JPS58164930A - ガスタ−ビン燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、燃焼時に発生する
窒素酸化物（以下、ＮＯｘと称す）の量が少なく、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ない、種々の代替エネル
ギーが希求されており、一方では、エネルギー資源の効
率的使用が要求されている。これらの要求に答えるもの
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等が挙げられ、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
ービンによゐ発電システムに比較して１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
や石炭ガス化ガス尋の燃料を、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おいて使用されているガス
タービン燃焼器は、従来よ〕、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１図に示す。第
１図の燃焼器は、燃料ノズルｌ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によシ着火
されて燃焼するものである。そして、燃焼した気体は、
冷却空気４及び希釈空気５を加えられて、所定のタービ
ン入口温度捷で冷却・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。

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
、燃料の燃焼時において、　ＮＯｘガスの生成量が多い
ことである。

上記したＮＯｘが生成する理由は、燃料の燃焼時におい
て、高温部が存在することによるものである。ＮＯｘは
１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Ｑ反応し
て生成する。

Ｎ２　＋　０２二２ＮＯ 上記反応は、高温になる程、：、東側に移行して一酸化
窒素（Ｎｏ）の生成量が増加する。ＮＯの一部は更に酸
化されて二酸化音素０’？ｐ＊　）を生成する。

第２図は、従来のガスタ−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つており、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、２
０００℃にも達する場合があるために、この近辺におい
てはＮＯｘ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には、部分的に高温部が存在す
るために、ＮＯｘの生成量が多いという問題点がある。

従って、排煙脱硝装置等を設けねばならず、装置が複雑
になる等の問題点をも有している。

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、稲々の燃焼方式が検討されている。

生成するＮＯｘ量を低減することができれシ、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
ＮＯｘ化、を目的とした燃焼方式としては、次のものが
挙げ、多れる。即ち、 ＋１１　　水蒸気或：いは水噴射を行なう方式、（２）
燃焼ゆ気・１・を二段、分はア導い１、燃料を燃（。

焼させる二段□燃焼方式、及び （３）排ガス再循環方式 しかし７ガがら、これらの方式は、必ずしも満足のいく
ものではなく、（１）の方式は、水蒸気或いは水を噴射
するために熱効率が悪く、（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、Ｎ０ｘｉの低減
効果も充分ではない。更に、（３）の方式は、大気圧下
での燃焼には適用可能でありが、・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である等の問
題点を有し、ている。

上記した燃焼方式は、いずれも気相のみにおける均一系
反応によるものであるが、最近、これらに対し、同相触
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。触媒燃焼方式は、触媒を用いて
燃料と空気の混合気体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９、従って、発生するＮＯｘ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シなく、燃料を完全燃焼させ
ることができる。第３図は、このような触媒燃焼方式の
燃焼器の概念図であり、触媒充填部７にはノ・ニカム構
造の触媒体が充填されたものである。尚、第１図と同じ
装置又は物質である場合には、同じ符号を付しである。

第４図は、上記したガスタービン燃焼器の中で、ａ；従
来の燃焼方式、ｂ：二段燃焼方式、Ｃ；触媒燃焼方式に
おける、それぞれの燃焼器内の温度分布を示すものであ
る。触媒燃焼方式では、他の方式と比較して最高温度が
低く、低温から徐々に不均一系の燃焼反応が起こシ、途
中から均一系の燃焼反応を伴って燃焼が進行しているこ
とがわかる。

現在、検討されている触媒燃焼方式の燃焼器において、
使用されてｉるノ・二カム構造触媒体のセルは、第５図
に示したように、その長さ方向に垂直な断面は丸型又は
角型等であり、長さ方向に平行な断面は直線的な柱状を
呈している。このようなハニカム構造触媒体においては
、触媒と混合気体との接触面積を増大させて燃焼反応を
円滑に進行させるために、、セルの断面積を小さくしな
ければならない。しかし、セルの断面積を小さくすると
、セル内の流体の流れは、粘性力に比べて慣性力が小さ
いため、層流に近づく。従って、触媒と混合気体の接触
速度は、それらの接触が拡散律速と々るために小さくな
シ、触媒燃焼が速やかに行がわれ力〈力るという問題点
を有している。

一方、上記した問題点を解決するために、触媒と混合気
体の接触時間を長くすること、即ち、セルの長さを延長
することが考えられる。しかし、この場合には、触媒の
燃焼効率が悪くなるのみならず、触媒を収納する容積も
大きくなシ、装置が大型化するという問題点を有してい
る。

又；ハニカム構造の触媒体を多段に積み重ねて、混合気
体の流路を変化させ、乱流を起こさせることによシ燃焼
効率を向上させ石方法が知られている。しかし、この方
法では１．、−ｗ′・、スタービン燃焼器のような流速
が極めて速い場合におｈては、圧力損失が増大し、ガス
タービン燃焼器の効率低下を招来するという問題点を有
している。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記した問題点を解消し、触媒と混合
気体との接触面積が増大され、燃焼効率が極めて良好々
触媒燃焼方式のガスタービンｆｆ１ｆｉ器を提供するこ
とにある。

〔発明の概要〕

本発明のガスタービン燃焼器は、燃料と突気の混合気体
を、ハニカム構造触媒体を用いて燃焼させる触媒燃焼方
式ガスタービン燃焼器において、前記ハニカム構造触媒
体が、スパイラル状溝加工を施したセルを有するもので
あることを特徴とするものである。

