JPH02115532A - ガスタービンシステムおよびその燃焼駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はガスタービンシステムおよびその燃焼駆動方法
に係り、特に、ガスタービンが排出する排ガスの中のチ
ッ素酸化物を無害なチッ素として排出するに好適なガス
タービンシステムおよびその燃焼駆動方法に関する。

〔従来の技術〕

火力発電プラントに採用されているガスタービンシステ
ムにおいては、コンプレッサで空気を圧縮し、圧縮した
空気と炭化水素系の燃料とをガスタービン燃焼器内で燃
焼し、この燃焼により発生する熱エネルギーをガスター
ビンに供給してガスタービンを駆動し、ガスタービンの
駆動により発電機を運転して電力を発生させる構成が採
用されている。

ガスタービンから排出する排ガスは５００〜６００”Ｃ
の温度を有するため、そのまま排ガスを排出したのでは
省エネルギー上好ましくない、そこで、ガスタービンの
排気系に廃熱回収を目的とした熱交換器を設置し、熱交
換器により温水や水蒸気を得て廃熱を再利用する方法が
一般的におこなわれている。

一方、ガスタービンから排出する排ガス中にはチッ素酸
化物（以下ＮＯｘという）が含まれている。このＮＯｘ
は、ガスタービン燃焼器で空気と燃料との混合気を燃焼
した際発生するものであり、燃焼温度が上昇するに従っ
て発生量が増大する傾向にある。

そこで、ガスタービン燃焼器から発生するサーマルＮＯ
ｘの発生を低減させるために、燃焼温度を下げて混合気
を燃焼する方法が提案されている。

すなわち、ガスタービン燃焼器内に水蒸気又は燃焼排ガ
スを注入しながら混合気を燃焼し、火炎温度の上昇を抑
制するものである。ところが、この方法では設備が大が
かりとなるため、希薄燃焼法によってガスタービン燃焼
器の燃焼を制御する方法がおこなわれている。

希薄燃焼法とはガスタービン燃焼器内に大量の空気を注
入して高空気比で混合気を燃焼させ、火炎温度の上昇を
抑制する方法である。ここで、空気比とは、投入した燃
料を完全燃焼させるに必要な理論空気量と実際に投入し
た空気量との比であり、空気比１．０とは投入した空気
量が理論空気量に等しい場合である。空気比１．０以上
のときには空気過剰の高空気比状態であり、空気比１．
０未満のときには空気不足すなわち燃料過剰の低空気比
である。この希薄燃焼法に関するものとしては、実開昭
５７−１５４８５３号公報、実開昭５７−１５０３７３
号公報に記載されているものが知られている。

また、上述した方法とは異なるものとしては、特開昭６
１−４１８１０号公報に記載されているように、ガスタ
ービン燃焼器内を第１および第２の領域に分割し、第１
の領域では空気比１．２程度で燃焼させ、次いで第１の
領域で発生したＮ。

Ｘを第２の領域へ導き、酸素濃度が低く、還元性可燃性
気体を多量に含む第２の領域の低空気比火炎でＮＯｘを
還元し、この後筒２の領域から発生あるいは第２の領域
に残存する可燃性気体をアフタエアポートからの空気で
酸化して燃焼し、低ＮＯｘ化を図るものが提案されてい
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では、ガスタービン燃焼器から発生ずＮＯ
ｘはガスタービン燃焼器内で処理し、ガスタービンから
排出する排ガス中のＮＯｘを低減する方法を採用してい
るが、この方法では、排ガス中（７１Ｎ　Ｏｘを１００
〜３００ｐｐｍ以下にすることは困難であった。

