JP3037348B2 - 接触燃焼反応器ベッド用の積層支持体 - Google Patents

接触燃焼反応器ベッド用の積層支持体

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は燃焼触媒に関するものであって、更に詳しく
言えば、支持すべき燃焼触媒の下方に保護用の貴金属被
膜を含んだ耐酸化性の積層複合金属支持体に関する。
先行技術の説明 工業用ガスタービンエンジンからの望ましくない排出
物を低減もしくは排除しようする試みの中で、ガスター
ビン製造業者達は燃焼触媒の使用によってガスタービン
燃焼器の反応域内における無炎燃焼を促進するという接
触燃焼技術に着目した。通常の燃料を燃やすガスタービ
ンエンジンから通例生じる主な排出物は、窒素酸化物、
一酸化炭素および未燃焼の炭化水素である。ガスタービ
ン燃焼器の反応域内において燃焼触媒を使用すると、燃
料と空気とから成る希薄混合気の完全な燃焼が促進さ
れ、それによって望ましくない排出物が低減することに
なる。
残念ながら、ガスタービン燃焼器の反応域内における
運転環境は接触反応器にとって苛酷であり、従ってそれ
の早期故障を誘起するのが通例である。工業用ガスター
ビンエンジンは長い運転期間にわたって機能を維持する
ことが要求されるから、かかる早期故障は重大な問題を
生じることになる。このようなわけで、本発明の完成以
前には、ガスタービンエンジンにおいて接触燃焼技術が
完全な成功を収めたとは言えなかった。
ガスタービン燃焼器の反応域内において使用した場
合、セラミック支持体を有する接触反応器ベッドは特に
早期故障を生じ易い。かかるセラミック支持体は、高温
の排気ガスからの熱衝撃や機械衝撃並びにガスタービン
エンジンのこの区域に存在する振動を受ける結果、割れ
およびそれに続く破壊を生じるのが通例である。
金属支持体を有する接触反応器ベッドを使用した場合
にはある程度の成功が得られたが、かかる触媒反応器ベ
ッドは金属支持体の高温酸化に原因する破壊を受け易
い。かかる金属支持体型の接触反応器ベッドにおいては
また、金属支持体の高温融解に原因する破壊も認められ
ている。
高温環境中において使用するように設計された従来の
金属支持体型接触反応器ベッドは、現在のところ、ハネ
カム状の支持構造物を成すように予め成形された耐熱合
金箔の表面にセラミックウォッシュコートおよび触媒を
直接に付加することによって製造されている。かかる製
品の一例として、合金鋼から成る支持体上に白金触媒を
付加して成る接触反応器ベッドが挙げられる。しかしな
がら、このような接触反応器ベッドは酸化環境中におい
て高温に暴露された場合に上記のごとき高温酸化および
高温融解を受け易いのである。
従って、酸化雰囲気中において長期の高温運転を可能
にするような金属支持体型の接触反応器ベッドが要望さ
れている。また、ガスタービン燃焼器の反応域内または
その他の高温酸化環境中において使用した場合における
酸化およびそれに続く構造破壊に耐えるような高融点の
金属箔を使用した接触反応器ベッドも要望されている。
発明の要約 本発明は上記のごとき要望を満たすために開発された
ものであり、従って本発明の主たる目的は従来の製品の
場合よりも高い運転温度に耐え得るような金属支持体型
の接触反応器ベッドを提供することにある。本発明のも
う１つの目的は、高効率のガスタービン燃焼器の反応域
内または類似の環境中において長期間にわたり使用する
ために適した金属支持体型の接触反応器ベッドを提供す
ることにある。
上記の目的は、金属箔支持体上に保護被膜を設置して
金属箔支持体の酸化およびそれに続く構造破壊を防止す
ることによって達成される。かかる保護被膜は、金属触
媒を保持したセラミックウォッシュコートと高融点の金
属箔との間に配置された貴金属被膜から成ることが好ま
しい。この場合、金属箔は接触反応器ベッドに対する構
造支持材として役立つ一方、貴金属被膜は周期雰囲気中
の酸素が金属箔に接触してそれを酸化するのを防止する
ために役立つ。このような被覆金属箔を用いて形成され
た接触反応器ベッドは、工業用ガスタービンエンジンの
接触燃焼反応器ベッドとして使用するために特に適して
いる。
上記のごとき本発明の目的、特徴および利点は、添付
の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによ
って一層明確に理解されよう。
好適な実施の態様の説明 第１図を見ると、本発明に従って高融点の金属箔支持
体の表面上に保護用の貴金属被膜を設置して成る積層触
媒素子が示されている。かかる触媒素子は高融点の金属
箔支持体１を含んでいるが、これは炉の構成部品または
耐熱被膜用として使用されるような任意の耐熱合金から
成り得る。たとえば、金属箔支持体１を形成するために
