(57)【要約】【課題】  本発明は、液体燃料の微粒化を促進することで、低質油燃焼によって発生する残留炭素由来の煤塵を低減することを目的とする。【解決手段】  本発明は、前記燃料に残留炭素を含む低質油燃料を使用し、前記燃料噴霧ノズル装置の中心部近傍に配置された燃料ノズルと、該燃料ノズルの外周側に配置され、燃料を微粒化するために空気を噴霧する第１の噴霧空気供給ノズルと、該第１の噴霧空気供給ノズルの外周側に配置され、燃料を微粒化するために空気を噴霧する第２の噴霧空気供給ノズルとを備えたことを特徴とする。【効果】  本発明によれば、液体燃料の微粒化を促進することで、低質油燃焼によって発生する残留炭素由来の煤塵を低減することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と空気を燃焼させる燃焼室と、該燃焼室に燃料を供給する燃料噴霧ノズル装置と、該燃料噴霧ノズル装置の外周側から燃焼用空気を供給するスワーラを備えたガスタービン燃焼器であって、
前記燃料として残留炭素を含む低質油燃料を使用し、前記燃料噴霧ノズル装置の中心部近傍に配置された燃料ノズルと、
該燃料ノズルの外周側に配置され、燃料を微粒化するために空気を噴霧する第１の噴霧空気供給ノズルと、
該第１の噴霧空気供給ノズルの外周側に配置され、燃料を微粒化するために空気を噴霧する第２の噴霧空気供給ノズルとを備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって、
前記第１及び第２の噴霧空気供給ノズルに空気を供給する噴霧空気供給系統と、
該噴霧空気供給系統を通じて前記第１及び第２の噴霧空気供給ノズルに空気を加圧供給する噴霧空気圧縮機を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項３】
請求項２に記載のガスタービン燃焼器であって、
前記燃料噴霧ノズル装置を固定する燃料ノズルボディーと、
該燃料ノズルボディーに設けられた単一の噴霧空気供給系統を前記燃料ノズルボディー内で２つの噴霧空気供給系統に分岐させることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項４】
請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって、
前記第１及び第２の噴霧空気供給ノズルから供給される噴霧空気の旋回方向が互いに逆向きとなるように、前記噴霧空気供給ノズルに旋回器を配置したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン燃焼器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガスタービンでは燃料の多様化が検討されており、石油製油所や化学プラントなどで発生する副生油（低質油）の利用が検討されつつある。低質油はガスタービンの燃料として主に用いられる軽油やＡ重油に比べて安価であり、ガスタービン燃料として利用できれば燃料代のランニングコストを大幅に削減できるなどの利点がある。
【０００３】
副生油などの液体燃料を燃焼させる際、まず燃料を微粒化して燃焼室内に噴射する必要がある。微粒化された燃料液滴は燃焼室内で蒸発し、蒸発した燃料蒸気と燃焼用空気とが混合することで火炎が形成される。したがって、低質油の燃焼においても液体燃料の微粒化促進はとても重要となる。
【０００４】
特許文献１には、液体燃料を用いた拡散燃焼バーナをガスタービン燃焼器に適用した技術が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、液体燃料を用いた燃料噴射弁を開示する。特許文献２に記載された燃料噴射弁の外周側には、複数の空気ノズルを配置する。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３７３０号公報
