用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构的制作方法

本公开涉及用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构。

日本未审特许申请公报no.2005-188775公开了一种用于燃烧器的喷嘴结构，在该燃烧器中燃烧气体、比如烃类气体与空气预混合，从而抑制nox的产生。

技术实现要素：

本发明人已发现了以下问题。也就是说，存在氢气被用作燃料气体的情况。在这种情况下，由于氢气与烃类气体相比是高活性的，因此燃烧火焰的温度可能局部变高。结果是，有时会产生大量的nox。

本公开是为了减少所产生的nox的量而做出的。

第一示例性方面在于一种用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构，该喷嘴结构包括外管和同心地设置在外管内的内管，其中，

内管设置成使得含氧气体从内管的敞开端部沿轴向方向(例如，沿着轴线y1的方向、大致平行于轴线y1的方向等)排出，并且

外管沿轴向方向延伸超过内管的敞开端部，使得氢气穿过外管的内周表面与内管的外周表面之间的空间。

根据上述构型，在含氧气体从内管的敞开端部沿轴向方向排出之后，含氧气体沿着外管的延伸超过内管的敞开端部的部分的内侧沿轴向方向行进。同时，在氢气穿过外管的内周表面与内管的外周表面之间的空间之后，氢气沿着含氧气体的外周行进。以这种方式，抑制了含氧气体与氢气之间的接触，从而使得可以抑制含氧气体与氢气的混合。因此，可以防止燃烧火焰的温度局部变高，由此减少所产生的nox的量。

此外，喷嘴结构还可包括：

含氧气体吹送管道，该含氧气体吹送管道构造成将含氧气体沿轴向方向吹出并且使含氧气体穿过内管内的空间；以及

氢气吹送管道，该氢气吹送管道构造成：将氢气沿轴向方向吹出到外管的内周表面与内管的外周表面之间的空间中，并且使氢气穿过外管的内周表面与内管的外周表面之间，其中，

含氧气体吹送管道可以具有圆形形状，并且

氢气吹送管道可以具有环形形状以围绕含氧气体吹送管道。

根据上述构型，由于氢气和含氧气体沿着轴向方向被进一步推进，因此进一步抑制了氢气与含氧气体的混合的进行。因此，可以进一步防止燃烧火焰的温度局部变高，由此进一步减少所产生的nox的量。

此外，在内管的敞开端部与内管的基部部分之间的部段中，在外管的内周表面上可以设置有沿轴向方向延伸同时朝向内管突出的鳍状件，或者在内管的外周表面上可以设置有沿轴向方向延伸同时朝向外管突出的鳍状件。

根据上述构型，由于氢气和含氧气体沿着轴向方向被进一步推进，因此进一步抑制了氢气与含氧气体的混合的进行。因此，可以进一步防止燃烧火焰的温度局部变高，由此进一步减少所产生的nox的量。

本公开可以减少所产生的nox的量。

根据下文中给出的详细描述和附图将更全面地理解本公开的上述及其他目的、特征和优点，其中，附图仅以说明的方式给出，因而不应被认为限制本公开。

附图说明

图1是根据第一实施方式的用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构的立体图；

图2是根据第一实施方式的用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构的横截面图；

图3是根据第一实施方式的用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构的横截面图；

图4是示出了所产生的nox的量对空气流速va与氢流速vh的比率va/vh的曲线图；

图5是示出了所产生的nox的量对空气比率的曲线图；

图6是示出了所产生的nox的量对含氧气体的氧浓度的曲线图；

图7是根据第一实施方式的用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构的修改示例的横截面图；

图8是根据第一实施方式的用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构的修改示例的横截面图；

图9是根据第一实施方式的用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构的另一修改示例的横截面图；

图10是根据第一实施方式的用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构的另一修改示例的横截面图；以及

图11是示出了所产生的nox的量对燃烧负载系数的曲线图。

具体实施方式

在下文中参照附图对应用本公开的具体实施方式进行了详细说明。然而，本公开不限于下面示出的实施方式。此外，为了使说明清楚，适当地简化了以下描述和附图。在图1至图4和图7至图10中定义了右手三维xyz坐标系统。

