JP2004060623A - ガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器 - Google Patents
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Abstract
【課題】乾式精製のガス化ガス燃料を用いるガスタービン燃焼器のフュエルＮＯｘを低減させる。また、プラント全体の熱効率を損なうことなく、サーマルＮＯｘ発生量を抑制すると同時に、フュエルＮＯｘを低減する。
【解決手段】酸化剤で重質油あるいは石炭等をガス化し、乾式精製したガス化ガスを主燃料として燃焼させ発電するガスタービンを備える酸素吹きまたは酸素富化空気吹きガス化発電プラントにおいて、燃焼器の燃焼室上流部を燃料過濃条件として還元燃焼させると共に、還元燃焼領域の燃料過濃条件をガス化ガス燃料の組成に応じて設定するようにしている。
【選択図】 図１
【解決手段】酸化剤で重質油あるいは石炭等をガス化し、乾式精製したガス化ガスを主燃料として燃焼させ発電するガスタービンを備える酸素吹きまたは酸素富化空気吹きガス化発電プラントにおいて、燃焼器の燃焼室上流部を燃料過濃条件として還元燃焼させると共に、還元燃焼領域の燃料過濃条件をガス化ガス燃料の組成に応じて設定するようにしている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電用ガスタービン燃焼器に関する。更に詳述すると、本発明は、酸素を主成分とした酸化剤で重質油あるいは石炭をガス化し、前記ガス化ガス燃料を乾式で精製する発電プラントに搭載するガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン発電プラントやガスタービン複合サイクル発電プラントでは、ガスタービン燃焼器で燃焼した燃料が燃焼ガスとなってガスタービンに案内され、ガスタービンを駆動するようになっている。このようなガスタービン発電プラントではガスタービン入口温度を上昇させるとガスタービン熱効率が向上するため、ガスタービン入口温度すなわちガスタービン燃焼器の出口温度の上昇による発電プラントの高効率化が図られている。しかし、ガスタービン燃焼器の燃焼領域の燃焼ガス温度を過度に上昇させると、サーマルＮＯｘの発生量が増大する。また、燃焼ガス温度は、タービン部や燃焼器の材料の耐熱限界による制約を受ける。
【０００３】
ところで、ガス化発電プラントでは、石炭、重質油などをガス化炉でガス化した後、ガス精製装置によりガス化ガスを精製し、ガス化ガス燃料としてガスタービン燃焼器に供給する。ガス化ガス燃料は、ガス化剤、ガス化炉の形式や原料となる重質油あるいは石炭の種類により燃料組成や発熱量は異なるが、表１に組成例を示すように酸素吹きガス化炉では燃料発熱量が約１０〜１３ＭＪ／Ｎｍ３の中カロリーのガス化ガス燃料が生成され、その燃料組成は水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）とが大部分を占める。このようなガス化発電プラントにおいてもガスタービンの熱効率を上げるため、高温化を図ると同時に環境問題から低ＮＯｘ化を図る必要がある。
【０００４】
【表１】
【０００５】
従来のガスタービン燃焼器におけるＮＯｘの発生を抑制する技術としては、燃料と空気とをあらかじめ燃料希薄状態で混合して燃焼させる希薄予混合燃焼方式が知られている。これは、燃料と空気を予混合させることによって燃焼室内部で低温均一燃焼を図るものである。
【０００６】
しかし、ガス化ガス燃料などの水素を多く含む燃料に対して希薄予混合方式を用いた場合、表２に示すように、水素の燃焼速度が他の燃料に比較して速いため、燃焼ガスの燃焼速度が希薄予混合ガス噴出速度を上回り、火炎が燃料ノズル内部に逆流する現象、いわゆる逆火現象が起こり、燃焼器部品を焼損する恐れがある。さらに、原料となる重質油あるいは石炭の種類やプラントの運転によっては、ガス化ガス燃料の組成と燃焼速度が異なるため、不安定燃焼を誘発したり保炎器での火炎付着性の悪化などの問題を抱えやすい。
【０００７】
【表２】
【０００８】
このことにより、ガス化ガス燃料に希薄予混合燃焼方式を採用することは難しい。そのため、燃焼室内で燃料と空気とを拡散混合して燃焼させる拡散燃焼方式を採用する必要がある。しかし、拡散燃焼による燃焼ガスの温度は、局所的に断熱火炎温度に近い高温になる。水素や一酸化炭素を多く含むガス化中カロリー燃料の断熱火炎温度は、天然ガス燃料主成分であるメタン（ＣＨ４）の断熱火炎温度と同等以上になり、この石炭ガス化ガス燃料を拡散燃焼させた場合には、空気中の窒素に起因するサーマルＮＯｘが天然ガス燃料を拡散燃焼させる場合以上に多量に発生する可能性が高い。
【０００９】
そこで、燃料あるいは空気の少なくとも一方、若しくは燃焼室に直接窒素を供給して火炎の局所的高温域の温度を下げることによりサーマルＮＯｘを低減する方法が従来より提案されている（特開平１１−３０１３１号参照）。また、近年、ガス化発電プラントの高効率化と環境保全の観点から空気分離装置で空気から酸素と分離される窒素を有効的に活用する研究が行われている。その方法としては、主に、ガスタービン燃焼器上流部の局所高温領域の温度制御を積極的に実施することにより、サーマルＮＯｘの生成を抑制しようとするものである。例えば、１９９４年のＡＳＭＥ（Ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）の文献の９４−ＧＴ−３６６に示されるように、ガスタービン燃焼器の頭部より蒸気噴射と同様な方式で窒素を供給し、空気と窒素とを混合して燃焼室に送り、酸素濃度を低下させた空気により燃焼させるものや、１９９８年のＡＳＭＥの文献９８−ＧＴ−３３１で提案されているように、燃焼器頭部から前記窒素を直接燃焼室内に噴出させるもの、また、日本機械学会関西支部第２５７回講演会講演論文（論文番号９１３）に示されているように、窒素噴射方式と過剰空気による急速混合による希薄燃焼方式を組み合わせた燃焼法によるものなどが提案されている。
【００１０】
さらに、より一層のプラントの熱効率向上およびプラント構成システムの簡素化によるコスト低減等を目的として、湿式ガス精製法に代えて乾式ガス精製法を採用することが検討されている。湿式ガス精製法によると、ガス化炉生成ガスを２００℃以下に冷して水洗し、更に有機溶媒の中を通すことにより集塵・脱硫を行うことから、フュエルＮＯｘの発生原因となるガス中のアンモニアを容易に除去することができるが、浄化された石炭ガス化ガスが４０℃程度に冷えてしまい、発電プラントの熱効率を４０％以下とする問題を有している。そこで、熱効率が高い石炭ガス化複合発電の特徴を最大限に活かすには、ガス化炉で生成するガスを高温高圧のまま脱硫・集塵する乾式精製が望まれる。この乾式精製によれば、ガス化炉生成ガスを４００〜５００℃で精製することによって４５％程度の送電端効率（一層のプラント熱効率向上およびプラント構成システムの簡素化によるコスト低減等）が期待される。しかしながら、この場合には、ガス化ガス燃料中に窒素化合物（主にアンモニアであり、以下ではアンモニアとして代表する）が除去されずに残るので、燃焼器でフュエルＮＯｘが多量に発生する問題がある。
【００１１】
このフュエルＮＯｘを抑制する燃焼法としては、窒素化合物のＮＯｘへの転換を抑制するには空気比を下げることだけが有効であることから、燃焼用空気を２つに分け、バーナ部の空気比を十分に下げると共に不足の空気をバーナから離れた位置に入れる２段燃焼が有効であると考えられている（特開平９−１４５０５７号）。この２段燃焼法は燃焼の第１段でＨＣＮ，ＮＨ３などを発生させ、第２段でこれとＮＯを反応させてＮＯをＮ２に還元させる、炉内還元脱硝法である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、乾式ガス精製を採用した酸素吹きガス化発電用ガスタービン燃焼器では、ガス化ガス燃料中のアンモニアに起因してフュエルＮＯｘが発生すると同時に、ガス化ガス燃料の火炎温度が従来のガスタービン燃料である天然ガス燃料よりも高いため、高温ガス領域でサーマルＮＯｘが発生する。そのため、フュエルＮＯｘとサーマルＮＯｘを同時に低減する燃焼技術が必要である。
【００１３】
しかしながら、窒素を燃焼用空気に混合して、またはバーナから直接に燃焼室に供給しても、サーマルＮＯｘを抑制する方法としては効果があるが、ガス化ガス燃料中のアンモニアに起因して発生するフュエルＮＯｘを抑制することはできない。
【００１４】
他方、フュエルＮＯｘの抑制に効果があると考えられている２段燃焼法においては、フュエルＮＯｘの低減に寄与する還元物質の発生領域を燃料過濃条件にする必要があり、燃焼温度が低下することから燃焼の安定性を損ねる。また、燃料供給量が低下する低負荷条件下では燃焼の安定性を損ねると共にフュエルＮＯｘの抑制にも十分効果を上げているとは言えない。そして、フュエルＮＯｘを抑制する２段燃焼法において、還元物質の発生領域である一次燃焼領域・還元燃焼領域への窒素の混入は、さらに燃焼温度を低下させ燃焼の安定を損なうと共に還元物質の発生を妨げフュエルＮＯｘ抑制効果を低減する可能性が高いと考えられる。
【００１５】
本発明は、乾式ガス精製を採用するガス化発電プラントの全負荷運用条件において、フュエルＮＯｘを低減できるガス化発電用ガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。また、本発明は、プラント全体の熱効率を損なうことなく、ガス化ガス燃料中のアンモニアに起因して発生するフュエルＮＯｘとサーマルＮＯｘを同時に抑制し、且つ安定燃焼を図るガス化発電用ガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、本発明者等が、燃料中のアンモニアに起因して発生するフュエルＮＯｘを低減する方法として、燃焼器内の一部を燃料過濃条件として燃料中のアンモニアを窒素（Ｎ２）に還元し、燃料過濃領域の下流側で残りの空気を供給して所定のガス温度にする燃焼方法について種々研究・実験した結果、ガス化ガスでは主成分である一酸化炭素や水素、微量成分のメタン濃度およびフュエルＮＯｘの生成源となるアンモニアの濃度および燃料発熱量が、原料となる重質油または石炭の種類やガス化形式により異なるためフュエルＮＯｘを最少にする燃焼器の燃料過濃条件が存在しそれが燃料組成毎に異なることを知見するに至った（図１、図３、図４及び図５参照）。また、窒素を燃焼器に供給する位置が、サーマルＮＯｘを低減する効果だけでなく、フュエルＮＯｘの低減に影響することも分かってきた（図２及び図５参照）。
【００１７】
本発明はかかる知見に基づいてなされたもので、酸化剤で重質油あるいは石炭等をガス化し乾式精製したガス化ガスを主燃料として燃焼させ発電するガスタービンを備える酸素吹きまたは酸素富化空気吹きガス化発電プラントにおいて、燃焼器の燃焼室上流部を燃料過濃条件として還元燃焼させると共に、還元燃焼領域の燃料過濃条件をガス化ガス燃料の組成に応じて設定するようにしている。ここで、燃料過濃条件を決定するガス化ガス燃料の組成は、例えばメタン濃度、ＣＯ／Ｈ２濃度比率若しくは燃料発熱量のいずれかである。
【００１８】
本発明者等は、実験により、ＮＨ３からＮＯｘへの転換率が極小値をとる一次当量比とメタン濃度との間には、メタン濃度が高くなるのに反比例して一次当量比が小さくなる関係があることを知見した。また、ＮＨ３からＮＯｘへの転換率が極小値をとる一次当量比とＣＯ／Ｈ２濃度比率との間にも相関関係があり、濃度比率が低くなるのに比例して一次当量比が低下すること、更には、ＮＨ３からＮＯｘへの転換率が極小値をとる一次当量比と燃料発熱量との間にも相関関係があり、燃料発熱量が低くなるのに比例して一次当量比が低下することを知見した。そこで、メタン濃度、ＣＯ／Ｈ２濃度比率若しくは燃料発熱量のうち、いずれか１つあるいはそれらの組み合わせにより、好ましくは最も変動がありかつＮＯｘへの転換率に影響を与える組成の変動に応じて燃焼器の一次当量比を設定することで、フュエルＮＯｘの発生を効率良く低減できるガスタービン用燃焼器を実現できる。通常、実機のガス化発電プラントにおいて最も変動があり影響あるのはメタン濃度であることから、このメタン濃度を中心に一次当量比を決定することが好ましい。そして、一次当量比を１．５〜３の範囲で設定する場合には、乾式ガス精製を採用した酸素吹きガス化ガス燃料については、最もサーマルＮＯｘの低減効果が得られ、尚かつフュエルＮＯｘについても低減効果が得られる。一次当量比が少なくとも１．３を超えるとサーマルＮＯｘ抑制効果が得られ、１．５以上であればメタン濃度３％以上においてもフュエルＮＯｘの抑制効果が得られ、３であればメタン濃度０％のときにおいてもフュエルＮＯｘ抑制効果が得られる。
【００１９】
また、この発明において、バーナ部から、燃焼器に供給する窒素全量を燃焼室内に直接噴射すると、還元雰囲気を保持しつつ一次燃焼領域の燃焼ガス温度が低下するため、サーマルＮＯｘも低減し、フュエルＮＯｘを含む全ＮＯｘ排出量を最少にするように運用することができる。しかも、燃焼室の圧力のみを考慮した窒素供給で制御可能であり、プラント熱効率を損なうことなくサーマルＮＯｘを低減できる。
【００２０】
更に、この発明において、副燃焼室を設け、全量の窒素をバーナ部から燃焼室に直接噴射する一方で副燃焼室へは窒素供給をしない場合には、燃焼室上流において燃焼ガスをバーナ部から供給する窒素が効率良く希釈し一次燃焼領域における還元性を保持しつつ高温領域が減少するが、副燃焼室の還元性と火炎温度が維持されているので、還元雰囲気を保持しつつ低温燃焼が実現でき、サーマルＮＯｘと同時にフュエルＮＯｘを低減することができる。しかも、図１、図３、図４及び図５に示すように、フュエルＮＯｘ低減効果を最大とする燃焼室上流部の燃料過濃条件はガス化ガス燃料の組成、特に燃料中のメタン（ＣＨ４）濃度に応じて一次燃料領域の当量比を設定することにより燃料過濃条件を適切に設定することでフュエルＮＯｘを含む全ＮＯｘ排出量を最少にするようにすることができる。ここで、窒素の噴射を燃料と燃焼用空気の間から行うようにすれば、窒素雰囲気のもとで燃料と空気が衝突して燃焼するため、効率良く燃焼ガスが希釈され、低温燃焼が実現される。同時に、燃焼室の圧力のみを考慮した窒素供給で制御可能であり、送電端熱効率の低下を防ぐことができ、プラント熱効率を損なうことなくサーマルＮＯｘを低減できる。
【００２１】
また、請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載のガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器において、燃焼器のバーナ部から燃焼室上流部へ噴射される第１の空気と燃焼器の下流側でかつ燃焼室側壁から燃焼室内に噴射される第２の空気とを供給する燃焼用空気供給系を備えると共に、その少なくとも一方に供給空気量を調整する流量調整機構を設け、ガス化ガス燃料の組成が変化した際に、流量調整機構を操作して第１および第２の空気量の配分を変化させ、ガス化ガス燃料の組成に応じて一次当量比を調整して燃焼室上流部の燃料過濃条件を調整するようにしている。
【００２２】
この場合には、重質油または石炭の種類が変更または混合されてガス化炉へ供給されるか、またはガス化炉の運用条件が変化し、ガス化ガス燃料の組成が変化した際に、第１および第２の空気量の配分を変化させることにより、プラントの運転を停止することなく、燃焼室上流部の燃料過濃条件をガス化ガス燃料中の組成に応じて最適値に変更することができ、フュエルＮＯｘを含む全ＮＯｘ排出量を最少にするように調整することができる。
【００２３】
更に、請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれかに記載のガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器において、燃焼器内に副燃焼室を設ける共に、該副燃焼室内へ第１の空気及びガス化ガス燃料を噴射するプリバーナと、燃焼室内へ直接第２の空気及びガス化ガス燃料を噴射するメインバーナとを備え、副燃焼室の当量比が燃焼室上流部の一次燃焼領域の当量比よりも高く設定され、かつ定格燃焼時には燃焼室の燃焼上流部の平均当量比がＮＯｘ転換率が極小値をとる値とし、低負荷燃焼時には副燃焼室の平均当量比がＮＯｘ転換率が極小値をとる量の燃料及び空気が分配されるようにしている。ここで、燃焼室の燃焼上流部即ち一次燃焼領域の平均当量比と副燃焼室の平均当量比は、燃料組成に応じて転換率が極小値を含む低い値をとる範囲で互いにずらして設定され、各燃焼領域で還元性能を維持するように設けられることが好ましい。より好ましくは、副燃焼室当量比については、好適な当量比の範囲の高い方（例えばＣＨ４＝３％で、φｐ＝１．７〜２．４の範囲の場合には副燃焼室の平均当量比を２．４）に設定することである。副燃焼室の当量比を高め（例えば２．４）に設定していれば、低負荷に移行することにより当量比が低下した時でも、好適な当量比（例えば、１．７〜２．４）の範囲に収まる。ここで、好適な当量比の範囲とは、フュエルＮＯｘを含む全ＮＯｘ排出量を最小にすることができる当量比の範囲、あるいはフュエルＮＯｘのみを対象とするときにはフュエルＮＯｘを最小にできる当量比の範囲をいう。
【００２４】
この場合には、定格燃焼時には副燃焼室の燃焼温度が燃焼室の燃焼上流部の一次燃焼領域の平均燃焼温度よりも高めとなり保炎源として機能するため、一次燃焼領域の還元雰囲気を保持しつつ燃焼の安定性を確保できる。そして、低負荷時には、負荷の低減に伴って当量比が低下して副燃焼室の当量比がＮＯｘ転換率が極小値を含む低い値をとる量（適正値）となり、燃焼室の燃焼上流部の平均当量比が適正値よりも低めとなるが副燃焼室の還元性が保持されるとともに、バーナ部の燃焼温度が高くなり保炎源として機能するため、安定燃焼する。したがって、広いガスタービン負荷運用条件に渡り、燃焼室上流部をより理想的に燃料過濃条件とすることができ、フュエルＮＯｘ排出量を最少にするように運用することができると共に、低負荷から高負荷条件まで保炎性能を一層向上することができる。
