(57)【要約】【課題】本発明の目的は  高い水素含有率の燃料を燃焼した場合でもＮＯｘ排出量を抑制すると共に、安定燃焼が可能なガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法を提供することにある。【解決手段】本発明のガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法は、ガスタービン燃焼器のメインバーナの保炎を強化する内周燃料は該メインバーナの内周側に位置した内周側の同軸噴流バーナ部に内周燃料系統を通じて供給して燃焼させ、メインバーナの低ＮＯｘ燃焼用の外周燃料は該メインバーナの外周側に位置した外周側の同軸噴流バーナ部に外周燃料供給系統を通じて供給して燃焼させ、高水素含有燃料を燃焼する場合に、メインバーナの内周側の同軸噴流バーナ部に供給する内周燃料の供給を遮断すると共にメインバーナの外周側の同軸噴流バーナ部に供給する外周燃料による燃焼を継続させて低ＮＯｘ燃焼運転を行うようにした。【選択図】図２
2012031730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と空気を混合して燃焼させる燃焼室と、該燃焼室に燃料を噴射する複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルの下流側に設置され前記複数の燃料ノズルに対応して燃焼用空気を燃焼室に供給する複数の空気孔をそれぞれ備えた空気孔プレートと、前記燃料ノズルと空気孔プレートの空気孔を同軸、または同軸に近い状態で配置して構成されるメインバーナを前記燃焼室に面して空気プレートの外周側に複数個配置し、前記燃焼室に面して空気プレートの中心側となるメインバーナの内側に起動用燃料とガス燃焼が可能なパイロットバーナを配置し、
前記メインバーナは該メインバーナの内周側から外周側にかけて環状に配設した燃料ノズルと空気孔プレートに環状に配設した空気孔とから形成される同軸噴流バーナ部を複数列配設し、
前記各メインバーナの同軸噴流バーナ部に保炎を強化する内周燃料系統と低ＮＯｘ燃焼用の外周燃料供給系統がそれぞれ配設された構成のガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法であって、
前記メインバーナの保炎を強化する内周燃料は該メインバーナの内周側に位置した内周側の同軸噴流バーナ部に内周燃料系統を通じて供給して燃焼させ、
前記メインバーナの低ＮＯｘ燃焼用の外周燃料は該メインバーナの外周側に位置した外周側の同軸噴流バーナ部に外周燃料供給系統を通じて供給して燃焼させ、
前記燃料中の水素含有量が大きく増加する、或いは高水素含有燃料を燃焼する場合に、前記メインバーナの内周側の同軸噴流バーナ部に供給する内周燃料の供給を遮断すると共に、前記メインバーナの外周側の同軸噴流バーナ部に供給する外周燃料による燃焼を継続させて低ＮＯｘ燃焼運転を行うことを特徴とするガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法。
【請求項２】
燃料と空気を混合して燃焼させる燃焼室と、該燃焼室に燃料を噴射する複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルの下流側に設置され前記複数の燃料ノズルに対応して燃焼用空気を燃焼室に供給する複数の空気孔をそれぞれ備えた空気孔プレートと、前記燃料ノズルと空気孔プレートの空気孔を同軸、または同軸に近い状態で配置して構成されるメインバーナを前記燃焼室に面して空気プレートの外周側に複数個配置し、前記燃焼室に面して空気プレートの中心側となるメインバーナの内側に起動用燃料とガス燃焼が可能なパイロットバーナを配置し、
前記メインバーナは該メインバーナの内周側から外周側にかけて環状に配設した燃料ノズルと空気孔プレートに環状に配設した空気孔とから形成される同軸噴流バーナ部を複数列配設し、
前記各メインバーナの同軸噴流バーナ部に保炎を強化する内周燃料系統と低ＮＯｘ燃焼用の外周燃料供給系統がそれぞれ配設された構成のガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法であって、
前記メインバーナの保炎を強化する内周燃料は該メインバーナの内周側に位置した内周側の同軸噴流バーナ部に複数の系統に分岐した内周燃料系統を通じて供給して燃焼させ、
前記メインバーナの低ＮＯｘ燃焼用の外周燃料は該メインバーナの外周側に位置した外周側の同軸噴流バーナ部に外周燃料供給系統を通じて供給して燃焼させ、
前記燃料中の水素含有量が大きく増加する、或いは高水素含有燃料を燃焼する場合に、前記メインバーナの内周側の同軸噴流バーナ部に供給する複数の系統に分岐した内周燃料系統のうち、一方の系統の内周燃料系統を経由した内周燃料の供給を遮断すると共に、前記メインバーナの外周側の同軸噴流バーナ部に供給する外周燃料による燃焼を継続させて低ＮＯｘ燃焼運転を行うことを特徴とするガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法。
【請求項３】
燃料と空気を混合して燃焼させる燃焼室と、該燃焼室に燃料を噴射する複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルの下流側に設置され前記複数の燃料ノズルに対応して燃焼用空気を燃焼室に供給する複数の空気孔をそれぞれ備えた空気孔プレートと、前記燃料ノズルと空気孔プレートの空気孔を同軸、または同軸に近い状態で配置して構成されるメインバーナを前記燃焼室に面して空気プレートの外周側に複数個配置し、前記燃焼室に面して空気プレートの中心側となるメインバーナの内側に起動用燃料とガス燃焼が可能なパイロットバーナを配置し、
前記メインバーナは該メインバーナの内周側から外周側にかけて環状に配設した燃料ノズルと空気孔プレートに環状に配設した空気孔とから形成される同軸噴流バーナ部を複数列配設し、
前記各メインバーナの同軸噴流バーナ部に保炎を強化する内周燃料系統と低ＮＯｘ燃焼用の外周燃料供給系統がそれぞれ配設され、更に低ＮＯｘ燃焼用の燃料を供給する第２の外周燃料系統が配設された構成のガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法であって、
前記メインバーナの保炎を強化する内周燃料は該メインバーナの内周側に位置した内周側の同軸噴流バーナ部に内周燃料系統を通じて供給して燃焼させ、
前記メインバーナの低ＮＯｘ燃焼用の外周燃料は該メインバーナの外周側に位置した外周側の同軸噴流バーナ部に外周燃料供給系統を通じて供給して燃焼させ、
前記メインバーナの内周側の同軸噴流バーナ部に隣接した外周側の同軸噴流バーナ部に第２の外周燃料系統を通じて供給して燃焼させ、
