(57)【要約】【課題】  安定した低ＮＯｘ排気量のリッチ−リーン触媒燃焼システムを提供する。【解決手段】  リッチ触媒バーナーとリーン触媒バーナーを備えるリッチ触媒燃焼システムを使用するガスタービン・エンジン。リッチ触媒バーナーは、リッチ触媒リアクタと熱交換器を備える。リッチ触媒リアクタは、多燃料混合気を触媒燃焼して高温燃料を提供する。熱交換器は、多燃料混合気の触媒燃焼による熱の一部を吸収する空気流を受容し、リッチ触媒リアクタ内の反応をいき温度又はそれ以下の温度に維持する。熱交換器から得られた高温の空気と高温燃料は混合ゾーンで混合され、高温の燃料−空気混合気となる。リーン触媒バーナーはその高温の燃料−空気混合気を受容して燃焼する。【選択図】  図１
2006118854.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リッチ触媒リアクタと熱交換器を備えるリッチ触媒バーナーと、
リッチ触媒バーナーの下流に位置する混合ゾーンと、
混合ゾーンの下流に位置するリーン触媒バーナー、
を含んでなることを特徴とする、リッチ−リーン触媒燃焼システム。
【請求項２】
前記リッチ触媒リアクタとリーン触媒バーナーのいずれか一方が、卑金属を含む活性成分を有する触媒を含むことを特徴とする、請求項１記載の燃焼システム。
【請求項３】
前記リッチ触媒リアクタとリーン触媒バーナーのいずれか一方が、金属酸化物を含む活性成分を有する触媒を含むことを特徴とする、請求項１記載の燃焼システム。
【請求項４】
前記リッチ触媒リアクタが、白金族の金属のいずれか又はそれらの組み合わせを含んでなることを特徴とする、請求項１記載の燃焼システム。
【請求項５】
前記リッチ触媒リアクタがロジウムを含んでなることを特徴とする、請求項４記載の燃焼システム。
【請求項６】
前記リーン触媒バーナーが、白金族の金属のいずれか又はそれらの組み合わせを含んでなることを特徴とする、請求項１記載の燃焼システム。
【請求項７】
前記リーン触媒バーナーが酸化パラジウムを含んでなることを特徴とする、請求項６記載の燃焼システム。
【請求項８】
前記リーン触媒バーナーの下流に位置する燃焼ゾーンをさらに含むことを特徴とする、請求項１記載の燃焼システム。
【請求項９】
前記リーン触媒バーナーの上流に位置し、前記リッチ触媒リアクタに多燃料混合気を供給するよう適合される予混合機をさらに含むことを特徴とする、請求項１記載の燃焼システム。
【請求項１０】
前記熱交換器と予混合機に空気を供給するよう適合される圧縮機と、前記リーン触媒バーナーの下流に位置するタービンをさらに含むことを特徴とする、請求項１記載の燃焼システム。
【請求項１１】
前記リッチ触媒バーナーが加熱器を含んでなることを特徴とする、請求項１記載の燃焼システム。
【請求項１２】
前記リーン触媒バーナーの下流に位置する表面安定化燃焼ゾーンをさらに含むことを特徴とする、請求項１記載の燃焼システム。
【請求項１３】
前記表面安定化燃焼ゾーンが、耐熱性セラミックベース構造体を含むことを特徴とする、請求項１２記載の燃焼システム。
【請求項１４】
多燃料混合気を提供するために燃料と第１の空気流を予混合することと、
リッチ触媒リアクタ内で多燃料混合気を触媒燃焼することにより高温の燃料を生成し、かつ熱を発生させることと、
前記リッチ触媒リアクタによって発生した熱を吸収し、かつ高温の空気を提供するために第２の空気流を加熱するための熱交換器に第２の空気流を供給することと、
高温の燃料−空気混合気を提供するために高温の燃料と高温の空気を混合ゾーン内で混合することと、
高温の燃料−空気混合気をリーン触媒バーナー内で触媒燃焼すること、
を含んでなることを特徴とする、燃焼方法。
【請求項１５】
