(57)【要約】【課題】ガスタービン燃焼器においてＮＯｘの増加を伴わずに液体燃料とガス燃料との混焼を可能とする。さらには、既存のガス用ガスタービンのＣＯ２排出量を低減させる。【解決手段】ガスを燃料として用い、ガス燃料を空気と混合した予混合気を燃焼器に供給する予混合ノズルを備えるガスタービン燃焼器において、負荷運転以上の運転条件でガス燃料を主たる燃料として供給しながら、予混合ノズル５に供給される燃焼用空気の温度あるいはそれよりも低い温度で完全に気化しかつ燃焼用空気の流量に対して可燃限界下限値未満の濃度となる量の液体燃料を従たる燃料としてガス燃料の噴射口２０より上流で燃焼用空気の流れの中に噴射する液体燃料の噴射口２１を備え、液体燃料を燃焼用空気と混合した後にガス燃料を混合して液体燃料と燃焼用空気とガス燃料との希薄予混合気として予混合ノズル５から燃焼室２６に供給して希薄予混合燃焼させるようにしている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを燃料として用い、前記ガス燃料を空気と混合した予混合気を燃焼器に供給する予混合ノズルを備えるガスタービン燃焼器において、負荷運転以上の運転条件で前記ガス燃料を主たる燃料として供給しながら、前記予混合ノズルに供給される前記燃焼用空気の温度あるいはそれよりも低い温度で完全に気化しかつ前記燃焼用空気の流量に対して可燃限界下限値未満の濃度となる量の液体燃料を従たる燃料として前記ガス燃料の噴射口より上流で前記燃焼用空気の流れの中に噴射する液体燃料の噴射口を備え、前記液体燃料を前記燃焼用空気と混合した後に前記ガス燃料と混合し、前記液体燃料と前記燃焼用空気との混合気にさらにガス燃料を混合した希薄予混合気として前記予混合ノズルから前記燃焼器に供給して混焼させ、タービンを駆動する燃焼ガスを生成するガスタービン燃焼器。
【請求項２】
前記液体燃料がアルコール系燃料である請求項１記載のガスタービン燃焼器。
【請求項３】
前記アルコール系燃料が植物由来である請求項２記載のガスタービン燃焼器。
【請求項４】
前記液体燃料がバイオエタノールである請求項３記載のガスタービン燃焼器。
【請求項５】
前記液体燃料がＬＰＧまたはジメチルエーテルである請求項１記載のガスタービン燃焼器。
【請求項６】
ガスを燃料として用い、前記ガス燃料を空気と混合した予混合気を燃焼器に供給する予混合ノズルを備えるガスタービン燃焼器において、負荷運転以上の運転条件で前記ガス燃料を主たる燃料として供給しながら、前記予混合ノズルに供給される前記燃焼用空気の温度あるいはそれよりも低い温度で完全に気化しかつ前記燃焼用空気の流量に対して可燃限界下限値未満の濃度となる量の液体燃料を従たる燃料として前記ガス燃料の噴射位置よりも上流で噴射し、前記液体燃料を前記燃焼用空気と混合した後に前記ガス燃料と混合し、前記液体燃料と前記燃焼用空気との混合気にさらにガス燃料を混合した希薄予混合気として前記予混合ノズルから前記燃焼器に供給して混焼させることを特徴とするガスタービン運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン燃焼器並びにその運転方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃焼用空気温度以下の温度で気化する液体燃料と天然ガスとを混焼できるガスタービン燃焼器並びにその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境に悪影響を与える窒素酸化物（ＮＯｘ）や浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）の発生を抑制することが求められており、かつ石油に代わる燃料として、バイオマス燃料の利用が求められている。
【０００３】
軽油やＡ重油などの化石燃料由来の液体燃料を用いるガスタービン燃焼器は、ＬＮＧ（液化天然ガス）などのガス燃料を用いるガスタービン燃焼器と比べて高濃度のＮＯｘを排出するとともに、ＳＰＭの原因となるスモークを排出する可能性もある。このため、燃料の噴射方法の改善やバーナーの構造の工夫、および水または水蒸気の燃焼器内への噴射などによって、その低減が図られているが、十分な効果が得られているとはいえないものである。特に、ＮＯｘについては十分な低減効果が得られておらず、高価な排煙脱硝装置の設置が行われている。さらに、水または水蒸気を噴射するとエネルギー損失が増大する問題もある。
【０００４】
一方、我が国は京都議定書の締結によって二酸化炭素（ＣＯ２）などの温室効果ガスの排出量の削減義務が課されているが、バイオマスの燃焼によって排出されるＣＯ２ は、生物の成長過程で大気中から吸収したＣＯ２ であることから、バイオマスの燃焼はＣＯ２を増加させない（ＣＯ２ニュートラル）。このため、石油系燃料をバイオマス燃料で代替することにより、ＣＯ２の排出削減に大きく貢献することができる。さらに、我が国では「電気事業者による新エネルギー等の利用に関する特別措置法」（ＲＰＳ法）が施行され、電気事業者に対し、バイオマスを含む新エネルギーにより発電された電気を一定の割合で利用することを義務付けている。
