JP2011075173A - 燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料と空気を予め混合した後に燃焼ガスを生成する予混合燃焼機構を備えた燃焼器において、燃料と空気の混合を促進する。
【解決手段】上記課題を解決するために、本発明は、空気と燃料とを混合する混合室２と、混合室２の外周側から空気を供給する空気導入孔７と、混合室の外周側から燃料を噴出する気体燃料噴出孔１２とを有する燃焼器において、気体燃料噴出孔１２は、空気導入孔７の内部に突き出した気体燃料ノズル１０に設けられていることを特徴とする。その結果、燃料と空気の混合を促進することで、ＮＯｘ排出量を低減した燃焼器を提供できる。
【選択図】 図１（ａ）

Description

本発明は、燃焼器に関する。

近年、地球温暖化など様々な環境問題がクローズアップされ、ガスタービン発電設備においても、環境負荷低減が重要視されている。このような背景を受け、ガスタービン発電設備では、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量に対する規制が年々厳しさを増してきている。

ガスタービン燃焼器におけるＮＯｘ低減方法のひとつに予混合燃焼方式がある。予混合燃焼とは、予混合器内で予め燃料と空気を混合してから燃焼室に供給して燃焼させる方式である。これにより、局部的な高温領域の発生を抑えることで、サーマルＮＯｘの低減が可能となる。

このような燃焼方式を用いたガスタービン燃焼器として、特開２００８−２７５１８９号公報記載のものがある。この燃焼器は液体燃料を噴射する液体燃料ノズルを中心に備え、その噴出方向に向かって拡開する中空円錐形状の混合室を配置し、その下流位置には、液体燃料を蒸発するための略円筒形状の混合促進室を有している。混合室を形成する混合室壁面には、混合室に燃焼空気を導入するための空気導入孔を混合室壁の周方向に向かって偏向するように形成し、空気導入孔の壁面には、気体燃料を噴出する気体燃料噴出孔を設置している。

この燃焼器によれば、液体燃料、気体燃料の何れも混合室、混合促進室内で燃焼空気と混合させ、均質な予混合気を生成することができ、ＮＯｘ排出量を低減することができる。

また、気体燃料焚きのガスタービン燃焼器として、特開平６−１８０３７号公報記載のものがある。この燃焼器は予混合通路の半径方向に延在する気体燃料ノズルを複数備えたもので、予混合通路の内部で気体燃料を噴射し、燃焼空気と混合することで均質な予混合気を生成し、ＮＯｘ排出量を低減している。

特開２００８−２７５１８９号公報 特開平６−１８０３７号公報

近年、地球環境保護の観点からガスタービン設備においても排出ガスに対する規制は年々厳しさを増してきており、ＮＯｘ排出量のさらなる低減が求められている。ＮＯｘ排出量低減のキー技術となる予混合燃焼とは、燃料と空気の混合を促進し、均質な混合ガスを生成して局部的な高温領域の発生を抑制することで、ＮＯｘ排出量低減を実現させる燃焼方法である。

この点に鑑みて発明された特開２００８−２７５１８９号公報記載の燃焼器に対しても、以下のような課題が考えられる。空気導入孔の壁面に、気体燃料を噴出する気体燃料噴出孔を設置しているタイプの燃焼器は、通常、気体燃料流量に対する空気流量の比は３０〜５０倍となるため、気体燃料が噴出する際の運動エネルギーは、空気流の運動エネルギーよりも小さくなる。このため、空気流の運動エネルギーが最も大きくなる空気導入孔中心近傍まで気体燃料が到達できないため、空気導入孔内部では燃料と空気が十分に混合されない可能性がある。

また、燃料と空気の混合を促進する手段として、空気流の微細な渦を利用する手段が挙げられる。この手段が利用可能な燃焼器として特開平６−１８０３７号公報記載のものがある。このタイプの燃焼器は空気と燃料を混合する予混合通路に半径方向に延在する気体燃料ノズルを配置したもので、気体燃料ノズルの後流に形成される渦によって混合促進を図ることが可能と考える。しかし、この技術は、その上流部に空気に旋回を付与するための旋回器が設置されており、空気の旋回流によって、気体燃料ノズル後流に形成される渦が偏向することが考えられる。このため、渦の形成方向と気体燃料の噴出方向が異なる影響で、渦による混合促進効果が十分に得られない可能性がある。

