(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスまたは液体燃料を主燃料として燃焼させる燃焼器の燃焼安定性を確保し、かつＮＯｘ排出量の低減を図る。【解決手段】燃焼筒７の周方向に混合気４を噴射させ周方向に沿って流動する火炎を形成しかつその燃焼ガスが噴射直後の未燃焼の混合気噴流に合流する旋回流あるいは回帰流を形成する少なくとも１つの噴孔５を備え、燃焼反応が進行した高温の活性化学種を含む燃焼ガスを噴射直後の未燃焼の混合気に混入し、燃焼反応が進行した高温の活性化学種を含む燃焼ガスを未燃焼の燃料・空気混合気に混入して希薄混合気の高温化を図り可燃範囲を広げ、燃焼を安定化させ、火炎内の炭化水素燃料の酸化過程で一酸化炭素の酸化が十分進行した後に、反応凍結用の空気を噴射してゼルドビッチＮＯの生成反応を凍結したり、燃料または燃料過剰条件の混合気を噴射して燃焼ガス中に発生したプロンプトＮＯを還元させて低ＮＯｘ燃焼を実現する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス燃料または液体燃料を主燃料として用い予め燃焼用空気と混合してから供給する希薄予混合燃焼器において、円筒状の燃焼筒の周壁に該燃焼筒の周方向に前記混合気を噴射させ燃焼筒の周方向に沿って流動する火炎を形成しかつその燃焼ガスが未燃焼の混合気噴流に合流する旋回流あるいは回帰流を形成する少なくとも１つの噴孔を備え、燃焼反応が進行した高温の活性化学種を含む燃焼ガスが噴射直後の未燃焼の混合気に混入されるようにしたことを特徴とする燃焼器。
【請求項２】
前記噴孔は２以上備えられると共にそれぞれから混合気が噴出され、燃焼ガスの旋回流動に関し上流側となる噴孔の出口に形成された噴流火炎が燃焼筒の周方向に沿って流動し、流れ方向の下流側の噴孔から噴出される混合気噴流に合流するものである請求項１記載の燃焼器。
【請求項３】
前記燃焼ガスと前記未燃焼の混合気との合流タイミングが燃焼ガス中の一酸化炭素の酸化反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に達した後である請求項１または２記載の燃焼器。
【請求項４】
前記燃焼ガスと前記未燃焼の混合気との合流タイミングが燃焼ガス中の一酸化炭素の酸化反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に達した直後である請求項３記載の燃焼器。
【請求項５】
前記燃焼ガスの旋回流動の流れに沿って２種の噴孔を少なくとも１組以上備え、第１の噴孔からは前記混合気を噴射して火炎を形成し、第２の噴孔からは前記燃焼の反応過程で通常最も遅い段階で生成・酸化する一酸化炭素の酸化反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に近づいた箇所で、前記燃焼ガスに冷却用の空気を噴射して、一酸化炭素よりも生成速度の遅いゼルドビッチＮＯの生成を抑制、凍結することを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
【請求項６】
前記燃焼ガスの旋回流動の流れに沿って２種の噴孔を少なくとも１組以上備え、第１の噴孔からは前記混合気を噴射して火炎を形成し、第２の噴孔からは前記燃焼の反応過程で通常最も遅い段階で生成・酸化する一酸化炭素の酸化反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に近づいた箇所で、前記燃焼ガスに燃料または燃料過剰条件の混合気を噴射するものであり、前記第１の噴孔から噴射される燃料と空気の混合気で形成される予混合火炎内で生成されるプロンプトＮＯを前記第２噴孔から新たに導入した前記燃料または燃料過剰条件の混合気中の燃料により還元することを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
【請求項７】
前記冷却用噴孔はターンダウン時には冷却用空気に代えて燃焼用混合気を噴射するものである請求項５記載の燃焼器。
【請求項８】
前記噴孔は燃焼筒の周方向にずらして配置され、順次各噴孔を経由する燃焼ガスの旋回流を形成するものである請求項２から７のいずれか１つに記載の燃焼器。
【請求項９】
前記噴孔は軸方向にずらして配置され、順次各噴孔を経由する燃焼ガスのスパイラル流を形成するものである請求項２から８のいずれか１つに記載の燃焼器。
【請求項１０】
ガス燃料または液体燃料を主燃料として用い短時間に燃焼反応を完了させる希薄混合燃焼方法において、円筒状の燃焼筒に対して噴射する混合気の流れが前記燃焼筒の周方向に沿って流動し、燃焼反応後の流動する燃焼ガスを同じ噴孔または流れの下流側の異なる噴孔から噴射される未燃焼の混合気噴流に合流させ、燃焼反応が進行した高温の活性化学種を含む燃焼ガスが未燃焼の混合気に混入することにより希薄混合気の高温化を図り可燃範囲を広げると共に、活性化学種の混合により燃焼を安定化することを特徴とする希薄予混合燃焼方法。
【請求項１１】
前記燃焼ガスは燃焼筒の周方向に沿った旋回流動に際し、流れ方向の下流側の噴孔から噴出される他の未燃焼の混合気噴流に合流し、燃焼反応が進行した高温の活性化学種を含む燃焼ガスが未燃焼の燃料・空気混合気に混入することにより希薄混合気の高温化を図り可燃範囲を広げると共に、活性化学種の混合により燃焼を安定化するものである請求項１０記載の希薄予混合燃焼方法。
【請求項１２】
前記合流時点は燃焼ガス中の一酸化炭素の酸化反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に達した後である請求項１０または１１記載の希薄予混合燃焼方法。
【請求項１３】
前記合流時点は燃焼ガス中の一酸化炭素の酸化反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に達した直後である請求項１２記載の希薄予混合燃焼方法。
【請求項１４】
前記混合気の燃焼反応過程で通常最も遅い段階で生成・酸化する一酸化炭素の反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に達した直後に、前記燃焼ガスに冷却用空気を噴射して混合し、燃焼ガスの温度を冷却することにより一酸化炭素よりも生成速度の遅いゼルドビッチＮＯの生成反応を抑制、凍結することを特徴とする請求項１０記載の希薄予混合燃焼方法。
【請求項１５】
前記混合気の燃焼反応過程で通常最も遅い段階で生成・酸化する一酸化炭素の反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に達した直後に、前記燃焼ガスに燃料あるいは燃焼用混合気よりも燃料濃度の濃い還元用混合気を噴射して混合し、プロンプトＮＯを還元すると共に一酸化炭素よりも生成速度の遅いゼルドビッチＮＯの生成を抑制、凍結することを特徴とする請求項１０記載の希薄予混合燃焼方法。
【請求項１６】
ガス燃料または液体燃料を主燃料として用い短時間に燃焼反応を完了させる希薄混合燃焼方法において、燃焼場の近傍で、燃焼反応が進行した燃焼反応過程で通常最も遅い段階で生成・酸化する一酸化炭素の反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に達した直後に、前記燃焼ガスに空気を噴射して混合し、燃焼ガスの温度を冷却することにより一酸化炭素よりも生成速度の遅いゼルドビッチＮＯの生成反応を抑制、凍結することを特徴とする希薄予混合燃焼方法。
【請求項１７】
