(57)【要約】【課題】  予燃料混合室を設けることなく、窒素酸化物の排出量を低減することができる燃焼器を提供することを目的とする。【解決手段】  燃焼器１を、筒形状をなし一端２ａ側の周面に内部に通じる第一開口部Ｈ１が設けられた燃焼器本体２を有する構成とする。燃焼器本体２内の一端２ａ側には、他端２ｂ側に向けて燃料を噴射するノズル３を設ける。燃焼器本体２の外側には、燃焼器本体２と同軸にして外筒４を設けて、外筒４と燃焼器本体２との間に、他端２ｂ側から一端２ａ側まで通じる流路Ｗを形成する。外筒４の他端２ｂ側に酸素供給路６を接続する。流路Ｗにおいて、酸素供給路６との接続部Ｓと同位置で、周方向の複数箇所から流路Ｗ内に燃料を供給する燃料供給装置７を設ける。燃料供給装置７に、燃料の供給量を調整する供給量調整装置８を設ける。【選択図】      図１
2005156019.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒形状をなし一端側の周面に内部に通じる開口部が設けられた燃焼器本体と、
該燃焼器本体内の前記一端側に設けられて他端側に向けて燃料を噴射するノズルと、
前記燃焼器本体の外側に同軸にして設けられて前記燃焼器本体との間に前記他端側から前記一端側まで通じる流路を形成する外筒と、
該外筒の前記他端側に接続されて前記燃焼器本体で使用される酸素含有気体の全量を前記流路内に供給する酸素供給路とを有し、
前記流路において前記酸素供給路との接続部と同位置または該接続部近傍下流側の位置で、周方向の複数箇所から前記流路内に燃料を供給する燃料供給装置とを有していることを特徴とする燃焼器。
【請求項２】
燃料供給装置に、前記燃料の供給量を調整する供給量調整装置を設けたことを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
【請求項３】
前記流路において前記接続部の後段での温度を測定する、温度測定装置が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン等に用いられる燃焼器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年は、環境に配慮して、燃焼器においても、排ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯＸ）の低減が求められている。
ＮＯＸは、主に、燃料が高温で燃焼することによって発生するものであるから、燃焼器では、燃焼温度がＮＯＸの発生しやすい温度よりも低温となるように管理している。
しかし、燃焼器内の各部で燃焼にばらつきが生じると、局所的に高温領域が生じてしまい、ＮＯＸが発生してしまう。
【０００３】
このため、従来の燃焼器では、燃料を燃焼させるために用いる酸素含有気体（例えばガスタービンによって圧縮された外気）を、燃焼器本体内に供給する前の段階で燃料と混合する予燃料混合室を設けて、これによって燃焼器内での均一に燃焼が生じるように図っている。
このような構成は、後記の特許文献１に記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−５１３１１号公報（段落［００１２］，及び図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、酸素含有気体と燃料との混合を良好に行うためには、予燃料混合室におけるこれらの流路を十分長く確保する必要があるので、装置が大型となってしまう。
また、このように燃焼器が大型化するため、既存の燃焼器にこの構成を適用することは困難であった。
