JP5312599B2 - 燃料ノズル - Google Patents

Description

本発明は、ノズル管とノズル出口とを含み、該ノズル管の中に燃料を供給するために該ノズル管が燃料供給配管に接続され、燃料が、ノズル出口から、燃料ノズルをほぼ環状に取り囲む空気流の中に注入され、ノズル出口まで達する第１のノズル管部分が花弁状に形成され、すなわち空気流の中への燃料のほぼ同軸状の噴射注入を行ない得るように形成され、ノズル出口が、絞られた円錐状に形成された雌しべの先端部状の部分（以下、花柱頭状部という。）を有する燃料ノズルに関する。

天然ガスの価格上昇により代替燃料の更なる開発が必要となる。これは、例えば、以下において合成ガスとも呼ぶ低カロリの燃料ガスである。合成ガスは、原理的には、固体、液体及び気体の抽出物から製造される。固体の抽出物から合成ガスを製造する場合、石炭ガス化、バイオマスガス化及びコークスガス化が挙げられる。

窒素酸化物排出に対するますます厳しくなる要求を考慮すると、低カロリのガスの燃焼の場合にも、予混合燃焼がますます重要になってくる。

予混合バーナは、一般的に、混合ガスが燃焼室に案内される前に空気と燃料とを混合する予混合区域を含む。燃焼室では、混合ガスを燃焼させ、高圧下にある高温燃焼ガスを発生させる。この高温燃焼ガスを更にタービンへ送り込む。予混合バーナの運転との関連では、とりわけ窒素酸化物の排出を少なくし、逆火を回避することが重要である。

合成ガス予混合バーナは、合成ガスを燃料として使用する点で優れている。主として炭化水素化合物からなる天然ガス及び石油という標準的な燃料に比べて、合成ガスの可燃成分は主として一酸化炭素及び水素である。ガス化方法及び全体設備構想に依存して、合成ガスの発熱量は、天然ガスの発熱量よりも約５〜１０倍少ない。

従って、発熱量の少なさゆえに、燃焼室に大きな体積流量の燃料ガスを導入しなければならない。これにともなって、例えば合成ガスのような低カロリの燃料を燃焼させるためには、従来の高カロリの燃料ガスよりも明らかに大きな噴射断面積が必要となる。しかし、低レベルのＮＯｘ値を達成するためには、合成ガスを予混合運転で燃焼させることが必要である。

合成ガスの化学量論的な燃焼温度と並んで、火炎面における合成ガスと燃焼空気との間の混合の良好さは、温度ピークを回避するための、従って熱による窒素酸化物の発生を最小にするための主要な影響量である。燃焼空気と合成ガスとの空間的に良好な混合は、必要な合成ガスの体積流量が大きいためと、混合域の空間的広がりがこれに相応して大きいために、非常に困難である。他方では、既に、環境保護の理由と、これに応じた有害物質排出の法的ガイドラインの理由から、窒素酸化物のできるだけ少ない生成は、燃焼、特に発電所ガスタービン設備における燃焼に対する基本的な要求である。窒素酸化物の発生は、燃焼の火炎温度にともなって指数関数的に急激に増大する。燃料と空気との混合が不均一である場合には、燃焼域において特定の火炎温度分布が生じる。窒素酸化物生成と火炎温度との上述の指数関数関係に従って、このような火炎温度分布の最大温度は、生成される望ましくない窒素酸化物の量に決定的な影響を及ぼす。

燃料と空気との間の十分な混合を保証するためには、空気流の中への個々の燃料噴射の十分な侵入深さが必要である。しかし、天然ガスのような高カロリの燃料ガスに比べてより大きな自由噴射断面積が必要である。これは、燃料噴射が空気の流れをひどく妨げる結果となり、結局、これが、燃料噴射の減速域において局部的な空気流の剥離を招く。バーナ内で形成される逆流域は望ましくなく、特に反応性の高い合成ガスの燃焼の場合には絶対に回避すべきである。極端な場合には、バーナの混合域におけるこれらの局部的な逆流域が、混合域内への逆火をもたらし、従ってバーナ損傷をもたらす。

特に水素成分が高い場合における合成ガスの高い反応性も、逆火の危険性を高める。

更に、合成ガスにとって必要なより大きな噴射断面積がたいてい空気と合成ガスとの不完全な予混合をもたらし、これにより前述のあの望ましくない高レベルのＮＯｘ値が生じる。そのうえ、大きな体積流量によって、しばしば噴射注入の際に圧力損失が生じる。

