JP2010534782A - 予混合バーナとその運転方法 - Google Patents

Abstract

本発明は予混合バーナ（１）の運転方法に関する。予混合バーナ（１）は予混合域（２）を有している。この予混合域（２）に空気流（１５）と燃料（６）が供給され、その際、潜在的に高温燃焼ガス逆流域（８）が生ずる。本発明に基づく方法は、燃料を含まない流体（１５）が燃料噴射箇所の下流で予混合域（２）に注入されることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は予混合バーナ特に合成ガス・予混合バーナおよびその予混合バーナの運転方法に関する。

予混合バーナは一般的に予混合域を有し、この予混合域で空気と燃料が混合され、次いでその混合気が燃焼室に導入される。混合気はそこで燃焼して、高圧高温の燃焼ガスが発生される。その燃焼ガスはタービンに供給される。予混合バーナの運転に関連して殊に、窒素酸化物の発生を少なくし逆火発生を防止することが重要である。

合成ガス・予混合バーナは燃料として合成ガス（人造ガス）が利用されることで特徴づけられる。旧来のタービン燃料が主に炭化水素化合物から成る天然ガスや石油であるのに対して、合成ガスの可燃性成分は主に一酸化炭素と水素である。石炭ガス化方法およびプラント全体構想に関係して、合成ガスの発熱量は天然ガスの約５分の１から１０分の１である。

合成ガスの化学量論的燃焼温度のほかに、火炎正面における合成ガスと空気との混合品質が、ピーク温度を回避するため、およびこれに伴い熱による窒素酸化物発生を最少にするための重要な影響量となっている。

合成ガスの主要成分に一酸化炭素と水素のほかに不活性成分も存在する。その不活性成分は窒素および／又は水蒸気および場合によっては二酸化炭素である。低い発熱量のために、燃料ガスは大きな体積流量で燃焼室に供給されねばならない。その結果、例えば合成ガスのような低カロリー燃料を燃焼するために、通常の高カロリー燃料よりかなり大きな燃料注入横断面積が必要となる。

燃焼器に導入された空気流は一般的には空気スワーラ（空気旋回流発生器）により旋回される。この旋回された空気流に燃料が、横断面円形孔の一列あるいは並置配置ないし縦に並んで配置された複数列の環状の孔列を介して噴射注入される。

その燃料と空気との十分な混合を保証するために、空気流の中への個々の燃料噴射流の十分な侵入深さが必要とされる。それに応じて、天然ガスのような高カロリー気体燃料に比べて大きな噴射注入断面積が必要である。その結果、燃料噴射流が空気流を過敏に激しく乱し、そのため最終的に、燃料噴射流の後流域において空気流の局所的剥離が生ずる。バーナの内部に生ずる逆流域は望ましくなく、特に高反応性の合成ガスの燃焼時には絶対に避けねばならない。極端な場合、バーナの混合域の内部におけるその局所的な逆流域は予混合域への逆火を生じさせ、これによりバーナを損傷させる。

その逆火発生の恐れは高反応性の合成ガスの燃焼が拡散運転で行われることによって十分に回避される。しかし窒素酸化物の発生を低くするために、場合によっては不活性ガス特に蒸気による大きな希釈が必要である。予混合燃焼の場合、バーナ内部における後流域ないし高温燃焼ガス逆流域の発生は、燃料噴射孔の適切な形状によって減少することができるが、基本的には避けられない。

特許文献１に、ガスタービンの運転において低カロリー燃料の燃焼時の窒素酸化物発生を減少するためおよび逆火発生を防止するために、低カロリー燃料が空気と段階的に予混合される運転法が提案されている。

また特許文献２に、ガスタービンの運転において、予混合の枠内で、低カロリー燃料が空気と低カロリー燃料・空気混合気の形に予混合され、低カロリー燃料・空気混合気の燃焼が避けられる低カロリー燃料の燃焼法が提案されている。

特に逆火を防止するために、特許文献３において、環状燃焼器の全周にわたり空気流入範囲にスワーラが配置され、これによって、流入する空気の流速がそれぞれ１つのスワーラを備えた個々の空気流入範囲に比べて高められる環状燃焼器を備えたガスタービンが提案されている。これは逆火に対してより大きな防止作用を生じ、燃焼振動の発生をより低下させる。

