JP7167772B2 - combustor - Google Patents
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Description
本発明は、燃焼器に関するものである。 The present invention relates to combustors.
例えば、特許文献1においては、低NOxを目的とする燃焼器が開示されている。このような特許文献1においては、燃焼時の高温火炎により空気中の窒素が酸化することで発生するサーマルNOxを抑制することで、低NOxを実現している。
For example,
ところで、現在、燃料としてCO2の排出がないアンモニアを、天然ガスと混焼させることが提案されている。これに対して、天然ガスは、周囲に酸素の多い状態、すなわち当量比が高い状態で燃焼させると、サーマルNOxを多く発生する。このため、アンモニア混焼時においても、天然ガスは当量比が低い状態で燃焼することが好適とされる。しかしながら、アンモニアにおいては、周囲に酸素の少ない状態、すなわち当量比が低い状態で燃焼させると、アンモニア由来のフューエルNOxを多く発生する。したがって、酸素の供給量を制御してアンモニアと天然ガスとの双方の燃焼においてNOxの発生を抑制させることが難しい。 By the way, it is currently proposed to co-combust ammonia, which does not emit CO2, with natural gas as a fuel. On the other hand, natural gas generates a large amount of thermal NOx when burned in a state where there is a lot of oxygen in the surroundings, ie, a state where the equivalence ratio is high. Therefore, it is preferable to burn natural gas with a low equivalence ratio even when co-firing with ammonia. However, ammonia generates a large amount of ammonia-derived fuel NOx if it is burned in a state where there is little oxygen in the surroundings, that is, in a state where the equivalence ratio is low. Therefore, it is difficult to suppress the generation of NOx in the combustion of both ammonia and natural gas by controlling the amount of oxygen supplied.
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、天然ガスとアンモニアとを混焼させる燃焼器においてアンモニアの燃焼によるNOxを低減することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to reduce NOx generated by combustion of ammonia in a combustor for co-firing natural gas and ammonia.
本発明は、上記課題を解決するための第1の手段として、気体状態のアンモニアを供給するバーナと、前記バーナが設置されると共に内部に燃焼室が形成される燃焼器ライナとを備える燃焼器であって、前記バーナに接続されると共に、前記バーナの管内壁に向けて気体状態のアンモニアを噴射するアンモニア噴射ノズルを備え、前記バーナには、前記アンモニア噴射ノズルが設けられるよりも上流側において燃焼用空気が供給される、という構成を採用する。 As a first means for solving the above problems, the present invention provides a combustor comprising a burner for supplying gaseous ammonia and a combustor liner in which the burner is installed and a combustion chamber is formed. and an ammonia injection nozzle that is connected to the burner and that injects ammonia in a gaseous state toward the inner wall of a tube of the burner, and the burner is provided upstream of the ammonia injection nozzle. A configuration is adopted in which combustion air is supplied.
第2の手段として、上記第1の手段において、天然ガスを供給する天然ガスバーナを備える、という構成を採用する。 As a second means, a configuration is adopted in which a natural gas burner for supplying natural gas is provided in the first means.
第3の手段として、上記第1の手段において、前記バーナには、前記アンモニア噴射ノズルが設けられるよりも上流側において天然ガスが供給される、という構成を採用する。 As a third means, in the first means, the burner is supplied with natural gas upstream of the ammonia injection nozzle.
第4の手段として、上記第1~3のいずれかの手段において、前記バーナの吐出口に隣接すると共にアンモニアを供給するアンモニアバーナをさらに備える、という構成を採用する。 As a fourth means, in any one of the first to third means, an ammonia burner adjacent to the discharge port of the burner and supplying ammonia is further provided.
本発明によれば、アンモニア噴射ノズルより噴射されるアンモニアにより、バーナ内の圧力が上昇し、燃焼用空気の流れが阻害されることで、アンモニアに対して燃焼用空気の量が少ない、当量比が高い状態で燃焼室に供給することができる。したがって、アンモニア混焼時において、アンモニアの流れにより燃焼用空気の流量を調節でき、アンモニアによるフューエルNOxを低減することが可能である。 According to the present invention, the ammonia injected from the ammonia injection nozzle increases the pressure in the burner and obstructs the flow of combustion air, so that the amount of combustion air is small with respect to ammonia, and the equivalence ratio can be supplied to the combustion chamber with a high Therefore, at the time of co-firing with ammonia, the flow rate of combustion air can be adjusted by the flow of ammonia, and it is possible to reduce fuel NOx due to ammonia.
