JPH08166132A - ガス燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 空気と燃料ガスとの混合比が一定である一次
燃焼用混合ガスの噴出孔とその周囲に燃料ガス量を可変
とすることにより空気と燃料ガスの混合比が可変とされ
る二次燃焼用混合ガスの噴出孔とを供えた形式のガス燃
焼装置の改良に関し、特に、高い燃料割合での燃焼効率
を改善する。 【構成】 中央部に着火用燃焼ガス噴出孔１、その周囲
に空気と燃料ガスとの混合比が一定である一次燃焼用混
合ガスの噴出孔２、さらにその周囲に燃料ガス量を可変
とすることにより空気と燃料ガスの混合比が可変とされ
る二次燃焼用混合ガス用の空気流路３ａとを供える形式
のガス燃焼装置において、前記空気流路３ａの燃焼室１
０側の開放端部近傍に二次燃焼用混合ガス用燃料ガスの
ための第１のガス噴出口２１を配置する。 【効果】 燃焼用空気と燃料ガスとの攪拌程度が抑制さ
れることから、二次燃焼用混合ガスの燃焼域の一部に高
温燃焼領域を作ることができ、二次燃焼用混合ガス全体
の反応が非常に促進され、未燃焼成分の発生は回避され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空気と燃料ガスとの混
合比が一定である一次燃焼用混合ガスの噴出孔とその周
囲に燃料ガス量を可変とすることにより空気と燃料ガス
の混合比が可変とされる二次燃焼用混合ガスの噴出孔と
を供え、それにより低ＮＯ_x 燃焼を可能とした形式のガ
ス燃焼装置の改良に関し、特に、高い燃料割合での燃焼
効率を改善したガス燃焼装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃焼により生成されるＮＯ_x の大気への
放出が大きな問題となっており、ガス燃焼装置から排出
されるいわゆるサーマルＮＯ_x についてもその低減が課
題となっている。ガス燃焼装置の一つの例としてガスタ
ービン用燃焼器を考えると、安定した燃焼の得られる拡
散燃焼が用いられる場合には、燃料・空気混合気の燃焼
は２０００℃前後の断熱的な火炎温度を生じ、燃焼器下
流に設置される金属製タービン翼の耐熱温度以下に燃焼
ガス温度を下げるべく燃焼ガスは空気と混合される。し
かしながら、拡散火炎表面が高温度であることによりＮ
Ｏ_x の生成を完全に回避することはできない。燃焼火炎
の温度を下げてＮＯ_x の生成を低減するための有効な燃
焼方法として、燃料と燃焼用空気を燃焼前に混合し、希
薄な予混合ガスとして燃焼させる予混合燃焼法が行われ
ている。

【０００３】本出願人は、予混合燃焼法を用いた改良さ
れたガス燃焼装置として、図７、図８に示すような予混
合ガス燃焼装置を開発してすでに提案している（特開平
５−２９６４１２号公報参照）。この予混合ガス燃焼装
置は、中心部に着火用燃料ガス噴出孔を設け、その周囲
に空気と燃料ガスとの混合比が一定である一次燃焼用予
混合ガスの噴出孔と、さらにその周囲に燃料ガス量を可
変とすることにより空気と燃料ガスとの混合比が可変と
される二次燃焼用予混合ガスの噴出孔とを同心円状に設
けたものである。

【０００４】着火用燃料ガス噴出孔１には導管１１を介
して着火用燃料ガスＧが供給され、一次燃焼用予混合ガ
ス噴出孔２には導管１２を介して一次燃料ガスＧ₁ が供
給され、また二次燃焼用予混合ガス噴出孔３には導管１
３を介して二次燃料ガスＧ₂が供給されて、それぞれ先
端側（噴出端）から噴出されるようになっている。一
方、筒体１００の内部には燃焼室１０が第２の筒体４に
より区画されて形成されており、筒体１００の内周と第
２の筒体４の外周との間の空間Ｓには空気導入口１００
ａを介して燃焼用空気Ａが供給される。また一次及び二
次燃焼用予混合ガス噴出孔２及び３の噴出端とは反対側
の端部は旋回器１４及び１５を介して前記空間Ｓに連通
しており、予混合用の空気が導入される。

