(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端が酸化剤入口に連通しており、他端が燃焼生成物出口に連通している軸方向燃焼室（１４）と、
軸方向燃焼室（１４）の内側に配置された燃料導管（１２）であって、燃料供給源に連通すると共に燃料導管（１２）に沿って各々区間距離を隔てて配置された複数のオリフィス（１３）を介して燃焼室に連通する燃料容積を規定しており、酸化剤が燃焼室（１４）を通過できると共に、酸化剤が入口端部から燃焼生成物出口まで通過するにつれて燃料容積からオリフィス（１３）を通って供給される燃料と混合できる前記燃料導管（１２）と、
軸方向燃焼室（１４）の内側に配置されており、燃料と酸化剤の混合物の自己発火温度を非触媒自己発火温度から触媒自己発火温度まで下げるために有効な触媒表面（１９）と、
軸方向燃焼室の内側で酸化剤と燃料の混合物を発火させるための電気加熱手段を含む無炎燃焼器であって、
電気加熱手段が、燃料がオリフィス（１３）を通過する時に燃料が発火する温度よりも高い温度まで少なくとも１個のオリフィス（１３）の近傍で燃料導管（１２）を加熱するために有効な量の電流を燃料導管（１２）に流すために有効な電源（１５）を含むことを特徴とする前記無炎燃焼器。
【請求項２】
触媒表面（１９）が燃料導管（１２）の外側表面を含む請求項１に記載の燃焼器。
【請求項３】
触媒表面（１９）が燃焼室（１４）の内側表面を含む請求項１に記載の燃焼器。
【請求項４】
燃焼室（１４）が坑井の内側に配置された管（１０）の内側表面により規定される請求項１に記載の燃焼器。
【請求項５】
少なくとも２個のオリフィス（１３）の間の燃焼室（１４）の区間から排熱するための手段を更に含み、該排熱手段が定常状態時の燃焼室（１４）内の温度を空気中の燃料の自己発火温度よりも高くするような量の熱を除去することが可能であり且つ約１１００℃未満とする請求項１に記載の燃焼器。
【請求項６】
少なくとも２個のオリフィス（１３）の間の燃焼室の区間から排熱するための手段が、燃焼室（１４）の周囲の環状スペース内の対流及び伝導により燃焼室（１４）から熱を伝達することが可能な地層（１）を含む請求項５に記載の燃焼器。
【請求項７】
触媒表面（１９）がパラジウムを含む請求項１に記載の燃焼器。
【請求項８】
坑井（３）の内側に配置されている請求項１に記載の燃焼器。
【請求項９】
燃料導管（１２）が坑口から吊り下げられた管であり、燃焼器が坑口で燃料導管に電力を供給する手段（１５）を更に含み、燃料導管がオリフィスの上方よりもオリフィスの近傍のほうが厚みが小さく、燃料導管が少なくとも１個のオリフィスの下方の点から接地されている請求項８に記載の燃焼器。
【請求項１０】
一端が酸化剤入口に連通しており、他端が燃焼生成物出口に連通している軸方向燃焼室（１４）を配置する段階と、
燃料供給源に連通すると共に燃料導管（１２）に沿って配置された複数のオリフィス（１３）を介して燃焼室（１４）に連通する燃料容積を規定する燃料導管（１２）を軸方向燃焼室（１４）の内側に配置する段階と、
酸化剤を燃焼室（１４）に送る段階と、
燃料流を燃料容積に送る段階と、
燃料が酸化剤と混合する時に酸化剤と燃料の反応を生じる温度まで燃料流、酸化剤又は燃料流と酸化剤の両者を加熱する段階を含む無炎燃焼器の発火方法であって、
酸化剤が亜酸化窒素と補充酸素から構成される群から選択され、
燃焼室（１４）の内側の温度が空気中の燃料の発火温度を越えるまで酸化剤を燃焼室（１４）、燃料を燃料導管に送り続ける段階と、
燃焼室（１４）の内側の温度が空気中の燃料の発火温度を越えた後に酸化剤を空気で置換する段階を更に含むことを特徴とする前記方法。
【請求項１１】
少なくとも１個のオリフィス（１３）の近傍の燃料導管（１２）の少なくとも一部で燃料導管（１２）を少なくとも２６０℃の温度まで加熱させるために十分な量の電流を燃料導管（１２）に流す段階を更に含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
