JPS59107119A - ガスタ−ビンの燃焼法 - 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スるガスタ
ービン燃焼法に関し、更に詳しくは、燃焼時に発生する
窒素酸化物Ｃ以下、ＮＯｘと称す）の駄が少なく、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
燃焼法に関する。

［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おいて使用されているガス
タービン燃焼器は、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１図に示す。第
１図の燃焼器は、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
ン人口温度まで冷却・希釈された後、タービンノズル６
からガスタービン内に貫射される。

このような従来の燃焼器における重大な問題点の一つけ
、燃料の燃焼時において、ＮＯｘガスの生成層が多いと
吉である。

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
、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＋　０２４−２ＮＯ 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。Ｎｏの一部は更に酸化さ
れて二酸化窒素（Ｎ０２）を生成する。

第２図は、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、２
０００’Ｏにも達する場合があるだめに、この近辺（第
２図斜線部分）においてはＮＯｘア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、種々の燃焼方式が検討されている０生成するＮＯｘ
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０最近、とのような関点から
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）が提巣されている。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、最高温度が低くなシ、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・二カ
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り
、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。

このように優れた方式である触媒燃焼方式にも欠点があ
る。すなわち、ガスタービンの変動運転に対応した燃焼
法が充分確立されていないということである。

第３図は、触媒燃焼方式の燃焼器の概念図であるが、こ
のような形式の場合、タービンノズル６でのガス流量及
びガス温度（ガスタービンの出力に関連する）を変動さ
せる時には、触媒充填部へ流入してくる空気と燃料の量
を調整するしかない０このような形式で燃焼させる時の
問題点は、（１）低負荷の時、すなわち、タービンノズ
ルの温度を低くする時には、触媒に流入する燃料／空気
比を低くしなければならないが、触媒燃焼では触媒出口
の温度がある一定温度以上にならないと燃焼効率が低下
するため、タービンノズルでの温度をあまシ低くするこ
とができないという点であシ、また　。

（２）、高負荷の時、あるいはよシ進歩したガスタービ
ン運転時には、タービンノズルでの温度を高くするため
に、触媒充填部７でも相当な高温（１２００〜１５００
℃）が必要となるが、このような時には触媒の寿命が熱
による劣化のため著しく短かくなるという点である。

［発明の目的］ 本発明の目的は、触媒燃焼法においてガスタービンを運
転する時に、負荷変動に充分対応できる燃焼法を提供す
ることにある。

［発明の概要］ 本発明は、触媒燃焼方式によシ、燃料を燃焼さセルガス
タービン燃焼法において、触媒充填部に１本以上のパイ
プを通過させパイプの入口から燃料と空気との混合気を
供給し、パイプの出口端から、その混合気を触媒充填部
の出口部分に噴出させることを特徴とするガスタービン
の燃焼法である０ 本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、本発明に到達し
たが、その研究結果の一例をまず示し本発明の効果が犬
なるとと及びその妥当性を説明する０ 第５図に実験結果例を示した。第５図は、メタン触媒燃
焼の実験において断熱型の触媒反応管の触媒充填部用口
温度と燃焼効率との関係を示したものである。燃焼効率
は触媒出口から下流２００　ｍ。

での測定値である。図中のａは燃料と空気との混合気体
の流速が５００°Ｃに換算した時にｌＱｍ／ｓｅｃのも
の、ｂは同様に２０ｍ／Ｓｅｃ、　　Ｃは同様に珈ヅｓ
ｅｃである。まだａ、ｂ、ｃの各々の混合気体の計算上
の断熱火炎温度は１２００〜１３００°Ｃ程度である。

この図から明らかなように、触媒出口温度がある一定値
以上であれば、触媒を出た後でも気相中での均一反応が
起ることを示している。したがって、触媒出口以後に燃
料を加えることによって、触媒部では１０００℃穆度で
もタービン入口温度は１５００℃程度にすることが可能
であるき考えられる。また逆に、低負荷運転の場合を考
えると、７００℃程度の温度を得ようとしても燃焼効率
が低下してしまう。この場合は触媒出口温度を１０００
’Ｏ程度に保った後、冷却空気を加えれば燃焼効率を低
下させないでタービン入口温度を低くすることが可能で
ある。

ここで本発明者らは、これらの結果を有効に生じた触媒
燃焼法を見い出した。本発明の燃焼法の概念を第６図に
よって説明する。１のノズルから噴射する燃料が予燃焼
し、触媒燃焼に必要な予熱温度が得られる。さらに、１
′のノズルから触媒燃焼用の燃料が加えられて触媒充填
部で燃焼する。

９のパイプから、燃料と空気との混合気体が供給される
。この混合気体の燃料／空気比は０％−００まで可変す
ることが可能としておく。９のパイプの出口から噴出し
た混合気体は触媒出口の温度が気相での均一反応が充分
進む温度であるだめ、燃焼する。触媒出口以後の温度は
、９のパイプの燃料／空気比を変えることによって任意
に制御可能となる。また、９のパイプが触媒充填部を通
過しているため、パイプ内の混合気体は、触媒充填部で
昇温しでおり、この混合気体を噴出したための炎のクエ
ッチングは起らない。もし、この混合気体が加熱されて
いないと、ここで、温度低下のため炎のクエッチングが
起ることがある。また、低負荷時のようだタービン入口
温度を低くする時には９のパイプから燃料／空気比が低
いかあるいは燃料を含まない空気を供給することによっ
て、燃焼器全体の燃料／空気比が低下するだめに、ター
ビン入口温度を低くすることが可能となる。

