(57)【要約】【課題】残留炭素を多く含む低質油を燃料に使用しても煤塵排出量を抑制することができるガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナを提供する。【解決手段】空気圧縮機２から供給される燃焼用空気１０２中に液体燃料２００を噴射して燃焼室５内で燃焼させ、生成した燃焼ガス１１０をタービン４に供給するガスタービン燃焼器３の液体燃料焚きバーナ１３であって、燃焼器３の半径方向の中心部に設置した十字形の噴孔出口２２ａを持つ液体燃料ノズル２２と、液体燃料ノズル２２の外周側に設置され液体燃料２００を微粒化する噴霧空気１０３を噴射する噴霧空気ノズル２１と、噴霧空気ノズル２１の外周側に設置され燃焼室５内に燃焼用空気１０２を供給する燃焼用空気旋回器１７とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気圧縮機から供給される燃焼用空気中に液体燃料を噴射して燃焼室内で燃焼させ、生成した燃焼ガスをタービンに供給するガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナであって、
前記ガスタービン燃焼器の半径方向の中心部に設置した液体燃料ノズルと、
前記液体燃料ノズルの外周側に設置され、前記液体燃料ノズルから噴射される液体燃料を微粒化する噴霧空気を噴射する噴霧空気ノズルと、
前記噴霧空気ノズルの外周側に設置され、前記燃焼室内に燃焼用空気を供給する燃焼用空気旋回器と、
前記液体燃料ノズルの先端部に設けられ、液体燃料の噴霧領域の外周部に切り欠き部を形成する噴霧領域切り欠き手段と
を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナ。
【請求項２】
請求項１のガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナにおいて、前記噴霧空気切り欠き手段は、開口部が十字形に形成された前記液体燃料ノズルの噴孔出口であることを特徴とするガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナ。
【請求項３】
請求項１のガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナにおいて、前記噴霧空気切り欠き手段は、開口部が三方形に形成された前記液体燃料ノズルの噴孔出口であることを特徴とするガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナ。
【請求項４】
請求項１のガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナにおいて、前記噴霧空気切り欠き手段は、前記液体燃料ノズルの噴孔出口の周方向の一部分に前記燃焼室側に突設した少なくとも１つの遮蔽板であることを特徴とするガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナ。
【請求項５】
請求項１のガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナにおいて、前記噴霧空気ノズルに設けられ、前記噴霧空気に旋回成分を与える噴霧空気旋回器を備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナ。
【請求項６】
請求項１のガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナにおいて、前記液体燃料ノズルに設けられ、液体燃料に旋回成分を与える液体燃料旋回器をさらに備えたことを特徴とするガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気圧縮機から供給される燃焼用空気中に液体燃料を噴射して燃焼室内で燃焼させ、生成した燃焼ガスをタービンに供給するガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の液体燃料焚きのガスタービン燃焼器では、例えば灯油や軽油等の燃料を噴射して燃焼用空気とともに燃焼させている（特許文献１等参照）。
【０００３】
【特許文献１】特願２００５−１８４９８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、ガスタービンでは、石油精製所や化学プラントで発生する残渣油等の副生成物を燃料として利用することが検討されている。このような燃料は、現在使用されている灯油や軽油、Ａ重油等の燃料に比べて動粘度が大きく、残留炭素や窒素分、硫黄分を多く含む低質な燃料である。このような低質油をガスタービンに利用することができれば、資源を有効に活用でき、また発電コストの中で大きな部分を占める燃料費を削減できる。しかし、低質油を燃焼させた場合、低質油に含まれる残留炭素によって煤塵排出量が増加するため、煤塵低減技術の開発が不可欠となっている。
