JPH0252931A - 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】 し発明の目的】 （産業上の利用分野） この発明は触媒燃焼器に関し、特にガスタービン発電シ
ステム等に用いられる窒素酸化物（ＮＯＸ）の光生弔の
少ない触媒燃焼器に関する。

（従来の技術） 近年、石油資源等の枯渇化にｆ１′ｔ、ｚい、種々の代
替エネルギが要求されているが、同時にエネルギ資源の
効率的な使用も要求されている。これらの要求に答える
ものの中には、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、あるい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り、現在検討されつつ
ある。

これらのガスタービン・スチームタービン複合サイクル
発電システムは、化石燃料を使用した従来のスチームタ
ービンににる発電システムに比較して発電効率が高いた
め、将来生産量の増加が予想される天然ガスや石炭ガス
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。

このような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、従来より燃料と空気との混合
ガスをスパークプラグ等を用いて着火して均一な燃焼を
行っている。第５図に従来のガスタービン燃焼器の一例
が示されている。このガスタービン燃焼器においては、
燃料ノズル１から噴射された燃料２が燃焼用空気３と混
合され、スパークプラグ４により着火されて燃焼する。

そして、燃焼した気体、すなわち燃焼ガスは、冷却空気
５及び希釈空気６が加えられて、所定のタービン入Ｉ］
温度まで冷却、希釈された後、タービンノズル７からガ
スタービン内に噴射される。８はスワラ−である。

このような従来のガスタービン燃焼器における重大な問
題点の一つは、燃料の燃焼時に多量のＮＯｘが生成して
ｉ境汚染等の悪影響を及ぼすことである。そして、この
ＮＯＸが生成する理由は、燃料の燃焼時において、燃焼
器内には部分的に２０゛ＯＯ℃を超える高温部が存在す
ることにある。

このようなガスタービン燃焼器の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
媒を用いた触媒燃焼方式が提案されている。この触媒燃
焼方式は、触媒を用いており、通常の燃焼器では燃焼し
ない稀薄な燃料を燃焼させることができ、そのため燃焼
温度はＮＯｘが発生でる程には高温にならない。また、
タービン入口温度も従来のものと変わりないものとする
ことが可能である。

第６図は、触媒燃焼方式に用いる燃焼器の一例である。

図中の符号のうち第５図に示したものと同一のものはそ
れぞれ同一の要素を表わしている。

この燃焼器は、副ノズル９を備えると共に、ガス流路上
に触媒体１０を備えることが構造上の特徴である。触媒
体１０には、通常、ハニカム構）１与の燃焼触媒が充填
されていて、ここで燃料と空気の混合気体が燃焼させら
れる。

しかしながら、このようなガスタービン燃焼器にも、次
のような問題点がある。つまり、ガスタービンで要求さ
れるタービンへの噴射燃焼ガス温度は約１１００℃程度
であるため、その温度まで混合ガスを触媒体で燃焼さけ
た場合、触媒体それ自身は１１００℃より高温度まで加
熱されて触媒体が損壊してしまうという問題点である。

本発明の発明者らの実験においても、触媒体１０の温度
が１１００〜１３００℃まで置部してしまうことが確認
されている。そのような状況下にあるにも拘らず、１１
００〜１３００℃の高温下での耐性に優れた触媒体が現
状では存在しない。

そこで、本発明者らは、触媒燃焼方式をより確かなもの
とするために、触媒体１０の下流における気相燃焼を有
効に利用し、触媒体１０に対する熱による口筒を低減せ
しめた触媒燃焼法を先に提案した（特ｊ１１１ｎ５８−
２２９９６７号）。

この方式では、第７図に示すように、まず燃料２と空気
３との混合ガスを触媒体１０で燃焼させる。通常、触媒
体１０においては、難燃性燃料を用いる場合、触媒反応
による燃焼と気相燃焼とが同時に生起覆るが、上記の提
案においては、触媒反応による燃焼のみが生起するよう
に混合ガスの燃料濃度、温度、流量などをコントロール
している。したがって、触媒体は気相燃焼を伴なわない
ので高温にはならず、燃料もその一部だけが燃焼して、
未燃燃料を含む燃焼ガスが触媒体１０から気相燃焼室１
１に排出される。

