JPH01242151A - 高温燃焼器用触媒体およびその製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明はＮＯｘ低減を目的とした触媒燃焼方式の高温燃
焼器用触媒体およびその製造方法に関し、例えばガスタ
ービン燃焼器、ａ沸し器、熱風発生器等に適用されるも
のである。

（従来の技術） 従来、高温触媒燃焼方式である高温燃焼器用として、高
温下で耐熱性、耐久性を有する触媒体の開発が望まれて
いる。

この方式によれば、触媒体に反応開始可能な温度の空気
／燃料混合気を供給して、燃料を燃焼させているが、触
媒体が混合気の燃焼を完結するのに十分な長さを有する
場合は、触媒体の出口温度は混合気の燃料濃度に対応し
て決まる。これに対して触媒体の長さを短くすると混合
気は完全に反応せずに、一部触媒体を未反応のまま通過
するようになり、この未反応分が使用条件により変化す
ることから触媒体の出口温度の予測か困難になる。

また、混合気の反応を完結させて、即ち燃料を１００％
燃焼させて、機器として必要な温度をｉ譜ようとすれば
触媒体の耐熱性、耐久性が問題となる。

そこで、特開昭６１−１’２６３３３号公報において予
燃焼領域、触媒入口側の予混合領域および触媒出口側の
気相燃焼領域に、それぞれ噴射弁と調整弁とを設けるこ
とにより、ＮＯｘ低減を図ると同時に出力低下防止を図
ったガスタービン燃焼器の制御装置が提案されている。

即ち、この装置は耐久性を考慮して触媒領域出口温度を
低く（但し、下流で気相反応可能な約８００℃以上）保
ち、燃料の不足分を触媒領域出口に供給して気相反応で
高温に上昇させてゆく形式のものである。同様の考え方
により、また特開昭５９−１０７１１９号公報では、触
媒燃焼方式によるガスタービンの燃焼方法において、セ
ラミック製の触媒充填部を通過させたパイプに燃料と空
気の混合気を供給し、充填部の出口部分に噴射させるこ
とにより、ガスタービンの負荷変動に出口以後の温度を
対応させるようにしたガスタービンの燃焼法が提案され
ている。

ところで、例えば、燃焼器出口温度が１２００℃のｉ器
の触媒体を考えると、１００％反応すれば１２００℃に
なる空気／燃料混合気であって、反応開始可能な温度の
混合気を供給した場合、この混合気が１００％反応すれ
ば、触媒体出口温度は１２００℃となり、支持体の耐熱
限度を超え、白金族触媒では揮散しまう。理想的な状態
は、触媒体出口で９００６Ｃ〜１０００°Ｃになる程度
に混合気が反応して、その残りの分は触媒体から未反応
状態で流出し、流出した所で完全に反応することである
が、このような触媒体の例は現在存在しない。

（発明が解決しようとする課題） 上記特開昭６１−１２６３３３号公報に記載のガスター
ビン燃焼器の制御装置では、燃料を３カ所から供給する
事および触媒体保護と気相反応維持の為高温の触媒体出
口温度を計測するように形成しである。このため、燃料
の流量制御が複雑となるだけでなく、制御の信頼性とい
う点で実用的でないという問題がある。

また、特開昭５９−１０７１１９号公報に記載の燃焼法
では、セラミック触媒体の中へパイプを通すため、耐久
性が損われる可能性があるという問題がある。

本発明は、斯る従来の問題点を課題としてなされたもの
で、耐久性、耐熱性が良好で、装置の構造を複雑にする
ことなく、触媒体出口温度を予測可能とし、混合気を均
一に、気相反応領域に導入する高温燃焼器用触媒体およ
びその製造方法を提供しようとするものである。

（課題を解決するための手段） 上記従来の課題を解決するために、第１発明は、内表面
に担体を介して触媒を担持させた触媒担持チャネルと、
これに隣接させた触媒を担持させない触媒無担持チャネ
ルとを設けて形成した。

