(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器を運転するための方法であって、
炭化水素分子を含む液体燃料と、周囲空気よりも酸素含有量の少ない第１のガスの流れとを用いて燃料ガスを生成するステップを含み、前記液体燃料のうちの少なくとも５０重量百分率の前記炭化水素分子は少なくとも２つの炭素原子を有し、
前記燃料ガスと第２のガスとを予混合して、燃焼器の燃焼ゾーンの上流における位置でガス混合物を生成するステップとを含み、前記第２のガスは酸素を含み、前記方法はさらに、
前記燃焼器の前記燃焼ゾーンにおいて前記ガス混合物を燃焼させるステップを含み、これにより、前記燃焼ゾーンの上流における前記ガス混合物の自己発火が実質的に抑制される、方法。
【請求項２】
前記ガス混合物は、前記ガス混合物の燃焼を維持するのに十分な量の酸素を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ガス混合物は、１未満の等量比を有する希薄混合物である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１のガスの流れの酸素含有量は前記液体燃料の限界酸素指数未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記燃焼器は天然ガスのために構成された燃料計量システムを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１のガスの流れは空気分離器によって供給される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記空気分離器は吸着を用いて前記第１のガスの流れを作り出す、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
酸素を多く含む流れを前記空気分離器から前記燃焼器に供給するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記酸素を多く含む流れは、前記燃焼ゾーンの下流における前記燃焼器に供給される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記酸素を多く含む流れは、前記予混合するステップにおいて酸素の少ない燃料ガスと混合される、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１のガスの流れは予燃焼器の排気口から供給される、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１のガスの流れは前記燃焼器の排気口から供給される、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ガス混合物の等量比は、メタンが同等の運転条件の下で燃焼され得る最小等量比未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記液体燃料は、ディーゼル燃料、燃料油（heating oil）、ブタン、プロパン、ペンタン、ガソリンおよび可燃性の液体廃棄物からなる群から選択される燃料である、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記燃焼器はガスタービンエンジン用のものである、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
希薄予混合方式で天然ガスを燃焼させるのに適するよう構成された燃焼器を運転するための方法であって、
周囲空気に比べて酸素含有量の少ないガスの流れを用いて高級炭化水素液体燃料を気化して、酸素の少ない燃料ガスを生成するステップと、
前記酸素の少ない燃料ガスと第２のガスとを予混合して、燃焼器の燃焼ゾーンの上流における位置でガス混合物を生成するステップとを含み、前記ガス混合物は前記ガス混合物の燃焼を維持するのに十分な量の酸素を有し、前記ガス混合物は１未満の等量比を有し、前記方法はさらに、
前記燃焼器の前記燃焼ゾーンにおいて前記ガス混合物を燃焼させるステップを含み、これにより、前記燃焼ゾーンの上流における前記ガス混合物の自己発火が実質的に抑制される、方法。
【請求項１７】
前記ガスの流れは前記燃焼器の排気ガスの流れから得られる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記ガスの流れは空気分離ユニットによってもたらされる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記空気分離ユニットからの酸素を多く含むガスの流れが前記燃焼器に投入される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
燃焼システムであって、
燃焼器を含み、前記燃焼器は、気化された燃料を受取る入口と、燃焼ゾーンと、前記燃焼ゾーンの上流にある予混合ゾーンとを有し、前記燃焼器は、前記予混合ゾーンにおいて気化された燃料を酸素が加えられたガスの流れと混合してガス混合物を生成し、前記燃焼ゾーンにおいて前記ガス混合物を燃焼させるよう構成されており、前記燃焼システムはさらに、
前記燃焼器の前記入口に接続される燃料気化ユニットを含み、前記燃料気化ユニットは、酸素の少ない気化された燃料ガスの流れを前記入口を介し前記燃焼器に供給するよう構
成され、前記燃料気化ユニットは、液体燃料源に接続可能な第１の入口と酸素の少ないガスの流れに接続可能な第２の入口とを有する燃料気化器を含み、前記液体燃料源からの前記液体燃料のうちの少なくとも５０重量百分率の炭化水素分子は少なくとも２つの炭素原子を有する、燃焼システム。
