JP2685830B2 - ガスタービン燃焼器における燃焼方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） この発明は、ガスタービン燃焼器、特に触媒燃焼を用
いたガスタービン燃焼器における燃焼方法に関する。

（従来の技術） 一般に、ガスタービンは航空機用エンジンや発電シス
テムなどに使用されているが、ガスタービン発電システ
ムに用いられている燃焼器では、従来から燃料と空気と
の混合気を、スパークプラグなどを用いて着火して燃焼
させている。このような燃焼器の一例を第４図に示す。
図において、第１の燃料ノズル１から噴射された燃料
が、図示しないコンプレッサから供給される矢印で示す
燃焼用空気３と混合して、スパークプラグ５によって着
火し燃焼する。そして、燃焼した気体すなわち燃焼ガス
には、その下流側で冷却空気７及び希釈空気９が加えら
れて、所定のタービン入口温度まで冷却、希釈された
後、タービンノズル11からガスタービン内に噴射され
る。符号13にて示すものはスワラーである。

ところで、燃焼器においては、燃焼時に例えば2000℃
を越えるような高温部が存在したり、あるいは大幅な昇
温が発生するなどした場合には、多量の窒素酸化物（NO
x）が発生するが、上記従来の燃焼器においては、定格
運転時に部分的に2000℃を越える高温部が存在するた
め、燃焼時に多量のNOxが発生して環境汚染を引起こす
という問題がある。このため、最近では種々の燃焼方式
が検討されており、このうち固装触媒を用いた不均一燃
焼方式（以下、触媒燃焼方式という）を説明する。

この触媒燃焼方式は、触媒を用いることによって、通
常の燃焼器では燃焼しない稀薄な混合気を燃焼させるこ
とができ、このため燃焼温度をNOxが大量に発生する程
の高温に達しないようにすることが可能となる。また、
タービン入口温度も従来のものと変わりなくすることが
可能である。第５図は、この触媒燃焼方式を採用した燃
焼器の一例を示している。この燃焼器は、触媒燃焼部と
しての触媒充填部15と触媒燃焼用燃料を供給する第２の
燃料ノズル17とを備えており、第２の燃焼ノズル17上流
に設けられた第１の燃料ノズル１から噴射された燃料が
予燃焼部19にて燃焼し、この燃焼ガスが混合部21に達す
ると、ここで第２の燃料ノズル17から噴射された燃料が
燃焼ガスと混合する。そして、この混合気が触媒充填部
15にて燃焼する。触媒充填部15には、通常ハニカム構造
の燃焼用触媒が充填されている。

ところが、このような触媒燃焼方式では、燃料の大部
分が触媒充填部15で燃焼するようになっているため、燃
焼が高温化し、熱劣化が著しく、耐久性が低下するとい
う問題があった。また、ガスタービン入口温度の高温化
にも、触媒の耐熱性の面から対応が困難であった。

そこで、本出願人は、触媒充填部では必要燃料の一部
を燃焼するだけとし、触媒の下流に更に燃料を供給し、
その部分で気相燃料（非触媒的な燃焼）を起こすことに
よって、定格運転時でのNOxの低減と共に、触媒の温度
を従来より低く維持して、触媒の耐久性を向上させた触
媒燃焼方式を既に提案している。

（発明が解決しようとする課題） ところで、触媒燃焼が起こるためには、触媒へ供給す
る燃料と空気の混合気の温度をある程度高める必要があ
る。しかしながら、燃焼器の起動時においては定格運転
時に比べて燃焼器入口空気温度が低いため、その分予燃
焼部で大幅に昇温させる必要があり、したがって多量の
NOxが発生することとなる。