【０００５】上記提案による予混合ガス燃焼装置におい
ては、起動時には着火用燃料ガス噴出孔１から着火用燃
料ガスを噴出させて拡散燃焼させると共に、一次燃焼用
予混合ガス噴出孔２からは空気と一次燃料ガスとの混合
比が一定な予混合ガスを噴出させて燃焼させ、起動後は
二次燃焼用予混合ガス噴出孔３から負荷に対応した混合
比の空気と二次燃料ガスとの予混合ガスを噴出させて燃
焼させ、その後着火用燃料ガスを絞り込み、一次燃焼用
予混合ガスは一定量供給して燃焼を継続するようにした
ので、排ガス中にＮＯ_x 成分の多い拡散燃焼は起動時の
みとなり、その後は広い空気比において未燃分の排出を
低い値に抑えたままでＮＯ_x の排出を抑えることがで
き、従来の予混合ガス燃焼装置に比べて大幅な低ＮＯ_x
化が実現できる。

【０００６】また、負荷変動にかかわらず燃焼用空気Ａ
の供給量を不変としたので、燃焼用空気の流量を制御す
るための可変機構が不要となり燃焼器の構造が簡単とな
ると共に小型化が図れる利点がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は上記の予混
合ガス燃焼装置について燃焼実験をさらに継続する過程
において、燃焼装置の定格負荷時にＮＯ_x の排出と未燃
分の排出を共に抑えた燃焼を行った場合、負荷を絞って
いく（二次燃料ガス量を減らして、二次燃焼用予混合ガ
スを希薄にしていく）と、ある負荷率以下では未燃焼成
分が排出されるようになり、燃焼効率が低下することを
知った。

【０００８】これは、定格負荷など負荷の高い状態、す
なわち二次燃焼用予混合ガスが濃い状態では二次燃焼用
予混合ガス自身の発熱量も大きく燃焼域（反応域）の温
度が上がって反応速度が大きくなり予混合ガスが短時間
で反応するが、反面、負荷の低い状態、すなわち二次燃
焼用予混合ガスが希薄な状態では二次燃焼用予混合ガス
の発熱量が小さく燃焼域の温度がさほど上がらずに反応
速度が小さいことから、反応（燃焼）が十分に進まない
状態のまま燃焼器から排出されるためである。

【０００９】図４には、本出願人が既に提案した図７、
図８に示す形式の予混合ガス燃焼装置での定格の燃料ガ
ス量（１００％）に対する供給燃料ガス量の割合（燃料
割合）における燃焼効率とＮＯ_x 排出量との変化を示し
ている。定格時での二次燃焼用予混合ガスに含まれる燃
料ガスの燃焼効率は１００％であるが、燃料割合が１０
０％を切ると高い燃焼効率ではあるものの燃焼効率の低
下が始っており、ガス燃焼装置としての通常の負荷領域
である燃料割合が８０％〜１００％での高負荷燃焼領域
において燃焼効率がある程度低下しており、未燃焼成分
が排出されていることが分かる。すなわち、１００％の
燃焼効率が得られる範囲は狭い範囲となっている。

【００１０】本発明の目的は、本出願人が既に提案して
いる形式の予混合ガス燃焼装置における上記の不都合が
解決することにあり、より具体的には、燃料割合がほぼ
８０％以上の高負荷燃焼領域においての燃焼効率を大き
く改善したガス燃焼装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決すべ
く、本発明者らは図７、図８に示す形式のガス燃焼装置
の燃焼態様についてさらに実験と分析を行った。それに
より、従来の燃焼装置において、 燃料割合が８０％程度以上である低負荷時に発生する
未燃焼成分は、一次燃焼用予混合ガスよりも希薄とされ
る二次燃焼用予混合ガスから排出されること、 このために、燃料割合が８０％程度以上の燃焼範囲に
おける燃焼効率を改善するには、二次燃焼用予混合ガス
が通過する領域の温度を上げて反応速度を大きくするこ
とが重要となること、

