JP2004011947A

JP2004011947A - 旋回型低ＮＯｘ燃焼器

Info

Publication number: JP2004011947A
Application number: JP2002162668A
Authority: JP
Inventors: Jun Hosoi; 細井　潤; Eicho Hiromitsu; 廣光　永兆
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2002-06-04
Filing date: 2002-06-04
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2022-06-04
Also published as: JP3841285B2

Abstract

【課題】燃料と空気との混合を促進し、燃焼時間の確保を達成するＲＱＬ燃焼方式による低ＮＯｘ燃焼器を提供する。
【解決手段】フレームチューブ（８）と、フレームチューブの接線方向から１次空気を噴出してこれを燃焼室内で旋回させる１次空気噴出管（１２）と、燃焼室の軸方向に燃料を噴出する燃料供給管（１４）と、を備えた旋回型低ＮＯｘ燃焼器であって、前記フレームチューブには、前記上流端面の中心を軸方向に貫通して燃焼室内に突出し、２次空気を燃焼室内に供給する円管状の２次空気供給管（１６）がさらに設けられている。２次空気供給管の外側とフレームチューブ内周面との間には１次空気と燃料とが混合した燃料ガスが旋回しながら酸素不足雰囲気下で１次燃焼を行うための１次燃焼空間（６ａ）が形成され、２次空気供給管の下流側には１次燃焼後の燃焼ガスと２次空気との混合ガスが過剰酸素雰囲気下で２次燃焼を行うための２次燃焼空間（６ｂ）が形成されている。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃焼器にかかり、より詳細には、燃料と空気との混合を促進するとともに、燃焼室内での燃料ガスの滞留時間を確保してその燃焼を促進し、燃焼排ガス中のＮＯｘの低減を図ることができる小型かつ簡易な構造のＲｉｃｈ−Ｑｕｉｃｋ　Ｑｕｅｎｃｈ−Ｌｅａｎ（ＲＱＬ）燃焼方式による低ＮＯｘ燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年では環境保護のために、ガスタービンの燃焼排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の低減が義務付けられており、そのため、最近では▲１▼予混合希薄燃焼方式によって希薄燃焼を行うメインバーナと拡散燃焼方式によって保炎を行うパイロットバーナとを組み合わせた予混合希薄燃焼方式の燃焼器や、▲２▼Ｒｉｃｈ−Ｑｕｉｃｋ　Ｑｕｅｎｃｈ−Ｌｅａｎ燃焼方式（過濃−急冷−希薄：ＲＱＬ燃焼方式）の燃焼器が開発されている。
【０００３】
上記▲１▼の予混合希薄燃焼方式の燃焼器は、メインバーナにおいて燃料を十分な量の空気と予混合しこれを希薄燃焼させ高温火炎の発生を防止し、高温燃焼時に大量に発生するＮＯｘの低減を図るものである。
また上記▲２▼のＲＱＬ燃焼方式の燃焼器は、１次燃焼域で酸素不足状態（過濃）の燃料ガスを部分的に燃焼させた後にその燃焼ガスに大量の２次空気を追加してこれを急激に希釈・冷却し、２次燃焼領域でその過剰酸素状態（希薄）の燃料ガスを燃焼させることで発生するＮＯｘの低減を図るものである。
【０００４】
ＲＱＬ燃焼方式の燃焼器を図３を用いてより詳しく説明すると、この燃焼器３０の円筒状のフレームチューブ３１には、その中間位置に流路断面積を小さくする絞り部３２が設けられ、絞り部３２の上流側には１次燃焼を行うための１次燃焼空間３３が、絞り部３２の下流側には２次燃焼を行う２次燃焼空間３４が形成されている。
このフレームチューブ３１の上流端には１次燃焼空間３３に軸方向に空気を供給する１次空気噴出管３５が連結され、１次空気噴出管３５の内部には先端部に噴出ノズルを備えた燃料供給管３６が同軸に配置されている。燃料供給管３６は１次燃焼空間３３の手前にまでのびており、また１次空気噴出管３５内の１次空気流路には、１次空気を周方向に旋回させるためのスワールベーン（ｓｗｉｒｌ　ｖａｎｅｓ）３７が取り付けられている。
