JPH04356606A

JPH04356606A - 液体燃料の燃焼方法及び燃焼器

Info

Publication number: JPH04356606A
Application number: JP13126091A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Narato; 清楢戸; Shigeru Azuhata; 茂小豆畑; Yoshinobu Kobayashi; 啓信小林; Masayuki Taniguchi; 正行谷口; Tadataka Murakami; 村上　忠孝; Michio Kuroda; 黒田　倫夫; Seiichi Kirikami; 桐上　清一; Satoshi Tsukahara; 聰塚原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-06-03
Filing date: 1991-06-03
Publication date: 1992-12-10

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体燃料の燃焼に好適
である燃焼方法及び燃焼器に関する。また、本発明は、
そのような燃焼方法を用いたガスタービン発電設備に好
適である。

【０００２】

【従来の技術】従来は、例えばガスタービン燃焼器のよ
うな実用燃焼器の燃焼方法として、燃料と空気とを異な
る噴出口から供給し、燃焼室内で混合させながら燃焼さ
せる、いわゆる拡散燃焼が用いられてきた。これに対し
、最近は、燃料と空気とを混合させた後燃焼させる、予
混合燃焼が用いられつつある。

【０００３】予混合燃焼を用いることによる利点は、主
に次の２点である。一つは、予混合燃焼を用いると燃焼
の反応領域を小さくすることができる。つまり、火炎を
短くすることができ、従来よりも高負荷燃焼できる。も
う一つは、燃料稀薄予混合燃焼法を用いることにより、
ＮＯｘ　排出量が低減されることである。拡散燃焼では
、たとえ燃料が稀薄の条件下で燃焼させても、燃焼室内
での燃料と空気の混合過程において、空気比が１付近に
なる領域が必ず存在するため、ＮＯｘ　の低減が一般に
困難であるとされる。これに対して、空気比が高い予混
合燃焼、すなわち、過剰の空気と燃料をあらかじめ混合
して燃焼する燃焼法では、すべての領域で燃料が稀薄の
条件のもとで燃焼するため、ＮＯｘ　の低減が容易であ
る。このような稀薄予混合燃焼法は、ガスタービンの燃
焼器などで採用されつつある（　例えば特公昭６２−３
５０１６　号公報）　。

【０００４】稀薄予混合燃焼法は、燃料が気体の場合に
は比較的容易に実現することができる。それは、空気中
に気体燃料を噴出し、一定時間を経れば、自然に混合さ
れるからである。液体燃料の稀薄予混合燃焼もまた公知
の技術ではあるが（　例えば米国特許４２４６７５７　
号明細書、特開昭５３−１４７１１７　号公報、特開昭
５４−５５２１４　号公報）、その実現は困難である。それは、液体燃料を空気と混合したのみでは予混合燃焼
とならず、さらに液体燃料を蒸発させる過程が必要とな
るからである。液体燃料の蒸発を促進するためには、燃
料を微粒化する技術が必要であり、これまでにも様々な
工夫がなされているが（例えば米国特許３４８３７０１
　号、３５３０６６７　号、３６５７８８５　号明細書
など）、微粒化は必ずしも充分でなく、完全な予混合燃
焼は実現しがたい。また、液体燃料には、ナフサ、ガソ
リン、灯油、軽油、重油、アルコール等様々な種類があ
り、沸点、発火温度、蒸発速度等の物性はそれぞれ異な
る。従って、燃料の性状に応じた微粒化技術、燃焼技術
の開発が必要であるが、これまで、ほとんどなされてい
なかった。

【０００５】以上述べたように、液体燃料の稀薄予混合
燃焼は困難であり、燃焼装置から排出されるＮＯｘ　を
低減するために最も良い方法は、気体燃料と同様に、液
体燃料を気化し、気体状の燃料として燃焼器に供給する
ことにより、気体燃料と同様な取扱ができるようにする
ことである。しかし、これらの液体燃料を気化して使用
するためには、新たな熱源が必要である。そこで、特開
昭５２−１５６２１２　号公報に記載されているように
燃焼器からの高温気体の熱を有効利用して液体燃料を気
化する方法が検討されている。該特開昭５２−１５６２
１２号公報に記載される従来技術は、排熱回収ボイラで
熱交換により気化した燃料を補助燃焼器に導き、この気
体状の燃料を酸素不足下で不完全燃焼させ、ここで得ら
れた低発熱量の燃焼気体をガスタービン燃焼器の燃料と
して使用している。この従来技術では、低発熱量の燃焼
気体を得るために新たに補助燃焼器を設ける必要が生じ
る。また、ガスタービン燃焼器に供給した燃焼気体を拡
散燃焼させている。しかし、燃料として使用する燃焼気
体は低発熱量であることから、火炎温度が高くならず、
これまでの拡散燃焼に比べてＮＯｘ　排出量を低減させ
る目的には使用しうるものの、拡散燃焼法は前記したよ
うにＮＯｘ　排出量の低減に限界があること、また、近
年、発電効率を向上させるために、ガスタービン燃焼器
出口の燃焼気体の高温化が計画されており、低発熱量の
燃料はこのような目的に使用し難いことから、改良の余
地が存在している。即ち、従来技術のように液体燃料を
気体状にし、これを酸素不足で燃焼させて低発熱量の燃
焼気体をガスタービン燃料として使用する方法は、前記
した要求に必ずしも十分には対応できない上、拡散燃焼
法では低ＮＯｘ　化に限界があり、高発熱量の燃料を気
体状にした燃料をガスタービンに直接導き、稀薄予混合
燃焼する方法が望まれる。さらに、従来技術では、補助
燃焼器設備を必要とし、設備費及び運転費が増加する。したがって、簡便な方法で、発熱量の高い液体燃料を気
化して直接ガスタービン燃焼器の燃料に使用し、かつ、
ＮＯｘ　排出量を低減しうる技術を開発する必要がある
。

