JPH02217718A - ガスタービン燃焼器 - 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） この発明はガスタービン燃焼器に係わり、詳しくは環境
の汚染源である窒素酸化物（ＮＯｘ　）の発生を抑制す
るために触媒を併用するようにした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ない、種々の代替えエネ
ルギが要求されているが、同特にエネルギ資源の効率的
な使用も要求されている。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・スチームタービン複合サイクル発電システム、あ
るいは石炭ガス化ガスタービン・スチームタービン複合
サイクル発電システムがあり、現在検Ｓ・ｔさ°れつつ
ある。

これらのガスタービン・スチームタービン複合サイクル
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、将来生産量の増加が予想される天然ガスや石炭ガス
等の燃料を有効に電力に変換できる発電システムとして
期待されている。

このようなガスタービン発電システムに使用されている
ガスタービン燃焼器では、従来より燃料と酸化性気体（
一般には空気、以下空気という）との混合ガスをスパー
クプラグ等を用いて着火して均一な燃焼を行っている。

第８図に従来のガスタービン燃焼器の一例が示されてい
る。このガスタービン燃焼器においては、燃料ノズル１
から噴射された燃料Ｆがエアダクト３から圧送されてく
る燃焼用空気ＡＩ　と混合され、スパークプラグ５によ
り着火されて燃焼する。そして、燃焼した気体、（なわ
ら燃焼ガスは、冷却空気Ａ２及び希釈空気Ａ３が加えら
れて、所定のタービン入口温度まで冷却、希釈された後
、タービンノズル７からガスタービン内に噴射される。

９はスワラ−である。

このような従来のガスタービン燃焼器における重大な問
題点の一つは、燃料の燃焼時に多量のＮＱｘが生成して
環境汚染等の悪影響を及ばずことである。そして、この
ＮＯｘが生成する理由は、燃料の燃焼時において、燃焼
器内には部分的に２０００℃を超える高温部が存在する
ことにある。

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
に、種々の燃焼方式が検討されており、最近では同相触
媒を用いた触媒燃焼方式が提案されている。この触媒燃
焼方式は、触媒を用いて通常の燃焼器では燃焼し得ない
希薄な燃料を燃焼させるものである。そのため、燃焼温
度はＮＯｘが発生する程には高温にならない。また、タ
ービン入口温度も従来のものと変わりないものとするこ
とが可能である。

第９図は、触媒燃焼方式に用いる燃焼器の一例である。

図中の符号のうち第８図に示したものと同一のものはそ
れぞれ同一の要素を表わしている。

この燃焼器は、副ノズル１１を備えると共に、ガス流路
上に触媒体１３を備えることが構造上の特徴である。触
媒体１３には、通常、ハニカム構造の燃焼触媒が装填さ
れていて、ここで燃料と空気の混合ガスが燃焼させられ
る。

しかしながら、このようなガスタービン燃焼器にも、次
のような問題点がある。つまり、ガスタービンで要求さ
れるタービンへの噴射燃焼ガス温度は約１１００℃程度
（高効率化をめざして今後さらに高温となる）であるた
め、その温度まで混合ガスを触媒体で燃焼させた場合、
触媒体それ自身は１１００℃より高温度まで加熱されて
触媒体が損壊してしまうという問題である。本発明の発
明者らの実験においても、触媒体１３の温度が１１００
〜１３００℃まで昇温してしまうことが確認されている
。そのような状況下にあるにも拘わらず１１００〜１３
００℃の高温下での耐久性に優れた触媒体が現状では存
在しない。

そこで、本発明者らは、触媒体１３の下流にお（プる気
相燃焼を有効に利用し、触媒体１３の熱負荷を低減せし
めた触媒燃焼法を先に提案した（特願昭５８−２２９９
６７号〉。この方法は、第１０図に示すように、まず燃
料Ｆ１と空気Ａ＋、Ａ２どの希薄混合ガスを触媒体１３
で燃焼させる方法である。通常、触媒体を用いて難燃性
の希薄混合気を醇化反応させる場合、触媒表面での反応
による接触燃焼（触媒燃焼）と前記ハニカム構造体内な
どでの気相燃焼とが同時に生起するが、上記の提案にお
いては、触媒燃焼のみが生起するように混合ガスの燃料
濃度、温度、流量などをコントロールしている。したが
って、触媒体内では気相燃、焼を伴なわないので高温に
はらなず、燃料もその一部だ（Ｊが燃焼して、未燃燃料
を含む燃焼ガスが触媒体１３から排出される。これによ
って触媒体の熱による損壊が防止される。

