(57)【要約】  ガスタービンエンジン（ＧＴ）に用いられる触媒燃焼器（２）であって、触媒燃焼器（２）は、多段式の触媒ユニット（Ｕ１、Ｕ２，Ｕ３）を備えている。各段の触媒ユニット（Ｕ１、Ｕ２，Ｕ３）にはそれぞれ、触媒ユニット（Ｕ１、Ｕ２，Ｕ３）をガスの圧力に対して支持するサポート材（６４）が設けられている。これら各段の触媒ユニット（Ｕ１、Ｕ２，Ｕ３）はサポート材（６４）を含めてユニット化されており、触媒ユニット（Ｕ１、Ｕ２，Ｕ３）が、燃焼器ハウジング（５０）に対して着脱自在に取り付けられている。
2013099582.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンに用いられる触媒燃焼器であって、
多段式の触媒ユニットと、
内部に前記触媒ユニットが収納される中空筒状の本体部と、
を備え、
各段の前記触媒ユニットはそれぞれ、前記触媒担体を支持するサポート材を有し、
前記触媒ユニットが、前記本体部の外郭を形成するハウジングに対して着脱自在に取り付けられている触媒燃焼器。
【請求項２】
請求項１に記載の触媒燃焼器において、さらに、前記本体部の内部に配置されたケーシングを備え、
前記ケーシングは前記ハウジングに着脱自在に支持され、
前記各触媒ユニットが、前記ケーシング内に出し入れ可能に組み込まれている触媒燃焼器。
【請求項３】
請求項２に記載の触媒燃焼器において、前記ハウジングおよび前記ケーシングは円筒状であり、前記触媒ユニットは円柱状である触媒燃焼器。
【請求項４】
請求項２または３に記載の触媒燃焼器において、さらに、前記本体部の軸方向の一端部に着脱自在に連結されたカバー部を備え、
前記ケーシングが前記本体部の一端部から本体部の外方に取り出し可能に設定されている触媒燃焼器。
【請求項５】
請求項２，３または４に記載の触媒燃焼器において、前記本体部は、軸方向が鉛直であり、その内周面に支持突起が設けられ、着脱自在に連結されたカバー部を備え、
前記ケーシングは、上端部に設けられて外側へ突出した第１の鍔部と、下端部に設けられて内側に突出した第２の鍔部とを有し、
前記第１の鍔部が前記突起上に支持載置され、複数の前記触媒ユニットが鉛直方向に重合されて、最下段の触媒ユニットのケースが前記第２の鍔部上に載置されている触媒燃焼器。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の触媒燃焼器において、前記各触媒ユニットは、ケースと、前記ケースの内部に収納された触媒担体と、前記ケースの内部で前記触媒担体の下流側に配置された前記サポート材とを有している触媒燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
この出願は、２０１１年１２月２７日出願の特願２０１１−２８５２４４の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、着脱自在な複数の触媒ユニットを内蔵したガスタービンにおける触媒燃焼器に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
ガスタービンに搭載される触媒燃焼器は、ＮＯｘをほとんど排出しない、通常燃焼できないような低濃度メタンを酸化できる等の利点があり、低公害性や温暖化対策といった環境問題に対応することができる技術の一つである（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１９６３５５号公報
【０００５】
また、ガスタービンのような高圧条件下、例えば０．５ＭＰａ以上の条件化で用いられる燃焼触媒として、以下の理由から、図５に示す多段式のものが用いられることがある。第１に、高圧条件下では着火性が悪いので、着火用と酸化用の複数種の触媒が必要となる。第２に、完全に反応を終わらせるためには、ある程度の長さの触媒担体が必要であるが、そのような長い触媒担体は製造が困難であるから、複数段に分けるのが好ましい。多段式とした場合でも、高圧条件下においては、差圧によって触媒担体１０２にかかる力が大きく、触媒担体１０２を支えるサポート材１０４が各段に必要となる。以上のように、高圧条件下における燃焼触媒は、多段式であり、かつ各段の触媒担体１０２にサポート材１０４を有し、これら触媒担体１０２およびサポート材１０４をハウジング１０６の内部に取り付けた構造となる。【０００６】
