JPH11190504A - バーナ内でガス状、液状並びに中カロリー又は低カロリーの燃料を燃焼する方法と該方法を実施するための熱発生器用のバーナ - Google Patents

バーナ内でガス状、液状並びに中カロリー又は低カロリーの燃料を燃焼する方法と該方法を実施するための熱発生器用のバーナ

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JPH11190504A JP28641498A JP28641498A JPH11190504A JP H11190504 A JPH11190504 A JP H11190504A JP 28641498 A JP28641498 A JP 28641498A JP 28641498 A JP28641498 A JP 28641498A JP H11190504 A JPH11190504 A JP H11190504A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 旋動流発生器を備えたバーナ内でガス状、液
状並びに中カロリー又は低カロリーの燃料を燃焼する方
法を改良して、 環境を汚染するエミッション値の顕著
な減少、特にＮＯxエミッション値及びＣＯエミッショ
ン値の顕著な低下、旋動流発生器内で生成する流動関係
の安定化、特にバーナ内への逆火の減少又は除去、火炎
安定性の保証、燃料の完全燃焼によるエネルギ利得並び
に中カロリー燃料を希釈せずにバーナ内へ噴入すること
によるガスタービンプラントの効率向上を達成する。 【解決手段】 旋動流発生器１内へ接線方向に流入する
旋回する燃焼空気流３に付加的にガス状及び／又は液状
の燃料を噴入すると共に、前記旋動流発生器１の内部に
配置された少なくとも１つの噴入手段８によって中カロ
リー又は低カロリーの燃料を軸方向及び／又は共軸に噴
入する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、旋動流（スワー
ル）発生器を備えたバーナ内でガス状、液状並びに中カ
ロリー又は低カロリーの燃料を燃焼する方法に関する。
更に本発明は、前記方法を実施するための熱発生器用の
バーナに関する。
【０００２】
【従来の技術】ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５
４７９１３号明細書に基づいて公知になっている熱発生
器用のバーナは、当該刊行物の図１によれば旋動流発生
器１００を設けており、該旋動流発生器内へ液体燃料が
燃料ノズル１０３を通って円錐形の液体燃料噴流の形で
軸方向に噴入される。該液体燃料噴流に対して接線方向
にかつ角度を成して、旋動流発生器の旋動殻板間で燃焼
空気流が旋動流発生器内へ導入され、該燃焼空気流は、
適当な出口ノズルオリフィス１１７を介して殊にガス状
燃料と混合される。出口ノズルオリフィス１１７は、主
として天然ガスを噴入するために、要するに典型的には
４６ＭＪ／ｋｇの高い発熱量を有する燃料を噴入するた
めに使用される。２種類の燃料で運転される、二重バー
ナとも呼ばれる公知のバーナのその他全ての構成上の細
部に関しては前掲のドイツ連邦共和国特許出願公開明細
書を参照されたい。
【０００３】例えば前掲刊行物に基づいて容易に推考で
きるような、熱発生器用のバーナ系は殊にガスタービン
運転のために設計されている。ガスタービン適用分野で
は、二重バーナ用の燃料として使用される天然ガスと燃
料油に加えて、将来はいわば慣用燃料よりも有毒物質が
少なく燃焼される、殊に中カロリー又は低カロリーの燃
料（Ｍｂｔｕ燃料又はＬＢｔｕ燃料）を使用しようとす
る要求が存在している。例えば石油又は重油のガス化か
らガスとして生じる、前記Ｍｂｔｕ燃料又はＬＢｔｕ燃
料は多量の水素成分と一酸化炭素成分とを有し、しかも
