(57)【要約】【課題】  本発明は上記課題を鑑みて発明された構造であり、その目的は燃焼装置の火炎安定性を向上させ、更なるＮＯｘ排出量低減を図ることにある。【解決手段】  本発明は、燃焼室に燃料と空気を噴出させる中央バーナと、該中央バーナの外周側に配置され、前記燃焼室に燃料と空気を噴出させる複数個の外側バーナを備えた燃焼装置の燃焼方法であって、前記中央バーナから噴出する空気の旋回方向と、前記外側バーナから噴出する空気の旋回方向を逆方向とし、前記外側バーナから噴出する空気流量に対する燃料流量の比率を、前記中央バーナの前記比率に比べ低減したことを特徴とする。【効果】  本発明によれば、燃焼装置の火炎安定性を向上させ、更なるＮＯｘ排出量低減を図ることが出来る。【選択図】図１
2009210173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に燃料と空気を噴出させる中央バーナと、該中央バーナの外周側に配置され、前記燃焼室に燃料と空気を噴出させる複数個の外側バーナを備えた燃焼装置の燃焼方法であって、
前記中央バーナから噴出する空気の旋回方向と、前記外側バーナから噴出する空気の旋回方向を逆方向とし、
前記外側バーナから噴出する空気流量に対する燃料流量の比率を、前記中央バーナの前記比率に比べ低減したことを特徴とする燃焼装置の燃料供給方法。
【請求項２】
燃料と空気を燃焼させる燃焼室と、
該燃焼室の上流側壁面に設けられ、燃料と空気を旋回させながら該燃焼室に噴出させる中央バーナと、
該中央バーナの外周側に設けられ、燃料と空気が前記中央バーナの逆旋回方向に旋回しながら噴出する複数個の外側バーナとを備え、
前記外側バーナから噴出する空気流量に対する燃料流量の比率を前記中央バーナの前記比率に比べ低減させる手段を備えたことを特徴とする燃焼装置。
【請求項３】
請求項２記載の燃焼装置であって、
前記中央バーナ及び前記外側バーナは、燃料を噴出する燃料ノズルと、該燃料ノズルの下流側に配置され、空気孔を有した空気孔プレートとを備え、前記空気孔から燃料と空気の同軸噴流が噴出することを特徴とする燃焼装置。
【請求項４】
請求項２記載の燃焼装置であって、
前記中央バーナ及び前記外側バーナは、燃料を噴射する燃料噴射ノズルと、該燃料噴射ノズルの上流側に設けられ、燃焼空気に旋回成分を付与する旋回羽根とを備えた旋回羽根バーナであることを特徴とする燃焼装置。
【請求項５】
請求項２記載の燃焼装置であって、
前記中央バーナは、燃料を噴射する燃料噴射ノズルと、該燃料噴射ノズルの上流側に設けられ、燃焼空気に旋回成分を付与する旋回羽根とを備えた旋回羽根バーナで構成され、
前記外側バーナは、燃料を噴出する燃料ノズルと、該燃料ノズルの下流側に配置され、空気孔を有した空気孔プレートとを備え、前記空気孔から燃料と空気の同軸噴流が噴出する同軸噴流バーナで構成されることを特徴とする燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼装置及び燃焼装置の燃料供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大気汚染物質の排出に関する規制は厳しくなってきており、例えばガスタービン燃焼器に於いては、排気ガス中に含まれるＮＯｘの排出量を低減させるべく、様々な燃焼方式が研究されている。
【０００３】
その中でも、燃料ノズルの下流側に空気孔を備えた空気孔プレートを配置し、燃料と空気とを同軸噴流として燃焼室に供給して燃焼させる同軸噴流燃焼方式がある。この同軸噴流燃焼方式では、従来の予混合燃焼方式と比較して、非常に短い距離で効果的に燃料と空気の混合を促進させる事が可能であり、ＮＯｘの排出量を低く抑える事が可能である。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１４８７３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