【００１２】しかし、旋回器上流で燃料ガスを噴射す
る従来の燃焼装置のように均一に混合された混合ガス
（二次燃焼用予混合ガス）では、火炎の温度はその混合
ガスの濃度でほぼ決定されること、 従って、従来の燃焼装置においては、二次燃焼用予混
合ガスが希薄な場合に十分な火炎温度が得られず反応速
度を大きくすることができないことから、低負荷時での
二次燃焼用予混合ガスからの未燃焼成分の排出を可否す
ることはきわめて困難なこと、等を知った。

【００１３】本発明のガス燃焼装置は上記の実験と分析
の結果に基づきなされたものであり、基本的に、中央部
に着火用燃焼ガス噴出孔を設け、その周囲に空気と燃料
ガスとの混合比が一定である一次燃焼用混合ガスの噴出
孔とさらにその周囲に燃料ガス量を可変とすることによ
り空気と燃料ガスの混合比が可変とされる二次燃焼用混
合ガス用の空気流路とを供える形式のガス燃焼装置にお
いて、前記空気流路の燃焼室側の開放端部近傍に二次燃
焼用混合ガス用燃料ガスのための第１のガス噴出口を配
置したことを特徴とする。

【００１４】本発明の他の態様であるガス燃焼装置にお
いては、前記第１のガス噴出口よりも上流側位置に前記
空気流路内に二次燃焼用混合ガス用の燃料ガスを供給す
る第２のガス噴出口がさらに配置される。前記第１のガ
ス噴出口からの燃料ガスの噴出方向は、前記空気流路中
の流体の流れ方向に交差する方向であってもよく平行な
方向であってもよい。また、前記第１のガス噴出口は前
記空気流路の燃焼室側の開放端部あるいはその幾分上流
側に位置していてもよく、前記空気流路の燃焼室側の開
放端部近傍であってかつ前記燃焼室側に配置されていて
もよい。

【００１５】

【作 用】上記の構成である本発明によるガス燃焼装置
において、着火から一次燃焼用予混合ガスの燃焼までの
運転態様は、図７、図８に基づき説明した本出願人の先
の提案に係る予混合ガス燃焼装置と同様である。しか
し、二次燃焼用混合ガスのための燃料ガスの供給態様に
おいて先のガス燃焼装置と相違しており、それにより本
発明のガス燃焼装置に特有の燃焼態様が生じる。

【００１６】すなわち、本発明においては、前記のよう
に二次燃焼用混合ガスのための燃料ガスは、旋回器の上
流位置ではなく、一次燃焼用予混合ガスの噴出孔の周囲
に設けた二次燃焼用混合ガス用の空気流路の下流端側、
すなわち、燃焼室側の開放端部近傍位置から主として噴
出される。それにより、旋回器の上流位置において噴出
する場合と比較して、燃料ガスと空気との混合程度を抑
制することができ、二次燃焼用混合ガスの燃焼域の一部
に高温燃焼領域を作ることが可能となる。反応速度は温
度の指数関数的に大きくなることから、燃焼ガスの供給
量が同じ場合であっても、一部に高温領域を作ることに
より、二次燃焼用混合ガス全体の反応が非常に促進さ
れ、未燃焼成分の発生は回避される。それにより、高い
燃焼効率の得られる燃焼範囲は拡大される。

【００１７】本発明によるガス燃焼装置において、二次
燃焼用混合ガスは予混合燃焼と拡散燃焼の中間的な燃焼
態様を取る。そして、拡散燃焼の割合が高い程、高温燃
焼領域の面積は増加し、未燃焼成分の発生率すなわち燃
焼効率の低下は低減される。しかし一方において、拡散
燃焼の割合が増加するにつれてＮＯ_x の排出量が増大す
る（しかし、本発明者らの実験によれば、この場合であ
ってもこの形式のガス燃焼装置では燃焼は一次予混合燃
焼と共に二次混合ガスの燃焼が行われることから、発生
したＮＯ_x 量は従来知られた予混合燃焼装置から発生す
るＮＯ_x 量と比較して同程度か幾分低い値である）。

