JPH0350416A - 触媒燃焼方式の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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、ガスタービン燃焼器に係り、特に、窒素酸化
物（以下、ＮＯｘという）の発生量が少ない触媒燃焼方
式のガスタービン燃焼器の改良に関する。

（従来の技術） 近年、石油資源等の枯渇化に伴い、種々の代替エネルギ
ーが要求されているが、同時に、エネルギー資源の効果
的使用も要求されている．これらの要求に応えるものの
中に、例えば燃料として天然ガスを使用するガスタービ
ン・スチームタービン複合サイクル発電システム，ある
いは石炭ガス化ガスタービン・スチームタービン複合サ
イクル発電システムがある．これらのガスタービン発電
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その発電効率が高いの
で、将来その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．この種の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には、複数の空
気供給用開口を周側面に配設される燃焼管（内筒または
ライナ）が外筒内部に具備されており、この燃焼管内で
燃料と酸化性気体（一般には空気、以下空気という）と
の混合ガスをスパークプラグ等を用いて着火し、燃焼を
行っている． この種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２０００℃を越えるような高温部
が存在することにより、環境汚染等の原因となるＮＯｘ
が多星に生成されることにあった。このＮＯｘ発生星を
極めて少なくする方法として、固相触媒を用いた不均一
燃焼方式である触媒燃焼方式をガスタービン燃焼器に適
用する提案がなされている。

この提案にかかるガスタービン燃焼器においては、第３
図に示すように、燃料供給口Ｉからの燃料と、エアダク
ト２から空気供給口３を介して圧送されてくる空気Ａ２
と、燃焼ガス（空気供給口４からの空気Ａ．十燃料供給
口５からの燃料）との希薄混合ガスを、ハニカム構造の
燃焼用触媒が装填されている触媒６で触媒燃焼させてい
る。なお、この触媒６においては、高温となる気相燃焼
を生起させず、比較的低温で行われる触媒燃焼のみ生起
させることで、触媒６の熱劣化ないし熱破壊を防止して
いる。

また、この触媒６の下流においては、触媒６から排出さ
れた燃焼ガスに対し、触媒６の下流に設けられた燃料供
給口７により新たに燃料を加見、そのガス中における燃
料濃度を高めて触媒６の下流で気相燃焼を生起させてい
る。そして、この燃焼による燃焼ガスに対し、触媒６の
下琉に設けられた空気供給口２０により希釈用の空気を
加えた後、タービンノズル８からタービン内に噴射させ
ている。なお、つぼ前記外筒、１０は前記燃焼管、１１
はスワラーである● この触媒６の下流においては、希薄混合比側で気相燃焼
を完全燃焼で生起させることにより、燃焼温度を低くす
ることからＮＯｘの発生が抑制される．しかし、燃焼は
できるだけ濃い側の燃料濃度で燃焼させた方が安定性が
良いため、これらの兼合いから具体的には、通常ＮＯＸ
の生戒が少ない１５００℃程度の温度の気相燃焼を生起
させることが望ましい。そして、この１５００℃程度の
気相燃焼を触媒６下流で生起させる際には、タービンの
負荷に応じた雇度のガスをタービンノズル８へ供給でき
るように、前記空気供給口２０から適切星の空気が希釈
用として燃焼管１０内に供給されることが望ましい。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、この空気供給口２０をはじめ空気供給口
３．４から燃焼管ＩＯ内各部に供給される空気量を制御
する手段は、ガスタービン燃焼器に従来より何ら具備さ
れておらず、前記空気量は空気の圧力，瓜度およびこれ
らの他の諸条件の変動で変化し易い。

すなわち、この空気量は、空気供給口３．４の開口面積
および燃焼管ＩＯ内外の圧力差によって決定されるが、
このうち燃焼管１０内部圧力は、触媒６での圧力ｔｆｌ
失の存在およびその変化により触媒６の上流側と下涜側
とで反比例的に変動し易い。そして以下説明するように
、この変動が起きるとスタービン燃焼器における適切な
作動を妨げてしまう。