【０００６】そのような課題を解決する一つの手段とし
て、副生油燃料をガスタービンの排気熱を利用した単一
系統の熱交換装置に導入して加熱し、ガス化した燃料を
空気との予混合燃焼により該ガスタービンの燃焼器の主
燃料として導入するとともに、ガス化されなかった未蒸
発液体燃料を同一の系統内に位置させたスチームアトマ
イザーにより霧化した後、該燃焼器のパイロット燃料と
して導入する副生油燃料用ガスタービン発電システムが
知られている（特開平１−１５５０３２号公報）。その
技術は液体燃料のガス化の観点では有効なものではある
ものの、単一系統中において、熱交換器への液体燃料の
供給、熱交換後のガス状及び未蒸発液体燃料のガスター
ビンへの供給を行っているために、使用しうる液体燃料
の種類にも制約があるのに加え、予混合燃焼に用いられ
る気化燃料の量およびパイロット燃料として導入する未
蒸発液体燃料の量とをここに制御することは不可能であ
り、結果としてＮＯｘ　の発生量を有効に制御すること
はきわめて困難なものといえる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、液体燃
料をガスタービン燃焼器内で噴霧燃焼する方法は稀薄予
混合燃焼が困難であり、また、液体燃料を気化し、これ
を直接ガスタービン燃焼器に供給して燃焼する燃焼法は
一部検討されているものの、使用燃料の種類あるいはＮ
Ｏｘ　発生量の低減の観点からは未だ充分なものとはい
えない。

【０００８】従って、本発明の第１の目的は、液体燃料
を用いたときの、ＮＯｘ　の低減に最適な改良された燃
焼方法を提供することである。本発明の第２の目的は、
蒸発の難しい液体燃料を使用したときにも充分な制御の
もとでの予混合燃焼を可能とし、ＮＯｘ　が低減できる
燃焼方法を提供することにある。

【０００９】本発明の第３の目的は、蒸発の難しい液体
燃料を用いたときにであっても、低ＮＯｘ　でかつ安定
な火炎が得られるガスタービン等の燃焼器及びそれを用
いた発電施設を提供することにある。本発明者らは、上
記目的を達成すべく、各種燃料を用いてそれぞれの燃料
についての予混合予蒸発燃焼の可能性を検討し各種実験
を行った。その結果を図６から図１０を用いて説明する
。

【００１０】図６は、実験に使用した燃焼装置の概略で
ある。燃料には、メタン、メタノール、灯油、及び軽油
を使用した。従来から使用されているアトマイザを使用
して液体燃料を約３００　℃に加熱された空気流中に噴
霧し、混合室３２中で噴霧液滴は蒸発しながら燃焼用空
気と混合される。混合した燃料と空気は燃焼室４４に噴
出される。燃焼室５４の入口に円盤形の保炎器３０を設
置し、保炎器３０の下流に火炎を形成させる。発明者ら
はこれまでに、気体燃料を用いた予混合燃焼の実験を行
なっており、この保炎器３０は予混合火炎の安定化に有
効であることを確認している。また、混合室３２中での
燃料の滞留時間は約５ｍｓ　とした。これまでに行なわ
れている灯油の予混合予蒸発燃焼の研究結果では、滞留
時間を約４ｍｓ　とすると、条件によっては自発火が生
じると報告されており、滞留時間を５ｍｓ　以上とする
ことは実用上困難である。

【００１１】図７は、図６に示す燃焼装置を用いてメタ
ン、メタノール、及び灯油火炎から排出されるＮＯｘ　
濃度を測定し、比較したものである。メタンは気体燃料
であり、予混合火炎が形成されている。従って、ＮＯｘ
　濃度がメタンと同程度であれば、予混合予蒸発燃焼が
充分に達成されていると考えられる。図７の結果から考
えると、メタノール火炎から排出されるＮＯｘ　濃度は
メタン火炎から排出される濃度よりも低く、メタノール
では予混合予蒸発燃焼ほぼ達成されている。一方、同じ
発熱量の条件下で比較すると、灯油火炎から排出される
ＮＯｘ　濃度はメタン火炎から排出される濃度の約３倍
であり、灯油火炎では予混合予蒸発燃焼は充分には達成
されておらず、燃料の一部は拡散燃焼しているものと考
えられる。

【００１２】図８は、燃料の濃度を一定として噴霧粒径
を変え、灯油火炎から排出されるＮＯｘ　濃度を比較し
たものである。粒径が小さくなるに従いＮＯｘ　濃度は
減少し、予混合燃焼する燃料の割合が増加することがわ
かる。図８の結果から考えると、灯油を完全に予混合燃
焼させるためには、噴霧の平均粒径を２０μｍ　以下と
する必要があるが、ガスタービン用の燃焼器など大型の
燃焼器に使用される噴霧装置では粒子の微粒化の限界は
４０μｍ　程度であり、実際には完全に予混合燃焼させ
ることは難しい。

