JP2006017367A - 水素・酸素燃焼方法および水素・酸素燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素と水蒸気とを予混合させ、この予混合に水素を加えて温度の低い安定した燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスに水蒸気を加えて作動流体とする水素・酸素燃焼方法および水素・酸素燃焼装置を提供する。
【解決手段】本発明にかかる水素・酸素燃焼装置は、燃焼室１１の頭部側に設けられ、酸素供給管１３から供給された酸素に蒸気発生器からの水蒸気を加えて予混合する予混合室１２と、この予混合室１２で予混合された予混合気に前記燃焼室１１で水素を加えて燃焼ガスを生成する燃料ノズル１６と、生成された燃焼ガスに前記燃焼室１１の下流側で水蒸気を加えて作動流体を生成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素・酸素燃焼方法および水素・酸素燃焼装置に係り、特に、酸素に水蒸気を加えて予混合し、予混合した酸素・水蒸気に水素を加えて燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスに水蒸気を加えて作動流体とする水素・酸素燃焼方法および水素・酸素燃焼装置に関する。

例えば、ガスタービンプラント単体、あるいはガスタービンプラントに排熱回収ボイラおよび蒸気タービンプラントを組み合わせたコンバインドサイクル発電プラント等の火力発電プラントでは、例えば、ＷＥ−ＮＥＴ平成１０年度報告書（非特許文献１）に見られるように、作動流体である水蒸気を水素と酸素とによる燃焼ガスで昇温させる水素・酸素燃焼装置が使用されている。

この水素・酸素燃焼装置は、水素に酸素を予混合させると、逆火の可能性があるので、拡散燃焼を採用している。

拡散燃焼は、逆火防止の燃焼方式の一つの手段ではあるが、もともとは、水素と酸素とを素早く混合させることが良策として燃料ノズルに求められている。

水素と酸素とを素早く混合させる燃料ノズルには、図６に示すように、水蒸気雰囲気の下、中央に酸素用通路１ａを備え、その外側に同心的に水素用通路１ｂを備えたものや、図７に示すように、中央に水素用通路１ｂを備え、その外側に同心的に酸素用通路１０を備えたものが提案されている。

また、別の水素、酸素燃焼方式には、図８および図９に示すように、燃焼室３の頭部側に設けた燃料ノズル２に水素噴出孔２ａと酸素噴出孔２ｂを交互に環状配列し、その外側に旋回器４を備え、燃焼室３内の水蒸気中に水素と酸素とに旋回流を与えて噴射するものが提案されている。

また、他の別の水素、酸素燃焼方式には、図１０に示すように、燃焼室３の頭部に設けた燃料ノズル２側の一次燃焼領域４で高温燃焼ガスを生成させ、その下流側の希釈領域５で水蒸気と酸素の混合気を供給して予め定めた温度にするものが提案されている。

これらの水素・酸素燃焼方式は、特開平１０−２１３３０８号公報（特許文献１）に開示されている。
特開平１０−２１３３０８号公報 ＷＥ−ＮＥＴ平成１０年度報告書

図６〜図１０に示した水素・酸素燃焼装置には、幾つかの問題点を抱えていた。

図６および図７で示した水素および酸素を、いわゆる同軸噴流にして噴射する燃焼方式や図８および図９で示した燃料ノズル２に水素噴出孔２ａと酸素噴出孔２ｂを交互に配置し、燃焼室３内の水蒸気に水素と酸素を噴出する燃焼方式では、燃焼速度が水素、酸素双方の混合割合に支配され、燃焼の完結に時間を要するため、燃焼室３が長くなり、また燃焼が不充分になったり、さらに燃焼後にも水素あるいは酸素が残り、燃焼効率が悪くなる等の問題があった。

また、局所的に、２０００℃以上の高温領域が発生するために、冷却構造を新たに検討して煩雑化させたり、あるいは多量の冷却媒体を必要とするなど、結果的に熱効率が悪くなる等の問題も残されていた。

