JP3888229B2 - 旋回型低ＮＯｘ燃焼器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＮＯｘの発生を低減しうる燃焼器にかかり、より詳細には、フレームチューブ内部の燃焼空間に接線方向から空気を噴出して旋回流とし、この旋回流と燃料ガスとの混合を促進させる旋回型低ＮＯｘ燃焼器であって、希薄燃焼ガスの安定燃焼確保および燃焼効率の維持・向上により低ＮＯｘ化を図ることができる旋回型低ＮＯｘ燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年では環境保護のため、ガスタービンや焼却炉の燃焼排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の低減が義務付けられている。そのため、従来のガスタービン等の燃焼器では希薄燃焼を行わせることでＮＯｘの低減を図っているものも多い。
【０００３】
図６に従来の希薄燃焼を行う燃焼器の一例を示した。
この燃焼器６０では、大量の空気が流れる主流ガス流路６１内にスワールベーン６２を設け、これにより燃焼器の軸方向に流れる空気を螺旋流として燃焼室６３内に導入する一方、燃料ガスを燃焼室内に向けて軸方向に噴出し、螺旋流となった大量の空気と燃料ガスとを混合して、これに着火することでその燃焼を行っている。
大量の空気と燃料ガスとを混合して希薄燃料ガスを生成することで火炎のホットスポットをなくして高温火炎の発生を回避し、高温燃焼時に主に発生するＮＯｘの低減を図っている。
【０００４】
ここで燃料ガスの濃度が希薄になるとその着火が困難となるため、従来の希薄燃焼を行う燃焼器では保炎を行うパイロットバーナを燃焼室内に設け、これにより火炎基部を形成して希薄燃焼ガスの連続燃焼の確保を図っていた。
【０００５】
しかしながら上記燃焼器では圧縮された空気は軸方向に高速で流れるため、これによりパイロットバーナによる火炎基部が吹き消されてしまうことがあった。連続燃焼が確保されない場合には、希薄燃料ガスの安定燃焼および所定の燃焼効率が達成されず、燃焼排ガス中のＮＯｘの低減を図ることができなくなる。
【０００６】
また近年では図７に示したような旋回型の低ＮＯｘ燃焼器も用いられている。この燃焼器７０は、内部に燃焼空間を有する円筒形状のフレームチューブ７１の一端近傍の側面に連結した空気噴出管７２から空気をフレームチューブの接線方向に噴出して旋回流とするとともに、フレームチューブの一端面に連結した燃料ガス供給管７３から燃料ガスをフレームチューブの軸方向に噴出することによって、空気と燃料ガスとの混合を促進し燃焼排ガス中のＮＯｘの低減を図っている。
【０００７】
この旋回型の低ＮＯｘ燃焼器では、燃料ガスと空気との噴出される方向が異なるため軸方向に噴出された燃料ガスは旋回する空気によりせん断されて混合されるが、その際、燃料ガス供給管７３とフレームチューブ７１との連結部付近には比較的燃料ガス濃度の高い領域（滞留領域Ｘ）が形成され、その結果保炎性が向上していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の旋回型の低ＮＯｘ燃焼器による燃焼は、低ＮＯｘ性を犠牲にすることがなく高い保炎性を保持することができる燃焼方式であるが、軸方向の流速が遅くそのため燃焼器の負荷も小さなものとなっていた。
【０００９】
燃焼器の負荷（出力）を増大するためにはガス流量を増やしてやればよく、そのための方法としては、▲１▼燃焼空間に噴出するガスの流速を高める方法、▲２▼ガスを燃焼空間に導入するための導入口の面積を大きくする方法、によってガス流量を増やすことが考えられる。
