第章

5

ガスタービン燃焼器技術の開発

第５章

ガスタービン燃焼器技術の開発 ● 目

横須賀研究所

研究コーディネーター

横須賀研究所 エ ネ ル ギ ー 機 械 部
５−１

研究の背景

５−２

ガスタービン燃焼器技術

５−３

今後の展開

佐藤次幹夫

長谷川武治

…………………………………………………………………………………………………………………75…………………………………………………………………………………………………76…………………………………………………………………………………………………………………80

コラム：希釈用空気、サーマルNOxとフュエルNOx………………………………………………………………………………81

佐藤 幹夫（28ページに掲載）

長谷川武治（平成３年入所）
これまで、空気吹き石炭ガス化低カロリー燃料
および湿式ガス精製による酸素吹きガス化中カロリー燃料を用いるガスタービン低NOx燃焼器の技術開発に取り組み、それぞれ低カロリー燃料用1500℃級ガスタービン燃焼器および中カロリー燃料用ガスタービン燃焼器を開発してきた。今後は、システムの簡素化ならびにより一層の発電効率の向上を目的に、乾式ガス精製による酸素吹きガス化中カロリー燃料の超高温・低NOx燃焼技術に関する研究に取り組むと共に、あらゆる石炭ガス化方式に対応可能なガスタービン燃焼技術の確立を目指した研究に取り組む。

74５−１

研究の背景

わが国では、現在、空気吹き噴流床石炭ガス方式による実証プラント導入に関するプロジェクトが進められてCO 22.9%いる。一方、欧米では、酸素吹き石炭ガス化方式による複合発電が主流となっており、既に実証プラントによる調整運転の段階にある。また、各地の立地条件により、石炭だけでなく重質油やバイオマスなどを用いる各種ガス化発電方式に関する研究も進められている。
表 5-1-1 に各種石炭ガス化方式によるガスタービンのN2 53.1%

H2 8.6% CH40.5%

CO212.9%

NH30.1%

N27.4%
H2O12.3%
CO 40.9%
CO2 9.5%
CH40.1%H2 29.9%

H2O 2.0%
中カロリー燃料

低カロリー燃料
可燃性成分： 30%
3発 熱 量： 4.2MJ/m
3（1000kcal/m ）

可燃性成分： 71%
3
発 熱 量： 9.0MJ/m（2150kcal/m3）

技術課題を示す。ガス化剤に空気を用いる場合、ガス化燃料は一酸化炭素（CO）､水素（H 2）と少量のメタン

図5-1-1石炭ガス化燃料の組成例（CH4）を主要な可燃性成分とし、燃料組成の 70 ％程度を窒素（N2）や二酸化炭素（CO2）などの不燃性成分がコラム参照）となり、排出される NOx の大半を占める。

占 め る （ 図 5 - 1 - 1 ）。 こ の た め 、 燃 料 発 熱 量 は 約

このため、乾式ガス精製を用いる石炭ガス化燃料用ガス

4.2MJ/m3（1000kcal/m3）と低く、LNG 燃料の約 1/10

タービン燃焼器では、燃料中アンモニアに起因するフュとなる。また、LNG 等の高カロリー燃料と異なり不燃エル NOx を低減する燃焼技術の開発が必要である。

性成分を多く含むため火炎温度が低く、燃焼器を設計す

一方、ガス化剤に酸素を用いる場合、ガス化燃料は発る場合、供給する燃料量に対する空気量も LNG を燃料熱量が 9 〜 13MJ/m 3 の中カロリー燃料となり、火炎温とした場合に比較して大幅に低下する。そのため、燃焼度は LNG よりも高くなり､空気中の窒素に起因して生成安定性の確保が重要となる。

するサーマル NOx（コラム参照）が高い濃度で排出さまた、ガス精製をプラント熱効率上有利な乾式で行うれると予想される。

場合、ガス化の過程で石炭中窒素化合物から生成される

さらに、酸素吹き石炭ガス化複合発電では、現在、ほアンモニア（NH 3）は除去されずに燃焼器に供給され、とんどのプラントで湿式ガス精製が採用されているが、ガスタービンの燃焼過程で窒素酸化物（フュエル NOx、より一層プラント熱効率を向上させるためには、乾式ガス精製の採用が不可欠であり、この場合、生成ガス中の表5-1-1

