JPS63233212A - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 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、触媒の熱破壊などが生じることがなく
、しかも燃焼効率が高いガスタービン燃焼器に関する。

（従来の技術） 近年、石油資源等の枯渇化に伴い、種々の代替エネルギ
ーが要望されており、一方ではエネルキー資源の効率的
使用が要求されている。これらの要求に応えるものの中
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３図に示すと、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により着火されて燃焼するものである。そ
して燃焼した気体は更に冷却空気４と希釈空気５を加え
られて、所定のタービン入口まで冷却ｅ希釈された後、
出［１端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ば、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
料用空気中の窒素と醇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ｔ」高温になる程、右側に移行して一酸化窒素（Ｎ
Ｏ）の生成量が増加する。Ｎｏの−・部は更に醇化され
て二酸化窒素（ＮＯ２）を生成する。

第４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ｊテロ温
度に達した後は、詮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在れている。燃焼器内の最高温度
は２０００　’Ｏにも達する場合があるために、胴線で
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。

しかるにこのノｊ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充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、ＮＯＸＭの低減効
果も充分でない。

そこで、ト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かできるため、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
るいはその必要量を減少させることが０丁能である。こ
うして最高温度を低くした結果、発生するＮＯＸＭを極
めて少なくすることが可能になる。またタービン入口温
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５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にはハ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６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
焼器内の温度の４ｊを示すものである。触媒燃焼方式で
ｔ→、他の方式ど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。

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、一般に、ガ
スタービン燃焼器において、燃焼器各部に供給される空
気流量はこの空気供給口の開トＩ比によって決定される
ため、つまり、供給する空気量を精度よく制御すること
が困難であり、例えば、空気の圧力、温度などの諸条件
が変動すると、空気の供給量は多大な影響を受けて変動
する。例えば、触媒−上流側へ供給される空気流量の変
動により空気量が減少した場合、触媒へ原人せしめられ
る混合ガス中の燃料と空気との比（以下、Ｆ／Ａと略記
する）が増加するため、触媒温度が上昇する。そして、
触媒温度の上昇に伺随して該触媒体を通過するガスの温
度が上昇してその流速がヤ〈なり、この流速の増大に比
例して圧力損失が大きくなる。すると、触媒上流側に供
給される空気流量がさらに減少し、最終的には触媒が熱
破壊してしまう場合がある。一方、これどけ逆に、触媒
」１流側に供給される空気量が増加した場合にはＦ／Ａ
が減少し、触媒燃焼時の反応速度が小さくなり、触媒の
温度が充分に高められないため、燃料が完全燃焼せず、
タービン入１ｉ１の適止な流出速度および温度を達成す
ることができないばかりか、大量の未燃焼燃料が大気中
に放出されてしまうという問題がある。

（発明が解決しようとする問題点） 以上のごとく、従来の触媒燃焼方式のガスタービン燃焼
器においては、触媒」１流側の空気供給量の変動により
、触媒の温度が過度に上１１シて触媒の熱劣化を生ぜし
めたり、逆に、多量の未燃焼燃料を大気中に放出したり
して、その制御が著しく困難であるという問題があった
。

本発明は、従来のかかる問題点を解消し、触媒の熱劣化
を防止することにより該触媒の長寿命化を図るとともに
、燃焼効率の良好な触媒燃焼方式のガスタービン燃焼器
の提供をに７的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するだめの手段および作用）本発明者ら
は、−１−記］］的を達成すべく鋭意研究を重ねる中で
、混合ガスが触媒を通過するときに生ずる圧力損失を検
出し、その圧力損失の度合いに応じて、空気供給量を調
整することどなせば、触媒温度の異常」１昇や圧力損失
の過度な増大を抑制しうることを見出し、その効果を確
認して本発明を完成するに到った。

すなわち、本発明は、内部に触媒が配設され、かつ、該
触媒の上流および下流側に、燃料供給１」と空気供給口
の両者がそれぞれ形成されてなる燃焼管を備えたガスタ
ービン燃焼器であって、該触媒の」１流側と下流側の圧
力差を検出する手段；該圧力差に応じて、該上流側およ
び下流側の空気供給量を調整する手段；ならびに、該−
１−流側の燃料と空気どの比に応じて該下流側の燃料供
給量を調整する手段が配設されてなることを特徴とする
。

