JPS60205128A - 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、燃焼時における窒
素酸化物（以下、ＮＯｘと称す）の発生量が少なく、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１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使用されているガスタービ
ン燃焼器では、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図の概念断面図に
示す。第１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、スパークプ
ラグ２により着火き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には、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・希釈された彼、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−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ＮＯｘガス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１５００℃を超える高温部が
存在するということにある。

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１種々の燃焼方式が検討されている。

最近、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。

この触媒燃焼方式は、触媒を用いることによって、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が生成する程の高温
には至らずＮＯｘもほとんど発生しない。

第２図は、触媒燃焼方式に用いる燃焼器の１例の概念断
面図である。図中の数字はそれぞれ第１図と同じ要素を
表わす。この燃焼器は触媒充填部７を備えることが構造
上の特徴である。触媒充填部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
合物が燃焼させられる。第２図で示した燃焼器では、燃
料ノズル１よシ噴射された燃料と燃焼用空気３とを混合
し、スパークプラグ２によって点火して予燃焼させて予
熱源とし、さらに１′より燃料を供給して触媒と反応を
おこすのに必要な温度にまで昇温した混合物をなしてい
る。

しかしながら、この触媒燃焼方式にも次のような欠点が
存在する。すなわち、従来から考えられ・ている触媒燃
焼方式は、触媒充填部に充填きれた触媒において触媒反
応と気相反応の双方によってほとんどあるいはすべての
燃料が燃焼するため、触媒の温度が高くなシ触媒の熱劣
化が大きく寿命が短い。またガスタービン入口温度にめ
られる程度の高温にも、触媒の耐熱性の面から対応が困
難である。そこで本発明者らは、触媒充填部に充填され
た触媒では触媒反応のみＫよって燃料の一部を燃焼する
だけとし、触媒の下流に燃料を主体とした補燃料を更に
追加し、そこにおいて気相燃焼（非触媒的な熱燃焼）を
させることによって燃焼時の触媒の温度が従来より低く
することが可能になり、よって長寿命な触媒燃焼方式を
既に提案してきた。また、従来の触媒燃焼方式において
も触媒の下流に補燃料を追加して、そこにおいて式らに
燃焼器ぜれば触媒の負荷がその分減少して寿命がのび、
ガスタービン入口温度の高温化に有利なことは容易に推
定される。このように触媒下流に補燃料を追加すること
は重要であるか、ここで新たな問題点が生じた。すなわ
ち、補燃料を追加してさらに燃焼をおこさせると、そこ
でＮＯｘが発生してＮＯｘの総量が増加することである
。これは追加された補燃料が充分に触媒からの流出物と
混合する以前に燃焼してしまうため、局部的な高温部が
生じてそこにおいてＮＯｘが急激に生成増加するためで
ある。さらには、追加する補燃料が必ずしも充分に燃焼
しないで未燃のまま排出されてしまう場合も生じる。こ
れは、補燃料追加後の空間の流体の流れが燃焼に適して
いないためである。

〔発明の目的〕 本発明は、触媒燃焼方式を用いたガスタービン燃焼器に
おいてこのように補燃料を触媒の下流に追加して、非触
媒的な熱燃焼を行なわせる場合に局部的な高温部が生じ
てＮＯｘが生じることをおさえ、かつ燃焼を促進させて
燃焼効率をよシ向上させた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、触媒後端と、触媒からの流出物が補燃料とともに
非触媒的な熱燃焼を起す部位との間に前記流出物と前記
補燃料とを攪拌して混合させ、また同時に非触媒的な懲
燃焼を効率良く起させるために流れに旋回流を与えるた
めに、攪拌手段を設けること罠よって本目的を達するこ
とが可能であるという結論に至った。

本発明の燃焼器の１つの構造例を第３図の概念断面図に
示す。図中の数字で第２図と同じものは同じ要素を表わ
す。１１が攪拌手段として用いたスワラ−である。第３
図の燃焼器において、燃焼用空気３と燃料ノズル９から
供給される燃料とが混合されて混合物をなし、触媒充填
部７を通過する。前記触媒充填部７に充填てれた触媒で
前記混合物の一部、あるいけほとんどが燃焼して触媒充
填部から流出］７て流出物をなした後に、補燃料ノズル
１０から補燃料が前記流出物に追加される。

追加された補燃料はスワラ−１１によって流出物と混合
されるとともに、その流れに旋回流が与えられる。つい
で、非触媒的な鮒慾焼を起嘔せるためにスパークプラグ
２によって点火される。燃料や触媒の１１９によっては
、このよう々点火手段を用いなくても触媒からの流出物
を熱源として、点火させることも可能である。第３図に
おいては、触媒の上流側での予燃焼を行なっていないが
、これは低温でも触媒が作用する燃料及び触媒を用いた
時を想定したもので、もし予燃焼が必要ならば第２図に
示したような予燃焼の手段を設けることも可能である。

