JP4352821B2

JP4352821B2 - 希薄予蒸発予混合燃焼器

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Publication number: JP4352821B2
Application number: JP2003313199A
Authority: JP
Inventors: 洋一丸谷; 俊郎藤森; 稔塚本
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2003-09-04
Filing date: 2003-09-04
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2023-09-04
Also published as: JP2005083604A

Description

本発明は、ガスタービン用の低ＮＯｘ燃焼器に係わり、さらに詳しくは、高炭素比燃料をスモークとカーボンの発生と堆積を抑制して燃焼可能な希薄予蒸発予混合燃焼器に関する。

従来の低ＮＯｘ燃焼器は、例えば、単一又は複数のパイロットバーナーと単一又は複数のメインバーナーとを備え、メインバーナーは、例えば、互いに同軸に配置された主噴射弁と予混合管とからなる。

主噴射弁には、ケーシングを通して外部から燃料が供給される。この燃料には、例えばガス燃料又は液体燃料を用いる。予混合管は、例えば一端部が開口した円筒形の筒であり、内部で燃料と空気が互いに混合しやすくなっている。すなわち、メインバーナーは、主噴射弁と予混合管で構成された予混合希薄バーナーである。この構成により、主噴射弁により予混合管内に燃料を噴射し、予混合管内で燃料を十分な空気量と予混合しこれを希薄燃焼させることができる。
かかる予混合燃焼方式の燃焼器では、燃料を十分な空気量と予混合しこれを希薄燃焼させるものであり、このためホットスポットがなく、高温火炎の発生をなくし低ＮＯｘ化を実現することができる。

この予混合型燃焼器では、液体燃料が予混合管の壁面に衝突して付着する。この壁面は、通常、燃焼室内の燃焼炎から離れているので高温とはならず、壁面の温度がカーボンの付着する温度範囲内であるときは、付着した液体燃料が炭化して壁面にカーボンが堆積する。このため、混合気の流路が狭まり、燃焼条件が変化してＮＯｘおよびＣＯが増加する。また、壁面に付着しているカーボンが剥がれると、燃焼ガスとともにタービン内に流入してブレードを傷つけるため、定期的にカーボン除去作業を行う必要がある。

このような問題を解消するため、スモークとカーボンの発生と堆積を抑制するガスタービン用燃焼器として、非特許文献１、２、特許文献１〜２等が開示されている。また、その他に関連する文献として、特許文献３〜６が開示されている。

非特許文献１では、ディーゼルオイル、芳香族成分を多く含みガスタービンにおいてスモークを発生しやすい燃料を用い燃焼試験を実施し、燃料噴射弁より水噴射を行うことでスモークが低減することを確認している。
非特許文献２では、燃料に添加物を混入し、スモークを低減する。

特許文献１の「ガスタービンの燃焼器」は、図２に示すように、圧縮機から供給される圧縮空気に燃料を混合して予混合気を作る予混合室５１と、予混合室からの予混合気を燃焼させる燃焼室５２とを備え、前記予混合室を形成する予混合管５３が、加熱コイルを絶縁部材で覆った加熱体により形成されているものである。この構成により、予混合管を加熱体で形成し、予混合管を加熱することによりカーボンの堆積を防止する。

特許文献２の「予混合型燃焼器を備えたガスタービン」は、図３に示すように、圧縮機から供給される圧縮空気に燃料を供給して燃焼させるパイロットノズル６１と、このパイロットノズルの外周に配置された環状の予混合室６２と、この予混合室に予混合用の燃料を供給するメインノズル６３とを備え、前記パイロットノズル６１による拡散燃焼領域の外周の少なくとも一部を前記予混合室６２の内周壁で覆うことにより、前記内周壁の外周面をカーボン付着温度以上に保持させるものである。この構成により、予混合室の内周壁面をパイロットバーナーの燃焼ガスで加熱し、予混合室にカーボンが堆積するのを防止する。