以下、図面を参照して、本発明に係る燃焼器の一実施形態について説明する。 An embodiment of a combustor according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
[第1実施形態]
本実施形態に係る燃焼器1は、ガスタービン(不図示)に備えられている。ガスタービンは、不図示の圧縮機、タービン及び燃焼器1を備えている。ガスタービンは、圧縮機において外気から取り込んだ空気を所定圧まで圧縮して圧縮空気を生成し、燃焼器1において上記圧縮空気を酸化剤として燃料を燃焼させる。さらに、ガスタービンは、燃料を燃焼させて発生した燃焼ガスの流れを用いてタービンを回転させることにより、回転動力を発生させる。
[First embodiment]
A
図1に示すように、燃焼器1は、燃焼器ライナ2と、バーナ3と、アンモニア噴射ノズル4と不図示のケーシングとを備えている。
As shown in FIG. 1, the
燃焼器ライナ2は、不図示のケーシングの内部に収容され、上流壁部2aと、上流壁部2aに接合されると共に円筒形の周壁部2bとを有する有底円筒体である。この燃焼器ライナ2の上流壁部2aと周壁部2b内部とにより形成される空間が燃焼室Nである。燃焼室Nの内部においては、周壁部2bの中心軸に沿うように、燃焼空気及び燃料の流れが形成されている。また、燃焼器ライナ2には、内周面に沿って冷却空気が供給されており、内周面近傍に冷却空気層が形成されている。また、燃焼器ライナ2とケーシングとの間には、燃焼用空気が取り込まれると共に燃焼用空気流路が形成されている。燃焼用空気流路は、上流壁部2aに向けて流れる。
The
バーナ3は、燃焼器ライナ2の上流壁部2aに吐出口側の端部が挿入された状態で固定されている。バーナ3は、不図示の供給タンク及び燃焼用空気流路と接続されており、供給タンクから供給される天然ガスと燃焼用空気とを混合された状態で燃焼室Nへと噴射する。なお、バーナ3は、上流側において縮径され、上流側の管径が下流側の管径よりも大きく形状設定されている。天然ガス及び燃焼用空気は、バーナ3において縮径された部位よりも上流側において、バーナ3へと流入する。さらに、バーナ3には、縮径された部位である吐出口近傍において、アンモニア噴射ノズル4が接続されている。このバーナ3の吐出口の近傍においては、天然ガス及びアンモニアが燃焼することによる火炎が形成される。
The
アンモニア噴射ノズル4は、吐出口がバーナ3に対して挿入され、不図示のアンモニア気化器に上流側において接続されている。アンモニア噴射ノズル4は、バーナ3の管内壁に気体状態のアンモニアが当たるようにアンモニアを噴射する。
The
このような燃焼器1の動作を、図1を参照して説明する。
燃焼器1においては、天然ガス専焼状態においては、バーナ3より、天然ガス及び燃焼用空気が燃焼室Nへと供給される。燃焼用空気と天然ガスとが混ざり合いながら着火されることで、燃焼器1における燃焼が行われる。なお、燃焼用空気と天然ガスとの当量比は、低い状態、すなわち燃焼用空気が多く供給された状態に設定される。
The operation of such a
In the
アンモニアを混焼させる際には、天然ガスと燃焼用空気とが流れるバーナ3に対して、アンモニア噴射ノズル4より、アンモニアが噴射される。このとき、バーナ3においては、アンモニアの流れにより管内圧が上昇する。したがって、アンモニアにより、天然ガス及び燃焼用空気の吐出が阻害され、バーナ3から吐出される混合気は、アンモニアの割合が大きく、燃焼用空気及び天然ガスの割合が小さい状態とされる。これにより、燃焼室Nにおいては、アンモニアと燃焼用空気とが、当量比の高い状態で燃焼される。また、このとき、天然ガスはアンモニアよりも上流側において供給されており、天然ガスと燃焼用空気との比率は、アンモニア噴射前後で変化することがない。したがって、天然ガスは、天然ガス専焼状態と同様に燃焼用空気に対して当量比の低い状態とされる。
When co-firing ammonia, the
このような本実施形態によれば、アンモニアを混焼させる際に、アンモニア噴射ノズル4より、アンモニアをバーナ3の管内壁に向けて噴射することで、燃焼用空気の流れを阻害し、アンモニアと燃焼用空気との当量比を高い状態とすることが可能である。したがって、アンモニア混焼時において、アンモニアの流れにより燃焼用空気の流量を調節でき、アンモニアによるフューエルNOxを低減することが可能である。
また、アンモニアを燃焼用空気に対して噴射し、予混合気を形成することで、燃焼室N内においてアンモニアの部分的な濃度の偏りを防止することができる。
According to this embodiment, when co-firing ammonia, by injecting ammonia from the
In addition, by injecting ammonia into the combustion air to form a premixed gas, it is possible to prevent partial uneven concentration of ammonia in the combustion chamber N.
