JP2774666B2 - バッフルプレート及びそれを利用した燃焼器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、バッフルプレートに関する。更に詳述する
と、本発明は触媒燃焼ガス等の高温ガスを着火源とした
予混合燃焼場等において特に混合、着火、保炎性能を向
上するのに好適なバッフルプレートに関する。

（従来の技術） 従来、バッフルプレートはバーナの火炎が吹き消えな
いように火炎安定化のために一般的に用いられている。
通常、このバッフルプレートはバーナの空気流を遮り、
または旋回渦流を作り下流部に着火可能な低速の高温循
環域を形成させるようにしたものである。２つの流体を
混合する手段としては一般に燃焼用空気の運動エネルギ
を利用した混合器が採用されている。

一方、本発明者らは低NOxのガスタービン用燃焼器を
開発するにあたって、工業的に実用化された小型の触媒
燃焼部と予混合気供給部とをセグメント化して組合せ、
１つの大型バーナを構成して触媒燃焼と気相燃焼との複
合燃焼によって触媒温度を触媒の耐熱温度以下に保って
触媒の劣化を防ぎつつ燃焼器出口の燃焼ガス温度を高く
することを考えた。

（発明が解決しようとする課題） ところが、この触媒燃焼器と予混合燃焼器とを組合せ
る場合には燃焼の均一性を得るために高温ガス流と予混
合気とを混合する必要がある。

この高温ガス流と予混合気とを混合する手段として、
予混合気の噴射方向を触媒燃焼ガスの流れに向けて混合
拡散することもすることも考えられるが、触媒から噴射
される燃焼ガスは触媒の耐熱性の関係から着火ないし保
炎源としては比較的低温であるため、予混合気とあまり
混合し過ぎると失火を招く虞がある。

そこで、燃焼ガスと予混合気とを適度に混合する手段
が望まれる。

本発明は、比較的低温（700〜1000℃）から高温（100
0〜1500℃）までのガス流を、燃料と空気の予混合気の
着火ないし保炎源として、しかも均一な予混合燃焼場を
得ることができるバッフルプレート及びそれを利用した
燃焼器を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） かかる目的を達成するため、本発明のバッフルプレー
トは、ガス流の中央部の流れを遮り下流側に負圧部を形
成する中央バッフル部と、その周辺において前記流れを
周方向に分割する放射状でかつ上下左右非対称形状の複
数の補助バッフル部とから成り、前記補助バッフル部で
分割された流れの各流動方向が前記流れの軸に対して捩
れかつ中央バッフル部の下流の前記負圧部に向かうよう
にしている。

また、本発明のバッフルプレートは、中央バッフル部
から半径方向に板状の補助バッフル部を突出し、かつ各
補助バッフル部の半径方向の一側に中央バッフル部に向
かうに従って補助バッフル部の幅が挟まる切欠きを設け
るようにしている。

また、本発明のバッフルプレートを利用した燃焼器
は、予混合気供給部と、予混合燃焼の着火・保炎源とし
ての別の燃焼部とを並列に配置すると共にそれらの下流
に予混合燃焼部を形成し、かつ別の燃焼部の燃焼ガス吹
出し口に上述のバッフルプレートを配置するようにして
いる。

また、本発明の燃焼器において、別の燃焼部は触媒燃
焼部であることを特徴とする。

（作用） したがって、バッフルプレートは別の燃焼部から噴出
される高温ガス流の下流に負圧部を形成するように作用
する。そして、補助バッフル部で分割された流れの各流
動方向が前記流れの軸に対して捩れかつ中央バッフル部
の下流の負圧部に向かい、バッフルプレート下流側の流
れの干渉作用により高温ガス流の流れに緩やかな回転性
が与えられる。更に高温ガスの周囲から供給される予混
合気は補助バッフル部の下流で生じた負圧部に向かう流
れが生じ、緩やかな回転の生じた高温ガスと適度な混合
をし、保炎性、燃焼の均一性に優れた予混合燃焼場が得
られる。

（実施例） 以下、本発明の構成を図面に示す実施例に基づいて詳
細に説明する。尚、本実施例は触媒燃焼と気相燃焼とを
組合せた燃焼器について実施したものである。

第１図に本発明を適用した触媒燃焼式ガスタービンの
概略図である。この実施例の触媒燃焼式ガスタービン用
燃焼器は、予混合気供給部４と、別の燃焼部である触媒
燃焼部３とを並列に配置して成るバーナ部１と、それら
の下流に形成された予混合燃焼部２とから主に成り、触
媒燃焼部３からの触媒燃焼ガスを保炎源として予混合気
供給部４からの予混合気を希薄予混合燃焼させるように
している。本触媒燃焼器は触媒燃焼から得られた比較的
低温のガス流（触媒の耐熱性から1000℃程度以下）を着
火、保炎源としガス流周囲から供給される燃料と空気の
予混合気を安定に燃焼させNOxの発生を極力抑制する燃
焼器である。

