JP2713627B2 - ガスタービン燃焼器、これを備えているガスタービン設備、及びこの燃焼方法 - Google Patents

ガスタービン燃焼器、これを備えているガスタービン設備、及びこの燃焼方法

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、気体燃料あるいは液体燃料により予混合燃
焼を行うガスタービン燃焼器、これを備えているガスタ
ービン設備、及びこの燃焼方法に関する。
［従来の技術］ 一般的に、燃焼持に生成されるNOxには、燃料中の窒
素化合物から生成されるフューエルNOxと、空気中の窒
素から生成されるサーマルNOxとがある。
フューエルNOxを低減させるための技術には、燃焼領
域に還元領域を形成させてNOxをN2とO2とに還元する方
法などがあるが、基本的には燃料中の窒素分の低減、つ
まり燃料の改質を行うことが最も効果的である。
一方、サーマルNOxを低減させる技術には、水噴射
法、排ガス再循環法、燃料稀薄燃焼法などがある。これ
らは、主として火炎温度を低下させることにより、サー
マルNOxを低減させるものであるが、これらの手法を用
いると、火炎の安定性が低下しやすい。
通常、燃焼器における燃焼方法として、燃料と空気と
をそれぞれ異なるノズルから噴出する、いわゆる拡散燃
焼が主に用いられてきたが、最近は、燃料と空気とを予
め混合し同一のバーナから噴出する予混合燃焼が用いら
れつつある。
予混合燃焼を用いることによる利点は、主として次の
２点である。
ひとつは、予混合燃焼を用いること燃焼の反応領域を
小さくすることができる。つまり、バーナから噴出する
気体がすでに燃料と空気との予混合気体であるため、バ
ーナの下流側に予混合気体を形成するための領域の要せ
ず、火炎を短くすることができ、高負荷燃焼することが
可能な点である。
もうひとつは、サーマルNOxを低減できることであ
る。燃焼室内に異なるノズルから燃料と空気とを噴出す
る拡散燃焼では、たとえ燃料を稀薄の条件で燃焼させて
も燃焼室内での燃料と空気との混合過程において、空気
比が１（理論混合比）付近になる領域が必ず存在するた
め、NOxの低減が一般に困難であるとされる。これに対
して、過剰の空気と燃料とを予め混合して燃焼する燃料
稀薄予混合燃焼法では、全ての燃焼領域で燃料が稀薄な
燃焼条件のもとで燃焼するためNOxの低減が容易であ
る。
このような稀薄予混合燃焼法は、例えば、特公昭62−
35016号公報に記載されているガスタービンの燃焼器な
どで採用されつつある。
稀薄予混合燃焼は、空気過剰での燃焼であるため火炎
温度が低なって、NOxの低減は図れるが、予混合火炎の
安定性が劣るのが欠点である。
予混合火炎の安定性を向上させるためには、理論混合
比近傍で火炎を形成する必要があるが、前述のように理
論混合比付近での燃焼は、NOxの発生量が多い。
このように、安定な火炎を形成し易い条件とNOxの発
生を抑制できる条件とは異なるため、過剰空気比条件で
も安定に火炎を形成する保炎技術、もしくは理論混合比
付近で燃焼させてもNOxを低減できる燃焼技術が必要に
なる。
従来、予混合火炎の安定化技術として、例えば、米国
特許4,051,670号公報や米国特許4,150,539号公報に記載
されている燃焼器がある。
前者の燃焼器は、空気と燃料との混合気体を燃焼室内
で旋回させる旋回手段と、旋回流が形成されている領域
内の一部を減圧する減圧手段とを備えており、混合気体
の旋回流内に高温の燃焼気体を導くことにより、燃料の
着火性が確保され、火炎を安定させるというものであ
る。
また、後者の燃焼器は、空気と燃料との混合気体の噴
出口に抵抗板を設け、この抵抗板の下流側に形成される
高温の燃焼気体が着火源となり、火炎を安定させるとい
うものである。
この他、特開昭59−74406号公報に記載されているも
ののように、パイロット火炎を用いるものや、特開平64
−54122号公報に記載されているもののように、旋回流
を形成させるものなど、火炎を安定させる多数の技術が
ある。
なお、これらの技術は、いずれも、燃焼室形状や旋回
流の影響等により、燃焼気体と予混合気体との混合領域
はほとんど形成されていない。
［発明が解決しようとする課題］ 上述のような火炎の安定化技術を用いて、稀薄予混合
燃焼を行うと、予混合火炎は安定すると共に、ある程度
のNOx低減も実現できる。
しかしながら、近年、光化学スモッグの原因となるNO
xに対する排出規制が年々厳しくなってきており、さら
に、NOxを低減することができる技術が望まれている。
本発明の目的は、このような点について着目してなさ
れたもので、予混合燃焼の際、安定した火炎を得ること
ができると共に、よりNOxを低減することができるガス
タービン燃焼器、これを備えているガスタービン設備、
及びこの燃焼方法を提供することである。
［課題を解決するための手段］ 前記目的は、燃料と空気とが予め混合された予混合気
体を燃焼室内で燃焼させるガスタービン燃焼器におい
て、燃料と空気とを前記燃焼室内に噴出して拡散燃焼火
炎を形成する拡散燃焼バーナ（実施例中では、パイロッ
トバーナである。）を有すると共に、前記予混合気体を
前記燃焼室内に噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混
合バーナを有し、前記予混合バーナは、前記拡散燃焼バ
ーナの周囲に円環状に複数配され、前記予混合バーナの
下流側に、自身の内周側に前記拡散燃焼火炎が形成され
る環状部材（実施例中では、抵抗体である。）が、前記
燃焼室の内壁とは独立して設置され、前記拡散燃焼火炎
から前記予混合気体に火移りさせて、前記予混合燃焼火
炎を形成することを特徴とするガスタービン燃焼器によ
り達成することができる。
また、前記目的は、燃料と空気とが予め混合された予
混合気体を燃焼室内で燃焼させるガスタービン燃焼器に
おいて、前記燃焼室の上流側に配され、燃料と空気とを
該燃焼室内で拡散燃焼させるパイロットバーナを有する
と共に、前記予混合気体を前記燃焼室内に噴出し、前記
パイロットバーナの周囲に円環状を成している予混合バ
ーナを有し、前記パイロットバーナを中心として円環状
を成し、前記予混合バーナから噴出される前記予混合気
体の流れの中に、自身の下流側に循環流を形成する環状
部材が、前記燃焼室の内壁とは独立して設置されている
ことを特徴とするガスタービン燃焼器によっても達成で
きる。
また、前記目的は、燃料と空気とが予め混合された予
混合気体を燃焼室内で燃焼させるガスタービン燃焼器に
おいて、前記燃焼室の軸芯を含む中央部に設置され、燃
料と空気とを該燃焼室に噴出して拡散燃焼火炎を形成す
る拡散燃焼バーナと、前記拡散燃焼バーナの周囲に円環
状に複数設置され、前記予混合気体を前記燃焼室内に噴
出して予混合燃焼火炎を形成する予混合バーナと、前記
燃焼室内であって、前記予混合バーナ及び前記拡散燃焼
バーナの双方の下流側に、該燃焼室とは独立して設置さ
れ、該燃焼室と同芯で自身の内周側に前記拡散燃焼火炎
が形成される環状部材と、を有し、前記拡散燃焼火炎か
ら前記予混合気体に火移りさせて、前記予混合燃焼火炎
を形成することを特徴とするガスタービン燃焼器によっ
ても達成できる。
さらに、前記目的は、燃料と空気とが予め混合された
予混合気体を燃焼室内で燃焼させるガスタービン燃焼器
において、前記燃焼室の上流側に配され、燃料と空気と
を該燃焼室内で拡散燃焼させるパイロットバーナと、前
記パイロットバーナの周囲に円環状に複数配され、前記
予混合気体を前記燃焼室に噴出するメインバーナ（実施
例中では、予混合バーナである。）と、前記パイロット
バーナを中心として円環状を成し、前記メインバーナの
噴出口より下流側に自身の下流端が位置し、前記燃焼室
の内壁と自身との間の前記予混合気体の流路を狭める環
状部材と、を備えていることを特徴とするガスタービン
燃焼器でも達成することができる。
また、前記目的は、燃料と空気とが予め混合された予
混合気体を燃焼室内で燃焼させるガスタービン燃焼器に
おいて、前記燃焼室の上流側に配され、燃料と空気とを
該燃焼室内で拡散燃焼させるパイロットバーナと、前記
パイロットバーナの周囲に円環状に複数配され、前記予
