(57)【要約】本発明は、燃料（Ｂ）が触媒反応で転換され、続いて触媒予反応済み燃料（Ｂ）が後反応で更に燃焼される流体燃料（Ｂ）の燃焼方法に関する。予反応済み燃料（Ｂ）に旋回成分が与えることで、空間的に制御された後反応が可能となり、完全燃焼が達成される。本発明は、触媒バーナ（３５Ａ、３５Ｂ）の燃料出口（４１）が、流路（３１Ａ、３１Ｂ）に燃料（Ｂ）の流れ方向（３３）において主バーナ（３７）の燃料出口の上流に燃料（Ｂ）の触媒転換下で配置されている流体燃料（Ｂ）を燃焼するためのバーナ（１０）にも関する。触媒バーナ（３５Ａ、３５Ｂ）は複数の触媒反応要素（４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃ、４３Ｄ）を有し、これら触媒反応要素（４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃ、４３Ｄ）は、流路（３１Ａ、３１Ｂ）内に旋回流が生ずるように配置されている。本発明は特にガスタービンの燃焼器に利用される。
2007501928.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料（Ｂ）を触媒反応で転換し、続いて触媒予反応済み燃料（Ｂ）を後反応で更に燃焼させる流体燃料（Ｂ）の燃焼方法において、予反応済み燃料（Ｂ）に旋回成分を与えることを特徴とする流体燃料の燃焼方法。
【請求項２】
予反応済みの旋回性燃料（Ｂ）を後反応のために燃焼室（２７）に移送し、その際旋回流を形成することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
移送路における予反応済み旋回性燃料（Ｂ）の滞在時間の調整により、燃焼室（２７）で空間的に制御された後反応を引き起こすことを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
均質非触媒後反応を引き起こすことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
燃料（Ｂ）を後反応で完全燃焼させることを特徴とする請求項１から４の１つに記載の方法。
【請求項６】
流体燃料（Ｂ）として気体燃料或いは液体燃料を燃焼させることを特徴とする請求項１から５の１つに記載の方法。
【請求項７】
触媒バーナ（３５Ａ、３５Ｂ）の燃料出口（４１）が、流路（３１Ａ、３１Ｂ）に燃料（Ｂ）の流れ方向（３３）において主バーナ（３７）の燃料出口の上流に燃料（Ｂ）の触媒転換下で配置された流体燃料（Ｂ）を燃焼させるためのバーナ（１０）において、前記触媒バーナ（３５Ａ、３５Ｂ）が複数の触媒反応要素（４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃ、４３Ｄ）を有し、該要素が流路内に旋回流を生ずるよう配置されたことを特徴とするバーナ。
【請求項８】
旋回流が触媒作用要素（４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃ、４３Ｄ）の後流において、燃料出口（４１）の下流に形成されたことを特徴とする請求項７記載のバーナ。
【請求項９】
触媒作用要素（４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃ、４３Ｄ）が流れ方向（３３）に対し垂直な平面内に配置され、触媒作用要素（４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃ、４３Ｄ）の燃料出口（４１）が流路（３１Ａ、３１Ｂ）に開口することを特徴とする請求項７又は８記載のバーナ。
【請求項１０】
触媒作用要素（４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃ、４３Ｄ）の流路（３１Ａ、３１Ｂ）への開口が、流れ方向（３３）によって規定される主軸に対し１５〜７５°の角度を成して行われることを特徴とする請求項９記載のバーナ。
【請求項１１】
