JP3585960B2

JP3585960B2 - 低カロリーガス用ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JP3585960B2
Application number: JP22665494A
Authority: JP
Inventors: 雅文福田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-09-21
Filing date: 1994-09-21
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2019-11-10
Also published as: JPH0893501A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は低カロリーガス用タービン燃焼器に係り、特に通常の燃料ガスに加えて窒素ガスをも供給する装置を具える低カロリーガス用ガスタービン燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は従来の燃焼器の断面図、図１１は図１０のＡ−Ａ線における断面図である。図１０において、低カロリーガス供給部８から供給された低カロリーガスは、燃料噴射ノズル２から燃焼器ライナー１の内部に噴射される。一方、燃焼に必要な空気の一部は空気供給部１３から供給され、燃料噴射ノズル２から燃焼器ライナー１に噴射される。残りは、燃焼器ライナーに明けられた空気孔１２から直接燃焼器ライナー１の内部に噴射される。低カロリーガスと空気は、燃焼領域１１で混合、燃焼し生成した燃焼ガスは燃焼ガス１０として燃焼器ライナー１から排出される。ガスタービンの起動時や低負荷時においては燃料流量が少ないため、燃焼性能が比較的低い低カロリーガスは単独での燃焼が困難になる。そこで、このような場合には液体燃料供給部７から軽油や灯油などの液体燃料を供給し、液体燃料ノズル３から噴射して燃焼させる。
【０００３】
図１１を用いて燃料噴射ノズル２の詳細を説明する。液体燃料ノズル３は燃焼器ライナー１の中心部に位置し、それ等の環状の空間には断面扇形の低カロリーガス開口部４と、同じく断面扇形の空気開口部５とが交互にならんで配置されている。上記のように、低カロリーガス開口部４と空気供給部５とが配置されているため、低カロリーガスと空気との混合が促進され、燃焼領域での燃焼が均一な燃焼が確保される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、低カロリーガスを利用した発電システムにおいては、低カロリーガスと同時に空気分離プラントから得られる窒素ガスをガスタービンで利用するようになってきている。
【０００５】
図１２は近年のガス化プラントのフロー図である。図１２において、空気分離器１０１には大気中から空気１１１が吸い込まれる。空気分離器１０１で分離された酸素１１２はガス化炉１０２へ送られ、燃料１１４の部分酸化に用いられる。この結果得られる粗低カロリーガス１１３は脱硫装置１０３で精製され、低カロリーガス１１５として低カロリーガス用ガスタービン燃焼器１０６（以下、低カロリーガス燃焼器１０６と称する。）に導かれる。一方、空気分離器１０１で分離された窒素１１６は、ＮＯｘ発生の抑制とガスタービン１０７の出力向上とを目的として、低カロリーガス燃焼器１０６へ供給される。
【０００６】
また、ガスタービン１０７では圧縮機１０５から供給された圧縮空気１１７が低カロリーガス燃焼器１０６に供給される。その結果、低カロリーガス燃焼器１０６では比較的ＮＯｘの少ない高温の燃焼ガス１１８が生成し、ガスタービン１０７に送られここで膨脹して仕事をする。膨脹し終わった燃焼ガス１１８は排気ガス１１９としてガスタービン１０７から排出される。
【０００７】
ガスタービン１０７で発生した仕事は、発電機１０４で電力として取り出される。
【０００８】
このような発電システムでは、低カロリーガス１１５、窒素１１６、空気１１７の３種類のガスを効率よく燃やすことができる低カロリーガス燃焼器１０６が不可欠である。
【０００９】
従来の燃焼器では、低カロリーガス１１５と空気１１７とを燃やすことはできるが、窒素を供給して燃焼を行わせることはできない。