(第一实施方式)

参照图1至图3描述第一实施方式。

如图1和图2中所示，用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构10包括外管1、内管2和气体吹送部分3。喷嘴结构10用作设置在氢气燃烧器装置中的喷嘴。

外管1包括具有轴线y1的筒形部分1a。筒形部分1a包括外周表面1e。具体地，筒形部分1a附接至气体吹送部分3并且从气体吹送部分3沿着轴线y1大致沿直线延伸。外管1由从外管1的内部接收热量并将辐射热辐射到外部的材料制成。外管1例如是辐射管。

在图1和图2中示出的示例中的外管1的一个端部部分1b是敞开的，而另一个端部部分1c是闭合的。尽管图1中示出的筒形部分1a的示例是沿着轴线y1大致沿直线延伸的筒形体，但是筒形部分的形状不限于该示例。也就是说，筒形部分还可以包括沿着曲线延伸的筒形部分。例如，筒形部分还可以包括沿着诸如u形线或m形线之类的曲线延伸的筒形部分。另外，尽管在图1和图2中示出的外管1的示例中，另一个端部部分1c由气体吹送部分3闭合，但是另一个端部部分1c可以包括根据需要用于排出排气的开口。

内管2是具有敞开端部2b和敞开的基部侧端部部分2c的筒形体。内管2附接至气体吹送部分3并且同心地设置在外管1内。因此，内管2是与外管1的筒形部分1a类似的具有轴线y1的筒形体。由于内管2比外管1短，因此外管1沿着轴线y1的方向延伸超过内管2的开口端部2b。

如图3中所示，气体吹送部分3包括用于吹出含氧气体的含氧气体吹送管道3a和用于吹出氢气的氢气吹送管道3b。可以用作含氧气体的气体示例包括空气和混合气体。混合气体的示例包括通过将排气和空气混合以及将氮气和空气混合所获得的那些混合气体。含氧气体可以处于室温或可以被预加热。应当指出的是，含氧气体不限于空气，并且可以是含氧的任何气体。此外，优选地是，含氧气体基本上不含氢。含氧气体可以通过使用下述制造方法来产生：该制造方法包括使用公知方法的用于除去氢的过程。

含氧气体吹送管道3a具有圆形形状。此外，含氧气体吹送管道3a将含氧气体沿着轴线y1的方向吹出，并且使含氧气体穿过内管2内的空间。内管2将含氧气体从内管2的敞开端部2b沿着轴线y1的方向排出。

氢气吹送管道3b具有环形形状，以围绕含氧气体吹送管道3a。氢气吹送管道3b将氢气沿大致平行于轴线y1的方向吹出到外管1的内周表面1d与内管2的外周表面2e之间的空间(即，间隙)中，并且使氢气穿过外管1的内周表面1d与管2的外周表面2e之间的空间。外管1和内管2将氢气从内管2的敞开端部2b沿着轴线y1的方向排出。

(加热方法)

接着，参照图1至图3描述使用用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构10的加热方法。

如图2中所示，在从氢气吹送管道3b吹出氢气的同时，从含氧气体吹送管道3a吹出含氧气体。结果是，氢气和含氧气体从内管2的敞开端部2b沿大致平行于轴线y1的方向排出。在含氧气体从内管2的敞开端部2b沿着轴线y1的方向排出之后，含氧气体在外管1的延伸超过敞开端部2b的部分内朝向外管1的一个端部1b行进。同时，在氢气穿过外管1的内周表面1d与内管2的外周表面2e之间的空间之后，氢气沿着含氧气体的外周行进。以这种方式，防止了含氧气体与氢气之间的接触，从而使得可以抑制含氧气体与氢气的混合。

