(57)【要約】【課題】予混合希薄ガスの燃焼安定性の向上、低ＮＯｘ化、耐逆火性の向上を同時に実現する。【解決手段】高当量比の予混合ガス（１）をフェルトマット状の第１ファイバーマット（４）の一面側から供給し他面側の表面において赤熱燃焼させこれをパイロットバーナ（１２）とする。第１ファイバーマットの他面側との間に一定の空隙（８）をあけて対向して配置したフェルトマット状の第２ファイバーマット（６）と、第１ファイバーマットの他面側の赤熱面との間で熱交換を行わせ、高温燃焼時に発生するＮＯｘを抑制する。さらに低当量比の予混合ガス（２）を第２ファイバーマットを介して前記空隙に供給してその予熱を行い安定燃焼範囲を拡大させた後、前記空隙内で希薄燃焼を行う。【選択図】　　　図１
2004044845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高当量比の予混合ガス（１）をフェルトマット状の第１ファイバーマット（４）の一面側から供給し他面側の表面において赤熱燃焼させ、
該第１ファイバーマットの他面側との間に一定の空隙（８）をあけて対向して配置されたフェルトマット状の第２ファイバーマット（６）と、第１ファイバーマットの他面側の赤熱面との間で熱交換を行わせ、
低当量比の予混合ガス（２）を第２ファイバーマットを介して前記空隙に供給してその予熱を行い、その後、前記赤熱面をパイロットバーナ（１２）として前記空隙内で希薄燃焼を行う、ことを特徴とするガスタービン用低ＮＯｘ燃焼方法。
【請求項２】
高当量比の予混合ガス（１）をフェルトマット状の第１ファイバーマット（４）の一面側から供給し他面側の表面において赤熱燃焼させるパイロットバーナ（１２）と、
該第１ファイバーマットの他面側との間に一定の空隙（８）をあけて対向して配置されたフェルトマット状の第２ファイバーマット（６）を有し、低当量比の予混合ガス（２）を該第２ファイバーマットの一面側から供給して他面側に位置する前記空隙において希薄燃焼させるメインバーナ（１４）と、を含む、ことを特徴とするガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器。
【請求項３】
前記第１ファイバーマット（４）および前記第２ファイバーマット（６）は同軸の二重円筒に形成され、内側に位置する第１ファイバーマットの内周側からは高当量比の予混合ガス（１）が前記空隙（８）側へ供給され、外側に位置する第２ファイバーマットの外周側からは低当量比の予混合ガス（２）が前記空隙に向けて供給される、ことを特徴とする請求項２に記載のガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器。
【請求項４】
前記第１ファイバーマット（４）および前記第２ファイバーマット（６）は同軸の二重円筒に形成され、内側に位置する第２ファイバーマットの内周側からは低当量比の予混合ガス（２）が前記空隙（８）に向けて供給され、外側に位置する第１ファイバーマットの外周側からは高当量比の予混合ガス（１）が前記空隙側へ供給される、ことを特徴とする請求項２に記載のガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービン用低ＮＯｘ燃焼方法およびガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器にかかり、より詳細には、ファイバーマットを用いた表面燃焼方式を採用し、低当量比ガスの希薄燃焼の安定性向上および十分な低ＮＯｘ化等を実現したガスタービン用低ＮＯｘ燃焼方法およびガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高温焼却炉やボイラ等のように大きな熱エネルギを必要とする装置の燃焼器にあっては、表面燃焼方式の高輻射型ガスバーナであるファイバーマットバーナ（「メタルファイバーマットバーナ」ともいう。）が多く用いられている。
ここでファイバーマットとは、素線径１５〜５０μｍの金属繊維を、高い空隙率で厚さ数ｍｍのマット状に焼結したものであり、ファイバーマットバーナはこれを燃焼面とすることを特徴とする燃焼器である。
ファイバーマットバーナでの燃焼は、燃料と空気を予め混合した気体（予混合ガス）を燃焼室に供給し、ファイバーマットの表面でこれを赤熱燃焼させるもので、マット表面は均一に赤熱し、高い輻射熱を発生すると同時に、１０００℃程度の燃焼排ガスを排出する。
