JPS5946423A - ガスタ−ビン燃焼器装置 - 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、ガスタービン発は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・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等が挙げられ、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
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３、 ガスタービン発’ｈＬ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、従来より、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に上り
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、高温部が存在することによるものである。ＮＯｘは
、通常、燃料中に窒素成分が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窒
累（Ｎｏ）の生成ｋがｊ９７加する。Ｎｏの−部は更に
酸化されて二酸化窒素（ＮＯ２）を生成する。

２１１２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
度に達しだ後は、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
、２０００℃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
、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量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・廃
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、必ずしも渭１足のいく
ものではなく、（１）の方式は、水蒸気或いは水を噴射
するために熱効率が悪り、（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純の調節を
充分注意しなければならず、又、燃゛１４札器内の最高
温度が未だ充分低くはないために、Ｎ０Ｘｆｉｉの低減
効果も充分ではない。更に、（３）の方式は、大気圧下
での燃焼には通用可能であるが、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
点を有している。

上記したＩｉ！’：　’ｆ、：Ｉ’ｉ：方式は、いずれ
も気相のみにおりる均一系反応によるものであるが、九
■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、触媒燃焼方式と称す）が提案されている。触
媒燃焼方式は、Ｊ’１ｌｌｉ々゛Ｌを用いで燃料と空気
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ぜることかでき、冷却用
空気ケ必要とせず、燃焼用空気がｊ１η加するために、
最高温度が低くなり、従って、発生するＮＯｘ量を極め
て少なくすることが可能である。又、タービン入口温度
も従来のものとづ（わシなく、燃料を完全燃焼さぜるこ
とかできる。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、同じ符号を付しである。第４図
は、上記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
、それぞれの燃焼器内の温度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高温度が低く、
低温から徐々に不均一系の燃焼反応が起こり、途中から
均一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、検問されている触媒燃焼法において、触媒を上流
ＭｌＬ分及び上流部分に分離することにより、いくつか
の格別な利点が提供される。例えば、各触媒部分で異っ
た触媒構成体を用いることが可能となるし、このことは
特に、着火点の低いことが望−ましいような保獲された
上流部分では有利である。また、より高温の下流部分で
は触媒構成体があまり経費をかけずに１史用可能である
。例えば、活性は高いが熱的に安定性の低い触媒構成体
を保「１ｍされた上流部分に使用’Ｕ能であり、下流部
分では活性の低い触媒＋１９成体が使用できる。

このように、触媒はふつう所定の反応温度範囲内で反応
するように設計されている。もし所定の温度範囲を越え
ると、触媒活動が破壊されるか、まだは効果がなくなる
。特に触媒燃焼においては、触グい、の下１ｍ端で温度
が非常に高いため上流側の触媒の活動が破穣されるかま
たは効果がなくなることがある。

触媒の下、）ｉｌ、　１１１１から上流側への熱移動は
、熱伝導と熱放射の両方による熱伝達によって主として
決定される。安定状ｐＡのもとての上流部分の温度は、
次の二ｊＹ項を考琺して熱伝達の一般的に認められた原
Ｊ］：により正イｉｉ〆に４１１ｑすることができる。

即ち、（１）触媒装置の下６１１、部分から」二θ：Ｃ
′チたは初めの部分′＼の熱伝巧二によるζソ賢伝坏割
合、及び（２）触媒装置の下υＩＣ部分から上ＯｉＬ　
ｊλ１３分への熱放射伝達による熱伝達割合を考）４Ｊ
、して４１Ｌ算される。熱伝導による熱伝達割合は、上
流部分と下流部分との間の渦ＩＷ差に比例し、一方、放
射による熱伝達割合は、下流温度の４乗と上流温度の４
乗の差に比例する。このようにして、上流温度が非常に
高いときには、初めの部分での温度が主として放射熱伝
達により決められ、そして結果として、触〃Ｙの初めの
部分の温度は熱伝導だけで予４１すされるよりも高くな
る。

特に、ハニカム状触媒においての放射による熱伝達は、
下流部分から上流部分へと可視路線により概ね行なわれ
る。

そのために、触媒・１焼においては、触媒の下流部分か
ら上流ｔＫ［≦分への熱伝；工ｉ；及び放射熱伝達を防
止する心安がある。

〔プロす」の目的Ｊ 本発明の目的Ｃ２上記した問題点を屏消し、一定し／ζ
低着火温度を維持することが可能な触媒燃焼方式のガス
タービン、Ｉ′ｊニアｉル″乙器全提供することにある
。

〔発明の概安〕

本発明のガスタービン燃焼器は、燃料と空気の混合気体
を２個以上のハニカム構造触媒体を用すて燃焼さ七る触
媒す、ψ−焼焼式式ガスタービン燃焼器おいて、前記ハ
ニヵムイ１ｑ造触媒体の間に、混合気体のｊｉｉｉ：れ
に対して、直角に円柱群を配置したことを倚醸とするも
のである。

以下しζおいて、本発明を更に詳しく説明する。

本発明のガスタービン燃焼器において使用するｉコ１！
　７４ｉｋ装置３１．は、２１３５図に示したような、
上流側と下６６、（！ＩＩＩにそれぞれ別に取りつけだ
ハニカム構造触媒体の１；、ｉｌに、円柱イ１゛？を配
置したものである。