また、本実施形態によれば、天然ガスをバーナ3において燃焼用空気と共に供給している。これにより、天然ガスの専焼状態においては、天然ガスと燃焼用空気とを当量比の低い状態の予混合気とすることができ、天然ガスの専焼時においてもNOxを低減することが可能である。また、天然ガスの専焼時に燃焼用空気を多く供給することで、燃焼器の小村を防止することができる。
Further, according to this embodiment, natural gas is supplied to the
[第2実施形態]
続いて、上記第1実施形態の変形例を第2実施形態として、図2を参照して説明する。なお、第1実施形態と同一の構成については、符号を同一とし、説明を省略する。
[Second embodiment]
Next, a modification of the first embodiment will be described as a second embodiment with reference to FIG. In addition, about the structure same as 1st Embodiment, the code|symbol is made the same and description is abbreviate|omitted.
本実施形態に係る燃焼器1Aは、燃焼器ライナ2及びバーナ3に代わり、燃焼器ライナ2Aと、環状に配置された複数のアンモニアバーナ3Aとを備え、環状に配置された複数の天然ガスバーナ5と整流器6とをさらに備えているアニュラ型の燃焼器である。
The
燃焼器ライナ2Aの内部には、円環状の燃焼室Nが形成されており、上流壁部2aに交互に配列されたアンモニアバーナ3Aの吐出口と天然ガスバーナ5の吐出口とが設けられている。また、燃焼用空気流路は、燃焼器ライナ2Aの外周を上流壁部2aに向けて流れると共に、二方に分かれ、一方がアンモニアバーナ3Aへと流れ、他方が整流器6へと流れる。
An annular combustion chamber N is formed inside the
アンモニアバーナ3Aは、燃焼用空気が流通すると共に、側方から挿入されたアンモニア噴射ノズル4より供給されるアンモニアを燃焼室Nへと供給する。
天然ガスバーナ5は、不図示の供給タンクに貯留された天然ガスを気体状態で燃焼室Nに対して噴射している。
整流器6は、天然ガスバーナ5の吐出口近傍に円環状に設けられている。この整流器6は、上流壁部2aの挿入開口と、天然ガスバーナ5との隙間より、燃焼用空気を供給する。
The ammonia burner 3A supplies combustion air to the combustion chamber N and ammonia supplied from an
The
The
このような燃焼器1Aにおいては、天然ガス専焼時においては、天然ガスバーナ5から天然ガスが供給され、燃焼用空気が天然ガスバーナ5の近傍より供給される。なお、このとき、天然ガスは当量比が低い状態となるように、燃焼用空気を多量に供給する。また、混焼時においては、天然ガスバーナ5における天然ガスの燃焼が行われている状態で、アンモニアバーナ3Aに燃焼用空気を供給し、さらにアンモニア噴射ノズル4よりアンモニアバーナ3Aの管内壁にアンモニアを噴射する。これにより、アンモニアバーナ3Aにおいては、燃焼用空気の流れがアンモニアにより阻害され、燃焼用空気に対してアンモニアが当量比の高い状態で燃焼室Nに供給される。なお、アンモニア混焼時において、燃焼器ライナ2Aの出口側において排出ガスのNOx濃度を計測し、不図示の制御装置により燃焼用空気の各流量を制御する。
In such a
このような本実施形態によれば、アンモニア噴射ノズル4によりアンモニアと燃焼用空気との当量比を高い状態とすることが可能である。したがって、アンモニア混焼時において、アンモニアの流れにより燃焼用空気の流量を調節でき、アンモニアによるフューエルNOxを低減することが可能である。
According to this embodiment, the equivalence ratio between ammonia and combustion air can be kept high by the
また、本実施形態においては、天然ガスバーナ5を別途設けていることで、燃焼用空気の燃料ごとの流量制御が容易となり、アンモニア混焼時においても、天然ガスバーナ5の当量比を適切に保つことが容易である。
In addition, in this embodiment, since the
[第3実施形態]
続いて、上記第1実施形態の変形例を第3実施形態として、図3を参照して説明する。なお、第1実施形態と同一の構成については、符号を同一とし、説明を省略する。
[Third embodiment]
Next, a modification of the first embodiment will be described as a third embodiment with reference to FIG. In addition, about the structure same as 1st Embodiment, the code|symbol is made the same and description is abbreviate|omitted.
