BR112021008125A2 - sistema, gerador de potência terrestre, industrial, comercial, marinho ou aéreo, veículo terrestre, marinho ou aéreo móvel, e, métodos para a operação do sistema de motor de turbina a gás e para a operação de um motor de turbina a gás de recuperação - Google Patents

Abstract

SISTEMA, GERADOR DE POTÊNCIA TERRESTRE, INDUSTRIAL, COMERCIAL, MARINHO OU AÉREO, VEÍCULO TERRESTRE, MARINHO OU AÉREO MÓVEL, E, MÉTODOS PARA A OPERAÇÃO DO SISTEMA DE MOTOR DE TURBINA A GÁS E PARA A OPERAÇÃO DE UM MOTOR DE TURBINA A GÁS DE RECUPERAÇÃO. A presente revelação se refere a um sistema que compreende um motor de turbina a gás recuperada com um combustor catalítico e a métodos para operação do mesmo, sendo que o combustor catalítico compreende: (a) uma seção a montante que compreende um aquecedor elétrico e (b) uma seção de catalisador a jusante, sendo que a seção a montante e a seção de catalisador a jusante são dispostas em posição adjacente e em comunicação fluida uma com a outra.

Description

1 / 38 SISTEMA, GERADOR DE ENERGIA TERRESTRE, INDUSTRIAL, COMERCIAL, MARINHO OU AÉREO, E, MÉTODOS PARA A

OPERAÇÃO DO SISTEMA DE MOTOR DE TURBINA A GÁS RECUPERADA E PARA A OPERAÇÃO DE UM MOTOR DE TURBINA A GÁS DE RECUPERAÇÃO CAMPO TÉCNICO

[001] A presente revelação se refere a dispositivos e métodos para ignição e controle de misturas de ar/combustível em uma câmara de combustão catalítica, especialmente no interior da câmara de combustão de um motor de turbina a gás recuperada, sendo que esses motores podem ser usados em aplicações de geração de energia e propulsão.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Turbinas a gás são usadas tanto para aplicações fixas quanto móveis para geração de energia e propulsão de veículos em terra, mar e ar. A necessidade de reduzir emissões de escape nocivas de todos os tipos de motores térmicos é bem reconhecida e uma parte fundamental de muitas soluções são sistemas de combustão mais eficientes e mais limpos. No campo de motores de turbina a gás, surgiram tecnologias de combustão para combustíveis líquidos e gasosos, como combustão a seco de baixa emissão de NOx (DLN - "dry-low-NOx"), rica-arrefecimento brusco-pobre (RQL - "rich- quench-lean") e catalítica. Ainda não se conseguiu superar as soluções catalíticas no que se refere a reduções de óxidos de nitrogênio, mas tipicamente necessitam de alguma forma de pré-queimador para manter o catalisador acima da temperatura de desligamento, comprometendo assim o desempenho das emissões.

[003] Na área de transporte terrestre, há um movimento na direção de com eletrificação e "zero emissões" criando uma demanda por motores ultralimpos pequenos para veículos elétricos híbridos e de alcance estendido. Motores de pistão com emissões pós-tratamento não podem competir com o

2 / 38 desempenho de quase zero NOx de uma turbina a gás equipada com combustor catalítico, nem as turbinas a gás com combustores DLN ou RQL. Os combustores DLN podem atingir tipicamente cerca de 8 a 10 ppm de NOx, enquanto uma turbina de combustão catalítica produzirá leituras de cerca de 1 a 2 ppm de NOx, e isso é geralmente atribuído ao nitrogênio transportado por combustível, tornando combustores catalíticos essencialmente zero NOx. Devido ao fato de que turbinas a gás recuperadas funcionam com misturas de combustível/ar muito mais pobres do que turbinas a gás de ciclo simples, elas podem atingir emissões mais baixas de CO e hidrocarbonetos não queimados. Por estas razões, a combinação de uma turbina a gás recuperada com combustão catalítica oferece quase zero emissões (excluindo H2O e CO2) ao queimar combustíveis HC.

[004] Tipicamente, sistemas de combustão catalítica são bastante eficazes na redução da quantidade de emissões indesejáveis, resultantes de combustão incompleta, uma vez que se obtêm condições de operação estáveis. Entretanto, durante a inicialização inicial da turbina ou do motor, a quantidade de emissões pode estar acima dos limites desejados. As quantidades de emissões indesejáveis são geralmente mais altas durante as condições de inicialização porque a combustão catalítica é dependente da temperatura, sendo mais eficiente em temperaturas mais altas, e, durante a inicialização, o catalisador não está em uma temperatura na qual ele é mais eficaz. Várias estratégias foram empregadas para resolver este problema, mas cada uma é deficiente seja em termos de complexidade ou de eficácia. Implementações de combustores catalíticos têm sido relativamente complexas.

[005] Turbinas a gás recuperadas, como o extensor de alcance Capstone, usam combustores DLN e atingem emissões de NOx abaixo de 10 ppm quando operadas com gás natural. Emissões similares são atingidas com combustíveis líquidos, mas apenas com a adição de bocais de atomização

3 / 38 auxiliados por ar, que exigem a adição de um compressor de ar separado.

[006] A injeção de combustível pré-compressor não é viável em turbinas a gás com combustores convencionais (não catalíticos) porque a razão ar/combustível é pobre demais para sustentar a combustão. O combustível é normalmente injetado em uma câmara após o compressor de tal modo que uma zona rica local suporte combustão contínua apesar de a razão ar/combustível global ser pobre demais para suportar a combustão. Por outro lado, combustores catalíticos podem sustentar a combustão com razões ar/combustível muito pobres, tornando a completa pré-mistura de combustível e ar possível em turbinas a gás. Isso torna possíveis sistemas de combustível inovadores que oferecem simplificação e reduções de custo.

[007] O documento US 6.302.683 revela um sistema em que dois catalisadores são acoplados em série aos catalisadores a montante sendo aquecidos, incluindo eletricamente aquecidos. Nota-se que a unidade a montante só é usada no modo de inicialização e pode ser muito menor que a unidade a jusante. Isto reduz as demandas de energia elétrica do sistema, mas cria complexidade e volume adicionais porque é necessária uma seção de difusor cônico entre os dois núcleos de catalisador.

[008] A presente revelação aborda ao menos algumas das deficiências da técnica anterior.

SUMÁRIO

[009] A presente revelação se refere a um sistema de motor de turbina a gás recuperada que emprega combustão catalítica. Mais especificamente, esta revelação se refere a um combustor que tem uma estrutura catalítica, que pode ser eletricamente aquecida até uma temperatura predeterminada antes da inicialização da turbina, ou a qualquer outro sistema com o qual ele seja usado, de modo a reduzir a complexidade e obter emissões reduzidas durante a inicialização do sistema. O aquecimento elétrico poderia ser obtido por a) elemento(s) de resistência; b) correntes parasitas

4 / 38 magneticamente induzidas; ou c) aquecimento eletromagnético de alta frequência (micro-ondas).

[0010] Em alguns aspectos, o sistema que compreende um combustor catalítico compreende: (a) uma seção a montante que compreende um aquecedor elétrico e (b) uma seção de catalisador a jusante, sendo que as seções de catalisadores a montante e a jusante são dispostas adjacentes e em comunicação fluida uma com a outra.

[0011] Em alguns aspectos, um aquecedor com resistência elétrica é usado como o aquecedor elétrico e é a única fonte de ignição no combustor catalítico ou em outra parte do sistema. Em alguns casos, a seção a montante e a seção de catalisador a jusante são integradas em uma unidade simples. As matrizes catalíticas (núcleos) podem ser um desenho monolítico (fluxo laminar), microlítico ou de fluxo turbulento. Tipicamente, a seção a montante e a seção de catalisador a jusante contêm, cada uma, poros ou canais que possibilitam a passagem de um gás ou um vapor através tanto da seção a montante quanto da seção de catalisador a jusante, e da seção a montante para a seção de catalisador a jusante. Em certos aspectos, a seção a montante é otimizada para condições de inicialização de baixo fluxo e a seção de catalisador a jusante é otimizada para condições de funcionamento. Em alguns aspectos, os poros ou canais na seção a montante e na seção de catalisador a jusante estão em comunicação fluida uns com os outros e são configurados de modo que, quando em uso, a maior parte da combustão ocorra na seção de catalisador a jusante.