さらに、予燃料混合室には、燃料を噴出するためのノズルを複数設けたり、酸素含有気体と燃料とを攪拌するための構成が設けられていて、構造が複雑であるので装置コストが高く、また、酸素含有気体と燃料との混合比を適切に保つためには、複雑な制御を行う必要がある。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、予燃料混合室を設けることなく、窒素酸化物の排出量を低減することができる燃焼器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の燃焼器は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる燃焼器は、筒形状をなし一端側の周面に内部に通じる開口部が設けられた燃焼器本体と、該燃焼器本体内の前記一端側に設けられて他端側に向けて燃料を噴射するノズルと、前記燃焼器本体の外側に同軸にして設けられて前記燃焼器本体との間に前記他端側から前記一端側まで通じる流路を形成する外筒と、該外筒の前記他端側に接続されて前記燃焼器本体で使用される酸素含有気体の全量を前記流路内に供給する酸素供給路とを有し、前記流路において前記酸素供給路との接続部と同位置または該接続部近傍下流側の位置で、周方向の複数箇所から前記流路内に燃料を供給する燃料供給装置とを有していることを特徴とする。
【０００８】
このように構成される燃焼器では、外筒と燃焼器本体との間に形成される流路内に、酸素供給路を通じて酸素含有気体が供給される。ここで、燃焼器には、使用する酸素含有気体の全量が、酸素供給路を通じて供給される。
流路において、酸素供給路との接続部、または接続部近傍下流側では、燃料供給装置によって、周方向の複数箇所から燃料が供給されているので、接続部近傍下流側では、酸素含有気体と燃料とが均等に混合されて、混合気が形成される。
ここで、酸素含有気体と燃料とをより均一に混合するために、燃料供給装置による燃料供給位置は、周方向に略等間隔に設けることが好ましい。
このようにして形成された均一な混合気は、流路を通じて燃焼器本体の一端側に供給されて、燃焼器本体の開口部を通じて燃焼器本体内に供給され、燃焼器本体内に設けられたノズルから噴射される燃料と混合されたのち、燃焼させられる。
すなわち、この燃焼器では、燃焼器本体に酸素含有気体を供給する流路内で、燃焼器で使用される酸素含有気体の全量が燃料と混合されて、均一な混合気となって燃焼器本体内に供給されるので、予燃料混合室を設けずに、ＮＯＸの発生量の低減を図ることができる。
【０００９】
そして、この混合気は、流路内を流通する過程で燃焼器本体から熱を受けて加熱されるが、流路から直接燃焼器本体内に供給されて、温度低下が生じないまま燃焼することとなる。このように、この燃焼器では、混合気がより高温の状態で燃焼器本体に供給されるため、速やかに適正温度で燃焼させることができるので、よりＮＯＸが発生しにくい。
【００１０】
この構成は、予燃料混合室を有していない旧式の燃焼器にも、わずかな改修を施すことで適用することが可能であり、旧式の燃焼器にも、容易かつ低コストでＮＯＸ低減能力を持たせることができる。
【００１１】
ここで、この燃焼器では、圧縮されて高温となった酸素含有気体が、流路に供給された直後に、熱容量の小さい燃料と混合される構成が可能である。すなわち、酸素含有気体に膨張による温度低下が生じる前の段階で、酸素含有気体と燃料とが混合されるので、これらがより均一に混合されることとなり、良好な混合気を得ることができる。
【００１２】
また、本発明にかかる燃焼器は、請求項１記載の燃焼器であって、燃料供給装置に、前記燃料の供給量を調整する供給量調整装置を設けたことを特徴とする。
【００１３】
この燃焼器では、供給量調整装置によって燃料供給装置による燃料の供給量を調整して、混合気中の燃料濃度を増減させることで、燃焼器が発生させる熱量を調整する。
ここで、燃焼器において、流路内への燃料の供給量は、酸素含有気体の供給量に比べてわずかである。このため、酸素含有気体の流量制御よりも、燃料の流量制御の方が容易であり、制御に用いる装置も簡単な構成のもので済む。
また、燃焼器の発生させる熱量は、燃焼器に供給する酸素含有気体の増減よりも、燃焼器に供給する燃料の増減に対してより大きく変化する。すなわち、酸素含有気体の流量を制御するよりも、燃料の流量を調整するほうが、燃焼器の発生する熱量をより効果的に制御することができる。
本発明にかかる燃焼器は、このように燃料の流量を調整することによって燃焼器の発生する熱量を制御するので、従来に比べて発生熱量をより容易かつ効果的に制御することができる。また、制御装置として簡単な構成のものを用いることができるので、装置コストを低減することができる。
【００１４】
