JP2002089841A - ガスタービン用燃焼器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービン用にアノード排ガスを燃焼させ
る触媒燃焼器を大幅に小型化でき、かつ簡単な構造で安
定燃焼させることができるガスタービン用燃焼器を提供
する。 【解決手段】 酸素を含むカソード排ガス７ｃをガスタ
ービン発電機１６に供給するカソード排ガスライン２２
と、低カロリーのアノード排ガス４ａを圧縮空気２６ｂ
で燃焼させその燃焼排ガス１１ａをカソード排ガスライ
ンに供給する触媒燃焼器２５ａと、高カロリーの燃料ガ
ス１ａを圧縮空気２６ａで燃焼させその燃焼排ガス１１
ｂをカソード排ガスラインに供給するバーナ燃焼器２５
ｂとを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アノード排ガスを
燃焼させるガスタービン用燃焼器に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率、かつ
環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特
徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システ
ムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行
われている。特に天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃
料電池を用いた発電設備では、図２に例示するように天
然ガス等の燃料ガス１を水素を含むアノードガス２に改
質する改質器１０と、アノードガス２と酸素を含むカソ
ードガス３とから発電する燃料電池１２とを備えてお
り、改質器１０で作られたアノードガス２は燃料電池１
２に供給され、燃料電池内でその大部分（例えば８０
％）を消費した後、アノード排ガス４として燃焼器１
１，１５に供給される。

【０００３】燃焼器１１ではアノード排ガス中の可燃成
分（水素、一酸化炭素、メタン等）が燃焼し、高温の燃
焼ガスにより改質器１０の加熱室を加熱し改質室内を通
る燃料を改質する。改質室を出た燃焼排ガス５はカソー
ドブロア１４により燃料電池１２のカソード側に循環供
給され、ガスタービン発電機１６から供給される加圧空
気６と合流してカソードガス３となり、燃料電池１２の
カソード側に必要な酸素と二酸化炭素を供給する。燃料
電池内でその一部が反応したカソードガス（カソード排
ガス７）は、循環制御弁１４ａを介して燃料電池１２の
上流側に一部７ｂが循環され、また一部７ａは燃焼器１
１に供給される。残りのカソード排ガス７ｃは燃焼器１
５でアノード排ガス４の一部４ａを燃焼させガスタービ
ン発電機１６で圧力回収し、更に、排熱回収蒸気発生装
置１８で熱回収されて系外に排出される。なお、この図
で８は水蒸気、９は冷却水、１３は燃料予熱器、１７は
給水ポンプである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図３は図２のＡ部の詳
細構成図である。この図において、図１の燃焼器１５
は、アノード排ガス４ａを燃焼させるための触媒燃焼器
１５ａと、燃料ガス１（天然ガス等）を燃焼させるため
のバーナ燃焼器１５ｂとからなる。すなわち、ガスター
ビン用燃焼器の燃焼器として、天然ガス、都市ガス等の
高カロリーガスを燃焼させるためのバーナ燃焼器１５ｂ
と、アノード排ガスのような低カロリーガスを燃焼させ
るための触媒燃焼器１５ａが必要となる。

【０００５】この場合、触媒燃焼器１５ａには、アノー
ド排ガス４ａとカソード排ガス７ｃが混合器１５ｃ（ミ
キサー）で混合された後に供給されるが、アノード排ガ
スに比べてカソード排ガス流量が十倍以上流量が大きい
ため、触媒燃焼器１５ａ内における空塔速度（ＳＶ値：
Ｓｐａｃｅ Ｖｅｒｏｃｉｔｙ）を許容範囲に収めるた
めに触媒燃焼器１５ａがバーナ燃焼器１５ｂに比べて非
常に大きくなる問題点があった。具体的には、例えば、
触媒燃焼器１５ａの反応部の大きさが直径６２０ｍｍ×
７６０ｍｍ程度となる。

