JPH03144215A - ガス燃焼器 - 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〕 本発明はガス燃焼器に係り、特に燃料と空気とを予め混
合して燃焼させる予混合燃焼方式のガス燃焼器に関する
。

〔従来の技術〉 液化天然ガス（ＬＮＧ）等の窒素含有量の少ない気体燃
料の燃焼時に発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）は、燃焼用
空気中の窒素が高温雰囲気中で酸化されて生成するサー
マルＮｏｗがその大部分を占めている。サーマルＮＯｘ
の生成は温度依存性が大きく、火炎温度が高くなるにつ
れて生成量が増大し、特に１５００℃を超えると、生成
量が急激に増加することが知られている。火炎温度は燃
料と空気との混合比により変化し、燃料を完全燃焼させ
るのに過不足のない空気量すなわち理論空気量付近で燃
焼する時最も高くなる＊　Ｎ　Ｏｘ発生量の抑制には、
火炎温度を低くする必要がある。火炎温度を下げるには
、燃料室内に水あるいは蒸気を吹き込んで強制的に温度
を下げる方法や、燃料と空気との混合割合を理論空気量
よりは、極端に多くしたり１反対に少なくした状態で燃
焼させる方法が提案されている。

水あるいは、蒸気を吹き込む方法は、タービンの効率低
下という新たな問題が生ずる。

通常の燃焼装置では、火炎の安定性や逆火防止対策とし
て、燃料と空気と別個のノズルより噴出し、燃焼器内で
両者を混合して燃焼する。いわゆる、拡散火炎が使用さ
れる。しかしながら、燃料と空気とが混合する過程にお
いては、空気比（空気流量と理論空気量との比）が１付
近になる領域が存在し、ここで火炎温度は局所的に高く
なる。

従って、ＮＯｘ発生量の多い領域が形成されることにな
り、ＮＯｘの排出量は多くなる。

このような拡散火炎を利用する燃焼装置に対して、理論
空気量より過剰な空気と燃料とを予め混合して燃焼器内
に噴出する予混合火炎を使用する燃焼装置がある。空気
比の高い予混合火炎では、局所的に温度の高くなる領域
の形成を防止できるため、ＮＯｘ排出量の低減を図るこ
とが可能であるが、予混合火炎は空気比が１付近で最も
安定であり、また、噴出速度を高くすると吹き消え易く
。

また低噴出速度では、火炎がノズル内に入り、逆火し易
い、ガス燃焼器では、通常５０ｍ／ｓ程度の高い噴出速
度で燃料と空気の予混合をする必要があり、このような
噴出速度の高い条件では火炎は形成され難い、従って、
燃料を分割して供給し、一部を拡散火炎形成用、残りを
予混合火炎形成用として利用し、比較的安定な拡散火炎
、あるいは、拡散火炎で生成する高温の燃焼ガスを予混
合火炎の着火用に使用する燃焼器がある（特開昭６１−
２２１２７号）この様な燃焼器では、従来の拡散火炎を
使用する燃焼器よりＮＯｘの排出量を低減することがで
きる。しかしながら、拡散火炎に使用する燃料の流速を
低減し、予混合火炎の燃料流量を増加するとＮＯｘの低
減を図れるが、予混合の割合が増加すると火炎が不安定
になり、Ｎ　Ｏｘ排出量の低減には限界がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、不安定な予混合火炎を安定化するため
に、一部、拡散火炎を形成していたため、ガス燃焼器か
ら発生するＮＯｘを低減するのには限界があった。

それゆえ、不安定な予混合火炎を安定化し、ガス燃焼方
式を完全予混合燃焼にすれば、ガス燃焼器から発生する
ＮＯｘを低減することができる。

ガス燃焼方式を完全予混合燃焼にした時の問題点は、低
負荷運転時に燃料流量に比べて大量の燃焼用空気を流す
ことになるので、燃料希薄状態になり１着火しにくいこ
と、及び、高負荷運転時には供給燃料及び空気流量を増
大するために、予混合気の流速は更に高くなり、予混合
火炎が吹き消えやすいという問題点があった。

本発明の目的は、空気比１以上の希薄な予混合気を安定
的に燃焼させるガス燃焼器を提供することにある。更に
、ガスタービンの低負荷から高負荷まで安定して希薄な
予混合気を燃焼させることが可能なガス燃焼器を供給す
ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記問題点は、空気比が１以上の希薄な予混合気を噴出
する主ノズルの周囲に、主ノズルの噴出予混合気よりも
濃い予混合気を噴出する補助ノズルを配置し、補助ノズ
ルの予混気により補助火炎を形成し、この補助火炎によ
り主ノズルから噴出する予混合気を燃焼させることによ
り解決される。

