JPH07103426A

JPH07103426A - 大気汚染成分の排出の少ないバーナ

Info

Publication number: JPH07103426A
Application number: JP27118393A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Hayashi; 茂林
Original assignee: National Aerospace Laboratory of Japan
Current assignee: National Aerospace Laboratory of Japan
Priority date: 1993-10-05
Filing date: 1993-10-05
Publication date: 1995-04-18

Abstract

(57)【要約】【目的】自発点火や逆火の問題から開放され、希薄燃
焼状態において未燃焼成分の排出を抑制すると同時に、
高い燃焼効率の得られる低ＮＯx 燃焼器を実現する。【構成】燃焼用空気が燃焼室に流入する環状通路２３
と、該環状通路中に配設され流入する空気流に旋回を与
えるスワーラ２１と、上記環状通路の内側に設けられた
空気通路２４、および該内側の通路を流れる空気中に燃
料を噴射するための燃料噴射器２５とから構成される。
そして、内側通路においては空気流量と噴射される燃料
の流量との比は燃料によって決まる化学量論比よりも小
さく、また、内側通路と環状通路からの全空気流量と燃
料流量との比は化学量論比を越えるように設計されてい
る。内側通路は空気の流れに旋回を与えるスワーラ２２
を備えるのがよく、また、内側通路断面が、燃焼室への
出口に向けて縮小、あるいは、縮小した後拡大する形状
とされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ガス燃料の燃焼器の
バーナ部の改良、特に不完全燃焼ガスの排出を抑制し高
燃焼効率を得ると同時に、窒素酸化物（ＮＯx ）の燃焼
器での生成を抑制することが可能なバーナに関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービン燃焼器やボイラなどの連続
燃焼装置には、ケロシン等の液体燃料を用いるものと天
然ガスあるいは水素等の気体燃料を用いるものとがある
が、何れにおいてもそのバーナには、保炎のためにスワ
ーラ（旋回器）あるいはレジスターベーンと呼ばれる、
燃焼用空気に旋回を与える部品が広く使用されている。
燃焼用空気の旋回は、燃料と空気との混合を促進するだ
けでなく、スワーラの下流に高温燃焼ガスの循環領域を
形成し、その作用によって火炎の安定化が図られ、高負
荷燃焼が実現されている。

【０００３】図３は、従来のガスタービン燃焼器に使用
されているバーナ部の概念図である。燃焼室壁６を有す
る燃焼室５の上流端に設けられたバーナは、空気２の取
り入れ口であるスワーラ１とその中心軸上に置かれた燃
料噴射器７から構成される。ガス燃料の場合には、燃料
噴射器の構造は比較的単純で、燃料噴射器７は端面を閉
じた円筒形状をなし、その壁面に複数の孔８が放射状
に、また中心軸に対してある角度で開けられていて、燃
料はこの孔８から噴射される。液体燃料の場合には、燃
料を霧状にするために圧力微粒化、気流微流化、高圧空
気微粒化の方式の燃料噴射器が用いられる。どの場合
も、燃料は空気のせん断作用によって霧状にされる。燃
料噴流４は、スワーラ１の下流にできる循環流領域３を
貫通してスワーラからの空気と混合して燃焼する。この
ように燃料と空気とは別個に供給され、燃焼室５内では
燃料は空気と混合しながら燃焼する。そのため、広い燃
料／空気流量比の範囲で燃焼に最適な混合気が燃焼領域
のどこかに形成されので、この方式は保炎性に優れてい
る。ところが、このことは、空気流量を過剰とし、平均
的には燃料希薄な状態にしても燃焼器のどこかに高温燃
焼の領域ができることにほかならず、また、そこでの滞
留時間が長いので、ＮＯx の抑制を図る上ではきわめて
不都合である。実際、燃焼空気を極度に過剰にすれば確
かにＮＯx の生成量は減るが、燃焼が不安定になった
り、未燃焼成分の排出が急増するために実用にはならな
い。

【０００４】このようなＮＯx の生成源となる局所的な
高温部の形成を排除するために、燃料を過剰の空気とま
ず均一に混ぜてから燃焼させようという試みがなされ
た。この希薄予混合燃焼方式の燃焼器は、図４に示すよ
うに、燃焼室前面に設けられた燃料噴射器１２からの燃
料は、混合気形成部１４内で流入空気１１と混合（液体
燃料の場合は蒸発／混合）され、保炎器１３により着
火、火炎１６を形成、保持される。１５は燃焼室、１７
は燃焼室壁である。このような構成のバーナは、実験室
レベルでの実験では、均一な混合気が形成された場合に
は、同一排出ガス温度においてＮＯx の排出を現用の燃
焼器に比べ１０分の１程度にまで減らすことが出来るこ
とが示されている。実用化に際しての課題は、空気と燃
料の混合過程における自発火と、混合気を形成する空間
１４への火炎の侵入（逆火）の危険性である。これらの
問題は、燃焼器入り口空気の高温化高圧化が進むほど深
刻になる。また、混合気を形成する空間が必要なため
に、燃焼器が大型になる、空気温度が低い場合には未燃
焼成分の排出が増えるなどの問題もある。