【０００５】
そこで、木屑などの固形バイオマス燃料を石炭に混入して発電用ボイラーで燃焼させる方法、発電用ガスタービン燃焼器で燃焼させる方法およびガス化して発電用ガスタービン燃焼器で燃焼させる方法などが検討されている。
【０００６】
例えば、固形バイオマス燃料をガスタービン燃焼器で燃焼する方法が提案されている（特許文献１）。この方法では、化石燃料、バイオマス燃料を適宜選択して燃焼ガスを生成すること、生成された燃焼ガスに含まれる不純物をサイクロンセパレータで除去した後にガスタービンに供給すること、サイクロンセパレータ出口温度が８００℃を下回らないようにすることなどが必要とされている。その理由は、固形バイオマス燃料の発熱量が低く、バイオマス燃料のみでは起動運転および部分負荷運転ができないこと、固形バイオマス燃料の燃焼によって生成する灰を除去しないとタービン翼に灰が付着すること、固形バイオマス燃料中にダイオキシンの原因物質が含まれるため、８００℃以上にしないとダイオキシンを発生することに起因している。
【０００７】
また、固形バイオマス燃料などをガス化して発電用ガスタービン燃焼器で燃焼する方法が提案されている（特許文献２）。この方法では、ガス化した気体燃料の圧縮機に水噴霧手段を設け、気体燃料の圧縮過程で水を噴霧して圧縮機内で蒸発させ、このときの吸熱作用を利用して圧縮に伴うガス温度の上昇を抑えること、および気体燃料のガス温度を３００℃以上にすることが必要とされている。その理由は、温度の高い気体燃料を圧縮すると、さらに温度が高くなって圧縮エネルギーがガスタービンで発生するエネルギーに比べ同じ程度の大きさになり、出力されるエネルギーが減ってしまうこと、およびバイオマスなどをガス化した可燃性ガスは低温になると液化するタール分と呼ばれる成分を含み、ガス温度が低くなった時に粘性の高い液体となって配管や機器などに付着し、閉塞などの問題を起こすことに起因している。また、特許文献２では、タール分による問題を回避する従来の方法として、ガス化温度を高くしてタール分を熱分解する方法、ガスを水洗してタールを除去する方法が記載されているが、エネルギー損失の発生および設備の複雑化などの欠点があること、さらに、気体燃料の圧縮を不要とする従来の方法として、ガス化を加圧で行う方法があるが、耐圧容器が必要となり、安全上の問題を生じるとともに、運転費が増加する欠点を有している。
【０００８】
既設ＬＮＧガスタービンを利用してＣＯ２の抑制を図るためには、ＬＮＧガスタービンを植物由来の液体燃料との混焼が可能になるように改造する方法が合理的である。そこで、固形またはガス化バイオマス燃料に対し、植物油を原料として液体化したバイオエタノールを適用できるガスタービンが提案されている（特許文献３）。この方法では、拡散燃焼部と予混合燃焼部からなる多段燃焼式燃焼器を採用し、拡散燃焼部にアルコール、予混合燃焼部に天然ガスを供給して各燃料を燃焼させる。その結果、拡散燃焼すなわち非予混合燃焼を単独で行う低負荷運転時に、非予混合燃焼の中ではＮＯｘ生成の少ないアルコールを用いることにより、天然ガス単独の燃焼器と比較して低負荷運転でのＮＯｘを抑制できる。なお、前記ガスタービン以外に、灯油、軽油、Ａ重油などの液体燃料を用いるガスタービンが実用化されおり、これらにバイオエタノールを適用できるが、そのほとんどが非予混合燃焼方式である。
【０００９】
一方、予混合燃焼部に液体燃料を利用した燃焼器が提案されている（特許文献４）。この方法では、燃焼器を一次燃焼ゾーンと二次燃焼ゾーンで構成し、二次燃焼ゾーンに環状予備混合通路を介して気体燃料のリーンな混合物を供給する気体燃料噴射部と、その後流に液体燃料のリーンな混合物を導入する液体燃料噴霧ノズルを設置する。その結果、気体予備混合通路において液体燃料も予備混合できるために、液体燃料も希薄予混合燃焼に近い燃焼が可能になり、非予混合燃焼と比べてＮＯｘを抑制できる。
【００１０】
さらに、近年、天然ガス、石炭やＣＯ２ニュートラルであるバイオマス等から製造されるＤＭＥ（ジメチルエーテル）やメタノール、エタノールをはじめとするアルコール系燃料が新燃料として着目されている。そして、これらの燃料などを、エネルギー危機に備えての燃料の多様化の一環として、熱効率の高い発電での使用が望まれる。近年、ガスタービンの後流に、排ガスの熱を回収し蒸気を発生する排ガスボイラーを備え、その蒸気を用いて蒸気タービンを回すガスタービンコンバインド発電プラント（GTCC）が注目されているが、このプラントでは発電効率が５０%を越え、従来の発電設備の効率を大きく上回っている。一方、天然ガスや石炭およびバイオマスなどを起源とするDME、また、アルコール系燃料は、生産コストが高い傾向がある。効率の高いGTCCでこのような生産コストの高い燃料を使うことにより、発電量あたりのコストを抑制することが可能である。現在、電気事業用として用いられている大型ガスタービンの大半、また中小型ガスタービンにおいてもその多くが、窒素酸化物（NOx）低減のために天然ガスを燃料としており、DMEなどの液化ガスやアルコール系燃料などの液体燃料を使用することができない状態である。
