JPH0245772B2 - - Google Patents

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JPH0245772B2
JPH0245772B2 JP59031363A JP3136384A JPH0245772B2 JP H0245772 B2 JPH0245772 B2 JP H0245772B2 JP 59031363 A JP59031363 A JP 59031363A JP 3136384 A JP3136384 A JP 3136384A JP H0245772 B2 JPH0245772 B2 JP H0245772B2
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JP
Japan
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catalyst
temperature
fuel
combustion
mixture
Prior art date
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Application number
JP59031363A
Other languages
Japanese (ja)
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JPS60175925A (en
Inventor
Tomiaki Furuya
Chikau Yamanaka
Terunobu Hayata
Junji Hizuka
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Toshiba Corp
Original Assignee
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Publication date
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Priority to DE8484114852T priority patent/DE3474714D1/en
Priority to EP84114852A priority patent/EP0144094B1/en
Publication of JPS60175925A publication Critical patent/JPS60175925A/en
Priority to US07/042,630 priority patent/US4731989A/en
Publication of JPH0245772B2 publication Critical patent/JPH0245772B2/ja
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C13/00Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/20Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products
    • F02C3/30Adding water, steam or other fluids for influencing combustion, e.g. to obtain cleaner exhaust gases
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34Feeding into different combustion zones
    • F23R3/346Feeding into different combustion zones for staged combustion
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/40Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the use of catalytic means

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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、ガスタービン発電システムに用いる
ガスタービン燃焼器内での燃料−空気の燃焼法に
関し、更に詳しくは、燃焼時における窒素酸化物
(以下、NOxという)の発生量が少なく、かつ、
良好な燃焼効率を有する長寿命の触媒燃焼法に関
する。
Detailed Description of the Invention [Technical Field of the Invention] The present invention relates to a fuel-air combustion method in a gas turbine combustor used in a gas turbine power generation system, and more particularly, to a method for burning fuel-air in a gas turbine combustor used in a gas turbine power generation system. , NOx) generation is small, and
This invention relates to a long-life catalytic combustion method with good combustion efficiency.

〔発明の技術的背景とその問題点〕[Technical background of the invention and its problems]

近年、石油資源等の枯渇化に伴ない、種々の代
替エネルギーが要求されているが、同時に、エネ
ルギー資源の効率的使用も要求されている。これ
らの要求に応えるものの中に、例えば、燃料とし
て天然ガスを使用するガスタービン・スチームタ
ービン複合サイクル発電システム、若しくは石炭
ガス化ガスタービン・スチームタービン複合サイ
クル発電システムがある。これらの発電システム
は、化石燃料を使用した従来のスチームタービン
による発電システムに比較してその発電効率が高
いので、将来その使用量の増加が予想される天然
ガスや石炭ガス化ガス等の燃料を有効に電力に変
換できる発電システムとして期待されている。
In recent years, with the depletion of petroleum resources and the like, various alternative energies have been required, and at the same time, efficient use of energy resources has also been required. Examples of systems that meet these demands include gas turbine/steam turbine combined cycle power generation systems that use natural gas as fuel, or coal gasification gas turbine/steam turbine combined cycle power generation systems. These power generation systems have higher power generation efficiency than conventional steam turbine power generation systems that use fossil fuels, so they can use fuels such as natural gas and coal gasified gas, whose usage is expected to increase in the future. It is expected to be a power generation system that can effectively convert into electricity.

ガスタービン発電システムに使用されているガ
スタービン燃焼器では、従来から、燃料と空気の
混合物をスパークプラグ等により着火してなる均
一系燃焼方式が採用されている。このような燃焼
器の1例の概念断面図を第1図にしめす。第1図
の燃焼器では、燃焼ノズル1から噴射された燃料
は燃焼用空気3と混合されたのち、スパークプラ
グ2により着火されて燃焼する。燃焼した気体、
すなわち、燃焼ガスには冷却空気4及び希釈空気
5が添加されて所定のガスタービン入口温度にま
で冷却・希釈されたのち、タービンノズル6から
ガスタービン内に噴射される。図で8はスワラー
である。
Gas turbine combustors used in gas turbine power generation systems have conventionally adopted a homogeneous combustion method in which a mixture of fuel and air is ignited by a spark plug or the like. A conceptual cross-sectional view of one example of such a combustor is shown in FIG. In the combustor shown in FIG. 1, fuel injected from a combustion nozzle 1 is mixed with combustion air 3, and then ignited by a spark plug 2 and combusted. burned gas,
That is, cooling air 4 and dilution air 5 are added to the combustion gas, and after the combustion gas is cooled and diluted to a predetermined gas turbine inlet temperature, it is injected from the turbine nozzle 6 into the gas turbine. In the figure, 8 is a swirler.

例示した従来の燃焼器における最大の問題点の
1つは、燃焼時に多量のNOxが生成して環境汚
染等を引き起すことである。このNOxが生成す
る理由は、燃焼時に、燃焼器内に1500℃を越える
高温部が存在することにある。
One of the biggest problems with the exemplified conventional combustor is that a large amount of NOx is produced during combustion, causing environmental pollution. The reason why this NO x is generated is that during combustion, there is a high temperature area in the combustor that exceeds 1500°C.