しかしながら導入口の面積を大きくする方法は燃焼空間内に旋回流を形成する上で好ましくないと考えられるため、ガス流量を増やすためには導入するガスの流速を大きくしてやる必要がある。
ここで従来の旋回型の低ＮＯｘ燃焼器では、ガス流量が増大し旋回速度が増加すると、燃料ガス供給管とフレームチューブとの連結部付近に形成されていた燃料ガスの高濃度領域（滞留領域Ｘ）が形成されなくなり、その結果保炎性が悪化し、低ＮＯｘ化が阻害される結果を招来していた。
また従来の旋回型の低ＮＯｘ燃焼器では、燃焼空間内に生じる螺旋火炎は基本的に非対称に形成されるため、燃焼器のサイズや軸方向の流速などの条件によって燃焼器出口の温度分布が均一でなくなる可能性があった。
【００１０】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、旋回型の低ＮＯｘ燃焼器においてその保炎性を一層高め、大量の空気を燃焼空間に高速に噴出し旋回流とした場合にも燃焼空間内での安定燃焼を確実なものとし、高燃焼効率の維持・向上による低ＮＯｘ化を図ることができる旋回型低ＮＯｘ燃焼器を提供することにある。
また好ましくは、燃焼室内に形成される螺旋火炎を対称化し、燃焼器出口の温度分布を均一化することができる旋回型低ＮＯｘ燃焼器を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため本発明の旋回型低ＮＯｘ燃焼器は、一端面（２）を閉口し他端面（４）を開口した円筒形の燃焼空間（６）を内部に有するフレームチューブ（８）と、該フレームチューブの側面（８ｂ）に連結され、かつ、燃焼空間内に向けその接線方向から空気を噴出しこれをフレームチューブ内周面に沿って流れる旋回流（α）とする少なくとも１つの空気噴出管（１６）と、前記フレームチューブに連結され燃焼空間内に燃料ガスを導入する少なくとも１つの燃料ガス供給管（２２）と、からなり、燃焼空間内に導入した燃料ガスを旋回流と混合してその希薄燃焼を行う旋回型低ＮＯｘ燃焼器であって、前記フレームチューブと燃料ガス供給管との連結部の近傍には燃料ガスの滞留領域（Ｘ）を形成するリセス部が設けられており、該滞留領域に滞留した燃料ガスが燃焼器の保炎性を向上させる、ことを特徴とする。
【００１２】
円筒形の燃焼空間を内部に有するフレームチューブに接線方向から空気を高速に噴出し燃焼空間内部に空気の旋回流を形成し、ここに燃料ガス供給管から燃料ガスを導入することで空気と燃料ガスとの混合を促進し均一希薄燃料ガスを生成する。この希薄燃料ガスを燃焼させることにより高温火炎の発生が回避され、高温燃焼時に主に発生するＮＯｘの低減が図られる。
一方本発明では、フレームチューブと燃料ガス供給管との連結部に燃料ガスの滞留領域となるリセス部が設けられている。リセス部には比較的高濃度で燃焼が容易な燃焼ガスが滞留するため、この高濃度燃料ガスが１次的に燃焼することでパイロットとなる火炎基部が燃焼空間の上流側に形成される。この火炎基部が燃焼器の保炎性を向上させるため、燃焼器の負荷（出力）を稼ぐためにガス流量を増やした場合であっても燃焼空間内での安定燃焼が確保され、低ＮＯｘ化も保持することができる。
【００１３】
なお、本発明の旋回型低ＮＯｘ燃焼器は中心軸に対して対称形に形成することもできるので、かかる場合には燃焼空間内での均一燃焼が達成され、燃焼器出口の温度分布も均一化することができ、燃焼器の性能も向上させることができる。
【００１４】
