JPH0419449B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、ガスタービン発電システムに使用す
るガスタービン燃焼器の燃焼方法に関し、更に詳
しくは、燃焼時に発生する窒素酸化物（以下、
NOxと称す）の量が少なく、且つ、燃焼効率が
良好な触媒燃焼方式のガスタービン燃焼器の燃焼
方法に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、石油資源等の枯渇化に伴ない、種々の代
替エネルギーが希求されており、一方では、エネ
ルギー資源の効率的使用が要求されている。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等が挙げら
れ、検討されつつある。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
に、将来、その生産量の増加が予想される天然ガ
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。

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、従来より、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つている。このような燃焼
器の一例を第１図に示す。第１図の燃焼器は、燃
料ノズル１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、
冷却空気４及び希釈空気５を加えられて、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
一つは、燃焼の燃焼時において、NOxガスの生
成量が多いことである。

上記したNOxが生成する理由は、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、燃焼用空気中の窒素と酸素
が以下に示す式により反応して生成する。

N₂＋O₂2NO 上記反応は、高温になる程、右側に移行して一
酸化窒素（NO）の生成量が増加する。NOの一
部は更に酸化されて二酸化窒素（NO₂）を生成
する。

第２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有
しており、最高温度に達した後は、冷却及び希釈
空気により所定のタービン入口温度まで冷却され
ている。燃焼器内の最高温度は、2000℃にも達す
る場合があるために、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
がある。従つて、排煙脱硝装置等を設けねばなら
ず、装置が複雑になる等の問題点をも有してい
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いる。

その中の一つとして、最近、気相における均一
系反応に対し、固相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
混合気体を燃焼せしめるものである。この方式に
よれば、比較的低温で燃焼を開始させることがで
き、冷却用空気を必要とせず、燃焼用空気が増加
するために、最高温度が低くなり、従つて、発生
するNOx量を極めて少なくすることが可能であ
る。又、タービン入口温度も従来のものと変わり
なく、燃料を完全燃焼させることができる。第３
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、同じ符号を付してあ
る。

上記した触媒燃焼方式においては、しかしなが
ら、燃料と空気の混合気体を触媒を用いて燃焼反
応を開始させるために、混合気体を予熱して触媒
燃焼反応に必要な温度まで上昇させなければなら
ないという問題点を有している。特に、燃料とし
てメタンを使用した場合には、他の燃料を使用し
た場合と比較して着火温度が高いために、予熱温
度を高くしなければならないことが知られてい
る。

そのため、上記問題点を解決するためには、燃
焼器における触媒充填部の前段で燃料の一部を通
常燃焼させ、混合気体の温度を上昇せしめること
が考えられる。しかし、通常燃焼を行なうと、前
述の如く燃焼ガスの温度が高くなりNOxが発生
する。このNOxは触媒充填部においては分解さ
れず、そのまま排出されるという問題点を有して
いる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記した問題点を解消し、燃
焼時に生成するNOxの量が極めて少なく、且つ、
燃焼効率が良好なガスタービン燃焼器の改良され
た燃焼方式を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明のガスタービン燃焼器の燃焼方法は、燃
料と空気の混合気体を触媒燃焼方式により燃焼さ
せるガスタービン燃焼器において、 燃焼触媒充填部の前段において、少なくとも一
部の燃料を含有し、空気率が60〜90％の燃料と空
気の混合気体をバーナーで予備燃焼せしめ、次い
で、残りの燃料を予備燃焼の火炎又はその近傍に
噴射せしめ、更に、残りの空気を混合せしめた
後、該混合気体を触媒充填部に導入せしめること
を特徴とするものである。

なお、ここに空気率とは、実際に使用する空気
量Ａと、燃料が完全に燃焼するのに要する空気の
論理量A₀との比Ａ／A₀を、百分率で表したもの
である。

以下において、本発明を更に詳しく説明する。

本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、例えば、
メタンのような触媒燃焼反応を開始させるために
比較的高温度に予熱する必要がある燃料を使用す
る場合に、次の様な構成の燃焼方法を採用するこ
とにより、発生するNOxの量が少なく、燃焼効
率が良好な触媒燃焼が可能であることを見出し
た。

即ち、先ず、燃焼器の最上流側において燃料の
一部と空気を空気率が60〜90％となるように予備
混合し、この混合気体をバーナーを用いて燃焼せ
しめる。この際に発生する燃焼熱を残りの燃料の
予熱に使用する。空気率が60％未満であると予熱
温度がそれ程高くならないと同時に未燃焼のカー
ボン（すす）を生じることもあり、一方、90％を
超えると予備燃焼時にNOxの発生量が増加する。

上記燃焼反応において生ずる燃焼ガス中には、
未燃焼の炭化水素と燃焼により生成した一酸化炭
素が含有される。

次いで、上記燃焼中の火炎又はその近傍に残り
の燃料を噴射せしめ、燃料自体を予熱すると同時
に火炎のクエンチを行なう。この際に、燃料の噴
射により火炎のクエンチが行なわれないと、次に
残りの空気が混合された際に燃料がすべて燃焼し
てしまい、温度が上昇してNOx生成量が増加す
ることになる。ここでクエンチが行なわれると、
次に空気を導入しても、火炎は生成せずに、触媒
充填部に温度が上昇した燃料と空気の混合気体が
送られる。

