JPS60175925A

JPS60175925A - 触媒燃焼法

Info

Publication number: JPS60175925A
Application number: JP59031363A
Authority: JP
Inventors: Tomiaki Furuya; 富明古屋; Chikau Yamanaka; 矢山中; Terunobu Hayata; 早田　輝信; Junji Hizuka; 肥塚　淳次
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-02-23
Filing date: 1984-02-23
Publication date: 1985-09-10
Also published as: JPH0245772B2

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（＝用いるガスタ
ービン燃焼器内での燃料−空気の燃鳩法に関し、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（二関する。

〔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（＝伴ない、種々の代替エネ
ルギーが要求されているが、同時（二、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心システ
ム、若しくは石炭ガス化ガスタービン・スチームタービ
ン複合サイクル発心システムがある。これらの発電にシ
ステムは、化石燃料を使用した従来のスチームタービン
しよる発心システムに比較してその発電効率が高いので
、将来その使用量のよ・ｄ加が予想される天然ガスや石
炭ガス化ガス等の１然料を有効（二市力（二変換できる
発「Ｕシステムとして期待されている。

ガスタービン発ト疏システム（二・開用さオｔでいるガ
スタービン燃焼器゛Ｃ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ｐ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４二しめす。第１図の燃焼器では、燃料ノ
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２１＝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（二は冷却空気４及
び希釈空気５が添加され′〔所定のガスタービン入口温
度（＝まで冷却・希釈されたのち、タービンノズル６が
らガスタービン内（＝１＠射される。図で８はスワラ−
である。

例示した従来の燃焼器（二おける最大の問題点の１つは
、燃焼ｌびに多量の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
（二、燃焼器内（１１５００℃を超える高温部が存在す
ること（＝ある。

このような問題点を解決するために、種々の燃焼方式が
検討されておフ、最近では、同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。

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、多量のを気を燃料と混
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、冷却用およびイｈ釈用窒気はほとんどあるい
は全く必要としない。従ってＮＯｘの発生量を＜ｉめで
少なくすることが口丁能（二な６゜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ｔｆｆｃ念断面図でちゃ、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）独媒部７を備え
ていることが構造上の％徴である。

この触媒部７（＝は、通常、ハニカム構造の１１１Ｉｌ
！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（＝必要な程度（二まで予１に’
４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（二よ多点火し、燃焼させて触媒との
反応を促進させるだめの予熱源としている。そしてさら
に燃料ノズル１′よυ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。

第３図に、触媒燃焼方式を用いた燃焼器内に２ける混合
物及び触媒の温度上昇の様子の一例を’ｔＪも金物の流
れ方向との関係で示す。

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、触媒反応にょ９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嗣
Ｂ’　Ｃ’で、そこからの加熱（＝よる触媒を流れる混
合物の温度の上昇の様子が：ｌｌ！　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、す、
触媒反応（＝よる燃焼に加えて、気相反応（＝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ＣＩ）であ
られされ、その時の触媒の温度の上昇は点線Ｃ′σによ
ってあられされている。このちと、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シ燃焼してさら
に実線ＤＢで示したように温度上昇して、燃焼ガスとな
る。

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’Ｃである旨、特
１昭４８−２０７６６号では開示されている。また、特
開昭５０−３１２１Ｑ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近に比べ実質的
（＝高い温度（二おける燃り６に関する記載が、なされ
ている。

しかしながら、上記した方式（＝おける問題点は、点線
Ｃ’　Ｉ）’で示された気相反応（−よる燃焼も発生し
ている領域（＝おける触媒の温度が相当１％温（＝なる
こと。すなわち、触媒の温度が、該触ｔｓ、を二接触す
る混合物の着火温度よシ高いことが必要（二なるこいう
ことである。

例えば、メタンガスのように気相燃焼し９）ｉ６い燃巨
科を用いた場合、触媒温度が１０００　”Ｃ以」二で１
よいとシ燃料は実質的（二元全燃焼しない。そのため、ｉｌ・１
（媒としては、その耐熱性が１０００　ＣＳ）るいは１
１０００以上のものが必要（＝なる。

