JP4172701B2 - 触媒燃焼型再燃器及び再燃器型ガスタービン - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンで膨張中の作動ガス(燃焼ガス)を再度燃焼させ昇温させる再燃器並びにこれを利用した再熱型ガスタービンに関する。更に詳述すると、1300℃以上の超高温燃焼を行うガスタービンにおいてNOxを低減するのに適した触媒型再燃器並びに再燃型ガスタービンに関する。
【0002】
【従来の技術】
ガスタービンはクリーンなLNGを用いても、燃焼温度の上昇に伴って、高温の燃焼器内で空気中の窒素と酸素が反応して窒素酸化物であるサーマルNOxが発生し、NOx排出濃度は増大する。
【0003】
また、一般に発電用ガスタービンは、タービンから排出される燃焼ガスの排熱を利用し、蒸気を発生させ、その蒸気で蒸気タービンを駆動し、発電を行うというコンバインドサイクル発電を行うため、排気温度はある範囲に選定される。そして、同一のタービン入口温度でも高い比出力および熱効率を実現できる再熱型ガスタービンは、タービン入口温度に限界が見える現在では非常に注目されているシステムである。
【0004】
ところが、この再燃器は、燃焼用空気として高圧燃焼器からの燃焼ガスを用いるため、再熱器の入口温度が既に高温であることや、燃焼ガス中の残存酸素濃度が低いこと、流れが比較的高速であることにより、安定した燃焼が維持できなかったり、あるいは再燃器の寿命が短いという、 商用プラントとして運転するには無視できない問題を有している。
【0005】
このような問題を解決するものとして、空気と燃料とを予め混合する予混合燃焼方式による再燃器を用いた再燃型ガスタービンが提案されている(特開平9-88628)。この再燃器は、再燃器の燃焼器ライナー内に燃焼域が急に拡大する急拡大部を設け、この急拡大部に再熱燃焼器メイン燃料を供給可能とし、燃料と空気とを予混合させて供給するようにしたものである。これによって、燃焼の安定とNOxの低減を達成しようとしている。
【0006】
【特許文献1】
特開平9−88628
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ガスタービンにおいて1500℃以上の超高温燃焼を行うと、予混合燃焼方式を使っても、空気中の窒素が酸化していわゆるサーマルNOxが大量に発生する。そのため、環境基準まで排ガス中のNOx濃度を下げるには、排熱回収ボイラ内の脱硝装置の負荷が大きくなる。このため、排熱回収ボイラ内に設置する排煙脱硝装置の高性能化が必要となるが、リークアンモニアの問題から脱硝率は90%程度が限界とされており、脱硝装置に供給される燃焼排ガス中のNOxが高濃度になると、発電設備から排出されるNOx濃度を必要なレベルに低減できない恐れがある。
【0008】
特に、より発電効率の高い1700℃級のガスタービン複合発電システムを実現しようとすると、ガスタービンから排出されるNOx濃度をガスタービン内で抑制することが望まれる。
【0009】
本発明は、ガスタービンから排出されるNOx濃度をガスタービン内で抑制すること、即ちガスタービン本体でNOx濃度を抑制することを可能とするNOx還元型の触媒再燃器並びに再燃器型ガスタービンを提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、本発明は、ガスタービンの途中で作動ガスを再度燃焼させ昇温してから再びガスタービンに戻す再燃器において、NOx還元型触媒と燃焼触媒とを直列に設置し、作動ガスが600℃以上700℃以下となる高圧ガスタービンの排気と希薄燃焼用の炭素数が2以上の炭化水素系燃料を含む燃料あるいは炭素数が2以上の炭化水素系燃料を還元促進剤として添加した燃料を前段の前記NOx還元型触媒に供給して高圧燃焼器で発生した作動ガス中のサーマルNOxを酸素を含む雰囲気下で前記燃料により選択的に還元除去し、引き続き後段の燃焼触媒で前記作動ガス中の酸素により前記燃料を燃焼させて高温作動ガスを発生させるようにしている。
【0011】
ここで、請求項1記載の触媒燃焼型再燃器において用いられるNOx還元型触媒は、Mg, Al, Si, P, Ca, Sc, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu,Zn,Ga, Sr, Y, Zr, Nb, Mo,Tc, Ru, Rh, Ag, In, Sn, Ba, La, Ce, Pr,Nd, Sm, Eu,Gd, Tb, W, Ir, Pt, Auのうち少なくとも一つと酸素を含む化合物から成る触媒、およびこれらの化合物とRu, Rh, Ag, Ir, Pt, Auのうち少なくとも一つの金属を組み合わせた触媒であることことが好ましい。
