JP2757966B2 - ガスタービン - Google Patents

ガスタービン

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガスタービンに関し、特に、軽質すなわち通
常ガス状若しくは低沸点液体の天然ガス若しくはナフサ
の如き炭化水素燃料を用いたガスタービンに関する。
ガスタービンの動作において、ガス状態にある燃料
（以下、燃料ガスと称する）が過圧下で空気と共に火炎
をも伴って燃焼し、その結果生じた高温ガスは燃焼室か
ら軸力を生み出すタービンへと流れる。タービンは通常
空気圧縮機を駆動し且つ必要な場合には例えば発電機を
駆動するような軸力を提供する燃料ガスのための圧縮機
をも駆動する。
タービンの排気ガスによる環境汚染を最小にするため
には、火炎の温度ができるだけ低くなって窒素酸化物の
形成が最小となるように、燃料希薄混合物すなわち濃空
気混合物によって燃焼を行うことが望ましい。しかしな
がら、採用し得る最小燃料対空気比は該混合物の引火限
界によって決まる。特に、多量の窒素酸化物が形成され
るのを防止するのに充分に希薄な混合物によってガスタ
ービンを全負荷で駆動することはしばしば可能である
が、その空気燃料比における部分負荷での駆動は不安定
であり、従ってより濃混合物を用いなければならない。
FR−Ａ−2577990においてはスチームリホーミング（s
team reform）することが提案され、GB−Ａ−1581334に
おいてはガスタービンへの供給物を形成すべくメタノー
ルを熱分解することが提案された。
また、DE−Ａ−3440202においては、リホーミングの
ために必要な熱としてタービン排気ガスから回収した熱
を用いて液体燃料の触媒式スチームリホーミングによっ
て得られた生成物をガスタービンへの供給物として使用
することが提案された。しかしながら、タービン排気ガ
スから回収し得る熱は、温度が低すぎて軽質炭化水素燃
料を著しくリホーミングすることはできない。
US−Ａ−3784364においては、スチームの存在下にお
ける液体炭化水素の非触媒部分酸化による生成物（該生
成物にはその部分酸化ガスを冷却すべく更に多量の液体
炭化水素及びスチームが添加される）をガスタービン燃
料として用いることが提案された。
GB−Ａ−1498429においては、スチームの存在下にお
いて重質燃料油の部分酸化による生成物（該生成物は、
ピークオフ時に部分酸化によって生成されるガスから合
成されるメタノールをピーク負荷時毎に補充される）を
ガスタービンのための燃料ガスとして使用することが提
案された。
我々は、もし燃料が天然ガス若しくはナフサの如き軽
質炭化水素ガス又は炭化水素液体である場合には、少な
くとも部分負荷動作中に該燃料に触媒式自己発熱スチー
ムリホーミングを施すことによって、タービンが部分負
荷においてさえ、より希薄な状態下でガスタービン燃焼
器を作動させることができ、その結果、より低い火炎温
度を提供するガスタービン燃焼器への供給ガスとして使
用できるリホーミングされた生成物を作ることができる
ことを実現した。
GB−Ａ−1485834においては、高温で且つ部分的に燃
焼したガス流を提供すべく液体炭化水素が部分的に酸化
され、この部分的に酸化されたガス流が次いでスチーム
と混合されてスチームリホーミングを受けるようなガス
発生機からの生成物を燃料として使用して、内燃機関の
窒素酸化物の形成を減少させることが提案されている。
我々は、軽質炭化水素燃料を使用し且つ部分的燃焼に
先立って燃料にスチームを添加することによって、部分
的燃焼の温度を加減してリホーミング触媒上への最小の
炭素堆積で窒素酸化物の形成を減少できることを発見し
た。高級炭化水素燃料の場合、部分的燃焼に先立ってス
チームを添加することによる調整は、炭素の実質的な堆
積の危険性に鑑みた場合できそうにない。
本発明はガスタービンの駆動方法を提供するものであ
り、該方法においては、燃料ガスと空気との混合物が火
炎の形成を伴ってタービン燃焼器内で燃焼され、燃焼生
成物は軸力を発生するタービンを介して圧力降下され、 該タービン燃焼器内においては、少なくともタービン
の部分負荷動作中においては、前記燃料ガスは、常圧に
て220℃以下の沸点を有する軽質炭化水素供給原料の触
媒式自己発熱スチームリホーミング過程による生成物を
含み、 前記触媒式自己発熱スチームリホーミング過程は、軽
質炭化水素供給原料とスチームと含む供給原料ガスの完
全燃焼を起こさせるには不十分な量の空気と反応させる
こと、及び、得られた高温且つ部分的に燃焼した混合物
を次いでスチームリホーミング活性を示す触媒に通すこ
と、からなり、 前記部分負荷動作中に前記ガスタービン燃焼器に供給
される空気の量は、触媒式自己発熱スチームリホーミン
グ過程に送られる炭化水素の量に対比して、炭化水素が
燃焼器に直接供給されるとした場合に燃焼器内において