ガス燃料または液体燃料を主燃料として用い短時間に燃焼反応を完了させる希薄混合燃焼方法において、燃焼場の近傍で、燃焼反応が進行した燃焼反応過程で通常最も遅い段階で生成・酸化する一酸化炭素の反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に達した直後に、前記燃焼ガスに燃料または燃料過剰状態の混合気を噴射して混合し、燃焼ガス中のプロンプトＮＯを新たに導入した前記燃料または燃料過剰状態の混合気中の燃料により還元するものである希薄予混合燃焼方法。
【請求項１８】
請求項１６または１７記載の燃焼方法において、前記火炎は燃焼器の円筒状の燃焼筒の周壁に沿って流動する旋回流あるいは回帰流を形成しているものである希薄予混合燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電プラント用ボイラやガスタービン等に用いて好適な希薄予混合燃焼器並びに希薄予混合燃焼方法に関する。更に詳述すると、本発明はガス燃料(ＬＮＧを気化させたガスや天然ガス等のメタン(ＣＨ４)を主成分とする燃料)または液体燃料（灯油、軽油、重質油、合成燃料またはそれらの混合燃料）を予め燃焼用空気と混合してから供給することで燃焼させる希薄予混合燃焼においてサーマルＮＯｘの発生を抑制する燃焼方法並びに燃焼器に関する。ここで、本明細書中におけるＮＯｘ(窒素酸化物)とは、ＮＯ(一酸化窒素)とＮＯ２(二酸化窒素)を示し、このうち一般的にはＮＯが大半を占める場合が多い。そして、ＮＯ２はＮＯが酸化して生成される。
【背景技術】
【０００２】
従来から、サーマルＮＯｘの発生防止には火炎温度の低下が必要であると考えられている。そして、火炎温度の低下には、燃焼器内への水や蒸気の噴射や混合気の希薄化が効果的であると考えられていた。
【０００３】
例えば、発電プラントで使用される燃焼器において実施されるＮＯｘ低減手法としては、燃焼器に設けた空気旋回器を通過する燃焼用空気中に水または水蒸気を混合し、燃焼ガスの温度を低下させることによって、熱化学反応によって生成するＮＯｘ、すなわちサーマルＮＯｘを抑制できることが知られている。現在でも事業用中型、小型ガスタービンに採用され、有効な技術である(非特許文献１)。
【０００４】
また、ガス燃料または液体燃料を燃焼用空気と予混合して供給することにより均一燃焼を実現し、到達燃焼ガス温度が燃焼器に供給する燃料と空気の割合から決まる燃焼ガス温度以上に上昇することを防ぎ、サーマルＮＯｘを抑制する技術（希薄予混合燃焼法）が知られている（非特許文献２）。
【０００５】
現在、低ＮＯｘ燃焼法として用いられている希薄予混合燃焼法は、燃料濃度と空気の予混合率をできるだけ高しかつ均一に燃焼させて火炎温度を低下させることにより、ゼルドビッチＮＯの生成量を抑制することを目的としているが、予混合率を高くするほど燃焼速度が低下して火炎が吹き飛び易くなる。LNGなどでは予混合率を100%と可燃下限界近くで燃焼させなければNOx低減効果はなく、また可燃下限界近くで燃焼させるため失火が発生しやすい条件下にあり、実用化上の問題点となっている。そこで、安定な燃焼を維持する目的としてパイロットバーナによる吹き消えを防止する方法や、燃焼器の保炎部におけるガス温度を一定以上に維持するためにガスタービン負荷に応じて燃焼用空気の供給量、供給位置を変更して燃焼器保炎部近傍の当量比を高く保つ手法、あるいは燃料ノズルを多数配置するマルチバーナ方式として使用する負荷に応じて燃料または燃料・空気混合気噴射ノズルを切り替えるなどの手法が採用されている。
【０００６】
また、従来の希薄予混合燃焼法は、予め燃料と空気を予混合して均一燃焼させることで火炎温度の上昇を抑制しているので、ゼルドビッチＮＯは抑えることができてもプロンプトＮＯの生成は回避できないものである。そこで、サーマルＮＯｘのうち、主にプロンプトＮＯを削減する技術も提案されている（特許文献１）。この技術は、燃焼過程で発生するＣＨラジカルと反応する物質主に水素を、ＣＨラジカルを減少させ得る量だけ予め燃料中に添加しておくことにより、プロンプトＮＯの発生を抑制しようとするものである。水素の添加量は水素添加による燃焼温度の上昇でゼルドビッチＮＯが増加しない程度の量に制限されている。また、燃料への水素添加により、希薄予混合気の着火性が改善されることから、失火の問題も解決できるとしている。
【０００７】
さらに、ＮＯｘ生成反応が燃料の酸化反応に比較して遅いことを利用して、燃焼器内の燃焼ガスの滞留時間を短縮する方法もＮＯｘ排出量低減に有効であることが認識されている。しかし、多様な燃料に対応する大出力、大型の発電プラントなどの燃焼器では、この燃焼器長を短くする試みは燃焼器流入空気温度の低い部分負荷等の条件で不完全燃焼をきたしやすいので実現が困難である。
【０００８】
【非特許文献１】日本技術士会 機械部, ２００３年８月例会レジュメ
【非特許文献２】三菱重工(株)製M７０１G型ガスタービン、GE社製Hシステムガスタービン(NEDO海外レポート No.９２６, ２００４.３.３, （省エネルギー）「最先端ガスタービンプロジェクトが０３年米国技術誌賞」
【特許文献１】特開平７−１９０３７１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来のボイラおよびガスタービン燃焼器で採用してきた拡散燃焼の場合、水や水蒸気を混合して火炎の温度を下げようとしても、局所的高温域の発生を十分に抑制することはできないので、十分なＮＯｘ生成抑制は困難である。しかも、製造に費用を要する多量の純水を必要とする欠点がある。そのため、運用コストの観点から高価な多量の精製水や水蒸気を使用しない低ＮＯｘ燃焼法が望まれている。
【００１０】
他方、希薄予混合燃焼方法はサーマルＮＯｘの発生を抑制できる燃焼方式であるが、燃料と空気の予混合率を上昇させて混合気が希薄化されるほど燃焼速度が低下して燃焼の不安定性が増大する（燃焼の安定性が悪い）ため、火種やパイロット火炎を必要とし、結果としてＮＯｘ低減効果を犠牲にしている。つまり、ガス燃料または液体燃料、中でもＬＮＧの様にメタン(ＣＨ４)を主成分とする場合、もともと可燃混合比範囲が狭く燃焼安定性を確保し難いので、ＮＯｘ低減のための工夫、例えば空気過剰率を増したり部分燃焼法を採用したりすることが難しいという問題を有している。したがって、ＮＯｘ低減に好適と考えられている希薄予混合燃焼法を利用した低ＮＯｘ型燃焼器においても、燃焼安定範囲が狭いことから、所要作動範囲で必要な希薄混合気とすることができず、拡散燃焼のパイロット火炎により燃焼を維持する方法や、燃焼器内部に燃料の濃い領域を作り火種とする方法を採用していることが多く、局所高温領域がそこに形成されることで少なからぬＮＯｘが発生するという問題を有している。特に、ガスまたは液体燃料を用いるガスタービン発電プラントにおいては、これまでに作動ガスの高温化によるプラント熱効率の向上が図られてきているが、１５００℃を越える今後の一層の高温化に際し、１５００℃以上での生成速度の速くなるゼルドビッチＮＯの生成を抑制することは従来の希薄予混合燃焼法では難しく、最近の厳しい排出ガス規制に対応できなくなっている。このため、特に、ガスタービンを用いた発電プラントでは燃焼安定性に優れ、かつＮＯｘ低減効果を期待できる燃焼技術の開発が期待されている。
【００１１】
本発明は、希薄予混合燃焼方法並びに燃焼器の燃焼安定性を高めることを目的とする。また本発明は、希薄予混合燃焼方法並びに燃焼器のＮＯｘ排出量の低減を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の発明は、ガス燃料または液体燃料を主燃料として用い予め燃焼用空気と混合してから供給する希薄予混合燃焼器において、円筒状の燃焼筒の周壁に該燃焼筒の周方向に前記混合気を噴射させ燃焼筒の周方向に沿って流動する火炎を形成しかつその燃焼ガスが未燃焼の混合気噴流に合流する旋回流あるいは回帰流を形成する少なくとも１つの噴孔を備え、燃焼反応が進行した高温の活性化学種を含む燃焼ガスが噴射直後の未燃焼の混合気に混入されるようにしている。また、請求項１０の発明は、ガス燃料または液体燃料を主燃料として用い短時間に燃焼反応を完了させる希薄混合燃焼方法において、円筒状の燃焼筒に対して噴射する混合気の流れが前記燃焼筒の周方向に沿って流動し、燃焼反応後の流動する燃焼ガスを同じ噴孔または流れの下流側の異なる噴孔から噴射される未燃焼の混合気噴流に合流させ、燃焼反応が進行した高温の活性化学種を含む燃焼ガスが未燃焼の混合気に混入することにより希薄混合気の高温化を図り可燃範囲を広げると共に、活性化学種の混合により燃焼を安定化するようにしている。
