JPS6352283B2 - - Google Patents

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Publication number
JPS6352283B2
JPS6352283B2 JP59059350A JP5935084A JPS6352283B2 JP S6352283 B2 JPS6352283 B2 JP S6352283B2 JP 59059350 A JP59059350 A JP 59059350A JP 5935084 A JP5935084 A JP 5935084A JP S6352283 B2 JPS6352283 B2 JP S6352283B2
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JP
Japan
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catalyst
combustion
layer
platinum
temperature
Prior art date
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Expired
Application number
JP59059350A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS60205116A (en
Inventor
Makoto Horiuchi
Tetsutsugu Ono
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Shokubai Co Ltd
Original Assignee
Nippon Shokubai Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Shokubai Co Ltd filed Critical Nippon Shokubai Co Ltd
Priority to JP59059350A priority Critical patent/JPS60205116A/en
Publication of JPS60205116A publication Critical patent/JPS60205116A/en
Publication of JPS6352283B2 publication Critical patent/JPS6352283B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23CMETHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C13/00Apparatus in which combustion takes place in the presence of catalytic material

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はメタン系燃料を接触燃焼させる触媒シ
ステムおよびそれを用いた燃焼方法に関する。 詳しく述べると、本発明は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燃料を触媒上
で接触燃焼せしめ窒素酸化物(以下NOxとす
る)、一酸化炭素(以下COとする)、未燃焼炭化
水素(以下UHCとする)等の有害成分を実質的
に含有しない燃焼ガスを得、その熱量を各種のエ
ネルギー源として用いるための触媒システムおよ
びそれを用いた燃焼方法を提供するものである。 更に詳しく述べると、本発明は高線速下、炭化
水素類の中で比較的難然性といわれるメタンある
いはメタンを主成分とする天然ガス燃料を触媒に
よつて低温で着火燃焼せしめ、2次気相燃焼が誘
発されるのに十分な温度にまで昇温し、次いで必
要に応じて2次燃料を導入して残存未燃燃料と二
次燃料を気相燃焼させて、目的とする温度、ある
いはそれ以上の高温に上げる燃焼システムに好適
に用いられる触媒システムおよびそれを用いた燃
焼方法を提供するものである。 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が、700℃程度の比較
的低い温度域において実用化されているに過ぎな
い。 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。 これらの目的に使用される場合、燃焼ガスは
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、更に高温に
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
は高温のため急速にその触媒性能が劣化し更に最
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次気相燃焼を、2次的に燃焼さ
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。この方法を用いることにより通常の火炎燃焼
法では多量に発生するNOxを、火炎燃焼域を可
及的に小さくできるゆえに最小とすることができ
るのである。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
燃焼させる必要はなく、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
い方が気相燃焼が生じやすく好ましい。 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、一部を触媒層で燃焼させて昇温し、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せ
て2次気相燃焼させてもよい。この方法により触
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。 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
り大巾に異る。 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
件によつて異るものの750〜1000℃の高温が必要
である。 最近の燃料事情から、この目的に使用される燃
料はメタンあるいはメタンを主成分とする天然ガ
スが中心であり、本発明はこの難燃性の燃料を高
線速下にできるだけ低温で着火せしめ、燃焼ガス
温度を750〜1000℃の温度にまで上昇せしめる触
