JP2005133957A - Lean pre-evaporation and pre-mixture combustor - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a low NOx combustor for a gas turbine, and more particularly, to a lean pre-evaporation premixed combustor capable of burning high carbon ratio fuel while suppressing generation and deposition of smoke and carbon.
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。 A conventional low NOx combustor includes, for example, a single or a plurality of pilot burners and a single or a plurality of main burners, and the main burner includes, for example, a main injection valve and a premixing pipe arranged coaxially with each other. Become.
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。
Fuel is supplied to the main injection valve from the outside through the casing. For example, gas fuel or liquid fuel is used as this fuel. The premixing tube is, for example, a cylindrical tube having an open end, and fuel and air are easily mixed with each other inside. That is, the main burner is a premixed lean burner composed of a main injection valve and a premixing tube. With this configuration, it is possible to inject fuel into the premixing pipe by the main injection valve, premix the fuel with a sufficient amount of air in the premixing pipe, and perform lean combustion.
In such a premixed combustion type combustor, fuel is premixed with a sufficient amount of air and this is burnt in a lean manner. Therefore, there is no hot spot, no high temperature flame is generated, and low NOx can be realized. it can.
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1〜2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3〜6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。
In
In
特許文献1の「ガスタービンの燃焼器」は、図2に示すように、圧縮機から供給される圧縮空気に燃料を混合して予混合気を作る予混合室51と、予混合室からの予混合気を燃焼させる燃焼室52とを備え、前記予混合室を形成する予混合管53が、加熱コイルを絶縁部材で覆った加熱体により形成されているものである。この構成により、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。
As shown in FIG. 2, the “combustor of gas turbine” of
特許文献2の「予混合型燃焼器を備えたガスタービン」は、図3に示すように、圧縮機から供給される圧縮空気に燃料を供給して燃焼させるパイロットノズル61と、このパイロットノズルの外周に配置された環状の予混合室62と、この予混合室に予混合用の燃料を供給するメインノズル63とを備え、前記パイロットノズル61による拡散燃焼領域の外周の少なくとも一部を前記予混合室62の内周壁で覆うことにより、前記内周壁の外周面をカーボン付着温度以上に保持させるものである。この構成により、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。
As shown in FIG. 3, a “gas turbine including a premixed combustor” in
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。 In recent years, the use of surplus raw material fuel in a petrochemical plant or the like as a gas turbine fuel has been studied. Among such surplus liquid fuels, a so-called high carbon ratio fuel (for example, light cycle oil: LCO) has a high density and viscosity and a high C / H ratio. In addition, since there are many aromatic components, the cetane number and smoke point are low, and when this fuel is used in a diffusion combustor, the amount of smoke generated is large and the liner may be overheated. In addition, complete combustion is difficult, and flashback and carbon deposition are likely to occur.
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。
In order to suppress the generation of smoke, when adding water to the fuel or injecting it simultaneously with the fuel, it is necessary to provide an additional facility for adding pure water to the combustor, which increases the pure water production equipment and its maintenance costs. There is also a problem that the effect of reducing the occurrence of smoke is low.
In addition, when doping an additive into a fuel, not only a large amount of additive and ancillary equipment for mixing the additive into the fuel are required, but also a heavy metal component enters the combustion gas, so that a combustor liner, a turbine blade, etc. Problems that cause damage.
Also, when steam is injected simultaneously with fuel from a fuel injection valve to reduce smoke, ancillary equipment for producing steam is required.
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。
On the other hand, an effective means for preventing carbon deposition has not been established, and when carbon deposition occurs, it can be prevented by changing the fuel to a fuel having a high hydrogen content, but generally a liquid fuel having a high hydrogen content. Is expensive and has a low boiling point and is difficult to use.
In addition, the combustion load can be reduced and the fuel concentration in the pre-evaporation premixing tube can be lowered to prevent carbon deposition, but the output of the gas turbine will be reduced, and the performance will be unavoidable, making it difficult to put it into practical use. is there.
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。 The present invention has been made to solve such problems. That is, an object of the present invention is a lean pre-evaporation premixed combustor that can be burned as it is without adding water or additives to a high carbon ratio fuel, and can suppress generation and deposition of smoke and carbon. Is to provide.
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、
前記予蒸発予混合管は、その内壁面に沿って軸方向または逆旋回方向に流れる空気フィルムを形成するようになっている、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。
According to the present invention, a fuel injection valve that injects high carbon ratio liquid fuel into an air stream, a pre-evaporation premixing tube that evaporates the liquid fuel and mixes it with air and a uniform lean combustion concentration, and A combustor liner provided on the downstream side of the mixing pipe and combusting the mixed lean mixture,
A lean pre-evaporation premixing combustor is provided, wherein the pre-evaporation premixing tube forms an air film flowing in an axial direction or a reverse swirl direction along an inner wall surface thereof.
