JP2007508515A - 燃料の燃焼方法と装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、特に低ＮＯ_x燃焼が可能な燃焼器（１２）での燃料の燃焼方法と装置（１０）に関する。燃料と燃焼空気を、燃焼器（１２）への流入前に、自己点火を回避した状態で混合し、該混合気（３４）の第１部分（３６）を、該第１部分（３６）が燃焼器（１２）内で循環するよう燃焼器（１２）に入れ、混合気（３４）の第１部分（３６）の循環流（４６）内に、点火条件への加熱が保証される迄追加燃料を供給し、混合気（３４）の少なくとも１つの第２部分（３８）を、該第２部分（３８）が循環流（４６）から流出する高温燃焼ガス（５０）と混合し、昇温し、燃焼器（１２）の出口迄に燃焼するように燃焼器（１２）に入れる。

Description

本発明は燃焼器での燃料の燃焼方法と燃焼装置に関する。

燃料エネルギを熱に転換するための古典的方法は、液体燃料や気体燃料を例えば空気酸素のような酸化剤で酸化、即ち燃焼させることにある。高負荷の燃焼装置の場合、今日全般的に有害物質、特にＮＯ_xの発生を極めて少なくせねばならない問題がある。燃焼装置は全運転範囲で安定した完全燃焼を可能にし、かつ比較的低い保全度で安価に運転可能でなければならない。この課題を解決すべく、３つの群の燃焼装置が公知である。

所謂標準低ＮＯ_x燃焼装置は、燃焼器への流入前に燃料と燃焼空気との予混合を行う。続いて燃焼器の内部で、発生火炎を安定化させ、もって酸化反応を制御する。燃焼器の内部に残存する未混合のために局所的高温が生じ、この高温は不所望のＮＯ_xを多量に発生させる。このため標準的低ＮＯ_x燃焼装置では、通常最初に火炎を空力的に安定化させ、もって高温燃焼ガスを、該ガスが燃焼器に流入する燃料と燃焼空気とから成る混合気と充分に反応するよう循環させる。空力的安定は高温の支持火炎の採用によって支えられ（所謂パイロット方式）、該支持火炎は、燃焼器内での温度分布の一層の非均一化を生じる。かかる非均一温度分布は、窒素酸化物発生の追加的原因となる。従って通常標準低ＮＯ_x燃焼装置の場合、最初に発生したＮＯ_xを触媒排気浄化装置で低減させている。

この触媒式燃焼装置の利用範囲は現在のところ制限され、例えば最新構造の定置形ガスタービン等の高温燃焼装置には利用できていない。触媒式燃焼装置は、小形の定置形ガスタービンでしか採用されていない。

工業用燃焼装置用に、例えば欧州特許出願公開第０４６３２１８号明細書に記載された所謂無炎酸化バーナが知られている。該燃焼装置の場合、燃焼空気が排気ガスによって予熱され、燃焼器の半径方向周辺域に大きな衝動で供給される。燃焼器の中央に別個に気体燃料が注入される。予熱済み燃焼空気は、燃焼器の周辺域において循環排気ガス流と混合され、内部で別個に供給された気体燃料と混合される。

本発明の課題は、安定した完全燃焼並びにＮＯ_x発生量の著しい減少が達成可能な、特にガスタービン用燃焼器での燃料の燃焼方法と装置を提供することにある。

燃焼器での燃料の燃焼方法についての課題は、本発明に基づき、燃料と燃焼空気を、燃焼器への流入前に自己点火を回避した状態で混合し、該混合気の第１部分を、この部分が燃焼器内で循環するように燃焼器に入れ、混合気の第１部分の循環流内に、点火条件への加熱が保証できる迄追加燃料を供給し、混合気の少なくとも１つの第２部分を、該部分が循環流から流出する高温燃焼ガスと混合し、昇温し、燃焼器の出口迄に燃焼するよう燃焼器に入れることで解決される。また、燃料の燃焼装置に関する課題は、本発明に基づき、燃料と燃焼空気を、燃焼器への流入前に、自己点火を回避した状態で混合するための混合装置と、該混合気の第１部分を、該第１部分が燃焼器内で循環するように燃焼器に入れるための第１混合気注入装置と、混合気の第１部分の循環流内に、点火条件への加熱が保証される迄追加燃料を供給するための燃料供給装置と、混合気の少なくとも１つの第２部分を、該第２部分が循環流から流出する高温燃焼ガスと混合され、加熱され、燃焼器の出口迄に燃焼するように燃焼器に入れるための少なくとも１つの第２混合気注入装置を備えることで解決される。