確実な予混合運転を保証するために、バーナの予混合域の内部における流れ剥離ないし逆流域は絶対に防止しなければならない。逆流域が生じるとしても（潜在的逆流域の発生）、それは少なくともバーナの損傷が生じない程度でしか発生しないようにしなければならない。一般にその逆流域は気体燃料噴射流の後流における壁面近くの領域に生ずる。

窒素酸化物発生を低減するために通常、空気流ないし燃料流に希釈媒体として不活性材料の流れが添加される（Quenching）。予混合気を希薄化する技術の採用は希釈媒体使用量の減少を可能とし、これはプラント経済性を高める。しかしその不活性化が不足すると高反応性の燃料が生じる。

欧州特許出願公開第１６１４９６３号明細書 欧州特許出願公開第１６１４９６７号明細書 欧州特許出願公開第１５０７１２０号明細書

本発明の課題は、高温燃焼ガス逆流域の発生が回避される予混合バーナの有利な運転方法を提供することにある。また本発明の他の課題はそれに応じた有利な予混合バーナを提供することにある。

これらの課題は特許請求の範囲の請求項１に記載の予混合バーナの運転方法および請求項１０に記載の予混合バーナによって解決される。本発明の有利な実施態様はそれらの従属請求項に記載されている。

本発明に基づく方法は予混合域を有する予混合バーナに関する。燃焼器に空気流と燃料が供給され、その際、潜在的に高温燃焼ガス逆流域が生ずる。本発明に基づく方法は、燃料を含まない流体が燃料噴射箇所の下流で予混合域に噴射注入されることを特徴としている。

後流域あるいは逆流域への例えば低温空気の局所的噴射注入によって、バーナの予混合域の内部におけるそのような逆流域の発生が十分に防止される。少なくともそれらの流域において燃料が、バーナの予混合域の内部で燃料・空気混合気の反応ないし点火が生じないほどに希釈され冷却される。これによって、バーナのより確実な予混合運転が可能となる。

その流体は特に、潜在的に生ずる高温燃焼ガス逆流域内に位置する予混合域の表面に沿って、主流れ方向に予混合域に噴射注入される。主流れ方向における部品表面に沿った流体の噴射注入は、高温燃焼ガス逆流域の実際発生を防止し、および／又は、点火条件が整わないようにそこの燃料・空気混合気を希釈し冷却する。

燃料は空気流の主流れ方向に対して特に垂直に予混合域に噴射注入され、これは空気と燃料との基本的混合に関して有利である。基本的には、燃料を（バーナにおける半径方向外側の）円錐状壁面および／又はハブ側壁面で予混合域に噴射注入することができる。また燃料は少なくとも１つのスワーラ翼を介して予混合域に噴射注入できる。その燃料は特に合成ガスとすることができる。

潜在的高温燃焼ガス逆流域内に位置する予混合域表面に沿って予混合域に噴射注入される流体は空気あるいは不活性ガスとすることができる。ここで不活性ガスとは、反応が極めて緩慢であり、即ち、化学反応にほんの僅かしか関与しないガスを意味する。その不活性ガスとして特に、二酸化炭素、水蒸気、窒素が利用され、あるいはあらゆる希ガスも利用できる。不活性ガスの利用は、着火し易い燃料に対する点火条件が回避されねばならない場合に特に適している。

予混合域に噴射注入される流体として空気を利用する場合、予混合域にもともと供給される空気流の空気を利用することが有利である。例えば予混合域に供給される総空気量の１０％が分岐され、潜在的高温燃焼ガス逆流域に存在する予混合域表面に沿って予混合域に噴射注入される。潜在的高温燃焼ガス逆流域に存在する予混合域表面に沿って予混合域に噴射注入される空気の分量は任意に選定できる。そのために利用される空気分量は予混合域の幾何学形状、空気流の速度および噴射注入された燃料の速度に関係する。

本発明に基づく予混合バーナは予混合域と、空気スワーラ付き空気供給路と、１つあるいは複数の燃料噴射ノズルとを有している。燃料は燃料噴射ノズルを通して、空気スワーラにより予混合域内で旋回されている空気流の中に噴射注入され、その際、潜在的高温燃焼ガス逆流域が生ずることがある。本発明に基づく予混合バーナは、潜在的高温燃焼ガス逆流域における予混合域の表面が流体を予混合域に噴射注入する少なくとも１つの開口を有していることを特徴とする。特に、この流体がバーナの主流れ方向に予混合域表面に沿って噴射注入されるようにこれらの開口を配置することができる。