本発明の目的は、燃料と空気の混合を促進することで、ＮＯｘ排出量を低減した燃焼器を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、空気と燃料とを混合する混合室と、前記混合室の外周側から前記空気を供給する空気導入孔と、前記混合室の外周側から前記燃料を噴出する燃料噴出孔とを有する燃焼器において、前記燃料噴出孔は、前記空気導入孔の内部に突き出した燃料ノズルに設けられていることを特徴とする。

本発明によると、燃料と空気の混合を促進することで、ＮＯｘ排出量を低減した燃焼器を提供できる。

本発明の第１の実施の形態を示す側断面図である。 図１（ａ）のＡ−Ａ矢視図を示す図である。 本発明の第１の実施の形態を示すＢ部詳細図である。 比較例の技術を示す側断面図である。 図３（ａ）のＣ−Ｃ矢視図を示す図である。 図３（ｂ）のＤ−Ｄ矢視図を示す図である。 本発明の第２の実施の形態を示す側断面図である。 図４（ａ）のＥ−Ｅ矢視図を示す図である。 図４（ａ）のＧ部を示す断面図である。 図４（ｃ）の比較例を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態を示す側断面図である。 本発明の各実施例である燃焼器を備えるガスタービンプラントの全体構成を概略的に示す概略構成図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

以下、本発明のガスタービン燃焼器の実施形態について図面を参照し説明する。

まず、本発明の第１の実施形態を図１乃至図３及び図６を参照しつつ以下に説明する。

図６は、本発明の第１の実施形態を備えたガスタービンプラントの全体構成を概略的に示す概略構成図である。図６に示すように、ガスタービンプラントは、主として、空気を圧縮して高圧の燃焼用空気を生成する圧縮機２００と、この圧縮機２００から導入される燃焼空気１１２と燃料とを混合して燃焼ガス１１３を生成する燃焼器２０２と、この燃焼器２０２で生成された燃焼ガス１１３が導入されるタービン２０１とから構成されている。なお、圧縮機２００とタービン２０１，発電機２０３の軸は連結されている。

上記燃焼器２０２は、燃焼用の圧縮空気１１２と燃料を燃焼して燃焼ガス１１３を生成する内筒２０６と、この内筒２０６からの燃焼ガス１１３をタービン２０１に導くためのトランジションピース２０７と、内筒２０６，トランジションピース２０７を収納した外筒２０４と、エンドカバー２０５と、外筒２０４に支持され内筒２０６内で点火するための点火栓２０９によって構成されている。

内筒２０６の上流の軸中心位置には燃焼安定性の良い拡散燃焼バーナ２０８が設けられ、その周囲には低ＮＯｘ化に有効な予混合燃焼バーナ１を複数配置し、予混合燃焼バーナ１の外周側には、気体燃料ノズル１０を含む拡散燃焼バーナと予混合燃焼バーナ１を囲繞するバーナカバー２１０が設置されている。

図１は本発明の第１の実施形態の側断面図を示したものである。

予混合燃焼バーナ１は、燃料と空気の混合を促進するための中空円錐形状の混合室２と、混合室２の下流に位置し気体燃料１０１と燃焼空気１００の混合を促進するための略円筒形状の混合促進室３で構成されている。混合室２，混合促進室３の壁面には、予混合燃焼バーナ１内に燃焼空気１００を導入するための空気導入孔７，８，９が複数形成されている。予混合燃焼バーナ１の上流軸中心位置には、液体燃料１０２を噴射するための液体燃料ノズル４が配置されている。

予混合燃焼バーナ１の上流位置には、気体燃料通路５，気体燃料マニホールド６が形成され、気体燃料マニホールド６と空気導入孔７はノズル挿入孔１１で連絡されている。管状の気体燃料ノズル１０は、気体燃料マニホールド６からノズル挿入孔１１を通して空気導入孔７内部を横断する位置に設置している。すなわち管状の気体燃料ノズル１０は、空気導入孔７の内部に突き出して設けられている。

