JP2016142248A - 噴霧ノズルおよび噴霧ノズルを用いた燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
噴霧流体の微粒化の促進および噴霧流体の微粒化に用いる噴霧用媒体の使用量の低減、加圧力の低減を両立させた噴霧ノズルを提供する。
【解決手段】
噴霧流体および噴霧用媒体を混合する混合室と、前記混合室に前記噴霧流体を供給する噴霧流体流路と、前記混合室に前記噴霧用媒体を供給する噴霧用媒体流路と、前記混合室において混合した前記噴霧流体と前記噴霧用媒体との混合流体を外部に噴霧する出口孔と、を有する噴霧ノズルであって、前記噴霧用媒体流路は、前記混合室に前記噴霧用媒体を供給する第１の噴霧用媒体供給孔と、前記混合室において前記第１の噴霧用媒体供給孔よりも下流側に前記噴霧用媒体を供給する第２の噴霧用媒体供給孔と、を備え、前記第２の噴霧用媒体供給孔は、前記出口孔の近傍に前記噴霧用媒体を供給することを特徴とする。
【選択図】 図1

Description

本発明は、噴霧ノズルおよび噴霧ノズルを備えた燃焼装置に係り、特に、液体燃料（噴霧流体）に対し気体（噴霧用媒体）を使用して微粒化する二流体噴霧方式の噴霧ノズルおよびこの噴霧ノズルを備えた燃焼装置に関する。

ガスタービンの燃焼器等の燃焼装置では多種の燃料に対応できる、いわゆる燃料の多様化と燃焼排ガス中の未燃焼分や窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減という、高い環境性能の両立が求められる。

燃料の多様化に対して、一部のガスタービンは燃料の供給状況に応じて天然ガスに代表される燃料ガスの他に軽油やＡ重油等の液体燃料を使用する、いわゆるデュアルフューエル燃焼器が使用される。デュアルフューエル燃焼器では気体燃料と液体燃料の一方の燃料の供給が滞っても他方の燃料を使用して運転できる。

高い環境性能に対して、ガスタービンの燃焼器の場合、主に燃焼により排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）や一酸化窒素（ＣＯ）、煤塵の低減が求められる。窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減は、空気中の窒素が高温で酸化されて生じるサーマルＮＯｘの低減が重要視される。サーマルＮＯｘの低減は、燃料に過剰な空気を予め混合させたうえで燃焼させる希薄予混合燃焼方式の適用が有効である。希薄予混合燃焼方式は、燃料の完全燃焼に必要な空気量より多く空気を供給し、燃料と空気を燃焼前に混合させることで、均一に低温で燃焼させることで、サーマルＮＯｘの生成を抑制する。

液体燃料を使用する際も、ガスタービンの燃焼器の場合、上記の希薄予混合燃焼方式の適用がＮＯｘの低減に望ましい。液体燃料の場合、希薄予混合燃焼させるには燃焼前に液体状の燃料成分を予め気化させて空気と混合する必要がある。この際、液体燃料を微粒化すると液体燃料の重量当たりの表面積が増加し、気化しやすくなる。他の燃焼装置に適用する場合も、液体燃料を微粒化すると重量当たりの表面積が増加することで燃焼反応が早まり、燃焼時の燃え残りから生じるＣＯや未燃分が低減する。このため液体燃料の微粒化促進はＮＯｘやＣＯ、未燃分の低減に対し重要な項目の１つとなる。

液体燃料を微粒化する噴霧ノズルのひとつに、噴霧流体である液体燃料とともに、微粒化のための噴霧用媒体として空気や蒸気を供給し、両者を混合することで微粒化する二流体噴霧方式がある。一般に二流体噴霧方式は、噴霧流体単独で微粒化する一流体噴霧方式に比べて大容量の噴霧での微粒化性能が高い。また、液体燃料の供給量が変化しても噴霧用媒体の供給量を調整することで微粒化性能の変化を低減できる。このため、燃焼負荷が変化するガスタービン燃焼器等の燃焼装置で一般に使用される。

二流体噴霧方式の噴霧ノズル（以下、単に噴霧ノズルと記載）では、微粒化性能を高めるとともに噴霧流体の供給圧力や噴霧用媒体の使用量や供給圧力を低減して、噴霧に必要なエネルギー使用量を減らすことが求められる。このため、噴霧に必要なエネルギー使用量が少なく、高効率で微粒化できる噴霧ノズルの検討が進められてきた。

特開昭６２−１８６１１２号公報（特許文献１）に噴霧流体と噴霧用媒体を噴霧ノズルの流路内に設けた空間（内部混合室）で混合させ、混合後の混合流体を多数の出口孔から噴出させる、いわゆる内部混合方式の噴霧ノズルの例が示されている。この噴霧ノズルは内部混合室で噴霧流体と噴霧用媒体が混合して微粒化する。また、出口孔から混合流体が高速で噴出することで周囲の気体と速度差が生じ、混合流体中の噴霧流体にせん断力が働き微粒化する。

特開平９−２３９２９９号公報（特許文献２）には噴霧流体と噴霧用媒体の混合流体を対向させて流し、出口孔近傍で混合流体を衝突させることで微粒化を促進させる方法の噴霧ノズルの例が示されている。特許文献２に記載の噴霧ノズルでは出口孔から扇状に混合流体が噴出するため、その噴霧形状からファンスプレー式とも呼ばれる。この噴霧ノズルは、特許文献１の噴霧ノズルに対し、出口孔近傍で混合流体を衝突させることで、噴霧流体と噴霧用媒体との混合が進む。また、出口孔から噴出する際も扇型に噴出するため、周囲の気体との境界面が多い特徴を有する。

