(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
接線方向に流入する旋回する燃焼空気流によって包囲される円錐形の液体燃料柱（４′）の形に液体燃料を内部で霧化する旋動流発生器（１）を備えたバーナ内でガス状、液状並びに中カロリー又は低カロリーの燃料を燃焼する方法において、
旋動流発生器（１）内へ接線方向に流入する旋回する燃焼空気流（３）に付加的にガス状及び／又は液状の燃料を噴入すると共に、前記旋動流発生器（１）の内部に配置された少なくとも１つの噴入手段（８）によって中カロリー又は低カロリーの燃料をバーナ軸線に沿った軸方向及び／又は共軸にのみ噴入し、旋動流発生器（１）内の、液体燃料用の噴射ノズルの領域の上流側で、噴入された中カロリー燃料又は低カロリー燃料を液状及びガス状の燃料並びに燃焼空気流（３）と混合して、予混合燃焼を生ぜしめることを特徴とする、バーナ内でガス状、液状並びに中カロリー又は低カロリーの燃料を燃焼する方法。
【請求項２】
中カロリー燃料又は低カロリー燃料を、希釈することなく、つまり窒素及び／又は水蒸気のような添加剤を添加することなく噴入する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
バーナ内で軸方向に拡張する、燃料と燃焼空気流（３）とから成る流動フィールドが、逆火の危険を低減又は回避するような大きな軸方向の流れ成分を有するようにする、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
中カロリー燃料又は低カロリー燃料を、石油又は重油のガス化によりガスとして採取する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
燃焼空気流（３）用の旋動流発生器（１）及び燃料を噴入する手段と、円錐形の液体燃料柱（４′）の形で前記旋動流発生器（１）内へ軸方向に噴霧される液状燃料用の少なくとも１つの第１の噴入装置（４）と、燃焼空気流（３）と一緒に前記旋動流発生器（１）内へ接線方向に噴入されるガス状及び／又は液状燃料用の少なくとも１つの第２の噴入装置（９）とを備えた、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法を実施するための、熱発生器用のバーナにおいて、旋動流発生器（１）内に、液体燃料柱（４′）へ向かってバーナ軸線に沿った軸方向及び／又は共軸方向でのみ、中カロリー燃料又は低カロリー燃料を前記旋動流発生器（１）の内部へ噴入させる少なくとも１つの第３の噴入装置（８）が設けられていることを特徴とする、熱発生器用のバーナ。
【請求項６】
第３の噴入装置（８）が、第１の噴入装置（４）の直ぐ下流側で旋動流発生器（１）に設けられている、請求項５記載のバーナ。
【請求項７】
旋動流発生器（１）が、中カロリー燃料又は低カロリー燃料を噴入させる個々の旋動流発生シェル殻板（６，６′，７，７′）から成っている、請求項５又は６記載のバーナ。
【請求項８】
各旋動流発生シェル殻板当り、単数又は複数の第３の噴入装置（８）が設けられている、請求項７記載のバーナ。
【請求項９】
第３の噴入装置（８）が、燃料を微分配する少なくとも１つのノズル出口を有している、請求項５から８までのいずれか１項記載のバーナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、旋動流（スワール）発生器を備えたバーナ内でガス状、液状並びに中カロリー又は低カロリーの燃料を燃焼する方法に関する。更に本発明は、前記方法を実施するための熱発生器用のバーナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５４７９１３号明細書に基づいて公知になっている熱発生器用のバーナは、当該刊行物の図１によれば旋動流発生器１００を設けており、該旋動流発生器内へ液体燃料が燃料ノズル１０３を通って円錐形の液体燃料噴流の形で軸方向に噴入される。該液体燃料噴流に対して接線方向にかつ角度を成して、旋動流発生器の旋動殻板間で燃焼空気流が旋動流発生器内へ導入され、該燃焼空気流は、適当な出口ノズルオリフィス１１７を介して殊にガス状燃料と混合される。出口ノズルオリフィス１１７は、主として天然ガスを噴入するために、要するに典型的には４６ＭＪ／ｋｇの高い発熱量を有する燃料を噴入するために使用される。２種類の燃料で運転される、二重バーナとも呼ばれる公知のバーナのその他全ての構成上の細部に関しては前掲のドイツ連邦共和国特許出願公開明細書を参照されたい。