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−２１８５３２号
【特許文献２】特開２００２−２２１０４７号
【特許文献３】特開平６−１９３４７２号
【特許文献４】特開平８−２６１４６５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、木屑などの固形バイオマス燃料を利用するこれらの方法は、固形バイオマスの質量あたりの発熱量が低い上に、さらに収集効率および輸送効率も悪く、かつ生成する灰またはスラグの処理も必要となり、経済性に劣るなどの問題がある。
【００１３】
また、特許文献１記載の方法では、サイクロンセパレータが必要となり設備の大型化および設備費の増加を招くとともに、高温の灰によるサイクロンの摩耗を生じる恐れがある。さらに、サイクロン入口及び出口の温度管理が必要となり、そのための制御が複雑になる。また、サイクロンセパレータの耐熱性の問題のため、ガス温度に制限があり、エネルギー損失も大きい。さらに、固形バイオマス燃料中に含まれるナトリウム、カリウムなどの微量成分がタービンなどの材料を劣化させるが、その対策がとられていない。
【００１４】
また、特許文献２の方法では、純水が必要になるとともに、水の供給装置および制御装置も必要となり、設備費、運転費が増加する。また、燃料のガス化に伴うエネルギー損失を防ぐことはできない。さらに、固形バイオマス燃料の収集効率および輸送効率が悪いこと、および生成する灰またはスラグの処理費用が必要になることは共通の課題として残っている。さらに、固形バイオマス燃料中に含まれるナトリウム、カリウムなどの微量成分がタービンなどの材料を劣化させるが、その対策がとられていない。
【００１５】
また、特許文献３記載の方法では、予混合燃焼を併用した高負荷運転に切り替えた後も、予混合燃焼と比べてＮＯｘを多量に発生する非予混合燃焼でアルコールを燃焼するために、高負荷運転時に十分なＮＯｘ低減効果が得られない問題がある。
【００１６】
また、特許文献４記載の方法では、気体燃料と空気の混合気の中に液体燃料が噴霧されるため、液体燃料の噴霧が蒸発しながら、気体燃料と空気の混合気とさらに混合することとなる。ここで、液体燃料の噴霧粒子は、液体のままでは燃焼できず、蒸発して空気と反応することによって燃焼する。したがって上記噴霧粒子が完全に蒸発するまでは、噴霧粒子の周囲で高濃度の液体燃料蒸気が分布し、かつ気体燃料も加わって、さらに高濃度の可燃ガスが分布することとなる。その結果、燃焼器に噴射される燃料と空気の混合気内の可燃ガス濃度分布が不均一になり、可燃ガス濃度が高い部分が高温で燃焼してサーマルＮＯｘを多量に発生する。さらに、最悪の場合は環状予備混合通路内で燃焼し、燃焼器を損傷する恐れを生じる。
【００１７】
さらに、ＤＭＥやアルコールなどの液体燃料を天然ガスと共に燃焼器内に噴射させて混焼しようとしても、液体のまま燃焼器内に噴霧して燃焼させると非予混合燃焼となってしまうため、局所的高温域が発生してＮＯｘ増大を招く虞がある。即ち、燃焼器内で温度むらや燃焼性のむらを生じ、ＮＯｘの増加、一酸化炭素や未燃炭化水素の増加、タービンや燃焼器の寿命低下、予混合ノズル内への逆火を生じる恐れがある。
【００１８】
本発明は、ＮＯｘの増加を伴わずに液体燃料とガス燃料との混焼が可能なガスタービン燃焼器並びにガスタービン運転方法を提供することを目的とする。さらには、本発明は、既存の天然ガス用ガスタービン燃焼器に僅かな改造を加えるだけで、液体燃料だけを燃焼させるガスタービン燃焼器よりも二酸化炭素、窒素酸化物の排出が少ないガスタービン燃焼器、または天然ガスだけを燃料として用いる場合よりも二酸化炭素排出量を低減できるガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
かかる目的を達成するために請求項１記載の発明にかかるガスタービン燃焼器は、ガスを燃料として用い、ガス燃料を空気と混合した予混合気を燃焼器に供給する予混合ノズルを備えるガスタービン燃焼器において、負荷運転以上の運転条件でガス燃料を主たる燃料として供給しながら、予混合ノズルに供給される燃焼用空気の温度あるいはそれよりも低い温度で完全に気化しかつ燃焼用空気の流量に対して可燃限界下限値未満の濃度となる量の液体燃料を従たる燃料としてガス燃料の噴射口より上流で燃焼用空気の流れの中に噴射する液体燃料の噴射口を備え、液体燃料を燃焼用空気と混合した後にガス燃料と混合し、液体燃料と燃焼用空気との混合気にさらにガス燃料を混合した希薄予混合気として予混合ノズルから燃焼器に供給して燃焼させ、タービンを駆動する燃焼ガスを生成するようにしている。また、請求項６記載の発明にかかるガスタービン運転方法は、ガスを燃料として用い、ガス燃料を空気と混合した予混合気を燃焼器に供給する予混合ノズルを備えるガスタービン燃焼器において、負荷運転以上の運転条件でガス燃料を主たる燃料として供給しながら、予混合ノズルに供給される燃焼用空気の温度あるいはそれよりも低い温度で完全に気化しかつ燃焼用空気の流量に対して可燃限界下限値未満の濃度となる量の液体燃料を従たる燃料としてガス燃料の噴射位置よりも上流で噴射し、液体燃料を燃焼用空気と混合した後にガス燃料と混合し、液体燃料と燃焼用空気との混合気にさらにガス燃料を混合した希薄予混合気として予混合ノズルから燃焼器に供給して混焼させるようにしている。