好ましい実施例によれば、前記リセス部はフレームチューブ（８）の閉口した一端面（２）に燃焼空間（６）と同軸に形成された円形の凹み（２６ａ）からなり、燃料ガスは該凹みの底面外周側に連結された燃料ガス供給管（２２）から燃焼空間の軸方向に噴出されて導入される。
【００１５】
内部に空気の旋回流が流れるフレームチューブの閉口した一端面に円形の凹みを形成し、この凹みの底面外周側から軸方向に燃料ガスを導入してやると、凹みの内周径方向外側には環状の滞留領域が形成される。これにより燃焼器の保炎性を向上させることができ、低ＮＯｘ化も保持することができる。
【００１８】
また他の好ましい実施例によれば、前記リセス部はフレームチューブ（８）の閉口した一端面（２）に燃焼空間（６）と同軸に形成された環状の溝（２６ｂ）からなり、燃料ガスは該溝に向け径方向から導入される。
【００１９】
内部に空気の旋回流が流れるフレームチューブの一端面に環状の凹みからなる溝を形成し、この溝に径方向から燃料ガスを導入してやると、環状の溝が燃料ガスの滞留領域となり、ここに環状の火炎基部が形成されるため燃焼器の保炎性が向上される。
【００２０】
さらに他の好ましい実施例によれば、前記リセス部はフレームチューブ（８）の閉口した一端面（２）において鍔状に広がって形成されたフランジ部（２６ｃ）からなり、燃料ガスは該フランジ部の付け根部分に位置するフレームチューブの側面から燃焼空間の接線方向に噴出されて導入される。
【００２１】
内部に空気の旋回流が流れるフレームチューブの一端面に鍔状の凹みのフランジ部を形成し、この凹みに径方向から燃料ガスを導入してやると、環状の凹みが燃料ガスの滞留領域となり、燃焼器の保炎性が向上される。
【００２２】
加えて他の好ましい実施例によれば、一端面（２）を閉口し他端面（４）を開口した円筒形の燃焼空間（６）を内部に有するフレームチューブ（８）と、燃焼空間内に向けその接線方向から空気を噴出しこれをフレームチューブ内周面に沿って流れる旋回流（α）とする少なくとも１つの空気噴出管（１６）と、前記フレームチューブに連結され燃焼空間内に燃料ガスを導入する少なくとも１つの燃料ガス供給管（２２）と、からなり、燃焼空間内に導入した燃料ガスを旋回流と混合してその希薄燃焼を行う旋回型低ＮＯｘ燃焼器であって、前記フレームチューブには閉口した一端面から一定の距離を隔てた側面において鍔状に広がる環状凹部（２６ｄ）が形成され、空気噴出管（１６）は該環状凹部に連結され、燃料ガス供給管（２２）は閉口した一端面の径方向外側に連結され、かつ、燃焼空間の軸方向に燃料ガスを導入し、前記環状凹部と閉口した一端面との間の空間には燃料ガスの滞留領域（Ｘ）が形成され、該滞留領域に滞留した燃料ガスが燃焼器の保炎性を向上させる、ことを特徴とする旋回型低ＮＯｘ燃焼器とすることもできる。
【００２３】
上記構成の燃焼器によれば、フレームチューブの閉口した一端面から一定の距離をおいて側面に鍔状に広がる環状凹部を形成し、ここに空気噴出管を接線方向に連結して空気を噴出し、燃焼空間内に旋回流を形成する一方、燃料ガス供給管を閉口した一端面の外周側に連結し、軸方向に燃料ガスを燃焼空間内に導入してやることで、一端面から環状凹部との間の空間にフレームチューブの内周面に沿った円筒状の燃料ガスの滞留領域が形成される。
このように空気を燃焼空間に噴出して導入する空気噴出管の連結方法を工夫することで燃料ガスの滞留領域を燃焼空間内に形成し、燃焼器の保炎性を向上させることもできる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
【００２５】
図１は第１の実施例の燃焼器の模式的構成図であり、（ａ）は燃焼器の軸方向断面図、（ｂ）は燃焼器の径方向断面図、（ｃ）はその斜視図である。
