JP3922115B2 - Low NOx combustion method for gas turbine and low NOx combustor - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービン用低NOx燃焼方法およびガスタービン用低NOx燃焼器にかかり、より詳細には、ファイバーマットを用いた表面燃焼方式を採用し、低当量比ガスの希薄燃焼の安定性向上および十分な低NOx化等を実現したガスタービン用低NOx燃焼方法およびガスタービン用低NOx燃焼器に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、高温焼却炉やボイラ等のように大きな熱エネルギを必要とする装置の燃焼器にあっては、表面燃焼方式の高輻射型ガスバーナであるファイバーマットバーナ(「メタルファイバーマットバーナ」ともいう。)が多く用いられている。ここでファイバーマットとは、素線径15〜50μmの金属繊維を、高い空隙率で厚さ数mmのマット状に焼結したものであり、ファイバーマットバーナはこれを燃焼面とすることを特徴とする燃焼器である。
ファイバーマットバーナでの燃焼は、燃料と空気を予め混合した気体(予混合ガス)を燃焼室に供給し、ファイバーマットの表面でこれを赤熱燃焼させるもので、マット表面は均一に赤熱し、高い輻射熱を発生すると同時に、1000℃程度の燃焼排ガスを排出する。
なお、ファイバーマットを構成する金属繊維は、マットの面内方向に均一に配向されているため、ファイバーマットは面内での熱の均一性が高く、厚み方向への熱伝導性が小さいという特徴も有している。
したがってファイバーマットバーナは、これまではこの輻射熱と燃焼排ガスの利用を目的とする分野、例えば対象物の加熱や乾燥を目的とする分野において主に用いられてきた。
【0003】
ファイバーマットバーナは、
(1)燃焼面の均一性が高く、温度分布にむらがない、
(2)火炎が浮上しないため失火しにくく、また、ススもほとんど発生しない、
(3)一定の条件下の燃焼においては発生するNOxの濃度が極めて低い、
(4)燃焼室内での耐逆火性に優れている、
(5)従来のバーナに比べて単位面積あたりの燃焼負荷が高い、
(6)投入熱量のうち輻射熱として得られる割合が高く、加熱・乾燥の効率化が可能である、
などの特徴を有する。そのため、これを炉やボイラ等の装置に適用した場合には、均一かつ安定した燃焼性および耐逆火性が向上するとともに、輻射熱の利用により対象物の加熱や乾燥が効率化され、換言すれば装置の小型化が可能となり、また燃焼排ガスの低NOx化も可能なため環境保護にも資することができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これまで表面燃焼方式のファイバーマットバーナは、燃焼排ガスの運動エネルギを利用するガスタービン燃焼器などで利用されることはなかった。
その理由としては、
▲1▼ガスタービンは燃焼器で空気と燃料とを燃焼させて発生した燃焼排ガスによりガスタービンを駆動してこれを動力として取り出すものであるため、輻射エネルギ(輻射熱)への変換率が高く、運動エネルギへの変換率が低い表面燃焼方式はエネルギ効率の観点からはガスタービンに不向きである。
▲2▼高当量比(当量比1程度)の予混合ガスの燃焼を行う場合、NOxの低減を実現するためには表面燃焼を行うファイバーマットでの燃焼温度を低下させる必要があるが、赤熱したファイバーマット表面から輻射熱を放出させて燃焼温度を低下させようとすると、輻射熱を利用することのないガスタービンではエネルギ効率を犠牲にすることとなる。
等がある。
【0005】
その一方で、表面燃焼方式の燃焼器は上述のように、燃焼の安定性が非常に高く、一定条件下では発生するNOxの濃度が極めて低く、また燃焼室内での逆火も回避できる、といった優れた特徴を有する。そのため、エネルギ効率の問題を考慮しつつこれをガスタービン用の燃焼器に適用することができれば、非常に優れた燃焼器を提供することができる。
【0006】
本発明は上述した問題を解決するために発案されたものである。すなわち本発明は、従来ガスタービンに適用されることのなかった表面燃焼方式を、エネルギ効率の問題を考慮して、輻射熱を回収することによりエネルギ効率を向上させると同時に、ファイバーマットの赤熱面の温度を低下させ、予混合希薄ガスの燃焼安定性の向上、低NOx化、耐逆火性の向上を同時に実現することができるガスタービン用低NOx燃焼方法およびガスタービン用低NOx燃焼器を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上述した問題を解決するため本発明は、高当量比の予混合ガス(1)をフェルトマット状の第1ファイバーマット(4)の一面側から供給し他面側の表面において赤熱燃焼させ、該第1ファイバーマットの他面側との間に一定の空隙(8)をあけて対向して配置されたフェルトマット状の第2ファイバーマット(6)と、第1ファイバーマットの他面側の赤熱面との間で熱交換を行わせ、低当量比の予混合ガス(2)を第2ファイバーマットを介して前記空隙に供給してその予熱を行い、その後、前記赤熱面をパイロットバーナ(12)として前記空隙内で希薄燃焼を行う、ことを特徴とするガスタービン用低NOx燃焼方法を提供する。
