JPH01267324A

JPH01267324A - 低カロリーガス用ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JPH01267324A
Application number: JP9546188A
Authority: JP
Inventors: Toshio Abe; 俊夫阿部; Noboru Hisamatsu; 暢久松
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 1988-04-20
Filing date: 1988-04-20
Publication date: 1989-10-25

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】（−東上の利用分野）本発明はガスタービン燃焼器に間する。更に詳述すると
、本発明は低カロリーガス例えば石炭ガス化ガス等を燃
料とする低カロリーガス用ガスタービン燃焼器に関する
。

（従来の技術）現在、石炭転換利用技術の開発として石炭のガス化ない
し液化技術の開発が提唱され、各国で推し進められてい
る。そして、この開発の一環として、石炭ガス化によっ
て生成されたガス（以下石炭ガス化ガス若しくは生成ガ
スと言う）、特に２０００　ｋｃａｌ／　Ｎｍ　３未満
の低カロリーガスを燃料とする低カロリーガス用ガスタ
ービン燃焼器の開発が要求されている。

即ち、従来のガスタービン燃焼器（コンパスタ−）は、
圧縮空気の気流中に燃料を噴射して連続的に燃焼させる
装置で、■燃焼室内の圧力が高い、■燃焼室内の空気流
速が速い、■燃焼負荷率が高い等の特徴を有するもので
あり、天然ガス（ＬＮＧ）やプロパンガス（ＬＰＧ）　
、油等の高カロリー燃料の使用を前提としている。

一方、石炭ガス化ガス特に大型発電に適している空気吹
きの噴流床石炭ガス化炉から供給される石炭ガス化ガス
はＣ０１Ｈ２、Ｎ２　、ＣＯ２、Ｈ２０等を成分とする
約１０００　ｋｃａｌ／　Ｎ　ｍ３の低カロリーガスで
あり、しかもその主成分のＣ０１Ｈ２のうちの大半が燃
え難いＣＯガスである。このため、着火し難く火炎安定
性に欠ける問題があり、ガスタービン用燃料としては好
ましくない。

しかも１０００〜２０００　ｐＩ）ｌのＮＨ３が不純物
として含まれており、これが燃焼過程でＮＯｘを発生さ
せることとなる。ましてや高負荷燃焼にすると火炎伝播
速度を上回る速度で燃料ガスが流れるなめ益々火がつき
難い状態となる。加えて、低カロリーガスを使用する場
合、従来に比べて燃料の量が飛躍的に増大するため、燃
焼量を変化させるということ、即ち燃料供給量を変える
ということは燃焼ガスの流れ（フローパターン）自体を
変えることとなり、火炎の安定性を大きく左右してしま
い、高カロリーガスを使用するために燃焼用空気によっ
て流れが決定される従来のガスタービンとは本質的に燃
料の燃焼性に対する影響に違いがある。

このため、従来の一般的なタービン燃焼器に、石炭ガス
化ガスのような低カロリーガスを燃料として使用する場
合、着火不良、失火、燃焼の不安定化を招いてしまう。

そこで、この低カロリーガスを燃料として使用する場合
の燃焼の不安定を解消する低カロリー石炭ガス用タービ
ン燃焼方式が従来提案されている（特開昭６２−１８２
５３２号）、この発明は第５図に示すように、燃焼状態
が不安定となった場合にその燃焼フレームと投入ガス成
分をキャッチして、適量の酸素を補給して安定燃焼の維
持を図るものである。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、この従来のタービン燃焼器は、燃焼状態
が不安定になった場合に燃焼室内に直接酸素を供給する
ことによって燃焼状態の安定を図ろうとするものである
から、燃焼室の上流側即ち燃料噴射ノズル付近において
ツユエルリッチ燃焼を実現することができず、ＮＯｘの
発生を低減することができないし、むしろ酸素の供給に
よりＮＯｘの発生が増大することとなる。また、燃料供
給系に水やその他の異物が混入する等の事故によって起
る失火に対して効果的でない、特に、高圧高温の複合発
電用セラミックタービンを使用する場合、失火によって
冷たい燃焼用空気がタービン側に流れ込むと、セラミッ
ク静翼に熱応力による破壊が生じる虞があることから、
失火を確実に回避することが不可欠となり、無視できな
い重要な問題となる。

そこで本発明は、低カロリーガスを燃料として使用でき
るガスタービン燃焼器を提供することを第１の目的とす
る。また、本発明の第２の目的は、低カロリーガス用の
無失火ガスタービン燃焼器の提供にある。更に本発明の
第３の目的は、ＮＯｘを発生させずにしかも燃え難い低
カロリーガスを燃焼させるガスタービン燃焼器の提供に
ある。