このような問題点を解決するために、種々の燃
焼方式が検討されており、最近では、固相触媒を
用いた不均一系燃焼方式(以下、触媒燃焼方式と
いう)が提案されている。
In order to solve these problems, various combustion methods have been studied, and recently, a heterogeneous combustion method using a solid phase catalyst (hereinafter referred to as a catalytic combustion method) has been proposed.

この触媒燃焼方式は、燃料と空気の混合物を触
媒を用いて燃焼させる方式である。この方式によ
れば、比較的低温で燃焼を開始することができ、
さらに第1図に示したような均一系燃焼方式と比
べて、多量の空気を燃料と混合して燃焼させるこ
とができるため、燃焼の最高温度が低くなり、冷
却用および希釈用空気はほとんどあるいは全く必
要としない。従つてNOxの発生量を極めて少な
くすることが可能になる。
This catalytic combustion method is a method in which a mixture of fuel and air is combusted using a catalyst. According to this method, combustion can be started at a relatively low temperature,
Furthermore, compared to the homogeneous combustion method shown in Figure 1, it is possible to mix a large amount of air with the fuel and combust it, resulting in a lower maximum temperature of combustion and little or no air for cooling and dilution. Not needed at all. Therefore, it becomes possible to extremely reduce the amount of NO x generated.

第2図は、上述した触媒燃焼方式を用いた燃焼
器の1例の概念断面図であり、図中の数字はそれ
ぞれ第1図と同じ要素を表わす。この燃焼器は触
媒部7を備えていることが構造上の特徴である。
この触媒部7には、通常、ハニカム構造の触媒が
充填されている。燃料と空気の混合物を触媒部7
における触媒との反応に必要な程度にまで予熱す
るため、この図の場合ではあらかじめ、燃料ノズ
ル1より噴射された燃料と燃焼用空気3よりなる
混合物をスパークプラグ2により点火し、燃焼さ
せて触媒との反応を促進させるための予熱源とし
ている。そしてさらに燃料ノズル1′より噴射さ
れた燃料と燃焼用空気3とを加えて昇温した混合
物とした後、触媒へ流入して燃焼させている。
FIG. 2 is a conceptual sectional view of an example of a combustor using the above-mentioned catalytic combustion method, and the numbers in the figure represent the same elements as in FIG. 1, respectively. A structural feature of this combustor is that it is equipped with a catalyst section 7.
This catalyst section 7 is normally filled with a catalyst having a honeycomb structure. The mixture of fuel and air is transferred to the catalyst section 7.
In order to preheat to the degree necessary for the reaction with the catalyst, in the case of this figure, the mixture consisting of the fuel injected from the fuel nozzle 1 and the combustion air 3 is ignited by the spark plug 2 and combusted to heat the catalyst. It is used as a preheat source to accelerate the reaction with Then, the fuel injected from the fuel nozzle 1' and the combustion air 3 are added to form a heated mixture, which then flows into the catalyst and is combusted.

第3図に、触媒燃焼方式を用いた燃焼器内にお
ける混合物及び触媒の温度上昇の様子の一例を混
合物の流れ方向との関係で示す。
FIG. 3 shows an example of the temperature rise of the mixture and catalyst in a combustor using the catalytic combustion method in relation to the flow direction of the mixture.

図で、実線は混合物の温度変化の様子を示し、
点線は触媒の温度変化の様子を示す。実線ABは
燃料と空気とが混合されて混合物をなす領域での
温度を示している。ついで前記混合物は触媒と接
触し、触媒反応により燃焼するが、前記触媒反応
による触媒温度の上昇の様子が点線B′C′で、そこ
からの加熱による触媒を流れる混合物の温度の上
昇の様子が実線BCで、それぞれ表わされている。
そして前記混合物が着火温度にまで昇温したCよ
り、触媒反応による燃焼に加えて、気相反応によ
る燃焼も触媒内で発生する。ここで、前記混合物
のほとんどあるいはすべてが燃焼して昇温する様
子が実線CDであらわされ、その時の触媒の温度
の上昇は点線C′D′によつてあらわされている。こ
のあと、触媒より流出した流出物は、少量の未燃
燃料を気相反応により燃焼してさらに実線DEで
示したように温度上昇して、燃焼ガスとなる。
In the figure, the solid line shows the temperature change of the mixture,
The dotted line shows how the temperature of the catalyst changes. The solid line AB indicates the temperature in the region where fuel and air are mixed to form a mixture. The mixture then comes into contact with the catalyst and is combusted by a catalytic reaction. The dotted line B′C′ shows how the temperature of the catalyst increases due to the catalytic reaction, and the temperature of the mixture flowing through the catalyst increases due to heating from there. Each is represented by a solid line BC.
Then, when the temperature of the mixture reaches the ignition temperature, combustion occurs within the catalyst due to a gas phase reaction in addition to combustion due to a catalytic reaction. Here, the state in which most or all of the mixture burns and the temperature rises is represented by a solid line CD, and the rise in temperature of the catalyst at this time is represented by a dotted line C'D'. After this, the effluent flowing out from the catalyst burns a small amount of unburned fuel by a gas phase reaction, and the temperature further increases as shown by the solid line DE, and becomes combustion gas.

