(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料改質のための装置であって、
（ａ）入口と出口とを規定する燃料フロー制御器と、
（ｂ）入口と出口とを規定する空気フロー制御器と、
（ｃ）入口と出口とを規定する噴霧混合器であって、Ｏ／Ｃ比率を有する混合気を生成する噴霧混合器と、
（ｄ）前記燃料フロー制御器からの出口と前記噴霧混合器への入口とを流体連通する通路と、
（ｅ）前記空気フロー制御器からの出口と前記噴霧混合器への入口とを流体連通する通路と、
（ｆ）改質反応器と、
（ｇ）前記噴霧混合器からの出口と前記改質反応器とを流体連通する通路と、を備え、
前記噴霧混合器の入口は、液体燃料が流通する前記（ｄ）の通路および空気が流通する前記（ｅ）の通路に連通し、
前記噴霧混合器の出口は、前記混合気が流通する前記（ｇ）の通路に連通し、
前記燃料フロー制御器および前記空気フロー制御器が、それぞれ、フロー調節手段に加えてパルス噴射器を備え、
前記燃料フロー制御器、前記空気フロー制御器および前記噴霧混合器が、パルス周期ｔにおけるＯ／Ｃ比率の平均値である平均Ｏ／Ｃ比率、および前記パルス周期ｔよりも短いパルス継続時間ｄにおけるＯ／Ｃ比率である瞬間的Ｏ／Ｃ比率を規定し、且つ前記瞬間的Ｏ／Ｃ比率を前記パルス周期ｔで変化させながら前記平均Ｏ／Ｃ比率を操作することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記瞬間的Ｏ／Ｃ比率が、１秒未満の前記パルス継続時間ｄにわたり、１秒未満の前記パルス周期ｔで、１０より大きい数値を規定することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記瞬間的Ｏ／Ｃ比率が、１秒より大きい前記パルス継続時間ｄにわたり、１秒より大きい前記パルス周期ｔで、１０より大きい数値を規定することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記パルス噴射器が、パルス電磁噴射器であることを特徴とする請求項１から３いずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記（ｄ）の前記通路が、流量を制御する制限装置を更に備えることを特徴とする請求項１から４いずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記（ｅ）の前記通路が、流量を制御する制限装置を更に備えることを特徴とする請求項１から５いずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記噴霧混合器が、リッチ混合気を生成することを特徴とする請求項１から６いずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記噴霧混合器が、リーン混合気を生成することを特徴とする請求項１から６いずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記燃料フロー制御器または前記空気フロー制御器のうちの少なくとも１つが、それを通る反応物のパルスフローの周波数を変化させるための手段を更に備えることを特徴とする請求項１から８いずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記燃料フロー制御器または前記空気フロー制御器のうちの少なくとも１つが、それを通る反応物のパルスフローの振幅を変化させるための手段を更に備えることを特徴とする請求項１から８いずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
多くの動的応用にとって、非常に高速な反応器応答時間が望ましい。このためには、システム要求に非常に迅速に反応する反応器が必要である。本発明は、過渡的な運転時において燃料／空気混合気形成を損なうことなく、短時定数によって反応物フローを制御する装置に関する。特に、本発明は、燃料／空気混合気形成を犠牲にすることなく、反応器への反応物フローに対して同様に高速な制御を可能にする、フロー制御装置を提供する。異なる種類の接触改質反応器に対して適用可能であるが、高温およびコーキングの制約が最も激しいため、ここでは接触部分酸化反応器を参照して説明する。
【背景技術】
【０００２】
