JP2004036952A

JP2004036952A - バーナノズル

Info

Publication number: JP2004036952A
Application number: JP2002192474A
Authority: JP
Inventors: Toshiharu Shimizu; 清水　敏春; Yoshihiro Nakamura; 中村　義弘
Original assignee: Toho Gas Co Ltd
Current assignee: Toho Gas Co Ltd
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2002-07-01
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】安定燃焼を維持しつつ酸素残存空気の熱エネルギーを活用することができる省エネルギーなバーナノズルを提供すること。
【解決手段】バーナノズル１は，火炎を形成する燃焼ヘッダー２と，空気Ａｉよりも酸素濃度が低い酸素残存空気Ｇｕを酸素残存空気孔３１１より噴出させる酸素残存空気噴出筒３とを有してなる。燃焼ヘッダー２は，燃料Ｆｕを噴出させる複数の燃料孔２１１を有する燃料供給室２１と，空気Ａｉを噴出させる複数の空気孔２２１を有する空気供給室２２とからなる。バーナノズル１において燃焼を行う際には，燃料Ｆｕと空気Ａｉとにより１次燃焼を行って燃焼ヘッダー２の側近より１次火炎１０１を形成する。そして，１次火炎１０１に酸素残存空気Ｇｕを供給して２次燃焼を行い，主炎１０２を形成する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は，燃焼用空気と燃料とを混合して燃焼させるバーナノズルに関する。
【０００２】
【従来技術】
所定量の酸素が残存するガスタービン等の排気ガスを排気する排気ダクトに配設し，上記排気ガスを燃焼用空気として利用して，熱風を発生させるバーナノズルがある。このバーナノズルは，燃料を噴出させる燃焼ヘッダーと，上記排気ガスを噴出させる空気噴出筒とを有している。そして，バーナノズルにおいて燃焼を行う際には，上記ダクトを流れる排気ガスを，上記空気噴出筒に設けた複数の燃焼用空気噴出孔よりこの空気噴出筒の内側方向に取り入れると共にこの内側方向に噴出させる。そして，この噴出させた排気ガスと上記燃焼ヘッダーに設けた燃料噴出孔より噴出させた燃料と混合させて燃焼を行っている。
上記バーナノズルによれば，上記排気ガスにおける熱エネルギーを活用することができる。
【０００３】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来のバーナノズルにおいては，上記燃料噴出孔より噴出させた燃料と，上記燃焼用空気噴出孔より噴出させた排気ガスとの混合ガスの混合状態は均一なものではない。すなわち，上記従来のバーナノズルでは，上記燃焼ヘッダーの近傍に安定した火炎が形成され難い傾向がある。そのため，特に上記燃料の噴出量を絞ったときには，必ずしも安定した燃焼が可能ではなかった。
【０００４】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，安定燃焼を維持しつつ酸素残存空気の熱エネルギーを活用することができる省エネルギーなバーナノズルを提供しようとするものである。
【０００５】
【課題の解決手段】
第１の発明は，火炎を形成する燃焼ヘッダーと，該燃焼ヘッダーの火炎形成方向に配設すると共に空気よりも酸素濃度が低い酸素残存空気を複数の酸素残存空気孔より噴出させる酸素残存空気噴出筒とを有してなるバーナノズルにおいて，上記燃焼ヘッダーは，燃料を噴出させる複数の燃料孔を有する燃料供給室と，空気を噴出させる複数の空気孔を有する空気供給室とからなり，
上記バーナノズルは，上記複数の燃料孔より噴出させた燃料と，上記複数の空気孔より噴出させた空気とにより１次燃焼を行って，上記燃焼ヘッダーの側近より１次火炎を形成すると共に，該１次火炎に上記複数の酸素残存空気孔より噴出させた酸素残存空気を供給して２次燃焼を行って主炎を形成するよう構成してあることを特徴とするバーナノズルにある（請求項１）。
【０００６】