【００１３】図９は、燃料の濃度を一定として燃焼用空
気の流速を変え、燃焼負荷がＮＯｘ　濃度に与える影響
を検討した結果である。メタノール火炎では、燃料の濃
度を一定すなわち空気比を一定とすれば、ＮＯｘ　濃度
は燃焼負荷に影響されない。メタンの予混合火炎につい
ても同様に検討したがＮＯｘ　濃度は燃焼負荷に影響さ
れず、これは予混合燃焼一般にみられる特徴と考えられ
る。一方、灯油火炎では燃焼負荷が高くなると、ＮＯｘ
　濃度は増加する。これは、灯油火炎では燃料の一部が
拡散燃焼しており、燃料が拡散燃焼するときには空気の
流速などにより燃料と空気の混合状態が変化し、このた
め燃焼負荷により、燃焼温度が変化するためと考えられ
る。一般には、拡散燃焼の場合には、燃焼負荷が高くな
るとＮＯｘ　濃度は増加することが知られている。

【００１４】図１０は、メタン、メタノール、灯油、及
び軽油を使用したときの火炎の形状を比較したものであ
る。図中、黒塗の領域に火炎が形成される。メタン火炎
及びメタノール火炎では、保炎器の先端から火炎が形成
され、火炎の安定性はよい。また、中心の循環流が形成
される領域には火炎はなく、循還流中には既に反応の終
了した気体が流入する。

【００１５】灯油火炎では、火炎は保炎器の先端から形
成されず、浮き上がる。このような火炎は不安定であり
、一時的に強い乱れが燃焼器内に発生したときに火炎は
吹き消えやすい。また、中心の循環流が形成される領域
にも火炎が侵入する。これは蒸発していない液滴が循環
流中に侵入し、ここで拡散燃焼するためと考えられる。　　軽油火炎は灯油火炎よりさらに不安定であり、保炎
器の下流の限られた領域にのみ火炎が形成される。また
、燃焼していない液滴が火炎から放出されるのが観測さ
れる。この時に燃焼器出口で排出気体の成分を測定する
と、多量のＣＯ及び未燃焼炭化水素が検出される。すな
わち、軽油火炎を予混合燃焼させると不完全燃焼しやす
い。

【００１６】この結果から、従来技術を用いて灯油、軽
油を用いて噴霧燃焼したときには蒸発が難しく、充分に
予混合燃焼させることが難しく、また、充分に予混合燃
焼できないときにはＮＯｘ　濃度が高くなることに加え
て、火炎安定性の低下、未燃焼成分の発生量増加等の問
題が生じることがわかる。一般に、燃料の分子量が大き
くなるほど燃料の沸点が高くなり、蒸発が難しくなる。灯油の場合、１分子中に含まれる炭素数はおよそ１１〜
１５であることから考えると、充分に予混合燃焼できる
のは、炭素数が１０以下の燃料である。

【００１７】図６〜図１０に示した結果から、液体燃料
を予混合燃焼させたときの特徴、及び、この時に生じる
問題点は以下のようにまとめられる。（１）　燃焼状態及びＮＯｘ　排出濃度は燃料の沸点に
強く影響され、沸点の高い燃料ではすべての燃料を予混
合燃焼させるのが難しくＮＯｘ　排出濃度は高い。また
、沸点の高い燃料を予混合燃焼させたときには以下の（
２）　〜（５）　に示す問題点が生じる。（２）　蒸発の難しい灯油、軽油等の燃料では、充分に
予混合燃焼させるためには、混合室内での燃料の滞留時
間をかなり長くしなくてはならず、燃料が混合室内で自
発火する可能性がある。（３）　蒸発の難しい灯油、軽油等の燃料では、燃焼負
荷が高くなると予混合燃焼が困難になり、ＮＯｘ　濃度
が急激に高くなる。（４）　充分に予混合燃焼できないときには火炎が不安
定になりやすい。（５）　予混合燃焼させると、未燃焼成分が排出されや
すい。

【００１８】（１）　から（５）　の問題点を解決する
には、液体燃料をその性状にかかわらず、気体燃料と同
様に取扱ができることである。そのためには、使用する
液体燃料をすべて気化し、気体状の燃料として燃焼器に
供給すれば問題点を解決できる。しかし実用燃焼器では
運転負荷範囲が非常に広く、予混合燃焼のみによりすべ
ての負荷変化へ対応させることが困難になるため、燃料
の一部を拡散燃焼させることが多い。拡散燃焼には液体
燃料を液状で用いることもでき気体状で使用することも
できる。この際に、同一の系統により予混合燃焼と拡散燃焼の燃
料を実用燃焼器に供給すると負荷変動などに対応した適
切な燃料制御をすることが困難となり有効なＮＯｘ　の
低減が得られない。従って、予混合燃焼と拡散燃焼のた
めの燃料をそれぞれ別系統を介して供給するようにし、
かつ液体燃料を気体状燃料として燃焼器に供給すれば、
従来技術のように蒸発の難しい灯油、軽油を使用すると
きでも気体燃料と同等に予混合火炎を形成することがで
きる。その結果、燃料性状によらず信頼性が高く、広い
負荷範囲に対応でき、ＮＯｘ　排出量が少ない燃焼器が
提供できることとなる。