【００１０】
本発明は上記の事情に基づきなされたもので、窒素を供給する手段を具え且つ効率よく燃焼を持続することができる低カロリーガス燃焼器を提供する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の低カロリーガス用タービン燃焼器は、空気を窒素ガスと酸素ガスに分離し、この酸素ガスにより燃料を部分酸化して得られる低カロリーガス燃料と、前記空気を分離して得られた窒素ガスとが少なくとも供給されるガスタービン設備の燃焼器において、前記燃焼器の燃焼器ライナーの一端に接続され、液体燃料供給部から供給される液体燃料を前記燃焼器ライナー内に噴射する液体燃料ノズルと、前記液体燃料噴射ノズル外周部から放射状に伸びる隔壁により円周方向を複数に分割して開口部が形成され、この開口部が、窒素供給部から窒素ガスが供給される窒素用開口部、低カロリーガス燃料が供給される低カロリーガス用開口部、窒素供給部から窒素ガスが供給される窒素用開口部、空気供給部から空気が供給される空気用開口部の順に隣接して配置された燃料噴射ノズルとを具備することを特徴とする。
また、本発明の低カロリーガス用タービン燃焼器は、空気を窒素ガスと酸素ガスに分離し、この酸素ガスにより燃料を部分酸化して得られる低カロリーガス燃料と、前記空気を分離して得られた窒素ガスとが少なくとも供給されるガスタービン設備の燃焼器において、前記燃焼器の燃焼器ライナーの一端に接続され、液体燃料供給部から供給される液体燃料を前記燃焼器ライナー内に噴射する液体燃料ノズルと、前記液体燃料ノズルの外周部に隔壁により前記液体燃料ノズルと略同心円状に複数に分割された開口部が形成され、この開口部が、外側に向かって、低カロリーガス燃料が供給される低カロリーガス用開口部、窒素供給部から窒素ガスが供給される窒素用開口部、空気供給部から空気が供給される空気用開口部の順に隣接して配置された燃料噴射ノズルとを具備することを特徴とする。
【００１２】
【作用】
上記構成の本発明の燃焼においては、燃料噴射ノズルの低カロリーガス吹出し口と空気吹出し口との間に窒素吹出し口を設けてあるので、これ等のガスが燃焼器ライナーに噴射されると、低カロリーガスと窒素、空気と窒素とがそれぞれ混合し、それぞれが窒素によって希釈される。この希釈によって、低カロリーガスの発熱量はさらに低下する。また、空気は窒素と混合することによって酸素濃度が低下する。非常に発熱量が少ない低カロリーガスと酸素濃度の低い空気とによる燃焼は火炎温度が低く、ＮＯx の発生量は低く抑えられる。また、噴射口の分割数を増すことによって、混合は均一に行なわれ安定した燃焼が得られる。
【００１３】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明を説明する。
図１０〜図１２と同一部分には同一符号を付した図１は、本発明の第１の実施例の模式的側面図、図２はそのＡ−Ａ矢視図である。燃焼器ライナー１の内部の燃焼領域１１内では、燃焼反応が生じる。燃焼器ライナー１の側面には、燃焼に必要な空気を内部に導く空気孔１２が設けられている。一方、燃焼器ライナー１の内部には、燃料噴射ノズル２と液体燃料ノズル３が設けられている。燃料噴射ノズル２には、低カロリーガス供給部８、窒素供給部９、空気供給部１３が設けられ、それぞれから低カロリーガス、窒素、空気が燃料噴射ノズル２の内部の別々の区画に供給される。液体燃料ノズル３には、液体燃料供給部７から液体燃料が供給される。
【００１４】
図２において、燃料噴射ノズル２は扇形断面の低カロリーガス開口部４、空気開口部５、窒素開口部６を有し、低カロリーガス開口部４と空気開口部５との間には、窒素開口部６が配置されている。つまり、燃料噴射ノズル２においては、窒素開口部６、低カロリーガス開口部４、窒素開口部６、空気開口部５の順にならび、これと同様の並びが繰り返され、燃料噴射ノズルの噴射部が形成されている。なお、液体燃料ノズル３は燃料噴射ノズル２の中心部に配置されている。
【００１５】