【００１３】
したがって、未燃焼の混合気には、必ず上流側から流れてくる燃焼反応が進行した高温の活性化学種を含む燃焼ガスが混入し、未燃焼混合気の温度を急速に高めて可燃範囲を広げて燃焼反応を促進すると共に活性化学種の混合により燃焼を安定化する。しかも、燃焼筒の周面に沿って回帰流ないし旋回流を形成する火炎は、燃焼筒の頭部に固定され流速を上げても吹き飛ぶことがない。
【００１４】
ここで、噴孔は少なくとも１つ備えられていれば足りるが、２つ以上備えられることが好ましい。例えば、請求項２記載の発明のように、噴孔が２以上備えられると共にそれぞれから混合気が噴出され、燃焼ガスの旋回流動に関し上流側となる噴孔の出口に形成された噴流火炎が燃焼筒の周方向に沿って流動し、流れ方向の下流側の噴孔から噴出される混合気噴流に合流するものである。さらに、請求項１１記載の発明は、請求項１０記載の希薄予混合燃焼方法において、燃焼ガスは燃焼筒の周方向に沿った旋回流動に際し、流れ方向の下流側の噴孔から噴出される他の未燃焼の混合気噴流に合流し、燃焼反応が進行した高温の活性化学種を含む燃焼ガスが未燃焼の燃料・空気混合気に混入することにより希薄混合気の高温化を図り可燃範囲を広げると共に、活性化学種の混合により燃焼を安定化するようにしている。
【００１５】
この場合には、燃焼筒の大きさにかかわらず、上流側の燃焼ガス中の一酸化炭素の酸化反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に達した後以降でかつ高温の活性化学種を十分に含む状況下に新たな未燃焼の混合気を混入させることが実現できるので、必ず上流側から流れてくる燃焼反応が進行した高温の活性化学種を含む燃焼ガスが混入し、未燃焼混合気の温度を急速に高めて可燃範囲を広げて燃焼反応を促進すると共に活性化学種の混合により燃焼を安定化することが可能となる。
【００１６】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の燃焼器において、燃焼ガスと未燃焼の混合気との合流タイミングが燃焼ガス中の一酸化炭素の酸化反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に達した後であるものである。さらに請求項１２記載の発明は、請求項１０記載の希薄予混合燃焼方法において、燃焼ガスと未燃焼の混合気との合流時点が燃焼ガス中の一酸化炭素の酸化反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に達した後とされている。
【００１７】
一酸化炭素の生成・酸化反応は、通常、混合気中の燃料の燃焼反応過程で最も遅い段階で完了する。したがって、一酸化炭素の反応が進行して予め設定された燃焼器出口の一酸化炭素濃度に達した（ほぼ平衡濃度状態に近づいた）ときには、燃料の酸化過程がほぼ終了した状態であるため、そのまま燃焼筒外へ排出されたとしても問題がない。しかも、燃焼ガス中の一酸化炭素の酸化反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度レベルに達した後以降に未燃焼混合気が混入されるので、混合に因る火炎温度の低下によりそれ以降のゼルドビッチＮＯの発生を抑制することができ、より一層のＮＯｘ排出量の低減を図ることが可能になる。
【００１８】
また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の燃焼器において、燃焼ガスと未燃焼の混合気との合流タイミングが燃焼ガス中の一酸化炭素の酸化反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に達した直後であるようにしている。さらには請求項１３記載の発明は、請求項１２記載の希薄予混合燃焼方法において、燃焼ガスと未燃焼の混合気との合流時点が燃焼ガス中の一酸化炭素の酸化反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に達した直後としたものである。この場合には、一酸化炭素の酸化反応が進行して燃焼器排出量レベルとして設定された一酸化炭素濃度となった時点で燃焼ガスが未燃の混合気との混合により冷却されて反応凍結されるので、ゼルドビッチＮＯの生成を最低限に抑えて燃焼器から排出されるサーマルＮＯｘの生成を抑制することができる。
【００１９】
また、請求項５記載の発明は、請求項１記載の燃焼器において、燃焼ガスの旋回流動の流れに沿って２種の噴孔を少なくとも１組以上備え、第１の噴孔からは前記混合気を噴射して火炎を形成し、第２の噴孔からは前記燃焼の反応過程で通常最も遅い段階で生成・酸化する一酸化炭素の酸化反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に近づいた箇所で、前記燃焼ガスに冷却用の空気を噴射して、一酸化炭素よりも生成速度の遅いゼルドビッチＮＯの生成を抑制、凍結するようにしたものである。さらには、請求項１４記載の発明は、請求項１０記載の希薄予混合燃焼方法において、混合気の燃焼反応過程で通常最も遅い段階で生成・酸化する一酸化炭素の反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に移行した直後に、前記燃焼ガスに冷却用空気を噴射して混合し、燃焼ガスの温度を冷却することにより一酸化炭素よりも生成速度の遅いゼルドビッチＮＯの生成反応を抑制、凍結するようにしたものである。
【００２０】
この場合には、燃焼ガス中の一酸化炭素の酸化反応が進行して燃焼器排出量レベルとして設定された一酸化炭素濃度となった時点で、選択された量の冷却用空気例えば予め設定された燃焼器出口ガス温度並びに吐出量に調整するための希釈用の残りの空気を噴射、混合してゼルドビッチＮＯ生成段階直前に火炎温度を低減し、反応凍結を図ることができる。これにより、ゼルドビッチＮＯの生成を最低限に抑えてＮＯｘ排出量の低減と燃焼の安定化を同時に実現することが可能になる。
【００２１】
また、請求項６記載の発明は、請求項１記載の燃焼器において、燃焼ガスの旋回流動の流れに沿って２種の噴孔を少なくとも１組以上備え、第１の噴孔からは混合気を噴射して火炎を形成し、第２の噴孔からは前記燃焼の反応過程で通常最も遅い段階で生成・酸化する一酸化炭素の酸化反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に近づいた箇所で、前記燃焼ガスに燃料または燃料過剰条件の混合気を噴射するものであり、前記第１の噴孔から噴射される燃料と空気の混合気で形成される火炎内で生成されるプロンプトＮＯを第２噴孔から新たに導入した燃料または燃料過剰条件の混合気中の燃料により還元するようにしている。さらに請求項１５記載の発明は、請求項１０記載の希薄予混合燃焼方法において、混合気の燃焼反応過程で通常最も遅い段階で生成・酸化する一酸化炭素の反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に移行した直後に、前記燃焼ガスに燃料あるいは燃焼用混合気よりも燃料濃度の濃い還元用混合気を噴射して混合し、プロンプトＮＯを還元すると共に一酸化炭素よりも生成速度の遅いゼルドビッチＮＯの生成を抑制、凍結するようにしたものである。