燃焼器は、図示していないが、通常、ケーシング（図
示省略）とライナ11との２重筒構造が採られ、ライトと
ケーシングとの間に形成された空気流路にガスタービン
側から供給される圧縮空気を導入して、予混合気供給部
４と触媒燃焼部３の集合から成るバーナ部１と、ライナ
11の冷却空気孔（図示省略）及びバイパス通路（図示省
略）を経てライナ11の内側の予混合燃焼部２に供給する
ように設けられている。

また、予混合燃焼部２はセラミックスによって包囲さ
れ、冷却の必要性がほとんどない高温壁の存在によっ
て、気相燃焼が起き難い状態の予混合燃焼部２の熱ロス
を小さく抑えて均一かつ完全燃焼させるように設けられ
ている。例えば、図のように金属筒11aを構造材とし、
内壁11bをセラミックスとすることで、より温度が均一
で安定性のある燃焼場を得ることができる。この場合、
セラミックスはタイルのようなものでも、繊維状のもの
でも良い。また、ライナ全体をセラミックスで成形する
ことも可能である。

予混合気供給部４は、例えばケーシング内に開口され
る空気供給管20と燃料ノズル21とによって構成されてお
り、開口面積比に従って分配される圧縮空気及び燃料ノ
ズル21から噴出された燃料により所定濃度の予混合気を
得るように設けられている。また、予混合気供給部４を
構成する空気供給管20の出口にはスワラ22が設置されて
おり、予混合気を触媒燃焼ガスの流れに向けて噴射さ
せ、触媒燃焼ガスとある程度拡散混合するように設けら
れている。

触媒燃焼部３は、好ましくはチューブセグメントに触
媒18を充填して成り、その上流側に予混合器30を備える
ようにしている。例えば、触媒18とバッフルプレート40
を内蔵したセラミックス製触媒筒19と、空気供給管31と
燃料ノズル32によって構成される予混合器30とから成
る。予混合器30は、燃料を流す燃料ノズル32と、空気を
流す流路を空気供給管31とから成り、空気の流れ方向に
緩やかに外径を増す山部34と空気の流れ方向に平行な谷
部33とを一定間隔置きに交互に周方向に設けた花弁状の
燃料ノズル32と、それを囲撓する空気供給管31とにより
構成され、谷部33を流れる空気が山部34の下流に形成さ
れる負圧部に流入することによって空気と燃料とを混合
するようにしている。燃料ノズル32の燃料噴射口35は空
気の流れと交差する山部34の壁面に開口され、空気の流
れと同方向に噴射される。

触媒18の下流即ち触媒燃焼部３の出口にはバッフルプ
レート40が設けられている。このバッフルプレート40
は、ガス流の中央部の流れを遮る中央バッフル部41と、
その周辺において前記流れを分割する半径方向の複数の
補助バッフル部42a,42b,42c,42dとから成り、補助バッ
フル部42a,42b,42c,42dで分割された流れの各流動方向
が前記流れの軸に対して捩れかつ中央バッフル部41の下
流の負圧部43に向かうように構成されている。例えば、
第２図（Ａ）に示すように、触媒燃焼ガスの中央部の流
れを塞ぐ中央バッフル部41から径方向に４個の補助バッ
フル部42a,42b,42c,42dが突出して十字型を成すように
構成されている。そして、各補助バッフル部42a,42b,42
c,42dの一側の根元の一部が切欠かれて先端より根元に
向かうに従って補助バッフル部の幅が挟まる切欠き44が
設けられ、各補助バッフル部42a,42b,42c,42dの間で分
割された流れの各流動方向が前記流れの軸に対して捩れ
かつ中央バッフル部41の下流の負圧部43に向かうように
構成されている。

これにより、触媒燃焼ガスは切欠き部分44より中心の
負圧部分43に向けてそれぞれ流入し、更に補助バッフル
プレートの後流の負圧部に向かって外周の予混合気が流
入する。このとき、切欠き44の配置が点対称であるた
め、各流れは衝突せずに緩やかな旋回流を発生させる。
この緩やかな旋回流は周囲の予混合気供給部４から噴射
される希薄予混合ガスの一部を巻き込み適度な混合を達
成する。

