JP3449802B2 - ガス燃焼装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明はガス燃焼装置、特に、予
混合ガスを２段に供給することにより低ＮＯx 燃焼を可
能としたガス燃焼装置において、特に低い燃料割合（低
負荷）での安定燃焼を可能としたガス燃焼装置に関す
る。 【０００２】 【従来の技術】燃焼により生成されるＮＯx の大気への
放出が大きな問題となっており、ガス燃焼装置から排出
されるいわゆるサーマルＮＯx についてもその低減が課
題となっている。ガス燃焼装置の一つの例としてガスタ
ービン用燃焼器を考えると、安定した燃焼の得られる拡
散燃焼が用いられる場合には、燃料・空気混合気の燃焼
は２０００℃前後の断熱的な火炎温度を生じ、燃焼器下
流に設置される金属製タービン翼の耐熱温度以下に燃焼
ガス温度を下げるべく燃焼ガスは空気と混合される。し
かしながら、拡散火炎表面が高温度であることによりＮ
Ｏx の生成を完全に回避することはできない。燃焼火炎
の温度を下げてＮＯx の生成を低減するための有効な燃
焼方法として、燃料と燃焼用空気を燃焼前に混合し、希
薄な予混合ガスとして燃焼させる予混合燃焼法が行われ
ている。 【０００３】本出願人は、予混合燃焼法を用いた改良さ
れたガス燃焼装置として、図８、図９に示すような予混
合ガス燃焼装置を開発してすでに提案している（特開平
５−２９６４１２号公報参照）。この予混合ガス燃焼装
置は、中心部に着火用燃料ガス噴出孔を設け、その周囲
に空気と燃料ガスとの混合比が一定である一次燃焼用予
混合ガスの噴出孔と、さらにその外周に燃料ガス量を可
変とすることにより空気と燃料ガスとの混合比が可変と
される二次燃焼用予混合ガスの噴出孔とを同心円状に設
けたものである。 【０００４】着火用燃料ガス噴出孔１には導管１１を介
して着火用燃料ガスＧが供給され、一次燃焼用予混合ガ
ス噴出孔２には導管１２を介して一次燃料ガスＧ₁ が供
給され、また二次燃焼用予混合ガス噴出孔３には導管１
３を介して二次燃料ガスＧ₂が供給されて、それぞれ先
端側（噴出端）から噴出されるようになっている。一
方、筒体１００の下流側（図において右側）には空気導
入口１００ａが形成されて、ここから燃焼用空気Ａが供
給される。また一次及び二次燃焼用予混合ガス噴出孔２
及び３の噴出端とは反対側の端部はスワーラ１４及び１
５を介して筒体１００の内部に連通しており、予混合用
の空気が導入される。 【０００５】上記提案による予混合ガス燃焼装置におい
ては、起動時には着火用燃料ガス噴出孔１から着火用燃
料ガスを噴出させて拡散燃焼させると共に、一次燃焼用
予混合ガス噴出孔２からは空気と一次燃料ガスとの混合
比が一定な予混合ガスを噴出させて燃焼させ、起動後は
二次燃焼用予混合ガス噴出孔３から負荷に対応した混合
比の空気と二次燃料ガスとの予混合ガスを噴出させて燃
焼させ、その後着火用燃料ガスを絞り込む。この燃焼装
置では、一次燃焼用予混合ガスは一定量供給して燃焼を
継続するようにしたので、排ガス中にＮＯx 成分の多い
拡散燃焼は起動時のみとなり、その後は広い空気比にお
いて未燃分の排出を低い値に抑えたままでＮＯx の排出
を抑えることができ、従来の予混合ガス燃焼装置に比べ
て大幅な低ＮＯx 化が実現できる。また、負荷変動にか
かわらず燃焼用空気Ａの供給量を不変としたので、燃焼
用空気の流量を制御するための可変機構が不要となり燃
焼器の構造が簡単となると共に小型化が図れる利点があ
る。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】本発明者は上記の予混
合ガス燃焼装置について燃焼実験をさらに継続する過程
において、燃焼装置の定格負荷時にＮＯx の排出と未燃