【0012】
また、請求項3記載の発明は、高圧燃焼器と再燃器とで燃料を2段階で燃焼させる再燃型ガスタービンにおいて、再燃器内にNOx還元型触媒と燃焼触媒を直列に設置すると共に、再燃器を高圧燃焼器で発生した作動ガスが600℃以上700℃以下となる高圧側タービンの最終段に配置して、希薄燃焼用の炭素数が2以上の炭化水素系燃料を含む燃料あるいは炭素数が2以上の炭化水素系燃料を還元促進剤として添加した燃料を高圧側タービンの排気に混合してNOx還元型触媒に供給し、高圧燃焼器で発生した作動ガス中のサーマルNOxを、前段のNOx還元型触媒を用いて酸素を含む雰囲気下で前記燃料により選択的に還元除去し、引き続き後段の燃焼触媒で作動ガス中の酸素により燃料を燃焼させて作動ガスを再び昇温させてから低圧側タービンに導入させるようにしている。
【0013】
ここで、請求項3記載の触媒燃焼型再燃器において用いられるNOx還元型触媒は、Mg, Al, Si, P, Ca, Sc, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu,Zn,Ga, Sr, Y, Zr, Nb, Mo,Tc, Ru, Rh, Ag, In, Sn, Ba, La, Ce, Pr,Nd, Sm, Eu,Gd, Tb, W, Ir, Pt, Auのうち少なくとも一つと酸素を含む化合物から成る触媒、およびこれらの化合物とRu, Rh, Ag, Ir, Pt, Auのうち少なくとも一つの金属を組み合わせた触媒であることことが好ましい。また、NOx還元型触媒に供給される燃料は、ガスタービンに供給される主燃料の10vol%程度が好ましい。
【0014】
このように構成することによって、ガスタービン入口ガス温度を従来のガスタービンよりも高く、例えば1700℃程度とすることにより高濃度のNOxが作動ガス中に含まれたとしても、NOx還元型触媒の反応温度まで作動ガスを膨張させてから燃料を混合して再燃器に供給すると、NOx還元触媒で燃焼ガス中のNOxが燃料によって還元された後、燃焼触媒でサーマルNOxを生成せずに燃料が燃焼される。そして、燃焼ガス温度を高温に昇温させてから低圧側タービンを駆動させ得る。
【0015】
【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。
【0016】
図8に本発明にかかる触媒型再燃器の一実施形態を示す。この触媒型再燃器24は、ガスタービンの途中で作動ガスを再度燃焼させ昇温してから再びガスタービンに戻すものであって、温度が低くNOx還元反応に有利な前段に、燃料によるNOx還元触媒26を、後段に燃焼触媒27をそれぞれ直列に配置し、高圧側タービンから排出された燃焼ガス25に少量の燃料7例えば高圧燃焼器に供給される主燃料の10vol%程度を添加してから供給するようにしている。この再熱器には、高圧燃焼器で生成された燃焼ガスがガスタービンを回転させることで膨張して、NOx還元型触媒の反応温度まで温度が降下した状態で導入される。ここで、NOx還元型触媒の反応温度とは、700℃以下である。しかし、あまり温度が低すぎると後段での触媒燃焼が困難となるので、好ましくは600℃〜670℃、より好ましくは640〜650℃程度である。
【0017】
これによって、前段のNOx還元型触媒では、酸素を含む雰囲気下で高圧燃焼器で発生したサーマルNOxを燃料により選択的に還元除去し、引き続き後段の燃焼触媒では燃料を燃焼ガス(作動ガス)中の残存酸素により燃焼させて高温ガスを発生させる。
【0018】
例えば、温度および圧力の上昇とともにNOx生成濃度が急激に上昇することから、1700℃、5MPの高温高圧下で燃焼する高圧燃焼器では、従来の燃焼器よりも高濃度のNOxが生成するものと予想される。そして、この高圧燃焼器の燃焼条件では、触媒に供給する予混合気の温度、圧力および燃料濃度が高く、予混合気の自己着火および逆火が懸念されるとともに、触媒温度の過昇温を防止する対策が必要となり、触媒燃焼法の適用は困難と思われる。しかしながら、NOx還元型触媒は、高温下では燃料の酸化反応と競合してNOの還元反応速度が低下するが、700℃以下、特に650℃程度〜600℃程度までは高い転化率を維持できる。