JP2019105382A - 燃料燃焼装置及び燃焼方法 - Google Patents

Abstract

【課題】火炎安定性を高めるとともに窒素酸化物の排出量を抑制する燃料燃焼装置及び燃料の燃焼方法を提供することを目的としている。【解決手段】酸化剤と第１の燃料と第２の燃料とが供給され、第１の燃料及び第２の燃料が拡散燃焼する燃焼室を有する燃焼器を備え、燃焼器には、酸化剤を燃焼室に導く酸化剤供給口と、酸化剤供給口よりも内側に配置され、第１の燃料を燃焼室に導く第１の燃料供給口と、酸化剤供給口よりも外側に配置され、第２の燃料を燃焼室に供給する第２の燃料供給口と、が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料燃焼装置及び燃焼の燃焼方法に関し、例えば、メタン等の炭化水素系燃料と比較して燃焼性が低いアンモニア等といった燃料を燃焼させる燃料燃焼装置及び燃焼の燃焼方法に関する。

再生可能エネルギーの貯蔵用及び輸送用の媒体として、水素キャリアへの期待が高まっている。水素キャリアには、例えば、有機溶媒に水素を着脱して用いる有機ハイドライトや、窒素及び水素から合成されるアンモニア等がある。アンモニアは炭素原子を含まず、アンモニアが燃焼したときに主に発生する物質は水と窒素である。つまり、アンモニアは燃焼しても二酸化炭素が発生しないので、アンモニアを燃料に用いることで二酸化炭素の排出量の削減効果が期待できる。しかし、アンモニアが燃焼すると、環境負荷が高い窒素酸化物が生成される場合がある。また、アンモニアは、メタン等の炭化水素系燃料と比較すると着火しにくく、層流燃焼速度が低い、という特性がある。このため、アンモニアを燃料とすると、未燃のアンモニアが生じる場合がある。アンモニアは刺激臭があり、劇物に指定されている。窒素酸化物及びアンモニアは、排出規制が設けられている。

従来、アンモニアと空気とを別々に燃焼器の燃焼室に供給し、当該燃焼室のアンモニアを拡散燃焼させる技術が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１の技術は、燃料であるアンモニアを燃焼室へ供給する前段でアンモニアと空気とを予め混合せずに燃焼器の燃焼室に供給することで、燃焼室で形成される火炎を安定化させている。燃焼室の火炎の安定化はアンモニアのような着火しにくく、燃焼速度が低い燃料を用いる燃焼器の実用化に重要である。

Osamu Kurata, Norihiko Iki, Takayuki Matsunuma, Takahiro Inoue, Taku Tsujimura, Hirohide Furutani, Hideaki Kobayashi, Akihiro Hayakawa, "Performances and emission characteristics of NH3-air and NH3-CH4-air combustion gas-turbine power generations" Proceedings of the Combustion Institute 36 (2017) 3351-3359.

非特許文献１の技術は、拡散燃焼では燃料と空気とを燃焼器内で混ぜるため、火炎安定性を高めることが可能となり、アンモニアを燃料とするガスタービン発電設備の実現に至った。しかし、燃焼器出口における窒素酸化物の排出量が著しく高く、この低減が求められる。

本発明は、上記従来の技術における課題に鑑みてなされたものであって、安定な火炎を形成するとともに、窒素酸化物の排出量を抑制する燃料燃焼装置及び燃料の燃焼方法を提供することを目的としている。

本発明に係る燃料燃焼装置は、酸化剤と第１の燃料と第２の燃料とが供給され、第１の燃料及び第２の燃料が拡散燃焼する燃焼室を有する燃焼器を備え、燃焼器には、酸化剤を燃焼室に導く酸化剤供給口と、酸化剤供給口よりも内側に配置され、第１の燃料を燃焼室に導く第１の燃料供給口と、酸化剤供給口よりも外側に配置され、第２の燃料を燃焼室に供給する第２の燃料供給口と、が設けられている。

