JP5679623B2 - 水素及び合成ガス燃焼用の多孔性保炎器のための方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、合成ガス又は水素を燃焼させるガスタービンエンジンにおける燃焼器用の燃料ノズルアセンブリの混合領域に関する。水素（Ｈ_２）及び合成ガス燃料の高い火炎速度及び低い着火時間のような許容代の殆どない特性は、天然ガス燃料を燃焼させるためのみに適用可能な先行技術の設計の使用を不可能にする。

産業用ガスタービンは、一般的に缶−アニュラ型燃焼器のアレイによって形成された燃焼セクションを有する。各燃焼器は、指定量の燃料−空気混合気を燃焼器内の燃焼域に供給する燃料ノズル混合領域を含む。燃料−空気混合気は、燃焼域内で燃焼して、タービンを駆動する高温の加圧燃焼ガスを発生するようになっている。

天然ガス、例えば主としてメタンは、産業用ガスタービン用の一般的な燃料である。炭化水素資源の急速な枯渇により、産業用ガスタービンのために石炭由来のＨ_２及び／又は合成ガスを使用することが大いに注目されるようになってきた。水素及び合成ガスの火炎速度は、天然ガスの火炎速度よりも著しく高く、例えば６〜７倍の速さである。バーナは、燃料ノズルアセンブリの混合領域内への火炎逆火の傾向を増大させる可能性がある水素及び合成ガスのより大きな火炎速度に合わせて動作するように設計する必要がある。未燃混合領域内における保炎は、ノズルアセンブリの構成要素を損傷させる可能性を有する。
米国特許出願公開第２００３−０１２１２６９号明細書 米国特許出願公開第２００６−０２８８７０６号明細書 米国特許出願公開第２００５／０２６８６１６号明細書 Chung-jen Tseng, "Effects of Hydrogen Addition On Methane Combustion In A Porous Medium Burner", International Journal of Hydrogen Energy 27 (2002), pp. 699-707.

燃料ノズルアセンブリ内への火炎の伝播を防止するための装置及び方法を設計しかつ開発することが、大いに必要とされている。

合成ガスというのは、炭素含有燃料を気体生成物にガス化することによって生成した様々な量の一酸化炭素及び水素として利用できるガス混合物を意味している。合成ガスの実例としては、水素製造のために天然ガス又は液体炭化水素を水蒸気改質したもの、石炭をガス化したもの、及び廃棄物をエネルギに変換する幾つかのタイプのガス化施設から得られるものが含まれる。合成ガスは、可燃性であり、しばしば燃料資源として用いられる。合成ガスは、例えば石炭又は都市廃棄物のガス化により製造することができる。

天然ガスで作動する現存の燃焼器は、さらに水素及び合成ガス燃料の燃焼にも適応させるためには大々的な変更を必要とする可能性がある。例えば、水素及び合成ガスの高い火炎速度（天然ガスと比べて）は、火炎が燃焼域内で安定化されかつ燃料ノズルアセンブリの混合領域内へ上流方向に伝播しないことを保証するために、燃焼器の調整を必要とする可能性がある。現存する天然ガス用燃焼器の設計を変更して水素及び合成ガス燃料の燃焼を可能にするための方法及び装置の開発が大いに必要とされている。

ガスタービンにおける燃焼器用の燃料ノズル構成又はアセンブリを開示し、本アセンブリは、中心軸線を有しかつ該中心軸線に沿って延び、また気体燃料通路及び該通路の遠位端における燃料ノズル部を含む気体燃料噴射ノズルと、燃料噴射ノズルと同心でありかつ該燃料ノズルとの間に空気通路を形成し、また該燃料噴射ノズルを越えて軸方向に延びる遠位セクションを含む空気管と、空気管の遠位セクションによってかつ該空気管の遠位セクションの内部に形成され、また燃料噴射ノズルの下流に位置する第１の燃料―空気混合領域と、多孔性構造体を含みかつ第１の燃料―空気混合領域の下流端部を形成する保炎器とを含み、第１の燃料―空気混合領域からの燃料及び空気は、保炎器の多孔性構造体を通ってかつ燃焼器の燃焼域内に流れる。