【００２０】
したがって、予混合ノズル内において燃焼用空気の流れの中に噴射された液体燃料は、燃焼用空気の温度あるいはそれよりも低い温度で気化するものであることから、燃焼用空気と接触すると同時に気化して混合される。しかも、液体燃料は燃焼用空気に対して可燃限界下限値未満の濃度となる量であるため、燃焼を開始することなく均一に混合される。その後に、気化した液体燃料と混合された燃焼用空気とガス燃料とが混合されてそれらの予混合気にして燃焼器に供給されるので、燃焼器内で希薄予混合燃焼を起こす。
【００２１】
ここで、本発明のガスタービン燃焼器において用いられる液体燃料としては、予混合ノズルに供給される燃焼用空気の温度あるいはそれよりも低い温度で完全に気化する液体燃料、例えばアルコール系燃料、より好ましくは植物由来のアルコール系燃料、さらに好ましくはバイオエタノールの使用であり、さらにはＬＰＧまたはＤＭＥなどの非アルコール系の液化燃料、より好ましくはジメチルエーテルの使用である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のガスタービン燃焼器並びにその運転方法によると、可燃限界下限値未満の濃度となる液体燃料を気化させながら空気と混合させた後、ガス燃料を加えてそれらの予混合気にして燃焼器に供給しているので、液体燃料を従たる燃料として用いても、燃焼器内では希薄予混合燃焼が実現され、液体燃料だけを燃焼させるガスタービンよりもＮＯｘを低減できる。即ち、燃焼用空気と液体燃料とガス燃料とが希薄予混合気として燃焼器内に供給されるので、燃焼器内での温度むらや燃焼性のむらの発生を抑制でき、ＮＯｘの増加を防ぐと共に一酸化炭素や未燃炭化水素の増加を抑え、タービンや燃焼器の寿命が低下するのを防止できる。しかも、万一液体燃料が液体燃料ノズルの近くで燃焼しても、液体燃料の流量が少ないために、温度が大きく上昇せず、安全である。
【００２３】
また、ボイラー蒸気タービン発電と比べて、高いエネルギー効率が得られるガス燃料用ガスタービン複合発電を利用して液体燃料を燃焼できるので、エネルギーの有効利用即ち燃料消費量を低減できることから、ＣＯ２の生成量も低減できる。
【００２４】
さらに、既存のガス燃料用ガスタービン燃焼器を用い、液体燃料をガス燃料と別のノズルから供給する構造なので、既存設備のガス供給系、ガス燃料ノズルおよびガス燃料用バーナーをそのまま使うか、少ない改造で使うことができる。したがって、液体燃料供給系および液体燃料ノズルなどの追設、並びにそれに伴う変更のみのわずかな改造を行うことによって液体燃料をガス燃料と同時に燃焼できるので、新規に開発する場合と比較して装置の開発費用および開発期間を短縮できる。また、液体燃料用ガスタービンを新設する場合と比べて設備費を大幅に節減できる。しかも、ガスタービンの起動および停止時には、ガス燃料だけを用いた通常運転とされるので、運転が容易でかつ安定する。
【００２５】
また、アルコール系燃料を用いる請求項２記載の発明によると、アルコール系燃料は比較的低温で気化するため、燃焼器に供給される燃料ガスの温度によって確実に気化させて希薄予混合燃焼を実現することができる。これによりガスタービン燃焼器において使用でき燃料の多様化を実現できる。
【００２６】
また、植物由来のアルコールを液体燃料として用いる請求項３記載の発明及びバイオエタノールを液体燃料として用いる請求項４記載の発明によると、固体バイオマス燃料と比べて収集効率および輸送効率が高いので、バイオマス燃料を使う際の重大な障害であった燃料の安定供給の実現を可能とすると共に運転コストを低廉なものとできる。しかも、植物由来の液体燃料は、灰やスラグの原因となる無機成分、ダイオキシンの原因となる塩素、タービンなどの材料の腐食の原因となるナトリウムやカリウム、およびスモークや輝炎の原因となる芳香族炭化水素や環状炭化水素などを含まないので、それらに起因する問題を一切なくすことができる。つまり、灰、スラグ、ダイオキシンを排出せず、タービンなどの材料の寿命延伸を図れる。さらに、液体燃料としてそのまま使用されるため、高温で燃料をガス化する必要もなければ、タールの発生もタールの除去のための純水も必要としない。しかも、バイオマス燃料なので燃焼時に排出されるＣＯ２は元々大気中のＣＯ２に起因するものであり、新たなＣＯ２の発生に繋がらず、ＣＯ２の排出削減に大きく寄与できる。依って、天然ガス用ガスタービン燃焼器において天然ガスのみを燃焼させるときよりも、ＣＯ２の排出削減に大きく寄与でき、ＮＯｘ並びにスモークの排出量の増加も対処可能な範囲の僅かな量に抑えることができる。さらに、液体燃料としてエタノールを用いた請求項４記載の発明によると、ガスタービン燃焼器に供給するために圧縮された後の燃料ガスの温度で完全に気化が可能であることから、燃料ガスを加熱するための手段などを特に必要とせず、ガスタービン燃焼器設備への追加設備を少なくすることができる。