媒を提供することを目的とする。 本目的に好適に用いられる触媒としては、貴金
属系触媒がふさわしく、特にパラジウムを活性成
分とする触媒が望ましい。 パラジウムを活性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℃程度の耐熱性
にもすぐれた触媒である。 しかしながら、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、触媒層出口付近では高温
になり、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750℃以上の高温には
上昇しないという欠点があることを見い出した。 本発明者らはこのパラジウムを活性成分とする
触媒のすぐれた特徴に注目し、従来の触媒にみら
れる欠点を克服するため鋭意研究の結果、本発明
を完成するに至つたものである。 即ち、本発明による触媒システムは活性成分と
してパラジウムおよび白金より成る低温着火性に
すぐれた第1層触媒と、次いで存在する活性成分
として白金より成る第2層触媒と更に次いで存在
する活性成分としてパラジウムあるいはパラジウ
ムと白金より成る第3層触媒を最適に組合せて成
るものである。 本発明によれば、触媒システム入口付近の第1
層触媒では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、長時間に亘り低温着火性能を維持しつづけ、
かつ燃焼ガス温度を700〜800℃まで上昇させるこ
とが出来、次いで存在する白金を活性成分とする
第2層触媒によつて燃焼ガス温度を750〜900℃ま
で上昇せしめ、パラジウムの酸化状態の変化に起
因すると考えられる燃焼が抑制される温度域を避
けて第3層へ引きつがれる。 更についで存在する耐熱性にすぐれた第3層触
媒によつて燃焼が促進され燃焼ガスは800〜1000
℃の温度に到達することが可能になることを見出
したのである。 その結果、触媒層全体として、メタンあるいは
メタンを主成分とする天然ガス燃料を低温で着火
させ、800〜1000℃の温度にまで燃焼ガスを上昇
せしめることが可能となり、かつ、その性能を長
時間に亘り維持しつづけることが可能となつたの
である。 各層触媒は別個に調製し、各触媒を直結してま
たはその間に空間を設けて設置してもよいし、あ
るいは一体物の触媒において各層の触媒を担持し
て完成触媒をえてもよい。 触媒の形状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、ベタライ
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
異るが、圧力損失を少くする必要から通常50〜
500mmが採用され、触媒各層の長さも入口線速、
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25〜250mmが採用される。 第1層に用いられる触媒は通常上記モノリス担
体に、アルミナ、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
などの活性耐火性金属酸化物をコートして使用す
る。特にアルミナまたはジルコニアが好ましく、
更にバリウム、ストロンチウムなどのアルカリ土
類金属酸化物、ランタン、セリウム、ネオジム、
プラセオジムなどの希土類金属酸化物を添加し、
安定化して用いるとより好ましい。 そのあと、パラジウムおよび白金の活性成分を
水溶性の塩の形で含浸せしめ触媒化する。あるい
はあらかじめ活性主成分を活性、耐火性金属酸化
物に担持せしめ、そののちモノリス担体にコート
することによつて触媒化することもできる。 パラジウムは完成触媒1あたり2〜100g、
好ましくは5〜50g担持され、また、白金はパラ
ジウムに対し、重量比で0.2〜50%、好ましくは
0.5〜30%添加して用いられる。 第2層に用いられる触媒も同様にして白金を担
持して触媒化することができるが、この場合触媒
が高活性すぎ、触媒層で温度が1000℃以上に昇温
して白金の昇華などの失活現象を引きおこす可能
性がある。これを避け、触媒層温度を950℃以下
に保つためには、白金の担持を減少させる方法、
出来上がり触媒を使用に先だち1000℃をこえる高
温で焼成しておく方法、白金ブラツク等の粗大化
された白金粒子を用いる方法、触媒のセルサイズ
と層長を最適に選択する方法等が見出されている
が、これらはその使用条件、すなわち燃料の種
類、濃度(理論断熱燃焼ガス温度)、線速等によ
つて最適に選択することができる。 また第3層に用いられる触媒も第1層に用いら
れる触媒と同様にしてパラジウムあるいはパラジ
ウムと白金を担持して触媒化することが出来、こ
の場合、パラジウムの担持量は完成触媒1あた
り2〜200g、好ましくは5〜100g、白金の担持
量は0〜20g、好ましくは0〜10gが適してい
る。 また、各層の触媒共活性耐火性金属酸化物を用
いずモノリス担体に直接担持してもよい。 本発明の触媒を用いた燃焼システムに用いられ
る燃料は、メタンないしメタンを主成分として含
有する燃料である。代表的なものは、天然ガスで
ある。天然ガスは産地により成分比は若干異るも
のの、ほぼ80%以上のメタンを含有している。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。 本発明の触媒あるいは触媒を用いた燃焼システ
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なうために利用
される。 以下に本発明を実施例等によりさらに具体的に
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
粉末のスラリーを被覆処理し、空気中900℃にて
焼成して担体1あたり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、乾燥して空気中700
℃で焼成し、担体1あたり、パラジウムとして
10g、白金として2gを担持せしめて完成触媒を
えた。 実施例 2 実施例1と同様にして担体1あたり100gの
5重量%酸化ランタン含有アルミナ粉末を被覆担
持せしめた。 次いでこれを塩化白金酸を含有する水溶液に浸
漬し、乾燥して空気中900℃で焼成し、白金とし
て担体1あたり2g担持せしめて、完成触媒を
えた。 実施例 3 実施例1と同様にして7重量%の酸化ネオジム
を含有するアルミナ粉末を担体1あたり150g
被覆担持せしめた。 次いで実施例1と同様にして担体1あたりパ
ラジウムとして20g、白金として5gを担持せし
めて完成触媒をえた。 実施例 4 7重量%酸化ランタン、3重量%ネオジム酸化
物含有アルミナ粉末を用い実施例1と同様にして