【０００５】
炭化水素系の液体燃料を噴霧拡散燃焼した場合、燃焼によって固体の炭素質が生成される。このような固体炭素質は、Moszkowicz, P., Witzel,L. and Claus, G., “Modelling of Very Fast Pyrolysis of Heavy Fuel Oil Droplets”, Chemical Engineering Science, Vol.51, No.17, pp.4075-4086（1996）によれば、スート（soot）と呼ばれる数μｍ以下の大きさの粒子と、セノスファ（cenosphere）と呼ばれる数μｍ〜１００μｍ程度の大きさの粒子に分類される。
【０００６】
スートとは、気相中において、蒸発した燃料が酸素と十分に混合しない状態で不完全燃焼し、熱分解・重合・凝集等の複数の過程を経て形成される炭素質のことをいう。一方、セノスファとは、主に軽質成分と重質成分の混合物である重質油の燃焼で生じる炭素質である。重質油の燃焼では、まず蒸発した軽質分の気相燃焼により液滴周囲に火炎が形成され、その熱により液滴内で熱分解が起こり、残留炭素分が液滴表面で局所的に固化する。その後、液滴内部の軽質分は全て蒸発し、残った中空状の炭素質がセノスファと呼ばれる。
【０００７】
残渣油等の低質油は残留炭素を多く含む重質油であるため、低質油を燃焼する際には、残留炭素由来のセノスファが発生する。発生したセノスファは、燃焼室内で滞留する間に、その表面に拡散してきた酸素との固体表面燃焼により消滅していくが、燃焼室内で消滅に至らなかったものが煤塵として排出される。
【０００８】
セノスファの形成過程においては、炭素質でできた殻の存在により軽質分の蒸発が遅れ、また液滴内部の圧力上昇によりセノスファ粒子径が拡大するため、煤塵発生量が増加し、その結果、多量の煤塵が排出され得る。したがって、低質油を燃焼させると、低質油に含まれる残留炭素により形成されたセノスファによって煤塵排出量が増加する傾向にある。
【０００９】
本発明は上記に鑑みなされたもので、残留炭素を多く含む低質油を燃料に使用しても煤塵排出量を抑制することができるガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナ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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、液体燃料の噴霧領域の外周部に切り欠き部を形成する噴霧領域切り欠き手段を液体燃料ノズルの先端部に設ける。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、残留炭素を多く含む低質油を燃料に使用しても煤塵排出量を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
本発明は、液体燃料の噴霧領域の外周部に切り欠き部を形成する噴霧領域切り欠き手段を液体燃料ノズルの先端部に設けることを特徴とする。液体燃料の噴霧領域の外周部に形成した切り欠き部から燃焼用空気が侵入し易くすることで、火炎中心部にまで燃焼用空気が供給され、これにより煤塵の消滅反応が促進されて煤塵排出量が低減される。
【００１４】
噴霧領域切り欠き手段としては、例えば液体燃料ノズルの噴孔出口の開口形状を放射状にすることが考えられる。この場合、噴孔出口の開口形状は、三方形、十字形、或いは一文字状が望ましい。五方形以上になると（噴孔出口が５方向以上に放射した形状になると）液体燃料の噴霧領域が円錐状に近づくため、噴霧領域に燃焼用空気の導入部として機能する「切り欠き部」が形成され難くなる。
【００１５】
噴霧領域切り欠き手段の他の例としては、液体燃料ノズルの噴孔出口の周方向の一部分に燃焼室側に少なくとも１つの遮蔽板を突設することが考えられる。これにより、形成される噴霧火炎の断面が扁平な形状となり、同様に形成された切り欠き部から火炎中心部付近にまで燃焼用空気が供給されるため、煤塵排出量を低減することが可能である。
【００１６】
続いて図面を用いて本発明の実施例を順次説明していく。
【実施例１】
【００１７】
図１は本発明の液体燃料焚きバーナを備えたガスタービン燃焼器を含むガスタービンプラントの概略図である。
【００１８】
図１に示したガスタービンプラントにおいて、空気圧縮機２は大気中から吸入された吸入空気１０１を圧縮し、燃焼用空気１０２をガスタービン燃焼器３（以下、燃焼器３）に供給する。燃焼器３では、燃焼室５内で燃焼用空気１０２と液体燃料２００が反応することにより火炎が形成され、燃焼ガス１１０が発生する。燃焼ガス１１０はタービン４に流入し、燃焼ガス１１０の運動エネルギがタービン４の回転エネルギに変換され、タービン４に回転動力を与えた燃焼ガス１１０は排気される。タービン４に与えられた回転エネルギは、タービン４に連結されている発電機６により電気エネルギに変換される。なお、ガスタービン起動時は、ガスタービン起動用モータ７により空気圧縮機２を駆動させる。