【００１９】また、予混合火炎の安定化には、燃料と空
気の混合気体流中に流れの抵抗体あるいは保炎器を設置
すればよく、このような構造とすれば、火炎は常に、保
炎器の先端から生じ、しだいに保炎器の外側へと広がる
ことが分かった。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記の実験結果に基づき
かつ上記の目的を達成するために、本発明は蒸発の難し
い液体燃料を気化し、気体状の燃料として燃焼器に供給
し燃焼することを特徴とする液体燃料の燃焼方法を提供
する。より具体的には、本発明は、液体燃料を気化して
気体状にした燃料を複数の系統に分配して同一燃焼器内
に供給し、該燃焼器内において一方の系統において拡散
火炎を形成し他方の系統において予混合火炎を形成する
ようにしたことを特徴とする液体燃料の燃焼方法を提供
することにある。

【００２１】その際に、燃焼器中心部で拡散火炎を形成
し、その外周で予混合火炎を形成することは好ましい態
様である。また、本発明は、液体燃料と液体燃料を気化
して気体状にした燃料とをそれぞれ系統を異にして同一
燃焼器内に供給し、該燃焼器内において、液体燃料は拡
散火炎を形成し、気体状の燃料は予混合火炎を形成する
ようにしたことを特徴とする液体燃料の燃焼方法をも開
示し、提供する。

【００２２】この場合にも、燃焼器中心部で液体燃料を
噴霧して拡散火炎を形成し、その外周に気体状にした燃
料の予混合火炎を形成するようにすることは好ましい態
様である。また、その際に、液体燃料と気化して気体状
にする液体燃料とは、同種類の燃料であってもよく、沸
点を異にする異なった燃料であってもよい。

【００２３】液体燃料を気化する手段としては、燃焼器
の発生する熱との熱交換により行うようにすることが最
も現実的である。本発明はさらに、液体燃料を供給する
系統に、液体を気化する手段を設け、燃焼器の流れ方向
上流側に１次燃焼室を、下流側に２次燃焼室を設け、１
次燃焼室に気体状の液体燃料と空気を供給し火炎を形成
する手段を設け、２次燃焼室中に気体状の液体燃料を空
気と混合した後燃焼器中へ噴出する手段を設け、前記２
次燃焼室の気化した液体燃料と空気の混合気体流を噴出
する噴出口の近傍に混合気体流が衝突する流れの抵抗体
を設けたことを特徴とする液体燃料の燃焼器をも開示し
、提供する。

【００２４】また、本発明の目的を達成する他の手段と
して、液体燃料を供給する系統を二系統有していてその
一方の系統には液体燃料を気化する手段を設け、燃焼器
の流れ方向上流側に１次燃焼室を、下流側に２次燃焼室
を設け、１次燃焼室に他方の燃料供給系統からの液体燃
料と空気を供給し火炎を形成する手段を設け、２次燃焼
室中に該一方の系統からの気体状の燃料を空気と混合し
た後燃焼器中へ噴出する手段を設け、前記２次燃焼室の
気体状の燃料と空気の混合気体流を噴出する噴出口の近
傍に混合気体流が衝突する流れの抵抗体を設けたことを
特徴とする液体燃料の燃焼器をも開示する。

【００２５】予混合火炎を形成するための流れの抵抗体
は２次燃焼室の噴出口の外周または中央に設けることに
より目的を達成しうる。本発明において気化して気体状
にして用いる液体燃料の種類は特に限定されないが、メ
タノール、エタノール、ナフサ、ガソリン、灯油、軽油
、または重油などが有効である。また、液体のまま使用
する燃料としては、灯油、軽油、または重油であること
が好ましい。

【００２６】また、本発明は、上記した液体燃料を気化
し気体状にした燃料を拡散火炎及び予混合火炎として用
いる燃焼器、あるいは液体燃料を気化し気体状にした燃
料を予混合火炎として用い、拡散火炎用としては液体状
燃料をそのまま用いる燃焼器と、前記燃焼器内で発生し
た燃焼気体により駆動するタービンと、前記ガスタービ
ンの駆動により発電を行う発電機と、ガスタービン燃焼
器の高温の燃焼気体からの熱を回収する排熱回収ボイラ
と、前記排熱回収ボイラ内で液体燃料を気化する熱交換
設備と、気化した液体燃料を前記ガスタービン燃焼器に
導入する供給設備を備えたことを特徴とするガスタービ
ン発電設備をも提供する。

【００２７】そのようなガスタービン発電施設の運転方
法としては、前記ガスタービンの起動時には補助ボイラ
からの燃焼気体により、液体燃料を気化してガスタービ
ン燃焼器に供給し、前記ガスタービンの負荷が高いとき
には前記ガスタービン燃焼器からの燃焼気体により液体
燃料を気化してガスタービン燃焼器に供給し、液体燃料
を燃焼するようにすることは実際上好ましい運転態様で
ある。

【００２８】また、これらの燃焼器は、燃焼器にガスタ
ービンを接続し、このガスタービンに発電機を接続する
ことにより、ガスタービン発電機を構成することができ
る。

【００２９】

【作　　用】本発明の作用を概説すると、前記第一、第
二及び第三の目的は、蒸発及び予混合気を形成すること
が難しい液体燃料を燃焼器の系外で完全に気化し、その
気体状の燃料を複数の系統に分割して、少なくともその
ひとつの系統を、空気と燃料が混合するようにした拡散
火炎を形成する燃焼室に噴出するようにし、他の系統を
該燃焼室に隣接した燃焼室に噴出させそこにおいて気体
状の燃料を含む予混合火炎を形成することにより達成さ
れる。