この火炎に残りの燃料を噴射してクエンチした
混合気に、更に、残りの空気を混合する。火炎が
クエンチされた後に空気が混合されると、触媒充
填部に前記混合気が到達する時にはこの混合気は
触媒燃焼に必要な温度まで十分昇温されており、
且つ、NOxを殆んど含有していないものである。
従つて、触媒充填部においては触媒燃焼方式の特
性が充分に生かされて、燃焼器全体として効率の
良い燃焼が可能となる。

本発明において使用される燃焼触媒としては、
通常、燃焼触媒として使用されているものであれ
ばいかなるものでもよく、例えば、白金、パラジ
ウム、ロジウム、ルテニウム及びイリジウム等の
貴金属系触媒或いはMnO₂、Co₂O₃、Co₃O₄、
CuO等の卑金属系触媒が挙げられ、これらから成
る群より選ばれた１種もしくは２種以上のものが
使用される。

又、本発明において使用される触媒体は、上記
燃焼触媒をセラミツクス或いは耐熱合金等をハニ
カム状等に成形したものに担持せしめ、例えば、
特願昭56−187760号明細書又は特願昭57−66275
号明細書等に記載されているような構成で形成さ
れることが好ましい。

以下において実施例を掲げ、本発明を更に詳し
く説明する。

〔発明の実施例〕

内径100mmφ、長さ500mmを有するニツケル合金
製円筒を使用して、ガスタービン燃焼器の模擬装
置を製作した。この燃焼器の流体流通方向の最下
流にセラミツクスをハニカム構造に成形し、パラ
ジウム触媒を担持せしめた長さ100mmの触媒体を
充填した。

燃料としてメタンを使用し、燃焼器全体への空
気の供給量は1600Nl／min、メタンの供給量は
48Nl／minとした。

燃焼器の最上流にバーナーを設置し、そこから
150mm下流側に第一の気体の流入孔を設け、更に
100mm下流側に第二の気体の流入孔を数個設けた。
実験に際し、空気及びメタンはそれぞれ300℃に
予熱して燃焼器に導入した。

上記条件のもとに、最上流でのバーナーの空気
率を70％とし、メタンと空気の混合ガスをイグナ
イターで着火した後、第一の気体の流入口より残
りのメタンを導入し、更に、第二の気体の導入口
より残りの空気を導入して触媒燃焼せしめた。そ
して、燃焼器出口での未燃焼物の濃度を測定し、
それをメタンに換算した量及び出口でのNOx濃
度を測定した。その結果を第４図にａとして示し
た。

同時に、比較例として、 ｂ：空気及びメタンの全量を分割することなくそ
のまま燃焼器に導入し、外部からの着火は行な
わずに燃焼せしめたもの、 ｃ：最上流でのバーナーの空気率を130％とし、
イグナイターで着火した他はａと同様の方法で
燃焼せしめたもの、及び ｄ：最上流でのバーナーの空気率を70％とし、イ
グナイターで着火した後、第一及び第二の気体
の流入孔からメタンと空気の混合ガスをそれぞ
れ導入し燃焼せしめたもの についてそれぞれａと同様に燃焼器出口での未燃
焼ガス濃度及びNOx濃度を測定した。それらの
結果を第４図に同時に示した。

第４図から明らかなように、本発明の燃焼方法
によれば、未燃焼メタンは殆んど残存しておら
ず、ほぼ完全燃焼していることが確認された。
又、NOxの生成も殆んどなく、低NOx燃焼が可
能であることが確認された。

これに対し、ｂの燃焼方法ではメタンが殆んど
燃焼しておらず、300℃程度の予熱温度では前記
触媒による触媒燃焼反応が開始されないものであ
る。

又、ｃの燃焼方法では未燃焼メタンは殆んどな
いが、NOxの生成量が多いことが確認された。
これは、バーナーでの空気率が高いために、予備
燃焼時にNOxが多量生成し、それがそのまま排
出されるためであると考えられる。

更に、ｄの燃焼方法においてもｃと同様の結果
が得られている。これらは、バーナーにおいて燃
焼した火炎のクエンチが不充分であるために、第
一及び第二の気体の流入孔から導入されたメタン
が触媒充填部の前で燃焼して温度が上昇するため
であると考えられる。

〔発明の効果〕 本発明の燃焼方法によれば、燃料を極めて効率
良く燃焼せしめることが可能であり、又、燃焼時
にNOxの生成量が少ないため環境汚染等の問題
を生じないものである。更に、燃料の一部を燃焼
させて燃料と空気の混合ガスの温度を上昇させる
ために、予熱温度を低くすることが可能であり、
省エネルギーの面での利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は通常のガスタービン燃焼器の概念図、
第２図は通常のガスタービン燃焼器内の温度分布
を示す図、第３図は触媒燃焼方式のガスタービン
燃焼器の概念図並びに第４図は実施例における触
媒燃焼方式の燃焼器の燃焼方法の違いによる、発
生したNOxの濃度と未燃焼メタン濃度の変化を
経時的に示す図である。 １……燃料ノズル、２……スパークプラグ、３
……燃焼用空気、４……冷却用空気、５……希釈
用空気、６……タービンノズル、７……ハニカム
構造触媒体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃料と空気の混合気体を触媒燃焼方式により
   燃焼させるガスタービン燃焼器において、 燃焼触媒充填部の前段において、少なくとも一
   部の燃料を含有し、空気率が60〜90％の燃料と空
   気の混合気体をバーナーで予備燃焼せしめ、次い
   で、残りの燃料を予備燃焼の火炎又はその近傍に
   噴射せしめ、更に、残りの空気を混合せしめた
   後、該混合気体を触媒充填部に導入せしめること
   を特徴とするガスタービン燃焼器の燃焼方法。