(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気圧縮手段と、圧縮された空気から酸素と窒素とを分離する酸素製造手段と、分離された酸素により重油または石炭を酸化しガス化ガスを製造するガス化手段と、燃料を燃焼室に供給する燃料ノズルを有しガス化ガスと前記空気圧縮手段からの圧縮空気とを混合し前記ガス化ガスを燃焼させるガスタービン燃焼器と、前記ガスタービン燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、ガスタービンにより駆動されて発電する発電機とからなるガス化発電プラントのガスタービン燃焼器において、前記燃焼室と前記空気とにそれぞれ前記窒素を供給する手段と、前記燃焼室に供給される前記窒素の流量と前記空気に供給される前記窒素の流量との比率をガスタービンの発電負荷に応じて制御する手段とを備えたことを特徴とするガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器。
【請求項２】
請求項１に記載のガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器において、前記燃焼室に供給される前記窒素流量に対する前記空気に供給される前記窒素流量の比率が、ガスタービンの低負荷時に比べて高負荷時に高くなるように制御することを特徴とするガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス化発電プラントのガスタービン燃焼器に係り、特に、酸素を主成分とする酸化剤により重油または石炭をガス化する際に、酸素製造装置により生成される窒素を使用し、発電プラントに搭載するガスタービン燃焼器を全負荷領域において低ＮＯｘ化する燃焼手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
天然ガスを燃料とする従来のガスタービン燃焼器では、低ＮＯｘ化するため、燃料と空気とを予め混合して燃焼する予混合燃焼方式を採用している。この方式においては、燃料と空気とを予混合することにより、燃焼室内部で低温均一燃焼させる。
【０００３】
一方、本発明が対象とする重油ガス化または石炭ガス化発電プラントにおいては、酸素でガス化した場合の燃料の燃焼速度が、天然ガスの燃焼速度よりも非常に速い。しかも、原料となる重油の種類または石炭の炭種すなわちそれらから得られるガスの組成によっては、燃焼速度が大きく異なるため、不安定燃焼が誘発されたり、保炎器への火炎付着などの問題を生じやすい。
【０００４】
そこで、酸素酸化方式の石炭ガス化発電プラントにおいては、炭種などに影響されず燃焼を安定させるために、拡散燃焼方式を採用し、ガス化炉に必要な酸素を取り出す際に発生する窒素を燃焼器に供給し、局所的な高温領域を希釈することにより、低ＮＯｘ化しようとしている。
【０００５】
窒素を利用した低ＮＯｘ燃焼方式は、特開平０８−０９３５０１号公報またはＡＳＭＥ８５−ＧＴ−９８などに記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
酸素酸化方式によるガス化ガスの発熱量は、空気酸化方式で得られるガスの約２．５倍であり、天然ガスの約３分の１程度である。しかし、このガス化ガスをガスタービン燃焼器で燃焼させた場合、燃料と空気との理想混合比すなわち量論混合比における最高火炎温度は、天然ガスのそれより約２００℃も高くなるので、火炎温度の上昇に比例してガスタービン燃焼器から排出されるＮＯｘの濃度が高くなる問題があった。
【０００７】
既に述べたように、燃料と空気とを予め混合して燃焼させる予混合燃焼方式においては、燃焼ガスの温度を均一化してしかも低温燃焼させるので、燃焼器から排出されるＮＯｘの排出濃度を低減できる利点がある。