なお、ファイバーマットを構成する金属繊維は、マットの面内方向に均一に配向されているため、ファイバーマットは面内での熱の均一性が高く、厚み方向への熱伝導性が小さいという特徴も有している。
したがってファイバーマットバーナは、これまではこの輻射熱と燃焼排ガスの利用を目的とする分野、例えば対象物の加熱や乾燥を目的とする分野において主に用いられてきた。
【０００３】
ファイバーマットバーナは、
（１）燃焼面の均一性が高く、温度分布にむらがない、
（２）火炎が浮上しないため失火しにくく、また、ススもほとんど発生しない、
（３）一定の条件下の燃焼においては発生するＮＯｘの濃度が極めて低い、
（４）燃焼室内での耐逆火性に優れている、
（５）従来のバーナに比べて単位面積あたりの燃焼負荷が高い、
（６）投入熱量のうち輻射熱として得られる割合が高く、加熱・乾燥の効率化が可能である、
などの特徴を有する。そのため、これを炉やボイラ等の装置に適用した場合には、均一かつ安定した燃焼性および耐逆火性が向上するとともに、輻射熱の利用により対象物の加熱や乾燥が効率化され、換言すれば装置の小型化が可能となり、また燃焼排ガスの低ＮＯｘ化も可能なため環境保護にも資することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これまで表面燃焼方式のファイバーマットバーナは、燃焼排ガスの運動エネルギを利用するガスタービン燃焼器などで利用されることはなかった。
その理由としては、
▲１▼ガスタービンは燃焼器で空気と燃料とを燃焼させて発生した燃焼排ガスによりガスタービンを駆動してこれを動力として取り出すものであるため、輻射エネルギ（輻射熱）への変換率が高く、運動エネルギへの変換率が低い表面燃焼方式はエネルギ効率の観点からはガスタービンに不向きである。
▲２▼高当量比（当量比１程度）の予混合ガスの燃焼を行う場合、ＮＯｘの低減を実現するためには表面燃焼を行うファイバーマットでの燃焼温度を低下させる必要があるが、赤熱したファイバーマット表面から輻射熱を放出させて燃焼温度を低下させようとすると、輻射熱を利用することのないガスタービンではエネルギ効率を犠牲にすることとなる。
等がある。
【０００５】
その一方で、表面燃焼方式の燃焼器は上述のように、燃焼の安定性が非常に高く、一定条件下では発生するＮＯｘの濃度が極めて低く、また燃焼室内での逆火も回避できる、といった優れた特徴を有する。そのため、エネルギ効率の問題を考慮しつつこれをガスタービン用の燃焼器に適用することができれば、非常に優れた燃焼器を提供することができる。
【０００６】
本発明は上述した問題を解決するために発案されたものである。すなわち本発明は、従来ガスタービンに適用されることのなかった表面燃焼方式を、エネルギ効率の問題を考慮して、輻射熱を回収することによりエネルギ効率を向上させると同時に、ファイバーマットの赤熱面の温度を低下させ、予混合希薄ガスの燃焼安定性の向上、低ＮＯｘ化、耐逆火性の向上を同時に実現することができるガスタービン用低ＮＯｘ燃焼方法およびガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した問題を解決するため本発明は、高当量比の予混合ガス（１）をフェルトマット状の第１ファイバーマット（４）の一面側から供給し他面側の表面において赤熱燃焼させ、該第１ファイバーマットの他面側との間に一定の空隙（８）をあけて対向して配置されたフェルトマット状の第２ファイバーマット（６）と、第１ファイバーマットの他面側の赤熱面との間で熱交換を行わせ、低当量比の予混合ガス（２）を第２ファイバーマットを介して前記空隙に供給してその予熱を行い、その後、前記赤熱面をパイロットバーナ（１２）として前記空隙内で希薄燃焼を行う、ことを特徴とするガスタービン用低ＮＯｘ燃焼方法を提供する。
【０００８】
本発明によれば、第１ファイバーマットと第２ファイバーマットとを一定の空隙をあけて対向して配置し、少量の高当量比の予混合ガス（以下「高当量比ガス」という。）を第１ファイバーマットの空隙側の面において赤熱燃焼させ、これをパイロット（保炎）バーナとする。このとき赤熱面からは輻射熱が放出され、この輻射熱は対向する第２ファイバーマットや空隙内の気体に吸熱される。輻射熱の放出により第１ファイバーマットの赤熱面の温度は低下するため、高当量比ガスが高温燃焼時に大量に発生するＮＯｘの低減を図ることができる。