化学反応器内の反応物フローを制御する従来技術において、多くの公知のシステムがある（例えば、特許文献１参照）。これらの公知の方法の１つとして、閉ループ方式がある。一般的に、一定の基準点に対して、時間の経過と共に、システムの１つ以上の出力変数を追跡するように、制御器が使用される。制御器は、システムへの入力を変化させ、システムの出力に対する所期の効果を得ることにより、出力変数を基準点またはその近くに維持する。従って、化学反応器内の反応物フローを制御するための閉ループ方式は、反応生成物または作動温度等の他の作動パラメータを監視し、測定値を追跡し、そのような値を所望の基準と比較し得る。システムは、基準点または反応器温度設定値またはその近くに反応器の操作を維持するために、反応器の入力および他の作動パラメータを変化させる。
【０００３】
炭素（Ｃ１）生成物へのほぼ完全な転化を伴う、例えばディーゼルおよびＪＰ８等の液体留出物燃料の無水式接触部分酸化（以下、「ＣＰＯｘ」と記載する）は、挑戦的な命題である。一般的な反応を以下に示す。
［化１］
ＣｘＨｙ＋Ｏ２→ｍＣＯ＋ｎＨ２＋少量のＣＯ２およびＨ２Ｏ
このモードにおいて動作を実際に可能な性能としては、完全な酸化生成物である二酸化炭素（ＣＯ２）および水（Ｈ２Ｏ）と比較して、部分的な酸化生成物であるＣＯおよびＨ２に対する高い選択性を提供する反応器設計を必要とする。
【０００４】
留出物燃料のＣＰＯｘは、炭素形成および／または極端に高い反応器温度のために、困難なものとなる。本発明においては、反応器設計と共に、独特の制御アルゴリズムが、乾式ＣＰＯｘの制約に対処する演算精度を可能にする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／０２３３７０２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、過渡的な運転時において、燃料／空気混合気形成およびフロー制御を損なうことなく、システム要求に非常に迅速に反応する、反応器装置を提供することにある。本発明の別の目的は、燃料／空気混合気形成を損なうことなく、短時定数によって反応物フローを同時に変化させることを可能にする装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る装置は、燃料改質のための装置であって、（ａ）入口と出口とを規定する燃料フロー制御器と、（ｂ）入口と出口とを規定する空気フロー制御器と、（ｃ）入口と出口とを規定する噴霧混合器であって、Ｏ／Ｃ比率を有する混合気を生成する噴霧混合器と、（ｄ）前記燃料フロー制御器からの出口と前記噴霧混合器への入口とを流体連通する通路と、（ｅ）前記空気フロー制御器からの出口と前記噴霧混合器への入口とを流体連通する通路と、（ｆ）改質反応器と、（ｇ）前記噴霧混合器からの出口と前記改質反応器とを流体連通する通路と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、上記発明において、前記燃料フロー制御器が、パルス噴射器を備えることが好ましい。
【０００９】
また、上記発明において、前記空気フロー制御器が、パルス噴射器を備えることが好ましい。
【００１０】
また、上記発明において、前記燃料フロー制御器が、定流量弁を備えることが好ましい。
【００１１】
また、上記発明において、前記空気フロー制御器が、定流量弁を備えることが好ましい。
【００１２】
また、上記発明において、前記（ｄ）の前記通路が、流量を制限する制限装置を更に備えることが好ましい。
【００１３】
また、上記発明において、前記（ｅ）の前記通路が、流量を制限する制限装置を更に備えることが好ましい。
【００１４】
また、上記発明において、前記噴霧混合器がリッチ混合気を生成することが好ましい。
【００１５】
また、上記発明において、前記噴霧混合器がリーン混合気を生成することが好ましい。
【００１６】
また、上記発明において、前記燃料フロー制御器、前記空気フロー制御器および前記噴霧混合器が、平均Ｏ／Ｃ比率および瞬間的Ｏ／Ｃ比率を規定することが好ましい。
【００１７】
また、上記発明において、前記燃料フロー制御器、前記空気フロー制御器および前記噴霧混合器が、瞬間的Ｏ／Ｃ比率を周期的に変化させながら平均Ｏ／Ｃ比率を維持することが好ましい。
【００１８】
また、上記発明において、前記燃料フロー制御器または前記空気フロー制御器のうちの少なくとも１つが、それを通る反応物のパルスフローの周波数を変化させるための手段を更に備えることが好ましい。
【００１９】