【特許文献２】特開２００５−９０８８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載された拡散燃焼用のガスタービン燃焼器において、残留炭素を多く含む低質油を燃焼した場合、残留炭素の一部が微粒化した液滴表面に殻を形成する。燃焼室では殻内部の燃料を蒸発させなければならないため、軽油やＡ重油に比べて液滴の蒸発や完全燃焼に時間を要する。しかも、液滴（殻内部の燃料）が蒸発した後は、セノスファと呼ばれる液滴表面に形成された殻のみが残る。このセノスファは、燃焼の過程で消滅するものの消滅に要する時間もかかるため、燃焼室内で完全に燃えきらなかったセノスファは煤塵として燃焼器から外部（器外）に排出される。また、燃料の蒸発過程において、燃料が殻を破って蒸発する際、殻の直径が大きくなることも指摘されている。
【０００８】
図６は、燃料中の残留炭素濃度と燃焼器出口における煤塵濃度の関係を示したものである。残留炭素濃度が増加するにつれて、燃焼器出口の煤塵濃度も高くなる。この傾向は、前述の残留炭素由来のセノスファが増加することによるものと考えられる。
【０００９】
また、特許文献２では、燃料噴射ノズル自体の構造については開示しない。そして、特許文献２の技術は、空気ノズルの下流端（リップ部）で燃料の微粒化を図ることを目的としている。
【００１０】
これらの課題に対して、燃料微粒化の促進が有効である。液体燃料の噴霧液滴径を細かくすることで液滴の蒸発速度が速くなり、燃焼によって発生したセノスファの煤塵粒子径も小さくなる。そのため、セノスファの燃焼（消滅）に必要な時間も短くて済み、燃焼室内で煤塵を燃え切ることが可能となる。
【００１１】
そこで本発明は、液体燃料の微粒化を促進することで、低質油燃焼によって発生する残留炭素由来の煤塵を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、前記燃料として残留炭素を含む低質油燃料を使用し、前記燃料噴霧ノズル装置の中心部近傍に配置された燃料ノズルと、該燃料ノズルの外周側に配置され、燃料を微粒化するために空気を噴霧する第１の噴霧空気供給ノズルと、該第１の噴霧空気供給ノズルの外周側に配置され、燃料を微粒化するために空気を噴霧する第２の噴霧空気供給ノズルとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、液体燃料の微粒化を促進することで、低質油燃焼によって発生する残留炭素由来の煤塵を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例であるガスタービン燃焼器について、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、シンプルサイクルのガスタービン１の構成概略と、ガスタービン燃焼器３に液体燃料を噴霧する燃料噴霧ノズル装置６０を備えた燃焼器頭部の部分拡大図を示した図である。
【００１６】
ガスタービンは、空気圧縮機２，燃焼器３，タービン４，発電機６およびガスタービン駆動用の起動用モーター８などで構成される。ガスタービン燃焼器３の頭部には、燃料を噴射する燃料噴霧ノズル装置６０が設けられている。本実施例では、燃料として残留炭素を多く含む低質油を使用している。この燃料噴霧ノズル装置６０の出口部は、燃料と空気を燃焼させ燃焼ガスを生成する燃焼室３ａに面している。また、燃焼室を形成する燃焼器ライナー３ｂの外周側にはフロースリーブ１１が配置されており、フロースリーブ１１の上流側には後述の蒸気供給が可能なエンドカバー３ｃが配置される。エンドカバー３ｃには、ＮＯｘ低減用の蒸気噴射ノズルが設けてある。燃料ノズルボディー６１に装着した燃料噴霧ノズル装置６０はエンドカバー３ｃに取り付けられ、燃焼器ライナー３ｂと取り合うように配置される。なお、フロースリーブ１１の外周側には外筒１０が配置されている。
【００１７】
燃料ノズルボディー６１には、低質油燃料及び噴霧空気が流れる系統が設けられている。燃料ノズルボディー６１の中心軸上には燃料ノズル管２００ｂが配置され、その外周側には噴霧空気内筒１０３ａ−２が配置されている。
【００１８】
燃料ノズルボディー６１の下流側には、それぞれの低質油燃料・噴霧空気系統と連通するように燃料ノズル・噴霧空気供給ノズルを有した燃料噴霧ノズル装置６０を配置している。具体的には、燃料ノズル管２００ｂの下流側には燃料ノズル管７０ａが配置され、噴霧空気内筒１０３ａ−２の下流側には第１の噴霧空気供給ノズル管７１ａが配置される。更に、燃料ノズルボディー６１の下流側には第２の噴霧空気供給ノズル管７２ａが設置されている。
【００１９】