【0008】
本発明によれば、第1ファイバーマットと第2ファイバーマットとを一定の空隙をあけて対向して配置し、少量の高当量比の予混合ガス(以下「高当量比ガス」という。)を第1ファイバーマットの空隙側の面において赤熱燃焼させ、これをパイロット(保炎)バーナとする。このとき赤熱面からは輻射熱が放出され、この輻射熱は対向する第2ファイバーマットや空隙内の気体に吸熱される。輻射熱の放出により第1ファイバーマットの赤熱面の温度は低下するため、高当量比ガスが高温燃焼時に大量に発生するNOxの低減を図ることができる。
一方、輻射熱により加熱された第2ファイバーマットからは多量の低当量比の予混合ガス(以下「低当量比ガス」という。)が空隙に向けて供給される。その際、低当量比ガスはマットとの対流伝熱等によって間接的に予熱され、その安定燃焼範囲が拡大される。さらに燃焼面の均一性が高く、温度分布にむらがなく、かつ、保炎性の高い第1ファイバーマットでの赤熱燃焼がパイロットとなることによって、予熱された低当量比ガスは第2ファイバーマットの空隙側において安定したリーン燃焼(希薄燃焼)を行い、空隙には輻射熱を放出しない火炎長の短い青色火炎がメインフレームとして面状に形成される。
このように上述した形態のファイバーマットを利用した燃焼方法によれば、エネルギ効率的にも無駄がなく、▲1▼赤熱燃焼によるパイロットバーナの保炎性の確保、▲2▼高当量比ガスの赤熱燃焼温度低下による低NOx化、▲3▼保炎性の高いパイロットバーナの存在と低当量比ガスの予熱によるメインバーナでの安定したリーン燃焼、▲4▼安定したリーン燃焼によるメインバーナの低NOx化、とともに、▲5▼予混合ガスの供給経路と燃焼領域とをファイバーマットで仕切ることによる耐逆火性の向上、を同時に実現することができる。
さらに、パイロットバーナの燃焼ガスと低当量比ガスとの混合によって、燃焼ガス再循環効果も期待でき、さらなる低NOx化を図ることも可能となる。
【0009】
上記ガスタービン用低NOx燃焼方法を実施するための具体的な燃焼器として本発明は、高当量比の予混合ガス(1)をフェルトマット状の第1ファイバーマット(4)の一面側から供給し他面側の表面において赤熱燃焼させるパイロットバーナ(12)と、該第1ファイバーマットの他面側との間に一定の空隙(8)をあけて対向して配置されたフェルトマット状の第2ファイバーマット(6)を有し、低当量比の予混合ガス(2)を該第2ファイバーマットの一面側から供給して他面側に位置する前記空隙において希薄燃焼させるメインバーナ(14)と、を含む、ことを特徴とするガスタービン用低NOx燃焼器を提供する。
【0010】
平面状の第1ファイバーマットと第2ファイバーマットを一定の空隙をあけて対向して配置することにより、最も基本的な姿態での安定燃焼、低NOx化、耐逆火性向上等を実現する燃焼器を提供することができる。
【0011】
本発明の好ましい実施例によれば、前記第1ファイバーマット(4)および前記第2ファイバーマット(6)は同軸の二重円筒に形成され、内側に位置する第1ファイバーマットの内周側からは高当量比の予混合ガス(1)が前記空隙(8)側へ供給され、外側に位置する第2ファイバーマットの外周側からは低当量比の予混合ガス(2)が前記空隙に向けて供給される、ものとする。
【0012】
ファイバーマットはその形状の自由度が大きいため、自由な形状の燃焼器を作成することができる。そのため輻射エネルギの回収効率や燃焼器の小型化等に鑑み、二重円筒形に第1ファイバーマットおよび第2ファイバーマットを配して燃焼器を構成することで、エネルギ効率が高く、保炎性に優れ、耐逆火性が高く、低NOx化を実現した燃焼器を提供することができる。
【0013】
また、本発明の他の好ましい実施例によれば、前記第1ファイバーマット(4)および前記第2ファイバーマット(6)は同軸の二重円筒に形成され、内側に位置する第2ファイバーマットの内周側からは低当量比の予混合ガス(2)が前記空隙(8)に向けて供給され、外側に位置する第1ファイバーマットの外周側からは高当量比の予混合ガス(1)が前記空隙側へ供給される、ものとすることもできる。
【0014】
この実施例は第1ファイバーマットおよび第2ファイバーマットを上記と同様に二重円筒形とするものであるが、その配置を逆にしている。すなわち、本実施例では空隙の外周側に赤熱燃焼面が形成されるが、かかる構成によっても上記の燃焼器と同様にエネルギ効率等に優れた燃焼器を提供することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【0016】
本発明の低NOx燃焼器は主としてガスタービンに用いることを目的としたものであり、上流側にはエンジン内部に取り入れた空気を圧縮する圧縮機が、下流側には燃焼排ガスにより駆動されるタービンが配置されている(図示せず)。
またこの燃焼器は、これまでは輻射エネルギへの高変換率の点からガスタービンの燃焼器に採用されることのなかった、表面燃焼方式を採用したことを特徴とするものである。
【0017】
図1は本発明のガスタービン用低NOx燃焼方法および低NOx燃焼器の原理を説明するために記載したもので、低NOx燃焼器の基本的内部構成を示している。