本発明の好ましい実施形態によれば、前記予蒸発予混合管は、燃料噴射弁を間隔を隔てて囲み燃焼器ライナーまで延びる中空円筒形の外管と、該外管の内側に位置し燃料噴射弁を囲み外管より短い中空円筒形の内管と、外管と内管の間に位置しその隙間を通して軸方向に流れる空気流の流量を制御する流量制御器とからなる。 According to a preferred embodiment of the present invention, the pre-evaporation premixing tube includes a hollow cylindrical outer tube that surrounds the fuel injection valve and extends to the combustor liner, and a fuel injection port located inside the outer tube. A hollow cylindrical inner pipe that surrounds the valve and is shorter than the outer pipe, and a flow rate controller that is positioned between the outer pipe and the inner pipe and controls the flow rate of the airflow that flows in the axial direction through the gap.
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。 According to the above configuration of the present invention, the combustible air-fuel mixture generated in the pre-evaporation premixing tube is mixed at a uniform lean combustion concentration, and therefore contains oxygen necessary for stable combustion in any region. It is out. Therefore, the pyrolyzed carbon component does not aggregate due to oxygen shortage and smoke is not generated. In addition, since water and additives are not added to high carbon ratio fuels, there is no need for supplies other than fuels necessary for low smoke, such as water, water vapor, and fuel mixing reagents, and facilities for supplying them. Cost reduction and simplification of the combustion mechanism can be achieved.
また、予蒸発予混合管の内壁面に沿って軸方向または逆旋回方向に流れる空気フィルムを形成するので、燃料噴射弁から噴射された燃料液滴の一部が空気フィルム内に進入しても軸方向の空気フィルム内では遠心力が作用せず空気流と共に軸方向に流されるため、燃料が予混合管に付着することがない。さらに逆旋回方向の空気フィルムは順旋回流れと打ち消し合い、軸方向の流れとなることで遠心力がなくなる。これにより、燃料がタール化、カーボン化し予混合管内に堆積するのを防止することができる。 In addition, since an air film that flows in the axial direction or the reverse swirl direction along the inner wall surface of the pre-evaporation premixing tube is formed, even if some of the fuel droplets injected from the fuel injection valve enter the air film. In the axial air film, the centrifugal force does not act and flows in the axial direction together with the air flow, so that the fuel does not adhere to the premixing tube. Furthermore, the air film in the reverse swirl direction cancels out the forward swirl flow and becomes an axial flow, thereby eliminating the centrifugal force. Thereby, it is possible to prevent the fuel from becoming tar and carbonized and depositing in the premixing tube.
また予蒸発予混合管を、中空円筒形の外管および内管と、その間に位置する流量制御器で構成することにより、流量制御器(例えばオリフィス、スリット)で軸方向または逆旋回方向に流れる空気流量を制御することができる。
さらに、内管は、燃料噴射弁を囲み外管より短いので、内管に直接噴射された微量の燃料液滴は内管の下流端から空気流中に入り、空気フィルム内で空気流と混合されながら軸方向に流されるため、蒸発し堆積する前に液滴を微細化し混合することができる。
Further, the pre-evaporation premixing tube is composed of a hollow cylindrical outer tube and an inner tube and a flow rate controller positioned therebetween, so that the flow rate controller (for example, orifice, slit) flows in the axial direction or the reverse turning direction. The air flow rate can be controlled.
Further, since the inner pipe surrounds the fuel injection valve and is shorter than the outer pipe, a small amount of fuel droplets directly injected into the inner pipe enter the air flow from the downstream end of the inner pipe and mix with the air flow in the air film. However, since it is caused to flow in the axial direction, the droplets can be refined and mixed before being evaporated and deposited.
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。 Therefore, the lean pre-evaporation premix combustor of the present invention can be burned as it is without adding water or additives to the high carbon ratio fuel, and can suppress the generation and deposition of smoke and carbon. And so on.
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。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each figure, common portions are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器の実施形態図である。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。
FIG. 1 is an embodiment of a lean pre-evaporation premix combustor according to the present invention. As shown in this figure, the lean pre-evaporation
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(High Carbon Ratio Fuel: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。 The lean pre-evaporation premix combustor 10 (hereinafter simply referred to as “combustor”) of the present invention uses a high carbon ratio liquid fuel as a fuel. High carbon ratio liquid fuel (HCRF) is light cycle oil, heavy oil, etc., and the ratio of carbon compared to hydrogen is higher than that of general liquid fuels (light oil, gasoline, kerosene, etc.). It is defined as many liquid fuels.