本発明の目的は、ガスタービンから排出する排ガス中の
ＮＯｘ成分を少なくすることができるガスタービンシス
テムを提供することにある。

本発明の他の目的は、ガスタービンから排出する排ガス
中のＮＯｘを少なくすることができるとともにガスター
ビンを効率よく運転することができるガスタービンの燃
焼駆動方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的を達成するために１本発明は、第１のシステム
として、酸素と炭化水素系の燃料を含む混合気を燃焼し
、燃焼ガスの熱エネルギーによりガスタービンを駆動す
るガスタービンシステムにおいて、燃料とガスタービン
からの排ガスとを受け、これら混合気を燃焼する火炉を
ガスタービン排気系に有するガスタービンシステムを構
成したものである。

第１のシステムを含む第２のシステムとして、火炉は火
炉内に低空気比火炎を形成するバーナを備え、このバー
ナは、燃料とガスタービンからの排ガスとの予混合ガス
を噴射する単管のノズルで構成されてなるガスタービン
システムを構成したものである。

第１のシステムを含む第３のシステムとして、火炉は火
炉内に低空気比火炎を形成するバーナを備え、このバー
ナは、燃料あるいは燃料と空気との混合気を噴射する第
１ノズルと、ガスタービンからの排ガスを噴射する第２
ノズルとを有し、第１ノズルと第２ノズルとがほぼ同心
円状の２重管で構成されてなるガスタービンシステムを
構成したものである。

第１のシステムを含む第４のシステムとして、火炉は火
炉内に低空気比火炎を形成するバーナを備え、このバー
ナは、燃料とガスタービンからの排ガスとの予混合ガス
を噴射する第１ノズルと。

空気比がほぼ１程度の補助火炎形成用の燃料と空気の予
混合ガスを噴射する第２ノズルとを有し、第１ノズルと
第２ノズルとによりほぼ同心円状の２重管を構成してな
るガスタービンシステムを構成したものである。

第１のシステムを含む第５のシステムとして、火炉は火
炉内に低空気比火炎を形成するバーナを備え、このバー
ナは燃料あるいは燃料と空気との混合気を噴射する第１
ノズルと、空気比がほぼ１程度の補助火炎形成用の燃料
と空気の予混合ガスを噴射する第２ノズルと、ガスター
ビンからの排ガスを噴射する第３ノズルとを有し、各ノ
ズルのうち少なくとも第１ノズルと第２ノズルとが相隣
接して配置され、各ノズルによりほぼ同心円状の三重管
を構成してなるガスタービンシステムを構成したもので
ある。

第１のシステムを含む第６のシステムとして、火炉は、
ガスタービンからの排ガスを火炉内に噴射する第１ノズ
ルと、第１ノズルから火炉内に噴射された排ガス中に燃
料あるいは燃料と空気との混合気を噴射する第２ノズル
を備え、前記各ノズルから噴射するガスにより火炉内に
低空気比火炎を形成してなるガスタービンシステムを構
成したものである。

第２〜第６のシステムのうちいずれかのシステムを含む
第７のシステムとして、ノズルの流体噴射通路に燃焼触
媒を配置してなるガスタービンシステムを構成したもの
である。

第１〜第７システムのうちいずれかのシステムを含む第
８のシステムとして、ガスタービンの排気系に火炉から
発生する熱エネルギーを回収する廃熱回収手段を有する
ガスタービンシステムを構成したものである。

第８のシステムを含む第９のシステムとして、廃熱回収
手段により回収された熱エネルギーは冷暖房システムの
熱エネルギー源であるガスタービンシステムを構成した
ものである。

第２の目的を達成するために、本発明は、酸素と炭化水
素系の燃料を含む混合気を空気比１程度で燃焼し、この
燃焼による熱エネルギーでガスタービンを駆動し、燃料
とガスタービンから排出する排ガスとをガスタービン排
気系の火炉内に導き、これらの混合気を低空気比で燃焼
するガスタービンシステムの燃焼駆動方法を採用したも
のである。

〔作用〕

ガスタービンから排出する排ガスを火炉内に導き、排ガ
スを火炉内で再燃焼させるようにしたため、不完全燃焼
ガスがＮＯｘの還元剤として機能し、ＮＯｘがＮ２に変
換される。これによりガスタービンから排出する排ガス
中のＮＯｘ成分を少なくすることが可能となる。

