JPS60147241A - 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〕 本発明は触媒燃焼方式によるガスタービン燃焼器に関し
、更に詳しくはその触媒を改良したガスタービン燃焼器
に関する。

〔発明の技術的背月とその問題点〕

現在のガスタービン燃焼器においては、燃焼は、燃料と
酸化性気体との混合ガスをスパークプラグ等を用いて着
火して行々われでいる。ここでいう酸化性気体とは、燃
料と酸化反応をおこす酸素等の気体を示し、酸化性気体
を含む気体とは、たとえば、空気を示す。このように燃
焼器の−、例を第１甲に示す。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
が加えられて、所定のタービン入口温度まで冷却・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。酸化性気体を含む気体として空気を用いた場合
に従来の燃りβ器における重大な問題点の１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
。

第２図は酸化性気体を含む気体として空気を用いた場合
の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。第２図に示したごとく、燃
焼器内の温度分布は極大値をもっておシ、最高温度に達
した後は、冷却及び希釈空気により所定のタービン入口
温度まで冷却されている。この燃焼器内の最高温度は２
ｏｏｏ℃にも達する場合があるために、第２図斜線の部
分においてはＮＯ［の生成量が急激に増加する。とのよ
うに、従来のガスタービン燃焼器は燃焼器内において部
分的に高温部が存在するために、ＮＯｘの生成量が多い
という問題点を有している。従って排煙脱硝装置等を設
けねば々らず装置が複雑に方る等の問題点があった。

最近、上述した燃焼方式に対して新しく触媒を用いた燃
焼方式が提案されている。この方式は、触媒を用いて混
合ガスを燃焼させるものであり、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、燃焼温度はゆ
るやかに上昇して極太値をもたず、最高温度も低く々る
。これは燃焼器自体の耐熱性の面からみても効果的であ
り、特に酸化性気体を含む気体と１〜で窒素を含む空気
等を用いた場合には、ＮＯｘの発生を極めて少くするこ
とが可能である。

しかしながらここで、触媒の劣化という問題が生じる。

たとえば流入された混合ガスに対する高活性を有する触
媒として知られるプラチナ、パラジウム等の貴金属が第
３図に示すように微粒子状に耐熱性耐体０■に担持され
た貴金属触媒だけを用いた場合、燃焼がすすむにつれて
およそ８００Ｃ程度で劣化をおこし始める。

この劣化の原因は耐熱性担体００に担持された微粒子状
の貴金属（ｌυが熱による振動から凝集して。

混合ガスと反応するのに必要な表面積が減少するだめと
考えられる。よって８００℃程度の範囲までなら貴金属
触媒の使用は可能であるが、触媒燃焼方式のガスタービ
ン燃焼器に用いる触媒として、貴金属触媒だけを用いた
場合は、効率向上の点からガスタービンに要求されるよ
うな高温における耐久性を有しない。

〔発明の目的〕１・ 本発明の目的は、およそｓｏｏ’ｃ〜１５００１１４＋
温度範囲においても高活性及び長寿命を有する燃焼触媒
を有するととによシ、広い温度範囲にわた４、高活性、
耐久性を具も！化性気体に空気等窒素を含んだ場合には
、ＮＯｘの発生を従来の燃焼器よりも大巾に減少させる
ことも可能な、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〕

本発明は触媒燃焼方式のガスタービン燃焼５　において
、プラチナとロジウムとからなる合金、プラチナとイリ
ジウムとからなる合金、プラチナとロジウムとイリジウ
ムとからなる合金のうち少くとも一種類の合金が、カル
シウム、マグネシウムおよびイツトリウムのうちの少く
とも一種類の元素を含むジルコニアからなる担体に相持
されてなる触媒を具備することを特徴としている。

以下本発明に係るガスタービン燃焼器の構成例を示す。

本発明による燃焼器では、従来のプラチナ、パラジウム
等の貴金属を単−釉で微粒子状に担体に担持するのでは
なくして、プラチナとロジウムとからなる合金（以下合
金（Ａ）という）又はプラチナとイリジウムとからなる
合金（以下合金（Ｂ）という）の少くとも一方を１１１
体に：１１持した触媒を有する。すなわち合金としたこ
とにより触媒としての高活性を保持しつつ、かつロジウ
ムやイリジウムの特性である高温に対する面ｊ人件もが
ねそなえるようになり、熱による担体に相持された金属
（以下触媒金属という）の蒸発、凝集等からくる触媒の
劣化が起こりにくい。−！た１口体としてｄ：、従来使
われているｇ　−Ａ　Ｌ　２０３では、１ｏｏｏ℃伺近
かそれ以上で、α−Ａ　ｔ、　０３に相転移するためク
ラックが生じＡ　ｔ、　０３が触媒金属とともに剥離脱
落してしまうのでそれにかえて熱安定性の高いツｙルシ
ウムまたはマグネシウムまたはイツトリウムのうちの少
くとも１種類の元素を含むジルコニアを用いて耐熱性を
増しだ。そしてこの前記合金及び前記ジルコニア担体（
ＺｒＯ２−ＣａＯ等）は、それぞれ単独で用いるのでは
効果はあまり認められず。