【請求項２１】
前記燃焼器は、１未満の等量比で酸素の少ない気化された燃料ガスを燃焼するよう構成される、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
酸素の少ないガスの流れの酸素含有量は前記液体燃料の限界酸素指数未満である、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２３】
前記燃焼器は天然ガスのために構成された燃料計量システムを含む、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２４】
前記燃料気化ユニットはさらに、第１の出口において酸素の少ない流れを生成するよう構成された空気分離ユニットを含み、前記第１の出口は前記燃料気化器の前記第２の入口に接続されている、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２５】
前記空気分離ユニットは吸着によって前記酸素の少ない流れを作り出す、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記空気分離ユニットはさらに、第２の出口において酸素を多く含む流れを生成するよう構成され、前記第２の出口は前記燃焼器に接続されている、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２７】
前記第２の出口は、前記燃焼ゾーンの下流における前記燃焼器に前記酸素を多く含む流れを供給するよう接続される、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記第２の出口は、前記燃焼器の前記予混合ゾーンに前記酸素を多く含む流れを供給するよう接続される、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２９】
前記酸素の少ないガスの流れは、前記燃焼器によって排出される排気ガスの流れから供給される、請求項２０に記載のシステム。
【請求項３０】
前記燃焼器は、前記混合物が、同等の運転条件の下でメタンを燃焼し得る最小等量比未満の等量比を有するように、前記気化された燃料を前記酸素が加えられたガスの流れと混合するよう構成される、請求項２０に記載のシステム。
【請求項３１】
前記液体燃料は液化ガスであり、前記液化ガスは大気圧下で室温では気体であり得る組成である、請求項２１に記載のシステム。
【請求項３２】
前記液体燃料は、ディーゼル燃料、燃料油、液化されたブタン、液化されたプロパン、液化されたペンタン、ガソリンおよび可燃性の液体廃棄物からなる群から選択される燃料である、請求項２０に記載のシステム。
【請求項３３】
前記燃焼器はガスタービンエンジン用のものである、請求項２０に記載のシステム。
【請求項３４】
燃料気化ユニットであって、
燃料気化器と、
液体燃料の流れを供給するよう前記燃料気化器に接続される液体燃料の源と、
酸素の少ないガスの流れの排出物を有する空気分離器とを含み、前記酸素の少ないガスの流れの排出物は前記燃料気化器に接続され、
前記燃料気化器は、前記液体燃料および前記酸素の少ないガスの流れから気化された燃料混合物を生成する、燃料気化ユニット。
【請求項３５】
前記空気分離器は第１の圧縮器を介して前記燃料気化器に接続される、請求項３４に記載の燃料気化ユニット。
【請求項３６】
前記第１の圧縮器は前記酸素の少ないガスの流れを圧縮する、請求項３５に記載の燃料気化ユニット。
【請求項３７】
前記燃料気化器からの気化された燃料混合物はエンジンに供給される、請求項３４に記載の燃料気化ユニット。
【請求項３８】
前記エンジンは、圧縮点火エンジンおよび火花点火エンジンからなる群から選択される、請求項３７に記載の燃料気化ユニット。
【請求項３９】
前記燃料気化器からの気化された燃料混合物は燃焼器に供給される、請求項３４に記載の燃料気化ユニット。
【請求項４０】
前記空気分離器の酸素を多く含む流れの排出物は前記燃焼器に供給される、請求項３９に記載の燃料気化ユニット。
【請求項４１】
前記空気分離器の酸素を多く含む流れの排出物は圧縮器を介して前記燃焼器に供給される、請求項３９に記載の燃料気化ユニット。
【請求項４２】
前記燃焼器はタービンに供給される燃焼排出物を生成する、請求項３９に記載の燃料気化ユニット。
【請求項４３】
前記タービンは圧縮器を駆動する、請求項４２に記載の燃料気化ユニット。
【請求項４４】
前記圧縮器は圧縮されたガス排出物を有し、前記圧縮されたガス排出物は前記空気分離器に供給される、請求項４３に記載の燃料気化ユニット。
【請求項４５】
前記圧縮器は空気を圧縮する、請求項４４に記載の燃料気化ユニット。
【請求項４６】
圧縮空気は前記圧縮器の中間段階から抜取られ、前記空気分離器に供給される、請求項４５に記載の燃料気化ユニット。
【請求項４７】
前記ガス混合物のエネルギ含有量は天然ガスのエネルギ含有量にほぼ等しい、請求項１に記載の方法。
【請求項４８】
前記ガス混合物のエネルギ含有量は体積ベースで天然ガスのエネルギ含有量にほぼ等しい、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記ガス混合物のエネルギ含有量は質量ベースで天然ガスのエネルギ含有量にほぼ等しい、請求項４７に記載の方法。
【請求項５０】
前記ガス混合物のエネルギ含有量は天然ガスのエネルギ含有量にほぼ等しい、請求項１６に記載の方法。
【請求項５１】
前記ガス混合物のエネルギ含有量は体積ベースで天然ガスのエネルギ含有量にほぼ等しい、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記ガス混合物のエネルギ含有量は質量ベースで天然ガスのエネルギ含有量にほぼ等しい、請求項５０に記載の方法。
