JPH11507433A - 特にガスタービン用のバーナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明によれば触媒燃焼室を備えたバーナが提案される。燃焼室は燃料の流れ方向にほぼ円筒状の広がりを有し、燃焼室の燃料側の壁に燃料を酸化するための触媒活性被膜を有している。燃料の触媒的に誘起される燃焼によって、バーナ排気ガスの窒素酸化物の含有量を特に少なくできる。この壁の被覆によって、バーナにおける流れ抵抗は窒素酸化物を減少するための公知の一次的処置とは異なり高められない。このバーナをガスタービンに採用する場合、特に高い効率が得られ、同時に窒素酸化物の発生が減少される。本発明は特にすべてのガスタービンに採用できる。

Description

【発明の詳細な説明】 特にガスタービン用のバーナ 本発明は触媒燃焼室を備えた特にガスタービン用のバーナに関する。その場合 燃料としては液状並びにガス状の炭化水素および／又は水素含有エネルギー担体 が使用される。この種の燃料は例えば天然ガス、石油あるいはメタンである。こ の種のバーナは特にガスタービンに採用することができる。 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一般に、電気を発生するための発電機を同 時に駆動する共通の軸上に配置されている。圧縮機部分において予熱済みの新鮮 空気が上述の種類の燃料で燃焼される。高温のバーナ排気ガスはタービン部分に 導入され、そこで膨張する。 ガスタービンの構造および使用についての詳細な情報は、１９９４年５月発行 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「A 96001-U 124-V 1-7600「ガスタービン及びガスタービン発電所（Gasturbines and Gastur bine Power Plants）」に記載されている。 上述の種類の燃料を燃焼する際に、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の排出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。窒素酸化物自体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。 従って例えば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。 窒素酸化物を減少するための一次的処置として、英国特許出願公開第２２６８ ６９４号明細書においては、燃料の点火温度が部分的な触媒酸化によって低下さ れるような触媒燃焼室が提案されている。このために設けられた触媒は燃料の流 れ方向に対して横に組み込まれ、全流れ断面積にわたって広がっている。このた めに高い流れ抵抗が生ずる。 従って上述のバーナの場合基本的には、上記の明細書で提案されている一次的 あるいは二次的処置の窒素酸化物の減少方式はいずれもタービン設備の出力ある いは総合効率を犠牲にしているという問題がある。 本発明の課題は、特に窒素酸化物の放出が少なくて済み、同時に特にタービン の高い効率が得られるような特にガスタービン用のバーナを提供することにある 。 本発明によればこの課題は、燃焼室が燃料の流れ方向にほぼ円筒状の広がりを 有し、燃焼室の燃料側の壁に燃料を酸化するための触媒活性被膜を有しているこ とによって解決される。このようにして燃料の触媒導入式燃焼によって、バーナ 排気ガスの窒素酸化物の含有量を特に少なくできる。同時に燃焼室の壁の被膜に よって流れ抵抗が増大することがないので、この種の触媒燃焼室によってガスタ ービンの効率を特に高くすることができる。触媒燃焼室のほぼ円筒状の形状およ び壁の触媒活性被膜は、燃料が壁から出発して点火し、火炎面が壁の触媒活動表 面から燃焼ガスの自由な流れの中に広がることができる。この場合、特に円筒状 の形状は火炎面をほぼ同心的に従って均質に分布する働きをし、これによって燃 料が一様に完全燃焼する。 特に良好に回転対称に形成された火炎面を得るために、燃焼室の円筒長手軸線 に対して同心的に配置され触媒活性被膜を被覆された複数のリングが設けられて いると有利である。 燃焼室内におけるほぼ回転対称の火炎面を形成する過程は、一つあるいは複数 のリングが専ら燃焼室のほぼ円形の横断面の外側範囲に配置されているときに助 成される。 燃焼室内における燃料の触媒点火温度を下げるために、燃料の主流、予備調製 済みの燃料の部分流および空気を含んでいる燃料が燃焼室に導入されると特に有 利である。