JPH06341610A

JPH06341610A - 燃焼器

Info

Publication number: JPH06341610A
Application number: JP15128393A
Authority: JP
Inventors: Kimiyo Tokuda; 君代徳田; Toshimitsu Ichinose; 利光一ノ瀬; Masaharu Oguri; 正治大栗
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Choryo Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Choryo Engineering Co Ltd
Priority date: 1993-05-28
Filing date: 1993-05-28
Publication date: 1994-12-13

Abstract

(57)【要約】【目的】パイロットノズル用ガス燃料の量を減ずるこ
となく、燃焼器から排出されるＮＯｘ量を低減するこ
と。【構成】ガスタービン燃焼器等の燃焼器において、パ
イロットノズル用バーナスロート６の先端外周部に（又
は該バーナスロート６の内壁面上に）少なくとも１つの
還元用ガスノズル３１を設け、このノズル３１から還元
用ガス燃料３４をパイロットノズル用ガス燃料１８の燃
焼によって形成された拡散炎２０の内部および拡散炎２
０の先端部に吹き込んで、還元領域３６を形成するよう
にしたもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービン、ガス焚
きボイラ、化学工業炉等に適用される燃焼器に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来技術の一例として、ガスタ
ービンに適用されている従来の燃焼器を示す断面図、図
６は図５中のパイロットノズル部分を拡大して詳細に示
す図、図７は図５中の１つのメインノズル部分を拡大し
て詳細に示す図である。

【０００３】これらの図において、燃焼器本体１の内側
には燃焼器内筒２が設けられている。そして、燃焼器内
筒２の一端側には、複数の予混合型メインノズル３が周
状に配置されており、その中心部分にパイロットノズル
４が設けられている。また、メインノズル３及びパイロ
ットノズル４の各先端外周部には、それぞれ、バーナス
ロート５及び６が設けられている。パイロットノズル４
とバーナスロート６との間には旋回翼７が設けられてい
ると共に、図６に示すようにパイロットバーナ４の先端
近くには着火電極８が設けられている。更に、燃焼器内
筒２の内部は燃焼室９を形成し、その外側すなわち燃焼
器本体１の内面と燃焼器内筒２との間の空間は空気流路
１０となっている。なお、図５において１１はガスター
ビン室である。

【０００４】以上述べた構成において、図示されていな
い空気圧縮機から燃焼器本体１内に送られて来た燃焼用
空気１２は、パイロットノズル用１次空気１３と、予混
合型メインノズル用１次空気１４と、２次空気１５との
３系統に分けられる。そして、パイロットノズル用１次
空気１３はパイロットノズル４のスロート６内に旋回翼
７を通して送り込まれ、また予混合型メインノズル用１
次空気１４は各予混合型メインノズル３のスロート５内
に送り込まれ、更に２次空気１５は空気流路１０を流
れ、多数の２次空気孔１６を通って燃焼器内筒２内の燃
焼室９に送り込まれる。

【０００５】一方、図示されてないガス燃料供給設備か
ら送り込まれて来たガス燃料１７は、パイロットノズル
用ガス燃料１８と予混合型メインノズル用ガス燃料１９
との２系統に分けられる。そして、パイロットノズル用
ガス燃料１８は、パイロットノズル４へ送り込まれ、そ
の先端に穿設されている複数のパイロットノズル用ガス
燃料噴孔４ａからパイロットノズル用バーナスロート６
内へ噴射されて、着火電極８（図６参照）により着火
し、パイロットノズル用バーナスロート６内へ旋回翼７
を通して送り込まれて来るパイロットノズル用１次空気
１３と拡散混合しながら、火炎を形成して燃焼を継続す
るが、この形成される火炎は拡散炎２０である。

【０００６】また、予混合型メインノズル用ガス燃料１
９は、各予混合型メインノズル３へ送り込まれ、その先
端に穿設されている複数の予混合型メインノズル用ガス
燃料噴孔３ａから予混合型メインノズル用バーナスロー
ト５内へ噴射される。この場合、図７に詳細に示されて
いるように、予混合型メインノズル用ガス燃料１９の噴
射方向は、別途予混合型メインノズル３の外周部から同
バーナスロート５内へ送り込まれて来る予混合型メイン
ノズル用１次空気１４との混合を迅速に且つ効果的に行
わせるために、予混合型メインノズル用１次空気１４の
流れに対して略々９０°で吹込むようになっている。