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成の一例
を示す図であり、図中、第３図および第５図と同一の構
成要素には同一の符号を付しである。本発明のガスター
ビン燃焼器において、触媒７の上流側には、燃料供給口
１，１′および空気供給口３０が形成され、また、スパ
ークプラグ２が配設されており、一方、触媒７の下流側
には、同じく、燃料供給口８および空気供給口５が形成
され、かつ、スパークプラグ１３が配設されている。な
お、この２つの空気供給口３ｏおよび５には、１つの空
気供給源からそれぞれ空気を供給するように構成し、空
気供給口５への供給量が低減されると空気供給口３０へ
の供給量が増加する、あるいはその逆に、前者が増加す
ると後者が低減されるようにすることが好ましい。

そして、触媒７の上流および下流側にはそれぞれの圧力
差を検出する手段、例えば圧力センサ９．１０およびこ
れらの圧カセンザに接続された圧力損失検出器１１が配
設されている。そして、この圧力損失検出器１１は空気
供給口゛５に設けられた空気量調整手段、例えば電磁弁
１２に接続されて、圧力損失の大きさに応じて、この電
磁弁１２に信号を送り、弁の開閉を制御する。この圧力
損失検出器１１にあっては、予め安定した触媒燃焼が得
られる範囲を設定しておき、その範囲を超えたときに、
電磁弁１２の開度を増減する信号を出力するように調整
しておくことが好ましい。

この場合、弁の開度、触媒に流入する混合ガスのＦ／Ａ
の設定レベルおよび触媒の圧力損失は相互に関係してお
り、また、使用する触媒の種類、燃料の種類などによっ
ても異なるため、各条ヂ１は実験により決定されること
が望ましい。

さらに、触媒下流側の燃料供給「１８は、触媒体を通過
した混合ガスにさらに燃料を供給して触媒下流側の均一
燃焼をより安定にする機能を有するもので、−上流側の
Ｆ／Ａに応じてその燃料供給量が調節されるように設定
されている。

かかる構造のガスタービン燃焼器において、始動時には
、まず、燃料供給１」１および空気供給口３０からそれ
ぞれ燃料および空気が供給されて混合される。そして、
この混合ガスはヌパークプラグ２により着火されである
程度まで昇温する。

これは、混合ガスの温度を触媒７の作用温度まで高めて
触媒反応を円滑に進めるために行なわれるものであり、
用いる燃料の種類や触媒の種類によっては必ずしも必要
としない。昇温された混合ガスに、さらに燃料供給口１
′より燃料を供給した後触媒７へ供給され触媒燃焼を起
こす。このとき、この触媒燃焼が安定に行なわれる所定
の条件に対して、触媒７に供給される空気量が減少する
と、触媒７に流入する混合ガスのＦ／Ａが増加する。こ
のＦ／Ａの増加に伴い、触媒燃焼はさらに促進され触媒
の温度が」−Ａするため触媒を通過するガスの温度が上
肩し、ひいては流速が増大して前述したように触媒によ
る圧力損失が大きくなる。しかるに、圧力損失検出器１
１では絶えず圧力センサ９および１ｏの検知した圧力か
ら、触媒９における圧力損失をモノターしており、」二
連のように圧力損失が大きくなる、すなわち、−・定の
範囲より大きくなると、直ちに電磁弁１２に信号を出力
し、この５１の開度を減じることにより、下流側での空
気供給量が低減される。したがって、上流側へ供給され
る空気量が増大してＦ／Ａが小さくなり触媒９の温度が
下がることにより触媒の熱破壊が防止され、イ）（せて
触媒における圧力損失も好適な範囲に調整することがで
きる。

一方、逆に、触媒７１こ供給される空気量が安定条件よ
り増加すると、混合ガスのＦ／Ａが減少して触媒燃焼が
起こりにくくなって触媒７の温度が低下し、その結果、
触媒７における圧力損失が減少する。そして、圧力損失
が予め設定された好適範囲を下回ると圧力損失検出器１
１が電磁弁１２に信号を出力してその開度を増大せしめ
る。

すると空気供給口５からの空気供給量が増加するため、
上流側の空気量が減少してＦ／Ａが犬きくなり安定した
触媒燃焼が起こる値に調整される。

さらに、燃料供給口８は前述したように触媒７を通過し
たガ灸にさらに燃料を供給して均−燃焼をより安定にす
るとともに、所定の燃焼ガス温度を保つ機能を有するも
のである。すなわち、触媒の温度は上流側のＦ／Ａ増減
に対応して上下するため、燃料供給口８からの燃料供給
量は上流側のＦ／Ａに応じて設定され、触媒燃焼温度を
常に最適な値に保持するようになっている。なお、均一
燃焼においては、１６００°Ｃを超えると急激にＮＯｘ
が発生するため、燃料供給口８からの燃料供給量−は燃
焼温度が１６００℃以下となるように調整することが好
ましい。

