(57)【要約】  燃料成分が水素又は水素を含有する混合ガスから成り、熱機関、特にガスタービン設備を駆動するための燃焼装置にて燃焼される着火性の燃料−空気混合物を製造する方法に関する。本発明の特徴は、燃料流と空気流とを燃料−空気混合流の形成下で合流させること並びに別の空気流を準備すること、燃料−空気混合流の１部を、部分触媒反応させられた燃料−空気混合物の構成下で、触媒で助成された燃料の発熱性の反応で触媒させ、放出された熱を少なくとも部分的に、別の空気流を加熱するために利用し、加熱された別の空気流を、直下性の燃料−空気混合物の形成下で、部分触媒反応させられた燃料−空気混合物に添加すること、着火性の燃料−空気混合物を着火しかつ燃焼させることである。【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料成分が水素又は水素を含有する混合ガスから成り、熱機関、特にガスタービン設備を駆動するための燃焼装置にて燃焼される着荷性の燃料−空気混合物を製造する方法において、
（イ）燃料流と空気流とを燃料−空気混合流の形成下で合流させること並びに別の空気流を準備すること、
（ロ）燃料−空気混合流の１部を、部分触媒反応させられた燃料−空気混合物の構成のもとで、触媒で助成された燃料の発熱性の反応で触媒反応させ、放出された熱を少なくとも部分的に、別の空気流を加熱するために利用し、
（ハ）加熱された別の空気流を、着火性の燃料−空気混合物の形成のもとで、部分触媒反応させられた燃料−空気混合物に添加すること、
（ニ）着火性の燃料−空気混合物を着火しかつ燃焼させること、
以上（イ）、（ロ）、（ハ）、（二）の方法ステップを特徴とする、
着火性の燃料−空気混合物を製造する方法。
【請求項２】
水素を含有する燃料が少なくとも３０％の水素成分を有している、請求項１記載の方法。
【請求項３】
燃料−空気混合物流の１部の触媒反応によって水が形成され、該水が水蒸気の形で、触媒反応させられていない燃料−空気混合流の残留分を稀薄化する、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
水蒸気で富化された残留分が約２５％Ｈ２、２５％Ｈ２Ｏ及び５０％Ｎ２を含有し、７００℃と１０００℃との間の領域の温度を有している、請求項３記載の方法。
【請求項５】
空気流並びに別の空気流が圧縮で少なくとも３５０℃の温度レベルに加熱される、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
触媒反応させようとする燃料−空気混合流がいわゆる酸素数λによって決定される混合比を
０．１≦λ≦０．５
で有しており、この場合、λが完全燃焼のための最少酸素所要量に対する実際の酸素含有量として規定されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
別の空気流と燃料−空気混合物流とがそれぞれ多数の個別の部分流に分けられておりかつそれぞれ多数ではあるがしかし熱的に互いに連結された流れ通路に導入されており、この場合、多数の個別の部分流に分けられた燃料−空気混合流がそれぞれ、この部分流に対応する流れ通路の内部の触媒材料と相互作用しかつ部分的に触媒反応させられ、加熱された別の空気流の部分流並びに部分触媒反応させられた燃料−空気混合物の部分流がそれぞれ下流にて流れ通路から流出する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
加熱された別の空気流の多数の部分流並びに部分触媒反応された燃料−空気混合物の多数の部分流がそれぞれ同じ流動方向で流れ通路から流出し、流れ通路のすぐ下流側で相互に混合されかつ着火性の燃料−空気混合物を形成し、次いで燃料−空気混合物が完全に反応又は燃焼させられる、請求項７記載の方法。
【請求項９】
加熱された別の空気流の多数の部分流並びに部分触媒反応させられた燃料−空気混合物の多数の部分流が流れ通路を通ったあとでそれぞれ２つの空間的に互いに分離された流れ領域に、つまり加熱された別の空気流の多数の部分流が流入する第１の流れ領域と部分触媒反応させられた燃料−空気混合物の多数の部分流が流入する第２の流れ領域に開口しており、加熱された空気流並びに部分触媒反応させられた燃料−空気混合物がそれぞれ両方の流れ領域から、着火性の燃料−空気混合物を形成して流出する、請求項７記載の方法。
【請求項１０】
加熱された別の空気流が、流動領域から流出したあとでかつ部分触媒反応させられた燃料−空気混合物と混合される前に、混合を改善するために渦流させられるか又は流れ安定化のために渦流させられる、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
部分触媒反応させられた燃料−空気混合物が統一的な流れの形で又は多数の単個流の形で各流動領域から流出し、加熱された別の空気流が環状の流れとして部分触媒化させられた燃料−空気混合流を中心として半径方向で各流れ領域の下流で燃料−空気混合流に添加される、請求項９又は１０記載の方法。