このように、本発明を用いれば、触媒充填部での触媒燃
焼の部分の操作条件は、それ程変動させなくても、９の
パイプ内の混合気体の燃料／空気比及び流量を変えるこ
とによって、ガスタービンの負荷変動に対応することが
可能となる。

以下に本発明の詳細な説明するだめに、本発明の概念を
用いたモデル実験結果を実施例として示す０ ［実施例１］ 実験に用いた装置を第７，８図に示しだ。第７図におい
て燃焼管１２に貴金属ハニカム触媒を充填し、上流から
加熱した。燃料と空気の混合気体１４を供給した。ハニ
カム触媒は２５１１１の径で長さが１５ｃｒＩＬのもの
を用いた。第８図は、第７図と同じ装置を用いパイプ１
７を触媒充填部に通じて、燃料と空気のｒ合気体、ある
いは空気だけ１６を供給できるよ・ン うにしたものである。パイプの内径は８朋としだ。

すなわち、第７図の場合が通常の触媒燃焼法を想定した
ものであるに対して、第８図は本発明の概念に基づく方
法である。実験条件は、燃焼管１２【て供給する総ガス
量を２４０１／ｍｉｎとした。そして、燃料／空気比及
び燃焼管に供給するガスの温度を変化することによって
断熱火炎温度を変化させて実験した。結果を第９図に示
した。第７図の装置を用いた時の結果である１、曲線す
によれば、断熱火炎温度（すなわちタービン入口温度に
相当）が１１５０°Ｃ以下では、燃焼効率が低下してい
る。したがって、この様な温度に相当するタービンの出
力以下では運転できないと推定される。第８図の装置を
用いた時の結果は曲線ａであり、断熱火炎温度を低くす
るため、１６の混合気体の温度あるいは燃料／空気比を
低くすることによって、断熱火炎温度が低くても、燃焼
効率は低下していない。この時、１４の混合気体の温度
及び燃料／空気比は、触媒の出口温度が１１００’Ｏに
なるように操作した。

第９図のａの曲線に示したように、本発明の概念を用い
れば、従来のものよυ、よυ広い断熱火炎温度範囲（す
なわち、ターレン出力範囲）で触媒燃焼させることが可
能となる。

し実施例２］ 第７，８部に示した装置を用いて、断熱火炎温度１４０
０°０の操作条件で、それぞれ連続運転を行なった。第
１０図に、経過時間と燃焼効率との関係を示した。第７
図の装置の場合は、燃料が１４の混合気体中【すべて含
まれるため、触媒充填部の後半の部分は１２００°０を
超えておシ、触媒の熱劣化が大きく、そのため徐々に燃
焼効率が低下している。

しかし、第８図の装置の場合は、触媒出口温度を１００
０〜１１００℃になるように１４の混合気体の燃料／空
気比を制御し、１６から供給する混合気体中の燃料によ
って触媒出口以後で３００〜４００°Ｃの温度上昇を行
なわせているため、触媒の温度は前者に比べて低く、熱
劣化も少ない。したがって、長期にわたって安定な触媒
燃焼を行なわせることが可能となる。

【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図
は通常のガスタービン燃焼器（ａ）、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（
Ｃ）におけるそれぞれの温度分布を示す図、第５図は触
媒出口温度と燃焼効率との関係を示す図、第６図（ａ）
は、本発明の概念を用いたガスタービンの部分断面、（
ｂ）はＸ−Ｙにおける断面図、第７図は、通常の触媒燃
焼を想定したモデル実験の装置フロー図、第８図は本発
明の触媒燃焼を想定したモデル実験の装置フロー図、第
９図は断熱火炎温度と燃焼効率との関係を示す図であシ
、ａは本発明の場合、ｂは通常のものの場合を示す、第
１０図は経過時間と燃焼効率との関係の図であり、ａは
本発明の場合、ｂは通常のものの場合を示すものである
。 １．１′・・・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・？’ｌ用空
気、６・・・タービンノズル、７・・・ハニカム構造触
媒体、８・・・スロラー、９・・・燃料・空気の供給パ
イプ、 １０・・内筒、１１・・・外筒。 第　　１　　図 第２図 蜘撤崎拘 第８図 第４図 第５図 角＊月１度（°Ｃ） 第６図 （α） γ （Ｌ） 第７図 第９図 第１０図 壱勺五精間　　（んと）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 触媒燃焼方式によシ、燃料を燃焼させるガスタービンの
   燃焼法に°おいて、触媒充填部に１本以上のパイプを１
   ｍ過させ、パイプの入口から燃料と空気との混合気を供
   給し、パイプの出口端から、その混合気を触媒充填部の
   出口部分に噴出させることを特徴さするガスタービンの
   燃焼法。