しかしながら、このような高温に耐え、かつ艮時間使用
できる触媒は開発されていないのが現状であり、第３図
；二示したような燃焼方式の笑用化は著しく困難である
。

〔発明の目的〕

本発明は、従来の触媒燃焼方式（二おける問題点を解決
し、大幅に耐久性、安定性（−富む低ＮＯｘの触媒燃焼
法の提供を目的とする。

〔発明の概要〕

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（＝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
（＝従来の触媒燃焼方式では、触媒内で触媒反応（＝よ
る燃焼と気相反応（′″−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、すなわら■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（二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シ、したがっ
て、触媒の高温（＝よる熱劣化がおこらず（二低ＮＯｘ
で完全燃焼が可能になるとの着想を得、該着想４二基づ
き鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成する（−至った
。

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ｌの工程で得られた混合物を、触媒
部（二充填した触媒（二、該触媒の温度を該混合物の着
火温度よυ低い温度に保持したまま接触させて、該混合
物を触媒反応によって燃焼させる第２の工程と、第２の
工程の後（二該触媒よシ流出した流出物に、更に主に燃
料及びスチームよりなるネ１１）燃料を添加して複合ガ
スとし、該複合ガスを気相反応（＝よって燃焼させる第
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シ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。

第４図に本発明（＝よる燃焼法を用いた燃焼器内（＝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。

第３図と同様（＝第４図（＝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、前記混合によシつくられた混合物は、触媒
と接触し、触媒反応≦二よｐ燃焼するが、前記触媒反応
（：よる触媒温度の上昇の様子が点ａ　ｂ’　ｃ’で、
そこから−の加熱による力虫媒を流れる混合物の温度の
上昇の様子が実線ｂｅによりそ１’Ｌぞれ表されている
。

この領域では、触媒反応による燃焼だけがおきてお９、
気相反応（＝よる燃焼はおきていない。触媒で行なわＪ
す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（二おける燃焼では触媒に６１Ｕ人した燃料のうち
のおよそ３０％はどが触媒反応によシ燃焼し、残９０７
０％はどの未燃燃料ととも（二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オｔて、複合ガスをなし、触媒下
流域（＝おいて気相反応（二よる燃焼をおこす。この時
の温度−上昇が実線ａｄｌ二よって示されている。これ
が第３の工程にあたる。

具体的に第５図に例示した模式図を用いて説明すれば、
コンプレツナ−停にょシ昇圧、昇温された空気１３と、
燃料ノズル等（二より供給される燃料１１とが混合され
て、混合物となシ、＃混合物は触媒（二供給さＪＬる。

ここで触媒反応だけ（＝よって燃料が燃ｕ８　Ｌ触媒の
温度は最高でおよそ９００′ｃ程度（二まで昇温する。

この程度の温度ではしｌえばメタンガスのような離燃性
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（二さら（′ｌ−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１図Ｃ二示
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を通すことによシ
補燃料が加熱されて、′Ｔ４３工程（二おける燃焼がお
こ９やすくなっている。さら（二複合ガスは流れの拡大
する部位１５によって、よｐまじ多合い、均一化され、
ついで点火源としてイグナイターステック１７＠を用い
ること（二より、あるいは自然着火（二よシ容易（二気
相燃焼する。このとき、触媒の温度は混合物の着火温度
よシ低いことが必要で、との温度が着火温度よりも高い
と、触媒（＝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（二もよるが、触媒の温度は
３００〜９００”Ｃの範囲（＝あることが好ましい。

このような触媒のは度は、用いる触媒種、触媒の形状、
混合物の流速、燃料幾度等を適宜（二選定して決めるこ
とができる。

その−例として例えば触媒としては、散化パラジウムを
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（二酸化パラジ
ウム４二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。