前記多燃料混合気を触媒燃焼することが、加熱器による多燃料混合気の燃焼を開始させることを含むことを特徴とする、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記混合することが、高温の燃料−空気混合気に燃料を添加することを含むことを特徴とする、請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
前記混合することが、高温の燃料−空気混合気に空気を添加することを含むことを特徴とする、請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
前記第２の空気流を加熱する前に、その第２の空気流に燃料を添加することをさらに含むことを特徴とする、請求項１４記載の方法。
【請求項１９】
前記高温の燃料−空気混合気を触媒燃焼することの後に、高温の燃料−空気混合気を燃焼することをさらに含むことを特徴とする、請求項１４記載の方法。
【請求項２０】
前記燃焼ゾーン内の前記高温の燃料−空気混合気を燃焼することを、耐熱性セラミックベース構造体によって安定化することをさらに含むことを特徴とする、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記方法における構成要素を冷却するための第３の空気流を供給することをさらに含むことを特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項２２】
高温の燃料を供給するために多燃料の燃料−空気混合気を触媒燃焼することにより、高温の非可燃性の燃料−空気混合気を供給するために非可燃性の燃料と空気の混合気を加熱することと、
高温の燃料−空気混合気を供給するために非可燃性燃料−空気混合気を高温の燃料と混合することと、
高温の燃料−空気混合気を触媒燃焼することと、
触媒燃焼された高温の燃料−空気混合気を燃焼ゾーンで燃焼すること、
を含んでなることを特徴とする、燃焼方法。
【請求項２３】
加熱器による多燃料混合気の燃焼を開始させることをさらに含むことを特徴とする、請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記混合することが、前記高温の燃料−空気混合気に燃料を添加することを含むことを特徴とする、請求項２２記載の方法。
【請求項２５】
前記混合することが、前記高温の燃料−空気混合気に空気を添加することを含むことを特徴とする、請求項２２記載の方法。
【請求項２６】
前記燃焼ゾーン内の前記高温の燃料−空気混合気を燃焼することを、耐熱性セラミックベース構造体によって安定化することをさらに含むことを特徴とする、請求項２２記載の方法。
【請求項２７】
前記方法における構成要素を冷却するための冷却空気流を供給することをさらに含むことを特徴とする、請求項２２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、炭化水素燃料の燃焼のための方法と装置に関し、より詳細には、炭化水素燃料のリッチ−リーン（ｒｉｃｈ−ｌｅａｎ）触媒燃焼のための方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、性能とコストを維持、あるいは最適化する一方で、絶えず強化される排出規制基準の条件を満たさなくてはならない。主に、窒素酸化物（ＮＯx）を低減することを要求する排出規制が足かせとなって、予混合燃焼、触媒装置及び燃焼後の洗浄に関する、新規で経済的な技術の開発が遅れている。排出基準を満たすために、ＮＯx排出量の少ない安定な（動力不要の（ｄｙｎａｍｉｃ−ｆｒｅｅ））燃焼を提供するリーン燃焼触媒システムが著しく進歩している。しかしながら、そのようなシステムでは、触媒が燃焼室入口の温度では全く着火しないため、予め加熱する必要がある。空気誘導型の先進的サイクルエンジンにおいては、全出力状態の燃焼室入口の温度（８００°F（約４２６．６６７°C）又はそれ以上）を、触媒の着火温度（約７００°F（約３７１．１１１°C））を上回らせることが可能である。しかし、これら装置に関してでさえ、部分出力状態においては触媒が実効的ではない。必要な入口温度までガスを予熱するため、触媒の上流に予備燃焼器が配置される。この予備燃焼器は、リーン燃焼触媒システムにおける主たるＮＯx排出源となる可能性がある。
