(57)【要約】【課題】第１燃焼段内に触媒を有する２段式の燃焼法を改良して簡単かつ確実に実施できるようにすると共に圧力損失を極力僅かにする。【解決手段】燃焼法ではバーナ２０内の流動通路１３を通流する燃料／空気−混合気が第１燃焼段において触媒反応器１５内で反応させられ、かつ前記触媒反応器の下流で該触媒反応器からの排ガスと共に燃料が第２燃焼段において自発着火によって燃焼されて均質火炎１７を生成する。燃料／空気−混合気の燃料が第１燃焼段の触媒反応器内では部分的にしか燃焼されず、かつ燃料の未燃焼残分が第２燃焼段において燃焼される場合、前記触媒反応器１５から流出する燃料含有排ガスを、前記触媒反応器の出口と均質火炎１７との間で、該均質火炎１７の空力的な安定化を生ぜしめる装置１６，１９を介して案内することによって、前記第２燃焼段における燃焼は安定化される。【選択図】図３
2004219066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナ（１２，２０）内の流動通路（１３）を通流する燃料／空気−混合気を第１燃焼段において触媒反応器（１５）内で反応させ、かつ前記触媒反応器（１５）の下流で該触媒反応器（１５）からの排ガスと共に燃料を第２燃焼段において自発着火によって燃焼させて、均質火炎（１７）を生成する形式の燃焼法において、燃料／空気−混合気の燃料を第１燃焼段の触媒反応器（１５）内では部分的にだけ燃焼させ、燃料の未燃焼残分を第２燃焼段において燃焼させ、かつ、前記触媒反応器（１５）から流出する燃料含有排ガスを、前記触媒反応器（１５）の出口と均質火炎（１７）との間で、該均質火炎（１７）の空力的な安定化を生ぜしめる装置（１６，１９）を介して案内することを特徴とする、燃焼法。
【請求項２】
空力的安定化装置として、触媒反応器（１５）の出口に配置された渦流発生エレメント（１０，１６）を使用する、請求項１記載の燃焼法。
【請求項３】
空力的安定化装置として、渦流発生エレメント（１０，１６）と均質火炎（１７）との間で流動通路（１３）内に配置した段状拡張部（１９）を付加的に使用する、請求項２記載の燃焼法。
【請求項４】
触媒反応器（１５）の出口で排ガスが、未燃焼燃料以外に、 Ｏ２，Ｎ２，ＣＯ，ＣＯ２及びＨ２Ｏを含有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃焼法。
【請求項５】
排ガスを触媒反応器（１５）から、５０ｍ／ｓに等しい流速か又はこれより低い流速で流出させる、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃焼法。
【請求項６】
排ガスを触媒反応器（１５）から、６００℃〜９５０℃の温度で流出させる、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃焼法。
【請求項７】
触媒反応器（１５）の下流側で、該触媒反応器（１５）の外面に沿って案内される燃料を排ガスに添加する、請求項１から６までのいずれか１項記載の燃焼法。
【請求項８】
流動通路（１３）を通流する媒体内に、濃厚燃料の触媒式パイロットバーナからのＨ２／ＣＯが存在している、請求項１から７までのいずれか１項記載の燃焼法。
【請求項９】
流動通路（１３）内に、該流動通路（１３）を通流する燃料／空気−混合気に接触反応を施すための触媒反応器（１５）が配置されており、かつ前記触媒反応器（１５）の下流側に、下流で生成する均質火炎（１７）を空力的に安定化させるための手段が配置されている形式の、請求項１から８までのいずれか１項記載の燃焼法を実施するためのバーナ（１２，２０）において、空力的な安定化手段が、渦流発生エレメント（１０，１６）を有していることを特徴とする、バーナ。
【請求項１０】
渦流発生エレメント（１０，１６）の下流側に、流動通路（１３）の段状拡張部（１９）が付加的に設けられている、請求項９記載のバーナ。
【請求項１１】
渦流発生エレメント（１０，１６）が主として混合を生ぜしめようとするのか、それとも渦流崩壊を生ぜしめようとするのかに関連して、前記渦流発生エレメント（１０，１６）が形成されている、請求項９又は１０記載のバーナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼テクノロジーの分野に属し、かつ請求項１において発明の上位概念として特定した形式の燃焼法並びに該方法を実施するためのバーナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
