JP3830596B2 - 水素を燃焼させる方法およびバーナー - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素を燃焼させるための方法とこの方法を実施するためのバーナーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
あらゆる種類のバーナー、例えばガスタービンの燃焼室のための燃料としての水素（Ｈ₂ ）は、反応性と燃焼の安定性がきわめて高いことが特徴であり、しかも最新のガスタービンの燃焼室のように空気過剰の場合にもこの特徴を有する。ヘイウッド(Heywood) とマイカス（Mikus)の刊行物により、過剰空気が充分に多い範囲において混合度を高めることにより、窒素酸化物（ＮＯ_x ）の発生を減らすことが燃焼技術において知られている。その際、例えば本来の燃焼領域の手前で予備混合によって達成されるような完全に均質な燃料−空気−混合気の場合に、ＮＯ_x の発生が最少となる。これに対応する、水素の均一予備混合燃焼の提案が、カナダ国のプラットアンドホイットニー(Pratt & Whitney) 社によってなされている。ＮＯ_x 低減の観点からの予備混合によって生じるこの利点があるにもかかわらず、この手段は、炎が混合範囲に逆戻りするという重要な欠点がある。
【０００３】
予備混合を行うバーナーの技術的な解決策は構造が比較的に簡単である。この場合、例えば板状の形をした水素用の分配室が、空気の流通方向（以下主流方向と言う）に対して横方向に燃焼室に挿入される。入口と出口を有する多数の空気案内管がこの分配室を通過している。各々の空気案内管は入口の近くに配置された孔を介して分配室に接続している。Ｈ₂ が分配室に導入されると、Ｈ₂ は主流方向に対して横方向に個々の孔へ流れ、空気案内管に達する。同時に空気が空気案内管を通って燃焼室に吹き込まれると、両ガスは空気案内管内で混合される。このようにして発生した混合気は燃焼室に達し点火される。分配室を配置することにより、バーナーの構造が非常に簡単になる。なぜなら、これにより、個々の空気案内管または燃焼領域に通じる個々の水素管が不要であるからである。
【０００４】
Ｈ₂ 燃焼時のＮＯ_x 発生の観点からの混合度の重要性を考慮して、予備混合しないですなわち拡散燃焼で作動する公知の水素バーナーと水素燃焼室は、多数の水素噴射ノズルを備えている。このノズルは通常は慣用の旋回渦流ノズルである。これと同様の解決策がロシア国のトラッド(TRUD)／クスネトゾフ(Kusnetzov) とドイツ連邦共和国のエムテーウー(MTU) で発表された。例えばトラッドによるこの原理を適用する場合、燃料領域の数が５倍以上増えるので、所定の燃焼室の場合には、３０個の燃焼領域が１５０個以上に増える。その際、個々の燃焼領域は約２０ｍｍの直径を有する。燃焼領域を更に小さくし、噴射ノズルの数を増やすと、多数の個々の水素管が必要となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の根底をなす課題は、燃焼領域を著しく増やすことによって、拡散燃焼の従来のバーナーと比べてＮＯx 発生を大幅に減らすことができる、水素を拡散燃焼する方法とこの方法を実施するためのバーナーを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題は冒頭に述べたバーナーにおいて、請求項１記載の特徴によって解決される。
【０００７】
その際特に、燃焼領域が著しく増えたにもかかわらず、製作技術的コストは少ないままであるという利点がある。
本発明の有利な実施形は従属請求項に記載してある。
【０００８】
請求項２記載の実施形の利点は、水素が構造体に対してきわめて良好な冷却作用を及ぼすことにある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態が図に示してある。次に、この実施の形態について詳しく説明する。
【００１０】