ＲｏｇｅｒＧａｄｉｏｕ，ＭｉｃｈｅｌＭｏｌｉｅｒｅＣＩＭＡＣＣｏｎｇｒｅｓｓ２００１，Ｈａｍｂｕｒｇ，Ｐ４０１インターネットｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｕｒｂｏｔｅｃｔ．ｃｏｍ／ｔｕｒｂｏｔｅｃｔｅｒ１８．ｈｔｍｌ特開２０００−２１３７４８号公報特開平１０−３０００９０号公報特開平１０−１６０１６２号公報特開平１０−１７６８３１号公報特開平１０−３３９４３８号公報特開２００２−２５０５１６号公報

近年、石油化学プラント等で余剰となった原料燃料をガスタービン燃料として用いることが検討されている。このような余剰液体燃料のうちいわゆる高炭素比燃料（例えばライトサイクルオイル：ＬＣＯ）は、密度及び粘度が大きく、Ｃ／Ｈ比が高い。また、芳香族成分が多く、そのためセタン価とスモーク点が低く、この燃料を拡散燃焼器に用いた場合、スモーク発生量が多く、ライナーが過熱されるおそれがある。また完全燃焼が困難であり、フラッシュバックやカーボン堆積が発生しやすい問題点があった。

スモークの発生を抑制するために、燃料に水を添加しまたは燃料と同時噴射する場合、純水を燃焼器に投入する付属設備が必要になり、純水製造装置やそのメンテナンス費用が増えるばかりでなく、スモーク発生の低減効果が低い、という問題がある。
また燃料に添加物をドーピングする場合、大量の添加物と添加物を燃料に混合するための付帯設備が必要となるばかりでなく、燃焼ガスに重金属成分が入るため、燃焼器ライナーやタービン翼等の損傷をきたす問題が発生する。
また燃料と同時に水蒸気を燃料噴射弁より噴射しスモークを低減する場合、蒸気を製造するための付帯設備が必要となる。

一方、カーボンの堆積を防止する有効手段は確立されておらず、カーボン堆積が生じた場合は、燃料を水素含有率の高い燃料に変更することにより防止できるが、一般に水素含有率の高い液体燃料は高価であり、沸点も低いという特徴があり、使用することが困難である。
また燃焼負荷を下げ、予蒸発予混合管内の燃料濃度を低くし、カーボン堆積の防止を図ることができるが、ガスタービンの出力を低下させることとなり、性能低下が避けられず実用化は困難である。

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、高炭素比燃料に水や添加物を添加することなくそのまま燃焼させることができ、かつスモークとカーボンの発生と堆積を抑制することができる希薄予蒸発予混合燃焼器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器は、高炭素比液体燃料を空気流中に噴射する燃料噴射弁と、前記液体燃料を蒸発させ空気と均一な希薄燃焼濃度に混合する予蒸発予混合管と、該予蒸発予混合管の内壁面をカーボン付着温度以下に冷却する冷却手段と、前記予蒸発予混合管の下流側に設けられ混合された希薄混合気を燃焼させる燃焼器ライナーとを備える、ことを特徴とする。

また、上記の希薄予蒸発予混合燃焼器において、前記冷却手段は、前記予蒸発予混合管の内壁面を３００℃以下に冷却する、ことが好ましい。

また、上記の希薄予蒸発予混合燃焼器において、前記冷却手段は、前記予蒸発予混合管と高炭素比液体燃料との間で熱交換を行わせる熱交換手段であり、該熱交換手段は、前記燃料噴射弁に供給する高炭素比液体燃料を加熱する、ことが好ましい。

また、上記の希薄予蒸発予混合燃焼器において、前記熱交換手段は、前記予蒸発予混合管の壁部内に高炭素比液体燃料を流通させる燃料流路を設けることにより構成される、ことが好ましい。

また、上記の希薄予蒸発予混合燃焼器において、前記予蒸発予混合管は、燃料噴射弁を囲む内管と該内管の外側に位置する外管とから構成され、該内管と該外管との間に内管の内壁面をカーボン付着温度以下に冷却するための流体を流通させる流路を有し、これを前記冷却手段とする、ことが好ましい。

また、上記の希薄予蒸発予混合燃焼器において、前記流路は、その下流端で前記燃焼器ライナーに開口し、前記流体を前記燃焼器ライナー内に噴出するように設けられることが好ましい。

