JPS6298121A - 触媒燃焼器 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明はガスタービン用の燃焼器に係り、特に、触媒と
それ以外の熱保持体を組み合わせて、１３００℃級のガ
ス温度を超低Ｎ　Ｏｘで得るための燃焼器構造と燃料、
空気流量制御に関するものである。

〔発明の背景〕

従来の装置は第１３回ガスタービン定期講演会論文集１
９８５年６月７０東京のように、一段目の触媒で８００
〜９００℃の燃焼ガスを生成し、それ以上のガス温度が
必要となる場合には、その触媒下流から、触媒で生成さ
れた燃焼ガス中に所定の燃料を供給し、気相燃焼を行わ
せるようになっている。しかし、この例では、次のよう
な点に問題が残ると考えられる。

（１）この論文だけからでは明確でないが、９００℃程
度の燃焼ガス中に燃料を注入し、それを気相燃焼させれ
ば、一般の気相燃焼と大差のない燃焼となり、均一燃焼
が困難となり、そこから従来とあまり差がないＮ　Ｏｘ
が発生すると考えられる。

（２）　　（１）は燃焼反応が完結すると仮定して述べ
たが１発明からのこれまでの経験からすると、流速が速
く、しかも、低酸素雰囲気中に燃料を注入しても、燃焼
速度が遅いために火炎を保持することが困難となり、完
全燃焼することが困難である。

−二の場合、完全燃焼させるためには、滞留時間を長く
とる必要が生じ、従って、燃焼器の長さも長くなってし
まう。さらに、燃焼を進める手段として、新鮮な空気を
別に供給し、燃料注入部分の酸素濃度を高めると、その
部分の燃焼ガス温度が低下し、ますます燃焼しにくくな
るか、あるいは、局部的に酸素濃度が高くなったところ
だけが反応するようになり、そこからＮＯｘが発生する
ことになる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は触媒と熱保持体とを組み合わせ、触媒燃
焼と同程度の低Ｎ　Ｏｘ燃焼ガスを得ることができる燃
焼器を提供することにある。

〔発明の概要〕

低Ｎ　Ｏｘ化を達成するためには、一般にいオ）れてい
るＮＯｘ発生温度以下で燃焼を完結させることである。

理想的には必要とするガス温度に見合った燃料と空気比
で燃焼させることであり、ＮＯｘ発生量を少なくするた
めには、この理想に近づけることが必要となる。触媒を
用いる燃焼の特徴は。

はぼ、この理想通りの燃焼である。しかし、逆に。

触媒燃焼の大きな問題点は、その耐熱温度が低いことで
あり、信頼性、長寿命を要求される製品にそのまま使用
する場合には別の工夫が必要となる。

一般に、燃料が希薄な状態で完全燃焼させるためには、
前述のように触媒を使って反応を促進するか、あるいは
、希薄状態のガスの燃焼速度を高めろか、反応時間を長
くとるかなどの方法が考えられる。前者の希薄ガスの燃
焼速度を高めるには、アレニウスの反応速度式 ％式％ からも明らかなように、反応速度定数の温度依存性が高
いことに着目し、予混合気の温度をなるべく高めてやれ
ばよいことになる。後者の反応時間を長くとる方法には
、ガスの通過流路を長くとればよいことになる。

予混合気温度を高める手段には種々あるが、製品として
みた場合には、内部の熱を用いる予熱が有利であり、特
に、温度が高いガスに対しては、ふく射利用が考えられ
る。たとえば、予混合気下流に赤熱した熱保持体、ある
いは、高温ガスが存在すれば、それから放射されるふく
射熱によって、上流の予混合ガスは加熱されることにな
る。触媒と熱保持体を組み合わせれば、理想に近い希薄
燃焼が可能になると推定できる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。触媒
燃焼器は燃料ノズル６．１０、燃焼筒９尾筒１、４、外
筒１３の主要部品から成る。燃焼空気は圧縮機のディフ
ューザ出口２０から外［１３内に供給され１尾筒１４、
燃焼筒９を冷却し、あるいは、燃焼筒９の途中に設けら
れた空気孔、冷却孔から燃焼筒９の内部に供給され、残
りは燃焼筒９あ先端に達する。燃焼筒先端に達した空気
は、触媒７に供給される燃料と混合して、混合気３とな
って触媒上流に達する。

