(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】壁面ｉ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ｉ上に触媒コーティング層ｄを有しない触媒なし流路ｆとが隣り合って配置されたハニカム構造の触媒担持部１０を有し、燃料と空気の予混合ガスｇを触媒燃焼させる触媒燃焼器１であって、触媒担持部１０と触媒担持部１０に到る予混合ガス流路９は中央部とそれを囲繞する周辺部とに分かれていて、それぞれに供給する燃料の流量を別々に制御可能になっている。【選択図】          図１
2005003233.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燃焼させる触媒燃焼器であって、触媒担持部と触媒担持部に到る予混合ガス流路は中央部とそれを囲繞する周辺部とに分かれていて、それぞれに供給する燃料の流量を別々に制御可能になっていることを特徴とする触媒燃焼器。
【請求項２】
触媒担持部の出口側も入口側と同径で、所要の長さの隔壁によって中央部とそれを囲繞する周辺部とに分かれている請求項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。また、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、北米の特定地域で適用される３〜５ｐｐｍ（０２＝１５％換算値、たとえば、北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５００℃程度必要である。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、壁に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ｇ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はこの着火遅れの後、この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。したがって、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では安定して行なわれない。特許文献２には、そのような場合に、圧縮機からの高圧空気の流量を制御する空気流量制御機構を設け、低負荷時には高圧空気の一部について触媒担持部ａをバイパスして、燃焼器出口に導くようにして、触媒担持部ａ内での流速を低く保つとともに、燃料濃度を触媒燃焼に必要な限度以上の値に保つようにすることが開示されている。さらに、そのバイパスした圧縮空気を燃焼器出口に導く際にその吹き込み口に追い焚き燃料を噴射して燃焼させることも開示されている。
【００１７】
【特許文献２】
特開２００３−３８６５号公報（段落番号０００３、段落番号０００７）
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、以上述べた無負荷または低負荷時に圧縮機からの高圧空気の一部を触媒担持部をバイパスして燃焼器出口に導く方法は、空気流量の制御機構が複雑で高価であり、制御弁が高温下で動作するので、信頼性に欠け、寿命が劣るという問題がある。
【００１９】
一方、触媒担持部をバイパスした高圧の圧縮空気を燃焼器出口に導く際、その吹き込み口に追い焚き燃料を噴射して燃焼させる技術では複雑な空気流量の制御機構は不要である。しかし、追い焚き燃焼は全体的には希薄燃焼であるとしても、吹き込んだ追い焚き燃料が高温の気体と混合する際に局所的には高濃度燃料の燃焼が行なわれるため、触媒燃焼の利点である低ＮＯｘ性が損なわれる可能性が高い。
【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、触媒担持部とそれに到る予混合ガス流路を２つに分け、それぞれに供給する燃料の流量を別々に制御することにより、複雑な空気流量制御機構や追い焚き燃料の吹き込みをすることなしに、安定した触媒燃焼やその下流の気相燃焼をさせることができるガスタービンの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燃焼させる触媒燃焼器であって、触媒担持部と触媒担持部に到る予混合ガス流路は中央部とそれを囲繞する周辺部とに分かれていて、それぞれに供給する燃料の流量を別々に制御可能になっているものである。