本発明のバーナノズルは，燃料を噴出させる複数の燃料孔を有する燃料供給室と，空気を噴出させる複数の空気孔を有する空気供給室とからなる燃焼ヘッダーを有している。そして，バーナノズルにおいて燃焼を行う際には，上記燃料供給室から噴出した燃料と，上記空気供給室から噴出した空気とが迅速かつ適正な割合で混合される。そのため，上記燃料と空気とは，上記燃焼ヘッダーの下流側の近傍より１次燃焼を開始することができ，上記燃焼ヘッダーの側近より１次火炎を形成することができる。そして，この１次火炎は，燃焼に十分な酸素濃度を有する空気を使用して形成することができ，安定して維持することができる。
【０００７】
また，上記複数の酸素残存空気孔より上記酸素残存空気噴出筒の内側方向に噴出される上記酸素残存空気は，上記１次燃焼により形成された１次火炎に供給される。そのため，この１次火炎の形成は，燃焼を起こしやすい上記燃料と空気とで行い，上記２次燃焼における主炎の形成は，上記１次燃焼における１次火炎に上記酸素残存空気を供給することにより行うことができる。
【０００８】
そのため，上記空気の供給量を少なく，上記酸素残存空気の供給量を多くしても，安定した主炎の形成を維持することができる。また，上記燃料は上記少量の空気と混合して燃焼を行うことができる。そのため，上記燃料の噴出量を絞ったときでも，空気が過剰になり難く，安定した燃焼を行うことができる。
それ故，安定燃焼を維持しつつ，例えば，ガスタービンの排気ガス等である酸素残存空気の熱エネルギーを活用して，省エネルギーなバーナノズルを形成することができる。
【０００９】
なお，上記１次燃焼とは，上記燃料と上記空気との混合により，上記燃焼ヘッダーの側近より行われる燃焼のことをいい，上記１次火炎とは，この１次燃焼により形成される火炎をいう。また，上記２次燃焼とは，上記１次火炎に上記酸素残存空気を供給することにより行われる燃焼のことをいい，上記主炎とはこの２次燃焼により形成される火炎をいう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
上記燃料には，都市ガス，ＬＰＧの他，各種の気体燃料を用いることができる。なお，本発明において，下流側とは，燃焼による火炎が形成される側をいい，上流側とは，上記下流側の反対側をいう（以下同様）。
【００１１】
また，上記酸素残存空気は，例えば，酸素濃度が１６〜１９％であると共に温度が２５０〜３００℃である上記マイクロガスタービンの排気ガスとすることができる。この場合には，上記マイクロガスタービンの排気ガスにおける熱エネルギーを効果的に活用することができる。
また，上記空気としては，例えば，酸素濃度が約２１％のフレッシュエアーを用いることができる。
【００１２】
上記空気の噴出量は，理論空気量（実際に供給した燃料の量を理論上完全燃焼させるために要する空気量）の０．１〜０．６倍とすることが好ましい。この場合には，上記空気の噴出量を少なくして，省エネルギーなバーナノズルを形成することができる。また，上記空気の噴出量は，理論空気量の０．２〜０．３倍とすることがさらに好ましい。この場合には，上記空気の噴出量をさらに少なくして，さらに省エネルギーなバーナノズルを形成することができる。
上記空気の噴出量が理論空気量の０．１倍未満であると，上記１次燃焼における１次火炎を安定して維持するのが困難になる。また，上記空気の噴出量が理論空気量の０．６倍を超えると，省エネルギーの効果があまり得られない。
【００１３】
また，上記空気孔は，上記燃料孔による噴出方向に沿って開口していることが好ましい（請求項２）。この場合には，上記空気孔より噴出させる少量の空気を効果的に上記燃料との１次燃焼に使用することができ，上記１次燃焼を安定させることができる。
【００１４】
また，上記空気孔は，上記燃料孔による噴出方向に対して内側方向に傾斜して開口していることもできる（請求項３）。この場合にも，上記空気孔より噴出させる少量の空気を効果的に上記燃料との１次燃焼に使用することができ，上記１次燃焼を安定させることができる。
【００１５】
また，上記燃料孔は，上記空気孔による噴出方向に対して内側方向に傾斜して開口していることもできる（請求項４）。この場合にも，上記空気孔より噴出させる少量の空気を効果的に上記燃料との１次燃焼に使用することができ，上記１次燃焼を安定させることができる。
【００１６】
【実施例】
