(57)【要約】【課題】  本発明は、触媒管内を流れる流体を変化させるインサートを用いて、燃料／空気混合気のより効率的な燃焼方法を提供する。【解決手段】  触媒用の触媒コンジット１０が、入口１８および出口２０、ならびに内側面３４および外側面３６を備える管１４と、この管内を流れる流体の流れを変化させるように取り付けられたインサート１６と、を備える。酸化触媒４４は、管１４およびインサート１６の少なくとも一部に配置することができる。さらに、このインサート１６は、従来の触媒管に容易に取り付けることによって、触媒面を容易に増加させることができる。【選択図】図１Ａ
2007278689.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口および出口、ならびに内側面および外側面を備える管と、
上記管を流れる流体の流れを変化させる、上記管内に取り付けられたインサートと、
上記管の少なくとも一部に配置された酸化触媒と、
を備えることを特徴とするタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項２】
上記酸化触媒が、上記管の外側面の少なくとも一部を覆うことを特徴とする請求項１に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項３】
上記酸化触媒が、上記管の内側面の少なくとも一部を覆うことを特徴とする請求項１に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項４】
上記酸化触媒が、上記インサートの少なくとも一部に配置されることを特徴とする請求項１に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項５】
上記インサートが、細長の金属板からなることを特徴とする請求項１に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項６】
上記細長の金属板が、ねじれていることを特徴とする請求項５に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項７】
上記インサートが、上記管内に共軸を有するように取り付けられることを特徴とする請求項１に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項８】
上記インサートが、上記管内に上記インサートを取り付けるためのタブを備えることを特徴とする請求項１に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項９】
入口および出口を有し、内部チャンバを規定するハウジングと、
ハウジングの内部チャンバ内に取り付けられた複数の管と、を備えるとともに、
上記管の各々が、入口および出口、ならびに内側面および外側面と、上記複数の管の少なくとも１つに取り付けられたインサートと、上記管の少なくとも一部に配置された酸化触媒と、を備え、
上記管の内側面が、第１の流路を形成し、上記管の上記外側面および上記内部チャンバが、出口ポートを備える第２の流路を形成し、
上記複数の管の出口から出た第１の流体が上記出口ポートを介し上記ハウジングから出る第２の流体と接触するように、上記複数の管の上記出口および上記出口ポートが、近接配置されるように構成される触媒反応器。
【請求項１０】
上記酸化触媒が、上記複数の管の上記外側面を覆うことを特徴とする請求項９に記載の触媒反応器。
【請求項１１】
上記酸化触媒が、上記複数の管の上記内側面を覆うことを特徴とする請求項９に記載の触媒反応器。
【請求項１２】
上記酸化触媒が、上記インサートの少なくとも一部に配置されることを特徴とする請求項９に記載の触媒反応器。
【請求項１３】
上記インサートが、細長の金属板からなることを特徴とする請求項９に記載の触媒反応器。
【請求項１４】
上記細長の金属板が、ねじれていることを特徴とする請求項１３に記載の触媒反応器。
【請求項１５】
上記インサートが、上記管内に共軸を有するように取り付けられていることを特徴とする請求項１１に記載の触媒反応器。
【請求項１６】
上記インサートが、上記管内にインサートを取り付けるためのタブを備えることを特徴とする請求項９に記載の触媒反応器。
【請求項１７】
第１の流体および第２の流体を備えるとともに、上記第１の流体および上記第２の流体の少なくとも一方が、炭化水素燃料と空気流を混合することによって得られ、
触媒反応器の触媒管内に第１の流体を流し、
触媒反応器のチャンバ内に上記触媒管に隣接して第２の流体を流し、