【請求項１２】
部分触媒反応させられた燃料−空気混合流の部分が部分触媒反応させられた燃料−空気混合流の流れ方向に対し角度≠０°を成して、加熱された別の空気流の環状の流れへ供給される、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
水素を含有するガス混合物として炭素気化又は残留油気化で得られる合成ガスを使用する、請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
熱機関、特にガスタービン設備のバーナ（３）を運転するために着火性の燃料−空気混合物を製造する装置であって、バーナ（３）の上流に配置されかつ同じく配向された多数の通過通路（８，９）を有する少なくとも１つの触媒器ユニット（１）を有し、通過通路（８，９）の第１のグループが内壁的に触媒器材料を備えておりかつ第２のグループが化学的にほぼイナート材料から成り、燃料−空気混合物を上流側で第１のグループの通過通路（８）へ導入するための第１の供給手段（７）と空気を上流側で第２のグループの通過通路（９）に導入するための第２の供給手段（１０）と触媒器ユニット（１）の下流でバーナ（３）に接続された燃焼室（４）とを備えている形式のものにおいて、第１の供給手段（７）が少なくとも２つの互いに分離された室（１６，２０）を有し、これらの室（１６，２０）の内、第１の室（１６）が燃料供給導管（１７）を備えかつ第２の室（２０）が空気供給導管（２１）を備えており、
第１と第２の室（１６，２０）がそれぞれ、第１のグループの通過通路（８）にてそれぞれ対を成して開口する接続導管（１９，２４）を備えていることを特徴とする、着火性の燃料−空気混合物を製造するための装置。
【請求項１５】
通過通路（８）に開口する接続導管（１９，２４）がそれぞれ第１の室及び第２の室に対し互いに同軸に延びている、請求項１４記載の装置。
【請求項１６】
第１の室（１６）に対する接続導管（１９）が部分的にそれぞれ通過通路（８）内へ突入しており、第２の室（２０）への接触通路（２４）が整合して上流側にてそれぞれ１つの通過通路（８）に接続されかつ第１の室（１６）に対するそれぞれの接続導管（１９）を取囲むか又はその反対である、請求項１４又は１５記載の装置。
【請求項１７】
第１の供給手段（７）が触媒器ユニット（１）に対し軸方向で間隔をおいて配置され、第１の供給手段（７）と一平面内にある第２のグループの通過通路（８，９）のすべての入口開口との間に中間ギャップ（２３）が生じ、該中間ギャップ（２３）が第２の供給手段（１０）として役立ち、該第２の供給手段（１０）を介して空気が中間ギャップへ側方へ流入することにより第２のグループの通過通路（９）へ達する、請求項１４から１６までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１８】
第１のグループの通過通路（８）の下流側の出口開口が流体密に集合容積（２５）に開口しており、該集合容積（２５）が通過通路（８）の流過方向に配向された中心軸線（Ａ）又は前記流過方向に対して傾けられた中心軸線を有する出口開口（２７）を有しており、集合容積（２５）と第２のグループの一平面内にあるすべての出口開口との間に中間ギャップ（２６）が設けられ、該中間ギャップ（２６）が半径方向で開放して構成されている、請求項１４から１７までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１９】
第１と第２の供給手段（７，１０）並びに触媒器ユニット（１）と集合容積（２５）とが中央の開放した通過通路（２８）を平成し、該通過通路（２８）を通って液体燃料のための燃料ランスが挿入可能である、請求項１８記載の装置。
【請求項２０】
通過通路（８，９）の第１のグループと第２のグループとが空間的に周期的な配置パターンで配置されている、請求項１４から１９までのいずれか１項記載の装置。
【請求項２１】
前記第１のグループと前記第２のグループとが横列形又は縦列形又は将棋盤形に交互に配置されている、請求項２０記載の装置。
【請求項２２】
第１のグループ及び第２のグループの通過通路（８，９）が６角形の蜂の巣パターンに従って構成されかつ配置されている、請求項１４から２１までのいずれか１項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料成分が水素又は水素を含有する混合ガスから成り、熱機関、特にガスタービン設備を駆動するための燃焼装置にて燃焼される着荷性の燃料−空気混合物を製造する方法と装置とに関する。
【０００２】
背景技術
大気への温室ガスの放出を減少させるという世界に広がる要求に動機づけられて、いわゆる京都議定書で定められただけではなく、２０１０年に見込まれる温室ガスの放出を１９９０年と同じレベルに減少させたい。この計画を実行するためには大きな努力、特に大気への人為的なＣＯ２放出を減じることが必要である。人間によって大気へ放出されるＣＯ２の１／３は、パワプラントにおいて電流を形成するためにたいてい化石状の燃料が燃焼されるエネルギの発生に帰因する。特に最新の技術を用いること並びに付加的な政策的な限定条件を設けることによってエネルギを形成するセクタに、増加するＣＯ２−放出を回避するために著しい節減ポテンシャルが見られる。