したがって、前段でNOx還元型触媒を用いて酸素を含む雰囲気下で燃料により高圧燃焼器で発生した燃焼ガス中のサーマルNOxを選択的に還元除去し、引き続き後段の燃焼触媒で燃焼ガス中の酸素により燃料を燃焼させて作動ガスを昇温させてから再び低圧側タービンに導入させることができる。一方、この再燃器においては、燃焼器入口ガス温度が例えば700℃以下、出口ガス温度を750〜850℃にするために、極めて少ない燃料を燃焼する必要がある。このため、通常の予混合燃焼法では燃焼が不可能であるが、触媒燃焼によれば、サーマルNOxが発生せずに希薄予混合ガスの燃焼が可能となる。触媒後流で希薄予混合気を均一に燃焼できることから、局所的高温域を発生せず、750℃〜850℃の高温再燃ガス(1300℃以下)を得る場合にはサーマルNOxをほとんど生成しない(図8(A)参照)。一方、後段の触媒燃焼では、NOx還元触媒で燃焼ガス中のNOxが燃料によって還元された後の希薄予混合気を均一に燃焼できることから、局所的高温域を発生せず、750℃〜850℃の高温再燃ガス(1300℃以下)を得ることができる(図8(A))。これによって、効率を上げながら、脱硫もできる。
【0019】
ここで、NOx除去の観点からは、再燃器に供給する燃料中に炭素数が2以上の炭化水素が含まれることが好ましい。高圧燃焼器に供給される主燃料たる天然ガスの代わりに、または天然ガスに混合して、NOx還元特性の優れる他の燃料例えばLPG等の炭化水素を添加するようにしても良い。
【0020】
次に、再燃型ガスタービンとして構成した一実施形態を図6に示す。
【0021】
ガスタービンはクリーンなLNGを用いても、燃焼温度の上昇に伴って、高温の燃焼器8内で空気中の窒素と酸素が反応して窒素酸化物であるサーマルNOxが発生し、NOx排出濃度は増大する。特に、燃焼温度が1500℃を越えると、希薄予混合燃焼法によってもNOx排出濃度は増大する。ここで、排熱回収ボイラ21内に設置する排煙脱硝装置の高性能化が必要となるが、リークアンモニアの問題から脱硝率は90%程度が限界とされており、脱硝装置に供給される燃焼排ガス中のNOxが高濃度になると、発電設備から排出されるNOx濃度を必要なレベルに低減できない恐れがある。
【0022】
本発明のガスタービンはメタン水蒸気改質冷却により燃焼温度が従来よりも高い1700℃とすることができる。そこで、ガスタービンから排出されるNOx濃度をガスタービン内で抑制することが望まれる。
【0023】
即ち、この実施形態におけるガスタービンは、メタン水蒸気改質反応を利用して高温部品の冷却を行うようにしている。即ち、このガスタービンは、冷却を必要とする高温部品に冷却ガスを通過させる冷却ガス通路4を備えると共に、該冷却ガス通路4内にメタン改質触媒5を配置し、天然ガス1の一部若しくは全部を水蒸気3と混合して冷却ガス通路4に供給して、冷却ガス通路4内でメタン改質触媒5下に高温部品からの熱を受けて天然ガス1に含まれるメタンと水蒸気3のメタン水蒸気改質反応を起こさせ、そのときの吸熱反応と天然ガス1と水蒸気3との混合ガス自身の温度上昇による冷却効果で高温部品を冷却すると共に、メタン水蒸気改質で得られた改質ガス6を燃焼器8に供給して燃焼させるようにしている。
【0024】
冷却ガスを通過させる冷却ガス通路4を備える高温部品としては、例えば燃焼器内筒9やタービン静翼10などが挙げられる。本実施形態の場合、燃焼器内筒9とタービン静翼10の第1段目をメタン水蒸気改質反応を利用した冷却対象としており、かつタービン静翼10を冷却した後に燃焼器内筒9を冷却して改質による改質ガス6を燃焼器8に供給するようにしている。しかし、タービン静翼10を冷却した後の改質ガス6はさらに燃焼器内筒9に導入されて改質・冷却を行う(直列タイプ)か、あるいは逆に燃焼器内筒9を冷却した後の改質ガス6をさらにタービン静翼10に導入して改質・冷却を行う(直列タイプ)か、水蒸気3と天然ガス1との混合ガスで静翼10の冷却・改質と燃焼器内筒9の改質・冷却に別々に並行して行う(並列タイプ)かはいずれでも良く、特に限定されるものではない。また、場合によっては、燃焼器内筒9の改質・冷却とタービン静翼10の改質・冷却のいずれか一方だけを行うようにしても良い。
【0025】
発電用ガスタービン燃焼器8は多缶型(図9(B)参照)かアニュラ型(図9(C)参照)が多く採用されている。ここでは多缶型燃焼器8を例にとったが、アニュラ型燃焼器8でも同様に使用できる。多缶型燃焼器8は一般的には燃焼器内筒9、尾筒11(ドライ低NOx燃焼器8では内筒は主室、副室等)からなり、燃焼器内筒9は冷却ガス通路4と一体型のガス冷却壁構造が採用されている。具体的には、本実施形態の場合には、燃焼器内筒9は冷却管12を巻回若しくは縦に並べて束ねることにより、冷却管12そのもので構成されており、その内面に厚さ1〜2mm程度のメタン改質触媒層5Aが被覆されている。尚、単缶型(図9(A)参照)の燃焼器内筒9にも適用できることは言うまでもない。