【０００８】
しかし、中カロリーガスの燃焼速度すなわち火炎の伝幡速度が、天然ガスと比べて数倍も速く、しかも、原料炭の種類に応じて燃焼速度も異なるので、予混合燃焼によりガスタービンの運用負荷の全領域をカバーすることは、困難と考えられる。
【０００９】
そのため、本発明が対象とするガス化発電プラントのガスタービン燃焼器においては、燃焼室の軸方向に複数の燃焼用空気孔を設け、燃焼室内部の軸方向の温度領域を適正化し、完全燃焼させる拡散燃焼方式が有効であると考えられている。すなわち、この低ＮＯｘ燃焼方式においては、原料ガス化炉に必要な酸素を製造する際に発生する窒素を火炎温度希釈用の媒体として利用する。なお、前記窒素は、ガスタービンの抽気空気またはガス化炉の原料用空気圧縮機から送られる空気を原料として、酸素を製造する際に、製造される。
【００１０】
窒素を利用した低ＮＯｘ燃焼方式としては、ａ．ガスタービン燃焼器の圧縮機吐出空気中に窒素を噴射混合する方法  ｂ．燃焼器内の火炎に窒素を噴射混合する方法  ｃ．燃料中に窒素を噴射混合し燃料発熱量を低下させる方法  などが考えられる。
【００１１】
しかし、窒素を噴射させる位置によっては、不安定燃焼を誘発したり、ＮＯｘを満足には低減できないおそれがある。
【００１２】
例えば、上記ａの圧縮機吐出空気中に窒素を噴射混合する方法において、ガスタービンの車室入口部で空気中に窒素を混合させると、燃焼器後部の希釈空気孔から窒素が供給されてしまって、燃焼器の比較的高温領域が存在する頭部には、必要な窒素が供給されないため、充分に低ＮＯｘ化できないおそれがある。
【００１３】
一方、燃焼器頭部のスワラ空気中に窒素を全量供給した場合、燃焼に必要なスワラ空気の酸素濃度を確保できず、不安定燃焼を誘発する可能性がある。
【００１４】
上記ｂの燃焼器内部に窒素を直接噴射する方法において、燃焼ガスと窒素との混合特性によっては、火炎温度の低減効果が不十分であったり、火炎安定性が悪化したりすることもある。
【００１５】
上記ｃの窒素を燃料に混合する方法においては、燃料ガスの発熱量が低下し、局所的な火炎温度の上昇を防止できるので、ａ，ｂの方法と比較して、低ＮＯｘ化を達成することは容易ではあるが、窒素の供給圧力に対して燃料の供給圧力が高いため、窒素混合の際に、昇圧動力が他の方法と比べて大きくなり、プラント効率低下の要因となる。したがって、窒素の噴射位置によっては、上記問題を抱えることになる。
【００１６】
また、ガスタービンの運用負荷の範囲は非常に広く、無負荷条件と定格負荷条件では、燃焼器に供給される燃料流量が約３倍も異なるから、燃焼器内部で生成される高温領域の位置が負荷によって異なる。低負荷条件では、その高温領域が小さいために、窒素噴射しながら安定に燃焼させることが課題となる。一方、高負荷条件では、その領域が大きくなるため、窒素を効率よく混合させてＮＯｘを低減することが課題となる。
【００１７】
窒素を燃料に混合すると、石炭ガス化ガスの発熱量が低下するので、火炎温度が局所的に高温になることを防止できる。しかし、窒素供給圧に比べて、燃料の供給圧力が高いから、燃料に混合する前に、窒素を昇圧する必要があり、プラント効率が低下してしまう。酸素酸化方式による石炭ガス化ガスの発熱量は、２５００  ｋｃａｌ／Ｎｍ３であるのに対して、システム上得られる最大窒素量を燃料に混合すると、発熱量は、１０００  ｋｃａｌ／Ｎｍ３程度まで低下するから、燃焼安定性が損なわれるおそれがある。
【００１８】
窒素を燃焼室内部に直接噴射する方式では、窒素と燃焼ガスの混合特性によって、火炎安定性を確保できる。その反面、火炎に高温部が形成され、ＮＯｘ低減効果が不十分となることが予想される。また、窒素供給圧が低く、しかも窒素流量が燃料流量と同等になる場合、窒素噴射孔の開口面積がある程度大きくなってしまうため、窒素を供給しないとき、他のガスタービン燃焼器との圧力差によっては、窒素噴射孔に燃焼ガスが逆流して、窒素供給配管を赤熱させるおそれがある。