【0018】
この燃焼器10の上流側には図示しない2つの混合器が設けられおり、各混合器では図示しない圧縮機で圧縮された空気と燃料とが予め均一に混合された後に、別経路を経て燃焼器へ供給される。
各混合器では、比較的少量の高当量比(当量比0.8〜1程度)の予混合ガス(高当量比ガス1)と、多量の低当量比(当量比0.4〜0.6程度)の予混合ガス(低当量比ガス2)が生成される。
【0019】
燃焼器10は一定の空隙をあけて対向して配置される金属繊維を高い空隙率で厚さ数mmのマット状に焼結したフェルトマット状の第1ファイバーマット4および第2ファイバーマット6と、これらを覆い燃焼器の外形を形成するフレームチューブ16とから構成され、第1ファイバーマット4には第2ファイバーマット6と対向する面の反対の面側から比較的少量の高当量比ガス1を供給するための高当量比ガス供給管18が接続され、第2ファイバーマット6には第1ファイバーマット4と対向する面の反対の面側から多量の低当量比ガス2を供給するための低当量比ガス供給管22が接続されている。
【0020】
フレームチューブ16は、第1ファイバーマット4および第2ファイバーマット6によって、高当量比ガス供給管18が接続された第1空間24、第1ファイバーマットおよび第2ファイバーマットとの間の空隙空間8、低当量比ガス供給管22が接続された第3空間26の3つの空間に仕切られた層構造を有しており、空隙空間8の部分のフレームチューブ16下流端には燃焼排ガスを排気するための排気口28が開口している。
【0021】
フレームチューブ16に接続された高当量比ガス供給管18から供給された高当量比ガス1は第1空間24において均一に拡散し、第1ファイバーマット4を抜けて空隙空間8側に向かい、空隙空間側の第1ファイバーマット表面において赤熱燃焼し、パイロットフレームを形成する。
一方、フレームチューブ16に接続された低当量比ガス供給管22から供給された低当量比ガス2は第3空間において均一に拡散し、第2ファイバーマット6を通り抜けて空隙空間8に供給され、空隙空間内においてリーン燃焼してメインフレームを形成する。
【0022】
このようにこの低NOx燃焼器10では、空隙空間を境界に一方(図の下側)にはパイロットバーナ12が、他方(図の上側)にはメインバーナ14が構成される構造となっている。
【0023】
上記構成の低NOx燃焼器10によれば、まず保炎性に優れた第1ファイバーマット4の赤熱面がパイロットとして機能することで、第2ファイバーマット6を通して供給される多量の低当量比ガス2を空隙空間8内で安定してリーン燃焼させることができる。リーン燃焼では輻射熱を放出しない火炎長の短い青色火炎が面状に形成される。
また、第1ファイバーマット4に対向する第2ファイバーマット6は、第1ファイバーマットの赤熱面からの輻射熱により加熱され、また空隙空間8に供給される多量の低当量比ガス2はマット(第1、2ファイバーマット)との対流伝熱等により予熱されて、その安定燃焼範囲が拡大される。換言すれば、ファイバーマットを用いた表面燃焼方式において高変換率で発生する輻射熱を低当量比ガスの予熱のために回収することで、従来のエネルギ効率の問題を解消している。
さらに、赤熱面からの輻射熱を回収し赤熱面での高当量比ガス1の燃焼温度を低下させることができるので、高温燃焼時に大量に発生するNOxの発生を抑制することができる。
加えて、予混合ガス(高当量比ガスおよび低当量比ガス)の供給経路と燃焼領域(空隙空間)とがファイバーマットにより仕切られているため耐逆火性も向上させることができる。
また、高当量比ガスの燃焼排ガスと低当量比ガスとの混合によって、燃焼ガス再循環効果によるさらなる低NOx化も期待できる。
【0024】
図2は上述の低NOx燃焼器の原理を、実際のガスタービン用の燃焼器に適用した好ましい実施例を模式的に示した構成図であり、(a)は軸方向断面図、(b)は径方向断面図である。
【0025】
この燃焼器20は円筒中空状のフレームチューブ16によりその外形が形成され、フレームチューブの内部には、フレームチューブと同軸の円筒状に形成された第1ファイバーマット4と、第1ファイバーマットと一定の空隙8をあけてこれを覆う第2ファイバーマット6が配置されている。
すなわちフレームチューブ16内部は、円筒状の第1ファイバーマット4内部の空間(第1空間24)、第1ファイバーマットと第2ファイバーマットとの間の空間(空隙空間8)、第2ファイバーマットとフレームチューブ内周との間の空間(第3空間26)の3層に仕切られた層構造を有している。
【0026】
フレームチューブ16の上流端面側には図示しない一の混合器で生成された高当量比ガス1を第1空間24へ供給するための高当量比ガス供給管18がその中心に軸方向から接続され、また図示しない他の混合器で生成された低当量比ガス2を第3空間26へ供給するための低当量比ガス供給管22がその外周側に軸方向から4本接続されている。
またフレームチューブ16の下流端面側の空隙空間8に対応する部分には燃焼排ガスを排気するための排気口28が円環状に開口している。
【0027】