分の排出を共に抑えた燃焼を行った場合、負荷を絞って
いく（二次燃料ガス量を減らして、二次燃焼用予混合ガ
スを希薄にしていく）と、ある負荷率以下では未燃焼成
分（ＣＯ）が大量に排出されることになり、燃焼効率の
低下をきたすことを知った。さらに研究を行うことによ
り、低い負荷においてもＮＯx の排出と未燃焼成分の排
出を共に抑えた燃焼を得るのに最も有効な手段は、二次
燃焼用予混合ガスに対する一次燃焼用予混合ガスの割合
を十分に大きくすることが必要なことを知った。これ
は、一次燃焼用予混合ガスは火炎を伴う通常の燃焼をす
るのに対して、二次燃焼用予混合ガスは一次燃焼用予混
合ガスが燃えた際の熱による気相燃焼をするために、二
次燃焼用予混合ガスに十分な熱を与えるだけの一次燃焼
用予混合ガスが必要となるからである。 【０００７】しかしながら、上記の予混合ガス燃焼装置
においては一次燃焼用予混合ガスは負荷によらず一定量
供給されることから、一次燃料ガス量を相対的に増やす
ことは、負荷に対応した二次燃焼用予混合ガスの二次燃
料ガス量を低減させることを意味し、それは燃焼装置の
運転時の負荷範囲が狭くなることを意味する。負荷範囲
を拡大すべく、二次燃料ガスの供給割合を増大すると一
次燃料ガスの割合が小さくなり、前記のように二次燃焼
用予混合ガスに十分な熱を与えるだけ発熱量を得ること
ができず二次燃料ガスに未燃分が発生し、高い燃焼効率
の得られる範囲が同様に狭くなる。 【０００８】燃焼装置の負荷範囲を拡大する方法とし
て、一次燃焼用予混合ガスの燃料ガスと空気との混合比
を変えることも考えられるが、一次燃焼用予混合ガスの
燃料ガス濃度はＮＯx 生成を低減するために十分希薄と
されており、これ以上希薄にすれば失火を招く恐れがあ
り、実際的な解決策とはならない。図７は上記の燃焼装
置をガスタービン燃焼器とほぼ同じ条件で燃焼試験した
場合の燃料供給スケジュールの一例を示しており、本発
明者らの実験によれば、燃料割合１００％〜８５％の範
囲においては低ＮＯx かつ高い燃焼効率を得られる燃焼
が可能であるが、この範囲において高燃焼効率を保つに
は、定格時の燃料ガスの約６０％を一次燃料ガスとして
供給する必要があり、負荷変動には定格時燃料ガスの約
４０％の二次燃料ガスを調節して対応することとなり、
このときの燃焼装置の運転負荷範囲は燃料割合で６０％
〜１００％の範囲に限られた。負荷範囲を拡大すべく、
二次燃料ガスの供給割合を増大し、一次燃料ガスの割合
を小さくすると、前記のとおり十分な発熱量が得られず
二次燃料ガスに未燃分が発生し高い燃焼効率の得られる
範囲が狭くなった。 【０００９】上記のようにすでに提案している燃焼装置
において、一次燃料ガス及び／又は二次燃料ガスの調整
のみでは低ＮＯx かつ高燃焼効率での負荷範囲の拡大を
達成することができないことから、視点を変えて、着火
用燃焼ガス噴出孔のみから燃料ガスを供給して燃焼させ
ることを試みたが、その場合には拡散燃焼割合の増大に
よるＮＯx 発生が増加するとともに、定格時燃料ガス供
給量の約３０％程度の燃料ガス量で失火してしまい、満
足な結果が得られなかった。これは、定格時の約６０％
の燃料ガスを一次燃料ガスとして供給する設定では燃焼
用空気の約５０％が一次予混合ガス噴出孔に供給され、
着火用燃料ガス噴出孔から供給された燃料ガスは一次予
混合ガス噴出孔に供給される相対的に多量の燃焼用空気
と拡散燃焼するため、着火状態を継続するには一次予混
合ガス噴出孔に供給される燃焼用空気量に見合った相対
的に多量のガス量が必要とされるという理由によるもの
と解される。 【００１０】本発明の目的は、本出願人が既に提案した
図８、図９に示す形式の予混合ガス燃焼装置の持つ上記
のような不都合を解消することにあり、より具体的に
は、低負荷での燃焼条件を改善し、それにより、低ＮＯ