Ｍｂｔｕ燃料における発熱量は、天然ガスの発熱量の約
１／３（約１５ＭＪ／ｋｇ）にすぎない。
【０００４】原理的にはガス状の中カロリー燃料を、天
然ガスのように接線方向の噴入オリフィスを通して燃焼
空気流に混加することが可能ではあるが、これに伴って
体積流が比較的増大することに基づいて旋動流発生器内
において著しく高い局所的な圧力損失が発生し、生成す
る空気噴流の流動安定性に持続的に不利な影響を及ぼす
ことになる。その上、高い反応性を有する混加された中
カロリー燃料の高い水素成分は、バーナ内への危険な逆
火を惹起する大きなポテンシャルと成る。流動流内のこ
の種の刺激は、供給された燃料の異常燃焼を惹起し、こ
れによって燃焼プロセスのエミッション値は、例えば排
ガス内のＮＯx成分の顕著な上昇によって著しく悪化す
ることになる。更にバーナ内への逆火によってバーナは
過熱され、その結果、個々のバーナ構成部分は強い熱負
荷に曝されてほぼ熱負荷限界に達する。
【０００５】バーナ出口の近傍でＭＢｔｕ燃料を噴入す
る場合には、空気旋動流の安定性は実質的に影響を受け
ず、かつバーナ内への逆火を回避するとは云え、ごく短
い混合区に基づいて、ＭＢｔｕ燃料と燃焼空気との間の
混合が不完全になり、その結果、過度に高いＮＯxエミ
ッションを伴った拡散状の燃焼が惹起されることにな
る。 ＮＯxエミッションは、窒素又は水蒸気を中カロリ
ー燃料に相当多量に混加することによって低下されはす
るが、燃料のこのような希釈はガスタービンプラントの
効率低下を惹起する。同等の事項は、ＬＢｔｕ燃料を使
用する場合も大いに当て嵌まる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、接線
方向に流入する旋回する燃焼空気流によって包囲される
円錐形の液体燃料柱の形に液体燃料を内部で霧化する旋
動流発生器を備えたバーナ内でガス状、液状並びに中カ
ロリー又は低カロリーの燃料を燃焼する方法並びに該方
法を実施するための熱発生器用のバーナを改良し、単一
のバーナを使用して次の観点ａ）〜ｅ）に従って前記燃
料種を燃焼させ得るようにすることである。すなわち： ａ）環境を汚染するエミッション値の顕著な減少、特に
ＮＯxエミッション値及びＣＯエミッション値の顕著な
低下； ｂ）旋動流発生器内で生成する流動関係の安定化、特に
バーナ内への逆火の減少又は除去； ｃ）火炎安定性の保証； ｄ）燃料の完全燃焼によるエネルギ利得；並びに ｅ）中カロリー燃料を希釈せずにバーナ内へ噴入するこ
とによるガスタービンプラントの効率向上。
【０００７】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の本発明の方法上の構成手段は、請求項１に記載した通
り、旋動流発生器内へ接線方向に流入する旋回する燃焼
空気流に付加的にガス状及び／又は液状の燃料を噴入す
ると共に、前記旋動流発生器の内部に配置された少なく
とも１つの噴入手段によって中カロリー又は低カロリー
の燃料を軸方向及び／又は共軸に噴入する点にあり、ま
た該方法の有利な構成手段は請求項２乃至５に記載され
ている。
【０００８】同一の課題を解決するための、前記方法に
従って作業する本発明のバーナの構成手段は、請求項６
に記載した通り、旋動流発生器内に、液体燃料柱へ向か
って軸方向及び／又は共軸方向で中カロリー燃料又は低
カロリー燃料を前記旋動流発生器の内部へ噴入させる少
なくとも１つの第３の噴入装置が設けられている点にあ
り、また該バーナの有利な構成手段は請求項７乃至１０
に記載されている。
【０００９】
【発明の効果】本発明の基礎を成す思想は、例えば天然
ガスのようなガス状燃料、石油のような液体燃料、並び
にＭｂｔｕ燃料又はＬＢｔｕ燃料とも呼ばれる中カロリ
ー燃料又は低カロリー燃料を、旋動流発生器を備えた１
つのバーナ内で一緒に燃焼させること、しかもその場合
