JPH0833200B2

JPH0833200B2 - ガスタ−ビン燃焼器

Info

Publication number: JPH0833200B2
Application number: JP61059598A
Authority: JP
Inventors: 正道伊東; 昭男大越; 賢次郎靜川; 輝信早田; 富明古屋; 矢山中; 淳次肥塚
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 1986-03-19
Filing date: 1986-03-19
Publication date: 1996-03-29
Anticipated expiration: 2011-03-29
Also published as: JPS62218731A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の技術分野］本発明は、触媒を用いて燃料を燃焼させるガスタービ
ン燃焼器に関し、更に詳しくはガスタービン発電システ
ム等に用いられる窒素酸化物の発生量の少ないガスター
ビン燃焼器に関する。

［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。これらの要求に応えるもの
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、従来、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、燃料と空気の混合ガスを、
スーバープラグ等を用いて着火して均一系の燃焼を行な
っている。このような燃焼器の一例を第３図に示す。第
３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、スーバープラグ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NO
x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。

このように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、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４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３図と同じ要素を表
わす。この燃焼器はガス流路上に触媒体７を備えること
が構造上の特徴である。触媒体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。

このようなガスタービン燃焼器にも次のような欠点が
ある。つまり、従来考えられているようなガスタービン
燃焼器では、接続された負荷の変動により燃焼器内に流
れる燃料と酸化性気体たとえば空気とからなる混合ガス
の流量や流速、燃料濃度等が変動しても、常に同一量の
触媒体によって反応させ燃焼させなくてはならない。よ
って前記混合ガスの流量が多くなると、その流速が増し
て触媒体との接触時間が不充分なため燃焼が不完全にな
る。あるいは失火して燃焼できなくなる等の問題が生
じ、また逆に前記気相反応体の流量が少なくなると、流
速が遅くなりそれだけ混合ガスと触媒体との接触時間が
増大して触媒体上流側の一部だけで燃焼が完結してしま
う等の問題が生じる。そして触媒体の温度が部分的に高
温になって熱劣化、破壊等が生じ、寿命を著しく短くす
る。さらに燃焼によって生じた高温ガスが触媒燃焼完結
点からさらに下流の触媒体を無駄に通過するため圧力損
失も非常に大きくなってしまう。よって混合ガスの流量
等の変化にかかわらず、安定な燃焼が行なえるガスター
ビン燃焼器が要求されていた。

そこで、本発明者らは、触媒体下流における気相燃焼
を有効に利用し触媒体への熱による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）。

すなわち、その方法は、第５図に示す如く、まず、燃
料と空気との混合ガスを触媒体７で燃焼させる方法であ
る。通常、触媒体においては難燃性燃料を用いる場合触
媒反応による燃焼と気相燃焼とが同時に生起するが、上
記提案においては、触媒反応による燃焼のみが生起する
ように混合ガスの燃料濃度，温度，流量等をコントロー
ルしている。したがって、触媒体は気相燃焼を伴わない
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から排出される。

上記提案においては、排出された燃焼ガスへ更に、第
６図に示す触媒体７の下流に設けられた燃焼ノズル１′
より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の下流で気相燃焼を生起させ、燃焼
ガスの高温化を可能とした。このことにより、触媒体の
高温劣化をなくすると共に低NOx完全燃焼を達成したの
である。

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７か
ら排出された燃焼ガスの流れに燃料ノズル１′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NOxの発生を招く。

このような問題を解決するため、触媒体下流に多数の
燃料ノズルを設けて燃料濃度を均一化することが試みら
れているが、このような方法は各ノイズの燃料流量の制
御が困難であり、上記問題点を解決するまでには至って
いない。

［発明の目的］本発明は、上記した問題点を解消し、触媒体への熱的
負荷を一定に保持し、かる触媒体下流の燃料濃度分布を
均一にすることができると共に混合ガス流量や燃料濃度
の変化に対応でき、もってNOxの発生を制御できるガス
タービン燃焼器の提供を目的とする。

［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、触媒体下流に燃料供給手段のほかに酸化性気体
を含む気体の供給手段も設置し、かつ、両供給手段から
の供給ガスと触媒体からの燃焼ガスとが均一に混合され
るように後述するような燃焼器構造とすれば、上記目的
が達成できるとの事実を見出し本発明を完成するに至っ
た。

