JPH0252930A - ガスタービン燃焼器 - 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】 し発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、触媒を用いて燃料を燃焼させるガスタービ
ン燃焼器に関し、さらに詳しくはガスタービン発電シス
テム等に用いられる窒素酸化物（ＮＯＸ＞の発生の少な
いガスタービン燃焼器に関する。

（従来の技術） 近年、石油資源等の枯渇化に伴ない、種々の代替エネル
ギが要求されているが、同時にＴネルギ資源の効率的な
使用も要求されている。これらの要求に答えるものの中
には、例えば燃料として天然ガスを使用づるガスタービ
ン・スチームタービン複合サイクル発電システム、ある
いは石炭１ｆス化ガスタービン・スチームタービン複合
サイクル発電システムがあり、現在検討されつつある。

これらのガスタービン・スチームタービン複合サイクル
発電システムは、化石燃料を使用した従来のスチームタ
ービンによる発電システムに比較して発電効率が高いた
め、将来生産量の増加が予想される天然ガスや石炭ガス
等の燃料を有効に電力に変換できる発電システムとして
期待されている。

このようなガスタービン発電システムに使用されている
ガスタービン燃焼器では、従来より燃料と空気との混合
ガスをスパークプラグ等を用いて着火して均一な燃焼を
行っている。第６図に従来のガスタービン燃焼器の一例
が示されている。このガスタービン燃焼器においては、
燃料ノズル１から噴射された燃料２が燃焼用空気３と混
合され、スパークプラグ４により着火されて燃焼する。

そして、燃焼した気体、すなわち燃焼ガスは、冷却空気
５及び希釈空気６が加えられて、所定のタービン入口温
度まで冷却、希釈された後、タービンノズル７からガス
タービン内に噴射される。８はスワラ−である。

このような従来のガスタービン燃焼器における重大な問
題点の一つは、燃料の燃焼時に多量のＮＯＸが生成して
環境汚染等の悪影響を及ぼすことである。そして、この
ＮＯｘが生成する理由は、燃料の燃焼時において、燃焼
器内には部分的に２０００℃を超える高温部が存在する
ことにある。

このようなガスタービン燃焼器の問題点を解決するため
に、種々の燃焼方式が検問されており、最近では同相触
媒を用いた触媒燃焼方式が提案されている。この触媒燃
焼方式は、触媒を用いてＪ３つ、通常の燃焼器では燃焼
しない稀薄な燃料を燃焼させることができ、そのため燃
焼温度はＮＯＸが発生する程には高温にならない。また
、タービン入口温度も従来のものと変わりないものとげ
ることが可能である。

第７図は、触媒燃焼方式に用いる燃焼器の一例である。

図中の符号のうち第６図に示したものと同一のものはそ
れぞれ同一の要素を表わしている。

この燃焼器は、ｎ１ノズル９を備えると共に、ガス流路
−Ｆに触媒体１０を備えることが構造、トの特徴である
。触媒体１０には、通常、ハニカム構造の燃焼触媒が充
填されていて、ここで燃料と空気の混合気体が燃焼さＵ
られる。

しかしながら、このようなガスタービン燃焼器にも、次
のような問題点がある。つまり、ガスタービンで要求さ
れるタービンへの噴射燃焼ガス温度は約１１００℃程度
であるため、その温度まで混合ガスを触媒体で燃焼させ
た場合、触媒体それ自身は１１００℃より高温度まで加
熱されて触媒体が損壊してしまうという問題点である。

本発明の発明者らの実験においても、触媒体１０の温度
が１１００〜１３００℃まで胃、渇してしまうことがＭ
！認されている。そのような状況下にあるにも拘らず、
１１００〜１３００℃の高温下での耐性に優れた触媒体
が現状では存在しない。

そこで、本発明者らは、触媒体１０の下流における気相
燃焼を有効に利用し、触媒体１０への熱による負荷を低
減ｕしめた触媒燃焼法を先に提案した（特願昭５８−２
２９９６７号）。この方法（ま、第８図に示すように、
まず燃料２と空気３との混合ガスを触媒体１０で燃焼さ
せる方法である。

通常、触媒体１０においては、難燃性燃料を用いる場合
、触媒反応による燃焼と気相燃焼とが同時に生起するが
、上記の提案にＪ３いては、触媒反応による燃焼のみが
生起するように混合ガスの燃料濃度、４度、流慴などを
コントロールしている。