本発明に基づき、第１分量の燃料（例えば気体燃料１）が燃焼空気と、燃焼器に流入する前に自己点火を回避した状態で予混合される。該混合気の一部が後で反応する際、匹敵する燃焼反応の平均温度レベルより低い、低温度レベルが存在する。従って、この部分混合気は燃焼時非常に僅かなＮＯ_xしか生じない。燃料と燃焼空気とから成る混合気は、本発明に基づき、混合気の第１部分が循環渦内で循環し、混合気の少なくとも１つの第２部分が、循環渦から流出する高温の排気ガス又は燃焼ガスと混合するように燃焼器に入れられる。混合気の第２部分は、高温の排気ガスとの混合に伴い、十分な状態に加熱され、燃焼器出口迄に燃焼する。これに対し、従来通常の別個のパイロット方式は、本発明に基づいて回避され、旋回流発生装置による空力的安定化処置も省かれる。

本発明に従い、１つ又は複数の別の段階で、循環流内に追加燃料（例えば気体燃料２）を追加することで、空気／燃料混合気全体の点火条件への加熱を保証するか、点火条件が存在する迄の十分なエネルギを準備する。追加燃料は、本発明に基づいて、低い温度レベルで燃焼ガスへの均一な混入が起るように混合する。かくして、本発明に基づき、燃焼器の内部での温度ピークを防止できる。その結果、反応燃焼ガスのこの範囲からのＮＯ_x発生は特に僅かとなる。

本発明の方法の有利な実施態様では、燃料と燃焼空気を、燃焼器への流入前に、燃焼空気と燃料との比が燃焼器における燃焼の平均空燃比より高いように混合する。本発明よる高い空燃比により、比較的低い温度レベルを保証し、もってＮＯ_x発生を低減できる。

本発明に基づく装置は、燃料と燃焼空気から成る混合気の第１部分および／又は第２部分（および／又は多段燃料追加の場合には更なる部分）を、燃焼器の中央に配置した本体を通して流入させることで特に好適なものとなる。本発明が目標とする混合気の第１部分の循環流発生と、流出高温燃焼ガスへの混合気の第２部分の注入とは、流れ技術的に非常に簡単に実現できる。

燃料と燃焼空気から成る混合気の第１部分および／又は第２部分に対する中央入口本体は、更に燃焼器に液体燃料を供給するための装置を一体化することを可能とする。中央に配置した混合気注入装置は、更に、その中を流れる燃料と燃焼空気から成る混合気で冷却され、この結果混合気は最低限しか加熱されない。その結果、本発明に基づく循環流の内部における温度レベルの一層の均一化が可能となる。

循環流自体は、本発明に基づき、燃焼器の周辺域、即ち燃焼室の半径方向外側領域に形成される。そのように形成された循環渦は、燃焼器への追加燃料のできるだけ均一な混入を可能にする利点がある。

また本発明に従い、燃焼器を円筒状とし、燃料と燃焼空気から成る混合気の第１部分を燃焼器内に半径方向に入れるとよい。混合気の第１部分の半径方向注入に伴い、本発明が希求する循環流を励起し、維持できる。或いは燃料供給路を相応して形成した環状燃焼器が利用可能となる。

燃料と燃焼空気から成る混合気の第１部分の半径方向注入と異なり、追加燃料は、燃焼器内に軸方向に入れるとよい。かかる循環渦への残留燃料（気体燃料２）の追加は、空気／燃料混合気全体の点火条件への所望の加熱を保証するのに必要なエネルギを提供する。追加燃料の軸方向供給のもう１つの利点は、供給した追加燃料が同時に燃焼器端面壁の冷却にも貢献し、この結果追加燃料が僅かしか加熱されない点にある。