ガスタービンから排出する排ガスを火炉内で不完全燃焼
させるとともに、ガスタービンへ送給するためのガスを
空気比１程度で燃焼して生成する。

すなわちガスタービン燃焼器において、混合気を空気比
１程度で燃焼し、ガスタービン燃焼器から発生するガス
の温度を高温度状態に維持する。これによりガスタービ
ンの効率を高めることができる。この場合、ガスタービ
ン燃焼器を空気比１程度で運転するとガスの温度は高く
なるのがその分ＮＯｘ成分は多くなる。ところがＮＯｘ
が増加した分ガスタービンの排気系でＮＯｘ成分の低減
処理をおこなうことによってガスタービンシステムの効
率の向上を図るとともに低ＮＯｘ化が図れる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図において、火力発電プラントの発電機１０はガス
タービン１２とコンプレッサ１４に連結されており、ガ
スタービン１２にはガスタービン燃焼器１６により生成
された高温高圧の燃焼ガスが供給されるようになってい
る。ガスタービン燃焼器１６には燃料供給管１８を介し
て炭化水素系の燃料、例えばＣＨ４が供給されていると
ともにコンプレッサ１４から圧縮空気が供給されている
。そしてこれらの混合気がガスタービン燃焼器１６で燃
焼し、高温高圧の燃焼ガスとしてガスタービン１２に送
給されるようになっている。この熱エネルギーによりガ
スタービン１２が発電機１０を回転邸動すると、熱エネ
ルギーが電気エネルギーに変換される。このとき、ガス
タービン燃焼器１６内で混合気を高空気比で燃焼した場
合でも、ガスタービン１２から排出する排ガス中には通
常１００〜３００ｐｐｍのＮＯｘ成分が含まれている。

ガスタービン１２の排気系には火炉２０と煙突２２が設
けられており、ガスタービン１２と火炉２０とが管２４
を介して連結されており、火炉２０と煙突２２とが管２
６を介して連結されている。

そして管２４の端部にはガスタービン１２からの排ガス
を火炉２０内へ導くバーナ２８と火炉２０内へ酸素を供
給するためのノズル３０が設けられている。またバーナ
２８には管３２を介して燃料（ＣＨ４）あるいは燃料と
空気との予混合ガスが供給されるようになっている。そ
してバーナ２８はガスタービン１２からの排ガスと燃料
との混合気を火炉２０内で不完全燃焼させるために、低
空気比火炎を形成するように構成されている。

バーナ２８をほぼ同心円状の２重管で構成した場合には
、第２図に示されるように、第１ノズル３４を内管とし
、第２ノズル３６を外管とし、第１ノズル３４と第２ノ
ズル３６とをほぼ同心円状に配置することによってバー
ナ２８を構成することができる。この場合、第１ノズル
３４には燃料あるいは燃料と空気との予混合ガスを送給
し、第２ノズル３６にはガスタービン１２からの排ガス
を送給する。この状態でバーナ２８を着火すると、第１
ノズル３４から予混合火炎３８が発生し、予混合火炎３
８の周囲に排ガス４０が噴射される。

この予混合火炎３８は空気比１未満の低空気比火炎であ
り、排ガス４ｏが予混合火炎３８により不完全燃焼され
る。すなわち、予混合火炎３８がらはＨ２、ＣＯなどの
未燃成分を多量に含む燃焼ガスが生成され、排ガス４ｏ
が不完全燃焼される。

これにより排ガス４０中のＮＯｘが還元され、ＮＯｘ成
分の低減が図れる。

ここで、空気比１未満の低空気比火炎で排ガス４０を燃
焼するとＮＯｘを還元することができる実験データを第
３図に示す。

第３図における実験データは、一定量のＮｏガスを予混
合火炎中に添加し、この予混合火炎の空気比λを変化さ
せた際に、排ガス中に測定されるＮｏ量について次の（
１）式に従って求め、脱硝率ηと空気比λとの関係を示
したものである。