かかる構成の燃焼器20によれば、高当量比ガス供給管18から第1空間24へ供給された高当量比ガス1は第1空間内で拡散した後に、第1ファイバーマット4を空隙空間8側へ抜け、空隙空間側のファイバーマット表面において赤熱燃焼してパイロットフレームを形成する。また、低当量比ガス供給管22から第3空間26へ供給された低当量比ガス2は第3空間内で拡散した後に、第2ファイバーマットを空隙空間8に向けて通り抜け、空隙空間内においてリーン燃焼を行う。
【0028】
このように燃焼器を円筒状に形成し、その内部に表面燃焼方式を採用したパイロットバーナ12とリーン燃焼を行うメインバーナ14を構成することにより、既述の低NOx燃焼器10と同様の効果を奏することができるとともに、輻射熱の回収効率が高い小型の低NOx燃焼器を実現することができる。
【0029】
図3は他の実施例による低NOx燃焼器を模式的に示した構成図であり、(a)は軸方向断面図、(b)は径方向断面図である。
【0030】
この燃焼器30の構成は図2に示した燃焼器20と近似しているが、第2ファイバーマット6が内側に位置し、第1ファイバーマット4が外側に位置している。すなわち、外側に位置する第1ファイバーマット4の外周側からは高当量比ガス1が空隙空隙8側へ供給され、内側に位置する第2ファイバーマット6の内周側からは低当量比ガス2が空隙空間8に向けて供給される。
かかる構成の燃焼器によっても、図2に示した燃焼器と同様の効果を達成することができる。
なお本実施例の場合、表面燃焼による赤熱面は円筒状のフレームチューブ近傍の第1ファイバーマット内側に形成されるが、ファイバーマットは厚み方向への熱伝導性が小さいという特徴があるためエネルギ効率上の問題は発生しない。
【0031】
以上のように本発明の燃焼器によれば、保炎性の確保、確保輻射熱の回収によるエネルギ効率の向上、低当量比ガスの予熱による安定燃焼範囲の拡大、赤熱面の温度低下による低NOx化、耐逆火性の向上等を同時に実現することができる。
【0032】
なお本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限りで種々に変更できることは勿論である。
【0033】
【発明の効果】
上述したように本発明では、ファイバーマットを使用することにより表面燃焼方式での赤熱面をパイロットバーナとして用いメインバーナでのリーン燃焼の安定性を向上させ、表面燃焼により発生する輻射エネルギを効率よく回収して低当量比ガス(希薄予混合ガス)を予熱して安定燃焼領域を拡大させ、また、赤熱面からの輻射熱回収により赤熱面での燃焼温度を低下させてNOxの発生を抑制することができる。
よって本発明によれば、リーン燃焼の保炎性確保、エネルギ効率の向上、低NOx化、燃焼ガスの運動エネルギ確保、耐逆火性の向上、を同時に実現することができるガスタービン用低NOx燃焼方法および低NOx燃焼器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のガスタービン用低NOx燃焼方法および低NOx燃焼器の原理を説明するための低NOx燃焼器の原理図である。
【図2】本発明のガスタービン用低NOx燃焼器の好ましい実施例の構成図である。
【図3】本発明のガスタービン用低NOx燃焼器の他の好ましい実施例の構成図である。
【符号の説明】
1 高当量比の予混合ガス(高当量比ガス)
2 低当量比の予混合ガス(低当量比ガス)
4 第1ファイバーマット
6 第2ファイバーマット
8 空隙(空隙空間)
10,20,30 燃焼器
12 パイロットバーナ
14 メインバーナ
16 フレームチューブ
18 高当量比ガス供給管
22 低当量比ガス供給管
24 第1空間
26 第3空間
28 排気口[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a low-NOx combustion method for a gas turbine and a low-NOx combustor for a gas turbine. More specifically, the present invention employs a surface combustion method using a fiber mat, and improves the stability of lean combustion of a low equivalent ratio gas. The present invention relates to a low-NOx combustion method for a gas turbine and a low-NOx combustor for a gas turbine that achieve a sufficiently low NOx and the like.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in a combustor of a device that requires large heat energy such as a high-temperature incinerator or a boiler, it is also referred to as a fiber mat burner (“metal fiber mat burner”) that is a surface combustion type high radiation type gas burner. ) Is often used. Here, the fiber mat is obtained by sintering a metal fiber having a strand diameter of 15 to 50 μm into a mat having a thickness of several millimeters with a high porosity, and the fiber mat burner is used as a combustion surface. It is a combustor.
