JPH062850A

JPH062850A - 触媒燃焼器

Info

Publication number: JPH062850A
Application number: JP18576892A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Ozawa; 靖小沢; Mikio Sato; 幹夫佐藤; Junji Hirano; 純司平野; Mikito Saiga; 幹人雑賀; Shinji Watanabe; 伸次渡邊
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Kansai Electric Power Co Inc
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Kansai Electric Power Co Inc
Priority date: 1992-06-22
Filing date: 1992-06-22
Publication date: 1994-01-11

Abstract

(57)【要約】【目的】低ＮＯｘでかつ予混合燃焼部における安定し
た希薄予混合燃焼を確保し得るようにする。また、触媒
燃焼部と予混合部が並列に配置される触媒燃焼器におけ
るプリバーナの構造を、プリバーナの使用に起因するＮ
Ｏｘを極力抑えつつ単純化する。【構成】触媒燃焼部１と予混合部２とをほぼ同一平面
で円周上に並列に配置すると共に、それらの下流に触媒
燃焼部１から噴射される触媒燃焼ガス１８と予混合部２
から噴射される予混合ガス１７とを希薄予混合燃焼させ
る予混合燃焼部４を配置し、燃焼器２０に供給される空
気の流路が触媒燃焼部１と予混合部２とに分割される手
前に１つのプリバーナ３を配置し、予混合部２と触媒燃
焼部１の両方に同じ燃焼ガス１６を供給するようにし、
１つのプリバーナ３で全ての触媒５を同時に予熱できる
ようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃焼器に関する。更に詳
述すると、本発明は触媒燃焼と予混合燃焼とを併用した
触媒燃焼器、特にガスタービン用に適用された場合に好
適な触媒燃焼器のプリバーナの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、燃焼器なかでもガスタービン
用燃焼器のＮＯｘ排出量を抑制するため、触媒燃焼法の
利用が考えられている。しかし、これは触媒の耐熱温度
が低いために実用化が難しい。そこで、触媒燃焼と気相
燃焼とを組合せ触媒を耐熱温度以下で使用できるように
した触媒燃焼器が提案されている。

【０００３】従来、このような燃焼器としては特開平2-
119110号が提案されている。この燃焼方式は図３に示す
ように、予混合器セグメント１０４と触媒セグメント１
０３とを並列に配置し、触媒セグメント１０３から噴射
される触媒燃焼ガスと予混合器セグメント１０４から噴
射される燃焼空気予混合ガスとを燃焼室１０２において
混合し、触媒燃焼ガスを保炎源として低ＮＯｘ希薄予混
合燃焼させるものである。これにより、触媒の耐熱温度
以下で触媒燃焼させて得た触媒燃焼ガスを保炎源とし、
希薄予混合ガスを触媒の下流で燃焼させて触媒の耐熱温
度よりも高温の必要とする温度の燃焼ガスを得るように
している。

【０００４】この触媒燃焼技術においては、使用する燃
料の種類によって触媒燃焼の可能な温度が異なることか
ら、温度が高い場合には図４の（Ａ），（Ｂ），
（Ｃ），（Ｄ）に示すように、各触媒燃焼セグメント１
０３ごとにその入口部分にプリバーナ１０１として拡散
バーナまたは予混合バーナが設置されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この燃
焼器構造によると、触媒燃焼セグメント数の増加ととも
にプリバーナ数も増加し、燃焼器の構造が複雑になると
共に燃焼器が大型化する問題点がある。また、予混合部
から噴射される予混合ガスは、通常よりも燃料濃度の低
い希薄なものであるから、触媒燃焼ガスを保炎源として
も安定燃焼させることが場合によっては難しいという問
題を含んでいる。