【００２２】
この場合、燃焼ガス中の一酸化炭素が十分に低減した状態になった時点で混合される新しい燃料または燃料過剰の混合気中の燃料が、燃焼ガス中に生成されているプロンプトＮＯと反応して還元する。また、新しい燃料あるいは燃料過剰の混合気の混合により、燃焼ガスが急冷されゼルドビッチＮＯの生成反応を凍結する。このため、本発明で、燃焼器内はこの脱硝効果により、燃焼の安定化を実現しつつ、より一層のＮＯｘ排出量の低減を図ることが可能になる。
【００２３】
なお、従来の希薄予混合燃焼器においては、負荷変化時特にターンダウン時に、燃焼速度の極端に遅い希薄混合気条件となり、火炎が燃焼器保炎部から浮き上がり吹き飛ぶ現象や燃焼室内壁付近を戻る逆火現象が起こることがある。そこで、複数の噴孔を備え、燃焼量に応じて燃焼用混合気を噴射する噴孔を選択的に切り替えることが好ましく、特に請求項５記載の燃焼器において、冷却用噴孔がターンダウン時には冷却用空気に代えて燃焼用混合気を噴射するものであることが好ましい。この場合には、ターンダウンによって火炎の温度が低下し、燃焼速度が低下する場合においても、冷却用空気に代えて燃焼用混合気を噴射させることにより、例えば燃焼速度が１／２に低下しても燃焼ガスと新たな混合気とを合流させる距離を１／２とすることで、新たな混合気反応開始温度を一定以上に維持しつつ、ゼルドビッチＮＯ生成段階直前に火炎温度を低減し、反応凍結を図ることができる。これにより、ＮＯｘ排出量の低減と燃焼の安定化を同時に実現することが可能になる。
【００２４】
また、上述の燃焼器において、噴孔が燃焼筒の周方向にずらして配置され、順次各噴孔を経由する燃焼ガスの旋回流を形成するものであること、あるいは噴孔が軸方向にずらして配置され、順次各噴孔を経由する燃焼ガスのスパイラル流を形成するものであることが好ましい。軸方向にずらされて配置される噴孔は同一軸線方向に並べて複数の噴孔を配置しても良いし、周方向にずらしながらかつ軸方向にもずらして配置することも可能である。
【００２５】
さらに、本発明の希薄予混合燃焼方法においては、混合気の流れは燃焼筒の周方向に沿って流動する回帰流あるいは旋回流を形成することが燃焼筒の頭部に火炎を固定して火炎の吹き飛びを防ぐ上で好ましいが、燃焼の安定化を図るにはこれに特に限定されず、燃焼場の近傍で、燃焼反応後の流動する燃焼ガスと未燃焼の新たな混合気噴流とを合流させ、燃焼反応が進行した高温の活性化学種を含む燃焼ガスを未燃焼の混合気に混入させることにより希薄混合気の高温化を図り可燃範囲を広げると共に、活性化学種の混合により燃焼を安定化するようにしても良い。例えば、請求項１６記載の発明は、ガス燃料または液体燃料を主燃料として用い短時間に燃焼反応を完了させる希薄混合燃焼方法において、燃焼場の近傍で、燃焼反応が進行した燃焼反応過程で通常最も遅い段階で生成・酸化する一酸化炭素の反応が進行して予め設定された燃焼器出口のおける一酸化炭素濃度に達した直後に、前記燃焼ガスに空気を噴射して混合し、燃焼ガスの温度を冷却することにより一酸化炭素よりも生成速度の遅いゼルドビッチＮＯの生成反応を抑制、凍結するようにしている。この場合には、炭化水素系燃料の酸化過程でほぼ最後に完結する一酸化炭素の酸化反応よりも更に遅れて生成するゼルドビッチＮＯの生成反応が凍結されてその増加が抑制される。
【００２６】
さらに、請求項１７記載の発明は、ガス燃料または液体燃料を主燃料として用い短時間に燃焼反応を完了させる希薄混合燃焼方法において、燃焼場の近傍で、燃焼反応が進行した燃焼反応過程で通常最も遅い段階で生成・酸化する一酸化炭素の反応が進行して予め設定された燃焼器出口のおける一酸化炭素濃度に達した直後に、前記燃焼ガスに燃料または燃料過剰条件の混合気を噴射して混合し、燃焼ガス中のプロンプトＮＯを新たに導入した前記燃料または燃料過剰条件の混合気中の燃料により還元するようにしている。この場合には、燃焼ガス中に生成されているプロンプトＮＯが新たに噴射される燃料あるいは燃料過剰条件の混合気中の燃料と反応して還元する。
【００２７】
さらに、請求項１８記載の発明は、請求項１６または１７記載の希薄予混合燃焼方法において、火炎は燃焼器の円筒状の燃焼筒の周壁に沿って流動する旋回流あるいは回帰流を形成しているものである。この場合には、混合気の流れが燃焼筒の周方向に沿って流動し回帰あるいは旋回する火炎を形成することから、燃焼筒の頭部に火炎が固定されて吹き飛ぶことがなく、燃焼の安定化が図られる。
【発明の効果】
【００２８】
請求項１記載の希薄予混合燃焼器並びに請求項１０記載の希薄予混合燃焼方法によれば、燃焼筒内に噴射された主燃料と空気の混合気は燃焼しながら燃焼筒の周方向に沿って流動して未燃焼の混合気噴流に合流し、燃焼反応が進行した高温の活性化学種を含む燃焼ガスが新たな未燃焼混合気に混入するようにしているので、高温の活性化学種を含む多量の燃焼ガスが混合気に混入することにより、混合気の温度が上昇し反応速度が大きくなるのと、活性化学種を含むことによる相乗効果が得られ、反応性を格段に増大させることが可能であり、燃焼器の安定した保炎を維持することができる。このことにより、混合気の一層の希薄化即ちより一層の希薄燃焼の実現を可能とし、均一燃焼による局所高温領域の減少の実現に因るＮＯｘ低減効果が得られる。加えて、未燃焼混合気の温度を上昇することにより可燃範囲を拡大させ、また活性化学種を混合させることにより混合気の一層の希薄化を図ることが可能であり、全量の空気を燃焼場に噴射可能となるので、燃焼ガス温度を設定燃焼器出口ガス温度まで引き下げるための希釈用空気を燃焼場の下流で噴射する必要がなくなり、燃焼反応時間を格段に短くすることでゼルドビッチＮＯの生成を抑制できる。さらに、混合気の流量や流速を増加させる場合、即ち燃焼量を増加させ、単位容積当りの熱発生量を増加させる場合にも、燃焼ガスが未燃焼の混合気に流入、混合するまでの滞留時間が、流量および流速に反比例して短くなるものの、設置する噴孔の使用数や位置を変更し、自己燃焼ガスの燃焼反応時間を制御し、その燃焼ガスの回帰または上流側噴流からの燃焼ガス混入により、ガス温度の上昇に伴う可燃範囲の拡大と活性化学種の混入による反応性の向上が達成されるので、燃焼器保炎部から噴流火炎が吹き飛ぶことは無く、安定した保炎を維持することができる。即ち、ガスタービンやボイラ用燃焼器で一般に用いられている軸流旋回保炎方式に比べて燃焼安定性が格段に高くなる。
【００２９】
しかも、円筒状の燃焼筒の周壁に沿って周方向に流動する火炎を形成しかつその燃焼ガスが未燃焼の混合気噴流に合流する旋回流あるいは回帰流を形成することから、火炎を燃焼筒の頭部に固定でき、短い燃焼筒内でも燃焼反応を完結して未燃分具体的には一酸化炭素を排出することがない。そして、短い燃焼筒の実現は、装置のコンパクト化を可能とすると共にゼルドビッチＮＯの生成反応を起こす間もなく燃焼ガスの燃焼筒外への排出を可能とするため、ＮＯｘの発生量を低減できる。また、燃焼ガスが周方向に旋回するように流動しながら火炎位置が固定されるため、混合気の噴射流速を上げても火炎が吹き飛ぶことがなく、安定した保炎が実現できる。即ち、燃焼の安定化を実現しつつ、より一層のＮＯｘ排出量の低減を図ることが可能になる。
【００３０】
さらに、本発明の燃焼器では高温燃焼ガスを回帰あるいは旋回させて未燃焼の混合気と混合することで燃焼安定性を高めているので、燃焼器内の燃焼領域に焼損の原因となる保炎のためのスクープやガッタ等突起物を設ける必要が無く、耐久性および信頼性を犠牲にすることが無い。
【００３１】
