JP3967843B2 - Burner equipment - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼用ガスを燃焼するためのバーナ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
地域発電、地域暖房などを行うために、種々のコージェネレーションシステムが提案され実用に供されている。このようなコージェネレーションシステムの代表的な一つのシステムは、燃焼用ガスを燃焼するためのバーナ装置と、バーナ装置によって燃焼された燃焼ガスによって回転駆動されるガスタービンとを備え、ガスタービンの回転を利用して発電が行われる。
【0003】
このようなガスタービンに用いられるバーナ装置は、第1のガス供給手段からの燃焼用ガスが供給される一次ノズル手段と、第2のガス供給手段からの燃焼用ガスが供給される二次ノズル手段とを備えている。一次ノズル手段は第1の流路を規定し、第1の流路を流れる空気流に第1のガス供給手段からの燃焼用ガスが噴出され、これによって安定して燃焼する希薄混合ガスが生成される。また、二次ノズル手段は第2の流路を規定し、第2の流路を流れる空気流に第2のガス供給手段からの燃焼用ガスが噴出され、これによって一次ノズル手段の希薄混合ガスよりもガス濃度の低い希薄混合ガスが生成される。このようなバーナ装置では、一次ノズル手段の混合ガスのガス濃度が二次ノズル手段の混合ガスのガス濃度よりも高いので、一次ノズル手段の混合ガスが安定して燃焼し、そしてこの一次ノズル手段の燃焼ガスを利用して二次ノズル手段の混合ガスが燃焼される。燃焼用ガスをこのように燃焼することによって、希薄燃焼が可能となり、また燃焼ガスの燃焼温度を低くすることができ、これによって酸化窒素(NOx)の発生を抑えた高効率な燃焼が可能となる。
【0004】
しかしながら、上述したバーナ装置では、次のとおりの解決すべき問題が存在する。第1のノズル手段を流れる希薄混合ガスのガス濃度は第2のノズル手段の希薄混合ガスのガス濃度よりも濃いので、その燃焼ガスの燃焼温度は高く、一方第2のノズル手段を流れる希薄混合ガスの燃焼温度は第1のノズル手段の燃焼ガスの燃焼温度よりも低くなる傾向にある。一般的に、バーナ装置からの燃焼ガスをガスタービンに送給する場合、送給される燃焼ガスの最高温度がガスタービンの耐熱温度を超えないようにする必要がある。それ故に、上述したバーナ装置においては、燃焼ガスの中心付近の最高温度をガスタービンの耐熱温度、たとえば1200℃以下に設定する必要があり、このようにしたとき、中心付近から離れた部位の燃焼ガスの燃焼温度が低くなる。その結果、ガスタービンに送給される燃焼ガスの平均温度が低くなり、バーナ装置を含むシステムの熱効率が悪くなる。
【0005】
これを解決するために、第1のノズル手段を有する第1の流路を第1の円筒状に形成し、これよりも外側に同心に、第2のノズル手段を有する第2の流路を第2の円筒状に配置し第2の流路から第1の流路に、連続したリング状の混合ガス導入口を設けたバーナ装置が考えられる。このバーナ装置は前記バーナ装置よりも燃焼の片寄りが少なくなるが、まだ混合ガス導入口から導入された混合ガスが充分に第1の流路の混合ガスと混合しない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、バーナ装置における燃焼の片寄りを防止し、燃焼ガスの燃焼温度を均一にして、これによって燃焼ガスの平均温度を高めることができるとともに、安定して燃焼を継続できるバーナ装置を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第1の円筒状部材から構成され、第1の流路を規定する第1のノズル手段と、
前記第1の円筒状部材の外側に同心状に配置される第2の円筒状部材から構成され、第2の流路を規定する第2のノズル手段と、
前記第1の流路に燃焼用ガスを供給するための第1のガス供給手段と、
前記第2の流路に燃焼用ガスを供給するための第2のガス供給手段と、
前記第1および第2の流路に空気を供給するための空気流路とを備え、
前記第1のガス供給手段からの燃焼用ガスは前記空気流路から前記第1の流路を通して流れる空気流に向けて噴出され、これによって安定に燃焼できる希薄混合ガスが第1の流路で生成され、
前記第2のガス供給手段からの燃焼用ガスは前記空気流路から前記第2の流路を通して流れる空気流に向けて噴出され、これによって前記第1の流路の希薄混合ガスよりもさらにガス濃度の低い希薄混合ガスが第2の流路で生成され、
前記第1の流路と前記第2の流路との間には、さらに、前記第2の流路の希薄混合ガスの一部を前記第1の流路に導くための断続したリング状の混合ガス導入口が設けられていることを特徴とするバーナ装置である。
【0008】
本発明者らは、混合ガス導入口の形状を種々実験で検討した結果、断続したリング状にすれば、混合ガス導入口から導入された混合ガスが第1の流路の混合ガスと充分に混合することを確認し、本発明を完成するに至った。
【0009】
本発明に従えば、第1の円筒状部材から構成される第1の流路を流れる空気流には第1のガス供給手段からの燃焼用ガスが噴出され、これによって安定して燃焼する希薄混合ガスが生成される。また、第1の円筒状部材の外側に同心状に配置される第2の円筒状部材から構成される第2の流路を流れる空気流には第2のガス供給手段からの燃焼用ガスが噴出され、これによって第1のノズル手段の混合ガスよりもガス濃度の薄い希薄混合ガスが生成される。さらに、第1の流路と第2の流路との間には断続したリング状の混合ガス導入口が設けられているので、第2の流路にて生成された混合ガスの一部が第1の流路に導入され、これによって第1の流路の混合ガスと第1の流路に導入された第2の流路の混合ガスとの混合が充分に行われ、ガス濃度が均一化して燃焼状態の片寄りが非常に少なくなる。その結果、第1のノズル手段からの燃焼ガスの燃焼温度と第2のノズル手段からの燃焼ガスの燃焼温度がほぼ等しくなり、燃焼ガスをガスタービンに送給する場合、燃焼ガスの平均温度をガスタービンの耐熱温度に近づけることができ、バーナ装置を含むシステムの効率を高めることができる。
【0010】
また本発明は、前記第2の流路を流れる空気流の流速は、前記第1の流路を流れる空気流の流速よりも速いことを特徴とする。
【0011】
本発明に従えば、第2の流路を流れる空気流の流速は第1の流路を流れる空気流の流速よりも速いので、第2の流路の希薄な混合ガスの一部が混合ガス導入手段を介して第1の流路に導入され、第1の流路を流れる混合ガスの濃度が薄められ、これにより高温となる混合ガスが減少する。
【0012】
また本発明は、前記第2の流路の半径方向断面積S2と前記第1の流路の半径方向断面積S1との比(S2/S1)は2.0〜10.0であり、前記混合ガス導入口は3〜16個の等面積の開口部と閉口部とを有する断続したリング状であり、前記第2の流路の半径方向断面積S2と前記混合ガス導入口の開口部の半径方向断面積S3との比(S2/S3)は1.0〜30.0であることを特徴とする。
【0013】
本発明に従えば、第2の流路の断面積S2と第1の流路の断面積S1との比(S2/S1)が2.0〜10.0である。前記断面積比が2.0未満では、第1の流路の中央部における燃焼ガスの燃焼温度は部分的に高温となり、排出ガス中のNOx値を減少させることができない。またこれが10.0を超えると、第2の流路のガスが吹き消されるおそれがある。第2の流路の混合ガスは、それのみでは安定して燃焼できない程度に希薄な混合ガスであり、第1の流路の混合ガスはそれのみで安定して燃焼できる混合ガスであり、第2の流路の混合ガスは第1の流路の混合ガスによってその燃焼が助けられる。すなわち第2の流路の混合ガスは、第1の流路の混合ガスによって保炎されている。したがって前記断面積比が大きくなる程、保炎効果が少なくなり、これが10.0を超えると、安定して燃焼を継続できなくなるおそれがある。この断面積比(S2/S1)の範囲は、次に述べる断面積比(S2/S3)の範囲とともに本発明者が実験的に求めたものである。