【0026】
冷却管12による燃焼器8の構成方法としては、例えばスパイラル方式(図3参照)、縦型方式(図4参照)並びにその中間の捻り管方式(図5参照)が挙げられる。そして、スパイラル方式の場合には、1本ないし2本の冷却管12がコイル状に巻回されて、その一端がコネクタ13の混合ガス導入口14に、他端が改質ガス取出し口15にそれぞれ接続されている。本実施形態では、筒の後半部の熱負荷が高いので、中央よりも後寄りにコネクタ13を配置し、そこから2本の冷却管12をそれぞれ前方と後方へ延びるように巻いて、両端からコネクタ13の改質ガス取り出し口15へ接続されるように設けられている。そして、隣接する冷却管12同士が溶接によって接合されると共に高温ガス側即ち筒の内側の面に相当する部位にTBC(遮熱コーティング)16が施されている。また、縦型方式並びに捻り管方式の場合には、中央よりも後寄りのヘッダリング17から前方と後方へそれぞれ複数本の冷却管12が互いに接するように縦方向(内筒の軸芯方向)に並べて配置され、かつ互いに隣接する管同士を接合すると共に筒の内側の面にTBC16を施して筒形に束ねられている。そして、各冷却管12の両端はそれぞれヘッダリング17に接続されると共に接続管18を介してコネクタ13の混合ガス導入口14と改質ガス取出し口15にそれぞれ接続されている。そして、中央のコネクタ13から混合ガスが内筒9の前方と後方へそれぞれ流れ、両端で再び中央のコネクタ13に戻されてから改質ガス6が取り出されるようにしている。
【0027】
タービン静翼10の場合には、翼内に冷却ガス通路4を設け、冷却ガスたる天然ガス1と水蒸気3の混合ガスを流すことにより内面から冷却する。ここでは、静翼10の内面(冷却ガス通路4表面)に厚さ1〜2mm程度のメタン改質触媒層5Aを被覆するようにしている。タービン静翼10内に形成される冷却ガス通路4は、燃焼器内筒9に比べて、混合ガスの滞留時間が短いので、改質反応が十分に進まない場合もある。この場合には、図2に示すように、冷却ガス通路4に粒状の触媒5Bを充填するようにしても良い。更には、冷却ガス通路4内面にメタン改質触媒層5Aを被覆させると共にメタン改質触媒粒5Bを充填するようにしても良い。
【0028】
また、本実施形態におけるタービン静翼10内の冷却ガス通路4内面は、伝熱効率を上げると共に比表面積を広げるため、混合ガスの流れ方向に凹凸20を設けてその上にメタン改質触媒層5Aを被覆させるようにしている。冷却ガスが接触する冷却ガス通路4の表面の形状は必ずしも凹凸20を設けることはないし、メタン改質触媒層5Aも厚さ1〜2mm程度に限られない。
【0029】
ここで、メタン改質触媒5としては、ロジウム、ルテニウム、イリジウム(Rh、Ru、Ir)などの貴金属触媒およびニッケル、コバルト、鉄(Ni、Co、Fe)などの遷移金属触媒が挙げられるが、安価で活性も比較的高いニッケル触媒の使用が好ましい。触媒は活性表面積の増加などの目的でアルミナなどの担体に担持され、担持触媒として使用される。
【0030】
また、改質用の水蒸気3は、改質された改質ガス6と共に高圧燃焼器8で燃焼させられ、高温高圧の燃焼ガスとなってガスタービンを駆動した後常圧となってガスタービン排ガスとして排出されることから、蒸気タービン駆動用蒸気のように特に浄化されている必要はない。排熱回収ボイラ21で生成された蒸気タービン駆動用の蒸気の一部を抽出して利用しても良いが、補給水量を少なくするために排熱回収ボイラ21の出口ガスを冷却して発生するドレーン水を排熱回収ボイラ21で蒸発させて循環利用することが好ましい。
【0031】
