JPH11507428A - 燃料ガスを燃焼するガスタービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ガスタービンによって比較的少量の窒素酸化物が放出される。特に触媒燃焼室の欠点は、例えば天然ガスに対する燃焼にとって必要な点火温度が約４００℃であることにある。従って従来は、不利に窒素酸化物源となる補助バーナを使用することが避けられない。この欠点を除去するために本発明によれば、燃料ガスの一部が引き出され、燃料ガス内に含まれる炭化水素をアルコールおよび／又はアルデヒドに変換するための触媒予備調製段を介して導かれ、続いて再び燃料ガスにその点火温度を下げるために導かれるように配管系統が設けられている燃料ガスを燃焼するガスタービンが提案される。このようにして予備調製段において燃料ガスから比較的容易に発火する燃料アルコールおよび／又はアルデヒドが得られる。この物質と混合された燃料ガスは従って予備調製済み成分なしの燃料ガスよりもかなり低い点火温度で発火する。本発明は原理的にあらゆるガスタービンに採用でき、特に燃料ガスを触媒燃焼するガスタービンに採用できる。

Description

【発明の詳細な説明】 燃料ガスを燃焼するガスタービン 本発明は、燃料ガスを燃焼するガスタービンに関する。 ガスタービンは通常圧縮機部分、バーナ部分およびタービン部分から成ってい る。圧縮機部分およびタービン部分は通常共通軸上に配置され、この軸は同時に 電気を発生するための発電機を駆動する。圧縮機部分内において予熱済みの新鮮 空気がバーナ部分内で必要な圧力まで圧縮される。バーナ部分内で圧縮済みの予 熱済み新鮮空気は例えば天然ガスあるいは石油のような燃料で燃焼される。高温 のバーナ排気ガスはタービンに導入され、そこで膨張される。 ガスタービンの構造および利用についての詳細な情報は、１９９４年５月ドイ ツのシーメンス・アクチエンゲゼルシャフト社発行の社報、注文番号 A96001-U1 24-A 259-V 1-7600「ガスタービンとガスタービン発電所（Gasturbines and Gas turbine Power Plants）」に記載されている。 圧縮済みの予熱済み新鮮空気を燃料ガスで燃焼する際、特に望ましくない燃焼 生成物として窒素酸化物（ＮＯｘ）も生ずる。この窒素酸化物は二酸化硫黄とと もに酸性雨の環境問題に対する主原因となる。従って、ＮＯｘの発生に対する厳 しい法的規制に基づいても、ガスタービンの出力にほとんど影響を与えることな しに、ガスタービンのＮＯｘの発生を特に少なくすることが望まれる。 例えばバーナにおける火炎温度の低下は窒素酸化物を減少させる作用をする。 この場合、燃料ガスあるいは圧縮済みの予熱済み新鮮空気に水蒸気が加えられる か、あるいは水が燃焼室の中に噴射される。ガスタービン自体の窒素酸化物の排 出を減少するこの処置は窒素酸化物を減少するための一次的処置と呼ばれる。 従ってガスタービンの排気ガス内に、あるいは基本的に燃焼過程の排気ガス内 に含まれる窒素酸化物を追加的処置によって減少するあらゆる処置は二次的処置 と呼ばれる。 このために、窒素酸化物を還元剤たいていはアンモニアと一緒に触媒体と接触 させ、その際に窒素と水素を形成するような選択触媒還元法（ＳＣＲ）が実施さ れている。この技術の採用には従って必然的に還元剤の消費が結びつけられる。 窒素酸化物を減少するために排気ガス通路内に配置された触媒は当然排気ガス通 路内に圧力降下を引き起こし、これはガスタービンの出力を低下する。たとえ数 千分の１の大きさの出力低下でさえ、例えば１５０ＭＷのガスタービン出力の場 合および約０．１５ＤＭ／ｋＷｈ電流の電流売価の場合、そのような装置で得ら れる成果に不利に作用する。 バーナ部分の形成に関する最近の考えは、通常採用されている拡散バーナある いは旋回安定形の予混合バーナが触媒燃焼室と取り換えられることにある。触媒 燃焼室によって上述の形式のバーナによるよりも窒素酸化物の放出を減少できる 。このようにしてＳＣＲ法の公知の欠点（大きな触媒容積、還元剤の消費、大き な圧力損失）を克服できる。 触媒燃焼室および同様に従来の燃焼室の欠点は、天然ガスを利用する場合に約 ４００℃の値である燃焼にとって必要な点火温度にある。