燃氣渦輪發動機中的催化燃燒器的製造方法
2023-05-31 09:25:06 2
燃氣渦輪發動機中的催化燃燒器的製造方法
【專利摘要】用於燃氣渦輪發動機(GT)的催化燃燒器(2)，具備套體(54)、催化劑保持體(62)、支持材(64)和下遊側限制部件(72)，套體(54)在內部收納催化劑載體(10)；催化劑保持體(62)夾在套體(54)與催化劑載體(10)之間，在套體(54)的內周面保持催化劑載體(10)的外周面，同時，阻止處理氣體(G2)通過催化劑載體(10)的外周，向下遊側洩漏；支持材(64)配置在催化劑載體(10)的處理氣體流向的下遊側，來保持催化劑載體(10)；下遊側限制部件(72)配置在催化劑保持體(62)的下遊側，阻止向處理氣體流向移動。
【專利說明】燃氣渦輪發動機中的催化燃燒器
[0001]相關申請
[0002]本申請要求2011年12月27日申請的日本專利申請2011-285245的優先權，將其全部內容以參照的方式引入作為本申請的一部分。
【技術領域】
[0003]本發明涉及一種用於燃氣渦輪發動機的催化劑截面積大的催化燃燒器。
【背景技術】
[0004]催化燃燒器具有幾乎不排出NOx，能夠使通常不能燃燒的低濃度甲烷氧化等優點，是能夠應對低公害性和變暖對策等環境問題的技術之一(例如，專利文獻I)。
[0005]現有技術文獻
[0006]專利文獻
[0007]專利文獻1:日本專利第4841679號公報
[0008]在通過催化劑進行處理的氣體量多的燃氣渦輪發動機的燃燒催化劑中，為了使大量的處理氣體充分反應，必須減小處理氣體通過催化劑的速度，具有催化劑的截面積變大的傾向。如果增大催化劑的截面積，則在圓筒型的催化燃燒器中，其直徑變大，但相反地，承載催化劑的催化劑載體的強度降低。
[0009]通常，在將催化劑組裝入裝置時，將催化劑保持材夾在催化燃燒器的套體與催化劑載體之間。催化劑保持材在從催化劑載體的外周保持催化劑載體的同時，也發揮密封處理氣體在催化劑外流動的作用。為了防止由於處理氣體的流動使催化劑保持材脫落，通過將催化劑保持材向徑向內側擠壓，朝向徑向內側給予一定的預負荷，通過其彈性恢復力，與套體的內面壓接。此時，由於擠壓催化劑保持材，在催化劑載體上會向催化劑中心側施加力，在直徑大的催化劑載體的情況下，有時會由於該力使催化劑載體變形。
【發明內容】
[0010](一)要解決的技術問題
[0011]本發明是鑑於上述技術問題而完成的，其目的在於提供一種燃氣渦輪發動機的催化燃燒器，該催化燃燒器能夠抑制因預負荷導致的催化劑載體的變形，同時，能夠防止催化劑保持材沿處理氣體的流向移動。
[0012](二)技術方案
[0013]為了實現上述目的，本發明的催化燃燒器用於燃氣渦輪發動機，具備套體、催化劑保持體、支持材和下遊側限制部件，所述套體在內部收納催化劑載體；所述催化劑保持體夾在所述套體與所述催化劑載體之間，在所述套體的內周面保持所述催化劑載體的外周面，同時，阻止處理氣體通過所述催化劑載體的外周，向下遊側洩漏；所述支持材配置在所述催化劑載體的所述處理氣體流向的下遊側，來保持所述催化劑載體；所述下遊側限制部件配置在所述催化劑保持體的下遊側，阻止向所述處理氣體流向移動。[0014]在燃氣渦輪發動機中，通常，由於通過催化劑載體的處理氣體為高壓，因此在細孔的催化劑載體的上遊側與下遊側間產生大的差壓，即使由於這樣的差壓，導致催化劑載體及催化劑保持體沿處理氣體的流向被擠壓，由支持材和下遊側限制部件支持，能夠阻止催化劑載體及催化劑保持體沿處理氣體的流向移動。因此，不需要通過強烈地擠壓催化劑保持體來給予預負荷，利用其彈性恢復力與主體部的內周面壓接，由此來防止向處理氣體的流向移動。其結果，能夠防止因對催化劑保持體強烈地擠壓導致的催化劑載體變形。
