JPH0749841B2 - 燃料の燃焼方法 - Google Patents

燃料の燃焼方法

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JPH0749841B2
JPH0749841B2 JP63067488A JP6748888A JPH0749841B2 JP H0749841 B2 JPH0749841 B2 JP H0749841B2 JP 63067488 A JP63067488 A JP 63067488A JP 6748888 A JP6748888 A JP 6748888A JP H0749841 B2 JPH0749841 B2 JP H0749841B2
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/40—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the use of catalytic means

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 本発明は一般に定置燃焼タービンに関し、特に、該燃焼
タービン内で直列に配設された触媒燃焼器を用いて、上
流側の燃焼器の非効率的に、下流側の燃焼器を効率的に
働かせることにより、上記燃焼タービンからの窒素酸化
物（NOx）の放出量を減少する方法に関するものであ
る。
先行技術の説明 慣用の燃焼タービンの運転においては、大気からの吸気
は、多翼圧縮機部の回転作用により圧縮され加熱され
て、複数の燃焼器部へと流され、該燃焼器部において圧
縮空気と混合され、その結果生じる混合物を点火し燃焼
している。このようにして放出される熱エネルギは、燃
焼ガスの形でタービン部へと流されて、そこで、電力を
発生するための設備或は工業プロセスを遂行するための
設備を駆動すべく回転エネルギに変換されている。最終
的に、燃焼ガスは、タービン部から大気へと放出され
る。
NOx放出限界を越えることなく上述のような用途に燃焼
タービンを適応させるべく種々の方式が開発されてきて
いる。その中でも、触媒燃焼を使用する試みが有望であ
る。その理由は、この触媒燃焼は、約2300乃至2500゜Fで
生起することができ、約3000゜Fを越える温度で生ずる窒
素と酸素との反応から生ずる顕著な副作用であるNOxの
発生を伴うことなく、良好なタービン運転効率に要求さ
れる高いタービン入口温度を発生するからである。これ
とは対照的に、約4500゜Fでの慣用の火炎燃焼では、一般
に、カリフォルニア州のような規制が比較的厳しい地域
で設定されている制限を越えるNOxの発生がある。
燃焼タービンと共に使用される先行技術の触媒燃焼装置
の代表的なものとしては、米国特許第3,846,979号、第
3,928,961号、第3,943,705号、第4,072,007号、第4,11
2,675号、第4,285,193号及び第4,413,470号各明細書並
びにカナダ国特許第1,169,257号及び第1,179,157号各明
細書に開示されているものが挙げられる。
上述のカナダ国特許第1,169,257号明細書に開示されて
いる構造の燃焼タービン用触媒燃焼装置は、触媒要素と
直列に非触媒バーナが用いられていることが原因で、20
ppmvのNOxを放出する排気ガスを発生し得る。これは、7
5ppmvという環境保護庁［Environmental Protection Ag
ency（EPA）］の基準に適合するが、日本のように、上
述の特許に開示されている構造では満たすことができな
い6ppmvもの低NOx放出量を要求する地域もある。
従って、或る法治管轄地域における更に厳しい環境規制
を満足するような燃焼タービンの更に低いNOx放出量を
達成する技術に対する必要性が依然として存在する。
発明の概要 本発明は、上の必要性を満すように意図されたNOx放出
量減少方法を提供するものである。燃焼タービンからの
窒素酸化物（NOx）の放出量を減少するための本発明の
方法は、タービンの燃焼器部に直列に配設された互いに
離間している触媒要素もしくは燃焼器を用いて、触媒燃
焼器のうちの上流側の燃焼器を非効率的に運転し、他
方、下流側の触媒燃焼器を効率的に運転するステップを
含む。上流側の触媒燃焼器を非効率的に、例えば通常な
らば99.9％であるところを僅か74.8％で運転することに
より、燃焼器部内の前置バーナ（プリバーナ）によって
