JPH08303780A - ガスタービン燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多缶型ガスタービンに適用した場合において
も、触媒の損傷を防止して触媒の寿命を永くすることが
できるとともに、ＮＯｘ排出量を抑制することのできる
ガスタービン燃焼装置を提供する。 【構成】 燃焼触媒１が径の小さいライナ２の中に配設
されており、その出口側に、第１予混合ダクト３、第２
予混合ダクト４、第３予混合ダクト５の出口が燃焼器６
内に向けて開口するよう配設され、燃焼触媒１を通過す
る空気の全燃焼空気に対する割合が20％以下、当量比が
0.4以下となるように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービン燃焼装置
に係わり、特に酸化触媒を用いて燃料の一部をを燃焼さ
せるガスタービン燃焼装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球環境問題が注目されており、
ＣＯ₂ 低減の方法として高効率なエネルギー利用が要求
されている。そして、その要求に答えるものとして、ガ
スタービンと蒸気タービンとを組み合わせたコンバイン
ドサイクルや、ガスタービンの廃熱を利用して蒸気発生
などの熱源とするコジェネレーションの需要が益々高ま
っている。

【０００３】このようなガスタービンを用いた発電シス
テムを運用する際、地球環境問題のもう一つの問題であ
る酸性雨の原因物質の一つである窒素酸化物（以下ＮＯ
ｘと称す。）の抑制技術も要求されている。その一つの
方法として、たとえば、特公平１−２８８４３号公報、
特開平２−５２９３０号公報等において提案されている
触媒燃焼法が知られている。

【０００４】この触媒燃焼法を図６を参照して説明す
る。予燃焼燃料２１は、予燃焼燃料ノズル２４を介して
予燃焼室２５内に供給され、ここで反応して、触媒燃焼
が開始される温度まで触媒入口温度を上昇させる。

【０００５】この温度上昇した燃焼ガスに予混合燃料２
２を供給し、触媒部２８に空気と燃料の予混合ガスを通
過させることによって、触媒部２８では触媒反応が起こ
る。この触媒部２８における触媒反応は、予混合燃料２
２の供給量の調節により1000℃以下の酸化反応に調整さ
れる。

【０００６】触媒部２８を通過して部分的に酸化され未
燃分を多量に含んだ燃焼ガスには、気相部燃料２３が混
合されて気相燃焼部３１で完全燃焼する。

【０００７】この触媒燃焼法方法では、サーマルＮＯｘ
の発生源である高温度の燃焼領域がなくなり、ＮＯｘの
発生を大幅に抑制できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記説
明の従来の技術においては、たとえば多缶型ガスタービ
ンに適用したときに以下のような問題が生じる。

【０００９】上述したように触媒部に大部分の空気を流
す場合、燃焼器の圧力損失は触媒部で発生する。圧力損
失は触媒部を通過する速度に大きく依存するが、これは
即ち体積流量であり、体積流量はガス温度に依存する。
つまり、触媒部の温度が燃焼器圧力損失に直接影響し、
触媒温度が上がると圧力損失が大きくなる。

【００１０】一方、多缶型ガスタービンの各燃焼器への
空気配分は、それぞれの燃焼器の圧力損失が同じ場合、
均等に配分されるが、圧力損失にばらつきがあった場
合、圧力損失が高い燃焼器には空気流量が少なく配分さ
れる。

【００１１】ところで、各燃焼器の触媒は、同じ特性を
示すよう、調合され、組み立てられているが、長時間の
使用とともに劣化する。そのとき、劣化の特性まで完全
に均一にすることは非常に困難である。

【００１２】そして、触媒の劣化によるばらつきが発生
すると、温度の高い触媒は圧損が高くなり、空気量が他
より少なくなる。一方、各燃焼器に配分される燃料は、
分配器により等分されており、空気量の減少した燃焼器
の燃空比は高くなり、燃空比が高くなると更に触媒部通
過のガス温度が高くなる。つまり、多缶型ガスタービン
では、触媒温度のわずかなばらつきが拡大される系とな
っており、一部高温となった触媒は焼損に至る。

【００１３】また、ＮＯｘの排出に関しても、定格点で
触媒入口温度を触媒着火温度より高くするために拡散燃
焼で予燃焼する必要があり、この部分からのＮＯｘ排出
が多いという問題点がある。

【００１４】この発明は、かかる従来の事情に対処して
なされたもので、多缶型ガスタービンに適用した場合に
おいても、触媒の損傷を防止して触媒の寿命を永くする
ことができるとともに、ＮＯｘ排出量を抑制することの
できるガスタービン燃焼装置を提供しようとするもので
ある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】すなわち、請求項１記載
の発明は、酸化触媒を配置した触媒部によって燃料の一
部を燃焼させるガスタービン燃焼装置において、前記触
媒部を通過する空気の全燃焼空気に対する割合が20％以
下、当量比が 0.4以下となるように構成するとともに、
前記触媒部の下流に、予混合燃焼部を少なくとも２系統
に分割して配置したことを特徴とする。