【０００６】本発明は、低ＮＯｘでかつ予混合燃焼部に
おける安定した希薄予混合燃焼を確保し得る触媒燃焼器
を提供することを目的とする。更に本発明は、触媒燃焼
部と予混合部が並列に配置される触媒燃焼器におけるプ
リバーナの構造を、プリバーナの使用に起因するＮＯｘ
を極力抑えつつ、単純化することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、本発明の触媒燃焼器は、触媒燃焼部と予混合部とを
ほぼ同一平面で円周上に並列に配置すると共に、それら
の下流に触媒燃焼部から噴射される触媒燃焼ガスと予混
合部から噴射される予混合ガスとを希薄予混合燃焼させ
る予混合燃焼部を配置し、燃焼器に供給される空気の流
路が触媒燃焼部と予混合部とに分割される手前に１つの
プリバーナを配置し、予混合部と触媒燃焼部の両方に同
じ燃焼ガスを供給するようにしている。

【０００８】また、本発明の触媒燃焼器は、触媒燃焼部
と予混合部並びに予混合燃焼部とを設けた上述の燃焼器
がケーシング内に設置され、かつこの燃焼器の周囲をそ
の尾筒側から頭部側に向けて燃焼用空気が流れて頭部か
ら当該燃焼器内に流入する一方、燃焼器の周りに環状プ
リバーナを配置するようにしている。

【０００９】更に、本発明の触媒燃焼器は、ケーシング
の燃焼器の頭部側と対向する部分を貫通して各触媒燃焼
部及び予混合部に燃料供給系を配置するようにしてい
る。ここで、燃料供給系とは燃料ノズルそのものあるい
は燃料供給管とヘッダを組合せたものにノズルチップを
設けたもの等を意味する。

【００１０】

【作用】したがって、燃焼器に供給される空気は、プリ
バーナにおいてその一部が燃焼に使われて触媒燃焼反応
が可能な温度まで加熱される。この予熱された空気は触
媒燃焼部と予混合部との双方に供給される。

【００１１】そして、プリバーナで発生したＮＯｘは、
触媒燃焼部における触媒表面でのＮＯｘの還元およびそ
の下流の予混合燃焼部における触媒燃焼時に分解された
燃料種による還元によりＮ₂に転化する。このため、燃
焼器から排出される時点ではプリバーナに起因して発生
するＮＯｘは微量となる。

【００１２】しかも、プリバーナで予熱された空気が予
混合部にも供給されるため、予混合ガスの燃焼性が向上
し、予混合燃焼部における燃焼安定性が向上する。そし
て、予混合燃焼部に噴射される触媒燃焼ガスと予混合ガ
スとの混合による希薄予混合燃焼によって、燃焼ガスの
燃焼器出口温度を触媒耐熱温度以上の高温にする。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の構成を図面に示す実施例に基
づいて詳細に説明する。

【００１４】図１−図２に本発明をガスタービン用燃焼
器に適用した実施例を示す。この触媒燃焼式ガスタービ
ン用燃焼器は、触媒燃焼部１と予混合部２並びに予混合
燃焼部４を備えた燃焼器２０をケーシング（外筒）１
０，１３内に設置し、この燃焼器２０の周囲をその尾筒
２１側から頭部２２側に向けて燃焼用空気が流れて頭部
２２から当該燃焼器２０内に流入するように構成されて
いる。

【００１５】燃焼器２０は、触媒燃焼部１と予混合部２
とをほぼ同一平面で円周上に並列に配置すると共に、そ
れらの下流に触媒燃焼部１から噴射される触媒燃焼ガス
と予混合部２から噴射される予混合ガスとを希薄予混合
燃焼させる予混合燃焼部４を配置する一方、当該燃焼器
に供給される空気の流路が触媒燃焼部１と予混合部２と
に分割される手前に１つのプリバーナ３を設置し、予混
合部２と触媒燃焼部１の両方に同じ燃焼ガス１６を供給
して触媒燃焼ガス１８と予混合ガス１７を得、更にこれ
ら予混合ガス１７と触媒燃焼ガス１８とを予混合燃焼部
４で混合して希薄予混合燃焼させるようにしている。
尚、触媒燃焼部１と予混合部２との配置については、本
実施例では図２に示すように、中心に配置された予混合
部２の周りに触媒燃焼部１を同心状に配置してなるが、
これに特に限定されるものではなく、触媒燃焼部１の周
りに予混合部２を配置したり、触媒燃焼部１と予混合部
２とを円周方向に交互に配置しても良い。

