JPH05203145A

JPH05203145A - ベンチュリ調節により流れを分割する空気段階式の予混合低ＮＯｘ燃焼器およびＮＯｘ放出量を低減する方法

Info

Publication number: JPH05203145A
Application number: JP4251067A
Authority: JP
Inventors: Gary L Leonard; ゲイリー・リー・レオナルド
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1991-09-23
Filing date: 1992-09-21
Publication date: 1993-08-10
Also published as: EP0534684A1; US5257499A

Abstract

(57)【要約】【目的】より広い運転範囲にわたって運転可能な空気
段階式の予混合低ＮＯｘ燃焼器を提供する。【構成】空気段階式予混合ドライ低ＮＯｘ燃焼器２
を、予混合室１６、中心体プラグ予混合保炎器２０およ
びベンチュリ調節流れ分割部８から構成する。この形式
の構造は、燃焼器を適切に冷却しながら、極めて低い火
炎温度を、そして最終的に低いＮＯｘ放出量を維持す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【関連出願の表示】本出願は、「空気段階式の予混合ド
ライ低ＮＯｘ燃焼器」と題したレオナルド（G. L. Leon
ard ）による１９９１年９月２３日付米国特許出願第７
６４２９８号に関連している。

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料−空気予混合室、
中心体保炎器およびベンチュリ調節による流れ分割部か
ら構成した形式の空気段階式の予混合ドライ低ＮＯｘガ
スタービン燃焼器に関する。この形式の構造は、燃焼器
において広い範囲の燃料対空気比および低い火炎温度に
て安定な燃焼を達成し、窒素酸化物（ＮＯｘ）の放出量
を少なくする。

【０００３】

【従来の技術】燃焼器システムにおいて、ＮＯｘ放出を
低減するためには、燃焼器内の最高火炎温度を低くしな
ければならないことが知られている。火炎温度を低くす
る方法としては、燃料−空気混合物の燃焼前に燃料と空
気とを予混合することが周知である。しかし、予混合燃
焼器を運転できる適正運転範囲（ウィンドウ）は比較的
狭く、その適正運転範囲は低燃料対空気比での希薄吹き
消え（リーンブローアウト）および高燃料対空気比での
高いＮＯｘ放出によって決められることも知られてい
る。火炎の安定性は燃料対空気比および燃料−空気混合
気の速度にきわめて敏感である。たとえば、混合気の速
度が速すぎると、燃焼器内の火炎は吹き消えるおそれが
ある。しかし、速度が遅すぎると、火炎が後方へ予混合
区域に伝播するおそれがあり、これは通常逆火（フラッ
シュバック）と呼ばれている。また、燃料対空気比が適
正に維持されず、火炎温度が高くなりすぎると、ＮＯｘ
の生成量が増加し、このことも極めて望ましくない。最
後に、燃焼器に導入された空気のほとんどすべてが燃焼
器のヘッド端で取り込まれるという事実のため、燃焼室
ライナにとどいてライナを冷却することのできる空気は
極めてわずかで、このことはライナの構造特性に悪影響
を与える。したがって、燃焼器をもっと広い運転範囲に
わたって運転でき、ライナを冷却するのに適当な量の空
気をライナに供給できるならば、もっと有利な予混合低
ＮＯｘ燃焼器が得られる。

【０００４】上述したところから明らかなように、部品
が簡単で、構造が独特であることから効率がよく、公知
の予混合燃焼器のＮＯｘ放出特性に少なくとも匹敵し、
同時に、ライナを適切に冷却しながら、もっと広い運転
範囲にわたって運転できる、予混合低ＮＯｘ燃焼器が当
業界で必要とされている。本発明の目的は、当業界のこ
のような要求を満たすことにあり、このことを以下に明
確に説明する。

【０００５】

【発明の概要】上述したような要求を満たす本発明によ
る空気段階式の予混合低ＮＯｘ燃焼器は、燃焼室手段
と、燃料導入手段と、この燃料導入手段から所定の距離
離れている空気導入手段と、前述の燃料導入手段に隣接
して位置する、燃料と空気とを混合する予混合室手段
と、前述の空気導入手段に隣接して位置するベンチュリ
手段と、前述の予混合室手段に隣接して位置するスロー
トノズル手段とを備える。

【０００６】好適な実施例では、空気導入手段が空気制
御通路および希釈穴を含む。燃料−空気混合物が予混合
室を通過し、スロートノズル手段に流入する。また保炎
器が移動可能なアクチュエータ上に配置され、パイロッ
ト火炎を安定化する作用をなす。他の好適な実施例で
は、燃焼器を運転する運転範囲が広く、この範囲で火炎
温度を広い範囲の燃料対空気条件にわたって比較的低い
値に維持し、そしてその低い火炎温度からこの広い範囲
の条件について低いＮＯｘ放出が達成され、一方、燃焼
器室ライナの適切な冷却を行う。

