JP2543986B2 - Catalytic combustion type gas turbine combustor - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、ガスタービン燃焼器に係り、特に、窒素酸
化物（以下、NOXという）の発生量が少ない触媒燃焼方
式のガスタービン燃焼器の改良に関する。The present invention relates to a gas turbine combustor, and more particularly to a catalytic combustion system that produces a small amount of nitrogen oxides (hereinafter referred to as NO X ). Of the gas turbine combustor.
（従来の技術） 近年、石油資源等の枯渇化に伴い、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
果的使用も要求されている。これらの要求に応えるもの
の中に、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，あ
る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る。これらのガスタービン発
電システムは、化石燃料を使用した従来のスチームター
ビンにより発電システムに比較してその発電効率が高い
ので、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。(Prior Art) In recent years, with the depletion of petroleum resources and the like, various alternative energies are required, but at the same time, effective use of energy resources is also required. Among those that meet these demands are, for example, a gas turbine / steam turbine combined cycle power generation system that uses natural gas as a fuel, or a coal gasification gas turbine / steam turbine combined cycle power generation system. These gas turbine power generation systems have a higher power generation efficiency than conventional power generation systems that use fossil fuel-based steam turbines, so fuels such as natural gas and coal gas, which are expected to increase in production in the future, are used. It is expected as a power generation system that can be effectively converted into electric power.
この種の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には、複数の空気供給用開口を周側
面に配設される燃焼管（内筒またはライナ）が外筒内部
に具備されており、この燃焼管内で燃料と酸化性気体
（一般には空気、以下空気という）との混合ガスをスパ
ークプラグ等を用いて着火し、燃焼を行っている。In a gas turbine combustor used in this type of gas turbine power generation system, a combustion pipe (inner cylinder or liner) having a plurality of air supply openings on its peripheral side surface is provided inside an outer cylinder. In this combustion pipe, a mixed gas of a fuel and an oxidizing gas (generally referred to as air, hereinafter referred to as air) is ignited by using a spark plug or the like to perform combustion.
この種のガスタービン燃焼器における重大な問題点の
一つは、燃料の燃焼時に2000℃を越えるような高温部が
存在することにより、環境汚染等の原因となるNOXが多
量に生成されることにあった。このNOX発生量を極めて
少なくする方法として、固相触媒を用いた不均一燃焼方
式である触媒燃焼方式をガスタービン燃焼器に適用する
提案がなされている。One of the serious problems in this type of gas turbine combustor is that a large amount of NO X, which causes environmental pollution, is generated due to the presence of a high temperature part exceeding 2000 ° C during fuel combustion. I was there. As a method of extremely reducing the amount of NO X generated, it has been proposed to apply a catalytic combustion method, which is a non-uniform combustion method using a solid-phase catalyst, to a gas turbine combustor.
この提案にかかるガスタービン燃焼器においては、第
３図に示すように、燃料供給口１からの燃料と、エアダ
クト２から空気供給口３を介して圧送されてくる空気A2
と、燃焼ガス（空気供給口４からの空気A1＋燃料供給口
５からの燃料）との希薄混合ガスを、ハニカム構造の燃
焼用触媒が装填されている触媒６で触媒燃焼させてい
る。なお、この触媒６においては、高温となる気相燃焼
を生起させず、比較的低温で行われる触媒燃焼のみ生起
させることで、触媒６の熱劣化ないし熱破壊を防止して
いる。In the gas turbine combustor according to this proposal, as shown in FIG. 3, the fuel from the fuel supply port 1 and the air A 2 sent under pressure from the air duct 2 through the air supply port 3 are fed.
And a combustion gas (air A 1 from the air supply port 4 + fuel from the fuel supply port 5) are catalytically burned by the catalyst 6 loaded with the honeycomb structure combustion catalyst. The catalyst 6 is prevented from thermal deterioration or thermal destruction by not causing vapor phase combustion at high temperature but only at catalytic combustion performed at a relatively low temperature.
また、この触媒６の下流においては、触媒６から排出
された燃焼ガスに対し、触媒６の下流に設けられた燃料
供給口７により新たに燃料を加え、そのガス中における
燃料濃度を高めて触媒６の下流で気相燃焼を生起させて
いる。そして、この燃焼による燃焼ガスに対し、触媒６
の下流に設けられた空気供給口20により希釈用の空気を
加えた後、タービンノズル８からタービン内に噴射させ
ている。なお、９は前記外筒、10は前記燃焼管、11はス
ワラーである。Further, downstream of the catalyst 6, fuel is newly added to the combustion gas discharged from the catalyst 6 through a fuel supply port 7 provided downstream of the catalyst 6, and the fuel concentration in the gas is increased to increase the catalyst. Gas-phase combustion is caused downstream of No. 6. Then, a catalyst 6
After the air for dilution is added through the air supply port 20 provided on the downstream side of the above, the air is injected from the turbine nozzle 8 into the turbine. In addition, 9 is the outer cylinder, 10 is the combustion tube, and 11 is a swirler.