【００３０】また、上記の目的は予混合火炎の形成には
液体燃料を気化した気体状燃料を用い、拡散火炎の形成
には別系統から供給される液体燃料を用いることによっ
ても達成される。また、前記第一、第二及び第三の目的
は、拡散火炎を燃焼器の中心部に形成し、その外周に予
混合火炎を形成することで達成される。

【００３１】また、予混合火炎は、気体状の燃料を含む
空気流の内部または周囲に、燃焼気体の循環流を形成す
ることで形成できる。燃焼気体の循環流を形成する具体
的な手段としては、燃料と空気の混合気体が衝突する流
れの抵抗体を、混合気体流の内部または周囲に設けるこ
とで形成できる。

【００３２】広い負荷範囲に対応できる燃焼器構成とし
ては、燃焼器の中心軸付近に拡散火炎を形成するパイロ
ットバーナを設けること、または、燃焼器の流れ方向上
流側に１　次燃焼室を、下流側に２　次燃焼室を設ける
ことがよい。なお、以上の燃焼器構成は、ガスタービン
用燃焼器に適用することができる。

【００３３】

【実施例】以下、図面に従い本発明を説明する。図１は
、本発明の燃焼方法の一実施例である。内筒３８で分離
された二つの気体流路を隣接して形成し、それぞれの気
体流路に燃焼用空気２１が供給される。液体燃料は燃焼
器に導入する前に気化され、特に図示しないがそれぞれ
別の系統を経て、気体状の燃料２９として、それそれ異
なったノズル３１から供給される。気体状の燃料２９の
一部は燃焼用空気２１と混合し、噴出口３５から燃焼室
中に噴出される前に可燃性の予混合気体３９が形成され
る。残りの気体状燃料２９は、燃焼室中心部のノズル３
１から燃焼用空気２１と別々に供給される。

【００３４】燃焼用空気２１が流れる二つの流路のうち
、混合室３２に噴出した流路の噴出口３５の近傍に保炎
器３０を設ける。保炎器３０は燃焼用空気２１の流路中
に設けた流れの抵抗体である。保炎器３０は、図１　に
示すように流路の周囲に設けられる。保炎器３０の先端
から予混合火炎３６が形成され、気体状の燃料２９は燃
焼する。ここで、予混合火炎３６と側壁４０との間には
高温の循環流４１が形成されており、この循環流４１に
より可燃性の予混合気体３９が加熱され、火炎が形成さ
れる。ここで、予混合火炎３６が安定に形成されるため
には、少なくとも保炎器３０の近傍では可燃性の予混合
気体３９が形成される必要がある。図１に示す構成とし
た場合には、保炎器３０の近傍には液体燃料を気化し、
気体状になった燃料２９が供給されているため、可燃性
の予混合気体３９の形成は容易である。これに対して、
従来技術のように保炎器３０の近傍に蒸発の難しい高沸
点燃料を噴霧すると、燃料は液滴のままで噴出口３５に
達し、可燃性の予混合気体３９は形成されない。このた
め、本発明の図１に示すような保炎器３０の先端に保持
される予混合火炎３６は形成できない。保炎器３０の先
端に保持される予混合火炎３６は形成できないときには
、火炎が不安定であり、燃焼振動などが生じやすい。ま
た、可燃性の予混合気体３９が形成されないときには火
炎に伝播性がなく、このため噴流の反対側まで連続的に
広がる火炎は形成されない。なお、可燃性の予混合気体
とは、気体状の燃料の濃度が、その燃料の燃焼範囲内で
ある混合気体を意味する。

【００３５】一方、図１のに示す燃焼室の中心部に設け
たノズル３１から噴出された気体状となった燃料２９は
、燃焼室に噴出した後に燃焼用空気２１と混合し、拡散
火炎３７を形成する。一次燃焼室２５は燃焼器の上流側
に位置し、拡散火炎３７はこの一次燃焼室２５内に形成
される。前記した予混合火炎３６は、一次燃焼室２５の
後流側に位置する二次燃焼室２６に形成される。拡散燃
焼は反応帯が長くなるために火炎は長炎化し、燃焼室内
では拡散火炎３７を予混合火炎３６が包囲するように火
炎が形成される。本実施例の燃焼方法では、高沸点から
低沸点の液体燃料が使用される。具体的には低沸点の液
体燃料とはメタノール、エタノール、ガソリン、ナフサ
などであり、これらの燃料は一般に発火温度が高い。一
方、高沸点の液体燃料とは灯油、軽油、重油などであり
、これらの燃料は一般に発火温度が低い。例えば、灯油
、軽油の最低発火温度は２００　℃〜３００　℃である
。

【００３６】予混合燃焼させる上での課題の一つとして
、自発火の問題がある。自発火とは燃料が混合室３２中
で着火源なしに反応を開始する現象であり、このような
現象が生じると混合室３２中の温度が高くなり、燃焼器
が焼損する。自発火を防ぐためには、混合室３２をでき
るだけ短く、混合室３２内での燃料の滞留時間を短くす
る必要がある。一方、従来技術のように液体燃料を噴霧
燃料する燃焼法では、液体燃料を充分に蒸発させ空気と
混合させるためには混合室３２をできるだけ長くする必
要がある。メタノール、エタノール、ガソリン、ナフサ
などの燃料は自発火しにくいため、燃料の蒸発に充分な
だけ混合室を長くすることができる。また、蒸発が容易
なため、混合室３２をそれほど長くする必要はない。こ
れに対して灯油、軽油、重油などを使用したときには、
低沸点燃料を使用したときより混合室３２を長くしない
と予混合燃焼できない。しかし、自発火しやすいため、
実際には混合室３２を長くできず、むしろ低沸点燃料を
使用したときより短くしなければならない等の問題点が
あった。