【０００３】
燃焼発電設備におけるＣＯ２放出を減じる自体公知で技術的に使用できる可能性は、燃料を燃焼室に導入する前に、燃焼させられる燃料から炭素を除去することである。これには適当な燃料前処理、例えば酸素を用いた燃料の部分的な酸化及び／又は水蒸気を用いた燃料の前処理が前提条件になる。このように前処理された燃料はたいてい大きな割合のＨ２とＣＯを有し、混合比に応じて、通常は天然の地ガスの加熱値に比して小さい加熱値を有している。このように人工的に製造されたガスはその加熱値に関連してＭｂｔｕ又はＬｂｔｕガスと呼ばれる。このＭｂｔｕ又Ｌｂｔｕガスは例えばＥＰ０３２１８０９Ｂ１，ＥＰ０７８０６２９Ａ２，ＷＯ９３／１７２７９並びにＥＰ１０７０９１５Ａ１から判るように天然ガス、地ガスの燃焼のために構成された従来のバーナにて使用するのには簡単には適さない。先きのすべての刊行物には、前混合タイプのバーナが記載されている。このバーナにおいては燃焼空気と添加された燃料とから流れ方向に円錐状に広がる渦流が形成される。この渦流はバーナから出たあとでできるだけ均質な空気−燃料混合物が得られたあとで増大する渦流によって不安定になりかつコアにおける逆流を有するリング形の渦流に移行する。
【０００４】
バーナ構成に応じかつバーナ出力に関連して前混合バーナの内部に形成された液状及び／又はガス状の燃料の渦流はできるだけ均質な燃料−空気混合物を形成するために供給される。しかし、先きに述べたように、減少した有害物質、特にＣＯ２放出を目的として人工的に準備されたガス状の燃料が従来の燃料種とは択一的に又は従来の燃料種と組合わせて使用する必要があると、従来の前混合バーナシステムの構想的な設計に対する要求が生じる。例えば人工ガスはバーナシステムへ供給するために地ガスで運転されるバーナに比較して数倍の燃料容積流を必要とするのではっきりと異なった流動パルス特性が生じる。人工ガスにおける水素の高い割合いとこれに伴う水素の低い着火温度と高い火炎速度とに基づき燃料の高い反応傾向が発生し、この高い反応傾向はフラシュバックを高める。これを回避するためにはバーナにおける着火性の燃料の平均滞在時間をできるだけ減少させることが当嵌まる。
【０００５】
さらに、例えば炭素気化で得られ、典型的な形式で水素、−酸化炭素、窒素を３０：６０：１０の混合比で有している人工ガスの代りに純粋な水素を燃料として、できるだけエミッションの減じられたもしくはエミッションのない燃焼を背影として使用すると、先きに述べた問題はさらに深刻化された形で出現する。特に水素は地ガスの火炎速度よりも１等級上である火炎速度を有し、油気化の枠でも得られる希薄化されていない人工ガスの火炎速度よりも約４５％高い。付加的に水素は燃料として例えば地ガスよりも著しく大きい自己点火性もしくは反応性を有しているので、先きに述べた水素固有の燃焼質と相俟って、水素から成る着火性の燃料−空気混合物の製造は、ガスタービン設備を点火するためにあらかじめ存在する条件のもとではきわめて困難である。それは特にガスタービン設備を駆動するために燃焼室で燃焼させるために均質に混合された燃料−空気混合物が構成される前に水素の早期点火を回避することである。燃料−空気混合物の不十分な混合の場合には、燃焼不均質性に基づき大きな温度ピーク並びにこれに伴う高い窒素酸化物の放出が生じる。
【０００６】
発明の開示
本発明の課題は燃料成分が水素から又は水素を含有するガス混合物から成り、熱機関、特にガスタービン設備を駆動するためのバーナ装置にて燃焼される着火性の燃料−空気混合物を製造するための方法と装置であって、先きに公知技術に関して述べた欠点が回避できるものを提供することである。特に完全に混合された燃料−空気混合物の確実でかつ完全な構成が保証されるようにすることである。この場合には燃料としては、できるだけ有害物質の減じられたもしくは有害物質のない燃焼を保証するために有利には純粋な水素が使用される。この場合には冒頭に述べたように水素の特別な着火及び燃焼特性を考慮して、最終的には水素を自体公知の前混合バーナへ供給される燃料として使用されるようにしなければならない。
【０００７】
本発明の課題は請求項１に記載した特徴によって解決された。請求項１の方法に関連した課題を解決する装置は請求項１４の対象である。解決思想の有利な別の構成的な特徴は従属請求項の対象で、特に実施例に関する記述で開示されている。
【０００８】
