JPS62284123A - 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】 ３、発明の詳細な説明 ［発明の技術分野］ 本発明は、触媒燃焼方式のガスタービン燃焼器に関し、
さらに詳しくは、広い負荷範囲で運転可能なガスタービ
ン燃焼器に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点］ 替エネルギーが尺望されており、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
ガスタービンと、スチームタービンとを複合したコンバ
インドサイクル発電システムが検討されつつある。この
複合した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
ス燃料を、有効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、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２図に示すと、燃
焼器１において、燃料供給口、すなわち、燃料ノズル３
から燃焼管２内に噴射された燃料が空気流入口２ａより
導入される燃焼用空気５と混合され、スパークプラグ４
により着火されて燃焼するものと希釈空気７を加えられ
て、所定のタービン入口まで冷却・希釈された後、出口
端８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
において窒素酸化物（ＮＯｘ）ガスの生成量が多いこと
である。

このＮＯｘガスが生成される理由は、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次式に示す反応を生じて生成
される。

Ｎ２　＋０２　’：：２ＮＯ＝−−・−・（１）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（ＮＯ２）を生成する。

第３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、冷却および希釈空気によ
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２０００℃にも達する場合があるために
、斜線で示した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り、このため排煙脱硝装置等を
設けなければならず、装置が複雑になる等の問題もあっ
た。

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
、燃焼空気を二段に分けて導入し、燃料を燃焼させる二
段燃焼方式が検討されている。しかるにこの方式は二段
階で空気を導入するために夫々導入する空気量の調整を
十分に注意しなければならず、また燃焼器内の温度も比
較的高く、ＮＯｘ量の低減効果も充分でない。

そこで、上述の如き気相のみにおける均一系反応による
方式に対して、最近、固相である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物を燃
焼せしめるものであり、この方式によれば比較的低濃度
の燃料でも燃焼を開始させることができるため、燃焼時
の最高温度が低くなり、冷却用空気も必要としないかあ
るはその必要量を減少させることが可能である。こうし
て最高温度を低くした結果、発生するＮＯｘ量を極めて
少なくすることが可能になる。またタービン人口温度も
従来のものと変りなく燃料を完全燃焼させることができ
る。

第４図はこのような触媒燃焼方式の燃焼器の一例を示す
もので、燃料ノズル３から噴射された一部の燃料が燃焼
用空気５と混合され、スパークプラグ４により着火燃焼
して予熱源としている。

更に別の燃料ノズル３ａから残りの燃料が噴射され、燃
焼用空％５と混合し、貴金属系の触媒をセラミック等で
形成されたハニカム構造体の流路に被覆してなる燃焼触
媒９において不均一系燃焼が進行するものである。

第５図は撚椿寒内の迫恋公詣ル云十ムの一図中曲綿ａは
第２図に示す従来の通常燃焼方式によるもの、曲線すは
二段燃焼方式によるもの、曲線Ｃは触媒燃焼方式による
もので、図からも明らかな如く触媒燃焼方式によるもの
は、その最高温度が最も低く、好ましいものである。

ところが、このような触媒燃焼方式のガスタービン燃焼
器には以下のような問題がある。すなわち、燃焼器に設
置される触媒は、流速や、燃料濃度などのある最適条件
に対して設計されるため、全負荷にわたって安定な運転
状態を維持することは困難である。具体的には触媒の設
計条件より流速が遅い条件あるいは燃料濃度が高い条件
下では、触媒温度が高くなり、極端な場合には　触媒の
劣化あるいは破損が発生することがある。一方、逆に、
流速が速くなるか、あるいは燃料濃度が低くなる条件下
では触媒燃焼が起こらないなどの不都合が生ずる。

［発明の目的］ 本発明は従来のかかる問題を解消し、広い範囲の負荷に
わたって安定した運転が可能な触媒燃焼方式のガスター
ビン燃焼器の提供を目的とする。

［発明の概要］ 本発明者らは、上記目的を達成すべく、燃焼器の構造、
とくに燃焼管の構造に焦点を絞って鋭意研究を重ねる中
で１種々の燃焼方式の中で、燃焼負荷領域は狭いが、窒
素酸化物の生成を抑制しうるという利点を有する予混合
燃焼方式に着目し、この予混合燃焼方式と、通常の触媒
燃焼方式とを組み合わせて、始動時を含む負荷変動は予
混合燃焼で対応することとすれば、触媒への負荷を一定
に保つことが可能であることを見出して本発明を完成す
るに到った。

