JPS5924121A - ガスタ−ビン燃焼器の燃焼方法 - 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
ービン燃焼器の燃焼方法に関し、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、燃焼効率が良好な触媒燃焼方式のガスター
ビン燃焼器の燃焼方法に関する。

〔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
ギーが希求されておシ、一方では、エネルギー資源の効
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・スチームタービン複合サイクル発電システム
等が拳げられ、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、従来よシ、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−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＋Ｉ＋！！ｉ射され
た燃料が、燃ヅ、を用空気３と混合され、スパーフッ０
ラグ２によシ着火されて燃’）Ｍ：するものである。そ
して、燃焼した気体は、冷却空気４及びる釈空気５を加
えられて、所定のタービン入口温度まで冷却・イ１１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４うる。

上記したＮＯｘが生成する理由は、燃料の燃焼時におい
て、高温部が存在することによるものである。ＮＯｘ　
ｉｄ：、　　通常、燃料中に窒素成分々（存在していな
い場合には、燃焼用空気中の窒素と酸素が以下に示す式
によシ反応して生成する。

Ｎ２　＋　Ｏｔ　′；１２ＮＯ 上記反応は、高温になる程、右側に１移行して一酸化窒
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（Ｎ０２）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有しており、最高温度に
達した後は、冷却及び希釈空気によシ所定のタービン入
口温度まで冷却されている。燃焼器内の最高温度は、２
０００　’Ｃにも達する場合があるために、この近辺に
おいてはＮＯｘの生成量が急激に増加する。このように
１．従来のガスタービン燃焼器には、部芥的に高温部が
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０ 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。

その中の一つとして、最近、気相における均一系反応に
対し、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。触媒燃焼方式は、
触媒を用いて燃料と空気の混合気体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、冷却用空気を必要とせず、燃焼用空気
が増加するだめに、最高温度が低くなり、従って、発生
するＮＯｘ４ｉ１を極めて少なくすることが可能である
。

又、タービン入口温度も従来のものと変わシなく、燃料
を完全燃焼させることができる。第３図は、このような
触媒燃焼方式の燃焼器の概念図であり、触媒充填部７に
はハニカム構造の触媒体が充填されたものである。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
伺しである。

上記した触媒燃焼方式においては、゛しかしながら、燃
料と空気の混合気体を触媒を用いて燃焼反応を開始させ
るために、混合気体を予熱して触媒燃焼反応に必要な温
度まで上昇させなければならないという問題点を有して
いる。特に、燃料としてメタンを使用した場合には、他
の燃料を使用した場合と比較して着火温度が高いために
、予熱温度を高くしなければならないことが知られてい
る。

そのため、上記問題点を解決するためには、燃焼器にお
ける触媒充填部の前段で燃料の一部を通常燃焼させ、混
合気体の温度を上昇せしめることが考えられる。しかし
、通常燃焼を行なうと、前述の如く燃焼ガスの温度が高
くな１）ＮＯｘが発生ずる。このＮＯｘは触媒充填部に
おいては分解されず、そのま−ま排出されるという問題
点を有している。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記した問題点を解消し、燃焼時に生
成するＮＯｘの量が極めて少なく、且つ、燃焼効率が良
好なガスタービン燃焼器の改良された燃焼方法を提供す
ることにある。

〔発明の概要〕

本発明のガスタービン燃焼器の燃焼方法は、燃料と空気
の混合気体を触媒燃焼方式により燃焼させるガスタービ
ン燃焼器において、 燃焼触媒充填部の前段において、少なくとも一部の燃料
を含有し、空気率が６０〜９０　％の燃料と堕気の混合
気体をバーナーで予備燃焼せしめ、次いで、残りの燃料
を予備燃焼の火炎又はその近傍に噴射せしめ、更に、残
シの空気を混合せしめた後、該混合気体を触媒充填部に
導入せしめることを特徴とするものである。

以下において、本発明を更に詳しく説明する。

本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、例えば、メタンの
ような触媒燃焼反応を開始させるために比較的高温度に
予熱する必要がある燃料を使用する場合に、次の様な（
１ヤ成の燃焼方法を採用することにより、う９生するＮ
Ｏｘの量が少なく、燃焼効率が良好な触媒燃焼が可能で
あることを見出した。

即ち、先ず、燃焼器の最上流側において燃料の一部と空
気を空気率が６０〜９０ｔｊ６となるように予備混合し
、この混合気体をバーナーを用いて燃焼せしめる。この
際に発生する燃焼熱を残りの燃料の予熱に１史用する。

空気率が６０チ未満であると予熱温度がそれ程−高くな
らないと同時に未燃焼のカーフＩｆン（すす）を生じる
こともあり、一方、９０チを超えると予備燃焼時にＮＯ
ｘの発生量が増加する。

上記燃焼反応において汁する燃焼ガス中には、未燃焼の
炭化水素と燃焼により生成した一酸化炭素が含有される
。

次いで、上記燃焼中の火炎又はその通数に残りの燃料を
噴射せしめ、燃料自体を予熱すると同時に火炎のクエン
チを行なう。この際に、燃料の噴射によシ火炎のクエン
チが行なわれないと、次に残シの空気が混合された際に
燃料がすべて燃焼してしまい、温度が上昇してＮＯｘ生
成量が増加することになる。ここでクエンチが行なわれ
ると、次に空気を導入しても、火炎は生成ぜずに、触媒
充填部に温度が上昇した燃料と空気の混合気体が送られ
る。

この火炎に残υの燃料を噴射してクエンチした混合気に
、更に、残りの空気を混合する０火炎がクエンチされた
後に空気が混合されると、触媒充填部に前記混合気が一
到達する時にはこの混合気は触媒燃焼に必要な温度まで
充分昇温されており、且つ、ＮＯｘを殆んど含有してい
ないものである。

