JPH1172231A - ガスタービン設備の燃焼室を液体燃料で稼働させるための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 液体燃料を用いてガスタービン設備の燃焼室
を稼働させる方法を改良して、液体燃料を使用した場合
のＮＯｘ−値を、ガス状の燃料を使用した場合のように
減少させること。 【解決手段】 液体燃料を特別な蒸発反応器で少なくと
も２つのステップで蒸発させること。液体燃料はまず第
１の熱交換媒体との直接的な熱交換で燃料蒸気液体燃料
混合物に噴霧化され、衝撃的に蒸発させられる。そのあ
とで第２の熱交換媒体との間接的な熱交換で液体燃料の
残りが蒸発させられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は請求項１もしくは１
１の上位概念部に記載した、ガスタービン設備の燃焼室
を液体燃料で運動する方法と装置とに関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービン設備の新しい燃焼室におい
ては、希薄な前混合バーナが使用される。この前混合バ
ーナはガス状の燃料、例えば、天然ガス又はメタンで運
転した場合に特に低い有害物質エミッションを有してい
る。このような、ダブルコーンバーナと呼ばれるバーナ
はＥＰ−ＢＩ０３２１８０９号明細書によって公知であ
る。ガス状または液状の燃料で運転されるこのダブルコ
ーンバーナは両方の燃料タイプのために別個の燃料導管
を有している。さらに液状の燃料のためには噴霧化ノズ
ルが必要である。両方の燃料タイプのために合わせた構
成により、ダブルコーンバーナは大きく構成されかつ唯
一の燃料タイプだけで運転される場合よりも多くの構成
部分を必要とする。

【０００３】液状の燃料、例えばディーゼルオイル又は
極軽の加熱オイルで稼働される燃焼室に燃料を供給する
従来の方法と装置とにおいては燃料の蒸発並びに燃料蒸
気と燃焼空気との混合はバーナもしくは燃焼室内で行わ
れる。蒸発する燃料滴は燃料滴およびその近くにおいて
低い温度をもたらす。さらに滴表面において蒸発する燃
料によっては不均一な温度及び凝集域が燃焼室に形成さ
れる。これにより燃焼室内においては幅の広い、コント
ロールすることの困難な、局所的な燃焼温度の分布と空
気比が生じる。これは燃焼パートナの平均化学量論的な
調節が行われている場合ですら回避することはできな
い。しかしながら酸化窒素の形成は温度が高い場合にき
わめて迅速に経過し、酸化窒素の分解はきわめてゆっく
りであるので、不均一な温度及び凝集域は高められた酸
化窒素の形成をもたらす。要するに、液状の燃料の燃焼
は、空間的にかつ時間的に部分的に平行に経過する蒸発
及び混合過程に基づき、満足できる低いＮＯｘ−値を結
果としてもたらさないことがしばしばある。

【０００４】この欠点を除くためには、Ｆｏｅｒｓｔｅ
ｒ．Ｓ．：「環境にやさしい油蒸気機関」研究センタＪ
ｕｅｌｉｃｈの報告、Ｎｒ．２５６４、ＩＳＳＮ０３６
６−０８８５、Ｓ．１−４によれば、直径の小さい管が
別個のオイル蒸発部材として機関の排ガス路に取付けら
れている。この解決策はしかしながら、管の内壁に対す
る堆積、ひいては管の閉塞を回避するためにはｋｇオイ
ルあたり２−５ｋｇの範囲のきわめて大量の水の添加を
必要とする。大量の水の添加とこれに伴う効率の損失と
のために、このような蒸発部材をガスタービン設備にお
ける液状燃料の燃焼に用いることは不可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は前記欠
点をすべて回避することである。本発明の目的は液状燃
料でガスタービン設備の燃焼室を稼働させる方法を改良
して、Ｎｏｘ値が安価である液体燃料を使用した場合に
もガス状の燃料を使用した場合と同じようになるように
することである。この場合、バーナの大きさは液状の燃
料とガス状の燃料を択一的に使用できるにも拘わらず減
少させたい。さらに本発明の課題はこの方法を実施する
のに適した方法を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の課題は請求項１
の上位概念として記載した方法において、液体燃料を燃
焼室の上流側に配置された別個の蒸発反応器において少
なくとも２つのステップで蒸発させることにより達成さ
れた。第１のステップでは液体燃料は第１の熱交換媒体
との直接的な熱交換で燃料蒸気−液体燃料混合物に霧化
され、その際、液体燃料の１部が衝撃的に蒸発させられ
る。第２のステップは液体燃料の残った部分を第２の熱
交換媒体と間接的に蒸発させる。