触媒表面（１９）の近傍で燃料と酸化剤が反応する温度を下げるために有効な触媒表面（１９）を燃焼室（１４）の内側に配置する段階を更に含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
燃料が水素である請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
燃料が水素と一酸化炭素を含む請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は燃焼装置及び方法に関する。
米国特許第４，６４０，３５２号及び４，８８６，１１８号は石油を含有する低透過性地層から石油を回収するための伝導加熱を開示している。低透過性地層は珪藻土、リピドコール、タールサンド及びオイルシェールを含む。低透過性地層は水蒸気、二酸化炭素又は火炎のフラッディング等の強化石油回収法に適していない。フラッディング材料は優先的に破面を通って低透過性地層に浸透する傾向がある。注入材料は地層炭化水素の大半を迂回する。これに対して、伝導加熱は地層に流体を運ぶ必要がない。従って、地層内の石油はフラッディング方法の場合のように迂回されない。地層は一般に比較的均一な熱伝導率と比熱をもつので、伝導加熱により地層の温度を上げると、垂直温度分布は比較的均一になり易い。熱伝導法における炭化水素の輸送は地層岩石の細孔内部にトラップされた石油と水の圧力駆動、蒸発及び熱膨張により行われる。炭化水素は熱応力と石油及び水の膨張及び蒸発とにより生じる小破面を通って移動する。
米国特許第３，１１３，６２３号及び３，１８１，６１３号は地層加熱用ガスだき熱注入バーナーを開示している。これらのバーナーは多孔質材料を使用して火炎を保持することにより、長距離にわたって火炎を伝播する。火炎を保持する多孔質媒体を設けることにより、火炎からケーシングへの輻射熱伝達を回避している。しかし、多孔質媒体中で燃焼が生じるためには、燃料ガスと燃焼用空気を予備混合しなければならない。予備混合した燃料ガスと燃焼用空気が混合物の自己発火温度を上回る温度である場合には、多孔質媒体に保持せずに予備混合するだけで相互に反応してしまう。これらの発明の例として使用されている地層は表土から僅か約４．５ｍ下方の厚さ約１５ｍまでに過ぎない。従って、燃料ガスと燃焼用空気はバーナーに到達するときに比較的低温である。加熱する地層が有意の深さになると、バーナーは予定通りに機能しなくなる。
米国特許第５，２５５，７４２号は予熱した燃料ガス及び／又は燃焼用空気を使用して地層を加熱するために有用な無炎燃焼器を開示しており、火炎を避けるために十分少量ずつ増量しながら燃料ガスを燃焼用空気と混合している。ＮＯXはほとんど発生せず、構造材料が廉価であるためヒーター原価を有意に低減することができる。しかし、この従来技術文献の教示により燃料ガスを予熱すると、ＣＯ2、Ｈ2、水蒸気又は他の何らかのコークス抑制剤を燃料ガスに添加しない限り、コークスが形成される。更に、この公知ヒーターは燃料ガス混合物の自己発火温度を上回る温度で運転しなければならないので、その始動は時間のかかりすぎる工程である。始動は、温度が通常運転に十分な高さになる前に長時間の非常に低流速の運転を必要とする。
触媒式燃焼器も公知である。例えば、米国特許第３，９２８，９６１号は燃料の自己発火温度よりも高く且つ窒素酸化物の実質的形成を生じる温度よりも低い温度で燃焼させることによりＮＯXの形成を阻止した触媒式熱燃焼装置を開示している。
例えば米国特許第５，３５５，６６８号及び４，０６５，９１７号には酸化触媒で被覆した金属被覆表面が開示されている。これらの特許はガスタービンエンジンのコンポーネントの触媒被覆表面を示唆している。前記米国特許第４，０６５，９１７号はタービンの始動に触媒被覆表面を使用することを示唆しており、始動運転における物質移動制御制限相を示唆している。
