JP4360273B2

JP4360273B2 - 触媒燃焼器

Info

Publication number: JP4360273B2
Application number: JP2004164240A
Authority: JP
Inventors: 公美佐藤; 俊郎藤森; 徹柴沼
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2004-06-02
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2024-06-02
Also published as: JP2005344989A

Description

本発明は、燃料を予め空気と混合させて予混合ガスを作り、それを下流の触媒担持部で触媒により燃焼させるようにした触媒燃焼器に関する。

近年、ガスタービンエンジンにおいては、排ガス組成に関して厳しい環境基準が設けられており、特にＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量の低減が望まれている。この低ＮＯｘ化の手段として、燃焼室内に水や蒸気を噴射して燃焼火炎温度を低下させる方法が一般的に採用されているが、この方法では、エンジン熱効率の低下、悪い水質によるタービンなどの腐食に伴なうエンジン寿命の低下、さらには水質をよくするための前処理に要する設備および維持管理費の高騰などの種々の欠点があった。また、このような蒸気を用いないでＮＯｘを低減する方法として、予蒸発、希釈予混合燃焼方法が有効であることがよく知られている。しかし、この方法では、ＮＯｘ低減に限界があり、北米の特定地域で適用される２〜５ｐｐｍ（０_２＝１５％換算値、たとえば、北カリフォルニア州では２．５ｐｐｍ）という規制値に適合するためには、排ガス脱硝装置を併用する必要がある。

排ガス脱硝装置を用いずに２〜５ｐｐｍという低ＮＯｘを実現する方法として、特許文献１に開示されているように予熱した混合気を触媒により燃焼させるものがある。

特許第３３６４４９２号

以下、燃焼触媒について説明する。図４は特許文献１に開示された部分酸化触媒担持部の図面であり、図４（Ａ）は部分酸化触媒担持部を流れ方向に対して直角に切断した断面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）の展開図である。図４（Ａ）に示すように、部分酸化触媒担持部ａは、共に薄い金属製の平板ｂ、波板ｃを張り付け、それを渦巻状に巻き付けて円筒状に形成したハニカム構造であり、金属は耐熱ステンレス鋼などが使用される。

このように、部分酸化触媒担持部ａには平板ｂと波板ｃによって多数の略三角形の流路が形成されるが、図４（Ｂ）に示すように、壁面上に触媒コーティング層dを有する触媒コーティング流路ｅと壁面上に触媒コーティング層を有しない触媒なし流路ｆとが交互に隣り合った配置になっている。触媒は通常、パラジウムなどが使用される。

図５は部分酸化触媒担持部を流れ方向に対して平行に切断した断面図であり、部分酸化触媒担持部ａにおける作用の説明図である。図６は燃焼器内における温度変化を示すグラフである。

触媒燃焼とは、燃料と空気とを予め混合した予混合ガスを周壁に触媒コーティング層を有する細長い流路を通すと、予混合ガスは触媒の作用で反応し、燃焼が行なわれることをいう。触媒燃焼は、燃焼温度を低くすることができるので、ＮＯｘの発生が少ないという特徴がある。部分酸化触媒担持部ａの入口温度は希薄な燃料濃度でも安定して着火するためには５００℃程度必要である。また、触媒温度が１０００℃を超えると、触媒が変質したり、金属壁が溶けてしまうので、出口温度は１０００℃以下におさえる必要がある。図６は２０００ＫＷ程度の発電用のガスタービンに触媒燃焼器を使った場合について試算した温度のグラフである。この場合、空気を１．２ＭＰａ程度まで圧縮する圧縮機の出口温度は３８５℃であり、触媒燃焼には低すぎるので、プリバーナ（着火用バーナ）によって５００℃に昇温する。予混合ガスはその温度で部分酸化触媒担持部ａに流入する。

次に部分酸化触媒担持部ａにおける反応および流れについて、図５を用いて説明する。５００℃に昇温した予混合ガスｇは、部分酸化触媒担持部ａに流入する。部分酸化触媒担持部ａは、壁ｉ（図４では平板ｂまたは波板c）によって仕切られたハニカム構造であり、先に述べたように、壁ｉの一方の面に触媒コーティング層dを有し、他方の面は触媒コーティング層を有しない裸の面である。このように壁面が触媒コーティング層dである触媒コーティング流路ｅと、壁面が裸の面である触媒なし流路ｆとが交互に隣り合って配置された構造になっている。なお、壁には金属またはセラミックを使用する。

部分酸化触媒担持部ａ内の触媒コーティング流路ｅ内に流入した予混合ガスｇは、触媒の作用で触媒燃焼し、燃焼ガスｈとなって部分酸化触媒担持部ａから流出する。一方、触媒なし流路ｆに流入した予混合ガスｇは燃焼せず部分酸化触媒担持部ａから流出する。

