JPS61276627A - 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燃焼器に係り、特に燃焼器で発生
する窒素酸化物の生成を低減させるために触媒を用いた
触媒燃焼方式のガスタービン燃焼器に関する。

（発明の技術的背景およびその問題点〕ガスタービンプ
ラントおよびコンバインドアラントから排出される窒素
酸化物（以下ＮＯｘという）については、きびしい環境
規制があり、水噴射法やＤｅ−ＮＯｘ処理などの種々の
対策が採用されているが、いずれもプラント効率の低下
や設備のコストアップなどの問題をはらんでいる。この
低ＮＯｘ対策として近年注目されているものに触媒燃焼
法がある。これは燃焼器内に設けた触媒を用いることに
より低温で燃焼を完了させようとするものである。

すなわら、第４図は従来の触媒燃焼器を示す図であって
、図示しない圧縮機を出た圧縮空気ａは、外筒１と内筒
２との間に形成された環状間隙部３を通って内筒２の壁
面を冷却しながら内筒頭部に至り、そこで反転してスワ
ラ４によって旋回流とせしめられ内筒２内の燃焼室内に
供給される。一方、燃料すは、燃料噴射弁５を介して内
ｎ２内に噴射され、スワラ４による空気の旋回流により
空気と良好に混合されて予混合域６で均一化された混合
気となり、内筒２内に設けられている触［７を通過する
時に触媒反応によって触媒燃焼を起し、高温ガスとなっ
てタービン側に送られる。

このように触媒燃焼においては、従来のガスタービン燃
焼器のように高温ガスを希釈することがなく、すなわち
高温部がないため低温燃焼が可能となり、ＮＯｘ排出囲
も極力小さく押えることができる。

しかしながら、ガスタービン燃焼器のような高負荷な燃
焼器においては、燃焼器内の平均流速が速く、触媒の接
触時間も短くなるために、従来の拡散律速で支配される
触媒燃焼法では、燃焼効率を高く維持することが困難で
ある等の問題があった。また、高負荷燃焼条件において
は、流速が増大するため、触媒前後の圧損が増大し、結
果として燃焼器圧損が増大し、蒸気噴射等を止めたこと
によるプラント効率の向上弁を食いつぶしてしまう等の
不都合がある。さらに触媒の耐久性を上げるため触媒の
熱負荷を低減させる燃焼方式、燃焼条件にすると、燃焼
効率が低下し、また触媒に流入する予混合ガスの不均一
性のため触媒の部分加熱（ホットスポット）等による燃
焼事故等が発生する等の問題がある。

〔発明の目的〕

本発明はこのような点に鑑み、触媒燃焼を利用して低Ｎ
Ｏｘ化を図る触媒燃焼器において、平均流速が大きい高
負荷燃焼条件下においても、極めて安定し、燃焼効率が
高く、しかも燃焼器圧損の小さい低ＮＯｘガスタービン
燃焼器を得ることを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は燃焼器を構成する内筒を外筒内に同心状に配設
し、両筒間の環状間隙を通して圧縮空気を送給するよう
にしたガスタービン燃焼器において、上記内筒の一端中
央部に設けられたパイロット燃料ノズルおよびスワラの
外周部に、これと同心状に予混合ダクトを配設し、その
予混合ダクトの内筒側先端部に触媒体を設けるとともに
、他端側に内筒の軸線に対して互いに平行な多数の第１
の燃料ノズルを設け、さらに上記予混合ダクトの触媒体
の直下流の内筒周壁部に、内筒壁の一部を形成する触媒
体を周方向に配設するとともに、その触媒体より放射方
向外方部の予混合ダクト内に半径方向に指向された多数
の第２の燃料ノズルを設けたことを特徴とするものであ
る。

〔発明の実施例〕

以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明
づる。

第１図および第２図において、符号１ｏは燃焼器におけ
る円筒状の外筒体であり、その外筒体１０内にはこれと
同心状に燃焼器を形成する内筒１１が配設されている。

上記内筒１１の一端中央部には中心軸線上にパイロット
燃料ノズル１２が設けられており、そのパイロット燃料
ノズル１２の先端部外周にスワラ１３が設けられている
。スワラ１３の外周先端部には、内ｒｆＡ１１内に向か
って拡開する断面切頭円錐状の保炎器１４が配設され、
その保炎器１４の外周部には、上記パイロット燃料ノズ
ル１２の軸線と同心状の内外２重円筒体からなる保持リ
ング１５が設けられている。上記保持リング１５はその
内外２重円筒体によって環状の予混合ダクト１６を形成
しており、その子混合ダクト１６の内筒１１側端而部に
は触媒体１７がその全周にわたって装着され、その触媒
体１７によって前記内筒１１の一端面の一部が形成され
ている。また、上記予混合ダクト１６内には、内筒１１
の軸線方向に指向された多数の第１の燃料ノズル１８が
周方向に設けられている。

