることで、NOx排出量が更に増加することが懸念される。 However, it is generally believed that hydrogen combustion results in higher flame temperatures compared to hydrocarbon fuels, resulting in increased NOx emissions, primarily thermal NOx. Similarly, oxygen combustion also results in higher flame temperatures, which is known to increase NOx emissions, particularly in oxygen-rich conditions. Therefore, there are concerns that combining hydrogen combustion with oxygen combustion will further increase NOx emissions.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、NOx排出量の低減が可能な水素燃焼炉、及び水素燃焼炉の運転方法を提供することを課題とする。 The present invention was made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a hydrogen combustion furnace and a method for operating a hydrogen combustion furnace that can reduce NOx emissions.

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を備える。
[1] バーナを有する燃焼炉本体と、
前記バーナに水素を供給する第1経路と、
前記バーナに酸素を含む支燃性ガスを供給する第2経路と、
前記燃焼炉本体から排ガスを導出する第3経路と、
前記第1経路に位置し、前記水素の供給量を調整する第1制御装置と、
前記第2経路に位置し、前記支燃性ガスの供給量を調整する第2制御装置と、
前記第3経路に位置し、前記排ガス中の成分を分析するガス分析装置と、
前記第1制御装置、前記第2制御装置、及び前記ガス分析装置との間で電気信号を送受信する制御装置と、を備え、
前記制御装置が、前記ガス分析装置から得られる分析値から、前記燃焼炉本体において前記水素が不完全燃焼するように、前記第1制御装置と前記第2制御装置とを制御する、水素燃焼炉。
[2] 前記第3経路に位置し、前記排ガスから水分を除去する水分除去装置をさらに備える、[1]に記載の水素燃焼炉。
[3] 前記水分除去装置が、前記ガス分析装置の一次側に位置する、[1]又は[2]に記載の水素燃焼炉。
[4] 前記第3経路と接続され、燃料の少なくとも一部として前記排ガスを用いる燃焼装置をさらに備える、[1]乃至[3]のいずれかに記載の水素燃焼炉。
[5] 前記燃焼装置が、前記第1経路及び前記第2経路の少なくとも一方又は両方に亘って設けられる熱交換器である、[1]乃至[4]のいずれかに記載の水素燃焼炉。
[6] 前記燃焼炉本体が、内側の空間に収容した被加熱物を加熱する加熱炉である、[1]乃至[5]のいずれかに記載の水素燃焼炉。
[7] 水素と酸素を含む支燃性ガスとを燃焼させるバーナを有する燃焼炉本体を備える水素燃焼炉の運転方法であって、
前記燃焼炉本体において、前記水素を不完全燃焼させる、水素燃焼炉の運転方法。
[8] 前記燃焼炉本体において、酸素比が0.98以下で不完全燃焼させる、[7]に記載の水素燃焼炉の運転方法。
[9] 酸素濃度が90体積%以上の前記支燃性ガスを用いる、[7]又は[8]に記載の水素燃焼炉の運転方法。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration.
[1] A combustion furnace body having a burner;
a first path for supplying hydrogen to the burner;
a second passage for supplying a combustion-supporting gas containing oxygen to the burner;
a third passage for discharging exhaust gas from the combustion furnace body;
a first control device located in the first path and configured to adjust the amount of hydrogen supplied;
a second control device located in the second path and configured to adjust the supply amount of the combustion supporting gas;
a gas analyzer located on the third path and analyzing components in the exhaust gas;
a control device that transmits and receives electrical signals between the first control device, the second control device, and the gas analyzer,
A hydrogen combustion furnace, wherein the control device controls the first control device and the second control device based on the analysis value obtained from the gas analyzer so that the hydrogen is incompletely combusted in the combustion furnace body.
[2] The hydrogen combustion furnace according to [1], further comprising a moisture removal device located in the third path and removing moisture from the exhaust gas.
[3] The hydrogen combustion furnace according to [1] or [2], wherein the moisture removal device is located on the primary side of the gas analyzer.
[4] The hydrogen combustion furnace according to any one of [1] to [3], further comprising a combustion device connected to the third path and using the exhaust gas as at least a part of a fuel.
[5] The hydrogen combustion furnace according to any one of [1] to [4], wherein the combustion device is a heat exchanger provided across at least one or both of the first path and the second path.
[6] The hydrogen combustion furnace according to any one of [1] to [5], wherein the combustion furnace body is a heating furnace that heats an object to be heated housed in an inner space.
[7] A method for operating a hydrogen combustion furnace having a combustion furnace body with a burner that combusts hydrogen and a combustion-supporting gas containing oxygen, comprising:
A method for operating a hydrogen combustion furnace, comprising incompletely combusting the hydrogen in the combustion furnace body.
[8] The method for operating a hydrogen combustion furnace according to [7], wherein in the combustion furnace body, incomplete combustion is carried out at an oxygen ratio of 0.98 or less.
[9] The method for operating a hydrogen combustion furnace according to [7] or [8], wherein the combustion-supporting gas has an oxygen concentration of 90% by volume or more.

本発明の水素燃焼炉、及び水素燃焼炉の運転方法によれば、NOx排出量の低減が可能である。 The hydrogen combustion furnace and hydrogen combustion furnace operating method of the present invention make it possible to reduce NOx emissions.

本実施形態に適用可能な水素燃焼炉の構成の一例を示す系統図である。FIG. 1 is a system diagram showing an example of the configuration of a hydrogen combustion furnace applicable to this embodiment. 本実施形態に適用可能な水素燃焼炉の構成の他の例を示す系統図である。FIG. 10 is a system diagram showing another example of the configuration of a hydrogen combustion furnace applicable to this embodiment. 本発明の検証試験の結果を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the results of a verification test of the present invention. 本発明の検証試験の結果を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the results of a verification test of the present invention. 本発明の検証試験の結果を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the results of a verification test of the present invention.

以下、本発明を適用した一実施形態である水素燃焼炉、及び水素燃焼炉の運転方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。 A hydrogen combustion furnace, which is one embodiment of the present invention, and a method for operating the hydrogen combustion furnace will be described in detail below with reference to the drawings. Note that the drawings used in the following description may show characteristic parts enlarged for convenience in order to make the features easier to understand, and the dimensional proportions of the components may not necessarily be the same as in reality.