以下に，図面を用いて本発明のバーナノズルにかかる実施例につき説明する。
（実施例１）
本例のバーナノズル１は，図１〜図６に示すごとく，火炎を形成する燃焼ヘッダー２と，この燃焼ヘッダー２の火炎形成方向に配設すると共に空気Ａｉよりも酸素濃度が低い酸素残存空気Ｇｕを複数の酸素残存空気孔３１１より噴出させる酸素残存空気噴出筒３とを有してなる。
上記燃焼ヘッダー２は，燃料Ｆｕを噴出させる複数の燃料孔２１１を有する燃料供給室２１と，空気Ａｉを噴出させる複数の空気孔２２１を有する空気供給室２２とからなる。
【００１７】
そして，上記バーナノズル１において燃焼を行う際には，まず，上記複数の燃料孔２１１より噴出させた燃料Ｆｕと，上記複数の空気孔２２１より噴出させた空気Ａｉとにより１次燃焼を行う。そして，上記燃焼ヘッダー２の側近より１次火炎１０１を形成する。また，この１次火炎１０１に上記複数の酸素残存空気孔３１１より噴出させた酸素残存空気Ｇｕを供給して２次燃焼を行い，主炎１０２を形成する。
【００１８】
以下に，これを詳説する。
本例においては，上記空気Ａｉは，酸素濃度が約２１％であると共に温度が常温（約２０℃）であるフレッシュエアーである。また，上記燃料Ｆｕは，気体燃料としての都市ガスである。
また，本例においては，上記酸素残存空気Ｇｕは，酸素濃度が１６〜１９％であると共に温度が２５０〜３００℃である上記マイクロガスタービンの排気ガスである。
【００１９】
本例においては，図１〜図３に示すごとく，上記燃焼ヘッダー２は，上記空気供給室２２の内部に上記燃料供給室２１を配置するようにして構成されている。そして，図３に示すごとく，上記複数の燃料孔２１１は，上記燃料供給室２１の下流側面２１２に設けた突出部２１３に形成されている。また，上記複数の空気孔２２１は，上記空気供給室２２の下流側面２２２に形成されている。
【００２０】
また，上記燃料供給室２１の突出部２１３は，上記空気供給室２２の下流側面２２２に貫通配設されている。そして，上記突出部２１３の先端面２１４と上記空気供給室２２の下流側面２２２とは，ほぼ面一の状態を形成している。そのため，上記燃料孔２１１から噴出させた燃料Ｆｕと上記空気孔２２１から噴出させた空気Ａｉとを一層迅速に混合できるようになっている。
【００２１】
また，図１に示すごとく，上記酸素残存空気噴出筒３は，上記空気Ａｉの流れの下流側に向けて拡大傾斜して配設すると共に複数の空気孔２２１をそれぞれ有する一対の空気噴出プレート３１と，この一対の空気噴出プレート３１における上記火炎形成方向に直交する直交方向の端部同士をそれぞれ結合する一対のサイドプレート３２とよりなる。
また，本例においては，上記燃焼ヘッダー２及び上記酸素残存空気噴出筒３よりなるバーナノズル１は，上記マイクロガスタービンの排気ダクト４の内部に配設して，エアヒートバーナを構成している。
【００２２】
また，図１〜図３に示すごとく，上記複数の燃料孔２１１及び複数の空気孔２２１は，上記排気ダクト４の下流側に向けて開口している。こうして，上記空気孔２２１は，上記燃料孔２１１による噴出方向に沿って開口している。そのため，上記空気孔２２１より噴出させる少量の空気Ａｉを効果的に上記燃料Ｆｕとの１次燃焼に使用することができ，上記１次燃焼を安定させることができる。
また，本例においては，上記複数の空気孔２２１の少なくとも一部は，上記燃料孔２１１の近傍に形成してあり，上記燃料Ｆｕと空気Ａｉとの一層迅速な混合が可能になっている。
【００２３】
また，本例においては，上記空気Ａｉの噴出量は，理論空気量の０．２〜０．３倍としている。これに比べて，上記酸素残存空気Ｇｕの噴出量は，理論空気量より大きくしている。つまり，上記空気Ａｉの供給量の割合に対する上記酸素残存空気Ｇｕの供給量の割合を多くしている。そのため，約２０℃の空気に比べて，２５０〜３００℃と高温である上記酸素残存空気Ｇｕを多量に利用することができる。そのため，上記酸素残存空気Ｇｕの熱エネルギーを有効に活用することができる。
【００２４】
上記バーナノズル１において燃焼を行う際には，上記燃料供給室２１と上記空気供給室２２との構成により，上記燃料供給室２１から噴出した燃料Ｆｕと，上記空気供給室２２から噴出した空気Ａｉとが迅速かつ適正な割合で混合される。そのため，上記燃料Ｆｕと空気Ａｉとは，上記燃焼ヘッダー２の下流側の近傍より１次燃焼を開始することができ，上記燃焼ヘッダー２の側近より１次火炎１０１を形成することができる。そして，この１次火炎１０１は，燃焼に十分な酸素濃度を有する空気を使用して形成することができ，安定して維持することができる。