低カロリーガス供給部８から供給された低カロリーガスは、燃料噴射ノズル２から燃焼器ライナー１内に噴射される。一方、燃焼に必要な空気の一部は空気供給部１３から供給され、燃料噴射ノズルから燃焼器ライナー１に噴射される。残りは燃焼器ライナー１の側面の空気孔１２から燃焼器ライナー１内部に噴射される。また、窒素は窒素供給部９から燃料噴射ノズル２に供給され、窒素開口部６から燃焼器ライナー１内部に噴射される。
【００１６】
燃焼器ライナー１内部に噴射された低カロリーガスの両隣には窒素ガスも噴射されるため、噴射された直後に低カロリーガスと窒素ガスとが混合し、低カロリーガスは希釈され発熱量はより低下される。また、燃焼器ライナー１内部に噴射された空気の両隣にも窒素ガスが噴射されるため、噴射直後に空気も窒素ガスと混合し、相対的に酸素濃度が低下する。
【００１７】
この混合により、超低発熱量の低カロリーガスと酸素濃度が低い空気とが得られる。そして、それ等が燃焼領域１１で燃焼する。このような燃焼は、火炎温度が低くＮＯｘ発生量は低く抑えられる。
【００１８】
また、窒素開口部６、低カロリーガス開口部４、空気開口部５は細分化されているため、噴射されたガスの混合を均一かつ短時間で行うことができ、火炎の安定性を確保することができる。
【００１９】
燃焼領域１１で発生した燃焼ガス１０は燃焼器ライナー１から排出される。
【００２０】
なお、ガスタービンの起動時や低負荷時においては燃料流量が少ないので、低カロリーガス単独では燃焼の維持が困難となるため、液体燃料供給部７から液体燃料を供給し、液体燃料ノズル２から噴射して燃焼させる。
【００２１】
本発明の低カロリーガス燃焼器では、窒素を直接燃焼器ライナー１の内部に噴射する手段を有する。そして、超低発熱量の低カロリーガスと酸素濃度が低い空気による燃焼によって、低い火炎温度が実現されＮＯx 発生量が低く抑えられる。
【００２２】
また、窒素開口部６、低カロリーガス開口部４、空気開口部５を細分化した結果、噴射されたガスの混合を均一かつ短時間で行うことが可能となり、安定した火炎の持続が可能となる。
【００２３】
図３は本発明の第２の実施例を示すもので、図２に相当する図である。この図において、燃料噴射ノズル２の開口部は低カロリーガス開口部４、窒素開口部６、低カロリーガス開口部４、空気開口部５の順に並べて設けられている。それ等の開口部は順次円周方向に整列されていることは前記第１の実施例と同様である。
【００２４】
低カロリーガス開口部４はその一側において空気開口部５と、その反対側において窒素開口部６に接している。低カロリーガスが燃焼器ライナー１に噴射されると、低カロリーガスと窒素が接する部分では低カロリーガスと窒素とが混合し、低カロリーガスは窒素ガスによって希釈される。この希釈によって低カロリーガスの発熱量はさらに低下される。非常に低い発熱量のガスが燃焼する際の火炎温度は低く、ＮＯｘの発生は抑制される。一方、低カロリーガスが空気と直接接する側では、低カロリーガスと空気とが混合し燃焼を開始する。もともと低カロリーガスは発熱量が低いので、火炎温度は低いが反対側の窒素て希釈されたガスとくらべると、火炎温度は若干高くなりそれに応じてＮＯｘの発生量も若干多めとなる。しかし、火炎温度が比較的高いため火炎の安定性が増大する。
【００２５】
上記のように、低カロリーガスはその一部が窒素で希釈されるので、この部分が燃焼する際の火炎温度は低く保たれ、ＮＯｘの発生量は抑制される。他方、窒素により希釈されないガスの火炎温度は若干高いため、燃焼時に多めのＮＯｘを発生するが、安定した火炎の維持ができる。
【００２６】
図４は本発明の第３の実施例を示すもので、図２と同様の図である。この図において、燃料噴射ノズル２の開口部は、低カロリーガス開口部４、空気開口部５、窒素開口部６、空気開口部５の順に並んでいる。
【００２７】
低カロリーガス開口部４は両側に空気開口部５が設けられている。低カロリーガスが燃焼器ライナー１内に噴射されたとき、低カロリーガスと空気とが混合され燃焼が開始される。もともと低カロリーガスは発熱量が少ないので、火炎温度は低いが、窒素によって希釈されているガスよりは若干火炎温度が高くなり、それに応じてＮＯｘの発生量も若干多くなる。しかし、火炎温度が若干高いため火炎の安定性が増加することとなる。
【００２８】
この第３の実施例においては、低カロリーガスの窒素による希釈を行っていないため、火炎温度は若干高く多めのＮＯｘを発生するが、安定した火炎の維持が容易である。