【０００７】本来の液状である燃料は上流側に配置され
た蒸発反応器における蒸気により、バーナもしくは燃焼
室に侵入する場合には既にガス状であるので、この個所
で燃料を蒸発させる必要性はなくなる。したがってバー
ナへ送り込まれる場合には燃料と燃焼空気とを混合させ
る必要しかないので、燃焼室において、あらかじめ混合
された燃料蒸気／空気混合物の本来の燃焼は著しく迅速
にかつ低いエネルギ消費量で行うことができる。さら
に、調整された液体燃料蒸気を燃焼させる場合の空気数
は、火炎消化限界が高いことに基づき２〜３．５の範囲
で変化させることができる。この結果、燃焼は高い空気
過剰率で行われるので、全液体燃料を燃焼させることが
できる。このような形式で液体燃料、例えば極軽の加熱
オイル又は石油の他の容易に沸騰する溜分を使用した場
合に、天然ガスを使用した場合と同じように低い有害物
質エミッションが達成される。

【０００８】特に有利であるのは間接的な熱交換に際し
て≧２５０℃の温度を調節しかつさらに酸素を供給する
ことである。このような形式で、蒸発に加えて液体燃料
が軽い炭化水素溜分に熱的に分解されかつ飽和炭化水素
から不飽和炭化水素への変換が行われる。付加的に液体
燃料の残りを間接的に熱交換することを触媒の存在で行
うことができる。この場合には特にニッケルをベースと
した触媒が使用される。このためには蒸発反応器の押除
け体は触媒的に有効な表面層を有するか又は押除け体は
完全に触媒的に作用する材料から製作することができ
る。これによって液体燃料の蒸気と分解は触媒的な部分
分解によって助成される。

【０００９】液体燃料の蒸発、炭化水素の分解及び飽和
炭化水素から不飽和炭化水素への変換は吸熱反応である
ので、そのために必要とされたエネルギは第２の熱交換
媒体から取出される。このエネルギは、次いで燃焼室内
で行われる燃焼に際して再び解放されるので、ガスター
ビンの効率が改善される。さらに燃料蒸気／空気混合物
の反応速度は、分解されかつ不飽和である炭化水素によ
って高められ、ひいては天然ガスに較べて幅の広い運転
範囲が高い空気過剰率まで可能である。

【００１０】特に有利であるのは酸素が予備圧縮され
た、熱い圧縮空気の形でかつ直接的な熱交換の前に、つ
まり蒸発反応器の上流側で、第１の熱交換媒体へ導入さ
れることである。使用される空気量は化学量論的な燃焼
反応に必要とされる量の１０％まで、有利には１〜５％
である。このような比較的に小さい空気量の添加は燃料
蒸気−液体燃料混合物における発熱性の部分反応をもた
らすので、燃料蒸気−液体燃料混合物の温度レベルは、
付加的な熱放出に基づき高められることができる。すで
に蒸気反応器の上流側で行われる空気添加に基づき均一
な空気分配が得られ、これによって蒸発反応器における
分解反応が同様に一様に経過するようになる。

【００１１】適当な空気導管内に配置された調整弁の作
動によって、供給される空気の量は、ガスタービン設備
の負荷状態に関連して比較的に迅速に調整できる。これ
によって蒸発反応器における残った液体燃料の蒸発が改
善される他に、発生した燃料蒸気の凝縮傾向が著しく減
少させられる。水蒸気が存在することによって煤の形成
は実質的に阻止される。熱損失の減少のためには蒸発反
応器は熱的に絶縁されている。

【００１２】前記方法を実現するためには、燃焼室の混
合区間の上流側にこの混合区間と接続された蒸発反応器
が垂直に配置されている。この蒸発反応器は入力側に、
液体燃料導管にも、第１の熱交換媒体のための供給導管
にも接続された２成分ノズルを受容している。２成分ノ
ズルは管状の内体と該内体を取囲む外套体とから成って
いる。内体と外套体との間にはリングギャップが形成さ
れている。内体は中央の液体燃料通路を有し、下流側で
分配体に移行している。分配体は複数の、半径方向に向
けられた、液体燃料通路に接続された、リングギャップ
に開口する分配孔を有している。接続部と分配体との間
には内体を取囲む絶縁スリーブが固定されておりかつ絶
縁ギャップによって内体から分離されている。外套体は
上流側に第１の熱交換媒体の供給導管のための側方の切
欠きを有し、下流側に中央の、中空円錐形に拡大した、
リングギャップに接続された、蒸発反応器への出口開口
を有している。

【００１３】当該設備の運転に際しては液体燃料は中央
で、蒸気反応器の２成分ノズルに侵入し、内体を通して
下流へ導かれる。分配体において液体燃料は半径方向外
側へリングギャップへ、ひいては第１の熱交換媒体へ導
入される。絶縁スリーブと絶縁ギャップは、液体燃料が
蒸発点を越えて早期に強く加熱されすぎ、分解反応、ひ
いては内体の内壁における堆積を惹起することを阻止す
る。熱交換媒体は液体膜を分散させ、燃料滴を２成分ノ
ズルの出口開口まで連行する。中空円錐状に拡大する出
口開口に基づき、２成分ノズルにおいて発生した燃料蒸
気−液体燃料−混合物は、局部的な音速の範囲にある速
度で、細かく霧化されるかもしくは部分蒸発させられて
蒸気反応器に侵入する。これによって燃料滴が２成分ノ
ズルの内部に堆積する傾向は著しく減少させられる。