排出された燃焼ガスに対して、燃料供給管１２より新た
に燃料を加えることにより、そのガス中における燃料濃
度を高め、触媒体１０の下流の気相燃焼室１１で気相燃
焼を生起させ、燃焼ガスの高温化を可能どする。

このことにより、触媒体の高温劣化をなくすと共に低Ｎ
Ｏｘ完全燃焼を達成したのである。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、このような触ｔｓ、燃焼方式のガスター
ビン燃焼器にも、次のような問題点がある。

それは、触媒体１０の寿命である。

すなわち、触媒体１０の劣化にともない触媒体１０によ
る燃料の燃焼が少なくなる。その結宋、触媒体１０の活
性が劣化すれば、触媒体１０を通過したガスの温度がＦ
がらず、気相燃焼が起りにくくなり、燃焼器から未燃燃
料が排出され、ついには失火することになる。そのため
、燃焼効率が悪くなる前に触媒体１０の交換等の対策を
とる必要があり、触媒体の活性劣化状態を正確に把握す
ることができなければならない。

このような問題点の解決のため、触媒体の寿命を予め設
定しておき、時期が来れば機械的に交換する対策をとる
ことが考えられるが、この場合、特にガスタービン燃焼
器のよ・うな変動運転、シャットダウンが煩繁に行われ
る苛酷な運転条件下では、予め予測した寿命が適用でき
るとは限らない。

そこで、適当な時期が来れば、燃焼器を解体して触媒体
の劣化の程度を確認でする対策もあるが、これでは多大
な労力を必要とし、しかも点検作業中は燃焼器の運転を
停止しなければならず、効率の良い運転ができない問題
点がある。

この発明は、このような従来の問題点に鑑みなされたも
ので、触媒燃焼器の運転を中断することなく触媒体の活
性劣化の程度を把握し、その交換時期を知ることができ
る触媒燃焼器を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） この発明の触媒燃焼器は、酸化性気体と燃料との混合ガ
スの供給部と、この混合ガス供給部からの混合ガスを触
媒反応により燃焼させる触媒体と、この触媒体の下流に
形成された気相燃焼室と、この気相燃焼室に接続され、
未燃燃料検出用触媒体の充填された分岐流路と、この分
岐流路内の未燃燃料検出用触媒体の触媒反応を確認する
ための昇温検出手段とを備えたものである。

（作用） この発明の触媒燃焼器では、混合ガスが触媒体に、むい
て触媒燃焼し、燃焼ガスを気相燃焼室に排出する。気相
燃焼室に送り込まれてきた燃焼ガスに未燃燃料が含まれ
ている場合、この気相燃焼室においてさらに気相燃焼さ
れ、ＮＯｘの少ない燃焼が行われることになる。

前記の触媒体の燃焼ガスは気相燃焼室に導入され、気相
燃焼室のガスの一部は分岐流路に導入される。そして、
この分岐流路内の未燃燃料検出用触媒体は、燃焼ガス中
に未燃燃料が含まれているならば、さらに触媒反応を起
こして燃焼し、この部分を昇温することになる。したが
って、昇温検出手段が昇温を検出するどき、触媒体が劣
化していて混合ガスの十分な触媒燃焼ができなくなって
いるものと判断することができ、触媒体の交換時期を容
易に知ることができる。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図に基づいて詳説する。

第１図はこの発明の一実施例を示すものであり、第５図
〜第７図に示した従来例と共通する部分には同一の符号
が付されている。燃料ノズル１から供給された燃料２は
、スパークプラグ４により着火されである程度まで昇温
する。この予燃焼は、混合ガスの温度を触媒体１ｏの作
用渦電まで高めて触媒反応を円滑に進めるために行われ
るものであり、用いる燃料の種類や触媒の種類によって
ＬＪ必ずしも必要としない場合がある。スワラ−８は、
火炎をを保持し予燃焼を安定にする。予燃焼したガスに
、副ノズル９から燃料を供給し混合ガスを形成し、触媒
体１０へ供給する。