【００２５】
特に、バーナ部から一次燃焼領域に窒素を噴射して燃焼温度を下げる場合、定格燃焼時には副燃焼室へ窒素を供給しないため燃焼温度を高く保持でき保炎源として機能するため、一次燃焼領域の還元雰囲気を保持し尚かつ燃焼温度を下げつつ燃焼の安定性を確保できる。そして、低負荷時にも、一次燃焼領域よりも高めに設定されていた副燃焼室の当量比が低下しても適正値となり、一方でバーナ部の燃焼温度が高くなり保炎源として機能するため、安定燃焼する。したがって、広いガスタービン負荷運用条件に渡り、燃焼室上流部をより理想的に燃料過濃条件とすることができ、フュエルＮＯｘを含む全ＮＯｘ排出量を最少にするように運用することができると共に、低負荷から高負荷条件まで保炎性能を一層向上することができる。
【００２６】
ここで、副燃焼室への燃料供給量を全体の３０〜４０％にすることが好ましい。この場合には、低負荷時におけるフュエルＮＯｘの抑制と保炎性能を一層向上することができる。
【００２７】
また、請求項８記載の発明は、請求項５記載のガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器において、メインバーナとプリバーナにそれぞれ空気を供給する２系統の空気供給系の少なくとも一方に流量調整機構を設け、ガス化ガス燃料の組成が変動したときに流量調整機構を操作して２系統の空気分配を変化させることによりメインバーナとプリバーナとの当量比を調整するようにしている。この場合には、プラント運転中にガス化ガス燃料の組成が変化した際に、メインバーナとプリバーナとに分配する空気量を変化させることにより、プラントの運転を停止することなく、燃焼室上流部の燃料過濃条件並びに副燃焼室の燃料過濃条件即ち当量比をガス化ガス燃料中の組成に応じて最適値に変更することができ、フュエルＮＯｘ排出量を最少にするように調整することができる。
【００２８】
また、本発明者は、窒素を燃焼器の下流即ち一次燃焼領域・還元領域の下流に供給しても、フュエルＮＯｘの低減に影響することを知見した。請求項９記載の発明は、かかる知見に基づくものであって、請求項１から８のいずれかに記載のガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器において、燃焼器のバーナ部から直接燃焼室内へ噴射される第１の窒素供給系統と、一次空気に混合してあるいは一次空気と燃焼室の下流側に噴射される二次空気とに均質に混合して供給される第２の窒素供給系統とを備え、ガス化ガス燃料のＮＨ３の含有量が閾値よりも少ないときには第１の窒素供給系統から直接燃焼室内へ噴射される量を多くし、超えるときには第２の窒素供給系統により燃焼室の下流側に噴射される量を多く配分するようにしている。
【００２９】
この場合には、保炎を確保できる範囲での全ＮＯｘ排出量の抑制に効果的である。燃料中のＮＨ３濃度が或る閾値例えば２０００ ｐｐｍ（この数値は燃焼器構造等によりある程度変わるものであり固定的ではない）を下回る範囲では、窒素をバーナ部のみから供給して、一次燃焼領域の火炎温度を低減してサーマルＮＯｘの抑制を図った方が、全ＮＯｘ低減には効果的である。一方、燃料中のＮＨ３濃度が２０００ ｐｐｍ以上の範囲では、窒素を空気に混合して供給することにより、窒素の一部を一次燃焼領域の下流に噴出すれば、火炎温度が上昇してサーマルＮＯｘが増加するものの、図２並びに図５に示すようにフュエルＮＯｘの低減効果が大きく、結果として全ＮＯｘを効果的に低減できる。更に、起動用燃料による着火時、ガス化ガス燃料への切り替え時には、燃焼空気中に窒素の一部または全量を供給することにより、燃焼室上流部の燃焼ガス温度を急激に低下させることなく安定に燃焼できる。同時に、（１）燃焼室上流、（２）一次燃焼領域へ、または二次空気孔よりも上流へ、（３）は全空気に予混合することにより、サーマルＮＯｘの生成を抑制することができる。さらに、窒素供給位置がフュエルＮＯｘの生成に影響を及ぼすことから（図２）、第１および第２の窒素供給系統から供給する窒素比率を燃料中のＮＨ３濃度に応じて調整することにより、全ＮＯｘ排出濃度を最少にすることができる（図５）。
【００３０】
また、請求項１０記載の発明は、請求項９記載のガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器において、空気から酸素を主成分とした酸化剤と窒素を生成する空気分離装置を備え、空気分離装置で発生する窒素を第１及び第２の窒素供給系統の２系統に分けて供給するようにしている。この場合には、発電プラントに発生する余剰窒素を空気供給系に対応した比較的少ない昇圧によって有効利用することができるので、発電プラント全体の熱効率の低下を防ぐことができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００３２】
本発明のガス化ガス発電プラントは、空気または空気から分離生成した酸素を主成分とした酸化剤で重質油あるいは石炭等をガス化すると共に乾式精製して得られたガス化ガス燃料を主燃料として燃焼させるガスタービン燃焼器と、燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、ガスタービンに結合されて電力を出力する発電機とを少なくとも含むものである。
【００３３】
このガスタービンはその全作動負荷条件範囲において燃焼室の上流部を燃料過剰条件として還元燃焼させることにより、ガス化ガス燃料中の窒素化合物（主にＮＨ３）を窒素（Ｎ２）に還元し、燃料可能領域の下流側で残りの空気を供給して完全燃焼させ、ＮＨ３が燃焼過程で窒素酸化物へ酸化されるのを抑制しながら所定温度の燃焼ガスを得るものである。
【００３４】
ここで、窒素化合物が窒素酸化物（ＮＯｘ）に転換する率（Ｃ．Ｒ．％）は、ガス化ガス燃料の組成、例えば燃料中のＣＨ４濃度、ＣＯ／Ｈ２濃度比率並びに燃料発熱量に影響を受け、特に燃料中のＣＨ４濃度には大きく影響を受ける。即ち、ＣＨ４を含むガス化ガス燃料の場合、ＮＨ３とＣＨ４とが反応してＨＣＮが生成され、二段燃焼の際にＮＨ３がＮ２に分解するのを妨げる（ＣＨ４がなければＮ２に分解していたものが、一部がＨＣＮとなりこれによりＮＯｘを生成する）。そこで、燃焼器上流部でＮＨ３とＮＯとを選択反応させ、ＮＨ３をＮ２に分解するには、一次燃焼領域の当量比について転換率を最小にする値に設定する必要がある。例えば、図１の試験結果に示すように、ＨＨＶ＝１１．４ＭＪ／ｍ３、燃焼器出口ガス温度＝１５００℃、ＮＨ３＝１０００ｐｐｍの場合、最適一次当量比φｐは以下の様に設定する。（ＣＨ４、φｐ）＝（０％、φｐ＝２．５以上）、（０．５％、φｐ＝２〜３）、（１％、φｐ＝１．８〜２．８）、（２％、φｐ＝１．８〜２．７）、（３％、φｐ＝１．７〜２．４））である。
【００３５】
また、ガス化ガス中のＣＯ／Ｈ２濃度比率が低いほど、転換率を最小とする一次燃焼領域の当量比（単に一次当量比と呼ぶ）が低下する。実験の例によれば、２〜３の間に転換率が極小値をとる当量比が存在する。ガスタービン構造や燃料組成に応じて、燃焼器の一次当量比を設定すれば、フュエルＮＯｘの発生を効率良く低減できる。更に、ガス化ガスの燃料発熱量が低いほど、転換率を最小とする一次当量比が低下する。この場合も、実験の例によれば、１．５〜３の間に転換率が極小値をとる一次当量比が存在する。この結果に合わせて、燃焼器一次当量比を設定すれば、フュエルＮＯｘの発生を効率良く低減できる。
【００３６】
そこで、一次当量比を１．５〜３の範囲で設定する場合には、乾式ガス精製を採用した酸素吹きガス化ガス燃料については、最もサーマルＮＯｘの低減効果が得られ、尚かつフュエルＮＯｘについても低減効果が得られる。もっとも、フュエルＮＯｘを低減するには一次当量比を１．７以上にすることが好ましく、そのときにフュエルＮＯｘ低減を目的とする還元燃焼領域を形成する２段燃焼において、派生的な効果としてサーマルＮＯｘも低減できる。
【００３７】
また、ガスタービン燃焼器には必要に応じて窒素が供給される。この窒素の供給は、燃焼室へのバーナからの直接供給、ガス化燃料への混合、あるいは燃焼用空気への混合の、３つの方法が考えられるが、窒素の昇圧動力を低減すると共にサーマルＮＯｘ排出量を低減するためには、窒素はバーナ部から直接燃焼室内の局所高温ガス領域へ供給され、高温ガスを窒素で希釈することが最も好ましい。したがって、窒素の供給は、噴射される１つの窒素供給系統によってのみ行われても良いし、燃焼器のバーナ部から直接燃焼室内へ噴射される第１の窒素供給系統と、燃焼器の一次空気に混合してあるいは一次空気と燃焼室の下流側に噴射される二次空気とに均質に混合して供給される第２の窒素供給系統との２系統に分けられて行われても良い。
【００３８】
空気分離装置から供給される窒素を２系統に分けて、燃焼室の上流端から直接当該燃焼室内へ窒素を供給する第１の窒素供給系統と、ガスタービン燃焼器内で燃焼室内へ噴出される前の燃焼用空気中へ窒素を噴出して混合させ主に燃焼室の下流側に噴出させる第２の窒素供給系統とを備える場合、ガス化ガス燃料のＮＨ３の含有量に応じて窒素噴射位置を変更することができるし、ガスタービンの負荷変化に伴い、第１の窒素供給系統と第２の窒素供給系統とを切り替えあるいは併用してガスタービン燃焼器への窒素の供給位置を調整可能とすることができる。
【００３９】
ガス化ガス燃料のＮＨ３の含有量がある閾値よりも少ないときには第１の窒素供給系統から直接燃焼室内へ噴射される量を多くし、超えるときには第２の窒素供給系統により燃焼室の下流側に噴射される量を多く配分することが好ましい。この場合、保炎を確保できる範囲での全ＮＯｘ排出量の抑制に効果的である。
【００４０】
ここで、燃料中のＮＨ３濃度が或る閾値例えば２０００ｐｐｍ（この数値は燃焼器の設計条件などによって変わるため固定的ではない）以下の範囲では、窒素をバーナ部から供給して、一次燃焼領域の火炎温度を低減してサーマルＮＯｘの抑制を図った方が、全ＮＯｘ低減には効果的である。一方、燃料中のＮＨ３濃度が２０００ｐｐｍ以上の範囲では、窒素を空気に混合して供給することにより、一次燃焼領域の火炎温度が上昇してサーマルＮＯｘが増加するものの、図５に示すようにフュエルＮＯｘの低減効果が大きく、全ＮＯｘを効果的に低減できる。
【００４１】
また、バーナ部から、燃焼器に供給する窒素全量を燃焼室内に供給すると、ガスタービン起動用燃料による着火時、ガスタービン起動用燃料とガス化ガス燃料との切り替え時、およびガスタービン低負荷条件時等に、燃焼室上部における火炎の位置が変化する可能性があり、その際、窒素の燃焼室への直接噴射により保炎領域の燃焼ガス温度が低下し、不安定燃焼を誘発する可能性がある。その場合には、窒素の一部あるいは全部を第２窒素供給系統を経て一次燃焼領域の下流にバイパスさせることが好ましい。これによって、一次燃焼域の燃焼温度を必要以上に下げられずに、燃焼の安定性が確保されると共に、燃料過濃下でのサーマルＮＯｘの低減とバイパス窒素によるフュエルＮＯｘの低減効果が得られる。
【００４２】
また、本発明のガスタービン燃焼器は、ガスタービンの出口での未燃の燃料成分濃度またはＮＯｘ濃度を監視してこれが一定量以下になるように、第１窒素供給系統および第２窒素供給系統の配分割合、または、第１空気供給系統および第２空気供給系統の配分割合を制御することが好ましい。例えば、ガスタービンの起動用燃料による着火、起動から、ガス化ガス燃料への切り替えまでは、起動用燃料にフュエルＮＯｘの生成源となるアンモニアを含まないため、２系統の窒素噴射割合を調整した後、保炎性または主にガスタービン出口での未燃の燃料成分濃度を監視して一定量以下になるように、２系統の空気供給割合を調整し、ガス化ガスによる専焼条件では、第１の空気供給系統への空気供給割合をガス化ガス燃料の組成に応じた最適値に調整してフュエルＮＯｘ生成量を低下させると共に、主にガスタービン出口でのＮＯｘ排出濃度を監視して一定量以下になるように、窒素供給配分をフィードバック制御することにより調整することが好ましい。また、この窒素の２系統供給割合の変更と併行して、ガスタービンの起動用燃料による着火、起動から、ガス化ガス燃料への切り替えまでは、起動用燃料にフュエルＮＯｘの生成源となるアンモニアを含まないため、２系統の窒素噴射割合を調整した後、保炎性能または主にガスタービン出口での未燃の燃料成分濃度を監視して一定量以下になるように、２系統の空気供給割合を調整し、ガス化ガスによる専焼条件では、第１の空気供給系統への空気供給割合をガス化ガス燃料の組成に応じた最適値に調整してフュエルＮＯｘ生成量を低下させると共に、主にガスタービン出口でのＮＯｘ排出濃度を監視して一定量以下になるように、窒素供給配分を調整する。このように運用することによって、起動用燃料による起動から部分負荷条件、また、ガス化ガス燃料への切り替え運転、およびそれ以上の負荷でのガス化ガス燃料の専焼条件のガスタービン全負荷帯において、プラント熱効率を損なうことなく、燃焼安定性を維持しつつ、サーマルＮＯｘおよびフュエルＮＯｘの同時低減燃焼が可能となる。また、ＣＯ排出濃度が増加した場合には、窒素を第２供給系統にバイパスして、バーナ近傍の火炎温度を維持することでＣＯ排出濃度の増加は避けられる。また、副燃焼室を設けた燃焼器によれば、第１系統の窒素供給量を少し減少させ、第２の窒素供給系統にバイパスし、バーナ近傍の火炎温度を維持することによりＣＯ排出濃度をさらに下げることが可能となる。
【００４３】
尚、ガスタービン燃焼器へ供給する窒素は、発電プラントから切り離された独自の供給源を設けるようにしても良いが、ガス化炉に供給される酸素を空気から生成する空気分離装置で副次的に発生する窒素を利用することが発電プラント全体のエネルギ効率・熱効率を考慮すると好ましい。そこで、この空気分離装置で発生する窒素を第１及び第２の窒素供給系統の２系統に分けて供給するようにすることが発電プラントの熱効率の向上を図る上で好ましい。この場合、プラント余剰窒素の昇圧動力を低減すると共に、空気分離装置へ供給するガスタービン抽気空気の部分連繋や余剰窒素による熱回収を実施することにより送電端熱効率を約０．３％（絶対値）向上し、しかも窒素を燃焼器の高温ガス領域に供給することでサーマルＮＯｘ排出量を低減できる。
【００４４】
《実施形態１》
図６に本発明のガスタービン燃焼器を用いたガス化発電システムの一実施形態を示す。このガス化発電プラントは、重質油あるいは石炭等（以下では石炭で代表する）を酸素酸化によってガス化した燃料（本明細書ではガス化ガス燃料と呼ぶ）を燃焼させてガスタービンを駆動する燃焼ガスを得るシステムであって、酸素製造装置２で空気から分離生成した酸素ＡＯ２を主成分とした酸化剤によって重質油あるいは石炭Ｃをガス化するガス化炉３と、そのガス化ガスＣＧ１を乾式精製するガス精製装置４と、精製後のガス化ガス燃料ＣＧ２を燃焼させて得た高温・高圧の燃焼ガスＦＧでガスタービン６を駆動して該ガスタービン６に連結されている発電機９を回転させて発電する圧縮機１と、ガスタービン燃焼器５及びガスタービン６から成るガスタービン発電システム、並びにガスタービン６から排出される高温の排気ガスＧの熱を利用して蒸気サイクルにより発電機９を回転させて発電する廃熱回収ボイラ７と蒸気タービン８及び復水器１０から成る蒸気発電システムとで構成される。なお、図中の符号１１は煙突である。
【００４５】
また、ガスタービン燃焼器５は、例えば図７に示すように、圧力容器である燃焼器外筒１２、燃焼用空気ＨＡＲを燃焼室１３に導くためのフロースリーブ１４、燃焼室１３を囲む燃焼器内筒１５、燃料を供給し火炎１６を保持するための燃料ノズル１７、燃料ノズル１７を外筒１２に固定するヘッドエンド部１８、燃焼室１３で燃焼したガスＦＧをガスタービン６に案内する燃焼器尾筒１９から構成され、その全作動負荷条件範囲において、燃焼室１３の上流部を燃料過剰条件とする二段燃焼法を実現するものである。尚、燃焼室１３の下流側では、燃焼空気孔２０から燃焼用空気ＨＡＲを供給し、未燃分を完全燃焼させて燃焼器出口で未燃分を一定量以下に抑制する。
【００４６】
燃焼器内筒１５には、フロースリーブ１４との間の流路３６と燃焼室１３とを連通する燃焼空気孔２０が設けられ、圧縮機１から供給される燃焼用空気ＨＡＲが燃焼室１３の周りの空気孔２０、空気旋回器３２及びアトマイズ空気噴孔（図示省略）から噴出されるように設けられている。燃焼用空気孔２０は、燃焼室１３の上流域から離れた後半に、軸方向並びに周方向へ複数設けられており、圧縮機１から吐出される高圧空気ＨＡＲを燃焼室１３の下流域に優先的に供給するように設けられている。このガスタービン燃焼器５は、ガス化ガス燃料ＣＧ２中のアンモニアに起因して生成されるフュエルＮＯｘを抑制することを目的としており、全作動負荷条件で、燃焼室１３の上流部を燃料過濃条件としている。例えば燃料中にメタンを含まない場合は当量比２．５以上に、メタンを含む場合には好ましくは約１．５〜３の範囲内で燃料中のメタン濃度に反比例する相関関係に基づいてメタン濃度に応じて決定される値（例えば、メタン濃度３％含む場合には当量比１．７〜２．４程度）に設定し、さらに、軸方向下流に向かうに従って燃焼空気孔２０から燃焼用空気ＨＡＲを供給し、燃焼器出口で未燃分を一定量以下に抑制する。これにより、燃焼室１３の上流部の酸素濃度を低下させることができ、サーマルＮＯｘを低減できると同時にガス化ガス燃料ＣＧ２中の窒素化合物に起因して生成されるフュエルＮＯｘを抑制することができる。さらに、軸方向下流に向かうに従って燃焼空気孔２０から燃焼用空気ＨＡＲを供給し未燃成分を燃焼させて、燃焼器５の出口での未燃分を一定量以下に抑制する。一次当量比を１．５〜３の範囲で設定する場合には、乾式ガス精製を採用した酸素吹きガス化ガス燃料については、最もサーマルＮＯｘの低減効果が得られ、尚かつフュエルＮＯｘについても低減効果が得られる。一次当量比が少なくとも１．３を超えるとサーマルＮＯｘ抑制効果が得られ、１．５以上であればメタン濃度３％以上においてもフュエルＮＯｘの抑制効果が得られ、３であればメタン濃度０％のときにおいてもフュエルＮＯｘ抑制効果が得られる。
