JPS6161007B2

JPS6161007B2 -

Info

Publication number: JPS6161007B2
Application number: JP54148987A
Authority: JP
Inventors: Takashi Oomori; Yoji Ishibashi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-11-19
Filing date: 1979-11-19
Publication date: 1986-12-23
Also published as: JPS5671708A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、低カロリーガス燃料燃焼装置に関す
るものである。

最近、石油燃料の節約に伴ない、省エネルギ化
無公害を目的としたプラント、システム等の技術
開発が各分野で強く要望されている。特に燃料分
野では、石油燃料に代つて石炭が見直され、ガス
タービン等のクリーンガスを必要とする大形プラ
ントにおいても、天然ガス、石炭の液化及びガス
化燃料の利用が注目され、その技術開発が急がれ
ている。しかしこれらの燃料は、軽油等の石油燃
料に比較して発熱量が約1/2以下で、低質燃料に
なる程不燃性ガスの含有量が多くなり、低カロリ
ーとなるため、燃焼に際してはかなり厳しい条件
が要求される。

一般に、低カロリーガス燃料として考えられて
いるのは、発熱量が約1500kcal／Ｎm³以下約
1000kcal／Ｎm³前後のものであつて、ガス燃料の
組成によつては10倍以上の不燃性ガスが含まれて
おり、石炭ガス化燃料を例にとつてみると、可燃
性ガスは、メタン、水素、一酸化炭素が主な成分
であり、その割合は石炭の産地によつて異なり、
有害成分としてアンモニアあるいはイオウ等が多
く含まれている。

このような低カロリーガス燃料をガスタービン
燃料として燃焼させた場合の問題点を軽油燃焼に
対比して列記すると、次のようななる。(1)低発熱
量で燃焼速度が小さくなるため、着火及び保炎性
能が低下する。(2)不燃性ガスの含有量が多く、可
燃性ガスに対する空気との均一混合が困難とな
る。(3)燃焼速度の低下により燃焼室の容積が拡大
する傾向にある。(3)低温度燃焼による一酸化炭
素、炭化水素等が生成され易く、石炭ガス化燃料
の場合は、アンモニア、イオウ成分による耐腐食
性の問題がある。従つて、ガスタービン等の高負
荷燃焼装置で低カロリーガス燃料の燃焼を行う場
合には、着火性能に優れた着火機構、部分負荷制
御の容易性、あるいは保炎性能を十分に考慮した
バーナ構造、更には燃焼室への燃焼用空気の導入
方法等大幅な改善が必要である。

即ち、特にガスタービン燃料燃焼におけるが如
く起動時間が短く、空気を燃焼室内外の圧力差で
導入する機構においては、部分負荷時の空気制御
が難しく、着火遅れが生じると空気過剰になり、
低カロリーガス燃料では着火時の可燃混合気を生
成することが困難である。また、従来の燃焼装置
において、旋回スワラからガス燃料と空気とを同
時に噴出する機構は、第１図に示す如く、旋回ス
ワラａに流入される空気Ａの流れに対し、ガス燃
料Ｇが噴出口ｂから直交するように流出するよう
に構成されているが、ガス燃料Ｇの噴流速度が大
きいと旋回スワラａの噴口面積を縮小したと同じ
結果となり、必要な空気量を旋回スワラから安定
して導入できないという欠点がある。特に燃焼室
内外の圧力差で空気を導入する場合には、ガス燃
料噴出量によつて空気流入量が変化し、安定した
燃焼を持続できない。更に低カロリーガス燃料の
場合には、前述した如く、単位時間当りの噴出量
が多くなるので、旋回スワラａでの空気量を安定
供給するためには、スワラ部の噴口面積あるいは
ガス燃料噴口ｂの面積を極大化する必要があり、
バーナ全体の規模が大きくなる。

本発明は上述の事情に鑑みて創作したもので、 (イ) 低カロリーガス燃料を用いた場合も、安全、
確実、かつ迅速に着火することができ、 (ロ) 低カロリーガス燃料を用いた場合も、確実に
保炎して安定した燃焼を行わせることができ、
しかも、 (ハ) 使用するガス燃料が変化したとき、容易に対
応して、使用ガス燃料の保有カロリーに適応し
た最良の燃焼を行わしめ得る、簡単な構成の低カロリーガス燃料燃焼装置を提供
しようとするものである。

