JP3250116B2

JP3250116B2 - ガス燃料を用いた燃焼装置

Info

Publication number: JP3250116B2
Application number: JP24782592A
Authority: JP
Inventors: 彰馬場; 邦夫沖浦; 茂樹森田; 伸一郎野村; 俊雄植村
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1992-09-17
Filing date: 1992-09-17
Publication date: 2002-01-28
Anticipated expiration: 2017-01-28
Also published as: JPH06101818A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、事業用もしくは産業用
のガス燃料を用いた燃焼装置に係り、特に燃料負荷変化
の著しい運用をする場合においても、安定燃焼が広範囲
に実現できるガス燃料を用いた燃焼装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】近年、油燃料の価格の不安定性から、石
炭焚きボイラの需要が急速に増加している。石炭焚きボ
イラは、燃料中に灰分や硫黄分を含んでいることから、
その後処理に大がかりな設備が必要であり、大都市の周
囲にこのような発電設備を建造するのは環境問題から困
難である。

【０００３】これに対してガス焚きボイラは、燃料中に
このような不純物が少なく、低公害であることから今後
も都市近郊で順調に伸びていくことが期待される。さ
て、このようにクリーンなガス焚きボイラであるが、ガ
ス燃料は燃焼性が良い反面、火炉内の圧力脈動（以後燃
焼振動と言う。）を起こしやすく、炉内の伝熱管やＴＶ
カメラなどボイラ火炉に直接付属する構造物や、機器の
破損を招きやすい欠点がある。

【０００４】燃焼振動現象は、一般には、（１）火炉内
部の発熱率分布が火炉壁近傍で局所化する（燃料の燃焼
速度が大きく、バーナの出口近傍で燃え尽きる）場合や
（２）火炎が不安定で、絶えず変動している（保炎器に
付着したり、吹き飛ぶ現象を繰り返す）場合に起こりや
すいとされている。従って、従来の燃焼振動抑制はガス
バーナの火炎の安定性向上と急速燃焼の抑制（緩慢燃
焼：長炎化）が有効であり、バーナ構造を変更して対応
していた。

【０００５】また、火炎の不安定性が直接の原因でない
場合（たとえば、空気流速と燃料の噴出速度のギャップ
が大きく、急速に混合してバーナ近傍に高発熱領域が存
在する場合）にも燃焼振動を誘発しやすい。通常燃焼振
動はボイラが新設、もしくは定期点検後の試運転時に起
こりやすく、いずれのケースにおいても早急に営業運転
に入るために、これら燃焼調整に与えられた時間は少な
く、従って一度燃焼振動現象が起こると短時間で原因究
明をするとともに抑制対策をしなければならないために
多くの人手が必要であった。

【０００６】国内の新設発電用ボイラは、年間の平均出
力でみれば、昭和５０年には５００ＭＷ／缶であった
が、平成元年には６００ＭＷ／缶にもなり年々増大傾向
にある。たとえば、発電容量６００ＭＷのボイラではバ
ーナは２４台以上設置されており、各々のバーナの燃焼
状態を短時間で調整するのは困難である。

【０００７】燃焼振動は、火炉との気柱共鳴現象である
ので微少な圧力脈動でもエネルギが蓄積されて大きな火
炉振動に発達する可能性がある。たとえバーナ２４台中
の１台が振動原因だとしても燃焼振動を誘引するに十分
な起振源になり得る。従って、多少粗雑なバーナ調整で
あっても振動を引き起こさない、安定燃焼範囲が広く信
頼性の高いバーナ開発が必要である。

【０００８】図４は従来のガスバーナの火炎安定化原理
を示す要部断面図であり、着火保炎に関するバーナ周り
の基本的な流れを示す。ガス燃料は、ガスエレメント４
０２から主燃料４０３と副燃料４０４に分割され、その
結果主燃料火炎４０５が形成される。副燃料４０４は保
炎器（インペラ）４０１の後流に吹込むために、その循
環領域に副燃料火炎４０６が形成される。主燃料火炎４
０５は副燃料火炎４０６からの輻射熱によって安定に着
火できるようになっている。

