JPH0545295B2 - - Google Patents

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JPH0545295B2
JPH0545295B2 JP61224837A JP22483786A JPH0545295B2 JP H0545295 B2 JPH0545295 B2 JP H0545295B2 JP 61224837 A JP61224837 A JP 61224837A JP 22483786 A JP22483786 A JP 22483786A JP H0545295 B2 JPH0545295 B2 JP H0545295B2
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JP
Japan
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platinum
catalyst
combustion
palladium
gas
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JP61224837A
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Japanese (ja)
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JPS6380849A (en
Inventor
Makoto Horiuchi
Kazuo Tsucha
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Nippon Shokubai Co Ltd
Original Assignee
Nippon Shokubai Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPS6380849A publication Critical patent/JPS6380849A/en
Publication of JPH0545295B2 publication Critical patent/JPH0545295B2/ja
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【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明はメタン系燃料特にメタンを主成分と
し、エタン、プロパン、ブタン等の低級炭化水素
からなる天然ガスを触媒上で接触燃焼せしめ、窒
素酸化物(以下、NOxという)、一酸化炭素(以
下、COという)、未燃焼炭化水素(以下、UHC
という)等の有害成分を実質的に含有しないクリ
ーンな燃焼ガスを得、その熱量を各種の一次エネ
ルギー源として、特に発電用ガスタービンに用い
るための燃焼用触媒システムおよびそれを用いた
燃焼方法に関するものである。 <従来の技術> 燃料を燃焼範囲に入らない低い濃度で空気と混
合した希薄混合気体を触媒層へ導入し、触媒上で
接触燃焼せしめ高温の燃焼ガスをえるための触媒
燃焼システムは公知である。 さらに、かかる触媒燃焼システムを用いて、た
とえば600℃から1500℃の燃焼ガスをえる場合、
たとえば酸素源に空気を用いてもNOxがほとん
どないしは全く発生することがなく、またCO,
UHCも実質的に含有しないものとしてえられる
こともよく知られるところである。 このクリーンな高温燃焼ガスを利用し、熱また
は動力をえるシステムは各種提案され、一般産業
排ガスの処理および熱動力回収システムはすでに
実用化されるに至つている。 また近年になり、高まるNOx規制への対応か
ら、発電用ガスタービンなどの一次動力源用とし
てこの高温燃焼ガスを利用する研究がなされるよ
うになりつつある。 これらの接触燃焼システムには、アルミナ、ジ
ルコニア等の耐火性金属酸化物と、触媒活性成分
である白金、パラジウム、ロジウム等の貴金属あ
るいはコバルト、ニツケル等の卑金属の酸化物、
さらにはLaCoO3等の複合酸化物とをモノリス型
担体に担持せしめた触媒体等が提案されている。 <本発明が解決しようとする問題点> 上記の如き触媒系を用い、ガスタービン等の一
次動力源として利用するシステムにおいては、タ
ービンの特性上触媒の使用条件は、5〜30気圧の
もとで1000〜1300℃の高温に達せしめるのが通常
であり、ガスタービンの効率向上のため、さらに
高温、高圧になる傾向にある。 かかる条件下で、触媒を使用すると通常の触媒
は高温のために急速に劣化し更に最悪の場合は触
媒担体がメルトダウンし、飛散し、タービンのブ
レードなどを損傷してしまう可能性がある。 上記の如き触媒の劣化、損傷を避け、同等の目
的をえる燃焼方法として、触媒層において燃料の
一部を接触燃焼させ、2次気相燃焼が誘発される
温度にまでガス温度を上昇せしめ、次いで触媒層
後方で残存未燃燃料を2次気相燃焼させるか、ま
たは必要であれば2次燃料を導入して残存未燃燃
料と新たに添加した2次燃料を、2次的に気相燃
焼させて目的とする温度、あるいはそれ以上の温
度のクリーンな燃焼ガスをえる燃焼方法が見出さ
れた。 この場合、触媒層での燃焼は、ガス温度を2次
気相燃焼が誘発される温度にまで上昇させるのを
目的としており必ずしも触媒層で完全燃焼させる
必要なく、2次気相燃焼が誘発される温度以上に
ガス温度が到達すれば触媒の劣化、損傷を避ける
ためにも、また、2次気相燃焼を安定して維持さ
せるためにも、触媒層中でより高温にする必要は
なく、むしろ残存未燃燃料が多い方が好ましい。 燃料は目的とする温度がえられる全量を触媒層
へ導入し、一部を接触燃焼させて昇温し、ついで
残存未燃燃料を2次気相燃焼させてもよいが、燃
料の一部を残しておき、これを2次燃料として触
媒層後方から導入して残存未燃燃料と合わせて2
次気相燃焼させてもよい。この場合触媒層温度を
必要以上の高温とすることも避けられ、触媒の劣
化、損傷を避けることが出来、より好ましい。 ここで2次気相燃焼を誘発させるのに必要な温
度は、燃料の種類、残存燃料濃度(理論断熱燃焼
ガス温度)、線速等によつて決まるが、燃料の種
類により大幅に異なる。 すなわち、プロパン、軽油等の易燃性の燃料の
場合は通常の使用条件下では約700℃程度でも十
分であるが、難燃性のメタン、あるいはメタンを
主成分とする天然ガスを燃料とする場合は使用条
件によつて異なるものの750〜1000℃の高温が必
要である。また、ガスタービンとしての機能を有
するためには、圧力損失を小さくし、燃焼器を小
容量に保つて、燃焼負荷率を大きくすることが求
められており、触媒容量はできるだけ小さくする
必要があり、その結果触媒層入口の線速は5〜
40m/秒(500℃換算)、空間速度は80〜600万
(時間)と従来の触媒反応にはない、非常に過酷
な条件で使用されることになる。 かかる高圧の条件下で、可燃性ガス、特にメタ
ン等の難燃性ガスを触媒層において燃料を一部接
触燃焼せしめ、2次気相燃焼が誘発される温度に
までガス温度を上昇せしめ、次いで接触層後方で
残存未燃燃料を2次気相燃焼させるか、または必
要であれば2次燃料を導入して残存未燃燃料と新
たに添加して2次燃料を、2次的に気相燃焼させ
る2段燃焼方法により完全燃焼せしめようとする
場合、加圧による燃料流量の増大に伴い、触媒で
の燃焼効率が大きく低下し、いまだ実用的に完成
された触媒体を得るには至つていない。 <本発明の目的> そこで本発明の目的は、上記の如き高圧高線速
下のガスタービンの実使用条件下においても、よ
り小さい触媒容量で難燃性のメタン系燃料をより
低温で着火せしめ、燃焼ガス温度を750〜1000℃
の温度にまで上昇せしめ、かつ耐久性を有し、
CO,NOx,UHC等の有害成分を実質的に含有
しない燃焼用触媒システムを提供しもつてその有
効な利用方法を提供することにある。 <問題点を解決するための手段> かかる目的を達成するために、本発明者らは可
