水素含有燃料対応燃焼器および、その低ＮＯｘ運転方法
【課題】本発明の目的は、燃焼速度の速い水素含有燃料に対応し、バーナの信頼性を損なうことなく低ＮＯｘ燃焼が可能なガスタービン燃焼器を提供することにある。
【解決手段】本発明は、起動用燃料５１や水素含有燃料６２ａを供給する第一の燃料ノズル３０１を燃焼室１２の上流に配置して、第一の燃料ノズル３０１から供給された燃料を燃料過濃条件で燃焼して低酸素濃度の燃焼ガスを生成する一次燃焼領域（領域Ａ）を形成する。次に、第二の燃料ノズル３０２から第二燃料供給孔１２ａを使って水素含有燃料６２ｂを燃焼室１２に噴射し、水素の酸化反応によって一次燃焼領域で発生したＮＯｘを還元する還元領域（領域Ｂ）を形成する。最後に、燃焼室１２にリーン燃焼用空気１０２ａを供給して、未燃分燃料を燃料希薄条件で燃焼する二次燃焼領域（領域Ｃ）を形成する。
【解決手段】本発明は、起動用燃料５１や水素含有燃料６２ａを供給する第一の燃料ノズル３０１を燃焼室１２の上流に配置して、第一の燃料ノズル３０１から供給された燃料を燃料過濃条件で燃焼して低酸素濃度の燃焼ガスを生成する一次燃焼領域（領域Ａ）を形成する。次に、第二の燃料ノズル３０２から第二燃料供給孔１２ａを使って水素含有燃料６２ｂを燃焼室１２に噴射し、水素の酸化反応によって一次燃焼領域で発生したＮＯｘを還元する還元領域（領域Ｂ）を形成する。最後に、燃焼室１２にリーン燃焼用空気１０２ａを供給して、未燃分燃料を燃料希薄条件で燃焼する二次燃焼領域（領域Ｃ）を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素含有燃料の運用に対応した燃焼器と、その低ＮＯｘ運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼器において、バーナの信頼性を確保しつつＮＯｘの排出量を抑制する方法として、拡散燃焼方式によるリッチ・リーン燃焼が挙げられる。リッチ・リーン燃焼は燃料を１系統のみで供給する。始めに、燃焼器頭部の一次燃焼領域に供給される燃料を燃料過濃条件で燃焼（リッチ燃焼）させ、火炎温度の上昇を抑制してＮＯｘの発生を抑制する。次に、燃焼器下流の二次燃焼領域において、一次燃焼領域から流下してくる未燃分燃料に空気を供給し、燃料希薄条件で急速に燃焼（リーン燃焼）させるという方式である。
【０００３】
ただし、一次燃焼領域の火炎が長くなるため、燃焼室壁面の冷却を行う必要がある。燃焼室壁面の冷却には空気を利用できるが、そうすると空気の供給により酸素濃度が上昇する。酸素濃度が上昇すると火炎温度が高くなり、ＮＯｘ排出量の増加をもたらす恐れがある。
【０００４】
この対策として燃料系統を２系統設け、燃焼器の軸方向に燃料を分割して供給することで一次燃焼領域の火炎の長さを適正化する技術がある。なお、燃料系統を軸方向に２系統設け、燃料を分割して供給する技術は、特許文献１（特開平８−２１０６４１号公報）に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２１０６４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載された燃焼器は、希薄燃焼用バーナの下流に追焚き用バーナを設けたものである。そして燃料の供給系統を軸方向に二系統に分けることで、軸方向の火炎温度を任意の設定温度以下に制御する構成が記載されている。
【０００７】
しかし、燃焼器頭部のバーナは燃料希薄条件における予混合燃焼方式のバーナである。予混合燃焼方式のバーナに燃焼速度の速い水素含有燃料を用いる場合、火炎がバーナに接近しすぎることで、バーナに焼損を来す可能性があった。一方で、バーナの信頼性を確保するために、予混合方式のバーナを単純に拡散燃焼方式のバーナに替えて設置した場合、拡散燃焼時の局所火炎温度の上昇によってＮＯｘが発生し、低ＮＯｘ化が不十分となるおそれがある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、水素含有燃料に対応してバーナの信頼性を確保しつつ、低ＮＯｘ運転が可能な燃焼器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、空気と燃料とを燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室の上流側から前記燃焼室に燃料を供給する第一の燃料ノズルとを備えたガスタービン燃焼器において、前記燃焼室の壁面に、水素含有燃料を燃焼室内に供給する第二の燃料供給孔を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、水素含有燃料に対しても信頼性を確保した燃焼器及び、その低ＮＯｘ運転方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１に示す燃焼器の構造図である。
【図２】実施例１に示す燃焼器の第二燃料供給孔の位置における燃焼器の概略断面図である。
【図３】実施例１に関するガスタービン負荷に対する燃料、および窒素噴射流量を示す図である。
【図４】実施例１に示す燃焼器の軸方向距離に対する、燃焼室内の酸素濃度，ＮＯｘ濃度、および燃焼器内ガス温度の断面平均値の概念図である。
【図５】実施例１に示す燃焼器内で生起する現象について、燃焼ガス流れ方向に沿ってフローチャートの形式で示した図である。
【図６】実施例１に示す発電プラントの系統概略図である。
【図７】実施例２に示す燃焼器の構造図である。
【図８】実施例２に示す燃焼器の第二燃料供給孔の位置における燃焼器の概略断面図である。
【図９】実施例２に関するガスタービン負荷に対する燃料、および窒素噴射流量を示す図である。
【図１０】実施例２に示す発電プラントの系統概略図である。
【図１１】実施例３に示す燃焼器の構造図である。
【図１２】実施例３に示す燃焼器の第二燃料供給孔の位置における燃焼器の概略断面図である。
【図１３】実施例３に示す発電プラントの系統概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
水素は燃焼の際に二酸化炭素（ＣＯ2）を発生させないため、地球温暖化防止に貢献できる燃料である。そこで近年、ガスタービンでは、資源有効利用の観点からガスタービンの主要燃料であるＬＮＧ（Liquefied Natural Gas）に加え、水素を含む副生燃料を利用することが検討されている。水素を含む副生燃料には、例えば製鉄プラントでコークスを生成する際にコークス炉より発生するガス（ＣＯＧ：Coke Oven Gas）や、石油製油プラントで発生するオフガスがある。また、石炭や重質油を酸素でガス化して得られるガス化ガスも水素を含む燃料である。
【００１３】
石炭を酸素でガス化した燃料によって発電する石炭ガス化複合発電システム（ＩＧＣＣ：Integrated coal Gasification Combined Cycle）は、豊富な資源を有効に利用した発電システムであり、欧米を中心に実用化されている。さらに近年では、地球温暖化防止の観点から燃料中の炭素分を分離・除去するＣＯ2分離回収システム（ＣＣＳ：Carbon dioxide Capture and Storage）が検討されている。ＣＯ2分離回収システムによって燃料中の炭素分が取り除かれると、燃料中の水素分の割合は増加する。このＣＯ2分離回収システムは、ＩＧＣＣやその他の発電システムへの適用も検討されている。
【００１４】
石炭ガス化ガスの代表的な燃料成分は一酸化炭素，水素，窒素および少量のメタンである。それぞれの成分濃度は原料の炭種などに依存して若干の変動はあるが、燃料中の水素濃度はＣＣＳの運転条件に大きく影響を受ける。ＣＣＳによるＣＯ2回収を行う前の石炭ガス化ガスの場合は水素濃度約２５vol.％程度である。一方、高度にＣＯ2回収を行った場合（ＣＯ2回収率９０％）では水素濃度約８５vol.％の高水素濃度燃料となる。
【００１５】
前述の通り、ＩＧＣＣプラントに用いる燃料は、炭種やガス化炉負荷，ＣＣＳの運転条件等によって組成が異なる。そのため、燃料組成の変化に対応可能な燃焼器が必要となる。また、ＣＣＳによってＣＯ2を分離回収した後の燃料は、水素を多量に含んだ燃料となる。したがって、可燃範囲が広く燃焼速度が速いという水素特有の課題に対応した燃焼器が必要となる。
【００１６】
燃料の燃焼方式には、予混合燃焼方式と、拡散燃焼方式とがある。予混合燃焼方式では、燃料と空気を予め混合し、燃料希薄状態で燃焼を行うことで低ＮＯｘ化を図る。しかし、燃焼の際に火炎がバーナに接近しやすくなり、逆火発生のリスクが増加する等の理由からバーナの信頼性を損なう恐れがある。したがって、予混合燃焼方式においては、バーナの信頼性確保が重要な課題となる。
【００１７】
一方、拡散燃焼方式では、燃料と空気をそれぞれ別の流路より燃焼室に供給して燃焼させる。燃料は燃焼室に供給された後に空気と混合されて燃焼する。そのため、逆火の発生を抑制することができ、バーナの信頼性の確保が図れる。しかし、燃料と空気の混合の度合いが不均一なため、局所的に燃料の濃い領域が形成されることで局所火炎温度が高くなり、ＮＯｘの排出量が増える。その対策として、空気分離装置で発生する窒素を燃焼器に噴射し、局所火炎温度を低下する技術がある。しかし、プラント効率向上のために積極的な熱回収を行うと、プラントで発生する窒素や燃料の温度は高くなる。温度の高い窒素では十分な冷却効果は得られにくい。
【００１８】
したがって、拡散燃焼方式と窒素噴射の組合せのみでＮＯｘ排出量の環境規制値を満足するのは難しく、蒸気噴射等の追加的な措置が別途必要となる。仮に蒸気噴射を行う場合、高圧の蒸気が必要である。例えば、併設した蒸気タービンを駆動するための蒸気を利用することが考えられる。ただし、この場合は、本来得られるはずであった蒸気タービンによる仕事が得られなくなる。そのため、プラント全体の効率を低下させてしまうので、他の方式による低ＮＯｘ化が望まれる。
【００１９】
なお、ＩＧＣＣプラントで発生する燃料は、発熱量が約１０ＭＪ／ｍ3Ｎ程度の中カロリーガスである。このガスは一般的な高カロリー燃料であるＬＮＧと比べて火炎温度が高い。そのため、更なるＮＯｘ低減対策が必要となる。
【００２０】
以下、ＮＯｘ低減を可能とする本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００２１】
実施例１は、図６に系統概略を示した石炭ガス化発電プラント（ＩＧＣＣ）に関するものである。
【００２２】
（プラントの構成、及び系統）
本実施例のガス化発電プラントは、図６に示す通り、ガス化炉２１，ガス精製装置２２，ＣＯ2分離回収装置２３，ガスタービン５，空気分離装置１１等で構成される。ガス化炉２１では石炭２０と酸素１２０の反応によって石炭ガス化ガス６０を発生させる。ガス精製装置２２では脱硫・脱塵により燃料中の不純物を除去する。これにより、クリーンな燃料とした石炭ガス化ガス６２が精製される。
【００２３】
石炭ガス化ガス６２の供給系統はガス精製装置２２の出口において、ＣＯ2分離回収装置２３に石炭ガス化ガス６２を供給する系統と、ＣＯ2回収前の石炭ガス化ガス６２をガスタービン５に供給する系統に分岐される。ＣＯ2分離回収装置２３の入口には、ＣＯ2の回収を行う石炭ガス化ガス６２の流量を調整するための流量調節弁３７が備えられている。これにより、ＣＯ2分離回収装置２３に供給する石炭ガス化ガス６２の流量調整が可能である。
【００２４】
また、ＣＯ2分離回収装置２３の出口には、ＣＯ2回収後の石炭ガス化ガス６３（高水素含有燃料）の供給圧力調整や緊急時にガスの供給を遮断するための制御弁３６−１が備えられている。同様に、ＣＯ2回収前の石炭ガス化ガス６２をガスタービン５に供給する系統にも制御弁３６−２が配置されている。前記２つの系統は各系統に設けられた制御弁３６−１，３６−２の下流で合流する。合流後の系統には、ガスタービン５に供給する石炭ガス化ガスの流量を調節するための流量調節弁３９ａ、および３９ｂが備えられている。流量調節弁３９ａ，３９ｂによるガスタービン５に供給する石炭ガス化ガスの流量の調整により、ガスタービンの負荷変化が可能となる。
【００２５】
分岐した前記系統のうち、ＣＯ2分離回収装置２３を介さない系統を用いることで、ＣＯ2回収前の石炭ガス化ガス６２をガスタービン５に直接供給することが可能となる。ガスタービン５では石炭ガス化ガス６２の燃焼により熱エネルギーを発生させる。タービン４によって熱エネルギーを回転エネルギーに変換し、発電機６に動力が伝えられることで発電が可能となる。
【００２６】
分岐したもう一方の系統では、石炭ガス化ガス６２をＣＯ2分離回収装置２３に供給する。ＣＯ2分離回収装置２３内において、石炭ガス化ガスと水蒸気とのシフト反応によって石炭ガス化ガス６２中のＣＯはＣＯ2に転換される。また、同様の反応において水素が発生する。発生したＣＯ2は分離・回収され、ＣＯ2回収後の石炭ガス化ガス６３が燃焼器３へ供給可能となる。ＣＯ2回収率を高めることで燃料中の水素濃度は高くなり、燃焼器３に供給される燃料組成はＣＯ2分離回収装置２３の運転開始前後で大きく異なるのが特徴である。
