JPH0472984B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、ガスタービン発電システムに使用す
るガスタービン燃焼器に関し、更に詳しくは、燃
焼時に発生する窒素酸化物（以下、NOxと称す）
の量が少なく、且つ、良好な燃焼効率を有する触
媒燃焼方式のガスタービン燃焼器に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、石油資源等の枯濁化に伴ない、種々の代
替エネルギーが要求されており、一方では、エネ
ルギー資源の効率的使用が要求されている。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或いは石炭ガ
ス化ガスタービン・スチームタービン複合サイク
ル発電システム等が挙げられ、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に、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化ガス
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。

ガスタービン発電システムにおいて使用されて
いるガスタービン燃焼器は、従来より、燃料と空
気の混合物を、スパークプラダ等を用いて着火し
て均一系の燃焼を行なつている。このような燃焼
器の一例を第１図に示す、第１図の燃焼器は、燃
料ノズル１から噴射された燃料が、燃焼用空気３
と混合され、スパークプラグ２により着火されて
燃焼するものである。そして、燃焼した気体は、
冷却空気４及び希釈空気５を加えられて、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６からガスタービン内に噴射される。
このような従来の燃焼器における重大な問題点の
一つは、燃料の燃焼時において、NOxガスの生
成量が多いことである。

上記したNOxが生成する理由は、燃料の燃焼
時において、高温部が存在することによるもので
ある。NOxは、通常、燃料中に窒素成分が存在
していない場合には、燃焼用空気中の窒素が以下
に示す式により反応して生成する。

N₂＋O₂2NO 上記反応は、高温になる程、右側に移行して一
酸化窒素（NO）の生成量が増加する。NOの一
部は更に酸化されて二酸化窒素（NO₂）を生成
する。

第２図は、従来のガスタービン燃焼器における
流体の流れ方向の温度分布を示すものである。図
に示した如く、燃焼器内の温度分布は極大値を持
つており、最高温度に達した後は、冷却及び希釈
空気により所定のタービン入口温度まで冷却され
ている。燃焼器内の最高温度は、2000℃にも達す
る場合があるために、この近辺（第２図の斜線で
示す部分）においてNOxの生成量が急激に増加
する。このように、従来のガスタービン燃焼器に
は、部分的に高温部が存在するために、NOxの
生成量が多いという問題点がある。従つて、排煙
脱硝装置等を設けねばならず、装置が複雑になる
等の問題点をも有している。

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討されている。
生成するNOx量を低減することができれば、排
煙脱硝装置を省略或いは簡略化することができる
が、かかる低NOx化を目的とした燃焼方式とし
ては、次のものが挙げられる。即ち、 (1) 水蒸気或いは水噴射を行なう方式、 (2) 燃焼空気を二段に分けて導入し、燃料を燃焼
させる二段燃焼方式、及び (3) 排ガス再循環方式 である。

しかしながら、これらの方式は、必ずしも満足
のいくものではなく、(1)の方式は、水蒸気或いは
水を噴射するために熱効率が悪く、(2)の方式は、
二段階で空気を導入するために、それぞれ導入す
る空気量の調節を充分注意しなければならず、
又、燃焼器内の最高温度が未だ充分低くはないた
めに、NOx量の低減効果も充分ではない。更に、
(3)の方式は、大気圧下での燃焼には適用可能であ
るが、ガスタービン燃焼器の様に、高圧中で燃焼
させる場合には不適である等の問題点を有してい
る。

上記した燃焼方式は、いずれも気相のみにおけ
る均一系反応によるものであるが、最近、これら
に対し、固相触媒を用いた不均一系燃焼方式（以
下、触媒燃焼方式と称す）が提案されている。触
媒燃焼方式は、触媒を用いて燃料と空気の混合気
体を燃焼せしめるものである。この方式によれ
ば、比較的低温で燃焼を開始させることができ、
冷却用空気を必要とせず、燃焼用空気が増加する
ために、最高温度が低くなり、従つて、発生する
NOx量を極めて少なくすることが可能である。
又、タービン入口温度も従来のものと変わりな
く、燃料を完全燃焼させることができる。第３図
は、このような触媒燃焼方式の燃焼器の概念図で
あり、触媒充填部７にはハニカム構造の触媒体が
充填されたものである。尚、第１図と同じ装置又
は物質である場合には、同じ符号を付してある。
第４図は、上記したガスタービン燃焼器の中で、
ａ；従来の燃焼方式、ｂ；二段燃焼方式、ｃ；触
媒燃焼方式における、それぞれの燃焼器内の温度
分布を示すものである。触媒燃焼方式では、他の
方式と比較して最高温度が低く、低温から徐々に
不均一系の燃焼反応が起こり、途中から均一系の
燃焼反応を伴つて燃焼が進行していることがわか
る。