上記触媒管の少なくとも一部に、上記第１の流体の流れを変化させるようにインサートを設け、
上記触媒管を出る上記第１の流体の流れと、上記第２の流体と、を混合させ、
上記第１の流体と上記第２の流体との混合物を燃焼させる、
ことを特徴とする触媒化炭化水素燃料の燃焼方法。
【請求項１８】
上記第１の流体および上記第２の流体の一方の触媒反応熱の一部を抽出し、
上記第１の流体および上記第２の流体の他方に上記熱を伝達することをさらに含む請求項１７に記載の触媒化炭化水素燃料の燃焼方法。
【請求項１９】
上記第１の流体および上記第２の流体の混合物に第３の流体を加えることをさらに含む請求項１７に記載の触媒化炭化水素燃料の燃焼方法。
【請求項２０】
上記第２の流体を上記触媒反応器内に制御可能に導入することをさらに含む請求項１７に記載の触媒化炭化水素の燃焼方法。
【請求項２１】
上記インサートが、上記第１の流体の触媒反応を促進するように、触媒でコーティングされることを特徴とする請求項１７に記載の触媒化炭化水素の燃焼方法。
【請求項２２】
上記インサートが、上記触媒管内に上記第１の流体の速度を減少させるように配置されることを特徴とする請求項１７に記載の触媒化炭化水素の燃焼方法。
【請求項２３】
触媒コンジットを備えるタービン燃焼器の触媒反応器の改良であって、
上記触媒コンジットが、入口および出口、ならびに内側面および外側面を備える管を備え、酸化触媒が、上記管の少なくとも一部に配置されるとともに、
上記管を流れる流体の流れを変化させるように、上記管内に取り付けるために構成されたインサートを備えることを特徴とする触媒コンジットを備えるタービン燃焼器の触媒反応器の改良。
【請求項２４】
上記酸化触媒が、上記インサートの少なくとも一部に配置されることを特徴とする請求項２３に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の改良。
【請求項２５】
上記インサートが、上記管内に共軸を有するように取り付けられる構成であることを特徴とする請求項２３に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の改良。
【請求項２６】
上記インサートが、上記管内に上記インサートを取り付けるためのタブをさらに備えることを特徴とする請求項２３に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の改良。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、汚染物質の排出、特にＮＯｘエミッションを最小限にする効率的な態様における炭化水素燃料の燃焼装置およびその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化水素燃料を燃焼することでエンジンから生じた排気ガスは、大気汚染の原因となる。排気ガスは、通常、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ2）、一酸化炭素および未燃焼の炭化水素を含む。窒素酸化物は、スモッグ、酸性雨、成層圏のオゾンの減少を引き起こす。エンジンが高温の場合、酸素と窒素が化合し、有害なＮＯとＮＯ2（周知なように「ＮＯｘ」として総称される）が生じる。酸素と反応した一般的な燃料は限界温度を超えて、ＮＯｘが生じる。
【０００３】
従って、ＮＯｘの生成を抑えることが求められている。ＮＯｘを制御する１つの方法は、燃料と空気を低温で反応させることができる触媒を用いることである。全てではなくても、ほとんどの燃料の場合、比較的低温で反応させることで、ＮＯｘの生成を阻害する。触媒を使用することで、大部分の燃焼プロセスを安定化するように、燃料の一部を予め反応させる。このような触媒プロセスは、触媒燃焼（ｃａｔａｌｙｔｉｃ  ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）として呼ばれる。
【０００４】
触媒と燃料が反応した場合、熱が生じる。この熱は、燃焼温度が比較的低温となるように制御しなくてはならない。通常、燃焼される全燃料の一部のみが、触媒室で反応する。発熱の問題に関する１つの解決方法は、触媒と接触する流体の流れ、もしくは触媒が取り付けられ、または塗布された母材と接触する流体の流れに、冷却空気の流れを供給することである。このような方法は、一方のチャネルが触媒作用を受けた流体を含み、他方のチャネルが、触媒反応から熱を吸収する空気・冷却を含むことによる熱交換を利用する。これらの２つの流体の流れは、熱交換器から出るときに混合されてから、ＮＯｘの生成を抑えながら燃焼される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