燃性ガスのなかで最も難燃性であるメタンを用
い、常圧から高圧にわたる各種の条件下の接触燃
焼に関して検討した。その結果、メタンの燃焼反
応はガス入口側、すなわち前段部の低温域触媒に
おいては、主に触媒表面上での不均一反応に依存
しており、一方ガス出口側すなわち後段部の高温
域においては、主として気相中での均一反応に依
存しているという知見を得た。つまり同一線速下
では加圧によるガス密度ならびにガス流量の増大
に伴い、前段部の触媒表面上での不均一反応は、
燃料ガスの物質移動による拡散律速から、触媒表
面上での反応律速に移行し、燃焼効率の大きな低
下を招くものであり、一方後段部の気相中での燃
焼反応は、燃焼効率の向上を招くものであること
を見い出した。 そして、上記のようなメタンの燃焼反応に適す
る触媒を鋭意検討した結果、本発明を完成するに
至つた。 すなわち、本発明の燃焼用触媒システムは複層
の触媒層に分けられメタン系燃料と分子状酸素含
有ガスからなる高圧、高線速の可燃性混合ガスの
流れに対して、ガス入口側にパラジウム、白金お
よびニツケル酸化物を活性成分とする前段触媒
層、次いでパラジウムおよび白金を活性成分とす
る中段触媒層、最後にガス出口側に白金を活性成
分とする、あるいは白金およびパラジウムを活性
成分とする後段触媒層を組合せた触媒システムか
らなり、該触媒システムに担持されたパラジウム
および白金の合計の全担持量が担体容積1あた
り10〜100gであることを特徴とし、前段触媒層
で比較的低温から着火せしめ、燃焼ガス温度を
750〜1000℃まで上昇させうるように各々最適に
設計して成るものであり、かつ1000℃を超える高
温にはならないようにして成るものである。 その結果メタンの燃焼反応に対する触媒活性が
大幅に向上して加圧下において燃焼性能の低下を
招く空間速度の増大(接触時間の短縮)、入口高
線速の影響に対しても2段燃焼方法により完全燃
焼せしめることが可能になり、触媒容量を小さく
して燃焼負荷率を向上出来、実際のガスタービン
燃焼器への実用化が可能となることを見い出した
のである。 さらに本発明における燃焼用触媒システムを具
体的に説明する。 パラジウムを活性主成分とする触媒は特にメタ
ンの低温着火性にすぐれ、かつ1000℃程度の高温
での耐熱性にもすぐれた触媒として知られる。 しかしながら、従来のパラジウムを活性成分と
する触媒を本発明目的に使用した場合、触媒層入
口付近においては500℃以下の温度で高濃度の酸
素にさらされるためパラジウムは酸化されメタン
の着火性能を失い、また一方、触媒層出口付近の
高温域においては、パラジウムの酸化状態が変化
することによると考えられる理由から触媒による
燃焼反応は抑制され燃焼ガス温度は実質750℃以
上の高温には上昇しないという欠点がある。これ
に対し、本発明によれば燃焼用触媒システムのガ
ス入口側すなわち前段触媒層は主としてパラジウ
ムを活性成分としたものであり、白金およびニツ
ケル酸化物がさらに活性成分として添加されてい
る。つまり少量の白金の存在により、パラジウム
の酸化物化によるメタン着火性能の低下が防止さ
れ、長時間に亙り低温着火性能を維持しつづける
ことができるとともに、ニツケル酸化物として存
在することによりパラジウムに安定して空気から
酸素が供給されるため燃焼ガス温度を高圧、高線
速下で600〜800℃まで昇温せしめ、続いて、存在
する中段触媒層、さらに存在する後段触媒層での
燃焼反応を容易に開始せしめ得るものである。 次に、中段触媒層も主としてパラジウムおよび
白金を活性成分としたものである。これは白金が
存在することにより、パラジウムの酸化物化によ
るメタン燃焼性能の低下が防止され、燃焼ガス温
度を高圧、高線速下で、650〜900℃まで昇温せし
めることができる。 また、この中段触媒層にニツケルが酸化物とし
て存在してもよく、この場合パラジウムに安定し
て空気から酸素を供給でき、続いて存在する後段
触媒層での燃焼反応を容易に開始せしめることが
きる。 一方、燃焼用触媒システムのガス出口側すなわ
ち後段触媒層は主として白金を活性成分としたも
のであり、白金によつて燃焼はさらに促進されて
燃焼ガスは800〜1000℃の温度範囲に到らしめる
ことが可能になる。触媒層中において高圧メタン
系燃料を完全燃焼せしめようとすると、触媒温度
は多くの場合1000℃以上の高温になり、白金が酸
化されてPtO2になり昇華飛散される。そのため
パラジウムを共存せしめ白金の昇華飛散を防止抑
制する必要があり、白金およびパラジウムを活性
成分とする触媒が用いられるが触媒層後方でも一
部燃料を気相燃焼せしめて完全燃焼に到る場合、
触媒温度は1000℃以下に抑制することができ、白
金の昇華飛散による活性成分へ及ぼす影響は小さ
くなるので白金およびパラジウムを活性成分とす
る触媒層ととに白金のみを活性成分とする触媒層
を用いることも可能である。 以上のように本発明になる触媒システムはそれ
ぞれの貴金属の特性を生かしてあるいは組合せて
3段構成からなることを特徴としており、メタン
系燃料を高圧、高線速下で300〜400℃の低温で着
火せしめ、750〜1000℃の燃焼ガス温度を得るた
めの燃焼活性を有し、かつ1000℃以上の耐熱性を
有しているのである。 しかしながら、パラジウムのみを活性成分とす
る触媒は、前述のように燃焼経過とともに着火性
能を失ない、又、燃焼ガス温度は、実質に750℃
以上の高温には上昇しないという欠点がある。 白金のみを活性成分とする触媒は燃料がメタン
や天然ガスのようなメタン系燃料の場合には高
圧、高線速燃料条件下でも燃焼活性は優れている
が300〜400℃では着火不能であり、実質的に500
℃以上の着火温度が必要となり好ましくない。 また、パラジウム−白金−ニツケル酸化物ある
いはパラジウム−白金系触媒では充分な着火性能
は有するが、燃焼ガス温度を高圧、高線速燃焼条
件下で2次気相燃焼が誘発される温度以上にする
ことはできない。 以上のように1段構成のものはそれぞれ欠点を
有しており、特に高圧燃焼条件においては、実用
触媒とはなりえず、好ましくない。 前段部の触媒(前段触媒層および中段触媒層)
の白金族元素の担持量は担体容積1あたり20〜
100g好ましくは30〜60gであり、白金に対するパ
ラジウムの担持比は1〜25、好ましくは2〜10で
ある。またニツケル酸化物の担持量はパラジウム
に安定して空気から酸素を供給せしめるためには
担体容積1あたり10〜150gが適当であり、好
ましくは50〜120gである。後段部の触媒の白金
族元素の担持量は担体容積1あたり10〜80g、
好ましくは20〜50gで白金とパラジウムが共存す
る場合には、白金に対するパラジウムの担持比は
0.1〜10、好ましくは0.2〜5である。 該触媒体は前段から後段にかけて複数段に分け
て別個に調製し、各触媒を直結してまたは空間を
設けて設置してもよいしあるいは一体物の触媒体
として完成触媒としてもよい。 複数段に分けて別個に調製した場合、白金族元
素の担持量が担体容量1あたり10gを下回る触
媒が存在しても、完成した触媒体として白金族元
素の全担持量が10g以上であれば、当然使用する
ことが可能である。 白金族元素の全担持量が10gを下回る場合は加
圧によるガス密度および流量の増大に伴い、燃焼
せしめようとするメタン分子数に対して活性物質
の量が不足することになる。そのためメタンの着
火温度が本発明の前段部の触媒の着火温度である
300〜400℃に比較して高くなり、予備燃焼のため
にパイロツトバーナーが必要となると共に、着火
せしめるためパイロツトバーナー部での予備燃焼
の比率が高くなりNOxの発生量が増大する。 さらにたとえ着火しても、その燃焼活性は低
く、燃料の吹き抜けが多くなり、燃焼ガス温度が
十分に上昇しないためあとに続く触媒後段部での
燃焼反応に至らしめることが困難となる。加え
て、後段部触媒も低活性のため、燃焼は不十分で
燃料の吹き抜けが非常に多く、2次気相燃焼が誘
発される温度にまでガス温度を上昇せしめること
も非常に困難となる。従つて、白金族元素の全担
