(57)【要約】【課題】簡単な構造で低ＮＯｘ化が可能な触媒燃焼器を提供する。【解決手段】燃料と空気の予混合ガス９ａを触媒担持部１０に流して触媒燃焼させる触媒燃焼器１であって、内部に触媒担持部１０と該触媒担持部１０に到る予混合ガス流路９を有する内筒２と、内筒２の燃焼ガス出口２ａと内筒２の外側とを覆うように配置され、内筒２と外筒３との間に燃焼ガス流路４が形成されている外筒３とを有してなり、内筒２の予混合ガス流路９にはベンチュリ１１が形成されていて、上記燃焼ガス流路４から燃焼ガス４ａの一部を予混合ガス流路９内に吸引するようになっている。【選択図】          図１
2004354000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と空気の予混合ガスを触媒担持部に流して触媒燃焼させる触媒燃焼器であって、内部に触媒担持部と該触媒担持部に到る予混合ガス流路を有する内筒と、内筒の燃焼ガス出口と内筒の外側とを覆うように配置され、内筒と外筒との間に燃焼ガス流路が形成されている外筒とを有してなり、内筒の予混合ガス流路にはベンチュリが形成されていて、上記燃焼ガス流路から燃焼ガスの一部を予混合ガス流路内に吸引するようになっていることを特徴とする触媒燃焼器。
【請求項２】
触媒担持部は壁面上に触媒コーティング層を有する触媒コーティング流路と壁面上に触媒コーティング層を有しない触媒なし流路とが隣り合って配置されたハニカム構造である請求項１記載の触媒燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料を予め空気と混合させて予混合ガスを作り、それを下流の触媒担持部で触媒により燃焼させるようにした触媒燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガスタービンエンジンにおいては、排ガス組成に関して厳しい環境基準が設けられており、特にＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量の低減が望まれている。この低ＮＯｘ化の手段として、燃焼室内に水や蒸気を噴射して燃焼火炎温度を低下させる方法が一般的に採用されているが、この方法では、エンジン熱効率の低下、悪い水質によるタービンなどの腐食に伴なうエンジン寿命の低下、さらには水質をよくするための前処理に要する設備および維持管理費の高騰などの種々の欠点があった。このような蒸気を用いないでＮＯｘを低減する方法として、予蒸発、希釈予混合燃焼方法が有効であることがよく知られている。しかし、この方法では、ＮＯｘ低減に限界があり、北米の特定地域では適用される３〜５ｐｐｍ（０２＝１５％換算値、たとえば、米カリフォルニア州では２．５ｐｐｍ）という規制値に適合するためには、排ガス脱硝装置を併用する必要がある。
【０００３】
排ガス脱硝装置を用いずに３〜５ｐｐｍという低ＮＯｘを実現する方法として、特許文献１に開示されているように予熱した混合気を触媒により燃焼させるものがある。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３３６４４９２号
【０００５】
以下、燃焼触媒について説明する。図２は特許文献１に開示された触媒担持部の図面であり、図２（Ａ）は触媒担持部を流れ方向に対して直角に切断した断面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の展開図である。図２（Ａ）に示すように、触媒担持部ａは、共に薄い金属製の平板ｂ、波板ｃを張り付け、それを渦巻状に巻き付けて円筒状に形成したハニカム構造であり、金属は耐熱ステンレス鋼などが使用される。
【０００６】
このように、触媒担持部ａには平板ｂと波板ｃによって多数の三角形の流路が形成されるが、図２（Ｂ）に示すように、壁面上に触媒コーティング層ｄを有する触媒コーティング流路ｅと壁面上に触媒コーティング層を有しない触媒なし流路ｆとが交互に隣り合った配置になっている。触媒は通常、パラジウムなどが使用される。
【０００７】
図３は触媒担持部を流れ方向に対して平行に切断した断面図であり、触媒担持部ａにおける作用の説明図である。図４はガスタービン燃焼器内における温度変化を示すグラフである。