上記の提案においては、排出された燃焼ガスに対して、
ざらに第１０図に示す触媒体１３の下流に設けられた燃
料供給管１５より新たに燃料を加えることにより、その
ガス中における燃料母層を＾めて触媒体１３の下流で気
相燃焼を生起させ、これによってガスタービンへ供給す
る燃焼ガスの高温化を可能とした。すなわち、ＮＯｘは
通常、燃料と空気との理論混合比の付近で最大の発生聞
を示すが、この提案は触媒体１３の下流での気相燃焼を
希薄混合比側で行わせることにより、Ｎ。

Ｘの発生を抑制しつつ燃料の完全燃焼を図って必要な燃
焼ガス温度が得られるようにしたものである。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記提案における触媒体下流での気相燃
焼には、次のような問題点がある。それは、触媒体１３
から排出された燃焼ガスの流れに対して、燃料供給管１
５より空気が混合されていない高濃度の燃料を加えるた
めに生ずる燃料濃度分布の不均一である。すなわち、触
媒体１３の下流において、部分的に燃料濃度の高い場所
と低い場所とが生ずるのである。その結果、部分的に燃
料濃度が高い場所では、その燃焼湯度が＾くならざるを
得す、そのためＮＯｘの発生を招くのである。

このような問題点を解決１゛るために、触媒体１３の下
流側に燃料！！１度分布を均一化するような燃料供給部
が望まれる。このような燃料供給部としては、燃焼器内
部から燃料を供給する方式と、燃焼器殻壁１７から燃焼
器内へ燃料を噴出させる方式がある。

燃料濃度分布の均一性を得るには燃焼器内部から燃料を
供給する方式の方が容易であるが、高温ガス中に燃料供
給部をさらすことになるために燃料供給部の冷ＭＪを行
う必要があり、構造の？！雑さ及び高温下での燃料供給
部の信頼性問題から上記問題点を解決するまでには至っ
ていない。

一方、燃焼器殻壁１７から燃料器内へ噴出させる方式は
、燃料供給部の耐熱性上の問題は少ないが、燃料濃度分
布の均一性を得るためには所定の燃料の貫通距離を得る
必要がある。この燃料の１通距離は、燃料圧に大きく依
存するが、燃焼器が大型になると規定の燃料圧では燃料
のｎ通距離が充分に得られない問題点がある。

この発明は、このような従来の問題点に鑑みなされたも
ので、触媒体の下流において燃焼ガスに対して燃料を充
分均一に混合することができ、触媒体を高温度にさらす
ことにより損傷することがなく、しかもハード上の問題
もなくＮＯｘの発生を抑ｌｉｉ＋１することのできるガ
スタービン燃焼器を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記課題を解決するため、この発明のガスタービン燃焼
器は、酸化性気体と希薄燃料分とを含む混合ガスの供給
部と、この供給部の下流に設置された触媒燃焼用の触媒
体と、この触媒体の下流にあってガスタービンへの燃焼
ガスを生成する気相燃焼部とを有するガスタービン燃焼
器において、前記気相燃焼部の基端側に前記触媒体を通
過したガスを複数の流れに分割する分割流路構成体を設
け、この分割流路構成体に分割流路各別に燃料を供給す
る燃料供給手段を設け、分割流路構成体の上流端および
下流端の少なくとも何れか一方に分割流路を取囲む空間
部を形成し、この空間部に連通ずる冷却空気導入通路と
、同じく空間部に連通ずる分割流路への排出通路とを分
割流路構成体に設けたものである。

（作用） この発明のガスタービン燃焼器では、混合ガスの供給部
から燃料分希薄な混合ガスは触媒体内で触媒燃焼し、燃
焼ガスとして分割流路に流入してくる。そして、この分
割流路にＪ３いて、各流路ごとに燃料供給手段から燃料
が加えられて燃焼ガスと混合され、気相燃焼部に送出さ
れ、ここで気相燃焼する。したがって、触媒体の部分で
は比較的低温度で触媒燃焼するだりであり、下流側の気
相燃焼部において完全燃焼させることになる。

しかも、分割流路構成体に燃料供給手段が設けられて、
分割流路ごとに燃料を噴出させることから燃料濃度分布
の均一化が容易どなり、ＮＯｘの発生の少ない気相燃焼
を実現することができる。