請求項１、１０及び１３の前文による無炎燃焼器及び発火方法は米国特許第５，４０４，９５２号から公知である。公知燃焼器及び発火方法では、コイル状電気抵抗線を燃焼室の内側にオリフィスから離して吊り下げているので、発火が遅れたり、複雑になる恐れがある。
従って、本発明の目的は容易に発火して運転温度まで昇温できる無炎燃焼方法及び装置を提供することである。本発明の別の目的は、ＮＯXの形成を最少限にした燃焼方法及び装置を提供することである。本発明の別の目的は、熱効率レベルの高い方法を提供することである。
本発明の１側面によると、無炎燃焼器は、
一端が酸化剤入口に連通しており、他端が燃焼生成物出口に連通している軸方向燃焼室と、
軸方向燃焼室の内側に配置された燃料導管であって、燃料供給源に連通すると共に燃料導管に沿って各々区間距離を隔てて配置された複数のオリフィスを介して燃焼室に連通する燃料容積を規定しており、酸化剤が燃焼室を通過できると共に、酸化剤が入口端部から燃焼生成物出口まで通過するにつれて燃料容積からオリフィスを通って供給される燃料と混合できる前記燃料導管と、
軸方向燃焼室の内側に配置されており、燃料と酸化剤の混合物の自己発火温度を非触媒自己発火温度から触媒自己発火温度まで下げるために有効な触媒表面と、
燃料がオリフィスを通過する時に燃料が発火する温度よりも高い温度まで少なくとも１個のオリフィスの近傍で燃料導管を加熱するために有効な量の電流を燃料導管に流すために有効な電源を含む。
好ましくは、触媒表面は燃料導管の外側表面及び／又は燃焼室の内側表面を含む。触媒表面はパラジウムを含むことも好ましい。
本発明の別の側面によると、無炎燃焼器は、
一端が酸化剤入口に連通しており、他端が燃焼生成物出口に連通している軸方向燃焼室と、
軸方向燃焼室の内側に配置された燃料導管であって、燃料供給源に連通すると共に燃料導管に沿って配置された複数のオリフィスを介して燃焼室に連通する燃料容積を規定しており、導電性材料を含む前記燃料導管と、
燃料がオリフィスを通過する時に燃料が発火する温度よりも高い温度まで少なくとも１個のオリフィスの近傍で燃料導管を加熱するために有効な量の電流を燃料導管に流すために有効な電源を含む。
燃焼器を地下坑井の内側に配置し、燃料導管が坑口から吊り下げられた管であり、坑口で電力を供給し、オリフィスの上方よりもオリフィスの近傍のほうが燃料導管の厚みを小さくし、燃料導管を少なくとも１個のオリフィスの下方の点から接地すると好都合である。
本発明は更に無炎燃焼器の発火方法にも関する。該方法は、
一端が酸化剤入口に連通しており、他端が燃焼生成物出口に連通している軸方向燃焼室を配置する段階と、
燃料供給源に連通すると共に燃料導管に沿って配置された複数のオリフィスを介して燃焼室に連通する燃料容積を規定する燃料導管を軸方向燃焼室の内側に配置する段階と、
亜酸化窒素と補充酸素から構成される群から選択される酸化剤を燃焼室に送る段階と、
燃料流を燃料容積に送る段階と、
燃料が酸化剤と混合する時に酸化剤と燃料の反応を生じる温度まで燃料流、酸化剤又は燃料流と酸化剤の両者を加熱する段階と、
燃焼室の内側の温度が空気中の燃料の発火温度を越えるまで酸化剤を燃焼室、燃料を燃料導管に送り続ける段階と、
燃焼室の内側の温度が空気中の燃料の発火温度を越えた後に酸化剤を空気で置換する段階を含む。
本発明の方法は、少なくとも１個のオリフィスの近傍の燃料導管の少なくとも一部で燃料導管を少なくとも２６０℃の温度まで加熱させるために十分な量の電流を燃料導管に流す段階を更に含むと好都合である。
本発明の方法は、触媒表面の近傍で燃料と酸化剤が反応する温度を下げるために有効な触媒表面を燃焼室の内側に配置する段階を更に含むことが好ましい。
本発明の方法の始動相中に使用可能な燃料は水素及び水素と一酸化炭素の混合物であり、これらの燃料は低い発火温度をもつ。
本発明の無炎燃焼法及び燃焼器は亜酸化窒素の生成を最小限にする。従って、亜酸化窒素の形成を排除又は防止するために他の手段は不要である。
以下、添付図面を参考に本発明をより詳細に説明する。
尚、図１は本発明で使用するのに適した燃焼器を示す。