【０００３】
さらに、先進的サイクルエンジンで、高い燃焼温度（約２，２００°F（約１，２０４．４４°C））を要するリーン燃焼触媒システムの使用には限界がある。そのような場合、高速の炎と高温により、触媒層の過熱が引き起こされ、そのため製品寿命が短くなる。
【０００４】
多燃料型（ｆｕｅｌ−ｒｉｃｈ）触媒システムの場合、システムが低温でもより活性であるため、言及したような着火問題の可能性はない。しかしながら、多燃料反応システムの製品は、次いで、例えば、標準的な燃焼など、より一般的で均質な環境内で燃焼されなくてはならず、そのような燃焼はＮＯxを排出する。そのようなシステムにおけるＮＯxの総排出量は、従来のガスタービンにおける場合（例えば、９〜１５ｐｐｍ）よりも低いが、それでも３ｐｐｍ台である。いくつかの設備のうち、地方条例によって排出レベルが３ｐｐｍ以下に規定されている場合、燃焼後の洗浄がやはり必要となる。燃焼器ハードウェア、構造、配置箇所及び環境条件におけるばらつきは、３ｐｐｍの排出量は、次世代のバーナーとして容易に達成し得るものではないことを示唆している。
【０００５】
従って、性能やコストにおいて欠点のない、１ｐｐｍという低い排出量が得られるリーン触媒バーナーの使用に伴う、高い着火温度と高い燃焼温度の抑制という矛盾を解消するシステムが必要とされている。さらには、メタン、天然ガス、プロパン、家庭用暖房燃料類、ディーゼル燃料及び標準的な航空燃料などの既存の燃料を、（ＮＯ及びＮＯ2を合わせてＮＯxと知られる）窒素酸化物などの汚染物質の生成を抑制するような方法で燃焼するための方法も必要とされている。
【特許文献１】米国特許第６，３５８，０４０号明細書
【特許文献２】米国特許第５，２３２，３５７号明細書
【特許文献３】米国特許第６，４５３，６７２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、安定した低ＮＯｘ排気量のリッチ−リーン触媒燃焼システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、
リッチ触媒リアクタと熱交換器を備えるリッチ触媒バーナーと、
リッチ触媒バーナーの下流に位置する混合ゾーンと、
混合ゾーンの下流に位置するリーン触媒バーナー、
を含んでなることを特徴とする、リッチ−リーン触媒燃焼システムを提供するものである。この場合、前記リッチ触媒リアクタとリーン触媒バーナーのいずれか一方が、卑金属を含む活性成分を有する触媒、又は金属酸化物を含む活性成分を有する触媒を含むこと可能である。さらに、前記リッチ触媒リアクタが、白金族の金属のいずれか又はそれらの組み合わせ、あるいはロジウムを含んでもよい。また、前記リーン触媒バーナーは、白金族の金属のいずれか又はそれらの組み合わせ、あるいは酸化パラジウムを含んでもよい。この燃焼システムは、リーン触媒バーナーの下流に位置する燃焼ゾーンをさらに含むことができ、また、リーン触媒バーナーの上流に位置し、前記リッチ触媒リアクタに多燃料混合気を供給するよう適合される予混合機をさらに含むこともできる。さらに、この燃焼システムは熱交換器と予混合機に空気を供給するよう適合される圧縮機と、前記リーン触媒バーナーの下流に位置するタービンをさらに含むことでき、リッチ触媒バーナーが加熱器を含んでもよい。また、リーン触媒バーナーの下流に位置する表面安定化燃焼ゾーンを備えることもできる。この表面安定化燃焼ゾーンは、耐熱性セラミックベース構造体を含んでなるものであってよい。
【０００８】
また、本発明は、
多燃料混合気を提供するために燃料と第１の空気流を予混合することと、
リッチ触媒リアクタ内で多燃料混合気を触媒燃焼することにより高温の燃料を生成し、かつ熱を発生させることと、