同軸噴流方式の燃焼装置では、燃料と空気との急速混合が可能であるためＮＯｘ排出量を低く抑える事が出来るが、地球環境的な観点から今後は更なるＮＯｘ排出量低減が要求される。
【０００６】
ＮＯｘ生成量は燃焼ガス温度の上昇に伴い指数関数的に増加することから、ＮＯｘ排出量を低減するためには、燃料と空気の混合度を高めると同時に、燃料と混合させる空気の流量を増加させ、燃焼場の燃焼ガス温度を低減させる事が効果的である。
【０００７】
しかし、燃料流量に対する空気流量の比率を高くして燃料希薄な条件で燃焼装置を運転させると、火炎の状態が不安定になるため、ＮＯｘ低減には限度があった。
【０００８】
本発明は上記課題を鑑みて発明された構造であり、その目的は燃焼装置の火炎安定性を向上させ、更なるＮＯｘ排出量低減を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、燃焼室に燃料と空気を噴出させる中央バーナと、該中央バーナの外周側に配置され、前記燃焼室に燃料と空気を噴出させる複数個の外側バーナを備えた燃焼装置の燃焼方法であって、前記中央バーナから噴出する空気の旋回方向と、前記外側バーナから噴出する空気の旋回方向を逆方向とし、前記外側バーナから噴出する空気流量に対する燃料流量の比率を、前記中央バーナの前記比率に比べ低減したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃焼装置の火炎安定性を向上させ、更なるＮＯｘ排出量低減を図ることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
燃焼装置の一つであるガスタービン燃焼器における実施例を示す。
【実施例１】
【００１２】
図８は、ガスタービンの全体概略図である。ガスタービンは、空気圧縮機１１０と、燃焼器３００と、タービン２００とを有する。
【００１３】
空気圧縮機１１０は、外部の空気を圧縮し高圧空気１２０を生成する。高圧空気１２０はディフューザ１３０から車室１４０に導入される。そして、高圧空気１２０は、尾筒１５０と、その外周に設置された尾筒フロースリーブ１５１との間隙を流れた後に、ライナ１６０とライナ外周の同心円上に配置された外筒１６１との間隙を流れる。その後、高圧空気１２０は流れを反転させ、空気孔プレート４０に設けられた空気孔３０から燃焼室１９０に導入される。
【００１４】
一方、燃料系統１８０では、燃料ポンプ１８１で昇圧されて流量調節弁１８２により流量を調節された燃料が、燃料ヘッダ１０に設けられた燃料ノズル２０から空気孔３０の入口中心に向かって噴出される。この時、空気孔３０の上流側に燃料ノズル２０が設けられている。
【００１５】
空気孔３０の内部で形成された、燃料流の周囲を空気流が包み込むような同軸噴流は、空気孔３０からライナ１６０内部の燃焼室１９０に供給され、火炎を形成し高温高圧の燃焼ガス１９１となる。このように燃焼器で生成された燃焼ガス１９１は尾筒１５０からタービン２００に導入される。ガスタービンでは、高温高圧の燃焼ガス１９１が断熱膨張する際に発生する仕事量をタービン２００にて軸回転力に転換することにより、発電機２１０から出力を得ている。空気圧縮機１１０と発電機２１０は、タービン２００と一つの軸で連結されている。但し、空気圧縮機，タービン，発電機は２軸の構成であってもよい。
【００１６】
これまでの試験結果より、燃料と空気とを同軸噴流として燃焼室に供給して燃焼させる同軸噴流燃焼方式では、ＮＯｘ排出量を低く抑えることが可能であることが確認されている。但し、ＮＯｘ排出量の環境規制値は年々厳しくなっていることから、同軸噴流燃焼方式でも更なるＮＯｘ排出量低減が望まれている。
【００１７】