触媒燃焼（あるいは触媒反応器）において、炭化水素燃料は、空燃等量比（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅ  ｒａｔｉｏ）が１より（つまり燃料が過剰）大きい、すなわちストイキオメトリーが１より大きい燃料および空気の混合気を形成するように、第１の空気流と混合され、この燃料／空気の流体混合気が酸化触媒と接触することによって部分的に酸化され、従って、水素および二酸化炭素を含む、部分的に酸化された生成物流に反応熱が生じる。このような反応は、純粋な触媒反応が起こるように設計され、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成が最小限となる。
【０００６】
反応熱の一部は、触媒が取り付けられた母材の壁を介して伝達され、背面の熱対流や熱伝導を介して、第２の空気流や適宜な冷却流に除去される。部分的に酸化された生成物流は、反応熱によって初期段階よりも温度が上昇した第２の空気流と混合され、下流の燃焼器で燃焼される。下流の燃焼器は、単一または複数の領域において、燃焼を促進させる付加的な燃料または空気の混合気を含むことができる。
【０００７】
燃料／空気混合気は、触媒酸化ステージに流入し、部分的に混合気を酸化する酸化触媒と接触して、熱が発生し、水素、炭素酸化物（主に一酸化炭素）および未反応の炭化水素燃料を含む、部分的に酸化された生成物流が生じる。「触媒酸化（ｃａｔａｌｙｔｉｃ  ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）」とは、熱によってＮＯｘが許容量以上生成される温度より低く、熱による燃焼、もしくは炎を伴わない燃焼に必要な温度以下の温度において、急速に酸化させること、もしくは酸化熱分解（ｏｘｄａｔｉｖｅ  ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ）反応させることを意味する。「部分的な酸化」は、燃料を完全に二酸化炭素および水に転化し燃料に蓄積された化学エネルギを完全に解放するのに十分な酸素がないことを意味する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、従来の触媒反応器の設計を改善することに関する。触媒管のインサートは、触媒管を流れる流体流に乱流を生じさせる。このインサートは、触媒面の増加あるいは触媒に対する流体の滞留時間の増加、またはこの両方によって、触媒化燃料の燃料を改善する方法を可能とするように、触媒反応器内に使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１Ａは、ハウジング１２、触媒管１４およびインサート１６を備える触媒反応器１０の長手方向の断面図を示す。触媒反応器１０は、ガスタービンの燃焼システム（図示せず）に一体的に取り付けられる。この実施例においては、ハウジング１２は、入口１８および出口２０を備える。このハウジング１２は、ハウジング１２内に付加的な流体を導入する少なくとも１つの開口部２２を備える。ハウジング１２の壁２４と触媒管１４の外側面３６とによって、入口１８もしくは開口部２２から出口２０へと至る流路２８が形成される。入口１８は、ハウジング１２の壁２４に取り付けられた格子３０を備える。この格子３０は、触媒管１４および流路２８内に流体を導入することができるようにしつつ、ハウジング１２内の所定位置に触媒管１４を保持する。格子３０およびハウジング１２の壁２４は、金属またはこのような用途に適した他の材料から構成される。出口２０によって、流路２８内を流れる流体をハウジング１２から出すことができる。
【００１０】
触媒管１４は、熱伝導性材料からなり、その内部およびハウジング１２内に流体流が流されるように構成される。触媒管１４は、管入口２６、管出口３２、内側面３４および外側面３６を備える。この内側面３４によって、触媒管１４内の内部流路３８が画定される。一実施例においては、管出口３２に隣接する触媒管１４の一部４０は、触媒管１４を出る流れの速度および向きを変化させるように、断面を変化させた領域を備える。
【００１１】
触媒管１４は、円筒状に示されているが、例えば、円、ローブ形（ｌｏｂｅ）、多角形、楕円、または他の断面形状など、変化のある形状でもよい。同様に、触媒管１４は、概ねリニアつまり直線的に例示されているが、ねじれ状もしくは他の変化のある断面形状などでもよい。全ての実施例において、内部流路３８が、触媒管１４の内側面３４内に存在する。
