JPS5892729A - ガスタ−ビン燃焼器 - Google Patents

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】 発明の技術分野 本発明は、ガスタービン発電システムに使用するガスタ
ービン燃焼器に関し、更に詳しくは、燃焼時に生ずる窒
素酸化物（以下ｓ　Ｎｏｗと称す）の発生量が少なく、
且つ、燃焼効率が良好で、触媒が長寿命化された触媒燃
焼方式ガスタービン燃焼器に関する。

発明の技術的背景とその問題点 近年、−石油資源等の枯渇化に伴ない、種々の代替エネ
ルギーが希求されておシ、一方では、エネルギー資源の
効率的使用が要求されている。これらの要求に答えるも
のの中には、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
ム或い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等が挙げられ、検討されつつあ
る。

これらのガスタービン・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、発電効率が高
いために、将来、その生産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。

ガスタービン発電システムにおいて使用されているガス
タービン燃焼器は、従来より、燃料と空気の混合物を、
スパークプラグ等を用いて着火して均一系の燃焼を行な
っている。このような燃焼ＳＯ−例を第１図に示す。第
１図の燃焼器は、燃料ノズル１から噴射された燃料が、
燃焼用空気３と混合され、スパークプラグ２により着火
されて燃焼するものである。そして、燃焼した気体は、
冷却空気４及び希釈空気５を加えられて、所定のタービ
ン人口温ｆまで冷却・希釈された後、タービンノズル６
からガスタービン内に噴射される。

このような従来の燃焼器における重大な問題点の一つは
、燃料の燃焼時において＊　ＮＯｘガスの生成量が多い
ことである。

上記したＮＯｘが生成する理由は、燃料の燃焼時−にお
いて、高温部が存在することによるものである。ＮＯＸ
　線？通常、燃料中に窒−成分が存在して下に示す式に
よシ反応して生成する。

Ｎ會　　＋　　０１　　：　　　２ＮＯ上記反応は、高
温になる程、右側に移行して一散化窒素（Ｎｏ　）の生
成量１加ｊる。Ｎｏの一部は更に酸化されて二酸化窒素
（ＮＯ＊）を生成する。

第２図は、従来のガスタービン燃焼器における流体の流
れ方向の温度分布を示すものである。図に示した如く、
燃焼器内の温度分布は極大値を持っておシ、最高温度に
違し友後は、冷却及び希釈空気によシ所定のタービン入
口温度まで冷却されている。燃焼器内の最高温度は、２
０００℃にも達する場合があるために、この近辺におい
てはＮＯｘの生成量が急激に増加する。このように、従
来のガスタービン燃鈍器には、部分的に高温部が存在す
るためにｓ　ＮＯｘ量の生成量が多いという問題点があ
シ、従って、排煙脱硝装置等を設けねばならず、装置が
複雑になる等の問題点をも有している。

このようなガスタービン燃焼器の問題点を解決するため
に、１！１々の燃焼方式が検討されている。

生成するＮＯｘ量を低減することができれば、排煙脱硝
装置を省略或いは簡略化することができるが、かかる低
ＮＯｘ化を目的とした燃焼方式として、次のものが挙げ
られる。（１）水蒸気或いは水噴射を行なう方式、（２
）燃焼空気を二段に分けて導入し、燃料を燃焼させる二
段燃焼方式、（３）排ガス再循環１疵。しかしながら、
これらの方式は、必ずしも満足のいくものではなく、ｔ
ｌ＋の方式は、水蒸気或いは水を噴射するために熱効率
が悪＜　、　［２１の方式は、二段階で空気を導入する
ために、それぞれ導入する９気量の調節を充分注意しな
ければならず、又、燃焼器内の最高温度が未だ充分低く
はないために、ＮＯｘ量の低減効果も充分でなく、更に
、（３）の方式は、大気圧下での燃焼には適用可能であ
るが、ガスタービン燃焼器の様に、高圧中で燃焼させる
場合には不適である等の問題点がある。

一方において、上記し次気相のみにおける均一系反応に
よる方式に対して、最近、固相である触媒を用いた不均
一系燃焼方式（以下、触媒燃焼方式と称す）が提案され
ている。触媒燃焼方式は、触媒を用いて燃料と空気の混
合物を燃焼せしめるものであり、この方式によれば、比
較的低温で燃焼を開始させることができ、冷却用空気を
必要とせず、燃焼用空気が増加するために、最高温度が
低くなシ、従って、発生するＮ０ｗ蓋を極めて少なくす
ることが可能である。又、タービン入口温度も従来のも
のと変わりなく、燃料を完全燃焼させることができる。

