JPS5937404B2 - ガスタ−ビン燃焼器の燃焼方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はガスタービン燃焼器の燃焼方法に係り、窒素酸
化物濃度低減効果の大きい燃焼方法に関する。

〔発明の背景〕

従来、ガスタービン燃焼器は燃焼効率が高く、煤の少な
いことを目標に開発されてきた。

このため燃焼温度が高く、燃焼ガスの燃焼反応域滞留時
間が長い特徴を有する。

これらの特徴は窒素酸化物生成の面から見ると最も生成
し易い条件を備えている。

しかしガスタービンの場合は空気過剰率が３．５〜５．
０と非常に太きいために濃度的にはボイラ、自動車など
と比べ比較的低い値を示しているが、排出総量は必ずし
も少ないとは言えず、低減対策が急務である。

この窒素酸化物生成量の低減は燃焼温度を低下すること
が有効であり、その手段として水、水蒸気などを添加す
ることが行われ、具体的には、■）主圧縮機を出た空気
全体に水蒸気を混合する。

２）燃焼器内上流のみに水蒸気を添加する。

３）スワラから入る空気に水が混合するように水を噴霧
する。

４）燃焼器内に水を噴霧する。

５）燃料に水を混合して噴霧するなど各種の方法がとら
れている。

しかしこれらの方法には水の確保が必要であり、またこ
の水はタービンの腐食などを考えた場合純度の高い水で
なければならず、そのための純水製造装置や水を各燃焼
器に等量供給する装置等を必要とする欠点を有する。

また前記１）では水蒸気添加の必要がない燃焼ガス温度
降下用空気にも機構上水蒸気が入り込み、従って多量の
水蒸気が必要となる。

更に、燃焼器壁面近傍では冷却効果が大き過ぎ、煙の発
生する原因となる。

２）では水蒸気を入れ過ぎると燃焼器内のフローパター
ンを乱し、煙の発生と同時に火炎が消えてしまうことも
ある。

更にまた５）では、水と燃料の混合が不十分な場合火炎
が消える可能性がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的はガスタービン燃焼器の窒素酸化物低減に
関して問題点を有する水、水蒸気添加を行うことなく、
窒素酸化物濃度の低い燃焼方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、燃焼器ライナの一端面に設けた燃料ノズルさ
、燃料ノズルの外周に配置した燃焼用一次空気を導入す
るライナキャンプと、燃焼器ライナ外周に設けた燃焼用
二次空気孔及び希釈空気孔とを有するガスタービン燃焼
器において、前記−次空気量を空気過剰率で０．３〜０
．８の範囲で制御し、燃料ノズル噴射面から燃焼器ライ
ナの長手方向にこのライナの直径の１．５〜２．０の位
置悼アル二次空気孔から流入する二次空気量を空気過剰
率で１．０〜１．４の範囲に制御することを特徴とする
。

〔発明の実施例〕

ガスタービン燃焼器は第１図に示すように外筒１、ライ
ナ２、スワラ４とともに燃焼用一次空気を導入するライ
ナキャップ３、燃焼用二次空気を導入する二次空気孔５
、冷却用三次空気を導入する希釈空気孔６、燃料ノズル
７から構成されている。

燃焼ガスは燃焼ノズル７から供給される燃料と、外筒１
さライラ２の間を流れてライナ２内に供給される空気と
が反応して生成される。

窒素酸化物はこの際の高温状態において生成されるが、
窒素酸化物生成条件は温度、酸素濃度、滞留時間があげ
られる。

従来のガスタービンは、この３つの条件すべてが大きな
値となるように設計されている。

窒素酸化物の生成を少なくするためには上記３条件を取
除く必要があり、スワラ４及びライナキャップ３から入
る一次空気量を燃焼ノズル７から供給する燃料が完全燃
焼するために必要とする理論空気量より少なくすれば燃
焼温度、酸素濃度とも低くなって窒素酸化物生成量が減
少する。

第２図は縦軸に窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の比率を、横
軸に一次空気の空気過剰率λ１をとり、一次空気量によ
る窒素酸化物濃度への影響を示した実験により得た図で
、ライナキャップ３から流入せしめた一次空気の空気過
剰率λ１と二次空気孔５から流入せしめた二次空気の空
気過剰率λ２の合計の空気過剰率が１．３ 、１．８
、２．２の場合における各変化量を示す。