ＮＯｘ生成量は燃焼ガス温度の上昇に伴い指数関数的に増加する。そこで、ＮＯｘ排出量を更に低減するためには、燃料と空気の混合度を高めると同時に、燃料と混合させる空気の流量を増加させ、燃焼場の燃焼ガス温度を低減させる必要がある。しかし、燃料希薄な条件で燃焼装置を運転すると火炎の状態が不安定になる事から、ＮＯｘ排出量の低減を図るためには、同軸噴流燃焼装置の火炎安定性を向上させる必要がある。
【００１８】
図１−（ａ）は、図８のガスタービン全体概略図に於けるバーナ部周辺を拡大した概略断面図であり、図１−（ｂ）は図１−（ａ）のＡ−Ａ方向から見た正面図、図１−（ｃ）は図１−（ｂ）のＢ−Ｂ断面図である。
【００１９】
本燃焼器は、燃焼器中央に設けられた中央バーナと、その周囲に複数個配置した外側バーナからなるマルチバーナ構造である。
【００２０】
外側バーナは、燃料ヘッダ１０，燃料ヘッダ１０に設けられた燃料ノズル２０，空気孔プレート４０，空気孔プレート４０に設けた空気孔３０で構成され、中央バーナは燃料ヘッダ１１，燃料ヘッダ１１に設けられた燃料ノズル２１，空気孔プレート４０に設けた空気孔３１で構成されている。燃料は燃料ノズル２０及び２１から空気孔３０及び３１の入口中心に向かって噴出され、空気は燃料噴流を包み込むように空気孔３０及び３１から燃焼室１９０に噴出され、この同軸噴流予混合気が燃焼室１９０で火炎を形成する。
【００２１】
ここで中央バーナの空気孔３１と外側バーナの空気孔３０には、図１−（ｃ）に示すように空気孔プレート４０に対して傾斜して孔が加工されている。これは各バーナにおいて、燃料と空気の同軸噴流がバーナ中心軸に対して周方向に噴出することで、複数の同軸噴流が一つの大きな噴流となって燃焼室を旋回しながら下流側に流れ、火炎安定性を高めることを目的としている。
【００２２】
この火炎安定性向上のメカニズムについて図２で説明する。図２は、空気孔３１下流部に於ける熱及び流れの状態を示す図である。まず空気孔３１から噴出される空気と燃料との予混合気１００は、燃焼室１９０に火炎１０１を形成して高温の既燃ガス１０２となる。この時、予混合気１００は空気孔３１の傾斜角により旋回成分が与えられ、その遠心力により混合気流がバーナ中心軸に対して半径方向外側に広がる。その結果、バーナ中央下流部が負圧になり、既燃ガス１０２の下流部から負圧状態の上流部に向かう循環流１０７が形成される。この循環流１０７は、高温の既燃ガス１０２から熱エネルギー１０６を受け、未燃状態の予混合気１００を着火させるために必要な熱エネルギー１０５を与える役割を果たす。このようなエネルギー運搬が連続的に行われるため、予混合気１００の火炎安定性が向上する。つまり燃焼器に於いて火炎の安定化を図るためには、循環流１０７の形成が不可欠となっている。
【００２３】
本願では図１−（ｂ）に示すように、中央バーナの空気孔３１から燃焼室１９０に導入される予混合気流の旋回方向３３と、外側バーナの空気孔３０から燃焼室１９０に導入される予混合気流の旋回方向３２を逆方向としている。これにより中央バーナの高温ガスが効果的に外側バーナに移送されるため、中央バーナから受ける熱エネルギーを火種として、外側バーナの火炎安定性向上を図ることが可能である。
【００２４】
この安定性向上のメカニズムについて図５，図６で説明する。
【００２５】
図５−（ｂ）は中央バーナ空気孔３１と外側バーナ空気孔３０の旋回方向を同じ方向とした比較例であり、図５−（ａ）は図５−（ｂ）のＥ部の拡大詳細図である。ここで図５−（ａ）に示すように、比較例では夫々のバーナ境界に於いて中央バーナからの混合気流９１と外側バーナからの混合気流９０が衝突する形態となり、中央バーナの熱エネルギーが外側バーナに移送されないため、外側バーナの火炎安定性は低くなる。また、混合気流同士の衝突により混合気流の旋回力が弱められ、空気孔下流部に形成される循環流１０７が形成され難くなり、外側バーナだけでなく中央バーナの火炎安定性も悪化する。
【００２６】