また、図１０で示した一次燃焼領域４で高温燃焼ガスを生成させ、その下流側の希釈領域５で水蒸気を供給する燃焼方式では、燃焼室３内での酸素濃度が低いため、着火しなかったり、あるいは着火しても多量の水蒸気により冷却され燃焼ガスが持続できず、高い燃焼温度で安定した燃焼が得られない等の問題点を持っていた。

本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、水蒸気の一部を燃焼室に供給するとともに、燃焼室に供給する水蒸気の一部に酸素を供給して予混合し、その予混合気に水素を噴射し、火炎の温度の低い安定した燃焼ガスを生成する一方、この燃焼ガスに残りの水蒸気を混合させて、最終的に温度を低く抑えた水蒸気を作動流体とする水素・酸素燃焼方法および水素・酸素燃焼装置を提供することを目的とする。

本発明に係る水素・酸素燃焼方法は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、この予混合気に水素を加えて燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスに下流側で水蒸気を加えて作動流体を生成する方法である。

また、本発明に係る水素・酸素燃焼方法は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、酸素に水蒸気を予混合させた予混合気に加える水素は、プラントの排熱と水蒸気とを利用して燃料を改質させた改質ガスであることを特徴とする方法である。

また、本発明に係る水素・酸素燃焼方法は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、燃料は炭化水素系であることを特徴とする方法である。

本発明に係る水素・酸素燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、燃焼室の頭部側に設けられ、酸素供給管から供給された酸素に蒸気発生器からの水蒸気を加えて予混合する予混合室と、この予混合室で予混合された予混合気に前記燃焼室で水素を加えて燃焼ガスを生成する燃料ノズルと、生成された燃焼ガスに前記燃焼室の下流側で水蒸気を加えて作動流体を生成する構成にしたものである。

また、本発明に係る水素・酸素燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、燃焼室は、その上流側に酸素濃度センサを備え、水蒸気に含まれる酸素濃度を検出し、検出した酸素濃度に応じて酸素供給管から予混合室に供給される酸素量を調整する構成にしたものである。

また、本発明に係る水素・酸素燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、燃焼室は、この下流側に温度センサを備え、検出した水蒸気の温度に応じて前記燃焼室に供給される酸素および水素のうち、少なくともいずれか一方を調整する構成にしたものである。

また、本発明に係る水素・酸素燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、燃焼室に供給する酸素と水素の容積比率は、酸素容積を水素容積に対し、０．５０〜０．５５の範囲内に設定したものである。

また、本発明に係る水素・酸素燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、燃焼室は、水蒸気を壁面に沿って流すフィルム冷却部を備えたものである。

また、本発明に係る水素・酸素燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項９に記載したように、フィルム冷却部は、一端を塞ぎ、他端を開口する断面鉤状に形成したものである。

また、本発明に係る水素・酸素燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載したように、予混合室は、予混合させた酸素と水蒸気との予混合気に旋回流を与える旋回器を備えたものである。

また、本発明に係る水素・酸素燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項１１に記載したように、燃焼室は、一次燃焼領域の下流側に水蒸気供給口を備えたものである。

また、本発明に係る水素・酸素燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項１２に記載したように、燃焼室は、運転中、失火を検出したとき点火器に着火指令を与えるセンサを備えたものである。

また、本発明に係る水素・酸素燃焼装置は、上述の目的を達成するために、請求項１３に記載したように、センサは、光ファイバとフォトダイオードを組み合わせたものである。

本発明に係る水素・酸素燃焼方法および水素・酸素燃焼装置は、酸素と水蒸気とを予混合させ、予混合させた予混合気に水素を加えて燃焼ガス（水蒸気）を生成し、生成した燃焼ガス（水蒸気）を下流側で再び水蒸気を加えて温度に調整した作動流体を生成し、水素の燃え残りがなく、冷却構造も簡素化でき、安定した燃焼ガスの生成を行うことができる。

以下、本発明に係る水素・酸素燃焼方法および水素・酸素燃焼装置の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。