ＰｄＯ？”’　Ｐｄ　＋２　０２この平衡は温度と酸素分圧（＝よって支配されておシ、
高温（＝なればなるほど、また酸素濃度が減少すればす
るほどの反応が進行し、ＰｄＯが減少して触媒活性が低下４−
る。したがっ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（二はならない。こ
の温度はたとえばガスタービン燃焼器などの条件（二お
いては９ｏｏ′ｃａ度で［Ｆ］ると考えら′Ａする。こ
のため触媒の温度が必要以上（二上昇しく＝くいので、
熱（＝よる触媒の劣化が少なく、好ましい。また酸化パ
ラジウムを生成分とした触媒は、燃料の種類（＝もよる
が、コンプレッサー等で昇温した燃焼用窒息の温度程度
でも触媒反応が開始さオｔ、るため、混合物の予熱の必
要がなく、予岐焼等ついで第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足量の桶燃料
をさら（二添加して気相反応４二よって燃焼を行わせる
。

このときの断熱火炎温度を実質的にＮＯｘ発生温度よシ
低い１５００　’Ｃ以下の温度に制御することが必要で
ちる。１５００℃を超える場合（＝はＮＯｘが多ｉ（二
発生して本発明の目的は達成されない。この制御は、燃
料の遺、流出物あるいは複合ガスの流速。

添加捕燃料の注入量及び注入方式、燃焼器構造。

などを適宜（二選定すること（二より容易に可能である
。

′まだ、この第３工程を進行せしめる個所（−１前述し
た第５図（二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ｌ消させる領域または
４流させる領域を設けると、気イ目反応による燃焼が容
易に通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
の開始が容易になって有効である。

〔発明の実施例〕

実に韮　し１１第６図（二模式図として示した模擬燃焼器を製作し、燃
焼メば９の中（二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Ｉ朋、長さは９
ｃｎＬであった。燃料１１と空気１３とをそれぞれの系
から燃焼管９（二注入して混合し、混合物を触媒１０１
二流入した。触媒ＩＯ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１
３は４００℃（二、スチーム２２は７５０℃（−予熱し
た。空気１３の流量４５０　ｌ／ｍｉｎ、燃料１１の流
量９　ｅ／ｍｉｎ　、燃ネ４１２の流量４　ｌ／ｍｔｎ
、スチーム５　ｇ／ｍｉｎであった。燃料は天然ガスを
用いた。

また、比較のため、上記と同じ装置で触媒の直径３０朋
、長さ１７　ｃｎＬ、燃料１１の（ＡＥ　Ｑ　１３１３
／ｍａｎ、空気」３の流量４５０　ｌ／ｍｉｎ、そして
補燃料１９は添加しないで従来の触媒燃焼方式を行った
。空気の予熱温度は５００゛Ｃであった。

両者の揚台の燃焼効率、触媒温度、触媒の圧力損失の経
時変化を′６ｉｌｌ定しそれらを第７図（＝示した。

第７図ＣＩ、Ｉ’はそれぞれ不発１男、従来列の燃か；
６効率、川、■′はそれぞれ本発明、従来列の触媒温度
、Ｉｌｌ’はそオシぞれ不発り」、従来例のｊ９Ｊｔ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（二も
たれ、よって触媒の寿命を大幅に延長することが可能（
＝なり、又必要（＝触媒の長さも短くてすむために、圧
力損失も小さく、燃焼器の性能の向上に寄与している。

なお、ＮＯｘの発生柱は、燃焼中従来例では２〜３　ｐ
ｐｍであり、本発明では１　’ｐｐｍ以下であうた。

また本発明の実施例（＝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ったところ、ＮＯｘの発生柱は２〜
３　ｐｐｍであった。これらの実験から、スチー！・を
加えること（二より燃焼のテ定化がはかれ、従来の触媒
を用いた燃焼方法（＝比べてよりＮＯｘの低減がなされ
ることが、確認された。

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った。燃料１１．
９２　ｌ／ｍｔｎ及び４２０℃に予熱した空気１３．４
．８　ｍ″／ｍｉｎを第１工程（二よって混合し、第２
工程で酸化パラジウムを主成分とする直径が１００　＋
論、長さ９　ＧｉＴＬの−・ニカム形状のノ皿媒１０へ
と供給した。さらシニ弗３工程（ニーいて触媒を通過し
た燃料供給パイプ２１を通して、燃料及びスチームから
なる補燃料な少しｒ′″）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（二加えられたスチームの
量は５〜５０　ｇ　／ｍｉｎの範囲であった。燃料は天
然ガスを用いた。