本発明は、上流部分と下流部分とからなる触媒配置体を
有するハニカム状触媒ｊ、１．：置を形成して因る。各
ハニカム状部分は、そこに延びる複数個の１（２ｇとな
らないガス流溝を有した多孔性単−固体秋耐火骨組４１
造体を支持体として包含している。

上流及び下流部分は、互いに対して固定され、前記部分
間の熱伝導を減少させている。即ち、熱伝導に対する保
Ａ’ＪＩ／ま、触々：古装を値の」二部部分を触媒装置
の下流部分から物理的に分１１１ｆすることにより達成
される。一方、下流部分から上流部分への放射熱伝達を
減少するには、下流部分から上流部分への可視放射通路
線を解消するような配置ｉｆ、体を用いることである。

下流部分から上流部分への可視放射線を防止するにあた
り、使用される配Ｆ（：体に要求されることは、（１）
圧力損失をできるだけ小さくする、（２）配置体通過後
の混合気体が均一に燃焼するように、混合気体の混合作
用をもたらすような配置体であること、（３）下流部分
のハニカム触媒体へ流入する混合ガス量が均一であるこ
と、である。

（１）は、タービンの効率アップにかがせないものであ
り、（２）は、部分燃焼による高温発生の防止、（３）
は、触妓１体の箇所による処理ガス量の違いから触媒粘
性の部分低下をもたらし、触媒の寿命が短かくなる属国
となる。

下流部分から上１５１Ｌ部分への熱放射の防止として、
例えば、２個の整合されていない薄い穴あき板等が自己
層イ本として提案されているが、これらは上ａ己問題点
のどれかを満足していないか、あるいは、燃焼器の構造
を複ＭＡ化したものであり、実用的な配置体とは１ゴい
り、１１い。

以上の点を無み、上記問題点ｊｌＩ′（決のため鋭意ｉ
ｉ＋ト死しまた結果、配置ｉｊ７体として円柱群を見い
出した。

即ち、円柱を千、ｊｂ配列にすることにより、上流部分
と下υＩ乙部分間の可視放射線を防止することができる
。さらに混合ガスの流れＣよ円柱にぶつかって変化する
プζめ混合気体の混合作用をもたらし、円柱群通過後の
混合気体の流速の均一化も比較的容易である。一方、圧
力損失は円柱の径、数、配列のピッチ等に依存するが、
比較的小さいものである。むしろ、円柱の径、数、配列
のピッチ等Ｖよ、配置４体に一ヅ求される圧力損失から
決定すればよい。

円柱の材質としては耐熱性のものが要求され、例えばセ
ラミックスがある。また、円柱Ｂ′１の固定は、第６図
に示すよ。うに、燃焼器内径に挿入可能な円筒に前もっ
て固定したものをユニットとすれば配置体の交換が便利
である。

以上より、本発明は、触！Ｊｉ’：間の物理的な分Ｐ、
ｌｆと下流部分と上流部分との間の可視方向線の除去と
により下流部分から保漁された上流部分への熱伝導と放
射熱伝達とを減少し、触媒の上流部分が過度の６情度に
抗して保設されるだけでなく、例えば触媒装ｊ？：ｆの
２つの部分を、異った触媒構成体からそして異った触媒
基質から構成して、低着火温度を得そして維持しそして
、触媒製置の効率および反応を最小コストで良好にする
という現実化された特有の利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は通常のガスタービン燃焼器の概念図、第２図は
通常のガスタービン燃焼器の温度分布を示す説明図、第
３図は触媒燃焼方式のガスタービン燃焼器のｉｉ！’を
念図、第４図は通常のガスタービン燃６１．ｌ’ｌＷ　
（ａ）　、二段式ガスタービン燃焼器（ｂ）及び触媒燃
焼力式ガスタービン燃焼２７Ｆ　（Ｃ）におけるそれぞ
れの温度分布を示す説明図、第５図（ａ）　、　（ｂ）
は、本発明のガスタービン燃焼器装置の触媒装置部の概
念図及びｌＵ’ｌ而図、面６図は同じく装置のカセット
化された配置４体を示す要部の斜視図である。 １・・・燃料ノズル　　　２・・・スパークプラグ３・
・燃焼用空気　　　４・・・冷却用空気５・・・稀釈用
空気　　　６・・・タービンノズル７・・・ハニカム構
造触媒体８・・・配置体代理人　弁理士　則近恵佑 （ほか１名）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃料を燃焼する燃焼器を有し、上記燃焼器の各々は燃料
   ガス及び圧縮空気を受ける入口端と、動力ガスを送シ出
   す出口端を有する燃焼室を備え、上記燃焼室は上記入口
   端から上記出口端に至る制限された流路を造シ、上記入
   口端と上記出口端との間の上記流路沿いに少なくとも下
   流のハニカム状触媒部分と、上記触媒部分から分離した
   上流のハニカム状触媒部分とからなる触媒構造体を有す
   るガスタービン燃焼器装置に於て、各ハニカム状部分は
   支持体として複数個の障害物のないガス流路を貫通させ
   た多孔性単一固体状耐火骨組構造体から成り、前記下流
   部分から前記上流部への放射熱伝達を減少させるととも
   に、前記上流部分及び下流部分の間に、ガスの流れに対
   して円柱群を直角に配置し前記上流部分と前記下流部分
   間の流体の濃度分布の均一化をはかることを特徴とする
   ガスタービン燃焼器装置。