JPH03125807A

JPH03125807A - 触媒燃焼器

Info

Publication number: JPH03125807A
Application number: JP26181389A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Matsuo; 松尾　宣雄; Hiroshi Ichiyanagi; 宏一柳; Mitsuo Imamura; 今村　三夫; Masayuki Matsuda; 松田　正行
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1989-10-06
Filing date: 1989-10-06
Publication date: 1991-05-29

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、触媒燃焼装置に係り、特にガスタービン用燃
焼器等の高負荷燃焼に適用する触媒燃焼器に関する。

［従来の技術］従来の高負荷燃焼器、特にガスタービン用の燃焼器の構
造を第６図、第７図に示す。また、第８図にはガスター
ビンの全体構成を示す。

ガスタービンは空気圧縮機１、燃焼器２、ガスタービン
３および発電ｆｉ４で基本的に構成される。

燃焼用空気５は圧縮機１で昇圧され高温空気となり、燃
焼器２に送気される。燃焼器２には燃料供給管６より燃
料が送入されて燃焼し、高温、高圧燃焼ガス７としてガ
スタービン３に導入され、ガスタービン３を高速で回転
させることによりガスタービン３により回転駆動される
発電機４により電気を取り出している。第６図に示すよ
うに、従来のバーナ方式燃焼器２は二重円筒になってお
り、外筒８と内筒９つ間の空間を高温空気５が圧縮機１
（第８図参照）から送気される。さらに、二重円筒の端
部にバーナ２３が設置され、ここで燃料は高温空気５と
混合され、燃焼する。このとき、窒素酸化物低減のため
に内筒９の側面に二段目燃料供給口２４および多段空気
供給口２５が設けられる。近年ではさらに窒素酸化物低
減のため、バーナ２３にスチーム２６を送入することも
行われている（「火力原子力発電」Ｖｏ、＆３９．Ｎｏ
。

８、ｐ９１９〜９５０参照）。

このような、バーナ方式の燃焼器に対し、触媒燃焼を利
用した燃焼器が提案されている（特開昭６１−７９９１
６号、特開昭６０−１８６６２２号その他）。触媒燃焼
器の例を第７図に示す。本図に示したように触媒体１４
が二重円筒の内筒９の通路を横断する形で設置されてい
る以外、基本的にはバーナ方式の燃焼器と変わらないが
、触媒体１４を用いて燃焼することにより、窒素酸化物
を大幅に低減させることができる。一方、触媒の耐熱性
、寿命を考慮し、触媒燃焼と気相燃焼を組み合わせた提
案（特開昭６２−９８１２１号）もなされている。これ
ら触媒燃焼方式では起動時にはバーナ２３により触媒体
１４を昇温させ、その後、触媒燃焼を開始させるように
なっている。

また、起動時のみメタノール等、常温で触媒燃焼できる
燃料を供給し、触媒が昇温した後に燃料を切り替える方
式も提案されている（特開昭６１−２５６１１７号）。

［発明が解決しようとする課題］上記従来技術において、バーナ方式の燃焼器では窒素酸
化物（ＮＯｘ＞の発生量が多いので、その改善のために
、現在では二段燃焼方式が採用されている。しかし、そ
れでも窒素酸化物は７０〜８０ｐｐｍ程度以上生成する
。さらに、窒素酸化物の発生量を下げるために、水ある
いはスチームを噴射する方法もあるが、熱の損失のため
燃焼効率が低下し、たとえばガスタービンをコジェネレ
ーションに利用した場合における電力、スチーム発生お
よび熱併給を含めた総合的な熱効率で５〜１０％程度の
効率低下となっている。

一方、触媒燃焼方式では、窒素酸化物の発生量は格段に
低下でき、約１０〜２０ｐｐｍ以下程度まで下げること
ができるが、その触媒燃焼方式による触媒性能は現状で
はタービン燃焼負荷要求に応じ得ることはできない。

すなわち、触媒燃焼方式における好適な燃焼条件は、燃
料種により異なるが、メタン燃料で５ｍ／Ｓ以下程度、
好適には３〜４　ｍ　／　ｓ　、水素燃料で１５ｍ／ｓ
以下程度、好適には１０ｍ／ｓ程度が適切である。とこ
ろが、ガスタービンの燃焼器では、小型、コンパクト化
が必要でありバーナ燃焼方式では１５〜３０　ｍ　／　
ｓ程度が採用されている。バーナ燃焼方式では流速が速
いため、現状の寸法を保持したまま触媒燃焼方式を採用
すると、燃焼率の低下あるいは吹き消え現象を発生ずる
こととなる。また、触媒性能を維持する寸法を採用する
と現状の燃焼器径を４〜５倍程度大きくする必要がある
。流速と燃焼率の関係の一例を第９図に示す。また、ガ
スタービンの燃焼器では、効率向上のため高温での燃焼
が望まれており、１３００℃程度の高温まで耐えうる触
媒が期待されているが、現状では１３００℃以上に耐え
うる触媒は皆無に近い。また、燃焼用触媒では触媒上に
おける混合ガスの温度である数百度（通常４００〜５０
０℃）において高活性であることも必要とされている。

