JPH0463965B2 - - 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に関し、更に詳しくは、燃
焼時における窒素酸化物（以下、NOxと称す）
の発生量が少なく、且つ、良好な燃焼効率を有す
るガスタービンの燃焼法に関する。

〔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
混合気体を、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、燃焼ノズル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
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
られている。

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。

そこで、本発明者らは、この方式について試験
を重ねたところ、燃料濃度が高い時、あるいは流
速が遅い時、あるいは急激な運転条件の変動の時
などに、一時的に、触媒内でも気相燃焼が起り、
一時的ではあるが触媒の温度が上昇する場合を有
することが判つた。この温度上昇はすぐに元にも
どるが、長期的にみれば触媒の耐久性にとつて好
ましくない。

〔本発明の目的〕

本発明は、このらうな触媒内での異常な温度上
昇を防止し、長期間安定して使用する事のできる
優れた低NOx燃焼法を提供することを目的とす
る。

〔発明の概要〕

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究
を重ねた結果、触媒充填部へ供給する燃料と空気
の混合気体にスチームを加えることによつて、本
目的を達することが可能であることがわかつた。
この効果の原因については、必ずしも明らかでは
ないが、スチームを加えることによつて触媒内で
の気相反応が防止されるためと考えられる。スチ
ームは前もつて燃料と混合してあつても良いし、
また、混合気体に直接加えても良い。加えるスチ
ームの量は、燃料種、触媒の種類、形状などを考
慮して予め実験によつて求める必要がある。通常
は重量比で燃料の0.1〜0.5程度である。

第３図に本発明を用いた燃焼器例を示した。第
３図において、燃料ノズル１から燃料を注入し、
スパークプラグ２で点火し燃焼させる。この部分
は、予燃焼部分であつて、燃焼充填部７の触媒が
作用する温度までガス温度を上昇させるものであ
り、この予燃料部は燃料の種類や触媒の種類によ
つては必要がないこともあり、本発明に必ずしも
必要であるわけではない。触媒が作用する温度に
なつた予燃焼排ガスと燃焼用空気３との混合気体
に、燃料ノズル９から燃料とスチームの混合物が
加えられ混合される。この結果触媒充填部７で
は、触媒反応のみによつて安定して燃料の一部が
燃焼され、ガス温度がさらに上昇する。そこに燃
料ノズル１０からは、さらに燃料が追加され、そ
の下流で気相燃焼によつて完全に燃焼する。

〔実施例〕

第４図に本発明を実証するための模擬燃焼器を
示した。実験は触媒充填部７に直径100φのハニ
カム触媒（Pd系）を12cm充填し、500℃に加熱し
た燃焼用空気３と燃料ノズル９からの燃料を混合
して行なつた。空気の量は3Ncm³／min、燃料は
天然ガスを燃料ノズル９からは60／min、燃料
ノズル10からは30cm³／min加えて行なつた。本発
明の場合は、燃料ノズル９の燃料中に500℃のス
チームを７ｇ／min加えて燃料させた。第５図に
触媒の温度と燃焼効率の経時変化を示した。第５
図において、ａ，ｂはそれぞれ本発明の場合の触
媒温度と燃焼効率、ｃ，ｄは従来例の場合であ
る。図から明らかなように本発明の場合は、触媒
の温度は一定で安定しているが、従来例では、
時々触媒の温度が高くなることがある。燃焼効率
は両者とも良好な結果を得た。したがつて、本発
明の場合はスチームを加えることによつて触媒内
での異常温度上昇が起らなくなり、触媒の寿命は
より長くなると事が明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、通常のガスタービン燃焼の概略図、
第２図は、従来の触媒燃焼方式のガスタービン燃
焼器の概略図、第３図は、本発明によるガスター
ビン燃焼器の１例を示す概略図、第４図は、実施
例における模擬試験装置の概略図、第５図は、本
発明に係る燃焼法を用いた際の特性例を示す曲線
図。 １，１′，９，１０……燃料ノズル、２，１２
……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。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 燃料と空気とを混合する第１の段階と；前記
   燃料と空気との混合気体を触媒に接させて前記混
   合気体の一部を触媒反応のみによつて燃焼する第
   ２の段階と；第２の段階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さらに加えて混合
   した後、非触媒的な熱燃焼（気相燃焼）を行なわ
   せる第３の段階とから成り、第１の段階にスチー
   ムを加えることを特徴とする低NOx燃焼法。