一方、図６に示す本実施例の構造では、図６−（ｂ）のＦ部を拡大した図６−（ａ）に示すように、中央バーナからの混合気流９１と外側バーナからの混合気流９２が逆方向になる。そのため、中央バーナの熱エネルギーを効果的に外側バーナに取り入れることができ、外側バーナの火炎安定性を向上させることが可能である。同時に比較例の様に衝突により旋回力が弱められて循環流が形成され難いということも無いため、中央バーナの火炎安定性も向上する。
【００２７】
以上のように、本構造では、中央バーナから噴出する空気の旋回方向と、外側バーナから噴出する空気の旋回方向を逆方向とすることで、外側バーナの火炎安定性を向上させることが出来る。そのため、外側バーナにおける空気流量に対する燃料流量の比率を中央バーナの同比率よりも低くする運用が可能となり、燃焼装置を燃料希薄な条件で運転させることが可能である。その結果、燃焼室の燃焼ガス温度を低減させて、ＮＯｘ排出量低減を図ることが可能である。なお、外側バーナにおける空気流量に対する燃料流量の比率を中央バーナの同比率よりも低くする運用を行うためには、各バーナの燃料系統１８０に設けられた流量調節弁１８２により調整することが出来る。
【００２８】
ここで図５−（ｂ）に示す中央バーナと外側バーナの旋回方向が同じ方向の比較例と、図６−（ｂ）に示す中央バーナと外側バーナの旋回方向が逆方向の本構造について、燃焼試験により検証した燃焼特性を図７に示す。
【００２９】
図７−（ａ）に燃焼時に発生する燃焼振動の値を示す。燃焼振動とは燃焼室内に於ける燃焼ガスの気柱振動であり、この値が大きいと燃焼安定性が低下する。この結果より、比較例に対して本発明では燃焼振動の値が大きく低減して、燃焼安定性を向上させることが可能となる。また図７−（ｂ）にＮＯｘ排出量を示す。本発明ではＮＯｘ排出量も低減していることが分かる。
【００３０】
尚、この比較例と本発明のデータは燃料流量と空気流量の比率を合わせて実施した試験結果である。本発明では燃焼安定性が向上しているので、燃料流量に対する空気流量の比率を更に上げて燃料希薄な条件で運転しても安定燃焼が可能と考えられる。このため更なるＮＯｘ排出量低減を図ることが可能と考える。
【実施例２】
【００３１】
本発明の実施例２を図３で説明する。ガスタービン全体概略図は、実施例１と同様である。
【００３２】
図３−（ａ）は、図８のガスタービン全体概略図に於けるバーナ部周辺を拡大した概略断面図であり、図３−（ｂ）は図３−（ａ）のＣ−Ｃ方向から見た正面図である。
【００３３】
本燃焼器は、燃焼器中央に設けられた中央バーナと、その周囲に複数個配置した外側バーナからなるマルチバーナ構造である。
【００３４】
外側バーナおよび中央バーナは、燃料ノズルボディ７０，７１，燃料ノズルボディ７０，７１の外周部に設けられた燃料噴射ノズル６０，６１と、燃料噴射ノズル６０，６１の上流側に配置された旋回羽根５０，５１と、バーナ外筒８０，８１および空気孔プレート４０で構成されている。
【００３５】
図示しない空気圧縮機１１０から供給される燃焼空気は、旋回羽根５０，５１により旋回成分を付与され、燃料噴射ノズル６０，６１に設けた燃料噴孔から噴射される燃料と混合して、燃料及び空気の混合気を形成する。その予混合気は燃焼室１９０に導入されて火炎を形成する。予混合気が燃焼室に流入した際に、旋回流れの遠心力により流れが外側に急拡大して、中央バーナおよび外側バーナのそれぞれのバーナ下流側に循環流が形成される。本バーナではこの循環流により火炎が保持される構造となっている。
【００３６】
本実施例では、図３−（ｂ）に示すように、中央バーナの旋回羽根５１により旋回を与えられ燃焼室１９０に導入される予混合気流の旋回方向５３と、外側バーナの旋回羽根５０により旋回を与えられ燃焼室１９０に導入される予混合気流の旋回方向５２を逆方向としている。これにより実施例１の効果と同様に、中央バーナの高温ガスが効果的に外側バーナに移送されるため、中央バーナから受ける熱エネルギーを火種として、外側バーナの火炎安定性向上を図ることが可能である。