本実施形態に係る燃焼器1Bは、アンモニアバーナ7をさらに備えている。アンモニアバーナ7は、バーナ3の外周を囲うように設けられている。すなわち、バーナ3とアンモニアバーナ7とは二重管構造となっている。アンモニアバーナ7には、気体状態のアンモニアが燃焼室Nに供給される。
The
このような燃焼器1Bにおいては、アンモニア噴射ノズル4より噴射されるアンモニアにより、天然ガス及び燃焼用空気の吐出が阻害され、バーナ3から吐出される混合気は、アンモニアの割合が大きく、燃焼用空気及び天然ガスの割合が小さい状態とされる。さらに、アンモニアバーナ7より気体状態のアンモニアが吐出される。バーナから吐出された混合気は、吐出されると共にアンモニアバーナ7から吐出されたアンモニアと混合され、よりアンモニア濃度の高い状態となる。これにより、アンモニアを十分に供給すると共に、アンモニアの当量比を高い状態で燃焼させることができる。
In such a
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings, the present invention is not limited to the above embodiments. The various shapes, combinations, and the like of the constituent members shown in the above-described embodiment are merely examples, and can be variously changed based on design requirements and the like without departing from the gist of the present invention.
なお、上記実施形態においては、天然ガスとアンモニアとがそれぞれ上流壁部2a側より供給されるものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、天然ガスとアンモニアとでバーナを分ける場合には、アンモニアバーナを天然ガスバーナよりも燃焼室Nにおいて下流側、すなわち、アンモニアバーナを周壁部2bに配置するものとしてもよい。この場合、アンモニアをより好適な条件で燃焼させることが可能である。
In the above embodiment, natural gas and ammonia are supplied from the
また、いずれの型の燃焼器においても、天然ガスとアンモニアとは、同一のバーナより燃焼室Nへと吐出するものとしても、別個のバーナより吐出するものとしてもよい。 In either type of combustor, natural gas and ammonia may be discharged from the same burner into the combustion chamber N, or may be discharged from separate burners.
また、本発明は、マルチノズルバーナにおいても適用可能である。この場合、ノズルごとに天然ガスとアンモニアとに分けてもよい。 The present invention is also applicable to multi-nozzle burners. In this case, natural gas and ammonia may be separated for each nozzle.
また、第3実施形態においては、アンモニアバーナ7とバーナ3とを二重管構造としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、アンモニアバーナ7は、バーナ3の近傍に配置されるものとしてもよい。
Further, in the third embodiment, the
1、1A、1B 燃焼器
2、2A 燃焼器ライナ
2a 上流壁部
2b 周壁部
3 バーナ
3A アンモニアバーナ
4 アンモニア噴射ノズル
5 天然ガスバーナ
6 整流器
7 アンモニアバーナ
N 燃焼室
1, 1A,
Claims (3)
前記バーナに接続されると共に、前記バーナの管内壁に向けて気体状態のアンモニアを噴射するアンモニア噴射ノズルを備え、
前記バーナには、前記アンモニア噴射ノズルよりも上流側において燃焼用空気が供給され、
前記バーナには、前記アンモニア噴射ノズルよりも上流側において天然ガスが供給されることを特徴とする燃焼器。 A combustor comprising a burner for supplying gaseous ammonia and a combustor liner in which the burner is installed and a combustion chamber is formed inside,
An ammonia injection nozzle that is connected to the burner and that injects gaseous ammonia toward the inner wall of the burner tube,
Combustion air is supplied to the burner upstream of the ammonia injection nozzle ,
A combustor , wherein the burner is supplied with natural gas upstream of the ammonia injection nozzle .
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