触媒燃焼は、燃焼プロセスの安定性を高めかつエミッション（有毒ガス放出）を低下させるためにガスタービンにおいて適用される方法である（例えば、米国特許第６，３３９，９２５号明細書参照。）。材料負荷及び運転条件を制限するために、使用される触媒を、バーナを通流する総燃料量の一部分だけ（通常は最大６０％まで）反応させることが必要になる。従って、結果的に生じるガス温度は、触媒反応器の出口に残留する燃料の燃焼を熱的に安定化させるに足るほどには高めることができない（燃料Ｏ２，Ｎ２，ＣＯ，ＣＯ２及びＨ２Ｏから成る均質な混合気は６００℃〜９５０℃の温度にある）。それ故に空力的な安定化が必要である。
【０００３】
単純な解決手段として、触媒の下流側で突発的な膨張効果を利用することが挙げられるが、その場合、再循環ゾーンは、拡張部の角隅に停滞流を生ぜしめる（例えば、米国特許第５，６２６，０１７号明細書参照。）。もっとも当該技術は、触媒反応器出口の温度が比較的高い場合にだけ作用する。しかし比較的強力な動的安定化を必要とする場合は、渦崩壊（ボルテックス・ブレークダウン）を助成する強い渦流の形成によって行うことができる。このような渦崩壊を発生させるダブルコーン形バーナは、従来技術に基づいて公知になっている（例えば、米国特許第５，４３３，５９６号明細書参照。）。また同一目的を達成するその他若干の実施形態も公知になっている（例えば、米国特許第５，５８８，８２６号明細書参照。）。然しながらこのような大容積渦流は、著しい圧力降下の要因となる比較的複雑な装置を必要とする。
【０００４】
単純化された渦流発生エレメント（vortex generator）も開示技術に基づいてすでに公知になっており、これは、ＳＥＶ vortex generator とも呼ばれ、圧力損失の低減の点で優れている（例えば、米国特許第５，５７７，３７８号明細書参照。）。これは続発燃焼のため、もしくはアフタ・バーニング（後燃焼）を伴う燃焼のために適していることが実証済みである。当該装置の作用は、第１バーナの出口における排ガス温度を基礎とし、該排ガス温度は、第２バーナ内へ噴入された燃料の自発着火温度よりも高い。アフタ・バーニング用の燃焼室は、複数の渦流発生エレメントを備えた、バーナを有していない空間であり、前記渦流発生エレメントの目的は、第２段の燃料を、自発着火以前に第１段の排ガスと混合することである。循環の度合及び軸方向速度プロフィールの形状は、渦流発生エレメントの幾何学的パラメータ（長さ、高さ、流入角）の選択によって要件に適合することができ、かつ極端な事例では、しばしばデルタ主翼を備えた航空機の場合に観察されるように、自発的な渦流崩壊を生ぜしめることもできる。
【０００５】
前掲の米国特許第５，６２６，０１７号明細書には、２段式に燃焼を逐次的に行うガスタービン用の燃焼室が開示されており、この場合第１段で、１つの混合器内で生成された燃料／空気−混合気は１つの触媒反応器において完全燃焼される。触媒反応器から流出する排ガスは、比較的高い８００℃〜１１００℃の温度を有している。触媒反応器出口の下流側には、本願の図１に例示したような渦流発生エレメント（vortex generator）が複数、配置されている。前記渦流発生エレメントは渦流を発生し、次いで下流側で該渦流内に燃料が噴入される。発生する排ガス／燃料−混合気はその場合に自発着火して火炎前面（フレーム・フロント）を形成し、該火炎前面は、流動通路内の段状の横断面拡張部によって空力的に安定化される。渦流発生エレメントにはこの場合、排ガスと噴入燃料との混合を促進させる機能が専ら付与されている。これに対して火炎前面の安定化は、横断面拡張部によって生ぜしめられる。
【０００６】
第１段において燃料／空気−混合気が完全には燃焼せず、触媒反応器から流出する排ガスが、不完全燃焼の燃料の一部分を含有していると同時に、著しく低下された出口温度（例えば６００℃〜９５０℃）を有しているような、２段式バーナ構造の場合では、シチュエーションは自ずと異なっている。この場合、第２段において付加的な燃料を噴入する必要はなく、従って触媒反応器から流出する排ガスと混合される必要もないので、この場合のシチュエーションは流動技術的に見て、特にまた火炎前面の安定化の点で相違している。
【特許文献１】米国特許第６，３３９，９２５号明細書
【特許文献２】米国特許第５，６２６，０１７号明細書
【特許文献３】米国特許第５，４３３，５９６号明細書
【特許文献４】米国特許第５，５８８，８２６号明細書