ガスタービンの燃焼器内で気体燃料を燃焼させる方法を開示し、本方法は、燃料噴射アセンブリの空気管内に気体燃料を噴射するステップと、空気管を通して空気を流しかつ該空気管内にノズルから気体燃料が吐出されるようにしながら、該空気管内で空気と気体燃料とを混合するステップと、空気管の遠位端における多孔性媒体を通して空気及び気体燃料の混合気を流すステップと、多孔性媒体の下流で燃焼器の燃焼域内において空気及び気体燃料の混合気を燃焼させるステップとを含む。

天然ガス用ノズルアセンブリの混合領域を合成ガス又は水素用ノズルアセンブリの混合領域に変更する方法を開示し、本方法は、ノズルアセンブリの空気管の遠位端に多孔性保炎器を配置するステップと、その混合気を燃焼域内で燃焼させる前にノズルアセンブリからの燃料及び空気が保炎器を通るのを可能にするステップとを含む。本方法はさらに、多孔性保炎器が該保炎器の直ぐ下流の燃焼域と空気管内のかつ保炎器の直ぐ上流の空気−燃料混合気と間に該保炎器を通しての火炎の伝播を防止するのに十分である必要な圧力低下を形成するように、該多孔性保炎器を選択するステップを含む。多孔性構造体におけるより高い圧力低下は、Ｈ_２／合成ガス燃料の高い火炎速度を安定化させるような高い燃料−空気混合気速度を生じさせる。

産業用ガスタービン用の燃焼器の燃料ノズルアセンブリの混合領域内に挿入するために、多孔性保炎器を開発した。本保炎器は、十分な量の燃料−空気混合気が高い速度及び設計圧力低下で媒体を通って流れるのを可能にするような高い多孔性を有する。多孔性構造体は、火炎がその構造体及び混合領域内に上流方向に伝播するのを防止する。火炎の伝播は、多孔性構造体内におけるより高い混合気速度を可能にすることによって防止され、構造体は、それ自体が火炎に対する捕捉器のように作用することができる。多孔性構造体は、該構造体の下流領域上に遮熱コーティング（ＴＢＣ）を含むことができる。ＴＢＣは、多孔性構造体を遮蔽して、該構造体の下流に存在する火炎に曝されないようにする。

図１は、ガスタービン１２用の燃焼器１０を部分断面で示しており、ガスタービン１２は、圧縮機１４（部分的に示す）と、複数の燃焼器１０（１つを示す）と、この図では単一のタービンブレード１６によって表したタービンとを有する。タービンは、シャフト１７に沿って圧縮機に駆動連結される。圧縮機空気Cは、燃焼器１０に対して逆方向に流れ、この圧縮機空気Cは、燃焼器１０を冷却しかつ燃焼プロセスに空気を供給するために使用されるようになる。

ガスタービンは、ガスタービンケーシング１８の周辺部の周りに環状アレイの形態で配置された複数の燃焼器１０を含む。圧縮機１４からの高圧空気は、燃焼器の高温ガス出口２２近傍の加圧空気入口２０を通って燃焼器に流れる（流れ矢印Cを参照）。加圧空気は、燃焼器フロースリーブ２４及び燃焼器ライナ２６によって形成された環状通路を通って燃焼器入口２８に流れる（方向Ｃ−燃焼器内の燃焼ガスとは反対方向に）。

各燃焼器１０は、ガスタービンケーシング１８に固定されたほぼ円筒形の燃焼ケーシング４２を含む。燃焼ケーシングの入口端部２８は、端部カバーアセンブリ４４によって閉鎖され、端部カバーアセンブリ４４は、一層詳しく後述するように、ガス、液体燃料及び空気（また、必要に応じて水）を燃焼器に供給するようになった従来型の燃料及び空気供給管、マニホルド及び関連する弁を含むことができる。端部カバーアセンブリ４４は、燃焼器の長手方向軸線の周りに環状アレイの形態で配置された複数の（例えば、５つの）外側燃料ノズルアセンブリ３０、３２を受ける。外側燃料ノズルアセンブリ３２のアレイは、中心燃料ノズルアセンブリ３０の周りに配置され、中心燃料ノズルアセンブリ３は、外側燃料ノズルアセンブリ３２と比べて小型（寸法及び燃料流量に関して）とすることができる。