また、燃料の天然ガス1はわが国では一般的に液化天然ガス(LNG)で供給される。ここで、高温部品の冷却においては、ヒートショックなどを考慮しなければならないので、加熱側と受熱側の温度差はあまり大きくない方が好ましい。しかし、LNG1aは−169℃の極低温であり、そのまま高温部品内の冷却ガス通路4に供給することは好ましくない。現在、LNG1aは海水で加熱して気化させてから使用されているが、これでは高質の冷熱を無駄に廃棄することとなる。一方、燃料としてLNG1aを用いる場合、その冷熱(気化熱)を利用してガスタービン入口空気を冷却し(LNG冷熱利用入口空気冷却器)、圧力比30以上の高圧力比空気圧縮機23を使用する場合は、気化した天然ガス1で更に圧縮空気の中間冷却を行う(LNG冷熱利用中間冷却器)。その後排熱回収ボイラ21で、メタン改質反応に必要な高温まで予熱を行う(燃料予熱器)ことが可能である。そこで、本実施形態では圧縮機23での空気冷却に利用することによって有効利用している。即ち、ガスタービン入口空気を冷却するとともに、圧縮機23中間で圧縮空気を冷却し、空気の体積を極力減少することにより、体積流量に比例する圧縮に要する動力を減少させる。気化した天然ガス1は、排熱回収ボイラ21でメタン水蒸気改質反応に適した温度例えば少なくとも500℃程度、好ましくは600℃程度まで予熱する。ここで、メタン改質反応が起こる温度は天然ガス1と水素の混合比によっても変わるが、だいたい750℃位から上である。しかし、あまり必要以上に高い温度まで混合ガス並びに改質用蒸気を予熱して供給することは配管を高温に耐え得るものとしてなければならないので好ましくないし、その反面高温部品への混合ガスの供給温度が低すぎると、メタン改質反応が起こる前に高温部品の内部の冷却ガス通路4を通過して混合ガスの温度上昇による冷却だけで冷却を終えて出てしまうことになる。そこで、メタン水蒸気改質反応に適した温度とは、メタン改質触媒5によっても異なるが、例えば噴火で活性の高いニッケル触媒をアルミナで担持した触媒の場合には、少なくとも500℃位、好ましくは600℃程度である。メタン改質冷却用蒸気に予熱した天然ガス1(の一部)を混合し、冷却する燃焼器8とタービン静翼10の冷却管12に供給する。供給された混合ガスはそれ自体の温度上昇と、メタン水蒸気改質反応に伴う吸熱反応により、冷却ガス通路4の周りの高温部品を冷却する。改質反応により一部水素に変換された改質ガス6は高圧燃焼器8に供給し燃焼される。
【0032】
したがってこのガスタービンによれば、以下に説明するように超高温ガスに晒される燃焼器内筒9、タービン第一段静翼10の冷却が可能となることから、1700℃級の超高温ガスタービンを実現することができる。
【0033】
メタンを主成分とする天然ガス1は水蒸気3を加えると触媒下で水素とCO2に改質する。これはメタン水蒸気改質反応と呼ばれ、水素が必要な場合に利用されるが、この反応は吸熱反応であり、高温の燃焼器8や静翼10の第1段目(場合によっては第2段目以降も含まれる)から熱を奪うことからそれらの冷却に利用することができる。このメタン水蒸気改質は化学平衡上温度が上がると反応が進み、吸熱量が増加する。よって、メタン水蒸気改質反応を利用した冷却は温度の自己平衡性があり、高圧燃焼器8やタービン静翼10の冷却に最適であり、従来の蒸気冷却に比べて少ない蒸気量で効果的な冷却が可能となる。例えば、混合ガス温度が800℃以上になれば反応が促進し吸熱量は増大して、高温部品温度が同様に900℃程度に抑えられる。
【0034】
例えば、冷却媒体が水蒸気3の場合、入口350℃、出口500℃のエンタルピ差による吸熱量は、
Δh=h500℃−h350℃=680 kJkgH2O …(1)
である。それに対して、メタン水蒸気改質反応は、
【0035】
H2O+1/2CH4→2H2+1/2CO2−4580 kJ/kgH2O …(2)
であり、冷却熱量は一桁大きくなり、蒸気冷却の場合の約6.7倍の冷却量となる。したがって、この反応が60%起これば、2290 kJ/kgH2Oの吸熱効果があり、蒸気の単位流量当りの吸熱量は従来の蒸気冷却方式の3倍以上となる。
【0036】
このメタン改質冷却方式の高温部品冷却効果と蒸気冷却との比較を行うと、次の通りである。まず、蒸気冷却の場合の冷却効果を次の熱流束QSC(kW/m2)で評価できる。
【0037】
そこで、本発明のガスタービンは、高圧燃焼器8と再燃器24とを備え、再燃器24内にNOx還元型触媒26と燃焼触媒27を直列に設置すると共に、再燃器24をガスタービンを駆動する作動ガス25の温度が作動ガス25の膨張によりNOx還元型触媒26の反応温度まで降下する段(これを高圧側タービンの最終段とする)の後に配置して、高圧側タービンから排気される作動ガス25に高圧燃焼器8に供給する燃料の一部7を混合してNOx還元型触媒26に供給し、高圧燃焼器8で発生した作動ガス25中のサーマルNOxを、前段のNOx還元型触媒26を用いて酸素を含む雰囲気下で燃料により選択的に還元除去し、引き続き後段の燃焼触媒27で追加混合した燃料7を燃焼ガス中の酸素により燃焼させて作動ガス25を昇温させてから低圧側タービンに供給するようにしている。