純粋な水素から成る燃料を熱機関、特にガスタービン設備を駆動するためのバーナ装置にて燃焼するためには、化石燃料をガスタービン設備の駆動のために燃焼を前提とした刊行物から既に公知である燃料の触媒的な前処理並びに燃焼室へ侵入する前に構成される燃料−空気混合物の原理が使用されている。この場合にはほぼ窒素酸化物のない排ガスが発生する。燃料を前述の如く触媒反応で前処理したあとで燃焼させることは文献に記載されており、燃料に富んだ混合比のもとで燃焼過程に供給される燃料混合物の１部の触媒作用とこれに続く、燃焼室の枠内での希薄化された、部分触媒反応させられた燃料−空気混合物の燃焼とを意図している。このようなバーナ構想は例えばＷＯ２００４／０９４９０９に開示されている。解決策に従って、水素を燃料として使用し、最終的に着火性の水素−空気混合物を形成し、燃焼室内でコントロールして着火できるためには、燃料濃い酸化で燃料−水素を触媒反応させて前処理すること、すなわち存在する水素の完全な酸化に必要であると想われる酸素量の２０と５０％が目的に適っていることが判明した。水素の部分的に行なわれる触媒反応による酸化によって、水とガス状の窒素が酸化生成物として生じる。この酸化生成物によって水素の酸化しなかった部分は希薄化され、形成される部分触媒反応させられたガス混合物は空気との別の混合を早期着火をこうむることなく可能にする。水素の高い発火性を阻止する作用を発揮し、ひいては水素の反応性を減退させかつ自己着火の惧れをはっきりと減少させる水素と窒素との形成に基づく希薄化作用の他に、発熱性の化学的な反応によって放出される熱は部分触媒反応させられた水素−空気混合物の加熱を行なう。この水素−空気混合物は典型的な形式で７００℃と１０００℃との間の温度に加熱され、次いで同様に触媒反応による酸化で放出された熱によって加熱された空気流と混合されて希薄化された水素−空気混合物を形成し、最終的に燃焼室内で着火させられる。したがって燃料成分が水素から又は水素を含有するガス混合物から成り、ヒート機関、特にガスタービン設備の駆動のためにバーナ装置にて燃焼させられる着火性の燃料−空気混合物を製造するための課題解決に従った方法には以下の方法ステップが提案されている。
【０００９】
第１のステップでは燃料としての水素又は燃料としての水素を含有するガス混合物は空気と、燃料−空気混合流の形成下で合流させられるかもしくは混合させられる。解決思想の簡易化された開示のためには燃料として純粋な水素が使用されるものと仮定する。別の解決に従った構成では同様に水素を含有するガス混合物もしくは人工ガスも燃料として使用することができる。先きに記載した水素−空気混合物流は高い水素分で製造される。つまり水素−空気混合物流における酸素分は全水素を燃焼させるかもしくは酸化させるために必要であると想われる酸素量の２０％から最大５０％までにしかならない。したがって該水素−空気混合物は「濃厚な燃料−空気混合物」である。
【００１０】
「濃厚な水素−空気混合物流」の他に別個の空気流が準備される。この空気流の詳細については後で記載する。
【００１１】
先きに述べた濃厚な水素−空気混合物流は触媒器に供給される。この触媒器において水素−空気混合物流に含まれた水素のかなりの分が水へ酸化される。この場合には同時に発熱性に行なわれる化学反応に基づき熱が放出される。この熱によって触媒反応の過程で形成された部分触媒反応させられた水素−空気混合物が典型的な形式で７００と１０００℃との間の温度に加熱されかつ水蒸気としての水が形成される部分触媒反応させられた水素−空気混合物に対し希薄化する作用を有するだけではなく、加えて別の空気流が加熱される。この別の空気流は熱的に、触媒反応の過程で形成された部分触媒反応させられた水素−空気混合物に連結される。触媒反応ステップのあとではじめて、部分触媒反応された水素−空気混合物への加熱された別の空気流の添加混合が、着火性の燃料−空気混合物の形成下で行なわれる。この着火性の燃料−空気混合物燃焼室内で点火されかつ燃焼される。
【００１２】
さらに解決策に基づく水素−空気混合物の前処理と燃焼とによって、燃焼に基づく窒素酸化物の放出は著しく低減される。この原因は一方では水素の１部が熱的な窒素酸化物が発生することができる温度のはるか下にある温度で酸化されることにあり、他方では部分触媒反応された水素−空気混合物と加熱された別の空気流との迅速でかつ完全な混合が燃焼室内部での水素の完全な燃焼をもたらすことにある。最後に水素の触媒反応の過程で発生する水であって、先きに支配する温度に基づき水蒸気の形で、残留する水素分を希薄化する水は、別の窒素酸化物の形成も阻止するかもしくは減退させるために働く。
【００１３】
一方では水素−空気混合物流を形成するために水素と共に役立つ空気流と他方では別の空気として適当な加熱のあとで部分触媒反応された水素−空気混合物に添加される冒頭に述べた空気流の準備を補充して、この空気流が圧縮器ユニットで前圧縮された空気流として少なくとも３５０℃の温度で準備されることを追加しておく。
【００１４】
特に注意すべきことは豊富な水素で形成された水素−空気混合物流が少なくとも部分部分で水の形成下で触媒反応させられる触媒器ユニットの構成が必要とされることである。先きに引用した文献ＷＯ２００４／０９４９０９に記載された触媒器ユニットにならって触媒器ユニットはほぼマトリックス状にパーフォレーションのつけられた保持構造体を備えており、この保持構造体を多数の平行に配向された通過通路が貫いており、これらの通過通路の第１のグループが内壁にて触媒材料でライニングされかつ通過通路の第２のグループがほぼ化学的に不活性な材料から成っている。しかし着火性の水素−空気混合物を適当に化学的に前処理するためには解決策にしたがった修正が必要である。
