JPH0826992B2

JPH0826992B2 - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JPH0826992B2
Application number: JP61059594A
Authority: JP
Inventors: 正道伊東; 昭男大越; 賢次郎靜川; 輝信早田; 富明古屋; 矢山中; 淳次肥塚
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 1986-03-19
Filing date: 1986-03-19
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2011-03-21
Also published as: JPS62218727A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の技術分野］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、燃焼時における
窒素酸化物（以下、NO_xと称す）の発生量が少なく、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
率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があり、現在検討されつつある。
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使用されているガスター
ビン燃焼器では、従来より、燃料と空気の混合物を、ス
パークプラグ等を用いて着火して均一系の燃焼を行なっ
ている。このような燃焼器の一例を第５図に示す。第５
図の燃焼器においては、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
体すなわち燃焼ガスには、冷却空気４及び希釈空気５が
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。８はスワラーである。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、燃料の燃焼時に多量のNO
_xガスが生成して環境汚染等を引き起こすことである。

上記したNO_xが生成する理由は、燃料の燃焼時におい
て、燃焼器内に高温部が存在することにある。NO_xは、
通常、燃料中に窒素成分が存在していない場合には、燃
焼用空気中の窒素と酸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。そしてこのNOの一部は更
に酸化されて二酸化窒素（NO₂）を生成する。

第６図は、第５図に例示した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
っており、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、この近辺においてはNO_x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では、部分
的に高温部が存在するために、NO_xの生成量が多いとい
う問題点がある。従って、燃焼器の下流には排煙脱硝装
置等を設けねばならず、装置が複雑にならざるを得な
い。

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NO_x
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NO_x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）燃焼用空気を二段に分けて導入して燃焼を二段階
に燃焼させる二段燃焼方式、及び（３）排ガス再循還方式である。

しかしながら、これらの方式には以下のような問題が
ある。すなわち、（１）の方式は、水蒸気或いは水を噴
射するために燃焼器の熱効率が悪くなり、（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、NO_x量の低
減効果も充分ではなく、更に、（３）の方式は、大気圧
下での燃焼には通用可能であるが、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当である、と
いう問題である。

以上の（１），（２），（３）の方式はいずれも気相
のみにおける均一系反応に基づく方式であるが、最近、
これに代るものとして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。こ
の触媒燃焼方式は、触媒を用いて燃料と空気との混合物
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NO_xが急激に発生する高温部の形成を回避でき、従
って、発生するNO_x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７図は、触媒燃焼方式に用いる燃焼器の１例を示し
た概念図である。図中の数字はそれぞれ第５図と同じ要
素を表わす。この燃焼器は触媒充填域７を備えることが
構造上の特徴である。触媒充填域７には、通常、ハニカ
ム構造の燃焼触媒が充填されていて、ここで燃料と空気
の混合気体が燃焼させられる。この方式においては、触
媒充填域７の下流において燃焼用空気を供給することは
必ずしも必要としない。

しかしながら、この方式の燃焼器の場合も次のような
問題がある。すなわち、第１の問題は、現在検討されて
いる燃焼器におけるタービンへの供給燃料ガスの温度が
1100〜1200℃であり、これにたいし燃焼触媒の耐熱温度
が高々1200℃程度であるということである。つまり、触
媒充填域７内で燃料を完全燃焼させた場合には、触媒の
温度が1200℃以上に上昇することがあり、その結果、触
媒の熱劣化，熱破損が生じてその機能が減退若しくは喪
失するという問題である。

第２の問題は、触媒充填域７内が高温になればなるほ
ど該充填域７内を通流する燃焼ガスの流速は大きくなる
ことに起因して触媒充填域７におけるガスの圧力損失が
大きくなってガスタービンの効率を低下させるという問
題である。

この問題への対策として、本発明者らは、触媒充填域
７の上流と下流の領域それぞれで燃料を分割して供給
し、上流領域における燃料ガスと空気との量比（以下F/
Aという）を所定値に規定して触媒充填域での温度上昇
を規定したF/Aにおける気相着火温度以下に設定し、し
かし、タービン入口においては所望の温度を得る方法を
開発し、それをすでに特願昭58-229967号として出願し
た。

しかしながら、ガスタービン燃焼器のように大量のガ
ス流体を処理する場合には、上記F/Aを所定値に保持し
続けることは非常に困難でありその値は通常設定値近傍
で変動する。F/Aの変動は、たとえそれが微少であって
も、燃焼触媒への影響は極めて大である。すなわち、燃
焼触媒の種類によって異なってくるが、F/Aの値がその
許容限界よりわずかでも小さくなると充填域内での触媒
燃焼は生起せず、逆にわずかでも大きくなると触媒燃焼
が急激に進行して触媒温度はその耐熱温度以上に上昇し
て触媒の熱劣化若しくは熱破損が生起してしまう。ま
た、供給する燃料の成分が変動する場合、例えば、突然
に燃焼し易い燃料が供給された場合なども上記のような
事態が発生する。

