JP2573918B2 - 多段燃焼器とその燃焼方法 - Google Patents

多段燃焼器とその燃焼方法

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    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
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    • F23C6/045—Combustion apparatus characterised by the combination of two or more combustion chambers or combustion zones, e.g. for staged combustion in series connection with staged combustion in a single enclosure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23M5/08—Cooling thereof; Tube walls
    • F23M5/085—Cooling thereof; Tube walls using air or other gas as the cooling medium

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、少ないNOx発生量で窒素含有ガスを燃焼す
るための多段燃焼器とその燃焼方法に関する。
〔従来の技術〕
例えば石炭を酸素でガス化する場合、NH3およびHCNの
形で燃料化合窒素を含んでいる平均発熱量のガスが発生
する。またしばしば別の燃料物質は化合物の形で窒素を
含んでいる。かかる燃料物質を通常の燃焼器で燃焼する
場合、燃焼で原子分解された窒素が酸化するために、多
量のNOxが生ずる。更に拡散炎における最高温度は、多
量のサーマルNOxが生ずるほどの高さになる。
この問題を解決するために種々の方式が知られてい
る。即ち例えばNH3およびHCNは、燃焼が行われる前に、
まずガス洗浄器によって除去される。しかしながらこの
方式は高いガス洗浄コストを必要とする。
次の文献には、定置形ガスタービンにおける従来の技
術の展望が記載されている。
最終レポート「定置形ガスタービンエンジンの改良形
燃焼システム（ADVANCED COMBUSTION SYSTEMS FOR STAT
IONARY GAS TURBINE ENGINES）」第I,II,III,IV巻、ピ
アース（R.M.Pierce）等著、米国技術協会（Pratt ＆ W
hitney Aircraft Group Government Products Divisio
n,住所 West Palm Beach,Florida 33402;約定No.68−02
−2136。米国環境保護庁研究開発部門 Washington,DC 2
0460に対して1980年３月31日付でNr.FR−11405として作
成された。） この文献の第III巻における第２頁以降に、化合窒素
を持つ燃料物質を燃焼するための構想が記載されてい
る。その場合まず一次燃焼段において燃料豊富混合物の
燃焼が行われ、次に二次燃焼段において過剰空気で再燃
焼が行われる。更にここに記載された構想の場合、予備
混合室が設けられている。
米国機械エンジニア協会（AMERICAN SOCIETY OF MECH
ANICAL ENGINEERS（ASME）Nr.82−GT−29）題名「選択
的燃料−サイロ燃焼器におけるバーナ設計および噴射特
性（Alternative Fuels:Burner Concepts and Emission
Characteristics of a Silo Combustor）」著者クロカ
ワ（W.Krockow）およびシャブハード（H.Schabbehard）
の文献において、化合窒素を持つ燃料を燃焼する際のNO
xの発生に関する種々の制御方式が記載されている。こ
こで多量の不活性物質例えば分子窒素がNOxの発生を減
少することが知られている。かかる混合物の低い発熱量
により、すべての反応が低温レベルで進行し、従って非
常にゆっくりと進行する。これによって、冷却上の問題
を生ずる大きな表面積の大形燃焼器が必要とされるか、
さもなくば原子窒素の窒素N2への再結合率が小さ過ぎる
ことになる。
上述した２段階における燃焼は、はじめの燃料豊富な
一次燃焼室においてλ＝0.6〜0.9の空気過剰率で燃料が
崩壊するという利点があり、その場合酸素不足のために
NOは僅かしか生じないので、Ｎは主にN2に再結合する。
もっとも一次燃焼室における高温は、流入する空気が反
応して室壁の近辺に高温を生じるので、冷却上の大きな
問題を生じる。更にλ≒１の空気過剰率の範囲において
再燃焼するために空気を混合する場合、非常に多量のサ