【００２７】
ＣＯ2回収率の増加に伴って水素含有率は高くなるので、燃焼速度の速い燃料が燃焼器３に供給されることになる。本実施例において、ガス精製装置２２を通過したガス６２をガスタービンに供給しつつＣＯ2分離回収装置２３の運転を始めた場合、燃焼器３に供給される石炭ガス化ガス中の水素含有率は徐々に高くなる。水素含有率の増加に伴い燃焼速度は速くなるので、予混合燃焼方式の場合、逆火のリスクが高くなりバーナの信頼性を損なうおそれがある。
【００２８】
また、プラントでは何らかの理由によってＣＯ２分離回収装置２３を突然停止する場合も想定される。この場合、燃料中の水素含有率はＣＯ２分離回収装置２３の運転時の状態から急激に低下する。そのため、供給される燃料の燃焼速度が低下し、火炎の吹き飛び等の問題が生じる。こういった燃焼速度の変化に対応できるように、幅広い水素含有率に対応可能な燃焼器が必要である。
【００２９】
空気を窒素と酸素に分離する空気分離装置１１には、ガスタービン５の圧縮機２からの抽気空気１０３やバックアップ用空気圧縮機１４からの吐出空気１１０の供給が可能である。ガスタービンの起動前にはバックアップ用空気圧縮機１４の吐出空気１１０の供給により、ガス化炉２１に必要な酸素１２０を供給することができる。
【００３０】
起動用の液体燃料５１にてガスタービン５を起動し、ガスタービン５から空気分離装置１１へ抽気空気１０３の供給が可能となると、抽気空気１０３の流量増加によりバックアップ用空気圧縮機１４の吐出空気１１０の流量を減少させることができる。空気分離装置１１で製造した酸素１２０は、酸素用昇圧圧縮機１５による昇圧後ガス化炉２１へ供給される。また、空気分離の際に発生した窒素１３０は窒素用昇圧圧縮機１３による昇圧後、ガスタービン燃焼器３に供給可能となる。
【００３１】
また、シフト反応を用いたＣＯ2分離回収装置２３を運転することによって、燃焼によって生じるはずであったＣＯ2を予め回収することができ、ＣＯ2排出量が削減できる。更に、ＣＯ2を分離回収後に得られる、水素濃度の高い石炭ガス化ガスを第二の燃料ノズルに供給することで、後述するようにＮＯｘを還元する水素を増加させることが可能となり、更なる低ＮＯｘ化が可能である。
【００３２】
（ガスタービンの系統と燃焼器の構成）
図１に、本実施例のガスタービンの系統と、燃焼器の拡大断面図を示す。ガスタービン５は、圧縮機２、燃焼器３、タービン４、発電機６、及び起動用モーター８等で構成される。ガスタービン５は、圧縮機２が大気より吸込んだ空気１０１を圧縮し、燃焼用空気１０２を燃焼器３へと供給する。燃焼器３は圧縮機２による燃焼用空気１０２と燃料との混合燃焼によって燃焼ガス１４０を発生させる。燃料には、起動用液体燃料５１や水素含有燃料であるＣＯ2回収前石炭ガス化ガス６２ａ等が用いられる。発生した燃焼ガス１４０はタービン４に供給され、回転動力を生む。そして、タービン４の回転動力が圧縮機２及び発電機６に伝達される。圧縮機２に伝えられた回転動力は圧縮動力に用いられ、発電機６に伝えられた回転動力は電気エネルギーに変換される。
【００３３】
燃焼器３は、圧力容器である外筒１０の内側に設けられた、空気と燃料とを燃焼させる燃焼室１２を有する。燃焼室１２には、燃焼ガス流れ方向の上流側に、起動用液体燃料５１と第一の燃料である石炭ガス化ガス６２ａをそれぞれ供給するための第一の燃料ノズル３０１が設けられている。燃焼器３にはこの第一の燃料ノズルから燃焼ガス流れ方向下流側に向かって順に、第二燃料供給孔１２ａ，リーン燃焼用空気１０２ａを供給するための空気孔、燃焼室１２で発生した燃焼ガスをタービンに導くための尾筒（図示せず）などが設けられている。第二燃料供給孔１２ａ、およびリーン燃焼用空気１０２ａの供給用空気孔は、燃焼室１２の壁面に設けられている。そして、第二燃料供給孔１２ａを利用して水素含有燃料である石炭ガス化ガス６２ｂを燃焼室１２内に供給する第二の燃料ノズル３０２が、燃焼室１２の外周に設けられている。
【００３４】
第一の燃料ノズル３０１は、液体燃料による起動を可能にする起動用液体燃料ノズル５１ａと、その外周に位置しＬＮＧなどのガス起動を可能にするガスノズル７１ａ、および保炎を強化する空気旋回器３０から成る。第一の燃料ノズル３０１は、ＬＮＧ等の起動用高カロリー燃料から水素含有燃料への燃料切り替えや、液体燃料から水素含有燃料への燃料切り替えが可能である。
【００３５】
第一の燃料ノズル３０１の外周にはプラントで発生する窒素１３０を燃焼器３内に噴射するための窒素噴射ノズル４３０を備えている。不活性媒体である窒素の噴射によって、リーン燃焼用空気１０２ａを供給する空気孔よりも上流側領域（後述する領域Ａ，Ｂ）の酸素濃度を低下させることができる。また、噴射する空気の攪拌効果で燃料と空気の混合は促進され、局所火炎温度を低下させることもできる。これらの作用により、燃焼器頭部でのＮＯｘ発生を抑制することができる。
【００３６】
また、第一の燃料ノズル３０１は、燃料である起動用液体燃料５１と石炭ガス化ガス６２ａを燃焼室１２に供給する流路と、空気である噴霧空気５０１と燃焼用空気１０２を燃焼室１２に供給する流路とを別々に有している。言い換えれば、燃焼室に供給する前に燃料と空気とを混合する構成を設けていない。つまり、本実施例のバーナは、燃料と空気とを別の流路で燃焼室に供給する拡散燃焼方式のバーナである。
【００３７】
拡散燃焼方式のバーナを採用することで、燃焼速度に関わらず、逆火の発生を抑制することができる。そこで、燃焼速度の速いＣＯ2分離回収後の石炭ガス化ガス６３で運用する際も、燃焼速度の遅いＣＯ2分離回収前の石炭ガス化ガス６２の燃焼速度に合わせて燃料を燃焼室に噴射する。このように運用することで、火炎の吹き飛びを防ぐことができる。逆火の発生と火炎の吹き飛びを防ぐことで、供給する燃料の水素含有率が変化する場合にも高い信頼性が維持できる。
【００３８】
燃焼器３には、第二の燃料ノズル３０２が燃焼室１２の外周に複数本配置されている。第二の燃料６２ｂはエンドカバー５５を介して第二の燃料ノズル３０２に供給される。その後、燃焼室１２の側壁に設けた第二燃料供給孔１２ａを利用して、第二の燃料６２ｂは第二の燃料ノズル３０２から燃焼室１２内に供給される。そのため、第二の燃料ノズル３０２の燃料噴出孔３０３と第二燃料供給孔１２ａは、燃焼器の中心軸を基準に、軸方向の位置と周方向の位相を合わせて配置するのが望ましい。
【００３９】
図２に、燃料噴出孔３０３の位置における、燃焼器３のＸ−Ｘ面における概略断面図を示す。本実施例における第二の燃料ノズル３０２は、エンドカバー５５に設置された８本のペンシル型のノズルであり、燃焼室側壁に開口した第二燃料供給孔１２ａに直面する側面に、単一の噴孔を持つ形状をしている。なお、１本の配管で第二燃料供給孔１２ａ近傍位置まで第二燃料を導いてから円環状のマニホールドを介して燃料を分配供給してもよい。
【００４０】
（低ＮＯｘ燃焼器のコンセプト）
本実施例の燃焼器は図１に破線と矢印で示すように、燃焼室１２内のガス流れ方向上流側から順に、一次燃焼領域（領域Ａ）、および還元領域（領域Ｂ）、二次燃焼領域（領域Ｃ）という三つの領域を形成することを特徴としている。
【００４１】
領域Ａは、燃焼器の軸方向、すなわち主流の流れ方向について、燃焼器の上流側に配置した第一の燃料ノズル３０１から燃料噴出孔３０３の直前までの範囲とする。領域Ｂは、第二の燃料ノズル３０２から、リーン燃焼用空気１０２ａの供給用空気孔の直前までの範囲とする。領域Ｃは、リーン燃焼用空気１０２ａの供給用空気孔から燃焼室出口までの範囲とする。
【００４２】
領域Ａは、第一の燃料ノズル３０１から供給される燃料の燃焼や窒素の噴射によって低酸素濃度の燃焼ガスを発生させる領域である。具体的には、まず、不活性媒体である窒素の噴射によって燃焼用空気１０２の酸素濃度を低下させ、この酸素濃度の低下した燃焼用空気１０２を噴射する。酸素濃度の低下した燃焼用空気１０２を噴射しつつ石炭ガス化ガスを燃料過濃条件で燃焼させて、更に酸素を減少させる。
【００４３】
また、本実施例の領域Ａにおける空気供給孔の開口面積は、火炎が保持できる空気流入量を確保できる範囲で、狭めに設定されている。この構造により、燃焼用空気１０２に含まれる酸素の過度の流入が抑制されるので、火炎の安定性を確保しつつ、領域Ａの下流になるにつれて酸素濃度を十分に低下させることができる。
【００４４】
なお、本実施例の燃焼器３は、燃焼速度の速い水素含有燃料に対しても信頼性を確保するために、燃焼室に空気と燃料を別々に噴射する拡散燃焼方式のバーナを採用している。したがって、燃焼による酸素濃度の低下と同時に、局所火炎温度の上昇によってＮＯｘが発生し、領域Ａで生成される低酸素濃度の燃焼ガスにはＮＯｘが含まれることとなる。
【００４５】
但し、従来技術のリッチ・リーン燃焼におけるリッチ燃焼と同様、燃料過濃条件で燃焼を行うため通常の拡散燃焼より酸素濃度が低く、火炎温度の上昇幅は小さい。そして、前述した窒素噴射によっても火炎温度の上昇が抑制されるので、単純な拡散燃焼方式のバーナよりもＮＯｘの排出量は少ない。加えて、燃料に含まれる水素は最も酸素との親和性の高い化学種であり、窒素がサーマルＮＯｘに転換する反応よりも速い反応速度定数を持つ。すなわち、酸素が窒素との反応よりも速く水素と反応を行うので、ＮＯｘの生成量は更に少なくなる。
【００４６】
次に、領域Ｂについて説明する。領域Ｂは、領域Ａで発生した低酸素濃度の燃焼ガスに含まれるＮＯｘを第二の燃料ノズル３０２から供給する水素含有燃料６２ｂに含まれる水素によって還元し、ＮＯｘを減少させる領域である。具体的には、領域Ａから燃焼室内を流下してくる低酸素濃度の燃焼ガス中に、第二の燃料ノズルから水素含有燃料を投入する。この時、本実施例の構成では、第二燃料供給孔から燃焼用空気が流入するため、領域Ｂの上流側の酸素濃度がわずかに増加する。
【００４７】
分子量の小さい水素は拡散速度が速く、燃焼ガス中にすばやく拡散する。また、７００Ｋ程度の温度条件でも反応する水素にとって燃焼ガスは十分に高温であるから、拡散した水素は領域Ａで発生したＮＯｘのＯと反応する。この水素の酸化反応によってＮＯｘ（ＮＯ）は領域Ｂ内で還元される。したがって、領域Ａで発生したＮＯｘは領域Ｂ内で減少することになる。なお、ＮＯは（１）式の反応によって還元される。
【００４８】
２ＮＯ＋２Ｈ2 → Ｎ2＋２Ｈ2Ｏ ・・・・・・（１）
また、一酸化炭素も還元作用を有する燃料であり、水素に変えて、あるいは同時に供給しても、前述の還元作用を得ることができる。
【００４９】
領域Ｃは、上流側の領域Ｂから流入するガス中の未燃分燃料を、空気と急速に混合して燃焼させる領域である。具体的には、空気孔からリーン燃焼用空気１０２ａを投入し、領域ＡおよびＢで燃焼せずに残った未燃分燃料を燃料希薄条件で燃焼（リーン燃焼）させる。例えば、リーン燃焼用空気１０２ａを軸方向に分けて供給した場合、一つの空気孔から流入するリーン燃焼用空気１０２ａの流量が減り、流入する勢いが弱くなる。流入する勢いが弱いと、燃焼室中心部までリーン燃焼用空気１０２ａが届かず、未燃分燃料との混合が十分に行えない。そうすると、未燃分燃料の濃い領域で、局所火炎温度が上昇し、ＮＯｘが生じる可能性がある。
【００５０】
したがって、領域Ｃにおける燃焼でＮＯｘの発生を抑制するには、リーン燃焼用空気１０２ａと未燃分燃料とを急速に混合することが重要である。急速な混合を実現するためには、リーン燃焼用空気が燃焼ガス中を大きく貫通するように供給し、かつ燃焼ガスを攪拌するような流動形態とすることが望ましい。本実施例では、リーン燃焼用空気について供給孔数を限定し、一つ一つの供給孔径を大きく取ることで燃焼ガスに対する貫通を大きく取り、かつ燃焼ガスを攪拌するような流動形態とすることで急速な混合を行う。
【００５１】
なお、領域ＣにおいてＮＯｘの発生量を抑えたリーン燃焼を実現するには、リーン燃焼用空気が供給孔から燃焼ガス流れ方向の下流側で、かつ燃焼室の軸に垂直な方向について燃焼器中心軸付近まで貫通するようなリーン燃焼用空気の供給方式を取る方法が特に良い。このような供給方式を取れば、リーン燃焼用空気が燃焼器中心軸近傍で衝突することで、淀み領域が燃焼器中心軸近傍に形成される。これにより、燃焼反応の起点となる淀み領域が燃焼室の側壁から遠くなり、燃焼速度の速い水素含有燃料に対しても十分な信頼性が確保できる。また、淀み点近傍には様々な方向からのリーン燃焼用空気の噴流があるため、大きな攪拌効果が期待できる。したがって、領域Ｂからの燃焼ガスとリーン燃焼用空気の急速な混合が達成できる。
【００５２】