【００３７】図１に示す本発明の燃焼方法では、低沸点
液体燃料を使用したときも、高沸点液体燃料を使用した
ときも液体燃料を燃焼器に流入させる前に気化し、気体
状の燃料２９として燃焼器に供給するため、燃焼用空気
２１と気体状の燃料２９の予混合気３９を容易に形成で
きるため混合室３２の長さは短くでき、燃料性状にかか
わらず混合室３２の形状は同構造でよく、高沸点液体燃
料、低沸点液体燃料を使用したときでも混合室３２中で
自発火する恐れは少なく、燃焼器を焼損させることはな
いことに加え、本発明では、それぞれ別系統から制御可
能な状態で供給される燃料により、同じ燃焼室内に拡散
火炎３７と予混合火炎３６とを形成させるようにしてい
るために、たとえばガスタービン燃焼器のように負荷を
変化させる必要のある燃焼器に適用した場合にも、その
負荷変動時に安定に火炎を形成することができる。すな
わち、拡散火炎は、予混合火炎に比べると安定燃焼範囲
が広いため、適切な制御のもとに予混合火炎と併用し燃
焼させることにより、稀薄予混合燃焼によるＮＯｘ　の
排出量低減と火炎の安定化を図ることができる。

【００３８】図２は、本発明の燃焼方法の一変形例であ
る。この燃焼方法で混合室３２の噴出口３５付近に流路
の中心部に流れを分割するように円盤状の保炎器３０が
設けられ、図１と同様に予混合気３９が保炎器３０で保
炎され燃焼するよう構成される。また、保炎器３０は、
本実施例のほかに円錐状あるいは角錐状の形状でもよく
、図２と同様流路の中心部に流れを分割するように設け
れば同様の保炎効果をを得ることができる。

【００３９】また、図２に示した燃焼方法でも図１に示
したものと同様、燃焼室の上流側の中心部に位置する一
次燃焼室２５に拡散火炎、燃焼室下流側の二次燃焼室２
６に予混合火炎を形成する。また、図１及び図２に示す
燃焼方法では、予混合火炎３６を形成する手段として保
炎器３０を用いたが、他の手法、例えばパイロット火炎
を用いる方法や、旋回流を用いる方法で、予混合火炎３
６を形成してもよい。

【００４０】なお、これらの燃焼方法及び装置において
、一次燃焼室に供給される燃料は必ずしも液体燃料が気
化した気体状のものである必要はなく、液体燃料をその
ままの状態あるいはアトマイザにより霧化した状態で供
給しても良い。本発明にあっては一次燃焼室への燃料供
給系統と二次燃焼室への燃料供給系統とをそれぞれ独立
した系統としているために、そのような場合であっても
、両室に供給される燃料量を独立的に制御することがで
き稀薄予混合燃焼によるＮＯｘ　の排出量低減と火炎の
安定化を十分に図ることができる。

【００４１】次に、図１及び図２に示した燃焼方法をガ
スタービンの燃焼器に応用した例を図３、図４に示す。図３は、液体燃料を燃焼器に供給する前に気化し、気体
状の燃料として燃焼器に供給するようにした燃焼器の一
実施例である。燃焼用空気２１は、図示しない空気圧縮
器により圧縮された後、燃焼器中に流入する。燃焼用空
気２１は、外壁３３と内壁３４の間を流れ、一部は混合
室３２を経て噴出口３５から燃焼室中へ噴出される。ま
た、燃焼用空気２１の一部は燃焼室中心部の導入室４２
を経て噴出口３５から燃焼室中に流入する。残りの空気
は冷却空気２７、２８として燃焼室中に噴出される。気
体状の燃料２９は、それぞれのノズル３１から一部は混
合室３２中に噴出され、燃焼用空気２１と混合された後
、燃焼室２６に噴出される。混合室３２の出口付近には
保炎器３０が設置され、この保炎器３０によって予混合
火炎３６は保炎される。一部の気体状の燃料２９は燃焼
室中心部に位置したノズル３１から直接燃焼室２５中に
噴出され、導入室４２から噴出された空気２１と燃焼室
２５内で拡散混合し火炎を形成する。燃焼室で発生した
燃焼気体は、図示しないトランジションピースを経てタ
ービン翼に導入される。

【００４２】図４は、液体燃料を気化し、気体状の燃料
として燃焼器に供給する燃焼器の変形例である。図３に
示した燃焼器と同様に、燃焼器の中心部に拡散火炎を形
成する。混合室３２は燃焼器中心軸と同軸の円環形とす
る。この燃焼器では拡散火炎は旋回器４３により燃焼用
空気２１が旋回流として噴出されるため火炎は旋回する
。このように拡散火炎を旋回することにより燃焼室２５
の中心部に循環流が形成され、拡散火炎は短炎化すると
ともに予混合火炎の安定性がさらに向上する。