したがって、触媒体は気相燃焼を伴なわないので高温に
はならず、燃料もその一部だけが燃焼して、未燃燃料を
含む燃焼ガスが触媒体１０から排出される。

上記の（に案においては、排出された燃焼ガスに対して
、さらに第８図に示す触媒体１０の下流に設けられた燃
料供給管１１より新たに燃料を加えることにより、その
ガス中にｉｔ３ける燃料１１３度を高めて触媒体１０の
下流で気相燃焼を生起さけ、燃焼ガスの高温化を可能と
した。このことにより、触媒体の高温劣化をなくずと杖
に低ＮＯｘ完全燃焼を達成したのである。なお、空・気
の全供給湯に対する燃ｒ１の全供給量の割合を高くすれ
ばＮＯｘの発生量も多くなるが、その分、ガスタービン
に供給する燃焼ガスを高温にすることができる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記提案にＪ３ける触媒体下流での気相
燃焼には、次のような問題点がある。それは、融媒体１
０から排出された燃焼ガスの流れに対して、燃料供給管
１１より空気が混合されていない高濃度の燃料を加える
ために生ずる燃料濶度分布の不均一である。すなわち、
触媒体１０の下流にＪ５いて、部分的に燃料濃度の高い
場所と低い場所とが生ずるのである。イの結果、部分的
に燃料濃度が高い場所では、その燃焼温億が高くならざ
るを冑ず、ＮＯｘの発生を招くのである。

このような問題点を解決するために、触媒体１０の下流
側に燃料潤度分布を均−化層るような燃料供給部が望ま
れる。このような燃料供給部としては、燃焼器内部から
燃料を供給する方式と、燃焼器殻壁１２から燃焼器内へ
燃料を噴出さびる方式がある。

燃料濃度分布の均一性を得るには燃焼器内部から燃料を
供給する方式の方が容易であるが、高温ガス中に燃料供
給部をさらすことになるために燃料供給部の冷却を行う
必要があり、構造の複雑さ及び高温下での燃料供給部の
信頼性問題から上記問題点を解決するまでには至ってい
ない。

方、燃焼器殻壁１２から燃料を燃焼器内へ噴出させる方
式は、燃料供給部の耐熱性上の問題はないが、燃料濃度
分布の均一性を得るためには所定の燃料の貫通距離を１
ワる必要がある３、この燃料の貫通距離は、燃料圧に大
きく依存するが、燃焼器が大型になると所定の燃料圧で
は燃料の貫通距離が十分に得られない問題点がある。

この発明は、このような従来の問題点に鑑みなされたも
ので、触媒体の下流において燃焼ガスに対して燃料を十
分均一に混合することができ、触媒体を高温度にさらす
ことにより損傷することがなく、しかもＮＯｘの発生を
抑制することのできるガスタービン燃焼器を提供するこ
とをｎ的とする。

［発明の構成１ （課題を解決するための手段） この発明のガスタービン燃焼器は、酸化性気体と燃料と
から成る混合ガスの供給部と、この混合ガスの供給部の
下流に設置された触媒体と、この触媒体の下流に設置さ
れた互いに独立した複数の分割流路と、これらの分割流
路の終端部の下流に形成された気相燃焼部と、前記各分
割流路に対して燃料を供給するために設けられた燃料供
給手段とを備えたものである。

（作用） この発明のガスタービン燃焼器では、混合ガスの供給部
からの混合ガスは触媒体で触媒燃焼し、燃焼ガスとして
分割流路に流下してくる。そして、この分割流路におい
て、各流路に燃料供給手段から燃料が加えられて燃焼ガ
スと混合され、気相燃焼部に送出され、ここで気相燃焼
する。したがっＣ１触媒体の部分では比較的低温度で融
媒燃焼するだけであり、さらに下流側の気相燃焼部にお
いて混合ガスが完全に気相燃焼さＵることができる。

しかも、各分割流路に燃料供給手段が設けられているた
め、分割流路ごとに燃料を噴出させることができて貫通
距離を短くでき、燃焼ガスと加えられる燃料とを混合し
て燃料濃度分布を均一化することができ、ＮＯｘの発生
の少ない気相燃焼を実現することができる。