[0012] A seção a montante pode não exigir propriedades catalíticas, dessa forma, não compreende um catalisador a montante; enquanto a seção de catalisador a jusante pode compreender um catalisador a jusante.

[0013] A seção a montante pode compreender adicionalmente um

5 / 38 catalisador a montante e/ou a seção de catalisador a jusante pode compreender adicionalmente um catalisador a jusante. O catalisador a montante e o catalisador a jusante podem ser iguais ou diferentes. Um ou ambos os catalisadores a montante ou a jusante podem compreender Ag, Au, Cu, Co, Cr, Fe, Ir, Mo, Mn, Ni, Pd, Pt, Rh, Sc, Ti, V, W, Y, Zn, Zr ou uma combinação dos mesmos, seja em forma metálica ou em forma de óxido.

[0014] O sistema de motor de turbina a gás recuperada pode compreender adicionalmente elementos adicionais, por exemplo um ou mais dentre: (a) um ou mais dispositivos de mistura ou retenção de chama posicionados a jusante da seção a montante e da seção de catalisador a jusante; (b) um dispositivo de vaporização/mistura de combustível/ar posicionado a montante do combustor catalítico, posicionado para fornecer ou modular uma mistura de combustível / ar para o combustor catalítico: (c) um compressor, opcionalmente um compressor de dois estágios com inter-resfriamento, disposto para receber ar e comprimir o ar; (d) um sistema de combustível com a capacidade de fornecer combustível ao compressor, de modo que uma mistura de ar comprimido e combustível possa ser / seja descarregada a partir do compressor; (e) uma turbina disposta para receber os gases de combustão, quando presentes, do combustor catalítico e para expandir os gases para produzir potência mecânica que aciona o compressor opcionalmente através de um ou mais eixos de acionamento mecânicos; (f) um recuperador disposto para receber gases de escape da turbina e ar ou mistura descarregada(o) do compressor e provocar troca de calor entre os mesmos, de modo que o ar ou a mistura possa ser / seja preaquecida(o) antes de entrar no combustor catalítico.

[0015] Esta revelação descreve adicionalmente métodos para a

6 / 38 operação do sistema de motor de turbina a gás recuperada revelado. Em determinados aspectos, os métodos podem compreender: (a) fornecer energia ao aquecedor elétrico (por exemplo um aquecedor com resistência elétrica) para aquecer a seção a montante até uma temperatura pelo menos igual a uma temperatura de desligamento de uma mistura de um combustível e ar, (b) introduzir um fluxo de massa da mistura de ar e combustível na seção a montante aquecida, de modo a iniciar a combustão catalítica na seção a montante aquecida, e (c) aumentar o fluxo de massa da mistura de ar e combustível através do catalisador a montante aquecido, de modo a projetar a mistura de combustão de combustível e ar para dentro da segunda seção de catalisador, sendo que a mistura de combustão tem um calor associado. (d) fazer a transição para modo de funcionamento normal após a temperatura de entrada de combustor atingir a temperatura de desligamento catalítica.

[0016] Aspectos adicionais destes métodos incluem manter o fluxo de massa aumentado da mistura de ar e combustível através do catalisador a montante aquecido, de modo que o calor associado à mistura de combustão de combustível e ar, em contato com a seção de catalisador a jusante, seja suficiente para elevar a temperatura de pelo menos uma porção da seção de catalisador a jusante até uma temperatura de ignição da mistura de um combustível e ar na seção de catalisador a jusante. Nessas circunstâncias, manter o fluxo de massa aumentado pode proporcionar o aquecimento de substancialmente toda a seção de catalisador a jusante até a temperatura de ignição catalítica da mistura de um combustível e ar, de modo que a mistura de combustível e ar, conforme atravessa a mesma, sofra combustão por toda a seção de catalisador a jusante. Uma vez que esta combustão é iniciada, o fluxo de ar/combustível pode ser modulado em uma ou ambas dentre

7 / 38 composição e/ou taxa de fluxo, de acordo com a necessidade do sistema. Uma vez que se consiga uma combustão autossustentável, o aquecedor elétrico pode ser desenergizado mesmo que a temperatura de entrada do combustor seja menor que a temperatura de desligamento.

[0017] Em aspectos adicionais ainda destes métodos, se inclui manter o fluxo de massa aumentado da mistura de ar e combustível através da camada de matriz não catalisadora a montante aquecida, de modo que o calor associado à mistura de combustível e ar, em contato com a seção de catalisador a jusante, seja suficiente para elevar a temperatura de pelo menos uma porção da seção de catalisador a jusante até uma temperatura de ignição da mistura de um combustível e ar na seção de catalisador a jusante. Nessas circunstâncias, manter o fluxo de massa aumentado pode proporcionar o aquecimento de substancialmente toda a seção de catalisador a jusante até a temperatura de ignição catalítica da mistura de um combustível e ar, de modo que a mistura de combustível e ar, conforme atravessa a mesma, sofra combustão por toda a seção de catalisador a jusante. Uma vez que esta combustão é iniciada, o fluxo de ar/combustível pode ser modulado em uma ou ambas dentre composição e/ou taxa de fluxo, de acordo com a necessidade do sistema. Uma vez que uma combustão autossustentável seja obtida, o aquecedor elétrico pode ser desenergizado, mesmo que a temperatura de entrada do combustor seja menor que a temperatura de desligamento.

[0018] Estes e outros aspectos da presente revelação são explicados mais completamente em outra parte do presente documento.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0019] O presente pedido é adicionalmente entendido quando lido em conjunto com os desenhos em anexo. Com o propósito de ilustrar o assunto, são mostradas nos desenhos modalidades exemplificadoras do mesmo. Entretanto, o assunto aqui revelado não se limita aos métodos, dispositivos e sistemas específicos revelados. Além disso, os desenhos não estão

8 / 38 necessariamente desenhados em escala. Nos desenhos:

[0020] A Figura 1 fornece uma representação esquemática de um sistema de uma modalidade de todo o motor/gerador catalítico da presente invenção.

[0021] A Figura 2 fornece um segundo desenho esquemático que mostra características salientes de uma modalidade do combustor catalítico, de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[0022] A Figura 3 fornece uma sequência de inicialização típica do combustor.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE MODALIDADES ILUSTRATIVAS

[0023] Os sistemas e métodos da presente revelação se referem à combinação de uma turbina a gás recuperada com um combustor catalítico eletricamente aquecido. Tais sistemas e métodos podem ser úteis para veículos elétricos híbridos e de alcance estendido para fornecer emissões próximas a zero. O requerente demonstrou modalidades de sistema nas quais o combustor catalítico pode funcionar em baixo fluxo de massa com baixa temperatura de entrada e com aquecimento elétrico sendo necessário apenas por um curto período de tempo. Tais sistemas e métodos possibilitam o aquecimento do recuperador, elevando a temperatura de entrada do combustor acima de temperaturas de desligamento / ignição, após o qual o fluxo pode ser rapidamente aumentado.

[0024] A invenção se refere à combustão de combustíveis líquidos ou gasosos com baixas emissões nocivas com o uso de combustão catalítica, mais particularmente combustão conforme usada em motores de turbina a gás. Os sistemas de combustão catalítica já estão disponíveis comercialmente, mas são complexos e viáveis apenas em escalas de megawatts. Em turbinas a gás menores, o custo e a portabilidade reduzidos impõem soluções de combustor mais simples. Motores de turbina menores têm razões de pressão limitadas e altas eficiências só podem ser obtidas com o uso de retomada ou

9 / 38 "recuperação" de calor de escape. Descobriu-se que o ciclo termodinâmico fundamentalmente diferente usado em turbinas a gás recuperadas cria uma oportunidade para implementação simplificada de princípios de combustão catalítica, em particular, eliminação de queimadores de preaquecimento.

[0025] Na presente invenção, são descritos sistemas e métodos inovadores de motor de turbina a gás que possibilitam excelente desempenho de emissões e projeto e construção de baixo custo simples.