【特許文献５】米国特許第５，５７７，３７８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで本発明の課題は、第１燃焼段内に触媒を有する２段式の燃焼法を改良して簡単かつ確実に実施できるようにすると共に圧力損失を極力僅かにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題は全体的には、請求項１の特徴部に記載した燃焼法の構成手段と、請求項９の特徴部に記載したバーナの構成手段とのコンビネーションによって解決される。要するに請求項１に記載した本発明の要旨は、触媒反応器を装備した第１燃焼段から流出する未燃焼燃料残分を第２燃焼段で後燃焼させる場合に、該第２燃焼段で発生された均質火炎を空力的に安定化させるために、前記触媒反応器から流出する燃料含有排ガスを、前記触媒反応器の出口と均質火炎との間で、前記均質火炎の空力的な安定化を生ぜしめる装置を介して案内する点にあり、かつこの燃焼法を実施するための請求項９に記載のバーナの要旨は、空力的な(aerodynamically)安定化手段が渦流発生エレメントを有している点にある。
【０００９】
本発明の有利な実施形態によれば、空力的安定化装置として、触媒反応器の出口に配置された渦流発生エレメントが使用される。
【００１０】
前記実施形態の更なる有利な構成によれば、空力的安定化装置として、渦流発生エレメントと均質火炎との間で流動通路内に配置した段状拡張部が付加的に使用される。
【００１１】
特に触媒反応器の出口で排ガスは、未燃焼燃料以外に、Ｏ２，Ｎ２，ＣＯ，ＣＯ２及びＨ２Ｏを含有している。
【００１２】
更にまた、触媒反応器の下流側で触媒反応器の外面に沿ってバイパス内を案内される燃料を排ガスに添加すること考えられる。
【００１３】
また流動通路を通流する媒体内に、濃厚燃料の触媒式パイロットバーナからのＨ２／ＣＯを存在させることも考えられる。
【００１４】
本発明のバーナの有利な実施形態では、渦流発生エレメントの下流側に、流動通路の段状拡張部が付加的に設けられている。
【００１５】
更にまた渦流発生エレメントが主として混合を生ぜしめようとするのか、それとも渦流崩壊を生ぜしめようとするのかに関連して、前記渦流発生エレメントを形成しておくのが有利である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、第１燃焼段内に触媒を有する２段式の燃焼法が簡単かつ確実に実施でき、しかも圧力損失は非常に僅かである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。
【００１８】
特に触媒式バーナにおいて均質火炎を空力的に安定化するために、本発明は、いわゆるＳＥＶ式渦流発生エレメント（ＳＥＶ vortex generators）を使用することを提案する。この方法の結果として次の利点が得られる。すなわち：
触媒反応器の出口温度に関わりなく、充分な火炎安定化が得られるので、触媒反応器の出口温度が低い場合でも運転が可能である；
圧力低下が最小限に抑えられる；かつ
渦流の強化混合に起因して形成する均等化された流動・温度フィールドが、タービン入口へ向かって発生される。
【００１９】
ＳＥＶ式渦流発生エレメントの使用が更に有利であるのは、該渦流発生エレメントを（冷却、疲れ、火炎位置、脈動、速度分布及び温度分布に関して）設計するに当たって、アフタ・バーニングを伴う高温バーナにおいてすでに得られた広範な経験が存在しており、かつ触媒エレメントを備えたバーナに直接適用できるからである。
【００２０】
図１に図示されていて燃焼室壁１１に接触している楔形もしくは四面体形のＳＥＶ式渦流発生エレメント１０（これは米国特許第５，５７７，３７８号明細書に開示されている）は、本発明の解決手段を使用する場合に特に適している。循環度及び軸方向速度プロフィールの形態はパラメータ（長さＬ、高さｈ、流入角度α及び、これら３つの量値から導出される角度θ）の適当な選択によって所望に応じて設定することができる。精確な要求に関連して前記パラメータは、混合（最低の圧力低下）しか生じないように、或いは混合と渦崩壊（伴流内における再循環ゾーンの形成の故に比較的高い圧力損失）が生じるように設定することができる。何れの場合にも１対の逆向きに旋回する渦流が発生される。
【００２１】
図２には、軸線１８に沿って延びる１本の流動通路１３を備えたバーナ１２の構成が図示されている。該流動通路１３内には触媒反応器１５が配置されている。燃料／空気−混合気の流動流１４は左手から触媒反応器１５内へ流入する。燃料は触媒反応器１５内で部分的に燃焼される。次いで触媒反応器１５の出口で、未燃焼燃料以外に例えばＯ２，Ｎ２，ＣＯ，ＣＯ２及びＨ２Ｏを含んだ排ガス流が流出する。排ガスの組成は、良好な混合の故に著しく均等である。排ガスの温度は６００℃〜９５０℃の間で変動する。流動速度は通常５０ｍ／ｓに等しいか、それよりも小である。触媒反応器１５の下流側には、図１に示した形態の渦流発生エレメント１６が配置されている。該渦流発生エレメント１６は、充分な空力安定化を生ぜしめて、均質火炎１７を、図２に示した位置に安定的に位置づけるように設計されている。渦流発生エレメント１６の精確な設計は、触媒反応器１５の運転特性に関連している。すなわち：