図１〜４には、例えばガスタービンの燃焼室に組み込まれる、水素（Ｈ₂ ）を燃焼させるためのバーナーを示している。バーナーは板状の形をし、主流方向に対して横方向に燃焼室内に組み込まれている。バーナーの縁範囲と、図示していない燃焼室ケーシングとのバーナーの連結部は、図示しておらず、任意に形成可能である。バーナーは第１の穴あき板２と第２の穴あき板３を備えている。この両穴あき板は一定の間隔ｄをおいて多数の案内管４によって保持されている。その際、穴は所定のマトリックス模様に従って配置可能である。穴あき板２は例えば適当な金属からなり、ガスを透過しない。これに対して第２の穴あき板３はガスを透過し、適当な多孔性材料、例えば焼結金属からなっている。その際、両穴あき板２，３の穴は合同であるので、第２の穴あき板２の穴は第２の穴あき板３の穴と共に対の穴を形成している。バーナーをばらばらにならないように保持することは実質的に、案内管４がスペーサとして各々の対の穴に挿入され固定されていることによって行われる。案内管４は外側へ圧延して形成した周溝５を備えている。穴あき板２内での案内管４の固定は例えばろう付けまたは溶接によって行われ、これに対して穴あき板３内での案内管の固定は圧延または縁曲げによって行うことができる。その際、周溝５と協働して、案内管４と穴あき板３の間でそれぞれ形状補完的な連結が行われる。それによって、穴あき板２，３は案内管４と共に分配室を形成する。各々の案内管４内には、図３，４に拡大して示すように、空気案内ピン６が挿入されている。この空気案内ピンは基本的にはストッパー６ａ、案内部分６ｂ、保持部材８および円板９を備えた円筒状の回転体からなっている。案内部分６ｂの外径は案内管４の内径にほぼ等しく、図示の実施の形態では軸方向の４つの案内通路７を備えている。保持部材８は図３において右側で案内部分に取付けられ、直径が小さくなった範囲である。この範囲は同心的に取付けられた円板９を支持している。この円板の外径は案内部分６ｂの外径にほぼ等しい。ストッパー６ａは軸方向において短い範囲によって形成され、その外径は案内部分６ｂの外径よりも大きい。各々の案内管４内には、ストッパー６ａが穴あき板２に接触するまでバーナーの空気側から案内ピン６が挿入され、この位置で永久的に固定されている。このような構造グループはそれぞれインゼクタを形成している。バーナーを運転開始するために、ガス状の水素が穴あき板２，３からなる分配室に導入される。更に、空気は案内管を通って燃焼室に入れられる。その際、水素は分配室の中を主流方向に対して横方向に流れ、多孔性の穴あき板３の局部範囲で微細に分配され、この穴あき板３を通って燃焼室に入り、ここで周囲の水素を形成する。その際、各々の案内管４の出口で円板９による変向のために円錐外周壁の形をした空気流が生じる。この円錐外周壁の形をした空気流は周囲の水素と共に混合気形成プロセスに入り、回転対称の拡散炎を形成する。ここで、混合プロセスの活性化のために互いに衝突する隣接する円錐炎の相互作用が促進される。案内ピン６の形状は、それぞれのストッパー６ａまで挿入する際に、所定の変向、すなわち所定の炎形状が生じるように選択されている。重量上の理由からストッパー６ａは省略することができる。この場合、所定の軸方向位置までの案内管４内への案内ピン６の挿入は、製作装置によって行われる。インゼクタのきわめて簡単な構造により、多数のインゼクタを各々の燃焼室に取付けできるように、このインゼクタは小型化可能である。上記のオーダーの小型化により、本発明に従って形成された燃焼領域は微小燃焼領域と呼ばれる。
【００１１】
図６，７は本発明によるバーナーの他の実施の形態を示している。このバーナーは水素のためのＵ字形横断面の細長い個々の分配通路１１を備えている。分配通路は燃焼室の側が多孔性焼結金属からなる壁１２によって閉鎖されている。通路１１は山形材状の横断面を有する穴あき形材１３によって互いに連結され、それぞれ穴あき形材１３の自由縦縁が隣接する２個の分配通路１１の縦縁に固定されている。その際、穴１４は穴あき形材１３の条片状の脚部に規則的な間隔をおいて形成されている。このバーナーの運転を開始するために、ガス状水素が分配通路１１に導入される。それと同時に、空気が穴１４を通って燃焼室に入る。その際、水素は分配通路１１の中を主流方向に対して横方向に流れ、微細分配によって多孔性壁１２の局部範囲に分配される。水素はこの多孔性壁を通って燃焼室に入り、そこで周囲水素を形成する。空気供給により、各々の穴１４の範囲に化学量論的な領域が形成される。この領域はバーナーの点火時に固有の炎を形成す。このバーナーはきわめて簡単に形成され、薄板構造として製作可能である。その際例えば、Ｕ字形の分配通路１１は薄板を曲げて作られ、Ｕ字の各々の脚部は斜めに曲げられた穴あき条片に一体連結されている。多孔性の壁１２を挿入した後で、隣接する通路１１が例えば溶接によって穴あき条片の自由縁部に沿って互いに連結されている。このバーナーは、燃焼室内に数千個の燃焼領域が得られるように、小型化可能である。
