JPS63254304A - 燃料の燃焼方法 - 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】 ｉ匪立直遣 灸涯しとた干 本発明は一般に定置燃焼タービンに関し、特に、該燃焼
タービン内で直列に配設された触媒燃焼器を用いて、上
流側の燃焼器を非効率的に、下流側の燃焼器を効率的に
働かせることにより、上記燃焼タービンからの窒素酸化
物（Ｎｏ、）の放出量を減少する方法に関するものであ
る。

九昆茨五ｎ泗 慣用の燃焼タービンの運転においては、大気からの吸気
は、多翼圧縮機部の回転作用により圧縮され加熱されて
、複数の燃焼器部へと流され、該燃焼器部において圧縮
空気と混合され、その結果生じる混合物を点火し燃焼し
ている。このようにして放出される熱エネルギは、燃焼
ガスの形でタービン部へと流されて、そこで、電力を発
生するための設備或は工業プロセスを遂行するための設
備を駆動すべく回転エネルギに変換されている。

最終的に、燃焼ガスは、タービン部から大気へと放出さ
れる。

ＮＯｘ放出限界を越えることなく上述のような用途に燃
焼タービンを適応させるべく種々の方式が開発されてき
ている。その中でも、触媒燃焼を使用する試みが有望で
ある。その理由は、この触媒燃焼は、約２３００乃至２
５００°Ｆで生起することができ、約３０００°Ｆを越
える温度で生ずる窒素と酸素との反応から生ずる顕著な
副作用であるＮＯオの発生を伴うことなく、良好なター
ビン運転効率に要求される高いタービン入口温度を発生
するからである。

これとは対照的に、約４５００°Ｆでの慣用の火炎燃焼
では、一般に、カリフォルニア州のような規制が比較的
厳しい地域で設定されている制限を越えるＮＯｘの発生
がある。

燃焼タービンと共に使用される先行技術の触媒燃焼装置
の代表的なものとしては、米国特許第３．８４６，９７
９号、第３，９２８，９６１号、第３，９４３，７０５
号、第４，０７２，００７号、第４，１１２，６７５号
、第４，２８５，１９３号及び第４，４１３，４７０号
各明細書並びにカナダ国特許第１，１６９，２５７号及
び第１，１７９，１５７号各明細書に開示されているも
のが挙げられる。

°上述のカナダ国特許第１，１６９，２５７号明細書に
開示され、ている構造の燃焼タービン用触媒燃焼装置は
、触媒要素と直列に非触媒バーナが用いられていること
が原因で、２０ｐｐｍｖのＮＯｘを放出する排気ガスを
発生し得る。これは、７５ｐｐｍｖという環境保護片［
Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　
Ａｇｅｎｃｙ（ＥＰ＾）］の基準に適合するが、日本の
ように、上述の特許に開示されている構造では満たすこ
とができないＧｐｐｍｖもの低ＮＯｘ放出量を要求する
地域もある。

従って、成る法治管轄地域に・おける更に厳しい環境規
制を満足するような燃焼タービンの更に低いＮＯｘ放出
量を達成する技術に対する必要性が依然として存在する
。

免肌曵爽１ 本発明は、上の必要性を満すように意図されたＮＯｘ放
出量減少方法を提供するものである。燃焼タービンから
の窒素酸化物（ＮＯｘ）の放出量を減少するための本発
明の方法は、タービンの燃焼器部に直列に配設された互
いに離間している触媒要素もしくは燃焼器を用いて、触
媒燃焼器のうちの上流側の燃焼器を非効率的に運転し、
他方、下流側の触媒燃焼器を効率的に運転するステップ
を含む。

上流側の触媒燃焼器を非効率的に、例えば通常ならば９
９．９％であるところを僅か７４．８％で運転すること
により、燃焼器部内の前置バーナ（ブリバーナ）によっ
て発生されるＮしは、化学的に還元され、そして非効率
燃焼の生成物は次いで、効率的に作動される下流側の触
媒燃焼器内で酸化される。

上流側の触媒燃焼器を非効率的に動作させるのには種々
の方法もしくは技術があるが、好適な方法として、酸化
が完全に行われるのには不十分な滞留時間となるように
上流側の燃焼器の軸方向の長さを短くすることが考えら
れる。