【００１５】
例えば前準備された水素−空気混合物流を有利には多数の個別の部分流に分割することで、内壁が触媒器材料でライニングされた第１のグループの通過通路へ供給することができる。触媒器ユニットの保持構造体の過熱は、一方では水素の豊富な混合比のもとでは水素−空気混合物流内部で所定水素分しか熱の放出と水の形成下で酸素で酸化することができないことで回避される。
【００１６】
この場合、酸素分は反応パートナにより熱の放出を制限しようとすることができるので、発熱的に経過する反応の過程で放出される熱量は触媒器ユニットの保持構造体が成っている材料の熱的な負荷可能性を考慮して選択される。さらにそれぞれ燃料がないかもしくは水素のない空気流が案内される第２のグループに配属された通過通路は冷却通路として役立つ。この冷却通路によって付加的に保持構造体が温度安定的な領域に保たれることができる。通常は触媒反応の過程で発生する温度は、特に保持構造体が金属性の材料から成っている場合には１０００℃よりも低く保たれることができる。これに対しセラミック材料、例えばＣｏｒｏｄｉｅｒｉｔが保持構造体のための材料として用いられていると、最大の負荷温度は最大１３０００℃に上昇する。第１のグループと第２のグループの通過通路との十分に良好な熱的な連結のために、このような触媒器を確実に運転し、一方では所望の冷却効果を保持構造体のためにかつ他方では第２のグループの通過通路を通して導かれた空気流を効果的に加熱し、第２の通過通路を通って多数の加熱された部分流が通過したあとで、多数の同様に加熱された、部分触媒反応させられた水素−空気混合物と、熱い着火性の水素−空気混合物の形成下での混合が行なわれるようにする必要がある。
【００１７】
解決策に従った方法構想ではそれぞれ通過通路から流出する多数の部分流を混合するために択一的な方法ヴァリエーションが用いられている。混合するためのもっとも簡単な実施例では、有利にはそれぞれ６角形の流れ横断面を有し、ひては６角蜂の巣パターンを形成する、保持構造体の内部にまとめられたすべての通過通路の一平面内に配置された出口開口の高いパック密度を活用している。互いにすぐ隣接して延びる２つの通過通路の間にきわめて薄い中間壁を設けることによって、個々の部分流は通過通路を通過したあとで相互に効果的に混合される。通過通路から出た部分流にできるだけ高い混合度を得るためには、第１と第２のグループの通過通路はまさに、互いにすぐ隣接して延びる通過通路が異なるグループ所属性を有するように配置されている。
【００１８】
両方のグループの通過通路から流出する部分流相互の混合にとって特に有利な別の実施形態では、第１のグループの通過通路を通過する、それぞれ部分触媒反応させられた水素−空気混合物を含むそれぞれの部分流が空間的に分離された流れ領域にて一緒に合流させられるのに対し、第２のグループの通過通路を通過する部分流が別の距離を有する流れ領域で合流させられるようになっている。それぞれ多数の部分流が互いに混合させられる先きに述べた混合ヴァリエーションとは異なって、第２の有利な変化ヴァリエーションでは、各流れ領域から流出する加熱された空気流もしくは部分触媒反応させられた水素−空気混合流にはそれぞれ統一的な流れとして、付加的な渦流を発生させる手段の使用下で相互に混合させるための渦流が与えられる。択一的又は組合わせて、付加的に渦流を発生させる手段を各流れ領域の下流に設け、これにより両方の分離した物質流を互いに混合しかつできるだけ安定した渦流の形で燃焼室の領域に流入させ、この燃焼室にて渦流を空間安定的な逆流気泡の形成下で爆発させることができる。
【００１９】
それぞれ別個の流れ領域から流出する両方の物質流の合流のためには異なる合流が提案されている。第１の合流では部分触媒反応させられた水素−空気混合物が軸方向で拡開する統一的な物質流の形で与えられ、該物質流が環状に、リング状に外部から接触する加熱された空気流によって包囲される。この空気流は適当な形式で軸方向に渦流として拡開する。反対のケース、つまり軸方向で拡開する加熱された空気流が外側から環状の水素−燃料流によって包囲され、該水素−燃料流が渦流の形で均質な混合された水素−燃料混合物の形成下で燃焼室の方向で拡開することも考えられる。
【００２０】
混合要求並びに安定的に形成された渦流に関する要求に応じて両方の物質流の流路には適宜の渦流及び旋回流を発生させる手段が設けられる必要がある。詳細な説明はこれに関する実施例を引用した別の記述に委ねる。
【００２１】
同様に別の択一的な実施態様として、部分触媒反応された水素−燃料混合物が統一的な流れの代りに多数の新しく形成された単個流の形で対応する流れ領域から流出させ、該単個流を全体として多数の単個流を環状に取囲む加熱された空気流で取巻くようにすることが有利である。
【００２２】