【００１８】本発明の他の態様のガス燃焼装置において
は、第１のガス噴出口よりも上流側位置に前記空気流路
内に二次燃焼用混合ガス用の燃料ガスを供給する第２の
ガス噴出口が配置される。この態様のガス燃焼装置にお
いては、負荷範囲により２つのガス噴出口を選択的に使
用するか、あるいは、２つのガス噴出口の双方からそれ
ぞれ制御された量の燃料ガスを供給するようにすること
により、広い範囲において高燃焼効率を達成すると同時
に、ＮＯ_x 発生の抑制を低減した燃焼態様を取ることが
可能となる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明によるガス燃焼装置を添付の図
面を参照した実施例に基づきより詳細に説明する。な
お、本発明におけるガス燃焼装置において、二次燃焼用
混合ガス用の燃料ガスのガス噴出口の取付け位置を除
き、他の構成は、図７、図８に基づき説明した本出願人
が先に提案している燃焼装置と基本的に同じである。従
って、図７、図８に示す燃焼装置の各部材と同じ機能を
果たす部材については図面において同じ符号を付し、詳
細な説明は省略する。

【００２０】図１〜図３は本発明によるガス燃焼装置の
３つの実施例を示す要部拡大断面図である。図１の実施
例において、先の提案によるガス燃焼装置と同様に、中
心部に位置する着火用燃料ガス噴出孔１の周囲に一次燃
焼用混合ガスの噴出孔２が配置されており、該噴出孔２
の噴出端とは反対側の端部は旋回器１４が設けられてい
る。一次燃焼用混合ガスの噴出孔２の周囲には、先の提
案によるガス燃焼装置と同様に、二次燃焼用混合ガス用
の空気流路３ａが設けられているが、二次燃料ガス供給
用導管１３（図１には図示されない）に接続する燃料ガ
ス噴出用配管２０は、該空気流路３ａの上流側端部位置
ではなく、空気流路３ａの燃焼室１０側の開放端部近傍
に配置されている。該燃料ガス噴出用配管２０は空気流
路３ａの外周に沿って環状に配置されており、さらに、
燃料ガス噴出用配管２０には当該ガス燃焼装置の中心部
に向いた複数個（例えば、４８個）の燃焼ガス噴出口２
１（第１のガス噴出口）が等間隔で設けられており、該
噴出口２１の先端は空気流路３ａに開放している。

【００２１】この実施例によるガス燃焼装置において、
先に提案しているガス燃焼装置と同様に、起動時には着
火用燃料ガス噴出孔１から着火用燃料ガスを噴出させて
拡散燃焼させると共に、一次燃焼用予混合ガス噴出孔２
からは空気と一次燃料ガスとの混合比が一定な予混合ガ
スを噴出させて燃焼させる。起動後は、第１のガス噴出
口２１から負荷に応じた量の燃料ガスを空気流路３ａに
直交する方向に噴出させる。供給される燃料ガスは空気
流路３ａを流れる二次燃焼用の空気と混合して燃焼領域
である燃焼室１０内に供給される。

【００２２】この実施例において、空気流路３ａを流れ
る二次燃焼用の空気は旋回器１５を通過することにより
旋回流となっているが、燃料ガスの供給位置は前記空気
流路３ａの燃焼室１０側への開放端部に近い位置である
ことから、空気と燃料ガスとの混合は十分には行われ
ず、一部のみが混合した状態で燃焼室内部に送りこまれ
る。その結果、燃焼室１０内において予混合燃焼と拡散
燃焼の双方が進行する態様となり、二次燃焼用混合ガス
の燃焼域の一部に高温燃焼領域が作られる。その結果、
二次燃焼用混合ガス全体の反応が非常に促進され、高い
燃焼効率が達成される。