図１は、本発明に係る水素・酸素燃焼方法および水素・酸素燃焼装置の第１実施形態を説明する際に使用する概念図である。

なお、本実施形態は、ボイラとタービン間を結ぶ水蒸気流路に水素・酸素燃焼装置を設置した場合を例にして説明する。

本実施形態に係る水素・酸素燃焼装置は、ボイラから供給される水蒸気の水蒸気通路１４を形成するダクト１０に横長筒状の燃焼室１１を収容している。

この燃焼室１１は、頭部側に予混合室１２と燃料ノズル１３を備え、予混合室１２で酸素供給管１３から供給された酸素にダクト１０で形成する水蒸気通路１４から供給された水蒸気を予混合させ、予混合させた酸素、水蒸気に水素供給管１５から燃料ノズル１６に供給された水素を加え、一次燃焼領域１７で燃焼ガス（水蒸気）を生成している。なお、水素は、例えば都市ガス等の炭化系水素を改質器で改質させたものを使用してもよい。この場合、改質器に必要な水蒸気は、ボイラから供給され、また燃焼ガスは、プラントの排ガスが利用される。排ガスの有効活用になる。

また、この燃焼室１１は、一次燃焼領域１７で生成した燃焼ガス（水蒸気）に、その下流側で水蒸気流路１４から供給される水蒸気を加えて温度を調整した作動流体を生成している。

なお、ボイラからダクト１０を介して燃焼室１１に供給される水蒸気は、温度６００℃前後であるから、水素は充分に着火可能である。

このように、本実施形態は、燃焼室１１の予混合室１２にダクト１０で形成する水蒸気流路１４からの水蒸気と酸素供給管１３からの酸素を供給して予混合させ、予混合させた水蒸気、酸素に燃料ノズル１６からの水素を加えて一次燃焼領域１７で燃焼ガス（水蒸気）を生成し、その下流側で再び水蒸気を加えて温度を調整した作動流体を生成するので、燃焼室１１の冷却対策を講ずる必要もなく安定した燃焼ガスを生成することができる。

図２は、本発明に係る水素・酸素燃焼方法および水素・酸素燃焼装置の第２実施形態を説明する際に使用する概念図である。

本実施形態は、燃焼室１１の頭部側に設けた予混合室１２に酸素を供給する酸素供給管１３に酸素濃度センサ１８を設けたものである。

一般に、ガスタービン燃焼器は、水素、酸素の燃え残りをできるだけ少なく、可能な限りゼロにすることが望ましい。

可能な限りゼロにするのは、次の理由に基づく。蒸気タービンで膨張仕事を終えた水蒸気は、復水器（図示せず）で凝縮し、凝縮した水は再びボイラで水蒸気になり、燃焼室に戻される。このとき、燃え残りの水素または酸素があると、これらも燃焼室に戻され、事故の発生要因になるからである。

本実施形態は、このような事象を考慮したもので、燃焼室１１の上流側に酸素濃度センサ１８を設け、酸素濃度センサ１８で水蒸気に含まれる酸素濃度を検出し、検出した酸素濃度に応じて酸素供給管１３から新たに供給される酸素量を制御すれば、水素・酸素の燃え残りを少なくして過不足のない安定した燃焼を行うことができる。

図３は、本発明に係る水素・酸素燃焼方法および水素・酸素燃焼装置の第３実施形態を説明する際に使用する概念図である。

本実施形態は、燃焼室１１からタービンに供給する水蒸気の温度を検出する温度センサ１９を燃焼室１１の出口側に設けたものである。

タービンへ供給する水蒸気の温度は、材料の耐熱性の維持の点から上限がある。このため、タービン入口の水蒸気温度を温度センサ１９で検出し、検出した水蒸気温度に応じて燃焼室１１に供給する水素および酸素のうち、少なくともいずれか一方の量を制御すれば、タービンに供給する水蒸気の温度をタービン材料の耐熱温度以下の温度に維持させることができる。

このように、本実施形態は、燃焼室１１の出口側に温度センサ１９を設け、温度センサ１９で検出した水蒸気温度に応じて燃焼室１１に供給される水素の量を制御するので、タービン材料の強度を高く維持させてタービンに安定運転を行わせることができる。