また、第２発明は、多数のチャネルを有するハニカム構
造体からなる支持体の上記チャネルの内面に担体をウォ
ッシュコートした後、多数の孔を備え、かつ上記支持体
の端面に密着した状態で、上記チャネルのうちで端面を
閉じたチャネルに隣接するチャネルの端面に上記孔が位
置する形状の多孔パツキンを上記支持体の一方または両
側の端面に密着させて、触媒を含んだ液を多孔パツキン
の孔を介して、この孔の位置のチャネル内に含浸させ、
含浸後の支持体に熱処理を施すようにした。

（実施例） 次に、本発明の一実施例を図面にしたがって説明する。

第１図、第２図は、第１発明に係る触媒体１ａを示し、
）隻数の貫通孔であるチャネルを有するハニカム構造の
支持体２に、内表面に図示しない担体を介して触媒を担
持させた触媒担持チャネル（第２図中凶で示す。）３Ｘ
と、この周囲に隣接させた触媒を担持させない触媒無担
持チャネル（第２図中口で示す。）３Ｙとを設けて形成
しである。

ここで支持体２の材質としては、例えばコージェライト
のようなセラミックが適しており、担体としては例えば
γ−アルミナのような表面積の大きいセラミックが適し
ている。また、触媒には、混合気の燃焼促進作用が良好
な白金族金属が好ましい。

第３図は、上記構成からなる触媒体１ａを使用した機器
の例よしてガスタービン燃焼器１１を示し、筒状のケー
シング１２内に同じく筒状の燃焼器ライナ１３を配置し
て、燃焼器ライナ１３の周囲に空気流路としての空隙部
Ｉ４を形成するとともに、燃焼器ライナ１３内に触媒体
１ａが嵌挿しである。また、ケーシング１２外から燃焼
器ライナ１３内に燃料供給可能に燃料噴射弁１５および
燃料噴射弁１６を設ける一方、燃焼器ライナ１３内に空
気を流入させるために、燃焼器ライナ１３の側壁部の触
媒体１ａより右側の部分に空気流通孔１７Ｘおよび燃料
噴射弁１６より左側の部分に空気流通孔＋７Ｙ、Ｉ７Ｚ
を形成し、さらに燃料噴射弁１５の周囲に旋回羽根（ス
ワラ−）１８を取付けることにより、燃焼器ライナ１３
内にプリバーナ部＋９．燃料混合部２０および気相反応
部２１が形成しである。

そして、図示しない圧縮機より空隙部１４に導いた高圧
空気の一部を第３図中一番台側の空気流通孔１７Ｘから
直接気相反応部２１の後流に導き、即ちプリバーナ部１
９．燃料混合部２０をバイパスさせて、この気相反応部
２１の後流から下記するように燃焼ガスとともに図示し
ないガスタービンへと送り出している。このバイパスさ
せる空気量は、運転条件の変化に応じて適宜制御する。

一方、空気流通孔１７Ｘを経由しない残りの空気は空気
流通孔＋７Ｙ、１７Ｚからプリバーナ部１９内に流入さ
せて、ここで燃料噴射弁１５からの燃料の燃焼によって
予熱した後、燃料噴射弁■６からの燃料とともに燃料混
合部２０に導くよう、　になっている。燃料噴射弁１５
からの燃料が燃焼する際、旋回羽根１８より流入させる
空気が旋回して火炎を安定化させている。また、燃料混
合部２０は燃料と空気とを混合させる領域であって、こ
こでは、即ち触媒体１ａの入口までは混合気の燃焼はさ
せず、触媒体１ａの入口での混合気の温度は、燃料の種
類および使用する触媒の種類により異なるが、触媒体ｌ
ａ内で着火可能な温度以上になるように、燃料噴射弁１
５による燃焼量を制御する。