【００２２】
触媒担持部の出口側も入口側と同径で、所要の長さの隔壁によって中央部とそれを囲繞する周辺部とに分かれているのが好ましい。なお、この出口側の隔壁の長さは中央部の気相燃焼の着火遅れを考慮して決めればよい。
【００２３】
次に本発明の作用を説明する。先に説明したように、触媒燃焼器では、ガスタービンが低負荷または無負荷状態で供給する燃料の流量を絞ると、触媒担持部を通る予混合ガスの燃料濃度が低下し、安定した燃焼が行なわれなくなる。
【００２４】
本発明では、触媒担持部と触媒担持部に到る予混合ガス流路は、中央部とそれを囲繞する周辺部とに分かれている。そして、低負荷時または無負荷時においても中央部には触媒燃焼とその下流での気相燃焼が安定して行なわれる限定以上の燃料濃度の予混合ガスを流すように、そこに供給する燃料流量を制御し、周辺部の燃料流量は全体に必要な燃料流量から中央部の燃料流量を差し引いた値に制御する。したがって、中央部では低負荷または無負荷の状態でも安定した燃焼が行なわれるのに対し、周辺部では安定した燃焼が行なわれない場合もある。しかし、触媒担持部の出口側で、中央部と周辺部とを分ける隔壁の出口では、中央部の気相燃焼の火炎が急速に周辺部の未燃焼燃料を含むガス中に伝播して気相燃焼するので、燃焼器は全体として安定した燃焼が行なわれることになる。また、気相燃焼は希薄燃料燃焼なので、低ＮＯｘ化が阻害されることもない。
【００２５】
【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、外筒２と内筒３とを有しており、外筒２と内筒３との間に圧縮空気４ａの通路４が形成されている。外筒２の端部は外側鏡板２ａによって、内筒３の端部は内側鏡板３ａによって、それぞれ封止されている。外側鏡板２ａと内側鏡板３ａとの間には空気吹込室４ｂが形成されている。
【００２６】
５は燃料吹込管であり、外側鏡板２ａおよび内側鏡板３ａを貫通して設けられており、燃料７を内筒２内に吹き込むようになっている。６は燃料吹込管５を囲繞するように内側鏡板３ａに取り付けられたスワラ（旋回羽根）であり、空気吹込室４ｂから圧縮空気４ａを旋回させながら内筒３内に吹き込んで、燃料７と混合させて予混合ガス７ａにする。
【００２７】
８は円筒状の隔壁、９は燃料７と圧縮空気４ａとが混合した予混合ガス７ａの流路である。１０は触媒担持部であり、先に説明した触媒担持部ａと同様な構造のものである。予混合ガスの流路９および触媒担持部１０は、円筒状の隔壁８によってそれぞれ中央部予混合ガス流路９ａと周辺部予混合ガス流路９ｂおよび中央部触媒担持部１０ａと周辺部触媒担持部１０ｂに分けられている。隔壁８は触媒担持部１０の下流側に所要の長さ延設されて下流側隔壁８ａを形成している。
【００２８】
燃料吹込管５は、中央部予混合ガス流路９ａに燃料７を吹き込む中央部用燃料吹込管５ａと、周辺部予混合ガス流路９ｂに燃料７を吹き込む周辺部用燃料吹込管５ｂに分けており、それぞれ別の制御弁１４ａ、１４ｂにより燃料７の流量が制御されている。１１は火炎、１２は触媒燃焼器１の出口、１３は燃焼ガスであり、図示しないタービンに吹き込まれる。
【００２９】
次に本実施形態の作用を説明する。図示しない圧縮機からの高圧の圧縮空気４ａ、圧縮空気通路４内を、図に矢印で示すように内筒３内のガスの流れとは逆方向に流れて、外側鏡板２ａと内側鏡板３ａとの間の空気吹込室４ｂに到達する。その間に内筒３内の高温ガスからの伝熱により昇温する。圧縮空気４ａの温度が空間４ｂに到達するまでに触媒燃焼に必要な温度（たとえば、５００℃）に昇温しない場合は、図示しないプリバーナを設けて加熱しなければならない。
【００３０】
先ずガスタービンが高負荷操業している場合について説明する。昇温した圧縮空気４ａは、スワラ６から旋回流となって内筒３内に吹き込まれ、燃料供給管５から吹き込まれた燃料７と混合して、予混合ガス７ａになり、触媒担持部１０内に流入する。その場合には、予混合ガス７ａの燃料濃度は中央部９ａと周辺部９ｂとで同じ濃度である。触媒担持部１０内は、図３を用いて先に説明したように、触媒コーティング流路ｅ、触媒なし流路ｆとが互いに隣り合って交互に形成されており、触媒コーティング流路ｅを通過した予混合ガス７ａ（図３ではｇ）は触媒燃焼して燃焼ガス１３（図３ではｈ）となり、触媒なし流路ｆを通過した予混合ガス７ａはそのまま触媒担持部１０から排出される。