本発明に係る燃料の燃焼方法は、燃焼器の燃焼室に酸化剤及び燃料を供給し、燃料を拡散燃焼させる燃料の燃焼方法であって、酸化剤の供給位置よりも内側の位置から第１の燃料を燃焼室へ供給するとともに、酸化剤の供給位置よりも外側の位置から第２の燃料を燃焼室へ供給する。

本発明によれば、上記構成を有しているので、安定な火炎を形成できるとともに窒素酸化物の排出量を抑制することができる。

噴射ガス供給システム１００の模式図である。 燃焼器４０の概要構成例図である。 燃焼器４０のうち供給面部４２側を模式的に示した図である。 燃焼器４０の供給面部４２の平面視図である。 燃料の流れ及び酸化剤の流れの説明図である。 燃焼器４０内のガスが螺旋状に流れる様子及び燃焼器４０内のガスが燃焼器４０の中心部に流入する様子を示している。 実施の形態の効果を検出するための三次元計算の計算領域説明図である。 燃焼器４０の構成によって、燃焼器４０の各所で生成される窒素酸化物が抑制されることの説明図である。 燃焼器４０において拡散燃焼方式を採用しても、燃焼室Ｒｍ内の燃料と酸化剤との混合が促進されることの説明図である。 燃焼器４０の構成によって窒素酸化物の排出量が抑制されることの説明図である。

実施の形態．
図１は、実施の形態に係る噴射ガス供給システム１００の模式図である。噴射ガス供給システム１００は、例えばガスタービン等に適用され、燃焼器４０に酸化剤及び燃料を供給するシステムである。燃焼器の代表的な燃焼方式には、燃料と酸化剤があらかじめ混合した状態で燃焼器に供給する「予混合燃焼」と、燃料と酸化剤が別々に燃焼器に供給される「拡散燃焼」とがある。実施の形態は拡散燃焼を採用している。なお、以下の説明において、燃料、酸化剤をガスとも称する。

＜実施の形態の構成＞
図１に示すように、噴射ガス供給システム１００は、酸化剤と第１の燃料と第２の燃料とが供給される燃焼器４０と、燃焼器４０内へ供給されるガスを旋回させる機能を有する旋回流形成器２０とを備えている。旋回流形成器２０は、酸化剤を旋回させる第１のスワラ２０Ａと、第１の燃料を旋回させる第２のスワラ２０Ｂと、第２の燃料を旋回させる第３のスワラ２０Ｃとを備えている。第１のスワラ２０Ａ、第２のスワラ２０Ｂ及び第３のスワラ２０Ｃは、それぞれ、ガス（酸化剤、第１の燃料及び第２の燃料）の流れを変える複数の羽根を有している。すなわち、各スワラの羽根は各スワラを通過するガスの進行方向を曲げる機能を有している。

酸化剤としては、空気及び純酸素を採用することができる。また、酸化剤としては、酸素濃度が２１％より高い、窒素及び酸素の混合気を採用することもできる。実施の形態では酸化剤として空気を採用した場合を説明する。また、第１の燃料及び第２の燃料は、アンモニア、アンモニアと炭化水素系燃料との混合物、及び、アンモニアと水素との混合物等に利用可能性がある。また、実施の形態において第１の燃料及び第２の燃料が同じ物質（アンモニア）であるが、異なっていても利用可能性がある。実施の形態では第１の燃料及び第２の燃料としてアンモニアを採用した場合を説明する。