持量が10g以下の触媒体が常圧下では高活性であ
つても、加圧下では十分な燃焼活性を有さない。 一方、白金族元素の全担持量が100gを越える
場合は、分散性が低下するものの活性物質の増加
による燃焼活性が向上し燃焼ガス温度を1000℃以
下に抑制することはできず、急激な活性低下をき
たすとともに触媒が非常に高価となるので好まし
くない。 ニツケル酸化物の担持量が担体容積1あたり
10gを下回る場合はパラジウムへの空気からの酸
素の供給が不十分なため前段部触媒の燃焼活性は
十分に発揮されず、150gを越える場合は分散性
が悪くなり、燃焼活性の低下を招くものである。 触媒の担体としては、圧力損失を少くする目的
から、モノリスタイプのものが好ましい。モノリ
ス担体は通常当該分野で使用されるものであれば
いずれも使用可能であり、とくにコージエライ
ト、ムライト、α−アルミナ、ジルコニア、チタ
ニア、リン酸チタン、アルミニウムチタネート、
ペタライト、スポジユメン、アルミノシリケー
ト、ケイ酸マグネシウム、ジルコニア−スピネ
ル、ジルコン−ムライト、炭化ケイ素、窒化ケイ
素などの耐熱性セラミツク質のものやカンタル、
フエクラロイ等の金属製のものが使用される。 モノリス担体のセルサイズは、燃焼効率が低下
しない限り大きいものが好ましく、各触媒層は同
一セルサイズでもよいし、また異なるセルサイズ
のものを組合せて用いてもよく、通常一平方イン
チあたり40〜400セルのものが用いられる。 全触媒層長は特に使用される入口線速によつて
異なるが、圧力損失を少くする必要から通常50〜
300mmが採用され、各層の長さも圧力、燃料濃度、
入口線速、入口温度等の使用条件によつて最適に
選択されるが、通常各層共10〜200mmが採用され
る。 白金族元素としては白金、パラジウムが特に優
れるが、その他ロジウム、イリジウム等を添加し
てもよい。 また、ニツケル、コバルト、鉄、クロム等の金
属酸化物やCoNiO2,LaCoO3等の複合酸化物も
白金族元素と併用することによつて活性物質とし
ての効果を発揮する。 これらの活性成分とアルミナを前記モノリス担
体に担持して触媒化する。またシリカ−アルミ
ナ、マグネシア、チタニア、ジルコニア、シリカ
−マグネシアなどの耐火性金属酸化物も用いるこ
とができる。 上記耐火性金属酸化物は、バリウム、ストロン
チウム等のアルカリ土類金属酸化物、ランタン、
ネオジム、セリウム、プラセオジムなどの希土類
金属酸化物あるいはシリカ酸化物を添加し安定化
して用いると好ましい。 特にアルミナの場合、ランタン、セリウム、サ
マリウム、ネオジム、プラセオジム、カルシウ
ム、ストロンチウム、バリウムおよびシリカより
なる群から選ばれた少なくとも1種の酸化物によ
つて安定化されたものを用いるとより好ましい。 触媒成分の担持方法としては、耐火性金属酸化
物をコーテイングし、そのあと活性成分を水溶性
の塩の形で含浸せしめても良い、あるいはあらか
じめ活性成分を耐火性金属酸化物に担持又は混合
して、その後モノリス担体に担持しても良い。 水溶性塩としては、硝酸塩、硫酸塩、リン酸
塩、ハロゲン化物、ジニトロジアミノ塩等があ
る。一例を挙げると、例えば硝酸パラジウム、塩
化パラジウム、ジニトロジアミノ白金、塩化白金
酸等があり、これらの水溶液を担体に含浸せしめ
て400〜1000℃、好ましくは600〜900℃の温度で
1〜24時間、好ましくは2〜6時間焼成すること
によりえられる。 活性成分である白金については0.01〜5ミクロ
ンの平均粒子径を有する白金ブラツクとして活性
耐火性金属酸化物と共に担持せしめることもでき
る。 またニツケル源としては硝酸ニツケル、塩化ニ
ツケル、酢酸ニツケルがあり、酸化ニツケルをそ
のまま用いてもよい。 これらの触媒成分は、使用条件に応じて入口側
から出口側にかけて最適に選定し組み合わせるこ
とによつて本発明は、さらに効果的なものとな
る。 本発明の燃焼用触媒システムに用いられる燃料
はメタン系燃料、特にメタンを主成分とし、エタ
ン、プロパン、ブタン等の低級炭化水素からなる
天然ガスである。また、活性汚泥処理などからの
醗酵メタンや石炭ガス化による低カロリーメタン
ガスなども本発明で用いられる燃料である。また
より易燃性のプロパン、軽油等も当然使用するこ
とができる。 本発明の燃焼用触媒システムは、前述したよう
に発電用ガスタービンシステムに最適に組み込ま
れるものであるが、それ以外にも発電用ボイラ、
熱回収用ボイラ、ガスエンジンからのガスの後処
理による熱回収、都市ガス暖房など熱・動力回収
を効率よく行うシステムに有利に組み込まれる。 <実施例> 以下に本発明を実施例により、さらに詳細に説
明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定さ
れるものではない。 実施例 1 200セル/平方インチの開孔部を有する直径
25.4mm、長さ50mmのコージエライトハニカム担体
に5重量%の酸化ランタンを含有するアルミナ粉
末と酸化ニツケル粉末との混合スラリーを被覆処
理し乾燥した後空気中700℃にて焼成して、担体
容積1あたり酸化ランタン含有アルミナとして
100g酸化ニツケルとして100gを被覆担持せしめ
た。 次いで、これを硝酸パラジウムおよび塩化白金
酸を含有する水溶液に浸漬し、150℃で乾燥し、
空気中900℃で5時間焼成し、担体容積1あた
りパラジウムとして50g、白金として10g担持せ
しめて完成触媒を得た。 実施例 2 38.8重量%の酸化ニツケルと2重量%酸化セリ
ウムおよび1重量%酸化ストロンチウムを含有す
るアルミナ粉末に硝酸パラジウムと塩化白金酸を
含有する水溶液に浸漬させて乾燥後空気中にて
600℃で3時間焼成しパラジウムとして24重量%、
白金として、3.9重量%を担持せしめた。 次いでこのパラジウムおよび白金担持アルミナ
粉末スラリーを200セル/平方インチの開孔部を
有する直径25.4mm、長さ50mmのムライトハニカム
担体に被覆処理し乾燥したのち、空気中で700℃
で5時間焼成することにより、担体容積1あた
りパラジウムとして50g、白金として8g、酸化ニ
ツケルとして80g担持せしめて完成触媒を得た。 実施例 3 実施例1と同様の担体に5重量%の酸化セリウ
ムを含有するアルミナ粉末と酸化ニツケル粉末と
の混合スラリーを被覆処理したのち、空気中で
600℃にて焼成することにより担体容積1あた
り酸化セリウム含有アルミナ粉末として120g、
酸化ニツケルとして80gを被覆担持せしめた。 次いで、これを硝酸パラジウムを含有する水溶
液に浸漬し、乾燥したのち空気中800℃で5時間
焼成し担体容積1あたりパラジウムとして20g
担持せしめて完成触媒を得た。 実施例 4 実施例1と同様の担体に7重量%の酸化ランタ
ン3重量%の酸化ネオジムを含有するアルミナ粉
末のスラリーを実施例1と同様にして担体容積1
あたり酸化ランタンおよび酸化ネオジム含有ア
ルミナとして120g/を被覆担持せしめた。 次いで実施例1と同様にして担体容積1あた
りパラジウムとして60g、白金として30g担持せ
しめて完成触媒を得た。 実施例 5 実施例1と同様の担体に8重量%の酸化ランタ
ンおよび2重量%の酸化ケイ素を含有するアルミ
ナ粉末のスラリーを実施例1と同様にして担体容
積1あたり、酸化ランタンおよび酸化ケイ素含
有アルミナとして150gを被覆担持せしめた。 次いで実施例1と同様にして担体容積1あた
りパラジウムとして40g、白金として20g担持せ
しめて完成触媒を得た。 実施例 6 実施例1と同様の担体に実施例5と同様の酸化
ランタンおよび酸化ケイ素含有アルミナ粉末を
180g/被覆担持せしめた。 次いでこれをジニトロジアミノ白金を含有する
硝酸水溶液に浸漬し、乾燥したのち空気中で1100
℃にて10時間焼成し、担体容積1あたり白金と
して20g担持せしめて完成触媒を得た。 実施例 7 100セル/平方インチの開孔部を有する直径
25.4mm、長さ50mmのアルミニウムチタネートハニ
カム担体に4重量%の酸化バリウムと2重量%の
