JPH04227416A - ＮＯｘ発生量を低減したプレバーナー付きガスタービン触媒燃焼器 - Google Patents

ＮＯｘ発生量を低減したプレバーナー付きガスタービン触媒燃焼器

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JPH04227416A
JPH04227416A JP3106440A JP10644091A JPH04227416A JP H04227416 A JPH04227416 A JP H04227416A JP 3106440 A JP3106440 A JP 3106440A JP 10644091 A JP10644091 A JP 10644091A JP H04227416 A JPH04227416 A JP H04227416A
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    • F23R3/40—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the use of catalytic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
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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】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、ガスタービンからの
ＮＯｘ発生量を減らす装置および方法に関し、特にプレ
バーナー付きのガス触媒燃焼装置においてガスタービン
の全運転範囲にわたってＮＯｘを減らす装置および方法
に関する。
【０００２】
【従来の技術】本発明者の米国特許第４，８４５，９５
２号に記載したように、ほとんどのガスタービン製造業
者は、望ましくない大気汚染物を生成することなく、高
い効率でガスタービンを運転することをめざしている。 ガスタービンに通常用いられる普通の燃料は、燃焼する
と、窒素酸化物、一酸化炭素および未燃焼炭化水素を生
成する。
【０００３】ＮＯｘ化合物は、空気中の窒素がガスター
ビンの燃焼器に通常見られる高温で反応することによっ
て、生成する。たとえば、スチームを導入するなどして
、燃焼器中の最高火炎温度を下げることにより、ＮＯｘ
生成を少なくすることができる。しかし、それにともな
って、熱力学的効率が下がり、コストが上昇する。大気
汚染排出物のレベルを下げるために、ガスタービン燃焼
装置の反応領域に燃焼触媒を使用して、希薄な燃料／空
気プレミックスの完全燃焼を促進することが知られてい
る。触媒燃焼は比較的低い温度で起こり、その温度は、
ＮＯｘを発生する窒素と酸素の反応はこれより高温で起
こるので、ＮＯｘを発生する窒素と酸素の反応には不十
分である。しかし、燃焼器入口空気温度および燃焼装置
での温度上昇が低過ぎて触媒燃焼を支持できないほどで
ある場合には、拡散炎プレバーナーを用いて触媒反応着
火を行うのがよい。すなわち、触媒燃焼それだけをガス
タービンの全運転範囲にわたって使用することはできな
い。その理由は、ガスタービンの点火、加速およびガス
タービン負荷範囲の下限での運転の間、燃焼器入口空気
温度および燃焼装置での温度上昇が低過ぎて予備混合触
媒燃焼を開始し持続することができないからである。
【０００４】しかし、拡散炎プレバーナーを用いる場合
、有意な量のＮＯｘ放出物が発生する。従来の触媒燃焼
装置の設計には、プレバーナーからのＮＯｘ放出を抑え
る方法は含まれていない。その結果、ガスタービン燃焼
装置の中間運転範囲ではＮＯｘ排出量を低くできるが、