尚、高温燃焼ガスと予混合気との混合の強度は流路を
遮蔽する部分の面積及び補助バッフル部42a,…,42dが与
える回転性（例えば高温ガス流路の角度で代表される）
により調整が可能である。本実施例によれば、触媒燃焼
ガスという比較的低温のガス流によってして予混合燃焼
の保炎源となり、しかも安定かつ均一な燃焼場を得るこ
とができる。

また、第２図（Ｂ）にも示すように、燃焼器の中央に
予混合気供給部４を配置し、その周辺に触媒燃焼部３を
環状に配置する場合には、環状触媒３の内側部分を遮蔽
するリング状のバッフルプレート45を採用する。このバ
ッフルプレート45は、外径側に一定間隔置きに径方向に
突出する補助バッフル部46を設けた対称形状を成す。こ
のバッフルプレート45によると、予混合気供給部４から
噴出した予混合気がバッフルプレート背部の負圧の影響
を受けて外側に向かって広がり、補助バッフル部46の背
部に生ずる負圧部に向かって触媒燃焼ガスが分流して流
れるため、バッフルプレート45の背後に回り込んだとき
にも予混合気同士の流れの衝突による混合の阻害が起こ
らずに良好に混合される。

尚、上述の実施例は本発明の好適な実施の一例ではあ
るがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱
しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、
第２図のバッフルプレートは軸対称流に適用したものを
例示しているが、高温ガス流路が矩形等の他の形状であ
っても良い。

また、本実施例では別の燃焼部として触媒燃焼を挙げ
ているが、これに特に限定されるものではなく、触媒燃
焼以外の他の燃焼部と予混合燃焼との複合燃焼構造をも
つ燃焼器全般に適用可能である。

更に、第３図に示すように、十字型のバッフルプレー
ト40の各補助バッフル部422a,…,42dをそれぞれ軸中心
に対して偏心させることによって各補助バッフル部42a,
…,42dの間の流路を通過する高温燃焼ガスが互いに衝突
しないように捩れて負圧部43に向かって流入するように
構成しても良い。

以上のように構成した本発明のガスタービン用燃焼器
によると、LNG、LPG、石炭ガス化ガス等の低カロリーガ
スその他のガス燃料及びジーゼル油、メタノール等の液
体燃料並びに燃焼用空気を、予混合燃焼部２の保炎に最
低限必要な未燃燃料を確保しつつ完全燃焼しない量だ
け、例えば1000℃以下の触媒燃焼ガスを得るだけの燃料
と空気とを触媒燃焼部３に供給して触媒燃焼させる一
方、予混合気供給部４に残りの燃料と空気を供給して希
薄予混合気を生成し、それを触媒燃焼部３から噴射され
る触媒燃焼ガスの周囲に噴射し、保炎源としての触媒燃
焼ガスと予混合気とを混合して安定な希薄予混合燃焼を
形成することによって、NOxの発生を抑制すると共にガ
スタービン用燃焼器として必要な燃焼器出口温度例えば
1300℃の燃焼ガスを得る。

この触媒燃焼式ガスタービン用燃焼器について実施し
た燃焼試験を実施した。

本試験は、コージェライト製正方セルハニカム型担体
に、アルミナ系活性担体を担持し、さらに白金系活性成
分を担持した触媒18を使用した。該触媒18は、直径100m
m、長さ25mm、セルピッチ1.5mmの大きさで、これを３段
使用し、入口側に低温活性の高い触媒、出口側に高温安
定性の高い触媒を配置して行った。空気及び燃料はそれ
ぞれ流量制御可能な２系統から燃焼器に供給した。空気
加熱は電気ヒータによる加熱及び燃焼ガスとの熱交換に
よって行なった。

そして、所定温度に予熱した空気を燃焼器に供給した
後、触媒燃焼部３に燃料を供給して触媒燃焼を開始し、
触媒層出口温度を約1000℃に保持した。次に予混合気供
給部（予混合燃焼用）４に燃料を供給して複合燃焼を開
始し、各部温度、圧力、燃焼ガス性状を測定した。燃料
としてはLPGを使用し、第１表に示す条件を基準として
大気圧下で試験を実施した。

以上の試験結果より、触媒燃焼と予混合燃焼との複合
燃焼化によって、触媒層出口温度を1000℃以下に保持し
ながら、燃焼器出口ガス温度1300℃、NOx 10ppm（16％
O₂換算5ppm）以下、燃焼効率ほぼ100％の低NOx安定燃
焼が可能であることが確認された。また、触媒燃焼部へ
の空気配分及び触媒燃焼部の燃焼効率の最適制御によっ
て更に超低NOx化を図れる可能性が示された。

