JP4499734B2 - Fuel combustion method and apparatus - Google Patents
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Description
本発明は燃焼器での燃料の燃焼方法と燃焼装置に関する。 The present invention relates to a fuel combustion method and a combustion apparatus in a combustor.
燃料エネルギを熱に転換するための古典的方法は、液体燃料や気体燃料を例えば空気酸素のような酸化剤で酸化、即ち燃焼させることにある。高負荷の燃焼装置の場合、今日全般的に有害物質、特にNOxの発生を極めて少なくせねばならない問題がある。燃焼装置は全運転範囲で安定した完全燃焼を可能にし、かつ比較的低い保全度で安価に運転可能でなければならない。この課題を解決すべく、3つの群の燃焼装置が公知である。 The classic way to convert fuel energy to heat is to oxidize or burn liquid or gaseous fuel with an oxidant such as, for example, air oxygen. In the case of a high-load combustion apparatus, there is generally a problem that generation of harmful substances, particularly NO x , must be extremely reduced today. The combustor must be capable of stable and complete combustion over the entire operating range and can be operated inexpensively with a relatively low degree of maintenance. In order to solve this problem, three groups of combustion devices are known.
所謂標準低NOx燃焼装置は、燃焼器への流入前に燃料と燃焼空気との予混合を行う。続いて燃焼器の内部で、発生火炎を安定化させ、もって酸化反応を制御する。燃焼器の内部に残存する未混合のために局所的高温が生じ、この高温は不所望のNOxを多量に発生させる。このため標準的低NOx燃焼装置では、通常最初に火炎を空力的に安定化させ、もって高温燃焼ガスを、該ガスが燃焼器に流入する燃料と燃焼空気とから成る混合気と充分に反応するよう循環させる。空力的安定は高温の支持火炎の採用によって支えられ(所謂パイロット方式)、該支持火炎は、燃焼器内での温度分布の一層の非均一化を生じる。かかる非均一温度分布は、窒素酸化物発生の追加的原因となる。従って通常標準低NOx燃焼装置の場合、最初に発生したNOxを触媒排気浄化装置で低減させている。 So-called standard low NO x combustion apparatus performs premixing of fuel and combustion air prior inflow to the combustor. Subsequently, the generated flame is stabilized inside the combustor, thereby controlling the oxidation reaction. Occurs locally high temperatures to unmixed remaining inside the combustor, the high temperature causes a large amount generate unwanted NO x. Therefore a standard low NO x combustion devices are usually first flame aerodynamically stabilized and has been hot combustion gases sufficiently react with the gas mixture consisting of fuel and combustion air in which the gas flows into the combustor Cycle to do. Aerodynamic stability is supported by the use of a hot support flame (so-called pilot system), which results in a more non-uniform temperature distribution within the combustor. Such non-uniform temperature distribution is an additional cause of nitrogen oxide generation. Therefore usually the standard low NO x combustor, is initially generated NO x is reduced by the catalytic exhaust gas purifier.
この触媒式燃焼装置の利用範囲は現在のところ制限され、例えば最新構造の定置形ガスタービン等の高温燃焼装置には利用できていない。触媒式燃焼装置は、小形の定置形ガスタービンでしか採用されていない。 The range of use of this catalytic combustion apparatus is currently limited, and it cannot be used for a high-temperature combustion apparatus such as a stationary gas turbine having the latest structure. Catalytic combustion devices are only used in small stationary gas turbines.
工業用燃焼装置用に、例えば欧州特許出願公開第0463218号明細書に記載された所謂無炎酸化バーナが知られている。該燃焼装置の場合、燃焼空気が排気ガスによって予熱され、燃焼器の半径方向周辺域に大きな衝動で供給される。燃焼器の中央に別個に気体燃料が注入される。予熱済み燃焼空気は、燃焼器の周辺域において循環排気ガス流と混合され、内部で別個に供給された気体燃料と混合される。 For industrial combustion devices, the so-called flameless oxidation burners described, for example, in EP-A-0463218 are known. In the case of the combustion device, the combustion air is preheated by the exhaust gas and is supplied to the radially peripheral region of the combustor with a large impulse. Gaseous fuel is separately injected into the center of the combustor. The preheated combustion air is mixed with the circulating exhaust gas stream in the peripheral region of the combustor and with the gaseous fuel supplied separately inside.