上記のように、燃焼用触媒としては低温で高活性であり
同時に高温でも高耐熱性であること、さらに高負荷での
燃焼が可能であることも併せて要求されており、これら
の要件を同時に満足することは至難の技といわざるを得
ない。

そこで、本発明はこれらの要求をすべて満たす触媒燃焼
器を得ることを目的としている。

［課題を解決するための手段］本発明の上記の目的は、次の構成により達成される。

すなわち、外筒内部に触媒燃焼筒、触媒燃焼筒内部に熱
しゃへい体からなる気相燃焼筒を互いに同軸的に配置し
た触媒燃焼器、または、触媒燃焼筒が断面多角形型の燃
焼用触媒体からなる上記触媒燃焼器、または、気相燃焼筒を触媒体から構成し、気相燃焼筒と触媒燃焼
筒とを密接して配設させた上記触媒燃焼器、または、気相燃焼筒および触媒燃焼筒の同一側端部側に燃料供給
口および空気供給口をそれぞれ設け、気相燃焼筒および
触媒燃焼筒の他方の側端部側に燃焼排ガス排出口を設け
た上記触媒燃焼器、または、燃１１を触媒燃焼空間とそ
れと並列的に配置された気相燃焼空間に区分して供給す
る二段燃焼方法、または、触媒燃焼空間で燃焼起動させて気相燃焼筒空間を予熱さ
せる上記二段燃焼方法、または、触媒燃焼器において、
触媒燃焼筒に触媒燃焼温度検出手段を設け、気相燃焼筒
に気相燃焼温度検出手段を設け、触媒燃焼温度を触媒の
耐熱温度以下に抑え、かつ、気相燃焼温度を負荷要求温
度に維持するように、該触媒燃焼温度検出手段と該気相
燃焼温度検出手段の出力信号により該触媒燃焼器への燃
料供給量を制御する制御弁を燃料供給管に設けた触媒燃
焼制御装置、である。

［作用］触媒燃焼器の一側端部から供給される燃料および空気が
触媒燃焼筒および気相燃焼筒内に供給され、まず触媒燃
焼筒で触媒燃焼が開始され、燃焼温度が規定値以上にな
ると気相燃焼筒内で気相燃焼が開始される。

触媒を筒状に配置することにより、燃焼器径をそれほど
大きくすることなく触媒燃焼面積が大きくとれるので、
触媒部の燃焼ガス通過流速を小さくすることができる。

したがって、燃焼率を高く維持することができ、吹き消
えることがない。

また、触媒燃焼筒内側の高温希薄気相燃焼域側に熱しゃ
へい層を設けることにより、触媒温度上昇を抑えること
ができる。

筒状域で触媒燃焼を行うので広範囲に高温領域を形成で
きるので、希薄気相燃焼を容易に、かつ、完全に行うこ
とができる。また、負荷側の高負荷要求に対しては気相
燃焼の比率を高めることで対応できる。

［実施例］本発明による高負荷、低ＮＯＸ燃焼器を実施例により詳
細に説明する。第１図および第２図に本発明による燃焼
器２の縦断面図、槽断面図をそれぞれ示す。燃焼器２は
一端部が開放状で、他端部が閉じた外筒８および外筒８
内に配置される両端部が開放状の内筒９を有する二重構
造体から成っている。また、内筒９の内側に燃焼用触媒
体１４およびその内側の熱しゃへい層１５がそれぞれ筒
状に設置されている。

燃焼用触媒体１４および熱しゃへい層１５は触媒保持部
材１６に支持される。触媒保持部材１６の一端部は外筒
８の閉塞端部側に位置する内筒９の空気流入口１０内部
に該空気流入口１０とは間隔をおいて空気流入口１１が
形成され、その反対側の端部は内筒９に支持されている
。

また、筒状の熱しゃへい層１５の内側は気相燃焼室１８
を形成している。外筒８の閉塞端部を貫通して設けられ
た燃料供給管６は触媒保持部材１６の形成する空気流入
口１１内側に制御弁２２を介して燃料供給口１３に接続
している。また、燃料供給管６は内筒９の空気流入口１
０内側と触媒保持部材１６の形成する空気流入口１１外
側の間に制御弁２１を介して燃料供給口１２に接続して
いる。