混合気体を該燃焼室に噴出するメインバーナと、前記燃
焼室の内壁とは独立して設置され、前記パイロットバー
ナの外周側であって、前記メインバーナの噴出口より下
流側に、下流側に向かうに連れて広がり、且つ該メイン
バーナに沿って環状に形成されている環状部材と、を有
し、前記パイロットバーナから噴出された前記燃料の燃
焼で形成された火炎の一部を該予混合気体に移して、予
混合燃焼火炎を形成することを特徴とするガスタービン
燃焼器により達成できる。
さらに、前記目的は、燃料と空気とが予め混合された
予混合気体を燃焼室内で燃焼させるガスタービン燃焼器
において、前記燃焼室の上流側の軸中心部に配置され、
空気と別個に燃料を該燃焼室に噴出する第１のバーナ
（実施例中では、パイロットバーナである。）と、前記
第１のバーナの周囲に円環状に複数個設置され、前記予
混合気体を前記燃焼室内に噴出する第２のバーナ（実施
例中では、予混合バーナである。）と、前記燃焼室の内
壁とは独立して配置され、前記第１のバーナ及び前記第
２のバーナの双方の下流側に位置する燃焼室内であっ
て、前記第２のバーナから噴出される前記予混合気体の
流れの領域内に、自身の下流端が位置し、前記燃焼室の
前記軸芯部と同芯で環状の環状部材と、を有し、前記第
１のバーナから噴出された前記燃料の燃焼で形成される
火炎の一部を、前記第２のバーナから噴出された前記予
混合気体へ火移りさせて、予混合燃焼火炎を形成するこ
とを特徴とするガスタービン燃焼器によって達成でき
る。
また、前記目的は、以上のガスタービン燃焼器のうち
のいずれかのガスタービン燃焼器と、該ガスタービン燃
焼器で発生した燃焼気体により駆動するガスタービンと
を備えていることを特徴とするガスタービン設備によっ
ても達成できる。
また、前記目的は、燃料と空気とを噴出して拡散燃焼
火炎を形成する拡散燃焼バーナと、該拡散燃焼バーナの
周囲に円環状に複数設置され、燃料と空気とが予め混合
された予混合気体を噴出して予混合燃焼火炎を形成する
予混合バーナとを備えたガスタービン燃焼器の燃焼方法
において、前記拡散燃焼バーナを中心として円環状を成
し、前記予混合バーナの下流側に、該予混合バーナから
噴出される前記予混合気体の流れの障害となる環状部材
を、前記燃焼室の内壁から離間した位置に設置して、該
環状部材の下流側に、下流側から上流側への流れを含む
前記予混合気体の循環流を形成し、前記拡散燃焼バーナ
から噴出された前記燃料が燃焼して形成される前記拡散
燃焼火炎を前記環状部材の内周側に形成することによ
り、該拡散燃焼火炎から前記循環流を形成している前記
予混合気体に火移りさせて前記予混合燃焼火炎を形成
し、前記予混合気体を安定燃焼させることを特徴とする
ガスタービン燃焼器の燃焼方法によっても達成すること
ができる。
［作 用］ 予混合火炎でサーマルNOxを低減させるには、先に述
べたように、従来、過剰空気条件下で燃焼を行うことが
主流であるが、発明者らは、鋭意検討の結果、予混合気
体噴流中に循環流を形成させるとともに、予混合気体が
燃焼する前に、燃焼気体の一部を予混合気体に混入させ
ることにより、予混合火炎を安定化させることができる
と共に、NOxを低減することができることを明らかにし
た。
本発明は、この知見に基づいてなされたものである。
具体的に、本発明に係る燃焼器の作用について説明す
る。
抵抗体（環状部材）の下流側に気体の循環流領域が形
成される。この循環流領域には、予混合気体の燃焼によ
り生成された高温の燃焼気体の一部が流入し、循環流領
域の周囲の予混合気体が、高温の燃焼気体により着火
し、そこに比較的急激な燃焼領域が確実に形成される。
このように、比較的急激な燃焼領域が確実に形成される
ので、予混合火炎は安定化する。
予混合バーナから噴出した予混合気体の一部には、拡
散燃焼で生成された燃焼気体の一部が流入する。この予
混合気体の一部とこの燃焼気体の一部とが混合して燃焼
混合気体を形成する。燃焼混合気体は、噴流の内部に形
成される比較的急激な燃焼領域から外部に向かって伝播
してくる火炎により、燃焼し、緩慢な燃焼領域を形成す
る。緩慢な燃焼領域内では、酸素分圧の低い燃焼混合気
体が燃焼するので、NOxの発生量が極めて少ない。
また、比較的急激な燃焼領域は、緩慢な燃焼領域が形
成されるので、縮小され、ここで発生するNOxの量も少
なくなる。
したがって、燃焼領域で発生するNOxを著しく低減す
ることができる。
大型の燃焼器においては、予混合気体を噴出する予混
合バーナを環状に形成し、この予混合バーナから予混合
気体を下流側に噴出するように構成することがよい。こ
れは、火炎相互の緩衝による燃焼振動を抑えることがで
きるからである。また、環状に形成した予混合バーナを
周方向に複数に分割すると、逆火を防ぐことができると
共に、予混合バーナ内で燃焼要空気と燃料とを効率よく
混合することができる。このように、予混合バーナを円
環状に形成した場合には、その内周側に、拡散燃焼火炎
を形成するバーナ、例えば、パイロットバーナを配置す
ることが好ましい。円環状の予混合バーナの内周側にパ
イロットバーナ等の拡散燃焼バーナを配すると、言い替
えると、拡散燃焼火炎が形成される箇所の回りに、円環
状に予混合バーナを配すると、予混合バーナから噴出し
た予混合気体は、拡散燃焼火炎の熱により温められ、速
やかに着火する。このため、起動時等の低負荷時におい
て、予混合燃焼を行なうことができ、燃焼器を容易に起
動させることができる。また、予混合バーナを円環状に
形成すると、前述したように、高負荷時に予想させる燃
焼振動や逆火を抑えられ、抵抗体（環状部材）の作用と
伴って、安定した高負荷予混合燃焼も実現できる。従っ
て、低負荷時から高負荷時までの幅広い負荷範囲で、NO
x低減が可能な予混合燃焼を実現することができる。さ
らに、以上のように構成すると、予混合バーナから噴出
された予混合気体の一部には、拡散燃焼で発生した燃焼
気体が混入する。この予混合気体と燃焼気体とが混じり
合った酸素分圧の低い気体は、以上で述べたように、抵
抗体（環状部材）の下流側に形成される循環流領域の回
りの比較的急激な燃焼領域から火炎が伝播して燃焼し、
この比較的急激な燃焼領域のそばに緩慢な燃焼領域を形
成する。従って、前述したように、比較的急激な燃焼領
域が縮小されると共に、予混合気体と燃焼気体とが混じ
り合った酸素分圧の低い気体が燃焼し、緩慢な燃焼領域
が形成されるので、NOxの発生をより抑制することがで
きる。
ここで、第１の燃焼室と第２の燃焼室とのいずれか一
方を上流側に配し、他方を下流側に配合した場合には、
上流側の燃焼室内で発生した燃焼気体を下流側の燃焼室
で形成される火炎に混入させることができるよう構成す
ると、下流側の燃焼室では、酸素分圧の低い燃焼気体の
混入により、火炎から発生するNOx量を少なくすること
ができる。
また、第１の燃焼室に拡散火炎を形成し、これを第２
の燃焼室より上流側に位置させることにより、燃焼器の
起動を容易に行うことができる。起動時には、まず、第
１の燃焼室に拡散火炎を形成する。拡散火炎は、燃料に
対する空気の量を容易に大きくすることができるので、
簡単に形成することができる。したがって、燃焼器の起
動を容易に行うことができる。次に、第２の燃焼室に予
混合火炎を形成する。バーナから噴出する予混合気体
は、既に形成されている拡散火炎の熱により温められ、
容易に燃焼する。拡散火炎は、NOxの発生量が多いの
で、NOxの発生量を少なくするために、予混合火炎が形
成されると、同時に、拡散火炎を小さくするか消火して
しまうことがよい。
［実施例］ 以下、第１図〜第31図に基づき本発明の各種実施例に
ついて説明する。なお、各種実施例につき同一部位には
同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
ガスタービン燃焼器の第１の実施例について、第１図
〜第６図に基づき説明する。
ガスタービン燃焼器100には、第４図に示すように、
燃焼用空気１を加圧して燃焼器100に送り込む空気圧縮
機301と、燃焼器100内で発生した燃焼気体４により駆動
するガスタービン303とが接続されている。ガスタービ
ン303には発電機304が接続されている。