【0038】
ここで、NOx還元型触媒26としては、例えばMg, Al, Si, P, Ca, Sc, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu,Zn,Ga, Sr, Y, Zr, Nb, Mo,Tc, Ru, Rh, Ag, In, Sn, Ba, La, Ce, Pr,Nd, Sm, Eu,Gd, Tb, W, Ir, Pt, Auのうち少なくとも一つと酸素を含む化合物から成る触媒、およびこれらの化合物とRu, Rh, Ag, Ir, Pt, Auのうち少なくとも一つの金属を組み合わせた触媒が挙げられ、好ましくはCu−ゼオライトの使用である。
【0039】
また、燃焼触媒27としては、例えばMg, Al, Si, P, Ca, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Sr, Y, Zr, Rh, Pd, Sn, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Ptのうち少なくとも一つと酸素を含む化合物から成る触媒、およびこれらの化合物とRh, Pd, Ptのうち少なくとも一つの金属を組み合わせた触媒が挙げられ、好ましくは酸化パラジウムの使用である。尚、燃焼触媒27の作動温度の可能範囲は300℃〜1200℃ 、好適な範囲は600℃〜1200℃、最も効率の良い範囲は900℃〜1200℃である。
【0040】
以上のように構成された再熱型のガスタービンによれば、ガスタービン入口ガス温度を従来のガスタービンよりも高く例えば1700℃程度とすることにより高濃度のNOxが作動ガス25中に含まれたとしても、NOx還元型触媒26の反応温度まで作動ガス25を膨張させてから燃料を混合して再燃器24に供給すると、NOx還元型触媒26で燃焼ガス中のNOxが燃料によって還元された後、燃焼触媒27でサーマルNOxを生成せずに燃料が燃焼される。そして、低圧側タービンを駆動させ得る。例えば、再燃器24の入口温度において、NOxの化学平衡濃度は極めて低いことから、反応速度が十分速ければ、高圧燃焼器8で生成したNOxが窒素に転換される。そこで、再燃器24の入口温度は好ましくは700℃程度以下、より好ましくは650℃程度である。ここで、再燃器24に供給する燃料は、主燃料の天然ガス1でも良いがその中に炭素数が2以上の炭化水素が含まれる燃料、例えば液化プロパンガス(LPG)等を混合することが好ましい。またこの再燃器24に供給される燃料はガスタービンに供給される燃料の10%vol程度が好ましい。
【0041】
また、本発明の再燃型ガスタービンは複合発電システム28としても有用である。
【0042】
即ち、上述のガスタービンと該ガスタービンからの排ガスを熱源とする蒸気タービンとを備え、排熱回収ボイラ21の出口ガスを冷却して発生するドレーン水を排熱回収ボイラ21で蒸発させて、前記改質用蒸気として循環利用するようにすることで、蒸気サイクルの作動蒸気を完全に分離するガスタービン複合発電システムを構成することができる。
【0043】
図7に示す再燃型ガスタービン複合発電システム28は、LNG冷熱による入口空気冷却、中間冷却器30およびメタン改質冷却高圧燃焼器8、メタン改質冷却高圧タービン静翼10、NOx還元型再燃器24を組み合わせるとともに、これに超臨界圧2段再熱型排熱回収蒸気系を組み合わせたものである。ガスタービン複合発電システムの高効率化には、排熱回収蒸気サイクルの高性能化も合わせて必要であることから、主蒸気条件を高温高圧化し超々臨界圧2段再熱型(例えば33.3Mpa/600℃/600℃/430℃)とした。
【0044】
また、メタン改質冷却に必要な水蒸気3は排熱回収ボイラ21の中圧蒸気系より供給し、燃焼ガス中の水蒸気3は、排熱回収ボイラ21出口ガスを冷却凝縮させ、その凝縮水を循環使用することとした。尚、図中の符号46は、超高効率再燃型ガスタービン、47は超臨界圧2段再熱型蒸気タービン、21は排熱回収ボイラ、31は発電機である。また、23は空気圧縮機、2Aは高圧ガスタービン、2Bは低圧ガスタービン、29は入口空気冷却器、8は高圧燃焼器、24はNOx還元型再燃器、22Aは超高圧蒸気タービン、22Bは高圧蒸気タービン、22Cは中圧蒸気タービン、22Dは低圧蒸気タービン、32は復水器、33は高圧再熱器、34は中圧再熱器、35は中圧過熱器、36は燃料予熱器、37は高圧蒸発過熱器、38は中圧蒸発器、39は低圧過熱器、40は中圧節炭器、41は高圧節炭器、42は低圧蒸発器、43は低圧節炭器、44は中圧ドラム、45は低圧ドラム、59はドレイン、60は復水器、61は煙突である。