【００４７】
バーナは、起動用液体燃料２１を霧化して噴射するアトマイズ空気噴孔（図示省略）を備えたノズル２２と、ガス化ガス燃料ＣＧ２を供給するための燃料ノズル１７並びに旋回器２３と、窒素供給系統２６ａから供給される窒素ＡＮ２を燃焼室１３に供給するための窒素噴射ノズル２４及び旋回器２５並びに圧縮機１から吐出した燃焼用空気ＨＡＲを燃焼室１３に供給するための空気噴射ノズル３５および旋回器３２とから成り、それらを同軸上に組み合わせることにより構成され、ガスタービン燃焼器５の上流端の中心軸上に配置される。このバーナは、燃料、空気、窒素およびそれらの混合ガスを旋回させながら供給することで、燃焼室１３の上流部のノズル出口付近に低温でかつ安定した火炎１６を形成させる。また、窒素噴孔たる旋回器２５を燃料噴孔たる旋回器２３と空気噴孔たる旋回器３２の中間または周りに設けて、火炎１６の存在する燃焼室１３の上流部の高温領域に窒素ＡＮ２を供給することで、燃焼室１３の上流部をガス化ガス燃料の過剰条件としている状態を保ちながら、高温領域のガス温度を低下させることができ、フュエルＮＯｘと同時に、サーマルＮＯｘも低減することが可能である。燃料ノズル１７の目的は、ノズル出口に安定した火炎を形成することで、燃料、空気、窒素、およびそれらの混合ガスを旋回させながら供給することで、燃焼室に安定した火炎を形成させる。ガスタービンの着火からガス燃焼に至るまでは起動用燃料２１で運用される。
【００４８】
次に、以上のように構成されたガス化発電システムの運転方法を説明する。尚、本システムは酸化剤として酸素を使用するものである。
【００４９】
まず、始動時には、外部動力によって駆動された圧縮機１で高圧とされた空気ＨＡＲを例えば図６、図７に示すガスタービン燃焼器５に供給し、起動用燃料２１を用いて燃焼させる。この燃焼ガスＦＧを燃焼器尾筒１９を経てガスタービン６に導入することによって、ガスタービン６を駆動する。ガスタービン６が昇速してガスタービン６の無負荷定格回転数に達した後、発電機９を併入し、徐々に負荷をとり始める。
【００５０】
一方、ガス化炉３に必要な酸素ＡＯ２は、酸素製造装置２にて生成される。酸素製造装置２では、圧縮機１かあるいは図示しないバックアップ用圧縮機、若しくは圧縮機１より抽気される高圧空気ＨＡＲから窒素ＡＮ２を分離することによって酸素ＡＯ２が得られる。そして、酸素ＡＯ２はガス化炉３へ、窒素ＡＮ２はガスタービン燃焼器５へそれぞれ供給される。ガス化炉３では酸素ＡＯ２の供給により石炭Ｃを酸素酸化してガス化ガス（ガス化炉生成ガス）ＣＧ１を発生する。さらにガス精製装置４により脱塵、脱硫してガスタービン燃焼器５に供給可能なガス化ガス燃料ＣＧ２を生成する。ガス化炉３の負荷が上昇してある程度以上の品位のガス化ガスＣＧ２が製造されるようになると、これをガスタービン燃焼器５に供給し、起動用燃料２１と切り替えて運転を開始し、さらにプラント負荷を上昇させ、主に定格条件にて運転する。
【００５１】
また、ガスタービン６の高温排気ガスＧは、廃熱回収ボイラ７で給水ＦＷに熱を受け渡し、発生した水蒸気ＳＴを蒸気タービン８に導入してこれを駆動し、発電機９を回して発電させる。廃熱回収ボイラ７を通過した排気ガスは煙突１１から排気される。
【００５２】
本発明の特徴の一つは、フュエルＮＯｘ低減を目的として燃焼室１３の上流部をガス化ガス燃料の組成に応じて燃料過濃条件としている状態を保ちながら、窒素噴孔を燃料ノズルに設けて、燃焼室の火炎の存在する高温領域に供給することで高温領域のガス温度を低下させることができ、フュエルＮＯｘと同時に、サーマルＮＯｘも低減することにある。しかも、ガス化ガス燃料中のメタン濃度がガス化条件により変化することから、図１に示すようにメタン濃度に応じて燃料過濃条件を設定することにより、フュエルＮＯｘを含む全ＮＯｘ排出量を最少になるようにすることができる。
【００５３】
このような構造を採用することにより、乾式ガス精製を採用するガス化複合発電プラントの全作動負荷範囲内において、プラントの熱効率を損なうことなく、燃焼安定性の向上と未燃分の排出の抑制を図ることができるとともに、フュエルＮＯｘおよびサーマルＮＯｘを低減することが可能となる。
【００５４】
また、ガスタービン燃焼器５で、フュエルＮＯｘを抑制するために燃焼室上流部を燃料過濃条件とした場合、より一層のサーマルＮＯｘ低減が図れるという相乗効果が得られる。
【００５５】
《実施形態２》
図８に本発明のガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器の他の実施形態を示す。この実施形態のガスタービン燃焼器６は、窒素を一次燃焼領域へ噴射するようにしたものであり、バーナ部から直接燃焼室１３内へ噴射される第１の窒素供給系統２６ａと、一次空気に混合してあるいは一次空気と燃焼室の下流側に噴射される二次空気とに均質に混合して供給される第２の窒素供給系統２６ｂとの２つの窒素の供給系統を有し、ガス化ガス燃料のＮＨ３の含有量が或る閾値よりも少ないときには第１の窒素供給系統２６ａから直接燃焼室内へ噴射される量を多くし、超えるときには第２の窒素供給系統２６ｂにより燃焼室１３の下流側に噴射される量を多く配分するものである。具体的には、窒素ＡＮ２を２つの供給系統２６ａ，２６ｂに分割し、一方の窒素供給系統２６ａを用いた実施形態１と同様に燃料ノズル１７に導いて窒素噴射ノズル２４から噴出させ、他方の第２の窒素供給系統２６ｂをガスタービン車室２７に導き、空気流中に設けた窒素供給ノズル２８から燃焼用空気中に窒素を噴射させ、空気と混合させるようにしている。尚、第２の窒素供給系統２６ｂは、ガスタービン車室２７内に限らず、ガスタービン燃焼器外筒１２と燃焼器内筒１５との空間・流路３６内に設けても同様な効果が得られる。
【００５６】
実施形態２においては、第１の窒素供給系統２６ａから窒素ＡＮ２を供給する場合に、実施形態１と同様に燃料ノズルボディ３０を介して燃料ノズル１７に設けた窒素噴孔２４から、窒素を燃焼室１３内に直接噴射する。
【００５７】
ガスタービン車室２７に配置された窒素供給ノズル２８から供給された窒素は、燃焼空気ＨＡＲと混合する。窒素と空気との混合ガス３１は、燃焼室１３に開口している燃焼空気孔２０から、燃焼室１３内に順次供給される。したがって、第１の実施形態において第１の窒素供給系統２６ａを経て供給されていた窒素の一部もしくは全量を第２の窒素供給系統２６ｂから供給することにより、燃料ノズル１７の空気旋回器３２を通過する空気中の酸素濃度を極端に低下させることがなく、燃焼室１３の上流部の燃焼ガス温度を低減すると共に燃焼安定性を維持できる。尚、混合ガス３１の一部は燃焼室１３の上流端の空気旋回器３２を経て起動用燃料２１あるいはガス化ガス燃料ＣＧ２に吹き付けられる。
【００５８】
ＮＯｘ排出量の低減と所内動力の回復を目的に、定格条件だけでなく、起動用燃料２１によるガスタービン負荷上昇時もサーマルＮＯｘが多量に発生するため空気分離装置２から生成される窒素ＡＮ２を第１の供給系統２６ａから燃焼器５に供給して火炎温度低減によるＮＯｘ低減を図る。一方で、起動用燃料２１による起動時、燃料切り替え時、およびガス化ガス燃料ＣＧ２による部分負荷燃焼時においては、窒素ＡＮ２を第２の供給系統２６ｂから燃焼器５に供給することにより、燃焼室１３の上流部での燃焼温度を低下させることなく、火炎安定性を維持でき、燃焼不安定性の回避と未燃分の排出の抑制を図ることが可能となる。
【００５９】
また、ガスタービン燃焼器５内の燃焼室１３は、実施形態１と同様に、ガス化発電プラントの全作動負荷条件において、上流部を燃料過剰条件としてフュエルＮＯｘの低減を図っているが、窒素噴射位置がフュエルＮＯｘの低減効果に影響することから、窒素供給系統を２系統に分割して供給する手法との組み合わせによる本発明により、ガス化ガス燃料中のメタン濃度に加えて、アンモニア濃度に応じて窒素噴射位置を設定することにより、フュエルＮＯｘを含む全ＮＯｘ排出量を最少に抑制することが可能である。即ち、燃焼器から直接燃焼室内へ噴射される第１の窒素供給系統と、前記燃焼器の一次空気に混合してあるいは一次空気と燃焼室の下流側に噴射される二次空気とに均質に混合して供給される第２の窒素供給系統とを備え、前記ガス化ガス燃料のＮＨ３の含有量が閾値よりも少ないときには前記第１の窒素供給系統から直接燃焼室内へ噴射される量を多くし、超えるときには前記第２の窒素供給系統により前記燃焼室の下流側に噴射される量を多く配分する。
【００６０】
このような構造、および制御方法を採用することにより、乾式ガス精製を採用するガス化発電プラントの全作動負荷範囲において、プラントの熱効率を損なうことなく、燃焼安定性の向上と未燃分の排出の抑制を図ることができるとともに、サーマルＮＯｘおよびフュエルＮＯｘの同時低減燃焼が可能となる。
【００６１】
なお、第１の実施形態１の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００６２】
《実施形態３》
図９は、本発明の第３実施形態によるガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器の構成の一例を示す。図９は、前記燃焼器の頭部に副燃焼室１３ｂを設けて、ガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器において、燃焼用空気ＨＡＲの一部ＨＡＲ１およびガス化ガス燃料ＣＧ２の一部ＣＧ２１、少なくともＣＧ２の１０ ｖｏｌ％以上を副燃焼室の燃料旋回器２３ａに導入して、ガスタービン負荷運用条件に応じて燃焼室上流部における燃料過濃条件の最適化が図れるようにしたものである。
【００６３】
燃料ノズル１７は、燃焼室１３の同心軸上に第１の燃料供給系統による旋回器２３ａと第１の空気供給系統ＨＡＲ１による空気旋回器３２ａを周方向に複数配置し、燃料と空気により燃焼させる。副燃焼室の出口には、同心軸上であってかつ外周に第２の燃料供給系統による燃料旋回器２３ｂ、第２の空気供給系統による空気旋回器３２ｂ、窒素供給系統による窒素旋回器２５が、燃料と空気の間に窒素が常に供給されるように複数配置する主燃料ノズル１７ｂを設け、それぞれの旋回器を通して第２の燃料ＣＧ２２、第２の空気ＨＡＲ２および窒素２６ａを供給し、燃焼させる。副燃焼室１３ｂまたは主燃料ノズル１７ｂへの燃料、空気供給量は開口面積比（燃料については、副燃焼室燃料ノズル２３ａと主燃料ノズル２３ｂの面積比。空気については、副燃焼室空気旋回器３２ａ、主燃料ノズルの空気旋回器３２ｂ、燃焼器内筒の燃焼空気孔２０の面積比。）に比例する量が供給されることになる。
【００６４】
ここで、一次燃焼領域の平均当量比と副燃焼室の平均当量比は、燃料組成に応じて転換率が極小値を含む低い値をとる範囲、例えば１．７〜２．４の範囲で互いにずらして設定され、各燃焼領域で還元性能を維持するように設けられることが好ましい。ここで、副燃焼室、主燃料ノズルの後に二次空気孔直前までを一次燃焼領域としており、その領域の平均当量比を１．７〜２．４に設定する。副燃焼室と燃焼室上流部とで平均当量比をずらせば、ある程度の負荷範囲であればどちらかの領域の当量比が１．７〜２．４程度になる。ただし、大きな負荷変化や、石炭等の種類やガス化剤中の酸素濃度が変化した場合には対応できないので、次の図１０に示す燃焼器のように、二次空気孔２０の流量を変化できる機構、例えばバルブ２９が必要になってくる。そして、より好ましくは、副燃焼室当量比については、燃焼室上流部の平均当量比よりも高く、適正な当量比の範囲の高い方（例えばＣＨ４＝３％で、φｐ＝１．７〜２．４の範囲の場合には副燃焼室の平均当量比を２．４）に設定される。副燃焼室の当量比を高め（例えば２．４）に設定していれば、低負荷に移行することにより当量比が低下した時でも、適正当量比の１．７〜２．４の範囲に収まる。当量比２．４であれば１５００℃以上の火炎温度ですので、副燃焼室における拡散燃焼と循環流形成を考えれば十分な保炎性能を得られると考えられる。これは、ガス化燃料がＬＮＧ等に比較して燃えやすいことも要因である。また、従来の当量比４〜５に比べれば、保炎性能向上は十分に期待できる。従来のバーナによると、１１００℃以下の燃焼温度では、ＣＯ排出濃度が上昇するが、本実施形態のバーナでは２０ｐｐｍ以下にできた。ここで、副燃焼室の当量比と一次燃焼領域の平均当量比との関係は、好ましくは副燃焼室の方が一次燃焼領域の平均当量比よりも高いことであるが、同じでもあるいは逆に一次燃焼領域の平均当量比の方が副燃焼室の当量比よりも高くても良い。
【００６５】
このガスタービン燃焼器によれば、燃料供給量が増加する高負荷条件では、副燃焼室１３ｂへ供給されるガス化ガス燃料ＣＧ２１と空気ＨＡＲ１から決まる当量比を最適化（例えば、ガス化ガス中にメタンを含まない場合は当量比２．５以上に、メタンを３％含む場合は当量比１．７〜２．４に設定）することにより、ガス化ガス燃料中のアンモニアを窒素（Ｎ２）に分解する。また、燃料供給量が低下するガスタービン低負荷条件では副燃焼室の当量比は燃焼器に供給される全燃料供給量および全空気供給量から決まる当量比に比例して低下し、低負荷では量論混合比に近づき、高温条件となるため保炎性能が向上すると共に、主燃料ノズル１７ｂへ供給する第２の空気ＨＡＲ２および燃料供給系統ＣＧ２２による燃焼室１３の上流部がガス化ガス燃料組成に応じた最適な燃料過濃条件（例えば、ガス化ガス中にメタンを含まない場合は当量比２．５以上、メタンを３％含む場合は当量比１．７〜２．４）に調整することにより、フュエルＮＯｘを含む全ＮＯｘ排出量を最少に抑制することが可能である。
【００６６】
このような構造、および制御方法を採用することにより、乾式ガス精製を採用するガス化発電プラントの全作動負荷範囲において、プラントの熱効率を損なうことなく、燃焼器上流部をより理想的に燃料過濃条件とすることができ、フュエルＮＯｘを含む全ＮＯｘ排出量を最少にするように運用することができると共に、低負荷から高負荷条件まで保炎性能を一層向上することができる。
【００６７】
ここでは、第２の窒素供給系統２６ｂについては考慮せずに説明したが、請求項９に示すように、第２の窒素供給系統２６ｂをＨＡＲに混合して供給する場合も同様な効果が得られる。
【００６８】
なお、第１の実施形態１の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００６９】
《実施形態４》
図１０は、本発明の第４実施形態によるガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器の構成の一例を示す。図１０は、燃焼器頭部へ供給する第１の燃焼用空気とは別に、燃焼器の下流側であって、且つ燃焼室側壁から燃焼室１３に供給される第２の燃焼用空気孔２０に流量調整機構たる流量調節バルブ２９を設け、ガス化炉等のプラント運転条件が変化し、発生するガス化ガス燃料の組成が変化した場合に、前記燃焼室１３の上流部の燃料過濃条件を、ガス化ガス燃料の組成に応じた最適値に変更する様に第２の燃焼用空気孔２０の可変バルブ２９を調整するようにしている。
【００７０】
このような構造、および制御方法を採用することにより、乾式ガス精製を採用するガス化発電プラントの全作動負荷範囲において、燃焼室１３の上流部をより一層に理想的な燃料過濃条件とすることができ、フュエルＮＯｘを含む全ＮＯｘ排出量を最少にするように運用することができると共に、低負荷から高負荷条件まで保炎性能を一層向上することができる。なお、第１の実施形態１の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００７１】
《実施形態５》
次に、ガスタービン負荷運用について説明する。なお、第１の実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００７２】
図１１は、ガスタービン燃焼器の起動から定格負荷までの間の、ガスタービン負荷とガスタービン燃焼器５に供給される起動用燃料２１、ガス化ガス燃料ＣＧ２、第１窒素供給量／窒素全供給量の割合、および実施形態４による第１空気供給量／空気全供給量の割合についての関係を示す図である。図８〜図１０に示すガスタービン燃焼器において、ガスタービンの負荷変化に伴い、ガスタービン排気ガスＧ中の未燃の燃料成分濃度またはＮＯｘ濃度を監視して一定量以下になるように、窒素の供給量／使用可能窒素量割合、窒素の第１窒素供給系統２６ａおよび第２窒素供給系統２６ｂの供給割合、または、第１空気供給系統および第２空気供給系統の割合を、図示省略している制御手段例えば燃料成分濃度測定手段と電磁バルブなどで制御する制御する実施例である。
【００７３】
始動時には、外部動力により駆動された圧縮機１の吐出空気ＨＡＲを用い、起動用燃料２１によりガスタービン燃焼器５の燃焼室１３内で着火する。起動用燃料による燃焼が安定したら、空気分離装置２より生成される窒素ＡＮ２を燃料ノズル１７に設けた窒素噴射ノズル２４から窒素ＡＮ２を燃焼室１３に直接噴射し、サーマルＮＯｘの低減を図る。起動用燃料ノズル２２を用いた燃焼により、ガスタービン５が定格回転数に達した後、ガスタービン負荷を一定としたまま、燃焼安定性を確保するため、前記窒素をほぼ全量を第２の窒素供給系統２６ｂであるバイパス側に供給すると共に、起動用燃料２１から主燃料であるガス化ガス燃料ＣＧ２の燃焼に徐々に切り替える。ガス化ガス燃料ＣＧ２に切換えた後は、ガスタービン５の負荷上昇させ、燃焼室１３内での燃焼が安定したところで、窒素を第１の窒素供給系統２６ａにほぼ全量供給すると共に燃焼用空気を第１の空気供給系統２９ａを低下、且つ第２の空気供給系統２９ｂへの供給量を増加させて燃焼器上流部を最適な燃料過濃条件に設定し、発電機９を併入し、徐々に負荷を取り出し始める。
【００７４】