【００１６】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載のガスタービン燃焼装置において、前記予混合燃焼部
のうち上流側の予混合燃焼部を、当量比が 0.7以上であ
って、予混合気に旋回が与えられて供給されるよう構成
したことを特徴とする。

【００１７】さらに、請求項３記載の発明は、請求項１
記載のガスタービン燃焼装置において、前記触媒部に
は、燃焼器下流部を背面冷却した空気が供給されるよう
構成したことを特徴とする。

【００１８】

【作用】上記構成の本発明のガスタービン燃焼装置で
は、触媒の特性にばらつきが生じて、触媒部の圧力損失
が変わっても、触媒部に関与している空気が20％以下の
ため、燃焼器全体の圧力損失に対する影響が小さく、圧
力損失の変動を許容範囲内に抑制することができる。

【００１９】また、触媒部の当量比を 0.4以下としてい
るので、触媒部での反応割合が50％で触媒出口温度が約
900℃以下になり、この温度を中心とした温度の変動が
あっても、触媒担体の機械的構造物等の許容温度範囲内
とすることができる。

【００２０】さらに、触媒部での空気量が少ないため、
大部分の燃料は気相で燃焼するが、触媒燃焼の特徴であ
る低ＮＯｘ燃焼を達成するために、予混合燃焼部におい
て稀薄予混合燃焼を行う。このとき、触媒燃焼した燃焼
ガスが着火源となるが、このガスは着火源としては温度
が低く、量も少ない。そこで、予混合燃焼部を少なくと
も２系統に分割し、予混合気を分割することによって着
火源との量の比を小さくすることにより、予混合気を安
定して燃焼させることができる。

【００２１】また、予混合気に旋回が与えられて供給さ
れるよう構成すること、および、上流側の予混合気の当
量比をたとえば 0.7以上に設定して燃焼温度を約1800℃
とすることにより、予混合気を安定して燃焼させること
ができる。

【００２２】また、通常の触媒の着火温度は約 400℃以
上であるが、1300℃級ガスタービンの圧縮機吐出温度は
これにわずかに満たない。この温度上昇のために従来に
おいては、予燃焼部を備えていたが、本発明では、触媒
部の空気割合が20％以下と少ないため、触媒部に燃焼器
下流部を背面冷却した空気を供給することにより、壁面
からの熱交換によって着火温度を容易に得ることができ
る。これにより、従来においてＮＯｘ発生の主要部分で
あった拡散予燃焼を不要とすることが可能となり、ＮＯ
ｘ発生を抑制することができる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の詳細を、一実施例について図
面を参照して説明する。

【００２４】図１は、本発明の一実施例のガスタービン
燃焼装置の要部構成を示すものである。同図の実施例で
は、予混合燃料系が３系統ある場合を示してあり、図の
上半部は予混合ダクトを含む断面で、下半部は予混合ダ
クトを含まない断面で示してる。また、図２は同じ触媒
燃焼器の横断面を示すものである。

【００２５】これらの図に示すように、本実施例では、
燃焼触媒１が径の小さな小径ライナ２の中に配設されて
おり、その出口側に、第１予混合ダクト３が、ここから
供給される予混合気に旋回を与えるように取り付けられ
ている。更に、この第１予混合ダクト３の下流側には、
小径ライナ２に比べて大径な燃焼器ライナ６が設けられ
ており、第１予混合ダクト３と大径部分との間に、第２
予混合ダクト４、第３予混合ダクト５が取り付けられて
いる。

【００２６】燃焼用空気は、第１予混合ダクト３、第２
予混合ダクト４、第３予混合ダクト５の各入口かこれら
の予混合ダクトを通過して燃焼器内に流れるもののほ
か、燃焼器の冷却空気として壁面を冷却しながら流入す
るライナ冷却空気７と、第１予混合ダクト３の出口から
小径ライナ２をインピンジメント冷却し、この後、触媒
部１に流入するインピンジメント冷却空気８の流れが形
成されるよう、その流路が構成されている。

【００２７】燃料は、供給元から４系統に分かれて、触
媒燃料流調弁９を介して触媒燃焼空気に混合される触媒
部燃料系統１０、第１予混合燃料流調弁１１を介して第
１予混合ダクトに供給される第１予混合燃料系統１２、
第２予混合燃料流調弁１３を介して第２予混合ダクトに
供給される第２予混合燃料系統１４、第３予混合燃料流
調弁１５を介して第３予混合ダクトに供給される第３予
混合燃料系統１６とが設けられている。

【００２８】次に、上記構成の本実施例の作用について
説明する。

【００２９】図３に横軸にガスタービン負荷と 0％負荷
以下での回転数上昇を連続して取り、縦軸に定格点に対
する空気と燃料の割合を取ったグラフを示す。なお、燃
料は各系統の積算値を示している。また、同図に示す場
合、約70％負荷でＩＧＶ制御を行い、燃焼器出口温度を
一定にしている。