[0026] A presente invenção pode ser entendida mais prontamente por referência à descrição a seguir tomada em conjunto com as figuras em anexo, todas as quais fazem parte desta revelação. Deve ser entendido que esta invenção não se limita às condições, aos produtos, métodos ou parâmetros específicos descritos ou mostrados na presente invenção, e que a terminologia usada na presente invenção tem o propósito de descrever modalidades específicas apenas a título de exemplo e não se destina a limitar qualquer invenção reivindicada. De modo similar, exceto onde especificamente exposto em contrário, qualquer descrição de um possível mecanismo ou modo de ação ou motivo para aprimoramento destina-se a ser apenas ilustrativo, e a presente invenção não deve ser constrita pela exatidão ou inexatidão de qualquer mecanismo ou modo de ação ou motivo sugerido para aprimoramento. Ao longo deste texto, é reconhecido que as descrições se referem a sistemas, métodos para a operação desses sistemas e a equipamento de transporte e geração de energia que emprega esses sistemas. Quando a revelação descreve ou reivindica uma característica ou modalidade associada a um sistema, métodos para a operação de tal sistema, ou equipamento que emprega tal sistema, deve-se considerar que tal descrição ou reivindicação se destina a estender estas características ou modalidade para modalidades em cada um destes contextos (isto é, sistema, métodos para a operação de tal sistema e equipamento que usa tal sistema). O(s) sistema(s)

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[0027] Em algumas modalidades, os sistemas da presente revelação incluem sistemas de motor de turbina a gás recuperada que empregam combustão catalítica, sendo que o sistema compreende um combustor catalítico que tem uma extremidade a montante e uma extremidade a jusante, sendo que o combustor catalítico compreende: (a) uma seção a montante que compreende um aquecedor elétrico e (b) uma seção de catalisador a jusante, sendo que a seção a montante e a seção de catalisador a jusante são dispostas em posição adjacente e em comunicação fluida uma com a outra.

[0028] Esses sistemas podem, também, compreender adicionalmente elementos adicionais descritos em outra parte do presente documento.

[0029] Exceto onde especificado em contrário, o termo "adjacente" se refere a um posicionamento de um objeto em relação ao outro no sentido padrão da palavra, inclusive aqueles significados definidos por ou que sugiram proximidade, de preferência em contato físico um com o outro, isto é, com superfícies contíguas.

[0030] Em algumas modalidades, os dois objetos, por exemplo, a seção a montante e a seção de catalisador a jusante podem compreender um vão de ar em parte ou em todas as superfícies adjacentes entre as mesmas, seja deliberadamente definido ou acidentalmente resultantes de acoplamento incompleto das superfícies contíguas. Onde existe um vão de ar, o mesmo pode estar na ordem de um mm de espessura ou menos, contrastando com a câmara intermediária descrita na patente US n° 6.302.683. Em certas modalidades, o vão de ar pode ser de 5 mm ou menos, 4 mm ou menos, 3 mm ou menos, 2 mm ou menos, 1 mm ou menos, 0,5 mm ou menos ou inexistente. Em certas modalidades, o vão de ar pode fornecer vantajosamente isolamento elétrico entre as seções aquecidas e a jusante.

[0031] Em outras modalidades independentes, os dois objetos, por

11 / 38 exemplo, a seção a montante e a seção de catalisador a jusante, podem compreender um espaçador físico entre elas (por exemplo uma vedação).

[0032] Em outras modalidades preferenciais, a seção a montante e a seção de catalisador a jusante são integradas em uma unidade simples, por exemplo, como uma construção monolítica ou microlítica (por exemplo, conforme descrito nas patentes US n°s 5.051.241 e 5.306.470, que estão aqui incorporadas a título de referência). O acoplamento próximo das duas seções em um invólucro pode minimizar as perdas térmicas e pode resultar em aquecimento precoce da seção de catalisador a jusante. Adicionalmente, no modo de "inicialização" ou "piloto", a troca de calor por radiação entre as duas seções ajuda a sustentar a combustão catalítica sem energia elétrica. Dessa maneira, a seção a montante e a face a montante da seção de catalisador a jusante podem ser mantidas acima da temperatura de desligamento do combustível mesmo quando a temperatura de entrada do combustor estiver a uma temperatura muito mais baixa. Neste modo, o combustor pode fazer a transição para baixas emissões quando medido em %, ppm ou alguma outra razão, mas devido ao fluxo de massa durante este modo ser baixo, apenas pequenas quantidades de emissões de gás nocivas resultam em termos de um ciclo de acionamento automotivo típico.

[0033] Como usado aqui também, os termos "a montante" e "a jusante" podem ser vistos como sinônimos para "primeiro" e "segundo", respectivamente, descrevendo uma disposição em série entre os elementos, até que em uso, sendo que os termos se referem às posições em série relativas das duas extremidades ou seções em relação ao fluxo de gases ou vapores através das mesmas.

[0034] Uma das muitas características dos sistemas revelados é que a seção a montante que compreende o aquecedor elétrico pode ser a única fonte de iniciação no combustor catalítico e nenhuma outra fonte ou sistema de ignição é necessário(a). Embora, em certas modalidades, o sistema possa ou

12 / 38 não ter fontes de ignição separadas, é preferencial que não haja nenhuma fonte de ignição além do aquecedor elétrico, dentro do combustor catalítico ou em outra parte do sistema. Nesse sentido, o termo "ignitor" é entendido como tendo seu significado aceito de um dispositivo para gerar uma faísca ou arco elétrico. Adicionalmente, tal como é revelado em outra parte do presente documento, as misturas de combustível/ar podem ser opcionalmente aquecidas antes de entrarem na extremidade a montante do combustor catalítico. Mas deve ser percebido que estas misturas são mantidas em razões ar/combustível acima de seu limite pobre inflamável.

[0035] Este sistema oferece baixo custo e simplicidade, já que pode operar sem qualquer outra fonte de ignição, reduzindo assim as necessidades de custo de capital e manutenção.

[0036] A seção a montante e a seção de catalisador a jusante contêm, cada uma, poros ou canais que possibilitam a passagem de um fluido (por exemplo, gases, líquidos, vapor ou misturas dos mesmos) que entra, atravessa e sai tanto da seção a montante quanto da seção de catalisador a jusante. Em suas construções, a seção a montante é otimizada, de preferência, para condições de inicialização de baixo fluxo, e a seção de catalisador a jusante é otimizada para condições de funcionamento. Isto pode ser obtido com o fornecimento de alguma combinação otimizada do tamanho ou configuração dos poros ou canais e/ou formulações de catalisador. Por exemplo, os poros ou canais na seção a montante podem ter tamanho maior do que aqueles da seção de catalisador a jusante. Alternativa ou adicionalmente, os poros ou canais na seção a montante podem ser configurados para fornecer uma passagem mais simplificada ou direta dos fluidos do que a seção de catalisador a jusante (por exemplo, a seção a montante é canalizada, enquanto a seção de catalisador a jusante compreende matrizes interconectadas de forma porosa. Em algumas modalidades, a seção a montante e a seção de catalisador a jusante podem ser otimizadas com a inclusão de diferentes níveis

13 / 38 de metais platinoides nas partes frontal e traseira da seção de catalisador a jusante, como aquelas descrita nos documentos US n° 7.998.424 ou US n°

9.341.098, cada uma das quais está aqui incorporada em sua totalidade. Em algumas modalidades, a seção de catalisador a montante será ótima com entre 5 e 200 células por polegada quadrada, enquanto a seção de catalisador a jusante pode ser ótima com células menores, como 200 a 1.000 células por polegada quadrada. Em algumas modalidades, os comprimentos de fluxo ótimos para a seção a montante situam-se entre 5 e 20 mm. Em algumas modalidades, os comprimentos de fluxo para a seção de catalisador a jusante são de 40 a 150 mm. Tais otimizações das seções de catalisador podem proporcionar aquecimento elétrico mais eficiente.