一方、輻射熱により加熱された第２ファイバーマットからは多量の低当量比の予混合ガス（以下「低当量比ガス」という。）が空隙に向けて供給される。その際、低当量比ガスはマットとの対流伝熱等によって間接的に予熱され、その安定燃焼範囲が拡大される。さらに燃焼面の均一性が高く、温度分布にむらがなく、かつ、保炎性の高い第１ファイバーマットでの赤熱燃焼がパイロットとなることによって、予熱された低当量比ガスは第２ファイバーマットの空隙側において安定したリーン燃焼（希薄燃焼）を行い、空隙には輻射熱を放出しない火炎長の短い青色火炎がメインフレームとして面状に形成される。
このように上述した形態のファイバーマットを利用した燃焼方法によれば、エネルギ効率的にも無駄がなく、▲１▼赤熱燃焼によるパイロットバーナの保炎性の確保、▲２▼高当量比ガスの赤熱燃焼温度低下による低ＮＯｘ化、▲３▼保炎性の高いパイロットバーナの存在と低当量比ガスの予熱によるメインバーナでの安定したリーン燃焼、▲４▼安定したリーン燃焼によるメインバーナの低ＮＯｘ化、とともに、▲５▼予混合ガスの供給経路と燃焼領域とをファイバーマットで仕切ることによる耐逆火性の向上、を同時に実現することができる。
さらに、パイロットバーナの燃焼ガスと低当量比ガスとの混合によって、燃焼ガス再循環効果も期待でき、さらなる低ＮＯｘ化を図ることも可能となる。
【０００９】
上記ガスタービン用低ＮＯｘ燃焼方法を実施するための具体的な燃焼器として本発明は、高当量比の予混合ガス（１）をフェルトマット状の第１ファイバーマット（４）の一面側から供給し他面側の表面において赤熱燃焼させるパイロットバーナ（１２）と、該第１ファイバーマットの他面側との間に一定の空隙（８）をあけて対向して配置されたフェルトマット状の第２ファイバーマット（６）を有し、低当量比の予混合ガス（２）を該第２ファイバーマットの一面側から供給して他面側に位置する前記空隙において希薄燃焼させるメインバーナ（１４）と、を含む、ことを特徴とするガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器を提供する。
【００１０】
平面状の第１ファイバーマットと第２ファイバーマットを一定の空隙をあけて対向して配置することにより、最も基本的な姿態での安定燃焼、低ＮＯｘ化、耐逆火性向上等を実現する燃焼器を提供することができる。
【００１１】
本発明の好ましい実施例によれば、前記第１ファイバーマット（４）および前記第２ファイバーマット（６）は同軸の二重円筒に形成され、内側に位置する第１ファイバーマットの内周側からは高当量比の予混合ガス（１）が前記空隙（８）側へ供給され、外側に位置する第２ファイバーマットの外周側からは低当量比の予混合ガス（２）が前記空隙に向けて供給される、ものとする。
【００１２】
ファイバーマットはその形状の自由度が大きいため、自由な形状の燃焼器を作成することができる。そのため輻射エネルギの回収効率や燃焼器の小型化等に鑑み、二重円筒形に第１ファイバーマットおよび第２ファイバーマットを配して燃焼器を構成することで、エネルギ効率が高く、保炎性に優れ、耐逆火性が高く、低ＮＯｘ化を実現した燃焼器を提供することができる。
【００１３】
また、本発明の他の好ましい実施例によれば、前記第１ファイバーマット（４）および前記第２ファイバーマット（６）は同軸の二重円筒に形成され、内側に位置する第２ファイバーマットの内周側からは低当量比の予混合ガス（２）が前記空隙（８）に向けて供給され、外側に位置する第１ファイバーマットの外周側からは高当量比の予混合ガス（１）が前記空隙側へ供給される、ものとすることもできる。
【００１４】
この実施例は第１ファイバーマットおよび第２ファイバーマットを上記と同様に二重円筒形とするものであるが、その配置を逆にしている。すなわち、本実施例では空隙の外周側に赤熱燃焼面が形成されるが、かかる構成によっても上記の燃焼器と同様にエネルギ効率等に優れた燃焼器を提供することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１６】
本発明の低ＮＯｘ燃焼器は主としてガスタービンに用いることを目的としたものであり、上流側にはエンジン内部に取り入れた空気を圧縮する圧縮機が、下流側には燃焼排ガスにより駆動されるタービンが配置されている（図示せず）。
またこの燃焼器は、これまでは輻射エネルギへの高変換率の点からガスタービンの燃焼器に採用されることのなかった、表面燃焼方式を採用したことを特徴とするものである。
【００１７】
図１は本発明のガスタービン用低ＮＯｘ燃焼方法および低ＮＯｘ燃焼器の原理を説明するために記載したもので、低ＮＯｘ燃焼器の基本的内部構成を示している。
【００１８】
