JPS60186622A - 触媒燃焼器 - 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、触媒燃焼方式を用いた燃焼器に関する。

〔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ビン−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
システムに比較してその発電効率が高いので、将来その
使用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
ン燃蝉器では、従来から、燃料と燃焼用空気の混合ガス
をスパークプラグ等により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図にしめす。

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
のガスタービン入口温度にまで冷却・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窒素酸化物（以下。

ＮＯｘ　という）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１５００℃を超える高温部が存在すること
にある。

このような問題点を解決するために、種々の燃焼方式が
検討されておシ、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、燃料と燃焼用空気の混合ガスを触
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
に示したような燃焼方式と比べて多量の燃焼用空気を燃
料と混合して燃焼させることができるため、燃焼の最高
温度が低くなシ、冷却用および希釈用空気はほとんどあ
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
媒燃焼方式を用いた燃焼器の１例の概念断面図であシ、
図中の数字はそれぞれ第１図と同じ要素を表わす。この
燃焼器は触媒部を備えていることが構造上の特徴である
。この触媒部には、ノ・ニカム構造の触媒体７が充填さ
れている。

従来の触媒体においては、触媒体との反応によ相燃焼と
が通常起こる。触媒体入口部においては、混合ガスの温
度が該混合ガスの着火温度よシ低いためこの領域では、
気相燃焼は起こらず触媒体表面における接触による触媒
反応燃焼のみが起こり熱を発生する。未燃の混合ガスは
、この熱を受けて加熱される。そして、前記混合ガスの
着火温度にまで昇温すると、燃焼は触媒体表面だけでな
く触媒体近辺の領域でも生じて、気相燃焼をもおこす。

この領域で社逆に気相部によυ触媒体が加熱されて高温
になり、その結果触媒活性が著しく低下したり、触媒体
が溶けたりして、触媒体の寿命を著しく短くする原因に
なる。

ところで、ガスタービンで要求されるタービンへ噴出す
る燃焼ガスの温度はおよそ１１００℃程度であるため、
燃料と燃焼用空気とからなる混合ガスをすべて触媒体内
において燃焼させて前記１１００℃程度まで燃焼ガスの
温度を昇温した場合も、上述のように触媒体の温度はか
なシ高温になる。本発明者らの実験でも触媒体の温度は
１０００℃〜１３００℃というデータが得られ、触媒体
の一部が溶けて破損しているのが観察されている。この
１１００℃〜１３００℃という高温に長期間耐え得る触
媒体はないのが現状であり、このような高温の燃焼ガス
を要求された場合、従来の触媒燃焼器ではその運用性困
難であり、効率も非常に悪くなる等の欠点を有していた
。

〔発明の目的〕

本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、長時間の耐
久性を備えさらに触媒体下流における安することを目的
とする。

〔発明の概要〕

本発明者らは鋭意研究した結果、触媒体下流における気
相燃焼を有効に利用し、触媒体への負荷を低減した触媒
燃焼器を見い出した。すなわち、燃料および燃焼用空気
からなる混合ガスをすべて触一体内で燃焼；させるので
はなく、触媒体内では触媒反応による触媒反応燃焼だけ
をおこし、さらに、触媒体下流における気相燃焼を利用
して未燃物を燃焼させることによシ、触媒体の温度を該
触媒体の１ｌｌｉ４熱温度以下に保ち、もって触媒体の
劣化をおさえて長寿命化をはかった。そして前記触媒体
下流においては、必要に応じて補助燃料等を加えて、気
相燃焼を促進させる。ここで、触媒体下流における前記
気相燃焼において、安定に保炎しさらに未燃燃料等の混
合を促進させて、部分的な燃ネ・１の高ｆ％度化による
高温化でのＮＯｘの発生をもさけるためＫ、触媒体下流
に非流線形体を設けたことが本発明の特徴である。

本発明による触媒燃焼器の１例を第３図の概念断面図に
示した。燃焼室内には触媒体７があり、燃焼器の上流端
には、燃料を供給する燃料噴射装置ｉが設置されて燃料
を噴射し、噴射された燃料に燃焼用空気３が供給されて
混合ガスをなしている。前記混合ガスは触媒体７に流入
し、燃焼をおこして昇温する。ここで、前記混合ガスの
混合比や前記混合ガスの流速等を制御し、触媒体の寸法
を適当に選ぶこと等により、前記触媒体内では触媒反応
燃焼だけをおこして少くとも燃料の一部を燃焼させて昇
温した複合ガスを生成する。そして、触媒体７から流出
した前記複合ガスを、触媒体下流において気相燃焼させ
る。ここで、必要に応じ触媒体下流に備えた補助燃料噴
射装置９および補助燃焼用空気噴射装置１０から、補助
燃料および補助燃焼用空気を供給して、より効果的に気
相燃焼をさせることが好ましい。また、ＮＯｘは燃焼温
度が１５００℃程度以上になると急激に増加発生するた
め、火炎温度が１５００℃未満になるように、補助燃料
等の量を調整する必要がある。