未燃分燃料に含まれる水素は、領域Ｂにおいて燃焼ガスによって加熱されていることと分子量が小さいことから拡散速度が速く、空気と急速に混合される。そのため、この領域での局所火炎温度の上昇は少ない。更に領域Ｃでは、領域Ａで発生した燃焼ガスの温度は領域Ｂで供給される水素含有燃料によってすでに低下している。火炎温度の上昇が少ない燃料希薄条件で未燃分燃料を燃焼し、速やかに燃焼室からタービンに向けて流出させている。したがって、領域Ｃにおける火炎温度は低く保たれ、滞留時間も少ないのでＮＯｘの生成は抑制される。
【００５３】
また、一般に燃空比の低い燃料希薄条件における燃焼は燃焼効率が確保しにくく、吹き消えに弱い性質がある。しかし、領域Ｃでは領域Ｂの燃焼ガスのエンタルピにより、リーン燃焼用空気と混合した後の混合平均温度を高く保つことが可能な上、未燃の燃料も還元作用を発揮できるほどの高温状態で保持されてきている。つまり、十分な活性化エネルギーが与えられており、安定な燃焼が実現する。
【００５４】
図４に、燃焼器の軸方向距離に対する、燃焼室内の酸素濃度とＮＯｘ濃度および燃焼器内ガス温度の断面平均値の概念図を示す。ここでは、ガスタービンを定格負荷（ＦＳＦＬ）条件で運転した場合を想定している。定格負荷運転時は第一の燃料ノズル３０１では、起動用液体燃料５１から石炭ガス化ガス６２ａへの燃料切り替えが完了している。また、ガスタービン負荷の上昇が完了した時点で、第一の燃料の流量は一定の流量となるように制御されている。
【００５５】
図５に、燃焼器内で生起する現象について、燃焼ガス流れ方向に沿ってフローチャートの形式で示す。図４，図５を用いて、それぞれの領域における酸素濃度，ＮＯｘ濃度、及び燃焼器内断面平均ガス温度の変化を説明する。
【００５６】
まず、領域Ａにおいて、第一の燃料ノズル３０１から供給される第一の燃料を拡散燃焼方式で燃焼させる。この際、領域Ａでは燃料過濃条件で燃焼が進むため、酸素濃度は反応の進行に伴って急速に低下する。燃焼器内ガス温度の断面平均値も急速に上昇する。ＮＯｘ濃度は、窒素酸化物が酸化された状態に固定化されるまでにある程度の滞留時間が必要であるため、遅れて上昇する。なお、燃料過濃条件下における燃焼のため火炎温度の上昇が抑えられ、ＮＯｘの発生はあるものの、その量は単純な拡散燃焼と比べて抑制されている。
【００５７】
次に領域Ｂにおいて、水素を含んだ第二の燃料が供給される。第二の燃料の供給によってＮＯｘの還元が促進されるため、徐々にＮＯｘの濃度は低下していく。なお、本実施例では、空気孔を利用して第二の燃料を燃焼室に供給しているため、燃料と同時に空気が流入する。第二の燃料供給時に酸素濃度の増加が見られるのは、そのためである。第二の燃料ノズルの燃料噴出孔を燃焼室の側壁に直接取り付けた場合は、空気の流入が防げる。そのため、低酸素濃度化を徹底することが可能である。この場合は、燃料ノズルの燃料噴出孔が第二燃料供給孔を兼ねる。
【００５８】
本実施例の領域Ｂでは、前述の空気の漏れこみによって若干の酸素濃度上昇があるものの、積極的な空気の供給はしていない。したがって、燃料が十分に燃焼するには酸素が不足しており、第二の燃料はほとんど燃焼しない。したがって、領域Ｂでも低酸素状態が維持され、第二の燃料の供給によってガス温度も低下する。更に、水素が還元反応を行うための活性化エネルギーとして上流側で発生した燃焼ガスエンタルピを利用するため、燃焼器内のガス温度は徐々に低下する。
【００５９】
第二の燃料による還元反応は、十分な活性化エネルギーが与えられれば水素濃度にほぼ比例する形で進行する。そのため、第一の燃料に対して第二の燃料の比率を高く取ることが低ＮＯｘ化には有利である。但し、第二の燃料による還元反応を行うための活性化エネルギーを確保するためには、領域Ａ出口の燃焼ガスと第二燃料供給孔１２ａから供給される流体とが完全に混合した際の平均温度（混合平均温度）が、目安として水素の反応開始温度である７００℃以上となる必要がある。したがって、領域Ｂにおけるガス温度が７００℃以上を確保できるように、第一の燃料と第二の燃料の供給流量比率を制御するのが望ましい。
【００６０】
領域Ｃでは、リーン燃焼用空気の供給によって酸素濃度が増し、ＮＯｘ濃度は空気によって希釈されて低下する。また、燃焼器内ガス温度は、新規に流入したリーン燃焼用空気により一旦低下する。しかし、領域Ｂまでは酸素が不足していたため未燃焼のままであった燃料が一気に燃焼するため、燃焼器内ガス温度は上昇する。但し、領域Ｃにおいて未燃であった燃料が燃焼する際には、十分なリーン燃焼用空気の投入によって、燃空比の低い燃料希薄条件で燃焼が行われる。更に、領域Ｃで生成された燃焼ガスはタービン入口に流入して断熱膨張して温度低下するが、ここまでの滞留時間は他の領域と比べて短い。そのため、ＮＯｘが固定化される割合が少なく、新たなＮＯｘ生成をほとんどない状態まで抑制できる。
【００６１】
以上の通り、本実施例の燃焼器は、燃料過濃条件で拡散燃焼する一次燃焼領域（領域Ａ）と、未燃分燃料を完全燃焼する二次燃焼領域（領域Ｃ）の間に、水素含有燃料を吹き込んでＮＯｘ（ＮＯ）を還元する還元領域（領域Ｂ）を設けることを特徴とする。領域Ｂを設けたことで、拡散燃焼を行う領域Ａで発生したＮＯｘが還元されて減少し、従来のリッチ・リーン燃焼よりも排出するＮＯｘを低減できる。よって、拡散燃焼方式によってバーナの信頼性を確保しつつ、水素の還元作用による低ＮＯｘ燃焼が可能な、水素含有燃料対応ガスタービン燃焼器を提供することができる。
【００６２】
また、本実施例によると、水素含有燃料である石炭ガス化ガスを水素含有燃料対応ガスタービン燃焼器に供給することで燃焼器の特長を生かすことができる低ＮＯｘなＩＧＣＣプラントを提供できる。
【００６３】
（運転スケジュール）
図３の運転スケジュールをベースに、ガス化発電プラントを例とした運転スケジュールについて説明する。始動時、ガスタービンは起動用モーター８などの外部動力によって駆動される。ガスタービンの回転数を燃焼器の着火条件に相当する回転数で一定に保持することで、燃焼器には着火に必要な燃焼空気１０２が供給され着火条件が成立する。そうすると、起動用の液体燃料５１が起動用液体燃料ノズル５１ａに供給され、燃焼器３では液体燃料５１の着火が行われる。
【００６４】
その後、燃焼ガス１４０がタービン４に供給され、液体燃料５１の流量の増加とともにタービン４が昇速する。起動用モーター８の離脱によりガスタービンは自立運転に入り、無負荷定格回転数（ＦＳＮＬ：Full Speed No Load）に到達する。
【００６５】
ガスタービンが無負荷定格回転数に到達した後は発電機６の併入と、液体燃料５１の流量増加によるタービン４の入口ガス温度の上昇とによって、負荷が上昇する。負荷併入後は空気分離装置１１に必要な空気１０３をガスタービンより抽気することで、ガス化炉へ必要な酸素と空気分離の際に発生する窒素１３０をガスタービン燃焼器３へ供給可能となる。なお、空気分離装置１１に必要な空気はバックアップ用空気圧縮機１４からも供給できるため、空気分離装置１１より酸素１２０をガス化炉に供給することにより、ガスタービンの起動前からガス化炉の運転が可能となる。
【００６６】
そして、ガス化炉負荷の上昇に伴い石炭ガスの供給が可能になると、燃焼器では液体燃料焚きから石炭ガス焚きへと燃料を切り替える。燃料切り替え操作は、ほぼ一定の負荷条件において行い、第一の燃料ノズル３０１から供給される液体燃料５１の流量の減少に合わせて第一の燃料である石炭ガス化ガス６２ａの流量を増加させ、ガス専焼に切り替える。ガス専焼に切り替えた後は、第二の燃料ノズルから供給する第二の燃料である石炭ガス化ガス６２ｂの流量を増加させることで負荷の上昇を行い、定格負荷（ＦＳＦＬ：Full Speed Full Load）に到達させる。
【００６７】
これらの運転スケジュールを示した図３は、ガスタービン回転数、およびガスタービン負荷に対する液体燃料５１とガス燃料６２の流量の変化と、プラントで発生する窒素流量の変化を示したものである。図中には燃焼器に供給する全燃料流量のうち、第一の燃料と第二の燃料流量の変化を示している。図中のａ〜ｅの状態は、
ａ）起動用燃料による着火時
ｂ）無負荷定格回転数（ＦＳＮＬ）到達時
ｃ）燃料切り替え開始時
ｄ）燃料切り替え完了時
ｅ）定格負荷（ＦＳＦＬ）到達時刻
を表わす。ａ〜ｃが起動用燃料（油）での専焼、ｃ，ｄが起動用燃料とガス燃料との混焼、ｄ，ｅがガス専焼の運転状態である。
【００６８】
まず、起動用液体燃料５１に着火し、燃料流量の増加によってガスタービンの回転数を上昇させる。ガスタービンの回転数が無負荷定格回転数に到達すると、ガスタービンには窒素１３０の供給が可能となる。燃焼器への窒素の供給が可能になった後は、ガスタービンの負荷上昇に伴い空気分離装置へ空気を抽気することが可能となる。抽気できる空気の流量は負荷変化とほぼ比例関係にある。
【００６９】
その後、ガス化ガスの供給が可能となると、ガスタービンでは液体燃料焚きからガス焚きへの燃料切り替えが可能となる（状態ｃ）。燃料切り替え中（ｃ，ｄ）は燃焼安定性の確保のため、ほぼ一定負荷条件のもと、窒素の噴射流量も一定条件で運転する。液体燃料５１の流量の低下とガス燃料６２ａの流量増加に伴い、ガス専焼へと燃料を切り替える（ｄ）。
【００７０】
ガス専焼切り替え後は、第一と第二の燃料供給系統によって供給する燃料流量を、それぞれ制御が可能である。第一と第二の燃料流量をそれぞれ制御することで燃焼室内の燃焼ガス温度の調整が可能となる。更に、供給される燃料の水素含有率やＮＯｘの発生量に応じて、第二燃料ノズルから投入される水素含有燃料の流量を調整することで、領域ＢにおけるＮＯｘの還元を十分に行えるように制御することが可能となる。
【００７１】
本実施例では、ガスタービン負荷の増加に対して、第一の燃料流量を一定流量に制御し、第二の燃料流量を増加させたときの低ＮＯｘ燃焼の例を示しているが、ＮＯｘの排出を抑制するために第一の燃料流量と第二の燃料流量を同時に変化させて負荷に対応することも可能である。また、本実施例ではＣＯ2回収前の石炭ガス化ガス６２を第一，第二の燃料ノズルにそれぞれ６２ａ，６２ｂとして供給し、燃料として使用しているが、ＣＯ2回収後の石炭ガス化ガス６３を第一，第二の燃料ノズルにそれぞれ６３ａ，６３ｂとして供給し、燃料として使用することができる。この場合、燃料中の水素濃度が増すので、領域ＢにおけるＮＯｘの還元効果を向上することができる。
【実施例２】
【００７２】
実施例１ではＩＧＣＣプラントの例について述べた。次に実施例２として、製鉄プラントでコークスを製造する際に発生するＣＯＧを燃料とした発電プラントの運転例を説明する。
【００７３】
図１０に本実施例におけるプラントの系統の概略図を示す。本実施例に示すプラントでは、コークス炉２４から発生するＣＯＧ１６１をガス精製装置２５で精製する。その後、高炉で発生する高炉ガス（ＢＦＧ１６３）と混合して燃料発熱量を調整し、コークス炉の乾留用熱源２４ａの燃料として使用している。また転炉で発生する転炉ガス（ＬＤＧ）は、図示しないガスホールダーに貯蔵した後、ボイラー２９の燃料として使用している。
【００７４】
図７に、ガスタービンの系統と燃焼器の拡大断面図を示す。燃焼器は図１で示した構成とほぼ同じであるが、本プラントにはガス化炉がなく空気分離装置が不要なため、窒素の供給が困難である。そのため、燃焼器には窒素噴射ではなく蒸気（または水）噴射が適用される。蒸気噴射ノズル４３５は、第一の燃料ノズル３０１の外周に配置する。また、燃焼室１２の側壁より第二燃料供給孔１２ａを利用して燃焼器内に第二の燃料１６２ｂを供給する第二の燃料ノズル３０２と、その下流にリーン燃焼用空気１０２ａを供給するための空気孔を配置し、２段階の燃焼が可能な構造とする。
【００７５】
図８に第二燃料供給孔の位置における燃焼器の概略断面図を示す。本実施例では第二の燃料１６２ｂを供給する第二の燃料ノズル３０２は燃焼器外筒１０を貫通する形で燃焼器側壁に配設されており、かつ第二の燃料ノズル周囲からの空気の漏れこみを防止するため、第二燃料ノズル莢１２ｂが設けられている。この構成により還元領域Ｂでの低酸素濃度状態がより徹底できる。
【００７６】
図９に、ガスタービンの運転スケジュールを示す。本実施例では、起動用高カロリー燃料７１としてＬＮＧを用い、第一の燃料ノズルでのＬＮＧ７１からＣＯＧ１６２ａへ燃料は切り替えず、ＬＮＧ７１と第二の燃料ノズル３０２から供給するＣＯＧ１６２ｂとの混焼によってガスタービンの低負荷から定格負荷まで運転する例を示した。
【００７７】
ＬＮＧを用いて第一の燃料ノズルで着火した後は、ＬＮＧ７１の流量を増加させ、ガスタービンの無負荷定格回転数に到達させる（状態ｂ）。負荷併入後、燃焼器には蒸気１３５を供給して、一次燃焼領域における局所火炎温度の上昇を抑えてＮＯｘの発生を抑制し、低酸素濃度の燃焼ガスを発生させる（状態ｃ）。その後、状態Ｃの低負荷条件において、領域Ｂに第二の燃料としてＣＯＧ１６２ｂを供給する。領域Ｂ内でＣＯＧ１６２ｂに含まれる水素の酸化反応によりＮＯｘが還元されるため、ＮＯｘ濃度が低下する。領域Ｃでは空気の供給により領域Ａ、およびＢで燃焼せずに残った未燃分燃料を燃焼することが可能となる。
【００７８】