発生されるNOxは、化学的に還元され、そして非効率燃
焼の生成物は次いで、効率的に作動される下流側の触媒
燃焼器内で酸化される。上流側の触媒燃焼器を非効率的
に動作させるのには種々の方法もしくは技術があるが、
好適な方法として、酸化が完全に行われるのには不十分
な滞留時間となるように上流側の燃焼器の軸方向の長さ
を短くすることが考えられる。
従って、本発明は、所定の超低基準レベル以下でNOx放
出量を生ずるように燃焼タービンの燃焼器部等において
燃料を燃焼する方法に向けられている。この方法は、
（ａ）効率的な触媒反応に要求される温度よりも高温で
あると共に、所定の低基準レベルより低いが前記所定の
超低基準レベルよりも高いレベルでNOxを含有する高温
ガスの流れを発生するように、一次燃焼領域において一
次流内の空気及び炭化水素燃料の混合物を燃焼し、
（ｂ）前記一次燃焼領域の下流側に位置する混合及び気
化領域において二次流内の炭化水素燃料を前記高温ガス
の流れと混合して、効率的な触媒反応に要求される温度
よりも高い温度の加熱された燃料混合物の流れを発生
し、（ｃ）前記混合及び気化領域の下流側に位置する第
１の触媒要素内で、前記加熱された燃料混合物を非効率
的に触媒反応せしめて、効率的な触媒反応に要求される
温度よりも高い温度を有し且つ前記所定の超低基準レベ
ルより低いレベルでNOxを含有すると共に所定の許容し
得る基準レベルを超えるレベルで一酸化炭素及び未燃焼
炭化水素を含有している流出ガスの流れを発生し、
（ｄ）前記第１の触媒要素の下流側に位置する完全混合
領域において前記流出ガスの流れ内の前記一酸化炭素及
び未燃焼炭化水素を混合して効率的触媒反応に要求され
る温度よりも高い温度の加熱された混合流出ガスの流れ
を発生し、（ｅ）前記完全混合領域の下流側に配設され
ている第２の触媒要素内で、前記加熱された混合流出ガ
スを酸化して、前記所定の超低基準レベルより低いレベ
ルでNOxを含有すると共に前記所定の許容可能な基準レ
ベルより低いレベルで一酸化炭素及び未燃焼炭化水素を
含有している排気ガス流を発生する、諸ステップを含ん
でいる。
更に具体的に述べると、一次流内の炭化水素燃料と空気
の燃焼は、慣用の火炎燃焼を用いて行われる。更に、こ
の一次流の加熱された燃料混合物は、該混合物内の燃料
が完全に気化するのには不十分な長さの時間だけ混合及
び気化領域内に滞留される。また、第１の触媒要素は、
効率的な触媒反応作用に要求されるよりも短い長さを有
しているので非効率的に触媒反応の作用をする。
本発明の上に述べた利点及び他の利点並びに効果は、本
発明の実施例が単なる例として示してある添付図面と関
連しての以下の詳細な説明を読むことにより当業者には
明らかとなろう。
好適な実施例の説明 以下の説明において、同じ参照記号は、幾つかの図面を
通し同様又は対応の部分を指すものとする。また、以下
の説明において用いられる例えば「前方」、「後方」、
「左方」、「右方」、「上方」、「下方」その他類似の
言葉は、単に説明の便宜上用いた表現であって、限定的
な意味に解釈されてはならない。
図面、特に第１図を参照するに、この図には、電力を発
生するための設備（図示せず）を駆動したり或は工業プ
ロセスを遂行するのに用いられる型式の慣用の燃焼ター
ビン（ガスタービン）10が詳細に示してある。図示の実
施例におけるこの特定のタービンは、本願の出願人のW5
01D型の92メガワツト燃焼タービンである。この燃焼タ
ービン10は基本的に、多翼圧縮機部12と多翼タービン部
14とを備えている。圧縮機部12及びタービン部14は、双
方共に、両端に入口、出口16、18及び20、22をそれぞれ
有しており、タービン10の長手方向の回転軸線Ａを画成
する共通の回転可能な軸24上に取り付けられている。
また、タービン10は、例えば数にして16個のような複数
の中空の細長い燃焼器部26を備えており、これ等の燃焼
器部26は、圧縮機部12の出口18の周りにタービンの回転
軸線Ａから半径方向に離間し且つ円周方向において互い
に離間して設けられている。これ等の燃焼器部26は、圧
縮機部の出口18を囲繞する大きい円筒状のケーシング28
内に収容されている。ケーシング28は、燃焼器部26の上
流側の端部分32において、圧縮機部の出口18と入口穴30
との間に流体連通部を形成している。各燃焼器部26の下
流側の端部34の各々は、タービン部入口20と流体連通関
係になるように中空の渡り導管もしくはダクト36により
接続されている。
第２図をも参照して説明するに、一次燃料ノズル38及び