本発明の課題は、安定した完全燃焼並びにNOx発生量の著しい減少が達成可能な、特にガスタービン用燃焼器での燃料の燃焼方法と装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fuel combustion method and apparatus, particularly in a gas turbine combustor, capable of achieving stable complete combustion and a significant reduction in NO x generation.
燃焼器での燃料の燃焼方法についての課題は、本発明に基づき、燃料と燃焼空気を、燃焼器への流入前に自己点火を回避した状態で混合し、該混合気の第1部分を、この部分が燃焼器内で循環するように燃焼器に入れ、混合気の第1部分の循環流内に、点火条件への加熱が保証できる迄追加燃料を供給し、混合気の少なくとも1つの第2部分を、該部分が循環流から流出する高温燃焼ガスと混合し、昇温し、燃焼器の出口迄に燃焼するよう燃焼器に入れることで解決される。また、燃料の燃焼装置に関する課題は、本発明に基づき、燃料と燃焼空気を、燃焼器への流入前に、自己点火を回避した状態で混合するための混合装置と、該混合気の第1部分を、該第1部分が燃焼器内で循環するように燃焼器に入れるための第1混合気注入装置と、混合気の第1部分の循環流内に、点火条件への加熱が保証される迄追加燃料を供給するための燃料供給装置と、混合気の少なくとも1つの第2部分を、該第2部分が循環流から流出する高温燃焼ガスと混合され、加熱され、燃焼器の出口迄に燃焼するように燃焼器に入れるための少なくとも1つの第2混合気注入装置を備えることで解決される。 According to the present invention, a fuel and combustion air is mixed with fuel and combustion air in a state where self-ignition is avoided before flowing into the combustor, and the first portion of the mixture is This part is placed in the combustor so that it circulates in the combustor, and additional fuel is supplied into the circulation of the first part of the mixture until it can be ensured that it is heated to ignition conditions. The problem is solved by mixing the two parts with the hot combustion gas that flows out of the circulation stream, raising the temperature and burning it to the combustor outlet. Further, according to the present invention, there is provided a mixing apparatus for mixing fuel and combustion air in a state avoiding self-ignition before flowing into the combustor, and a first of the mixture. Heating to ignition conditions is ensured in the first mixture injection device for entering the part into the combustor such that the first part circulates in the combustor and in the circulating flow of the first part of the mixture. A fuel supply system for supplying additional fuel until at least one second part of the mixture is mixed with the hot combustion gas, the second part flowing out of the circulating stream, heated and to the combustor outlet This is solved by providing at least one second gas mixture injection device for entering the combustor for combustion.
本発明に基づき、第1分量の燃料(例えば気体燃料1)が燃焼空気と、燃焼器に流入する前に自己点火を回避した状態で予混合される。該混合気の一部が後で反応する際、匹敵する燃焼反応の平均温度レベルより低い、低温度レベルが存在する。従って、この部分混合気は燃焼時非常に僅かなNOxしか生じない。燃料と燃焼空気とから成る混合気は、本発明に基づき、混合気の第1部分が循環渦内で循環し、混合気の少なくとも1つの第2部分が、循環渦から流出する高温の排気ガス又は燃焼ガスと混合するように燃焼器に入れられる。混合気の第2部分は、高温の排気ガスとの混合に伴い、十分な状態に加熱され、燃焼器出口迄に燃焼する。これに対し、従来通常の別個のパイロット方式は、本発明に基づいて回避され、旋回流発生装置による空力的安定化処置も省かれる。 In accordance with the present invention, a first quantity of fuel (e.g., gaseous fuel 1) is premixed with combustion air, avoiding self-ignition before flowing into the combustor. When a portion of the mixture reacts later, there is a low temperature level that is below the average temperature level of the comparable combustion reaction. Therefore, this partial air-fuel mixture generates very little NO x during combustion. In accordance with the present invention, an air-fuel mixture comprising fuel and combustion air is a hot exhaust gas in which a first portion of the air-fuel mixture circulates in a circulating vortex and at least one second portion of the air-fuel mixture flows out of the circulating vortex Or it puts into a combustor so that it may mix with combustion gas. The second part of the air-fuel mixture is heated to a sufficient state as it is mixed with the hot exhaust gas and burns up to the combustor outlet. On the other hand, the conventional normal separate pilot system is avoided according to the present invention, and the aerodynamic stabilization procedure by the swirl flow generator is also omitted.