該アルミナ粉末を担体1あたり120g被覆担持
せしめた。 次いでこれをジニトロ、ジアミノ白金の硝酸溶
液を含有する水溶液に浸漬し、乾燥して空気中
1150℃で燃成することにより、担体1あたり白
金として15gを担持せしめて完成触媒をえた。 実施例 5 40セル/平方インチの開孔部を有する直径25.4
mm、長さ15mmのムライトハニカム担体に10重量%
酸化ランタン、20重量%酸化セリウムを含有する
アルミナ粉末のスラリーを被覆処理し、空気中
1000℃で焼成して担体1あたり80gを被覆担持
せしめた。 次いで実施例4と同様にして担体1あたり白
金として15gを担持せしめて完成触媒をえた。 実施例 6 実施例1と同様のハニカム担体に5重量%のセ
リウム酸化物を含有するアルミナ粉末のスラリー
と、平均粒径5μを有する白金粉末を充分混合し
て被覆処理し、乾燥、900℃にて焼成することに
より担体1あたり100gの5重量%セリウム酸
化物含有アルミナと10gの白金を担持せしめて完
成触媒をえた。 実施例 7 白金を含有しない他は実施例1と全く同様にし
て完全触媒をえた。 実施例 8 白金を含有しない他は実施例3と全く同様にし
て完成触媒をえた。 実施例 9 十分に保温された円筒型燃焼器を用い、上流側
により第1層に実施例1でえられた触媒、第2層
に実施例2でえられた触媒、第3層に実施例1で
えられた触媒を充填し、入口温度350℃において
3容量%のメタンを含有するメタン−空気混合気
体を1時間あたり17.3Nm3導入して燃焼効率と触
媒層出口温度を測定した。この場合、触媒層入口
線速は約30m/秒であつた。 その結果、燃焼効率は約81%で、触媒層出口温
度は約920℃であつた。 次いで、メタン濃度を4.1容量%にすると、燃
焼効率は100%となり、未燃焼炭化水素、一酸化
炭素、窒素酸化物を実質的に含有しないクリーン
な燃焼ガスがえられた。この場合、触媒層後方
100mmの点の温度は約1300℃に達していたが、触
媒層出口温度は約925℃であつた。 引きつづき、3容量%相当分のメタンを触媒層
上流から、残り1.1容量%相当分のメタンを触媒
層出口より30mm後方から導入して、同様の燃焼実
験を行つた。 その結果、触媒層出口温度は約920℃であり、
クリーンな約1300℃の燃焼ガスがえられた。また
この性能は500時間にわたり維持継続した。 実施例 10 実施例9と同様にして表−1のとおりの触媒を
用い、3容量%相当分のメタンを触媒層上流か
ら、残り1.1容量%相当分のメタンを触媒層出口
より30mm後方から導入して燃焼実験を行つた。 結果は表−1のとおりであり、本発明による触
媒システム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、本発明によらない触媒システム、すなわ
ち第2層に実施例3の触媒を用いた触媒システム
および第1層に実施例8の触媒を用いた触媒シス
テムは、いずれも目的とする燃焼温度がえられて
いない。 【表】
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a catalyst system for catalytically burning methane-based fuel and a combustion method using the same. Specifically, the present invention catalytically burns flame-retardant methane or natural gas fuel mainly composed of methane on a catalyst to produce nitrogen oxides (hereinafter referred to as NOx), carbon monoxide (hereinafter referred to as CO), and nitrogen oxides. The present invention provides a catalyst system and a combustion method using the same for obtaining combustion gas that does not substantially contain harmful components such as combustion hydrocarbons (hereinafter referred to as UHC) and using the heat value as various energy sources. . More specifically, the present invention uses a catalyst to ignite and burn methane, which is said to be relatively difficult among hydrocarbons, or a natural gas fuel containing methane as a main component at a low temperature under high linear velocity. The temperature is raised to a temperature sufficient to induce gas-phase combustion, and then secondary fuel is introduced as necessary to cause gas-phase combustion of the remaining unburned fuel and secondary fuel to reach the desired temperature. The present invention provides a catalyst system that is suitably used in combustion systems that raise temperatures to higher temperatures, and a combustion method using the catalyst system. A catalytic combustion system is known in which a dilute gas mixture in which fuel is 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, little or no NOx is generated even if air is used as the oxygen source, and CO, UHC, etc.
