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JP2018522200A - ＮＯｘ放出が低減されたバーナーアセンブリ - Google Patents

ＮＯｘ放出が低減されたバーナーアセンブリ Download PDF

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Abstract

本開示は、熱源を生成用のバーナーアセンブリに関する。バーナーアセンブリは、第１の表面及び第２の表面を有する燃焼プレートを含んでよい。燃焼プレートは、第１の円状に配列された第１の表面から第２の表面に延在する第１の複数の穴および第２の円状に配列された第１の表面から第２の表面に延在する第２の複数の穴を含んでもよい。第１の円及び第２の円は同心円に配列されてもよい。バーナーアセンブリは更に穴の少なくとも１つが燃焼プレートの面から第１の鋭角で延在する縦軸を有するように設計されてもよい。バーナーアセンブリは更に穴の少なくとも１つが燃焼プレートの面の１つの同心円の接線から第２の鋭角で延在する縦軸を有するように設計されてもよい。
【選択図】図３

Description

[001]本出願は、参照によりその全体が開示に組み入れられる２０１５年７月３１日付けで出願された米国仮出願第６２／１９９，５４６号の利益を主張する。
[002]本発明の開示は、ＮＯｘの形成および／または放出が低減されたバーナーアセンブリおよびバーナーアセンブリを使用する方法に向けられる。
[003]水蒸気改質は、例えばメタンなどの炭化水素から水素を生産するために広く使用されている方法である。水蒸気改質の基礎的な化学は、炭化水素供給材料と水蒸気との温度駆動式の反応であり、主として水素、水、一酸化炭素、および二酸化炭素の混合物（「合成ガス」）が生成され、これらは時には「改質物」（reformate）と称される。「水蒸気改質器」は主として、２つのモジュール：バーナーアセンブリおよび改質器アセンブリを含む。バーナーアセンブリは、改質器アセンブリに熱エネルギー源を提供し、そこで炭化水素供給材料と水蒸気との間の水蒸気改質反応が起こる。バーナーアセンブリは、一般的に燃料ガスの燃焼によって熱を生成して燃焼排気ガスを生産し、これが放射熱および対流熱伝達を介して改質器アセンブリと相互作用する。
[004]バーナーアセンブリの燃料ガスの燃焼は、高温の発熱反応であり、酸化体（oxidant）、典型的には大気中の空気を必要とする。燃料ガスの燃焼は、空気中に見出される２原子の窒素の高温酸化を介して窒素の熱酸化物（ＮＯｘ）を生産することができ、これは、拡大ゼルドビッチ機構として公知である。ＮＯｘは、酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ２）の両方を包含し、これらは、互いに変換することができる。ＮＯｘは毒性であり、二酸化炭素やメタンより長い寿命を有する温室効果ガスとして分類される。ＮＯｘは反応して光化学スモッグや酸性雨を形成することができ、大気中にヒトにとって有毒な対流圏オゾンを形成することもできる。ＮＯｘはまた、有機化学物質またはオゾンと反応して、様々な毒性生成物や空気中に浮遊する発癌性物質も形成する。様々な国と州が、燃焼バーナー、炉、またはエンジンに関する許容されるＮＯｘレベルの厳格な基準を設定している。例えば、カリフォルニア州の南岸大気管理局（Coast Air Quality Management District；ＳＣＡＱＭＤ）は、規則１１４６．２に従って、天然ガス燃焼炉のＮＯｘ放出に対して１４ナノグラム／ジュールの制限を設定している。
[005]燃焼中の熱的なＮＯｘ生成は、高度に温度依存性である。火炎温度は、燃焼中の熱的なＮＯｘ生成に影響を与える主要な変数である。火炎温度が高い程、燃焼排気ガス中のＮＯｘ濃度はより高くなり得る。したがって、燃焼炎の温度を低減させることにより、ＮＯｘの形成および／または放出の低減が起こる可能性がある。ＮＯｘの形成および／または放出を低減させる方法としては、バーナーアセンブリ中に例えば隔壁の設計を取り入れることによって、燃焼排気ガスを炎に再循環させ、燃料ガスと空気との混合を最適化して、火炎温度を低減させることが挙げられる。しかしながら、このようなバーナーアセンブリは、設計もしくは操作のいずれかが複雑になり過ぎたり、または高額になり過ぎたり、またはラージスケールの工業用水蒸気改質器またはスモールスケールの水蒸気改質器のいずれにとっても不適切になったりする。
[006]それゆえに、ＮＯｘの形成および／または放出が低減された熱エネルギー源を提供するための改善されたバーナーアセンブリおよび方法への必要性がある。
[007]上述の状況を考慮して、本発明の開示は、ＮＯｘの形成および／または放出が低減されたバーナーアセンブリおよびバーナーアセンブリを使用する方法に向けられる。
[008]一形態において、本発明の開示は、バーナーアセンブリに向けられる。バーナーアセンブリは、第１の表面および第２の表面を有する燃焼プレートを有していてもよい。燃焼プレートは、第１の円状に配列された、第１の表面から第２の表面に延在する（extending）第１の複数の穴を含んでいてもよい。燃焼プレートは、第２の円状に配列された、第１の表面から第２の表面に延在する第２の複数の穴をさらに包含していてもよい。第１の円および第２の円は、同心円であってもよく、前記穴のうちの少なくとも１つは、燃焼プレートの面から鋭角で延在する縦軸を有していてもよい。
[009]別の形態において、本発明の開示は、バーナーアセンブリから熱源を提供するための方法に向けられる。本方法は、燃料ガス流を、燃焼プレートの第１の表面から第２の表面に延在する第１の複数の穴に通すことを包含していてもよい。本方法はまた、空気流を、燃焼プレートの第１の表面から第２の表面に延在する第２の複数の穴に通すことを包含していてもよい。本方法は、穴を通った燃料ガス流と空気流とを燃焼させることをさらに包含していてもよい。第１の複数の穴は、第１の円状に配列されていてもよい。第２の複数の穴はまた、第２の円状に配列されていてもよい。第１および第２の円は、同心円であってもよく、前記穴のうちの少なくとも１つは、燃焼プレートの面から鋭角で延在する縦軸を有していてもよい。