現在、検討されている触媒燃焼方式の燃焼器に
おいて、使用される触媒体の耐熱性は、せいぜい
1200℃くらいである。ところが、燃焼器からター
ビンへ供給する燃焼ガスの温度は1100〜1200℃で
あることから、触媒体内で燃料を完全燃焼させる
と、触媒の劣化及び触媒体の熱破損をもたらすこ
とになる。また、触媒体内のガス温度が高ければ
高いほど、触媒体内を通過するガス流速が高くな
るため、触媒体内での圧力損失が大きくなり、ガ
スタービンの効率を低下させる原因となる。

この対策として、燃料と空気の混合物の温度が
ある程度高くなると、触媒活性の低い触媒体でも
燃焼は円滑に進行することから、触媒体の前段部
に耐熱性は小さいが、活性の高い触媒を後段部に
は、活性は低いが耐熱性の高い触媒を配置し、触
媒体の熱破損を防止する方法、あるいは、燃焼器
への燃料の供給を触媒体の上流と下流に行ない、
触媒上流側のＦ／Ａを断熱火焔温度が、触媒体の
耐熱温度以下になるように設定し、最終的に所望
の温度を得るために触媒体の下流に燃料を供給す
る方法が検討されている。

しかしながら、触媒の活性は一般に時間ととも
に低下するため触媒燃焼の反応速度が遅くなり、
燃料と空気の混合物が触媒なしで燃焼する温度ま
で、触媒体内で上昇しないため、燃料が完全燃焼
せず、タービン入口での所望の流出速度、温度を
得ることができないばかりか、多量の未燃焼燃料
を大気中に放出することになる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記した問題点を解消し、触
媒体の高温化を防止し、触媒体の長寿命化をはか
り、触媒体内での圧力損失を小さくした、燃焼効
率が極めて良好な触媒燃焼方式のガスタービン燃
焼器を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明のガスタービン燃焼器は、燃料の供給を
触媒体の上流部と下流部とで行ない、触媒体の上
流に供給した空気と燃料の混合物が触媒体を通過
した直後の温度検知し、この検知した温度に応じ
て触媒の上流部と下流部に供給する燃料の量を調
整することを特徴とするものである。

以下において、本発明を図を用いて更に詳しく
説明する。第５図は本発明の一例を示すものであ
る。

ガスタービンノズル６での燃焼ガスの条件が設
定されると、単位時間あたり必要な燃料と空気の
量が決定される。触媒活性が高い初期において、
燃料を燃料ノズル１のみから全て供給させると、
これは、触媒体内で燃料を全て燃焼させてしまう
ことになる。すなわち、触媒体内で高温度に達
し、触媒が熱により破損する原因となる。さらに
は混合物が高温になることにより、触媒体内の通
過速度増大し、触媒体内での圧力損失が大とな
る。また、触媒体内に多量の燃料を通過させるこ
とも触媒体内の圧力損失を増大させることにな
る。そこで、本発明では、第１に所定の燃料を触
媒体の上流部と下流に分割し、触媒体内を通過す
る燃料の通過量をできるだけ少くして、触媒体内
の圧力損失を小さくするような手段を用いてい
る。

触媒の活性が高い初期では、触媒体を通過する
空気と燃料のＦ／Ａがある程度小さくても容易に
触媒燃焼が生じ、触媒体出口の流出物温度が希薄
燃料の発火点まで十分に上昇し、触媒体下流の燃
料ノズル８から供給されて造られた混合物を燃焼
させることができる。

しかしながら、触媒の活性が低下した場合、触
媒体を通過させるＦ／Ａが小さいと触媒燃焼が十
分でなく、触媒体出口の流出物温度が希薄燃料の
発火点まで上昇できず触媒下流部から供給されて
造られた混合物を燃焼させることができず、不完
全燃焼をもたらすことになる。