石炭ガス化燃料用ガスタービン燃焼技術の開発課題
ガ
空ガス
精製
方式

湿式

乾式

ス

気化

アンモニアに起因して生成されるフュエル NOx が多量に排出される。このため､乾式ガス精製を採用する酸素吹きガス化複合発電には、サーマル NOx とフュエル剤
酸素・低カロリー燃料
・課題：燃焼安定性の確保

・中カロリー燃料
・課題：サマールNOx
低減・低カロリー燃料・課題：フュエルNOx
低減と燃焼安定性の確保

・中カロリー燃料
・課題：サマールNOxとフュエルNOxの同時低減

NOx を同時に低減する燃焼技術が必要となる。
当研究所では､これまでに､乾式ガス精製を採用する空気吹き石炭ガス化低カロリー燃料用 1300 ℃級 ¸および1500 ℃級低 NOx 燃焼器¹〜¾の開発研究を進めると共に、湿式ガス精製による中カロリー燃料を対象に、1300 ℃級低 NOx 燃焼器¿〜Áについて開発を進めてきた。

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５−２

ガスタービン燃焼器技術
スタービン燃焼器を開発するにあたり、燃料中の NH 35-2-1

石炭ガス化低カロリー燃料用
1500 ℃級燃焼器の開発に起因して生成するフュエル NOx の抑制が重要となる。
燃料中の NH3 などの窒素分に起因するフュエル NOx を抑制する燃焼技術として二段燃焼法（リッチ･リーン燃¸技術課題
図 5-1-1 に示すように、石炭ガス化低カロリー燃料は、焼法）が知られており、石炭ガス化低カロリー燃料を用いるガスタービン燃焼器に二段燃焼法を採用した場合のLNG 等の高カロリー燃料と異なり不燃性成分を多く含フュエル NOx の基本的な生成特性について、小型バーむため火炎温度が低い。石炭ガス化燃料と LNG の主成ナを用いた燃焼実験により調べたÂ。その結果、石炭ガ分であるメタン（CH4）の理論断熱火炎温度を比較する

ス化低カロリー燃料の場合も、一次当量比を１以上の燃と、CH 4 の最高火炎温度は当量比 注 1） が 1.05 の時に約料過剰条件とすることでフュエル NOx の抑制が可能で2200 ℃であるのに比較して、本研究で対象とする石炭あることが明らかになった。また、低カロリー燃料中にガス化低カロリー燃料の場合は当量比が 1.0 の時に約CH4 が 0.5%含まれる場合、フュエル NOx の生成を最小1700 ℃と 500 ℃程度低い。このため、低カロリー燃料用とする一次当量比は約 1.6 であることもわかった。

燃焼器では LNG 等の高カロリー燃料の場合に比較して燃焼安定性の確保が重要となる。

º

開発した低カロリー燃料用燃焼器の特徴

また、乾式ガス精製による空気吹き石炭ガス化燃料を石炭ガス化低カロリー燃料を対象に開発した 1500 ℃用いたガスタービン燃焼器では､燃料中 NH3 に起因する級燃焼器の概略を図 5-2-1 に示す。本燃焼器は、以下のフュエル NOx を低減する燃焼技術の開発が必要である。

ような特徴を持つ。

さらに、より一層の熱効率向上を目的として、石炭ガ)

部分負荷時における燃焼安定性を確保するために、ス化低カロリー燃料用ガスタービンの高温化を図る場合、燃焼器入口部に副燃焼室を設け、常に安定した火炎を燃料量に対する空気量が低下し、冷却空気量が減少する。

形成させることにより、保炎性能の向上を図った。

すなわち、1500 ℃級燃焼器で供給する総空気量は、従*

燃料中の NH3 に起因して生成するフュエル NOx を来の 1300 ℃級燃焼器の場合の約 70 ％と大幅に減少する。

抑制するために、二段燃焼法を導入し、一次燃焼領域

したがって、燃焼器の高温化にともない燃焼器壁面の冷の当量比を小型バーナ実験結果から 1.6 に設定した｡ま却を強化する必要があるにもかかわらず、冷却空気量がた、燃焼器構造には一次燃焼領域と二次燃焼領域を明減少するため、壁面冷却技術の高性能化を図る必要があ