【００２５】
また，上記複数の酸素残存空気孔３１１より上記酸素残存空気噴出筒３の内側方向に噴出される上記酸素残存空気Ｇｕは，上記１次燃焼により形成された１次火炎１０１に供給される。そのため，上記１次火炎１０１の形成は，燃焼を起こしやすい上記燃料Ｆｕと空気Ａｉとで行い，上記２次燃焼における主炎１０２の形成は，上記１次燃焼における１次火炎１０１に上記酸素残存空気Ｇｕを供給することにより行うことができる。
【００２６】
そのため，上記のごとく，上記空気Ａｉの噴出量を理論空気量の０．２〜０．３倍と小さくしても，安定した主炎１０２の形成を維持することができる。また，上記燃料Ｆｕは上記少量の空気Ａｉと混合して燃焼を行うことができる。そのため，上記燃料Ｆｕの噴出量を絞ったときでも，空気Ａｉが過剰になり難く，安定した燃焼を行うことができる。
それ故，安定燃焼を維持しつつ，マイクロガスタービンの排気ガスである酸素残存空気Ｇｕの熱エネルギーを活用して，省エネルギーなバーナノズル１を形成することができる。
【００２７】
ところで，安定して燃焼を行うことができる範囲は，上記酸素残存空気Ｇｕの供給量にほとんど変化がない状態においては，上記燃料Ｆｕの供給量の大小により大きく影響される。
図４，図５に示すごとく，本例のバーナノズル１によれば，燃料Ｆｕの供給量が最大供給量に近いときでは，上記１次火炎１０１及び主炎１０２を上記空気噴出プレート３１の上流側から下流側までの全体において形成して，安定した燃焼が可能である。図４には，燃料Ｆｕの供給量を最大供給量とした場合，図５には，燃料Ｆｕの供給量を最大供給量の１／３とした場合を示す。
【００２８】
また，上記バーナノズル１の燃焼制御性を考えると，上記酸素残存空気Ｇｕの供給量の変化がほとんどない状態で，上記燃料Ｆｕの供給量を大きく絞り込むことができることが好ましい。しかし，上記酸素残存空気Ｇｕの供給量をほぼ一定にして上記燃料Ｆｕの供給量を絞り込むと，この酸素残存空気Ｇｕの供給量は理論空気量より大幅に大きくなる。そして，過剰の酸素残存空気Ｇｕにより火炎が冷やされ，ＣＯ（一酸化炭素）等の未燃ガスの発生量が増大するおそれがある。
【００２９】
本例のバーナノズル１においては，上記のごとく，上記燃料Ｆｕは上記少量の空気Ａｉ（理論空気量の０．２〜０．３倍）と混合して上記１次燃焼を行うことができる。そのため，上記空気噴出プレート３１より噴出させる酸素残存空気Ｇｕの量をほぼ一定にした状態で，上記燃料Ｆｕの供給量を最大供給量の１／５とした場合でも，図６に示すごとく，上記燃焼ヘッダー２の近傍における燃料過剰領域の形成を抑制して，上記１次燃焼による１次火炎１０１を形成することができる。
【００３０】
そして，上記１次燃焼は上記空気噴出プレート３１の上流側において完結する。そして，空気噴出プレート３１の下流側より噴出する酸素残存空気Ｇｕの大半は，上記１次燃焼が完了した燃焼ガスを希釈する希釈空気として噴出されることになる。なお，上記１次火炎１０１には上記空気噴出プレート３１の上流側より噴出する若干の酸素残存空気Ｇｕも供給されており，これが混合して上記１次燃焼を行うことになる。
【００３１】
そのため，上記燃料Ｆｕの供給量を絞り込んだときには，燃焼に直接作用する酸素残存空気Ｇｕは少なく，上記空気噴出プレート３１の下流側より噴出する酸素残存空気Ｇｕの大半は単なる希釈空気となる。そのため，ＣＯ等の未燃ガスの発生が少ない状態で安定した燃焼を行うことができる。そして，上記バーナノズル１によれば，上記空気噴出プレート３１より噴出させる酸素残存空気Ｇｕの量をほぼ一定にした状態で，例えば，上記燃料Ｆｕの供給量を最大供給量から１／１０以下に絞り込んだときでも，安定した燃焼が可能である。
【００３２】
それ故，本例のバーナノズル１によれば，酸素残存空気Ｇｕの供給量にほとんど変化がない状態において，ターンダウン比（安定燃焼が可能な燃料Ｆｕの最大供給量と最小供給量との比）を大きくすることができる
【００３３】
なお，図７に示すごとく，上記バーナノズル１は，マイクロガスタービンの排気ダクト４の先端に接続される燃焼筒５の内部に配設し，上記排気ダクト４を流れる酸素残存空気Ｇｕのほぼすべてを上記酸素残存空気噴出筒３より噴出させて上記２次燃焼を行うこともできる。