本発明に従い、1つ又は複数の別の段階で、循環流内に追加燃料(例えば気体燃料2)を追加することで、空気/燃料混合気全体の点火条件への加熱を保証するか、点火条件が存在する迄の十分なエネルギを準備する。追加燃料は、本発明に基づいて、低い温度レベルで燃焼ガスへの均一な混入が起るように混合する。かくして、本発明に基づき、燃焼器の内部での温度ピークを防止できる。その結果、反応燃焼ガスのこの範囲からのNOx発生は特に僅かとなる。 In accordance with the present invention, in one or more separate stages, additional fuel (eg, gaseous fuel 2) is added in the circulating flow to ensure heating of the entire air / fuel mixture to ignition conditions or ignition. Provide sufficient energy until the condition exists. The additional fuel is mixed in accordance with the present invention so that uniform mixing into the combustion gas occurs at low temperature levels. Thus, based on the present invention, temperature peaks within the combustor can be prevented. As a result, NO x generation from this range of reactive combustion gases is particularly small.
本発明の方法の有利な実施態様では、燃料と燃焼空気を、燃焼器への流入前に、燃焼空気と燃料との比が燃焼器における燃焼の平均空燃比より高いように混合する。本発明よる高い空燃比により、比較的低い温度レベルを保証し、もってNOx発生を低減できる。 In an advantageous embodiment of the method of the invention, the fuel and combustion air are mixed before entering the combustor such that the ratio of combustion air to fuel is higher than the average air-fuel ratio of combustion in the combustor. The high air-fuel ratio by the present invention, ensures a relatively low temperature level, can be reduced NO x generation have.
本発明に基づく装置は、燃料と燃焼空気から成る混合気の第1部分および/又は第2部分(および/又は多段燃料追加の場合には更なる部分)を、燃焼器の中央に配置した本体を通して流入させることで特に好適なものとなる。本発明が目標とする混合気の第1部分の循環流発生と、流出高温燃焼ガスへの混合気の第2部分の注入とは、流れ技術的に非常に簡単に実現できる。 The device according to the invention comprises a body in which a first and / or second part (and / or a further part in the case of multistage fuel addition) of a mixture of fuel and combustion air are arranged in the center of the combustor It is particularly suitable to flow through. The generation of the circulation flow of the first part of the air-fuel mixture targeted by the present invention and the injection of the second part of the air-fuel mixture into the flowing hot combustion gas can be realized very easily in terms of flow technology.
燃料と燃焼空気から成る混合気の第1部分および/又は第2部分に対する中央入口本体は、更に燃焼器に液体燃料を供給するための装置を一体化することを可能とする。中央に配置した混合気注入装置は、更に、その中を流れる燃料と燃焼空気から成る混合気で冷却され、この結果混合気は最低限しか加熱されない。その結果、本発明に基づく循環流の内部における温度レベルの一層の均一化が可能となる。 The central inlet body for the first part and / or the second part of the mixture of fuel and combustion air makes it possible to further integrate a device for supplying liquid fuel to the combustor. The air-fuel injection device arranged in the center is further cooled by an air-fuel mixture consisting of fuel and combustion air flowing through it, so that the air-fuel mixture is heated to a minimum. As a result, the temperature level inside the circulating flow according to the present invention can be made more uniform.