本明細書における用語の意味及び定義は、以下のとおりである。
「加熱効率」とは、排ガスが炉外へ持ち去る熱量(排ガス熱損)を計算し、投入したエネルギから排ガス熱損を差し引いた値が炉の加熱に利用されるものと仮定して算出した値をいう。
「酸素比」とは、燃料が完全燃焼するのに必要な酸素量に対する、支燃性ガス中に含まれる酸素量の比率をいう。
「~」で表される数値範囲は、~の前後の数値を下限値及び上限値とする数値範囲を意味する。
The meanings and definitions of terms used in this specification are as follows.
"Heating efficiency" refers to the value calculated by calculating the amount of heat carried away by the exhaust gas outside the furnace (exhaust gas heat loss) and assuming that the value obtained by subtracting the exhaust gas heat loss from the input energy is used to heat the furnace.
"Oxygen ratio" refers to the ratio of the amount of oxygen contained in the combustion-supporting gas to the amount of oxygen required for complete combustion of the fuel.
A numerical range expressed as "to" means that the numerical values before and after "to" are the lower and upper limits of the numerical range.

<水素燃焼炉>
先ず、本発明を適用した一実施形態である水素燃焼炉の構成について、説明する。図1は、本実施形態の水素燃焼炉の構成を示す系統図である。なお、図1中に示す実線の矢印は、ガス(気体)流れの方向を示し、点線の矢印は、電気信号の送信方向を示す。
図1に示すように、本実施形態の水素燃焼炉1は、燃焼炉本体2、バーナ3、水分除去装置4、ガス分析装置5、制御装置6、流量制御弁(第1制御装置)7、流量制御弁(第2制御装置)8、燃焼器(燃焼装置)9、及び経路L1~L6を備えて、概略構成されている。
<Hydrogen combustion furnace>
First, the configuration of a hydrogen combustion furnace according to one embodiment of the present invention will be described. Figure 1 is a system diagram showing the configuration of a hydrogen combustion furnace according to this embodiment. Note that solid arrows in Figure 1 indicate the direction of gas flow, and dotted arrows indicate the direction of electrical signal transmission.
As shown in FIG. 1, the hydrogen combustion furnace 1 of this embodiment is roughly configured to include a combustion furnace body 2, a burner 3, a moisture removal device 4, a gas analyzer 5, a control device 6, a flow control valve (first control device) 7, a flow control valve (second control device) 8, a combustor (combustion device) 9, and paths L1 to L6.

本実施形態の水素燃焼炉1は、燃料である水素と、支燃性ガス中に含まれる酸素とを、バーナ3に供給し、燃焼炉本体2内で燃焼(炉内燃焼)させる際、低酸素比で水素を燃焼(すなわち、不完全燃焼)させることでNOx排出量を低減させるものである。 In the hydrogen combustion furnace 1 of this embodiment, hydrogen as fuel and oxygen contained in a combustion-supporting gas are supplied to the burner 3, and when they are combusted (in-furnace combustion) within the combustion furnace body 2, the hydrogen is burned at a low oxygen ratio (i.e., incomplete combustion), thereby reducing NOx emissions.

燃焼炉本体2は、内側に空間を有し、バーナ3の火炎を炉内燃焼させることができるものであれば、特に限定されない。燃焼炉本体2としては、内側の空間に収容した被加熱物(図示略)を加熱する加熱炉を用いることができる。具体的な構成としては、従来から公知の構成(例えば、特開2020-148426、特開2021-042102等の特許文献に記載された構成)を適用することができる。 The combustion furnace body 2 is not particularly limited as long as it has an internal space and can burn the flame of the burner 3 inside the furnace. The combustion furnace body 2 can be a heating furnace that heats an object to be heated (not shown) housed in the internal space. Specific configurations that can be applied include those that have been publicly known in the art (for example, configurations described in patent documents such as JP 2020-148426 and JP 2021-042102).

本実施形態の水素燃焼炉1を加熱炉として用いる場合、被加熱物としては、例えば、鋼材、溶融した金属やガラスが挙げられる。本実施形態の水素燃焼炉1では、水素ガスを燃料として用いるため、不完全燃焼時の排ガスとしてH、HO、Nが主成分となり、炭化水素燃料を用いた場合に発生する、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO)、および煤が排出されない。したがって、被加熱物の品質に悪影響を与えるおそれがないために好ましい。 When the hydrogen combustion furnace 1 of this embodiment is used as a heating furnace, examples of the object to be heated include steel, molten metal, and glass. Because the hydrogen combustion furnace 1 of this embodiment uses hydrogen gas as fuel, the exhaust gas produced during incomplete combustion is primarily composed of H 2 , H 2 O, and N 2 . This eliminates the emissions of carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ), and soot that would be generated if a hydrocarbon fuel were used. This is therefore preferable because it does not adversely affect the quality of the object to be heated.

バーナ3は、火炎の噴射口が燃焼炉本体2の内側の空間と連通するように、燃焼炉本体2に接続されている。バーナ3は、燃料である水素と、支燃性ガス中に含まれる酸素とを燃焼炉本体2内で燃焼(炉内燃焼)させるものであれば、特に限定されない。具体的な構成としては、従来から公知の構成(例えば、特開平09-243028、特開2013-079753、特開2021-124212等の特許文献に記載された構成)を適用することができる。 The burner 3 is connected to the combustion furnace body 2 so that the flame nozzle is in communication with the space inside the combustion furnace body 2. There are no particular limitations on the burner 3, as long as it burns the hydrogen fuel and the oxygen contained in the combustion-supporting gas within the combustion furnace body 2 (in-furnace combustion). Specific configurations that can be applied include those that have been publicly known in the art (for example, configurations described in patent documents such as JP 09-243028, JP 2013-079753, and JP 2021-124212).

経路(第1経路)L1は、図示略の水素ガス供給源とバーナ3との間に位置する。経路L1は、水素ガス供給源からバーナ3に、燃料として水素ガス(H)を供給するガス供給ラインである。経路L1には、流量制御弁(第1制御装置)7が設けられている。 The path (first path) L1 is located between a hydrogen gas supply source (not shown) and the burner 3. The path L1 is a gas supply line that supplies hydrogen gas (H 2 ) as fuel from the hydrogen gas supply source to the burner 3. A flow control valve (first control device) 7 is provided on the path L1.

経路(第2経路)L2は、図示略の支燃性ガス供給源とバーナ3との間に位置する。経路L2は、支燃性ガス供給源からバーナ3に、支燃性ガスを供給するガス供給ラインである。経路L2には、流量制御弁(第2制御装置)8が設けられている。 Path (second path) L2 is located between a combustion-sustaining gas supply source (not shown) and burner 3. Path L2 is a gas supply line that supplies combustion-sustaining gas from the combustion-sustaining gas supply source to burner 3. Path L2 is provided with a flow control valve (second control device) 8.