[010]別の形態において、本発明の開示は、水素を生成するための水素発生システムに向けられる。本システムは、改質器アセンブリと、バーナーアセンブリとを有していてもよい。バーナーアセンブリは、第１の表面および第２の表面を有する燃焼プレートを包含していてもよい。燃焼プレートは、第１の円状に配列された、第１の表面から第２の表面に延在する第１の複数の穴を包含していてもよい。燃焼プレートは、第２の円状に配列された、第１の表面から第２の表面に延在する第２の複数の穴をさらに包含していてもよい。第１の円および第２の円は、同心円であってもよく、前記穴のうちの少なくとも１つは、燃焼プレートの面から鋭角で延在する縦軸を有していてもよい。バーナーアセンブリは、第１の複数の穴を通った燃料ガス流と第２の複数の穴を通った空気流とを燃焼させて、改質器アセンブリに熱源として供給される燃焼排気ガス流を生成するように設計されていてもよい。
[011]前述の一般的な説明と以下の詳細な説明はいずれも単に典型的で説明的なものにすぎず、特許請求された本発明の開示を限定しないことが理解されるべきである。
[012]添付の図面は、本明細書に取り入れられ本明細書の一部を構成しており、本発明の開示の数々の実施態様を例示し、その記載と共に本発明の開示の原理を説明する役割を果たす。
[013]図１は、例示的な実施態様に係るバーナーアセンブリの部分断面図である。 [014]図２は、例示的な実施態様に係るバーナーアセンブリの概略図である。 [015]図３は、例示的な実施態様に係るバーナーアセンブリの拡大部分断面図である。 [016]図４は、例示的な実施態様に係るバーナーアセンブリの例示的な穴の幾何学的な図解である。 [017]図５は、例示的な実施態様に係るバーナーアセンブリの例示的な穴の概略図である。 [018]図６は、例示的な実施態様に係るバーナーアセンブリの燃料ガス流および空気流の例示的な速度の概略図である。 [019]図７は、通常のバーナーアセンブリと例示的な実施態様に係るバーナーアセンブリとを比較する概略図である。 [020]図８は、例示的な実施態様に係る水素発生器の概略図である。
[021]本開示は、ＮＯｘの形成および／または放出が低減されたバーナーアセンブリの例示的な実施態様を参照しながら本明細書に記載されるが、本開示のシステムおよび方法は、様々な種類のバーナーアセンブリ用途で採用することができることが理解される。当業界において通常の技術を有し本明細書で示された教示を利用する者は、全て本開示の範囲内に含まれる追加の改変、適用、実施態様、および等価体の置換を認識するだろう。したがって本開示は、前述のまたは以下の記載によって限定されると考えられるべきではない。
[022]本開示の他の特徴および利点ならびに可能性のある使用は、、以下に示す添付の図面を参照した本開示の説明から、当業者には明らかになるだろう。
[023]図１は、例示的な実施態様に係るバーナーアセンブリ１０の部分断面図を描写する。バーナーアセンブリ１０は、とりわけ、燃焼プレート１００、空気ガスチャンバー２００、および燃料ガスチャンバー２５０を包含し得る。燃焼プレート１００は、上面１０２、下面１０４、および上面１０２と下面１０４との間の予め決定された厚さを有していてもよい。燃焼プレート１００は、上面１０２から下面１０４に延在する、複数の穴１１０、１２０、および／または１３０をさらに有していてもよい。一部の実施態様において、燃焼プレート１００は、円形、楕円形、長方形、または他の幾何学的形状であってもよい。
[024]空気ガスチャンバー２００は、中空の円柱であってもよく、このような円柱は、一方の端部が燃焼プレート１００の下面１０４に取り外し可能にまたは取り外せないように取り付けられており、他方の端部が底部プレート２１０に取り外し可能にまたは取り外せないように取り付けられている。空気入口２２０は、空気ガスチャンバー２００に取り付けられていてもよく、さらに、空気流を供給して、燃焼反応のための酸化体を提供するように設計されていてもよい。燃料ガスチャンバー２５０は、環状の中空管であってもよく、このような中空管は、一方の端部が燃焼プレート１００の下面１０４に取り外し可能にまたは取り外せないように取り付けられており、他方の端部が底部プレート２６０に取り外し可能にまたは取り外せないように取り付けられている。燃料ガス入口２７０は、燃料ガスチャンバー２５０に取り付けられていてもよく、さらに、燃料ガス流を供給して、燃焼反応のための燃料を提供するように設計されていてもよい。一部の実施態様において、空気チャンバー２００中に、燃料ガスチャンバー２５０が封入されていてもよく、さらに、燃料ガス入口２７０は、例えば底部プレート２１０を通って空気ガスチャンバー２００を貫通し、燃料ガスチャンバー２５０に到達してそこに取り付けられてもよい。他の実施態様において、空気チャンバー２００は、中空の円柱形の燃料ガスチャンバー２５０中に封入された環状の中空管であってもよく、さらに、空気入口２２０は、例えば底部プレート２６０を通って燃料ガスチャンバー２５０を貫通し、空気チャンバー２００に到達してそこに取り付けられてもよい。
[025]図１で示されるように、燃焼プレート１００の複数の穴１１０、１２０、および１３０は、異なる半径を有する同心円状に配列されていてもよい。例えば、第１の複数の穴１１０は、第１の半径を有する第１の円状に配列されていてもよく、第２の複数の穴１２０は、第２の半径を有する第２の円状に配列されていてもよく、第３の複数の穴１３０は、第３の半径を有する第３の円状に配列されていてもよい。一部の実施態様において、第２の円を第１の円と第３の円との間に挟むことができるように、第２の円の半径は、第１の円の半径より小さく、第３の円の半径より大きくてもよい。一部の実施態様において、第１の複数の穴１１０は、空気チャンバー２００に流体連結されていてもよく、第２の複数の穴１２０は、燃料ガスチャンバー２５０に流体連結されていてもよく、第３の複数の穴１３０は、空気チャンバー２００または燃料ガスチャンバー２５０に流体連結されていてもよい。