触媒コーティング流路ｅ内での触媒燃焼によって発生した熱により流路内を流れるガスは昇温するが、発生した熱の一部は壁ｉを通って隣の触媒なし流路ｆ内を流れる予混合ガスｇを加熱し、燃焼しない予混合ガスｇも昇温する。したがって、部分酸化触媒担持部ａの出口では、燃焼ガスｈも予混合ガスｇも共に高温状態になっている。

部分酸化触媒担持部ａの下流では圧力、温度、燃料濃度などの条件に応じた着火遅れがあり、未燃の予混合ガスｇはこの着火遅れの後、気相反応で燃焼する。

再び図６に戻って説明する。図に示すように、部分酸化触媒担持部ａの出口の平均温度は９５０℃であり、気相着火遅れの間は、そのままの温度を保ち、気相反応による燃焼によって、１３５０℃まで昇温する。この例では、燃焼器出口とタービン入口との間に、図示しないスクロール部があるので、そこで２００℃降温し、タービン入口での温度（ＴＩＴ）は１１５０℃である。

このように、部分酸化触媒担持部ａ内では、触媒コーティング流路ｅと触媒なし流路ｆとを交互に配置し、互に壁ｉを介して熱交換するようにしたので、出口付近においても触媒コーティング層ｄの温度を触媒が劣化しない１０００℃以下に保つことができるとともに、触媒なし流路ｆを流れる予混合ガスｇの温度を気相反応しやすい高温にすることができる。さらに、触媒なし流路ｆを通る予混合ガスｇは、部分酸化触媒担持部ａの下流で気相反応で燃焼してガス全体の温度を高めるので、タービンの熱効率を高く維持できる。

部分酸化触媒担持部ａにおける燃焼は、低温で行なわれるので、ＮＯｘの発生が少ないし、部分酸化触媒担持部ａの下流側で行なわれる気相反応による燃焼は高温燃焼ではあるが、予混合ガスｇは、燃焼ガスhと混合して燃料が希薄な状態での燃焼なので、ＮＯｘの発生が少ない。

部分酸化触媒担持部ａにおける予混合燃料ガスの着火性能は、入口温度、圧力、ガスの種類、流速などが影響する。メタンを主成分とする都市ガスでは、常圧における着火温度は３５０〜４００℃であるが、圧力の上昇に伴い温度も上昇し１ＭＰａを超えると４００℃以上となる。また、着火温度は燃料濃度が高いほど低下する傾向にある。

ガスタービンの燃焼器では低負荷時やアイドリング時には流入する予混合燃料ガスの燃料濃度は低下し着火しにくくなるが、そのような場合でも安定して着火するためには、先に述べたようにプリバーナ（着火用バーナ）によって部分酸化触媒担持部に流入する予混合燃料ガスを５００℃程度に昇温する必要がある。しかし、プリバーナの使用はＮＯｘ排出につながる。また、プリバーナを低ＮＯｘ仕様にするためプリバーナだけで拡散燃焼用と予混合燃焼用の２つ以上の燃料系統を準備する必要がある。

本発明は従来技術のかかる問題点に鑑み案出されたもので、プリバーナではガスタービンの負荷にかかわらず高い濃度の予混合燃料ガスを使用できる点に着目し、プリバーナに触媒燃焼を採用することによって低ＮＯｘ化を達成できる触媒燃焼器を提供することを目的とする。

なお、特許文献２には燃料リッチな混合気を使用する触媒燃焼器が開示されている。しかし、特許文献２に開示された技術は、（１）プリバーナではなくメインのバーナに関するものであること、（２）予混合燃料ガスの燃料濃度は量論比未満ではなく、量論比を超える濃度であること、（３）触媒担持部の触媒無し流路を通るガスは予混合燃料ガスではなく空気であること、など本発明とは異なる。また、触媒燃焼では予混合燃料ガスの燃料濃度が量論比に近い場合に最も発熱量が大きいが、特許文献２に開示された触媒燃焼器では量論比を超える濃度で運転しているので、始動時には燃料濃度が量論比に近い状態を通過することになり、その時高温で燃焼触媒が変質したり、金属壁が溶けてしまう虞がある。

特表２００３−５２８２８３号

上記目的を達成するため本発明の触媒燃焼器は、触媒燃焼器の空気入口流路内に設けられてメインの触媒担持部に流入する空気を触媒着火温度まで上昇させる着火用触媒バーナを有する触媒燃焼器であって、該着火用触媒バーナは部分酸化触媒担持部を有し、該部分酸化触媒担持部に流入する予混合ガスの燃料濃度を、量論比未満であって、部分酸化触媒担持部に流入する空気の温度と圧力条件下で着火可能な濃度以上に保つものである。