さらに、絞り部３２には外部から大量の空気を２次燃焼空間３４内に供給するための２次空気供給管３８が取り付けられている。
【０００５】
スワールベーン３７によって旋回を与えられた１次空気は１次空気噴出管３５から１次燃焼空間３３に噴射されて導入され、同じく１次燃焼空間内に向けて噴出ノズルから噴出された燃料を巻き込んでこれを攪拌・混合する。このとき生成される燃料ガスは燃料濃度が高くなるように、すなわち高当量比となるようになっている。
生成された燃料濃度が過度に高い燃料ガスは酸素不足雰囲気下（高当量比）で１次燃焼（部分燃焼）を行った後に２次燃焼空間に向かう。その際、絞り部３２に取り付けられた２次空気供給管３８から大量の空気が供給され、２次燃焼空間では過剰酸素雰囲気下（低当量比）で２次燃焼が行われる。
【０００６】
ＲＱＬ燃焼方式の燃焼器は、このように酸素不足状態（過濃）の燃料ガスを部分的に燃焼させた後に、その燃焼ガスに大量の２次空気を追加してこれを急激に希釈・冷却し、２次燃焼領域でその過剰酸素状態（希薄）の燃焼ガスを燃焼させることによってＮＯｘの低減を図るものである。
【０００７】
すなわち燃料と空気（酸素）との当量比と火炎温度およびサーマルＮＯｘ生成速度との関係を示した図４のグラフからも分かるように、燃焼排ガス中のＮＯｘは、当量比０．８５〜１．１５の範囲で、また高温燃焼時に急速に生成する。そのためＲＱＬ燃焼方式の燃焼器は、「過濃雰囲気下での１次燃焼→追加空気（２次空気）による希釈・急冷→希薄雰囲気下での２次燃焼」といった燃焼方式により、ＮＯｘが急激に生成する条件範囲での燃焼時間をできるだけ短くして発生するＮＯｘの低減を図っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述した予混合希薄燃焼方式の燃焼器では、燃料と空気が予め混合されているため、混合気の自発点火や逆火のおそれがあり、これらが発生すると、ＮＯｘの急増、振動燃焼等を引き起こし、燃焼器の性能が悪化するばかりでなく、機器に損傷を与えるおそれもあった。
【０００９】
一方ＲＱＬ燃焼方式の燃焼器では、１次燃焼空間の軸方向長さが短く、空気と燃料とが１次燃焼するための充分な滞留時間の確保が困難であった。そのため従来のＲＱＬ燃焼方式の燃焼器では滞留時間の確保と燃焼器の小型化の要請を両立することは困難であった。
さらに、従来のＲＱＬ燃焼方式の燃焼器では燃料と空気の混合も従来の拡散燃焼方式と同様であったため、充分な混合がえられずに、局所的に低ＮＯｘに効果的な当量比が形成されない領域が発生するおそれがあった。
【００１０】
本発明はかかる問題点を解決するために、創案されたものである。すなわち、本発明は、燃料と空気との混合を促進するとともに、燃焼室内での燃料ガスの滞留時間を確保してその燃焼を促進し、ＲＱＬ燃焼方式によるＮＯｘの低減を達成することができる小型かつ簡易な構造の低ＮＯｘ燃焼器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した問題を解決するため本発明の旋回型低ＮＯｘ燃焼器は、上流端面（２）を閉口し下流端面（４）を開口した円筒形の燃焼室（６）を内部に有するフレームチューブ（８）と、該フレームチューブに連結され、かつ、燃焼室内に向けその接線方向から１次空気を噴出してこれを燃焼室内で旋回させる１次空気噴出管（１２）と、前記上流端面の径方向外側に連結され、かつ、燃焼室の軸方向に燃料を噴出する燃料供給管（１４）と、を備えた旋回型低ＮＯｘ燃焼器であって、前記フレームチューブには、前記上流端面の中心を軸方向に貫通して燃焼室内に突出し、２次空気を燃焼室内に供給する円管状の２次空気供給管（１６）がさらに設けられ、燃焼室内に突出した２次空気供給管の外側とフレームチューブ内周面との間には１次空気と燃料とが混合した燃料ガスが旋回しながら酸素不足雰囲気下で１次燃焼を行うための１次燃焼空間（６ａ）が形成され、２次空気供給管の下流側には１次燃焼後の燃焼ガスと２次空気との混合ガスが過剰酸素雰囲気下で２次燃焼を行うための２次燃焼空間（６ｂ）が形成されている、ことを特徴とする。