本発明の装置とそれで実施する方法を単純化すべく、燃料と燃焼空気から成る混合気の第１部分と第２部分を、共通流として燃焼器に入れ燃焼器の内部で分割するとよい。

燃料と燃焼空気から成る混合気の１つ或いは２つの部分を注入する際、混合気の各々の部分を特に的確に配量して循環流に到達させるべく、特に適合したノズルを利用する。本発明に基づく循環流と、これに伴い発生する燃焼を安定して維持すべく、単位時間毎に供給する総燃料／燃焼空気質量（総気体質量）の約５〜２５％、特に約１０〜２０％を単位時間毎に循環流内で循環させるとよい。

以下、燃焼器で燃料を燃やす本発明の方法と装置の実施例を、図を参照して詳細に説明する。

図１は、定置形ガスタービンのバーナ状をなす燃焼器の燃料燃焼装置１０を示す。この装置１０は主要構成要素としての燃焼器１２を有し、これは軸線１４に沿って円筒状に形成されている。燃焼器１２は、図１の上部に示す第１端面壁１６と、この壁１６から下向きに延びる外側壁１８と、図１の下部に位置する第２端面壁２０とを備えている。

第１端面壁１６を、中央に配置した本体２２が貫通している。該本体２２は円筒形で、軸線１４に沿って延びている。本体２２は外管２４と、その中に同心的に配置した内管２６からなる。外管２４を半径方向外側に向いた複数のノズル２８が貫通し、該ノズル２８は図１で外管２４の下端部に位置している。外管２４の下端は閉じている。

図１の外管２４の上端に、詳しくは示さない空気供給路３０があり、かつ外管２４の内部に、詳しくは示さない気体燃料供給路３２がある。空気供給路３０から気体燃料供給路３２を経て、空気と第１気体燃料が外管２４に供給され、続いて外管２４内でノズル２８に向かって流れる途中で、気体燃料と燃焼空気とから成る混合気３４が生ずる。混合気３４の第１部分流３６がノズル２８から外管２４の周辺、従って燃焼器２４の内部に流出する。混合気３４の第２部分流３８が、第１部分流３６用の上述したノズル２８および図１においてその下側で外管２４に配置された別のノズル２８′を経て流出する。

外管２４は循環室４０で取り囲まれ、燃焼器１２の内部で循環室４０に継続燃焼室４２が続いている。循環室４０と継続燃焼室４２の間で、外壁１８の内側面に流れ案内面４４が配置されている。この面４４と後述する第１部分流３６（および第２部分流３８）の注入に伴い、循環室４０内部に循環流４６が生じ、安定する。循環流４６はノズル２８を出てまず半径方向外側に向かい、続いて第１端面壁１６の方向に向き、該第１端面壁１６に沿って半径方向内側に向かい、最後に第１端面壁１６から再びノズル２８に達する。

第１端面壁１６に、詳細には示さない別の気体燃料供給路４８があり、該供給路４８を経て、追加気体燃料を循環流４６に注入する。

循環流４６から最終的にノズル２８′の前の範囲で燃焼ガス５０が流出し、継続燃焼室４２を経て、端面壁２０に中央開口として形成した出口５２に到達する。燃焼器を環状燃焼器として形成した図示しない実施例では、開口は環状をなしている。

燃焼装置１０の運転中、気体燃料と燃焼空気とから成る混合気３４を、外管２４、空気供給路３０および気体燃料供給路３２を経てノズル２８、ノズル２８′に供給する。空気と気体燃料との比は、後の燃焼器１２の内部における燃焼の平均空燃比より高くする。かくして、混合気３４の自己点火を回避できる。

混合気３４は、第１部分流３６および第２部分流３８として、半径方向に燃焼器１２に入れられる。その際、ノズル２８は、第１部分流３６が主に循環流４６に達し、循環室の内部に循環渦を励起するよう、配置され形成される。他の気体燃料供給路４８を経て軸方向に追加気体燃料を供給することで、循環渦を追加的に支持し、原理的に総混合気の点火条件迄の加熱を保証できる程大きなエネルギを用意できる。