上記部分酸化触媒担持部の下流側にミキサーと全量酸化触媒担持部とを設けてもよい。

次に本発明の作用を説明する。本発明の触媒燃焼器の着火用触媒バーナは部分酸化触媒担持部を有している。部分酸化触媒担持部とは先に図４および図５を用いて説明したように壁面が触媒コーティング層である触媒コーティング流路と、壁面が裸の面である触媒なし流路とが交互に隣り合って配置された構造になっているものをいう。この部分酸化触媒担持部に流入する予混合ガスの燃料濃度を、量論比未満であって、部分酸化触媒担持部に流入する空気の温度と圧力条件下で着火可能な濃度以上に保っているので安定して着火し、部分酸化触媒担持部で発熱して、メインの部分酸化触媒担持部に流入する空気を触媒着火温度（たとえば５００℃）まで上昇させることができる。着火用触媒バーナの部分酸化触媒担持部に流入する空気の温度と圧力条件下で着火可能な燃料濃度は実験によって決めることができるが、１例を挙げれば、空気の圧力が１．２ＭＰａ、温度が３８５℃で、当量比が０．３〜０．５あれば着火可能であった。なお、当量比とは実際の燃料／空気比の化学量論的燃料／空気比に対する比である。

着火用触媒バーナの部分酸化触媒担持部の下流では気相燃焼が起こらないので、気体中には未燃の燃料が混じっている。そこで部分酸化触媒担持部の下流側にミキサーと全量酸化触媒担持部とを設けて気体中の未燃の燃料を酸化する。なお、プリバーナで加熱された空気の全量がメインの部分酸化触媒担持部に流入する場合には、空気中の未燃の燃料はメインの部分酸化触媒担持部やその後の気相反応による燃焼で酸化されるので、この下流側のミキサーと全量酸化触媒担持部は省略しても良いが、バイパスする場合があるときには必要である。

以上述べたように本発明の触媒燃焼器はプリバーナとして触媒バーナを使用したので、従来のプリバーナのように、拡散燃焼や希薄予混合燃焼方式のバーナを使用する必要が無くて燃料系統も１系統でよく、しかも、超低ＮＯｘ化が実現できる。

以下、本発明の１実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の触媒燃焼器の着火用触媒バーナの断面図であり、図２は本発明の触媒燃焼器の断面図である。触媒燃焼器１は外筒２と内筒４とを有しており、外筒２と内筒４との間に圧縮空気２０の通路（空気入口流路）３が形成されている。外筒２の１端は鏡板２ａによって封止されている。内筒４の上流側には燃料噴射管５が設けられており、内筒４内に燃料２２を噴射する。その下流にはミキサー６が設けられ、更にその下流にメインの部分酸化触媒担持部７が設けられている。部分酸化触媒担持部７は先に図４や図５を用いて説明した部分酸化触媒担持部ａと同様の構造のものである。部分酸化触媒担持部７は上流側７ａと下流側７ｂの２段に分かれている。８はメインの部分酸化触媒担持部７の下流側に発生する火炎であり、着火遅れのため部分酸化触媒担持部７の下流端より少し離れている。４ａは内筒４の下流側端部の絞りである。

９は空気入口流路３内に設けられてメインの部分酸化触媒担持部７に流入する圧縮空気２０を触媒着火温度まで上昇させる着火用触媒バーナである。着火用触媒バーナ９は外側ケーシング１０と内側ケーシング１２とを有し、外側ケーシング１０と内側ケーシング１２との間に圧縮空気２０のバイパス流路２１が形成されている。内側ケーシング１２の上流側は直径が下流に向かって拡大する拡径部１２ａとなっており、ここで圧縮空気２０の流速を低下させる。拡径部１２ａの下流側に燃料噴射管１１が設けられており、内側ケーシング１２内に燃料２２を噴射する。その下流にはミキサー１３が設けられ、更にその下流に部分酸化触媒担持部１４が設けられている。部分酸化触媒担持部１４は先に図４や図５を用いて説明した部分酸化触媒担持部ａと同様の構造のものである。

内側ケーシング１２の下流には絞り１５が設けられている。絞り１５は部分酸化触媒担持部１４を出た気体２３とバイパス流路２１を通ってきた圧縮空気２０との混合を良くし、気相反応による燃焼を抑止するためのものである。１６は絞り１５の下流に設けられたミキサーである。１７は全量酸化触媒担持部である。全量酸化触媒担持部１７は先に図４や図５を用いて説明した部分酸化触媒担持部ａにおける全ての流路が触媒コーティング流路ｅになっているものである。