また、請求項２記載の希薄予混合燃焼器並びに請求項１１記載の希薄予混合燃焼方法によれば、燃焼筒の大きさにかかわらず、上流側の燃焼ガス中の一酸化炭素の酸化反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に達した後以降でかつ高温の活性化学種を十分に含む状況下に新たな未燃焼の混合気を混入させる噴孔配置を実現できるので、必ず上流側から流れてくる燃焼反応が進行した高温の活性化学種を含む燃焼ガスが確実に未燃焼の新たな混合気噴流に合流して混入し、未燃焼混合気の温度を急速に高めて可燃範囲を広げて燃焼を安定化すると共に活性化学種の混合により燃焼反応を促進することが可能となる。
【００３２】
また、請求項３記載の希薄予混合燃焼器並びに請求項１２記載の希薄予混合燃焼方法によれば、燃焼ガス中の一酸化炭素の酸化反応が進行して十分に一酸化炭素量が低減された状態即ち未燃焼成分として一酸化炭素のを燃焼器出口での排出許容値まで低減させた状態で未燃混合気と混合されるので、燃焼の安定化と共に未燃混合気の混合による燃焼ガスの冷却効果で混合後のゼルドビッチＮＯの発生を抑制できる。このため、未燃焼分が排出されることなく燃焼が安定化すると共に、火炎温度の低下によるゼルドビッチＮＯの抑制と相まってＮＯｘ排出量の更なる低減を図ることが可能になる。
【００３３】
また、請求項４記載の希薄予混合燃焼器並びに請求項１３記載の希薄予混合燃焼方法によれば、一酸化炭素の酸化反応が進行して燃焼器排出量レベルとして設定された一酸化炭素濃度となった時点で燃焼ガスが未燃の混合気との混合により冷却されて反応凍結されるので、ゼルドビッチＮＯの生成を最低限に抑えてより一層のＮＯｘ排出量の低減を図ることが可能になる。
【００３４】
また、請求項５記載の希薄予混合燃焼器並びに請求項１４および１６記載の希薄予混合燃焼方法によれば、燃料の酸化の過程でほぼ最後に生成・酸化される一酸化炭素が十分に減少したタイミングで反応凍結用空気が供給されて、燃料の酸化反応に比較して遅い反応であるゼルドビッチＮＯ生成反応を凍結するようにしているので、燃焼効率および燃焼安定性を損なうことなく低ＮＯｘ燃焼が実現できる。しかも、冷却用空気が噴射された時点では未燃焼分はほぼないため、燃焼筒を短くできることからもゼルドビッチＮＯの発生を抑制できる。ここで、燃焼ガス中の一酸化炭素の酸化反応が進行して燃焼器排出量レベルとして設定された一酸化炭素濃度となった時点で、選択された量の冷却用空気例えば予め設定された燃焼器出口ガス温度並びに吐出量に調整するための希釈用の残りの空気を噴射、混合してゼルドビッチＮＯ生成段階直前に火炎温度を低減することができるので、燃焼反応に供する混合気を安定な可燃範囲としたものを用いながら、全体として要求される燃焼器出口温度、圧力に調整された燃焼ガスを得ることができる。これにより、ゼルドビッチＮＯの生成を最低限に抑えてＮＯｘ排出量の低減と燃焼の安定化を同時に実現することが可能になる。
【００３５】
また、請求項６記載の希薄予混合燃焼器並びに請求項１５および１７記載の希薄予混合燃焼方法によれば、燃焼ガス中の一酸化炭素が十分に低減した状態になった時点で新しい燃料または燃料過剰の混合気を供給して混合することにより、燃焼ガス（主混合気噴流火炎）中に生成されているプロンプトＮＯを新たに供給した燃料成分(二次燃料成分の活性基)により窒素分子(N２)に還元することができる。これにより、希薄予混合燃焼でＮＯｘ生成抑制が難しくなる燃焼条件、例えばタービン流入ガス温度が１５００℃以上の高温燃焼の場合や燃料中にＮＯｘの要因となる窒素(フュエルN)分を含む場合、さらにはプロンプトＮＯの還元など、燃焼効率および燃焼安定性を損なうことなく低ＮＯｘ燃焼が実現できる。さらに、新しい燃料あるいは燃料過剰の混合気の混合により、燃焼ガスが急冷されゼルドビッチＮＯの生成反応が凍結されることによって、ゼルドビッチＮＯの生成も抑制される。これにより、本発明の希薄予混合燃焼器並びに燃焼方法によると、脱硝効果さらにはゼルドビッチＮＯの生成抑制により、燃焼の安定化を実現しつつ、より一層のＮＯｘ排出量の低減を図ることが可能になる。
【００３６】
また、請求項７記載の発明によると、ターンダウンによって火炎の温度が低下する場合においても、冷却用空気に代えて燃焼用混合気を噴射させることにより、燃焼ガスの温度が比較的高い位置で燃焼ガスと新たな混合気とを合流させることで、新たな混合気反応開始温度を一定以上に維持しつつ、ゼルドビッチＮＯ生成段階直前に火炎温度を低減し、反応凍結を図ることができる。これにより、ＮＯｘ排出量の低減と燃焼の安定化を同時に実現することが可能になる。
【００３７】
また、請求項８記載の発明並びに９記載の発明にかかる燃焼器によると、各噴孔あるいはその近傍を通過する燃焼ガスの旋回流あるいはスパイラル流が形成されるため、燃焼ガスと新たな未燃の混合気とが確実に混合して、安定火炎を形成できる。
【００３８】
さらに、請求項１６記載の発明にかかる希薄混合燃焼方法によると、混合気を燃焼筒の周方向に沿って流動させて回帰流あるいは旋回流を形成させる場合に限らず、軸流旋回保炎方式に適用してもゼルドビッチＮＯの生成反応の凍結によるＮＯｘ低減効果が得られる。また、旋回火炎とする場合には、燃焼筒の頭部に火炎を固定して火炎の吹き飛びを防ぐことができて燃焼の安定化を図ることができる。
【００３９】
さらに、請求項１７記載の発明にかかる希薄混合燃焼方法によると、混合気を燃焼筒の周方向に沿って流動させて回帰流あるいは旋回流を形成させる場合に限らず、軸流旋回保炎方式に適用しても燃焼ガス中のプロンプトＮＯを新たに導入した燃料または燃料過剰条件の混合気中の燃料により還元することができると共に新たな燃料または燃料過剰条件の混合気の混入による燃焼ガスの冷却効果によるゼルドビッチＮＯの生成反応の凍結によるＮＯｘ低減効果も得られる。また、旋回火炎とする場合には、燃焼筒の頭部に火炎を固定して火炎の吹き飛びを防ぐことができて燃焼の安定化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００４１】
本発明にかかる希薄予混合燃焼器は、円筒状の燃焼筒の周壁に該燃焼筒の周方向に混合気を噴射させ燃焼筒の周方向に沿って流動する火炎を形成しかつその燃焼ガスが噴射直後の未燃焼の混合気噴流に合流する旋回流あるいは回帰流を形成する少なくとも１つの噴孔を備え、燃焼反応が進行した高温の活性化学種を含む燃焼ガスが噴射直後の未燃焼の混合気に混入されるようにしたものである。ここで、噴孔は燃焼ガスの回帰流を形成する場合には少なくとも１つ備えられていれば足りるが、２つ以上備えられる場合には燃焼筒の大きさに応じて噴孔位置を燃焼筒の周方向あるいは軸方向もしくは双方に適宜ずらして配置することにより、燃焼反応が進行した高温の活性化学種を含む燃焼ガスが上流側から流れてきて新たな未燃焼の混合気に混入し、未燃焼混合気の温度を急速に高めて可燃範囲を広げて燃焼反応を促進すると共に活性化学種の混合により燃焼を安定化させることを実現できるのでサーマルＮＯｘの抑制のための燃焼器設計範囲が広がる。また、燃焼量を増加させても燃焼安定性が損なわれることは無く、燃焼器を高負荷化する場合にも好ましい。また、本発明の希薄予混合燃焼方法においては、混合気の流れは燃焼筒の周方向に沿って流動する回帰流あるいは旋回流を形成することが燃焼筒の頭部に火炎を固定して火炎の吹き飛びを防ぐ上で好ましいが、燃焼の安定化を図るためにはこれに特に限定されず、燃焼場の近傍で、燃焼反応後の流動する燃焼ガスと未燃焼の新たな混合気噴流とを合流させ、燃焼反応が進行した高温の活性化学種を含む燃焼ガスを未燃焼の混合気に混入させるだけでも十分である。この場合にも、希薄混合気の高温化を図り可燃範囲を広げると共に、活性化学種の混合により燃焼を安定化することができる。
【００４２】
