JP2004333025A - 触媒燃焼器の触媒担持部 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒燃焼器の触媒担持部の小型化を図る。
【解決手段】燃料と空気の予混合ガスｇを通過させて触媒燃焼させるガスタービン燃焼器の触媒担持部１であって、壁面ｉ上に触媒コーティング層ｄを有する触媒コーティング流路ｅと、壁面ｉ上に触媒コーティング層を有しない触媒なし流路ｆとが交互に隣り合って配置されたハニカム構造になっており、触媒コーティング流路ｅと触媒なし流路ｆとの間の隔壁面に小孔３を穿設するとともに、触媒なし流路ｆの小孔３の下流に絞り２を設け、触媒なし流路ｆから触媒コーティング流路ｅ内に未燃の予混合ガスｇを流入させるようにしたものである。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料を予め空気と混合させて予混合ガスを作り、それを下流の触媒担持部で触媒により燃焼させるようにした触媒燃焼器の触媒担持部の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガスタービンエンジンにおいては、排ガス組成に関して厳しい環境基準が設けられており、特にＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量の低減が望まれている。
この低ＮＯｘ化の手段として、燃焼室内に水や蒸気を噴射して燃焼火炎温度を低下させる方法が一般的に採用されているが、この方法では、エンジン熱効率の低下、悪い水質によるタービンなどの腐食に伴なうエンジン寿命の低下、さらには水質をよくするための前処理に要する設備および維持管理費の高騰などの種々の欠点があった。また、このような蒸気を用いないでＮＯｘを低減する方法として、予蒸発、希釈予混合燃焼方法が有効であることがよく知られている。しかし、この方法では、ＮＯｘ低減に限界があり、北米の特定地域で適用される３〜５ｐｐｍ（０_２＝１５％換算値、たとえば、米カリフォルニア州では２．５ｐｐｍ）という規制値に適合するためには、排ガス脱硝装置を併用する必要がある。
【０００３】
排ガス脱硝装置を用いずに３〜５ｐｐｍという低ＮＯｘを実現する方法として、特許文献１に開示されているように予熱した予混合ガスを触媒により燃焼させるものがある。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３３６４４９２号
【０００５】
以下、燃焼触媒について説明する。図２は特許文献１に開示された触媒担持部の図面であり、図２（Ａ）は触媒担持部を流れ方向に対して直角に切断した断面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の展開図であり、図２（Ｃ）は燃焼器のガス流炉内に触媒担持部を３個直列に配置した状態を示す図である。図２（Ａ）に示すように、触媒担持部ａは、共に薄い金属製の平板ｂに波板ｃを取り付け、それを渦巻状に巻き付けて円筒状に形成したハニカム構造であり、金属は耐熱ステンレス鋼などが使用される。
【０００６】
このように、触媒担持部ａには平板ｂと波板ｃによって多数の三角形の流路が形成されるが、図２（Ｂ）に示すように、壁面上に触媒コーティング層ｄを有する触媒コーティング流路ｅと壁面上に触媒コーティング層を有しない触媒なし流路ｆとが交互に隣り合った配置になっている。触媒は通常、パラジウムなどが使用される。
【０００７】
図３は触媒担持部を流れ方向に対して平行に切断した断面図であり、触媒担持部ａにおける作用の説明図である。図４はガスタービン燃焼器内における温度変化の１例を示すグラフである。
【０００８】
触媒燃焼とは、燃料と空気とを予め混合した予混合ガスを周壁に触媒コーティング層を有する細長い流路を通すと、予混合ガスは触媒の作用で反応し、燃焼が行なわれることをいう。触媒燃焼は、燃焼温度を低くすることができるとともに、おだやかな燃焼なので、ＮＯｘの発生が少ないという特徴がある。触媒燃焼を行なわせるためには、触媒担持部ａの入口温度は５００℃程度必要である。また、触媒の温度が１０００℃を超えると、触媒が変質したり、金属壁が溶けてしまうので、出口温度は１０００℃以下におさえる必要がある。図４は２０００Ｋｗ程度の発電用のガスタービンに触媒燃焼器を使った場合について試算した温度のグラフである。この場合、圧縮機の出口温度は３８５℃であり、触媒燃焼には低すぎるので、プリバーナによって５００℃に昇温する。予混合ガスはその温度で触媒担持部ａに流入する。
【０００９】
次に触媒担持部ａにおける反応および流れについて、図３を用いて説明する。５００℃に昇温した予混合ガスｇは、触媒担持部ａに流入する。触媒担持部ａは、壁ｉ（図２では平板ｂまたは波板ｃ）によって仕切られたハニカム構造であり、先に述べたように、壁ｉの一方の面に触媒コーティング層ｄを有し、他方の面は触媒コーティング層を有しない裸の面である。このように壁面が触媒コーティング層ｄである触媒コーティング流路ｅと、周壁が裸の面である触媒なし流路ｆとが交互に隣り合って配置された構造になっている。なお、壁には金属またはセラミックが使用される。