アルミニウム−クロム−鉄系の合金［たとえばカンター
ル （Kanthal ）］あるいはニッケル−クロム系また
はニッケル−クロム−鉄系の合金（たとえばニクロム）
を使用することができる。
金属箔支持体１を形成するためにはまた、鉄−クロム
−アルミニウム−イットリウム系、ニッケル−クロム−
アルミニウム−イットリウム系またはコバルト−クロム
−アルミニウム−イットリウム系の合金を使用すること
もできる。なお、金属箔支持体１を形成するために好適
な合金はフェクラロイ （Fecralloy ）として知られ
る合金鋼であって、それの典型的な組成は0.03％の炭
素、0.30％のケイ素、15.80％のクロム、4.80％のアル
ミニウム、0.30％のイットリウムおよび残部の鉄から成
っている。金属箔支持体１は、構造支持材としての要求
を満たす任意所望の厚さを有するように形成することが
できる。たとえば、約0.006インチ（0.1524mm）の厚さ
を持った薄板として金属箔支持体１を形成すれば適当で
ある。
金属箔支持体１の酸化を抑制するための保護被膜とし
て、金属箔支持体１上に貴金属被膜２が設置される。金
属箔支持体１については、高温酸化雰囲気に暴露される
ことのある全ての表面を貴金属被膜２で被覆する必要が
ある。貴金属被膜２は、白金、パラジウム、ロジウム、
イリジウム、オスミウム、ルテニウムまたはそれらの混
合物（もしくは化合物）から形成すればよい。初期にお
いては、かかる貴金属は被膜の設置方法に応じて溶解塩
または微粉末の形態を有し得る。金属箔支持体１上に貴
金属被膜２を薄い連続被膜として設置するためには、標
準的なプラズマ溶射、電気めっきおよび蒸着のごとき方
法および装置を使用することができる。なお、貴金属被
膜２の適正厚さは約0.0001インチ（0.00254mm）以下で
ある。
次に、セラミックウォッシュコート材料と触媒とを混
合して成るウォッシュコートスラリー中に貴金属被膜２
で被覆された金属箔支持体１を浸漬することにより、貴
金属被膜２の表面上にウォッシュコート・触媒層３が設
置される。かかるウォッシュコート・触媒層３はまた、
先ずウォッシュコートスラリー中に被覆支持体を浸漬し
てウォッシュコートのみを設置し、次いでプラズマ溶射
法に従ってウォッシュコート上に触媒を設置することに
よって形成することもできる。このように、ウォッシュ
コートおよび触媒は個別に（すなわち順次に）設置して
もよいし、あるいは薄い被膜として一緒に設置してもよ
いのである。
ウォッシュコート材料としては、十分なBET表面積を
持った熱安定性の金属酸化物被膜を形成するアルミナが
通例使用される。ウォッシュコート安定剤としてセリア
または酸化セシウムを使用することができる。アルミナ
以外に、ジルコニアおよびトリアをウォッシュコート材
料として使用することもできる。ウォッシュコート・触
媒層３の適正厚さは、たとえば約0.0006インチ（0.0152
4mm）である。
ウォッシュコートと共に（あるいはウォッシュコート
上に）設置されてウォッシュコート・触媒層３を形成す
る触媒は、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、
酸化クロム、酸化鉄、酸化コバルト、酸化ランタン、テ
ルビウム−セリウム−トリウム、ルテニウム、オスミウ
ム、酸化ニッケル、酸化マグネシウムおよび酸化銅から
成る群より選ばれる。ウォッシュコート・触媒層３を設
置した後、得られた積層触媒素子から接触反応器ベッド
を形成し、次いでそれを炉内において焼成すればよい。
なお、貴金属被膜２の熱処理は不要である。
上記のごときセラミックウォッシュコートは貴金属被
膜２の表面に酸素が到達するのを妨げ、それによって貴
金属表面２の酸化速度を低下させる。とは言え、セラミ
ックウォッシュコートは酸素に対して不透過性のもので
はないから、貴金属被膜２の構造の完全性が維持される
かどうかはそれ自体の耐酸化性に依存する。ウォッシュ
コート・触媒層３は金属箔支持体１および貴金属被膜２
に対して顕著な熱的保護（または熱的遮蔽）をもたらす
わけではないが、貴金属被膜２を高温ガスによる浸食か
ら保護するためには役立つ。
本発明に従って製造された積層触媒素子の使用温度
は、約1800゜Fから約2500゜Fまでの範囲にわたる。貴金
属被膜２が金属箔支持体１の酸化を防止し、それによっ
て一定の暴露温度におけるそれの実用寿命を延長させる
とは言え、金属箔支持体１の酸化の程度は時間および温
度に応じて変化する。それ故、かかる積層触媒素子の正
確な実用寿命は簡単には求められないが、8000時間の有
効寿命が可能であると考えられている。本発明に従って
積層触媒素子を製造するための一実施例において使用さ
れる各種材料の融点は下記の通りである。