循環渦内でできるだけ均質な混合を行い、温度ピークの回避可能な量の気体燃料を、第２気体燃料供給路４８で単位時間毎に混入させる。混入は比較的低い温度で行い、もって気体燃料と燃焼空気との反応を保持し、しかも該反応に伴うＮＯ_x発生を極めて少なく保ち得る。更に気体燃料供給路４８は、燃焼器１２の第１端面壁１６の冷却に寄与する。

単位時間毎に供給する総燃焼空気／気体燃料質量の約１０〜２０％が単位時間毎に安定循環流４６の内部を流れる。総気体質量は循環渦内で予熱する。その際に達成された混合気３４の燃焼ないし反応は、特に均一な気体混合状態および温度ピークを回避した比較的低い温度レベル状態で進む。従って燃焼器１２用の、従来通常の別個のパイロット装置や旋回流発生器による空力的安定化処置を省ける。燃焼器１２と、それに形成した循環室４０への気体燃料の２段式供給のもう１つの大きな利点は、触媒が不要な点にある。

混合気３４の第２部分流３８と、場合により更なる部分流を、例えば小管として形成しれたノズル２８′を経て、流出燃焼ガス５０に直接入れ、或いは図示しない実施例では、全部又は一部を同様に循環させる。流出燃焼ガス５０が比較的高温なので、第２部分流３８は十分な状態に加熱され、同様に出口５２迄に完全に反応する。

なお、中央に配置した本体２２とその中に形成した内管２６は、液体燃料ノズルの一体化を可能とし、この結果、燃焼装置１０は全体として二成分燃料燃焼装置として利用できる。即ちこの燃焼装置１０では、液体燃料も比較的少ない有害物質発生で酸化でき、これは、従来の触媒を備えた通常の燃焼装置では不可能である。

本発明に基づく装置の実施例の縦断面図。

符号の説明

１２ 燃焼器、２２ 本体、３４ 混合気、３６、３８ 混合気部分、４０ 周辺域、４６ 循環流、５０ 燃焼ガス

Claims (21)

