(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン又はガスエンジンから廃熱ボイラの燃焼室へ供給される排気を排気再燃焼用バーナの上流側で分岐し、バーナの燃料と直接混合して一次火炎を形成する一次排気路と、該一次排気路に上記燃焼室で合流する二次排気路とを形成したコージェネレーションシステムにおいて、一次排気路の一次排気噴出口の中心に設けられたバーナノズルの燃料噴出口を斜め前方に向いた複数の炎孔で構成すると共に、一次排気噴出口の周囲に一次排気噴出口と所定の距離をおいて、二次排気路の複数の二次排気噴出口を環状に設け、一次火炎の最大燃焼時に一次排気噴出口から噴出する一次排気の流量が理論空燃比よりも少なくなるように且つ一次火炎の最小燃焼時に一次排気噴出口から噴出する一次排気のみで完全燃焼する量となるように両排気路の流量比率を燃料供給量の変動に拘らず固定したことを特徴とするコージェネレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン又はガスエンジン発電機の排熱をボイラの熱源として利用する所謂コージェネレーションシステムの排気再燃焼システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
排気再燃焼システムとは、図１に示すように、コージェネレーションシステムの蒸気発生能力を増大させるために、タービンの高温排気中の残存空気を利用してバーナ３により追い焚きを行うものであるが、従来より低ＮＯｘ化を図るために、同図に示すように、排気路１０をバーナ３の上流側で分岐し、バーナ３の燃料と直接混合して一次火炎を形成する一次排気路４と、この一次排気路４に燃焼室２で合流して一次火炎と接触する二次排気路５とを形成し、一次排気量を理論空気比よりも不足気味に供給して、二次排気により完全燃焼させるようにし、燃焼を緩慢にして火炎温度を低下させるようにしていた。しかし上述のような排気再燃焼システムにおいては、熱利用効率を高めるために、蒸気需要の変動に応じてバーナ３の燃焼量を制御するのが望ましく、一方タービンからは常時一定量の排気が供給されてくるために、あまりターンダウン比を大きくとると、燃料を絞ったときに排気供給量が過剰になって、燃焼が不安定になったり一酸化炭素を発生したりするという欠点があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
その対策として従来は、図２に示すように、バーナ３への燃料供給量の増減に応じて制御されるダンパ１１，１２を設け、廃熱ボイラ１の負荷が減少して燃料制御弁１６が絞られたときには、それに応じて一次排気も所定の空燃比となるように制御装置１８によってダンパ１１を制御することにより、火炎が不安定になったり、一酸化炭素を発生したりするのを防止していた。しかしそれには、上記両排気路４，５に設けたダンパの少なくとも一方の開度をモータ１９等で制御することによって、両排気路４，５の流量比率をバーナ３の燃料供給量に応じて変化させる必要があり、この制御機構がコスト削減の障害となっていた。本発明は上記の点に鑑み、簡単な改良によって両排気路４，５の流量比率の制御を不要とし、取り扱いの簡略化とコスト削減が可能なこの種のコージェネレーションの排気再燃焼システムを提供することを目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明によるコージェネレーションシステムは、図３〜４に示すように、ガスタービン又はガスエンジンから廃熱ボイラ１の燃焼室２へ供給される排気を排気再燃焼用バーナ３の上流側で分岐し、バーナ３の燃料と直接混合して一次火炎Ａを形成する一次排気路４と、該一次排気路４に上記燃焼室２で合流する二次排気路５とを形成したコージェネレーションシステムにおいて、一次排気路４の一次排気噴出口６の中心に設けられたバーナノズル７の燃料噴出口を斜め前方に向いた複数の炎孔８で構成すると共に、一次排気噴出口６の周囲に一次排気噴出口６と所定の距離をおいて、二次排気路５の複数の二次排気噴出口９を環状に設け、一次火炎Ａの最大燃焼時に一次排気噴出口６から噴出する一次排気の流量が理論空燃比よりも少なくなるように且つ一次火炎Ａの最小燃焼時に一次排気噴出口６から噴出する一次排気のみで完全燃焼する量となるように両排気路４，５の流量比率を燃料供給量の変動に拘らず固定したものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図３は本発明によるコージェネレーションシステムの排気再燃焼用バーナ３付近の構造を示したもので、バーナ３はガスタービンから廃熱ボイラ１（図１）へ高温排気を供給する排気路１０の中間部に設けられており、タービン運転中は、このバーナ３により、高温排気中に多量に含まれている酸素を使って燃料ガスを燃焼させることにより、排気を再加熱して廃熱ボイラ１に送り、ボイラ効率を向上させている。