It is also well known that it can be obtained without substantially containing it. 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. It has only been put into practical use in the temperature range. 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. When used for these purposes, the combustion gases are
It is normal to reach a high temperature of 1000 to 1300 degrees Celsius, and there is a tendency to raise the temperature even higher to improve the efficiency of gas turbines. When a catalyst is used under such conditions, the catalytic performance of a normal catalyst rapidly deteriorates due to the high temperature, and in the worst case, the catalyst carrier melts down and scatters.
There is a possibility of damaging the turbine blades. As a combustion method that avoids catalyst deterioration and damage as described above and achieves the same purpose, a part of the fuel is combusted in the catalyst layer, the gas temperature is raised to a temperature that induces secondary gas phase combustion, and then Perform secondary gas-phase combustion of the remaining unburned fuel behind the catalyst layer, or introduce secondary fuel if necessary to perform secondary combustion of the remaining unburned fuel and newly added secondary gas-phase combustion. A combustion method has been discovered that can produce clean combustion gas at or above the desired temperature. By using this method, it is possible to minimize NOx, which is generated in large amounts in the usual flame combustion method, because the flame combustion area can be made as small as possible. 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 necessarily 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 Rather, it is preferable that there is a large amount of residual unburned fuel because gas phase combustion is more likely to occur. The entire amount of fuel that can achieve the desired temperature may be introduced into the catalyst layer, a portion of which is combusted in the catalyst layer to raise the temperature, and then the remaining unburned fuel may be burned in the secondary gas phase. A portion may be left behind and introduced from the rear of the catalyst layer as a secondary fuel to be combined with the remaining unburned fuel and subjected to secondary gas phase combustion. This method is more preferable since it is possible to avoid raising the temperature of the catalyst layer to an unnecessarily high temperature, thereby avoiding deterioration and damage to the catalyst. The temperature required to induce secondary gas phase combustion is
It is determined by the type of fuel, residual fuel concentration (theoretical adiabatic combustion gas temperature), linear velocity, etc., and varies widely 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. Due to recent fuel circumstances, the fuel used for this purpose is mainly methane or natural gas containing methane as its main component, and the present invention ignites this flame-retardant fuel at a high linear velocity and at as low a temperature as possible. The purpose of the present invention is to provide a catalyst that can raise the temperature of combustion gas to a temperature of 750 to 1000°C. As a catalyst suitably used for this purpose, a noble metal catalyst is suitable, and a catalyst containing palladium as an active component is particularly desirable. Catalysts containing palladium as an active component are particularly excellent in low-temperature ignition of methane, and also have excellent heat resistance of about 1000°C. However, when a catalyst containing palladium as an active ingredient is used for the purpose of the present invention, the palladium is oxidized and loses methane ignition performance because it is exposed to high concentrations of oxygen at temperatures below 500°C near the inlet of the catalyst layer. On the other hand, the temperature near the exit of the catalyst layer is high, and the combustion reaction by the catalyst is suppressed, probably due to a change in the oxidation state of palladium, and the temperature of the combustion gas does not rise above 750℃, which is a drawback. I discovered that. The present inventors have focused on the excellent characteristics of a catalyst containing palladium as an active ingredient, and have completed the present invention as a result of intensive research aimed at overcoming the drawbacks of conventional catalysts. That is, the catalyst system according to the present invention includes a first layer catalyst having excellent low-temperature ignitability which is made of palladium and platinum as active ingredients, a second layer catalyst which is made of platinum as an active ingredient, and then a second layer catalyst which is made of platinum as an active ingredient. Alternatively, it is formed by optimally combining a third layer catalyst made of palladium and platinum. According to the invention, the first
The presence of a small amount of platinum in the layered catalyst prevents the deterioration of methane ignition performance due to palladium oxidation, and maintains low-temperature ignition performance for a long time.