【０００８】
触媒燃焼とは、燃料と空気とを予め混合した予混合ガスを周壁に触媒コーティング層を有する細長い流路を通すと、予混合ガスは触媒の作用で反応し、燃焼が行なわれることをいう。触媒燃焼は、燃焼温度を低くすることができるとともに、おだやかな燃焼なので、ＮＯｘの発生が少ないという特徴がある。触媒燃焼を行なわせるためには、触媒担持部ａの入口温度は触媒活性化温度（５００℃程度）以上であることが必要である。また、触媒温度が１０００℃を超えると、触媒が変質したり、金属壁が溶けてしまうので、出口温度は１０００℃以下におさえる必要がある。図４は２０００ＫＷ程度の発電用のガスタービンに触媒燃焼器を使った場合について試算した温度のグラフである。この場合、圧縮機の出口温度は３８５℃であり、触媒燃焼には低すぎるので、プリバーナによって５００℃に昇温する。予混合ガスはその温度で触媒担持部ａに流入する。
【０００９】
次に触媒担持部ａにおける反応および流れについて、図３を用いて説明する。５００℃に昇温した予混合ガスｇは、触媒担持部ａに流入する。触媒担持部ａは、壁ｉ（図２では平板ｂまたは波板ｃ）によって仕切られたハニカム構造であり、先に述べたように、壁ｉの一方の面に触媒コーティング層ｄを有し、他方の面は触媒コーティング層を有しない裸の面である。このように壁面が触媒コーティング層ｄである触媒コーティング流路ｅと、周壁が裸の面である触媒なし流路ｆとが交互に隣り合って配置された構造になっている。なお、壁ｉの材料は金属またはセラミックを使用する。
【００１０】
触媒担持部ａ内の触媒コーティング流路ｅ内に流入した予混合ガスｇは、触媒の作用で触媒燃焼し、燃焼ガスｈとなって触媒担持部ａから流出する。一方、触媒なし流路ｆに流入した予混合ガスｇは燃焼せず触媒担持部ａから流出する。
【００１１】
触媒コーティング流路ｅ内での触媒燃焼によって発生した熱により流路内を流れるガスは昇温するが、発生した熱の一部は壁ｉを通って隣の触媒なし流路ｆ内を流れる予混合ガスｇを加熱し、燃焼しない予混合ガスも昇温する。したがって、触媒担持部ａの出口では、燃焼ガスｈも予混合ガスｇも共に高温状態になっている。
【００１２】
触媒担持部ａの下流では圧力、温度、燃料濃度などの条件に応じた着火遅れがあり、未燃の予混合ガスｇ箱の着火遅れの後、気相反応で燃焼する。
【００１３】
再び図４に戻って説明する。図に示すように、触媒担持部ａの出口の平均温度は９５０℃であり、気相着火遅れの間は、そのままの温度を保ち、気相燃焼（反応）によって、１３５０℃まで昇温する。この例では、燃焼器出口とタービン入口との間に、図示しないスクロール部があるので、そこで２００℃降温し、タービン入口での温度（ＴＩＴ）は１１５０℃である。
【００１４】
このように、触媒担持部ａ内では、触媒コーティング流路ｅと触媒なし流路ｆとを交互に配置し、互に金属壁ｉを介して熱交換するようにしたので、出口付近においても触媒コーティング層ｄの温度を触媒が劣化しない１０００℃以下に保つことができるとともに、触媒なし流路ｆを流れる予混合ガスｇの温度を気相反応しやすい高温にすることができる。さらに、触媒なし流路ｆを通る予混合ガスｇは、触媒担持部ａの下流で気相燃焼してガス全体の温度を高めるので、タービンの熱効率を高く維持できる。
【００１５】
触媒担持部ａにおける燃焼は、低温で行なわれるので、ＮＯｘの発生が少ないし、触媒担持部ａの下流側で行なわれる気相燃焼は高温燃焼ではあるが、予混合ガスｇは、燃焼ガスｈと混合して燃料が希薄な状態での燃焼なので、ＮＯｘの発生が少ない。
【００１６】
触媒コーティング流路ｅ内で安定した触媒燃焼を行なわせるためには、流速、燃料濃度、出口温度などが重要である。ガスタービンが無負荷（アイドリング）または低負荷状態で燃料の噴射量を大幅に絞ると予混合ガスｇまたは触媒担持部ａの温度が触媒活性化温度に到達せず安定した触媒燃焼が得られない。さらに、触媒担持部ａを通過した未燃の予混合ガスｇが触媒担持部ａの下流で気相燃焼することについても、タービンが無負荷または低負荷の状態は安定して行なわれない。
【００１７】
