(57)【要約】本発明は、少なくとも１つの触媒部（５，１０３）を含んでいる主燃焼領域（２０，２００）と、加圧された空気の少なくとも１つの吸気口（１，１０１）を有している少なくとも１つの空燃混合領域（１１，１１７）と、液体燃料を噴射する手段（１２，１０５）とを有する触媒燃焼装置に関する。本発明は、噴射手段（１２，１０５）が前記装置の高温壁（１３，１５，１０７）の上に液体燃料を噴霧し、前記燃料が前記壁に接触したときに前記燃料を気化させることを特徴としている。
2004515741.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの触媒部（５，１０３）を含んでいる主燃焼領域（２０，２００）と、加圧された空気の少なくとも１つの入口（１，１０１）を有している少なくとも１つの空燃混合領域（１１，１１７）と、液体燃料噴射手段（１２，１０５）とを有する触媒燃焼装置において、
前記液体燃料噴射手段（１２，１０５）は主燃焼領域（１３，１５，１０７）内での空燃混合物の燃焼によって加熱された壁上に液体燃料を噴出し、前記壁に接触する前記燃料を気化させることを可能にすることを特徴とする触媒燃焼装置。
【請求項２】
前記燃料は高温壁（１３，１５，１０７）に実質的に垂直に噴出されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記高温壁（１５）は主燃焼領域（２０）の少なくとも１つの壁の少なくとも一部であることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
燃焼開始領域（４，１０２）をさらに有し、前記高温壁（１３）は燃焼開始領域（４）の少なくとも１つの壁の少なくとも一部であることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
【請求項５】
少なくとも１つの後燃焼領域（１４，１０８）が主燃焼領域（２０，２００）の下流側に配置され、高温壁（１５，１０７）は前記後燃焼領域の少なくとも１つの壁の少なくとも一部であることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
【請求項６】
前記液体燃料の噴射を可能にする手段が、インジェクタ（１２，１０５）から来る液滴の大きさが５〜６０μｍ、好ましくは１０〜４０μｍの範囲にあるような予噴霧を生じさせるインジェクタ（１２，１０５）であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記噴射手段に対向する前記領域の高温壁（１３，１５，１０７）は実質的に平面形状を有していることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記インジェクタに対向する前記領域の高温壁（１３，１５，１０７）は凹面の曲線状の形状を有していることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記装置の前記高温壁（１３，１５，１０７）の温度が、前記壁上での前記液体燃料の最大沸騰温度と実質的に同じかそれよりも高いことを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記燃料のジェットの衝撃を受ける壁（１０７）は、高温領域から噴射領域への熱伝導を増大させることを可能にする手段を備えていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記壁（１０７）は、前記燃料のジェットの衝撃を受ける領域（１２０）を除いて、絶縁材によって少なくとも部分的に覆われていることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項に記載された装置を、伝熱式熱交換器を有するガスタービンに適用する方法。
【請求項１３】
請求項１から１１のいずれか１項に記載された装置を、環状構造の燃焼室に適用する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の技術分野
本発明は高温の壁上で液体燃料を気化させ、それによって燃焼領域内における空燃混合物の調合を最適化することを可能にする触媒燃焼装置に関する。
【０００２】
炎のすぐ近くで行われ、燃焼方法に共通して用いられる従来の燃焼は、制御が困難な方法である。
【０００３】
その従来の燃焼は、適切に定められた空燃濃度の範囲で起こり、二酸化炭素と水を形成するのに加えて、一酸化炭素や窒素酸化物のような汚染物質を生成する。