従って、触媒充填部においては乃虫媒燃焼方式の特性が
充分に生かされて、燃焼器全体として効率の良い燃焼が
可能となる。

本発明において使用される燃焼触媒としては、通常、燃
焼触媒として使用されているものであればいかなるもの
でもよく、例えば、白金、ノぐラジウム、ロジウム、ル
テニウム及びイリジウム等の貴金属系触媒或いｌｄ　Ｍ
ｎ０ｚ　、ＣＯ２Ｏ３、Ｃｏ３Ｑ４　、　ＣｕＯ等の卑
金属系触媒が誉げられ、これらから成る群より選ばれた
１種もしくは２種以上のものが使用されるＯ 又、本発明において使用される触媒体は、上記燃焼触媒
をセラミックス或いは側熱合金等をハニカム状等に成形
したものに担持ぜしめ、例えば、４？願昭５６−１８７
７６０号明＆ｌｌＩア１−又は特願昭５７−６６２７５
号明細書等に記載されているような構成で形成されるこ
とが好ましい。

以、下において実施例を掲げ、本発明を更に詳しく説明
する。

〔発明の実施例〕

内径１００朋φ、畏さ５０　ＣＪｍｍを有するニッケル
合金製円筒を使用して、力゛スタービン燃焼器の模擬装
置を製作した。この燃焼器の流体流通方向の最下流にセ
ラミックスをハニカム構造に成形し、パラジウム触媒を
担持ぜしめた長さｌＯ’ｏ１＋ｍの触媒体を充填した。

燃料としてメタンを使用し、燃焼器全体への空気の供給
量は１６０ＯＮｌ／ｍＩ７＋、メタンの供給量は４８　
Ｎｌ　７ｍｍとした。

燃焼器の最上流にバーナーを設置し、そこから１５０韻
下流側に第一の気体の流入孔を設け、更に１００朋下流
側に第二の気体の流入孔を数個設けた。実験に際し、空
気及びメタンはそれぞれ３００℃に予熱して燃焼器に導
入した。

上記条件のもとに、最上流でのバーナーの空気率を、７
０　ｑ６とし、メタンと空気の混合ガスをイグナイター
で着火した後、第一の気体の流入口より残りのメタンを
導入し、更に、第二の気体の導入口よシ残シの空気を導
入して触媒燃焼せしめた。

そして、燃焼器出口での未燃焼物の濃度を測定し、それ
をメタンに換算した量及び出口でのＮＯｘ濃度を測定し
た。その結果を第４図にａとして示した。

同時に、比較例として、 ｂ：空気及びメタンの全量を分割することなくそのまま
燃焼器に導入し、外部からの着火は行なわずに燃焼せし
めたもの、 Ｃ：最上流でのバーナーの空気重金１３０φとし、イグ
ナイターで着火した他はａと同様の方法で燃焼せしめた
もの、及び ｄ：最上流でのバーナーの空気率を７０チとし、イグナ
イターで着火した後、第−及び第二の気体の流入孔から
メタンと空気の混合Ｊｆスをそれぞれ導入し燃焼せしめ
たもの についてそれぞれａと同様に燃焼器出口での未燃焼ガス
濃度及びＮＯｘ濃度を測定した。それらの結果を第４図
に同時に示した。

第４−図から明らかなように、本発明の燃焼方法によれ
ば、未燃焼メタンは殆んど残存しておらず、は−は完全
燃焼していることが確認された。又、ＮＯｘの生成も殆
んどなく、低ＮＯｘ燃焼が可能であることが確認された
。

これに対し、ｂの燃焼方法ではメタンが殆んど燃焼して
おらず、３００°Ｃ程度の予熱温度では前記触媒による
触媒燃焼反応が開始されないものである。

又、Ｃの燃焼方法では未燃焼メタンは殆んどないが、　
ＮＯｘの生成量が多いことが確認された。これは、バー
ナーでの空気率が高いために、予備燃焼時にＮＯｘが多
量生成し、それがそのまま排出されるためであると考え
られる。

更に、ｄの燃焼方法においてもＣと同様の結果が得られ
ている。これは、バーナーにおいて燃焼した火炎のクエ
ンチが不充分であるために、第−及び第二の気体の流入
孔から導入されたメタンが触媒充填部の前で燃焼して温
度が上昇するためであると考えられる。

〔発明の効果〕

本発明の燃焼方法によれば、−燃料を極めて効率良く燃
焼せしめることが可能であり、又、燃焼時にＮＯｘの生
成量が少ないため環境汚染等の問題を生じないものであ
る。更に、燃料の一部を燃焼させて燃料と空気の混合ガ
スの温度を上昇させるために、予熱温度を低くすること
が可能であり、省エネルギーの面での利点を有する。

【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図は
通常のガスタービン燃焼器内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並びに
第４図は実施例における触媒燃焼方式の燃焼器の燃焼方
法の違いによる、発生したＮＯｘの濃度と未燃焼メタン
濃度の変化を経時的に示す図である。 １・・・燃料ノズル、２・・・スノンークプラグ、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・・・ハニヵムオＩ
Ｉｉ造触媒体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃料と空気の混合気体を触媒燃焼方式によシ燃焼させる
   ガスタービン燃焼器において、燃焼触媒光ｊ（ｉｉ、部
   の前段において、少なくとも一部の燃料を含有し、空気
   率が６０〜９０チの燃料と空気の混合気体をバーナーで
   予備燃焼せしめ、次いで、残りの燃料を予備燃焼の火炎
   又はその近傍に噴射ぜしめ、更に、残りの鋭気を混合ぜ
   しめた後、該混合気体を触媒充填部に導入せしめること
   を特徴とするガスタービン燃焼器の燃焼方法。