特開平４−２５４１０９号公報（特許文献３）には、内部の中央に噴霧流体を噴射する孔とその下流に２段階の絞り部を設ける噴霧ノズルの例が示されている。２段階の絞り部の上流側から噴霧用媒体を供給し、絞りを利用して噴霧流体と噴霧用媒体とを混合する。噴霧流体を高速で絞り部に供給し、噴霧流体の高い運動量を用いて噴霧用媒体を吸引することも可能である。この噴霧用媒体の吸引効果により、噴霧用媒体の供給圧力を低減できる。また、噴霧流体の外周側から噴霧用媒体を混合し、絞り部を通過させることで、出口孔から噴出する混合流体の噴出角度を狭めることができる。

特開昭６２−１８６１１２号公報 特開平９−２３９２９９号公報 特開平４−２５４１０９号公報

前記特許文献１に開示された噴霧ノズルは、噴霧流体と噴霧用媒体を内部混合室で混合させ、両者の混合流体を複数の出口孔から噴出させる。微粒化は主に内部混合室での混合と、出口孔から混合流体が高速で噴出した際の周囲の気体との速度差によるせん断力による。しかし、内部混合室にて混合流体の流速が低下すると、噴霧流体の表面張力により微粒化した噴霧流体が結合し粗大粒子を生成する。特に、内部混合室の壁面に噴霧流体が衝突すると、壁面に液膜が生じ、噴霧用媒体と分離する。

液膜は壁面近傍の流速が高い場合はせん断力により壁面から分離し、噴霧用媒体と再び混合するが、壁面近傍の流速が低い場合は液膜が成長する。この液膜が出口孔に到達して噴霧ノズルの外部に放出される場合、出口孔での高い流速により液滴となるものの、噴霧用媒体との混合が進まないことから液滴の粒子径は大きい。このため、出口孔の中央部を流れる混合流体に比べ、出口孔の周囲部分から噴出する混合流体中の噴霧流体の粒子径が大きくなることがある。

また、前記特許文献１や特許文献２に開示された噴霧ノズルは、噴霧流体と噴霧用媒体を噴霧ノズル内で混合させるため、両者の供給圧力を一定範囲とする必要がある。液体である噴霧流体は一般に密度が高く、供給圧力を高める際の体積変化が小さい。一方、気体である噴霧用媒体は一般に密度が低く、供給圧力を高める際の体積変化が大きい。このため噴霧用媒体の供給圧力を高める際のエネルギー使用量は噴霧流体に比べて大きい。一般に噴霧流体と噴霧用媒体の供給圧力を高めると微粒化性能は高くなるが、エネルギー使用量の低減から噴霧用媒体の供給圧力が制約となる。

また、前記特許文献３に開示された二流体噴霧ノズルは、絞り部の上流側で、噴霧流体の周囲から噴霧用媒体を混合するため、噴霧流体が噴霧ノズルの隔壁に付着しにくい。このため、壁面に液膜が生じることによる粗大粒子の生成を抑制できる。しかし、噴霧流体の噴出孔に対し絞り部を噴出孔の軸線上に設置する必要がある。絞り部の配置上の制約があるため、大容量の噴霧ノズルには向かない。

そこで、本発明の目的は、内部混合室の壁面近傍に形成する液膜が噴霧ノズルの出口孔に到達することを抑制し、噴霧ノズルの微粒化性能を向上した噴霧ノズルおよびその噴霧ノズルを備えた燃焼装置を提供することにある。

また、本発明の別の目的は、噴霧流体の内部混合室での分散を進め、噴霧用媒体との混合に適したに噴霧ノズルおよびその噴霧ノズルを備えた燃焼装置を提供することにある。

なお、上記の噴霧ノズルは、噴霧流体を内部混合室に供給する供給孔と混合流体が内部混合室から外部に噴出する出口孔との配置上の制約が少なく、大容量の噴霧ノズルに適する噴霧方式である。

上記課題を解決するために、本発明は、噴霧流体および噴霧用媒体を混合する混合室と、前記混合室に前記噴霧流体を供給する噴霧流体流路と、前記混合室に前記噴霧用媒体を供給する噴霧用媒体流路と、前記混合室において混合した前記噴霧流体と前記噴霧用媒体との混合流体を外部に噴霧する出口孔と、を有する噴霧ノズルであって、前記噴霧用媒体流路は、前記混合室に前記噴霧用媒体を供給する第１の噴霧用媒体供給孔と、前記混合室において前記第１の噴霧用媒体供給孔よりも下流側に前記噴霧用媒体を供給する第２の噴霧用媒体供給孔と、を備え、前記第２の噴霧用媒体供給孔は、前記出口孔の近傍に前記噴霧用媒体を供給することを特徴とする。

また、本発明は、噴霧流体および噴霧用媒体を混合する混合室と、前記混合室に前記噴霧流体を供給する噴霧流体流路と、前記混合室に前記噴霧用媒体を供給する噴霧用媒体流路と、前記混合室において混合した前記噴霧流体と前記噴霧用媒体との混合流体を外部に噴霧する出口孔と、を有する噴霧ノズルを用いた燃焼装置であって、前記噴霧用媒体流路は、前記混合室に前記噴霧用媒体を供給する第１の噴霧用媒体供給孔と、前記混合室において前記第１の噴霧用媒体供給孔よりも下流側に前記噴霧用媒体を供給する第２の噴霧用媒体供給孔と、を備え、前記第２の噴霧用媒体供給孔は、前記出口孔の近傍に前記噴霧用媒体を供給することを特徴とする。