ついで、混合気を触媒体Ｉａ内の各チャネルに流入させ
て、触媒担持チャネル３ｘ内では着火、燃焼させ、触媒
無担持チャネル３Ｙ内では着火させずに、即ち未反応で
、通過させている。そして、この未反応の混合気を触媒
担持チャネル３Ｘからの燃焼している混合気とともに気
相反応部２１に流入させここで完全燃焼させるとともに
、燃焼ガスを空気流通孔１７Ｘからの空気とを混合して
、所望のタービン人口温度にして上記ガスタービンに供
給するように形成されている。

上述のように、触媒体１ａの各触媒担持チャネル３Ｘは
触媒無担持チャネル３Ｙにより取囲まれており、触媒担
持チャネル３ｘでは混合気か燃焼しても、触媒無担持チ
ャネル３Ｙては混合気は未反応のまま通過する。このた
め、触媒無担持チャネル３Ｙは触媒担持チャネル３Ｘに
対して冷却作用を及ぼし、触媒体１ａの過度な温度上昇
を抑制して触媒体を守っている。

また、このように２種類のチャネルを設けることにより
、触媒体１ａを出た気相反応部にて、即ち空気と燃料と
をよく混合した状態で、かつ高温の状態で混合気の未反
応分の燃焼が行われる。

なお、上記実施例では触媒担持チャネル３Ｘの周囲を、
対角線上の部分も含めて触媒無担持チャネル３Ｙで取囲
み、また両チャネルが同一断面形状のものを示したが本
発明はこれに限るものでなく、この他例えば以下に示す
形状のものも含まれる。

第４図は各チャネルの対角線と平行方向に同種のチャネ
ルを配設した触媒体１ｂで、第５図は断面積の大きい触
媒担持チャネル３ｘの周囲を断面積の小さい触媒無担持
チャネル３Ｙで取囲ませた触媒体１ｃを示したものであ
る。

次に、触媒体の各チャネルの軸方向距離（＋ｎｍ）と温
度（℃）との関係についての計算結果を第６図（横軸：
軸方向距離（ｍｍ）、縦軸：温度（℃））に示す。

なお、計算条件は以下の通りである。

触媒の種類：　パラジウム セルピッチ（同種チャネルの配置間隔）：５．５ｍｍ１
Ｗ圧、空気流ｍ：　　３０　Ｎｍ３／ｈｒ空燃比　　　
　：４０ ＵＲＥＦ（人口平均流速）：　　９〜Ｉ　Ｏｍ／ｓｅｃ
人口温度　　　：　３２０°Ｃ また、第６図中曲線１〜■は本発明の実施例の場合を示
し、曲線■は従来の場合、即ち触媒担持チャネルだけを
有する触媒体の場合を示し、さらに、このうち曲線Ｉは
触媒無担持チャネルのガス温度、曲線Ｖは触媒担持チャ
ネルのガス温度、曲線■は、第１図、第２図に示す触媒
体１ａ（無担持率δ＝７５％）のチャネル壁温、曲線■
は第５図に示す触媒体１ｃ（無担持率δ−３０％）のチ
ャネル壁温、曲線■は第４図に示す触媒体１ｂ（無担持
率δ−５０％）のチャネル壁温を示している。

なお、無担持率δ−０％のデータとして、電力中央研究
所報告“２８５０７１”（福澤ら）の実験結果を使用し
た。

ここで、無担持率δとは、例えば第２図に示すものと同
一の第７図に示す触媒体１ａの例で説明すると以下のよ
うに定義するものである。即ち、任意のｌっの触媒担持
チャネル３Ｘ（Ａ）を中心として、これとこの周囲の触
媒担持チャネル３ｘ（Ｂ、−、ｒ）との間にある触媒無
担持チャネル３Ｙの中心を結んだ線で囲まれた矩形ａ、
ｂ、ｃ、ｄの面積を８１．矩形ａ、ｂ、ｃ、ｄから中心
の触媒担持チャネル３Ｘ（Ａ）の断面を除いた触媒無担
持チャネル３Ｙの部分だけの面積をＳ、とすると、 δ＝（Ｓ　ｔ／ｓ　ｌ）Ｘ　１００ である。