さらに、この希薄予混合燃焼器においては、負荷変化時特にターンダウン時に、燃焼速度の極端に遅い希薄混合気条件となり、火炎が燃焼器保炎部から浮き上がり吹き飛ぶ現象や燃焼室内壁付近を戻る逆火現象が起こることがある。そこで、複数の噴孔を備え、燃焼量に応じて燃焼用混合気を噴射させる噴孔を選択的に切り替えることが好ましく、特に、混合気を噴射する噴孔とは別に燃焼ガス中の一酸化炭素の酸化反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に達した後のタイミングで冷却用の空気を噴射する第２の噴孔を備える場合には、ターンダウン時には冷却用空気に代えて燃焼用混合気を第２の噴孔から噴射することにより、燃焼ガスの温度を比較的低い条件下においても燃焼を安定的に維持することが可能である。そして、燃焼ガスと新たな混合気とを合流させることで、新たな混合気反応開始温度を一定以上に維持しつつ、ゼルドビッチＮＯ生成段階直前に火炎温度を低減し、反応凍結を図ることができる。これにより、ＮＯｘ排出量の低減と燃焼の安定化を同時に実現することが可能になる。
【００４３】
ここで、燃焼ガスが新たな未燃焼の主燃焼用の混合気と合流する時点は、一酸化炭素の酸化反応により二酸化炭素に変化する反応がほぼ完了した時点以降であればよく、保炎性だけを考慮する場合には一酸化炭素の反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に達した後でゼルドビッチＮＯが発生した後でもかまわない。もちろん、燃焼が完了した時点で未燃焼の主燃焼用混合気を供給すれば、燃焼ガスの温度を冷却するため、ゼルドビッチＮＯの生成反応を凍結する効果を発揮することも可能である。保炎性が高いため、ターンダウンさせても燃焼筒を短くすることが可能であり、ゼルドビッチＮＯの発生を抑えることができる。さらには、混合気の燃焼反応過程で通常最も遅い段階で生成・酸化する一酸化炭素の反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に移行した直後に、燃焼ガスに冷却用空気を噴射して混合し、燃焼ガスの温度を冷却することにより一酸化炭素よりも生成速度の遅いゼルドビッチＮＯの生成反応を抑制、凍結すること、あるいは燃焼ガスに燃料もしくは燃焼用混合気よりも燃料濃度の濃い還元用混合気を噴射して混合し、プロンプトＮＯを還元すると共に一酸化炭素よりも生成速度の遅いゼルドビッチＮＯの生成を抑制、凍結することも可能である。
【００４４】
なお、定格燃焼時における混合気の流速、温度、火炎の位置、燃焼反応に要する時間並びに燃焼反応がほぼ完了する位置などは、燃焼器の寸法や運転条件などが定まっているので、予め計算により求まる。そこで、燃焼反応が進行した高温の活性化学種を含む燃焼ガスが新たに噴射される未燃焼の混合気に混入される位置、好ましくは燃焼ガス中の一酸化炭素の酸化反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に達した後、最も好ましくは同一酸化炭素濃度に達した直後の位置を予め算出しておき、その算出された位置に新たな混合気を噴射する第１の噴孔５あるいは冷却用空気ないしは還元用燃料などを噴出する第２の噴孔を設けておく。
【００４５】
図１に示す第１の実施形態の燃焼器は、ガス燃料または液体燃料を主燃料３として用い予め燃焼用空気１と混合してから供給する希薄予混合燃焼器であり、定格燃焼時における燃焼反応が燃焼筒７の半周程度でほぼ完了するように構成されたものである。つまり、燃焼用空気１と主燃料３とを予め噴射前に予混合スペース１６で混合して得られた混合気４を燃焼室６に噴射する第１の噴孔５を１８０°間隔で燃焼筒７の周壁に２つ備えている。燃焼器は、燃焼用空気１を供給する空気供給管１４、起動用燃料２を噴霧する燃料供給管１８、ガス燃料または液体燃料等の主燃料３を供給する管１５、燃料３と空気１の混合気４を燃焼筒７内に噴射する第１の噴孔５、混合気４を燃焼させる燃焼室６と燃焼室６を形成する燃焼筒７を有するものである。起動用燃料２の噴霧位置は混合気の循環到達する任意の場所が可能である。
【００４６】
本発明における燃焼器では、空気１を供給し、次に起動用燃料２を供給し噴霧８を形成させ、点火栓１０などにより着火し、次に噴孔５からの主燃料混合気に着火させて燃焼ガス９を得る。図２に燃焼器の起動用燃料２から主燃料３への切り替え運転の実施形態の一例を示す様に、起動用燃料２を供給し着火と安定燃焼を確保した後、ガスタービン負荷を上昇させる。負荷上昇は、空気供給部１中に主燃料３を供給し始め、混合気４を噴孔５から噴射することによってなされる。主燃料３の供給開始に伴って起動用燃料２は通常遮断される。主燃料３の供給量を増加させ、負荷を１００％まで上昇させる。本実施形態では、混合気４は燃焼器の燃焼筒７の接線方向に噴射しており、その未燃焼混合気は自己あるいは隣接上流側燃焼ガスの高温源により予熱され保炎する。起動用燃料２は排出性能を満足させ得る限り、主燃料３に切り替わった後にも安定燃焼維持のため供給する場合がある。なお、点火プラグ１０は燃焼器着火後は焼損しないように燃焼筒７の外に引き抜かれる。
【００４７】
上述した実施形態では、混合気４は第１の噴孔５から燃焼筒の周方向に沿って流動しながら燃焼反応を進捗させ、混合気４の噴流が流れ方向下流側の新たな未燃焼の混合気噴流に合流し、高温の活性化学種を含む燃焼ガスが未燃焼の燃料・空気混合気に混入する機構を持たせている。この場合、高温の活性化学種が混合気に混入することにより、混合気の温度が上昇し反応速度が大きくなることと、活性化学種を含むことによる化学反応促進の相乗効果が得られ、燃焼反応速度を格段に上昇させて火炎の安定化をはかることが可能である。
【００４８】
また、上述の実施形態では、運転時において、燃料・空気の混合気４を実際に噴射させる噴孔数、混合気の噴射量および流速の調整によって、あるいは燃焼器の設計段階における燃焼筒の直径や噴孔の位置や数など調整によって、燃焼反応の制御を行うことが可能である。このため、燃焼器サイズが異なり、また広範囲にわたる出力のガスタービンでも、ほぼ同じ燃焼反応制御効果を得ることが可能となる。
【００４９】
図３〜６に本発明の第２の実施形態を示す。尚、この第２の実施形態において上述の第１の実施形態と同様の構成要素については、同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００５０】
この第２の実施形態の燃焼器は、２種の噴孔を少なくとも１組以上備え、第１の噴孔からは混合気を噴射して火炎を形成し、第２の噴孔からは燃焼の反応過程で通常最も遅い段階で生成・酸化する一酸化炭素の酸化反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に近づいた箇所で、燃焼ガスに冷却用の空気を噴射して、一酸化炭素よりも生成速度の遅いゼルドビッチＮＯの生成を抑制、凍結するようにしたものである。
【００５１】
この場合には、燃焼ガス中の一酸化炭素の酸化反応が進行して燃焼器排出量レベルとして設定された一酸化炭素濃度となった時点で、選択された量の冷却用空気例えば予め設定された燃焼器出口ガス温度並びに吐出量に調整するための希釈用の残りの空気を噴射、混合してゼルドビッチＮＯ生成段階直前に火炎温度を低減し、反応凍結を図ることができる。これにより、ゼルドビッチＮＯの生成を最低限に抑えてＮＯｘ排出量の低減と燃焼の安定化を同時に実現することが可能になる。
【００５２】
例えば、図３に示すように、混合気噴流中で反応時刻ｔ１で空気を噴流に導入、混合して燃焼反応の凍結を図る構造である。この場合、燃焼ガス中の未燃焼成分濃度である一酸化炭素一酸化炭素)が十分に減少した円周方向位置の壁面より反応凍結用空気１ｂを供給し、燃料の酸化反応に比較して遅い反応であるＮＯｘ生成反応を凍結する。凍結用空気等導入位置は最もＮＯｘ低減を要する定常作動条件時に効果を発揮するように定める。これにより、燃焼効率および燃焼安定性を損なうことなく低ＮＯｘ燃焼が実現できる。