【００１４】第１の熱交換媒体は液体燃料に対する量比
０．３〜１：１、有利には０．５：：１の比で添加され
るのに対し、蒸発反応器においては１２〜４０バール、
有利には２０〜３０バールの圧力と液体燃料の沸点温度
よりも１００℃高い温度が維持される。このような比較
的に小量の過熱された水蒸気をノズル噴射することによ
り、燃料部分圧が低下させられ、ひいては蒸発温度がこ
の高い圧力でも、液体燃料と５００〜６５０℃の第２の
熱交換媒体との間の熱交換が適正に経過するような温度
レベルに維持される。この場合には２成分ノズル内及び
そのすぐ後ろで、関与する媒体の間で衝撃的な熱交換が
行われる。この結果、蒸気反応器の入口における噴霧化
過程ですでに、液体燃料の２／３までの液体燃料が衝撃
的に気相に変換される。ノズル噴射後、形成された燃料
蒸気−液体燃料−混合物は高い流動速度で蒸発反応器を
通して導かれる。この場合には蒸発反応器における滞在
時間３０秒まででありかつ最短１秒である。このような
形式で燃料蒸気−液体燃料−混合物内にまだ残っている
液体燃料はガスタービンの熱いプロセスガスとの間接的
な熱交換で残らず蒸発させることができる。この場合に
は液体燃料の残分が蒸気反応器の流れデッド空間に蓄積
することは蒸発反応器を垂直に配置することで阻止され
る。

【００１５】蒸発反応器は押除け体、リブの付けられた
押圧体並びに外套管によって形成されている。この蒸発
反応器は２成分ノズルのための固定部材、第２の熱交換
媒体のための供給及び排出導管、発生した燃料蒸気を減
圧するための絞りを有している。第２の熱交換媒体のた
めの供給及び排出導管は外套管と押圧体との間に構成さ
れたリング通路に接続されている。押除け体の外周、つ
まり押除け体と押圧体との間には、燃料蒸気−液体燃料
−混合物のための複数の蒸発通路が構成されかつ第２の
熱交換媒体のためのリング通路に対しほぼ平行に配置さ
れている。

【００１６】第１の熱交換媒体は過熱された水蒸気から
成り、第２の熱交換媒体はガスタービン設備の熱いプロ
セスガス、有利にはその廃ガスから成っている。特に有
利には過熱された水蒸気はガスタービン設備に結合され
た蒸気発生器から供給されかつ燃焼室もしくは燃焼室と
結合されたガスタービンの廃ガスが使用される。この結
果、ガスタービン設備の作業プロセスにいずれにしても
存在する中間生産物が使用されるようになるので、熱交
換媒体を準備するために外部の源は不要になる。

【００１７】２成分ノズルにおいて、過熱された水蒸気
と液体燃料との混合を改善するため、ひいてはすでにこ
の個所で燃料蒸気の大きなパーセンテージを達成するた
めには、液体燃料は少なくともほぼ垂直に水蒸気に導入
される。この場合に発生する燃料蒸気−液体燃料−混合
物は、既に述べたように、局所的な音速で蒸気反応器へ
ノズル噴射される。このような形式で２成分ノズルにお
ける液体蓄積、ひいては炭素形成も効果的に阻止され
る。このためには分配孔は少なくともほぼ垂直に、２成
分ノズルの、下流側に連続的に狭ばまったリング通路へ
開口している。リングギャップに接続された出口開口は
ラバールノズル形状に構成されている。さらに分配体に
は複数の接線方向の螺旋溝が配置され、この螺旋溝は燃
料蒸気−液体燃料−混合物に、蒸発反応器へ噴込まれる
まだ前に、接線方向の速度成分を与える。これによって
水蒸気と液体燃料との混合が改善されかつ流れに付加的
なせん断作用が生ぜしめられる。さらに蒸発反応器の押
圧体にはリサイクルレーションノズルが配置されてい
る。このリサイクルレーションノズルは少なくとも２成
分ノズルの噴射範囲を覆っている。これによってこの範
囲で燃料蒸気−液体燃料−混合物のリサイクルレーショ
ンが惹起され、これによって蒸発過程がさらに加速され
る。

【００１８】特に有利であるのは、蒸発反応器と燃焼室
との間に、第１の遮断弁を有する接続導管が配置されて
いることである。遮断弁の上流側で、第２の遮断弁を有
するガス導管が接続導管に開口している。これによって
ガスタービン設備を運転する場合に必要に応じて液体燃
料又はガス状燃料に切り替えることができる。しかしな
がら使用される燃料とは無関係に常にガス状の媒体だけ
がバーナもしくは燃焼室へ導入されるので、両方の燃料
形態のためには唯一の分配及びインジェクションシステ
ムしか必要とされない。一般的なデュアルバーナにおい
て燃焼室内に配置された液体燃料及び水導管並びに液体
燃料ノズルは省略できる。これは著しい場所及び費用の
節減をもたらす。

【００１９】

【発明の実施の形態】次に図面を用いて、液状の燃料を
蒸発させるために上流側に配置された装置を有するガス
タービン設備に基づき本発明の複数の実施例を説明す
る。図面には本発明を理解するのに重要な部材だけを示
した。例えばガスタービン設備と接続された蒸気タービ
ンは図示していない。作業媒体の流動方向は矢印で示し
てある。