しかし、起動用燃料２１からガス化ガス燃料ＣＧ２への切り替えまたは、低負荷運転では、バーナでの火炎１６の温度が低く、しかも燃焼室１３内で形成される火炎１６の位置が変化することが予想され、燃焼が不安定になる可能性がある（起動用燃料は一般に灯油等の液体であり、蒸発過程を有する液体燃料と比べてガス燃料は燃焼性が良い）ため、ガスタービン排気ガスＧ中の未燃分の濃度を監視しながら、第１の窒素供給系統２６ａおよび第２の窒素供給系統２６ｂへの窒素の供給割合を調整し、特に、燃料中のアンモニア濃度が低く、比較的フュエルＮＯｘ排出量が低い場合などは、第１の空気供給系統２９ａおよび第２の空気供給系統２９ｂへの空気の供給割合を調整して燃焼安定性を確保する。ガスタービン５の負荷が上昇するにつれて、火炎１６の温度が上昇するので、燃焼用空気と混合させ燃焼室１３に供給する第２の窒素供給系統２６ｂを徐々に減少させ、燃料ノズル１７に設けた第１の窒素供給系統２６ａへの窒素供給割合を徐々に増加させると共に、フュエルＮＯｘを含む全ＮＯｘ排出量を最少にするように第１、第２空気供給系統への空気供給割合を調整する。
【００７５】
このように運用することにより、起動用燃料２１による起動から部分負荷条件、また、ガス化ガス燃料ＣＧ２への切り替え運転、およびそれ以上の負荷でのガス化ガス燃料ＣＧ２の専焼条件のガスタービンの作動負荷範囲において、プラントの熱効率を損なうことなく、燃焼安定性の向上と未燃分の排出の抑制を図ることができるとともに、サーマルＮＯｘおよびフュエルＮＯｘの同時低減燃焼が可能となる。
【００７６】
また、窒素供給系統を１つのみ持つ第１の実施形態の運転方法、または、空気供給の制御系統を１つのみ持つ第１〜第３の実施形態の運転方法については、第２の窒素供給系統２６ｂの流量をゼロ、または第１、第２の空気供給割合をガスタービン負荷によらず一定とした場合に相当する。
【００７７】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では、一次当量比を燃料組成に応じて変えるだけでなく、窒素を還元燃焼領域に噴射するようにしているが、これに特に限定されるものではになく、当量比変化させるだけでもフュエルＮＯｘを低減でき、現在のプラントよりも運用性が良くなる。即ち、窒素をガス化ガスに予混合することなく、別に供給することによりサーマルＮＯｘ低減や保炎性能をコントロールできるので、現在のプラントよりも運用性が良くなるものと思われる。
【００７８】
また、場合によっては複数のガスタービン燃焼器によって２段燃焼を実施することもある。全域を燃料過濃条件とする第１の燃焼器と、残りの空気を供給して未燃分を燃焼させることを主とする第２の燃焼器の２段としても良い。この場合には、第１のガスタービン燃焼器と第２のガスタービン燃焼器との間に中間タービンを設置することも可能である。この場合、同等の燃焼温度とする１段のガスタービンに比較して、プラント熱効率が向上するという相乗効果が得られると共に、ガスタービン排気ガス中の窒素酸化物濃度によっては、ガスタービン下流における脱硝装置を縮小もしくは削除することができ、プラントの構成機器を少なくし、コスト低減を図ることも可能である。また、本実施形態では複合発電システムに適用した場合を例に挙げて主に説明しているがこれに特に限定されるものではなく、蒸気タービン発電システムを含まないガスタービンだけの発電システムに適用することも効果的である。
【００７９】
【実験例】
（実験装置・条件）
内側を耐火材で覆った内径９０ｍｍ、長さ１０００ｍｍの円筒型の燃焼室、一次空気導入部および燃料噴射弁から成る図示していない実験装置を用いて、実験を行った。尚、燃焼器の軸方向空気配分や二段燃焼（空気二段供給）を模擬するために、燃焼室の側壁には流れ方向に沿って４カ所に二次空気孔を設けた。二次空気孔は直径が１３ｍｍ、一断面について円周方向に１２カ所設けた。
【００８０】
本実験では、燃焼室内径をＤとしたとき燃料噴射弁先端から距離３×Ｄの位置の二次空気孔を採用し、燃料噴射弁から二次空気孔までの領域を一次燃焼領域、二次空気孔以降を二次燃焼領域としている。供試バーナは、口径１．５ｍｍ×１２、吹き出し角度θ＝９０゜の燃料噴射ノズルと内径２４．０ｍｍ、外径３６．４ｍｍ、旋回角度４５゜の一次空気旋回器から構成されている。スワール数Ｓは０．８４である。
【００８１】
実験では、燃料中の主要な可燃性成分をＣＯとＨ２（ＣＯ／Ｈ２モル比＝２．３３一定）とし、燃料発熱量はＮ２の希釈により調整している。燃料中のＣＨ４濃度を変化させる場合には、ＣＯ／Ｈ２モル比一定の条件の下で、ＣＯとＨ２量およびＮ２希釈量により発熱量を調整した。燃焼ガスは、燃焼室出口ダクト中心軸上に挿入した水冷プローブ（１点）によりサンプリングし、ＣＯ、ＣＯ２については非分散赤外線吸収法により、ＮＯｘ、Ｏ２、ＴＨＣはそれぞれ化学発光法、磁気圧力法、水素炎イオン検出法により濃度を測定した（堀場製作所製ＭＥＸＡ９１００分析計を使用）。また、実験はすべて大気圧にて実施した。
【００８２】
（サーマルＮＯｘ排出特性）
まず、フュエルＮＯｘ低減を目的に、バーナへ供給する空気量を低減し、残りの空気を二次空気として供給した場合のサーマルＮＯｘ排出特性について調べた。ここで、燃焼ガス平均温度が１５００℃で一定となるように燃焼室出口における当量比を設定し、燃料噴射弁から二次空気導入部までの一次燃焼領域の平均当量比φｐを変化させた場合のサーマルＮＯｘ生成濃度について、Ｎ２を燃料または空気に混合して供給した場合とＮ２を供給しない場合について実験した。実験では、噴射弁から供給する燃料流速を一定とし、燃焼用空気は一次空気導入部へ供給する一次空気と二次空気とに分けて供給することにより、バーナ近傍の雰囲気の還元性がサーマルＮＯｘ排出特性に及ぼす影響を調べた。また、Ｎ２はスワーラから供給する燃料または空気に全量予混合して燃焼室へ供給するものとし、Ｎ２混合後の燃焼用空気予熱温度Ｔａｉｒおよび燃料予熱温度Ｔｆｕｅ１を、Ｎ２を供給しない場合と等しく、それぞれ３７０℃、３６０℃とした。実験の結果、Ｎ２を供給しない場合に一次当量比φｐが約１の時にサーマルＮＯｘ生成濃度は最大値を示した。一方、Ｎ２を供給しない場合に比較して、Ｎ２を燃料または一次空気と混合して供給する場合には、サーマルＮＯｘ生成濃度は大幅に低下し、また、一次領域の平均当量比φｐを１．３以上とすることによりさらに低減した。すなわち、量論比近傍で最高火炎温度が約２３００℃と高温になる中カロリー燃料（ＨＨＶ＝１２．７ＭＪ／ｍ３）では、窒素を燃料または一次空気に予混合してスワーラから一次燃焼領域に供給することにより、火炎温度を効果的に低減し、サーマルＮＯｘ生成量を大幅に低減できると共に、二段燃焼法のように二次空気を導入して一次燃焼領域の平均当量比を上昇させることがサーマルＮＯｘ低減に有効であると分かった。
（フュエルＮＯＸ排出特性）
フュエルＮＯｘ低減に有効とされる二段燃焼法では一次当量比の設定が重要な要因となる。また二段燃焼法の効果は燃料のＮ２希釈による発熱量の低下や燃料中ＣＨ４濃度やＨ２濃度により影響を受ける。ここで、二段燃焼法とは、二次空気供給により一次燃焼領域を還元雰囲気とし、燃料中のＮＨ３をＮ２に還元分解してフュエルＮＯｘ排出量の低減を図る燃焼法である。
【００８３】
図４は中カロリー燃料中のＮＨ３がＮＯｘに転換する割合（以下、転換率という）に及ぼす燃料発熱量の影響を検討した結果を示す。実験では、燃料中ＣＯ／Ｈ２モル比を２．３３で一定とし、Ｎ２の希釈量により燃料発熱量を４．２ＭＪ／ｍ３、８．４ＭＪ／ｍ３、１１．４ＭＪ／ｍ３の３種類のカロリーに調節した。また、フュエルＮＯｘは燃料中にＮＨ３を含む条件および含まない条件でそれぞれ、全ＮＯｘ排出量、サーマルＮＯｘ排出量をそれぞれ計測して、その差から求めている。実験手法として、二次空気口の開口面積は一定としており、二次空気の流入速度の変動によるフュエルＮＯｘ／サーマルＮＯｘの生成反応凍結への影響については考慮していない。一次燃焼領域の平均当量比に対する転換率Ｃ．Ｒ．は、いずれの燃料発熱量においてもほぼ同様な傾向を示し、一次当量比φｐを１以上の燃料過濃条件とすることにより、転換率Ｃ．Ｒ．を低減できることが分かる。また、一次当量比φｐが１以下では発熱量が低い方が高い転換率Ｃ．Ｒ．を示すものの、φｐが１以上の燃料過濃条件では、発熱量が低いほど転換率は急激に低下し、１．６〜３の範囲で極小値（転換率の最小値Ｃ．Ｒ．（ｍｉｎ））をとる傾向を示す。さらに、燃料発熱量の上昇に伴い、転換率の最小値Ｃ．Ｒ．（ｍｉｎ）および転換率を極小とする最適一次当量比φｐ（ｏｐｔ）は上昇することが分かった。フュエルＮＯｘ生成特性に及ぼす中カロリー燃料の発熱量の影響は、ＣＯ／Ｈ２混合ガス燃料へのＮ２希釈量の影響と言える。
【００８４】
次に、可燃性成分であるＣＯとＨ２の含有率の異なる場合について検討した。図３は、燃料と空気を全てバーナから供給し、燃焼器出口ガス温度を１５００℃で一定とする条件下で、一次当量比と転換率との関係を燃料中ＣＯ／Ｈ２モル比をパラメータにして示す。実験では、噴射弁から供給する燃料速度を９６ｍ／ｓで一定とする条件下で、供給空気量を調整することにより燃焼ガス平均温度を１５００℃に調整した。２．３３、１．００、０．４３の３種類のＣＯ／Ｈ２モル比について実験した。その結果、２．３３〜０．４３の範囲とする中カロリー燃料では、ガス化ガス中のＣＯ／Ｈ２濃度比率が低いほど、転換率を最小とする一次当量比が低下することが判った。この結果に合わせて、燃焼器一次当量比を設定すれば、フュエルＮＯｘの発生を効率良く低減できる。
【００８５】
また、図１は、二段燃焼時の転換率に及ぼす燃料中のＣＨ４濃度の影響について調べた結果を示す。メタン濃度０．０、０．５、１．０、２．０、３．０について実験した。この結果、燃料中ＣＨ４濃度の増加に伴い転換率が上昇すると共に、転換率を極小とする最適一次当量比φｐ（ｏｐｔ）が低下することが分かる。そして、ガス化ガス中のメタン濃度により転換率を最小とする一次当量比が異なることが判った。例えば、メタン濃度３％の場合には、転換率を最小とする一次当量比は１．８であった。
【００８６】
図２及び図５に燃焼器に供給する窒素をバーナ部から噴射する系統と一次及び２次空気に予め混合してから一次燃焼領域あるいはその下流に噴射する系統との２系統を有するものにおいて、燃料中ＮＨ３濃度をパラメータとする転換率と窒素噴射位置との関係が転換率並びに全ＮＯｘ排出量に及ぼす影響を示す。図２に示す実験では、燃料発熱量８．８ＭＪ／ｍ３、燃焼器出口ガス温度１４００℃、Ｎ２／燃料供給比率０．７ｋｇ／ｋｇ、ＣＨ３濃度３％、燃焼器内圧力１．２ＭＰａ、全窒素量に対する第２系統窒素量を０ｋｇ／ｋｇ〜０．９ｋｇ／ｋｇまで変化させ、図５に示す実験では０．０ｋｇ／ｋｇと１．０ｋｇ／ｋｇについて行った。この結果から、窒素の２系統供給が保炎を確保できる範囲での全ＮＯｘ排出量の抑制に効果的であることがわかった。また、燃料中のＮＨ３濃度が２０００ ｐｐｍ（この数値は固定的ではない）を以下の範囲では、窒素をバーナから供給して、一次燃焼領域の火炎温度を低減してサーマルＮＯｘの抑制を図った方が、全ＮＯｘ低減には効果的であることがわかった。一方、燃料中のＮＨ３濃度が２０００ ｐｐｍ以上の範囲では、窒素を空気に混合して供給することにより、窒素の一部を一次燃焼領域の下流に噴出すれば、火炎温度が上昇してサーマルＮＯｘが増加するものの、図２に示すようにフュエルＮＯｘの低減効果が大きく、全ＮＯｘを効果的に低減できることがわかった（図５）。
【００８７】
以上のことから、ＣＯとＨ２を主要な可燃性成分とし、ＣＨ４を微量含む中カロリー燃料では、一次当量比並びに窒素噴射位置を燃料組成および燃料発熱量に応じて変更することで転換率の極小値が得られ、またフュエルＮＯｘの発生を効率良く低減できて、全ＮＯｘ排出量を抑制できることがわかった。また、２段燃焼法はサーマルＮＯｘの低減にも寄与している。すなわち、燃焼器試験結果では、燃焼器出口温度を１６００℃にまで上昇させても、窒素噴射と２段燃焼による還元効果の相乗で、サーマルＮＯｘを８ｐｐｍ程度まで抑制しており、一次当量比φｐを１．７以上であればサーマルＮＯｘ低減にも寄与することが判明した。
【００８８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によると、ガス化ガス燃料中のアンモニアに起因して生成されるフュエルＮＯｘを効率良く抑制できる。しかも、同時に、燃焼過程で空気中の窒素に起因して発生するサーマルＮＯｘを低減することもできる。
【００８９】
また、本発明によると、全負荷運用条件において、燃焼安定性を確保しつつフュエルＮＯｘを低減できる。
【００９０】
更に、本発明は、プラント全体の熱効率を損なうことなく、ガス化ガス燃料中のアンモニアに起因して発生するフュエルＮＯｘとサーマルＮＯｘを同時に抑制し、且つ安定燃焼を図ることができる。
【００９１】
更に、窒素を２系統に分割し、サーマルＮＯｘ低減とフュエルＮＯｘ低減との調和をとるようにしているので、燃焼安定性が問題となる条件においても全作動負荷範囲全域において全ＮＯｘ排出量を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料中のアンモニアからフュエルＮＯｘへの転換率を最小とする燃料過濃条件の最適値に及ぼすガス化ガス燃料中のメタン濃度の影響を示す実験結果である。
【図２】燃料中のアンモニアからフュエルＮＯｘへの転換率に及ぼす第１および第２窒素系統の供給量比率の影響である。
【図３】燃料中のアンモニアからフュエルＮＯｘへの転換率を最小とする燃料過濃条件の最適値に及ぼすガス化ガス燃料中のＣＯ／Ｈ２濃度比率の影響を示す実験結果である。
【図４】燃料中のアンモニアからフュエルＮＯｘへの転換率を最小とする燃料過濃条件の最適値に及ぼすガス化ガス燃料中の燃料発熱量の影響を示す実験結果である。
【図５】燃料中のアンモニアの濃度と窒素排出位置とが全ＮＯｘ排出濃度に及ぼす関係を示す実験結果である。
【図６】本発明に係るガス化発電プラントの第１の実施形態を示す概略図である。
【図７】本発明に係るガスタービン燃焼器の第１実施形態を示す概略図である。
【図８】本発明に係るガスタービン燃焼器の第２実施形態を示す概略図である。
【図９】本発明に係るガスタービン燃焼器頭部の第３実施形態を示す概略図である。
【図１０】本発明に係るガスタービン燃焼器の第４実施形態を示す概略図である。
【図１１】図８〜図１０に係るガスタービン燃焼器の運転方法を示す概略図であり、ガスタービンの起動から定格負荷までの間の第１／第２窒素供給系統の割合、第１／第２空気供給系統の割合の関係を示す。
【符号の説明】
１ 圧縮機
２ 空気分離装置
３ ガス化炉
４ ガス化ガス精製装置
５ ガスタービン燃焼器
６ ガスタービン
７ 廃熱回収ボイラ
８ 蒸気タービン
９ 発電機
１０ 復水器
１１ 煙突
１２ 燃焼器外筒
１３ 燃焼室
１３ｂ 副燃焼室
１４ 燃焼器フロースリーブ
１５ 燃焼器内筒
１６ 火炎
１７ 燃料噴射ノズル
１７ｂ 副燃焼室を持つ場合の主燃焼室の燃料噴射ノズル
１８ ヘッドエンド部
１９ 燃焼器尾筒
２０ 燃焼器内筒の燃焼空気孔
２１ ガスタービン起動用燃料（灯油等）
２２ 起動用燃料ノズル
２３ 燃料旋回器
２３ａ 副燃焼室を持つ場合の副燃焼室の燃料旋回器
２３ｂ 副燃焼室を持つ場合の主燃焼室の燃料ノズル燃料旋回器
２４ 窒素噴射ノズル
２５ 窒素旋回器
２６ａ 第１の窒素供給系統
２６ｂ 第２の窒素供給系統
２７ ガスタービン車室
２８ ガスタービン車室に設置した窒素供給ノズル
２９ 燃焼器内筒の燃焼空気孔における流量調節バルブ
２９ａ 空気調節機構を持つ場合の燃料ノズル側に供給する第１空気供給系統
２９ｂ 空気調節機構を持つ場合に、主に燃焼室側の空気孔から供給する第２空気供給系統
３０ 燃料ノズルボディ
３１ 窒素と空気の混合ガス
３２ 空気旋回器
３２ａ 副燃焼室を持つ場合の副燃焼室の空気旋回器
３２ｂ 副燃焼室を持つ場合の主燃焼室の燃料ノズルの空気旋回器
３３ ガスタービン主軸
３４ 空気圧縮機翼列
３５ 空気噴射ノズル
ＡＯ２ 酸素を主体とするガス
ＡＮ２ 窒素を主体とするガス
ＡＲ 圧縮機入口空気
ＣＧ１ ガス化直後のガス
ＣＧ２ ガス精製後のガス化ガス燃料
ＣＧ２１ 副燃焼室を持つ場合の副燃焼室へ供給する第１のガス化ガス燃料
ＣＧ２２ 副燃焼室を持つ場合の主燃焼室へ供給する第２のガス化ガス燃料
ＦＧ 燃焼室排出ガス
ＦＷ 復水・給水
Ｇ ガスタービン排気ガス
ＨＡＲ 圧縮機の吐出空気
ＨＡＲ１ 副燃焼室を持つ場合の副燃焼室へ供給する第１の空気
ＨＡＲ２ 副燃焼室を持つ場合の主燃焼室へ供給する第２の空気
ＳＴ 蒸気タービンプラントの作動媒体である水蒸気
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電用ガスタービン燃焼器に関する。更に詳述すると、本発明は、酸素を主成分とした酸化剤で重質油あるいは石炭をガス化し、前記ガス化ガス燃料を乾式で精製する発電プラントに搭載するガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン発電プラントやガスタービン複合サイクル発電プラントでは、ガスタービン燃焼器で燃焼した燃料が燃焼ガスとなってガスタービンに案内され、ガスタービンを駆動するようになっている。このようなガスタービン発電プラントではガスタービン入口温度を上昇させるとガスタービン熱効率が向上するため、ガスタービン入口温度すなわちガスタービン燃焼器の出口温度の上昇による発電プラントの高効率化が図られている。しかし、ガスタービン燃焼器の燃焼領域の燃焼ガス温度を過度に上昇させると、サーマルＮＯｘの発生量が増大する。また、燃焼ガス温度は、タービン部や燃焼器の材料の耐熱限界による制約を受ける。
【０００３】