・・・・・・　（１） ここで、初期ＮＯ濃度とは火炎形成時と等量の燃料と空
気の予混合気体中にＮｏガスを添加し、燃焼させずに流
通した際に燃焼器出口で測定されるＮｏガスの濃度であ
る。

第３図から、低空気比となるほど脱硝率が高くなってい
ることが理解される。したがって、排ガス４ｏと予混合
火炎３８の燃焼ガスとを火炎後流で混合させることによ
りＮＯｘを還元することができる。

次に、第４図に示されるように、第１ノズル４２、第２
ノズル４４、第３ノズル４６をほぼ同心円状に配置して
３重管のバーナ２８Ａを構成することができる。この場
合、第１ノズル４２には燃料と空気との予混合ガスを供
給し、第２ノズル４４には空気比がほぼ１程度の補助火
炎形成用の燃料と空気の予混合ガスを供給する。そして
第３ノズル４６にガスタービン１２からのガスを供給す
る。この状態でバーナ２８Ａを着火すると第１ノズル４
２先端側に低空気比混合火炎４８が形成され、第２ノズ
ル４４の先端側にパイロット補助火炎５０が形成される
。パイロット補助火炎５０は空気比が火炎として安定な
１程度に設定されているため、第２図に示すバーナ２８
よりも、吹き消えや逆火が起りにくく、低空気比予混合
火炎４８を常に安定した状態で形成することができる。

ところで、バーナ２８．２８Ａでは、低空気比予混合火
炎を形成する酸化剤としての酸素の供給源は空気を用い
ていたが、酸素の供給源としてガスタービン１２から排
出する排ガスを用いることも可能である。すなわち、ガ
スタービン１２からの排ガス中には、通常１５〜１６％
程度の酸素が含まれているため、この酸素を用いて燃料
を燃焼させることも可能である。この場合１通常の空気
中には酸素が２１％程度含まれているが、排ガス中の酸
素を用いて燃焼させると燃料が低空気比で燃焼されるた
め、低空気比火炎を形成しやすく還元性ガスの生成を容
易におこなうことができる。

これらのことを考慮して形成されたバーナの構成が第５
図および第６図に示されている。

第５図に示されるバーナ２８Ｂは単管構造のノズル５２
でバーナ２８Ｂを構成したものであり、ノズル５２にガ
スタービン１２からの排ガスと燃料との予混合ガスを供
給すると、ノズル５２の先端側に低空気比火炎を形成す
ることができる。

第６図に示されるバーナ２８Ｃは、第１ノズル５４と第
２ノズル５６とをほぼ同心円状に配置して構成したもの
である。第１ノズル５４にガスタービン１２からの排ガ
スと燃料との予混合ガスを供給し、第２ノズル５６には
、空気比がほぼ１程度の補助火炎形成用の燃料と空気の
予混合ガスを供給することによって第１ノズル５４先端
側に低空気比予混合火炎を形成し、第２ノズル５６の先
端側にパイロット補助火炎を形成することができる。

バーナとしてバーナ２８Ｂ、２８Ｃを用いて火炉２ｏ内
にＣＯ，Ｈ，などの未燃分が生成された場合には、ノズ
ル３０から火炉２０内に空気を供給することによって未
燃分を完全燃焼させることができる。

次に、火炉２０全体としてガスタービン１２からの排ガ
ス中に含まれるＮ　Ｏｘを還元する実施例を第７図に示
す。この場合、火炉２０に第１ノズル５８と第２ノズル
６０を設け、ガスタービン１２からの排ガスを第１ノズ
ル５８を介して火炉２０内に導き、火炉２０内に排ガス
流れ６２を形成する。さらに第２ノズル６０には燃料と
空気との予混合ガスを供給し、排ガス流れ６２の後流に
低空気比火炎６４を形成する。これにより低空気比火炎
６４から発生する還元性ガスと排ガス流ｔＬ６２とが火
炉２０内で混合し、酸化還元反応によって排ガス中のＮ
Ｏｘ成分が低減する。