【００１２】
上記のバーナーで発生する微細分配の場合、Ｈ₂ は分配室または分配通路を経て数千個の微小燃焼領域に分配されるので、いわば水素の微小拡散燃焼が発生する。上記のバーナーの場合燃焼室の中に周囲水素が形成され、この周囲水素に空気噴流が噴射されることにより、逆の拡散燃焼が生じる。この逆の拡散燃焼は、発生する微小領域内でほとんど乱流の状態で安定化することが可能である。この逆の水素拡散燃焼の重要な利点は、Ｈ₂ によって構造体の良好な冷却が達成されることにある。
【００１３】
上記のバーナーの場合には、多孔性焼結金属の代わりに、他の多孔性金属材料を使用することができる。例えば“フェルトメタル”の名称で知られているような、金属繊維をベースとした多孔性材料を使用することができる。更に、多孔性材料をセラミックス材料から作ることができる。場合によって多孔性材料内に存在する不均質性の作用を制限するために、多孔性材料の比較的に薄い層の所定の微細な穴あき格子を備えた穴あき板を手前に配置してもよいし、この穴あき格子を単独で使用することができる。
【００１４】
図８〜１１は、バーナーの他の実施の形態を示している。このバーナーは、上述のバーナーと異なり、逆の拡散燃焼で作動しないで、通常の拡散燃焼で作動する。このバーナーは実質的に、合同の２個の穴あき板１５，１６からなっている。両穴あき板は、それぞれ入口を出口を有する案内管１７を介して互いに固定連結されているので、分配室が形成される。出口の近くにおいて、複数の孔１８が等しい角度で分配されて案内管１７に形成されている。各々の案内管１７には案内ピン１９が挿入されている。この案内ピンはストッパー２０と案内部分２１と自由噴流部分２２とからなっている。この場合、自由噴流部分は実際には小径の軸方向区間である。ストッパー２０と案内部分２１は軸方向に延びる複数の溝２３を有する。この溝の深さは自由噴流部分２２の外径まで達することができる。その際、孔１８の数は溝２３の数に等しい。バーナーの運転開始時に、空気は案内管１７を通って燃焼室に吹き込まれる。同時にＨ₂ が分配室に導入されるので、Ｈ₂ は個々の孔１８を通って案内管内に噴射され、この案内管から、溝２３を通過して来る空気によって連行される。その際その都度孔１８の下流で微小燃焼領域が生じる。この微小燃焼領域ではバーナーの点火時に炎が安定する。図示の実施の形態では案内管１７がそれぞれ６個の孔１８を有するので、各々の案内管に６個の微小燃焼領域が生じる。それによって、燃焼領域の数が一層増える。この原理を冒頭に述べたトラッド(TRUD)の燃焼室に適用すると、設置可能な燃焼領域の数は約５０００に増える。これにより、予備混合しないでも、非常に高い混合度が達成され、ＮＯ_x の発生が大幅に減少することになる。案内ピン１９を案内管１７に対して回転およびまたは軸方向に摺動させることにより、バーナーのいろいろな調節を行うことができる。この場合にも、ストッパー２０を省略し、空気案内ピンの軸方向の位置を適当な装置に基づいて調節することができる。
【００１５】
図１２〜１５は上記のバーナーのいろいろな調節を示している。図１２では、案内ピンの溝２３が案内管１７の孔１８に対して次のように調節されている。すなわち、水素の噴射が孔１８を経て空気噴流の間の隙間内に行われるように調節されている。この空気噴流は溝２３を通って到達する。図１３は、案内部分２１が孔１８に密接する、案内ピンの位置を示している。これにより、水素噴流は下流にのみ偏向可能である。しかし、図１４に示すように、孔１８から幾分大きく離れるように、案内部分２１が案内管１７内に固定されると、ある程度の再循環が発生し得る。図１５は、溝２３を通って来る空気噴流が孔から入る水素噴流に正確に当たっている状態を示している。これらすべての場合、水素の自由噴流が孔１８によって周囲空気内に導入されるので、通常の拡散燃焼が生じる。この場合、個々の燃焼領域は２ｍｍのオーダーの直径を有する。その際、炎は多くの場合孔１８で安定する。上述のように、自由噴流部分２２は本発明の実施の形態では、特に図１５の空気噴射の場合省略可能である。
【００１６】