【００１６】ガスタービン用燃焼器は、通常、外筒と内
筒との２重筒構造が採られている。即ち、燃焼器２０を
囲繞するケーシング（外筒）１３，１０と燃焼器２０の
ケーシングたる内筒１４との２重筒構造とされ、これら
の間に形成された空気流路１５にガスタービン側から供
給される圧縮空気を導入するように設けられている。空
気は、燃焼器２０の頭部２２に設置されたプリバーナ３
を経てから予混合部２と触媒燃焼部１にそれぞれ供給さ
れている。尚、内筒１４と外筒１３との間に導入される
圧縮空気の一部は内筒１４の冷却空気として、あるいは
希釈空気として直接内筒１４の周壁面の穴から予混合燃
焼部４に供給されるように設けられている。

【００１７】プリバーナ３は、燃焼器に供給される空気
の流路が触媒燃焼部１と予混合部とに分割されるよりも
手前側即ち空気の流れの上流側に１基配置され、下流の
全ての予混合部２と触媒燃焼部１の双方に同じ燃焼ガス
を供給するように設けられている。例えば、本実施例に
おいてプリバーナ３は、図１及び図２に示すように、燃
焼器２０の頭部２２側の外筒の一部即ち符号１０で示さ
れる部分を利用して環状のプリバーナ３が形成されてい
る。即ち、プリバーナ３は、ケーシング１０または１３
と燃焼器２０との間で、かつ燃焼器２０の頭部２２から
触媒燃焼部１及び予混合部２と予混合燃焼部４との接続
部までの位置、即ち予混合燃焼部４よりも頭部２２側寄
りの位置に配置され、多数の燃料噴射口が開けられた環
状のバーナで構成されている。内筒１４とケーシング
（外筒）１０との間から導入される空気及び燃料は、拡
散燃焼しつつ燃焼ガスとなって内筒１４の壁面に沿って
Ｕターンをするようにその流れ方向を変え、各触媒燃焼
部１及び予混合部２に分配される。尚、プリバーナ３を
燃焼器の外周に配置することにより、燃焼器の全長が短
く設けられている。さらに、燃料ノズル１１および１２
を、プリバーナ３に妨げられず、直接燃焼器の頭部に配
置できるため、構造の単純化が可能となっている。

【００１８】予混合部２は、例えば図１に示すように、
先端部にノズル７を備えたセグメントチューブ８と燃料
ノズル１１とから構成されており、定格運転時に所定の
濃度例えば触媒燃焼部１に供給される予混合ガスよりも
若干濃いが理論空気量の時の濃度よりも薄いものが供給
される。即ち、開口面積比に従って触媒燃焼部１と予混
合部２とに分配されたプリバーナ３からの燃焼ガス１６
に燃料ノズル１１から噴出された燃料Ｆ₂を追加して濃
度調整を行い、所定濃度の予混合ガス１７を得てから予
混合部２を通して予混合燃焼部４に噴出するように設け
られている。因みに、本実施例では、予混合部２の上流
の内筒１４の内部全域をセグメントチューブ８で仕切っ
て、触媒燃焼部１と予混合部２とでは別個に濃度制御さ
れた予混合ガスを供給するようにしている。