【００２３】前記した図４の先の提案による燃焼装置の
データを得たと同じ形式のガス燃焼装置において、その
二次燃焼用混合ガス用の燃料ガスの噴出口２２の位置の
みを上記図１に示した位置とした装置（すなわち、本発
明によるガス燃焼装置）を用意し、同じ負荷条件で燃焼
実験を行った。その結果を図４に本発明装置として示し
た。図から明らかなように、先の提案による燃焼装置で
は、定格時の燃焼効率は１００％であるが、燃料ガス供
給量を減らすにつれて燃焼効率が低下しているが、本発
明による燃焼装置では燃料割合が約９０％以上の広い範
囲でほぼ１００％の燃焼効率が得られていることが分か
る。燃料割合の増加とともにＮＯ_x 排出量が増加した
が、その量は従来知られた予混合燃焼装置から発生する
ＮＯ_x 量と比較して同程度か幾分低い値であった。

【００２４】図２は本発明のガス燃焼装置の他の実施例
を示しており、この実施例では、燃料ガス噴出用配管２
０に設けるガス噴出口２２は、空気流路３ａ中の流体
（空気）の流れ方向に平行な方向となった薄い（１ｍｍ
程度）円環状のものとなっており、かつ、その噴出口２
２の開放側先端は空気流路３ａ中ではなく、燃焼室１０
内に開放している。この形式のガス燃焼装置にあって
は、図１に示したものよりもさらに空気と燃料ガスとの
混合程度は低く抑えられる。

【００２５】図３は本発明のガス燃焼装置のさらに他の
実施例を示しており、この実施例では、ガス噴出口２３
は等間隔は配置された多数（例えば、２４個）の孔によ
り形成されており、かつ図２のものと同様にその先端は
燃焼室１０内に開放している。そして、各噴出口２３は
空気流路３ａに対して外側に向けた交差角（この例では
１５度）を有している。この形式のガス燃焼装置にあっ
ては、図２に示したものよりもさらに空気と燃料ガスと
の混合程度は低く抑えられる。図５、図６は、それそ
れ、図２、図３に示す実施例の燃焼効率とＮＯ_x 排出量
を示すグラフである。両グラフから、燃料ガスと燃焼用
空気の混合程度を抑えるほど、ＮＯ_x の排出量は増加す
るものの、燃焼効率の改善幅は大きくなることが分か
る。

【００２６】本発明の他の態様においては、特に図示し
ないが、前記第１のガス噴出口２１、２２、２３よりも
上流側位置に前記空気流路３ａ内に二次燃焼用混合ガス
用の燃料ガスを供給する第２のガス噴出口が配置され
る。例えば、図７、図８に示す形式のガス燃焼装置に、
図１〜図３に示す第１のガス噴出口２１、２２、２３を
さらに付加する態様であってよい。この態様のガス燃焼
装置においては、負荷の高い範囲（例えば、燃焼割合が
ほぼ１００％の場合）では、第２のガス噴出口からのみ
燃料ガスを供給して、空気と燃料ガスとを十分混合させ
ることにより完全な予混合燃焼を行い、燃焼効率の下が
る負荷の低い範囲においては第１のガス噴出口から燃料
ガスを噴出するように切り換えて燃焼を行うことによ
り、不必要なＮＯ_x の発生を低く抑制した状態で、広範
囲にわたる高燃焼効率を得ることができる。

【００２７】第１と第２のガス噴出口の双方からそれぞ
れ制御された量の燃料ガスを供給できるように構成する
ことも好ましい態様であり、その際に、高負荷では第２
のガス噴出口からの供給割合を多くし、負荷が低下する
に従って第１の噴出口からの供給割合を増やすような供
給態様を取ることにより、やはり、不必要なＮＯ_x の発
生を抑制した状態で、広範囲にわたる高燃焼効率を得る
ことができる。