その後、第二の燃料１６２ｂを増加させ、負荷を高くする。なお、図９では、燃料切り替えの部分負荷条件（状態ｄ）よりも高負荷条件において、負荷の増加とともに蒸気噴射流量を増加する例を示したが、ＮＯｘ排出量に応じて蒸気噴射流量を調整することも可能である。
【００７９】
本実施例では、起動用にＬＮＧを用いたときの運転例を示したが、起動用にＡ重油などの液体燃料５１を用いても同様の効果が得られる。また、第一の燃料ノズルにおいて、部分負荷条件で起動用燃料から第一の水素含有燃料（ＣＯＧ１６２ａ）に燃料を切り替えても同様のＮＯｘ低減効果が得られる。
【００８０】
なお、ＢＦＧ１６３も水素を含む燃料であり、本実施例のＣＯＧ１６２に変えて運用することや、ＣＯＧ１６２と並行、もしくは混合して運用することも可能である。
【００８１】
以上のように、本実施例によると、製鉄プラントから発生する水素含有の副生燃料を水素含有燃料用ガスタービン燃焼器に供給することで、拡散燃焼方式のバーナによって高い信頼性を確保しつつ、水素によるＮＯｘの還元作用によってＮＯｘ排出の少ない発電プラントを提供することができる。発電プラントから得られる電力をプラント全体で利用することで、プラント全体の効率を向上することが可能となる。
【実施例３】
【００８２】
次に実施例３として、石油精製プラントで発生する、いわゆるオフガスを燃料とした発電プラントの運転例を説明する。
【００８３】
図１３に、本実施例に関わるプラントの概略構成を示す。本実施例に示すプラントでは、石油５０を精密蒸留装置３１により蒸留分離してナフサ等に分留する。更に、分解装置３２においてナフサから各種石油化学製品へ展開するとともに、発生するガスの改質装置３３を備えている。いわゆるオフガスと呼ばれる、水素を含んだ副生燃料は蒸留装置３１，分解装置３２，改質装置３３のいずれからも生じる。
【００８４】
本実施例に示すプラントでは、上記の原料オフガスを一旦ガスホールダー３４に貯蔵し、ガス精製装置３５において脱硫などを施す。そして、Ｃ３以上の化学種を液化プロパンガス（ＬＰＧ）２６３として取り出し、残余の水素含有燃料２６２をガスタービン５およびボイラー２９の燃料として使用している。
【００８５】
図１１に、ガスタービンの系統と燃焼器の拡大断面図を示す。燃焼器は図７で示した構成とほぼ同じであり、蒸気（または水）噴射が適用されている。蒸気噴射ノズル４３５は、第一の燃料ノズル３０１の外周に配置する。また、燃焼室１２の側壁より第二燃料供給孔１２ａを利用して燃焼器内に第二の燃料２６２ｂ（または２６３ｂ）を供給する第二の燃料ノズル３０２と、その下流にリーン燃焼用空気１０２ａを供給するための空気孔を配置し、２段階の燃焼が可能な構造とする。
【００８６】
図１２に第二燃料供給孔の位置における燃焼器３のＸ−Ｘ断面における概略断面図を示す。本実施例では第二の燃料６２ｂ（または６３ｂ）を供給する第二の燃料ノズル３０２は、燃焼室１２に直接取り付けられており、エンドカバー５５の第二燃料マニホールドと可撓性配管（フレキシブルチューブ）で連結されている。この構成により、還元領域Ｂでの低酸素濃度状態がより徹底できる。また、燃焼室側壁や第二の燃料ノズルの熱伸びを吸収することで、第二の燃料を確実に燃焼室１２内に供給できると共に、可撓性配管自体の熱伸びで第二燃料ノズル等の破損を招くおそれもない。
【００８７】
また、リーン燃焼用空気１０２ａの導入孔には筒状のガイド部品（スクープ）を設けて、リーン燃焼用空気１０２ａが領域Ｂから流入する燃焼ガスを貫通し、燃焼器中心付近まで到達しやすいよう調整している。この構成により、燃焼ガス中の未燃分燃料とリーン燃焼用空気１０２ａとの急速混合が可能となる。リーン燃焼用空気の導入孔は本実施例のようにスクープを設ける他にも、軸方向に２段に分割して下流側の噴流の貫通を補助するなどして燃焼器中心までの貫通を確保する方法がある。
【００８８】
以上の通り、本実施例によると、石油の生成プロセスで発生する水素含有の副生燃料を水素含有燃料用ガスタービン燃焼器に供給することで、拡散燃焼方式のバーナによって高い信頼性を確保しつつ、水素によるＮＯｘの還元作用によって低ＮＯｘ排出な発電プラントを提供することができる。発電プラントから得られる電力をプラント全体で利用することで、プラント全体の効率を向上することが可能となる。
【００８９】
以上述べたように、各実施例の燃焼器は、空気と燃料とを燃焼させる燃焼室１２と、燃焼室１２の上流側から燃焼室１２に燃料を供給する第一の燃料ノズル３０１とを備え、燃焼室１２の壁面に、水素含有燃料を燃焼室１２内に供給する第二燃料供給孔１２ａを備えている。
【００９０】
このような燃焼器では、第一の燃料ノズル３０１から供給された燃料の燃焼により発生したＮＯｘを、第二燃料供給孔１２ａから供給される、還元剤である水素を含む燃料にて還元することができるため、燃焼器から排出されるＮＯｘの量を低減することができる。この還元作用は前述の領域Ｂで顕著になされる。
【００９１】
さらに各実施例の燃焼器は、第二燃料供給孔１２ａよりも燃焼ガス流れ方向上流側の酸素濃度を減少させる手段を有している。そのため、第二燃料供給孔１２ａよりも燃焼ガス流れ方向上流側、すなわち前述の領域Ａにおいて、燃料過濃条件で燃料を燃焼させることができる。燃料過濃条件で燃焼させることにより、酸素の残存量を顕著に減少させることができる。酸素の残存量が少ないことで、領域Ｂで供給される第二の燃料に含まれる水素は、ＮＯｘに含まれるＯと反応する。これにより、領域Ａで発生したＮＯｘを還元して減らすという効果が得られる。
【００９２】
ここで酸素の残存量が少ないとは、領域Ａの下流において、酸素量が理論燃空比に相当する酸素量の１０％以下であることを意味する。望ましくは１％以下がよく、略０％であれば最も高い効果が得られる。
【００９３】
各実施例の燃焼器では、空気孔の大きさを小さく抑えることにより領域Ａに供給する空気の絶対量を少なく設定している。このようにしても、領域Ａの下流における酸素の残存量を少なくすることができる。
【００９４】
また実施例１の燃焼器は、酸素濃度を減少させる手段として不活性媒体噴射手段である窒素噴射ノズル４３０を有している。窒素噴射ノズル４３０から、不活性媒体である窒素を噴射することで、酸素濃度を低下させるとともに、局所火炎温度を低下させることもでき、燃焼器頭部でのＮＯｘの発生を抑制することができる。
【００９５】
実施例１の燃焼器では、窒素噴射ノズル４３０からの窒素は、空気との混合物として燃焼室１２に噴射している。このようにすることで、構造の複雑化を抑えることができる。
【００９６】
燃料過濃条件で燃料を燃焼させた後の気体は、領域Ｂへ流れる。ここでこの気体中に水素含有燃料が供給される。そうすると、前述の還元作用が起こり、ＮＯｘを低減させることができる。なお、不活性媒体とは燃料の燃焼を促進する効果を持たない媒体のことであり、窒素だけでなく、水蒸気などもこれに該当する。
【００９７】
各実施例の燃焼器は、さらに、第二燃料供給孔１２ａよりも燃焼ガス流れ方向の下流側に、燃焼室１２にリーン燃焼用空気１０２ａを供給する空気孔を有している。この空気孔を備えることにより、領域Ｃを形成することができる。すなわち、水素含有燃料の供給によりＮＯｘを減少させた後に空気を供給することにより、未燃分の燃料を燃焼させることができる。そうすると、前述のように領域Ｂでの未燃分の燃料を、安定してＮＯｘの生成も少ない状態で燃焼させることができる。
【００９８】
以上述べたように、各実施例の燃焼器は拡散燃焼方式を採用しているため、どのような水素含有量の燃料に対しても、信頼性を確保した運転が可能である。そのうえ、上述の通り、局所化炎温度の高温化を抑制したり、発生したＮＯｘを減少させたりできる構成を採用しているため、拡散燃焼方式にも関わらず、低ＮＯｘ運転が可能な燃焼器を提供することができる。
【符号の説明】
【００９９】
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
５ ガスタービン
６ 発電機
８ 起動用モーター
１０ 外筒
１１ 空気分離装置
１２ 燃焼室
１２ａ 第二燃料供給孔
１２ｂ 第二燃料ノズル莢
１３ 窒素の昇圧圧縮機
１４ バックアップ用空気圧縮機
２０ 石炭
２１ ガス化炉
２２ ガス精製装置
２３ ＣＯ2分離回収装置
２４ コークス炉
２４ａ 乾留用熱源
２５ コークス炉ガス精製装置
２６ ガス熱量調整装置
２７ 高炉
２８ 転炉
２９ ボイラー
３０ 空気旋回器
３１ 精製蒸留装置
３２ 分解装置
３３ 改質装置
３４ ガスホールダー
３５ ガス精製装置
５０ 石油
５１ 液体燃料
５１ａ 起動用液体燃料ノズル
５２ ナフサ
５５ エンドカバー
６０ 精製前石炭ガス化ガス
６２ ＣＯ2回収前の石炭ガス化ガス
６３ ＣＯ2回収後の石炭ガス化ガス
７１ 起動用高カロリー燃料
１０１ 空気
１０２ 燃焼用空気
１０２ａ リーン燃焼用空気
１０３ 抽気空気
１２０ 酸素
１３０ 窒素
１３５ 蒸気
１４０ 燃焼ガス
１６０ コークス
１６１ 精製前コークス炉ガス
１６２ コークス炉ガス（ＣＯＧ）
１６３ 高炉ガス（ＢＦＧ）
１６４ 銑鉄
１６５ 転炉ガス（ＬＤＧ）
２６１ 精製前原料オフガス
２６２，２６２ａ，２６２ｂ 製油所オフガス
２６３ 液化プロパンガス（ＬＰＧ）
３０１ 第一の燃料ノズル
３０２ 第二の燃料ノズル
４３０ 窒素噴射ノズル
４３５ 蒸気噴射ノズル
５０１ 噴霧空気
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素含有燃料の運用に対応した燃焼器と、その低ＮＯｘ運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼器において、バーナの信頼性を確保しつつＮＯｘの排出量を抑制する方法として、拡散燃焼方式によるリッチ・リーン燃焼が挙げられる。リッチ・リーン燃焼は燃料を１系統のみで供給する。始めに、燃焼器頭部の一次燃焼領域に供給される燃料を燃料過濃条件で燃焼（リッチ燃焼）させ、火炎温度の上昇を抑制してＮＯｘの発生を抑制する。次に、燃焼器下流の二次燃焼領域において、一次燃焼領域から流下してくる未燃分燃料に空気を供給し、燃料希薄条件で急速に燃焼（リーン燃焼）させるという方式である。
【０００３】
ただし、一次燃焼領域の火炎が長くなるため、燃焼室壁面の冷却を行う必要がある。燃焼室壁面の冷却には空気を利用できるが、そうすると空気の供給により酸素濃度が上昇する。酸素濃度が上昇すると火炎温度が高くなり、ＮＯｘ排出量の増加をもたらす恐れがある。
【０００４】
この対策として燃料系統を２系統設け、燃焼器の軸方向に燃料を分割して供給することで一次燃焼領域の火炎の長さを適正化する技術がある。なお、燃料系統を軸方向に２系統設け、燃料を分割して供給する技術は、特許文献１（特開平８−２１０６４１号公報）に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２１０６４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載された燃焼器は、希薄燃焼用バーナの下流に追焚き用バーナを設けたものである。そして燃料の供給系統を軸方向に二系統に分けることで、軸方向の火炎温度を任意の設定温度以下に制御する構成が記載されている。
【０００７】
しかし、燃焼器頭部のバーナは燃料希薄条件における予混合燃焼方式のバーナである。予混合燃焼方式のバーナに燃焼速度の速い水素含有燃料を用いる場合、火炎がバーナに接近しすぎることで、バーナに焼損を来す可能性があった。一方で、バーナの信頼性を確保するために、予混合方式のバーナを単純に拡散燃焼方式のバーナに替えて設置した場合、拡散燃焼時の局所火炎温度の上昇によってＮＯｘが発生し、低ＮＯｘ化が不十分となるおそれがある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、水素含有燃料に対応してバーナの信頼性を確保しつつ、低ＮＯｘ運転が可能な燃焼器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、空気と燃料とを燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室の上流側から前記燃焼室に燃料を供給する第一の燃料ノズルとを備えたガスタービン燃焼器において、前記燃焼室の壁面に、水素含有燃料を燃焼室内に供給する第二の燃料供給孔を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、水素含有燃料に対しても信頼性を確保した燃焼器及び、その低ＮＯｘ運転方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１に示す燃焼器の構造図である。
【図２】実施例１に示す燃焼器の第二燃料供給孔の位置における燃焼器の概略断面図である。