図２は、燃焼器４０の概要構成例図である。図３は、燃焼器４０のうち供給面部４２側を模式的に示した図である。図４は、燃焼器４０の供給面部４２の平面視図である。図２において、流れＦＬ１は酸化剤の流れを示しており、流れＦＬ２１は第１の燃料の流れを示しており、流れＦＬ２２は第２の燃料の流れを示している。図２に示すように、燃焼器４０は筒状の胴部４１と、胴部４１の一方側に設けられている円板状の供給面部４２と、胴部４１の他方側に設けられている筒状の頭部４３とを備えている。燃焼器４０には酸化剤と第１の燃料と第２の燃料とが供給される燃焼室Ｒｍが形成されている。供給面部４２には、酸化剤を燃焼室Ｒｍに導く酸化剤供給口Ｏｐ１と、酸化剤供給口Ｏｐ１よりも内側に配置され、第１の燃料を燃焼室Ｒｍに導く第１の燃料供給口Ｏｐ２１と、酸化剤供給口Ｏｐ１よりも外側に配置され、第２の燃料を燃焼室Ｒｍに供給する第２の燃料供給口Ｏｐ２２と、が設けられている。また、頭部４３には、燃焼室Ｒｍのガスを排出する排気口Ｏｐ３が設けられている。

図３及び図４に示すように、酸化剤供給口Ｏｐ１、第１の燃料供給口Ｏｐ２１及び第２の燃料供給口Ｏｐ２２は、それぞれ、環状の開口部である。実施の形態において、酸化剤供給口Ｏｐ１、第１の燃料供給口Ｏｐ２１及び第２の燃料供給口Ｏｐ２２は、円環状に形成されている。

＜実施の形態の動作＞
図５は、燃料の流れ及び酸化剤の流れの説明図である。図６は、燃焼器４０内のガスが螺旋状に流れる様子及び燃焼器４０内のガスが燃焼器４０の中心部に流入する様子を示している。図５の流れＦＬ１に示すように、酸化剤は燃焼器４０の酸化剤供給口Ｏｐ１から燃焼室Ｒｍへ流入し、図５の流れＦＬ２１に示すように、第１の燃料は燃焼器４０の第１の燃料供給口Ｏｐ２１から燃焼室Ｒｍへ流入し、図５の流れＦＬ２２に示すように、第２の燃料は燃焼器４０の第２の燃料供給口Ｏｐ２２から燃焼室Ｒｍへ流入する。このとき、酸化剤の流れは、第１の燃料の流れと第２の燃料の流れとの間に挟まれている。燃焼室Ｒｍ内において、第１の燃料と酸化剤とが反応して燃焼するとともに、第２の燃料と酸化剤とが反応して燃焼する。また、酸化剤等のガスは、燃焼室Ｒｍに流入する前に、図１及び図２で説明した旋回流形成器２０を通過している。このため、図６に示すように、酸化剤等のガスは、燃焼室Ｒｍに流入すると旋回流ＦＬａを形成する。ここで、旋回流ＦＬａは、酸化剤の流れと第１の燃料の流れと第２の燃料の流れとを合わせた流れである。また、燃焼室Ｒｍに旋回流ＦＬａが形成されているときにおいて、旋回流ＦＬａの中心部は圧力が下がっているため、旋回流ＦＬａの中心部に流入した後に、頭部４３側（図２参照）から供給面部４２側へ向かう流れＦＬｂが形成される。すなわち、燃焼室Ｒｍには逆流するような流れＦＬｂが形成される。流れＦＬｂが形成されることで、燃焼室Ｒｍ内の火炎の安定化する。

ここで、当量比について説明する。当量比は、燃料の濃さを表す数値である。実施の形態における当量比は、酸化剤（空気）と、第１の燃料及び第２の燃料とを合わせた燃料（アンモニア）との当量比である。

当量比φは次の式（１−１）のように表される。
φ＝（ｆｌ１／ｆｌ２）／（ＦＬＳＯ／ＦＬＳＦ） ・・・式（１−１）
ｆｌ１は、第１の燃料供給口Ｏｐ２１から実際に供給する第１の燃料の流量と、第２の燃料供給口Ｏｐ２２から実際に供給する第２の燃料の流量と、を合わせた総流量である。ｆｌ２は、酸化剤供給口Ｏｐ１から実際に供給する酸化剤の流量である。
ＦＬＳＯは、第１の燃料の流量及び第２の燃料の流量を合わせた総流量の理論値である。ＦＬＳＦは、酸化剤の流量の理論値である。