[0015]在本發明中，優選地，所述下遊側限制部件為環狀，所述催化劑載體為圓柱狀，設定所述下遊側限制部件的內徑與所述催化劑載體的外徑大致相同。根據該結構，通過使下遊側限制部件與催化劑載體的外周面的下部頂觸，能夠進行催化劑載體的定位。
[0016]在本發明中，優選地，所述下遊側限制部件體由在周向上分成兩部分的第一及第二限制部件半體構成，各限制部件半體在周向上具有間隙地相對。此外，也可以取而代之，所述下遊側限制部件的周向的一部分被切下，在其缺口部設置有周向的間隙。通過設置這樣的間隙，能夠吸收配置在會變成高溫的催化劑下遊側的環體的熱伸長。
[0017]在本發明中，優選地，還具備上遊側限制部件，所述上遊側限制部件配置在催化劑保持體的所述處理氣體流向的上遊側，阻止所述處理氣體通過所述催化劑保持體內。上遊側限制部件構成為能夠覆蓋所述催化劑保持體的上遊端面的大致整個面的形狀及尺寸，但為了儘可能不阻礙所述處理氣體流入催化劑，上遊側限制部件的內徑優選為略小於所述催化劑載體的外徑的程度。根據該結構，上遊側限制部件阻止處理氣體直接碰撞催化劑保持體，抑制處理氣體沿流向的力作用於催化劑保持體，並且，在燃氣輪機上發生喘振的情況下，能夠防止催化劑保持體向處理氣體的流向的上遊側脫離。
[0018]在本發明中，優選地，所述套體由中空狀的燃燒器殼體的內側自由裝卸地支持。根據該結構，能夠將套體從殼體中取出，在外部將催化劑載體從套體卸下進行更換，因此催化劑載體的更換作業變容易。
[0019]權利要求書和/或說明書和/或說明書附圖所公開的至少兩種結構的任意組合，均包含在本發明中。特別是權利要求書的各權利要求的兩項以上的任意組合，也包含在本發明中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]通過參照附圖對以下適宜的實施方式進行說明，可更加清楚地理解本發明。但是，實施方式及附圖僅用於圖示及說明，不應用於確定本發明的範圍。本發明的範圍由權利要求書確定。在附圖中，多個附圖上相同的附圖標記表示相同或與其相當的部分。
[0021]圖1是表示具備本發明的第一實施方式的催化燃燒器的燃氣渦輪發動機的簡略結構圖。
[0022]圖2是表示該燃氣渦輪發動機的立體圖。
[0023]圖3是表示該催化燃燒器的簡略結構圖。
[0024]圖4是表示該催化燃燒器的第二環體的俯視圖。
[0025]圖5是表示該催化燃燒器的第二環體的變形例的俯視圖。
[0026]圖6是表示本發明的第二實施方式的催化燃燒器的簡略結構圖。
【具體實施方式】[0027]下面參照【專利附圖】
【附圖說明】本發明的優選實施方式。圖1是表示具備本發明的一個實施方式的催化燃燒器的燃氣渦輪發動機的簡略結構圖。該燃氣渦輪發動機GT具有壓縮機1、含有鉬或鈀等催化劑的催化燃燒器2及渦輪3。通過該燃氣渦輪發動機GT的輸出來驅動兼作發電機和起動機的旋轉機械4。由燃氣渦輪發動機GT和旋轉機械4構成發電裝置E。
[0028]燃氣渦輪發動機GT是如下所述的貧燃料吸入燃氣輪機，其將在煤礦產生的CMM (Coal Mine Methane ;煤礦甲烷)等低熱量氣體與從空氣或煤礦排出的VAM(Ventilation Air Methane ;煤礦通風甲燒)等混合等，通過由壓縮機壓縮，製成不點火的燃燒極限濃度以下的工作氣體，吸入發動機，將所含的可燃成分用作燃料。