この触媒６の下流においては、希薄混合比例で気相燃
焼を完全燃焼で生起させることにより、燃焼温度を低く
することからNOXの発生が抑制される。しかし、燃焼は
できるだけ濃い側の燃料濃度で燃焼させた方が安定性が
良いため、これらの兼合いから具体的には、通常NOXの
生成が少ない1500℃程度の温度の気相燃焼を生起させる
ことが望ましい。そして、この1500℃程度の気相燃焼を
触媒６下流で生起させる際には、タービンの負荷に応じ
た温度のガスをタービンノズル８へ供給できるように、
前記空気供給口20から適切量の空気が希釈用として燃焼
管10内に供給されることが望ましい。Downstream of the catalyst 6, the combustion temperature is lowered by causing complete combustion in the gas phase combustion in a lean mixture ratio, so that the generation of NO X is suppressed. However, combustion is more stable if it is burned at the fuel concentration as high as possible. Therefore, from these tradeoffs, specifically, gas-phase combustion at a temperature of about 1500 ° C, which normally produces less NO X , occurs. It is desirable to let Then, when the gas-phase combustion at about 1500 ° C. is generated downstream of the catalyst 6, it is possible to supply a gas having a temperature corresponding to the load of the turbine to the turbine nozzle 8.
It is desirable that an appropriate amount of air be supplied from the air supply port 20 into the combustion pipe 10 for dilution.
（発明が解決しようとする課題） しかしながら、この空気供給口20をはじめ空気供給口
3,4から燃焼管10内各部に供給される空気量を制御する
手段は、ガスタービン燃焼器に従来より何ら具備されて
おらず、前記空気量は空気の圧力，温度およびこれらの
他の諸条件の変動で変化し易い。(Problems to be solved by the invention) However, the air supply port including this air supply port 20
Means for controlling the amount of air supplied from 3, 4 to each part in the combustion pipe 10 has not been conventionally provided in the gas turbine combustor, and the amount of air is the pressure of the air, the temperature, and other various factors. It is easy to change due to changes in conditions.
すなわち、この空気量は、空気供給口3,4の開口面積
および燃焼管10内外の圧力差によって決定されるが、こ
のうち燃焼管10内部圧力は、触媒６での圧力損失の存在
およびその変化により触媒６の上流側と下流側とで反比
例的に変動し易い。そして以下説明するように、この変
動が起きるとガスタービン燃焼器における適切な作動を
妨げてしまう。That is, the amount of air is determined by the opening areas of the air supply ports 3 and 4 and the pressure difference between the inside and outside of the combustion tube 10. Of these, the internal pressure of the combustion tube 10 is the presence of pressure loss in the catalyst 6 and its change. As a result, it is easy for the upstream side and the downstream side of the catalyst 6 to change inversely. And, as will be explained below, this variation impedes proper operation of the gas turbine combustor.
例えば、触媒６上流側の燃焼管10内へ供給される空気
量が減少変動する、つまり触媒６へ流入される混合ガス
中の燃料と空気との比（以下、F/Aを略記する）が増加
すると、触媒温度が設定値以上に上昇する。そしてこの
触媒温度の上昇に付随して触媒６を通過するガス温度が
上昇してその流速が増大し、この増大に応じて触媒６で
の圧力損失が増大し、ガスタービンの効率が低下してし
まう。また、この触媒６での圧力損失の増大により触媒
６上流へ供給される空気量がさらに減少するとともに、
逆に触媒６下流側燃焼管10内へ供給される空気量が増大
し、この増大に伴い前記F/Aが増大するというサイクル
が進行され、最終的には触媒６が熱破壊されてしまう。For example, the amount of air supplied into the combustion pipe 10 on the upstream side of the catalyst 6 decreases and fluctuates, that is, the ratio of fuel to air in the mixed gas flowing into the catalyst 6 (hereinafter, F / A is abbreviated) When it increases, the catalyst temperature rises above the set value. As the temperature of the catalyst rises, the temperature of the gas passing through the catalyst 6 rises and its flow velocity increases, which increases the pressure loss in the catalyst 6 and reduces the efficiency of the gas turbine. I will end up. Further, the amount of air supplied to the upstream side of the catalyst 6 is further reduced due to the increase of the pressure loss in the catalyst 6, and
On the contrary, the amount of air supplied into the combustion pipe 10 on the downstream side of the catalyst 6 increases, and with this increase, the cycle in which the F / A increases increases, and eventually the catalyst 6 is thermally destroyed.