本実施例によれば、火炉２ｏ内でガスタービン１２から
排出する排ガス中に含有するＮＯｘを還元して低ＮＯｘ
化が図れる。

また前記各実施例において、第８図に示されるように、
低空気比火炎を形成するためのノズルの流体噴射通路に
白金などの燃焼触媒６６を配置すれば、酸素や燃料が燃
焼触媒６６に付着した際燃焼触媒６６から熱が発生する
ため、低空気比火炎で安定した状態で形成することがで
きる。

次に、火炉２０内に火炉２０内の熱エネルギーを回収す
る廃熱回収手段としての熱交換器を設けた場合の構成が
第９図に示されている。

第９図において、火炉２０内には、熱交換器６８が設け
られており、熱交換器６８は冷暖房システムの冷媒循環
路中に挿入されている。すなわち、熱交換器６８はスチ
ームタービン７ｏと凝縮器７２とを結ぶ配管７４中に挿
入されている。この熱交換器６８は火炉２０内の燃焼ガ
スによって加熱され、スチームタービン７０からの水を
水蒸気に変換させて凝縮器７２に送給するようになって
いる。すなわち、ガスタービン１２から排出する排ガス
の温度は５００℃程度であるが、火炉２０内の燃焼ガス
は１０００℃以上となるため、熱交換器６８による熱交
換が円滑におこなわれる。

凝縮器７２に供給された水蒸気は凝縮器７２にて凝縮さ
れてスチームタービン７０へ送給される。

そしてスチームタービン７０の駆動によって冷凍機また
は発電機８０が駆動され、熱交換器６８が回収した熱エ
ネルギーが駆動エネルギーに変換される。なお、凝縮器
７２に外部から供給される低温の流体７６は高温の流体
７８に変換される。

また、火炉２０から排出する燃焼ガスの温度は２００℃
程度となるように、熱交換器６８が構成されており、管
２６の管の途中に熱交換器８２を設ければ、熱交換器８
２によってもさらに廃熱を回収することができる。この
熱交換器８２で回収された熱エネルギーを、例えばビル
や地域などの集中冷暖房システムのエネルギー源として
用いることができる。

ところで、ガスタービン１２を運転するに際して、第１
ｏ図に示されるように、ガスタービン燃焼器１６を高空
気比で燃焼すると、ガスタービン燃焼器１６から発生す
る燃焼ガス中のＮＯｘ成分を少なくすることはできるが
、その分掛ガスの温度が低下するとともに効率が低下す
る。そこで。

ガスタービン燃焼器１６で混合気を燃焼する際、空気比
１程度で混合気を燃焼し、燃焼ガスの温度を最も高い状
態に維持する。そしてガスタービン１２からの排ガスを
火炉２０内で低空気比で燃焼すれば、ガスタービン１２
からの排ガスの温度を高めることができるとともに、排
ガス中に含まれるＮＯｘ成分を低減することができ、ガ
スタービンシステムの高効率化とＮＯｘの低減がともに
可能となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、ガスタービンの
排気系でガスタービンの排ガスと燃料との混合気を不完
全燃焼させるようにしたため、排ガス中のＮＯｘ成分を
低減することができる。

火炉にバーナを設けて低空気比火炎を形成すれば、安定
した状態で排ガスの燃焼をおこなうことができるととも
に火炉を小型のもので構成することができる。

バーナにパイロット補助火炎を形成するためのノズルを
設ければ、低空気比火炎を安定した状態で形成すること
ができる。さらにバーナに燃焼触媒を設ければ、低空気
比火炎をさらに安定した状態で形成することができる。