【００１２】
ＲＱＬ燃焼方式では、リッチ（高当量比）ゾーンにおいては燃料と１次空気を効率よく混合し、ＮＯｘが多量に発生する当量比領域を形成せず、かつ、酸素と燃料とを充分に反応（燃焼）させること、リーン（低当量比）ゾーンにおいては燃焼ガスと２次空気とを素早く均一に混合することが重要である。
上記本発明の構成によれば、リッチゾーンとなる１次燃焼空間で周方向に旋回する１次空気の流れに軸方向に燃料を噴射することで空気と燃料との混合が促進される。すなわち、軸方向に噴出された燃料と旋回する１次空気とは垂直をなし、これにより燃料はせん断されてその流れが攪拌されるため、空気と燃料との急速混合が促進され、均一な燃料ガス（空気と燃料との混合ガス）の生成が達成される。
また、燃料ガスは２次空気供給管の外側の１次燃焼空間内で、フレームチューブ内周面に沿って旋回しながらその１次燃焼（リッチ燃焼）を行うため、火炎の滞留時間が確保され酸素不足雰囲気下で目的の反応を達成させることができる。さらに、１次燃焼空間には渦巻状の旋回火炎が形成されるため、周方向の燃焼の均一性も得ることができる。
以上のように本発明によれば、燃料と空気との混合を促進し、燃料ガスの滞留時間を確保してその燃焼を促進し、ＲＱＬ燃焼方式によるＮＯｘの低減を達成することができる小型かつ簡易な構造のガスタービン用低ＮＯｘ燃焼器が提供される。
【００１３】
また好ましい実施例によれば、前記２次空気供給管（１６）内の２次空気流路には、２次空気を旋回させて２次燃焼空間（６ｂ）へ供給するためのスワールベーン（１８）が設けられている。
【００１４】
周方向に旋回する１次燃焼後の燃焼ガスに、旋回させた大量の２次空気を２次空気供給管から供給することで、燃焼ガスと２次空気との急速混合が達成される。急速混合により急激に希釈・冷却され、過剰酸素状態（希薄：低当量比）となった燃焼ガスは、２次燃焼空間で２次燃焼（リーン燃焼）を行う。これにより、燃焼排ガス中のＮＯｘの低減を図ることができる。
【００１５】
ここで、前記フレームチューブ（８）にはその内径を漏斗状に滑らかに減少させる漏斗部（２２）が形成され、１次燃焼空間（６ａ）の内径は２次燃焼空間（６ｂ）の内径よりも大きくなっており、かつ、前記２次空気供給管（１６）は２次燃焼空間の手前にまでのびている、ことが好ましい。
【００１６】
１次燃焼空間の内径を大きくすることで１次燃焼空間には大きな旋回流が形成されるため、１次燃焼空間における混合・燃焼がさらに促進される。
また２次空気には１次燃焼空間の中心に配置された２次空気供給管に設けられたスワールベーンによって旋回がかけられるため、噴出後に２次燃焼空間内でその流れが広がる一方、１次燃焼後の燃焼ガスは漏斗部においてその流路の径が絞られながら２次空気に向かう。このように燃焼ガスの流れ方向を変化させ、かつ、旋回する燃焼ガスと２次空気とを合流させることにより両者を素早く均一に混合することができる。
【００１７】
なお、前記スワールベーン（１８）による２次空気の旋回方向は１次空気の旋回方向と逆方向とする、こともできる。
【００１８】
１次空気と２次空気との旋回方向を逆向きにし、２次燃焼空間内に大きな気流乱れを生じさせることにより燃焼ガスと２次空気とを攪拌し、その混合をさらに促進することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２０】
図１は本発明の旋回型低ＮＯｘ燃焼器の軸方向断面図であり、図２は図１のＰ−Ｐ位置における径方向断面である。
【００２１】
この燃焼器はガスタービンに用いられるものであって、上流側にはエンジン内部に取り入れた空気を圧縮する圧縮機が、下流側には燃焼ガスにより駆動されるガスタービンが配置されている（図示せず）。
またこの燃焼器は、高速に導入される圧縮空気と燃料とをその内部で十分に混合しながら燃焼させ、タービンの要求する高圧圧縮ガスを発生させるものであり、ＲＱＬ燃焼方式により燃焼排ガス中のＮＯｘの低減を実現するものである。
【００２２】