【００２０】図１には圧縮機１、燃焼室２、ガスタービ
ン３、ゼネレータ４から成るガスタービン設備５が概略
的に示されている。圧縮機１もガスタービン３もゼネレ
ータ４も共通の軸６の上に配置されている。廃ガス側で
ガスタービン３は廃ガス導管７を介して廃熱ボイラとし
て構成された蒸気発生器８と接続されかつ蒸気発生器８
は新鮮蒸気導管９を介して図示されていない蒸気タービ
ンと接続されている。

【００２１】燃焼室２は多数のバーナ１０を備えてい
る。これらのバーナ１０はＥＰ−ＢＩ０３２１８０９号
により公知であるダブルコーンバーナのように構成され
ているが、しかし液体燃料導管も液体燃料ノズルも有し
ていない。もちろん類似した機能を有する前混合バーナ
を使用することもできる。ダブルコーンバーナ１０は上
流側で接続導管１１を介して蒸発反応器１２に接続され
ている。接続導管１１内には第１の遮断弁１３が配置さ
れている。第１の遮断弁１３の下流側、つまり遮断弁と
燃焼室２との間では天然ガス導管として構成されたガス
導管１４が接続導管１１に開口している。天然ガス導管
１４は第２の遮断弁１５を有している。もちろんガスタ
ービン設備５は天然ガス導管１４なしでも又は他の適当
なバーナ１０でも運転することができる。さらに燃焼室
２のために唯一の蒸発反応器１２を設けるのではなく、
各バーナ１０に少なくとも各バーナ群を１つの蒸発反応
器１２に接続することも可能である。

【００２２】垂直に配置された蒸発反応器１２は押除け
体１６、押圧体１７並びに外套管１８から成っている。
入口側に蒸発反応器１２は液状燃料導管１９とも熱交換
媒体２１のための供給導管２０とも結合された２成分ノ
ズル２２を受容している。このために蒸発反応器はフラ
ンジとして構成された第１の固定部材２３を有してい
る。出口側に蒸発反応器１２は第１の固定部材同様に構
成された第２の固定部材２４を有している。この固定部
材２４には絞り２５と接続導管１１が接続している。蒸
発反応器１２はファイバセラミックから成る絶縁外套２
６で被覆されている（図２）。２成分ノズル２２は接続
部２７、管状の内体２８並びに内体２８を取囲む外套体
２９から成っている。内体２８と外套体２９との間には
下流側へ連続的に狭ばめられたリングギャップ３０が構
成されている。内体２８は中央に液体燃料通路３１を有
し、さらに下流側で分配体３２に移行している。分配体
３２は複数の、半径方向に向けられた、液体燃料通路３
１と接続された、ほぼ垂直に、下流側に連続的に狭ばめ
られたリングギャップ３０に開口する分配孔３３を有し
ている。接続部２７と分配体３２との間には、内体２８
を取囲む、セラミックから成る絶縁スリーブ３４が固定
されている。このセラミックスリーブ３４は内体２８か
ら絶縁ギャップ３５によって分離されている（図３）。

【００２３】２成分ノズル２２の外套体２９は上流側
に、廃熱ボイラ８と接続された供給導管２０のための側
方の切欠き３６を有している。第３の遮断弁３７を備え
た前記供給導管２０によって液体燃料３８に第１の熱交
換媒体２１として過熱された水蒸気が廃熱ボイラ８から
供給される。同様に他の適した流体、例えば５００℃よ
りも高い温度の窒素を第１の熱交換媒体２１として使用
することができる。下流側の端部で外套体２９はノズル
ヘッド３９に移行している。このノズルヘッド３９は中
央の、中空円錐状に拡大する、リングギャップ３０と接
続された、蒸発反応器１２への出口開口４０を有してい
る。この場合、出口開口４０は約２０゜の開口角４１を
規定している（図３）。さらに分配体３２の外側の表面
には、つまりノズルヘッド３９と分配体３２との間には
複数の接線方向の螺旋溝４２が構成されている。

【００２４】入口側では蒸発反応器１２の押圧体１７に
リサイクルレーションスリーブ４３が固定されている。
このリサイクルレーションスリーブ４３は少なくとも２
成分ノズル２２の噴射範囲を覆っている。これに続いて
押除け体１６と結合された案内円錘体４４が配置されて
いる（図２）。押除け体１６の周囲、つまり、押除け体
１６と押圧体１７との間には複数の蒸発通路４５が形成
されている。外套管１８に対して間隔の与えられた押圧
体１７は外へ向けられたリブ４６を有している。外套管
１８と押圧体１７並びにそのリブ４６との間にはリング
通路４７が構成されている（図５）。下方範囲にも上方
範囲にも外套管１８は第２の熱交換媒体５１のための供
給導管４９もしくは排出導管５０のための開口を有して
いる。第４の遮断弁５２を備えた供給導管４９は廃熱ボ
イラ８の上流で廃ガス導管７から分岐しているので、第
２の熱交換媒体５１としてガスタービン３からの廃ガス
が使用されている（図１）。同様に５５０℃を越える温
度を有する他のあらゆる熱いイナートガス、例えば熱い
燃焼空気も第２の熱交換媒体５１として適している。こ
れに対して排出導管５０は図示されていない煙道と接続
されている。