前記燃料中の水素含有量が大きく増加する、或いは高水素含有燃料を燃焼する場合に、前記メインバーナの内周側の同軸噴流バーナ部に隣接した外周側の同軸噴流バーナ部に第２の外周燃料系統を通じて供給する燃料の供給を遮断すると共に、前記メインバーナの内周側の同軸噴流バーナ部に供給する内周燃料の供給を継続させ、前記メインバーナの外周側の同軸噴流バーナ部に供給する外周燃料による燃焼を継続させて低ＮＯｘ燃焼運転を行うことを特徴とするガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法において、ガスタービン燃焼器に備えられたメインバーナの空気孔プレートとして、その断面形状が燃焼室側に突出した凸型の空気孔プレートを使用していることを特徴とするガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法において、ガスタービン燃焼器に備えられたメインバーナの空気孔プレートとして、その断面形状が平板型又は凹型の空気孔プレートを使用していることを特徴とするガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法において、前記ガスタービン燃焼器に供給する燃料として、製鉄プロセスで副次的に発生するオフガスであるコークス炉ガスや製油所で発生する水素含有オフガス、あるいは、ＣＯ２貯留・回収設備を備えた石炭ガス化発電プラントで発生する水素含有燃料を使用していることを特徴とするガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料と空気を混合して燃焼するガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）以外に水素を含む副生燃料を利用することが検討されている。
【０００３】
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。水素を含む副生燃料は、例えば製鉄プロセスで高炉の原料となるコークス炉より発生するガス（ＣＯＧ：Ｃｏｋｅ  Ｏｖｅｎ  Ｇａｓ）や、石油製油所で発生するオフガス等がある。
【０００４】
また、石炭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。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。
【０００５】
また、近年、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貯留・回収システム（ＣＣＳ：Ｃａｒｂｏｎ  Ｄｉｏｘｉｄｅ  Ｃａｐｔｕｒｅ  ａｎｄ  Ｓｔｏｒａｇｅ）が検討されている。このＣＯ２貯留・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。
【０００６】
ＣＣＳによってＣＯ２を貯留・回収した後の燃料は、水素を多量に含む水素含有燃料となる。そのため、水素含有燃料を使用する燃焼器は水素特有の課題に対応する必要がある。また、ＩＧＣＣプラントは炭種やガス化炉負荷、ＣＣＳの運転条件等によって燃料組成が異なるため、燃料組成の変化に対応可能な燃焼器が必要となる。
【０００７】
ＩＧＣＣプラントで発生する燃料は、発熱量が約１０ＭＪ／ｍ３Ｎ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に比べると、火炎温度が高くＮＯｘ低減対策が必要となる。
【０００８】
また、ＣＣＳを設けることによって多量に発生する水素は可燃範囲が広く燃焼速度が速いため、特に、燃料と空気を予め混合して希薄燃焼によって低ＮＯｘ化を図る予混合燃焼方式では、燃焼の際に火炎がバーナに接近しやすくなり、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。
【０００９】
一方、燃料と空気を別々の流路より供給する拡散燃焼方式においては、局所火炎温度が高くなりＮＯｘ排出量が増加する。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方法があげられるが、拡散燃焼方式と窒素噴射の組合せだけではＮＯｘ排出量の環境規制値を満足するのは難しくなる場合があり、蒸気噴射等の追加的措置が必要となる。
【００１０】
前記した拡散燃焼方式以外に高温領域を緩和する燃焼方式として分散希薄燃焼方式が挙げられる。この分散希薄燃焼方式によるガスタービン燃焼器は、特開２００３−１４８７３４号公報に記載されているように、燃焼室内に噴射した燃料と空気を空気孔通過の際の縮流と急拡大によって急速に混合する同軸噴流バーナで構成しており、従来の予混合燃焼器に比べると混合距離が短く急速混合が可能であり、噴射する燃料を空気流で包み込んで空気ノズルを通過する際の縮流と急拡大によって燃料と空気を急速に混合するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−１４８７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前記特開２０１０−０６５９６３号公報に記載されているガスタービン燃焼器では、同軸噴流バーナ（メインバーナ）をマルチ化して燃焼器の上流に配置し、高カロリー燃料を分散・希薄燃焼することで低ＮＯｘ化を図っている。そしてガスタービンの幅広い負荷範囲を運転可能とするために、メインバーナに供給する燃料のうち、最内周に位置する第１の同軸噴流バーナ部に供給する保炎強化用の内周燃料と低ＮＯｘ燃焼用の外周燃料の系統に分け、最適な燃料比率［以下、外周燃料比率：（メインバーナ外周燃料流量）／（メインバーナ全流量）］で燃焼している。
【００１３】
しかしながら、前記ガスタービン燃焼器によって燃焼速度の速い水素含有燃料を燃焼した場合には、バーナに火炎が接近してバーナの信頼性を損なう恐れがある。即ち、同軸噴流バーナでは、噴出した燃料と空気の混合気はバーナと火炎との空間内でも混合しており、燃焼速度の速い燃料を燃焼し火炎がバーナに接近した場合にはバーナ出口から火炎までの混合距離が短くなる。
【００１４】
この混合距離の短縮に伴って、ある火炎面においては燃料濃度の高い領域が発生して、火炎温度の上昇によるＮＯｘ排出量が増加し、燃料濃度が高くなることで燃焼速度が速くなってその領域を起点にバーナへの火炎接近・付着のリスクが高くなる。
【００１５】
そこで、メインバーナへの火炎接近・付着を防止するため、保炎強化用の内周燃料の流量を増加し、低ＮＯｘ燃焼用の燃料流量を低減させて外周燃料比率を低下させる運転を行っていたが、しかしながら、内周燃料流量の増加に伴って最内周に位置する第１の同軸噴流バーナ部の燃料濃度が高くなって火炎温度が上昇するため、ＮＯｘ排出量が増加するという課題があった。
【００１６】