このサイクルと逆に、触媒６上流へ供給される空気量
が増加した場合には、F/Aが減少し、触媒６の反応速度
が小さくなって触媒燃焼が不十分となり、前記気相燃焼
を起こす部分において燃料が完全燃焼せず、ガスタービ
ン入口へ適性な流出速度および温度の燃焼ガスを供給で
きないばかりか、多量の未燃燃料を大気中に放出するこ
とになる。Contrary to this cycle, when the amount of air supplied to the upstream side of the catalyst 6 increases, F / A decreases, the reaction rate of the catalyst 6 decreases, and the catalytic combustion becomes insufficient, resulting in the gas phase combustion. The fuel is not completely combusted at the portion where it occurs, and it is not possible to supply the combustion gas having an appropriate outflow speed and temperature to the gas turbine inlet, and a large amount of unburned fuel is released to the atmosphere.
以上、いずれかのサイクルにおいても、最初に生起さ
れる諸条件の変動は、特にガスタービンへの負荷を変え
る運動の際に生じやすい。As described above, in any of the cycles, the fluctuations of the various conditions that occur first tend to occur particularly during the movement that changes the load on the gas turbine.
本発明は、従来のかかる問題を解消し、安定に好適燃
焼状態を持続させることができる触媒燃焼方式のガスタ
ービン燃焼器を供給することを目的とする。An object of the present invention is to solve the problems of the related art and to supply a catalytic combustion type gas turbine combustor capable of stably maintaining a preferable combustion state.
（課題を解決するための手段および作用） 本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ね
る中で、触媒入口側の上流側より触媒へ送られるガス温
度を検出し、この検出したガス温度に応じて空気供給口
を介して前記燃焼器内へ供給される空気量を制御するこ
とにより、触媒温度の異常上昇や触媒での圧力損失の過
大な増大を抑制し得ることを見出し、その効果を確認し
て本発明を完成するに到った。(Means and Actions for Solving the Problems) The inventors of the present invention have conducted extensive studies to achieve the above-mentioned object, and have detected the temperature of the gas sent to the catalyst from the upstream side of the catalyst inlet side and detected the temperature. By controlling the amount of air supplied into the combustor through the air supply port according to the gas temperature, it is found that it is possible to suppress an abnormal increase in the catalyst temperature and an excessive increase in pressure loss in the catalyst, The effect was confirmed and the present invention was completed.
すなわち、本発明にかかる触媒燃焼方式のガスタービ
ン燃焼器は、内部に触媒が配設され且つこの触媒の上流
側および下流側それぞれに燃料供給口と空気供給口とが
形成された構造を有する燃焼管と、前記上流側より前記
触媒へ送られるガス温度を検出する温度検出手段と、当
該温度検出手段によって検出されたガス温度に応じて前
記下流側の空気供給口の開閉を制御して各空気供給口の
空気量を制御する空気量制御手段とを備え、前記上流側
の空気供給口の空気量を増加したときには下流側の空気
供給口の空気量が減少し、前記上流側の空気供給口の空
気量を減少したときには下流側の空気供給口の空気量が
増加する構成としてなるものである。That is, a catalytic combustion type gas turbine combustor according to the present invention has a structure in which a catalyst is disposed inside and a fuel supply port and an air supply port are formed on the upstream side and the downstream side of the catalyst, respectively. A pipe, a temperature detecting means for detecting the temperature of the gas sent to the catalyst from the upstream side, and opening and closing of the air supply port on the downstream side according to the gas temperature detected by the temperature detecting means to control each air An air amount control means for controlling the air amount of the supply port, and when the air amount of the upstream side air supply port is increased, the air amount of the downstream side air supply port decreases, and the upstream side air supply port When the amount of air is reduced, the amount of air in the air supply port on the downstream side increases.
以下、本発明にかかる触媒燃焼方式のガスタービン燃
焼器について第１図に基づいて説明する。A catalytic combustion type gas turbine combustor according to the present invention will be described below with reference to FIG.
この第１図は、触媒燃焼方式のガスタービン燃焼器の
基本構成の一例を示す図であり、図中、第３図と同一ま
たは同等の構成要素には同一の符号を付した。FIG. 1 is a diagram showing an example of the basic configuration of a catalytic combustion type gas turbine combustor, and in the figure, the same or equivalent constituent elements as in FIG. 3 are designated by the same reference numerals.
このガスタービン燃焼器において、触媒６の上流側に
は、燃料供給口1,5およびスパークプラグ16が配設され
るとともに、燃焼管17に空気供給口3,4が形成され、ま
た触媒６の下流側には、燃料供給口７およびスパークプ
ラグ19が配設されるとともに、燃焼管17に空気供給口20
が形成されている。In this gas turbine combustor, fuel supply ports 1 and 5 and a spark plug 16 are arranged on the upstream side of the catalyst 6, air supply ports 3 and 4 are formed in the combustion pipe 17, and the catalyst 6 The fuel supply port 7 and the spark plug 19 are disposed on the downstream side, and the combustion pipe 17 is provided with the air supply port 20.
Are formed.