すなわち、本発明のガスタービン燃焼器は、空気流入口
および燃料供給口を有する触媒燃焼室および該触媒燃焼
室の下流端で該触媒燃焼室と連通し、空気流入口および
燃料供給口を有する予混合燃焼室とがそれぞれ独立に配
されてなる燃焼管を備えたことを特徴とする。

以下、本発明のガスタービン燃焼器を第１図にもとづい
て説明する。

第１図は本発明のガスタービン燃焼器の基本構造の一例
を示す図であり、図中、第２図および第４図と同一の構
成要素には同一の符合を付しである。まず、本発明のガ
スタービン燃焼器１１において、燃焼管２は触媒燃焼室
２ｂと、予混合燃焼室２ｄとから構成されている。この
予混合燃焼室２ｄは触媒燃焼室２ｂの下流端近傍位置に
充填された触媒９の周囲に（図にあっては環状に）配設
されており、空気流入口２Ｃおよび燃料供給口すなわち
燃料ノズル３ｂおよびスパークプラグ１゜を有している
。そして、該予混合燃焼室２ｄは、触媒燃焼室２ｂの下
流端２ｅで、当該燃焼室２ｂと連通している。

かかる燃焼器１１において、予混合燃焼室２ｄは触媒燃
焼室２ｂと独立したものであればよく、第１図のように
触媒燃焼室？ｂの周囲に環状に配設された構造に限られ
るものではない、すなわち、例えば、上記とは逆に予混
合燃焼室の周囲に触媒燃焼室が環状に配されたもの、あ
るいは、燃焼管の長手方向に隔壁を設けて２分割し、一
方を予混合燃焼室、他方を触媒燃焼室としたものなどで
あってもよい、また、触媒燃焼室２ｂと予混合燃焼室２
ｄとの容積比は、触瀘の活性、燃料の種類、要求される
燃焼ガス温度などにより適宜設定することが望ましいが
、通常は触媒燃焼室２ｂと予混合燃焼室２ｄとの流路断
面積の比が６：５〜９：ｌ程度であることが好ましい、
さらに、燃焼管２の連通部２ｅにおける流路２ｆを拡径
した構造とすると、予混合燃焼時に該拡径された流路２
ｆで生じた燃焼渦流により保炎効果が向上し予混合燃焼
が安定化するという利点がある。

かかる構造のガスタービン燃焼器１１において、始動時
には、まず燃料ノズル３ｂより予混合燃焼室２ｄに燃料
が供給され、スパークプラグ１０により予混合燃焼を起
こさせる。ついで、燃料ノズル３から触媒燃焼室ｚｂ内
に燃料を供給し、スパークプラグ４により着火して触媒
燃焼が開始する温度までガス温度を上昇させ、さらに、
燃料ノズル３ａから触媒燃焼させる燃料を供給して触媒
９による燃焼を起こさせる。このとき、従来の燃焼器で
は触媒を通過した未燃ガスがそのまま大気中で放出され
るという問題がある。

しかしながら１本発明の燃焼器では、上記の予混合燃焼
時の熱源により触媒９を通過直後に完全に燃焼するため
従来のような不都合は解消される。

さらに、触媒燃焼が開始した後は、触媒燃焼室２ｂの燃
料ノズル３および３ａからの燃料供給量を、該燃焼器の
負荷変動によらず、常に最適値に固定することが、触媒
燃焼を安定に維持し、かつ、触媒の寿命を長くする上で
好ましい、そして、当該負荷変動は、予混合燃焼室２ｄ
の燃料ノズル３ｂからの燃料供給量を変動させることに
より相殺されて、触媒への負荷が常に一定に保たれる。

具体的には、燃焼器１１において、触媒９の設計条件よ
り流速が遅いかあるいは燃料濃度が高くなる条件では、
燃料ノズル３ｂからの燃料供給量を低く抑えて触媒の温
度上昇による劣化を防止し、逆に、流速が早くなるかあ
るいは燃料濃度が低くなる条件では、燃料ノズル３ｂか
らの燃料供給量を増大せしめて触媒の温度低下を防止す
る。

なお、かかる予混合燃焼においては、燃焼温度が１６０
０’Ｑを超えるとＮＯｘが急激に発生するため、これを
考慮して燃料ノズル３ｂからの最大燃料供給量を決定す
ることが好ましい。さらに、予混合燃焼室２ｄの空気流
入口２ｃを空気量が制御可能な構造とすることにより、
燃焼器の安定燃焼可能な負荷領域をさらに拡大すること
ができる。