混合ガス供給部の下流に設置されている触媒体１０には
、貴金属系ハニカム触媒が用いられる。

触媒体１０の下流側に気相燃焼室１１が形成されている
。この気相燃焼室１１には分岐流路１３が接続されてい
る。

この分岐流路１３には前記触媒体１０と同一素材の未燃
燃料検出用触媒体１４が充填され、開閉弁１５が取り付
けられている。この開閉弁１５を開にすることにより分
岐流路１３は人気に開放される。さらに、未燃燃料検出
用触媒体１４の前後に昇温検知手段として熱電対１６．
１７が設置されている。

上記の構成の融媒燃焼器の初年について、次に説明する
。

燃料供給ノズル１から供給されてくる燃料２は、燃焼用
空気３と混合され、スパークプラグ４により着火されて
予燃焼し、触媒体１０の作用温度まで昇温してから燃料
供給ノズル９から供給される燃料と混合し、混合ガスと
なりＦＩ！’ｌｉ休１０に流体する。

触媒体１０においては、混合ガスが触媒反応を起こし、
触媒燃焼する。

触媒体１０から排出されてくる！Ｉ！！焼ガスは気相燃
焼室１１に入り、ここで気相燃焼により完全燃焼し、タ
ービンノズル７からタービンに送り込まれる。

触媒体１０が劣化していて触媒反応が完全でないｊｆｉ
合、この触媒体１０からの燃焼ガスには未燃燃料が多く
含まれており、分岐流路１３において未燃燃料検出用触
媒体１４によりさらに触媒燃焼され、７ＨＱすることに
なる。したがって、この検出用触媒体１４の前接に設置
されている熱電対１６．１７間で温度に差が生じ、昇温
を検出することができる。そこで、この熱電対１６．１
７間での昇温の度合いを知ることにより触媒体１０の劣
化の程度を推測し、触媒体１０の交換時期を知ることが
できるのである。

なお、この分岐流路１３への燃焼ガスの流入は、燃焼ガ
ス圧力が大気圧より高いために、開閉弁１５を大気開放
にすることにより自然に行える。

第２図はこの発明の伯の実施例を示しており、気相燃焼
室１１に燃料供給管１２を接続し、触媒体１０からの燃
焼ガスに対して新たに燃料２を混合するようにしたもの
である。

この実施例の場合、新たな燃料が触媒体１０からの燃焼
ガスと混合されるため、気相燃焼室１１に入る混合ガス
の燃料濁度が高くなり、より高温で、かつＮＯｘのＲ生
を抑制した燃焼ガスを（ｑることができる。

なお、気相燃焼〒１１において、例えば第３図に示すよ
うなガスの流れを遅滞させ、もしくは逆流さぜる膨径部
１８を形成すると、ガス流がこの膨径部１８の内側に回
り込み、火炎が形成されて気相燃焼が安定して行われる
。

さらに、気相燃焼ｖ１１に第４図に示すようにイグナイ
タ等の点火源１９を設ければ、気相燃焼を容易に開始さ
けることが可能となり、有効である。

なお、−上記の各実施例ではガスタービン燃焼器につい
て述べたが、この発明は触媒燃焼方式の燃焼器であれば
広く適用でさるものである。

さらに１．上記の各実施例の場合には、背渇検出手段ど
して熱雷対１６．１７を用いたが、使の温度検出手段を
用いることも可能である。

また、触媒体１０の交換Ｕｆ明を何時にするかは昇温の
度合いにより決定すべきものであるが、燃料及び触媒体
１０．１４の種類、分岐流路１３の大きさ、流入ガス端
の大小等によって微妙に異なってくるため、システム毎
に実験的に決定される。

さらにまた、触媒体１０の活性の検知は常時行っておく
ことも可能であるが、その活性の急１１５Ｉな低下は機
械的な破壊以外には余り考えられないことなので、周期
的に行うようにしてもよい。