また、上記発明において、前記燃料フロー制御器または前記空気フロー制御器のうちの少なくとも１つが、それを通る反応物のパルスフローの振幅を変化させるための手段を更に備えることが好ましい。
【００２０】
また、上記発明において、前記瞬間的Ｏ／Ｃ比率が、約１秒未満の継続時間にわたり、約１秒未満の周期間隔で、約１０より大きい数値を規定することが好ましい。
【００２１】
また、上記発明において、前記瞬間的Ｏ／Ｃ比率が、約１秒を超える継続時間にわたり、約１秒を超える周期間隔で、約１０より大きい数値を規定することが好ましい。
【００２２】
また、上記発明とは別の発明に係る装置は、燃料改質のための装置であって、（ａ）噴射器を備えて燃料フローを制御するための手段と、（ｂ）噴射器を備えて空気フローを制御するための手段と、（ｃ）前記燃料フローおよび前記空気フローを噴霧および混合するための手段であって、それにより混合気を生成するための手段と、（ｄ）改質反応器とを備えることを特徴とする。
【００２３】
上記別の発明において、（ｅ）前記（ｃ）の前記噴霧および混合する手段へと送られる燃料の量を調節するための手段を更に備えることが好ましい。
【００２４】
上記別の発明において、（ｅ）前記（ｃ）の前記噴霧および混合する手段へと送られる空気の量を調節するための手段を更に備えることが好ましい。
【００２５】
また、更に別の発明に係る装置は、燃料改質のための装置であって、（ａ）パルス噴射器を備え、入口と出口とを規定する燃料フロー制御器と、（ｂ）パルス噴射器を備え、入口と出口とを規定する空気フロー制御器と、（ｃ）入口と出口とを規定する噴霧混合器であって、Ｏ／Ｃ比率を有する混合気を生成する噴霧混合器と、（ｄ）前記燃料フロー制御器からの前記出口および前記噴霧混合器への前記入口と流体連通する通路であって、それを通る燃料フローの量を制御するための制限装置を更に備える通路と、（ｅ）前記空気フロー制御器からの前記出口および前記噴霧混合器への前記入口と流体連通する通路であって、それを通る空気フローの量を制御するための制限装置を更に備える通路と、（ｆ）改質反応器と、（ｇ）前記噴霧混合器の出口から前記改質反応器へと流体連通する通路とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、過渡的な運転時において、燃料／空気混合気形成およびフロー制御を損なうことなく、システム要求に非常に迅速に反応する、反応器装置を提供できる。また、燃料／空気混合気形成を損なうことなく、短時定数によって反応物フローを同時に変化させることを可能にする装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明による反応器フロー制御装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
留出物燃料の乾式改質のために、改質反応器を検証した。検証は、コネチカット州ノースヘイブンのプレシジョンコンバスチョン社から入手可能な特許取得済みのマイクロリス（登録商標）基板および触媒技術を採用した小さなモジュール式の触媒反応器に基づいた。標準的なフロー制御器の使用は、マイクロリス（登録商標）ＣＰＯｘの反応器およびシステムニーズの動的性能に対して、遅すぎて反応できないことがわかっている。高速調節弁の使用は高価であり、制御が困難である。また、小さな反応器における低いフローでは、液体燃料を充分に噴霧化できるほど充分に高い平均速度が得られないことがある。
【００２９】
小さなずれが大きな温度逸脱またはコークス堆積をもたらすことがあり、その結果として、反応器の損傷または性能低下をもたらすので、炭素原子に対する酸素原子の最小必要比率（従来技術において「Ｏ／Ｃ比率」として公知）の正確な制御は、特にＣＰＯｘ反応器において重要である。本発明は、噴霧器設計のパルス噴射器への統合を含む装置を提供するものであり、例えば燃料制御および空気制御のための電磁噴射器または圧電噴射器を含むが、これらに限定されるものではない。噴霧器は、燃料フローおよび空気フローの所望の範囲にわたって、燃料の充分な噴霧化および適切な燃料／空気混合気形成を提供することができる。
【００３０】
図１に示すように、本発明による反応器フロー制御装置１０は、燃料入口１２と吸気口１４とを備える。反応器フロー制御装置１０は、入口１８と出口２０とを規定する燃料フロー制御器１６を更に備える。反応器フロー制御装置１０は、同様に、入口２４と出口２６とを規定する空気フロー制御器２２を更に備える。
