JPH0128843B2 - - Google Patents

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に用いる
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
ス化ガスタービンシステム・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一系
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はスワラーである。

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。

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、
したがつて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、ハニカム構造の燃
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BC、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BC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BCで流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′D′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
815〜1650℃である旨、特開昭48−20766号では開
示されている。

しかしながら、上記した方式における問題点
は、領域CD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難い燃料を用
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1100℃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
富む低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、したがつて、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つた。

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つて燃焼させる第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を呼
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の工程では混合物が触媒充填部に
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′）に伴い触
媒内のガス流体の温度も上昇（図中の領域bc）
し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、コンプレツサー等により昇圧、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。ここで触媒反応によつ
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、
触媒を通過したパイプ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つている。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
よつて、一層混合、均一化され、ついでイグナイ
ターステイツク１７等により、あるいは自然着火
により容易に熱燃焼する。

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、300〜900℃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。これについて以下くわしく説明する。
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。

PdOPd＋１／２O₂ この平衡は温度と酸素分圧によつて支配されて
おり、高温になればなる程、また酸素濃度が減少
すればする程PdO→Pd＋１／２O₂の反応が進行し、 PdOが減少して触媒活性が低下する。したがつて
パラジウムを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900℃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、熱による触
媒の劣化が少なくなり好適である。またパラジウ
ムを主成分とした触媒は、燃料の種類にもよる
が、コンプレツサー等で昇温した燃焼用空気の温
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
加燃料の量、流出物あるいは混合ガスの流速、添
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
出物あるい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
になつて有効である。

〔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30mm長さは９cmであつた。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１０に流入し
た。触媒１０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／min、燃料１１の流量９
／min、燃料１２の流量４／minであつた。
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17cm、燃料１１の流量13／min、空気１３の
流量450／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つた。空気の予熱温
度は500℃であつた。

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。第７図で、，′はそれぞれ本発明、
従来例の燃焼効率、，′はそれぞれ本発明、
従来例の触媒温度、，′はそれぞれ本発明、
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２〜3ppmであつた。

実施例 ２ 触媒径が100mm長さが10cm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
テイツク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800℃、5000
時間加熱してから用いた。燃料１８の流量100N
／min、燃料１９の流量40N／min、350℃に
予熱した空気２０の流量4.8Nm³／min。燃料１９
は３個所から分散して添加した。

燃料、空気を流入したのち、イグナイターステ
イツク１７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イツク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3ppmであつた。また、触媒の最高温
度は、780℃であつた。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、模擬燃焼器を用いて燃
料１１，92／min及び420℃に予熱した燃焼用
空気１３，4.8m³／minを第１工程によつて混合
し、この混合物を第２工程に充填した、パラジウ
ムが主成分で径が100mmφ、長さ９cmのハニカム
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によつて火花を発して完全燃
焼状態にした後、スパークプラグ１７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。パラジウムが主成分で径が100mmφ、長さ
９cmの触媒を前段側に、ついで白金が主成分で径
が100mmφ、長さが９cmの接触を後段側に充填し、
燃料１１，132／min及び500℃に予熱した燃焼
用空気１２，4.8m³／minを供給した。

第１０図にこれらの結果を示した。第１０図に
おいてイ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、ニは従来例の触媒
温度、ホは本発明の圧力損失、ヘは従来例の圧力
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２〜3ppmであつた。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかなような、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、したがつて圧力損失が減少
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……スワラー、９，１６……燃焼管、１
０，１５……触媒、１１，１２，１８，１９……
燃料、１３，２０……空気、１４……排ガス、１
７……イグナイターステイツク、２１……燃料供
給パイプ。

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つて
   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。 ２ 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、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。 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。