以上のような燃焼方式では、B′〜C′〜D′の領
域における触媒の温度が815〜1650℃である旨、
特開昭48−20766号では開示されている。また、
特開昭50−31210号においては、触媒の作用温度
が前記燃料・空気混合物の瞬間自動点火温度に比
べ実質的に高い温度における燃焼に関する記載
が、なされている。
In the combustion method described above, the temperature of the catalyst in the region B' ~ C' ~ D' is 815 ~ 1650 ° C.
This is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 48-20766. Also,
JP-A-50-31210 describes combustion at temperatures where the operating temperature of the catalyst is substantially higher than the instantaneous auto-ignition temperature of the fuel-air mixture.

しかしながら、上記した方式における問題点
は、点線C′D′で示された気相反応による燃焼も発
生している領域における触媒の温度が相当高温に
なること。すなわち、触媒の温度が、該触媒に接
触する混合物の着火温度より高いことが必要にな
るこいうことである。
However, the problem with the above method is that the temperature of the catalyst in the area indicated by the dotted line C'D' where combustion by gas phase reaction is also occurring becomes considerably high. That is, it is necessary that the temperature of the catalyst be higher than the ignition temperature of the mixture in contact with the catalyst.

例えば、メタンガスのように気相燃焼し難い燃
料を用いた場合、触媒温度が1000℃以上でないと
燃料は実質的に完全燃焼しない。そのため、触媒
としては、その耐熱性が1000℃あるいは1100℃以
上のものが必要になる。
For example, when using a fuel that is difficult to burn in the gas phase, such as methane gas, the fuel will not burn completely completely unless the catalyst temperature is 1000° C. or higher. Therefore, the catalyst must have a heat resistance of 1000°C or 1100°C or higher.

しかしながら、このような高温に耐え、かつ長
時間使用できる触媒は開発されていないのが現状
であり、第3図に示したような燃焼方式の実用化
は著しく困難である。
However, at present, no catalyst has been developed that can withstand such high temperatures and can be used for long periods of time, making it extremely difficult to put the combustion method shown in FIG. 3 into practical use.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明は、従来の触媒燃焼方式における問題点
を解決し、大幅に耐久性,安定性に富むNOx
触媒燃焼法の提供を目的とする。
The present invention aims to solve the problems of conventional catalytic combustion methods and to provide a catalytic combustion method for NO x that is significantly more durable and stable.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

本発明者らは、触媒から流出した流出物が気相
燃焼を起すための条件は、流出物の温度が充分
に高いこと、および流出物の燃料濃度が高いこ
とが重要であり、更に従来の触媒燃焼方式では、
触媒内で触媒反応による燃焼と気相反応による燃
焼を同時に生起させて流出物の温度を高めるこ
と、すなわちの条件のみを充足させているとい
う事実に着目した。そこで、本発明者らは、従来
の燃焼方式と観点を変えて、触媒から流出した流
出物に更に燃料を添加してその燃料濃度を高め
る、すなわち、の条件を充足せしめれば、流出
物の温度が低くても気相反応による燃焼が可能と
なり、したがつて、触媒の高温による熱劣化がお
こらずに低NOxで完全燃焼が可能になるとの着
想を得、該着想に基づき鋭意研究を重ねた結果、
本発明を完成するに至つた。
The present inventors believe that the conditions for gas-phase combustion to occur in the effluent from the catalyst are that the temperature of the effluent is sufficiently high and the fuel concentration of the effluent is high; In the catalytic combustion method,
We focused on the fact that only the following conditions were satisfied: combustion by catalytic reaction and combustion by gas phase reaction occur simultaneously within the catalyst to increase the temperature of the effluent. Therefore, the inventors of the present invention changed the viewpoint from the conventional combustion method to increase the fuel concentration by adding more fuel to the effluent flowing out from the catalyst. We came up with the idea that combustion by gas phase reaction is possible even at low temperatures, and therefore complete combustion with low NO x is possible without thermal deterioration of the catalyst due to high temperatures, and based on this idea we conducted intensive research. As a result of stacking,
The present invention has now been completed.

すなわち、本発明の触媒燃焼法は、燃料と空気
を混合する第1の工程と、第1の工程で得られた
混合物を、触媒部に充填した触媒に、該触媒の温
度を該混合物の着火温度より低い温度に保持した
まま接触させて、該混合物を触媒反応だけによつ
て燃焼させる第2の工程と、第2の工程の後に該
触媒より流出した流出物に、更に主に燃料及びス
チームよりなる補燃料を添加して複合ガスとし、
該複合ガスを気相反応によつて燃焼させる第3の
工程とを具備したことを特徴とする。又、上記の
工程において、濃縮された酸素等よりなる酸化性
気体が空気として用いられてもよいし、窒素ある
いはその他の本質的には不活性なガスが用いられ
てさらに希釈されてもよい。
That is, the catalytic combustion method of the present invention includes a first step of mixing fuel and air, a mixture obtained in the first step, and a catalyst filled in a catalytic section, and the temperature of the catalyst is adjusted to ignite the mixture. a second step in which the mixture is combusted solely by catalytic reaction while being kept in contact with the mixture at a temperature lower than that of the catalytic converter; Add auxiliary fuel consisting of:
The present invention is characterized by comprising a third step of combusting the composite gas by a gas phase reaction. Further, in the above step, an oxidizing gas such as concentrated oxygen may be used as air, or nitrogen or other essentially inert gas may be used for further dilution.