従って、本発明は、所定の超低基準レベル以下でＮし放
出量が生ずるように燃焼タービンの燃焼器部等において
燃料を燃焼する方法に向けられてＸ。

いる。この方法は、（ａ）効率的な触媒反応に要求され
る温度よりも高温であると共に、所定の低基準レベルよ
り低いが前記所定の超低基準レベルよりも高いレベルで
ＮＯｏを含有する高温ガスの流れを発生するように、一
次燃焼領域において−次流内の空気及び炭化水素燃料の
混合物を燃焼し、（ｂ）前記一次燃焼領域の下流側に位
置する混合及び気化領域において二次流内の炭化水素燃
料を前記高温ガスの流れと混合して、効率的な触媒反応
に要求される温度よりも高い温度の加熱された燃料混合
物の流れを発生し、（ｃ）前記混合及び気化領域の下流
側に位置する第１の触媒要素内で、前記加熱された燃料
混合物を非効率的に触媒反応せしめて、効率的な触媒反
応に要求される温度よりも高い温度を有し且つ前記所定
の超低基準レベルより低いレベルでＮＯｘを含有すると
共に所定の許容し得る基準レベルを超えるレベルで一酸
化炭素及び未燃焼炭化水素を含有している流出ガスの流
れを発生し、（ｄ）前記第１の触媒要素の下流側に位置
する完全混合領域において前記流出ガスの流れ内の前記
一酸化炭素及び未燃焼炭化水素を混合して効率的触媒反
応に要求される温度よりも高い温度の加熱された混合流
出ガスの流れを発生し、（ｅ）前記完全混合領域の下流
側に配設されている第２の触媒要素内で、前記加熱され
た混合流出ガスを酸化して、前記所定の超低基準レベル
より低いレベルでＮＯｘを含有すると共に前記所定の許
容可能な基準レベルより低いレベルで一酸化炭素及び未
燃焼炭化水素を含有している排気ガス流を発生する、諸
ステップを含んでいる。

更に具体的に述べると、−次流内の炭化水素燃料と空気
の燃焼は、慣用の火炎燃焼を用いて行われる。更に、こ
の−次流の加熱された燃料混合物は、該混合物内の燃料
が完全に気化する′のには不十分な長さの時間だけ混合
及び気化領域内に滞留される。また、第１の触媒要素は
、効率的な触媒反応作用に要求されるよりも短い長さを
有しているので非効率的に触媒反応の作用をする。

本発明の上に述べた利点及び他の利点並びに効果は、本
発明の実施例が単なる例として示しである添付図面と関
連しての以下の詳細な説明を読むことにより当業者には
明らがとなろう。

戸の 以下の説明において、同じ参照記号は、幾っがの図面を
通し同様又は対応の部分を指すものとする。また、以下
の説明において用いられる例えば「前方」、「後方」、
「左方」、「右方」、「上方」、「下方」その他類似の
言葉は、単に説明の便宜上用いた表現であって、限定的
な意味に解釈されてはならない。

図面、特に第１図を参照するに、この図には、電力を発
生するための設備（図示せず）を駆動したり或は工業プ
ロセスを遂行するのに用いられる型式の慣用の燃焼ター
ビン（ガスタービン）１０が詳細に示しである。図示の
実施例におけるこの特定のタービンは、本願の出願人の
１５０１０型の９２メガワット燃焼タービンである。こ
の燃焼タービン１０は基本的に、多翼圧縮機部１２と多
翼タービン部１４とを備えている。圧縮機部１２及びタ
ービン部１４は、双方共に、両端に入口、出口１６．１
８及び２０．２２をそれぞれ有しており、タービン１０
の長手方向の回転軸線Ａを画成する共通の回転可能な軸
２４上に取り付けられている。

また、タービン１０は、例えば数にして１６個のような
複数の中空の細長い燃焼器部２６を備えており、これ等
の燃焼器部２６は、圧縮機部１２の出口１８の周りにタ
ービンの回転軸線Ａから半径方向に離間し且つ円周方向
において互いに離間して設けられている。これ等の燃焼
器部２６は、圧縮機部の出口１８を囲繞する大きい円筒
状のケーシング２８内に収容されている。ケーシング２
８は、燃焼器部２６の上流側の端部分３２において、圧
縮機部の出口１８と入口穴３０との間に流体連通部を形
成している。各燃焼器部２６の下流側の端部３４の各々
は、タービン部入口２０と流体連通関係になるように中
空の渡り導管もしくはダクト３６により接続されている
。

第２図をも参照して説明するに、−次燃料ノズル３８及
び小さい通常の火炎（図示せず）を発生する点火トーチ
（第１図及び第２図には図示せず）が、各燃焼器部２６
の上流側端部分３２の内部に画成されている一次燃焼領
域４０と連通して設けられている。

各燃焼器部２６の入口穴３０のうちの最も前方の入口穴
は、ケーシング２８の内部と一次燃焼領域４０との間に
流体連通を与える。更に、複数個の二次燃料ノズル４２
が、各燃焼器部２６に沿って、一次燃焼領域４０の下流
側の燃料調整領域（混合及び気化領域）４４と入口穴３
０の最も後方の穴とに整列して配設されている。