上記排気路１０はバーナ３の上流側で２本に分岐され、バーナ３の燃料と直接混合してボイラ燃焼室２で一次火炎Ａを形成する一次排気路４と、ボイラ燃焼室２で一次排気路４に再合流して一次火炎Ａと接触する二次排気路５とが形成されており、各排気路４，５にはダンパ１１，１２が介装されて、少なくとも一方のダンパ１２を手動で開閉することによって両通路４，５の流量比率が半固定的に調節できるようになっている。実際には、一次排気路４は同心状に内外筒４ａ，４ｂに区画され、ガスタービンの定期点検などで空気で燃焼させる場合に、内側の排ガス供給路４ｂのみに空気を導入するようにしている。これは排ガス中の酸素含有量が１３〜１８％と空気よりも低く、排ガス燃焼では空気の場合よりも供給筒の断面積を広くしないと圧力損失が大きくなり過ぎるからである。なお排気路１０の側壁には空気導入管１４が連結開口しており、保守点検等のタービン停止時には、ダンパ１１，１２及び１３を閉じて、この空気導入管１４からブロアによって燃焼用空気を供給し、廃熱ボイラ１へ必要最少限の熱量を供給するようになっている。
【０００７】
ボイラ燃焼室２に開口した一次排気噴出口６の中心にはバーナノズル７が設けられており、このバーナノズル７の先端ノズルチップ１５には、図４に示すように、斜め前方に向いた複数の炎孔８が穿設されている。また一次排気噴出口６の周囲には、一次排気噴出口６と所定の距離をおいて環状に複数の二次排気噴出口９が設けられており、両排気路４，５の流量比率は前記ダンパ１２により手動で調節できるようになっている。またバーナ３へ燃料を供給する燃料制御弁１６は廃熱ボイラ１の蒸気圧を検出する圧力センサ１７からの出力によって制御されており、最大燃焼時には一次排気の流量が理論空燃比よりも若干少なくなるように設定して（例えば０．９）、燃焼温度を下げることによりＮＯｘ発生量を抑制し、バーナ３の下流側で二次排気を火炎Ａに接触させることにより、完全燃焼させている。
【０００８】
図５は本発明システムの動作状態を示したもので、（ａ）最大燃焼時、（ｂ）は最小燃焼時の状態を示したものである。本発明においては、上記のように一次火炎Ａの最大燃焼時に一次排気噴出口６から噴出する一次排気の流量が理論空燃比よりも少なくなるようにしたものにおいて、一次火炎Ａの最小燃焼時に一次排気噴出口６から噴出する一次排気のみで完全燃焼する量となるように両排気路４，５の流量比率を燃料供給量の変動に拘らず固定したので、最大燃焼時においては、一定流量の一次排気に対して過剰の燃料供給量が供給されるが、混合ガス流量が多いために酸素不足の状態で形成された一次火炎Ａが、図５（ａ）に示すように、一次排気噴出口６の中心に設けられたバーナノズル７の斜め前方に向いた複数の炎口８から斜め前方に向けて噴出して二次排気噴出口９の前方まで広がり（つまり斜め前方に噴出する酸素不足の状態の一次火炎Ａが一次排気噴出口６の周囲に一次排気噴出口６と距離をおいて環状に設けた複数の二次排気噴出口９の前方を斜めに横切るように噴出することになり）、その結果、二次排気噴出口９の前方を斜めに横切る酸素不足の状態の一次火炎Ａに二次排気噴出口９から前方に噴出する二次排気が接触し、不足していた酸素を補って燃料を完全燃焼させる。このとき燃焼は一次排気と二次排気の２段に行われるために、燃焼が緩慢になって低ＮＯｘが実現される。一方最小燃焼時においては、一次火炎Ａの最小燃焼時に一次排気噴出口６から噴出する一次排気のみで完全燃焼する量となるように両排気路４，５の流量比率を燃料供給量の変動に拘らず固定してあるので、一定流量の一次排気に対して燃料供給量が過剰とならず、一次排気のみで完全燃焼が行われる。