例えば合成ガス、水素、天然ガス或いはこれらのガスの２つ又はそれ以上の混合物のような燃料は、端部カバーアセンブリ４４に連結された燃料配管及びマニホルド３４によって各燃料ノズルアセンブリ３０、３２の入口に供給される。気体燃料は、ノズルアセンブリ３０、３２の軸線に沿って延びるガス通路シリンダを有する燃料ノズルアセンブリ３５への入口に流入する。気体燃料は、燃料ノズルアセンブリ３５の遠位端から空気管ガス通路４８内に吐出される。空気管は、該空気管内に収納されたノズルアセンブリと同心である。圧縮機空気Ｃは、入口２８に流入し、空気管を通って流れ、ノズルアセンブリ３５から吐出された気体燃料と混合する。燃料及び空気の混合気は、ノズルアセンブリ３０、３２の下流に位置する燃焼域４６内に流入する。

各燃料ノズルアセンブリ３０、３２は、制御した量の燃料−空気混合気を燃焼域に供給する。空気及び燃料は、初めに空気管４８の遠位端内で混合され、その混合気は、一般的に空気冷却式燃焼器内筒３６によって形成された燃焼域４６内に流れる。燃料−空気混合気の点火は、燃焼器１０間のクロスファイヤ管（図示せず）と共に点火プラグによって燃焼域内で達成される。燃焼域４６の下流端部において、高温燃焼ガスは、各燃焼器の出口端部２２をタービン（ブレード１６を参照）の入口端部に連結した二重壁移行ダクト４０を通って流れて、高温燃焼ガスをタービンに送給する。

図２は、燃焼器１０内の燃料ノズルアセンブリ３０、３２の側面断面図である。燃料ノズルアセンブリは、アセンブリ３０、３２の軸線に沿って延びる気体燃料ノズルアセンブリ３５を含む。ノズルは、空気管４８を貫通して延びる。端部カバーアセンブリ４４における燃料及び空気マニホルドは、それぞれノズル及び空気管に、制御した割合又は量で気体燃料及び空気を供給する。燃料ノズル３５及び空気管４８は、天然ガス式タービンの燃焼器用の燃料ノズルの従来型の構成要素とすることができる。例えば、米国特許出願公開第２００３−０１２１２６９号及び同第２００６−０２８８７０６号は、天然ガス燃料で作動することができる産業用ガスタービン用の例示的な燃料ノズルアセンブリを示している。

空気管４８は、薄い金属管で形成された円筒状ガス通路とすることができる。空気管は、該管内に収納された燃料ノズル３５と同心である。燃料ノズル３５の端部における燃料吐出ノズル（部）５０は、空気管４８内に位置する。空気管の遠位部分５２は、燃料吐出ノズル５０を越えて延びる。気体燃料は、ノズル５０から空気管の遠位部分５２内に吐出される。空気管を通って流れる圧縮機空気は、空気管の遠位部分内で気体燃料と混合し始める。

例えば半径方向ベーンを有する薄い金属ディスクのようなスワールベーン５４は、ノズル５０の上流で空気管内に位置させることができる。スワールベーンは、燃料との混合を促進しかつ燃焼域４６のより大きなボリューム内への混合気の膨張を促進する回転を空気流に与える。スワールベーンは、天然ガス用の空気燃料ノズル３０、３２の空気管内にしばしば含まれる従来型の構成要素である。スワールベーンは、水素ガス又は合成ガスで作動するように空気燃料ノズルを変更した時にそのままにしておくことができる。それに代えて、スワールベーンは、水素ガス又は合成ガスで作動するように空気燃料ノズルを変更した時に除去することもできる。スワールベーンを除去した場合には、ノズル３０、３２に対して新規なスワール構成要素を付加して、燃料−空気混合気にスワールを与えかつ燃料と空気との混合を促進させて、燃焼及び火炎安定性（保炎性）を保証するのが好ましい。変更した空気燃料ノズルは、天然ガス、水素、合成ガス、又はこれらのガスの組合せで作動可能にすることができる。微小スワーラを備えた多孔性構造体から吐出される燃料−空気混合気は、結果的に多数の微細な火炎を形成し、これが、ＮＯ_Ｘ、ＣＯの発生より低下させ、またより高い保炎性を生み出す。

高多孔性保炎器５６は、空気管４８の出口に配置することができる。保炎器は、空気管を通ってかつ燃焼域４６内に流入する燃料−空気速度を増大させるのを助ける。加えて、保炎器は、燃料−空気混合気にスワールを与えることができる。例えば小形ベーン又は螺旋状流路のような微小スワーラは、保炎器内に埋設することができる。保炎器は、火炎を捕捉して、保炎器上流方向に空気管内に火炎が伝播するのを防止する。保炎器はまた、高周波数熱音響振動を軽減するための受動的制御装置のようにも挙動する。