【００２７】
また、請求項５記載の発明によると、廃プラスチック、褐炭、超重質油などの低品位燃料を原料として合成するジメチルエーテルを液体燃料として用いても、ボイラー蒸気タービン発電と比べて、ガスタービン複合発電のエネルギー効率は高いので、燃料消費量を低減できることから、ＣＯ２の生成量も低減できる。ＬＰＧ、工業用アルコールを液体燃料として用いる場合についても同様である。しかも、従来利用価値が低かった褐炭や超重質油、費用をかけて廃棄せざるを得なかった廃プラスチックなどを有効利用できると共に、既存のガスタービン設備を用いて天然ガスなどのガス燃料との混焼を可能とするので、燃料の多様化を実現できる。さらに、バイオマスを原料として製造したジメチルエーテルを用いると、大きなＣＯ２削減効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１に、本発明のガスタービン燃焼器を用いた発電システムの一実施形態を示す。この実施形態のガスタービン発電システムは、主燃料として天然ガスを用いるものであり、天然ガス用ガスタービン燃焼器２４、該天然ガス用ガスタービン燃焼器２４から供給される燃焼ガスで駆動されるタービン１３と、天然ガス用ガスタービン燃焼器２４に圧縮空気を供給する空気圧縮機１２と、空気圧縮機１２並びにタービン１３と同軸に配置されている発電機１１と、起動時に発電機１１をモータとして駆動するための切替器１４とを備え、燃焼器２４で生成した燃焼ガスをタービン１３に供給して発電機１１を回し、電力を発生させるようにしている。なお、図示していないが、空気圧縮機１２とタービン１３との間の連結シャフトにはクラッチが備えられ、必要に応じて断続できる構造となっている。尚、主燃料となるガス燃料としては、上述の天然ガスに特に限定されるものではなく、それ以外のガス燃料を用いることも可能である。
【００２９】
ガスタービン燃焼器１０は、燃焼室２６を形成する内筒７と、この内筒７の入り口で希薄予混合気を形成して燃焼室２６内へ供給するための予混合ノズル５と、該予混合ノズル５並びに内筒７の周りを覆うハウジングとしての外筒６とを有し、内筒７と外筒６との間に圧縮機１２から供給される圧縮空気・燃焼用空気を内筒７の周囲並びに予混合ノズル５へと案内する空気通路２５を形成している。
【００３０】
本実施形態の予混合ノズル５は、予混合室２７を形成する円筒状のノズル本体２８内に、スワーラ４と液体燃料ノズル１０と天然ガスノズル３を備え、液体燃料および天然ガスを空気と混合した予混合気を内筒７の燃焼室２６に供給可能としている。液体燃料ノズル１０は、液体燃料配管１６を介して液体燃料タンク８と接続され、負荷運転あるいはそれ以上の運転条件において、予混合ノズルに供給される燃焼用空気の温度あるいはそれよりも低い温度で完全に気化しかつ燃焼用空気の流量に対して可燃限界下限値未満の濃度となる量の液体燃料を従たる燃料として予混合室２７内に噴射するように設けられている。液体燃料ノズル１０の噴射口の設置位置、即ち液体燃料の噴射位置は天然ガスの噴射口より上流に設定され、スワーラ４を介して予混合室２７内に流入する燃焼用空気の流れの中に天然ガスよりも先に噴射されるように設けられている。また、天然ガスノズル３は、天然ガス配管１５を介して天然ガスタンク１と接続され、天然ガスを主たる燃料として予混合室２７内に噴射するように設けられている。したがって、スワーラ４によって旋回流として予混合室２７内へ流入する燃焼用空気は、まず液体燃料の噴流と衝突し、液体燃料を気化させながら気化した液体燃料と混合され、次いで天然ガスの噴流と衝突して天然ガスと混合される。そして、気化した液体燃料と天然ガスと燃焼用空気との混合気を予混合ノズル５から燃焼室２６内に供給するようにしている。尚、図中の符号２，９は流量調節弁である。
【００３１】
液体燃料としては、予混合ノズル５に供給される燃焼用空気の温度あるいはそれよりも低い温度で気化する液体燃料であれば使用可能であり、アルコール系燃料、より好ましくは植物由来のアルコール系燃料、さらに好ましくはバイオエタノールの使用である。さらに、液体燃料としては、ＬＰＧまたはＤＭＥなどの液化燃料の使用も可能であり、特にガスタービン燃焼器のＣＯ２排出量を削減するための液体燃料としては、バイオマス燃料から生成されるジメチルエーテルの使用が好ましい。さらに、アルコール系燃料としては、工業用アルコール、燃料アルコール、バージンアルコール系燃料などが使用可能である。
【００３２】
ここで、液体燃料の一部が液体燃料供給系統１８の配管１６内で気化すると、予混合室２７に開口する液体燃料ノズル１０の噴射口での差圧が変動し、噴霧が不安定になり、燃料流量も変動を生じ、安定に運転できなくなる虞がある。このため、配管１６内では液体の状態を保つことが好ましい。そこで、液体燃料は、気化しない温度、通常は液体燃料供給系統１８の液体燃料タンク８から液体燃料を加温せずに加圧した状態で配管１６を通して液体燃料ノズル１０に供給するようにしている。液体燃料は液状で液体燃料ノズル１０から噴射されるのであれば、特に冷却する必要はなく、積極的に加温せずに供給するだけで十分である。しかし、液体燃料の気化温度が燃焼用空気となる圧縮空気の温度よりも遙かに低い場合には、配管５を二重管にして外側に冷却用の空気や水などの流体を循環させて配管５内で気化しないようにすることが好ましい。尚、図示していないが、液体燃料供給系統１８および天然ガス供給系統１７には温度センサーが設置されており、燃料温度が監視される。