この計算結果によれば、本発明に係るいずれの場合も各
チャネルの壁温の温度上昇は非常に少な、　くなってお
り、触媒体が劣化せずに長期運転が可能となり、特に曲
線■、■の場合における温度上昇抑制効果は顕著であり
、触媒無担持チャネル３Ｙ同志の隔壁２２が触媒担持チ
ャネル３Ｘに対して放熱用のフィンとして有効に働いて
いることが分かる。これに対して、第８図に示すように
触媒担持チャネル３Ｘ同志を隣接させた配置は、この隣
接チャネル間の隔壁２３が高温になり損傷を受は易いの
で避けるべきである。

また、本発明に係る触媒体の場合でも、担持チャネルを
通過して来るガス温度（曲線Ｖ）は、全てが、触媒担持
チャネルの従来タイプの場合のガス温度（曲線■）に比
べて差程低下しないため、気相反応に悪影響が生じるこ
ともない。なお、曲線Ｉの温度上昇分は曲線■の温度低
下分に対応している。

以上より、触媒体が同一断面形状のものからなる場合は
、無担持率δ−５０％以上、特に５０〜７５％が好まし
く、第５図に示す如く、異種断面形状のものからなる場
合は無担持率δ＝約２５％以上が好ましい。

また、上記の何れの場合も、無担持率δを大きくして行
けば、触媒面積が減って来るので、無担持率δの上限値
は要求される触媒反応量と触媒体の許容サイズとの両者
を考慮して決めればよい。

次に、上記構成からなる触媒体の製造方法に係る第２発
明の第１実施例について説明する。

第９図は、−例として触媒体１ｂの製造方法を示し、担
体、例えばγ−アルミナのような表面積の大きいセラミ
ックをウォッシュコートしたハニカム構造の多数のチャ
ネルを有する支持体２の両端面に、本実施例の場合は市
松模様に多数の孔をあけ、かっ番孔の位置および寸法を
支持体２の各チャネル断面位置、形状に合わせた、例え
ばゴム。

テフロン等の軟質プラスチックからなる多孔パツキン４
を当接させる。さらに、この当接させた両多孔パツキン
４の外側から環状の押え金具５にて、多孔パツキン４の
周縁部を押え付けて、支持体２の両端面に多孔パツキン
４を密着させ、この状態でボルト等で全体を一体的に固
定する。

この一体化したしの触媒活性成分を含む液中に浸して、
多孔パツキン４の孔部分に連通したチャネル内にだけ液
を含浸させた後、この一体化したものから支持体２を取
外す。そして、この取外した支持体２に空気雰囲気下８
００−１１００’ｃで熱処理を施すと、上述した触媒担
持チャネル３Ｘと触媒無担持チャネル３Ｙとを備えた触
媒体１ｂが製造される。

第１０図は、第２発明の第２実施例に係る触媒体の製造
方法を示し、第１実施例の場合と同様に担体をウォソソ
ユコートした支持体２の一方の端面に上記同様の市松模
様の多孔パツキン４を密着させ、多孔パツキン４側を上
にして、例えば水槽６上に保持する。

そして、上方のノズル７から触媒活性成分を含む液を多
孔パツキン４上に流下させて、多孔パツキン４の孔部分
に連通したチャネル内にだけ液を含浸させた後、この支
持体２に空気雰囲気下８００〜１１００℃で熱処理を施
すと、上記同様触媒体１ｂか製造される。

なお、本発明に、適用する支持体のチャネル断面形状、
多孔パツキンの庇形状、孔パターンは上記実施例に限定
されるものでないことは勿論である。

（効果） 以上の説明より、第１発明によれば、複数のチャネルを
有するハニカム構造の支持体に、内表面に担体を介して
触媒を担持させた触媒担持チャネルと、これに隣接させ
た触媒を担持させない触媒無担持チャネルとを設けて形
成しである。