気相燃焼がおこる触媒体下流には非流線形体８がおかれ
ていて、触媒体を流出した複合ガスは、前記非流線形体
によって渦流を発生する。この渦流は閉じた循環領域に
なっており１周囲の未燃混合ガスの一部がこの中に取り
込まれ攪拌される間に燃焼が進行して高温の燃焼ガスと
なる。この高温の燃焼ガスがさらに周囲の未燃混合ガス
を加熱すると同時に活性化学種を供給して、点火源の役
目をはだし、保炎の効果をもたらす。

また、前記非流線形体に発熱手段を備えることくよシ、
燃焼開始時における。触媒体下流の気相燃焼の着火源と
することができる。すなわち、燃焼開始時に、触媒体に
おける燃焼だけで燃料濃度を高める等して、触媒体下流
における前記気相燃焼が生じる温度にまで昇温すること
も可能であるが、触媒体を高温化することは触媒体への
負荷を増大し、触媒体の寿命を著しく損なう。よって、
触媒体下流には着火源を設けることが望ましいが発熱手
段を備えた前記非流線形体が予熱の効果も含んだ着火源
として好ましく、さらに、燃焼中に燃料と空気との組成
や流量の変動等による温度低下がおこって失火しそうに
なった場合にも、前記発熱手段によって加熱を行なうこ
とにより、失火を未然に防ぐことも可能になる。

一方、触媒燃焼においては、燃料の種類によっても異な
るが、触媒体との反応を有効におこすために一般に触媒
体へ流入する混合ガスの温度を。

ある程度高くする必要がある。現在ガスタービン燃焼器
において、コンプレッサーから供給される燃焼用空気の
温度はおよそ３００℃であるが、３００℃以上の温度が
必要な場合には、燃料の一部をあらかじめ着火燃焼させ
て昇温する方法がある。しかしながら、燃料の一部を燃
焼させることは、燃焼室内へ供給する混合ガスの酸素濃
度の低下をもたらし、触媒燃焼へ悪影響をもたらすため
、燃料の一部燃焼による混合ガスの昇温にも限度がある
。そこで、第３図におけるＡ−Ａ’断面図を示した第４
図に表したように、非流線形体８に流通路を設け、燃料
あるいは燃焼用空気を前記流通路に流し、非流線形体壁
を通して熱交換して、昇温した前記燃料あるいは前記燃
焼用空気を触媒体に供給することが可能である。もちろ
ん条件によっては補助燃料あるいは補助燃焼用空気を同
様に昇温しでもなんら差しつかえは々い。そして、その
流量等を調整することによシ、望ましい昇温を得ること
ができる。第３図では図示していないが、非流線形体８
の下流に所定の燃焼ガスの温度を得るために冷却用空気
等を導入してもよい。また。

こむで用いている燃焼用空気あるいは冷却用空気等は濃
縮され′た酸素等によシなる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
がさらに加えられて希釈されてもよい。

前記非流線形体は、触媒体下流において必要に応じた渦
流を生じる形状をしていればよく、第３図、第４図にお
いて示した非流線形体８は円柱の形状をしているが、こ
の他にもたとえは球１円すい、７字型をなした形状等諸
条件にあわせて選ぶことが可能であり、その個数も単数
あるいは複数であってよい。さらに、場合によっては前
記非流線形体は触媒体の下流にあれば補助燃料噴射装置
等の前に位置してもよい。また材質は耐熱性のあるもの
が要求され、たとえば炭化けい素を主体とした非金属等
を用いることが可能である。

