(57)【要約】【課題】コークスや他の不溶性物質を生じさせないように燃料を加熱し、燃焼を向上させる方法およびシステムを提供する。【解決手段】本発明は、燃料２２から溶存酸素を除去するように透過性膜を有する脱酸素装置５０を利用して、燃焼器４６に流入する燃料２２の温度上昇を許容することにより、燃焼プロセスを向上させる。他の場合には不溶性副生成物が生じてしまう温度を超えて燃料２２を加熱することにより、炭化水素燃料の燃焼が向上する。本発明のシステム１０は、燃料の状態をモニターする温度センサ５６および酸素センサ５８を備える。センサ５６，５８と通信する制御装置５４により、脱酸素装置５０によって燃料２２から除去される酸素量が調節されるとともに、インジェクタ４８に供給される燃料温度が調節される。脱酸素装置５０の性能を修正かつ調節することにより、運転条件の変化に応じて燃焼プロセスが修正かつ調整される。【選択図】図２
2007003184.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼プロセスを制御する方法であって、
（ａ）第１の温度で燃料から溶存酸素を除去するステップと、
（ｂ）前記燃料が燃焼装置に流入する前に、前記第１の温度よりも高温である所望の温度まで前記燃料を加熱するステップと、
（ｃ）選択された燃焼特性に対応して除去される溶存酸素の量を制御するステップと、
を含む燃焼プロセス制御方法。
【請求項２】
前記燃焼特性に、前記燃焼装置から排出される排出物の量が含まれることを特徴とする請求項１に記載の燃焼プロセス制御方法。
【請求項３】
前記（ｃ）の制御するステップが、前記燃料の所望の温度に基づいて前記燃料から除去される溶存酸素の量を制御することを含む請求項１に記載の燃焼プロセス制御方法。
【請求項４】
前記（ｂ）の加熱するステップが、前記燃料の少なくとも一部を超臨界状態に導くことを含む請求項１に記載の燃焼プロセス制御方法。
【請求項５】
前記（ａ）の除去するステップが、炭化水素燃料の所望の温度に応じて望ましくない不溶性副生成物が生じないように前記燃料から溶存酸素を除去することを含む請求項１に記載の燃焼プロセス制御方法。
【請求項６】
前記燃料内の溶存酸素含有量をモニターすることと、所望の溶存酸素含有量を得るように、前記モニターされた溶存酸素含有量に基づいて脱酸素装置を調節することと、を含む請求項１に記載の燃焼プロセス制御方法。
【請求項７】
前記燃料から除去される溶存酸素量を修正するように前記脱酸素装置が作動する温度を調節することを含む請求項１に記載の燃焼プロセス制御方法。
【請求項８】
前記燃料から除去される溶存酸素量を修正するように前記脱酸素装置の酸素分圧差を調節することを含む請求項１に記載の燃焼プロセス制御方法。
【請求項９】
燃料からエネルギーを抽出する燃焼装置と、
前記燃焼装置に流入する前に前記燃料を加熱する加熱装置と、
加熱する前に前記燃料から溶存酸素を除去する燃料脱酸素装置と、
を備えるエネルギー変換装置用の燃料システム。
【請求項１０】
所望の燃焼特性を調節するように前記燃料脱酸素装置を制御する制御装置を備える請求項９に記載の燃料システム。
【請求項１１】
前記制御装置が、前記燃焼装置に要求される所望の燃料温度に応じて、前記燃料脱酸素装置により除去される溶存酸素の量を調節することを特徴とする請求項１０に記載の燃料システム。
【請求項１２】
前記燃料から除去される溶存酸素量を実質的に不溶性物質が生じないレベルに維持するように、前記燃焼装置に流入する燃料の所望の温度の上昇とともに除去される溶存酸素量が増加することを特徴とする請求項１０に記載の燃料システム。
【請求項１３】
前記加熱装置により、前記燃焼装置に流入する前に前記燃料の少なくとも一部が超臨界状態になることを特徴とする請求項９に記載の燃料システム。
【請求項１４】