前記リッチ触媒リアクタによって発生した熱を吸収し、かつ高温の空気を提供するために第２の空気流を加熱するための熱交換器に第２の空気流を供給することと、
高温の燃料−空気混合気を提供するために高温の燃料と高温の空気を混合ゾーン内で混合することと、
高温の燃料−空気混合気をリーン触媒バーナー内で触媒燃焼すること、
を含んでなることを特徴とする、燃焼方法を提供する。多燃料混合気を触媒燃焼することは、加熱器による多燃料混合気の燃焼を開始させることを含でもよい。混合することは、高温の燃料−空気混合気に燃料、又は空気のいずれかあるいは両方を添加することを含むものであってよい。また、第２の空気流を加熱する前に、その第２の空気流に燃料を添加してもよい。さらに、高温の燃料−空気混合気を触媒燃焼することの後に、高温の燃料−空気混合気を燃焼してもよく、その際に耐熱性セラミックベース構造体によって安定化することができる。また、上記各構成要素を冷却するための第３の空気流を供給してもよい。
【０００９】
本発明はまた、
高温の燃料を供給するために多燃料の燃料−空気混合気を触媒燃焼することにより、高温の非可燃性の燃料−空気混合気を供給するために非可燃性の燃料と空気の混合気を加熱することと、
高温の燃料−空気混合気を供給するために非可燃性燃料−空気混合気を高温の燃料と混合することと、
高温の燃料−空気混合気を触媒燃焼することと、
触媒燃焼された高温の燃料−空気混合気を燃焼ゾーンで燃焼すること、
を含んでなることを特徴とする、燃焼方法を提供する。この方法は、加熱器による多燃料混合気の燃焼を開始させることをさらに含んでもよい。また、混合することにおいて、前記高温の燃料−空気混合気に燃料又は空気あるいはその両方を添加してもよい。さらに燃焼ゾーン内の前記高温の燃料−空気混合気を燃焼するとき、耐熱性セラミックベース構造体によって安定化することができる。また、上記各構成要素を冷却するための冷却空気流を供給してもよい。
【００１０】
本発明の第一の態様によれば、リッチ触媒リアクタと熱交換器を備えるリッチ触媒バーナーと、リッチ触媒バーナーの下流に位置する混合ゾーンと、混合ゾーンの下流に位置するリーン触媒バーナーを備えるリッチ−リーン触媒システムが開示される。
【００１１】
本発明の第二の態様によれば、
多燃料の混合気を供給するために燃料と第１の空気流を予混合することと、
リッチ触媒リアクタ内において多燃料混合気を触媒燃焼することを含んでなり、燃焼により高温燃料と熱を生成することを特徴とする燃焼方法が開示される。この高温燃料は、１種又はより多くの未燃焼のあるいは部分的に燃焼した炭化水素、Ｈ2、ＣＯ、Ｈ2Ｏ並びにＮ2を含む。開示の燃焼方法は、第２の空気流を含む熱交換器を提供することをさらに含み、熱交換器は、リッチ触媒リアクタによって生成された熱を吸収して高温の空気を供給し、高温燃料と高温空気を混合ゾーンで混合することによって高温の燃料−空気混合気を供給する。この方法は又、リーン触媒バーナー中で、高温の燃料−空気混合気を触媒作用で燃焼することを含む。
【００１２】
本発明の第三の態様によれば、
高温の燃料を供給するために多燃料の燃料−空気混合気を触媒作用で燃焼することにより高温の空気を供給するために空気流が加熱されることと、
高温の燃料−空気混合気を供給するために高温空気と高温燃料を混合すること、
を含む燃焼方法が開示される。本開示の方法は、高温の燃料−空気混合気を触媒作用で燃焼することと、触媒燃焼されたリーン燃料と空気の混合気を燃焼することをさらに含む。
【００１３】
本発明の第四の態様によれば、
高温の燃料を供給するために多燃料の燃料−空気混合気を触媒作用で燃焼することにより、非可燃性の燃料−空気混合気を供給するために非可燃性の燃料と空気の混合気を加熱することと、
高温の燃料−空気混合気を供給するために非可燃性燃料−空気混合気を高温の燃料と混合すること、
