JPS60122807A - 低窒素酸化物燃焼法 - 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、ガスタービン発電システム忙用いるガスター
ビン燃焼器内での燃料−空気の燃焼法に関し、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触
媒燃焼方式における低ＮＯｘ燃焼法に関する。

〔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に伴ない、種々の代替エネル
ギーが要求されているが、同時に、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電システム若
しくは石炭ガス化ガスターぎンシステムースチームター
ビン複合サイクル発電システムがある。これらの発電シ
ステムは、化石燃料を使用した従来のスチームタービン
による発電システムに比較しでその発電効率が高いので
、将来その生産量の増加が予想される天然ガスや石炭ガ
ス化ガス等の燃料を、有効に電力に変換できる発電シス
テムとして期待されている。

ガスタービン発電システムに使用されているガスタービ
ン燃焼器では、従来から、燃料と空気の混合物をスパー
クプラグ等により着火する均−系の燃焼方式が採用され
ている。このような燃焼器の１例を第１図に示す。第１
図の燃焼器では、燃料ノズルから噴射された燃料は燃焼
用餉気３と混合されたのち、スフ４−クシラグ２により
着火されて燃焼する。燃焼した気体、すなわち、燃焼ガ
スには冷却空気４及び希釈空気５が添加されて所定のガ
スタービン人口温度にまで冷却・希釈されたのち、ター
ビンノズル６からガスタービン内に噴射される。図で８
はスワラ−である。

例示した従来の燃焼器における最大の問題点の１つは、
燃料の燃焼時に多量の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、燃料
の燃焼時に、燃焼器内には部分的に２０００℃を超える
高温部が存在することにある０ このような問題点を解決するために、種々の燃焼方式が
検討されており、最近では、固相触媒を用いた不均一系
燃焼方式（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、冷却用あるいは希釈用
空気を必要とせず、燃焼用空気量が増加するので最高温
度が低くなり、したがって、ＮＯＸ発生量を極めて少な
くすることが可能になる。

第２図は、上記した触媒燃焼方式に用いる燃焼器の１例
の概念図であり、図中の数字はそれぞれ第１図と同じ要
素を表わす。この燃焼器は触媒充填部７を備えているこ
とが構造上の特徴である。

この触媒充填部７には通常、ハエカム構造の燃焼触媒が
充填されていて、ここで燃料と空気の混合物が充填触媒
に接触して触媒反応により燃焼する。

第３図に、触媒燃焼方式に用いる燃焼器内におけるガス
流体及び充填触媒の温度分布の一例を流体の流れ方向と
の関係で示す。

図で領域ＡＢは燃料と空気が混合される領域である。こ
こで混合されて成る混合物は、つぎに、領域ＢＣ１領域
ＣＤで構成される触媒充填部内の充填触媒と接触する。

領域Ｂｅでは、混合物が充填触媒の表面上のみで触媒反
応を起し、触媒の温度が点線で示した領域Ｂ′Ｃ′のよ
うに上昇する。その結果、触媒内のガス流体の温度も上
昇する。領域ＣＤでは、領域Ｂｅで流体温度が上昇して
いるので、充填触媒上では反応速度が一層大きくなり触
媒の温度も点線で示した領域ｃ／　ｏｌのように上昇す
る。その結果、充填触媒の温度は触媒内のガス流体の着
火温度よりも高くなり、そのため、この領域内では気相
燃焼も生起する。すなわち、この領域ＣＤでは触媒反応
と気相燃焼とが同時に生起しており、これが触媒燃焼方
式における顕著な特徴である。そして最後に、領域ＣＤ
から流出した流出流体は、未燃燃料を気相燃焼させてタ
ービン入口に流下していく。これが領域ＤＥである。

以上のような燃焼方式において、領域ＢＣ，領域ＣＤの
触媒充填部では、その充填触媒の温度が８１５〜１６５
０℃である旨、特開昭４８−２０７６６号では開示され
ている−０ しかしながら、上記した方式における問題点は、領域Ｃ
Ｄで充填触媒の温度が相当高温になる、すなわち、触媒
と接触するガス流体の着火温度より高いことが必要にな
るということである。例えば、メタンガスのように気相
燃焼し鰺い燃料を用いた場合、触媒温度が１０００℃以
上でないと燃料は実質的に完全燃焼しない。そのため、
充填触媒としては、その耐熱性が１０００あるいは１１
００℃以上のものが必要になる。