前記燃焼装置が、ガスタービンエンジンの一部を構成することを特徴とする請求項９に記載の燃料システム。
【請求項１５】
前記燃料脱酸素装置が、透過性膜を備えるとともに、前記燃料から酸素を引き出すように前記透過性膜を横切る酸素分圧差を有することを特徴とする請求項９に記載の燃料システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼を向上させる方法およびシステムに関し、特に、燃焼性能を向上させるため燃料の予熱を可能にするように溶存酸素を除去する脱酸素装置を用いる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体炭化水素燃料を用いるエネルギー変換装置では、燃焼プロセスの前に燃料を予熱することが有益である。燃料の温度を上昇させることにより、燃料の気化に要する時間が減少し、燃料の霧化および気化の特性が向上する。気化に要する時間が減少することにより、混合および燃焼に要する時間が減少する。燃焼前における燃料の混合および気化が向上することにより、燃焼効率および火炎の安定性が向上するとともに、窒素酸化物、一酸化炭素、未燃焼の炭化水素および微粒子の排出が減少する。さらに、燃料を加熱することにより、所望の分解（クラッキング）反応が始まり、燃料の組成が有利に変化し得る。したがって、炭化水素燃料を予熱することによって、燃焼プロセスに利点がもたらされる。
【特許文献１】米国特許第６，３１５，８１５号明細書
【特許文献２】米国特許第６，７０９，４９２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、不利なことに、炭化水素燃料が加熱される温度は、コークスと呼ばれる不溶性物質が生じてしまうために制限される。そのような不溶性物質は、酸素を含有する炭化水素燃料がある温度（例えば、３５０°Ｆ（約１７６．６°Ｃ）以上）を超えて加熱される際に生じる。そのような不溶性物質により、燃料システムに悪影響が及ぶ恐れがある。コークスの堆積は、前もって空気にさらされることで燃料内に含有される溶存酸素の量によって決まる。したがって、溶存酸素が原因となって燃料内に不溶性生成物が生じることにより、燃焼プロセスが向上するレベルまで燃料を予熱することができなくなる。
【０００４】
炭化水素燃料から溶存酸素を除去することにより、望ましくない不溶性生成物の形成が実質的に減少することが周知である。出願人に譲渡された特許文献１および特許文献２では、ガス透過性膜を用いて溶存酸素を除去する装置が開示されている。燃料が透過性膜に沿って流れる際に、燃料内の酸素分子がガス透過性膜を横切って燃料から拡散する。透過性膜を横切る酸素分圧差により燃料から酸素が除去される一方で、燃料はその影響を受けずに膜上を通過する。
【０００５】
したがって、燃料から溶存酸素を除去し、燃焼が向上する温度まで燃料を予熱することにより、燃焼プロセスを向上させる方法およびシステムを開発することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明により、炭化水素燃料から溶存酸素を除去するように燃料脱酸素装置を用いて燃焼を向上させる方法および装置が提供される。
【０００７】
本発明による例示的な方法およびシステムでは、炭化水素燃料から所望の量の溶存酸素を除去するために燃料脱酸素装置が用いられる。炭化水素燃料は、燃料が気化する温度、および燃焼が向上する温度まで加熱される。燃料から溶存酸素を除去することにより、不溶性物質の形成が妨げられ、その結果、他の場合には実用的ではない温度まで燃料の温度を上昇させることが可能となる。
【０００８】
