JP2005061715A

JP2005061715A - 希薄予蒸発予混合燃焼器

Info

Publication number: JP2005061715A
Application number: JP2003292744A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Marutani; 洋一丸谷; Toshiro Fujimori; 俊郎藤森; Minoru Tsukamoto; 稔塚本
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2003-08-13
Filing date: 2003-08-13
Publication date: 2005-03-10

Abstract

【課題】高炭素比燃料に水や添加物を添加することなくそのまま燃焼させることができ、かつスモークとカーボンの発生と堆積を抑制することができる希薄予蒸発予混合燃焼器を提供する。
【解決手段】高炭素比液体燃料を空気流中に噴射する燃料噴射弁１２と、液体燃料を蒸発させ空気と均一な希薄燃焼濃度に混合する予蒸発予混合管１４と、予蒸発予混合管の下流側に設けられ混合された希薄混合気を燃焼させる燃焼器ライナー１６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン用の低ＮＯｘ燃焼器に係わり、さらに詳しくは、高炭素比燃料をスモークとカーボンの発生と堆積を抑制して燃焼可能な希薄予蒸発予混合燃焼器に関する。

従来の低ＮＯｘ燃焼器は、例えば、単一又は複数のパイロットバーナーと単一又は複数のメインバーナーとを備え、メインバーナーは、例えば、互いに同軸に配置された主噴射弁と予混合管とからなる。

主噴射弁には、ケーシングを通して外部から燃料が供給される。この燃料には、例えばガス燃料又は液体燃料を用いる。予混合管は、例えば一端部が開口した円筒形の筒であり、内部で燃料と空気が互いに混合しやすくなっている。すなわち、メインバーナーは、主噴射弁と予混合管で構成された予混合希薄バーナーである。この構成により、主噴射弁により予混合管内に燃料を噴射し、予混合管内で燃料を十分な空気量と予混合しこれを希薄燃焼させることができる。
かかる予混合燃焼方式の燃焼器では、燃料を十分な空気量と予混合しこれを希薄燃焼させるものであり、このためホットスポットがなく、高温火炎の発生をなくし低ＮＯｘ化を実現することができる。

なお、スモークとカーボンの発生と堆積を抑制するガスタービン用燃焼器として、非特許文献１、２、特許文献１〜３等が開示されている。また、その他に関連する文献として、特許文献４〜７が開示されている。

非特許文献１では、ディーゼルオイル、芳香族成分を多く含みガスタービンにおいてスモークを発生しやすい燃料を用い燃焼試験を実施し、燃料噴射弁より水噴射を行うことでスモークが低減することを確認している。
非特許文献２では、燃料に添加物を混入し、スモークを低減する。
特許文献１では、燃料（重質油）を超臨界圧で軟質化する。
特許文献２では、予混合管を加熱体で形成し、予混合管を加熱することによりカーボンの堆積を防止する。
特許文献３では、予混合質の内周壁面をパイロットバーナーの燃焼ガスで加熱し、予混合質にカーボンが堆積するのを防止する。

ＲｏｇｅｒＧａｄｉｏｕ，ＭｉｃｈｅｌＭｏｌｉｅｒｅＣＩＭＡＣＣｏｎｇｒｅｓｓ２００１，Ｈａｍｂｕｒｇ，Ｐ４０１インターネットｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｕｒｂｏｔｅｃｔ．ｃｏｍ／ｔｕｒｂｏｔｅｃｔｅｒ１８．ｈｔｍｌ

特開２００３−０４９１８０号公報特開２０００−２１３７４８号公報特開平１０−３０００９０号公報特開平１１−２４８１５８号公報特開２００２−６１８３９号公報特開２００２−１９５５６２号公報特開２００２−２５０５１６号公報