【００３７】
また、本実施例においても、中央バーナから噴出する空気の旋回方向と、外側バーナから噴出する空気の旋回方向を逆方向とすることで、外側バーナの火炎安定性を向上させることが出来る。そのため、外側バーナにおける空気流量に対する燃料流量の比率を中央バーナの同比率よりも低くする運用が可能となり、燃焼装置を燃料希薄な条件で運転させることが可能である。その結果、燃焼室の燃焼ガス温度を低減させて、ＮＯｘ排出量低減を図ることが可能である。
【００３８】
また、中央バーナと外側バーナの旋回方向が同じ方向の時のように、予混合気流の衝突により旋回力が弱められて循環流が形成され難いということも無い。そのため、中央バーナの火炎安定性も向上する。
【００３９】
現在、ガスタービン燃焼器を例にとると、図３に示すような旋回羽根バーナをマルチ状に配置した予混合燃焼器が多く採用されている。本実施例に示すように、燃焼器の中央バーナの旋回角を変更してリプレースするだけで燃焼安定性を高めてＮＯｘ排出量低減を図ることが可能である。つまり、簡易な変更・改造で燃焼特性の向上を図ることができる。
【実施例３】
【００４０】
本発明の実施例３を図４で説明する。ガスタービン全体概略図は、実施例１と同様である。
【００４１】
図４−（ａ）は、図８のガスタービン全体概略図に於けるバーナ部周辺を拡大した概略断面図であり、図４−（ｂ）は図４−（ａ）のＤ−Ｄ方向から見た正面図である。
【００４２】
本燃焼器は、燃焼器中央に設けられた中央バーナと、その周囲に複数個配置した外側バーナからなるマルチバーナ構造であり、中央バーナには旋回羽根バーナ、外側バーナには同軸噴流バーナを配置している。
【００４３】
外側バーナは、燃料ヘッダ１０，燃料ヘッダ１０に設けられた燃料ノズル２０，空気孔プレート４０，空気孔プレート４０に設けた空気孔３０で構成される。中央バーナは、燃料ノズルボディ７１，燃料ノズルボディ７１の外周部に設けられた燃料噴射ノズル６１と旋回羽根５１、およびバーナ外筒８１で構成されている。
【００４４】
中央バーナでは、旋回羽根５１により旋回成分を付与された空気が、燃料噴射ノズル６１に設けた燃料噴孔から噴射される燃料と混合して燃料と空気の予混合気を形成し、燃焼室１９０に導入されて火炎を形成する。
【００４５】
また外側バーナでは、燃料ノズル２０から空気孔３０の入口中心に向かって燃料が噴出される。そして、空気は燃料噴流を包み込むように空気孔３０から燃焼室１９０に噴出され、この同軸噴流が燃焼室１９０で火炎を形成する。
【００４６】
各バーナの保炎形態は実施例１，２と同様であり、バーナ下流側に形成される循環流により火炎を保持している。
【００４７】
本実施例では、図４−（ｂ）に示すように、中央バーナの旋回羽根５１により旋回を与えられ、燃焼室１９０に導入される予混合気流の旋回方向５３と、外側バーナの空気孔３０から燃焼室１９０に導入される同軸噴流の旋回方向３２とを逆方向としている。これにより中央バーナの高温ガスが効果的に外側バーナに移送されるため、中央バーナから受ける熱エネルギーを火種として、外側バーナの火炎安定性向上を図ることが可能である。
【００４８】
同時に、中央バーナと外側バーナの旋回方向が同じ方向の時のように、衝突により旋回力が弱められて循環流が形成され難いということも無い。そのため、中央バーナの火炎安定性も向上する。
【００４９】
一般に燃焼形態には、燃料と空気を予め良く混合してから燃焼室で燃焼させる予混合火炎と、燃料を燃焼室に噴射して燃焼させる拡散火炎がある。予混合火炎はＮＯｘ排出量が低い反面、安定に燃焼する範囲が狭いという欠点がある。また拡散火炎はＮＯｘ排出量が高いが安定燃焼範囲が広いという特徴を持つ。
【００５０】