【０００４】
燃焼プロセスによって放出された汚染物質（窒素酸化物、不完全燃焼の燃料、一酸化炭素）に関する環境規制がますます厳しくなっているので、これらの放出物を飛躍的に減少させることができる新しい技術を見出すことが必要になった。
【０００５】
発明の背景
従来のいくつかの解決策が当業者に知られている。
−  窒素酸化物をアンモニアによって選択的に触媒で低減させることにより、排気ガス中のＮＯＸ濃度を約１０ｐｐｍに低減することができる。しかしながら、この解決策は、燃焼室の下流側に特殊なリアクタを備え、アンモニアを貯蔵して使用することを必要とし、このような解決策の設置費と維持費は高額である。
−  例えば、燃焼ガスの近くに達する温度を低下させる水や気流の噴射は、ＮＯＸ量を約５０ｐｐｍに著しく低減させる。このための装置は安価であるが、噴射前に水を高純度化し、エネルギー効率が低下するために燃料を過大に消費することから、維持費は高価である。さらに、水の噴射は現在の基準を十分満たしているが、将来のＮＯＸ基準は満たさない。
−  希薄燃焼。本発明の場合のように、この技術は燃焼温度を低下させることに基づいている。これはＮＯＸ濃度を約２０ｐｐｍに低下させることが可能であるが、この濃度低下は、一酸化炭素による不利益と、さらに不完全燃焼の燃料の放出が増えるということをしばしば招く。
【０００６】
触媒燃焼は、汚染に関するますます厳しい基準に適合させるのには魅力的な解決策である。事実、触媒燃焼は、とても広範囲な空燃混合比の値において燃料の総酸化をより良好に制御でき、それにより、窒素酸化物、不完全燃焼の燃料、および一酸化炭素の放出物を大幅に減少させる最適な条件下での運転が可能になるため、従来のバーナーと有利に取って代わる。この特殊なタイプの燃焼の主な特徴が、従来の燃焼に対して比較的低い温度（１０００℃以下）で燃料を完全に酸化させることであることは周知である。
【０００７】
触媒燃焼は非常に多くの合成物を燃焼することが可能であることを述べることもできる。したがって触媒燃焼の適用は多種多様であり、放射パネルおよびチューブ、触媒ストーブ、ガスタービン、コジェネレーション、バーナーおよびボイラー、チューブ型リアクションシステム用の触媒スリーブ、直接接触ヒーティング分野の高熱ガス生成、および触媒プレートリアクタなどがある。触媒燃焼の適用可能な分野は文献に掲載されており、例えば、「触媒燃焼：工業生産過程におけるエネルギー効果の現状と予測，Ｈｅａｔ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍ ＆ ＣＨＰ，１３，Ｎｏ．５，３８３−３９０頁，１９９３」がある。
【０００８】
燃焼用触媒は一般に、１種類または２種類以上の耐熱酸化物からなり、表面と多孔度が一体構造の基板のそれらよりも大きい支持層が表面に形成された、一体構造のセラミックまたは金属基板で作られている。最も多くの場合に本質的にプラチナ系金属を含んでいる活性相が、この支持層の上に分散されている。
【０００９】
エネルギー生成やコジェネレーションの分野における触媒燃焼プロセスに関し、最も共通性の高いリアクタの形態は、入口触媒が燃焼反応の開始により明確に貢献をし、他の触媒が高温における燃焼反応の安定化に使用され、触媒段階（領域）の数が考えられる適用対象に課せられる条件に従って調節されている、いくつかの触媒領域を含むリアクタである。最初の触媒反応開始領域を、反応を開始させることが可能なパイロットバーナーに代えることも可能である。
【００１０】
従来の、すなわち触媒部に続く混合領域を備えている触媒燃焼室においては、空燃混合の調合が最も大切なポイントである。
【００１１】
混合は、自己点火のリスクを制限するために、できるだけ早く、かつできるだけ均質に行われなければならない。
【００１２】
コンプレッサの出口における空気の温度が、燃料を早く気化させるのには低すぎるという場合もある。
【００１３】
液体燃料を気化させるのに最も簡単な方法の１つは、燃料を高速に表面、好ましくは平面の上に垂直に噴出させることである。この噴射モードは例えば触媒分解に用いられるが、得られる滴粒の大きさはかなり粗い（その液滴の平均直径は数百マイクロメートルのオーダーである）。
【００１４】
空燃混合の均質化を改善することで、燃料の触媒による酸化の制御を最適化し、より細かい液滴を得るように液体燃料の気化を改善することによって汚染ガスの放出を制限することが可能であるという、出願人により行われた研究が示されている。
【００１５】