[026]一部の実施態様において、異なる半径を有する追加の円状に配列された追加の穴が、燃焼プレート１００中に形成されていてもよい。例えば、第１の円の半径より大きいまたは第３の円の半径より小さい半径を有する円状に配列された燃焼プレート１００の追加の穴が、空気チャンバー２００に流体連結されていてもよい。別の例において、第１の円の半径より小さい、または第３の円の半径より大きい半径を有する円状に配列された燃焼プレート１００の追加の穴が、燃料ガスチャンバー２５０に流体連結されていてもよい。以下の記載において、本開示の例示的な実施態様を示す目的のために、穴１１０、１２０、および１３０を使用する。
[027]一部の実施態様において、燃料ガスおよび空気の燃焼は、燃焼プレート１００の上面１０２の近傍で起こり得る。例えば、燃料ガス流は、燃料ガス入口２７０を介して燃料ガスチャンバー２５０に供給されてもよく、空気流は、空気入口２２０を介して空気チャンバー２００に供給されてもよい。空気流は、第１および／または第３の複数の穴１１０および１３０を通じて排出されてもよく、燃料ガス流は、予め決定された速度で第２の複数の穴１２０を通じて排出されてもよい。燃料ガス流および空気流は、穴を通じて排出された後に混合されてもよく、例えば点火によって燃焼するように設計されていてもよい。一部の実施態様において、バーナーアセンブリ１０は、燃焼チャンバー２８０をさらに包含していてもよい。図２で示されるように、燃焼チャンバー２８０は、円柱管であってもよく、その一方の端部が、燃焼プレート１００の上面１０２に取り外し可能にまたは取り外せないように取り付けられていてもよい。一部の実施態様において、燃料ガスおよび空気の燃焼は、燃焼チャンバー２８０中で燃焼炎を生じ、燃焼チャンバー２８０の他方の端部から排出される燃焼排気ガス２９０を生成することができる。一部の実施態様において、燃焼チャンバー２８０は、燃焼排気ガス２９０のための通路を提供するように設計された別の燃焼チャンバー２８５に連結されていてもよい。
[028]燃焼炎の温度は、燃焼排気ガス２９０における熱的なＮＯｘの形成および／または放出に影響を与えることができ、および／または決定することができる。本明細書で論じられるように、燃焼炎の温度が高い程、燃焼中により多くの熱的なＮＯｘが形成される可能性があり、より高いＮＯｘ濃度が燃焼排気ガス２９０中に生じる可能性がある。燃焼炎の温度を低減させることで、ＮＯｘ形成を制限する、抑制する、および／または最小化することができる。燃焼炎の温度を低減させるための１つの方法は、燃焼中、燃料ガス流と空気流との混合を増加させることであり、それによりＮＯｘ形成が低減される。加えて、燃焼中、燃料ガス流と空気流との十分なおよび／または完全な混合を引き起こすことは、燃焼炎の温度を最小化することができ、したがってＮＯｘ形成を抑制および／または最小化することができる。例示的な実施態様によれば、燃料ガス流および空気流の混合を増加させるための１つの方法は、選択された穴１１０、１２０、および１３０を傾斜させた燃焼プレート１００の使用を包含していてもよい。穴を傾斜させると、燃料ガス流および空気流の接線速度が生じることから、燃焼中、燃料ガス流と空気流との混合を増加させたり、または燃料ガス流と空気流との十分なおよび／もしくは完全な混合をもたらすことができる。
[029]一部の実施態様において、例えば、燃焼プレート１００の穴１１０、１２０、および１３０の少なくとも１つは、燃焼プレート１００の面から傾斜するように設計されていてもよい。例えば、図３で示されるように、燃焼プレート１００は、上面１０２から下面１０４に延在する予め決定された厚さを有していてもよい。穴１１０、１２０、および１３０の少なくとも１つは、上面１０２から下面１０４への燃焼プレート１００の厚さにわたり延在していてもよく、燃焼プレート１００の面から傾斜していてもよい。本明細書で開示されたように、穴１１０、１２０、および１３０のうちのあらゆる数の選択された穴が、燃焼プレート１００の面から傾斜していてもよい。例えば、第１の数の穴１１０が傾斜していてもよく、第２の数の穴１２０が傾斜していてもよく、および／または第３の数の穴１３０が傾斜していてもよい。本開示の例示の目的で、穴１１０、１２０、および／または１３０から選択される複数の選択された穴が、燃焼プレート１００の面から傾斜している。一部の実施態様において、傾斜させた穴は、斜円柱の形態であってもよい。例えば、図４は、複数の傾斜させた穴の中でも例示的な穴の傾斜の幾何学的な図解である。
[030]図４で示されるように、例示的な穴３００は、燃焼プレート１００の上面１０２における例示的な穴３００の上の端部３０１の第１の中心３０２から、燃焼プレート１００の下面１０４における例示的な穴３００の下の端部３０３の第２の中心３０４に延在する縦軸３３０を有していてもよい。例示的な実施態様において、縦軸３３０は、燃焼プレート１００の面から、または３次元空間において燃焼プレート１００の面に平行なあらゆる面から、第１の角度αで傾斜していてもよい。例えば、複数の例示的な穴３００を配列させ、例示的な穴３００の上の端部３０１の第１の中心３０２を通過する同心円３１０と、同心円３１０の半径３５０とが、上面１０２において燃焼プレート１００の第１の面を画定することができる。燃焼プレート１００の第２の面は、下面１０４における例示的な穴３００の下の端部３０３の第２の中心３０４を通過する第１の面に平行な面として画定することができる。縦軸３３０は、燃焼プレート１００の第１の面もしくは第２の面のいずれかから、または燃焼プレート１００の面に平行な面から傾斜していてもよい。一部の実施態様において、例示的な穴３００または縦軸３３０は、第１の角度αが鋭角、すなわち約９０°未満である場合、燃焼プレート１００の面へと内方向に傾斜していると記載される場合もあり、および／または、第１の角度αの補角が鋭角である場合、燃焼プレート１００の面から外方向に傾斜していると記載される場合もある。一部の実施態様において、例示的な穴３００の縦軸３３０に沿った区間は、第１の角度αで傾斜していてもよく、例示的な穴３００の残りは、垂直であってもよい。
