JPS6179917A - 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】 〔発明の技術分野〕 本伯明は、触媒を用いて燃料を燃焼させる触媒・燃焼器
−こ関し、更に詳しくはガスタービン発電システム等に
用いられる窒素駿化物の発生量の少い融媒燃焼器に関す
る。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、石油貴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。これらの要求に答えるもの
の中には％例えば、粘材として天然ガスを使用するガス
タービンΦスチームタービン複合すイクルＡＩシステム
或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４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管スチームタービン複合すイクル
発゛（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、発電効率が高
いために、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、有効に電力番こ変換で
きる完成システムとして期待されている。

ガスタービン見′（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、燃料と空気の混合気体を、
スパークプラク等を用いて着火して均一系の燃・焼を行
なっている。このような燃焼器の一例を■３図に示す。

第３図の・燃焼器においてほ％燃料ノズル１から噴射さ
れた燃料が、燃焼用空気３と混合され、スパークプラグ
２により着火されて燃焼するものである。そして、燃焼
した気体すなわち燃焼ガスには、確動空気４及び希釈空
気５が加えられて、所定のタービン入口温度まで冷却・
希釈された後、タービンノズル６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１２免５ｆこおけるム犬な問題点の一
つは、燃料の燃焼時に多量のＮＯｘ　　ガスが生成して
環境汚染等を引き起こすことである。

上記ＮＯｘＯｘガス酸生成理由は、燃料の燃焼時４こお
いて、燃焼器内には部分的に２０００℃を超える高温部
ｆｌ≦存在するということにある。

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、同相触媒
を用いた触媒・燃焼方式が提′銘されている。

この触媒燃焼方式は、触媒を用いて、通常の燃尭器では
ｊ燃焼しない希薄な燃料を燃焼させることができ、その
ため然暁滉度はＮＯｘが発生する橿ｌこは高温にならな
い。また、タービン入口温度も従来のものと変わりなく
することが可能である。

第４図は、醜媒燃・４方式に用いる燃焼器の１例の概念
図である。図中の数字はそれぞれ＠１図と同じ要素を表
わす。この晧″暁器は触媒体７を備えることが構造上の
特徴である。触媒体７には、通常、・・二カム構造の燃
・廃触媒が充填されていて、ここで燃料と空気の混合気
体が燃焼させられている。

このような触媒燃焼器にも次のような欠点がある。つま
り、従来考えられているような触媒燃焼器では、接続さ
れた負荷の変動により燃焼器内に流れる燃料と酸化性気
体たとえば空気とからなる気相反応体の流量や流速、燃
料濃度等が変動しても、常に同一量の触媒体によって反
応させ燃焼させなくてはならない。よって前記気相反応
体の流量が多くなると、その流速が増して触媒体との接
触時間が不充分なため燃焼が不完全になる。あるいは失
火して燃焼できなくなる等の問題が生じ、又逆に前記気
相反応体の流量が少なくなると、流速が遅くなりそれだ
け気相反応体と触媒体との接触時間が増大して触媒体上
流側の一部だけで燃焼が完結してしまう等の問題が生じ
る。そして触媒体の温度が部分的に高温に１つて熱劣化
、−破壊等が生じ、寿命を著しく短くする。さらに燃焼
によって生じた高温ガスが触媒燃焼完結点からさらに下
流の触媒体を無駄に通過するため圧力損失も非常に大き
くなってしまう。よって気相反応体の流液等の変化ｔこ
かかわらず、安定な燃焼が行なえる触媒燃焼器が慢求さ
れていた。

〔発明の目的〕

本発明は上述した問題点ｉこ対してなされたもので、触
媒体に対する燃焼の負荷を一足に凍つことにより、安定
な黙暁が可能な触媒燃焼器を提供することを目的とする
。

〔発明の概要〕

本発明者らは上記目的を達成すべく研究を重ねた情果、
複数個の触媒体を気相反応体の流れ方向にそって所定の
間隔を有して配置し、かつ流れの−・、φ上流＋１！Ｉ
Ｉの触媒体と流れの最下流側の触媒体との間に少くとも
１つ以上の副燃料供給装置を配置することによって、本
目的が達成できることを見出したＯ すなわち１本発明に係る触媒燃焼器では、負荷の変動に
よって燃焼器内に流入する燃焼用の酸化性気体たとえば
空気等の流入量が変化した場合、それに応じて、従来よ
り用いられている触媒体より上流に立置した主燃料供給
装置あるいは複ａ設置された触媒体の間に位置する副燃
料供給装置を適宜通訳して燃料を供給することにより触
媒に対する負荷を一定の範囲に保つことができる構造を
有しているのである。