【００２６】
この燃焼器はガスタービンに用いられるものであって、上流側にはエンジン内部に取り入れた空気を圧縮する圧縮機が、下流側には燃焼ガスにより駆動されるガスタービンが配置されている（図示せず）。
またこの燃焼器は、高速に導入される圧縮空気と燃料ガスとをその内部で十分に混合しながら燃焼させ、タービンの要求する高圧圧縮ガスを発生させるものであり、また高燃焼効率の維持・向上と燃焼ガスの低ＮＯｘ化の両立を実現するものである。
【００２７】
燃焼器１０は、図１に示したように、一端面２（上流端）を閉口し他端面４（下流端）で開口する円筒形のフレームチューブ８によりその外形が構成されている。フレームチューブ８は空気と燃料ガスとの混合ガスの主として希薄燃焼が行われる円筒形の燃焼空間６を内部に有している。
またこのフレームチューブ８の閉口した一端面２には燃焼空間６と同軸の円形の凹み２６ａが形成されている。すなわち、フレームチューブの閉口した一端面２は円形の階段状に形成されている。
【００２８】
フレームチューブ８の一端面２側の側面８ｂには図示しない圧縮機で圧縮された空気を燃焼室に向けて接線方向に高速で噴出する空気噴出管１６が１本接続されている。空気噴出管１６から噴出された空気はフレームチューブ内周面に沿って流れ、螺旋状の旋回流αとなって上流から下流に向かう。
【００２９】
また凹み２６ａの底面外周側で、かつ、空気噴出管至近の下流側位置には燃料ガス供給管２２が軸方向に連結されている。燃料ガス供給管２２からは燃料ガスが軸方向に噴出されて燃焼空間６に導入される。燃焼空間の接線方向に噴出される空気と、軸方向に噴出される燃料ガスとは直角に合流し、燃料ガスは旋回流αに巻き込まれることで大量の空気と攪拌・混合される。
【００３１】
上述した構成の第１の実施例の燃焼器では、円形の凹み２６ａの内周径方向外側に図に示すような環状の滞留領域Ｘ（リセス部）が形成される。
リセス部Ｘには比較的高濃度で燃焼が容易な燃料ガス滞留するため、この高濃度燃料ガスを１次的に燃焼させ燃焼空間の上流側にパイロット領域を形成してやることにより、希薄燃焼における燃焼器の保炎性を向上させることができる。そのため燃焼器の負荷を稼ぐためにガス流量を増やした場合であっても安定燃焼が確保され、燃焼器の低ＮＯｘ化も保持される。
【００３２】
なお、本実施例の燃焼器を改変した例として、図２に示したように中心軸に対して対称に設けた複数（図では各２本）の空気噴出管１６および燃料供給管２２を設けた燃焼器２０によっても、円形の凹み２６ａの内周径方向外側に環状の滞留領域Ｘ（リセス部）を形成して保炎性を向上させ、安定燃焼を確保することで低ＮＯｘ化を保持することができる。
なお、かかる燃焼器２０によれば燃焼空間内に形成される螺旋火炎が対称化されるので、燃焼器出口の温度分布の均一化を図ることができる。
【００３３】
図３に第２の実施例の燃焼器の模式的構成図を示した。ここで（ａ）は軸方向断面図であり、（ｂ）は径方向断面図である。
【００３４】
この図に示したようにこの燃焼器３０では、フレームチューブ８の閉口した一端面２には、燃焼空間６と同軸に形成された環状の凹みからなる溝２６ｂが形成されている。なお、本実施例の２本の空気噴出管１６は図２に示した燃焼器２０と同様に設けられ、同様の機構によって燃焼空間６内に旋回流αを発生させるためその説明を省略する。
【００３５】
この燃焼器３０では、燃料ガスは溝２６ｂ内の側面において開口し、かつ、空気噴出管１６至近の下流側位置に設けられた複数（図３では２つ）の燃料ガス噴出口２２ｂから、環状の溝２６ｂ内へ径方向内側から径方向外側に向けて導入される。