【図３】実施例１に関するガスタービン負荷に対する燃料、および窒素噴射流量を示す図である。
【図４】実施例１に示す燃焼器の軸方向距離に対する、燃焼室内の酸素濃度，ＮＯｘ濃度、および燃焼器内ガス温度の断面平均値の概念図である。
【図５】実施例１に示す燃焼器内で生起する現象について、燃焼ガス流れ方向に沿ってフローチャートの形式で示した図である。
【図６】実施例１に示す発電プラントの系統概略図である。
【図７】実施例２に示す燃焼器の構造図である。
【図８】実施例２に示す燃焼器の第二燃料供給孔の位置における燃焼器の概略断面図である。
【図９】実施例２に関するガスタービン負荷に対する燃料、および窒素噴射流量を示す図である。
【図１０】実施例２に示す発電プラントの系統概略図である。
【図１１】実施例３に示す燃焼器の構造図である。
【図１２】実施例３に示す燃焼器の第二燃料供給孔の位置における燃焼器の概略断面図である。
【図１３】実施例３に示す発電プラントの系統概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
水素は燃焼の際に二酸化炭素（ＣＯ2）を発生させないため、地球温暖化防止に貢献できる燃料である。そこで近年、ガスタービンでは、資源有効利用の観点からガスタービンの主要燃料であるＬＮＧ（Liquefied Natural Gas）に加え、水素を含む副生燃料を利用することが検討されている。水素を含む副生燃料には、例えば製鉄プラントでコークスを生成する際にコークス炉より発生するガス（ＣＯＧ：Coke Oven Gas）や、石油製油プラントで発生するオフガスがある。また、石炭や重質油を酸素でガス化して得られるガス化ガスも水素を含む燃料である。
【００１３】
石炭を酸素でガス化した燃料によって発電する石炭ガス化複合発電システム（ＩＧＣＣ：Integrated coal Gasification Combined Cycle）は、豊富な資源を有効に利用した発電システムであり、欧米を中心に実用化されている。さらに近年では、地球温暖化防止の観点から燃料中の炭素分を分離・除去するＣＯ2分離回収システム（ＣＣＳ：Carbon dioxide Capture and Storage）が検討されている。ＣＯ2分離回収システムによって燃料中の炭素分が取り除かれると、燃料中の水素分の割合は増加する。このＣＯ2分離回収システムは、ＩＧＣＣやその他の発電システムへの適用も検討されている。
【００１４】
石炭ガス化ガスの代表的な燃料成分は一酸化炭素，水素，窒素および少量のメタンである。それぞれの成分濃度は原料の炭種などに依存して若干の変動はあるが、燃料中の水素濃度はＣＣＳの運転条件に大きく影響を受ける。ＣＣＳによるＣＯ2回収を行う前の石炭ガス化ガスの場合は水素濃度約２５vol.％程度である。一方、高度にＣＯ2回収を行った場合（ＣＯ2回収率９０％）では水素濃度約８５vol.％の高水素濃度燃料となる。
【００１５】
前述の通り、ＩＧＣＣプラントに用いる燃料は、炭種やガス化炉負荷，ＣＣＳの運転条件等によって組成が異なる。そのため、燃料組成の変化に対応可能な燃焼器が必要となる。また、ＣＣＳによってＣＯ2を分離回収した後の燃料は、水素を多量に含んだ燃料となる。したがって、可燃範囲が広く燃焼速度が速いという水素特有の課題に対応した燃焼器が必要となる。
【００１６】
燃料の燃焼方式には、予混合燃焼方式と、拡散燃焼方式とがある。予混合燃焼方式では、燃料と空気を予め混合し、燃料希薄状態で燃焼を行うことで低ＮＯｘ化を図る。しかし、燃焼の際に火炎がバーナに接近しやすくなり、逆火発生のリスクが増加する等の理由からバーナの信頼性を損なう恐れがある。したがって、予混合燃焼方式においては、バーナの信頼性確保が重要な課題となる。
【００１７】
一方、拡散燃焼方式では、燃料と空気をそれぞれ別の流路より燃焼室に供給して燃焼させる。燃料は燃焼室に供給された後に空気と混合されて燃焼する。そのため、逆火の発生を抑制することができ、バーナの信頼性の確保が図れる。しかし、燃料と空気の混合の度合いが不均一なため、局所的に燃料の濃い領域が形成されることで局所火炎温度が高くなり、ＮＯｘの排出量が増える。その対策として、空気分離装置で発生する窒素を燃焼器に噴射し、局所火炎温度を低下する技術がある。しかし、プラント効率向上のために積極的な熱回収を行うと、プラントで発生する窒素や燃料の温度は高くなる。温度の高い窒素では十分な冷却効果は得られにくい。
【００１８】
したがって、拡散燃焼方式と窒素噴射の組合せのみでＮＯｘ排出量の環境規制値を満足するのは難しく、蒸気噴射等の追加的な措置が別途必要となる。仮に蒸気噴射を行う場合、高圧の蒸気が必要である。例えば、併設した蒸気タービンを駆動するための蒸気を利用することが考えられる。ただし、この場合は、本来得られるはずであった蒸気タービンによる仕事が得られなくなる。そのため、プラント全体の効率を低下させてしまうので、他の方式による低ＮＯｘ化が望まれる。
【００１９】
なお、ＩＧＣＣプラントで発生する燃料は、発熱量が約１０ＭＪ／ｍ3Ｎ程度の中カロリーガスである。このガスは一般的な高カロリー燃料であるＬＮＧと比べて火炎温度が高い。そのため、更なるＮＯｘ低減対策が必要となる。
【００２０】
以下、ＮＯｘ低減を可能とする本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００２１】
実施例１は、図６に系統概略を示した石炭ガス化発電プラント（ＩＧＣＣ）に関するものである。
【００２２】
（プラントの構成、及び系統）
本実施例のガス化発電プラントは、図６に示す通り、ガス化炉２１，ガス精製装置２２，ＣＯ2分離回収装置２３，ガスタービン５，空気分離装置１１等で構成される。ガス化炉２１では石炭２０と酸素１２０の反応によって石炭ガス化ガス６０を発生させる。ガス精製装置２２では脱硫・脱塵により燃料中の不純物を除去する。これにより、クリーンな燃料とした石炭ガス化ガス６２が精製される。
【００２３】
石炭ガス化ガス６２の供給系統はガス精製装置２２の出口において、ＣＯ2分離回収装置２３に石炭ガス化ガス６２を供給する系統と、ＣＯ2回収前の石炭ガス化ガス６２をガスタービン５に供給する系統に分岐される。ＣＯ2分離回収装置２３の入口には、ＣＯ2の回収を行う石炭ガス化ガス６２の流量を調整するための流量調節弁３７が備えられている。これにより、ＣＯ2分離回収装置２３に供給する石炭ガス化ガス６２の流量調整が可能である。
【００２４】
また、ＣＯ2分離回収装置２３の出口には、ＣＯ2回収後の石炭ガス化ガス６３（高水素含有燃料）の供給圧力調整や緊急時にガスの供給を遮断するための制御弁３６−１が備えられている。同様に、ＣＯ2回収前の石炭ガス化ガス６２をガスタービン５に供給する系統にも制御弁３６−２が配置されている。前記２つの系統は各系統に設けられた制御弁３６−１，３６−２の下流で合流する。合流後の系統には、ガスタービン５に供給する石炭ガス化ガスの流量を調節するための流量調節弁３９ａ、および３９ｂが備えられている。流量調節弁３９ａ，３９ｂによるガスタービン５に供給する石炭ガス化ガスの流量の調整により、ガスタービンの負荷変化が可能となる。
【００２５】
分岐した前記系統のうち、ＣＯ2分離回収装置２３を介さない系統を用いることで、ＣＯ2回収前の石炭ガス化ガス６２をガスタービン５に直接供給することが可能となる。ガスタービン５では石炭ガス化ガス６２の燃焼により熱エネルギーを発生させる。タービン４によって熱エネルギーを回転エネルギーに変換し、発電機６に動力が伝えられることで発電が可能となる。
【００２６】
分岐したもう一方の系統では、石炭ガス化ガス６２をＣＯ2分離回収装置２３に供給する。ＣＯ2分離回収装置２３内において、石炭ガス化ガスと水蒸気とのシフト反応によって石炭ガス化ガス６２中のＣＯはＣＯ2に転換される。また、同様の反応において水素が発生する。発生したＣＯ2は分離・回収され、ＣＯ2回収後の石炭ガス化ガス６３が燃焼器３へ供給可能となる。ＣＯ2回収率を高めることで燃料中の水素濃度は高くなり、燃焼器３に供給される燃料組成はＣＯ2分離回収装置２３の運転開始前後で大きく異なるのが特徴である。
【００２７】
ＣＯ2回収率の増加に伴って水素含有率は高くなるので、燃焼速度の速い燃料が燃焼器３に供給されることになる。本実施例において、ガス精製装置２２を通過したガス６２をガスタービンに供給しつつＣＯ2分離回収装置２３の運転を始めた場合、燃焼器３に供給される石炭ガス化ガス中の水素含有率は徐々に高くなる。水素含有率の増加に伴い燃焼速度は速くなるので、予混合燃焼方式の場合、逆火のリスクが高くなりバーナの信頼性を損なうおそれがある。
【００２８】
また、プラントでは何らかの理由によってＣＯ２分離回収装置２３を突然停止する場合も想定される。この場合、燃料中の水素含有率はＣＯ２分離回収装置２３の運転時の状態から急激に低下する。そのため、供給される燃料の燃焼速度が低下し、火炎の吹き飛び等の問題が生じる。こういった燃焼速度の変化に対応できるように、幅広い水素含有率に対応可能な燃焼器が必要である。
【００２９】
空気を窒素と酸素に分離する空気分離装置１１には、ガスタービン５の圧縮機２からの抽気空気１０３やバックアップ用空気圧縮機１４からの吐出空気１１０の供給が可能である。ガスタービンの起動前にはバックアップ用空気圧縮機１４の吐出空気１１０の供給により、ガス化炉２１に必要な酸素１２０を供給することができる。
【００３０】
起動用の液体燃料５１にてガスタービン５を起動し、ガスタービン５から空気分離装置１１へ抽気空気１０３の供給が可能となると、抽気空気１０３の流量増加によりバックアップ用空気圧縮機１４の吐出空気１１０の流量を減少させることができる。空気分離装置１１で製造した酸素１２０は、酸素用昇圧圧縮機１５による昇圧後ガス化炉２１へ供給される。また、空気分離の際に発生した窒素１３０は窒素用昇圧圧縮機１３による昇圧後、ガスタービン燃焼器３に供給可能となる。
【００３１】
また、シフト反応を用いたＣＯ2分離回収装置２３を運転することによって、燃焼によって生じるはずであったＣＯ2を予め回収することができ、ＣＯ2排出量が削減できる。更に、ＣＯ2を分離回収後に得られる、水素濃度の高い石炭ガス化ガスを第二の燃料ノズルに供給することで、後述するようにＮＯｘを還元する水素を増加させることが可能となり、更なる低ＮＯｘ化が可能である。
【００３２】
（ガスタービンの系統と燃焼器の構成）
図１に、本実施例のガスタービンの系統と、燃焼器の拡大断面図を示す。ガスタービン５は、圧縮機２、燃焼器３、タービン４、発電機６、及び起動用モーター８等で構成される。ガスタービン５は、圧縮機２が大気より吸込んだ空気１０１を圧縮し、燃焼用空気１０２を燃焼器３へと供給する。燃焼器３は圧縮機２による燃焼用空気１０２と燃料との混合燃焼によって燃焼ガス１４０を発生させる。燃料には、起動用液体燃料５１や水素含有燃料であるＣＯ2回収前石炭ガス化ガス６２ａ等が用いられる。発生した燃焼ガス１４０はタービン４に供給され、回転動力を生む。そして、タービン４の回転動力が圧縮機２及び発電機６に伝達される。圧縮機２に伝えられた回転動力は圧縮動力に用いられ、発電機６に伝えられた回転動力は電気エネルギーに変換される。
【００３３】
燃焼器３は、圧力容器である外筒１０の内側に設けられた、空気と燃料とを燃焼させる燃焼室１２を有する。燃焼室１２には、燃焼ガス流れ方向の上流側に、起動用液体燃料５１と第一の燃料である石炭ガス化ガス６２ａをそれぞれ供給するための第一の燃料ノズル３０１が設けられている。燃焼器３にはこの第一の燃料ノズルから燃焼ガス流れ方向下流側に向かって順に、第二燃料供給孔１２ａ，リーン燃焼用空気１０２ａを供給するための空気孔、燃焼室１２で発生した燃焼ガスをタービンに導くための尾筒（図示せず）などが設けられている。第二燃料供給孔１２ａ、およびリーン燃焼用空気１０２ａの供給用空気孔は、燃焼室１２の壁面に設けられている。そして、第二燃料供給孔１２ａを利用して水素含有燃料である石炭ガス化ガス６２ｂを燃焼室１２内に供給する第二の燃料ノズル３０２が、燃焼室１２の外周に設けられている。
【００３４】
第一の燃料ノズル３０１は、液体燃料による起動を可能にする起動用液体燃料ノズル５１ａと、その外周に位置しＬＮＧなどのガス起動を可能にするガスノズル７１ａ、および保炎を強化する空気旋回器３０から成る。第一の燃料ノズル３０１は、ＬＮＧ等の起動用高カロリー燃料から水素含有燃料への燃料切り替えや、液体燃料から水素含有燃料への燃料切り替えが可能である。
【００３５】
第一の燃料ノズル３０１の外周にはプラントで発生する窒素１３０を燃焼器３内に噴射するための窒素噴射ノズル４３０を備えている。不活性媒体である窒素の噴射によって、リーン燃焼用空気１０２ａを供給する空気孔よりも上流側領域（後述する領域Ａ，Ｂ）の酸素濃度を低下させることができる。また、噴射する空気の攪拌効果で燃料と空気の混合は促進され、局所火炎温度を低下させることもできる。これらの作用により、燃焼器頭部でのＮＯｘ発生を抑制することができる。
