JPH01179822A - ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は燃焼ガス中に含まれる窒素酸化物濃度を低減す
るようにしたガスタービン燃焼器に関する。

［従来の技術］ ガスタービン燃焼器の燃焼時に発生する窒素酸化物（以
下Ｎ０８と称す）は、サーマルＮＯｘと言われる、空気
中窒素に起因するものである。サーマルＮＯｘの生成機
構は、ゼルトビッチ機構で説明される。すなわち、以下
の素反応に因る。

Ｎ２＋０２→ＮＯ＋Ｎ　（１） Ｎ＋０２→ＮＯ＋Ｏ（２） Ｎ＋ＯＨ−＋ＮＯ十Ｈ（３） これらの反応によれば、（１）式の窒素分子の解離反応
による窒素原子の生成が開始反応であることが分る。す
なわち（１）式にて窒素原子Ｎか生成し、これが（２）
式、（３）式にて酸素分子、水酸基ラジカルにて酸化さ
れてＮＯとなる。これら一連の反応は温度上昇に伴って
増加し、よってサーマルＮＯｘ生成量が増加する。

そこで、サーマルＮＯｘの生成を低減させるには、火炎
温度を上げない様にすればよい。現状てＧＪ、この原理
に基つく低ＮＯｘ燃焼法としては、燃焼器内に水蒸気又
は燃焼排ガスを注入する方法等かあるか、以下に説明す
る希薄燃焼法が主流となっている。

希薄燃焼法とは、大量の空気で火炎温度か上らｊ７い様
に冷却する方法であり、即ち燃焼器内に空気比（供給し
た燃料を完全燃焼させるに必要な最小限の空気量に対す
る実際に投入した空気量の比）か１に近いような燃焼領
域の形成を防いて、全ての領域で高空気比（２０程度）
で燃焼させようとする方７去である。

希薄燃焼法に関するものとして、実開昭５７−１５４８
５３号公報には、カスターヒン車室圧力を利用して空気
圧力か低いときは空気を燃焼器に供給し、出来る限り安
定な希薄燃焼とする方法か記載されており、また、実開
昭５７−１５０３７３号公報にはガスタービン燃焼器の
空気導入装置が記載されている。

希薄燃焼方法ては、予め大量の空気と燃料を混合して燃
焼器内に投入し、高空気比の予混合火炎（燃料と空気を
予め混ぜて燃焼させるときの火炎）を形成することによ
り、燃焼温度の上ｙ−を防ぐことになるか、吹き消えの
問題かある。なぜなら、一般に予混合火炎は空気比が１
イ」近で最も安定であり、空気比が１より大きいときで
は吹き消えか起り易いからである。

以上述へた方法に対して、新たな方法として、燃焼器内
に燃料を第１および第２の２つの領域に分割して投入し
、第１の領域では燃料を完全に燃焼させる１２程度の高
空気比燃焼火炎で燃焼させ、次いで、そこで発生したＮ
しを、酸素濃度か低く還元性可燃性気体を多量に含む第
２の領域の低空気比燃焼火炎にて還元し、後流で、該第
２の領域に残存する可燃性気体を、アフタエアポートか
らの空気で酸化、燃焼して低Ｎし化を図る方法が、特開
昭６１−４１８１０号公報に開示されている。

［発明か解決しようとする問題点］ 特開昭６１−４１８１０号公報に開示の発明では、火炎
が予混合火炎であるのか又は拡散火炎（燃料の周りに空
気が拡散して来ることにより燃焼するときの火炎）であ
るのかの別について明らかにしておらず、例えは予混合
火炎であるとすると吹き消えか問題となる。

また同公報開示の発明では、高空気比燃焼火炎と低空気
比燃焼火炎の形成される位置関係を同公和記載の実施例
から判断すると、両火炎間に火炎干渉か起きている。す
なわち、余剰の酸素か高空気比燃焼火炎側から低空気比
燃焼火炎側へ拡散し、逆に低空気比火炎側からは燃料か
拡散する様な火炎の位置関係になっている。この火炎干
渉の故に、高空気比燃焼火炎から発生したＮｏＸを低空
気比燃焼火炎で還元する効果か充分達成されず、各々の
火炎の役割か充分に果されないというｌＬ［がある。

本発明の目的は、燃焼器内に燃料を２つの領域に分りて
供給して高空気比燃焼火炎と低空気比燃焼火炎とを生じ
させ、前者の火炎により高熱負荷を得、そこから発生し
たＮＯつを後者の火炎にて還元して低ＮＯｘ化を図った
ガスタービン燃焼器において、高空気比燃焼火炎の吹き
消えを防くと共に、上記両火炎間を火炎干渉を防止して
十分な低Ｎｏ、化を図ることにある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明のガスタービン燃焼器は、燃焼器の中心部に配置
された低空気比拡散燃焼火炎を形成するための第１のノ
ズルと、該第１のノズルの周りに火炎の流れの上流側に
て同心的に配置され、旋回流発生装置を具備した高空気
比予混合燃焼火炎を形成するだめの第２のノズルと、前
記低空気比拡散燃焼火炎にて生成する未燃の可燃性成分
を完全燃焼させるためのアフターエアボートとを備え、
前記第１のノズルのノズル端は、前記高空気比予混合燃
焼火炎の燃焼反応が終結しその燃焼生成カス中に燃料を
含まなくなった火炎後流位置に配置されていることを特
徴とする。