更に、補助ノズルからの予混合気の噴出速度を燃焼速度
より高く、かつ、２．０ｍ／ｓ　　よりも小さく設定す
ることにより、補助火炎の保炎性能は更に向上する。

また、主ノズルと補助ノズルとの間に両方のノズルから
噴出する予混合気の速度差により渦流が発生するスペー
スを設けることにより、補助火炎の安定性が増大する。

〔作用〕

本発明において、噴出速度の低い、補助火炎は高噴出速
度の予混合火炎（主火炎）の着火及び保炎用の補助火炎
として使用される。従って保炎用のパイロット火炎を形
成するための予混合気の噴出速度は、２ｍ／ｓｍ／上す
ることにより、ＮＯｘの発生を抑えて、かつ、吹き消火
を防止する。また、高噴出速度で噴出する予混合気の外
周全体を保炎用の補助火炎で囲むことにより、保炎用火
炎で発生する熱を効率良く、主火炎に伝えることができ
る。更には、主火炎用バーナと補助火炎用バーナ間を、
主火炎用予混合気と補助火炎用混合気とを噴出するバー
ナ間に、両者の噴流の速度差によって形成される渦流が
安定に形成できるだけのスペーサを設け、ここで主火炎
用の高空気比の予混合気と、高温の補助火炎からの燃焼
ガスとの混合を促進し、これにより主火炎の着火性を促
進できる。また、スペーサを設けずに、たとえば、ナイ
フェツジのような薄肉の隔壁により、主火炎と補助火炎
の分離を図る場合には、主火炎の噴流により、補助火炎
の流れが大きな影響を受け、主火炎が吹き消える条件で
は、補助火炎も消炎することが発明者らの実験で明らか
である。それゆえ、スペーサを設けることにより、主火
炎と補助火炎とが、バーナ出口近傍で直接混合せず、ス
ペーサ部で形成される渦流内で両者の一部が混合する構
成となり、補助火炎は主火炎の影響を受けずに、常時安
定に形成することができるため、火炎が安定に形成され
る流速あるいは空気比の範囲が増加する。

〔実施例〕

第１図は、本発明を実施したガスタービン燃焼器の断面
図である。円筒状の外筒１０内に、同芯状に内筒２０が
配置され、外筒１０と内筒２０との間に形成された環状
の空間は図示しない圧縮機からの吐出空気を内筒の頭部
に密く空気通路１２を構成している。内筒２０の頭部に
、二重の端壁１１．１２が設けられ、内側の端壁１１に
は、第２図に示す如く、そのほぼ全面に主ノズル１４と
その周囲をとりかこむように補助ノズル１５とが開口し
ている。主ノズル１４は、外側の端壁１２側に端壁１２
を貫通して延びた筒状の予混合筒１６の右端に形成され
、予混合筒１６の圧端は、端壁１２の左側に形成した空
気室１７がら空気を取り入れる。各予混合筒１６には、
燃料供給管１８が挿入され、燃料供給管１８の端部がら
噴出した燃料は、筒１６内を流れる際、空気と混合して
予混合気を生成する。補助ノズル１５は、端壁１１と１
２の間に形成された補助予混合室３０に連通しており、
この室１８には、補助燃料調整弁４０を介して、補助燃
料が供給され、内筒の周壁面にあけられた空気孔２６か
らの空気と混合して予混合気を生成する。燃料供給管１
８は、それぞれの管に設けた止弁５０を介して、主燃料
調整弁６０に連通される。弁５０．６０は、制御器７０
からの指令により制御される。制御器７０にはガスター
ビンの負荷２回転速度信号が取り込まれる。

止弁５０は、制御器７０から開信号が与えられると、全
開し、それ以外では全閉を保っている。

第１図では、止弁は４個しか示されていないが、すべて
の燃料供給管１８に設けられており、この実施例では１
９個の止弁があり、第４図に示すようにタービンの負荷
が増大するにつれて、止弁の開く個数が増大する。一方
、調整弁６０の開度は。

タービン負荷にほぼ比例的に増大する。調整弁４０はタ
ービン負荷にかかわらず、はぼ一定の開度（約１０％）
を保っている。しかして、補助予混合室３０には、調整
弁４０を介して、常にほぼ一定量の燃料が供給され空気
孔２６からの空気と予混合されるが、空気孔２６からの
空気との混合割合は、空気比で０．８〜１．５の範囲に
あるように設定され、かつ、補助ノズル１５からの噴出
速度が、燃焼速度（０，５ｍ／ｓ）よりも大きい１．０
〜２．０ｍ／ｓの範囲になるように、ノズル１５の開口
面積を調整する。

ガスタービンの運転に際しては、まず、補助調整弁４０
を開いて、補助予混合室３０で、補助予混合気を生成す
る６次に、図示しない点火栓により、補助ノズル１５か
ら噴出する予混合気に点火する。補助予混合気の空気比
は１近傍、好ましくは、１．３　に設定されており噴出
速度も２．０ｍ／ｓ以下となっているために着火は確実
であり、着火後も安定して燃焼する。