【００３３】
ガスタービンには、通常３ＭＰａ以上の圧力で燃料が供給される。このため、大気圧では気体の状態でも、ガスタービンに供給する際には液体になる燃料がある。このような燃料の代表としてジメチルエーテルがある。図６にエタノール、メタノール、ジメチルエーテルの蒸気圧を示す。例えば負荷運転以上の条件で、１〜２ＭＰａの燃焼器内圧力かつ燃焼器入口温度が３００〜４００℃で運転されるガスタービンの場合、メタノールは約１６０℃以下、エタノールは約１８０℃以下、ジメチルエーテルは約７０℃以下で気化するので、これらの燃料は燃焼用空気の温度未満で完全に気化する。なお、例えば燃料を５ＭＰａでガスタービンに供給する場合、液体の状態で燃料を噴霧するためには、メタノールは約２１０℃以下、エタノールは約２２０℃以下、ジメチルエーテルは約１２０℃以下に保持する必要がある。
【００３４】
表１にメタノール、エタノール、ジメチルエーテルの可燃限界下限値を示す。さらに、図７に、燃焼器入口温度を４００℃、燃焼器出口温度を１５００℃で運転し、液体燃料と天然ガスの重量比率を０．３まで変化させた場合の、予混合ノズル５内の燃焼用空気と気化した液体燃料の予混合気の燃料濃度を示す。なお、この予混合気は液体燃料ノズル１０の下流かつ天然ガスノズル３の上流の予混合気であり、天然ガスは混入していない。これらの図より、液体燃料と天然ガスの重量比率が０．２以下であれば、３種類の燃料全てにおいて、予混合気の燃料濃度は可燃限界下限値の１０分の１以下となり、予混合気が予混合ノズル５内で燃焼する恐れは極めて低くなる。次に、万一液体燃料が予混合ノズル５内で着火した場合の燃焼ガスの平均温度、即ち天然ガスノズル入口の燃焼ガス温度を図８に示す。液体燃料と天然ガスの重量比率が０．２の場合、３種類の燃料全てにおいて、天然ガスノズル入口の燃焼ガス温度は十分低い約５３０℃以下となり、たとえ万一液体燃料が予混合ノズル内で着火しても、燃焼器材料の損傷や天然ガスの予混合ノズル内での着火を引き起こす恐れが無い。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
以上のように構成されたガスタービン燃焼器並びにそれを利用したガスタービン発電システムによると、燃料ガスに液体燃料を混合しても完全な希薄予混合燃焼が成立する。
【００３７】
本ガスタービンの運転方法は、負荷運転以上の運転条件においてのみ液体燃料の供給を行い、ガスタービン燃焼器の起動および停止は通常の天然ガス用ガスタービン燃焼器と同じ方法で天然ガスのみを燃焼させることで実施される。例えば、まず発電機１１をモータとして駆動して空気圧縮機１２を回し、予混合ノズル５および燃焼室２６に空気を供給する。次に、天然ガスを天然ガスノズル３から予混合ノズル５内に噴射して、スワーラ４によって燃焼用空気と混合した後、予混合ノズル５から燃焼室２６内に予混合気を供給し、燃焼室２６内で燃焼させる。この燃焼ガスをタービン１３に供給してタービン１３を回転させ、同軸の空気圧縮機１２を回転させる。その結果、起動、停止時に、液体燃料の追加による特別な配慮が不要となり、起動、停止時の制御が容易になる。
【００３８】
負荷運転以上の運転条件で天然ガスの供給が開始される。液体燃料タンク８から従たる燃料として液体燃料が液体燃料ノズル１０に供給されて、予混合ノズル５の予混合室２７内に噴射され旋回流となって流れる燃焼用空気と混合される。このとき、燃焼用空気は圧縮熱によって温度が上昇しているため、その中に噴射された液体燃料は燃焼用空気の温度により完全に気化する。そして、液体燃料の全部が蒸発し、燃焼用空気と完全に混合して斑のない均一状態の完全なガス状の混合燃料として下流へと供給される。さらに、この気化した液体燃料と燃焼用空気との混合気はさらに予混合ノズル５の予混合室２７内で液体燃料よりも下流側で噴射される天然ガスと混合して希薄予混合気となって燃焼室２６内に噴射される。そして、天然ガスだけの場合と変わらない状態の希薄予混合燃焼を実現する。
【００３９】
このとき、気化した液体燃料と天然ガスとを混合した希薄予混合気は、天然ガスの予混合気と同じ状態であるため、予混合ノズル５以降の天然ガス用燃焼器の構造をそのまま利用して燃焼させることが可能になることから、天然ガスに匹敵する低ＮＯｘ燃焼が可能になる。その結果、液体燃料専焼の燃焼器と比べて著しいＮＯｘ低減効果が得られる。また、燃料供給系、および燃料ノズルなどの燃料供給構造の変更のみで、従来の天然ガス用燃焼器本体の構造はそのまま適用できるので、燃焼器の開発費用および開発期間の短縮が可能になる。さらに、液体燃料を気化して燃焼用空気と均一に混合した後、天然ガスと混合するため、液体燃料が空気と混合する部分の燃料濃度が十分薄く、予混合ノズル内で着火する恐れが少なく安全であると共に、液体燃料が完全に気化し、かつ空気と十分混合できるため、燃焼器内に噴射される予混合気の均一性が高く、著しいＮＯｘ低減効果が得られる。