【００１９】
窒素を燃焼用空気に混合する方法では、空気の酸素濃度を低下させ、低カロリー燃焼と同様の効果によりＮＯｘ排出量を低減できる。
【００２０】
しかし、発電負荷が低い部分負荷時に、窒素を供給すると、火炎安定性が低下する。特に、燃料ノズルに供給される空気に窒素を混合する場合、火炎が、燃焼室下流部に浮き上がり火炎となって形成され、火炎の吹飛びや未燃成分の排出を引き起こすおそれが出てくる。
【００２１】
本発明の目的は、発電プラントのシステム効率とガスタービン燃焼器の信頼性を損なうこと無く、発電負荷が低いときは火炎安定性を重視し、発電負荷が高いときはＮＯｘ低減を重視する窒素供給手段を備えたガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器を提供することである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、空気圧縮手段と、圧縮された空気から酸素と窒素とを分離する酸素製造手段と、分離された酸素により重油または石炭を酸化しガス化ガスを製造するガス化手段と、燃料を燃焼室に供給する燃料ノズルを有しガス化ガスと空気圧縮手段からの圧縮空気とを混合しガス化ガスを燃焼させるガスタービン燃焼器と、ガスタービン燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるガスタービンと、ガスタービンにより駆動されて発電する発電機とからなるガス化発電プラントのガスタービン燃焼器において、燃焼室と空気とにそれぞれ窒素を供給する手段と、燃焼室に供給される窒素の流量と空気に供給される窒素の流量との比率をガスタービンの発電負荷に応じて制御する手段とを備えたガス化発電プラント用ガスタービン燃焼器を提案する。
【００２３】
本発明においては、低負荷燃焼領域に、燃焼室への噴射窒素に対する前記空気への噴射窒素の流量比を低くし、空気の酸素濃度を従来技術に比べ増加させ、窒素噴射による燃焼不安定性の誘発を回避できる。一方、燃焼安定性は優れているがＮＯｘ排出量が問題となる高負荷時は、燃焼室への噴射窒素に対する空気への噴射窒素流量比が増加するので、空気の酸素濃度を減少させて、保炎部に形成する火炎の高温領域を希釈し、ＮＯｘを効率的に減少させることができる。
【００３６】
また、上記の窒素の供給において、燃焼室に供給される窒素流量に対する空気に供給される窒素流量の比率が、ガスタービンの低負荷時に比べて高負荷時に高くなるように制御することを特徴とする。
【００３７】
負荷が上昇するに伴い、ガス化ガス流量と窒素流量とが増加する。燃焼ガスがタービン翼を通過する際の圧力損失が、ガスタービン燃焼器出口ガス温度の上昇に伴い増加する。一般的に、燃焼器差圧は、負荷が増すほど減少する。さらに、使用するガス化ガスの体積流量は、液化天然ガスなどの高カロリー燃料と比べ多いので、負荷上昇伴う燃焼器差圧の減少は、ガス化ガス流量の増加により顕著となる。この燃焼器差圧の減少は、燃焼室への噴射窒素に対する空気への噴射窒素の流量比を増加させる。
【００３８】
従来技術では、燃焼安定性が低下する低負荷燃焼領域において、窒素噴射により空気酸素濃度が低下すると、さらに燃焼が不安定となり、燃焼効率が悪化するおそれがある。
【００３９】
これに対して本発明のガスタービン燃焼器の低負荷燃焼領域においては、燃焼室への噴射窒素に対する空気への噴射窒素の流量比が低く、空気の酸素濃度は、従来技術に比べ増加し、窒素噴射による燃焼不安定性の誘発を回避できる。一方で、燃焼安定性は優れているがＮＯｘ排出量が問題となる高負荷時においては、燃焼室への噴射窒素に対する空気への噴射窒素流量比が増加するので、空気の酸素濃度を減少させて、保炎部に形成する火炎の高温領域を希釈し、ＮＯｘを効率的に減少させることができる。