近年、石油化学プラント等で余剰となった原料燃料をガスタービン燃料として用いることが検討されている。このような余剰液体燃料のうちいわゆる高炭素比燃料（例えばライトサイクルオイル：ＬＣＯ）は、密度及び粘度が大きく、Ｃ／Ｈ比が高い。また、芳香族成分が多く、そのためセタン価とスモーク点が低く、この燃料を拡散燃焼器に用いた場合、スモーク発生量が多く、ライナーが過熱されるおそれがある。また完全燃焼が困難であり、フラッシュバックやカーボン堆積が発生しやすい問題点があった。

スモークの発生を抑制するために、燃料に水を添加しまたは燃料と同時噴射する場合、純水を燃焼器に投入する付属設備が必要になり、純水製造装置やそのメンテナンス費用が増えるばかりでなく、スモーク発生の低減効果が低い、という問題がある。
また燃料に添加物をドーピングする場合、大量の添加物と添加物を燃料に混合するための付帯設備が必要となるばかりでなく、燃焼ガスに重金属成分が入るため、燃焼器ライナーやタービン翼等の損傷をきたす問題が発生する。
また燃料と同時に水蒸気を燃料噴射弁より噴射しスモークを低減する場合、蒸気を製造するための付帯設備が必要となる。

一方、カーボンの堆積を防止する有効手段は確立されておらず、カーボン堆積が生じた場合は、燃料を水素含有率の高い燃料に変更することにより防止できるが、一般に水素含有率の高い液体燃料は高価であり、沸点も低いという特徴があり、使用することが困難である。
また燃焼負荷を下げ、予蒸発予混合管内の燃料濃度を低くし、カーボン堆積の防止を図ることができるが、ガスタービンの出力を低下させることとなり、性能低下が避けられず実用化は困難である。

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、本発明の目的は、高炭素比燃料に水や添加物を添加することなくそのまま燃焼させることができ、かつスモークとカーボンの発生と堆積を抑制することができる希薄予蒸発予混合燃焼器を提供することにある。

本発明によれば、高炭素比液体燃料を空気流中に噴射する燃料噴射弁と、前記液体燃料を蒸発させ空気と均一な希薄燃焼濃度に混合する予蒸発予混合管と、該予蒸発予混合管の下流側に設けられ混合された希薄混合気を燃焼させる燃焼器ライナーとを備える、ことを特徴とする希薄予蒸発予混合燃焼器が提供される。

本発明の好ましい第１実施形態によれば、前記燃料噴射弁は、燃料を噴射するリング状の燃料噴射口と、該燃料噴射口の内側に設けられた内側空気流路と、その外側に設けられた外側空気流路とを有し、内側空気流路は、予蒸発予混合管の中心部に軸方向にスワールの弱い空気流を供給し、外側空気流路は、予蒸発予混合管の外周部に強いスワールの旋回流を供給する。

また、剪断流れにより、予蒸発予混合管内で渦崩壊が生じ、空気と燃料の混合が促進される。これにより、予蒸発予混合管内の各ポイントにおける各方向の速度成分が２つのピークを形成する。

本発明の好ましい第２実施形態によれば、前記予蒸発予混合管は、その内面に、流体膜を形成する流体膜形成壁を有する。前記流体膜形成壁は、焼結金属またはポーラスな構造体からなり、水、水蒸気または空気を内側から浸み出すようになっている。

上記本発明の構成によれば、予蒸発予混合管で生成させた可燃混合気は、均一な希薄燃焼濃度に混合されているため、どの領域においても安定に燃焼するために必要な酸素を含んでいる。そのため熱分解した炭素成分が酸素不足のため凝集しスモークが生成することがない。また、高炭素比燃料に水や添加物を添加しないため、水、水蒸気、燃料混入用の試薬等、低スモーク化のため必要な燃料以外の供給物やそれらを供給するための設備が必要なくなり、コスト削減、燃焼機構の簡素化を図ることができる。

また第１実施形態の構成により、リング状の燃料噴射口から噴射された燃料を、内側と外側の旋回空気流で形成された剪断流れにより、空気と短時間に混合し、かつ旋回流（スワール）の強さにより、予蒸発予混合管出口の燃料濃度を火炎の安定性のため最適化することができる。

