JPS60200021A - ガスタ−ビン燃焼器 - 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、触媒燃焼方式によるガスタービン燃焼器に関
する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、石油資源等の枯渇化に伴い、エネルギー資源を効
率的に使用するため、例えば、ガスタービン等において
は、できるだけ高温（二おいて燃料を燃焼させることが
望まれている。

しかしながら、従来は、燃料と空気の混合物を、スパー
クプラグ等を用いて着火燃焼せしめる方法であるため、
燃焼器内において、部分的に２０００℃を超える高温部
が存在する。そして、この高温部において、窒素酸化物
（ＮＯｘ）が多量に生成し、環境汚染等の間鵬ヲ生ずる
ことが知られている。

このような問題を解消するために、触媒を用いて燃料と
空気の混合物を燃焼せしめる触媒燃焼方式が提案されて
いる。この燃焼方式によれば、均一燃焼が可能であり、
且つ、ＮＯｘが生成しない上限温度である１５００℃程
度まで、燃焼温度を高めることができる。

しかし、前記した触媒燃焼方式をガスタービンに適用す
る場合には、その燃焼用触媒に相反する二つの特性、即
ち１、低温着火性及び耐熱性が要求される。現在実用化
されているガスタービンにおいて、燃焼用空気３００℃
程度に予熱された後、圧縮送風機で燃焼器に導入されて
いる。そして、火炎燃焼した燃焼ガスは１２００℃程度
に冷却された後、タービン内へ送入される。従って、ガ
スタービン燃焼器では、該燃焼用触媒は３００℃程度の
温度で前記混合物を着火させると共に、燃焼ガス（二よ
る１２００℃程度の温度に耐えることが要求されること
になる。

上記した燃焼用触媒としては、白金（ｐｔ）系の貴金属
系触媒を使用することが考えられる。かかる貴金属系触
媒としては、例えば、第１図に示したように、−足の機
械的強度を有する耐熱性担体１上に、活性担体としての
γ−アルミナ（γ−ＡＩ４０３）被覆層２を設け、浸漬
法等により貴金属粒子３を担持せしめたもの等が知られ
ている。

しかしながら、このような貴金属系触媒においては、通
常、着火温度が３００℃以下の低温であるものは、その
耐熱温度が６００℃以下と言われており、それ以上の温
度領域では触媒活性が急速に低下するため実用には適さ
ないという問題点を有している。

６００℃以上の温度において、触媒活性が急速に低下す
る理由は、次のように考えることができる。

先ず、第１に、活性担体表面の貴金属粒子が熱移動によ
り凝集して粗大化するため、触媒表面積が減少し、燃焼
性能が低下する。そして、第２Ｃ１゛γ−Ａｔ、０３が
１０００℃付近からそれ以上の温度において、α−Ａｚ
３ｏｓに相転移するため、被覆層内において或いは被覆
層と耐熱性担体との間においてクラックが生じ、前記被
覆層が触媒金属と共に剥離脱落すること（二起因すると
考えられる。

そこで、貴金属系燃焼用触媒の耐熱性を向上せしめるた
めに、たとえばγ−Ａｔ２０．被覆層では、前記被覆層
全改良し、またγ−八へ０３被覆層上の貴金属粒子をγ
−ＡＩ４０ｇ　＋二価く吸着させて熱移動による凝集を
防止すると共に、γ−Ａ１４０ｇのα化を防止してクラ
ックの発生を防ぐことが試みられている。

そのため、γ−Ａｔ２０３被覆層への希土類を含む多く
の金属の添加等が試みられており、自動車触媒等では一
部実用化されつつあるが、ガスタービン燃焼器に用いる
触媒にめられるような６００℃を超える温度で長時間触
媒性能を発揮し持続した例はない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、低温着火性ζ二優れ、且つ６００〜１
２００℃の温度範囲においても、高活性及び長寿命を有
する触媒を備えて、ＮＯｘの発生が大幅に低減されたガ
スタービン燃焼器を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明者らは、上記した現況に鑑みて、６００℃以上の
高温においても使用可能な触媒について鋭意検討を重ね
た結果、各種金属全添加したアルミナと貴金属との高温
における相関を把握することによりガスタービン燃焼器
（二用いる触媒に要求される温度領域で特異な活性を有
する触媒を見い出し本発明となったものである。