すなわち、本発明のガスタービン燃焼器は、酸化性気
体を含む気体及び燃料からなる混合ガスの供給部と、該
混合ガスの供給部の下流に設置された触媒体と、該触媒
体の下流に触媒体からの流出ガスが通過する主流路と共
に少なくとも１つのガス分割流路とを具備するガスター
ビン燃焼器であって、該ガス分割流路の少なくとも１つ
には該ガス分割流路と主流路とを結ぶノズル構造の触媒
燃焼ガス排出口が設けられ、かつ、該混合ガスとは別系
の燃料供給手段が設けられていることを特徴とする。

まず、本発明における酸化性気体を含む気体と燃料と
からなる混合ガスの供給部の構成は格別限定されるもの
ではなく、供給される燃料と酸化性気体例えば空気とが
混合される構成になっていればいかなる構成であっても
よい。

例えば、本発明のガスタービン燃焼器の１例を第１図
に示すが、第１図において、1,1′は燃料ノズル、２は
スパークプラグ、３は燃焼用空気、８はスワラーであ
る。

この混合ガスの供給部においては、燃料ノズル１から
供給された燃料はスワラー８により燃焼用空気３と充分
に混合されて混合ガスとなる。そして、この混合ガスは
スパークプラグ２により着火されてある程度まで昇温す
る。このことは、混合ガスの温度を触媒体の作用温度ま
で高めて触媒反応を円滑に進めるために行なわれるもの
であり、用いる燃料の種類や触媒の種類によっては必ず
しも必要としない。

そして、混合ガスの供給部の下流には触媒体７が設置
されている。触媒体７の性能や触媒金属などは格別限定
されるものではないが、その設置量に関しては、触媒体
に要求される圧力損失，触媒体の活性能，燃料の種類な
どに応じて決めるとよく、特に、燃焼器に接続される負
荷が低負荷である場合に対応して触媒体の設置量を定め
ることが望ましい。

この触媒体へ上記混合ガスの供給部から供給する混合
ガスつまり燃料や空気の流量は、触媒体への熱的負荷を
低減せしめることからして、一定にすることが望まし
い。

そして、本発明においては、触媒体の下流には少なく
とも１つのガス分割流路が設けられている。これは、触
媒体から排出される燃焼ガスを少なくとも２つに分流せ
しめる流路である。

このような構成の流路としては、例えば第１図に示す
如く、触媒体７を支持している円筒状の外殻９の内側に
円筒状部材10を配設することにより画分された流路11と
流路12の例があげられるが、本発明の流路はこのような
ものだけに限定されるものではない。なお、内側の円筒
状部材10は触媒体７と接して設置されていてもよいし離
隔して設置されていてもよい。また、燃焼ガスの分流割
合は燃焼器の使用条件などに応じて定めればよい。

上記ガス分割流路の少なくとも１つにはノズル構造の
触媒燃焼ガス排出口が設けられている。すなわち、分割
流路内に流入した燃焼ガスはノズルのみから排出される
ような構造となっている。

そして、この流路には供給量の調節可能な燃料供給手
段及び必要に応じて酸化性気体を含む気体の供給手段が
設けられている。

このような流路は、第１図に示すように円筒状部材10
の外側に形成してもよい。逆に、内側に形成してもよ
い。また、ノズル13の径や設置数は流量や燃料濃度など
に応じて適宜定められる。さらに、ノズル13の位置は格
別限定されるものではないが、燃料供給手段14及び酸化
性気体を含む気体の供給手段15より下流に設定されるこ
とが好ましく、更には好ましくは流路11の下流端近傍に
設定されることが好ましく、また、ノズル13から噴出さ
れるガスが残りの流路12内に噴出されるように設定され
ることも好ましい。

本発明の燃焼器においては、触媒体７から排出された
燃焼ガスは、流路11と流路12に分流される。

そして、高負荷に対応する必要がない場合には、流路
11に流入した燃焼ガスは調節弁14′付きの燃料供給手段
14から供給される所定流量に調節された燃料と均一に混
合されることにより燃料濃度の高い場所と低い場所の発
生が抑制されてノズル13から噴出される。

そして、ノズル13から噴出されたガスは流路12内を流
れる燃焼ガスと混合されて燃料濃度分布が均一になった
状態で気相燃焼が行なわれる。

このとき、ノズル13より下流における燃焼器の構造が
ガスを遅滞もしくは逆流させる構造、例えば第１図に示
すようにガス流を拡大させる構造16を有していればそこ
で火炎が形成されて気相燃焼が安定して行なわれる。ま
た、イグナイター17などの点火源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る。

そして、気相燃焼後の燃焼ガスは、ノズル13近傍の気
相燃焼域の下流に設置された調節弁18′付きの酸化性気
体を含む気体の供給手段18からの希釈気体により、所定
の温度に調節されてガスタービンノズル６へと供給され
る。