そこでこの発明は、定格運転時のみならず起動時にお
いてもNOxの発生を抑え、かつ触媒の耐久性を向上させ
たガスタービン燃焼器における燃焼方法の提供を目的と
する。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 前述した課題を解決するためにこの発明は、予燃焼部
で燃焼した燃焼ガスに混合部にて空気と燃料とを供給し
て燃料混合体を形成し、この燃料混合体を前記予熱燃焼
部後流の触媒燃焼部にて燃焼させ、この触媒燃焼部で燃
え残った燃料混合体に、前記触媒燃焼部後流の気相燃焼
部にて燃料を混合して気相燃焼させ、この気相燃焼部に
よる燃焼ガスに気相燃焼部後流の希釈部にて空気を供給
するようにしたガスタービン燃焼器における燃焼方法に
おいて、前記燃焼器の起動時に、第１の点火手段を備え
た予燃焼部と、第２の点火手段を備えた気相燃焼部との
双方に所定量の燃料を供給して、両燃焼部双方で着火燃
焼させ、タービンの運転に伴って燃焼器入口温度が上昇
し、触媒入口温度が触媒燃焼可能な温度に達したら、前
記混合部に燃料を供給して触媒燃焼させるようにした。

（作用） まず、予燃焼部と触媒下流の気相燃焼部との双方に燃
料を供給して両燃焼部双方で着火燃焼させる。このと
き、予燃焼部では触媒の燃焼温度まで大幅に昇温させる
必要はなく、したがって予燃焼部でのNOxの生成は少な
いものとなっている。その後、タービンの運転に伴って
燃焼器入口温度が上昇し、触媒入口温度が触媒燃焼可能
な温度に達したら、混合部に燃料を供給して触媒燃焼さ
せる。

（実施例） 以下、第１図ないし第３図に基づいてこの発明の一実
施例を説明する。

第１図はガスタービン燃焼器の断面図であり、この燃
焼器は外筒23と内筒25とを有し、この両者間に図示しな
いコンプレッサからの圧縮空気が流入する環状の空間27
が形成されている。内筒25の周囲には、空気流通孔29が
その略全長にわたって複数設けられている。そして、内
筒25の上流端にはスワラー13を介して第１の燃料ノズル
１が設けられ、第１の燃料ノズル１は第１の流量調整バ
ルブ31によって予燃焼部19への供給燃料が調整される。
上記予熱燃焼部19にて着火動作を行うスパークプラグ５
は第１の点火手段を構成している。

混合部21に燃料を供給する第２の燃料ノズル17は、第
２の流量調整バルブ33によって供給燃料が調整される。

一方、内筒25の下流側端部には触媒充填部15が設けら
れ、触媒充填部15の直下流には第３の燃料ノズル35及び
第２の点火手段としてのスパークプラグ37がそれぞれ設
けられている。この触媒充填部15の直下流が気相燃焼部
39となるが、この気相燃焼部39の通路径は内筒25の通路
径より大きくなっている。第３の燃料ノズル35は第３の
流量調整バルブ41によって供給燃料が調整される。更
に、内筒25とタービンへ燃料ガスを噴射させるタービン
ノズル11との間の燃料ガス案内部43には、冷却空気通路
45が開口しており、この部位が希釈部47となる。冷却空
気通路45を通る空気は、バルブ49により流量が調整され
る。

このような構成のガスタービン燃焼器において、その
起動時にまず第１の燃料ノズル１から燃料を噴射し、こ
の燃料と図示しないコンプレッサからの空気３との混合
気を、スパークプラグ５によって、予燃焼部19にて着
火、燃焼させる。このときの燃焼ガス温度は、その後流
側の触媒充填部15での燃焼を行わないので、触媒燃焼温
度にまで上昇させる必要がなく、したがって第１の燃料
ノズル１の供給燃料をある程度絞っておく。予燃焼部19
での燃焼ガスの昇温が抑えられているので、起動時にお
ける予燃焼部でのNOxの生成で極めて少ないものとなっ
ている。

その後、燃焼ガスは途中で内筒25内に流入する空気３
と混合し、そのままの状態で触媒充填部15を経て気相燃
焼部39に至る。気相燃焼部39では、前記第１の燃料ノズ
ル１からの燃料供給に伴って第３の燃料ノズル35からも
所定量の燃料を供給し、スパークプラグ37によって着火
させ、気相燃焼させる。つまり、本燃焼器の起動時に
は、予燃焼部19と気相燃焼部39との双方に燃料を供給し
て、両燃焼部19,39双方で着火燃焼させることになる。
気相燃焼部39では、スパークプラグ37によって強制的に
着火させるので、ここでの未燃燃料の排出は抑えられて
いる。