流量制御弁7及び流量制御弁8は、制御装置6からの制御信号により、あるいは手動によって、ガス供給ラインを流れるガスの供給量をそれぞれ調整する制御装置である。流量制御弁7及び流量制御弁8としては、例えば、コントロールバルブ、マスフローコントローラ、手動ニードルバルブが挙げられる。 Flow control valves 7 and 8 are control devices that adjust the amount of gas flowing through the gas supply line either manually or in response to a control signal from control device 6. Examples of flow control valves 7 and 8 include control valves, mass flow controllers, and manual needle valves.

支燃性ガスは、酸素を含むガス(酸化剤)であり、酸素ガス(O)、空気に酸素を富化した酸素富化空気、又は空気を用いることができる。支燃性ガス(酸化剤)中の酸素濃度としては、21体積%以上が好ましく、40体積%以上がより好ましく、90体積%以上がさらに好ましい。支燃性ガス中の酸素濃度が高いほど、支燃性ガス中の窒素濃度が低くなるため、水素燃焼炉1において不完全燃焼させた際にNOx排出量を低減できる。また、支燃性ガス中の酸素濃度が90体積%以上であると、排ガス中の水素濃度が高くなるため、排ガス中に含まれる未反応の水素ガスを燃料として有効に利用できる。 The combustion-supporting gas is a gas (oxidizing agent) containing oxygen, and oxygen gas (O 2 ), oxygen-enriched air in which air is enriched with oxygen, or air can be used. The oxygen concentration in the combustion-supporting gas (oxidizing agent) is preferably 21% by volume or more, more preferably 40% by volume or more, and even more preferably 90% by volume or more. The higher the oxygen concentration in the combustion-supporting gas, the lower the nitrogen concentration in the combustion-supporting gas, thereby reducing NOx emissions when incomplete combustion occurs in the hydrogen combustion furnace 1. Furthermore, when the oxygen concentration in the combustion-supporting gas is 90% by volume or more, the hydrogen concentration in the exhaust gas increases, allowing the unreacted hydrogen gas contained in the exhaust gas to be effectively used as fuel.

経路(第3経路)L3は、燃焼炉本体2と燃焼器9との間に位置する。経路L3は、燃焼炉本体2から導出された排ガス中の水素ガスを、燃料の一部として燃焼器9に供給するガス供給ラインである。経路L3には、水分除去装置4とガス分析装置5とが一次側からこの順に設けられている。 Path (third path) L3 is located between the combustion furnace main body 2 and the combustor 9. Path L3 is a gas supply line that supplies hydrogen gas in the exhaust gas discharged from the combustion furnace main body 2 to the combustor 9 as part of the fuel. Path L3 is equipped with a moisture removal device 4 and a gas analyzer 5, in this order from the primary side.

水分除去装置4は、経路L3において、ガス分析装置5の一次側に位置する。水分除去装置4は、経路L3を流通する排ガス中から水分(HO)を除去する。また、水分除去装置4には、経路L4が接続されており、排ガス中から除去された水分を系外に排出する。水分除去装置4は、混合ガス中から水分を除去できるものであれば、特に限定されない。水分除去装置4としては、例えば、ミストセパレータ、水洗バブラ、チラーが挙げられる。 The moisture removal device 4 is located on the upstream side of the gas analyzer 5 in the path L3. The moisture removal device 4 removes moisture (H 2 O) from the exhaust gas flowing through the path L3. The moisture removal device 4 is also connected to a path L4, which discharges the moisture removed from the exhaust gas to the outside of the system. The moisture removal device 4 is not particularly limited as long as it can remove moisture from the mixed gas. Examples of the moisture removal device 4 include a mist separator, a water wash bubbler, and a chiller.

ガス分析装置5は、経路L3において、水分除去装置4の二次側に位置する。ガス分析装置5は、燃焼炉本体2から経路L3に導出され、水分除去装置4により水分が除去された排ガス中の成分を分析する分析計を有する装置である。ガス分析装置5は、燃焼炉本体2において不完全燃焼されていることが確認できる1以上の分析計を有する。すなわち、ガス分析装置5は、排ガス中に水素が含まれているかどうかを確認するための水素分析計、及び、排ガス中に酸素が含まれていないかどうかを確認するための酸素分析計のうち少なくとも一方を有する。また、ガス分析装置5は、経路L3に導出される排ガス中の成分のうち、窒素、NOx、及び水分を検出可能な1以上の分析計を有していてもよい。 The gas analyzer 5 is located on the secondary side of the moisture removal device 4 on path L3. The gas analyzer 5 is a device equipped with an analyzer that analyzes the components in the exhaust gas that is discharged from the combustion furnace main body 2 via path L3 and from which moisture has been removed by the moisture removal device 4. The gas analyzer 5 has one or more analyzers that can confirm incomplete combustion in the combustion furnace main body 2. That is, the gas analyzer 5 has at least one of a hydrogen analyzer for confirming whether the exhaust gas contains hydrogen and an oxygen analyzer for confirming whether the exhaust gas contains oxygen. The gas analyzer 5 may also have one or more analyzers that can detect nitrogen, NOx, and moisture, among the components in the exhaust gas that is discharged via path L3.

燃焼器(燃焼装置)9は、燃料の少なくとも一部として、燃焼炉本体2から導出される排ガス中に含まれる未反応の水素ガスを用いる燃焼装置である。燃焼器9は、排ガス中に含まれる水素ガスを燃料として用いることが可能なものであれば、特に限定されない。燃焼器9としては、例えば、ボイラ、他の燃焼炉が挙げられる。また、燃焼器9としては、燃焼炉本体2から導出される排ガス中に含まれるNOxが増加しないものがより好ましい。 The combustor (combustion device) 9 is a combustion device that uses unreacted hydrogen gas contained in the exhaust gas discharged from the combustion furnace main body 2 as at least part of its fuel. The combustor 9 is not particularly limited as long as it is capable of using the hydrogen gas contained in the exhaust gas as fuel. Examples of combustors 9 include boilers and other combustion furnaces. Furthermore, it is more preferable for the combustor 9 to not increase the NOx contained in the exhaust gas discharged from the combustion furnace main body 2.