従来の触媒燃焼装置の設計には、プレバーナーからのＮ
Ｏｘ排出を抑える方法がない。したがって、この発明の
目的は、触媒燃焼装置およびプレバーナーＮＯｘ減少方
法を提供し、触媒燃焼装置をガスタービンの全運転範囲
にわたって極めて低いＮＯｘ放出量で運転することにあ
る。
【０００５】
【発明の概要】この発明によれば、ガスタービン装置用
の拡散炎プレバーナー付き触媒燃焼器で、タービンの全
運転範囲にわたってＮＯｘ排出を最小にした燃焼器が提
供される。この燃焼装置には、ガスタービンの負荷範囲
に応じて３つの異なる運転モードが設定される。第１の
運転モードはガスタービンの低負荷運転状態で、プレバ
ーナー燃焼だけが起こり、化学的／触媒的にＮＯｘ除去
、すなわち脱ＮＯｘを行う。たとえば、炭化水素燃料を
プレバーナー始動用燃料ノズルに供給し、空気をプレバ
ーナー燃焼領域に差し向ける。電気的点火装置、たとえ
ばスパークまたはグロープラグでプレバーナー燃焼領域
内の燃料／空気混合気に点火し、始動用燃料ノズルに設
けたうず巻ベーンで発生したうず再循環により火炎を安
定化する。プレバーナー燃焼ライナー内のこの拡散炎反
応により、有意な量の熱的ＮＯｘが発生する。このＮＯ
ｘを分子状窒素と水蒸気に還元するために、アンモニア
、尿素、イソシアン酸などの化学反応物質を、（中間お
よび高負荷運転範囲で使用する）触媒燃焼部分に設けた
一次噴射器を通して、プレバーナー燃焼生成物中に噴射
する。化学反応物質とともに窒素を吹き込むことにより
混合を促進するのがよい。化学反応物質には、拡散炎プ
レバーナーからのＮＯｘとの反応の速度を加速するため
の促進剤も含みうる。化学反応は、触媒反応器アセンブ
リライナーおよび脱ＮＯｘ化学反応を促進する触媒を含
む触媒燃焼領域の触媒反応器床内で起こる。
【０００６】ガスタービンの中間負荷運転範囲として特
徴付けられる第２の運転モードでは、触媒燃焼が起こる
。触媒燃焼を達成するために、燃料を一次噴射器から供
給し、プレバーナー燃焼生成物と混合する。この混合気
が、パラジウムのような燃焼触媒を含む触媒反応器床に
入る。燃料とプレバーナー燃焼生成物との混合気は、燃
焼触媒の存在下、プレバーナー出口温度で着火する。 ひとたび燃焼反応が始まったら、プレバーナーを停止す
ることができ、反応は圧縮機排出空気温度で持続する。 希薄な燃料／空気混合気を触媒反応器床に導入すること
により、燃焼反応温度を熱的ＮＯｘを生成する温度より
低い温度に維持する。炭化水素燃料酸化反応は、主燃焼
ライナー内の反応領域で完了まで進行する。したがって
、低および中間範囲の運転条件の間のＮＯｘ放出が実質
的に排除されるか、超低排出量まで最小化される。
【０００７】ガスタービンの高負荷運転条件では、触媒
燃焼と予備混合燃焼を組み合わせる。触媒反応器は、第
２運転モード、すなわち中間範囲の触媒燃焼について前
述したのと同様に作動する。しかし、炭化水素燃料を圧
縮機排出空気と混合する二次噴射器を設ける。この燃料
／空気混合気は、主燃焼ライナー内の反応領域に入り、
触媒反応器床から出てくる高熱の燃焼生成物で着火する
。この燃料／空気混合気は希薄なので、燃焼反応温度は
やはり低過ぎて熱的ＮＯｘを放出しない。このようにし
て、ガスタービンの全運転範囲にわたってＮＯｘ排出を
実質的に最小にするか排除する。
【０００８】この発明の好適な実施例では、プレバーナ
ー部分および触媒燃焼部分を有するガスタービン触媒燃
焼装置を、ＮＯｘ発生を最小限に抑えるか排除するよう
に運転する方法が提供され、この方法は、燃料／空気混
合気をプレバーナー部分で燃焼させる工程と、プレバー
ナー部分での燃料／空気混合気の燃焼から生じるＮＯｘ
を減少させる工程と、プレバーナー部分を触媒反応着火
を得るように作動させる工程と、着火後に、触媒燃焼部