この場合、燃料の主流は一般に天然ガスおよび／又は石炭ガスおよび ／又は水素から成っている。予備調製済みの燃料の部分流は、燃料の主流から分 離され予備調製段を介して導かれる部分流である。触媒をベースとして作動する この予備調製段においては、例えば天然ガスから、この天然ガスより触媒的に容 易に点火する例えばアルコール、アルデヒドおよび水素のような物質が形成され る。このような予備調製済みの燃料の部分流と混合された燃料ガスは従って顕著 な触媒点火性を有する。 触媒燃焼室に導入される燃料の点火性に関する特に有利な実施形態では、予備 調製済みの燃料の部分流が場合によって空気と予め混合され、壁にある孔を通し て燃焼室に導入されることが提案される。このようにして予備調製済みの燃料の 部分流の比較的容易に点火する混合気が触媒活性被膜と直接接触させられ、自然 に発火するので、触媒燃焼室内に空間的に安定して中空円筒の形をした火炎が運 転的に安定して生ずる。 触媒燃焼室の燃焼ガス側の壁に存在する触媒活性被膜を保護するために、その 壁を冷却することができる。この場合壁は例えば空気で冷却され、その際同時に 空気の予熱が達成される。この予熱済み空気は例えば続いて圧縮機部分で燃焼室 の入口圧力まで圧縮される。 触媒活性被膜の触媒作用は特に、触媒活性被膜が特に火炎溶射あるいはプラズ マ溶射された二酸化チタン、及び白金、ロジウム、パラジウム、イリジウム、レ ニウムから選択された貴金属成分、および／又は一つあるいは複数の遷移金属酸 化物から選択された金属酸化物成分を有しているときに有利である。遷移金属酸 化物として、例えば酸化銅、酸化クロム、酸化鉄、酸化モリブデン、酸化タング ステン、酸化バナジウム、酸化マンガン、酸化セリウム並びにランタノイドの酸 化物のような強い酸化触媒作用を示す酸化物が問題となる。 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１は触媒燃焼室を備えたガスタービンのバーナの概略構成図、 図２は図１に対して幾分変更された触媒燃焼室を備えた図１におけるガスター ビンのバーナの概略構成図、および 図３は触媒燃焼室の横断面図である。 図１から図３において同一部分には同一符号が付されている。 図１の概略図には、圧縮機部分４、バーナ部分６およびタービン部分７を有す るガスタービン２が示されている。バーナ部分６は触媒燃焼室８を有し、その壁 １０は触媒活性被膜１２を有している。 触媒燃焼室８はこの実施例において横断面が円形をしている。触媒燃焼室８の 中に燃料１４として、この実施例において圧縮機４で圧縮された空気１６と燃料 の主流１８と予備調製済みの燃料の部分流２０から成っている燃焼ガスが流入す る。この予備調製済みの燃料の部分流２０は本来の燃料流２２から分離され、予 備調製段２４を介して導かれる。燃料流２２はこの実施例においては天然ガスか ら成り、予備調製段２４において天然ガスより触媒的に容易に点火する例えばア ルコール、アルデヒドおよび水素のような物質が形成される。予備調製段２４は その機能を得るために二酸化チタンをベースとするセラミックスハニカム形触媒 コンバータ（図示せず）を有している。このハニカム形触媒コンバータは補助的 にその表面に設けられた白金およびパラジウムから成る貴金属成分を有している 。 触媒燃焼室８の壁１０における触媒活性被膜１２は火炎溶射された厚さ約５０ ０μｍの二酸化チタン層から成り、その上に補助的に白金、ロジウムおよびパラ ジウムの貴金属粒子および酸化セリウム、酸化バナジウムおよび酸化クロムのよ うな遷移金属酸化物の粒子が施されている。または火炎溶射された二酸化チタン の代わりにプラズマ溶射された二酸化チタンを設けることもできる。これらはい ずれも触媒燃焼室８の一般にオーステナイト鋼から成る壁１０上における大きな 強度を有する。 ガスタービン２を運転する際、燃料１４は触媒燃焼室８に流入し、壁１０の触 媒活性被膜１２で発火する。このようにして形成された上流側に位置する火炎面 ２６は下流側に位置する火炎面２８と同様にほぼ回転対称形をしているので、触 媒燃焼室８における温度分布は主流方向に沿って横断面に関してほぼ円形の等温 線を有している。これは燃料１４が少ない有害物で一様に燃焼するという利点を 有する。 このように触媒燃焼した燃料１４は約１１００℃の温度でタービン部分２のタ ービン７に流入し、そこで膨張する。タービン部分に運ばれた熱エネルギーは電 気を発生するための発電機（図示せず）を駆動するために利用される。この発電 機はガスタービン２と同じ軸（図示せず）上に配置されている。タービン７から 出たバーナ排気ガス３０は燃料１４の触媒燃焼に基づいて特に窒素酸化物が少な く、窒素酸化物の含有量は約７０ｐｐｍである。