ここで−次空気及び二次空気は、第１図の外筒１とライ
ナ２の間を仕切り、それぞれ外部から流量計測手段を有
する別々の空気供給系に接続して、重量流量を測定し、
所定の過剰率となるように調整した。

また、空気過剰率λは、単位重量の燃料を完全燃焼させ
るに必要な理論空気量との比で表わされる。

つまり− 更に縦軸のＮＯｘ濃度の比率は、公知の燃焼器、（λ１
＝０．３．λ２＝２．０）のＮＯｘの排出濃度〔Ｎ０ｘ
）＊との比で表わしている。

この図に示される如く、一次、二次の合計空気過剰率が
変化してもライナキャップ３から流入する一次空気量が
少ない程窒素酸化物生成量は減少する傾向を示している
。

一次空気量の少ない程発生する煤は濃度が高くなる可能
性がある。

煤は一旦発生すると燃焼しにくく、そのまま排出される
割合が高いのでライナキャップ３から流入する空気量を
極端に少なくすることはできない。

従ってこれら実験結果より一次空気量を燃料ノズルから
供給される燃料に対し空気過剰率０．３乃至０．８の範
囲とし、二次空気孔５から流入する空気によって未燃燃
料を完全燃焼する。

この二次空気による燃焼は空気過剰状態であり、窒素酸
化物の生成を抑えるためには短時間に反応を終了し、局
所的に高温部分の存在しないことが望ましい。

このために二次空気孔５の位置を変化させて窒素酸化物
濃度を測定した。

その一例を示したものが第３図で、縦軸に窒素酸化物（
ＮＯｘ）濃度及び一酸化炭素（ＣＯ）濃度を、前述の公
知燃焼器のそれぞれの濃度（ＮＯｘ）” 、（ＣＯ）”
との比率を、横軸に燃料ノズル７の噴射面から二次空気
孔５までの位置りと燃焼器ライナ２の直径りの比−をと
り、これらＬとＤを変化せしめ、且つ一次空気の過剰率
λ、が０．３で二次空気の過剰率λ２が１．０の場合、
またλ１が０．６でλ２が１．２の場合、更にλ１が０
．８でλ２が１．４の場合における窒素酸化物、一酸化
炭素の各濃度の変化量を示したものである。

窒素り 酸化物濃度は−の値が１．２付近で最高になっており す、空気量配分を変えたり、燃焼器直径を変えたＬ すしても窒素酸化物濃度最高の位置はｍ−１，０〜Ｌ １．３である。

そしてこの位置を境にして−が太きくなっても小さくな
っても窒素酸化物濃度は減少している。

この現象から窒素酸化物低減方法としＬ
し て−を１．０より小さくする場合と、−を１，３よりＤ
Ｄ 大きくする場合の２つの方法が考えられる。

まず一を１．０より小さくする場合について考えてみる
と、一次空気量が理論空気量よりも少ない状態では最大
限空気の存在する分だけ燃焼可能であるが、液体燃料で
は蒸発に要する時間があり、ある部分は燃焼し、ある部
分は燃料蒸気、残りは液滴状態であり、二次空気が供給
されると未燃分の一部は燃焼するが、空気により冷却さ
れて炭化水素として排出する分がかなり存在する。

この量を少なくするためには二次空気が供給される以前
に蒸発する燃料を多くする必要があり、またこれとは別
に二次空気の影響が大きく保炎が難しいという問題もあ
り、現状では不適である。

次にもう１つの方り 法である−を１．３より大きくする場合について考り えてみると、一次燃焼領域に相当する長さＬが長いため
に燃料過剰状態においても供給空気と燃焼可能な燃料は
反応が進行し、空気不足により燃焼不可能な燃料は滞留
時間が長いために十分な熱量を供給されて燃焼反応しや
すい状態で存在する。