【0014】
また本発明に従えば、第2の流路の断面積S2と混合ガス導入手段の導入開口の断面積S3との比(S2/S3)が1.0〜30.0である。前記断面積比が1.0未満では、第2の流路の混合ガスが導入手段を介して大量に第1の流路に流れ、第2の流路の混合ガスの量が減少し、燃焼が第1の流路で主として生じ、燃焼器出口の温度が不均一になる。またこれが30.0を超えると、第2の流路の混合ガスがほとんど第1の流路に導入されず、第1の流路の燃焼ガスが高温となり、排出ガス中のNOx値を減少させることができない。
【0015】
さらに本発明に従えば、混合ガス導入口は、3〜16個の等面積の開口部と閉口部とを有する断続したリング状である。開口部と閉口部との個数を各2以下にすると、先に述べた連続したリング状に近い構造となり、混合ガス導入口から導入された混合ガスが充分に第1の流路の混合ガスと混合しない。開口部と閉口部との個数は多くする程、導入口から導入された混合ガスがよく第1の流路の混合ガスと混合されるが、この個数を17個以上に増加しても、混合状態は大きく改善されない上に、製作に手間がかかる。
【0016】
また本発明は、前記第1の円筒状部材は、円筒状のノズル本体と先端ノズルとから構成され、前記先端ノズルは、内径が大きい大径部と、前記大径部よりも内径が小さい小径部と、前記大径部と前記小径部とを接続するテーパ部とを有し、前記先端ノズルの前記大径部が前記ノズル本体の先端部に装着され、前記混合ガス導入口の前記開口部は、前記ノズル本体と前記先端ノズルの前記大径部との間に断続して形成され、前記先端ノズルの前記テーパ部は、前記大径部から半径方向内方に延び、前記テーパ部の前記先端ノズルとのテーパ角度が20〜120度に設定されていることを特徴とする。
【0017】
本発明に従えば、第1のノズル手段はノズル本体と先端ノズルから構成され、ノズル本体と先端ノズルの大径部との間に混合ガス導入開口が規定されているので、第2の流路を流れる混合ガスはこの混合ガス導入開口を通して第1の流路に所要のとおりに導入される。また、先端ノズルにはテーパ角度が20〜120度であるテーパ部が設けられているので、混合ガス導入開口を通して導入された混合ガスはこのテーパ部に案内されて半径方向内方に案内され、これによって第2の流路から導入された混合ガスは半径方向内方に流れて第1の流路を流れる混合ガスに実質上均一に混合される。このテーパ角度が20度未満では、テーパ部の長さが長くなり好ましくない。また120度を超えると、混合ガス導入開口を通して導入される混合ガス流に抵抗を生じ、円滑に導入されない。このテーパ角度の範囲は、本発明者が実験的に求めたものである。
【0018】
さらに本発明は、前記第1の流路を流れる希薄混合ガスを点火するための点火手段が設けられ、前記混合ガス導入手段の前記導入開口は前記点火手段の配設部位よりも下流側に設けられていることを特徴とする。
【0019】
本発明に従えば、混合ガス導入手段は点火手段の配設部位の下流側に配設されているので、点火手段には第1の流路を通して流れる混合ガス、すなわち第2の流路からの混合ガスが含まれていない安定して燃焼できる混合ガスが送給され、したがって点火手段によって第1の流路の混合ガスを確実に点火することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明に従うバーナ装置の一実施形態について説明する。図1は、本発明に従うバーナ装置の一実施形態を簡略的に示す断面図であり、図2は、図1に示すバーナ装置の一部を拡大して示す断面図であり、図3は、図2におけるIII−III線による断面図である。
【0021】
図1を参照して、図示のバーナ装置は、番号2で示すバーナテスト用ケースのディフューザ部を備え、このディフューザ部2に円筒状のテストケース4が装着され、テストケース4は図1において右方に延びている。テストケース4内には燃焼ケース6が配設されている。燃焼ケース6は円筒状で、テストケース4に同心状に配設されている。燃焼ケース6の一端部(図1において左端部)はディフューザ部2に装着され、その他端部は図1において右方に延びている。ディフューザ部2には、また、空気流路8が形成され、この空気流路8を通して燃焼用空気が燃焼ケース6の一端部に供給される。この燃焼用空気は、たとえば、コンプレッサ(図示せず)によって圧縮された状態にて送給される。
【0022】
この実施形態では、燃焼ケース6の一端部内に第1のノズル手段10、第2のノズル手段12および燃焼筒14が配設されている。図2をも参照して、ディフューザ部2の一部には取付支持ブロック16が装着され、この取付支持ブロック16に外ガス送給管18の一端部が装着され、この外ガス送給管18の他端部に噴射ノズル体20が装着されている。噴射ノズル体20は内部に空間22が形成され、この内部空間22を軸線方向に貫通して仕切スリーブ24が装着され、この仕切スリーブ24によって上記内部空間22が内側の第1空間22aとこの第1空間22aの外側の第2空間22bとに仕切られている。外ガス送給管18の他端部は、噴射ノズル体20の第2空間22bに連通されている。また、外ガス送給管18の内側には内ガス送給管26が同心状に配設され、その一端部が取付支持ブロック16に装着され、その他端部が噴射ノズル体20に装着されている。この内ガス送給管26は、噴射ノズル体20の第1空間22aに連通されている。
【0023】
内ガス送給管26には、これに燃焼用ガスを供給するための第1のガス供給手段が接続されている。第1のガス供給手段は、燃焼用ガスが蓄えられたガス供給源(図示せず)、ガス供給源から燃焼用ガスを導くガス送給管28およびガス送給管28を通して送給されるガスの流量を制御する流量制御手段、たとえば流量制御弁(図示せず)を含み、ガス送給管28が内ガス送給管26に連通されている。また、外ガス送給管18には、これに燃焼用ガスを供給するための第2のガス供給手段が接続されている。第2のガス供給手段は、燃焼用ガスが蓄えられたガス供給源(図示せず)、ガス供給源から燃焼用ガスを導くガス送給管30およびガス送給管30を通して送給されるガスの流量を制御する流量制御手段、たとえば流量制御弁(図示せず)を含み、ガス送給管30が外ガス送給管18に連通されている。なお、燃焼用ガスとしては、たとえば、都市ガスを好都合に用いることができる。
【0024】
第1のノズル手段10は、噴射ノズル体20の外側に装着されている。図示の第1のノズル手段10は第1の円筒状部材32から構成され、この第1の円筒状部材32の一端部には周方向に間隔を置いて半径方向内方に突出する内突起34が一体的に設けられ、複数個の内突起34を介して第1の円筒状部材32が噴射ノズル体20に同心状に支持されている。このように構成されているので、第1の円筒状部材32と噴射ノズル体20との間には、周方向のほぼ全域に渡って環状の間隙が存在し、空気流路8からの空気はかかる間隙を通して第1の円筒状部材32内に導かれる。
【0025】