【００３１】
触媒担持部１０の下流側では、着火遅れの後着火して火炎１１を形成して、気相燃焼し、燃焼ガス１３となって燃焼器１の出口１２から流出し、図示しないタービンに流入する。
【００３２】
次にガスタービンが低負荷または無負荷の場合について説明する。その場合に、中央部予混合ガス流路９ａには触媒燃料とその下流側での気相燃焼が安定して行なわれる限定以上の燃料濃度の予混合ガスを流すように、制御弁１４ａにより供給する燃料流量を制御する。周辺部予混合ガス流路９ｂに流す燃料流量は制御弁１４ｂにより、全体として必要な燃料流量から中央部予混合ガス流路９ａに流す燃料流量を差し引いた値に制御する。したがって、中央部の触媒担持部１０ａおよびその下流側では低負荷または無負荷の状態でも触媒燃焼およびその下流の気相燃焼が安定して行なわれるのに対し、周辺部では触媒燃焼およびその下流の気相燃焼が安定して行なわれない場合がある。しかし、触媒担持部１０の出口側で、中央部流路１５ａと周辺部流路１５ｂとを分ける隔壁８ａの出口では、中央部流路１５ａの安定した気相燃焼の火炎１１ａが急速に周辺部流路１５ｂの未燃焼燃料を含むガス中に伝播して火炎１１ｂとして気相燃焼するので、燃焼器１は全体として安定した燃焼が行なわれることになる。この気相燃焼は希薄燃料の燃焼なので、ＮＯｘの発生量は少ない。
【００３３】
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。たとえば、触媒担持部１０は中心部１０ａと周辺部１０ｂとに分かれているように説明したが、分けずに一体のもの１０であり、予混合ガス流路９と出口ガス流路１５のみが、隔壁８と８ａによって中央部流路９ａ、１５ａと周辺部流路９ｂ、１５ｂに分かれていればよい。また、出口ガス流路１５の隔壁８ａは無くてもよい。また触媒燃焼器はガスタービン用に限らない。
【００３４】
また、予混合ガス流路９と触媒担持部１０とは、中央部と周辺部とに分けるように説明したが、燃焼器の中心線に平行な１平面によって、２つに分けてもよいし、中心線を含む２平面によって断面が扇状になるように分けてもよい。
【００３５】
さらに、中央部の触媒担持部１０ａは気相着火しやすいように、触媒コーティング流路ｅの断面積の割合が触媒なし流路ｆの断面積の割合より高いものであってもよい。また、中央部の触媒担持部１０ａの全ての流路を触媒コーティング流路ｅとしてもよい。その場合には、出口ガス流路１５ａ内では気相燃焼は行なわれないが、燃焼ガスｈは高温になっているので、周辺部触媒担持部１０ｂからの未燃焼ガスを着火させて気相燃焼が行われる。この場合、高負荷時には中央部の燃料濃度を下げて、触媒担持部１０の過度の温度上昇を防ぐようにする。
【００３６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の触媒燃焼器は、触媒担持部と、それに到る予混合ガス流路とを中央部とそれを囲繞する周辺部とに分け、それぞれの予混合ガス流路に流入する燃料流路を別々に制御するようにしたので、低負荷条件では中央部の燃料供給量を増やして燃料濃度を高くすれば、触媒反応が促進され、触媒出口において安定して気相着火し、その火炎が周辺部に伝播して全体として安定した燃焼が行われる。高負荷では燃料供給量を均一とし、従来どおり均一な予混合ガスが触媒に供給されるようにする。このように、負荷に応じて燃料の供給配分を変更することにより、低負荷から高負荷までの気相反応を制御し、十分な燃焼効率（≒１００％）と安定した燃焼状態を得ることができるという優れた効果がある。
【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。
【符号の説明】
１      触媒燃焼器
８      隔壁
９      予混合ガス流路
１０      触媒担持部
１１      火炎
ｄ      触媒コーティング層
ｅ      触媒コーティング流路
ｆ      触媒なし流路
ｉ      壁
【図１】
2005003233.tif 000003
【図２】
2005003233.tif 000004
【図３】
2005003233.tif 000005
【図４】
2005003233.tif 000006