【００４０】
したがって、負荷に応じた燃焼器差圧の変化を利用し、窒素流量配分を変更できるので、全発電負荷領域に亘り、負荷に応じて、負荷が低いときには燃焼安定性を向上させ、負荷が高いときにはＮＯｘを低減できる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
《実施例１》
次に、図１〜図８を参照して、本発明によるガス化発電プラントのガスタービン燃焼器の実施例を説明する。
【００４２】
図１は、本発明によるガス化発電プラントのガスタービン燃焼器の実施例１の系統構成を示す図であり、重油または石炭を酸素により酸化してガス化し、そのガスを燃焼させてガスタービンを駆動し、ガスタービンに結合されている発電機において発電する重質油ガス化または石炭ガス化複合発電プラントの系統と、ガスタービン燃焼器の頭部の拡大断面構造とを併せて示す図である。
【００４３】
実施例１のガス化複合発電プラントは、ガス化炉１と、圧縮機２と、ガスタービン燃焼器３と、ガスタービン４と、酸素製造装置５と、発電機６とを含んでいる。
【００４４】
ガスタービン燃焼器３は、圧力容器である燃焼器外筒１６と、空気を燃焼室８に導くフロースリーブ１７と、燃焼室８を囲むライナ１８と、燃料を供給し火炎を保持する燃料ノズル１９と、燃料ノズル１９から吐出する燃料および空気の流れを制御するガイド板３２と、燃料ノズル１９を外筒１６に固定するエンドカバー２１とを含んでいる。
【００４５】
ライナ１８には、燃焼孔２６が、燃焼室８上流からガスタービン燃焼器３の軸方向に沿って複数段かつ周方向の複数個所に設けられており、圧縮機２の吐出空気９を燃焼室８に供給している。
【００４６】
燃料ノズル１９は、ガスタービン燃焼器３の中心軸上に配置され、ガスタービンの着火からガス燃焼に至るまでを運用する油ノズル２２と、軽油７を霧化するアトマイズ空気噴射孔２３と、圧縮機２から吐出した圧縮機吐出空気９を燃焼室８に供給する空気噴射孔２４と、ガス化ガス１５を供給するガス噴射孔２５と、窒素１３を燃焼室８およびスワラー空気９ｂにそれぞれ供給するための窒素噴射孔２７ａ，２７ｂとからなる。
【００４７】
ガス化ガス１５をガス噴射孔２５に供給するラインには、ガス流量制御弁３１が設けられ、窒素１３の供給ラインには、窒素流量制御弁３０が設けられ、ガス化ガス流量および窒素流量を制御している。
【００４８】
始動時には、外部動力により駆動された圧縮機２からガスタービン燃焼器３への吐出空気９を用いて、軽油７を燃料とし、燃焼室８内で着火させる。ガスタービン４が昇速した後、自立運転に入り、さらにガスタービンの無負荷定格回転数に達した後、発電機６を併入して、徐々に負荷を取り出し始める。
【００４９】
一方、ガス化炉１に必要な酸化剤としての酸素１２は、酸素製造装置５により生成される。酸素製造装置５は、圧縮機２の抽気空気１１またはバックアップ用圧縮機１０の圧縮空気から、酸素１２と窒素１３とを分離し、酸素１２をガス化炉１に供給し、窒素１３をガスタービン燃焼器３に供給する。
【００５０】
ガス化炉１では、酸素１２により石炭１４を燃焼させ、ガス化炉の負荷上昇に応じて、ガス化ガス１５を供給する。ただし、ガス化炉１の起動直後は、生成されるガス化ガス１５の温度および発熱量が極めて低いので、ガス化炉１の負荷が上昇しガス化ガス１５の温度および発熱量が安定するまで、ガスタービン燃焼器３においては、軽油７を燃料として燃焼させる。
【００５１】