また予蒸発予混合管内の各ポイントにおける各方向の速度成分が２つのピークを形成する構成により、予蒸発予混合管出口の燃料濃度を半径方向に均一な希薄燃焼濃度にできることが、後述する実施例で確認された。

また、第２実施形態の構成により、燃料が壁面に付着することなくカーボンの堆積を防止できる。

従って、本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器は、高炭素比燃料に水や添加物を添加することなくそのまま燃焼させることができ、かつスモークとカーボンの発生と堆積を抑制することができる、等の優れた効果を有する。

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。

図１は本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器の第１実施形態を示す図である。この図に示すように、本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器１０は、燃料噴射弁１２、予蒸発予混合管１４、及び燃焼器ライナー１６を備える。

本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器１０（以下、単に「燃焼器」と呼ぶ）は、高炭素比液体燃料を燃料として使用する。高炭素比液体燃料（ＨｉｇｈＣａｒｂｏｎＲａｔｉｏＦｕｅｌ：ＨＣＲＦ）とは、ライトサイクルオイル、重質油、等であり、水素に比べて炭素の比率が一般の液体燃料（軽油、ガソリン、灯油等）に比べて多い液体燃料と定義する。

燃料噴射弁１２は、高炭素比液体燃料（以下、単に「ＨＣＲＦ」と呼ぶ）を空気流中に噴射する機能を有する。この例において、燃料噴射弁１２は、燃料を噴射するリング状の燃料噴射口１２ａと、この燃料噴射口１２ａの内側に設けられた内側空気流路１２ｂと、その外側に設けられた外側空気流路１２ｃとを有する。

内側空気流路１２ｂは、予蒸発予混合管１４の中心部に軸方向にスワールの弱い空気流を供給する。また、外側空気流路１２ｃは、予蒸発予混合管１４の外周部に強いスワールの旋回流を供給する。

この例において、外側空気流路１２ｃには、無次元スワール角が１の旋回翼１３が設けられ、予蒸発予混合管１４内に２つのピークを有する軸方向流速分布を形成するようになっている。
この構成により、予蒸発予混合管出口の燃料濃度を半径方向に均一な希薄燃焼濃度にできることが、後述する実施例で確認された。

予蒸発予混合管１４は、液体燃料を蒸発させ空気と均一な希薄燃焼濃度に混合する機能を有する。この例において、予蒸発予混合管１６は、中空円筒形である。

燃焼器ライナー１６は、予蒸発予混合管１６の下流側に設けられ、混合された希薄混合気を燃焼させる機能を有する。
なお、図示しないパイロットバーナーを別途設け、燃焼を安定化するようになっているのがよい。
上述した構成により、リング状の燃料噴射口から噴射された燃料を、内側と外側の旋回空気流で形成された剪断流れにより、空気と短時間に混合し、かつ旋回流（スワール）の強さにより、予蒸発予混合管出口の燃料濃度を火炎の安定性のため最適化することができる。

図２は本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器の第２実施形態を示す図である。この図に示すように、この例では、予蒸発予混合管１４は、その内面に、流体膜を形成する流体膜形成壁１４ａを有する。この流体膜形成壁１４ａは、焼結金属またはポーラスな構造体（例えば複数の貫通穴を有する多穴板）からなり、水、水蒸気または空気を内側から浸み出すようになっており、この流体膜により燃料が壁面に付着するのを防止し、燃料の蒸発により発生する残さ（カーボン）を予混合燃料ガスに同伴させてカーボンの堆積を防止する。

以下、本発明の実施例を試験結果に基づき説明する。

高炭素比燃料の希薄予蒸発予混合燃焼（ＬｅａｎＰｒｅ−ｖａｐａｒｉｚｅｄＰｒｅｍｉｘｅｄＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎ：ＬＰＰ燃焼）における燃焼特性（燃焼効率、ＮＯｘ、スモーク発生、フラッシュバック）を試験した。ここで、ライトサイクルオイル（ＬｉｇｈｔＣｙｃｌｅＯｉｌ：ＬＣＯ）を高炭素比燃料として用いた。