発明の概要
より詳しくは、本発明は、少なくとも１つの触媒段を含んでいる主燃焼領域と、加圧された空気の少なくとも１つの入口を有している少なくとも１つの空燃混合領域と、液体燃料噴射手段とを有し、液体燃料噴射手段は主燃焼領域内での空燃混合物の燃焼によって加熱された壁上に液体燃料を噴出し、この壁に接触する燃料を気化させることを可能にすることを特徴とする触媒燃焼装置に関する。
【００１６】
本発明は、燃焼領域の圧力がかけられた状態での燃料の最高沸騰温度よりも高い温度である表面上に予液体ジェットを送ることにより液滴の径をかなり低減させることを可能にする。
【００１７】
この予液体ジェットは、当業者に既知のインジェクタまたは噴霧装置によって有利に噴霧することができる。
【００１８】
平均直径が５〜６０μｍ（１０−６メートル）、好ましくは１０〜４０μｍの範囲にある液滴の燃料の予噴霧が可能であるインジェクタが一般的に用いられる。
【００１９】
予ジェットが当たる壁の表面温度が、有利なことに、その液体の最高沸騰温度に相当する壁の第１の温度ＴＮと実質的に等しいか、それよりも高いことが、本出願人によって見出されている。
【００２０】
この温度ＴＮ（ヌキヤマ温度とも呼ばれている）での、壁と燃料との間の激しい熱交換は、結果として液体燃料の激しい噴霧を生じさせる。実質的に等しい温度とは、その温度の１００℃前後、好ましくは５０℃前後、最も好ましくは２０℃前後であることが分かっている。
【００２１】
また、本発明の他の態様によれば、有利なことに、前記のヌキヤマ温度と、液滴と壁との間にある気化フィルムによって熱伝導が減少させられる温度の近く、またはそれを越える温度ＴＬ（レイデンフロスト温度と呼ばれている）との間の範囲に実質的にある温度を与えることによって予ジェットからの液滴をかなり分裂させることができることが、本出願人によって見出されている。
【００２２】
また、本発明の範囲から逸脱することなく、前記のレイデンフロスト温度よりも高い温度を与えることができ、それよりも高いと、熱伝導、熱対流、および熱放射による壁の熱伝導が増大する結果として、液滴の沸騰時間が減少する。
【００２３】
したがって、壁の温度を制御することで液滴の大きさを整え、また、その制御は当業者間に知られている任意の技術によって行うことができる。
【００２４】
このような噴射法は、触媒燃焼用の空燃混合物の調合中に多くの利点を有している。
−  予混合器と触媒部とを備えた触媒燃焼器の従来の構成に関して、このような噴射モードを備えた構成は、特に究極の高温の気化温度で、液体燃料を迅速に気化することが可能である。これは例えばガスオイルの場合に当てはまる。このような状況の下では、空気と燃料の予混合をより急速に行うことができる。
−  本発明の目的である構成は、燃焼領域または後燃焼領域、すなわちエキスパンダーへ高温ガスを運ぶ領域の壁を冷却することにも貢献することができる。
−  コンプレッサの出口における触媒燃焼器に供給される空気の温度が燃料を完全に気化させるのに十分でない場合は、提案した解決策は、燃焼領域または後燃焼領域と燃料噴射領域との間の熱伝導により、この問題を克服することが可能である。
【００２５】
通常は燃料の気化と予混合用に残された燃焼領域が無くなるため、その燃焼領域の総容積における十分な削減を目論むことが可能である。
【００２６】
一般に、燃料が噴霧される高温壁は、燃焼領域または後燃焼領域の壁、燃焼の結果得られる高温ガスを運ぶ領域の壁、または、例えば火炎燃焼室、電気ヒータ、または当業者に知られた他の任意の装置であってもよい開始装置の壁である。
【００２７】
本発明の一態様によれば、液体燃料を噴射する手段は、燃焼空気内における燃料の配分を最も均質にできるように向きと特性が決められた、予噴霧が可能なインジェクタであり、そのインジェクタから送られる液滴の大きさは、５〜６０μｍ、好ましくは１０〜４０μｍ、最も好ましくは２０〜３０μｍの範囲にある。
【００２８】
噴射手段に対向するその領域の高温壁が、実質的に平面形状を有していることが有利である。
【００２９】
本発明の範囲から逸脱することなく、インジェクタに対向するその領域の高温壁が、曲線状の形状、例えば凹面を有することができる。
【００３０】
燃料のジェットの衝撃を受ける領域が、高温領域から噴射領域への熱伝導を増大させることを可能にする装置を備えていることが有利である。
【００３１】
本発明による装置は、例えば伝熱式熱交換器を有するガスタービンや環状構造を有している燃焼室に適用できることが分かっている。
【００３２】