【００１９】触媒燃焼部１は、例えばセグメントチュー
ブ６に触媒５を充填したセグメント構造から成り、その
上流側に予混合部を設けている。予混合部は、例えばプ
リバーナ３から燃焼ガス１６を流入させるセグメントチ
ューブ６の入口部分に燃料ノズル１２を開口し、燃焼ガ
ス１６の流れの中に燃料Ｆを噴射し予混合するような構
成である。触媒５としては、多数の貫通孔を有する一体
型の触媒が使用可能であり、ハニカム型、海綿型若しく
は繊維型の一体型母材の表面に活性成分を担持したもの
が好ましく、最も好ましくはハニカム型母材の使用であ
る。さらに、触媒５の構成材料としては、耐熱合金ある
いはセラミックス等の母材および貴金属あるいは卑金属
酸化物等の活性成分の使用が好ましい。ここで、耐熱合
金としてはインコネル、ハステロイ、セラミックスとし
てはコーディエライト、窒化ケイ素、炭化ケイ素、貴金
属としては白金、パラジウム、卑金属酸化物としてはク
ロム酸化物、コバルト酸化物等の使用が好ましい。

【００２０】尚、この触媒燃焼部１に供給される燃料Ｆ
₁と予混合ノズル２に供給される燃料Ｆ₂及びプリバー
ナ３に供給される燃料Ｆ₃とは同じである必要はなく、
全く別の種類の燃料を採用しても良い。

【００２１】予混合燃焼部４としては、特に限定される
ものではないが、例えばセラミックスなどで内筒１４の
内周壁面が包囲された冷却の必要性がほとんどない熱損
失の小さな構造、あるいはセラミックスなどの耐熱材を
用いずに金属筒に多数の孔をあけて冷却用空気を流入さ
せる構造を採っている。例えば、図示していないが金属
筒を構造材としその内壁をセラミックスで被うことによ
って、より温度が均一で安定性のある燃焼場を得ること
ができる。この場合、セラミックスはタイルのようなも
のでも、繊維状のものでも良い。また、ライナ全体をセ
ラミックスで成形することも可能である。

【００２２】予混合部２及び触媒燃焼部１のセグメント
チューブ６，８を構成する材料としては、耐熱性材料例
えば耐熱合金やセラミックス等の使用が好ましい。ここ
で、セラミックスとしては、例えば炭化ケイ素系セラミ
ックス、窒化ケイ素系セラミックス、サイアロン（Sial
on）等の使用が好ましい。

【００２３】この燃焼器に供給される全量の空気Ａ及び
燃料Ｆ₁〜Ｆ₃は、例えば、定格負荷時の触媒燃焼部１
の出口温度と燃焼器の出口ガス温度をそれぞれ所定温度
に保ち、しかも触媒燃焼部１では完全燃焼させず定まっ
た範囲（例えば触媒燃焼部への供給燃料の５〜５０ Vol
％）の未燃分を予混合燃焼部４に供給するように、触媒
仕様に合わせた流量、流速に制御されることによって達
成される。それによって、予混合燃焼部４では安定かつ
ＮＯｘ発生の極めて少ない希薄予混合燃焼が可能とな
る。例えば触媒燃焼部１中の図示していない第１の温度
センサによって触媒燃焼部１の温度が触媒耐熱温度以下
（通常８００〜１３００℃）になるよう触媒燃焼部１へ
の燃料量を制御する。更に、触媒燃焼部１への空気配分
及び触媒燃焼部１の温度を基に触媒燃焼部１で発生する
エネルギが予混合燃焼部４の保炎に最低限必要なエネル
ギ（例えば燃焼器全体の発熱量の１／２０以上）を確保
し、かつ図示していない内筒出口の第２の温度センサに
よって測定される燃焼器出口ガス温度が所定温度（通常
１０００〜１５００℃）となるように、図示していない
各燃焼用空気分配弁の開度及び予混合部２への燃料供給
量を制御する。以上の一連の操作により安定な予混合燃
焼と触媒層の保護が図られる。