（課題を解決するための手段）かかる目的を達成するため、本発明の低カロリーガス用
ガスタービン燃焼器は、主燃焼室の入口側に補助バーナ
を装備するセラミックス製副燃焼室を設けると共に該副
燃焼室の出口周囲に主燃料噴射ノズルと燃焼用空気噴射
ノズルを配置している。

また、本発明の低カロリーガス用ガスタービン燃焼器は
、主燃焼室の入口側に補助バーナを装備するセラミック
ス製副燃焼室を設けると共に該副燃焼室の出口周囲に主
燃料噴射ノズルと燃焼用空気噴射ノズルを配置し、該副
燃焼室で高カロリーガスを燃焼させるようにしている。

また、本発明の低カロリーガス用ガスタービン燃焼器は
、前記主燃焼室で総発生熱量の９０％以上の低カロリー
ガスを燃焼させると共に副燃焼室で総発生熱量の１０％
未満の高カロリーガスを燃焼させることを特徴とする。

また、本発明の低カロリーガス用ガスタービン燃焼器は
、主燃焼室の入口側に補助バーナを装備するセラミック
ス製副燃焼室を設けると共に該副燃焼室の出口周囲に主
燃料噴射ノズルと燃焼用空気噴射ノズルを配置し、この
副燃焼室で高カロリーガスを燃焼させると共に該副燃焼
室内で旋回させて主燃焼室側へ噴射させている。

また、本発明の低カロリーガス用ガスタービン燃焼器は
、副燃焼室の補助バーナの噴射軸を当該副燃焼室の中心
軸に対して傾斜させる一方、副燃焼室の出口部を末広が
りに開口することを特徴とする。

（作用）したがって、副燃焼室を冷却するための空気を必要とし
ないため、λを０．８〜１．０に採ることができ、火種
として安定な高温燃焼ガス・火炎を得ることができる。

そして、この高カロリーガスの火炎は火種となってその
周辺に噴射される低カロリーガスの着火性を良くする。

また、副燃焼室内において旋回しながら主燃焼室内へ噴
射される高カロリーガスの火炎は主燃焼室内に入ると同
時にそのモーメンタムによって広がり、主燃焼域の再循
環流システム（保炎機構）を破壊しない。

（実施例）以下、本発明の構成を図面に示す実施例に基づいて詳細
に説明する。

第１図に本発明の一実施例を中央縦断面図で示す、この
ガスタービン燃焼器は、主燃焼室１の入口側にセラミッ
クス製副燃焼室２を設け、該副燃焼室２の出口周囲に主
燃料噴射ノズル３と燃焼用空気噴射ノズル４とを配置し
て主燃料たる低カロリーガスの低カロリーガスヘッダを
構成すると共に前記副燃焼室２内に補助燃料たる高カロ
リーガスと燃焼用空気との混合気を噴射する補助バーナ
ノズル５を設け、副燃焼室２内に形成された高温火炎を
旋回させて主燃焼室１側へ噴射させるようにして成る。

燃焼器は、通常、ゲージング６とライナー７との二重筒
構造が採られ、ライナー７とゲージング６との間に燃焼
用空気の流路８が形成されライナー７の内側が主燃焼室
１とされている。ライナー７の前半部には二次空気孔９
及び必要あれば三次空気孔１０が円周方向に多数段けら
れ、ケーシング６とライナー７の間の流路８に供給され
る燃焼用空気を二次空気及び必要によっては三次空気と
して燃焼室１内に噴出させ、二次燃焼及び必要あれば燃
焼ガスの冷却が為される。また、ケーシング６には二次
空気供給用ダクト１１が接続され、燃焼用圧縮空気供給
源に接続される供給口１２を経て燃焼用空気を流路８に
導入するように設けられている。また、ライナー７には
低カロリーガスヘッダの燃焼用空気噴射ノズル４を囲繞
する一次空気供給ダクト１３が二次空気供給ダクト１１
内を貫通するようにして接続され、燃焼用圧縮空気供給
源に接続される供給口１４を経て一次空気を主燃料噴射
ノズル３の周りの燃焼用空気噴射ノズル４から噴射させ
るように設けられている。尚、燃焼用空気噴射ノズル４
には、必要に応じてスワラ−が装備され、噴射空気に旋
回をかけることがある。