x かつ高燃焼効率の燃焼範囲を低負荷範囲まで拡大した
ガス燃焼装置を提供することにある。 【００１１】 【課題を解決するための手段】上記の課題を解決しかつ
目的を達成するための本発明によるガス燃焼装置は、基
本的に、中央部のパイロットガス流路とその周囲の空気
流路とからなるパイロットガスノズルと、該パイロット
ガスノズルの周囲の、空気と燃料ガスとの混合比が一定
もしくは必要に応じて可変である一次燃焼用予混合ガス
の噴出孔と、該一次燃焼用予混合ガス噴出孔の周囲の、
燃料ガス量を可変とすることにより空気と燃料ガスとの
混合比が可変とされる二次燃焼用予混合ガスの噴出孔と
を配置した構造を有する。 【００１２】本発明のガス燃焼装置の好ましい態様にお
いては、前記パイロットガス流路の周囲の空気流路にス
ワーラが配置される。また他の好ましい態様では、前記
パイロットガス流路のガス噴出孔はその周囲の空気流路
中であってかつ前記スワーラの下流において径方向の異
なった位置に複数個配置される。さらに、前記パイロッ
トガス流路のガス噴出孔は前記一次燃焼用予混合ガスの
噴出孔の軸方向位置と同じ軸方向位置としてもよく、前
記一次燃焼用予混合ガスの噴出孔の軸方向上流側に偏位
した位置としてもよい。 【００１３】 【作 用】上記の構成である本発明によるガス燃焼装置
においては、パイロットガス流路からはパイロット燃料
ガスが供給されると同時に、その周囲に位置する空気流
路から燃焼用空気が供給される。すなわち、先に提案し
た燃焼装置においては、着火用燃料ガス噴出孔から噴出
する着火用燃料ガスはその周囲に位置する一次燃焼用予
混合ガス噴出孔から噴出する一次燃焼用予混合ガス中の
空気と混合して燃焼していたが、本発明による燃焼装置
においては、パイロット燃料ガスは前記空気流路から供
給される空気と主に混合して燃焼する。 【００１４】それにより、パイロット燃料ガスの燃焼は
安定し、低い燃料割合まで失火せずに安定燃焼すること
が可能となる。その熱により一次燃焼用予混合ガスも安
定燃焼することから、低負荷での低ＮＯx かつ高燃焼効
率での安定燃焼が達成される。本発明者らの実験によれ
ば、一次燃焼用予混合ガス量よりもパイロットガス流路
の周囲の空気流路に供給される空気量を少なくする（例
えは、一次燃焼用予混合ガス量の約５０％程度）ように
空気流路を設計することにより、さらに安定した燃焼を
得ることが可能となり、これによって負荷範囲をさらに
拡大できる。 【００１５】本発明のガス燃焼装置において、例えば図
６に示す燃料供給スケジュールのように、パイロット燃
料ガスは、着火時と低負荷時に供給される他、必要に応
じて定格負荷までの全ての負荷範囲において供給する。
本発明者らの実験によれば、パイロットガスノズルから
噴出する混合ガス（以下パイロット混合ガスという）の
濃度を高負荷時において一次燃焼用予混合ガスの濃度と
同等あるいは一次燃焼用予混合ガス濃度よりも幾分希薄
にすることにより、図５に示すように高い燃焼効率と従
来の燃焼装置とほぼ同等のＮＯx 生成量とを同時に達成
することが可能となった。 【００１６】パイロットガス流路の周囲の空気流路にス
ワーラを設ける場合には、パイロット燃料ガス用空気流
又はパイロット混合ガスに旋回を生じさせることがで
き、それにより、低負荷時でのパイロット混合ガス火炎
の安定性が一層向上する。パイロットガス流路のガス噴
出孔の位置は一次燃焼用予混合ガスの噴出孔の軸方向位
置と同じ位置かそれよりも軸方向上流側に偏位した位置
に配置されるが、パイロットガスの噴出孔を一次燃焼用
予混合ガスの噴出孔よりも軸方向上流側に配置した場合
には、一次燃焼用予混合ガスのパイロット燃料ガスへの
影響を小さくすることができ、より少ないガス量で安定
燃焼が得られ、燃焼器の負荷範囲がさらに拡大する。 【００１７】本発明の燃焼装置において、パイロットガ