【０００７】本発明による好適な空気段階式の予混合燃
焼器には、広い運転範囲にわたってすぐれた火炎安定性
を達成しながら、熱伝達を改善し、ＮＯｘ放出量を極め
て低くする利点がある。

【０００８】

【具体的な構成】図１に、ベンチュリ調節により流れを
分割する空気段階式の予混合ドライ低ＮＯｘ燃焼器２を
示す。燃焼器２は通常の締結具（図示せず）により通常
の圧力容器３に、圧力容器３が燃焼器２をほぼ取り囲む
ように、剛固に取り付けられている。容器３は、通常の
空気加圧装置を通して比較的一定な量の空気を燃焼器２
に供給する。燃焼器２は、部分的に、外側シェル４、空
気制御通路６および空気希釈穴８から構成される。シェ
ル４は、インターナショナルニッケルカンパニイ（In
ternational Nickel Company、米国西ヴァージニア州ハ
ンチントン所在）製造のハステロイエックス（Hastel
loy X ）合金で作製するのが好ましい。通路６および穴
８は、空気を予混合室１６および燃焼室２８にそれぞれ
導入するとともに、空気通路３２を冷却するのに用い
る。空気は温度が約６００〜１０００°Ｆであるのが代
表的である。具体的には、空気は空気制御通路６に入
り、希釈穴８でより高速、より低い静圧に加速される。
加速の程度は、希釈穴８での静圧が、全負荷燃焼器運転
時に、必要な燃焼器希釈空気流を希釈穴８から燃焼区域
２８に与えるように選ぶ。希釈穴８を通らない空気は下
流へ空気通路３２に流れ、この空気通路３２はディフュ
ーザとして作用して空気圧力を回復する。

【０００９】通常の燃料マニホールド１０により天然ガ
スのような通常の気体燃料を燃焼器２に導入する。制御
通路６により導入される空気とマニホールド１０により
導入される燃料とを、環状予混合（プレミックス）室１
６で混合する。予混合した燃料−空気はつぎに矢印Ａに
沿ってそれまでと反対方向に進む。このように燃料−空
気混合物を反対向きに流す（向流させる）ことにより、
燃料と空気とを適正に混合する。予混合室１６および環
状部１７をステンレス鋼から作製するのが好ましい。燃
料−空気混合物を可変スロートノズル１８に沿って矢印
Ｂの方向に移送し、ノズル１８から吐出し、そこで燃料
−空気混合物を火炎２７により燃焼させる。燃料−空気
混合物の一部は通路２２も通り、プレート２４の裏側に
ぶつかり、ポート２６を通って燃焼室２８に入り、主燃
焼燃料−空気流れに対する安定なパイロット火炎として
燃焼室２８に流入する。なお、保炎器（スタビライザ）
２０に位置する火炎２７は実質的に安定な火炎である。
ライナ１２は内側に薄い耐熱熱バリヤ１４を含み、ライ
ナ１２はHastelloy X 合金から作製するのが好ましく、
熱バリヤ１４は部分安定化ジルコニアから厚さ約０．０
３０インチに作製するのが好ましい。熱バリヤ１４は、
プラズマ溶射のような通常のコーティング技術によりラ
イナ１２の内面に被着する。プレート２４にも、ライナ
１２上の熱バリヤ１４と同様に作製された熱バリヤ２５
が設けられている。シェル４とライナ１２との間に対流
冷却される壁通路３２が位置する。具体的には、空気制
御通路６により導入される空気は通路３２に沿って予混
合室１６に向かって進む。通路３２の目的は、燃焼室２
８での燃焼により加熱されるライナ１２を対流冷却する
ことにある。通路３２に沿って進む空気はその後予混合
室１６および通路１８、２２を通って燃焼室２８に導入
される。希釈穴８の寸法は、希釈流れが最大（負荷が最
低）のとき、燃焼器２での圧力降下が部分負荷での所望
の値に等しくなるようにとるのが好ましい。

【００１０】保炎器２０を往復移動するために、予混合
室１６を通常のフランジ３４によりサポート１９に剛固
に取り付ける。サポート１９は圧力容器３の他の壁とす
るのが代表的である。サポート１９およびフランジ３４
をステンレス鋼から作製するのが好ましい。通常のアク
チュエータ（図示せず）を保炎器２０に剛固に取り付け
る。アクチュエータは、パッキングシール２１およびパ
ッキング保持リング２３の内側を矢印Ｘの方向に往復移
動する。保持リング２３を適当な耐熱材料から形成し、
シール２１を黒鉛から形成するのが好ましい。