【００２５】接続導管１１又は天然ガス導管１４内に配
置された遮断弁１３，１５が開放されるに応じて、ガス
タービン設備は、液体燃料３８として使用された燃料オ
イルで運転するか又は天然ガス５３で運転することがで
きる。しかしながらダブルコーンバーナ１０にはいずれ
の場合にもガス状の燃料が供給される。この場合、それ
はガス導管１４から流入する天然ガス５３であるか又は
２成分ノズル２２においてもしくは蒸発反応器１２にお
いて燃料オイル３８から製造された燃料蒸気５４であ
る。もちろん燃料オイル３８の代わりに沸騰温度が≦４
５０℃の他の液体燃料を使用することもできる。それよ
りも沸騰温度の高い液体燃料３８はそれに伴うコークス
化の危険が大きいために使用されない。

【００２６】ダブルコーンバーナ１０においては、図１
に概略的に示された混合区間５６に沿って、接線方向の
空気入口スリット５５を介して、燃焼空気５７の混入が
行われる。この燃焼空気はあらかじめ圧縮機１において
周辺空気から圧縮されたものである。このようにして形
成された燃焼混合物５８は燃焼室２において燃焼させら
れる。燃焼に際しては煙ガス５９が発生し、この煙ガス
５９はガスタービン３に導かれかつガスタービン３にお
いて弛緩される。これによって同時にガスタービン３と
共に軸６に配置された圧縮機１とゼネレータ４が駆動さ
れる。ゼネレータ４は電流を発生させるために駆動され
る。弛緩された、まだ熱い煙ガス５９は廃ガス導管７を
介して廃熱ボイラ８に導入され、そこで過熱蒸気を発生
させるために利用される。この蒸気は新鮮蒸気導管９を
介して図示されていない蒸気タービンに供給される。そ
のあとで煙ガス５９は煙道６０から大気へ放出される。
天然ガス５３を使用する場合には接続導管１１、供給導
管２０及び供給導管４９内に配置された遮断弁１３，３
７，５２は閉じられる。

【００２７】これに対し、ガスタービン設備５の運転の
ために燃料オイル３８を使用する場合には、遮断弁１
３，３７，５２が開放され、天然ガス５３の供給がガス
導管１４内に配置された第２の遮断弁１５を閉じること
で中断される。この場合には廃熱ボイラ８から過熱され
た水蒸気２１が、使用される燃料オイル３８の０．５：
１ｋｇ／ｋｇの量比で取出され、供給導管２０を介して
例えば３０バールの圧力と約５００〜６００℃の温度
で、つまり燃料オイル３８の沸騰温度よりも１００℃以
上高い温度で２成分ノズル２２に供給される。

【００２８】燃料オイル３８は液体燃料導管１９を介し
て２成分ノズル２２に達する。噴霧化を改善するため、
つまり燃料オイルの粘性を低下するためには燃料オイル
３８は図示されていない液体燃料導管１９の接続導管を
介して第２の熱交換媒体５１の残留熱で排出導管５０を
用いて予熱されることができる。２成分ノズル２２内の
中央に導入された燃料オイル３８は液体燃料導管３１の
燃料圧に基づき下流側へ搬送される。この範囲において
セラミックスリーブ３４と絶縁ギャップ３５は燃料オイ
ル３８が過熱された水蒸気２１からの熱伝達により早期
に過熱されることを阻止する。このような形式で燃料オ
イル３８の分解反応、ひいては内体２８の内壁への堆積
が回避される（図３）。

【００２９】最後に燃料オイル３８は分配孔３３を通っ
てほぼ垂直に、連続的に狭ばめられた、過熱した水蒸気
２１で充たされたリングギャップ３０に侵入する。これ
によって水蒸気２１から燃料オイル３８に衝撃的に熱が
伝達され、この結果、すでに燃料オイル３８の大きな部
分が気相に変換される。さらに関与する媒体が強く燃料
蒸気−液体燃料混合物６１として混合される。この混合
は接線方向の螺旋溝４２によりさらに強められる。この
場合、水蒸気２１は搬送−噴霧化−及び蒸発媒体として
役立つ。

【００３０】もちろん過熱された水蒸気２２を中央に導
き、燃料オイル３８をこれに対し同軸に適当に構成され
た２成分ノズル２２において案内することもできる。こ
の図示されていないケースでは燃料オイル３８の分解反
応を惧れる必要はないので、セラミックスリーブ３４の
配置の必要性はなくなる。

【００３１】中央円錐状に拡大された出口開口４０に基
づき、燃料蒸気−液体燃料混合物６１は局部的な音速で
蒸発反応器１２の押圧体１７に侵入する。これにより燃
料小滴が２成分ノズル２２の内部に、特にその出口開口
４０の範囲に堆積することははっきりと減少させられ
る。２成分ノズル２２の噴射範囲において押圧体１７に
配置されたリサイクルレーションノズル４３は、残った
燃料オイル３８の蒸発を促進する燃料蒸気−液体燃料混
合物６１の局部的な循環を発生させる。