火炎を持続させる空気の最大量よりも多い。
我々は、空気という文言には、通常の空気の外に濃酸
素空気及び希酸素空気を含める。
該軽質炭化水素供給原料は、低沸点炭化水素供給原料
すなわち常圧で室温以下の沸点を有する通常ガスであっ
てもよいし、常圧常温で液体であってもよい。しかしな
がら、220℃以下の常圧沸点（混合物の場合には最終沸
点）を有するべきである。好ましくは、該軽質炭化水素
供給原料はメタン若しくは天然ガスからなる。もし、例
えばタービン排気ガスとの熱交換によって予備加熱し次
いで例えば支持ニッケルのような適当なリホーミング用
触媒の中をスチームと共に通過させることによって、該
触媒式自己発熱リホーミング過程へ供給される前に該炭
化水素がより低い沸点の炭化水素に変換されるならば、
より高い沸点を有する炭化水素供給原料を使用してもよ
い。以下に説明するように、上記軽質炭化水素を用いる
場合にも、かかる予備加熱および触媒リホーミングを利
用することができる。もし該軽質炭化水素供給原料が常
温常圧で液体であるならば、触媒式自己発熱リホーミン
グが行われる圧力下において該原料がガス状態になるよ
うに、触媒式自己発熱リホーマに供給される前に該原料
を予備加熱するべきである。以下においては、軽質炭化
水素とスチームとを含み且つ該触媒式自己発熱スチーム
リホーミング過程へと送られるガスを、便宜上、供給原
料ガス（feedstock gas）と称する。
もし該供給原料ガスと空気とが火炎を伴って燃焼され
るならば、火炎が持続されるのに使用し得る最大量の空
気が存在する。これは該混合物の引火限界によって設定
される。火炎の温度は、完全燃焼するのに十分な量の空
気を供給する空気に対する供給原料ガスの割合によって
決まり、空気の量を増すと火炎の温度は下がる。従っ
て、空気内の供給原料ガスの引火限界によって設定され
た達成し得る最小火炎温度であることがわかる。
本発明においては、ガスタービン燃焼器への供給に先
立って該供給原料ガスに触媒式自己発熱スチームリホー
ミングを施すことによって、供給原料ガスの一部が、例
えば次に示す反応に従って水素と炭素酸化物とに変換さ
れる。
CH4＋H2O → 3H2＋CO CH4＋2H2O → 4H2＋CO2 （簡略化のために、該軽質炭化水素をメタンとする） 従って、結果として得られたリホーミングされたガス
は、不完全なリホーミングと該リホーミング過程におけ
るより高級な炭化水素のメタンへの変換によって生じる
メタンの他に、水素、一酸化炭素および二酸化炭素を含
むであろう。以下に説明するように、通常はいくらかの
窒素も含まれるであろう。また、一般的に、該リホーミ
ング動作において消費される量を越す量のスチームが使
用される結果として、スチームも含まれるであろう。こ
のガス混合物の引火限界は、供給原料ガスのそれとは異
なるであろう。しかしながら、上記の式によって示され
るように、スチームリホーミングの際に体積の増加も起
こる。最終的な結果は、火炎を持続させながらタービン
燃焼器に供給し得る空気の量は、供給原料ガスがタービ
ン燃焼器に直接供給された場合よりも著しく多いという
ことになる。結果として、火炎温度が低下すると共に窒
素酸化物の形成が減じられる。
上記の如く、タービン燃焼器への燃料として該供給原
料ガスを直接使用し且つ希薄条件下で駆動すると、特に
タービンの部分負荷すなわちタービンからの全出力が必
要とされない場合にタービン燃焼器の不安定という問題
が生じる。全負荷においては、窒素酸化物の形成が重大
な問題ではない十分に希薄な条件下において、タービン
燃焼器への燃料ガスとして該供給原料ガスを直接用いて
タービンを直接駆動することができる。結局、少なくと
も触媒式自己発熱リホーミング動作のバイパスを設け、
全負荷においてタービン燃焼器への燃料ガスが、リホー
ミングを受けない供給原料ガスあるいは場合によっては
若干のリホーミングされた供給原料ガスと混合された供
給原料ガスを含むようにすることは、本発明の範囲に含
まれる。かかるバイパス部分負荷動作中に作動すること
が理解されるであろう。しかしながら、若干の部分負荷
動作中においては該燃料ガスは、少なくとも若干のリホ
ーミングされた供給原料ガスを含む。
通常、部分負荷においては、使用される供給原料ガス
の量は全負荷におけるよりも少ない。結局、いくつかの
場合には、供給原料ガスの量が増すと該スチームリホー
ミング過程をバイパスする割合が増すようにバイパスの
量を調節することができる。上記したように、リホーミ
ング動作によってタービン燃焼器に供給される燃料ガス
の体積の増加を生じる。従って、ある場合には、タービ
ン燃焼器に供給される燃料ガスの量若しくは燃料ガスと
空気との全体の量を所定の限界以内に維持するようにバ
イパスの量を調節することができる。また、ある場合に
は、タービン燃焼器に供給される燃料ガス若しくは燃料