本発明の例示的な方法およびシステムは、燃料の状態をモニターする温度センサおよび酸素センサを備える。温度センサおよび酸素センサと通信する制御装置により、所望の燃焼特性に応じて燃料脱酸素装置の性能が修正される。脱酸素装置の性能を修正かつ調節することにより、運転条件の変化に応じて燃焼プロセスが修正かつ調整される。
【０００９】
したがって、本発明の方法およびシステムにより、燃料の特性を所望の燃焼特性に合わせて調整することにより、燃焼プロセスが向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１を参照すると、本発明によるシステム１０は、燃焼装置１２および燃料脱酸素装置１４を備える。溶存酸素を含有する燃料２２は、第１の温度で燃料脱酸素装置１４に流入する。第１の温度は、望ましくない不溶性物質やコークスが生じない程度で、燃料２２内の溶存酸素にもたらされる温度である。制御装置１６は、温度センサ２０および酸素センサ１８から情報を受ける。温度センサ２０により、燃料温度の情報が提供され、該情報を用いて、コークスが堆積しないように燃料２２から除去される溶存酸素量が決まる。
【００１１】
燃料２２から溶存酸素が除去されると、燃料２２を所望の温度まで上昇させるように、加熱装置２８により燃料２２が加熱される。空気２４および燃料２２は、燃焼装置１２に流入する前に混合されるか、あるいは燃焼装置１２内で混合される。概略的に示された燃焼装置１２は、当業者に周知の形態を備えていてもよい。その形態の例としては、航空機および発電の用途で通常用いられる燃焼器や、自動車に通常用いられるレシプロエンジン内の燃焼室などが挙げられる。
【００１２】
システム１０の工程は、燃料脱酸素装置１４内で燃料２２から所望の量の溶存酸素を除去することにより続行される。酸素が除去された燃料２２は、燃料脱酸素装置１４から流出して、加熱装置２８に流入する。燃料２２は、加熱装置２８において、所望の燃焼特性をもたらすように決められた所定の温度まで上昇する。燃料２２の温度は、排気排出物の量および燃焼器内の火炎の安定性を修正するように利用される。さらに、燃料温度を調節することにより、燃焼温度および混合時間などの他の特性を修正かつ調節することができる。
【００１３】
燃料温度が変わると、許容される溶存酸素の量が変わる。燃料温度が減少すると、望ましくない副生成物を生じさせることなく燃料内に存在し得る溶存酸素量が増加する。その反対に、燃料温度が上昇すると、許容される溶存酸素量が減少する。そのため、制御装置１６により脱酸素装置１４が制御される。例えば、燃料の温度に基づいて燃料内の溶存酸素含有量を所望の制限内に維持するように、透過性膜の真空側に対する圧力、燃料の温度または燃料の流量が制御される。
【００１４】
燃料２２内の溶存酸素量は、酸素センサ１８により継続的にモニターされる。継続的なモニタリング、ならびに燃料脱酸素装置１４および加熱装置２８の調節により、燃焼装置１２に対する燃料の温度および気化レベルが継続的に調節される。
【００１５】
燃料２２は、燃焼装置１２内での混合が向上するように、燃料の一部が気化する温度まで上昇される。理解されるように、燃焼前に液体燃料２２を気化させることにより、燃焼に要求される空気２４との混合が向上し、それにより、燃焼装置１２内における混合気の発火および燃焼に要する時間が短縮される。さらに、燃焼前における燃料２２の気化および予混合により、窒化酸化物、一酸化炭素、未燃焼の炭化水素および他の微粒子などの排気物質が減少し得る。加えて、発火前に少なくとも燃料２２の一部を気化させることにより、発火待時間が減少し、燃焼装置１２内における火炎の安定性が向上する。そのような改善により、より単純な点火システムを用いることが可能となるとともに、燃焼装置１２のサイズ要求が減少する。
【００１６】