【００１０】
触媒担持部ａ内の触媒コーティング流路ｅ内に流入した予混合ガスｇは、触媒の作用で触媒燃焼し、燃焼ガスｈとなって触媒担持部ａから流出する。一方、触媒なし流路ｆに流入した予混合ガスｇは燃焼せず触媒担持部ａから流出する。
【００１１】
触媒コーティング流路ｅ内での触媒燃焼によって発生した熱により流路内を流れるガスは昇温するが、発生した熱の一部は壁ｉを通って隣の触媒なし流路ｆ内を流れる予混合ガスｇを加熱し、燃焼しない予混合ガスも昇温する。したがって、触媒担持部ａの出口では、燃焼ガスｈも予混合ガスｇも共に高温状態になっている。
【００１２】
触媒担持部ａの下流では圧力、温度、燃料濃度などの条件に応じた着火遅れがあり、未燃の予混合ガスｇはこの着火遅れの後、気相反応で燃焼する。
【００１３】
再び図４に戻って説明する。図に示すように、触媒担持部ａの出口の平均温度は９５０℃であり、気相着火遅れの間は、そのままの温度を保ち、気相燃焼（反応）によって、１３５０℃まで昇温する。この例では、燃焼器出口とタービン入口との間に、図示しないスクロール部があるので、そこで２００℃降温し、タービン入口での温度（ＴＩＴ）は１１５０℃である。
【００１４】
このように、触媒担持部ａ内では、触媒コーティング流路ｅと触媒なし流路ｆとを交互に配置し、互に壁ｉを介して熱交換するようにしたので、出口付近においても触媒コーティング層ｄの温度を触媒が劣化しない１０００℃以下に保つことができるとともに、触媒なし流路ｆを流れる予混合ガスｇの温度を気相反応しやすい高温にすることができる。さらに、触媒なし流路ｆを通る予混合ガスｇは、触媒担持部ａの下流で気相燃焼してガス全体の温度を高めるので、タービンの熱効率を高く維持できる。
【００１５】
触媒担持部ａにおける燃焼は、低温で行なわれるので、ＮＯｘの発生が少ないし、触媒担持部ａの下流側で行なわれる気相燃焼は高温燃焼ではあるが、予混合ガスｇは、燃焼ガスｈと混合して燃料が希薄な状態での燃焼なので、ＮＯｘの発生が少ない。
【００１６】
次に図２（Ｃ）について説明する。図に示すように触媒担持部ａを複数段（図では３段）に分けてやると各段の間で、燃焼ガスｈと予混合ガスｇとの混合が行なわれて触媒燃焼の割合が高くなり、最終段の後気相着火するのに十分な温度まで上昇する。
【００１７】
また、ハニカム内における触媒コーティング流路ｅと触媒なし通路ｆの断面積の割合を変えることにより、触媒燃焼の割合を１／３にしたり、２／３にしたりすることもできる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、触媒コーティング流路ｅと触媒なし通路ｆとを隣接して交互に配置したハニカム構造の触媒担持部ａを有する触媒燃焼器において、触媒担持部ａを２段階または３段階に設けたり、触媒担持部ａ内における触媒コーティング流路ｅと触媒なし通路ｆの断面積の割合を変更することにより、全燃焼中の気相燃焼の割合を減らして、触媒燃焼の割合を増すことはできる。しかし、いずれの場合も触媒燃焼は拡散支配であり、触媒コーティング流路ｅ内の流速をあまり大きくできないため、触媒担持部ａの体積が大きくなり、燃焼器全体も大型化してしまう。
【００１９】
触媒担持部ａには、先に述べたように、パラジウムなどの貴金属を使用するため、触媒担持部ａの体積当たりの単価が非常に高価である。
【００２０】
本発明は、以上述べた問題点に鑑み案出されたもので、触媒担持部ａを有する触媒燃焼器において、全燃焼反応中の気相燃焼の割合を減らして、触媒燃焼の割合を増しつつ、触媒担持部ａにおける触媒燃焼反応を活発化させることにより、触媒担持部ａのサイズを小型化して、燃焼器の小型化と、必要とする高価な触媒の量を減らしてコストの削減を図ることができる触媒燃焼器の触媒担持部を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の触媒燃焼器の触媒担持部は、燃料と空気の予混合ガスを通過させて触媒燃焼させる触媒燃焼器の触媒担持部であって、壁面上に触媒コーティング層を有する触媒コーティング流路と、壁面上に触媒コーティング層を有しない触媒なし流路とが交互に隣り合って配置されたハニカム構造になっており、触媒コーティング流路と触媒なし流路との間の隔壁面に小孔を穿設するとともに、触媒なし流路の小孔の下流に絞りを設け、触媒なし流路から触媒コーティング流路内に未燃の予混合ガスを流入させるようにしたものである。
【００２２】
隔壁面の上記小孔は、ガスの流れ方向に１または２以上穿設してもよい。
【００２３】