を含んでなる燃焼方法が開示される。この開示の方法は、高温の燃料−空気混合気を触媒作用で燃焼することと、高温の燃料−空気混合気を燃焼することをさらに含む。
【００１４】
本発明の方法、及びその他の態様並びに特徴は以下の詳細な説明を図面と共に検証することによって容易に理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下の開示は、様々な修正並びに代替構成の可能性を有するが、図面ではそれらのうち特定の例示的実施態様が示されており、以下ではその詳細を説明する。しかしながら、本開示は、本発明を詳細に説明の特定の形態に限定するものではなく、逆に、本発明の特許請求の範囲に記載の趣旨及び範囲内における全ての修正、代替の構成並びに同等物を網羅するものであることは理解すべきである。
【００１６】
図１を参照すると、本発明の教示によって構成される、リッチ−リーン触媒燃焼システム２２を用いたガスタービン・エンジン２０が概略的に示されている。燃焼システム２２は、リッチ触媒バーナー２４とリーン触媒バーナー２６を備える。リッチ触媒バーナー２４は、リッチ触媒リアクタ２８と熱交換器３０を備える。リッチ触媒リアクタ２８は、多燃料混合気３４を燃焼して高温の燃料３６を提供する。熱交換器３０は、触媒反応いき温度又はそれ以下の温度でリッチ触媒リアクタ２８における反応を維持するために、多燃料混合気３４の触媒的燃焼からの熱を吸収する空気流Ａを受容する。熱交換器３０から得られる高温の空気４０と高温の燃料３６は、高温の燃料−空気混合気４４を供給するために混合ゾーン４２で混合される。リーン触媒バーナー２６は、高温の燃料−空気混合気４４を受容して燃焼する。リーン触媒バーナー２６と、その前方にあるリッチ触媒バーナー２４の組み合わせによって、いずれのバーナーに使用する際にも低いＮＯx排出量レベルが得られる。
【００１７】
ガスタービン・エンジン２０は、インレット（図示せず）から外部空気を収容して燃焼用の圧縮空気流５２を供給する圧縮機５０を備える。圧縮空気流５２は、空気流Ａと空気流Ｂに分流される。空気流Ａは熱交換器３０に供給され、一方、空気流Ｂは予混合機５４に供給される。予混合機５４は、空気流Ｂを燃料５６と混合して多燃料混合気３４を供給する。空気流Ａは、空気流Ｂよりも多量の圧縮空気流５２を含む。燃料５６を混合される空気流Ｂは、５％〜３５％の圧縮空気流５２を含むものであってよい。パイロットに対するこの技術のいずれの用途においても、多燃料混合気３４を提供するように配分される圧縮空気流の割合は、比例的に小さくすることができる。また、燃料５６に添加される空気流Ｂの量は、多燃料混合気３４を提供するよう決定することができる。当業者であれば、多燃料混合気が、化学量論的な燃焼を達成するのに必要な空気に対する燃料の比よりも大きな比を有するような混合気を包含することは容易に理解するであろう。
【００１８】
多燃料混合気３４は、リッチ触媒リアクタ２８に供給され、そこでは多燃料混合気３４が触媒工程において部分的に燃焼され、高温の燃料３６が供給される。リッチ触媒リアクタ２８は、当業者等にとっては周知であり、ハウジング内（図示せず）に配置された複数の通路（図示せず）を備えることができる。多数の連結管（図示せず）によって通路を形成するか、あるいは又、ハウジング内に設けられる多数のプレートとフィン（図示せず）の間の空隙によって通路を形成してもよい。通路の全て、又は部分は、多燃料混合気３４が通路を通過するときに接触する触媒で被覆されていてもよい。触媒は、ロジウム単独であってもよく、あるいは白金、パラジウム、イリジウム及びルテニウムなどの白金族中の金属のいずれか１種と組み合わせることもできる。あるいは又、触媒の活性成分は、卑金属、金属酸化物、あるいはそれらの組み合わせであってよい。それらの具体例としては、ランタン、銅、ニッケル、ジルコニウム、バナジウム、オスミウム、クロム、鉄、コバルト、チタン、及びマグネシウムが包含される。