ガスおよび空気の量を実質的に一定に維持するようにバ
イパスの量を調節することができる。
該スチームリホーミング反応は吸熱反応である。ター
ビン排気ガス内に含まれる熱は、通常、軽質炭化水素供
給原料の十分なリホーミングを生じるためには温度が低
すぎ、従って別の熱源が必要とされる。本発明において
は、必要な熱は触媒式自己発熱スチームリホーミング過
程を採用することによって供給されるが、そこでは、供
給原料ガスが完全燃焼を生じるのには不十分な量の空気
と反応せしめられ、得られた高温の部分的に燃焼したガ
ス流が、スチームリホーミング活性を示す触媒を通過せ
しめられる。また、該触媒は好ましくは供給原料ガスの
燃焼のための触媒であり、該供給原料ガスと空気との混
合物が触媒を通過することによって部分的な燃焼が生
じ、次いで該部分的に燃焼したガスが更に該触媒を通過
するので、リホーミングが起こる。少なくとも最初は部
分的な燃焼が触媒によって起こる場合には、部分的燃焼
過程への供給ガスは水素を幾分含むのが好ましく、これ
によって触媒燃焼がより容易になる。
本発明の一つの態様においては、水素は、予備低温リ
ホーミング過程による生成物を供給原料ガスとして使用
することにより、該触媒式自己発熱リホーミング過程
（以下、これをCRG過程と称す）を受けた供給原料ガス
に導入される。このCRG過程は、スチームと少なくとも
一種の炭化水素との混合物を例えばタービン排気ガスと
の熱交換によって、一般的には450〜600℃の範囲内の温
度まで予備加熱すること、及び得られた予備加熱された
ガスを適当な低温スチームリホーミング触媒の床の中を
通過させることを含む。さもなければ、その中をスチー
ムと炭化水素供給ガスとの混合物が通過せしめられる管
の中に触媒を配設し、例えば式自己発熱リホーマからの
高温リホーミング済ガス流若しくは該管の外側表面を通
過したタービン排気ガスの如き適当なガス流を通過させ
ることによって該管を加熱し、触媒リホーミング反応を
させることによって該ガスを熱してもよい。かかるリホ
ーミング過程を施すための適当な反応器の例がEP−Ａ−
124226及びEP−Ａ−194067に説明されている。適切な触
媒、一般には支持ニッケル（supported nickel）は、CR
G触媒として一般的に知られている。一連のこのようなC
RG触媒過程を設けて、CRG触媒からの部分的にリホーミ
ングされたガスを次のCRG触媒に通す前に予備加熱する
ようにしてもよい。この低温リホーミング若しくはCRG
過程においては、炭化水素のいくらかがスチームリホー
ミングされて水素を含むガス流がもたらされる。上記し
たように、このような低温リホーミング若しくはCRG過
程は、より高級な炭化水素のメタンへの変換を生じると
共にメタンのリホーミングを幾分生じ、従って、もしCR
G過程が採用されると、CRG過程に供給されたスチームを
有する混合物内の炭化水素は、常圧で220℃以上の沸
点、例えば常圧で240℃まで若しくはそれ以上の沸点を
有する１以上の炭化水素を含む。
CRG過程が採用される場合には、CRG触媒床は触媒式自
己発熱リホーミングのために用いられる容器と同じ容器
内に置くことができ、触媒式自己発熱リホーミングに必
要とされる空気は炭化水素／スチーム混合物がCRG触媒
床を通過した後に導入される。
上記の如く、該リホーミング済ガスは通常、窒素を含
み、これによって式自己発熱リホーミングのために用い
られる空気が生じ且つ供給原料ガス内にいくらかの窒素
も生じる。このように、天然ガスはしばしば少量の窒素
を含む。また、上記の如く、リホーミング済ガスは通常
スチームを含むであろう。これは、リホーミング反応に
よって部分的な燃焼過程中に形成されたスチームと共に
消費される量を越えた過剰のスチームを、供給原料ガス
内において使用することによって生じる。
触媒式自己発熱リホーミングを行うための特に適する
プロセス及び装置がEP−Ａ−254395及びEP−Ａ−287238
に記載されている。本発明の好ましい態様においては、
触媒式自己発熱スチームリホーミング動作は、 ａ）供給原料ガスを混合領域に供給すること、 ｂ）空気と混合領域からのガスとを、スチームリホーミ
ング活性をも示す燃焼触媒を含む燃焼領域の入口へ別々
に供給することにより、混合物の部分的燃焼およびリホ
ーミングが生じて高温リホーミング済ガス流の形成が生
じるようにすること、 ｃ）高温リホーミング済ガス流の一部を混合領域へ再循
環させること、及び ｄ）残りの高温のリホーミング済ガスを燃料ガスとして
ガスタービン燃焼器へ供給すること、 からなる。
この実施例は、リホーミング済ガスの一部を燃焼領域
へ再循環することによって該領域へ水素が導入されるこ
と及び触媒燃焼が容易になるという利点を有する。しか
しながら、例えば上記のような予備CRG過程の結果とし
て供給原料ガスが既に水素を含む場合には、かかる再循