【００１１】燃焼器２の運転中、制御通路６に導入され
る空気の総量は、燃料の添加量にかかわりなく、相対的
に一定である。したがって、特に燃料要求が比較的低い
パワー低減条件の間は、空気の一部を通路３２に向ける
のではなく、希釈穴８に向けて分流することが重要であ
る。燃料に加える空気が多過ぎると、火炎が不安定にな
り、消えることがある。予混合室１６および希釈穴８に
適正な空気流を適切に維持するためには、保炎器２０を
ノズル１８に対して位置決めするアクチュエータを矢印
Ｘの方向に移動する。すなわち、保炎器２０をノズル１
８から遠ざけると、通路３２に入る空気が増え、希釈穴
８に入る空気が減る。ガスタービン負荷を増加するため
には、保炎器２０を右に移動し、ノズル１８での通路面
積を増やす。そうすると、通路３２に流れる空気が増え
る。ベンチュリスロートＤでの空気の速度が増加し、Ｄ
での静圧が減少し、穴８を通って燃焼室２８に流れる空
気が少なくなる。一定の燃料対空気比を保つためには、
燃料の添加量を増やす必要があり、こうして、ＮＯｘ、
ＣＯおよびＵＨＣの低い安定な低温火炎が達成される。
ノズル１８を通る燃料−空気混合物の速度は高いまま
で、フラッシュバックの可能性は大幅に低減する。

【００１２】低負荷での運転時には、保炎器２０を左に
移動すると、通路３２への背圧が高まり、通路３２に入
る空気が少なくなる。燃料流れを減少させて予混合室１
６内に一定の燃料／空気比を保ち、こうして、ＮＯｘ、
ＣＯおよびＵＨＣの低い安定な低温火炎が達成される。
ノズル１８を通る燃料−空気混合物の速度は高いまま
で、フラッシュバックの可能性は大幅に低減する。また
希釈穴８を通るバイパスルートがあるので、燃焼器の圧
力降下は比較的低いままである。

【００１３】以上の説明から、他の特徴、変更や改変も
当業者には明らかである。このような特徴、変更、改変
も本発明の一部であるとみなされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるベンチュリ調節により流れを分割
する空気段階式の予混合ドライ低ＮＯｘ燃焼器の線図的
側面図である。

【符号の説明】

２燃焼器３圧力容器４シェル６空気制御通路８空気希釈穴１０燃料マニホールド１２ライナ１６予混合室１８ノズル２０保炎器２２通路２４プレート２７火炎２８燃焼室３２空気通路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼室手段と、燃料導入手段と、該燃料導入手段から所定の距離離れている空気導入手段
と、前記燃料導入手段および空気導入手段に隣接して位置す
る、燃料と空気とを混合する予混合室手段と、前記空気導入手段に隣接して位置するベンチュリ手段
と、前記予混合室手段に隣接して位置するスロートノズル手
段とを備える空気段階式の予混合低ＮＯｘ燃焼器。
【請求項２】前記燃焼室がさらに熱バリヤ皮膜を有する
ライナを含む請求項１に記載の燃焼器。
【請求項３】前記燃料導入手段がさらに燃料マニホール
ド手段を含む請求項１に記載の燃焼器。
【請求項４】前記空気導入手段がさらに、前記スロートノズル手段の位置により調節される空気制
御手段と、前記ライナ上に前記空気制御手段から所定の距離離れて
位置するベンチュリ調節流れ分割部を有する空気希釈手
段とを含む請求項２に記載の燃焼器。
【請求項５】前記予混合室手段が環状である請求項１に
記載の燃焼器。
【請求項６】前記スロートノズル手段がさらに、前記予混合室手段に隣接して位置する空気制御通路手段
と、該通路手段に隣接して位置し、実質的に前記燃焼室内に
位置する保炎器手段とを含む請求項１に記載の燃焼器。
【請求項７】前記保炎器手段がさらに、プレート手段
と、燃料／空気通路手段と、アクチュエータ手段とを含
む請求項６に記載の燃焼器。
【請求項８】前記スロートノズル手段が調節可能である
請求項１に記載の燃焼器。
【請求項９】ライナを有する燃焼室と、燃料導入手段
と、空気導入手段と、予混合室手段と、空気制御通路お
よび保炎器手段を有するスロートノズル手段とを含む空
気段階式の予混合ドライ燃焼器において、前記空気導入手段により空気を前記燃焼器に導入し、前記燃料導入手段により燃料を前記予混合室手段に導入
し、前記予混合室手段内で燃料と空気とを混合し、それまで
と反対向きに流し、その燃料と空気とを前記スロートノズル手段をへて前記
燃焼室に輸送し、前記スロートノズル手段を調節し、前記燃料と空気とを燃焼させる工程を含むＮＯｘ放出量
を低減する方法。
【請求項１０】前記空気を燃焼器に導入する工程が、空気を前記予混合室手段に導入する工程と、空気を前記ライナに導入してライナを冷却する工程とを
含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】前記スロートノズルを調節する工程が、前記保炎器手段が前記通路に対して近づくか遠ざかるよ
うに保炎器手段を付勢する工程と、前記通路に流れる燃料と空気とを調節する工程とを含む
請求項９に記載の方法。