噴射ノズル体20の先端部と第1の円筒状部材32の一端部との間には、第1のスワラ36が配設されている。第1のスワラ36は、周方向に間隔を置いて配設された複数個のフィンから構成され、噴射ノズル体20と第1の円筒状部材32との間隙を通して流れる空気は、かかる第1のスワラ36によって旋回流となり、旋回流の状態で第1の円筒状部材32内を図1および図2において右方に流れる。第1のスワラ36は第1の円筒状部材32と一体的に形成してもよく、また別体に形成して両者の間に介在させてもよい。
【0026】
第2のノズル手段12は、第1のノズル手段10の外側に装着されている。図示の第2のノズル手段12は第2の円筒状部材38から構成され、この第2の円筒状部材38の一端部が第2のスワラ40を介して第1の円筒状部材32の外側にこれに同心状に装着されている。第2のスワラ40は、周方向に間隔を置いて配設された複数個のフィンから構成され、第1の円筒状部材32と第2の円筒状部材38との間に導かれる空気は、かかる第2のスワラ40の作用によって旋回流となり、旋回流の状態で第2の円筒状部材38内を図1および図2において右方に流れる。この第2のスワラ40は、第2の円筒状部材38と一体的に形成してもよく、また別体に形成して第1および第2の円筒状部材32,38の間に介在させてもよい。
【0027】
第2の円筒状部材38の一端部には半径方向外方に突出する環状フランジ42が一体的に設けられ、この環状フランジ42の先端部に燃焼筒14の一端部が取付ねじ44によって取付けられている。燃焼筒14は円筒状部材から構成され、第1および第2の円筒状部材32,38に同心状に配設され、この燃焼筒14と燃焼ケース6との間にも環状の外空間が存在する。
【0028】
この実施形態では、噴射ノズル体20先端部には周方向に間隔を置いて複数個の第1噴出孔46が形成され、これら第1噴出孔46が噴射ノズル体20の第1空間22aに連通している。また、噴射ノズル体20の中間部には半径方向に延びる第2噴出孔48が周方向に間隔を置いて形成され、これら第2噴出孔48が噴射ノズル体20の第2空間22bに連通している。さらに、第1円筒状部材32の内突起34には貫通孔50が形成され、かかる貫通孔50が対応する第2噴出孔48に接続されている。
【0029】
このように構成されているので、ガス送給管28を通して供給される燃焼用ガスは、内ガス送給管26を通して噴射ノズル体20の第1空間22aに送給され、第1噴出孔46を通して噴出される。第1のノズル手段10は、図1および図2に示すとおり、第1の円筒状部材32によって第1の流路45を規定し、空気流路8を流れる空気の一部は噴射ノズル体20と第1の円筒状部材32との間を通して第1の流路45に導かれ、第1噴出孔46から噴出される燃焼用ガスは、第1のスワラ36によって旋回流となって流れる空気流に向けて噴出され、旋回流の作用によって実質上均一に混合されて混合ガス(燃焼用ガスと空気との希薄混合ガス)となる。この第1の流路45の混合ガスの空気比は、たとえば1.4〜1.9程度の安定して燃焼する範囲に設定される。なお、第1のガス供給手段の流量制御手段(図示せず)を操作することによって、第1噴出孔46から噴出される燃焼用ガスの噴出量を制御することができる。また、ガス送給管30を通して供給される燃焼用ガスは、外ガス送給管18を通して噴射ノズル体20の第2空間22bに送給され、第2噴出孔48および第1の円筒状部材32の貫通孔50を通して第1の円筒状部材32の外側に噴出される。第2のノズル手段12は、図1および図2に示すとおり、第1の円筒状部材32の外側に第2の円筒状部材38によって環状の第2の流路47を規定し、空気流路8を流れる空気の残りの一部は第1の円筒状部材32と第2の円筒状部材38との間を通して第2の流路47に導かれ、第2噴出孔48から貫通孔50を通して噴出される燃焼用ガスは、第2のスワラ40によって旋回流となって流れる空気流に向けて噴出され、旋回流の作用によって実質上均一に混合されて混合ガス(燃焼用ガスと空気との希薄混合ガス)となる。この第2の流路47の混合ガスの空気比は、たとえば2.0程度に設定される。なお、第2のガス供給手段の流量制御手段(図示せず)を操作することによって、第2噴出孔48から噴出される燃焼用混合ガスの噴出量を制御することができる。
【0030】
空気流路8を通して流れる空気の残部は燃焼筒14と燃焼ケース6との間の空間51を通して流れる。この実施形態では、燃焼筒14には周方向および軸線方向に間隔を置いて複数個の空気孔52が形成されており、空間51を通して流れる空気はこれら空気孔52を通して燃焼筒14内に導入される。空気孔52を通して導入される空気は燃焼筒14の内周面に沿って流れる空気層を生成し、かかる空気層によって燃焼筒14が冷却される。これら空気孔52は、燃焼筒14の一部を半径方向外方に折曲することによって形成することができる。また、後述する如くして燃焼して燃焼筒14内を流れる燃焼ガスの温度が異常に上昇しないように、必要に応じて、燃焼筒14に希釈孔(図示せず)を設けることができ、このように希釈孔を設けた場合、空間51を流れる空気が希釈孔を通して燃焼筒14内に導入され、導入した空気によって燃焼ガスの温度が低下される。なお、燃焼筒14が異常高温に上昇しない場合、空気孔52を省略することもできる。
【0031】
この実施形態では、図1に示すとおり、第1のノズル手段10の先端部、すなわち第1の円筒状部材32の他端部と、第2のノズル手段12の先端部、すなわち第2の円筒状部材38の他端部とは、実質上同じ位置またはほぼ同じ位置まで延びており、また燃焼筒14の先端部は第1および第2のノズル手段10,12を越えてさらに図1において右方に延びている。したがって、第1の流路45の混合ガスによる燃焼火炎は第1の円筒状部材32の内部もしくは先端部から図1において右方に生成され、また第2の流路47の混合ガスによる燃焼火炎は第2の円筒状部材38の先端部から図1において右方に発生し、これら燃焼火炎は燃焼筒14内にて所要のとおりに燃焼される。
【0032】
この実施形態では、第1の流路45を流れる希薄混合ガスのガス濃度は第2の流路47を流れる希薄混合ガスのガス濃度よりも濃くなるように設定されている。そして、このことに関連して、混合ガスを点火するための点火手段56の点火部が第1の流路45内に突出している。点火手段56は細長い点火部材58を備え、その基部がテストケース4に装着され、その先端部が燃焼ケース6、燃焼筒14、第2の円筒状部材38および第1の円筒状部材32を貫通して第1の流路45に突出している。点火部材58の先端点火部は、第1の流路45を流れる混合ガスに向けて火花を発生し、かかる火花によって第1の流路45の安定して燃焼できる混合ガスが点火燃焼される。そして、第1の流路45にて発生した燃焼ガスの火炎が第2の流路47を流れる混合ガスに伝播され、かかる火炎の伝播によって第2の流路47の混合ガスが燃焼される。なお、第1および第2のノズル手段10,12として流量制御を行うことができるものを採用する場合、この点火手段56を第1および第2の流路45,47からの混合ガスが混合される領域の下流側に設けることができる。
【0033】
また、噴射ノズル体20と第1の円筒状部材32との間隙は、第1の円筒状部材32と第2の円筒状部材38との間隙よりも小さく設定されており、したがって第1の流路45に流入する空気は、第1の流路45の入口部において絞られ、その後下流側において第1の流路の断面積が大きく増大するので、この第1の流路45を流れる空気流の流速は比較的遅く、これに対して、第2の流路47を流れる空気流の流速は比較的速くなる。
【0034】