【請求項５３】
前記ガス混合物のエネルギ含有量は天然ガスのエネルギ含有量にほぼ等しい、請求項２０に記載のシステム。
【請求項５４】
前記ガス混合物のエネルギ含有量は体積ベースで天然ガスのエネルギ含有量にほぼ等しい、請求項５３に記載のシステム。
【請求項５５】
前記ガス混合物のエネルギ含有量は質量ベースで天然ガスのエネルギ含有量にほぼ等しい、請求項５３に記載のシステム。
【請求項５６】
液体燃料を気化するステップと、
空気分離器からの酸素の少ないガスと前記気化された液体燃料とを混合するステップと、
前記気化された液体燃料と前記酸素の少ないガスとの混合物を燃焼させるステップとを含む、方法。
【請求項５７】
空気分離器からの酸素の少ないガスを加熱するステップと、
前記加熱された酸素の少ないガスを用いて液体燃料を気化して、気化された燃料混合物を生成するステップと、
前記気化された燃料混合物を燃焼させるステップとを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
発明の分野
この発明は、燃焼装置での使用のために液体燃料または液化ガスを適切に気化、混合および供給するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
技術背景
この出願は、２００２年１０月１０日に出願された米国仮出願連続番号第６０／４１７，１８４号と、２００２年１２月４日に出願された米国仮出願連続番号第６０／４３０，６５３号との優先権を主張する。上述の両方の仮出願の全体が引用によりこの明細書中に援用される。
【０００３】
発電に用いられるガスタービンなどの燃焼装置は典型的には天然ガス（たとえば圧縮された天然ガスまたはＣＮＧ）によって燃料供給される。典型的には、天然ガスは体積百分率で約９０〜９８％のメタン（ＣＨ4）から成るが、ただし、メタンを８２％ほどしか含まないいくつかのガスが天然ガスとして特徴付けられてきた。メタン以外に、天然ガスはＣＯ2、Ｏ2、Ｎ2ならびに高次炭化水素ガス、たとえばＣ２（エタン、エチレン、アセチレン）、Ｃ３（プロパン）、Ｃ４（ブタン）およびＣ５（ペンタン）などを含み得る。
【０００４】
ガスタービンエンジンのための燃焼システムの設計における近年の進歩により、希薄予混合燃焼を用いることによる天然ガスでの動作中の排気物質が実質的に改善されることとなった。この燃焼方式では、天然ガスは、前方にある火炎に到達する前に燃焼用空気と予混合される。この天然ガスおよび空気の希薄混合物は従来の拡散燃焼器よりも低い温度で燃焼し、これにより、排気流に窒素の酸化物（ＮＯX）を含むより低レベルの汚染物質が生成される。一例として、拡散燃焼器について許容可能な最大ＮＯXレベルは典型的には１５％のＯ2で４２ｐｐｍであるが、希薄予混合燃焼ガスタービンについては、許容可能な最大ＮＯXレベルは典型的には１５％のＯ2で１５ｐｐｍである。拡散燃焼器に対する４２ｐｐｍのＮＯXレベルは、概して、大量の蒸気または水を燃焼器に添加して火炎温度を下げることでしか達成できない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
オイルおよびディーゼル燃料などの高次炭化水素液体燃料と、プロパン（Ｃ３）およびブタン（Ｃ４）などの高次炭化水素燃料ガスとを交互に用いる希薄予混合燃焼装置を作動させる試みがなされてきた。この明細書中で用いられるように、「高次炭化水素燃料」とは、燃料のうち少なくとも５０重量百分率の炭化水素分子が少なくとも２つの炭素原子を含む燃料を指す。残念ながら、これらの燃焼装置は、燃料を交互に用いると希薄予混合予気化（ＬＰＰ）燃焼方式で容易に作動させることができない。液体燃料または液化ガスを用いて希薄予混合予気化火炎を生成するために（この明細書中で用いられるように、「液体燃料」という語は、室温および大気圧で通常液状である燃料、ならびに冷却および／または加圧によって液化されたガスを含むと理解されるべきである）、当該液体は、燃料ガス（すなわち燃料蒸気／空気混合物）を生成するために最初にキャリアガス（通常は空気）に対して気化されなければならない。次いで、当該燃料ガスが、前方にある火炎に到達する前に付加的な燃焼用空気と混合され得る。しかしながら、このような気化された液体燃料／液化ガスおよび空気混合物では、自己発火として知られる現象が起こる可能性がある。自己発火は、燃焼装置における所望の燃焼位置よりも前で起こる燃料の自然発火であ
る。この早期の発火は、たとえば、燃料が燃焼装置に供給されるときに起こる可能性のある燃料の通常加熱、予加熱または他の加熱の結果として起こるおそれがある。自己発火により効率性が低下し、燃焼装置が損傷を被り、燃焼装置の耐用寿命が短縮され、かつ／または不要な排出物が増加することとなる。
【０００６】
このような希薄予混合燃焼装置における高次炭化水素液体燃料の自己発火を減らすためにさまざまな試みがなされてきたが、完全に成功であると判明したものはなかった。結果として、ガスタービンなどの「複式燃料」燃焼装置は、天然ガスおよび高次炭化水素液体燃料の両方で動作可能であるが、典型的には、天然ガスが用いられる場合には希薄予混合方式で動作し、高次炭化水素液体燃料が用いられる場合には拡散方式で動作する。拡散方式で液体燃料を燃焼させることは不所望である。というのも、これにより、希薄予混合方式で燃焼された天然ガスに比べてＮＯXおよび他の排出物が増えるからである。
【０００７】
最近重要性を増している別の問題は、液化された天然ガスの使用に伴う問題である。国内産の天然ガス供給が近年不足しているので、液化された天然ガスの輸入がより一般的になった。液化された天然ガスが典型的にはタンカーで輸送される場合、高次炭化水素ガスの沸点はより高くなる。液体天然ガスが気体燃料として用いられるよう再度気化される場合、貯蔵容器から取除かれた液化された天然ガスの最後の部分は、高次炭化水素燃料をより多く含む。上述の自己発火問題のために、この液化された天然ガスの部分は既存の希薄予混合天然ガス燃焼器内で用いることができない。