ス流路のガス噴出孔を中心位置としその周囲に空気流路
を配置した場合には、パイロット燃料ガスと空気との混
合が積極的には促進されない状態で下流側である燃焼場
にパイロット混合ガスが供給されることから拡散燃焼を
主とした燃焼となり、安定燃焼の促進が可能となる。し
かし、この場合には、ある程度のＮＯx の増加は避けら
れない。ＮＯx 排出量の減少を特に必要とする場合に
は、前記パイロットガス流路の周囲の空気流路中であっ
てかつスワーラの下流の位置に、径方向の異なった位置
となるようにしてガス噴出孔を複数個配置する。それに
より、パイロット燃料ガスと空気とは前記条件よりも急
速に混合することによって、より予混合燃焼に近い燃焼
状態となり、低ＮＯx 燃焼が達成可能となる。 【００１８】図４は、本出願による先に提案した燃焼装
置において着火用燃料ガスのみを供給したときの燃焼性
能と、本発明による燃焼装置においてパイロット燃料ガ
スのみを供給したときの燃焼性能を示している。なお、
本発明の燃焼装置においてはパイロット燃料ガスの噴出
ノズルの位置を一次燃焼用予混合ガスの噴出孔の軸方向
位置と同じ位置とした場合（同位置配置）と、バイロッ
トガスノズルの流路径程度だけ軸方向上流側に偏位させ
た場合（上流側配置）の２つの態様を示している。 【００１９】グラフから分かるように、先の提案による
燃焼装置では定格時の燃料供給量の約３０％の燃焼割合
の時点で失火しており燃焼範囲は約３０％以上であった
が、本発明による燃焼装置にあっては、噴出孔が同じ位
置の場合でも数％の改善がみられ、噴出孔をバイロット
ガスノズルの流路径程度だけ軸方向上流側に偏位させた
場合においては定格時の燃料供給量の約７％以上の範囲
まで燃焼範囲が拡大した。通常ガスタービン用燃焼器に
要求される燃焼範囲の下限は一般的に定格時の燃料供給
量の２０％〜４０％程度であるが、本発明による燃焼装
置はこれを十分に満足しており、ガスタービンに搭載し
たときに低負荷時での失火の危険性をより低減できるこ
とが立証される。 【００２０】また、低負荷時においてのＮＯx 発生量
は、先に提案した燃焼装置で着火用燃料ガスを供給した
ときに比べ、本発明による燃焼装置でパイロット燃料ガ
スを供給した場合には、噴出孔位置にかかわらず低減し
ている。これは、先に提案した燃焼装置に着火用燃料ガ
スを供給したときはその全てが拡散燃焼するのに対し
て、本発明による燃焼装置にパイロット燃料ガスを供給
したときは、前記のようにパイロット燃料ガスと空気流
路から供給される空気が急速に混合しながら燃焼する拡
散燃焼と予混合燃焼の中間の燃焼形態をとるためにＮＯ
x の低減が図れるものと思われる。 【００２１】 【実施例】以下、本発明によるガス燃焼装置を添付の図
面を参照した実施例に基づきより詳細に説明する。な
お、本発明におけるガス燃焼装置において、パイロット
ガスノズルに係る構成を除き、他の構成は、図８、図９
に基づき説明した本出願人が先に提案している燃焼装置
と基本的に同じである。従って、図８、図９に示す燃焼
装置の各部材と同じ機能を果たす部材については図面に
おいて同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。なお、
燃焼に際しては、前記先に提案している燃焼装置では、
図７に示すように一次燃料ガスはぼ一定量供給され、二
次燃料ガスの量を変えて負荷に対応する燃焼法をとる
が、本発明による燃焼装置では、パイロットガス及び一
次燃料ガスをほぼ一定に供給する燃焼法の他、高負荷に
おいてはパイロットガス及び一次燃料ガスを一定量供給
するが、低負荷においてはパイロットガス及び／又は一
次燃料ガスを可変とする燃焼法をとる場合もある。図６
は本発明による燃焼装置の燃料供給スケジュールの一例