【００２４】以上のように構成した本発明のガスタービ
ン用燃焼器によると、次のようにして稼動される。

【００２５】まず、コンプレッサからの燃焼器への空気
供給を開始した後、プリバーナ３に燃料Ｆ₃を供給して
プリバーナ３の出口で燃焼させる。次に、この燃焼ガス
１６の一部が触媒燃焼部１に流れて触媒５を触媒燃焼反
応が可能な温度まで予熱する。その後、燃料ノズル１２
に燃料Ｆ₁を供給してプリバーナ３からの燃焼ガス１６
と混合し、その混合ガスを触媒燃焼部１に供給して触媒
燃焼を行う。一方、燃料ノズル１１に燃料Ｆ₂を供給し
てプリバーナ３からの燃焼ガス１６と混合し、予混合ガ
ス１７として予混合ノズル７から予混合燃焼部４に噴出
させる。そして、触媒燃焼部４から噴出した高温の触媒
燃焼ガス１８と予混合部２から噴出した予混合ガス１７
とを混合させてＮＯｘをほとんど発生しない希薄予混合
燃焼Ｂを行わせる。ここで、本燃焼器においては、予混
合部２から噴出する予混合ガス１７がプリバーナ３で予
熱されているために、その予混合ガス１７の燃焼性が高
く、予混合燃焼部４において触媒燃焼ガスを保炎源とし
て安定に燃焼できる。しかも、プリバーナ３で発生する
ＮＯｘは、触媒５の表面および予混合燃焼部４におい
て、触媒の効果および燃焼時の燃料による作用により還
元されてＮ₂に転化するため、燃焼器出口におけるＮＯ
ｘの増加はほとんどない。

【００２６】したがって、本発明の燃焼器によると、Ｌ
ＮＧ、ＬＰＧ、石炭ガス化ガス等の低カロリーガスその
他のガス燃料及びジーゼル油、メタノール等の液体燃料
を燃焼させ、低ＮＯｘで高温の燃焼ガスを得ることがで
きる。即ち、予混合燃焼部４の保炎に最低限必要な未燃
燃料を確保しつつ完全燃焼しない量だけ、例えば１００
０℃以下の触媒燃焼ガス１８を得るだけの燃料Ｆ₁と燃
焼ガス１６とを触媒燃焼部１に供給して触媒燃焼させる
一方、予混合部２に残りの燃料Ｆ₂と燃焼ガス１６を供
給して希薄予混合ガス１７を生成し、それらを予混合燃
焼部４で混合して安定な希薄予混合燃焼Ｂを行う。そし
て、ＮＯｘの発生を抑制すると共にガスタービン用燃焼
器として必要な燃焼器出口温度例えば１３００℃の燃焼
ガスを得る。

【００２７】尚、上述の実施例は本発明の好適な実施の
一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の
要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能であ
る。例えば、本実施例ではガスタービン用触媒燃焼器に
ついて主に説明したがこれに特に限定されるものではな
く、通常の燃焼器にも適用できる。また、本実施例では
ケーシング１０を利用して環状プリバーナ３を構成して
いるがこれに特に限定されるものではなく、ケーシング
１０あるいは１３とは別個に燃焼器２０の頭部２２を被
うような蓋状のウインドボックスを設け、これと環状の
燃料ノズルとでプリバーナを構成しても良い。更に、ケ
ーシング１０あるいは１３で燃焼器２０を囲繞しない通
常の燃焼器の場合、プリバーナと各触媒燃焼部及び予混
合部２とは配管等によって連結しても良い。

【００２８】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
は、触媒燃焼部と予混合部とをほぼ同一平面で円周上に
並列に配置すると共に、それらの下流に触媒燃焼部から
噴射される触媒燃焼ガスと予混合部から噴射される予混
合ガスとを希薄予混合燃焼させる予混合燃焼部を配置
し、燃焼器に供給される空気の流路が触媒燃焼部と予混
合部とに分割される手前に１つのプリバーナを配置し、
予混合部と触媒燃焼部の両方に同じ燃焼ガスを供給する
ようにしているので、１つのプリバーナで全ての触媒を
同時に予熱できる。このため、本発明によると、燃焼器
の構造を単純化でき、燃焼器の信頼性を向上できる。