本発明の目的は、燃料中の水素含有率が大きく増加する、あるいは高い水素含有率の燃料を燃焼した場合でも、ＮＯｘ排出量を抑制すると共に安定燃焼が可能なガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明のガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法は、燃料と空気を混合して燃焼させる燃焼室と、該燃焼室に燃料を噴射する複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルの下流側に設置され前記複数の燃料ノズルに対応して燃焼用空気を燃焼室に供給する複数の空気孔をそれぞれ備えた空気孔プレートと、前記燃料ノズルと空気孔プレートの空気孔を同軸、または同軸に近い状態で配置して構成されるメインバーナを前記燃焼室に面して空気プレートの外周側に複数個配置し、前記燃焼室に面して空気プレートの中心側となるメインバーナの内側に起動用燃料とガス燃焼が可能なパイロットバーナを配置し、前記メインバーナは該メインバーナの内周側から外周側にかけて環状に配設した燃料ノズルと空気孔プレートに環状に配設した空気孔とから形成される同軸噴流バーナ部を複数列配設し、前記各メインバーナの同軸噴流バーナ部に保炎を強化する内周燃料系統と低ＮＯｘ燃焼用の外周燃料供給系統がそれぞれ配設された構成のガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法であって、前記メインバーナの保炎を強化する内周燃料は該メインバーナの内周側に位置した内周側の同軸噴流バーナ部に内周燃料系統を通じて供給して燃焼させ、前記メインバーナの低ＮＯｘ燃焼用の外周燃料は該メインバーナの外周側に位置した外周側の同軸噴流バーナ部に外周燃料供給系統を通じて供給して燃焼させ、前記燃料中の水素含有量が大きく増加する、或いは高水素含有燃料を燃焼する場合に、前記メインバーナの内周側の同軸噴流バーナ部に供給する内周燃料の供給を遮断すると共に、前記メインバーナの外周側の同軸噴流バーナ部に供給する外周燃料による燃焼を継続させて低ＮＯｘ燃焼運転を行うことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明のガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法は、燃料と空気を混合して燃焼させる燃焼室と、該燃焼室に燃料を噴射する複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルの下流側に設置され前記複数の燃料ノズルに対応して燃焼用空気を燃焼室に供給する複数の空気孔をそれぞれ備えた空気孔プレートと、前記燃料ノズルと空気孔プレートの空気孔を同軸、または同軸に近い状態で配置して構成されるメインバーナを前記燃焼室に面して空気プレートの外周側に複数個配置し、前記燃焼室に面して空気プレートの中心側となるメインバーナの内側に起動用燃料とガス燃焼が可能なパイロットバーナを配置し、前記メインバーナは該メインバーナの内周側から外周側にかけて環状に配設した燃料ノズルと空気孔プレートに環状に配設した空気孔とから形成される同軸噴流バーナ部を複数列配設し、前記各メインバーナの同軸噴流バーナ部に保炎を強化する内周燃料系統と低ＮＯｘ燃焼用の外周燃料供給系統がそれぞれ配設された構成のガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法であって、前記メインバーナの保炎を強化する内周燃料は該メインバーナの内周側に位置した内周側の同軸噴流バーナ部に複数の系統に分岐した内周燃料系統を通じて供給して燃焼させ、前記メインバーナの低ＮＯｘ燃焼用の外周燃料は該メインバーナの外周側に位置した外周側の同軸噴流バーナ部に外周燃料供給系統を通じて供給して燃焼させ、前記燃料中の水素含有量が大きく増加する、或いは高水素含有燃料を燃焼する場合に、前記メインバーナの内周側の同軸噴流バーナ部に供給する複数の系統に分岐した内周燃料系統のうち、一方の系統の内周燃料系統を経由した内周燃料の供給を遮断すると共に、前記メインバーナの外周側の同軸噴流バーナ部に供給する外周燃料による燃焼を継続させて低ＮＯｘ燃焼運転を行うことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明のガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法は、燃料と空気を混合して燃焼させる燃焼室と、該燃焼室に燃料を噴射する複数の燃料ノズルと、前記燃料ノズルの下流側に設置され前記複数の燃料ノズルに対応して燃焼用空気を燃焼室に供給する複数の空気孔をそれぞれ備えた空気孔プレートと、前記燃料ノズルと空気孔プレートの空気孔を同軸、または同軸に近い状態で配置して構成されるメインバーナを前記燃焼室に面して空気プレートの外周側に複数個配置し、前記燃焼室に面して空気プレートの中心側となるメインバーナの内側に起動用燃料とガス燃焼が可能なパイロットバーナを配置し、前記メインバーナは該メインバーナの内周側から外周側にかけて環状に配設した燃料ノズルと空気孔プレートに環状に配設した空気孔とから形成される同軸噴流バーナ部を複数列配設し、前記各メインバーナの同軸噴流バーナ部に保炎を強化する内周燃料系統と低ＮＯｘ燃焼用の外周燃料供給系統がそれぞれ配設され、更に低ＮＯｘ燃焼用の燃料を供給する第２の外周燃料系統が配設された構成のガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法であって、前記メインバーナの保炎を強化する内周燃料は該メインバーナの内周側に位置した内周側の同軸噴流バーナ部に内周燃料系統を通じて供給して燃焼させ、前記メインバーナの低ＮＯｘ燃焼用の外周燃料は該メインバーナの外周側に位置した外周側の同軸噴流バーナ部に外周燃料供給系統を通じて供給して燃焼させ、前記メインバーナの内周側の同軸噴流バーナ部に隣接した外周側の同軸噴流バーナ部に第２の外周燃料系統を通じて供給して燃焼させ、前記燃料中の水素含有量が大きく増加する、或いは高水素含有燃料を燃焼する場合に、前記メインバーナの内周側の同軸噴流バーナ部に隣接した外周側の同軸噴流バーナ部に第２の外周燃料系統を通じて供給する燃料の供給を遮断すると共に、前記メインバーナの内周側の同軸噴流バーナ部に供給する内周燃料の供給を継続させ、前記メインバーナの外周側の同軸噴流バーナ部に供給する外周燃料による燃焼を継続させて低ＮＯｘ燃焼運転を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、燃料中の水素含有率が大きく増加する、あるいは高い水素含有率の燃料を燃焼した場合でも、ＮＯｘ排出量を抑制すると共に安定燃焼が可能なガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１に示した第１実施例のガスタービン燃焼器を備えたＩＧＣＣプラントの系統を示す概略図。
【図２】本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器の構造を示す部分図。
【図３】図１に示した第１実施例のガスタービン燃焼器を燃焼室の下流側から見た図。
【図４】図１に示した第１実施例のガスタービン燃焼器によるガスタービン負荷に対するバーナの燃料流量変化を示す概念図。
【図５】図１に示した第１実施例のガスタービン燃焼器に設置されたメインバーナの保炎の概念を示す概念図。
【図６】図５に示した第１実施例のガスタービン燃焼器のメインバーナを下流側から見た図。
【図７】図１に示した第１実施例のガスタービン燃焼器に設置されたメインバーナの構造を示す断面図。
【図８】図７に示した第１実施例のガスタービン燃焼器に設置されたメインバーナのガスタービン負荷に対する燃料流量変化を示す概念図。
【図９】図１に示した第１実施例のガスタービン燃焼器に設置されたメインバーナに火炎が接近・付着する状況を示す概念図。