本発明によれば、内部混合室の壁面近傍に形成する液膜を抑制し、微粒化性能の向上を図ることができる。

また、内部混合室に流入する噴霧流体の圧力を噴霧用媒体の圧力よりも高めて、内部混合室に流入する際に噴霧流体の分散を進めることで、内部混合室での混合促進を図ることができる。

さらに、噴霧ノズルの出口孔を複数設けることで大容量化に適した噴霧ノズルおよびその噴霧ノズルを備えた燃焼装置を提供することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施形態に係る噴霧ノズルの先端部の断面図である。 本発明の一実施形態に係る噴霧ノズルを噴霧流体の供給方向の下流側から見た平面図である。 本発明の一実施形態に係る噴霧ノズルをノズル先端側から見た断面図である。 従来の噴霧ノズルの先端部の断面図である。 本発明の一実施形態に係る噴霧ノズルの先端部の断面図である。 本発明の一実施形態に係る噴霧ノズルをノズル先端側から見た断面図である。 本発明の一実施形態に係る噴霧ノズルを備えたガスタービン燃焼器およびガスタービンプラントの全体構成を示す概略構成図である。

本発明の実施例である噴霧ノズルおよびその噴霧ノズルを備えた燃焼装置について、図面を用いて以下に説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

本発明の第１実施例である噴霧ノズル１０について図１から図４を用いて説明する。

図１に本発明の第１実施例である噴霧ノズル１０の先端部の断面図を示す。図２は図１の第１実施例の噴霧ノズル１０を噴霧流体の供給方向の下流側（図1のＡ-Ａ’方向）から見た平面図である。図３は図１の第１実施例の噴霧ノズル１０のＢ-Ｂ’部での断面図である。また、図４は図1と対比して示す従来の噴霧ノズル５０の先端部の断面図を示す。

図１から図３に示した本実施例の噴霧ノズル１０は、噴霧流体１１を噴霧用媒体１２と混合して微粒化する二流体噴霧ノズルの１つである。噴霧ノズル１０の上流側に液体燃料を噴霧流体１１として供給する噴霧流体供給管２０と、気体である噴霧用媒体１２を供給する噴霧用媒体供給管２１が接続する。図１は噴霧流体供給管２０の周囲に噴霧用媒体供給管２１が同心円状に配置した場合の断面図である。噴霧ノズル１０の先端にはその内部に内部混合室２２を有し、噴霧流体１１と噴霧用媒体１２は内部混合室２２で混合する。内部混合室２２の下流端である噴霧ノズル１０の先端部には噴霧ノズル１０の外部に開口する出口孔２３ａ，２３ｂを有する。噴霧流体１１と噴霧用媒体１２の混合流体は出口孔２３ａ，２３ｂから噴霧１３ａ，１３ｂを形成する。噴霧流体１１は軽油やＡ重油等の液体燃料であり、噴霧用媒体１２は加圧された空気や蒸気が一般的である。

第１実施例である噴霧ノズル１０は内部混合室２２に流入する噴霧用媒体１２の流路構造に特徴を有する。以下、噴霧ノズル１０の流路構造と内部の流動について説明する。

噴霧流体１１は噴霧流体供給管２０より噴霧流体流路２４と噴霧流体供給孔２７を経て内部混合室２２に供給される。噴霧流体供給孔２７は内部混合室２２の上流側端面３０に設ける。

一方、噴霧用媒体１２は噴霧用媒体供給管２１から噴霧用媒体流路２５（２５ａ，２５ｂ）と２６（２６ａ，２６ｂ）に分岐して流れる。噴霧用媒体１２の一部は噴霧用媒体供給管２１より噴霧用媒体流路２５ａ，２５ｂと１段目供給孔２８ａ，２８ｂを経て内部混合室２２に供給される。１段目供給孔２８ａ，２８ｂは内部混合室２２の上流側端面３０に設ける。

図１では噴霧流体供給孔２７を上流側端面３０の中央に、１段目供給孔２８ａ，２８ｂを上流側端面３０の外周側で側面３１との境界付近に設けた場合を示す。噴霧流体供給孔２７と１段目供給孔２８ａ，２８ｂの設置位置は互いに近づけて混合を促進することも可能である。また、1段目供給孔を上流側端面３０の中央に設け、噴霧流体供給孔を上流側端面３０の外周側で側面３１との境界近くに設けることも可能である。さらに、噴霧流体供給孔や1段目供給孔をそれぞれ複数設けたり、円環状に設けることも可能である。

噴霧用媒体１２の一部は噴霧用媒体供給管２１より噴霧用媒体流路２６ａ，２６ｂと２段目供給孔２９ａ，２９ｂを経て内部混合室２２に供給される。図１に示す噴霧ノズル１０の場合、内部混合室２２の側面３１と下流側端面３２との接続部近傍に２段目供給孔２９ａ，２９ｂを設けた場合を示す。

本実施例における噴霧ノズル１０の場合、噴霧流体１１の微粒化は主に以下の（ａ）から（ｄ）に示す効果で微粒化が進む。

（ａ）噴霧流体１１が噴霧流体供給孔２７から内部混合室２２に流入する流れと内部混合室２２内に滞留する流体との流速差により働くせん断力による微粒化。

（ｂ）内部混合室２２での噴霧流体１１と噴霧用媒体１２の混合による微粒化。

（ｃ）混合流体が出口孔２３ａ，２３ｂを通る際の高流速部分でのせん断力による微粒化。

（ｄ）出口孔から噴出後の混合流体と周囲気体との流速差により働くせん断力による微粒化。

噴霧ノズル１０は内部混合室２２で噴霧流体と噴霧用媒体を混合することで、効果（ｄ）に示す出口孔から噴出後の微粒化に加え、効果（ａ）〜（ｃ）を上流側で進めることで噴霧ノズルでの微粒化性能を高めている。

