JP2020139699A

JP2020139699A - 燃焼器

Info

Publication number: JP2020139699A
Application number: JP2019036390A
Authority: JP
Inventors: 正悟大西; Shogo Onishi; 慎太朗伊藤; Shintaro Ito; 正宏内田; Masahiro Uchida; 琢水谷; Taku Mizutani; 藤森　俊郎; Toshiro Fujimori; 俊郎藤森
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2020-09-03
Anticipated expiration: 2039-02-28
Also published as: JP7205299B2

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ＮＯｘを低減する。【解決手段】気体状態の天然ガスを供給する天然ガスバーナと、気体状態のアンモニアを供給するアンモニアバーナと、前記天然ガスバーナ及び前記アンモニア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、前記アンモニアバーナ及び前記天然ガスバーナのそれぞれの吐出口を隔離する分離部を備える。【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。アンモニアにおいては、周囲に酸素の多い状態、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が多く発生する。これに対して、天然ガスは、周囲に酸素の少ない状態、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。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、気体状態の天然ガスを供給する天然ガスバーナと、気体状態のアンモニアを供給するアンモニアバーナと、前記天然ガスバーナ及び前記アンモニア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、前記アンモニアバーナ及び前記天然ガスバーナのそれぞれの吐出口を隔離する分離部を備える、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、前記燃焼器ライナは、前記天然ガスバーナ及び前記アンモニアバーナの吐出口側が挿入される挿入開口を有する壁部を備え、前記分離部は、前記壁部における前記挿入開口を含む領域において、前記燃焼室に面する面に形成された凹部である、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、前記燃焼器ライナは、前記天然ガスバーナ及び前記アンモニアバーナの吐出口側が挿入される挿入開口を有する壁部を備え、前記分離部は、前記壁部から前記燃焼室の内部に向けて立設されると共に、前記天然ガスバーナ及び前記アンモニアバーナのそれぞれを囲う囲撓壁である、という構成を採用する。

第４の手段として、上記第１の手段において、前記天然ガスバーナ及び前記アンモニアバーナが環状に配置され、前記分離部は、前記天然ガスバーナと前記アンモニアバーナとの間に立設される隔離壁である、という構成を採用する。

本発明によれば、分離部により、天然ガスバーナとアンモニアバーナとを隔離することが可能である。したがって、天然ガスとアンモニアとに対してそれぞれ個別の燃焼領域を形成することができ、それぞれに対応した当量比で燃焼用空気を供給することが可能である。これにより、天然ガスとアンモニアとを混焼させつつ、それぞれの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１実施形態に係る燃焼器が備える燃料バーナの吐出口正面図である。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が備える燃料バーナの吐出口正面図である。

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、天然ガスバーナ３と、アンモニアバーナ４と、整流器５と、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（主流Ｓ）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は、主流Ｓ上流側（すなわち、火炎が形成される側）の上流壁部２ａにおいて、複数の囲撓凹部２ｃ（分離部）が形成されている。囲撓凹部２ｃは、図２に示すように、円形とされ、燃焼室Ｎに向けて徐々に拡径されるように形成されており、中心部分に天然ガスバーナ３及びアンモニアバーナ４が挿入される挿入開口が形成されている。囲撓凹部２ｃの内側は、図１に示すように、各燃料バーナから噴射された天然ガスあるいはアンモニアの個別の燃焼領域となる。

天然ガスバーナ３及びアンモニアバーナ４は、図２に示すように、燃焼器ライナの囲撓凹部２ｃに吐出口側の端部が挿入された状態で固定されており、それぞれ複数設けられている。天然ガスバーナ３は、中央に配置されたアンモニアバーナ４を囲うように配置されている。天然ガスバーナ３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。この天然ガスバーナ３の吐出口の近傍においては、天然ガスが燃焼することによる火炎が形成される。

アンモニアバーナ４は、液体状態のアンモニアを気化させる気化器と接続されており、気体状態のアンモニアを燃焼室Ｎに対して噴射している。このアンモニアバーナ４の吐出口の近傍においては、アンモニアが燃焼することによる火炎が形成される。