第4図に本発明による燃焼法を用いた燃焼器内
における混合物及び触媒の温度上昇の様子の一例
を、混合物の流れ方向との関係で示す。
FIG. 4 shows an example of the temperature rise of the mixture and catalyst in the combustor using the combustion method according to the present invention in relation to the flow direction of the mixture.

第3図と同様に第4図においても、実線は混合
物の温度変化の様子を示し、点線は触媒の温度変
化の様子を示している。実線abは燃料と空気と
が混合される領域、すなわち第1の工程が進行す
る領域の温度を示している。ついで、前記混合に
よりつくられた混合物は、触媒と接触し、触媒反
応により燃焼するが、前記触媒反応による触媒温
度の上昇の様子が点線b′c′で、そこからの加熱に
よる触媒を流れる混合物の温度の上昇の様子が実
線bcによりそれぞれ表されている。
Similarly to FIG. 3, in FIG. 4, the solid line shows how the temperature of the mixture changes, and the dotted line shows how the temperature changes of the catalyst. A solid line ab indicates the temperature of the region where fuel and air are mixed, that is, the region where the first step proceeds. Next, the mixture created by the mixing comes into contact with the catalyst and burns due to the catalytic reaction.The dotted line b'c' shows how the catalyst temperature rises due to the catalytic reaction, and the mixture flowing through the catalyst due to heating from there. The rise in temperature is shown by the solid line bc.

この領域では、触媒反応による燃焼だけがおき
ており、気相反応による燃焼はおきていない。触
媒で行なわれる燃焼はここまでであり、このこと
が本発明にかかせない重要な特徴のうちの1つで
ある。たとえば、第2の工程における燃焼では触
媒に流入した燃料のうちのおよそ30%ほどが触媒
反応により燃焼し、残りの70%ほどの未燃燃料と
ともに触媒から流出して流出物をなす。これがc
及びc′の点である。ついで、前記流出物に補燃料
が添加されて、複合ガスをなし、触媒下流域にお
いて気相反応による燃焼をおこす。この時の温度
上昇が実線cdによつて示されている。これが第
3の工程にあたる。
In this region, only combustion occurs due to catalytic reactions, and no combustion occurs due to gas phase reactions. The combustion that takes place with the catalyst ends here, and this is one of the important features essential to the present invention. For example, in the second combustion step, approximately 30% of the fuel that has entered the catalyst is combusted by the catalytic reaction, and flows out of the catalyst along with the remaining 70% of unburned fuel to form an effluent. This is c
and c′. Supplementary fuel is then added to the effluent to form a composite gas which is combusted by a gas phase reaction downstream of the catalyst. The temperature rise at this time is shown by the solid line CD. This corresponds to the third step.

具体的に第5図に例示した模式図を用いて説明
すれば、コンプレツサー等により昇圧,昇温され
た空気13と、燃料ノズル等により供給される燃
料11とが混合されて、混合物となり、該混合物
は触媒に供給される。ここで触媒反応だけによつ
て燃料が燃焼し触媒の温度は最高でおよそ900℃
程度にまで昇温する。この程度の温度では例えば
メタンガスのような難燃性の燃料は触媒内で気相
燃焼はおこらない。そして触媒から流出した流出
物にさらに補燃料が供給されて複合ガスを生成す
る。この第5図においては補燃料の供給方法とし
て図に示したように、触媒を通過した燃料供給パ
イプ21に、燃料およびスチームからなる補燃料
19を通すことにより補燃料が加熱されて、第3
工程における燃焼がおこりやすくなつている。さ
らに複合ガスは流れの拡大する部位15によつ
て、よりまじり合い、均一化され、ついで点火源
としてイグナイターステツク17等を用いること
により、あるいは自然着火により容易に気相燃焼
する。このとき、触媒の温度は混合物の着火温度
より低いことが必要で、この温度が着火温度より
も高いと、触媒において上記した触媒反応による
燃焼のほかに気相反応による燃焼も生起して触媒
の熱劣化が進行してしまう。通常は、燃料種にも
よるが、触媒の温度は300〜900℃の範囲にあるこ
とが好ましい。このような触媒の温度は、用いる
触媒種,触媒の形状,混合物の流速,燃料濃度等
を適宜に選定して決めることができる。
To explain specifically using the schematic diagram shown in FIG. 5, air 13 whose pressure and temperature have been raised by a compressor etc. and fuel 11 supplied by a fuel nozzle etc. are mixed to form a mixture. The mixture is fed to the catalyst. Here, fuel is combusted only by catalytic reaction, and the temperature of the catalyst reaches a maximum of approximately 900°C.
Increase the temperature to a certain level. At this temperature, flame-retardant fuel such as methane gas does not undergo gas phase combustion within the catalyst. A supplementary fuel is then supplied to the effluent from the catalyst to produce a composite gas. In FIG. 5, the supplementary fuel is heated by passing the supplementary fuel 19 made of fuel and steam through the fuel supply pipe 21 that has passed through the catalyst, as shown in the figure.
Combustion in the process is becoming more likely to occur. Further, the composite gas is mixed and homogenized by the flow expanding portion 15, and is then easily combusted in a gas phase by using an igniter stick 17 or the like as an ignition source or by spontaneous ignition. At this time, the temperature of the catalyst needs to be lower than the ignition temperature of the mixture. If this temperature is higher than the ignition temperature, in addition to the combustion due to the catalytic reaction described above, combustion due to a gas phase reaction will also occur in the catalyst. Heat deterioration progresses. Normally, the temperature of the catalyst is preferably in the range of 300 to 900°C, although it depends on the type of fuel. The temperature of such a catalyst can be determined by appropriately selecting the type of catalyst used, the shape of the catalyst, the flow rate of the mixture, the fuel concentration, etc.