［発明の目的］本発明は上記した特願昭58-229967号に開示された燃
焼器の改良に関し、触媒充填域の温度と上流領域におけ
るF/Aとを相互に制御することにより、触媒の異常高温
化を抑制してその長寿命化を可能とし、また触媒充填域
内の圧力損失を小たらしめ、燃焼効率を高めることに成
功した触媒燃焼方式のガスタービン燃焼器の提供を目的
とする。

［発明の概要］本発明のガスタービン燃焼器は、燃料と空気を混合し
て第１混合物を形成する領域；該第１混合物の一部を触
媒燃焼せしめる触媒充填域；及び、該触媒充填域からの
流出ガスに更に燃料を混合して第２混合物としそれを気
相燃焼せしめる領域；とから成るガスタービン燃焼器で
あって、該触媒充填域に配設された触媒温度検知手段
と；該第１混合物形成領域に配設され、その中に噴出す
る空気の量を制御しうる空気噴出口と；該触媒温度検知
手段からの信号によって該空気噴出口からの空気噴出量
を制御することにより、該第１混合物中の燃料に対する
空気の混合比率（F/A）を制御する混合比率調節手段；
とを具備してなることを特徴とする。

本発明の燃焼器の１つの構造例を第１図に示す。図に
おいて、11は燃料ノズル,12は空気噴出口である。これ
ら燃料ノズル11及び空気噴出口からは、ガスタービンノ
ズル６における燃焼ガスの設定条件に対応させて、必要
量の燃料及び空気が図の点線領域Ａ内に噴出され、所定
の混合比率（F/A）の第１混合物が形成される。このと
き、空気の供給が少ない場合は、一般に触媒燃焼反応に
おける燃焼速度が燃料濃度の増大に比例して大きくなる
ことに起因して、後述の触媒充填域では燃料の大部分が
燃焼されることにより触媒温度は高温となってその熱劣
化，熱破損が進行すると同時に、圧力損失も増大する。

そのため、本発明の燃焼器にあっては、後述の触媒充
填域には、燃料だけではなくこの燃料を空気で所定の比
率に希釈した混合物（第１混合物）を供給し、該触媒充
填域における燃料の高濃度を抑制して触媒に高温化を防
ぎかつ圧力損失を防止するのである。

なお、燃料ノズル11及び空気噴出口12は、領域Ａ内で
できるだけ上流側に配置することが好ましい。これは、
第１混合物の濃度分布をできるだけ均一にするために混
合空間を大きくするためである。

以上の第１混合物形成領域Ａの後段には例えばハニカ
ム状に燃焼触媒13が充填された触媒充填域Ｂ（点線で図
示）が配設され、ここに第１混合物が供給されてその一
部が触媒燃焼に付される。

この触媒充填域Ｂの後段には、該充填域Ｂから流出し
未燃物を含む流出ガスに、更に燃料ノズル11aから所定
量の燃料を供給して該流出ガスと混合し、かつ得られた
第２混合物を気相燃焼せしめる領域Ｃ（点線で図示）が
配設される。

本構造例では、触媒充填域Ｂに触媒温度に検知手段14
と、混合比率調節手段として、この検知手段14に連動し
て作動する空気量調節手段15とが付設されている。

触媒温度の検知手段14としては、例えば熱電対方式、
赤外線方式など高温検知手段であればどのような方式で
あってもよい。また、この検知手段14は、触媒充填域Ｂ
のいかなる位置に配設されてもよいが、最も温度が上昇
する最下流域近傍に配設することが好適である。更に
は、検知手段は１個でもよいし、必要とする個所に複数
配設してもよい。

この検知手段14で得られた温度情報（例えば電気信
号）を空気量調節手段15に伝送し、その作動態様を決定
し、領域Ａ内に噴出する空気量が調節される。例えば、
このような手段15としては電磁バルブをあげることがで
きる。

燃焼器の稼動においては、まずガスタービンノズル６
における燃焼ガスの条件設定に応じて、領域Ａで形成さ
れるべき第１混合物のF/Aが決定される。

燃焼器の稼動中、このF/Aが何らかの理由で低下する
と、燃料の触媒燃焼が減少して触媒充填域Ｂの温度が低
下し、結局はここからの流出ガスにとって領域Ｃで均一
系燃焼を起すに必要な温度が得られなくなる場合を生ず
るが、そのときには、検知手段14で燃焼触媒13の温度を
検知し、その情報信号を空気量調節手段15に伝送して空
気噴出口12からの噴出空気量を減少せしめてF/Aを高め
る。逆に領域Ａ内のF/Aが設定値よりも大きくなると、
検知手段14で検知される触媒温度は高くなりすぎるの
で、そのときにはその温度情報により空気量調節手段15
を作動せしめて供給空気量を増大させてF/Aを低くすれ
ばよい。

このF/Aの制御、つまりは供給空気量の制御と触媒温
度との関係は、触媒の種類，燃料の種類などによって異
なった関係になるので、予めそれらの関係を実験によっ
て検定しておけば、上記した制御操作は容易に可能であ
る。