流路（３１Ａ、３１Ｂ）内での燃料（Ｂ）の滞在時間を、流路（３１Ａ、３１Ｂ）の長さ（Ｌ）により調整することを特徴とする請求項７から１０の１つに記載のバーナ。
【請求項１２】
触媒作用要素（４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃ、４３Ｄ）が、主成分として少なくとも酸化チタン、酸化けい素および酸化ジルコンを含むハニカム体として形成されたことを特徴とする請求項７から１１の１つに記載のバーナ。
【請求項１３】
ハニカム触媒が、触媒活性成分として流体燃料（Ｂ）に酸化作用を与える貴金属或いは金属酸化物を含むことを特徴とする請求項１２記載のバーナ。
【請求項１４】
請求項７から１３の１つに記載のバーナ（１０）を備えることを特徴とする燃焼器。
【請求項１５】
請求項１４記載の燃焼器（４）を備えることを特徴とするガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料を触媒反応で転換し、続いて触媒予反応済み燃料を後反応で更に燃焼させる流体燃料の燃焼方法に関する。また本発明は、触媒バーナの燃料出口が、流路に燃料の流れ方向において主バーナの燃料出口の上流に燃料の触媒転換下で配置されている流体燃料を燃焼するためのバーナに関する。更に本発明は、そのようなバーナを有するガスタービンの燃焼器並びにこの燃焼器を備えたガスタービンに関する。
【０００２】
以下で流体燃料とは、特にガスタービンで利用される燃料油および／又は燃料ガスを意味する。燃料油とは、例えば石油やメタノール等の全ての可燃性液体を意味し、燃料ガスとは、例えば天然ガス、石炭ガス、合成ガス、バイオガス、プロパン、ブタン等の全ての可燃性ガスを意味する。この種触媒反応式バーナは、例えば欧州特許出願公開第４９１４８１号明細書に示されている。
【０００３】
このバーナ装置は、例えばガスタービン等のタービン機械でも利用される。ガスタービンは、通常圧縮機部分と、バーナ部分と、タービン部分とからなる。圧縮機部分とタービン部分は、通常、同時に電力発生用の発電機を駆動する共通の軸上に置かれる。圧縮機部分で、予め加熱した新鮮空気を、バーナ部分内で必要とする圧力に圧縮する。圧縮し予熱した新鮮空気を、バーナ部分内で、例えば天然ガスや燃料油等の燃料と共に燃焼させる。高温の燃焼ガスをタービン部分に導入し、そこで仕事をしながら膨張させる。
【０００４】
圧縮され予熱された新鮮空気が燃料ガスと共に燃焼する際、特に望ましくない燃焼生成物として有害物質、例えば窒素酸化物ＮＯxや一酸化炭素ＣＯを生ずる。窒素酸化物は二酸化硫黄と並んで酸性雨の環境汚染に対する主原因をなす。従って、ＮＯx放出に対する厳しい法的規制値にもより、ガスタービンからのＮＯx放出量を特に減少することと、その際同時にガスタービンの出力に大きく影響を与えないこととが望まれる。
【０００５】
例えばバーナ部分での火炎温度低下や火炎ピーク温度低下で窒素酸化物が減る。その際燃焼ガスや圧縮し予熱した新鮮空気に、水蒸気を添加するか水を燃焼室に噴射する。かかるガスタービン自体の窒素酸化物放出量を低減する処置は、窒素酸化物を低減する一次的処置と呼ばれる。対して、まずガスタービンの排気ガスや全般的な燃焼過程の排気ガス内に含まれる窒素酸化物を追加的処置で低減させる全ての処置は、二次的処置と呼ばれる。
【０００６】
そのため、世界的に触媒選択還元法（ＳＣＲ法）が実施されている。ＳＣＲ法では、窒素酸化物を還元剤、特にアンモニアと共に触媒に接触させ、無害の窒素と水に変える。しかしこの技術の場合、必然的に還元剤を消費する。排気ガス通路内に配置した窒素酸化物を減少させる触媒は、当然排気ガス通路内で圧力降下を生じる。圧力降下はタービンの出力低下を起す。出力低下が千分の幾つでも、ガスタービンの出力が例えば１５０ＭＷで、ｋＷｈ当たりの電流価格が約８セントなら、この装置で生ずる結果は受け入れ難い。
【０００７】