[031]一部の実施態様において、縦軸３３０は、同心円の１つの接線から第２の角度で傾斜していてもよい。例えば、図４で示されるように、燃焼プレート１００の第１の面における同心円３１０の接線３２０は、例示的な穴３００の下の端部３０３の第２の中心３０４を通過する第１の面に平行な第２の面上に射影３４０を有していてもよい。縦軸３３０はまた、第２の面上に射影３３５を有していてもよく、これは、第２の面上の接線３２０の射影３４０から第２の角度βを形成する。一部の実施態様において、第２の角度βは、第１の面上で同心円３１０の接線３２０から傾斜した縦軸３３０の第２の角度を説明するのに使用することができる。一部の実施態様において、接線３２０に平行な他の同心円の接線は同じ方向で並べることができるため、第２の角度βは、接線３２０に平行な接線のいずれかに対する縦軸３３０の傾斜を説明するのに使用することができる。図５は、例示的な実施態様に係る縦軸３３０の傾斜を例示する。図５の概略図は、燃焼プレート１００の面の下面１０４から見た穴１１０、１２０、および１３０の例示的な配列を描写する。例示的な穴３００は、穴１１０の１つとして示される。実線で描かれた円は、燃焼プレート１００の下面１０４における穴の下の端部３０３を例示し、点線で描かれた円は、燃焼プレート１００の上面１０２における穴の上の端部３０１を例示する。図５で示されるように、例示的な穴３００または例示的な穴３００の縦軸３３０は、燃焼プレート１００の面上に穴１１０を配列させた同心円３１０の接線３２０から傾斜していてもよい。一部の実施態様において、例示的な穴３００は、燃焼プレート１００の面において同心円３１０の半径３５０の周りに第３の角度β’で傾斜していると記載される場合もある。第２の角度βと第３の角度β’とは、余角であり、合計９０°になる角度であってもよい。一部の実施態様において、例示的な穴３００の縦軸３３０に沿った区間は、第２の角度βまたは第３の角度β’で傾斜していてもよく、例示的な穴３００の残りは、垂直であってもよいし、または第１の角度αでのみ傾斜していてもよい。
[032]例示的な実施態様において、第１の角度αおよび／または第２の角度βで傾斜するように設計された選択された穴は、燃料ガス流および／または空気流のための経路を形成することができ、燃料ガス流または空気流を接線速度（tangential velocity）で排出させて、燃料ガス流と空気流との混合を増加させたり、および／または燃料ガス流と空気流との十分な混合をもたらすことができる。一部の実施態様において、空気流のための経路を提供する穴１１０は、燃焼プレート１００の面から第１の角度αで傾斜していてもよいし、および／または穴１１０を配列させた同心円の接線から第２の角度βで傾斜していてもよい。このような穴１１０の配置は、空気流を接線速度のセットで燃焼チャンバー２８０に排出させ、それを穴１２０から排出された燃料ガス流と混合し、燃焼させることを可能にする。一部の実施態様において、燃料ガス流のための経路を提供する穴１２０は、燃焼プレート１００の面から第１の角度αで傾斜していてもよいし、および／または第２の角度βで穴１２０を配列させた同心円の接線から傾斜していてもよい。このような穴１２０の配置は、燃料ガス流を接線速度のセットで燃焼チャンバー２８０に排出させ、それを穴１１０から排出された空気流と混合し、燃焼させることを可能にする。一部の実施態様において、空気流のための経路を提供する穴１１０は、燃焼プレート１００の面へと第１の角度αで内方向に傾斜していてもよく、空気流のための追加の経路を提供する穴１３０は、燃焼プレート１００の面から別の第１の角度αで内方向にまたは外方向に傾斜していてもよい。このような穴１１０および穴１３０の配置は、空気流を、第１のセットの接線速度で穴１１０を通じて、および第２のセットの接線速度で穴１３０を通じて、燃焼チャンバー２８０に排出させることができる。第２のセットの接線速度の方向および／または大きさは、第１のセットの接線速度の方向および／または大きさと異なっていてもよい。一部の実施態様において、第１のセットおよび第２のセットの接線速度の両方が、空気流を、穴１２０から排出された燃料ガス流に方向付け、空気流を燃料ガス流と混合し、燃焼させることができる。
[033]例示的な実施態様において、バーナーアセンブリ１０の燃焼プレート１００は、燃焼チャンバー２８０中で燃料ガス流と空気流との混合を増加させ、燃料ガスおよび空気の燃焼中に旋回する燃焼炎を生成するように設計されていてもよい。例えば、図６で示されるように、燃料ガス流および／または空気流の接線速度の例示的な方向は、矢印として示される。この接線速度の方向は、傾斜させた穴を通じて排出された燃料ガス流と空気流との即時反応を導入することによって混合を増加させることができる。例えば、垂直の穴を通じて空気流および燃料ガス流が排出されるバーナーアセンブリと比較して、バーナーアセンブリ１０は、燃料ガス流と空気流との混合を増加させ、バーナーアセンブリ１０によって生成した旋回する燃焼炎のピーク温度を約３０℃〜２００℃低減させることができる。本明細書で説明されるように、一部の実施態様において、バーナーアセンブリ１０の燃焼プレート１００は、燃料ガス流と空気流との十分なおよび／または完全な混合を可能にし、燃焼中に旋回する燃焼炎の形成を可能にするように設計されていてもよい。したがって、旋回する燃焼炎の温度を低減させることにより、燃焼中のＮＯｘの形成および／もしくは放出、または燃焼チャンバー２８０から排出される燃焼排気ガス２９０中のＮＯｘ濃度を制限または抑制することができる。
[034]一部の実施態様において、穴１２０から排出された燃料ガス流の接線速度、ならびに穴１１０および／または穴１３０から排出された空気流の接線速度は、制御および／または調節することができる。一部の実施態様において、燃料ガス流および／または空気流の接線速度を制御または調節することによって、燃料ガス流および空気流の流速のバランスをとる、燃焼中の燃料ガスおよび空気の化学量論を最適化する、燃料ガス流と空気流との混合を最適化する、および／または燃焼効率を最適化して燃焼炎の温度を低減することが可能になる。一部の実施態様において、燃料ガス流および／または空気流の接線速度を制御または調節することは、燃焼中のＮＯｘ形成、したがってバーナーアセンブリ１０の燃焼チャンバー２８０からのＮＯｘ放出を、低減または最小化することができる。一部の実施態様において、穴１２０から排出された燃料ガス流の接線速度、ならびに穴１１０および／または穴１３０から排出された空気流の接線速度は、燃焼開始時における初期の乱流を低減することによって、燃焼中にＮＯｘ形成を低減することができる。