燃焼器１０は、図１に示したように、上流端面２を閉口し下流端面４を開口する円筒形のフレームチューブ８によりその外形が構成されている。フレームチューブ８は空気と燃料との混合ガス（燃料ガス）の燃焼が行われる円筒形の燃焼室６を内部に有している。
フレームチューブ８にはその内径を漏斗状に滑らかに減少させる漏斗部２２が形成され、１次燃焼空間６ａとなる上流側の燃焼室の内径は２次燃焼空間６ｂとなる下流側の燃焼室の内径よりも大きくなっている。
【００２３】
また、フレームチューブ８の側面には図示しない圧縮機で圧縮された空気を燃焼室に向けて高速で噴出する４本の１次空気噴出管１２がフレームチューブの接線方向から等間隔に接続されている。１次空気噴出管１２から噴出された空気はフレームチューブ内周面に沿って流れ、旋回流αとなって上流から下流に向かう。
【００２４】
さらにフレームチューブ８の上流端面２の径方向外側位置には、燃焼室の軸方向に燃料を噴出する燃料供給管１４が４本接続されている。ここで、燃料は旋回流αの層流境界層付近に向けて噴出される。
【００２５】
また、フレームチューブ８には、その上流端面２の中心を軸方向に貫通して燃焼室内に突出し、燃焼室内の２次燃焼空間手前までのびた円管状の２次空気供給管１６が設けられている。２次空気供給管は、２次燃焼空間に向けて大量の空気を噴出する。この２次空気供給管１６内の２次空気流路には、２次空気を旋回させるために軸方向に対して傾斜した状態で放射状に並べられた複数のベーンからなるスワールベーン１８が取り付けられている。
【００２６】
次に上述した構成の燃焼器１０内での、空気と燃料との混合、１次燃焼空間６ａでの１次燃焼、２次燃焼空間６ｂでの２次燃焼の機構について説明する。
【００２７】
１次空気噴出管１２から燃焼室の接線方向に噴出された空気は、２次空気供給管１６とフレームチューブ内周面との間に形成された１次燃焼空間６ａをフレームチューブ内周面に沿って流れ、旋回流αとなって上流から下流に向かう。
一方、燃料供給管１４からフレームチューブ８の燃焼室の軸方向に、旋回流αの層流境界層付近に向けて噴出された燃料は、旋回流によってせん断されて１次空気と混合される。すなわち旋回流αが噴射された燃料を巻き込むことでこれを攪拌し、均一燃料ガスの生成を促進する。また気体が流れる表面、すなわち燃焼室の内周面が主流方向に凹面状に湾曲しているため、その表面の層流境界層には遠心力による不安定現象からテイラー渦に類似する渦（ゲルトラ渦）が発生し、この渦によっても空気と燃料との均一混合が一層促進され、燃料濃度に濃淡のある領域の局所的な発生も防ぐことができる。
【００２８】
１次空気と燃料との均一混合により生成された燃料ガスは、燃料濃度が過度に高く、すなわち高当量比となっている。生成された高当量比の燃料ガスは酸素不足雰囲気下で１次燃焼（部分燃焼：リッチ燃焼）を行う。その際、１次燃焼空間には旋回流による旋回火炎が形成されるため、燃料ガスが１次燃焼するための充分な滞留時間が確保され、従来の軸方向に火炎が形成されるＲＱＬ燃焼方式の燃焼器の問題を解消することができる。
さらに、旋回型の燃焼器では燃料ガスの滞留領域Ｘが燃料供給管１４とフレームチューブとの連結箇所近傍の燃焼室の隅に形成されるため、旋回火炎の保炎性も向上するといったメリットもある。
【００２９】
１次燃焼を行った燃料ガス（「燃焼ガス」という。）は、旋回しながら２次燃焼空間へ向かう。その際前述のようにフレームチューブ８にはその内径を漏斗状に滑らかに減少させる漏斗部２２が形成されているため、燃焼ガスはその流路面積を一定区間で狭めながら下流側に流れる。
【００３０】
下流側に流れた燃焼ガスには２次燃焼空間の手前で大量の空気が２次空気供給管１６から追加して供給される。２次空気供給管１６から供給される空気は、２次空気供給管内の２次空気流路に設けられたスワールベーン１８により旋回流αと逆向きの旋回β（螺旋状の回転）が与えられている。
【００３１】
スワールベーン１８によって旋回がかけられた２次空気はその流れを広げ、１次燃焼後の燃焼ガスは漏斗部においてその流れを狭める。このように軸方向に対して異なる角度で流れ、かつ、旋回方向を反対方向とする燃焼ガスと２次空気とを２次燃焼空間手間で合流してやることにより気流乱が発生するため、その攪拌によって両者は素早く均一に混合される。