[0029]如VAM與CMM的混合氣這樣的工作氣體Gl在壓縮機I壓縮，其高壓的壓縮氣體G2輸送至催化燃燒器2。該壓縮氣體G2通過催化燃燒器2的鉬或鈀等催化劑進行的催化反應而燃燒，將由此產生的高溫/高壓的燃燒氣體G3供給渦輪3，來驅動渦輪3。渦輪3通過旋轉軸5與壓縮機I連接，通過該渦輪3來驅動壓縮機I。旋轉軸5與旋轉機械4通過減速器17連接。通過渦輪3的旋轉來驅動旋轉機械4，從而得到電力。這樣來構建包含燃氣渦輪發動機GT及旋轉機械4的發電裝置E。
[0030]燃氣渦輪發動機GT還具備再生器(熱交換器)6及加溫用燃燒器7，所述再生器(熱交換器)6利用來自渦輪3的廢氣G4，對從壓縮機I導入催化燃燒器2的壓縮氣體G2加熱，所述加溫用燃燒器7通過提高廢氣G4的溫度，在啟動時提高流入催化燃燒器2的壓縮氣體G2的溫度，使催化劑活化。該加溫用燃燒器7將加溫用氣體G5混入廢氣4中，進行加溫，所述加溫用氣體G5在從由壓縮機I壓縮，去往再生器6的壓縮氣體G2中部分抽出的抽出氣體G20中混合燃料F，使其火炎燃燒而得，所述廢氣4是從渦輪3供給再生器6的廢氣。在加溫用燃燒器7上連接有抽氣閥8，該抽氣閥8控制向所述加溫用燃燒器7供給抽出氣體G20的供給量。
[0031]再生器6與催化燃燒器2通過下遊側壓縮氣體通路26連接，從再生器6向催化燃燒器2供給壓縮氣體G2。渦輪3與再生器6通過中空筒狀的排氣管道25連接。從再生器6流出的廢氣G4通過沒有圖示的消聲器消聲後，向外部排放。
[0032]圖2是表示發電裝置E的主要部分的立體圖。如該圖所示，燃氣渦輪發動機GT在由底座20支持的狀態下收納在裝箱22內，在渦輪3的軸向C的一端側，即圖2的左側，通過排氣管道25連接有再生器6，在排氣管道25的上部連接有加溫用燃燒器7。在渦輪3的軸向C的另一端側，即圖2的右側，連接有壓縮機1，在壓縮機I的另一端側連接有減速器17。在減速器17的另一端側通過旋轉軸5連接有發電機4(圖1)。
[0033]在渦輪3的上部連接有催化燃燒器2，催化燃燒器2與再生器6通過下遊側壓縮氣體通路26連接，該下遊側壓縮氣體通路26將壓縮氣體G2從再生器6供給催化燃燒器2。催化燃燒器2具有主體部30和蓋罩部32，所述主體部30在內部收納有催化劑單元U (圖3)，呈中空圓筒狀，所述蓋罩部32通過螺栓與主體部30的上部連接，呈有底圓筒狀。
[0034]進而，在催化燃燒器2的兩側方，即與軸向C垂直的兩側方，分別在底座20上豎立設置有沿軸向C各排列兩根的鋼製支柱40。在四根支柱40中，在催化燃燒器2的兩側相對的各兩根通過第一連接部件42、42連接，連接部件42、42的兩端部之間通過兩根第二連接部件44、44連接。第一及第二連接部件42、44的上表面位於與催化燃燒器2的主體部30與蓋罩部32間的連接部A幾乎相同的高度。[0035]如圖3所示，催化燃燒器2具有單段式的催化劑單元U。催化燃燒器2的主體部30具有形成其外圍的殼體50，殼體50的下端部通過螺栓與渦輪3連接。相對於該殼體50，催化劑單元U自由裝卸地進行安裝。即，向內側突出的環狀的支持環體52固定在殼體50上部的內面上，在主體部30的內部配置有圓筒狀的套體54。殼體50、套體54不限定於圓筒狀，也可以為橢圓筒狀或如方形那樣的方筒狀。