実施例２と比較して、本実施例の構造では、中央バーナの燃料噴射ノズル６１を燃料ノズルボディ７１の燃焼室１９０側に配置することで、燃料噴射ノズル６１と燃焼室１９０との距離を短くしている。図４−（ａ）において、燃料噴射ノズル６１は、空気孔プレート４０が燃焼室１９０に面する壁面から燃料ノズル２０に対向配置された空気孔プレート４０の壁面までの区間内に配置されている。
【００５１】
このように、燃料噴射ノズル６１と燃焼室１９０との距離を短くすることで、燃焼安定性の高い火炎を燃焼器中央に形成することが可能であり、この安定な火炎を火種として外側バーナの安定化を向上させることが可能となる。この時、中央バーナから排出されるＮＯｘは若干高くなる。しかし、外側バーナから噴出する空気流量に対する燃料流量の比率を中央バーナの同比率に比べて低減することで、中央バーナの拡散火炎を火種として外側バーナの予混合火炎を従来以上に希薄化することが可能であるため、外側バーナからのＮＯｘ排出量は低減する。この時、バーナの本数は中央バーナより外側バーナの方が多いので、燃焼器全体としてＮＯｘ排出量を従来より低減させることが可能となる。
【００５２】
以上、実施例１から実施例３に示した燃焼装置は、ガスタービン燃焼器だけではなく、燃料電池に搭載される燃料改質用燃焼器，ボイラ用燃焼器，温風暖房機や焼却炉など、メタン等のガスを燃料とする様々な燃焼装置にも適用する事が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本燃焼器構造はガスタービンだけに留まらず、ボイラの燃焼器や燃料電池の改質器用燃焼器など、気体燃料を燃焼させるあらゆる燃焼器にも対応することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施例１を示す燃焼装置である。（ａ）：燃焼装置断面図、（ｂ）：図１−（ａ）のＡ−Ａ正面図、（ｃ）：図１−（ｂ）のＢ−Ｂ断面図。
【図２】同軸噴流バーナ下流に於ける熱流れの状態図を示す。
【図３】本発明の実施例２を示す燃焼装置である。（ａ）：燃焼装置断面図、（ｂ）：図３−（ａ）のＣ−Ｃ正面図。
【図４】本発明の実施例３を示す燃焼装置である。（ａ）：燃焼装置断面図、（ｂ）：図４−（ａ）のＤ−Ｄ正面図。
【図５】中央バーナと外側バーナの旋回方向が同旋回の燃焼装置（比較例）を示した図である。（ａ）：中央バーナと外側バーナの境界周囲の流れ図、（ｂ）：燃焼装置正面図。
【図６】中央バーナと外側バーナの旋回方向が逆旋回の燃焼装置（本発明）を示した図である。（ａ）：中央バーナと外側バーナの境界周囲の流れ図、（ｂ）：燃焼装置正面図。
【図７】燃焼試験による燃焼特性結果を示す図である。
【図８】ガスタービン構成の概略図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０，１１  燃料ヘッダ
２０，２１  燃料ノズル
３０，３１  空気孔
３２，３３，５２，５３  旋回方向
４０  空気孔プレート
５０，５１  旋回羽根
６０，６１  燃料噴射ノズル
７０，７１  燃料ノズルボディ
８０，８１  バーナ外筒
１１０  空気圧縮機
１２０  高圧空気
１３０  ディフューザ
１４０  車室
１５０  尾筒
１５１  尾筒フロースリーブ
１６０  ライナ
１６１  外筒
１８０  燃料系統
１８１  燃料ポンプ
１８２  流量調節弁
１９０  燃焼室
１９１  燃焼ガス
２００  タービン
２１０  発電機
【図１】
2009210173.tif 000003
【図２】
2009210173.tif 000004
【図３】
2009210173.tif 000005
【図４】
2009210173.tif 000006
【図５】
2009210173.tif 000007
【図６】
2009210173.tif 000008
【図７】
2009210173.tif 000009
【図８】
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