また、本発明にかかる燃焼器は、請求項１または２に記載の燃焼器であって、前記流路において前記接続部の後段での温度を測定する、温度測定装置が設けられていることを特徴とする。
【００１５】
このように構成される燃焼器では、温度測定装置によって流路内の温度を測定することができる。
そして、流路内の温度の異常上昇を検出することで、流路内での混合気の発火を検出することができるので、燃焼トラブルに対して早期に対応することができる。
また、混合気の異常な温度低下を検出することができるので、混合気の温度の異常低下を検出して、混合気の温度低下によるＮＯＸの発生に対して早期に対応することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明にかかる燃焼器によれば、燃焼器が小型で済む上、従来予燃料混合室での燃料混合具合の調整に用いられていた高価で複雑な調整装置も不要となるので、装置コストやメンテナンスにかかる手間が少なくて済む。
さらに、本発明にかかる燃焼器の構成は、予燃料混合室を有していない旧式の燃焼器にも、わずかな改修を施すことで適用することが可能であり、旧式の燃焼器にも、容易かつ低コストでＮＯＸ低減能力を持たせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態について、図１を用いて説明する。
本実施形態にかかる燃焼器１は、例えばガスタービンに用いられるものである。
具体的には、燃焼器１は、筒形状（具体的には一端２ａ側から他端２ｂ側に向かうにつれてなだらかに拡径された略コーン状）をなし一端２ａ側の周面に内部に通じる第一開口部Ｈ１が設けられた燃焼器本体２を有している。燃焼器本体２内の一端２ａ側には、他端２ｂ側に向けて燃料を噴射するノズル３が設けられている。ノズル３は、図示せぬ蒸気供給源及び燃料供給源と接続されており、燃焼器本体２内で蒸気と燃料の混合気を噴射するようになっている。この蒸気は、燃焼器本体２内での燃焼ガスの温度の異常上昇を防止してＮＯＸの発生を防止するためのものであって、その供給量は、燃焼器１の運転状況によって適宜調整される。
【００１８】
また、燃焼器本体２の外側には、燃焼器本体２と同軸にして外筒４が設けられており、これによって、外筒４と燃焼器本体２との間に、他端２ｂ側から一端２ａ側まで通じる流路Ｗが形成されている。外筒４は、一端２ａ側が閉じられた有底円筒形状をなしており、ノズル３は、外筒４外から外筒４の底部４ａを通じて燃焼器本体２の一端２ａ内に挿通されている。
ここで、燃焼器本体２には、ノズル３の先端位置よりも他端２ｂ側に、第二開口部Ｈ２が設けられている。すなわち、燃焼器本体２内は、第一、第二開口部Ｈ１，Ｈ２のそれぞれを通じて流路Ｗと接続されている。また、ノズル３の先端と燃焼器本体２との間には、燃焼器本体２の第一開口部Ｈ１から他端２ｂ側に向かって流れる気体に旋回流を付与するスワラー５が設けられている。
【００１９】
また、外筒４の他端２ｂ側には、燃焼器本体２で使用される酸素含有気体の全量を流路Ｗ内に供給する酸素供給路６が接続されている。
本実施形態では、この酸素供給路６は、ガスタービンのコンプレッサーと接続されており、コンプレッサーから高圧の空気を供給されている。
【００２０】
また、この燃焼器１には、流路Ｗにおいて、酸素供給路６との接続部Ｓと同位置または接続部Ｓ近傍下流側の位置で、周方向の複数箇所から流路Ｗ内に燃料を供給する燃料供給装置７が設けられている。
本実施の形態では、燃料供給装置７は、流路Ｗにおいて、接続部Ｓと同位置に、外筒４の内面全周にわたって設けられる筒状の燃料ヘッダー７ａと、図示せぬ燃料供給源と燃料ヘッダーとを接続する燃料供給管路７ｂとを有している。
燃料ヘッダー７ａは、周方向に略等間隔をあけて噴出口Ｎが設けられていて、燃料供給管路から供給された燃料を、流路Ｗの全周に設けられた噴出口Ｎから噴射することで、流路Ｗ内に燃料を均一に吐出するようになっている。
本実施の形態では、直径１．５ｍｍの噴出口Ｎが、合計２４個設けられている。すなわち、燃料ヘッダー７ａには、軸線回りに１５°おきに噴出口Ｎが設けられている。
【００２１】
また、燃料供給装置７には、燃料の供給量を調整する供給量調整装置８が設けられている。
本実施の形態では、供給量調整装置８は、燃料供給路に設けられる流量調整弁Ｖと、流量調整弁の動作を制御する制御装置Ｃとを有している。