整流器５は、天然ガスバーナ３及びアンモニアバーナ４のそれぞれについて、囲撓凹部２ｃに形成された挿入開口の近傍に円環状に設けられている。この整流器５は、挿入開口と、天然ガスバーナ３またはアンモニアバーナ４との隙間より、主流Ｓ方向に向けて燃焼用空気を供給する。なお、整流器５から供給される燃焼用空気は、天然ガスバーナ３とアンモニアバーナ４とで供給量がそれぞれ最適化されている。

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、天然ガスバーナ３及びアンモニアバーナ４より、それぞれ天然ガス及びアンモニアが燃焼室Ｎへと供給される。同時に、整流器５を介して燃焼用空気が燃焼室Ｎへと供給される。このような燃焼用空気と燃料とが混ざり合いながら近傍のバーナ火炎より火炎伝播することで、燃焼器１における燃焼が開始される。

各囲撓凹部２ｃにおいては、燃料と燃焼用空気とが混ざり合いながら着火されることで、内側に燃焼領域が形成される。このとき、天然ガスバーナ３に設けられた整流器５においては、当量比の低い状態とするために天然ガスに対して多量の燃焼用空気を供給する。また、アンモニアバーナ４に設けられた整流器５においては、当量比の高い状態とするために、アンモニアに対して少量の燃焼用空気を供給する。すなわち、天然ガスバーナ３に設けられた整流器５は、アンモニアバーナ４よりも多量の燃焼用空気を供給する。これにより、各囲撓凹部２ｃにおいては、それぞれ、天然ガスが当量比の低い状態で燃焼され、アンモニアが当量比の高い状態で燃焼される。

このような本実施形態によれば、囲撓凹部２ｃにより天然ガスとアンモニアとで燃焼領域を分離することが可能である。したがって、各燃料に対して最適な当量比となるように燃焼用空気の流量を調節することができる。これにより、天然ガスとアンモニアとを混焼させるにあたって、それぞれのＮＯｘの発生を低減させることが可能である。

また、本実施形態によれば、囲撓凹部２ｃにより天然ガスとアンモニアとで燃焼領域を分離している。このため、天然ガスの燃焼領域温度とアンモニアの燃焼領域温度とが干渉することがなく、それぞれ天然ガスとアンモニアとを最適な温度で燃焼させることができる。

また、本実施形態によれば、燃焼器ライナ２の上流壁部２ａに囲撓凹部２ｃが形成されている。したがって、囲撓凹部２ｃの摩耗が少なく、メンテナンスが容易である。

［第２実施形態］
第１実施形態に係る燃焼器１Ａの変形例について、第２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１Ａは、燃焼器ライナ２に囲撓凹部２ｃが形成されておらず、囲撓壁部６（分離部）を新たに複数備えている。囲撓壁部６は、燃焼器ライナ２の上流壁部２ａから主流Ｓ方向に向けて立設される略円筒形の部材である。また、囲撓壁部６は、主流Ｓの下流側に向けて拡径されるように形成されている。囲撓壁部６の内側には、天然ガスバーナ３及びアンモニアバーナ４が挿入されている。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、囲撓壁部６の内側に燃焼領域が形成される。そして、天然ガスバーナ３に設けられた整流器５においては、当量比の低い状態とするために天然ガスに対して多量の燃焼用空気を供給する。また、アンモニアバーナ４に設けられた整流器５においては、当量比の高い状態とするために、アンモニアに対して少量の燃焼用空気を供給する。すなわち、天然ガスバーナ３に設けられた整流器５は、アンモニアバーナ４よりも多量の燃焼用空気を供給する。これにより、囲撓壁部６においては、それぞれ、天然ガスが当量比の低い状態で燃焼され、アンモニアが当量比の高い状態で燃焼される。

このような本実施形態によれば、囲撓壁部６により天然ガスとアンモニアとで燃焼領域を分離することが可能である。したがって、各燃料に対して最適な当量比となるように燃焼用空気の流量を調節することができる。これにより、天然ガスとアンモニアとを混焼させるにあたって、それぞれのＮＯｘの発生を低減させることが可能である。

また、上流壁部２ａに囲撓壁部６を取り付ける構成とすることにより、天然ガスバーナ３及びアンモニアバーナ４のそれぞれを囲撓する構成の加工が容易である。また、通常の燃焼器に対して、囲撓壁部６を後付けすることが可能であり、汎用性が高い。