【００３２】その後で燃料蒸気−液体燃料混合物６１は
案内円錐部４４を介して蒸発通路４５に案内される。ガ
スタービン３のリング通路４７を通って対流原理で流れ
る廃ガス５１との間接的な熱交換に基づき、蒸気通路４
５において、つまり自由な空間内で残った燃料オイル３
８の蒸発が行われる。このような形式で燃料蒸気−液体
燃料混合物６１にまだ残っている燃料オイル３８はガス
タービン３の廃ガス５１との間接的な熱交換で、残った
燃料蒸気５４に変換される。このためには燃料蒸気−液
体燃料混合物６１は押圧体１７内にノズル噴射したあと
で、大きな流速で蒸発反応器１２を通して導かれる。こ
の場合、蒸発反応器１２における滞在時間は少なくとも
１ｓである。最後に、発生した燃料蒸気５４は燃焼させ
るために燃焼室２へ送られる。この場合、絞り２５は圧
力減少に役立つ。さらに押除け体１６は触媒的に有効な
表面層６２を有している。このためにはニッケルをベー
スとした触媒が使用される（図６）。これによって燃料
オイル３８の第２の蒸発ステップが触媒的な部分分解に
より助成され、低沸騰する炭化水素の形成が増強される
と共に煤の形成が減少させられる。同じ目的のため押除
け体１６は完全に触媒的に作用する材料から製作されて
いることもできる。

【００３３】もちろん蒸発反応器１２は押除け体１６と
該押除け体１６に結合された案内円錐部４４とを使用し
ないで構成されていることもできる（図示せず）。これ
によって、液体燃料３８に十分に熱が伝達される状態
で、蒸気反応器１２の寸法の減少が可能である。

【００３４】絶縁外套体２６は全蒸発反応器１２の熱損
失を減少させる。同様にもっとも敏感な導管は市販の絶
縁材料で、過度な熱損失に対して保護される（図示せ
ず）。

【００３５】組込まれた押除け体１６の寸法の変化によ
って蒸発反応器１２の容積並びに滞在時間、ひいては蒸
発効率に影響を及ぼすことができる。もちろん両方の使
用される熱交換媒体２１，５１の供給は外部の源から行
うこともできる（同様に図示せず）。

【００３６】記述した実施例にしたがって構成されたガ
スタービン設備５において測定された廃ガス値は次の表
で、燃料油が予蒸発させられない基準、設備の相応する
廃ガス値と比較してある（値は見積されている）。

【００３７】

【表１】

【００３８】これから結論としてわかることはＮＯｘ−
値の著しい減少の他にガスタービン設備５の廃ガスにお
ける一酸化炭素及び不燃焼の炭化水素の割合の低下であ
る。

【００３９】第２の実施例においては蒸気反応器１２の
上流側で圧縮空気６３、ひいてはこれで酸素が、過熱さ
れた水蒸気２１へ導入される。このために空気導管６４
が供給導管２０へ開口する。使用された空気量は化学量
論的な反応に必要な量のほぼ５％である。このような比
較的に小さい空気量の添加によって蒸気反応器１２にお
ける部分反応が生じ、これによってその温度が付加的な
放熱に基づき高められる。これによって蒸発反応器１２
における残った燃料オイル３８の蒸発の改善の他に、発
生する燃料蒸気５４の凝縮傾向もはっきりと減少させら
れる。もちろん空気供給の適当な調整により蒸発反応器
１２における温度も比較的に迅速にガスタービン設備５
の場合による負荷交番に適合させられ得る。このために
は空気導管６４には調整弁６５が配置されている（図
１）。

【００４０】第３実施例では蒸発反応器１２への２成分
ノズル２２の出口開口４０はラバールノズル形状に構成
されている（図７）。これにより蒸発反応器１２の押圧
体１７への燃料蒸気−液体燃料−混合物６１のノズル噴
射速度は、出口開口４０のすぐ下流で激しい渦流が生ぜ
しめられるように高められる。これは燃料オイル３８の
改善された混合と蒸発とをもたらし、さらに出口開口４
０への燃料小滴の堆積を効果的に阻止する。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガスタービン設備と蒸発装置との概略図。