1. 燃焼器（１２）での燃料の燃焼方法において、
   燃料と燃焼空気を、燃焼器（１２）への流入前に、自己点火を回避した状態で混合し、
   該混合気（３４）の第１部分（３６）を、該第１部分（３６）が燃焼器（１２）内で循環するように燃焼器（１２）に入れ、
   混合気（３４）の第１部分（３６）の循環流（４６）の中に、点火条件への加熱が保証される迄追加燃料を供給し、
   混合気（３４）の少なくとも１つの第２部分（３８）を、該第２部分（３８）が循環流（４６）から流出する高温燃焼ガス（５０）と混合し、昇温し、燃焼器（１２）の出口迄に燃焼するように燃焼器（１２）に入れることを特徴とする方法。
2. 燃料と燃焼空気を、燃焼器（１２）への流入前に、燃焼空気と燃料の比が燃焼器（１２）内の燃焼の平均空燃比より高いように混合することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 燃料と燃焼空気から成る混合気（３４）の第１部分（３６）および／又は少なくとも１つの第２部分（３８）を、燃焼器（１２）の中央に配置した本体（２２）を通して入れることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 燃料として気体燃料を供給し、追加的に中央に配置した本体（２２）を通して液体燃料を供給することを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 燃料と燃焼空気から成る混合気（３４）の第１部分（３６）の循環流（４６）を、燃焼器（１２）の周辺域（４０）に形成することを特徴とする請求項１から４の１つに記載の方法。
6. 燃焼器（１２）を円筒状或いは環状に形成し、燃料と燃焼空気から成る混合気（３４）の第１部分（３６）を半径方向に燃焼器（１２）に入れることを特徴とする請求項１から５の１つに記載の方法。
7. 燃焼器（１２）を円筒状或いは環状に形成し、追加燃料（３８）を軸方向に燃焼器（１２）に入れることを特徴とする請求項１から６の１つに記載の方法。
8. 燃焼器（１２）を円筒状或いは環状に形成し、燃料と燃焼空気から成る混合気（３４）の少なくとも１つの第２部分（３８）を半径方向に燃焼器（１２）に入れることを特徴とする請求項１から７の１つに記載の方法。
9. 燃料と燃焼空気から成る混合気（３４）の第１部分（３６）および少なくとも１つの第２部分（３８）を、共通流として燃焼器（１２）に入れ、燃焼器（１２）の内部で分割することを特徴とする請求項１から８の１つに記載の方法。
10. 燃料と燃焼空気から成る混合気（３４）の第１部分（３６）および少なくとも１つの第２部分（３８）を、少なくとも１つのノズル（２８、２８′）を通して、循環流（４６）並びに燃焼器（１２）に入れることを特徴とする請求項１から９の１つに記載の方法。
11. 循環流（４６）を、単位時間毎に供給する総気体質量の約５〜２５％が単位時間毎に循環流（４６）内で循環するように形成することを特徴とする請求項１から１０の１つに記載の方法。
12. 請求項１から１１の１つに記載の方法を実施するための燃焼器（１２）における燃料の燃焼装置（１０）において、
    燃料と燃焼空気を、燃焼器（１２）に流入する前に、自己点火を回避した状態で混合する混合装置（２２）と、
    混合気（３４）の第１部分（３６）を、該混合気（３４）の第１部分（３６）が燃焼器（１２）内で循環するように、燃焼器（１２）に入れるための第１混合気注入装置と、
    混合気（３４）の第１部分（３６）の循環流（４６）内に、点火条件が生ずる迄追加燃料を供給するための燃料供給装置（４８）と、
    混合気（３４）の少なくとも１つの第２部分（３８）を、該混合気（３４）の少なくとも１つの第２部分（３８）が、循環流（４６）から流出する高温燃焼ガス（５０）と混合し、昇温し、燃焼器（１２）の出口迄に燃焼するように、燃焼器（１２）に入れるための少なくとも１つの第２混合気注入装置と
    を備えることを特徴とする燃料の燃焼装置。
13. 第１混合気注入装置および／又は少なくとも１つの第２混合気注入装置が、燃焼器（１２）の中央に配置された本体（２２）として形成されたことを特徴とする請求項１２記載の装置。
14. 第１混合気注入装置および／又は少なくとも１つの第２混合気注入装置が気体燃料を供給すべく形成され、中央に配置された本体（２２）に追加的に、液体燃料を供給するための少なくとも１つの装置が設けられたことを特徴とする請求項１３記載の装置。
15. 燃料と燃焼空気から成る混合気（３４）の第１部分（３６）の循環流（４６）が燃焼器（１２）の周辺域（４０）に生ずるよう、第１混合気注入装置および燃焼器（１２）が形成されたことを特徴とする請求項１２から１４の１つに記載の装置。
16. 燃焼器（１２）が円筒状或いは環状に形成され、第１混合気注入装置が、燃料と燃焼空気から成る混合気（３４）の第１部分（３６）を燃焼器（１２）内に半径方向に入れるように形成されたことを特徴とする請求項１２から１５の１つに記載の装置。
17. 燃焼器（１２）が円筒状或いは環状に形成され、燃料供給装置（４８）が、追加燃料を燃焼器（１２）内に軸方向に入れるように形成されたことを特徴とする請求項１２から１６の１つに記載の装置。
18. 燃焼器（１２）が円筒又は環状に形成され、少なくとも１つの第２混合気注入装置が、燃料と燃焼空気から成る混合気（３４）の第２部分（３８）を燃焼器（１２）内に半径方向に入れるよう形成されたことを特徴とする請求項１２から１７の１つに記載の装置。
19. 第１混合気注入装置および／又は少なくとも１つの第２混合気注入装置が、燃料と燃焼空気から成る混合気（３４）の第１部分（３６）および少なくとも１つの第２部分（３８）を共通流として燃焼器（１２）に入れるよう形成されたことを特徴とする請求項１２から１８の１つに記載の装置。
20. 第１混合気注入装置および／又は少なくとも１つの第２混合気注入装置が、燃料を循環流（４６）並びに燃焼器（１２）の中に導入するのに適した少なくとも１つのノズル（２８、２８′）を有することを特徴とする請求項１２から１９の１つに記載の装置。
21. 燃焼器（１２）並びに第１混合気注入装置および少なくとも１つの第２混合気注入装置が、単位時間毎に供給される総気体質量の約５〜２５％が単位時間毎に循環流（４６）内で循環するよう形成されたことを特徴とする請求項１２から２０の１つに記載の装置。

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