このような触媒燃焼器では、メンテナンス時に多段中の最上段以外の触媒担体１０２を交換する場合、交換対象の触媒担体１０２とその上段側の触媒担体１０２とを燃焼器から切断して取り外す必要があり、作業性が悪いうえに、交換の必要がない上段側の触媒担体１０２も破壊されるので、無駄が多い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、前記課題に鑑みてなされたもので、ガスタービンにおいて、触媒の交換および組立の作業性を向上させることができる触媒燃焼器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明にかかる触媒燃焼器は、ガスタービンに用いられる触媒燃焼器であって、多段式の触媒ユニットと、内部に前記触媒ユニットが収納される中空筒状の本体部とを備え、各段の前記触媒ユニットはそれぞれ、前記触媒担体を支持するサポート材を有し、前記触媒ユニットが、前記本体部の外郭を形成するハウジングに対して着脱自在に取り付けられている。ここで、多段式とは、ガスの流れ方向に沿って複数のユニットが配置されている形態をいう。【０００９】
この構成によれば、多段式の触媒ユニットが燃焼器に対して着脱自在に取り付けられているので、メンテナンス時に多段中の一つの触媒ユニットを交換する際に、他の触媒ユニットを交換する必要がなくなり、その結果、触媒担体の交換や組立の作業性を向上させることができる。【００１０】
本発明において、さらに、前記本体部の内部に配置されたケーシングを備え、前記ケーシングは前記ハウジングに着脱自在に支持され、前記各触媒ユニットが、前記ケーシング内に出し入れ可能に組み込まれていることが好ましい。この構成によれば、ハウジングからケーシングを燃焼器の外部へ取り出したうえで、各触媒ユニットをケーシングから取り外すことができる。このように、外部で交換作業を行うことができるので、作業性が一層向上する。【００１１】
ケーシングを備える場合、前記ハウジングおよび前記ケーシングは円筒状であり、前記触媒ユニットは円柱状であることが好ましい。【００１２】
ケーシングを備える場合、さらに、前記本体部の軸方向の一端部に着脱自在に連結されたカバー部を備え、前記ケーシングが前記本体部の一端部から本体部の外方に取り出し可能に設定されていることが好ましい。この構成によれば、触媒ユニットが組み込まれたケーシングをハウジングの一端部から軸方向に出し入れできるので、触媒ユニットの交換作業性が向上する。【００１３】
ケーシングを備える場合、前記本体部は、軸方向が鉛直であり、その内周面に支持突起が設けられ、前記ケーシングは、上端部に設けられて外側へ突出した第１の鍔部と、下端部に設けられて内側に突出した第２の鍔部とを有し、前記第１の鍔部が前記突起上に載置され、複数の前記触媒ユニットが鉛直方向に重合されて、最下段の触媒ユニットのケースが前記第２の鍔部上に載置される構成とすることができる。この構成によれば、簡単な構造で、複数の触媒ユニットを燃焼器内に組み込むことができる。【００１４】
本発明において、前記各触媒ユニットは、ケースと、前記ケースの内部に収納された触媒担体と、前記ケースの内部で前記触媒担体の下流側に配置された前記サポート材とを有していることが好ましい。この構成によれば、ケース内部に触媒担体とサポート材とが収納されてユニット化されているので、各触媒ユニットは、ケース内で触媒担体がサポート材により安定して支持される。【００１５】
請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明からより明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の部品番号は、同一または相当部分を示す。
【図１】本発明の一実施形態に係る触媒燃焼器を備えたガスタービンを示す簡略構成図である。
【図２】同ガスタービンを示す斜視図である。
【図３】同触媒燃焼器を示す概略構造図である。
【図４】同触媒燃焼器の触媒ユニットを示す概略構造図である。
【図５】従来の多段式の触媒燃焼器を示す概略構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態にかかる触媒燃焼器を備えたガスタービンエンジンを示す簡略構成図である。このガスタービンエンジンＧＴは、圧縮機１、白金やパラジウムなどの触媒を含む触媒燃焼器２、およびタービン３を有している。このガスタービンエンジンＧＴの出力により、発電機とスタータを兼ねる回転機４が駆動される。ガスタービンエンジンＧＴと回転機４とにより発電装置Ｅが構成されている。
【００１８】
ガスタービンエンジンＧＴは、炭鉱で発生するＣＭＭ(Coal Mine Methane；炭鉱メタン)などの低カロリーガスを、空気や炭鉱から排出されるＶＡＭ（Ventilation Air Methane；炭鉱通気メタン）等と混合するなどして、圧縮機での圧縮によって着火しないように可燃限界濃度以下の作動ガスとして、エンジンに吸入し、含まれている可燃成分を燃料として利用する、希薄燃料吸入ガスタービンである。
【００１９】
ＶＡＭとＣＭＭの混合気のような作動ガスＧ１が、圧縮機１で圧縮され、その高圧の圧縮ガスＧ２が触媒燃焼器２に送られる。この圧縮ガスＧ２が触媒燃焼器２の白金やパラジウムなどの触媒による触媒反応によって燃焼され、これにより発生する高温・高圧の燃焼ガスＧ３がタービン３に供給されて、タービン３を駆動する。タービン３は圧縮機１に回転軸５を介して連結され、このタービン３により圧縮機１が駆動される。回転軸５と回転機４とは減速機１７を介して連結されている。タービン３の回転により回転機４が駆動されて電力が得られる。このようにして、ガスタービンエンジンＧＴおよび回転機４を含む発電装置Ｅが構築されている。