しかしながら、このような高温に耐えかつ長時間使用で
きる触媒は開発されていないのが現状であり、第３図に
示したような燃焼方式の実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の困難を解決した触媒燃
焼方式であり、大幅に耐久性、安定性に富も低ＮＯｘ燃
焼法の提供を目的とする。　゛〔発明の概要〕 本発明者らは、触媒充填部からの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に高いこと、又
は■流出物の燃料濃度が高いことのいずれかであり、更
に従来の触媒燃焼方式では、領域ＣＤで触媒反応と気相
燃焼を同時に生起させて流出物の温度を高めること、す
なわち■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、触媒充填部からの流出物に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燃焼が可能となり
、したがって、領域ＣＤを経由することなく低ＮＯｘで
完全燃焼が可能になるとの着想を得、該着想に基づき鋭
意研究を重ねた結果本発明を完成するに到った。

すなわち、本発明の低ＮＯｘ燃焼法は、燃料と空気を混
合する第１の工程；第１の工程で得られた混合物を充填
触媒に接触させて、該混合物の一部を触媒反応のみによ
って燃焼ｉせる第２の工程：及び、第２の工程から得ら
れた流出物に、更に燃料を添加して混合ガスとし、該混
合ガスを非触媒的に熱燃焼させる第３の工程を具備し、
該充填触媒の温度が該混合物の着火温度より低く、かつ
、該混合ガスの断熱火炎温度がＮＯｘの発生温度より低
、いことを特徴とする。又、上記第一の工程においては
、濃縮された酸素等酸化性気体が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。

該第１工程においてつくられた混合物の非燃料部分を一
般的には本発明においては空気と呼ぶ。

本発明の燃焼法で、ガス流体及び触媒のガス流体の流れ
方向における温度分布の態様を、第３図と同じように第
４図として示す。

まず、図で領域ａｂにおいて第１の工程が進行する。す
なわち、ここで燃料と空気が混合され、混合物となる。

ついで、第２の工程では齢物が触媒充填部に流入し、こ
こで充填触媒と接触して触媒反応を起し、触媒温度の上
昇（図中の領域ｂ′Ｃ′）に伴−触媒内のガス流体の温
度も上昇（図中の領域ｂｃ）ｊ、て触媒充填部から流出
していく。領域ｃｄは流出後の気相燃焼による温度上昇
を表わしている。具体的に第５図に例示した模式図を用
いて説明すれば、コンプレッサー等により昇圧、昇温さ
れた燃焼用空気１３と、燃料ノズル等より供給される燃
料１１とが混合されて混合物となり、該混合物は充填触
媒に供給される０ζこで触媒反応によって燃料の一部が
燃焼し触媒の温度は最高でおよそ９００℃程度にまで昇
温する。この程度の温度ではたとえばメタンガスのよう
な難燃性の燃料は触媒内で気相燃焼を起さない。そして
触媒からの流出物にさらに燃料が供給されて混合ガスを
生成する。この第５図においては、図に示したように、
触媒を通過したノ々イア°１９に燃料１１を通すという
方法を採用して燃料が加熱され、第３工程における燃焼
がおこりやすくなっている。さらに混合ガスは流れの拡
大する部位１５′を設けることによって、一層混合、均
一化され、ついでイグナイタースティック１７等により
、あるいは自然着火によす芥湯に熱燃焼する。

このとき、充填触媒の温度は混合物の着火温度より低い
ことが必要で、この温度が着火温度よりも高いと上記し
た触媒反応の外に気相燃焼も生起して触媒の熱劣化が進
行してしまう。通常は、燃料種にもよるが、３００〜９
００℃の範囲にあることが好ましい。触媒温度は、用い
る触媒種、触媒の形状、混合物の流速、燃料濃度等を適
宜に選定して決めることができる。

たとえば充填触媒としては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一例としてあげられる。これ
について以下ぐわしく説明する。

本発明者らは、パラジウムの触媒としての活性は主に酸
化パラジウム（ＰｄＯ）に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。

この平衡は温度と酸素分圧によって支配されており、高
温になればなる程、また酸素濃度が減少ＰｄＯが減少し
て触媒活性が低下する。したがって／？パラジウム主成
分とした触媒を用いれば、触媒の温度はある程度以上に
はならない。この温度はたとえばガスタービン燃焼器な
どの条件においては９００ｍ程度であると考えられる。