【００４０】
図２に予混合ノズルの第２の実施形態を示す。この実施形態の予混合ノズル５は、天然ガスノズル３と液体燃料ノズル１０とを同心状に配置した二重管構造のノズル２９をノズル本体２８の中央に配備すると共に、ノズル本体２８の入り口にスワーラ４を備えてノズル２９の周りに燃焼用空気の旋回流を形成するように設けられている。ノズル２９は、内側に天然ガスノズル３を、その外側に液体燃料ノズル１０を配置し、液体燃料ノズル１０を兼ねる外管の周面に形成された液体燃料噴射口２１及び天然ガス噴射口２０から燃焼用空気の流れと直交する方向に各燃料を噴射するように設けられている。液体燃料噴射口２１は燃焼用空気の流れに関して天然ガス噴射口２０の上流側に配置されている。そして、天然ガスノズル３と液体燃料ノズル１０との間でかつ液体燃料噴射口２１と天然ガス噴射口２０との間に配置された封止ブロック３０によって、液体燃料ノズル１０が閉塞されて天然ガス噴射口２０からは天然ガスのみが噴射される。尚、ノズル２９の先端は円錐形ブロック３１で封止されている。このような燃焼器は、中心軸に天然ガスノズルを設けた一般的な天然ガス用予混合燃焼器の天然ガスノズルの代わりに上述のノズル２９を配置することによって容易に改造できる。なお、液体燃料噴射口２１は、小口径の噴射口を多数設けても良いし、一般的な圧力スワール噴霧方式を用いても良い。また、液体燃料ノズル１０内の液体燃料は燃焼空気からの伝熱によって加熱される。したがって、安定な燃料噴射状態を保つためには、噴霧されるまでノズル内で液体燃料が液状を保持することが必要である。そこで、燃料の特性に基づき、適切な冷却構造を採用したり、温度上昇を抑制するために必要な伝熱面積、燃料圧力、滞留時間を設定する必要がある。
【００４１】
以上のように構成されたガスタービン燃焼器によっても液体燃料を用いた完全な希薄予混合燃焼を実現できる。即ち、予混合ノズル５の入口に配置したスワーラ４で旋回させられて予混合室２７内に導入される燃焼用空気の流れの中に液体燃料が液体燃料噴射口２１から噴射される。液体燃料はスワーラ４の効果により燃焼用空気と混合すると共に燃焼用空気からの熱によって完全に気化して予混合気を形成する。その予混合気に、液体燃料噴射口２１の下流に配置された天然ガス噴射口２０から天然ガスが噴射される。天然ガスはスワーラ４の効果によって予混合気とさらに混合され、気化した液体燃料と天然ガスと燃焼用空気の均一な予混合気として燃焼室２６内に噴射され、低ＮＯｘ希薄予混合燃焼を行う。
【００４２】
図３に予混合ノズルの第３の実施形態を示す。この実施形態の予混合ノズルは、図２の天然ガスノズル３と液体燃料ノズル１０で構成されたノズル２９のさらに外側に冷却用の空気を流すノズル外管２２を設けた三重管構造として、液体燃料ノズル１０の外周を空気で冷却して液体燃料の温度を制御することにより、液体燃料のノズル内での気化を防止するものである。ここで、液体燃料噴射口２１及び天然ガス噴射口２０はノズル外管２２の周面に形成され、液体燃料噴射口２１からは液体燃料と液体ノズル１０を冷却した後の空気とが噴射される。また、天然ガスノズル３とノズル外管２２との間でかつ液体燃料噴射口２１と天然ガス噴射口２０との間に配置された封止ブロック３０’によって、液体燃料ノズル１０とノズル外管２２とが閉塞されて天然ガス噴射口２０からは天然ガスのみが噴射される。また、ノズル２９の先端は円錐形ブロック３１’で封止されている。なお、液体燃料噴射口２１は、冷却空気を利用した、一般的な気流微粒化噴霧方式を用いても良い。
【００４３】
図４に予混合ノズルの第４の実施形態を示す。この実施形態の予混合ノズル５は、予混合室２７を形成する円筒状のノズル本体２８の中心に天然ガスノズル３を設けた一般的な天然ガス用予混合燃焼器において、ノズル本体２８の周面で、スワーラ４の下流かつ天然ガス噴射口２０の上流に液体燃料噴射口２１を配置したものである。尚、液体燃料ノズル１０は、図示してないが図３に示すようにノズル外管で覆い、液体燃料ノズル１０を空気で冷却する構造としても良い。また、液体燃料噴射口２１は、一般的な圧力スワール噴霧方式を用いても良いし、一般的な気流微粒化噴霧方式を用いても良い。図中符号１９は燃焼室を仕切る壁である。
【００４４】
図５に予混合ノズルの第５の実施形態を示す。この実施形態の燃焼器は、燃焼室２６を形成する内筒７の頂部の中心軸に起動および保炎用の非予混合バーナー３２を配置すると共に、該非予混合バーナ３２よりも下流の内筒７の外周に予混合ノズル５を配置して希薄予混合気を噴射するようにしている。非予混合バーナ３２は、天然ガスの一部を中心軸に沿って噴射する天然ガスノズル３’と、その周りから燃焼用空気を旋回させて燃焼室２６内に導入するスワーラ４’とで構成されている。また、予混合ノズル５は、スワーラ４、液体燃料ノズル１０、天然ガスノズル３の順に備え、旋回しながら流れる燃焼用空気に液体燃料が注入されて混合気が形成され、さらにこの混合気に天然ガスが注入されて予混合気として内筒７の周面から内方へ向けて噴射するように設けられている。即ち、液体燃料噴射口２１は、スワーラ４の下流かつ天然ガス噴射口２０の上流に配置されている。尚、液体燃料ノズル１０は、図示してないが図３に示すようにノズル外管で覆い、液体燃料ノズル１０を空気で冷却する構造としても良い。また、液体燃料噴射口２１は、一般的な圧力スワール噴霧方式を用いても良いし、一般的な気流微粒化噴霧方式を用いても良い。