【０００８】
天然ガスで用いられる装置に類似の燃焼装置はまた、ボイラー、焼却炉およびタービンエンジン上、ならびに発電以外の用途を含む、たとえば軍艦に対する推進用などの他の燃焼エンジン上で用いられる。軍艦のためのタービンエンジンの使用に関する問題は、従来の圧縮されたガス燃料に特に必要な大容量の貯蔵空間と、従来のタービンエンジンにおいて燃料を交互に使用することに起因する高い排出物とを含む。この排出物は環境要件を侵害したり、たとえば船の位置が明らかになる目に見える排出物を生成することによって安全上の問題を示したりする可能性がある。
【０００９】
タービンエンジンなどの燃焼装置と、希薄予混合予気化方式で天然ガスおよび高次炭化水素液体燃料をともに用いて動作可能な他の燃焼装置とが依然として必要とされている。このような燃焼装置に対する申し分のない２つの燃料の選択肢により、たとえば、発電などの用途のための費用や燃料の融通性が可能となるだろう。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明の概要
この発明の実施例は、気体燃料として燃焼装置に供給可能な多様な液体燃料または液化ガスから周囲空気に比べて酸素含有量の少ない予気化された燃料ガスを生成するための機構を設けることによって大いに上述の問題などに対処する。好ましい実施例においては、予気化された燃料ガスは、天然ガスを燃焼させるよう構成された既存の希薄予混合燃焼装置とともに用いることができる。このような気体燃料の供給は、たとえば軍艦、機関車、航空機および自動車に動力を供給したりするためのタービンエンジンならびにディーゼルおよびガソリンエンジンで使用可能である。この発明はまた、他の多様な燃焼装置、特に、高度な点火および／または排出物制御が所望される燃焼装置に対して使用可能である。たとえば、ＮＯXの削減は、この発明を用いれば拡散燃焼器でも達成可能である。この排出物削減は、酸素の少ない流れ／天然ガス混合物の発熱量を増やす結果として達成される。というのも、付加的な不活性ガスが火炎温度を下げるのに役立ち、こうしてＮＯXが減じられるからである。
【００１１】
この発明の実施例においては、空気に比べて酸素濃度の低い不活性ガスの流れまたは他
のガスの流れを用いて液体燃料または液化された高次炭化水素天然ガスを気化し、酸素の少ない気化された天然ガスが燃焼装置に供給される。濃度が適度に低い酸素を含むガスの流れと燃料とを混合することにより、気化された燃料の反応が、自己発火を避けるように防止され得るかまたは十分に遅延され得る。高度な発火制御ならびにこの発明の他の特徴は、以下にさらに説明されるように、排出物または燃焼の不安定性を減じるかまたはさもなければ制御するのに使用可能である。
【００１２】
当該技術において公知のいくつかの装置またはシステムが不活性ガスの流れを供給するのに用いられてもよく、いくつかの不活性ガスがこの発明とともに用いられてもよい。たとえば、この発明の一実施例においては、予燃焼器または燃焼装置の下流からの汚染された排気ガスは、自己発火を避けるのに用いられ液体燃料または液化ガスを気化するための酸素の少ない流れを供給し得る。この排気ガスの流れを適切に調整することにより、当該流れを用いてさまざまな液体燃料または液化ガスをいずれも気化することができ、これは、適切に処理され排気ガスの流れと混合されると、気体燃料として燃焼装置に直接供給され得る。この発明の別の実施例においては、空気分離ユニットが、酸素の少ないガスの流れを液体燃料または液化ガスの気化器に供給する。
【００１３】
有利には、これにより、適切に処理および混合されると天然ガスを燃焼させるよう適合された既存のタービンエンジンに直接供給され得るさまざまな液体燃料または液化ガスおよび圧縮空気のうちのいずれかから予気化された燃料を生成するための内蔵型ユニットが可能となる。次いで、この混合物はエンジン性能を向上させるために希薄予混合火炎で燃やされてもよい。たとえば、このような改善例は、減少燃焼装置の動力（reduced combustion device dynamics）を含め、改善された排気物および／またはより高い燃焼安定性を含み得るがこれに限定されない。
【００１４】
この発明の実施例において用いるための空気分離ユニットは酸素および窒素を空気から分離する。空気分離器の排出物は２つのガスの流れを含み、第１の流れは酸素が多く窒素が少ない（「酸素を多く含む流れ」）。第２の流れは酸素が少なく窒素が多い（この実施例の結果として得られる酸素の少ない流れならびに他の実施例のその他の酸素の少ない流れは同義で「酸素の少ない流れ」と称される）。この発明の一実施例においては、空気分離器は、当該技術において「吸着（adsorption）」と称されるプロセスを用いて流れを作り出す。
【００１５】
次いで、酸素の少ない流れは、気化された液体燃料または液化ガスと混合されてから燃焼装置に供給され得る。気化された燃料は燃焼のために酸素が十分にあることを必要とするので、少ないレベルの酸素が混合された適切なレベルの不燃性の窒素などの酸素の少ない流れと気化された燃料とを混合することにより、気化された燃料の燃焼が自己発火を避けるように防止され得るかまたは十分に遅延され得る。次いで、混ぜ合わされた燃料および酸素の少ない流れが気体燃料として燃焼装置に供給され得、ここで、燃料／酸素の少ない流れがエンジン内での燃焼のために酸素源（たとえば取り込まれる空気）と混合され得る。
【００１６】