ところで、ガス化発電プラントでは、石炭、重質油などをガス化炉でガス化した後、ガス精製装置によりガス化ガスを精製し、ガス化ガス燃料としてガスタービン燃焼器に供給する。ガス化ガス燃料は、ガス化剤、ガス化炉の形式や原料となる重質油あるいは石炭の種類により燃料組成や発熱量は異なるが、表１に組成例を示すように酸素吹きガス化炉では燃料発熱量が約１０〜１３ＭＪ／Ｎｍ３の中カロリーのガス化ガス燃料が生成され、その燃料組成は水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）とが大部分を占める。このようなガス化発電プラントにおいてもガスタービンの熱効率を上げるため、高温化を図ると同時に環境問題から低ＮＯｘ化を図る必要がある。
【０００４】
【表１】
従来のガスタービン燃焼器におけるＮＯｘの発生を抑制する技術としては、燃料と空気とをあらかじめ燃料希薄状態で混合して燃焼させる希薄予混合燃焼方式が知られている。これは、燃料と空気を予混合させることによって燃焼室内部で低温均一燃焼を図るものである。
【０００６】
しかし、ガス化ガス燃料などの水素を多く含む燃料に対して希薄予混合方式を用いた場合、表２に示すように、水素の燃焼速度が他の燃料に比較して速いため、燃焼ガスの燃焼速度が希薄予混合ガス噴出速度を上回り、火炎が燃料ノズル内部に逆流する現象、いわゆる逆火現象が起こり、燃焼器部品を焼損する恐れがある。さらに、原料となる重質油あるいは石炭の種類やプラントの運転によっては、ガス化ガス燃料の組成と燃焼速度が異なるため、不安定燃焼を誘発したり保炎器での火炎付着性の悪化などの問題を抱えやすい。
【０００７】
【表２】
このことにより、ガス化ガス燃料に希薄予混合燃焼方式を採用することは難しい。そのため、燃焼室内で燃料と空気とを拡散混合して燃焼させる拡散燃焼方式を採用する必要がある。しかし、拡散燃焼による燃焼ガスの温度は、局所的に断熱火炎温度に近い高温になる。水素や一酸化炭素を多く含むガス化中カロリー燃料の断熱火炎温度は、天然ガス燃料主成分であるメタン（ＣＨ４）の断熱火炎温度と同等以上になり、この石炭ガス化ガス燃料を拡散燃焼させた場合には、空気中の窒素に起因するサーマルＮＯｘが天然ガス燃料を拡散燃焼させる場合以上に多量に発生する可能性が高い。
【０００９】
そこで、燃料あるいは空気の少なくとも一方、若しくは燃焼室に直接窒素を供給して火炎の局所的高温域の温度を下げることによりサーマルＮＯｘを低減する方法が従来より提案されている（特開平１１−３０１３１号参照）。また、近年、ガス化発電プラントの高効率化と環境保全の観点から空気分離装置で空気から酸素と分離される窒素を有効的に活用する研究が行われている。その方法としては、主に、ガスタービン燃焼器上流部の局所高温領域の温度制御を積極的に実施することにより、サーマルＮＯｘの生成を抑制しようとするものである。例えば、１９９４年のＡＳＭＥ（Ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）の文献の９４−ＧＴ−３６６に示されるように、ガスタービン燃焼器の頭部より蒸気噴射と同様な方式で窒素を供給し、空気と窒素とを混合して燃焼室に送り、酸素濃度を低下させた空気により燃焼させるものや、１９９８年のＡＳＭＥの文献９８−ＧＴ−３３１で提案されているように、燃焼器頭部から前記窒素を直接燃焼室内に噴出させるもの、また、日本機械学会関西支部第２５７回講演会講演論文（論文番号９１３）に示されているように、窒素噴射方式と過剰空気による急速混合による希薄燃焼方式を組み合わせた燃焼法によるものなどが提案されている。
【００１０】
さらに、より一層のプラントの熱効率向上およびプラント構成システムの簡素化によるコスト低減等を目的として、湿式ガス精製法に代えて乾式ガス精製法を採用することが検討されている。湿式ガス精製法によると、ガス化炉生成ガスを２００℃以下に冷して水洗し、更に有機溶媒の中を通すことにより集塵・脱硫を行うことから、フュエルＮＯｘの発生原因となるガス中のアンモニアを容易に除去することができるが、浄化された石炭ガス化ガスが４０℃程度に冷えてしまい、発電プラントの熱効率を４０％以下とする問題を有している。そこで、熱効率が高い石炭ガス化複合発電の特徴を最大限に活かすには、ガス化炉で生成するガスを高温高圧のまま脱硫・集塵する乾式精製が望まれる。この乾式精製によれば、ガス化炉生成ガスを４００〜５００℃で精製することによって４５％程度の送電端効率（一層のプラント熱効率向上およびプラント構成システムの簡素化によるコスト低減等）が期待される。しかしながら、この場合には、ガス化ガス燃料中に窒素化合物（主にアンモニアであり、以下ではアンモニアとして代表する）が除去されずに残るので、燃焼器でフュエルＮＯｘが多量に発生する問題がある。
【００１１】
このフュエルＮＯｘを抑制する燃焼法としては、窒素化合物のＮＯｘへの転換を抑制するには空気比を下げることだけが有効であることから、燃焼用空気を２つに分け、バーナ部の空気比を十分に下げると共に不足の空気をバーナから離れた位置に入れる２段燃焼が有効であると考えられている（特開平９−１４５０５７号）。この２段燃焼法は燃焼の第１段でＨＣＮ，ＮＨ３などを発生させ、第２段でこれとＮＯを反応させてＮＯをＮ２に還元させる、炉内還元脱硝法である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、乾式ガス精製を採用した酸素吹きガス化発電用ガスタービン燃焼器では、ガス化ガス燃料中のアンモニアに起因してフュエルＮＯｘが発生すると同時に、ガス化ガス燃料の火炎温度が従来のガスタービン燃料である天然ガス燃料よりも高いため、高温ガス領域でサーマルＮＯｘが発生する。そのため、フュエルＮＯｘとサーマルＮＯｘを同時に低減する燃焼技術が必要である。
【００１３】
しかしながら、窒素を燃焼用空気に混合して、またはバーナから直接に燃焼室に供給しても、サーマルＮＯｘを抑制する方法としては効果があるが、ガス化ガス燃料中のアンモニアに起因して発生するフュエルＮＯｘを抑制することはできない。
【００１４】
他方、フュエルＮＯｘの抑制に効果があると考えられている２段燃焼法においては、フュエルＮＯｘの低減に寄与する還元物質の発生領域を燃料過濃条件にする必要があり、燃焼温度が低下することから燃焼の安定性を損ねる。また、燃料供給量が低下する低負荷条件下では燃焼の安定性を損ねると共にフュエルＮＯｘの抑制にも十分効果を上げているとは言えない。そして、フュエルＮＯｘを抑制する２段燃焼法において、還元物質の発生領域である一次燃焼領域・還元燃焼領域への窒素の混入は、さらに燃焼温度を低下させ燃焼の安定を損なうと共に還元物質の発生を妨げフュエルＮＯｘ抑制効果を低減する可能性が高いと考えられる。
【００１５】
本発明は、乾式ガス精製を採用するガス化発電プラントの全負荷運用条件において、フュエルＮＯｘを低減できるガス化発電用ガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。また、本発明は、プラント全体の熱効率を損なうことなく、ガス化ガス燃料中のアンモニアに起因して発生するフュエルＮＯｘとサーマルＮＯｘを同時に抑制し、且つ安定燃焼を図るガス化発電用ガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、本発明者等が、燃料中のアンモニアに起因して発生するフュエルＮＯｘを低減する方法として、燃焼器内の一部を燃料過濃条件として燃料中のアンモニアを窒素（Ｎ２）に還元し、燃料過濃領域の下流側で残りの空気を供給して所定のガス温度にする燃焼方法について種々研究・実験した結果、ガス化ガスでは主成分である一酸化炭素や水素、微量成分のメタン濃度およびフュエルＮＯｘの生成源となるアンモニアの濃度および燃料発熱量が、原料となる重質油または石炭の種類やガス化形式により異なるためフュエルＮＯｘを最少にする燃焼器の燃料過濃条件が存在しそれが燃料組成毎に異なることを知見するに至った（図１、図３、図４及び図５参照）。また、窒素を燃焼器に供給する位置が、サーマルＮＯｘを低減する効果だけでなく、フュエルＮＯｘの低減に影響することも分かってきた（図２及び図５参照）。
【００１７】
本発明はかかる知見に基づいてなされたもので、酸化剤で重質油あるいは石炭等をガス化し乾式精製したガス化ガスを主燃料として燃焼させ発電するガスタービンを備える酸素吹きまたは酸素富化空気吹きガス化発電プラントにおいて、燃焼器の燃焼室上流部を燃料過濃条件として還元燃焼させると共に、還元燃焼領域の燃料過濃条件をガス化ガス燃料の組成に応じて設定するようにしている。ここで、燃料過濃条件を決定するガス化ガス燃料の組成は、例えばメタン濃度、ＣＯ／Ｈ２濃度比率若しくは燃料発熱量のいずれかである。
【００１８】
本発明者等は、実験により、ＮＨ３からＮＯｘへの転換率が極小値をとる一次当量比とメタン濃度との間には、メタン濃度が高くなるのに反比例して一次当量比が小さくなる関係があることを知見した。また、ＮＨ３からＮＯｘへの転換率が極小値をとる一次当量比とＣＯ／Ｈ２濃度比率との間にも相関関係があり、濃度比率が低くなるのに比例して一次当量比が低下すること、更には、ＮＨ３からＮＯｘへの転換率が極小値をとる一次当量比と燃料発熱量との間にも相関関係があり、燃料発熱量が低くなるのに比例して一次当量比が低下することを知見した。そこで、メタン濃度、ＣＯ／Ｈ２濃度比率若しくは燃料発熱量のうち、いずれか１つあるいはそれらの組み合わせにより、好ましくは最も変動がありかつＮＯｘへの転換率に影響を与える組成の変動に応じて燃焼器の一次当量比を設定することで、フュエルＮＯｘの発生を効率良く低減できるガスタービン用燃焼器を実現できる。通常、実機のガス化発電プラントにおいて最も変動があり影響あるのはメタン濃度であることから、このメタン濃度を中心に一次当量比を決定することが好ましい。そして、一次当量比を１．５〜３の範囲で設定する場合には、乾式ガス精製を採用した酸素吹きガス化ガス燃料については、最もサーマルＮＯｘの低減効果が得られ、尚かつフュエルＮＯｘについても低減効果が得られる。一次当量比が少なくとも１．３を超えるとサーマルＮＯｘ抑制効果が得られ、１．５以上であればメタン濃度３％以上においてもフュエルＮＯｘの抑制効果が得られ、３であればメタン濃度０％のときにおいてもフュエルＮＯｘ抑制効果が得られる。
【００１９】
また、この発明において、バーナ部から、燃焼器に供給する窒素全量を燃焼室内に直接噴射すると、還元雰囲気を保持しつつ一次燃焼領域の燃焼ガス温度が低下するため、サーマルＮＯｘも低減し、フュエルＮＯｘを含む全ＮＯｘ排出量を最少にするように運用することができる。しかも、燃焼室の圧力のみを考慮した窒素供給で制御可能であり、プラント熱効率を損なうことなくサーマルＮＯｘを低減できる。
【００２０】
更に、この発明において、副燃焼室を設け、全量の窒素をバーナ部から燃焼室に直接噴射する一方で副燃焼室へは窒素供給をしない場合には、燃焼室上流において燃焼ガスをバーナ部から供給する窒素が効率良く希釈し一次燃焼領域における還元性を保持しつつ高温領域が減少するが、副燃焼室の還元性と火炎温度が維持されているので、還元雰囲気を保持しつつ低温燃焼が実現でき、サーマルＮＯｘと同時にフュエルＮＯｘを低減することができる。しかも、図１、図３、図４及び図５に示すように、フュエルＮＯｘ低減効果を最大とする燃焼室上流部の燃料過濃条件はガス化ガス燃料の組成、特に燃料中のメタン（ＣＨ４）濃度に応じて一次燃料領域の当量比を設定することにより燃料過濃条件を適切に設定することでフュエルＮＯｘを含む全ＮＯｘ排出量を最少にするようにすることができる。ここで、窒素の噴射を燃料と燃焼用空気の間から行うようにすれば、窒素雰囲気のもとで燃料と空気が衝突して燃焼するため、効率良く燃焼ガスが希釈され、低温燃焼が実現される。同時に、燃焼室の圧力のみを考慮した窒素供給で制御可能であり、送電端熱効率の低下を防ぐことができ、プラント熱効率を損なうことなくサーマルＮＯｘを低減できる。
【００２１】
また、請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載のガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器において、燃焼器のバーナ部から燃焼室上流部へ噴射される第１の空気と燃焼器の下流側でかつ燃焼室側壁から燃焼室内に噴射される第２の空気とを供給する燃焼用空気供給系を備えると共に、その少なくとも一方に供給空気量を調整する流量調整機構を設け、ガス化ガス燃料の組成が変化した際に、流量調整機構を操作して第１および第２の空気量の配分を変化させ、ガス化ガス燃料の組成に応じて一次当量比を調整して燃焼室上流部の燃料過濃条件を調整するようにしている。
【００２２】
この場合には、重質油または石炭の種類が変更または混合されてガス化炉へ供給されるか、またはガス化炉の運用条件が変化し、ガス化ガス燃料の組成が変化した際に、第１および第２の空気量の配分を変化させることにより、プラントの運転を停止することなく、燃焼室上流部の燃料過濃条件をガス化ガス燃料中の組成に応じて最適値に変更することができ、フュエルＮＯｘを含む全ＮＯｘ排出量を最少にするように調整することができる。
【００２３】
更に、請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれかに記載のガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器において、燃焼器内に副燃焼室を設ける共に、該副燃焼室内へ第１の空気及びガス化ガス燃料を噴射するプリバーナと、燃焼室内へ直接第２の空気及びガス化ガス燃料を噴射するメインバーナとを備え、副燃焼室の当量比が燃焼室上流部の一次燃焼領域の当量比よりも高く設定され、かつ定格燃焼時には燃焼室の燃焼上流部の平均当量比がＮＯｘ転換率が極小値をとる値とし、低負荷燃焼時には副燃焼室の平均当量比がＮＯｘ転換率が極小値をとる量の燃料及び空気が分配されるようにしている。ここで、燃焼室の燃焼上流部即ち一次燃焼領域の平均当量比と副燃焼室の平均当量比は、燃料組成に応じて転換率が極小値を含む低い値をとる範囲で互いにずらして設定され、各燃焼領域で還元性能を維持するように設けられることが好ましい。より好ましくは、副燃焼室当量比については、好適な当量比の範囲の高い方（例えばＣＨ４＝３％で、φｐ＝１．７〜２．４の範囲の場合には副燃焼室の平均当量比を２．４）に設定することである。副燃焼室の当量比を高め（例えば２．４）に設定していれば、低負荷に移行することにより当量比が低下した時でも、好適な当量比（例えば、１．７〜２．４）の範囲に収まる。ここで、好適な当量比の範囲とは、フュエルＮＯｘを含む全ＮＯｘ排出量を最小にすることができる当量比の範囲、あるいはフュエルＮＯｘのみを対象とするときにはフュエルＮＯｘを最小にできる当量比の範囲をいう。
【００２４】
この場合には、定格燃焼時には副燃焼室の燃焼温度が燃焼室の燃焼上流部の一次燃焼領域の平均燃焼温度よりも高めとなり保炎源として機能するため、一次燃焼領域の還元雰囲気を保持しつつ燃焼の安定性を確保できる。そして、低負荷時には、負荷の低減に伴って当量比が低下して副燃焼室の当量比がＮＯｘ転換率が極小値を含む低い値をとる量（適正値）となり、燃焼室の燃焼上流部の平均当量比が適正値よりも低めとなるが副燃焼室の還元性が保持されるとともに、バーナ部の燃焼温度が高くなり保炎源として機能するため、安定燃焼する。したがって、広いガスタービン負荷運用条件に渡り、燃焼室上流部をより理想的に燃料過濃条件とすることができ、フュエルＮＯｘ排出量を最少にするように運用することができると共に、低負荷から高負荷条件まで保炎性能を一層向上することができる。
【００２５】
特に、バーナ部から一次燃焼領域に窒素を噴射して燃焼温度を下げる場合、定格燃焼時には副燃焼室へ窒素を供給しないため燃焼温度を高く保持でき保炎源として機能するため、一次燃焼領域の還元雰囲気を保持し尚かつ燃焼温度を下げつつ燃焼の安定性を確保できる。そして、低負荷時にも、一次燃焼領域よりも高めに設定されていた副燃焼室の当量比が低下しても適正値となり、一方でバーナ部の燃焼温度が高くなり保炎源として機能するため、安定燃焼する。したがって、広いガスタービン負荷運用条件に渡り、燃焼室上流部をより理想的に燃料過濃条件とすることができ、フュエルＮＯｘを含む全ＮＯｘ排出量を最少にするように運用することができると共に、低負荷から高負荷条件まで保炎性能を一層向上することができる。
【００２６】
ここで、副燃焼室への燃料供給量を全体の３０〜４０％にすることが好ましい。この場合には、低負荷時におけるフュエルＮＯｘの抑制と保炎性能を一層向上することができる。
【００２７】
また、請求項８記載の発明は、請求項５記載のガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器において、メインバーナとプリバーナにそれぞれ空気を供給する２系統の空気供給系の少なくとも一方に流量調整機構を設け、ガス化ガス燃料の組成が変動したときに流量調整機構を操作して２系統の空気分配を変化させることによりメインバーナとプリバーナとの当量比を調整するようにしている。この場合には、プラント運転中にガス化ガス燃料の組成が変化した際に、メインバーナとプリバーナとに分配する空気量を変化させることにより、プラントの運転を停止することなく、燃焼室上流部の燃料過濃条件並びに副燃焼室の燃料過濃条件即ち当量比をガス化ガス燃料中の組成に応じて最適値に変更することができ、フュエルＮＯｘ排出量を最少にするように調整することができる。
【００２８】
また、本発明者は、窒素を燃焼器の下流即ち一次燃焼領域・還元領域の下流に供給しても、フュエルＮＯｘの低減に影響することを知見した。請求項９記載の発明は、かかる知見に基づくものであって、請求項１から８のいずれかに記載のガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器において、燃焼器のバーナ部から直接燃焼室内へ噴射される第１の窒素供給系統と、一次空気に混合してあるいは一次空気と燃焼室の下流側に噴射される二次空気とに均質に混合して供給される第２の窒素供給系統とを備え、ガス化ガス燃料のＮＨ３の含有量が閾値よりも少ないときには第１の窒素供給系統から直接燃焼室内へ噴射される量を多くし、超えるときには第２の窒素供給系統により燃焼室の下流側に噴射される量を多く配分するようにしている。