ガスタービン燃焼器100は、第１図〜第３図に示すよ
うに、その燃焼器ケーシング10に、空気圧縮機301から
の燃焼用空気１を取り入れる空気取入口11と、燃焼によ
り発生する燃焼気体４を排出する燃焼気体排出口12とが
形成されている。燃焼器ケーシング10内には、１次燃焼
室30を形成する１次燃焼用内筒31と、２次燃焼室20を形
成する２次燃焼用内筒21とが設けられている。
１次燃焼用内筒31は、燃焼器ケーシング10内の燃焼気
体排出口12と相対する面に設けられている。１次燃焼用
内筒内31には、第２図に示すように、１次燃料２を噴出
する複数のパイロットバーナ34,34,…が、同一円周上に
等間隔で配設されている。このパイロットバーナ34,34,
…には、１次燃料２を受け入れる１次燃料受入ノズル32
が接続されている。１次燃焼用内筒31の側周には、空気
取入口11から流入する燃焼用空気１を内筒31内に流入さ
せるための１次空気供給口33,33,…が形成されており、
そこには、流入する燃焼用空気４量を調節するための１
次空気調節弁35が設けられている。
２次燃焼用内筒21は、１次燃焼用内筒31の下流側に設
けられており、その側周には内筒自身を冷却するための
冷却空気口22が形成されている。２次燃焼用内筒21の上
流端には、燃焼用空気１と２次燃料３との予混合気体５
を噴出する複数の予混合バーナ23,23…が、第２図に示
すように、同一円周上に配され、環状の予混合バーナ群
24を形成している。予混合バーナ23,23,…の下流端に
は、燃焼用空気１を予混合バーナ23,23,……内に流入さ
せる２次空気供給口25,25,…と、２次燃料３を噴出する
２次燃料ノズル26,26,…とが、設けられている。この２
次燃料ノズル26,26,…には、２次燃料３を受け入れる２
次燃料受入ノズル27,27,…が接続されている。２次空気
供給口25,25,…には、流入する燃焼用空気１量を調節す
るための２次空気調節弁28,28,…が設けられている。
環状の予混合バーナ群24の外周の径は、２次燃焼用内
筒21の内径よりも小さく、２次燃焼室20は、予混合バー
ナ23の出口で急激に大きくなるよう形成されている。
予混合バーナ23の出口近傍には、混合気体５の燃焼に
より発生する燃焼気体４を循環させるための抵抗体40が
設けられている、抵抗体40は、第２図および第３図に示
すように、予混合バーナ群24に沿って環状を成し、その
断面はＶ字状を成している。環状の抵抗体40の半径方向
の幅は予混合バーナ群24の半径方向の幅よりも小さく形
成されている。断面がＶ字状の抵抗体40は、その頂点部
が上流方向に向くように設けられている。頂点部には、
抵抗体40を支持する支持部材41が設けられている。この
支持部材41は、複数の予混合バーナ23,23,…間を仕切る
仕切板29上に設けられている。
２次燃焼用内筒21の下流端には、燃焼気体４を燃焼器
ケーシング10の燃焼気体排出口12に導くためのトランジ
ッションピース15が接続されている。
次に第１の実施例の燃焼器の作用について説明する。
空気圧縮機301で加圧された燃焼用空気１は、空気取
入口11から燃焼器ケーシング10内に流入する。燃焼用空
気１は、燃焼器ケーシング10とトランジッションピース
15および２次燃焼用内筒21との間を通過して、１次空気
供給口33から１次燃焼用内筒31内へ、２次空気供給口25
から２次燃焼用内円筒21内へと流入する。燃焼用空気１
の一部は、２次内円筒21の冷却空気口22から壁面冷却の
ために、２次内円筒21内へ流入する。
一方、燃料2,3は、１次燃料受入ノズル32および２次
燃料受入ノズル27から燃焼器100内に流入し、パイロッ
トバーナ34および２次燃料ノズル26から噴出する。
本実施例に使用される燃料は、液化天然ガスである。
液化天然ガスは、硫黄分や窒素化合物をほとんど含ま
ず、SOxやフューエルNOxの発生量が少なく、クリーンな
エネルギーとして、近年その需要が伸びている燃料であ
る。
パイロットバーナ34から噴出した１次燃料２は、燃焼
用空気１と反応して、１次燃焼室30内に拡散火炎を形成
する。
一方、２次燃料ノズル26から噴出した２次燃料３は、
複数の予混合バーナ23,23,…内で燃焼用空気１と混合し
て予混合気体５を形成してから、２次燃料室20内に噴出
する。
２次燃焼室20内に噴出した予混合気体５は、第３図に
示すように、抵抗体40により分流される。抵抗体40の下
流側には、気体が循環する第１の循環流領域51が形成さ
れる。また、抵抗体40の外周側、つまり２次燃焼室21内
の上流端の外周側にも、気体が循環する第２の循環流領
域52が形成される。この循環流は、２次燃焼室20が予混
合バーナ23の出口から急激に大きくなっているために形
成される。
第１の循環流領域51には、第３図に示すように、予混
合気体５の燃焼により生成した2000℃前後の高温の燃焼
気体４が流れ込む。このため、第１の循環流領域51は、
予混合気体５の着火温度である700〜800℃を越えて、15
00℃以上の高温な領域になり、第１の循環流領域51に近
接する予混合気体５は、確実に燃焼し、比較的急激な燃
焼領域53が形成される。この比較的急減な燃焼領域53
で、予混合気体５の燃焼により生成された高温の燃焼気
体４は、前述したように、抵抗体40の下流側の第１の循
環流領域51に流れ込んで、ここで一時的に滞留する。す
なわち、予混合気体５の燃焼により生成された高温の燃
焼気体４は、第１の循環流領域51で、一時的滞留し、こ
の近傍に至る予混合気体５を確実に燃焼させ、この予混
合気体５の燃焼により生成された燃焼気体４が、第１の
循環流領域51に順次流れ込んで、ここを高温にし、さら
に、この近傍に至る予混合気体５を確実に燃焼させる。
したがって、２次燃焼室20内で形成される予混合火炎
は、高温の燃焼気体４という着火源を得ることにより、
安定化する。
一方、円形状の抵抗体40の外周側に形成される第２の
循環流領域52には、燃焼気体４と予混合気体５とが流れ
込み、燃焼気体４と予混合気体５とが混合して燃焼混合
気体６が形成される。また、環状の抵抗体40の内周側に
も、１次燃焼室30で発生した燃焼気体４と予混合気体５
とが混合して酸素分圧の低い燃焼混合気体６が形成され
る。
この燃焼混合気体６は、比較的急激な燃焼領域53から
の火炎が伝播して、燃焼し、比較的急激な燃焼領域53の
外側に緩慢な燃焼領域54を形成する。緩慢な燃焼領域54
では、酸素分圧の低い燃焼混合気体６が燃焼するため、
燃焼温度も低く、この領域で生成されるNOx量は、極め
て少ない。
燃焼混合気体６を形成するためには、火炎が、予混合
バーナ23から噴出する予混合気体５の内部から外側へ伝
播して行くことが必要である。これは、仮りに、外側か
ら着火して火炎が内側へ伝播して行くと、予混合気体５
が、燃焼気体４と混合する前に燃焼してしまい、燃焼混
合気体６が形成されないからである。
ここで、２次燃料３、燃焼用空気１、および燃焼気体
４を均一に混合した後、予混合バーナ23から噴出し、火
炎を形成すると、緩慢な燃焼領域のみが形成されるた
め、安定な火炎が形成されない。
また、予混合バーナ23は、本実施例のように、１次燃
焼室30の下流端に環状に配置することが望ましい。この
ように予混合バーナ23を配置すると、１次燃焼室30中で
形成される拡散火炎から排出される燃焼気体４の熱によ
り、予混合バーナ23から噴出される予混合気体５がより
速やかに着火され、予混合火炎により安定化する。
また、抵抗体40の半径方向の幅に関しても、本実施例
のように、予混合バーナ23の出口の半径方向の幅より小
さくすることが望ましい。抵抗体40の幅が予混合バーナ
23の出口の幅より大きいと、第１の循環流領域51が大き
なものとなり、予混合火炎が抵抗体40の近傍に保持され
ず、火炎の安定性が低下する。
燃焼器100で発生した燃焼気体４は、燃焼気体排出口1
2から排出され、ガスタービン303に供給される。ガスタ
ービン303内では、高温高圧の燃焼気体４が膨張する過
程で、タービンが駆動される。ガスタービン303の動力
は、発電機304に伝達され、発電が行われる。
一般に、近年のガスタービン発電設備では、ガスター
ビン303から排出される燃焼気体４が、廃熱回収ボイラ