この発明の実施例においては、空気分離器はタービン圧縮器から供給される圧縮空気を用いる。代替的または付加的には、当該空気分離器は、いずれかの圧縮空気源からの圧縮空気を用いてもよい。
【００１７】
この発明の一実施例においては、空気分離器によって作り出された酸素を多く含む流れは、タービンエンジンからの排出物を減らすために、燃焼している燃料の下流における燃焼装置に供給され得る。酸素を多く含む流れを燃焼後の排出物の流れに供給すると、たとえば排気流における未燃燃料および／または一酸化炭素の酸化を促進することにより燃焼
装置によって生成される汚染物質を減らすことができる。
【００１８】
この発明の一実施例においては、空気分離器によって作り出された酸素を多く含む流れが、燃焼装置の運転範囲を広げるために燃焼装置に供給され得る。
【００１９】
多くの液体炭化水素燃料がこの発明とともに使用可能である。このような液体燃料または液化ガスは、ディーゼル燃料、Ｎｏ.２燃料油、ガソリン、高次炭化水素含有量の高い液化された天然ガス、液化されたＣ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５などを含む他の液化ガス、および、製造プロセスで生成される廃棄物の流れなどの可燃性の液体廃棄物の流れを含むが、これらに限定されない。
【００２０】
この発明の一実施例においては、燃料ガスの流れの質量または体積ベースでの発熱量は、酸素の少ない流れを適切な割合で混合することによって制御され得る。これにより、たとえば既存の天然ガス燃料システムを通じて燃料ガスを燃焼装置に供給することが容易になる。
【００２１】
この発明の付加的な利点および新規の特徴は、以下の記載において一部が説明され、さらに、下記を考察するかまたはこの発明を実施することにより学ぶと一部が当業者により明らかとなるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
詳細な説明
この発明は、燃焼システムの好ましい実施例に関連して説明される。特定の詳細な記述、たとえば燃料の種類およびガスの流れの酸素含有量が、この発明を完全に理解できるようにするために説明される。この明細書中に述べられる好ましい実施例はこの発明を限定するものと理解されるべきではない。さらに、理解しやすくするために、或る方法ステップが別個のステップとして明確に叙述される。しかしながら、これらのステップは必ずしも別個のものとして解釈されたり、それぞれの行いに依存した順序であると解釈されたりするべきではない。
【００２３】
この明細書中で用いられるように、「気化（vaporizing）」は「ガス化（gasifying）」とは異なるものと理解されるべきである。ガス化は、石炭などの非気体燃料が、当該非気体燃料を周囲空気または酸素を多く含むガスの流れと部分的に反応させる（たとえば燃焼させる）ことによって気体燃料に変換されるプロセスを称する技術用語である。対照的に、液体燃料の反応は、周囲空気に比べて酸素含有量の少ないガスの流れが存在するために、この発明に従った気化プロセス中に実質的に抑制される。
【００２４】
この発明は希薄予混合予気化燃焼装置に特に適用可能であると考えられ、したがって、この明細書中で主に述べられるだろう。しかしながら、この発明はそのように限定されるものと理解されるべきではない。たとえば、この発明はまた、ＲＱＬ（rich quenched lean）燃焼装置、部分的に予混合燃焼装置、または拡散燃焼装置で実施され得る。
【００２５】
図１（ａ）は、この発明の一実施例に従った燃焼システムを示すブロック図である。当該燃焼システムは、たとえばタービンエンジンまたは火花点火または圧縮点火エンジンなどの、但しこれらには限定されない燃焼器のための液体燃料または液化ガスとともに用いられる典型的な燃焼器５（この明細書において同義で「燃焼装置」とも称される）を含む。図１（ａ）に図示のとおり、液体燃料／液化ガス気化ユニット１は燃焼器５に接続される。酸素の少ない気化された燃料の流れ８は気化ユニット１から燃焼器５に供給される。また、燃焼器５には、空気源などの酸素が加えられたガスの流れ９が投入される。一実施例においては、燃焼器５は、気化された燃料の流れ８と酸素が加えられたガスの流れ９の
流れとを適切に混合するという特徴を含む。
【００２６】
気化ユニット１は、酸素の少ないガスの流れ源２と、液体燃料／液化ガス源３（この明細書中において同義で「液体燃料」および／または「液化燃料」とも称される）と、気化器ユニット４とを含む。当該液体燃料／液化ガス気化ユニット４は、液体燃料／液化ガス源３および酸素の少ないガスの流れ源２からそれぞれ供給される流れ６、７を混合しかつ気化する。他の多くの方法を用いて液体燃料の流れ６と酸素の少ないガスの流れ２とを気化させることができる。混合および気化が行なわれる順序は重要ではない。いくつかの実施例においては、混合および気化は、酸素の少ない流れが液体燃料を気化するのに十分な温度に予め加熱される場合などに同時に行なわれる。他の実施例においては、液体燃料の流れ６は、酸素の少ないガスの流れ７と混合される前に、たとえば液体燃料を加熱することによって部分的または完全に気化される。いくつかの実施例においては、酸素の少ないガスの流れ７は、混合および気化の前に加圧および／または加熱される。気化された燃料の流れ８は、酸素の少ない流れと混合することにより自己発火を避けるよう調整され、燃焼プロセスでの使用のために燃焼器５に供給される。
【００２７】
いくつかの実施例においては、気化された燃料の流れ８の温度は、燃焼器５への移動中に当該気化された燃料の流れ８の温度を露点よりも高いままにするのに十分なほど高い。他の実施例においては、気化された燃料の流れ８の温度は、当該気化された燃料の流れ８が燃焼器５に到達するのに移動する距離が、多くの凝縮が生じるには時間が不十分である程度に短い場合、露点よりも低くなってもよい。さらに他の実施例においては、気化された燃料の流れ８は気化器４と燃焼器５との間で加熱される。