確に分離した二室構造を採用し、二段燃焼を強化した。
+る。

燃焼器の二次空気の混合を緩慢にし、一次燃焼領域以上のことから、乾式ガス精製を用いる石炭ガス化低への二次空気の巻き込みを抑えることで一次燃焼領域

カロリー燃料用 1500 ℃級ガスタービン燃焼器の開発にの燃料過濃条件を確保し、一層の低 NOx 化を図った。

際して、以下の課題を考慮した設計が必要となる。

,

LNG 燃料に比較して、燃料量に対する空気量が大①

保炎性能の向上

幅に低下するため、希釈用空気（コラム参照）を削除*

フュエル NOx 低減燃焼技術するとともに、尾筒を二重構造にしてインピンジメン+壁面冷却技術の高性能化

ト冷却とし、尾筒の冷却用空気を燃焼器壁面冷却に再利用することで、冷却空気量の不足を補った。また、¹

フュエル NOx 低減燃焼法
乾式ガス精製を用いる石炭ガス化低カロリー燃料用ガ

副燃焼室と一次燃焼領域に、インピンジメント冷却とフィルム冷却を組み合わせた積層冷却構造を採用し、冷却効率を高めた。

注１）一定量の空気で完全燃焼できる燃料の何倍の燃料が投入されたかを表す量76

上記の設計に基づいて設計、試作した 150MW、1500 ℃

フュエルNOxの低減
・二室構造を採用しニ段燃焼法を強化した
・一次燃焼領域の滞留時間を増加させ、NH3の分解の促進を図った
・二次燃焼用空気の混合を緩慢にし、一次燃焼領域で生成したHCNのNOxへの酸化を抑制した

燃焼安定性の確保
・副燃焼室を設置

燃料空気冷却用空気の低減
・尾筒を二重壁構造とし、ここでの冷却用空気をライナ冷却用空気、燃焼用空気として再利用

図5-2-1

低カロリー燃料用1500℃級燃焼器の構造と特徴

級燃焼器の外観を図 5-2-2 に示す。

燃焼器の性能を検証した結果を述べる。
図 5-2-4 は、燃料中に NH3 が 1000ppm 含まれるとし»燃焼試験設備た場合の、ガスタービン負荷と NOx 転換率および燃焼

図 5-2-3 は、試作した燃焼器の燃焼試験に用いた試験効率の関係を示す。石炭ガス化燃料の専焼となるガスタ設備の概要を示す。本設備では、LPG を CO 2 と水蒸気ービン負荷約 25 ％以上の条件では、NOx 転換率は 40 ％で改質した後、水素分離膜によって CO/H2 モル比を調（16 ％ O2 換算で NOx 排出濃度は 60ppm）以下、燃焼効整し、窒素を添加して燃料発熱量を調整し、また、必要率はほぼ 100 ％を達成できた。に応じて NH 3 を添加して模擬石炭ガス化燃料を製造す

また、燃焼器壁面温度については、最も高温となる定る。燃焼器については、150MW 級実サイズ燃焼器一缶格相当条件においても燃焼器壁面全般にわたり材料の耐の常圧燃焼試験と、その約 1/2 サイズの燃焼器の高圧燃熱許容温度（850 〜 900 ℃）以下に抑制することができた。
以上のことから、開発した石炭ガス化低カロリー燃料焼試験（1.6MPa）が実施できる。

用 1500 ℃級燃焼器は、無負荷条件を除くガスタービン¼燃焼試験結果
実サイズの燃焼器を用いた常圧燃焼試験とその 1/2 サの全負荷帯で安定、かつ低 NOx 燃焼が可能であり、1500 ℃級燃焼器として優れた性能を示した¾。

イズの燃焼器を用いた高圧燃焼試験を実施し、燃焼器性能を評価した。以下では、1/2 サイズ燃焼器を用いて、5-2-2

IGCC の実際の運用条件を想定した燃焼試験を実施し、¸

石炭ガス化中カロリー燃料 1300 ℃級燃焼器の開発

技術課題
ガス化剤に酸素を用いる石炭ガス化中カロリー燃料は、組成の７割以上を可燃性成分が占め、燃料発熱量としては 9 〜 13 Ｍ J/m3 と高く、空気吹き石炭ガス化低カロリー燃料と比較して２〜３倍程度の発熱量となる。そのため、石炭ガス化中カロリー燃料は、低カロリー燃料に比
図5-2-2