このため、これを高温燃焼器に使用した場合、触媒無担
持チャネル内の反応しない混合気の冷却作用により触媒
体の過度の高温化は避けられ、触媒体の耐久性を向上さ
せることが出来る。

また、触媒体の平均温度を低くしても触媒担持チャネル
を通過して来るガスは高温になっており、かつ触媒無担
持チャネルにより空気とよく混合された混合気が触媒体
出口に供給されるので気…反応を促進させることが出来
る。燃料供給ステージの段数の減少が可能となり、運転
を簡単化することが出来る。

さらに、燃焼完結性の良い触媒と十分長い触媒体チャネ
ルの組合せで使用すると触媒担持チャネルの数と触媒無
担持チャネルの数の比から、任意の人口条件に対し、出
口平均温度および支持体の温度予測が出来、触媒体の性
能に依存する割合が低下させることが出来るという効果
を奏する。

また、第２発明によれば、複数のチャネルを有するハニ
カム構造体からなる支持体の上記チャネルの内面に担体
をウオツソユコートした後、多数の孔を備え、かつ上記
支持体の端面に密着した状態で、上記チャネルのうちで
端面を閉じたチャネルに隣接するチャネルの端面に上記
孔が位置する形状の多孔パツキンを上記支持体の一方ま
たは両側の端面に密着させて、触媒を含んだ液を多孔ツ
ク・ソキンの孔を介して、この孔の位置のチャネル内に
含浸させ、含浸後の支持体に熱処理を施すようにしであ
る。

このため、上記第１発明の効果を有する触媒体、即ち、
適宜パターンにしたがって、選択的に触媒担持チャネル
とした触媒体を容易に形成することが出来るという効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】 第１図は第１発明に係る触媒体の斜視図、第２図は第１
図に示す触媒体の端面の部分拡大正面図、第３図は第１
図に示す触媒体を適用したガスタービン燃焼器の断面図
、第４図、第５図は第１図に示す触媒体とは異なる第１
発明の変形例を示す部分拡大正面図、第６図は各種触媒
体におけろ軸方向距離と温度との関係の計算結果を示す
図、第７図は第２図と同一の部分を示す部分拡大正面図
、第８図は従来の触媒体の端面の部分拡大正面図、第９
図は第２発明の第１実施例に係る製造方法を示す分解斜
視図、第１０図は第２発明の第２実施例を示す概略断面
図である。 Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ・・・触媒体、２・・・支持体、３Ｘ
・・・触媒担持チャネル、３Ｙ・・触媒無担持チャネル
、４・・・多孔パツキン。 特　許　出　願　人　　株式会社神戸製鋼所代　理　人
　弁理士　　前出　葆　はか１名ＷＪ６図 策７図 第９図 第１０図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数のチャネルを有するハニカム構造の支持体に
   、内表面に担体を介して触媒を担持させた触媒担持チャ
   ネルと、これに隣接させた触媒を担持させない触媒無担
   持チャネルとを設けて形成したことを特徴とする高温燃
   焼器用触媒体。
2. （２）複数のチャネルを有するハニカム構造体からなる
   支持体の上記チャネルの内面に担体をウォッシュコート
   した後、多数の孔を備え、かつ上記支持体の端面に密着
   した状態で、上記チャネルのうちで端面を閉じたチャネ
   ルに隣接するチャネルの端面に上記孔が位置する形状の
   多孔パッキンを上記支持体の一方または両側の端面に密
   着させて、触媒を含んだ液を多孔パッキンの孔を介して
   、この孔の位置のチャネル内に含浸させ、含浸後の支持
   体に熱処理を施すことを特徴とする高温燃焼器用触媒体
   の製造方法。