燃焼用触媒体１４内および気相燃焼室１８内には、それ
ぞれ温度検出端１９．２０を設け、該温度検出端１９．
２０の出力信号により図示していないが、燃料供給量制
御装置により、燃料供給用制御弁２１．２２の制御を行
う。また、燃焼器２の外筒８と内筒９の間の空間に圧縮
空気５が圧縮機１（第８図参照）より送気される。外筒
８の閉塞端部に達した圧縮空気５は空気流入口１０．１
１に流入し、燃料供給口１２．１３からの燃料と混合さ
れる。内筒９と触媒保持部材１６の形成する間の空気流
入口１０に供給される燃料と圧縮空気５との混合ガスは
燃焼用触媒体１４に導入され、触媒体内で触媒燃焼され
、熱しゃへい層１５を通過して気相燃焼室１８に送ガス
される。

一方、触媒保持部材１６の形成する空気流入口１１から
流入した混合ガスは気相燃焼室１８で気相燃焼される。

このとき図示してないが、気相燃焼用燃料と空気を予混
合して気相燃焼空間に送ってよい。

燃焼用触媒体１４内では、燃料と空気の比率を調整する
ことにより６００℃以上、好ましくは８００〜１０００
°Ｃで燃料が燃焼される。この際、気相燃焼室１８で安
定した気相燃焼を行うなめには６００℃以上が必要であ
り、また、触媒の耐久寿命を維持するためには触媒の耐
熱温度１０００〜１２００℃以下で燃料を燃焼させる必
要があり、８００〜１０００℃が現状の触媒性能では最
も好ましい燃焼温度である。

触媒燃焼ガスは熱しゃへい層１５を通過し、気相燃焼室
１８に入るが、この際、熱しゃへい層１５は高温燃焼ガ
スにより加熱昇温され赤熱状態となる。この筒状赤熱層
の作用により空気流入口１１より気相燃焼室１８に送入
された気相燃焼ガスは安定して、かつ完全に燃焼される
。この際の、ＮＯｘの実測値は６〜１５ｐｐｍであり、
１０〜２０ｐｐｍ以下が達成できた。また、燃焼用触媒
体１４における触媒燃焼時のＮＯｘは５ｐｐｍ以下、は
とんどｉｐｐｍ以下であった。

筒状の燃焼用触媒体１４、熱しゃへい層１５の代わりに
それぞれ平板状のものを燃焼器２の端部に燃焼ガス流を
横断する方向に設置した場合、気相燃焼の初期において
安定燃焼が難しく炎のフラツキが観察される。従って燃
焼用触媒体１４で筒状に気相燃焼室１８を完全にとりか
こむことが安定かつ完全に燃焼させるために必要である
。

気相燃焼が開始されると１０００℃以上、１３００°Ｃ
程度の燃焼が行われると、熱しゃへい層１５は気相燃焼
室１８の高温度を触媒に伝えない熱しゃへい体として作
用し、燃焼用触媒体１４は好ましい温度に維持される。

従って触媒の耐久性は飛躍的に延びる。本実施例の試験
結果では９５０℃以下では８０００時間以上の間、活性
の低下は認められなかった。

燃焼用触媒体１４の担体の材質はこれまでよく使用され
公知であるコープイライト系の材料で充分であり、筒状
に成形するためセラミックス多孔質が用いられる。一方
、熱しゃへい層１５はコープイライト系、ムライト系あ
るいはチタン酸アルミニウム系窒化硅等の高温耐熱衝撃
性のある材料が使用できる。

また、燃焼用触媒体１４の担体の形状は、セラミックフ
オーム多孔質、張り合わせセラミックハニカム、セラミ
ッククロス等を用いることができる。

この燃焼器２は以下のように運転される。

起動時には、図示していないが点火装置より点火した起
動用バーナにより燃焼用触媒体１４を昇温するかあるい
は低負荷状態で燃焼用触媒体１４の表面で気相燃焼を行
うことにより触媒を昇温させて、触媒燃焼を開始させ、
燃焼用触媒体１４の出口温度を検出端１９で測定し、そ
の温度を規定値以上に保持した状態で気相燃焼を開始さ
せる。

燃焼制御は、燃料供給管６に設けた制御弁２１．２２に
より燃料供給量を調節し、燃焼用触媒体１４の出口温度
、気相燃焼室１８の温度を設定値にすることにより行う
。この気相燃焼室１８の温度制御によりガスタービンの
広い負荷変化に対応できる。