このことはガスタービ ンにおける燃焼室の運転範囲を著しく制限し、補助バーナの採用を必要とし、こ の補助バーナは必然的に窒素酸化物源となる。 米国特許第５０４８２８４号明細書にから、燃料ガスの一部を残りの燃料ガス から分離することおよびこれを触媒改質器を介して案内することが知られている 。その場合改質過程においてメタンおよび水は水素および一酸化炭素と平衡する ので、メタンの一部は水素に変化する。その場合燃料ガスはメタンであるかメタ ンに分解する高質アルカンである。改質された燃料ガスは続いて再び燃料ガスに 導入され、その際専ら水素が点火温度を下げる働きをする。更に改質過程の転換 率は比較的低い。 本発明の課題は、同様に点火温度を低下することによって補助バーナを利用せ ずに、触媒段を介して導かれる燃料ガスの一部を一層良好に触媒的に変換するこ とにある。 この課題は本発明によれば、燃料ガスの一部が引き出され、触媒段を介して導 かれ、続いて再び触媒点火温度を下げるために燃料ガスに導入されるように配管 系統が設けられている燃料ガスを燃焼するガスタービンにおいて、触媒段が予備 調製段であり、この予備調製段が燃料ガス内に含まれる炭化水素をアルコールお よび／又はアルデヒドに変換するために設けられている触媒装置を含んでいるこ とによって解決される。 このようにして、引き出された燃料ガスの部分流は予備調製段において改質過 程と異なって触媒的に容易に発火する物質であるアルコールおよび／又はアルデ ヒドに分解される。その場合不可避の補助反応によって例えば水素のような別の 物質も形成される。予備調製済みの燃料ガスの部分流は残りの燃料ガス流に再び 導入され、このようにして作られた混合気は例えば天然ガスのような本来の燃料 ガスよりも低い点火温度を有する。上述の部分酸化化合物であるアルコールおよ びアルデヒドは水素とともに補助的に点火温度を低下し、従って従来技術に比べ てガスタービンの排気ガス中の窒素酸化物を一層減少する。燃料ガスの点火温度 を低下するために予備調製済みの燃料ガスの部分流を導入するということは、一 方では、予備調製済みの燃料ガスの部分流がまず燃料ガスに導入され、続いて圧 縮空気と混合されることを意味する。他方ではしかし、予備調製済みの燃料ガス の部分流が圧縮空気と残りの燃料ガスの部分流から成る混合気に導入されること も考えられる。このようにして得られる比較的容易に点火する混合気は、引き出 され続いて予備調製された燃料ガスの部分流の量に関係して２００〜３５０℃の 点火温度を有することになる。 引き出された燃料ガスの部分流を特に良好に予備調製するために、予備調製段 が燃料ガスの部分流の流れ方向において燃料ガスの部分流用の予熱装置を有する ことが提案される。予熱装置は特に、燃料ガスの部分流が予熱されずに予備調製 装置に流入するときに設けられる。続いて行われる触媒装置における予備調製に とって有利な触媒装置の入口における燃料ガス部分流の温度は約１００℃である 。 触媒装置に関して炭化水素をアルコールおよび／又はアルデヒドに変換するた めには、触媒装置がハニカムおよび／又はプレート形触媒であり、主に二酸化チ タン（ＴｉＯ₂）から成り、少なくとも遷移金属酸化物および／又は少なくとも 貴金属を含んでいることが有利である。遷移金属酸化物とは特に元素の周期律に おける３ｄ列および４ｆ列の酸化物（ランタノイド、希土類金属）を意味してい る。好適な貴金属は特にロジウム、パラジウム、白金である。特に酸化モリブデ ン、酸化タングステン、酸化バナジウム、酸化クロム、酸化鉄、酸化セリウム、 酸化マンガン、酸化ニッケルおよび酸化コバルトが適している。更に上述の金属 および金属酸化物のスピネル構造の金属酸化物も使用できる。 方法技術的に特に有利な方策は、燃料ガスの最大約２５容積％が引き出され、 予備調製段を介して導かれることである。このような限定は、経費（触媒体容積 ）が収益（触媒点火温度の低下）に対してバランスされるような好適な範囲を規 定する。 以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。図は燃料ガス６の比較 的低い触媒点火温度を得るための配管系統４を備えたガスタービン２を概略的に 示している。