一方、高負荷に対応する必要がある場合には、流路11
において、燃料供給手段14から多量の燃料を供給すると
共に酸化性気体を含む気体の供給手段15からの希釈気体
を供給することにより、燃料濃度分布を均一に保つと共
に燃料濃度を低下せしめて、多量の燃料供給に起因する
NOxの急激な発生を抑制する。

以上の如く、本発明のガスタービン燃焼器は、負荷変
動に対応できると共に燃料濃度分布を均一にすることが
可能なものである。

［発明の実施例］実施例１第２図に示すような構造の模擬燃焼器を製作した。触
媒体20は直径100mm,長さ90mmのハニカム触媒体（Pt系）
を使用した。分流路は二重環構造（内側の環の直径80m
m,外側の環の直径100mm）とした。二重環構造により形
成された外側の流路21をノズル構造とした。すなわち、
内側の環の壁面上に二重環構造の下先端から下流80mmの
位置へ直径3.5mmの孔22を12個形成したものを使用し
た。

そして、450℃に予熱した燃焼用空気23を4Nm³/min,燃
料供給装置24より天然ガスを80/minの流量で供給し
た。また、燃料供給装置25からは90/minの燃料を供給
し、空気供給装置26からは空気を供給しなかった。

その結果、触媒体の最高温度は約800℃となり、触媒
体の耐熱温度以下であった。また、触媒体の下流域では
気相燃焼が安定して行なわれ、NOxの発生量及び燃焼率
は表のとおりであった。

実施例２実施例１の燃焼器を用いて、燃焼ガスの高温化を図る
ため、燃料供給装置25からの燃料供給量を150/minと
したほかは実施例１と同様の条件で燃焼を行なった。

比較例第５図に示すような構造の燃焼器を用いて、実施例２
と同様の燃料供給量で燃焼を行なった。その結果、NOx
の発生量は燃料供給装置25からの燃料供給量を増やすに
したがい、NOxは増大し、燃焼温度1500〜1600℃領域で
は実施例２の約２倍となった。

実施例３実施例１の燃焼器を用いて、燃焼ガスの高温化を図る
と共に急激なNOxの発生を抑制するために、燃料供給装
置25からの燃料供給量を165/minとし、かつ空気供給
装置26からの空気供給量を0.6Nm³/minとした。その結
果、NOxの発生量は実施例２より低下した。

以上の結果を表に一括して示す。

［発明の効果］以上、述べた如く、本発明のガスタービン燃焼器は、
触媒体への熱的負荷を一定に保持し、かつ触媒体下流の
燃料濃度分布を均一化することができると共に混合ガス
流量や燃料濃度の変化に対応でき、もって1500〜1600℃
の高温領域でもNOxの発生を抑制することができて、そ
の工業的価値は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はそれぞれ本発明のガスタービン燃焼
器の１例を示す模式図、第３図〜第５図は、いずれも従
来構造のガスタービン燃焼器の１例を示す模式図であ
る。 1,1′,14,25:燃料ノズル（燃料供給手段） 2:スパークプラグ 3,23:燃焼用空気 6:タービンノズル 7,20:触媒体 8:スワラー 15,18,26:酸化性気体を含む気体の供給手段

フロントページの続き (72)発明者靜川賢次郎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)発明者早田輝信神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者古屋富明神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者山中矢神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者肥塚淳次神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献特開昭60−122807（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−186622（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−129330（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−205127（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−218730（ＪＰ，Ａ) 特公昭58−47610（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸化性気体を含む気体及び燃料からなる混
合ガスの供給部と、該混合ガスの供給部の下流に設置さ
れた触媒体と、該触媒体の下流に触媒体からの流出ガス
が通過する主流路と共に少なくとも１つのガス分割流路
とを具備するガスタービン燃焼器であって、該ガス分割流路の少なくとも１つには該ガス分割流路と
主流路とを結ぶノズル構造の触媒燃焼ガス排出口が設け
られ、かつ、該混合ガスとは別系の燃料供給手段が設け
られていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
【請求項２】該ガス分割流路の下流に、ガス点火源が設
けられている特許請求の範囲第１項記載のガスタービン
燃焼器。
【請求項３】該ガス分割流路の下流域がガス流を遅滞も
しくは逆流させる構造を有している特許請求の範囲第１
項記載のガスタービン燃焼器。
【請求項４】該ガス分割流路に、酸化性気体を含む気体
の供給手段が設けられている特許請求の範囲第１項記載
のガスタービン燃焼器。