第５図に負荷変化に応じて気相燃焼室１８における燃焼
量を調節した場合の気相燃焼室１８内の温度とＮＯｘの
発生量を示す。

本発明の他の実施例を第３図、第４図に示す。

第３図は、第１図で示す一実施例の円筒状の燃焼用触媒
体１４、気相燃焼室１８の代わりに多角形筒状のものを
用いたものであり、ハニカム状触媒を用いることができ
低圧損化できるメリットがある。多角形状の場合は、無
機系接着剤で張り合わせても良い。

第４図は、円筒状燃焼用触媒体１４を二層としてその内
側の層を無触媒として熱しゃへい効果をもたせたもので
あり触媒と熱しゃへい層の間の空間を省略できコンバク
）・どなるが触媒層全体が厚くなるというデメリットも
ある。

［発明の効果］本発明によれば、触媒燃焼域と気相燃焼域に熱しゃへい
層により分けられているので触媒の耐熱性を上げること
なく触媒燃焼を行うことができ、しかも触媒寿命を約８
０００時間以上という飛躍的な値に延長できる。また、
触媒燃焼域により予熱された気相燃焼域では希薄燃焼を
行うことができるので、触媒燃焼域と合わせても窒素酸
化物の生成量を１０〜２０ｐｐｍ以下に低減することが
できる。さらに、負荷側に高負荷要求があった場合に気
相燃焼域の燃焼エネルギーを上げることで高負荷要求に
も応じることができる。

また、触媒燃焼筒を用い、部側端部から燃料を供給する
ことで、燃焼器径を大きくすることなく触媒燃焼空間を
大きくすることができるため、活性の低い触媒でも利用
可能となり、触媒体上での燃料供給流速を小さくしたま
ま触媒燃焼率を高く維持できる。その上に筒状空間内部
で触媒燃焼させるため、触媒燃焼の吹き消えのおそれも
ない。

さらに、触媒燃焼筒に囲まれて気相燃焼域があるので広
範囲に高温気相燃焼域を確保することができ、希薄気相
燃焼が容易に達成される。

また、触媒燃焼筒を多角形状にすることで、ハニカム構
造体を張り合わせた圧力損失の小さい触媒燃焼筒とする
ことができ、さらに、触媒体からなる気相燃焼筒を触媒
燃焼筒と密接して配設すると装置を小型化することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の燃焼器の継断面図、第２図はその横
断面図、第３図、第４図は本発明の他の実施例、第５図
は気相燃焼室へ供給される燃料供給量と気相燃焼室内の
燃焼温度およびＮＯｘの発生量の関係図、第６図、第７
図は従来技術を示す図、第８図はガスタービンの構成を
示す図、第９図は従来の触媒燃焼の流速と燃焼率との関
係図である。第１図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）外筒内部に触媒燃焼筒、触媒燃焼筒内部に熱しや
へい体からなる気相燃焼筒を互いに同軸的に配置したこ
とを特徴とする触媒燃焼器。
（２）触媒燃焼筒は断面多角形型の燃焼用触媒体からな
ることを特徴とする請求項１記載の触媒燃焼器。
（３）気相燃焼筒を触媒体から構成し、気相燃焼筒と触
媒燃焼筒とを密接して配設させたことを特徴とする請求
項１または２記載の触媒燃焼器。
（４）気相燃焼筒および触媒燃焼筒の同一側端部側に燃
料供給口および空気供給口をそれぞれ設け気相燃焼筒お
よび触媒燃焼筒の他方の側端部側に燃焼排ガス排出口を
設けたことを特徴とする請求項１、２または３記載の触
媒燃焼器。
（５）燃料を触媒燃焼空間とそれと並列的に配置された
気相燃焼空間に区分して供給することを特徴とする二段
燃焼方法。
（６）触媒燃焼空間で燃焼起動させて気相燃焼空間を予
熱させることを特徴とする請求項５記載の二段燃焼方法
。
（７）請求項１記載の触媒燃焼器において、触媒燃焼筒
に触媒燃焼温度検出手段を設け、気相燃焼筒に気相燃焼
温度検出手段を設け、触媒燃焼温度を触媒の耐熱温度以
下に抑え、かつ、気相燃焼温度を負荷要求温度に維持す
るように、該触媒燃焼温度検出手段と該気相燃焼温度検
出手段の出力信号により該触媒燃焼器への燃料供給量を
制御する制御弁を燃料供給管に設けたことを特徴とする
触媒燃焼制御装置。