図２は、図１の燃焼室８の下流側から見た燃料ノズル１９の構造を示す模式図である。各々８個の内周空気噴射孔２４ａおよびガス噴射孔２５は、同心円上の周方向に、交互に配置されている。それらの噴射孔の外周には、窒素噴射孔２７ａが、同心円上の周方向に１６個配置さている。これらすべての噴射孔は、燃焼室８に循環流を形成するために、ガスタービン燃焼器３の中心軸に対して、ある旋回角度を持っている。
【００５２】
図３は、実施例１の燃料ノズルの一部を側面から見た拡大断面構造を示す図である。ガスタービン燃焼器３に供給された窒素１３は、燃焼室への窒素噴射孔２７ａとスワラー空気への窒素噴射孔２７ｂとに分配されて、それぞれ燃焼室８とスワラー空気９ｂとに噴射される。燃焼室への窒素噴射孔２７ａとスワラー空気への窒素噴射孔２７ｂとから噴射する窒素流量比は、それぞれの噴射孔開口面積に依存するとともに、窒素供給圧力Ｐｎと、スワラー空気９ｂの供給圧力Ｐ１および燃焼室８の圧力Ｐ２の差圧とにより決定される。したがって、燃焼器の差圧（Ｐ１−Ｐ２）が、ガスタービン負荷により変化すれば、分配された窒素流量比も変化する。
【００５３】
図４は、ガスタービンの油→ガス切替負荷から定格負荷に到るまでの間にガスタービン燃焼器３に供給されるガス化ガス流量，窒素流量，燃焼器差圧（＝Ｐ１−Ｐ２），スワラー空気酸素濃度，窒素噴射流量比（＝スワラー空気への窒素流量／燃焼室への窒素流量）の関係を、従来例のスワラー空気酸素濃度と併せて示す図である。ガスタービン負荷による燃焼室への噴射窒素２８ａに対するスワラー空気への噴射窒素２８ｂの流量比と、混合空気噴射孔２４から吐出するスワラー空気２７ｂの酸素濃度の変化も併せて示した。
【００５４】
図１の圧縮機２の吐出空気９が燃焼室８に流入した後、軽油７とアトマイズ空気２９とを供給し、燃焼室８において着火させる。着火からガスタービン４が無負荷定格回転数に達し、負荷を取り出し始める間、酸素製造装置５により生成された窒素１３をガスタービン燃焼器３に供給し、油燃焼によるＮＯｘ生成を抑制する。ガス化炉１におけるガス化ガス１５の発熱量が安定し、必要なガス流量が確保された後、ガス流量制御弁３１を開けて、ガス化ガスを燃焼室８に供給する。ガス噴射孔２５から燃焼室８に供給されたガス化ガスは、油燃焼による火炎で着火され、火炎２０を形成する。燃焼室８に、ガス化ガス１５の安定な火炎２０が形成されたら、軽油７およびアトマイズ空気２９の供給を停止し、ガス化ガス１５の拡散燃焼に切り替える。それが、図４左下端において、油→ガス切替負荷と表示した状態である。
【００５５】
この油→ガス切替負荷から負荷が上昇するに伴い、ガス化ガス流量と窒素流量とが増加する。燃焼ガスがタービン翼を通過する際の圧力損失が、ガスタービン燃焼器出口ガス温度の上昇に伴い増加する。一般的に、燃焼器差圧（Ｐ１−Ｐ２）は、負荷が増すほど減少する。さらに、使用するガス化ガスの体積流量は、液化天然ガスなどの高カロリー燃料と比べ多いので、負荷上昇伴う燃焼器差圧（Ｐ１−Ｐ２）の減少は、ガス化ガス流量の増加により顕著となる。この燃焼器差圧の減少は、燃焼室への噴射窒素２８ａに対するスワラー空気への噴射窒素２８ｂの流量比を増加させる。
【００５６】
図４の右下がり点線は、従来技術によりスワラー空気にのみ窒素噴射した場合について、スワラー空気酸素濃度の変化を示している。従来技術では、燃焼安定性が低下する低負荷燃焼領域において、窒素噴射によりスワラー空気酸素濃度が低下すると、さらに燃焼が不安定となり、燃焼効率が悪化するおそれがある。
【００５７】