【００２８】何れの場合であっても、燃焼効率あるいは
ＮＯ_x 排出量の値を従来知られた適宜の検出手段により
検知しかつモニタリングし、この値が所定の範囲に入る
ように、それぞれの供給割合を変化させるあるいは切り
替えるようにすることにより、一層効率的な燃焼条件を
達成することが可能となる。さらに、空気と燃料ガスと
の混合程度は、図１〜図３に示したように第１のガス噴
出口の取付け位置やガス噴出口からの燃料ガスの噴出方
向などを調節することによっても変化させることも可能
であり、負荷に応じて、図１〜図３に示したガス噴出口
の態様、あるいは他の態様を選択的に使用可能すること
もできる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によるガス
燃焼装置においては、二次燃焼用混合ガス用の燃料ガス
噴出口を二次燃焼用混合ガス用の空気流路の燃焼室側の
開放端部近傍に配置したことにより、二次燃焼用混合ガ
スの空気と燃料ガスの混合程度を抑制することが可能と
なり、それにより、先に提案した予混合ガスを２段に供
給する形式の予混合ガス燃焼装置（特開平５−２９６４
１２号公報参照）において、燃焼装置としての通常の使
用負荷範囲であるほぼ８０％以上の燃料割合での燃焼に
おいて、ほぼ１００％の燃焼効率を達成することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるガス燃焼装置の一例を示す軸方向
断面図。

【図２】本発明によるガス燃焼装置の他の例を示す軸方
向断面図。

【図３】本発明によるガス燃焼装置のさらに他の例を示
す軸方向断面図。

【図４】図１の燃焼装置と先の提案による燃焼装置の燃
焼性能の比較を示すグラフ。

【図５】図２の燃焼装置の燃焼性能を示すグラフ。

【図６】図３の燃焼装置の燃焼性能を示すグラフ。

【図７】先の提案に係る予混合ガス燃焼装置を示す軸方
向断面図。

【図８】図７に示した予混合ガス燃焼装置の端面図。

【符号の説明】

１…着火用燃焼ガス噴出孔、２…一次燃焼用予混合ガス
噴出孔、３ａ…二次燃焼用混合ガスのための空気流路、
４…燃焼室を区画する筒体、１０…燃焼室、２０…二次
燃焼用混合ガスのための燃料ガス用の配管、２１〜２３
…第１のガス噴出口

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中央部に着火用燃焼ガス噴出孔を設け、
   その周囲に空気と燃料ガスとの混合比が一定である一次
   燃焼用混合ガスの噴出孔とさらにその周囲に燃料ガス量
   を可変とすることにより空気と燃料ガスの混合比が可変
   とされる二次燃焼用混合ガス用の空気流路とを供える形
   式のガス燃焼装置において、前記空気流路の燃焼室側の
   開放端部近傍に二次燃焼用混合ガス用燃料ガスのための
   第１のガス噴出口が配置されていることを特徴とするガ
   ス燃焼装置。
2. 【請求項２】 前記第１のガス噴出口よりも上流側位置
   に前記空気流路内に二次燃焼用混合ガス用の燃料ガスを
   供給する第２のガス噴出口がさらに配置されていること
   を特徴とする請求項１記載のガス燃焼装置。
3. 【請求項３】 前記第１のガス噴出口からの燃料ガスの
   噴出方向が前記空気流路中の流体の流れ方向に交差する
   方向であることを特徴とする請求項１又は２記載のガス
   燃焼装置。
4. 【請求項４】 前記第１のガス噴出口からの燃料ガスの
   噴出方向が前記空気流路中の流体の流れ方向に平行な方
   向であることを特徴とする請求項１又は２記載のガス燃
   焼装置。
5. 【請求項５】 前記第１のガス噴出口は前記空気流路の
   燃焼室側の開放端部近傍であってかつ前記燃焼室側に配
   置されていることを特徴とする請求項１又は２記載のガ
   ス燃焼装置。