【００２８】
酸素の少ないガスの流れ源２は、一般に約２１％のＯ2を含有するとされる周囲空気に比べて酸素含有量が少ないガスの流れを生成する。この発明のいくつかの実施例においては、酸素の少ないガスの流れは、限界酸素指数（limiting oxygen index）未満の酸素含有量を有する。限界酸素指数（ＬＯＩ）は局所的な環境における酸素の濃度であるが、その濃度未満では材料は燃焼を維持し得ず、また、当該限界酸素指数（ＬＯＩ）は異なる種類の液体燃料に応じて変動する。ＬＯＩは典型的には約１０％〜約１４％であり、多くの高次炭化水素燃料に対しては約１３％である。源２からのガスの流れの酸素含有量が少なければ少ないほど、自己発火がより抑制される。しかしながら、酸素含有量がより低いガスの流れを生成するのにより多くの仕事量（すなわちエネルギ）が必要とされる。この仕事量は全体的なシステムの効率を低下させるだろう。こうして、いくつかの実施例においては、流れの源２からの酸素含有量は、必要な量だけ自己発火を抑制するのに十分に低い。この量はＬＯＩよりも高くても低くてもよい。この発明の他の実施例においては、酸素の少ないガスの流れ源２は酸素を含有しない。これらの実施例のいくつかにおいては、酸素の少ないガスの流れ源２によって供給されるガスは不活性である。さらに他の実施例においては、源２からのガスは炭化水素（たとえばメタンおよび／または高次炭化水素）を含む。
【００２９】
源２からのガスの流れにおける、自己発火を十分に抑制するのに必要とされる酸素含有量の削減量は、特定の応用例、特に、燃料の品質、混合／気化方式、気化されたガスの流れが燃焼器に到達するのに移動しなければならない距離、気化されたガスの流れが気化器を離れる際の温度、酸素の少ないガスの流れ／燃料混合物が燃焼前に燃焼器でさらされる温度、燃焼器における予混合ゾーンから燃焼ゾーンまでの距離などの要因に依存するだろう。
【００３０】
上述のとおり、図１（ａ）の燃焼器５は、図１（ｂ）に示される予混合燃焼器であり得る。予混合燃焼器は、典型的には、予混合ゾーン５ｂ−１、最初の燃焼ゾーン５ｂ−２、中間ゾーン５ｂ−３および希釈ゾーン５ｂ−４を含む。予混合燃焼器においては、酸素の
少ない気化された燃料ガスの流れ８が予混合ゾーン５ｂ−１に供給され、ここで、酸素が加えられたガスの流れ９ａ（たとえば空気）と予混合される。酸素が加えられたガスの流れ９ａは典型的には他のゾーン５ｂ−２、５ｂ−３、５ｂ−４のうちのいくつかまたはすべてに供給される。ＲＱＬ燃焼装置においては、酸素の少ない気化された燃料ガスの流れ８がまた、中間ゾーン５ｂ−３に供給される。代替的には、図１（ａ）の燃焼器５は、図１（ｃ）に図示のとおり、最初の燃焼ゾーン５ｃ−１、中間ゾーン５ｃ−２および希釈ゾーン５ｃ−３を含む拡散燃焼器であり得る。典型的な拡散燃焼器においては、酸素の少ない気化された燃料ガスの流れ８は最初の燃焼ゾーン５ｃ−１に供給され、ここで、酸素が加えられたガスの流れ９ａが存在する状態で燃焼される。
【００３１】
図２は、この発明の好適な一実施例に従った液体燃料／酸素の少ないガス気化システムの動作方法のフローチャートを示す。酸素の少ないガスの流れおよび液体燃料源からの供給物は各々、ステップ１０において液体燃料気化ユニットに供給される。液体燃料気化ユニットはステップ１１において供給物の流れを混合しかつ気化する。気化エネルギは、酸素の少ないガスの流れによって、または別のエネルギ源から供給され得る。気化された燃料の流れは、酸素の少ない流れと混合することにより自己発火を避けるよう調整されているが、ステップ１２において燃焼器に供給される。燃焼器は、ステップ１３において、調製された液体燃料／酸素の少ないガスの流れと酸素源とを用いて、可燃性の混合物を作り出す。
【００３２】
この発明に従った燃焼システムの別の実施例が図３に示される。図３の燃焼システムは、空気圧縮器１５（図３には図示されない燃焼空気供給部に接続されている）と、燃焼器５（上述のように予混合燃焼器または拡散燃焼器であり得る）と、タービン１６と、排出物を放出するための排気筒１７とを有する従来のガスタービンエンジン１４を含む。タービンエンジン１４はいかなる装置、たとえば発電機１８や軍艦のスクリューなどの他の出力装置に結合されてもよい。この実施例においては、排気筒１７からの排気流２０の一部分を用いて、酸素の少ないガスの流れを液体燃料／液化ガス気化ユニット２１に供給する。液体燃料／液化ガス気化ユニット２１は従来のガスタービンエンジン１４に接続される。気化ユニット２１は圧縮器１９を含み、当該圧縮器１９は、当該ユニット２１に接続され得る排気筒排気流２０、燃料気化器４および液体燃料／液化ガス源３を加圧する。当該圧縮器１９は、ユニット２１内に含まれ得るかまたは代替的にはユニット２１とは別個であってもよい。
【００３３】
図４は、この発明の実施例に従った、タービンとともに用いられる液体燃料／酸素の少ないガス気化システムの動作の一方法を示すフローチャートである。酸素含有量の少ないタービン排気流がステップ２５において圧縮器に供給される。当該圧縮器は、ステップ２６においてガスタービン排気流を加圧する。結果として得られる酸素の少ない流れの圧縮器の排出流れと液体燃料の流れとが各々、ステップ２７において液体燃料気化器に供給される。圧縮器の排出流れは、ステップ２８において液体燃料の流れと混合されて液体燃料を気化する。次いで、酸素の少ない気化された液体燃料の流れが、ステップ２９においてガスタービンの燃焼器に供給される。
【００３４】