以下において、本発明を更に詳しく説明する。

本発明のカスタービン燃−器において使用される・・−
カム構造層媒体は、第６図に示したようかスパイラル状
の−を有するものである。

） 上記触媒体にｉ′襲ては、そのセぶ内を混合気体が通過
する場合に、セル壁面の表面又はその近傍を通過する混
合気体は、スパイラル状に加工された溝に沿って流れる
ことになる。そのため、流体の流れは旋回流となり、燃
料の拡散が促進され、効率よく触媒燃焼が行危われる。

本発明に使用されるハニカム構造触媒体のスパイラル状
ｆｐｊ加工処理は、例えば、触媒担体成形において、ス
パイラル状溝を設けた耐熱棒を穴の本数だけ同時に回転
させながら、押し出し成形することによりスパイラル状
溝を設は九触媒担体を成形することができる。

本発明において使用されるノ１ニカム構造触媒体は、通
常、ガスタービン燃焼器等の燃焼触媒として使用されて
いるものであればいかなるものでもよく、例えば、金属
を担体に担持せしめた本のが挙げられる。

上記した金属触媒としては、例えば、Ｐｔ、Ｐｔ−Ｉｒ
。

Ｐｔ−Ｐｄ、Ｐｔ−Ｎｉ０．Ｐｔ−ＣｃｙｚＯａ　、Ｐ
ｔ−Ｐｄ−Ｎ１ｐ、Ｐｔ−Ａｇ等の白金族元素を用いた
貴金属系触媒、或いは、ＭｎＯｓ＋　、Ｃ６＠Ｏｓ　ｌ
ｃ’０１０４　、ＣｕＯ’ｆｌの卑金属系触媒等が挙け
られる。

又、担体としては、例えば、α−アルミナ、ジルコニア
スピネル、ムライト、コージライト、チタニア等が挙げ
られ、これらから成る群より選ばれたｌｆ！もしくは２
種以上のものが使用される。

これらの他に、チタン酸塩或いはジルコニウム酸塩等の
複合金属酸化物等を焼結した後、担体を使用せずに、ハ
ニカム構造に成形したものを使用してもよい。或いは、
担体として使用するチタニアは、それ自身でも多少触媒
効果を有するととから、このチタニアのハニカム構造体
を使用することも可能である。

〔発明の効果〕

本発明のガスタービン燃焼器は、ハニカム構造触媒体に
スパイラル状の溝加工を施したことによ）、効率良く触
媒燃焼を行なうことができるものである。

又、スパイラル状の溝加工処理によシ、触媒と混合気体
の接触面積が増大された丸め、ハニカム状触媒体の容積
を更に小さくすることが可能であり、且つ、触媒層での
圧力損失が低減された丸のである。

更に、触媒燃焼方式であることから、Ｎ０ｘｔ−殆んど
発生す仝ことなく燃料の燃焼を行なわしめることができ
るものである。

〔発明の実施例〕

ハニカム構造触媒体として、　長さ５０騒、直径２５．
４１１Ｊｌを有するスパイラル状溝を設けたセラミック
環の担体に、触媒としてＰｔ２ｗｔ％を担持させたもの
を用いた。

このハニカム構造触媒体を、直径２５Ｍ＆φを有する燃
焼管に充填し、燃料としてプロパンと空気（空気比０．
０３　）の混合気体ｔ−４０００に加熱し。

３００１３／−の流量で導入した。そして、触媒体出口
における未燃焼プロパン濃度を測定した。

同時に、比較例として、ハニカム構造触媒体にスパイラ
ル状溝加工処理を施していない他は、すべて同様の触媒
体を用いて１、実施例と同様の方法１ で未燃焼プロパン濃度全測矯した。

′１″ その結果、本発明に係るバエカム構造触媒体を用い／・
ものは、へ・フィラー□状−加工処理を施していないも
のと比較して、ノ・二カム構造触媒体出口での未燃焼プ
ロパン濃度が、１／２〜１／４であるこ０υ 第１図 とが確認された。

【図面の簡単な説明】

第１図は通常のガスタービン燃焼器の概念図。 第２図は通常のガスタービン燃焼器の温度分布を示す図
、第３図は触媒燃焼方式のガスタービン燃焼器の概念図
、第４回は通常のガスタービン燃焼器（ａｌ、二段式ガ
スタービン燃焼器（ｂ）及び触媒燃焼方式ガスタービン
燃焼器（ｃＪにおけるそれぞれの温度分布を示す図、嬉
５図は通常（Ｄ　／”ハニカム構造触媒体の断面図、第
６図は本発明に係る／−ニカム構造触媒体の断面図であ
る。 １・・・燃料ノズル、２・・・スパークプラグ、３・・
・燃焼用９気、４・・・冷却用空気、５・・・希釈用空
気、６・・・タービンノズル、７・・・〕Ｓ二カ入構造
触媒体。 ：′ 、−８ ４ 第３図 ／＋）’Ｆ：に％、ｔ５−４範祈

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 燃料と空気の混合気体を、ハニカム構造触媒体を用いて
   燃焼させる触媒燃焼方式ガスタービン燃焼器において、 前記ハニカム構造触媒体が、スパイラル状溝加工を施し
   たセルを有するものであることを特徴とするガスタービ
   ン燃焼器。