水素及び合成ガスの火炎速度は、かなり速く、例えばメタンのような天然ガスの火炎速度の例えば６〜７倍のように著しく速くなる可能性がある。火炎速度は、空気管を通って流れる空気−燃料混合気の流速を越える可能性がある。保炎器がない場合には、合成ガス又は水素の火炎は、上流方向に空気管及び燃料吐出ノズル内に伝播する可能性がある。そのような火炎の伝播を回避するために、保炎器は、燃料−空気混合気の速度を増大させ、かつ保炎器の下流面において火炎の伝播を捕捉する。

保炎器５６の高多孔性は、空気−燃料混合気が効果的な燃焼を行いかつタービン１６を駆動するのに十分なボリュームの高温燃焼ガスを燃焼域４６内に発生するのに十分な速度で保炎器の多孔性媒体を通って流れるのを可能にする。保炎器を通しての十分に高い圧力低下（右向き矢印５８で表す）は、高速度で移動する火炎（左向き矢印６０で表す）が保炎器の多孔性媒体を通って流入すること及び／又は通過することを防止するのに十分である。最適圧力低下は、気体燃料の火炎速度及び空気管を通る空気−燃料混合気の流速に応じて選ばれる。保炎器の多孔率及び厚さは、所望の圧力低下を達成するように選択される。圧力低下が適切に選択されているとすると、燃焼の上流方向における範囲は、多孔性媒体５６の下流面に隣接すべきである。従って、多孔性保炎器は、媒体５６の下流面から僅かに離して火炎を保持するのが好ましい。

保炎器の下流面は、例えば高温セラミックのような遮熱コーティング（ＴＢＣ）６２で被覆することができる。ＴＢＣは、燃焼火炎の例えば輻射及び伝導熱のような熱から保炎器を遮蔽する。ＴＢＣは、火炎に曝される保炎器の表面に施工されるのが好ましい。

図３は、例示的な保炎器５６の斜視図である。ハニカム構造体６４は、多孔性保炎器の１つの実施例である。単一の通路６６を示す点線によって、多数の通路のアレイを示している。流路６６は、ハニカム構造によって形成され、出口端部６８において絞ることができる。例えば、絞りは、通路間にバルバス又はアンビル状の側壁を形成するように端部６８を被覆することによって形成することができる。通路の出口を絞るように施工した皮膜は、遮熱コーティング（ＴＢＣ）とすることができる。ＴＢＣの盛り上がりは、通路内に流れ絞りを形成することができる。通路６６の出口端部の絞りは、保炎器５６を通しての所望の圧力低下を決定するために使用することができる。さらに、側壁の鈍端部は、空気と燃料との混合を強化しかつ保炎器の下流面における火炎の安定化に役立つ渦流を形成することができる。

さらに、通路６６は、保炎器を貫通してスパイラル又は螺旋状にすることができる。スパイラル又は螺旋状通路は、これが保炎器の上流にあるスワールベーンを補足するか或いは該スワールベーンと置き換わることができるスワールを燃料−空気混合気に与える。ハニカム構造体に加えて、保炎器は、相互連結繊維のマトリックス、メッシュ又はスポンジのような構造体で形成することもできる。これらは、例示的な構造体である。さらに、保炎器は、それを通して燃料−空気混合気を流すことができる各空気管の端部上に嵌合したディスク、各空気管の端部内に嵌合したプラグ、又は幾つかのその他の構造体とすることができる。保炎器は、燃焼器に必要な変更を最少限にした状態で燃焼器に付加されるのが好ましい。

本保炎器５６は、ガスタービンにおける天然ガス用燃焼器を水素又は合成ガスを燃焼させることができる燃焼器に転換するための比較的低コストかつ取付け容易な装置を構成することができる。天然ガス燃焼式ガスタービンを水素又は合成ガス燃焼式ガスタービンに転換するために、保炎器は、ガスタービンの各燃焼器の各燃料ノズル３０、３２における燃焼器内筒への吐出端部内に又は該吐出端部に隣接させて配置することができる。任意選択的に、スワールベーン５４を除去しかつ保炎器で置き換えることができる。さらに、燃料マニホルド及び燃料供給管路は、水素又は合成ガスを受入れるように変更することができる。