に前記の中カロリー燃料又は低カロリー燃料を、バーナ
内もしくは旋動流発生器内へ軸方向及び／又は共軸方向
に噴入させるようにすることである。旋動流発生器の内
部への前記燃料の噴入は、殊に液体燃料用の噴射ノズル
の近傍で行われ、該液体燃料は、噴入された状態では旋
動流発生器もしくはバーナの内部で円錐形の液体燃料柱
の形態をとる。斯くして、微細噴霧された液体燃料に加
えて、旋動流発生器の内部へ噴入された中カロリー燃料
又は低カロリー燃料を前記液体燃料と申し分無く混合す
ることが保証される。
【００１０】旋動流発生器の内部で中カロリー燃料もし
くは低カロリー燃料を軸方向もしくは共軸方向に噴入す
ることによって、バーナ流動フィールドに意味深い変化
が生じる。つまり該バーナ流動フィールドの軸方向流動
成分は、中カロリー燃料の付加的な噴入によって拡張さ
れ、かつバーナ流動フィールドの旋動流成分は、ほぼ等
しく縮小される。しかしながら旋動流成分の縮小は、そ
れ自体公知のように、例えば前掲のドイツ連邦共和国特
許出願公開第１９５４７９１３号明細書の特に第４欄、
第５５行〜第６６行の記載から明らかなように、逆流ゾ
ーンにおける火炎の安定化のために形成される所謂「逆
流バブル」の不安定化を惹起する。
【００１１】すでに述べた二重バーナ原理とは異なっ
て、高められた軸方向の流動成分に基づいて流れが、逆
流ゾーン内で形成される逆流バブルを規則的に吹き払う
ので、こうして逆火の危険は著しく低減される。
【００１２】すでに初めに述べたように中カロリー燃料
もしくは低カロリー燃料は高い水素成分を有しているの
で、高い反応性を有している。それにも拘わらず該燃料
は、燃焼のために必要な火炎安定性を保証する。それと
いうのは安定した火炎は、逆流ゾーンを積極的に形成し
なくても生成するからである。
【００１３】また液体燃料用の噴射ノズルの領域の上流
側で中カロリー燃料もしくは低カロリー燃料を供給する
ことによって、噴入燃料並びに、旋動流発生器内へ噴入
された燃焼空気流との良好な混合が生じる。斯くして長
い混合区に基づいて、比較的良好なＮＯxエミッション
値を有する予混合燃焼が生じ、前記ＮＯxエミッション
値は天然ガス予混合燃焼時に得られる。
【００１４】また相応にエミッション値を低下させるた
めに窒素又は水蒸気を付加的に混加する必要もなくな
る。このことは特に、窒素又は水蒸気の混加による希釈
に伴う、ガスタービンプラント全体の効率低下が避けら
れるという利点を有している。
【００１５】本発明の方法を実施するために構成された
本発明のバーナは、前掲のドイツ連邦共和国特許出願公
開第１９５４７９１３号明細書に記載された二重バーナ
の拡張とも見做すことができ、かつ本発明によれば、天
然ガス及び液体燃料のための燃料供給系に加えて、中カ
ロリー燃料又は低カロリー燃料を旋動流発生器内へ噴入
するための第３の燃料供給系を有している。殊に有利に
は、液体燃料を旋動流発生器の内部へ噴入する中央の噴
射ノズルの領域近傍で、旋動流発生器の旋動流殻板を通
って噴射ノズルが開口しており、該噴射ノズルによって
中カロリー燃料又は低カロリー燃料が旋動流発生器の内
部へ噴入される。中カロリー燃料又は低カロリー燃料の
噴入は液体燃料の噴入口に対して、もしくは旋動流発生
器の対称軸線に対して軸方向にかつ／又は共軸方向に行
われる。
【００１６】
【発明の実施の形態】次に図面に基づいて本発明の実施
の形態を詳説する。
【００１７】図１に示したバーナは、旋動流（スワー
ル）発生器１と、該旋動流発生器１に流動方向で接続す
る混合区２とから成っている。前記旋動流発生器１は、
接線方向に流入する燃焼空気流３（図２参照）によって
接線方向で数回負荷される円錐形構造体である。旋動流
発生器１の加工成形及び形態並びに、該旋動流発生器１
の形状によって発生可能な流れ運動の詳細は、前掲のド