他方、ガスタービン燃焼器は、供給する水素と酸素の容積比を２対１にすると、水素および酸素の燃え残りが少なくなると言われているが、それでもゼロにすることは難しい。

また、火炎の着火性、吹き消えは、酸素の濃度に大きく依存する。

発明者らは、火炎の着火性、吹き消え性を充分に考慮しながら酸素容積を水素容積に対して０．５以上、厳密には０．５０〜０．５５の範囲内にすると、燃え残りのは水素をゼロにできることを実験によって見出した。この場合、酸素の過剰量０．０３は、全水蒸気中に占める容積比率が無視できるほどの値なので、真空運転を行う復水器の真空度に及ぼす影響は少ない。

図４は、本発明に係る水素・酸素燃焼方法および水素・酸素燃焼装置の第４実施形態を説明する際に使用する概念図である。

一般に、水素・酸素燃料装置は、安定した燃焼を行うため、保炎確保の点から高温火炎を必要とし、燃焼室１１を高温域に維持させている。このため、燃焼室１１は、強度確保の必要上、冷却技術が必要とされる。

本実施形態は、このような点を考慮してなされたもので、燃焼室１１の頭部側に設けられ、酸素供給管１３から供給される酸素と水蒸気通路１４から供給される水蒸気とを予混合させる予混合室１２に旋回器２０を設け、この旋回器２０で酸素と水蒸気との予混合気に旋回流を与え、この旋回流の下、酸素供給管１３の内径側に同心的に配置した水素供給管１５から燃料ノズル１６に供給される水素で生成した火炎を炎として確保させたものである。

また、本実施形態は、燃焼室１１の壁面に沿い、かつ下流側に向って水蒸気を流すフィルム冷却部２１を軸方向に向って少なくとも一つ以上備えるとともに、燃焼室１１の一次燃焼領域１７の下流側に燃焼ガスの流れに交差させる水蒸気供給口２２を設け、燃焼室１１の壁面を水蒸気で冷却させ、燃焼室１１の壁面材料の強度を高く維持させたものである。

フィルム冷却部２１は、一端を塞ぎ、他端を開口する、例えば壁面鉤状になっている。なお、符号２３は点火器である。

このように、本実施形態は、予混合室１２の出口に旋回器２０を設けるとともに、燃焼室１１の壁面にフィルム冷却部２１と水蒸気供給口２２を備えたので、燃焼ガスを確実に確保することができ、燃焼室１１の壁面強度を高く維持させて燃焼室１１に安定運転を行わせることができる。

図５は、本発明に係る水素・酸素燃焼方法および水素・酸素燃焼装置の第５実施形態を説明する際に使用する概念図である。

本実施形態は、燃焼室１１の温度が比較的低いので、運転中何らかの事情で燃焼ガスの失火の心配がある。

本実施形態は、燃焼室１１の一次燃焼領域１７に光ファイバ２４とフォトダイオード２５とを組み合わせて設け、光ファイバ２４で検出した火炎信号に基づいてフォトダイオード２５で火炎の有無を判断し、火炎が「無」の場合、失火と見做して点火器２３に着火指令を与え、点火器２３のスパークで再着火が行われる。

このように、本実施形態は、燃焼室１１の一次燃焼領域１７に光ファイバ２４とフォトダイオード２５とを組み合わせて設け、光ファイバ２４で検出した火炎信号に基づいてフォトダイオード２５で火炎の有無を判断し、火炎が「無」と判断されたとき、点火器２３に着火指令を与える構成にしたので、燃焼室１１の燃焼ガスの失火に対し、迅速かつ自動的に対処させることができる。