【００２９】また、本発明の触媒燃焼器によると、プリ
バーナで発生したＮＯｘは燃焼器内で還元されるため、
燃焼器全体のＮＯｘはほとんど増加しない。

【００３０】さらに、本発明の触媒燃焼器によると、予
混合ノズルから噴出される予混合ガスも同時に予熱され
るため、予混合燃焼部における希薄予混合燃焼が安定す
る。

【００３１】また、本発明の触媒燃焼器によると、プリ
バーナを燃焼器の外周に配置するため、燃焼器の長さを
短くでき、かつ各燃料ノズルの配置もプリバーナ１に妨
げられずに直接燃焼器の頭部に配置できるため、容易と
なり、構造の単純化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の触媒燃焼器をガスタービン用に実施し
た一例を示す概略構造図である。

【図２】図１のII−II線断面図である。

【図３】従来の触媒燃焼部と予混合ノズルとを並列に配
置した燃焼器の概略構造図である。

【図４】図３の燃焼器におけるプリバーナの例である。

【符号の説明】

１触媒燃焼部２予混合部３プリバーナ４予混合燃焼部９プリバーナを構成する環状の燃料ノズル１０ケーシング（外筒）１３ケーシング（外筒）２０燃焼器２１尾筒２２頭部

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【手続補正書】

【提出日】平成４年８月７日

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００８】また、本発明の触媒燃焼器は、触媒燃焼部
と予混合部並びに予混合燃焼部とを設けた上述の燃焼器
がケーシング内に設置され、かつこの燃焼器の周囲をそ
の尾筒側から頭部側に向けて燃焼用空気が流れて頭部か
ら当該燃焼器内に流入する一方、当該燃焼器の周りに環
状プリバーナを配置するようにしている。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１６】ガスタービン用燃焼器は、通常、外筒と内
筒との２重筒構造が採られている。即ち、燃焼器２０を
囲繞するケーシング（外筒）１３，１０と燃焼器２０の
ケーシングたる内筒１４との２重筒構造とされ、これら
の間に形成された空気流路１５にガスタービンのコンプ
レッサから供給される圧縮空気を導入するように設けら
れている。空気は、燃焼器２０の頭部２２に設置された
プリバーナ３を経てから予混合部２と触媒燃焼部１にそ
れぞれ供給されている。尚、内筒１４と外筒１３との間
に導入される圧縮空気の一部は内筒１４の冷却空気とし
て、あるいは希釈空気として直接内筒１４の周壁面の穴
から予混合燃焼部４に供給されるように設けられてい
る。

フロントページの続き (72)発明者平野純司大阪府大阪市北区中之島三丁目３番22号関西電力株式会社内 (72)発明者雑賀幹人大阪府大阪市北区中之島三丁目３番22号関西電力株式会社内 (72)発明者渡邊伸次大阪府大阪市北区中之島三丁目３番22号関西電力株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】触媒燃焼部と予混合部とをほぼ同一平面
で円周上に並列に配置すると共に、それらの下流に前記
触媒燃焼部から噴射される触媒燃焼ガスと予混合部から
噴射される予混合ガスとを希薄予混合燃焼させる予混合
燃焼部を配置し、供給される空気の流路が前記触媒燃焼
部と前記予混合部とに分割される手前に１つのプリバー
ナを配置し、前記予混合部と触媒燃焼部の両方に同じ燃
焼ガスを供給することを特徴とする触媒燃焼器。
【請求項２】ほぼ同一平面で円周上に並列に配置され
た触媒燃焼部と予混合部並びにそれらの下流に噴射され
る触媒燃焼ガスと予混合ガスとを希薄予混合燃焼させる
予混合燃焼部とを設けた燃焼器がケーシング内に設置さ
れ、かつこの燃焼器の周囲をその尾筒側から頭部側に向
けて燃焼用空気が流れて頭部から当該燃焼器内に流入す
る一方、前記燃焼器の周りに環状プリバーナを配置した
ことを特徴とする請求項１記載の触媒燃焼器。
【請求項３】前記ケーシングの前記燃焼器の頭部側と
対向する部分を貫通して前記各触媒燃焼部及び予混合部
に燃料供給系を配置したことを特徴とする請求項２記載
の触媒燃焼器。