軸方向に拡がる統一的な流れ、例えば部分触媒反応させられた水素−燃料混合物から成る流れの他にこの流れの部分が主流方向に対し０°ではない角度のもとで半径方向外側に位置する流れ領域に供給されることができる。この処置で、形成される水素−燃料混合物流の混合度は著しく改善される。
【００２３】
先きに述べた方法並びにこれによって開かれた方法のヴァリエーションを実現するためには、熱機関、特にガスタービン設備のバーナを運転するために着火性の水素−空気混合物の製造が可能である適宜の装置を提供することが必要である。この装置は少なくとも１つの触媒器ユニットを有し、該触媒器ユニットがバーナの上流側に配置され、同じく配向された多数の通過通路を有し、これらの通過通路の第１のグループが内壁に触媒器材料を備えており、第２のグループが化学的にほぼ不活性な材料から成っている。さらに第１のグループの通過通路に水素−空気混合物を導入するための第１の供給手段と第２のグループの通過通路へ空気を導入するための第２の供給手段とが設けられている。触媒器ユニットの下流ではバーナに燃焼室が接続しており、この燃焼室には着火可能な水素−空気混合物ができるだけ空間的に安定した火炎の形成下で点火させられる。
【００２４】
この装置は比較可能な装置とは異なって、水素又は水素を含有するガス混合物の燃焼を可能にするので、この装置は解決に従って、第１の供給手段が少なくとも２つの互いに分離された室を有し、これらの室の内、第１の室が燃料供給導管を備えかつ第２の室が空気供給導管を備え、第１と第２の室とがそれぞれ接続導管を備え、該接続導管が第１のグループの通過通路にそれぞれ対を成して開口していることを特徴としている。
【００２５】
解決策に従って提案された２室システムによって、触媒器材料を備えた通過通路に燃料もしくは水素を供給することを直接行ない、通過通路に沿って、通過通路内で拡張する水素と当該通過通路へ同様に直接的に開口する加熱された空気流とを混合させることが可能である。この場合、通過通路内部で形成される水素−空気混合物流は比較的に高い水素分を有しているので、与えられた酸素欠乏に基づいて、存在する水素の１部分しか水へ触媒反応で酸化されない。
【００２６】
流れ方向で触媒器ユニットに前置された２室システムは、触媒器材料でライニングされた第１のグループの各通過通路へ水素と空気とを流体密に分離して供給し、触媒器ユニットの上流側で水素の自己点火の危険が発生しないようにする。２室システムの構造的な設計とこれに組合わされた触媒器ユニットは、流れ方向で触媒器ユニットと下流に配置されたコンポーネントと共に以下に図面を援用した記述を参照されたい。
【００２７】
本発明の実勢形態
図１には触媒器ユニット１を有するバーナ装置が概略的な縦方向断面図で示されている。触媒器ユニット１はバーナ３の流れ入口領域２に配置されている。バーナ３の下流側には燃焼室４が設けられている。図１に示されたバーナ装置を水素を燃料として運転するためには一緒に供給手段７に開口する燃料供給導管５と空気供給導管６とが設けられている。供給手段７は接続導管７１を有し、接続導管７１は触媒器ユニット１を軸方向に貫通する通過通路８に開口している。触媒器ユニット自体は多数の通過通路が貫く保持構造体から成っている。この保持構造体には多数の通過通路がマトリックス状に、有利には６角蜂の巣パターン状に配置されている。６角蜂の巣構造体の概略的な横断面はＡ〜Ａ線に沿った断面図で示されている。触媒器ユニット１の保持構造体を貫く通過通路は２つのグループに分けられ、その内の第１のグループに所属する通過通路８は触媒器材料を内部に有して設けられ、第２のグループに所属する通過通路９は化学的にほぼ不活性な材料から成っている。先きに述べたように供給手段７の接続導管７１はそれぞれ触媒材料を備えた通過通路８に開口し、この通過通路８にて供給された水素含有の物質流が部分的に触媒反応させられる。通過通路８のすぐ隣りを第２のグループの通過通路９が延在し、この通過通路９を通って純粋な供給空気１０が導びかれる。この供給空気は通過通路８に対する熱的な連結と通過通路内に放出される熱とに基づき発熱性の触媒反応酸化で加熱される。
【００２８】
触媒器ユニット１の下流では多数の個別の部分触媒反応させられた水素−燃料混合物流並びに加熱された空気流が触媒器ユニット１の各通過通路から流出しかつ完全に混合させられるので、燃焼室４へ流入する前にすでに均質な、混合された、着火性の水素−空気混合物１１が形成される。形成される水素−空気混合物１１の混合度を改善するためには選択的にバーナ３の長手方向で触媒器ユニット１の下流に渦流発生器１２が設けられていることができる。さらに択一的に又は渦流発生器１２と組合わせていわゆるスウィールジェネレータ１３を設けておくこともできる。このスウィールジェネレータ１３は軸方向に拡散する水素−空気混合物の内部にスウィール流を誘起する。このスウィール流は燃焼室４へ流出後、流れ横断面の不連続な拡開に基づき、安定した火炎フロントの形成下ではじけかつ着火する。
【００２９】