燃料ノズル６は燃料通路が二つに分かれている。

燃料通路１は起動時に触媒、あるいは、触媒に供給する
予混合気を予熱するための燃料を供給するもので、主に
、起動時に用いる。燃料通路２から供給される燃料は、
触媒が活性開始温度まで昇温した後に供給されるもので
、触媒燃焼開始後は、連続して供給され、一方、この状
態では燃料通路１から供給される燃料は必要最小限まで
減らすか、全く遮断される。予混合気３は予混合室１７
で混合および、予熱されて第一段目の触媒７に導かれる
。触媒７はあらかじめ活性温度以上に予熱されているか
ら、導かれた予混合気は反応し、燃焼室１８に燃焼ガス
となって流入する。この時の燃焼ガス温度は触媒耐熱温
度とほぼ等しくなる。本実施例ではこの燃焼ガス温度が
１０００℃〜１１００℃である。

第二段目の熱保持体８は１１００℃以上の温度に耐える
材料でできている。ここでは触媒物質が添加されていて
もいいが、触媒物質が添加されていない高温耐熱材で十
分である。たとえば、セラミックス材あるいは、金属材
料でもよい。この第二段目の部材の特徴は、第一段目と
同じように、矩形。

あるいは、円筒状の流路を束ねたもの、あるいは、多孔
質材で作られており、上流側から流入する燃焼ガスから
熱を受け、さらに、ここで反応した燃焼ガスから発生す
る熱の一部を保持する役目をもたせる。熱保持体８は、
熱保持体上流に燃料が供給されないときには一段目の触
媒で生成される燃焼ガスから熱を受け１．０００℃〜１
１００℃の高温部材となる。

第一段［１の触媒燃焼反応で得られる燃焼ガス温度以上
のガス温度を得ようとする場合には、燃料供給通路１０
から必要温度上昇に見合うだけの燃料を、燃焼ガス中に
供給する。この場合、もし、供給燃料と同時に供給する
燃焼空気は極力少なくし、ここで供給した燃料流量の理
論空気量より少なくするか、全く供給しないようにする
。このようにすることによって、燃焼ガス中に供給され
た燃料も気相反応を起こすことはない。燃焼ガス中に供
給された燃料は、燃焼室１８中で予混合し。

第二段目の熱保持体８に導かれ、そこで反応が進行する
。即ち、熱保持体８はあらかじめ１０００℃〜１１００
℃の高温に保持され、しかも、ここを通過するガス流速
は遅くなっているため、燃焼が完結し、この時に発生す
る熱によって、第二段目の熱保持体８は、さらに、温度
上昇することになる。第二段目の熱保持体８が温度上昇
すれば、そこからのふく射熱によって、熱保持体８に供
給される予混合気は第一段目触媒下流の燃焼ガス温度に
より上昇することになり、第二段目熱保持体内での燃焼
反応は増々完全なものとなる。

たとえば、第一段触媒燃焼で１１００℃の燃焼ガスを得
、その燃焼ガス中に燃料を注入すると、第二段の熱保持
体後流では１３００℃の燃焼ガスを得ることができる。

第２図にこの時の燃焼器の燃焼状態を示す。

第一段目の触媒上流の予混合気温度は５００℃で、この
予混合が第一段目の触媒で反応し、燃焼室１８に、１１
００℃の燃焼ガスが得られる。この時の第一段目予混合
気の燃空比は０．０Ｌ６３である。燃焼室１８の燃焼ガ
ス中の酸素濃度は約１４．９　％となる。この低酸素、
高温の燃焼ガス中に、燃料と燃焼ガスの質量比で０．０
０６４５の燃料を注入し、熱保持体８で反応させると、
熱保持体８の下流では１３００℃の燃焼ガスが得られる
。この時、熱保持体上流には新鮮な空気を導入していな
い。但し、燃料と１．１００℃の燃焼ガスとの予混合が
不十分のときには、極めて少量の空気を導入してもよい
。