【図１０】本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器のメインバーナの構造を示す断面図。
【図１１】図１０に示した第２実施例のガスタービン燃焼器のメインバーナを下流側から見た図。
【図１２】本発明の第３実施例であるガスタービン燃焼器のメインバーナの構造を示す断面図。
【図１３】図１２に示した第３実施例のガスタービン燃焼器に設置されたメインバーナのガスタービン負荷に対する燃料流量変化を示す概念図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施例であるガスタービン燃焼器について図面を用いて以下に説明する。
【実施例１】
【００２３】
本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器の燃焼方法が適用されるガスタービン燃焼器について図１乃至図５、図１０乃至図１３を用いて説明する。
【００２４】
図１は、本発明の第１実施例であるガスタービン燃焼器を備えた酸素吹き石炭ガス化発電プラントの概略系統を示すものである。この石炭ガス化発電プラントの構成及び系統は、ガス化炉２１、ガス精製装置２２、ＣＯ２回収装置２３、ガスタービン装置５、空気分離装置１１等で構成されている。
【００２５】
ガス化炉２１では供給された石炭２０と空気分離装置１１から酸素の昇圧圧縮機１５を経由して供給された酸素１２０とを反応させ、この反応で発生した石炭ガス化ガス６０をガス精製装置２２で脱硫・脱塵して燃料中の不純物を除去し、クリーンな燃料であるＣＯ２回収前の石炭ガス化ガス６２としてガスタービン装置５のガスタービン燃焼器３に供給する。
【００２６】
ガスタービン装置５のガスタービン燃焼器３では、供給された石炭ガス化ガス６２又は石炭ガス化ガス６３と圧縮機２によって空気１０１を圧縮した燃焼用空気１０２とを混合して燃焼させて熱エネルギーを発生させ、タービン４によってこの熱エネルギーを回転エネルギーに変換し、タービン４から発電機６に動力が伝えられることで発電を行う。
【００２７】
前記石炭ガス化発電プラントにおいては、ＣＯ２回収前の石炭ガス化ガス６２を発生させることによってＣＯ２回収装置２３の運転が可能となる。ＣＯ２回収装置２３は燃料である石炭ガス化ガス６２中の炭素分を水蒸気とのシフト反応によって水素とＣＯ２を発生させ、ＣＯ２を回収する設備である。
【００２８】
ＣＯ２回収装置２３が稼働した後は、ＣＯ２回収装置２３によって石炭ガス化ガス６２中のＣＯ２を回収した石炭ガス化ガス６３はガスタービン装置５のガスタービン燃焼器３に供給されて燃焼するので、この石炭ガス化ガス６３は徐々に燃料中の水素含有率が増加し、ガスタービン燃焼器３に供給される石炭ガス化ガス６３の燃料の組成は前記ＣＯ２回収装置２３によるＣＯ２回収の前後で大きく異なるのが特徴である。
【００２９】
【表１】
2012031730.tif 000003
【００３０】
前記ＣＯ２回収装置２３によるＣＯ２回収前の燃料中の代表的な水素含有率は、表１に示すように２５〜３０ｖｏｌ．％であるが（組成１）、ＣＯ２回収装置２３によるＣＯ２回収後は燃料中の炭素分を水蒸気とのシフト反応によってＣＯ２に転換後、分離・除去するため、ＣＯ２回収率の増加に伴い水素含有率は高くなり、ＣＯ２回収率９０％の場合には、水素含有率が８０〜９０ｖｏｌ．％まで高くなり（組成２）、燃焼速度の速い燃料がガスタービン装置５のガスタービン燃焼器３に供給されることになる。
【００３１】
石炭ガス化発電プラントにおいては、ガス精製装置２２を通過後の石炭ガス化ガス６２をガスタービン装置５のガスタービン燃焼器３に供給中にＣＯ２回収装置２３を運転すると、ガスタービン燃焼器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ので、ガスタービン燃焼器３では火炎がバーナに接近してバーナの信頼性を損なう恐れがある。
【００３２】
そこで、本実施例のガスタービン燃焼器３においては、図２に示した構造のガスタービン燃焼器３を使用している。即ち、本実施例のガスタービン燃焼器３を備えたガスタービン装置５は、空気１０１を圧縮して燃焼用空気１０２をガスタービン燃焼器３に供給する圧縮機２と、供給された石炭ガス化ガス６２又は石炭ガス化ガス６３と圧縮機２で空気１０１を圧縮した燃焼用空気１０２とを混合して燃焼させて熱エネルギーを発生するガスタービン燃焼器３と、熱エネルギーを回転エネルギーに変換するタービン４と、タービン４によって駆動される発電機６と、起動時に圧縮機２を駆動する起動用モーター８等で構成されている。
【００３３】
前記ガスタービン装置５の運転は、起動用モーター８の駆動によって圧縮機２が大気より吸込んだ空気１０１を圧縮し、燃焼用空気１０２をガスタービン燃焼器３へと供給する。ガスタービン燃焼器３は圧縮機２による燃焼用空気１０２と起動用燃料５１（ここでは、液体燃料として説明する）、またはＣＯ２回収前の石炭ガス化ガス６２、またはＣＯ２回収後の石炭ガス化ガス６３とを混合させて燃焼することによって燃焼ガス１４０を発生させ、燃焼ガス１４０をタービン４に供給して駆動する。
【００３４】
タービン４は燃焼ガス１４０の供給により回転動力が与えられ、タービン４の回転動力が圧縮機２及び発電機６に伝達されて駆動する。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。
【００３５】
次に本実施例のガスタービン燃焼器３の構造について詳細に説明する。図２及び図３に本実施例のガスタービン燃焼器３の断面構造を示したように、ガスタービン燃焼器３は、圧力容器である円筒状の外筒１０の内部に円筒状の燃焼室１２を備えており、燃焼室１２の上流となるガスタービン燃焼器３の頭部の軸心側にパイロットバーナ３５０（本実施例では１個）を、このパイロットバーナ３５０の外周側に複数個（本実施例では６個）のメインバーナ３００を配置している。
【００３６】
前記パイロットバーナ３５０には、起動用燃料５１での起動を可能とする油ノズル５１ａと、該油ノズル５１ａの外周に配置されてガス燃焼が可能な燃料ノズル３２０を複数個有する同軸噴流バーナを備えている。このように構成することにより、前記パイロットバーナ３５０は油燃料５１によって起動し、部分負荷条件で水素含有燃料（燃料：Ｇｐ系統）への燃料切り替えが可能となる。
【００３７】
一方、低ＮＯｘ燃焼のためのメインバーナ３００は、パイロットバーナ３５０の外周側に複数個（６個）配置され、各メインバーナ３００に備えられた複数個の燃料ノズル３２０は、この燃料ノズル３２０の下流側に設置した空気孔プレート３１５に形成した複数個の空気孔３１０の入口とほぼ同軸となるように、ガス燃焼が可能な前記燃料ノズル３２０を複数個有する同軸噴流バーナを備えている。
【００３８】
前記メインバーナ３００には、上流側に配置した複数個の燃料ノズル３２０と、下流側に配置した空気孔プレート３１５に形成した複数個の空気孔３１０をそれぞれ環状に配列して、メインバーナ３００の軸心側から半径方向外方にかけて、第１の同軸噴流バーナ部３０１、第２の同軸噴流バーナ部３０２、第３の同軸噴流バーナ部３０３、第４の同軸噴流バーナ部３０４をそれぞれ形成している。
【００３９】