図２はバーナーで消費される燃料の量のプロットであり、本発明の対温度作業性を示す。
本発明の改良を加えて使用可能な無炎燃焼器は米国特許第５，２５５，７４２号に開示されており、その開示内容は参考資料として本明細書の一部とする。本発明の改良は、このような燃焼器の始動に関連する３点の改良を含む。これら３点の改良は個々に使用してもよいが、少なくとも２点を併用するのが好ましい。本発明の３点の改良は、燃料ガス導管を抵抗加熱器として使用して始動用熱を提供する点、燃焼室の内側で触媒表面を使用して燃料の酸化が生じる温度を下げる点、及び空気以外の酸化剤を代用又は空気と併用して始動中の自己発火温度を下げる点である。
本発明の無炎燃焼器の重要な特徴の１つは、断熱燃焼温度よりも有意に低い温度が維持されるように、燃焼室の軸に沿って排熱することである。このため、ＮＯXがほとんど形成されず、また、冶金的要件が有意に減る結果、比較的廉価な燃焼器となる。
一般に、無炎燃焼は燃焼用空気と燃料ガスの２種の流れが混合する時に混合物の温度が混合物の自己発火温度を越えるに十分であり且つ混合時に混合速度による制限下に酸化を生じる温度よりも低い温度まで燃焼用空気と燃料ガスを予熱することにより達成される。流れを約８１５℃〜約１２６０℃の温度まで予熱した後に比較的少量ずつ増量しながら燃料ガスを燃焼用空気と混合すると、無炎燃焼が得られる。増量しながら燃料ガスを燃焼ガス流と混合する結果として、燃料の燃焼により燃焼ガス流の温度が約１０〜１１０℃上昇するようにするのが好ましい。
図１は、本発明を実施可能な熱注入坑井及び燃焼器を示す。加熱しようとする地層１は表土２の下に位置する。坑井３は表土を通って加熱しようとする地層の底部又はその近傍の位置まで延びている。垂直坑井を示したが、坑井は斜めでも水平でもよい。水平に亀裂する地層に水平熱注入坑井を設け、平行駆動法により炭化水素を回収してもよい。このような地層の例は浅いオイルシェール層である。薄い地層に水平加熱器を使用して表土と基盤岩石への熱損失を制限しても有効である。図１に示す態様では、坑井をケーシング４で覆っている。高温に耐えると共に熱を伝達するのに適した特性をもつセメント７で坑井の下部を覆ってもよい。坑井の上部には良好な熱絶縁体であるセメント８を使用してシステムからの熱損失を防ぐようにするのが好ましい。酸化剤導管１０は坑口（図示せず）から坑井の下部まで延びている。燃料導管１２も坑口から坑井の底部まで延びている。燃料導管は燃料導管の内側の燃料容積を規定する。燃料容積は燃料供給源に連通すると共に、複数のオリフィスを介して燃料導管の周囲の燃焼室に連通している。
坑井の高温部の内側でケーシングと導管を覆うのに適した高温セメントは入手可能である。このようなセメントの例は米国特許第３，５０７，３３２号及び３，１８０，７４８号に開示されている。セメントスラリー固形分を基にして約５０重量％を上回るアルミナ濃度とするのが好ましい。
浅い地層では、加熱器を地層に直接ハンマードリルで配置すると有利である。加熱器を地層に直接ハンマードリルで配置する場合には、地層に加熱器をセメントで固定する必要はないが、表面への流体損失を防ぐために加熱器の上部をセメントで固定してもよい。
図１の態様におけるケーシング４の直径の選択はケーシングの費用と地層に熱を伝達可能な速度の折衷である。ケーシングは冶金技術を必要とするため、一般に注入坑井の最も高価な構成要素である。地層に伝達可能な熱はケーシングの直径の増加と共に有意に増加する。一般に内径約１０〜約２０ｃｍのケーシングが仕入原価と熱伝達の最適折衷を提供する。
燃料ガス導管は加熱しようとする地層の内側で導管の縦方向に複数（図例では８個）のオリフィス１３を含む。オリフィスはオリフィス間で酸化剤と燃料の有意反応を生じると共に、オリフィス間で燃焼室の縦方向にヒーターから排熱できるように十分な距離を隔てている。オリフィス１３は燃料導管１２により規定される容積と軸方向燃焼室の連通を可能にする。複数のオリフィスは加熱しようとする地層の内側の発熱の分配を可能にする。酸化剤／燃焼生成物流に燃料が段階的に放出される結果、段階的発熱を生じ、図１の態様のように坑井から均一な熱伝達が得られ、坑井の内側の温度は断熱燃焼温度を十分に下回る。高温が避けられるので冶金的要件が有意に低減し、設備費が低減する。更に、断熱燃焼温度を十分に下回る温度であれば、ＮＯXの生成も避けられる。