第３図には起動から定格までの燃料流量条件を示す起動
では、まず、点火栓が作動され、引き続いて燃料Ｆ１が
供給される。Ｆ１燃料に着火すると、徐々にＦ１燃料流
量が増加され、それにつれてタービン回転数も増加して
くる。無負荷の状態のタービン回転数が定格の約４０％
になると、触媒上流のガス温度が約５００℃になる。こ
のとき。

第一段目の触媒温度も約５００℃となる。この状態にな
ると燃料ノズルＦ２からステップ状に所定の燃料が供給
される。このときＦｌから供給される燃料はＦ２から供
給された燃料と等量の燃料がステップ状に減少される。

無負荷のタービン回転率が４０％以上になると、Ｆｌは
徐々に減少し、ついには、ゼロとなるが、逆に、Ｆ２の
流量は除徐に増加し、負荷相当の燃料がＦ２によっての
み供給される。

燃焼ガス温度が１１００℃になると、Ｆ２の燃料流量は
最大となる。１１００℃以上のガス温度を得る場合には
、Ｆ３のノズルからガス温度にみあった燃料が供給され
る。

第４図に、この時のタービン負荷とガス温度を示し、あ
わせて、反応領域を示す。タービン負荷６０％では、触
媒で反応し、その時のガス温度は最大１１００℃となる
。タービン負荷が６０％以上になると、熱保持体で反応
が進み最大１３００”Ｃの燃焼ガス温度が得られる。

本実施例によれば、触媒と特に触媒作用のある物質を要
しない熱保持体とを組み合わせることによって、触媒と
同じような希薄燃焼が可能となり、Ｎ　Ｏｘ発生量を起
動から全負荷の全咳でＩＱｐｐ＋ｍ以下にすることが出
来る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、特に触媒作用をもたない部材で、触媒
と同じ効果を得るような燃焼が得られ。

熱保持効果が大きく、燃焼も完全に行われ、燃焼効率は
、はぼ１００％を達成することができる。

また、触媒作用を呈する物質を必要としないため、材料
費も大幅に安価にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図は燃焼器の
燃焼状態を示す断面図、第３図はタービン負荷と燃料流
量の関係を示す図、第４図はタービン負荷とガス温度の
関係を示す図である。 １．２，１．０・・・燃料ノズル、７・・・触媒、８・
・・熱保持体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、触媒層と、その下流に設けた熱保持体と、前記触媒
   層および前記保持体の各々に供給する燃料及び空気供給
   装置とからなり、前記触媒層と前記熱保持体とは流れ方
   向に各々空間を設けて配置され、前記空間部には各々前
   記燃料および前記空気が供給されるように構成し、最終
   段の触媒出口ガス温度以上にガス温度を昇温するため、
   前記触媒層の後流の前記熱保持体で昇温するに必要な前
   記燃料を前段の触媒反応で得られる燃焼ガス中に混入し
   、そこに混入する空気量は前記燃料量に対する理論空気
   量より少ないように制御する手段を設けたことを特徴と
   する触媒燃焼器。 ２、特許請求の範囲第１項において、 触媒活性温度になるまでの間、供給している前記燃料の
   量を触媒反応開始とほぼ、同時、あるいは、それ以前に
   ステップ状に減らし、逆に、前記触媒反応に供給する前
   記燃料量は前記減少量分だけステップ状に増加して、供
   給する手段を設けたことを特徴とする触媒燃焼器。