環配置は不要である。
タービン排気ガスとの熱交換によって付与される熱に
よる予備CRG過程及び／又は再循環を有する触媒式自己
発熱リホーミング過程が採用されるか否かにかかわら
ず、初期の始動時においては、該予備CRGリホーミング
をもたらすタービンの排気からの熱はなく且つ触媒式自
己発熱リホーマ内に再循環もない。従って、初期の始動
時においては、別の直接若しくは間接の水素供給源が利
用できることが望ましい。これは、例えばCRG過程のた
めの予備加熱を行うための別の熱源のような間接的な水
素供給源であってもよいし、直接的な水素供給源であっ
てもよい。例えば、熱若しくは燃料ガスの如き水素含有
ガスは、同様の隣接するガスタービン装置から供給する
ことができる。さもなければ、触媒式自己発熱リホーミ
ング過程に通す前に、メタノールの如き容易に分解し得
る炭化水素誘導体を供給原料ガスに添加してもよい。
触媒式自己発熱スチームリホーミングの部分的燃焼に
おいて使用される空気の量は、所望のリホーミング程度
に依存し且つ所望のリホーミングされた供給原料ガスの
温度に依存するであろう。一般的には、該空気の量は、
式自己発熱リホーマ出力温度が600〜800℃の範囲内にな
るようにする。
触媒式自己発熱リホーマにおいて及び使用される場合
には予備CRG過程においてスチームリホーミングに必要
とされるスチームは、タービン排気との間接的な熱交換
によって直接的に若しくは間接的に生じる。間接的に生
じる場合には、水の流れがタービン排気との間接的な熱
交換によって熱せられて熱い水の流れが形成され、該熱
い水の流れは、次いで少なくとも一種の炭化水素を含む
ガス流と接触せしめられて該ガス流を飽和させ、供給原
料ガスとして使用されるか若しくは供給原料ガスを生成
するために使用されるスチーム／炭化水素混合物を形成
する。導入されるスチームの量は、供給原料ガスが供給
原料ガス内の炭化水素炭素のグラム原子当たり１〜3.5
モルの水蒸気を含むような量が好ましい。触媒式自己発
熱リホーミング過程（及び使用される場合にはCRG過
程）に必要なスチームがタービン排気との熱交換によっ
て得られる場合には、初期の始動時に別個のスチーム供
給源が再び必要となるであろう。これは、再び隣接する
タービンを配置して得てもよい。
触媒式自己発熱リホーミング過程は、リホーミングさ
れたガス流が所望のガスタービン入口圧力になるような
圧力下で駆動されるのが望ましい。部分的酸化及びリホ
ーミング過程は、一般的には５〜40バール（絶対圧力）
特に10〜30バール（絶対圧力）の範囲内の圧力下で駆動
される。同様に、もし使用される場合には、CRG過程
は、生成物が触媒式自己発熱リホーミング過程の入口圧
力になるような圧力下で駆動される。
触媒式自己発熱スチームリホーミング過程は、乾燥量
基準で約25体積％の水素を含むリホーミングされた供給
原料ガスを生じるような条件下において駆動されるのが
望ましい。
スチームリホーミング過程の使用による結果の一つ
は、タービン燃焼器に供給された燃料ガスの温度が通常
より著しく高いということである。このことが望ましく
ない場合には、タービン燃焼器に流入する前に該リホー
ミング済ガスを冷却することができる。かかる冷却は、
例えばリホーミングに必要なスチームを生ずるために使
用される水との及び／又は供給原料ガス及び／又は空気
との間接的熱交換によって、触媒式自己発熱リホーミン
グ過程の前に行ってもよい。
上に示すように、触媒式自己発熱リホーミング（及
び、使用される場合にはCRG過程）におけるスチームリ
ホーミングに必要なスチームを発生させるために、水と
の間接的な熱交換によってタービン排気からエネルギを
回復してもよい。反応物を予備加熱するために、及び／
又は熱放出を与えるために、更に熱交換を採用してもよ
い。
（実施例） 以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施例を説明す
る。
第１図には燃焼器領域１を有するガスタービンが示さ
れており、燃焼した高温ガスは該燃焼器領域からライン
２を介してタービン３に供給されて発電機４および空気
圧縮器５を駆動する軸力を与える。空気は圧縮機からラ
イン６を介して空気圧縮機に供給され、通常350〜400℃
の温度、７〜15バール（絶対圧力）（bar abs）の圧力
でライン７を介して燃焼器１に供給される。燃料ガスは
符号９によって示される触媒式自己発熱リホーマからラ
イン８を介して燃焼器１に供給される。圧縮された軽質
炭化水素供給ガスは通常室温〜250℃の温度、10〜20バ
ールの圧力でライン10および制御弁11を介して自己発熱
リホーマ９に供給される。スチームは通常200〜470℃の
温度、炭化水素供給ガスの圧力に近い圧力でライン12を
介して添加され、供給原料ガスを形成する。このスチー
ムはタービン排気ガスによって熱せられたボイラ13内で