第３図は、このような触媒燃焼方式の燃焼器の概念図で
あシ、触媒充填部７にはハニカム構造の触媒体が充填さ
れたものである。

ｔ７４、第１図と同じ装置、物質である場合には、同じ
符号を付しである。第４図は、上記したガスタービン燃
焼器の中で、ａ；従来の燃焼方式、ｂ；二段燃焼方式、
Ｃ；触媒燃焼方式における。それぞれの燃焼器内の温度
分布を示すものである。触媒燃焼方式では、他の方式と
比較して最高温度が低く、低温から徐々に不均一系の燃
焼反応が起こシ、途中から均一系の燃焼反応を伴って燃
焼が進行していることがわかる。かかる触媒燃焼方式の
燃焼器に使用されている触媒は、貴金属系の触媒であり
、それがハニカム構造に成形されて一段充填されている
。しかしながら、この様な燃焼器においては、流体の流
れ方向における温度がある程匿以上に上昇すると、白金
等の貴金属が劣化し。

触媒の使用寿命が短いという問題点がある。

発明の目的 本発明の目的は、上記した問題点を解消し、触媒燃焼方
式の燃焼器を更に改良して、燃焼時に生成するめＸ量が
極めて少量で、且つ、燃焼効率が良好であり、触媒が長
寿命化された触媒燃焼方式のガスタービン燃焼器を提供
することにある。

発明の概要 本発明のガスタービン燃焼器は、燃料と空気の混金物を
触媒燃焼方式によシ燃焼させるガスタービン燃焼器にお
いて、触媒充填部が、前段に貴金属を含有する・・二カ
ム構造触媒体笈び後段に貴金属を含有しないハニカム構
造触媒体をそれぞれ充填した二段構造のものであること
を特做とするものである。

本発明者らは、鋭意研究を重ね九結果、触媒燃焼方式の
燃焼器においては、燃焼反応（不均一系酸化反応）が、
触媒充填部の入口付近では比較的低温であるために、触
媒の活性に大きく依存しているのに対し、おる温度以上
になると、触媒の活性にはそれ程依存せず、むしろ流体
の乱れに大きく依存することを見出し念。

通常、触媒燃焼反応の様な不均一系反応を行なう反応器
において、この反応器内での反応を支配する因子には、
次のものが挙げられる。即ち、（１）流体（燃料ガス、
空気）本体の物質移動、（２）流体本体と触媒表面との
境膜における物質移動、（３）触媒固体内部での流体の
物質移動、及び（４）触媒表面上での正味反応でちゃ、
これらの因子に規定された反応速度が見かけの反応速度
として観測される。

触媒燃焼方式の燃焼器において杜、触媒充填部の入口付
近において生起１する燃焼反応が比較的低温であるため
に、上記因子の中で、（４）の触媒表面上での正味反応
の速度が他のものに比較して小さぐ、この過程が全反応
工程における律速段階となっている。従って、触媒充填
部の入口付近における触媒の活性、即ち、触媒組成が反
応速度に大きな影響を与える。しかしながら、触媒充填
部の後半部分くおいては、温度も充分高くなっているた
めに、（４）の触媒表面上での正味反応の速度は、充分
大きくなっている。この部分においては、むしろ、反応
温度に影響されることが少ない（２）の境膜における瞼
質移動の過程が律速段階となっている。その次めに、触
媒の活性は反応速度に大きくは影響せず、それ程高い活
性は要求されない。又、温度が充分高い時点では、流体
本体における均一系燃焼反応の寄与が大きな比重を占め
るようになる。

本発明のガスタービン燃焼器は、上記した触媒燃焼方式
の特性を考慮して得られたものである。

本発明において使用されるハニカム構造触媒体は、金属
を担体に担持した状態で使用することが好ましい。かか
る担体としては、例えば、α−アルミナ、ジルコニアス
ピネル、ムライト、コージライト、チタニア等が挙けら
れ、これらから成る胛よ〉選ばれ九１種もしく紘２種以
上のものが使用される。

本発明において使用される貴金属系の触媒としては、白
金族元素があル、これらとしては１例えばｓ　Ｐｔ　−
Ｐｔ−Ｉｒ　ｓ　Ｐｔ−Ｐｄ　ｓ　Ｐｔ−Ｎｌ０　、Ｐ
ｔ−Ｃ□＊Ｏｓ、ＰＰｔ−Ｐｄ−Ｎ１０１Ｐｔ−Ａ等が
挙げられる。

又、本発明において使用される二段構造の後段のハニカ
ム構造触媒体の触媒としては、例えば、ＭｎＯ＊　ｓ　
Ｃｏｏ　Ｏ＊　ｓ　Ｃｏｇ　０４、ＣｕＯ等が挙げられ
る。

これらの他に、チタン酸塩或いはジルコニウム酸塩等の
複合金属酸化物等を焼結した後、担体を使用せずに、ハ
ニカム構造に成形したものを使用してもよい。或いは、
担体として使用するチタニアは、それ自身でも多少触媒
効果を有することから、このチタニアのハニカム構造体
を使用することも可能である。