[0037] Pretende-se que a seção a montante opere predominantemente durante operações de inicialização, com mínimo consumo de energia, e que a seção de catalisador a jusante seja o corpo catalítico predominante durante as operações de funcionamento de fluxo total. Nesse sentido, o tamanho relativo da seção a montante pode, tipicamente, ser menor que aquele da seção de catalisador a jusante (isto é, tem densidade celular mais baixa), tanto em termos de tamanho de poro ou canal como em termos de tempo de permanência oferecido aos gases em movimento. Por exemplo, em algumas modalidades, as áreas superficiais internas associadas às duas seções devem ser de modo que a razão entre as áreas superficiais de poro ou canal da seção a montante e aquelas da seção de catalisador a jusante esteja em uma faixa de 0,5% a 5%.

[0038] Em termos de construção, uma ou ambas dentre a seção a montante e a seção de catalisador a jusante podem compreender materiais metálicos e/ou cerâmicos, por exemplo elementos metálicos enrolados ou materiais cerâmicos porosos, ou compósitos dos mesmos. A seção a montante deve mostrar condutividade térmica e/ou elétrica adequada para possibilitar o uso eficiente dos aquecedores com resistência elétrica fixados à mesma.

14 / 38 Materiais exemplificadores de uma ou ambas as seções incluem ligas ou óxidos contendo cromo e alumínio, e um ou mais dentre óxido de silício, óxido de alumínio, óxido de titânio ou óxido de zircônio, óxido de titânio, opcionalmente estabilizado por ítria, cálcia e/ou magnésia.

[0039] A seção a montante pode não ter um catalisador a montante, enquanto a seção de catalisador a jusante pode compreender um catalisador a jusante.

[0040] A seção a montante pode compreender um catalisador a montante e/ou a seção de catalisador a jusante pode compreender um catalisador a jusante. O catalisador a montante pode ser igual ou diferente do catalisador a jusante, assim como podem as quantidades e os métodos nos quais os catalisadores são aplicados às respectivas seções. Em algumas modalidades, um ou ambos os catalisadores a montante ou a jusante compreendem Ag, Au, Ce, Cu, Co, Cr, Fe, Ir, Mo, Mn, Ni, Pd, Pt, Rh, Sc, Sn, Ti, V, W, Y, Zn, Zr ou combinações dos mesmos, seja sob a forma metálica ou sob a forma de óxido. Em algumas modalidades, os catalisadores a montante e a jusante compreendem independentemente metais nobres do Grupo VIII, metais platinoides, metais ou ligas compreendendo Ag, Au, Co, Cu, Ir, Ni, Pd, Pt, Rh ou Zn, ou combinações dos mesmos, ou óxidos compreendendo Cr, Fe, Ir, Mo, Mn, Ti, V, W, Y ou Zr, ou combinações dos mesmos. Em algumas modalidades, os catalisadores a montante e a jusante compreendem, cada um, independentemente, metais nobres do Grupo VIII ou os metais platinoides compreendendo paládio, rutênio, ródio, platina, ósmio e irídio, ou combinações dos mesmos. Para metano ou combustíveis contendo metano, paládio ou platina, ou uma mistura de paládio e platina, pode ser preferencial. Para outro combustível, como gasolina, óleo diesel, combustíveis à base de álcool ou uma variedade de outros combustíveis de hidrocarboneto, paládio e platina podem ser catalisadores preferenciais. Para os outros combustíveis, catalisadores menos ativos podem ser usados

15 / 38 também, inclusive catalisadores de óxido de metais básicos como cobre, cobalto, manganês, cromo, níquel ou outro catalisador de óxido de metais básicos ativos, seja sob a forma de óxido puro, em mistura com outros elementos ou dispersos em um segundo óxido.

[0041] Os catalisadores podem ser depositados diretamente sobre o substrato da seção de catalisador, por exemplo, por técnicas químicas ou de deposição de vapor, ou podem ser aplicados com o uso de métodos de revestimento tipo washcoat. Os materiais adequados para uso no revestimento tipo washcoat incluem, mas não se limitam a, óxido de alumínio contendo opcionalmente aditivos como óxido de silício, bário, lantânio ou magnésio, ou óxido de zircônio com ou sem aditivos como silício. O revestimento tipo washcoat possui, de preferência, uma área superficial de moderada a alta, por exemplo, de 2 a 200 m2/g. O catalisador, ativo para a reação de combustível com oxigênio, pode ser depositado sobre a superfície da camada de revestimento tipo washcoat ou no interior da mesma.

[0042] Dentro da seção de catalisador a jusante, o catalisador a jusante pode ser distribuído uniformemente ou não uniformemente por todo o comprimento ou posicionamento axial do substrato catalisador. Em algumas modalidades, a razão entre catalisador de metal precioso e substrato pode ser variada por zoneamento ao longo do comprimento do substrato catalisador. Em algumas modalidades preferenciais, o zoneamento inclui um carregamento mais alto do catalisador (por exemplo catalisador de platinoide) na região axial a montante do substrato em colmeia e um carregamento de catalisador mais baixo (novamente, por exemplo catalisador de platinoide) na região axial a jusante do substrato. Em outras modalidades, o zoneamento de catalisador é distribuído de maneira oposta (isto é, carregamento mais alto na região traseira em relação à região frontal).

[0043] A lógica por trás da otimização de zoneamento de catalisador seria obter o efeito máximo do catalisador de metal precioso usado. Os

16 / 38 presentes inventores observaram que a extremidade a jusante do substrato catalisador experimenta geralmente as temperaturas mais altas durante a combustão; portanto, esta região do catalisador provavelmente experimentará o nível mais alto de desativação térmica através de sinterização. Nesse caso, uma razão inicial baixa de catalisador: substrato reduzirá a alteração no desempenho em sinterização em alta temperatura. Por outro lado, na extremidade a montante do catalisador, uma razão mais alta entre o catalisador e o substrato melhorará o comportamento de desligamento e serão termicamente sinterizados até um ponto mais baixo do que a extremidade a jusante do substrato catalisador, mantendo assim a eficácia do catalisador, como metal precioso, usado.

[0044] Os materiais promotores de catalisador (conforme descrito em outra parte do presente documento) podem ser beneficamente usados também em quantidades não equivalentes em zoneamento axial do substrato catalisador para promover atividade de desligamento ou minimizar a sinterização térmica.

[0045] Além da seção a montante e da seção de catalisador a jusante, o combustor catalítico pode compreender elementos adicionais para complementar estas seções. Por exemplo, em algumas modalidades, um sistema compreende adicionalmente um ou mais dispositivos de mistura ou retenção de chama, ou corpo não fuselado, posicionados a jusante das seções de catalisador. O propósito desses dispositivos é conter qualquer gás que tenha atravessado as seções de catalisador em um ambiente de modo a possibilitar combustão adicional fora dos volumes internos dos catalisadores. Com parte do processo de combustão sendo completada a jusante do substrato catalisador, a temperatura máxima à qual o substrato catalisador está sujeito pode ser significativamente reduzida. Uma outra vantagem destes dispositivos é que eles possibilitam redução adicional das emissões de HC e CO e reduzem a queda de pressão devido à presença do substrato catalisador.

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[0046] Em algumas modalidades, o sistema pode compreender adicionalmente um ou mais dos seguintes componentes: (a) um compressor disposto para receber ar e comprimir o ar; (b1) um sistema de combustível com a capacidade de fornecer combustível ao compressor, de modo que uma mistura de ar e combustível possa ser / seja descarregada a partir do compressor; (b2) um sistema de combustível com a capacidade de fornecer combustível gasoso ao compressor; (b3) um sistema de combustível com a capacidade de fornecer combustível líquido adequadamente atomizado ao compressor; (c) uma turbina disposta para receber os gases de combustão, quando presentes, do combustor catalítico e para usar os gases quentes para produzir potência mecânica que aciona o compressor; (d) um recuperador disposto para receber gases de escape da turbina e a mistura ou o ar descarregado(a) do compressor e provocar troca de calor entre os mesmos, de modo que a mistura ou o ar possa ser / seja preaquecido(a) antes de entrar no combustor catalítico.

[0047] Tipicamente, o compressor e a turbina são mecanicamente acoplados por ao menos um eixo de acionamento, embora a revelação contemple o uso de sistemas que compreendem dois ou três eixos de acionamento para este propósito.

[0048] Em algumas modalidades, o compressor é um compressor de dois estágios ou de múltiplos estágios (por exemplo, com três ou mais estágios), opcionalmente com inter-resfriamento entre os estágios de compressor.