【００１２】
ハウジング１２内の流路２８は、管の外側面３６および壁２４によって形成される。流路２８は、開口部２２および出口２０と連通している。流路２８は、触媒管１４およびハウジング１２の壁２４の形状および間隔によって、その形態が変化する。流路２８によって、触媒管１４内を流れる流体と熱交換できるように、流体を流し、拡散することが可能となる。
【００１３】
インサート１６は、各々の触媒管１４内に配置される。インサート１６は、熱伝導性材料から構成され、触媒管１４と同様の材料から構成することもできる。タブ４２が、触媒管１４内にインサート１６を保持する。これらのタブ４２は、インサート１６の端部４５，４６に取り付けられて、触媒管１４の内側面３４まで延在しており、ここで、タブ４２は、溶接や他の適宜な手段によって固定される。代替としては、タブ４２またはインサート１６自身が、触媒管１４の端部または格子３０に取り付けるために、触媒管１４の端部まで延在している。他の取り付け部もしくは接触部を、インサート１６から触媒管１４の母材への熱の放出を促進するように設けても良い。例示された実施例においては、インサート１６は、入口３０から触媒管の一部４０の始点まで触媒管１４の長さに亘り延在する細長のねじれた金属板である。インサート１６は、触媒管１４の内側に蛇行流路を形成する。この結果、触媒管１４内の滞留時間が延びるように渦が生じ、燃料および空気からなる流体がより酸化される。従って、触媒管１４の単位長さあたりの反応が増大する。
【００１４】
触媒４４は、コンジット（管）の内側面３４の一部およびインサート１６の一部に付着される。触媒４４は、触媒管１４を通る内部流路３８内のどこに配置しても良い。燃料リッチな燃料／空気混合気は、触媒管１４によって画定される内部流路３８内に送られる前に、混合される。代替として、インサート１６によって生じる乱流によって、内部流路３８内で燃料および空気を混合することが可能である。
【００１５】
燃料が、炭化水素であり、酸素が酸化剤である場合、触媒４４は、８族（ｇｒｏｕｐ  VIII）の貴金属、卑金属、金属酸化物あるいはこれらの組み合わせを含む。ジルコニウム、バナジウム、クロム、マンガン、銅、プラチナ、パラジウム、ルテニウム、オスミウム、イリジウム、ロジウム、セリウム、ランタン、ランタン系列の他の元素、コバルト、ニッケルおよび鉄などの元素、ならびに、酸化クロム、酸化コバルトおよびアルミナもしくはこれらの混合物が、適している。触媒４４は、母材に直接適用されるか、もしくは他の実施例においては、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、他の耐火金属酸化物、もしくはこれらの組み合わせなどの材料からなるボンドコートもしくはウォッシュコートに適用することができる。
【００１６】
触媒管１４およびインサート１６を形成する母材は、高温用材料から製造される。一実施例においては、高温用ニッケル合金が使用される。他の実施例においては、アルミニウム、クロムや他の合金材料と組み合わせた鉄、ニッケルやコバルトからなる合金を含む高温用金属合金が使用される。他の母材材料は、セラミック、金属酸化物、金属間化合物材料、カーバイド、窒化物を含む。金属製母材および耐火性金属は、背面の触媒を効果的に冷却できる高い熱伝導率を有するので、最も望ましい。
【００１７】
図１Ａの実施例においては、触媒管１４の内側面３４の一部が、触媒４４でコーティングされる。さらに、インサート１６が、触媒４４でコーティングされる。この実施例においては、燃料／空気混合気からなる第１の流体が、入口２６で触媒管１４に導入される。空気または付加的な燃料／空気混合気からなる第２の流体が、開口部２２で触媒反応器１０に導入され、第１の流体の温度を低下させるように触媒反応熱を吸収する。インサート１６は、第１の流体の流れを低速にするだけでなく、第１の流体をさらに反応するように作用する。
【００１８】
