JP4063871B2 - 触媒導入燃焼式の特にガスタービン用のバーナ - Google Patents

Description

本発明は、主バーナを安定化するために触媒補助バーナが設けられている特にガスタービン用のバーナに関する。燃料としては特に天然ガス、石炭ガスあるいは他のガス状の炭化水素および／又は水素含有混合物が使用される。そのような混合気あるいは液状の形の化石燃料も同様に好適である。
上述の燃料を燃焼する際、特に望ましくない燃焼生成物として窒素酸化物（ＮＯｘ）が生ずる。この窒素酸化物は二酸化硫黄とともに酸性雨の環境問題に対する主原因となる。従って、ＮＯｘの排出に対する厳しい法的規制に基づいても、バーナないしガスタービンの出力にほとんど影響を与えることなしに、ガスタービンにおけるバーナのＮＯｘの排出を特に少なくすることが望まれる。
例えばバーナにおける火炎温度の低下は窒素酸化物を減少させる作用をする。この場合、燃料あるいは同様に導入される予熱済みの圧縮新鮮空気に水蒸気が加えられるか、あるいは水が燃焼室の中に噴射される。バーナ自体の窒素酸化物の排出を減少するこの処置は窒素酸化物を減少するための一次的処置と呼ばれる。
従って、燃焼過程の排気ガス内に含まれる窒素酸化物を後で減少するあらゆる処置は二次的処置と呼ばれる。
このために、窒素酸化物を還元剤たいていはアンモニアと一緒に触媒体と接触させ、その際に窒素と水素とを形成するような選択触媒還元法（ＳＣＲ）が広く実施されている。この技術の採用には従って必然的に還元剤の消費が結び付けられる。窒素酸化物を減少するために排気ガス通路内に配置された触媒は当然のことながら排気ガス通路内に圧力降下を引き起こす。しかもガスタービンにこのバーナを採用した場合このような圧力降下はタービンの出力を著しく低下してしまう。たとえ数千分の１の大きさの出力低下でさえ、例えば１５０ＭＷのガスタービン出力の場合および約０．１５ＤＭ／ｋＷｈ電流の電流売価の場合、そのような装置で得られる成果に不利に作用する。
バーナの構成に関する最近の考えでは、通常ガスタービンに採用されている拡散バーナあるいは旋回安定形の予混合バーナが触媒燃料室により置き変えられている。触媒燃焼室によって上述の形式のバーナによるよりも窒素酸化物の放出を減少することができる。このようにしてＳＣＲ法の公知の欠点（大きな触媒体容積、還元剤の消費、大きな圧力損失）を克服できる。
バーナ（拡散バーナ、旋回安定形予混合バーナ、触媒バーナ）を安定化させるために、パイロット火炎を使用することが通常行われている。このパイロット火炎は、本来の燃焼ガス主流の燃焼に対して定まった始点を設定するために利用される。この種のパイロット火炎を発生するためのバーナは一般に、少なからぬ窒素酸化物発生源となる拡散バーナである。窒素酸化物で引き起こされる環境問題に直面して且つ窒素酸化物の排出に対する厳しい法的規制に基づいて、小さな窒素酸化物発生源をも避けることあるいは少なくともその窒素酸化物の排出を減少することが切望される。
本発明の課題は、パイロット火炎を発生するための装置が特に少ない窒素酸化物で運転されるような特にガスタービン用のバーナを提供することにある。
この課題は本発明によれば、流路において燃料の流れ方向において主バーナの燃料出口の手前に、パイロット燃料流を触媒燃焼して主バーナを安定化するための触媒補助バーナが設けられることによって解決される。
補助バーナは主バーナを安定化するためあるいは支持するためにパイロット燃料流の触媒燃焼を利用する。
このようにして主バーナを安定化するために必要なパイロット火炎は、特に少ない窒素酸化物での触媒燃焼によって発生される。
本発明の特に有利な実施態様においては、燃料の流路の断面形状に関して、触媒補助バーナが中央に、主バーナがその周りに環状に配置されている。これは特に半径方向においてパイロット火炎を均一に分布するのに有利であるので、燃料主流の燃焼も一様な正面で行われる。
パイロット火炎を形成するためには、特にパイロット燃料流が予備調製段を介して触媒補助バーナに導かれることが有利である。このようにして予備調製段において燃料が容易に点火する化合物に分解されるので、パイロット燃料流の触媒点火温度の低下が達成される。天然ガスの場合、予備調製段において例えばメタノール、アルデヒドのようなアルコールおよび水素が形成される。
その場合、パイロット燃料流と大気および／又は圧縮空気との混合を行うことが提案される。このようにして燃料／予備調製済み燃料と大気および／又は圧縮空気との容積比の調整によって、パイロットバーナのＮＯｘの排出が一層減少できる。
主バーナにおける主火炎を安定化するためにおよび主火炎の逆火を確実に避けるために、触媒補助バーナの燃料出口が主バーナの燃料出口の０．５〜５ｍほど手前に配置されていることが有利であり、その距離は特に約０．７５〜２ｍとすると良い。
本発明の他の実施態様においては、主バーナは触媒主バーナとして形成されている。この種のバーナは触媒補助バーナと同様に比較的少ない窒素酸化物の放出によって特徴づけられる。
以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
図１および図３はそれぞれガスタービンのバーナ部分の概略縦断面図、