【００２０】
ガスタービンエンジンＧＴは、さらに、タービン３からの排ガスＧ４によって圧縮機１から触媒燃焼器２に導入される圧縮ガスＧ２を加熱する再生器（熱交換器）６と、排ガスＧ４の温度を高めることにより触媒燃焼器２に流入する圧縮ガスＧ２の温度を始動時に高めて触媒を活性化させる加温用バーナ７とを備えている。この加温用バーナ７は、圧縮機１によって圧縮されて再生器６に向かう圧縮ガスＧ２から一部抽出された抽出ガスＧ２０に燃料Ｆを混合して火炎燃焼させた加温用ガスＧ５を、タービン３から再生器６に供給される排ガスＧ４に混入し、加温する。加温用バーナ７には、この加温用バーナ７への抽出ガスＧ２０の供給量を制御する抽気弁８が接続されている。
【００２１】
再生器６と触媒燃焼器２とは、下流側圧縮ガス通路２６により接続されており、再生器６から触媒燃焼器２へ圧縮ガスＧ２を供給する。タービン３と再生器６とは、中空筒状の排気ダクト２５によって連結されている。再生器６から流出した排ガスＧ４は、図示しないサイレンサを通って消音されたのち、外部に放出される。
【００２２】
図２は発電装置Ｅの要部を示す斜視図である。同図に示すように、ガスタービンエンジンＧＴが基台２０に支持された状態でパッケージ２２内に収納されており、タービン３の軸方向Ｃの一端側、図２の左側には、排気ダクト２５を介して再生器６が接続され、排気ダクト２５の上部に加温用バーナ７が接続されている。タービン３の軸方向Ｃの他端側、図２の右側には、圧縮機１が接続され、圧縮機１の他端側に減速機１７が接続されている。減速機１７の他端側には、回転軸５を介して発電機４（図１）が接続されている。
【００２３】
タービン３の上部に、触媒燃焼器２が接続され、触媒燃焼器２と再生器６は、再生器６から触媒燃焼器２へ圧縮ガスＧ２を供給する下流側圧縮ガス通路２６により接続されている。触媒燃焼器２は、内部に触媒ユニットＵ１、Ｕ２，Ｕ３（図３）が収納される中空円筒状の本体部３０と、本体部３０の上部にボルトにより連結された有底円筒状のカバー部３２とを有している。
【００２４】
さらに、触媒燃焼器２の両側方、すなわち軸方向Ｃに直交する両側方にそれぞれ、軸方向Ｃに２本ずつ並んだ鋼製の支柱４０が基台２０に立設されている。４本の支柱４０のうち、触媒燃焼器２の両側で対向している２本ずつが第１の連結部材４２、４２により連結されており、連結部材４２、４２の両端部同士が２本の第２の連結部材４４，４４により連結されている。第１および第２の連結部材４２，４４の上面は、触媒燃焼器２における本体部３０とカバー部３２との連結部Ａとほぼ同じ高さに位置している。
【００２５】
図３に示すように、触媒燃焼器２は、多段式、例えば、３段の触媒ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３を有している。３つの触媒ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３のうち最上流、図３の最上部の触媒ユニットＵ１は着火用で、残り２つが酸化用の触媒ユニットＵ２，Ｕ３である。この触媒燃焼器２は、軸方向、すなわちガスの流動方向が鉛直方向に設定されている。
【００２６】
触媒燃焼器２の本体部３０は、その外郭を形成するハウジング５０を有し、ハウジング５０の下端部がタービン３にボルトで連結されている。このハウジング５０に対して、触媒ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３が着脱自在に取り付けられている。すなわち、ハウジング５０上部の内面に、内方に突出する環状の支持突起５２が溶接によって固定され、本体部３０の内部に、円筒状のケーシング５４が配置されている。ケーシング５４の外径は、支持突起５２の内径よりも小さく設定されている。
【００２７】
ケーシング５４の一端部、すなわち図３の上端部に径方向外側へ突出した第１の鍔部５６が形成され、ケーシング５４の他端部、すなわち図３の下端部に径方向内側へ突出した第２の鍔部５８が形成されている。第１の鍔部５６の外径は、支持突起５２の内径よりも大きく、且つハウジング５０の内径よりも小さく設定されており、第１の鍔部５６が支持突起５２上に載置されて、ボルトにより連結されている。これにより、ケーシング５４がハウジング５０に着脱自在に支持されている。
【００２８】
図４に示すように、各触媒ユニットＵ１〜Ｕ３は、円筒状のケース６０の内部に、円柱状の触媒担体１０がシール材６２を介して収納されており、円筒状のケース６０の内部で、触媒担体１０の下流側に円柱状のサポート材６４が収納されている。具体的には、ケース６０の下流側端部に、径方向内側に延出する鍔状の保持片６６が形成されており、サポート材６４の外周部が保持片６６上に載置されて、ケース６０に保持されている。