純粋な水素又ははっきりした水素含有成分を有する高反応のガス混合物を使用した場合の中心的な意味は、水素が関与する空気流と一緒に各触媒器材料でライニングされた通過通路８へ供給される触媒器ユニット１と特に供給手段７とに帰属する。この場合には特に水素の自己点火が確実に阻止されることに留意する必要がある。さらに通過通路８に沿って行なわれる水素の酸化はコントロールされて行なわれ、全水素ではなく、通過通路８を通過する水素の所定の割合だけが酸化され、このような形成でその際に放出される熱が触媒器ユニットの過熱をもたらさないようにしたい。このためには図２には水素と空気とを個々の、触媒器ユニットを貫通する通路８へ供給するために特別に構成された供給手段７を有する触媒器ユニット１の有利な実施例が示されている。
【００３０】
図を見やすくするために図２においては触媒器ユニット１は軸方向に縦断した斜視図で示されている。図２にて使用された矢印は触媒器ユニットの流過方向を示し、触媒器ユニット１が図１の概略図によるバーナ装置に触媒器ユニット１を統合しようとする状態を明確にしている。触媒器ユニット１は円筒状に構成された保持構造体１５から成っている。この保持構造体はすでに述べたように多数の個別の通過通路８，９により、中心軸Ａに対して平行に貫通されている。有利には６角形の流れ横断面で構成された通過通路８，９は２つのグループに分けられ、これらのグループのうち、通過通路８の第１グループ８は内壁にて触媒器材料、有利にはプラチナ又はプラチナ貴金属結合物でライニングされ、通過通路８にすぐ隣接して配置されている通過通路９の第２のグループは化学的にほぼ不活性である材料からなっている。耐熱性の保持構造体１５は有利には高耐熱性の金属、有利にはセラミック材料、例えばＣｏｒｏｄｉｅｒｉｔから成っている。
【００３１】
触媒器ユニット１の上流側には２つの室から成る供給手段７が設けられている。この供給手段７を介して触媒器材料でライニングされた通過通路８へ水素Ｈ２並びに空気が供給される。この場合には供給手段７は円筒状の中空体として構成され、この中空体の円筒横断面は触媒器ユニット１の横断面に適合させられておりかつ２室システムを有している。供給手段７の第１の室１６は燃料供給導管１７を有し、この燃料供給導管１７を介して水素が第１の室１６の容積領域に供給される。第１の室１６を片側で制限する底板は開口１８を有している。この開口１８の配置はそれぞれ触媒器材料でライニングされた通過通路８の配置に正確に相応している。開口１８は接続導管１９を流体密に接続されかつ各通過通路８の内部に自由な端部で開口している。その際、接続導管１９は軸方向で第１の室１６のすぐ下に接続した第２の室２０の容積を貫く。第２の室２０は第１の室１６同様、供給導管４を有し、この供給導管２１を介して供給空気が第２の室２０の室容積に流入する。供給空気は圧縮器ユニットの形式で既に圧縮され、その結果、少なくとも３５０℃の温度を有している。
【００３２】
触媒器ユニット１に軸方向で向き合った第２の室２０の底板も相応する開口２２を有しており、この開口２２は第１の室１６内での開口１８の配置と同様に配置され、開口１８よりも大きな開口直径を有しているので接続導管１９は開口２２の中央を貫通している。
【００３３】
第２の室２０の底板と触媒器ユニット１の通過通路８，９の全部の流入開口が設けられている平面との間には、中間ギャップ２３が設けられている。この中間ギャップ２３を通って別の空気流が流入し、開放状態にある中間ギャップ２３に開口する通過通路９に供給空気を供給する。中間ギャップ２３にて水素が、通過通路８の内部で自由に終っている接続導管１９を介して侵入することを阻止するためには開口２２は流体密に通過通路８の開口に中空通路として構成された接続導管２４を介して接続されている。この場合には接続導管１９は接続導管２４を同軸に貫き、両方の接続導管の間にはリング通路が構成されている。このリング通路を通って室２０を介して供給された供給空気は各通過通路８へ導入されることができる。
【００３４】
触媒器材料でライニングされた通過通路８内では水素と空気との混合が所定の混合比で行なわれる。この混合比は水素に富んだ水素−空気混合物が通過通路の内部で軸方向に拡開する流れに沿って生じるように調節される。
【００３５】
触媒的に助成されて通過通路内で行なわれる発熱性の酸化によって熱が発せられ、この熱は一方では通過通路８に沿って形成される部分触媒反応された水素−空気混合物を加熱することができ、他方では隣接する通過通路９を通して案内された空気流を同様に加熱する。
【００３６】
触媒器ユニット１の下流では、部分触媒反応された水素−空気混合物流が流出する通過通路８は適当な接続導管２４′を介して蓄え容積２５と接続されている。この蓄え容積２５には側方の、個別の、通過通路８から流出する部分流が合流させられる。しかし、接続通路２４′は、通過通路８と９とのすべての出口開口が共通の平面内に位置する触媒器ユニット１の下流側の端部と蓄え容積２５との間のスペーサエレメントとして用いられ、ひいては蓄え容積２５に対して間隔をおいて配置されている。触媒器ユニット１の下部と蓄え容積との間に構成された中間ギャップ２６は通過通路９から流出する加熱された部分流れが側方へ逃げるために役立つ。