これらの組み合わせの相乗効果によって触媒燃焼方式の
ガスタービン燃焼器においてめられる高温に対する性能
を充分に有した触媒を得ることが可能になった。

以下本発明をさらに具体的に説明する。

本発明における触媒金属はあくまで合金であることが特
徴であわ、プラチナとロジウムあるいはプラチナとイリ
ジウム、またプラチナとロジウムとイリジウムとからな
る合金状態でなく単に担体に共存するだけでは本発明の
効果は期待できない。

さらに合金（Ａ）及び合金（Ｂ）における合金の組成比
はロジウム及びイリジウムがそれぞれプラチナに対して
５ａｔｏｍ％　以上でなければ充分に効果をあげること
が期待できない。

またその上限は触媒の使用条件等により適宜選択される
。又、本発明における担体においてジルコニアに含まれ
るカルシウム、マグネシウム、イツトリウムの量は大体
ジルコニアの１〜１５ωｔ％を目途とし、更に好ましく
はカルシウムの場合５〜１０ωｔ％マグネシウムの場合
２〜６ωｔ％　イツトリウムの場合５〜１５ωｔチであ
る。添加する金属の量が１ωｔ％未満の場合望ましい効
果は期待できず、一方１５ωｔ％をこえるとジルコニア
の耐熱性が低下する。１だジルコニアの純度に関しては
シリカ及びアルミナのみがそれぞれ５ωｔ％　程度の混
入を許されるが、その他の金属の混入はたとえ微量でも
好ましくない。

このようにして得られた触媒をガスタービン燃焼器に用
いた例を第３図に示す。

まず燃量ノズル１から噴射される燃料と、燃焼用空気３
よシなる混合ガスがスパークプラグ２によって点火され
る。この第３図においてはそこへさらに燃料ノズル１１
よ多燃料が噴射されている。

そしてこの混合ガスは燃料と空気との混合比に応じて部
分燃焼を起こしながら数１００℃の温度へ昇温し本発明
による触媒へと到達する。あるいはここまでに貴金属触
媒を使用可能な範囲で用いて昇温してもよい。そこで本
発明に係る触媒に接して、燃焼しガスタービンの動力に
充分な温度にまで高まった燃焼ガスはタービンノズル６
よシガスｐ−ｅ７″″２噴ｔ″−ｇ；ｉｔ、ｂ・３０６
程１１“１１・　７前述のとおシ燃焼温度はＮＯｘが多
量に発生する温度域まで達することはなく、よってＮへ
の発生量が従来の方法に比べて大巾に減少する。また従
来の燃焼器より燃焼温度が下がるため燃焼器自体の耐久
性等に対しても効果的である。本発明の触媒はタービン
に逃められる高温の燃焼ガスに充分耐え得る特性を有し
ている。

〔発明の実施例〕 以下に実施例を記して、本発明をさらに詳細に説明する
。

実施例−１ 塩化ジルコ＝７　（Ｚｒ０Ｃ１ｘ　−８ＨｚＯ）　３０
０　ｆを秤量して水に溶かす。これに、０．ＩＮの水酸
化アンモニウムを少しずつ添加して水酸化ジルコニウム
（Ｚｒ　（Ｏｉ（）＋　）を沈澱させる。この沈澱物を
脱水乾燥した後６００℃で５時間係焼してジルコニア（
ＺｒＯｔ　）を得る。

次に前記ジルコニアを０．３ｐ大きさに粉砕整粒した後
酸化カルシウム（Ｃａｂ）６　ｆを加えて混合し、つい
で１４００℃の温度で１時間１次焼成を行ない酸化カル
シウムを均一に分散させたジルコニアを得た。

次に前記酸化カルシウムを含むジルコニアを粉砕整粒し
た後、成型剤としてフタール酸ジオクチル５ｇとポリビ
ニルプチラー）１０９を添加して混合し、３１セル／ｍ
ｌのセルを有するハニカム形状に成型した。そして１１
００℃の温度で３時間２次焼成を行ない本発明に使用す
るハニカム形状の触媒担体（Ｚｒ　０２−Ｃａ　Ｏ）を
得た。