噴霧流体１１を内部混合室２２に供給する際、噴霧流体供給孔２７の流路断面積を狭めることで、噴霧流体の流れ33は噴霧流体供給孔２７の近くで高い流速を有する。噴霧流体の流れ３３と内部混合室２２に滞留する混合流体との間の流速差により噴霧流体の流れ３３にせん断力が働き、噴霧流体１１は微粒化する。しかし、噴霧流体供給孔２７を狭め、高い流速で噴出させると、内部混合室２２の下流側端面３２への噴霧流体の衝突が強まり、壁面の摩耗が増加する。また、高い流速で噴出させるには噴霧流体１１の供給圧力を高める必要が生じる。このため、噴霧流体供給孔２７の噴出流速は実用上の上限がある。

なお、噴霧流体供給孔２７と1段目供給孔２８ａ，２８ｂとの間隔を広げると、噴霧流体の流れ３３と噴霧用媒体の流れ３４の間に下流側から上流側に向かう流れ（循環流）３５が形成する。噴霧流体の流れ３３のそばに循環流３５が存在することで、せん断力による噴霧流体１１の微粒化の効果、すなわち上記（ａ）の効果は大きくなる。一方、循環流３５が存在すると噴霧流体と噴霧用媒体の混合が遅れるため、混合による微粒化の効果（ｂ）は小さくなる。

逆に、噴霧流体供給孔２７と1段目供給孔２８ａ，２８ｂを互いに近づけて設置すると、噴霧流体と噴霧用媒体の混合が早まり、混合による微粒化の効果（ｂ）は大きくなるが、他方、噴霧流体の流れ３３とその周囲の流れとの流速差が小さくなるので、微粒化の効果（ａ）は小さくなる。このように効果（ａ）と（ｂ）は互いに微粒化に適した配置が相反することがある。

また、微粒化の効果（ｃ），（ｄ）は出口孔２３ａ，２３ｂの流路断面積を狭めて、縮流部の長さを伸ばすことで微粒化を進めることができる。しかし、出口孔の流路断面積を狭めて、縮流部の長さを伸ばすと内部混合室２２と噴霧ノズル１０の外部との圧力差が増加し、噴霧流体１１や噴霧用媒体１２の供給圧力を高める必要が生じる。これらは、噴霧に必要なエネルギー使用量の上昇につながる。

本実施例の噴霧ノズル１０は出口孔２３ａ，２３ｂ近傍での噴霧流体や噴霧用媒体の流れに着目し、噴霧に必要なエネルギー使用量を抑制したまま、微粒化を促進する方法を提案する。

図１に示す本実施例の噴霧ノズル１０と図４に示す従来の噴霧ノズル５０は２段目供給孔２９ａ，２９ｂの有無が異なる。以下、本実施例の噴霧ノズル１０と従来の噴霧ノズル５０を対比して説明する。

内部混合室２２内で噴霧流体と噴霧用媒体が混合して微粒化することで、噴霧流体は液滴として混合流体中に存在する。内部混合室２２の側面３１近くを流れる液滴の一部は側面３１に付着し、液滴同士が結合することで噴霧流体１１からなる液膜３７を形成する。この液膜３７は下流側に向かって流れるに従い成長する。また、内部混合室２２の下流側端面３２近くを流れる液滴の一部も下流側端面３２に付着し、液滴同士が結合することで噴霧流体１１からなる液膜３８を形成する。

図４に示す従来の噴霧ノズル５０の場合、液膜３７，３８はその下流側が出口孔２３ａ，２３ｂに到達する。液膜３７，３８が出口孔２３ａ，２３ｂの縮流部の壁面に沿って流れる際に中央部分を流れる混合流体の流れとの流速差によりせん断力が働き、液膜は分裂し、液滴５１となり、噴霧１３ａ，１３ｂの外周側を流れる。この液滴５１は、出口孔近傍の短い距離で微粒化するため、噴霧用媒体との混合は十分でない。このため、噴霧１３ａ，１３ｂの内周側を流れる液滴よりも粒子径が大きい、いわゆる粗大粒子となることが多い。

粗大粒子を抑制するには、噴霧用媒体の使用量を増加し、出口孔からの噴出速度を高める必要があるが、この場合、噴霧用媒体の使用量や噴霧流体と噴霧用媒体の供給圧力が増加し、噴霧に必要な動力（エネルギー）が増加してしまう。

本実施例の噴霧ノズル１０は、図１に示すように、噴霧用媒体の２段目供給孔２９ａ，２９ｂを内部混合室の側面３１と下流側端面３２との結合部近傍に設けている。２段目供給孔２９ａ，２９ｂからより内周側に設置された出口孔に向かい噴霧用媒体の一部を噴出することで、主に下記Ａ,Ｂの効果が得られる。

効果Ａは、側壁に沿って流れる液膜３７を内部混合室内で微粒化する効果である。側壁に沿って流れる液膜は、２段目供給孔２９ａ，２９ｂからの噴霧用媒体（噴霧用媒体の流れ３６）の噴出流速と液膜との速度差によりせん断力が働き、壁面から分離して、液滴となり微粒化する。流速の早い内部混合室内に液滴が流れることで、噴霧用媒体３６の他、内部混合室内の混合流体との速度差により微粒化が進む。