酸化プラセオジムを含有するアルミナ粉末のスラ
リーと平均0.2ミクロンの粒径を有する白金ブラ
ツク粉末を充分混合して被覆処理し、乾燥した後
空気中で700℃にて5時間焼成して、担体容積1
あたり白金として30g担持せしめて完成触媒を
得た。 比較例 1 実施例1と同様にして担体容積1あたりパラ
ジウムとして5g、白金として1g担持せしめて完
成触媒を得た。 比較例 2 実施例3と同様にして担体容積1あたりパラ
ジウムとして2g、酸化ニツケルとして80g担持せ
しめて完成触媒を得た。 比較例 3 400セル/平方インチの開孔部を有する直径
25.4mm、長さ50mmのコージエライトハニカム担体
に5重量%の酸化ランタンを含有するアルミナ粉
末のスラリーを実施例1と同様にして被覆処理
し、担体容積1あたり酸化ランタン含有アルミ
ナとして100gを担持せしめた。 次いで、硝酸パラジウムを含有する水溶液に浸
漬し、実施例3と同様にして担体容積1あたり
パラジウムとして10g担持せしめて完成触媒を得
た。 比較例 4 実施例5と同様にして担体容積1あたり白金
として2g、パラジウムとして4g担持せしめて完
成触媒を得た。 比較例 5 実施例7と同様にして担体容積1あたり白金
として3g担持せしめて完成触媒を得た。 比較例 6 実施例7と同様にして担体容積1あたり白金
として100g担持せしめて完成触媒を得た。 実施例 9 十分に保温された円筒型燃焼器を用い、ガス入
口側に第1表の実験番号1に記載した触媒の組合
せにより充填し、触媒層上流から入口温度350℃
において、3容量%相当分のメタンを含有するメ
タン−空気混合ガスを15ataの加圧下で1時間あ
たり167Nm3(STP)導入し、残り1.1容量%相当
分のメタンを触媒層から30mm後方から導入し、燃
焼実験を行つた。なお、この性能評価のため1000
時間にわたり維持継続した。結果は第1表のとお
りであり、本発明による触媒体を用いれば触媒層
温度は活性低下をおこさない1000℃以下に維持さ
れているにもかかわらず約1300℃のクリーンな燃
焼ガスがえられたのに対し、ガス入口側に比較例
1次いで比較例2、ガス出口側に比較例5で得ら
れた触媒を用いた場合(実験番号5)触媒層出口
温度は490℃で2次気相燃焼が誘発される温度に
は上昇できず、触媒層後方100mmの点の温度は480
℃で燃焼効率も約15%であつた。 中段触媒層に実施例3で得られた触媒を用いた
実験番号8の結果、パラジウムおよび白金の全担
持量が担体容積1あたり10gを下回るので、燃
焼活性は劣つており、燃焼効率は41%であつた。 又、前段触媒に実施例4で得られた触媒を用い
た実験番号9の結果もニツケル酸化物が担持され
ていない触媒体であるため、触媒層出口温度は
720℃であり一部2気相燃焼は誘発されているが
100mm後方の点温度は980℃で燃焼効率も66%であ
つた。 さらに後段触媒に比較例6で得られた触媒を用
いた実験番号10の結果はパラジウムおよび白金の
全担持量が担体容積1あたり100を上回り、後
段触媒層温度が1030℃と1000℃を越えたため約50
時間経過後から活性が低下し、300時間で後段触
媒は失活した。 【表】
Detailed Description of the Invention <Industrial Field of Application> The present invention involves catalytically burning methane-based fuel, particularly natural gas containing methane as the main component and lower hydrocarbons such as ethane, propane, and butane, on a catalyst to produce nitrogen. Oxides (hereinafter referred to as NOx), carbon monoxide (hereinafter referred to as CO), unburned hydrocarbons (hereinafter referred to as UHC)
This invention relates to a combustion catalyst system for obtaining a clean combustion gas that does not substantially contain harmful components such as) and using its calorific value as various primary energy sources, especially for use in gas turbines for power generation, and a combustion method using the same. It is something. <Prior art> A catalytic combustion system is known in which a dilute gas mixture of fuel mixed with air at a low concentration that does not fall within the combustible range is introduced into a catalyst layer and catalytically combusted on the catalyst to obtain high-temperature combustion gas. . Furthermore, when using such a catalytic combustion system to obtain combustion gas at a temperature of, for example, 600°C to 1500°C,
For example, even if air is used as an oxygen source, little or no NOx is generated, and CO,
It is also well known that it can be obtained without substantially containing UHC. Various systems have been proposed that utilize this clean, high-temperature combustion gas to generate heat or power, and general industrial exhaust gas treatment and thermal power recovery systems have already been put into practical use. In addition, in recent years, in response to increasing NOx regulations, research has begun to be conducted on the use of this high-temperature combustion gas as a primary power source such as gas turbines for power generation. These catalytic combustion systems include refractory metal oxides such as alumina and zirconia, and oxides of noble metals such as platinum, palladium, and rhodium, or base metals such as cobalt and nickel, which are catalytically active components.
