JP6228818B2 - ガス焚きバーナ - Google Patents

Description

本発明は、ガス焚きバーナに関するもので、特に、液化天然ガス（ＬＮＧ）を燃焼するガス焚きバーナに関する。

窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減するものとして、１次バーナ、２次バーナ、及び３次バーナに予混合燃焼方式を採用したガス焚きバーナが提案されている。１次バーナは、安定燃焼用のガス燃料を燃焼部に供給するもので、安定燃焼用空気供給管と安定燃焼用燃料供給管とを備えている。安定燃焼用空気供給管は、ガス焚きバーナの中央に配置され、安定燃焼用燃料供給管は、安定燃焼用空気供給管の基部に連通配置されている。これにより、安定燃焼用燃料供給管から供給されたガス燃料は、安定燃焼用空気供給管から供給された空気と混合（予混合）される。そして、予混合された混合気は、スワラで旋回成分が付与されて、１次バーナの噴出口から燃焼部に噴出する。また、１次バーナの噴出口には、保炎器を構成するディフューザが設けられ、燃焼部に噴出した混合気は、ディフューザに供給され、炎が確保される（保炎）。２次バーナは、主燃焼用のガス燃料を燃焼部に供給するもので、主燃焼用空気供給管と主燃焼用燃料供給管とを備えている。主燃焼用空気供給管は、１次バーナを中心とする円筒形に形成され、その基部に空気旋回羽根が設けられている。主燃焼用燃料供給管は、主燃焼用空気供給管の基部に連通配置されている。これにより、主燃焼燃料供給管から供給されたガス燃料は、主燃焼用空気供給管から供給され、旋回成分が付与された空気と混合（予混合）される。そして、予混合された混合気は、２次バーナの噴出口から燃焼部に噴出する。３次バーナは、追加燃焼用燃料を供給するもので、空気にガス燃料が予混合された混合気は、燃焼部に噴出する。また、３次バーナの噴出口の前方に追加燃焼用空気を混入させる追加燃焼用空気の混入部が設けられている。これにより、３次バーナの噴出口から噴出したガス燃料には、必要に応じて混入部から空気が混入する。

上述したガス焚きバーナでは、全ガス燃料のうち１０％以下のガス燃料が１次バーナの安定燃焼用燃料供給管に供給され、燃料と空気の比（空気比）が１以上となるように混合され、燃焼部に噴出する。同様に、全ガス燃料のうち５０％〜９０％のガス燃料が２次バーナの主燃焼用燃料供給管に供給され、空気比が１．２〜１．５となるように混合され、燃焼部に噴出する。そして、全ガス燃料のうち残量（１０〜３０パーセント）が３次バーナに供給され、３次バーナの噴出口から噴出する。これにより、３次バーナの噴出口から噴出したガス燃料には、混入部から必要に応じて供給された空気が混入するが、このときの空気比は０．５以下となる。

上述したガス焚きバーナは、１次バーナ、２次バーナ、及び３次バーナに予混合燃焼方式を採用するので、窒素酸化物の排出量を低減できる（例えば、特許文献１参照）。

特許第３４３４０９６号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載されたガス焚きバーナは、１次バーナに予混合燃焼方式を採用し、１次バーナの保炎器をディフューザで構成するために、スロート（火口）とディフューザとの間隔調整が難しい。また、スロートとディフューザとの間隔調整が十分でないと不安定燃焼の原因となるので、実用化が進んでいない。
上記実情を鑑みて、本発明は、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減できるガス焚きバーナを実用化することを目的とする。

本発明は、燃焼部に供給する全ガス燃料のうち小さな割合を占める保炎燃焼用のガス燃料のみを前記燃焼部に供給する１次バーナと、前記１次バーナを中心に前記１次バーナを囲んで設けられ、前記全ガス燃料のうち最も大きな割合を占める主燃焼用のガス燃料と空気とを希薄予混合し、希薄予混合した混合気を前記燃焼部に供給する２次バーナと、前記２次バーナの外周に前記燃焼部に臨んで設けられ、前記全ガス燃料のうち残余の割合を占める還元燃焼用のガス燃料のみを前記燃焼部に供給する３次バーナと、を備え、前記２次バーナは、前記１次バーナを中心とする円筒状の二層構造で形成され、内側となる内層に空気を導入する第１の空気導入口と前記内層にガス燃料を供給する第１の燃料供給管とを設け、外側となる外層に空気を導入する第２の空気導入口と前記外層にガス燃料を供給する第２の燃料供給管とを設けるとともに、前記第１の空気導入口と前記第２の空気導入口とのうち前記第２の空気導入口の方にだけ空気導入口の開度を調整するベーンを設け、前記第１の燃料供給管と前記第２の燃料供給管のうち前記第２の燃料供給管の方にだけガス燃料の供給量を調整するバルブを設けたことを特徴とする。
本発明によれば、燃焼部に供給する全ガス燃料のうち最も大きな割合を占める主燃焼用のガス燃料が希薄予混合燃焼されるので、窒素酸化物の排出量を低減できる。