接着，通过使用点火装置比如火花塞(未示出)，产生火花，从而点燃氢气并使氢气燃烧。结果是，产生管状火焰f1。管状火焰f1从内管2的敞开端部2b朝向外管1的一个端部1b延伸并且会聚。管状火焰f1加热外管1，并且外管1产生辐射热，从而产生热量。

在下文中说明使用用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构10的加热方法中的燃烧条件。通过使用用于氢气燃烧器装置的喷嘴结构10的产热方法的示例来在各种条件下测量所产生的nox的量。图4至图6示出了这些测量的结果。

如图4中所示，当空气流速va与氢流速vh之间的比率va/vh等于或接近1.0时，所产生的nox的量最低。因此，比率va/vh优选地等于或接近1.0。例如，比率va/vh优选地在不低于0.1且不高于3.0的范围内。通过分别改变内管2的内径和内管2的厚度，可以改变空气流速va和氢流速vh。

此外，如图5中所示，当空气比率增大时，所产生的nox的量趋于增大。空气比率优选地在不低于1.0且不高于1.5的范围内。空气比率优选地为1.0或更高，因为基于计算当空气比率为1.0或更高时没有未燃烧的氢排出。此外，空气比率优选地为1.5或更低，因为当空气比率为1.5或更低时燃烧不需要更大量的空气从而有助于节能。

此外，如图6中所示，当含氧气体中的氧浓度增大时，所产生的nox的量趋于增大。优选地，含氧气体中的氧浓度为例如不低于10体积％且不高于21体积％(vl％)。含氧气体中的氧浓度优选地为10％或更高，因为当浓度为10％或更高时可以稳定地产生燃烧火焰。含氧气体中的氧浓度优选地低于21％，因为当浓度低于21％时浓度低于空气中的氧浓度，从而使得可以减少所产生的nox的量。

如上所述，在含氧气体从内管2的敞开端部2b沿着轴线y1的方向排出之后，含氧气体沿着轴线y1的方向行进到外管1的延伸超过内管2的敞开端部2b的部分内。同时，在氢气穿过外管1的内周表面1d与内管2的外周表面2e之间的空间之后，氢气沿着含氧气体的外周行进。以这种方式，抑制了含氧气体与氢气之间的接触，因而使氢气缓慢燃烧。因此，可以防止管状火焰f1的温度局部变高，由此减少所产生的nox的量。此外，几乎不出现逆燃(flashback)现象。

此外，喷嘴结构10包括气体吹送部分3，并且气体吹送部分3包括呈圆形形状的含氧气体吹送管道3a和呈环形形状的氢气吹送管道3b。由于含氧气体吹送管道3a能够使含氧气体从含氧气体吹送管道3a沿着轴线y1的方向均匀地吹出，因此形成了具有圆形横截面的含氧气体流。此外，由于氢气吹送管道3b能够使氢气从氢气吹送管道3b沿大致平行于轴线y1的方向均匀地吹出，因此形成了具有环形横截面的氢气流。因此，具有环形横截面的氢气在具有圆形横截面的含氧气体的外周周围流动。因此，进一步防止了氢气和含氧气体进行混合。因此，可以进一步防止管状火焰f1的温度局部变高，由此进一步减少所产生的nox的量。

(第一实施方式的修改示例)

接着，参照图7和图8描述根据第一实施方式的喷嘴结构的修改示例。

如图7和图8中所示，喷嘴结构20具有与喷嘴结构10(参见图1至图3)的构型类似的构型，所不同的是喷嘴结构20包括鳍状件4。鳍状件4设置在内管2的外周表面2e上。如图7中所示，在内管2的敞开端部2b与内管2的基部侧端部部分2c之间的部段中，鳍状件4沿着外管1的轴线y1延伸，同时朝向外管1突出。如图8中所示，在内管2的外周表面2e上设置有多个鳍状件4，并且所述多个鳍状件4设置成使得所述多个鳍状件4围绕轴线y1以放射状图案从外周表面2e垂直地突出。在图8中示出的鳍状件4的示例中，在内管2的外周表面2e上设置有十二个鳍状件。在图8中示出的鳍状件4的示例中，鳍状件4围绕轴线y1以通过将360°除以12而获得的角度间隔设置，即以30°的间隔设置。