燃料噴霧ノズル装置６０の上流側に位置する燃料ノズルボディー６１には、低質油燃料を燃焼室３ａに供給する低質油燃料系統２００が配設されており、低質油燃料２００ａは燃料ノズル管２００ｂの内部を流れる。低質油燃料２００ａを微粒化するための第１の噴霧空気１０３ａ−１は燃料ノズル管２００ｂと噴霧空気内筒１０３ａ−２との間を流れ、第２の噴霧空気１０３ｂ−１は噴霧空気内筒１０３ａ−２と燃料ノズルボディー６１との間を流れる。これらの第１の噴霧空気１０３ａ−１及び第２の噴霧空気１０３ｂ−１は、空気圧縮機２で加圧した燃焼用空気の一部が、噴霧用の昇圧圧縮機１４にて所定の圧力まで昇圧された後、噴霧空気供給系統１０３を通じて供給される。噴霧空気供給系統１０３は、燃料ノズルボディー６１に噴霧空気を供給する直前で２系統に分岐されている。なお、本実施例では、第１の噴霧空気供給系統を１０３ａとし、第２の噴霧空気供給系統を１０３ｂとする。また、噴霧空気供給系統１０３には、噴霧空気の圧力を調整するための圧力調節弁１５と、空気の逆流を防止するための逆止弁１６を備えている。
【００２０】
一方、ガスタービン燃焼器３に供給される燃焼用空気１０２は、空気圧縮機２で加圧された圧縮空気より供給される。そして、燃焼用空気１０２は、ガスタービン燃焼器３の燃焼室３ａを形成する円筒状の燃焼器ライナー３ｂとフロースリーブ１１との間を流れる。
一部の燃焼用空気１０２は燃焼器ライナー３ｂに設けられた燃焼空気孔から燃焼室３ａに流入し、残る燃焼用空気１０２ａはスワーラ５２から燃焼室３ａ内に流入する。また、スワーラ（空気旋回器）５２より燃焼室３ａ内に流入する燃焼用空気１０２ａに蒸気１０４ａを噴射・混合するための蒸気噴射系統１０４が配設されている。燃焼用空気１０２ａに蒸気を噴射することで、ＮＯｘを低減することが可能である。
【００２１】
本実施例では、低質油燃料２００ａを単独で使用してガスタービンを起動させる場合を想定している。しかし、低質油燃料２００ａの粘性が高く、微粒化特性を確保するために低質油燃料２００ａを加温する必要がある場合、ガスタービンの起動時に燃料噴霧ノズル装置６０へ軽油やＡ重油などの起動用燃料を供給し、ガスタービン起動後に低負荷条件で低質油燃料２００ａに燃料を切り替えることも可能である。
【００２２】
以下、本プラントの運転方法について説明する。
【００２３】
始動時、ガスタービンは起動用モーター８などの外部動力によって駆動される。そして、空気圧縮機２からの燃焼用空気１０２と低質油燃料２００ａを用いて、ガスタービン燃焼器３を着火する。その後、燃焼ガス１１０がタービン４に供給される。低質油燃料２００ａの流量増加と共にタービン４が昇速し、起動用モーター８の離脱によりガスタービンは自立運転に入り、無負荷定格回転数に達する。
【００２４】
ガスタービンが無負荷定格回転数に到達後、発電機６の併入、さらには低質油燃料２００ａの流量増加により、タービン４の入口ガス温度が上昇するとともに負荷も上昇する。
負荷併入後は、ＮＯｘ濃度低減のために、燃焼器３に蒸気１０４ａを噴射する。燃焼器３に供給される蒸気１０４ａは、遮断弁３０１を介し、蒸気流量調節弁３０２にて適正な流量に調節される。この蒸気１０４ａは、燃料噴霧ノズル装置６０の外周側に設けられたスワーラ５２から流入する燃焼用空気１０２ａと混合する。蒸気１０４ａが混合され酸素濃度の低下した燃焼用空気１０２ａは、低質油燃料２００ａを低酸素濃度で燃焼させるため、局所的な火炎温度を低下させ、ＮＯｘの発生を抑制することが可能となる。
【００２５】
燃料噴霧ノズル装置６０において燃料微粒化に必要な空気は、噴霧空気の昇圧圧縮機１４より供給される。この空気は、空気圧縮機２から供給される燃焼用空気１０２の一部１０３を昇圧圧縮機１４で更に昇圧する。そして、圧力調節弁１５にて圧力を調整した後、燃料噴霧ノズル装置６０より低質油燃料２００ａの微粒化用空気として供給される。
【００２６】
具体的には、噴霧空気供給系統１０３は、燃料ノズルボディー６１に流入する直前で第１の噴霧空気供給系統１０３ａと第２の噴霧空気供給系統１０３ｂの二つの系統に分岐され、圧力バランスによって第１及び第２の噴霧空気供給ノズルに供給される。このように、単一の噴霧空気供給系統１０３から分岐させることにより、噴霧空気の供給系統を単純化することが可能である。
【００２７】