【０００７】このようにして予混合型メインノズル用バ
ーナスロート５内へ吹込まれた予混合型メインノズル用
ガス燃料１９と同１次空気１４とは、予混合型メインノ
ズル用バーナスロート５内で充分に混合した後、燃焼室
９内へ吹込まれて、パイロットノズル４が形成する拡散
炎２０によって着火し、予混合炎２１を形成する。

【０００８】このパイロットノズル４が形成する拡散炎
２０は、予混合型メインノズル３が形成する予混合炎２
１の着火の安定を図る。すなわち、予混合型メインノズ
ル３が形成する予混合炎２１は、予混合ガスの吹出し速
度が早い上に保炎器を有しないため、それ自身で保炎す
ることは困難である。また、予混合型メインノズル３に
保炎器を設け、着火点を近づけると、予混合ガスが他場
所へ逆流した場合の逆火、および予混合型メインノズル
３、同バーナスロート５、該保炎器等の焼損が懸念され
る。従って、予混合型メインノズル３が形成する予混合
炎２１の着火安定の維持は、パイロットノズル４が形成
する拡散炎２０によって行うことになる。

【０００９】また、通常、ガスタービン燃焼器におい
て、予混合型メインノズル用ガス燃料１９の燃料配分割
合は全ガス燃料１７の９０％以上であり、パイロットノ
ズル用ガス燃料１８は全体の数％に過ぎない。そして、
従来のガスタービン燃焼器は予混合型メインノズル３が
形成する予混合炎２１の空気比〔＝予混合型メインノズ
ル用１次空気１４の量／（予混合型メインノズル用ガス
燃料１９の量×理論空気量）〕を約２.０に、またパイ
ロットノズル４が形成する拡散炎２０の空気比〔＝パイ
ロットノズル用１次空気１３の量／（パイロットノズル
用ガス燃料１８の量×理論空気量）〕を約０.８〜１.０
に設定して、燃焼室９の前半において略々燃焼を完結す
る。

【００１０】このようにして生成された燃焼ガスは燃焼
室９の後半において、燃焼室９内へ別途送り込まれて来
た２次空気１５と混合して、所定温度に調整され、ガス
タービン駆動用排ガス２２（含有Ｏ₂≒１０.５％）とし
てガスタービン室１１へ送り込まれる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、以上述べた
従来のガスタービン燃焼器によって生成されるガスター
ビン駆動用排ガス２２の含有ＮＯｘは、約６０ｐｐｍ
（Ｏ₂＝１５％ベース）と高いものであった。そして、
最近は環境保全の観点からガスタービン排ガスのＮＯｘ
抑制の気運が高まっており、ガスタービン燃焼器の改善
が必要となってきている。

【００１２】すなわち、従来のガスタービン燃焼器にあ
っては、前述した如く予混合型メインノズル３の燃料配
分率は約９０〜９５％で計画されているが、予混合型メ
インノズル３が形成する予混合炎２１はそれ自身では保
炎が困難なため、パイロットノズル４が形成する火炎に
よって着火の安定を図る必要がある。従って、パイロッ
トノズル４が形成する火炎は常時安定で且つ複数の予混
合型メインノズル３の全火炎を安定して保持できるだけ
の長さと大きさが必要となるが、同一燃焼量であれば予
混合炎２１よりも拡散炎２０の方が長くなるのは衆知の
通りであり、このため、従来のパイロットノズル４の多
くは拡散炎２０を形成するよう配慮されてきた。

【００１３】そして、このようなガスタービン燃焼器に
よって生成される燃焼排ガス２２が含有するＮＯｘは、
燃料配分割合が９０％以上を占める予混合炎２１と燃料
配分割合が数％の拡散炎２０とからそれぞれ発生するＮ
Ｏｘの和となる。