前記空気供給口3,4,20それぞれには、１つのエアダク
ト２から空気が供給される。そして空気供給口3,4を介
して燃焼管17内に供給される空気量は、これら空気供給
口3,4の開口面積および燃焼管17内外の圧力差によって
決定される。Air is supplied from one air duct 2 to each of the air supply ports 3, 4, 20. The amount of air supplied into the combustion pipe 17 through the air supply ports 3 and 4 is determined by the opening area of the air supply ports 3 and 4 and the pressure difference between the inside and outside of the combustion pipe 17.
また、前記スパークプラグ16は、燃料供給口５からの
燃料を着火させるときに使用し、スパークプラグ19は、
触媒６下流の気相燃焼の生起用として触媒６下流のガス
を着火させるときに使用される。なお、このスパークプ
ラグ19は、使用する燃料等によっては配設しなくともよ
い。The spark plug 16 is used to ignite the fuel from the fuel supply port 5, and the spark plug 19 is
It is used when the gas downstream of the catalyst 6 is ignited to cause gas-phase combustion downstream of the catalyst 6. The spark plug 19 may not be provided depending on the fuel used and the like.
また、このガスタービン燃焼器には、触媒６入口に、
前記上流側より触媒６へ送られるガス温度を検出する手
段、例えば熱電対等の温度検出器22が配設されていると
ともに、検出された前記ガス温度に応じて例えば前記空
気供給口20を介して燃焼管17内へ供給される空気量を制
御する手段、例えば、電磁弁23とこの電磁弁23の開度を
制御する空気量制御器24とが具備されている。すなわ
ち、空気供給口20に電磁弁23が配設されるとともに、こ
の電磁弁23および前記温度検出器22それぞれに空気量制
御器24が接続されており、温度検出器22から送られてく
るガス温度に応じた検出信号に応じて空気量制御器24が
電磁弁23に信号を送出し、電磁弁23の弁の開閉量、すな
わち燃焼管17内へ供給される空気量を制御する。Also, in this gas turbine combustor, at the catalyst 6 inlet,
A means for detecting the temperature of the gas sent to the catalyst 6 from the upstream side, for example, a temperature detector 22 such as a thermocouple, is provided, and, for example, via the air supply port 20 according to the detected gas temperature. A means for controlling the amount of air supplied into the combustion pipe 17, for example, a solenoid valve 23 and an air amount controller 24 for controlling the opening degree of the solenoid valve 23 are provided. That is, an electromagnetic valve 23 is arranged at the air supply port 20, and an air amount controller 24 is connected to each of the electromagnetic valve 23 and the temperature detector 22, and a gas sent from the temperature detector 22. The air amount controller 24 sends a signal to the solenoid valve 23 according to the detection signal according to the temperature, and controls the opening / closing amount of the valve of the solenoid valve 23, that is, the amount of air supplied into the combustion pipe 17.
この空気量制御器24においては、予め、安定した触媒
燃焼が行われていることを示す触媒６入口ガス温度範囲
（以下、好適温度範囲という）を設定しておき、触媒６
入口温度がこの好適温度範囲から逸脱したことを温度検
出器22からの信号で検知したときに、電磁弁23の開度を
減増する信号を出力するように調節しておくことが望ま
しい。この場合、電磁弁23の弁の開度，触媒６に流入す
るガス温度の設定レベルは、使用する触媒６の種類，燃
料の種類およびガスタービン燃焼器の構造等によって異
なるため、実験により決定されることが望ましい。In this air amount controller 24, a catalyst 6 inlet gas temperature range (hereinafter referred to as a suitable temperature range) indicating that stable catalyst combustion is being performed is set in advance, and the catalyst 6
It is desirable to adjust so that when the signal from the temperature detector 22 detects that the inlet temperature deviates from this preferable temperature range, a signal for decreasing the opening degree of the solenoid valve 23 is output. In this case, the opening degree of the solenoid valve 23 and the set level of the gas temperature flowing into the catalyst 6 differ depending on the type of the catalyst 6 used, the type of fuel, the structure of the gas turbine combustor, etc. Is desirable.
また、触媒６下流側に配設された燃料供給口７は、触
媒６を通過したガスにさらに燃料を供給して触媒６下流
側の気相燃焼をより安定に生起させるためのもので、触
媒６上流側のF/Aに応じてその燃料供給量が調節される
ように設定されるものである。Further, the fuel supply port 7 disposed on the downstream side of the catalyst 6 is for further supplying fuel to the gas that has passed through the catalyst 6 to cause more stable gas phase combustion on the downstream side of the catalyst 6, and 6 The fuel supply amount is set according to the upstream F / A.