合成ガスと空気との混合は、例えば、スワール要素により行なわれるか（例えば、特許文献１参照）、又は空気流に対する横方向のガス噴射により行なわれる。しかし、これらは、望ましくない著しい圧力損失をもたらし、逆火を招く望ましくない減速域を生じさせることがある。

欧州特許出願公開第１６４５８０７号明細書

本発明の課題は、この問題から出発して、燃焼時に、より低い窒素酸化物形成をもたらす燃料ノズル、特に合成ガス供給のための燃料ノズルを提供することにある。

この課題は、本発明によれば、ノズル管とノズル出口とを含む燃料ノズルであって、ノズル管の中に燃料を供給するためにノズル管が燃料供給配管に接続され、燃料が、ノズル出口から、燃料ノズルをほぼ環状に取り囲む空気流の中へ注入され、ノズル出口まで達する第１のノズル管部分が花弁状に形成され、しかも空気流の中への燃料のほぼ同軸状の噴射注入を行ない得るように形成され、ノズル出口が、絞られた円錐状に形成された花柱頭状部を有する燃料ノズルによって解決される。

本発明は、特に、例えば合成ガスのような燃料の大きな体積流量のためには、大きな噴射断面積が自由に使用できなければならないが、このことが高い圧力損失につながっているという事実に基づいている。更に、しかし良好なＮＯｘ値を得るためには、特に良好な混合を有する予混合モードが不可欠である。しかし、従来技術において使用されるスワール要素ならびに空気流に対する横方向の燃料流注入は、非常に願わしくない圧力損失をもたらし、これが再び不利なＮＯｘ値をもたらす。

本発明は、合成ガス流と空気流との間の接触面積の増大が著しく改善された混合をもたらすという認識に基づいている。この効果は、燃料流と空気流とが異なる流速を有する場合に特に顕著である。これは、第１のノズル管部分の花弁状の形態によってもたらされる。更に、第１のノズル管部分の花弁状の形態によって、その輪郭後縁部において、第２の流れの場、即ち所望の計算可能なスワールが形成され、これがまたもや混合を改善する。これも、特に燃料流と空気流とが異なる流速を有する場合に有利である。更に、第１のノズル管部分の本発明による花弁状の形態は、空気流の中への燃料の同軸状の噴射注入を可能にする。それによって、望ましくない高い圧力損失が回避される。これは、例えば合成ガスの場合におけるような燃料の大きな体積流量の場合にも、予混合モードでのノズルの運転を可能にする。

本発明によれば、燃料ノズルのノズル出口は、絞られた円錐形に形成された花柱頭状部を有する。花弁状に形成されたノズル出口の中心に対称的に配置された花柱頭状部によって、燃料と空気との均一で面状の混合が強制される。これは、とりわけノズル出口の中心領域に通される燃料にとって有利である。花柱頭状部を備えたノズル出口のこの形態によって、燃料と空気との間の接触面積が一層高められ、これが混合に有利な結果となる。一方で空気流の中への燃料の同軸状の流入が相変わらず可能であり、それによって、改善された混合にもかかわらず無視できる圧力損失しか生じない。

花柱頭状部が流れ方向に先のとがった形で延びているとよい。

花柱頭状部が二重円錐形に形成されているとよい。それによって、境界層剥離が回避され、かつ逆流域による逆火の危険性が低減される。

好ましい実施形態では、花柱頭状部が複数の切欠きを有する。花柱頭状部において、これらの切欠きは、個々の花弁と一致するように、又は輪郭後縁部と一致するように設けられている。これらの切欠きは、主として燃料を滑らかに通過させるのに役立つ。即ち、望ましくない、予測できないスワールの発生なしに、燃料ノズルからの燃料の噴射が行なわれる。従って、境界層剥離を回避し、逆流域による逆火の危険性を低減することができる。

これらの切欠きが、流れ方向にまっすぐに及び／又は捻られて形成されているとよい。それによって、噴射時に空気流又は燃料流に旋回運動を与えることができる。

第１のノズル管部分が流れ方向に先細りになっているとよい。それによって燃料の流速の増大を達成することができる。

これに替わる開いた柱頭状先端部を備えた代替ノズル管の場合には、第１のノズル管部分の花弁形状が鋸歯状に形成されている。鋸歯によって、流れの場に、燃料と空気流との改善された混合を生じさせる予測できるスワールが形成される。しかしながら、同軸状の噴射注入が相変わらず保証されていることから、燃料ノズルのこの形態の場合に圧力損失の増大は発生しない。

この場合に、第２のノズル管部分を設けることができる。この第２のノズル管部分に、流れ方向において第１のノズル管部分がつながっていて、第２のノズル管部分が流れ方向に先細りになっている。それによって燃料の流速の一層の増大を達成することができる。