へ導かれ、水蒸気発生用の熱源として用いられることが
多い。廃熱回収ボイラ内には、脱硝装置が設けられてい
ることがある。この脱硝装置は、固体触媒表面上でアン
モニアと燃焼気体４とを反応させて、燃焼気体４中のNO
xを取り除くものである。本実施例に係る燃焼器100を使
用する場合、NOxの発生量が少なくなるため、脱硝装置
でのアンモニア使用量を低減することができる。また、
運転形態によっては、脱硝装置が無くても環境規制値を
満足することができる。
なお、本実施例において、複数の予混合バーナ23,23,
…を形成するために、仕切板29を設けたが、抵抗体40を
他の方法で支持できる場合は、特に仕切板29を設けて複
数の予混合バーナ23,23,…を形成する必要がない。ただ
し、燃焼器が大型化して予混合バーナが大きくなるよう
な場合には、燃料２と燃焼用空気１との混合を十分に行
うために、また、逆火を防ぐために、仕切板29を設けて
複数の予混合バーナ23,23,…を形成する方がよい。
次に、本実施例のガスタービン燃焼器100の運転方法
について第５図および第６図を用いて説明する。
ガスタービン303の起動時には、第６図に示すよう
に、燃焼器100に１次燃料２のみを投入し、１次燃焼室3
0において拡散火炎を形成させる。ガスタービン303の負
荷がある一定の負荷L0％に達した時点で、１次燃料２の
量を減少させ、これに対応して２次燃料３の量を増加さ
せ、２次燃焼室20において予混合火炎を形成させる。一
定の負荷L0％から最大負荷100％に達するまでは、主と
して２次燃料量３を増加させることにより負荷変化に対
応させる。
また、空気供給量は、NOx発生量をある範囲内に保つ
ように、第５図に示すように、燃料2,3の増減に対応さ
せて、１次空気量を減少させ、２次空気量を増加させ
る。
抵抗体40が設けられていない燃焼器においては、２次
燃焼室20において形成する予混合火炎の安定性が、１次
燃焼室30において形成する拡散火炎での燃焼量および拡
散火炎の空気比などにより影響を受けるため、投入する
１次燃料２の量と２次燃料３の量の比が一定の範囲内に
制限される。本実施例の燃焼器では、予混合火炎を単独
で安定化する機構を有するため、１次燃料２の量と２次
燃料３の量の比を任意に設定でき、負荷変動に対する燃
料供給の調整を容易に行うことができる。また、負荷変
動範囲を大きくすることができる。
なお、本実施例の燃焼器100では、燃料切り替え後、
１次燃料２の供給を停止しても良いが、１次燃料２を常
時１次燃焼室20に投入し、拡散火炎を形成しておくこと
により、負荷増減の対応を素早く行うことができる。
次に、種々の燃焼器に関して検証を行ったので、予混
合火炎の安定化の原理およびNOxの低減効果について、
第７図から第13図に基づき説明する。
この検証には、５種類の検証用燃焼器を用いている。
第２の検証用燃焼器410は、第７図に示すように、予
混合バーナ411と、この予混合バーナ411の出口から急激
に大きくなる燃焼室412と、予混合バーナ411の出口の周
囲に配されているパイロットバーナ413,413,…とを備え
ているものである。なお、パイロットバーナ413からの
気体噴出流量は、予混合バーナ411からの気体噴出流量
の1/1000以下に設定されている。
パイロットバーナ413でパイロットフレーム414を形成
し、これを着火源として、予混合バーナ411から噴出す
る予混合気体401を燃焼させる。予混合火炎402は、予混
合バーナ411の出口から円錐状に形成される。予混合火
炎402の外周には、燃焼気体404による外部循環領域403
が形成される。
この燃焼では、パイロットフレーム414という着火源
があるので、予混合火炎402は安定化するが、予混合火
炎402が予混合バーナ411の出口から形成され、先端が分
離していないので、火炎402の周囲に形成されている燃
焼気体404の循環流と予混合気体401とのが混合すること
がほとんど期待できない。したがって、予混合気体401
が燃焼気体404と混合した状態で燃焼することはほとん
ど無く、NOxをあまり低減できない。
第２の検証用燃焼器420は、本発明に係る燃焼器で、
第８図に示すように、予混合バーナ411と、この予混合
バーナ411の出口から急激に大きくなる燃焼室412と、予
混合バーナ411の出口近傍に配され平板状の抵抗体421と
を備えているものである。
予混合気体401を予混合バーナ411から噴出する。予混
合気体噴流の内部には、抵抗体421の作用により、内部
循環領域422が形成される。また、燃焼室412が予混合バ
ーナ411の出口から急激に大きくなっていることによ
り、外部循環流領域423が形成される。
内部循環流領域422と外部循環流領域423の形成に関し
ては、燃焼室412内の温度分布、ガス組成分布、流速分
布、およびOHラジカル等の発光スペクトル分布を測定す
ることにより、確認している。
内部循環流領域422には、高温の燃焼気体404が流入
し、内部循環流領域422の周囲に比較的急激な燃焼領域4
24が確実に形成される。このように、比較的急激な燃焼
領域424が確実に形成されるので、予混合火炎は安定化
する。
また、比較的急激な燃焼領域424、つまり、ラジカル
濃度の高い領域が、特定の狭い範囲内にしか形成されな
いので、燃焼用空気中の窒素の分解および酸化が促進さ
れる領域が狭く、サーマルNOxの発生を抑制することが
できる。
比較的急激な焼領域424の周囲には、外部循環流領域4
23内の燃焼気体404と予混合バーナ411から噴出した予混
合気体401とが混ざり合い燃焼混合気体が形成される。
燃焼混合気体は、噴流の内部に形成される比較的急激な
燃焼領域424から外部に向かってい伝播してくる火炎に
より、燃焼し、緩慢な燃焼領域425を形成する。緩慢な
燃焼領域425内では、酸素分圧の低い、つまりラジカル
濃度の低い条件で燃焼が進行するので、NOxの発生量を
極めて低い値に抑えることができる。
なお、この検証用燃焼器420では、NOxの低減のため、
予混合バーナ411から噴出した予混合気体401自身の燃焼
により発生した燃焼気体404を用いているが、他のバー
ナから噴出した燃料の燃焼により発生した燃焼気体を用
いても良い。
第３の検証用燃焼器430は、第９図に示すように、予
混合バーナ411と、この予混合バーナと同径の燃焼室431
と、平板状の抵抗体421とを備えている。
この検証用燃焼器430による燃焼では、第２の検証用
燃焼器420と同様に、抵抗体421の作用により、予混合火
炎432を安定化させることができるが、火炎432の外側に
燃焼気体404による外部循環流領域を形成することがで
きないので、NOxをあまり低減させることができない。
第４の検証用燃焼器440は、第11図に示すように、第
１の予混合バーナ441と、この予混合バーナ441の側周に
沿った環状の噴出口を有する第２の予混合バーナ422
と、第１の予混合バーナ441近傍に配されている平板状
の抵抗体421と、第２の予混合バーナ422の出口から急激
に大きくなる燃焼室443とを備えている。
第１の予混合バーナ441から噴出する予混合気体401
は、抵抗体421の作用により、安定した第１の予混合火
炎444を形成する。第２の予混合バーナ442から噴出する
予混合気体405は、第１の予混合火炎444を着火源として
第２の予混合火炎445を形成する。第２の予混合火炎445
は、第２の予混合バーナ442の出口で第１の予混合バー
ナ441との境目から、第１の予混合火炎444のほぼ先端ま
で形成される。
この検証用燃焼器440による燃焼では、第１の予混合
バーナ441から噴出する予混合気体401が、燃焼気体404
と混合する前に燃焼してしまうので、NOxをあまり低減
することができない。
第10図および第12図に、以上の検証用燃焼器のNOx排
出特性を示す。
第10図に示すNOx排出特性曲線419,429,439のうち、曲
線419は第１の検証用燃焼器410によるものを、曲線429
は第２の検証用燃焼器420によるものを、曲線439は第３
の検証用燃焼器430によるものを表している。
また、第12図に示すNOx排出特性曲線429,448,449のう
