JPH02230916A - 燃焼器システム、及び、排ガス燃焼火炉及びバーナ、及び排ガス燃焼方法 - 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、ガスタービン等の燃焼器を有する燃焼器シス
テムに係り、特に窒素酸化物（以下ＮＯｘという）を無
害な窒素に還元する燃焼器システム、及び排ガス燃焼火
炉及びバーナ，及び排ガス燃焼方法に関する． 〔従来の技術〕 従来の技術を具体的に説明するために、以下ガスタービ
ンの燃焼システムについて述べる。

ガスタービンからの排ガス中には、約１００〜３００ｐ
ｐｍのＮＯｘが含まれており、そのまま排出することは
、環境保全上好ましくない。また、排ガスは５００〜６
００℃の温度を有し、そのまま廃熱することは、省エネ
ルギ上も好ましくない。

廃熱回収については、ガスタービンの後段に廃熱回収を
目的とした熱交換器を用いて、温水や水蒸気を得て再利
用する方法が一般的に広く知られている．技術的にも特
に大きな問題はないと考えられる， ガスタービン燃焼器から発生するＮＯｘはサーマルＮＯ
ｘと言われる．空気中の窒素に起因するものであり，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、サーマルＮＯｘの生成を低減させるには、火炎
温度を上げないようにすればよい。現状、この原理に基
づく低ＮＯｘ燃焼法としては、燃焼器内に水蒸気又は燃
焼排ガスを注入する方法等もあるが、それらとは異なる
希薄燃焼法が主流となっている． 希薄燃焼法とは、大量の空気で火炎温度が上昇しないよ
う冷却する方法であり，高空気比燃焼をさせるものであ
る。なお、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
、１．０が等しい場合、１．０を超える場合が空気過剰
の高空気共、１．０未満が空気不足で燃料過剰の低空気
比である．希薄燃焼法に関するものとしては、実開昭５
７−１５４８５３号公報，実開昭５７−１６０３７３号
公報に記載されている。

以上述べた方法に対して，新たな方法として燃焼器内に
燃料を第１及び第２の２つの領域に分割して投入し、第
１の領域で燃焼させ，次いで、そこで発生したＮＯｘを
第２の領域の低空気比火炎にて還元し、後流で該第２の
領域から発生あるいは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，燃焼して低ＮＯｘ化を図る方
法が、特開昭６１−４１８１０号公報に開示されている
．〔発明が解決しようとする課題〕 しかしながら上記従来技術は、ガスタービン燃焼器内で
発生するＮＯｘをガスタービン燃焼器内で処理し、以っ
て、ガスタービンからの排ガス中のＮＯｘを低減しよう
とするものであるが、燃焼器から外部に排出される排ガ
スについては配慮がされておらず、尚且つＮＯｘが残留
するという問題があった。

本発明の目的は，ガスタービン等の燃焼器内で低ＮＯｘ
化した排ガスを，更に一層ＮＯｘを低減して排出する高
効率の燃焼器システムを提供することにある． 〔課題を解決するための手段〕 上記の目的を達成するために本発明の燃焼器システムは
、ガスタービン等の燃焼器を有する燃焼器システムにお
いて，前記燃焼器から排出される排出ガスを用いて燃料
を燃焼させることによって、該排出ガス中の窒素酸化物
を低減する火炉を具えたことを特徴とするものである。

該火炉をボイラとすることができる。

また本発明の排ガス燃焼火炉は、ガスタービン等の燃焼
器を有する燃焼器システムに具えられた排ガス燃焼火炉
であって、前記燃焼器からの排出ガスを噴出する第１の
ノズルと、該第１のノズルから噴出する排出ガス流れ後
流に、該排出ガス中の窒素酸化物を還元する低空気比火
炎を形成する第２のノズルとを有するものである。

また本発明に係る排ガス燃焼バーナは、ガスタービン等
の燃焼器を有する燃焼器システムに具えられた排ガス燃
焼火炉に具備され、前記燃焼器から排出される排出ガス
、あるいは該排出ガスと燃料との予混合気体を噴出する
ノズルを有することを特徴とし、該バーナは、２重管構
造、３重管構造、単管構造等の構造とすることができる
。