［作　用コ 高空気比燃焼火炎を予混合火炎とし、更に高空気比予混
合燃焼火炎用ノズルに旋回流発生装置を備えたことは、
次のように作用する。

空気比が１付近から１６程度迄の予混合火炎は、火炎温
度が高く、従ってサーマルＮＯｘの発生も多いが、燃焼
効率が高く熱負荷を多く取れる。

ところで、一般に予混合火炎は空気比が１前後で最も安
定に燃焼し、それより大きい空気比では吹き消えが起き
るので、高い燃焼効率を得るには、吹き消えかない様に
保炎する必要がある。そのために本発明では高空気比予
混合火炎用ノズルに旋回流発生装置が備えである。これ
により火炎の流れに対して旋回流を発生させると、旋回
うずの中に負圧を生じ、火炎流れが中心に向う性質を帯
び、よって、保炎性か高まる。同時に、短炎化の効果も
有り燃焼器を小型化出来る。

低空気比拡散燃焼火炎は、高空気比予混合火炎から発生
したＮＯｘを還元するよう作用する。

ところで、高空気比火炎と低空気比火炎とか接触して高
空気比火炎側から低空気比火炎側へ酸素か拡散し、低空
気比火炎側から燃料か拡散する、いわゆる火炎干渉が生
じると、各々の火炎の役割りが充分に果せない。そこで
、本発明では前記両火炎の火炎干渉を防ぐための対策と
して、前記高空気比予混合燃焼火炎中に燃料が無くなり
、Ｎしと酸素、窒素や他の燃焼生成酸化物のみとなった
領域、即ち燃焼反応が終結した火炎後流領域に、Ｎしを
還元するための前記低空気比拡散火炎を形成するノズル
のノズル端を配置した。それによって、両火炎は火炎干
渉を起こさないようになり、高空気比予混合火炎では高
い燃焼効率により高熱負荷を得、低空気比拡散火炎では
ＮＯｘを還元するという各々の火炎の役割が充分に果さ
れる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図にて説明する。

本実施例は、燃料（一般には炭化水素燃料たとえばメタ
ン）を２つに分けて供給し、同一燃焼器１０内に空気比
１．２程度の高空気比予混合火炎２０を形成させ、この
火炎２０から高熱負荷を得る。更に、その火炎から発生
するＮＯｘを空気比０８程度の低空気比拡散燃焼火炎３
０中に存在する還元性成分（ＮＨ３、ＨＣＮ　、炭化水
素系化合物等）によって還元し、低ＮＯｘ化を図るもの
である。

高空気比予混合燃焼火炎２０は、燃料供給口２２から供
給された燃料と空気供給口２１から供給された空気とを
予混合室２３て予混合気とし、該予混合気を、旋回流発
生装置２４を具備した高空気比予混合燃焼火炎用ノズル
２５から噴出することによって形成される。火炎の流れ
が旋回流となる事により、旋回流中心付近に負圧領域を
生し、よって、内側へ逆行する流れを生じるため火炎は
短炎化するので燃焼器１０を小型化出来、また、木来吹
き消え易い高空気比火炎の保炎性をも高められ、吹き消
えが防止される。

低空気比拡散燃焼火炎３０は、高空気比火炎２０から発
生したＮＯｘを還元する目的のものて、燃料供給口３１
から供給された燃料を中心部のノズル３２から噴出する
ことによって形成される。

上記の２つの火炎２０．３０間で火炎干渉が起きないよ
うにするため、ノズル３２のノズル端は、高空気比火炎
２０の燃焼反応が終結した所から燃料を噴出する様な位
置にて高空気比火炎２゜後流に配置される。上記燃焼反
応の終結した所の判断は、以下に示すガス分析の結果か
ら行なった。即ち、第１図に示す高空気比予混合火炎２
゜中のガスを、火炎流れ方向の各距離ｋにて順次サンプ
リンブレ、該ガス中の燃料すなわちメタンの濃度を分析
して、メタン濃度が０％となった所か燃焼反応が終結し
た点であり、火炎の末端であると判断した。その−例を
第２図に示す。メタン濃度が０％以上を示すλ値迄が燃
焼反応が進行している火炎であり、それ以上の℃では、
燃料メタンが無いので、もはや火炎は形成されず燃焼反
応もなく、単なる高温排ガスであって、火炎とは言わな
い。