図２および図４はそれぞれ図１ないし図３におけるバーナ部分の流路の横断面図である。
各図において同一部分には同一符号が付されている。
図１および図２における実施例は、図３および図４における実施例とは一つの特徴を除いて一致している。従って以下の説明は図３および図４に対しても当てはまる。
図１はここでは詳細に示していないガスタービンのバーナ部分２を概略的に示している。このバーナ部分２はこの実施例の場合、触媒補助バーナ６および触媒主バーナ８が組み込まれている流路４を有している。触媒補助バーナ６および触媒主バーナ８は流路４の対称軸線１０に対して回転対称に配置されている。
触媒補助バーナ６を流路４の中央に配置することによって、外側環状室１２および内側中央室１４が形成されている。環状室１２の中をここでは詳細に示していないガスタービンの圧縮機部分によって圧縮された燃料、ここでは天然ガス１８と空気２０とから成る燃料混合気１６が流れる。中央室１４に流入するパイロット燃料流２２は元来同じ天然ガス／空気混合気１８、２０から成っているが、これは予備調製段２４で予め調製されている。補助バーナ６に流入する予備調製済みのパイロット燃料流２２は容易に点火するパイロット燃料流とも呼ばれる。天然ガス／空気混合気１８、２０の予備調製は、例えばハニカム形状を有し主成分として二酸化チタンおよび触媒活性成分として白金およびロジウムを有する希金属含有触媒で行われる。この触媒はここでは示されていない方式で予備調製段２４に組み込まれている。予備調製段２４に流入する天然ガス／空気混合気１８、２０を加熱してこの予備調製段２４における触媒の効率を高めるために、付随的に予備調製段２４に熱交換器を前置することもできる。予備調製において天然ガス１８から触媒で比較的容易に点火するメタノール、アルデヒドおよび水素のような物質が生ずる。
この実施例において、触媒補助バーナ６の燃料出口は燃焼ガス１６の流れ方向において触媒主バーナ８の燃料出口の手前約１ｍの距離ｄの個所に配置されている。触媒補助バーナ６はこの実施例においてハニカム形触媒を有し、このハニカム形触媒は基本成分として二酸化チタン、二酸化ケイ素および酸化ジルコニウムの少なくとも一つを有している。触媒活性成分としては基本的には、上述の燃料に強い酸化作用を与えるすべての希金属および金属酸化物が好適である。これは例えば白金、ロジウム、レニウム、イリジウムのような希金属、遷移金属酸化バナジウム、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化クロム、酸化銅、酸化マンガンのような金属酸化物および例えば酸化セリウムのようなランタノイドの酸化物である。同様に金属イオン交換されたゼオライトおよびスピネル形構造の金属酸化物も使用できる。
触媒補助バーナ６に流入するパイロット燃料流２２は触媒活性成分によって酸化され、パイロット火炎２６で燃焼する。補助バーナ６の燃料出口が燃焼ガス１６の流れ方向において主バーナ８の燃料出口の手前に距離ｄを隔てた個所に配置されているので、主火炎２８が触媒主バーナ８に逆流しないこと、さらには触媒バーナ６、８の範囲に逆流しないことが確実に保証される。距離ｄはこの実施例においては約１ｍである。
主バーナ８における触媒材料は補助バーナ６の触媒材料と異なっていない。燃料１６内に含まれる炭化水素の酸化に関する触媒的に特に有効な成分として、それぞれ１重量％の白金およびロジウム並びに２重量％の酸化バナジウム、酸化クロムおよび酸化タングステンが用いられる。
バーナ部分２から流出する燃焼排気ガスは、一方では主バーナ８における燃料１６が触媒燃焼され、パイロット火炎２６が同様にパイロット燃料流２２の触媒燃焼によって補助バーナ６内に発生されるので、窒素酸化物の含有量が特に少ない。触媒主バーナ８に対する変形例として、主バーナとして従来から公知の拡散バーナあるいは旋回安定形予混合バーナも利用できる。
図２は流路４を正面図で示しており、この図から分かるように流路４の中に主バーナ８が触媒活性ハニカム形触媒体として配置されている。この種のハニカム形触媒は通常１平方インチ当たり４〜１００個のセル（小室）を有し、０．５〜５ｍｍの厚さの隔壁を有している。この実施例において使用されているハニカム形触媒の代わりに、金属プレート形触媒あるいは原理的にはプレート形触媒を使用することもできる。図２における正面図の中央に配置された触媒補助バーナ６はその通路の幾何学的形状に関して一般に触媒主バーナ８の幾何学的形状と一致している。
図３および図４は、図１および図２に示した触媒主バーナ８が主な相違点として案内羽根３１を有している非触媒主バーナと取り換えられている本発明の実施例を示している。案内羽根３１は貫流する燃料・空気混合気にこの中で生ずる燃焼を安定化する旋回を排出させる。非触媒主バーナは特に小さな運転圧力損失および特に簡単な構造によって特徴づけられ、これによりこの主バーナをガスタービンに採用することが特に推奨される。主バーナが予混合燃焼を生じさせることによって、いかなる場合でも非常に少ないＮＯｘの排出が保証される。図３および図４における実施例においてもパイロットバーナ６は触媒補助バーナ６として形成されているので、これはいずれにしても窒素酸化物の発生源とならず、従って図３および図４におけるバーナもＮＯｘの排出が特に少ないバーナとなる。