【００５３】
図３に典型的なガスタービン作動条件において燃料であるＬＮＧの主成分のメタン(ＣＨ４)の反応時間の経過と一酸化炭素一酸化炭素)および窒素酸化物(ＮＯｘ)の生成経過を素反応解析により調べた結果の一例を示す。解析に使用した素反応スキームはMillerとbowmanによって提案されたもの(Miller,J.A., and ｂowman,C.T., １９８９, Mechanism and modeling of nitrogen chemistry in 一酸化炭素mｂustion, Prog. Energy 一酸化炭素mｂust. Sci., vol.１５, pp.２８７-３３８.)で、その適用範囲は実験結果と比較することにより確認されている。また、解析では、反応スキームの非線形微分方程式系をGEAR法を用いて解き、使用した熱力学データはJANAFの熱化学物性値(Chase,Jr.M.W., Davies,C.A., Downey,Jr.J.R., Frurip,D.J., McDonald,R.A. and Syverud, A.N., １９８５, JANAF Thermodynamical taｂles ３rd Edition., J. Phys. Chem. Reference Data, vol.１４.)およびＣＨEMKINデータベース(Kee,R.J., Rupley,F.M., and Miller,J.A., １９９０, Sandia Report, SAND ８７-８２１５ｂ.)から求めた。ＣＨ４の酸化分解過程では、主に、ＣＨ４→ＣＨ３→ＣＨ２→ＣＨ→一酸化炭素→二酸化炭素と酸化される。その反応に伴い生じる高温雰囲気中で主に空気中の窒素分(N２)が酸化され、燃焼器からＮＯｘ（プロンプトＮＯとゼルドビッチＮＯ）として排出される。一酸化炭素およびＮＯｘ生成特性の経時変化を調べてみると、例えば一般的なガスタービン燃焼器の燃焼ガス滞留時間ｔ０でＮＯｘはモル分率にしてC０生成されるのに対して、炭化水素燃料の燃焼反応で最も遅い一酸化炭素が最終段階のほぼ近似的な平衡状態に達する反応時間ｔ１ではＮＯｘはほぼプロンプトＮＯだけとなり通常燃焼器排出濃度よりひと桁以上少ないモル濃度のC１(<C０)しか生成されない。すなわち、一酸化炭素の酸化反応がほぼ終了した段階でゼルドビッチＮＯ生成反応を凍結できれば、未燃焼成分がほとんど排出されない状態でゼルドビッチＮＯ生成を抑制でき、ＮＯｘ排出量を大幅に低減できる。
【００５４】
例えば、図１に示すような缶型燃焼器の直径を３５０mmとし、１缶の燃焼器に供給する空気と燃料(ＬＮＧ)の供給量の合計を２０kg/sとする１３００℃級多缶型ガスタービンを考える。主燃料３と燃焼用空気１の混合気４の噴孔５における燃料と空気の混合比を完全燃焼した場合に１７００℃になるように設定し、噴孔５の断面積を燃焼器出口断面積の約１/３５とすると、燃焼時間ｔ１=約０.４msecで燃焼ガスが燃焼器断面の内壁面を半周することになり、噴孔５から燃焼器断面の周方向に１８０度の位置に残りの空気１ｂを噴射する第２の噴孔１３を設け、残りの空気１ｂにより燃焼ガスを希釈することにより図３に示すＮＯｘ(C１)よりもさらにＮＯｘ濃度を低減する燃焼器を実現できる。なお、同様の設計条件では、図１の燃焼器において燃焼反応後の流動する燃焼ガスと未燃焼の新たな混合気噴流とを合流させる場合には、１８０°間隔で２つの第１の噴孔５を配置することとなる。
【００５５】
また、この燃焼器は、例えば図４並びに図５に示すように、必要に応じて第１噴孔５と第２の噴孔１３との間隔を狭めて複数組備えるようにしても良い。この場合においても、燃焼器に供給する主燃焼用空気１ａと主燃料３は領域１１ａにおいて混合気を形成する。形成された混合気は噴孔５から噴出され、領域１１ｂにおいて燃焼ガス１２と混合することにより昇温され、且つ高温の活性化学種の混入により燃料の酸化反応が促進される。さらに、領域１１ｃにて燃焼反応が進行し、燃焼反応のほぼ最終段階で生成される一酸化炭素の完全燃焼を図る。なお、空気１は燃焼用空気１ａと冷却用空気１ｂとに分けられ、冷却用空気は第２空気供給管１７を介して第２の噴孔１３を経て火炎の一酸化炭素酸化反応領域１１ｃへ向けて噴射される。図３に示したように、一酸化炭素濃度がほぼ平衡に達した時点では一般的に問題となる熱化学反応によって生成するＮＯｘ、すなわちゼルドビッチＮＯは生成されていない。この時点で燃焼ガスの反応凍結を図る空気１ｂを供給して領域１１ｄにおいて反応凍結を図ることにより、ガスタービン燃焼器やボイラ燃焼器で生成されるＮＯｘの大半を占めるゼルドビッチＮＯの生成を抑制することが可能となる。さらに、反応が完了した燃焼ガス１２は次の噴孔５から流入する主燃焼用空気１ａと主燃料３の混合気に混合され、混合気の昇温サイクルを形成する。この際の燃焼器保炎部断面における燃焼ガス流れの経時変化を模式化して図６に示す。図６中に示す記号は図５における各領域を示す記号に対応している。領域１１ａでは混合気が形成され、領域１１ｂにて主燃料３と主燃焼用空気１ａとの混合気と燃焼ガス１２が衝突、混合することによりガス温度が昇温される。この際、炭化水素系燃料は分解反応を開始し、燃焼反応時にほぼ最終段階で生成される一酸化炭素濃度が増加する。明確には区別できないが、領域１１ｂに続く燃焼領域１１ｃにて燃料の燃焼反応がほぼ平衡状態を達成した段階で、希釈用空気等１ｂを供給し、燃焼反応の凍結を図る。図３にも示したように、希釈用空気等１ｂの供給により燃焼器保炎部におけるガス温度を低下させ、一酸化炭素の酸化過程よりも遅く生成されるゼルドビッチＮＯの反応凍結を図る。これにより、希釈用空気１ｂを導入しない場合に比較して、大幅にＮＯｘ生成濃度を低減することが可能となる。即ち、従来の希薄予混合燃焼方式で安定な保炎を維持できる温度Ｔ１(図６の希釈用空気１ｂの供給無し時のガス温度に相当)に比較して、本実施形態の希薄予混合燃焼器では燃焼反応が進行した燃焼ガスが未燃焼の混合気に混入することで未燃焼混合気が予熱されており、可燃下限界が広がることと、活性化学種を含むことから通常では燃焼の不安定を招く超希薄混合気でも燃焼反応が進行する。特に、燃焼ガスの自己回帰機構を有する本保炎方式では火炎の吹き飛びに対して通常の軸流バーナ方式に比較して格段に優れておりゼルドビッチＮＯが生成しない程度の低いガス温度T２でも安定な保炎ができる。このため、燃焼器保炎部より下流ではＮＯｘ濃度は増加せず、一層の低ＮＯｘ燃焼と安定燃焼を同時に実現することが可能になる。
【００５６】
ここで、冷却用空気即ち希釈用空気１ｂとしては、例えば予め設定された燃焼器出口ガス温度並びに吐出量に調整するための希釈用の残りの空気を噴射できる。一例を挙げてみると、ＣＨ４を燃料とする１５００℃級燃焼器(圧縮比約１８、燃焼用空気温度４００℃)の場合において、燃焼領域１１ｃで一酸化炭素をほぼ平衡濃度まで低減するために必要な空気比を約１.２と仮定すると、希釈用空気１ｂとして供給できる空気量は全空気量の約４０％ないし、それ以下の範囲となる。さらに、燃焼領域１１ｃにおける空気比を１.１にまで低下させた場合は、希釈用空気１ｂは最大で約４４％まで使用できる。なお、反応凍結用空気１ｂは、図５に示すように燃焼器の燃焼筒の中心軸方向にやや傾けて噴射することにより、高温の燃焼ガス噴流に混合して反応凍結を図っているが、場合によっては燃焼用の混合気と同様に反応凍結用空気１ｂの噴射方向を燃焼筒の接線方向へ向けた方向成分を持たせるようにしても良い。
【００５７】