【０００５】

【この発明が解決しようとする課題】この発明の目的
は、ＮＯx 低減に関わる上記の現用技術および希薄予混
合燃焼のもつ問題点を解決するガス燃料用燃焼器を提供
することである。すなわち、自発点火や逆火の問題から
開放され、希薄燃焼状態において未燃焼成分の排出を抑
制すると同時に、高い燃焼効率の得られる低ＮＯx 燃焼
器を実現する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明のバーナは、燃
焼用空気が燃焼室に流入する環状通路と、該環状通路中
に配設され流入する空気流に旋回を与えるスワーラと、
上記環状通路の内側に設けられた空気通路、および該内
側の通路を流れる空気中に燃料を噴射するための燃料噴
射器とから構成されることを特徴とする。そして、内側
通路においては空気流量と噴射される燃料の流量との比
は燃料によって決まる化学量論比よりも小さく、また、
内側通路と環状通路からの全空気流量と燃料流量との比
は化学量論比を越えて、出来る限り大きくなるように設
計されていることを特徴とする

【０００７】上記の条件を満たすバーナは、内側通路の
空気の流れに旋回を与えるスワーラを備えるのがよく、
また、内側通路断面が、燃焼室への出口に向けて縮小、
あるいは、縮小した後拡大する形状とされる。そして、
その最も縮小した部分の直径をＤ、燃料噴射口から内側
通路出口までの距離をＬとしたとき、０．５Ｄ＜Ｌ＜２Ｄとされるのがよい。

【０００８】更に、その変形として、内側通路の中心に
置かれた燃料噴射器の断面形状が先細で、通路壁と燃料
噴射器とによってできる隙間を調節するための、燃料噴
射器の軸方向位置を外部から駆動する機構を備え、ある
いは燃料噴射が内側通路の壁面から行われる構成として
もよい。

【０００９】

【作用】ＮＯx 抑制の機構の詳細については、内部のガ
ス分析等詳細な測定に待たねばならないが、おおよそ以
下の機構によると考えられる。バーナ全体として見た場
合、流入する燃料と空気量との比ではでは希薄である
が、内側通路で形成される混合気は燃料過濃にできる。
この場合、燃焼温度が抑制され、酸素濃度が低いために
ＮＯx の生成が抑えられ、そのあと環状部の空気と急速
に混合・燃焼し、すばやく反応が停止させられるため、
ＮＯx の排出が低いと推定される。また、内側通路の混
合気濃度が希薄側にある場合には、そこでは反応は速い
が、短時間に環状部の空気と混合し、その後の反応が停
止されるために排出が低いと推定される。ただ、この場
合は、内側通路の混合割合を燃料過剰にした場合に比べ
て、抑制効果は小さい。

【００１０】内側通路断面は、燃焼室への出口に向けて
縮小、あるいは、縮小した後拡大する形状とされるが、
その最も縮小した部分の直径をＤ、燃料噴射口から内側
通路出口までの距離をＬとしたとき、ガス燃料において
は液体燃料に比して燃料と空気の混合はすばやく行われ
るのでＬは比較的短くて良いが、このＬが過小であれば
上記の２段燃焼が機能せず、過大であればこの空間への
火炎の侵入の危険が増す。従って、０．５Ｄ＜Ｌ＜２Ｄの範囲にあるのが望ましい。

【００１１】

【実施例】図１に示す実施例においては、燃焼室上流端
壁を２８で示す燃焼器への空気は、薄板を羽根とするス
ワーラ２１を備えた環状通路２３と、同様な構造のスワ
ーラ２２を備えた内側通路２４とから燃焼室に流入す
る。ガス燃料は、内側通路２４と同軸に置かれた燃料噴
射器２５の先端部に、中心軸に対して角度をもって配設
された複数の孔から燃料噴流２６として噴射される。噴
射された燃料２６は内側スワーラ２２により旋回を与え
られた空気流と混合する。内側通路２４は、燃焼室への
開口部付近で狭窄部を形成した後、燃料の噴射角にあわ
せて広がり、環状通路２３の内径側の壁につながる。内
側通路２４での滞留時間は短いので、自発点火は起きな
いし、また、狭窄部によって流速も加速されるので火炎
が入ることもない。何らかの過渡的な原因で入ったとし
ても、燃料／空気比が可燃範囲に入った混合気ができる
位置までしか遡れず、また、空気が流れているので通路
壁面が炎によって焼損する恐れは極めて少ない。