【００３０】図４は、図３に示す制御を行った際の各部
の当量比の変化を示すグラフである。同図に示すよう
に、触媒部は常に当量比 0.3に制御されており、反応割
合50％で出口温度約 900℃となり、触媒耐久温度として
許容される範囲に設定されている。第１予混合気の当量
比は着火時には約 1.5、約20％負荷では約 2.5となって
いる。着火から低負荷にかけては、圧縮機吐出温度が低
いため、触媒に着火しないことが考えられる。しかしな
がら、この範囲では、第１予混合気の当量比が 1を越え
ており、触媒部を反応しないで通過した空気と拡散燃焼
する。第１予混合気は図２に示されるように旋回を与え
られて燃焼器内に流入する構造となっているため、拡散
火災は安定に保炎される。

【００３１】20％を越えた負荷では、圧縮機吐出温度が
約 320℃になっており、インピンジメント冷却したイン
ピンジメント冷却空気８は熱を壁から受け、約 400℃と
なっている。この空気に触媒燃料流調弁９を介して触媒
燃料系統１０の触媒部燃料を注入し、触媒燃焼が成立す
る。この時、触媒出口ガス温度は約 900℃となり、予混
合気着火温度としては低いが、第１予混合気の当量比が
0.7以上に設定されているため、着火後の燃焼温度が18
00℃以上になり、この部分の旋回による保炎と、触媒部
からの熱と多量の未燃成分の相互作用により安定燃焼す
る。

【００３２】第２予混合気は、当量比が0.55から0.65の
間に抑制され、上流からの高温燃焼ガスにより安定して
稀薄予混合燃焼する。約60％負荷までは第１予混合系統
で負荷に対応して、この負荷から第３予混合気を導入、
これも当量比を 0.55 から0.65の間に制御して稀薄予混
合燃焼する。

【００３３】約70％を越える負荷ではＩＧＶが開いてゆ
き、空気流量に比例して各系統の燃料を増加させ、当量
比を一定に保つ。

【００３４】以上のように、本実施例では、触媒部の燃
料割合が約 5％と小さく、また、触媒部の当量比が 0.3
のため、触媒部の空気流量は全体の約10％となる。

【００３５】ここで、触媒部の燃料割合を減らした場合
の効果を図５を用いて説明する。図５は、触媒の特性が
変化し、圧損が変化した場合の燃焼器全体の圧損に対す
る影響を計算した結果を示すものである。設計条件で燃
焼器全体の空気のうち、触媒部を通過する空気の割合を
横軸に、縦軸に圧力損失をとった。設計条件の圧力損失
を 5％として、触媒部の相当面積が50％を増減したとき
の圧力損失の変化を示している。同図に示すように、触
媒部空気流量が20％（0.2 ）以下であると、燃焼器全体
の圧力損失が 4％から 6％の間にあり、空気配分が安定
する。つまり触媒温度が大きく変化せず、焼損を防ぎ、
寿命を長くすることができる。

【００３６】以上説明したように、本実施例では、触媒
燃焼を用い、拡散燃焼部が無く、定格点ではどの燃焼系
統も稀薄予混合燃焼しているので、きわめてＮＯｘの低
い燃焼が達成されるとともに、多缶型ガスタービンに適
用した場合においても、触媒の損傷を防止して触媒の寿
命を永くすることができる。また、本実施例では、空気
流量制御をすることなく、高い信頼性をもった運転が可
能となる。

【００３７】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、趣旨を変更しない範囲で種々変形して実施
することができる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
多缶型ガスタービンに適用した場合においても、触媒の
損傷を防止して触媒の寿命を永くすることができるとと
もに、ＮＯｘ排出量を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の縦断面構成を示す図。

【図２】図１の実施例の横断面構成を示す図。

【図３】本発明の一実施例における制御の状態を説明す
るための図。

【図４】本発明の一実施例における制御の状態を説明す
るための図。

【図５】本発明の一実施例における効果を説明するため
の図。

【図６】従来の燃焼法を説明するための図。

【符号の説明】

１………燃焼触媒 ２………小径ライナ ３………第１予混合ダクト ４………第２予混合ダクト ５………第３予混合ダクト ６………燃焼器ライナ ７………ライナ冷却空気 ８………インピンジメント冷却空気 ９………触媒部燃料流調弁 １０………触媒部燃料系統 １１………第１予混合燃料流調弁 １２………第１予混合燃料系統 １３………第２予混合燃料流調弁 １４………第２予混合燃料系統 １５………第３予混合燃料流調弁 １６………第３予混合燃料系統

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸化触媒を配置した触媒部によって燃料
   の一部を燃焼させるガスタービン燃焼装置において、 前記触媒部を通過する空気の全燃焼空気に対する割合が
   20％以下、当量比が 0.4以下となるように構成するとと
   もに、 前記触媒部の下流に、予混合燃焼部を少なくとも２系統
   に分割して配置したことを特徴とするガスタービン燃焼
   装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のガスタービン燃焼装置に
   おいて、 前記予混合燃焼部のうち上流側の予混合燃焼部を、当量
   比が 0.7以上であって、予混合気に旋回が与えられて供
   給されるよう構成したことを特徴とするガスタービン燃
   焼装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載のガスタービン燃焼装置に
   おいて、 前記触媒部には、燃焼器下流部を背面冷却した空気が供
   給されるよう構成したことを特徴とするガスタービン燃
   焼装置。