更にガスタービン燃焼器３の燃焼室に面した前記メインバーナ３００の出口形状は、図１にその断面形状を示したように燃焼室側に突出した傾斜面を有する凸型構造となっており、水素含有率の高い燃料に対しても燃焼室内で形成される火炎がバーナ近傍へ接近・付着しにくい構造となっている。
【００４０】
前記各メインバーナ３００には、第１の同軸噴流バーナ部３０１に燃料を供給する、保炎を強化するための内周燃料の燃料系統Ｇ１と、第２の同軸噴流バーナ部３０２乃至第４の同軸噴流バーナ部３０４に燃料をそれぞれ供給する、低ＮＯｘ燃焼用の外周燃料の燃料系統Ｇ２が配設されており、ガスタービンの運転状態や燃料組成に応じて制御装置２００の操作によって各メインバーナ３００に供給する内周燃料Ｇ１と外周燃料Ｇ２の燃料比率調整を行なっている。
【００４１】
即ち、ガスタービン燃焼器３に供給される燃料の調節は、ガスタービン負荷に対応させて制御装置２００から出力した操作信号によってパイロットバーナ３５０に供給する燃料Ｇｐ、メインバーナ３００に供給する内周燃料Ｇ１、及びメインバーナ３００に供給する外周燃料Ｇ２の燃料流量を調節する燃料調節弁２１の開度を操作することによって行われる。
【００４２】
次に本実施例のガスタービン燃焼器３を備えた酸素吹き石炭ガス化発電プラントの運転方法について図１乃至図３を用いて説明する。
【００４３】
図１乃至図３において、酸素吹き石炭ガス化発電プラントに備えられたガスタービン装置５は、始動時に起動用モーター８などの外部動力によって駆動される。
【００４４】
ガスタービン装置５の圧縮機２の回転数をガスタービン燃焼器３の着火条件相当の回転数に保持することで、ガスタービン燃焼器３には着火に必要な燃焼空気１０２が圧縮機２から供給され着火条件が成立する。
【００４５】
ガスタービン燃焼器３に供給する燃料は、制御装置２００の制御により、起動用の液体燃料５１をパイロットバーナ３５０に備えられた油ノズル５１ａに供給することによってガスタービン燃焼器３の燃焼室内で着火させて該液体燃料５１を燃焼させる。
【００４６】
その後、ガスタービン燃焼器３で発生した燃焼ガス１４０がタービン４に供給され、液体燃料５１の流量増加とともにタービン４が昇速する。そして起動用モーター８の離脱によりガスタービン装置５は自立運転に入り、無負荷定格回転数に到達する。
【００４７】
ガスタービン装置５が無負荷定格回転数に到達後は発電機６を併入し、さらには液体燃料５１の流量増加によってタービン４の入口ガス温度を上昇させ、ガスタービン装置の負荷を増加させていく。
【００４８】
一方、酸素吹き石炭ガス化発電プラントのガス化炉２１の負荷上昇に伴ってガスタービン装置５のガスタービン燃焼器３に燃料の石炭ガス化ガス６２（ＣＯ２回収率０％）の供給が可能になると、ガスタービン燃焼器３に設置したパイロットバーナ３５０は油専焼からガス専焼に燃料切り替えが可能となる。
【００４９】
制御装置２００の制御により、ガスタービン燃焼器３に設置したパイロットバーナ３５０をガス専焼に燃料を切り替え後は、ガスタービン燃焼器３からタービン４に流入するガス流量の増加に伴って、ガスタービン燃焼器３に設置したメインバーナ３００に供給する燃焼割合を増加させ、ガスタービン装置の負荷を増加させることが可能となる。
【００５０】
ガスタービン燃焼器３に設置したメインバーナ３００による燃料の燃焼は、制御装置２００による制御によって、保炎強化用の内周燃料（Ｇ１）と低ＮＯｘ燃焼用の外周燃料（Ｇ２）の流量比率を調整することができ、外周燃料比率の増加に伴い内周燃料の流量が減少し、即ちガスタービン燃焼器３で燃焼する火炎温度が低下するのでガスタービン燃焼器３の低ＮＯｘ燃焼が可能となる。
【００５１】
本実施例のガスタービン装置５に設けられたガスタービン燃焼器３の運転スケジュールの概略を図４に示す。図４において、横軸のガスタービン装置の負荷に対して縦軸の燃料流量として示した液体燃料５１である油と、ＣＯ２回収前の石炭ガス化ガス６２（またはＣＯ２回収後の石炭ガス化ガス６３）である石炭ガスの燃料流量の変化を示したものである。なお、図中のａ〜ｅの状態は、
ａ）  着火
ｂ）  無負荷定格回転数
ｃ）  燃料切り替え開始前
ｄ）  燃料切り替え完了後
ｅ）  定格負荷
を表わし、ａ〜ｃが起動用の液体燃料５１（油）での専焼、ｃ〜ｄが起動用の液体燃料５１とＣＯ２回収前の石炭ガス化ガス６２（又はＣＯ２回収後の石炭ガス化ガス６３）のガス燃料との混焼、ｄ〜ｅがＣＯ２回収前の石炭ガス化ガス６２（又はＣＯ２回収後の石炭ガス化ガス６３）のガス燃料専焼の運転状態である。
【００５２】
ガスタービン燃焼器３に供給される燃料の切り替えは、図２に示した制御装置２００からの操作信号によって燃料Ｇｐ、Ｇ１、Ｇ２を供給する燃料調節弁２１の開度を操作することによって行われる。
【００５３】
そして図４に示したように、燃料切り替え直後はパイロットバーナ３５０での燃料流量が多くなるが、その後のガスタービン装置の負荷上昇に伴いメインバーナ３００での燃焼割合を増加させるため、パイロットバーナ３５０の燃料流量は低下することになる。
【００５４】
次に本実施例のガスタービン燃焼器３におけるメインバーナ３００の保炎の概念について図５及び図６を用いて説明する。まず、ガスタービン燃焼器３におけるメインバーナ３００の保炎の概念とバーナへの火炎接近・付着の原因について説明する。
【００５５】
図５及び図６は、本実施例のガスタービン燃焼器３に設けたメインバーナ３００の軸心側から半径方向外周側に向かって、第１の同軸噴流バーナ部３０１、第２の同軸噴流バーナ部３０２及び第３の同軸噴流バーナ部３０３をそれぞれ備えたメインバーナ３００の拡大断面と正面図をそれぞれ示したものである。
【００５６】
即ち、メインバーナ３００を構成する空気孔プレート３１５の軸中心から半径方向外周側に向かって、第１列目となる環状の空気孔３１０の配列が第１の同軸噴流バーナ部３０１であり、空気孔プレート３１５の軸中心から第２列目及び３列目となる環状の空気孔３１０の配列がそれぞれ第２の同軸噴流バーナ部３０２及び第３の同軸噴流バーナ部３０３となる。
【００５７】
本実施例のガスタービン燃焼器３のメインバーナ３００は、複数個の燃料ノズル３２０と、該複数の燃料ノズル３２０の下流側に設置された複数個の空気孔３１０を備えた空気孔プレート３１５とで構成される。
【００５８】
前記空気孔プレート３１５には環状に配置された複数個の燃料ノズル３２０と対応させて複数個の空気孔３１０がそれぞれ環状に開口しており、この空気孔プレート３１５に開口した複数個の空気孔３１０の上流に、複数個の各空気孔３１０とほぼ同軸となるように前記複数個の燃料ノズル３２０を配置した構成となっている。
【００５９】
本実施例のガスタービン燃焼器３に設けたメインバーナ３００には、軸心側から半径方向外方にかけて、第１の同軸噴流バーナ部３０１、第２の同軸噴流バーナ部３０２及び第３の同軸噴流バーナ部３０３がそれぞれ備えられている。
【００６０】
ガスタービン燃焼器３のメインバーナ３００を形成する軸心側の１列目の空気孔３１０（１列目の同軸噴流バーナ部３０１）の出口は、図６に示した旋回角θを設けることによって、燃焼室内に形成される保炎を強化する構造となっている。
【００６１】