【００２９】
この場合には、保炎を確保できる範囲での全ＮＯｘ排出量の抑制に効果的である。燃料中のＮＨ３濃度が或る閾値例えば２０００ ｐｐｍ（この数値は燃焼器構造等によりある程度変わるものであり固定的ではない）を下回る範囲では、窒素をバーナ部のみから供給して、一次燃焼領域の火炎温度を低減してサーマルＮＯｘの抑制を図った方が、全ＮＯｘ低減には効果的である。一方、燃料中のＮＨ３濃度が２０００ ｐｐｍ以上の範囲では、窒素を空気に混合して供給することにより、窒素の一部を一次燃焼領域の下流に噴出すれば、火炎温度が上昇してサーマルＮＯｘが増加するものの、図２並びに図５に示すようにフュエルＮＯｘの低減効果が大きく、結果として全ＮＯｘを効果的に低減できる。更に、起動用燃料による着火時、ガス化ガス燃料への切り替え時には、燃焼空気中に窒素の一部または全量を供給することにより、燃焼室上流部の燃焼ガス温度を急激に低下させることなく安定に燃焼できる。同時に、（１）燃焼室上流、（２）一次燃焼領域へ、または二次空気孔よりも上流へ、（３）は全空気に予混合することにより、サーマルＮＯｘの生成を抑制することができる。さらに、窒素供給位置がフュエルＮＯｘの生成に影響を及ぼすことから（図２）、第１および第２の窒素供給系統から供給する窒素比率を燃料中のＮＨ３濃度に応じて調整することにより、全ＮＯｘ排出濃度を最少にすることができる（図５）。
【００３０】
また、請求項１０記載の発明は、請求項９記載のガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器において、空気から酸素を主成分とした酸化剤と窒素を生成する空気分離装置を備え、空気分離装置で発生する窒素を第１及び第２の窒素供給系統の２系統に分けて供給するようにしている。この場合には、発電プラントに発生する余剰窒素を空気供給系に対応した比較的少ない昇圧によって有効利用することができるので、発電プラント全体の熱効率の低下を防ぐことができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００３２】
本発明のガス化ガス発電プラントは、空気または空気から分離生成した酸素を主成分とした酸化剤で重質油あるいは石炭等をガス化すると共に乾式精製して得られたガス化ガス燃料を主燃料として燃焼させるガスタービン燃焼器と、燃焼ガスにより駆動されるガスタービンと、ガスタービンに結合されて電力を出力する発電機とを少なくとも含むものである。
【００３３】
このガスタービンはその全作動負荷条件範囲において燃焼室の上流部を燃料過剰条件として還元燃焼させることにより、ガス化ガス燃料中の窒素化合物（主にＮＨ３）を窒素（Ｎ２）に還元し、燃料可能領域の下流側で残りの空気を供給して完全燃焼させ、ＮＨ３が燃焼過程で窒素酸化物へ酸化されるのを抑制しながら所定温度の燃焼ガスを得るものである。
【００３４】
ここで、窒素化合物が窒素酸化物（ＮＯｘ）に転換する率（Ｃ．Ｒ．％）は、ガス化ガス燃料の組成、例えば燃料中のＣＨ４濃度、ＣＯ／Ｈ２濃度比率並びに燃料発熱量に影響を受け、特に燃料中のＣＨ４濃度には大きく影響を受ける。即ち、ＣＨ４を含むガス化ガス燃料の場合、ＮＨ３とＣＨ４とが反応してＨＣＮが生成され、二段燃焼の際にＮＨ３がＮ２に分解するのを妨げる（ＣＨ４がなければＮ２に分解していたものが、一部がＨＣＮとなりこれによりＮＯｘを生成する）。そこで、燃焼器上流部でＮＨ３とＮＯとを選択反応させ、ＮＨ３をＮ２に分解するには、一次燃焼領域の当量比について転換率を最小にする値に設定する必要がある。例えば、図１の試験結果に示すように、ＨＨＶ＝１１．４ＭＪ／ｍ３、燃焼器出口ガス温度＝１５００℃、ＮＨ３＝１０００ｐｐｍの場合、最適一次当量比φｐは以下の様に設定する。（ＣＨ４、φｐ）＝（０％、φｐ＝２．５以上）、（０．５％、φｐ＝２〜３）、（１％、φｐ＝１．８〜２．８）、（２％、φｐ＝１．８〜２．７）、（３％、φｐ＝１．７〜２．４））である。
【００３５】
また、ガス化ガス中のＣＯ／Ｈ２濃度比率が低いほど、転換率を最小とする一次燃焼領域の当量比（単に一次当量比と呼ぶ）が低下する。実験の例によれば、２〜３の間に転換率が極小値をとる当量比が存在する。ガスタービン構造や燃料組成に応じて、燃焼器の一次当量比を設定すれば、フュエルＮＯｘの発生を効率良く低減できる。更に、ガス化ガスの燃料発熱量が低いほど、転換率を最小とする一次当量比が低下する。この場合も、実験の例によれば、１．５〜３の間に転換率が極小値をとる一次当量比が存在する。この結果に合わせて、燃焼器一次当量比を設定すれば、フュエルＮＯｘの発生を効率良く低減できる。
【００３６】
そこで、一次当量比を１．５〜３の範囲で設定する場合には、乾式ガス精製を採用した酸素吹きガス化ガス燃料については、最もサーマルＮＯｘの低減効果が得られ、尚かつフュエルＮＯｘについても低減効果が得られる。もっとも、フュエルＮＯｘを低減するには一次当量比を１．７以上にすることが好ましく、そのときにフュエルＮＯｘ低減を目的とする還元燃焼領域を形成する２段燃焼において、派生的な効果としてサーマルＮＯｘも低減できる。
【００３７】
また、ガスタービン燃焼器には必要に応じて窒素が供給される。この窒素の供給は、燃焼室へのバーナからの直接供給、ガス化燃料への混合、あるいは燃焼用空気への混合の、３つの方法が考えられるが、窒素の昇圧動力を低減すると共にサーマルＮＯｘ排出量を低減するためには、窒素はバーナ部から直接燃焼室内の局所高温ガス領域へ供給され、高温ガスを窒素で希釈することが最も好ましい。したがって、窒素の供給は、噴射される１つの窒素供給系統によってのみ行われても良いし、燃焼器のバーナ部から直接燃焼室内へ噴射される第１の窒素供給系統と、燃焼器の一次空気に混合してあるいは一次空気と燃焼室の下流側に噴射される二次空気とに均質に混合して供給される第２の窒素供給系統との２系統に分けられて行われても良い。
【００３８】
空気分離装置から供給される窒素を２系統に分けて、燃焼室の上流端から直接当該燃焼室内へ窒素を供給する第１の窒素供給系統と、ガスタービン燃焼器内で燃焼室内へ噴出される前の燃焼用空気中へ窒素を噴出して混合させ主に燃焼室の下流側に噴出させる第２の窒素供給系統とを備える場合、ガス化ガス燃料のＮＨ３の含有量に応じて窒素噴射位置を変更することができるし、ガスタービンの負荷変化に伴い、第１の窒素供給系統と第２の窒素供給系統とを切り替えあるいは併用してガスタービン燃焼器への窒素の供給位置を調整可能とすることができる。
【００３９】
ガス化ガス燃料のＮＨ３の含有量がある閾値よりも少ないときには第１の窒素供給系統から直接燃焼室内へ噴射される量を多くし、超えるときには第２の窒素供給系統により燃焼室の下流側に噴射される量を多く配分することが好ましい。この場合、保炎を確保できる範囲での全ＮＯｘ排出量の抑制に効果的である。
【００４０】
ここで、燃料中のＮＨ３濃度が或る閾値例えば２０００ｐｐｍ（この数値は燃焼器の設計条件などによって変わるため固定的ではない）以下の範囲では、窒素をバーナ部から供給して、一次燃焼領域の火炎温度を低減してサーマルＮＯｘの抑制を図った方が、全ＮＯｘ低減には効果的である。一方、燃料中のＮＨ３濃度が２０００ｐｐｍ以上の範囲では、窒素を空気に混合して供給することにより、一次燃焼領域の火炎温度が上昇してサーマルＮＯｘが増加するものの、図５に示すようにフュエルＮＯｘの低減効果が大きく、全ＮＯｘを効果的に低減できる。
【００４１】
また、バーナ部から、燃焼器に供給する窒素全量を燃焼室内に供給すると、ガスタービン起動用燃料による着火時、ガスタービン起動用燃料とガス化ガス燃料との切り替え時、およびガスタービン低負荷条件時等に、燃焼室上部における火炎の位置が変化する可能性があり、その際、窒素の燃焼室への直接噴射により保炎領域の燃焼ガス温度が低下し、不安定燃焼を誘発する可能性がある。その場合には、窒素の一部あるいは全部を第２窒素供給系統を経て一次燃焼領域の下流にバイパスさせることが好ましい。これによって、一次燃焼域の燃焼温度を必要以上に下げられずに、燃焼の安定性が確保されると共に、燃料過濃下でのサーマルＮＯｘの低減とバイパス窒素によるフュエルＮＯｘの低減効果が得られる。
【００４２】
また、本発明のガスタービン燃焼器は、ガスタービンの出口での未燃の燃料成分濃度またはＮＯｘ濃度を監視してこれが一定量以下になるように、第１窒素供給系統および第２窒素供給系統の配分割合、または、第１空気供給系統および第２空気供給系統の配分割合を制御することが好ましい。例えば、ガスタービンの起動用燃料による着火、起動から、ガス化ガス燃料への切り替えまでは、起動用燃料にフュエルＮＯｘの生成源となるアンモニアを含まないため、２系統の窒素噴射割合を調整した後、保炎性または主にガスタービン出口での未燃の燃料成分濃度を監視して一定量以下になるように、２系統の空気供給割合を調整し、ガス化ガスによる専焼条件では、第１の空気供給系統への空気供給割合をガス化ガス燃料の組成に応じた最適値に調整してフュエルＮＯｘ生成量を低下させると共に、主にガスタービン出口でのＮＯｘ排出濃度を監視して一定量以下になるように、窒素供給配分をフィードバック制御することにより調整することが好ましい。また、この窒素の２系統供給割合の変更と併行して、ガスタービンの起動用燃料による着火、起動から、ガス化ガス燃料への切り替えまでは、起動用燃料にフュエルＮＯｘの生成源となるアンモニアを含まないため、２系統の窒素噴射割合を調整した後、保炎性能または主にガスタービン出口での未燃の燃料成分濃度を監視して一定量以下になるように、２系統の空気供給割合を調整し、ガス化ガスによる専焼条件では、第１の空気供給系統への空気供給割合をガス化ガス燃料の組成に応じた最適値に調整してフュエルＮＯｘ生成量を低下させると共に、主にガスタービン出口でのＮＯｘ排出濃度を監視して一定量以下になるように、窒素供給配分を調整する。このように運用することによって、起動用燃料による起動から部分負荷条件、また、ガス化ガス燃料への切り替え運転、およびそれ以上の負荷でのガス化ガス燃料の専焼条件のガスタービン全負荷帯において、プラント熱効率を損なうことなく、燃焼安定性を維持しつつ、サーマルＮＯｘおよびフュエルＮＯｘの同時低減燃焼が可能となる。また、ＣＯ排出濃度が増加した場合には、窒素を第２供給系統にバイパスして、バーナ近傍の火炎温度を維持することでＣＯ排出濃度の増加は避けられる。また、副燃焼室を設けた燃焼器によれば、第１系統の窒素供給量を少し減少させ、第２の窒素供給系統にバイパスし、バーナ近傍の火炎温度を維持することによりＣＯ排出濃度をさらに下げることが可能となる。
【００４３】
尚、ガスタービン燃焼器へ供給する窒素は、発電プラントから切り離された独自の供給源を設けるようにしても良いが、ガス化炉に供給される酸素を空気から生成する空気分離装置で副次的に発生する窒素を利用することが発電プラント全体のエネルギ効率・熱効率を考慮すると好ましい。そこで、この空気分離装置で発生する窒素を第１及び第２の窒素供給系統の２系統に分けて供給するようにすることが発電プラントの熱効率の向上を図る上で好ましい。この場合、プラント余剰窒素の昇圧動力を低減すると共に、空気分離装置へ供給するガスタービン抽気空気の部分連繋や余剰窒素による熱回収を実施することにより送電端熱効率を約０．３％（絶対値）向上し、しかも窒素を燃焼器の高温ガス領域に供給することでサーマルＮＯｘ排出量を低減できる。
【００４４】
《実施形態１》
図６に本発明のガスタービン燃焼器を用いたガス化発電システムの一実施形態を示す。このガス化発電プラントは、重質油あるいは石炭等（以下では石炭で代表する）を酸素酸化によってガス化した燃料（本明細書ではガス化ガス燃料と呼ぶ）を燃焼させてガスタービンを駆動する燃焼ガスを得るシステムであって、酸素製造装置２で空気から分離生成した酸素ＡＯ２を主成分とした酸化剤によって重質油あるいは石炭Ｃをガス化するガス化炉３と、そのガス化ガスＣＧ１を乾式精製するガス精製装置４と、精製後のガス化ガス燃料ＣＧ２を燃焼させて得た高温・高圧の燃焼ガスＦＧでガスタービン６を駆動して該ガスタービン６に連結されている発電機９を回転させて発電する圧縮機１と、ガスタービン燃焼器５及びガスタービン６から成るガスタービン発電システム、並びにガスタービン６から排出される高温の排気ガスＧの熱を利用して蒸気サイクルにより発電機９を回転させて発電する廃熱回収ボイラ７と蒸気タービン８及び復水器１０から成る蒸気発電システムとで構成される。なお、図中の符号１１は煙突である。
【００４５】
また、ガスタービン燃焼器５は、例えば図７に示すように、圧力容器である燃焼器外筒１２、燃焼用空気ＨＡＲを燃焼室１３に導くためのフロースリーブ１４、燃焼室１３を囲む燃焼器内筒１５、燃料を供給し火炎１６を保持するための燃料ノズル１７、燃料ノズル１７を外筒１２に固定するヘッドエンド部１８、燃焼室１３で燃焼したガスＦＧをガスタービン６に案内する燃焼器尾筒１９から構成され、その全作動負荷条件範囲において、燃焼室１３の上流部を燃料過剰条件とする二段燃焼法を実現するものである。尚、燃焼室１３の下流側では、燃焼空気孔２０から燃焼用空気ＨＡＲを供給し、未燃分を完全燃焼させて燃焼器出口で未燃分を一定量以下に抑制する。
【００４６】
燃焼器内筒１５には、フロースリーブ１４との間の流路３６と燃焼室１３とを連通する燃焼空気孔２０が設けられ、圧縮機１から供給される燃焼用空気ＨＡＲが燃焼室１３の周りの空気孔２０、空気旋回器３２及びアトマイズ空気噴孔（図示省略）から噴出されるように設けられている。燃焼用空気孔２０は、燃焼室１３の上流域から離れた後半に、軸方向並びに周方向へ複数設けられており、圧縮機１から吐出される高圧空気ＨＡＲを燃焼室１３の下流域に優先的に供給するように設けられている。このガスタービン燃焼器５は、ガス化ガス燃料ＣＧ２中のアンモニアに起因して生成されるフュエルＮＯｘを抑制することを目的としており、全作動負荷条件で、燃焼室１３の上流部を燃料過濃条件としている。例えば燃料中にメタンを含まない場合は当量比２．５以上に、メタンを含む場合には好ましくは約１．５〜３の範囲内で燃料中のメタン濃度に反比例する相関関係に基づいてメタン濃度に応じて決定される値（例えば、メタン濃度３％含む場合には当量比１．７〜２．４程度）に設定し、さらに、軸方向下流に向かうに従って燃焼空気孔２０から燃焼用空気ＨＡＲを供給し、燃焼器出口で未燃分を一定量以下に抑制する。これにより、燃焼室１３の上流部の酸素濃度を低下させることができ、サーマルＮＯｘを低減できると同時にガス化ガス燃料ＣＧ２中の窒素化合物に起因して生成されるフュエルＮＯｘを抑制することができる。さらに、軸方向下流に向かうに従って燃焼空気孔２０から燃焼用空気ＨＡＲを供給し未燃成分を燃焼させて、燃焼器５の出口での未燃分を一定量以下に抑制する。一次当量比を１．５〜３の範囲で設定する場合には、乾式ガス精製を採用した酸素吹きガス化ガス燃料については、最もサーマルＮＯｘの低減効果が得られ、尚かつフュエルＮＯｘについても低減効果が得られる。一次当量比が少なくとも１．３を超えるとサーマルＮＯｘ抑制効果が得られ、１．５以上であればメタン濃度３％以上においてもフュエルＮＯｘの抑制効果が得られ、３であればメタン濃度０％のときにおいてもフュエルＮＯｘ抑制効果が得られる。
【００４７】
バーナは、起動用液体燃料２１を霧化して噴射するアトマイズ空気噴孔（図示省略）を備えたノズル２２と、ガス化ガス燃料ＣＧ２を供給するための燃料ノズル１７並びに旋回器２３と、窒素供給系統２６ａから供給される窒素ＡＮ２を燃焼室１３に供給するための窒素噴射ノズル２４及び旋回器２５並びに圧縮機１から吐出した燃焼用空気ＨＡＲを燃焼室１３に供給するための空気噴射ノズル３５および旋回器３２とから成り、それらを同軸上に組み合わせることにより構成され、ガスタービン燃焼器５の上流端の中心軸上に配置される。このバーナは、燃料、空気、窒素およびそれらの混合ガスを旋回させながら供給することで、燃焼室１３の上流部のノズル出口付近に低温でかつ安定した火炎１６を形成させる。また、窒素噴孔たる旋回器２５を燃料噴孔たる旋回器２３と空気噴孔たる旋回器３２の中間または周りに設けて、火炎１６の存在する燃焼室１３の上流部の高温領域に窒素ＡＮ２を供給することで、燃焼室１３の上流部をガス化ガス燃料の過剰条件としている状態を保ちながら、高温領域のガス温度を低下させることができ、フュエルＮＯｘと同時に、サーマルＮＯｘも低減することが可能である。燃料ノズル１７の目的は、ノズル出口に安定した火炎を形成することで、燃料、空気、窒素、およびそれらの混合ガスを旋回させながら供給することで、燃焼室に安定した火炎を形成させる。ガスタービンの着火からガス燃焼に至るまでは起動用燃料２１で運用される。
【００４８】
次に、以上のように構成されたガス化発電システムの運転方法を説明する。尚、本システムは酸化剤として酸素を使用するものである。
【００４９】
まず、始動時には、外部動力によって駆動された圧縮機１で高圧とされた空気ＨＡＲを例えば図６、図７に示すガスタービン燃焼器５に供給し、起動用燃料２１を用いて燃焼させる。この燃焼ガスＦＧを燃焼器尾筒１９を経てガスタービン６に導入することによって、ガスタービン６を駆動する。ガスタービン６が昇速してガスタービン６の無負荷定格回転数に達した後、発電機９を併入し、徐々に負荷をとり始める。
【００５０】
一方、ガス化炉３に必要な酸素ＡＯ２は、酸素製造装置２にて生成される。酸素製造装置２では、圧縮機１かあるいは図示しないバックアップ用圧縮機、若しくは圧縮機１より抽気される高圧空気ＨＡＲから窒素ＡＮ２を分離することによって酸素ＡＯ２が得られる。そして、酸素ＡＯ２はガス化炉３へ、窒素ＡＮ２はガスタービン燃焼器５へそれぞれ供給される。ガス化炉３では酸素ＡＯ２の供給により石炭Ｃを酸素酸化してガス化ガス（ガス化炉生成ガス）ＣＧ１を発生する。さらにガス精製装置４により脱塵、脱硫してガスタービン燃焼器５に供給可能なガス化ガス燃料ＣＧ２を生成する。ガス化炉３の負荷が上昇してある程度以上の品位のガス化ガスＣＧ２が製造されるようになると、これをガスタービン燃焼器５に供給し、起動用燃料２１と切り替えて運転を開始し、さらにプラント負荷を上昇させ、主に定格条件にて運転する。