【０００６】また、排熱回収蒸気発生装置１８（ＨＲＳ
Ｇ：Ｈｅａｔ ＲｅｃｏｖｅｒｙＳｔｅａｍ Ｇｅｎｅ
ｒａｔｏｒ）に供給する排ガス温度が低いと必要な蒸気
量が不足するため、燃焼器１５で燃料ガス１ａを追炊し
て排ガス温度を上昇させる必要がある。この場合、バー
ナ燃焼器１５ｂは起動用・単独運転用でありその燃焼量
が小さいため、追炊きの燃焼の際には、燃料ガス１ａを
触媒燃焼器１５ａに噴射して触媒燃焼させる必要があっ
た。しかし、高カロリーガスを触媒燃焼器にそのまま供
給すると局部過熱のおそれがあるため、燃焼触媒に均等
にガスを供給する必要がある。そのため燃焼噴射構造が
複雑となり、開発要素が大きくコスト高になる問題点が
あった。

【０００７】本発明は上述した問題点を解決するために
創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ガ
スタービン用にアノード排ガスを燃焼させる触媒燃焼器
を大幅に小型化でき、かつ簡単な構造で安定燃焼させる
ことができるガスタービン用燃焼器を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、酸素を
含むカソード排ガス（７ｃ）をガスタービン発電機（１
６）に供給するカソード排ガスライン（２２）と、低カ
ロリーのアノード排ガス（４ａ）を圧縮空気（２６ｂ）
で燃焼させその燃焼排ガス（１１ａ）をカソード排ガス
ラインに供給する触媒燃焼器（２５ａ）と、高カロリー
の燃料ガス（１ａ）を圧縮空気（２６ａ）で燃焼させそ
の燃焼排ガス（１１ｂ）をカソード排ガスラインに供給
するバーナ燃焼器（２５ｂ）とを備えたことを特徴とす
るガスタービン用燃焼器が提供される。

【０００９】上記本発明の構成によれば、低カロリーの
アノード排ガス（４ａ）は、ガスタービンからの圧縮空
気（２６ｂ）により触媒燃焼器（２５ａ）で燃焼し、こ
の際、流量の大きいカソード排ガス（７ｃ）は、触媒燃
焼器（２５ａ）内に供給されない。従って、触媒燃焼器
内を通過するガス量が少なく、触媒燃焼器を大幅に小型
化しても空塔速度（ＳＶ値：Ｓｐａｃｅ Ｖｅｒｏｃｉ
ｔｙ）を許容範囲に収めることができる。また、触媒燃
焼器（２５ａ）には、高カロリーの燃料ガス（１ａ）が
供給されないので、この高カロリーガスを均等に供給す
るための複雑な燃焼噴射構造が不要となる。更に、バー
ナ燃焼器（２５ｂ）が高カロリーの燃料ガス（１ａ）を
圧縮空気（２６ａ）で燃焼させるようになっているの
で、排熱回収蒸気発生装置１８に供給する排ガス温度の
温度上昇のために追炊が必要な場合には、バーナ燃焼器
で燃料ガス１ａを燃焼させてその燃焼排ガス（１１ｂ）
をカソード排ガスライン（２２）を介して、ガスタービ
ンに供給することができる。

【００１０】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
アノード排ガス（４ａ）と圧縮空気（２６ｂ）を混合さ
せるミキサー（２７）を備える。かかるミキサー（２
７）を備えることにより、アノード排ガス（４ａ）と圧
縮空気（２６ｂ）の混合を促進し、触媒燃焼器（２５
ａ）における燃焼をいっそう安定化させることができ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通
する部分には同一の符号を付して使用する。図１は、本
発明のガスタービン用燃焼器の構成図である。この図に
示すように、本発明のガスタービン用燃焼器２０は、カ
ソード排ガスライン２２、触媒燃焼器２５ａ、バーナ燃
焼器２５ｂ、及びミキサー２７を備える。