上記の目的を達成するため、本発明の装置は、 (a) 同心の２重管を構成して、その外管の先端を
封止するとともに、その内管の先端を上記の封
止部に貫通せしめて該先端に噴霧ノズルを設
け、 (b) 上記の内管に液体燃料を送給する手段、及び
圧縮空気を送給する手段を設けて、前記の噴霧
ノズルから液体燃料及び圧縮空気の何れか一方
を選択的に噴出せしめ得る構造とし、 (c) 前記２重管の内、外管の間に燃料ガスを送給
し得るように配管し、 (d) 前記外管の前端に外嵌した形に旋回スワラを
設け、 (e) 前記外嵌の外側に、上記旋回スワラの後方に
隣接せしめて、該旋回スワラよりも小径のリン
グ状チヤンバを設けるとともに、該リング状チ
ヤンバは旋回スワラに向けて開口した形状と
し、かつ、前記外管の管壁に透孔を設けて燃料
ガスをリング状チヤンバ内に噴出せしめる構造
とするとともに、該リング状チヤンバの開口の
反対側に空気導入孔を設けたことを特徴とす
る。

以下本発明の詳細を図面により説明する。第２
図は本発明の一実施例の断面図、第３図は同じく
作動説明図、第４図は同じく要部拡大断面図であ
る。

第４図に示すように、同心の２重管８，１６を
構成する。

内管８は燃料導入管であつて、第２図に示すご
とく液体燃料バルブ３４を介して液体燃料７を送
給し得るように配管するとともに、空気導入バル
ブ３５を介して冷却用の圧縮空気３６を送給し得
るように配管する。

（第４図参照）前記の外管１６はガス燃料送給
用のバーナー部本体管で、その先端（図において
右端）は封止され、内管（燃料導入管８）の先端
部を構成する通路孔９が該封止部を貫通してい
る。１は、その先端に設けた液体燃料噴霧ノズル
である。

外管であるバーナー本体管１６は、ガス燃料導
入管１５に接続されていて、低カロリーガス燃料
１４が送給される。

前記の本体管（外管）１６の先端部に外嵌した
形に、旋回スワラ３が設けられる。２は旋回溝で
ある。

前記の噴霧ノズル１は、旋回スワラ３の噴出側
の位置から突出しないように、旋回スワラ３の内
側の冷却空気案内プレート４に間隔５を有してバ
ーナ本体６に取付け、液体燃料７を、液体燃料導
入管８、通路孔９を通してノズル１に導き入れる
ように構成されている。

また、案内プレート４とバーナ本体６の先端部
との間に形成される空気チヤンバ１０に空気を導
入するために、空気チヤンバ１０とバーナ本体６
の外部とを、空気導入孔１１と空気通路孔１２と
によつて連通させてあり、空気チヤンバ１０に導
入される空気を、前記間隙５から流出させること
により、ノズル１の先端部の冷却を行うと共に、
他の一部を案内プレート４に設けた空気噴出孔１
３から流出させることによつてバーナ中央部近傍
を冷却するようになつている。

一方、ガス燃料１４は、ガス燃料導入管１５か
ら、バーナ本体６の上流部に配設されてガス燃料
導入管を兼ねたバーナ本体管１６と液体燃料導入
管８との間に形成された円環状のガス通路部１７
に導き入れ、バーナ本体６の内部に設けたガス通
路孔１８からバーナ本体６の外周側に貫設したガ
ス燃料噴出孔１９を通して、該孔１９を覆うよう
にバーナ本体６の外周にリング状に形成したガス
燃料チヤンバ２２に導入するようになつている。
該ガス燃料チヤンバ２２は、側壁２０と、外壁２
１とを有していて、旋回スワラ３側が開口するよ
うにリング状に形成されている。また、ガス燃料
のチヤンバ２２の側壁２０には、多数の空気導入
孔２３を設けてある。また外壁２１は旋回スワラ
３の入口側に隣接するように設置し、旋回スワラ
３の内周側がガス燃料流入口、外周側が空気流入
口となるように区分し、その開口面積の割合は、
ガス燃料と空気噴出量によつて定める。

このように、バーナ本体６の周囲にガス燃料チ
ヤンバ２２を設けていることにより、第８図に示
すように、ガス燃料噴出孔１９から噴出するガス
燃料は外壁２１の内面に衝突して軸方向の流れと
なるので、旋回スワラ３内に導入される空気A₁
の流れを阻害することなく、外壁２１の内外の開
口面積比に従つた空気A₁とガス燃料Ｇとの流量
比が確保される。また外壁２１の先端部で渦流５
０を生じ、拡散混合領域５１で混合され、さらに
旋回流となつて燃焼室内に噴出される。

