JP2020139691A - 燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】天然ガスとアンモニアとを混焼させる燃焼器においてアンモニアの燃焼によるＮＯｘを低減する。【解決手段】気体状態のアンモニアを供給するバーナと、前記バーナが設置されると共に内部に燃焼室が形成される燃焼器ライナとを備える燃焼器であって、前記バーナに接続されると共に、前記バーナの管内壁に向けて気体状態のアンモニアを噴射するアンモニア噴射ノズルを備え、前記バーナには、前記アンモニア噴射ノズルが設けられるよりも上流側において燃焼用空気が供給される。【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼器に関するものである。

例えば、特許文献１においては、低ＮＯｘを目的とする燃焼器が開示されている。このような特許文献１においては、燃焼時の高温火炎により空気中の窒素が酸化することで発生するサーマルＮＯｘを抑制することで、低ＮＯｘを実現している。

特開２００４−２８３５２号公報

ところで、現在、燃料としてＣＯ２の排出がないアンモニアを、天然ガスと混焼させることが提案されている。これに対して、天然ガスは、周囲に酸素の多い状態、すなわち当量比が高い状態で燃焼させると、サーマルＮＯｘを多く発生する。このため、アンモニア混焼時においても、天然ガスは当量比が低い状態で燃焼することが好適とされる。しかしながら、アンモニアにおいては、周囲に酸素の少ない状態、すなわち当量比が低い状態で燃焼させると、アンモニア由来のフューエルＮＯｘを多く発生する。したがって、酸素の供給量を制御してアンモニアと天然ガスとの双方の燃焼においてＮＯｘの発生を抑制させることが難しい。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、天然ガスとアンモニアとを混焼させる燃焼器においてアンモニアの燃焼によるＮＯｘを低減することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための第１の手段として、気体状態のアンモニアを供給するバーナと、前記バーナが設置されると共に内部に燃焼室が形成される燃焼器ライナとを備える燃焼器であって、前記バーナに接続されると共に、前記バーナの管内壁に向けて気体状態のアンモニアを噴射するアンモニア噴射ノズルを備え、前記バーナには、前記アンモニア噴射ノズルが設けられるよりも上流側において燃焼用空気が供給される、という構成を採用する。

第２の手段として、上記第１の手段において、天然ガスを供給する天然ガスバーナを備える、という構成を採用する。

第３の手段として、上記第１の手段において、前記バーナには、前記アンモニア噴射ノズルが設けられるよりも上流側において天然ガスが供給される、という構成を採用する。

第４の手段として、上記第１〜３のいずれかの手段において、前記バーナの吐出口に隣接すると共にアンモニアを供給するアンモニアバーナをさらに備える、という構成を採用する。

本発明によれば、アンモニア噴射ノズルより噴射されるアンモニアにより、バーナ内の圧力が上昇し、燃焼用空気の流れが阻害されることで、アンモニアに対して燃焼用空気の量が少ない、当量比が高い状態で燃焼室に供給することができる。したがって、アンモニア混焼時において、アンモニアの流れにより燃焼用空気の流量を調節でき、アンモニアによるフューエルＮＯｘを低減することが可能である。

本発明の第１実施形態に係る燃焼器の模式断面図である。 本発明の第２実施形態に係る燃焼器の模式断面図である。 本発明の第３実施形態に係る燃焼器の模式断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る燃焼器の一実施形態について説明する。

［第１実施形態］
本実施形態に係る燃焼器１は、ガスタービン（不図示）に備えられている。ガスタービンは、不図示の圧縮機、タービン及び燃焼器１を備えている。ガスタービンは、圧縮機において外気から取り込んだ空気を所定圧まで圧縮して圧縮空気を生成し、燃焼器１において上記圧縮空気を酸化剤として燃料を燃焼させる。さらに、ガスタービンは、燃料を燃焼させて発生した燃焼ガスの流れを用いてタービンを回転させることにより、回転動力を発生させる。

図１に示すように、燃焼器１は、燃焼器ライナ２と、バーナ３と、アンモニア噴射ノズル４と不図示のケーシングとを備えている。

燃焼器ライナ２は、不図示のケーシングの内部に収容され、上流壁部２ａと、上流壁部２ａに接合されると共に円筒形の周壁部２ｂとを有する有底円筒体である。この燃焼器ライナ２の上流壁部２ａと周壁部２ｂ内部とにより形成される空間が燃焼室Ｎである。燃焼室Ｎの内部においては、周壁部２ｂの中心軸に沿うように、燃焼空気及び燃料の流れが形成されている。また、燃焼器ライナ２には、内周面に沿って冷却空気が供給されており、内周面近傍に冷却空気層が形成されている。また、燃焼器ライナ２とケーシングとの間には、燃焼用空気が取り込まれると共に燃焼用空気流路が形成されている。燃焼用空気流路は、上流壁部２ａに向けて流れる。