このとき、はとんどの止弁５０は閉じているため主ノズ
ル１４からは、空気のみが噴出している。

タービンの負荷信号により調整弁６０の開度が除徐に大
きくなり、止弁５０も予め定められた順序で開弁する。

すると予混合筒１６内で予混合気が生成し、主ノズル１
４より、予混合気が高速で噴出する。主ノズル１４から
噴出する予混合気は、その周囲に形成した補助火炎８０
（第３図）により着火され、主火炎９０となる。

止弁５０が順次開くにつれて、主ノズル１４に形成され
る火炎の数も順次増大して、定格負荷では、すべての主
ノズル１４に火炎が形成される。

一般に発電用のガスタービンでは、負荷０％から１００
％まで、タービンの回転速度は一定であるため、燃焼器
に供給される空気はほぼ一定である。

したがって空気室１７より、予混合筒１６に流入する空
気量はほぼ一定である。

一方、調整弁６０を通る燃料量はタービン負荷にほぼ比
例して変るが、止弁５０の開弁個数が、燃料量に応じて
変るので、開いている止め弁１個当りの予混合筒に供給
する燃料量は、はぼ一定であり、予混合筒１６で生成さ
れる混合気の空気比は、大きく変化しない、そこで、本
実施例では、空気比が１．５以上好ましくは２．０程度
に設定しである。

本実施例では、補助ノズル１５の予混合気は空気比が１
近傍の保炎性の良い範囲に設定されているため、主ノズ
ル１４から予混合気が高速で噴出しても、吹き消火の恐
れがない。

更に、主ノズル１４からの予混合気は、空気比が１．５
以上の希薄なものであっても、補助火炎により、安定に
燃焼する。

第５図は、予混合気の空気比を変えて燃焼させたときの
ＮＯｘ発生量とＨ，、Ｃｏの発生量との関係を示したも
のである、主火炎は、空気比が１．５　以上であるため
ＮＯｘの発生量は１８１に示す如く著しく少なくなり、
Ｃｏ、Ｈｚはそれぞれ１９１，２０１に見られる如く、
はぼ零となる。

尚、当然のことなから０２は、２１１のような特性を示
す。

この特性から見ると補助ノズルの予混合気の空気比は１
に近いため、ＮＯｘの発生量は多くなるが補助火炎の燃
料比率は、定格負荷において、１０％程度であるため全
体としては、ＮＯｘの発生量は少なくなる。

第６図は、主ノズルから下流方向に５閣の地点を、ノズ
ル中心から半径方向にサンプリング、プローブを移動し
、燃料ガスを採取・分析し、主火炎内部、及び補助火炎
近辺の燃焼状態を調べたものである０図かられかるよう
に、主火炎内部はほとんどＣＨ４は燃焼していないが、
補助火炎に近づ、くにつれてＣＨａは燃焼していき、補
助火炎ノズルの上方では、ＣＨａは１００％燃焼してい
る。

つまり、補助ノズルの補助火炎から主ノズルの予混合気
への火移りが確実に行われていることが判る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、高空気比燃焼火炎の根元に。

絶えず安定した補助火炎を形成することにより、高速燃
焼する主火炎を保炎することができる。その結果、ガス
ターン燃焼方式を完全予混合燃焼型にできるので、主火
炎用の燃料−空気混合気体の空気比を１．０　から高空
気比側に設定して希薄燃焼をおこなえば、ガスタービン
燃焼器から発生する環境汚染物質であるＮＯｘ及びＣＯ
を低減できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施したガスタービン燃焼器の断面
図、第２図は第１図の■−■線に沿う断面図、第３図は
ノズル部分の詳細断面図、第４図はタービン負荷と各弁
の開度特性図、第５図は。 予混合気の空気比とＮＯｘ、Ｃｏ、Ｈｚの関係を示す特
性図、第６図は、火炎の半径方向の燃焼ガス分析結果を
示す特性図である。 １０・・・外筒、１１，１２・・・端壁、１４・・・主
ノズル、１５・・・補助ノズル、１６・・・予混合筒、
１８・・・燃料供給管、２０・・・内筒、３０・・・補
助予混合室、４０第 １ 図 ０ 第 図 ターごノ貝何 訣 第 図 第 図 第 図（ａ） 空気比 第 ５ 図（ｂ） 空気比（−） 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、主ノズルと、該主ノズルに隣接するように配置され
   た副ノズルを有するガス燃焼器において、前記主ノズル
   に理論空気量より過剰の空気を含む希薄燃料の主予混合
   気を供給する手段と、前記補助ノズルには前記主ノズル
   に供給する予混合気より空気比の小さい補助予混合気を
   供給する手段を有することを特徴とするガス燃焼器。 ２、前記補助ノズルからの予混合気の噴出速度は該予混
   合気の燃焼速度よりも大きく、２．０ｍ／ｓ以下になる
   ように設定されたことを特徴とする請求項１記載のガス
   燃焼器。