（実験装置）
図３は、試験に使用した燃焼器の断面図である。この燃焼器は、圧力チャンバー内に設置した２次元燃料器である。この燃焼器のメインバーナーは本発明の希薄予蒸発予混合型（ＬＰＰ型）であり、２つのメインバーナーの間に従来の拡散燃焼型のパイロットバーナーがセットされている。

図４は、メインバーナー（本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器）の模式図である。燃料噴射弁は拡散ノズルである。燃料はリング型のスリット（燃料噴射口）から噴射され、内側の軸方向の空気流と外側の強い旋回流で形成された剪断流れにより、空気と混合される。旋回流（スワール）の強さは、ＬＰＰ出口の燃料濃度と火炎の安定性のため最適化されている。

（燃料特性）
表１に、使用したＨＣＲＦとケロシン（ＪＩＳＮｏ．１）の特性を示す。ＨＣＲＦは、ケロシンと比較すると、密度と粘度が大きく、Ｃ／Ｈ比が高い。また、ＨＣＲＦは、芳香族成分が多く、そのためセタン価とスモーク点が低い。そのためこの燃料を拡散燃焼器に用いた場合、スモーク発生量が多く、ライナーが過熱されるおそれがある。

図５は、流速、温度、圧力の蒸発時間に及ぼす影響を示す図である。流速、温度、圧力の増加により、蒸発時間が短くなることがわかる。また、ＨＣＲＦの蒸発時間は、すべての条件において、ケロシンより約３０％長いことがわかる。

（ＨＣＲＦ用の燃料噴射弁）
ＨＣＲＦはケロシンよりも粘度が高く、ケロシンよりも沸点の高い化合物を含む。そのため蒸発距離はケロシンよりも長い。強いスワールを持った予蒸発予混合管内において、大きい液滴と長い蒸発距離により、遠心力により燃料が外側に向かうため、燃料の濃縮とＮＯｘ排出量の増大を引き起こす。更に、蒸発の遅れは、予蒸発予混合管の壁や燃焼器ライナーにスプレイ衝突（液滴衝突）を引き起こし、その結果、完全燃焼が困難となり、フラッシュバックやカーボン堆積が発生する。

これらの問題点を解決するために、燃焼器は燃料の外方領域における蓄積を防止し、均一な燃料の分散を促進する必要がある。これを達成するために、予蒸発予混合管内において良好な混合が必要であり、かつ燃料分布を良好に制御する必要がある。
予蒸発予混合管内の中心の流れは、真っ直ぐであり、外方領域に運ばれるスプレイ（液滴）は少ない。高速混合は予蒸発予混合管の下流で発生する渦により達成される。

図６（ａ）は、予蒸発予混合管内の流速の標準分散を示す。この図において無次元スワール角が１の方が明らかに大きくなっている。図６（ｂ）は軸方向成分の分布である。この図の２つのピークは、渦の存在により説明できる。この渦により、良好な混合が達成できる。

図７は予蒸発予混合管の出口における燃料濃度の分布を示す。この図からスワール角が１の場合に、ほとんどフラットな分布が得られていることがわかる。

図８は、ＨＣＲＦとケロシンのＮＯｘ排出量の比較を示す。ＨＣＲＦのＮＯｘ排出量は、ケロシンとほとんど同じである。

（スモーク発生とライナー温度）
図９は、圧力とスモーク発生量との関係を示す。この図で、スモーク発生量は、全排出量からパイロットバーナーの排出量を引いたものである。また、ＰｉｌｏｔＫＲとＰｉｌｏｔＨＣＲＦは、従来の非予混合燃焼のスモーク発生量である。
１ＭＰａ以下の圧力では、スモーク発生は検出されなかった。２ＭＰａにおいて、スモーク発生量はパイロット発生量の１／１０以下である。この素晴らしい結果は、燃焼前の良好な混合に起因する。