【００３６】
また、第一の燃料ノズル３０１は、燃料である起動用液体燃料５１と石炭ガス化ガス６２ａを燃焼室１２に供給する流路と、空気である噴霧空気５０１と燃焼用空気１０２を燃焼室１２に供給する流路とを別々に有している。言い換えれば、燃焼室に供給する前に燃料と空気とを混合する構成を設けていない。つまり、本実施例のバーナは、燃料と空気とを別の流路で燃焼室に供給する拡散燃焼方式のバーナである。
【００３７】
拡散燃焼方式のバーナを採用することで、燃焼速度に関わらず、逆火の発生を抑制することができる。そこで、燃焼速度の速いＣＯ2分離回収後の石炭ガス化ガス６３で運用する際も、燃焼速度の遅いＣＯ2分離回収前の石炭ガス化ガス６２の燃焼速度に合わせて燃料を燃焼室に噴射する。このように運用することで、火炎の吹き飛びを防ぐことができる。逆火の発生と火炎の吹き飛びを防ぐことで、供給する燃料の水素含有率が変化する場合にも高い信頼性が維持できる。
【００３８】
燃焼器３には、第二の燃料ノズル３０２が燃焼室１２の外周に複数本配置されている。第二の燃料６２ｂはエンドカバー５５を介して第二の燃料ノズル３０２に供給される。その後、燃焼室１２の側壁に設けた第二燃料供給孔１２ａを利用して、第二の燃料６２ｂは第二の燃料ノズル３０２から燃焼室１２内に供給される。そのため、第二の燃料ノズル３０２の燃料噴出孔３０３と第二燃料供給孔１２ａは、燃焼器の中心軸を基準に、軸方向の位置と周方向の位相を合わせて配置するのが望ましい。
【００３９】
図２に、燃料噴出孔３０３の位置における、燃焼器３のＸ−Ｘ面における概略断面図を示す。本実施例における第二の燃料ノズル３０２は、エンドカバー５５に設置された８本のペンシル型のノズルであり、燃焼室側壁に開口した第二燃料供給孔１２ａに直面する側面に、単一の噴孔を持つ形状をしている。なお、１本の配管で第二燃料供給孔１２ａ近傍位置まで第二燃料を導いてから円環状のマニホールドを介して燃料を分配供給してもよい。
【００４０】
（低ＮＯｘ燃焼器のコンセプト）
本実施例の燃焼器は図１に破線と矢印で示すように、燃焼室１２内のガス流れ方向上流側から順に、一次燃焼領域（領域Ａ）、および還元領域（領域Ｂ）、二次燃焼領域（領域Ｃ）という三つの領域を形成することを特徴としている。
【００４１】
領域Ａは、燃焼器の軸方向、すなわち主流の流れ方向について、燃焼器の上流側に配置した第一の燃料ノズル３０１から燃料噴出孔３０３の直前までの範囲とする。領域Ｂは、第二の燃料ノズル３０２から、リーン燃焼用空気１０２ａの供給用空気孔の直前までの範囲とする。領域Ｃは、リーン燃焼用空気１０２ａの供給用空気孔から燃焼室出口までの範囲とする。
【００４２】
領域Ａは、第一の燃料ノズル３０１から供給される燃料の燃焼や窒素の噴射によって低酸素濃度の燃焼ガスを発生させる領域である。具体的には、まず、不活性媒体である窒素の噴射によって燃焼用空気１０２の酸素濃度を低下させ、この酸素濃度の低下した燃焼用空気１０２を噴射する。酸素濃度の低下した燃焼用空気１０２を噴射しつつ石炭ガス化ガスを燃料過濃条件で燃焼させて、更に酸素を減少させる。
【００４３】
また、本実施例の領域Ａにおける空気供給孔の開口面積は、火炎が保持できる空気流入量を確保できる範囲で、狭めに設定されている。この構造により、燃焼用空気１０２に含まれる酸素の過度の流入が抑制されるので、火炎の安定性を確保しつつ、領域Ａの下流になるにつれて酸素濃度を十分に低下させることができる。
【００４４】
なお、本実施例の燃焼器３は、燃焼速度の速い水素含有燃料に対しても信頼性を確保するために、燃焼室に空気と燃料を別々に噴射する拡散燃焼方式のバーナを採用している。したがって、燃焼による酸素濃度の低下と同時に、局所火炎温度の上昇によってＮＯｘが発生し、領域Ａで生成される低酸素濃度の燃焼ガスにはＮＯｘが含まれることとなる。
【００４５】
但し、従来技術のリッチ・リーン燃焼におけるリッチ燃焼と同様、燃料過濃条件で燃焼を行うため通常の拡散燃焼より酸素濃度が低く、火炎温度の上昇幅は小さい。そして、前述した窒素噴射によっても火炎温度の上昇が抑制されるので、単純な拡散燃焼方式のバーナよりもＮＯｘの排出量は少ない。加えて、燃料に含まれる水素は最も酸素との親和性の高い化学種であり、窒素がサーマルＮＯｘに転換する反応よりも速い反応速度定数を持つ。すなわち、酸素が窒素との反応よりも速く水素と反応を行うので、ＮＯｘの生成量は更に少なくなる。
【００４６】
次に、領域Ｂについて説明する。領域Ｂは、領域Ａで発生した低酸素濃度の燃焼ガスに含まれるＮＯｘを第二の燃料ノズル３０２から供給する水素含有燃料６２ｂに含まれる水素によって還元し、ＮＯｘを減少させる領域である。具体的には、領域Ａから燃焼室内を流下してくる低酸素濃度の燃焼ガス中に、第二の燃料ノズルから水素含有燃料を投入する。この時、本実施例の構成では、第二燃料供給孔から燃焼用空気が流入するため、領域Ｂの上流側の酸素濃度がわずかに増加する。
【００４７】
分子量の小さい水素は拡散速度が速く、燃焼ガス中にすばやく拡散する。また、７００Ｋ程度の温度条件でも反応する水素にとって燃焼ガスは十分に高温であるから、拡散した水素は領域Ａで発生したＮＯｘのＯと反応する。この水素の酸化反応によってＮＯｘ（ＮＯ）は領域Ｂ内で還元される。したがって、領域Ａで発生したＮＯｘは領域Ｂ内で減少することになる。なお、ＮＯは（１）式の反応によって還元される。
【００４８】
２ＮＯ＋２Ｈ2 → Ｎ2＋２Ｈ2Ｏ ・・・・・・（１）
また、一酸化炭素も還元作用を有する燃料であり、水素に変えて、あるいは同時に供給しても、前述の還元作用を得ることができる。
【００４９】
領域Ｃは、上流側の領域Ｂから流入するガス中の未燃分燃料を、空気と急速に混合して燃焼させる領域である。具体的には、空気孔からリーン燃焼用空気１０２ａを投入し、領域ＡおよびＢで燃焼せずに残った未燃分燃料を燃料希薄条件で燃焼（リーン燃焼）させる。例えば、リーン燃焼用空気１０２ａを軸方向に分けて供給した場合、一つの空気孔から流入するリーン燃焼用空気１０２ａの流量が減り、流入する勢いが弱くなる。流入する勢いが弱いと、燃焼室中心部までリーン燃焼用空気１０２ａが届かず、未燃分燃料との混合が十分に行えない。そうすると、未燃分燃料の濃い領域で、局所火炎温度が上昇し、ＮＯｘが生じる可能性がある。
【００５０】
したがって、領域Ｃにおける燃焼でＮＯｘの発生を抑制するには、リーン燃焼用空気１０２ａと未燃分燃料とを急速に混合することが重要である。急速な混合を実現するためには、リーン燃焼用空気が燃焼ガス中を大きく貫通するように供給し、かつ燃焼ガスを攪拌するような流動形態とすることが望ましい。本実施例では、リーン燃焼用空気について供給孔数を限定し、一つ一つの供給孔径を大きく取ることで燃焼ガスに対する貫通を大きく取り、かつ燃焼ガスを攪拌するような流動形態とすることで急速な混合を行う。
【００５１】
なお、領域ＣにおいてＮＯｘの発生量を抑えたリーン燃焼を実現するには、リーン燃焼用空気が供給孔から燃焼ガス流れ方向の下流側で、かつ燃焼室の軸に垂直な方向について燃焼器中心軸付近まで貫通するようなリーン燃焼用空気の供給方式を取る方法が特に良い。このような供給方式を取れば、リーン燃焼用空気が燃焼器中心軸近傍で衝突することで、淀み領域が燃焼器中心軸近傍に形成される。これにより、燃焼反応の起点となる淀み領域が燃焼室の側壁から遠くなり、燃焼速度の速い水素含有燃料に対しても十分な信頼性が確保できる。また、淀み点近傍には様々な方向からのリーン燃焼用空気の噴流があるため、大きな攪拌効果が期待できる。したがって、領域Ｂからの燃焼ガスとリーン燃焼用空気の急速な混合が達成できる。
【００５２】
未燃分燃料に含まれる水素は、領域Ｂにおいて燃焼ガスによって加熱されていることと分子量が小さいことから拡散速度が速く、空気と急速に混合される。そのため、この領域での局所火炎温度の上昇は少ない。更に領域Ｃでは、領域Ａで発生した燃焼ガスの温度は領域Ｂで供給される水素含有燃料によってすでに低下している。火炎温度の上昇が少ない燃料希薄条件で未燃分燃料を燃焼し、速やかに燃焼室からタービンに向けて流出させている。したがって、領域Ｃにおける火炎温度は低く保たれ、滞留時間も少ないのでＮＯｘの生成は抑制される。
【００５３】
また、一般に燃空比の低い燃料希薄条件における燃焼は燃焼効率が確保しにくく、吹き消えに弱い性質がある。しかし、領域Ｃでは領域Ｂの燃焼ガスのエンタルピにより、リーン燃焼用空気と混合した後の混合平均温度を高く保つことが可能な上、未燃の燃料も還元作用を発揮できるほどの高温状態で保持されてきている。つまり、十分な活性化エネルギーが与えられており、安定な燃焼が実現する。
【００５４】
図４に、燃焼器の軸方向距離に対する、燃焼室内の酸素濃度とＮＯｘ濃度および燃焼器内ガス温度の断面平均値の概念図を示す。ここでは、ガスタービンを定格負荷（ＦＳＦＬ）条件で運転した場合を想定している。定格負荷運転時は第一の燃料ノズル３０１では、起動用液体燃料５１から石炭ガス化ガス６２ａへの燃料切り替えが完了している。また、ガスタービン負荷の上昇が完了した時点で、第一の燃料の流量は一定の流量となるように制御されている。
【００５５】
図５に、燃焼器内で生起する現象について、燃焼ガス流れ方向に沿ってフローチャートの形式で示す。図４，図５を用いて、それぞれの領域における酸素濃度，ＮＯｘ濃度、及び燃焼器内断面平均ガス温度の変化を説明する。
【００５６】
まず、領域Ａにおいて、第一の燃料ノズル３０１から供給される第一の燃料を拡散燃焼方式で燃焼させる。この際、領域Ａでは燃料過濃条件で燃焼が進むため、酸素濃度は反応の進行に伴って急速に低下する。燃焼器内ガス温度の断面平均値も急速に上昇する。ＮＯｘ濃度は、窒素酸化物が酸化された状態に固定化されるまでにある程度の滞留時間が必要であるため、遅れて上昇する。なお、燃料過濃条件下における燃焼のため火炎温度の上昇が抑えられ、ＮＯｘの発生はあるものの、その量は単純な拡散燃焼と比べて抑制されている。
【００５７】
次に領域Ｂにおいて、水素を含んだ第二の燃料が供給される。第二の燃料の供給によってＮＯｘの還元が促進されるため、徐々にＮＯｘの濃度は低下していく。なお、本実施例では、空気孔を利用して第二の燃料を燃焼室に供給しているため、燃料と同時に空気が流入する。第二の燃料供給時に酸素濃度の増加が見られるのは、そのためである。第二の燃料ノズルの燃料噴出孔を燃焼室の側壁に直接取り付けた場合は、空気の流入が防げる。そのため、低酸素濃度化を徹底することが可能である。この場合は、燃料ノズルの燃料噴出孔が第二燃料供給孔を兼ねる。
【００５８】
本実施例の領域Ｂでは、前述の空気の漏れこみによって若干の酸素濃度上昇があるものの、積極的な空気の供給はしていない。したがって、燃料が十分に燃焼するには酸素が不足しており、第二の燃料はほとんど燃焼しない。したがって、領域Ｂでも低酸素状態が維持され、第二の燃料の供給によってガス温度も低下する。更に、水素が還元反応を行うための活性化エネルギーとして上流側で発生した燃焼ガスエンタルピを利用するため、燃焼器内のガス温度は徐々に低下する。
【００５９】
第二の燃料による還元反応は、十分な活性化エネルギーが与えられれば水素濃度にほぼ比例する形で進行する。そのため、第一の燃料に対して第二の燃料の比率を高く取ることが低ＮＯｘ化には有利である。但し、第二の燃料による還元反応を行うための活性化エネルギーを確保するためには、領域Ａ出口の燃焼ガスと第二燃料供給孔１２ａから供給される流体とが完全に混合した際の平均温度（混合平均温度）が、目安として水素の反応開始温度である７００℃以上となる必要がある。したがって、領域Ｂにおけるガス温度が７００℃以上を確保できるように、第一の燃料と第二の燃料の供給流量比率を制御するのが望ましい。
【００６０】
領域Ｃでは、リーン燃焼用空気の供給によって酸素濃度が増し、ＮＯｘ濃度は空気によって希釈されて低下する。また、燃焼器内ガス温度は、新規に流入したリーン燃焼用空気により一旦低下する。しかし、領域Ｂまでは酸素が不足していたため未燃焼のままであった燃料が一気に燃焼するため、燃焼器内ガス温度は上昇する。但し、領域Ｃにおいて未燃であった燃料が燃焼する際には、十分なリーン燃焼用空気の投入によって、燃空比の低い燃料希薄条件で燃焼が行われる。更に、領域Ｃで生成された燃焼ガスはタービン入口に流入して断熱膨張して温度低下するが、ここまでの滞留時間は他の領域と比べて短い。そのため、ＮＯｘが固定化される割合が少なく、新たなＮＯｘ生成をほとんどない状態まで抑制できる。
【００６１】
以上の通り、本実施例の燃焼器は、燃料過濃条件で拡散燃焼する一次燃焼領域（領域Ａ）と、未燃分燃料を完全燃焼する二次燃焼領域（領域Ｃ）の間に、水素含有燃料を吹き込んでＮＯｘ（ＮＯ）を還元する還元領域（領域Ｂ）を設けることを特徴とする。領域Ｂを設けたことで、拡散燃焼を行う領域Ａで発生したＮＯｘが還元されて減少し、従来のリッチ・リーン燃焼よりも排出するＮＯｘを低減できる。よって、拡散燃焼方式によってバーナの信頼性を確保しつつ、水素の還元作用による低ＮＯｘ燃焼が可能な、水素含有燃料対応ガスタービン燃焼器を提供することができる。