このため触媒の温度が必要以上に上昇しないため、熱に
よるラムを主成分とした触媒は、燃料の種類にもよるが
、コンプレッサー等で昇温した燃焼用空気の湿度程度で
も触媒反応が開始されるため、混合物を予熱する必要が
なく、予燃焼等の加熱を必要に応じて省略することも可
能となる。

さらに第３の工程では、触媒充填部から流出し、所定温
度に熱せられている流出物に、所定量の燃料を更に添加
して混合ガスとし、これに完全かつ安定した気相燃焼を
行なわせる。

このとき、混合ガスの断熱火炎温度を実質的にＮＯｘ発
生温度より低い温度に制御することが必要である。そう
でない場合には、’ＮＯＸが発生して本発明の目的は達
成されない。この制御は、添契撚料の量、流出物あるい
は混合ガスの流速、ナ加燃料の注入方式、燃焼器構造、
などを適宜に選定することにより容易に可能である。

また、この第３工程を進行せしめる個所に、流出物ある
−は混合ガスの流れを遅滞させる領域又は逆流させる領
域を設けると、熱燃焼が容易に進行するので好都合であ
る。更には、ここに点火源を設置すれば、混合ガスの気
相燃焼の開始が容易になって有効である。

〔発明の実施例〕

実施例１ 第６図に模式図として示した燃焼器を製作し、燃焼管９
の中に貴金属系ハニカム触媒１０を充填した。触媒の直
径は３０朋長さは９ｃＩｒＬ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に送
入して混合し、混合物を触媒ｌＯに流入した。触媒ｌＯ
からの流出物−に、燃料１２を添加し、排ガス１４をサ
ンプリングしてガス組成を測定した。なお、空気１３は
４００℃に予熱した。空気１３の流量４５０　／／ｍｉ
ｎ　、燃料１１の流１ｉｋｐノ／ｍｉｎ、燃料１２の流
量４／／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長さ１７ｃ
ＩＩＬｓ燃料１１の流量１３　Ａ！／ｍｉｎ　ｓ空気１
３の流量４５０　Ｊ／ｍｉｎ　、そして燃料１２は添加
しないで従来の触媒燃焼方式を行なった。空気の予熱温
度は５００℃であった。

両者の場合の燃焼効率、触媒温度、触媒充填部間の圧力
損失の経時変化を測定しそれらを第７図に示した０第７
図で、Ｉ、Ｉ’はそれぞれ本発明、従来例の燃焼効率、
ｎ、ｎ’はそれぞれ本１発明、従来例の触媒温度、■９
ｗはそれぞれ本発明１従来例の圧力損失である。

なお、ＮＯｘの発生量は、本発明では実験期間中２〜３
　ｐｐｍであった。

実施例２ 触媒径が１００ｍ長さが１ＯｃＩｒＬの触媒充填部を有
する第８図の燃焼器を製作した。この燃焼器では、触媒
充填部１５の下流で混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′は混合ガス
の流れの逆流域若しくは遅滞域となる。

そして、部位１５′にはイグナイタースティック１７が
設置されて点火源を構成している。実験に先立ち、触媒
は電気炉で８００６Ｃ，５０００時間加熱してから用−
た。燃料１８の流量１００　Ｎｌ　／　ｍｉｎ　ｓ燃料
１９の流量４　ＯＮＪ／ｍｉｎ　％　３５０℃に予熱し
た空気２０の流量４．８　Ｎｙ＠／ｍｉｎ　ｏ燃料１９
は３個所から分散して添加したみ 燃料、空気を流入したのち、イグナイタースティック１
７から火花を発して混合ガスを完全燃焼させてからイグ
ナイタースティック１７を引抜いた。

着火１時間後の燃焼効率は９９．９％以上、ＮＯｘ発生
量３　ｐｐｍであった。また、触媒の最高温度は７８０
℃であった。以上のことから、５０００時間以上の運転
が可能であると推定された。

実施例３ 第５図に示したような、模擬燃焼器を泪いて燃料１１，
９２１／ｍｉｎ及び４２０℃に予熱した燃焼用空気１３
＋　４．８ｍ／ｍｉｎを第１工程によって混合し、この
混合物を第２工程に充填した、パッジ２ムが主成分で径
が１００隨９’＋　長さ９αのハモカム形状触媒１０へ
と供給した。さらに第３工程において、触媒を通過した
パイプ２１を通して、燃料１９を４０　／／ｍｉｎで触
媒出口に供給した。そしてスパークプラグ１７によって
火花を発して完全燃焼状態にした後、スパークプラグ１
７は、引き抜いた。