イツ連邦共和国特許出願公開第１９５４７９１３号明細
書において図１乃至図５に基づいて説明されているの
で、ここではその説明は省く。また旋動流発生器１に境
を接している混合区２の構成も本発明の対象ではない
が、該混合区２は、複数の移行通路２２を有する移行ピ
ース２１と、該移行ピース２１に直接接している混合管
２３とから構成されている。これらのバーナ構成要素
は、燃焼プロセスのために必要な燃料を供給するバーナ
ユニットを明確にするために言及されるにすぎない。
【００１８】円錐形に形成された旋動流発生器１の上部
域の軸心には、旋動流発生器１の内部へ液体燃料を噴入
するための噴射ノズル４が設けられている。該噴射ノズ
ル４をめぐって共軸に、中カロリー燃料を供給するため
の複数の供給導管５（矢印参照）が設けられており、該
供給導管は旋動流発生シェル殻板６，７を貫通してい
る。旋動流発生器１の内部で形成された空気流（図示せ
ず）に付加的に、複数の適当な噴射ノズル８を介して微
分配された中カロリー燃料が軸方向もしくは共軸方向で
旋動流発生器１内へ到達して前記空気流と混合する。
【００１９】同じくガス状燃料用の複数の供給通路９が
設けられており、該ガス状燃料は、外部から接線方向に
燃焼空気流と一緒に旋動流発生器１内へ供給される（図
２参照）。
【００２０】従来技術に対比して中カロリー燃料の付加
的な共軸的な供給によって、流れの軸方向成分が強化さ
れ、流れが、殊に移行通路２２の形成された移行ピース
２１並びに混合管２３を通過した後に、前記の強化され
た軸方向成分に基づいて、公知の二重バーナの場合は混
合管２３の直ぐ近傍の燃焼室１０の領域内で形成される
所謂「旋動流崩壊体」（逆流バブル）が規則的に吹き払
われることになる。
【００２１】中カロリー燃料の最高度に効果的な供給
は、殊に有利には図２に示したように、旋動流発生シェ
ル殻板６，６′，７，７′内に共軸に形成された燃料ノ
ズルオリフィス８によって行われる。中カロリー燃料の
噴入は、旋動流発生シェル殻板当り単数又は複数のノズ
ルを介して行われる。
【００２２】図２に横断面図で示した本発明によって構
成された旋動流発生器１の軸心に液体燃料用の噴射ノズ
ル４が設けられており、該噴射ノズルをめぐって角度配
分して複数の旋動流発生シェル殻板６，６′，７，７′
が配置されている。夫々隣り合った旋動流発生シェル殻
板間で燃焼空気流３が、旋動流発生器１の内部へ接線方
向に導入され、該燃焼空気流は、複数の適当な入口ノズ
ルを有する供給通路９を介して天然ガスと混合される。
図示例では旋動流発生シェル殻板６，６′，７，７′は
中カロリー燃料噴射用の夫々１つのノズルオリフィス８
によって穿通される。適用例に応じて旋動流発生器の各
シェル殻板当り複数のノズルオリフィス８を設けること
もできるので、バーナへ向かっての中カロリー燃料の共
軸供給量を広範囲にわたって変化させることが可能であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によって構成されたバーナの概略的な縦
断面図である。
【図２】ＭＢｔｕ燃料の噴入部を有する旋動流発生器の
概略的な横断面図である。
【符号の説明】
１ 旋動流発生器、 ２ 混合区、 ３ 燃焼空
気流、 ４ 液体燃料用の噴射ノズル、 ４′ 円
錐形の液体燃料柱、 ５ 中カロリー燃料用の供給導
管、 ６，６′，７，７′ 旋動流発生シェル殻板、
８ 中カロリー燃料噴射用のノズルもしくはノズル
オリフィス、 ９ ガス状及び／又は液状燃料用の供
給通路、 １０ 燃焼室、 ２１ 移行ピース、
２２移行通路、 ２３ 混合管

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 接線方向に流入する旋回する燃焼空気流
    によって包囲される円錐形の液体燃料柱（４′）の形に