バーナの構成に関する新たな考察は、ガスタービンに通常用いる拡散バーナや旋回安定型の予混合バーナを、触媒燃焼系で置換することである。触媒燃焼系では、燃焼過程で既に、上述の通常形式のバーナで可能であるより少ない窒素酸化物放出量が達成される。かくして、ＳＣＲ法の欠点（大きな触媒容積、還元剤消費、高い圧力損失）が解消される。
【０００８】
触媒過程の利用は、例えばガスタービン触媒バーナに関する欧州特許第０８３２３９７号明細書に開示されている。ここでは燃料ガスの一部を配管系によって取り出し、触媒段を介して導き、続いて、触媒反応開始温度を低下すべく再び燃料ガスに供給する。触媒段は前形成段として形成され、該前形成段は、燃料ガス内に含まれる炭化水素をアルコールおよび／又はアルデヒド或いはＨ2とＣＯに転換するための触媒装置を備える。
【０００９】
欧州特許第０８３２３９９号明細書は燃料燃焼用バーナを開示する。該バーナでは、流路内に燃料の流れ方向において主バーナの燃料出口の上流に、パイロット燃料流を触媒燃焼させつつ主バーナを安定化させる触媒支持バーナの燃料出口を備える。この際、燃料の流路横断面に関し、中央に触媒支持バーナ、その周囲に主バーナを配置している。
【００１０】
上述の触媒燃焼系は、軸方向に配置した触媒から成る。触媒で燃料に含まれるエネルギを一部だけ放出させ、もって、化学的に結合したエネルギ残留部の燃焼の安定化を、軸方向下流で燃焼室内に存在する触媒にて改善する。主反応は、所謂自己反応開始時間である所定の時間経過後に始まり、その時間は主に温度と触媒出口でのガス組成に関係する。
【００１１】
この関係で、通常公知の装置をかなり異なる燃料による運転に利用することは、触媒を一般に所定の燃料に対し特別に適合せねばならないので、問題がある。特にこれは、天然ガス用に設計した触媒を、長鎖炭化水素（予気化した燃料油）を転換するための反応体として利用することも、反応速度特性がかなり異なるため困難である。従って、この種装置は、液体燃料によるガスタービンの運転を可能にするためのみ適用できる。
【００１２】
本発明の課題は、流体燃料のできるだけ完全な転換を達成し、有害物質放出量が少ない流体燃料の燃焼方法を提供することにある。本発明のもう１つの課題は、この方法を実施するために適用できる、特にガスタービン用のバーナを提供することにある。
【００１３】
方法に関する課題は、本発明に基づき、燃料を触媒反応で転換し、続いて触媒予反応済み燃料を後反応で更に燃焼させる流体燃料の燃焼方法において、予反応済み燃料に旋回成分を与えることで解決される。
【００１４】
本発明は、主に温度と触媒反応後の反応生成物の成分に関係する所定の時間経過後に初めて後反応が始まるという認識から出発する。触媒反応に続く後反応はできるだけ完全に熱に変換して行わねばならない。後反応で更に燃焼させる燃料は、排気ガス中の一酸化炭素と炭化水素をなくすべく、完全燃焼させねばならない。
【００１５】
本発明は、例えば触媒反応で確実又は十分に転換されない燃料油等の液体燃料が、一般に、空力学的安定状態にないと、既存の限られた反応容積内で燃焼し得ないと意う認識から出発している。同様に実際に存在する寸法では、触媒部分転換でも、自己反応開始時間を差し引いた有用な反応時間が、無ＣＯ燃焼するための後反応に短過ぎる問題を生ずる。
【００１６】
本発明は、流体燃料の燃焼を達成する全く新しい方式を提示する。その場合、触媒反応と、燃料の燃焼を完全化するための後反応とを互いに的確に調和させる。流体燃料を、好適には燃焼空気と燃料空気混合気の形に混合することで得てもよい。この際、液体燃料を触媒的に変化された燃料−空気混合気と混合する。そのため、予反応済み燃料や予反応済み燃料空気混合気に旋回成分を与えることを特徴とする。予反応済み燃料の旋回に伴い、触媒反応から出る燃料は、無旋回、即ち通常の触媒燃焼系の純粋な軸方向反応座標の場合より長い反応時間を利用できる。旋回に伴い予反応済み燃料の軸方向速度成分が減少し、旋回で発生した周速成分、特に逆流域が生ずるので、予反応済み燃料は、軸方向座標で見てかなり短い行程距離で反応開始時間に達する。この結果、予反応済み燃料を更に燃焼させる後反応に対し十分な反応容積が生じ、燃料は燃焼系の顕著な軸方向構造空間増大なしに完全燃焼できる。
【００１７】