フェクラロイ 鋼箔 1375〜1550℃ 白金被膜 1773℃ アルミナウォッシュコート 1865〜2032℃ パラジウム触媒 1554℃ 自明のことながら、高融点の金属箔支持体１は第１図
に示された積層触媒素子から形成された接触反応器ベッ
ドに対する構造支持材として役立つ。また、貴金属被膜
２は金属箔支持体１の酸化を防止すると共に、それの触
媒活性によって化学反応を促進するために役立つ。更に
また、ウォッシュコート・触媒層３はそれの触媒活性に
基づいて化学反応を一層促進するために役立つ大きい表
面積を提供する。
上記のごとくにして製造された積層触媒素子を使用す
ることにより、ハネカム構造の接触反応器ベッドを形成
することができる。このようにすれば、流れ抵抗を最小
限に抑えながら該ベッドを通過する反応体に対して最大
の表面積を提供することができる。こうして形成された
接触反応器ベッドは、高効率ガスタービン燃焼器の反応
域のごとき高温酸化環境中において使用するのに適して
いる。特にそれは、大形の工業用ガスタービンエンジン
において排気中の排出物を低減させるために好適に使用
される。
本発明に従って製造された接触反応器ベッドまたは触
媒素子は、従来の製品に比べて実用寿命の延長を示す。
金属箔支持体１とウォッシュコート・触媒層３との間に
貴金属被膜２を追加したことは、金属箔支持体１の酸化
の防止および化学反応の促進に役立つばかりでなく、ウ
ォッシュコートに付加された触媒に対する予備の触媒を
提供することにもなる。たとえば、ウォッシュコートに
付加された触媒が接触反応器ベッドの実用寿命期間中の
ある時点において失われた場合には、貴金属被膜２が耐
酸化性の保護被膜としてばかりでなく触媒としても作用
することになる。
以上、好適な実施の態様に関連して本発明が記載され
た。なお、本発明の範囲から逸脱することなしに様々な
変更態様が可能であることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明に従って製造された金属支持体型の積
層触媒素子の部分断面図である。 図中、１は金属箔支持体、２は貴金属被膜、そして３は
ウォッシュコート・触媒層を表わす。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｆ０１Ｎ 3/28 ３０１ Ｂ０１Ｊ 23/56 ３０１Ａ Ｆ２３Ｒ 3/40 Ｂ０１Ｄ 53/36 １０４Ｚ (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B01J 21/00 - 38/74

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】（ａ）金属支持体、（ｂ）前記金属支持体
    の高温酸化を防止するため前記支持体上に設置された貴
    金属から成る耐酸化層、（ｃ）前記耐酸化層上に設置さ
    れた熱安定性の金属酸化物被膜、および（ｄ）前記金属
    酸化物被膜上に設置された燃焼触媒の諸要素から成るこ
    とを特徴とする積層触媒素子。
  2. 【請求項２】前記金属支持体が合金鋼から成る請求項１
    記載の触媒素子。
  3. 【請求項３】前記燃焼触媒が白金、パラジウム、ロジウ
    ム、イリジウム、酸化クロム、酸化鉄、酸化コバルト、
    酸化ランタン、テルビウム−セリウム−トリウム、ルテ
    ニウム、オスミウム、酸化ニッケル、酸化マグネシウム
    および酸化銅から成る群より選ばれる請求項１記載の触
    媒素子。
  4. 【請求項４】前記貴金属が白金、パラジウム、ロジウ
    ム、イリジウム、オスミウムおよびルテニウムから成る
    群より選ばれる請求項１記載の触媒素子。
  5. 【請求項５】前記金属酸化物被膜がアルミナから成る請
    求項１記載の触媒素子。
  6. 【請求項６】前記金属支持体が金属箔から成る請求項１
    記載の触媒素子。
  7. 【請求項７】前記金属酸化物被膜および前記燃焼触媒が
    ウォッシュコートスラリーとして前記耐酸化層上に設置
    される請求項１記載の触媒素子。
  8. 【請求項８】前記耐酸化層が0.0001インチ（0.00254m
    m）以下の厚さを持った連続被膜から成る請求項１記載
    の触媒素子。
  9. 【請求項９】前記耐酸化層がプラズマ溶射法によって前
    記金属支持体上に設置される請求項１記載の触媒素子。
JP01294118A 1988-11-21 1989-11-14 接触燃焼反応器ベッド用の積層支持体 Expired - Lifetime JP3037348B2 (ja)

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