低カロリー燃料用1500℃級燃焼器の外観

較して火炎温度が最大で 600 ℃も上昇する。また、すべ

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水素分離装置
LPG
燃料改質
装置CO2STEAM

圧縮機ス
タック

加熱器N2加熱器

縮寸燃焼器用
高圧試験スタンド

脱硝装
置

実寸燃焼器用大気圧試験スタンド

図5-2-3

試験設備系統図

1008099.9

によっては、窒素の昇圧動力が異なり、プラント熱効率（送電端）に影響する。すなわち、従来の方式の様に、6099.84099.7％

窒素をガス化燃料に注入して、低カロリー燃料として燃燃焼効率NH3からNOxへの転換率％が可能である。窒素を低 NOx 燃焼技術に利用する方法
10099.6

200204060

ガスタービン負荷

図5-2-4

きる、燃焼器へ直接供給する方式まで様々である。この窒素の昇圧動力がプラント熱効率に及ぼす影響について解析により検討した結果、窒素を燃焼器へ直接供給するか、または、燃焼用空気に注入して供給した場合、従来燃料中CH4濃度=1.6%0焼器に供給する方式から、窒素の昇圧動力を最も低減で8099.5100％

低カロリー燃料用燃焼器の燃焼特性の方式に比較して、プラント熱効率（送電端）は約0.3 ％（絶対値）向上するÁことが明らかになった。そこ
で、窒素を燃焼器へ供給する低 NOx 燃焼方式について、小型バーナを用いた燃焼実験により検討したÁ。
実験では、実際のガスタービン燃焼器における二次空ての当量比において LNG の主成分である CH4 の理論断気の流入を考慮した二段燃焼時におけるサーマル NOx

熱火炎温度を上まわり、空気中の窒素に起因するサーマ排出特性について、窒素を燃料または空気に混合して供ル NOx が相当量生成されるものと懸念される。そのた給した場合、窒素を供給しない場合についての検討を行め、従来の酸素吹き IGCC では、酸素製造設備で生成さった。窒素を供給する場合、窒素はバーナから供給するれるプラント余剰窒素を燃料に予混合してガスタービン燃料または空気に全量予混合して燃焼室へ供給するものへ供給することにより、ガスタービンの低 NOx 化が図とした。窒素を供給しない場合に比較して、燃料またはられている。しかしながら、圧力の高い燃料に窒素を注バーナ空気に窒素を混合して供給することによりサーマ入する場合、窒素の昇圧動力が増加し、プラント熱効率

ル NOx 排出濃度は大幅に低減でき､しかも､バーナ近傍の低下を招くため、熱効率に有利な低 NOx 燃焼器技術の当量比を 1.3 以上とすることによりサーマル NOx をさの開発が重要である。

らに低減できることがわかった。このことから、窒素は燃料ノズルから供給するものとし、さらに、バーナ外周¹窒素供給方式
酸素製造装置にて副成品として空気から分離製造される窒素は、ガスタービン低 NOx 燃焼技術への有効利用

78に空気噴射ノズルを設けて、燃料過剰な火炎を外周から急速に希釈する方式を採用することとした。

º

開発した中カロリー燃料用燃焼器の特徴た。これは､窒素をバーナから供給することにより一次試作した中カロリー燃料用 1300 ℃級燃焼器の特徴を燃焼領域における局所高温領域を効果的に減少させ､

図 5-2-5 に示す。バーナでは､燃料ノズルと空気ノズルNOx 生成を抑制できたためと考えられる｡一方､燃焼効の外周に窒素噴射ノズルを配置し､バーナ近傍で燃焼ガ率については､ガスタービン低負荷で窒素を燃焼空気にスを窒素により急速に希釈し､ガス温度を低下させると混合して、燃焼器へバイパスして供給することにより､共に､部分負荷時には窒素をバイパスし､燃焼用空気に混低負荷条件での燃焼安定性を改善でき､石炭ガス化燃料合して供給する構造とした｡これにより､バーナ近傍の局の専焼となるガスタービン負荷約 25 ％相当以上で､燃焼所高温域を減少させ､サーマル NOx の生成を抑制できる