（実施ＦＡ） 以下、この発明の実施例を図に基づいて詳説する。

第１図はこの発明の一実施例を示すものであり、第６図
〜第８図に示した従来例と共通する部分には同一の符号
が付されている。混合ガスの供給部に燃料ノズル１、ス
パークプラグ４、スワラ−８を備えている。そして、燃
料ノズル１がら供給された燃料２は、スワラ−８により
燃焼用空気３ど十分に混合されて混合ガスとなる。この
混合ガスは、スパークプラグ４により着火されＣある程
Ｙαまで置部する。この予燃焼は、混合ガスの温度を触
媒体１０の作用温度まで高めて触媒反応を円ｄ“（に進
めるために行われるものであり、用いる燃料の種類や触
媒の種類によっては必ずしも必要としない。予燃焼した
ガスに副ノズル９から燃料を供給して混合ガスを形成し
、触媒体１ｏへ供給する。

混合ガス供給部の下流に設置されている触媒体１０には
、負金属系触媒が用いられる。

触媒体１０の下流側に気相燃焼部１３が形成されていて
、その基部に複数の分割流路１４，１４゜・・・が形成
されている。この分割流路１４，１４゜・・・は、第２
図に示すように短い円管にて形成されており、第３図に
示すように各分割流路１４，１４．・・・の管壁に燃料
流入口１５，１５．・・・が形成されている。そして、
燃料供給管１１からの燃料がこの基部において各分割流
路１４，１４．・・・に燃料流入口１５，１５．・・・
を通じて接続されている。

なお、この分割流路１４．１１・・・に供給され。

る燃料は、燃焼ガスに空気の混合された混合ガスであっ
てもよく、また燃料ガス中休であってもよい。また、分
割流路１４，１４．・・・の数や径、断面形状は特に限
定されるものではなく、ガス流速、燃ｒげＬノズル径、
燃料流量で９の条件により得られる瓢利の貫通距離を基
にして選定することができる。すなわち、燃料の０通距
離は、少なくとも各分割流路１４の半径以上であること
が望ましい。

またさらに、分割流路１４．．１４．・・・の配冒は、
各分割流路１４．１４間にガスの流れない領域、１なわ
ちデッドスペースが出来る限り生じないようなものであ
ることが必要で、許容される圧力損失から決定される。

さらに、燃料供給管１１の構造としては、流路径が小さ
いことがら流路殻壁１２からの燃料の噴出方式で十分な
燃料の貫通距離を得ることができる。

なおさらに、燃料供給管１１の設置位置は特に限定され
ないが、触媒体１０を通過してくる混合ガスと供給燃料
とが効果的に混合できるように、触媒体１０寄りに設置
することが好ましい。

上記の構成のガスタービン燃焼器の動作について、次に
説明する。

燃料供給ノズル１から供給されてくる燃料２は、燃焼用
空気３と混合され、スパークプラグ４により着火されて
予燃焼し、燃料ノズル９から供給される燃料と混合し、
混合ガスとなり触媒体１０に流入する。

この触媒体１０においては、混合ガスが触媒反応を起こ
し、触媒燃焼する。この触媒燃焼では、燃焼が不完全燃
焼であり、触媒体１０から排出される燃焼ガスには未燃
燃料が含有され、触媒体１０自体はそれほど高温にはな
、らず、その劣化、損壊が発生しにくい。

触媒体１０から排出されてくる燃焼ガスは、分割流路１
４，１４．・・・内において供給されてきた新たな燃料
ガスと混合されて混合ガスとなり、気相燃焼部１３に送
られていく。そして、この分割流路部Ｂでは、分割流路
１４，１４．・・・の周囲に流通する冷却空気がこの分
割流路１４，１４．・・・壁面を冷却するため、流路を
形成する材料の耐熱性の問題は解決される。

さらに、この分割流路１４，１４．・・・の部分で（、
（、新たな燃料が触媒体１０からの燃焼ガスと混合され
るため、その下流の気相燃焼部１３に入る混合ガスの燃
料ｉ１１度が均一化され、ＮＯＸの発生をより効果的に
抑制することができる。