【0045】
以上の構成の複合発電システム28によれば、蒸気と天然ガス1を混合し、冷却を必要とする高温部品、例えば燃焼器内筒9や第一タービン静翼10の冷却ガス通路4内での改質冷却により発生した改質ガス6は、高圧燃焼器8で燃やされる。そして、その燃焼ガスでガスタービンを廻し(再燃型では再燃して再度低圧ガスタービン2Bを廻し)、仕事をして常圧となったガスタービン排ガスは、排熱回収ボイラ21でさらに熱回収し、例えば90℃以下の低温となり排熱回収ボイラ21を出る。この排ガスを海水等でさらに例えば60℃程度まで冷却し、凝縮した水を再度排熱回収ボイラ21に供給して蒸発、過熱して、メタン改質冷却に繰り返し利用する。ここで、メタン改質冷却に使用する蒸気は例えば6MPa(約60気圧)の中圧蒸気であり、燃焼反応を経過するのでこちらの蒸気はやや汚く、ドレーンを十分濾過してから再利用する必要があり、不純物を嫌う蒸気タービン用の蒸気とは完全に分離している。また、メタン改質冷却用蒸気はメタン改質反応が起こりやすくするため、例えば排熱回収ボイラ21の中圧過熱器35で600℃まで過熱し供給する。同様に、燃料の天然ガス1も、メタン改質反応が起こりやすくするため、入口空気冷却器29と空気圧縮機23での中間冷却によって300℃程度に昇温した後、燃料予熱器36で例えば600℃まで過熱し供給する。
【0046】
以上の複合発電システム28での熱効率を試算すると、排熱回収ボイラ21(HRSG)における最小温度差を5度としたとき、HTIT1700℃、LTIT800℃の場合、ガスタービン効率47.0%、複合発電効率は60.1%に達する。これは1500℃級ガスタービン複合発電システムの54%に比べて6ポイントの効率向上である。この超高効率再燃型ガスタービン複合発電システム28の熱効率改善は、再燃型ガスタービン、HTITの向上、蒸気条件の向上に加えて、メタン改質冷却方式の採用よる効果によるものである。
【0047】
しかも、メタン水蒸気改質による高温部品の冷却に使用する蒸気は、蒸気タービン用の蒸気とは完全に分離されているので、蒸気タービンの蒸気量を変えずに供給することができるし、循環利用することも可能である。
【0048】
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、図10に示すガスタービンと該ガスタービンからの排ガスを熱源とする蒸気または温水発生装置とを備えたガスタービンコージェネレーション(熱電供給)システムとしても良い。そして、排熱回収ボイラ21出口ガスを冷却して発生するドレーン水を排熱回収ボイラ21で蒸発させて、改質用蒸気として循環利用するようにしても良い。尚、図中の符号48は、排熱回収ボイラ、49は蒸気過熱器、50は燃料予熱器、51は中圧蒸発器、52は中圧過熱器、53は低圧過熱器、54は低圧蒸発器、55は中圧節炭器、56は低圧節炭器、57は低圧ドラム、58は中圧ドラム、59はドレイン、60は復水器、61は煙突である。
【0049】
更に、本実施形態ではNOx還元型触媒に供給される燃料として、高圧燃焼器に供給される天然ガス(主燃料)1の一部例えば10vol%程度を供給するようにしているが、これに特に限られず、主燃料とは全く別系統の燃料を供給するようにしても良い。この場合、主燃料と同様に天然ガスを用いても良いし、NOx還元特性の優れるLPGのような炭素数が2以上の炭化水素を用いたり、あるいはこれと主燃料との混合燃料を用いるようにしても良い。また、供給量も特に10vol%に限られるものではなく、希薄燃焼を達成し得る量であれば良い。
【0050】
【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、ガスタービン入口ガス温度を従来のガスタービンよりも高く、例えば1700℃程度とすることにより高濃度のNOxが作動ガス中に含まれたとしても、NOx還元触媒で燃焼ガス中のNOxが燃料によって還元された後、燃焼触媒でサーマルNOxを生成せずに燃料が燃焼されるので、高圧燃焼器で発生したNOxを低減させて尚かつ高温再燃ガスを発生させることができる。
【0051】