【０００９】図７は、従来のガスバーナ構造の断面図を
示す。各バーナ段に供給される空気は、風箱入口に設け
たダンパで流量調整する。その後各バーナに送られ、旋
回がかけられた後炉内に供給される。すなわち燃焼用空
気はバーナ中心部から半径方向の３流路に分割して１次
空気１１４、２次空気１１３及び３次空気１１２とし
て、炉内に供給される。この内、２次空気１１３は軸流
旋回器（旋回ベーン）７１で旋回させ、３次空気１１２
はレジスタ７２で旋回がかけられる。これら燃焼用空気
の旋回効果により、バーナ後方には大きな循環領域が形
成され、ガス燃料の着火安定性に大きく貢献する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図５に従来のガスバー
ナの火炎の不安定性の機構について記述した。図５
（ａ）は、主燃料４０３と副燃料４０４がガスエレメン
ト４０２から炉内へ噴出する状態を示している。主燃料
火炎４０５と副燃料火炎４０６はバーナから少し離れた
場所に形成され、すなわちリフトした状態となってい
る。副燃料火炎４０６による高温ガスは、インペラ１０
１の後方に形成される再循環領域５０１内部のガスの循
環によって、インペラ１０１後方に戻され、図５（ｂ）
に示す様に副燃料火炎４０６が保炎器１０１に付着した
状態になる。さらに副燃料火炎４０６による輻射熱によ
って、主燃料４０３はエレメントの近傍から着火し、図
５（ｃ）の様に主燃料４０３と副燃料４０４のいずれも
着火した状態になる。この状態ではインペラ１０１の内
部のＯ₂分圧が低下し、副燃料火炎４０６がリフトす
る。図５（ｄ）にこの状態を示した。火炎がリフトする
とＯ₂もインペラ１０１内部に補充されるため、図５
（ａ）の状態に戻る。従って、火炎は周期的な変動を繰
り返し、燃焼振動を抑制できないという問題があった。

【００１１】燃焼振動の原因の一つに上記の如く火炎の
不安定性があげられる。火炎の不安定化現象は、通常燃
焼時には火炎が安定していても何等かの外乱、たとえば
燃焼用空気流量の変化等によって火炎が吹き飛ぶとその
影響でバーナ近傍の発熱率が変化し、炉内圧力が変る。
このような火炎の不安定化の原因の一つに、燃料と空気
との速度差に起因する乱れがあげられる。急速な混合は
燃焼性向上には寄与するものの、火炎の変動や揺らぎに
大きく影響することが分っている。

【００１２】本発明の目的は、燃焼用空気の流速等燃焼
条件が変化しても火炎が安定するようにしたガス燃料を
用いた燃焼装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、燃焼用空気の流速等燃焼条件が変化しても火炎が安
定するように常に、バーナ中心部に設けた保炎器（イン
ペラ）に安定して燃料が流入するように、保炎器近傍に
副燃料を吹込むノズルを設置する。

【００１４】すなわち本発明は、ガス燃料を火炉内に噴
出させるガスエレメントと、前記ガス燃料を燃焼させる
燃焼用空気を供給する中心部の流路およびその外側に設
けられた流路と、前記中心部流路内の先端に火炉内に面
して設けられた保炎器とを有する燃焼装置において、前
記ガスエレメントを前記外側流路内および中心部流路内
にそれぞれ設け、前記ガス燃料を外側流路内に設けたガ
スエレメントから火炉内に噴出し、中心部流路内に設け
たガスエレメントから前記保炎器の前流側に噴出するよ
うにしたことを特徴とするガス燃料を用いた燃焼装置を
構成したものである。

【００１５】また、ガス燃料を用いた燃焼装置として、
ガス燃料を火炉内に噴出させるガスエレメントと、前記
ガス燃料を燃焼させる燃焼用空気を供給する中心部の流
路およびその外側に設けられた流路と、前記中心部流路
内の先端に火炉内に面して設けられた保炎器とを有する
燃焼装置において、前記ガスエレメントを前記外側流路
内および中心部流路内にそれぞれ設け、前記ガス燃料を
外側流路内に設けたガスエレメントから火炉内に噴出し
て主燃料火炎を形成させ、中心部流路内に設けたガスエ
レメントから前記保炎器の上流側に噴出して中心部空気
との予混合状態として後流側に供給するようにしたこと
を特徴とするガス燃料を用いた燃焼装置を構成したもの
である。

【００１６】

【作用】燃焼振動は、火炉の気柱共鳴現象であり、火炉
内部の圧力脈動がバーナの燃料や燃焼用空気の供給量に
影響して発熱率の時間変化を引き起こし、これらの間で
フィードバックループを形成して発生する場合が数多く
みられる。図３に、この機構について簡単なブロック図
を書いて示した。圧力変動と発熱率変動は互いに影響し
あいフィードバックループを形成していることが分る。
燃焼振動を抑制するには、この圧力変動、発熱率変動、
フィードバックループのうちいずれかを断てばよい。本
発明は、このうちガスバーナの着火保炎性を向上して、
発熱率変動を抑えようとするものである。

【００１７】すなわち本発明は、火炎安定化の一手段と
して、主燃料と副燃料を別のエレメントで供給するとと
もに、副燃料用のエレメントをインペラの近くに配置し
て副燃料を燃焼用一次空気と予混合状態で供給するよう
にしたものである。また、インペラの近傍の発熱率を時
間的に安定化させるために、副燃料の空気との混合時間
を十分にとり、局所空気比を均一にする工夫をしたもの
である。