【００１２】カソード排ガスライン２２は、燃焼電池１
２のカソード側Ｃを出た酸素を含むカソード排ガス７ｃ
をガスタービン発電機１６のタービンＴに触媒燃焼器２
５ａを通らずに供給する。この配管ラインは、カソード
排ガス７ｃが大流量であることから、相対的に大径であ
り、例えば４００ａの配管を必要とする。

【００１３】触媒燃焼器２５ａには、燃焼電池１２のア
ノード側Ａを出た低カロリーのアノード排ガス４ａと、
ガスタービン発電機１６で圧縮された圧縮空気２６ｂが
供給され、内部で低カロリーのアノード排ガス４ａを圧
縮空気２６ｂで燃焼させる。この触媒燃焼器２５ａは、
アノード排ガス４ａが小流量であり、かつ酸素濃度の低
いカソード排ガスでなく、圧縮空気２６ｂで燃焼させる
ことから、容易に安定燃焼が可能である。また、触媒燃
焼器内を通過するガス量が少なく、触媒燃焼器を大幅に
小型化しても空塔速度を許容範囲に収めることができ
る。例えば、従来と同一の条件において、触媒燃焼器２
５ａの内寸法は、直径２００ｍｍ×３４０ｍｍ）にな
り、改良前の約１／２０となり、大幅にコンパクト化で
きる。また、触媒燃焼器２５ａで燃焼した後の燃焼排ガ
ス１１ａは、カソード排ガスライン２２に供給され、カ
ソード排ガス７ｃと合流してガスタービン発電機１６の
タービンＴに供給される。

【００１４】ミキサー２７は、アノード排ガス４ａと圧
縮空気２６ｂの混合を促進し、触媒燃焼器２５ａにおけ
る燃焼をいっそう安定化させるように、触媒燃焼器２５
ａの上流側に設置されている。

【００１５】バーナ燃焼器２５ｂには、高カロリーの燃
料ガス１ａと、ガスタービン発電機１６で圧縮された圧
縮空気２６ｂが供給され、高カロリーの燃料ガス１ａを
圧縮空気２６ａで燃焼させその燃焼排ガス１１ｂをカソ
ード排ガスライン２２に供給するようになっている。こ
のバーナ燃焼器２５ｂは、起動用・単独運転用に用いる
他、排ガス温度の上昇のための追炊にも使えるように燃
焼量が従来より大きく構成されている。なお、この場合
でも、高カロリーの燃料ガス１ａを燃焼させるため、バ
ーナ燃焼器２５ｂは従来とほぼ同様の小型にできる。

【００１６】上述したガスタービン用燃焼器２０は、以
下のように運転される。触媒燃焼器２５ａは、小型化さ
れたため、汎用品を使用できる。バーナ燃焼器２５ｂは
ガスタービン起動時、部分負荷時および余剰蒸気発生時
に使用し、天然ガス１ａを空気２６ａにより燃焼させ
る。触媒燃焼器２５ａとバーナ燃焼器２５ｂは単独また
は同時に使用する。ガスタービン１６からの圧縮空気６
は燃料電池へ供給され、燃料電池からの排ガスはそれぞ
れ、アノード排ガス４ａ、カソード排ガス７ｃとしてガ
スタービンに戻ってくる。この際、アノード排ガス４ａ
は可燃性ガスを含んでいるため、触媒燃焼器２５ａによ
り燃焼する。バーナ燃焼器２５ｂは天然ガス１ａをガス
タービンからの圧縮空気２６ａにより燃焼する。ガスタ
ービンを通過した燃焼排ガスはＨＲＳＧ（排熱回収ボイ
ラ）に供給され、系外に放出される。