引き起こされる。弁の開放時に、リホーミングされない
軽質炭化水素供給ガスが燃焼器１における燃料ガス流入
ライン８に直接供給できるように制御弁14が設けられて
いる。これに代わる別の設計においては、バイパスが作
動したときに燃焼器１に供給された燃料ガスがスチーム
を含むように弁11及び14の上流にスチーム射出ライン12
が配設されている。同様に、自己発熱リホーマ９に供給
された空気の量を調節すべく、ライン７から分かれて自
己発熱リホーマ９につながる空気供給ライン16内に空気
制御弁15が設けられている。
第２図および第３図において、自己発熱リホーマはプ
ロセスの圧力に耐えるように設計された外側円筒形シェ
ル17からなる。シェル17の一端には供給ガスのための流
入口18及びリホーミングされたガス流のための流出口19
がある。流出口19は燃焼器１の燃料ガス流入ライン８に
つながっている。シェル17の他端20には第１図に示すラ
イン16を介して弁15に接続された空気流入口21がある。
ライナー22はシェル17内に位置し且つ流入口18に隣接し
た端部がシェル17に対して封止されている。ライナー22
はほぼシェル17の他端まで伸びており、このようにして
シェル17の内側表面とライナー22の外側表面との間に環
状の溝が画定されている。流入口18はこの環状溝23とつ
ながっている。ライナー22はシェル17の端部20において
シェル17を横切り、空気流入口21から伸長している空気
供給パイプ26から離れているがこれを取り巻く円筒部24
で終わっている。シェル17の端部20から離れている円筒
部24の端部は内側への張出し部28が設けられて（第３図
参照）、円筒部24の端部と空気供給パイプ26との間にイ
ジェクタとして働く締付けが付与されている。従って、
ライナー22によって画定された溝、シェル17の壁、円筒
部24及び空気供給パイプ26の外側表面が、流入口18から
の供給原料ガスを供給するための供給手段を形成する。
該構造は溝23内を流れるガスが冷却剤として働くような
高温壁型なので、シェル17上に必要とされる絶縁耐火物
の量が比較的少なくて済む。
ライナー22の内側には円形断面を有する長い中空部材
30が配置されている。この中空部材は、開口し且つ朝顔
形に広がった端部34を具備する流入領域32を、供給ガス
の供給を止めるイジェクタに隣接した位置に有し、流入
領域32より大きい断面であり流入領域32から離れた端部
に燃焼触媒38を有し、流入領域32を燃焼領域36と接続す
る円錐状の遷移部40を有する。該燃焼触媒の下方の中空
部材30の下端42はシェル17の端部上に担持されている。
ガスの貯蔵は、例えば燃焼触媒38を出たガスが中空部材
30の外側表面とライナー22の内側表面との間の空間46に
入る孔44を、端部42に近接した中空部材30の壁に設ける
ことによってなされる。触媒から出て行くガスの一部は
このようにして空間46に入ることができ、残りは流出口
19を通ってシェル17から出て行く。
燃焼触媒38は、例えばプラチニウムの如き燃焼活性及
びスチームリホーミング活性を有する適当な金属がその
表面に蒸着された多数のハニカム部48を有する。また、
中空部材30の壁上の互いに隣接するハニカム部の間に位
置する部分には孔50が設けられてガス流の一部が燃焼触
媒38全体を通過することなく空間46に流入できるように
なっている。
流入口21から伸びている空気供給パイプ26は、中空部
材30の流入領域32の長さに沿って伸び、中空部材30の燃
焼領域36が始まる部分で終わっている。空気供給パイプ
26の入口にはノズル52が設けられている。
作動時において、供給燃料ガスは圧力をかけられて流
入口18に供給され、空気は圧力をかけられて流入口21に
供給される。該供給燃料ガスは、シェル17とライナー22
との間の空間23の中を上方向に流れ、内側張出し部28に
よって形成されたイジェクタから出て、そのすぐ下流に
低圧領域を形成する。該混合物は次いで中空部材30の流
入部32及び円錐状遷移部分40の中を下方向に流れ、これ
らの中でノズル52から出る空気と混合される。この結果
生じた混合物は、次いで燃焼領域36の中を流れて燃焼触
媒38の中に流れ込む。燃焼触媒38から出たガス流の一部
は流出口19を通って流れ出る。上記した低圧領域内の圧
力はリホーミングされた製造ガスの圧力より低いので、
該製造ガスの残りは孔44を通って中空部材30とライナー
22との間の空間46内へと流れ、次いでシェル17の端部20
に向かって上方向に流れ内側張出し部28によって形成さ
れたイジェクタから出る供給原料ガスの効果によって中
空部材30の入口部32内に引き込まれる。このようにして
該再循環ガスは供給原料ガスと混ざり中空部材30の中を
流れ落ちる。始動時にまずガス流が燃焼触媒38を通過す
ると、いくつかの反応が起こり高温ガス流が作られる。