気相燃焼部39での第３の燃料ノズル35からの供給燃料
は、可及的に均一噴射して予混合燃焼に近い状態とする
ことが望ましく、かつ燃焼温度は1500℃〜1600℃以下と
なるよう第３の流量調整バルブ41によって供給燃料を調
整する必要がある。これにより、気相燃焼部39でのNOx
の生成量が抑制される。ところが、一般的には、このよ
うな条件下での気相燃焼は困難であるか、あるいは燃焼
が不安定となるが、本燃焼器では予熱燃焼部19での燃焼
により混合気の温度が高くなっていること、また気相燃
焼部39の通路径を内筒25の通路径より拡大して、この拡
大部に生じる循環流によって保炎効果が生じるので、燃
焼が安定化し、気相燃焼が可能となる。

気相燃焼部39での燃焼ガスは、その後流の希釈部47に
おいて、ガスタービンの起動スケジュールに応じてバル
ブ49の開閉調整を行って冷却空気の流入量を制御し、所
定の温度に設定された後タービンへ供給され、タービン
が運転される。

タービンの運転に伴ってコンプレッサからの吐出空気
温度が上昇し、燃焼器入口空気温度も上昇する。これに
伴って触媒充填部15の入口ガス温度も上昇し、更にバル
ブ49の調整によりこの温度は触媒燃焼が開始する温度ま
で上昇する。

触媒入口ガス温度が触媒燃焼が開始する温度に達した
ら、第２の流量調整バルブ33により調整した所定流量の
燃料を第２の燃料ノズル17から混合部21に噴射し、これ
により触媒燃焼が開始する。第２の燃料ノズル17からの
燃料供給と同時に、第３の燃料ノズル35からの気相燃焼
部39への燃料供給量を減らし、この減らした量に応じて
第２の燃料ノズル17による混合部21への供給燃料を増加
させる。その後はガスタービンの運転スケジュールに応
じて各部への燃料および空気の配分を制御していく。

このように、燃焼器の起動時にはまず予燃焼部19及び
気相燃焼部39にて燃焼させてタービンを運転させ、ター
ビンの運転に伴って燃焼器入口温度を上昇させることに
より、触媒入口温度を触媒燃焼可能な温度にまで昇温さ
せるようにしたので、燃焼器の起動時において予燃焼部
での大幅な上昇はなく、したがってこのときNOxの生成
量は極めて少ないものとなる。

また、この実施例では触媒燃焼と気相燃焼とを組み合
わせて燃焼温度がNOxが多量に発生する程の高温以下で
燃焼させることを可能にしているので、定格運転時での
NOx生成量も少ないものとなっている。したがって、燃
焼器全体としてのNOxの生成量も、従来に比べ減少した
ものとなる。また、触媒燃焼後、下流側の気相燃焼部39
にて気相燃焼により完全燃焼させているので、触媒の高
温化は防止されており、その耐久性低下も防止されてい
る。

次に、このような燃焼方法の実験例を従来例と比較し
て説明する。ここでは、第１図に示したような気相燃焼
部39の通路径に対する内筒25の通路径の比が1.5の模擬
燃焼器を用いた。また、燃料は天然ガス、触媒体として
は直径100mm、長さ100mmの貴金属系ハニカム触媒体と
し、気相燃焼部39へ供給する燃料ノズルは、ノズル口径
0.8mmのものを周方向８ケ所に設けた。実験は大気圧条
件下で行い、500℃換算で燃焼器入口空気流速が20m/sと
30m/sとの２通りのデータをとった。

その結果、燃焼器入口温度が20℃の場合、触媒燃焼が
開始する温度を450℃とすると、従来の燃焼方法のよう
に予燃焼部のみで燃焼器入口温度を20℃から450℃まで
昇温させた場合には、流速20m/sではNOx生成量は16pp
m、流速30m/sでは同12ppmとなった。