鋸歯状の第１のノズル管部分は、水平方向において第２のノズル管部分につながっている。この場合に、鋸歯状の第１のノズル管部分は、水平線に対して傾斜して第２のノズル管部分に接続している。それによって燃料の流速が高められる。

花柱頭状部が、ノズル管に対してほぼ同軸状に延在する高カロリの燃料を供給するための管に接続されていて、少なくとも１つの横方向又は／及び軸線方向の注入口を有するとよい。

その注入口の配置、個数、及び直径は、バーナの形態に応じて変えることができる。高カロリの燃料のための供給管が合成ガス供給管の内側にある（高カロリの燃料のための供給管が合成ガス供給管によって環状に取り囲まれている）ので、横方向及び水平方向の複数の注入口、即ち孔があることが好ましい。

高カロリの燃料の体積流量は合成ガスの体積流量に対して非常に僅かであることから、高カロリの燃料のための注入口も供給管自体も僅かな直径しか必要でないことに注目すべきである。この事実は、高カロリの燃料のための供給管が、合成ガス運転時に、空気流内に全く又は僅かしか障害を生じさせないことに貢献する。

好ましい実施形態においては、少なくとも１つの横方向の注入口が花弁形状の合成ガス噴射部の２つの花弁の間の花弁つなぎ部に配置されている。従って、例えば天然ガスの噴射方向が空気流に対してほぼ横方向に行なわれることが保証される。これは従来の予混合式の天然ガスバーナの好ましい噴射方向に相当する。それによって、天然ガスと空気流との良好な混合が保証されるので、低レベルのＮＯｘ値が達成できる。これらの低レベルのＮＯｘ値は、規則に従って、合成ガスバーナにおいて、これが天然ガスのような高カロリの燃料で運転させられる場合に、この天然ガスが単に「バックアップ」機能にすぎなくても保証されていなければならない。

有利な実施形態ではこの燃料ノズルが１つのバーナ内に存在する。これは、特に、予混合モードで運転される合成ガスバーナである。この場合に、このバーナは２燃料又は多燃料バーナとして設計することができる。これは、例えば天然ガスにより予混合モードで運転可能とすることができる。このバーナはガスタービン内に存在するとよい。

燃料ノズルを示す斜視図である。 燃料ノズルを示す横断面図である。 混合度を示すダイアグラムである。 花柱頭状部を有する本発明による燃料ノズルを示す斜視図である。 水平の鋸歯を有する別の燃料ノズルを示す斜視図である。 傾斜した鋸歯を有する別の燃料ノズルを示す斜視図である。 第２の燃料供給管を有する本発明による燃料供給部を示す拡大斜視図である。 第２の燃料供給管（天然ガス供給管）を概略的に示す縦断面図である。

以下において本発明の他の特徴、利点及び詳細を図面に基づいて更に詳細に説明する。本発明の実施例が概略的に示されている図面を参照して本発明を更に説明する。図は、簡略化して表示しており、しかも一定率で縮尺して表示していない。

全ての図において同じ部分には同一の参照符号が付されている。

高い天然ガス価格のゆえに、現在のガスタービン開発は、例えば合成ガスのような代替燃料の方向において促進されている。合成ガスの製造は、原理的に、固体、液体及び気体の抽出物から行なわれる。固体の抽出物から合成ガスを製造する場合には、とりわけ石炭ガス化が挙げられる。この場合に、石炭は、水蒸気による部分的な酸化とガス化との混合で、ＣＯと水素との混合物に変換される。石炭のほかに、原理的には、例えばバイオマス及びコークスのような他の固形物の使用も挙げられる。合成ガスのための液体の抽出物としては種々の原油蒸留液が使用可能であり、最も重要な気体の抽出物としては天然ガスが挙げられる。しかし、この場合に、合成ガスにおける低い発熱量が次の結果を伴うことを考慮すべきである。即ち、燃焼のために、例えば天然ガスにおけるよりも非常に大きな体積流量を燃料室に供給しなければならないという結果である。この結果、その合成ガスの体積流量のために大きな噴射断面積が用意されなければならない。しかし、大きな噴射断面積は空気と合成ガスとの不完全な混合をもたらし、それによりまさに望ましくない高いＮＯｘ値が生じる。そのうえ、大きな体積流量によって、しばしば噴射注入の際に圧力損失が生じる。

良好な混合を達成するために、スワール要素が使用されるか、又は合成ガスが空気流に対して横方向に流入させられる。しかし、その結果として望ましくない著しい圧力損失が生じる。更に、逆火をもたらす減速域が形成され得る。これは、本発明の助けにより回避される。