【００３６】
かかる構成の燃焼器３０によっても、環状の溝２６ｂ内に図に示すような燃料ガスの滞留領域Ｘ（リセス部）を形成することができ、滞留した高濃度燃料ガスを１次的に燃焼させてこれをパイロットとすることで希薄燃焼における保炎性を向上させることができる。
【００３７】
図４に第３の実施例の燃焼器の模式的構成図を示した。
本実施例の燃焼器は空気と燃料ガスとをともに燃焼空間６の接線方向から噴出して導入することを特徴としている。
【００３８】
この燃焼器４０のフレームチューブ８には、その閉口した一端面に鍔状に広がるフランジ部２６ｃが形成されている。
空気噴出管１６と燃料ガス供給管２２はともにフランジ部の付け根部分に位置するフレームチューブ８の側面８ｂに連結され、それぞれ空気と燃料ガスを燃焼空間６の接線方向に向けて噴出して導入する。
本実施例では２本の空気噴出管１６と２本の燃料ガス供給管２２とが９０°傾いた状態で交互にフレームチューブ８の外周に連結されている。空気と燃料ガスとは燃焼空間６内をともに旋回することで混合される。
ここでフランジ部２６ｃはフレームチューブ８の側面８ｂから鍔状に広がって形成されているため、すなわちフレームチューブ８の側面８ｂと閉口した一端面２との接続箇所には段差が形成されているため、このフランジ部２６ｃが燃料ガスの滞留領域Ｘとなって燃焼器４０の保炎性を向上させる。
【００３９】
図５に第４の実施例の燃焼器の模式的構成図を示した。
本実施例の燃焼器はフレームチューブ８への空気噴出管１６の連結方法を特徴点としている。
【００４０】
本実施例の燃焼器５０のフレームチューブ８には閉口した一端面２から一定の距離を隔てた側面８ｂにおいて鍔状に広がる環状凹部２６ｄが形成されており、空気噴出管１６は環状凹部２６ｄに接線方向から連結されている。また燃料ガス供給管２２はフレームチューブ８の閉口した一端面２の外周側に連結され、軸方向に燃料ガスを噴出する。
【００４１】
かかる構成の燃焼器５０によれば、空気噴出管１６から噴出された空気は、いったん環状凹部２６ｄに沿って進み、その後上流から下流に旋回しながら流れる。このとき環状凹部２６ｄと閉口した一端面２との間の空間には燃料ガスの滞留領域Ｘが形成されるため、この滞留領域Ｘに滞留した高濃度の燃料ガスを燃焼させることでパイロット領域を形成し、これにより燃焼器の保炎性を向上させることができる。
【００４２】
上述したように本発明の旋回型低ＮＯｘ燃焼器によれば、空気と燃料ガスとの混合を旋回流によって急速に促進してＮＯｘの発生を低減するとともに、燃料ガスの滞留領域となるリセス部を上流端付近に形成することで、リセス部に滞留した比較的高濃度の燃料ガスを１次的に燃焼させ、これをパイロットとすることにより希薄燃焼における保炎性を向上させることができる。保炎性が向上すると燃焼効率も向上し、これにより低ＮＯｘ化による燃焼効率の低下を防ぐことが可能となる。
【００４３】
また、本発明の旋回型低ＮＯｘ燃焼器は中心軸に対して対称形に形成することもできるので、かかる場合には燃焼空間内での均一燃焼が達成され、燃焼器出口の温度分布も均一化するため、燃焼器の性能も向上することになる。
【００４４】
なお、本発明は上述した実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。例えばボイラーや炉に用いられる燃焼器に本発明の燃焼器を適用することもできる。
【００４５】
【発明の効果】