また、本発明では、前記１次バーナは、保炎燃焼用のガス燃料のみを前記燃焼部に供給するため、保炎燃焼用のガス燃料が拡散燃焼されるので、逆火の可能性が小さくなり、１次バーナの調整が容易になる。

また、本発明は、前記２次バーナは、前記１次バーナを中心とする円筒状の二層構造で形成され、内側となる内層に空気を導入する第１の空気導入口と前記内層にガス燃料を供給する第１の燃料供給管とを設け、外側となる外層に空気を度導入する第２の空気導入口と前記外層にガス燃料を供給する第２の燃料供給管とを設けるとともに、前記第１の空気導入口と前記第２の空気導入口とのうち前記第２の空気導入口の方にだけ空気導入口の開度を調整するベーンを設け、前記第１の燃料供給管と前記第２の燃料供給管のうち前記第２の燃料供給管の方にだけガス燃料の供給量を調整するバルブを設けたことを特徴とする。
低負荷時には空気流量が少なくなり空気流速が低下するため、予混合ガス燃焼の火炎伝播速度が空気流速よりも高くなることから２次バーナの希薄予混合部内に逆火するリスクが高くなる。低負荷時に第２の燃料供給管を閉鎖するとともに、第２の空気導入口を閉鎖することにより第１の空気流路の流速を上げることができ、逆火のリスクを低減することが可能となる。

また、本発明の一態様では、前記内層の出口端面が前記内層の中心を通る軸線と直交する直交端面で形成され、前記内層の内部に前記内層から前記燃焼部に供給する空気に旋回成分を付与するスワラを設けることが好ましい。
このようにすれば、希薄予混合燃焼する主燃焼用のガス燃料の火炎燃焼伝播速度分布が一様となり、負荷が小さい場合の逆火を抑制できる。

また、本発明の一態様では、前記保炎燃焼用のガス燃料は前記全ガス燃料の５〜１０％、前記主燃焼用のガス燃料は前記全ガス燃料の６５〜７０％、前記還元燃焼用のガス燃料は前記全ガス燃料の残余の量とすることが好ましい。
このようにすれば、燃焼部に供給する全ガス燃料のうち６５〜７０％を占めるガス燃料が希薄予混合燃焼され、５〜１０％を占めるガス燃料が拡散燃焼される。また、残余のガス燃料が還元燃焼（過濃拡散燃焼）される。これにより、窒素酸化物の排出量を４０ｐｐｍ程度まで低減できる。

以上説明したように、本発明によれば、燃焼部に供給する全ガス燃料のうち最も大きな割合を占める主燃焼用のガス燃料が希薄予混合燃焼されるので、窒素酸化物の排出量を低減できる。

本発明の実施の形態であるガス焚きバーナの構造を示す断面模式図である。 図１に示した２次バーナのノズルの配置を示すＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図１に示した３次バーナを示すＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視図である。 予混合燃焼方式及び拡散燃焼方式における空気比と窒素酸化物の排出量との関係を示す図である。 ディフューザとスワラの流速分布を示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。尚、以下に説明する本実施の形態は、特許請求の範囲に記載した本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施の形態で説明する構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

図１は、本発明の実施の形態であるガス焚きバーナの構造を示す断面模式図である。また、図２は、図１に示した２次バーナのノズルの配置を示すＩＩ−ＩＩ線断面図、図３は、図１に示した３次バーナを示すＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態であるガス焚きバーナ１には、バーナスロート２１、１次バーナ３、２次バーナ４、３次バーナ７を備えている。バーナスロート２１は、炉壁２に設けられた開口（火口）であって、外方に向けて漸次拡開したラッパ状に形成され、その前方にガス燃料を燃焼する燃焼部Ｂが形成される。

１次バーナ３は、燃焼部Ｂに供給する全ガス燃料のうち小さな割合を占める保炎燃焼用のガス燃料を燃焼部Ｂに供給するもので、バーナスロート２１の中心を通る軸線上に配置される。１次バーナ３は、バーナスロート２１の中心を通る軸線を中心とする円筒状に形成され、その先端に燃料噴出口３１が設けられ、その基端に保炎燃焼用のガス燃料を導入する燃料導入部３２が設けられている。燃料噴出口３１は、拡散燃焼に適したもので、燃料噴出口３１から噴出したガス燃料は、燃料噴出口３１を頂点とする円錐状に拡散される。燃料導入部３２は、１次バーナ３の延在方向と直交する態様で設けられ、燃料導入部３２から導入された保炎燃焼用のガス燃料は、１次バーナ３を通り燃料噴出口３１に供給され、燃料噴出口３１から燃焼部Ｂに噴出する。