ここで、アンモニアと酸素との化学反応式は次の通りである。
４ＮＨ_３ ＋ ３Ｏ_２ ＝ ６Ｈ_２Ｏ ＋ ２Ｎ_２
つまり、アンモニアと酸素とは４：３の割合（モル比）で反応する。仮に、第１の燃料及び第２の燃料の全てがアンモニアであり、酸化剤の全てが酸素である場合には、ＦＬＳＯ／ＦＬＳＦ＝４／３である。

したがって、当量比φは次の式（１−２）のように表される。
φ＝（３／４）×（ｆｌ１／ｆｌ２） ・・・式（１−２）

実施の形態において、当量比φは１よりも大きく設定している。つまり、第１の燃料と第２の燃料とを合わせた燃料は、酸化剤に対して過濃になっている。好ましくは、当量比φを１．２とする。

また、実施の形態において、単位時間あたりに燃焼室Ｒｍへ供給される第１の燃料の体積（以下、第１の体積とも称する）は、単位時間あたりに燃焼室Ｒｍへ供給される第２の燃料の体積（以下、第２の体積とも称する）よりも、大きい。また、好ましくは、第１の体積と第２の体積との比を、０．６：０．４とする。

更に、実施の形態において、燃焼室Ｒｍの圧力は大気圧よりも高くなっている。例えば、燃焼室Ｒｍの圧力は、噴射ガス供給システム１００に弁等の圧力調整機構を設けることで、調整することができる。

＜実施の形態の効果＞
次に述べる検証を行い、実施の形態の燃焼器４０に関する効果が得られることを検証したので説明する。検証には、実験による方法また数値計算による方法が考えられる。また数値計算にはＤＮＳ（Direct Numerical Simulation）、ＬＥＳ（Large Eddy Simulation）及びＲＡＮＳ（Reynolds Averaged Navier Stokes equation）という手法がある。ここでは、ＬＥＳによる数値計算により検証した結果を示す。

図７は、実施の形態の効果を検出するための三次元計算の計算領域説明図である。図７（ａ）は計算領域の全体図を示している。図７（ｂ）は図７（ａ）の計算領域の縦断面図である。図７を参照して、実施の形態の効果を三次元の数値計算で検証したことについて説明する。なお、いずれの計算領域も構造格子を採用し、また、図６中では図示省略しているが、計算領域の数は約３百２十万個であり、各計算領域の格子幅は約０．６３ｍｍであり、各計算領域の体積は約０．２５ｍｍ^３である。

数値計算コードには、ＯｐｅｎＦＯＡＭ（Open source Field Operation And Manipulation）を用いた。基礎方程式は、質量保存式、運動量保存式（ＬＥＳフィルタを含む）、化学種輸送方程式とした。サブグリッドスケールモデルにＷＡＬＥモデルを用いた。圧力−速度連成手法としてＰＩＳＯ法（Pressure Implicit with Splitting of Operators）を利用した。また、数値計算の収束判定には、質量流量の残差が十分に小さい、燃焼器出口近傍の特定断面における化学種のモル分率が計算ステップと共に変化しなくなったこと、を基準とした。

計算領域は、流体解析用メッシュジェネレータであるＰＯＩＮＴＷＩＳＥを利用している。計算領域は、図２等に示す燃焼器４０を模擬して作成している。領域４１ｔは胴部４１に対応し、領域４２ｔは供給面部４２に対応し、領域４３ｔは頭部４３に対応している。また、領域Ｏｐ１ｔは酸化剤供給口Ｏｐ１に対応し、領域Ｏｐ２１ｔは第１の燃料供給口Ｏｐ２１に対応し、領域Ｏｐ２２ｔは第２の燃料供給口Ｏｐ２２に対応し、領域Ｏｐ３ｔは排気口Ｏｐ３に対応している。また、領域Ｒｍｔは燃焼室Ｒｍに対応している。