図１Ｂは、ハウジング１２、触媒管１４およびインサート１６を備える触媒反応器１０の長手方向の断面図からなる代替の実施例を示す。この実施例においては、触媒管１４の内側面３４は、触媒４４でコーティングされる。燃料／空気混合気からなる第１の流体は、触媒管１４の入口２６に導入され、第２の流体は、ハウジング１２の開口部２２に導入される。第２の流体は、空気、もしくは燃料／空気混合気から構成することができる。触媒管１４内のインサート１６は、流路３８内の第１の流体の流れを低速にさせ、触媒管１４の長手方向の軸に平行でない向きに、渦を伴った流れを促進することで、単位長さあたりの触媒反応がより増大するように、触媒に対する滞留時間がより長くなる。これらの流体は、出口２０で放出され、そこで、燃焼前に、または燃焼とともに混合される。インサート１６、触媒管１４（存在すれば、管の延長部４０）、および触媒４４は、上述した実施例と同様に構成されるが、インサート１６は、触媒コーティングを備えていなくても良い。インサート１６の形状は、第１の流体に乱流を生じさせる。この結果、第１の流体および第２の流体が、触媒反応器を出るときに、さらによく混合される。
【００１９】
この実施例においては、格子３０によってのみ、流体を触媒管１４内に導入させることが可能であり、開口部２２によって、流路２８内に流体が導入される。格子３０は、入口１８で触媒管１４内にのみ流体を導入させるように、孔を備える金属プレートから形成することができる。格子３０に概ね平行なプレート４８が、出口２０に存在しており、これらの流体の出口ポート４９として作用する１つまたは複数の孔を備える。さらに、このプレート４８は、触媒管１４からの流体流が出るように、管出口３２に対応する開口を備える。この実施例においては、触媒管１４内のインサート１６を柔軟に保持するように、インサート１６の長さに沿って、またはインサート１６もしくは格子３０の端部４５，４６に、タブ４２を取り付けることができる。
【００２０】
図１Ｃは、ハウジング１２、触媒管１４およびインサート１６を備える触媒反応器１０の長手方向の断面図を含む他の実施例を示す。実質的に燃料／空気混合気からなる第１の流体が、開口部２２から触媒反応器１０内に導入され、流路２８を流れる。通常、空気からなる第２の流体は、入口２６から触媒管１４内に導入される。インサート１６は、触媒管１４の一部として示され、上述の実施例と同様にタブ４２を介して、触媒管１４に取り付けられている。インサート１６は、触媒管１４の流路３８を流れる第２の流体の流れを遅くさせるか、渦流、もしくは触媒管１４の軸によって示される向きと異なる向きの流れを促進させる。これにより、第２の流体が、触媒反応からより多くの熱を吸収するように触媒反応面または母材と比較的長く接触を維持させることができる。さらに、インサート１６は、乱流、および実質的に熱伝導係数が高くなり管壁から熱を除去する渦流、を促進させる。このような特性によって、管出口３２で触媒管１４から出る流体と、出口２０で触媒反応器１０の流路３８から出る流体と、の混合が促進される。インサート１６は、出口２０付近に示されているが、入口１８付近、もしくは出口と入口との間のいずれにも配置することできる。
【００２１】
図２は、インサート１６ａ〜１６ｄの各種断面を示す触媒反応器１０の端部における図である。図２は、ハウジング１２の壁２４、触媒管１４およびインサート１６ａ〜１６ｄを示している。さらに、触媒反応器１０は、反応器チャンバ流路２８、ならびに触媒管流路３８を備える。インサート１６ａ〜１６ｄは、触媒管１４の流路３８を流れる流体の流れを変化させる。
【００２２】
インサート１６ａ〜１６ｄは、触媒管１４内のインサートとして可能な各種断面を示す。４つの触媒管が示されているが、用途に従い、管からなる配列は、示された数よりも多くても、少なくても良い。さらに、反応器チャンバの寸法に対する管および流路の寸法は、異なっていても良い。インサート１６ａは、平坦な細長の金属板（ｍｅｔａｌ  ｓｔｒｉｐ）である。インサート１６ｂは、星型の多角形である。インサート１６ｃは、十字であり、インサート１６ｄは、触媒管１４からなる管路の内径よりも小さな寸法の別の管路である。インサート１６ａ〜１６ｄの全てのインサートは、金属または熱伝導性材料からなり、上述のように、触媒４４でインサート全体または一部を被覆することができる（インサート１６ａおよび１６ｂが例示されている）。また、インサート１６ａ〜１６ｄの全ては、触媒管１４の長手方向の軸に関してねじれていても良い。インサート１６ａ〜１６ｄの種々の形状は、同様の形状をした触媒管１４内に異なる流路３８を形成する。
【００２３】
インサート１６ａ〜１６ｃは、触媒管１４の内側面３４に対してインサートの周辺部を固定することによって、触媒管１４の所定位置に保持することができる。例えば、インサート１６ａ〜１６ｃは、接着剤もしくは他の手段（摩擦接合または拡散接合）で、所定位置に溶接または接着することができる。他の実施例においては、インサート１６ａ〜１６ｃは、触媒管内のインサートが、締まりばめまたは摩擦ばめを介して所定位置に保持される。さらに他の実施例においては、インサート１６ａ〜１６ｄは、触媒管１４の内側面３４およびインサート１６ａ〜１６ｄの面に結合されるタブ４２を用いて保持される。インサート１６ａ〜１６ｄは、例示のみを目的とした実施例であり、インサート１６の断面を限定する趣旨ではない。