いくつかの好ましい実施例においては、タービンエンジン１４は、天然ガスで動作するよう構成された既存の希薄予混合装置であり、液体燃料３は高次炭化水素液体燃料である。上述の自己発火の問題に加えて、天然ガスで動作するよう構成された燃焼装置内での高次炭化水素燃料の使用に関連して第２の問題が発生する。つまり、高次炭化水素燃料は天然ガスよりもエネルギ含有量が高いので、天然ガスで動作するよう構成されたエンジンの燃料ガス拡散および計量システムは、通常、高次炭化水素燃料ガスで動作するよう変更を加えることが必要となるだろう。しかしながら、好ましい実施例においては、ガス気化ユニット２１は、エンジン１４の燃料ガス拡散システムに対する変更が不要となるように酸
素の少ない気化された燃料ガスをタービンエンジン１４に供給するよう構成される。これは、気化器４からの酸素の少ない気化された燃料ガスのエネルギ含有量が天然ガスと等しくなるような量の酸素の少ないガスを気化された燃料と混合することによって達成される。これは、エンジン１４で用いられる燃料計量方法に依存して、体積または質量ベースでなされてもよい。他の実施例においては、酸素の少ない燃料ガスのエネルギ含有量は天然ガスの含有量よりも高いかまたは低く、燃料拡散システムは、このようなエネルギ含有量がより高いかまたはより低いガスで作動するよう構成される。
【００３５】
一例として、燃料ガスの発熱量はガス分子中の炭素原子の数にほぼ比例している。したがって、ペンタン（Ｃ5Ｈ12）は、天然ガスの主成分、すなわちメタン（ＣＨ4）の発熱量の約５倍である。液化されたペンタンが図３のシステムにおいて液体燃料として用いられる場合、体積ベースでメタンを計量するよう構成された燃料ガス拡散システムを有するエンジン１４を用いるために、気化器４は、１つの気化されたペンタンガスの流れと４つの酸素の少ないガスの流れとを含む燃料ガスの流れを出力するよう構成されるだろう。
【００３６】
図５は、この発明に従った、ガスタービンエンジン１４を含む燃焼システムのさらに別の実施例を示し、当該ガスタービンエンジン１４は、圧縮器１５と、燃焼器５と、タービン１６と、排出物を放出するための排気筒１７とを有する。タービン１６は、たとえば発電機１８や軍艦のスクリューなどの他の装置にも結合され得る。この発明の一実施例の液体燃料／液化ガス気化ユニット３１はガスタービンエンジン１４に接続可能である。図５ａに示される実施例においては、ユニット３１は空気分離器３２、補助圧縮器３３、第２の圧縮器３４、燃料気化器４、および液体燃料／液化ガス源３を含み、これらはユニット３１内に含まれ得る。または、これらは、代替的にはユニット３１とは別個であり当該ユニット３１に接続されてもよい。
【００３７】
空気分離器３２は、エンジン１４の圧縮器１５から圧縮空気の流れ（または別の源から圧縮空気の流れ）を取込み、酸素を多く含むガスの流れ４１と、典型的には空気に比べて多量の窒素を含む酸素の少ないガスの流れ４２とを排出する。多様な空気分離器が当該技術において公知である。いくつかの実施例においては、空気分離ユニットは、吸着と称されるプロセスを用いて酸素を多く含む流れ４１と酸素の少ない流れ４２とを作り出す。このような実施例においては、空気の流れは、分離を容易にするために３つの大気のうちの或る気圧に圧縮され得る。
【００３８】
図５ａの実施例においては、酸素を多く含む流れ４１が圧縮され、圧縮された酸素を多く含むガスの流れ４３が燃焼器５に注入される。酸素の少ない流れ４２が補助圧縮器３３に供給され、ここで加圧される。結果として得られる圧縮された酸素の少ないガスの流れ４５は、次に液体燃料／液化ガス気化ユニット４に供給される。液体燃料／液化ガス気化ユニット４は、液体燃料／液化ガス源３からの液体燃料／液化ガス供給物６を圧縮された酸素の少ない流れ４５と高温で混合して、液体燃料／液化ガスを気化する。圧縮された酸素の少ない流れ４５とガス供給物６とが混合される比率は、液体燃料３とエンジン１４の構成とに依存する。上述のとおり、当該比率は、エンジン１４の燃料拡散システムに変更を加えることなく、天然ガスを燃焼させるよう構成されたエンジン１４を高次炭化水素液体燃料３で使用することを可能にするよう選択され得る。次いで、気化燃料／酸素の少ない流れ８が燃焼器５に供給される。
【００３９】
図６は、この発明の実施例に従った、タービンとともに用いるための液体燃料／液化ガス気化システムの動作方法を示すフローチャートである。図６に図示のとおり、圧縮空気は、ステップ５１において、空気分離ユニットでの使用のために適切な段階／圧力でガスタービンエンジンの空気圧縮器から取込まれる。空気分離ユニットは、ステップ５２において、圧縮空気の流れを取込み、酸素を多く含む流れと酸素の少ない流れとを作り出す。
一実施例においては、酸素を多く含む流れがステップ５３において第１の補助圧縮器に供給され、第１の補助圧縮器がステップ５４において酸素を多く含む流れを加圧し、加圧された酸素を多く含む流れがステップ５５において燃焼器に注入される。いくつかの実施例においては、酸素を多く含む燃料の流れは、燃焼器５の炎の下流側（たとえば、図５（ｂ）および図５（ｃ）にそれぞれ図示される予混合燃焼器などの燃焼器の中間ゾーンもしくは希釈ゾーン、または拡散燃焼器）に注入されて、エンジン１４によって放出される汚染物質の量を減ずる。他の実施例においては、酸素を多く含む燃料の流れが圧縮器１５からの燃焼用空気と混合されて、これが図５（ｄ）（予混合燃焼器）および図５（ｅ）（拡散燃焼器）に図示される燃焼器５の最初の燃焼ゾーンに供給される。これにより燃焼器の運転範囲が広がり、こうしてより低い等量比で燃焼を行なうこと（すなわちより希薄な燃焼）が可能となり、ＮＯXなどの汚染物質の排出を減らすことができる。さらに他の実施例においては、酸素を多く含む燃料の流れは圧縮器１５からの空気と単純に混合され、燃焼器のすべてのゾーンに供給される。
【００４０】