このとき燃料と一次排気との混合ガス流量が少ないために、斜め前方に向いた複数の炎口８から斜め前方に向けて噴出する一次火炎Ａは図５（ｂ）に示すように二次排気噴出口９の前方に達するまでに燃焼を完了し、斜め前方に向けて噴出する一次火炎Ａが二次排気噴出口９の前方まで広がることはなく、従って従来のように燃料供給量に応じて一次排気量を制御しなくても、排気供給量が過剰になって不完全燃焼したり一酸化炭素を発生したりするおそれはない。このように、一次排気噴出口６の中心に設けられたバーナノズル７の燃料噴出口を斜め前方に向いた複数の炎口８で構成すると共に、一次排気噴出口６の周囲に一次排気噴出口６と所定の距離をおいて環状に複数の二次排気噴出口９を設け、一次火炎Ａの最大燃焼時に一次排気噴出口６から噴出する一次排気の流量が理論空燃比よりも少なくなるように且つ一次火炎Ａの最小燃焼時に一次排気噴出口６から噴出する一次排気のみで完全燃焼する量となるように両排気路４，５の流量比率を燃料供給量の変動に拘らず固定するという簡単な構成とすることで、両排気路４，５の流量比率の制御を不用とし、取り扱いの簡略化とコスト低減が可能となり、また、最小燃焼時に安定した燃焼ができると共に一酸化炭素の発生を防止し、更に、最大燃焼時にも完全燃焼できるのである。
【０００９】
【実施例】
排ガス条件
排ガス排出量：        ４０００Ｎｍ3 ／ｈ
排ガス温度：          ５００℃
酸素含有量：          １５％
バーナ定格：            ２００万Ｋｃａｌ／ｈ
一次排気噴出口半径：      ２５０ｍｍ
二次排気噴出口
個数：                ６〜１０個
直径：                ２００〜２２０ｍｍ
中心を結ぶ円の半径：  ４００〜５００ｍｍ
炎孔の勾配：            ３０〜４５度
上述の排気再燃焼システムにおいて、
一次排気と二次排気の流量比率を１：３に固定し、
最大燃焼時の燃料供給量：２００Ｎｍ3 ／ｈのとき、
ガス流速：１９０ｍ／Ｓで約４５％のＮＯｘ低減効果が得られ、
最小燃焼時の燃料供給量：５０Ｎｍ3 ／ｈのとき、
ガス流速：４８ｍ／Ｓで安定燃焼し、ＣＯの発生も見られなかった。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によれば上述のように、一次排気噴出口６の中心に設けられているバーナノズル７の燃料噴出口が斜め前方に向いた複数の炎孔８で構成され、一次排気噴出口６の周囲に一次排気噴出口６と所定の距離ｄをおいて複数の二次排気噴出口が環状に設けられて、燃料と一次排気との混合ガス量が多いときには、一次火炎が二次排気噴出口９の前方まで広がり、燃料が絞られて混合ガス量が減少したときは一次火炎が二次排気噴出口９まで届かずに完全燃焼してしまうようになっているので、一次排気と二次排気との流量比率が固定されているにも拘らず、バーナの燃料供給量が絞られたときにも、バーナ３に供給される排気量が過剰になるおそれはなく、従って火炎の大小に関係なく常に安定燃焼を確保できるという利点があり、また最大燃焼時には一次排気量を不足気味に供給して、二次排気で完全燃焼させるように流量比率を設定しておくことにより、火炎温度を適度に下げてＮＯｘ発生量を抑制することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来のコージェネレーションシステムの全体系統図。
【図２】  同上の要部縦断面図。
【図３】  本発明の一実施例の要部縦断面図。
【図４】  同上に用いるノズルチップを示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は前面図。
【図５】  （ａ）（ｂ）は本発明の動作状態を示す断面図。
【符号の説明】
１  廃熱ボイラ
２  燃焼室」
３  排気再燃焼用バーナ
４  一次排気路
５  二次排気路
６  一次排気噴出口
７  バーナノズル
８  炎孔
９  二次排気噴出口
１０  排気路
１１  ダンパ
１２  ダンパ
１３  ダンパ
１４  空気導入管
１５  ノズルチップ
１６  燃料制御弁
１７  圧力センサ
１８  制御装置
１９  モータ
【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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