したがって、ガスタービン効率の向上と、NOx低減が同時に実現できる。そのため、脱硝装置を無くすか、その負荷を大幅に軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】タービン静翼の概略を示す図で、(A)は斜視図、(B)は翼の縦断面図、(C)は翼を長手方向に断面した縦断面図である。
【図2】タービン静翼の他の実施形態を示す図で、翼を長手方向の縦断面図で、粒状改質触媒を充填した状態を示す。
【図3】スパイラル方式の燃焼器内筒を示す図で、(A)は斜視図、(B)は冷却管の横断面図である。
【図4】縦型方式の燃焼器内筒を示す図で、(A)は斜視図、(B)は冷却管の横断面図である。
【図5】捻り管方式の燃焼器内筒を示す図で、(A)は斜視図、(B)は冷却管の横断面図である。
【図6】本発明の再燃型ガスタービンの縦断面図である。
【図7】本発明の再燃型ガスタービンを利用したガスタービン複合発電システムの概略図である。
【図8】本発明の再燃器の一実施例を示す説明図で、(A)は再燃器におけるNOx濃度と燃焼ガス温度の変化を示すグラフ、(B)は再燃器の縦断面図である。
【図9】ガスタービン燃焼器の概略図であり、(A)は単缶型、(B)は多缶型、(C)はアニュラ型を示す。
【図10】本発明の再燃型ガスタービンを利用したガスタービンコージェネレーションシステムの概略図である。
【符号の説明】
1 高圧燃焼器に供給される主燃料(天然ガス)
7 NOx還元型触媒に供給する燃料
8 燃焼器
24 再燃器
25 作動ガス
26 NOx還元型触媒
27 燃焼触媒
28 ガスタービン複合発電システム
Claims (4)
- ガスタービンの途中で作動ガスを再度燃焼させ昇温してから再びガスタービンに戻す再燃器において、NOx還元型触媒と燃焼触媒とを直列に設置し、前記作動ガスが600℃以上700℃以下となる高圧ガスタービンの排気と希薄燃焼用の炭素数が2以上の炭化水素系燃料を含む燃料あるいは炭素数が2以上の炭化水素系燃料を還元促進剤として添加した燃料を前段の前記NOx還元型触媒に供給して高圧燃焼器で発生した前記作動ガス中のサーマルNOxを酸素を含む雰囲気下で前記燃料により選択的に還元除去し、引き続き後段の燃焼触媒で前記作動ガス中の酸素により前記燃料を燃焼させて高温作動ガスを発生させることを特徴とする触媒燃焼型再燃器。
- 前記NOx還元型触媒は、Mg, Al, Si, P, Ca, Sc, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu,Zn,Ga, Sr, Y, Zr, Nb, Mo,Tc, Ru, Rh, Ag, In, Sn, Ba, La, Ce, Pr,Nd, Sm, Eu,Gd, Tb, W, Ir, Pt, Auのうち少なくとも一つと酸素を含む化合物から成る触媒、およびこれらの化合物とRu, Rh, Ag, Ir, Pt, Auのうち少なくとも一つの金属を組み合わせた触媒であることを特徴とする請求項1記載の触媒燃焼型再燃器。
- 高圧燃焼器と再燃器とで燃料を2段階で燃焼させる再燃型ガスタービンにおいて、前記再燃器内にNOx還元型触媒と燃焼触媒を直列に設置すると共に、前記再燃器を前記高圧燃焼器で発生した作動ガスが600℃以上700℃以下となる高圧側タービンの最終段に配置して、希薄燃焼用の炭素数が2以上の炭化水素系燃料を含む燃料あるいは炭素数が2以上の炭化水素系燃料を還元促進剤として添加した燃料を前記高圧側タービンの排気に混合して前記NOx還元型触媒に供給し、前記高圧燃焼器で発生した前記作動ガス中のサーマルNOxを、前段の前記NOx還元型触媒を用いて酸素を含む雰囲気下で前記燃料により選択的に還元除去し、引き続き後段の前記燃焼触媒で前記作動ガス中の酸素により前記燃料を燃焼させて前記作動ガスを再び昇温させてから低圧側タービンに導入させることを特徴とする再燃器型ガスタービン。
- 前記NOx還元型触媒は、Mg, Al, Si, P, Ca, Sc, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu,Zn,Ga, Sr, Y, Zr, Nb, Mo,Tc, Ru, Rh, Ag, In, Sn, Ba, La, Ce, Pr,Nd, Sm, Eu,Gd, Tb, W, Ir, Pt, Auのうち少なくとも一つと酸素を含む化合物から成る触媒、およびこれらの化合物とRu, Rh, Ag, Ir, Pt, Auのうち少なくとも一つの金属を組み合わせた触媒であることを特徴とする請求項3記載の再燃器型ガスタービン。
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