上述したように、本発明の旋回型低ＮＯｘ燃焼器によれば空気と燃料の急速混合により、燃焼排ガス中に含まれるＮＯｘの低減と保炎性の確保による燃焼効率の向上の両立を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例の燃焼器の模式的構成図である。
【図２】第１の実施例の燃焼器の改変例を示した模式的構成図である。
【図３】第２の実施例の燃焼器の模式的構成図である。
【図４】第３の実施例の燃焼器の模式的構成図である。
【図５】第４の実施例の燃焼器の模式的構成図である。
【図６】従来の混合希薄燃焼方式の燃焼器の一例を示した模式的構成図である。
【図７】従来の旋回型の低ＮＯｘ燃焼器の模式的構成図である。
【符号の説明】
２ 一端面
４ 他端面
６ 燃焼空間
８ フレームチューブ
８ｂ （フレームチューブ）側面
１６ 空気噴出管
２２ 燃料ガス供給管
２２ｂ 燃料ガス噴出口
２６ａ 凹み
２６ｂ 溝
２６ｃ フランジ部
２６ｄ 環状凹部
１０，２０，３０，４０，５０ 燃焼器
α 旋回流
Ｘ 滞留領域（リセス部）

Claims (5)

1. 一端面を閉口し他端面を開口した円筒形の燃焼空間を内部に有するフレームチューブと、該フレームチューブの側面に連結され、かつ、燃焼空間内に向けその接線方向から空気を噴出しこれをフレームチューブ内周面に沿って流れる旋回流とする少なくとも１つの空気噴出管と、前記フレームチューブに連結され燃焼空間内に燃料ガスを導入する少なくとも１つの燃料ガス供給管と、からなり、燃焼空間内に導入した燃料ガスを旋回流と混合してその希薄燃焼を行う旋回型低ＮＯｘ燃焼器であって、前記フレームチューブと燃料ガス供給管との連結部の近傍には燃料ガスの滞留領域を形成するリセス部が設けられており、該滞留領域に滞留した燃料ガスが燃焼器の保炎性を向上させる、ことを特徴とする旋回型低ＮＯｘ燃焼器。
2. 前記リセス部はフレームチューブの閉口した一端面に燃焼空間と同軸に形成された円形の凹みからなり、燃料ガスは該凹みの底面外周側に連結された燃料ガス供給管から燃焼空間の軸方向に噴出されて導入される、ことを特徴とする請求項１に記載の旋回型低ＮＯｘ燃焼器。
3. 前記リセス部はフレームチューブの閉口した一端面に燃焼空間と同軸に形成された環状の溝からなり、燃料ガスは該溝に向け径方向から導入される、ことを特徴とする請求項１に記載の旋回型低ＮＯｘ燃焼器。
4. 前記リセス部はフレームチューブの閉口した一端面において鍔状に広がって形成されたフランジ部からなり、燃料ガスは該フランジ部の付け根部分に位置するフレームチューブの側面から燃焼空間の接線方向に噴出されて導入される、ことを特徴とする請求項１に記載の旋回型低ＮＯｘ燃焼器。
5. 一端面を閉口し他端面を開口した円筒形の燃焼空間を内部に有するフレームチューブと、燃焼空間内に向けその接線方向から空気を噴出しこれをフレームチューブ内周面に沿って流れる旋回流とする少なくとも１つの空気噴出管と、前記フレームチューブに連結され燃焼空間内に燃料ガスを導入する少なくとも１つの燃料ガス供給管と、からなり、燃焼空間内に導入した燃料ガスを旋回流と混合してその希薄燃焼を行う旋回型低ＮＯｘ燃焼器であって、前記フレームチューブには閉口した一端面から一定の距離を隔てた側面において鍔状に広がる環状凹部が形成され、空気噴出管は該環状凹部に連結され、燃料ガス供給管は閉口した一端面の径方向外側に連結され、かつ、燃焼空間の軸方向に燃料ガスを導入し、前記環状凹部と閉口した一端面との間の空間には燃料ガスの滞留領域が形成され、該滞留領域に滞留した燃料ガスが燃焼器の保炎性を向上させる、ことを特徴とする旋回型低ＮＯｘ燃焼器。

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