２次バーナ４は、燃焼部Ｂに供給する全ガス燃料のうち最も大きな割合を占める主燃焼用のガス燃料を燃焼部Ｂに供給するもので、主燃焼用のガス燃料は導入された空気と混合（予混合）された後に燃焼部Ｂに供給される。２次バーナ４は、１次バーナ３を中心とする円筒状の二層構造で形成されている。

内側となる内層５は、１次空気Ａ１を取り入れて燃焼部Ｂに供給するためのもので、その出口端面５１は、内層の中心を通る軸線と直交する直交端面で形成されている。また、内層の径外位置には、空気導入口（第１の空気導入口）５２が設けられている。空気導入口５２は、内層５に１次空気Ａ１を取り入れるための開口で、空気導入口５２から取り入れられた１次空気Ａ１は、内層５に導入される。また、内層５の空気導入側には、燃料供給管（第１の燃料供給管）５３が設けられている。燃料供給管５３は、内層５に主燃焼用のガス燃料（１次ガス燃料）Ｇ１を供給するためのものである。燃料供給管５３は、先端が塞がれた鋼管で構成され、その外周の外側半分に複数の燃料噴出口（ノズル）（図示せず）が設けられている。複数の燃料噴出口は、燃料供給管の軸方向に等間隔で、燃料供給管の周方向に所定角度の位相差を有する（千鳥配置）。これにより、燃料供給管５３に供給されたガス燃料Ｇ１は、複数の燃料噴出口から噴出し、空気導入口５２から取り入れられた１次空気Ａ１と混合（希薄予混合）される。

また、内層５の出口部には、スワラ５４が取り付けられている。スワラ５４は、希薄予混合された混合気に旋回成分を付与するもので、内層５の空気導入側で希薄予混合された混合気は、スワラ５４で旋回成分が付与された後、燃焼部Ｂに供給される。

外側となる外層６は、２次空気Ａ２を取り入れて燃焼部Ｂに供給するためのもので、外層６の径外位置には、空気導入口（第２の空気導入口）６１が設けられている。空気導入口６１は、外層６に２次空気Ａ２を取り入れるための開口で、図２に示すように、ベーン６２が取り付けてある。ベーン６２は、空気導入口６１を開閉するためのもので、ベーン６２を傾けることにより、所望の開閉量とすることが可能である。また、図１に示すように、外層６の空気導入側には、燃料供給管（第２の燃料供給管）６３が設けられている。燃料供給管６３は、外層６に主燃焼用のガス燃料（２次ガス燃料）Ｇ２を供給するためのものである。燃料供給管６３は、上述した燃料供給管５３よりも大径で先端が塞がれた鋼管で構成され、上述した燃料供給管５３と同様、その外周の外側半分に複数の燃料噴出口（ノズル）（図示せず）が設けられている。複数の燃料噴出口は、上述した燃料噴出口と同様、燃料供給管６３の軸方向に等間隔で、燃料供給管６３の周方向に所定角度の位相差を有する（千鳥配置）。これにより、燃料供給管６３に供給されたガス燃料Ｇ２は、複数の燃料噴出口から噴出し、空気導入口６１から取り入れられた２次空気Ａ２と混合（希薄予混合）される。そして、希薄予混合された混合気は、燃焼部Ｂに供給される。

また、ガス供給源（図示せず）と燃料供給管６３の間には、バルブ６４が設けられている。バルブ６４は、燃料供給管６３に供給するガス燃料Ｇ２の供給量を調整する開閉弁であって、バルブ６４を開放するとガス燃料Ｇ２が燃料供給管６３に供給され、バルブ６４を閉鎖するとガス燃料Ｇ２の供給が停止される。これにより、負荷が小さい場合に、外層側の燃料供給管６３を閉鎖し、外層側の空気導入口を閉鎖し、ガス焚きバーナ１の火力（出力）を絞ることができる。