さら（二比較ｉ／ｌｌとして、第８図（二示した従来し
１」における模擬燃焼器を用いて試験を行った。酸化パ
ラジウムを主成分とした直径がＩＱＱ　ｉｉｌ＃ｌ　、
団さ９　ｃｉｌ＋のｍ＝カム形状の触媒を最（１，７１
１二混・δ物と接ハ４＋　４−る力虫媒ｉ１ｓ　’７の
前段１Ｉｌｌｌ　ｌ二充填し、それ（二跣くハ１１ミ媒
都７の後段側Ｃ二白金を主成分とした直径が１００η１
７π、長さ９　ｔＩＴＬの一ヘ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
を気１３．４．８　ｒｎ’／ｍｉｎを供給した。ここで
燃料１１を少１７ずり増量しながら加えて燃焼ガスの温
度を上昇させた。

実験の結果本発明の場合（＝は燃焼ガスの温度は最高１
４５０　’Ｉｃまで上昇させることが可能でめったが、
従来例の場合には、燃Ｉｓガスが１３００℃（二連した
時（二触媒が溶けて破損した。

実施例３直径が１００朋、長さが１０Ｃ１ｎの酸化ノくラジウム
を主体としたノー二カム形状の触媒を有する第９図で示
したようなＡＡ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１５は複されて点火諒
を構成している。実験（＝先立ち、触媒は磁気炉で８０
０℃、５０００時間加熱してから用いた。燃料１１の流
ｉ　１００　ｌ／ｍｘｎ　、燃料４Ｑ　ｌ／ｍｉｎ及び
７５０℃（二予熱したスチーム４０　ｇ／ｍｉｎよシな
る袖燃料１９．３５０　”Ｃｉ＝予熱した空気１３の流
ｉｉ　４．８　ｍ３／ｍｉｎ　”ｃちυ、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。

空気を減大したのち、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
スナック１７を引抜いた。着火１時間後の燃焼効率は９
９．９％以上、ＮＯｘ発生量１　ｐｐｍ以下であった。

また、流れ方向の触媒の最高温度は７８０　’Ｃ以上に
は上昇しなかった。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、
５０００時間以上の運転が可能であると推定された。

〔発明の効果〕

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ｔ；おける触媒反応）
二よる燃焼と気相反応（二よる燃焼が同時（＝起る領域
を省略することができるので、）ｉＩＩ＋媒の長さを短
くすｇことができ、したがっ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（＝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（二改善するこ
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）二追随すること
ができる。そして、■流出物の熱燃焼温度をＮＯｘ発生
温度より低く側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。などの利点な有しその工
業的価値は極めて犬である。

【図面の簡単な説明】

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Ｃ二よる触媒燃焼法（＝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
実施例を聚ず概念的模式図、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２Ｃ二おける比較例で
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
窒息　６・・・タービンノズル７・・・触媒部　８・・
・スワ２− ９・・・燃飾管　１０・・・触媒１１．１２・・・燃料　１３・・・空気１４・・・燃焼
ガス　１７・・・イグナイターステック１９・・・ｆ１
０燃料　２１・・・燃料供βパイプ２２・・・スチーム代理人　計理士　則　近　Ｊ　佑（ほか１名）第１図第７図Ｑ関　（）ＬＰ）第　８　図第９図

Claims

【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、ノ独媒部に充填した触媒に、該
触媒の温度を該混合物のシミ大温度よシ低い温度（−保
持したまま接触させて、該混合物を）独謀反応だけ（二
よって燃焼させる第２の工程と、第２の工程の鎌に該触
媒よシ流出した流出物（二、更に主に燃料及びスチーム
よりなる袖燃料を添加して複合ガスとし、該複合ガスを
気相反応（二よって燃焼させる第３の工程と、を具備し
たことを％倣とする触媒燃焼法。
（２）該触媒の温度が３００〜９００”Ｃ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（二、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（＝、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（＝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。