ち、曲線429は第２の検証用燃焼器420によるものを、曲
線449は第４の検証用燃焼器440で２つの予混合バーナか
らそれぞれ噴出する燃料と空気との量変えたときに最も
NOx発生量が少ない条件下でのものを、曲線448は第４の
燃焼器440で最もNOx発生量が大い条件下でのものを表し
ている。
これらの図より、本発明に係る第２の検証用燃焼器42
0を用いると、他の燃焼器を用いるより、NOx排出量を1/
3以下に低減させることができることがわかる。
サーマルNOxは、NOxが発生する領域及びその生成速度
の点から、ゼルドヴィッヒ機構によるNOxと、プロンプ
トNOxとの二つに分類される。
ゼルドヴィッヒ機構によるNOxは、火炎後流で比較的
遅い速度で生成するもので、燃焼空気中の窒素が酸素に
より酸化されて生成するNOxである。ゼルドヴィッヒ機
構によるNOxの生成は温度依存性が高く、火炎温度が高
くなると発生量が増加する。投入空気量と燃料を完全燃
焼するのに必要な空気量との比である空気比を１付近、
即ち当量比付近で燃焼すると火炎温度は最も高くなり、
NOx濃度も最大になる。
プロンプトNOxは、炭化水素系燃料特有のもので、火
炎の反応領域中あるいはその近傍で比較的早い速度で生
成するNOxである。プロンプトNOxは、燃料空気中の窒素
が、火炎中に存在する反応活性の高い炭化水素ラジカル
などにより分解され、さらに酸化されて生成するNOxで
ある。プロンプトNOxの生成は温度依存性が比較的低
く、反応活性の高いラジカルの濃度および高濃度のラジ
カルが存在する領域の大きさにより支配される。
一般的に、燃焼用空気に対して、燃料量が多いほどプ
ロンプトNOxの発生量が増し、燃料量が少ないほどゼル
ドヴィッヒ機構によるNOxの発生量が増す傾向にある
が、第10図および第12図より、本発明に係る第２の検証
用燃焼器を用いると、いずれのNOxも低減できることが
わかる。
したがって、本発明に係る燃焼器では、空気比が大き
い条件下での燃料の燃焼でも、空気比の小さい条件下で
の燃料の燃焼でも、NOxを低減することができ、稀薄予
混合燃焼を行わなくても十分にNOxを低減することがで
きる。また、稀薄予混合燃焼法を採用すると、よりNOx
を低減することができる。
なお、第２の検証用燃焼器420において、燃料をメタ
ンとし、噴出する予混合気体の温度が約240℃で、燃焼
室中に空気比が1.0〜1.1で、燃焼用空気と燃料の予混合
気体のみを供給し完全燃焼させた際のNOxの排出濃度
は、約60ppm（０％O2換算値）以下であった。
第５の検証用燃焼器450は、第13図に示すように、環
状に複数の噴出口を有する予混合バーナ451,451,…と、
この予混合バーナに沿って設けられている平板状の抵抗
体452と、予混合バーナ451の出口から急激に大きくなる
燃焼室453とを備えている。
本検証用燃焼器450は、それぞれの予混合バーナ451,4
51,…に対応させて、抵抗体452を設けたものであるが、
このように構成することで、予混合バーナ451,451,…か
ら噴出する予混合気体401と外部循環領域454内の燃焼気
体404とを混合させることができ、NOxを低減することが
できる。
次に、ガスタービン燃焼器の第２の実施例について第
14図に基づき説明する。
本実施例のガスタービン燃焼器110は、拡散火炎を形
成する１次燃焼室30aと、予混合火炎を形成する２次燃
焼室20aとを備え、第１の実施例の燃焼器100とその基本
構成がほぼ同じものであるが、２次燃焼室20aにおけ
る、予混合バーナ23の出口から急激に広がる幅Ｄを広げ
たものである。
２次燃焼用内筒21aの内径は、予混合バーナ23の出口
から２次燃焼室20aが急激に広がる幅Ｄが、予混合バー
ナ23の出口幅ｄに対して、約1.5倍になるように設定さ
れている。
本実施例では、第１の実施例と同様に、抵抗体40の下
流側に、燃焼気体４による第１の循環流領域51が形成さ
れるので、安定した予混合火炎を得ることができる。
さらに、２次燃焼室20aにおける予混合バーナ23の出
口から急激に広がる幅Ｄが広がったので、抵抗体40の外
周側に形成される第２の循環流領域52aが広がり、予混
合バーナ23から噴出する予混合気体５と第２の循環流領
域52a内の燃焼気体４との混合率が増える。したがっ
て、予混合気体５と燃焼気体４とが混合して形成される
酸素分圧の低い燃焼混合気体が、単なる予混合気体５が
燃焼するよりも多く、燃焼することになるので、NOxを
より低減することができる。
また、予混合バーナ23の出口から急激に広がる幅Ｄを
広げることにより、２次燃焼用内筒22aの冷却空気口22
から流入する燃焼用空気１が直接燃焼領域内に流入して
燃焼温度を下げることがないので、COおよび未燃炭化水
素の発生を抑制することができる。
予混合火炎を形成する燃焼室において、予混合バーナ
の出口から燃焼室が急激に広がる幅を変えた場合におけ
る、NOxの低減効果について検証したので、これについ
て説明する。
検証には、第15図に示すように、予混合バーナ462
と、予混合火炎が形成される燃焼室461と、抵抗体463と
を備えている燃焼室460を用いて行った。
第16図に示すように、予混合バーナ462の口径D1と予
混合バーナの出口から燃焼室461が急激に広がる幅D2と
の比（D2/D1）が、大きくなるにつれて、NOx発生量が小
さくなる。
これは、D2が大きくなると、予混合火炎の外側に形成
される循環流464が形成され易くなり、火炎中の酸素分
圧が低くなるためである。
なお、この検証結果によれば、D2/D1が1.5以上になる
と、NOxの低減効果率が小さくなるので、実器の場合に
は、燃焼器の小型化を図るためにも、D2/D1が1.5前後に
なるよう設計することが好ましいと思われる。
次に、第17図および第18図に基づき、ガスタービン燃
焼器の第３の実施例について説明する。
この燃焼器120は、予混合火炎を形成する燃焼器ケー
シング121と、環状に配されている複数の予混合バーナ1
22,122,…と、複数の予混合バーナ122,122,…へ予混合
気体５を供給する予混合気体供給管123と、複数の予混
合バーナ122,122,…に沿って設けられている抵抗体124
とを備えている。
予混合気体供給管123の下流には、燃料２を取り入れ
る燃料ノズル125,125と、燃焼用空気１を取り入れる空
気ノズル126とが設けられている。
抵抗体124は、平板状を成しており、複数の予混合バ
ーナ122,122,…相互間を仕切る仕切板127,127,…の上
に、支持部材128,128,…を介して、設けられている。
本実施例は、先に説明した第５の検証用燃焼器450を
実機レベルにしたもので、第１の実施例および第２の実
施例と同様に、安定した予混合火炎を得ることができる
と共に、NOxの発生を抑制することができる。なお、本
実施例では、２つの燃焼室が設けられていないので、先
の実施例と比べて、小型化の点では優れているが、負荷
変動に対する許容範囲が狭い点で劣っている。
抵抗体は、第１の実施例および第２の実施例のように
断面がＶ字形状である必要は無く、その下流側に循環流
を形成することができるものであれば、どのような形状
のものでも良く、本実施例のように、平板状のものでも
良い。なお、実験によると、平板状の抵抗体の場合、予
混合気体の流れ方向に対して、抵抗体が約45゜以内の傾
斜角で設けられていれば、火炎の安定性にはほとんど影
響がないことがわかっている。
また、抵抗体は、高温になるので、少なくとも500℃
以上の耐熱性を備えている材料で形成する必要がある
が、抵抗体を中空構造にしてその内に冷却用の空気また
は水を供給することにより、耐熱性を確保するようにし
てもよい。
次に、ガスタービン燃焼器の第４の実施例について第
19図および第20図に基づき説明する。
本実施例のガスタービン燃焼器130は、予混合火炎を
形成する２つの燃焼室、１次燃焼室131と２次燃焼室141
とを備えている。
１次燃焼室131は、１次燃焼室用内筒132により構成さ
れており、その上流端には、環状に配されている複数の
１次予混合バーナ133,133,…が設けられている。予混合
バーナ133,133,…の上流側には、１次燃料２を噴出する