次に、図１の燃料噴霧ノズル装置６０において、燃焼室側の部分拡大断面図を図２に示す。燃料噴霧ノズル装置６０の外周側には、ガスタービン燃焼器に供給される燃焼用空気１０２のうち、圧力バランスによって供給される燃焼用空気１０２ａが空気旋回器（スワーラ）５２に供給される。この空気旋回器５２によって火炎３００を保持する。
【００２８】
燃料噴霧ノズル装置６０の半径方向中心部近傍には、低質油燃料２００ａを燃焼室３ａに噴射するための燃料ノズル７０を備え、その外周に燃料の微粒化を補助するための第１の噴霧空気供給ノズル７１と、さらにその外周に、噴霧した液滴の再微粒化を行うための第２の噴霧空気供給ノズル７２を備えている。
【００２９】
燃料ノズル７０は、燃料ノズル管７０ａにより形成されており、燃料ノズル管７０ａの出口部は流路径が減少する先細り形状である。そして、第１の噴霧空気１０３ａ−１は、第１の噴霧空気供給系統１０３ａを流れた後に、燃料ノズル管７０ａと第１の噴霧空気供給ノズル管７１ａとの間に設けられた環状空間を流れる。また、第２の噴霧空気１０３ｂ−１は、第２の噴霧空気供給系統１０３ｂを流れた後に、第１の噴霧空気供給ノズル管７１ａと第２の噴霧空気供給ノズル管７２ａとの間に設けられた環状空間を流れる。ここで、第１の噴霧空気供給ノズル管７１ａ及び第２の噴霧空気供給ノズル管７２ａの中心軸は、燃料ノズル管７０ａの中心軸と一致するように配置されており、両者の出口部も燃料ノズル管７０ａの出口部と同様の形状となっている。それぞれの噴霧空気供給系統には、噴霧空気に旋回を与えるための噴霧空気旋回器８０，８１を備えている。第１の噴霧空気１０３ａ−１及び第２の噴霧空気１０３ｂ−１が噴霧空気旋回器８０及び８１を通過することで、噴霧空気に旋回成分が与えられる。
【００３０】
燃料ノズル７０に供給された低質油燃料２００ａは、燃料ノズル７０内にて旋回が与えられ、燃料の液膜１５０となって噴射される。燃料ノズル７０の外周側に設けた第１の噴霧空気供給ノズル７１及び第２の噴霧空気供給ノズル７２の出口部は、燃料ノズル７０の中心軸と交差する方向に第１の噴霧空気１０３ａ−１，第２の噴霧空気１０３ｂ−１が噴霧されるように形成されている。そのため、燃料の液膜１５０に対して第１の噴霧空気供給ノズル７１から第１の噴霧空気１０３ａ−１を供給することで液膜にせん断が与えられ、液膜の微粒化が行われる。ここで微粒化された液滴は、さらにその外周に設けた第２の噴霧空気供給ノズル７２から第２の噴霧空気１０３ｂ−１を供給することで、完全に微粒化できずに粒径の大きかった液滴にもせん断が与えられ、液滴が変形することで分裂が生じ、さらに微粒化が促進する。微粒化が促進されることで燃料の蒸発が速くなり、周囲空気との混合も促進することで煤の発生も抑制できる。また、セノスファの粒子径も小さくなるため煤塵濃度を低減することが可能となる。
【００３１】
ここで、比較例として第２の噴霧空気供給ノズル７２を備えない場合を考える。比較例でも、第１の噴霧空気供給ノズル７１から噴出する噴霧空気には旋回成分が与えられているため、遠心力によって燃料噴霧ノズル装置の外周側に比較的大きな径の燃料液滴が集まり、燃料ノズル７０の中心軸（径方向中心部）に小さな径の液滴が集まる粒径分布となる。噴射された燃料液滴は、燃焼用空気や火炎からの熱を受けることによって蒸発し、蒸発した燃料蒸気と周囲空気との混合によって燃焼が持続する。しかし、噴霧粒径の大きい液滴は燃料の蒸発に時間がかかるために周囲空気との混合も遅れる。また、液滴の周囲は燃料過濃域であるために蒸発および燃焼の過程で煤が発生し、煤塵濃度が高くなる。そして、低質油燃料を燃焼させる場合、残留炭素由来のセノスファも生成される。そのため、初期粒径の大きい液滴の場合、セノスファの粒径も大きくなり、結果的にそれらの粒子は燃焼室内で燃えきらず煤塵として燃焼器外に排出されることになる。そこで本実施例では、第１の噴霧空気で細かくできなかった液滴を、第２の噴霧空気によって再微粒化することで、微粒化促進を図ることが可能である。
【００３２】
図３は、燃焼室から見た燃料噴霧ノズル装置６０の正面図を示したものである。燃料噴霧ノズル装置の径方向中心部に燃料ノズル７０を配置し、その外周に、第１及び第２の噴霧空気供給ノズル７１，７２を備え、燃料の微粒化促進を図っている。これら燃料ノズルの外周側にはスワーラ５２を備え、噴霧燃料とスワーラから流入する燃焼用空気を混合することで火炎を形成する。スワーラによって燃焼用空気に旋回を与えることで、スワーラの内周に低速域（循環流）を形成し、保炎を強化する構造となっている。