【００２４】
インサートの他の実施例は、金属製テープ、静止ミキサ（ｓｔａｔｉｃ  ｍｉｘｅｒ）、直線状の金属板やロッドを、長手方向において正弦波状もしくは波状にしたもの、またはこれらの組み合わせなどである。同様に、上述したインサートは、触媒管１４内への挿入前、もしくは挿入後に、ねじれ状、網目状、コイル状、もしくは同様の形状にする操作を行うことができる。当業者であれば、特定の用途に基づいて設計できる多数の構造を理解することができ、従って、本発明は、記載した実施例のインサートの形状に限定されるものではない。
【００２５】
図３は、ハウジング１２および触媒管１４の一部を除去した触媒反応器の斜視図である。触媒反応器１０は、ハウジング１２、触媒管１４およびインサート１６を備える構造体である。図３に示される実施例においては、触媒反応器１０は、ハウジング１２内に、平行でかつ等長の円筒形状の触媒管１４が正方形状に束ねられて配置されるように概ね構成されている。ハウジング１２は平行六面体として例示されているが、円筒、多角柱、トロイド状（ドーナツ型）、Ｌ字型、またはこれらの組み合わせなどの他のハウジング形状でもよい。各々の触媒管は、インサート１６を備える。他の実施例においては、触媒管１４の一部にのみ、インサートを備える。例示されているように、触媒管１４は、入口１８および出口２０付近に拡張部４０を備える。これらの拡張部４０は、管同士に隙間を設けることによって、近接する触媒管１４同士の空間を形成し、従って、上述したように、流路２８が形成される。
【００２６】
燃料／空気混合気からなる第１の流体が、入口１８またはその付近で触媒管１４に入る（矢印５０）。同様に、周囲の空気からなる第２の流体が、触媒管１４同士に近接する流路内に導入される（矢印５２）。他の実施例においては、第２の流体は、第１の流体の組成と同様に、燃料／空気混合気からなる。触媒管１４の内側面は、第１の流体と反応して熱を発生させる触媒を備える。第２の流体は、冷却用流体として作用し、反応によって生じた熱を吸収する。第１の流体は、出口２０で触媒反応器１０から出る。触媒管１４内にインサート１６が存在することによって、流体は、乱流状態で出る（矢印５４）。第２の流体は、層流として出口２０から出る（矢印５６）。流体５０，５２は、出口２０を出るときに混合される。インサート１６によって生じた流体流の攪拌は、部分的に反応し熱が生じた、燃焼用の単一の第３の流体が生じるように、出口２０で第１の流体と第２の流体との混合を促進する。
【００２７】
図３に例示される実施例においては、拡張部４０を含めて触媒管１４は、円筒状でかつ各々の管の中心線に同心状である。他の実施例においては、触媒管１４や拡張部４０の断面形状は、触媒管１４の主要部分および端部の双方に関して、楕円、多角形、もしくはこれらの組み合わせであっても良い。同様に、概ね直線状の管が示されているが、触媒管１４は、コイル状、らせん状、波形状、内部網目構造（ｉｎｔｅｒ−ｂｒａｉｄｅｄ）、溝付、もしくは同等の構造、およびこれらの組み合わせなどの他の形状でもよく、ハウジング１２の形状内に適合するように設計される。
【００２８】
本発明の実施例を用いた触媒反応器は、流体流の変動により化学反応速度および物質移動速度（ｍａｓｓ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｒａｔｅ）におけるばらつきを最小限にしつつ、通常の運転条件において、触媒反応を最大化するように設計される。触媒は、触媒面の形状に対応して重量基準でコーティングに適用される。コーティング領域が不十分であると、所望の反応室および燃焼器の設計に対して、流体から触媒面への総物質移動量（ｍａｓｓ  ｔｒａｎｓｆｅｒ）が不十分であることによって、触媒反応が不十分となる。必要とされるコーティング領域は、運転条件（例えば、反応物の温度、圧力、速度、組成など）および触媒の活性に相関し、化学工学的な周知な方法によって決定することができる。
【００２９】
触媒反応器の触媒管のインサートの存在によって、流体流は、所望の制御状態に速度が落とされ、調整され、または分配されるので、触媒を備えるコーティング領域における滞留時間を延ばすことが可能となる。これによって、必要な触媒面が減少し、小型かつ低コストの反応器となる。インサート自身に付加的なコーティングを施すことによって、付加的な触媒面が加えられ、反応器の寸法およびコストをさらに低減させることができる。従って、反応器の設計によって、反応および冷却の表面積と、反応器を流れる関連した流体の体積流量と、のバランスをとることができる。本発明のインサートは、新規または従来の反応器を特定用途に適合することを可能とし、さらに、反応器のオーバーホール性能を改善する。