本発明に係る触媒燃焼方式ガスタービン燃焼器は、燃焼
用触媒が第２図に示した様に三種類の異なった触媒によ
り構成されており、燃料ノズル７より噴射された燃料が
、空気８と混合して混合物をなし、ついで第１段触媒４
、第２段触媒５、および第３段触媒６（：より燃焼して
燃焼ガス９になりタービンへと流出していく。これらの
触媒は第３図で示したようにそれぞれ耐熱性担体１上６
二、パラジウム（Ｐａ）３　ａあるいは白金（ｐｔ）３
　ｂを含んだアルミナによる第１、第２及び第３被覆層
２ａ、２ｂ、及び２Ｃｔ設けた構造をしており、ここに
おいて、前記第１、第２及び第３被覆層に添加される金
属の種類が、第１被覆層においてはセリウム（Ｃｅ）、
第２被覆層においてはジルコニウム（Ｚｒ）、ストロン
チウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）の少なくとも１種以
上邦３被覆層においてはランタン（ＬＪ＆）、ネオジウ
ム（Ｎｄ）の少なくとも１種である事を特徴としている
。なお、図中矢印は混合物の流れ方向？示す。本発明に
おいて使用される耐熱性担体は、１２００℃程度の高温
酸化性雰囲気中においても安定な性質を有するものであ
ればいかなるものでもよく、これらの具体例としては、
コージライト、ムライト、α−アルミナ、ジルコニアス
ピネル、チタニア等のセラミック製担体等があげられる
。その形状は、ベレット状、ノ・ニカム状等があげられ
るが、特にハニカム状をとることが圧力損失等からして
も有利であり好ましい。これら第１．第２及び第３段触
媒は、第２図に示したように連続して設置する他に、条
件によっては間隔をあけて設置してもかまわない。

また、燃料と混合物をなす空気として、場合によっては
濃縮された酸素等より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Ｃ二は不活性なガス
によって空気がさらに希釈されていてもよい。

前記耐熱性担体上に設けるアルミナとしては、たとえば
γ−アルミナが活性担体としての機能を有しており好ま
しい。また、被覆層に添加される本発明に係る金属の種
類は、その金属を含む触媒が使用される温度条件におい
て、最高の活性を示すものとして選択されたものであり
、よって、その温度条件よＶ第１段触媒は８００℃以下
、第２段触媒は１０００℃以下、第３段触媒は１２００
℃以下で使用される。各々の範囲をこえた温贋で使用さ
れた場合、触媒活性は急激に低下する。

さらに第１．第２及び第３被覆層に添加される金属の景
は、その総量がそれぞれの被覆層をな丁Ａ／４０．　ｌ
二対し５〜３０重量％であることが好ましく、１０〜２
０重量％であることが更（二好ましい。添加する前記金
属の量が上記の範囲より少ない場合には耐熱性の向上が
認められず、一方多い場合には添加された金属の酸化物
が八４０３の粒界に多量に析出し、前記被覆層の強度が
低下してしまうためである。

本発明において使用される貴金属は経済的な条件から特
にパラジウムや白金が選択されるが、燃焼が進んでより
高温（二なる下流側の第２．第３段の触媒には貴金属そ
のものの耐熱性を向上した貴金属の合金（Ｐｄ−Ｒｈ、
Ｐｔ−Ｒｈ、Ｐｄ−８ｉ　、Ｐｔ−８ｔ等）を使用する
事が望せしい。また貴金属の担持量は、特に限定されな
いが、触媒活性の観点から触媒全琶に対し０．１〜１０
ｒ／ｌ　である事が好ましい。

上記した本発明に係るガスタービン燃焼器に用いる触媒
は、例えば、次のようにして製造することが可能である
。

先ず、アルミナゾル又はγ−Ａｔ、Ｏ，から成るアルミ
ナコーティング組成物に、貴金属及び各種添加金属を、
例えば、それらの金属の塩化物又は硝酸塩等の金属塩の
形で所定量添加する。