その一例として例えば触媒としては、酸化パラ
ジウムを主成分としたハニカム形状触媒が好まし
い例としてあげられる。これについて以下くわし
く説明する。本発明者は、パラジウムの触媒とし
ての活性は主に酸化パラジウムにあることを明ら
かにした。パラジウムは次式のような平衡関係を
有している。
As an example, a preferable example of the catalyst is a honeycomb-shaped catalyst containing palladium oxide as a main component. This will be explained in detail below. The present inventor has revealed that the activity of palladium as a catalyst is mainly due to palladium oxide. Palladium has an equilibrium relationship as shown in the following equation.

PdOPd+1/2O2 この平衡は温度と酸素分圧によつて支配されて
おり、高温になればなるほど、また酸素濃度が減
少すればするほど PdO→Pd+1/2O2 の反応が進行し、PdOが減少して触媒活性が低下
する。したがつて酸化パラジウムを主成分とした
触媒を用いれば、触媒の温度はある程度以上には
ならない。この温度はたとえばガスタービン燃焼
器などの条件においては900℃程度であると考え
られる。このため触媒の温度が必要以上に上昇し
にくいので、熱による触媒の劣化が少なく、好ま
しい。また酸化パラジウムを主成分とした触媒
は、燃料の種類にもよるが、コンプレツサー等で
昇温した燃焼用空気の温度程度でも触媒反応が開
始されるため、混合物の予熱の必要がなく、予燃
焼等の加熱を場合に応じて省略することも可能と
なる。
PdOPd + 1/2O 2 This equilibrium is controlled by temperature and oxygen partial pressure, and the higher the temperature and the lower the oxygen concentration, the more the reaction of PdO → Pd + 1/2O 2 progresses, and the amount of PdO decreases. catalytic activity decreases. Therefore, if a catalyst containing palladium oxide as a main component is used, the temperature of the catalyst will not exceed a certain level. This temperature is considered to be about 900°C under the conditions of a gas turbine combustor, for example. This makes it difficult for the temperature of the catalyst to rise more than necessary, which is preferable since there is less deterioration of the catalyst due to heat. In addition, depending on the type of fuel, catalysts containing palladium oxide as a main component can initiate a catalytic reaction even at the temperature of combustion air heated by a compressor, etc., so there is no need to preheat the mixture and pre-combustion It is also possible to omit such heating depending on the case.

ついで第3の工程では触媒から流出し、所定温
度に熱せられている流出物に所定量の補燃料をさ
らに添加して気相反応によつて燃焼を行わせる。
このときの断熱火炎温度を実質的にNOx発生温
度より低い1500℃以下の温度に制御することが必
要である。1500℃を超える場合にはNOxが多量
に発生して本発明の目的は達成されない。この制
御は、燃料の量,流出物あるいは複合ガスの流
速,添加補燃料の注入量及び注入方式,燃焼器構
造,などを適宜に選定することにより容易に可能
である。
Then, in the third step, a predetermined amount of auxiliary fuel is further added to the effluent flowing out from the catalyst and heated to a predetermined temperature, and combustion is caused by a gas phase reaction.
It is necessary to control the adiabatic flame temperature at this time to a temperature of 1500° C. or less, which is substantially lower than the NO x generation temperature. If the temperature exceeds 1500°C, a large amount of NO x will be generated and the object of the present invention will not be achieved. This control can be easily achieved by appropriately selecting the amount of fuel, the flow rate of the effluent or composite gas, the amount and method of injection of the additional auxiliary fuel, the combustor structure, etc.

また、この第3工程を進行せしめる個所に、前
述した第5図における流れの拡大する部位15の
ような流出物あるいは複合ガスの流れを遅滞させ
る領域または逆流させる領域を設けると、気相反
応による燃焼が容易に進行するので好都合であ
る。更には、前述した第5図におけるイグナイタ
ーステツク17のような点火源を設置すれば、複
合ガスの気相燃焼の開始が容易になつて有効であ
る。
Furthermore, if a region where the flow of the effluent or composite gas is retarded or reversed is provided at the location where the third step is carried out, such as the region 15 where the flow expands in FIG. This is advantageous because combustion proceeds easily. Furthermore, if an ignition source such as the igniter stick 17 shown in FIG. 5 described above is installed, it is effective because it facilitates the initiation of gas phase combustion of the composite gas.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