第５図及び第６図は、本発明のハニカム構造触媒体を使
用したガスタービン燃焼器の概念図である。第５図に示
したガスタービン燃焼器は、前段と後段のハニカム構造
触媒体が接しており、従って、ハニカム構造体内の各セ
ルが他のセルと間壁で区別されているために、他のセル
内の流体との混合は起こらず、各セル毎に独立して燃焼
反応が進行するものである。第６図に示したガスタービ
ン燃焼器は、前段と後段のハニカム構造触媒体の間に空
間を設けたものであ〕、この空間内において、前段の触
媒体の各セルを通過した流体が一旦他のセル内を通過し
た流体と混合され１組成が均一化された後、再び、後段
の触媒体の各セルを通過するものである。かかる空間を
設は九ことによｐ、前段と後段の触媒体が直接接してい
るものに比較して、例えば、もし一部のセル内において
、何らかの原因によシ燃焼が不充分である場合等におい
ては、そのまま未反応物が触媒体出口から排出されるこ
とはなく、前段と後段の触媒体の間で他の流体と混合さ
れることにより、効率良く燃焼を行なわしめることがで
きる。

本発明のハニカム構造触媒体を使用したガスタービン燃
焼器において、燃料の燃焼は、前段に充填しである貴金
属を含有するハニカム構造触媒体部分において、比較的
低温で燃焼が開始される。

そして、後段に充填しである資金族を含有しないハニカ
ム構造触媒体部分においては、触媒活性の低い触媒体で
も燃焼が可能な穆度に温度が上昇しているために、燃焼
は円滑に進行する。後段の触媒体部分においては、比較
的温度が高いために、貴金属系触媒を必要としないのみ
ならず、かかる温度において、貴金属系触媒が劣化し易
いために、これを使用することは経済的な面で得策では
ない・１本発明においては、後段に賃金ｊＩｉｙｋ含有
しない触媒体を使用することにより、触媒体の長寿命化
と大幅なコストダウンが可能となったものである。

発明の効果 本発明のガスタービン燃焼器は、触媒燃焼により効率良
く、且つ、殆んどＮＯｘを発生することなく燃料の燃焼
を行なわしめることができるものであシ、従来の資金、
、Ｉｉ４のみを担持した触媒体に比較して、触媒が長寿
命化され、且つ、資金ＩＩ４を含有しない触媒体の使用
により、大幅なコストダウンが可能なものである。

【図面の簡単な説明】

１ｓ１図は通常のガスタービン燃焼器の概念図、第２図
は通常のガスタービン燃焼器の温度分布を示す図、第３
図は触媒燃焼方式のガスタービン燃焼器の概念図、第４
図は通常のガスタービン燃焼器（ａ）、二段式ガスター
ビン燃焼器（ｂ）及び嶌鬼’ＩＱ−触媒燃焼方式ガスタ
ービン燃焼器（Ｃ）におけるそれぞれ（Ｄｌｌ＆分布を
示すｆｉａｓｔｇｓＥ及び第６図位本発明Ｏ触謀燃焼方
式ガスタービン燃焼器の概念図である。 ｌ゛・・燃料ノズル、２・・・スパークプラグ、３川燃
鉤用空気、４・・・冷却用空気、５・・・希釈用空気、
６・・・タービンノズル％　７・・・ハニ刀ム構造触に
体、　８・・・貴会！１４を含有するハニカム構造触媒
体、９・・・資金ｊ４を含Ｍしないハニカム構造触媒体
、　１０・・・触部体間の！２！関 手続補正書（旗） 昭和５７年４月６日 特許庁畏官　島　１）春　樹　　　殿 １、事件の表示 昭和５６年特許　願第　１８７７＠０　号２発１１０４
称 ガスタービン燃嶋優 ３、補正をする者 事件との関係　峙許出励人 名　称　（Ｓｏｆ）東京芝浦電気株式会社（氏　名） 第２図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （！）　　燃料と空気の混合吻を、触媒燃焼方式によ）
   燃焼させるガスタービン燃焼器においモ、触媒光填部が
   、前段に貴金属を含有するノ・二カム構造触媒体及び後
   段に貴金属を含有しないハニカム構造触媒体をそれぞれ
   充填した二段構造のものであることを特徴とするガスタ
   ービン燃焼器。 （２）前段と後段のハニカム構造触媒体の間に空間を設
   けて成る特許請求の範囲第１項記載のガスタービン燃焼
   器。 （３）前段のハニカム構造触媒体が、白金、パラジウム
   、ロジウム、ルテニウム及びイリジウムから成る群より
   選ばれた１種もしくは２極以上の貴金属を含有するもの
   である時許績求の範囲ａｇ１項記載のガスタービン鋤焼
   器。