【００４５】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の実施形態では、ガスタービン燃焼器のＣＯ２削減という観点から、主にバイオエタノール、バイオ燃料から製造されるジメチルエーテルを液体燃料として用いる場合について主に説明しているが、使用できる液体燃料がこれらに限られるというものではなく、予混合ノズルに供給される燃焼用空気の温度あるいはそれよりも低い温度で完全に気化する液体燃料であれば本発明のガスタービン燃焼器並びにその運転方法において使用可能であることはいうまでもない。アルコール系燃料やＬＰＧ、または廃プラスチック、褐炭、超重質油などの低品位燃料を原料として合成するジメチルエーテルなどを液体燃料として用いても良い。特に、資源量は豊富にあるものの利用が進んでいない褐炭、オイルサンド、オイルシェールなどをメタノールやジメチルエーテルに変換して本ガスタービンで燃焼することにより、それらの資源を高効率でクリーンに利用することができる。廃プラスチック、褐炭、超重質油などの低品位燃料を原料として合成するジメチルエーテルを液体燃料として用い天然ガスと混焼させることにより、それらをボイラーなどで利用するより高いエネルギー効率で有効利用を図れる。そして、ボイラー蒸気タービン発電と比べて、ガスタービン複合発電のエネルギー効率は高く、燃料消費量を低減できる結果、ＣＯ２の生成量も低減できる。これは、ＬＰＧや工業用アルコールなどを液体燃料として用いる場合も同様に、ボイラー蒸気タービン発電で使用する場合と比較すると、ガスタービン複合発電で使用した方がＣＯ２生成量を低減できる。また、バイオマスを原料として製造したジメチルエーテルを用いる場合には、さらにバイオマス燃料の使用に伴うＣＯ２削減効果が付加されて、大きなＣＯ２削減効果が得られる。
【００４６】
また、上述の実施形態においては液体燃料と燃焼用空気との混合を確実かつ速やかに行う上で液体燃料を燃焼用空気と混合する手段としてのスワーラ４の存在は好ましいのであるが、予混合室２７に導入される燃焼用空気と液体燃料との混合が均一かつ十分に行われる条件が設定できるのであれば、スワーラ４は必要ない場合もある。
【００４７】
また、液体燃料によってはその供給を停止した場合に、液体燃料供給系統１６内に残留した液体燃料が流動しなくなる恐れがある。そこで、このような液体燃料を用いる場合のガスタービンエンジンでは、液体燃料供給系１６をパージする機構を付加することによって、液体燃料の供給停止時などに、パージガスで配管中に残留する液体燃料を予混合ノズル５へ押し出して残留液体燃料による配管の詰まりなどの問題を解消することが望まれる。パージガスとしては蒸気や窒素などの不活性ガスが好ましい。パージガス例えば蒸気や窒素などを運転停止時に燃料供給系統を通して燃料ノズルに噴射して、燃料供給系統並びに燃料ノズルに残留する液体燃料を一掃することにより、不慮の閉塞などを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明にかかるガスタービン並びにガスタービン発電システムの第１の実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明の予混合ノズルの構造の一実施形態を示す概略図である。
【図３】本発明の予混合ノズルの構造の一実施形態を示す概略図である。
【図４】本発明の予混合ノズルの構造の一実施形態を示す概略図である。
【図５】本発明の予混合ノズルの構造の一実施形態を示す概略図である。
【図６】本発明で使用可能な主な液体燃料の温度と蒸気圧の関係を示す図である。
【図７】本発明で使用可能な主な液体燃料と天然ガスを用い、燃焼器入口温度を４００℃、燃焼器出口温度を１５００℃で運転し、液体燃料と天然ガスの重量比率を変化させた場合の、予混合ノズル内の燃焼用空気と気化した液体燃料の予混合気の燃料濃度を示す。
【図８】本発明で使用可能な主な液体燃料と天然ガスを用い、燃焼器入口温度を４００℃、燃焼器出口温度を１５００℃で運転し、万一液体燃料が予混合ノズル内で着火した場合の、天然ガスノズル上流の燃焼ガスの平均温度を示す。
【符号の説明】
【００４９】
３  ガス燃料ノズル
４  スワーラ
５  予混合ノズル
６  外筒
７  内筒
８  液体燃料タンク
１０  液体燃料ノズル
２０  ガス燃料噴射口
２１  液体燃料噴射口
２４  燃焼器
２６  燃焼室
２７  予混合室
【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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