【０００３】
例えば前掲刊行物に基づいて容易に推考できるような、熱発生器用のバーナ系は殊にガスタービン運転のために設計されている。ガスタービン適用分野では、二重バーナ用の燃料として使用される天然ガスと燃料油に加えて、将来はいわば慣用燃料よりも有毒物質が少なく燃焼される、殊に中カロリー又は低カロリーの燃料（Ｍｂｔｕ燃料又はＬＢｔｕ燃料）を使用しようとする要求が存在している。例えば石油又は重油のガス化からガスとして生じる、前記Ｍｂｔｕ燃料又はＬＢｔｕ燃料は多量の水素成分と一酸化炭素成分とを有し、しかもＭｂｔｕ燃料における発熱量は、天然ガスの発熱量の約１／３（約１５ＭＪ／ｋｇ）にすぎない。
【０００４】
原理的にはガス状の中カロリー燃料を、天然ガスのように接線方向の噴入オリフィスを通して燃焼空気流に混加することが可能ではあるが、これに伴って体積流が比較的増大することに基づいて旋動流発生器内において著しく高い局所的な圧力損失が発生し、生成する空気噴流の流動安定性に持続的に不利な影響を及ぼすことになる。その上、高い反応性を有する混加された中カロリー燃料の高い水素成分は、バーナ内への危険な逆火を惹起する大きなポテンシャルと成る。流動流内のこの種の刺激は、供給された燃料の異常燃焼を惹起し、これによって燃焼プロセスのエミッション値は、例えば排ガス内のＮＯx成分の顕著な上昇によって著しく悪化することになる。更にバーナ内への逆火によってバーナは過熱され、その結果、個々のバーナ構成部分は強い熱負荷に曝されてほぼ熱負荷限界に達する。
【０００５】
バーナ出口の近傍でＭＢｔｕ燃料を噴入する場合には、空気旋動流の安定性は実質的に影響を受けず、かつバーナ内への逆火を回避するとは云え、ごく短い混合区に基づいて、ＭＢｔｕ燃料と燃焼空気との間の混合が不完全になり、その結果、過度に高いＮＯxエミッションを伴った拡散状の燃焼が惹起されることになる。 ＮＯxエミッションは、窒素又は水蒸気を中カロリー燃料に相当多量に混加することによって低下されはするが、燃料のこのような希釈はガスタービンプラントの効率低下を惹起する。同等の事項は、ＬＢｔｕ燃料を使用する場合も大いに当て嵌まる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、接線方向に流入する旋回する燃焼空気流によって包囲される円錐形の液体燃料柱の形に液体燃料を内部で霧化する旋動流発生器を備えたバーナ内でガス状、液状並びに中カロリー又は低カロリーの燃料を燃焼する方法並びに該方法を実施するための熱発生器用のバーナを改良し、単一のバーナを使用して次の観点ａ）〜ｅ）に従って前記燃料種を燃焼させ得るようにすることである。すなわち：
ａ）環境を汚染するエミッション値の顕著な減少、特にＮＯxエミッション値及びＣＯエミッション値の顕著な低下；
ｂ）旋動流発生器内で生成する流動関係の安定化、特にバーナ内への逆火の減少又は除去；
ｃ）火炎安定性の保証；
ｄ）燃料の完全燃焼によるエネルギ利得；並びに
ｅ）中カロリー燃料を希釈せずにバーナ内へ噴入することによるガスタービンプラントの効率向上。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の方法上の構成手段は、請求項１に記載した通り、旋動流発生器内へ接線方向に流入する旋回する燃焼空気流に付加的にガス状及び／又は液状の燃料を噴入すると共に、前記旋動流発生器の内部に配置された少なくとも１つの噴入手段によって中カロリー又は低カロリーの燃料をバーナ軸線に沿った軸方向及び／又は共軸にのみ噴入し、旋動流発生器内の、液体燃料用の噴射ノズルの領域の上流側で、噴入された中カロリー燃料又は低カロリー燃料を液状及びガス状の燃料並びに燃焼空気流と混合して、予混合燃焼を生ぜしめる点にあり、また該方法の有利な構成手段は請求項２乃至４に記載されている。
【０００８】