Combustion with a fiber mat burner supplies a gas (premixed gas) premixed with fuel and air to the combustion chamber and burns it red on the surface of the fiber mat. The mat surface is uniformly red hot and high At the same time as generating radiant heat, exhaust gas of about 1000 ° C. is discharged.
In addition, since the metal fibers constituting the fiber mat are uniformly oriented in the in-plane direction of the mat, the fiber mat has a high heat uniformity in the surface and a low thermal conductivity in the thickness direction. Also have.
Therefore, the fiber mat burner has so far been mainly used in a field aiming at utilization of the radiant heat and combustion exhaust gas, for example, a field aiming at heating and drying of an object.
[0003]
Fiber mat burner
(1) High uniformity of combustion surface and no uneven temperature distribution.
(2) Since the flame does not rise, it is difficult to misfire, and soot is hardly generated.
(3) NOx concentration generated in combustion under certain conditions is extremely low.
(4) Excellent backfire resistance in the combustion chamber,
(5) Combustion load per unit area is higher than conventional burners.
(6) The ratio obtained as radiant heat in the input heat amount is high, and heating and drying can be made more efficient.
It has the features such as. Therefore, when this is applied to devices such as furnaces and boilers, uniform and stable flammability and backfire resistance are improved, and the use of radiant heat increases the efficiency of heating and drying of the object, in other words. Therefore, it is possible to reduce the size of the apparatus and to reduce the NOx of the combustion exhaust gas, which contributes to environmental protection.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, so far, the surface combustion type fiber mat burner has not been used in a gas turbine combustor that uses the kinetic energy of combustion exhaust gas.