分を低過ぎてＮＯｘを生成しない燃焼温度で作動させる
工程とを含み、これによりガスタービンの運転から生じ
るＮＯｘ放出を実質的に最小とするか排除する。
【０００９】この発明の他の好適な実施例では、ガスタ
ービン運転の低負荷および中間負荷範囲でガスタービン
触媒燃焼装置を運転する方法が提供され、燃焼装置がプ
レバーナー部分と触媒燃焼部分とを有し、この方法は、
低負荷運転では、燃料／空気混合気をプレバーナー部分
に供給して燃焼させる工程と、プレバーナー部分での燃
料／空気混合気の燃焼から生じるＮＯｘを減少させる工
程と、プレバーナー部分を触媒燃焼部分で触媒反応着火
を得るように作動させる工程と、そして着火後または中
間負荷範囲では、触媒燃焼部分を希薄な燃料／空気混合
気で、燃焼反応温度が低過ぎて熱的ＮＯｘを生成しない
ように作動させる工程とを含み、こうして低負荷および
中間負荷の運転範囲でのガスタービンの運転から生じる
ＮＯｘ放出を著しく低減する。
【００１０】この発明のさらに他の好適な実施例では、
ＮＯｘ排出の少ないガスタービン触媒燃焼装置が提供さ
れ、この装置は、プレバーナー部分と、燃料および空気
をプレバーナー部分に導入する手段と、プレバーナー部
分に配置され、燃料／空気混合気を燃焼させる点火装置
と、上記プレバーナー部分の燃焼生成物中のＮＯｘを減
らす手段とを備える。触媒を担持した触媒反応器床およ
び反応領域を有する触媒燃焼部分を設ける。燃料と空気
の希薄な混合気を触媒反応器床に導入する手段を設け、
触媒燃焼を少なくとも初期に反応器床内の触媒の存在下
でプレバーナー燃焼生成物による着火から生じさせる。 さらに、圧縮機排出空気と燃料を混合し、この混合気を
燃焼部分の反応領域に供給する混合供給手段を設け、混
合気を触媒反応器床から出てくる高熱の燃焼生成物によ
り着火する。ＮＯｘ減少手段が化学反応物質をプレバー
ナー部分の燃焼生成物中に導入する噴射器を含み、希薄
な燃料／空気混合気を触媒反応器床に導入する手段がこ
の噴射器も含む。
【００１１】したがって、この発明の主要な目的は、ガ
スタービンの全運転範囲にわたってＮＯｘ排出量を超低
放出量にした、触媒燃焼ガスタービン装置を運転する装
置および方法を提供することにある。
【００１２】この発明の上記および他の目的および効果
は以下の説明からさらに明らかになるであろう。
【００１３】
【具体的な構成】この発明の好適な実施例を、図面を参
照しながら詳細に説明する。
【００１４】周知のように、ガスタービンは圧縮機部分
、燃焼部分およびタービン部分を含む。圧縮機部分はタ
ービン部分により、共通なシャフト連結を介して駆動さ
れる。燃焼部分は、代表的には、複数の燃焼器を円周方
向に間隔をあけて配置した円形配列体を含む。各燃焼器
で燃料／空気混合気を燃やして高熱の高エネルギーのガ
ス流を生成し、そのガス流を移行部材を介してタービン
部分のタービンブレードに流す。したがって、この発明
を説明する目的には、燃焼器を１つだけ図示、説明すれ
ば十分であり、タービンのまわりに配列した残りの燃焼
器はすべて図示の燃焼器と実質的に同じである。
【００１５】図１にガスタービンエンジン用の燃焼器を
１０で総称して示す。燃焼器１０は、プレバーナー部分
１２、触媒反応器アセンブリ１４、主燃焼アセンブリ１
６および高熱の燃焼ガスをタービンブレード（図示せず
）に流すための移行部材１８を含む。プレバーナーアセ
ンブリ１２は、プレバーナーケーシング２０、端部カバ
ー２２、始動用燃料ノズル２４、流れスリーブ２６およ
びスリーブ２６内の予備燃焼ライナー２８を含む。点火
装置（図示せず）も設けられ、これはスパークまたはグ
ロープラグとすればよい。プレバーナーアセンブリ１２
での燃焼は燃焼ライナー２８内で生起する。プレバーナ
ー燃焼空気を流れスリーブ２６を介して燃焼ライナー２