［第３実施形態］
第１実施形態に係る燃焼器１の変形例について、第３実施形態として、図４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、アニュラ型の燃焼器とされる、燃焼器ライナ２を備えず、燃焼器ライナ２Ａと、隔離壁部７（分離部）とを備えている。燃焼器ライナ２Ａは、径の異なる円筒体を同心上に配置することにより構成されており、内側に円環状の燃焼室Ｎを形成している。また、このような燃焼器ライナ２Ａに対して、天然ガスバーナ３及びアンモニアバーナ４は環状に配置されている。

隔離壁部７は、各燃料バーナの間において主流Ｓ方向に向けて立設される平板状の部材である。隔離壁部７と燃焼器ライナ２Ａとにより、各燃料バーナから供給される燃料に対する個別の燃焼領域が形成される。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、隔離壁部７と燃焼器ライナ２Ａとの内側に燃焼領域が形成される。そして、天然ガスバーナ３に設けられた整流器５においては、当量比の低い状態とするために天然ガスに対して多量の燃焼用空気を供給する。また、アンモニアバーナ４に設けられた整流器５においては、当量比の高い状態とするために、アンモニアに対して少量の燃焼用空気を供給する。すなわち、天然ガスバーナ３に設けられた整流器５は、アンモニアバーナ４よりも多量の燃焼用空気を供給する。これにより、囲撓壁部６においては、それぞれ、天然ガスが当量比の低い状態で燃焼され、アンモニアが当量比の高い状態で燃焼される。

このような本実施形態によれば、アニュラ型の燃焼器においても、隔離壁部７により天然ガスとアンモニアとで燃焼領域を分離することが可能である。したがって、各燃料に対して最適な当量比となるように燃焼用空気の流量を調節することができる。これにより、天然ガスとアンモニアとを混焼させるにあたって、それぞれのＮＯｘの発生を低減させることが可能である。

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、主流Ｓ方向において天然ガスとアンモニアとがそれぞれ同じ位置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、天然ガスバーナ３に対して、アンモニアバーナ４が主流Ｓ下流側に配置されるものとしてもよい。この場合、天然ガスの燃焼領域とアンモニアの燃焼領域とをより確実に分離できる。

上記第３実施形態においては、隣接する各燃料バーナの間に隔離壁部７を設けるものとしたが、本発明はこれに限定されない。隔離壁部７は、例えば、複数の隣接する天然ガスバーナ３の間には設けないものとしてもよい。この場合、複数の天然ガスバーナ３により天然ガスの燃焼領域を形成する。

また、天然ガスバーナ３及びアンモニアバーナ４の設置数は、混焼率等に応じて種々変更可能である。

１、１Ａ、１Ｂ燃焼器
２、２Ａ燃焼器ライナ
２ａ上流壁部
２ｂ周壁部
２ｃ囲撓凹部
３天然ガスバーナ
４アンモニアバーナ
５整流器
６囲撓壁部
７隔離壁部
Ｎ燃焼室
Ｓ主流

Claims

気体状態の天然ガスを供給する天然ガスバーナと、気体状態のアンモニアを供給するアンモニアバーナと、前記天然ガスバーナ及び前記アンモニア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、
前記アンモニアバーナ及び前記天然ガスバーナのそれぞれの吐出口を隔離する分離部を備える
ことを特徴とする燃焼器。
前記燃焼器ライナは、前記天然ガスバーナ及び前記アンモニアバーナの吐出口側が挿入される挿入開口を有する壁部を備え、
前記分離部は、前記壁部における前記挿入開口を含む領域において、前記燃焼室に面する面に形成された凹部である
ことを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
前記燃焼器ライナは、前記天然ガスバーナ及び前記アンモニアバーナの吐出口側が挿入される挿入開口を有する壁部を備え、
前記分離部は、前記壁部から前記燃焼室の内部に向けて立設されると共に、前記天然ガスバーナ及び前記アンモニアバーナのそれぞれを囲う囲撓壁である
ことを特徴とする請求項１記載の燃焼器。
前記天然ガスバーナ及び前記アンモニアバーナが環状に配置され、
前記分離部は、前記天然ガスバーナと前記アンモニアバーナとの間に立設される隔離壁である
ことを特徴とする請求項１記載の燃焼器。