これにより燃焼ガスは、急激に希釈・冷却されて過剰酸素状態（希薄：低当量比）となり、２次燃焼空間で過剰酸素雰囲気下（低当量比）の２次燃焼（リーン燃焼）が行われる。
【００３２】
以上のように本発明の燃焼器によれば、旋回型の燃焼器にＲＱＬ燃焼方式を採用することで、従来のＲＱＬ燃焼器では困難であった　▲１▼燃料と空気との急速混合の促進、▲２▼燃焼室内での燃料ガスの滞留時間確保による燃焼促進、▲３▼小型かつ簡易な構造のＲＱＬ燃焼器の提供、を実現することができる。
【００３３】
なお本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限りで種々に変更できることは勿論である。例えば、２次空気供給管から噴出する２次空気の旋回を燃焼ガスの旋回方向と一致させることもできる。
【００３４】
【発明の効果】
上述したように、本発明では、燃料と空気との混合を促進するとともに、燃焼室内での燃料ガスの滞留時間を確保してその燃焼を促進し、ＲＱＬ燃焼方式によるＮＯｘの低減を達成する小型かつ簡易な構造の低ＮＯｘ燃焼器を提供することことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の旋回型低ＮＯｘ燃焼器の軸方向断面図である。
【図２】図１のＰ−Ｐ位置における径方向断面である。
【図３】従来のＲＱＬ燃焼方式の燃焼器の概念図である。
【図４】燃料と空気（酸素）との当量比と火炎温度およびサーマルＮＯｘ生成速度との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
２　上流端面
４　下流端面
６　燃焼室
６ａ　１次燃焼空間
６ｂ　２次燃焼空間
８　フレームチューブ
１０　燃焼器
１２　１次空気噴出管
１４　燃料供給管
１６　２次空気供給管
１８　スワールベーン
２２　漏斗部
３０　燃焼器３０
３１　フレームチューブ３１
３２　絞り部３２
３３　１次燃焼空間
３４　２次燃焼空間
３５　１次空気噴出管
３６　燃料供給管
３７　スワールベーン
３８　２次空気供給管
Ｘ　滞留領域

Claims

上流端面（２）を閉口し下流端面（４）を開口した円筒形の燃焼室（６）を内部に有するフレームチューブ（８）と、該フレームチューブに連結され、かつ、燃焼室内に向けその接線方向から１次空気を噴出してこれを燃焼室内で旋回させる１次空気噴出管（１２）と、前記上流端面の径方向外側に連結され、かつ、燃焼室の軸方向に燃料を噴出する燃料供給管（１４）と、を備えた旋回型低ＮＯｘ燃焼器であって、
前記フレームチューブには、前記上流端面の中心を軸方向に貫通して燃焼室内に突出し、２次空気を燃焼室内に供給する円管状の２次空気供給管（１６）がさらに設けられ、
燃焼室内に突出した２次空気供給管の外側とフレームチューブ内周面との間には１次空気と燃料とが混合した燃料ガスが旋回しながら酸素不足雰囲気下で１次燃焼を行うための１次燃焼空間（６ａ）が形成され、２次空気供給管の下流側には１次燃焼後の燃焼ガスと２次空気との混合ガスが過剰酸素雰囲気下で２次燃焼を行うための２次燃焼空間（６ｂ）が形成されている、ことを特徴とする旋回型低ＮＯｘ燃焼器。
前記２次空気供給管（１６）内の２次空気流路には、２次空気を旋回させて２次燃焼空間（６ｂ）へ供給するためのスワールベーン（１８）が設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の旋回型低ＮＯｘ燃焼器。
前記フレームチューブ（８）にはその内径を漏斗状に滑らかに減少させる漏斗部（２２）が形成され、１次燃焼空間（６ａ）の内径は２次燃焼空間（６ｂ）の内径よりも大きくなっており、かつ、前記２次空気供給管（１６）は２次燃焼空間の手前にまでのびている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の旋回型低ＮＯｘ燃焼器。
前記スワールベーン（１８）による２次空気の旋回方向は１次空気の旋回方向と逆方向である、ことを特徴とする請求項２又は３に記載の旋回型低ＮＯｘ燃焼器。