本保炎器５６は、高速火炎速度を有する燃料の場合であっても、燃焼域４６内での安定燃焼を促進する。安定燃焼の強化の潜在的利点は、安定燃焼を達成するための燃料−空気比（燃空比）を低下させることができることである。燃空比は、燃料ノズル３２内で混合される気体燃料と空気との割合である。安定燃焼を得るのが可能な燃空比の範囲を増大させることにより、窒素酸化物エミッションの低減、燃料節減の増大、燃焼温度の低下、及び許容可能な熱音響振動をもたらす燃空比を可能にすることができる。

現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、むしろ提出した特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更形態及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

産業用ガスタービンにおける燃焼器の側面断面図。 燃料−空気ノズルアセンブリの混合領域の側面断面図及び燃焼器の部分断面図。 多孔性保炎器の側面図。

符号の説明

１０ 燃焼器
１２ ガスタービン
１４ 圧縮機
１６ タービンブレード
１７ シャフト
１８ タービンケーシング
２０ 加圧空気入口
２２ 燃焼器出口
２４ 燃焼器フロースリーブ
２６ 燃焼器ライナ
２８ 燃焼器入口
３０ 中心空気−燃料噴射器
３２ 外側空気−燃料噴射器
３４ 燃料配管及びマニホルド
３５ 燃料ノズルアセンブリ
３６ 燃焼器内筒
３８ クロスファイヤ管
４０ 移行ダクト
４２ 円筒状燃焼ケーシング
４４ 端部カバーアセンブリ
４６ 燃焼域
４８ 空気管
５０ 燃料吐出ノズル
５２ 空気管の遠位部分
５４ スワールベーン
５６ 高多孔性保炎器
５８ 右向き矢印
６０ 左向き矢印
６２ 遮熱コーティング
６４ ハニカム構造体
６６ 流路
６８ 絞り出口

Claims (8)

1. ガスタービン（１２）における燃焼器（１０）用の空気−燃料アセンブリ（３０、３２）であって、当該空気−燃料アセンブリ（３０、３２）が、天然ガスと比べて火炎速度が高い水素又は合成ガス燃料を燃焼ガスとして燃焼可能であり、かつ
   中心軸線を有しかつ前記中心軸線に沿って延びる気体燃料噴射ノズル（３５）であって、気体燃料通路及び前記通路の遠位端における燃料ノズル部（５０）を含む気体燃料噴射ノズル（３５）と、
   前記燃料噴射ノズル（３５）と同心の空気管（４８）であって、該空気管（４８）と前記燃料噴射ノズル（３５）との間に空気通路を形成し、また前記燃料噴射ノズル（３５）を越えて軸方向に延びる遠位セクション（５２）を含む空気管（４８）と、
   前記空気管の遠位セクションによってかつ該空気管の遠位セクションの内部に形成され、また前記燃料噴射ノズル（３５）の下流に位置する第１の燃料―空気混合領域と、
   前記空気管（４８）の遠位セクション（５２）に取り付けられた多孔性構造体を含む保炎器（５６）であって前記第１の燃料―空気混合領域の下流端部を形成する保炎器（５６）と
   を含んでいて、前記第１の燃料―空気混合領域からの燃料及び空気が、前記保炎器の多孔性構造体を通ってから前記燃焼器の燃焼域内に流れる、空気−燃料アセンブリ。
2. 前記多孔性構造体（５６）が、前記空気管（４８）の遠位セクションの出口内に嵌合される、請求項１記載の空気−燃料アセンブリ。
3. 前記多孔性構造体（５６）が、前記空気管（４８）の遠位セクションの出口の全体にわたって延びる、請求項１又は請求項２記載の空気−燃料アセンブリ。
4. 前記多孔性構造体（５６）が、ハニカム構造体である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の空気−燃料アセンブリ。
5. 前記多孔性構造体（５６）が、空気−燃料混合気流路を含み、前記流路が、前記中心軸線に対して斜めになっている、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の空気−燃料アセンブリ。
6. 前記流路が、前記多孔性構造体（５６）を通って流れる空気−燃料混合気にスワールを与える、請求項５記載の空気−燃料アセンブリ。
7. 前記多孔性構造体（５６）が、前記燃焼域に面した表面上に遮熱コーティング（６２）を含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の空気−燃料アセンブリ。
8. 前記多孔性構造体（５６）が、燃料及び空気が該多孔性構造体を通って流れながらその中で混合する第２の燃料−空気混合領域を含む、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の空気−燃料アセンブリ。
   

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