【００５１】
また、ガスタービン６の高温排気ガスＧは、廃熱回収ボイラ７で給水ＦＷに熱を受け渡し、発生した水蒸気ＳＴを蒸気タービン８に導入してこれを駆動し、発電機９を回して発電させる。廃熱回収ボイラ７を通過した排気ガスは煙突１１から排気される。
【００５２】
本発明の特徴の一つは、フュエルＮＯｘ低減を目的として燃焼室１３の上流部をガス化ガス燃料の組成に応じて燃料過濃条件としている状態を保ちながら、窒素噴孔を燃料ノズルに設けて、燃焼室の火炎の存在する高温領域に供給することで高温領域のガス温度を低下させることができ、フュエルＮＯｘと同時に、サーマルＮＯｘも低減することにある。しかも、ガス化ガス燃料中のメタン濃度がガス化条件により変化することから、図１に示すようにメタン濃度に応じて燃料過濃条件を設定することにより、フュエルＮＯｘを含む全ＮＯｘ排出量を最少になるようにすることができる。
【００５３】
このような構造を採用することにより、乾式ガス精製を採用するガス化複合発電プラントの全作動負荷範囲内において、プラントの熱効率を損なうことなく、燃焼安定性の向上と未燃分の排出の抑制を図ることができるとともに、フュエルＮＯｘおよびサーマルＮＯｘを低減することが可能となる。
【００５４】
また、ガスタービン燃焼器５で、フュエルＮＯｘを抑制するために燃焼室上流部を燃料過濃条件とした場合、より一層のサーマルＮＯｘ低減が図れるという相乗効果が得られる。
【００５５】
《実施形態２》
図８に本発明のガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器の他の実施形態を示す。この実施形態のガスタービン燃焼器６は、窒素を一次燃焼領域へ噴射するようにしたものであり、バーナ部から直接燃焼室１３内へ噴射される第１の窒素供給系統２６ａと、一次空気に混合してあるいは一次空気と燃焼室の下流側に噴射される二次空気とに均質に混合して供給される第２の窒素供給系統２６ｂとの２つの窒素の供給系統を有し、ガス化ガス燃料のＮＨ３の含有量が或る閾値よりも少ないときには第１の窒素供給系統２６ａから直接燃焼室内へ噴射される量を多くし、超えるときには第２の窒素供給系統２６ｂにより燃焼室１３の下流側に噴射される量を多く配分するものである。具体的には、窒素ＡＮ２を２つの供給系統２６ａ，２６ｂに分割し、一方の窒素供給系統２６ａを用いた実施形態１と同様に燃料ノズル１７に導いて窒素噴射ノズル２４から噴出させ、他方の第２の窒素供給系統２６ｂをガスタービン車室２７に導き、空気流中に設けた窒素供給ノズル２８から燃焼用空気中に窒素を噴射させ、空気と混合させるようにしている。尚、第２の窒素供給系統２６ｂは、ガスタービン車室２７内に限らず、ガスタービン燃焼器外筒１２と燃焼器内筒１５との空間・流路３６内に設けても同様な効果が得られる。
【００５６】
実施形態２においては、第１の窒素供給系統２６ａから窒素ＡＮ２を供給する場合に、実施形態１と同様に燃料ノズルボディ３０を介して燃料ノズル１７に設けた窒素噴孔２４から、窒素を燃焼室１３内に直接噴射する。
【００５７】
ガスタービン車室２７に配置された窒素供給ノズル２８から供給された窒素は、燃焼空気ＨＡＲと混合する。窒素と空気との混合ガス３１は、燃焼室１３に開口している燃焼空気孔２０から、燃焼室１３内に順次供給される。したがって、第１の実施形態において第１の窒素供給系統２６ａを経て供給されていた窒素の一部もしくは全量を第２の窒素供給系統２６ｂから供給することにより、燃料ノズル１７の空気旋回器３２を通過する空気中の酸素濃度を極端に低下させることがなく、燃焼室１３の上流部の燃焼ガス温度を低減すると共に燃焼安定性を維持できる。尚、混合ガス３１の一部は燃焼室１３の上流端の空気旋回器３２を経て起動用燃料２１あるいはガス化ガス燃料ＣＧ２に吹き付けられる。
【００５８】
ＮＯｘ排出量の低減と所内動力の回復を目的に、定格条件だけでなく、起動用燃料２１によるガスタービン負荷上昇時もサーマルＮＯｘが多量に発生するため空気分離装置２から生成される窒素ＡＮ２を第１の供給系統２６ａから燃焼器５に供給して火炎温度低減によるＮＯｘ低減を図る。一方で、起動用燃料２１による起動時、燃料切り替え時、およびガス化ガス燃料ＣＧ２による部分負荷燃焼時においては、窒素ＡＮ２を第２の供給系統２６ｂから燃焼器５に供給することにより、燃焼室１３の上流部での燃焼温度を低下させることなく、火炎安定性を維持でき、燃焼不安定性の回避と未燃分の排出の抑制を図ることが可能となる。
【００５９】
また、ガスタービン燃焼器５内の燃焼室１３は、実施形態１と同様に、ガス化発電プラントの全作動負荷条件において、上流部を燃料過剰条件としてフュエルＮＯｘの低減を図っているが、窒素噴射位置がフュエルＮＯｘの低減効果に影響することから、窒素供給系統を２系統に分割して供給する手法との組み合わせによる本発明により、ガス化ガス燃料中のメタン濃度に加えて、アンモニア濃度に応じて窒素噴射位置を設定することにより、フュエルＮＯｘを含む全ＮＯｘ排出量を最少に抑制することが可能である。即ち、燃焼器から直接燃焼室内へ噴射される第１の窒素供給系統と、前記燃焼器の一次空気に混合してあるいは一次空気と燃焼室の下流側に噴射される二次空気とに均質に混合して供給される第２の窒素供給系統とを備え、前記ガス化ガス燃料のＮＨ３の含有量が閾値よりも少ないときには前記第１の窒素供給系統から直接燃焼室内へ噴射される量を多くし、超えるときには前記第２の窒素供給系統により前記燃焼室の下流側に噴射される量を多く配分する。
【００６０】
このような構造、および制御方法を採用することにより、乾式ガス精製を採用するガス化発電プラントの全作動負荷範囲において、プラントの熱効率を損なうことなく、燃焼安定性の向上と未燃分の排出の抑制を図ることができるとともに、サーマルＮＯｘおよびフュエルＮＯｘの同時低減燃焼が可能となる。
【００６１】
なお、第１の実施形態１の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００６２】
《実施形態３》
図９は、本発明の第３実施形態によるガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器の構成の一例を示す。図９は、前記燃焼器の頭部に副燃焼室１３ｂを設けて、ガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器において、燃焼用空気ＨＡＲの一部ＨＡＲ１およびガス化ガス燃料ＣＧ２の一部ＣＧ２１、少なくともＣＧ２の１０ ｖｏｌ％以上を副燃焼室の燃料旋回器２３ａに導入して、ガスタービン負荷運用条件に応じて燃焼室上流部における燃料過濃条件の最適化が図れるようにしたものである。
【００６３】
燃料ノズル１７は、燃焼室１３の同心軸上に第１の燃料供給系統による旋回器２３ａと第１の空気供給系統ＨＡＲ１による空気旋回器３２ａを周方向に複数配置し、燃料と空気により燃焼させる。副燃焼室の出口には、同心軸上であってかつ外周に第２の燃料供給系統による燃料旋回器２３ｂ、第２の空気供給系統による空気旋回器３２ｂ、窒素供給系統による窒素旋回器２５が、燃料と空気の間に窒素が常に供給されるように複数配置する主燃料ノズル１７ｂを設け、それぞれの旋回器を通して第２の燃料ＣＧ２２、第２の空気ＨＡＲ２および窒素２６ａを供給し、燃焼させる。副燃焼室１３ｂまたは主燃料ノズル１７ｂへの燃料、空気供給量は開口面積比（燃料については、副燃焼室燃料ノズル２３ａと主燃料ノズル２３ｂの面積比。空気については、副燃焼室空気旋回器３２ａ、主燃料ノズルの空気旋回器３２ｂ、燃焼器内筒の燃焼空気孔２０の面積比。）に比例する量が供給されることになる。
【００６４】
ここで、一次燃焼領域の平均当量比と副燃焼室の平均当量比は、燃料組成に応じて転換率が極小値を含む低い値をとる範囲、例えば１．７〜２．４の範囲で互いにずらして設定され、各燃焼領域で還元性能を維持するように設けられることが好ましい。ここで、副燃焼室、主燃料ノズルの後に二次空気孔直前までを一次燃焼領域としており、その領域の平均当量比を１．７〜２．４に設定する。副燃焼室と燃焼室上流部とで平均当量比をずらせば、ある程度の負荷範囲であればどちらかの領域の当量比が１．７〜２．４程度になる。ただし、大きな負荷変化や、石炭等の種類やガス化剤中の酸素濃度が変化した場合には対応できないので、次の図１０に示す燃焼器のように、二次空気孔２０の流量を変化できる機構、例えばバルブ２９が必要になってくる。そして、より好ましくは、副燃焼室当量比については、燃焼室上流部の平均当量比よりも高く、適正な当量比の範囲の高い方（例えばＣＨ４＝３％で、φｐ＝１．７〜２．４の範囲の場合には副燃焼室の平均当量比を２．４）に設定される。副燃焼室の当量比を高め（例えば２．４）に設定していれば、低負荷に移行することにより当量比が低下した時でも、適正当量比の１．７〜２．４の範囲に収まる。当量比２．４であれば１５００℃以上の火炎温度ですので、副燃焼室における拡散燃焼と循環流形成を考えれば十分な保炎性能を得られると考えられる。これは、ガス化燃料がＬＮＧ等に比較して燃えやすいことも要因である。また、従来の当量比４〜５に比べれば、保炎性能向上は十分に期待できる。従来のバーナによると、１１００℃以下の燃焼温度では、ＣＯ排出濃度が上昇するが、本実施形態のバーナでは２０ｐｐｍ以下にできた。ここで、副燃焼室の当量比と一次燃焼領域の平均当量比との関係は、好ましくは副燃焼室の方が一次燃焼領域の平均当量比よりも高いことであるが、同じでもあるいは逆に一次燃焼領域の平均当量比の方が副燃焼室の当量比よりも高くても良い。
【００６５】
このガスタービン燃焼器によれば、燃料供給量が増加する高負荷条件では、副燃焼室１３ｂへ供給されるガス化ガス燃料ＣＧ２１と空気ＨＡＲ１から決まる当量比を最適化（例えば、ガス化ガス中にメタンを含まない場合は当量比２．５以上に、メタンを３％含む場合は当量比１．７〜２．４に設定）することにより、ガス化ガス燃料中のアンモニアを窒素（Ｎ２）に分解する。また、燃料供給量が低下するガスタービン低負荷条件では副燃焼室の当量比は燃焼器に供給される全燃料供給量および全空気供給量から決まる当量比に比例して低下し、低負荷では量論混合比に近づき、高温条件となるため保炎性能が向上すると共に、主燃料ノズル１７ｂへ供給する第２の空気ＨＡＲ２および燃料供給系統ＣＧ２２による燃焼室１３の上流部がガス化ガス燃料組成に応じた最適な燃料過濃条件（例えば、ガス化ガス中にメタンを含まない場合は当量比２．５以上、メタンを３％含む場合は当量比１．７〜２．４）に調整することにより、フュエルＮＯｘを含む全ＮＯｘ排出量を最少に抑制することが可能である。
【００６６】
このような構造、および制御方法を採用することにより、乾式ガス精製を採用するガス化発電プラントの全作動負荷範囲において、プラントの熱効率を損なうことなく、燃焼器上流部をより理想的に燃料過濃条件とすることができ、フュエルＮＯｘを含む全ＮＯｘ排出量を最少にするように運用することができると共に、低負荷から高負荷条件まで保炎性能を一層向上することができる。
【００６７】
ここでは、第２の窒素供給系統２６ｂについては考慮せずに説明したが、請求項９に示すように、第２の窒素供給系統２６ｂをＨＡＲに混合して供給する場合も同様な効果が得られる。
【００６８】
なお、第１の実施形態１の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００６９】
《実施形態４》
図１０は、本発明の第４実施形態によるガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器の構成の一例を示す。図１０は、燃焼器頭部へ供給する第１の燃焼用空気とは別に、燃焼器の下流側であって、且つ燃焼室側壁から燃焼室１３に供給される第２の燃焼用空気孔２０に流量調整機構たる流量調節バルブ２９を設け、ガス化炉等のプラント運転条件が変化し、発生するガス化ガス燃料の組成が変化した場合に、前記燃焼室１３の上流部の燃料過濃条件を、ガス化ガス燃料の組成に応じた最適値に変更する様に第２の燃焼用空気孔２０の可変バルブ２９を調整するようにしている。
【００７０】
このような構造、および制御方法を採用することにより、乾式ガス精製を採用するガス化発電プラントの全作動負荷範囲において、燃焼室１３の上流部をより一層に理想的な燃料過濃条件とすることができ、フュエルＮＯｘを含む全ＮＯｘ排出量を最少にするように運用することができると共に、低負荷から高負荷条件まで保炎性能を一層向上することができる。なお、第１の実施形態１の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００７１】
《実施形態５》
次に、ガスタービン負荷運用について説明する。なお、第１の実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００７２】
図１１は、ガスタービン燃焼器の起動から定格負荷までの間の、ガスタービン負荷とガスタービン燃焼器５に供給される起動用燃料２１、ガス化ガス燃料ＣＧ２、第１窒素供給量／窒素全供給量の割合、および実施形態４による第１空気供給量／空気全供給量の割合についての関係を示す図である。図８〜図１０に示すガスタービン燃焼器において、ガスタービンの負荷変化に伴い、ガスタービン排気ガスＧ中の未燃の燃料成分濃度またはＮＯｘ濃度を監視して一定量以下になるように、窒素の供給量／使用可能窒素量割合、窒素の第１窒素供給系統２６ａおよび第２窒素供給系統２６ｂの供給割合、または、第１空気供給系統および第２空気供給系統の割合を、図示省略している制御手段例えば燃料成分濃度測定手段と電磁バルブなどで制御する制御する実施例である。
【００７３】
始動時には、外部動力により駆動された圧縮機１の吐出空気ＨＡＲを用い、起動用燃料２１によりガスタービン燃焼器５の燃焼室１３内で着火する。起動用燃料による燃焼が安定したら、空気分離装置２より生成される窒素ＡＮ２を燃料ノズル１７に設けた窒素噴射ノズル２４から窒素ＡＮ２を燃焼室１３に直接噴射し、サーマルＮＯｘの低減を図る。起動用燃料ノズル２２を用いた燃焼により、ガスタービン５が定格回転数に達した後、ガスタービン負荷を一定としたまま、燃焼安定性を確保するため、前記窒素をほぼ全量を第２の窒素供給系統２６ｂであるバイパス側に供給すると共に、起動用燃料２１から主燃料であるガス化ガス燃料ＣＧ２の燃焼に徐々に切り替える。ガス化ガス燃料ＣＧ２に切換えた後は、ガスタービン５の負荷上昇させ、燃焼室１３内での燃焼が安定したところで、窒素を第１の窒素供給系統２６ａにほぼ全量供給すると共に燃焼用空気を第１の空気供給系統２９ａを低下、且つ第２の空気供給系統２９ｂへの供給量を増加させて燃焼器上流部を最適な燃料過濃条件に設定し、発電機９を併入し、徐々に負荷を取り出し始める。
【００７４】
しかし、起動用燃料２１からガス化ガス燃料ＣＧ２への切り替えまたは、低負荷運転では、バーナでの火炎１６の温度が低く、しかも燃焼室１３内で形成される火炎１６の位置が変化することが予想され、燃焼が不安定になる可能性がある（起動用燃料は一般に灯油等の液体であり、蒸発過程を有する液体燃料と比べてガス燃料は燃焼性が良い）ため、ガスタービン排気ガスＧ中の未燃分の濃度を監視しながら、第１の窒素供給系統２６ａおよび第２の窒素供給系統２６ｂへの窒素の供給割合を調整し、特に、燃料中のアンモニア濃度が低く、比較的フュエルＮＯｘ排出量が低い場合などは、第１の空気供給系統２９ａおよび第２の空気供給系統２９ｂへの空気の供給割合を調整して燃焼安定性を確保する。ガスタービン５の負荷が上昇するにつれて、火炎１６の温度が上昇するので、燃焼用空気と混合させ燃焼室１３に供給する第２の窒素供給系統２６ｂを徐々に減少させ、燃料ノズル１７に設けた第１の窒素供給系統２６ａへの窒素供給割合を徐々に増加させると共に、フュエルＮＯｘを含む全ＮＯｘ排出量を最少にするように第１、第２空気供給系統への空気供給割合を調整する。
【００７５】
このように運用することにより、起動用燃料２１による起動から部分負荷条件、また、ガス化ガス燃料ＣＧ２への切り替え運転、およびそれ以上の負荷でのガス化ガス燃料ＣＧ２の専焼条件のガスタービンの作動負荷範囲において、プラントの熱効率を損なうことなく、燃焼安定性の向上と未燃分の排出の抑制を図ることができるとともに、サーマルＮＯｘおよびフュエルＮＯｘの同時低減燃焼が可能となる。
【００７６】
また、窒素供給系統を１つのみ持つ第１の実施形態の運転方法、または、空気供給の制御系統を１つのみ持つ第１〜第３の実施形態の運転方法については、第２の窒素供給系統２６ｂの流量をゼロ、または第１、第２の空気供給割合をガスタービン負荷によらず一定とした場合に相当する。
【００７７】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では、一次当量比を燃料組成に応じて変えるだけでなく、窒素を還元燃焼領域に噴射するようにしているが、これに特に限定されるものではになく、当量比変化させるだけでもフュエルＮＯｘを低減でき、現在のプラントよりも運用性が良くなる。即ち、窒素をガス化ガスに予混合することなく、別に供給することによりサーマルＮＯｘ低減や保炎性能をコントロールできるので、現在のプラントよりも運用性が良くなるものと思われる。
【００７８】
また、場合によっては複数のガスタービン燃焼器によって２段燃焼を実施することもある。全域を燃料過濃条件とする第１の燃焼器と、残りの空気を供給して未燃分を燃焼させることを主とする第２の燃焼器の２段としても良い。この場合には、第１のガスタービン燃焼器と第２のガスタービン燃焼器との間に中間タービンを設置することも可能である。この場合、同等の燃焼温度とする１段のガスタービンに比較して、プラント熱効率が向上するという相乗効果が得られると共に、ガスタービン排気ガス中の窒素酸化物濃度によっては、ガスタービン下流における脱硝装置を縮小もしくは削除することができ、プラントの構成機器を少なくし、コスト低減を図ることも可能である。また、本実施形態では複合発電システムに適用した場合を例に挙げて主に説明しているがこれに特に限定されるものではなく、蒸気タービン発電システムを含まないガスタービンだけの発電システムに適用することも効果的である。