上記本発明の構成によれば、予蒸発予混合管で生成させた可燃混合気は、均一な希薄燃焼濃度に混合されているため、どの領域においても安定に燃焼するために必要な酸素を含んでいる。そのため熱分解した炭素成分が酸素不足のため凝集しスモークが生成することがない。また、高炭素比燃料に水や添加物を添加しないため、水、水蒸気、燃料混入用の試薬等、低スモーク化のため必要な燃料以外の供給物やそれらを供給するための設備が必要なくなり、コスト削減と燃焼機構の簡素化を図ることができる。

また、予蒸発予混合管の内壁面をカーボン付着温度以下に冷却する冷却手段を備えているので、燃料が予蒸発予混合管の内壁面に付着しても、内壁面は燃料がタール化、カーボン化する温度以下に冷却さる。これにより、燃料がタール化、カーボン化し予混合管に堆積物が生ずることを防止することができる。また、冷却手段を、予蒸発予混合管の内壁面を３００℃以下に冷却するように構成することで、確実に予蒸発予混合管の内壁面をカーボン付着温度以下に冷却することができる。

また、冷却手段を、前記予蒸発予混合管と高炭素比液体燃料との間で熱交換を行わせる熱交換手段とし、この熱交換手段により燃料噴射弁に供給する高炭素比液体燃料を加熱することにより、燃料の粘度、表面張力を低下させ、予蒸発予混合管内での燃料の微粒化を促進できる。これにより、予蒸発予混合管の内壁面への燃料付着量を減少させ、燃料効率を向上することができる。また、予蒸発予混合管の内壁面への燃料付着量が減少する結果、燃料液滴が生じにくくなるため、燃焼器ライナー内に燃料液滴が流入することによる未燃分の増大やライナー内へのカーボン付着を防止することができる。さらに、冷却・加熱に必要な付帯設備を設ける必要がなく、エネルギー効率を向上させ、コスト削減と燃焼機構の簡素化を図ることができる。

また、前記熱交換手段は、前記予蒸発予混合管の壁部内に高炭素比液体燃料を流通させる燃料流路を設けることにより構成されるので、熱交換手段の構造を簡素化することができる。

また、前記予蒸発予混合管は、燃料噴射弁を囲む内管と該内管の外側に位置する外管とから構成され、該内管と該外管との間に内管の内壁面をカーボン付着温度以下に冷却するための流体を流通させる流路を有し、これを前記冷却手段としたので、簡素な構造で確実にカーボンの堆積を防止することができる。

また、前記流路は、その下流端で前記燃焼器ライナー内に開口し、前記流体を前記燃焼器ライナー内に噴出するように設けられるので、予蒸発予混合管の内壁面に付着した燃料液滴を流路出口から噴出する流体により内管下流端で微細化し混合することができる。これにより、燃焼器ライナー内に燃料液滴が流入することによる未燃分の増大やライナー内へのカーボン付着を防止できる。

従って、本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器は、高炭素比液体燃料に水や添加物を添加することなくそのまま燃焼させることができ、かつスモークとカーボンの発生と堆積を抑制することができる、等の優れた効果を有する。

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、重複した説明を省略する。

図１は本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器の第１実施形態の構成図である。この図に示すように、本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器１０は、燃料噴射弁１２と、予蒸発予混合管１４と、燃焼器ライナー１６と、パイロットバーナー１７とを備える。

本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器１０（以下、単に「燃焼器」と呼ぶ。）は、高炭素比液体燃料を燃料として使用する。高炭素比液体燃料（ＨｉｇｈＣａｒｂｏｎＲａｔｉｏＦｕｅｌ：ＨＣＲＦ）とは、ライトサイクルオイル、重質油、等であり、水素に比べて炭素の比率が一般の液体燃料（軽油、ガソリン、灯油等）に比べて多い液体燃料と定義する。

燃料噴射弁１２は、高炭素比液体燃料1（以下、単に「燃料」と呼ぶ場合もある。）を空気流中に噴射する機能を有する。この例において、燃料噴射弁１２は、その周囲に旋回翼１３を備える。旋回翼１３は、燃料噴射弁１２の内側に空気２を導入して強い旋回流３を形成する。この旋回流３による強い流れの乱れにより、燃料噴射弁１２で噴射された液体燃料を微粒化すると共に、予蒸発予混合管１４内で燃料１と空気２を急速に混合する。

