JPH05203150A - 燃料段階式の予混合低ＮＯｘ燃焼器及び低ＮＯｘ燃焼方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 広い運転範囲において低いＮＯｘ生成を達成
できる燃料段階式の予混合低ＮＯｘ燃焼器を提供する。 【構成】 本発明の燃料段階式の予混合ドライ低ＮＯｘ
ガスタービン燃焼器２は、多数の同心シリンダ３ａ〜３
ｆを段違いに配列し、シリンダに燃料マニホールド８ａ
〜８ｅを装着して構成されている。この形式の構造は、
燃焼器において広い範囲の燃料／空気比及び低い火炎温
度にわたって安定な燃焼を達成し、その結果として窒素
酸化物（ＮＯｘ）の生成を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多数の同心シリンダを
段違いに配列し、シリンダに燃料マニホールドを装着し
て構成する形式の燃料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及び低い火炎温度にわ
たって安定な燃焼を達成し、その結果として窒素酸化物
（ＮＯｘ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の生成を低減する。

【０００２】

【従来の技術】燃焼器システムにおいて、ＮＯｘ生成を
低減するためには、燃焼器内の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、燃料と空気とを予混合（プレミックス）さ
せてから燃料−空気混合物を燃焼させることが周知であ
る。しかしながら、予混合燃焼器を運転できる範囲（ウ
ィンドウ）は比較的狭く、その運転範囲は低燃料／空気
比での希薄吹き消え（リーンブローアウト）及び高燃料
／空気比での高いＮＯｘ生成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／空気比及び燃料−
空気混合気の速度にきわめて敏感である。例えば、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。又、燃料／空気
比が適正に維持されず、火炎温度が高くなり過ぎると、
ＮＯｘの生成量が増加し、このことも極めて望ましくな
い。従って、燃焼器をもっと広い運転範囲にわたって運
転できれば、もっと有利な予混合低ＮＯｘ燃焼器が得ら
れる。このことは、ガスタービンの運転範囲に関して特
に重要である。

【０００３】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生成特性に少なくとも匹敵し、
同時に、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。

【０００４】

【発明の概要】このような要求を満たす本発明の燃料段
階式の予混合ドライ低ＮＯｘ燃焼器は、燃料導入手段
と、空気導入手段と、燃焼室手段と、この燃焼室手段内
に実質的に配置されているスパーク手段と、シリンダが
燃料−空気混合手段を形成すべく所定の長さ重なるよう
に互いに段違いに配置されている少なくとも２つの同心
シリンダとを備えている。

【０００５】好適な実施例では、燃料−空気混合手段が
良好な混合を可能にする十分な長さを有しており、又、
燃料−空気混合物を燃焼室に送り込む前に、燃焼室のラ
イナを冷却する作用もなす。又、燃料−空気混合手段
は、燃料−空気混合物中の燃料が消費され、残りの混合
物が隣りの燃料−空気混合手段の流れと一緒になる前
に、そのほぼすべてが消費されてしまうのに十分な長さ
を有している。

【０００６】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、そして低
い火炎温度からこの広い範囲の条件について低いＮＯｘ
生成が達成され、一方、燃焼器室ライナの適切な冷却を
行う。本発明による好適な燃料段階式の予混合燃焼器に
は、広い運転範囲にわたって優れた火炎安定性を達成し
ながら、熱伝達を改善し、ＮＯｘ生成量を極めて低くす
る利点がある。

【０００７】本発明の上記並びに他の特徴は、添付図面
と関連する以下の詳述から更に明らかとなろう。

【０００８】

【具体的な構成】図１に本発明の燃料段階式の予混合ド
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（図示せず）に、燃
焼室出口領域２６を除いては圧力容器が燃焼器２をほぼ
取り囲むように、剛固に取り付けられている。加圧容器
は、通常の空気加圧装置を通して比較的一定な圧力の空
気を燃焼器２に供給する空気源である。燃焼器２は部分
的に、段違い同心シリンダ３ａ〜３ｆから成る外側シェ
ル４ａ〜４ｆから構成されている。シェル４ａ〜４ｆ
は、International Nickel Company（インターナショナ
ル ニッケル カンパニイ、米国西ヴァージニア州ハン
チントン所在）製造のHastelloy X （ハステロイ エッ
クス）合金で作製するのが好ましい。シェル４ａ〜４ｆ
は内側に薄い耐熱熱バリヤ１０を含んでおり、熱バリヤ
１０は、部分安定化ジルコニアから厚さ約０．０３０イ
ンチに作製するのが好ましく、プラズマ溶射のような通
常のコーティング技術によりシェル４ａ〜４ｆの内面に
被着する。