Furthermore, a catalyst body in which a composite oxide such as LaCoO 3 is supported on a monolithic carrier has been proposed. <Problems to be Solved by the Present Invention> In a system using the catalyst system as described above and used as a primary power source such as a gas turbine, the catalyst is used under conditions of 5 to 30 atmospheres due to the characteristics of the turbine. It is normal for gas turbines to reach high temperatures of 1000 to 1300 degrees Celsius, and to improve the efficiency of gas turbines, there is a trend towards even higher temperatures and pressures. When a catalyst is used under such conditions, a conventional catalyst deteriorates rapidly due to the high temperature, and in the worst case, the catalyst carrier may melt down and fly off, damaging turbine blades and the like. As a combustion method that avoids catalyst deterioration and damage as described above and achieves the same purpose, a part of the fuel is catalytically burned in the catalyst layer, and the gas temperature is raised to a temperature that induces secondary gas phase combustion. Next, the remaining unburned fuel is subjected to secondary gas phase combustion behind the catalyst layer, or if necessary, secondary fuel is introduced and the remaining unburned fuel and the newly added secondary fuel are burned in the gas phase. A combustion method has been discovered that produces clean combustion gas at or above the desired temperature. In this case, the purpose of combustion in the catalyst layer is to raise the gas temperature to a temperature that induces secondary gas-phase combustion, and it is not necessary to completely burn the gas in the catalyst layer, but to induce secondary gas-phase combustion. If the gas temperature reaches a temperature higher than that of the catalyst layer, there is no need to raise the temperature higher in the catalyst layer in order to avoid deterioration and damage to the catalyst and to maintain stable secondary gas phase combustion. Rather, it is preferable that there is a large amount of remaining unburned fuel. The entire amount of fuel that can reach the desired temperature may be introduced into the catalyst layer, a portion of which may be catalytically combusted to raise the temperature, and the remaining unburnt fuel may be subjected to secondary gas phase combustion. This is then introduced from the rear of the catalyst layer as a secondary fuel, and combined with the remaining unburned fuel, it is
Subsequent gas phase combustion may be performed. In this case, it is possible to avoid setting the temperature of the catalyst layer higher than necessary, and it is possible to avoid deterioration and damage to the catalyst, which is more preferable. The temperature required to induce secondary gas phase combustion here is determined by the type of fuel, residual fuel concentration (theoretical adiabatic combustion gas temperature), linear velocity, etc., and varies significantly depending on the type of fuel. In other words, in the case of easily flammable fuels such as propane and diesel oil, a temperature of about 700°C is sufficient under normal usage conditions, but when using flame-retardant methane or natural gas whose main component is methane, In some cases, high temperatures of 750 to 1000°C are required, although this varies depending on the conditions of use. In addition, in order to function as a gas turbine, it is necessary to reduce pressure loss, keep the combustor to a small capacity, and increase the combustion load factor, so the catalyst capacity must be as small as possible. As a result, the linear velocity at the inlet of the catalyst layer is 5~
It will be used under extremely harsh conditions that are not found in conventional catalytic reactions, with a space velocity of 40 m/s (500°C equivalent) and a space velocity of 8 to 6 million hours. Under such high-pressure conditions, a part of the fuel is catalytically combusted with flammable gas, especially a flame-retardant gas such as methane, in the catalyst layer, the gas temperature is raised to a temperature that induces secondary gas phase combustion, and then The remaining unburned fuel is burned in the gas phase behind the contact layer, or if necessary, the secondary fuel is introduced and added to the remaining unburned fuel, and the secondary fuel is burned in the gas phase. When attempting to achieve complete combustion using a two-stage combustion method, the combustion efficiency of the catalyst decreases significantly as the fuel flow rate increases due to pressurization, and it is still difficult to obtain a practically completed catalyst body. Not yet. <Objective of the present invention> Therefore, the object of the present invention is to ignite flame-retardant methane-based fuel at a lower temperature with a smaller catalyst capacity even under the above-mentioned actual operating conditions of a gas turbine under high pressure and high linear velocity. , combustion gas temperature 750~1000℃
It is durable and can be raised to temperatures of
The object of the present invention is to provide a combustion catalyst system that does not substantially contain harmful components such as CO, NOx, and UHC, and to provide an effective method for using the system. <Means for Solving the Problems> In order to achieve this objective, the present inventors used methane, which is the most flame-retardant among flammable gases, and conducted contact under various conditions ranging from normal pressure to high pressure. We discussed combustion. As a result, the combustion reaction of methane mainly depends on the heterogeneous reaction on the catalyst surface in the low-temperature region catalyst on the gas inlet side, that is, in the first stage, while on the gas outlet side, that is, in the high-temperature region in the second stage. , we obtained the knowledge that it mainly depends on a homogeneous reaction in the gas phase. In other words, under the same linear velocity, as the gas density and gas flow rate increase due to pressurization, the heterogeneous reaction on the catalyst surface in the front stage is
The rate of combustion changes from diffusion-limited by mass transfer of fuel gas to rate-limited by reaction on the catalyst surface, leading to a significant decrease in combustion efficiency.On the other hand, the combustion reaction in the gas phase in the latter stage improves combustion efficiency. I found that it was inviting. As a result of extensive research into catalysts suitable for the combustion reaction of methane as described above, the present invention was completed. That is, the combustion catalyst system of the present invention is divided into multiple catalyst layers, and palladium is placed on the gas inlet side for the flow of a flammable mixed gas at high pressure and high linear velocity consisting of methane fuel and molecular oxygen-containing gas. , a front catalyst layer containing platinum and nickel oxide as active ingredients, then a middle catalyst layer containing palladium and platinum as active ingredients, and finally a gas outlet side with platinum as active ingredients, or platinum and palladium as active ingredients. It consists of a catalyst system in which a rear stage catalyst layer is combined, and is characterized in that the total amount of palladium and platinum supported on the catalyst system is 10 to 100 g per carrier volume, Ignition and increase combustion gas temperature
Each of these is optimally designed so that the temperature can be raised to 750 to 1000°C, and the temperature does not exceed 1000°C. As a result, the catalytic activity for the methane combustion reaction has been significantly improved, and the two-stage combustion method has been used to counteract the effects of increased space velocity (reduced contact time) and high linear velocity at the inlet, which cause a decrease in combustion performance under pressure. They discovered that complete combustion can be achieved, the catalyst capacity can be reduced and the combustion load rate can be improved, and practical application to actual gas turbine combustors is possible. Furthermore, the combustion catalyst system according to the present invention will be specifically explained. Catalysts containing palladium as the main active component are known to have particularly excellent low-temperature ignition of methane, as well as excellent heat resistance at high temperatures of around 1000°C. However, when a conventional catalyst containing palladium as an active ingredient is used for the purpose of the present invention, the palladium is oxidized and loses its methane ignition performance because it is exposed to high concentrations of oxygen at temperatures below 500°C near the entrance of the catalyst layer. On the other hand, in the high temperature region near the outlet of the catalyst layer, the combustion reaction by the catalyst is suppressed, presumably due to changes in the oxidation state of palladium, and the combustion gas temperature does not actually rise above 750℃. There are drawbacks. On the other hand, according to the present invention, the gas inlet side of the combustion catalyst system, that is, the front stage catalyst layer, mainly contains palladium as an active ingredient, and platinum and nickel oxide are further added as active ingredients. In other words, the presence of a small amount of platinum prevents the deterioration of methane ignition performance due to the formation of palladium oxides, making it possible to maintain low-temperature ignition performance over a long period of time, and the presence of platinum as nickel oxide stabilizes palladium. Since oxygen is supplied from the air, the temperature of the combustion gas is raised to 600-800℃ under high pressure and high linear velocity, which then facilitates the combustion reaction in the middle catalyst layer and the rear catalyst layer. It can be started by Next, the middle catalyst layer also mainly contains palladium and platinum as active ingredients. The presence of platinum prevents the deterioration of methane combustion performance due to the formation of palladium into oxides, and the combustion gas temperature can be raised to 650 to 900°C under high pressure and high linear velocity. Additionally, nickel may exist as an oxide in this middle catalyst layer, in which case oxygen can be stably supplied to palladium from air, and the subsequent combustion reaction in the subsequent catalyst layer can be easily started. Wear. On the other hand, the gas outlet side of the combustion catalyst system, that is, the latter stage catalyst layer, mainly contains platinum as an active ingredient, and platinum further promotes combustion and brings the combustion gas to a temperature range of 800 to 1000°C. becomes possible. When attempting to completely burn high-pressure methane-based fuel in the catalyst layer, the catalyst temperature often reaches a high temperature of 1000°C or higher, and platinum is oxidized to become PtO 2 and is sublimated and scattered. Therefore, it is necessary to coexist with palladium to prevent sublimation and scattering of platinum, and a catalyst containing platinum and palladium as active components is used.