潜在的高温燃焼ガス逆流域への流体の局所的噴射注入によって、バーナの予混合域の内部における高温燃焼ガス逆流の発生が十分に防止される。しかしまた、高温燃焼ガス逆流域における高温燃焼ガスが、バーナの予混合域の内部における空気・燃料混合気の点火形態の反応が生じないほどに希釈され冷却される。これは逆火発生を防止し、窒素酸化物発生を低減し、即ち、バーナのより確実な予混合運転を可能とする。

好適には、高温燃焼ガス逆流域内における予混合域表面が複数の開口を有している。それらの開口は有利に、空気スワーラに通じる空気供給路に流体路を介して、空気の一部が前記流体として前記開口を通して燃焼器に噴射注入されるように接続される。

複数の燃料噴射ノズルは予混合域の（半径方向外側の）円錐状壁面および／又はハブ側壁面に位置することができる。これらの燃料噴射ノズルは空気スワーラの下流に一列であるいは縦に並んだ複数列で配置されていると有利である。これによって、燃料の段階的噴射注入が可能である。また、燃料噴射ノズルおよび／又は流体注入開口は空気スワーラに、特に少なくとも１つのスワーラ翼に位置することができる。

個々の燃料噴射ノズルは例えば横断面円形孔として形成される。他の方式は、燃料が空気流の主流れ方向に対して垂直に予混合域に噴射注入されるように、燃料噴射ノズルが形成されていることにあり、これは混合作用を促進する。燃料が空気流に対してあらゆる任意の角度で噴射注入することも勿論可能である。その使用燃料は特に合成ガスである。

以下図に示した実施例を参照して本発明の他の特徴、特性および利点を詳細に説明する。

従来通常の予混合バーナの一部概略断面図。 図１に示された予混合バーナの内部における流れ状態の概略図。 本発明に基づく予混合バーナの一部概略断面図。 図３に示された予混合バーナの内部における流れ状態の概略図。 スワーラ翼の概略横断面図。

以下図１〜図５を参照して本発明を詳細に説明する。図１は従来通常の予混合バーナの一部を概略的に断面図で示している。予混合バーナ１は特にハウジング７と予混合域２と空気スワーラ（旋回流発生器）１０と１つあるいは複数の燃料噴射ノズル１１を有している。予混合域２は中心軸線１２を中心として半径方向に対称に配置されている。予混合域２の中心軸線１２から見て半径方向外側の壁面は以下において円錐状壁面３と呼ぶ。予混合域２の中心軸線１２の側の壁面は以下においてハブ側壁面４と呼ぶ。

空気流５が空気供給路１６を通って空気スワーラ１０に達する。空気スワーラ１０は空気流５を旋回させ、これを予混合域２に導く。空気流５はそこから主流れ方向９に燃焼室（図示せず）に向けて導かれる。

予混合域２のハブ側壁面４に１つあるいは複数の燃料噴射ノズル１１が存在している。燃料６は燃料噴射ノズル１１を通して、この例では空気流５の主流れ方向９に対して垂直に導入される。ところでその主流れ方向９において燃料噴射ノズル１１の下流に高温燃焼ガス逆流域８が生ずる。燃料６は空気流５の主流れ方向９に対して垂直に噴射注入する代わりに、その主流れ方向９に対して任意の角度を成して噴射注入することもできる。

噴射注入された燃料の流れ方向は矢印６で表され、供給された空気流の流れ方向は矢印５で表されている。予混合域２の内部における主流れ方向は矢印９で表されている。

図２に予混合域２の内部における流れ状態が概略図に示されている。図２は予混合域２の内部から燃料噴射ノズル１１の方向を見た図である。燃料噴射ノズル１１のそばを流れる空気流の主流れ方向は矢印９で表されている。ところで主流れ方向９において燃料噴射ノズル１１の下流に高温燃焼ガス逆流域８が生ずる。その逆流高温燃焼ガスの流れ方向は矢印１３で表されている。

図３は本発明に基づく予混合バーナ１の一部を断面図で概略的に示している。図３に示された予混合バーナ１の基本的構成および原理的機能は本質的に図１に示された予混合バーナのそれに相当している。