燃焼器として成立するには、燃焼性とともに構成部材の
信頼性も必要である。この構造の燃焼器では、分割流路
構成体は触媒燃焼後の高温ガス中にさらされることにな
るが、分割流路構成体の空間部に冷却空気導入通路を通
って冷却空気が流入し、これによって分割流路構成体の
端部が冷却され、その後排出通路を通って分割流路側に
流出する。このため、分割流路構成体の特に高温にさら
される端部が冷却されることから、その耐熱、耐久性が
向上する。

（実施例） 以下この発明の一実施例を第１図ないし第４図を参照し
て説明する。

第１図はこの実施例の全体的構成を示すものであり、第
８図〜第１０図に示した従来例と共通する部分には同一
の符号が付されている。

混合ガスの供給部２０は、それぞれ燃料ノズル１、スパ
ークプラグ５６スワラー９．副ノズル１１等を備えてい
る。そして燃料ノズル１から供給された燃料Ｆを燃焼用
空気Ａ＋　と混合し、スパークプラグ５により着火して
予だ焼をさせる。この場合スワラ−９は燃料と空気とを
攪拌して燃焼の安定化を図るものであるが、用いる燃料
や触媒の種類によっては予燃焼は必ずしも必要としない
。

このようにして予燃焼をした燃焼ガスに副ノズル１１か
らの燃料Ｆ１とエアダクト３からの空気Ａ２とを補給し
て混合ガスを生成し、これを触媒体１３へ供給する。こ
の場合、触媒体１３の作用温度が安定に保持され、かつ
損壊を招く程の高温にはならないような適温の希薄混合
気を生成させるべく、上記予燃焼ガスの温度および量と
ともに燃料Ｆ＋　と空気Ａ２との補給量が調整される。

触媒体１３の下流側には気相燃焼部２１を形成してあっ
て、その基部側に分割流路構成体２５を設けである。分
割流路構成体２５は第２図に示すように複数、この例で
は７つの分割流路２７と、これらの分割流路２７を包容
して各流路２７内へ各別に燃料Ｆ２を供給する燃料供給
手段３５と、分割流路構成体２５の主に両端面を冷却す
るための冷却手段５１とを一体的に備えている。

第３図および第４図を用いて更に詳述すれば、分割流路
２７は、気相燃焼部２１の上記基端部にあって相互に対
向して固定される隔壁２９．３１と、これらの隔壁２９
．３１に掛は渡して溶接した短い円管３３とによって形
成しである。また上記燃料供給手段３５は、これら７個
の円管３３を取り囲む中空盤状のジャケット３７の内部
に形成した燃料分配室３９と、ジャケット３７に接合し
た燃料送給管４１と、燃料分配室３９から円管３３を介
して分割流路２７へ連通するノズル孔４３とを備える。

ぞして、ノズル孔４３は各分割流路２７毎に適数個ずつ
等角度関係に配設されている。

燃料送給管４１から送給される前記燃料Ｆ２は燃料ガス
単体もしくは燃料ガスと空気との混合体であって、分割
流路２７とノズル孔４３との数や径は、触媒体１３を流
過してくるガスの流量と性状。

および燃料Ｆ２の燃料圧と流量、等の基本条件によって
設定されるものである。この際、ノズル孔４３からの燃
料Ｆ２の貫通距離を分割通路２７の半径以上とすること
が望ましく、この条件は流路が分割されていてその流路
径が小さいことで容易に満足させることができる。

さらに、各分割流路２７へは各複数のノズル孔４３を介
して均等に燃料Ｆ２を供給するべく、円管３３の間には
燃料ガスが流れにくい領域、いわゆるデッドスペースが
できうる限り生じないように１にとが必要で、そのため
に分割通路２７の配設位置を調節したり断面形状を変え
るなどの対策をとることもありうる。そしてまた、触媒
体１３を通過してぎた混合ガスと、ノズル孔４３からの
燃料とを効果的に混合させるために、これらのノズル孔
をできるだけ触媒体１３寄りに設けるのが好ましい。