ガスタービンは圧縮機部分８、触媒燃焼室１０および膨張部分１２ から成っている。圧縮機部分８および膨張部分１２は共通の軸１４上に配置され 、この軸を介して電気を発生するための発電機（図示せず）が駆動される。圧縮 機８内において予熱済みの空気１６が触媒燃焼室１０の入口圧力まで圧縮される 。この実施例においては天然ガスである燃料ガス６に対して配管系統４が設けら れ、この配管系統で燃料ガス６の一部、ここでは約１５容積％が予備調製段１８ に燃料ガスの部分流２０として導かれる。残りの燃料ガス６は触媒燃焼室１０に 直接導かれる。 燃料ガスの部分流２０は予備調製段１８においてまず熱交換器２２によって約 １００℃に加熱される。加熱済みの燃料ガス部分流２０は続いてハニカム形触媒 ２４を貫流し、このハニカム形触媒は主に二酸化チタンから成り、酸化バナジウ ム、酸化タングステン、白金およびロジウムの混合物を含んでいる。ハニカム形 触媒２４の触媒作用によって燃料ガス部分流２０の大部分が予備調製され、即ち 天然ガス６から触媒的に容易に発火する物質であるアルコール、アルデヒドおよ び水素が生ずる。このように予備調製された燃料ガスの部分流２０も同様に触媒 燃焼室１０に導かれる。 触媒燃焼室１０において燃料ガス６、予備調製済みの燃料ガス部分流２０およ び予熱済みの圧縮空気１６が混合部材例えば定置混合機２６で混合され、続いて 適当な触媒ここではハニカム形触媒２８に導かれる。ハニカム形触媒２８は燃料 ガス６、燃料ガス部分流２０および予熱済みの圧縮空気１６を触媒燃焼するため に特に強い酸化作用を有している。この触媒はこの実施例においては基本物質と して二酸化チタン（ＴｉＯ₂）を有し、触媒活性成分として白金、ロジウム、イ リジウム並びに酸化セリウムおよび酸化クロムを含んでいる。上述の貴金属はそ れぞれ１重量％、上述の金属酸化物はそれぞれ３重量％の割合にハニカム形触媒 ２８内に存在している。しかし触媒活性成分を異なった組成にすることもできる 。 燃料ガスの部分流２０を予備調製することによって、定置混合機２６によって 混合された混合気は既に約２５０℃の温度で発火し、続いてハニカム形触媒２８ 内で完全燃焼する。膨張部分に流入する触媒燃焼室１０の高温のバーナ排気ガス ３０は約１１００℃の温度を有し、膨張部分１２内で膨張する。バーナ排気ガス ３０は膨張後に廃熱ボイラ（図示せず）に導かれる。触媒燃焼室１０内で燃焼す る混合気の触媒点火温度が比較的低いので、補助あるいはパイロット火炎を発生 する補助バーナの採用は完全に省略できる。補助バーナは窒素酸化物源ともなる ものであり、従ってバーナ排気ガス３０は膨張部分１２から流出する際に窒素酸 化物を非常に僅かしか含まない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．燃料ガス（６）の一部（２０）が引き出され、触媒段を介して導かれ、続い て再び触媒点火温度を下げるために燃料ガス（６）に導入されるように配管系統 （４）が設けられている燃料ガス（６）を燃焼するガスタービン（２）において 、触媒段が予備調製段（１８）であり、この予備調製段（１８）が燃料ガス（６ ）内に含まれる炭化水素をアルコールおよび／又はアルデヒドに変換するために 設けられている触媒装置（２４）を含んでいることを特徴とする燃料ガスを燃焼 するガスタービン（２）。 ２．予備調製段（１８）が燃料ガスの部分流（２０）の流れ方向において燃料ガ ス部分流（２０）用の予熱装置（２２）を有していることを特徴とする請求項１ 記載のガスタービン（２）。 ３．触媒装置（２４）がハニカムおよび／又はプレート形触媒（２４）であり、 主に二酸化チタンから成り、少なくとも遷移金属酸化物および／又は少なくとも 一つの貴金属を含んでいることを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービン （２）。 ４．燃料ガスの最大約２５容積％が引き出され、予備調製段（１８）を介して導 かれることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のガスタービン （２）。 ５．触媒燃焼室（１０）を有していることを特徴とする請求項１ないし４のいず れか１つに記載のガスタービン（２）。