燃焼器9には、経路L3、経路L5、及び経路L6が接続されている。経路L5は、燃焼器9に燃料や支燃性ガスを供給するガス供給ラインである。また、経路L6は、燃焼器9から導出される排ガスを系外に排出するガス排出ラインである。 Paths L3, L5, and L6 are connected to the combustor 9. Path L5 is a gas supply line that supplies fuel and combustion-supporting gas to the combustor 9. Path L6 is a gas exhaust line that discharges exhaust gas from the combustor 9 to the outside of the system.

制御装置6は、流量制御弁(第1制御装置)7、流量制御弁(第2制御装置)8、及びガス分析装置5との間で、有線又は無線によって電気信号を送受信する。制御装置6は、ガス分析装置5から得られるガス分析の分析値から、燃焼炉本体2において水素が不完全燃焼するように、流量制御弁7と流量制御弁8とを制御する機能を有する。 The control device 6 transmits and receives electrical signals via wire or wirelessly between the flow control valve (first control device) 7, the flow control valve (second control device) 8, and the gas analyzer 5. The control device 6 has the function of controlling the flow control valves 7 and 8 based on the gas analysis values obtained from the gas analyzer 5 so that hydrogen is incompletely combusted in the combustion furnace main body 2.

制御装置6は、上述した機能を有するものであれば、特に限定されない。制御装置6としては、中央演算処理装置(CPU)と、メモリと、ハードディスクドライブとを備える構成としてもよい。なお、制御装置6は、流量制御弁7、流量制御弁8、及びガス分析装置5とは独立して(別体として)設けてもよいし、流量制御弁7、流量制御弁8、及びガス分析装置5のいずれかに付属する形態として設けてもよい。 The control device 6 is not particularly limited as long as it has the above-mentioned functions. The control device 6 may be configured to include a central processing unit (CPU), memory, and a hard disk drive. The control device 6 may be provided independently (separately) from the flow control valve 7, flow control valve 8, and gas analyzer 5, or may be provided as an attachment to any of the flow control valve 7, flow control valve 8, and gas analyzer 5.

<水素燃焼炉の運転方法>
次に、本発明の一実施形態である水素燃焼炉の運転方法を説明する。
本実施形態の水素燃焼炉の運転方法は、水素と酸素を含む支燃性ガスとを燃焼させるバーナ3を有する燃焼炉本体2を備える水素燃焼炉1の運転方法である。
以下、本発明の一実施形態である水素燃焼炉の運転方法として、上述した水素燃焼炉1に、支燃性ガスとして酸素富化空気を用いた場合を一例として、具体的に説明する。
<How to operate a hydrogen combustion furnace>
Next, a method of operating a hydrogen combustion furnace according to one embodiment of the present invention will be described.
The method for operating a hydrogen combustion furnace according to this embodiment is a method for operating a hydrogen combustion furnace 1 including a combustion furnace body 2 having a burner 3 for burning hydrogen and a combustion-supporting gas containing oxygen.
Hereinafter, a method of operating a hydrogen combustion furnace according to one embodiment of the present invention will be specifically described, taking as an example a case where oxygen-enriched air is used as the combustion-supporting gas in the above-described hydrogen combustion furnace 1.

先ず、図1に示す水素燃焼炉1において、経路L1から水素ガス(H)を、経路L2から支燃性ガスとして酸素富化空気(N、O)を、それぞれバーナ3に供給し、燃焼炉本体2内にて炉内燃焼させる。本実施形態では、燃焼炉本体2において、水素を不完全燃焼させる。
燃焼炉本体2から経路L3には、未反応の水素ガス(H)、窒素ガス(N)、水(HO)、及びNOxを含む混合ガスが排ガスとして導出される。
First, in the hydrogen combustion furnace 1 shown in Fig. 1, hydrogen gas ( H2 ) is supplied from a path L1, and oxygen-enriched air ( N2 , O2 ) as a combustion-supporting gas is supplied from a path L2 to a burner 3, and they are combusted in the furnace body 2. In this embodiment, hydrogen is incompletely combusted in the furnace body 2.
A mixed gas containing unreacted hydrogen gas (H 2 ), nitrogen gas (N 2 ), water (H 2 O), and NOx is discharged as exhaust gas from the combustion furnace body 2 to a path L3.

次に、経路L3に導出された排ガスは、水分除去装置4において水が除去される。ここで、水分除去装置4の二次側の経路L3には、水素ガス(H)、窒素ガス(N)、及びNOxを含む混合ガスが流通する。 Next, water is removed from the exhaust gas discharged to the path L3 in the moisture removal device 4. Here, a mixed gas containing hydrogen gas (H 2 ), nitrogen gas (N 2 ), and NOx flows through the path L3 on the secondary side of the moisture removal device 4.

次に、ガス分析装置5にて、経路L3に流通する混合ガス中のガス成分を分析する。具体的には、ガス分析装置5では、燃焼炉本体2において水素が不完全燃焼していること、すなわち、混合ガス中に水素ガスが含まれていること、混合ガス中に酸素ガスが含まれていないこと、を確認する。 Next, the gas analyzer 5 analyzes the gas components in the mixed gas flowing through path L3. Specifically, the gas analyzer 5 confirms that hydrogen is being incompletely combusted in the combustion furnace main body 2, i.e., that hydrogen gas is contained in the mixed gas, and that oxygen gas is not contained in the mixed gas.

なお、ガス分析装置5における分析結果は、電気信号を介して制御装置6に送信される。そして、混合ガス中に水素ガスが含まれていない場合、制御装置6は流量制御弁(第1制御装置)7に対して、開度を大きくする制御信号を送信する。これにより、経路L1を介してバーナ3へ供給される水素ガスが増加する。 The analysis results from the gas analyzer 5 are sent to the control device 6 via an electrical signal. If the mixed gas does not contain hydrogen gas, the control device 6 sends a control signal to the flow control valve (first control device) 7 to increase its opening. This increases the amount of hydrogen gas supplied to the burner 3 via path L1.

一方、混合ガス中に酸素ガスが含まれている場合、制御装置6は流量制御弁(第2制御装置)8に対して、開度を小さくする制御信号を送信する。これにより、経路L2を介してバーナ3へ供給される支燃性ガスが減少する。 On the other hand, if the mixed gas contains oxygen gas, the control device 6 sends a control signal to the flow control valve (second control device) 8 to reduce its opening. This reduces the amount of combustion-supporting gas supplied to the burner 3 via path L2.