The catalyst temperature can be suppressed to 1000°C or less, and the effect of sublimation and scattering of platinum on the active components is reduced. It is also possible to use As described above, the catalyst system according to the present invention is characterized by a three-stage configuration that takes advantage of or combines the characteristics of each precious metal, and methane-based fuel is heated at a low temperature of 300 to 400°C under high pressure and high linear velocity. It has the combustion activity to ignite and obtain a combustion gas temperature of 750 to 1000°C, and has heat resistance of 1000°C or higher. However, as mentioned above, a catalyst containing only palladium as an active ingredient does not lose its ignition performance as the combustion progresses, and the combustion gas temperature is actually 750°C.
The drawback is that it cannot rise to higher temperatures. Catalysts containing only platinum as an active ingredient have excellent combustion activity even under high pressure and high linear velocity fuel conditions when the fuel is methane or methane-based fuel such as natural gas, but they cannot ignite at 300 to 400°C. , practically 500
This is not preferable since it requires an ignition temperature of ℃ or higher. In addition, palladium-platinum-nickel oxide or palladium-platinum catalysts have sufficient ignition performance, but the temperature of the combustion gas must be raised to a temperature higher than that at which secondary gas phase combustion is induced under high pressure and high linear velocity combustion conditions. It is not possible. As described above, each of the one-stage configurations has drawbacks and cannot be used as a practical catalyst, especially under high-pressure combustion conditions, and is therefore undesirable. Front stage catalyst (front stage catalyst layer and middle stage catalyst layer)
The amount of platinum group elements supported is 20 to 1 per carrier volume.
100 g, preferably 30 to 60 g, and the loading ratio of palladium to platinum is 1 to 25, preferably 2 to 10. The amount of nickel oxide supported is suitably 10 to 150 g per carrier volume, preferably 50 to 120 g, in order to stably supply oxygen from air to palladium. The amount of platinum group elements supported in the catalyst in the latter stage is 10 to 80 g per carrier volume.
Preferably, when platinum and palladium coexist in amounts of 20 to 50 g, the loading ratio of palladium to platinum is
It is 0.1-10, preferably 0.2-5. The catalyst body may be prepared separately from a plurality of stages from the first stage to the second stage, and each catalyst may be directly connected or installed with a space provided, or it may be a complete catalyst as an integrated catalyst body. When prepared separately in multiple stages, even if there is a catalyst in which the amount of platinum group elements supported is less than 10 g per carrier volume, as long as the total amount of platinum group elements supported as a completed catalyst is 10 g or more. , of course, can be used. If the total amount of platinum group elements supported is less than 10 g, the amount of active substance will be insufficient relative to the number of methane molecules to be combusted as the gas density and flow rate increase due to pressurization. Therefore, the ignition temperature of methane is the ignition temperature of the catalyst in the front stage of the present invention.
The temperature is higher than that of 300 to 400°C, and a pilot burner is required for pre-combustion, and the ratio of pre-combustion in the pilot burner section for ignition increases, increasing the amount of NOx generated. Furthermore, even if it ignites, its combustion activity is low, fuel blow-through occurs frequently, and the temperature of the combustion gas does not rise sufficiently, making it difficult to cause a combustion reaction in the subsequent stage of the catalyst. In addition, since the downstream catalyst also has low activity, combustion is insufficient and fuel blow-by occurs very frequently, making it extremely difficult to raise the gas temperature to a temperature that induces secondary gas phase combustion. Therefore, even if a catalyst having a total supported amount of platinum group elements of 10 g or less has high activity under normal pressure, it does not have sufficient combustion activity under pressure. On the other hand, if the total amount of platinum group elements supported exceeds 100g, although the dispersibility decreases, the combustion activity increases due to the increase in active substances, and the combustion gas temperature cannot be suppressed to below 1000℃, resulting in rapid activation. This is not preferable because it causes a decrease in the catalyst and the catalyst becomes very expensive. The amount of nickel oxide supported per 1 carrier volume
If it is less than 10g, the combustion activity of the front stage catalyst will not be fully demonstrated due to insufficient supply of oxygen from the air to palladium, and if it exceeds 150g, dispersibility will be poor, leading to a decrease in combustion activity. It is. As the catalyst carrier, a monolith type carrier is preferable for the purpose of reducing pressure loss. Any monolith support commonly used in the field can be used, especially cordierite, mullite, α-alumina, zirconia, titania, titanium phosphate, aluminum titanate,
Heat-resistant ceramics such as petalite, spodium, aluminosilicate, magnesium silicate, zirconia-spinel, zircon-mullite, silicon carbide, silicon nitride, and kanthal,
A metal material such as Feclaroy is used. The cell size of the monolithic carrier is preferably large as long as combustion efficiency is not reduced, and each catalyst layer may have the same cell size or may be a combination of different cell sizes. A 400 cell type is used. The total catalyst layer length varies depending on the inlet linear velocity used, but is usually 50 to 50 mm due to the need to reduce pressure loss.