複数の１次燃料ノズル134,134,…と、燃焼用空気１を内
筒132内に流入させるための１次空気供給口135,135,…
とが設けられている。１次燃焼室131は、１次予混合バ
ーナ133の出口で急激に大きくなるよう形成されてい
る。
１次予混合バーナ133の出口近傍には、予混合気体５
の燃焼により発生する燃焼気体４を循環させるための抵
抗体136が設けられている。抵抗体136は、複数の予混合
バーナ133,133,…間を仕切る仕切板137,137…上に、支
持部材を介して設けられている。
２次燃料室141は、２次燃焼用内筒142により構成され
ており、１次燃焼用内筒132の下流側に設けられてい
る。２次燃焼用内筒142の上流端には、環状に配されて
いる複数の２次予混合バーナ143,143,…が設けられてい
る。予混合バーナ143,143,…の上流側には、燃焼用空気
１を予混合バーナ143,143,…内に流入させる２次空気供
給口145,145,…と、２次燃料３を噴出する２次燃料ノズ
ル146,146,…とが、設けられている。
１次燃焼用内筒132および２次燃焼用内筒142の側周に
は、内筒132,142自身を冷却するための冷却空気口138,1
48が形成されている。
燃焼用空気１は、空気圧縮器301により圧縮された
後、燃焼器130内に流入し、１次予混合バーナ133および
２次予混合バーナ143の混合部139,149において燃料2,3
と混合する。このよう形成された予混合気体５は、１次
燃焼室131および２次燃焼室141内に噴出する。燃焼用空
気１の一部は、内筒132,142の冷却用として冷却空気口1
38,148から燃焼室131,141内に流入する。
１次予混合バーナ133から噴出する予混合気体５は、
抵抗体136の作用により分割される。抵抗体136の下流側
には第１の循環流領域151が形成され、第１の循環流領
域151の周囲に予混合火炎が形成される。予混合火炎の
周囲には、燃焼気体４による第２の循環流領域152が形
成される。予混合火炎では、予混合気体５と燃焼気体４
とが混合して形成される燃焼混合気体が燃焼することに
なるので、NOxが低減される。
１次燃焼室131で形成された燃焼気体４は、ほぼ直進
して、２次燃焼室141の中心部に流入する。この燃焼気
体４の外周側に２次予混合バーナ143からの予混合気体
５が噴出される。２次予混合バーナ143から噴出される
予混合気体５は、１次燃焼室131で形成された燃焼気体
４により着火されて、予混合火炎が形成される。
本実施例のように、２つの燃焼室を設けることによ
り、負荷変動に対する許容範囲を大きくすることができ
る。
次に、ガスタービン燃焼器の第５の実施例について第
21図および第22図に基づき説明する。
本実施例のガスタービン燃焼器160は、予混合火炎を
形成する２つの燃焼室、１次燃焼室131と２次燃焼室141
とを備えており、それぞれの予混合バーナ133a,143の出
口に抵抗体161,163を設けたもので、その他の構成に関
しては、第４の実施例のガスタービン燃焼器130と基本
的な構成は同じである。なお、１次燃焼用抵抗体161に
は、その下流側にパイロットフレームを形成するパイロ
ットバーナ162が設けられている。
燃焼器160の起動時には、パイロットバーナ162のみに
燃料を供給し、１次燃焼用抵抗体161の下流側にパイロ
ットフレームを形成させる。
パイロットフレームが形成された後に、１次予混合バ
ーナ133aから１次燃料２の供給を開始し、予混合火炎を
形成させる。この予混合火炎が安定に形成された後、パ
イロットバーナ162への燃料供給を停止する。このよう
に運転することにより、燃焼器160の起動を容易に行う
ことができる。
また、本実施例では、いずれの予混合バーナ133a,143
にも抵抗体161,163が設けられているので、いずれの予
混合火炎も燃料の供給量等にあまり影響されること無
く、常に安定した予混合火炎を得ることができる。
次に、ガスタービン燃焼器の第６の実施例について第
23図に基づき説明する。
本実施例の燃焼器170は、第４の実施例の燃焼器130の
１次燃焼室131内に、予混合火炎を形成する予混合バー
ナ133を設けると共に、拡散火炎172を形成するパイロッ
トバーナ171を設けたものであり、その他の基本的な構
成は、第４の実施例とほぼ同じである。
燃焼器170の起動時には、まず、パイロットバーナ171
から燃料２を噴出し、１次燃焼室131内に拡散火炎172を
形成させる。拡散火炎172が形成されると、１次予混合
バーナ133に１次燃料２を供給し、１次予混合火炎を形
成させる。１次燃焼室131での負荷が所定の負荷になる
と、２次予混合バーナ143に２次燃料３を供給し、２次
予混合火炎を形成させると共に、拡散火炎172を消化さ
せる。このとき、２次予混合火炎は、１次予混合火炎で
発生する燃焼気体４により着火する。
これ以降は、１次予混合火炎と２次予混合火炎の負荷
を調節して、燃焼器170の負荷変動に対応させる。
本実施例では、燃焼器170の起動を容易に行うことが
できる。なお、拡散火炎172を形成させるための燃焼用
空気１は、パイロットバーナ171の周囲から供給され
が、この燃焼用空気１は、１次予混合火炎から排出され
る燃焼気体と混合するため、拡散火炎172から排出され
るNOxは少ない。
次に、ガスタービン燃焼器の第７の実施例について第
24図および第25図に基づき説明する。
本実施例の燃焼器180は、１次燃焼室181の上流側に、
予混合火炎を形成する複数の予混合バーナ183,183,…
と、複数の予混合バーナ183,183,…の出口近傍に配され
ている抵抗体184と、１次燃焼室181の上流端の中央にパ
イロットフレームを形成するパイロットバーナ185とを
設け、２次燃焼室20、その他の基本的な構成を第１の実
施例の燃焼器100とほぼ同じに構成したものである。
複数の１次予混合バーナ183,183,…は、相互間が仕切
板186,186,…により仕切られ、環状に配されている。
抵抗体184は、断面がＶ字形を成し、複数の１次予混
合バーナ183,183,…に沿って、その下流側に設けられて
いる。
１次燃焼室181は、１次燃焼用内筒182により構成され
ており、１次予混合バーナ183の出口から急激に広がる
よう形成されている。
起動時には、１次燃焼室181内にパイロットバーナ185
によりパイロットフレームを形成させる、次に１次燃焼
室181内に予混合火炎を形成させ、所定の負荷になった
時点で、２次燃焼室20内に予混合火炎を形成させる。し
たがって、パイロットバーナ185により燃焼器180を起動
させるので、容易に起動を行うことができる。
また、本実施例では、いずれの燃焼室181,20にも、予
混合バーナ183,23の出口に抵抗体40が設けられているの
で、安定した予混合火炎を得ることができる。さらに、
いずれの燃焼室181,20も、予混合バーナ183,23の出口か
ら急激に広がるように形成されているので、予混合火炎
の周囲に燃焼気体４による循環流領域187,52が形成さ
れ、NOxの発生を抑制することができる。
以上の各種実施例において、複数の予混合バーナを設
ける場合、これを環状に連続的に配したものを示してき
たが、複数の予混合バーナの配列は、これに限定される
ものではなく、例えば、第26図に示すように、複数の予
混合バーナ191,191,…を断続的に放射状に配列してもよ
い。この際、火炎を安定させる抵抗体192,192,…は、各
予混合バーナ191,191,…に対応させて、放射状に設ける
ことが好ましい。なお、同図に示す燃焼器190は、第７
の実施例の変形例である。
また、以上の各種実施例において、環状に複数の予混
合バーナが配されている場合、これに対して、環状の抵
抗体を１つ設けたものを示してきたが、環状の複数の予
混合バーナに対する抵抗体は、これに限定されるもので
はなく、例えば、第27図に示すように、複数の予混合バ
ーナ183,183,…相互間を仕切るそれぞれの仕切板186,18
6,…上に複数の抵抗体201,201,…を設けるようにしても
よい。なお、同図に示す燃焼器200は、第７の実施例の
変形例である。
次に、ガスタービン燃焼器の第８の実施例について第
28図に基づき説明する。