効果Ｂは、下流側端面３２に付着した液膜３８を出口孔２３ａ，２３ｂから離れる方向に誘導する効果である。２段目供給孔２９ａ，２９ｂから噴霧用媒体が中心軸方向に噴出することで、液膜３８が出口孔２３ａ，２３ｂに到達し難くなる他、出口孔近傍での液膜３８の厚さが減少する。液膜３８が出口孔から離れること、または、液膜の厚さが減少することで、出口孔から液膜が噴出し、粗大粒子が生成するのを低減できる。

上記の効果により、本実施例の噴霧ノズル１０は、内部混合室の隔壁（壁面）に生成する液膜３７，３８が出口孔に到達し難くなり、粗大粒子５１の生成を抑制する。また、内部混合室の壁面に付着した噴霧流体と、内部混合室内の噴霧用媒体との混合が促進されるため、出口孔から形成される噴霧中の噴霧流体の粒子径は小さくなり、微粒化の効率が高まる。このため、噴霧用媒体の使用量や噴霧流体と噴霧用媒体の供給圧力を低下させ、噴霧に必要な動力（エネルギー）を低減することができる。

特に、上述のように２段目供給孔２９ａ，２９ｂに対し、出口孔２３ａ，２３ｂまでの間に液膜３７が存在する場合は効果Ａが働き、出口孔２３ａ，２３ｂよりも離れた位置に液膜３８が存在する場合は効果Ｂが働く。２段目供給孔２９ａ，２９ｂからの噴霧用媒体の流れを２つの目的で使用することで、噴霧用媒体の流量を低減できる。

また、効果Ａまたは効果Ｂの２つの効果があるので、噴霧流体供給孔２７の開口部の軸線(図１のＸ−Ｘ方向)上に出口孔２３ａ，２３ｂを設ける必要が無い。このため、噴霧流体供給孔２７の数を少数とし内部混合室２２の上流側の構造を簡素なものとしながら、出口孔２３ａ，２３ｂを多数設けることで、噴霧１３（１３ａ，１３ｂ）の周囲部分の長さを増やし、前述の（ｄ）による微粒化を促進できる。

図１から図３に示す本実施例では２段目供給孔を出口孔近傍にのみ設けた場合を示しているが、内部混合室の側壁に沿って多数（複数）設けたり、円環状に設けてもよい。

図３のように２段目供給孔を出口孔近傍にのみ設ける場合、出口孔近傍でのみ液膜を除去する。一方、２段目供給孔を内部混合室の側壁に沿って多数（複数）設けたり、円環状に設けることで、側壁に沿って流れる液膜を内部混合室の下流端近傍で微粒化を進めることができる。

噴霧ノズル１０の出口孔２３（２３ａ，２３ｂ）から外部に噴霧する混合流体中の噴霧１３（１３ａ，１３ｂ）は直径で１００μｍ未満、出来れば５０μｍ以下に微粒化させることが望ましい。微粒子では体積に占める表面積が大きく、燃焼室からの熱放射により昇温し蒸発し易い。また、液滴としての燃焼反応も速い。

一方、直径で１５０μｍ以上の粗大粒子は蒸発や燃焼し難く、未燃焼分としてＣＯや煤塵排出の原因となる。また、噴霧流体と空気との混合が悪いためＮＯｘ排出の原因となる。このため、噴霧ノズル１０の微粒化性能を高めて、微粒子を増やすことで燃焼反応の促進に寄与する。なお、微粒化の程度は、噴霧流体１１や噴霧用媒体１２の供給圧力や気液比（噴霧流体１１に対する噴霧用媒体１２の割合）により調整できる。

上述したように、ガスタービン燃焼器に液体燃料を使用する場合、希薄予混合燃焼がＮＯｘの低減に有効である。希薄予混合燃焼では、燃料に過剰な空気を予め混合させたうえで燃焼させることで、燃焼時の温度を均一とし、高温部で発生するサーマルＮＯｘを抑制する。液体燃料の場合、燃焼前に液体状の燃料成分を予め気化させて空気と混合する必要がある。噴霧ノズル１０の微粒化性能を高めて、微粒子を増やすことで液体燃料を微粒化すると液体燃料の重量当たりの表面積が増加し、気化しやすくなる。

また、液体燃料を微粒化することで気化せずに燃焼する場合も重量当たりの表面積が増加することで燃焼反応が早まる。このため未燃焼分が発生し難くなり、燃焼装置から発生するＣＯや煤塵量を低減できる。

なお、本実施例の噴霧ノズル１０を燃料と空気を別途に供給し燃焼させる拡散燃焼方式の燃焼器やボイラに適用した場合も、微粒化によりあらかじめ気化する割合が増え、空気と混合することでＮＯｘが低減する。また、微粒化により重量当たりの表面積が増加することで燃焼反応が早まり、ＣＯや煤塵が低減する。

また、本実施例により微粒化性能を高めることで、噴霧用媒体の使用量を低減したり、噴霧流体や噴霧用媒体の供給圧力を低減しても微粒化することができる。このため、各々の供給や加圧力に使用なエネルギー消費量を低減できる。

さらに、未燃焼分や煤塵、一酸化炭素が低減することで、噴霧ノズル１０を備えた燃焼装置に投入する余剰な空気を削減できる。余剰な空気が減ると、燃焼排ガス量も低下し、燃焼排ガスとともに燃焼装置外に放出される顕熱を低下させ、熱効率を高めることができる。

本発明の第２実施例である噴霧ノズル５５について図５と図６を用いて説明する。

図５に本発明の第２実施例である噴霧ノズル５５の先端部の断面図を示す。図６は図５の第２実施例の噴霧ノズル５５のＢ-Ｂ’部での断面図である。

図５と図６に示した第２実施例の噴霧ノズル５５は、図１から図３に示した第1実施例の噴霧ノズル１０と基本的な構成はほぼ同じであるため、両者に共通した構成は省略し、相違する部分に絞って説明する。