図５にメインバーナ３００の断面構造を模式的に示したように、前記メインバーナ３００を形成する１列目の同軸噴流バーナ部３０１の出口では、燃焼室内に形成した旋回流５００によってメインバーナ３００の径方向中心部に負圧を生じさせ、燃焼ガスの一部を循環させることで、前記１列目の同軸噴流バーナ部３０１を構成する燃料ノズル３２０に供給される内周燃料Ｇ１と、燃焼用空気１０２との混合気Ｃ１が燃焼室内に噴出されるが、この循環する燃焼ガスの一部が前記混合気Ｃ１への着火源となって火炉内に火炎６０１を形成することで持続燃焼が可能となる。
【００６２】
一方、前記メインバーナ３００を形成する２列目の同軸噴流バーナ部３０２の出口では、前記２列目の同軸噴流バーナ部３０２を構成する燃料ノズル３２０に供給される外周燃料Ｇ２と、燃焼用空気１０２との混合気Ｃ２が燃焼室内に噴出されるが、前記混合気Ｃ２は２列目の同軸噴流バーナ部によって火炉内に形成された火炎６０１を火種として着火し、火炉内に外周火炎６０２を形成する。
【００６３】
同様に、前記メインバーナ３００を形成する３列目の同軸噴流バーナ部３０３の出口では、前記３列目の同軸噴流バーナ部を構成する燃料ノズル３２０に供給される外周燃料Ｇ２と、燃焼用空気１０２との混合気Ｃ３が燃焼室内に噴出されるが、前記混合気Ｃ３は３列目の同軸噴流バーナ部によって火炉内に形成された火炎６０１から伝播して着火し、火炉内に外周火炎６０３を形成する。
【００６４】
図５には、燃焼室内に形成される火炎として、内周火炎６０１と、その外周側の外周火炎６０２、６０３を概念図としてそれぞれ示しているが、外周火炎６０２、６０３は内周火炎６０１の熱を受けることで着火するため、内周火炎６０１よりもバーナ下流側に形成されることになる。
【００６５】
また、図５に示すように、外周火炎６０２は２列目の同軸噴流バーナ部を構成する空気孔プレート３１５の空気孔３１０の出口から距離（Ｌ０）離れた下流側に保持されるため、前記２列目の同軸噴流バーナ部３０２から噴出した混合気Ｃ２は距離（Ｌ０）内においてさらに混合が促進され、均一な混合気がこの外周火炎６０２に供給されることで低ＮＯｘ燃焼が可能となる。
【００６６】
また、表１に示した水素含有率の燃料のうち、組成２のような、二酸化炭素回収率９０％、水素濃度８０〜９０％、その他の成分１０〜２０％である水素含有率の高い燃料を本実施例のガスタービン燃焼器３で燃焼した場合には、燃焼速度が増加するため、図９に示すように、燃焼室内に形成される内周火炎６０１及び外周火炎６０２、６０３は図５に示した内周火炎６０１及び外周火炎６０２、６０３よりもメインバーナ３００に接近する状態となる。
【００６７】
この場合、図９に示したように、まず内周火炎６０１がメインバーナ３００に接近するため、第２および第３の同軸噴流バーナ部３０２、３０３から噴出した混合気Ｃ２、Ｃ３もメインバーナ３００の近傍で着火して、メインバーナ３００の近傍に外周火炎６０２及び外周火炎６０３が形成される。
【００６８】
メインバーナ３００の近傍に例えば外周火炎６０２が形成された場合には、メインバーナ３００と外周火炎６０２との距離（Ｌ１）が図５に示した場合のメインバーナ３００と外周火炎６０２との距離（Ｌ０）よりも短くなるため、前記外周火炎６０２の火炎面に燃料濃度の高い領域が存在することになる。
【００６９】
燃料濃度の高い火炎は燃焼速度が速いため、メインバーナ３００の近傍に伝播しようとする。このため、水素含有率の高い燃料をガスタービン燃焼器３で燃焼する場合には、メインバーナ３００の近傍に形成された外周火炎が空気孔近傍へ付着することを防止させるために、外周燃料Ｇ２の燃料流量を低下させて外周燃料比率を下げて燃焼させることになるが、そうすると、メインバーナ３００に供給するトータルの燃料流量は一定であるため、内周燃料Ｇ１の流量が増加して内周火炎６０１の温度が上昇してＮＯｘ排出量が増加してしまう。
そこで、上記のような場合でもＮＯｘ排出量の抑制を可能にした本実施例のガスタービン燃焼器３における低ＮＯｘ燃焼のコンセプトについて説明する。
【００７０】
図２及び図３に示した第１実施例のガスタービン燃焼器３の断面構造のうち、図３は図２で示したガスタービン燃焼器３を燃焼室の下流側から見た図である。
【００７１】
図４を用いて説明したように、本実施例のガスタービン燃焼器３に設けたパイロットバーナ３５０及びメインバーナ３００においては、図４のｄ〜ｅに示す石炭ガス化ガス６２（又は石炭ガス化ガス６３）のガス燃料専焼に切り替えた後は、パイロットバーナ３５０の外周に設けたメインバーナ３００のみに石炭ガス化ガス６２（又は石炭ガス化ガス６３）のガス燃料が供給される。
【００７２】
そして負荷上昇中は供給される燃料量に合わせて燃焼するメインバーナ３００の本数を調整し、ある負荷条件以上となった場合に６個設置されたメインバーナ３００を全て燃焼させる低ＮＯｘの運転モードとに移行する。
【００７３】
図７は、本実施例のガスタービン燃焼器３におけるメインバーナ３００の断面を示したものである。メインバーナ３００の構成は図５及び図６に示したものと同じであり、メインバーナ３００を構成する空気孔プレート３１５に開口した複数個の空気孔３１０の上流に、これらの複数個の空気孔３１０とほぼ同軸になるように、メインバーナ３００を構成する複数個の燃料ノズル３２０をそれぞれ配置した構造となっている。
【００７４】
燃料ノズル３２０の先端には燃料を噴出するための噴孔３２０ａを備えており、空気孔プレート３１５の空気孔３１０内に燃料Ｇ１、Ｇ２の噴射が可能である。燃料ノズル３２０から噴射した燃料のＣＯ２回収前の石炭ガス化ガス６２（またはＣＯ２回収後の石炭ガス化ガス６３）と燃料ノズル３２０の周囲から供給される燃焼用空気１０２は、空気孔３１０を通過する際の乱れによって急速に混合する。
【００７５】
メインバーナ３００の第１の同軸噴流バーナ部３０１（最内周）には内周燃料Ｇ１の燃料系統を備えており、第２〜第４の同軸噴流バーナ部３０２〜３０４は低ＮＯｘ燃焼部であるので、外周燃料Ｇ２の燃料系統を備えている。
【００７６】
本実施例のガスタービン燃焼器３に設けたメインバーナ３００に内周燃料Ｇ１と外周燃料Ｇ２をそれぞれ供給し、内外周の同軸噴流バーナ部３０１〜３０４の燃空比（燃料と空気の質量比）をほぼ均一とした低ＮＯｘの運転モードにおいては、表１の組成２に示したような高水素含有燃料を燃焼した場合に、図９に示したように燃焼室に形成される内周火炎６０２がメインバーナ３００に接近することによって外周火炎６０３、６０４がメインバーナ３００の近傍でそれぞれ形成され、空気と燃料との混合距離が短くなることにより、メインバーナ３００への火炎付着のリスクが高くなる。
【００７７】
そこで、本実施例のガスタービン燃焼器３においては、図７及び図８に示したように、ガスタービン燃焼器３の低ＮＯｘの運転モードにおいて、制御装置２００による制御操作によって、メインバーナ３００の第１の同軸噴流バーナ部３０１に燃料を供給する内周燃料Ｇ１を遮断し、メインバーナ３００の第２の同軸噴流バーナ部３０２〜第４の同軸噴流バーナ部３０４に低ＮＯｘ燃焼用の外周燃料Ｇ２のみの供給によってガスタービン燃焼器３を運転するものである。
【００７８】
本実施例のガスタービン燃焼器３では、低ＮＯｘの運転モードにおいて、制御装置２００による制御操作によってメインバーナ３００に供給する内周燃料Ｇ１を遮断することでメインバーナ３００を構成する該メインバーナ３００の半径方向中心に位置した第１の同軸噴流バーナ部３０１からは燃焼用空気１０２のみが供給される。