このような問題を解決するため、特許文献２には高温の燃焼ガスｈの一部を触媒担持部ａの入口に返すことにより、触媒担持部ａの入口ガス温度を高めて、安定した触媒燃焼を行なわせる技術が開示されている。図５は上記特許文献２に開示された図面である。図において、図２ないし図４と共通する部分については同一の符号を付している。図において、ｊは触媒燃焼器、ａは触媒担持部、ｈは燃焼ガスである。触媒担持部ａの上流側には燃料ノズルｍが設けられている。触媒燃焼器ｊの上流端には空気導入口ｋ、ガスタービンの始動時の燃料ノズルｐと点火プラグｎが設けられている。ｑは触媒担持部ａの下流側に配置され、上流側に向って開口する入口部ｓを有するとともに、触媒担持部ａの上流側に出口部を有する燃焼ガス還流通路であり、ｒは上記燃焼ガス還流通路に設けられた流量制御弁である。
【００１８】
【特許文献２】
特開平５−２５６１６３号公報（段落番号００２１、図３、図４参照）
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献２に記載された技術には、次のような問題がある。
（１）触媒担持部ａは多数の細い流路の集合体として構成されているので、ガスが通過するときに圧力損失が発生する。したがって、その下流側から燃焼ガスｈを上流側に燃焼ガス還流通路ｑを通して還流させることは、たとえ、入口部ｓが上流側を向いていて、速度のエネルギが圧力のエネルギに変換されるにしても困難であり、安定した燃焼ガスの還流は得られない。
（２）燃焼ガス還流通路ｑには高温の燃焼ガスｈが流れるので、そこに設けられた制御弁ｒはメンテナンスが困難であり、性能の信頼性に欠ける。
（３）圧縮機からの高圧空気を触媒燃焼器ｊに吹き込む前に触媒活性化温度に高めるために、図示しない熱交換器を別途に設ける必要がある。
【００２０】
本発明は、従来技術のかかる問題点に鑑み案出されたものであり、触媒担持部の上流側の予混合ガス流路にベンチュリを設けることにより、燃焼ガスの一部を予混合ガス流路内に確実に吸引させて、ガスタービンの低負荷または無負荷時においても、触媒燃焼とその下流側の気相燃焼を安定して行なわせ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。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の触媒燃焼器は、燃料と空気の予混合ガスを触媒担持部に流して触媒燃焼させる触媒燃焼器であって、内部に触媒担持部と該触媒担持部に到る予混合ガス流路を有する内筒と、内筒の燃焼ガス出口と内筒の外側とを覆うように配置され、内筒と外筒との間に燃焼ガス流路が形成されている外筒とを有してなり、内筒の予混合ガス流路にはベンチュリが形成されていて、上記燃焼ガス流路から燃焼ガスの一部を予混合ガス流路内に吸引するようになっているものである。
【００２２】
触媒担持部は壁面上に触媒コーティング層を有する触媒コーティング流路と壁面上に触媒コーティング層を有しない触媒なし流路とが隣り合って配置されたハニカム構造であるのが好ましい。
【００２３】
次に本発明の作用を説明する。内筒の燃焼ガス出口と内筒の外側を覆うように外筒が設けられて、内筒と外筒との間に燃焼ガス流路が形成されるとともに、内筒内に設けられた触媒担持部に到る予混合ガス流路にベンチュリが設けられているので、ベンチュリから吸入された高温の燃焼ガスが予混合ガスと混合し、予混合ガスの温度を触媒担持部の触媒活性化温度以上に昇温することができる。したがって、ガスタービンが低負荷または無負荷の状態でもプリバーナなどの昇温手段を使う必要がない。ベンチュリを使用しているので、特許文献２と異なり、確実に燃焼ガスを予混合ガスと混合させることができる。また、触媒燃焼器を流れるガスの流速は、低負荷時または無負荷時には圧力が低いために大きく、高負荷時に小さいので、ベンチュリからの燃焼ガスの流量はより触媒活性の低い低燃料濃度条件（低負荷または無負荷）において自動的に多くなる。さらに、内筒の外側を流れる燃焼ガスにより、内筒の触媒外周部が加熱される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の触媒燃焼器の断面図である。図において、１は触媒燃焼器である。触媒燃焼器１は、内部に触媒担持部１０と該触媒担持部１０に到る予混合ガス流路９とを有する内筒２と、内筒２の燃焼ガス出口２ａと内筒２の外側とを覆うように配置される外筒３とを有しており、内筒２と外筒３との間に燃焼ガス流路４が形成されている。