予蒸発予混合管１４は、液体燃料を燃焼前に蒸発し、空気と混合するための領域であり、この領域で強い乱れを生じさせることで液体燃料を急速に混合し、空気と均一な希薄燃焼濃度に混合する機能を有する。燃焼器ライナー１６は、予蒸発予混合管１４の下流側に設けられ、混合された希薄混合気を燃焼させる機能を有する。なお、燃焼器ライナー１６内には、パイロットバーナー１７が設けられ、そのパイロット火炎により、燃焼を安定化するようになっている。

この例において、予蒸発予混合管１４は、中空円筒形である。予蒸発予混合管１４で生成された可燃混合気は、均一な希薄燃焼濃度に混合されるため、どの領域においても安定に燃焼するために必要な酸素を含んでいる。そのため熱分解した炭素成分が酸素不足のため凝集しスモークが生成することがない。また、高炭素比燃料に水や添加物を添加しないため、水、水蒸気、燃料混入用の試薬等、低スモーク化のため必要な燃料以外の供給物やそれらを供給するための設備が必要なくなり、コスト削減、燃焼機構の簡素化を図ることができる。

また、予蒸発予混合管１４は、壁部内に燃料１を流通させる燃料流路１８を有する。本実施形態において、燃料流路１８は、予蒸発予混合管１４の円筒壁部内を螺旋状に進行するように形成されている。また、燃料流路１８は、予蒸発予混合管１４と燃料１との間で熱交換を行わせる機能を有しており、燃料１が燃料流路１８内を流れることにより、予蒸発予混合管１４の内壁面をカーボン付着温度以下（約３００℃）に冷却するとともに、燃料１を加熱するようになっている。予蒸発予混合管１４で加熱された燃料１は流路１９を通り燃料噴射弁１２から噴射される。

このような構成によれば、予蒸発予混合管１４の内壁面をカーボン付着温度以下に冷却するので、燃料が予蒸発予混合管の内壁面に付着しても、内壁面は燃料がタール化、カーボン化する温度以下に冷却される。これにより、燃料がタール化、カーボン化し予混合管に堆積物が生ずることを防止することができる。また、高炭素比液体燃料の温度を上昇させることにより、燃料の粘度、表面張力を低下させ、予蒸発予混合管内での燃料の微粒化を促進できる。これにより、予蒸発予混合管の内壁面への燃料付着量を減少させ、燃料効率を向上することができる。また、予蒸発予混合管の内壁面への燃料付着量が減少する結果、燃料液滴が生じにくくなるため、燃焼器ライナー内に燃料液滴が流入することによる未燃分の増大やライナー内へのカーボン付着を防止することができる。さらに、予蒸発予混合管の冷却と燃料の加熱を予蒸発予混合管と燃料との間の熱交換により行うので、冷却・加熱に必要な付帯設備を設ける必要がなく、エネルギー効率を向上させ、コスト削減と燃焼機構の簡素化を図ることができる。

なお、燃料流路１８は、本実施形態のような螺旋状のものに限定されず、燃料１と予蒸発予混合管１４との間で熱交換を行わせ、予蒸発予混合管１４の内壁面をカーボン付着温度以下に冷却できるように形成されていれば良い。

次に本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器の第２実施形態を説明する。図２は、本発明の第２実施形態の構成図であり、本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器１０は、燃料噴射弁１２と、予蒸発予混合管１４と、燃焼器ライナー１６と、パイロットバーナー１７とを備えており、燃料噴射弁１２、燃焼器ライナー１６及びパイロットバーナー１７は第１実施形態と同様の構成を有している。

本実施形態の予蒸発予混合管１４は、第1実施形態と同様に中空円筒形である。予蒸発予混合管１４で生成された可燃混合気は、均一な希薄燃焼濃度に混合されるため、どの領域においても安定に燃焼するために必要な酸素を含んでいる。そのため熱分解した炭素成分が酸素不足のため凝集しスモークが生成することがない。また、高炭素比燃料に水や添加物を添加しないため、水、水蒸気、燃料混入用の試薬等、低スモーク化のため必要な燃料以外の供給物やそれらを供給するための設備が必要なくなり、コスト削減、燃焼機構の簡素化を図ることができる。