次に塩化白金酸（Ｈ，Ｐｔ　Ｃ１１１・６ＨｚＯ）　５
　ｇと三塩化ロジウム（Ｒｈ　ｃｔｓ・ａＨ２０）　０
．５　ｔとの水溶液２００　ＣＣを調製し、前記ハニカ
ム形状の触媒担体（Ｚｒ０２−ＣａＯ）をその水溶液に
１時間以上浸漬する。その後、ハニカム形状の触媒担体
を引き上げ乾燥させてから水素雰囲気中において５００
℃で３時間の還元を行ない、次に空気中において１００
０℃で１時間焼成してプラチナとロジウムを合金化さｉ
る。これより、酸化カルシウムを含むジルコニアからな
るハニカム形状の触媒担体に担持されたプラチナとロジ
ウムの合金よりなる本発明によるガスタービン燃焼器用
の触媒（Ａ）を得た。

上述したのと同様な方法によシシルコニアに添加する金
属をマグネシウムあるいはイットリウムに代え、さらに
担持させる合金をプラチナとロジウムとの合金に代えて
、プラチナとイリジウムとまた比較例としてアルミナ担
体にプラチナのみを担持した触媒（ａ）及び前記触媒担
体（Ｚ　ｒ　０２　Ｃａｂ）にプラチナのみを担持した
触媒（ｂ）及びアルミナ担体に上述した実施例と同様な
方法でプラチナとロジウムとからなる合金を担持した触
媒（Ｃ）を製造した。以千光自 触媒方式のガスタービン燃焼器の模擬装置を用いて上述
した実施例の触媒（Ａ）〜触媒（Ｊ）及び比較例の触媒
（ａ）〜触媒（Ｃ）の燃焼特性を評価した。燃焼条件は
、ガス流速３０ｍ／ｓｅｃ　、混合ガス濃度メタン１％
、触媒量３３　ｃｃとし触媒の温度をそれぞれ９００℃
、１ｏｏｏ℃、１１００℃で一定に保って、１００時間
後のメタンの燃焼効率を測定した。

この結果を第１表に示した、この第１表から本発明にか
かる触媒は、比較例のものに比べて、触媒の耐熱性の指
標となる高温での燃焼効率が格段にすぐれていることが
わかる。本発明に係る触媒燃焼方式のガスタービン燃焼
器では、このように高い燃焼効率を維持する耐久性を持
ち、また酸化性気体として例えば空気を用いた場合、そ
の気体中には窒素が含まれているが触媒量φにより燃焼
における最高温度がＮＯｘの発生しない上限温度といわ
れる１５００℃程度よりも低く保てるためＮＯｘの発生
を大巾に少くすることが可能である。

〔発明の効果〕

本発明のガスタービン燃焼器は前記のごとき担体に担持
された前記のごとき触媒を有することにより長寿命化が
なされ、また燃焼の最高温度をひき下げることにより燃
焼器自体の耐久性にも効果的であり、また前述のように
空気等を用いた場合には、ＮＯｘの発生を大巾に減少さ
せることが可能であり、ＮＯｘの後処理装置等の設置の
必要もない。

まだ、ガスタービン燃焼器の入口及び出口の温度条件等
は従来とかわりなく今壕でのガスタービン燃焼器を用い
たシステムをその１１使用でき、システムを高効率で稼
動させることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のガスタービン燃焼器の棚、念図、第２図
は従来のガスタービンの温度分布を表す図。 第３図は本発明に係るガスタービン燃焼器の概念図、第
４図は本発明に係る担体にやに７粒子状に担持された場
合の合金の状態を表す１す［面図。 ７：触媒 ８：耐熱性Ｊ’ｌ−１体 ９：微粒子状の合金 代理人　弁理士　則　近　憲　佑（ほか１名）第１図 第３図 第１頁の続き ■Ｉｎｔ、Ｃ１，’　識別記号　庁内整置Ｆ　２３　Ｒ
３／４０　７１３７−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料と酸化性気体を含む気体との混合ガスを触媒
   によシ燃焼させる触媒燃焼方式のガスタービン燃焼器に
   おいて、プラチナとロジウムとからなる合金、プラチナ
   とイリジウムとからなる合金。 プラチナとロジウムとイリジウムとからなる合金のうち
   、少くとも１種類の合金が、カルシウム。 マグネシウムおよびイツトリウムのうちの少くとも１種
   類の元素を含むジルコニアからなる担体に担持されて彦
   る触媒を具備したことを特徴とするガスタービン燃焼器
   。