タービン１０の通常の運転においては、大気からの吸込
空気もしくは吸気は、入口１６を経て圧縮機部１２内に
吸い込まれ軸線Ａを中心とする共通軸２４の回転運動に
伴う上記圧縮機部の翼もしくは羽根の回転運動により圧
縮され加熱される。圧縮され加熱された空気は、圧縮機
部１２及びケーシング２８を経て第１図に示した矢印の
方向に流れ、上流側の端部分３２に設けられている入口
穴３０を介し複数個の燃焼器部２６内に流入する。

一次燃料ノズル３８からの炭化水素燃料は一次燃焼領域
４０内に流入し、そこで、加熱され圧縮された空気と混
合され、かかる−次流内の混合物は点火され燃焼して高
温ガスの流れを発生する。燃料調整領域４４においては
、二次燃料ノズル４２からより多くの炭化水素燃料が取
り込まれ石上記高温ガスの流れ内で燃焼する。このよう
にして放出される熱エネルギは、タービン部１４の入口
２０を経て燃焼ガス流（二次流）内に搬入され、該ター
ビン部１４において、タービン１０の圧縮機部１２を回
転するのに加えて、電力を発生するための設備のような
他の設備を駆動するための回転エネルギに変ＩＱされる
。燃焼ガスは最終的にタービン部１４の出口２Ｚから大
気中に排出される。

各燃焼器部２６と関連して、第２図に示すように、完全
混合領域５０により離間されて一対の上流側及び下流側
の第１、第２触媒要素４６及び４８を設けることにより
、本発明の方法に従って、約６ρｐｎ＋ｖの超低濃度基
準以下のＮＯｘ放出量で、タービン部１４の駆動のため
の加熱された排気ガス流を発生するように燃焼タービン
１０を運転することができる。

各触媒要素４６及び４８は、筒体５２．５４を備えてお
り、この筒体内には、触媒ハニカム構造５６．５８が適
当な手段で通常のように支持されている。

次に第３図を参照し、本発明の方法について説明する。

各燃焼器部２６の一次燃焼領域４０内に点火トーチ６０
によって発生される通常の火炎を用いて、−次流内の炭
化水素燃料及び空気の混合後、該混合物を点火して燃焼
し、効率的な触媒還元に要求される温度より高い温度（
例えば８００°Ｆ）の高温ガスの流れを発生する。この
高温ガスは、所定の低濃度基準（７５ｐｐｍｖの基準）
を下回るが所望の超低濃度基準（例えば６　ｐｐｎｖ）
を上回るレベル（例えば２８ｐｐｍｖ）でＮＯｘを含有
している。

次いで高温ガスの流れは、一次燃焼領域４０の下流側に
位置している燃焼器部２６の燃料調整領域４４に受は入
れられる。この燃料調合領域４４においては、二次燃料
ノズル４２によって注入される付加的な炭化水素燃料の
二次流が、高温ガス流と混合される。この混合で、やは
り、効率的な触媒反応に要求される温度よりも高い温度
を有している、加熱された部分的に気化されていない燃
料混合物の流れが生ずる。加熱された燃料混合物は、混
合物内の燃料が総て気化するのには不十分な時間、燃料
調整領域内に滞留する。

加熱され部分的に気化していない燃料混合物の流れは、
そこで、燃料調整領域４４の下流側に位置する上流側の
触媒要素４６によって受は入れられる。

この上流側の触媒要素４６において、加熱され部分的に
気化していない燃料混合物は非効率的に触媒還元され（
例えば触媒要素４６は僅か７４．８％の燃焼効率で動作
する）、それにより効率的触媒還元に要求される温度よ
り高い温度の流出ガス流が生ずる。このようにして発生
される流出ガスは、超低濃度基準く例えば６ｐｐｍｖ）
以下のレベルでＮＯｘを含有すると共に、許容基準（例
えば７５ｐｐｍｖ）より高いレベル（例えば、それぞれ
２５６０ｐｐｍｖ及び４８００ｐｐｍｖ）でそれぞれ−
酸化炭素（ＣＯ）及び未燃焼炭化水素（ＵＵＣ）を含有
している。

上流側触媒要素４６と下流側触媒要素４８との間におけ
る、例えば６　ｉｎ　（１５，２４ｃｍ）の長さの完全
混合領域もしくは混合完了領域５０で、流出ガス流内の
成分（Ｎ２、ＣＯ及びｌｌＣｌ＋）が混合されて、それ
により、やはり効率的な触媒反応に要求される温度より
も高い温度の加熱され混合された流出ガスの流れが発生
する。

次いで、加熱され部分的に気化していない燃料混合物の
流れは、下流側の触媒要素４８で受は入れられ、そこで
効率的に触媒酸Ｃヒされ（通常の９９．９％燃焼効率で
酸化され）、それにより、タービン部１４のための加熱
された流出ガスの流れが得られる。この流出ガスは、上
述の超低濃度基準より低いレベルでのＮＯｘと上述の許
容基準以下のレベルでのＣｏ及びＵＨＣとを含有してい
る。