本発明の実施例１によれば、低負荷燃焼領域においては、燃焼室への噴射窒素２８ａに対するスワラー空気への噴射窒素２８ｂの流量比が低く、スワラー空気の酸素濃度は、従来技術に比べ増加し、窒素噴射による燃焼不安定性の誘発を回避できる。特に、油からガス化ガスへの燃料切替時には、油とガスとの混焼によりＮＯｘが増加するために、窒素噴射によりＮＯｘを低減するとともに、ガス切替後の燃焼安定性を確保しなければならず、本発明は、これらの問題を解決するために有効である。一方、燃焼安定性は優れているがＮＯｘ排出量が問題となる高負荷時は、燃焼室への噴射窒素に対するスワラー空気への噴射窒素流量比が増加するので、スワラー空気の酸素濃度を減少させて、保炎部に形成する火炎の高温領域を希釈し、ＮＯｘを効率的に減少させることができる。
【００５８】
したがって、負荷に応じた燃焼器差圧の変化を利用し、窒素流量配分を変更できるので、全発電負荷領域に亘り、負荷に応じて、負荷が低いときには燃焼安定性を向上させ、負荷が高いときにはＮＯｘを低減できる。
【００５９】
《実施例２》
図５は、本発明によるガス化発電プラントのガスタービン燃焼器の実施例２の燃料ノズルの一部を側面から見た拡大断面構造を示す図である。燃料ノズル１９には、混合空気噴射孔２４および窒素噴射孔２７ｂ，２７ｃが設けられ、ガイド板３２には、ガイド板３２を冷却するための冷却孔３３が設けられている。実施例１の図２と同様に、混合空気噴射孔２４およびガス噴射孔２５は、ガスタービン燃焼器３に対して同心円上の周方向交互に配置されている。燃料ノズル１９に供給された窒素１３は、スワラー空気９ｂに窒素を噴射するスワラー空気への窒素噴射孔２７ｂと、ガイド板３２とライナー１８の間に供給された冷却空気に窒素を噴射する冷却空気への窒素噴射孔２７ｃとに分配される。
【００６０】
実施例２では、スワラー空気への窒素噴射孔２７ｂから吐出する噴射窒素２８ｂと冷却空気への窒素噴射孔２７ｃから吐出する噴射窒素２８ｃとの流量比が、スワラー空気供給圧力Ｐ１と冷却空気供給圧力Ｐ３との圧力差により変化する。スワラー空気供給圧力Ｐ１と冷却空気供給圧力Ｐ３との圧力差は、燃焼器差圧に依存するから、実施例１の図４と同様に、ガスタービン負荷が上昇すると、燃焼器差圧は減少し、冷却空気への噴射窒素２８ｃに対するスワラー空気への噴射窒素２８ｂの流量比は増加する。
【００６１】
したがって、負荷が低いときはスワラー空気９ｂの酸素濃度を増加し、燃焼安定性を向上させ、負荷が高いときはスワラー空気２７ｂの酸素濃度を減少させ、ＮＯｘ排出を積極的に抑制する。
【００６２】
さらに、供給される窒素１３の温度がスワラー空気９ｂよりも低い場合は、冷却空気への噴射窒素２８ｃによりガイド板３３の冷却が強化され、ガイド板３３の赤熱を防止する効果も得られる。
【００６３】
《実施例３》
図６は、本発明によるガス化発電プラントのガスタービン燃焼器の実施例３の燃料ノズルの一部を側面から見た拡大断面構造を示す図である。実施例３においては、窒素を分配する中空３４をエンドカバー２１に設け、分配された窒素１３を空気中に噴射する窒素噴射ノズル３５ａ，３５ｂをそれぞれガスタービン燃焼器３中心軸に対して周方向に複数設けてある。冷却空気への窒素噴射ノズル３５ａは、エンドカバー２１の中空３４から分配された窒素を、ガイド板３２とライナー１８との間に供給された冷却空気に噴射する。燃焼空気への窒素噴射ノズル３５ｂは、圧縮器吐出空気９ａに窒素を噴射する。燃焼空気への窒素噴射ノズル３５ｂの窒素噴射孔は、ライナー１８に設けられた燃焼孔２６へ流入する空気にも窒素が混合するように配置されている。
【００６４】