また、予蒸発予混合管１４は、燃料噴射弁１２を囲む内管１４ａと、この内管１４ａとほぼ同じ長さでかつ外側に位置する外管１４ｂとから構成されており、内管１４ａと外管１４ｂとの間に流体２０を流通させる流路２１を形成している。流体２０は、内管１４ａの内壁面をカーボン付着温度以下（約３００℃）に冷却することができるものが使用され、例えば、蒸気、水、空気等が良い。このような構成により、流路２１を流れる流体２０により予蒸発予混合管１４の内壁面がカーボン付着温度以下に冷却されるので、燃料が予蒸発予混合管１４（内管１４ａ）の内壁面に付着しても、燃料がタール化、カーボン化し予混合管に堆積物が生ずることがない。

また、流路２１は、その下流端が燃焼器ライナー１６内部に開口しており、流路２１内を通過した流体２０が燃焼器ライナー１６内にリング状に噴出するようになっている。このリング状に噴出する流体の速度は少なくとも予蒸発予混合管１５下流端の内壁面に付着している燃料液滴を微粒化するに十分な速度とする。このような構成により、流路２１出口から噴出する流体２０により、予蒸発予混合管１４の内壁面に付着した燃料液滴を微細化し混合することができるので、燃焼器ライナー１６内に燃料液滴が浸入するのを防止することができ、燃焼器ライナー１６内に燃料液滴が流入することによる未燃分の増大やライナー内へのカーボン付着を防止することができる。
なお、流体２０は、軸方向に直線的に噴出させても良く、或いは旋回流として噴出させても良い。

その他本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器の第１実施形態の構成図である。本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器の第２実施形態の構成図である。特許文献１の「ガスタービンの燃焼器」の模式図である。特許文献２の「予混合型燃焼器を備えたガスタービン」の模式図である。

符号の説明

１高炭素比液体燃料
２空気
３旋回流、
１０希薄予蒸発予混合燃焼器
１２燃料噴射弁
１３旋回翼、
１４予蒸発予混合管
１４ａ内管
１４ｂ外管
１６燃焼器ライナー、
１７パイロットバーナー
１８燃料流路
１９流路
２０流体
２１流路

Claims

高炭素比液体燃料を空気流中に噴射する燃料噴射弁と、前記液体燃料を蒸発させ空気と均一な希薄燃焼濃度に混合する予蒸発予混合管と、該予蒸発予混合管の内壁面をカーボン付着温度以下に冷却する冷却手段と、前記予蒸発予混合管の下流側に設けられ混合された希薄混合気を燃焼させる燃焼器ライナーとを備える、ことを特徴とする希薄予蒸発予混合燃焼器。
前記冷却手段は、前記予蒸発予混合管の内壁面を３００℃以下に冷却する、ことを特徴とする請求項１に記載の希薄予蒸発予混合燃焼器。
前記冷却手段は、前記予蒸発予混合管と高炭素比液体燃料との間で熱交換を行わせる熱交換手段であり、該熱交換手段は、前記燃料噴射弁に供給する高炭素比液体燃料を加熱する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の希薄予蒸発予混合燃焼器。
前記熱交換手段は、前記予蒸発予混合管の壁部内に高炭素比液体燃料を流通させる燃料流路を設けることにより構成される、ことを特徴とする請求項３に記載の希薄予蒸発予混合燃焼器。
前記予蒸発予混合管は、燃料噴射弁を囲む内管と該内管の外側に位置する外管とから構成され、該内管と該外管との間に前記内管の内壁面をカーボン付着温度以下に冷却するための流体を流通させる流路を有し、これを前記冷却手段とする、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の希薄予蒸発予混合燃焼器。
前記流路は、その下流端で前記燃焼器ライナー内に開口し、前記流体を前記燃焼器ライナー内に噴出するように設けられる、ことを特徴とする請求項５に記載の希薄予蒸発予混合燃焼器。