次いで、上記組成物を、例えば、ボールミル等を用いて
混合する。このようにして得たコーティング用液体を、
耐熱性担体に対し流しかけるか、又は耐熱性担体をコー
ティング用液体中に浸漬する等の操作により被値せしめ
、常温で充分乾燥した後、例えば、６５０℃で３時間程
度焼成する。

更に、例えば、水素雰囲気中、５５０℃で３時間程度焼
成することにより、本発明のガスタービン燃焼器に用い
る触媒を得ることができる。

本発明のガスタービン燃焼器Ｃ二用いる触媒が優れた耐
熱性を有する理由は明らかではないが、次のように考え
ることができる。

即ち、第３図に示すように、貴金属のＰｄ　３ａやＰｔ
　３ｂがＡｔ、０３中に含有されているために、貴金属
の熱移動が阻止されているものと思われる。

又、被覆層にγ−Ａｔ！０３を用いた場合にγ−ＡＺ、
Ｏ＝被覆層中に添加される金属（Ｃｅ、Ｚｒ、Ｓｒ、Ｂ
ａ、Ｌａ、Ｎｄ）が、γ−Ａｔコ０３のα−Ａｔ２０３
化を遅延せしめ、且つ、γ−Ａｔ、０．被覆層の結晶粒
界全微細化する効果を有するため、燃焼触媒の高熱≦二
よるり２ツクの発生及びその伝播が阻止されていると考
えられる。

〔発明の実施例〕

実施例１ 次に示す組成のアルミナコーティング組成物を調製した
。

アルミナゾル（固形分８０％）　１２５ｒ硝酸セリウム
　２５ｆ 塩化パラジウム　１０ｆ 上記組成物を、ボールミルを用いて常温で２時間混合し
、アルミナコーティング組成物を得た。

次いで、コージライト製ハニカム状担体（１平記アルミ
ナコ一テイング組成物を水に分散した液体を流しかけな
がらアルミナ組成物をすべて塗布した後、常温で約１日
乾燥した。このハニカム状担体を６５０℃で３時間焼成
した後、水素雰囲気中において、５５０℃で３時間焼成
し、本発明に係るガスタービン燃焼器の触媒（４）′ｆ
！：得た。

同様の手法を用いて、貴金属及び添加金属の種類を変え
たアルミナコーティング組成物を調製して、第１表に示
したような触媒（Ｂ）へ触媒（Ｉ）の８　ｆｉｌｔ類の
触媒を得た。同時に比較例として、第１表（＝示すよう
な貴金属および添加金属の種類と添加量全前記範囲外に
設足した触媒（ａ）へ触媒（ｆ）の６種類の触媒を同様
の手法によりそれぞれ調製した。上記触媒囚〜触媒（Ｉ
）及び触媒（ａ）〜触媒（ｆ）　’（ｒそれぞれ、エー
ジング温度全８００℃、１０００℃、　１２００℃とし
て電気炉でエージングを行なった後で、流通系試験装置
を用いて、その触媒特性を評価した。尚、試験条件は、
ガス流量：　５４４ｒ＋ｉｎ、燃焼ガス濃度；メタン（
ＣＨ４）　ｉ　％　ｖ触媒−）ｉ：１Ｑｃｃ及び空間速
度；３×１０　’　ｈｒ＝であり、触媒温度３００℃に
おける触媒活性を測定した。第１表に示したその結果か
ら８００℃までの温度範囲ではＰｄ−Ｃｅ　、ＩＱＱＱ
℃まではＰｄ−（Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｒ　のうちの１種類以
上）　、　１２００℃まではＰｔ−（Ｌａ、Ｎｄの少く
とも１独）が望筐しい触媒であることがわかる。以下侮
白 第　１　表 次いで、上記それぞれの触媒全第２表の様に適宜組み合
わせて燃焼用触媒を構成し、ガスタービン燃焼器に充填
して、前記ガスタービン燃焼器を運転した。そして、燃
焼効率９９．９％以上、及び燃焼がス９中のＮＮＯｘ３
ｐｐ以下という２つの基準で判定した。その結果、第２
表に示す様に本発明に係る触媒を適切に組み合わせた実
施例のみ判定は合格し、その他の本発明（二係る範囲以
外の比較例はたとえば貴金属Ｐｄ及びｐｔだけによる比
較例（１）や過剰の添加量Ｊ６’に含んだ触媒を用いた
比較例（２）等すべて前記基準を満足せず不合格であっ
た。また燃焼器運転中の触媒温度は第１段７００　℃ｔ
　紀２段り００℃、第３段１１００℃でｂった。