このような構成を有するガスタービン燃焼器におい
て、始動時には、燃料供給口５および空気供給口４それ
ぞれから、燃料および空気A1が供給される。そして、こ
の燃料と空気A1との混合による燃料ガスがスパークプラ
グ16により着火され、スワラー11で保炎され安定化が図
られながらある程度まで昇温される。なお、この燃焼に
よる昇温は、ガスの温度を触媒６の作用温度まで高めて
触媒燃焼を円滑に進行させるために行うものである。こ
の昇温されたガスに、燃料供給ノズル１からの燃料およ
び空気供給口３からの空気A2が供給混合され、この混合
による混合ガスが触媒６へ供給され、触媒燃焼が生起さ
れるものである。In the gas turbine combustor having such a configuration, fuel and air A 1 are supplied from the fuel supply port 5 and the air supply port 4 at the time of starting. Then, the fuel gas produced by mixing the fuel with the air A 1 is ignited by the spark plug 16, and flame is held by the swirler 11 to be stabilized and the temperature is raised to a certain extent. The temperature rise due to this combustion is performed in order to raise the temperature of the gas to the working temperature of the catalyst 6 so that the catalytic combustion proceeds smoothly. The fuel from the fuel supply nozzle 1 and the air A 2 from the air supply port 3 are supplied and mixed with the heated gas, and the mixed gas resulting from this mixing is supplied to the catalyst 6 to cause catalytic combustion. is there.
この触媒燃焼の際、触媒６上流に供給される空気量が
安定な触媒燃焼に必要とされる量（以下、好適空気量範
囲という）より減少する、つまりF/Aが増加すると、触
媒６入口近傍のガス温度が上昇し、このガス温度上昇に
より触媒燃焼はさらに促進されて触媒６温度が上昇し、
触媒６の熱劣化が生じるおそれがある。また、触媒６を
通過するガスの温度上昇により、触媒６内のガス流量が
増大して触媒６での圧力損失が増大し、ガスタービンの
効率を低下させることになる。そして、この圧力損失の
増大は触媒６上流へ供給される空気量を減少させるた
め、このサイクルは増長され、触媒６の熱劣化さらに熱
破壊を招く傾向にある。At the time of this catalytic combustion, when the amount of air supplied upstream of the catalyst 6 becomes smaller than the amount required for stable catalytic combustion (hereinafter referred to as the suitable air amount range), that is, when F / A increases, the catalyst 6 inlet The temperature of the gas in the vicinity rises, and the combustion of the catalyst is further promoted by the rise in the temperature of the gas to raise the temperature of the catalyst 6,
The catalyst 6 may be thermally deteriorated. Further, due to the temperature rise of the gas passing through the catalyst 6, the gas flow rate inside the catalyst 6 increases, the pressure loss in the catalyst 6 increases, and the efficiency of the gas turbine decreases. Since this increase in pressure loss reduces the amount of air supplied to the upstream side of the catalyst 6, this cycle is lengthened, and the thermal degradation of the catalyst 6 and the thermal destruction thereof tend to occur.
しかるに、前記空気量制御器24では、温度検出器22か
らの信号で触媒６入口ガス温度をモニタしており、触媒
６入口ガス温度が前記好適温度範囲以上となる。すなわ
ち触媒６上流に供給される空気量が前記好適空気量範囲
以下になると、電磁弁23に信号を送出し、この弁の開度
を低下させることにより、触媒６下流側での空気量を低
減させる。この動作により、触媒６上流側へ供給される
空気量が増加して触媒６入口のF/Aが減少し、触媒６の
温度が低下する。したがって、触媒６の熱劣化を防止で
きるとともに、触媒６における圧力損失を好適な範囲に
調整することができる。However, the air amount controller 24 monitors the catalyst 6 inlet gas temperature with a signal from the temperature detector 22, and the catalyst 6 inlet gas temperature becomes equal to or higher than the preferable temperature range. That is, when the amount of air supplied to the upstream side of the catalyst 6 falls below the preferable air amount range, a signal is sent to the electromagnetic valve 23 to reduce the opening degree of this valve, thereby reducing the amount of air on the downstream side of the catalyst 6. Let By this operation, the amount of air supplied to the upstream side of the catalyst 6 increases, the F / A at the inlet of the catalyst 6 decreases, and the temperature of the catalyst 6 decreases. Therefore, the thermal deterioration of the catalyst 6 can be prevented, and the pressure loss in the catalyst 6 can be adjusted to a suitable range.
また、上記触媒６の熱破壊を招くサイクルと逆に、触
媒６上流に供給される空気量が好適空気量範囲以上とな
りF/Aが減少する際には、触媒６入口ガス温度が低下す
ることから、触媒燃焼が生起しにくくなり、気相燃焼も
不安定になる。このサイクルにおいて、空気量制御手段
24では、触媒６入口ガス温度が好適温度範囲以下とな
る、すなわち触媒６上流に供給される空気量が前記好適
空気量範囲以上になると、電磁弁23に信号を送出してそ
の弁の開度を増加させて触媒６下流側での空気量を増加
させる。これにより、触媒６上流側へ供給される空気量
が減少してF/Aが増加するため、安定した触媒燃焼が生
起されることになる。Contrary to the cycle that causes thermal destruction of the catalyst 6, when the amount of air supplied to the upstream of the catalyst 6 exceeds the preferable air amount range and the F / A decreases, the gas temperature at the inlet of the catalyst 6 decreases. Therefore, catalytic combustion is less likely to occur, and gas-phase combustion is also unstable. In this cycle, the air amount control means
In 24, when the temperature of the gas at the inlet of the catalyst 6 falls below the preferable temperature range, that is, when the amount of air supplied upstream of the catalyst 6 exceeds the above preferable amount of air range, a signal is sent to the solenoid valve 23 to open the valve. Is increased to increase the amount of air on the downstream side of the catalyst 6. As a result, the amount of air supplied to the upstream side of the catalyst 6 decreases and the F / A increases, so that stable catalytic combustion occurs.