例えば、触媒６上流側の燃焼管ＩＯ内へ供給される空気
量が減少変動する、つまり触媒６へ流入される混合ガス
中の燃料と空気との比（以下、Ｆ／Ａと略記する）が増
加すると、触媒温度が設定値以上に上昇する。そしてこ
の触媒温度の上昇に付随し゛て触媒６を通過するガス温
度が上昇してその流速が増大し、この増大に応じて触媒
６での圧力損失が増大し、ガスタービンの効率が低下し
てしまう．また、この触媒６での圧力損失の増大により
触媒６上流へ供給される空気量がさらに減少するととも
に、逆に触媒６下流側燃焼管ｌｏ内へ供給される空気量
が増大し、この増大に伴い前記Ｆ／Ａが増大するという
サイクルが進行され、最終的には触媒６が熱破壊されて
しまう．このサイクルと逆に、触媒６上流へ供給される
空気量が増加した場合には、Ｆ／Ａが減少し、触媒６の
反応速度が小さくなって触媒燃焼が不十分となり、前記
気相燃焼を起こす部分において燃料が完全燃焼せず、ガ
スタービン入口へ適性な流出速度および温度の燃焼ガス
を供給できないばかりか、多量の未燃燃料を大気中に放
出することになる。

以上、いずれかのサイクルにおいても、最初に生起され
る諸条件の変動は、特にガスタービンへの負荷を変える
運転の際に生じやすい。

本発明は、従来のかかる問題を解消し、安定に好適燃焼
状態を持続させることができる触媒燃焼方式のガスター
ビン燃焼器を提供することを目的とする。

〔発明の構戒〕

（課題を解決するための手段および作用）本発明者らは
、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねる一中で、触媒
入口側の上流側より触媒へ送られるガス温度を検出し、
この検出したガス温度に応じて空気供給口を介して前記
燃焼器内へ供給される空気量を制御することにより、触
媒温度の異常上昇や触媒での圧力損失の過大な増大を抑
制し得ることを見出し、その効果を確認して本発明を完
成するに到った。

すなわち、本発明にかかる触媒燃焼方式のガスタービン
燃焼器は、内部に触媒が配設され且つこの触媒の上渣側
および下流側それぞれに燃料供給口と空気供給口とが形
成された構造を有する燃焼管と、前記上流側より前記触
媒へ送られるガス温度を検出する手段と、検出された前
記ガス塩度に応して前記空気供給口を介して前記燃焼管
内へ供給される空気星を制御する手段と、を具備したこ
とを特徴とする． 以下、本発明にかかる触媒燃焼方式のガスタービン燃焼
器について第ｌ図に基づいて説明する。

この第１図は、触媒燃焼方式のガスタービン燃焼器の基
本構成の一例を示す図であり、図中、第３図と同一また
は同等の構成要素には同一の符合を付した． このガスタービン燃焼器において、触媒６の上流側には
、燃料供給口１．５およびスパークプラグ１６が配設さ
れるとともに、燃焼管ｌ７に空気供給口３．４が形成さ
れ、また触媒６の下流側には、燃料供給口７およびスパ
ークブラグｌ９が配設されるとともに、燃焼管１７に空
気供給口２０が形威されている。

前記空気供給口３，４．２０それぞれには、１つのエア
ダクト２から空気が供給される。そして空気供給口３，
４を介して燃焼管ｌ７内に供給される空気量は、これら
空気供給口３，４の開口面積および燃焼管１７内外の圧
力差によって決定される。

また、前記スパークプラグ１６は、燃料供給口５からの
燃料を着火させるときに使用し、スパークプラグ１９は
、触媒６下流の気相燃焼の生起用として触媒６下流のガ
スを着火させるときに使用される．なお、このスパーク
プラグｌ９は、使用する燃料等によっては配設しなくと
もよい．また、このガスタービン燃焼器には、触媒６人
口に、前記上流側より触媒６へ送られるガス温度を検出
する手段、例えば熱電対等の温度検出器２２が配設され
ているとともに、検出された前記ガス温度に応して例え
ば前記空気供給口２０を介して燃焼管ｌ７内へ供給され
る空気量を制御する手段、例えば、電磁弁２３とこの電
磁弁２３の開度を制御する空気量制御器２４とが具備さ
れている．すなわち、空気供給口２０に電磁弁２３が配
設されるとともに、この電磁弁２３および前記温度検出
器２２それぞれに空気量制御器２４が接続されており、
温度検出器２２から送られてくるガス温度に応じた検出
信号に応じて空気量制御器２４が電磁弁２３に信号を送
出し、電磁弁２３の弁の開閉量、すなわち燃焼管ｌ７内
へ供給される空気量を制御する。

この空気量制御器２４においては、予め、安定した触媒
燃焼が行われていることを示す触媒６人口ガス温度範囲
（以下、好適温度範囲という）を設定しておき、触媒６
人口温度がこの好適温度範囲から逸脱したことを温度検
出器２２からの信号で検知したときに、電磁弁２３の開
度を減増する信号を出力するように調節しておくことが
望ましい．この場合、電磁弁２３の弁の開度，触媒６に
流入するガス温度の設定レベルは、使用する触媒６の種
類，燃料の種類およびガスタービン燃焼器の構造等によ
って異なるため、実験により決定されることが望ましい
。