８に差し向けると、空気はライナー２８にあけた多数の
穴を通してライナー２８の内部に入る。空気は、ライナ
ー２８両側での圧力差によりライナー２８の内部に入り
、そしてライナー２８の内側で燃料ノズル２４からの燃
料と混ざり合う。その結果、ライナー２８の内側で拡散
炎燃焼反応が生起し、ガスタービンを駆動するための熱
を発生する。
【００１６】触媒燃焼領域には、反応器アセンブリ１４
と燃焼アセンブリ１６とが含まれる。この領域では、環
状支持リングを設け、その内部に噴射器３２から炭化水
素燃料を供給する。噴射器は、たとえば、本発明者の米
国特許第４，８４５，９５２号に開示された多重ベンチ
ュリ管ガス燃料インジェクタの形態とすることができる
。こうして、炭化水素燃料とプレバーナー燃焼生成物の
混合物が、触媒反応器アセンブリライナー３６を通って
触媒反応器床３４に入る。触媒反応器床３４は、図２に
示すように大体円筒形で、表面に反応触媒を被覆したセ
ラミック材料またはハネカムセルの支持体から形成する
ことができる。反応触媒は、たとえばパラジウムとすれ
ばよい。触媒反応器床３４の構造は、本発明者の米国特
許第４，７９４，７５３号に開示されている。こうして
、炭化水素燃料とプレバーナー燃焼生成物の混合物は、
燃焼触媒の存在下、プレバーナー出口温度で着火する。 触媒反応器床３４に入る燃料／空気混合気は極めて希薄
であり、炭化水素燃料酸化反応は、主燃焼アセンブリ１
６内の反応領域で完了まで進行する。
【００１７】ガスタービンを高負荷条件で作動させるた
めに、二次燃料噴射器４０を設ける。二次噴射器４０は
、複数のベンチュリ管から構成され、炭化水素燃料を、
圧縮機出口ケーシング４２および燃焼ラッパー４４で形
成されたプレナムからの圧縮機吐出し空気流と混合する
。この二次燃料／空気混合気は反応領域１６に入り、触
媒反応器床３４から出てくる高熱の燃焼生成物で点火さ
れる。
【００１８】ガスタービンの運転にあたっては、ガスタ
ービンの負荷範囲に応じて、３つの異なる運転モードが
ある。第１の運転モードは、低タービン負荷時および初
期始動中である。このモードでは、炭化水素燃料を始動
用燃料ノズル２４に供給し、プレバーナー燃焼空気をラ
イナーの多数の穴を通してライナー２８内に送り、始動
用燃料ノズル２４からの燃料と混合する。スパークまた
はグロープラグにより開始される拡散炎燃焼反応が、プ
レバーナー燃焼ライナー２８内で生起する。プレバーナ
ー燃焼ライナー２８内で発生する熱的ＮＯｘの量を少な
くするために、化学反応物質、たとえば、アンモニア、
尿素またはイソシアン酸を一次噴射器３２を通して噴射
するように供給する。一次噴射器３２により、化学反応
物質をプレバーナー燃焼生成物と混合する。化学反応物
質とともに窒素のような不活性なキャリヤガスを用いる
ことにより、混合を促進することができる。化学反応物
質には、拡散炎プレバーナーアセンブリからのＮＯｘと
の化学反応の速度を加速する促進剤も含まれる。この場
合、脱ＮＯｘ化学反応が、触媒反応器アセンブリライナ
ーおよびこのような反応を促進する触媒を入れることが
できる触媒反応器床３４内で起こる。その結果、低負荷
運転条件でのプレバーナーの運転から生じるＮＯｘ発生
量が著しく減少する。
【００１９】中間範囲の運転条件では、炭化水素燃料を
噴射器３２に供給する。噴射器３２は炭化水素燃料をプ
レバーナー燃焼生成物と混合し、この混合物は触媒反応
器アセンブリライナー３６を通って触媒反応器床３４に
入る。燃料とプレバーナー燃焼生成物の混合物は、燃焼
触媒の存在下で着火する。ひとたび燃焼反応が開始され
たら、プレバーナーを停止してもよく、燃焼反応は圧縮
機出口温度で持続する。触媒反応器床３４に入る燃料／
空気混合気は希薄であるので、燃焼反応温度が低過ぎて
熱的ＮＯｘを生成しない。炭化水素燃料酸化反応は、主