The temperature of the combustion gas can be raised to 700-800℃, and then the temperature of the combustion gas can be raised to 750-900℃ by the second layer catalyst containing platinum as an active ingredient, which changes the oxidation state of palladium. It is carried to the third layer avoiding the temperature range where combustion is suppressed, which is thought to be caused by. Furthermore, combustion is promoted by the third layer catalyst with excellent heat resistance, and the combustion gas is reduced to 800 to 1000
They discovered that it is now possible to reach temperatures of 10°F. As a result, the catalyst layer as a whole can ignite methane or natural gas fuel with methane as its main component at low temperatures, raise the combustion gas to a temperature of 800 to 1000 degrees Celsius, and maintain its performance for a long time. This made it possible to maintain it for a long period of time. Each layer of catalyst may be prepared separately, and each catalyst may be directly connected or installed with a space between them, or a complete catalyst may be obtained by supporting each layer of catalyst in an integrated catalyst. The shape of the catalyst is preferably a monolith type for the purpose of reducing pressure loss. Any monolith support commonly used in the field can be used, in particular cordierite, mullite, alpha-alumina, zirconia, titania, titanium phosphate, aluminum, titanate, betalite, spodiumen, aluminosilicate, silica. Heat-resistant ceramic materials such as magnesium oxide, zirconia-spinel, zircon-mullite, silicon carbide, and silicon nitride, and metal materials such as Kanthal and Feclaroy are used. The cell size of the monolithic carrier is preferably large as long as the combustion efficiency is not reduced, and each catalyst layer may have the same cell size or a combination of different cell sizes. ~400 cells are 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.
500mm is adopted, and the length of each catalyst layer also depends on the inlet linear velocity.
It is optimally selected depending on usage conditions such as inlet temperature, but usually each layer has a thickness of 25 to 250 mm. The catalyst used in the first layer is usually prepared by coating the monolithic support with an active refractory metal oxide such as alumina, silica-alumina, magnesia, titania, zirconia, or silica-magnesia. Alumina or zirconia is particularly preferred;
Furthermore, alkaline earth metal oxides such as barium and strontium, lanthanum, cerium, neodymium,
Adding rare earth metal oxides such as praseodymium,
It is more preferable to use it after stabilizing it. Thereafter, the active components palladium and platinum are impregnated and catalyzed in the form of water-soluble salts. Alternatively, the active main component can be supported on an active, refractory metal oxide in advance and then catalyzed by coating it on a monolithic carrier. Palladium is 2 to 100 g per finished catalyst,
Preferably, 5 to 50 g of platinum is supported, and the weight ratio of platinum to palladium is 0.2 to 50%, preferably
It is used by adding 0.5 to 30%. The catalyst used in the second layer can be catalyzed by supporting platinum in the same way, but in this case, the catalyst is too active and the temperature in the catalyst layer rises to over 1000℃, causing sublimation of platinum. It may cause deactivation phenomenon. In order to avoid this and keep the catalyst layer temperature below 950℃, there are two ways to reduce the amount of platinum supported.
Several methods have been discovered, including a method in which the finished catalyst is calcined at a high temperature of over 1000℃ prior to use, a method in which coarsened platinum particles such as platinum black are used, and a method in which the cell size and layer length of the catalyst are optimally selected. However, these can be optimally selected depending on the conditions of use, ie, the type of fuel, concentration (theoretical adiabatic combustion gas temperature), linear velocity, etc. In addition, the catalyst used in the third layer can be catalyzed by supporting palladium or palladium and platinum in the same manner as the catalyst used in the first layer. 200 g, preferably 5 to 100 g, and the supported amount of platinum is 0 to 20 g, preferably 0 to 10 g. Alternatively, the catalyst may be directly supported on a monolithic carrier without using the catalyst-coactive refractory metal oxide in each layer. The fuel used in the combustion system using the catalyst of the present invention is methane or a fuel containing methane as a main component. A typical example is natural gas. Natural gas contains approximately 80% or more methane, although the composition ratio varies slightly depending on the region of production. Further, fermented methane from activated sludge treatment and low-calorie methane gas from coal gasification are also fuels used in the present invention. Naturally, more flammable propane, light oil, etc. can also be used. The catalyst of the present invention or the combustion system using the catalyst can be optimally incorporated into a gas turbine system for power generation as described above, but it can also be incorporated into a power generation boiler, a heat recovery boiler, or a combustion system that uses gas from a gas engine. It is used to efficiently recover heat and power through post-processing, city gas heating, etc. 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 an alumina powder slurry containing 5% by weight of lanthanum oxide, and fired at 900°C in air to coat and support 100 g per carrier. . This was then immersed in an aqueous solution containing palladium nitrate and chloroplatinic acid, dried and heated in air at 700 °C.