【００６２】
また、本実施例によると、水素含有燃料である石炭ガス化ガスを水素含有燃料対応ガスタービン燃焼器に供給することで燃焼器の特長を生かすことができる低ＮＯｘなＩＧＣＣプラントを提供できる。
【００６３】
（運転スケジュール）
図３の運転スケジュールをベースに、ガス化発電プラントを例とした運転スケジュールについて説明する。始動時、ガスタービンは起動用モーター８などの外部動力によって駆動される。ガスタービンの回転数を燃焼器の着火条件に相当する回転数で一定に保持することで、燃焼器には着火に必要な燃焼空気１０２が供給され着火条件が成立する。そうすると、起動用の液体燃料５１が起動用液体燃料ノズル５１ａに供給され、燃焼器３では液体燃料５１の着火が行われる。
【００６４】
その後、燃焼ガス１４０がタービン４に供給され、液体燃料５１の流量の増加とともにタービン４が昇速する。起動用モーター８の離脱によりガスタービンは自立運転に入り、無負荷定格回転数（ＦＳＮＬ：Full Speed No Load）に到達する。
【００６５】
ガスタービンが無負荷定格回転数に到達した後は発電機６の併入と、液体燃料５１の流量増加によるタービン４の入口ガス温度の上昇とによって、負荷が上昇する。負荷併入後は空気分離装置１１に必要な空気１０３をガスタービンより抽気することで、ガス化炉へ必要な酸素と空気分離の際に発生する窒素１３０をガスタービン燃焼器３へ供給可能となる。なお、空気分離装置１１に必要な空気はバックアップ用空気圧縮機１４からも供給できるため、空気分離装置１１より酸素１２０をガス化炉に供給することにより、ガスタービンの起動前からガス化炉の運転が可能となる。
【００６６】
そして、ガス化炉負荷の上昇に伴い石炭ガスの供給が可能になると、燃焼器では液体燃料焚きから石炭ガス焚きへと燃料を切り替える。燃料切り替え操作は、ほぼ一定の負荷条件において行い、第一の燃料ノズル３０１から供給される液体燃料５１の流量の減少に合わせて第一の燃料である石炭ガス化ガス６２ａの流量を増加させ、ガス専焼に切り替える。ガス専焼に切り替えた後は、第二の燃料ノズルから供給する第二の燃料である石炭ガス化ガス６２ｂの流量を増加させることで負荷の上昇を行い、定格負荷（ＦＳＦＬ：Full Speed Full Load）に到達させる。
【００６７】
これらの運転スケジュールを示した図３は、ガスタービン回転数、およびガスタービン負荷に対する液体燃料５１とガス燃料６２の流量の変化と、プラントで発生する窒素流量の変化を示したものである。図中には燃焼器に供給する全燃料流量のうち、第一の燃料と第二の燃料流量の変化を示している。図中のａ〜ｅの状態は、
ａ）起動用燃料による着火時
ｂ）無負荷定格回転数（ＦＳＮＬ）到達時
ｃ）燃料切り替え開始時
ｄ）燃料切り替え完了時
ｅ）定格負荷（ＦＳＦＬ）到達時刻
を表わす。ａ〜ｃが起動用燃料（油）での専焼、ｃ，ｄが起動用燃料とガス燃料との混焼、ｄ，ｅがガス専焼の運転状態である。
【００６８】
まず、起動用液体燃料５１に着火し、燃料流量の増加によってガスタービンの回転数を上昇させる。ガスタービンの回転数が無負荷定格回転数に到達すると、ガスタービンには窒素１３０の供給が可能となる。燃焼器への窒素の供給が可能になった後は、ガスタービンの負荷上昇に伴い空気分離装置へ空気を抽気することが可能となる。抽気できる空気の流量は負荷変化とほぼ比例関係にある。
【００６９】
その後、ガス化ガスの供給が可能となると、ガスタービンでは液体燃料焚きからガス焚きへの燃料切り替えが可能となる（状態ｃ）。燃料切り替え中（ｃ，ｄ）は燃焼安定性の確保のため、ほぼ一定負荷条件のもと、窒素の噴射流量も一定条件で運転する。液体燃料５１の流量の低下とガス燃料６２ａの流量増加に伴い、ガス専焼へと燃料を切り替える（ｄ）。
【００７０】
ガス専焼切り替え後は、第一と第二の燃料供給系統によって供給する燃料流量を、それぞれ制御が可能である。第一と第二の燃料流量をそれぞれ制御することで燃焼室内の燃焼ガス温度の調整が可能となる。更に、供給される燃料の水素含有率やＮＯｘの発生量に応じて、第二燃料ノズルから投入される水素含有燃料の流量を調整することで、領域ＢにおけるＮＯｘの還元を十分に行えるように制御することが可能となる。
【００７１】
本実施例では、ガスタービン負荷の増加に対して、第一の燃料流量を一定流量に制御し、第二の燃料流量を増加させたときの低ＮＯｘ燃焼の例を示しているが、ＮＯｘの排出を抑制するために第一の燃料流量と第二の燃料流量を同時に変化させて負荷に対応することも可能である。また、本実施例ではＣＯ2回収前の石炭ガス化ガス６２を第一，第二の燃料ノズルにそれぞれ６２ａ，６２ｂとして供給し、燃料として使用しているが、ＣＯ2回収後の石炭ガス化ガス６３を第一，第二の燃料ノズルにそれぞれ６３ａ，６３ｂとして供給し、燃料として使用することができる。この場合、燃料中の水素濃度が増すので、領域ＢにおけるＮＯｘの還元効果を向上することができる。
【実施例２】
【００７２】
実施例１ではＩＧＣＣプラントの例について述べた。次に実施例２として、製鉄プラントでコークスを製造する際に発生するＣＯＧを燃料とした発電プラントの運転例を説明する。
【００７３】
図１０に本実施例におけるプラントの系統の概略図を示す。本実施例に示すプラントでは、コークス炉２４から発生するＣＯＧ１６１をガス精製装置２５で精製する。その後、高炉で発生する高炉ガス（ＢＦＧ１６３）と混合して燃料発熱量を調整し、コークス炉の乾留用熱源２４ａの燃料として使用している。また転炉で発生する転炉ガス（ＬＤＧ）は、図示しないガスホールダーに貯蔵した後、ボイラー２９の燃料として使用している。
【００７４】
図７に、ガスタービンの系統と燃焼器の拡大断面図を示す。燃焼器は図１で示した構成とほぼ同じであるが、本プラントにはガス化炉がなく空気分離装置が不要なため、窒素の供給が困難である。そのため、燃焼器には窒素噴射ではなく蒸気（または水）噴射が適用される。蒸気噴射ノズル４３５は、第一の燃料ノズル３０１の外周に配置する。また、燃焼室１２の側壁より第二燃料供給孔１２ａを利用して燃焼器内に第二の燃料１６２ｂを供給する第二の燃料ノズル３０２と、その下流にリーン燃焼用空気１０２ａを供給するための空気孔を配置し、２段階の燃焼が可能な構造とする。
【００７５】
図８に第二燃料供給孔の位置における燃焼器の概略断面図を示す。本実施例では第二の燃料１６２ｂを供給する第二の燃料ノズル３０２は燃焼器外筒１０を貫通する形で燃焼器側壁に配設されており、かつ第二の燃料ノズル周囲からの空気の漏れこみを防止するため、第二燃料ノズル莢１２ｂが設けられている。この構成により還元領域Ｂでの低酸素濃度状態がより徹底できる。
【００７６】
図９に、ガスタービンの運転スケジュールを示す。本実施例では、起動用高カロリー燃料７１としてＬＮＧを用い、第一の燃料ノズルでのＬＮＧ７１からＣＯＧ１６２ａへ燃料は切り替えず、ＬＮＧ７１と第二の燃料ノズル３０２から供給するＣＯＧ１６２ｂとの混焼によってガスタービンの低負荷から定格負荷まで運転する例を示した。
【００７７】
ＬＮＧを用いて第一の燃料ノズルで着火した後は、ＬＮＧ７１の流量を増加させ、ガスタービンの無負荷定格回転数に到達させる（状態ｂ）。負荷併入後、燃焼器には蒸気１３５を供給して、一次燃焼領域における局所火炎温度の上昇を抑えてＮＯｘの発生を抑制し、低酸素濃度の燃焼ガスを発生させる（状態ｃ）。その後、状態Ｃの低負荷条件において、領域Ｂに第二の燃料としてＣＯＧ１６２ｂを供給する。領域Ｂ内でＣＯＧ１６２ｂに含まれる水素の酸化反応によりＮＯｘが還元されるため、ＮＯｘ濃度が低下する。領域Ｃでは空気の供給により領域Ａ、およびＢで燃焼せずに残った未燃分燃料を燃焼することが可能となる。
【００７８】
その後、第二の燃料１６２ｂを増加させ、負荷を高くする。なお、図９では、燃料切り替えの部分負荷条件（状態ｄ）よりも高負荷条件において、負荷の増加とともに蒸気噴射流量を増加する例を示したが、ＮＯｘ排出量に応じて蒸気噴射流量を調整することも可能である。
【００７９】
本実施例では、起動用にＬＮＧを用いたときの運転例を示したが、起動用にＡ重油などの液体燃料５１を用いても同様の効果が得られる。また、第一の燃料ノズルにおいて、部分負荷条件で起動用燃料から第一の水素含有燃料（ＣＯＧ１６２ａ）に燃料を切り替えても同様のＮＯｘ低減効果が得られる。
【００８０】
なお、ＢＦＧ１６３も水素を含む燃料であり、本実施例のＣＯＧ１６２に変えて運用することや、ＣＯＧ１６２と並行、もしくは混合して運用することも可能である。
【００８１】
以上のように、本実施例によると、製鉄プラントから発生する水素含有の副生燃料を水素含有燃料用ガスタービン燃焼器に供給することで、拡散燃焼方式のバーナによって高い信頼性を確保しつつ、水素によるＮＯｘの還元作用によってＮＯｘ排出の少ない発電プラントを提供することができる。発電プラントから得られる電力をプラント全体で利用することで、プラント全体の効率を向上することが可能となる。
【実施例３】
【００８２】
次に実施例３として、石油精製プラントで発生する、いわゆるオフガスを燃料とした発電プラントの運転例を説明する。
【００８３】
図１３に、本実施例に関わるプラントの概略構成を示す。本実施例に示すプラントでは、石油５０を精密蒸留装置３１により蒸留分離してナフサ等に分留する。更に、分解装置３２においてナフサから各種石油化学製品へ展開するとともに、発生するガスの改質装置３３を備えている。いわゆるオフガスと呼ばれる、水素を含んだ副生燃料は蒸留装置３１，分解装置３２，改質装置３３のいずれからも生じる。
【００８４】
本実施例に示すプラントでは、上記の原料オフガスを一旦ガスホールダー３４に貯蔵し、ガス精製装置３５において脱硫などを施す。そして、Ｃ３以上の化学種を液化プロパンガス（ＬＰＧ）２６３として取り出し、残余の水素含有燃料２６２をガスタービン５およびボイラー２９の燃料として使用している。
【００８５】
図１１に、ガスタービンの系統と燃焼器の拡大断面図を示す。燃焼器は図７で示した構成とほぼ同じであり、蒸気（または水）噴射が適用されている。蒸気噴射ノズル４３５は、第一の燃料ノズル３０１の外周に配置する。また、燃焼室１２の側壁より第二燃料供給孔１２ａを利用して燃焼器内に第二の燃料２６２ｂ（または２６３ｂ）を供給する第二の燃料ノズル３０２と、その下流にリーン燃焼用空気１０２ａを供給するための空気孔を配置し、２段階の燃焼が可能な構造とする。
【００８６】
図１２に第二燃料供給孔の位置における燃焼器３のＸ−Ｘ断面における概略断面図を示す。本実施例では第二の燃料６２ｂ（または６３ｂ）を供給する第二の燃料ノズル３０２は、燃焼室１２に直接取り付けられており、エンドカバー５５の第二燃料マニホールドと可撓性配管（フレキシブルチューブ）で連結されている。この構成により、還元領域Ｂでの低酸素濃度状態がより徹底できる。また、燃焼室側壁や第二の燃料ノズルの熱伸びを吸収することで、第二の燃料を確実に燃焼室１２内に供給できると共に、可撓性配管自体の熱伸びで第二燃料ノズル等の破損を招くおそれもない。
【００８７】
また、リーン燃焼用空気１０２ａの導入孔には筒状のガイド部品（スクープ）を設けて、リーン燃焼用空気１０２ａが領域Ｂから流入する燃焼ガスを貫通し、燃焼器中心付近まで到達しやすいよう調整している。この構成により、燃焼ガス中の未燃分燃料とリーン燃焼用空気１０２ａとの急速混合が可能となる。リーン燃焼用空気の導入孔は本実施例のようにスクープを設ける他にも、軸方向に２段に分割して下流側の噴流の貫通を補助するなどして燃焼器中心までの貫通を確保する方法がある。
【００８８】
以上の通り、本実施例によると、石油の生成プロセスで発生する水素含有の副生燃料を水素含有燃料用ガスタービン燃焼器に供給することで、拡散燃焼方式のバーナによって高い信頼性を確保しつつ、水素によるＮＯｘの還元作用によって低ＮＯｘ排出な発電プラントを提供することができる。発電プラントから得られる電力をプラント全体で利用することで、プラント全体の効率を向上することが可能となる。
【００８９】
以上述べたように、各実施例の燃焼器は、空気と燃料とを燃焼させる燃焼室１２と、燃焼室１２の上流側から燃焼室１２に燃料を供給する第一の燃料ノズル３０１とを備え、燃焼室１２の壁面に、水素含有燃料を燃焼室１２内に供給する第二燃料供給孔１２ａを備えている。
【００９０】
このような燃焼器では、第一の燃料ノズル３０１から供給された燃料の燃焼により発生したＮＯｘを、第二燃料供給孔１２ａから供給される、還元剤である水素を含む燃料にて還元することができるため、燃焼器から排出されるＮＯｘの量を低減することができる。この還元作用は前述の領域Ｂで顕著になされる。
【００９１】