を示す。 【００２２】図１、図２において、５０はパイロットガ
スノズルであり、燃焼装置の上流側中央部に配置され
る。パイロットガスノズル５０の周囲には一次燃焼用予
混合ガス噴出孔２が位置し、さらにその外周には二次燃
焼用予混合ガス噴出孔３が位置している。パイロットガ
スノズル５０は、中央部のパイロットガス流路５１とそ
の周囲の空気流路５２とを有し、該空気流路５２は開孔
５３を介して筒体１００の内部に連通している。この開
孔５３の面積に特に制限はないが、本発明者らの実験に
よれば一次燃焼用予混合ガス量の約５０％程度の量の空
気が導入されるように設計することが望ましい。 【００２３】この実施例において、パイロットガス流路
５１の先端側は閉塞しており、かつその先端の軸方向位
置は前記一次燃焼用予混合ガス噴出孔２の軸方向位置と
ほぼ同じ位置とされている。また、その閉塞端近傍から
放射方向に複数本（図においては６本）のノズル管５５
が前記空気流路５２にまで延出しており、各ノズル管５
５の先端も同様に閉塞している。そして、該ノズル管５
５が空気流路５２内に位置する部分には、複数個（図に
おいては各４個）のガス噴出孔５６が穿設されている。 【００２４】さらに、この実施例において、前記ノズル
管５５の位置よりも上流側の空気流路５２にはスワーラ
５７が取り付けられている。この実施例によるガス燃焼
装置において、パイロット燃焼ガスＧ_p は図示しない管
路を介してパイロットガス流路５１に送給され、ノズル
管５５に形成したガス噴出孔５６から、パイロットガス
流路５１の周囲に位置する空気流路５２内に噴出する。
空気流路５２には開孔５３を介して空気が導入されてお
り、導入される空気はスワーラ５７を通過することによ
り旋回流とされる。パイロット燃料ガスＧ_p は、旋回流
となった導入空気と急速に混合しながら燃焼する拡散燃
焼と予混合燃焼の中間の燃焼をする。 【００２５】パイロット燃料ガスの燃焼用空気は主に空
気流路５２から導入される空気であり、一次燃焼用予混
合ガス噴出孔２から噴出する一次燃焼用予混合ガスの影
響を大きくは受けることなく燃焼可能である。それによ
り、図８及び図９に示す燃焼装置における着火用燃料ガ
スよりも安定した状態でその燃焼を維持することがで
き、図４に基づきすでに説明したように、低い燃焼割合
まで安定燃焼を維持することが可能となる。また、パイ
ロット混合ガスは安定かつ希薄な予混合燃焼に近い燃焼
状態となるので低ＮＯx 燃焼も維持される。 【００２６】図３は本発明のガス燃焼装置の他の実施例
を示しており、この実施例では、パイロットガス流路５
１の閉塞先端部の軸方向位置、すなわちパイロットガス
ノズル５０の先端位置が一次燃焼用予混合ガス噴出孔２
の軸方向位置よりも上流側に所定距離だけ偏位した状態
となっている。この例にあっては、パイロットガスノズ
ル５０から噴出するパイロット混合ガスは図１に示すも
のに比べてさらに一次燃焼用予混合ガスの影響を受けな
いこととなり、パイロット混合ガスの燃焼は一層安定す
る。そのために、図４に示したように、非常に低い燃料
割合まで安定して燃焼を継続することが可能となり、負
荷範囲がさらに拡大する。 【００２７】上記の説明は本発明によるガス燃焼装置の
幾つかの実施例の説明にすぎず、多くの変形例が存在す
る。例えば、パイロットガス流路５１の先端が閉塞して
いることは必須でなく、先端の開放した流路であっても
よい。その場合には、空気流路５２から流入する空気と
パイロット燃料ガスとの混合は積極的には行われない状
態で下流側の燃焼場に移動し、拡散燃焼に近い燃焼を行
うこととなり、より安定した燃焼状態を得ることができ
る。それにより、負荷範囲はさらに拡大する。 【００２８】また、空気流路に設けたスワーラ５７も必
ずしも必須ではなく省略することもできる。その場合に