また、触媒６下流側に配設された燃料供給口７は、触媒
６を通過したガスにさらに燃料を供給して触媒６下流側
の気相燃焼をより安定に生起させるためのもので、触媒
６Ｊ：流側のＦ／Ａに応してその燃料供給量が調節され
るように設定されるものである。

このような構戒を有するガスタービン燃焼器において、
始動時には、燃料供給口５および空気供給口４それぞれ
から、燃料および空気Ａ１が供給される．そして、この
燃料と空気Ａ．との混合による燃料ガスがスパークプラ
グ１により着火され、スワラー１１で保炎され安定化が
図られながらある程度まで昇温される。なお、この燃焼
による昇温は、ガスの温度を触媒６の作用温度まで高め
て触媒燃焼を円滑に進行させるために行うものである。

この昇温されたガスに、燃料供給ノズルｌからの燃料お
よび空気供給Ｕ！３からの空気Ａｔが供給混合され、こ
の混合による混合ガスが触媒６へ供給され、触媒燃焼が
生起されるものである。

この触媒燃焼の際、触媒６上波に供給される空気量が安
定な触媒燃焼に必要とされる量（以下、好適空気量範囲
という）より減少する、つまりＦ／Ａが増加すると、触
媒６人口近傍のガス温度が上昇し、このガス温度上昇に
より触媒燃焼はさらに促進されて触媒６温度が上昇し、
触媒６の熱劣化が生じるおそれがある．また、触媒６を
通過するガスの温度上昇により、触媒６内のガス涜量が
増大して触媒６での圧力損失が増大し、ガスタービンの
効率を低下させることになる．そして、この圧力損失の
増大は触媒６上流へ供給される空気量を減少させるため
、このサイクルは増長され、触媒６の熱劣化さらに熱破
壊を招く傾向にある。

しかるに、前記空気量制御器２４では、温度検出器２２
からの信号で触媒６人口ガス温度をモニタしており、触
媒６人口ガス温度が前記好適温度範囲以上となる、すな
わち触媒６上流に供給される空気量が前記好適空気量範
囲以下になると、電磁弁２３に信号を送出し、この弁の
開度を低下させることにより、触媒６下流側での空気量
を低減させる．この動作により、触媒６上誠側へ供給さ
れる空気量が増加して触媒６人口のＦ／Ａが減少し、触
媒６の温度が低下する．したがって、触媒６の熱劣化を
防止できるとともに、触媒６における圧力損失を好適な
範囲に調整することができる．また、上記触媒６の熱破
壊を招くサイクルと逆に、触媒６上波に供給される空気
量が好適空気量範囲以上となりＦ／Ａが減少する際には
、触媒６人口ガス温度が低下することから、触媒燃焼が
生起しにくくなり、気相燃焼も不安定になる．このサイ
クルにおいて、空気屋制御千段２４では、触媒６人口ガ
ス温度が好適温度範囲以下となる、すなわち触媒６上流
に供給される空気量が前記好適空気量範囲以上になると
、電磁弁２３に信号を送出してその弁の開度を増加させ
て触媒６下流側での空気量を増加させる。これにより、
触媒６上流側へ供給される空気量が減少してＦ／Ａが増
加するため、安定した触媒燃焼が生起されることになる
。