３次バーナ７は、燃焼部Ｂに供給する全ガス燃料のうち残余の割合を占める還元燃焼用のガス燃料を燃焼部Ｂに供給するもので、２次バーナ４の外周に燃焼部Ｂに臨んで設けられている。図３に示すように、３次バーナ７は、バーナスロート２１の中心を通る軸線を中心とする円環状（リング状）に形成され、バーナスロート２１の反対側に還元燃焼用のガス燃料を供給する供給路７１が設けられている。また、３次バーナ７のバーナスロート２１側には、複数の燃料噴出口（ノズル）が設けられている。燃料噴出口７２は、３次バーナ７を周方向に４等分する位置に設けられている。燃料噴出口７２は、還元燃焼に適したもので、ランス型ノズルと称されるものである。そして、供給路７１から供給された還元燃焼用のガス燃料は、３次バーナ７を通り燃料噴出口７２に供給され、燃料噴出口７２から燃焼部Ｂに噴出される。

上述した本発明の実施の形態であるガス焚きバーナ１は、燃焼部Ｂに供給される全ガス燃料のうち５〜１０％を占めるガス燃料を１次バーナ３に供給し、全ガス燃料のうち６５〜７０％を占めるガス燃料を２次バーナ（燃料用供給管５３，６３）４に供給する。そして、残余のガス燃料を３次バーナ７に供給する。

１次バーナ３に供給されたガス燃料は、燃料導入部３２から導入される。導入されたガス燃料は、１次バーナ３を通り、燃料噴出口３１から燃焼部Ｂに噴出され、２次バーナ４から供給された空気（混合気）に拡散され、拡散燃焼する。尚、ガス燃料を１次バーナ３にのみ供給すると、１次バーナ３に供給されたガス燃料は、２次バーナ４から供給された空気に拡散され、燃焼部Ｂに炎を確保する（保炎）。これにより、１次バーナ３に供給されるガス燃料は、保炎燃焼用のガス燃料とする。

２次バーナ４に供給されたガス燃料は、その一部（１次ガス燃料Ｇ１）が内層側の燃料供給管５３に供給され、その残り（２次ガス燃料Ｇ２）が外層側の燃料供給管６３に供給される。内層側の燃料供給管５３に供給された１次ガス燃料Ｇ１は、複数の噴出口から噴出し、空気導入口５２から取り入れられた１次空気Ａ１と混合（希薄予混合）される。同様に、外層側の燃料供給管５３に供給された２次ガス燃料Ｇ２は、複数の噴出口から噴出し、空気導入口６１から取り入れられた２次空気と混合（希薄予混合）される。

そして、内層５で予混合された混合気はスワラ５４で旋回成分が付与された後、燃焼部Ｂに供給され、外層６で予混合された混合気はそのまま燃焼部Ｂに供給される。これにより、内層５で予混合された混合気と外層６で予混合された混合気は、燃焼部Ｂで希薄予混合燃焼する。尚、２次バーナ４に供給されるガス燃料は、燃焼部Ｂに供給される全ガス燃料のうち最も割合が大きく、ガス焚きバーナ１の主燃焼を担う。これにより、２次バーナ４に供給されるガス燃料は、主燃焼用のガス燃料とする。

３次バーナ７に供給されたガス燃料は、供給路７１から導入される。導入されたガス燃料は、３次バーナ７を通り、燃料噴出口７２から燃焼部Ｂに噴出され、２次バーナ４から供給された混合気に拡散され、過濃拡散燃焼する。尚、３次バーナ７に供給されるガス燃料は、燃焼部Ｂに供給された全ガス燃料全体で適正な空気比とする還元燃焼を担う。これにより、３次バーナ７に供給されるガス燃料は、還元燃焼用のガス燃料とする。

また、負荷が小さい場合には、外層側の燃料供給管６３を閉鎖するとともに、外層側の空気導入口６１を閉鎖し、ガス焚きバーナ１の火力（出力）を絞ることもできる。

図４は、予混合燃焼方式及び拡散燃焼方式における空気比と窒素酸化物の排出量との関係を示す図である。図４に示すように、燃焼部Ｂに供給する全ガス燃料のうち６５〜７０％を占める主燃焼用のガス燃料を希薄予混合燃焼させると、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量は目標とする４０ｐｐｍよりも低減される。また、全ガス燃料のうち５〜１０％を占める保炎燃焼用のガス燃料を拡散燃焼させると、窒素酸化物の排出量は６０ｐｐｍを上回ることになるが、全ガス燃料に占める割合が小さいので、全体における影響は小さくて済む。同様に、残余のガス燃料（全ガス燃料のうち２０〜３０％）を過濃拡散燃焼すると、窒素酸化物の排出量は、４０ｐｐｍと５０ｐｐｍの間となるが、全ガス燃料に占める割合が予混合燃焼されるガス燃料よりも少ないので、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を抑制できる。これにより、希薄予混合燃焼、拡散燃焼、過濃拡散燃焼による窒素酸化物の排出量を全ガス燃料に占める割合で加重平均を求めると、図４に黒丸で示すように、４０ｐｐｍを下回る。