同一の課題を解決するための、前記方法に従って作業する本発明のバーナの構成手段は、請求項５に記載した通り、旋動流発生器内に、液体燃料柱へ向かってバーナ軸線に沿った軸方向及び／又は共軸方向でのみ、中カロリー燃料又は低カロリー燃料を前記旋動流発生器の内部へ噴入させる少なくとも１つの第３の噴入装置が設けられている点にあり、また該バーナの有利な構成手段は請求項６乃至９に記載されている。
【０００９】
【発明の効果】
本発明の基礎を成す思想は、例えば天然ガスのようなガス状燃料、石油のような液体燃料、並びにＭｂｔｕ燃料又はＬＢｔｕ燃料とも呼ばれる中カロリー燃料又は低カロリー燃料を、旋動流発生器を備えた１つのバーナ内で一緒に燃焼させること、しかもその場合に前記の中カロリー燃料又は低カロリー燃料を、バーナ内もしくは旋動流発生器内へ軸方向及び／又は共軸方向に噴入させるようにすることである。旋動流発生器の内部への前記燃料の噴入は、殊に液体燃料用の噴射ノズルの近傍で行われ、該液体燃料は、噴入された状態では旋動流発生器もしくはバーナの内部で円錐形の液体燃料柱の形態をとる。斯くして、微細噴霧された液体燃料に加えて、旋動流発生器の内部へ噴入された中カロリー燃料又は低カロリー燃料を前記液体燃料と申し分無く混合することが保証される。
【００１０】
旋動流発生器の内部で中カロリー燃料もしくは低カロリー燃料を軸方向もしくは共軸方向に噴入することによって、バーナ流動フィールドに意味深い変化が生じる。つまり該バーナ流動フィールドの軸方向流動成分は、中カロリー燃料の付加的な噴入によって拡張され、かつバーナ流動フィールドの旋動流成分は、ほぼ等しく縮小される。しかしながら旋動流成分の縮小は、それ自体公知のように、例えば前掲のドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５４７９１３号明細書の特に第４欄、第５５行〜第６６行の記載から明らかなように、逆流ゾーンにおける火炎の安定化のために形成される所謂「逆流バブル」の不安定化を惹起する。
【００１１】
すでに述べた二重バーナ原理とは異なって、高められた軸方向の流動成分に基づいて流れが、逆流ゾーン内で形成される逆流バブルを規則的に吹き払うので、こうして逆火の危険は著しく低減される。
【００１２】
すでに初めに述べたように中カロリー燃料もしくは低カロリー燃料は高い水素成分を有しているので、高い反応性を有している。それにも拘わらず該燃料は、燃焼のために必要な火炎安定性を保証する。それというのは安定した火炎は、逆流ゾーンを積極的に形成しなくても生成するからである。
【００１３】
また液体燃料用の噴射ノズルの領域の上流側で中カロリー燃料もしくは低カロリー燃料を供給することによって、噴入燃料並びに、旋動流発生器内へ噴入された燃焼空気流との良好な混合が生じる。斯くして長い混合区に基づいて、比較的良好なＮＯxエミッション値を有する予混合燃焼が生じ、前記ＮＯxエミッション値は天然ガス予混合燃焼時に得られる。
【００１４】
また相応にエミッション値を低下させるために窒素又は水蒸気を付加的に混加する必要もなくなる。このことは特に、窒素又は水蒸気の混加による希釈に伴う、ガスタービンプラント全体の効率低下が避けられるという利点を有している。
【００１５】
本発明の方法を実施するために構成された本発明のバーナは、前掲のドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５４７９１３号明細書に記載された二重バーナの拡張とも見做すことができ、かつ本発明によれば、天然ガス及び液体燃料のための燃料供給系に加えて、中カロリー燃料又は低カロリー燃料を旋動流発生器内へ噴入するための第３の燃料供給系を有している。殊に有利には、液体燃料を旋動流発生器の内部へ噴入する中央の噴射ノズルの領域近傍で、旋動流発生器の旋動流殻板を通って噴射ノズルが開口しており、該噴射ノズルによって中カロリー燃料又は低カロリー燃料が旋動流発生器の内部へ噴入される。中カロリー燃料又は低カロリー燃料の噴入は液体燃料の噴入口に対して、もしくは旋動流発生器の対称軸線に対して軸方向にかつ／又は共軸方向に行われる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に図面に基づいて本発明の実施の形態を詳説する。