【００３１】
燃料フロー制御器１６および空気フロー制御器２２は、そのようなフローを調節するための、公知のまたは以下に展開する種々の手段を備えてもよい。そのような装置は、パルス噴射器、定流量弁、および同様のフロー調節手段を備えてもよい。すべてのそのようなフロー調節手段は、本発明の範囲内であるとみなされる。
【００３２】
更に図１を参照して、反応器フロー制御装置１０は、入口３０と出口３２とを規定する噴霧混合器２８を備える。入口３０は、反応器フロー制御装置１０の特定の作動パラメータに基づいて、１つ以上の口径を備えてもよい。それに加えて、噴霧混合器２８が混合気を生成する、噴霧器を制御するための、従来公知のまたは以下に展開する手段は、本発明の範囲内であるとみなされる。好ましくは、噴霧混合器２８は、リッチ混合気を生成するように調節されるが、反応器フロー制御装置１０の特定の作動パラメータに基づいて、リーン混合気を生成するように調節されてもよい。
【００３３】
燃料フロー制御器１６の出口２０は、通路３４を介して、噴霧混合器２８の入口３０と流体連通して配置される。同様に、空気フロー制御器２２の出口２６は、通路３６を介して、噴霧混合器２８の入口３０と流体連通して配置される。反応器フロー制御装置１０は、入口４０と出口４２とを規定する改質反応器３８を含む。噴霧混合器２８の出口３２は、通路４４を介して、改質反応器３８の入口４０と流体連通して配置される。
【００３４】
パルス噴射器は、燃料フローおよび空気フローの範囲にわたって正確に燃料制御でき、その応答時間は、触媒反応器の高速な反応を補完することができる。それに加えて、反応器フロー制御装置１０の特定の作動パラメータに基づいて、通路３４および３６に対して様々な調整を行うことができる。これらの調整は、最適性能を達成するように装置を「チューニングすること」として定義される。
【００３５】
装置のチューニングには、パルス噴射器のパルスの周波数または振幅と連動してフロー振動を減衰させるために、通路を介してフローの量を調節することを含み得る。量は、応答時間を損なうことなくパルスを減衰させるように選択することができる。パルス噴射器によってもたらされる、周波数、圧力および振幅の変動の可能性は、燃料および空気の流量を制御する広範囲の選択肢を提供する。通路を介して液体または気体のフローを制御するための、従来公知のまたは以下に展開する手段は、本発明の範囲内であるとみなされる。そのような手段の１つは、前述のように体積流量を制御してシステムのチューニングを達成するために、通路（その入口または出口）内の１つ以上の位置に配置される制限装置の使用を含む。
【００３６】
（ｉ）質量流量制御器および（ｉｉ）パルス電磁噴射器を用いて、本発明による装置の水素収率を証明するために、周囲温度空気およびディーゼル燃料を使用した検証を行った。以下の表にまとめるように、データは、同等の平均Ｏ／Ｃ比率約１．０３において、ほぼ等しい水素収率（９８．４％）が達成されたことを示した。
【００３７】
【表１】
0005465629.tif 000002
【００３８】
本発明の装置が更なる予想外の利点を提供することも見出された。噴射器のパルス化された性質のために、瞬間的なＯ／Ｃ比率は、時間によって異なる。瞬間的なＯ／Ｃ比率が周期的に変化しつつ、等しい平均Ｏ／Ｃ比率を維持することは、反応器内の炭素付着（すなわちコーキング）への耐性を付与し、ゆえに反応器の性能を向上させた。これらの利点を拡大するために、これらのパルスの周波数および振幅を変化させることを利用してもよい。例えば、一定の平均出力を維持しながら、周期ｔの間隔で、継続時間ｄにわたって、Ｏ／Ｃ比率をその通常動作平均値から数値Ｘまで周期的に変化させること（ここで、Ｘは、好ましくは約１０より大きい数値、ｄは、約０．００５秒から約１秒までの範囲、ｔは、約１秒から約３０秒以上であり得る）は、定常状態の一定のＯ／Ｃ比率操作と比較して、性能低下に対する耐性の向上を提供する。
【００３９】
本発明を非常に詳細に説明したが、当業者にとって明らかなように、本発明の趣旨と範囲から逸脱することなく、本発明は数多くの修正および変更ができることが明らかである。
【符号の説明】
【００４０】
１０…反応器フロー制御装置
１２…燃料入口
１４…吸気口
１６…燃料フロー制御器
２２…空気フロー制御器
２８…噴霧混合器
３８…改質反応器
【図１】
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