【００１８】

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明す
る。先ず全体の構造を図６により概説する。図６は、ガ
ス燃焼用空気供給装置の系統図を示す。主燃料である液
化天然ガス（ＬＮＧ）は、この受け入れ基地のＬＮＧ貯
蔵タンク６１からパイプラインで火力発電所にまで送ら
れる。発電所内でベーパライザ（気化器）６２によりガ
ス化して、流量調整弁６３で圧力調整した後各バーナに
供給する。通常バーナ入り口のガス圧は、最大負荷時に
おいて１atgから３atgの範囲に設定されるが特にこれと
いった圧力の規制値はない。しかし燃焼振動抑制から
は、火炉内の圧力脈動が燃料側にフィードバックしにく
いように、できるだけバーナ入り口圧力を高くした方が
良い。ただし、１atgを越えるとノズル出口部において
ガス流速は音速に達し、火炉の圧力脈動が燃料の圧力変
動に直接影響するとは考えにくいので、それほど燃焼振
動抑制効果はないと考えられている。一方燃焼用空気
は、ＦＤＦ（押し込み通風器）６４で加圧した後、空気
予熱器６６で約３３０℃まで昇温した後、火炉の各段に
設けた燃焼用空気の供給ダクトである風箱６５に供給す
るようになっている。

【００１９】図１は、本発明に係るガス燃料を用いた燃
焼装置の断面図を示す。ガス燃料はガス燃料供給ヘッダ
１１０から主燃料１０７と副燃料１０８に分割されて供
給される。このうち、副燃料１０８は、インペラ１０１
の内側で予混合気を作るために、インペラ１０１の前流
側の１次空気流路において副燃料供給エレメント１０６
から噴射される。一方、主燃料１０７は、主燃料供給エ
レメント１０３から噴射される。これらの、ガス燃料を
燃焼させる燃焼用空気は、１次空気１１４、２次空気１
１３、３次空気１１２と３つに分割された空気流路から
１次空気１１４を除いて旋回がかけられて火炉１０２に
供給される。２次空気１１３と３次空気１１２の旋回
は、２次空気エアレジスタ１０５と３次空気エアレジス
タ１０４の開度調整によって行われる。これらの旋回に
よって、大きな再循環領域が形成されるために、火炎は
安定着火する。

【００２０】主燃料１０７と副燃料１０８の燃料配分比
は、３：１以上にしてインペラ１０１の近傍であまり発
熱しないようにする。また、１次空気１１４の予混合用
の１次空気流量は、副燃料１０８の燃料流量に比例した
量を投入するように、１次空気量調整ダンパ１０９を変
化させる。なお、主燃料１０７は、バーナ近傍で発熱し
ないように、主燃料１０７の周囲を低Ｏ₂濃度の不活性
ガスで包むようにする。この不活性ガスは、火炉出口ガ
スを再循環したものを用いる。その供給方法は、再循環
ファンで加圧された排ガスの一部を排ガス供給ヘッダ１
１１に送り、円筒上状の排ガス流路１１６で炉内に供給
する。図２に、図１の平断面図を示した。この図２で
は、主燃料供給エレメント１０３の燃料噴射孔が１つの
場合を紹介したが複数の場合もありうる。図８には、主
燃料供給エレメント１０３の構造について示した。これ
は、単孔ノズルのケースであり、複孔の場合にはノズル
端面８２に複数の噴射孔があけられることになる。

【００２１】図９には、副燃料供給エレメント１０６の
構造図を示した。ここでは、副燃料１０８と１次空気１
１４との混合を良好に保つために、副燃料噴射孔９１
は、複数個開けられ、１次空気１１４の流れ方向に対し
て垂直方向に噴射するようになっている。さて、インペ
ラ１０１の後方の局所空気比を調整するために光ファイ
バ１１７をインペラ１０１に挿入して、このインペラ１
０１後方の火炎中のＯＨ，ＣＨ，Ｃ₂等のラジカルの発
光強度を検出し、発熱率や空気比の情報を得る。これら
の情報をもとに制御部１１９でバーナ局所空気比を１次
空気流量で調整し抑制するようになっている。ここで副
燃料の局所空気比は０.８以下もしくは１.２以上に保た
れのがよい。このように、これらの計測分析は、光ファ
イバ１１７に接続されたバーナ外部に設けられた発熱
率、空気比計測評価装置である該制御部１１９で行い、
１次空気流量調整ダンパ１０９の開度を変化させるよう
になっている。この装置は、１次空気流量調整ダンパ１
０９と同じく、通常運転時には調整不要であり、ボイラ
の試運転時と定期点検後に実施する。従って、光ファイ
バ１１７は、取り付け及び取り外しが容易な構造とし
て、通常運転時には取り外しておくようになっている。