[0049] O sistema pode compreender adicionalmente um ou mais dispositivos de mistura ou injetores de combustível / ar, opcionalmente posicionados a montante da seção a montante e, em algumas modalidades, a montante do combustor catalítico, posicionados para fornecer ou modular

18 / 38 uma mistura de combustível / ar no combustor catalítico. O combustível e o ar podem ser independentemente medidos neste ou nestes dispositivos de mistura. Para combustível gasoso, como metano ou gás natural, esses injetores / misturadores de combustível podem injetar o combustível e fazer com que ele seja misturado com o ar com o uso de quaisquer dos projetos conhecidos pelos versados na técnica. Para um combustível líquido, como a gasolina, o óleo diesel ou combustíveis à base de álcool, os injetores / misturadores de combustível podem injetar o combustível como uma aspersão de gotículas micronizadas ou atomizadas e fazer com que o combustível vaporize ou evapore para formar uma mistura gasosa na entrada de catalisador.

[0050] Em ainda outras modalidades, o sistema pode compreender portas ou dispositivos em linha adicionais para injetar combustível de hidrocarboneto no compressor, para pré-misturar com ar, ou em passagens em frente ao, ou após atravessar o, recuperador, mas antes de entrar no combustor catalítico, dependendo do tipo de combustível gasoso ou líquido. Em tais situações, o compressor e o recuperador podem ser variadamente usados como dispositivos de vaporização e mistura/atomização.

[0051] Em algumas modalidades, os sistemas podem compreender adicionalmente uma variedade de sensores e mecanismos de controle para monitorar e controlar a operação dos sistemas. Os termopares ou dispositivos de medição de temperatura de resistência podem estar situados em vários locais no combustor catalítico, e em outros lugares por todo o sistema, incluindo fixados à seção a montante e à seção de catalisador a jusante, ou situados bem a jusante das seções de catalisador para medir a temperatura do gás que sai das seções de catalisador ou do combustor. Esses sensores podem, então, ser conectados a um ou mais controladores que monitoram e controlam o sistema como um todo.

[0052] Várias das modalidades reveladas podem ser melhor previstas

19 / 38 com referência às Figuras 1 e 2. A Figura 1 mostra um desenho esquemático de uma turbina a gás de recuperação que compreende o compressor 1, a câmara de combustão catalítica 2 e a turbina 3. O ar 4 é fornecido ao compressor 1, que produz ar comprimido que tem uma pressão mais alta predeterminada e uma temperatura mais alta. O ar comprimido é misturado com um combustível hidrocarbonáceo adequado na seção de mistura de combustível 5 (A, B ou C). Conforme mostrado na Figura 1, a seção de mistura de combustível 5 pode estar situada logo antes do combustor (5A), a montante do recuperador (5B), ou logo antes do compressor (5C). Após a mistura do combustível e do ar, ele é passado para o combustor 2 que é eletricamente aquecido de acordo com a presente revelação. Após o ar comprimido e o combustível terem reagido juntos na presença do catalisador, a mistura gasosa de combustão-produtos com temperatura mais alta resultante é passada para a turbina 3, na qual a energia deste gás é convertida em energia rotacional do eixo de acionamento da turbina 6. A energia rotacional do eixo de acionamento da turbina 6 é usada para acionar o compressor 1, bem como qualquer outro dispositivo de saída, como o gerador 7. O gerador 7 pode dar partida também na turbina a gás.

[0053] A Figura 2 mostra detalhes-chave de um conjunto de combustor catalítico, de acordo com uma modalidade da presente invenção. A mistura de ar-combustível (17) primeiro atravessa a seção a montante aquecida (10), depois atravessa a seção de catalisador a jusante (11), saindo como gás quente (18). As duas seções (10 e 11) podem ser mantidas juntas por um invólucro (12) e pode haver um vão (13) entre as duas seções (10 e 11). Pinos de suporte de cerâmica (15) são usados para colmatar o vão (13). A conexão elétrica (16) pode estar situada fora do invólucro na seção a montante (10). Conforme mostrado na Figura 2, a face frontal da seção de catalisador a jusante (14) é separada da seção a montante (10). Deve-se notar que, embora a unidade na Figura 2 tenha seção transversal redonda, o conjunto de

20 / 38 combustor poderia ser incorporado em outros formatos em seção transversal, como oval, em elipse, em polígonos ou anular ou qualquer outro formato prismático para se adequar a restrições práticas de engenharia e aplicação.

[0054] Por exemplo, em uma modalidade disponível junto à Emitec denominada Emicat™, a (ou o único conjunto de) unidade simples pode compreender uma seção de monólito em colmeia que carrega uma corrente elétrica que aquece resistivamente a folha metálica para aumentar a temperatura do gás que flui através do núcleo de substrato (11). A fatia resistiva (10) (seção a montante) é fixada ao substrato a jusante (11) com pinos cerâmicos (15), que é fixado à manta externa (invólucro) (12) da unidade a jusante (conjunto). A matriz principal (seção de catalisador a jusante) (11) da unidade simples é geralmente projetada para ter uma densidade celular maior que a fatia de aquecimento resistivo (10) (seção a montante) para: maximizar o desempenho catalítico na matriz principal (seção de catalisador a jusante), e a seção a montante facilita e simplifica a matriz conduzida a montante (núcleo).

[0055] A estrutura de substratos metálicos (matrizes ou núcleos) pode ser melhorada através da adoção de estruturas de fluxo não laminar, como:

1. Folha metálica TS™, folha metálica LS™, folha metálica PE™, folha metálica LSPE™ disponíveis junto à Emitec.

[0056] 2. "Microlith"® disponível junto à PCI Inc.

[0057] A seleção de tecnologias de fluxo não laminar neste sistema poderia causar um aumento na contrapressão do combustor para um volume equivalente de catalisador. Tal seleção precisaria habilitar desempenho mais alto, custo mais baixo ou volume de catalisador de combustão mais baixo, ou uma combinação dos mesmos, para evitar um impacto negativo sobre a eficiência do sistema. Aplicações

[0058] Modalidades adicionais incluem qualquer equipamento que

21 / 38 incorpore os sistemas aqui descritos. Por exemplo, qualquer gerador de energia estacionário industrial, comercial, marinho, automotivo ou aéreo que compreende quaisquer dos sistemas incorporados aqui descritos é considerado dentro do escopo da presente revelação incluindo como um "movedor principal" ou fonte de energia auxiliar para uso auxiliar ou como um extensor de alcance.

[0059] De modo similar, qualquer veículo terrestre, marinho ou aéreo móvel que compreende, como um meio de propulsão, quaisquer das modalidades de sistema aqui reveladas são consideradas dentro do escopo da presente revelação. Em particular, automóveis, caminhões ou veículos para uso fora da estrada são considerados modalidades específicas de interesse. Tais sistemas são particularmente atraentes quando uma extensão de alcance de resistência é necessária, por exemplo, quando o sistema é usado para estender o alcance de um veículo elétrico, EV, ou como o motor de combustão de um veículo híbrido plug-in. Métodos para uso dos sistemas

[0060] Além dos sistemas e usos descritos em outra parte do presente documento, a presente revelação inclui aquelas modalidades para uso desses sistemas. Os sistemas de modalidades da presente invenção podem ser vistos como compreendendo dois modos principais de operação: operação de inicialização e de funcionamento.

[0061] Certas modalidades fornecem métodos para a operação de um sistema de motor de turbina a gás recuperada, sendo que cada método compreende uma ou mais das seguintes etapas: (a) fornecer energia ao aquecedor elétrico para aquecer a seção a montante até uma temperatura pelo menos igual a uma temperatura de desligamento de combustível e ar, (b) introduzir um fluxo de massa da mistura de ar e combustível na seção a montante aquecida, de modo a iniciar a combustão

22 / 38 catalítica na seção a montante aquecida, e (c) aumentar o fluxo de massa da mistura de ar e combustível através da seção a montante aquecida, de modo a projetar a mistura de combustão de combustível e ar para dentro da segunda seção de catalisador, sendo que a mistura de combustão tem um calor associado. No contexto de outras discussões da presente invenção, este aspecto dos métodos pode ser descrito em termos de condições de inicialização. Como usado aqui, o termo "ignição" pode ser sinônimo do termo temperatura de "desligamento". Prevê- se que estas condições de inicialização sejam automaticamente controladas com base em parâmetros operacionais detectados.