ここで、外壁２１を旋回スワラ内部まで突出さ
せない理由は、旋回スワラ部を区分する外壁２１
の厚さによつて生成する渦流５０によつてガス燃
料Ｇと空気A₁との接触を効果的にし、拡散混合
を促進するためである。

また、側壁２０に空気導入孔２３を設けて空気
A₂を導入させるようにしているのは、ガス燃料
噴出口１９から噴出した後外壁２１に衝突して流
速を減じると共に流れの乱れた燃料ガス流に対
し、その後流から空気を導入することによつて空
気との拡散混合を促進し、保炎性を良好にするた
めである。

また、この実施例において、低カロリーガス燃
料燃焼時に、ノズル１から空気を常時流出させる
と共に、前記間隙５及び空気噴出孔１３から空気
を流出させているので、コーキングの防止及びノ
ズルやその近傍部の冷却が行えることは言うに及
ばず、さらに、前記空気導入孔２３からの空気も
加わつて、主流軌跡３７内における火炎形成を安
定化する量の空気を、内筒頭部から供給し得、理
想的な空燃比を容易に実現することができるとい
う利点がある上、第３図に示すように、予混合空
気４１、内筒キヤツプの孔４５からの空気流４４
及び前記ノズル等の冷却空気により、燃焼室頭部
でガス燃料に対して空気が徐々に混合される形と
なるので、広い作動範囲にわたつてガス燃料と空
気との混合する領域が形成される。また、案内プ
レート４の空気噴出孔１３から噴出される空気に
よつて混合気の乱れ４３（第３図）が生じるか
ら、拡散混合がさらに促進されて良好な保炎性を
保持することができる。また、液体燃料燃焼時に
おいても、空気導入孔１１、空気通路孔１２を通
してノズル１の周囲に空気が導入されるから、液
体燃料燃焼時における炭素堆積も防止しうる。

なお、実施例装置に関する実験によると、保炎
性あるいは燃焼性能は、旋回スワラ部の旋回角度
によつて最も影響を受け、最適旋回角度は40〜50
度程度が効果的であり、旋回スワラ部でのガス燃
料と空気噴流時の相互干渉は少なく、液体燃料噴
霧ノズル近傍の冷却も良好であつた。

以上に説明した実施例の燃焼装置によつて、低
カロリーガス燃料に着火するには、液体燃料バル
ブ３４を開放してバーナ中央部に設置した液体燃
料導入管８を介し、その先端に装着した液体燃料
噴射ノズル１に液体燃料７を導いて噴霧し、一
方、空気３３は、内筒２８と外筒３１との間の通
路３２を通し、前記ノズル１の周囲に配設された
旋回スワラ３と、燃焼用空気導入孔２９、希釈空
気導入孔３０と、内筒２８の頭部の内筒キヤツプ
に設けた空気孔４５とから噴出され、点火栓２７
で着火して負荷上昇を行い、その後、液体燃料バ
ルブ３４を閉じつつ、比例制御により、ガス燃料
導入管１５から低カロリーガス燃料１４をその量
を増大させつつ導入し、バーナ本体６の液体燃料
導入管８の周囲に設けられたガス通路１８、ガス
チヤンバ２２を通し、旋回スワラ３より燃焼室内
に導入して燃焼させる。低カロリーガス燃料１４
を高カロリーガス燃料に切換えた場合は空気導入
バルブ３５を開放して冷却空気３６を液体燃料導
入管８を通して液体燃料噴射ノズル１から流出さ
せると共に、ノズル周囲にも冷却空気４２を送り
込むことにより、液体燃料のパージを行うことに
よりコーキングを防止してノズルの最小噴口部の
ふさがりを防止すると共に、ノズルの冷却を行
う。特に水素成分の多いガス燃焼においては、バ
ーナ頭部が加熱されることが実験的に確かめられ
ているので、常時冷却空気を流出させることが不
可欠である。