【００３３】
次に、図２のノズル断面でのＡ−Ａ矢視図を図４に示す。燃料ノズル７０の外周側に設けた第１及び第２の噴霧空気供給ノズル７１，７２に、それぞれ噴霧空気旋回器８０と８１を備えている。それぞれの噴霧空気旋回器には空気孔８０ａ，８１ａが開口してあり、第１の噴霧空気１０３ａ−１及び第２の噴霧空気１０３ｂ−１に旋回を与える構造としてある。ここでは、噴霧空気の旋回方向をそれぞれ逆向きとしたときの噴霧空気の流れ方向を示している。噴霧空気の旋回方向を逆向きとすることで、第１の噴霧空気によって微粒化された燃料液滴は第２の噴霧空気によって逆方向の旋回が与えられ、せん断によって液滴が変形する。そのため、液滴が分裂し、再微粒化を行い、微粒化を促進することが出来る。２系統の噴霧空気を順方向に旋回させる場合と比較して、逆向きとした方が微粒化の促進を図るにはより効果的である。
【実施例２】
【００３４】
図５は、噴霧空気供給系統１０３を一系統のまま燃料ノズルボディー６１に供給したときの系統概略を示したものである。
【００３５】
噴霧空気供給系統１０３を一系統で燃料ノズルボディー６１に接続した場合、燃料ノズルボディー６１又は燃料噴霧ノズル装置６０内で噴霧空気を２系統（第１の噴霧空気１０３ａ−１と第２の噴霧空気１０３ｂ−１）に分配する必要がある。そこで、本実施例では、燃料ノズルボディー６１に接続する噴霧空気は１系統とし、燃料ノズルボディー６１において、各配管の接続・固定に用いるハウジング３ｄ−ａを利用して、燃料噴霧ノズル装置６０に噴霧空気を供給する際に２系統に分配している。ハウジング３ｄ−ａは、円環状に形成されたフランジ３ｄの中心側に別部材で配置されている。但し、ハウジング３ｄ−ａとフランジ３ｄは一体構造にすることも可能である。ここで、ハウジング３ｄ−ａに設けた噴霧空気を２系統に分岐するための孔の面積は、噴霧空気に旋回成分を与えるために設けた噴霧空気旋回器の孔面積より大きくし、供給系統の圧力損失が増加しないように注意する必要がある。また、ハウジング３ｄ−ａに設ける孔の形状は、円形や楕円形状でも良く、複数の孔を周方向に設けることで、周方向の空気のバラツキを軽減することができる。
【００３６】
図１の実施例と同様、第１及び第２の噴霧空気供給系統への噴霧空気流量の分配は、各々の噴霧空気ノズルの断面積比でほぼ決定される。第１及び第２の噴霧空気供給系統で必要な流量比を予め決めておくことで、所定の噴霧空気流量比を得ることが可能となる。燃料噴霧ノズル装置６０では第１及び第２の噴霧空気供給ノズルを備えているが、燃料ノズルボディー６１には噴霧空気供給系統を一系統にすることで、簡単な制御により噴霧空気を運用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明による発電プラントの実施例を示した図である。
【図２】本発明による燃料噴霧ノズル装置の部分拡大断面図である。
【図３】本発明による燃料噴霧ノズル装置の正面図である。
【図４】図２のＡ−Ａ矢視図を示した図である。
【図５】本発明による発電プラントの実施例２を示した図である。
【図６】燃料中の残留炭素濃度と煤塵濃度の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  ガスタービン  
２  空気圧縮機
３  燃焼器
３ａ  燃焼室
４  タービン
６  発電機
８  起動用モーター
１０  外筒
１４  昇圧圧縮機
１５  圧力調節弁
１６  逆止弁
５２  スワーラ（空気旋回器）
６０  燃料噴霧ノズル装置
６１  燃料ノズルボディー
７０  燃料ノズル
７１  第１の噴霧空気供給ノズル
７２  第２の噴霧空気供給ノズル
８０，８１  噴霧空気旋回器
１０２，１０２ａ  燃焼用空気
１０３  噴霧空気供給系統
１０３ａ  第１の噴霧空気供給系統
１０３ａ−１  第１の噴霧空気
１０３ｂ  第２の噴霧空気供給系統
１０３ｂ−１  第２の噴霧空気
１０４  蒸気噴射系統
１１０  燃焼ガス
１５０  燃料の液膜
２００  低質油燃料系統
２００ａ  低質油燃料
【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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