図１６，１７は他の実施の形態を示している。この場合、水素噴流と空気噴流は燃焼室に入るまで別々に案内される。そのために、孔１８を備えた上記の案内管１７が使用される。この案内管は穴あき板１５，１６に挿入されている。この穴あき板のうち１６で示した穴あき板だけが見える。ここで使用した案内ピン２４は溝２３を有するが、２つの重要な変更を有する。第１の変更は、ピンがほぼ出口横断面まで一定の直径を有することにある。第２の変更は、溝２３の間にある材料範囲の中央に、軸方向に延びる小さな案内通路２５が形成されていることにある。それぞれの案内ピン２４は、各々の孔１８が案内通路２５に開口するように当該の案内管１７に挿入されている。これにより、例えば過度の構造体熱負荷を回避するために、水素と空気の間の拡散は穴あき板１６の下流の範囲で開始される。この解決策の場合には、炎が案内通路２５の開口で安定する。
【００１７】
図１８，１９は、二次元タイプの通常の拡散燃焼のためのバーナーの実施の形態を示している。このバーナーはＨ2 のための細長い個々の分配通路２６を備えている。この分配通路は図６，７の分配通路１１と異なり、閉鎖横断面を有する。この横断面は実質的に偏平な長方形であるが、図においてその右側の範囲に屋根形縁部２６ａを備えている。この屋根形縁部の両側に、自由孔２７がずらして形成されている。個々の通路２６は図示していない保持部材によって相互間隔をおいて保持され、それによって格子を形成している。空気はこの格子を図１９で左側から右側へ流通することができる。バーナーは更に、条片状の隙間板２８を備えている。この隙間板の縦縁部に隙間２９が形成されている。隙間板２８はそれぞれ孔２７の範囲において２個の分配通路２６の間で図示していない保持部材によって固定されている。その際、各々の孔２７に１個の隙間２９が付設されるように固定されている。その際、図示した１個の孔２７の代わりに、複数の微細な孔を設けることができる。このバーナーの運転開始時には、空気は矢印３０に相応して隙間２９を通って燃焼室に吹き込まれ、Ｈ2 は孔２７を通って矢印３１に従って燃焼室に吹き込まれる。それにより、燃焼室内で、多数の微小燃焼領域を有する空気環境が孔２７のそれぞれの範囲に形成される。燃焼室の点火の後で、炎が孔２７で安定する。
【００１８】
図２０，２１は穴３２ａを有する一体の穴あき板３２を備えたバーナーを示している。この穴あき板に、複数の分配通路３３が保持部材３４によって固定されている。分配通路３３は長円形横断面を有し、穴あき板３２寄りのその範囲に多数の孔３５を備えている。保持部材３４は線材で形成してもよいし、薄板で形成してもよい。図２１に示すように、穴あき板３２の各々の穴３２ａには２個の小さな孔３５が付設されている。それによって、Ｈ₂ は矢印３７に従って流出することができる。
【００１９】
このバーナーの運転開始時には、空気は矢印３６に従って穴あき板３２を通って燃焼室に吹き込まれる。これにより、燃焼室内で、多数の微小燃焼領域を有する空気環境が孔３５のそれぞれの範囲に形成される。燃焼室の点火の後で炎が孔３５で安定する。
【００２０】
図２２，２３はバーナーの他の実施の形態を示している。図２２の部分図は、湾曲した分配通路３８を示している。この分配通路は環状バーナーの構成部分であり、図２３に従って長円形の横断面を有する。この場合、各々の分配通路は閉じたリングを形成している。このリングは固有の接続管を介してＨ₂ 管に接続されている。バーナーをばらばらにならないように保持することは例えば個々の分配通路３８の間に配置された波形のセパレータ３９によって行われる。このセパレータは例えば溶接によって分配通路３８に連結されている。セパレータ３９はそれぞれ薄板条片によって形成され、空気を通過させるために個々の分配通路３８の間に充分な間隔を保っている。分配通路３８はセパレータ３９と共に巻取りによって円板状またはリング状のバーナーに一体化することができる。それによって、分配通路３８はらせん形となる。多数の微小燃焼領域を形成するために、分配通路３８には孔が形成されている。この孔はここでは４０で示してある。その都度２つの水素噴流４１が一点で交差する。円板状分配通路とらせん状分配通路の共通の特徴は、湾曲した形を有することである。このバーナーは原理的には、図１８〜２１に関連して既に説明した作用を同じ作用に従って作動する。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃焼室のためのマトリックス構造のバーナーを示す図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】案内ピンを示す図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。