燃焼筒14の先端部には、さらに筒状の導出筒60が設けられている。導出筒60は、図1において右方に延び、その先端部は先細に形成されており、燃焼筒14から導出筒60の一端部に導かれた燃焼ガスはこの導出筒60内を流れてその先細先端部に集められて下流側に流れる。導出筒60の先端側にはガスタービン62が配設され、燃焼筒14内で燃焼された燃焼ガスは導出筒60を通してガスタービン62に送給され、ガスタービン62はバーナ装置からの燃焼ガスによって回転駆動される。なお、導出筒60の先端部は、燃焼ケース6の先端部に装着された支持プレート64によって支持されている。
【0035】
この実施形態では、第2の流路47の希薄混合ガスの一部が第1の流路45の希薄混合ガスに混合されるように構成されている。図1および図2ともに図3を参照してさらに説明すると、この実施形態では、第1のノズル手段10の第1の円筒状部材32に混合ガス導入手段が設けられている。図示の第1の円筒状部材32は、円筒状のノズル本体72とこのノズル本体72の先端部に装着される先端ノズル74から構成され、ノズル本体72の一端部(図1および図2において左端部)が噴射ノズル体20に装着されている。ノズル体72は一端部近傍から他端部まで実質上同じ内径であり、その一端部は半径方向外方に幾分湾曲されており、これによって空気流路8を流れる空気は、かかる湾曲一端部に案内されて噴射ノズル体20とノズル本体72との間隙に導かれる。先端ノズル74は、内径が大きい大径部76と、内径が小さい小径部78と、大径部76および小径部78を接続するテーパ部80とから構成され、テーパ部80は半径方向内方に向けてテーパ状に延びている。本実施の形態では、小径部78の内径はノズル本体72の内径と実質上等しく、大径部76の内径は小径部78およびノズル本体72の内径よりも大きく設定されている。
【0036】
本実施形態では、ノズル本体72の他端部に先端ノズル74の大径部76が6個の等面積の開口部82と閉口部84とを介して装着されている。このように先端ノズル74が装着されているので、図3に示すとおり、ノズル本体72の他端部外周面と先端ノズル74の大径部76の内周面との間に扇形の6個の開口部82が形成され、この開口部82が混合ガス導入口として機能する。このように導入開口が設けられているので、第2の流路47を流れる希薄混合ガスはこの導入口を通して第1の流路45に導入され、第1の流路45を流れる希薄混合ガスに充分混合される。したがって、第2の流路47からの混合ガスによって第1の流路45の混合ガスのガス濃度が薄められ、これによって第1の流路45の混合ガスと第2の流路47の混合ガスとのガス濃度の均一化が図られる。また、第2の流路47からの混合ガスは6個の開口部82と6個の閉口部84とが交互に設けられた断続したリング状の導入口を通して第1の流路45に導入されるので、第1の流路45の実質上全周に渡って第2の流路47からの混合ガスを導入することができ、導入混合ガスの片寄りを防止することができる。
【0037】
このような先端ノズル74を用いた場合、テーパ部80の先端ノズル74とのテーパ角度θ(図2)、すなわちテーパ部80の半径方向内方への傾斜角度を20〜120度に設定するのが望ましい。このように設定することによって、導入口を通して導入された混合ガスは先端ノズル74のテーパ部80に案内されて半径方向内方に流れ、第1の流路45を流れる混合ガスに一層均一に混合されるようになる。なお、この実施形態では、ノズル本体72と先端ノズル74とを閉口部84で塞ぎ溶接によって固着している。また、この実施形態では、テーパ部80は直線状に延びているが、必ずしも直線状である必要はなく、所定形状の曲線状に形成することができる。
【0038】
このようなバーナ装置では、図3に示すように、6個の開口部82および6個の閉口部84を含む図2のIII−III線における断面において、第2の流路47の半径方向断面積S2と第1の流路45の半径方向断面積S1との比(S2/S1)を2.0〜10.0に設定するのが望ましい。このように設定することによって、第2の流路47の断面積S2が第1の流路45の断面積S1より2倍以上大きくなり、これによって第1の流路45を通して流れる混合ガス(この混合ガスのガ濃度は、第2の流路47を流れる混合ガスのガス濃度よりも濃い)の流量が少なくなり、燃焼筒14の中央部、換言すると第1の流路45に対応する燃焼領域の燃焼ガスの燃焼温度が抑えられ、NOxの発生を少なくすることができる。また、第2の流路47の断面積S2が第1の流路45の断面積S1の10倍以下とされ、これによって第1の流路45を通して流れる混合ガスの流量が第2の流路47を通して流れる混合ガスの量に対し過小とならず、安定して燃焼する第1の流路45を流れるガスによって、さらに希薄な第2の流路47を流れるガスの燃焼を助け、全体として安定した燃焼が継続できる。
【0039】
図2において、第2の流路47の半径方向断面積S2と導入口の半径方向断面積(6個の開口部82の合計断面積)S3との比(S2/S3)を1.0〜30.0に設定するのが望ましい。このように設定することによって、第2の流路47の断面積S2が導入口の断面積S3よりも大きくなり、これによって第2の流路47から導入口を通して第1の流路45に導入される混合ガスの導入量が過剰に多くなることがなく、第1の流路47を流れる混合ガスのガス濃度が薄くなることを防止することができる。また、第2の流路47の断面積S2が導入口の断面積S3よりも30倍を超えて大きくならず、これによって第2の流路47から導入口を通して第1の流路45に導入される混合ガスの導入量が過小にならず、第1の流路45に第2の流路47のガスを混合する効果を損なわない。
【0040】
この実施形態では、また、点火手段56の点火部材58は、第1のノズル手段10のノズル本体72の他端部近傍、具体的には混合ガスの流れ方向に見て導入開口84の上流側に配設される。このように構成することによって、第1の流路45を流れる混合ガス、すなわち第2の流路47からの混合ガスが導入される前の安定して燃焼するガス濃度の混合ガスが点火部材58に送給されるようになり、点火手段56による点火性能が低下することが回避できる。
【0041】
このようなバーナ装置では、第1の流路45を流れる混合ガスに第2の流路47を流れる混合ガスの一部が送給され、これによって点火手段56の下流側にて第1の流路45の混合ガスが第2の流路47からの混合ガスによって薄められ、第1の流路45と第2の流路47の混合ガスのガス濃度をほぼ均一化し、燃焼ガスの燃焼温度を燃焼筒14の半径方向断面のほぼ全域において実質上均一にすることができる。このように燃焼ガスの燃焼温度を平均化することによって、燃焼ガスをガスタービン62に送給する場合、燃焼温度の平均値をガスタービン62の耐熱温度により近づけることができ、バーナ装置を含むガスタービンシステムの効率の向上を図ることができる。
【0042】
〔実施例および比較例〕
本発明のバーナ装置の効果を確認するために、実施例として、図1〜図3に示す実施形態のバーナ装置を用いて燃焼ガスの燃焼実験を行った。用いたバーナ装置における各部材の寸法などは、次のとおりであった。噴射ノズル体については、直径1.3mmの第1噴出孔を周方向に実質上等間隔を置いて8個設け、また直径2.6mmの第2噴出孔を周方向に実質上等間隔をおいて8個設けた。また、第1のノズル手段については、内径36mm、長さ102mmのノズル本体と、内径46mm、長さ11mmの大径部、内径36mm、長さ16mmの小径部およびこれら両者を接続する長さ5mmのテーパ部を有し、テーパ部のテーパ角度が45度である先端ノズルとを用い、先端ノズルの大径部を8個の閉口部によってノズル本体に取付けて第1の円筒状部材を構成した。また、第2のノズル手段については、内径70mm、長さ100mmの第2の円筒状部材を用いた。このような第1および第2の円筒状部材を用いることによって、それらの肉厚を考慮し、第1の流路の半径方向断面積を1018mm2に、第2の流路の半径方向断面積を2038mm2に、また導入口の半径方向断面積を202mm2に設定した。さらに、燃焼筒14として内径143mm、長さ358mmの円筒状部材を用いた。この円筒状部材には、口元部(図1および図2において左端部)に周方向に実質上等間隔を置いて直径6mmの空気孔を8個設け、またこの口元部より先端側に、周方向に実質上等間隔を置いて直径1.2mmの空気孔を36個設けた空気孔組を長手方向に8組設けた。