なお、気相燃焼温度が1500℃〜1600℃を越えると急激
にNOXが発生するが、気相燃焼の安定面からは燃焼温度
が高いことが望まれる。このため、燃料供給口７からの
燃料供給量は、気相燃焼温度が1500℃程度となるよう
に、かつ触媒６上流側のF/Aに応じて、設定されること
が望ましい。しかしながら、燃料，触媒６の種類によっ
ては、燃料供給ノズル１から気相燃焼用の燃料を供給す
ることも可能であり、燃料供給ノズル７は、必ずしも必
要でない。When the gas phase combustion temperature exceeds 1500 ° C to 1600 ° C, NO X is rapidly generated, but it is desired that the combustion temperature be high from the viewpoint of stable gas phase combustion. Therefore, it is desirable that the amount of fuel supplied from the fuel supply port 7 is set so that the gas phase combustion temperature is about 1500 ° C. and according to the F / A on the upstream side of the catalyst 6. However, depending on the types of fuel and catalyst 6, it is possible to supply the fuel for gas phase combustion from the fuel supply nozzle 1, and the fuel supply nozzle 7 is not always necessary.
また、触媒６入口ガス温度の設定は、燃料，触媒等の
種類によって異なるが、現状技術では最高でも500℃程
度である。このため、温度検出器22としては特殊な検出
器を使用する必要がなく、熱電対で十分使用に耐え得
る。そして、触媒６入口ガス温度をより正確に検出する
ためには、触媒６入口の断面平均値を知ることが好まし
いことから、温度検出器22の数は多い方が望ましい。The setting of the gas temperature at the inlet of the catalyst 6 varies depending on the type of fuel, catalyst, etc., but is about 500 ° C. at the maximum in the current technology. Therefore, it is not necessary to use a special detector as the temperature detector 22, and a thermocouple can sufficiently withstand use. In order to detect the catalyst 6 inlet gas temperature more accurately, it is preferable to know the cross-sectional average value of the catalyst 6 inlet, so it is desirable that the number of temperature detectors 22 is large.
（実施例） 第２図に模式図として示したガスタービン燃焼器を試
作した。この図において、第１図と同一または同等の構
成要素には同一の符号を付して示した。なお、このガス
タービン燃焼器にあっては、本発明の効果を空気配分と
して確認できるように、前出の第１図に示したガスター
ビン燃焼器の構成と別に、触媒６下流に空気供給口26、
およびバルブ27を設けた。(Example) A gas turbine combustor shown in FIG. 2 as a schematic diagram was prototyped. In this figure, the same or equivalent components as in FIG. 1 are designated by the same reference numerals. In addition, in this gas turbine combustor, in order to confirm the effect of the present invention as air distribution, in addition to the configuration of the gas turbine combustor shown in FIG. 26,
And valve 27 was provided.
かかる構成のガスタービン燃焼器において、触媒とし
ては、長さ90mm,直径100mmのセラミックス製担体に、貴
金属を担持せしめてなるハニカム構造のものを使用し
た。また、温度検出器22としては、直径3.2mmのＫタイ
プシース熱電対を触媒６入口断面に７本配置し、これら
の熱電対それぞれから得られる検出温度の平均値を触媒
６入口ガス温度とした。さらに、触媒６の温度を計測す
るために、Ｒタイプの熱電対を触媒６に埋め込んだ。試
験圧力、つまりエアダクト２からの空気圧は大気圧と
し、燃料はメタン、触媒６入口ガス流速は15〜30m/sと
した。In the gas turbine combustor having such a structure, the catalyst having a honeycomb structure in which a precious metal is supported on a ceramic carrier having a length of 90 mm and a diameter of 100 mm is used. Further, as the temperature detector 22, seven K type sheath thermocouples having a diameter of 3.2 mm were arranged in the catalyst 6 inlet cross section, and the average value of the detected temperatures obtained from each of these thermocouples was taken as the catalyst 6 inlet gas temperature. . Further, in order to measure the temperature of the catalyst 6, an R type thermocouple was embedded in the catalyst 6. The test pressure, that is, the air pressure from the air duct 2 was atmospheric pressure, the fuel was methane, and the catalyst 6 inlet gas flow velocity was 15 to 30 m / s.