また、流路Ｗ内において接続部Ｓよりも下流側で、第二開口部Ｈ２よりも上流側には、流路Ｓ内での気体の流れを整える整流板９が設けられている。ここで、流路Ｗにおいて、噴出口Ｎから整流板９の後端までの範囲が、予混合範囲である。
【００２２】
このように構成される燃焼器１では、外筒４と燃焼器本体２との間に形成される流路Ｗ内に、酸素供給路６を通じて酸素含有気体が供給される。ここで、燃焼器１には、使用する酸素含有気体の全量が、酸素供給路６を通じて供給される。
流路Ｗにおいて、酸素供給路６との接続部Ｓ、または接続部Ｓ近傍下流側では、燃料供給装置７によって、周方向の複数箇所から燃料が供給されているので、接続部Ｓ近傍下流側では、酸素含有気体と燃料とが均等に混合されて、混合気が形成される。
【００２３】
燃料供給装置７から流路Ｗ内に供給する燃料の量は、燃焼器１内に供給される燃料のうち、最大５０％まで供給可能とされている。そして、このように燃料供給装置７が供給する燃料の量を調整することによって、燃焼振動の防止が図られ、また、燃焼器本体２内の燃料濃度が火炎喪失域に達することのないように図られている。
【００２４】
ここで、この燃焼器１では、酸素供給路６は、ガスタービンのコンプレッサー等と接続されて、圧縮空気が供給される構成とされている。これにより、圧縮されて３００°Ｃ〜４００°Ｃの高温となった酸素含有気体が、酸素供給路６から流路Ｗに供給された直後に、熱容量の小さい燃料と混合される。すなわち、酸素含有気体に膨張による温度低下が生じる前の段階で、酸素含有気体と燃料とが混合されるので、これらがより均一に混合されることとなり、良好な混合気を得ることができる。
【００２５】
このようにして形成された均一な混合気は、流路Ｗを通じて燃焼器本体２の一端２ａ側に供給されて、燃焼器本体２の第一開口部Ｈ１を通じて燃焼器本体２内に供給され、燃焼器本体２内に設けられたノズル３から噴射される燃料と混合されたのち、燃焼させられる。
すなわち、この燃焼器１では、燃焼器本体２に酸素含有気体を供給する流路Ｗ内で、燃焼器１で使用される酸素含有気体の全量が燃料と混合されて、均一な混合気となって燃焼器本体２内に供給されるので、予燃料混合室を設けずに、ＮＯＸの発生量の低減を図ることができる。
【００２６】
また、この混合気は、流路Ｗ内を流通する過程で燃焼器本体２から熱を受けて加熱されるが、流路Ｗから直接燃焼器本体２内に供給されて、温度低下が生じないまま燃焼することとなる。このように、この燃焼器１では、混合気がより高温の状態で燃焼器本体２に供給されるため、速やかに適正温度で燃焼させることができるので、よりＮＯＸが発生しにくい。
【００２７】
ここで、実際に燃焼器本体２内における温度分布を計測したところ、周方向の温度差は３°Ｃ以内であった。
このように、この燃焼器１は、ＮＯＸの低減量は２０％と、予燃料混合室を設けた燃焼器と同程度の能力を有している。
【００２８】
また、この燃焼器１は、供給量調整装置８によって燃料供給装置７による燃料の供給量を調整して、混合気中の燃料濃度を増減させることで、燃焼器１が発生させる熱量を調整する構成とされている。
ここで、燃焼器１において、流路Ｗ内への燃料の供給量は、酸素含有気体の供給量に比べてわずかである。このため、酸素含有気体の流量制御よりも、燃料の流量制御の方が容易であり、制御に用いる装置も簡単な構成のもので済む。
また、燃焼器１の発生させる熱量は、燃焼器１に供給する酸素含有気体の増減よりも、燃焼器１に供給する燃料の増減に対してより大きく変化する。すなわち、酸素含有気体の流量を制御するよりも、燃料の流量を調整するほうが、燃焼器の発生する熱量をより効果的に制御することができる。
本実施形態にかかる燃焼器１は、このように燃料の流量を調整することによって発生する熱量を制御するので、従来に比べて発生熱量をより容易かつ効果的に制御することができる。また、制御装置Ｃとして簡単な構成のものを用いることができるので、装置コストを低減することができる。
【００２９】
このように、本実施形態にかかる燃焼器１によれば、燃焼器１が小型で済む上、従来予燃料混合室での燃料混合具合の調整に用いられていた高価で複雑な調整装置も不要となるので、装置コストやメンテナンスにかかる手間が少なくて済む。
【００３０】