ここで、本実施形態の水素燃焼炉の運転方法では、制御装置6により、燃焼炉本体2において、酸素比は1未満となるように制御する。酸素比の上限値を1未満とすることで、不完全燃焼の状態が得られるため、排ガス中のNOx排出量を抑制することができる。
なお、酸素比の上限値は、0.98以下とすることが好ましく、0.97以下とすることがより好ましい。酸素比を0.98以下とすることで、更なるNOx排出量の削減効果が得られる。
また、酸素比の下限値は、0.90以上とすることが好ましく、0.95以上とすることがより好ましい。酸素比を0.90以上とすることで、加熱効率の低下を抑えつつ、NOx排出量を効果的に削減できる。
In the method for operating a hydrogen combustion furnace according to this embodiment, the control device 6 controls the oxygen ratio in the combustion furnace body 2 to be less than 1. By setting the upper limit of the oxygen ratio to less than 1, a state of incomplete combustion is achieved, thereby suppressing the amount of NOx emissions in the exhaust gas.
The upper limit of the oxygen ratio is preferably 0.98 or less, and more preferably 0.97 or less. By setting the oxygen ratio to 0.98 or less, a further effect of reducing NOx emissions can be obtained.
The lower limit of the oxygen ratio is preferably 0.90 or more, and more preferably 0.95 or more. By setting the oxygen ratio to 0.90 or more, it is possible to effectively reduce NOx emissions while suppressing a decrease in heating efficiency.

次に、ガス分析装置5によってガス成分を分析した後、経路L3を流通する混合ガスを燃焼器9に導入する。
燃焼器9では、燃焼炉本体2での不完全燃焼により、混合ガス中に含まれる水素を燃料の一部として用いる。これにより、本実施形態の水素燃焼炉1の運転方法によれば、燃焼器9を含む水素燃焼炉1全体として、加熱効率の低下を抑制できる。
Next, the gas components are analyzed by the gas analyzer 5, and the mixed gas flowing through the path L3 is introduced into the combustor 9.
The combustor 9 uses hydrogen contained in the mixed gas as part of the fuel due to incomplete combustion in the combustion furnace body 2. As a result, according to the method for operating the hydrogen combustion furnace 1 of this embodiment, it is possible to suppress a decrease in the heating efficiency of the entire hydrogen combustion furnace 1 including the combustor 9.

なお、燃焼器9において、経路L5を介して通常の燃料、及び支燃性ガスを供給して燃焼している場合、既存の燃料に対して微量の水素量を供給するのであれば、燃焼条件は大きく変わらないため、NOx排出量は低いまま維持され、経路L6より排出される。
本実施形態の水素燃焼炉1の運転方法によれば、NOx排出量を増加させることなく、燃焼炉本体2から導出される排気ガスを再利用することができる。
In the combustor 9, when normal fuel and combustion-supporting gas are supplied via path L5 and combusted, if a small amount of hydrogen is supplied to the existing fuel, the combustion conditions do not change significantly, and NOx emissions are maintained low and are discharged via path L6.
According to the method for operating the hydrogen combustion furnace 1 of this embodiment, the exhaust gas discharged from the combustion furnace body 2 can be reused without increasing the amount of NOx emissions.

以上説明したように、本実施形態の水素燃焼炉1、及びその運転方法によれば、バーナ3の燃料として水素ガスを用い、燃焼炉本体2内で炉内燃焼させる際、低酸素比で水素を燃焼(すなわち、不完全燃焼)させるため、燃焼炉本体2から導出される排ガス中のNOx排出量を低減できる。 As described above, the hydrogen combustion furnace 1 and its operating method of this embodiment use hydrogen gas as fuel for the burner 3, and when burning the hydrogen within the combustion furnace main body 2, the hydrogen is burned at a low oxygen ratio (i.e., incomplete combustion), thereby reducing the amount of NOx emissions in the exhaust gas discharged from the combustion furnace main body 2.

また、本実施形態の水素燃焼炉1、及びその運転方法によれば、燃焼炉本体2での水素ガスの不完全燃焼により、混合ガス中に含まれる水素を燃焼器9の燃料の一部として用いるため、燃焼器9を含む水素燃焼炉1全体として、加熱効率の低下を抑制できる。 Furthermore, with the hydrogen combustion furnace 1 and its operating method of this embodiment, hydrogen gas is incompletely combusted in the combustion furnace body 2, and the hydrogen contained in the mixed gas is used as part of the fuel for the combustor 9, thereby suppressing a decrease in heating efficiency for the entire hydrogen combustion furnace 1, including the combustor 9.

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。上述した水素燃焼炉1、及びその運転方法によれば、燃焼装置として燃焼器9を用いる構成を一例として説明したが、これに限定されない。例えば、燃焼装置として、燃焼器9に替えて熱交換器29(下記実施形態を参照)を用いる構成としてもよい。 The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. While the above-described hydrogen combustion furnace 1 and its operating method have been described as using a combustor 9 as the combustion device, the present invention is not limited to this. For example, a heat exchanger 29 (see the embodiment below) may be used as the combustion device instead of the combustor 9.

図2は、本実施形態に適用可能な水素燃焼炉の構成の他の例を示す系統図である。
図2に示すように、他の実施形態の水素燃焼炉21は、燃焼装置として、燃焼器9に替えて熱交換器29を用いるとともに、経路L5及び経路L6に替えて経路L25及び経路L26を用いる点で、上述した水素燃焼炉1と構成が異なっている。したがって、水素燃焼炉21では、水素燃焼炉1の同じ構成については同一の符号を付して、その説明を省略する。
FIG. 2 is a system diagram showing another example of the configuration of a hydrogen combustion furnace that can be applied to this embodiment.
2, a hydrogen combustion furnace 21 of another embodiment differs in configuration from the above-described hydrogen combustion furnace 1 in that it uses a heat exchanger 29 instead of the combustor 9 as the combustion device, and uses paths L25 and L26 instead of paths L5 and L6. Therefore, in the hydrogen combustion furnace 21, the same components as those in the hydrogen combustion furnace 1 are denoted by the same reference numerals, and their description will be omitted.

熱交換器(燃焼装置)29は、経路L1及び経路L2に亘って設けられており、燃料の少なくとも一部として、燃焼炉本体2から導出される排ガス中に含まれる未反応の水素ガスを用いる。 The heat exchanger (combustion device) 29 is installed across paths L1 and L2, and uses unreacted hydrogen gas contained in the exhaust gas discharged from the combustion furnace body 2 as at least part of the fuel.