また、安定した触媒燃焼が得られる際の前記好適温度
範囲は、試験により400℃〜450℃であると確認した。こ
の確認により、前記好適温度範囲のときの触媒６入口の
F/Aが電磁弁23の弁開閉で0.025〜0.03となるように、空
気制御器24を調節した。また、触媒燃焼後に生起される
気相燃焼温度は1500℃になるように燃料供給口７から燃
料を供給した。Moreover, it was confirmed by a test that the suitable temperature range for obtaining stable catalytic combustion was 400 ° C to 450 ° C. As a result of this confirmation, the inlet of the catalyst 6 in the above-mentioned preferable temperature range
The air controller 24 was adjusted so that the F / A was 0.025 to 0.03 when the solenoid valve 23 was opened and closed. Further, the fuel was supplied from the fuel supply port 7 so that the gas phase combustion temperature generated after the catalytic combustion was 1500 ° C.
そして、以下のような試験を行った。すなわち、ガス
タービン燃焼器において上述のような設定範囲内の条件
で燃焼を生起させた後、バルブ27の開閉度を操作し、触
媒６入口ガス温度が350℃〜650℃の範囲で変化するよう
にした。そして、この際の触媒温度、ガスタービン燃焼
器から排出されるNOX量および未燃燃料量を測定して、
空気供給量の制御が適性に行われるか否かを評価した。
その結果、触媒６入口ガス温度は430℃〜460℃の範囲内
に保持され、安定な燃焼状態が持続され、NOX量は7ppm
以下、未燃燃料は50ppm以下と良好であり、空気供給量
の制御が極めて良好になされていることが確認された。Then, the following test was conducted. That is, in the gas turbine combustor, after causing combustion under the conditions within the above-mentioned set range, the opening / closing degree of the valve 27 is operated so that the catalyst 6 inlet gas temperature changes in the range of 350 ° C to 650 ° C. I chose Then, at this time, the catalyst temperature, the NO X amount and the unburned fuel amount discharged from the gas turbine combustor are measured,
It was evaluated whether or not the air supply amount was appropriately controlled.
As a result, the catalyst 6 inlet gas temperature was maintained within the range of 430 ° C to 460 ° C, the stable combustion state was maintained, and the NO X amount was 7 ppm.
Below, unburned fuel was as good as 50 ppm or less, and it was confirmed that the control of the air supply amount was extremely good.
そして、本発明の空気量制御を行わなわなかった場合
には、以下のような結果となった。すなわち、触媒６入
口ガス温度が650℃となるようにバルブ27を開閉度操作
した場合には、触媒６の温度が1200℃以上となって触媒
６の劣化が認められ、触媒６入口ガス温度が350℃とな
るようにバルブ27を開閉度操作した場合には、ガスター
ビン燃焼器からの排出未燃燃料が1000ppm以上となり、
不完全燃焼が確認された。When the air amount control of the present invention was not performed, the following results were obtained. That is, when the valve 27 is operated to be opened and closed so that the catalyst 6 inlet gas temperature becomes 650 ° C., the temperature of the catalyst 6 becomes 1200 ° C. or higher and deterioration of the catalyst 6 is recognized, and the catalyst 6 inlet gas temperature becomes When the valve 27 is operated to be opened / closed at 350 ° C, the unburned fuel discharged from the gas turbine combustor becomes 1000 ppm or more,
Incomplete combustion was confirmed.
以上のごとき実施例の説明より理解されるように、本
発明においては、触媒燃焼方式のガスタービン燃焼器に
おいて、触媒を内装した燃焼管の触媒の上流側及び下流
側の各空気供給口の空気量は関連制御される構成であ
る。As will be understood from the above description of the embodiments, in the present invention, in the gas turbine combustor of the catalytic combustion type, the air of each air supply port on the upstream side and the downstream side of the catalyst of the combustion tube in which the catalyst is incorporated. Quantity is an associated controlled configuration.
すなわち、上流側の燃料と空気との比（F/A）が増加
して触媒温度が上昇する傾向にあるときには、上流側の
空気供給口の空気量を増加してF/Aを小さくして触媒の
温度上昇を抑制するものである。That is, when the ratio of fuel / air (F / A) on the upstream side increases and the catalyst temperature tends to rise, the amount of air in the upstream air supply port is increased to decrease F / A. It suppresses the temperature rise of the catalyst.
この際、下流側の空気供給口の空気量は減少するの
で、下流側で気相燃焼を行うとき、下流側の燃料濃度は
濃い側に移行し、燃焼の安定性が良く、1500℃程度での
気相燃焼が容易であり、NOXの生成を少なくできるもの
である。At this time, the amount of air at the air supply port on the downstream side decreases, so when performing gas-phase combustion on the downstream side, the fuel concentration on the downstream side shifts to the rich side, combustion stability is good, and at about 1500 ° C. The gas phase combustion of is easy and the generation of NO X can be reduced.