Calculated at °C, per 1 carrier, as palladium
A completed catalyst was obtained by supporting 10 g of platinum and 2 g of platinum. Example 2 In the same manner as in Example 1, 100 g of alumina powder containing 5% by weight of lanthanum oxide was coated and supported on each carrier. Next, this was immersed in an aqueous solution containing chloroplatinic acid, dried, and calcined in air at 900°C to support 2 g of platinum per carrier to obtain a completed catalyst. Example 3 In the same manner as in Example 1, 150 g of alumina powder containing 7% by weight neodymium oxide was added per carrier.
It was coated. Next, in the same manner as in Example 1, 20 g of palladium and 5 g of platinum were supported per carrier to obtain a completed catalyst. Example 4 Using alumina powder containing 7% by weight lanthanum oxide and 3% by weight neodymium oxide, 120 g of the alumina powder was coated and supported on each carrier in the same manner as in Example 1. This was then immersed in an aqueous solution containing a nitric acid solution of dinitro-diaminoplatinum, dried, and left in the air.
By burning at 1150°C, 15g of platinum was supported on each carrier to obtain a completed catalyst. Example 5 25.4 diameter with 40 cells/in2 aperture
mm, 10% by weight on a mullite honeycomb carrier with a length of 15 mm
Coated with a slurry of alumina powder containing lanthanum oxide and 20% by weight cerium oxide, and exposed to air.
It was fired at 1000°C to coat and support 80 g per carrier. Next, in the same manner as in Example 4, 15 g of platinum was supported on each carrier to obtain a completed catalyst. Example 6 A honeycomb carrier similar to Example 1 was coated with a slurry of alumina powder containing 5% by weight of cerium oxide and platinum powder having an average particle size of 5 μm, dried, and heated to 900°C. By calcining the catalyst, 100 g of alumina containing 5% by weight of cerium oxide and 10 g of platinum were supported on each carrier to obtain a completed catalyst. Example 7 A complete catalyst was obtained in exactly the same manner as in Example 1 except that it did not contain platinum. Example 8 A finished catalyst was obtained in exactly the same manner as in Example 3 except that platinum was not contained. Example 9 Using a sufficiently warmed cylindrical combustor, the catalyst obtained in Example 1 was placed in the first layer on the upstream side, the catalyst obtained in Example 2 was placed in the second layer, and the example was placed in the third layer. The catalyst obtained in step 1 was filled, and a methane-air mixture gas containing 3% by volume of methane was introduced at an inlet temperature of 350° C. at 17.3 Nm 3 per hour, and the combustion efficiency and catalyst bed outlet temperature were measured. In this case, the linear velocity at the entrance of the catalyst layer was about 30 m/sec. As a result, the combustion efficiency was approximately 81%, and the catalyst layer outlet temperature was approximately 920°C. Next, when the methane concentration was increased to 4.1% by volume, the combustion efficiency was 100%, and a clean combustion gas containing virtually no unburned hydrocarbons, carbon monoxide, or nitrogen oxides was obtained. In this case, the rear of the catalyst layer
The temperature at the 100 mm point reached approximately 1300°C, but the catalyst layer outlet temperature was approximately 925°C. Subsequently, a similar combustion experiment was conducted by introducing methane equivalent to 3% by volume from upstream of the catalyst bed and the remaining methane equivalent to 1.1% by volume from 30 mm behind the outlet of the catalyst bed. As a result, the catalyst bed outlet temperature was approximately 920℃,
Clean combustion gas of approximately 1300℃ was obtained. This performance was maintained for 500 hours. Example 10 Using the catalyst shown in Table 1 in the same manner as in Example 9, methane equivalent to 3% by volume was introduced from upstream of the catalyst layer, and methane equivalent to the remaining 1.1% by volume was introduced from 30 mm behind the outlet of the catalyst layer. and conducted combustion experiments. The results are shown in Table 1. Using the catalyst system according to the present invention, clean combustion gas of approximately 1300°C can be obtained even though the catalyst bed temperature is maintained below 1000°C, which does not cause a decrease in activity. On the other hand, the catalyst systems not according to the present invention, that is, the catalyst system using the catalyst of Example 3 in the second layer and the catalyst system using the catalyst of Example 8 in the first layer, both achieved the objective. Combustion temperature cannot be determined. 【table】