【００２９】
図５は本発明の第４の実施例を示すもので、図２と同様の図である。この図において、低カロリーガス開口部４、窒素開口部６、空気開口部５は同心円状に内側から順にならんでいる。
【００３０】
低カロリーガス開口部４はその外周を窒素開口部６に囲まれている。低カロリーガスが燃焼器ライナー１に噴射されると、低カロリーガスと窒素とが接する部分ではまず低カロリーガスと窒素とが混合し、低カロリーガスの窒素による希釈が行われる。この混合によって低カロリーガスの発熱量がさらに低下する。一方、窒素はその外周を空気によって取り囲まれており、空気と接する側では窒素と空気とが混合し、空気中の酸素濃度は低下される。結果として、非常に低い発熱量のガスが低い酸素濃度の空気と燃焼することになる。この場合、火炎温度は低くＮＯｘの発生量は大巾に抑制される。
【００３１】
上記のように、この実施例では低カロリーガスが窒素で希釈される。また、空気も窒素で希釈されるので、燃焼時の火炎温度は低く保たれＮＯx の発生も著しく抑制される。なお、低カロリーガス開口部４、空気開口部５、窒素開口部６の配置を変更すると、前記第２、第３の実施例と同様の効果を得ることができる。
【００３２】
図１と同一部分には同一符号を付した図６は、本発明の第５の実施例を示すもので、図１と同様の図である。この図において、燃焼器ライナー１の側部には、予混合ダクト２１が円周上数箇所に配置されて設けられている。予混合ダクト２１の内部に向けて、低カロリーガス噴射ノズル２２、窒素噴射ノズル２３が設置されている。低カロリーガス噴射ノズル２２には、低カロリーガス供給部８から低カロリーガスが供給される。また、窒素噴射ノズル２３には、窒素ガス供給部９から窒素ガスが供給される。
【００３３】
予混合ダクト２１の内部には、空気供給部１３から空気が供給される。また、低カロリーガス、窒素は、低カロリーガス供給部８、窒素ガス供給部９のそれぞれから低カロリーガス噴射ノズル２２、窒素ガス噴射ノズル２３に供給され、それぞれの噴射ノズルから予混合ダクト内部に噴射され、空気と完全に混合される。上記のようにして得られた予混合ガスは、燃焼器ライナー１の燃焼領域１１に噴射されここで燃焼する。
【００３４】
上記のように本実施例では、ガスタービン内部に窒素ガスを供給することができる。また、予混合ダクト２１内では低カロリーガス、窒素、空気が燃焼前に完全に混合できるので、燃焼時にＮＯx を発生する局所的な高温部ができることはない。このため、ＮＯx を最小限に抑えることができるとともに、非常に均一な予混合ガスが作れるため燃焼安定性がよい。
【００３５】
図１、図２と同一部分には同一符号を付した図７，図８は、本発明の第６の実施例を示すもので、図１、図２と同様の図である。これ等の図において、燃料噴射ノズル２の内部に燃料、窒素混合室１４を設け、ここに窒素供給部９から窒素を、低カロリーガス供給部８から低カロリーガスを供給する。燃焼用空気は、空気供給部１３から空気室１５に供給する。
【００３６】
低カロリーガスは窒素と燃料、空気混合室１４で混合した後、低カロリーガス開口部４から燃焼器ライナー１内部に噴射される。一方、空気は空気開口部５から燃焼器ライナー内部に噴射される。低カロリーガスは、燃焼前に窒素と完全に混合され希釈され、発熱量が低下する。
【００３７】
このように本実施例では、低カロリーガスの全量が窒素で希釈されるので、燃焼時の火炎温度は低く保たれＮＯｘの発生は抑止される。
【００３８】
図９は本発明の第７の実施例の模式的斜視図である。この図において、燃料噴射ノズル３０は頭部に液体燃料噴射ノズル３が配置され、液体燃料供給部７から液体燃料が供給される。燃料噴射ノズル３０の内部には、空気供給部１３から供給される空気を旋回させ中心部に流し込むための空気旋回器３４が設けられ、空気は旋回しながら旋回空気流３２として予混合ゾーン３５に噴射される。低カロリーガスと窒素とは、それぞれ低カロリーガス供給部８と窒素供給部９とから、低カロリーガス、窒素混合器３３に供給され、ここで混合される。低カロリーガス、窒素混合気流３１は、旋回空気流３２中に噴射されてこれと混合し、燃料、窒素、空気予混合気３６として図示しない燃焼器ライナー中に噴射され燃焼する。
