JPS62149346A - 燃焼用触媒 - 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、−酸化炭素（ＣＯ）、水素（Ｈｚ）、炭化前
ｔｌ　Ｃ）等の可燃性ガス、とくにメタン含有ガスを触
媒上で接触燃焼せしめ、窒素酸化物（ＮＯｘ）、−酸化
炭素（ＣＯ）、未燃焼炭化水素（Ｕｌ−ＩＣ）等の有害
成分を実質的に含有しない燃焼ガスを得、その熱量を各
種の一次エネルギー源として用いるだめの燃焼用触媒に
関する。

〈従来の技術〉 燃料を燃焼範囲に入らない低い濃度で空気と混合した希
薄混合気体を触媒層へ導入し、触媒上で接触燃焼せしめ
高温の燃焼ガスをえるだめの触媒燃焼システムは公知で
ある。

さらに、かかる触媒燃焼システムを用いて、たとえば６
００℃から１５００℃の燃焼ガスをえる場合、たとえ酸
素源に空気を用いてもＮＯｘがほとんどないしは全く発
生することがなく、またＣ０１Ｕ１）Ｃも実質的に含有
しないものとしてえられることもよく知られるところで
ある。

このクリーンな高温燃焼ガスを利用し、熱または動力を
えるシステムは各種提案され、一般産業排ガスの処理お
よび熱動力回収システノ・はすでに発電用ガスタービン
などの一次動力源用としてこの高温燃焼ガスを利用する
研究がなされるようになりつつある。

これらの接触燃焼システムには、アルミナ、ジルコニア
等の耐火性金属酸化物と、触媒活性成分であるＰＬ、Ｐ
ｄ、１？１１等の貴金属あるいはコバルト、ニッケル等
の卑金属の酸化物、さらにはＬａＣｏ０Ｊ等の複合酸化
物とをモノリス型４Ｕ′！体に担持せしめた触媒体が用
いられている。

く本発明が解決しようとする問題点〉 上記の如き触媒系を用い、ガスタービン等の一次動力源
として利用するシステムにおいては、タービンの特性上
触媒の使用条件は、ｌＯ〜２０気圧の高圧下であり、又
一方圧力損失を小さくし、燃焼器を小容量に保つために
触媒容量はできるだけ小さくすることが求められており
、その結果、線法として１０〜１１００（７秒）、空間
速度として８０万〜６００万（ｈｒ””’）と非常に過
酷な条件となる。

かかる高圧の条件下で、可燃性ガス、特にメタ犬に伴い
、貴金属等の活性成分ならびに触媒容：」１の増大が不
可欠となり、いまだ実用的に完成されたシステムを得る
には至っていない。

そこで本発明の目的は、上記の如き高圧下のガスタービ
ンに適用可能な条件下においても、より小さい触媒容量
で、メタン等の可燃性ガスを接触燃焼せしめ、ＣＯ，Ｎ
Ｏｘ　、　ＵｌｌＣ等の有害成分を実質的に含有しない
完全燃焼に至らしめつる燃焼用触媒を提供することにあ
る。

く問題点を解決するための手段〉 かかる目的を達成するために、本発明者らは可燃性ガス
のなかで最も難燃性であるメタンを用い、常圧から高圧
にわたる各種の条件下での接触燃焼に関して鋭意検討し
たところ、メタンの燃焼反応すなわち酸化反応は、ガス
入口側、すなわち前段部の低温域触媒においては、主に
触媒表面上での不均一反応に依存しており、一方ガス出
口側すなわち後段部の高温域においては、主に気相中で
の均一反応に依存しており、同−線速下での加圧による
ガス密度ならびにガス流量の増大に伴い、前段部の触媒
表面上での不均一反応は、燃料ガスの物質移動による拡
散律速から、触媒表面上での反行 応律速に移屓し、燃焼効率の低下を招くものであり、一
方後段部の気相中での均一燃焼反応は、燃焼効率の向上
を招くものであることを見い出し本発明を完成するに至
った。

すなわち本発明の燃焼用触媒は、例えば第１図第２図に
示しだ如く、燃料−空気混合気体の流れに対して入口側
から出口１Ｆ！＋１にかけて触媒断面積を順次小さくし
たことを特徴とし、その結果加圧下において活性低下を
招く前段部において空間速度を下げ、かつ活性物質であ
る貴金属等の金属表面積を高めることによって燃焼効率
の向上を計ると共に、加圧下において燃焼効率の向上を
招く後段部においては、触媒容量ならびに活性物質相持
量を減少させることによって、燃焼器形状に適した小容
量の燃焼用触媒で、高圧下の条件に訃いても完全燃焼に
至らしめることが可能となることを見出したのである。