熱交換器29には、経路L3、経路L25、及び経路L26が接続されている。経路L25は、熱交換器29に支燃性ガス(図中では、酸素ガス(O)を例示)を供給するガス供給ラインである。また、経路L26は、熱交換器29から導出される排ガスを系外に排出するガス排出ラインである。 Paths L3, L25, and L26 are connected to the heat exchanger 29. Path L25 is a gas supply line that supplies a combustion-supporting gas (oxygen gas ( O2 ) is exemplified in the figure) to the heat exchanger 29. Path L26 is a gas exhaust line that exhausts the exhaust gas from the heat exchanger 29 to the outside of the system.

また、水素燃焼炉21の運転方法では、ガス分析装置5によってガス成分を分析した後、経路L3を流通する混合ガスを熱交換器29に導入する。
熱交換器29では、燃焼炉本体2での不完全燃焼により、混合ガス中に含まれる水素を燃料として用いる。これにより、熱交換器29によって水素ガスを燃焼した熱によって、経路L1を流れる水素ガス、及び経路L2を流れる支燃性ガスをそれぞれ加熱(予熱)できる。
In addition, in the method of operating the hydrogen combustion furnace 21, the gas components are analyzed by the gas analyzer 5, and then the mixed gas flowing through the path L3 is introduced into the heat exchanger 29.
The heat exchanger 29 uses as fuel hydrogen contained in the mixed gas due to incomplete combustion in the combustion furnace body 2. As a result, the heat generated by burning the hydrogen gas in the heat exchanger 29 can heat (preheat) the hydrogen gas flowing through the path L1 and the combustion-supporting gas flowing through the path L2.

以上説明したように、水素燃焼炉21及びその運転方法によれば、熱交換器29の効率の分だけ熱回収が可能となる。そして、熱交換器29の温度を1000℃以下などに制御すれば、排ガス中のNOx排出量を増加させることなく、かつ熱交換器29を含む水素燃焼炉21全体として、加熱効率の向上できる。 As explained above, the hydrogen combustion furnace 21 and its operating method enable heat recovery in proportion to the efficiency of the heat exchanger 29. Furthermore, by controlling the temperature of the heat exchanger 29 to 1000°C or below, the heating efficiency of the entire hydrogen combustion furnace 21, including the heat exchanger 29, can be improved without increasing the amount of NOx emissions in the exhaust gas.

なお、上述した水素燃焼炉21では、熱交換器29が経路L1及び経路L2に亘って設けられた構成を一例として説明したが、これに限定されない。熱交換器29は、経路L1及び経路L2の少なくとも一方に亘って設けられる構成であってもよい。 In the hydrogen combustion furnace 21 described above, the heat exchanger 29 is provided across both path L1 and path L2 as an example, but this is not limiting. The heat exchanger 29 may also be provided across at least one of path L1 and path L2.

以下、本発明の効果を検証試験によって説明する。なお、本発明は、以下の検証試験の内容によって限定されるものではない。 The effects of the present invention will be explained below through verification tests. Note that the present invention is not limited to the content of the following verification tests.

<検証試験1>
検証試験1では、図1に示す水素燃焼炉1を用い、バーナ3の燃料として水素ガスを用いる場合、すなわち、水素燃焼時において、酸素比とNOx排出濃度との関係性を検証した。
[シミュレーション条件]
(1)シミュレーションソフト(計算ソフト):Chemikin Pro:Ansys社製
(2)燃料ガス:水素
(3)支燃性ガス:酸素、または酸素富化空気
(4)反応モデル:GRI Mech 3.0 http://www.me.berkeley.edu/gri_mech
<Verification Test 1>
In verification test 1, the hydrogen combustion furnace 1 shown in FIG. 1 was used to verify the relationship between the oxygen ratio and the NOx emission concentration when hydrogen gas was used as fuel for the burner 3, that is, during hydrogen combustion.
[Simulation conditions]
(1) Simulation software (calculation software): Chemikin Pro (manufactured by Ansys) (2) Fuel gas: Hydrogen (3) Combustion-supporting gas: Oxygen or oxygen-enriched air (4) Reaction model: GRI Mech 3.0 http://www.me.berkeley.edu/gri_mech

図3は、水素燃焼時の酸素比とNOx排出濃度との関係性を示す図であり、(A)支燃性ガス中の酸素濃度が90体積%の場合、(B)支燃性ガス中の酸素濃度が40体積%の場合、(c)支燃性ガス中の酸素濃度が21体積%の場合をそれぞれ示す。
図3(A)~(C)において、横軸はいずれも酸素比(Oxygen ratio[-])を示し、縦軸はいずれもNOx排出濃度(NOx[ppm-wet])を示す。また、図3(A)~(C)において、いずれも燃焼炉本体2内の炉内温度が、1300℃、1400℃、1500℃、1600℃の場合について、確認した。
なお、NOx排出濃度は、燃焼炉本体2から導出される水蒸気(HO)を含む排ガス中のNOx濃度である。
FIG. 3 shows the relationship between the oxygen ratio and NOx emission concentration during hydrogen combustion, and shows (A) the case where the oxygen concentration in the combustion-supporting gas is 90% by volume, (B) the case where the oxygen concentration in the combustion-supporting gas is 40% by volume, and (c) the case where the oxygen concentration in the combustion-supporting gas is 21% by volume.
3A to 3C, the horizontal axis indicates the oxygen ratio (Oxygen ratio [-]) and the vertical axis indicates the NOx emission concentration (NOx [ppm-wet]). Also, in each of Figures 3A to 3C, the furnace temperatures in the combustion furnace body 2 were checked at 1300°C, 1400°C, 1500°C, and 1600°C.
The NOx emission concentration is the NOx concentration in the exhaust gas containing water vapor (H 2 O) that is discharged from the combustion furnace body 2 .

図3(A)~(C)に示すように、横軸の酸素比が1未満の時に不完全燃焼の状態となるが、不完全燃焼時には、いずれもNOxの排出濃度は劇的に減少し、0に漸近することが確認できた。 As shown in Figures 3 (A) to (C), when the oxygen ratio on the horizontal axis is less than 1, incomplete combustion occurs. However, during incomplete combustion, the NOx emission concentration decreases dramatically and gradually approaches zero.

したがって、NOxの排出濃度の低減の観点から、支燃性ガス中の酸素濃度によらず、いずれも酸素比の上限値は0.98以下が好ましく、0.97以下がより好ましいことが確認できた。 Therefore, from the perspective of reducing NOx emission concentrations, it was confirmed that, regardless of the oxygen concentration in the combustion-supporting gas, the upper limit of the oxygen ratio is preferably 0.98 or less, and more preferably 0.97 or less.