さらに各実施例の燃焼器は、第二燃料供給孔１２ａよりも燃焼ガス流れ方向上流側の酸素濃度を減少させる手段を有している。そのため、第二燃料供給孔１２ａよりも燃焼ガス流れ方向上流側、すなわち前述の領域Ａにおいて、燃料過濃条件で燃料を燃焼させることができる。燃料過濃条件で燃焼させることにより、酸素の残存量を顕著に減少させることができる。酸素の残存量が少ないことで、領域Ｂで供給される第二の燃料に含まれる水素は、ＮＯｘに含まれるＯと反応する。これにより、領域Ａで発生したＮＯｘを還元して減らすという効果が得られる。
【００９２】
ここで酸素の残存量が少ないとは、領域Ａの下流において、酸素量が理論燃空比に相当する酸素量の１０％以下であることを意味する。望ましくは１％以下がよく、略０％であれば最も高い効果が得られる。
【００９３】
各実施例の燃焼器では、空気孔の大きさを小さく抑えることにより領域Ａに供給する空気の絶対量を少なく設定している。このようにしても、領域Ａの下流における酸素の残存量を少なくすることができる。
【００９４】
また実施例１の燃焼器は、酸素濃度を減少させる手段として不活性媒体噴射手段である窒素噴射ノズル４３０を有している。窒素噴射ノズル４３０から、不活性媒体である窒素を噴射することで、酸素濃度を低下させるとともに、局所火炎温度を低下させることもでき、燃焼器頭部でのＮＯｘの発生を抑制することができる。
【００９５】
実施例１の燃焼器では、窒素噴射ノズル４３０からの窒素は、空気との混合物として燃焼室１２に噴射している。このようにすることで、構造の複雑化を抑えることができる。
【００９６】
燃料過濃条件で燃料を燃焼させた後の気体は、領域Ｂへ流れる。ここでこの気体中に水素含有燃料が供給される。そうすると、前述の還元作用が起こり、ＮＯｘを低減させることができる。なお、不活性媒体とは燃料の燃焼を促進する効果を持たない媒体のことであり、窒素だけでなく、水蒸気などもこれに該当する。
【００９７】
各実施例の燃焼器は、さらに、第二燃料供給孔１２ａよりも燃焼ガス流れ方向の下流側に、燃焼室１２にリーン燃焼用空気１０２ａを供給する空気孔を有している。この空気孔を備えることにより、領域Ｃを形成することができる。すなわち、水素含有燃料の供給によりＮＯｘを減少させた後に空気を供給することにより、未燃分の燃料を燃焼させることができる。そうすると、前述のように領域Ｂでの未燃分の燃料を、安定してＮＯｘの生成も少ない状態で燃焼させることができる。
【００９８】
以上述べたように、各実施例の燃焼器は拡散燃焼方式を採用しているため、どのような水素含有量の燃料に対しても、信頼性を確保した運転が可能である。そのうえ、上述の通り、局所化炎温度の高温化を抑制したり、発生したＮＯｘを減少させたりできる構成を採用しているため、拡散燃焼方式にも関わらず、低ＮＯｘ運転が可能な燃焼器を提供することができる。
【符号の説明】
【００９９】
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
５ ガスタービン
６ 発電機
８ 起動用モーター
１０ 外筒
１１ 空気分離装置
１２ 燃焼室
１２ａ 第二燃料供給孔
１２ｂ 第二燃料ノズル莢
１３ 窒素の昇圧圧縮機
１４ バックアップ用空気圧縮機
２０ 石炭
２１ ガス化炉
２２ ガス精製装置
２３ ＣＯ2分離回収装置
２４ コークス炉
２４ａ 乾留用熱源
２５ コークス炉ガス精製装置
２６ ガス熱量調整装置
２７ 高炉
２８ 転炉
２９ ボイラー
３０ 空気旋回器
３１ 精製蒸留装置
３２ 分解装置
３３ 改質装置
３４ ガスホールダー
３５ ガス精製装置
５０ 石油
５１ 液体燃料
５１ａ 起動用液体燃料ノズル
５２ ナフサ
５５ エンドカバー
６０ 精製前石炭ガス化ガス
６２ ＣＯ2回収前の石炭ガス化ガス
６３ ＣＯ2回収後の石炭ガス化ガス
７１ 起動用高カロリー燃料
１０１ 空気
１０２ 燃焼用空気
１０２ａ リーン燃焼用空気
１０３ 抽気空気
１２０ 酸素
１３０ 窒素
１３５ 蒸気
１４０ 燃焼ガス
１６０ コークス
１６１ 精製前コークス炉ガス
１６２ コークス炉ガス（ＣＯＧ）
１６３ 高炉ガス（ＢＦＧ）
１６４ 銑鉄
１６５ 転炉ガス（ＬＤＧ）
２６１ 精製前原料オフガス
２６２，２６２ａ，２６２ｂ 製油所オフガス
２６３ 液化プロパンガス（ＬＰＧ）
３０１ 第一の燃料ノズル
３０２ 第二の燃料ノズル
４３０ 窒素噴射ノズル
４３５ 蒸気噴射ノズル
５０１ 噴霧空気
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気と燃料とを燃焼させる燃焼室と、
前記燃焼室の上流側から前記燃焼室に燃料を供給する第一の燃料ノズルと、
を備えた燃焼器において、
前記燃焼室の壁面に、水素含有燃料を燃焼室内に供給する第二の燃料供給孔を備えたことを特徴とする燃焼器。
【請求項２】
空気と燃料とを燃焼させる燃焼室と、
前記燃焼室の上流側から前記燃焼室に燃料を供給する第一の燃料ノズルと、
を備えた燃焼器において、
前記第一燃料ノズルから供給された燃料を燃料過濃条件で燃焼させるよう構成し、
前記燃料過濃条件で燃焼した気体中に水素含有燃料を供給する第二の燃料供給孔を備えたことを特徴とする燃焼器。
【請求項３】
空気と燃料とを燃焼させる燃焼室と、
前記燃焼室の上流側から前記燃焼室に燃料を供給する第一の燃料ノズルと、
を備えた燃焼器において、
前記第一の燃料ノズルから供給された燃料の燃焼により発生したＮＯｘを還元する還元剤を供給する第二燃料供給孔を備えたことを特徴とする燃焼器。
【請求項４】
請求項１〜３に記載の燃焼器において、
前記第二燃料供給孔よりも燃焼ガス流れ方向の下流側に、前記燃焼室に空気を供給する空気孔を設けたことを特徴とする燃焼器。
【請求項５】
請求項１〜４に記載の燃焼器において、
前記第二燃料供給孔よりも燃焼ガス流れ方向上流側の酸素濃度を減少させる手段を有することを特徴とする燃焼器。
【請求項６】
請求項５に記載の燃焼器において、
前記酸素濃度を減少させる手段として、不活性媒体噴射手段を有することを特徴とする燃焼器。
【請求項７】
請求項６に記載の燃焼器において、
前記不活性媒体噴射手段は、前記燃焼室に不活性媒体と空気の混合物を噴射するよう構成されていることを特徴とする燃焼器。
【請求項８】
請求項１〜７に記載の燃焼器と、
前記燃焼器に圧縮空気を供給する圧縮機と、
前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより駆動されるタービンと、
前記タービンの駆動力により発電する発電機とを備えた発電プラントにおいて、
燃料の水素濃度を高める手段を備え、
前記水素濃度を高める手段により水素濃度を高めた燃料を、前記燃焼器の前記第二の燃料供給孔に供給することを特徴とする発電プラント。
【請求項９】
請求項８に記載の発電プラントにおいて、
前記水素濃度を高める手段は、炭素分と水蒸気とのシフト反応を利用したものであることを特徴とする発電プラント。
【請求項１０】
請求項８に記載の発電プラントにおいて、
前記水素含有燃料が製鉄プロセスで発生するガス燃料であることを特徴とする発電プラント。
【請求項１１】
請求項８に記載の発電プラントにおいて、
前記水素含有燃料が石炭を酸素によってガス化することで精製されるガスであることを特徴とする発電プラント。
【請求項１２】
請求項８に記載の発電プラントにおいて、
前記水素含有燃料が、石油の精製プロセスで発生する副生燃料であることを特徴とする発電プラント。
【請求項１３】
空気と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃料の燃焼方法において、
前記燃焼ガスに水素含有燃料を供給することにより、空気と燃料との燃焼で発生したＮＯｘを還元反応にて減少させることを特徴とする燃料の燃焼方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃料の燃焼方法において、
水素含有燃料の供給によりＮＯｘを減少させた後に空気を供給することにより、未燃分の燃料を燃焼させることを特徴とする燃料の燃焼方法。
【請求項１５】
請求項１〜７に記載の燃焼器の運転方法において、
燃料に含まれる水素濃度と前記燃焼室内ＮＯｘ濃度の少なくとも一方に基づいて、前記第一の燃料ノズルから供給する燃料流量と前記第二の燃料ノズルから供給する燃料流量の少なくとも一方を制御することを特徴とする燃焼器の運転方法。
【請求項１】
空気と燃料とを燃焼させる燃焼室と、
前記燃焼室の上流側から前記燃焼室に燃料を供給する第一の燃料ノズルと、
を備えた燃焼器において、
前記燃焼室の壁面に、水素含有燃料を燃焼室内に供給する第二の燃料供給孔を備えたことを特徴とする燃焼器。
【請求項２】
空気と燃料とを燃焼させる燃焼室と、
前記燃焼室の上流側から前記燃焼室に燃料を供給する第一の燃料ノズルと、
を備えた燃焼器において、
前記第一燃料ノズルから供給された燃料を燃料過濃条件で燃焼させるよう構成し、
前記燃料過濃条件で燃焼した気体中に水素含有燃料を供給する第二の燃料供給孔を備えたことを特徴とする燃焼器。
【請求項３】
空気と燃料とを燃焼させる燃焼室と、
前記燃焼室の上流側から前記燃焼室に燃料を供給する第一の燃料ノズルと、
を備えた燃焼器において、
前記第一の燃料ノズルから供給された燃料の燃焼により発生したＮＯｘを還元する還元剤を供給する第二燃料供給孔を備えたことを特徴とする燃焼器。
【請求項４】
請求項１〜３に記載の燃焼器において、
前記第二燃料供給孔よりも燃焼ガス流れ方向の下流側に、前記燃焼室に空気を供給する空気孔を設けたことを特徴とする燃焼器。
【請求項５】
請求項１〜４に記載の燃焼器において、
前記第二燃料供給孔よりも燃焼ガス流れ方向上流側の酸素濃度を減少させる手段を有することを特徴とする燃焼器。
【請求項６】
請求項５に記載の燃焼器において、
前記酸素濃度を減少させる手段として、不活性媒体噴射手段を有することを特徴とする燃焼器。
【請求項７】
請求項６に記載の燃焼器において、
前記不活性媒体噴射手段は、前記燃焼室に不活性媒体と空気の混合物を噴射するよう構成されていることを特徴とする燃焼器。
【請求項８】
請求項１〜７に記載の燃焼器と、
前記燃焼器に圧縮空気を供給する圧縮機と、
前記燃焼器で生成された燃焼ガスにより駆動されるタービンと、
前記タービンの駆動力により発電する発電機とを備えた発電プラントにおいて、
燃料の水素濃度を高める手段を備え、
前記水素濃度を高める手段により水素濃度を高めた燃料を、前記燃焼器の前記第二の燃料供給孔に供給することを特徴とする発電プラント。
【請求項９】
請求項８に記載の発電プラントにおいて、
前記水素濃度を高める手段は、炭素分と水蒸気とのシフト反応を利用したものであることを特徴とする発電プラント。
【請求項１０】
請求項８に記載の発電プラントにおいて、
前記水素含有燃料が製鉄プロセスで発生するガス燃料であることを特徴とする発電プラント。
【請求項１１】
請求項８に記載の発電プラントにおいて、
前記水素含有燃料が石炭を酸素によってガス化することで精製されるガスであることを特徴とする発電プラント。
【請求項１２】
請求項８に記載の発電プラントにおいて、
前記水素含有燃料が、石油の精製プロセスで発生する副生燃料であることを特徴とする発電プラント。
【請求項１３】
空気と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃料の燃焼方法において、
前記燃焼ガスに水素含有燃料を供給することにより、空気と燃料との燃焼で発生したＮＯｘを還元反応にて減少させることを特徴とする燃料の燃焼方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃料の燃焼方法において、
水素含有燃料の供給によりＮＯｘを減少させた後に空気を供給することにより、未燃分の燃料を燃焼させることを特徴とする燃料の燃焼方法。
【請求項１５】
請求項１〜７に記載の燃焼器の運転方法において、
燃料に含まれる水素濃度と前記燃焼室内ＮＯｘ濃度の少なくとも一方に基づいて、前記第一の燃料ノズルから供給する燃料流量と前記第二の燃料ノズルから供給する燃料流量の少なくとも一方を制御することを特徴とする燃焼器の運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−７５１７４（Ｐ２０１１−７５１７４Ａ）
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２５８９６（Ｐ２００９−２２５８９６）
【出願日】平成２１年９月３０日（２００９．９．３０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月３０日（２００９．９．３０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
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