JPH0743137B2

JPH0743137B2 - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JPH0743137B2
Application number: JP1033811A
Authority: JP
Inventors: 矢山中; 富明古屋; 輝信早田; 勝平種村; 之義原; 進半田
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 1989-02-15
Filing date: 1989-02-15
Publication date: 1995-05-15
Anticipated expiration: 2010-05-15
Also published as: JPH02217718A

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、同時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、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A₁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、すなわ
ち燃焼ガスは、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
はスワラーである。

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NOxが生成して環
境汚染等の悪影響を及ぼすことである。そして、このNO
x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、最近では固相触
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1100〜1300℃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の下流における気相燃
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58-229967号）。この
方法は、第10図に示すように、まず燃料F₁と空気A₁,A₂
と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酸化反応さ
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ならず、燃料もその一部
だけが燃焼して、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、
さらに第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
における燃料濃度を高めて触媒体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量を示すが、
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、NOx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15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、その燃焼温度が高くならざるを得ず、
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するために、触媒体13の下流側
に燃料濃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却を行う
必要があり、構造の複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から燃焼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。この燃料の貫通距離は、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
貫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の発生を抑制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
割流路において、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けであり、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
の均一化が容易となり、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5,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A₁と混
合し、スパークプラグ５により着火して予燃焼をさせ
る。この場合スワラー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F₁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を設けてある。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に掛け渡
して溶接した短い円管33とによって形成してある。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。そして、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することが必要で、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
過してきた混合ガスと、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A₄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、隔壁29および31の近
傍に空気のデット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を形成してある。そ
して上記透窓53から取り入れた空気A₄を各ディスク55,5
7に形成した多数の冷却空気導入通路としての通孔63,65
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て
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
給する燃料流量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27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63,65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ができる。

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招く。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せ、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19の内側
に回り込み、ここ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
0mm、分割流路27の各流路径は81mm、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300mm、長さ150mm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（F₁）と空気A₂）とが次表
に示す容積比（F₁/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30m/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（F₁＋
F₂）と空気（A₂＋A₄＝Ａ）との比（F₁＋F₂）/A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。

そして、触媒体の下流700mmの位置で燃焼により生じた
排出ガス中のNOx発生量（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図に示す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℃以下であ
った。なお、比較のため冷却手段を設けていない分割流
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80
0℃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、冷却手段を設けていない分
割流路の一部にクラックが生じていた。

［発明の効果］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けているため、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、NOx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-IV矢視
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
他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 21……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 59,61……空気分配室（空間部） 63,65……通孔（冷却空気導入通路） 67,69……エアノズル孔（排出通路）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者早田輝信神奈川県川崎市幸区小向東芝町１株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者種村勝平東京都調布市西つつじケ丘２―４―１東京電力株式会社技術研究所内 (72)発明者原之義東京都調布市西つつじケ丘２―４―１東京電力株式会社技術研究所内 (72)発明者半田進東京都調布市西つつじケ丘２―４―１東京電力株式会社技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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。