【００７９】
このようにして、メインバーナ３００の半径方向中心部近傍には、第１の同軸噴流バーナ部３０１の外周側に位置する第２の同軸噴流バーナ部３０２から供給された外周燃料Ｇ２と燃焼用空気１０２との混合気Ｃ２と、第１の同軸噴流バーナ部３０１から供給された燃焼用空気１０２との混合によって希薄化した火炎温度の低い循環ガスが取り込まれ、燃焼室内に内周火炎６０２ａを形成する。
【００８０】
このように燃料濃度が低く形成できるため、高水素含有燃料を使用する場合であってもメインバーナ３００から離れた燃焼室内の位置に火炎が形成されるので、外周火炎（６０２〜６０４）の位置は内周火炎６０２ａよりもさらに燃焼室の下流側に形成され、メインバーナ３００と外周火炎（６０２〜６０４）との距離（Ｌ２）を十分長い距離に保つことが可能となり、よって均一な混合気Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４が外周火炎６０２、６０３、６０４にそれぞれ供給することができる。
【００８１】
また、本実施例のガスタービン燃焼器３では、メインバーナ３００の内周側に位置する同軸噴流バーナ部に内周燃料Ｇ１を供給する燃料系統を通じた燃料の供給を遮断したことで外周燃料Ｇ２を増加させる必要があるが、均一な混合気が外周火炎（６０２〜６０４）に供給され、且つメインバーナ３００と外周火炎（６０２〜６０４）との距離（Ｌ２）を十分に確保しているため、外周火炎（６０２〜６０４）がメインバーナ３００の近傍に付着しにくく、この結果、本実施例のガスタービン燃焼器３によって高水素含有燃料を低ＮＯｘで安定に燃焼することが可能となる。
【００８２】
図７に示した本実施例のガスタービン燃焼器３による低ＮＯｘの運転モードにおいて、ガスタービン負荷に対する燃料系統Ｇ１とＧ２の流量の変化を図８に示す。
【００８３】
図８では、パイロットバーナ３５０とメインバーナ３００の燃料比率条件において、制御装置２００による制御操作によって、ガスタービン負荷が定格負荷条件近傍に到達する前に内周燃料Ｇ１の供給を遮断し、それに合わせて外周燃料Ｇ２の流量を増加し、負荷上昇する燃料流量の変化を示している。メインバーナ３００の低ＮＯｘ運転モードにおいて、内周燃料Ｇ１を遮断しても本実施例のガスタービン燃焼器３では部分負荷から継続してパイロットバーナ３５０を燃焼しているため、ガスタービン燃焼器の安定燃焼が可能である。
【００８４】
本実施例によれば、燃料中の水素含有率が大きく増加する、あるいは高い水素含有率の燃料を燃焼した場合でも、ＮＯｘ排出量を抑制すると共に安定燃焼が可能なガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法が実現できる。
【実施例２】
【００８５】
次に、本発明の第２実施例であるガスタービン燃焼器の燃焼方法が適用されるガスタービン燃焼器について図１０及び図１１を用いて説明する。
【００８６】
本実施例のガスタービン燃焼器において、先の実施例のガスタービン燃焼器と共通する構成については説明を省略し、相違する構成についてのみ説明する。
【００８７】
図１０及び図１１は本実施例のガスタービン燃焼器３に設けたメインバーナ３００の断面図と、このメインバーナ３００を燃焼室側から見た正面図をそれぞれ示している。
【００８８】
図１０に示すように、メインバーナ３００の第１の同軸噴流バーナ部３０１に供給する保炎強化用の内周燃料系統を第１（Ｇ１−ａ）と第２（Ｇ１−ｂ）の二つの系統に分け、第１の同軸噴流バーナ部３０１に配置した複数の燃料ノズル３２０は、ある基準の燃料ノズルに対して一つおきの燃料ノズルを群として構成し、該燃料ノズル群と残りの燃料ノズル群の二つの群で形成するとともに、それぞれの燃料ノズル群に前記第１系統（Ｇ１−ａ）と第２系統（Ｇ１−ｂ）とにより内周燃料を独立して供給可能とした。
【００８９】
そして、燃料中の水素含有率が大きく増加する、あるいは高い水素含有率の燃料を燃焼した場合には、いずれかの内周燃料系統（Ｇ１−ａ）又は（Ｇ１−ｂ）を遮断して運転する。
【００９０】
即ち、ガス化炉負荷やＣＯ２回収装置の運転状態によっては高水素含有燃料においても燃料中の不活性成分が変動することもあり、その場合、メインバーナ単独でも保炎を強化する必要がある。
【００９１】
そこで本実施例のガスタービン燃焼器３では、２系統化した内周燃料のうち、いずれか一方の燃料を遮断して運転する。これにより、第１の同軸噴流バーナ部３０１では保炎の起点となる燃料濃度をある程度確保でき、特に、不活性成分の変動（増加）などの外乱に対しても安定燃焼が可能となる。
【００９２】
また、メインバーナ３００に内周燃料と外周燃料を供給し外周燃料比率を増加させた低ＮＯｘ燃焼の運転モードにおいては、内周燃料に設けた２系統のうち、いずれかの内周燃料系統を遮断して運転することで内周火炎６０１の温度を低下できる。
【００９３】
これにより、内周火炎の位置をバーナから離して保炎でき、しかも部分的には空気によって温度の低い領域を形成できるため、その領域を中心に外周燃料への急速な火炎伝播を抑制でき、外周火炎とバーナとの混合距離（Ｌ３）を確保できるため、バーナへの火炎付着を防止できる。
【００９４】
図１０では第１の系統（Ｇ１−ａ）を遮断する図を示しているが、もう片方の内周燃料系統（Ｇ１−ｂ）を遮断しても、内周火炎の温度が低下するため同様の効果が得られる。
【００９５】
図１１は、メインバーナ３００を燃焼室側から見た図である。第１の内周燃料（Ｇ１−ｂ）は、第１の同軸噴流バーナ部３０１の燃料ノズルに一つおきに供給できるため、片方の内周燃料の系統を遮断しても燃料が偏って空気孔から噴出することもなく、安定燃焼を損なうことなく低ＮＯｘ燃焼が可能である。
【００９６】
なお、本実施例のガスタービン燃焼器３に設けたメインバーナ３００に対して第１の同軸噴流バーナ部３０１のすべての燃料ノズルに内周燃料を供給し、内周燃料の流量を低下させ燃料濃度（燃空比）を下げて運転することも考えられるが、第１の同軸噴流バーナ部３０１の燃空比を下げて運転した場合には、第１の同軸噴流バーナ部３０１全体の火炎温度が低下し燃焼速度も遅くなるため、燃料に含まれる不活性成分変動の影響を強く受けやすく、組成変動に対し燃焼安定性を損なう恐れがある。
【００９７】
したがって、本実施例のガスタービン燃焼器３で説明したように、第１の同軸噴流バーナ部３０１に部分的に保炎の起点となるように配慮した方が燃焼安定性を損なうことなく低ＮＯｘ燃焼が可能となる。
【００９８】
よって本実施例のガスタービン燃焼器３の燃焼方法では、燃料中に不活性成分が増加した場合であっても、第１の同軸噴流バーナ部３０１に燃料を供給する内周燃料系統を２つに分岐させているので、分岐した一方の内周燃料系統が遮断しても分岐した他方の内周燃料系統が生かされているので、保炎性能を更に向上させることが可能になる。
【００９９】
本実施例によれば、燃料中の水素含有率が大きく増加する、あるいは高い水素含有率の燃料を燃焼した場合でも、ＮＯｘ排出量を抑制すると共に安定燃焼が可能なガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法が実現できる。
【実施例３】
【０１００】