【００１７】
図１に示したバーナは、旋動流（スワール）発生器１と、該旋動流発生器１に流動方向で接続する混合区２とから成っている。前記旋動流発生器１は、接線方向に流入する燃焼空気流３（図２参照）によって接線方向で数回負荷される円錐形構造体である。旋動流発生器１の加工成形及び形態並びに、該旋動流発生器１の形状によって発生可能な流れ運動の詳細は、前掲のドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５４７９１３号明細書において図１乃至図５に基づいて説明されているので、ここではその説明は省く。また旋動流発生器１に境を接している混合区２の構成も本発明の対象ではないが、該混合区２は、複数の移行通路２２を有する移行ピース２１と、該移行ピース２１に直接接している混合管２３とから構成されている。これらのバーナ構成要素は、燃焼プロセスのために必要な燃料を供給するバーナユニットを明確にするために言及されるにすぎない。
【００１８】
円錐形に形成された旋動流発生器１の上部域の軸心には、旋動流発生器１の内部へ液体燃料を噴入するための噴射ノズル４が設けられている。該噴射ノズル４をめぐって共軸に、中カロリー燃料を供給するための複数の供給導管５（矢印参照）が設けられており、該供給導管は旋動流発生シェル殻板６，７を貫通している。旋動流発生器１の内部で形成された空気流（図示せず）に付加的に、複数の適当な噴射ノズル８を介して微分配された中カロリー燃料が軸方向もしくは共軸方向で旋動流発生器１内へ到達して前記空気流と混合する。
【００１９】
同じくガス状燃料用の複数の供給通路９が設けられており、該ガス状燃料は、外部から接線方向に燃焼空気流と一緒に旋動流発生器１内へ供給される（図２参照）。
【００２０】
従来技術に対比して中カロリー燃料の付加的な共軸的な供給によって、流れの軸方向成分が強化され、流れが、殊に移行通路２２の形成された移行ピース２１並びに混合管２３を通過した後に、前記の強化された軸方向成分に基づいて、公知の二重バーナの場合は混合管２３の直ぐ近傍の燃焼室１０の領域内で形成される所謂「旋動流崩壊体」（逆流バブル）が規則的に吹き払われることになる。
【００２１】
中カロリー燃料の最高度に効果的な供給は、殊に有利には図２に示したように、旋動流発生シェル殻板６，６′，７，７′内に共軸に形成された燃料ノズルオリフィス８によって行われる。中カロリー燃料の噴入は、旋動流発生シェル殻板当り単数又は複数のノズルを介して行われる。
【００２２】
図２に横断面図で示した本発明によって構成された旋動流発生器１の軸心に液体燃料用の噴射ノズル４が設けられており、該噴射ノズルをめぐって角度配分して複数の旋動流発生シェル殻板６，６′，７，７′が配置されている。夫々隣り合った旋動流発生シェル殻板間で燃焼空気流３が、旋動流発生器１の内部へ接線方向に導入され、該燃焼空気流は、複数の適当な入口ノズルを有する供給通路９を介して天然ガスと混合される。図示例では旋動流発生シェル殻板６，６′，７，７′は中カロリー燃料噴射用の夫々１つのノズルオリフィス８によって穿通される。適用例に応じて旋動流発生器の各シェル殻板当り複数のノズルオリフィス８を設けることもできるので、バーナへ向かっての中カロリー燃料の共軸供給量を広範囲にわたって変化させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によって構成されたバーナの概略的な縦断面図である。
【図２】ＭＢｔｕ燃料の噴入部を有する旋動流発生器の概略的な横断面図である。
【符号の説明】
１    旋動流発生器、  ２    混合区、  ３    燃焼空気流、  ４    液体燃料用の噴射ノズル、  ４′    円錐形の液体燃料柱、  ５    中カロリー燃料用の供給導管、  ６，６′，７，７′    旋動流発生シェル殻板、  ８    中カロリー燃料噴射用のノズルもしくはノズルオリフィス、  ９    ガス状及び／又は液状燃料用の供給通路、  １０    燃焼室、  ２１    移行ピース、  ２２    移行通路、  ２３    混合管
【図１】
0004155638.tif 000002
【図２】
0004155638.tif 000003