【００７９】
【実験例】
（実験装置・条件）
内側を耐火材で覆った内径９０ｍｍ、長さ１０００ｍｍの円筒型の燃焼室、一次空気導入部および燃料噴射弁から成る図示していない実験装置を用いて、実験を行った。尚、燃焼器の軸方向空気配分や二段燃焼（空気二段供給）を模擬するために、燃焼室の側壁には流れ方向に沿って４カ所に二次空気孔を設けた。二次空気孔は直径が１３ｍｍ、一断面について円周方向に１２カ所設けた。
【００８０】
本実験では、燃焼室内径をＤとしたとき燃料噴射弁先端から距離３×Ｄの位置の二次空気孔を採用し、燃料噴射弁から二次空気孔までの領域を一次燃焼領域、二次空気孔以降を二次燃焼領域としている。供試バーナは、口径１．５ｍｍ×１２、吹き出し角度θ＝９０゜の燃料噴射ノズルと内径２４．０ｍｍ、外径３６．４ｍｍ、旋回角度４５゜の一次空気旋回器から構成されている。スワール数Ｓは０．８４である。
【００８１】
実験では、燃料中の主要な可燃性成分をＣＯとＨ２（ＣＯ／Ｈ２モル比＝２．３３一定）とし、燃料発熱量はＮ２の希釈により調整している。燃料中のＣＨ４濃度を変化させる場合には、ＣＯ／Ｈ２モル比一定の条件の下で、ＣＯとＨ２量およびＮ２希釈量により発熱量を調整した。燃焼ガスは、燃焼室出口ダクト中心軸上に挿入した水冷プローブ（１点）によりサンプリングし、ＣＯ、ＣＯ２については非分散赤外線吸収法により、ＮＯｘ、Ｏ２、ＴＨＣはそれぞれ化学発光法、磁気圧力法、水素炎イオン検出法により濃度を測定した（堀場製作所製ＭＥＸＡ９１００分析計を使用）。また、実験はすべて大気圧にて実施した。
【００８２】
（サーマルＮＯｘ排出特性）
まず、フュエルＮＯｘ低減を目的に、バーナへ供給する空気量を低減し、残りの空気を二次空気として供給した場合のサーマルＮＯｘ排出特性について調べた。ここで、燃焼ガス平均温度が１５００℃で一定となるように燃焼室出口における当量比を設定し、燃料噴射弁から二次空気導入部までの一次燃焼領域の平均当量比φｐを変化させた場合のサーマルＮＯｘ生成濃度について、Ｎ２を燃料または空気に混合して供給した場合とＮ２を供給しない場合について実験した。実験では、噴射弁から供給する燃料流速を一定とし、燃焼用空気は一次空気導入部へ供給する一次空気と二次空気とに分けて供給することにより、バーナ近傍の雰囲気の還元性がサーマルＮＯｘ排出特性に及ぼす影響を調べた。また、Ｎ２はスワーラから供給する燃料または空気に全量予混合して燃焼室へ供給するものとし、Ｎ２混合後の燃焼用空気予熱温度Ｔａｉｒおよび燃料予熱温度Ｔｆｕｅ１を、Ｎ２を供給しない場合と等しく、それぞれ３７０℃、３６０℃とした。実験の結果、Ｎ２を供給しない場合に一次当量比φｐが約１の時にサーマルＮＯｘ生成濃度は最大値を示した。一方、Ｎ２を供給しない場合に比較して、Ｎ２を燃料または一次空気と混合して供給する場合には、サーマルＮＯｘ生成濃度は大幅に低下し、また、一次領域の平均当量比φｐを１．３以上とすることによりさらに低減した。すなわち、量論比近傍で最高火炎温度が約２３００℃と高温になる中カロリー燃料（ＨＨＶ＝１２．７ＭＪ／ｍ３）では、窒素を燃料または一次空気に予混合してスワーラから一次燃焼領域に供給することにより、火炎温度を効果的に低減し、サーマルＮＯｘ生成量を大幅に低減できると共に、二段燃焼法のように二次空気を導入して一次燃焼領域の平均当量比を上昇させることがサーマルＮＯｘ低減に有効であると分かった。
（フュエルＮＯＸ排出特性）
フュエルＮＯｘ低減に有効とされる二段燃焼法では一次当量比の設定が重要な要因となる。また二段燃焼法の効果は燃料のＮ２希釈による発熱量の低下や燃料中ＣＨ４濃度やＨ２濃度により影響を受ける。ここで、二段燃焼法とは、二次空気供給により一次燃焼領域を還元雰囲気とし、燃料中のＮＨ３をＮ２に還元分解してフュエルＮＯｘ排出量の低減を図る燃焼法である。
【００８３】
図４は中カロリー燃料中のＮＨ３がＮＯｘに転換する割合（以下、転換率という）に及ぼす燃料発熱量の影響を検討した結果を示す。実験では、燃料中ＣＯ／Ｈ２モル比を２．３３で一定とし、Ｎ２の希釈量により燃料発熱量を４．２ＭＪ／ｍ３、８．４ＭＪ／ｍ３、１１．４ＭＪ／ｍ３の３種類のカロリーに調節した。また、フュエルＮＯｘは燃料中にＮＨ３を含む条件および含まない条件でそれぞれ、全ＮＯｘ排出量、サーマルＮＯｘ排出量をそれぞれ計測して、その差から求めている。実験手法として、二次空気口の開口面積は一定としており、二次空気の流入速度の変動によるフュエルＮＯｘ／サーマルＮＯｘの生成反応凍結への影響については考慮していない。一次燃焼領域の平均当量比に対する転換率Ｃ．Ｒ．は、いずれの燃料発熱量においてもほぼ同様な傾向を示し、一次当量比φｐを１以上の燃料過濃条件とすることにより、転換率Ｃ．Ｒ．を低減できることが分かる。また、一次当量比φｐが１以下では発熱量が低い方が高い転換率Ｃ．Ｒ．を示すものの、φｐが１以上の燃料過濃条件では、発熱量が低いほど転換率は急激に低下し、１．６〜３の範囲で極小値（転換率の最小値Ｃ．Ｒ．（ｍｉｎ））をとる傾向を示す。さらに、燃料発熱量の上昇に伴い、転換率の最小値Ｃ．Ｒ．（ｍｉｎ）および転換率を極小とする最適一次当量比φｐ（ｏｐｔ）は上昇することが分かった。フュエルＮＯｘ生成特性に及ぼす中カロリー燃料の発熱量の影響は、ＣＯ／Ｈ２混合ガス燃料へのＮ２希釈量の影響と言える。
【００８４】
次に、可燃性成分であるＣＯとＨ２の含有率の異なる場合について検討した。図３は、燃料と空気を全てバーナから供給し、燃焼器出口ガス温度を１５００℃で一定とする条件下で、一次当量比と転換率との関係を燃料中ＣＯ／Ｈ２モル比をパラメータにして示す。実験では、噴射弁から供給する燃料速度を９６ｍ／ｓで一定とする条件下で、供給空気量を調整することにより燃焼ガス平均温度を１５００℃に調整した。２．３３、１．００、０．４３の３種類のＣＯ／Ｈ２モル比について実験した。その結果、２．３３〜０．４３の範囲とする中カロリー燃料では、ガス化ガス中のＣＯ／Ｈ２濃度比率が低いほど、転換率を最小とする一次当量比が低下することが判った。この結果に合わせて、燃焼器一次当量比を設定すれば、フュエルＮＯｘの発生を効率良く低減できる。
【００８５】
また、図１は、二段燃焼時の転換率に及ぼす燃料中のＣＨ４濃度の影響について調べた結果を示す。メタン濃度０．０、０．５、１．０、２．０、３．０について実験した。この結果、燃料中ＣＨ４濃度の増加に伴い転換率が上昇すると共に、転換率を極小とする最適一次当量比φｐ（ｏｐｔ）が低下することが分かる。そして、ガス化ガス中のメタン濃度により転換率を最小とする一次当量比が異なることが判った。例えば、メタン濃度３％の場合には、転換率を最小とする一次当量比は１．８であった。
【００８６】
図２及び図５に燃焼器に供給する窒素をバーナ部から噴射する系統と一次及び２次空気に予め混合してから一次燃焼領域あるいはその下流に噴射する系統との２系統を有するものにおいて、燃料中ＮＨ３濃度をパラメータとする転換率と窒素噴射位置との関係が転換率並びに全ＮＯｘ排出量に及ぼす影響を示す。図２に示す実験では、燃料発熱量８．８ＭＪ／ｍ３、燃焼器出口ガス温度１４００℃、Ｎ２／燃料供給比率０．７ｋｇ／ｋｇ、ＣＨ３濃度３％、燃焼器内圧力１．２ＭＰａ、全窒素量に対する第２系統窒素量を０ｋｇ／ｋｇ〜０．９ｋｇ／ｋｇまで変化させ、図５に示す実験では０．０ｋｇ／ｋｇと１．０ｋｇ／ｋｇについて行った。この結果から、窒素の２系統供給が保炎を確保できる範囲での全ＮＯｘ排出量の抑制に効果的であることがわかった。また、燃料中のＮＨ３濃度が２０００ ｐｐｍ（この数値は固定的ではない）を以下の範囲では、窒素をバーナから供給して、一次燃焼領域の火炎温度を低減してサーマルＮＯｘの抑制を図った方が、全ＮＯｘ低減には効果的であることがわかった。一方、燃料中のＮＨ３濃度が２０００ ｐｐｍ以上の範囲では、窒素を空気に混合して供給することにより、窒素の一部を一次燃焼領域の下流に噴出すれば、火炎温度が上昇してサーマルＮＯｘが増加するものの、図２に示すようにフュエルＮＯｘの低減効果が大きく、全ＮＯｘを効果的に低減できることがわかった（図５）。
【００８７】
以上のことから、ＣＯとＨ２を主要な可燃性成分とし、ＣＨ４を微量含む中カロリー燃料では、一次当量比並びに窒素噴射位置を燃料組成および燃料発熱量に応じて変更することで転換率の極小値が得られ、またフュエルＮＯｘの発生を効率良く低減できて、全ＮＯｘ排出量を抑制できることがわかった。また、２段燃焼法はサーマルＮＯｘの低減にも寄与している。すなわち、燃焼器試験結果では、燃焼器出口温度を１６００℃にまで上昇させても、窒素噴射と２段燃焼による還元効果の相乗で、サーマルＮＯｘを８ｐｐｍ程度まで抑制しており、一次当量比φｐを１．７以上であればサーマルＮＯｘ低減にも寄与することが判明した。
【００８８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によると、ガス化ガス燃料中のアンモニアに起因して生成されるフュエルＮＯｘを効率良く抑制できる。しかも、同時に、燃焼過程で空気中の窒素に起因して発生するサーマルＮＯｘを低減することもできる。
【００８９】
また、本発明によると、全負荷運用条件において、燃焼安定性を確保しつつフュエルＮＯｘを低減できる。
【００９０】
更に、本発明は、プラント全体の熱効率を損なうことなく、ガス化ガス燃料中のアンモニアに起因して発生するフュエルＮＯｘとサーマルＮＯｘを同時に抑制し、且つ安定燃焼を図ることができる。
【００９１】
更に、窒素を２系統に分割し、サーマルＮＯｘ低減とフュエルＮＯｘ低減との調和をとるようにしているので、燃焼安定性が問題となる条件においても全作動負荷範囲全域において全ＮＯｘ排出量を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料中のアンモニアからフュエルＮＯｘへの転換率を最小とする燃料過濃条件の最適値に及ぼすガス化ガス燃料中のメタン濃度の影響を示す実験結果である。
【図２】燃料中のアンモニアからフュエルＮＯｘへの転換率に及ぼす第１および第２窒素系統の供給量比率の影響である。
【図３】燃料中のアンモニアからフュエルＮＯｘへの転換率を最小とする燃料過濃条件の最適値に及ぼすガス化ガス燃料中のＣＯ／Ｈ２濃度比率の影響を示す実験結果である。
【図４】燃料中のアンモニアからフュエルＮＯｘへの転換率を最小とする燃料過濃条件の最適値に及ぼすガス化ガス燃料中の燃料発熱量の影響を示す実験結果である。
【図５】燃料中のアンモニアの濃度と窒素排出位置とが全ＮＯｘ排出濃度に及ぼす関係を示す実験結果である。
【図６】本発明に係るガス化発電プラントの第１の実施形態を示す概略図である。
【図７】本発明に係るガスタービン燃焼器の第１実施形態を示す概略図である。
【図８】本発明に係るガスタービン燃焼器の第２実施形態を示す概略図である。
【図９】本発明に係るガスタービン燃焼器頭部の第３実施形態を示す概略図である。
【図１０】本発明に係るガスタービン燃焼器の第４実施形態を示す概略図である。
【図１１】図８〜図１０に係るガスタービン燃焼器の運転方法を示す概略図であり、ガスタービンの起動から定格負荷までの間の第１／第２窒素供給系統の割合、第１／第２空気供給系統の割合の関係を示す。
【符号の説明】
１ 圧縮機
２ 空気分離装置
３ ガス化炉
４ ガス化ガス精製装置
５ ガスタービン燃焼器
６ ガスタービン
７ 廃熱回収ボイラ
８ 蒸気タービン
９ 発電機
１０ 復水器
１１ 煙突
１２ 燃焼器外筒
１３ 燃焼室
１３ｂ 副燃焼室
１４ 燃焼器フロースリーブ
１５ 燃焼器内筒
１６ 火炎
１７ 燃料噴射ノズル
１７ｂ 副燃焼室を持つ場合の主燃焼室の燃料噴射ノズル
１８ ヘッドエンド部
１９ 燃焼器尾筒
２０ 燃焼器内筒の燃焼空気孔
２１ ガスタービン起動用燃料（灯油等）
２２ 起動用燃料ノズル
２３ 燃料旋回器
２３ａ 副燃焼室を持つ場合の副燃焼室の燃料旋回器
２３ｂ 副燃焼室を持つ場合の主燃焼室の燃料ノズル燃料旋回器
２４ 窒素噴射ノズル
２５ 窒素旋回器
２６ａ 第１の窒素供給系統
２６ｂ 第２の窒素供給系統
２７ ガスタービン車室
２８ ガスタービン車室に設置した窒素供給ノズル
２９ 燃焼器内筒の燃焼空気孔における流量調節バルブ
２９ａ 空気調節機構を持つ場合の燃料ノズル側に供給する第１空気供給系統
２９ｂ 空気調節機構を持つ場合に、主に燃焼室側の空気孔から供給する第２空気供給系統
３０ 燃料ノズルボディ
３１ 窒素と空気の混合ガス
３２ 空気旋回器
３２ａ 副燃焼室を持つ場合の副燃焼室の空気旋回器
３２ｂ 副燃焼室を持つ場合の主燃焼室の燃料ノズルの空気旋回器
３３ ガスタービン主軸
３４ 空気圧縮機翼列
３５ 空気噴射ノズル
ＡＯ２ 酸素を主体とするガス
ＡＮ２ 窒素を主体とするガス
ＡＲ 圧縮機入口空気
ＣＧ１ ガス化直後のガス
ＣＧ２ ガス精製後のガス化ガス燃料
ＣＧ２１ 副燃焼室を持つ場合の副燃焼室へ供給する第１のガス化ガス燃料
ＣＧ２２ 副燃焼室を持つ場合の主燃焼室へ供給する第２のガス化ガス燃料
ＦＧ 燃焼室排出ガス
ＦＷ 復水・給水
Ｇ ガスタービン排気ガス
ＨＡＲ 圧縮機の吐出空気
ＨＡＲ１ 副燃焼室を持つ場合の副燃焼室へ供給する第１の空気
ＨＡＲ２ 副燃焼室を持つ場合の主燃焼室へ供給する第２の空気
ＳＴ 蒸気タービンプラントの作動媒体である水蒸気
Claims (10)
- 酸化剤で重質油あるいは石炭等をガス化し、乾式精製したガス化ガスを主燃料として燃焼させ発電するガスタービンを備える酸素吹きまたは酸素富化空気吹きガス化発電プラントにおいて、前記燃焼器の燃焼室上流部を燃料過濃条件として還元燃焼させると共に、前記還元燃焼領域の燃料過濃条件をガス化ガス燃料の組成に応じて設定することを特徴とするガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器。
- 前記ガス化ガス燃料の組成はメタン濃度であり、濃度が高くなるのに反比例して一次当量比を下げることを特徴とする請求項１記載のガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器。
- 前記ガス化ガス燃料の組成はＣＯ／Ｈ２濃度比率であり、濃度比率が低くなるのに比例して一次当量比を下げることを特徴とする請求項１記載のガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器。
- 前記ガス化ガス燃料の組成は燃料発熱量であり、燃料発熱量が低くなるのに比例して一次当量比を下げることを特徴とする請求項１記載のガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器。
- 前記燃焼器のバーナ部から燃焼室上流部へ噴射される第１の空気と前記燃焼器の下流側でかつ前記燃焼室側壁から前記燃焼室内に噴射される第２の空気とを供給する燃焼用空気供給系を備えると共に、その少なくとも一方に供給空気量を調整する流量調整機構を設け、ガス化ガス燃料の組成が変化した際に、前記流量調整機構を操作して前記第１および第２の空気量の配分を変化させ、前記ガス化ガス燃料の組成に応じて一次当量比を調整して前記燃焼室上流部の燃料過濃条件を調整することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器。
- 前記燃焼器内に副燃焼室を設ける共に、該副燃焼室内へ第１の空気及びガス化ガス燃料を噴射するプリバーナと、前記燃焼室内へ直接第２の空気及びガス化ガス燃料を噴射するメインバーナとを備え、前記副燃焼室の当量比が前記燃焼室上流部の一次燃焼領域の当量比よりも高く設定され、かつ定格燃焼時には前記燃焼室の燃焼上流部の平均当量比がＮＯｘ転換率が極小値をとる値とし、低負荷燃焼時には副燃焼室の平均当量比がＮＯｘ転換率が極小値をとる量の燃料及び空気が分配されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器。
- 前記副燃焼室への燃料供給量を全体の３０〜４０％にすることを特徴とする請求項５または６記載のガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器。
- 前記メインバーナと前記プリバーナにそれぞれ空気を供給する２系統の空気供給系の少なくとも一方に流量調整機構を設け、前記ガス化ガス燃料の組成が変動したときに前記流量調整機構を操作して２系統の空気分配を変化させることにより前記メインバーナと前記プリバーナとの当量比を調整することを特徴とする請求項５記載のガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器。
- 前記燃焼器のバーナ部から直接前記燃焼室内へ噴射される第１の窒素供給系統と、一次空気に混合してあるいは一次空気と燃焼室の下流側に噴射される二次空気とに均質に混合して供給される第２の窒素供給系統とを備え、前記ガス化ガス燃料のＮＨ３の含有量が閾値よりも少ないときには前記第１の窒素供給系統から直接燃焼室内へ噴射される量を多くし、超えるときには前記第２の窒素供給系統により前記燃焼室の下流側に噴射される量を多く配分することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器。
- 空気から酸素を主成分とした酸化剤と窒素を生成する空気分離装置を備え、前記空気分離装置で発生する窒素を前記第１及び第２の窒素供給系統の２系統に分けて供給することを特徴とする請求項９記載のガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器。
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