JPS59108829A - ガスタ−ビン燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 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、燃焼時に発生する
窒素酸化物（以下、ＮＯｘと称す）の量が少なく、且つ
、良好な燃焼効率を有する触媒燃焼方式のガスタービン
燃焼器に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、石油費源等の枯濁化に伴ない、棹々の代替エネル
ギーが要求されており、一方では、エネルギー資諒の効
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
タービン拳スチームタービン複合すイクル発電システム
或いは石炭ガス化ガスタービン番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
。

コレラのガスタービンΦスチームタービン複合すイクル
発′畦システムは、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おいて使用されているガス
タービン燃焼器は、従来よハ燃料と空気の混合物を、ス
パークプラグ＃を用いて着火して均−系の燃焼を行なっ
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
、燃料の燃焼時において、　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、筒温部が存在することによるものである。ＮＯｘは
、通常、燃料中に屋素成分が存在していない場合には、
燃焼用空気中の窒素が以下に示す式ｔＣより反応して生
成する。

Ｎ２　＋　０２　：　２ＮＯ 上記反応は、高温になる程、右側に移行して一酸化屋素
（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持っており、最高温度に
達した後は、冷却及び希釈辛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’Ｏにも達する場合があるために、この近辺（
第２図の斜線で示す部分）においてはＮＯｘの生成量が
急減に増加する。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。従って、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。

生成するＮＯｘ　ｉｉを低減することができれば、排煙
脱硝装置を省略或いは簡略化することができるが、かか
る低ＮＯｘ化を目的とした燃焼方式としては、次のもの
が挙げられる。即ち、 （１）水蒸気或いは水噴射を行なう方式、（２）燃焼空
気を二段に分けて導入し、燃料を燃焼させる二段燃焼方
式、及び （３）排ガス再循環方式 しかしながら、これらの方式は、必ずしも満足のいくも
のではなく、（００方式は、水蒸気或いは水を噴射する
ために熱効率が悪＜、（２）の方式は、二段階で空気を
導入するために、それぞれ導入する空気量の調節を充分
注意しなければならず、又、燃焼器内の最高温度が未だ
元分低くはないために、ＮＯｘ祉の低減効果も充分では
ない。更に、（３）の方式は、大気圧下での燃焼には適
用可能でろるが、ガスタービン燃焼器の様に、高圧中で
燃焼させる場合には不適である等の問題点を肩している
。

上ム己した燃焼方式は、いずれも気相のみにおける均一
系反応によるものでわるが、最近、これらに対し、同相
触媒を用いた不均一系燃焼方式（以下−１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１＋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★とせず、燃焼用空気が増加
するために、最篩温度が低くなり、従って、発生するＮ
Ｏｘ１辻を極めて少なくすることかり能である。父、タ
ービン人［］温度も従来のものと変わりなく、燃料を充
全燃焼込せることかできる。第３図は、この、“［うな
触媒燃焼方式の燃焼器の概念図であり、触媒充填。β７
にはハニカム構造の触媒体が光横され／Ｃ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
号を付しである。第４図は、上ｈｒ２　したガスタービ
ン燃焼器の中で、ａ；従来の燃焼方式、ｂ；二段燃焼方
式、ｃ；触媒燃焼方式における、セルそれの燃焼器内の
温反分布を示すものである。触媒燃焼方式では、他の方
式と比較して最ｉＱｌ温度が低ぐ、低温から徐々に不均
一系の燃焼反応が起こり、途中から均−系の燃焼反応を
伴って燃焼が進行していることがわかる。

現在、検討されている触媒燃焼方式の燃焼器において、
使用される触媒体の耐熱性は、せいぜい１２００°０ぐ
らいである。ところが、燃焼器からタービンへ供給する
燃焼ガスの温度は１１００〜１２００℃であることから
、触媒体内で燃料を完全燃焼させると、触媒の劣化及び
融媒体の熱破損をもたらすことになる。また、触媒体内
のガス温度が高ければ烏いほど、触媒体内を通過するガ
ス流速が高くなるため、触媒体内での圧力損失が大きく
なり、ガスタービンの効率を低下させる原因となる。

