JP2565980B2 - 低カロリーガス用ガスタービン燃焼器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はガスタービン燃焼器に関する。更に詳述する
と、本発明は低カロリーガス例えば石炭ガス化ガス等を
燃料とする低カロリーガス用ガスタービン燃焼器に関す
る。

（従来の技術） 現在、石炭転換利用技術の開発として石炭のガス化な
いし液化技術の開発が提唱され、各国で推し進められて
いる。そして、この開発の一環として、石炭ガス化によ
って生成されたガス（以下石炭ガス化ガス若しくは生成
ガスと言う）、特に2000kcal/Nm³未満の低カロリーガス
を燃料とする低カロリーガス用ガスタービン燃焼器の開
発が要求されている。

即ち、従来のガスタービン燃焼器（コンバスター）
は、圧縮空気の気流中に燃料を噴射して連続的に燃焼さ
せる装置で、燃焼室内の圧力が高い、燃焼室内の空
気流速が速い、燃焼負荷率が高い等の特徴を有するも
のであり、天然ガス（LNG）やプロパンガス（LPG）、油
等の高カロリー燃料の使用を前提としている。

一方、石炭ガス化ガス特に大型発電に適している空気
吹きの噴流床石炭ガス化炉から供給される石炭ガス化ガ
スはCO、H₂、N₂、CO₂、H₂O等を成分とする約1000kcal/N
m³の低カロリーガスであり、しかもその主成分のCO、H₂
のうちの大半が燃え難いCOガスである。このため、着火
し難く火災安定性に欠ける問題があり、ガスタービン用
燃料としては好ましくない。しかも1000〜2000ppmのNH₃
が不純物として含まれており、これが燃焼過程でNOxを
発生させることとなる。ましてや高負荷燃焼にすると火
災伝播速度を上回る速度で燃料ガスが流れるため益々火
がつき難い状態となる。加えて、低カロリーガスを使用
する場合、従来に比べて燃料の量が飛躍的に増大するた
め、燃焼量を変化させるということ、即ち燃料供給量を
変えるということは燃焼ガスの流れ（フローパターン）
自体を変えることとなり、火災の安定性を大きく左右し
てしまい、高カロリーガスを使用するために燃焼用空気
によって流れが決定される従来のガスタービンとは本質
的に燃料の燃焼性に対する影響に違いがある。

このため、従来の一般的なタービン燃焼器に、石炭ガ
ス化ガスのような低カロリーガスを燃料として使用する
場合、着火不良、失火、燃焼の不安定化を招いてしま
う。

そこで、この低カロリーガスを燃料として使用する場
合、燃焼の不安定を解消するため、点火用に限定して油
やLNG等の補助燃料を使用して種火を形成することが従
来考えられている（特開昭62−182532号）。このパイロ
ットバーナは、第４図に示すように点火用油の供給管と
酸素供給管との２種管とから成り、内側から油、外側か
ら酸素が夫々ガスタービン燃焼器の燃焼室内に供給され
る。このパイロットバーナから噴出される燃料及び酸素
は、イグナイターによって着火され、低カロリーガスの
着火用種火として利用される。そして、着火後は油の供
給は停止され、燃焼不安定に陥ったときにのみ適量の酸
素のみがパイロットバーナから補給され安定燃焼の維持
が図られている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、この従来のタービン燃焼器のバイロッ
トバーナは、燃料と酸素の混合速度が遅い上に燃焼室内
に大量でかつ流速の速い低カロリーガスと一緒に噴射さ
れるため、相当量の高カロリーガスを燃焼させなければ
定格燃焼時に種火として残すことは困難である。また、
この欠点を解消するため、補助燃料を遮断する定格燃焼
時に燃焼状態が不安定になった場合、燃焼室内に直接酸
素を供給することによって燃焼状態の安定を図ろうとし
ているが、燃焼室の上流側即ち燃焼噴射ノズル付におい
てフュエルリッチ燃焼を実現することができず、NOxの
発生を低減することができないし、むしろ酸素の供給に
よりNOxの発生が増大することとなる。また、燃料供給
系に水やその他の異物が混入する等の事故によって起る
失火に対して効果的でない。特に、高圧高温の複合発電
用セラミックタービンを使用する場合、失火によって冷
たい燃焼用空気がタービン側に流れ込むと、セラミック
静翼に熱応力による破壊が生じる虞があることから、失
火を確実に回避することが不可欠となり、無視できない
重要な問題となる。