図５は、ディフューザとスワラの流速分布を示す図である。図５に示すように、ディフューザは、火炎伝播速度分布が大きく変化する。これにより、保炎にディフューザを用いた場合には、スロートとディフューザとの間隔調整を十分にしないと不安定燃焼の原因となり、逆火が生じる可能性がある。一方、スワラは、火炎伝播速度分布が一様であるため、火炎伝播速度分布による不安定燃焼は避けられる。したがって、本発明の実施の形態であるガス焚きバーナ１も火炎伝播速度分布による不安定燃焼が避けられる。

上述した本発明の実施の形態であるガス焚きバーナ１は、燃焼部Ｂに供給する全ガス燃料のうち最も大きな割合を占める主燃焼用のガス燃料を希薄予混合燃焼するので、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量が低減できる。また、保炎燃焼用のガス燃料を拡散燃焼するので、逆火の可能性が小さくなり、１次バーナの調整が容易になる。尚、還元燃焼用のガス燃料を還元燃焼（過濃拡散燃焼）するが、全ガス燃料のうち残余の割合であるから、窒素酸化物の排出量の低減効果を大きく損なうことはない。

また、スワラ５４により保炎するので、火炎伝播速度分布が一様となり、火炎伝播速度分布による不安定燃焼が避けられる。

さらに、２次バーナ４は、１次バーナ３を中心とする円筒状の二層構造で形成されているので、外層側の燃料供給管６３を閉鎖するとともに、外層側の空気導入口６１を閉鎖し、ガス焚きバーナ１の火力（出力）を絞ることもできる。

本発明に係るガス焚きバーナは、単体で窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量の低減できるので、火力プラント、より具体的には、ガス焚きのパッケージボイラを構成するガス焚きバーナに好適である。

１ バーナ
２ 炉壁
２１ バーナスロート
３ １次バーナ
３１ 燃料噴出口
３２ 燃料導入部
４ ２次バーナ
５ 内層
５１ 出口端面
５２ 空気導入口（第１の空気導入口）
５３ 燃料供給管（第１の燃料供給管）
５４ スワラ
６ 外層
６１ 空気導入口（第２の空気導入口）
６２ ベーン
６３ 燃料供給管（第２の燃料供給管）
６４ バルブ
７ ３次バーナ
７１ 供給路
７２ 燃料噴出口
Ｂ 燃焼部
Ａ１ １次空気
Ａ２ ２次空気
Ｇ１ １次ガス燃料
Ｇ２ ２次ガス燃料

Claims (3)

1. 燃焼部に供給する全ガス燃料のうち小さな割合を占める保炎燃焼用のガス燃料のみを前記燃焼部に供給する１次バーナと、
   前記１次バーナを中心に前記１次バーナを囲んで設けられ、前記全ガス燃料のうち最も大きな割合を占める主燃焼用のガス燃料と空気とを希薄予混合し、希薄予混合した混合気を前記燃焼部に供給する２次バーナと、
   前記２次バーナの外周に前記燃焼部に臨んで設けられ、前記全ガス燃料のうち残余の割合を占める還元燃焼用のガス燃料のみを前記燃焼部に供給する３次バーナと、
   を備え、
   前記２次バーナは、前記１次バーナを中心とする円筒状の二層構造で形成され、内側となる内層に空気を導入する第１の空気導入口と前記内層にガス燃料を供給する第１の燃料供給管とを設け、外側となる外層に空気を導入する第２の空気導入口と前記外層にガス燃料を供給する第２の燃料供給管とを設けるとともに、前記第１の空気導入口と前記第２の空気導入口とのうち前記第２の空気導入口の方にだけ空気導入口の開度を調整するベーンを設け、前記第１の燃料供給管と前記第２の燃料供給管のうち前記第２の燃料供給管の方にだけガス燃料の供給量を調整するバルブを設けたことを特徴とするガス焚きバーナ。
2. 前記内層の出口端面が前記内層の中心を通る軸線と直交する直交端面で形成され、
   前記内層の内部に前記内層から前記燃焼部に供給する空気に旋回成分を付与するスワラを設けたことを特徴とする請求項１に記載のガス焚きバーナ。
3. 前記保炎燃焼用のガス燃料は前記全ガス燃料の５〜１０％、前記主燃焼用のガス燃料は前記全ガス燃料の６５〜７０％、前記還元燃焼用のガス燃料は前記全ガス燃料の残余の量とすることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス焚きバーナ。
   

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