図２を参照すると、ガスタービンエンジン４０が概略的に図示されている。ガスタービンエンジン４０は、空気３０を取り込む圧縮機４２を備える。空気３０は、圧縮され、インジェクタ４８および燃焼器４６に送られる。インジェクタ４８により、燃料が燃焼器４６に噴射される。部分的な予混合を実現するように、インジェクタ内に空気の一部を加えてもよい。燃焼器４６により、空気と燃料の混合気が発火され、タービン４４を通って流れる排気流２６が生じる。その結果、タービン４４により圧縮機４２が駆動する。
【００１７】
ガスタービンエンジン４０は、燃料脱酸素装置５０および熱交換機５２を備える。燃料脱酸素装置５０および熱交換器５２が対応かつ協働して、燃焼器４６内の燃焼を最適化する状態で燃料がインジェクタ４８に供給される。また、脱酸素装置５０および熱交換器５２に加えて、ガスタービンエンジン４０は、燃焼器４６、温度センサ５６および酸素センサ５８と通信する制御装置５４を備える。燃料２２は、臨界点を超える温度まで上昇される。超臨界流体を臨界未満または超臨界的な環境に注入することにより、混合がより速くなるとともに、拡散角度（ｓｐｒｅａｄ  ａｎｇｌｅ）が広がる。これは、気体を注入した際に得られる角度と同様である。したがって、燃焼器４６は、効率（パターンの要素）が向上し、排気物質が減少し、かつ安定性／ブローオフのマージン（ｓｔａｂｉｌｉｔｙ／ｂｌｏｗ−ｏｆｆ  ｍａｒｇｉｎ）が増加した状態で作動する。
【００１８】
燃焼器４６は、異なった運転条件に対しては、燃料の温度および気化レベルが異なった状態で最適な効率で作動する。制御装置５４により、インジェクタ４８にもたらされる燃料温度が継続的に調節される。燃料脱酸素装置５０に流入する燃料２２は、望ましくない副生成物およびコークスが生じない温度および圧力下にある。燃料が燃料脱酸素装置５０から流出した後、燃料内の溶存酸素は実質的に減少している。この時点ではもはや燃料２２内に著しい量の溶存酸素が含まれていないため、他の場合には不溶性物質やコークスが生じ得る温度よりも高い温度まで熱交換器５２内で燃料を加熱することが可能となる。
【００１９】
通常のジェット燃料を４００°Ｆ（約２０４°Ｃ）を超える温度まで加熱することによって、コークスおよび他の望ましくない不溶性物質が生じてしまう。したがって、望ましくないレベルの不溶性物質を生じさせないように、そのようなジェット燃料は、４００°Ｆを超える温度まで加熱されない。しかし、相当量の溶存酸素を除去することにより、燃料を４００°Ｆを超える温度まで加熱することが可能となる。
【００２０】
コークスが生じる温度を超えて燃料を加熱することにより、燃料の気化がもたらされ、インジェクタ４８を用いた空気３０との混合が向上する。混合が向上することにより、発火がより安定しかつ速くなるとともに、炭化水素燃料が完全燃焼することによって燃焼プロセスが向上する。さらに、燃料の気化により、火炎安定性／リーンブローオフ（ｌｅａｎ  ｂｌｏｗ−ｏｆｆ）のマージンの向上に加えて、より均等かつ効率的に分配される燃焼器４６内のエネルギーの放出が許容される。予混合の向上および気化時間の短縮により、燃焼効率が向上するとともに、窒化酸化物、一酸化炭素、未燃焼炭化水素および微粒子の排出が減少する。さらに、燃料の加熱により、発火待時間が減少して、それにより、火炎安定性が向上し、発火システムが簡素化され、かつ燃焼器のサイズが減少する。
【００２１】
運転中、脱酸素装置５０によって燃料２２から除去される溶存酸素の量は、制御装置５４により継続的に調節される。溶存酸素量は、所望の燃焼特性に応じて決定される。そのような燃焼特性には、燃焼器４６内の燃料の予混合や気化のレベルが含まれるとともに、燃焼器４６から排出される特定の排気物質レベルが含まれていてもよい。制御装置５４により、インジェクタ４８に供給される特定の燃料温度が調節される。特定の燃料温度は、熱交換器５２により望ましくない不溶性物質およびコークスが生じることなく燃料が該温度まで加熱され得るように調節される。
【００２２】