なお、気相燃焼部１３においては、例えば第４図に示す
ようなガスの流れを遅滞させ、もしくは逆流さける膨径
部１６を殻壁１２に形成すると、ガス流がこの膨径部１
６の内側に回り込み、火炎が形成されて気相燃焼が安定
して行われる。

また、気相燃焼部１３における触媒体１０の下流の領域
に、例えば第５図に示すようにイグナイタ答の点火源１
７を設ければ、気相燃焼を音物に開始さぼることが可能
となり、有効である。

（発明の実施例） 第５図に示すような構造のガスタービン燃焼器を製作し
、その燃焼状態を第８図に示す従来のガスタービン燃焼
器の燃焼状態と比較してみた。

本実施例の触媒体域の流路径は３００　、、ミφ、分割
流路の各流路径は８１リミφ、分割流路の数は７つとし
た。そして、触媒体としては、直径３００・、ミφ、長
さ１５０リミの員金屈系ハニカムを用いた。

天然ガス（Ｆｌ）と空気（Ａ＞とが表に示寸容積比（Ｆ
＋／Ａ）で混合された混合ガスを４５０℃まで予燃焼に
より昇温させ、５００″Ｃ換算にして３　Ｑｍ／Ｓ　ｅ
　Ｃの流速で触媒体に供給して燃焼を行った。

なお、燃料供給管を通じて各分割流路に燃料流入口から
供給された天然ガス（Ｆ２）を含む天然ガス（Ｆ＋　十
Ｆ２　）と空気（Ａ）とからなる混合ガスの比（Ｆ＋−
←Ｆ２）／Ａは、表に示ツように設定し、気相燃焼の着
火はイグナイタにより打つた。

そして、触媒体の下流７００・、ミの位置で燃焼により
生じた１ル出ガス中のＮＯＸ発生発生口ｏｍ）を測定し
た。燃焼効率は、いずれも９９％以上であった。

比較例として第８図に示す構）告のガスタービン燃焼器
を用いて実施例と同様の条件で燃焼を行った。なお、触
媒体の下流に設けた燃料供給管は２８本設置し、この燃
料供給管から供給される燃料量を（Ｆ２）として比（Ｆ
＋４−Ｆ２　）／八を口出した。

以上の結果は、次の表のようになった。

Ｆ＋　　　　（Ｆ＋　＋Ｆ２）　　Ｎ０ｘＡ　　　　　
Δ　　　　（１）１１ｍ）実施例１　０．０３　　０．
０５　　　４２　０．０３　　０．０４　　　３ ３　０．０２　　０．’０５　　　５ ４　０．０２　　０．０４　　　４ 比較例１　０．０３　　０．０５　　　コ３２　０．０
３　　０．０４　　１１ ３　　０、．０２　　　０．０５　　　　１６４　　０
．０２　　　　０．０４　　　　１４［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、ＦＦＩ！媒体の下流側
に分割流路を形成し、各分割流路に燃料の供給手段を設
けているため、触媒体からの燃焼ガスがこの分割流路部
分で新たに供給されてくる燃料と効果的に混合して燃料
濃度分布を各部分で均化づることができ、ＮＯｘの発生
鉛を効果的に抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の断面図、第２図は第１図
における■−■線断面図、第３図は第２図における■部
分の拡大図、第４図はこの発明の他の実施例の断面図、
第５図はこの発明のさらに他の実施例の断面図、第６図
〜第８図は（れぞれ従来例の断面図である。 １・・・燃料ノズル　　　　２・・・燃料３・・・燃焼
用空気　　　　４・・・スパークプラグ１０・・・触媒
体　　　　　１１・・・燃料供給管１２・・・殻壁 １４・・・分割流路 １６・・・膨径部 １３・・・気相燃焼部 １５・・・燃料流入口 １７・・・点火源

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸化性気体と燃料とから成る混合ガスの供給部と
   、この混合ガスの供給部の下流に設置された触媒燃焼用
   の触媒体と、この触媒体の下流に設置された互いに独立
   した複数の分割流路と、これらの分割流路の終端部の下
   流に形成された気相燃焼部と、前記各分割流路に対して
   燃料を供給するために設けられた燃料供給手段とを備え
   て成るガスタービン燃焼器。
2. （２）前記気相燃焼部が、ガス流の遅滞または逆流を引
   き起こす部分を備えていることを特徴とする請求項１記
   載のガスタービン燃焼器。