[035]例示的な実施態様において、燃焼プレート１００のいずれの選択された穴１１０、１２０、および１３０またはその組合せならびに追加の穴は、燃焼プレート１００の面において、燃焼プレート１００の面から第１の角度αで、および／または同心円の１つの接線から第２の角度βで延在するように設計されていてもよい。一部の実施態様において、穴１１０のうち選択された穴は、第１の角度αおよび／または第２の角度βで傾斜していてもよい。一部の実施態様において、穴１２０のうち選択された穴は、第１の角度αおよび／または第２の角度βで傾斜していてもよい。一部の実施態様において、穴１３０のうち選択された穴は、第１の角度αおよび／または第２の角度βで傾斜していてもよい。一部の実施態様において、穴１１０および穴１３０のうち選択された穴は、第１の角度αおよび／または第２の角度βで傾斜していてもよい。一部の実施態様において、選択された穴１１０および穴１２０は、第１の角度αおよび／または第２の角度βで傾斜していてもよい。一部の実施態様において、選択された穴１２０および穴１３０は、第１の角度αおよび／または第２の角度βで傾斜していてもよい。一部の実施態様において、選択された穴１１０、１２０、および１３０は、第１の角度αおよび／または第２の角度βで傾斜していてもよい。一部の実施態様において、穴１１０および穴１３０は、異なる第１の角度αおよび／または異なる第２の角度βで傾斜するように設計されていてもよい。一部の実施態様において、穴１１０および穴１２０は、異なる第１の角度αおよび／または異なる第２の角度βで傾斜するように設計されていてもよい。一部の実施態様において、穴１２０および穴１３０は、異なる第１の角度αおよび／または異なる第２の角度βで傾斜するように設計されていてもよい。一部の実施態様において、穴１１０、１２０、および１３０は、異なる第１の角度αおよび／または異なる第２の角度βで傾斜するように設計されていてもよい。
[036]一部の実施態様において、いずれの選択された穴１１０、１２０、および１３０のが、燃焼プレート１００の面から第１の角度αで傾斜するように設計されていてもよい。一部の実施態様において、第１の角度αまたはその補角は、鋭角であってもよい。一部の実施態様において、第１の角度αまたはその補角は、約０°から約１５°、約０°から約３０°、約０°から約４５°、約０°から約６０°、約０°から約７５°、約０°から約９０°、約１５°から約３０°、約１５°から約４５°、約１５°から約６０°、約１５°から約７５°、約１５°から約９０°、約３０°から約４５°、約３０°から約６０°、約３０°から約７５°、約３０°から約９０°、約４５°から約６０°、約４５°から約７５°、約４５°から約９０°、約７５°から約９０°、約９０°から約１０５°、約９０°から約１３５°、約９０°から約１６５°、約１０５°から約１３５°、約１０５°から約１６５°、約１３５°から約１６５°、約１０５°から約１８０°、または約９０°から約１８０°、約１０５°から約１８０°、約１３５°から約１８０°、または約１６５°から約１８０°の範囲であってもよい。例示的な実施態様において、第１の角度αまたはその補角は、約０°、９０°、および／または１８０°にならないように設計されていてもよい。一部の実施態様において、いずれの選択された穴１１０、１２０、および１３０の第１の角度αが鋭角になるように、すなわち約９０°未満になるように設計されている場合、選択された穴は、燃焼プレート１００の面へと１の角度αで内方向に傾斜していると記載される場合もある。一部の実施態様において、いずれの選択された穴１１０、１２０、および１３０の第１の角度αの補角が鋭角になるように設計されている場合、選択された穴は、燃焼プレート１００の面から第１の角度αで外側に傾斜していると記載される場合もある。
[037]一部の実施態様において、いずれの選択された穴１１０、１２０、および１３０は、同心円の１つの接線から第２の角度βで傾斜しているか、または燃焼プレート１００の面において半径３５０の周りに第３の角度β’で傾斜していると記載される場合もある。一部の実施態様において、第２の角度βおよび第３の角度β’は、互いに余角であり、合計９０°になる角度であってもよい。一部の実施態様において、第２の角度βまたは第３の角度β’は、鋭角であってもよい。例示的な実施態様において、第２の角度βまたは第３の角度β’は、約０°から約１５°、約０°から約３０°、約０°から約４５°、約０°から約６０°、約０°から約７５°、約０°から約９０°、約１５°から約３０°、約１５°から約４５°、約１５°から約６０°、約１５°から約７５°、約１５°から約９０°、約３０°から約４５°、約３０°から約６０°、約３０°から約７５°、約３０°から約９０°、約４５°から約６０°、約４５°から約７５°、約４５°から約９０°、約７５°から約９０°の範囲であってもよい。例示的な実施態様において、第２の角度βまたは第３の角度β’は、約０°および／または９０°にならないように設計されていてもよい。一部の実施態様において、同心円の１つに配列された穴１１０、１２０、または１３０の数は、３から３００個の範囲であってもよい。一部の実施態様において、追加の同心円の１つに配列された追加の穴の数は、３から３００個の範囲であってもよい。一部の実施態様において、同心円の１つに配列された穴は、円の周長に沿って均一に分布していてもよい。