【００２９】
触媒担体１０は、例えば、ステンレス薄板からなり、目が軸方向を向いたハニカム構造を有している。環状のシール材６２は、断熱材からなり、ケース６０と触媒担体１０との間に介在して、触媒担体１０をケース６０に保持する。サポート材６４は、目が軸方向を向いた、例えば、ステンレスからなるハニカム構造であり、ハニカム構造の目は、触媒担体１０よりも粗く設定されている。
【００３０】
図３に示すように、各触媒ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３のケース６０の外径は、ケーシング５４の内径よりも若干小さく設定され、各触媒ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３は、ケーシング５４内に上方から嵌め込んで組み込まれている。最も下流側の第３の触媒ユニットＵ３は、そのケース６０の保持片６６の下面６６ｂが、ケーシング５４の第２の鍔部５８の上面５８ａに当接して、ケーシング５４に保持される。第１および第２の触媒ユニットＵ１，Ｕ２は、そのケース６０の保持片６６の下面６６ｂが、下流側の触媒ユニットＵ２，Ｕ３のケース６０の上端６０ａに当接して支持される。こうして、各触媒ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３は、鉛直方向に重合した状態で、ケーシング５４内に収納されている。
【００３１】
上記構成のガスタービンエンジンＧＴの動作について説明する。始動時には、図１の触媒燃焼器２の温度が活性下限温度よりも低いので、加温用バーナ７の点火により排気ガスＧ４を昇温させて、再生器６の暖気を行う。これにより、再生器６を通過する圧縮ガスＧ２を昇温させ、触媒燃焼器２を触媒反応可能な所定温度になるまで昇温させる。定格運転に入ると、排ガスＧ４の温度が上昇するので、圧縮機１から供給される圧縮ガスＧ２が、再生器６内での排ガスＧ４との熱交換によって、触媒燃焼器２の作動に十分な高温となる。その結果、抽気弁８が閉弁されて加温用バーナ７の動作が停止する。
【００３２】
このとき、図３に示すように、触媒燃焼器２内に流入した圧縮ガスＧ２は、第１〜第３の触媒ユニットＵ１〜Ｕ３を順次通過して燃焼し、高温の燃焼ガスＧ３となって、タービン３に供給される。
【００３３】
触媒担体１０を通過する圧縮ガスＧ２は高圧であるから、目の細かい触媒担体１０の上流側（１次側）と下流側（２次側）とで大きな差圧が発生する。サポート材６４は、このような差圧に対して触媒を支えるためのもので、ケース６０、ケーシング５４および支持突起５２と協働して、触媒担体１０が軸方向Ｄに変形するのを阻止している。
【００３４】
つぎに、触媒燃焼器２の交換方法について説明する。まず、図２に示すパッケージ２２の側壁の扉２３を開いて、パッケージ２２の外部から仮設の搬出用レール２４を接続する。つづいて、触媒燃焼器２の本体部３０とカバー部３２との連結を、ボルトを緩めて解除し、パッケージ２２の天井に設けたクレーンによってカバー部３２を吊り上げ、本体部３０から取り外す。さらに、触媒燃焼器２の本体部３０を、ボルトを緩めてタービン３から切り離す。２本の第１の連結部材４２，４２に移動自在に取り付けられたローラのような搬出器具（図示せず）に、本体部３０の上端の鍔部（フランジ）を載せて、第１の連結部材４２および搬出用レール２４に沿って、触媒燃焼器２の本体部３０をパッケージ２２から側方に取り出す。
【００３５】
パッケージ２２の外部で、図３に示す触媒燃焼器２の本体部３０の第１の鍔部５６と支持突起５２とを連結するボルトを緩めて、ケーシング５４を本体部３０の上方へ取り出す。つづいて、ケーシング５４から、触媒ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３のうち、不具合のある触媒ユニットを取り出して、交換する。
【００３６】
触媒ユニットを交換後、上記と逆の手順で、触媒ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３をケーシング５４に収納した後、ケーシング５４を本体部３０内に挿入して、ケーシング５４の第１の鍔部５６と支持突起５２とをボルト連結する。
【００３７】
不具合のある触媒ユニットは、各触媒ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３の入口と出口の温度差を熱電対のような温度計により測定することで検出できる。
【００３８】
上記構成において、多段式の触媒ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３が燃焼器２に対して着脱自在に取り付けられているので、メンテナンス時に多段中の一つの触媒ユニットを交換する際に、他の触媒ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３を交換する必要がなくなるから、触媒担体１０の交換や組立の作業性を向上させることができる。