【0043】
このようなバーナ装置を用い、燃焼実験において、空気流路を通して温度350℃の空気を流量700Nm3/Hの割合で送給した。送給された空気は、その約4%が第1の流路を通して、その約55%が第2の流路を通して、またその約41%が燃焼筒の外側を通して流れ、この燃焼筒の外側を流れる空気は、燃焼筒の空気孔を通して燃焼筒内に流入した。燃焼用ガスとしてメタンを用い、1.0Nm3/Hの割合で噴射ノズル体の第1噴出孔を通して第1の流路に噴出させるとともに、24.7Nm3/Hの割合で噴射ノズル体の第2噴出孔を通して第2の流路に噴出させた。送給した空気およびメタンを混合して混合ガスとし、点火部材で点火させて混合ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成した。
【0044】
そして、このように混合ガスを燃焼して燃焼筒の先端における燃焼ガスの温度を測定したところ平均燃焼温度が1037℃であり、このときの燃焼温度の温度差が±26℃であった。また酸素濃度0%に換算した排出NOx濃度は15ppmであった。この結果から、燃焼筒のほぼ全域における燃焼温度がほぼ均一であることが確認できた。なお、燃焼温度の測定個所は、燃焼筒の先端にて直径方向に実質上等間隔を置いて7個の温度センサを設けて各測定個所の燃焼温度を測定した。またNOx濃度は温度センサを外した状態で各測定箇所から燃焼排ガスを混合採取し、その混合ガスのを分析して求めた。
【0045】
この実施例において、さらに、第2の流路に送給される燃焼ガスの送給量を制御してその送給量を絞ったところ、送給量を10%まで絞ったところでバーナ装置の燃焼が消え、ターンダウンレシオ(送給量100%を基準にして、燃焼ガスの送給量をどこまで絞れるかを示す割合)は1:10であった。
【0046】
比較例として、図2における切断線III−IIIによる断面図が図4の構成のバーナ装置を用い、また空気および燃焼ガスの送給条件も実施例と同様にして燃焼実験を行い、燃焼ガスの温度を実施例と同様にして測定した。なお、先端ノズル749の形状は、実施例と同じであるが、先端ノズルの大径部を4個のピン86によってノズル本体72に溶接した。導入口82aは、リング状に形成され、その断面積は405mm2であった。このときの平均燃焼温度は、1040℃、燃焼温度の温度差は±40℃、酸素濃度0%に換算したNOx濃度は35ppmであった。また実施例と同一の方法で測定したターンダウンレシオは1:4であった。
【0047】
【発明の効果】
本発明の請求項1記載のバーナ装置によれば、第1の円筒状部材から構成される第1のノズル手段の第1の流路を流れる空気流には第1のガス供給手段からの燃焼用ガスが噴出され、これによって安定して燃焼できる希薄混合ガスが生成される。また、第1の円筒状部材の外側に同心状に配置される第2の円筒状部材から構成される第2のノズル手段の第2の流路を流れる空気流には第2のガス供給手段からの燃焼用ガスが噴出され、これによって第1のノズル手段の混合ガスよりもガス濃度の薄い希薄混合ガスが生成される。さらに、第1の流路と第2の流路との間には断続したリング状の混合ガス導入口が設けられているので、第2の流路にて生成された混合ガスの一部が第1の流路に導入され、これによって第1の流路の混合ガスと第2の流路の混合ガスのガス濃度が均一化して燃焼状態の片寄りが非常に少なくなる。その結果、第1のノズル手段からの燃焼ガスの燃焼温度と第2のノズル手段からの燃焼ガスの燃焼温度がほぼ等しくなり、燃焼ガスをガスタービンに送給する場合、燃焼ガスの平均温度をガスタービンの耐熱温度に近づけることができ、バーナ装置を含むシステムの効率を高めることができる。
【0048】
また本発明の請求項2記載のバーナ装置によれば、第2の流路を流れる空気流の流速は第1の流路を流れる空気流の流速よりも速いので、第2の流路の希薄な混合ガスの一部が混合ガス導入手段を介して第1の流路に導入され、第1の流路を流れる混合ガスの濃度が薄められ、これにより高温となる混合ガスが減少する。
【0049】
また本発明の請求項3記載のバーナ装置によれば、第2の流路の断面積S2と第1の流路の断面積S1との比が2.0〜10.0であるので、第1の流路の中央部における燃焼ガスの燃焼温度が部分的に高くなることを抑えること、および第2流路の希薄混合ガスを安定して燃焼させることができる。また、第2の流路の断面積と混合ガス導入口の断面積との比が1.0〜30.0であるので、第2の流路の混合ガスが適量第1の流路に導入され、第1の流路の混合ガスのガス濃度が最適に保持され、燃焼器出口の温度分布を均一にできる。さらに前記混合ガス導入口は、3〜16個の等面積の開口部と閉口部とを有し、これによって第2の流路から導入された混合ガスは第1の流路の混合ガスと均一に混合される。
【0050】
また本発明の請求項4記載のバーナ装置によれば、第1のノズル手段はノズル本体と先端ノズルから構成され、ノズル本体と先端ノズルの大径部との間に混合ガス導入開口が規定されているので、第2の流路を流れる混合ガスはこの混合ガス導入開口を通して第1の流路に所要のとおりに導入される。また、先端ノズルにはテーパ角度が20〜120度であるテーパ部が設けられているので、混合ガス導入開口を通して導入された混合ガスはこのテーパ部に案内されて半径方向内方に案内され、これによって第2の流路から導入された混合ガスは半径方向内方に流れて第1の流路を流れる混合ガスに実質上均一に混合される。
【0051】
さらに本発明の請求項5記載のバーナ装置によれば、混合ガス導入手段は点火手段の配設部位の下流側に配設されているので、点火手段には第1の流路を通して流れる混合ガス、すなわち第2の流路からの混合ガスが含まれていない混合ガスが送給され、したがって点火手段によって安定に燃焼できる第1の流路の混合ガスを確実に点火することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に従うバーナ装置の一実施形態を簡略的に示す断面図である。
【図2】図1のバーナ装置の要部を簡略的に示す拡大断面図である。
【図3】図2におけるIII−III線による断面図である。
【図4】従来技術における図3に相当する断面図である。
【符号の説明】
2 ディフューザ部
4 テストケース
6 バーナケース
8 空気流路
10 第1のノズル手段
12 第2のノズル手段
14 燃焼筒
18 外ガス送給管
20 噴射ノズル体
26 内ガス送給管
32 第1の円筒状部材
38 第2の円筒状部材
45 第1の流路
46 第1噴出孔
47 第2の流路
48 第2噴出孔
56 点火手段
62 ガスタービン
72 ノズル本体
74 先端ノズル
76 大径部84
78 小径部
80 テーパ部
82 開口部
84 閉口部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a burner device for burning combustion gas.