従って、自己反応開始時間を差し引いた触媒部分転換時、通常の触媒燃焼系に比べて長い反応時間が後反応に寄与し、その結果、特に無ＣＯの完全燃焼を達成できる。旋回を与えない通常の燃焼系では、後反応に対し燃焼空間の構造長の大幅な増大が必要となり、燃焼系を構造的に非常に経費がかかる、複雑で、高価で、取り扱い難いものにする。この欠点は本発明により解消され、種々の流体燃料、即ち液体並びに気体燃料が運転に利用でき、必要なら液体燃料を、触媒を迂回して旋回安定火炎の形で通常方式で燃焼させ得る。
【００１８】
有利な実施態様では、予反応済みの旋回性燃料を後反応のために燃焼室に移送し、その際、旋回流を形成する。
【００１９】
移送路での予反応済み旋回性燃料の滞在時間の調整により、燃焼室での空間的に制御された後反応を引き起こすとよい。滞在時間は、旋回の調整とこれに伴い生ずる旋回流の充填によって、燃料流の流量と方向に対して調整される。かくして、少なくとも平均して、触媒反応の旋回性反応生成物の滞在時間分布に関し、自己反応開始点を空間的に確実に固定し、もって、後反応に対する燃料の十分な安定性を保証できる。
【００２０】
後反応として均質非触媒後反応を行うとよい。また好適には、燃料を後反応で完全燃焼させる。これによって、触媒予反応が非触媒後反応と有利に組み合わされ、触媒予反応燃料の旋回成分或いは事情により必要に応じて触媒の下流に噴射された液体燃料の旋回成分によって、均質非触媒後反応の空間的に制御された反応が保証される。
【００２１】
流体燃料として、好適には気体又は液体燃料、特に燃料ガス又は燃料油を燃焼させる。
【００２２】
バーナに関する第２の課題は、本発明に基づき、触媒バーナの燃料出口が、流路に燃料の流れ方向において主バーナの燃料出口の上流に燃料の触媒転換下で配置された流体燃料燃焼用のバーナにおいて、触媒バーナが複数の触媒反応要素を有し、該要素が、流路内に旋回流が生ずるように配置されることで解決される。
【００２３】
この場合、流路内での燃料の流れ方向とは、流路の長手軸線により定まる、流路に沿った軸方向流れ方向を指す。触媒作用要素の配置下に生ずる旋回流は、流路での燃料の流れ方向や、主流れ方向の周りの旋回流又は旋回性流れを意味する。
【００２４】
その際、好適には、例えば燃料出口が流路の長手軸線に対し垂直に流路に開口し、該燃料出口が長手軸線に対しずらされ、この結果旋回流が発生することで、旋回流が触媒作用要素の後流においてその燃料出口の下流で形成される。触媒作用要素の後流における旋回流或いは回転流の発生に伴い、流体燃料に的確に旋回成分が生じ、このため平均的に周速成分が発生し、流路内の長手軸線、即ち燃料の流れ方向に沿った軸方向速度成分が、触媒作用要素の幾何学的配置による旋回流付与に応じて減少する。
【００２５】
特に有利な実施態様では、触媒作用要素を流れ方向に対し垂直な平面内に配置し、触媒作用要素の燃料出口を流路に開口させる。この際多数の触媒作用要素を流れ方向に対し垂直な平面内の円周に沿って配置し、各々燃料出口の開口方向により、流路への流入時に接線成分が生ずるようにできる。全体として燃料の触媒転換のための触媒バーナを形成する触媒作用要素の数と配置で、旋回流が所定の様式で充填され、この結果燃焼室内に、均質な非触媒後反応の空間的に制御された後反応を可能とする所望の滞在時間分布が生ずる。この燃焼系は必要に応じ、例えば液体燃料を利用する際、通常の燃焼、即ち非触媒燃焼も可能である。この結果、このバーナを特に液体燃料にも適用でき、従って、特に気体燃料用の一成分バーナとして公知のガスタービンに対する従来の触媒燃焼系の欠点が消滅する。
【００２６】
流路内での燃料の滞在時間を調整すべく、流路の長さを対応して適合させるとよい。流路長の構造的設計と適合、即ち触媒バーナの燃料出口からの主バーナの燃料出口の距離の決定により、旋回流を考慮に入れ、加えた旋回と適切な後反応の結果、主バーナの燃焼の開始と支持に関し妥当な滞在時間が得られる。この結果バーナは特に所定の時間（自己反応開始時間）後に始まる主バーナでの主反応に柔軟に適合する。該所定の時間は、主に温度と触媒バーナの燃料出口でのガス組成に関係する。主反応は前置した触媒反応の後反応として実施される。この的確な適合に基づき、主反応での完全転換が可能となる。