The reason is
(1) Since the gas turbine drives the gas turbine by combustion exhaust gas generated by burning air and fuel in a combustor and takes it out as power, the conversion rate to radiant energy (radiant heat) is high, The surface combustion method having a low conversion rate to kinetic energy is not suitable for a gas turbine from the viewpoint of energy efficiency.
(2) When a premixed gas with a high equivalence ratio (equivalent ratio of about 1) is burned, it is necessary to lower the combustion temperature in the fiber mat that performs surface combustion in order to reduce NOx. If an attempt is made to lower the combustion temperature by releasing radiant heat from the surface of the fiber mat, energy efficiency is sacrificed in a gas turbine that does not use radiant heat.
Etc.
[0005]
On the other hand, as described above, the surface combustion type combustor has very high combustion stability, the concentration of NOx generated under a certain condition is extremely low, and the backfire in the combustion chamber can be avoided. It has excellent characteristics. Therefore, if this can be applied to a combustor for a gas turbine while considering the problem of energy efficiency, a very excellent combustor can be provided.
[0006]
The present invention has been developed to solve the above-described problems. That is, the present invention improves the energy efficiency by recovering radiant heat from the surface combustion method that has not been applied to the conventional gas turbine in consideration of the problem of energy efficiency, and at the same time the red surface of the fiber mat. Provided are a low-NOx combustion method for gas turbines and a low-NOx combustor for gas turbines capable of simultaneously reducing the temperature and improving the combustion stability of premixed lean gas, reducing NOx, and improving the resistance to flashback. The purpose is to do.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention supplies a premixed gas (1) having a high equivalent ratio from one side of the felt mat-like first fiber mat (4) and burns red on the surface of the other side, A felt fiber-like second fiber mat (6) disposed opposite to the other surface side of the first fiber mat with a certain gap (8), and red heat on the other surface side of the first fiber mat. Heat exchange with the surface, a pre-mixed gas (2) having a low equivalent ratio is supplied to the gap through the second fiber mat to preheat, and then the red hot surface is pilot pilot (12 The low-NOx combustion method for gas turbines is characterized in that lean combustion is performed in the gap.
[0008]
According to the present invention, the first fiber mat and the second fiber mat are arranged to face each other with a certain gap, and a small amount of a high-equivalence ratio premixed gas (hereinafter referred to as “high-equivalence ratio gas”). The surface of the first fiber mat on the air gap side is burned red, and this is used as a pilot (flame holding) burner. At this time, radiant heat is released from the red hot surface, and this radiant heat is absorbed by the gas in the second fiber mat and the gap facing each other. Since the temperature of the red hot surface of the first fiber mat decreases due to the release of radiant heat, it is possible to reduce NOx generated in large quantities during high temperature combustion of the high equivalent ratio gas.
On the other hand, from the second fiber mat heated by radiant heat, a large amount of premixed gas with a low equivalent ratio (hereinafter referred to as “low equivalent ratio gas”) is supplied toward the gap. At that time, the low equivalent ratio gas is indirectly preheated by convection heat transfer with the mat or the like, and its stable combustion range is expanded. Furthermore, the preheated low equivalent ratio gas becomes the second fiber mat because the combustion of the first fiber mat has high uniformity of the combustion surface, the temperature distribution is uniform, and the first fiber mat has a high flame holding property. Stable lean combustion (lean combustion) is performed on the air gap side, and a blue flame with a short flame length that does not release radiant heat is formed in a planar shape as a main frame in the air gap.
As described above, according to the combustion method using the fiber mat of the above-described form, there is no waste in terms of energy efficiency, (1) ensuring the flame holding property of the pilot burner by red heat combustion, and (2) high equivalence ratio gas Reduced NOx by lowering red-hot combustion temperature, (3) Presence of high flame-holding pilot burner and stable lean combustion in main burner due to preheating of low equivalent ratio gas, (4) Lower main burner by stable lean combustion Simultaneously with the NOx conversion, (5) the improvement of the backfire resistance by partitioning the premixed gas supply path and the combustion region with a fiber mat can be realized at the same time.