应当指出的是，喷嘴结构20包括鳍状件4，并且鳍状件4引导从氢气吹送管道3b吹出的氢气使得氢气沿大致平行于轴线y1的方向朝向外管1的一个端部部分1b被进一步推进。此外，鳍状件4防止氢气以下述方式流动：即氢气围绕轴线y1旋转。因此，进一步防止了氢气和含氧气体进行混合。因此，可以进一步防止管状火焰f1的温度局部变高，由此进一步减少所产生的nox的量。

(第一实施方式的另一修改示例)

接着，参照图9和图10描述根据第一实施方式的喷嘴结构的另一修改示例。

如图9和图10中所示，喷嘴结构30具有与喷嘴结构10(参见图1至图3)的构型类似的构型，所不同的是喷嘴结构30包括鳍状件5。鳍状件5设置在外管1的面向内管2的表面上，即设置在外管1的内周表面1d上。如图9中所示，在内管2的敞开端部2b与内管2的基部侧端部部分2c之间的部段中，鳍状件5沿大致平行于外管1的轴线y1的方向延伸，同时朝向内管2突出。在外管1的内周表面1d上设置有多个鳍状件5，并且所述多个鳍状件5设置成使得所述多个鳍状件5围绕轴线y1以放射状图案从内周表面1d垂直地突出。在图9和图10中示出的鳍状件5的示例中，在外管1的内周表面1d上设置有十二个鳍状件。在图9中示出的鳍状件5的示例中，鳍状件5围绕轴线y1以通过将360°除以12而获得的角度间隔设置，即以30°的间隔设置。

应当指出的是，喷嘴结构30包括鳍状件5，并且鳍状件5引导从氢气吹送管道3b吹出的氢气使得氢气沿大致平行于轴线y1的方向朝向外管1的一个端部部分1b被进一步推进。此外，鳍状件5防止氢气以下述方式流动：即氢气围绕轴线y1旋转。因此，进一步抑制了氢气与含氧气体的混合的进行。因此，可以进一步防止管状火焰f1的温度局部变高，由此进一步减少所产生的nox的量。

(示例)

接着，通过使用喷嘴结构10(参见图1至图3)的示例进行燃烧实验，并且说明针对不同燃烧负载系数对所产生的nox的量进行测量的测量结果。

应当指出的是，在比较示例1中，通过使用具有与喷嘴结构10的构型不同的构型的公知的喷嘴结构并且通过使用烃类气体作为燃料气体来进行燃烧实验。这种已知的喷嘴结构通常用于烃类气体被用作燃料气体的情况。在比较示例2中，通过使用具有与喷嘴结构10的构型不同的构型的公知的喷嘴结构并且通过使用氢气作为燃料气体来进行燃烧实验。在比较示例1和2中的每一者中，针对不同的燃烧负载系数对所产生的nox的量进行测量。

如图11中所示，在示例中，即使燃烧负载系数增大，所产生的nox量也趋于恒定。与此相反，在比较示例1和2中，当燃烧负载系数增大时，所产生的nox的量趋于增大。无论燃烧负载系数如何，比较示例1和2两者中产生的nox的量均高于该示例中产生的nox的量。换言之，示例中产生的nox的量低于比较示例1和2中的产生的nox的量。

应当指出的是，本公开不限于上述实施方式，并且上述实施方式可以在不背离本公开的精神的情况下根据需要修改。例如，尽管喷嘴结构20和30(参见图7至图10)分别配备有鳍状件4和5，但是喷嘴结构20和30可以配备有鳍状件4和5中的任一者。

根据如此描述的本公开内容，将明显的是，本公开的实施方式可以以许多方式改变。这些变型不应被视为背离本公开的精神和范围，并且对于本领域技术人员将明显的所有这些改型都意在包括在所附权利要求的范围内。