気体燃料ノズル１０には、図１（ｂ）のＡ−Ａ矢視図に示すように空気導入孔７内部に気体燃料１０１を噴出するための気体燃料噴出孔１２が複数形成されている。気体燃料噴出孔１２は空気導入孔７内部を流下する燃焼空気１００の流れと同軸方向に気体燃料１０１が噴出するようにしている。

上記のように構成した本発明の詳細事象について説明する。図２は図１に示したＢ部の詳細断面図で、気体燃料，空気の流れを模式的に示している。気体燃料ノズル１０の内部を通って気体燃料噴出孔１２から噴出した気体燃料１０１は空気導入孔７内部に噴射される。一方、燃焼空気１００は予混合燃焼バーナ１の外周から空気導入孔７内部に流入する。空気導入孔７内部に流入した燃焼空気１００は、気体燃料ノズル１０の後流に渦１０４を形成する。この渦１０４によって噴射された気体燃料１０１は拡散し燃焼空気１００と混合して、燃料と空気の一次混合気１０５を生成する。

その後、一次混合気１０５は、空気導入孔７を通って、混合室２内部に流入する。混合室２内部に一次混合気１０５が流入する際、流路の急拡大効果で渦１０６が形成され、この渦１０６によってさらに燃料と空気の混合が促進し、より希薄で均質な二次混合気１０７が生成される。

さらに、二次混合気１０７は混合室２，混合促進室３内部で図１に示した空気導入孔８，９から流入する燃焼空気１００と混合し、より希薄な混合気を生成し混合促進室下流で希薄予混合火炎１０３を形成することが可能となる。

図３は比較例の燃焼器として、特開２００８−２７５１８９号公報で開示された技術の詳細を示したものである。比較例では、空気導入孔７の壁面に気体燃料噴出孔１３を設けている。このように構成した比較例の場合、図３（ｂ），（ｃ）に示すように、気体燃料噴出孔１３から噴射された気体燃料１０１は、燃焼空気１００の流れに対し垂直方向に噴射されるが、気体燃料１０１の運動エネルギーは、燃焼空気１００の運動エネルギーよりも小さいため、燃焼空気流の内部に到達できず、燃料と空気が十分に混合しない領域１０８が発生する可能性がある。

このことからもわかるように、本実施例の燃焼器であれば比較例の燃焼器に比べ気体燃料と燃焼空気の混合を促進することが可能となり、ＮＯｘ排出量低減が実現できる。

また、本実施例では気体燃料ノズル１０の形状は円管構造としているが、気体燃料ノズル後流にできる渦１０４を強化する手段として、三角形や、矩形断面構造を採用することも可能である。

さらに、本実施形態では、気体燃料噴出孔１２の数を２個としたが、噴出孔数を増加すると、気体燃料１０１の分散効果が向上し、燃料と空気の混合促進が期待できる。

また、さらに、本実施例では予混合燃焼バーナ１上流部の軸中心位置に液体燃料ノズル４を設置した例について説明したが、液体燃料ノズル４を設置しなくても本発明に何ら影響を及ぼすことがないことは言うまでもない。

なお、本実施例では混合室として、中空円錐形状の混合室２と混合室２の下流に位置した略円筒形状の混合促進室３とを有する燃焼器の例を示した。しかし、単純な略円筒状の混合室のみを有するものや、別の形状の混合室を有する燃焼器であっても、同種の効果を得ることができるのは明らかである。

次に、本発明の第２の実施形態を図４を参照しつつ説明する。

本実施形態の基本構成部品は、第１の実施形態と同様である。本実施形態では、ノズル挿入孔１１を軸方向３列に形成した空気導入孔７，８，９を貫通するように形成し、気体燃料ノズル１０が空気導入孔７，８，９を横断するように配置したことである。気体燃料ノズル１０に形成する気体燃料噴出孔１２は、各空気導入孔７，８，９内部に噴射できるよう複数形成している。

このように構成した本発明の実施形態であれば、気体燃料１０１を全ての空気導入孔７，８，９に供給でき、燃料を分散させる効果が第１の実施形態よりも優れ、気体燃料１０１と燃焼空気１００の混合を促進することができる。

また、本実施形態では、空気導入孔９の終端部に気体燃料ノズル１０を差し込む溝１５を設けており、気体燃料ノズル１０を両端支持構造としている。これにより、気体燃料ノズル１０の構造的な強度を上げることができ、より信頼性の高い燃焼器を提供できる利点がある。