また、内筒１１の上記一端寄り外周には軸線方向に互い
に＠間した２枚のドーナツ状の保持リング１９．１９が
設けられており、その保持リング１９．１９間には、上
記内筒１１の内面の一部を形成するように筒状の触媒体
２０が装着保持されており、その触媒体２０の半径方向
外方部には、上記保持リング１９．１９によって形成さ
れた予混合ダクト内に内！ｉ１１の中心軸に向かって開
口するよう放射方向に配列された多数の第２の燃料ノズ
ル２１が周方向および軸線方向に所定間隔をもって配列
装着されている。

内筒１１には、さらに上記触媒体２０より下流側に、複
数の予混合バイブ２２が周方向に等間隔にかつ放射方向
に装着され、内筒１１内に開口せしめられており、各予
混合バイブ２２内にはその外端部寄りにそれぞれ第３の
燃料ノズル２３が設けられている。そして、上記予混合
バイブ２２より下流側の内筒１１には複数の希釈穴２４
が穿設されている。一方、保持リング１５に保持された
触媒１７と保持リング１９の間にはイグナイタ２５が設
けられている。

ところで、外１！１１０の端板１０ａには燃料ヘッダ２
６．２７および２８が設けられており、燃料ヘッダ２６
はパイロット燃料ノズル１２に接続されるとともに一方
では第１の燃料バルブ２９に接続されている。また燃料
ヘッダ２７は第２に燃料バルブ３０に接続されるととも
に、配管３１を介して多数の第１の燃料ノズル１８及び
第２の燃料ノズル２１に燃料を均一に分配供給するよう
に接続されている。さらに燃料ヘッダ２８は第３の燃料
バルブ３２に接続されるとともに、配管３３を介して複
数の第３の燃料ノズル２３に燃料を均一に分配供給する
ように接続されている。

しかして、図示されていない空気圧縮機から供給される
高圧空気ａは、内筒１１と外筒１０によって形成されて
いる環状通路３４を通りて外筒１０の端部まで流入し、
そこでスワラ−１３によって旋回運動が与えられ、パイ
ロット燃料ノズル１２から噴出される燃料と拡散混合し
て内筒１１内に流入して保炎域を形成し、予混合ガス燃
焼用のパイロット火炎が形成される。

また、上記高圧空気ａの一部は保持リング１５によって
形成された予混合ダクト１６にも流入し、そこで当該部
分に取付けられている多数の第１の燃料ノズル１８から
噴出する燃料と予混合ガスとなり、その後触媒体１７で
部分酸化燃焼し、燃焼ガスジェットａ１となって内ｎ１
１内部にほぼ軸線と平行方向に流入する。同様にして高
圧空気の一部は保持リング１９．１９間にも流入し、そ
こで多数の第２の燃料ノズル２１から噴出する燃料と予
混合して予混合ガスとなり、さらに触媒体２０で部分酸
化燃焼し、燃焼ガスジェットａ２となって内筒１１内に
その外周からほぼ半径方向に流入する。

さらに、高圧空気ａの他の一部は予混合バイブ２２に取
付けられた第３の燃料ノズル２３から噴出する燃料との
予混合用空気ａ３として予混合バイブ２２内に流入し、
予混合ジェットａ４として内筒１１内に流入する。そし
て、高圧空気ａのさらに他の一部は希釈穴２４がら空気
ジェットａ５として内筒１１内に流入する。

そこで、第１の燃料バルブ２９を経°Ｃパイロット燃料
ノズル１２に燃料が供給され、イグナイタ２５により着
火エネルギが与えられると、火炎が保炎域に形成される
。そして、第１の燃料バルブ２９より供給する燃料を漸
次増大し、ガスタービンが自立して定格回転数に達する
と、第２、第３の燃料バルブ３０．３２から燃料の供給
が開始される。

一方、高圧空気は空気圧縮機の断熱圧縮により３００℃
〜５００℃程度の高温となっており、保持リング１５に
よって形成された予混合ダクト１６内および保持リング
１９間によって形成された予混合ダクト内における予混
合ガス等がそれぞれ触媒体１７および２０を通る間に部
分酸化し、未燃の燃料とともに燃焼ガスジェットａ　　
、ａ２となって内筒１１内に流入し、前記パイロット火
炎の高温ガスと接触して低酸素濃度、燃料稀薄条件下で
燃焼が継続され、ＮＯｘが発生することなく完全燃焼す
る。さらに予混合パイプ２２より内筒１１内に流入した
予混合ジェットａ４も同様に内筒１１内を流れる高温ガ
スに接触して低酸素、燃料稀薄条件下で燃焼を継続し、
ＮＯｘ発生が抑制され完全燃焼する。

