JPS6361723A - 触媒燃焼装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はガスタービン燃焼器の低ＮＯｘ燃焼を達成する
ための触媒燃焼法に係り、特にタービンの起動から定格
まで全域で低Ｎ　Ｏｘ　、完全燃焼せしめ得るように創
作した触媒燃焼器に関するものである。

〔従来技術〕

触媒燃焼は従来の気相燃焼方式と比べて、Ｎｏア排出量
を大幅に少なくすることができる共に、−酸化炭素、未
燃炭化水素も少なくなり、燃焼器の圧損を増やすことな
く、燃焼量を上げることが出来る。

第２図には触媒燃焼の基本原理を示す。横軸はガス温度
で、縦軸は触媒単位体積当りの燃料の反応量である。ガ
ス温度が低い領域では、燃料の反応割合が触媒の表面で
起こる固有の化学変化、即ち反応準則となる。ここでは
触媒表面とガス流との間の物質移動あるいは熱移動が化
学反応速度に比べて速くなる。そのために、触媒反応表
面における温度分布と濃度分布は、ガス流の温度分布あ
るいは濃度分布と本質的には等しくなる。

この化学反応が律則となる温度範囲を越えると物質に固
有の化学反応速度がその最高速度にほぼ等しくなる領域
となる。この温度になると、触媒表面とガス流との間に
物質と熱の移動が生じはじめる。この状態では触媒表面
温度はガス温度よりも高くなり、したがって、触媒表面
近傍での燃料濃度は主流のそれよりも低くなってくる。

さらに温度が上昇すると、触媒表面に拡散してくる活性
物質の割合に比例して反応速度が急激に速くなる領域と
なる。この領域では活性物質が触媒表面に到達後、直ち
に反応するため、触媒表面での活性物質濃度はほとんど
存在しなくなる。即ち活性物質が触媒表面にいかに到達
するかが支配条件となる拡散律則の領域となる。この拡
散律則では物質のもつ拡散係数が重要となるが、この拡
散係数が温度の影響をあまり受けないために、広い温度
範囲にわたって反応速度がほぼ一定となる。

さらに温度が上昇すると反応速度が急激に上昇し、つい
には気相反応となってしまう。

以上述べたことからも解る様に、触媒燃焼は拡散律則と
なる温度あるいはそれ以上の温度で使うことが有利であ
り、このことが実用」−必要である。

一方、上記条件での反応率を考えた場合、拡散律則とな
る温度条件の他に、拡散してくる活性物質を受は止める
十分な触媒表面が必要であることは言うまでもない。し
かし実際の燃焼器では、機体の寸法が小さいほど望まし
く、十分な触媒表面を得るために、触媒量を増やす方法
は望ましくない。そこで、拡散律則となる温度範囲とそ
れ以上の温度範囲とを組み合わせて燃焼器を作ることが
機体の寸法を小さくする有効な手段となる。

第３図は燃料濃度と触媒反応率との関係を示す。

横軸はガス温度、縦軸は反応率で、濃度をパラメータと
している。この図から、同じガス温度であっても、燃料
濃度の高い方が反応率が高くなることが解る。これは、
燃料濃度が高くなるほど、触媒表面での発熱温度が高く
なり、触媒表面付近のガス温度を上昇させ、拡散律則の
温度範囲を越えた領域、即ち均一気相反応が進む温度と
なる。即ち、実際の触媒燃焼器を想定した場合の可燃範
囲は燃料希薄側では燃焼効率によって制限され、燃料過
濃側では触媒の耐熱温度によって制限される。

したがって、両者を満足する燃料濃度範囲は非常に狭い
ものとなってしまう。

第４図は一般の発電用ガスタービンにおける燃料濃度と
タービン負荷との関係を示している。タービン起動途−
４二では燃料濃度が１％〜２％の範囲にあり、負荷状態
では１％〜４％程度の範囲となる。このように燃料濃度
が大幅に変化する領域で触媒を使った完全燃焼を達成す
ることが大きな課題となる。

しかるに従来公表されているものでは、たとえば特開昭
５８−９２７２９に示されるように、燃料濃度変化に対
しての考慮が燃料過濃側、即ち触媒耐熱温度に重点が置
かれ、燃料希薄側になった場合の燃焼性能に対しては特
に述べられていない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記特開昭５８−９２７２９に代表される様に、従来技
術は耐熱温度の違う触媒を複数個並べることによって、
燃料濃度の変化する場合にも使用しようとしたものであ
るが、個々の触媒には特有の完全燃焼可能な燃料下限濃
度があり、その範囲をはずれるとどんな触媒であっても
不完全燃焼になってしまい、したがって所要のガス温度
も得られないという、重要な点については格別の考慮が
為されていない。即ち、触媒にはそれぞれ固有の完全燃
焼可能な燃料下限濃度があり、ガスタービン用の燃焼器
のように燃料濃度の広い範囲で使用する場合に、いかに
タービン負荷全域で完全燃焼可能なシステムを組むかが
課題となる。