（実施例） 第２図に示した如きガスタービン燃焼器を製造した。図
において、第１図と同一の構成要素は、同一の符号を伺
して示した。なお、このガスタービン燃焼器にあっては
、分岐路２０ａおよび２０ｂを有する流路２０がら空気
を供給することとし、分岐路２０ｂの途中に電磁弁１２
を配設し、−７［を磁弁１２の開度が大きくなると空気
供給口５からの空気供給量が増大して空気供給口３０か
らの空気量（給にが減少し、一方、電磁弁１２の開度が
小さくなると供給量の関係がこれとは逆になるように設
計されている。

かかる構成のガスタービン燃焼器において、触媒として
は、長さ９０１ＩＩｍ、直径ｌ１００ＩＩ１のセラミッ
クス製担体に、貴金属を担持せしめてなるハニカム構造
のものを使用した。また、圧力は大気圧とし、燃料はメ
タン、供給する空気は第１図において燃料供給口ｌから
供給される燃料の燃焼により空気温度を昇温させるかわ
りに電気炉で４５０°Ｃに加熱したものを用いた。さら
に、触媒における好適な圧力損失の設定範囲としては、
予め、安定した触媒燃焼が得られる範囲を試験で確認し
、０　、０２５〜０　、０４ｋｇ／ａｍ”に設定した。

そして、該燃焼器に通常の燃焼を行なわせたのち、供給
する燃料量を変化させることにより、触媒での圧力損失
を増減した。このような操作を行なったときの上流のＦ
／Ａおよび排出されるＮＯＸおよび未燃焼料量を測定す
ることにより、空気供給量の調整が適正に行なわれてい
るか否かを評価した。その結果、Ｆ／Ａは０．０２５〜
０．０３に調整されてこの範囲の値に保持されて安定な
燃焼状態が持続し、また、ＮＯｘ量が２　ｐｐｍ以下お
よび未燃燃料量が５　ｐｐｍ以下であり、空気供給量の
調整が極めて良好になされていることが確認された。

なお、比較のために、第５　［Ｊに示したような従来の
ガスタービン燃焼器を使用して同様の評価試験を行なっ
たところ、Ｆ／Ａは０．０２〜０．０４の間を変化し、
Ｆ／Ａが０．０４付近では触媒の温度が１１５０〜１２
５０°Ｃまで上昇して熱変化を生ぜしめ、Ｆ／Ａが０．
０２付近では１１０００ｐｐ以上の未燃燃料を排出した
ことが確認された。

［発明の効果］ 以」−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、触媒における圧力損失を検知して、その値
に応じて常に空気供給量を適正な値に調整する手段およ
び上流側のＦ／Ａに応じて触媒燃焼温度を好適な値に保
つべく下流側に燃料を供給する手段を備えたので、触媒
の熱劣化などを生せしめることがなく、しかも、ＮＯｘ
や未燃燃料などの排出量を極めて小さく抑えることがで
き、高い燃焼効率を達成しうる。したがって、その工業
的価値は大である。

【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基本構成の一例
を示す概略図、第２図は、本発明の一実施例に係るガス
タービン燃焼器の構造を示す概念図、第３図は通常のガ
スタービン燃焼器の概念断面図、第４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５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６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。 １．１′、８・・・・・・燃料供給［１（燃料ノズル）
、２．１３・・・・・・スパークプラグ、５．３０・・
・・・・空気供飴口、 ６・・・・・・タービンノズル、 ７・・・・・・触媒、 ９．１０・・・・・・圧力センサー、 １１・・・・・・圧力損失検出器、 １２・・・・・・電磁弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 内部に触媒が配設され、かつ、該触媒の上流および下流
   側に、燃料供給口と空気供給口の両者がそれぞれ形成さ
   れてなる燃焼管を備えたガスタービン燃焼器であって、 該触媒の上流側と下流側との圧力差を検出する手段；該
   圧力差に応じて、該上流側および下流側の空気供給量を
   調整する手段；ならびに、該上流側の燃料と空気との比
   に応じて該下流側の燃料供給量を調整する手段が配設さ
   れてなることを特徴とするガスタービン燃焼器。