【００２７】
有利な実施態様では、触媒作用要素をハニカム触媒として形成する。この触媒は、主成分として酸化チタン、酸化けい素および酸化ジルコンの少なくとも１つを含んでいる。
【００２８】
更にハニカム触媒が、触媒活性要素として流体燃料に酸化作用を与える貴金属や金属酸化物を含むとよい。それは、例えば白金、ロジウム、レニウム、イリジウム等の貴金属および例えば遷移金属酸化物、酸化バナジウム、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化クロム、酸化銅、酸化マンガンおよび例えば酸化セリウムのようなランタイド等の酸化物である金属酸化物である。同様に金属イオンゼオライトおよびスピネル型構造の金属酸化物も利用できる。
【００２９】
触媒作用要素がハニカム構造をなすと特によい。それは、ハニカム構造が、触媒作用要素の軸線に沿って延びる多数の通路で構成されているからである。通路による触媒活性表面の増大と、ハニカム触媒の内部での一様な流れとに基づき、触媒反応が向上する。この結果燃料出口からの触媒予反応済み燃料の的確に規定した流出を達成し、その場合、それに応じて規定して、流路への流入時に旋回成分を生じさせ得る。
【００３０】
特に有利な実施態様では、本発明によるバーナを燃焼器に利用する。該燃焼器は燃焼室を有し、この燃焼室に、バーナが、好適には主バーナの燃料出口が突出するか開口する。燃焼室は、均質で、好適には非触媒の主反応を実行し、燃焼室内で燃料の完全燃焼を達成し、もって、燃焼熱への最大転換を達成するように寸法づける。
【００３１】
この燃焼器は、ガスタービンにおける利用に適している。その際、燃焼器で発生した高温の燃焼ガスは、ガスタービンのタービン部分を駆動する。
【００３２】
燃焼器とガスタービンの利点は、燃焼方法とバーナに関した上述の利点に対応する。
【００３３】
以下図を参照し本発明を詳細に説明する。各図で同一部分には同一符号を付している。
【００３４】
図１のガスタービン１は、燃焼空気用の圧縮機２、燃焼器４および圧縮機２と図示しない発電機又は作業機械と駆動するタービン６を備える。タービン６と圧縮機２は、タービンロータとも呼ばれる共通のタービン軸８上に配置している。該軸８は回転中心線９を中心に回転可能に支持され、発電機や作業機械が結合される。環状燃焼器の形に形成された燃焼器４は、液体燃料や気体燃料を燃焼するための多数のバーナ１０を装備している。バーナ10は触媒燃焼系として形成され、触媒燃焼反応と非触媒燃焼反応又はその組合せで設計されている。バーナ１０の構造と機能について、図２と図３により詳述する。
【００３５】
タービン６はタービン軸８に取り付けられた多数の動翼１２を備える。動翼１２はタービン軸８に輪状に配置されて多数の動翼列を形成する。またタービン６は多数の静翼１４を有し、これら静翼１４も同様に輪状に配置されて静翼列を形成し、タービン６の内部車室１６に固定されている。動翼１２は、タービン６を貫流する高温媒体、作動媒体Ｍの衝撃伝達にてタービン軸８を駆動する。これに対し静翼１４は、作動媒体Ｍの流れ方向に見て連続する各２つの動翼列間又は動翼輪間で、作動媒体Ｍの流れを案内する。互いに連続して位置する一対の静翼輪又は静翼列１４と、動翼輪又は動翼列１２とはタービン段とも呼ばれる。各静翼１４は翼脚とも呼ばれる翼台座１８を有し、該台座１８は静翼１４をタービン６の内部車室１６に固定する壁要素として配置されている。翼台座１８はタービン６を貫流する作動媒体Ｍに対する燃焼ガス通路の外側境界部を形成し、熱的に厳しく負荷される部品である。各動翼も同様に、翼脚とも呼ばれる翼台座２０を経てタービン軸８に固定されている。互いに隣接する２つの静翼列の互いに間隔を隔てて配置された静翼１４の翼台座１８間に各々案内輪２１が配置され、タービン６の内部車室１６に固定されている。