また本発明の排ガス燃焼方法は、ガスタービン等の燃焼
器から排出される排出ガス、又は該排出ガスと燃料との
予混合ガスを、燃料又は該燃料と空気との予混合気体の
火炎によって燃焼させることにより、前記排出ガス中の
窒素酸化物を低減する方法であり、該予混合気体を低空
気比としたり、別に空気比１程度の補助火炎を形成させ
る方法である． 〔作用〕 ガスタービン等の燃焼器からの排出ガスには、除去しき
れなかった窒素酸化物と多少の酸素（通常約１５％）が
含まれている。上記構成によれば、燃焼器からの排出ガ
スをボイラ等の火炉に導入し、この排出ガス中の酸素を
用いて燃料を不完全燃焼させることにより還元性ガスを
発生させ，このガスによって排ガス中の窒素酸化物を無
害の窒素に還元することができる。燃料を低空気比燃焼
させたり、補助火炎を用いることにより、この排ガス燃
焼過程を安定的に行うことができる。

そのため、最終的にシステムから大気中に排出される排
ガス中の窒素酸化物を殆ど無くすことが可能となる． 〔実施例〕 以下、本発明の一実施例を第１図により説明する．第１
図はガスタービン発電機システムを示したものである． コンプレッサ２１により圧縮空気を作り、その圧縮空気
と燃料供給管２２により供給される燃料によりガスター
ビン燃焼器２３を用いて、高温高圧の燃焼ガスを生成さ
せる。そのガスを用いてガスタービン２０を動作させ、
直結している発電機４ｏにより電気エネルギを得る。そ
して、ガスタービンからの排出ガス中には、通常１００
〜３００ｐｐｍのＮ　Ｏ　ｘを含有している。

本実施例では、ガスタービン２０から排出される排ガス
中のＮＯｘ（窒素酸化物）を火炉１ｏにて還元し、煙突
３０から排出している。

火炉１０には、ガスタービンから排出される燃焼ガスを
用いて、燃料を燃焼させる、低ＮＯｘ化を目的としたバ
ーナノズル１１が具備してある。

あるいは又、火炉内での低ＮＯｘ化を目的としたノズル
１２等の配置となっている。

以下、火炉１０に具備してある低ＮＯｘ化を目的とした
バーナノズル１１のいくつかの実施例を示す。

第２図に示すバーナの基本構造は、同心円の２重管構造
であり，内管５０と外管５１とに分かれる．内管からは
、燃料と空気とを予め混合した予混合気体が噴出され、
予混合火炎５２を形成する．該火炎５２の空気比は１未
満の低空気比火炎とする．なお，空気がない燃料の場合
も低空気比火炎に含むものとし、その場合には低空気比
拡散火炎となる．低空気比予混合火炎５２からは、Ｈ２
，ｃｏ等に代表される未燃成分を多量に含む燃焼ガスが
生成される。該燃焼ガスは、排ガス５３中のＮＯｘを還
元する性質を有する． 第３図にその実験データを示す．即ち、一定量のＮｏガ
スを予混合火炎中に添加し、該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，
（１）式の計算式にて求めた、脱硝率ηと空気比λとの
関係を示したものである。

なお、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ガスを添加して、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．図３によるならば、低空気比となる程脱硝率は高く
なっている。従って第２図中の外管５１から噴出される
ガスタービンからの排ガス５３と低空気比予混合火炎５
２の燃焼ガスとを，火炎後流で、混合させることにより
、窒素酸化物を還元できる． 一般に、予混合火炎は，燃焼火炎としての安定性が悪く
、吹き消えや逆火等が起り易い．そこで、第４図には、
火炎の安定化のため、パイロット補助火炎５５を低空気
比予混合火炎５２の外周で、且つガスタービンからの排
ガス流れ５３の内周に形成する実施例を示す．パイロッ
ト補助火炎５５は、外管５１と内管５ｏとの間に配置さ
れる配管５４（中管）から予混合ガスが噴出されて形成
される．空気比は、火炎として安定なλ＝１程度とする
． 以上、第２図及び第４図に示す実施例のバーナでは、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
は空気を用いた．以下に示す実施例では、酸素の供給源
としてガスタービンの燃焼排ガスを用いる。

ガスタービンからの排ガス中には通常１５％〜１６％程
度の酸素を含有しており、該酸素を用いて燃料を燃焼さ
せるものである．通常、空気を用いて燃焼させるところ
を、即ち２１％の酸素を用いて燃焼させるところを、低
酸素の排ガスを用いて燃焼させるため、低空気比火炎を
形成し易く，還元性ガスの生成を容易に行える．よって
、該火炎を形成するためのガスタービンからの排ガス中
に同時に含有されるＮＯｘが還元される効果を有する．
第３図に示す実験例と等価である．また、酸素が少ない
ために、火炎温度が高くならず、よってサーマルＮＯｘ
の生成が少ないということもできる．なお、この際、Ｇ
ｏ，Ｈ，等の未燃分が生成し、火炉１０から排出される
可能性がある場合には，アフターエアポート（ノズル１
２）から空気を供給して完全燃焼を行う。