[0036]設定套體54的外徑小於支持環體52的內徑。在套體54的一端部，即圖3的上端部，形成有向徑向外側延伸的第一凸緣部56，在套體54的另一端部，即圖3的下端部，形成有向徑向內側延伸的第二凸緣部58。設定第一凸緣部56的外徑大於支持環體52的內徑，且小於殼體50的內徑，第一凸緣部56放置在支持環體52上，通過螺栓連接。由此，套體54由殼體50自由裝卸地支持。
[0037]催化劑單元U在套體54的內部，通過催化劑保持體62收納有圓柱狀催化劑載體10，在圓筒狀的套體54的內部，在催化劑載體10的下遊側收納有圓柱狀支持材64。具體地，支持材64的外周部放置在套體54的第二凸緣部58上，由套體54保持。催化劑載體10不限定於圓柱狀，也可以配合套體54的形狀而製成方柱狀。
[0038]催化劑載體10具有孔朝向軸向的蜂窩結構。環狀的催化劑保持體62夾在套體54與催化劑載體10之間，其密封作為處理氣體的壓縮氣體G2在催化劑外流動。催化劑保持體62在通過卷在催化劑載體10的外周，向徑向內側擠壓，而被給予了預負荷的狀態下，插入套體54的內側，通過催化劑載體10及催化劑保持體62的彈性恢復力，使催化劑保持體62與套體54的內周面接觸。此時，設定成能夠密封氣體洩漏的程度的小的接觸壓力附加在催化劑保持體62上。支持材64例如將在流向上具有主面的多個不鏽鋼板呈放射狀排列，阻止催化劑載體10沿壓縮氣體G2的流向移動。
[0039]在催化劑保持體62的壓縮氣體G2的流向的上遊側和下遊側，分別配置有環狀的上遊側及下遊側限制部件70、72。上遊側限制部件70例如為不鏽鋼製的環狀體，通過從套體54的外側穿過的如螺栓這樣的緊固部件(沒有圖示)，固定在套體54的內周面上。上遊側限制部件70阻止壓縮氣體G2通過催化劑保持體62內，構成為能夠覆蓋催化劑保持體62的上遊端面的大致整個面的形狀及尺寸，但為了儘可能不阻礙所述壓縮氣體G2流入催化劑，上遊側限制部件70的內徑dl優選為略小於催化劑載體10的外徑D的程度，例如dl=0.98 ?1.0OD0
[0040]下遊側限制部件72例如也為不鏽鋼製的環狀體，嵌入套體54的內周面。下遊側限制部件72阻止由於壓縮氣體G2在催化劑前後的差壓，而導致催化劑保持體62沿壓縮氣體G2的流向移動。設定下遊側限制部件72的內徑d2與催化劑載體10的外徑D大致相同，例如，d2 = 1.00 ?1.02D。
[0041]圖4是下遊側限制部件72的俯視圖。如該圖所示，下遊側限制部件72由在周向上分成兩部分的第一及第二限制部件半體72a、72b構成，各限制部件半體72a、72b在周向上具有間隙G、G地相對。下遊側限制部件72配置在會變成高溫的催化劑的下遊側，通過設置這樣的間隙G，能夠吸收熱伸長。
[0042]圖5是下遊側限制部件72的變形例。在該例中，下遊側限制部件72不是分開的結構，而是在周向上一部分被切下的結構，在其缺口部74設置有間隙G。在該變形例中，也能夠吸收下遊側限制部件72的熱伸長。上遊側限制部件70也是與圖4及圖5的結構相同的形狀。
[0043]對上述結構的燃氣渦輪發動機GT的工作進行說明。在啟動時，由於圖1的催化燃燒器2的溫度低於活性下限溫度，因此通過加溫用燃燒器7的點火使廢氣G4升溫，進行再生器6的預熱。由此，使通過再生器6的壓縮氣體G2升溫，使催化燃燒器2升溫至能夠進行催化反應的規定溫度。若進入額定運轉，則廢氣G4的溫度上升，因此，由壓縮機I供給的壓縮氣體G2通過在再生器6內與廢氣G4的熱交換，達到對於催化燃燒器2工作足夠的高溫。其結果，關閉抽氣閥8，加溫用燃燒器7的工作停止。此時，如圖3所示，流入催化燃燒器2內的壓縮氣體G2通過催化劑單元U而燃燒，成為高溫的燃燒氣體G3，供給渦輪3。