本発明の他の特徴や利点は、本発明による装置の２つの異なる実施形態の非制限的な例により与えられる以下の説明を添付図を参照しながら読むことによって明らかになるであろう。
【００３３】
詳細な説明
図１に概略的に示された燃焼装置は、コンプレッサ（不図示）から送られて来る加圧された空気用の入口１を有している。この空気は、その空気がここではパイロットバーナー４である燃焼開始装置用の流れと触媒部５へ送られる流れとに分けられる分配器３に到達する前に、周囲環状空間２内を還流する。
【００３４】
不図示の装置を、本装置の運転状態の如何に拘らず、その空気を最適な方向へ分流するために、この分配器３の近くに設けることができる。
【００３５】
図１に示すパイロットバーナーは従来の火炎バーナーである。そのパイロットバーナーは、中央燃料配給管６と、空気室７と、例えば燃焼空気がパイロットバーナーの燃焼領域９に入る前に燃焼空気の速度と循環を調節するための、ブレードのような手段８と、触媒室５をまっすぐに通り抜けている、パイロットバーナーによって生成されたガス用の出口１０とを有している。
【００３６】
このパイロットバーナーもまた、当業者に既知であり、排出する窒素酸化物の量が少ないと評されている、例えば、燃焼空気がブレード内を循環させられ、燃料がブレード内、またはその一部分で、またはこれらのブレードの極めて近くに噴射されるシステムのような装置であることができる。
【００３７】
主燃焼領域２０は、分配器３の下流側に配置された空燃混合領域１１と、例えば混合領域１１の周囲に均等に配置された、液体燃料を機械的に噴霧するインジェクタ１２と、触媒部５とを有している。
【００３８】
インジェクタ１２はパイロットバーナー４の高温壁１３上に送られる液体燃料ジェットを生成し、平均直径が５〜６０μｍ（１０−６ｍ）、好ましくは１０〜４０μｍの液滴でこの燃料を予噴霧することが可能である。
【００３９】
このジェットは高温壁に対して実質的に垂直であることが好ましい。実質的に垂直とは、ジェットの軸に対する高温壁の表面の間の角度を意味し、より好ましくは８０°〜１００°の範囲である。
【００４０】
もちろん、この角度は４０°〜１４０°、好ましくは６０°〜１２０°の範囲であることができる。
【００４１】
壁１３は触媒部５内の空燃混合物の燃焼によって加熱され、液体燃料は、この高温壁へ接触することにより気化されるとともに、平均直径が数マイクロメートル（１０−６ｍ）の非常に細かい液滴に分割され、燃焼空気によって運ばれる。インジェクタの数、高温面に対するそれらの向き、およびインジェクタの特性は、前に細粒液滴が噴霧されたガス流中において燃料が最も均質に分配されるように、当業者によって決められている。したがって、そのガス状の空燃混合物は、圧力の低下を制限するために平行または直列に並べられた、たいていは１つまたは２つ以上の一体構造物からなる触媒部５内に流入する。空燃混合物の燃焼が触媒部内で完全に行われない場合は、その燃焼は、燃焼領域の後に設けられていることで後燃焼領域と呼ばれている領域１４内で継続される。
【００４２】
後燃焼領域１４または触媒部５に接している壁１５は、触媒部５内の空燃混合物の燃焼によっても加熱されており、インジェクタ１２をこの壁に対向して配置することが可能である。
【００４３】
変形例によれば、液滴の噴霧を最適化するために、インジェクタに対向するパイロットバーナー４の壁１３は実質的に平面の形状、または滑らかな曲面状、または凹面を有することができ、それにより、インジェクタから送られた全液滴は高温の表面にできるだけ垂直に衝突し、分裂して粉々になる。
【００４４】
発明の範囲を逸脱しない範囲で、以上の効果を得ることができる、例えば実質的に平面の、または凸面の湾曲形状を有するインサートを備えているような既知の装置を当然に使用することができる。
【００４５】
図２は本発明の他の考えられる実例である。
【００４６】
この例は、コンプレッサ（不図示）から来る加圧された空気用の入口１０１と、燃焼開始装置１０２（またはパイロットバーナー）と、その本来の触媒部１０３を備えた主燃焼領域２００とを有している。
【００４７】
燃焼空気は実質的に環状の周囲空間１０４の中を環流する。燃料は、環状空間１０４の外側壁１０６にほぼ等間隔に配置されて固定されたインジェクタ１０５によって導入される。これらのインジェクタは、（噴霧の補助が無い）機械的なもの、または（噴霧液体の補助がある）エアブラストインジェクタ、または任意の他の同等な装置であってもよい。これらのインジェクタによって生成されたジェットは、環状空間１０４と、後燃焼領域、または単に触媒部１０３とエキスパンダー（不図示）との間の、この高温壁に接触する接続領域であってもよい領域１０８とを隔てる高温壁１０７上に送られ、液体燃料は極めて細かい液滴になって噴霧される。