【００３７】
最終的には着火性の水素−空気混合物が形成される。この水素−空気混合物は中間ギャップ２６を通って側方へ流出する空気流と蓄え容積２５の出口開口２７を通って流出する部分触媒反応させられた水素燃料混合物流との目的に適った合流によって生ぜしめられる。このためには図１を援用して既に開示した実施例は渦流発生器１２と流れ案内手段１３とが用いられる。
【００３８】
さらに触媒器ユニット１並びにこの触媒器ユニット１の上流と下流とに配置されたコンポーネント７，２５を中央の通過通路２８が貫通している。この通過通路２８を通って図示されていない燃料ランスが、液状燃料を燃焼室の近くの前混合領域に供給するために通される。
【００３９】
図３に概略的に示された、後置の燃焼室４を有するバーナ装置の縦断面図においては、前混合領域の流れ横断面にて触媒器ユニット１は上流側の、２つの室から成る供給手段７と触媒器ユニット１の直ぐ下流に取付けられた蓄え容積２５と共に概略的に示されている。蓄え容積２５内で合流させられた部分触媒反応させられた水素−空気混合物は中央の流出通路２９を介して燃焼室４の上流側の領域に達する。この場合、部分触媒反応された水素−空気混合物の部分は部分流３０として流れ方向に対し側方へ空気流の領域へ導かれる。中間室２６から側方へ流出する加熱された空気流は触媒器ユニット１の下流側で渦流発生器１２に達する。これによって、半径方向で供給された加熱された空気流と中心に拡開する水素−空気混合物との間の高められた混合度が可能になる。このような形式で着火性の水素−燃料混合物は希薄化によって薄められ、これにより着火性は、水素−空気混合物が燃焼室４の内部ではじめて、均質な火炎フロント３１の形成下で着火されかつ燃焼させられるように低下させられる。流れの安定化に基づきバーナ装置の前混合領域３の内部には図３に示されていない渦流発生器を設けることができる。この渦流発生器によって燃焼室４の内部で形成された渦流の爆発は空間的に安定した逆流ゾーンの形成下で助成される。
【００４０】
図３に示された実施例は触媒器ユニットを通過したあとで加熱された空気流と触媒器ユニット内で形成された部分触媒反応された水素−燃料混合物とが２つの個別の物質流として触媒器ユニットの下流に導かれ、その際、相互混合が渦流発生器１２を加熱された空気流が通過してはじめて行なわれ、渦流の与えられた加熱された空気流が中央を案内された部分触媒反応させられた水素−空気混合物を環状の渦流として半径側で取囲みかつ最終的に水素−空気混合物と均質な水素−燃料混合物の形成下で混合される。
【００４１】
同様に、図２に示された触媒器ユニットは触媒器ユニットの下流側にて中央の集合容積５を介して合流させられた空気流が軸方向で流れ方向で拡開しかつそれぞれ部分触媒反応させられた水素−燃料流が側方からギャップ２６を介して環状流に合わせられ、この環状流が中央の加熱された空気流を環状に取囲み、最終的に前記空気流と混合される。このためには、図２に示された触媒器ユニットは構成的に適当な流れ条件に適合させる必要がある。この流れ条件においては通過通路８と９は相互に交換する必要がある。
【００４２】
純粋な水素を既に述べたように燃料として使用した場合には先きに記述した装置をいわゆる人工ガスを燃料として運転することもできる。この人工ガスは炭素気化又は油気化の方法で得られる。製造の形式で水素、酸化炭素及び窒素から成るガス混合物は少なくとも３０％水素成分を有しているので、このようなガス混合物の反応性は主として水素の存在によって決定される。
【００４３】
本発明の構想は適当な形式で単個バーナ装置でもシーケンス燃焼を伴うガスタービン設備でも使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】触媒器ユニットを有する概略的なバーナ構造を示した図。
【図２】流れ方向で前接続された２室システムと流れ方向で後接続された集合容積とを有する触媒器ユニットの断面斜視図。
【図３】バーナ装置の概略的な縦断面図。
【符号の説明】
【００４５】
１  触媒器ユニット
２  バーナ入口
３  バーナ
４  燃焼室
５  燃料供給導管
６  空気供給導管
７  供給手段
７１  接続導管
８  第１のグループの通過通路
９  第２のグループの通過通路
１０  供給空気流
１１  水素−空気混合物
１２  渦流発生器
１３  スウィールジェネレータ
１４  火炎フロント、逆流ゾーン
１５  触媒器ユニットの保持構造
１６  第１の室
１７  燃料供給導管
１８  開口
１９  接続導管
２０  第２の室
２１  空気供給導管
２２  開口
２３  中間ギャップ
２４  接続導管
２５  集合容積
２６  中間ギャップ
２７  出口開口、出口通路
２８  通過通路
２９  流出通路
３０  部分流
３１  火炎フロント
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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