【０００９】シェル４ａ〜４ｆには空気制御通路６ａ〜
６ｆ及び空気希釈穴２８が設けられている。通路６ａ〜
６ｆ及び穴２８は、空気を燃焼室２０に導入すると共
に、シリンダ３ａ〜３ｆを冷却するのに用いる。空気を
代表的には、温度約６００°Ｆ〜１０００°Ｆにて通路
６ａ〜６ｆ及び穴２８に導入する。天然ガス等の通常の
気体燃料を通常の燃料マニホールド８ａ〜８ｅを介して
燃焼器２に導入する。マニホールド８ａ〜８ｅは通常の
コネクタにより遮断弁２４ａ〜２４ｅにそれぞれ連結さ
れている。遮断弁２４ａ〜２４ｅは通常のコネクタによ
り通常の燃料ヘッダ２２に連結されている。制御通路６
ａ〜６ｆにより導入する空気と、マニホールド８ａ〜８
ｅにより導入する燃料とを、環状の燃料−空気予混合通
路９ａ〜９ｅそれぞれで混合する。予混合通路９ａ〜９
ｅは、その流れ長さ（Ｘ）が燃料と空気とを良好に混合
するのに十分に長くなるように、構成するのが好まし
い。好ましくは、長さ（Ｘ）対環状隙間の幅（Ｄ）の比
を約１０として適正な混合を達成する。又、非重なり長
さ（Ｙ）を十分に長くして、燃料のほぼすべてを次の通
路の燃料−空気混合物流と混ざる前に消費してしまうよ
うにするのが好ましい。Ｙ／Ｄの比を約１０として十分
な燃焼を達成する。最後に、通路９ａ〜９ｅ及び通路１
１に流れる燃料−空気混合物は、燃焼室２０に送り込ま
れる前に、高熱燃焼生成物にさらされるシリンダ３ａ〜
３ｆの表面を冷却する作用もなす。通路１１を通る流れ
は主として、シリンダ３ｆを冷却する作用をなす空気流
から成る。通路９ａには湾曲した向流ベーン１２も設け
られている。ベーン１２はHastelloy X 合金で作製し、
バリヤ１０で被覆するのが好ましい。ベーン１２は、燃
料と空気とを混合するための向流領域を作るのに用い
る。燃料−空気混合物を通常のスパーク点火器１６で点
火する。この燃料−空気混合物の向流により希薄火炎を
安定にする。

【００１０】フルパワー運転時には、燃料を通路９ａ〜
９ｅに送る。すべての通路での燃料／空気比を、火炎温
度を２６００°Ｆ〜３０００°Ｆとするように調節し、
こうして低ＮＯｘ及び低ＣＯとする。タービンパワー要
求が低下するにつれて、通路９ａ〜９ｅへの燃料流れ
を、火炎温度が約２６００°Ｆとなるところまで減ら
す。燃料流れを更に減らすと、燃焼が不完全になり、Ｃ
Ｏが多量に発生する。そこで、マニホールド８ｅへの燃
料を完全に遮断し、そしてその結果として通路９ａ〜９
ｄでの燃料／空気比が上昇し、まだ燃料が供給されてい
る領域の火炎温度を３０００°Ｆ近くとする。パワーが
更に減少するにつれて、マニホールド８ａ〜８ｄへの燃
料流れを、火炎温度が２６００°Ｆ近くに下がるまで、
削減し、この温度に達したらマニホールド８ｄへの燃料
を完全に遮断する。このように、順次マニホールド８ｃ
及び８ｂへの燃料流れを中断することにより、パワーを
減少させる。火炎温度を２６００°Ｆ〜３０００°Ｆの
間に維持して、タービン運転範囲にわたって低ＮＯｘ及
びＣＯを達成する。マニホールド８ａはいつも燃料が流
通しており、燃料−空気混合物を燃焼器の火炎領域１８
に送り、そこで混合気が燃焼し、パイロット火炎を形成
する。この火炎領域１８の火炎は、燃料が供給された通
路からの下流の燃料−空気混合物を順次点火する。領域
１８での予混合燃料−空気の火炎は、うず（スワラ）、
ブラフボディ及び強制再循環（図１にベーン１２として
示す）等の手段を適当に設けて安定化することができ
る。燃料が供給されている領域より上流の領域への燃料
を遮断しないことが重要である。上流領域への燃料を遮
断すると、下流の燃料供給通路からの燃料−空気混合物
を消すことになり、燃焼が不完全になり、ＣＯが増え
る。