【００１４】図８は、ガス燃料による燃焼試験結果の一
例で、ＮＯｘ発生量と空気比との関係を示したものであ
る。この図８より、燃料配分割合を予混合炎２１／拡散
炎２０＝９５％／５％とすれば、（１）空気比＝２.０
の予混合炎２１のＮＯｘ発生量は８ｐｐｍ、（２）空気
比＝０.８〜１.０の拡散炎２０のＮＯｘ発生量は空気比
＝０.９で１７０ｐｐｍであり、（３）そのトータルＮ
Ｏｘは（予混合炎側：８×０.９５＝７.６ｐｐｍ）＋
（拡散炎側：１７０×０.０５＝８.５ｐｐｍ）＝１６.
１ｐｐｍとなる故、（４）ＮＯｘは予混合炎側から
（７.６／１６.１）×１００＝４７.２％、拡散炎側か
ら（８.５／１６.１）×１００＝５２.８％の割合で発
生していることになる。

【００１５】このように、パイロットノズル４によって
形成される拡散炎２０は、燃料配分割合が全体の数％で
あるにも係らず、ＮＯｘ発生量は全体の１／２以上をも
占める。更に、ＮＯｘ低減を図るためには、パイロット
ノズル４の燃料配分割合を減少する必要があるが、これ
はガスタービン燃焼器全体の燃焼安定性を脅かす恐れが
あるので、これも限度がある。

【００１６】本発明は、このような従来技術の課題を解
決するためになされたもので、ガスタービン燃焼器等の
燃焼器において、パイロットノズル用ガス燃料の量を減
ずることなく、燃焼器から排出されるＮＯｘ量を低減す
ることを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明は、ガスタービン燃焼器等の燃焼器におい
て、パイロットノズル用バーナスロートの先端外周部
に、又は該バーナスロートの内壁面上に、パイロットノ
ズル用ガス燃料の燃焼によって形成された拡散炎の内部
および該拡散炎の先端部に還元用ガス燃料を吹き込む、
少なくとも１つの還元用ガスノズルを設けたものであ
る。

【００１８】

【作用】上記の手段によれば、パイロットノズル用バー
ナスロートの先端外周部に又は該バーナスロートの内壁
面上に設けた還元用ガスノズルから還元用ガス燃料が、
パイロットノズル用ガス燃料の燃焼によって形成された
拡散炎の内部および該拡散炎の先端部に吹き込まれて、
還元領域を形成する。従って、上記拡散炎から発生した
ＮＯｘはこの還元領域において分解され、大部分はＮ₂
に還元されるため、パイロットノズル用ガス燃料によっ
て生成した燃焼ガス中の残存ＮＯｘは激減する。この結
果、パイロットノズル用ガス燃料の量を減ずることな
く、燃焼器から排出されるＮＯｘ量を減少することがで
きる。

【００１９】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て詳細に説明する。図１は本発明をガスタービン燃焼器
に適用した場合の一実施例を示す断面図であって、図５
〜図７に示したものと同一の部分には同一の符号を付し
て、重複する説明は省略する。

【００２０】図１に示すように、本実施例によれば、パ
イロットノズル用バーナスロート６の先端外周部には複
数の還元用ガスノズル３１が設けられている。パイロッ
トノズル用バーナスロート６の先端外周部に還元用ガス
ノズル３１を設置するスペースが無い場合には、図２に
示すように、パイロットノズル用バーナスロート６の壁
を貫通させて、内壁上に還元用ガスノズル３１を設ける
ようにする。そして、各還元用ガスノズル３１は還元用
ガスノズルヘッダ３２に接続され、該還元用ガスノズル
ヘッダ３２は還元用ガス燃料管３３に接続されている。

【００２１】この還元用ガス燃料管３３にはパイロット
ノズル用ガス燃料１８の一部３４が還元用ガス燃料とし
て供給される。従って、この還元用ガス燃料３４は、還
元用ガス燃料管３３および還元用ガスノズルヘッダ３２
を通して還元用ガスノズル３１に供給され、噴射され
る。この場合、例えば図２に示す実施例では、還元用ガ
スノズル３１の先端部には還元用ガスノズル噴孔３５が
直進及び内向き（拡散炎２０側向き）に穿設されている
ので、還元用ガス燃料３４はこれら噴孔３５からパイロ
ットノズル用ガス燃料１８の燃焼によって形成された拡
散炎２０の内部および拡散炎２０の先端部に吹き込ま
れ、還元領域３６（図１参照）を形成する。