第２表から明らかな様に、本発明によるガスタービン燃
焼器は使用される温度域で特異な活性を示す３種の触媒
を適切に組み合わす（１（により、ガスタービン燃焼器
として高い燃焼効率と低ＮＯｘ化１１ｉ成したものでら
ジ、比較例のものと比べて格段に優れていることが確認
された。以千ｌＥ７第　２　表 また、本発明に係る触媒は、貴金属を用いているために
その特性である低温着火性を有しつつ、高耐熱性を備え
るという広い温度領域での使用が可能であり、それぞれ
の触媒をその高活性を保つ温度範囲で使用するために、
劣化が大巾に少なくなり、長寿命をも有している。

尚、上記実施例においては、３種の触媒により構成され
ているが、これはガスタービンの様な１２００Ｃを超え
る燃焼ガスを生成する場合であり、１０００℃以下の燃
焼ガス全生成する場合は本発明の触媒のうち低温側で使
用する２段の触媒で構成してもよい。

また触媒の温度は燃焼条件等で少し変化するため第１段
は８００℃、第２段１０００℃、第３段１２００℃以下
に制御する事が原則的（二必要であるが、これは、通常
の燃焼の場合、触媒の長さにより調整可能でらる。

〔発明の効果〕

本発明のガスタービン燃焼器は、従来の貴金属系、燃焼
用触媒を用いた燃焼器に比べて、低温着火性を保持しな
がら、その耐熱性が大幅に向上し長寿命を備えたもので
ある。従って、エネルギーの節約及び効率的利用が可能
であり、又、ＮｏＸ等をほとんど発生させることなく燃
焼が可能であるため、環境汚染等の問題を惹き起こ丁こ
とがないものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の貴金属系燃焼触媒の構造を示す模式図で
あり、第２図は本発明に係るガスタービン燃焼器の構造
を示す断面模式図、第３図は燃焼用触媒を構成する三種
類の触媒の構造を示す模式％式％ ６・・・第３段触媒　７・・・燃料ノズル８・・・空気
　９・・・燃焼ガス 代理人　弁理士　則　近　憲　佑　（ほか１名）第　１
　図 第２図 第　３　図 ｆ　２ｙ　／　ａ＋　／　Ｚｃ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料及び空気からなる混合物を触媒燃焼方式によ
   り燃焼させるガスタービン燃焼器において、前記ガスタ
   ービン燃焼器の燃焼用触媒が第１段触媒、第２段触媒及
   び第３段触媒の三種類の異なった触媒を具備し、 前記混合物の流れの上流側に位置する第１段触媒が、耐
   熱性担体上に貴金属とセリウムとを含むアルミナよりな
   る第１被覆層を設けた触媒からなり、ついで第２段触媒
   が、耐熱性担体上に貴金属とジルコニウム、ストロンチ
   ウム及びバリウムの少くとも１種以上の金属とを含むア
   ルミナよりなる第２被覆層を設けた触媒からなり、さら
   に下流側に位置する第３段触媒が耐熱性担体上に、貴金
   属とランタン、ネオジウムの少なくとも１種々の金属と
   を含むアルミナよりなる第３被覆層を設けた触媒からな
   ることを特徴とするガスタービン燃焼器。
2. （２）前記第１段触媒の使用上限温度が８００℃であり
   、前記第２段触媒の使用上限温度が１０００℃でちジ、
   前記第３段触媒の使用上限温度が１２００℃であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のガスタービン
   燃焼器。
3. （３）前記第１段触媒及び第２段触媒に用いられた貴金
   属がパラジウムであり、前記第３段触媒に用いられた貴
   金属が白金であること全特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載のガスタービン燃焼器。