JP4482858B2 - 希薄予蒸発予混合燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン用の低ＮＯｘ燃焼器に係わり、さらに詳しくは、高炭素比燃料をスモークとカーボンの発生と堆積を抑制して燃焼可能な希薄予蒸発予混合燃焼器に関する。

従来の低ＮＯｘ燃焼器は、例えば、単一又は複数のパイロットバーナーと単一又は複数のメインバーナーとを備え、メインバーナーは、例えば、互いに同軸に配置された主噴射弁と予混合管とからなる。

主噴射弁には、ケーシングを通して外部から燃料が供給される。この燃料には、例えばガス燃料又は液体燃料を用いる。予混合管は、例えば一端部が開口した円筒形の筒であり、内部で燃料と空気が互いに混合しやすくなっている。すなわち、メインバーナーは、主噴射弁と予混合管で構成された予混合希薄バーナーである。この構成により、主噴射弁により予混合管内に燃料を噴射し、予混合管内で燃料を十分な空気量と予混合しこれを希薄燃焼させることができる。
かかる予混合燃焼方式の燃焼器では、燃料を十分な空気量と予混合しこれを希薄燃焼させるものであり、このためホットスポットがなく、高温火炎の発生をなくし低ＮＯｘ化を実現することができる。

なお、スモークとカーボンの発生と堆積を抑制するガスタービン用燃焼器として、非特許文献１、２、特許文献１〜２等が開示されている。また、その他に関連する文献として、特許文献３〜６が開示されている。

非特許文献１では、ディーゼルオイル、芳香族成分を多く含みガスタービンにおいてスモークを発生しやすい燃料を用い燃焼試験を実施し、燃料噴射弁より水噴射を行うことでスモークが低減することを確認している。
非特許文献２では、燃料に添加物を混入し、スモークを低減する。

特許文献１の「ガスタービンの燃焼器」は、図２に示すように、圧縮機から供給される圧縮空気に燃料を混合して予混合気を作る予混合室５１と、予混合室からの予混合気を燃焼させる燃焼室５２とを備え、前記予混合室を形成する予混合管５３が、加熱コイルを絶縁部材で覆った加熱体により形成されているものである。この構成により、予混合管を加熱体で形成し、予混合管を加熱することによりカーボンの堆積を防止する。

特許文献２の「予混合型燃焼器を備えたガスタービン」は、図３に示すように、圧縮機から供給される圧縮空気に燃料を供給して燃焼させるパイロットノズル６１と、このパイロットノズルの外周に配置された環状の予混合室６２と、この予混合室に予混合用の燃料を供給するメインノズル６３とを備え、前記パイロットノズル６１による拡散燃焼領域の外周の少なくとも一部を前記予混合室６２の内周壁で覆うことにより、前記内周壁の外周面をカーボン付着温度以上に保持させるものである。この構成により、予混合質の内周壁面をパイロットバーナーの燃焼ガスで加熱し、予混合質にカーボンが堆積するのを防止する。

Ｒｏｇｅｒ Ｇａｄｉｏｕ，Ｍｉｃｈｅｌ Ｍｏｌｉｅｒｅ ＣＩＭＡＣ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ２００１，Ｈａｍｂｕｒｇ，Ｐ４０１ インターネット ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｕｒｂｏｔｅｃｔ．ｃｏｍ／ｔｕｒｂｏｔｅｃｔ ｅｒ １８．ｈｔｍｌ

特開２０００−２１３７４８号公報 特開平１０−３０００９０号公報 特開平１０−１６０１６２号公報 特開平１０−１７６８３１号公報 特開平１０−３３９４３８号公報 特開２００２−２５０５１６号公報

近年、石油化学プラント等で余剰となった原料燃料をガスタービン燃料として用いることが検討されている。このような余剰液体燃料のうちいわゆる高炭素比燃料（例えばライトサイクルオイル：ＬＣＯ）は、密度及び粘度が大きく、Ｃ／Ｈ比が高い。また、芳香族成分が多く、そのためセタン価とスモーク点が低く、この燃料を拡散燃焼器に用いた場合、スモーク発生量が多く、ライナーが過熱されるおそれがある。また完全燃焼が困難であり、フラッシュバックやカーボン堆積が発生しやすい問題点があった。

スモークの発生を抑制するために、燃料に水を添加しまたは燃料と同時噴射する場合、純水を燃焼器に投入する付属設備が必要になり、純水製造装置やそのメンテナンス費用が増えるばかりでなく、スモーク発生の低減効果が低い、という問題がある。
また燃料に添加物をドーピングする場合、大量の添加物と添加物を燃料に混合するための付帯設備が必要となるばかりでなく、燃焼ガスに重金属成分が入るため、燃焼器ライナーやタービン翼等の損傷をきたす問題が発生する。
また燃料と同時に水蒸気を燃料噴射弁より噴射しスモークを低減する場合、蒸気を製造するための付帯設備が必要となる。