本発明に係る水素・酸素燃焼方法および水素・酸素燃焼装置の第１実施形態を説明する際に使用する概念図。 本発明に係る水素・酸素燃焼方法および水素・酸素燃焼装置の第２実施形態を説明する際に使用する概念図。 本発明に係る水素・酸素燃焼方法および水素・酸素燃焼装置の第３実施形態を説明する際に使用する概念図。 本発明に係る水素・酸素燃焼方法および水素・酸素燃焼装置の第４実施形態を説明する際に使用する概念図。 本発明に係る水素・酸素燃焼方法および水素・酸素燃焼装置の第５実施形態を説明する際に使用する概念図。 従来の水素・酸素燃焼装置のうち、中央に酸素を供給し、外側に水素を供給する概念図。 従来の水素・酸素燃焼装置のうち、中央に水素を供給し、外側に水素を供給する概念図。 従来の別の水素・酸素燃焼装置を示す側面図。 図８のＡ−Ａ矢視方向から見た正面図。 従来のさらに別の水素・酸素燃焼装置を示す側面図。

符号の説明

１ａ 酸素用通路
１ｂ 水素用通路
２ 燃料ノズル
２ａ 水素噴出孔
２ｂ 酸素噴出孔
３ 燃焼室
４ 一次燃焼領域
５ 希釈領域
１０ ダクト
１１ 燃焼室
１２ 予混合室
１３ 酸素供給管
１４ 水蒸気通路
１５ 水素供給管
１６ 燃料ノズル
１７ 一次燃焼領域
１８ 酸素濃度センサ
１９ 温度センサ
２０ 旋回器
２１ フィルム冷却部
２２ 水蒸気供給口
２３ 点火器
２４ 光ファイバ
２５ フォトダイオード

Claims (13)

1. 酸素に水蒸気を加えて予混合し、この予混合気に水素を加えて燃焼ガスを生成し、生成した燃焼ガスに下流側で水蒸気を加えて作動流体を生成することを特徴とする水素・酸素燃焼方法。
2. 酸素に水蒸気を予混合させた予混合気に加える水素は、プラントの排熱と水蒸気とを利用して燃料を改質させた改質ガスであることを特徴とする請求項１記載の水素・酸素燃焼方法。
3. 燃料は炭化水素系であることを特徴とする請求項２記載の水素・酸素燃焼方法。
4. 燃焼室の頭部側に設けられ、酸素供給管から供給された酸素に蒸気発生器からの水蒸気を加えて予混合する予混合室と、この予混合室で予混合された予混合気に前記燃焼室で水素を加えて燃焼ガスを生成する燃料ノズルと、生成された燃焼ガスに前記燃焼室の下流側で水蒸気を加えて作動流体を生成する構成にしたことを特徴とする水素・酸素燃焼装置。
5. 燃焼室は、その上流側に酸素濃度センサを備え、水蒸気に含まれる酸素濃度を検出し、検出した酸素濃度に応じて酸素供給管から予混合室に供給される酸素量を調整する構成にしたことを特徴とする請求項４記載の水素・酸素燃焼装置。
6. 燃焼室は、この下流側に温度センサを備え、検出した水蒸気の温度に応じて前記燃焼室に供給される酸素および水素のうち、少なくともいずれか一方を調整する構成にしたことを特徴とする請求項４記載の水素・酸素燃焼装置。
7. 燃焼室に供給する酸素と水素の容積比率は、酸素容積を水素容積に対し、０．５０〜０．５５の範囲内に設定したことを特徴とする請求項４記載の水素・酸素燃焼装置。
8. 燃焼室は、水蒸気を壁面に沿って流すフィルム冷却部を備えたことを特徴とする請求項４記載の水素・酸素燃焼装置。
9. フィルム冷却部は、一端を塞ぎ、他端を開口する断面鉤状に形成したことを特徴とする請求項４記載の水素・酸素燃焼装置。
10. 予混合室は、予混合させた酸素と水蒸気との予混合気に旋回流を与える旋回器を備えたことを特徴とする請求項４記載の水素・酸素燃焼装置。
11. 燃焼室は、一次燃焼領域の下流側に水蒸気供給口を備えたことを特徴とする請求項４記載の水素・酸素燃焼装置。
12. 燃焼室は、運転中、失火を検出したとき点火器に着火指令を与えるセンサを備えたことを特徴とする請求項４記載の水素・酸素燃焼装置。
13. センサは、光ファイバとフォトダイオードを組み合わせたことを特徴とする請求項１２記載の水素・酸素燃焼装置。

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