[0044]由於通過催化劑載體10的壓縮氣體G2為高壓，因此在細孔的催化劑載體10的上遊側(一次側)與下遊側(二次側)間產生大的差壓。支持材64用來針對這樣的差壓而支持催化劑載體10，其與套體54及支持環體52協同來阻止催化劑載體10沿壓縮氣體G2的流向移動、變形。
[0045]此外，在由於所述差壓導致催化劑保持體62沿壓縮氣體G2的流向移動的情況下，由於在催化劑保持體62與支持材64之間設置有下遊側限制部件72，因此能夠阻止催化劑保持體62沿壓縮氣體G2的流向移動。由此，能夠防止樹脂制的催化劑保持體62陷入不鏽鋼板的支持材64而損傷。因此，不需要通過強烈地擠壓催化劑保持體62而給予預負荷，利用其彈性恢復力與套體54的內周面壓接，來防止向處理氣體G2的流向移動。因此，能夠防止因對催化劑保持體62強烈地擠壓導致的催化劑載體10變形。
[0046]進而，由於下遊側限制部件72的內徑d2與催化劑載體10的外徑D大致相同，因此通過使下遊側限制部件72與催化劑載體10的外周面的下部頂觸，能夠進行催化劑載體10的定位。
[0047]此外，上遊側限制部件70阻止壓縮氣體G2直接碰撞催化劑保持體62，抑制壓縮氣體G2沿流向的力作用於催化劑保持體62，並且，在燃氣輪機發生喘振的情況下，能夠防止催化劑保持體62向圖3的上側脫離。
[0048]進而，由於套體54由中空狀的燃燒器殼體50的內側自由裝卸地支持，因此能夠將套體54從殼體50取出，在外部將催化劑載體10從套體54卸下進行更換，因此催化劑載體10的更換作業變容易。
[0049]圖6是第二實施方式的催化燃燒器2的縱剖視圖。如該圖所示，催化燃燒器2為多段式，具體地，具有三段的催化劑單元U1、U2、U3。三個催化劑單元U1、U2、U3中最上遊、即圖5的最上部的催化劑單元Ul用於點火，其餘兩個是用於氧化的催化劑單元U2、U3。
[0050]各催化劑單元Ul、U2、U3相對於殼體50自由裝卸地進行安裝。具體地，各催化劑單元Ul?U3在圓筒狀盒體60的內部，隔著催化劑保持體62收納有圓柱狀催化劑載體10，在圓筒狀盒體60的內部，在催化劑載體10的下遊側，隔著下遊側限制部件72收納有圓柱狀支持材64。更加詳細地，在盒體60的下遊側端部，形成有向徑向內側延伸出的凸緣狀的保持片66，支持材64的外周部放置在保持片66上，由盒體60保持。
[0051]設定各催化劑單元U1、U2、U3的盒體60的外徑略小於套體54的內徑，各催化劑單元U1、U2、U3從上側以嵌入的方式組裝到套體54內，在第二催化劑單元U2與第三催化劑單元U3之間及第一催化劑單元Ul與第二催化劑單元U2之間配置有上遊側限制部件70，在第一催化劑單元Ul的催化劑保持體62的上遊側也配置有上遊側限制部件70。僅最上部的上遊側限制部件70與第一實施方式相同，通過螺栓這樣的緊固部件(沒有圖示)固定在套體54上，其他上遊側限制部件70嵌入套體54的內周面上。
[0052]最下遊側的第三催化劑單元U3，其盒體60的保持片66的下表面66b與套體54的第二凸緣部58的上表面58a頂觸，由套體54保持。第一及第二催化劑單元U1、U2，其盒體60的保持片66的下表面66b隔著上遊側限制部件70，與下遊側的催化劑單元U2、U3的盒體60的上端面60a頂觸而被支持。除此以外的結構與上述第一實施方式相同，在第二實施方式中也起到與第一實施方式相同的效果。