なお、図４並びに図５に示すような、燃焼筒７の周壁に複数組の第１の噴孔５と第２の噴孔１３とを備える燃焼器あるいは複数の第１の噴孔５を備える燃焼器の場合には、負荷変化時特にターンダウン時に、燃焼量に応じて燃焼用混合気を噴射させる噴孔を選択的に切り替えることができ、さらには第２の噴孔１３から冷却用空気に代えて燃焼用混合気４を噴射することにより、混合気反応開始温度を一定以上に維持しつつ、ゼルドビッチＮＯ生成段階直前に火炎温度を低減できる。これにより、ＮＯｘ排出量の低減と燃焼の安定化を同時に実現することが可能になる。
【００５８】
また、図７に本発明の第３の実施形態を示す。この実施形態の燃焼器は、具体的な燃焼器の構成は特に図示していないが、例えば図４並びに図５に示す燃焼器の冷却用空気を噴射する第２の噴孔から燃料または燃料過剰条件の混合気を噴射することで実現される。即ち、燃焼ガスの旋回流動の流れに沿って２種の噴孔を少なくとも１組以上備え、第１の噴孔からは混合気を噴射して火炎を形成し、第２の噴孔からは燃焼の反応過程で通常最も遅い段階で生成・酸化する一酸化炭素の酸化反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に近づいた箇所で、燃焼ガスに燃料または燃料過剰条件の混合気を噴射することにより、第１の噴孔から噴射される燃料と空気の混合気で形成される火炎内で生成されるプロンプトＮＯを第２噴孔から新たに導入した燃料または燃料過剰条件の混合気中の燃料により還元すると共に一酸化炭素よりも生成速度の遅いゼルドビッチＮＯの生成を抑制、凍結するようにしたものである。なお、図７には、燃焼器におけるＬＮＧの主成分であるメタン(ＣＨ４)を燃料とした場合について、一酸化炭素(一酸化炭素)および窒素酸化物(ＮＯｘ)の生成量の時間経過の例を燃焼器出口ガス温度が１５００℃と１７００℃の２条件について示している。
【００５９】
本実施形態の燃焼器においては、混合気の燃焼の反応過程で通常最も遅い段階で生成・酸化する一酸化炭素の酸化反応が進行して予め設定された燃焼器出口における一酸化炭素濃度に近づいた箇所で、燃焼ガスに燃料または燃料過剰条件の混合気を噴射することにより、火炎内で生成されるプロンプトＮＯを還元すると共に一酸化炭素よりも生成速度の遅いゼルドビッチＮＯの生成を抑制、凍結するようにしたものである。例えば、図７に示したように燃焼器出口ガス温度として１７００℃を得る場合において、燃焼器保炎部の燃料・空気混合気による噴流火炎の温度を１５００℃に維持すると、反応時間ｔ０で燃料の燃焼反応の最終反応成分である一酸化炭素は近似的な平衡状態即ち予め設定した燃焼器出口の一酸化炭素濃度に至り、そのときＮＯｘはモル分率にしてC０生成される。そして、燃焼ガス中に燃料または主燃料の混合気よりは燃料過剰条件の混合気を供給することにより、燃焼温度を１７００℃まで上昇させるのと同時に、燃焼により生成されたプロンプトＮＯを還元する。この場合、新たに供給した燃料成分(二次燃料成分)の燃焼に必要な反応時間は主混合気の場合に比較して短く、特にゼルドビッチＮＯ生成反応が進展するに必要な時間よりも格段に短い。しかも主混合気の燃焼に起因して生成されたプロンプトＮＯと一部生成されたゼルドビッチＮＯは二次燃料成分によりN２に還元できる。このため、１７００℃の燃焼器出口ガスを得る場合に、第１あるいは第２の実施形態または従来の希薄予混合燃焼法ではＮＯｘがC１またはそれ以上生成されるのに対して、本実施形態ではＮＯｘをモル分率C０またはそれ以下に低減可能である。
【００６０】
ここで、本実施形態の希薄混合気燃焼器並びに燃焼方法をガスタービン用燃焼器に適用する場合には、ガスタービンの運用が幅広い負荷範囲で実施されることから、燃焼ガス温度によって燃料または燃料・空気混合気の供給する反応時間が異なるため、最もＮＯｘ低減を要する高負荷定常運転条件に合わせて噴孔の位置、数、供給混合気量、混合気濃度等を調整することが必要である。
【００６１】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変形が実施可能である。例えば、図１並びに図４の実施形態では燃焼用の混合気４の噴射方向は燃焼器の接線方向に設定しているが、場合によっては保炎性能を損なわない限り燃焼筒７の中心軸方向へ向けた流速成分または中心軸方向成分を持たせても良い。また、冷却用空気あるいは還元用燃料の噴射方向についても同様である。さらに、第１の実施形態では、燃焼筒の周方向に２カ所の燃焼用混合気を噴出する第１の噴孔を備えるようにしているが、燃焼反応の完結が燃焼筒を１周したときに完了する寸法の燃焼筒の場合には、第１の噴孔は少なくとも１カ所で足り、旋回回帰する燃焼ガスと新たに噴射される未燃焼の混合気噴流とを合流させることで、燃焼筒の周方向に流動する燃焼ガスが噴射位置に回帰したときに新たに噴射された未燃焼の混合気と合流することにより、回帰してきた燃焼ガスの熱と高温の活性化学種が混合気に混入することにより、混合気の温度が上昇し反応速度が大きくなることと、活性化学種を含むことによる化学反応促進の相乗効果が得られ、燃焼反応を促進させて火炎の安定化をはかることが可能である。さらに、第１の噴孔は周方向に少なくとも１カ所備えられれば良いが、軸方向にずらして配置するようにしても良い。また、燃焼器の燃焼負荷率または燃焼量の増加に伴い主燃焼用空気１ａおよび主燃料３が増加し、そのため同じ噴孔面積、噴孔数の場合には混合気噴出流速が上昇する。その場合、予め設計・製作の段階において必要に応じて噴孔５(図４)の噴口径を増加させたり、噴孔５および希釈用空気１ｂの口数を増加させておくことで対処したり、さらには場合によっては運転中に噴口径を変化させる可変絞りなどを用いて対処する方法なども実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる燃焼器を示す概略図である。
【図２】ガスタービンの燃料切り替え運転の概略を示す図である。
【図３】燃焼器の燃焼反応の進行に伴い生成する一酸化炭素およびＮＯｘ成分と燃料成分(ＣＨ４)の経時変化を示す概略図である。
【図４】本発明の第２の実施形態にかかる燃焼器を示す概略図である。
【図５】図４に示す燃焼器における燃料および空気混合気の噴孔を含む燃焼筒周方向断面における燃焼ガス流状態を示す模式図である。
【図６】図５に示す本発明の燃焼器例における燃焼反応の進行状況について、燃焼ガス温度と未燃焼ガス成分中の最終成分である一酸化炭素と生成されるＮＯｘ成分の経時変化の過程を示す概略図である。
【図７】本発明の第３の実施形態にかかる燃焼器の燃焼反応の進行に伴い生成する一酸化炭素およびＮＯｘ成分の経時変化を示す概略図である。図示する反応時間後にＮＯｘ還元用の燃料等を供給することにより、ＮＯｘ生成を抑制しつつ、燃焼ガス温度を上昇させることが可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１  燃焼用空気
１ａ 燃焼器に供給する主燃焼用空気
１ｂ 反応凍結を目的に供給する空気
２  起動用燃料
３  主燃料
４  主燃料と燃焼用空気の混合気
５  主燃料と燃焼用空気の混合気の噴孔
６  燃焼室
７  燃焼筒
８  噴霧された起動用燃料
９  燃焼器排気ガス
１０  点火栓
１１ａ  主燃料と主燃焼用空気の混合気形成領域
１１ｂ 混合気が燃焼ガスの混合より昇温し、且つ反応が進行する領域
１１ｃ 混合気の燃焼およびそれに伴い生成される一酸化炭素の酸化反応領域
１１ｄ 燃料の酸化反応がほぼ終了し、その後生成されるＮＯｘを抑制する反応凍結領域
１２  ＮＯｘ生成反応を凍結させた燃焼ガス流
T１   反応凍結を目的とした希釈用空気１ｂを供給しない場合の燃焼器保炎部の燃焼ガス温度
T２  反応凍結を目的とした希釈用空気１ｂを供給した場合の燃焼器保炎部の燃焼ガス温度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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