【００４８】
上述したように、インジェクタ１０５は、平均直径が５〜６０μｍ（１０−６ｍ）、好ましくは１０〜４０μｍの範囲にある液滴を含んでいる予噴霧の燃料ジェットを生成する。
【００４９】
有利なことに、壁１０７の一定の部分は、空燃混合物の早期点火に繋がり得る高温点の発生を防ぐために絶縁材で覆うことができる。
【００５０】
反対に、ジェットの衝撃を受ける壁１０７の領域１２０は、高温領域１０８から噴霧領域１０４への熱伝導を増大させるためにブレードのような装置を備えることができる。
【００５１】
前記の場合のように、インジェクタの数、高温壁に対するインジェクタの向き、およびそれらの特性は、前に液滴が噴霧された燃料が最も均質に分配されるように、当業者によって決められている。
【００５２】
環状領域１０４は、パイロットバーナー１０２と主触媒部１０３との間に空燃混合物を分配する配分器１０９の近くに終端している。この分配は、例えば、装置の運転条件によって、触媒部１０３の入口１１１の前とパイロットバーナー１０２の入口１１２の前とを交互に動く可動シャッター１１０によって行われる。
【００５３】
パイロットバーナーは図１に示すような装置であってもよい。また、パイロットバーナーは図２に示すようなシステム、すなわち配分器１０９の後に配置された回路１１３によって供給される開始触媒部１２１からなっている。この開始触媒部は、任意の電源１１４と、その一体構造物の両端に設けられた金属接続部１１５と、それらの接続部１１５を電源１１４に接続する電気接続路１１６からなる電源供給源によるジュール効果によって予加熱される金属の一体構造物であってもよい。
【００５４】
主触媒部１０３は空燃混合物用の配分器１１７を有しており、この配分器は、前記の一体構造物の全ての構成流路に均質な供給ができるように、例えば穴開き板１１８を備えることができる。
【００５５】
この板１１８は、この板１１８と主触媒部１０３との間の空間１１９内において、空燃混合物が望まない自己点火を起こした場合のいかなる火炎も妨げるように、非常に制限された厚さを有する一体構造物であってもよい。主触媒部は、直列または並列に配列された１つまたは２つ以上の一体構造物からなっていてもよい。
【００５６】
上述の場合のように、自由空間１０８が、主触媒部１０３の下流領域の、空燃混合物の燃焼が触媒部で完全に燃焼していない場合に空燃混合物を完全に燃焼させるエキスパンダー（不図示）の前に設けられていてもよい。
【００５７】
触媒部１０２および１０３には異なる性質の触媒を使用することができる。パイロットバーナー１０２の触媒は例えば貴金属が高い比率を有していてもよく、貴金属は触媒燃焼にその効果が知られており、そのため燃焼は２００℃または２５０℃から始まる。
【００５８】
本発明は、伝熱式熱交換器を有するガスタービン、または環状の構造を有する燃焼室にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
パイロットバーナーから成る燃焼開始装置の高温の壁上に燃料が噴射される一実施形態を示す図である。
【図２】
後燃焼領域の高温の壁上に燃料が噴射される他の実施形態を示す図である。
【国際公開パンフレット】
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2004515741.tif 000004
2004515741.tif 000005
2004515741.tif 000006
2004515741.tif 000007
2004515741.tif 000008
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2004515741.tif 000016
2004515741.tif 000017
2004515741.tif 000018
2004515741.tif 000019
2004515741.tif 000020
2004515741.tif 000021
【国際調査報告】
2004515741.tif 000022
2004515741.tif 000023
2004515741.tif 000024
2004515741.tif 000025
2004515741.tif 000026
2004515741.tif 000027