一方、この発明の燃焼方法のように予燃焼部での昇温
分を100℃と固定し、気相燃焼部での断熱火炎温度とし
て1500℃になるようにすると、燃焼器入口温度20℃の場
合でも99.8％以上の燃焼効率が得られ、流速20m/sにて
生成されたNOx量は予燃焼部で3ppm、気相燃焼部で6pp
m、流速30m/sでは予熱燃焼部で2ppm、気相燃焼部で5ppm
となり、燃焼器全体でのNOx生成量も、それぞれ9ppm、7
ppmであった。このNOx生成量は、燃焼器入口空気温度を
350℃まで徐々に上昇させると、第２図に示すように徐
々に減少する。

燃焼器入口空気温度が350℃に達すると、予燃焼部で
の温度上昇が100℃であることから、触媒入口温度は450
℃となり、触媒燃焼が開始する。その後、触媒上流の混
合部に燃料を供給し始め、これと同時に気相燃焼部への
燃料供給量を減少させると、すなわち触媒燃焼の比率を
高くすると、第３図に示すように、燃焼器全体でのNOx
生成量が低下する。

〔発明の効果〕

以上説明してきたようにこの発明によれば、燃焼器の
起動を、触媒燃焼部を境にしてその上流側の予燃焼部と
同下流側の気相燃焼部との双方に燃料を供給して、これ
ら両燃焼部双方で着火燃焼させ、その後コンプレッサの
吐出空気温度の上昇により触媒入口温度を触媒燃焼可能
な温度にまで上昇させるようにしたため、燃焼器の起動
時において、予燃焼部の大幅な温度上昇が抑制されてNO
xの生成量が低減するとともに、気相燃焼部でも第２の
点火手段によって強制的に着火することから未燃燃料の
排出が抑制され、起動時でのNOxならびに未燃燃料を低
減させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の燃焼器の断面図、第２図
はこの発明の燃焼方法による実験結果を示す燃焼器入口
温度と燃焼器全体でのNOx生成量との相関図、第３図は
同気相燃焼と触媒燃焼とを合わせた燃焼に対する気相燃
焼の割合と燃焼器全体でのNOx生成量との相関図、第４
図は従来の一般的な燃焼器の断面図、第５図は触媒燃焼
を用いた従来の燃焼器の断面図である。 ５……スパークプラグ（第１の点火手段）、15……触媒
充填部（触媒燃焼部） 19……予燃焼部」、21……混合部 37……スパークプラグ（第２の点火手段）、39……気相
燃焼部 47……希釈部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 早田 輝信 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式 会社東芝総合研究所内 (72)発明者 肥塚 淳次 東京都港区芝浦１丁目１番１号 株式会 社東芝本社事務所内 (72)発明者 種村 勝平 東京都調布市西つつじケ丘２―４―１ 東京電力株式会社技術研究所内 (72)発明者 原 之義 東京都調布市西つつじケ丘２―４―１ 東京電力株式会社技術研究所内 (72)発明者 星野 光伸 東京都調布市西つつじケ丘２―４―１ 東京電力株式会社技術研究所内 (72)発明者 半田 進 東京都調布市西つつじケ丘２―４―１ 東京電力株式会社技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭51−151409（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−122807（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−218727（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】予燃焼部で燃焼した燃焼ガスに混合部にて
   空気と燃料とを供給して燃料混合体を形成し、この燃料
   混合体を前記予燃焼部後流の触媒燃焼部にて燃焼させ、
   この触媒燃焼部で燃え残った燃料混合体に、前記触媒燃
   焼部後流の気相燃焼部にて燃料を混合して気相燃焼さ
   せ、この気相燃焼部による燃焼ガスに気相燃焼部後流の
   希釈部にて空気を供給するようにしたガスタービン燃焼
   器における燃焼方法において、前記燃焼器の起動時に、
   第１の点火手段を備えた予燃焼部と、第２の点火手段を
   備えた気相燃焼部との双方に所定量の燃料を供給して、
   両燃焼部双方で着火燃焼させ、タービンの運転に伴って
   燃焼器入口温度が上昇し、触媒入口温度が触媒燃焼可能
   な温度に達したら、前記混合部に燃料を供給して触媒燃
   焼させるようにしたガスタービン燃焼器における燃焼方
   法。