さらに、本実施形態の構造によると、空気導入孔７，８，９の、混合室の円周方向の位相をずらす必要がない。この様子を図４（ｃ），（ｄ）を用いて説明する。

図４（ｃ）は、図４（ａ）のＧ部を混合室２，混合促進室３側から見た断面図を示している。この図から明らかなように、本実施形態の燃焼器では、空気導入孔７，８，９の円周方向の位相をそろえている。一方、図４（ｄ）に、実施例１の燃焼器に対応した比較例における、図４（ｃ）に相当する図を示す。本比較例では、各空気孔に気体燃料ノズル１０の配設が必要になる。図面からも読み取れるように、空気導入孔９への気体燃料ノズル１０を配置させるためには、空気導入孔９と同位相に空気導入孔７や８を配置できない。つまり、各空気導入孔７，８，９にそれぞれ気体燃料ノズル１０を配置させるためには、各空気導入孔の周方向の位相を充分にずらす必要がある。

すなわち、本実施形態の燃焼器によると、空気導入孔の穿孔位置の設計や、気体燃料ノズル１０の削減の観点から、構造の簡略化というメリットが得られる。

次に本発明の第３の実施形態を図５を参照しつつ説明する。

本実施形態の基本構成部品は、第１の実施形態と同様である。本実施形態では、気体燃料噴出孔１２から噴射する気体燃料１０１の噴出方向を空気導入孔７の内部を流下する燃焼空気１００の流れと対向するようにしたことである。

このように構成した本発明の実施形態であれば、図５（ｂ）のＦ部詳細図に示しているように気体燃料噴出孔１２から噴射された気体燃料１０１は燃焼空気１００と衝突することで、燃料と空気の一次混合気１０９を形成し、以下、第１の実施形態と同様の過程を経て燃焼空気１００と混合する。これにより、第１の実施形態にくらべ１ステップ多く混合過程を経ることが可能となり、第１の実施形態よりも燃料と空気の混合促進が期待できる。

１ 予混合燃焼バーナ
２ 混合室
３ 混合促進室
４ 液体燃料ノズル
６ 気体燃料マニホールド
７，８，９ 空気導入孔
１０ 気体燃料ノズル
１１ ノズル挿入孔
１２ 気体燃料噴出孔
１００ 燃焼空気
１０１ 気体燃料
２００ 圧縮機
２０１ タービン
２０２ 燃焼器
２０３ 発電機
２０６ 内筒
２０７ トランジションピース

Claims (5)

1. 空気と燃料とを混合する混合室と、
   前記混合室の外周側から前記空気を供給する空気導入孔と、
   前記混合室の外周側から前記燃料を噴出する燃料噴出孔とを有する燃焼器において、
   前記燃料噴出孔は、前記空気導入孔の内部に突き出した燃料ノズルに設けられていることを特徴とする燃焼器。
2. 空気と気体燃料とを混合する混合室と、
   前記混合室の壁面に設けられた複数の空気導入孔と、
   前記空気導入孔に突き出して設けられ前記気体燃料を供給する気体燃料ノズルと、
   前記気体燃料ノズルに設けられ、前記気体燃料を噴出する気体燃料噴出孔とを有することを特徴とする燃焼器。
3. 空気と気体燃料とを混合する混合室と、
   前記混合室の軸方向に複数設けられ、前記混合室の外周側から前記空気を供給する空気導入孔と、
   前記混合室の外周側から前記気体燃料を噴出する気体燃料噴出孔とを有する燃焼器において、
   前記気体燃料噴出孔は、前記複数の空気導入孔を横断するように設けられた気体燃料ノズルに設けられていることを特徴とする燃焼器。
4. 請求項１−３に記載の燃焼器において、
   前記燃料噴出孔から噴射される気体燃料は、前記空気導入孔内部を流下する空気の流れと同軸方向に噴出するように設けられていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
5. 請求項１−３に記載のガスタービン燃焼器において、
   前記気体燃料噴出孔は、前記空気導入孔内部を流下する圧縮空気の流れ方向と対向する方向に燃料が噴出するように設けられていることを特徴とする燃焼器。

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