【００１１】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】本発明による燃料段階式の予混合ドライ低ＮＯ
ｘ燃焼器の線図的側面図である。

【符号の説明】

２ 燃焼器 ３ａ〜３ｆ シリンダ ４ａ〜４ｆ シェル ６ａ〜６ｆ 空気制御通路 ８ａ〜８ｅ 燃料マニホールド ９ａ〜９ｅ 燃料−空気予混合通路 １６ スパーク点火器 ２０ 燃焼室 ２４ａ〜２４ｅ 弁

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料導入手段と、 空気導入手段と、 燃焼室手段と、 該燃焼室手段内に実質的に配置されているスパーク手段
   と、 当該シリンダが燃料−空気混合手段を形成すべく所定の
   長さ重なるように互いに段違いに配置されている少なく
   とも２つの同心シリンダとを備えた燃料段階式の予混合
   低ＮＯｘ燃焼器。
2. 【請求項２】 前記燃料導入手段が更に、 燃料ヘッダ手段と、 弁手段と、 燃料マニホールド手段とを含んでいる請求項１に記載の
   燃焼器。
3. 【請求項３】 前記同心シリンダは該シリンダ同士間に
   所定の幅の隙間を有している請求項１に記載の燃焼器。
4. 【請求項４】 前記同心シリンダは所定の長さの燃料燃
   焼領域を有している請求項３に記載の燃焼器。
5. 【請求項５】 前記隙間の幅に対する前記燃料−空気混
   合手段の前記長さの比が約１０である請求項３に記載の
   燃焼器。
6. 【請求項６】 前記隙間の幅に対する前記燃料燃焼領域
   の前記長さの比が約１０である請求項４に記載の燃焼
   器。
7. 【請求項７】 前記燃料−空気混合手段は更に、前記ス
   パーク手段に隣接して配置された流れ再循環手段を含ん
   でいる請求項１に記載の燃焼器。
8. 【請求項８】 燃料導入手段と、燃料−空気混合手段
   と、空気導入手段と、燃焼室手段と、スパーク手段と、
   少なくとも２つの同心シリンダとを有している燃料段階
   式の予混合ドライ低ＮＯｘ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燃焼器に導入し、 前記燃焼室手段に入る前に前記燃料及び空気が十分に混
   合されるように、前記燃料−空気混合手段内で該燃料及
   び空気を混合し、 前記燃料導入手段により前記燃焼器に導入される燃料の
   量を所定の順序で変え、 前記燃料−空気混合手段を介して追加の空気が下流で添
   加される前に前記燃料が実質的に燃やされてしまうよう
   に、前記燃料及び空気の混合物を燃焼させる工程を含む
   低ＮＯｘ燃焼方法。
9. 【請求項９】 前記燃料の導入量を変える工程は更に、 所定の燃料導入手段における燃料量を減らし、 前記空気導入手段のほぼすべてにおいて一定の空気流を
   維持し、 前記所定の燃料導入手段における燃料を遮断する工程を
   含む請求項８に記載の方法。