多燃料混合気３４にロジウムを用いることで、圧縮空気流５２から得られる熱又は熱源をはるかに越える熱あるいは熱源がなくとも多燃料混合気３４の酸化は開始され得ることは当業者であれば理解されよう。しかしながら、燃焼による補助的な熱や、代替の熱源からの熱を必要とすることなく、多燃料混合気の酸化及び部分酸化に触媒が耐え得る限り、その他の触媒や、触媒／基質の使用が可能である。触媒の構成は、ＣＯ2又はＨ2Ｏを好ましく生成することによってより多量の熱を発生するか、あるいは、Ｈ2及びＣＯを好ましく生成することによってより少量の熱を発生するよう組み合わせることができる。初期の始動中、リッチ触媒バーナー２４は、抵抗加熱器５９又は小型のプレ・バーナー５９のいずれかを一時的に加熱する必要がある場合がある。しかしながら、リッチ触媒バーナー２４内における多燃料の触媒燃焼は、別の燃焼システムで実施される場合でさえ、一旦点火された後は自立運転型でなければならない。
【００１９】
多燃料混合気３４は、リッチ触媒リアクタ２８中で部分的に酸化されて、高温燃料３６を生成する。リッチ触媒リアクタ２８中における多燃料混合気３４の触媒燃焼による熱は、熱交換器３０を通る空気流Ａに吸収されることによって制御される。従って、熱交換器３０は、リッチ触媒リアクタ２８内における触媒反応を、その温度より高いと触媒の耐久性や寿命が限られてしまう触媒いき温度かそれより低い温度で維持する。そのため、空気流Ａは、高温の空気４０として熱交換器３０から排出される。
【００２０】
熱交換器３０は、リッチ触媒バーナー２４の一部であり、その構成は当業者等に周知である。例えば、図２に概略的に示すように、リッチ触媒リアクタ２８は、伝熱性の多数の管７０を備えることができる。多燃料混合気３４は、内部に触媒作用を有する物質が適用されている管７０を通って流れる。従って、開示した多燃料混合気の触媒反応が管７０内で起こる。空気流Ａには追加的な燃料を添加してもよく、その後、空気流Ａは、管７０を介して伝達される熱を吸収するよう、管と周囲の各管７０の間を通ることができる。しかしながら、追加的な燃料は空気流Ａに添加できるが、空気流Ａは非可燃性の燃料−空気混合気を供給することができる。管７０は、プレートやフィンなどで形成される単純な多数の通路であってよく、当業者等には既知の、典型的な従来型の熱交換器である。
【００２１】
他の例において、図３に概略的に示すように、空気流Ａは多数の伝熱性管７２を通過することができ、一方、管７２の外部は、触媒反応を引き起こす触媒作用を有する物質（図示せず）を含む。多燃料混合気３４は、開示の多燃料の触媒反応が生じる管７２の間とその周囲を通る。これにより、管７２を通過する空気流Ａは管７２を介して伝達される熱を吸収する。図３に概略的に示すようなリッチ触媒バーナーの例は、米国特許第６，３５８，０４０号明細書に記載されている。
【００２２】
別の例（図示せず）において、リッチ触媒リアクタ２８は、ハウジング内に複数の通路を有することができる。通路は、ハウジング内に配置された多数のプレートとフィンの間の空隙によって形成することができる。プレート及び／又はフィンは、多燃料混合気３４が流れることができる通路を画定するよう平行であってよい。通路はその全て又は部分的に、多燃料混合気３４が通路を通過するときに接触する触媒作用を有する物質７３で被覆することができる。通路の壁部は、上述の熱交換作用を提供するよう空気流Ａと接触させることができる。当業者であれば、リッチ触媒リアクタ２８の様々な設計並びに構造は、上述の触媒反応が行われるよう適合可能であることは容易に理解できよう。
【００２３】