【００２５】
内筒２の上流側は皿状の隔壁２ｂによって仕切られており、隔壁２ｂの中央部には燃料ノズル５と、それを囲繞して設けられるスワラ６とが配置されている。燃料ノズル５から燃料７が噴射され、図示しない圧縮機からの高圧空気８がスワラ６を通って旋回流を形成し、燃料７と高圧空気８とが混合して、予混合ガス９ａになり、予混合ガス流路９内を流れて、触媒担持部１０に流入する。
【００２６】
予混合ガス流路９には、ベンチュリ１１が形成されており、ベンチュリ１１に穿設された小孔１１ａを通って燃焼ガス流路４内を流れる燃焼ガス４ａの一部が吸引される。吸引された燃焼ガス４ａは予混合ガス９ａと混合し、予混合ガス９ａの温度が触媒担持部１０の触媒活性化温度以上になるようにする。
【００２７】
なお、触媒担持部１０の構造は、図２または図３に示すような触媒コーティング流路ｅと触媒なし流路ｆとが隣り合って配置されたハニカム構造のものであってもよいし、特許文献２の図４に示すような、すべての流路が触媒コーティング流路であるハニカム構造のものであってもよい。
【００２８】
次に本実施形態の作用を説明する。内筒２の燃焼ガス出口２ａと内筒２の外側を覆うように外筒３が設けられて、内筒２と外筒３との間に燃焼ガス流路４が形成されている。内筒２内に設けられた触媒担持部１０に到る予混合ガス流路９にベンチュリ１１が設けられている。ベンチュリ１１の小孔１１ａから吸入された高温の燃焼ガス４ａが予混合ガス９ａと混合し、予混合ガス９ａの温度を触媒担持部１０の触媒活性化温度以上にに昇温する。したがって、ガスタービンが低負荷または無負荷の状態でもプリバーナなどの昇温手段を使う必要がない。ベンチュリ１１を使用しているので、特許文献２と異なり、確実に燃焼ガス４ａを予混合ガス９ａと混合させることができる。また、触媒燃焼器１を流れるガスの流量は、低負荷時または無負荷時に多く、高負荷時に少ないため、ベンチュリ１１を通る燃焼ガス４ａの流量は自動的に必要流量に制御されるので、特許文献２に示されるような流量制御弁ｒは必要ない。さらに、内筒２の外側を流れる燃焼ガス４ａにより、内筒２の触媒外周部や内部を流れる予混合ガス９ａが加熱される。
【００２９】
本発明は、以上述べた実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の触媒燃焼器は、次のような優れた効果がある。
（１）内筒の外側に燃焼ガス流路が形成されるとともに、内筒の予混合ガス流路に燃焼ガスを吸引するベンチュリが形成されていて、高温の燃焼ガスを予混合ガスと確実に混合して、予混合ガスの温度を触媒活性化温度以上に昇温することができるので、ガスタービンの低負荷時または無負荷時でも安定した触媒燃焼が行なわれる。
（２）燃焼器内を流れるガスの流量は、低負荷時または無負荷時の方が高負荷時よりも多いので、低負荷時または無負荷時の方がベンチュリの吸引力が強くて多量の燃焼ガスを吸引する。したがって、ベンチュリで吸引される燃焼ガスの流量は自動的に必要流量に制御されるので、流量制御弁が必要なくなり、そのメンテナンスの手間も省ける。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の触媒燃焼器の部分断面図である。
【図２】従来の触媒担持部の図であり、（Ａ）はガスの流れに直角に切断したときの断面図、（Ｂ）は展開図である。
【図３】従来の触媒担持部の流れに平行に切断した断面図である。
【図４】２０００ＫＷ程度のガスタービンの燃焼器内の温度変化を示すグラフである。
【図５】従来の触媒燃焼器の断面図である。
【符号の説明】
１      触媒燃焼器
２      内筒
２ａ    内筒の燃焼ガス出口
３      外筒
４      燃焼ガス流路
９      予混合ガス流路
１０      触媒担持部
１１      ベンチュリ
【図１】
2004354000.tif 000003
【図２】
2004354000.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004354000.tif 000006
【図５】
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