【００１９】
本実施の形態の液体燃料焚きバーナ１３（以下、バーナ１３）は、液体燃料ノズル２２を燃焼器３の半径方向中心部に、液体燃料ノズル２２から噴射される液体燃料２００を微粒化する噴霧空気１０３を噴射する噴霧空気ノズル２１を液体燃料ノズル２２の外周側に、燃焼室５内に燃焼用空気１０２を供給し火炎を保持する燃焼用空気旋回器１７を噴霧空気ノズル２１の外周側に備えている。
【００２０】
噴霧空気ノズル２１は、噴霧空気１０３に旋回成分を与える噴霧空気旋回器９１を内部に備えている。噴霧空気１０３には、空気圧縮機２から抽気した圧縮空気を用いても良いし、別途用意したコンプレッサから供給される空気を用いても良い。
【００２１】
液体燃料２００は、燃料供給系統（図示せず）から供給される残留炭素を多く含む低質油であり、液体燃料ノズル２２の燃焼室５側の先端部の噴孔出口２２ａから噴出し、液体燃料ノズル２２から噴射された直後に噴霧空気ノズル２１からの噴霧空気１０３により微粒化される。微粒化された液体燃料２００は、燃焼室５内で燃焼用空気旋回器１７から噴出した燃焼用空気１０２とともに燃焼する。
【００２２】
図２（ａ）はバーナ１３の先端部の拡大断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）中のＡ−Ａ矢視図である。図２（ｂ）に示したように、液体燃料ノズル２２の先端に設けた噴霧領域切り欠き手段としての噴孔出口２２ａは、開口形状が十字形に形成されている。
【００２３】
ここで、燃料に含まれる残留炭素の濃度と煤塵排出量の関係を説明する。上述したように、低質油の燃焼では、残留炭素由来のセノスファが主な煤塵原因となるため、燃料中の残留炭素濃度が高いほどセノスファが多く発生し、煤塵排出量は増加する。
【００２４】
図３は燃料中の残留炭素濃度による煤塵排出量の変化を示す図である。
【００２５】
日本機械学会、燃焼工学ハンドブック−第７章 燃焼排出物（７・３ 粒状物質）、pp.96-100（1995）によると、残留炭素濃度と煤塵排出量はおおよそ直線関係にあり、残留炭素濃度の増加に伴って煤塵排出量も増加する。液体燃料ノズルの噴孔出口が円形の従来のバーナで残留炭素濃度ＣBの低質油を燃焼させた場合、煤塵排出量は、線分３１に示したように、残留炭素濃度ＣA（＜ＣB）の良質油を使用した場合の排出量ＷAからＷBまで増加する。その結果、煤塵排出量が環境規制値ＷRを超えてしまう。環境規制を満足するためには、煤塵排出量をＷBからＷR以下の値（例えば、図中の線分３２上のＷB'）まで低減する必要がある。
【００２６】
煤塵低減方法について説明する。従来のバーナの液体燃料ノズルのように噴出孔出口が円形の場合、形成される液体燃料の噴霧領域は円錐形となり、噴霧火炎の断面形状も円形となる。そのため、燃焼用空気は液体燃料噴流の中心部に侵入し難く、火炎の中心部の酸素濃度が低くなる。低酸素濃度領域では、燃焼によるセノスファの消滅に必要な酸素が少なく、セノスファの消滅反応が進行しないため煤塵排出量が増加する。したがって、煤塵排出量を低減するためには、低酸素濃度領域に酸素（空気）を供給し、煤塵の消滅反応を促進させれば良い。
【００２７】
前掲の日本機械学会、燃焼工学ハンドブック−第７章 燃焼排出物（７・３ 粒状物質）、pp.96-100（1995）には、このような空気供給による煤塵低減効果を調べた実験結果が示されている。この実験では、燃焼用空気と燃料の空気比を変化させた場合の煤塵排出量の変化を調べている。この実験結果を概念的に表したものを図４に示す。図４では空気比の代わりに排ガス中の酸素濃度（％）を横軸にとっている。この図４より、排ガス中の酸素濃度が高くなるほど、つまり空気供給量が多いほど、煤塵排出量が減少することが判る。
【００２８】
図５は本実施例における煤塵低減効果の説明図である。本図には、本実施例の液体燃料ノズル２２の拡大図、及びその下流で形成される液体燃料の噴霧領域（噴霧火炎）の概念図を示している。図５に示したように、液体燃料ノズル２２の噴孔出口２２ａが十字形となっているため、液体燃料２００は十字形断面の噴流となって噴出し、その結果、十字形の断面形状の噴霧火炎８１が形成される。
【００２９】
図６は燃焼器３の中心軸に垂直な面５０（図５）で切った噴霧火炎８１の断面を示した図である。従来のバーナでは液体燃料ノズル２２の噴孔出口形状が円形となっているため、点線で示したように断面形状が円形の噴霧火炎８０が形成される。そのため、燃焼用空気１０２が火炎中心部に流入し難く、中心部は酸素濃度が低い状態となる。その結果、煤塵の消滅反応が進行せず、多くの煤塵が排出される。それに対し、本実施例では、噴霧火炎８１の断面が十字形になるため、噴霧火炎８０の外周部に形成された４つの切り欠き部８１ａから燃焼用空気１０２が火炎中心付近まで侵入し易いので、噴霧火炎８１の中心部の酸素濃度が増加して煤塵の消滅反応が促進され、煤塵排出量が低減される。