第５図及び第６図に上記バーナの実施例を示す．第５図
は単管５８であり、ガスタービンからの排ガスと燃料と
を予混合して噴出するノズルである．第６図は２重管の
バーナである．内管６０は第５図に示す単管と同様であ
り、外管６１は内管からの予混合火炎を保炎して安定に
燃焼させるための空気比１程度の補助火炎を形成するた
めの、燃料と空気の予混合ガスを噴出する配管である。

以上迄述べてきた実施例によれば、バーナにより形成さ
れる火炎中で，ガスタービン排ガス中に含有する１　０
　０　〜３　０　０ｐｐｍ程度のＮＯｘを還元して低Ｎ
Ｏｘ化を図ることができる． 第７図に火炉１０全体としてガスタービンからの排ガス
中に含有するＮＯｘを還元する一実施例を示す．基本的
な考え方は，低空気比燃焼火炎から生成するＮＯｘ還元
性成分を多量に含む高温ガスと、ＮＯｘを含有する排ガ
スとを火炉ｌｏ内で混合させるものである．ガスタービ
ンからの排ガスを配管７ｏにてノズル７１へ導びき、排
ガス流れ７２を形成させる．該流れ後流に低空気比火炎
７３を形成させる．上記ガス流れ７２と低空気比火炎７
３中の還元性ガスが火炉１０内で混合し、酸化還元反応
を行って低ＮＯｘ化を行う．本実施例によれば、火炉１
０内でガスタービン排ガス中に含有するＮＯｘを還元し
て低ＮＯｘ化が図れる． 一般に低空気比の予混合火炎は安定に燃焼しない．そこ
で、第８図に示す様に、燃焼触媒８０をバーナノズルに
配置することにより、低空気比予混合火炎を安定に形成
できる。具体的には、第２図の内管５０、第４図の内管
５０、第５図、第６図の内管６０の出口付近に第８図と
同様に配置する。

第９図には、ガスタービンからの排ガス中のＮＯｘを低
減させる、上記で述べてきた火炉１０を廃熱回収機能を
有する廃熱回収ボイラとしたシステムの一実施例を示す
． 通常、ガスタービンからの排ガスは５００〜６００℃程
度の温度を有しており、そのまま廃棄することは、省エ
ネルギ上好ましくない。

そこで、ガスタービンから排出される燃焼ガスを用いて
、燃料を燃焼することによりＮＯｘを低滅する火炎内で
、当所５００℃程度のガスタービンからの排ガス温度を
１０００’Ｃ以上に高める。

その熱は、熱交換器９０により回収される。熱交換器９
ｏの中には液体（水）を流通させて、該液体の気体（水
蒸気）を生成させて、もってスチームタービン９１を動
作させる。スチームタービン９１には、発電器４０又は
冷凍機９２を直結させて電気エネルギ又は低温エネルギ
を得る。なお、スチームタービン９１出口から排出され
る気体（水蒸気）は凝縮器９３により、凝縮させて液体
（水）とする．即ち、凝縮器９３からの液体は，熱交換
器９０、スチームタービン９１を経て再び凝縮器９３へ
戻る閉鎖系となる。凝縮器９３は、外部より低温の流体
９４を導き、高温の流体９５を得る．該高温流体９５は
、例えば、ビル、地域等の集中暖房に供し得る。更に、
火炉１０からの排ガス温度は、２００”Ｃ程度となるよ
うに熱交換器９０は設計されるので、熱交換器９６によ
り冷却して、煙突３ｏから排出される。その際，高温流
体９７を得ることができるので、例えばビルや地域等の
集中暖房等に供し得る効果がある．本実施例では、ガス
タービンからの排ガス中に含有するＮＯｘの低減と同時
に、廃熱回収の効果も有する． 〔発明の効果〕 本発明によるならば、ガスタービンシステム等の燃焼器
システムからの排出ガス中に含有するＮＯｘの低減をシ
ステムとして達成出来るので、ガスタービン等の燃焼器
としては発生ＮＯｘ量等については、あまり考慮する必
要はなく，高効率を行う事ができ、従って、発熱量も増
大するので、システムとして高効率燃焼と低ＮＯｘ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ガスタービンシステム
の構成図、第２図は本実施例の一例を示す２重管構造パ
ーナの断面図、第３図は本発明の一実施例による空気比
λと脱硝率・ηとの関係を示すグラフ、第４図、第５図
、第６図はそれぞれ本実施例のパーナ構造の一例を示し
、第４図は３重管、第５図は単管、第６図は２重管の断
面図、第７図は本実施例の火炉の一例を示す断面図、第
８図は燃焼触媒を配置したバーナノズルの一実施例を示
す断面図、第９図はガスタービンシステムに本発明の一
実施例を用いた廃熱回収ボイラを適用したシステムの構
成図である。 １ｏ・・・火炉、１１，１２．７１・・・ノズル、２１
・・・コンプレッサ、２２，７０・・・配管、２３・・
・燃焼器、３０・・・煙突、４０・・・発電機，５　０
，５　１，５　４，６　０．６　１・・・配管、５　２
，５　５．７３・・・火炎、５　３．７　２・・・排ガ
ス流れ、８０・・・燃焼触媒、９　０，９　６・・・熱
交換器，９５．９７・・・高温流体，９４・・・低温流
体、９３・・・凝縮器，９１・・・スチームタービン、
９２・・・冷凍機（又は発電機）．