次に前記冷却手段５１の基本構成は、エアダクト３に開
設した透窓５３から隔壁２９．３１間へ空気へ４を取り
入れて分割流路構成体２５を冷却したのち分割流路２７
へ導入するようにしたものである。この場合には、隔＠
！２９および３１の近傍に空気のデッ］へスペースが形
成さる結果、これらの隔壁がそれぞれ触媒体１３および
気相燃焼部２１からの放射熱を受けて加熱される。そこ
でこの実施例では、隔壁２９および３１の内側にそれぞ
れディスク５５および５７を接合して二重構造とするこ
とにより、これらの内側にそれぞれ空間部としての空気
分配室５９および６１を形成しである。そして上記透窓
５３から取り入れた空気Ａ４を各ディスク５５．５７に
形成した多数の冷却空気導入通路としての通孔６３．６
５から空気分配室５９．６１へ流入させたのち、各円管
３３に等角度関係で開設した適数個の排出通路としての
エアノズル孔６７．６９を介して各分割流路２７へ供給
するようにしである。

上記構成のガスタービン燃焼器の動作について、次に説
明する。

燃料供給ノズル１から供給されてくる燃料Ｆは、燃焼用
空気Ａ１と混合され、スパークプラグ５により着火され
て予燃焼し、副ノズル１１から供給される燃料Ｆ１と混
合し、混合ガスとなり触媒体１３に流入する。

この触媒体１３においては、混合ガスが触媒反応を起こ
して触媒燃焼する。この触媒燃焼では、副ノズル１１か
ら供給する燃料流山を調整することにより、触媒体１３
の高温化を抑制する。この触媒燃焼は不完全燃焼となり
触媒体１３から排出される燃焼ガスに未燃燃料が含有さ
れるが、その後流の気相燃焼部で完全燃焼させるため、
かまわない。触媒体１３がそれ程高温とならないことか
ら、その劣化、損壊が発生しにくいことになる。

触媒体１３から排出されてくる燃焼ガスは、分割流路２
７内において供給されてきた新たな燃料ガスＦ２と混合
されて混合ガスとなり気相燃焼部２１に送られていく。

そして、この分割流路構成体２５では、空気Ａ４が円管
３３と接触して流路壁を外部から冷却しつつ逐次通孔６
３．６５を経て空気分配室５９．６１へ流入し、ここで
隔壁２９゜３１を冷却したのちエアノズル孔６７．６９
を介して各分割流路２７内へ配分されながら流出し、こ
れらが燃焼用空気に参画する。そしてまたエアノズル孔
６７から流出した空気は、分割流路２７の流路壁に沿っ
て進出しながらフィルム冷却作用を営むので、この流路
壁は内部からも冷却され、分割流路構成体２５の耐熱性
の問題は解決される。

さらに、この分割流路２７の部分では、所定の燃焼温度
を得るために新たな燃料Ｆ２が触媒体１３からの燃焼ガ
スと狭い領域内で混合されるため、その下流の気相燃焼
部２１に入る混合ガスの燃料濃度が均一化され、ＮＯｘ
の発生をより効果的に抑制することかできる。

なお、気相燃焼部２１では元来希薄混合気を燃焼させる
ために、冷却用空気が多過ぎると燃焼性の低下を沼く。

そのためこの空気量は冷却のために必要な程度に抑えて
おくのがよく、例えば流路壁にセラミックコーティング
層などの耐熱断熱層を形成しておけば冷却用空気量の抑
制に役立つ。

また、分割流路構成体２５の上流側温度及び下流側温度
は、触媒体１３の作用温度によってどちらが低いとは言
えないが、低温度側の隔壁２９あるいは３１には必要に
より上記耐熱断熱層を形成するなどして空気分配室５９
あるいは６１を省くこともできる。

ここで、各分割流路２７を形成する円管３３は熱膨張を
伴うが、第５図のように各流路にベローズ３４を設ける
ことにより、その熱膨張を吸収することができる。した
がって、燃焼器横断面に温度分布があり各分割流路２７
の熱膨張に差があったとしても、分割流路構成体２５は
変形することはなく、ハード面からの信頼性も大となる
。

なお、気相燃焼部２１においては、例えば第６図に示す
ようなガスの流れを遅滞さぜ、もしくは逆流させる膨径
部１９を殻壁１７に形成すると、ガス流がこの膨径部１
９の内側に回り込み、こ口に保炎部が形成されて気相燃
焼が安定して行われる。

また、分割流路構成体２５の下流の領域に、例えば第７
図に示すようにイグナイタ等の点火源２３を設ければ、
気相燃焼を容易に開始させることが可能となり、有効で
ある。