〔発明の実施例〕

実施例１ 第３図に示したような模擬燃焼器を使い、燃料は天然ガ
ス、触媒体としては、直径１００　ｍ　、長さ１００鴎
の貴金属系ハニカム触媒体を用いて燃焼を行なりすｆＩ
記天然ガス及び燃焼用空気よりなる混合ガスを４５０℃
まで加熱し、５００℃換算で２Ｑ　ｍ／　Ｓ〜５Ｑｍ／
ｓ　の流速で触媒体へ流入ｌ−九また、直径３０ａｍの
円柱形状をした非流線形体を゛　触媒体から４０＋ｍ離
れた下流に設置し、燃焼ガスのサンプリングの位置は触
媒体の下流２５０ｍとした。１ｓｔＩ記混合ガスの断熱
火炎温度は１２００℃である。流速を変えた時の結果を
第１表に示した。

比較例として他は同様の条件で非線形体を設置しな゛か
った場合も示しである。なお、燃焼時におけるＮＯｘは
すべて３　ｐｐｍ以下であった。

第　１　表 本発明における触媒燃焼器では、ガスタービンに必要な
高流速においても失火せず非常に高い燃焼効率を安定し
て示すのに対して、比較例においては混合ガスの流速が
はやまるにつれて失火してしまった。

実施例２ 第３図に示したような模保燃焼器を使い、燃料はメタン
、触媒体には実施例１と同様の貴金属系ハニカム触媒体
を用いて燃焼を行なった。前記触媒体の直径は１００ｍ
１１．長さ１０．０ｍである。触媒体７へ流入する混合
ガスの組成は、燃料と燃焼用空気のモル比を１．８　％
とし、前記混合ガスの温度は電気炉で５５０℃まで昇温
した。そして、供給声れた全燃料と燃焼用空気とのモル
比が２．６％になるように、補助燃料噴射装置１ｔ９よ
り燃料だけを供給した。さらに燃焼の開始時には非流線
形体８を発熱体として用いて、触媒体下流での燃焼を起
むさせた。定常状態忙達した後、触媒体の最後部の温度
は８１０℃であり、燃焼効率は９９チ以上、発生したＮ
Ｏｘは２　ｐｐｍ以下であった。

一方比較のため１本発明による非流線形体８がラグを用
いて着火し他は上記と同様の条件で燃焼させたところ、
触媒体下流での燃焼の安定が悪く、着火後５分で失火し
た。本発明に係る触媒燃焼器では触媒体７の温度はおよ
そ８００℃程度であり、触媒の耐熱温度内であった。

〔発明の効果〕

本発明による触媒燃焼器では、触媒体においての寿命が
大巾にのびる。さらに、触媒体下流における気相燃焼も
、前記触媒体下流に設置した非流線形体で保炎されるこ
とによって失火を防ぎ、高流速下においてもより安定し
た燃焼をおこなうことができる。また前記非流線形体に
よって攪拌されることからよシ均一に気相側の燃焼が檜
テなわれ、部分的な燃料の高濃度化による高温化をふせ
ぎ、もってＮＯｘの発生を防げる効果を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は通常燃焼方式のガスタービン燃焼器を示す概念
断面図、第２図り従来の触媒燃焼方式によるガスタービ
ン燃焼器の概念断面図、第３図は本発明に係る触媒燃焼
器の１例を示す概念断面図、第４図は第３回におけるＡ
−Ａ’の断面図である。 １・・・燃料噴射装置、２・・・着火装置、３・・・燃
燐用空気、４・・・冷却用空気、５・・・希釈用空気、
６・・・タービンノズル、７・・・触媒体、８・・・非
流線形体、９・・・補助燃料噴射装置、１０・・・補助
燃焼用空気噴射装置。 代理人　弁理士　則　近　憲　佑（ほか１名）第１図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料及び燃焼用空気を供給する手段と、供給され
   ／こ前記燃料及び前Ｇ［シ燃焼用空気を受ける入口端と
   、燃焼ガスを排出する出口端と、前記入口端から前記出
   口端に至る流路内に設置された触媒体とを有する触媒燃
   焼器において、前記触媒体を。 前記燃料及び前記燃焼用空気よりなる混合ガスの着火温
   度よシ低い温度に保持したまま前記混合ガスと接触させ
   ることにより、前記触媒体では触媒反応燃焼だけをおこ
   し、さらに前記触媒体の下流においては気相燃焼をおこ
   して、かつ前記触媒体と出口端との間における流路に非
   流線形体を設けたことを特徴とする触媒燃焼器。
2. （２）前記触媒体の下流に、補助燃料または補助燃料と
   補助燃焼用空気を供給する手段を備えたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第一項記載の触媒燃焼器。
3. （３）前記非流線形体が１発熱手段を備えたことを特徴
   とする特許請求の範囲第一項記載の触媒燃焼器。