さらに本発明における燃焼用触媒を具体的に説明する。

本発明における燃焼用触媒は、入口側から出口側にかけ
て触媒断面積を順次小さくせしめてなる。

具体的には、該触媒体は前段から後段にかけて数段に分
けて別個に調製し、各触媒を直結してまたは空間を設け
て設置してもよいしあるいは一体物の触媒体として完成
触媒としてもよい。

触媒の担体としては、圧力損失を少くする目的から、モ
ノリスタイプのものが好ましい。モノリス担体は通常当
該分野で使用されるものであればいずれも使用可能であ
り、とくにコージェライト、ムライト、α−アルミナ、
ジルコニア、チタニア、リン酸チタン、アルミニウムチ
タネート、ぜタライト、スポジュメン、アルミノシリケ
ート、ケイ酸マクネンウム、シルコニアースヒネル、ジ
ルコン−ムライト、炭化ケイ素、窒化ケイ素などの耐熱
性セラミック實のものやカンタル、フェクラロイ等の金
属製のものが使用される。

モノリス担体１体のセルサイズは、燃焼効率が低下しな
い限り大きいものが好−ましく、各触媒層は同一セルサ
イズでもよいし、寸だ異るセルサイズのものを組合せて
用いてもよく、通常−平一方インチあたり１Ｏ−ｌ１０
０セルのものが用いられる。

全触媒層長は特に使用される入口線速によって異るが、
圧力損失を少くする必要から通常５０〜：３００　ｍｍ
が採用され、各層の長さも圧ブハ燃料濃度、入口線速、
入口温度等の使用条件によって最適に選択さ、Ｆするが
、通常各層共１０〜２００朋が採用される。

としては、圧損の影響、燃焼器の形状ならびに使＜−＜
１の範囲にあることが好ましい。

触媒活性成分としては、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐ
（，１）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属の単体又は合金
の性能が最も秀れているが、その他ニッケル（Ｎｉ）、
コバルト（Ｃｏ）、りｏム（Ｃｒ）、鉄（Ｉｉ’ｅ）、
錫（Ｓｎ　）等の金属酸化物やＬ；ＩＣ０ＯＪ、　Ｃｕ
Ｃｒ０．　、　Ｍｎｌ？、、Ｏ，、等の複合酸化物をも
貴金属とｆｉｌ用することによって活性成分としての効
果を有する。

これらの活性成分とアルミナ、ンリカーアルミナ、マダ
イ・シア、チタニア、ジルコニア、シリカ−マグネノア
などの耐火性金属酸化物を前記モノリス担体に担持して
触媒化する。

」二記耐火性金属酸化物は、バリウム、ストロンチウム
等のアルカリ土類金属酸化物、ラノタ／、ネオジウム、
セリウム、プラセオジウムなどの希土類金属酸化物を添
加し安定化して用いるとより好ましい。

触媒成分の担持方法としては、耐火性金属酸化物をコー
ティングし、そのあと活性成分を水溶性の塩の形で含浸
せしめても良いし、あるいはあらかじめ活性成分を耐火
性金属酸化物に担持又は混合して、その後モノリス担体
に担持しても良い。

これら触媒成分は、使用条件に応じて入口側から出口側
にかけて最適に選定し組み合わせることによって本発明
は、さらに効果的なものとなる。

触媒成分の相持量は、必須成分である貴金属としては、
全触媒体当り０２〜１５重量％、好ましくは０５〜８重
量係、その他界金属の酸化物および複合酸化物としては
、全触媒体当り２．０〜３５．０重量係の範囲で、その
使用条件に応じて最適に担持される。

本発明の触媒を用いた燃焼システムに用いられる燃料は
、メタンないしメタンを主成分として含有する燃料であ
る。代表的なものは、天然ガスである。天然ガスは産地
により成分比は若干具るものの、はぼ８Ｏチ以上のメタ
ンを含有している。

まだ活性汚泥処理などからの醗酵メタンや石炭ガス化に
よる低カロリーメタンガスなども本発明で用いられる燃
料である。またより易燃性のプロパン、軽油等も当然使
用することができる。

本発明の触媒あるいは触媒を用いた燃焼システムは、前
述したように発電用ガスタービンシステムに最適に組み
込まれるものであるが、それ以外にも発電用ボイラ、熱
回収用ボイラ、ガスエンジンからのガスの後処理による
熱回収、都市ガス暖房など熱・動力回収を効率よく行う
７ステムに有利に組み込まれる。

