JPH0282019A - ガスタービン燃焼器における燃焼方法 - 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】 〔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、特に触媒燃焼を用い
たガスタービン燃焼器における燃焼方法に関する。

（従来の技術） 一般に、ガスタービンは航空機用エンジンや発電システ
ムなどに使用されているが、ガスタービン発電システム
に用いられている燃焼器では、従来から燃料と空気との
混合気を、スパークプラグなどを用いて着火して燃焼さ
せている。このような燃焼器の一例を第４図に示す。図
において、第１の燃料ノズル１から噴射された燃料が、
図示しないコンプレッサから供給される矢印で示す燃焼
用空気３と混合して、スパークプラグ５によって着火し
燃焼する。そして、燃焼した気体すなわち燃焼ガスには
、その下流側で冷却空気７及び希釈空気９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１１がらガスタービン内に噴射される。符
号１３にて示すものはスワラ−である。

ところで、燃焼器においては、燃焼時に例えば２０００
℃を越えるような高温部が存在したり、あるいは大幅な
昇温か発生するなどした場合には、多量の窒素酸化物（
ＮＯｘ　）が発生するが、上記従来の燃焼器においては
、定格運転時に部分的に２０００℃を越える高温部が存
在するため、燃焼時に多量のＮＯＸが発生して環境汚染
を引起こすという問題がある。このため、最近では種々
の燃焼方式が検討されており、このうち固相触媒を用い
た不均一燃焼方式（以下、触媒燃焼方式という）を説明
する。

この触媒燃焼方式は、触媒を用いることによって、通常
の燃焼器では燃焼しない稀薄な混合気を燃焼させること
ができ、このため燃焼温度をＮＯｘが多量に発生する程
の高温に達しないようにすることが可能となる。また、
タービン入口温度も従来のものと変わりなくすることが
可能である。　第５図は、この触媒燃焼方式を採用した
燃焼器の一例を示している。この燃焼器は、触媒燃焼部
としての触媒充填部１５と触媒燃焼用燃料を供給する第
２の燃料ノズル１７とを備えており、第２の燃料ノズル
１７上流に設けられた第１の燃料ノズル１から噴射され
た燃料が予燃焼部１９にて燃焼し、この燃焼ガスが混合
部２１に達すると、ここで第２の燃料ノズル１．７から
噴射された燃料が燃焼ガスと混合する。そして、この混
合気が触媒充填部１５にて燃焼する。触媒充填部１５に
は、通常ハニカム構造の燃焼用触媒が充填されている。

ところが、このような触媒燃焼方式では、燃料の大部分
が触媒充填部１５で燃焼するようになっているため、触
媒が高温化し、熱劣化が著しく、耐久性が低下するとい
う問題があった。また、ガスタービン入口温度の高温化
にも、触媒の耐熱性の面から対応が困難であった。

そこで、本出願人は、触媒充填部では必要燃料の一部を
燃焼するたけとし、触媒の下流に更に燃料を供給し、そ
の部分て気相燃焼（非触媒的な燃焼）を起こすことによ
って、定格運転時でのＮＯｘの低減と共に、触媒の温度
を従来より低く維持して、触媒の耐久性を向上させた触
媒燃焼方式を既に提案している。

（発明が解決しようとする課題） ところで、触媒燃焼が起こるためには、触媒へ供給する
燃料と空気との混合気の温度をある程度高める必要があ
る。しかしながら、燃焼器の起動時においては定格運転
時に比べて燃焼器入口空気温度が低いため、その分子燃
焼部で大幅に昇温させる必要があり、したがって多量の
ＮＯｘが発生することとなる。

そこでこの発明は、定格運転時のみならず起動時におい
てもＮＯＸの発生を抑え、かつ触媒の耐久性を向上させ
たガスタービン燃焼器における燃焼方法の提供を目的と
する。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 前述した課題を解決するためにこの発明は、予燃焼部で
燃焼した燃焼ガスに混合部にて空気と燃料とを供給して
燃料混合体を形成し、この燃料混合体を触媒燃焼部にて
燃焼させ、この触媒燃焼部で燃え残った燃料混合体に気
相、熱焼部にて燃料を混合して気相燃焼させ、この気相
燃焼部にょる燃焼ガスに希釈部にて空気を供給するよう
にしたガスタービン燃焼器における燃焼方法において、
前記燃焼器の起動時に、前記予燃焼部と気相燃焼部との
双方に燃料を供給して燃焼させ、タービンの運転に伴っ
て燃焼器入口温度が上昇し、触媒入口温度が触媒燃焼可
能な温度に達したら、前記混合部に燃料を供給して触媒
燃焼させるようにした。

（作用） まず、予燃焼部と触媒下流の気相燃焼部との双方に燃料
を供給して燃焼させる。このとき、予燃焼部では触媒の
燃焼温度まで大幅に昇温させる必要はなく、したがって
予燃焼部でのＮＯＸの生成は少ないものとなっている。