第２実施例の噴霧ノズル５５では、噴霧流体供給孔２７の上流側に噴霧流体流路５６ａ，５６ｂを有する。すなわち、噴霧流体１１は噴霧流体供給管２０から噴霧流体流路５６ａ，５６ｂに分岐して流れる。噴霧流体流路５６ａ，５６ｂの下流側は噴霧流体供給孔２７を挟み対向して流れる流路を形成する。図６に示すように、噴霧流体供給孔２７は噴霧流体流路５６ａ，５６ｂと直交する溝５７を交差させた部分となる。

噴霧流体１１は噴霧流体供給孔２７の近傍にて対向して流れる流体同士が衝突し、流路方向と直角な平面に沿って広がる扇形の噴霧として内部混合室２２に流入する。一方、噴霧用媒体１２は、第１実施例の噴霧ノズル１０と同様に噴霧用媒体供給管２１から噴霧用媒体流路２５（２５ａ，２５ｂ）および２６（２６ａ，２６ｂ）に分岐して流れる。

噴霧用媒体１２は１段目供給孔２８ａ，２８ｂと２段目供給孔２９ａ，２９ｂから内部混合室２２に流入する。図６では、１段目供給孔２８ａ，２８ｂは溝５７の長辺方向に開口部断面積を多く設けている。

噴霧流体１１を衝突させて噴霧させる方式はその噴霧形状からファンスプレー式噴霧と呼ばれる。噴霧流体１１は衝突により扇形に拡散するため、第1実施例に比べて低い噴出流速にて内部混合室２２内に流入する。扇形の噴霧では、噴霧の周囲に形成する噴霧流体１１と内部混合室２２内の混合流体との境界部の面積は第1実施例に比べて増加する。このため，噴霧流体１１にせん断力が働く面積が増えることで、噴霧流体１１は微粒化しやすい。内部混合室内での噴霧流体の微粒化が進むことで、噴霧流体の単位重量当たりの表面積が増し、噴霧用媒体と同伴されやすくなる。このため、内部混合室の側壁や下流側端面に噴霧流体が衝突しにくくなり、液膜３７，３８の生成を抑制できる。

扇形噴霧の場合、噴霧の長辺方向に噴霧流体の濃度が高く、粒子径が大きくなる。図６に示すように、溝５７の長辺方向に沿って形成される扇形噴霧に対し、１段目供給孔２８ａ，２８ｂの開口部を広く設けることで、噴霧流体と噴霧用媒体の混合を促進し、内部混合室の側面３１や下流側端面３２への噴霧流体の付着を抑制できる。このため、図６に示すように、第２実施例の場合、溝５７の方向に対して噴霧用媒体の噴出孔と出口孔の配置を偏らせることが微粒化の促進に望ましい。但し、これは必須の要件ではない。

第２実施例の噴霧ノズルを燃焼装置に適用した場合の効果は、第１実施例に記述の場合とほぼ同様である。粗大粒子の生成を抑制することで、未燃焼分が発生し難くなり、燃焼装置から発生するＣＯや煤塵量を低減できる。また、微粒化を進めることで噴霧粒子が燃焼室の隔壁に付着することによる燃焼や液体燃料の変質によるコーキング等の障害を起こし難くなる。

また、微粒化性能を高めることで、より少ない噴霧用媒体１２の使用量や、より低い噴霧流体１１や噴霧用媒体１２の供給圧力で微粒化することができる。このため、各々の供給や加圧力に使用なエネルギー消費量を低減できる。

さらに、未燃焼分や煤塵、一酸化炭素が低減することで、噴霧ノズル５５を備えた燃焼装置に投入する余剰な空気を削減できる。余剰な空気が減ると、燃焼排ガス量も低下し、燃焼排ガスとともに燃焼装置外に放出される顕熱を低下させ、熱効率を高めることができる。

次に、本発明の第３実施例である噴霧ノズルを備えた燃焼装置の一例として、噴霧ノズルを備えたガスタービン燃焼器について図７を用いて説明する。

図７は本実施例の噴霧ノズルを備えたガスタービン燃焼器およびガスタービンプラントの全体構成を示す概略構成図である。図７に示すガスタービンプラントは、空気を圧縮して高圧の燃焼用空気６１を生成する圧縮機６６と、圧縮機６６で生成した燃焼用空気６１と液体燃料６２を導入して燃焼し、高温の燃焼ガス６３を発生させる燃焼装置を構成する図１〜図６に示した第１実施例と第２実施例の噴霧ノズル１０、或いは、噴霧ノズル５５を備えたガスタービン燃焼器６７と、ガスタービン燃焼器６７で発生した燃焼ガス６３を導入して駆動されるタービン６８と、タービン６８によって駆動され、電力を発生させる発電機６９を有する。

ガスタービン燃焼器６７で発生させた燃焼ガス６３によってタービン６８を駆動した動力は発電機６９を回転して発電すると共に、圧縮機６６の駆動用としても用いられる。

上記したガスタービンプラントではタービン６８で得られた動力で発電機６９を駆動して発電する例を示すが、タービン６８で得られた動力を、例えば、回転機械などに使用することもできる。

本実施例の噴霧ノズル１０或いは５５を備えた燃焼装置であるガスタービン燃焼器６７は、燃焼用空気６１を導入する外筒７１と、該外筒７１に取り付けられたエンドカバー７２とで密閉された圧力容器を構成している。