孔44を通って空間46に入り中空部材30の入口部32へと再
循環された該高温ガス流の一部は、環状溝23の中を流れ
る供給原料ガスを加熱してその温度を上昇させ、これに
よって該燃焼触媒に入るガスが予備加熱される。また、
該再循環高温ガス流は、空気が入口部32の中に伸びた空
気流入供給パイプ26と中空部材30の円錐状遷移部分40と
の中を流れる際に該空気を加熱する。かかる動作が継続
され、燃焼領域36に流入するガスの温度が上昇して自動
発火温度に達するとノズル52に火炎が生じる。中空部材
30の燃焼領域36から出る高温ガス流とこのように再循環
された高温ガス流は、燃焼触媒38のリホーミング活性に
よって水素を含むようになり、ノズル52において空気と
混ざるガス混合物は水素を含んでノズル52において火炎
がより迅速に達成される。
火炎が達成されると、中空部材30の燃焼領域36とライ
ナー22の内側表面との間の空間46を上方へと流れる再循
環ガスは、燃焼領域36の壁を横切る熱交換によって加熱
され且つシェル17の内側表面とライナー22の外側表面と
の間の環状溝23の対応部分の中を流れる供給原料ガスを
同時に加熱するであろうことが分かる。該再循環高温ガ
スが円錐状遷移部分40の外側表面及び中空部材30の入口
部32とライナー22の内側表面との間の空間46のその部分
を流れるので、シェル17とライナー22との間の環状溝の
中を流れる供給原料ガスのみならず中空部材30の入口部
32及び円錐状遷移部分40を流れるガスも加熱される。
もう一つの実施例においてはライナー22は省略されて
おり、シェル17にはその内側表面上に耐火絶縁層が設け
られている。この実施例においては、供給原料ガス供給
装置は、空気供給パイプ26と同軸でありイジェクタに付
与する締付けを形成すべく第３図に示す内側張出し部28
に相当する内側張出し部が端部に設けられたパイプを有
する。従って、この実施例においては、供給原料ガスが
供給パイプから出る前に再循環高温ガスによって供給原
料ガスが予備加熱されることはないが、空気供給パイプ
26から出る空気流との混合前に２つのガス流を単に混合
することによって供給原料ガスと再循環高温ガスとの加
熱混合物が形成される。
いずれの実施例においても、第２図の実施例における
ライナー22若しくはもう一つの実施例における耐火ライ
ニングから所望の空間を隔てて中空部材30を配置するた
めに、中空部材30の外側表面上に適当な突出部が設けら
れている。同様に、入口部分32内の中空部材30の内側表
面と空気供給パイプ26との間には、これらの部材を望ま
しい離隔関係に保つために適当なスペーサが設けられて
いる。
通常、入口孔18に対して所定の速度で供給原料ガスが
供給されて自己発熱リホーミング動作が始動し、次いで
ライン18を介して流入口21への空気の流れが遅い速度で
始まり、次いで空気流速度が徐々に増す。空気流速度が
低い場合には、実質的にすべての燃焼が燃焼触媒38の入
口部分で起こる。従って、孔50を介して再循環されたガ
ス（かかる孔が設けられている場合）は燃焼触媒38の中
を最後まで通過する製造ガスより高温であり（燃焼触媒
はより冷たい燃焼触媒による熱の移動の結果として且つ
吸熱的なリホーミングが起こる結果として冷却されるか
らである）、従って、孔50がない場合には該再循環ガス
はより高温となる。再循環ガスが流入してくる供給原料
ガスと混ざることによって及び第２図の実施例における
ようにライナー22がある場合にはかかるライナーを横切
る熱交換によって、供給原料ガスは流入してくる空気流
とぶつかる前に予備加熱されることとなる。この予備加
熱によって、触媒を含む領域内での触媒燃焼がより素早
く起こるようにすることができ、且つ空気流の速度がよ
り素早く増加する。リホーミングされた製造ガスが望ま
しい流速と温度を有するレベルまで、短時間で空気の流
速を増加させることができる。いかなる所与の装置、供
給原料ガス流速および組成においても、一般的にリホー
ミング済ガスの流出温度及び組成は、燃焼領域への空気
の供給速度に依存することが理解できるであろう。従っ
て、パイプ15によって空気の流速を制御することによっ
て容易にプロセスを制御することができる。
空気流を付加するとシステムを通過するガスの量が増
加するが、再循環をもたらす“駆動力”すなわち多量の
供給原料ガスの製造およびリホーミング済ガス流出圧と
上記低圧領域内の圧力との差は一定のままであるので、
空気の流速が増すと自己発熱リホーマ９内の再循環の比
率は減少であろう。更に、再循環ガス流がより高温にな
るのでイジェクタの効率は減少する。
もし再循環高温ガスの温度および再循環程度が、再循
環高温ガス及び供給原料ガスと空気流との混合物が自動
発火温度に達するのに十分なぐらい高いと、自動発火は
空気流を供給するノズルにおいて火炎を伴って起こるで
あろうことが分かる。かかる火炎による燃焼触媒への障