この対策として、燃料と空気の混合物の温度がある程度
高くなると、触媒活性の低い触媒体でも燃焼は円滑に進
行することから、触媒体の前段部に耐熱性は小さいが、
活性の高い触媒を後段部には、活性は低いが耐熱性の旨
い触媒を配置従し、触媒体の熱破損を防止する方法、あ
るいは、燃焼器への燃料の供給を触媒体の上流と下流に
行ない、触媒上流側のＦ／Ａを断熱火焔温度が、触媒体
の耐熱温度以下になるように和定し、最終的に所望の温
度を得るために触媒体の下流に燃料を供給する方法が検
討されている。

しかしながら、触媒の活性は一般に時間とともに低下す
るため触媒燃焼の反応速度が遅くなり、燃料と空気の混
合物が触媒なしで燃焼する温度まで、触媒体内で上昇し
ないため、燃料が完全燃焼せず、タービン入口での所望
の流出速度、温度を得ることができないばかりか、多量
の未燃焼燃料を大気中に放出することになる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記した問題点を解消し、触媒体の高
温化を防止し、触媒体の長寿命化をはかり、触媒体内で
の圧力損失を小さくした、燃焼効率が極めて良好な触媒
燃焼方式のガスタービン燃焼器を提供することにある。

　　　　　゛〔発明の概費〕 本発明のガスタービン燃焼器は、燃料の供給を触媒体の
上流部と下流部とで行ない、触媒体の上流に供給した空
気と燃料の混合物が触媒体を通過した直佼の温度検知し
、この検知した温度に応じて触媒の上流部と下流部に供
給する燃料の量を調整することｆｅ：特徴とするもので
ある。

１’Ｊ、下において、本発明を図を用いて更に詳しく説
明する。第５図は本発明の一例を示すものである。

ガスタービンノズル６での燃焼ガスの条件が設定される
と、単位時間あたり必表な燃料と空気の値が決定される
。触媒活性が高い初期において、燃料を燃料ノズル１の
みから全て供給させると、これは、触媒体内で燃料を全
て燃焼させてしまうことになる。すなわち、触媒体内で
＾温度に達し、触媒が熱により破損する原因となる。さ
らには混合物が高温になることによシ、触媒体内の通過
速度増大し、触媒体内での圧力損失が犬となる。また、
触媒体内に多量の燃料を通過させることも触媒体内の圧
力損失を増大させることになる。そこで、本発明では、
第１に所定の燃料を触媒体の上流部と下流に分割し、触
媒体内を通過する燃料の通過量をできるだけ少くして、
触媒体内の圧力損失を小さくするような工程を用いてい
る。

触媒の活性が高い初期では、触媒体を通過する空気と燃
料のＦ／Ａがある程度小さくても容易に触媒燃焼が生じ
、触媒体出口の流出物温度が希薄燃料の発火点まで十分
に上昇し、触媒体下流の燃料ノズル８から供給されて造
られた混合物を燃焼させることができる。

しかしながら、触媒の活性が低下した場合、触媒体を通
過させるＦ／Ａが小さいと触媒燃焼が十分でなく、触媒
体出口の流出物温度が希薄燃料の発火点まで上昇できず
触媒下流部から供給されて造られた混合物を燃焼させる
ことができず、不完全燃焼をもたらすことになる。

一般に触媒燃焼反応の速度は、燃料濃度の増大とともに
大きくなるので、触媒活性が低下した場合、触媒体内を
通過させるＦ／Ａを大きくすると、触媒体出口での混合
物温度を希薄燃料の発火点まで上昇さぜることかできる
。ここで、Ｆ／Ａを増大さ７１！−る除、触媒体出口の
流出物温度が触媒体の耐熱温度以下になるように調値し
なければならない。ここで、希薄燃料の発火点は、実験
により前もって測定しておく必要がある。したがって、
触媒体出口の流出物温度を検知する温度計９により検知
し、その温度が希薄燃料の発火点よシ低い場合には触媒
下流部に供給する燃料電磁弁１０を閉じて触媒下流部か
らの燃料供給量を減らし、触媒体上流部から供給する混
合物のＦ／Ａを増大させればよい。また温度計９による
温度が、触媒体の耐熱温度を越えた場合は前の操作の逆
を行なえばよい。なお、ここでは、１個の触媒体を用い
た場合について、本発明の一例を示したが、触媒体が２
個以上ある場合についても同様であるが、この場合、燃
料供給口と温度検知を各触媒体出口の全てか、あるいは
数ケ所に設けてもよい。