ガスタービンを運転するに際して、ガスタービンへ送給
するための燃焼ガスを、燃料と酸素との混合比を空気比
１程度で燃焼して生成し、さらにタービンの排ガスを火
炉内で不完全燃焼させれば、排ガス中のＮＯｘ成分の低
減とともにガスタービンシステムの高効率化を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は２重
管構造のバーナの構成図、第３図は空気比と脱硝率との
関係を示す線図、第４図は３重管構造のバーナの構成図
、第５図は単管構造のバーナの構成図、第６図は２重管
構造のバーナの構成図、第７図は炉内脱硝の構成説明図
、第８図は燃焼触媒の構成図、第９図は本発明の応用例
を示す構成図、第１０図は空気比と燃焼ガスとの関係を
説明するための図である。 １０・・・発電機、１２・・・ガスタービン。 １４・・・コンプレッサ・ １６・・・ガスタービン燃焼器、２０・・・火炉、２８
．２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ・・・バーナ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、酸素と炭化水素系の燃料を含む混合気を燃焼し、燃
   焼ガスの熱エネルギーによりガスタービンを駆動するガ
   スタービンシステムにおいて、燃料とガスタービンから
   の排ガスとを受け、これら混合気を燃焼する火炉をガス
   タービン排気系に有することを特徴とするガスタービン
   システム。 ２、火炉は火炉内に低空気比火炎を形成するバーナを備
   え、このバーナは、燃料とガスタービンからの排ガスと
   の予混合ガスを噴射する単管のノズルで構成されてなる
   請求項１記載のガスタービンシステム。 ３、火炉は火炉内に低空気比火炎を形成するバーナを備
   え、このバーナは燃料あるいは燃料と空気との混合気を
   噴射する第１ノズルと、ガスタービンからの排ガスを噴
   射する第２ノズルを有し、第１ノズルと第２ノズルとが
   ほぼ同心円状の２重管で構成されてなる請求項１記載の
   ガスタービンシステム。 ４、火炉は火炉内に低空気比火炎を形成するバーナを備
   え、このバーナは燃料とガスタービンからの排ガスとの
   予混合ガスを噴射する第１ノズルと、空気比がほぼ１程
   度の補助火炎形成用の燃料と空気の予混合ガスを噴射す
   る第２ノズルとを有し、第１ノズルと第２ノズルとによ
   りほぼ同心円状の二重管を構成してなる請求項１記載の
   ガスタービンシステム。 ５、火炉は火炉内に低空気比火炎を形成するバーナを備
   え、このバーナは燃料あるいは燃料と空気との混合比を
   噴射する第１ノズルと、空気比がほぼ１程度の補助火炎
   形成用の燃料と空気の予混合ガスを噴射する第２ノズル
   と、ガスタービンからの排ガスを噴射する第３ノズルと
   を有し、各ノズルのうち少なくとも第１ノズルと第２ノ
   ズルとが相隣接して配置され、各ノズルによりほぼ同心
   円状の三重管を構成してなる請求項１記載のガスタービ
   ンシステム。 ６、火炉は、ガスバーナからの排ガスを火炉内に噴射す
   る第１ノズルと、第１ノズルから火炉内に噴射された排
   ガス中に燃料あるいは燃料と空気との混合気を噴射する
   第２ノズルを備え、前記各ノズルから噴射するガスによ
   り火炉内に低空気比火炎を形成してなる請求項１記載の
   ガスタービンシステム。 ７、ノズルの流体噴射通路に燃焼触媒を配置してなる請
   求項２〜６のうちいずれかの項に記載のガスタービンシ
   ステム。 ８、ガスタービンの排気系に火炉から発生する熱エネル
   ギーを回収する廃熱回収手段を有する請求項１〜７のう
   ちいずれかの項に記載のガスタービンシステム。 ９、廃熱回収手段により回収された熱エネルギーは冷暖
   房システムの熱エネルギー源である請求項８記載のガス
   タービンシステム。 １０、酸素と炭化水素系の燃料を含む混合気を空気比１
   程度で燃焼し、この燃焼による熱エネルギーでガスター
   ビンを駆動し、燃料とガスタービンから排出する排ガス
   とをガスタービン排気系の火炉内に導き、これらの混合
   気を低空気比で燃焼することを特徴とするガスタービン
   システムの燃焼駆動方法。