害を避けるためには、空気供給装置が触媒の十分上流で
終わっていて火炎が触媒の上流の触媒の影響を受けない
空間において起こるようになっているのが好ましい。
更に、製造ガス温度は吸気流の供給速度を制御するこ
とによって制御できるので、所望ならば、自動発火温度
に達しないようにして燃焼がすべて触媒によって行われ
るようにプロセスを制御することが可能であることが理
解できるであろう。もしプロセスが自動発火を行うこと
なく作動することが意図されているならば、燃焼触媒の
上流に触媒の影響を受けない燃焼領域を設ける必要はな
い。しかしながら、供給原料ガスと空気流とがよく混ざ
り且つ燃焼触媒にぶつかる前に混合物を分配することを
保証するために、十分な空間を設けるべきである。
上記の説明において、供給原料ガスの流速が実質的に
一定に保たれていると仮定して始動について述べたが、
必ずしもこういう場合とは限らない。流速はもはや触媒
内で燃焼するという必要性による制約を受けないので、
実際には、自動発火が起こるところでは自動発火後に供
給原料ガス及び／又は空気流の供給速度は著しく増加す
る。
上に示したように、いくつかの場合にはタービンがい
くぶん部分負荷で作動する際に軽質炭化水素がリホーミ
ングを受けることのみが必要とされる。負荷がより大き
い場合には、閉止弁15ともし必要ならば弁11とを閉じる
ことによってリホーミング定を伴って少なくとも部分的
に分配し、軽質炭化水素供給ガスが、場合によってはガ
ス流と共に弁14を介してタービン燃焼器に直接供給され
るようにすることができる。また、自己発熱リホーマ９
に供給された供給原料ガスと合体させるべくスチームを
発生させることができる前に燃焼器１内において燃焼が
なされなければならないので、このような動作は系を最
初に始動する際に必要となるかもしれない。さもなけれ
ば、自己発熱リホーマ９への供給ガスがスチームを含ま
ない軽質炭化水素供給ガスであるようにするために、ス
チームの取り込みによって若しくはスチームの添加なし
に始動させることができる。
第４図に示した実施例においては、系は第１図のそれ
と類似している。しかしながら、ライン12を介してスチ
ームを直接添加する代わりに、熱交換器13が用いられて
飽和塔56の頂部へライン54を介して供給される高温の水
を提供すべく水を加熱する。飽和塔56の底部には、少な
くとも一種の炭化水素分を含む供給ガス流がライン58を
介して供給される。この結果生じた飽和ガス流はライン
60を介して塔56から出ていき、タービン排気ダクト内の
熱交換器62内で加熱される。加熱された混合物は、次い
でCRG触媒の床64を通過し弁11を介して自己発熱リホー
マ９に供給され、供給に先立って予備的な低温リホーミ
ングをもたらす。飽和塔56の底部からの過剰の水は、ラ
イン66を介して熱交換器13に供給された補給水と共に再
循環される。
この実施例においては、CRG触媒床64に及びもし所望
ならば飽和塔56にも、バイパスを設け、全負荷で作動す
るときに炭化水素供給ガスがガスタービン燃焼領域１へ
直接供給されるようにしてもよいことが理解できるであ
ろう。
一つの例として、燃焼ガスとして純粋メタンが100kg/
hrの流速で燃焼器１内で燃焼する場合に使用し得る最も
希薄な混合物は、1900kg/hrの流速を必要とし且つ1536
℃の火炎温度を生じると推定される。
一方、第１図及び第２図の実施例に従って、メタンは
150kg mols/hrのスチームと共に100kg mols/hrの流速で
自己発熱リホーマ９に供給され、480℃で14バール（絶
対圧力）の供給原料ガスを提供する。また、流速85kg m
ol/hr、450℃、14バール絶対圧力で、空気がライン15を
介して自己発熱リホーマ９に供給される。これによっ
て、流速約380kg mols/hr、温度650℃で下記の概略体積
組成を有するリホーミング済ガス混合物が流出口19から
出るであろうと推定される。
メタン 18％ 一酸化炭素 2％ 二酸化炭素 6％ スチーム 35％ 水素 21％ 窒素 18％ 更に、このリホーミング済ガスが上記の380kg mol/hr
の流速で燃料ガスとして燃焼器１に供給されると、燃焼
のための最も希薄な混合物は1178℃の火炎温度を生じ且
つ燃焼器への流速が約2811kg mol/hrの空気流を必要と
すると推定される。
従って、供給源料の自己発熱リホーミングによって燃
焼器１に供給できる空気の量をほぼ48％増加することが
でき、火炎温度をほぼ360℃低減することができること
が、この実施例によって示される。
第４図の実施例を使用した更に別の例においては、14
バール絶対圧力で100kg mol/hrのメタンと150kg mol/hr
のスチームとの混合物を、熱交換器62内で500℃まで予
備加熱し、支持ニッケルCRG触媒を含む床64を通過させ