（発明の効果） 以上の説明より明らかなように、本発明は、別の燃焼
部から噴出される高温ガス流の下流にバッフルプレート
によって負圧部を形成し、補助バッフル部の背部に形成
された負圧部に向かって高温燃焼ガスが分流して流れる
ようにしたので、バッフルプレート下流側の流れの干渉
作用により高温ガス流の流れに緩やかな回転性が与えら
れ、高温ガス流の周囲から供給される燃料と空気の予混
合気が高温ガス流と適度な混合をし、保炎性、燃焼の均
一性に優れた予混合燃焼場が得られる。

また、補助バッフル部で分割された流れの各流動方向
を前記流れの軸に対して捩れかつ中央バッフル部の下流
の負圧部に向かうようにしたので、バッフルプレート下
流側の流れの干渉作用により高温ガス流の流れに緩やか
な回転性が与えられ、高温ガス流の周囲から供給される
燃料と空気の予混合気が高温ガス流と適度な混合をし、
保炎性、燃焼の均一性に優れた予混合燃焼場が得られ
る。

依って、本発明のバッフルプレートを使用した燃焼器
は、非常に安定性の悪い予混合燃焼を比較的低温の燃焼
ガス流により安定化させることができる。特に、燃焼部
に触媒燃焼部を採用する場合には、触媒の熱による劣化
を防止すると共に安定な低NOx燃焼を達成することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の混合器を適用した触媒燃焼式ガスター
ビン用燃焼器のバーナ部分の一具体例を示す中央縦断面
図である。 第２図（Ａ），（Ｂ）は本発明のバッフルプレートの一
実施例を示す正面図である。 第３図はバッフルプレートの他の実施例を示す正面図で
ある。 第４図は触媒燃焼部の一例を示す拡大縦断面図である。 40,45……バッフルプレート、 41……中央バッフル部、 42a,42b,42c,42d,46……補助バッフル部、 43……負圧部、44……切欠き部、 ２……予混合燃焼部、 ３……触媒燃焼部（別の燃焼部）、 ４……予混合気供給部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｆ２３Ｄ 14/70 Ｆ２３Ｄ 14/70 Ａ (72)発明者 久松 暢 神奈川県横須賀市芦名２―24―41 (72)発明者 石川 浩 神奈川県座間市ひばりが丘１―5336―３ (72)発明者 山中 亨 大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号 関西電力株式会社内 (72)発明者 雑賀 幹人 大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号 関西電力株式会社内 (72)発明者 岡畑 征弘 大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号 関西電力株式会社内 (72)発明者 星野 俊文 神奈川県横浜市鶴見区尻手２丁目１番53 号 日本ファーネス工業株式会社内 (72)発明者 長谷川 敏明 神奈川県横浜市鶴見区尻手２丁目１番53 号 日本ファーネス工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭56−117023（ＪＰ，Ａ) 実開 昭64−8055（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F23R 3/30 F23R 3/40 F23R 3/28 F23R 3/20 F23R 3/16 F23D 14/24 F23D 14/70

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガス流の中央部の流れを遮り下流側に負圧
   部を形成する中央バッファ部と、その周辺において前記
   流れを周方向に分割する放射状でかつ上下左右非対称形
   状の複数の補助バッフル部とから成り、前記補助バッフ
   ル部で分割された流れの各流動方向が前記流れの軸に対
   して捩れかつ中央バッフル部の下流の前記負圧部に向か
   うことを特徴とするバッフルプレート。
2. 【請求項２】前記中央バッフル部から半径方向に板状の
   前記補助バッフル部を突出し、かつ各補助バッフル部の
   半径方向の一側に中央バッフル部に向かうに従って補助
   バッフル部の幅が挟まる切欠きを設けたことを特徴とす
   る請求項１記載のバッフルプレート。
3. 【請求項３】前記バッフルプレートはセラミックスであ
   ることを特徴とする請求項１または２記載のバッフルプ
   レート。
4. 【請求項４】予混合気供給部と、予混合燃焼の着火・保
   炎源としての別の燃焼部とを並列に配置すると共にこれ
   らの下流に予混合燃焼部を形成し、前記別の燃焼部の燃
   焼ガス吹出し口に請求項１ないし３のいずれかに記載の
   バッフルプレートを配置したことを特徴とする燃焼器。
5. 【請求項５】前記別の燃焼部は触媒燃焼部であることを
   特徴とする請求項４記載の燃焼器。