循環流自体は、本発明に基づき、燃焼器の周辺域、即ち燃焼室の半径方向外側領域に形成される。そのように形成された循環渦は、燃焼器への追加燃料のできるだけ均一な混入を可能にする利点がある。 According to the invention, the circulating flow itself is formed in the peripheral region of the combustor, ie in the radially outer region of the combustion chamber. The circulation vortex so formed has the advantage of allowing as much as possible the incorporation of additional fuel into the combustor.
また本発明に従い、燃焼器を円筒状とし、燃料と燃焼空気から成る混合気の第1部分を燃焼器内に半径方向に入れるとよい。混合気の第1部分の半径方向注入に伴い、本発明が希求する循環流を励起し、維持できる。或いは燃料供給路を相応して形成した環状燃焼器が利用可能となる。 According to the present invention, the combustor may be cylindrical, and the first portion of the air-fuel mixture composed of fuel and combustion air may be placed in the combustor in the radial direction. With the radial injection of the first part of the gas mixture, the circulating flow sought by the present invention can be excited and maintained. Alternatively, an annular combustor having a corresponding fuel supply path can be used.
燃料と燃焼空気から成る混合気の第1部分の半径方向注入と異なり、追加燃料は、燃焼器内に軸方向に入れるとよい。かかる循環渦への残留燃料(気体燃料2)の追加は、空気/燃料混合気全体の点火条件への所望の加熱を保証するのに必要なエネルギを提供する。追加燃料の軸方向供給のもう1つの利点は、供給した追加燃料が同時に燃焼器端面壁の冷却にも貢献し、この結果追加燃料が僅かしか加熱されない点にある。 Unlike the radial injection of the first portion of the mixture of fuel and combustion air, the additional fuel may be placed axially into the combustor. The addition of residual fuel (gaseous fuel 2) to such circulating vortices provides the energy necessary to ensure the desired heating to the ignition conditions of the entire air / fuel mixture. Another advantage of the axial supply of additional fuel is that the supplied additional fuel simultaneously contributes to the cooling of the combustor end walls, so that the additional fuel is only slightly heated.
本発明の装置とそれで実施する方法を単純化すべく、燃料と燃焼空気から成る混合気の第1部分と第2部分を、共通流として燃焼器に入れ燃焼器の内部で分割するとよい。 In order to simplify the apparatus of the present invention and the method implemented therewith, the first and second portions of the mixture of fuel and combustion air may be divided into the combustor as a common flow and divided within the combustor.
燃料と燃焼空気から成る混合気の1つ或いは2つの部分を注入する際、混合気の各々の部分を特に的確に配量して循環流に到達させるべく、特に適合したノズルを利用する。本発明に基づく循環流と、これに伴い発生する燃焼を安定して維持すべく、単位時間毎に供給する総燃料/燃焼空気質量(総気体質量)の約5〜25%、特に約10〜20%を単位時間毎に循環流内で循環させるとよい。 When injecting one or two parts of the mixture consisting of fuel and combustion air, a particularly adapted nozzle is used in order to accurately distribute each part of the mixture to reach the circulation flow. About 5 to 25% of the total fuel / combustion air mass (total gas mass) supplied per unit time, in particular about 10 to 10 in order to stably maintain the circulation flow according to the present invention and the combustion generated therewith. It is preferable to circulate 20% in the circulating flow every unit time.