ーマルNOxが生じ、これは空気との急速な混合によって
も完全には防止できない。
上述した最初の文献の第II巻における例えば第10〜11
頁に、一次燃焼室に対する冷却装置が記載されている
が、ここに記載の方式は経費がかかり、例えば冷却媒体
として水を利用する場合、種々の問題を伴っている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明の目的は、小さな構造容積で、NOxの発生量が
少なく、上述した従来の欠点が除去されるような窒素含
有ガスを燃焼する燃焼器を作ること、およびその燃焼器
の燃焼方法を提供することにある。
〔問題点の解決手段〕
本発明によればこの目的は、一次燃焼室がその室壁の
面に分布されかつ不活性物質がその室壁に沿って燃焼ガ
ス流れ方向に流入するように形成された多数の入口開口
を有し、これらの入口開口が不活性物質供給装置に接続
されているという特許請求の範囲第１項の特徴部分に記
載した手段によって達成される。有利な実施態様は特許
請求の範囲第２項ないし第６項に記載されている。これ
らの本発明に基づく燃焼器の燃焼方法は特許請求の範囲
第７項ないし第12項に記載されている。
〔作用効果〕
図面を参照して後述するように本発明は、NOxの発生
量を減少するために主に２つの方式を有効に結合してい
る。まず燃料豊富な一次燃焼室を持った多段燃焼の原理
的な方式をとっている。一次燃焼室の構造容積を高い燃
焼温度において小さく保ちかつ室壁の過熱を防止するた
めに、一次燃焼室は不活性物質供給装置によって取り囲
まれ、その室壁は不活性物質好適には窒素を供給する多
数の開口を有している。その場合開口は、不活性物質が
室壁に沿って燃焼ガスと平行に流入するように形成され
ている。このようにして燃焼領域はそこに酸素が存在し
ないので室壁から押しのけられ、同時に室壁は流入する
不活性物質によって冷却される。両方の相乗効果が、一
次燃焼室の内部が高い燃焼温度であるにも拘わらず、室
壁温度を非常に著しく低下させることができる。原理的
にはその場合再燃焼は公知の方式と同じように行われ
る。
一次燃焼室の終端範囲において、再燃焼が行われる前
に、不活性物質の追加量を供給するようにすると、特に
有利である。一次燃焼室の終端範囲において更に不活性
物質を供給することによって、λ≒１の空気過剰率で燃
料・空気の混合物が得られる前に、温度が低下する。即
ちサーマルNOxの減少が達成される。その場合原理的に
は供給される不活性物質の選択は使用される燃料に左右
され、その場合窒素含有石炭ガスに対しては、空気分解
装置からもともと得られる窒素が使用される。
多くの用途に対して、一次燃焼室の後方の終端範囲に
おいて不活性物質および空気を必ずしも別々に供給する
必要はない。これら両方の物質を同時に供給する場合も
大きな利点を生ずる。
〔実施例〕
以下図面に示した本発明に基づく実施例について説明
する。本発明の理解にとって不必要なガスタービン部分
は省略されている。
図面は燃焼器を示しており、これは基本的には燃料豊
富混合物を予備燃焼するための一次燃焼室７と再燃焼す
るための二次燃焼室11との２つの燃焼段を有している。
燃料ガス入口１および良好な混合を得るための旋回装置
３を備えた空気入口２によって、一次燃焼室７の中で燃
料豊富混合物が発生される。一次燃焼室７の室壁８は窒
素供給装置４によって取り囲まれ、多数の開口５を有し
ており、これらの開口５を通して窒素が一次燃焼室７に
流入する。その場合開口５は、窒素が好適には室壁８に
沿って燃焼ガスの流れ方向に流れて室壁８の近くに防護
ブランケットを形成するように形造られている。この防
護ブランケットが燃焼領域を室壁８から押しのけ、更に
流入する窒素が室壁８を補助的に冷却する。この相乗効
果により、室壁８の熱負荷は著しく軽減され、一次燃焼
室７はその内部が高い燃焼温度になるにも拘わらず、非
常にコンパクトに構成できる。供給される窒素は一次燃
焼室７における燃焼過程を阻害せず、また再燃焼の際
に、サーマルNOxの形成を阻止する補助的な不活性物質
として積極的に作用する。この効果を一層助成するため
に、および燃焼ガスを一次燃焼室７の後方で冷却するた
めに、この一次燃焼室７はその終端範囲に、多量の窒素
を供給するための別の入口開口６を有している。この補
助的な窒素が燃焼ガスに混合されそしてこの燃焼ガスを
冷却した後に始めて、二次燃焼室11の空気入口９を介し
て別の空気が混合され、その結果過剰空気において再燃
焼が行われる。この処置によって二次燃焼室11において
同様にほんの僅かしかNOxは生じない。必要な場合、多
段燃焼器の出口12の前において別の入口10を通して廃ガ
スに更に混合空気を供給できる。
上述した実施例は単に本発明の一実施例に過ぎない。
室壁範囲に不活性物質を供給することにより燃料豊富混
合物を予備燃焼するための一次燃焼室を冷却すること
は、別の装置においても実施できる。たとえば一次燃焼
室には原則的には予備燃焼領域を前置接続することもで