【００３４】
（実施例２）
本例は，図８に示すごとく，上記空気供給室２２における空気孔２２１を，上記火炎形成方向に開口する燃料孔２１１による燃料の噴出方向に対して内側方向に傾斜して開口させた例である。なお，本例の内側方向とは，上記酸素残存空気噴出筒３における一対の空気噴出プレート３１の間の中心軸方向に向かう方向をいう。
【００３５】
本例では，上記燃焼ヘッダー２の下流側の近傍において，上記燃料Ｆｕと上記空気Ａｉとの混合を一層迅速に行うことができる。そのため，上記空気孔２２１より噴出させる少量の空気Ａｉを効果的に上記燃料Ｆｕとの１次燃焼に使用することができ，上記１次燃焼を安定させることができる。
その他は，上記実施例１と同様であり，上記実施例１と同様の作用効果を得ることができる。
【００３６】
（実施例３）
本例は，図９に示すごとく，上記燃焼ヘッダー２を，上記燃料供給室２１の内部に上記空気供給室２２を配置するようにして構成した例である。そして，上記燃料供給室２１における燃料孔２１１は，上記火炎形成方向に開口する空気孔２２１による空気の噴出方向に対して内側方向に傾斜して開口している。なお，本例の内側方向も，上記酸素残存空気噴出筒３における一対の空気噴出プレート３１の間の中心軸方向に向かう方向をいう。
【００３７】
本例によっても，上記燃焼ヘッダー２の下流側の近傍において，上記燃料Ｆｕと上記空気Ａｉとの混合を一層迅速に行うことができる。そのため，上記空気孔２２１より噴出させる少量の空気Ａｉを効果的に上記燃料Ｆｕとの１次燃焼に使用することができ，上記１次燃焼を安定させることができる。
その他は，上記実施例１と同様であり，上記実施例１と同様の作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における，バーナノズルを示す斜視説明図。
【図２】実施例１における，バーナノズルを示す側方説明図。
【図３】実施例１における，バーナノズルの主要部を示す側方説明図。
【図４】実施例１における，燃料の供給量を最大供給量とした場合の火炎の形成状態を示す説明図。
【図５】実施例１における，燃料の供給量を最大供給量の１／３とした場合の火炎の形成状態を示す説明図。
【図６】実施例１における，燃料の供給量を最大供給量の１／５とした場合の火炎の形成状態を示す説明図。
【図７】実施例１における，燃焼筒内に配設したバーナノズルを示す側方説明図。
【図８】実施例２における，バーナノズルの主要部を示す側方説明図。
【図９】実施例３における，バーナノズルの主要部を示す側方説明図。
【符号の説明】
１．．．バーナノズル，
２．．．燃焼ヘッダー，
２１．．．燃料供給室，
２１１．．．燃料孔，
２２．．．空気供給室，
２２１．．．空気孔，
３．．．酸素残存空気噴出筒，
３１．．．空気噴出プレート，
３１１．．．酸素残存空気孔，
３２．．．サイドプレート，
４．．．排気ダクト，
Ｆｕ．．．燃料，
Ａｉ．．．空気，
Ｇｕ．．．酸素残存空気，
１０１．．．１次火炎，
１０２．．．主炎，

Claims

火炎を形成する燃焼ヘッダーと，該燃焼ヘッダーの火炎形成方向に配設すると共に空気よりも酸素濃度が低い酸素残存空気を複数の酸素残存空気孔より噴出させる酸素残存空気噴出筒とを有してなるバーナノズルにおいて，
上記燃焼ヘッダーは，燃料を噴出させる複数の燃料孔を有する燃料供給室と，空気を噴出させる複数の空気孔を有する空気供給室とからなり，
上記バーナノズルは，上記複数の燃料孔より噴出させた燃料と，上記複数の空気孔より噴出させた空気とにより１次燃焼を行って，上記燃焼ヘッダーの側近より１次火炎を形成すると共に，該１次火炎に上記複数の酸素残存空気孔より噴出させた酸素残存空気を供給して２次燃焼を行って主炎を形成するよう構成してあることを特徴とするバーナノズル。
請求項１において，上記空気孔は，上記燃料孔による噴出方向に沿って開口していることを特徴とするバーナノズル。
請求項１において，上記空気孔は，上記燃料孔による噴出方向に対して内側方向に傾斜して開口していることを特徴とするバーナノズル。
請求項１において，上記燃料孔は，上記空気孔による噴出方向に対して内側方向に傾斜して開口していることを特徴とするバーナノズル。