図１０は、圧力とライナー温度の関係図である。ＨＣＲＦ燃焼時のライナーの温度上昇は、１０℃以下であり、ノズル設計の良好さが示された。ＨＣＲＦのＬＰＰ燃焼は、火炎の発光が少なく、放射によるライナーへの熱伝達が少ないためである。

上述した実施例により、本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器において、渦の破壊によって、ＨＣＲＦの高速混合を実現し、燃料濃縮の好ましいプロフィールを実現できることが確認された。
また均一化と蒸発を促進する流速の増加により、大幅な低ＮＯｘ化が実現された。圧力の増加により、ＮＯｘ排出量は、燃料濃度の不均一性に影響されやすくなる。

また本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器により、スモーク発生量が、拡散燃焼ノズルの１／１０以下まで低減された。ＨＣＲＦの燃焼安定性は、ケロシンとほとんど同一であった。

以上から、予蒸発予混合管を用いた本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器により、水や添加物を添加しない乾燥燃焼において、ＮＯｘ排出量、燃焼効率、スモーク発生量、燃焼安定性のすべてにおいて、ＨＣＲＦをケロシンと同レベルで燃焼できることが確認された。

なお本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器の第１実施形態を示す図である。本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器の第２実施形態を示す図である。試験に使用した燃焼器の断面図である。メインバーナーの模式図である。流速、温度、圧力の蒸発時間に及ぼす影響を示す図である。予蒸発予混合管内の流速の標準分散と軸方向成分の分布を示す図である。予蒸発予混合管の出口における燃料濃度の分布にスワール角が与える影響を示す図である。ケロシンとＨＣＲＦのＮＯｘ排出量の比較を示す図である。圧力とスモーク発生量との関係を示す図である。圧力とライナー温度の関係図である。

符号の説明

１スクロール部、２燃焼器ライナー、
３ケーシング、４点火栓（イグナイタ）、
６空気、７火炎、
７ａパイロット火炎（拡散火炎）、７ｂメイン火炎（予混合火炎）、
８パイロットバーナー、９メインバーナー、
９ａ主噴射弁、９ｂ予混合管、
１０希薄予蒸発予混合燃焼器、１２燃料噴射弁、
１３旋回翼、１４予蒸発予混合管、１４ａ流体膜形成壁、
１６燃焼器ライナー

Claims

高炭素比液体燃料を空気流中に噴射する燃料噴射弁と、前記液体燃料を蒸発させ空気と均一な希薄燃焼濃度に混合する予蒸発予混合管と、該予蒸発予混合管の下流側に設けられ混合された希薄混合気を燃焼させる燃焼器ライナーとを備える、ことを特徴とする希薄予蒸発予混合燃焼器。
前記燃料噴射弁は、燃料を噴射するリング状の燃料噴射口と、該燃料噴射口の内側に設けられた内側空気流路と、その外側に設けられた外側空気流路とを有し、
内側空気流路は、予蒸発予混合管の中心部に軸方向にスワールの弱い空気流を供給し、外側空気流路は、予蒸発予混合管の外周部に強いスワールの旋回流を供給する、ことを特徴とする請求項１に記載の希薄予蒸発予混合燃焼器。
前記内側空気流路は、スワール角が０°（ストレート）の旋回翼を有し、該内側空気流路を通過した燃料は旋回のない予蒸発予混合管の中心部へ集まる特性があり、これにより、一般に粘度が高く蒸発が遅い高炭素比燃料は予蒸発予混合管の管外周部に集まる傾向があり、この２つの特性が打ち消し合い均一な濃度分布を作ることができる、ことを特徴とする請求項２に記載の希薄予蒸発予混合燃焼器。
前記予蒸発予混合管は、その内面に、流体膜を形成する流体膜形成壁を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の希薄予蒸発予混合燃焼器。
前記流体膜形成壁は、焼結金属またはポーラスな構造体からなり、水、水蒸気または空気を内側から浸み出すようになっている、ことを特徴とする請求項４に記載の希薄予蒸発予混合燃焼器。