[038]一部の実施態様において、いずれの選択された穴１１０、１２０、および１３０またはその組合せの第１の角度αおよび／または第２の角度βは、調整することができる。例えば、選択された穴は、第１の角度αおよび／または第２の角度βを個々にまたは組み合わせて調整するために可動性のおよび／または回転可能な調整可能な装備を備えていてもよい。それぞれの調整可能な装備は、装備の動きおよび／または回転を調整するように設計されたモーターを有していてもよい。一部の実施態様において、それぞれの調整可能な装備は、非一時的メモリデバイスに格納されたプログラム可能な命令のセットに従って作動可能な制御器またはプロセッサーに作動可能に連結されるように設計されていてもよい。一部の実施態様において、調整可能な装備は、制御器またはプロセッサーの命令のもとで、選択された穴を、個々にまたは組み合わせて、開いたり、または閉じたりできる。一部の実施態様において、いずれの選択された穴１１０、１２０、および１３０または組合せの第１の角度αおよび／または第２の角度βを個々にまたは集合的に調整して、旋回する燃焼炎を安定化させる、燃料ガス流と空気流との混合を最適化する、旋回する燃焼炎の温度を低減する、および／または燃焼中の最適なＮＯｘ低減もしくは抑制を達成することができる。
[039]例示的な実施態様において、燃焼プレート１００の厚さは、例えば、約２ｍｍから約４０ｍｍ、約４ｍｍから約３５ｍｍ、約６ｍｍから約３０ｍｍ、約８ｍｍから約２５ｍｍ、約１０ｍｍから約２０ｍｍ、約１２ｍｍから約１５ｍｍの範囲であってもよい。一部の実施態様において、燃焼プレートの直径は、約１０ｍｍから約２０００ｍｍ、約１００ｍｍから約１５００ｍｍ、約２００ｍｍから約１０００ｍｍ、約３００ｍｍから約９００ｍｍ、約４００ｍｍから約８００ｍｍ、約５００ｍｍから約７００ｍｍの範囲であってもよい。一部の実施態様において、穴１１０の直径は、約０．２ｍｍから約１００ｍｍ、約０．５ｍｍから約５０ｍｍ、約１ｍｍから約２５ｍｍ、約２ｍｍから約１２ｍｍ、約４ｍｍから約１０ｍｍ、約６ｍｍから約８ｍｍの範囲であってもよい。一部の実施態様において、穴１２０の直径は、約０．２ｍｍから約１００ｍｍ、約０．５ｍｍから約５０ｍｍ、約１ｍｍから約２５ｍｍ、約２ｍｍから約１２ｍｍ、約４ｍｍから約１０ｍｍ、約６ｍｍから約８ｍｍの範囲であってもよい。一部の実施態様において、穴１３０の直径は、約０．２ｍｍから約１００ｍｍ、約０．５ｍｍから約５０ｍｍ、約１ｍｍから約２５ｍｍ、約２ｍｍから約１２ｍｍ、約４ｍｍから約１０ｍｍ、約６ｍｍから約８ｍｍの範囲であってもよい。一部の実施態様において、穴１１０、１２０、および／または１３０のうちの選択された穴の断面積は、縦軸に沿って下面１０４から上面１０２に減少していてもよく、それにより燃料ガス流および／または空気流を排出させるためのノズルが生成される。一部の実施態様において、バーナーアセンブリ１０は、金属、金属合金、および無機材料、例えばガラス、磁器、セラミック、炭化ケイ素、ならびにこれらの組合せなどから選択される少なくとも１つの材料で作製されていてもよい。一部の実施態様において、バーナーアセンブリ１０は、鋳造、射出成形、または例えば３Ｄ印刷などの積層造形加工技術によって作製されていてもよい。一部の実施態様において、穴１１０、１２０、および１３０の数、角度、配列、および／または配置は、コンピューター支援の設計ツールによって、設計、モデリング、および最適化が可能である。一部の実施態様において、バーナーアセンブリ１０は、空気ガスチャンバー２００および燃料ガスチャンバー２５０を燃焼プレート１００に溶接またはボルト締めすることによって製作されていてもよい。
[040]一部の実施態様において、燃焼プレート１００の上面１０４の近くの旋回する燃焼炎の温度は、約２０℃から約１９００℃の範囲であってもよい。一部の実施態様において、旋回する燃焼炎の温度は、上面１０４から離れた旋回する燃焼炎の距離に依存する場合がある。例えば、燃焼チャンバー２８０中の旋回する燃焼炎の温度は、上面１０４から離れて約０ｃｍから約１ｃｍの範囲の距離で、約２０℃から約１４００℃の範囲であってもよいし、上面１０４から離れて約１ｃｍから約１５ｃｍの範囲の距離で、約２０℃から約１９００℃の範囲であってもよい。一部の実施態様において、１つまたはそれより多くの温度センサーを、温度センサーの位置の近傍で旋回する燃焼炎の温度を検出するために、燃焼チャンバー２８０および／または追加の燃焼チャンバー２８５の壁の近傍に設置し、分布させてもよい。一部の実施態様において、温度センサーは、１つまたはそれより多くのフィードバックシグナルを生成し、それを制御器に送るように設計されていてもよく、ここで制御器は、予め決定された閾値温度に到達するまで、燃料ガス流および空気流の流速を制御したり、および／または穴１１０、１２０、および／または１３０のサイズ、角度、開放および／または閉鎖を制御したりするように設計されている。
[041]一部の実施態様において、燃焼排気ガス２９０中のＮＯｘ濃度は、上面１０４からの距離に依存する可能性がある。例えば、一部の実施態様において、燃焼排気ガス２９０中のＮＯｘ濃度は、上面１０４から約０ｃｍから約２０ｃｍの範囲の距離で約０ｐｐｍから約３０ｐｐｍの範囲であってもよく、上面１０４から約３０ｃｍから約５０ｃｍの範囲の距離で約０ｐｐｍから約１５ｐｐｍの範囲であってもよい。一部の実施態様において、燃焼排気ガス２９０中のＮＯｘ濃度は、燃焼プレート１００の上面１０４から距離が離れるにつれて、より低くなっていてもよい。例えば、燃焼排気ガス２９０中のＮＯｘ濃度は、上面１０４から約５０ｃｍから約１００ｃｍの範囲の距離で約０ｐｐｍから約７ｐｐｍの範囲であってもよい。一部の実施態様において、１つまたはそれより多くのＮＯｘセンサーを、燃焼チャンバー２８０および／または追加の燃焼チャンバー２８５の出口の近傍に設置及び分布させて、ＮＯｘセンサーの近傍で燃焼排気ガス２９０中のＮＯｘ濃度を検出することもできる。一部の実施態様において、ＮＯｘセンサーは、１つまたはそれより多くのフィードバックシグナルを生成し、それを制御器に送るように設計されていてもよく、ここで制御器は、予め決定された閾値レベルを満たすまで燃焼排気ガス２９０中のＮＯｘ濃度を低減するために、燃料ガス流および空気流の流速を制御したり、および／または穴１１０、１２０、および／または１３０のサイズ、角度、開放および／または閉鎖を制御したりするように設計されている。一部の実施態様において、燃焼排気ガス２９０中のＮＯｘ濃度は、様々な大気質基準、例えば国家環境大気質基準（National Ambient Air Quality Standard；ＮＡＡＱＳ）、カリフォルニア州環境保護庁大気資源委員会（California Environmental Protection Agency Air Resources Board；ＣＡＲＢ）、および南岸大気管理局（ＳＣＡＱＭＤ）の規制などに準拠していてもよい。