本発明に基づく予混合バーナ１は、図１に関連して説明した予混合バーナに加えて、主流れ方向９において燃料噴射ノズル１の下流に位置する１つあるいは複数の流体注入開口１４を有し、これらの流体注入開口１４は予混合域２に開口している。この実施例では、その流体注入開口１４を通して流体例えば空気や不活性ガスが主流れ方向９に予混合域２に注入される。注入された流体の流れ方向は矢印１５で表されている。その流れ方向は予混合域２の内部において主流れ方向９に対してほぼ平行である。この注入された流体は図１に関連して説明した予混合バーナの場合に生ずる高温燃焼ガス逆流域の発生を防止する。

図４に図３に示された予混合域２の内部における流れ状態が概略図に示されている。図４は予混合域２の内部から燃料噴射ノズル１１と流体注入開口１４の方向を見た図である。
空気スワーラ１０から燃料噴射ノズル１１および流体注入開口１４の方向に流れる空気の主流れ方向は矢印９で表されている。流体注入開口１４を通して注入された流体の流れ方向は矢印１５で表されている。高温燃焼ガス１３は流入する流体によって主流れ方向９に運ばれる。このようにして、主流れ方向９と逆向きの高温燃焼ガス１３の逆流は効果的に防止される。

この実施例において、流体注入開口１４を通して注入される流体は、流体路を介して空気流５と接続されその空気流５から分岐された空気である。高温燃焼ガスの逆流防止に関して、予混合域２に供給される全空気量の約５％〜２０％、好適には１０％を、流体注入開口１４を通して予混合域２に供給することが有利であることが分かった。流体注入開口１４を通して空気の代わりに不活性ガス例えば二酸化炭素、水蒸気あるいは窒素を予混合域２に注入することができる。また希ガスの注入も基本的には可能である。

燃料は図１と図３に関連して述べたように空気流５の主流れ方向９に対して垂直に予混合域２に噴射注入されるか、あるいは空気流５の主流れ方向９に対して任意の角度を成して予混合域２に噴射注入される。燃料噴射ノズル１１は、基本的には、予混合域２の円錐状壁面３並びにハブ側壁面４に、あるいはスワーラ翼１７に位置することができる。燃料噴射ノズル１１が予混合域２の円錐状壁面３に存在する場合には、流体注入開口１４を相応して円錐状壁面３に位置することが有利である。また流体注入開口１４は主流れ方向９において燃料噴射ノズルの下流に存在し、主流れ方向９への流体注入を可能としなければならない。

これらの燃料噴射ノズル１１は空気スワーラの下流に１つ環状列あるいは縦に並んだ複数の環状列の形に配置される。その燃料噴射ノズル１１は横断面円形孔として形成されると有利である。その横断面円形孔を通して噴射される燃料は特に合成ガスでもよい。

次に燃料６および燃料を含まない流体１５がスワーラ翼１７を通して予混合域に注入される本発明の実施例を説明する。図５にそのスワーラ翼１７が横断面図で示されている。このスワーラ翼１７はその内部に燃料流路１８およびそれに対して主流れ方向９の下流に位置する流体流路１９を有している。

燃料６は燃料流路１８を介して燃料噴射ノズル１１を通してスワーラ翼１７から予混合域２に噴射注入される。殊に不活性ガスである流体１５は流体流路１９を介して流体注入開口２０、２１、２２を通して予混合域２に注入される。その流体注入開口２０、２１、２２は主流れ方向９において燃料噴射ノズル１１の下流に位置している。この実施例において、流体１５の一部は燃料噴射ノズル１１のそばでその下流に配置された流体注入開口２０を通してほぼ主流れ方向９と逆向きに予混合域２に注入される。その流体注入開口２０と並んでそのもっと下流に配置された流体注入開口２１を通して、流体１５の一部が主流れ方向９に対してほぼ垂直に予混合域２に注入される。その流体注入開口２１のそばでもっと下流に他の流体注入開口２２が配置され、この流体注入開口２２を通して、流体１５の一部がほぼ主流れ方向９に予混合域２に注入される。

上述した流体注入開口２０、２１、２２の配列によって、燃料噴射ノズル１１の下流での高温燃料ガス逆流域の発生が防止され、そのようにしてバーナのより確実な予混合運転が可能とされる。