【００３０】
本実施例では、さらに次の効果によって煤塵排出量が低減される。すなわち、煤塵は噴霧火炎内において発生するため、その発生量は火炎領域が広いほど増加する。図６に示した通り、本実施例では、従来のバーナに比べて噴霧火炎領域が全体的に縮小されるため、煤塵排出量が低減される。
【００３１】
以上のように、本実施例によれば、残留炭素を多く含む低質油の燃焼においても煤塵排出量を低減することができる。
【実施例２】
【００３２】
図７（ａ）は本発明のガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナの第２実施例の先端部の拡大断面図、図７（ｂ）は図７（ａ）中のＢ−Ｂ矢視図である。
【００３３】
本実施例では、燃焼器３の半径方向中心部に設置された液体燃料ノズル２３の噴孔出口２３ａが三方形の開口形状になっている。その他の構成は第１実施例と同様である。
【００３４】
図８は本実施例のバーナによる噴霧火炎の燃焼器３の中心軸に垂直な面で切った断面図である。図示したように、本実施例では、ノズル下流において三方形の断面形状の噴霧火炎８２が形成される。その結果、第１実施例と同じように、噴霧火炎８２の外周部に形成された３つの切り欠き部８２ａから燃焼用空気１０２が火炎中心付近まで侵入し易いので、噴霧火炎８２の中心部の酸素濃度が増加して煤塵の消滅反応が促進され、煤塵排出量が減少する。また、従来のバーナの場合に比べて噴霧火炎領域が縮小されるため煤塵排出量がより低減される。
【実施例３】
【００３５】
図９（ａ）は本発明のガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナの第３実施例の先端部の拡大断面図、図９（ｂ）は図９（ａ）中のＣ−Ｃ矢視図である。
【００３６】
本実施例では、燃焼器３の半径方向中心部にある液体燃料ノズル２４の噴孔出口２４ａは円形であるが、噴孔出口２４ａの周方向の一部分に燃焼室５側に伸びる遮蔽板７０が突設されている。本例では、遮蔽板７０が１８０°ピッチで２枚設置され、遮蔽板７０のそれぞれが噴孔出口２４ａの全周を１／４程度ずつ占めている場合を例示している。なお、遮蔽板７０の設置枚数は１枚や３枚程度に変更しても良いが、枚数があまり増加すると形成される噴霧火炎の断面形状が円形に近付くため、噴霧領域に有効な切り欠き部が形成されるように枚数は適度に抑えることが好ましい。また、遮蔽板７０の燃焼室５側の先端はバーナの燃焼室５側の端面１８よりも上流側に位置させる（つまり燃焼室５に露出しないようにする）。その他の構成は第１実施例と同様である。
【００３７】
図１０は本実施例における煤塵低減効果の説明図である。本図には、本実施例の液体燃料ノズル２４の拡大図、及びその下流で形成される液体燃料の噴霧領域（噴霧火炎）８３の概念図を示している。また、図１１は燃焼器３の中心軸に垂直な面５１（図１０参照）で切った噴霧火炎８３の断面図である。
【００３８】
液体燃料２００はノズル出口直後から外周側に広がり、ある噴霧角で燃焼室５に噴出する。噴孔出口２４ａの外周部の遮蔽板７０の設置部分と非設置部分とでは、液体燃料２００が外周側に広がり始める位置が遮蔽板７０の長さ寸法（軸方向の長さ）分だけ燃焼器軸方向にずれる。その結果、下流で形成される噴霧火炎８３の断面形状は、図１１に示すように扁平な形になる。この場合も、第１実施例と同じように、噴霧火炎８３の外周部に形成された４つの切り欠き部８３ａから燃焼用空気１０２が火炎中心付近まで侵入し易いので、噴霧火炎８３の中心部の酸素濃度が増加して煤塵の消滅反応が促進され、煤塵排出量が減少する。また、従来のバーナの場合に比べて噴霧火炎領域が縮小されるため煤塵排出量がより低減される。
【実施例４】
【００３９】
図１２（ａ）は本発明のガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナの第４実施例の先端部の拡大断面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）中のＤ−Ｄ矢視図である。
【００４０】
本実施例のバーナは、第３実施例のバーナに対し、燃焼器３の半径方向中心部にある液体燃料ノズル２５の内部に、液体燃料２００に旋回成分を与える液体燃料旋回器９０が備えられている。
【００４１】
既述したように、低質油の燃焼では残留炭素由来のセノスファが主な煤塵原因となる。セノスファの形成過程において、液体燃料が噴霧したときの液滴粒径が小さいほど、形成されるセノスファの粒径も小さくなる。その結果、セノスファが燃焼室内で燃焼し消滅するのに要する時間も短くなるため、セノスファの排出量も減少する。したがって、煤塵排出量を低減するためには、液体燃料２００の噴霧粒径を小さくすること、すなわち微粒化を促進することが有効な手段のひとつである。