また比較例として、従来の触媒燃焼を行なわせるために
、第９図に示したような模擬燃焼器を用いた。・母ラジ
ウムが主成分で径が１００寵ダ、長さ９σの触媒を前段
側に、ついで白金が主成分で径が１−００　ｘｗ　９６
＋　長さが９ａの触媒を後段側に充填し、燃料１１．　
１３２Ｉ！／ｍｉｎ及び５００℃に予熱した燃焼用空気
１２　、　４．８７／／ｍｉｎを供給した。

第１０図にこれらの結果を示した。第１０図において０
）は本発明の燃焼効率、（ロ）は従来例の燃焼効率、（
ハ）は本発明の触媒温度、←）は従来例の触媒温度、（
ホ）は本発明の圧力損失、（へ）は従来例の圧力損失を
それぞれ表している。このように本発明によれば長期間
に亘り安定な燃焼がおこなわれ、圧力損失も少ないこと
が明らかである。又試験期間中のＮＯｘ発生量は２〜３
　ｐｐｍであった〇〔発明の効果〕 以上の説明で明らかなように、本発明の燃焼法は従来の
方式と比較して、■従来方式における領域ＣＤ（触媒反
応と気相燃焼が同時に起る領域）を省略することができ
るので、触媒充填部の長さを短くすることができ、した
がって圧力損失が減少する。■触媒の領域ＣＤがない、
つまり触媒の高温部がなくなるので、充填触媒の熱劣化
を解消してその耐久性を大幅に改善することができる。

■気相燃焼の割合いが大きいのでタービンなどの出力変
動に対し容易に追随することができる。■そして、流出
物の熱燃焼温度をＮＯｘ発生温度より低く制御すること
ができるので、ＮＯｘ発生量を低減することが可能であ
る、などの利点を有しその工業的価値は極めて大である
。

【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図であ
る。第３図は従来−の触媒燃焼方式における触媒温度及
びガス流体温度の分布を示す図、第４図は本発明法に′
よる触媒温度及びガス流体温度の分布を示す図である。 第５図は本発明の効果を実証する実験装置の概念的模式
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２で用いた燃焼器の概念的模式図、第９図は実
施例３における比較例に用いた燃焼器の概念的模式図、
第１０図は実施例３の結果を表す特性図である。 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・・・希釈用空
気、６・・・タービンノズル、７・・・触媒充填部、８
・・・スワラ−１９，１６・・・燃焼管、１０．１５・
・・触媒、１１゜１２．１８．１９・・・燃料、１３．
２０・・・空気、１４・・・排ガス、１７・・・イグナ
イタースティック、２１ｖ・燃料供給パイプ。 第１図 第２図 第４図 炉曵ＳＡつ席境伸り境り肉− 第７図 時開　（ｈｒ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃料と空気を混合する第１の工程；第１の工程で得
   られた混合物を充填触媒に接触させて、該混合物の一部
   を触媒反応のみによって燃焼させる第２の工程：及び 第２の工程から得られた流出物に、更に燃料を添加して
   混合ガスとし該混合ガスを非触媒的に熱燃焼させる第３
   の工程を具備し、該充填触媒の温度が該混合物の着火温
   度より低く、かつ、該混合ガスの断熱火炎温度が窒素酸
   化物の発生温度より低いことを特徴とする低窒素酸化物
   燃焼法。 ２６　該充填触媒の温度が３００〜９００℃である特許
   請求の範囲第１項記載の低窒素酸化物燃焼法。 ３、第３の工程が行なわれる個所に、該混合ガスの流れ
   が遅滞若しくは逆流する部位が設けられている特許請求
   の範囲第１項記載の低窒素酸化物燃焼法。 ４、第３の工程が行なわれる個所に１点火源が設けられ
   ている特許請求の範囲第１項記載の低窒素酸化物燃焼法
   。 ５、パラジウムを主成分とする触媒を用いる特許請求の
   範囲第１項記載の低窒素酸化物燃焼法０ ６、第３の工程で、添加される燃料が、充填触媒を通過
   させた１本以上のパイプを通して、該流出物に添加され
   る特許請求の範囲第１項記載の低窒素酸化物燃焼法。