外筒７１の内部は噴霧ノズル１０或いは５５から噴霧された燃料と燃焼用空気を混合させて燃焼し、燃焼ガス６３を生成する燃焼空間となる燃焼室７３ａを内部に形成する内筒７３と、この内筒７３の下流に該内筒７３の流路よりも流路を狭めたトランジションピース７４があり、このトランジションピース７４の下流でタービン６８に接続されている。

燃焼用空気６１は外筒７１と内筒７３の間の空間を通り、内筒７３の最上流部（図７のエンドカバー７２側）などから内筒７３内に供給され、液体燃料６２はエンドカバー７２を貫通する噴霧ノズル１０或いは５５から内筒７３内の燃焼室７３ａに噴霧される。

内筒７３内の燃焼室７３ａに噴霧された液体燃料６２は燃焼用空気６１と混合し、その混合ガスが点火栓７５により点火されて燃焼を開始する。

ガスタービン燃焼器６７では、窒素酸化物（ＮＯｘ）や一酸化炭素（ＣＯ）、煤塵の低減が求められる。このため、燃焼用空気６１と液体燃料６２の混合を改良し、燃焼用空気６１に旋回流を与える旋回器７６や、空気取入口７７を介して燃焼用空気６１の噴出方向や流速、流量配分を調整して内筒７３内の燃焼室７３ａに燃焼用空気６１を流入させている。

図7に示すガスタービン燃焼器６７に燃料を供給する燃料供給系統には、燃料タンク８２と、この燃料タンク８２から液体燃料を移送する移送ポンプ８３と、移送する燃料を調節する移送調整弁８４を備え、前記移送ポンプ８３および移送調整弁８４の下流側には液体燃料を加圧する高圧ポンプ８５と、燃料の圧力を調節する圧力調整弁８６を備えている。

さらにその下流側には、液体燃料の供給を遮断する遮断弁８７と、液体燃料の流量を調節する流量調整弁８８と燃料流量計８９と、液体燃料を分配する燃料分配器９０が設置されており、前記燃料分配器９０で分配された液体燃料６２はガスタービン燃焼器６７に設置された噴霧ノズル１０或いは５５に供給される。

また、ガスタービン燃焼器６７に供給される燃焼用空気６１は、圧縮機６６で圧縮した空気の一部を高圧圧縮機９２で昇圧し、この高圧圧縮機９２の下流側に設置した圧力・流量調整弁９３と空気分配器９４を介して噴霧用媒体１２として噴霧ノズル１０或いは５５に供給される。

この燃焼用空気６１は液体燃料６２の微粒化に用いられるほか、液体燃料６２の供給開始時や停止時に流路や噴霧ノズル１０或いは５５内の残留物を除去するパージ用の空気としても用いられる。

なお、燃焼用空気６１はガスタービンの圧縮機６６で得られた圧縮空気を昇圧する方法のほか、個別に設けられた単独の圧縮機で得ることも可能である。また、空気に代わり蒸気を用いることも可能である。

また、図7に示した本実施例のガスタービン燃焼器６７では、燃料として液体燃料６２を使用する場合を例に説明したが、液体燃料のほかに気体燃料を別の系統として有し、燃料の供給状況に応じて気体燃料と液体燃料を使用できるいわゆるデュアルフューエルと呼ばれるガスタービン燃焼器にも適用できる。

液体燃料は直径で１００μｍ未満、出来れば５０μｍ以下に微粒化させることが望ましい。微粒子では体積に占める表面積が大きく、炉内からの熱放射により昇温し蒸発し易い。また、液滴としての燃焼反応も速い。

一方、直径で１５０μｍ以上の粗大粒子は蒸発や燃焼し難く、未燃焼分としてＣＯや煤塵排出の原因となる。また、燃料気体と空気との混合が悪いのでＮＯｘ排出の原因となる。このため、噴霧ノズルは微粒化を進め、微粒子を増やすことで燃焼反応の促進に寄与する。なお、微粒化の程度は、混合流体の圧力や噴霧用媒体量（噴霧流体に対する噴霧用媒体の割合）により調整できる。

実施例１または実施例２のいずれかに示した噴霧ノズル１０または噴霧ノズル５５を本実施例に示す燃焼装置に用いることで、噴霧ノズル１０或いは５５の個々の出口孔から噴出する混合流体中の噴霧流体１１の微粒化の促進と噴霧用媒体１２の使用量の低減や加圧力の低減を両立させることができる。噴霧流体１１の加圧力や噴霧用媒体１２の加圧力や使用量の低減により、加圧力や供給に必要なエネルギー消費量を低減できる。

また、噴霧ノズル１０或いは５５の摩耗や流路内でのコーキングを抑制し、その使用時間を延ばすことができる。

さらに、噴霧流体１１の微粒化により、液体燃料の単位重量当たりの表面積が増加し、燃焼反応を早く進めることで、酸素の消費が進み、窒素酸化物の発生を抑え、かつ未燃焼分や煤塵、一酸化炭素が低減することができる。すなわち、燃焼反応が進み、燃焼装置出口での未燃焼分である一酸化炭素や煤塵が低減し、燃焼効率を高くできる。