本発明の目的は、同一の耐熱温度触媒を用い、あるいは
耐熱温度の異なる少数種類の触媒を用いて、タービン負
荷全域でＮＯＸ発生を抑制しつつ完全燃焼を行わせ得る
触媒燃焼装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

先に述べたように触媒にはその触媒に固有の活性開始温
度と耐熱温度の限界とがある。限界付近で使用される場
合には燃焼効率も高くなるが、触媒活性開始温度付近で
使用される場合には燃焼効率は悪くなる。いいかえると
、燃焼温度が耐熱限界温度付近に′なるという条件にあ
っては、燃料濃度以下の燃料濃度で使用する場合には燃
焼効率は低くなる。ガスタービンでは必ずしも耐熱限界
温度付近となる燃料濃度でのみ使用されることはなく、
それ以外で使用される場合が多い。この条件で燃焼効率
を高める方法として、触媒に供給される予混合気の燃料
濃度を空気量の調節によって一定にするという考えもあ
るが、構造が複雑となり。

信頼性に欠けるという問題がある。

本発明では上記の様な欠点を解消し、タービン負荷全域
で完全燃焼するシステムを作るために、燃料濃度の低い
燃焼で発生する未燃の炭化水素を後流に設けた高温部で
再燃焼させ、しかもこの後流の高温部はＮＯｘの発生の
少い触媒燃焼によって得られるように構成したものであ
る。即ち、触媒層をガスの流れ方向に、複数段に分け、
各々の触媒層に燃料と空気との予混合気を別々に供給し
そのうちの少なくとも一つの予混合気濃度は、触媒出口
ガス温度が１０００℃以」二のパイロット炎となるよう
に一部の燃料を制御する。

〔作用〕

上記のように構成した触媒燃焼装置によれば、触媒層あ
るいは触媒層の一部をその触媒に固有の耐熱温度付近で
燃焼に関与させることによって、そこから高温ガスを得
、その触媒層よりも上流で発生した未然の炭化水素を、
その高温ガスで再燃焼させ完全燃焼を達成することが出
来る。即ち、前段の触媒層に供給された燃料は、部分反
応に必要な触媒体積によって、特定の燃料濃度の場合を
除いては未然の炭化水素と一酸化炭素とに分解される。

高温の未燃炭化水素と高温の一酸化炭素とに分解された
ガスは、後段の触媒を通過するときにさらに反応が進む
が、それでも反応しきらない燃料は後段触媒に存在する
高温のパイロット炎によって再燃焼する。後段に設けた
高温の触媒燃焼によって得られるパイロット炎は供給燃
料の一部を制御することで得ることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。触媒
燃焼器は２段の触媒層より成り、前段触媒層１、後段触
媒層２の様にガスの流れ方向に必要な間隔を設けて配列
される。各々の触媒層は燃焼器ライナ３の内部に保持さ
れている。燃料の供給口は、前段触媒１の上流の供給口
４と、後段触媒の上流の供給口５、と燃焼器ライナの頭
部の供給口６とが設けられている。主なる燃焼空気口は
、燃焼器頭部に付けた燃料ノズル７の周囲から旋回羽根
を通して供給されるものと、燃焼器頭部の拡散燃焼で得
られるガス温度を適性温度にするための希釈空気孔８か
ら供給されるものと、２段触媒に供給する燃料濃度を調
整するための空気孔９から供給されるものなどがある。

燃焼器ライナー３の後流には尾筒１２が連接され、ター
ビン入口に燃焼ガスを導く。燃焼器３と尾筒１２とはケ
ーシング１１内に収められている。燃焼用空気は圧縮機
出口ディフューザ１０から貯気槽１４に供給され、そこ
で流動方向を逆転して、燃焼器ライン３とケーシング１
−１とによって形成される空間を流れながら燃焼器頭部
に達する。

次に本発明による作動を説明する。ガスタービンがディ
ーゼルエンジン等の外部動力で起動されると、該ガスタ
ービンは徐々に回転数を増し、無負荷の定格回転数の２
０％程度になると、燃料ノズル６に燃料が供給され、点
火栓１３により着火され、拡散燃焼による燃焼を開始し
て自立運転に入る。更に燃料が徐々に増加すると、ター
ビンの回転数も増加し、圧縮機の吐出空気も徐々に増加
してくる。無負荷の定格回転数付近になると、前段触媒
１の入口ガス温度が５００℃程度になり、この高温ガス
によって、前段触媒］、後段触媒２が加熱され、はぼ５
００℃近くまで昇温する。この状態になると、前段触媒
１．後段触媒２とも活性開始が可能となる。そこで、前
段触媒１の上流の燃料ノズル４と後段触媒２の上流の燃
料ノズル５から燃料が供給され始める。この時、燃料ノ
ズル５から供給される燃料は、後段触媒の燃焼ガス温度
が局部的にその触媒の耐熱温度の限界付近（たとえば１
０００°Ｃ＋α℃）のパイロット炎１５を形成する。こ
の場合、パイロット炎１５の温度は、未然の炭火水素を
再燃焼せしめるに足りる温度であり、かつ、ＮＯｘの発
生が極小である温度となるように設定する（温度調節は
、後述の如く燃料供給量を調節して行う）。