この燃焼器１０の上流側には図示しない２つの混合器が設けられおり、各混合器では図示しない圧縮機で圧縮された空気と燃料とが予め均一に混合された後に、別経路を経て燃焼器へ供給される。
各混合器では、比較的少量の高当量比（当量比０．８〜１程度）の予混合ガス（高当量比ガス１）と、多量の低当量比（当量比０．４〜０．６程度）の予混合ガス（低当量比ガス２）が生成される。
【００１９】
燃焼器１０は一定の空隙をあけて対向して配置される金属繊維を高い空隙率で厚さ数ｍｍのマット状に焼結したフェルトマット状の第１ファイバーマット４および第２ファイバーマット６と、これらを覆い燃焼器の外形を形成するフレームチューブ１６とから構成され、第１ファイバーマット４には第２ファイバーマット６と対向する面の反対の面側から比較的少量の高当量比ガス１を供給するための高当量比ガス供給管１８が接続され、第２ファイバーマット６には第１ファイバーマット４と対向する面の反対の面側から多量の低当量比ガス２を供給するための低当量比ガス供給管２２が接続されている。
【００２０】
フレームチューブ１６は、第１ファイバーマット４および第２ファイバーマット６によって、高当量比ガス供給管１８が接続された第１空間２４、第１ファイバーマットおよび第２ファイバーマットとの間の空隙空間８、低当量比ガス供給管２２が接続された第３空間２６の３つの空間に仕切られた層構造を有しており、空隙空間８の部分のフレームチューブ１６下流端には燃焼排ガスを排気するための排気口２８が開口している。
【００２１】
フレームチューブ１６に接続された高当量比ガス供給管１８から供給された高当量比ガス１は第１空間２４において均一に拡散し、第１ファイバーマット４を抜けて空隙空間８側に向かい、空隙空間側の第１ファイバーマット表面において赤熱燃焼し、パイロットフレームを形成する。
一方、フレームチューブ１６に接続された低当量比ガス供給管２２から供給された低当量比ガス２は第３空間において均一に拡散し、第２ファイバーマット６を通り抜けて空隙空間８に供給され、空隙空間内においてリーン燃焼してメインフレームを形成する。
【００２２】
このようにこの低ＮＯｘ燃焼器１０では、空隙空間を境界に一方（図の下側）にはパイロットバーナ１２が、他方（図の上側）にはメインバーナ１４が構成される構造となっている。
【００２３】
上記構成の低ＮＯｘ燃焼器１０によれば、まず保炎性に優れた第１ファイバーマット４の赤熱面がパイロットとして機能することで、第２ファイバーマット６を通して供給される多量の低当量比ガス２を空隙空間８内で安定してリーン燃焼させることができる。リーン燃焼では輻射熱を放出しない火炎長の短い青色火炎が面状に形成される。
また、第１ファイバーマット４に対向する第２ファイバーマット６は、第１ファイバーマットの赤熱面からの輻射熱により加熱され、また空隙空間８に供給される多量の低当量比ガス２はマット（第１、２ファイバーマット）との対流伝熱等により予熱されて、その安定燃焼範囲が拡大される。換言すれば、ファイバーマットを用いた表面燃焼方式において高変換率で発生する輻射熱を低当量比ガスの予熱のために回収することで、従来のエネルギ効率の問題を解消している。
さらに、赤熱面からの輻射熱を回収し赤熱面での高当量比ガス１の燃焼温度を低下させることができるので、高温燃焼時に大量に発生するＮＯｘの発生を抑制することができる。
加えて、予混合ガス（高当量比ガスおよび低当量比ガス）の供給経路と燃焼領域（空隙空間）とがファイバーマットにより仕切られているため耐逆火性も向上させることができる。
また、高当量比ガスの燃焼排ガスと低当量比ガスとの混合によって、燃焼ガス再循環効果によるさらなる低ＮＯｘ化も期待できる。
【００２４】
図２は上述の低ＮＯｘ燃焼器の原理を、実際のガスタービン用の燃焼器に適用した好ましい実施例を模式的に示した構成図であり、（ａ）は軸方向断面図、（ｂ）は径方向断面図である。
【００２５】
この燃焼器２０は円筒中空状のフレームチューブ１６によりその外形が形成され、フレームチューブの内部には、フレームチューブと同軸の円筒状に形成された第１ファイバーマット４と、第１ファイバーマットと一定の空隙８をあけてこれを覆う第２ファイバーマット６が配置されている。
すなわちフレームチューブ１６内部は、円筒状の第１ファイバーマット４内部の空間（第１空間２４）、第１ファイバーマットと第２ファイバーマットとの間の空間（空隙空間８）、第２ファイバーマットとフレームチューブ内周との間の空間（第３空間２６）の３層に仕切られた層構造を有している。
【００２６】
