JPH0463963B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、低NOx燃焼器に係り特に、ガスタ
ービン発電システムの使用に適した低NOx燃焼
器に関する。

〔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
替エネルギーが要求されているが、同時に、エネ
ルギー資源の効率的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或いは石炭ガ
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や石炭ガス化ガス等の
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図の燃焼器において
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
体すなわち燃焼ガスには、冷却空気４及び希釈空
気５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６からガス
タービン内に噴射される。８はスワラーである。
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、燃料の燃焼時に多量のNOxガスが生成
して環境汚染等を引き起こすことである。

上記したNOxが生成する理由は、燃料の燃焼
時において、燃焼器内には部分的に2000℃を超え
る高温部が存在するということにある。

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いる。

最近、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。

この触媒燃焼方式は、触媒を用いることによつ
て、通常の燃焼器では、燃焼しない希薄な燃料を
燃焼させることができ、そのため、燃焼温度は
NOxが発生する程の高温にはならない。またタ
ービン入口温度も従来のものと変わりなくするこ
とが可能である。

第２図は、触媒燃焼方式に用いる燃焼器の１例
の概念図である。図中の数字はそれぞれ第１図と
同じ要素を表わす。この燃焼器は触媒充填部７を
備えることが構造上の特徴である。触媒充填部７
には、通常、ハニカム構造の燃焼触媒が充填され
ていて、ここで燃料と空気の混合気体が燃焼させ
られる。

この触媒燃焼方式にも次のような欠点が存在す
る。すなわち、従来から考えられている触媒燃焼
方式は、触媒充填部で触媒反応と気相反応の両者
によつて燃料が燃焼するため、触媒の温度が高
く、触媒の熱劣化が大きく寿命が短かい。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る。そこで本発明者らは、
触媒充填部では触媒反応のみによつて燃料の一部
を燃焼するだけとし、触媒の下流に燃料を更に追
加し、その部分で気相燃焼（非触媒的な熱燃焼）
を起すことによつて、触媒の温度が従来より低く
とも良い長寿命な触媒燃焼方式を既に提案してき
た。また、従来の触媒燃焼方式においても、触媒
の下流に燃料を追加すれば、ガスタービン入口温
度の高温化に有利なことは容易に推定される。こ
のように触媒下流に燃料を追加することは重要で
あるが、ここで新たな問題点が生じた。すなわ
ち、第１に燃料を追加すると、NOxの発生が増
加することである。これは、燃料が充分に混合す
る以前に燃焼してしまうため、局部的な高温部が
生じるためと考えられる。

〔発明の目的〕

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、
触媒燃焼部の下流に燃料を追加したときのNOx
の発生を抑えた低NOx燃焼器を提供することを
目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は燃料と空気とを混合し燃料混合体とす
る混計部と； 前記混合部の下流側に設けられ触媒により前記
燃料混合体を燃焼させる触媒燃焼部と； 前記触媒燃焼部の下流側に設けられ、触媒燃焼
部からの流出物に燃料あるいは燃料を主体とした
混合物を加える燃料加給部と； 前記燃料加給部により燃料が加えられた流出物
の気相燃焼を行なう気相燃焼部とを備え、 前記燃料加給部と気相燃焼部との間に逆火災防
止機構を具備したことを特徴とする低NOx燃焼
器である。

すなわち本発明者らは、触媒燃焼部の下流で燃
料を追加したとき、この燃料加給部とその下流で
気相燃焼、すなわち非触媒的燃焼を行なう気相燃
焼部との間に、逆火災防止機構を設け、流出物の
流速を火災伝播速度以上とすることにより、低
NOx化が可能よなることを見いだした。このよ
うに逆火災防止機構を設けることにより、加給さ
れた燃料と触媒燃焼部を通過してきた流出物とが
十分に混合され、均一な気相燃焼がおこるためと
考えられる。

この逆火災防止機構は、流出物の流速を火災伝
播速度以上とする構成であれば、どのような構成
を用いても良く、流出物の流速をあげる方式（タ
イプ）と、火災伝播速度をおさえる方式（タイ
プ）が考えられる。

タイプとしては、例えば流通路断面積を小さ
くする構成が考えられる。このような構成をとれ
ば流速を上げることができる。又、タイプとし
ては、流出物を層流とするよう構成が考えられ
る。例えばハニカム構造状のフイルターを設ける
ことにより、断面積がかわらないとすれば、流速
はかわらないが、乱流時に比べ、層流となつた時
の方が火災伝播速度が遅くなる。従つて当初の目
的を達成することができる。

本発明の燃焼器の１つの構造例を第３図に示
す。数字で第２図と同じもとは同じ要素を表わ
す。第３図において数字１１の部位の面積が小さ
くなつている（逆火災防止機構）。第３図の燃焼
器において、燃焼用空気３と燃料ノズル９から供
給される燃料とが混合されて（混合部）、触媒充
填部７（触媒燃焼部）を通過する。触媒で燃料の
一部あるいはほとんどが燃焼した後に、燃料ノズ
ル１０から燃料が追加される（燃料加給部）。追
加された燃料は下流の点火プラグ２によつて必要
に応じて点火される（気相燃焼部）。点火された
火炎は流れの上流側に伝播してくるが、逆火災防
止機構より上流側には伝播しない。したがつて、
燃料ノズル１０（燃料加給部）と、この断面積が
小さい部位の間の距離を適当な長さとして、燃料
を十分混合し、高濃度なNOxが発生する程の局
部的な高温化をふせぐ。また、第３図の１１の部
位の断面積を小さくする替りに、その部位にセル
内の流水が層流となるようなセル径のハニカム構
造体を設置してもよいが、その一例を第４図に示
した。セル径は燃料種、運転条件等によつて任意
に設定すれば良い。