オリフィスはケーシングの内側にほぼ均一な温度分布を達成するような寸法に形成される。ケーシングの内側の温度分布がほぼ均一であるならば、加熱しようとする地層の内側の熱分布もより均一になる。地層の内側の熱分布がほぼ均一になると、伝導加熱炭化水素回収法の熱利用効率が上がる。更に、温度分布が均一になるほど、同一発熱量で最高温度は低くなる。バーナーと坑井システムの製造材料は最高温度の決定要素であるため、温度分布が均一であるならば、同一製造材料で可能な発熱量が増加する。オリフィスの数は使用するオリフィスの寸法のみに制限される。多数のオリフィスを使用するほど、一般に寸法は小さくなる。小さいオリフィスは大きいオリフィスよりも目詰まりし易い。オリフィス数は温度分布の均一性と目詰まりの可能性の折衷である。
オリフィスの数、寸法及び間隔と燃焼室からの排熱は、燃焼器の内側の最高温度が約１１００℃未満となるように選択するのが好ましい。この結果、市販材料で長い有効寿命が得られる。
本発明の燃焼器の運転においては燃料オリフィス間で燃焼室から排熱することが重要である。本発明を坑井熱インジェクターに適用する場合には、坑井の周囲の地層に熱が伝達される。本発明の加熱器は蒸気発生及び化学産業又は製油所プロセスヒーター等の他の用途にも使用できる。
また、燃料導管でなく燃焼用空気導管にオリフィスを設けることにより空気及び／又は別の酸化剤を燃料に段階的に添加してもよい。
坑井の底部に輸送された燃料と酸化剤は導管１４の周囲の坑井容積の内側で混合して反応し、燃焼生成物を形成する。この容積は本発明の軸方向燃焼室である。燃焼生成物は坑井内を上昇し、坑口の排出口から排出される。汚染物質を除去するように燃焼生成物を処理してもよいし、燃焼生成物からエキスパンダータービン又は熱交換器によりエネルギーを回収することも望ましい。
燃焼生成物が加熱中の地層の上まで坑井内を上昇するにつれて流れ導管内を下降する酸化剤及び燃料と燃焼生成物の間で熱交換が行われる。この熱交換はエネルギーを保存するだけでなく、本発明の望ましい無炎燃焼を可能にする。燃料と酸化剤は夫々の流れ導管を下降するにつれて十分に予熱され、最終混合点における２つの流れの混合物は混合物の自己発火温度を上回る温度となる。無炎燃焼の結果、輻射熱源としての火炎が避けられる。従って、熱は坑井からほぼ均一に伝達される。
電気絶縁カップリングの下の坑口の近傍でクランプ１６又は他のコネクションにより電気リード１５を燃料導管１２に接続すると、燃焼器の初期加熱及び始動用電気エネルギーを供給することができる。燃料導管１７の周囲と酸化剤導管１８の周囲に１個以上の導電性セントラライザーを設けて坑井の底部の近傍で接地してもよい。電気接地用セントラライザーの上方の燃料導管のセントラライザーは電気絶縁性セントラライザーである。燃料ガス導管に電気エネルギーを加えるとオリフィスの上方に僅少の抵抗加熱とオリフィスの下方に有意加熱を生じるように、オリフィスの近傍で燃料導管の壁厚を薄くするのが好ましい。燃料が酸化剤と混合するにつれてオリフィスから流動酸化剤（空気）流に流入する燃料が燃料−酸化剤混合物の自己発火温度以上となるように十分な熱を加えることが好ましい。燃料と酸化剤の混合物がこれらの始動条件で混合物の自己発火温度を上回るようにするとより好ましい。こうすると、燃料はオリフィスを通過してオリフィス間で酸化剤と混合する時に発火する。
オリフィスの近傍に触媒表面１９を設けることにより、燃料−酸化剤混合物の自己発火温度を下げることが好ましい。この触媒表面は酸化剤導管１０の内側表面に設けるのが好ましい。あるいは、燃料導管にこのような表面を設けてもよいし、管又は触媒を含む表面を酸化剤導管の内側に別個に配置してもよい。例えば酸化剤導管の外側の燃焼生成物環状部に他の触媒表面を設けてもよい。この付加的触媒表面により、坑井の内側で完全燃焼が生じるように確保できる。触媒表面は、燃料の酸化が生じる温度を下げることにより、燃焼器が運転可能な温度範囲を有意に増加することもできる。