燃料噴射弁12は、高炭素比液体燃料1(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、その周囲に旋回翼13を備える。旋回翼13は、燃料噴射弁12の内側に空気2を導入して強い旋回流3を形成する。この旋回流3による強い流れの乱れにより、燃料噴射弁12で噴射された液体燃料を微粒化すると共に、予蒸発予混合管内で燃料と空気を急速に混合する。
The
予蒸発予混合管14は、液体燃料を燃焼前に蒸発し、空気と混合するための領域であり、この領域で強い乱れを生じさせることで液体燃料を急速に混合し、空気と均一な希薄燃焼濃度に混合する機能を有する。
The
図1において、予蒸発予混合管14は、外管14a、内管14bおよび外管と内管の間に位置する流量制御器15とからなる。
外管14aは、燃料噴射弁12を間隔を隔てて囲み、燃焼器ライナー16まで延びる中空円筒形部材であり、その内壁面に沿って軸方向または逆旋回方向に流れる空気フィルム5を形成するようになっている
内管14bは、外管14aの内側に位置し、燃料噴射弁12を囲み、外管より短い中空円筒形部材であり、外管14aとの隙間から燃焼用空気2を予蒸発予混合管14の内部に導入するようになっている。
流量制御器15は、例えばオリフィス、スリット、可変流量調節弁等であり、外管14aと内管14bの隙間を通して軸方向または逆旋回方向に流れる空気流の流量を制御する機能を有する。
In FIG. 1, the
The
The
燃焼器ライナー16は、予蒸発予混合管14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、燃焼器ライナー16内には、パイロットバーナー17が設けられ、そのパイロット火炎により、燃焼を安定化するようになっている。
The
A
上述した本発明の構成によれば、予蒸発予混合管14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。
According to the above-described configuration of the present invention, the combustible air-fuel mixture generated in the
また、予蒸発予混合管14の内壁面に沿って軸方向または逆旋回方向に流れる空気フィルム15を形成するので、燃料噴射弁12から噴射された燃料液滴1の一部が空気フィルム内に進入しても軸方向の空気フィルム内では遠心力が作用せず空気流と共に軸方向に流されるため、燃料1が予混合管に付着することがない。さらに逆旋回方向の空気フィルムは順旋回流れと打ち消し合い、軸方向の流れとなることで遠心力がなくなる。これにより、燃料がタール化、カーボン化し予混合管内に堆積するのを防止することができる。
Further, since the
また予蒸発予混合管14を、中空円筒形の外管14aおよび内管14bと、その間に位置する流量制御器15で構成することにより、流量制御器15(例えばオリフィス、スリット)で軸方向に流れる空気流量を制御することができる。
さらに、内管14bは、燃料噴射弁12を囲み外管14aより短いので、内管14bに直接噴射された微量の燃料液滴は内管14bの下流端から空気流中に入り、空気フィルム5内で空気流と混合されながら軸方向に流されるため、蒸発し堆積する前に液滴を微細化し混合することができる。
Further, the
Furthermore, since the
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。 Therefore, the lean pre-evaporation premix combustor of the present invention can be burned as it is without adding water or additives to the high carbon ratio fuel, and can suppress the generation and deposition of smoke and carbon. And so on.
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。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
1 高炭素比液体燃料、2 空気、3 旋回流、5 空気フィルム、
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 外管、14b 内管、
15 流量制御器、16 燃焼器ライナー、
17 パイロットバーナー
1 high carbon ratio liquid fuel, 2 air, 3 swirl flow, 5 air film,
10 lean pre-evaporation premix combustor, 12 fuel injection valve, 13 swirler,
14 pre-evaporation pre-mixing tube, 14a outer tube, 14b inner tube,
15 flow controller, 16 combustor liner,
17 Pilot burner
Claims (2)
前記予蒸発予混合管は、その内壁面に沿って軸方向または逆旋回方向に流れる空気フィルムを形成するようになっている、ことを特徴とする希薄予蒸発予混合燃焼器。 A fuel injection valve that injects high carbon ratio liquid fuel into the air stream, a pre-evaporation premixing tube that evaporates the liquid fuel and mixes it with air and a uniform lean combustion concentration, and downstream of the preevaporation premixing tube A combustor liner that burns a provided lean mixed gas,
The lean pre-evaporation premixing combustor, wherein the pre-evaporation premixing tube forms an air film that flows in an axial direction or a reverse swirl direction along an inner wall surface thereof.
The pre-evaporation premixing pipe includes a hollow cylindrical outer pipe that surrounds the fuel injection valve and extends to the combustor liner, and a hollow cylindrical shape that is located inside the outer pipe and surrounds the fuel injection valve and is shorter than the outer pipe. 2. The lean pre-evaporation according to claim 1, comprising: an inner pipe and a flow rate controller that controls a flow rate of an air flow that is positioned between the outer pipe and the inner pipe and flows in the axial direction through the gap. Premix combustor.
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