また、上流側のF/Aが減少し、触媒の反応速度が小さ
くなって触媒燃焼が不十分となる傾向にあるときには、
上流側の空気供給口の空気量を減少してF/Aを増加せし
めるものである。この際、上流側の空気供給口の空気量
を減少せしめるのに伴って下流側の空気供給口の空気量
は増加するものである。Further, when the F / A on the upstream side decreases, the reaction rate of the catalyst decreases and the catalyst combustion tends to be insufficient,
The amount of air at the upstream air supply port is reduced to increase F / A. At this time, the air amount of the downstream air supply port increases as the air amount of the upstream air supply port decreases.
したがって、下流側の空気供給口の空気量の増加に伴
って下流側への燃料の供給をも増加でき、触媒から下流
側へ流れた未燃燃料部分をも含めて完全燃焼せしめるこ
とが可能となり、未燃燃料が大気中に放出されることを
抑制することができるものである。Therefore, the supply of fuel to the downstream side can be increased as the amount of air in the air supply port on the downstream side increases, and complete combustion including the unburned fuel portion flowing from the catalyst to the downstream side becomes possible. The release of unburned fuel into the atmosphere can be suppressed.
第１図は本発明にかかるガスタービン燃焼器の基本構成
説明図、第２図は本発明にかかるガスタービン燃焼器の
一実施例の概略構成を示す模式説明図、第３図は従来の
ガスタービンの一例を示す側断面説明図である。 1,5,7……燃料供給ノズル、２……エアダクト 3,4,20……空気供給口、６……触媒 ９……外筒、11……スワラー 16,19……スパークプラグ 17……燃焼管、22……温度検出器 23……電磁弁、24……空気量制御器FIG. 1 is an explanatory view of a basic configuration of a gas turbine combustor according to the present invention, FIG. 2 is a schematic explanatory view showing a schematic configuration of an embodiment of a gas turbine combustor according to the present invention, and FIG. 3 is a conventional gas. It is a side section explanatory view showing an example of a turbine. 1,5,7 …… Fuel supply nozzle, 2 …… Air duct 3,4,20 …… Air supply port, 6 …… Catalyst 9 …… Outer cylinder, 11 …… Sweller 16,19 …… Spark plug 17 …… Combustion pipe, 22 ... Temperature detector 23 ... Solenoid valve, 24 ... Air amount controller
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 早田 輝信 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式 会社東芝総合研究所内 (72)発明者 古瀬 裕 東京都調布市西つつじケ丘２―４―１ 東京電力株式会社技術研究所内 (72)発明者 土屋 利明 東京都調布市西つつじケ丘２―４―１ 東京電力株式会社技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−218727（ＪＰ，Ａ) 実願 昭58−185719号（実開 昭60− 95458号）の願書に添付した明細書及び 図面の内容を撮影したマイクロフィルム （ＪＰ，Ｕ) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Terunobu Hayata 1 Komukai Toshiba-cho, Sachi-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Toshiba Research Institute, Ltd. (72) Inventor Yu Furuse 2-4-4-1 Nishiazajigaoka, Chofu-shi, Tokyo TEPCO Technical Research Institute Co., Ltd. (72) Inventor Toshiaki Tsuchiya 2-4-1 Nishitsutsujioka, Chofu-shi, Tokyo Tokyo Electric Power Co., Ltd. Technical Research Laboratories (56) Reference JP 62-218727 (JP, A) Practical application Sho 58- Microfilm (JP, U) of the contents of the specification and drawings attached to the application for No. 185719 (Shokai Sho 60-95458)
Claims (1)
側および下流側それぞれに燃料供給口と空気供給口とが
形成された構造を有する燃焼管と、前記上流側より前記
触媒へ送られるガス温度を検出する温度検出手段と、当
該温度検出手段によって検出されたガス温度に応じて前
記下流側の空気供給口の開閉を制御して各空気供給口の
空気量を制御する空気量制御手段とを備え、前記上流側
の空気供給口の空気量を増加したときには下流側の空気
供給口の空気量が減少し、前記上流側の空気供給口の空
気量を減少したときには下流側の空気供給口の空気量が
増加する構成としてなることを特徴とする触媒燃焼式の
ガスタービン燃焼器。1. A combustion pipe having a structure in which a catalyst is disposed inside and a fuel supply port and an air supply port are formed on the upstream side and the downstream side of the catalyst, respectively. Temperature detection means for detecting the gas temperature, and air amount control for controlling the opening / closing of the air supply port on the downstream side according to the gas temperature detected by the temperature detection means to control the air amount of each air supply port Means, the amount of air at the downstream air supply port decreases when the amount of air at the upstream air supply port increases, and the downstream air when the amount of air at the upstream air supply port decreases. A catalytic combustion type gas turbine combustor characterized in that the amount of air at the supply port is increased.
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|---|---|---|---|
| JP1184540A JP2543986B2 (en) | 1989-07-19 | 1989-07-19 | Catalytic combustion type gas turbine combustor |
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ID=16154993
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Also Published As
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