燃焼アセンブリライナー１６内の反応領域で完了まで進
行する。したがって、中間範囲の負荷条件の間、燃焼反
応の温度は低過ぎてＮＯｘを生成しない。
【００２０】高負荷条件では、触媒燃焼を上述した通り
に続行する。その上、炭化水素燃料を二次噴射器４０に
供給する。二次噴射器４０は燃料を、圧縮機出口ケーシ
ング４２および燃焼ラッパー４４間に形成されたプレナ
ムに得られる圧縮機吐出し空気流と混合する。この二次
燃料／空気混合気は主燃焼ライナー１６内の反応領域に
入り、触媒反応器床３４から出てくる高熱の燃焼生成物
で点火される。主燃焼ライナー１６内に入る燃料／空気
混合気は希薄であるので、やはり燃焼反応温度が低過ぎ
て熱的ＮＯｘを生成しない。
【００２１】以上の説明から明らかなように、この発明
は、ＮＯｘ発生をガスタービンの全運転範囲にわたって
実質上最小にし又は排除した。これは、それ自体周知の
ガスタービン要素を独特に協動させることによって、簡
単かつ効率よく達成した。重要なことには、ＮＯｘ発生
を、運転範囲の下限、すなわちプレバーナーだけを用い
る時に、最小にし又は除去した。また、この形式のガス
タービンに今なお使われている要素、すなわち一次噴射
器を用いて、この効果を達成した。
【００２２】以上、この発明を、現在のところ最も実用
的かつ好適と考えられる例について説明したが、この発
明はここに開示した実施例のみに限定されない。この発
明には、その要旨の範囲内に入る種々の変更例や等価な
構成が包含される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に従って構成したガスタービンの触媒
燃焼器形成部分の線図的断面図である。
【図２】図１の２−２線方向に見た断面図である。
【符号の説明】
１０　　燃焼器 １２　　プレバーナー部分 １４　　触媒反応器アセンブリ １６　　主燃焼アセンブリ ３２　　噴射器 ３４　　触媒反応器床 ３６　　ライナー ４０　　二次噴射器

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】プレバーナー部分および触媒燃焼部分を有
    するガスタービン触媒燃焼装置をＮＯｘ放出物を最小に
    し又は排除するように運転するにあたり、燃料／空気混
    合気をプレバーナー部分で燃焼させ、プレバーナー部分
    での燃料／空気混合気の燃焼から生じるＮＯｘを減少さ
    せ、プレバーナー部分を触媒反応着火を得るように作動
    させ、着火後に、触媒燃焼部分を低過ぎてＮＯｘを生成
    しない燃焼温度で作動させ、これによりガスタービンの
    運転から生じるＮＯｘ放出物を実質的に最小にし又は排
    除する工程を含むガスタービン触媒燃焼装置の運転方法
    。
  2. 【請求項２】触媒燃焼室で触媒燃焼が始まったらプレバ
    ーナー燃焼部分を停止する工程を含む請求項１に記載の
    方法。
  3. 【請求項３】プレバーナー部分での燃料／空気混合気の
    燃焼から生じるＮＯｘを減少させる工程が、プレバーナ
    ー部分での燃焼の生成物を化学反応物質と組み合わせて
    ＮＯｘを減らす工程を含む請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】プレバーナー部分での燃料／空気混合気の
    燃焼から生じるＮＯｘを減少させる工程が、プレバーナ
    ー部分での燃焼の生成物を化学反応物質と組み合わせて
    ＮＯｘを減らす工程を含む請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】触媒燃焼部分での燃焼を支持するための一
    次燃料噴射器を設け、さらに、プレバーナーの作動中に