〈実施例〉 以下に本発明を実施例により、さらに詳細に説明するが
、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではな
い。

実施例１ ２５０セル／平方インチの開孔部を有する直径３０　ｍ
ｍ　ｓ長さ２０朋のコージェライトハニカム担体に、７
重（７ｉ′％酸化ランタンならびに３重量製酸化ネオジ
ウムを含有するアルミナ粉末を被覆処理し、乾燥した後
空気中６００℃にて焼成することにより完成触媒当り酸
化ランタン、酸化ネオジウムアルミナ粉末として１６重
ｆｉ％被覆担持せしめた。

次いでこの担体を硝酸パラジウムおよび塩化白金酸を含
有する水溶液に浸漬し、乾燥した後、空気中６００℃に
て焼成することにより、完成触媒当りパラジウムとして
３５重量係、白金として０６重量係担持せしめて完成触
媒を得た。

実施例２ ２５０セル／モ方インチの開孔部を有する直径２５ｍｍ
、長さ２５ｍｍのコージェライトハニカム担体に、実施
例１と同様にして、１０重量％酸化セル す１クム含有アルミナ粉末と酸化ニッケｌ粉末との混合
スラリーを被覆処理し、完成触媒当り酸化セリウム含有
アルミナ粉末として１６６重量％酸化ニッケルとして・
１重量％担持せしめた。

次いでこの担体を硝酸パラジウムおよびジニトロジアミ
ノ白金を含有する水溶液に浸漬し、乾燥した後空気中で
７００℃にて焼成することにより完成触媒当りパラジウ
ムとして３重量％、白金として０．５重量％担持せしめ
て完成触媒を得た。

実施例３ ２００セル／平方インチの開孔部を有する直径２０ｍｒ
ｎ、長さ３０ｍｍのムライトハニカム担体に、ジルコニ
ア粉のスラリーと平均０．５ミクロンの粒径を有する白
金ブラック粉末を充分混合して被覆処理し、乾燥した後
空気中９００℃にて焼成することにより完成触媒当りジ
ルコニア粉末として２５５重量％白金として２．０重量
％を担持せしめて完成触媒を得た。

実施例４ ２００セル／平方インチの開孔部を有する直径１８ｍｍ
、長さ２０朋のムライトハニカム担体に、５重量部酸化
イツトリウムを含有するジルコニア粉末と、酸化クロム
粉末との混合スラリーを被覆処理し、乾燥した後空気中
１０００°Ｃて焼成して完成触媒当り酸化イツトリウム
含有ジルコニアとして１５５重量％酸化クロムとして１
０重間％担持せしめて完成触媒を得た。

比較例１ ２５０セル／平方インチの開孔部を有する直径が２３．
４　ｍｍ、長さが３’３ｍｍであるコージェライト・・
ニカム担体を用いた以外は、実施例１と全く同様にして
完成触媒を得た。

比較例２ ２５０セル／平方インチの開孔部を有する直径が２３．
４　ｍｍ　、長さが２８皿であるコージェライトハニカ
ム担体を用いた以外は、実施例２と全く同様にして完成
触媒を得た。

比較例３ ２００セル／平方インチの開孔部を有する直径が２　：
３．４　ｍｍ、長さが２２朋であるムライトハニカム４
１１体を用いた以外は、実施例３と全く同様にして完成
触媒を得た。

比較例１ ２００セル／Ｖ一方イ／チの開孔部を有する直径が２３
・Ｉ　ｍｍ、長さが１２＋ｎｍであるムライトハニカム
担体を用いた以外は、実施例４と全く同様にして完成触
媒を得だ。

実施例５ 十分に保温された、管径を入口から出口にかけて順次小
さくした燃焼器を用い、入口側から１段目に実施例１で
得られた触媒を、２段目に実施例２で得られた触媒を、
３段月に実施例３で得られた触媒を、４段目に実施例・
１で得られた触媒をそれぞれ１０朋の間隔をおいて充填
し、　入口温度：（５０”Ｃにおいて３．（５１容−ｔ
１ｉ％（ｌｉ’）　）　タフ　全含有するメクノー空気
混合気体を１０気圧の加圧下で、１１１２ノ間当り２０
０　Ｎｍ３（ＳＴ　ｌ））　導入シテ燃焼効率と各段触
媒層出口温度を測定した。この場合触媒容量は約４１ｉ
であった。