実施例３の場合も、実施例１または実施例２と同様に、スワラー空気供給圧力Ｐ１と冷却空気供給圧力Ｐ３との圧力差により、冷却空気への窒素噴射ノズル３５ａから噴射する窒素と燃焼空気への窒素噴射ノズル３５ｂから噴射する窒素との流量比が変化するため、ガスタービン負荷の上昇に伴い、窒素分配量を変化させることができる。したがって、低負荷においては、燃焼空気への窒素噴射ノズル３５ｂから噴射した窒素によりスワラー空気の酸素濃度が低下することを抑制し、安定燃焼性を向上させる。一方、高負荷状態で燃焼室８上流部をリッチ燃焼とし、燃焼室８下流部をリーン燃焼とする燃焼方法を採用にする場合には、負荷が上昇するとともに、火炎の高温領域は、燃焼室８下流部へ移動する。本実施例３によれば、燃焼空気への窒素噴射ノズル３５ｂから噴射する窒素は、燃料ノズル１９の混合空気噴射孔２４に流入するスワラー空気９ｂに混合するとともに、ライナー１８に設けられた燃焼孔２６へ流入する空気にも流入するので、燃焼室８下流部に形成された高温燃焼領域を希釈し、高負荷燃焼時のＮＯｘを低減できることになる。
【００６５】
《実施例４》
図７は、本発明によるガス化発電プラントのガスタービン燃焼器の実施例４の燃料ノズルの一部を側面から見た拡大断面構造を示す図である。実施例４においては、ガスタービン燃焼器３の中心軸に対し周方向に２列の内周空気噴射孔３６ａおよび外周空気噴射孔３６ｂが設置されており、それぞれにスワラー空気９ｂが供給される。内周空気噴射孔３６ａおよびガス噴射孔２５は、同心円上の周方向に交互に配置されている。また、外周空気噴射孔３６ｂの周囲には、スワラー空気への窒素噴射孔２７ｂが設置され、燃料ノズル１９に流入するスワラー空気９ｂに窒素２８ｂを噴射する。
【００６６】
実施例４によれば、噴射した窒素２８ｂは、スワラー空気に混合した後、内周空気噴射孔３６ａと外周空気噴射孔３６ｂとに分配される。分配される窒素流量比は、窒素噴射流速とスワラー空気流速とにより決定される。ただし、スワラー空気の流速は、負荷による変化が少ない。したがって、窒素供給量による窒素流速の変化が、各々の空気噴射孔の窒素分配量を規定する。
【００６７】
図４に示したように、窒素流量は、ガスタービン負荷が上昇すると燃料流量とともに増加するので、図７のように空気噴射孔３６と窒素噴射孔２７を配置すると、負荷が低く窒素流量が少ない時は、窒素噴射流速が遅く、窒素の多くは、外周側空気噴射孔３６ｂに流入するスワラー空気９ｂに混合する。したがって、内周側空気噴射孔３６ａから吐出するスワラー空気酸素濃度の低下が抑制され、燃焼安定性が向上する。逆に、負荷が高く燃料流量が多い時は、窒素噴射流速が速いため、スワラー空気９ｂの流れに対し窒素噴流の貫通する距離が長くなり、窒素の多くは、内周側空気噴射孔３６ａに流入するスワラー空気９ｂに混合する。比較的燃焼安定性の高い高負荷燃焼時には、このように、燃料と空気が混合し始める位置に窒素を噴射することが、ＮＯｘ低減に効果的となる。
【００６８】
実施例４においては、負荷による燃焼器差圧の変化が少ない場合にも、窒素噴射流速の違いを利用し、負荷に応じて窒素供給位置を変更し、負荷が低いときには燃焼安定性を向上させ、負荷が高いときにはＮＯｘを低減できる。
【００６９】
《実施例５》
図８は、本発明によるガス化発電プラントのガスタービン燃焼器の実施例５の系統構成を示す図である。実施例５においては、酸素製造装置５から生成される窒素１３を２系統に分配し、各々の系統に窒素流量制御弁３０，３７を設けてある。窒素１３は、窒素流量制御弁３０を通る系統から、燃料ノズル１９に供給され、燃焼室への窒素噴射孔２７ａから燃焼室８に直接噴射される。また、窒素１３は、窒素流量制御弁３７を通る系統から、エンドカバー２１の中空３４に供給され、燃焼空気への窒素噴射ノズル３５ｂからスワラー空気９ｂに噴射される。
【００７０】
実施例５においては、窒素流量制御弁３０，３７を用いて、窒素噴射孔２７ａから燃焼室８に直接噴射する窒素流量と、窒素噴射ノズル３５ｂからスワラー空気９ｂに噴射する窒素流量とを確実に制御できる。したがって、図４に示した窒素噴射流量比およびスワラー酸素濃度を任意に制御可能となり、負荷に応じて、負荷が低いときには燃焼安定性を向上させ、負荷が高いときにはＮＯｘを低減できる。
【００７１】
【発明の効果】