その後、タービンの運転に伴って燃焼器入口温度が上昇
し、触媒入口温度が触媒燃焼可能な温度に達したら、混
合部に燃料を供給して触媒燃焼させる。

（実施例） 以下、第１図ないし第３図に基づいてこの発明の一実施
例を説明する。

第１図はガスタービン燃焼器の断面図であり、この燃焼
器は外筒２３と内筒２５とを有し、この両者間に図示し
ないコンプレッサからの圧縮空気が流入する環状の空間
２７が形成されている。内筒２５の周囲には、空気流通
孔２９がその略全長にわたって複数設けられている。そ
して、内筒２５の上流端にはスワラ−１３を介して第１
の燃料ノズル１が設けられ、第１の燃料ノズル１は第１
の流量調整バルブ３１によって供給燃料が調整される。

混合部２１に燃料を供給する第２の燃料ノズル１７は、
第２の流量調整バルブ３３によって供給燃料が調整され
る。

一方、内筒２５の下流側端部には触媒充填部１５が設け
られ、触媒充填部１５の直下流には第３の燃料ノズル３
５及びスパークプラグ３７がそれぞれ設けられている。

この触媒充填部１５の直下流が気相燃焼部３つとなるが
、この気相燃焼部３つの通路径は内筒２５の通路径より
大きくなっている。第３の燃料ノズル３５は第３の流量
調整バルブ４１によって供給燃料が調整される。更に、
内筒２５とタービンへ燃料ガスを噴出させるタビンノズ
ル１１との間の燃焼ガス案内部４３には、冷却空気通路
４５が開口しており、この部位が希釈部４７となる。冷
却空気通路４５を通る空気は、バルブ４つにより流量が
調整される。

このような構成のガスタービン燃焼器において、その起
動時にまず第１の燃料ノズル１から燃料を噴射し、この
燃料と図示しないコンプレッサからの空気３との混合気
を、スパークプラグ５によって、予燃焼部１９にて着火
、燃焼させる。このときの燃焼ガス温度は、その後流側
の触媒充填部１５での燃焼を行わないので、触媒燃焼温
度にまで上昇させる必要がなく、したがって第１の燃料
ノズル１の供給燃料をある程度絞っておく。予燃焼部１
９での燃焼ガスの昇温か抑えられているので、起動時に
おける予燃焼部でのＮＯｘの生成は極めて少ないものと
なっている。

その後、燃焼ガスは途中で内筒２５内に流入する空気３
と混合し、そのままの状態で触媒充填部１５を経て気相
燃焼部３９に至る。気相燃焼部３９では、第３の燃料ノ
ズル３５から所定量の燃料を供給し、スパークプラグ３
７によって着火させ、気相燃焼させる。

気相燃焼部３９での第３の燃料ノズル３７からの供給燃
料は、可及的に均一噴射して予混合燃焼に近い状態とす
ることが望ましく、かつ燃焼温度は１５００℃〜１６０
０℃以下となるよう第３の流量調整バルブ４１によって
供給燃料を調整する必要がある。これにより、気相燃焼
部３９でのＮＯｘの生成量が抑制される。ところが、一
般的には、このような条件下での気相燃焼は困難である
か、あるいは燃焼が不安定となるが、本燃焼器では予燃
焼部１つでの燃焼により混合気の温度が高くなっている
こと、また気相燃焼部３つの通路径を内筒２５の通路径
より拡大して、この拡大部に生じる循環流によって保炎
効果が生じるので、燃焼が安定化し、気相燃焼が可能と
なる。

気相燃焼部３９での燃焼ガスは、その後流の希釈部４７
において、ガスタービンの起動スケジュールに応じてバ
ルブ４９の開閉調整を行って冷却空気の流入量を制御し
、所定の温度に設定された後タービンへ供給され、ター
ビンが運転される。

タービンの運転に伴ってコンプレッサからの吐出空気温
度が上昇し、燃焼器入口空気温度も上昇する。これに伴
って触媒充填部１５の入口ガス温度も上昇し、更にバル
ブ４９の調整によりこの温度は触媒燃焼が開始する温度
まで上昇する。

触媒入口ガス温度が触媒燃焼が開始する温度に達したら
、・第２の流量調整バルブ３３により調整した所定流量
の燃料を第２の燃料ノズル１−７から混合部２１に噴射
し、これにより触媒燃焼が開始する。第２の燃料ノズル
１７からの燃料供給と同時に、第３の燃料ノズル３５か
らの気相燃焼部３９への燃料供給量を減らし、この減ら
した量に応じて第２の燃料ノズル１７による混合部２１
への供給燃料を増加させる。その後はガスタービンの運
転スケジュールに応じて各部への燃料および空気の配分
を制御していく。

このように、燃焼器の起動時にはまず予燃焼部１９及び
気相燃焼部３９にて燃焼させてタービンを運転させ、タ
ービンの運転に伴って燃焼器入口温度を上昇させること
により、触媒入口温度を触媒燃焼可能な温度にまで昇温
させるようにしたので、燃焼器の起動時において予燃焼
部での大幅な上昇はなく、したがってこのときＮＯＸの
生成量は極めて少ないものとなる。