【００１７】上述したように本発明のガスタービン用燃
焼器２０では、アノード排ガス４ａをガスタービンから
の空気６により燃焼することにより、触媒燃焼器２５ａ
の大きさが改良前の約１／２０となり、コンパクト化、
コスト低減に寄与できる。また、天然ガス１ａはバーナ
燃焼器２５ｂのみで燃焼させるため専用の燃料噴射装置
の設置が不要となる。

【００１８】なお、本発明は上述した実施例に限定され
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できるこ
とは勿論である。

【００１９】

【発明の効果】上述したように、本発明の構成によれ
ば、低カロリーのアノード排ガス４ａは、ガスタービン
からの圧縮空気２６ｂにより触媒燃焼器２５ａで燃焼
し、この際、流量の大きいカソード排ガス７ｃは、触媒
燃焼器２５ａ内に供給されない。従って、触媒燃焼器内
を通過するガス量が少なく、触媒燃焼器を大幅に小型化
しても空塔速度（ＳＶ値：Ｓｐａｃｅ Ｖｅｒｏｃｉｔ
ｙ）を許容範囲に収めることができる。

【００２０】また、触媒燃焼器２５ａには、高カロリー
の燃料ガス１ａが供給されないので、この高カロリーガ
スを均等に供給するための複雑な燃焼噴射構造が不要と
なる。更に、バーナ燃焼器２５ｂが高カロリーの燃料ガ
ス１ａを圧縮空気２６ａで燃焼させるようになっている
ので、排熱回収蒸気発生装置１８に供給する排ガス温度
の温度上昇のために追炊が必要な場合には、バーナ燃焼
器で燃料ガス１ａを燃焼させてその燃焼排ガス１１ｂを
カソード排ガスライン２２を介して、ガスタービンに供
給することができる。

【００２１】従って、本発明のガスタービン用燃焼器
は、ガスタービン用にアノード排ガスを燃焼させる触媒
燃焼器を大幅に小型化でき、かつ簡単な構造で安定燃焼
させることができる、等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガスタービン用燃焼器の構成図であ
る。

【図２】溶融炭酸塩型燃料電池を用いた従来の発電設備
の全体構成図である。

【図３】従来のガスタービン用燃焼器の構成図である。

【符号の説明】

１，１ａ 燃料ガス、２ アノードガス、３ カソード
ガス、４ アノード排ガス、５ 燃焼排ガス、６，６
ａ，６ｂ 空気、７，７ａ，７ｂ，７ｃ カソード排ガ
ス、８ 蒸気、９ 冷却水、１０ 改質器、１１ａ，１
１ｂ 燃焼排ガス、１２ 燃料電池、１３ 燃料予熱
器、１４ カソードブロア、１５ ガスタービン燃焼
器、１５ａ 触媒燃焼器、１５ｂ バーナ燃焼器、１６
ガスタービン発電機、１７ 給水ポンプ、１８ 排熱
回収蒸気発生装置、２２ カソード排ガスライン、２５
ａ 触媒燃焼器、２５ｂ バーナ燃焼器、２６ａ，２６
ｂ 圧縮空気、２７ ミキサー

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素を含むカソード排ガス（７ｃ）をガ
   スタービン発電機（１６）に供給するカソード排ガスラ
   イン（２２）と、低カロリーのアノード排ガス（４ａ）
   を圧縮空気（２６ｂ）で燃焼させその燃焼排ガス（１１
   ａ）をカソード排ガスラインに供給する触媒燃焼器（２
   ５ａ）と、高カロリーの燃料ガス（１ａ）を圧縮空気
   （２６ａ）で燃焼させその燃焼排ガス（１１ｂ）をカソ
   ード排ガスラインに供給するバーナ燃焼器（２５ｂ）と
   を備えたことを特徴とするガスタービン用燃焼器。
2. 【請求項２】 前記アノード排ガス（４ａ）と圧縮空気
   （２６ｂ）を混合させるミキサー（２７）を備える、こ
   とを特徴とする請求項１に記載のガスタービン用燃焼
   器。