[0053]此外，在第二實施方式中，可以在省略第一催化劑單元Ul與第二催化劑單元U2之間的上遊側限制部件70，以及第二催化劑單元U2與第三催化劑單元U3之間的上遊側限制部件70後，使第一催化劑單元Ul及第二催化劑單元U2的盒體60的保持片66向徑向內側延伸出，將保持片66作為上遊側限制部件70而共用。由此，能夠削減配件數量。
[0054]在上述第二實施方式中，對三段式的催化燃燒器進行了說明，但也可以為兩段式或四段式以上。此外，在上述實施方式中，作為進氣，使用CMM與VAM的混合氣，但並不限定於此，也能夠適用於將空氣用作進氣，將燃料供給催化燃燒器2使其燃燒的通常的催化燃燒式燃氣潤輪發動機。
[0055]如上所述，參照附圖對本發明的優選實施方式進行了說明，但在不脫離本發明的主旨的範圍內，能夠進行各種補充、改變或刪除。例如，也可以省略殼體50及另外的套體54，將殼體的一部分用作套體。因此，這樣的補充、改變及刪除也包含在本發明的範圍內。
[0056]附圖標記說明
[0057]I 壓縮機
[0058]2主燃燒器(催化燃燒器)
[0059]3 渦輪
[0060]6 再生器
[0061]10催化劑載體
[0062]50 殼體(套體)
[0063]54 套體
[0064]62催化劑保持體
[0065]64 支持材
[0066]70上遊側限制部件
[0067]72下遊側限制部件
[0068]72a、72b 限制部件半體
[0069]74 缺口部
[0070]dl上遊側環體的內徑
[0071]d2 環體的內徑
[0072]D 催化劑載體的外徑
[0073]G 周向間隙
[0074]G2處理氣體(壓縮氣體)
[0075]GT燃氣渦輪發動機
[0076]U、U1、U3、U3 催化劑單元
【權利要求】
1.一種催化燃燒器，其用於燃氣渦輪發動機， 具備套體、催化劑保持體、支持材和下遊側限制部件； 所述套體在內部收納催化劑載體； 所述催化劑保持體夾在所述套體與所述催化劑載體之間，在所述套體的內周面保持所述催化劑載體的外周面，同時，阻止處理氣體通過所述催化劑載體的外周，向下遊側洩漏；所述支持材配置在所述催化劑載體的所述處理氣體流向的下遊側，來保持所述催化劑載體； 所述下遊側限制部件配置在所述催化劑保持體的下遊側，阻止向所述處理氣體流向移動。
2.根據權利要求1所述的催化燃燒器，其特徵在於，所述下遊側限制部件為環狀，所述催化劑載體為圓柱狀，設定所述下遊側限制部件的內徑與所述催化劑載體的外徑大致相同。
3.根據權利要求1或2所述的催化燃燒器，其特徵在於，所述下遊側限制部件體由在周向上分成兩部分的第一及第二限制部件半體構成，各限制部件半體在周向上具有間隙地相對。
4.根據權利要求1或2所述的催化燃燒器，其特徵在於，所述下遊側限制部件的周向的一部分被切下，在其缺口部設置有周向的間隙。
5.根據權利要求1?4中任意一項所述的催化燃燒器，其特徵在於，還具備上遊側限制部件，所述上遊側限制部件配置在催化劑保持體的所述處理氣體流向的上遊側，阻止所述處理氣體通過所述催化劑保持體內。
6.根據權利要求5所述的催化燃燒器，其特徵在於，設定上遊側限制部件的內徑略小於所述催化劑載體的外徑。
7.根據權利要求1?6中任意一項所述的催化燃燒器，其特徵在於，所述套體由中空狀的燃燒器殼體的內側自由裝卸地支持。
【文檔編號】F23R3/40GK103998868SQ201280063268
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2012年12月11日 優先權日:2011年12月27日
【發明者】堂浦康司, 緒方正裕 申請人:川崎重工業株式會社