なお、気相燃焼瓜度がｌ５００゜Ｃ−１６００℃を越え
ると急激にＮＯｘが発生するが、気相燃焼の安定面から
は燃焼温度が高いことが望まれる．このため、燃料供給
口７からの燃料供給量は、気相燃焼温度が１５００℃程
度となるように、かつ触媒６上流側のＦ／Ａに応じて、
設定されることが望ましい．しかしながら、燃料，触媒
６の１ＩＮによっては、燃料供給ノズル１から気相燃焼
用の燃料を供給することも可能であり、燃料供給ノズル
７は、必ずしも必要でない． また、触媒６人口ガス温度の設定は、燃料，触媒等の種
類によって異なるが、現状技術では最高でも５００℃程
度である．このため、温度検出器２２としては特殊な検
出器を使用する必要がなく、熱電対で十分使用に耐え得
る．そして、触媒６人口ガス温度をより正確に検出する
ためには、触媒６人口の断面平均値を知ることが好まし
いことから、温度検出器２２の数は多い方が望ましい．
（実施例） 第２図に模式図として示したガスタービン燃焼器を試作
した．この図において、第１図と同一または同等の構成
要素には同一の符合を付して示した．なお、このガスタ
ービン燃焼器にあっては、本発明の効果を空気配分とし
て確認できるように、前出の第１図に示したガスタービ
ン燃焼器の構成と別に、触媒６下流に空気供給口２６、
およびバルブ２７を設けた． かかる構成のガスタービン燃焼器において、触媒として
は、長さ９０ｍ，直径１００ｍのセラミックス製担体に
、貴金属を担持せしめてなるハニカム構造のものを使用
した。また、温度検出器２２としては、直径３．２ｍの
Ｋタイプシース熱電対を触媒６人口断面に７本配置し、
これらの熱電対それぞれから得られる検出温度の平均値
を触媒６人口ガス温度とした．さらに、触媒６の温度を
計測するために、Ｒタイプの熱電対を触媒６に埋め込ん
だ．試験圧力、つまりエアダクト２からの空気圧は大気
圧とし、燃料はメタン、触媒６人口ガス流速は１５〜３
０■ノＳとした． また、安定した触媒燃焼が得られる際の前記好適温度範
囲は、試験により４００℃〜４５０℃であると確認した
．この確認により、前記好適温度範囲のときの触媒６人
口のＦ／Ａが電磁弁２３の弁開閉で０．　０　２　５〜
０．０３となるように、空気制御器２４を調節した。ま
た、触媒燃焼後に生起される気相燃焼温度はｌ５００℃
になるように燃料供給口７から燃料を供給した． そして、以下のような試験を行った。すなわち、ガスタ
ービン燃焼器において上述のような設定範囲内の条件で
燃焼を生起させた後、バルブ２７の開閉度を操作し、触
媒６人口ガス温度が３５０゜Ｃ〜６５０℃の範囲で変化
するようにした．そして、この際の触媒温度、ガスター
ビン燃焼器から排出されるＮｏ．量および未燃燃料量を
測定して、空気供給量の制御が適性に行われるか否かを
評価した．その結果、触媒６人口ガス温度は４３０℃〜
４６０℃の範囲内に保持され、安定な燃焼状態が持続さ
れ、ＮＯＸ量は７ｐｐｍ１以下、未燃燃料は５０ｐｐ一
以下と良好であり、空気供給量の制御が極めて良好にな
されていることが確認された。

そして、本発明の空気量制御を行わなわなかった場合に
は、以下のような結果となった．すなわち、触媒６人口
ガス温度が６５０℃となるようにバルブ２７を開閉度操
作した場合には、触媒６の温度が１２００℃以上となっ
て触媒６の劣化が認められ、触媒６人口ガス温度が３５
０℃となるようにバルブ２７を開閉度操作した場合には
、ガスタービン燃焼器からの排出未燃燃料が１ｏｏｏｐ
ｐ一以上となり、不完全燃焼が確認された．〔発明の効
果〕 以上の説明から明らかなように、本発明にかかる触媒燃
焼方式のガスタービン燃焼器は、触媒入口ガス温度を検
知して、その値に応じて常に燃焼管内に供給される空気
量つまりＦ　／　Ａ　ｉｌｌを適性な値にするようフィ
ードバック制御しているため、触媒の熱劣化などを防止
できるとともに、ＮＯｘや未燃燃料などの排出量を極め
て小さく抑えながら、高い燃焼効率の安定な燃焼状態を
長時間にわたって持続させることがきるため、その工業
的価値は極めて大きい．

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかるガスタービン燃焼器の基本構成
説明図、第２図は本発明にかかるガスタービン燃焼器の
一実施例の概略構威を示す模式説明図、第３図は従来の
ガスタービンの一例を示す側断面説明図である． １，５．７・・・燃料供給ノズル　２・・・エアダクト
３，４．２０・・・空気供給口　　６・・・触媒９・・
・外筒　　　　　　　　　ｌ１・・・スヮラー１６．１
９・・・スパークプラグ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）内部に触媒が配設され且つこの触媒の上流側およ
   び下流側それぞれに燃料供給口と空気供給口とが形成さ
   れた構造を有する燃焼管と、前記上流側より前記触媒へ
   送られるガス温度を検出する手段と、検出された前記ガ
   ス温度に応じて前記空気供給口を介して前記燃焼管内へ
   供給される空気量を制御する手段と、を具備したことを
   特徴とする触媒燃焼方式のガスタービン燃焼器。