実施例1 第6図に模式図として示した模擬燃焼器を製作
し、燃焼管9の中に酸化パラジウムを主体とした
ハニカム形状の触媒10を設けた。触媒の直径は
30mm、長さは9cmでつた。燃料11と空気13と
をそれぞれの系から燃焼管9に注入して混合し、
混合物を触媒10に流入した。触媒10からの流
出物に、燃料12及びスチーム22からなる補燃
料19を添加し、燃焼ガス14をサンプリングし
てガス組成を測定した。なお、空気13は400℃
に、スチーム22は750℃に予熱した。空気13
の流量450/min、燃料11の流量9/min、
燃料12の流量4/min、スチーム5g/min
であつた。燃料は天然ガスを用いた。
Example 1 A simulated combustor shown schematically in FIG. 6 was manufactured, and a honeycomb-shaped catalyst 10 mainly made of palladium oxide was provided in the combustion tube 9. The diameter of the catalyst is
The length is 30mm and the length is 9cm. Fuel 11 and air 13 are injected into the combustion pipe 9 from their respective systems and mixed,
The mixture flowed into catalyst 10. A supplementary fuel 19 consisting of fuel 12 and steam 22 was added to the effluent from the catalyst 10, and the combustion gas 14 was sampled to measure the gas composition. In addition, air 13 is 400℃
Then, steam 22 was preheated to 750°C. air 13
Flow rate of 450/min, flow rate of fuel 11 9/min,
Fuel 12 flow rate 4/min, steam 5g/min
It was hot. Natural gas was used as fuel.

また、比較のため、上記と同じ装置で触媒の直
径30mm、長さ17cm、燃料11の流量13/min、
空気13の流量450/min、そして補燃料19
は添加しないで従来の触媒燃焼物方式を行つた。
空気の予熱温度は500℃であつた。
For comparison, the same device as above, catalyst diameter 30 mm, length 17 cm, fuel 11 flow rate 13/min,
Flow rate of air 13 450/min and auxiliary fuel 19
A conventional catalytic combustion method was used without adding .
The preheating temperature of the air was 500°C.

両者の場合の燃焼効率,触媒温度,触媒の圧力
損失の経時変化を測定しそれらを第7図に示し
た。第7図で,′はそれぞれ本発明,従来例
の燃焼効率、,′はそれぞれ本発明,従来例
の触媒温度、,′はそれぞれ本発明,従来例
の触媒の圧力損失である。図から明らかなよう
に、本発明に係る燃焼法によれば長時間燃焼効率
の劣化はほとんどみられず、触媒温度も従来の方
法と比べて、低い温度に保たれ、よつて触媒の寿
命を大幅に延長することが可能となり、又触媒の
長さも短くてすむために圧力損失を小さくできる
等燃焼器の性能の向上に寄与している。
Changes in combustion efficiency, catalyst temperature, and catalyst pressure loss over time in both cases were measured and are shown in Figure 7. In FIG. 7, ' is the combustion efficiency of the present invention and the conventional example, , ' is the catalyst temperature of the present invention and the conventional example, respectively, and ' is the pressure loss of the catalyst of the present invention and the conventional example, respectively. As is clear from the figure, according to the combustion method according to the present invention, there is almost no deterioration in long-term combustion efficiency, and the catalyst temperature is maintained at a lower temperature than in the conventional method, thus extending the life of the catalyst. Since the length of the catalyst can be significantly extended and the length of the catalyst can be shortened, pressure loss can be reduced, contributing to improved performance of the combustor.

なおNOxの発生量は、燃焼中従来例では2〜
3ppmであり、本発明では1ppm以下であつた。ま
た本発明の実施例において燃料供給パイプ21よ
りスチームは加えずに燃料だけを加えて、他の条
件はそのままにして実験を行つたところ、NOx
の発生量は2〜3ppmであつた。これらの実験か
ら、スチームを加えることにより燃焼の安定化が
はかれ、従来の触媒を用いた燃焼方法に比べてよ
りNOxの低減がなされることが確認された。
In addition, the amount of NO x generated during combustion is 2 to 2 in the conventional example.
In the present invention, it was 1 ppm or less. In addition, in the embodiment of the present invention, an experiment was conducted in which only fuel was added without adding steam from the fuel supply pipe 21, and other conditions remained unchanged .
The amount generated was 2 to 3 ppm. These experiments confirmed that the addition of steam stabilizes combustion and reduces NO x more than conventional combustion methods using catalysts.

実施例2 第5図に示した本発明に係わる模擬燃焼器を用
いて最高何度の燃焼ガスが得られるか試験を行つ
た。燃料11、92/min及び420℃に予熱した
空気13、4.8m3/minを第1工程によつて混合
し、第2工程で酸化パラジウムを主成分とする直
径が100mm、長さ9cmのハニカム形状の触媒10
へと供給した。さらに第3工程において触媒を通
過した燃料供給パイプ21を通して、燃料及びス
チームからなる補燃料を少しずつ増量しながら加
えて燃焼ガスの温度を上昇させた。この時に加え
られたスチームの量は5〜50g/minの範囲であ
つた。燃料は天然ガスを用いた。
Example 2 A test was conducted to determine the maximum amount of combustion gas that could be obtained using the simulated combustor according to the present invention shown in FIG. Fuel 11, 92/min and air preheated to 420°C, 13, 4.8 m 3 /min are mixed in the first step, and in the second step, a honeycomb with a diameter of 100 mm and a length of 9 cm containing palladium oxide as the main component is mixed. shaped catalyst 10
supplied to. Furthermore, in the third step, supplementary fuel consisting of fuel and steam was added little by little through the fuel supply pipe 21 that had passed through the catalyst to raise the temperature of the combustion gas. The amount of steam added at this time ranged from 5 to 50 g/min. Natural gas was used as fuel.