本実施例では、丁度この高空気比火炎２ｏの燃焼反応終
結位置に低空気比拡散火炎３０形成用ノズル３２のノズ
ル端が配置されることになる。

なお、メタン濃度が０％となるλ値は、燃焼状態等によ
り多少変化するが、要するにメタン濃度が０％となる点
か燃焼終結点である。これにょリ、高空気比予混合火炎
形成用ノズル２５と低空気拡散火炎形成用ノズル３２の
位置関係か決定される。

以上の配置によって、２つの火炎２０．３０は各々の役
割り（高空気比火炎２０ては高い燃焼効率を得て高熱負
荷を取り出し、低空気比火炎３０てはＮ　［ＩＸを還元
する）を充分に果し得る。

燃焼器】０中心に存在するノズル３２は、それのみては
、高温度の高空気比予混合燃焼火炎２０により焼損され
る恐れかあるためこれを冷却する必要かある事と、低空
気比拡散火炎３０に対する燃焼用空気をも供給する必要
かある事から、低空気比拡散燃焼火炎３０用ノズル３２
の外周に同心的に、多段の空気噴出口３５をシリーズに
有する空気供給ノズル３３を配置した。それへの空気は
供給口３４から供給される。

低空気拡散燃焼火炎３０からは、Ｎし還元性成分（ＮＨ
３、ＩＩｃＮ　、炭化水素系化合物等）と同時に、−酸
化炭素や余剰の炭化水素系化合物が生成される。これら
か、燃焼器１０の出口から排出されることば有害である
のみならす省エネルギー的にも不利である。それらへの
対策として本実施例ではアフターエアーボー１−４０を
配置した。アフターエアーボート４０から燃焼器１０内
に流入する空気で、前述の一酸化炭素や炭化水素系化合
物を燃焼して無害化すると同時に、燃焼熱を得る効果も
生ずる。

第３図に、本実施例の燃焼器による燃焼試験結果を、従
来型の燃焼器、即ち、高空気比予混合火炎と低空気比拡
散火炎とか同し位置にあり両火炎間に火炎干渉を起こし
ている燃焼器の燃焼試験結果と比較した例を示す。横軸
は、燃焼性の悪さを示す１つの指標である燃焼器排カス
中の可燃性の未燃成分（ＣＯおよび炭化水素系化合物）
の濃度を、縦軸は燃焼器排カス中のＮＯｘ濃度を示す。

横軸の値も縦軸の値も、共に原点に近い程、高効率低Ｎ
Ｏつ燃焼である事を意味する。本実施例による結果のグ
ラフ６０は、従来型による結果のグラフ５０より、高効
率低Ｎし燃焼として良好な結果を示でいることかわかる
。

［発明の効果］ 本発明によれは、高空気比予混合火炎を形成するノズル
に旋回流発生装置を備えているのて、この予混合火炎は
高負荷を得るために高空気比燃焼を行なっても保炎性が
向上しているので吹き消えが起こらず、しかも短炎化が
出来、燃焼器を小型化し得る効果がある。

また、高空気比予混合燃焼火炎から発生するＮＯヶを低
空気比拡散火炎あるいは、そこからの生成物にて還元す
る際し、これら各火炎の位置関係として、高空気比予混
合火炎の燃焼反応が終結して、その燃焼排カス中に燃料
か含まれなくなった火炎後流位置に、前記低空気比拡散
火炎形成用のノズルのノズル端を配置しているので、上
記両火炎間の火炎干渉がなく、従って、高空気比予混合
火炎では高燃焼率で高熱負荷を取り、低空気比拡散火炎
ではＮＯｘを還元して低ＮＯｘ化を図るという各々の火
炎の役割りを充分に果たすことか出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるガスタービン燃焼器の一実施例を
示す縦断面図、第２図は高空気比火炎の燃焼終結点の説
明のためのカス分析結果の図、第３図は本発明実施例の
燃焼器と特開昭６１−４１８１０号公報の第１図に開示
の燃焼器とによる燃焼試験結果を比較図示した図である
。 １０・・・ガスタービン燃焼器、 ２０・・・高空気比予混合燃焼火炎、 ２１．３４・・・空気供給口、 ２２．３１・・・燃料供給口、２３川予混合室、２４・
・・旋回流発生装置、 ２５・・・高空気比予混合燃焼火炎用ノズル、３０・・
・低空気比拡散燃焼火炎、 ３２・・・低空気比拡散燃焼火炎用ノズル、３３・・・
燃焼用空気供給ノズル、 ４０・・・アフターエアーボート。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃焼器の中心部に配置された低空気比拡散燃焼火炎を形
   成するための第１のノズルと、該第１のノズルの周りに
   火炎の流れの上流側にて同心的に配置され、旋回流発生
   装置を具備した高空気比予混合燃焼火炎を形成するため
   の第２のノズルと、前記低空気比拡散燃焼火炎にて生成
   する未燃の可燃性成分を完全燃焼させるためのアフター
   エアポートとを備え、前記第１のノズルのノズル端は、
   前記高空気比予混合燃焼火炎の燃焼反応が終結しその燃
   焼生成ガス中に燃料を含まなくなった火炎後流位置に配
   置されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。