前記副燃焼室２は、主燃焼室１の入口側に設けられてお
り、主燃料噴射ノズル３の内側の中央に設置されている
。この副燃焼室２は全体がセラミックスの、あるいはセ
ラミックスの内張によって被覆された筒状容器、通常円
筒によって構成されているものである。セラミックスと
しては、例えば炭化ケイ素系セラミックス、窒化ケイ素
系セラミックス、サイアロン等の使用が好ましい、尚、
この副燃焼室２は例えば押え金具２４によって一次空気
供給用ダクト１３に取付けられている支持板２５に固定
されている。この支持板２５は燃焼ている。また、この
副燃焼室２には補助バーナ５が設けられ、主燃焼室１に
供給される燃料ガスに比べて高カロリーなガス例えばＬ
ＮＧやＬＰＧ等を燃料として燃焼させるように設けられ
ている。

高カロリーガスはあらかじめ燃焼用空気と一定の空気比
で混合され、副燃焼室２内に旋回するように噴射される
ように設けられている。したがって、その燃焼ガスは副
燃焼室２内で旋回し主燃焼室１側へ急速に広がるように
噴出する０例えば本実施例の場合、燃料ガスど燃焼用空
気とをバーナ内で予め混合し、その混合気体を旋回させ
て噴射する構造のバーナが採用されている。具体的には
バーナチップの噴射軸が内側から外側に向けて４５゜程
度振られたバーナチップが採用されている。また、この
補助バーナ５は燃焼量の如何に拘らず高温火炎を形成す
るため、燃料噴射量に応じて燃焼用空気量が変化して一
定の空気比を自動的に取り得る構造に設けられている６
例えば本実施例の補助バーナ５の場合、燃料噴射ノズル
１５とその内部中央に設置しているイグナイター（点火
装り１６との間に鼓状の絞りｆ＠１７と仕切板１８とか
ら成るエゼクタを設ける一方、燃料噴射ノズル１５に給
気孔１９を穿孔し、補助燃料ガスの速度エネルギーを利
用したエゼクタ効果によって燃焼用空気を吸引し一定の
混合比を得るように設けられている。混合比λは、通常
、最高火炎温度を得るため０．８〜１．０に設定されて
いる。尚、この副燃焼室２の出口は円錐面状に広げられ
、主燃焼室１内に火炎が噴出する際に広がり易いように
設けられている。尚、給気口１９の周囲には一次空気供
給用ダクト１３内を流れる燃焼用空気の吸入を容易にす
るため導入管２３が設置されている。

また、この副燃焼室２の周囲には主燃料噴射ノズル３が
形成されている。この主燃料噴射ノズル３は本実施例の
場合、第３図に示すように外側から内側に向けて傾斜し
かつ円周方向に傾いた噴射口を円周上に多数設け、副燃
焼室２から噴射される補助火炎と衝突するように設けら
れている。主燃料噴射ノズル３には環状のヘッダ２０が
接続され、低カロリーガス供給源例えば石炭ガス化炉か
ら供給される低カロリーガスを全周から均等に噴射させ
るように設けられている。ヘッダ２０は連結管２１を介
して一次空気供給ダクト１１内の環状へラダ２２と接続
され、ガス化炉等に接続されている。

副燃焼室２に供給される高カロリーガスは、定格出力時
において総発生熱量の約１０％未満、即ち低カロリーガ
スを含めた燃料全体の燃焼によって発生する総熱量に占
める割合が１０％未満となる量に抑えることが好ましい
、低カロリーガス供給系と高カロリーガス供給系とは別
々に制御されており、相互に独立した二系統の燃料系統
を有する。

尚、上述の実施例は好適な実施例の一例ではあるがこれ
に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない
範囲において種々変形実施可能である９例えば、第４図
に示すように、副燃焼室２にエコノマイザ−３１を形成
し、燃料ガスを予熱するような構造とすれば、着火時か
ら定格燃焼状態に杉行するまでは高カロリーガスを燃料
とし、燃焼状態が安定してからは低カロリーガスに切替
えて燃料費用の節約を図ることも可能である。

以上のように構成したので、低カロリーガス例えば石炭
ガス化ガスを安定燃焼させ得る。まず、総発生熱量の１
０％未満の高カロリーガス例えばＬＰＧ若しくはＬＮＧ
を副燃焼室２に供給し、イグナイタ１６によって着火す
る０次いで、主燃焼室１側に総発生熱量の９０％以上の
石炭ガス化ガスを供給し、高カロリーガスの高温火炎を
火種として低カロリーガスを着火・燃焼させる。燃焼用
空気は、低カロリーガスと高カロリーガスとが主燃焼室
の上流側においてツユエルリッチ燃焼となるような空気
比の量が供給口１４から供給される。