バーナ３は、燃焼器ライナ２の上流壁部２ａに吐出口側の端部が挿入された状態で固定されている。バーナ３は、不図示の供給タンク及び燃焼用空気流路と接続されており、供給タンクから供給される天然ガスと燃焼用空気とを混合された状態で燃焼室Ｎへと噴射する。なお、バーナ３は、上流側において縮径され、上流側の管径が下流側の管径よりも大きく形状設定されている。天然ガス及び燃焼用空気は、バーナ３において縮径された部位よりも上流側において、バーナ３へと流入する。さらに、バーナ３には、縮径された部位である吐出口近傍において、アンモニア噴射ノズル４が接続されている。このバーナ３の吐出口の近傍においては、天然ガス及びアンモニアが燃焼することによる火炎が形成される。

アンモニア噴射ノズル４は、吐出口がバーナ３に対して挿入され、不図示のアンモニア気化器に上流側において接続されている。アンモニア噴射ノズル４は、バーナ３の管内壁に気体状態のアンモニアが当たるようにアンモニアを噴射する。

このような燃焼器１の動作を、図１を参照して説明する。
燃焼器１においては、天然ガス専焼状態においては、バーナ３より、天然ガス及び燃焼用空気が燃焼室Ｎへと供給される。燃焼用空気と天然ガスとが混ざり合いながら着火されることで、燃焼器１における燃焼が行われる。なお、燃焼用空気と天然ガスとの当量比は、低い状態、すなわち燃焼用空気が多く供給された状態に設定される。

アンモニアを混焼させる際には、天然ガスと燃焼用空気とが流れるバーナ３に対して、アンモニア噴射ノズル４より、アンモニアが噴射される。このとき、バーナ３においては、アンモニアの流れにより管内圧が上昇する。したがって、アンモニアにより、天然ガス及び燃焼用空気の吐出が阻害され、バーナ３から吐出される混合気は、アンモニアの割合が大きく、燃焼用空気及び天然ガスの割合が小さい状態とされる。これにより、燃焼室Ｎにおいては、アンモニアと燃焼用空気とが、当量比の高い状態で燃焼される。また、このとき、天然ガスはアンモニアよりも上流側において供給されており、天然ガスと燃焼用空気との比率は、アンモニア噴射前後で変化することがない。したがって、天然ガスは、天然ガス専焼状態と同様に燃焼用空気に対して当量比の低い状態とされる。

このような本実施形態によれば、アンモニアを混焼させる際に、アンモニア噴射ノズル４より、アンモニアをバーナ３の管内壁に向けて噴射することで、燃焼用空気の流れを阻害し、アンモニアと燃焼用空気との当量比を高い状態とすることが可能である。したがって、アンモニア混焼時において、アンモニアの流れにより燃焼用空気の流量を調節でき、アンモニアによるフューエルＮＯｘを低減することが可能である。
また、アンモニアを燃焼用空気に対して噴射し、予混合気を形成することで、燃焼室Ｎ内においてアンモニアの部分的な濃度の偏りを防止することができる。

また、本実施形態によれば、天然ガスをバーナ３において燃焼用空気と共に供給している。これにより、天然ガスの専焼状態においては、天然ガスと燃焼用空気とを当量比の低い状態の予混合気とすることができ、天然ガスの専焼時においてもＮＯｘを低減することが可能である。また、天然ガスの専焼時に燃焼用空気を多く供給することで、燃焼器の小村を防止することができる。

［第２実施形態］
続いて、上記第１実施形態の変形例を第２実施形態として、図２を参照して説明する。なお、第１実施形態と同一の構成については、符号を同一とし、説明を省略する。

本実施形態に係る燃焼器１Ａは、燃焼器ライナ２及びバーナ３に代わり、燃焼器ライナ２Ａと、環状に配置された複数のアンモニアバーナ３Ａとを備え、環状に配置された複数の天然ガスバーナ５と整流器６とをさらに備えているアニュラ型の燃焼器である。

燃焼器ライナ２Ａの内部には、円環状の燃焼室Ｎが形成されており、上流壁部２ａに交互に配列されたアンモニアバーナ３Ａの吐出口と天然ガスバーナ５の吐出口とが設けられている。また、燃焼用空気流路は、燃焼器ライナ２Ａの外周を上流壁部２ａに向けて流れると共に、二方に分かれ、一方がアンモニアバーナ３Ａへと流れ、他方が整流器６へと流れる。

アンモニアバーナ３Ａは、燃焼用空気が流通すると共に、側方から挿入されたアンモニア噴射ノズル４より供給されるアンモニアを燃焼室Ｎへと供給する。
天然ガスバーナ５は、不図示の供給タンクに貯留された天然ガスを気体状態で燃焼室Ｎに対して噴射している。
整流器６は、天然ガスバーナ５の吐出口近傍に円環状に設けられている。この整流器６は、上流壁部２ａの挿入開口と、天然ガスバーナ５との隙間より、燃焼用空気を供給する。