効率はほぼ 100 ％を確保した。また、保炎特性についてと同時に､低負荷時には窒素をバイパスして保炎性を確は、石炭ガス化燃料専焼による負荷遮断相当まで燃焼安保できると考えられる。

定性を確保したÁ。

また､窒素の供給に伴い空気比が低下するため、尾筒ppm

気孔近傍には、燃焼器ライナ壁面にフロースリーブから空気を吹きつける構造とし、冷却効率の向上を図った。

»燃焼試験結果
図 5-2-6 は､窒素/燃料供給量比率を 0.3kg/kg で一定

251002099.91599.81099.7599.6

燃焼効率る構造とした。さらに、高温になると予想される二次空NOx 排出濃度（16％O2）

を燃焼器壁面の冷却用および燃焼用空気として再利用す％

壁を二重構造とし、尾筒の対流冷却に用いた冷却用空気とした条件下で、ガスタービン運用条件における燃焼特性を示す。NOx 排出濃度はガスタービン負荷の上昇に

020

低NOx燃焼・N2を直接噴射するバーナの採用
・一次燃焼領域の希薄燃焼の強化

6080

ガスタービン負荷伴い緩やかに増加する傾向を示すものの､定格負荷相当条件においても 11ppm（16 ％ O2 換算）以下に抑制でき

40

図5-2-6

10099.5％

中カロリー燃料用燃焼器の燃焼特性

燃焼安定性の確保・低負荷でN2をバイパスすることによりバーナ近傍の燃焼温度を維持する

燃料窒素空気燃焼器冷却用空気の確保
・インピンジメント冷却とフィルム冷却の組み合わせによるライナ冷却の強化
・尾筒を二重壁構造とし、ここでの冷却用空気をライナ冷却用空気、燃焼用空気として再利用

図5-2-5

中カロリー燃料用燃焼器の構造と特徴

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５−３

今後の展開

当研究所では石炭ガス化用ガスタービン燃焼器の開発タービン燃焼器技術を開発すると共に、これまで培ってについて、乾式ガス精製を用いる低カロリー燃料用きたガス化燃料用燃焼技術についてデータベースを作成

1500 ℃級低 NOx 燃焼器技術¹〜¾および湿式ガス精製にすることにより、将来、実用化が期待される空気吹きかよる酸素吹きガス化中カロリー燃料用低 NOx 燃焼器技

ら酸素吹きまでにわたる各種石炭ガス化複合発電方式の術¿〜Áを確立した。今後は、より一層の熱効率の向上を目的に、乾式ガス精製を採用する中カロリー燃料のガス

80

ガスタービン技術を確立する。

コラム：希 釈 用 空 気

燃焼用空気

希釈用空気

燃料
燃焼用空気

燃焼用領域

希釈用領域

燃焼器壁面冷却用空気

図

燃焼器概念図

燃焼器へ導入する空気には以下の３つの役割がある。
１．燃焼用空気：燃料と混合させて燃料をより良く燃焼させるために用いられる空気
２．冷却用空気：燃焼器の壁温を材料の耐熱許容温度以下にまで冷却するために用いられる空気３．希釈用空気：燃焼ガスの温度を平均化し、燃焼器出口でのガスの温度分布をタービンが許容できるものとするために用いられる空気

コラム：サーマル NOx とフュエル NOx

燃焼ガス

燃料（CO、H2、CH4、 NH3 ）燃焼器

NHi+OH→Hi+1+NO

燃焼用空気（O2、 N2 ）N2+O→N+NO
N+O2→O+NO

図

燃料中のNH3が酸化して生成するフュエルNOx

空気中のN が高温下で酸化｝ して生成するサーマルNOx
2

サーマルNOxとフュエルNOxの生成機構

乾式ガス精製方式を採用する石炭ガス化複合発電では、ガスタービン燃焼器で発生する NOx はサーマルNOx とフュエル NOx の２つあり、それぞれ、以下の様な特徴がある。
１．サーマル NOx ：1600 ℃以上の高温の燃焼ガス状態で、空気中の窒素が酸素と反応して、生成される NOxをいう。
２．フュエル NOx ：燃料中に含まれる NH3 などの窒素化合物が燃焼器内で酸化して NOx となるものをいう。

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