なお、燃焼方法は燃料と空気を別途に供給し燃焼させる拡散燃焼方式の燃焼器やボイラにおいても微粒化によるＮＯｘやＣＯ、煤塵の低減効果を得ることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０…噴霧ノズル
１１…噴霧流体
１２…噴霧用媒体
１３，１３ａ，１３ｂ…噴霧
２０…噴霧流体供給管
２１…噴霧用媒体供給管
２２…内部混合室
２３，２３ａ，２３ｂ…出口孔
２４…噴霧流体流路
２５，２５ａ，２５ｂ…噴霧用媒体流路
２６，２６ａ，２６ｂ…噴霧用媒体流路
２７…噴霧流体供給孔
２８ａ，２８ｂ…１段目供給孔
２９ａ，２９ｂ…２段目供給孔
３０…内部混合室の上流側端面
３１…内部混合室の側面
３２…内部混合室の下流側端面
３３…噴霧流体の流れ
３４…噴霧用媒体の流れ
３５…循環流
３６…噴霧用媒体の流れ
３７，３８…液膜
５０…従来の噴霧ノズル
５１…液滴（粗大粒子）
５５…噴霧ノズル
５６ａ，５６ｂ…噴霧流体流路
５７…溝
６１…燃焼用空気
６２…液体燃料
６３…燃焼ガス
６６…圧縮機
６７…ガスタービン燃焼器
６８…タービン
６９…発電機
７１…外筒
７２…エンドカバー
７３…内筒
７３ａ…燃焼室
７４…トランジションピース
７５…点火栓
７６…旋回器
７７…空気取入口
８２…燃料タンク
８３…移送ポンプ
８４…移送調整弁
８５…高圧ポンプ
８６…圧力調整弁
８７…遮断弁
８８…流量調整弁
８９…燃料流量計
９０…燃料分配器
９２…高圧圧縮機
９３…圧力・流量調整弁
９４…空気分配器。

Claims (12)

1. 噴霧流体および噴霧用媒体を混合する混合室と、
   前記混合室に前記噴霧流体を供給する噴霧流体流路と、
   前記混合室に前記噴霧用媒体を供給する噴霧用媒体流路と、
   前記混合室において混合した前記噴霧流体と前記噴霧用媒体との混合流体を外部に噴霧する出口孔と、を有する噴霧ノズルであって、
   前記噴霧用媒体流路は、前記混合室に前記噴霧用媒体を供給する第１の噴霧用媒体供給孔と、前記混合室において前記第１の噴霧用媒体供給孔よりも下流側に前記噴霧用媒体を供給する第２の噴霧用媒体供給孔と、を備え、
   前記第２の噴霧用媒体供給孔は、前記出口孔の近傍に前記噴霧用媒体を供給することを特徴とする噴霧ノズル。
2. 前記第２の噴霧用媒体供給孔は、前記混合室の下流端と側壁の接合部近傍に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の噴霧ノズル。
3. 前記噴霧流体流路は、当該噴霧流体流路の上流側において、前記噴霧流体を対向して流す少なくとも２系統以上の複数の流路を有し、
   当該噴霧流体流路の下流側において、前記対向して流れる複数の流路の合流部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の噴霧ノズル。
4. 前記噴霧流体流路は、当該噴霧流体流路から前記混合室に噴霧流体を供給する噴霧流体供給孔が少なくとも２つ以上設けられていることを特徴とする請求項１に記載の噴霧ノズル。
5. 前記噴霧用媒体流路は、当該噴霧用媒体流路から前記混合室に噴霧用媒体を供給する噴霧用媒体供給孔が少なくとも２つ以上設けられていることを特徴とする請求項１に記載の噴霧ノズル。
6. 前記出口孔は、前記混合室の下流端に少なくとも２つ以上設けられていることを特徴とする請求項１に記載の噴霧ノズル。
7. 前記噴霧流体を対向して流す流路が互いに直交する矩形の溝を有し、前記互いに直交する溝の交差部分が前記混合室へ噴霧流体を供給する噴霧流体供給孔となることを特徴とする請求項３に記載の噴霧ノズル。
8. 前記噴霧流体供給孔を構成する前記溝の長辺方向に噴霧用媒体供給孔の流路断面積を広く設けたことを特徴とする請求項７に記載の噴霧ノズル。
9. 前記第１の噴霧用媒体供給孔が円環状に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の噴霧ノズル。
10. 噴霧流体および噴霧用媒体を混合する混合室と、
    前記混合室に前記噴霧流体を供給する噴霧流体流路と、
    前記混合室に前記噴霧用媒体を供給する噴霧用媒体流路と、
    前記混合室において混合した前記噴霧流体と前記噴霧用媒体との混合流体を外部に噴霧する出口孔と、を有する噴霧ノズルを用いた燃焼装置であって、
    前記噴霧用媒体流路は、前記混合室に前記噴霧用媒体を供給する第１の噴霧用媒体供給孔と、前記混合室において前記第１の噴霧用媒体供給孔よりも下流側に前記噴霧用媒体を供給する第２の噴霧用媒体供給孔と、を備え、
    前記第２の噴霧用媒体供給孔は、前記出口孔の近傍に前記噴霧用媒体を供給することを特徴とする燃焼装置。
11. 液体燃料を前記噴霧流体として前記混合室に供給し、空気或いは蒸気を前記噴霧用媒体として前記混合室に供給することを特徴とする請求項１０に記載の燃焼装置。
12. 燃焼装置として液体燃料を使用するガスタービン燃焼器と、
    前記ガスタービン燃焼器に液体燃料を供給する燃料供給系統と、
    前記ガスタービン燃焼器に燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給系統と、
    前記ガスタービン燃焼器で発生した燃焼排ガスによって駆動されるガスタービンと、
    前記ガスタービン燃焼器に燃焼用空気を供給する圧縮機と、を備えており、
    液体燃料を前記噴霧流体として前記混合室に供給し、燃焼用空気の一部を前記噴霧用媒体として圧縮して前記混合室に供給することを特徴とする請求項１０に記載の燃焼装置。

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