このような燃焼器１Ａにおいては、天然ガス専焼時においては、天然ガスバーナ５から天然ガスが供給され、燃焼用空気が天然ガスバーナ５の近傍より供給される。なお、このとき、天然ガスは当量比が低い状態となるように、燃焼用空気を多量に供給する。また、混焼時においては、天然ガスバーナ５における天然ガスの燃焼が行われている状態で、アンモニアバーナ３Ａに燃焼用空気を供給し、さらにアンモニア噴射ノズル４よりアンモニアバーナ３Ａの管内壁にアンモニアを噴射する。これにより、アンモニアバーナ３Ａにおいては、燃焼用空気の流れがアンモニアにより阻害され、燃焼用空気に対してアンモニアが当量比の高い状態で燃焼室Ｎに供給される。なお、アンモニア混焼時において、燃焼器ライナ２Ａの出口側において排出ガスのＮＯｘ濃度を計測し、不図示の制御装置により燃焼用空気の各流量を制御する。

このような本実施形態によれば、アンモニア噴射ノズル４によりアンモニアと燃焼用空気との当量比を高い状態とすることが可能である。したがって、アンモニア混焼時において、アンモニアの流れにより燃焼用空気の流量を調節でき、アンモニアによるフューエルＮＯｘを低減することが可能である。

また、本実施形態においては、天然ガスバーナ５を別途設けていることで、燃焼用空気の燃料ごとの流量制御が容易となり、アンモニア混焼時においても、天然ガスバーナ５の当量比を適切に保つことが容易である。

［第３実施形態］
続いて、上記第１実施形態の変形例を第３実施形態として、図３を参照して説明する。なお、第１実施形態と同一の構成については、符号を同一とし、説明を省略する。

本実施形態に係る燃焼器１Ｂは、アンモニアバーナ７をさらに備えている。アンモニアバーナ７は、バーナ３の外周を囲うように設けられている。すなわち、バーナ３とアンモニアバーナ７とは二重管構造となっている。アンモニアバーナ７には、気体状態のアンモニアが燃焼室Ｎに供給される。

このような燃焼器１Ｂにおいては、アンモニア噴射ノズル４より噴射されるアンモニアにより、天然ガス及び燃焼用空気の吐出が阻害され、バーナ３から吐出される混合気は、アンモニアの割合が大きく、燃焼用空気及び天然ガスの割合が小さい状態とされる。さらに、アンモニアバーナ７より気体状態のアンモニアが吐出される。バーナから吐出された混合気は、吐出されると共にアンモニアバーナ７から吐出されたアンモニアと混合され、よりアンモニア濃度の高い状態となる。これにより、アンモニアを十分に供給すると共に、アンモニアの当量比を高い状態で燃焼させることができる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

なお、上記実施形態においては、天然ガスとアンモニアとがそれぞれ上流壁部２ａ側より供給されるものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、天然ガスとアンモニアとでバーナを分ける場合には、アンモニアバーナを天然ガスバーナよりも燃焼室Ｎにおいて下流側、すなわち、アンモニアバーナを周壁部２ｂに配置するものとしてもよい。この場合、アンモニアをより好適な条件で燃焼させることが可能である。

また、いずれの型の燃焼器においても、天然ガスとアンモニアとは、同一のバーナより燃焼室Ｎへと吐出するものとしても、別個のバーナより吐出するものとしてもよい。

また、本発明は、マルチノズルバーナにおいても適用可能である。この場合、ノズルごとに天然ガスとアンモニアとに分けてもよい。

また、第３実施形態においては、アンモニアバーナ７とバーナ３とを二重管構造としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、アンモニアバーナ７は、バーナ３の近傍に配置されるものとしてもよい。

１、１Ａ、１Ｂ 燃焼器
２、２Ａ 燃焼器ライナ
２ａ 上流壁部
２ｂ 周壁部
３ バーナ
３Ａ アンモニアバーナ
４ アンモニア噴射ノズル
５ 天然ガスバーナ
６ 整流器
７ アンモニアバーナ
Ｎ 燃焼室

Claims (4)

1. 気体状態のアンモニアを供給するバーナと、前記バーナが設置されると共に内部に燃焼室が形成される燃焼器ライナとを備える燃焼器であって、
   前記バーナに接続されると共に、前記バーナの管内壁に向けて気体状態のアンモニアを噴射するアンモニア噴射ノズルを備え、
   前記バーナには、前記アンモニア噴射ノズルが設けられるよりも上流側において燃焼用空気が供給される
   ことを特徴とする燃焼器。
2. 天然ガスを供給する天然ガスバーナを備えることを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
3. 前記バーナには、前記アンモニア噴射ノズルが設けられるよりも上流側において天然ガスが供給されることを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
4. 前記バーナの吐出口に隣接すると共にアンモニアを供給するアンモニアバーナをさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃焼器。

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