［発明の実施例コ 第１図に示した如き環状の予混合燃焼室２ｄを有するガ
スタービン燃焼器１１を製造した。

そして、燃焼管２の内側の触媒燃焼室２ｂと外側の予混
合燃焼室２ｄとの容積比は、各々の流路断面積の比で３
＝２とした。そして、燃焼管２は連通部２ｅにおいて拡
径部２ｆが形成され、その半径が５０％拡張されている
。また、触媒９とシテは、直径１００ｍｍφ、長さ１２
０ｍｍＣ７）貴金属系触媒を用いた。さらに、燃料とし
てはメタンガスを使用し、触媒９へ供給される燃料／空
気混合ガスの温度を４５０℃、流速を２０ｍ／ｓｅｃと
した。

かかるガスタービン燃焼器１１において、まず、始動時
には、燃料ノズル３ｂより予混合燃焼室２ｄへ断熱火炎
温度１３００　’０の燃料を供給し、スパークプラグ１
ｏで点火し予混合燃焼を行なった。ついで、燃料ノズル
３から触媒燃焼室２ｂ内に燃料を供給し、スパークプラ
グ４により点火し、ガス温度を４５０’０まで上昇させ
た。

続いて、燃料ノズル３ａから断熱火炎温度が１０００℃
となるように燃料を供給した。この状態で触媒９の最高
温度は９００’０となり、触媒燃焼室２ｂでの未燃ガス
が触媒９を経て排出されるが、これは上記の予混合燃焼
による熱源で燃焼し、出口８近傍では完全燃焼している
ことが確認された。

つぎに、出口８での燃焼ガス温度を１１００から１４５
０℃まで変化させるべく、燃料ノズル３ｂからの燃料供
給量を順次増やしていき。

上記温度範囲でのＮＯｘ量を測定したところ、１ｉｏｏ
℃で１．３ｐｐｍ、１４５０’Ｃ：で２．７ｐｐｍとい
う低い値が得られた。以上のことがら。

始動時および運転中の負荷変動に対しては予混合燃焼室
２ｄへの燃料供給量を増減して対処することにより、触
媒温度の過度な上昇を防ぎ、常に安定な状態で触媒燃焼
を行なうことができることが確認された。

なお、比較のために、第４図に示した如き触媒燃焼のみ
のガスタービン燃焼器を使用して同様に出口８での燃焼
ガス温度を高めるために燃料ノズル３ａからの燃料供給
量を増加させた。すると、供給量の増加に伴なって触媒
９の温度が上昇し、燃焼ガス温度が１３００℃付近とな
ったところで触媒９が溶融してしまい、それ以上高温燃
焼試験を！１続することはできなかった。

［発明の効果コ 以上の説明から明らかなように、本発明のガスタービン
燃焼器は、触媒燃焼室およびこれン下流端で連通ずる予
混合燃焼室とが独立に配されてなる燃焼管を備えており
、まず、始動時にあっては、予混合燃焼からの熱源によ
り未燃ガスを完全燃焼せしめることが可能であり、さら
に始動後は触媒に対する負荷変動を予混合燃焼室におけ
る燃料供給量を増減して相殺することができるため、従
来のように触媒の温度を徒らに高め、触媒の劣化や破損
を招来することなく低ＮＯｘ燃焼が可能である。しかも
、燃焼器の構造自体も単純であるため、その工業的価値
は極めて大である。

【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構造の一例を示
す概念断面図、第２図は通常のガスタービン燃焼器の概
念断面図、第３図は通常のガスタービン燃焼器の温度分
布を示す特性図、第４図は触媒燃焼方式のガスタービン
燃焼器の概念断面図、第５図は通常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
分布を示す特性図である。 ■、１１・・・・・・ガスタービン燃焼器、２・・・・
・・燃焼管、２ａ　、２ｃ・・・・・・空気流入口、２
ｂ・・・・・・触媒燃焼室、２ｄ・旧・・予混合燃焼室
、２ｆ・・・・・・拡径部、 ３．３ａ、３ｂ・・・・・・燃料供給口（燃料ノズル）
４．１０・・・・・・スパークプラグ、９・・・・・・
触媒。 第１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）空気流入口および燃料供給口を有する触媒燃焼室
   と；該触媒燃焼室の下流端で該触媒燃焼室と連通し、空
   気流入口および燃料供給口を有する予混合燃焼室とがそ
   れぞれ独立に配されてなる燃焼管を備えたことを特徴と
   するガスタービン燃焼器。
2. （２）該燃焼管において、触媒燃焼室と予混合燃焼室と
   の連通部下流の流路が拡径されている特許請求の範囲第
   １項記載のガスタービン燃焼器。