図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように領域４１ｔの径は７２ｍｍであり、領域４１ｔの全長は１５０ｍｍである。また、図７（ａ）に示すように、領域Ｏｐ１ｔの内径は１４ｍｍであり、領域Ｏｐ１ｔの外径は２４ｍｍである。領域Ｏｐ２１ｔの内径は８ｍｍであり、領域Ｏｐ２１ｔの外径は１３ｍｍである。領域Ｏｐ２２ｔの内径は２５ｍｍであり、領域Ｏｐ２２ｔの外径は３０ｍｍである。更に、領域Ｏｐ３ｔの径は３６ｍｍである。また、領域Ｏｐｔ１におけるスワール角は４０度である。領域Ｏｐ２１ｔ及び領域Ｏｐ２２ｔにおけるスワール角もそれぞれ４０度である。スワール角は、スワラの羽根の面と、供給面部４２に対応する領域４２ｔとがなす角度である。スワール角は図７（ｂ）において角度θとして示している。スワラの内径、外径及びスワール角が与えられるとスワール数が導かれる。具体的には、上述したスワール角において、領域Ｏｐｔ１のスワール数は０．６８となり、領域Ｏｐ２１ｔのスワール数は０．６９となり、領域Ｏｐ２２ｔのスワール数は０．７７となる。また、燃料（第１の燃料及び第２の燃料）の温度及び酸化剤の温度は、５００（Ｋ）である。

図８は、燃焼器４０の構成によって、燃焼器４０の各所で生成される窒素酸化物が抑制されることの説明図である。その他のパラメータについて、次に説明する図８（ａ）〜（ｅ）に基づいて説明する。図８（ａ）は従来の燃焼器における結果を示しており、図８（ａ）の態様では、第１の燃料供給口Ｏｐ２１に対応する領域を有するが、第２の燃料供給口Ｏｐ２２に対応する領域がない。図８（ａ）において、燃料と酸化剤との当量比φは１．２であり、燃焼器内の圧力は０．１（ＭＰａ）であり、空気の初速は２９．３３（ｍ／ｓ）であり、燃料の初速は３５．４６（ｍ／ｓ）である。

図８（ｂ）は実施の形態に係る燃焼器４０における結果を示している。図８（ｂ）において、燃料と酸化剤との当量比φは１．２であり、燃焼室Ｒｍに対応する領域Ｒｍｔの圧力は０．１ＭＰａであり、空気の初速は２９．３３（ｍ／ｓ）であり、第１の燃料の初速は２３．７３（ｍ／ｓ）であり、第２の燃焼の初速は４．５３（ｍ／ｓ）である。また、図８（ｂ）の態様において、単位時間あたりに燃焼室Ｒｍに対応する領域へ供給される第１の燃料の体積と、単位時間あたりに燃焼室Ｒｍに対応する領域へ供給される第２の燃料の体積との比は、０．６７：０．３３となっている。

図８（ｃ）も実施の形態に係る燃焼器４０における結果を示している。図８（ｃ）において、燃料と酸化剤との当量比φは１．２であり、燃焼室Ｒｍに対応する領域Ｒｍｔの圧力は０．１ＭＰａであり、空気の初速は２９．３３（ｍ／ｓ）である。これらの点では図８（ｃ）の態様は図８（ｂ）の態様と同様である。一方、図８（ｃ）において、第１の燃料の初速は２１．３６（ｍ／ｓ）であり、第２の燃焼の初速は５．４７（ｍ／ｓ）である。また、図８（ｃ）の態様において、単位時間あたりに燃焼室Ｒｍに対応する領域Ｒｍｔへ供給される第１の燃料の体積と、単位時間あたりに燃焼室Ｒｍに対応する領域Ｒｍｔへ供給される第２の燃料の体積との比は、０．６０：０．４０となっている。