Further, by mixing the combustion gas of the pilot burner and the low equivalent ratio gas, a combustion gas recirculation effect can be expected, and it is possible to further reduce NOx.
[0009]
As a specific combustor for carrying out the above-described low NOx combustion method for a gas turbine, the present invention supplies a high equivalence ratio premixed gas (1) from one side of a felt mat-like first fiber mat (4). A felt-mat-shaped first burner disposed oppositely with a certain gap (8) between the pilot burner (12) for burning in red on the surface on the other surface side and the other surface side of the first fiber mat. A main burner (14) having a two-fiber mat (6), supplying a premixed gas (2) with a low equivalence ratio from one side of the second fiber mat and performing lean burn in the gap located on the other side And a low NOx combustor for a gas turbine.
[0010]
By arranging the first fiber mat and the second fiber mat facing each other with a certain gap between them, stable combustion in the most basic state, low NOx, improvement in flash resistance, etc. are realized. A combustor can be provided.
[0011]
According to a preferred embodiment of the present invention, the first fiber mat (4) and the second fiber mat (6) are formed in a coaxial double cylinder from the inner peripheral side of the first fiber mat located inside. The premixed gas (1) with a high equivalent ratio is supplied to the gap (8) side, and the premixed gas (2) with a low equivalent ratio is directed to the gap from the outer peripheral side of the second fiber mat located outside. Shall be supplied.
[0012]
Since the fiber mat has a large degree of freedom in its shape, a combustor having a free shape can be created. Therefore, in view of the recovery efficiency of radiant energy and downsizing of the combustor, the combustor is configured by arranging the first fiber mat and the second fiber mat in a double cylindrical shape, so that the energy efficiency is high and the flame holding property is improved. It is possible to provide a combustor that is excellent in resistance to fire and has high backfire resistance and low NOx.
[0013]
According to another preferred embodiment of the present invention, the first fiber mat (4) and the second fiber mat (6) are formed in a coaxial double cylinder, and the second fiber mat is located on the inner side. A premixed gas (2) with a low equivalent ratio is supplied from the inner peripheral side toward the gap (8), and a premixed gas (1) with a high equivalent ratio is supplied from the outer peripheral side of the first fiber mat located outside. May be supplied to the gap side.
[0014]
In this embodiment, the first fiber mat and the second fiber mat are formed in a double cylindrical shape as described above, but their arrangements are reversed. That is, in this embodiment, a red-hot combustion surface is formed on the outer peripheral side of the air gap. Even with such a configuration, a combustor excellent in energy efficiency and the like can be provided as in the above-described combustor.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each figure, common portions are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0016]
The low NOx combustor of the present invention is mainly intended for use in a gas turbine. A compressor that compresses air taken into the engine on the upstream side and a turbine driven by combustion exhaust gas on the downstream side. Is arranged (not shown).
In addition, this combustor is characterized by adopting a surface combustion method which has not been employed in a gas turbine combustor from the viewpoint of high conversion rate to radiant energy.
[0017]
FIG. 1 is shown for explaining the principle of a low NOx combustion method for a gas turbine and a low NOx combustor according to the present invention, and shows a basic internal configuration of the low NOx combustor.
[0018]
Two mixers (not shown) are provided on the upstream side of the
In each mixer, a relatively small amount of pre-mixed gas (high equivalent ratio gas 1) having a high equivalent ratio (equivalent ratio of about 0.8 to 1) and a large amount of low equivalent ratio (equivalent ratio 0.4 to 0.6). Degree) premixed gas (low equivalent ratio gas 2).
[0019]
The
[0020]
The
[0021]
The high
On the other hand, the low
[0022]
Thus, the
[0023]
According to the
The
Furthermore, since the radiant heat from the red hot surface can be recovered and the combustion temperature of the high
In addition, since the supply path of the premixed gas (high equivalent ratio gas and low equivalent ratio gas) and the combustion region (void space) are partitioned by the fiber mat, the resistance to flashback can be improved.
Further, by mixing the high-equivalent-ratio combustion exhaust gas and the low-equivalent-ratio gas, further reduction in NOx due to the combustion gas recirculation effect can be expected.
[0024]
FIG. 2 is a configuration diagram schematically showing a preferred embodiment in which the principle of the low NOx combustor described above is applied to an actual gas turbine combustor, where (a) is an axial sectional view, and (b). FIG.