次に、本発明の第３実施例であるガスタービン燃焼器の燃焼方法が適用されるガスタービン燃焼器について図１２及び図１３を用いて説明する。
【０１０１】
本実施例のガスタービン燃焼器において、先の実施例のガスタービン燃焼器と共通する構成については説明を省略し、相違する構成についてのみ説明する。
【０１０２】
図１２に本実施例のガスタービン燃焼器３に設けたメインバーナ３００の構造を示す。本実施例のガスタービン燃焼器の特徴は、保炎強化用の内周燃料Ｇ１と低ＮＯｘ燃焼用の外周燃料系統Ｇ２の間に第３の系統Ｇ３を設け、低ＮＯｘ運転時に第３の系統を遮断して運転するものである。
【０１０３】
即ち、本実施例のガスタービン燃焼器３に設けたメインバーナ３００の第１の同軸噴流バーナ部３０１に内周燃料系統Ｇ１を備え、第３および第４の同軸噴流バーナ部３０３、３０４に低ＮＯｘ燃焼用の外周燃料系統Ｇ２をそれぞれ備え、前記第１の同軸噴流バーナ部３０１と前記第３の同軸噴流バーナ部３０３との間に位置する第２の同軸噴流バーナ部３０２に燃料を供給する第３の系統を備える構造としている。
【０１０４】
高水素含有燃料を燃焼した場合、メインバーナ３００の第１の同軸噴流バーナ部３０１に内周燃料を供給すると内周火炎６０１はバーナに接近して保炎されるが、第２の同軸噴流バーナ部３０２に供給する第３の燃料系統を遮断することで第２の同軸噴流バーナ部３０２からは空気のみが供給されるため、内周火炎６０１から外周火炎６０３への急速な火炎伝播を抑制することが可能となる。
【０１０５】
これにより、外周火炎６０３とバーナとの混合距離（Ｌ４）を確保することができ、混合距離の増加による均一混合気を外周火炎に供給できる。Ｇ３の系統を遮断したことで外周燃料の流量を増加させる必要があるが、前述の実施例でも説明したように、均一な混合気が外周火炎に供給され、且つバーナと外周火炎との距離（Ｌ４）を十分に確保しているため、外周燃料の流量が増加し燃料濃度が増加しても外周火炎がバーナ近傍に付着しにくく、高水素含有燃料を低ＮＯｘで安定に燃焼することが可能となる。
【０１０６】
図１３は、本実施例のガスタービン燃焼器３に設けたメインバーナ３００に供給する各燃料系統の流量の変化を示したものである。図中には、パイロットバーナ３５０の燃料流量も示しているが、パイロットバーナ３５０とメインバーナ３００のある燃料比率において、メインバーナ３００では第１の同軸噴流バーナ部３０１に供給する内周燃料Ｇ１、第３及び第４の同軸噴流バーナ部３０３、３０４に供給する低ＮＯｘ燃焼用の外周燃料Ｇ２、および第２の同軸噴流バーナ部３０２に供給する燃料Ｇ３をそれぞれ供給し、低ＮＯｘ燃焼モードで負荷上昇させている。
【０１０７】
その際、燃料中の水素含有率が大きく増加する、あるいは高水素含有燃料の燃焼においては、高負荷条件でメインバーナ３００に火炎が付着するリスクが高くなるため、制御装置２００の制御によって、メインバーナ３００の第２の同軸噴流バーナ部３０２に供給する燃料Ｇ３を遮断し、空気のみを第２の同軸噴流バーナ部３０２に供給する。そして第３及び第４の同軸噴流バーナ部３０３、３０４に供給する低ＮＯｘ燃焼用の外周燃料Ｇ２の流量を増加させ、負荷上昇させている。
【０１０８】
この結果、内周側火炎６０１と外周側火炎６０３及び６０４との間に第２の同軸噴流バーナ部３０２から供給された空気の層を形成させることができる。
【０１０９】
したがって本実施例のガスタービン燃焼器３に設けられたメインバーナ３００では、内周火炎から外周火炎への急速な火炎伝播を抑制してバーナへの外周火炎付着を防止できるため、低ＮＯｘ燃焼と安定燃焼が可能となる。
【０１１０】
なお、本実施例のガスタービン燃焼器３では、低ＮＯｘ燃焼とバーナの表面温度の抑制による信頼性の向上が図れるので、第２実施例のガスタービン燃焼器３よりもさらに燃焼安定性を強化でき、高水素含有燃料で不活性成分が大幅に変動する場合にも有効となる。
【０１１１】
以上、本実施例のガスタービン燃焼器３の特徴を述べてきたが、空気孔プレート３１５の形状は凸型形状以外の平板型や凹型の形状でも同様の効果を得ることが可能である。平板型の空気孔プレート３１５は製作が容易であり、製造コストを抑制できる。また、凹型の空気孔プレート３１５は下流側に形成する火炎の形成が容易となる。
【０１１２】
また、ＩＧＣＣプラントとＣＯ２貯留・回収プラントを例に実施例を説明したが、水素を含む燃料として製鉄プロセスで発生するコークス炉ガスや、製油所で発生するリファイナリーガスの燃焼においても、同様の効果を得ることが可能である。
【０１１３】
また、水素含有燃料以外のＬＮＧや液化石油ガス（ＬＰＧ：Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ  Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ  Ｇａｓ）の燃焼においても、バーナへの火炎付着を防止する手段として効果がある。
さらにまた、本実施例のガスタービン燃焼器３に設けたメインバーナ３００では空気孔群を周方向に４列形成した場合を例に挙げ説明したが、２列以上形成した空気孔群にも適用が可能である。
【０１１４】
本実施例によれば、燃料中の水素含有率が大きく増加する、あるいは高い水素含有率の燃料を燃焼した場合でも、ＮＯｘ排出量を抑制すると共に安定燃焼が可能なガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
本発明は高い水素含有率の燃料を燃焼するガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼方法に適用可能である。
【符号の説明】
【０１１６】
２：圧縮機、３：ガスタービン燃焼器、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、１２：燃焼室、１１：空気分離装置、２０：石炭、２１：ガス化炉、２２：ガス精製装置、１３：窒素の昇圧圧縮機、１４：バックアップ用空気圧縮機、２３：ＣＯ２分離回収装置、１０１：空気、１０２：燃焼用空気、１０３：抽気空気、１４０：燃焼ガス、１０２ａ：リーン燃焼用空気、１３０：窒素、１２０：酸素、５１：起動用液体燃料、５１ａ：起動用油ノズル、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、２００：制御装置、３００：メインバーナ、３０１〜３０４：同軸噴流バーナ部、３１０：空気孔、３１５：空気孔プレート、３２０：燃料ノズル、３２０ａ：燃料噴孔、３５０：パイロットバーナ、５００：旋回流、Ｇ１：内周燃料系統、Ｇ２：外周燃料系統、ＧＰ：パイロットバーナへの燃料系統、Ｇ１−ａ：２系統化した内周燃料の第１の系統、Ｇ１−ｂ：２系統化した内周燃料の第２の系統、Ｇ３：第２の同軸噴流バーナ部に供給する燃料系統、Ｃ１：第１の同軸噴流バーナ部の混合気濃度、Ｃ２：・第２の同軸噴流バーナ部の混合気濃度、Ｃ３：・第３の同軸噴流バーナ部の混合気濃度、Ｃ４：第４の同軸噴流バーナ部の混合気濃度。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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