バーナ排気ガス３０は廃熱ボイ ラ（図示せず）において蒸気を発生するために利用される。 図２は図１に対して幾分変更されたガスタービン２′を概略的に示している。 この場合触媒燃焼室８の形成についての変更に限定されている。図２における触 媒燃焼室８′は図１におけるものとは、壁１０に予備調製済みの燃料部分流２０ および空気１６がそこを通って燃焼室８′に流入する孔３２が設けられている点 で相違している。 この処置は図１における実施例に対して二つの利点を有する。その一つは、低 い触媒点火温度の混合燃料が触媒活性被膜１２に直接触れて燃焼室８′に流入し 、従って比較的自然に発火することである。従ってこの処置は上流側に位置する 火炎２６特に安定化するために寄与する。もう一つの利点は、壁１０が予備調製 済みの燃料の部分流２０と空気１６とから成る壁１０に沿って流れる混合気によ って冷却されることである。この冷却によって触媒活性被膜１２の熱負荷も軽減 され、これはこの被膜１２の耐久性に良好に作用する。壁１０の冷却はここで図 示していない方式で圧縮機４に流入する空気１６の流れによっても得られる。 図３は図１および図２に対して変更された触媒燃焼室３４の横断面の形状を概 略的に示している。この図には同様に壁１０および燃料１４を酸化するための触 媒活性被膜１２が示されている。燃料の酸化とは勿論、燃料１４、２２が酸化し 、空気１６によって導入される燃焼にとって必要な酸素が減少されることを意味 す る。従って燃料ガス１４を酸化するための触媒活性被膜１２とは、酸化および還 元燃焼生成物を伴う燃焼過程全体を誘起する被膜を意味している。 燃焼室３４は三つの同心的に配置されたリング３６を有している。これらの同 心リング３６は壁１０の材料から成る薄い帯条板である。これらのリング３６は 燃焼室３４の壁１０に被覆されているものと同じ触媒活性被膜１２を備えている 。図を分かり易くする理由から触媒活性被膜１２は選択された一つの四分円にし か示されていない。リング３６を保持するクロスピース３８も触媒活性被膜１２ を備えている。燃料１４の最初の点火を燃焼室３４の横断面の外側範囲に限定す るために、リング３６は専ら燃焼室３４のほぼ円形の断面の外側範囲に配置され ている。その場合火炎面は燃料ガス１４の自由な流れの中に自力で広がる。触媒 活性被膜１２付きのリング３６はそのようにして、火炎面を安定化するためおよ び特に有害物の少ない完全燃焼を保証するために貢献する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｆ２３Ｒ 3/42 Ｆ２３Ｒ 3/42

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．燃焼室（８、８′、３４）が燃料（１４）の流れ方向にほぼ円筒状の広がり を有し、燃焼室の燃料（１４）側の壁（１０）に燃料（１４）を酸化するための 触媒活性被膜（１２）を有している触媒燃焼室（８、８′、３４）付きのバーナ 。 ２．燃焼室（８、８′、３４）の円筒長手軸線に対して同心的に配置され触媒活 性被膜を被覆された複数のリング（３６）が設けられていることを特徴とする請 求項１記載のバーナ。 ３．一つあるいは複数のリング（３６）が専ら燃焼室（８、８′、３４）のほぼ 円形の断面の外側範囲に配置されていることを特徴とする請求項２記載のバーナ 。 ４．燃料の主流（１８）、予備調製済みの燃料の部分流（２０）および空気（１ ６）を含んでいる燃料（１４）が燃焼室（８、８′、３４）に導入されることを 特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のバーナ。 ５．予備調製済みの燃料の部分流（２０）が場合によって空気（１６）と予め混 合され、壁（１０）にある孔（３２）を通して燃焼室（８′）に導入されること を特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のバーナ。 ６．壁（１０）が冷却可能であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか １つに記載のバーナ。 ７．触媒活性被膜（１２）が特に火炎溶射あるいはプラズマ溶射された二酸化チ タン、白金、ロジウム、パラジウム、イリジウム、レニウムの一つあるいは複数 から選択された貴金属成分、および／又は一つあるいは複数の遷移金属酸化物か ら選択された金属酸化物成分を有していることを特徴とする請求項１ないし６の いずれか１つに記載のバーナ。 ８．請求項１ないし７のいずれか１つに記載のバーナを有するガスタービン。