本実施例の燃焼器210は、燃焼室211の上流端に、複数
の１次予混合バーナ212,212,…が環状に配されている１
次予混合バーナ群と、その外周に沿って、複数の２次予
混合バーナ23,23,…が環状に配されている２次予混合バ
ーナ群と、燃焼室211の上流端の中央にパイロットフレ
ームを形成するパイロットバーナ185とが設けられてい
るものである。
１次予混合バーナ212および２次予混合バーナ23の出
口近傍には、抵抗体213,40が設けられている。
本実施例では、第７の実施例と同様に、安定した予混
合火炎を得ることができると共に、NOxを低減すること
ができる。なお、本実施例の場合、同一の燃焼室211中
に１次予混合火炎と２次予混合火炎とを形成するので、
第４の検証用燃焼器440のように、火炎相互が重なるこ
とによるNOxの低減効果の低下や振動燃焼を防ぐため
に、１次予混合バーナ212と２次予混合バーナ23との配
置関係に十分な考慮をはらって設計する必要がある。
次に、ガスタービン燃焼器の第９の実施例について第
29図に基づき説明する。
本実施例の燃焼器220は、１次燃焼室221で拡散火炎を
２次燃焼室222で予混合火炎を形成する燃焼器におい
て、複数の予混合バーナ223,223,…を２次燃焼用内筒24
の壁面に設置したものである。
複数の予混合バーナ223,223,…は、２次燃焼用内筒24
の中心軸に向かって、予混合気体が噴出されるよう設け
られている。これら複数の予混合バーナ223,223,…の出
口近傍には、抵抗体224,224,…がそれぞれ設けられてい
る。
このような燃焼器220においても、抵抗体224に対して
内筒24の中心軸側に燃焼気体４の循環流領域が形成され
ると共に、予混合火炎の周囲にも燃焼気体４による循環
流領域が形成されるので、安定した予混合火炎を得るこ
とができると共にNOxを低減することができる。
ガスタービンに接続される以上の各種実施例のガスタ
ービン燃焼器100,110,…は、第30図に示すように、ガス
タービン303と共に、ガスタービン303からの燃焼気体４
の熱により蒸気を発生させる廃熱回収ボイラ312を設け
ることにより、いわゆるコジェネレーションシステムを
構築することができる。
このコジェネレーションシステムは、空気圧縮機301
とガスタービン燃焼器100,110,…とガスタービン303と
発電機304とから構成されるガスタービン発電設備310
と、メインボイラ設備313と、ガスタービン用燃焼器10
0,110,…とメインボイラ313とに燃料２を供給する燃料
供給設備315と、廃熱回収ボイラ312と、ターボ冷却機31
4とを備えている。
燃料２は、燃料供給設備315からガスタービン燃焼器1
00,110,…とメインボイラ313とに供給される。
ガスタービン燃焼器100,110,…に供給された燃料２
は、燃焼器100,110,…内で燃焼した後、燃焼により発生
した燃焼気体４がガスタービン303に送られる。そし
て、燃焼気体２は、タービンを駆動して発電が行われ
る。
ガスタービン303からの燃焼気体４は、廃熱回収ボイ
ラ312に送られて、そこで、蒸気を発生させる。
この蒸気は、夏季にターボ冷却機314の駆動用に用い
られ、冬期には暖房用に用いられる。この蒸気が不足し
ているときは、メインボイラ313で発生した蒸気が用い
られる。
このようなコジェネレーションシステムは、NOx排出
規制の厳しい都市や都市近郊に設置されている場合が多
いが、このような場合でも、ガスタービン燃焼器内での
NOx排出量が少ないので、既に述べたように、廃熱回収
ボイラ312内に脱硝装置を設けなくても、激しい規制値
を満足することができる場合がある。
なお、廃熱回収ボイラに蒸気タービンを接続すること
により、廃熱回収型のコンバインドサイクルを構成する
ことができる。
以上、ガスタービン燃焼器に関する実施例を説明した
が、本発明は、ガスタービン用に限るものではなく、燃
料の燃焼によりサーマルNOxが発生するものであれば、
例えば、ボイラ、焼却器や化学プラント等で反応器と呼
ばれるものなど、あらゆる燃焼器に適用してもよい。
次に、本発明にかかるバーナの１実施例について第31
図に基づき説明する。
バーナ80は、外筒81と内筒85とを備えて構成されてい
る。外筒81の下流端側は、途中から急激に拡径されてい
る。外筒81の上流端側には、燃料２を受入る燃料ノズル
82と、燃焼用空気１を受入る空気ノズル83とが設けられ
ている。
内筒85の下流端には、下流側に循環流が形成されるよ
う抵抗体86が形成されている。内筒85は、中空構造にな
っており、中に冷却水９を供給する冷却水供給管87が設
けられている。
このようなバーナ80を燃焼器88に取り付け、予混合火
炎89を形成させると、先に述べたガスタービン燃焼器と
同様に、抵抗体86の下流側に燃焼気体４による第１の循
環流領域90が形成されると共に、予混合火炎89の周囲に
燃焼気体４による第２の循環流領域91が形成されるの
で、安定した予混合火炎89を得ることができると共に、
NOxを低減させることができる。
［発明の効果］ 本発明によれば、拡散燃焼バーナ（又はパイロットバ
ーナ）と予混合バーナとを備えた燃焼器で予混合燃焼さ
せる際に、安定した火炎を得ることができると共に、よ
りNOxを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図〜第６図は第１の実施例を示しており、第１図は
ガスタービン燃焼器の全体断面図、第２図は第１図にお
けるII−II線断面図、第３図はガスタービン燃焼器の要
部断面図、第４図はガスタービン発電設備の系統図、第
５図はガスタービン燃焼器を運転する際のガスタービン
負荷と空気供給量との関係を示すグラフ、第６図はガス
タービン燃焼器を運転する際のガスタービン負荷と燃料
供給量との関係を示すグラフ、第７図は第１の検証用燃
焼器の断面図、第８図は第２の検証用燃焼器の断面図、
第９図は第３の検証用燃焼器の断面図、第10図は第１の
燃焼器と第２の燃焼器と第３の燃焼器とのNOx排出特性
を示すグラフ、第11図は第４の検証用燃焼器の断面図、
第12図は第２の検証用燃焼器と第４の検証用燃焼器との
NOx排出特性を示すグラフ、第13図は第５の検証用燃焼
器の断面図、第14図は第２の実施例のガスタービン燃焼
器の全体断面図、第15図は検証用燃焼器の断面図、第16
図は検証用燃焼器のNOx排出特性を示すグラフ、第17図
は、第３の実施例のガスタービン燃焼器の要部断面図、
第18図は第17図におけるX VIII−X VIII線断面図、第19
図は第４の実施例のガスタービン燃焼器の要部断面図、
第20図は第19図におけるXX−XX線断面図、第21図は第５
の実施例のガスタービン燃焼器の要部断面図、第22図は
第21図におけるX XII−X XII線断面図、第23図は第６の
実施例のガスタービン燃焼器の要部断面図、第24図は第
７の実施例のガスタービン燃焼器の全体断面図、第25図
は第24図におけるXXV−XXV線断面図、第26図は第７の実
施例の変形例のガスタービン燃焼器の要部断面図、第27
図は第７の実施例のその他の変形例のガスタービン燃焼
器の要部断面図、第28図は第８の実施例のガスタービン
燃焼器の全体断面図、第29図は第９の実施例のガスター
ビン燃焼器の全体断面図、第30図はコジェネレーション
システムの系統図、第31図はバーナの全体断面図であ
る。 １……燃焼用空気、２……１次燃料、３……２次燃料、
４……燃焼気体、５……予混合気体、６……燃焼混合気
体、10……燃焼器ケーシング、20,20a,141,222……２次
燃焼室、21,21a,132,142……２次燃焼用内筒、23,133,1
33a,136,143,183,191,212,223……予混合バーナ、30,30
a,131,181,221……１次燃焼室、31,132,182……１次燃
焼用内筒、40,86,124,136,161,163,184,192,201,213,22
4……抵抗体、51……第１の循環流領域、52,52a……第
２の循環流領域、53……比較的急激な燃焼領域、54……
緩慢な燃焼領域、80……バーナ、100,110,120,130,160,