単１図に本発明に係る触媒燃焼器の一例を示した。本触
媒燃焼５１こおいて用いられる触媒体の設置量は、前記
触媒燃焼器ｌこかかる最大負荷に対応して設定されてい
る。そして、低負荷の場合には触媒体内でＩＱ　Ｊ−ｈ
ｓ完結しないように、触媒体間に配置した前記副燃料供
給装置から燃料を供給することにより、前記副燃料供給
や置よりも下流に位置する触媒だけが＠焼に用いて、そ
の時の負荷（こ応じた燃焼を行なうことができる。また
、本発明者らは触媒体内では触媒反応のみによって燃料
の一部だけを燃焼させ、触媒体の下流域で気相燃焼させ
る触媒燃焼方法を先に先願として提案しているが、この
ような方法（こおいても本発明に係る触媒黙ｒ１８器に
よって与えられた負荷に応じた燃焼を行なうことができ
る。これらのように負荷に対応した給料の供給には、各
々の主あるいは副燃料供給＠徒による給料供給料の配分
を調節することによって可能であるが、与えられた負荷
に対応して最も適した供給＠置を選択し、そこからに限
りて′ｆｉ科を供給した方が、燃焼の制御が容易にでき
るので好ましい。さらにこうして供給された燃料は触媒
体入口では均一に分散されていることが必要である。も
し熱料の分布が不均一であると、高濃度の６料が含まれ
た気相反応体カ３通過した触媒体では熱焼温度′ｈ≦触
媒体の耐熱温度以上に上昇しつい番こは触媒体を破壊し
てしまう。又、逆に低濃度の給料が含まれた気相反応体
が通過した触媒体では触媒燃焼は起こらず未然の気相反
応体が流出して触媒体力（Ｎ効に利用されず、必要な出
力も得られない。従って、空気等の酸化性気体と燃料と
の混合１分散を充分に行なわなければならないが。

ここで触媒体１…の空間が大きな働きとする。この触媒
体を空間的にへだでる距離としては、各々の場合の燃料
種、形状等によって最適値が定められるが、望ましくは
それは少くとも３９ｍｍは有している方が良い。これよ
り距離が短い場合には充分な混合がなされない。なおこ
の空間に流線形状。

円柱形状１羽形状等をした混合器を配置することをこよ
り、さらに短くすることも可能である。

第１図に本発明ｌこ係る触媒燃焼器の一例を表す断面模
式図を示した。第１図で示した触媒・緻焼器においては
、まず燃料ノズル１から燃料を注入し、燃焼用空気３を
スワラ−８によって旋回混入しなカ３らスパークプラグ
２１こよって点火し燃焼させて、予熱源としている。こ
れは用いられる触媒体の作用温度にまで触媒体に流入す
る気相反応体の温度を上昇させるためであり、用いられ
る燃料の種類や触媒の種類によっては必ずしも必要であ
るということではＰい。本例では４基の触媒体７ａ、？
ｂ。

７ｃ、７ｄを用いており、それぞれ互いｆこ空間を有し
て配αされている。そして主燃料供給装置９及び触媒体
間に配置された副燃料供給装置１０，１１゜１２及び下
流域給料供給装置が設けられ、それぞれｌこは燃料供給
調整のための弁１４〜弁１８が設けられている。

まず、タービンへの負荷カＳ最犬の場合には、熱料は前
記弁１４のみを開にして給料供給装置９から所定の給料
を供給する。供給された燃料は、触媒体上流域で予熱源
のｅ焼ガスと混合して触媒体とのＦｉ、応（こ光分Ｐ只
度にまで加熱され、触媒体７ａｌこ流入する。触＃、体
７ａを通過したガスはさらに触媒燃焼を起こしながら“
ｄ媒体７ｂ、７ｃ、７ｄ　　を１市過する。そして触媒
体７ｄの下流の燃焼領域において気相燃焼により完全燃
焼し、その燃焼ガスはタービンノズル６からタービンへ
と供給される。

又、このＩ７１虫媒下流の燃焼領域においても場合に応
じて補助燃料供給−２：伐１３により、燃料等を供給し
てタービンへ供給する燃焼ガスの高説化等をはかるごと
も可能である。