一方、カーボンの堆積を防止する有効手段は確立されておらず、カーボン堆積が生じた場合は、燃料を水素含有率の高い燃料に変更することにより防止できるが、一般に水素含有率の高い液体燃料は高価であり、沸点も低いという特徴があり、使用することが困難である。
また燃焼負荷を下げ、予蒸発予混合管内の燃料濃度を低くし、カーボン堆積の防止を図ることができるが、ガスタービンの出力を低下させることとなり、性能低下が避けられず実用化は困難である。

本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、高炭素比燃料に水や添加物を添加することなくそのまま燃焼させることができ、かつスモークとカーボンの発生と堆積を抑制することができる希薄予蒸発予混合燃焼器を提供することにある。

本発明によれば、高炭素比液体燃料を空気流中に噴射して旋回流を形成する燃料噴射弁と、前記液体燃料を蒸発させ空気と均一な希薄燃焼濃度に混合する予蒸発予混合管と、該予蒸発予混合管の下流側に設けられ混合された希薄混合気を燃焼させる燃焼器ライナーとを備え、
前記予蒸発予混合管は、前記旋回流が形成される領域を囲むとともに、その内壁面に沿って軸方向に流れる空気フィルムを形成するようになっている、ことを特徴とする希薄予蒸発予混合燃焼器が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記予蒸発予混合管は、燃料噴射弁を間隔を隔てて囲み燃焼器ライナーまで延びる中空円筒形の外管と、該外管の内側に位置し燃料噴射弁を囲み軸方向における燃料噴射弁からの長さが外管より短い中空円筒形の内管と、外管と内管の間に位置しその隙間を通して軸方向に流れる空気流の流量を制御する流量制御器とからなる。

上記本発明の構成によれば、予蒸発予混合管で生成させた可燃混合気は、均一な希薄燃焼濃度に混合されているため、どの領域においても安定に燃焼するために必要な酸素を含んでいる。そのため熱分解した炭素成分が酸素不足のため凝集しスモークが生成することがない。また、高炭素比燃料に水や添加物を添加しないため、水、水蒸気、燃料混入用の試薬等、低スモーク化のため必要な燃料以外の供給物やそれらを供給するための設備が必要なくなり、コスト削減、燃焼機構の簡素化を図ることができる。

また、予蒸発予混合管の内壁面に沿って軸方向（参考例では逆旋回方向）に流れる空気フィルムを形成するので、燃料噴射弁から噴射された燃料液滴の一部が空気フィルム内に進入しても軸方向の空気フィルム内では遠心力が作用せず空気流と共に軸方向に流されるため、燃料が予混合管に付着することがない。参考例では逆旋回方向の空気フィルムは順旋回流れと打ち消し合い、軸方向の流れとなることで遠心力がなくなる。これにより、燃料がタール化、カーボン化し予混合管内に堆積するのを防止することができる。

また予蒸発予混合管を、中空円筒形の外管および内管と、その間に位置する流量制御器で構成することにより、流量制御器（例えばオリフィス、スリット）で軸方向（参考例では逆旋回方向）に流れる空気流量を制御することができる。
さらに、内管は、燃料噴射弁を囲み外管より短いので、内管に直接噴射された微量の燃料液滴は内管の下流端から空気流中に入り、空気フィルム内で空気流と混合されながら軸方向に流されるため、蒸発し堆積する前に液滴を微細化し混合することができる。

従って、本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器は、高炭素比燃料に水や添加物を添加することなくそのまま燃焼させることができ、かつスモークとカーボンの発生と堆積を抑制することができる、等の優れた効果を有する。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器の実施形態図である。この図に示すように、本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器１０は、燃料噴射弁１２、予蒸発予混合管１４、及び燃焼器ライナー１６を備える。

本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器１０（以下、単に「燃焼器」と呼ぶ）は、高炭素比液体燃料を燃料として使用する。高炭素比液体燃料（Ｈｉｇｈ Ｃａｒｂｏｎ Ｒａｔｉｏ Ｆｕｅｌ：ＨＣＲＦ）とは、ライトサイクルオイル、重質油、等であり、水素に比べて炭素の比率が一般の液体燃料（軽油、ガソリン、灯油等）に比べて多い液体燃料と定義する。

燃料噴射弁１２は、高炭素比液体燃料１（以下、単に「ＨＣＲＦ」と呼ぶ）を空気流中に噴射する機能を有する。この例において、燃料噴射弁１２は、その周囲に旋回翼１３を備える。旋回翼１３は、燃料噴射弁１２の内側に空気２を導入して強い旋回流３を形成する。この旋回流３による強い流れの乱れにより、燃料噴射弁１２で噴射された液体燃料を微粒化すると共に、予蒸発予混合管内で燃料と空気を急速に混合する。

予蒸発予混合管１４は、液体燃料を燃焼前に蒸発し、空気と混合するための領域であり、この領域で強い乱れを生じさせることで液体燃料を急速に混合し、空気と均一な希薄燃焼濃度に混合する機能を有する。