【００２２】従って、拡散炎２０によって発生したＮＯ
ｘ（大部分はＮＯ）は、還元領域３６において、等の化学反応により分解される。ここで、上式中、＊印
は化学反応初期のラジカルを表し、ＮＨｉはＮ化合物を
代表して表したものである。

【００２３】一般には、ＮＯの分解反応は反応域温度が
高く、還元領域の空気比も低い程、活発であることが知
られている。すなわち、本発明者等が行った実験結果を
図３および図４を参照してこれを説明すると、図３はＮ
Ｏ分解率〔＝｛（１−還元領域出口ＮＯ）／還元領域入
口ＮＯ｝×１００〕と還元領域における空気比との関係
を示し、また図４はＮＯ分解率と還元領域におけるガス
温度との関係を示す。そして、これらの図から明らかな
ように、ＮＯ分解率は、図３より還元領域における空気
比が低い程、高くなる傾向にあり、また図４より還元領
域におけるガス温度が１０００℃以上、理想的には１２
００℃以上において高いことが判る。

【００２４】そこで、これ等を考慮して、本発明では、
図１に示した拡散炎２０を強固なスタビライザとして使
用するため、安定した着火燃焼を維持できる空気比（≒
１近傍）で燃焼させ、次いで拡散炎２０の内部および拡
散炎２０の先端部の高温領域に還元用ガス燃料３４を投
入して高温・低空気比の還元領域３６を形成させ、拡散
炎２０から発生するＮＯｘの低減を図るようにしたもの
である。

【００２５】なお、以上述べた実施例においては、還元
用ガス燃料３４としてパイロットノズル用ガス燃料１８
の一部を用いたが、これに限られるものではなく、ガス
燃料１７の一部を適当な箇所から分流して用いることが
できる。また、還元用ガスノズル３１は単数であっても
よい。更に、本発明は、ガスタービン燃焼器のみなら
ず、ガス焚きボイラ、化学工業炉等の燃焼器にも広く適
用できるものである。

【００２６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、ガ
スタービン燃焼器等の燃焼器において、パイロットノズ
ル用バーナスロートの先端外周部に又は該バーナスロー
トの内壁面上に少なくとも１つの還元用ガスノズルを設
け、このノズルから還元用ガス燃料をパイロットノズル
用ガス燃料の燃焼によって形成された拡散炎の内部およ
び該拡散炎の先端部に吹き込んで還元領域を形成するよ
うにしたので、パイロットノズル用ガス燃料の量を減ず
ることなく、拡散炎から発生するＮＯｘの大部分をこの
還元領域において還元して、燃焼器から排出されるＮＯ
ｘの低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を、ガスタービン燃焼器に適用した場合
の一実施例を示す断面図である。

【図２】本発明の他の実施例を示す、パイロットノズル
部分の断面図である。

【図３】ＮＯｘ分解率と還元領域空気比との関係を示す
図である。

【図４】ＮＯｘ分解率と還元領域ガス温度との関係を示
す図である。

【図５】従来のガスタービン燃焼器を示す断面図であ
る。

【図６】図５中のパイロットノズル部分を拡大して詳細
に示す図である。

【図７】図５中の１つのメインノズル部分を拡大して詳
細に示す図である。

【図８】ＮＯｘと空気比との関係を示す図である。

【符号の説明】

３メインノズル４パイロットノズル６パイロットノズル用バーナスロート１２燃焼用空気１７ガス燃料１８パイロットノズル用ガス燃料２０拡散炎３１還元用ガスノズル３４還元用ガス燃料３６還元領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大栗正治長崎県長崎市深堀町５丁目717番１長菱エンジニアリング株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パイロットノズル用バーナスロートの先端
外周部に、パイロットノズル用ガス燃料の燃焼によって
形成された拡散炎の内部および該拡散炎の先端部に還元
用ガス燃料を吹き込む、少なくとも１つの還元用ガスノ
ズルを有することを特徴とする燃焼器。
【請求項２】パイロットノズル用バーナスロートの内壁
面上に、パイロットノズル用ガス燃料の燃焼によって形
成された拡散炎の内部および該拡散炎の先端部に還元用
ガス燃料を吹き込む、少なくとも１つの還元用ガスノズ
ルを有することを特徴とする燃焼器。