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ガスタービン等の燃焼器を有する燃焼器システムに
   おいて、前記燃焼器から排出される排出ガスを用いて燃
   料を燃焼させることによって、該排出ガス中の窒素酸化
   物を低減する火炉を具えたことを特徴とする燃焼器シス
   テム。 ２、ガスタービン等の燃焼器を有する燃焼器システムに
   おいて、前記燃焼器から排出される排出ガスをボイラに
   導入し、該ボイラ中で該排出ガスを用いて燃料を燃焼さ
   せることにより、該排出ガス中の窒素酸化物を還元する
   ものであることを特徴とする燃焼器システム。 ３、ガスタービン等の燃焼器を有する燃焼器システムに
   おいて、前記燃焼器から排出される排出ガスと熱交換を
   する廃熱回収装置を具え、該装置で該排出ガスを用いて
   燃料を燃焼させることにより、該排出ガス中の窒素酸化
   物を還元するものであることを特徴とする燃焼器システ
   ム。 ４、ガスタービン等の燃焼器を有する燃焼器システムに
   おいて、前記燃焼器から排出される排出ガスを用いて燃
   料を燃焼させることによって、該排出ガス中の窒素酸化
   物を還元する燃焼装置を有するボイラを具え、該ボイラ
   から発生する温水又は水蒸気を、蒸気タービンの駆動又
   は冷凍機又は暖房用装置等に利用するものであることを
   特徴とする燃焼器システム。 ５、ガスタービン等の燃焼器を有する燃焼器システムに
   おいて、前記燃焼器から排出される排出ガスを用いて燃
   料を低空気比で燃焼することによって、該排出ガス中の
   窒素酸化物を還元する燃焼装置を具備したことを特徴と
   する燃焼器システム。 ６、ガスタービン等の燃焼器を有する燃焼器システムに
   具えられ、該燃焼器から排出される排出ガスを用いて燃
   料を燃焼することによって、該排出ガス中の窒素酸化物
   を還元するものである排ガス燃焼火炉。 ７、ガスタービン等の燃焼器を有する燃焼器システムに
   具えられ、該燃焼器から排出される排出ガスを用いて燃
   料を低空気比で燃焼させることによって、該排出ガス中
   の窒素酸化物を還元するものである排ガス燃焼火炉。 ８、ガスタービン等の燃焼器を有する燃焼器システムに
   具えられた排ガス燃焼火炉であって、前記燃焼器からの
   排出ガスを噴出する第１のノズルと、該第１のノズルか
   ら噴出する排出ガス流れ後流に、該排出ガス中の窒素酸
   化物を還元する低空気比火炎を形成する第２のノズルと
   を有するものである排ガス燃焼火炉。 ９、ガスタービン等の燃焼器を有する燃焼器システムに
   具えられた排ガス燃焼火炉に具備され、前記燃焼器から
   排出される排出ガス、あるいは該排出ガスと燃料との予
   混合気体を噴出するノズルを有することを特徴とする排
   ガス燃焼バーナ。 １０、ガスタービン等の燃焼器から排出される排出ガス
   を用いて燃料を燃焼させることによって、該排出ガス中
   の窒素酸化物を低減させる排ガス燃焼方法。 １１、ガスタービン等の燃焼器から排出される排出ガス
   を火炉に導入し、該火炉において該排出ガスを用いて燃
   料を低空気比燃焼させることによって、該排出ガス中の
   窒素酸化物を低減させる排ガス燃焼方法。 １２、ガスタービン等の燃焼器から排出される排出ガス
   、又は該排出ガスと燃料との予混合ガスを、燃料又は該
   燃料と空気との予混合気体の火炎によって燃焼させるこ
   とにより、前記排出ガス中の窒素酸化物を低減する排ガ
   ス燃焼方法。