次に本実施形態の作用を説明する。本例では図示しない圧縮機で圧縮され触媒燃焼器１の空気入口流路３内に流入する圧縮空気２０の圧力は１．２ＭＰａ、温度は３８５℃である。圧縮空気２０の１部は着火用触媒バーナ９内に流入し、残部はバイパスする。着火用触媒バーナ９内に流入した圧縮空気２０の１部は内側ケーシング１２内に流入し、残部はバイパス流路２１内を流れる。内側ケーシング１２内に流入した圧縮空気２０は拡径部１２ａで減速するが、それは下流の部分酸化触媒担持部１４での着火を良くするためである。

拡径部１２ａの下流側の燃料噴射管１１から内側ケーシング１２内に燃料２２を噴射する。燃料２２の噴射量はミキサー１３後の予混合ガス２４の燃料濃度が部分酸化触媒担持部１４で着火可能な濃度以上になるような噴射量とする。着火可能な燃料濃度の下限値は実験によって決めることができる。図３はかかる実験結果を示すグラフで、横軸は触媒入口ガス温度（℃）、縦軸は触媒出口ガス温度（℃）である。このグラフで直線Ａは触媒入口ガス温度と触媒出口ガス温度が同じである状態を示し、曲線Ｃ、Ｄ、Ｅは燃料濃度を順次増加させた状態を示している。曲線Ｃ、Ｄ、Ｅが直線Ｂから離れて立ち上がった部分が着火した温度である。この図から分かるように燃料濃度を増加させて行くにつれて、着火温度が低下している。実験によれば圧縮空気の圧力が１．２ＭＰａ、温度が３８５℃であれば燃料濃度は当量比で０．３〜０．５あれば着火可能であった。

部分酸化触媒担持部１４を出た気体２２とバイパス流路２１を通ってきた圧縮空気２０とは絞り１５でよく混合し、ミキサー１６、全量酸化触媒担持部１７を経て気体２３に含まれる未燃の燃料は酸化され、着火用触媒バーナ９を流出する。ここで着火用触媒バーナ９をバイパスした圧縮空気２０と混合し、内筒４に流入する圧縮空気２０を５００℃まで昇温する。内筒４では更に燃料が吹き込まれ、ミキサー６を経てメインの部分酸化触媒担持部７に流入する。部分酸化触媒担持部７は上流側７ａと下流側７ｂの２段に分かれており、上流側７ａで１／２が酸化され、残りは下流側７ｂで更に１／２が酸化されるので全体では３／４が酸化される。メインの触媒担持部７を出た気体は着火遅れの後、気相反応で完全燃焼し火炎８を発生させる。

以上述べたように本発明の触媒燃焼器１はプリバーナとして着火用触媒バーナを使用したので、従来のプリバーナのように、拡散燃焼や希薄予混合燃焼方式のバーナを使用する必要が無くて燃料系統も１系統でよく、しかも、超低ＮＯｘ化が実現できる。

本発明は以上述べた実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。たとえば、内筒４内のメインの触媒燃焼の構造は図２に示すものに限らず他の構造のものであっても良い。

本発明の触媒燃焼器の着火用触媒バーナの断面図である。本発明の触媒燃焼器の断面図である。燃料濃度と着火温度の関係の実験結果を示すグラフである。（Ａ）は部分酸化触媒担持部を流れ方向に対して直角に切断した断面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）の展開図である。部分酸化触媒担持部を流れ方向に対して平行に切断した断面図である。２０００ＫＷ程度の発電用のガスタービンに触媒燃焼器を使った場合について試算した温度のグラフである。

符号の説明

１触媒燃焼器
３空気入口流路
７メインの部分酸化触媒担持部
９着火用触媒バーナ
１３ミキサー
１４部分酸化触媒担持部
１７全量酸化触媒担持部
２０空気
２４予混合ガス

Claims

外筒と外筒と同心に設けられた内筒とを有する触媒燃焼器の外筒と内筒との間の円環状の空気入口流路内に設けられて、内筒内のメインの部分酸化触媒担持部に流入する空気を触媒着火温度まで上昇させる円筒状の着火用触媒バーナを有する触媒燃焼器であって、該着火用触媒バーナは外筒と外筒と同心に設けられた内筒とを有していて、内筒内に部分酸化触媒担持部を有し、該部分酸化触媒担持部に流入する予混合ガスの燃料濃度を、量論比未満であって、該部分酸化触媒担持部に流入する空気の温度と圧力条件下で着火可能な濃度以上に保つことを特徴とする触媒燃焼器。
着火用触媒バーナの部分酸化触媒担持部の下流側にミキサーと全量酸化触媒担持部とを設けた請求項１記載の触媒燃焼器。