成果報告書詳細
管理番号20130000001040
タイトル平成20年-平成24年度成果報告書 ゼロエミッション石炭火力技術開発プロジェクト ゼロエミッション石炭火力基盤技術開発 革新的ガス化技術に関する基盤研究事業 石炭ガス化発電用高水素濃度対応低NOx技術開発
公開日2013/11/30
報告書年度2008 - 2012
委託先名株式会社日立製作所
プロジェクト番号P08020
部署名環境部
和文要約・バーナ構造の最適化:ドライ低NOx燃焼技術として,燃料と空気の同軸噴流を多数組み合わせることで,フローパターンを調整して火炎の形状と形成位置を調整する分散混合方式という新たな燃焼方式を考案した。同軸噴流の噴出方向を調整して火炎を浮上させるフローパターンを形成することにより,バーナから火炎までの距離を確保して高水素濃度燃料に特有の火炎の逆流や,自着火などのリスクを回避し,さらに燃料と空気の混合距離を確保した。多孔同軸噴流バーナ(以下,クラスタバーナ)を設計・試作し,大気圧要素燃焼試験により空気孔の旋回角,燃料噴出流速,空気孔プレート形状をパラメータに最適化した。また,COを含む実際の石炭ガス化ガス(以下,実ガス),およびマルチクラスタ燃焼器の中圧・高圧試験に使用する試験用燃料(水素(H2),メタン(CH4),窒素(N2)の3成分で構成)の燃焼特性を大気圧要素試験で検討した。その結果,クラスタバーナの外周燃料比率が高ければ,両者の燃焼特性に有意な差はないが,外周燃料比率が低くなると試験用燃料ではNOx排出量を過小評価し,燃焼効率を過大評価すること,この差はバーナ内周部の局所火炎温度に起因することを見出した。
・マルチクラスタ燃焼器の開発:大気圧要素試験により最適化したクラスタバーナを複数個備え,実際のガスタービンに搭載可能な実寸マルチクラスタ燃焼器を試作した。中圧試験により燃焼器のNOx排出量,燃焼効率などの基本性能,および燃焼振動振幅,メタル温度の信頼性評価項目を指標にバーナ部品を改良した。平板型空気孔プレートを備えた平板型マルチクラスタ燃焼器により,補助燃料(軽油)焚き起動からCCS 0%燃料およびCCS 30%燃料焚き部分負荷運転への燃料切替や,燃焼モード切替の運転の成立性を確認した。また平板型燃焼器では,定格負荷相当条件においてCCS 0%燃料,CCS 30%燃料に関しては,それぞれ5.9ppmおよび7.6ppmと目標10ppm以下を達成したが,CCS 50%燃料では燃焼振動が発生して燃料配分を適正化できずNOx排出量が11.5ppmとなり,燃焼振動の抑制と更なる低NOx化が必要であることがわかった。そこで,バーナ構造の最適化結果を基に,凸型空気孔プレートを備えた凸型マルチクラスタ燃焼器を試作し,中圧試験の定格負荷相当条件においてCCS 0%燃料に対し5.4ppm,CCS 30%燃料に対し5.8ppm,CCS 50%燃料に対し6.5ppm,CCS 90%燃料に対し9.2ppmと目標を達成した。
・実ガス多缶同時燃焼試験:実ガスと試験用燃料の燃焼特性を検討し,多缶同時燃焼による偏差・変動の影響を評価するため,多目的石炭ガス製造技術試験設備(coal Energy Application for Gas, Liquid and Electricity:EAGLE)において,実際の石炭から製造された石炭ガス化ガスを用い平板型マルチクラスタ燃焼器の多缶同時燃焼試験を実施した。本試験用にマルチクラスタ燃焼器を製作し,既設ガスタービンの燃料系統,制御装置,燃料配管などに必要な仕様に改造した。試験の結果,最大負荷(定格負荷に相当)条件で,NOx排出量を8.5ppmと10ppm以下を達成した。さらに,試験用燃料を用いた開発の妥当性を検討し,事前の予測通り,外周燃料比率を設計点より大きく低下させるとCOの影響によりNOx排出量が増加することを確認した。
英文要約Optimization of burner configuration: As an instrument for burning various hydrogen containing fuels, a multi-injection co-axial jet burner (cluster burner) was applied to hydrogen containing syngas. The burner consists of multiple fuel nozzles and a perforated plate with inclined air holes which are installed coaxially. In this burner air sheathed fuel jets from the injection points join each other and become an annular swirling jet, and fuel is mixed rapidly with air within a short distance because of the turbulence at the entrance and exit of the air passages. The advanced concept developed in this study reduces the risk of flashback by lifting a flame. The inclination angle arrangement of the air holes enables the annular swirling jet to have a converging-diverging streamline, which leads to a lifted flame. The extended distance between flame and burner due to the lifted flame can reduce not only the risk of flashback but also NOx emissions. Based on above mentioned concepts, a preliminary burner for hydrogen-rich syngas was made and tested under atmospheric pressure. In the preliminary experiments, detailed investigation of cluster burner was carried out on configuration parameters such as swirling angle of the air holes, fuel jet velocity, and perforated plate shape. It was found that suppressing the combustion oscillation was the key to the optimization of cluster burner configuration. Because the purchase and transport of a large amount of CO are forbidden in Japan from mainly safety issues, prototype multi-cluster combustors cannot be supplied with practical CO containing fuels. Thus surrogate fuels composed of hydrogen (H2), nitrogen (N2) and methane (CH4) were used for prototype multi-cluster combustors under medium pressure (0.6MPa) experiments and high pressure experiments (1.0MPa). In order to validate those surrogate test fuels, the combustion characteristics of practical CO containing fuel and surrogate test fuel were compared with each other by the preliminary experiments under atmospheric pressure. It was found that the combustion characteristics of surrogate test fuels are almost equivalent to those of practical fuels under higher outer fuel ratio conditions, but differ under lower outer fuel ratio conditions due to the difference of the local flame temperature in inner region of cluster burner.
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