（発明の実験例） 第１図の示すような構造のガスタービン燃焼器を製作し
、燃焼特性を調べた。ここでの触媒体域の流路径は３０
０ｍ１、分割流路２７の各流路径は８１５ｍ、分割流路
の数は７つとした。分割流路の冷却構造は、隔壁２９．
３１の内側に空気分配室５９．６１を設けた二重構造と
し、各流路の熱膨張吸収のためにベローズ３４を設けた
。そして、分割流路部に流入する冷却空気量としては、
触媒入口空気量の２％になるようにエアノズル孔６７゜
６９の開口面積を設定した。触媒体としては、直径３０
０１Ｂ膳、長さ１５０１ＩＩＩｌの貴金属系ハニカムを
用いた。

供給部２０において、天然ガス（Ｆｌ　）と空気Ａ２　
）とが次表に示す容積比（Ｆｌ／Ａ２）で混合された混
合ガスを４５０℃まで予燃焼により昇温させ、５００℃
換算にして３ＱＩＩｌ／Ｓｅｃの実機ベースの流速で触
媒体に供給して燃焼を行った。

なお、燃料送給管４１を通じて各分割流路２７にノズル
孔４３から供給された天然ガス（Ｆ２）を含む天然ガス
（Ｆｌ　＋Ｆ２　）と空気（Ａ２　＋Ａ４＝Ａ）との比
（Ｆｌ　＋Ｆ２　）／△は、次表に示すように設定し、
気相燃焼の着火はイグナイタに２３より行った。

ぞして、触媒体の下流７００［＋１１の位置で燃焼によ
り生じた排出ガス中のＮＯｘ発生発生ｐｐｍ）を測定し
た。なお、燃焼効率は、何れも９９％以上であった。

比較例として第１０図に示！１′構造のガスタービン燃
焼器を用いて実施例と同様の条件で燃焼を行った。なお
、ここでの触媒体の下流に設けた燃料供給管１５は２８
本設置し、この燃料供給管から供給される燃料をＦ２と
した。

本実施例による分割流路のメタル温度は７００″Ｃ以下
であった。なお、比較のため冷却手段を設ｆ」ていない
分割流路を用いて燃焼試験を行ったところ、排出ガスの
特性は本実施例と大差なかったが、分割流路のメタル温
度は８００℃以上の高温になることもあった。また、数
回試験後分割流路を検査したところ、冷却手段を設（プ
ていない分割流路の一部にクランクが生じていた。

［発明の効果１ 以上のようにこの発明によれば、触媒体の下流側に分割
流路を形成し、各分割流路を構成する分割流路構成体に
燃料の供給手段を設置）でいるため、触媒体からの燃焼
ガスと分割流路に供給されてくる燃料とを狭い領域内で
混合させることから燃料濃度分布を各部分で均一化する
ことができ、Ｎ。

×の発生量を効果的に抑制することができる。さらに、
分割流路構成体の上流側及び下流側の何れか一方の端部
に空間部を形成してここに冷却空気を導入した後、分割
流路側に流出させるようにしたため、特に高温にさらさ
れる上記端部の高温化が防止され、ハード面での信頼性
も大となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る燃焼器の側面断面説
明図、第２図は第１図の分割流路構成体の斜視図、第３
図は第２図の側面断面図、第４図は第３図のＩＶ　−Ｉ
Ｖ矢祝断面図、第５図は別の実施例に係る分割流路構成
体の側面断面図、第６図および第７図はそれぞれにこの
発明の仙の実施例に係る燃°焼器の側面断面説明図、第
８図、第９図および第１０図はそれぞれ従来例に係る燃
焼器の側面断面説明図である。 １３・・・触媒体　　　２０・・・混合ガスの供給部２
１・・・気相燃焼部　２５・・・分割流路構成体２７・
・・分割流路　　３５・・・燃料供給手段５１・・・冷
却手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 酸化性気体と希薄燃料分とを含む混合ガスの供給部と、
   この供給部の下流に設置された触媒燃焼用の触媒体と、
   この触媒体の下流にあってガスタービンへの燃焼ガスを
   生成する気相燃焼部とを有するガスタービン燃焼器にお
   いて、前記気相燃焼部の基端側に前記触媒体を通過した
   ガスを複数の流れに分割する分割流路構成体を設け、こ
   の分割流路構成体に分割流路各別に燃料を供給する燃料
   供給手段を設け、分割流路構成体の上流端および下流端
   の少なくとも何れか一方に分割流路を取囲む空間部を形
   成し、この空間部に連通する冷却空気導入通路と、同じ
   く空間部に連通する分割流路への排出通路とを分割流路
   構成体に設けたことを特徴とするガスタービン燃焼器。