１ 予混合バーナ
２ 予混合域
３ 円錐状壁面
４ ハブ側壁面
５ 空気流
６ 燃料
８ 高温燃焼ガス逆流域
９ 主流れ方向
１０ 空気スワーラ（空気旋回発生器）
１１ 燃料噴射ノズル
１４ 流体注入開口
１５ （燃料を含まない）流体
１６ 空気供給路

Claims (18)

1. 空気流（５）と燃料（６）とが供給される予混合域（２）を有し、その際、潜在的に高温燃焼ガス逆流域（８）が生ずる予混合バーナ（１）の運転方法であって、
   燃料を含まない流体（１５）が燃料噴射箇所の下流で予混合域（２）に注入されることを特徴とする予混合バーナ（１）の運転方法。
2. 流体（１５）が、前記の潜在的に生ずる高温燃焼ガス逆流域（８）内に位置する予混合域（２）の表面に沿って、主流れ方向（９）で予混合域（２）に注入されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 燃料（６）が空気流（５）の主流れ方向（９）に対して垂直に予混合域（２）に噴射注入されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 予混合域（２）が円錐状壁面（３）とハブ側壁面（４）とを有し、燃料（６）が円錐状壁面（３）および／又はハブ側壁面（４）で予混合域（２）に噴射注入されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の方法。
5. 燃料（６）が少なくとも１つのスワーラ翼（１７）を介して予混合域（２）に噴射注入されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の方法。
6. 燃料（６）が合成ガスであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の方法。
7. 流体（１５）が空気あるいは不活性ガスであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の方法。
8. 不活性ガスが希ガス、二酸化炭素、水蒸気あるいは窒素であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 流体（１５）が空気であり、予混合域（２）に供給される総空気量の１０％が高温燃焼ガス逆流域（８）に存在する予混合域表面に沿って注入されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. 予混合域（２）と、空気スワーラ（１０）付き空気供給路（１６）と、少なくとも１つの燃料噴射ノズル（１１）とを有し、燃料（６）が燃料噴射ノズル（１１）を通して、空気スワーラ（１０）により予混合域（２）内で旋回されている空気流の中に噴射注入され、その際、潜在的に高温燃焼ガス逆流域（８）が生ずる予混合バーナ（１）であって、
    この潜在的に生ずる高温燃焼ガス逆流域（８）内におけるバーナの表面が、流体（１５）を予混合域（２）に注入する少なくとも１つの流体注入開口（１４）を有していることを特徴とする予混合バーナ。
11. 流体注入開口（１４）が、空気スワーラ（１０）に通じる空気供給路（１６）に流体路を介して接続され、空気の一部が流体（１５）として前記開口（１４）を通して予混合域（２）に注入されることを特徴とする請求項１０に記載の予混合バーナ。
12. 予混合域（２）が円錐状壁面（３）とハブ側壁面（４）とを有し、燃料噴射ノズル（１１）が予混合域（２）の円錐状壁面（３）および／又はハブ側壁面（４）に存在していることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の予混合バーナ。
13. 燃料噴射ノズル（１１）が空気スワーラ（１０）の下流に一列であるいは縦に並んだ複数列で配置されていることを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれか１つに記載の予混合バーナ。
14. 複数の燃料噴射ノズル（１１）および／又は複数の流体注入開口（１４）が空気スワーラ（１０）に設けられていることを特徴とする請求項１０ないし１３のいずれか１つに記載の予混合バーナ。
15. 燃料噴射ノズル（１１）が横断面円形孔として形成されていることを特徴とする請求項１０ないし１４のいずれか１つに記載の予混合バーナ。
16. 燃料噴射ノズル（１１）が、燃料（６）が空気流の主流れ方向（９）に対して垂直に予混合域（２）に噴射注入されるように形成されていることを特徴とする請求項１０ないし１５のいずれか１つに記載の予混合バーナ。
17. 燃料（６）が合成ガスであることを特徴とする請求項１０ないし１６のいずれか１つに記載の予混合バーナ。
18. 予混合域（２）における空気流の主流れ方向（９）に流体（１５）を予混合域（２）の表面に沿って予混合域（２）に注入する複数の開口が存在していることを特徴とする請求項１０ないし１７のいずれか１つに記載の予混合バーナ。

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