[0002]
[Prior art]
Various cogeneration systems have been proposed and put into practical use in order to perform local power generation and district heating. One typical system of such a cogeneration system includes a burner device for combusting combustion gas, and a gas turbine that is rotationally driven by the combustion gas burned by the burner device. Power is generated using
[0003]
The burner device used in such a gas turbine includes a primary nozzle means to which combustion gas is supplied from a first gas supply means, and a secondary nozzle to which combustion gas is supplied from a second gas supply means. Means. The primary nozzle means defines a first flow path, and a combustion gas from the first gas supply means is jetted into the air flow flowing through the first flow path, thereby generating a lean mixed gas that stably burns. Is done. The secondary nozzle means defines a second flow path, and the combustion gas from the second gas supply means is jetted into the air flow flowing through the second flow path, whereby the lean mixed gas of the primary nozzle means A lean mixed gas having a lower gas concentration is produced. In such a burner device, since the gas concentration of the mixed gas of the primary nozzle means is higher than the gas concentration of the mixed gas of the secondary nozzle means, the mixed gas of the primary nozzle means burns stably, and this primary nozzle means The mixed gas of the secondary nozzle means is burned using the combustion gas. By burning the combustion gas in this way, lean combustion is possible, and the combustion temperature of the combustion gas can be lowered, thereby enabling highly efficient combustion with reduced generation of nitrogen oxide (NOx). Become.
[0004]
However, the burner apparatus described above has the following problems to be solved. Since the gas concentration of the lean mixed gas flowing through the first nozzle means is higher than the gas concentration of the lean mixed gas of the second nozzle means, the combustion temperature of the combustion gas is high, while the lean mixture flowing through the second nozzle means The combustion temperature of the gas tends to be lower than the combustion temperature of the combustion gas of the first nozzle means. Generally, when the combustion gas from the burner device is supplied to the gas turbine, it is necessary to prevent the maximum temperature of the supplied combustion gas from exceeding the heat resistant temperature of the gas turbine. Therefore, in the burner apparatus described above, it is necessary to set the maximum temperature near the center of the combustion gas to the heat resistant temperature of the gas turbine, for example, 1200 ° C. or less. Gas combustion temperature is lowered. As a result, the average temperature of the combustion gas supplied to the gas turbine is lowered, and the thermal efficiency of the system including the burner device is deteriorated.
[0005]
In order to solve this, the first flow path having the first nozzle means is formed in a first cylindrical shape, and the second flow path having the second nozzle means is formed concentrically outside the first flow path. A burner apparatus in which a continuous ring-shaped mixed gas inlet is provided from the second flow path to the first flow path in a second cylindrical shape is conceivable. This burner device is less displaced than the burner device, but the mixed gas introduced from the mixed gas introduction port is not sufficiently mixed with the mixed gas in the first flow path.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to prevent a deviation of combustion in a burner device, to make the combustion temperature of the combustion gas uniform, thereby increasing the average temperature of the combustion gas, and capable of continuing the combustion stably. Is to provide.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention comprises a first nozzle means comprising a first cylindrical member and defining a first flow path;
A second nozzle means comprising a second cylindrical member disposed concentrically outside the first cylindrical member, and defining a second flow path;
First gas supply means for supplying combustion gas to the first flow path;
Second gas supply means for supplying combustion gas to the second flow path;
An air flow path for supplying air to the first and second flow paths,
Combustion gas from the first gas supply means is ejected from the air flow path toward the air flow flowing through the first flow path, and a lean mixed gas that can be stably burned by this is flown in the first flow path. Generated
Combustion gas from the second gas supply means is ejected from the air flow channel toward the air flow flowing through the second flow channel, thereby further gas than the lean mixed gas in the first flow channel. A lean mixed gas having a low concentration is generated in the second flow path,
Between the first flow path and the second flow path, an intermittent ring-like shape for guiding a part of the lean mixed gas of the second flow path to the first flow path is further provided. A burner apparatus characterized in that a mixed gas inlet is provided.
[0008]
As a result of studying the shape of the mixed gas introduction port through various experiments, the inventors of the present invention have found that the mixed gas introduced from the mixed gas introduction port is sufficiently combined with the mixed gas in the first flow path if the ring shape is intermittent. It was confirmed that they were mixed, and the present invention was completed.
[0009]
According to the present invention, the combustion gas from the first gas supply means is jetted into the air flow flowing through the first flow path constituted by the first cylindrical member, and thereby the lean gas is stably burned. A mixed gas is produced. In addition, combustion gas from the second gas supply means is contained in the air flow flowing through the second flow path constituted by the second cylindrical member arranged concentrically outside the first cylindrical member. As a result, a lean mixed gas having a gas concentration lower than that of the mixed gas of the first nozzle means is generated. Furthermore, since an intermittent ring-shaped mixed gas inlet is provided between the first flow path and the second flow path, a part of the mixed gas generated in the second flow path is Introduced into the first flow path, the mixed gas of the first flow path and the mixed gas of the second flow path introduced into the first flow path are sufficiently mixed, and the gas concentration is uniform. And the deviation of the combustion state becomes very small. As a result, the combustion temperature of the combustion gas from the first nozzle means becomes substantially equal to the combustion temperature of the combustion gas from the second nozzle means, and when the combustion gas is fed to the gas turbine, the average temperature of the combustion gas is The heat resistance temperature of the gas turbine can be approached, and the efficiency of the system including the burner device can be increased.
[0010]
Further, the present invention is characterized in that the flow velocity of the air flow flowing through the second flow path is faster than the flow velocity of the air flow flowing through the first flow path.
[0011]
According to the present invention, since the flow velocity of the air flow through the second flow path is faster than the flow velocity of the air flow through the first flow path, a part of the lean mixed gas in the second flow path is mixed gas. The concentration of the mixed gas that is introduced into the first flow path through the introducing means and flows through the first flow path is reduced, and thereby the mixed gas that becomes high temperature is reduced.
[0012]
In the present invention, the ratio (S2 / S1) between the radial cross-sectional area S2 of the second flow path and the radial cross-sectional area S1 of the first flow path is 2.0 to 10.0, The mixed gas introduction port is an intermittent ring shape having 3 to 16 equal-area openings and closing portions, and the radial cross-sectional area S2 of the second flow path and the opening of the mixed gas introduction port The ratio (S2 / S3) to the radial sectional area S3 is 1.0 to 30.0.