上流側触媒要素４６が非効率的に動作することを確保す
るのに種々の技術もしくは方法がある。１つの方法とし
て、燃料混合物が酸化又は還元を完了するのに滞留時間
が不十分になるように触媒要素４６の軸方向長さを短く
することができる。

各触媒要素４６．４８の触媒特性番１次のようにするこ
とができる。

ＤＥＸ−４４２触某に　　る−一部 １、五Ｍ 寸法　　　　　　　１４１裏Ｕ： ２　ｉｎ厚 １６　ｉｎ径 卿１Ｊ鴎しツ甲しヌ１２（旦二 （２″＋２″）長−（２部分間の ギャップ１／４　ｉｎ） 材料　　　　　　　ジルコン組成物 かさ密度　　　　　４０−４２１ｂ／ｆＬ’セルの形状
　　　　正弦波状に波付き 数　　　　　　　　２５６通路／ｉｎ２相当直径　　　
　０．０３８４″ ウェブ厚さ　　　１０＋２　ｍｉｌ 開口面積　　　　６５．５％ 許容ｊｉ　　　　　　　Ｏ，１７ＢＴＵ／Ｉｂ、”Ｆ熱
膨張係数　　　　２．５ｘ　ｔｏ−ｓ　ｉｎ／ｉｎ、　
”Ｆ熱伝導度　　　　　１０　ＢＴＵ、　ｉｎ／時、ｒ
ｔ’、°Ｆ融点　　　　　　　３０５０　＠Ｆ 圧潰強度 軸方向　　　　　８００　ＰＳＩ ９０度　　　　　　　２５　ＰＳＩ 冒・Ｕ 活性成分　　　　　パラジウム ウォッシュコート（ｗａｓｈｃｏａｔ）　　安定化アル
ミナ本発明の思想及び本発明による利点は上の説明から
理解されるであろう、また、本発明の精神及び範囲から
逸脱することなく或はその実質的な利点総てを犠牲にす
ることなく、実施例、ｉ造及び部品の配列に関し種々の
変更が可能であろうことは明らかである。従って、ここ
に開示した実施例は本発明の単なる好適な例示に過ぎな
いものと理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の定置燃焼タービン構造を、部分的に切
除して示す側室面図、第２図は、本発明の原理に従って
タービンを運転するために一対の直列に配列された触媒
燃焼器を据え付けるように変形された第１図のタービン
の燃焼器の１つを一部断面で示す拡大図、第３図は、第
２図の変形燃焼器の動作を図解する簡略横断面図である
。 ４０・・・一次燃焼領域　　４４・・・混合及び気化領
域４６・・・第一の触媒要素　４８・・・第二の触媒要
素５０・・・完全混合領域 出願人　　ウェスチングハウス・ニレクー濾

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 所定の超低基準以下でＮＯ＿ｘ放出量が生ずるように燃
   料を燃焼する方法であって、 （ａ）効率的な触媒反応に要求される温度よりも高温で
   あると共に、所定の低基準レベルより低いが前記所定の
   超低基準レベルよりも高いレベルでＮＯ＿ｘを含有する
   高温ガスの流れを発生するように、一次燃焼領域におい
   て一次流内の空気及び炭化水素燃料の混合物を燃焼し、 （ｂ）前記一次燃焼領域の下流側に位置する混合及び気
   化領域において二次流内の炭化水素燃料を前記高温ガス
   の流れと混合して、効率的な触媒反応に要求される温度
   よりも高い温度の加熱された燃料混合物の流れを発生し
   、 （ｃ）前記混合及び気化領域の下流側に位置する第１の
   触媒要素内で、前記加熱された燃料混合物を非効率的に
   触媒反応せしめて、効率的な触媒反応に要求される温度
   よりも高い温度を有し且つ前記所定の超低基準レベルよ
   り低いレベルでＮＯ＿ｘを含有すると共に所定の許容し
   得る基準レベルを超えるレベルで一酸化炭素及び未燃焼
   炭化水素を含有している流出ガスの流れを発生し、 （ｄ）前記第１の触媒要素の下流側に位置する完全混合
   領域において前記流出ガスの流れ内の前記一酸化炭素及
   び未燃焼炭化水素を混合して効率的触媒反応に要求され
   る温度よりも高い温度の加熱された混合流出ガスの流れ
   を発生し、 （ｅ）前記完全混合領域の下流側に配設されている第２
   の触媒要素内で、前記加熱された混合流出ガスを酸化し
   て、前記所定の超低基準レベルより低いレベルでＮＯ＿
   ｘを含有すると共に前記所定の許容可能な基準レベルよ
   り低いレベルで一酸化炭素及び未燃焼炭化水素を含有し
   ている排気ガス流を発生する、 諸ステップを含む燃料の燃焼方法。