本発明によれば、酸素酸化方式でガス化ガスを生成する際に酸素製造装置から得られる余剰窒素をガスタービン燃焼器に供給し、ガスタービンの負荷に応じて窒素配分量を能動的に変更し、負荷が低いときには燃焼安定性を向上させ、負荷が高いときにはＮＯｘを積極的に低減できる。
【００７２】
より具体的には、窒素供給系統を２つに分配し、各々の系統に窒素流量制御弁を設けたので、負荷に応じて、窒素配分量を確実かつ柔軟に制御し、負荷が低いときには燃焼安定性を向上させ、負荷が高いときにはＮＯｘを積極的に低減できる。
【００７３】
また、窒素を燃焼室に直接噴射する構造を採用した場合に、窒素を供給しない運転領域では、窒素噴射孔から空気を噴射させて燃焼ガスの逆流を防止できるので、窒素供給系統の信頼性が向上する。
【００７４】
さらに、ガイド板とライナーとの間に供給された冷却空気に窒素を噴射する場合は、窒素温度が冷却空気の温度よりも低いので、ガイド板の冷却能力が増し、ガスタービン燃焼器の信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるガス化発電プラントのガスタービン燃焼器の実施例１の系統構成を示す図である。
【図２】実施例１の燃焼室８の下流側から見た燃料ノズル１９の構造を示す模式図である。
【図３】実施例１の燃料ノズルの一部を側面から見た拡大断面構造を示す図である。
【図４】ガスタービンの油→ガス切替負荷から定格負荷に到るまでの間にガスタービン燃焼器３に供給されるガス化ガス流量，窒素流量，燃焼器差圧（＝Ｐ１−Ｐ２），スワラー空気酸素濃度，窒素噴射流量比（＝スワラー空気への窒素流量／燃焼室への窒素流量）の関係を、従来例のスワラー空気酸素濃度と併せて示す図である。
【図５】本発明によるガス化発電プラントのガスタービン燃焼器の実施例２の燃料ノズルの一部を側面から見た拡大断面構造を示す図である。
【図６】本発明によるガス化発電プラントのガスタービン燃焼器の実施例３の燃料ノズルの一部を側面から見た拡大断面構造を示す図である。
【図７】本発明によるガス化発電プラントのガスタービン燃焼器の実施例４の燃料ノズルの一部を側面から見た拡大断面構造を示す図である。
【図８】本発明によるガス化発電プラントのガスタービン燃焼器の実施例５の系統構成を示す図である。
【符号の説明】
１  ガス化炉
２  圧縮機
３  ガスタービン燃焼器
４  タービン
５  酸素製造装置
６  発電機
７  軽油
８  燃焼室
９ａ  圧縮機吐出空気
９ｂ  スワラー空気
１０  バックアップ用圧縮機
１１  抽気空気
１２  酸素
１３  窒素
１４  石炭
１５  ガス化ガス
１６  燃焼器外筒
１７  フロースリーブ
１８  ライナー
１９  燃料ノズル
２０  火炎
２１  エンドカバー
２２  油ノズル
２３  アトマイズ空気噴射孔
２４  混合空気噴射孔
２５  ガス噴射孔
２６  燃焼孔
２７ａ  燃焼室への窒素噴射孔
２７ｂ  スワラー空気への窒素噴射孔
２７ｃ  冷却空気への窒素噴射孔
２８ａ  燃焼室への噴射窒素
２８ｂ  スワラー空気への噴射窒素
２８ｃ  冷却空気への噴射窒素
２９  アトマイズ空気
３０  窒素流量制御弁
３１  ガス流量制御弁
３２  ガイド板
３３  冷却孔
３４  エンドカバーの中空
３５ａ  冷却空気への窒素噴射ノズル
３５ｂ  燃焼空気への窒素噴射ノズル
３６ａ  内周空気噴射孔
３６ｂ  外周空気噴射孔
３７  第２の窒素流量制御弁
Ｐ１  スワラー空気供給圧力
Ｐ２  燃焼室圧力
Ｐ３  冷却空気供給圧力
Ｐｎ  窒素供給圧力
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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