図８（ｄ）も実施の形態に係る燃焼器４０における結果を示している。図８（ｄ）において、燃料と酸化剤との当量比φは１．２であり、燃焼室Ｒｍに対応する領域Ｒｍｔの圧力は０．１ＭＰａであり、空気の初速は２９．３３（ｍ／ｓ）である。これらの点では図８（ｄ）の態様は図８（ｂ）及び図８（ｃ）の態様と同様である。一方、図８（ｄ）において、第１の燃料の初速は１９．６０（ｍ／ｓ）であり、第２の燃焼の初速は６．１０（ｍ／ｓ）である。また、図８（ｄ）の態様において、単位時間あたりに燃焼室Ｒｍに対応する領域Ｒｍｔへ供給される第１の燃料の体積と、単位時間あたりに燃焼室Ｒｍに対応する領域Ｒｍｔへ供給される第２の燃料の体積との比は、０．５５：０．４５となっている。

図８（ｅ）も実施の形態に係る燃焼器４０における結果を示している。図８（ｅ）の態様は、燃焼室Ｒｍに対応する領域Ｒｍｔの圧力以外のパラメータは、図８（ｃ）の態様と同様なので説明を割愛する。図８（ｅ）において、燃焼室Ｒｍに対応する領域Ｒｍｔの圧力は０．５ＭＰａである。

図８に示す領域Ｒｇ１及び領域Ｒｇ２は、燃焼室Ｒｍに対応する領域Ｒｍｔのうち窒素酸化物の生成量が増大している領域を示している。領域Ｒｇ１の窒素酸化物の生成量は８０００（ｐｐｍ）程度かそれ以上まで増大しており、領域Ｒｇ２の窒素酸化物の生成量は２０００〜６０００（ｐｐｍ）程度まで増大している。図８（ａ）の従来の燃焼器に係る結果に示すように、燃焼器の領域Ｒｍｔのうち中央部の領域における窒素酸化物の生成は抑えられているものの、図８（ａ）の領域Ｒｇ１及び領域Ｒｇ２に示すように、燃焼室Ｒｍに対応する領域Ｒｍｔのうち燃焼器の内周部寄りの領域の広範囲において窒素酸化物の生成は抑えることができていない。その結果、窒素酸化物の生成量が、１１４８（ｐｐｍ）と高くなってしまっている。一方、図８（ｂ）の結果にように、実施の形態に係る燃焼器４０の態様では、燃焼室Ｒｍに対応する領域Ｒｍｔのうち中央部における窒素酸化物の生成が抑えられているだけでなく、図８（ａ）との比較においては、燃焼室Ｒｍに対応する領域Ｒｍｔのうち燃焼器の内周部寄りの領域における窒素酸化物の生成も抑えられている。窒素酸化物の生成量は、１０６６（ｐｐｍ）となっており、図８（ａ）の従来の燃焼器の結果と比較すると、実施の形態に係る燃焼器４０の態様が窒素酸化物の生成を抑制する上で優れていることがわかる。

また、図８（ｃ）及び図８（ｄ）の結果に示すように、実施の形態に係る燃焼器４０の態様を採用するとともに、第１の体積と第２の体積との比を０．６：０．４（図８（ｃ）の態様）又は０．５５：０．４５（図８（ｄ）の態様）とすることで、窒素酸化物の生成の更なる抑制ができていることがわかる。窒素酸化物の生成量は、図８（ｃ）の態様では６０８（ｐｐｍ）にまで抑えられ、図８（ｄ）の態様では６３７（ｐｐｍ）にまで抑えられている。

更に、図８（ｅ）の結果に示すように、実施の形態に係る燃焼器４０の態様を採用し、且つ、第１の体積と第２の体積との比を０．６：０．４とし、且つ、燃焼室Ｒｍに対応する領域Ｒｍｔの圧力を０．５（Ｍｐａ）まで上昇させることで、図８（ｃ）との比較でも、窒素酸化物の生成の更なる抑制ができていることがわかる。燃焼室Ｒｍに対応する領域Ｒｍｔの圧力を上昇させることで、燃焼室Ｒｍ内のＯＨラジカルの生成が抑えられることがわかっており、その結果、図８（ｅ）において窒素酸化物の生成の更なる抑制がなされている。