図３を参照すると、燃料脱酸素装置５０内に設けられた例示的な透過性膜６０が概略的に図示されている。燃料２２は、複数の透過性膜６０により形成された壁部からなる通路を通って流れる。透過性膜６０は、多孔質のバッキング６４と、該バッキング６４に取付けられた透過性層６２と、から構成される。透過性層６２および多孔質バッキング６４は、多孔質基板６６に沿って支持される。燃料２２から溶存酸素６８が継続的に除去されるように、真空源７０により透過性膜６０を横切って酸素分圧差が生じる。次いで、溶存酸素は、機外に排気されるか、あるいは該酸素を利用する他のシステムに送られる。
【００２３】
多孔質バッキング６４により、燃料から酸素の拡散が最大限に許容される一方で、透過性層６２に必要な支持構造が付与される。透過性層６２は、多孔質バッキング６４上にコーティングされ、その間に機械的な結合が形成される。透過性層６２は、テフロン（登録商標）ＡＦ２４００からなる０．５〜２０μｍの厚さのコーティングであることが好ましく、多孔質バッキング６４上に適用される。多孔質バッキング６４は、０．２５μｍのポアサイズを有するポリエーテルイミド（ＰＥＩ）からなり、０．００５インチ（約０．１２７ｍｍ）の厚さを有する。必要な剛性および開放性をもたらすように、異なった材料の厚さおよびポアサイズを備えてなる種々の支持構造を用いてもよいことを理解されるであろう。
【００２４】
透過性層６２は、デュポン社（Ｄｕｐｏｎｔ）のテフロンＡＦアモルファスフルオロポリマーであるが、当業者に周知の他の材料であっても本発明の意図する範囲内にある。他の材料の例としては、ソルベイ社のハイフロンＡＤ過フッ化ガラス状ポリマー（Ｓｏｌｖｅｙ  Ｈｙｆｌｏｎ  ＡＤ  ｐｅｒｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ  ｇｌａｓｓｙ  ｐｏｌｙｍｅｒ）および旭硝子株式会社のサイトップ、ポリパーフルオロブテニルビニルエーテル（ＣＹＴＯＰ  ｐｏｌｙｐｅｒｆｌｕｏｒｏｂｕｔｅｎｙｌ  ｖｉｎｙｌ  ｅｔｈｅｒ）などが挙げられる。複合の透過性膜の各々は、多孔質基板６６上に支持される。多孔質基板６６は、透過性膜６０を横切って所望の酸素分圧差をもたらすように真空源７０と連通している。制御装置５４により、燃料から除去される酸素量を調節するように酸素分圧差が調節される。
【００２５】
透過性膜の実施例を図示したが、当業者に周知の他の透過性膜および支持構造が本発明の意図する範囲内にあることを理解されたい。
【００２６】
したがって、本発明は、燃料から溶存酸素を除去するように透過性膜を有する燃料脱酸素装置を利用して、燃焼器に流入する燃料の温度上昇を許容することにより、燃焼プロセスを向上させる。他の場合には望ましくない不溶性副生成物が生じ得る温度を超えて燃料を加熱することにより、炭化水素燃料の燃焼が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明による一実施例のシステムの概略図。
【図２】本発明による別の実施例のシステムの概略図。
【図３】本発明による溶存酸素を除去する透過性膜の概略図。
【符号の説明】
【００２８】
１０…システム
１２…燃焼装置
１４，５０…燃料脱酸素装置
１６，５４…制御装置
１８，５８…酸素センサ
２０，５６…温度センサ
２２…燃料
２４，３０…空気
２６…排気流
２８…加熱装置
４０…ガスタービンエンジン
４２…圧縮機
４４…タービン
４６…燃焼器
４８…インジェクタ
５２…熱交換器
６０…透過性膜
６２…透過性層
６４…多孔質バッキング
６６…多孔質基板
６８…溶存酸素
７０…真空源
【図１】
2007003184.tif 000003
【図２】
2007003184.tif 000004
【図３】
2007003184.tif 000005