高温の空気４０と高温の燃料３６は合わさって、混合ゾーン４２で混合され、高温の燃料−空気混合気４４を与える。混合ゾーン４２は又、圧縮空気５２の一部である空気流Ｃにより圧縮空気５２からの追加的な空気を受容することができる。混合ゾーン４２に空気流Ｃから追加的な空気が供給されるとき、高温の空気４２の全て、あるいはいくぶんかは混合ゾーン４２とリーン触媒バーナー２６を迂回することができ、迂回する高温の空気４２が全くない場合もあり得る。さらに、圧縮空気流５２の一部である空気流Ｄは、当業者等には既知の方法で上述の構成要素を冷却するのに使用することができる。空気流Ａ、Ｃ及びＤの相対的な量は、触媒の燃焼ライナーに要求される排出基準又は冷却条件を満たすよう最適化することができる。
【００２４】
高温の燃料−空気混合気４４は、リーン触媒バーナー２６に供給され、そこで、高温の燃料−空気混合気４４は触媒燃焼される。高温の燃料３６と高温の空気４０の高い混合度は、リーン触媒バーナー２６での非均一な加熱を避けるよう定めることができる。例えば、多燃料（リッチ）触媒リアクタ２８の出口に設けられる小型の物理的目盛り（ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｓｃａｌｅｓ）により、良好な混合を促進することができる。リーン触媒バーナー２６に入る混合物は、その空間領域全体を通じてその値が±５％未満しか変化しない燃料−空気の平均比率となるよう混合することができる。リーン触媒バーナー２６は、通常、酸化パラジウム／パラジウム、又は上述したようなその他の白金族の金属で被覆された一連の通路（図示せず）を備えることができる。酸化パラジウム／パラジウム系は、リーン触媒システムに好ましいが、このステージに対しては、様々な触媒作用を有する物質であればいずれも使用することができる。通路から通路、即ち、軸方向における変移に伴う通路の非均一的な被覆は、リッチ又はリーン触媒リアクタ内における放熱速度制御するのに有用である可能性がある。本開示の燃焼システム２２と方法で使用可能なリーン触媒バーナーの例は、米国特許第５，２３２，３５７号明細書に開示されている。燃焼工程は、ＮＯxの形成を生じないリーン触媒バーナー２６の下流に位置する燃焼ゾーン６０において均一な燃焼工程を行うことによって完全に行うことができる。
【００２５】
図４を参照すると、リーン触媒システムは、逆火並びにその後に起こる破壊的な分解の可能性を有するため、当業者等に既知のセラミックベースの構造体などの表面安定化バーナー６４を、リーン触媒バーナー２６の下流に配置することにより、下流における燃焼工程における表面安定化をもたらし、逆火の可能性を低減することができる。表面安定化バーナー、即ちセラミックベース構造体６４は、燃焼工程を完全に行い、ＣＯ排出量を最小限に抑えることができる。セラミックベース構造体６４のセラミック材料は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）又はその他の耐熱性セラミック材料であってよく、また、当業者に周知の様々な耐熱性バリアコーティングのいずれかで被覆してもよい。セラミックベース構造体６４は、米国特許第６，４５３，６７２号明細書に開示されるような多孔性繊維燃焼面や、あるいは耐熱性セラミック材料で構成された並行した（平坦な、あるいは管状の）壁部の組み合わせを用いて構成することができる。好ましくは、セラミックベース構造体６４は、防炎体として機能し、かつリーン触媒バーナー２６内への逆火を防止するよう、リーン触媒バーナー２６の出口と一体的である。
【００２６】
図１において、燃料５６の全ては、予混合機５４内の空気流Ｂに添加されるよう示されている。あるいは又、ガスタービン・エンジン２０が部分出力と全開出力状態の間で移行する際のより広範囲での作動を可能にするか、又は予混合領域における逆火や点火の傾向を制限するよう、図１の点線で示すように、燃料のいく分かを空気流Ａか空気流Ｃに添加することもできる。空気流にある程度の燃料を添加することにより、リーン触媒バーナー２６に必要な高品質な予混合に関連した制約が緩和される。空気流Ａ又は空気流Ｃに添加される燃料の量は、システムと出力レベルに依存してもよく、かつ、着火温度、点火条件及び予混合条件における兼ね合いに基づくものであってよい。