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 メタン系燃料−空気混合気体の流れに対し
て、入口側より第1層にパラジウムおよび白金を
活性成分とする触媒層、第2層に白金を活性成分
とする触媒層、第3層にパラジウムまたはパラジ
ウムおよび白金を活性成分とする触媒層を設けて
なることを特徴とする燃焼用触媒システム。 2 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 アルミナ被覆層がランタン、イツトリウム、
セリウム、サマリウム、ネオジムおよびプラセジ
ム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ことを特徴とする特
許請求の範囲2記載の触媒システム。 4 メタン系燃料−空気混合気体の流れに対し
て、入口側より第1層にパラジウムおよび白金を
活性成分とする触媒層、第2層に白金を活性成分
とする触媒層、第3層にパラジウムまたはパラジ
ウムおよび白金を活性成分とする触媒層を設けて
なる燃焼用触媒システムを用い、該システムにお
いて燃料の一部のみを当該触媒システムで燃焼せ
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。 5 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ことを特徴とす
る特許請求の範囲4記載の燃焼方法。 6 アルミナ被覆層がランタン、イツトリウム、
セリウム、サマリウム、ネオジムおよびプラセオ
ジム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ことを特徴とする
特許請求の範囲5記載の燃焼方法。 7 燃焼ガス温度を第1触媒層において700〜800
℃、第2触媒層において750〜900℃、第3触媒層
において800〜1000℃まで上昇させることを特徴
とする特許請求の範囲4、5または6記載の燃焼
方法。 8 メタン系燃料−空気混合気体の流れに対し
て、入口側より第1層にパラジウムおよび白金を
活性成分とする触媒層、第2層に白金を活性成分
とする触媒層、第3層にパラジウムまたはパラジ
ウムおよび白金を活性成分とする触媒層を設けて
なる燃焼用触媒システムを用い、該システムにお
いて燃料の全部または一部を当該触媒システムで
燃焼せしめて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次燃料を供給して2次気
相燃焼せしめることを特徴とする燃焼方法。
[Claims] 1. From the inlet side for the flow of a methane-based fuel-air mixture gas, the first layer is a catalyst layer containing palladium and platinum as active components, and the second layer is a catalyst layer containing platinum as an active component. A combustion catalyst system, characterized in that the third layer is a catalyst layer containing palladium or palladium and platinum as active components. 2. The catalyst system according to claim 1, wherein each active component is dispersed and supported on a monolithic carrier coated with alumina. 3 The alumina coating layer is lanthanum, yttrium,
3. The catalyst system according to claim 2, wherein the catalyst system is stabilized by at least one oxide selected from the group consisting of cerium, samarium, neodymium and prasedym. 4 For the flow of methane-based fuel-air mixed gas, from the inlet side, the first layer is a catalyst layer containing palladium and platinum as active ingredients, the second layer is a catalyst layer containing platinum as an active ingredient, and the third layer is palladium. Alternatively, a combustion catalyst system comprising a catalyst layer containing palladium and platinum as active components is used, and only a portion of the fuel is combusted in the system to a temperature that induces secondary gas phase combustion. A combustion method characterized by raising the temperature of combustion gas to a maximum temperature. 5. The combustion method according to claim 4, wherein each active ingredient is dispersed and supported on a monolithic carrier coated with alumina. 6 The alumina coating layer is lanthanum, yttrium,
The combustion method according to claim 5, wherein the combustion method is stabilized by at least one oxide selected from the group consisting of cerium, samarium, neodymium and praseodymium. 7 Set the combustion gas temperature to 700 to 800 in the first catalyst layer.
7. The combustion method according to claim 4, 5 or 6, characterized in that the temperature is raised to 750-900°C in the second catalyst layer and 800-1000°C in the third catalyst layer. 8 With respect to the flow of methane-based fuel-air mixture gas, from the inlet side, the first layer is a catalyst layer containing palladium and platinum as active ingredients, the second layer is a catalyst layer containing platinum as an active ingredient, and the third layer is palladium. Alternatively, a combustion catalyst system comprising a catalyst layer containing palladium and platinum as active components is used, and all or part of the fuel is combusted in the system to a temperature that induces secondary gas phase combustion. A combustion method characterized by further supplying a secondary fuel to the heated gas to cause secondary gas phase combustion.
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