図９は、燃焼器４０の構成において拡散燃焼方式を採用しても、燃焼室Ｒｍ内の燃料と酸化剤との混合が促進されることの説明図である。図９では、燃焼室Ｒｍに対応する領域Ｒｍｔにおける、燃料と酸化剤との混合状態の分布を示している。また、図９に示すＺは混合分率と呼ばれ、燃料と酸化剤との混合状態を示している。Ｚ＝１が燃料のみ、Ｚ＝０が酸化剤のみの場合にそれぞれ対応し、またＺ＝０．１４２が化学量論に対応する。図９（ａ）に示す結果の各種パラメータの条件は図８（ａ）に示す結果のものと同じである。また、図９（ｂ）に示す結果の各種パラメータの条件は図８（ｃ）に示す結果のものと同じである。図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、実施の形態に係る燃焼器４０の態様を採用するとともに、第１の体積と第２の体積との比を０．６：０．４とすることで、Ｚが燃焼器全体にわたって一様、すなわち偏りがなく燃料（第１の燃料及び第２の燃料）と酸化剤とが混ざり合うことがわかる。特に、図９（ａ）の結果において、燃焼器の中央部の領域Ｒｇ１０は、燃焼器のガスの流入側から流出側にかけて混合が滞っていることがわかるが、その一方、図９（ｂ）の結果において、燃焼器の中央部の領域Ｒｇ１１は、燃焼器のガスの流入側から流出側にかけて混合が進んでいることがわかる。このように、実施の形態における燃焼器４０の構成は偏りがなく燃料（第１の燃料及び第２の燃料）と酸化剤とを混合することができ、その結果、燃焼室Ｒｍにおける火炎の安定化及び窒素酸化物の生成の抑制がなされる。

図１０は、燃焼器４０の構成によって窒素酸化物の排出量が抑制されることの説明図である。図１０は、図８の結果を棒グラフでまとめたものである。図８（ａ）が図１０（ａ）に対応し、図８（ｂ）が図１０（ｂ）に対応し、図８（ｃ）が図１０（ｃ）に対応し、図８（ｄ）が図１０（ｄ）に対応し、図８（ｅ）が図１０（ｅ）に対応している。図１０（ｂ）〜（ｅ）に示すように、実施の形態で説明した燃焼器４０を採用することで、燃焼室Ｒｍで生成される窒素酸化物の量を抑制することができることがわかる。その結果、燃焼器４０の窒素酸化物の排出量を抑制することができる。また、実施の形態で説明した燃焼器４０は拡散燃焼を行う。また、図１０（ｅ）に示すように、燃焼室Ｒｍの圧力を大気圧よりも上昇（例えば、０．５（ＭＰａ））させることで、燃焼室Ｒｍで生成される窒素酸化物の量を更に抑制することができることがわかる。その結果、燃焼器４０の窒素酸化物の排出量を更に抑制することができる。

本実施の形態の構成等は、例えばガスタービン等に適用される燃料燃焼装置に、適用することができる。

本実施の形態では、上述した検証に基づき、二段燃焼により窒素酸化物及びアンモニアの排出量を抑制する原理及び構成等を明らかにしている。この原理及び構成等を、高温及び高圧の環境になるガスタービン等の燃料燃焼装置に適用すれば、本実施の形態で説明した効果を奏し得る。

２０ 旋回流形成器、２０Ａ 第１のスワラ、２０Ｂ 第２のスワラ、２０Ｃ 第３のスワラ、４０ 燃焼器、４１ 胴部、４１ｔ 領域、４２ 供給面部、４２ｔ 領域、４３ 頭部、４３ｔ 領域、１００ 噴射ガス供給システム、ＦＬａ 旋回流、Ｏｐ１ 酸化剤供給口、Ｏｐ１ｔ 領域、Ｏｐ２１ 第１の燃料供給口、Ｏｐ２１ｔ 領域、Ｏｐ２２ 第２の燃料供給口、Ｏｐ２２ｔ 領域、Ｏｐ３ 排気口、Ｏｐ３ｔ 領域、Ｏｐｔ１ 領域、Ｒｍ 燃焼室、Ｒｍｔ 領域、θ 角度、φ 当量比。