    化学反応物質を一次燃料噴射器を通してプレバーナー部
    分の燃焼生成物中に導入し、つぎに触媒燃焼運転中に燃
    料を一次燃料噴射器を通して触媒燃焼部分に導入してそ
    こで燃焼させる工程を含む請求項４に記載の方法。
  6. 【請求項６】化学反応を触媒作用により促進してＮＯｘ
    を減らす請求項４に記載の方法。
  7. 【請求項７】低過ぎてＮＯｘを生成しない燃焼温度での
    触媒燃焼部分からの高熱の燃焼生成物による着火に適当
    な領域に燃料／空気混合気を供給する工程を含む請求項
    １に記載の方法。
  8. 【請求項８】タービンが燃料酸化反応が完全に進む触媒
    燃焼部分の一部を形成する反応領域と、空気を吐出す圧
    縮機とを含み、燃料／空気混合気を供給する工程が圧縮
    機から吐出される空気を燃料と混合し、その燃料／空気
    混合気を触媒燃焼部分の反応領域に噴射する工程を含む
    請求項７に記載の方法。
  9. 【請求項９】触媒燃焼部分での燃焼を支持するための一
    次燃料噴射器を設け、さらに、プレバーナーの作動中に
    化学反応物質を一次燃料噴射器を通してプレバーナー部
    分の燃焼生成物中に導入し、つぎに燃料を一次燃料噴射
    器を通して触媒燃焼部分に導入してそこで燃焼させる工
    程を含み、プレバーナー部分での燃料／空気混合気の燃
    焼から生じるＮＯｘを減少させる工程が、プレバーナー
    部分の燃焼生成物を化学反応物質と合わせてＮＯｘを減
    らす工程を含む請求項７に記載の方法。
  10. 【請求項１０】プレバーナー部分と、燃料および空気を
    プレバーナー部分に導入する手段と、プレバーナー部分
    に配置され、燃料／空気混合気を燃焼させる点火装置と
    、上記プレバーナー部分の燃焼生成物中のＮＯｘを減ら
    す手段と、触媒を担持した触媒反応器床および反応領域
    を有する触媒燃焼部分と、燃料と空気の希薄な混合気を
    触媒反応器床に導入し、触媒燃焼を少なくとも初期に反
    応器床内の触媒の存在下でプレバーナー燃焼生成物によ
    る着火から生じさせる手段と、圧縮機排出空気と燃料を
    混合し、触媒反応器床から出てくる高熱の燃焼生成物に
    より着火するようにこの混合気を燃焼部分の反応領域に
    供給する手段とを備え、上記ＮＯｘ減少手段が化学反応
    物質を上記プレバーナー部分の燃焼生成物中に導入する
    噴射器を含み、上記希薄な燃料／空気混合気を触媒反応
    器床に導入する手段が上記噴射器も含むＮＯｘ発生量の
    低減したガスタービン触媒燃焼装置。
JP3106440A 1990-04-16 1991-04-12 ＮＯｘ発生量を低減したプレバーナー付きガスタービン触媒燃焼器 Expired - Lifetime JP2591866B2 (ja)

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US509,401 1990-04-16
US07/509,401 US5161366A (en) 1990-04-16 1990-04-16 Gas turbine catalytic combustor with preburner and low nox emissions

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JPH04227416A true JPH04227416A (ja) 1992-08-17
JP2591866B2 JP2591866B2 (ja) 1997-03-19

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