    液体燃料を内部で霧化する旋動流発生器（１）を備えた
    バーナ内でガス状、液状並びに中カロリー又は低カロリ
    ーの燃料を燃焼する方法において、旋動流発生器（１）
    内へ接線方向に流入する旋回する燃焼空気流（３）に付
    加的にガス状及び／又は液状の燃料を噴入すると共に、
    前記旋動流発生器（１）の内部に配置された少なくとも
    １つの噴入手段（８）によって中カロリー又は低カロリ
    ーの燃料を軸方向及び／又は共軸に噴入することを特徴
    とする、バーナ内でガス状、液状並びに中カロリー又は
    低カロリーの燃料を燃焼する方法。
  2. 【請求項２】 中カロリー燃料又は低カロリー燃料を、
    希釈することなく、つまり窒素及び／又は水蒸気のよう
    な添加剤を添加することなく噴入する、請求項１記載の
    方法。
  3. 【請求項３】 旋動流発生器（１）の内部で、噴入され
    た中カロリー燃料又は低カロリー燃料を液状及びガス状
    の燃料並びに燃焼空気流（３）と混合して、予混合燃焼
    を生ぜしめる、請求項１又は２記載の方法。
  4. 【請求項４】 バーナ内で軸方向に拡張する、燃料と燃
    焼空気流（３）とから成る流動フィールドが、逆火の危
    険を低減又は回避するような大きな軸方向の流れ成分を
    有するようにする、請求項１から３までのいずれか１項
    記載の方法。
  5. 【請求項５】 中カロリー燃料又は低カロリー燃料を、
    石油又は重油のガス化によりガスとして採取する、請求
    項１から４までのいずれか１項記載の方法。
  6. 【請求項６】 燃焼空気流（３）用の旋動流発生器
    （１）及び燃料を噴入する手段と、円錐形の液体燃料柱
    （４′）の形で前記旋動流発生器（１）内へ軸方向に噴
    霧される液状燃料用の少なくとも１つの第１の噴入装置
    （４）と、燃焼空気流（３）と一緒に前記旋動流発生器
    （１）内へ接線方向に噴入されるガス状及び／又は液状
    燃料用の少なくとも１つの第２の噴入装置（９）とを備
    えた、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法を
    実施するための、熱発生器用のバーナにおいて、旋動流
    発生器（１）内に、液体燃料柱（４′）へ向かって軸方
    向及び／又は共軸方向で中カロリー燃料又は低カロリー
    燃料を前記旋動流発生器（１）の内部へ噴入させる少な
    くとも１つの第３の噴入装置（８）が設けられているこ
    とを特徴とする、熱発生器用のバーナ。
  7. 【請求項７】 第３の噴入装置（８）が、第１の噴入装
    置（４）の直ぐ下流側で旋動流発生器（１）に設けられ
    ている、請求項６記載のバーナ。
  8. 【請求項８】 旋動流発生器（１）が、中カロリー燃料
    又は低カロリー燃料を噴入させる個々の旋動流発生シェ
    ル殻板（６，６′，７，７′）から成っている、請求項
    ６又は７記載のバーナ。
  9. 【請求項９】 各旋動流発生シェル殻板当り、単数又は
    複数の第３の噴入装置（８）が設けられている、請求項
    ８記載のバーナ。
  10. 【請求項１０】 第３の噴入装置（８）が、燃料を微分
    配する少なくとも１つのノズル出口を有している、請求
    項６から９までのいずれか１項記載のバーナ。
JP28641498A 1997-10-08 1998-10-08 バーナ内でガス状、液状並びに中カロリー又は低カロリーの燃料を燃焼する方法と該方法を実施するための熱発生器用のバーナ Expired - Fee Related JP4155638B2 (ja)

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