[0013]
According to the present invention, the ratio (S2 / S1) between the cross-sectional area S2 of the second flow path and the cross-sectional area S1 of the first flow path is 2.0 to 10.0. When the cross-sectional area ratio is less than 2.0, the combustion temperature of the combustion gas in the central portion of the first flow path becomes partially high, and the NOx value in the exhaust gas cannot be reduced. Moreover, when this exceeds 10.0, there exists a possibility that the gas of a 2nd flow path may be blown off. The mixed gas in the second flow path is a gas mixture that is so thin that it cannot be stably burned by itself, and the mixed gas in the first flow path is a mixed gas that can be burned stably by itself, Combustion of the mixed gas in the two flow paths is aided by the mixed gas in the first flow path. In other words, the mixed gas in the second flow path is held by the mixed gas in the first flow path. Therefore, as the cross-sectional area ratio increases, the flame holding effect decreases, and if it exceeds 10.0, combustion may not be continued stably. The range of the cross-sectional area ratio (S2 / S1) is experimentally determined by the present inventor together with the range of the cross-sectional area ratio (S2 / S3) described below.
[0014]
According to the invention, the ratio (S2 / S3) between the cross-sectional area S2 of the second flow path and the cross-sectional area S3 of the introduction opening of the mixed gas introducing means is 1.0 to 30.0. If the cross-sectional area ratio is less than 1.0, the mixed gas in the second flow path flows in a large amount to the first flow path through the introducing means, and the amount of the mixed gas in the second flow path is reduced and combustion occurs. Mainly occurs in the first flow path, and the temperature of the combustor outlet becomes non-uniform. If this exceeds 30.0, almost no mixed gas in the second flow path is introduced into the first flow path, the combustion gas in the first flow path becomes high temperature, and the NOx value in the exhaust gas is reduced. I can't.
[0015]
Furthermore, according to the present invention, the mixed gas introduction port is an intermittent ring shape having 3 to 16 equal-area openings and closed portions. When the number of openings and closing portions is 2 or less, the structure is similar to the continuous ring shape described above, and the mixed gas introduced from the mixed gas introduction port is sufficiently mixed with the mixed gas in the first flow path. Do not mix. The larger the number of openings and closing parts, the better the mixed gas introduced from the inlet is mixed with the mixed gas in the first flow path, but even if this number is increased to 17 or more, the mixed gas is mixed. The condition is not greatly improved, and it takes time to make.
[0016]
In the present invention, the first cylindrical member includes a cylindrical nozzle body and a tip nozzle, and the tip nozzle has a large diameter portion having a large inner diameter and a small diameter having a smaller inner diameter than the large diameter portion. And a tapered portion connecting the large diameter portion and the small diameter portion, the large diameter portion of the tip nozzle is mounted on the tip portion of the nozzle body, and the opening portion of the mixed gas inlet Is formed intermittently between the nozzle body and the large-diameter portion of the tip nozzle, and the tapered portion of the tip nozzle extends radially inward from the large-diameter portion, and the taper portion The taper angle with the tip nozzle is set to 20 to 120 degrees.
[0017]
According to the present invention, the first nozzle means is composed of the nozzle body and the tip nozzle, and the mixed gas introduction opening is defined between the nozzle body and the large-diameter portion of the tip nozzle. The mixed gas flowing through the gas is introduced into the first flow path as required through the mixed gas introduction opening. Further, since the tip nozzle is provided with a taper portion having a taper angle of 20 to 120 degrees, the mixed gas introduced through the mixed gas introduction opening is guided to the taper portion and guided inward in the radial direction, As a result, the mixed gas introduced from the second flow path flows radially inward and is substantially uniformly mixed with the mixed gas flowing through the first flow path. When the taper angle is less than 20 degrees, the length of the taper portion becomes long, which is not preferable. On the other hand, if it exceeds 120 degrees, resistance is generated in the mixed gas flow introduced through the mixed gas introduction opening, and the mixed gas flow is not smoothly introduced. The range of the taper angle is obtained experimentally by the inventor.
[0018]
Further, the present invention is provided with an ignition means for igniting the lean mixed gas flowing through the first flow path, and the introduction opening of the mixed gas introduction means is provided on the downstream side of the site where the ignition means is provided. It is characterized by being.
[0019]
According to the present invention, since the mixed gas introducing means is disposed downstream of the portion where the ignition means is disposed, the mixed gas flowing through the first flow path to the ignition means, that is, from the second flow path. A mixed gas that does not contain the mixed gas and can be combusted stably is fed, and therefore, the mixed gas in the first flow path can be reliably ignited by the ignition means.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a burner device according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an embodiment of a burner device according to the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view showing an enlarged part of the burner device shown in FIG. 1, and FIG. It is sectional drawing by the III-III line in FIG.
[0021]
Referring to FIG. 1, the burner device shown includes a diffuser portion of a burner test case denoted by
[0022]
In this embodiment, the first nozzle means 10, the second nozzle means 12, and the
[0023]
The internal
[0024]
The first nozzle means 10 is attached to the outside of the
[0025]
A
[0026]
The second nozzle means 12 is mounted on the outside of the first nozzle means 10. The illustrated second nozzle means 12 is composed of a second
[0027]
An
[0028]
In this embodiment, a plurality of first ejection holes 46 are formed at the distal end portion of the
[0029]
With this configuration, the combustion gas supplied through the
[0030]
The remainder of the air flowing through the
[0031]
In this embodiment, as shown in FIG. 1, the tip of the first nozzle means 10, that is, the other end of the first
[0032]
In this embodiment, the gas concentration of the lean mixed gas flowing through the
[0033]
Further, the gap between the
[0034]
A cylindrical lead-
[0035]
In this embodiment, a part of the lean mixed gas in the
[0036]
In the present embodiment, the large-
[0037]
When such a
[0038]
In such a burner apparatus, as shown in FIG. 3, the
[0039]
In FIG. 2, the ratio (S2 / S3) of the radial cross-sectional area S2 of the
[0040]
In this embodiment, the
[0041]
In such a burner device, a part of the mixed gas flowing in the
[0042]
[Examples and Comparative Examples]
In order to confirm the effect of the burner device of the present invention, combustion experiments of combustion gas were performed using the burner device of the embodiment shown in FIGS. 1 to 3 as an example. The dimensions and the like of each member in the burner device used were as follows. For the injection nozzle body, eight first ejection holes having a diameter of 1.3 mm are provided at substantially equal intervals in the circumferential direction, and second ejection holes having a diameter of 2.6 mm are provided at substantially equal intervals in the circumferential direction. 8 were provided. The first nozzle means has a nozzle body having an inner diameter of 36 mm and a length of 102 mm, a large diameter portion having an inner diameter of 46 mm and a length of 11 mm, an inner diameter of 36 mm and a small diameter portion having a length of 16 mm, and a length of 5 mm for connecting them. The first cylindrical member is configured by attaching a large diameter portion of the tip nozzle to the nozzle body with eight closed portions using a tip nozzle having a taper portion of 45 degrees and a taper angle of the taper portion of 45 degrees. . For the second nozzle means, a second cylindrical member having an inner diameter of 70 mm and a length of 100 mm was used. By using such first and second cylindrical members, the radial cross-sectional area of the first flow path is set to 1018 mm 2 in consideration of the thickness thereof, and the radial cross-sectional area of the second flow path is set to 1018 mm 2. Was set to 2038 mm 2 , and the radial cross-sectional area of the inlet was set to 202 mm 2 . Further, a cylindrical member having an inner diameter of 143 mm and a length of 358 mm was used as the
[0043]
Using such a burner device, in a combustion experiment, air having a temperature of 350 ° C. was supplied through the air flow path at a rate of 700 Nm 3 / H. About 4% of the supplied air flows through the first flow path, about 55% through the second flow path, and about 41% through the outside of the combustion cylinder. The flowing air flowed into the combustion cylinder through the air holes of the combustion cylinder. Using methane as the combustion gas, together with the jetting a first flow path through the first ejection hole of the injection nozzle body at a rate of 1.0 Nm 3 / H, the injection nozzle body at a rate of 24.7Nm 3 / H It ejected to the 2nd flow path through 2 ejection holes. The supplied air and methane were mixed to form a mixed gas, and ignited by an ignition member to burn the mixed gas to generate a combustion gas.