【００４３】これらの例にあっても、図１、図２のもの
と同様、一次燃焼室に供給される燃料は液体燃料をその
ままの状態であるいは霧化した状態で供給しても良いこ
とは容易に理解されよう。なお、拡散燃焼を行う一次燃
焼室に液体燃料を噴霧し、予混合燃焼を行う二次燃焼室
には気体状にした燃料を導入するにあたっては、同一燃
料あるいは沸点の異なる液体燃料を用いることができる
。その際に一次燃焼室には液体燃料を例えば二流体式の
噴霧器に導入し圧縮空気のような噴霧媒体により液体燃
料を微粒化することは有効な手段である。また、液体燃
料の微粒化方法は、圧力噴射式の噴霧器を使用しても良
い。その場合、噴霧滴は一次燃焼室に噴出されて蒸発し
ながら空気と混合しながら火炎を形成する。液体燃料と
して低沸点の燃料を用いる場合には、蒸発が速いために
火炎は噴霧器付近から形成される。高沸点の液体燃料の
噴霧燃焼の場合には、液滴の蒸発が比較的遅く、燃焼用
空気と混合が進行した後に燃焼を開始するために予混合
燃焼に近い火炎が形成され、ＮＯｘ　排出量は低減され
る。

【００４４】図５は、一次燃焼室に液体燃料を液体を霧
化した状態で供給する形式の燃焼器を適用したガスター
ビン複合発電設備の系統の一実施例を示す。図中、１は
空気圧縮機、２は燃焼機、３はガスタービンガスであり
、ガスタービンに同機発電機４が接続しさらに蒸気ター
ビン５が接続している。タービン燃焼器２に供給する燃
料は、一次燃焼室に導入される液体燃料と、二次燃焼室
に導入され予混合火炎を形成する気体状燃料であり、液
体燃料の気化は熱交換器６及び１２において燃焼気体２
２及び２３との熱交換により行なわれる。なお、１１は
所内動力用ボイラであり燃焼器の起動時あるいは低負荷
時にのみ使用される。気体状にする燃料は、燃料タンク
９からポンプ１０により熱交換器６に導入され、気化し
たのち燃焼器２に供給される。一方、液体燃料として直
接燃焼器２　に供給燃料は、燃料タンク４８からポンプ
４９により燃焼器２の燃料導入管５３に流入させる。即
ち，それぞれ別の系統から燃焼器に導入される。液体燃
料の噴霧は、補助空気圧縮機５２からの圧縮空気あるい
は熱交換器６　から高圧蒸気５１を用いてもよい。ガス
タービン燃焼器２の起動時及び低負荷の時には高圧蒸気
５１が得られないため圧縮空気を使用して液体燃料を噴
霧し、高圧蒸気の得られるガスタービン燃焼器２の負荷
が高くなった時に圧縮空気のかわりに高圧蒸気５１を用
いて液体燃料噴霧を行なうよう構成される。前記した液
体、気体状にした燃料が同じ種類の燃料であれば燃料タ
ンク４８を省略できる。燃料の種類が異なる場合のみ燃
料タンク４８を必要とする。

【００４５】ガスタービン３からの燃焼後の気体は熱交
換器６を通り、脱硝装置７へ導入され煙突８　から大気
へ放出される。本発明の燃焼器ではＮＯｘの排出量が少
ないために、脱硝装置でＮＯｘ　の還元用に必要とする
アンモニアの量を低下することも可能となるまた、特に
図示されないが、上記の二つの燃料供給系統には、従来
知られている燃料制御手段がそれぞれ設けられていて負
荷変動時などにおいてそれぞれの燃料供給量を制御して
いる。

【００４６】さらに、上記の実施例では、燃焼器として
一次燃焼室に液体燃料を液体の状態で供給する形式のも
のを示したが、一時燃焼室への燃料供給系統中に液体燃
料を気化する手段を介在させ気体状燃料として供給して
も良いことは容易に理解されよう。以上ガスタービン用
燃焼器に関する実施例を説明したが、本発明はガスター
ビン用に限るものではなく、燃料の燃焼によりＮＯｘ　
が発生するものであれば、例えば、ボイラ、焼却器や化
学プラント等で、反応器と呼ばれるものなど、あらゆる
燃焼器に適用してもよいことは明かである。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば、拡散火炎を形成するた
めの燃料系統と予混合火炎を形成するための燃料系統と
をそれぞれ別個に設けるようにしたことにより、沸点が
高く蒸発が難しい液体燃料を使用しても、自発火により
燃焼器が焼損する恐れなく、予混合燃焼させることがで
きることに加え、安定な予混合火炎を形成でき、未燃焼
物質の排出を防止できる。

【００４８】従って本発明によれば、信頼性が高く、広
い負荷変化に対応でき、ＮＯｘ排出量が少なく、燃焼効
率の高い燃焼器が提供できる。本発明のガスタービン用
燃焼器をガスタービン発電設備に適用することで、発電
設備に設けられた脱硝装置で使用するアンモニア量を低
減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃焼方法の一実施例を示す図。