[0062] A temperatura de reação catalítica da mistura de combustível / ar é claramente definida por vários fatores, incluindo a razão de mistura de ar/combustível, o tipo de combustível (por exemplo, incluindo hidrogênio e hidrocarboneto) e a natureza do catalisador, mas, em cada caso, a temperatura pode ser predeterminada para uma determinada condição. Adicionalmente, o período de tempo durante o qual a energia é fornecida ao aquecedor com resistência elétrica pode ser definido por um tempo predeterminado após a introdução da mistura contendo combustível/oxigênio, ou em resposta à retroinformação de sensor com base na operação das seções de catalisador (por exemplo quando o calor da reação catalítica é suficiente para manter a seção de catalisador a jusante em sua condição de funcionamento estável). Uma vez que estas condições sejam alcançadas, ou uma decisão separada seja tomada por um operador para fazer isso manualmente, ou em qualquer outro momento, os métodos da presente invenção podem compreender adicionalmente a desenergização do aquecedor elétrico, mantendo, ao mesmo tempo, a combustão catalítica.

[0063] Em modalidades adicionais, os métodos podem compreender adicionalmente manter o fluxo de massa aumentado da mistura de ar e combustível através da seção a montante aquecida, de modo que o calor

23 / 38 associado à mistura de combustão de combustível e ar, em contato com a seção de catalisador a jusante, seja suficiente para elevar a temperatura de pelo menos uma porção da seção de catalisador a jusante até uma temperatura de ignição catalítica da mistura de um combustível e ar na seção de catalisador a jusante. Em outras modalidades, o método compreende adicionalmente manter o fluxo de massa aumentado durante um tempo suficiente para possibilitar que substancialmente toda a seção de catalisador a jusante seja aquecida até a temperatura de ignição catalítica da mistura de um combustível e ar, de modo que a mistura de combustível e ar, conforme atravessa a mesma, sofra combustão substancialmente por toda a seção de catalisador a jusante. Em modalidades preferenciais, o método inclui ajustar o fluxo de massa de modo que substancialmente toda a combustão ocorra na seção de catalisador a jusante. No contexto de outras discussões da presente invenção, estes aspectos dos métodos podem ser descritos em termos de condições de funcionamento.

[0064] Em algumas modalidades, a temperatura de operação estável normal do(s) catalisador(es) pode estar na faixa de cerca de 300 °C a cerca de

1.000 °C. Estas temperaturas de operação dependem, em grande parte, da natureza e da configuração do catalisador e das seções de catalisador. Em algumas modalidades, a energia elétrica é primeiramente aplicada ao aquecedor com resistência elétrica para preaquecer a seção a montante até dentro de cerca de 100 °C ou, de preferência, dentro de cerca de 50 °C da temperatura de operação estável desejada, ou até uma temperatura mais alta. Novamente, o aquecedor elétrico (por exemplo aquecedor com resistência elétrica) pode ser desenergizado quando ocorrer quaisquer das seguintes condições: (i) o calor de reação liberado pela reação do combustível e do ar na seção catalítica a montante é suficiente para elevar a temperatura de ao menos uma porção da seção de catalisador a jusante até uma temperatura de ignição da mistura de um combustível e de ar na seção de catalisador a jusante; e/ou

24 / 38 (ii) a mistura contendo combustível/ar na saída do combustor atinge um limite de temperatura predeterminado; e/ou (iii) um período de tempo predeterminado decorreu; e/ou (iv) a mistura de combustível/ar que entra na seção a montante está acima da temperatura de desligamento de catalisador.

[0065] Em uma outra modalidade, a energia elétrica é primeiramente aplicada ao aquecedor elétrico (por exemplo, aquecedor com resistência elétrica) para preaquecer uma seção não catalítica a montante até dentro de cerca de 100 °C ou, de preferência, dentro de cerca de 50 °C da temperatura de operação estável desejada, ou até uma temperatura mais alta. Novamente, o aquecedor elétrico (por exemplo aquecedor com resistência elétrica) pode ser desenergizado quando ocorrer quaisquer das seguintes condições: (i) o calor de reação liberado pela reação do combustível e do ar na seção de catalisador a jusante é suficiente para espalhar a reação através de uma porção crescente da seção de catalisador a jusante. (ii) a mistura contendo combustível/ar na saída do combustor atinge um limite de temperatura predeterminado; e/ou (iii) um período de tempo predeterminado decorreu; e/ou (iv) a mistura de combustível/ar que entra na seção a montante está acima da temperatura de desligamento de catalisador.

[0066] Da mesma forma, os métodos podem compreender adicionalmente modular o fluxo de massa ou a razão entre ar e combustível na mistura de ar e combustível para acomodar necessidades de carga do sistema de motor de turbina a gás recuperada. Estes podem ser manualmente ajustados, mas, em algumas modalidades, é mais eficiente fazê-lo por um sistema de controle dentro do sistema de turbina.

[0067] A operação do sistema de turbina a gás recuperada, em geral, e a seção a montante e a seção de catalisador a jusante especificamente, podem depender também da natureza dos combustíveis empregados, por exemplo da natureza da composição da mistura de combustível e ar sendo introduzida nas seções. A razão entre a quantidade de ar e combustível que é fornecida à

25 / 38 câmara de combustão catalítica é especificada como o valor de λ. O valor de λ é uma medida da razão ar/combustível relativa e constitui a razão entre a razão ar/combustível real e a razão ar/combustível estequiométrica. Valores de λ baixos significam uma mistura de combustível "rica" com uma grande proporção de combustível em relação à quantidade de ar, enquanto um valor de λ alto significa uma mistura de ar/combustível "pobre" com uma quantidade relativamente mais alta de ar na mistura. Na operação dos sistemas revelados, tipicamente a mistura de ar/combustível tem um valor de λ maior que 1, de preferência, em uma faixa de 1,5 a 8, com mais preferência de 4 a 8, em que o valor de λ é uma razão entre a razão ar/combustível real e a razão ar/combustível estequiométrica. Esse valor de λ pode ser modulado durante o curso de combustão dependendo das necessidades do sistema.

[0068] Quando usado como parte de uma turbina a gás recuperada, o catalisador pode sustentar a combustão apesar de uma baixa temperatura de entrada. Isso é obtido com o uso de uma velocidade baixa, tipicamente 5 a 10 vezes mais baixa que a velocidade que ocorre em condições de funcionamento do motor. Neste modo de inicialização, λ é tipicamente mantido entre 1,5 e 7, enquanto a turbina a gás recuperada funcionará com λ entre 4 e 8 dependendo do grau de recuperação. Mantendo o fluxo e λ dentro destes limites, a energia elétrica só é necessária durante um curto período de tempo. Isso possibilita o aquecimento do recuperador e elevar a temperatura de entrada do combustor acima da temperatura de ignição, após isso, o fluxo pode ser rapidamente aumentado para condições de operação de turbina a gás.

[0069] Algumas modalidades da presente revelação incluem os métodos para a operação de um motor de turbina a gás de recuperação, conforme descrito aqui, sendo que os métodos compreendem uma ou mais etapas de: (a) fazer fluir pelo menos o ar através do compressor; (b) fornecer energia ao aquecedor elétrico para aquecer a seção

26 / 38 a montante até uma temperatura pelo menos igual a uma temperatura de ignição de uma mistura de um combustível e o ar; (c) introduzir um fluxo de massa da mistura do combustível e ar na seção a montante aquecida, de modo que a mistura de combustível e ar sofra combustão na seção a montante; (d) aumentar o fluxo de massa da mistura do combustível e ar, de modo que o fluxo de mistura de combustão aqueça a seção de catalisador a jusante até uma temperatura acima de uma temperatura de ignição da seção de catalisador a jusante; (e) manter o fluxo de massa da mistura de combustível e ar através da seção de catalisador a jusante e a montante de modo que a mistura de combustível e ar, à medida que ela atravessa a seção de catalisador a jusante, sofra combustão ali para formar gases de combustão aquecidos que saem da seção de catalisador a jusante; (f) direcionar ao menos uma porção dos gases de combustão aquecidos que saem da seção de catalisador a jusante e do combustor catalítico através da turbina para produzir potência mecânica, e usar a potência mecânica, em parte, para acionar o compressor; (g) direcionar alguns ou todos os gases de combustão aquecidos que atravessam a turbina até o recuperador; e (h) usar os gases de combustão aquecidos no recuperador para preaquecer o ar ou a mistura do combustível e ar que é introduzida na seção a montante aquecida a uma temperatura tipicamente acima da temperatura de desligamento do catalisador.