そして、この構成は、予燃料混合室を有していない旧式の燃焼器にも、わずかな改修を施すことで適用することが可能であり、旧式の燃焼器にも、容易かつ低コストでＮＯＸ低減能力を持たせることができる。
【００３１】
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図２及び図３を用いて説明する。
本実施形態にかかる燃焼器２１は、第一実施形態に示した燃焼器１において、流路Ｗの、接続部Ｓの後段での雰囲気温度を測定する温度測定装置２２を設けたことを主たる特徴とするものである。
以下、本実施の形態において、燃焼器１と同一または同様の構成については同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。
【００３２】
温度測定装置２２は、外筒４に対して接続部Ｓの後段内に位置して設けられる温度センサー２３を有しており、制御装置Ｃによって、温度センサー２３の検出信号に基づいて流路Ｗ内の温度が検出されるようになっている。すなわち、制御装置Ｃも温度測定装置２２の構成要素として用いられる。
【００３３】
このように構成される燃焼器２１では、温度測定装置２２によって流路Ｗ内の温度を測定することができる。
そして、流路Ｗ内の温度の異常上昇を検出することで、流路Ｗ内での混合気の発火を検出することができるので、燃焼トラブルに対して早期に対応することができる。
また、混合気の異常な温度低下を検出することができるので、混合気の温度の異常低下を検出して、混合気の温度低下によるＮＯＸの発生に対して早期に対応することができる。
【００３４】
以下、制御装置Ｃによる具体的な制御の一例について説明する。
制御装置Ｃには、流路Ｗ内の温度の正常範囲の上限値及び下限値と、流路Ｗ内で火災が発生する可能性のある危険値とがそれぞれ入力されて、これらの値がメモリー等の記憶装置に保持されている。
制御装置Ｃは、燃焼器２１が動作している間中、温度センサー２３の検出信号に基づいて得られた流路Ｗ内の温度と、上限値及び下限値、並びに危険値との比較を行う。
そして、図３（ａ）のグラフに示すように、流路Ｗ内の温度の測定値が下限値を下回った場合（時刻ｔ１の時点）には、制御装置Ｃは、燃料が多すぎて混合気の温度が低下しているものと判断して、流量調整弁Ｖを閉じて、図３（ｂ）に示すように、流路Ｗ内への燃料の供給を低減する。これによって、混合気の不完全燃焼が防止されて、燃焼温度が適正範囲内に保たれ、ＮＯＸの発生が防止される。
そして、混合気の温度が上昇して、下限値を超えた場合（時刻ｔ２の時点）には、制御装置Ｃは、流量調整弁Ｖの開度を固定して、良好な燃焼状態を維持する。
【００３５】
一方、流路Ｗ内の温度の測定値が危険値を超えた場合（時刻ｔ３の時点）には、流路Ｗ内で混合気が発火していると判断して、流量調整弁Ｖを閉じる。これにより、流路Ｗ内への燃料供給が絶たれて、流路Ｗ内に生じた火が消える。
このように流路Ｗ内の消火が行われて、流路Ｗ内の温度が危険値以下に下がると（時刻ｔ４の時点）、制御装置Ｃは流路Ｗ内の消火が完了したものと判断して、流量調整弁Ｖを徐々に開いて、流路Ｗ内への燃料の供給を再開させる。
そして、流路Ｗ内の温度が上限値以下に下がった段階で（時刻ｔ５の時点）、流量調整弁Ｖの開度を固定して、良好な燃焼状態を維持する。
【００３６】
なお、この制御は、制御装置Ｃによって自動的に行う構成とする代わりに、オペレータによって手動で行われる構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第一実施形態にかかる燃焼器の構成を示す縦断面図である。
【図２】本発明の第二実施形態にかかる燃焼器の構成を示す縦断面図である。
【図３】本発明の第二実施形態にかかる燃焼器の動作制御の様子を示すである。
【符号の説明】
【００３８】
１，２１  燃焼器
２  燃焼器本体
２ａ  一端
２ｂ  他端
３  ノズル
４  外筒
６  酸素供給路
７  燃料供給装置
８  供給量調整装置
２２  温度測定装置
Ｈ  開口部
Ｓ  接続部
Ｗ  流路
【図１】
2005156019.tif 000003
【図２】
2005156019.tif 000004
【図３】
2005156019.tif 000005