[042]一部の実施態様において、第１のバルブは、燃料チャンバー２５０に取り付けられた入口２７０への燃料ガス流の流速を制御するように設計されていてもよく、第２のバルブは、空気チャンバー２００に取り付けられた入口２２０への空気流の流速を制御するように設計されていてもよい。第１および第２のバルブを制御して、穴１２０から排出される燃料ガス流ならびに穴１１０および／または１３０から排出される空気流の流速を調節することができ、そうすることにより、燃焼中の燃料ガス流および空気流の混合および相対的な供給量もしくは化学量論を調整する、増加させる、および／または最適化して、旋回する燃焼炎の温度を低減することによりＮＯｘ形成を制限または最小化することができる。一部の実施態様において、入口２７０への燃料ガス流および入口２２０への空気流の流速は、温度センサーおよび／またはＮＯｘセンサーからのフィードバックシグナルに基づいて調節することができる。一部の実施態様において、接線速度と、それによる穴１２０から排出された燃料ガス流と穴１１０および／または穴１３０から排出された空気ガス流との混合は、温度センサーおよび／またはＮＯｘセンサーからのフィードバックシグナルに基づいて調節することができる。
[043]バーナーアセンブリ１０を、燃料ガス流および空気流の燃焼反応を模擬するようにモデリングした。穴１１０を、燃焼プレート１００の面へと約６０°の第１の角度αで内方向に傾斜するように設計し、穴１３０を、燃焼プレート１００の面に向かって約２５°の第１の角度αで内方向に傾斜するように設計した。穴１１０および１３０のそれぞれを、穴１１０または穴１３０を配列させた同心円の接線から約５０°の第２の角度βで傾斜するように設計した。穴１２０を、上面１０２から下面１０４まで垂直に延在するように設計した。さらに、上面１０２から下面１０４まで垂直に延在するように設計された穴１１０、１２０、および１３０を有する通常のバーナーアセンブリもモデリングして、これをバーナーアセンブリ１０と比較し、バーナーアセンブリ１０の利点を実証した。図７で示されるように、傾斜させた穴１１０および１３０を有するバーナーアセンブリ１０は、垂直の穴を有する通常のバーナーアセンブリより低温で旋回する燃焼炎を生成することができ、このようにして、傾斜させた穴１１０および１３０を有するバーナーアセンブリ１０は、燃焼中により少ないＮＯｘを形成することができ、燃焼チャンバー２８０から排出される燃焼排気ガス２９０中に、垂直の穴を有する通常のバーナーアセンブリより低い濃度のＮＯｘを放出することができる。図７のシミュレーション結果から、本発明の開示に係るバーナーアセンブリ１０は、燃料ガス流および空気流の排出のための垂直の穴を有する通常のバーナーアセンブリと比較して、ＮＯｘの形成および／または放出をより低くできることが実証される。
[044]一部の実施態様において、バーナーアセンブリ１０は、熱または熱エネルギーを水素発生器における水蒸気改質器に提供するように設計されていてもよい。図８で示されるように、水素発生器６００は、バーナーアセンブリ１０および水蒸気改質器６１０を含んでいてもよい。バーナーアセンブリ１０には、例えば入口２２０を介して空気流を供給することができ、例えば入口２７０を介して燃料ガス流を供給することができる。バーナーアセンブリ１０中で燃料ガス流と空気流とが燃焼して、熱または熱エネルギーを運ぶ燃焼排気ガス２９０を生成することができる。水蒸気改質器６１０は、バーナーゾーン６２０、熱交換境界６３０、および改質ゾーン６４０を含んでいてもよい。燃焼排気ガス２９０は、バーナーゾーン６２０に供給されてもよく、燃焼排気ガス２９０によって運ばれた熱または熱エネルギーは、熱交換境界６３０を介して、放射熱および／または対流熱伝達により改質ゾーン６４０に移動させてもよい。改質ゾーン６４０には、炭化水素供給材料流および水蒸気を供給してもよく、これらが水蒸気改質反応を受けると、水素改質物または「合成ガス」を生産することができる。一部の実施態様において、水蒸気改質器６１０には、１つまたはそれより多くのバーナーアセンブリ１０が使用されてもよい。
[045]例示的な実施態様に係るバーナーアセンブリ１０を使用して熱源を提供する方法は、上述したように、穴１１０および／または穴１３０に空気流を通すこと、および穴１２０に燃料ガス流を通すことを含んでいてもよい。一部の実施態様において、本方法は、燃焼プレート１００の上面１０２の近傍で、穴を通った燃料ガス流および空気流を燃焼させることを含んでいてもよい。一部の実施態様において、本方法は、穴１２０を通じて、接線速度で燃料ガス流を排出させること、および穴１１０および／または１３０を通じて、接線速度で空気流を排出させることをさらに含んでいてもよい。一部の実施態様において、本方法は、燃料ガス流および空気流の混合を増加させるおよび／または最適化すること、したがって旋回する燃焼炎の温度を、閾値レベルまたはそれ未満に低減および／または制御することをさらに含んでいてもよい。一部の実施態様において、本方法は、旋回する燃焼炎の温度を低減および／または制御することによって、バーナーアセンブリ１０からのＮＯｘの形成および／または放出を制限または抑制することをさらに含んでいてもよい。
[046]開示されたシステムおよび方法に様々な改変およびバリエーションを施すことができることは、当業者には明らかであろう。当業者には、開示されたシステムおよび方法の詳細と実施の考察から、他の実施態様が明らかであろう。明細書および実施例は単なる例示とみなされ、真の範囲は、以下の特許請求の範囲およびそれらと等価なものによって示されることが意図されている。
１０ バーナーアセンブリ
１００ 燃焼プレート
１０２ 上面
１０４ 下面
１１０、１２０、１３０ 穴
２００ 空気ガスチャンバー
２１０ 底部プレート
２２０ 空気入口
２５０ 燃料ガスチャンバー
２６０ 底部プレート
２７０ 燃料ガス入口
２８０ 燃焼チャンバー
２８５ 燃焼チャンバー
２９０ 燃焼排気ガス