170,180,190,200,210,220……ガスタービン燃焼器、301
……空気圧縮器、303……ガスタービン、312……廃熱ボ
イラ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村上 忠孝 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 吉井 泰雄 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 相馬 憲一 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 小林 啓信 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 石橋 洋二 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所機械研究所内 (72)発明者 黒田 倫夫 茨城県日立市幸町１丁目１番１号 株式 会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献 特開 昭59−129330（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−75915（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−40611（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−150517（ＪＰ，Ａ) 特公 昭38−15255（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】燃料と空気とが予め混合された予混合気体
    を燃焼室内で燃焼させるガスタービン燃焼器において、 燃料と空気とを前記燃焼室内に噴出して拡散燃焼火炎を
    形成する拡散燃焼バーナを有すると共に、 前記予混合気体を前記燃焼室内に噴出して予混合燃焼火
    炎を形成する予混合バーナを有し、 前記予混合バーナは、前記拡散燃焼バーナの周囲に円環
    状に複数配され、 前記予混合バーナの下流側に、自身の内周側に前記拡散
    燃焼火炎が形成される環状部材が、前記燃焼室の内壁と
    は独立して設置され、 前記拡散燃焼火炎から前記予混合気体に火移りさせて、
    前記予混合燃焼火炎を形成することを特徴とするガスタ
    ービン燃焼器。
  2. 【請求項２】燃料と空気とが予め混合された予混合気体
    を燃焼室内で燃焼させるガスタービン燃焼器において、 前記燃焼室の上流側に配され、燃料と空気とを該燃焼室
    内で拡散燃焼させるパイロットバーナを有すると共に、 前記予混合気体を前記燃焼室内に噴出し、前記パイロッ
    トバーナの周囲に円環状を成している予混合バーナを有
    し、 前記パイロットバーナを中心として円環状を成し、前記
    予混合バーナから噴出される前記予混合気体の流れの中
    に、自身の下流側に循環流を形成する環状部材が、前記
    燃焼室の内壁とは独立して設置されていることを特徴と
    するガスタービン燃焼器。
  3. 【請求項３】燃料と空気とが予め混合された予混合気体
    を燃焼室内で燃焼させるガスタービン燃焼器において、 前記燃焼室の軸芯を含む中央部に設置され、燃料と空気
    とを該燃焼室に噴出して拡散燃焼火炎を形成する拡散燃
    焼バーナと、 前記拡散燃焼バーナの周囲に円環状に複数設置され、前
    記予混合気体を前記燃焼室内に噴出して予混合燃焼火炎
    を形成する予混合バーナと、 前記燃焼室内であって、前記予混合バーナ及び前記拡散
    燃焼バーナの双方の下流側に、該燃焼室とは独立して設
    置され、該燃焼室と同芯で自身の内周側に前記拡散燃焼
    火炎が形成される環状部材と、 を有し、 前記拡散燃焼火炎から前記予混合気体に火移りさせて、
    前記予混合燃焼火炎を形成することを特徴とするガスタ
    ービン燃焼器。
  4. 【請求項４】燃料と空気とが予め混合された予混合気体
    を燃焼室内で燃焼させるガスタービン燃焼器において、 前記燃焼室の上流側に配され、燃料と空気とを該燃焼室
    内で拡散燃焼させるパイロットバーナと、 前記パイロットバーナの周囲に円環状に複数配され、前
    記予混合気体を前記燃焼室に噴出するメインバーナと、 前記パイロットバーナを中心として円環状を成し、前記
    メインバーナの噴出口より下流側に自身の下流端が位置
    し、前記燃焼室の内壁と自身との間の前記予混合気体の
    流路を狭める環状部材と、 を備えていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
  5. 【請求項５】燃料と空気とが予め混合された予混合気体
    を燃焼室内で燃焼させるガスタービン燃焼器において、 前記燃焼室の上流側に配され、燃料と空気とを該燃焼室
    内で拡散燃焼させるパイロットバーナと、 前記パイロットバーナの周囲に円環状に複数配され、前
    記予混合気体を該燃焼室に噴出するメインバーナと、 前記燃焼室の内壁とは独立して設置され、前記パイロッ
    トバーナの外周側であって、前記メインバーナの噴出口
    より下流側に、下流側に向かうに連れて広がり、且つ該
    メインバーナに沿って環状に形成されている環状部材
    と、 を有し、 前記パイロットバーナから噴出された前記燃料の燃焼で
    形成された火炎の一部を前記予混合気体に移して、予混
    合燃焼火炎を形成することを特徴とするガスタービン燃
    焼器。
  6. 【請求項６】燃料と空気とが予め混合された予混合気体
    を燃焼室内で燃焼させるガスタービン燃焼器において、 前記燃焼室の上流側の軸中心部に配置され、空気と別個
    に燃料を該燃焼室に噴出する第１のバーナと、 前記第１のバーナの周囲に円環状に複数個設置され、前
    記予混合気体を前記燃焼室内に噴出する第２のバーナ
    と、 前記燃焼室の内壁とは独立して配置され、前記第１のバ
    ーナ及び前記第２のバーナの双方の下流側に位置する燃
    焼室内であって、前記第２のバーナから噴出される前記
    予混合気体の流れの領域内に、自身の下流端が位置し、
    前記燃焼室の前記軸芯部と同芯で環状の環状部材と、 を有し、 前記第１のバーナから噴出された前記燃料の燃焼で形成
    される火炎の一部を、前記第２のバーナから噴出された
    前記予混合気体へ火移りさせて、予混合燃焼火炎を形成
    することを特徴とするガスタービン燃焼器。
  7. 【請求項７】請求項１記載のガスタービン燃焼器と、該
    ガスタービン燃焼器で発生した燃焼気体により駆動する
    ガスタービンとを備えていることを特徴とするガスター
    ビン設備。
  8. 【請求項８】燃料と空気とを噴出して拡散燃焼火炎を形
    成する拡散燃焼バーナと、該拡散燃焼バーナの周囲に円
    環状に複数設置され、燃料と空気とが予め混合された予
    混合気体を噴出して予混合燃焼火炎を形成する予混合バ
    ーナとを備えたガスタービン燃焼器の燃焼方法におい
    て、 前記拡散燃焼バーナを中心として円環状を成し、前記予
    混合バーナの下流側に、該予混合バーナから噴出される
    前記予混合気体の流れの障害となる環状部材を、前記燃
    焼室の内壁から離間した位置に設置して、該環状部材の
    下流側に、下流側から上流側への流れを含む前記予混合
    気体の循環流を形成し、 前記拡散燃焼バーナから噴出された前記燃料が燃焼して
    形成される前記拡散燃焼火炎を前記環状部材の内周側に
    形成することにより、該拡散燃焼火炎から前記循環流を
    形成している前記予混合気体に火移りさせて前記予混合
    燃焼火炎を形成し、前記予混合気体を安定燃焼させるこ
    とを特徴とするガスタービン燃焼器の燃焼方法。
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