本発明は、燃料燃焼装置及び燃焼方法に関し、例えば、メタン等の炭化水素系燃料と比較して燃焼性が低いアンモニア等といった燃料を燃焼させる燃料燃焼装置及び燃焼方法に関する。

Claims (14)

1. 酸化剤と第１の燃料と第２の燃料とが供給され、前記第１の燃料及び前記第２の燃料が拡散燃焼する燃焼室を有する燃焼器を備え、
   前記燃焼器には、前記酸化剤を前記燃焼室に導く酸化剤供給口と、前記酸化剤供給口よりも内側に配置され、前記第１の燃料を前記燃焼室に導く第１の燃料供給口と、前記酸化剤供給口よりも外側に配置され、前記第２の燃料を前記燃焼室に供給する第２の燃料供給口と、が設けられている
   ことを特徴とする燃料燃焼装置。
2. 単位時間あたりに前記燃焼室へ供給される前記第１の燃料の体積は、単位時間あたりに前記燃焼室へ供給される前記第２の燃料の体積よりも、大きい
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料燃焼装置。
3. 前記酸化剤、前記第１の燃料及び前記第２の燃料を前記燃焼室内で螺旋状に旋回させる旋回流形成器を更に備えている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料燃焼装置。
4. 前記酸化剤供給口、前記第１の燃料供給口及び前記第２の燃料供給口は、それぞれ円環状に設けられている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料燃焼装置。
5. 前記第１の燃料及び前記第２の燃料からなる燃料と前記酸化剤との当量比が１よりも大きい
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料燃焼装置。
6. 前記燃焼室の圧力が大気圧よりも高くなっている
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料燃焼装置。
7. 前記第１の燃料及び前記第２の燃料は、アンモニアである
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料燃焼装置。
8. 燃焼器の燃焼室に酸化剤及び燃料を供給し、前記燃料を拡散燃焼させる燃料の燃焼方法であって、
   前記酸化剤の供給位置よりも内側の位置から第１の燃料を前記燃焼室へ供給するとともに、前記酸化剤の供給位置よりも外側の位置から第２の燃料を前記燃焼室へ供給する
   ことを特徴とする燃料の燃焼方法。
9. 燃焼器の燃焼室に酸化剤及び燃料を供給し、前記燃料を拡散燃焼させる燃料の燃焼方法であって、
   前記燃焼器に設けられている円環状の酸化剤供給口から、前記酸化剤を前記燃焼室へ供給し、
   前記燃焼器に設けられ、前記酸化剤供給口の内側に配置されている円環状の第１の燃料供給口から、前記第１の燃料を前記燃焼室へ供給し、
   前記燃焼器に設けられ、前記酸化剤供給口の外側に配置されている円環状の第２の燃料供給口から、前記第２の燃料を前記燃焼室へ供給している
   ことを特徴とする燃料の燃焼方法。
10. 単位時間あたりに前記燃焼室へ供給される前記第１の燃料の体積を、単位時間あたりに前記燃焼室へ供給される前記第２の燃料の体積よりも、大きくしている
    ことを特徴とする請求項８又は９に記載の燃料の燃焼方法。
11. 前記酸化剤、前記第１の燃料及び前記第２の燃料を、前記燃焼室内で螺旋状に旋回させている
    ことを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載の燃料の燃焼方法。
12. 前記第１の燃料及び前記第２の燃料からなる燃料と前記酸化剤との当量比を１よりも大きくしている
    ことを特徴とする請求項８〜１１のいずれか一項に記載の燃料の燃焼方法。
13. 前記燃焼室の圧力を大気圧よりも高くしている
    ことを特徴とする請求項８〜１２のいずれか一項に記載の燃料の燃焼方法。
14. 前記第１の燃料及び前記第２の燃料は、アンモニアである
    ことを特徴とする請求項８〜１３のいずれか一項に記載の燃料の燃焼方法。

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