フレームチューブ１６の上流端面側には図示しない一の混合器で生成された高当量比ガス１を第１空間２４へ供給するための高当量比ガス供給管１８がその中心に軸方向から接続され、また図示しない他の混合器で生成された低当量比ガス２を第３空間２６へ供給するための低当量比ガス供給管２２がその外周側に軸方向から４本接続されている。
またフレームチューブ１６の下流端面側の空隙空間８に対応する部分には燃焼排ガスを排気するための排気口２８が円環状に開口している。
【００２７】
かかる構成の燃焼器２０によれば、高当量比ガス供給管１８から第１空間２４へ供給された高当量比ガス１は第１空間内で拡散した後に、第１ファイバーマット４を空隙空間８側へ抜け、空隙空間側のファイバーマット表面において赤熱燃焼してパイロットフレームを形成する。また、低当量比ガス供給管２２から第３空間２６へ供給された低当量比ガス２は第３空間内で拡散した後に、第２ファイバーマットを空隙空間８に向けて通り抜け、空隙空間内においてリーン燃焼を行う。
【００２８】
このように燃焼器を円筒状に形成し、その内部に表面燃焼方式を採用したパイロットバーナ１２とリーン燃焼を行うメインバーナ１４を構成することにより、既述の低ＮＯｘ燃焼器１０と同様の効果を奏することができるとともに、輻射熱の回収効率が高い小型の低ＮＯｘ燃焼器を実現することができる。
【００２９】
図３は他の実施例による低ＮＯｘ燃焼器を模式的に示した構成図であり、（ａ）は軸方向断面図、（ｂ）は径方向断面図である。
【００３０】
この燃焼器３０の構成は図２に示した燃焼器２０と近似しているが、第２ファイバーマット６が内側に位置し、第１ファイバーマット４が外側に位置している。すなわち、外側に位置する第１ファイバーマット４の外周側からは高当量比ガス１が空隙空隙８側へ供給され、内側に位置する第２ファイバーマット６の内周側からは低当量比ガス２が空隙空間８に向けて供給される。
かかる構成の燃焼器によっても、図２に示した燃焼器と同様の効果を達成することができる。
なお本実施例の場合、表面燃焼による赤熱面は円筒状のフレームチューブ近傍の第１ファイバーマット内側に形成されるが、ファイバーマットは厚み方向への熱伝導性が小さいという特徴があるためエネルギ効率上の問題は発生しない。
【００３１】
以上のように本発明の燃焼器によれば、保炎性の確保、確保輻射熱の回収によるエネルギ効率の向上、低当量比ガスの予熱による安定燃焼範囲の拡大、赤熱面の温度低下による低ＮＯｘ化、耐逆火性の向上等を同時に実現することができる。
【００３２】
なお本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限りで種々に変更できることは勿論である。
【００３３】
【発明の効果】
上述したように本発明では、ファイバーマットを使用することにより表面燃焼方式での赤熱面をパイロットバーナとして用いメインバーナでのリーン燃焼の安定性を向上させ、表面燃焼により発生する輻射エネルギを効率よく回収して低当量比ガス（希薄予混合ガス）を予熱して安定燃焼領域を拡大させ、また、赤熱面からの輻射熱回収により赤熱面での燃焼温度を低下させてＮＯｘの発生を抑制することができる。
よって本発明によれば、リーン燃焼の保炎性確保、エネルギ効率の向上、低ＮＯｘ化、燃焼ガスの運動エネルギ確保、耐逆火性の向上、を同時に実現することができるガスタービン用低ＮＯｘ燃焼方法および低ＮＯｘ燃焼器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスタービン用低ＮＯｘ燃焼方法および低ＮＯｘ燃焼器の原理を説明
するための低ＮＯｘ燃焼器の原理図である。
【図２】本発明のガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器の好ましい実施例の構成図である。
【図３】本発明のガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器の他の好ましい実施例の構成図である
。
【符号の説明】
１　高当量比の予混合ガス（高当量比ガス）
２　低当量比の予混合ガス（低当量比ガス）
４　第１ファイバーマット
６　第２ファイバーマット
８　空隙（空隙空間）
１０，２０，３０　燃焼器
１２　パイロットバーナ
１４　メインバーナ
１６　フレームチューブ
１８　高当量比ガス供給管
２２　低当量比ガス供給管
２４　第１空間
２６　第３空間
２８　排気口
【図１】
2004044845.tif 000003
【図２】
2004044845.tif 000004
【図３】
2004044845.tif 000005