そこで本発明は、NOxを発生させずにしかも燃え難い
低カロリーガスを燃焼させるガスタービン燃焼器の提供
にある。

（課題を解決するための手段） かかる目的を達成するため、本発明の低カロリーガス
用ガスタービン燃焼器は、主燃焼室の入口側に補助バー
ナを装備するセラミックス製副燃焼室を設けると共に該
副燃焼室の出口周囲に主燃料噴射ノズルと一次燃焼用空
気噴射ノズルを配置する一方、前記補助バーナの燃料流
路と一次燃焼用空気の流路とを部分的に連通させてこの
連通部近傍において燃料流路を絞りエゼクタ作用によっ
て燃料流量に対応する量の燃料用空気を吸引して一定の
空気比の混合気として前記副燃焼室内に噴射させるよう
にしている。

また、本発明は、副燃焼室では主燃焼室内において燃
焼させる低カロリーガスより高カロリーのガスを燃焼さ
せることを特徴としている。

また、本発明は、主燃焼室で総発生熱量の90％以上の
低カロリーガスを燃焼させると共に副燃焼室で総発生熱
量の10％未満の高カロリーガスを燃焼させることを特徴
としている。

（作用） したがって、燃料即ち高カロリーガスの速度エネルギ
ーによって燃焼用空気が補助バーナ内に吸引され、燃料
の量即ち燃焼量に関係なく一定の空気比の混合気を得
る。しかも、副燃焼室はセラミックス製であるため、冷
却用の燃焼用空気を必要とせず、上記混合気の空気比λ
は0.8〜1.0に設定できる。そして、混合気は高温の火炎
となって副燃焼室内を旋回しながら主燃焼室内へ噴出
し、主燃焼室内の主燃焼域の再循環流（保炎機構）の外
側に広がる。

（実施例） 以下、本発明の構成を図面に示す実施例に基づいて詳
細に説明する。

第１図に本発明の一実施例を中央縦断面図で示す。こ
のガスタービン燃焼器は、主燃焼室１の入口側にセラミ
ックス製副燃焼室２を設け、該副燃焼室２の出口周囲に
主燃料噴射ノズル３と一次燃焼用空気噴射ノズル４とを
配置して主燃料たる低カロリーガスの低カロリーガスヘ
ッダを構成すると共に前記副燃焼室２内に補助燃料たる
高カロリーガスと燃焼用空気との混合気を噴射する補助
バーナノズル５を設け、副燃焼室２内に形成された高温
火炎を旋回させて主燃焼室１側へ噴射させるようにして
成る。

燃焼器は、通常、ケーシング６とライナー７との二重
筒構造が採られ、ライナー７とケーシング６との間に燃
焼用空気の流路８が形成されライナー７の内側が主燃焼
室１とされている。ライナー７の前半部には二次空気孔
９及び必要あれば三次空気孔10が円周方向に多数設けら
れ、ケーシング６とライナー７の間の流路８に供給され
る燃焼用空気を二次空気及び必要によっては三次空気と
して燃焼室１内に噴出させ、二次燃焼及び必要あれば燃
焼ガスの冷却が為される。また、ケーシング６には二次
空気供給用ダクト11が接続され、燃焼用圧縮空気供給源
に接続される供給口12を経て燃焼用空気を流路８に導入
するように設けられている。また、ライナー７には低カ
ロリーガスヘッダの一次燃焼用空気噴射ノズル４を囲繞
する一次空気供給ダクト13が二次空気供給ダクト11内を
貫通するようにして接続され、燃焼用圧縮空気供給源に
接続される供給口14を経て一次空気を主燃料噴射ノズル
３の周りの一次燃焼用空気噴射ノズル４から噴射させる
ように設けられている。尚、一次燃焼用空気噴射ノズル
４には、必要に応じてスワラーが装備され、噴射空気に
旋回をかけることがある。