【図２】図１に相当する蒸発装置の縦断面図。

【図３】２成分ノズルを図２に対して拡大して示した縦
断面図。

【図４】ノズルの内部に構成された螺旋溝を示した図。

【図５】蒸発装置を図２のＶ−Ｖ線に沿って段面した拡
大図。

【図６】図５の蒸発通路の範囲を拡大して示した図。

【図７】変化した出口開口を有するノズルを示した、図
３に相当する図。

【符号の説明】

１ 圧縮機、 ２ 燃焼室、 ３ ガスタービン、 ４
ゼネレータ、 ５ガスタービン設備、 ６ 軸、 ７
廃ガス導管、 ８ 蒸気発生器、廃ガスボイラ、 ９
新鮮蒸気導管、 １０ バーナ、ダブルコーンバー
ナ、 １１ 接続導管、 １２ 蒸発反応器、 １３
遮断弁、 １４ ガス導管、天然ガス導管、 １５ 遮
断弁、 １６ 押除け体、 １７ 押圧体、 １８ 外
套管、１９ 液体燃料導管、 ２０ 供給導管、 ２１
第１の熱交換媒体、水蒸気、２２ ２成分ノズル、
２３ 第１の固定部材、フランジ、 ２４ 第２の固定
部材、 ２５ 絞り、 ２６ 絶縁材料、 ２７ 接続
部、 ２８ 内体、２９ 外套体、 ３０ リングギャ
ップ、 ３１ 液体燃料通路、 ３２ 分配体、 ３３
分配孔、 ３４ 絶縁スリーブ、セラミックスリー
ブ、 ３５ 絶縁ギャップ、 ３６ 切欠き、 ３７
遮断弁、 ３８ 液体燃料、燃料オイル、 ３９ ノズ
ルヘッド、 ４０ 出口開口、 ４１ 開口角、 ４２
螺旋溝、 ４３ リサイクルレーションスリーブ、
４４ 案内円錐部、 ４５ 蒸発通路、 ４６ リブ、
４７ リング通路、 ４８ 開口、 ４９ 供給導
管、５０ 排出導管、 ５１ 第２の熱交換媒体、廃ガ
ス、 ５２ 遮断弁、 ５３ 天然ガス、 ５４ 燃料
蒸気、 ５５ 空気流入スリット、 ５６ 混合区間、
５７ 燃焼空気、 ５８ 燃焼混合物、 ５９ 煙ガ
ス、 ６０ 煙道、６１ 燃料蒸気−液体燃料−混合
物、 ６２ 表面層、触媒、 ６４ 空気導管、 ６５
調整弁