図１において、予蒸発予混合管１４は、外管１４ａ、内管１４ｂおよび外管と内管の間に位置する流量制御器１５とからなる。
外管１４ａは、燃料噴射弁１２を間隔を隔てて囲み、燃焼器ライナー１６まで延びる中空円筒形部材であり、その内壁面に沿って軸方向（参考例では逆旋回方向）に流れる空気フィルム５を形成するようになっている
内管１４ｂは、外管１４ａの内側に位置し、燃料噴射弁１２を囲み、外管より短い中空円筒形部材であり、外管１４ａとの隙間から燃焼用空気２を予蒸発予混合管１４の内部に導入するようになっている。
流量制御器１５は、例えばオリフィス、スリット、可変流量調節弁等であり、外管１４ａと内管１４ｂの隙間を通して軸方向（参考例では逆旋回方向）に流れる空気流の流量を制御する機能を有する。

燃焼器ライナー１６は、予蒸発予混合管１４の下流側に設けられ、混合された希薄混合気を燃焼させる機能を有する。
なお、燃焼器ライナー１６内には、パイロットバーナー１７が設けられ、そのパイロット火炎により、燃焼を安定化するようになっている。

上述した本発明の構成によれば、予蒸発予混合管１４で生成させた可燃混合気は、均一な希薄燃焼濃度に混合されるため、どの領域においても安定に燃焼するために必要な酸素を含んでいる。そのため熱分解した炭素成分が酸素不足のため凝集しスモークが生成することがない。また、高炭素比燃料に水や添加物を添加しないため、水、水蒸気、燃料混入用の試薬等、低スモーク化のため必要な燃料以外の供給物やそれらを供給するための設備が必要なくなり、コスト削減、燃焼機構の簡素化を図ることができる。

また、予蒸発予混合管１４の内壁面に沿って軸方向（参考例では逆旋回方向）に流れる空気フィルム１５を形成するので、燃料噴射弁１２から噴射された燃料液滴１の一部が空気フィルム内に進入しても軸方向の空気フィルム内では遠心力が作用せず空気流と共に軸方向に流されるため、燃料１が予混合管に付着することがない。参考例では逆旋回方向の空気フィルムは順旋回流れと打ち消し合い、軸方向の流れとなることで遠心力がなくなる。これにより、燃料がタール化、カーボン化し予混合管内に堆積するのを防止することができる。

また予蒸発予混合管１４を、中空円筒形の外管１４ａおよび内管１４ｂと、その間に位置する流量制御器１５で構成することにより、流量制御器１５（例えばオリフィス、スリット）で軸方向に流れる空気流量を制御することができる。
さらに、内管１４ｂは、燃料噴射弁１２を囲み外管１４ａより短いので、内管１４ｂに直接噴射された微量の燃料液滴は内管１４ｂの下流端から空気流中に入り、空気フィルム５内で空気流と混合されながら軸方向に流されるため、蒸発し堆積する前に液滴を微細化し混合することができる。

従って、本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器は、高炭素比燃料に水や添加物を添加することなくそのまま燃焼させることができ、かつスモークとカーボンの発生と堆積を抑制することができる、等の優れた効果を有する。

なお本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

本発明の希薄予蒸発予混合燃焼器の実施形態図である。 特許文献１の「ガスタービンの燃焼器」の模式図である。 特許文献２の「予混合型燃焼器を備えたガスタービン」の模式図である。

符号の説明

１ 高炭素比液体燃料、２ 空気、３ 旋回流、５ 空気フィルム、
１０ 希薄予蒸発予混合燃焼器、１２ 燃料噴射弁、１３ 旋回翼、
１４ 予蒸発予混合管、１４ａ 外管、１４ｂ 内管、
１５ 流量制御器、１６ 燃焼器ライナー、
１７ パイロットバーナー

Claims (2)

1. 高炭素比液体燃料を空気流中に噴射して旋回流を形成する燃料噴射弁と、前記液体燃料を蒸発させ空気と均一な希薄燃焼濃度に混合する予蒸発予混合管と、該予蒸発予混合管の下流側に設けられ混合された希薄混合気を燃焼させる燃焼器ライナーとを備え、
   前記予蒸発予混合管は、前記旋回流が形成される領域を囲むとともに、その内壁面に沿って軸方向に流れる空気フィルムを形成するようになっている、ことを特徴とする希薄予蒸発予混合燃焼器。
2. 前記予蒸発予混合管は、燃料噴射弁を間隔を隔てて囲み燃焼器ライナーまで延びる中空円筒形の外管と、該外管の内側に位置し燃料噴射弁を囲み軸方向における燃料噴射弁からの長さが外管より短い中空円筒形の内管と、外管と内管の間に位置しその隙間を通して軸方向に流れる空気流の流量を制御する流量制御器とからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の希薄予蒸発予混合燃焼器。

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