一般に触媒燃焼反応の速度は、燃料濃度の増大
とともに大きくなるので、触媒活性が低下した場
合、触媒体内を通過させるＦ／Ａを大きくする
と、触媒体出口での混合物温度を希薄燃料の発火
点まで上昇させることができる。ここで、Ｆ／Ａ
を増大させる際、触媒体出口の流出物温度が触媒
体の耐熱温度以下になるように調整しなければな
らない。ここで、希薄燃料の発火点は、実験によ
り前もつて測定しておく必要がある。したがつ
て、触媒体出口の流出物温度を検知する手段とし
ての温度計９により検知し、その温度が希薄燃料
の発火点より低い場合には触媒上流部及び下流部
に燃料を供給する第１及び第２の混合物中の燃料
の量を調整する手段としての燃料電磁弁１０を閉
じて触媒下流部からの燃料供給量を減らし、触媒
体上流部から供給する混合物のＦ／Ａを増大させ
ればよい。また温度計９による温度が、触媒体の
耐熱温度を越えた場合は前の操作の逆を行なえば
よい。なお、ここでは、１個の触媒体を用いた場
合について、本発明の一例を示したが、触媒体が
２個以上ある場合についても同様であるが、この
場合、燃料供給口と温度検知を各触媒体出口の全
てか、あるいは数ケ所に設けてもよい。また、上
記では１つの電磁弁を用いた場合を示したが、第
１及び第２の混合物中の燃料の量をそれぞれ制御
する手段を設けることもできる。

〔発明の効果〕

本発明のガスタービン燃焼器は、触媒燃焼によ
り効率よく、かつ殆んどNOxを発生することな
く燃料の燃焼を行なわしめることができるもので
あり、触媒が長寿命化され、触媒体内の圧力損失
を小さくしたものである。

〔発明の実施例〕

触媒体としては、ハニカム構造を使用し、長さ
150mm、直径25.4mmを有するセラミツク製の担体
に、触媒としてPt2wt％を担持させたものを用い
た。

このハニカム構造触媒体を、直径26mmφを有す
る燃焼管に充填し、燃料としてメタンを用い、メ
タンと空気の混合物を500℃に加熱し、全体の供
給量として300Ω／min（Ｆ／Ａ＝0.035）で導入し
た。そして触媒体内外の温度分布とタービンノズ
ルにおける未然メタンの濃度を、燃料供給を触媒
体上流部から0.028供給し残りの燃料を触媒体出
口から供給した場合の触媒初期（第６図のｄ）と
100時間1000℃で触媒体を熱処理した場合（第６
図のｅ）さらに100時間1000℃で触媒体を熱処理
し、本発明を用いた場合（第６図のｆ）の３とお
りについて測定した。

その結果、触媒初期においては触媒体内の温度
は1100℃を越えており（第６図のｄ）、タービン
ノズルでのメタン濃度は10ppm以下であつたとこ
ろが、100時間1000℃で熱処理した場合は十分な
温度上昇が得られず（第６図のｅ）タービンノズ
ルでのメタン濃度も10000ppm以上であつた。

一方、本発明においては、100時間1000℃で熱
処理した触媒体を使用した場合でも、触媒体入口
のＦ／Ａを0.032にし、残りを触媒体出口から供
給すると触媒体出口で約950℃の温度上昇が得ら
れ、下流では希薄混合物の均一燃焼がおこり、
1100℃以上まで上昇し、タービンノズルでのメタ
ン濃度も10ppm以下であることが確認された。

【図面の簡単な説明】

第１図は通常のガスタービン燃焼器の概念図、
第２図は通常のガスタービン燃焼器の温度分布を
示す図、第３図は触媒燃焼方式のガスタービン燃
焼器の概念図、第４図は通常のガスタービン燃焼
器ａ，二段式ガスタービン燃焼器ｂ及び触媒燃焼
方式ガスタービン燃焼器ｃにおけるそれぞれの温
度分布を示す図、第５図は本発明による触媒燃焼
方式のガスタービン燃焼器の概念図、第６図は、
第３図方式の燃焼器を使用した場合で、触媒初期
の場合ｄ、100時間1000℃で熱処理した触媒体を
使用した場合ｅと、本発明の燃焼器を使用した場
合で、100時間1000℃で熱処理した触媒体を使用
した場合ｆの触媒体内外の温度分布を示す図であ
る。 １，８……燃料ノズル、２……スパークプラ
グ、３……燃焼用空気、４……冷却用空気、５…
…希釈用空気、６……タービンノズル、７……触
媒体、９……温度計、１０……電磁弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃料と空気の第１の混合物を造り、少なくと
   も一部分を燃焼するために、前記第１の混合物を
   触媒へ通し、前記触媒出口の流出物にさらに燃料
   を供給し、第２の混合物を形成し、前記第２の混
   合物を均一に燃焼させて、ガス流出物を生成させ
   る触媒燃焼方式ガスタービン燃焼器において、 ａ 触媒出口流出物温度を検知する手段と、 ｂ 前記流出物温度に応じて、前記第１混合物中
   の燃料の量を変化させ、前記第１混合物中の燃
   料と空気の比（以下Ｆ／Ａと記す）を調節する
   手段と、 ｃ 前記Ｆ／Ａに応じて前記第２の混合物を造る
   ための触媒下流の燃料供給量を調節する手段を
   もうけたことを特徴とするガスタービン燃焼
   器。