さらに比較例として、第8図に示した従来例に
おける模擬燃焼器を用いて試験を行つた。酸化パ
ラジウムを主成分とした直径が100mm、長さ9cm
のハニカム形状の触媒を最初に混合物と接触する
触媒部7の前段側に充填し、それに続く触媒部7
の後段側に白金を主成分とした直径が100mm、長
さ9cmのハニカム形状の触媒を充填し、燃料11
として天然ガス、及び500℃に予熱した空気13、
4.8m3/minを供給した。ここで燃料11を少し
ずつ増量しながら加えて燃焼ガスの温度を上昇さ
せた。
Furthermore, as a comparative example, a test was conducted using a conventional simulated combustor shown in FIG. Mainly made of palladium oxide, diameter 100mm, length 9cm
A honeycomb-shaped catalyst is first filled in the upstream side of the catalyst section 7 that comes into contact with the mixture, and then
A honeycomb-shaped catalyst with a diameter of 100 mm and a length of 9 cm, mainly composed of platinum, is filled in the rear stage side, and the fuel 11
as natural gas, and air preheated to 500°C13,
4.8m 3 /min was supplied. Here, the temperature of the combustion gas was increased by gradually increasing the amount of fuel 11.

実験の結果本発明の場合には燃焼ガスの温度は
最高1450℃まで上昇させることが可能であつた
が、従来例の場合には、燃焼ガスが1300℃に達し
た時に触媒が溶けて破損した。
As a result of the experiment, in the case of the present invention, it was possible to raise the temperature of the combustion gas to a maximum of 1450℃, but in the case of the conventional example, the catalyst melted and was damaged when the combustion gas reached 1300℃. .