一方、タービンにかかる負荷が例えば５０チの場合には
弁１６を囲いて他は閉じ、補助・、燃料・供給装置１１
より熱料を供給する。予熱源として触媒体上流より流れ
てきた燃焼ガスは触媒体７ａ及び７ｂに２いては給料が
供給されていないため、実質的７．ｃ１ｍ焼は３こさな
い。そして前述のように副燃料供給装置１１より供給さ
れた燃料と触媒体７ｂ通過後ζこ混合し、触媒体７Ｃ及
び７ｄに８いて触媒反応ξこより燃焼し、さらｌこ下流
の燃焼領域ζこおいて場合にむじて補助燃料供給装置１
３より供給された燃料とともに気相燃焼を起す。このよ
うに本発明ζこ係る触媒燃焼器では、タービンｆこ対す
る負荷の変動に応じて副燃料供給装置を選択して燃料を
供給することが可能なため、触媒体にかされる負荷の変
化をおさえられよって効率よく長寿命の安定した触媒燃
焼が行なえる。また、これら副燃料供給装置は燃焼器の
同方向に適宜設けられることが望ましい。

〔発明の効果〕

本発明に係る触媒燃焼器は簡単な構造で触媒べかかる負
荷の変動を８さえて燃・暁できるので、安定な熱焼が可
能である。

〔狛明の実施例〕

４２１図は本発明に係る模擬燃・境器を表した断面礪念
図を示した。その８４成は直径１００ｍｍφ、流れ方向
の長さ３０ｍｍからなる／’％　ニカム醜媒（Ｐｄ系〕
を４基、それぞれ５０ｍｍの間隔を持たせて配復した。

まず、５００℃に予熱した燃焼用空気３を、３Ｎｍ”　
／ｍｉ　ｎ　、主黙料洪給装［９より天燃ガスを７（１
７ｍｉｎ供給した。副燃料供給装置は開用しな力）った
。その結果、＠課内の最高温度は触媒体７ｄで＠察され
その温度は３よそ７５０〜８００℃であり触媒の＠熱温
度以下であった。又、触媒体７ｄの下流域では安定した
気相燃焼力Ｓ起こっていた。

予 つぎに、５００℃に加熱した燃焼用空気３を１．５Ｎｍ
”　／ｍｉｎ　、主給料供給装置９からの天然ガス供給
量を３５１／ｍｉｎ　　４こ変化させた。これより燃料
と空気とからなる気相反応体の流量力Ｓ半分子こなり、
よって流速も半分になった。この時触媒体の最高温度は
触媒体７Ｃに２いて観察され、その温度はおよそ１１０
０℃にも達して２つ触媒体の耐熱温度以上であり、触媒
体の劣化が観測された。これは燃料と空気とからなる気
相反厄体の流量に比べて接触１反応する触媒体量が多す
ぎるためであり、さらに触媒体内において牡媒燃焼の他
に気相燃焼も発生してしまっているからであると思われ
る。

そこで、５００℃に予熱した燃焼用空気３の１．５８ｍ
”　／ｍｉｎはそのままとし、燃料は主ｅ科供給装Ｒ９
からでなく、副燃料供給装置１１からやはり天然ガスを
３５４ｔ／ｍｉｎ供給して再度燃焼を行なつた。その招
来触媒体の最高温度は触媒体７ｄで観察され、その温度
はおよそ８００℃であった。なお、・虫媒体７ｄの下流
域ｌこおいて安定した気相へ焼−Ｍ（生じていた。又、
燃焼排ガス中のＮＯｘ　　はいずれも２ｐｐｍ以下と非
常に低い眞を示した。

【図面の簡単な説明】

茶１図は本発明に係る触媒燃焼器の一列を表す断面模式
図、第２図は本発明に係る模擬燃焼器の！ｆｒ面慨念図
、第３図は、通常のガスタービン燃焼器の）ア面阪略図
、舊４図は、従来の触媒燃焼方式によるガスタービン１
．燃焼器の鑓略図。 １・・・燃料供給瑛債、２・・・点火プラグ、３・・・
燃焼用空気、４・・・冷却用空気、５・・・＃Ｊ択吊用
空気６・・・タービンノズル、７　、７　ａ　、　７　
ｂ　、　７　ｃ　、　７　ｄ　・・・ｑ虫媒体、８・・
・スワラ−１９・・・主冴科供給装置、１０，１１゜１
２・・・副然科洪給≠ｒ＆、１３・・・補助燃料供給装
置λ、１４．１５，１６，１７．１８・・・開閉弁。 代理人弁理士　　則　近　憲　右（ばか１名）第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料と酸化性気体を含む気体とからなる気相反応
   体を触媒体を用いて燃焼させる触媒燃焼器において、 前記触媒燃焼器内に、前記気相反応体の流れ方向にそっ
   て、前記触媒体が複数個所定の間隔を有して配置され、
   かつ、前記気相反応体の流れ方向の最上流側に位置する
   触媒体と最下流側に位置する触媒体との間に少くとも１
   つ以上の副燃料供給装置を備えていることを特徴とした
   触媒燃焼器。