（発明の実施例） 第３図に示すような構造の融媒燃焼器を製作した。本実
施例の触媒体１０の直径は３００・、２φ、長さは１５
０　、、”、触媒体１４の直径は３０・、ミφ、長さは
３０ワミとし、同−組成の負金属系ハニカム触媒を用い
た。そして、分岐流路１３に流入する燃焼ガスは周囲の
冷却空気で間接冷却され、触媒体１４の入口で４００〜
６００℃となるように設定した。

燃料には天然ガスを用い、圧力１．３鮎／ルＴの条ｎ下
で試験を行った。

まず、燃料ノズル１より燃料を供給し、予燃焼により触
媒体１０の入口がス温度を４５０℃に貸濡し、流速は５
００℃換算で３０タイ／Ｓに設定した。

副燃料ノズル９から天然ガス（「１　）を空気（Ａ）と
の比Ｆ＋／八が０．０３になるように供給し、さらに燃
料供給管１２から天然ガス（Ｆ２）をＦ２／△が０．０
２になるように供給して燃焼を行った。

このときのタービンノズル７のガス分析を行うと、未燃
炭化水素（ＴＨＣ）　、−酸化炭素（Ｃｏ）共に２ｏｐ
ｐｍ以下、ＮＯＸは３ｐｐｍ以下であり、はぼ完全燃焼
していた。

この完全燃焼時に開閉弁１５を開放し、触媒体１４に燃
焼ガスを流入させ、触媒体１４の温度と触媒体入ロガス
温αの差より触媒体１４の温度上背を測定したところ、
触媒体１４の温度上昇はほとんど検知されなかった。

次に、予燃焼により触媒体１０の入口ガス温度を３００
℃に芦温し、流速は５００℃換算で３０賢／Ｓ、Ｆ＋／
Ａを０．０４、Ｆ２／Ａを０．０２に設定し、燃焼を行
った。

このときのタービンノズル７のガス分析を行うと、Ｔ　
ＨＣは約５００００ＤｒＴ１．Ｃｏは５００ｐｐｍ以Ｆ
、ＮＯＸは１〜２ｐｐｍであった。

そこで、開閉弁１５を人気開放し、触媒体１４に燃焼ガ
スを流入させて触媒体１４の温度上昇をヨ１１定したと
ころ、１００〜１２０℃の温度上昇が検知された。

［発明の効果］ 以上のことから明らかなようにこの発明によれば、保守
Ｈの労力を多く必要とせずに、ガス燃焼中にその燃焼を
中断することなく触媒体の活性劣化を検出し、その交換
時期を知ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の断面図、第２図はこの発
明の他の実施例の断面図、第３図はこの発明のさらに弛
の実施例の断面図、第４図はこの発明のさらに他の実施
例の断面図、第５図〜第７図は従来例の断面図である。 １・・・燃料ノズル　　　　２・・・燃料３・・・燃焼
用空気　　　　４・・・スパークプラグ１０・・・触媒
体　　　　　１１・・・気相燃焼室１３・・・分岐流路 １４・・・未燃燃料検出用触媒体

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸化性気体と燃料との混合ガスの供給部と、この
   混合ガス供給部からの混合ガスを触媒反応により燃焼さ
   せる触媒体と、この触媒体の下流に形成された気相燃焼
   室と、この気相燃焼室に接続され、未燃燃料検出用触媒
   体の充填された分岐流路と、この分岐流路内の未燃燃料
   検出用触媒体の触媒反応を確認するための昇温検出手段
   とを備えて成る触媒燃焼器。
2. （２）前記気相燃焼室が、燃料供給手段を備えているこ
   とを特徴とする請求項１記載の触媒燃焼器。
3. （３）前記気相燃焼室が、ガス流を遅滞させ、または逆
   流させる部分を備えていることを特徴とする請求項１記
   載の触媒燃焼器。
4. （４）前記気相燃焼室が、混合ガスの点火源を備えてい
   ることを特徴とする請求項１記載の触媒燃焼器。