しかし、補助バーナ５１１１に供給される燃焼用空気は
エゼクタ効果によって吸入されるため、高カロリーガス
は０．８〜１．０の一定空気比であらかじめ混合されて
副燃焼室２内に旋回噴射される。したがって、副燃焼室
から噴射される火炎は高温の種火となって主燃焼室の入
口側に広がり噴出され、高温の燃焼帯域を形成する。よ
って、元来燃え難い上にツユエルリッチ燃焼状態のため
より一層燃え器くなっている低カロリーガスでも容易に
着火し、安定的に燃焼する。

（発明の効果）以上の説明より明らかなように、本発明の低カロリーガ
ス用ガスタービン燃焼器は、主燃焼室の入口側に補助バ
ーナを装備するセラミックス製副燃焼室を設けると共に
該副燃焼室の出口周囲に主燃料噴射ノズルと燃焼用空気
噴射ノズルを配置しているので、冷却用の燃焼用空気を
必要としない副燃焼室において高温の火炎を形成してそ
れを低カロリーガスの噴流の中心に配置し１．その周囲
から噴射される低カロリーガスの燃焼を容易にしかつ安
定化させる。即ち、低カロリーガスが失火したとしても
副燃焼室から噴き出している高温の種火によって再び着
火し、安定燃焼を維持する。特に、本発明の燃焼器にお
いて、副燃焼室で高カロリーガスを燃焼させるようにす
れば、着火が容易となるし、これが安定な火種となるた
め燃焼用空気の供給を少なくしてツユエルリッチ燃焼と
しＮＯｘの発生を低く抑えることができる。しかも、２
系統の燃料系を有するなめ、同時に２系統とも燃料供給
が停止することは確立的に極めて希であり、燃料に水等
の異物が混入することによって起る失火は防止できる。

また、本発明において、副燃焼室で燃焼させる高カロリ
ー燃焼ガスを旋回させて主燃焼室側へ噴射させるように
すれば、副燃焼室から噴射される高温火炎が主燃焼室側
において広がり主燃焼室１内の再循環流即ち保炎機構を
破壊することがない、このため燃焼が安定する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の低カロリーガス用タービン燃焼器の一
実施例を示す中央Ｍ断面図、第２図は副燃焼室部分の拡
大断面図、第３図は第２図の■矢示図、第４図は池の副
燃焼室の実施例を示す概略説明図、第５図は従来のガス
タービン燃焼器の概略図である。１・・・主燃焼室、２・・・副燃焼室、３・・・主燃料
噴射ノズル、４・・・燃焼用空気噴射ノズル、５・・・補助バーナ、１７．１８・・・エゼクタを構成する絞り簡及び仕切り
板、１９・・・給気口。第３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）主燃焼室の入口側に補助バーナを装備するセラミ
ックス製副燃焼室を設けると共に該副燃焼室の出口周囲
に主燃料噴射ノズルと燃焼用空気噴射ノズルを配置した
ことを特徴とする低カロリーガス用ガスタービン燃焼器
。
（２）主燃焼室の入口側に補助バーナを装備するセラミ
ックス製副燃焼室を設けると共に該副燃焼室の出口周囲
に主燃料噴射ノズルと燃焼用空気噴射ノズルを配置し、
前記副燃焼室で高カロリーガスを燃焼させることを特徴
とする低カロリーガス用ガスタービン燃焼器。
（３）前記主燃焼室で総発生熱量の９０％以上の低カロ
リーガスを燃焼させると共に副燃焼室で総発生熱量の１
０％未満の高カロリーガスを燃焼させることを特徴とす
る請求項２記載の低カロリーガス用ガスタービン燃焼器
。
（４）主燃焼室の入口側に補助バーナを装備するセラミ
ックス製副燃焼室を設けると共に該副燃焼室の出口周囲
に主燃料噴射ノズルと燃焼用空気噴射ノズルを配置し、
前記副燃焼室で高カロリーガスを燃焼させると共に該副
燃焼室内で旋回させて主燃焼室側へ噴射させることを特
徴とする低カロリーガス用ガスタービン燃焼器。
（５）前記主燃焼室で総発生熱量の９０％以上の低カロ
リーガスを燃焼させると共に副燃焼室で総発生熱量の１
０％未満の高カロリーガスを燃焼させることを特徴とす
る請求項４記載の低カロリーガス用ガスタービン燃焼器
。
（６）副燃焼室の補助バーナの噴射軸を当該副燃焼室の
中心軸に対して傾斜させる一方、副燃焼室の出口部を末
広がりに開口することを特徴とする請求項４記載の低カ
ロリーガス用ガスタービン燃焼器。