【００４２】
液体は、次のようなプロセスで微粒化される。すなわち、燃料ノズルから噴射した液体燃料の液層の表面に微小な変形が生じると、周囲の気体と液体との界面若しくは液体内部の不安定性によって変形が徐々に成長していく。そして、変形が液層内部にまで広がっていき、表面から液体が破断して多数の液滴が形成される。
【００４３】
微粒化促進のためには、微粒化プロセスの初期に生じる微小な変形を大きくすることが有効であり、これは例えば液体燃料と周囲気体との相対速度（せん断速度）を大きくすることにより達成される。気液間のせん断速度が大きくなると、周囲気体の圧力が下がり、気液間の圧力差が大きくなる。この気液の圧力差が、液体の復元力である表面張力に対抗して表面の変形を助長する。したがって、微粒化促進には、気液間のせん断速度を大きくすることが有効である。
【００４４】
本実施例では、液体燃料旋回器９０により、液体燃料２００に対し、軸方向速度に加えて旋回速度を付加する。これにより、液体燃料２００と噴霧空気１０３の間のせん断速度が大きくなり、微粒化が促進される。微粒化促進により、セノスファ粒径が小さくなり、その多くが燃焼室内で消滅するため、その排出量は減少する。なお、本実施例では、第３実施例に液体燃料旋回器９０を追加設置した場合を例に挙げて説明したが、第１実施例や第２実施例に液体燃料旋回器９０を追加設置しても、同様の相乗効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の液体燃料焚きバーナを備えたガスタービン燃焼器を含むガスタービンプラントの概略図である。
【図２】本発明のガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナの第１実施例の先端部の拡大断面図、及びこの図中のＡ−Ａ矢視図である。
【図３】燃料中の残留炭素濃度による煤塵排出量の変化を示す図である。
【図４】排ガス中の酸素濃度と煤塵排出量の関係を示した概念図である。
【図５】本発明のガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナの第１実施例における煤塵低減効果の説明図である。
【図６】本発明のガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナの第１実施例による噴霧火炎の燃焼器軸に垂直な面で切った断面図である。
【図７】本発明のガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナの第２実施例の先端部の拡大断面図、及びこの図中のＢ−Ｂ矢視図である。
【図８】本発明のガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナの第２実施例による噴霧火炎の燃焼器軸に垂直な面で切った断面図である。
【図９】本発明のガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナの第３実施例の先端部の拡大断面図、及びこの図中のＣ−Ｃ矢視図である。
【図１０】本発明のガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナの第３実施例における煤塵低減効果の説明図である。
【図１１】本発明のガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナの第３実施例による噴霧火炎の燃焼器軸に垂直な面で切った断面図である。
【図１２】本発明のガスタービン燃焼器の液体燃料焚きバーナの第４実施例の先端部の拡大断面図、及びこの図中のＤ−Ｄ矢視図である。
【符号の説明】
【００４６】
２        空気圧縮機
３        ガスタービン燃焼器
４        タービン
５        燃焼室
６        発電機
７        ガスタービン起動用モータ
１３      液体燃料焚きバーナ
１７      燃焼用空気旋回器
２１      噴霧空気ノズル
２２      液体燃料ノズル
２２ａ    噴孔出口
２３      液体燃料ノズル
２３ａ    噴孔出口
２４      液体燃料ノズル
２４ａ    噴孔出口
２５      液体燃料ノズル
２５ａ    噴孔出口
７０      遮蔽板
９０      液体燃料旋回器
９１      噴霧空気旋回器
１０１    吸入空気
１０２    燃焼用空気
１０３    噴霧空気
１１０    燃焼ガス
２００    液体燃料
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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