【図２】本発明の燃焼方法の他の一実施例を示す図。

【図３】本発明の燃焼方法を適用した燃焼器の縦断面図
。

【図４】本発明の燃焼方法を適用した燃焼器の他の実施
例の縦断面図。

【図５】本発明の燃焼器を備えたガスタービン複合発電
設備の系統図。

【図６】各種燃料を予混合燃焼させたときの燃焼特性の
違いを検討するために使用した燃焼装置の構成図。

【図７】各種燃料を燃焼させたときに排出されるＮＯｘ
　濃度とその時の混合気体１ｋｇ　あたりの発熱量との
関係を示す図。

【図８】燃料の平均噴霧粒子径とその時のＮＯｘ　濃度
との関係を示す図。

【図９】燃焼負荷とＮＯｘ　濃度との関係を示す図。

【図１０】各種燃料を予混合燃焼させたときに得られた
火炎の概略形状を示す図。

【符号の説明】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　液体燃料を気化して気体状にした燃料
を複数の系統に分配して同一燃焼器内に供給し、該燃焼
器内において一方の系統において拡散火炎を形成し他方
の系統において予混合火炎を形成するようにしたことを
特徴とする液体燃料の燃焼方法。
【請求項２】　　燃焼器中心部で拡散火炎を形成し、そ
の外周で予混合火炎を形成することを特徴とする、請求
項１記載の液体燃料の燃焼方法。
【請求項３】　　液体燃料と液体燃料を気化して気体状
にした燃料とをそれぞれ系統を異にして同一燃焼器内に
供給し、該燃焼器内において、液体燃料は拡散火炎を形
成し、気体状の燃料は予混合火炎を形成するようにした
ことを特徴とする液体燃料の燃焼方法。
【請求項４】　　燃焼器中心部で液体燃料を噴霧して拡
散火炎を形成し、その外周に気体状にした燃料の予混合
火炎を形成するようにしたことを特徴とする、請求項３
記載の液体燃料の燃焼方法。
【請求項５】　　液体燃料と気化して気体状にした液体
燃料とが、同種類の燃料である、請求項３または４記載
の液体燃料の燃焼方法。
【請求項６】　　液体燃料と気化して気体状にした液体
燃料とが、沸点を異にする異なった燃料である、請求項
３または４記載の液体燃料の燃焼方法。
【請求項７】　　液体燃料の気化を、燃焼器の発生する
熱との熱交換により行うことを特徴とする、請求項１な
いし６いずれか記載の液体燃料の燃焼方法。
【請求項８】　　液体燃料を供給する系統に、液体を気
化する手段を設け、燃焼器の流れ方向上流側に１次燃焼
室を、下流側に２次燃焼室を設け、１次燃焼室に気体状
の液体燃料と空気を供給し火炎を形成する手段を設け、
２次燃焼室中に気体状の液体燃料を空気と混合した後燃
焼器中へ噴出する手段を設け、前記２次燃焼室の気化し
た液体燃料と空気の混合気体流を噴出する噴出口の近傍
に混合気体流が衝突する流れの抵抗体を設けたことを特
徴とする液体燃料の燃焼器。
【請求項９】　　液体燃料を供給する系統を二系統有し
ていてその一方の系統には液体燃料を気化する手段を設
け、燃焼器の流れ方向上流側に１次燃焼室を、下流側に
２次燃焼室を設け、１次燃焼室に他方の燃料供給系統か
らの液体燃料と空気を供給し火炎を形成する手段を設け
、２次燃焼室中に該一方の系統からの気体状の燃料を空
気と混合した後燃焼器中へ噴出する手段を設け、前記２
次燃焼室の気体状の燃料と空気の混合気体流を噴出する
噴出口の近傍に混合気体流が衝突する流れの抵抗体を設
けたことを特徴とする液体燃料の燃焼器。
【請求項１０】　　前記流れの抵抗体を前記噴出口の外
周または中央に設けたことを特徴とする請求項８または
９記載の燃焼器。
【請求項１１】　　気化して気体状にして用いる液体燃
料が、メタノール、エタノール、ナフサ、ガソリン、灯
油、軽油、または重油であることを特徴とする請求項１
ないし７いずれか記載の液体燃料の燃焼方法。
【請求項１２】　　液体のまま使用する燃料が、灯油、
軽油、または重油であることを特徴とする請求項３、４
、６または７いずれか記載の液体燃料の燃焼方法。
【請求項１３】　　気化して気体状にして用いる液体燃
料が、メタノール、エタノール、ナフサ、ガソリン、灯
油、軽油、または重油あることを特徴とする請求項８な
いし１０いずれか記載の液体燃料の燃焼器。
【請求項１４】　　液体のまま使用する燃料が、灯油、
軽油、または重油であることを特徴とする請求項９また
は１０記載の液体燃料の燃焼方法。
【請求項１５】　　請求項８または９に記載の燃焼器と
、前記燃焼器内で発生した燃焼気体により駆動するター
ビンと、前記タービンの駆動により発電を行う発電機と
、前記燃焼器の高温の燃焼気体からの熱を回収する排熱
回収ボイラと、前記排熱回収ボイラ内で液体燃料を気化
する熱交換設備と、気化した液体燃料を前記燃焼器に導
入する供給設備を備えたことを特徴とするガスタービン
発電設備。
【請求項１６】　　予混合火炎を形成する手段を有する
燃焼器と、前記燃焼器内で発生した燃焼気体により駆動
するタービンと、前記タービンの駆動により発電を行う
発電機と、気化した液体燃料を燃焼器に供給する設備を
備えたガスタービン発電設備の運転方法において、前記
タービンの起動時には補助ボイラからの燃焼気体により
、液体燃料を気化して前記燃焼器に供給し、前記タービ
ンの負荷が高いときには前記燃焼器からの燃焼気体によ
り液体燃料を気化して燃焼器に供給し、液体燃料を燃焼
するようにしたことを特徴とするガスタービン発電設備
の運転方法。