本発明の無炎燃焼器の始動は、始動相中に補充酸化剤を供給することにより、及び／又はより低い自己発火温度をもつ燃料（例えば水素）を使用することにより更に強化できる。好ましい酸化剤としては補充酸素と亜酸化窒素が挙げられる。水素は天然ガス流と共に供給してもよいし、一酸化炭素及び／又は二酸化炭素と共にシフトガスとして供給してもよい。二酸化炭素は存在しないほうが好ましいが、許容できない訳ではなく、多少の二酸化炭素を除去しても経済的に見合わない。
許容可能な触媒材料としては貴金属、半貴金属及び遷移金属酸化物が挙げられる。一般に、本発明では公知酸化触媒が有用である。前記金属又は金属酸化物の混合物も有用である。
始動用酸化剤及び／又は燃料は、燃焼器が燃料としてメタン（天然ガス）及び酸化剤として空気を使用して運転できるように十分な温度まで加熱される（即ち燃焼器が空気中のメタンの自己発火温度を上回る温度まで昇温する）までの期間だけ使用するのが好ましい。
炭素形成抑制剤を燃料流に加えずに無炎燃焼を得るためにメタン等の燃料ガスを予熱すると、燃料導管の内側に炭素の有意発生が生じる恐れがある。炭素形成抑制剤は二酸化炭素、水蒸気、水素又はその混合物であり得る。水素は一般に原価が高いので、二酸化炭素と水蒸気が好ましい。
無炎燃焼は一般に酸化剤流と燃料の反応が混合により制限されず且つ混合流が混合流の自己発火温度よりも高い温度にあるときに生じる。これは、混合点で高温を避け、酸化剤含有流に燃料を比較的少量ずつ増量しながら混合することによって達せられる。火炎が存在すると、未燃焼燃料と燃焼生成物の界面が光って見える。火炎の形成を避けるためには、燃料と酸化剤を混合前に約８１５℃〜約１２６０℃の温度まで加熱することが好ましい。より迅速な混合が得られるように燃料を比較的少量ずつ増量しながら酸化剤流と混合するのが好ましい。例えば、燃料によって流れの温度を約２８〜約５６℃上昇できるように十分な燃料を増量しながら加えればよい。
本発明の無炎燃焼の始動用初期熱を提供するために抵抗加熱器として燃料導管を使用すると、いずれにしても燃料導管が存在し、この燃料導管は一般に比較的厚い金属の導電性材料から製造され、信頼できる加熱器であると予想されるので、有意改良が得られる。燃料導管の厚さを変えると、燃料導管の長さの予め選択されたセグメントで発熱させることができる。例えば坑井熱インジェクター用途では、最高燃料濃度で混合ガス流を発火させるように坑井の最下位の部分を電気的に加熱し、排ガスが坑井内を上昇する前に燃料を燃焼させることが望ましい。電気エネルギーで坑口で燃料導管に接続し、燃料導管を絶縁ハンガーにより支持し、絶縁セントラライザーで空気供給導管の内側に集中させておくことができる。その後、加熱器として使用するセグメントの下方で燃料導管を接地する。
パラジウム又は白金のような触媒金属を好ましくはブラシ電気めっきにより燃焼室の内側の表面に被覆すると、低温での燃料の酸化を強化することができる。このような触媒表面は２６０℃程度の低温で空気中でメタンの酸化を促進するのに非常に有効であることが判明した。この反応は触媒表面で迅速に生じ、一般に触媒表面に隣接する境界層内のガスはすぐに完全反応する。燃焼室の内側の有意触媒表面をもつ利点は、無炎燃焼器が運転可能な温度範囲を有意に増加できることである。
実施例