次に本発明の作用を説明する。触媒なし通路に絞りを設けたので、相対的に触媒コーティング流路の圧力が低下し、差圧によって壁面に穿設した小孔から予混合ガスが触媒コーティング流路内に流入する。触媒コーティング流路内での触媒燃焼は通常層流の状態で拡散支配であるが、小孔から流入した未燃の予混合ガスは触媒コーティング流路内に乱流を引き起こして、ガスと触媒との接触とガスの混合が促進される。したがって、触媒燃焼が活発に行なわれる結果、触媒担持部の長さは短くてすみ、燃焼器の小型化と高価な触媒の量の削減が可能になり、コストを削減できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の触媒燃焼器の触媒担持部の部分断面図であり、ガスの流れに平行に切断した状態を示している。本図において、従来技術の説明に使用した図２ないし図４と共通の部分については、同一の符号を使用しており、重複した説明は省略する。
【００２５】
図において、１は本発明の触媒燃焼器の触媒担持部である。触媒担持部１は、燃料と空気の予混合ガスｇを通過させて触媒燃焼を行なわせるものであり、アルミニウムを含む耐熱ステンレス鋼などの壁ｉ上にパラジウムなどの触媒コーティング層ｄを有する触媒コーティング流路ｅと、金属壁ｉ上に触媒コーティング層を有しない触媒なし流路ｆが交互に隣り合って配置されたハニカム構造になっている。図において、２は絞りであり、各触媒なし流路ｆの出口付近に設けられている。３は小孔であり、触媒コーティング流路ｅと触媒なし流路ｆとの間の隔壁面に穿設されていて、触媒なし流路ｆから触媒コーティング流路ｅ内に、未燃の予混合ガスｇを流入させるようにしている。図面では小孔は各流路に１個穿設しているが、ガスの流れ方向に２個以上穿設してもよい。
【００２６】
次に本実施形態の作用を説明する。触媒なし流路ｆの小孔３の下流に絞り２を設けたので、相対的に触媒コーティング流路の圧力が低下し、差圧によって壁面に穿設した小孔３から予混合ガスｇが触媒コーティング流路ｅ内に流入する。触媒コーティング流路ｅ内での触媒燃焼は層流の状態で拡散支配であるが、小孔３から流入した未燃の予混合ガスｇは触媒コーティング流路ｅ内に乱流を引き起こして、ガスと触媒ｄとの接触とガスの混合が促進される。したがって、触媒燃焼が活発に行なわれるし、本来触媒なし流路を通過する予混合ガスが触媒コーティング流路ｅ内に流入して反応する。その結果、触媒担持部１の長さは短くてすみ、燃焼器の小型化と高価な触媒の量の削減が可能になり、コストを削減できる。
【００２７】
さらに、図２（Ａ）に示すハニカム構造では、平板と波板を巻き付けて、円筒の中に挿入しているだけなので、下流側に抜け防止手段を設けなければならないが、それはある程度流れの障害になる。触媒担持部ａを３段に設ければ抜け防止手段も３段に設けなければならないが、触媒担持部ａが１段であれば抜け防止手段も１段ですみ、触媒流路の有効活用が図れる。
【００２８】
本発明は、以上述べた実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の触媒燃焼器の触媒担持部は、触媒コーティング流路と触媒なし流路を交互に隣り合って配置したハニカム構造であって、これらの流路間の隔壁に小孔を穿設するとともに、触媒なし流路に絞りを設けて、触媒なし流路を通過する予混合ガスの１部を触媒コーティング流路内に流入させるようにしたので、小孔から流入した未燃の予混合ガスは触媒コーティング流路内に乱流を引き起こして、ガスと触媒との接触とガスの混合が促進される。したがって、触媒燃焼が活発化するとともに、本来触媒なし流路を流れる予混合ガスが触媒コーティング流路内に流入する。その結果同じ発熱量に対して、触媒担持部の体積を小さくできて燃焼器の小型化と高価な触媒の必要量が減少し、コスト削減が可能になるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスタービン燃焼器の触媒担持部の部分断面図である。
【図２】従来の触媒担持部の図であり、（Ａ）はガスの流れに直角に切断したときの断面図、（Ｂ）は展開図、（Ｃ）は触媒担持部を３段階にした配置図である。
【図３】従来の触媒担持部の流れに平行に切断した断面図である。
【図４】２０００ＫＷ程度のガスタービンの燃焼器内の温度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 触媒担持部
２ 絞り
３ 小孔
ｅ 触媒コーティング流路
ｆ 触媒なし流路
ｉ 金属壁

Claims (2)

1. 燃料と空気の予混合ガスを通過させて触媒燃焼させる触媒燃焼器の触媒担持部であって、壁面上に触媒コーティング層を有する触媒コーティング流路と、壁面上に触媒コーティング層を有しない触媒なし流路とが交互に隣り合って配置されたハニカム構造になっており、触媒コーティング流路と触媒なし流路との間の隔壁面に小孔を穿設するとともに、触媒なし流路の小孔の下流に絞りを設け、触媒なし流路から触媒コーティング流路内に未燃の予混合ガスを流入させるようにしたことを特徴とする触媒燃焼器の触媒担持部。
2. 隔壁面の上記小孔は、ガスの流れ方向に１または２以上穿設されている請求項１記載の触媒燃焼器の触媒担持部。

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