その結果は表１に示した。

比較例５ 十分に保温された円筒形燃焼器を用い、入口側から１段
目に比較例１で得られた触媒を、２段目に比較例２で得
られた触媒を、３段目に比較例３で得られた燃焼を、４
段目に比較例４で得られた触媒をそれぞれ１０ｍｍの間
隔をおいて充填し、入口温度３５０℃において３６・１
容量係のメタンを含有するメタン−空気混合気体をｌＯ
負気圧加圧下で１時間当り２００　Ｎｍ’　（ＳＴＩ’
　）導入して・燃焼効率ならびに各段触媒層出口温度を
測定した。

この場合触媒入口線速は約３０ｍ／秒であり、またここ
で用いた各段触媒の容量ならびに全触媒層長は実施例５
の場合とほぼ同等であった。

その結果は表１に示した。

実施例６ ２００セル／平方インチの開孔部を有する直径３０ｍｍ
、長さ３０ｍｍのコージェライト／・ニカムＪ′Ｉ′ｉ
体にｌＯ重ｈ＋、　＜酸化ランタン含有アルミナ粉末と
酸化ニッケル粉末との混合スラリーを被覆処理し乾燥し
た後空気中７００　”Ｃで焼成して完成触媒当り、酸化
ランタン含有アルミナとして１５重量係、酸化ニッケル
として１５重重量板覆担持せしめた。

次いでこの担体を硝酸パラジウムおよび塩化白金酸を含
有する水溶液に浸漬し、乾燥した後空気中９００　’Ｃ
にて焼成することにより、完成触媒当りパラジウムとし
て２５重量係、白金として０．５重量係担持せしめて完
成触媒を得た。

実施例７ ２００セル／平方インチの開孔部を有する直径が２２．
５ｍｍ、長さが３０龍のコージェライトハニカム担体を
用いた以外は、実施例１と全く同様にして完成触媒を得
た。

実施例８ ２００セル／Ｖ方インチの開孔部を有する直径が１５ｍ
ｍ、長さが３０ｍｍのコージェライトハニカム担体を用
いた以外は、実施例１と全く同様にして完成触媒を１（
ｔだ。

比Ｉ咬例６ 直径が２３．：３ｍｍ、長さが：３０　ｍｍのコージェ
ライト・・ニカム担体を用いた以外は、実施例１と全く
同様にして完成触媒を得だ。

実施例９ 十分に保温された管径を入口から出口にわたって順次小
さくした燃焼器を用い、入口側から１段目に実施例６で
えられた触媒を、２段目に実施例７でえられた触媒を、
３段目に実施例８でえらＪした触媒をそれぞれＩＯｍｒ
ｎの間隔をおいて充填し、入口温度３５０°Ｃにおいて
３．０１容量係のメタンを含有するメタン−空気混合気
体を８気圧の加圧下で１時間当り１０７Ｎｉ（ＳＴＰ）
導入して燃焼効率と各段触媒層出口温度を測定した。こ
の場合触媒容量は約３８．４Ｃ１）Ｌであった。

その結果は表２に示した。

比較例７ 十分に保温された円筒形燃焼器を用い、比較例６と全く
同じ触媒３個をそれぞれ１０ｍｍの間隔をおいて充填し
、入口温度３５０℃において：３．０容量飴のメタンを
含有するメタン−空気混合気体を８気圧の加圧下で１時
間当り１０７　Ｎｍｊ（ＳＴＰ）導入して燃焼効率なら
びに各段触媒層温度を測定した。この場合触媒容量は実
施例９とほぼ同等な３８１ｄであり、捷だ触媒層入口線
速は約２０ｍ／秒であった。

その結果は表２に示した。

表　　　１ 表　　　２ 〈発明の効果〉 以上実施例より明らかなように、触媒層入口から出口に
向って触媒断面積を順次小さくすることによって、より
小さい触媒容量で高圧、高空間速度の条件下で、ＣＯ，
ＮＯｘ、　ＵＨＣを実質に含有しない触媒燃焼による完
全燃焼が可能となり、ガスタービン等の燃焼部への触媒
燃焼の適応が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は、本発明触媒の一例を示すものである
。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）耐火性金属酸化物と触媒活性成分を担持したモノ
   リス型可燃性ガス燃焼用触媒において、燃料含有気体の
   流れに対してガス入口側から出口側にかけて該触媒断面
   積を順次小さくせしめることを特徴とする燃焼用触媒。
2. （２）該触媒がガスタービン用の燃焼用触媒であること
   を特徴とする特許請求の範囲（１）記載の燃焼用触媒。
3. （３）燃料にメタン含有撚料を用いることを特徴とする
   特許請求の範囲（１）または（２）記載の燃焼用触媒。