（イ）最高温度（約９００〜９５０℃）で排ガスを発生する触媒反応器においては最低限の循環が必要とされる；
（ロ）触媒反応器の出口温度が最低（約６００℃）である場合には、最大限の循環と渦流崩壊が必要とされる；
（ハ）触媒反応器の排ガス組成が不均一である場合には、自発着火以前に高い予混合度に到達させる渦流発生エレメントが使用される；
（ニ）触媒は、或る程度の量のシンガス“syngas”（Ｈ２とＣＯ）を生成するように設計することができる。このシンガスの反応が高くなれば、必要とされる空力的な安定化のレベルは低下する。一般的に言えば、触媒反応器の排ガス中の燃料分が正確な要件と空力的安定化を決定する。
【００２２】
空力的な安定化が最大限に所望されている場合には、渦流発生エレメントは、該渦流発生エレメント自体に均質火炎が付着するのを阻止するように設計することができる。
【００２３】
希薄混合気で作業する標準型の予混合式バーナに関連して、ＳＥＶ式渦流発生エレメントに沿って擦過流動するガス流は通常、最大１５０ｍ／ｓの平均速度を有している。このような構成の場合には圧力損失係数ζが著しく小さいにも拘わらず、高い速度は高い圧力損失（最大４％）を生じる。触媒素子を備えたバーナは一般に約５０ｍ／ｓの著しく低い出口速度を有することを特徴としている。これに伴った圧力損失は２％よりも小であり、従って決定的な減少を表わす。
【００２４】
触媒反応器から進出するガス混合気が著しく良好に混和されているにも拘わらず、燃料及び／又は空気が主触媒反応器をバイパスして流れて、その下流側で混和される形式のバーナが存在している。触媒反応器は、独自の燃焼生成物（例えば濃縮された燃料／空気−混合気又はシンガス）を発生するパイロットバーナを有することもでき、前記燃焼生成物は次いで又、主ガス流に添加される。これは重要な熟慮勘案の結果に他ならない。それというのは、不均質な混合気の燃焼は高い局所的な温度を生ぜしめ、これはエミッション（有毒ガスの放出）を増大させる要因になるからである。渦流発生エレメントは、元を質せば、混合装置でもある訳であり、従って、均質な燃焼前にガス混合気を十分に混和することを保証する。
【００２５】
渦流発生エレメント１６が充分に急勾配である場合、すなわち流入角度が大きい場合には、該渦流発生エレメントは、その伴流内に再循環ゾーンを惹起することがある。再循環ゾーンは、均質火炎を渦流発生エレメントに定着させることがあるので望ましいことではない。このような定着は装置に著しい熱負荷を惹起することになり、かつ耐用寿命を低下させることになる。
【００２６】
流動通路１３の横断面拡張が渦流の崩壊を助成することは公知である。渦流発生エレメントが、循環値を比較的小さくするように、つまり直接的な伴流内に再循環ゾーンを形成しないように設計されている場合には、後続の膨張は渦流を、更に下流の方で崩壊させることができる。これによって渦流発生エレメントにおいて、又は該渦流発生エレメントの直ぐ近くで火炎の定着が発生できなくなることが保証される。これに相当する構成が図３に図示されている。図３に示したバーナ２０の、図２に示したバーナ１２に対する主たる相違点は、渦流発生エレメント１６と均質火炎１７との間で流動通路１３の横断面内に段状の拡張部１９が設けられていることである。この段状の拡張部１９は、均質火炎１７が渦流発生エレメント１６に定着して、該渦流発生エレメントを損傷するのを確実に防止する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】従来技術によるＳＥＶ型バーナにおいてすでに公知になっているような、本発明の解決手段のために使用可能な渦流発生エレメントの斜視図である。
【図２】本発明の有利な第１実施例によるバーナの概略縦断面図である。
【図３】図２と比較可能な本発明の有利な第２実施例によるバーナの概略縦断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０    渦流発生エレメント、  １１    燃焼室壁、  １２    バーナ、  １３    流動通路、  １４    流動流、  １５    触媒反応器、  １６    渦流発生エレメント、  １７    均質火炎、  １８    バーナの軸線、  １９    拡張部、  ２０    バーナ
【図１】
2004219066.tif 000003
【図２】
2004219066.tif 000004
【図３】
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