【００３９】
上記のように構成されているから、低カロリーガスは燃焼前に低カロリーガス、窒素混合器３３で窒素と混合した後、低カロリーガス窒素混合気流３１として旋回気流中へ噴出される。その結果、低カロリーガスは燃焼前に窒素と完全に混合することにより希釈され、初熱量が低下する。
【００４０】
この実施例においても、低カロリーガスの全量が窒素によって希釈されるので、燃焼時の火炎温度は低く保たれＮＯｘの発生は抑止される。
【００４１】
【発明の効果】
上記から明らかなように、本発明の低カロリーガス燃焼器は、窒素を燃焼器に供給する手段を有するとともに、ＮＯｘの発生を抑制しながら、高い燃焼安定性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の模式的側面図。
【図２】そのＡ−Ａ矢視図。
【図３】本発明の第２の実施例の図２に相当する図。
【図４】本発明の第３の実施例の図２に相当する図。
【図５】本発明の第４の実施例の図２に相当する図。
【図６】本発明の第５の実施例の図１に相当する図。
【図７】本発明の第６の実施例の図１に相当する図。
【図８】本発明の第６の実施例の図２に相当する図。
【図９】本発明の第７の実施例の模式的斜視図。
【図１０】従来の燃焼器の断面図。
【図１１】図１０のＡ−Ａ線における断面図。
【図１２】近年のガス化プラントのフロー図。
【符号の説明】
１………燃焼器ライナー
２………燃料噴射ノズル
３………液体燃料ノズル
４………低カロリーガス開口部
５………空気開口部
６………窒素開口部
７………液体燃料供給部
８………低カロリーガス供給部
９………窒素供給部
１０………燃焼ガス
１１………燃焼領域
１２………空気孔
１３………空気供給部
２１………予混合ダクト
２２………低カロリーガス噴射ノズル
２３………窒素噴ノズル

Claims

空気を窒素ガスと酸素ガスに分離し、この酸素ガスにより燃料を部分酸化して得られる低カロリーガス燃料と、前記空気を分離して得られた窒素ガスとが少なくとも供給されるガスタービン設備の燃焼器において、
前記燃焼器の燃焼器ライナーの一端に接続され、液体燃料供給部から供給される液体燃料を前記燃焼器ライナー内に噴射する液体燃料ノズルと、
前記液体燃料噴射ノズル外周部から放射状に伸びる隔壁により円周方向を複数に分割して開口部が形成され、この開口部が、窒素供給部から窒素ガスが供給される窒素用開口部、低カロリーガス燃料が供給される低カロリーガス用開口部、窒素供給部から窒素ガスが供給される窒素用開口部、空気供給部から空気が供給される空気用開口部の順に隣接して配置された燃料噴射ノズルと
を具備することを特徴とする低カロリーガス用ガスタービン燃焼器。
前記燃料噴射ノズルの開口部が、低カロリーガス燃料が供給される低カロリーガス用開口部、窒素供給部から窒素ガスが供給される窒素用開口部、低カロリーガス燃料が供給される低カロリーガス用開口部、空気供給部から空気が供給される空気用開口部の順に隣接して配置されたことを特徴とする請求項１記載の低カロリーガス用ガスタービン燃焼器。
前記燃料噴射ノズルの開口部が、低カロリーガス燃料が供給される低カロリーガス用開口部、空気供給部から空気が供給される空気用開口部、窒素供給部から窒素ガスが供給される窒素用開口部、空気供給部から空気が供給される空気用開口部の順に隣接して配置されたことを特徴とする請求項１記載の低カロリーガス用ガスタービン燃焼器。
空気を窒素ガスと酸素ガスに分離し、この酸素ガスにより燃料を部分酸化して得られる低カロリーガス燃料と、前記空気を分離して得られた窒素ガスとが少なくとも供給されるガスタービン設備の燃焼器において、
前記燃焼器の燃焼器ライナーの一端に接続され、液体燃料供給部から供給される液体燃料を前記燃焼器ライナー内に噴射する液体燃料ノズルと、
前記液体燃料ノズルの外周部に隔壁により前記液体燃料ノズルと略同心円状に複数に分割された開口部が形成され、この開口部が、外側に向かって、低カロリーガス燃料が供給される低カロリーガス用開口部、窒素供給部から窒素ガスが供給される窒素用開口部、空気供給部から空気が供給される空気用開口部の順に隣接して配置された燃料噴射ノズルと
を具備することを特徴とする低カロリーガス用ガスタービン燃焼器。