300mm is adopted, and the length of each layer also depends on pressure, fuel concentration,
It is optimally selected depending on usage conditions such as inlet linear speed and inlet temperature, but usually 10 to 200 mm is used for each layer. Platinum and palladium are particularly preferred as platinum group elements, but other elements such as rhodium and iridium may also be added. Furthermore, metal oxides such as nickel, cobalt, iron, and chromium, and composite oxides such as CoNiO 2 and LaCoO 3 also exhibit effects as active substances when used in combination with platinum group elements. These active ingredients and alumina are supported on the monolithic carrier and catalyzed. Refractory metal oxides such as silica-alumina, magnesia, titania, zirconia, and silica-magnesia can also be used. The above refractory metal oxides include alkaline earth metal oxides such as barium and strontium, lanthanum,
It is preferable to add a rare earth metal oxide such as neodymium, cerium, or praseodymium or silica oxide to stabilize the material. In particular, in the case of alumina, it is more preferable to use alumina stabilized with at least one oxide selected from the group consisting of lanthanum, cerium, samarium, neodymium, praseodymium, calcium, strontium, barium and silica. As a method of supporting the catalyst component, the catalyst may be coated with a refractory metal oxide and then impregnated with the active component in the form of a water-soluble salt, or the active component may be supported or mixed with the refractory metal oxide in advance. Then, it may be supported on a monolithic carrier. Examples of water-soluble salts include nitrates, sulfates, phosphates, halides, and dinitrodiamino salts. Examples include palladium nitrate, palladium chloride, dinitrodiaminoplatinum, chloroplatinic acid, etc. A carrier is impregnated with an aqueous solution of these and heated at a temperature of 400 to 1000°C, preferably 600 to 900°C, for 1 to 24 hours. , preferably by baking for 2 to 6 hours. The active ingredient, platinum, can also be supported together with the active refractory metal oxide in the form of platinum black having an average particle size of 0.01 to 5 microns. Nickel sources include nickel nitrate, nickel chloride, and nickel acetate, and nickel oxide may be used as is. The present invention becomes even more effective by optimally selecting and combining these catalyst components from the inlet side to the outlet side depending on the usage conditions. The fuel used in the combustion catalyst system of the present invention is methane-based fuel, particularly natural gas containing methane as a main component and lower hydrocarbons such as ethane, propane, and butane. Furthermore, fermented methane from activated sludge treatment and low-calorie methane gas from coal gasification are also fuels that can be used in the present invention. Naturally, more flammable propane, light oil, etc. can also be used. The combustion catalyst system of the present invention is optimally incorporated into a power generation gas turbine system as described above, but can also be incorporated into a power generation boiler,
It can be advantageously incorporated into systems that efficiently recover heat and power, such as heat recovery boilers, heat recovery through after-treatment of gas from gas engines, and city gas heating. <Examples> The present invention will be explained in more detail below with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples. Example 1 Diameter with 200 cells/in2 aperture
A cordierite honeycomb carrier measuring 25.4 mm and 50 mm in length was coated with a mixed slurry of alumina powder and nickel oxide powder containing 5% by weight of lanthanum oxide, dried, and fired at 700°C in air to form a carrier. As alumina containing lanthanum oxide per volume
100g of nickel oxide was coated and supported. Next, this was immersed in an aqueous solution containing palladium nitrate and chloroplatinic acid, dried at 150°C,
The catalyst was calcined in air at 900° C. for 5 hours, and 50 g of palladium and 10 g of platinum were supported per carrier volume to obtain a completed catalyst. Example 2 Alumina powder containing 38.8% by weight of nickel oxide, 2% by weight of cerium oxide, and 1% by weight of strontium oxide was immersed in an aqueous solution containing palladium nitrate and chloroplatinic acid, dried, and then left in air.
24% by weight of palladium after firing at 600℃ for 3 hours.
3.9% by weight of platinum was supported. Next, this palladium and platinum-supported alumina powder slurry was coated on a mullite honeycomb carrier with a diameter of 25.4 mm and a length of 50 mm having pores of 200 cells/square inch, dried, and heated at 700°C in air.
By calcining for 5 hours, a completed catalyst was obtained in which 50 g of palladium, 8 g of platinum, and 80 g of nickel oxide were supported per carrier volume. Example 3 The same carrier as in Example 1 was coated with a mixed slurry of alumina powder and nickel oxide powder containing 5% by weight of cerium oxide, and then coated in air.
By firing at 600℃, 120g of cerium oxide-containing alumina powder per carrier volume,
80g of nickel oxide was coated and supported. Next, this was immersed in an aqueous solution containing palladium nitrate, dried, and then calcined in air at 800°C for 5 hours to give 20g of palladium per carrier volume.
A completed catalyst was obtained by supporting the catalyst. Example 4 A slurry of alumina powder containing 7% by weight of lanthanum oxide and 3% by weight of neodymium oxide was added to the same carrier as in Example 1, and the carrier volume was 1.
120 g of lanthanum oxide and neodymium oxide-containing alumina were coated and supported on each. Next, in the same manner as in Example 1, 60 g of palladium and 30 g of platinum were supported per carrier volume to obtain a completed catalyst. Example 5 A slurry of alumina powder containing 8% by weight of lanthanum oxide and 2% by weight of silicon oxide was added to the same carrier as in Example 1 in the same manner as in Example 1 to obtain a slurry containing lanthanum oxide and silicon oxide per carrier volume. 150g of alumina was coated and supported. Next, in the same manner as in Example 1, 40 g of palladium and 20 g of platinum were supported per volume of the carrier to obtain a completed catalyst. Example 6 The same lanthanum oxide and silicon oxide-containing alumina powder as in Example 5 was added to the same carrier as in Example 1.
180g/coating was carried. Next, this was immersed in a nitric acid aqueous solution containing dinitrodiaminoplatinum, dried, and then heated in air at 1100 °C.
The catalyst was calcined at ℃ for 10 hours, and 20 g of platinum was supported per volume of the carrier to obtain a completed catalyst. Example 7 Diameter with 100 cells/in2 aperture
A 25.4 mm x 50 mm long aluminum titanate honeycomb carrier was coated with a slurry of alumina powder containing 4% by weight barium oxide and 2% by weight praseodymium oxide and platinum black powder having an average particle size of 0.2 microns. After treatment and drying, it was calcined in air at 700°C for 5 hours to reduce the carrier volume to 1
A completed catalyst was obtained by supporting 30g of platinum. Comparative Example 1 In the same manner as in Example 1, 5 g of palladium and 1 g of platinum were supported per volume of the carrier to obtain a completed catalyst. Comparative Example 2 In the same manner as in Example 3, 2 g of palladium and 80 g of nickel oxide were supported per volume of the carrier to obtain a completed catalyst. Comparative Example 3 Diameter with 400 cells/in2 aperture
A cordierite honeycomb carrier of 25.4 mm and length of 50 mm was coated with a slurry of alumina powder containing 5% by weight of lanthanum oxide in the same manner as in Example 1, and 100 g of lanthanum oxide-containing alumina was supported per carrier volume. I forced it. Next, the catalyst was immersed in an aqueous solution containing palladium nitrate, and 10 g of palladium was supported per volume of the carrier in the same manner as in Example 3 to obtain a completed catalyst. Comparative Example 4 In the same manner as in Example 5, 2 g of platinum and 4 g of palladium were supported per volume of the carrier to obtain a completed catalyst. Comparative Example 5 In the same manner as in Example 7, 3 g of platinum was supported per volume of the carrier to obtain a finished catalyst. Comparative Example 6 In the same manner as in Example 7, 100 g of platinum was supported per volume of the carrier to obtain a finished catalyst. Example 9 Using a sufficiently warmed cylindrical combustor, the gas inlet side was filled with the combination of catalysts listed in Experiment No. 1 in Table 1, and the inlet temperature was 350°C from the upstream of the catalyst layer.
, a methane-air mixed gas containing methane equivalent to 3% by volume was introduced at 167Nm 3 (STP) per hour under a pressure of 15ata, and the remaining methane equivalent to 1.1% by volume was introduced from 30mm behind the catalyst layer. and conducted combustion experiments. In addition, for this performance evaluation, 1000
It continued to be maintained over time. The results are shown in Table 1, and when using the catalyst according to the present invention, clean combustion gas of about 1300°C can be obtained even though the catalyst bed temperature is maintained at 1000°C or less, which does not cause a decrease in activity. On the other hand, when the catalyst obtained in Comparative Example 1 and then Comparative Example 2 was used on the gas inlet side, and the catalyst obtained in Comparative Example 5 was used on the gas outlet side (experiment number 5), the catalyst layer outlet temperature was 490°C and the secondary gas phase The temperature cannot rise to the point where combustion is induced, and the temperature at a point 100mm behind the catalyst layer is 480.
The combustion efficiency was also approximately 15% at ℃. As a result of experiment number 8 using the catalyst obtained in Example 3 in the middle catalyst layer, the total supported amount of palladium and platinum was less than 10 g per carrier volume, so the combustion activity was poor and the combustion efficiency was 41%. It was hot. In addition, the results of experiment number 9, in which the catalyst obtained in Example 4 was used as the pre-catalyst, also resulted in a catalyst that did not support nickel oxide, so the temperature at the outlet of the catalyst layer was
The temperature is 720℃, and some two-gas phase combustion is induced.