図１は燃料ノズルを示す。これは、ノズル管２とノズル出口１０とを有する。ノズル管２は、燃料をノズル管２に供給する燃料供給配管（図示されていない）に接続されている。燃料は、ノズル出口１０から、燃料ノズルを環状に取り囲む空気流８の中に注入される。ノズル出口１０まで達する第１のノズル管部分４は、花弁状６に形成され、しかも空気流４の中への燃料のほぼ同軸状の噴射注入が行なわれ得るように形成されている。合成ガスはノズル管２の内部に通される。

図２は６つの個別の花弁を有するこのようなノズル出口１０の横断面を示す。花弁の個数は、とりわけ個々のバーナ型式もしくはガスタービン型式に依存し、変わり得る。ノズル管４及びノズル出口１０は、本発明による花弁状の形態６によって、合成ガスと空気流８とのより大きな接触面積を作り出す。それによって、合成ガスと空気流８との間の改善された混合が、圧力損失を増大させることなく達成される。この形態は、空気流８と合成ガス流とが異なる流れ速度を有する場合に、特に有利である。更に、この花弁状の形態６は、第２の流れの場が、特に個々の花弁の輪郭後縁部において形成されるという著しい利点を有する。ここでスワール構造が形成される。これも、特に合成ガスの流速と空気流８の流速とに著しい相違がある場合に、混合の改善に非常に貢献する。

図３は、従来技術による例えば環状の先細りのノズル管（図３にはａで示されている）と対比して、花弁状に形成された燃料ノズル（図３にはｂで示されている）の改善された混合を、模範的にダイアグラムとして示す。ｙ軸には非混合度が示されている。花弁状の燃料ノズルはより高い混合性を有するが、同軸状の噴射注入のおかげで圧力損失はより低い。

図４は本発明による燃料ノズルの実施形態を示す。この燃料ノズルは花弁状のノズル出口１０の中央に円錐形の花柱頭状部１４を有する。この花柱頭状部１４は、単一の円錐形又は二重の円錐形に形成することができる。これは、２つの流れの相互の滑らかな移行を保証するという利点を有する。更に、この実施形態は境界層剥離を防止し、すなわち逆火を引き起こさせ得る逆流域の形成を防止する。

円錐形の花柱頭状部１４には複数の切欠き１６が設けられているとよい。一方では、切欠き１６の半径方向の広がりと配置に関して、これらの切欠き１６が個々の花弁と一致するように設けられているとよい。即ち、切欠き１６と花弁とが対向しているとよい。それにより、合成ガスのための滑らかな噴射面が得られる。他方では他の切欠き１６が設けられ、これらの他の切欠き１６は輪郭後縁部２０に対向していて、半径方向の幅に関して輪郭後縁部２０とほぼ一致する。これらの他の切欠き１６によって空気流８のための滑らかな噴射面が得られる。これらの切欠き１６は、流れ方向にまっすぐに延びていてよいが、しかし空気もしくは燃料のスワールを達成するためには捻じられていてもよい。

花柱頭状部１４のこの形態により、花形状６を有する燃料ノズルの中心における（つまり、噴射注入軸の周りおける）混合が改善される。従って、花柱頭状部１４の助けにより、花の中心においても合成ガス流と空気流８との混合が達成され、花の中心において再び合成ガス流と空気流８との間の接触面積が広げられる。それによって、均一で面状の混合が可能である。しかし、同軸状の噴射注入のおかげで、面状の、従って非常に良好な混合にもかかわらず、圧力損失が少ない。

図５は、花弁の形状８が先の鋭くとがった形で延びる花を有する別の燃料ノズル、即ち、ほぼ鋸歯状に形成された別の燃料ノズルを示す。これらの鋸歯２２は第１の管部分４に設けられている。この第１の管部分４は流れ方向において同じままの管直径を有する（即ち、鋸歯２２がほぼ水平方向にある）ことができ、或いは流れ方向に先細りにする（即ち、図６のように、鋸歯２２が水平線２６に対して傾斜させられている）ことができる。流れ方向において第１の管部分４が続いている第２の管部分２４を、噴射の改善のために、流れ方向に先細りにすることができる。鋸歯２２を備えた燃料ノズルの形態によって、流れの場において所望のスワールが発生させられ、これが、また合成ガスと空気流８との間の混合を改善する。

しかし、この場合にも同軸状の噴射注入のおかげで、面状の、従って非常に良好な混合にもかかわらず、圧力損失が少ない。

図７には、第２の燃料供給管を有する本発明による燃料ノズルの実施形態が示されている。合成ガス注入口が大きな体積流量を保証しなければならないために、燃料ノズルが合成ガスに関して本発明に基づいて花弁状６に形成されている。