以下、燃焼器で燃料を燃やす本発明の方法と装置の実施例を、図を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the method and apparatus of the present invention for burning fuel in a combustor will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、定置形ガスタービンのバーナ状をなす燃焼器の燃料燃焼装置10を示す。この装置10は主要構成要素としての燃焼器12を有し、これは軸線14に沿って円筒状に形成されている。燃焼器12は、図1の上部に示す第1端面壁16と、この壁16から下向きに延びる外側壁18と、図1の下部に位置する第2端面壁20とを備えている。
FIG. 1 shows a
第1端面壁16を、中央に配置した本体22が貫通している。該本体22は円筒形で、軸線14に沿って延びている。本体22は外管24と、その中に同心的に配置した内管26からなる。外管24を半径方向外側に向いた複数のノズル28が貫通し、該ノズル28は図1で外管24の下端部に位置している。外管24の下端は閉じている。
A
図1の外管24の上端に、詳しくは示さない空気供給路30があり、かつ外管24の内部に、詳しくは示さない気体燃料供給路32がある。空気供給路30から気体燃料供給路32を経て、空気と第1気体燃料が外管24に供給され、続いて外管24内でノズル28に向かって流れる途中で、気体燃料と燃焼空気とから成る混合気34が生ずる。混合気34の第1部分流36がノズル28から外管24の周辺、従って燃焼器24の内部に流出する。混合気34の第2部分流38が、第1部分流36用の上述したノズル28および図1においてその下側で外管24に配置された別のノズル28′を経て流出する。
An air supply path 30 (not shown in detail) is provided at the upper end of the
外管24は循環室40で取り囲まれ、燃焼器12の内部で循環室40に継続燃焼室42が続いている。循環室40と継続燃焼室42の間で、外壁18の内側面に流れ案内面44が配置されている。この面44と後述する第1部分流36(および第2部分流38)の注入に伴い、循環室40内部に循環流46が生じ、安定する。循環流46はノズル28を出てまず半径方向外側に向かい、続いて第1端面壁16の方向に向き、該第1端面壁16に沿って半径方向内側に向かい、最後に第1端面壁16から再びノズル28に達する。
The
第1端面壁16に、詳細には示さない別の気体燃料供給路48があり、該供給路48を経て、追加気体燃料を循環流46に注入する。
On the first
循環流46から最終的にノズル28′の前の範囲で燃焼ガス50が流出し、継続燃焼室42を経て、端面壁20に中央開口として形成した出口52に到達する。燃焼器を環状燃焼器として形成した図示しない実施例では、開口は環状をなしている。
The
燃焼装置10の運転中、気体燃料と燃焼空気とから成る混合気34を、外管24、空気供給路30および気体燃料供給路32を経てノズル28、ノズル28′に供給する。空気と気体燃料との比は、後の燃焼器12の内部における燃焼の平均空燃比より高くする。かくして、混合気34の自己点火を回避できる。
During operation of the
混合気34は、第1部分流36および第2部分流38として、半径方向に燃焼器12に入れられる。その際、ノズル28は、第1部分流36が主に循環流46に達し、循環室の内部に循環渦を励起するよう、配置され形成される。他の気体燃料供給路48を経て軸方向に追加気体燃料を供給することで、循環渦を追加的に支持し、原理的に総混合気の点火条件迄の加熱を保証できる程大きなエネルギを用意できる。
The air-
循環渦内でできるだけ均質な混合を行い、温度ピークの回避可能な量の気体燃料を、第2気体燃料供給路48で単位時間毎に混入させる。混入は比較的低い温度で行い、もって気体燃料と燃焼空気との反応を保持し、しかも該反応に伴うNOx発生を極めて少なく保ち得る。更に気体燃料供給路48は、燃焼器12の第1端面壁16の冷却に寄与する。
Mixing is performed as homogeneously as possible in the circulation vortex, and an amount of gaseous fuel capable of avoiding a temperature peak is mixed in the second gaseous
単位時間毎に供給する総燃焼空気/気体燃料質量の約10〜20%が単位時間毎に安定循環流46の内部を流れる。総気体質量は循環渦内で予熱する。その際に達成された混合気34の燃焼ないし反応は、特に均一な気体混合状態および温度ピークを回避した比較的低い温度レベル状態で進む。従って燃焼器12用の、従来通常の別個のパイロット装置や旋回流発生器による空力的安定化処置を省ける。燃焼器12と、それに形成した循環室40への気体燃料の2段式供給のもう1つの大きな利点は、触媒が不要な点にある。
About 10 to 20% of the total combustion air / gaseous fuel mass supplied every unit time flows through the
混合気34の第2部分流38と、場合により更なる部分流を、例えば小管として形成しれたノズル28′を経て、流出燃焼ガス50に直接入れ、或いは図示しない実施例では、全部又は一部を同様に循環させる。流出燃焼ガス50が比較的高温なので、第2部分流38は十分な状態に加熱され、同様に出口52迄に完全に反応する。
The second
なお、中央に配置した本体22とその中に形成した内管26は、液体燃料ノズルの一体化を可能とし、この結果、燃焼装置10は全体として二成分燃料燃焼装置として利用できる。即ちこの燃焼装置10では、液体燃料も比較的少ない有害物質発生で酸化でき、これは、従来の触媒を備えた通常の燃焼装置では不可能である。
The