また第３図においては、触媒の上流側での予燃
焼を行なつていないが、これは、低温でも触媒が
作用する燃料及び触媒を用いた時を想定したもの
で、もし、予燃焼が必要ならば、第２図に示した
ような予燃焼部を設けることも可能である。ま
た、触媒の下流に追加する燃料も、燃料を主体と
しておればよく、スチームあるいはその他のガス
が混入していてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、触媒燃
焼部の下流で燃料を加えた場合でもNOxの発生
が少ない低NOx燃焼器を得ることができる。

〔発明の実施例〕

以下に本発明の実施例を説明する。

実施例 １ 第５図に本発明の効果を実証するための内径
100mmφの模擬燃焼器を示す。燃焼器上流側から
450℃に加熱した燃料（天然ガス）と空気の混合
気１２を触媒充填部７（触媒燃焼部）に供給し
た。触媒燃焼部の下流の燃料ノズル１０（燃料加
給部）から燃料（天然ガス）を追加し、断面積を
小さくした直径60mmφ・長さ100mmの逆火災防止
機構１１を通過させ、気相燃焼部１３で燃焼させ
た。着火はスパークプラグ２を用いた。触媒充填
部７の直前の流速は20ｍ／secとした。燃料ノズ
ル１０は内径５mmφとし、ノズル先端も５mmφの
穴を有するものを用いた。触媒燃焼部の入口での
混合器の断熱火炎温度を1050℃として、燃料ノズ
ル１０からの燃料流量を変えて最終的な断熱火炎
温度を調整しながら実験を行なつた。実験は逆火
災防止機構１１を設置した時としない時（比較
例）の燃焼効率とNOx濃度を測定して行なつた。
ガスのサンプリングは触媒の下流30cmとした。第
６図に、実験の結果を示した。図において、横軸
は燃料追加後の断熱火炎温度である。曲線ａは本
発明の場合の燃焼効率、曲線ｂは比較例の燃焼効
率、曲線ｃは本発明の場合のNOx濃度、曲線ｄ
は比較例のNOx濃度である。図において、比較
例のNOxが断熱火炎温度の上昇とともに急激に
上昇しているのは、追加燃料が充分に混合しない
うちに燃焼したため、局部的な高温が生じて、
NOxが急増したものと考えられる。本発明の
NOx濃度は、従来に比較して低く、また燃焼効
率も向上している。燃焼効率の向上は、逆火災防
止機構１１で示した部位の下流で径の拡大がある
ために流れに逆流部が生じて保炎効果が生じたと
考えられる。

実施例 ２ 実施例１と同じく装置を用いて、実施例１の逆
火災防止機構１１の代りにハニカムのセル径が１
mm□で長さ10mmのハニカム構造体を設置して、実
施例１と同様な実験を行なつた。結果を第７図に
示した。本実施例においても、NOx濃度は良好
な結果が得られた。

【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略図、
第２図は従来の触媒燃焼方式のガスタービン燃焼
器、第３図は本発明によるガスタービン燃焼器の
概略図、第４図は本発明に用いるハニカム構造体
を示す斜視図、第５図は本発明の実施例の模擬実
験に用いた燃焼器の模式図、第６図及び第７図は
特性曲線図である。 １，１′，９，１０……燃料ノズル、２……点
火プラグ、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……触媒充填部、８……スワラー、１１……逆
火災防止機構、１２……燃料と空気の混合気、１
３……気相燃焼部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃料と空気とを混合し燃料混合体とする混合
   部と；前記混合部の下流側に設けられ触媒により
   前記燃料混合体を燃焼させる触媒燃焼部と； 前記触媒燃焼部の下流側に設けられ、触媒燃焼
   部からの流出物に燃料あるいは燃料を主体とした
   混合物を加える燃料加給部と； 前記燃料加給部により燃料が加えられた流出物
   の気相燃焼を行なう気相燃焼部とを備え、 前記燃料加給部と気相燃焼部との間に逆火災防
   止機構を具備したことを特徴とする低NOx燃焼
   器。 ２ 前記逆火災防止機構は、燃料加給部及び気相
   燃焼部における流通路断面積より小さい断面積を
   もつ流通路であることを特徴とした特許請求の範
   囲第１項記載の低NOx燃焼器。 ３ 前記逆火災防止機構は、燃料加給部により燃
   料が加えられた流出物を層流とするハニカム構造
   体であることを特徴とした特許請求の範囲第１項
   記載の低NOx燃焼器。 ４ 前記触媒燃焼部では触媒反応によつてのみ燃
   焼が起こることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の低NOx燃焼器。