[0025]
The outer shape of the
That is, the inside of the
[0026]
A high equivalent ratio
An
[0027]
According to the
[0028]
In this way, the combustor is formed in a cylindrical shape, and the
[0029]
FIG. 3 is a configuration diagram schematically showing a low NOx combustor according to another embodiment, in which (a) is an axial sectional view and (b) is a radial sectional view.
[0030]
The configuration of the
Even with the combustor having such a configuration, the same effect as that of the combustor shown in FIG. 2 can be achieved.
In the case of the present embodiment, the red hot surface due to surface combustion is formed inside the first fiber mat in the vicinity of the cylindrical frame tube. However, since the fiber mat has a characteristic that the thermal conductivity in the thickness direction is small, it is energy efficient. The above problem does not occur.
[0031]
As described above, according to the combustor of the present invention, the flame holding property is ensured, the energy efficiency is improved by collecting the secured radiant heat, the stable combustion range is expanded by the preheating of the low equivalent ratio gas, and the low NOx due to the temperature reduction of the red hot surface. It is possible to simultaneously achieve improvement in resistance to flashback and the like.
[0032]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and can be variously modified without departing from the gist of the present invention.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, by using a fiber mat, the red hot surface in the surface combustion method is used as a pilot burner, the stability of lean combustion in the main burner is improved, and the radiant energy generated by the surface combustion is efficiently increased. Recover and preheat low-equivalent gas (diluted premixed gas) to expand the stable combustion area, and reduce the combustion temperature on the red hot surface by radiant heat recovery from the red hot surface to suppress the generation of NOx Can do.
Therefore, according to the present invention, low NOx for gas turbines that can simultaneously achieve the flame holding property of lean combustion, the improvement of energy efficiency, the reduction of NOx, the securing of the kinetic energy of combustion gas, and the improvement of flashback resistance. A combustion method and a low NOx combustor are provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a principle diagram of a low NOx combustor for explaining the principle of a low NOx combustion method for a gas turbine and a low NOx combustor according to the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a preferred embodiment of a low-NOx combustor for a gas turbine according to the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram of another preferred embodiment of a low-NOx combustor for a gas turbine according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 High equivalence ratio premixed gas (high equivalence ratio gas)
2 Premixed gas with low equivalent ratio (low equivalent ratio gas)
4
10, 20, 30
Claims (4)
該第1ファイバーマットの他面側との間に一定の空隙(8)をあけて対向して配置されたフェルトマット状の第2ファイバーマット(6)と、第1ファイバーマットの他面側の赤熱面との間で熱交換を行わせ、
低当量比の予混合ガス(2)を第2ファイバーマットを介して前記空隙に供給してその予熱を行い、その後、前記赤熱面をパイロットバーナ(12)として前記空隙内で希薄燃焼を行う、ことを特徴とするガスタービン用低NOx燃焼方法。A high-equivalent ratio premixed gas (1) is supplied from one side of the felt mat-like first fiber mat (4) and burned red on the other side.
A felt-mat-like second fiber mat (6) disposed opposite to the other side of the first fiber mat with a certain gap (8) between the other side of the first fiber mat and the other side of the first fiber mat. Heat exchange with the red hot surface,
A low-equivalent ratio premixed gas (2) is supplied to the gap through the second fiber mat and preheated, and then lean combustion is performed in the gap with the red hot surface as a pilot burner (12). A low NOx combustion method for a gas turbine.
該第1ファイバーマットの他面側との間に一定の空隙(8)をあけて対向して配置されたフェルトマット状の第2ファイバーマット(6)を有し、低当量比の予混合ガス(2)を該第2ファイバーマットの一面側から供給して他面側に位置する前記空隙において希薄燃焼させるメインバーナ(14)と、を含む、ことを特徴とするガスタービン用低NOx燃焼器。A pilot burner (12) for supplying a high equivalence ratio premixed gas (1) from one side of the felt-mat-shaped first fiber mat (4) and burning it red on the surface of the other side;
A felt fiber-like second fiber mat (6) disposed opposite to the other side of the first fiber mat with a certain gap (8), and having a low equivalent ratio premixed gas A main burner (14) for supplying (2) from one side of the second fiber mat and performing lean burn in the gap located on the other side, and a low NOx combustor for a gas turbine, .
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