【００３９】
また、ハウジング５０からケーシング５４を燃焼器２の外部へ取り出したうえで、各触媒ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３をケーシング５４から取り外すことができる。このように、外部で交換作業を行うことができるので、作業性が一層向上する。具体的には、各触媒ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３は、ケーシング５４内に上方から嵌め込みにより組み込まれているので、ハウジング５０からケーシング５４を取り外すことで、各触媒ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３を燃焼器２から取り外すことができるので、作業性が一層向上する。
【００４０】
さらに、触媒ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３が組み込まれたケーシング５４をハウジング５０の一端部から軸方向に出し入れできるので、触媒ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３の交換作業性が向上する。また、カバー部３２を取り外した後、ケーシング５４を本体部３０から、本体部３０の軸方向Ｄに取り出すようにしているので、燃焼器２の構造が簡単になる。
【００４１】
また、ケース６０内部に触媒担体１０とサポート材６４とが収納されてユニット化されているので、各触媒ユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３は、ケース６０内で触媒担体１０がサポート材６４により安定して支持される。
【００４２】
上記実施形態では、本体部３０からケーシング５４を本体部３０の軸方向Ｄに取り出しているが、これに限定されず、例えば、径方向に取り出してもよい。この場合は、本体部３０のハウジング５０を径方向に２つ割りとなった部材で構成するか、またはハウジング５０にケーシング５４取り出し用の扉を設け、フォークリフト等を用いてケーシング５４を取り出す。また、触媒ユニットの段数は３段に限定されず、２段、あるいは４段以上であってもよい。
【００４３】
さらに、上記実施形態では、吸気としてＣＭＭとＶＡＭの混合気を用いているが、これに限定されず、吸気として空気を用い、触媒燃焼器２に燃料を供給して燃焼させる通常のガスタービンにも適用することができる。また、ケース、ユニット、ハウジングは円筒状に限られるものではなく、四角形のような角筒状でもよい。
【００４４】
以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能であり、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００４５】
１  圧縮機
２  主燃焼器（触媒燃焼器）
３  タービン
６  再生器
１０  触媒担体
３０  本体部
３２  カバー部
５０  ハウジング
５２  支持突起
５４  ケーシング
５６  第１の鍔部
５８  第２の鍔部
６０  ケース
６４  サポート材
ＧＴ  ガスタービン
Ｕ１、Ｕ２，Ｕ３  触媒ユニット
【図１】
2013099582.tif 000003
【図２】
2013099582.tif 000004
【図３】
2013099582.tif 000005
【図４】
2013099582.tif 000006
【図５】
2013099582.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成26年6月26日(2014.6.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
また、ガスタービンのような高圧条件下、例えば０．５ＭＰａ以上の条件下で用いられる燃焼触媒として、以下の理由から、図５に示す多段式のものが用いられることがある。第１に、高圧条件下では着火性が悪いので、着火用と酸化用の複数種の触媒が必要となる。第２に、完全に反応を終わらせるためには、ある程度の長さの触媒担体が必要であるが、そのような長い触媒担体は製造が困難であるから、複数段に分けるのが好ましい。多段式とした場合でも、高圧条件下においては、差圧によって触媒担体１０２にかかる力が大きく、触媒担体１０２を支えるサポート材１０４が各段に必要となる。以上のように、高圧条件下における燃焼触媒は、多段式であり、かつ各段の触媒担体１０２にサポート材１０４を有し、これら触媒担体１０２およびサポート材１０４をハウジング１０６の内部に取り付けた構造となる。
【国際調査報告】
2013099582.tif 000008
2013099582.tif 000009
2013099582.tif 000010
2013099582.tif 000011