【００３０】
本発明の触媒反応器は、触媒化炭化水素燃料の燃焼に用いられる。第１の流体が、触媒反応器の触媒管内を流れ、第２の流体が、触媒反応器のチャンバ内の流路において触媒管に近接して流れる。第１の流体および第２の流体の双方は、燃料／空気混合気、もしくは空気流から構成することができる。少なくとも一方の流体が、燃料／空気混合気からなり、触媒と接触する。他方の流体は、燃料／空気混合気、または他のガス、もしくは空気などの混合気でも良い。本発明のインサートは、第１の流体の流れを変化させ、触媒反応がおきるように、管の少なくとも一部に設けられる。触媒管を出た第１の流体の流れは、第２の流体と混合され、この混合気が燃焼される。触媒反応熱は、触媒と接触する流体から抽出され、他方の流体へと伝達させる。一実施例においては、第２の流体は、触媒反応器内に制御しながら導入される。追加の空気や燃料／空気混合気などの第３の流体が、所望の燃焼の化学量（ストイキメトリー）を得るように、反応器から出るときに、第１の流体と第２の流体との混合気に付加しても良い。
【００３１】
図１Ａ〜図１Ｃにおいては、触媒管１４の大部分に触媒を備えるように例示されているが、触媒反応器は、触媒を触媒管の一部にのみ備えるように設計することができる。同様に、本発明のインサートは、触媒管１４の全長に亘り配置されるように示されているが、インサートは、触媒管の長さより短くてもよく、触媒管のあらゆる部分に配置することができる。従って、触媒反応器は、所望の長さを触媒で被覆された、所望の長さおよび形状の触媒管を備え、触媒管の一部に沿ってインサートを備えるように設計することができる。例えば、触媒管は、触媒管の後側の２／３に触媒を備えても良く、インサートは、効果のある触媒管の後側の１／３に配置される。このようなインサートは、触媒管の後側部分で触媒管の流体の流速を低下させ、触媒管から出るときにさらによく混合されるように乱流が形成される。
【００３２】
触媒反応器の触媒管にインサートを配置することで、触媒が適用されたコンジット（管路）の内側での燃料／空気混合気の酸化される単位長さあたりの面積が増えることとなる。この結果、コンジットまたは触媒管の内側が蛇行流路となり、燃料／空気混合気を酸化するための滞留時間が延びるようにコンジットまたは触媒管内に渦が生じる。コンジットの形状は、触媒管出口またはコンジット出口で、渦が生じ、混合をせん断するように設計することができる。この乱流パターンを用いて、生成物の流れと空気などの第２の流れを、触媒反応器を出るときに素早く混合し、燃料混合気が燃焼するように効率的に混合する。これにより、当分野の従来技術のレベルよりもエミッションを減少させ、かつ燃焼のための二次的な領域の寸法や燃焼器内に必要とされる複雑性が低減する。従って、滞留時間、すなわち流体が触媒管内に存在する時間、を延ばすインサートを、触媒管内に設けることで、単位長さあたりの反応が増大することとなる。このことによって、装置の規模を縮小し、燃焼室アッセンブリの複雑性を低減させることが可能となる。本発明の他の利点は、従来の触媒反応器の構成に後付けすることができる点である。例えば、触媒を備えたねじれた細長の金属板は、従来の触媒反応器における触媒管の内部通路に簡単に加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１Ａ】触媒管内にインサートを備える触媒反応器の第1の実施例の長手方向の断面図。
【図１Ｂ】触媒管内にインサートを備える触媒反応器の第２の実施例の長手方向の断面図。
【図１Ｃ】触媒管内にインサートを備える触媒反応器の第３の実施例の長手方向の断面図。
【図２】４つの異なるインサートの各種断面形状を示す触媒反応器の端面図。
【図３】触媒管とともにインサートを示すために、ハウジングおよび触媒管の一部を切欠した触媒反応器の斜視図。
【符号の説明】
【００３４】
１０…触媒反応器
１２…ハウジング
１４…触媒管
１６…インサート
１８…入口
２０…出口
２２…開口部
２８…チャンバ流路
３４…内側面
３６…外側面
３８…触媒管の内部流路
４４…触媒
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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