【００２２】図１０乃至図１３にはその他の実施例を示
した。図１０は主燃料供給エレメント１０３を燃焼用の
３次空気１１２の流路に挿入した例を示す。なお図１１
は、図１０の正面図である。この構造は主燃料１０７の
ガスエレメントを燃焼用の３次空気１１２の流路に挿入
するため、１次空気１１４、２次空気１１３及び３次空
気１１２の各々の空気流路幅を十分に取っており、基本
的に既設ガスバーナ構造に近い構造となっている。この
ため既設バーナの改造が容易な利点を持つ。

【００２３】図１２は副燃料１０８の噴射方向を１次空
気１１４に対して逆に噴射し、副燃料１０８と１次空気
１１４の混合の促進効果をねらったものである。なお、
図１３は図１２に示すバーナの正面図を示す。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、中心部流路より外側の
流路に設けたガスエレメントからの主燃料を火炉内に噴
射し、中心部流路内に設けたガスエレメントからの副燃
料を保炎器の前流側に噴射するようにしたため、起振源
になるバーナの安定性を確保することができるととも
に、火炉の設計が容易になる。さらに、中心部流路より
外側の流路に設けたガスエレメントからの主燃料を火炉
内に噴射し、中心部流路内に設けたガスエレメントから
の副燃料を保炎器の上流側で空気と予混合し、予混合さ
れた副燃料を保炎器に供給するようにしているため、副
燃料と空気との混合時間を十分にとることができ、保炎
器近傍の発熱率を時間的に安定化させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るガス燃料を用いた燃焼装置の側断
面図である。

【図２】図１の正面図である。

【図３】燃焼振動の機構を示す説明図である。

【図４】従来型のガスバーナの火炎安定化原理を示す要
部断面図である。

【図５】（ａ）〜（ｄ）は従来例の周期的な火炎の不安
定化現象機構を示す断面図である。

【図６】ガス焚きボイラの燃焼系統を示す概略構成図で
ある。

【図７】従来例のバーナの構造を示す断面図である。

【図８】本発明に係る燃焼装置の主燃料供給エレメント
を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は正
面図である。

【図９】本発明に係る副燃料供給エレメントを示す側面
図である。

【図１０】本発明の他の実施例を示し、主燃料供給エレ
メントを３次空気流路に挿入した例を示す断面図であ
る。

【図１１】図１０の正面図である。

【図１２】本発明の他の実施例を示し、副燃料の供給方
法を変えた場合の断面図である。

【図１３】図１２の正面図である。

【符号の説明】

１０１保炎器（インペラ）１０２火炉１０３主燃料供給エレメント１０４３次空気レジスタ１０５２次空気レジスタ１０６副燃料供給エレメント１０７主燃料１０８副燃料１０９１次空気量調整ダンパ１１２３次空気１１３２次空気１１４１次空気１１５排ガス１１６排ガス流路１１７光ファイバ１１８バーナスロート１１９制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者野村伸一郎広島県呉市宝町３番36号バブコック日立株式会社呉研究所内 (72)発明者植村俊雄広島県呉市宝町６番９号バブコック日立株式会社呉工場内 (56)参考文献特開平１−121610（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−52831（ＪＰ，Ａ) 特開平６−88609（ＪＰ，Ａ) 特開平１−51721（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23D 14/22 F23C 11/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ガス燃料を火炉内に噴出させるガスエレ
メントと、前記ガス燃料を燃焼させる燃焼用空気を供給
する中心部の流路およびその外側に設けられた流路と、
前記中心部流路内の先端に火炉内に面して設けられた保
炎器とを有する燃焼装置において、前記ガスエレメント
を前記外側流路内および中心部流路内にそれぞれ設け、
前記ガス燃料を外側流路内に設けたガスエレメントから
火炉内に噴出し、中心部流路内に設けたガスエレメント
から前記保炎器の前流側に噴出するようにしたことを特
徴とするガス燃料を用いた燃焼装置。
【請求項２】ガス燃料を火炉内に噴出させるガスエレ
メントと、前記ガス燃料を燃焼させる燃焼用空気を供給
する中心部の流路およびその外側に設けられた流路と、
前記中心部流路内の先端に火炉内に面して設けられた保
炎器とを有する燃焼装置において、前記ガスエレメント
を前記外側流路内および中心部流路内にそれぞれ設け、
前記ガス燃料を外側流路内に設けたガスエレメントから
火炉内に噴出して主燃料火炎を形成させ、中心部流路内
に設けたガスエレメントから前記保炎器の上流側に噴出
して中心部空気との予混合状態として後流側に供給する
ようにしたことを特徴とするガス燃料を用いた燃焼装
置。