ここで、予混合ダクト１６および保持リング１９間にお
ける燃料の当量比は０．５以下、予混合パイプ２２にお
ける当量比は０．６以下となるように、燃料、空気の配
分を決定する。また内筒１１内外の圧力差または燃焼器
の圧損の値は、触媒体１７．２０の上流部、および予混
合バイブ２２内を流れる予混合ガスの流速が逆火を防ぐ
ため燃焼速度以上の流速になるように設定する。さらに
各燃料ノズルに供給される各燃料の配分、予混合ガス当
量比等は燃料の種類によって変えることができる。

このように、多数の燃料ノズルを内筒の軸線と平行に指
向されたものと、半径方向内方に指向されたものとする
ことによって燃料と空気の予混合の不均一性を直すこと
ができる。ざらに、触媒体構造として、保持リング１９
を利用して内筒壁の一部を形成するような同心円筒状と
することにより、軸方向長さを自由に選択することがで
き、予混合ガスの容量または燃焼ガスジェットの流出表
面積を大きくすることが可能となり、内筒径を異常に大
きくすることなく、燃焼器圧損を従来型と同程度（３〜
４％）に抑えることが可能となる。

なお、上記実施例においては、触媒体２０を筒状に形成
したものを示したが、第３図（ａ）に示すように複数の
触媒体が周方向に配列されたようｔ【形状としてもよく
、また第３図（ｂ）に示すように複数の触媒体が多角形
状になるように配列しても同様な効果を奏せしめること
ができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明においては内筒の一端部に
パイロット燃料ノズルおよびスワラを設け、そのパイロ
ット燃料ノズルの外周部から触媒体を経た燃焼ガスジェ
ットを内筒内にその軸線に平行に流入させるとともに、
その直下流域において触媒体を経た燃焼ガスジェットを
内筒内に半径方向に流入するようにしたので、各燃焼ガ
スジェットが互いに衝突混合して燃料と空気の予混合が
均一になるとともにパイロット火炎と衝突混合し、触媒
での燃焼量（熱負荷）を低減させることができ、触媒の
耐久性を向上させることができる。さらに、触媒体によ
って高温領域の内局壁を形成させることができるので、
内筒冷却用の冷却空気量を低減することができ、しかも
上記高温領域の内筒壁の表面積を触媒体の軸方向長さの
選定によって変えることができ、燃焼器全体の圧損を理
想的な値に選定することができる。また、前述のように
燃料と空気との予混合が均一になることによって、触媒
にホットスポットによる焼損事故が生ずるようなことも
ない等の効果を秦する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のガスタービン燃焼器の一実施例を示す
縦断面図、第２図は第１図Ｉ−Ｉ矢視図、第３図（ａ）
、（ｂ）はそれぞれ他の実施例を示す図、第４図は従来
の触媒燃焼器の一例を示す断面図である。 １０・・・外筒、１１・・・内筒、１２・・・パイロッ
ト燃料ノズル、１３・・・スワラ−１１５，１９・・・
保持リング、１７．２０・・・触媒体、１８・・・第１
の燃料ノズル、２１・・・第２の燃料ノズル、２２・・
・予混合パイプ、２３・・・第３の燃料ノズル、２４・
・・希釈穴。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃焼室を構成する内筒を外筒内に同心状に配設し、
   両筒間の環状間隙を通して圧縮空気を送給するようにし
   たガスタービン燃焼器において、上記内筒の一端中央部
   に設けられたパイロット燃料ノズルおよびスワラの外周
   部に、これと同心状に予混合ダクトを配設し、その予混
   合ダクトの内筒側先端部に触媒体を設けるとともに、他
   端側に内筒の軸線に対して互いに平行な多数の第１の燃
   料ノズルを設け、さらに上記予混合ダクトの触媒体の直
   下流の内筒周壁部に、内筒壁の一部を形成する触媒体を
   周方向に配設するとともに、その触媒体より放射方向外
   方部の予混合ダクト内に半径方向に指向された多数の第
   ２の燃料ノズルを設けたことを特徴とする、ガスタービ
   ン燃焼器。 ２、内筒壁の一部を形成する触媒体は円筒状に形成され
   ていることを特徴とする、特許請求の範囲第１項記載の
   ガスタービン燃焼器。 ３、内筒壁の一部を形成する触媒体は、内筒周壁部に周
   方向に等間隔に設けられた複数個の予混合ダクトの内端
   部に設けられていることを特徴とする、特許請求の範囲
   第１項記載のガスタービン燃焼器。 ４、内筒壁の一部を形成する触媒体は、多角形状に配設
   された予混合ダクトの内端部に設けられていることを特
   徴とする、特許請求の範囲第１項記載のガスタービン燃
   焼器。