各案内輪２１の内側面も同様に、タービン６を貫流する高温の作動媒体Ｍに曝され、これに対向する動翼１２の外側端２２から半径方向に隙間で間隔を隔てている。隣接する静翼列間に配置された案内輪２１は、特に内部車室１６又は他の車室組込み部品を、タービン６を貫流する高温作動媒体Ｍによる熱的過負荷から保護する覆い要素として働く。燃焼器４は燃焼器ハウジング２９で境界づけられ、燃焼室側に燃焼器壁２４を形成する。この実施例で、燃焼器４は所謂環状燃焼器として形成され、タービン軸８の周りに円周方向に分布して配置された多数のバーナが共通の燃焼器室又は燃焼室に開口している。その結果燃焼器４全体が、タービン軸８の周りに置かれた環状構造物を構成している。
【００３６】
高温作動媒体Ｍを発生すべく、流体燃料Ｂと燃焼空気Ａをバーナ１０に供給し、燃料空気混合気の形に混合し、燃焼させる。完全燃焼させ、殆ど有害物質を発生しないようにすべく、バーナ１０は、燃料Ｂの完全転換が可能な触媒燃焼系を形成している。燃焼過程で生ずる燃焼ガス、即ち作動媒体Ｍは、ガスタービン１の大きな効率を得るべく、１０００〜１５００℃の非常に高い温度を持つ。そのため燃焼器４は高温に耐えるよう設計している。材料に不利なこの運転パラメータでも、比較的長い運転期間を可能にすべく、燃焼器壁２４は作動媒体Ｍの側に、熱シールド要素２６からなる燃焼器内張りを備える。また燃焼器４内部の高温のため、熱シールド要素２６に対する冷却系（図示せず）を備える。
【００３７】
ガスタービン１の燃焼器４に用いる本発明のバーナ１０を、基礎とする触媒燃焼構想を例示して説明すべく、図２に概略断面図で示す。流体燃料Ｂを燃焼するバーナ１０は、触媒バーナ３５Ａ、３５Ｂと主バーナ３７を備える。主バーナ３７は第１流路３１Ａと、該流路３１Ａを取り囲む第２流路３１Ｂを持つ。触媒バーナ３５Ａは第１流路３１Ａ、触媒バーナ３５Ｂは第２流路３１Ｂに各々割り当てている。第１、第２流路３１Ａ、３１Ｂは主軸、即ち流れ方向３３に沿って延びている。流体燃料Ｂの供給時、流れ方向３３は第１、第２流路３１Ａ、３１Ｂでの燃料Ｂの軸方向流れ方向又は主流れ方向でもある。触媒バーナ３５Ａは触媒作用要素４３Ｃ、４３Ｄを備える。触媒バーナ３５Ｂは触媒作用要素４３Ａ、４３Ｂを有する。これら触媒作用要素４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃ、４３Ｄは、例えば基礎構成部品と触媒活性成分とから成るハニカム触媒を構成している。触媒の活性成分は流体燃料Ｂの酸化作用を行う。触媒作用要素４３Ａ、４３Ｂは流路３１Ｂに、そして触媒作用要素４３Ｃ、４３Ｄは流路３１Ａに各々流れ的に接続されている。このため、触媒バーナ３５Ａ、３５Ｂの燃料出口４１は、各々対応した流路３１Ａ、３１Ｂに開口している。主バーナ３７は、触媒バーナ３５Ａ、３５Ｂの燃料出口４１の下流で、燃料Ｂの流れ方向３３に沿って配置され、流路３１Ａ、３１Ｂを経て触媒バーナ３５Ａ、３５Ｂに流れ的に接続されている。主バーナ３７は燃料出口３９を持つ。それに伴い、燃料Ｂの流れ方向３３において主バーナ３７の燃料出口３９の上流で、流路３１Ａ、３１Ｂは触媒バーナ３５Ａ、３５Ｂの燃料出口４１を備える。触媒バーナ３５Ａ、３５Ｂは燃料Ｂの触媒転換又は部分転換を行い、触媒予反応を進行させ、該予反応は、自己反応開始時間経過後に、主バーナ３７で予反応済み燃料Ｂの後反応を生ぜしめる。これは燃焼を安定させ、主バーナ３７の燃料出口３９の近くに形成された燃焼域４５での燃焼を完全にする。流路３１Ａ、３１Ｂでの燃料Ｂの所定の滞在時間を調整すべく、流路３１Ａ、３１Ｂの長さＬを、考慮すべき反応時間と燃料Ｂの流速に特に適合させる。触媒作用要素４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃ、４３Ｄは、流路３１Ａ、３１Ｂ内に旋回流を形成すべく配置している。該旋回流は触媒作用要素４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃ、４３Ｄの後流において燃料出口４１の下流に生ずる。
【００３８】