３００ 穴
３０１ 上の端部
３０２ 第１の中心
３０３ 下の端部
３０４ 第２の中心
３１０ 同心円
３２０ 接線
３３０ 縦軸
３３５ 射影
３４０ 射影
３５０ 半径
６００ 水素発生器
６１０ 水蒸気改質器
６２０ バーナーゾーン
６３０ 熱交換境界
６４０ 改質ゾーン

Claims (20)

  1. 第１の表面および第２の表面を有する燃焼プレートであり、
    第１の円状に配列された、第１の表面から第２の表面に延在する第１の複数の穴と、
    第２の円状に配列された、第１の表面から第２の表面に延在する第２の複数の穴と
    を含み、
    第１の円および第２の円は同心円であり、
    該穴の少なくとも１つは、該燃焼プレートの面から鋭角で延在する縦軸を有する燃焼プレート、
    を有する、バーナーアセンブリ。
  2. 第１の複数の穴の少なくとも１つが、前記燃焼プレートの面から第１の鋭角で延在する縦軸を有する、請求項１に記載のバーナーアセンブリ。
  3. 第２の複数の穴の少なくとも１つが、前記燃焼プレートの面から第２の鋭角で延在する縦軸を有する、請求項２に記載のバーナーアセンブリ。
  4. 第１の複数の穴の少なくとも１つが、前記燃焼プレートの面の前記同心円のうちの１つの接線から第３の鋭角で延在する縦軸を有する、請求項３に記載のバーナーアセンブリ。
  5. 第２の複数の穴の少なくとも１つが、前記燃焼プレートの面の前記同心円のうちの１つの接線から第３の鋭角で延在する縦軸を有する、請求項３に記載のバーナーアセンブリ。
  6. 第１の複数の穴の少なくとも１つが、前記燃焼プレートの面の前記同心円のうちの１つの接線から第２の鋭角で延在する縦軸を有する、請求項２に記載のバーナーアセンブリ。
  7. 第２の複数の穴の少なくとも１つが、前記燃焼プレートの面から第３の鋭角で延在する縦軸を有する、請求項６に記載のバーナーアセンブリ。
  8. 第２の複数の穴の少なくとも１つが、前記燃焼プレートの面の前記同心円のうちの１つの接線から第３の鋭角で延在する縦軸を有する、請求項６に記載のバーナーアセンブリ。
  9. 第３の円状に配列された第１の表面から第２の表面に延在する第３の複数の穴をさらに含み、ここで第１の円、第２の円、および第３の円は同心円であり、第３の円は、第１の円と第２の円との間に挟まれている、請求項１に記載のバーナーアセンブリ。
  10. 第３の複数の穴の少なくとも１つが、前記燃焼プレートの面から鋭角で、かつ前記燃焼プレートの面の前記同心円のうちの１つの接線から鋭角で延在する縦軸を有する、請求項９に記載のバーナーアセンブリ。
  11. 第３の複数の穴の少なくとも１つが、前記燃焼プレートの面から第１の鋭角で、かつ前記燃焼プレートの面の前記同心円のうちの１つの接線から第２の鋭角で延在する縦軸を有する、請求項９に記載のバーナーアセンブリ。
  12. 前記燃焼プレートの第２の表面に取り付けられ、第１の複数の穴に流体連結された端部を有する、第１のチャンバー、および
    第１のチャンバーに空気流が供給されるように設計された第１の入口
    をさらに含む、請求項１に記載のバーナーアセンブリ。
  13. 前記燃焼プレートの第２の表面に取り付けられ、第２の複数の穴に流体連結された端部を有する、第２のチャンバー、および
    第２のチャンバーに燃料ガス流が供給されるように設計された第２の入口
    をさらに含む、請求項１に記載のバーナーアセンブリ。
  14. 前記穴が、第１の複数の穴から排出された空気流と、第２の複数の穴から排出された燃料ガス流との混合を増加させ、前記燃料ガス流の燃焼中に旋回する燃焼炎を生成するように設計されている、請求項１に記載のバーナーアセンブリ。
  15. 前記旋回する燃焼炎の温度が、第１の表面に近接して約２０℃から１９００℃の範囲となりうる、請求項１４に記載のバーナーアセンブリ。
  16. 前記鋭角が、約１５°から約７５°の範囲である、請求項１に記載のバーナーアセンブリ。
  17. バーナーアセンブリから熱源を提供するための方法であって、
    燃料ガス流を、燃焼プレートの第１の表面から第２の表面に延在する第１の複数の穴に通すこと、
    空気流を、該燃焼プレートの第１の表面から第２の表面に延在する第２の複数の穴に通すこと、および
    該穴を通った該燃料ガス流および該空気流を燃焼させること
    を含み、
    ここで第１の複数の穴は、第１の円状に配列されており、第２の複数の穴は、第２の円状に配列されており、第１の円および第２の円は、同心円であり、
    該穴の少なくとも１つは、該燃焼プレートの面から鋭角で延在する縦軸を有する、上記方法。
  18. 前記燃料ガス流および前記空気流を、前記穴に接線速度で通すこと、および
    燃焼中に旋回する燃焼炎を生成すること
    をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記旋回する燃焼炎の温度を、前記バーナーアセンブリからのＮＯｘ放出を制限するレベルまたはそれ未満に制御することをさらに含み、前記旋回する燃焼炎の温度が、第１の表面のに近接して約２０℃から１９００℃の範囲となりうる、請求項１８に記載の方法。
  20. 改質器と、
    バーナーアセンブリと
    を有する水素を生成するための水素発生システムであって、
    バーナーアセンブリは、第１の表面および第２の表面を有する燃焼プレートを含み、
    該燃焼プレートは、
    第１の円状に配列された、第１の表面から第２の表面に延在する第１の複数の穴、および
    第２の円状に配列された、第１の表面から第２の表面に延在する第２の複数の穴
    を含み、
    第１の円および第２の円は同心円であり、
    穴の少なくとも１つは、該燃焼プレートの面から鋭角で延在する縦軸を有し、
    該バーナーアセンブリは、第１の複数の穴を通った燃料ガス流と第２の複数の穴を通った空気流とを燃焼させて、該改質器に熱源として供給される燃焼排気ガス流を生成するように設計されている、上記方法。
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