<検証試験2>
検証試験2では、図1に示す水素燃焼炉1を用い、バーナ3の燃料として水素ガスを用いた水素燃焼時において、酸素比と加熱効率との関係性を検証した。
<Verification Test 2>
In verification test 2, the hydrogen combustion furnace 1 shown in FIG. 1 was used to verify the relationship between the oxygen ratio and heating efficiency during hydrogen combustion using hydrogen gas as fuel for the burner 3.

図4は、水素燃焼時の酸素比と加熱効率との関係性を示す図であり、(A)支燃性ガス中の酸素濃度が90体積%の場合、(B)支燃性ガス中の酸素濃度が40体積%の場合、(c)支燃性ガス中の酸素濃度が21体積%の場合をそれぞれ示す。
図4(A)~(C)において、横軸はいずれも酸素比(Oxygen ratio[-])を示し、縦軸はいずれも加熱効率(Heat Efficiency[%])を示す。また、図4(A)~(C)において、いずれも燃焼炉本体2内の炉内温度が、1300℃、1400℃、1500℃、1600℃の場合について、確認した。
なお、加熱効率は、排ガスが炉外へ持ち去る熱量(排ガス熱損)を計算し、投入したエネルギから排ガス熱損を差し引いた値が炉の加熱に利用されるものと仮定して算出した値とした。
FIG. 4 shows the relationship between the oxygen ratio and heating efficiency during hydrogen combustion, and shows (A) the case where the oxygen concentration in the combustion-supporting gas is 90% by volume, (B) the case where the oxygen concentration in the combustion-supporting gas is 40% by volume, and (c) the case where the oxygen concentration in the combustion-supporting gas is 21% by volume.
4(A) to 4(C), the horizontal axis indicates the oxygen ratio (Oxygen ratio [-]) and the vertical axis indicates the heating efficiency (Heat Efficiency [%]). Also, in all of Figures 4(A) to 4(C), the results were confirmed for furnace temperatures of 1300°C, 1400°C, 1500°C, and 1600°C in the combustion furnace body 2.
The heating efficiency was calculated by calculating the amount of heat carried away by the exhaust gas outside the furnace (exhaust gas heat loss) and assuming that the value obtained by subtracting the exhaust gas heat loss from the input energy is used to heat the furnace.

図4(A)~(C)に示すように、支燃性ガス中の酸素濃度によらず、いずれも酸素比が1のときに加熱効率は極大となり、酸素比が1からの差が大きいほどに加熱効率が低下することが確認できた。
通常、バーナの燃焼では不完全燃焼を起こさないように酸素比が1以上となるように、バーナへの酸素の供給は過剰となるように運用されることが一般的であるが、不完全燃焼となるように酸素比を大きく下げた場合には、酸素比が1以上の領域と比較して明らかに加熱効率が低いことが確認できた。
As shown in Figures 4(A) to (C), regardless of the oxygen concentration in the combustion-supporting gas, the heating efficiency was maximized when the oxygen ratio was 1, and it was confirmed that the heating efficiency decreased as the difference between the oxygen ratio and 1 increased.
Normally, burners are operated so that the oxygen ratio is 1 or more to prevent incomplete combustion, and so that excess oxygen is supplied to the burner. However, when the oxygen ratio is significantly reduced to cause incomplete combustion, it was confirmed that the heating efficiency is clearly lower than in regions where the oxygen ratio is 1 or more.

したがって、加熱効率の維持の観点から、支燃性ガス中の酸素濃度によらず、いずれも酸素比の下限値は0.95以上とすることが好ましいことを確認できた。 Therefore, from the perspective of maintaining heating efficiency, it was confirmed that it is preferable to set the lower limit of the oxygen ratio to 0.95 or higher, regardless of the oxygen concentration in the combustion-supporting gas.

<検証試験3>
検証試験3では、図1に示す水素燃焼炉1を用い、バーナ3の燃料として水素ガスを用いた水素燃焼時において、酸素比と排ガス中に含まれる水素濃度との関係性を検証した。
<Verification Test 3>
In verification test 3, the hydrogen combustion furnace 1 shown in FIG. 1 was used to verify the relationship between the oxygen ratio and the hydrogen concentration contained in the exhaust gas during hydrogen combustion using hydrogen gas as fuel for the burner 3.

図5は、水素燃焼時の酸素比と排ガス中に含まれる水素濃度との関係性を示す図であり、(A)支燃性ガス中の酸素濃度が90体積%の場合、(B)支燃性ガス中の酸素濃度が40体積%の場合、(c)支燃性ガス中の酸素濃度が21体積%の場合をそれぞれ示す。
図5(A)~(C)において、横軸はいずれも酸素比(Oxygen ratio[-])を示し、縦軸はいずれも水素濃度(H2[vol% dry])を示す。また、図5(A)~(C)において、いずれも燃焼炉本体2内の炉内温度が、1300℃、1400℃、1500℃、1600℃の場合について、確認した。
なお、水素濃度は、燃焼炉本体2から導出される水蒸気(HO)を水分除去装置4によって除去したドライガス中の水素濃度である。
FIG. 5 shows the relationship between the oxygen ratio during hydrogen combustion and the hydrogen concentration contained in the exhaust gas, and shows (A) the case where the oxygen concentration in the combustion-supporting gas is 90% by volume, (B) the case where the oxygen concentration in the combustion-supporting gas is 40% by volume, and (c) the case where the oxygen concentration in the combustion-supporting gas is 21% by volume.
5(A) to 5(C), the horizontal axis indicates the oxygen ratio (Oxygen ratio [-]) and the vertical axis indicates the hydrogen concentration ( H2 [vol% dry]). Also, in all of Figures 5(A) to 5(C), the results were confirmed for furnace temperatures of 1300°C, 1400°C, 1500°C, and 1600°C in the combustion furnace body 2.
The hydrogen concentration is the hydrogen concentration in the dry gas from which water vapor (H 2 O) discharged from the combustion furnace body 2 has been removed by the moisture remover 4 .

図5(A)~(C)に示すように、横軸の酸素比が1未満であり、酸素比の値が小さいほど、未燃のまま排出される水素が増加するため、排ガス中の水素濃度も増加することを確認できた。 As shown in Figures 5(A) to (C), when the oxygen ratio on the horizontal axis is less than 1, it was confirmed that the smaller the oxygen ratio value, the more unburned hydrogen is emitted, and therefore the hydrogen concentration in the exhaust gas also increases.