ただし滞留時間が長くなっているが、空気不足下の燃焼
であるために、低酸素濃度且つ低温度燃焼のために窒素
酸化物生成量は少ない。

次に二次空気が供給され十分な混合が行われると燃料が
燃焼反応しやすい状態となっているために短時間の燃焼
が可能であり、このために燃焼ガスを所要の温度に降下
する目的で供給する三次空気を二次空気孔に近い位置に
設けても燃焼反応への影響は少ないし、滞留時間が短か
くなるので窒素酸化物生成量も少ない。

ただし一次燃焼領域に相当する二次空気孔５より上流で
は空気不足であり、局所的に特に空気不足になったり、
冷却される部分が存在すると煤の発生原因となるため十
分な混合が必要である。

第３図に一酸化炭素の生成割合を同時に示しているが、
−が１．０より小さくなると濃度がＤ 高くなり、−が１．０より大きくなっても同様であり
Ｌ る。

ここで窒素酸化物濃度の低い−が１．３よりも大きい場
合の一酸化炭素について考えられると、二次空気孔５ま
での距離りが長いため滞留時間が長く、空気不足状態で
は燃料の蒸発分解成分上同時に炭素の一次生成物である
一酸化炭素が生成し、Ｌが長くなる程多くなる。

この一酸化炭素は水素、炭化水素などの燃料分解成分に
比べて燃焼反応速度が遅く、二次空気の下流希釈空気孔
６から三次空気が供給されると大部分未燃焼のまま排出
される。

従って一酸化炭素濃度を低く抑えるためには一をあまり
大きくできない。

ＤＩ。

以上、−が１．３より大きい場合における窒素酸り 化物、煤、一酸化炭素について検討したが、すべての濃
度を低く抑えるためには一次空気量を空気過剰率０．３
乃至０．８として一次空気の混合を強くし、二次空気は
急速燃焼が可能なように空気過剰率１．０乃至１．８と
して第２図、第３図に示す窒素酸化物濃度の低い一次、
二次合計空気過剰率２．Ｏに近い空気配分とし、−は窒
素酸化物濃度、−酸り 化炭素濃度ともに低い範囲（第３図のハツチング範囲）
である１、５〜２．０にとれば排気ガスの清浄なガスタ
ービン燃焼器が得られる。

−次空気過剰率及び二次空気過剰率を所定の値になるよ
うにするためには、燃焼器ライナキャップ３に設けた空
気孔、ライナの二次空気孔及び希釈空気孔の大きさを調
整することによって達成される。

尚、三次空気を流入する希釈空気孔６はライナ２の直径
りの２．０乃至２．８の位置で、二次空気孔より離れた
ところに設定すればライラ２の温度が均一になりやすい
。

〔発明の効果〕

本発明によれば、水、蒸気などを添加することなく、燃
焼用−次及び二次空気の空気過剰率と二次空気孔の位置
を規制することにより、従来より約５０％窒素酸化物を
低減することができる極めて大きな効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はガスタービン燃焼器の説明図、第２図は本発明
による一次空気過剰率と窒素酸化物濃度の関係を示す線
図、第３図は本発明による二次空気孔の位置と燃焼器ラ
イナの直径を変化した時、各空気過剰率における窒素酸
化物、一酸化炭素の各濃度の変化を示す線図である。 １・・・・・・外筒、２・・・・・・ライナ、３・・・
・・・ライナキャップ、４・・・・・・スワラ、５・・
・・・・二次空気孔、６・・・・・・希釈空気孔、７・
・・・・・燃料ノズル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 燃焼器ライナの頭部端面に設けた燃料ノズルと、燃
   料ノズルの外周に燃焼用一次空気を導入するライナキャ
   ップと、前記燃焼器ライナの外周に設けた燃焼用二次空
   気孔及び燃焼ガスを所定温度まで冷却する希釈空気を供
   給する孔とを有するガスタービン燃焼器において、前記
   ライナキャンプから流入せしめる一次空気量を空気過剰
   率で０．３乃至０．８の範囲で制御し、また燃料ノズル
   噴射面から燃焼器ライナの長手方向に該ライナ直径の１
   ．５乃至２．０倍離れた位置に設けられた二次空気孔に
   流入せしめる二次空気量を、空気過剰率で１．０乃至１
   ．４の範囲で制御してなるガスタービン燃器の燃焼方法
   。