[0044]
And when the temperature of the combustion gas in the front-end | tip of a combustion cylinder was measured by burning a mixed gas in this way, the average combustion temperature was 1037 degreeC and the temperature difference of the combustion temperature at this time was +/- 26 degreeC. The exhausted NOx concentration converted to an oxygen concentration of 0% was 15 ppm. From this result, it was confirmed that the combustion temperature in almost the entire region of the combustion cylinder was substantially uniform. The measurement points of the combustion temperature were measured at the measurement temperature by providing seven temperature sensors at substantially equal intervals in the diameter direction at the tip of the combustion cylinder. The NOx concentration was determined by mixing and collecting combustion exhaust gas from each measurement location with the temperature sensor removed, and analyzing the mixed gas.
[0045]
In this embodiment, further, the amount of combustion gas fed to the second flow path is controlled to reduce the amount of combustion. When the amount of feed is reduced to 10%, the combustion of the burner device is performed. Disappeared, and the turn-down ratio (ratio indicating how far the amount of combustion gas supply can be reduced based on the amount of
[0046]
As a comparative example, a burner apparatus having a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. 2 is configured as shown in FIG. 4, and the air and combustion gas supply conditions are the same as in the embodiment. The temperature was measured as in the example. The shape of the tip nozzle 749 is the same as that of the example, but the large diameter portion of the tip nozzle was welded to the
[0047]
【The invention's effect】
According to the burner device of the first aspect of the present invention, the air flow flowing through the first flow path of the first nozzle means composed of the first cylindrical member is combusted from the first gas supply means. The working gas is ejected, thereby generating a lean mixed gas that can be stably burned. In addition, the second gas supply means is used for the air flow flowing through the second flow path of the second nozzle means constituted by the second cylindrical member arranged concentrically outside the first cylindrical member. The combustion gas from is ejected, thereby producing a lean mixed gas having a lower gas concentration than the mixed gas of the first nozzle means. Furthermore, since an intermittent ring-shaped mixed gas inlet is provided between the first flow path and the second flow path, a part of the mixed gas generated in the second flow path is The gas is introduced into the first flow path, whereby the gas concentrations of the mixed gas in the first flow path and the mixed gas in the second flow path are made uniform, and the deviation of the combustion state becomes very small. As a result, the combustion temperature of the combustion gas from the first nozzle means becomes substantially equal to the combustion temperature of the combustion gas from the second nozzle means, and when the combustion gas is fed to the gas turbine, the average temperature of the combustion gas is The heat resistance temperature of the gas turbine can be approached, and the efficiency of the system including the burner device can be increased.
[0048]
According to the burner device of the second aspect of the present invention, since the flow velocity of the air flow flowing through the second flow path is faster than the flow velocity of the air flow flowing through the first flow path, A part of the mixed gas is introduced into the first flow path through the mixed gas introducing means, and the concentration of the mixed gas flowing through the first flow path is reduced, thereby reducing the mixed gas that reaches a high temperature.
[0049]
According to the burner device of the third aspect of the present invention, the ratio of the cross-sectional area S2 of the second flow path to the cross-sectional area S1 of the first flow path is 2.0 to 10.0. It is possible to suppress a partial increase in the combustion temperature of the combustion gas in the central portion of the first flow path, and to stably burn the lean mixed gas in the second flow path. Further, since the ratio of the cross-sectional area of the second flow path to the cross-sectional area of the mixed gas introduction port is 1.0 to 30.0, an appropriate amount of the mixed gas of the second flow path is introduced into the first flow path. In addition, the gas concentration of the mixed gas in the first flow path is optimally maintained, and the temperature distribution at the combustor outlet can be made uniform. Further, the mixed gas inlet has 3 to 16 equal-area openings and closed portions, whereby the mixed gas introduced from the second flow path is uniform with the mixed gas in the first flow path. To be mixed.
[0050]
According to the burner device of claim 4 of the present invention, the first nozzle means comprises a nozzle body and a tip nozzle, and a mixed gas introduction opening is defined between the nozzle body and the large diameter portion of the tip nozzle. Therefore, the mixed gas flowing through the second flow path is introduced into the first flow path as required through the mixed gas introduction opening. Further, since the tip nozzle is provided with a taper portion having a taper angle of 20 to 120 degrees, the mixed gas introduced through the mixed gas introduction opening is guided to the taper portion and guided inward in the radial direction, As a result, the mixed gas introduced from the second flow path flows radially inward and is substantially uniformly mixed with the mixed gas flowing through the first flow path.
[0051]
Further, according to the burner device of the fifth aspect of the present invention, since the mixed gas introducing means is disposed downstream of the portion where the ignition means is disposed, the mixed gas flowing through the first flow path to the ignition means. That is, the mixed gas not containing the mixed gas from the second flow path is supplied, and therefore, the mixed gas in the first flow path that can be stably burned by the ignition means can be reliably ignited.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an embodiment of a burner device according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view schematically showing a main part of the burner device of FIG. 1;
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG.
4 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 3 in the prior art.
[Explanation of symbols]
2 Diffuser section 4
78
Claims (5)
前記第1の円筒状部材の外側に同心状に配置される第2の円筒状部材から構成され、第2の流路を規定する第2のノズル手段と、
前記第1の流路に燃焼用ガスを供給するための第1のガス供給手段と、
前記第2の流路に燃焼用ガスを供給するための第2のガス供給手段と、
前記第1および第2の流路に空気を供給するための空気流路とを備え、
前記第1のガス供給手段からの燃焼用ガスは前記空気流路から前記第1の流路を通して流れる空気流に向けて噴出され、これによって安定に燃焼できる希薄混合ガスが第1の流路で生成され、
前記第2のガス供給手段からの燃焼用ガスは前記空気流路から前記第2の流路を通して流れる空気流に向けて噴出され、これによって前記第1の流路の希薄混合ガスよりもさらにガス濃度の低い希薄混合ガスが第2の流路で生成され、
前記第1の流路と前記第2の流路との間には、さらに、前記第2の流路の希薄混合ガスの一部を前記第1の流路に導くための断続したリング状の混合ガス導入口が設けられていることを特徴とするバーナ装置。A first nozzle means composed of a first cylindrical member and defining a first flow path;
A second nozzle means comprising a second cylindrical member disposed concentrically outside the first cylindrical member, and defining a second flow path;
First gas supply means for supplying combustion gas to the first flow path;
Second gas supply means for supplying combustion gas to the second flow path;
An air flow path for supplying air to the first and second flow paths,
Combustion gas from the first gas supply means is ejected from the air flow path toward the air flow flowing through the first flow path, and a lean mixed gas that can be stably burned by this is flown in the first flow path. Generated
Combustion gas from the second gas supply means is ejected from the air flow channel toward the air flow flowing through the second flow channel, thereby further gas than the lean mixed gas in the first flow channel. A lean mixed gas having a low concentration is generated in the second flow path,
Between the first flow path and the second flow path, an intermittent ring-like shape for guiding a part of the lean mixed gas of the second flow path to the first flow path is further provided. A burner apparatus characterized in that a mixed gas inlet is provided.
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