実施例3 直径が100mm、長さが10cmの酸化パラジウムを
主体としたハニカム形状の触媒を有する第9図で
示したような模擬燃焼器を製作した。この燃焼器
では、触媒10の下流で複合ガスの流れが拡大す
るような部位15が設けられている。この部位1
5は複合ガスの流れの逆流域若しくは遅帯域とな
る。そして、部位15にはイグナイターステツク
17が設置されて点火源を構成している。実験に
先立ち、触媒は電気炉で800℃、5000時間加熱し
てから用いた。燃料11の流量100/min、燃
料40/min及び750℃に予熱したスチーム40
g/minよりなる補燃料19、350℃に予熱した
空気13の流量4.8m3/minであり、補燃料19
は3個所から分散して添加した。燃料は天然ガス
を用いた。そして燃料,空気を流入したのち、イ
グナイターステツク17から火花を発して複合ガ
スを完全燃焼させてからイグナイターステツク1
7を引抜いた。着火1時間後の燃焼効率は99.9%
以上、NOx発生量1ppm以下であつた。また、流
れ方向の触媒の最高温度は780℃以上には上昇し
なかつた。これは電気炉で強制的に5000時間加熱
した温度より低いため、実際の燃焼においても、
500時間以上の運転が可能であると推定された。
Example 3 A simulated combustor as shown in FIG. 9 was manufactured having a honeycomb-shaped catalyst mainly made of palladium oxide and having a diameter of 100 mm and a length of 10 cm. In this combustor, a region 15 is provided downstream of the catalyst 10 in which the flow of the composite gas expands. This part 1
5 is a reverse region or slow zone of the composite gas flow. An igniter stick 17 is installed at the portion 15 to constitute an ignition source. Prior to the experiment, the catalyst was heated in an electric furnace at 800°C for 5000 hours before use. Flow rate of fuel 11 100/min, fuel 40/min and steam 40 preheated to 750℃
The flow rate of air 13 preheated to 350°C is 4.8 m 3 /min, and the auxiliary fuel 19
was dispersed and added from three locations. Natural gas was used as fuel. After the fuel and air have flowed in, a spark is emitted from the igniter stem 17 to completely burn the composite gas, and then the igniter stem 1
I pulled out 7. Combustion efficiency after 1 hour of ignition is 99.9%
As mentioned above, the amount of NO x generated was 1 ppm or less. Also, the maximum temperature of the catalyst in the flow direction did not rise above 780°C. This is lower than the temperature forced to heat for 5000 hours in an electric furnace, so even in actual combustion,
It was estimated that it could last for over 500 hours.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上の説明で明らかなように、本発明の触媒燃
焼法は従来の方式と比較して、従来方式におけ
る触媒反応による燃焼と気相反応による燃焼が同
時に起る領域を省略することができるので、触媒
の長さを短くすることができ、したがつて圧力損
失が減少する。触媒反応による燃焼と気相反応
による燃焼が同時に起る領域がない。つまり触媒
の高温部がなくなるので、触媒の熱劣化を解消し
てその耐久性を大幅に改善することができる。
気相反応による燃焼の割合いが大きいのでタービ
ンなどの出力変動に対し容易に追随することがで
きる。そして、流出物の熱燃焼温度をNOx
生温度より低く制御することができるので、
NOx発生量を低減することが可能である。など
の利点を有しその工業的価値は極めて大である。
As is clear from the above explanation, compared to the conventional method, the catalytic combustion method of the present invention can omit the region where combustion by catalytic reaction and combustion by gas phase reaction occur simultaneously in the conventional method. The length of the catalyst can be shortened, thus reducing pressure losses. There is no region where combustion by catalytic reaction and combustion by gas phase reaction occur simultaneously. In other words, since there is no high-temperature part of the catalyst, thermal deterioration of the catalyst can be eliminated and its durability can be significantly improved.
Since the proportion of combustion due to gas phase reactions is large, it is possible to easily follow fluctuations in the output of turbines, etc. And since the thermal combustion temperature of the effluent can be controlled to be lower than the NO x generation temperature,
It is possible to reduce the amount of NO x generated. It has the following advantages and its industrial value is extremely large.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は通常のガスタービン燃焼器の概念断面
図、第2図は従来の触媒燃焼方式のガスタービン
燃焼器の概念断面図である。第3図は従来の触媒
燃焼方式における触媒及び混合物の温度上昇の様
子を示す特性図、第4図は本発明による触媒燃焼
法における触媒及び混合物の温度上昇の様子を示
す特性図である。第5図は本発明の1実施例を表
す概念的模式図、第6図は本発明の実施例1で用
いた燃焼器の概念的模式図、第7図は実施例1の
結果を表す特性図、第8図は実施例2における比
較例で用いた燃焼器の概念的模式図、第9図は実
施例3で用いた燃焼器の概念的模式図である。 1,1′……燃料ノズル、2……スパークプラ
グ、3……燃焼用空気、4……冷却用空気、5…
…希釈用空気、6……タービンノズル、7……触
媒部、8……スワラー、9……燃焼管、10……
触媒、11,12……燃料、13……空気、14
……燃焼ガス、17……イグナイターステツク、
19……補燃料、21……燃料供給パイプ、22
……スチーム。
FIG. 1 is a conceptual sectional view of a conventional gas turbine combustor, and FIG. 2 is a conceptual sectional view of a conventional catalytic combustion type gas turbine combustor. FIG. 3 is a characteristic diagram showing how the temperature of the catalyst and mixture increases in the conventional catalytic combustion method, and FIG. 4 is a characteristic diagram showing how the temperature of the catalyst and mixture increases in the catalytic combustion method of the present invention. Fig. 5 is a conceptual schematic diagram representing one embodiment of the present invention, Fig. 6 is a conceptual schematic diagram of a combustor used in Example 1 of the present invention, and Fig. 7 is a characteristic diagram representing the results of Example 1. 8 is a conceptual diagram of a combustor used in a comparative example of Example 2, and FIG. 9 is a conceptual diagram of a combustor used in Example 3. 1, 1'...Fuel nozzle, 2...Spark plug, 3...Combustion air, 4...Cooling air, 5...
... Dilution air, 6... Turbine nozzle, 7... Catalyst section, 8... Swirler, 9... Combustion pipe, 10...
Catalyst, 11, 12...Fuel, 13...Air, 14
...Combustion gas, 17...Igniter stick,
19...Auxiliary fuel, 21...Fuel supply pipe, 22
……steam.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 燃料と空気を混合する第1の工程と、第1の
工程で得られた混合物を、触媒部に充填した触媒
に、該触媒の温度を該混合物の着火温度より低い
温度に保持したまま接触させて、該混合物を触媒
反応だけによつて燃焼させる第2の工程と、第2
の工程の後に該触媒より流出した流出物に、更に
主に燃料及びスチームよりなる補燃料を添加して
複合ガスとし、該複合ガスを気相反応によつて燃
焼させる第3の工程と、を具備したことを特徴と
する触媒燃焼法。 2 該触媒の温度が300〜900℃であることを特徴
とする特許請求の範囲第1項記載の触媒燃焼法。 3 第3の工程が行われる個所に、該混合ガスの
流れが遅滞もしくは逆流する部位が設けられてい
ることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の
触媒燃焼法。 4 第3の工程が行われる個所に、点火源が設け
られていることを特徴とする特許請求の範囲第1
項記載の触媒燃焼法。 5 酸化パラジウムを主成分とする触媒を用いる
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の触
媒燃焼法。 6 第3の工程で添加される補燃料が該触媒を通
過させたパイプを通して、該流出物に添加される
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の触
媒燃焼法。
[Claims] 1. A first step of mixing fuel and air, and a step in which the mixture obtained in the first step is placed in a catalyst filled in a catalyst section, and the temperature of the catalyst is lower than the ignition temperature of the mixture. a second step in which the mixture is brought into contact while being maintained at a temperature and the mixture is combusted only by a catalytic reaction;
A third step of further adding auxiliary fuel mainly consisting of fuel and steam to the effluent flowing out from the catalyst after the step of step 1 to form a composite gas, and combusting the composite gas by a gas phase reaction. A catalytic combustion method characterized by: 2. The catalytic combustion method according to claim 1, wherein the temperature of the catalyst is 300 to 900°C. 3. The catalytic combustion method according to claim 1, wherein a portion where the third step is performed is provided with a portion where the flow of the mixed gas is delayed or reversed. 4 Claim 1 characterized in that an ignition source is provided at the location where the third step is performed.
Catalytic combustion method described in section. 5. The catalytic combustion method according to claim 1, characterized in that a catalyst containing palladium oxide as a main component is used. 6. A catalytic combustion method according to claim 1, characterized in that the supplementary fuel added in the third step is added to the effluent through a pipe passing through the catalyst.
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