空気分離ユニットからの酸素の少ない流れがステップ５６において第２の補助圧縮器に供給され、当該第２の補助圧縮器がステップ５７において酸素の少ない流れを加圧する。結果として得られる圧縮された酸素の少ない流れは、液体燃料源からの液体燃料／液化ガスの流れとともに、ステップ５８において液体燃料気化ユニットに供給される。液体燃料気化ユニットは、ステップ５９において、供給された液体燃料／液化ガスの流れを圧縮された酸素の少ない流れと高温で混合して、液体燃料／液化ガスを気化させる。この発明の実施例においては、酸素の少ない流れおよび液体燃料／液化ガスが混合される程度は、さまざまな液体燃料／液化ガスに対し適切な特定の発熱量および／または質量もしくは体積流量の仕様に調節可能である。次に、気化燃料／酸素の少ない流れは、ステップ６０において、たとえばタービンでの使用のために既存の天然ガス燃料システムを通じて燃焼器に供給される。
【００４１】
上述のように、この発明のいくつかの実施例は、既存の燃焼装置に変更を加えることなく天然ガスなどの他の燃料を燃焼させるよう構成されたガスタービンエンジンなどの既存の燃焼装置に供給可能な酸素の少ない燃料ガスの流れを液体燃料から生成するよう構成される。これは、燃料ガスを不活性な酸素の少ない流れと混合することにより、燃焼装置で用いられる計量方法に依存して質量または体積ベースで、天然ガスのエネルギ含有量に等しい燃料ガスのエネルギ含有量を維持することによって達成される。大抵の既存の燃焼装置においては、燃料ガス／燃焼用空気の比率は、混合物がある程度希薄になり得るように制御され得る。この発明の付加的な利点は、酸素の少ない気化された高次炭化水素燃料の多くが同等の条件（すなわち、同じ温度、同じ燃焼用空気（または他の酸素含有ガス）供給など）の下、メタンよりも低い（よりも希薄な）等量比で燃焼可能であることである。たとえば、メタンの最小等量比は典型的には大気中で約０．５であり、多くの高次炭化水素燃料は、大気中でほぼ０．４５の等量比で燃焼可能である。より低い等量比を用いることにより、ＮＯXなどの汚染物質の排出が減じられる。上述のとおり、燃焼装置の運転等量比は、空気分離器から燃焼用空気の流れへ酸素を多く含む流れを加えることにより運転範囲が広げられた実施例においてはさらに低い可能性がある。
【００４２】
この発明の他の実施例においては、天然ガスよりもエネルギ含有量が高いかまたは低い酸素の少ない燃料ガスが生成される。このような実施例においては、天然ガスで作動するよう構成された燃焼装置が用いられる場合、燃焼装置の燃料拡散／計量システムが適切に変更されることが必要になる可能性がある。
【００４３】
この発明の実施例が上述の利点に従って説明された。これらの例が単にこの発明の例示に過ぎないことが理解されるだろう。多くの変形例および変更例が当業者には明らかとなるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１（ａ）】この発明の実施例を示すブロック図である。
【図１（ｂ）】図１（ａ）の実施例で用いるのに好適なさまざまな種類の燃焼器を示すブロック図である。
【図１（ｃ）】図１（ａ）の実施例で用いるのに好適なさまざまな種類の燃焼器を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施例に従った、液体燃料または液化ガスおよび燃焼装置を用いる方法を示すフロー図である。
【図３】この発明の実施例に従った、ともに使用するための液体燃料または液化ガス燃焼装置を備えた例示的なガスタービンエンジンを示すブロック図である。
【図４】この発明の実施例に従った、液体燃料または液化ガスをガスタービンエンジンで用いる方法を示すフロー図である。
【図５（ａ）】この発明の実施例に従った、ともに使用するための液体燃料または液化ガス燃焼装置を備えた例示的なガスタービンエンジンを示すブロック図である。
【図５（ｂ）】図５（ａ）のガスタービンエンジンの燃焼器のさまざまな構成を示すブロック図である。
【図５（ｃ）】図５（ａ）のガスタービンエンジンの燃焼器のさまざまな構成を示すブロック図である。
【図５（ｄ）】図５（ａ）のガスタービンエンジンの燃焼器のさまざまな構成を示すブロック図である。
【図５（ｅ）】図５（ａ）のガスタービンエンジンの燃焼器のさまざまな構成を示すブロック図である。
【図６】この発明の実施例に従った、液体燃料または液化ガスをガスタービンエンジンで用いる方法を示すフロー図である。
【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
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【図１（ｃ）】
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【図２】
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【図３】
0004490912.tif 000006
【図４】
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【図５（ａ）】
0004490912.tif 000008
【図５（ｂ）】
0004490912.tif 000009
【図５（ｃ）】
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【図５（ｄ）】
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【図５（ｅ）】
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【図６】
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