横方向の複数の天然ガス注入口１６が、２つの花弁１８の間に置かれている。２つの花弁１８相互の接触点もしくは接触線を、以下において花弁つなぎ部１９と呼ぶ。これは、花弁１８が介在することなく天然ガス流３３が直接的に空気流８の中に噴射注入され得ることを意味する。それによって、天然ガスが空気流８に対してほぼ横方向に噴射注入されることが保証される。図７は、６つの横方向の天然ガス注入口１６と、１つの軸線方向の天然ガス注入口１７とを有する。バーナ及びガスタービンに応じて個数も配置も変えることができる。その際に、天然ガス注入口１６，１７は、ほぼ円形であり、穿孔加工によって作ることができる。

合成ガス供給管及びその花弁状の合成ガス注入口も、天然ガス注入口１６，１７を有する天然ガス供給管３０も、合成ガスでも天然ガスでも同じ熱供給の場合に２５ｄｐ／ｐ以下の圧力損失が達成されるように構成されている。

図８は天然ガス供給管３０を概略的に示す。天然ガスの体積流量が合成ガスのための体積流量よりも著しく少ないので、天然ガス供給管３０の直径は合成ガス供給管よりも遥かに小さい。合成ガスから天然ガス運転への切替もしくはその逆の切替を行なうためには、合成ガス供給管もしくは天然ガス供給管３０を遮断することだけが必要である。これはハードウェア変更なしに達成することができる。

天然ガスの代わりに、あらゆる他の高カロリの燃料ガスも使用することができる。同様に、合成ガス注入口の花弁形状６は一例にすぎず、合成ガス注入口の他の形状も同様に考えられ得る。

本発明による燃料ノズルにより、空気と大量の合成ガスとの間の良好な混合が可能となる。しかし、同軸状の噴射注入のおかげで圧力損失が僅かである。それによって、例えばスワール要素を単独に取り付けることによって引き起こされる圧力損失の発生が回避される。それによって、予混合モード運転が促進され、これがまたＮＯｘ値に対して有利な結果になる。

本発明による燃料ノズルにより、いわゆるバックアップ燃料管を組み込むこともできる。これは、合成ガスバーナが、１つの燃料で運転可能であるだけでなく、運転時の供給安定性及び柔軟性を高めるために、できるだけ種々の燃料、例えば油、天然ガス及び／又は石炭ガスで選択的に、又は組合せで運転可能であるようにするためである。本発明により、同一のノズルを天然ガス（もしくは薄められた天然ガス）又は合成ガスために使用することができる。これによりバーナの構造様式が簡単になり、構成部品が著しく少なくなる。

しかし、ここに説明した燃料ノズルは合成ガスによる運転のみに限定されず、むしろ、あらゆる燃料で有利に運転可能である。この利点は、特に量の多い燃料流の場合に顕著である。本発明による燃料ノズルは予混合運転に格別に適している。

２ ノズル管
４ ノズル管部分（第１の管部分）
６ 花弁状
８ 空気流
１０ ノズル出口
１４ 花柱頭状部
１６ 切欠き
１６ 天然ガス注入口
１７ 天然ガス注入口
１８ 花弁
１９ 花弁つなぎ部
２０ 輪郭後縁部
２２ 鋸歯
２４ ノズル管部分（第２の管部分）
２６ 水平線
３０ 天然ガス供給管（第２の燃料供給管）
３３ 天然ガス流

Claims (4)

1. 燃料ノズルを環状に取り囲む空気流（８）の中へ燃料を同軸状に噴射注入するための燃料ノズルであって、前記空気流（８）の中に燃料を注入するためにノズル管（２）とノズル出口（１０）とを含み、前記ノズル管（２）の中に燃料を供給するためにノズル管が燃料供給配管に接続され、ノズル出口（１０）まで達する第１のノズル管部分（４）が花弁状（６）に形成されている燃料ノズルにおいて、
   ノズル出口（１０）が、絞られた円錐状に形成された花柱頭状部（１４）を有し、前記花柱頭状部（１４）が流れ方向に先の尖った形状で延びており、かつ、二重円錐形に形成されていることを特徴とする燃料ノズル。
2. 花柱頭状部（１４）が複数の切欠き（１６）を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料ノズル。
3. 前記複数の切欠き（１６）が流れ方向にまっすぐに又は捻られて形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料ノズル。
4. 第１のノズル管部分（４）が流れ方向に先細りになっていることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の燃料ノズル。
   

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