前記副燃焼室２は、主燃焼室１の入口側に設けられて
おり、主燃料噴射ノズル３の内側の中央に設置されてい
る。この副燃焼室２は全体がセラミックスの、あるいは
セラミッスクの内張によって被覆された筒状容器、通常
円筒によって構成されているものである。セラミックス
としては、例えば炭化ケイ素系セラミックス、窒化ケイ
素系セラミックス、サイアロン等の使用が好ましい。
尚、この副燃焼室２は例えば押え金具24によって一次空
気供給用ダクト13に取付けられている支持板25に固定さ
れている。この支持板25は燃焼用空気を低カロリーガス
ヘッダの一次燃焼用空気噴射ノズル４側に流通させるた
めの貫通孔26が設けられている。また、この副燃焼室２
には補助バーナ５が設けられ、主燃焼室１に供給される
燃料ガスに比べて高カロリーなガス例えばLNGやLPG等を
燃料として燃焼させるように設けられている。高カロリ
ーガスはあらかじめ燃焼用空気と一定の空気比で混合さ
れ、副燃焼室２内に旋回するように噴射されるように設
けられている。したがって、その燃焼ガスは副燃焼室２
内で旋回し主燃焼室１側へ急速に広がるように噴出す
る。例えば本実施例の場合、燃料ガスと燃焼用空気とを
バーナ内で予め混合し、その混合気体を旋回させて噴射
する構造のバーナが採用されている。具体的にはバーナ
チップの噴射軸が内側から外側に向けて45゜程度振られ
たバーナチップが採用されている。また、この補助バー
ナ５は燃焼量の如何に拘らず高温火炎を形成するため、
燃料噴射量に応じて燃焼用空気量が変化して一定の空気
比を自動的に取り得る構造に設けられている。例えば本
実施例の補助バーナ５の場合、燃料噴射ノズル15とその
内部中央に設置しているイグナイター（点火装置）16と
の間に鼓状の絞り筒17と仕切板18とから成るエゼクタを
設ける一方、燃料噴射ノズル15に給気孔19を穿孔すると
共に該給気口19の周囲に一次空気供給用ダクト13内を流
れる燃焼用空気の吸入を容易にするための薄入管23が設
置され、補助燃料ガスの速度エネルギーを利用したエゼ
クタ効果によって燃焼用空気を吸引し一定の混合比を得
るように設けられている。混合比λは、通常、最高火炎
温度を得るため0.8〜1.0に設定されている。尚、この副
燃焼室２の出口は円錐面状に広げられ、主燃焼室１内に
火炎が噴出する際に広がり易いように設けられている。

また、この副燃焼室２の周囲には主燃料噴射ノズル３
が形成されている。この主燃料噴射ノズル３は本実施例
の場合、第３図に示すように外側から内側に向けて傾斜
しかつ円周方向に傾いた噴射口を円周上に多数設け、副
燃焼室２から噴射される補助火炎と衝突するように設け
られている。主燃料噴射ノズル３には環状のヘッダ20が
接続され、低カロリーガス供給源例えば石炭ガス化炉か
ら供給される低カロリーガスを全周から均等に噴射させ
るように設けられている。ヘッダ20は連結管21を介して
一次空気供給ダクト11内の環状ヘッダ22と接続され、ガ
ス化炉等に接続されている。

副燃焼室２に供給される高カロリーガスは、定格出力
時において総発生熱量の10％未満、即ち低カロリーガス
を含めた燃料全体の燃料によって発生する総熱量に占め
る割合が10％未満となる量に抑えることが好ましい。低
カロリーガス供給系と高カロリーガス供給系とは別々に
制御されており、相互に独立した二系統の燃料系統を有
する。