本発明を実施する場合、局部的に制御された燃料（即ち
広い立方的区域について全区域の燃料濃度の制御が為さ
れていない状態で）燃料を有効に燃焼させてパイロット
炎を形成するよう、触媒層に仕切りを設けることもでき
る。上記の仕切りは触媒層を半径方向に分割する構造や
、円周方向に分割する構造が適用できる。パイロット炎
形成用燃料以外の燃料は、燃料ノズル４ないし、燃料ノ
ズル６から供給される。即ち、前段触［１の上流の予混
合気濃度は約１％〜３％程度まで大幅に変化するのに対
し、燃料ノズル５から供給される燃料の予混合気濃度は
、はぼ一定の値とする。

タービン負荷が約５０％程度になると、前段触媒出口の
ガス温度も上昇してくるため、１段触媒上流の予混合気
を予熱していた拡散燃焼も不必要となり、燃料ノズル６
への燃料供給は止めることができる。

前段触媒上流の予混合気濃度は負荷の変化などにより常
に変化しており、必ずしもその触媒の最適温度条件で使
用されない。そのために、前段触媒１における燃焼は必
ずしも完全燃焼しない。しかし、後段触媒の出口ガス温
度は必ずその触媒の最適温度条件で使用されており、１
０００℃以上（ＩＪ） のガスが得られているために、前段触媒１で生成される
未燃分は後段触媒を通過しながら反応しついには完全燃
焼する。

第５図に本実施例における燃料供給割合の制御例を示す
。タービン起動途上は燃料ノズル６からのみ必要量が供
給される。前段触媒の入口ガス温度が触媒活性に必要な
温度になると、燃料ノズル４．５から供給開始され、燃
料ノズル６の燃料は徐々に減らされてくる。この段階で
は、燃料ノズル５からの供給燃料量によって、パイロッ
ト炎を形成するに必要な濃度にコントロールされる。タ
ービン負荷が８０％以上になると空気量も増加するので
、それにみあった量だけ、燃料ノズル５からの供給量も
増やす。

本実施例にお・いては、触媒固有の最適燃料濃度以外で
使用しても、燃焼効率はタービン負荷全域で９９．９９
％以上を達成し、ＮＯ１排出量も数ｐｐｍ以下におさえ
ることができることが確認された。しかも、少ない触媒
層（本例において２層）で上記の効果を達成できるため
に、構造が簡単になるとともに、触媒層の構成にかかる
製造費用も少なくてすむ。たとえば１３００℃級のガス
温度を使用温度範囲の異なる触媒で構成する場合、触媒
の燃焼範囲はせいぜい±５％程度であるから従来技術に
よると触媒層は５段程度になる。これを本実施例によれ
ば、２段触媒ですむことになる。

第６図は横軸に触媒層、縦軸に未燃炭化水素の排出量を
示す。前段の触媒から排出された未燃炭化水素は後段の
パイロット炎で再燃焼されている。

第７図にその時のＮＯｘ排出量を示し、第８図にガス温
度を示した。ＮＯｘ排出量が従来と比べ極端に少なくな
っている。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明を適用すると、同一種類乃
至は少数種類の耐熱温度を有する触媒を用いて、ガスタ
ービン負荷の全域にわたって、Ｎｏ８発生を抑制すると
ともに完全燃焼を行わせることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の断面図である。第２図は触
媒における反応量と温度の関係を示す図表、第３図は燃
料濃度と反応量との関係を示す図表、第４図はタービン
負荷と燃料流量との関係を示す図表、第５図は前記実施
例における燃料制御の１例を示す図表、第６図はパイロ
ット炎による再燃焼効果を示す図表、第７図はＮＯｘ排
出量を示す図表、第８図はガス温度を示す図表である。 １．２・・・触媒層、３・・・燃焼器ライナ、４，５．
６・・・燃料ノズル、８・・・希釈空気孔、９・・・空
気孔、１５・・・パイコツ１〜炎。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、ガスタービンの燃焼器内に、ガス流方向に複数段の
   触媒層を設置した触媒燃焼器において、ガス流方向に最
   終段の触媒層の直近の上流側に燃料供給ノズルを設ける
   とともに燃料流量の制御手段を設け、該最終段の触媒層
   を含めて直近の下流側にパイロツト炎を形成し得るよう
   に構成したことを特徴とする触媒燃焼装置。