[0070] Uma sequência de inicialização típica do combustor é mostrada na Figura 3, que é tomada de um teste em que o combustor é usado como parte de uma turbina a gás recuperada. Vários parâmetros são mostrados em relação ao tempo, incluindo fluxo de ar e combustível, bem como energia elétrica e várias temperaturas. Três fases ocorrem durante a

27 / 38 sequência de inicialização: Modo elétrico, modo piloto e modo de funcionamento normal. Inicialmente, em (20), a potência é aplicada à camada de aquecedor a montante ou à camada catalítica aquecida e uma pequena quantidade de fluxo de ar é aplicada. Uma vez que a extremidade a montante do catalisador a jusante atinge a temperatura de desligamento catalítica, o abastecimento inicial é aplicado (21). A potência é desligada (23), uma vez que a combustão catalítica está estabelecida e crescente no catalisador a jusante (22). O ar e o combustível são, então, gradativamente aumentados de maneira controlada (24) em modo piloto em uma sequência otimizada até que a temperatura de saída do combustor (entrada da turbina) alvo seja atingida (26). O aumento gradativo é controlado de modo a minimizar emissões gasosas enquanto a temperatura da massa térmica principal da turbina a gás, a recuperada, aumenta. Em (25), o recuperador atinge uma temperatura na qual ele pode fornecer ar ao combustor acima da temperatura de desligamento catalítica. A partir deste ponto, o combustível e o ar podem ser gradativamente aumentados mais rapidamente (27) a uma razão ótima, produzindo a temperatura de entrada da turbina desejada (26). Isso continua até a geração de energia estável seja atingida. Pode-se notar a partir dos traços que a combustão sustentada pode ser obtida no "modo piloto" após a energia elétrica ser desligada, mas enquanto a temperatura de entrada estiver abaixo da temperatura de desligamento do elemento de combustão catalítica. Termos

[0071] Na presente revelação, as formas singulares "um", "uma", "o" e "a" incluem a referência plural, e a referência a um valor numérico específico inclui ao menos aquele valor específico, a menos que o contexto indique claramente o contrário. Dessa forma, por exemplo, uma referência a "um material" é uma referência a ao menos um desses materiais e equivalentes dos mesmos conhecidos pelos versados na técnica, e assim por diante.

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[0072] Quando um valor é expresso como uma aproximação pelo uso do descritor "cerca de", deve-se compreender que o valor específico forma outra modalidade. Em geral, o uso do termo "cerca de" indica aproximações que podem variar dependendo das propriedades desejadas a serem obtidas pelo assunto revelado e deve ser interpretado no contexto específico no qual ele é usado, com base em sua função. O versado na técnica será capaz de interpretar isso como uma questão de rotina. Em alguns casos, o número de algarismos significativos usados para um valor específico pode ser um método não limitador de determinação da extensão da palavra "cerca de". Em outros casos, as graduações usadas em uma série de valores podem ser usadas para determinar o intervalo pretendido disponível para o termo "cerca de" para cada valor. Quando presentes, todas as faixas são inclusivas e combináveis. Ou seja, as referências a valores declarados nas faixas incluem todos os valores dentro daquela faixa.

[0073] Deve-se considerar que certas características da invenção que são, para fins de clareza, descritas na presente invenção no contexto de modalidades separadas, podem também ser fornecidas em combinação em uma única modalidade. Ou seja, exceto quando obviamente incompatível ou especificamente excluída, cada modalidade individual é considerada como sendo combinável com qualquer outra modalidade (ou modalidades), e tal combinação é considerada como sendo outra modalidade. Por outro lado, várias características da invenção que são, para fins de brevidade, descritas no contexto de uma única modalidade, podem ser fornecidas também separadamente ou em qualquer subcombinação. Finalmente, embora uma modalidade possa ser descrita como parte de uma série de etapas ou parte de uma estrutura mais geral, cada uma das ditas etapas pode ser considerada também uma modalidade independente em si, combinável com outras.

[0074] Os termos transicionais "compreendendo", "consistindo essencialmente em" e "consistindo" se destinam a conotar seus significados

29 / 38 geralmente aceitos no vernáculo de patente; ou seja, (i) "compreendendo", que é sinônimo de "incluindo", "contendo" ou "caracterizado por", é inclusivo ou aberto e não exclui elementos ou etapas do método não mencionados adicionais; (ii) "consistindo em" exclui qualquer elemento, etapa ou ingrediente não especificado na reivindicação; e (iii) "consistindo essencialmente em" limita o escopo de uma reivindicação aos materiais ou às etapas especificadas(os) "e aqueles (ou aquelas) que não afetam materialmente a característica (ou características) básica e inovadora" da invenção reivindicada. As modalidades descritas em termos da frase "compreendendo" (ou seus equivalentes) também fornecem, como modalidades, aquelas que são independentemente descritas em termos de "consistindo em" e "consistindo essencialmente em". Para aquelas modalidades fornecidas em termos de "consistindo essencialmente em", a característica (ou características) básica e inovadora é a capacidade dos sistemas de causar combustão eficiente de combustíveis, sem a necessidade de ignitores separados ou de aquecimento das misturas de combustível acima de temperaturas de ignição antes de introduzi-las nos catalisadores. Materiais ou etapas que não prejudicam tal operabilidade são considerados dentro do escopo de tais modalidades.

[0075] Quando uma lista é apresentada, exceto quando especificado em contrário, deve-se compreender que cada elemento individual daquela lista, e cada combinação daquela lista, é uma modalidade separada. Por exemplo, uma lista de modalidades apresentadas como "A, B ou C" deve ser interpretada como incluindo as modalidades "A", "B", "C", "A ou B", "A ou C", "B ou C" ou "A, B ou C".

[0076] Ao longo deste relatório descritivo, deve-se conferir às palavras seu significado normal, conforme seria compreendido pelos versados na técnica relevante. Entretanto, de modo a evitar mau uso, os significados de certos termos serão especificamente definidos ou esclarecidos.

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[0077] "Opcional" ou "opcionalmente" significa que a circunstância descrita subsequentemente pode ou não ocorrer, de modo que a descrição inclua casos em que a circunstância ocorre e casos em que ela não ocorre. De modo similar, as modalidades que se referem a um componente ou etapa como estando "opcionalmente presente", essas modalidades incluem modalidades independentes separadas nas quais a etapa ou o componente está presente ou ausente. A descrição "opcional" permite, mas não exige, que a condição opcional ocorra.

[0078] A seguinte lista de modalidades se destina a complementar, em vez de substituir ou anular, as descrições anteriores.

[0079] Modalidade 1 Um sistema que compreende um motor de turbina a gás recuperada com um combustor catalítico, sendo que o combustor catalítico compreende: (a) uma seção a montante que compreende um aquecedor elétrico e (b) uma seção de catalisador a jusante, sendo que a seção a montante e a seção de catalisador a jusante são dispostas em posição adjacente e em comunicação fluida uma com a outra.

[0080] Em determinados aspectos desta modalidade, a seção a montante e a seção de catalisador a jusante compreendem um espaçador entre elas; em outros aspectos, as duas seções estão em contato físico uma com a outra; em ainda outros aspectos, as duas seções contêm um vão de ar definido entre elas. O vão de ar pode ser importante para evitar curtos-circuitos em substrato metálico. Para um substrato de combinação metálico – cerâmico, pode ser possível evitar um "vão de camada" distinto através do diâmetro do catalisador. Em outros aspectos, pode haver também ligações isolantes de cerâmica entre as duas seções que constituem suporte físico com isolamento elétrico.