【００１２】図２の実施例２は、内側の通路３４の実効
的断面積が燃料噴射器３５の軸方向位置を可変とするこ
とによって調節出来るようにしたものである。外側スワ
ーラ３１、内側スワーラ３２、環状通路３３、内側通路
３４及び燃料噴射器３５の構成は実施例１とほぼ同様で
あるが、この実施例においては、燃料噴射器３５はその
基部が燃焼器ケーシング４０の外に延び、燃料噴射器移
動装置３９によって、その軸方向に矢印のように往復動
が可能とされている。３８は燃料の供給口を示す。この
可変機構によれば、燃料流量が極度に少ない場合には、
燃料噴射器３５の先端を内側通路３４の狭窄部に近接さ
せ、その流路抵抗を増大させることによって内側通路に
流入する空気の流量を減らし、内側通路の混合気を燃料
過剰な条件に維持でき、ＮＯx 低減が図れる。実験によ
れば、燃料と内側通路の空気との流量比は、混合割合が
燃料過剰、たとえば化学量論によって決まる比の１．２
倍よりも大きい方がＮＯx 低減が顕著である。

【００１３】燃料噴射は、実施例１における一般的な燃
料噴射器に代え、内側通路壁内に燃料の通路を設け、壁
面にあけた多数の孔によっても、同様な効果が得られ
る。

【００１４】

【発明の効果】実施例１のバーナについて排出評価実験
を行った。その結果をもとに、排気中のＮＯx と未燃焼
成分である一酸化炭素ＣＯの濃度について、現用のスワ
ーラ保炎方式燃焼器と比較した。このスワーラ保炎方式
燃焼器は、小型ガスタービンエンジンに実用されている
もので、現用技術のレベルを代表すると考えられる。比
較の条件は、燃焼器入り口空気温度６５０Ｋ、大気圧
で、出口ガス温度は現用燃焼器に合わせた。現用燃焼器
のＮＯx 濃度は７０ｐｐｍであるのに対し、実施例１の
バーナーのＮＯx 濃度は、燃焼空気と希釈空気との配分
によるが、１０ｐｐｍから３ｐｐｍであった。このレベ
ルは、希薄予混合燃焼方式におけるのと同程度に低く、
燃焼効率はそれより優れている。ＣＯについては、実施
例１のバーナとスワーラ保炎方式燃焼器との間に実質的
な差は見られなかった。このように、本発明のバーナ
は、小型で、簡単な構造によって、ＮＯx の排出を抑
え、高い燃焼効率を実現することが出来た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のバーナの１実施例の構成を示す部分断
面図である。

【図２】本発明のバーナの他の実施例で、負荷の調節を
可能としたものの構成を示す部分断面図である。

【図３】従来のガスタービン燃焼器に使用されているバ
ーナ部の概念図である。

【図４】従来の希薄予混合燃焼方式のバーナの構造を示
す概念図である。

【符号の説明】１，２１，２２，３１，３２スワーラ２，１１，２７，３７流入空気３循環流領域４，２６，３
６燃料噴流５，１５燃焼室６，１７，２
８燃焼室壁７，１２，２５，３５燃料噴射器８燃料噴射
孔１３保炎器１４混合気形
成部１６火炎２３，３３環
状通路２４，３４内側通路３８燃料供給
口３９燃料噴射器移動装置４０燃焼器ケ
ーシング

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼用空気が燃焼室に流入する環状通路
と、該環状通路中に配設され流入する空気流に旋回を与
えるスワーラと、上記環状通路の内側に設けられた空気
通路、および該内側の通路を流れる空気中に燃料を噴射
するための燃料噴射器とから構成されることを特徴とす
るバーナ。
【請求項２】環状通路と内側通路とが、内側通路の空
気流量と噴射される燃料の流量との比は燃料によって決
まる化学量論比よりも少なく、また、内側通路と環状通
路からの全空気流量と燃料流量との比は化学量論比を越
えるように設計されていることを特徴とする請求項１の
バーナ。
【請求項３】内側通路の空気の流れに旋回を与えるス
ワーラを備えた請求項１のバーナ。
【請求項４】燃料噴射が内側通路の壁面から行われる
ことを特徴とする請求項１のバーナ。
【請求項５】内側通路が、出口に向けて縮小、あるい
は、縮小した後拡大する形状であって、その最も縮小し
た部分の直径をＤ、燃料噴射口から内側通路出口までの
距離をＬとしたとき、０．５Ｄ＜Ｌ＜２Ｄであることを特徴とする請求項１のバーナ。
【請求項６】内側通路の中心に置かれた燃料噴射器の
断面形状が先細で、内側通路壁と燃料噴射器とによって
できる隙間を調節するための、燃料噴射器の軸方向位置
を外部から駆動する機構を備えたことを特徴とする請求
項１のバーナ。