また、触媒下流域に追加する補燃料も、燃料を主体とし
ていればよく、スチームあるいはその他のガスが混入し
ていてもよい。

第４図にスワラ−の１例を示した。このスワラ−は流れ
に対した羽根を有した構造をしている。

本発明においては、スワラ−等の攪拌手段の形状を限定
するものではなく、通常ガスタービン燃焼器に用いられ
ているものなら応用可能である。

本発明は第３図に限定するものではなく、例えげ、第５
図の概念断面図に示したようなガスタービン燃焼器も可
能である。第５図において、燃料ノズ／Ｉ／１からの燃
料がスパークプラグ２により点火し予燃焼して、そこへ
さらに燃料ノズル９より燃料が供給されて触媒の作用す
る温度まで昇温した混合物となシ、触媒充填部に供給さ
れる。融媒下流域へ追加される補燃料は攪拌手段として
用いたスワラ−１１の内側から第６図の部分図に示した
ように１スワラ−の羽根１２の表面にあけられた小孔１
３よシ噴出される。

〔本発明の実施例〕

実施例−１ 第７図の模式図に、本発明の効果を実証するための内径
１００朋の模擬燃焼器を示す。燃焼器上流側から４５０
℃に加熱した燃料（天然ガス）と空気句 の混合気ｔ４を触媒充填部７に供給した。触媒の下ン珈
燃料ノズル１０から燃料（天然ガス）を追加し、攪拌手
段として用いたスワラ−１１を通過させて燃焼した。着
火はスパークプラグ２を用いた。触媒充填部７の直前の
流速は２０　ｍ／ｌａｘとした。

補燃料ノズル１０は内径５關とし、ノズル先端も５關の
穴を有するものを用いた。触媒人口での混合気の断熱火
炎温度を１０５０℃として、補燃料ノズル１０からの燃
料流量を変えて、最終的雉タービンへ排出される燃焼ガ
スの断熱火炎温度を調整しながら実験を行なった。実験
は、スワラ−１１を設置した場合としない場合の燃焼効
率及びＮＯｘ濃度を測定して行なった。ガスのサンプリ
ングは触媒の下流３０ｃ＋ｎとした。第８図の特性図に
、その実験の結果を示した。図において、横軸は燃料追
加後の断熱火炎温度である。曲ｍａは本発明の場合の燃
焼効率、曲線すは従来例の燃焼効率、曲線Ｃは本発明の
場合のＮＯｘ濃度、曲線ｄは従来例のＮＯｘ濃度である
。図において、従来例のＮＯｘが断熱火炎温度の上昇と
ともに急激に上昇しているのは、追加された補燃料が充
分に触媒からの流出物と混合されないうちに燃焼したた
め、局部的な高温が生じてＮＯｘが急増したものと考え
られる。本発明におけるＮＯｘ濃度は、スワン−１１の
ない従来の方式の燃焼器と比較して低く、また燃焼効率
も向上している。燃焼効率の向上はスワラ−による旋回
流の発生によるものと考えられる。

実施例−２ 実施例−１と同じ装置を用いて、第５・６図に示したよ
うなスワラ−と燃料ノズルを兼ねたものを実施例−１の
補燃料ノズル１０とスワラ−１１の代りに用いて、実施
例−１と同様な実験を行なった。その結果を第９図の特
性図に示した。本実施例においても燃焼効率・ＮＯｘ濃
度とも実施例−１と同様、良好な結果が得られた。

〔発明の効果〕

以上の説明でも明らかなように、本発明に係るガスター
ビン燃焼器は、従来のものに比べて発生するＮＯｘの濃
度が低く、かつ燃焼効率も向上しており、タービンの効
率向上のためタービンに排出される燃焼ガスの温度を所
定の範囲であげた場合すなわち断熱火炎温度の高い場合
には、特にＮＯｘの発生量は従来のものより極端に低く
できる。

【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断面図、第２
図は従来の触媒燃焼方式のガスタービン燃焼器の概念断
面図、第３図、第５図は本発明のガスタービン燃焼器の
１例を示す概念断面図、第４図は本発明に係る攪拌手段
の１例であるスワラ−を表わした概念図、第６図は本発
明に係る攪拌手段の他の１例における部分図、第７図は
実施例−１において用いた模擬燃焼器を表わした模式図
、第８図、第９図は実施例−１及び実施例−２において
得られた特性図である。 １．１’、９・・・燃料ノズル、２・・点火プラグ、３
・・・燃焼用空気、４・・冷却空気、５・希釈空気、６
・・・タービンノズル、７・・触媒充填部、８．１１・
・スワラ−１１０・・補燃料ノズル、１２・　スワラ−
の羽根、１３・小孔。 代理人　弁理士　則　近　憲　佑　（ほか］名）第　１
　図 第　３　図 第　４　図 第　５　図 第　６　図 第７図 Ｉ 第　８　図 却ズ柔該（ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）触媒燃焼方式を用いたガスタービン燃焼器におい
   て、燃急と空気とを混合して混合物をなす第１の手段と
   、前記混合物を触媒に接触させて前記混合物の一部を燃
   焼する第２の手段と、第２の手段からの流出物に燃料を
   主体とした補燃料を式らに加えた後、触媒下流域におい
   て非触媒的な熱燃焼を行なわせる第３の手段とから成シ
   、前記触媒後端と非触媒的な熱燃焼が起る部位との間に
   攪拌手段を設置したことを特徴とするガスタービン燃焼
   器。 載のガスタービン燃焼器。 （３）前記攪拌手段が補燃料を加える手段を兼ねたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のガスタービン
   燃焼器。