きるが、これは本発明が正に避けようとしていることで
ある。場合によっては更に、例えば構造長さのような周
辺条件によって必要である場合、一次燃焼室と二次燃焼
室との間における中間範囲において、不活性物質および
空気が供給される。
なお、窒素を含まない燃料物質を使用する場合、別の
不活性物質例えば水蒸気が使いられ、その場合不活性物
質供給装置を水蒸気供給装置とすることができる。また
不活性物質として窒素を使用する場合、二次燃焼室へ流
入する際の窒素の総量を約10〜70重量％とすると有利で
ある。
【図面の簡単な説明】
図面は本発明に基づくガスタービンの多段燃焼器の概略
断面図である。 1:ガス入口、2:空気入口、4:不活性物質供給装置、5:入
口開口、6:入口開口、7:一次燃焼室、8:室壁、9,10:空
気入口、11:二次燃焼室、12:出口。

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】約λ＝0.6〜0.9の空気過剰率を有する燃料
    豊富混合物質を予備燃焼するために少なくとも１つの一
    次燃焼室（７）と、約λ＝1.3〜２の大きな過剰空気で
    再燃焼するための少なくとも１つの二次燃焼室（11）と
    から成り、その場合燃料ガスがガス入口（１）を介し
    て、空気が空気入口（２）を介して、場合によってはガ
    スおよび空気の両方が予備混合領域を通過した後に一緒
    に一次燃焼室（７）に導かれるような少ないNOx発生量
    で窒素含有ガスを燃焼するための多段燃焼器において、
    一次燃焼室（７）がその室壁（８）の面に分布されかつ
    不活性物質がその室壁（８）に沿って燃焼ガス流れ方向
    に流入するように形成された多数の入口開口（５）を有
    し、これらの入口開口（５）が不活性物質供給装置
    （４）に接続されていることを特徴とする多段燃焼器。
  2. 【請求項２】一次燃焼室（７）の終端範囲に多量の不活
    性物質用を供給するための別個の入口開口（６）が設け
    られていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
    の燃焼器。
  3. 【請求項３】不活性物質供給装置（４）が窒素供給装置
    であることを特徴とする特許請求の範囲第１項または第
    ２項記載の燃焼器。
  4. 【請求項４】不活性物質供給装置（４）が水蒸気供給装
    置であることを特徴とする特許請求の範囲第１項または
    第２項記載の燃焼器。
  5. 【請求項５】二次燃焼室（11）が空気過剰率を約λ＝1.
    3〜２に高めるための空気入口（９）と、場合によって
    は混合空気を供給するための空気入口（10）とを有して
    いることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第４
    項のいずれか１つに記載の燃焼器。
  6. 【請求項６】一次燃焼室（７）の終端範囲に不活性物質
    ・空気の混合物を供給するための別個の入口開口（６）
    が設けられていることを特徴とする特許請求の範囲第１
    項、第３項および第４項のいずれか１つに記載の燃焼
    器。
  7. 【請求項７】まず一次燃焼室（７）において約λ＝0.6
    〜0.9の空気過剰率で予備燃焼し、次に二次燃焼室（1
    1）において約λ＝1.3〜２の空気過剰率で再燃焼するよ
    うにして少ないNOx発生量で窒素含有ガスを２段燃焼す
    る方法において、一次燃焼室（７）においてその室壁
    （８）の面に分布されかつ不活性物質がその室壁（８）
    に沿って燃焼ガス流れ方向に流入するように形成された
    多数の入口開口（５）を介して不活性物質が供給され、
    この不活性物質が室壁（８）を冷却しそして燃焼領域を
    室壁（８）から遠ざけることを特徴とする多段燃焼器の
    燃焼方法。
  8. 【請求項８】不活性物質として窒素が用いられることを
    特徴とする特許請求の範囲第７項記載の方法。
  9. 【請求項９】窒素を含まない燃料物質を使用する場合別
    の不活性物質例えば水蒸気が用いられることを特徴とす
    る特許請求の範囲第７項記載の方法。
  10. 【請求項１０】二次燃焼室（11）における再燃焼が行わ
    れる前に、一次燃焼室（７）の終端範囲に追加的に不活
    性物質が供給されることを特徴とする特許請求の範囲第
    ７項または第８項記載の方法。
  11. 【請求項１１】一次燃焼段室（７）の終端範囲に二次燃
    焼室（11）における再燃焼のために不活性物質・空気の
    混合物が供給されることを特徴とする特許請求の範囲第
    ７項または第８項記載の方法。
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