ている。420℃の流出温度を付与すべく触媒の体積を選
択する。床64から出ていくガス（260kg mol/hr）は、ほ
ぼ次に示す組成を有する。
メタン 36.5％ 一酸化炭素 0.1％ 二酸化炭素 1.9％ スチーム 53.8％ 水素 7.7％ 自己発熱リホーマ内において650℃のリホーミング済
ガス流出温度を付与すべく93kg mol/hrの空気を用いて
このガスを自己発熱リホーミングすると、ほぼ次に示す
組成の約396kg mol/hrのガスが得られる。
メタン 16.0％ 一酸化炭素 2.6％ 二酸化炭素 6.6％ スチーム 31.8％ 水素 24.5％ 窒素 18.5％ CRG過程により自己発熱リホーマ９に供給されるガス
が水素を含むので、再循環型のリホーマを用いることな
く自己発熱リホーマ内での供給原料の触媒燃焼が容易に
なる。
【図面の簡単な説明】
第１図は触媒式自己発熱スチームリホーマに結合したガ
スタービンを示す第１実施例の線図であり、 第２図は第１図に示す自己発熱リホーマの縦断面図であ
り、 第３図は第２図における一点鎖線内の部分の拡大図であ
り、 第４図は触媒式自己発熱スチームリホーマ及び予備CRG
過程に結合したガスタービンを示す第２実施例の線図で
ある。 図中、 １……燃焼器、３……タービン ４……発電機、５……空気圧縮機 ９……触媒式自己発熱スチームリホーマ 11,14,15……弁、13,62……熱交換器 56……飽和塔、64……CRG触媒床
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェレミー・チャールズ・ボーサー・ハ ンス イギリス国エヌピー６・４エッチティ ー，グウェント，カルディコット，チャ ーチ・ロード 83 (72)発明者 ピーター・ジョン・デービッドソン イギリス国ディーエル２・２エイエイ, カウンティ・ダーラム，ダーリントン, ハーワースーオンーティース，ザ・グリ ーン 25 (56)参考文献 特開 昭51−151409（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F02C 3/28,3/22,3/30

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】燃料ガスと空気との圧縮混合物を、燃焼器
    内で火炎を伴って燃焼させ、そして燃焼生成物が軸力を
    生じるタービンを介して圧力降下され、少なくとも該タ
    ービンの部分負荷動作中において、該燃焼ガスは、常圧
    で220℃以下の沸点を有する軽質炭化水素供給原料を、
    接触自己発熱スチームリフォーミングして得られる生成
    物からなり、該リフォーミングは、軽質炭化水素供給原
    料及びスチームを含有する供給原料ガスと完全燃焼を起
    こさせるには不十分な量の空気とを反応させること、及
    び得られた高温かつ部分的に燃焼した混合物を、スチー
    ムリフォーミング活性を示す触媒に通すことからなり、 前記部分負荷動作中において、前記ガスタービン燃焼器
    に供給される空気の量、即ち火炎温度を決定する空気の
    量は、接触自己発熱スチームリフォーミング過程に供給
    される炭化水素の量に比較して、炭化水素を燃焼器に直
    接供給するとした場合に、燃焼器内で火炎を持続させる
    ことのできる空気の最大量よりも多い、ことを特徴とす
    るガスタービンの動作法。
  2. 【請求項２】接触自己発熱スチームリフォーミング過程
    が、下記の ａ）混合領域に供給原料ガスを供給し、 ｂ）スチームリフォーミング活性も示す燃焼触媒を含有
    する燃焼領域の入り口に、空気と混合領域からのガスと
    を別に供給し、それによって、混合物の部分燃焼及びリ
    フォーミングを起こして熱リフォームガス流を形成し、 ｃ）熱リフォームガス流の一部を前記混合領域に循環
    し、そして該領域中で熱リフォームガスと供給原料ガス
    とを混合し、さらに ｄ）残りの熱リフォームガスをガスタービン燃焼器に燃
    料として供給する、各工程からなることを特徴とする請
    求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】接触自己発熱リフォーミング過程に供給さ
    れる供給原料ガスが、スチームと少なくとも１種の炭化
    水素との熱混合物を低温スチームリフォーミング触媒上
    を通した生成物であり、それによって、前記供給原料ガ
    スを接触自己発熱スチームリフォーミング過程に供給す
    る前に、前記熱ガスの若干の予備スチームリフォーミン
    グを行う、ことを特徴とする請求項１又は２記載の方
    法。
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