以上のように構成したので、低カロリーガス例えば石
炭ガス化ガスを安定燃焼させ得る。まず、総発生熱量の
10％未満の高カロリーガス例えばLPG若しくはLNGを副燃
焼室２に供給し、イグナイタ16によって着火する。次い
で、主燃焼室１側に総発生熱量の90％以上の石炭ガス化
ガスを供給し、高カロリーガスの高温火炎を火種として
低カロリーガスを着火・燃焼させる。燃焼用空気は、低
カロリーガスと高カロリーガスとが主燃焼室の上流側に
おいてフュエルリッチ燃焼となるような空気比の量が供
給口14から供給される。しかし、補助バーナ５側に供給
される燃焼用空気はエゼクタ効果によって吸入されるた
め、高カロリーガスは0.8〜1.0の一定空気比であらかじ
め混合されて副燃焼室２内に旋回噴射される。したがっ
て、副燃焼室から噴射される火炎は高温の種火となって
主燃焼室の入口側に広がり噴出され、高温の燃焼帯域を
形成する。よって、元来燃え難い上にフュエルリッチ燃
焼状態のためより一層燃え難くなっている低カロリーガ
スでも容易に着火し、安定的に燃焼する。

（発明の効果） 以上の説明より明らかなように、本発明の低カロリー
ガス用ガスタービン燃焼器は、燃料の速度エネルギーに
よって燃焼用空気を補助バーナ内に吸引して、燃料の量
即ち燃焼量に関係なく一定の空気比の混合気を得、かつ
副燃焼室をセラミックスで形成して冷却用の燃焼用空気
を省き混合気の空気比λを0.8〜1.0に設定することによ
って高温の火炎を形成する一方、この火炎を副燃焼室内
において旋回させて主燃焼室側へ噴出させ主燃焼室内の
主燃焼域の再循環流（保炎機構）の外側に広がるように
しているので、少量のガスによって主燃焼域の保炎機構
を破壊せずに高温の種火を形成できる。特に高カロリー
ガスを使用する場合、少量のガスで安定した高温の種火
をつくることができる。

したがって、低カロリーガスの着火性を良くすると共
に火炎安定性を向上させ、また安定な火種があるため主
燃焼域の燃焼用空気の供給を少なくしてフュエルリッチ
燃焼とし、NOxの発生を低く抑えることができる。しか
も、本発明によると、燃焼量の制御が燃料系の制御だけ
で簡単におこな得るし、燃焼量が変化しても高温の種火
を維持できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の低カロリーガス用タービン燃焼器の一
実施例を示す中央縦断面図、第２図は副燃焼室部分の拡
大断面図、第３図は第２図のIII矢示図、第４図は従来
のガスタービン燃焼器の概略図である。 １……主燃焼室、２……副燃焼室、 ３……主燃料噴射ノズル、 ４……一次燃焼用空気噴射ノズル、 ５……補助バーナ、 17,18……エゼクタを構成する絞り筒及び仕切り板、 19……給気口。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長谷川 俊明 神奈川県横浜市鶴見区尻手２丁目１番53 号 日本ファーネス工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−182532（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−175876（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭61−12096（ＪＰ，Ｂ２) 実公 昭61−26774（ＪＰ，Ｙ２)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】主燃焼室の入口側に補助バーナを装備する
   セラミックス製副燃焼室を設けると共に該副燃焼室の出
   口周囲に主燃料噴射ノズルと一次燃焼用空気噴射ノズル
   を配置する一方、前記補助バーナの燃料流路と一次燃焼
   用空気の流路とを部分的に連通させてこの連通部近傍に
   おいて燃料流路を絞りエゼクタ作用によって燃料流量に
   対応する量の燃焼用空気を吸引して一定の空気比の混合
   気として前記副燃焼室内に噴射させることを特徴とする
   低カロリーガス用ガスタービン燃焼器。
2. 【請求項２】前記副燃焼室では主燃焼室内において燃焼
   させる低カロリーガスより高カロリーのガスを燃焼させ
   ることを特徴とする請求項１記載の低カロリーガス用ガ
   スタービン燃焼器。
3. 【請求項３】前記主燃焼室で総発生熱量の90％以上の低
   カロリーガスを燃焼させると共に副燃焼室で総発生熱量
   の10％未満の高カロリーガスを燃焼させることを特徴と
   する請求項２記載の低カロリーガス用ガスタービン燃焼
   器。