なお、第１図において、11bは燃料ノズル,2はスパー
クプラグであるが、これらは第１混合物をそれが触媒燃
焼を起すに必要な温度に高めるための予燃焼用の付帯要
素であって、燃焼触媒13の活性が高く低温でも触媒燃焼
が可能である場合には、必ずしも必要とするものではな
い。

［発明の実施例］模式図として第２図に示した燃焼器を製作した。すな
わち、燃焼管21の中に、長さ90mm直径100mmの貴金属系
ハニカム触媒22を充填した。触媒域22の下流出口から5m
mの位置に、白金−白金ロジウムの熱電対23をセットし
た。24は熱電対23からの信号で弁開閉する電磁バルブで
ある。まず、導管P₁からメタンを、導管P₂から空気を供
給して両者を混合し、この第１混合物を450℃に電気加
熱して領域Ａへの供給量をF/A＝0.040,触媒域22へ入口
流速約30m/secとした。なお、領域Ｃには、領域Ａへの
燃料供給量の1/3をP₁′を介して供給するようにした。

用いたハニカム触媒の耐熱温度は約1100℃であるた
め、熱電対温度が1000℃を超えた時点で、電磁バルブ24
が開になって領域Ａへの第１混合物のF/Aが0.035になる
ように設定した。なお、触媒温度が1000℃未満のときは
常時バルブ24の閉の状態にある。

この状態で燃焼器を稼動して触媒温度の経時変化を測
定してその結果を第３図の実線（ａ）として示した。比
較のため、熱電対23,電磁バルブ24を配設しない場合の
結果を第３図の点線（ｂ）として示した。

図から明らかなように、本発明の燃焼器の場合は触媒
温度が約1000℃で安定しているのに反し、比較例の燃焼
器では触媒温度の変動が激しくしかも高温時には優に触
媒温度がその耐熱温度を超えていて熱劣化，熱破損の危
険性が大きくなっている。

なお、燃焼時間が、200時間以内の場合には、いずれ
の場合もその燃焼効率は99％以上で排ガス中NO_xは3ppm
以下であったが、しかし、300時間を超えたときは、本
発明燃焼器はほとんど変化なしであったのに対して、比
較例のものは触媒温度が900℃に低下しその燃焼効率の9
6％に低下した。

実施例２実施例１の装置を用い、燃料としてメタンの中にプロ
パンを20分毎に20秒間かけて容積率が４％になるように
混入したことを除いては実施例１と同様にし触媒温度の
経時変化を測定した。その結果を第４図に示した。図
中、実線（ａ′）は本発明の場合、点線（ｂ′）は比較
例の場合である。図からわかるように本発明の場合では
触媒温度はプロパンの混入にもかかわず安定していたの
に対し、比較例の場合では混入のたびに触媒温度が急激
に上昇しその結果触媒の破損，劣化が認められた。

［発明の効果］以上の説明で明らかなように、本発明の燃焼器は、
NO_x発生量が少ない、触媒温度とF/Aを相互に制御する
ので触媒の異常高温化を抑制できる、したがって、触
媒の熱劣化，熱破損が防止でき触媒寿命を長期に保持で
きる。しかも、触媒温度の変動が少ないので高く安定
した燃焼効率を維持できる、などの効果を奏しその工業
的価値は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明燃焼器の１つの構造例，第２図は実施例
で用いた装置の模式図である。第３図，第４図はいずれ
も実施例における触媒温度の経時変化を表わす図であ
る。第５図は通常のガスタービン燃焼器の概念図，第６
図は第５図の燃焼器における流体流れ方向と温度との関
係図，第７図は触媒燃焼方式のガスタービン燃焼器の１
例の概念図である。 1,11,11a,11b…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、7,13…燃焼触媒、８…スワラー、12…空
気噴出口、14…触媒温度検知手段、15…空気量調節手段

フロントページの続き (72)発明者大越昭男東京都調布市西つつじケ丘２−４−１東京電力株式会社技術研究所内 (72)発明者靜川賢次郎東京都調布市西つつじケ丘２−４−１東京電力株式会社技術研究所内 (72)発明者早田輝信神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者古屋富明神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者山中矢神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者肥塚淳次神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献特開昭60−122807（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−108829（ＪＰ，Ａ) 実開昭60−95458（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料と空気を混合して第１混合物を形成す
る領域と、該第１混合物の一部を触媒燃焼せしめる触媒
充填域と、該触媒充填域からの流出ガスに更に燃料を混
合して第２混合物としそれを気相燃焼せしめる領域と、
該触媒充填域に配設された触媒温度検知手段と、該第１
混合物形成領域に配設され、その中に噴出する空気の量
を制御しうる空気噴出口とを具備し、定常運転状態にお
いて該第１混合物及び第２混合物の両者を燃焼させる２
段燃焼方式のガスタービン燃焼器であって、該触媒温度検知手段からの信号に応答して該空気噴出
口からの空気噴出量を調節することにより、該第１混合
物中の、燃料に対する空気の混合比率を変化させて、触
媒の温度がその耐熱温度を超えないように制御する混合
比率調節手段を更に具備していることを特徴とするガス
タービン燃焼器。