小さい通常の火炎（図示せず）を発生する点火トーチ
（第１図及び第２図には図示せず）が、各燃焼器部26の
上流側端部分32の内部に画成されている一次燃焼領域40
を連通して設けられている。各燃焼器部26の入口穴30の
うちの最も前方の入口穴は、ケーシング28の内部と一次
燃焼領域40との間に流体連通を与える。更に、複数個の
二次燃料ノズル42が、各燃焼器部26に沿って、一次燃焼
領域40の下流側の燃料調整領域（混合及び気化領域）44
と入口穴30の最も後方の穴とに整列して配設されてい
る。
タービン10の通常の運転においては、大気からの吸込空
気もしくは吸気は、入口16を経て圧縮機部12内に吸い込
まれ軸線Ａを中心とする共通軸24の回転運動に伴う上記
圧縮機部の翼もしくは羽根の回転運動により圧縮され加
熱される。圧縮され加熱された空気は、圧縮機部12及び
ケーシング28を経て第１図に示した矢印の方向に流れ、
上流側の端部分32に設けられている入口穴30を介し複数
個の燃焼器部26内に流入する。
一次燃料ノズル38からの炭化水素燃料は一次燃焼領域40
内に流入し、そこで、加熱され圧縮された空気と混合さ
れ、かかる一次流内の混合物は点火され燃焼して高温ガ
スの流れを発生する。燃料調整領域44においては、二次
燃料ノズル42からより多くの炭化水素燃料が取り込まれ
て上記高温ガスの流れ内で燃焼する。このようにして放
出される熱エネルギは、タービン部14の入口20を経て燃
焼ガス流（二次流）内に搬入され、該タービン部14にお
いて、タービン10の圧縮機部12を回転するのに加えて、
電力を発生するための設備のような他の設備を駆動する
ための回転エネルギに変換される。燃焼ガスは最終的に
タービン部14の出口22から大気中に排出される。
各燃焼器部26と関連して、第２図に示すように、完全混
合領域50により離間されて一対の上流側及び下流側の第
１、第２触媒要素46及び48を設けることにより、本発明
の方法に従って、約6ppmvの超低濃度基準以下のNOx放出
量で、タービン部14の駆動のための加熱された排気ガス
流を発生するように燃焼タービン10を運転することがで
きる。各触媒要素46及び48は、筒体52、54を備えてお
り、この筒体内には、触媒ハニカム構造56、58が適当な
手段で通常のように支持されている。
次に第３図を参照し、本発明の方法について説明する。
各燃焼器部26の一次燃焼領域40内に点火トーチ60によっ
て発生される通常の火炎を用いて、一次流内の炭化水素
燃料及び空気の混合後、該混合物を点火して燃焼し、効
率的な触媒還元に要求される温度より高い温度（例えば
800゜F）の高温ガスの流れを発生する。この高温ガス
は、所定の低濃度基準（75ppmvの基準）を下回るが所望
の超低濃度基準（例えば6ppmv）を上回るレベル（例え
ば28ppmv）でNOxを含有している。
次いで高温ガスの流れは、一次燃焼領域40の下流側に位
置している燃焼器部26の燃料調整領域44に受け入れられ
る。この燃料調合領域44においては、二次燃料ノズル42
によって注入される付加的な炭化水素燃料の二次流が、
高温ガス流と混合される。この混合で、やはり、効率的
な触媒反応に要求される温度よりも高い温度を有してい
る、加熱された部分的に気化されていない燃料混合物の
流れが生ずる。加熱された燃料混合物は、混合物内の燃
料が総て気化するのには不十分な時間、燃料調整領域内
に滞留する。
加熱され部分的に気化していない燃料混合物の流れは、
そこで、燃料調整領域44の下流側に位置する上流側の触
媒要素46によって受け入れられる。この上流側の触媒要
素46において、加熱され部分的に気化していない燃料混
合物は非効率的に触媒還元され（例えば触媒要素46は僅
か74.8％の燃焼効率で動作する）、それにより効率的触
媒還元に要求される温度より高い温度の流出ガス流が生
ずる。このようにして発生される流出ガスは、超低濃度
基準（例えば6ppmv）以下のレベルでNOxを含有すると共
に、許容基準（例えば75ppmv）より高いレベル（例え
ば、それぞれ2560ppmv及び4800ppmv）でそれぞれ一酸化
炭素（CO）及び未燃焼炭化水素（UHC）を含有してい
る。
上流側触媒要素46と下流側触媒要素48との間における、
例えば6in（15.24cm）の長さの完全混合領域もしくは混
合完了領域50で、流出ガス流内の成分（N2、CO及びHC
H）が混合されて、それにより、やはり効率的な触媒反
応に要求される温度よりも高い温度の加熱され混合され