熱反応器を使用し、燃料、酸化剤及び触媒表面の種々の組み合わせで酸化反応が生じる温度を調べた。反応器は２．５４ｃｍステンレス鋼管に電気抵抗加熱コイルを巻き、絶縁被覆した。管の外側表面に隣接する絶縁の下に温度制御用熱電対を配置した。管の内側の入口、中間部及び出口にも熱電対を配置した。貴金属試験リボン又は貴金属コーティング付きステンレス鋼ストリップを管に吊り下げ、触媒活性を試験した。所望の試験温度よりも多少低い温度まで予熱した空気を管の電気加熱試験セクションに注入した。試験セクションに所望の温度が得られ、管の内側に配置した熱電対により定常状態に達したと測定されるまで電気抵抗加熱器への電力を変化させた。次に混合用Ｔ字管を通して予熱空気流に燃料を注入し、電気加熱試験セクションに流入させた。幅０．３２ｃｍ、長さ約４０ｃｍの４個の白金リボン又は両面に白金もしくはパラジウムを被覆した幅０．９５ｃｍ、厚さ約０．１６ｃｍ及び長さ約４０ｃｍのステンレス鋼ストリップを管内に吊り下げて触媒活性を試験した。試験セクションが触媒被覆ストリップ又は貴金属リボンを含み、触媒自己発火温度以上であるときには、燃料を加えると内側中間及び出口熱電対で昇温した。触媒自己発火温度未満ではこのような温度は観察されなかった。触媒被覆ストリップ又は貴金属リボンが存在しない場合には、試験セクションを燃料の自己発火温度まで加熱しないと昇温は観察されなかった。非触媒及び触媒自己発火温度の測定値を表に要約し、非触媒及び触媒自己発火温度の測定値を測定自己発火温度と呼ぶ。
0003747066.tif 000002
表から明らかなように、Ｎ2Ｏを燃料流に加えると混合物の測定自己発火温度は大幅に低下する。更に、燃料として水素を加え、触媒表面を存在させた場合も動的自己発火温度は有意に低下する。
長さ３．０４８ｍの試験燃焼器を使用して分配燃焼器用途で１インチ反応器の結果を試験した。外径２．５４ｃｍの燃料ガス管を内径５．０８ｃｍの燃焼管内に配置した。燃料注入管は燃焼管の入口端部の近傍に配置した燃料注入口に燃料を供給する導管として配置した。燃焼管は絶縁管の内側に配置し、燃料供給管に沿って熱電対を配置した。２種の異なる燃焼管を使用した。一方の燃焼管は“ＨＡＹＮＥＳ  １２０”合金のストリップから製造した。このストリップは片側にパラジウムを平均厚０．０００２５４ｃｍまで電気ブラシめっきした。その後、ストリップに裂け目を作成し、スエージ加工し、内側表面にパラジウムコーティングを付けた長さ３．０４８ｍの管に溶接した。他方の燃焼管は“ＨＡＹＮＥＳ  １２０”合金の標準７．６２ｃｍ管とした。“ＭＡＸＯＮ”バーナーを使用して長さ３．０４８ｍの燃焼管に燃焼ガスを供給し、種々の量の空気及び／又は他の添加剤をバーナーと燃焼管の間の混合セクションで“ＭＡＸＯＮ”バーナーからの排出ガスと混合した。燃焼管の内側で均一温度を維持するために、各々それ自体の制御装置を備える３個の電気加熱器を燃焼管の外側に縦方向に配置した。
パラジウム被覆燃焼管とパラジウムで被覆しなかった燃焼管で一連の試験を行った。温度約１５℃及び圧力１気圧で測定した場合に、燃料ガスを燃料ガス注入口から約０．６３５ｍ3／時の速度で注入し、バーナー空気と二次空気を含む空気を約３７４ｍ3／時の速度で注入した。燃焼管の出口に目標温度を提供するために十分な燃料をバーナーに供給した。触媒構成（線Ａ）と非触媒構成（線Ｂ）で注入したメタンの燃焼百分率を燃焼管入口温度の関数として図２に示す。図２から明らかなように、装置を運転可能な最低温度である約２６０℃でパラジウム被覆燃焼管ではメタンの５５％が酸化された。最低運転温度は２６０℃よりも多少低くてもよいと思われるが、入手可能な装置は２６０℃よりも低温で運転することができなかった。パラジウムコーティングのない燃焼管を使用すると、約７０４℃でメタンの酸化が多少生じ、約８１６℃の温度ではメタンの酸化が迅速に生じた。８７１℃以上の温度では、パラジウム表面の有無に拘わらずメタンの酸化は迅速で完全であるため、パラジウム表面の存在は効果がない。
７０４℃未満でメタン酸化が温度に依存しないことは、パラジウム表面の表面で境界層内のメタンが迅速に酸化することと、反応速度でなくこの境界層へのメタンの輸送がメタンの酸化程度を決定することを裏付けていると思われる。約７０４℃以上の温度では熱酸化が優勢となり、この熱酸化により温度依存性である。
【図１】
0003747066.tif 000003
【図２】
0003747066.tif 000004