図３は、図２に示すバーナ１０を流れ方向３３に見た図である。触媒作用要素４３Ａ、４３Ｂは流れ方向３３に対し垂直な平面内に配置され、触媒作用要素４３Ａ、４３Ｂの燃料出口４１は流路３１Ｂに開口している。同様に触媒作用要素４３Ｃ、４３Ｄは流れ方向３３に対し垂直な平面内に配置され、触媒作用要素４３Ｃ、４３Ｄの燃料出口４１は流路３１Ａに開口している。その際、触媒バーナ３５Ａ、３５Ｂは流れ方向３３に見て互いに間隔を隔てて配置されている。触媒作用要素４３Ａ、４３Ｂの配置により、燃料出口４１を経て外側環状流路３１Ｂに流体燃料Ｂが流入する際、流体燃料Ｂに旋回成分を与える。同じことは、触媒作用要素４３Ｃ、４３Ｄを経て内側環状流路３１Ａに流体燃料Ｂが流入する際も当てはまり、そこで流体燃料Ｂに旋回が与えられる。
【００３９】
バーナ１０の運転中、流体燃料Ｂが触媒バーナ３５Ａ、３５Ｂに供給され、そこで、触媒反応で少なくとも部分的に転換される。続いて、触媒予反応済の燃料Ｂが、主バーナの燃焼域４５にて後反応で更に燃焼する。予反応済み燃料Ｂには旋回成分を与えている。予反応済の旋回性燃料Ｂは後反応のために燃焼域４５に移送され、その際、流路３１Ａ、３１Ｂ内に旋回流が生ずる。移送路での予反応済み燃料Ｂの滞在時間の調整で、燃焼域４５において、空間的に制御された後反応が始まる。旋回成分の選定と調整で、流路３１Ａ、３１Ｂ内に所望の旋回流が生じ、この結果、例えば（図示の如く）、流路３１Ｂの軸方向長Ｌがそれに応じて定まる。この結果、バーナ１０の構造空間、特に軸方向寸法は扱い易い寸法に限定され、同時に、主バーナ３７に付属する燃焼域４５での後反応の、空間的に制御された開始が保証される。燃焼域４５は流体燃料Ｂの旋回流に基づき軸方向寸法が限定され、このため特にガスタービンの用途に対し、通常の寸法を持つ燃焼器４と燃焼室２７（図１参照）による実現が可能となる。燃焼域４５で、触媒バーナ３５Ａで既に少なくとも部分的に予反応した燃料Ｂを完全燃焼させる均質非触媒後反応が始まる。
【００４０】
図２と３に示す実施例では、２つの触媒バーナ３５Ａ、３５Ｂを各々流路３１Ａ、３１Ｂに流れ技術的に接続している。しかし本発明は、唯一の触媒バーナ３５Ａとこれに付属し、流路３１Ａを備えたバーナ１０や、複数の触媒バーナとそれに付属し、流路を備えたバーナででも実現できる。本発明のバーナ１０によって、まず第１に触媒燃焼過程を基礎とする燃焼系統に対し種々の流体燃料Ｂでの運転が可能となる。即ち液体燃料と気体燃料が対象となる。この場合、バーナ１０は例えば燃料油等の液体燃料を利用する際、必要に応じ非触媒燃焼による通常の運転様式でも運転でき、柔軟性が高まる。このため、液体燃料を燃焼空気と燃料空気混合気の形に混合する。燃焼空気を予め、例えば旋回発生触媒要素又は他の旋回発生要素を介して燃焼空気を導入することで、旋回成分を与える。該燃焼空気に、旋回発生触媒要素の下流で液体燃料を注入する。
【００４１】
或いはまた、燃料空気混合気を、流体燃料特に液体燃料と燃焼空気との混合によって発生させ、該混合気を触媒反応で少なくとも部分的に転換し、続いて触媒予反応済みの燃料空気混合気を更に燃焼させ、その際、予反応済み燃料空気混合気に旋回成分を与える。本発明に基づくバーナは、燃料の選択に応じて、流体燃料ないし燃料空気混合気が触媒作用要素を貫流して、或いは特に液体燃料の際、燃焼空気が貫流し、続いて液体燃料を後反応させて運転される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】ガスタービンの半部断面図。
【図２】本発明に基づくバーナの概略断面図。
【図３】図２に示すバーナを燃料の主流れ方向から見た図。
【符号の説明】
【００４３】
１  ガスタービン、４  燃焼器、１０  バーナ、２７  燃焼室、３１Ａ、３１Ｂ  流路、３３  流れ方向、３５Ａ、３５Ｂ  触媒バーナ、４３Ａ〜４３Ｄ  触媒作用要素
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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