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスタービン設備の燃焼室を沸点温度≦
   ４５０℃の液体燃料で稼働させるための方法であって、
   液体燃料をまず燃料蒸気（５４）に蒸発させ、この燃料
   蒸気（５４）を混合区間（５６）において燃焼空気（５
   ７）と混合して燃焼混合気（５８）を形成し、この燃焼
   混合気（５８）を最後に点火し、その際、液体燃料（３
   ８）の蒸発を、燃料蒸気（５４）と燃焼空気（５７）と
   の混合とは、場所的にかつ時間的に離して行う形式のも
   のにおいて、液体燃料（３８）を個別の蒸発反応器（１
   ２）において少なくとも２つのステップで蒸発させ、そ
   の際、液体燃料をまず第１の熱交換媒体（２１）と直接
   的に熱交換させて燃料蒸気−液体燃料混合物（６１）に
   霧化し、その際、液体燃料（３８）の１部を衝撃的に蒸
   発させ、そのあとで液体燃料（３８）の残りを第２の熱
   交換媒体（５１）との間接的な熱交換で蒸発させること
   を特徴とする、ガスタービン設備の燃焼室を液体燃料で
   稼働させるための方法。
2. 【請求項２】 間接的な熱交換に際して≧２５０℃の温
   度を発生させかつ酸素（６３）を供給する、請求項１記
   載の方法。
3. 【請求項３】 酸素（６３）を圧縮空気の形でかつすで
   に直接的な熱交換の前に第１の熱交換媒体（２１）内へ
   導入しかつそのために化学量論的な反応のために必要と
   される量の１０％まで、有利には１〜５％の空気量を使
   用する、請求項２記載の方法。
4. 【請求項４】 供給する圧縮空気（６３）の量をガスタ
   ービン設備（５）の負荷状態に関連して調整する、請求
   項３記載の方法。
5. 【請求項５】 間接的な熱交換で行う液体燃料（３８）
   の残りの蒸発を触媒（６２）の存在のもとで行い、その
   際、有利にはニッケルをベースとした触媒（６２）を使
   用する、請求項１又は２記載の方法。
6. 【請求項６】 第１の熱交換媒体（２１）が過熱された
   水蒸気から成り、第２の熱交換媒体（５１）がガスター
   ビン設備（５）の熱いプロセスガス、有利にはガスター
   ビン設備の廃ガスから成っている、請求項１から５まで
   のいずれか１項記載の方法。
7. 【請求項７】 第１の熱交換媒体（２１）がガスタービ
   ン設備（５）と結合された蒸気発生器（８）から供給さ
   れ、第２の熱交換媒体（５１）がガスタービン設備
   （５）のガスタービンから供給される、請求項６記載の
   方法。
8. 【請求項８】 第１の熱交換媒体（２１）が液体燃料
   （３８）に対する量比０．３〜１：１、有利には０．
   ５：１で添加され、蒸発反応器（１２）において１２〜
   ４０バールの圧力、有利には２０〜３０バールの圧力並
   びに１００℃以上液体燃料（３８）の沸点よりも高い温
   度が維持され、発生した燃料蒸気−液体燃料混合物（６
   １）が蒸発反応器（１２）において３０ｓまで、少なく
   とも１ｓの滞在時間を有している、請求項７記載の方
   法。
9. 【請求項９】 液体燃料（３８）を少なくともほぼ垂直
   に第１の熱交換媒体（２１）に導入し、その際に発生す
   る燃料蒸気−液体燃料混合物（６１）を加速し、局所的
   な音速で蒸発反応器（１２）内へ噴射する、請求項８記
   載の方法。
10. 【請求項１０】 燃料蒸気−液体燃料混合物（６１）
    に、蒸発反応器（１２）内に噴射する前に、接線方向の
    速度成分を付与する、請求項９記載の方法。
11. 【請求項１１】 請求項１記載の方法を実施するための
    装置において、 （イ）燃焼室（２）の混合区間（５６）の上流側に燃焼
    室（２）に接続導管（１１）を介して接続された蒸発反
    応器（１２）が垂直に配置され、該蒸発反応器（１２）
    が入口側に、液体燃料導管（１９）とも、第１の熱交換
    媒体（２１）のための供給導管（２０）とも接続された
    ２成分ノズル（２２）を受容しており、 （ロ）蒸発反応器（１２）が押圧体（１７）と外套管
    （１８）とから成り、第２の熱交換媒体（５１）のため
    の供給並びに排出導管（４９，５０）を有しており、供
    給並びに排出導管（４９，５０）が外套管（１８）と押
    圧体（１７）との間に形成されたリング通路（４７）と
    結合されており、 （ハ）２成分ノズル（２２）が管状の内体（２８）と該
    内体（２８）を取囲む外套体（２９）とから成り、内体
    （２８）と外套体（２９）との間にリングギャップ（３
    ０）が構成されており、 （ニ）内体（２８）が中央に液体燃料通路（３１）を有
    し、下流側で分配体（３２）へ移行しており、分配体
    （３２）が複数の、半径方向に向けられた、液体燃料通
    路（３１）と接続された、リングギャップ（３０）に開
    口する分配孔（３３）を受容しており、 （ホ）接続部（２７）並びに分配体（３２）の間に、内
    体（２８）を取囲む絶縁スリーブ（３４）が固定され、
    この絶縁スリーブ（３４）が絶縁ギャップ（３５）によ
    り内体（２８）から分離されており、 （ヘ）外套体（２９）が上流側に供給導管（２０）のた
    めの側方の切欠き（３６）を有し、下流側に、中央に中
    空円錐状に拡大する、リングギャップ（３０）と接続さ
    れた出口開口（４０）を蒸発反応器（１２）に向かって
    有するノズルヘッド（３９）を有していることを特徴と
    する、ガスタービン設備の燃焼室を液体燃料で稼働させ
    るための装置。
12. 【請求項１２】 ２成分ノズル（２２）の分配孔（３
    ３）が少なくともほぼ垂直にリングギャップ（３０）に
    開口し、この場合、リングギャップ（３０）が下流側に
    連続的に狭くなるように構成されている、請求項１１記
    載の装置。
13. 【請求項１３】 分配体（３２）の上に複数の接線方向
    の螺旋溝（４２）が構成されている、請求項１２記載の
    装置。
14. 【請求項１４】 ２成分ノズル（２２）の出口開口（４
    ０）がラバールノズル形状に構成されている、請求項１
    ３記載の装置。
15. 【請求項１５】 押圧体（１７）内に、外周に配置され
    た複数の蒸発通路（４５）を有する押除け体（１６）が
    配置されており、押圧体（１７）が外側に向けられた複
    数のリブ（４６）を有しており、リング通路（４７）が
    押圧体（１７）、そのリブ（４６）並びに外套管（１
    ８）の間に配置されており、蒸発通路（４５）とリング
    通路（４７）とが互いにほぼ平行に延びている、請求項
    １１記載の装置。
16. 【請求項１６】 押除け体（１６）が触媒的に有効な表
    面層（６２）を有するか又は触媒的に有効な材料から製
    作されている、請求項１５記載の装置。
17. 【請求項１７】 蒸発反応器（１２）の押圧体（１７）
    内に、少なくとも２成分ノズル（２２）の噴射範囲を覆
    うリサイクルレーションスリーブ（４３）が配置されて
    いる、請求項１１又は１５記載の装置。
18. 【請求項１８】 燃焼室（２）と蒸発反応器（１２）と
    の接続導管（１１）内に第１の遮断弁（１３）が配置さ
    れかつ第１の遮断弁（１３）の下流側において、ガス導
    管（１４）が接続導管（１１）に開口しておりかつガス
    導管（１４）が第２の遮断弁（１５）を有している、請
    求項１１又は１５記載の装置。
19. 【請求項１９】 第１の遮断弁（１３）の上流側におい
    て、発生する燃料蒸気（５４）の圧力を減少させるため
    の絞り（２５）が接続導管（１１）に配置されている、
    請求項１８記載の装置。
20. 【請求項２０】 蒸発反応器（１２）が絶縁外套（２
    ６）で被覆され、この絶縁外套（２６）がファイバセラ
    ミック材料から成っている、請求項１１又は１５記載の
    装置。