た流出ガスの流れが発生する。
次いで、加熱され部分的に気化していない燃料混合物の
流れは、下流側の触媒要素48で受け入れられ、そこで効
率的に触媒酸化され（通常の99.9％燃焼効率で酸化さ
れ）、それにより、タービン部14のための加熱された流
出ガスの流れが得られる。この流出ガスは、上述の超低
濃度基準より低いレベルでのNOxと上述の許容基準以下
のレベルでのCO及びUHCとを含有している。
上流側触媒要素46が非効率的に動作することを確保する
のに種々の技術もしくは方法がある。１つの方法とし
て、燃料混合物の酸化又は還元を完了するのに滞留時間
が不十分になるように触媒要素46の軸方向長さを短くす
ることができる。
各触媒要素46、48の触媒特性は次のようにすることがで
きる。
DEX-442触媒に関するデータ 1.基材 寸法 触媒要素46： 2in厚 16in径 触媒要素48： （２″＋２″）長−（２部分間のギャッ
プ1/4in） 材料 ジルコン組成物 かさ密度 40−42lb/ft3 セルの形状 正弦波状に波付き 数 256通路／in2 相当直径 0.0384″ ウェブ厚さ 10＋2mil 開口面積 65.5％ 熱容量 0.17BTU/lb、 ゜F 熱膨張係数 2.5×10-6in/in、゜F 熱伝導度 10BTU、in/時、ft2、゜F 融点 3050゜F 圧潰強度 軸方向 800PSI 90度 25PSI II.触媒 活性成分 パラジウム ウォッシュコート（washcoat）安定化アルミナ 本発明の思想及び本発明による利点は上の説明から理解
されるであろう。また、本発明の精神及び範囲から逸脱
することなく或はその実質的な利点総てを犠牲にするこ
となく、実施例、構造及び部品の配列に関し種々の変更
が可能であろうことは明らかである。従って、ここに開
示した実施例は本発明の単なる好適な例示に過ぎないも
のと理解されたい。
【図面の簡単な説明】
第１図は、従来の定置燃焼タービン構造を、部分的に切
除して示す側立面図、第２図は、本発明の原理に従って
タービンを運転するために一対の直列に配列された触媒
燃焼器を据え付けるように変形された第１図のタービン
の燃焼器の１つを一部断面で示す拡大図、第３図は、第
２図の変形燃焼器の動作を図解する簡略横断面図であ
る。 40…一次燃焼領域、44…混合及び気化領域 46…第一の触媒要素、48…第二の触媒要素 50…完全混合領域

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】所定の超低基準以下でNOx放出量が生ずる
    ように燃料を燃焼する方法であって、 （ａ）効率的な触媒反応に要求される温度よりも高温で
    あると共に、所定の低基準レベルより低いが前記所定の
    超低基準レベルよりも高いレベルでNOxを含有する高温
    ガスの流れを発生するように、一次燃焼領域において一
    次流内の空気及び炭化水素燃料の混合物を燃焼し、 （ｂ）前記一次燃焼領域の下流側に位置する混合及び気
    化領域において二次流内の炭化水素燃料を前記高温ガス
    の流れと混合して、効率的な触媒反応に要求される温度
    よりも高い温度の加熱された燃料混合物の流れを発生
    し、 （ｃ）前記混合及び気化領域の下流側に位置する第１の
    触媒要素内で、前記加熱された燃料混合物を非効率的に
    触媒反応せしめて、効率的な触媒反応に要求される温度
    よりも高い温度を有し且つ前記所定の超低基準レベルよ
    り低いレベルでNOxを含有すると共に所定の許容し得る
    基準レベルを超えるレベルで一酸化炭素及び未燃焼炭化
    水素を含有している流出ガスの流れを発生し、 （ｄ）前記第１の触媒要素の下流側に位置する完全混合
    領域において前記流出ガスの流れ内の前記一酸化炭素及
    び未燃焼炭化水素を混合して効率的触媒反応に要求され
    る温度よりも高い温度の加熱された混合流出ガスの流れ
    を発生し、 （ｅ）前記完全混合領域の下流側に配設されている第２
    の触媒要素内で、前記加熱された混合流出ガスを酸化し
    て、前記所定の超低基準レベルより低いレベルでNOxを
    含有すると共に前記所定の許容可能な基準レベルより低
    いレベルで一酸化炭素及び未燃焼炭化水素を含有してい
    る排気ガス流を発生する、 諸ステップを含む燃料の燃焼方法。
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