The point temperature 100mm behind was 980℃ and the combustion efficiency was 66%. Furthermore, the results of experiment number 10 using the catalyst obtained in Comparative Example 6 as the rear stage catalyst showed that the total supported amount of palladium and platinum exceeded 100 per carrier volume, and the rear stage catalyst layer temperature exceeded 1030°C and 1000°C. about 50
The activity decreased after a certain period of time, and the latter stage catalyst was deactivated after 300 hours. 【table】

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 メタン系燃料と分子状酸素含有ガスからなる
5〜30気圧の高圧、500℃換算で5〜40m/秒の
高線速の可燃性混合ガスの流れに対して、ガス入
口側にパラジウム、白金およびニツケル酸化物を
活性成分とする前段触媒層、次いでパラジウムお
よび白金を活性成分とする中段触媒層、最後にガ
ス出口側に白金を活性成分とする、あるいは白金
およびパラジウムを活性成分とする後段触媒層を
組合せた触媒システムからなり、該触媒システム
に担持されたパラジウムおよび白金の合計の全担
持量が担体容積1あたり10〜100gであること
を特徴とする高圧メタン系燃料用触媒システム。 2 該前段触媒層および該中段触媒層のパラジウ
ムの担持量は白金の担持量に対して1〜25なる担
持比であることを特徴とする特許請求の範囲1記
載の触媒システム。 3 該後段触媒層において白金およびパラジウム
を活性成分とする場合、パラジウムの担持量は白
金の担持量に対して0.1〜10なる担持比であるこ
とを特徴とする特許請求の範囲1記載の触媒シス
テム。 4 各活性成分がアルミナによつて被覆されたモ
ノリス担体に分散担持されてなる特許請求の範囲
1記載の触媒システム。 5 該アルミナ被覆層がランタン、セリウム、サ
マリウム、ネオジム、プラセオジム、カルシウ
ム、ストロンチウム、バリウムおよびシリカより
なる群から選ばれた少なくとも1種の酸化物によ
つて安定化されてなる特許請求の範囲1記載の触
媒システム。 6 該触媒システムがガスタービンの燃料燃焼用
触媒システムである特許請求の範囲1記載の触媒
システム。 7 メタン系燃料と分子状酸素含有ガスからなる
5〜30気圧の高圧、500℃換算で5〜40m/秒の
高線速の可燃性混合ガスの流れに対してガス入口
側にパラジウム、白金およびニツケル酸化物を活
性成分とする前段触媒層、次いでパラジウムおよ
び白金を活性成分とする中段触媒層、最後にガス
出口側に白金を活性成分とする、あるいは白金お
よびパラジウムを活性成分とする後段触媒層を組
合せた触媒システムからなり、該触媒システムに
担持された白金およびパラジウムの合計の全担持
量が担体容積1あたり10〜100gである高圧メ
タン系燃料の燃焼用触媒システムを用い、該触媒
システムにおいて、メタン系燃料の一部のみを接
触燃焼せしめて2次気相燃焼が誘発される温度に
まで燃焼ガスを昇温させることを特徴とする燃焼
方法。 8 特許請求の範囲7記載の燃焼方法において、
燃焼ガス温度を前段触媒層において、600℃〜800
℃、中段触媒層において、650℃〜900℃、後段触
媒層において800℃〜1000℃まで昇温させること
を特徴とする燃焼方法。 9 2次気相燃焼が誘発される温度に昇温された
ガスにさらに2次燃料ガスを供給して、2次気相
燃焼せしめることを特徴とする特許請求の範囲7
記載の燃焼方法。
[Claims] 1. For a flow of a combustible mixed gas consisting of methane fuel and molecular oxygen-containing gas at a high pressure of 5 to 30 atmospheres and a high linear velocity of 5 to 40 m/sec at 500°C, the gas A first catalyst layer containing palladium, platinum, and nickel oxide as active components on the inlet side, then a middle catalyst layer containing palladium and platinum as active components, and finally a catalyst layer containing platinum as active components or platinum and palladium on the gas outlet side. A high-pressure methane-based fuel comprising a catalyst system in combination with a latter-stage catalyst layer as an active ingredient, and characterized in that the total amount of palladium and platinum supported on the catalyst system is 10 to 100 g per carrier volume. catalyst system. 2. The catalyst system according to claim 1, wherein the amount of palladium supported in the first catalyst layer and the middle catalyst layer is at a ratio of 1 to 25 to the amount of platinum supported. 3. The catalyst system according to claim 1, wherein when platinum and palladium are used as active components in the latter catalyst layer, the amount of palladium supported is at a ratio of 0.1 to 10 relative to the amount of platinum supported. . 4. The catalyst system according to claim 1, wherein each active component is dispersedly supported on a monolithic carrier coated with alumina. 5. Claim 1, wherein the alumina coating layer is stabilized with at least one oxide selected from the group consisting of lanthanum, cerium, samarium, neodymium, praseodymium, calcium, strontium, barium, and silica. catalyst system. 6. The catalyst system according to claim 1, wherein the catalyst system is a catalyst system for fuel combustion in a gas turbine. 7 Palladium, platinum, and A first catalyst layer containing nickel oxide as an active component, then a middle catalyst layer containing palladium and platinum as active components, and finally a second catalyst layer on the gas outlet side containing platinum as an active component or platinum and palladium as active components. A catalyst system for combustion of high-pressure methane fuel is used, in which the total amount of platinum and palladium supported on the catalyst system is 10 to 100 g per carrier volume. , a combustion method characterized by catalytically burning only a portion of the methane-based fuel to raise the temperature of the combustion gas to a temperature at which secondary gas phase combustion is induced. 8. In the combustion method according to claim 7,
The combustion gas temperature in the front catalyst layer is 600℃ to 800℃.
A combustion method characterized by raising the temperature to 650°C to 900°C in the middle catalyst layer and 800°C to 1000°C in the latter catalyst layer. 9. Claim 7, characterized in that secondary fuel gas is further supplied to the gas heated to a temperature that induces secondary gas phase combustion to cause secondary gas phase combustion.
Burning method described.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5250489A (en) * 1990-11-26 1993-10-05 Catalytica, Inc. Catalyst structure having integral heat exchange
US5326253A (en) * 1990-11-26 1994-07-05 Catalytica, Inc. Partial combustion process and a catalyst structure for use in the process
US5259754A (en) * 1990-11-26 1993-11-09 Catalytica, Inc. Partial combustion catalyst of palladium on a zirconia support and a process for using it
US5248251A (en) * 1990-11-26 1993-09-28 Catalytica, Inc. Graded palladium-containing partial combustion catalyst and a process for using it
US5281128A (en) * 1990-11-26 1994-01-25 Catalytica, Inc. Multistage process for combusting fuel mixtures
US5258349A (en) * 1990-11-26 1993-11-02 Catalytica, Inc. Graded palladium-containing partial combustion catalyst
US5411927A (en) * 1992-08-14 1995-05-02 Council Of Scientific & Industrial Research Process of preparing composite catalysts for production of synthesis gas by oxidative conversion of methane or natural gas
CN105797766B (en) * 2016-04-21 2019-08-30 中广核研究院有限公司 Integral catalyzer and preparation method thereof for methane catalytic combustion

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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