【図５】案内ピンを備えた案内管を示す図である。
【図６】二次元構造のバーナーを示す図である。
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面図である。
【図８】マトリックス構造の他のバーナーを示す図である。
【図９】図８のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面図である。
【図１０】案内ピンを備えた図９の案内管を示す図である。
【図１１】図１０のＸＩ方向矢視図である。
【図１２】図１０のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った断面図である。
【図１３】図１０の１３部分の詳細図である。
【図１４】案内ピンの軸方向位置を変更した図１３と同様な図である。
【図１５】案内ピンの角度位置を変更した図１２と同様な図である。
【図１６】案内通路を有する案内管−案内ピン−装置の実施の形態を示す図である。
【図１７】図１６のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線に沿った断面図である。
【図１８】二次元構造の他のバーナーを示す図である。
【図１９】図１８のＸＩＸ−ＸＩＸ線に沿った断面図である。
【図２０】一体の穴あき板を備えたバーナーを示す図である。
【図２１】図２０のＸＸＩ方向の矢視図である。
【図２２】湾曲した分配通路を有するバーナーを示す図である。
【図２３】図２２のＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩ線の沿った断面図である。
【符号の説明】
２ 第１の穴あき板
３ 第２の穴あき板
４ 案内管
６，１９，２４ 空気案内ピン
６ａ，２０ ストッパー
７，２３ 案内通路
８ 保持部材
９ 円板
１１，２６，３３，３８ 分配通路
１２ 壁
１３ 穴あき形材
１５，１６ 穴あき板
２１ 案内部分
２２ 自由噴流部分
２５ 案内通路
２７ 孔
２８ 隙間板
２９ 隙間
３２ 穴あき板
３４ 保持部材
３５ 孔
３９ セパレータ

Claims (3)

1. 偏平な長方形又は長円形状の閉じた断面を有する少なくとも１つの分配通路（２６，３３）と、燃焼室に隣接して配置された穴あき板（２８，３２）を有する水素の燃焼のためのバーナーにして、
   個々の分配通路（２６，３３）が、燃焼室に指向した多数の孔（２７，３５）を具備し、
   互いに隣接して配置された複数の分配通路（２６，３３）のそれぞれの孔（２７，３５）が多重に形成された開口（２９，３２ａ）に割り当てられるように、穴あき板（２８，３２）が配置されたバーナーであって、
   偏平な長方形の分配通路（２６）のそれぞれが、穴あき板（２８）に指向した領域に屋根形縁部（２６ａ）を有し、屋根形縁部の両側に細かい孔（２７）がずらして設けられ、バーナーが隙間を備えた条片状の隙間板を有し、これらの隙間板の縦縁部の隙間（２９）は水素が漏れる隙間（２９）がそれぞれの孔（２７）に割り当てられるように組み込まれており、又は
   長円形断面を有する分配通路（３３）が穴あき板（３２）に面する領域に多数の孔（３５）を有し、水素が漏れる２つの孔（３５）が穴あき板（３２）のそれぞれの穴（３２ａ）に割り当てられることを特徴とするバーナー。
2. 長円形断面を有する分配通路（３３）のそれぞれの孔（３５）が穴として設計された開口（３２ａ）に割り当てられることを特徴とする請求項１に記載のバーナー。
3. 孔（２７，３５）のそれぞれの領域に多数の微小燃焼領域を有する周囲空気が燃焼室内に存在し、周囲空気は、バーナーが始動するとき、空気を個々の分配通路（２６，３３）を取り囲む開口（２９，３２ａ）を介し、水素を個々の分配通路（２６，３３）に存在する孔（２７，３５）を介して燃焼室に導入することで形成されることを特徴とする請求項１に記載のバーナー。

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