は、空気とパイロット燃料ガスとの混合程度は低下する
ことから負荷範囲の拡大にとっては有効となるが、反
面、拡散燃焼が増大して低ＮＯx 燃焼は幾分困難とな
る。 【００２９】 【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、パイロットガス流路の周囲に空気流路を設けたこと
により、低負荷時での燃焼条件を改善することが可能と
なり、先に提案した予混合ガスを２段に供給することに
より低ＮＯx 燃焼を可能とした形式の予混合ガス燃焼装
置（特開平５−２９６４１２号公報参照）において、そ
の燃焼負荷範囲を拡大することが可能となる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明によるガス燃焼装置の一例を示す軸方向
断面図。 【図２】図１に示したガス燃焼装置の端面図。 【図３】本発明によるガス燃焼装置の他の例を示す軸方
向断面図。 【図４】燃焼性能の比較を示すグラフ。 【図５】高燃料割合でのＮＯx 排出量と燃焼効率を示す
グラフ。 【図６】本発明によるガス燃焼装置の燃料スケジュール
の一例を示すグラフ。 【図７】先の提案に係る予混合ガス燃焼装置の燃料スケ
ジュールの一例を示すグラフ。 【図８】先の提案に係る予混合ガス燃焼装置を示す軸方
向断面図。 【図９】図８に示した予混合ガス燃焼装置の端面図。 【符号の説明】 ５０…パイロットガスノズル、５１…パイロットガス流
路、５２…空気流路、５３…空気導入用開孔、５５…ノ
ズル管、５６…ガス噴出孔、５７…スワーラ、Ｇ_p …パ
イロットガス、Ｇ₁ …一次燃料ガス、Ｇ₂ …二次燃料ガ
ス、２…一次燃焼用予混合ガス噴出孔、３…二次燃焼用
予混合ガス噴出孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−296412（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−283316（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−217141（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−101841（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−340273（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−43220（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02C 1/00 - 9/58 F23R 3/00 - 7/00

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 中央部のパイロットガス流路とその周囲
   の空気流路とからなるパイロットガスノズルと、該パイ
   ロットガスノズルの周囲の、空気と燃料ガスとの混合比
   が一定もしくは必要に応じて可変である一次燃焼用予混
   合ガスの噴出孔と、該一次燃焼用予混合ガス噴出孔の周
   囲の、燃料ガス量を可変とすることにより空気と燃料ガ
   スとの混合比が可変とされる二次燃焼用予混合ガスの噴
   出孔とを配置しており、前記パイロットガスノズルの空
   気流路にはスワーラを配置しており、前記パイロットガ
   ス流路のガス噴出孔は周囲の空気流路中であってかつス
   ワーラの下流において径方向の異なった位置に複数個配
   置されており、さらに、前記パイロットガス流路のガス
   噴出孔は前記一次燃焼用予混合ガスの噴出孔の軸方向位
   置よりも上流側に偏位して位置していることを特徴とす
   るガス燃焼装置。