ガス燃料１４による燃焼時には、下記のような
背景のもとに、後述のような燃焼を行わせること
が好ましい。第３図において、旋回スワラ３から
噴出した空気とガス燃料は、破線３７で示した如
く、帯状の可燃混合気の主流軌跡を描き、旋回流
３８となり、中央部付近には循環流３９が発生す
る。ここで、低カロリーガス燃料燃焼時の燃焼用
空気の導入を考慮すると、液体燃料燃焼時と空燃
比も異なり、比較的低温燃焼、不燃性ガスが多い
という特色があるので、従来の一次二次燃焼用空
気の細分割法ではなく、燃焼室頭部に比較的多量
の空気を導入して、そのフローパターンを主体と
して最適可燃混合気を生成させる。即ち、旋回ス
ワラ３、ガス燃料チヤンバ２２への空気４１及び
噴霧ノズル１からの空気を主流とし、他の空気を
前記フローパターンで形成される循環流３９の最
終点近傍に配設した燃焼空気導入孔２９から導入
して、これらの空気による理論混合比で燃焼を行
う。

つまり、前記燃焼室頭部近傍の中央部に形成さ
れる循環流領域は可燃混合比が高くなり易く、こ
の領域に燃焼用空気４０を導入して最適可燃混合
比を作り、燃焼状態を良好にする。特に循環流３
９の最終点近傍は乱れが著しく、燃焼室内中空部
に淀み部が形成されるので、噴流の貫通混合は容
易となり、該淀み部に空気噴流を衝突せしめるよ
うに流入させ、循環流の逆流に則して空気４０を
導入する。これによつて燃焼室頭部近傍の保炎性
能を向上させ、低カロリーガス燃料高負荷燃焼を
行い得る。

以上詳述したように、本発明を適用すると、 (イ) 低カロリーガス燃料を用いた場合も、安全、
確実、かつ迅速に着火することができ、 (ロ) 低カロリーガス燃料を用いた場合も、確実に
保炎して安定した燃焼を行わせることができ、
しかも、 (ハ) 使用するガス燃料が変化したとき、容易に対
応して、使用ガス燃料の保有カロリーに適応し
た最良の燃焼を行わしめ得るという、優れた実用的効果を奏し、バーナ全体を小型化し
うる。従つて本発明によれば、実用化において信
頼性の高い低カロリーガス燃料燃焼装置を提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のバーナ部の概略構成を示す説明
図、第２図は本発明の一実施例における燃焼装置
の縦断面図、第３図はその燃焼器頭部近傍の流動
状況説明図、第４図は上記実施例の要部拡大断面
図、第５図は第４図のＰ矢視図、第６図は第４図
のＡ−Ａ断面図、第７図は第４図のＢ−Ｂ断面
図、第８図は該実施例の要部説明図である。１……液体燃料噴霧ノズル、３……旋回スワ
ラ、６……バーナ本体、７……液体燃料、８……
液体燃料導入管、１４……ガス燃料、１５……ガ
ス燃料導入管、２２……ガス燃料チヤンバ。

Claims

【特許請求の範囲】１ (a) 同心の２重管を構成して、その外管の先
端を封止するとともに、その内管の先端を上記
の封止部に貫通せしめて該先端に噴霧ノズルを
設け、 (b) 上記の内管に液体燃料を送給する手段、及び
圧縮空気を送給する手段を設けて、前記の噴霧
ノズルから液体燃料及び圧縮空気の何れか一方
を選択的に噴出せしめ得る構造とし、 (c) 前記２重管の内、外管の間に燃料ガスを送給
し得るように配管し、 (d) 前記外管の前端に外嵌した形に旋回スワラを
設け、 (e) 前記外管の外側に、上記旋回スワラの後方に
隣接せしめて、該旋回スワラよりも小径のリン
グ状チヤンバを設けるとともに、該リング状チ
ヤンバは旋回スワラに向けて開口した形状と
し、かつ、前記外管の管壁に透孔を設けて燃料
ガスをリング状チヤンバ内に噴出せしめる構造
とするとともに、該リング状チヤンバの開口の
反対側に空気導入孔を設け、 (f) 前記の内、外管の間に送給された燃料ガス
が、燃料器内筒と同外筒との間から送給された
空気と混合しつつ、前記旋回スワラを通つて燃
焼室内に流入するように構成したことを特徴と
する、低カロリーガス燃料燃焼装置。２前記の旋回スワラは、旋回角度40度乃至50度
であることを特徴とする、特許請求の範囲第１項
に記載の低カロリーガス燃料燃焼装置。