〔発明の効果〕

本発明のガスタービン燃焼器は、触媒燃焼により効率よ
く、かつ殆んどＮＯｘを発生することなく燃料の燃焼を
行なわしめることができるものであり、触りｖが長寿命
化され、触媒体内の圧力損失を小さくしたものである。

〔発明の実施例〕

触媒体としては、ハニカム構造を１吏用し、長ざ１５０
１１＋１１、直径２５．４１１１をゼするセラミック製
の短体に、触媒としてＰｔ２ｗｔ％を担持さぜたものを
用いた。

このハニカム徊造触媒体を、直径２６」φを有する燃焼
管に充填し、燃料としてメタンを用い、メタンと空気の
１昆合物を５００°Ｃに加熱し、全体の供給量として３
００Ω／ｍｉｎ　（Ｆ’／Ａ＝　０．０３５　）で導入
した。そして触媒体内外の温度分布とタービンノズルに
おける未然メタンの濃度を、燃料供給を触媒りについて
測定した。

その結果、触媒初期においては触媒体内の温度（Ｉ は１１（１０’Ｑを越えており（のｄ）、タービンノズ
ルでのメタン訣度は１０　ｐｐｍ以下であったところが
、１００時間１０００℃で熱処理した場合は十分な１ｒ
ｎ吸上昇が得られず（’＠−ｆ７（Ｄ　ｅ　）タービン
ノズルでのメタン倹度も１００００　ｐｐｍ以上であっ
た。

一方、本屈明においては、１００時間１０００°０で熱
処理した触媒体を使用した場合でも、触媒体入口のＦ／
Ａを０．０３２にし、残りをノ独媒体出口から供給する
と触媒体出口で約９５０　’Ｏの温度上昇が得られ、下
流では福薄混合物の均一燃焼がおこり、１１００γ〕以
上址で上昇し、タービンノズルでのメタン鍵度も１０ｐ
ｐｍ以下であることが確認された。

【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念図、第２図ｄ
、週常のガスタービン燃焼器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、第４
図は通常のガスタービン燃焼器（ａ）、二段式ガスター
ビン燃焼器（ｂ）及び触媒燃焼方式ガスタービン燃焼器
（ｃ）におけるそれぞれの温度分布を示す図、第５図は
本発明による触媒燃焼方式のカスタービン燃焼器の翫念
図、第６図は、第３１方式の燃焼器を使用した場合で、
触媒初期の場合（ａ）、ｔ００時間１０００”０で熱処
理した触媒体′ｆ：使用した場合（ｅ）と、本発明の燃
焼器を使用した賜酋で、１０．０時間１０００’Ｏで熱
処理した触媒体を被用した場合（ｆ）の触媒体内外の温
度分布を示す図でめる。 １．８・・・燃料ノズル、２・・・スパークプラグ、３
・・・燃焼ハ」空気、４・・・冷却用空気、５・・・希
釈用空気、６・・・タービンノズル、７・・・触媒体、
９・・・温度計、１０・・・電磁弁。 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 （ほか１名） 第１図 天恰灘木方勾 １じ参ｍｌ久声巧何

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 燃料と空気の第１の混合物を遺り、少くとも一部分を燃
   焼するために、前記第１の混合物を触媒へ通し、前記触
   媒出口の流出物にさらに燃料を供給し、第２の混合物を
   形成し、前記第２の混合物を均一に燃焼させて、ガス流
   出物を生成させる触媒燃焼方式ガスタービン燃焼器にお
   いて、ａ、触媒出口流出物温度を検知する工程と、ｂ、
   前日己流出物温度に応じて、前記第１混合物中の燃料の
   献を変化させ、前記第１混合物中の燃料と空気の比（以
   下Ｆ／Ａと記す）を調節する工程と、 ｃ、ｈσ記Ｆ／Ａに応じて前記第２の混合物を造るだめ
   の触媒下流の燃料供給量を調節する工程をもうけたこと
   を特徴とするガスタービン燃焼器。