Claims (6)

1. 通路（４）における燃料（１６）の流れ方向において主バーナ（８）の燃料出口の手前に、パイロット燃料流（２２）を触媒燃焼して主バーナ（８）を安定化するための触媒補助バーナ（６）が設けられている燃料（１６）を燃焼するためのバーナにおいて、
   前記パイロット燃料流（２２）が予備調製段（２４）を介して触媒補助バーナ（６）に導かれ、前記予備調製段（２４）は、触媒補助バーナ（６）に供給される燃料を、点火が容易な物質に分解するものであり、
   前記燃料（１６）は、燃料ガス（１８）と空気または圧縮空気（２０）とが予混合された燃料混合気であり、この燃料混合気の一部が前記予備調製段（２４）に導入される構成を備え、さらに、前記主バーナ（８）は、触媒バーナであることを特徴とするバーナ。
2. 予備調製段（２４）は、触媒補助バーナ（６）に供給される燃料を、点火が容易な物質として、メタノール、アルデヒドまたは水素に分解するものである請求項１記載のバーナ。
3. 燃料（１６）の流路（４）の横断面に関して、触媒補助バーナ（６）が中央に、主バーナ（８）がその周りに環状に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載のバーナ。
4. 触媒補助バーナ（６）の燃料出口が主バーナ（８）の燃料出口の０．５〜５ｍほど手前に配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のバーナ。
5. 触媒補助バーナ（６）の燃料出口が主バーナ（８）の燃料出口の約０．７５〜２ｍほど手前に配置されていることを特徴とする請求項４記載のバーナ。
6. 請求項１ないし５のいずれか１つに記載のバーナを有するガスタービン。

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