12 燃焼器、22 本体、34 混合気、36、38 混合気部分、40 周辺域、46 循環流、50 燃焼ガス 12 Combustor, 22 Main body, 34 Mixture, 36, 38 Mixture part, 40 Peripheral area, 46 Circulating flow, 50 Combustion gas
Claims (21)
燃料と燃焼空気を、燃焼器(12)への流入前に、自己点火を回避した状態で混合し、
該混合気(34)の第1部分(36)を、該第1部分(36)が燃焼器(12)内で循環するように燃焼器(12)に入れ、
混合気(34)の第1部分(36)の循環流(46)の中に、点火条件への加熱が保証される迄追加燃料を供給し、
混合気(34)の少なくとも1つの第2部分(38)を、該第2部分(38)が循環流(46)から流出する高温燃焼ガス(50)の流出方向に対し垂直に流入して高温燃焼ガス(50)と混合し、昇温し、燃焼器(12)の出口迄に燃焼するように燃焼器(12)に入れることを特徴とする方法。In the method for combusting fuel in the combustor (12),
Mix fuel and combustion air in a state avoiding self-ignition before entering the combustor (12),
A first portion (36) of the mixture (34) is placed in the combustor (12) such that the first portion (36) circulates in the combustor (12);
Supplying additional fuel into the circulation (46) of the first part (36) of the mixture (34) until heating to ignition conditions is ensured;
At least one second portion (38) of the gas mixture (34) flows perpendicularly to the outflow direction of the hot combustion gas (50) from which the second portion (38) flows out of the circulation flow (46). Mixing with the combustion gas (50) , raising the temperature and putting it into the combustor (12) to burn up to the outlet of the combustor (12).
燃料と燃焼空気を、燃焼器(12)に流入する前に、自己点火を回避した状態で混合する混合装置(22)と、
混合気(34)の第1部分(36)を、該混合気(34)の第1部分(36)が燃焼器(12)内で循環するように、燃焼器(12)に入れるための第1混合気注入装置と、
混合気(34)の第1部分(36)の循環流(46)内に、点火条件が生ずる迄追加燃料を供給するための燃料供給装置(48)と、
混合気(34)の少なくとも1つの第2部分(38)を、該混合気(34)の少なくとも1つの第2部分(38)が循環流(46)から流出する高温燃焼ガス(50)の流出方向に対し垂直に流入して高温燃焼ガス(50)と混合し、昇温し、燃焼器(12)の出口迄に燃焼するように、燃焼器(12)に入れるための少なくとも1つの第2混合気注入装置と
を備えることを特徴とする燃料の燃焼装置。Combustion device (10) for fuel in a combustor (12) for carrying out the method according to one of claims 1 to 11;
A mixing device (22) for mixing fuel and combustion air in a state avoiding self-ignition before flowing into the combustor (12);
A first portion (36) of the mixture (34) is placed into the combustor (12) so that the first portion (36) of the mixture (34) circulates in the combustor (12). 1 mixture injection device;
A fuel supply device (48) for supplying additional fuel into the circulation (46) of the first portion (36) of the mixture (34) until an ignition condition occurs;
At least one second portion of the mixture (34) to (38), the outflow of hot combustion gases at least one second portion of said mixture (34) (38) flows out of the circulation flow (46) (50) At least one second for entering the combustor (12) to flow perpendicularly to the direction, mix with the hot combustion gas (50) , rise in temperature and burn to the outlet of the combustor (12). A fuel combustion apparatus comprising an air-fuel mixture injection apparatus.
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