【００２７】
本発明の方法は、ガスタービン用途に限定されるものではない。本発明の方法は、低ＮＯx排出量が要求されるいずれのタイプの燃焼システムにも適用することができる。そのような燃焼システムは、産業用、商業用又は住宅用炉を備え得る。さらに、本発明のシステム２２及び方法は、特定の燃料の使用に限定されるものではない。例えば、燃料５６は、メタン、天然ガス、プロパン、Ｈ2ベース燃料、及びメタノール、エタノール、灯油、ガソリン、ディーゼル油、家庭用暖房用油、及び航空燃料を含む、多様な液体炭化水素ベース燃料いずれかであってよい。本発明のシステム２２並びに方法は又、上記いずれかのシステムにおける主バーナーに関する、低ＮＯxパイロット又は炎安定化システムとして用いることも可能である。
【００２８】
リッチ触媒バーナー２４における触媒燃焼は、リーン触媒バーナー２４における触媒反応のために、多燃料混合気３４を予め加熱する。従って、リッチ触媒バーナー２４は、当業者が考慮し得るように、例えば、リーン触媒バーナー２６におけるリーン燃焼のための多燃料混合気３４の予熱に十分な放熱を確実にするような寸法とすることができ、同時に、製造コスト及びシステムにおける圧力損失を最小限にすることができる。さらに又、リッチ触媒バーナー２４は、リーン触媒バーナー２６のパイロットとして機能するため、燃料の全て又は一部をリッチ触媒バーナー２４に導入してよい。燃焼は、その後、表面安定化セラミックベース構造体６４を介して、又は均一な反応によってリーン触媒バーナー２６の下流で完了する。
【００２９】
触媒作用を有する物質及び、リッチ触媒バーナー２４の長さは、高温燃料３６が、大きな放熱量と共に主として安定な生成物、例えば、ＣＯ2及びＨ2Ｏを含むよう調整することができる。触媒作用を有する物質及び、リッチ触媒バーナー２４の長さは又、高温燃料３６が、後続のリーン触媒バーナー２６のためにより低い着火温度を有する、より反応性を有する生成物、例えばＨ2及びＣＯを含むように調整することもできる。従って、Ｈ2及びＣＯなどのより反応性を有する生成物を生成することにより、広範囲における作動のために着火温度をより低温にする。そのため、触媒作用を有する物質は、点火遅延、逆火、及び種（例えば、反応生成物）に対する温度効果における兼ね合い、並びにリーン触媒バーナー２６の着火条件に依存して、各用途に合わせて調整可能である。
【００３０】
本開示の教示を、特定の例に関して例示してきたが、本発明をそれら例に限定するものではないことは当業者等には理解されたい。反対に、本発明は、本開示の教示の範囲内における変更並びに例の全てを網羅するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の教示による、リッチ−リーン触媒燃焼方法及びシステムを示す、ガスタービン・エンジンの概略図である。
【図２】本発明の例示的教示による、リッチ−リーン触媒燃焼方法及びシステムの概略図である。
【図３】本発明の他の例示的教示による、リッチ−リーン触媒燃焼方法及びシステムの概略図である。
【図４】本発明の教示によって構成される触媒システムの下流に配置される表面安定化バーナーを示す、図３の概略図である。
【符号の説明】
【００３２】
２０…ガスタービン・エンジン
２２…リッチ−リーン触媒燃焼システム
２４…リッチ触媒バーナー
２６…リーン触媒バーナー
２８…リッチ触媒リアクタ
３０…熱交換器
３４…多燃料混合気
３６…高温燃料
４０…高温の空気
４２…混合ゾーン
４４…高温の燃料−空気混合気
【図１】
2006118854.tif 000003
【図２】
2006118854.tif 000004
【図３】
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【図４】
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