また、この実施例では触媒燃焼と気相燃焼とを組み合わ
せて燃焼温度がＮＯｘが多量に発生する程の高温以下で
燃焼させることを可能にしているので、定格運転時での
ＮＯｘ生成量も少ないものとなっている。したがって、
燃焼器全体としてのＮＯｘの生成量も、従来に比べ減少
したものとなる。また、触媒燃焼後、下流側の気相燃焼
部３９にて気相燃焼により完全燃焼させているので、触
媒の高温化は防止されており、その耐久性低下も防止さ
れている。

次に、このような燃焼方法の実験例を従来例と比較して
説明する。ここでは、第１図に示したような気相燃焼部
３９の通路径に対する内筒２５の通路径の比が１．５の
模擬燃焼器を用いた。また、燃料は天然ガス、触媒体と
しては直径１００市、長さ１００■の貴金属系ハニカム
触媒体とし、気相燃焼部３つへ供給する燃料ノズルは、
ノズル口径０．８ｍｍのものを周方向８ケ所に設けた。

実験は大気圧条件下で行い、５００℃換算で燃焼器入口
空気流速が２０　ｒｉ−ｓと３　Ｏｎ＋−ｓとの２通り
のデータをとった。

その結果、燃焼器入口温度が２０℃の場合、触媒燃焼が
開始する温度を４５０℃とすると、従来の燃焼方法のよ
うに予燃焼部のみて燃焼器入口温度を２０℃から４５０
℃まで昇温させた場合には、流速２０　ｍ−ｓではＮＯ
ｘ生成量は１６ｐｐｍ、流速３０　ｆｆ１−ｓでは同１
２１１１）０１となった。

一方、この発明の燃焼方法のように予燃焼部での昇温分
を１００℃と固定し、気相燃焼部での断熱火炎温度とし
て１．５００℃になるようにすると、燃焼器入口温度２
０℃の場合でも９つ、８％以上の燃焼効率が得られ、流
速２０　ｍ−ｓにて生成されたＮＯｘ量は予燃焼部で３
ｐｐＩＩ１１気相燃焼部で６ｐｐＩＩｌ、流速３０　ｌ
ｌ−ｓでは予燃焼部で２ｐｐｆｆｌ、気）目燃焼部で５
　ｐｐｍとなり、燃焼器全体でのＮＯＸ生成量も、それ
ぞれ９　ｐｐＨｌ　、　７　ｐｐｍであった。このＮＯ
ｘ生成量は、燃焼器入口空気温度を３５０℃まで徐々に
上昇させると、第２図に示すように徐々に減少する。

燃焼器入口空気温度が３５０℃に達すると、予燃焼部で
の温度上昇が１００℃であることから、触媒入口温度は
４５０℃となり、触媒燃焼が開始する。その後、触媒上
流の混合部に燃料を供給し始め、これと同時に気相燃焼
部への燃料供給量を減少させると、すなわち触媒燃焼の
比率を高くすると、第３図に示すように、燃焼器全体で
のＮＯｘ生成量が低下する。

〔発明の効果〕

以上説明してきたようにこの発明によれば、燃焼器の起
動を予燃焼部と気相燃焼部との双方のみの燃焼で行い、
その後コンプレッサの吐出空気温度の上昇により触媒入
口温度を触媒燃焼可能な温度にまで上昇させるようにし
たため、燃焼器の起動時での予燃焼部の大幅な温度上昇
が抑制され、起動時でのＮｏｗの生成量を低減させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の燃焼器の断面図、第２図
はこの発明の燃焼方法による実験結果を示す燃焼器入口
温度と燃焼器全体でのＮＯｘ生成量との相関図、第３図
は同気相燃焼と触媒燃焼とを合わせた燃焼に対する気相
燃焼の割合と燃焼器全体でのＮＯｘ生成量とのＩ目関図
、第４図は従来の一般的な燃焼器の断面図、第５図は触
媒燃焼を用いた従来の燃焼器の断面図である。 １５・・・触媒充填部（触媒燃焼部）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 予燃焼部で燃焼した燃焼ガスに混合部にて空気と燃料と
   を供給して燃料混合体を形成し、この燃料混合体を触媒
   燃焼部にて燃焼させ、この触媒燃焼部で燃え残った燃料
   混合体に気相燃焼部にて燃料を混合して気相燃焼させ、
   この気相燃焼部による燃焼ガスに希釈部にて空気を供給
   するようにしたガスタービン燃焼器における燃焼方法に
   おいて、前記燃焼器の起動時に、前記予燃焼部と気相燃
   焼部との双方に燃料を供給して燃焼させ、タービンの運
   転に伴って燃焼器入口温度が上昇し、触媒入口温度が触
   媒燃焼可能な温度に達したら、前記混合部に燃料を供給
   して触媒燃焼させるようにしたガスタービン燃焼器にお
   ける燃焼方法。