したがって、排ガス中の水素の再利用の観点から、支燃性ガス中の酸素濃度によらず、いずれも酸素比の値が小さいほど、排ガス中の水素濃度が高くなり、燃焼させることが容易となるため、他の燃焼装置における燃料としての再利用が可能であることが示唆された。 Therefore, from the perspective of reusing hydrogen in exhaust gas, regardless of the oxygen concentration in the combustion-supporting gas, the smaller the oxygen ratio, the higher the hydrogen concentration in the exhaust gas, making it easier to combust, suggesting that it may be possible to reuse it as fuel in other combustion devices.

図5(A)~(C)に示すように、酸素比が1未満であり、支燃性ガス中の酸素濃度が高いほど、未燃のまま排出される水素が増加するため、排ガス中の水素濃度も増加することを確認できた。 As shown in Figures 5(A) to (C), when the oxygen ratio is less than 1 and the oxygen concentration in the combustion-supporting gas is higher, the amount of unburned hydrogen emitted increases, and therefore the hydrogen concentration in the exhaust gas also increases.

したがって、排ガス中の水素の再利用の観点から、支燃性ガス中の酸素濃度が高いほど、酸素比が1未満における排ガス中の水素濃度が高くなり、燃焼させることが容易となるため、他の燃焼装置における燃料としての再利用が可能であることが示唆された。 Therefore, from the perspective of reusing hydrogen in exhaust gas, the higher the oxygen concentration in the combustion-supporting gas, the higher the hydrogen concentration in exhaust gas when the oxygen ratio is less than 1, making it easier to combust, suggesting that it may be possible to reuse it as fuel in other combustion devices.

1,21 水素燃焼炉
2 燃焼炉本体
3 バーナ
4 水分除去装置
5 ガス分析装置
6 制御装置
7 流量制御弁(第1制御装置)
8 流量制御弁(第2制御装置)
9 燃焼器(燃焼装置)
29 熱交換器(燃焼装置)
L1 経路(第1経路)
L2 経路(第2経路)
L3 経路(第3経路)
1, 21 Hydrogen combustion furnace 2 Combustion furnace body 3 Burner 4 Moisture removal device 5 Gas analyzer 6 Control device 7 Flow control valve (first control device)
8. Flow control valve (second control device)
9. Combustor (combustion device)
29 Heat exchanger (combustion device)
L1 pathway (first pathway)
L2 pathway (second pathway)
L3 pathway (third pathway)

Claims (7)

バーナを有する燃焼炉本体と、
前記バーナに水素を供給する第1経路と、
前記バーナに酸素を含む支燃性ガスを供給する第2経路と、
前記燃焼炉本体から排ガスを導出する第3経路と、
前記第1経路に位置し、前記水素の供給量を調整する第1制御装置と、
前記第2経路に位置し、前記支燃性ガスの供給量を調整する第2制御装置と、
前記第3経路に位置し、前記排ガス中の成分を分析するガス分析装置と、
前記第1制御装置、前記第2制御装置、及び前記ガス分析装置との間で電気信号を送受信する制御装置と、
前記第3経路に位置し、前記排ガスから水分を除去する水分除去装置と、
を備え、
前記制御装置が、前記ガス分析装置から得られる分析値から、前記燃焼炉本体において前記水素が不完全燃焼するように、前記第1制御装置と前記第2制御装置とを制御する、水素燃焼炉。
a combustion furnace body having a burner;
a first path for supplying hydrogen to the burner;
a second passage for supplying a combustion-supporting gas containing oxygen to the burner;
a third passage for discharging exhaust gas from the combustion furnace body;
a first control device located in the first path and configured to adjust the amount of hydrogen supplied;
a second control device located in the second path and configured to adjust the supply amount of the combustion supporting gas;
a gas analyzer located on the third path and analyzing components in the exhaust gas;
a control device that transmits and receives electrical signals between the first control device, the second control device, and the gas analyzer;
a moisture removal device located in the third path and removing moisture from the exhaust gas;
Equipped with
A hydrogen combustion furnace, wherein the control device controls the first control device and the second control device based on the analysis value obtained from the gas analyzer so that the hydrogen is incompletely combusted in the combustion furnace body.
前記水分除去装置が、前記ガス分析装置の一次側に位置する、請求項に記載の水素燃焼炉。 2. The hydrogen-fired furnace of claim 1 , wherein the moisture removal device is located on the upstream side of the gas analyzer. 前記第3経路と接続され、燃料の少なくとも一部として前記排ガスを用いる燃焼装置をさらに備える、請求項1に記載の水素燃焼炉。 The hydrogen-combustion furnace according to claim 1, further comprising a combustion device connected to the third path and using the exhaust gas as at least part of the fuel. 前記燃焼装置が、前記第1経路及び前記第2経路の少なくとも一方又は両方に亘って設けられる熱交換器である、請求項3に記載の水素燃焼炉。 The hydrogen combustion furnace according to claim 3, wherein the combustion device is a heat exchanger provided across at least one or both of the first and second paths. 前記燃焼炉本体が、内側の空間に収容した被加熱物を加熱する加熱炉である、請求項1乃至のいずれか一項に記載の水素燃焼炉。 5. The hydrogen combustion furnace according to claim 1 , wherein the combustion furnace body is a heating furnace that heats an object to be heated housed in an inner space. 水素と酸素を含む支燃性ガスとを燃焼させるバーナを有する燃焼炉本体を備える水素燃焼炉の運転方法であって、
前記燃焼炉本体において、前記水素を不完全燃焼させ、
酸素濃度が90体積%以上の前記支燃性ガスを用いる、水素燃焼炉の運転方法。
A method for operating a hydrogen combustion furnace having a combustion furnace body with a burner that combusts hydrogen and a combustion-supporting gas containing oxygen, comprising:
In the combustion furnace body, the hydrogen is incompletely combusted ,
A method for operating a hydrogen combustion furnace using the combustion-supporting gas having an oxygen concentration of 90% by volume or more .
前記燃焼炉本体において、酸素比が0.98以下で不完全燃焼させる、請求項に記載の水素燃焼炉の運転方法。 7. The method for operating a hydrogen combustion furnace according to claim 6 , wherein incomplete combustion is performed in the combustion furnace body with an oxygen ratio of 0.98 or less.
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