[0081] Modalidade 2 O sistema, da Modalidade 1, sendo que a seção

31 / 38 a montante que compreende o aquecedor elétrico é a única fonte de ignição no combustor catalítico. Em aspectos independentes desta modalidade, algumas modalidades têm e não têm fontes de ignição separadas, mas é preferencial que não haja nenhuma fonte de ignição além do aquecedor elétrico. Em outros aspectos, o sistema não contém ignitores adicionais em nenhum lugar do sistema.

[0082] Modalidade 3 O sistema, da Modalidade 1 ou 2, sendo que a seção a montante e a seção de catalisador a jusante são integradas em uma unidade simples. Em determinados aspectos independentes desta modalidade, as duas seções são composicionalmente iguais ou diferentes uma da outra, seja em virtude dos materiais de substrato ou dos materiais de catalisadores contidos em cada seção.

[0083] Modalidade 4 O sistema, de qualquer uma das Modalidades 1 a 3, sendo que a(o)(s) unidade simples/substratos/matrizes/núcleos são "substratos de fluxo laminar monolítico ou são substratos com algum grau de acentuação de turbulência. (Exemplo, "microlith" disponível junto à PCI Inc.).

[0084] Modalidade 5 O sistema, de qualquer uma das Modalidades 1 a 4, sendo que a seção a montante e a seção de catalisador a jusante contêm, cada uma, poros ou canais que possibilitam a passagem de uma mistura inflamável (por exemplo gás ou um vapor) através tanto da seção a montante quanto da seção de catalisador a jusante.

[0085] Modalidade 6 O sistema, da Modalidade 5, sendo que poros ou canais na seção a montante são otimizados para condições de inicialização de baixo fluxo e a seção de catalisador a jusante é otimizada para condições de funcionamento. Em determinados aspectos desta modalidade, os poros ou canais na seção a montante são maiores que aqueles da seção de catalisador a jusante, ou são, de outro modo, modificados para fornecer fluxo menos resistente na seção a montante do que na seção de catalisador a jusante (por

32 / 38 exemplo, pela objetividade da trajetória de fluxo).

[0086] Modalidade 7 O sistema, da Modalidade 5 ou 6, sendo que os poros ou canais na seção a montante e na seção de catalisador a jusante têm volumes associados e a razão entre a área superficial de poro ou canal da seção a montante e aquelas da seção de catalisador a jusante está em uma faixa de cerca de 0,5% a 50%.

[0087] Modalidade 8 O sistema, de qualquer uma dentre as Modalidades 1 a 7, sendo que a seção a montante não compreende um catalisador a montante, dessa forma, a seção a montante não tem quaisquer funcionalidades catalíticas.

[0088] Modalidade 9 O sistema, de qualquer uma dentre as Modalidades 1 a 7, sendo que a seção a montante compreende adicionalmente um catalisador a montante.

[0089] Modalidade 10 O sistema, de qualquer uma dentre as Modalidades 1 a 9, sendo que a seção de catalisador a jusante compreende adicionalmente um catalisador a jusante.

[0090] Modalidade 11 O sistema, de qualquer uma dentre as Modalidades 1 a 10, sendo que o catalisador a montante é diferente do catalisador a jusante. Em determinados aspectos desta modalidade, o substrato catalisador entre a seção a montante e a seção de catalisador a jusante pode ser diferente também.

[0091] Modalidade 12 O sistema, de qualquer uma dentre as Modalidades 1 a 10, sendo que o catalisador a montante é o mesmo do catalisador a jusante. Em determinados aspectos desta modalidade, o substrato catalisador entre a seção a montante e a seção de catalisador a jusante pode ser o mesmo.

[0092] Modalidade 13 O sistema, de qualquer uma das modalidades 1 a 12, sendo que um dentre o catalisador a montante e o catalisador a jusante ou ambos compreendem independentemente Ag, Au, Cu, Co, Cr, Fe, Ir, Mo,

33 / 38 Mn, Ni, Pd, Pt, Rh, Sc, Ti, V, W, Y, Zn, Zr ou uma combinação dos mesmos, seja em forma metálica ou em forma de óxido. Em aspectos independentes desta modalidade, os catalisadores compreendem, independentemente, metais nobres do Grupo VIII. Em aspectos independentes desta modalidade, os catalisadores compreendem, independentemente, metais platinoides. Em outros aspectos, os catalisadores compreendem independentemente Ag, Au, Co, Cu, Ir, Ni, Pd, Pt, Rh, Zn ou combinações dos mesmos. Em ainda outros aspectos, os catalisadores compreendem óxidos de Cr, Fe, Ir, Mo, Mn, Ti, V, W, Y, Zr ou combinações dos mesmos. Em ainda outros aspectos, os catalisadores compreendem Ce e/ou Sn.

[0093] Modalidade 14 O sistema, de qualquer uma das modalidades 1 a 13, sendo que o combustor catalítico compreende adicionalmente um ou mais dispositivos de mistura ou retenção de chama posicionados a jusante da seção de catalisador a jusante.

[0094] Modalidade 15 O sistema, de qualquer uma das Modalidades 1 a 14, que compreende adicionalmente um dispositivo misturador de combustível/ar posicionado a montante do combustor catalítico. Em determinados aspectos desta modalidade, o dispositivo de mistura é posicionado para fornecer ou modular uma mistura de combustível / ar para o combustor catalítico.

[0095] Modalidade 16 O sistema, de qualquer uma das Modalidades 1 a 15, que compreende adicionalmente um ou mais dentre: (a) um compressor disposto para receber ar e comprimir o ar; (b1) um sistema de combustível com a capacidade de fornecer combustível ao compressor, de modo que uma mistura de ar e combustível possa ser / seja descarregada a partir do compressor; (b2) um sistema de combustível com a capacidade de fornecer combustível gasoso ao compressor; (b3) um sistema de combustível com a capacidade de fornecer

34 / 38 combustível líquido adequadamente atomizado ao compressor; (c) uma turbina disposta para receber os gases de combustão, quando presentes, do combustor catalítico e para expandir os gases para produzir potência mecânica que, em parte, aciona o compressor; e (d) um recuperador disposto para receber gases de escape da turbina e o ar ou a mistura descarregada(o) do compressor e provocar troca de calor entre os mesmos, de modo que a mistura possa ser/seja preaquecida antes de entrar no combustor catalítico.

[0096] Em determinados aspectos desta modalidade, (b1), (b2) e (b3) podem ser alternativas para o sistema de combustível, se exigido pelo sistema.

[0097] Modalidade 17 O sistema, da Modalidade 16, sendo que o compressor e a turbina são mecanicamente acoplados por ao menos um eixo de acionamento. Em alguns aspectos independentes desta modalidade, o compressor pode ser um compressor de um estágio, de dois estágios ou de múltiplos estágios. Em aspectos independentes, um compressor de dois estágios é acoplado a uma máquina de dois eixos de acionamento. Em alguns aspectos, um compressor de baixa pressão está conectado a uma turbina de baixa pressão e/ou um compressor de alta pressão está conectado a uma máquina de alta pressão. Em alguns aspectos, um terceiro eixo de acionamento pode ser introduzido para possibilitar que uma turbina de energia seja conectada a um gerador ou a outra carga. O escape desta terceira turbina pode alimentar o recuperador.

[0098] Modalidade 18 O sistema, da Modalidade 16 ou 17, sendo que o compressor é um compressor de múltiplos estágios. Em determinados aspectos, o compressor é um compressor de dois estágios. Em alguns aspectos, o compressor de dois estágios ou de múltiplos estágios é equipado com inter-resfriamento entre os estágios de compressor.

[0099] Modalidade 19 Um gerador de potência industrial, comercial, marinho ou aéreo que compreende o sistema de qualquer uma das

35 / 38 Modalidades 1 a 18.

[00100] Modalidade 20 Um veículo terrestre, marinho ou aéreo móvel que compreende, como um meio de propulsão, o sistema de qualquer uma das Modalidades 1 a 18. Em determinados aspectos desta modalidade, o veículo móvel é um automóvel.

[00101] Modalidade 21 Um método para a operação do sistema de motor de turbina a gás recuperada de qualquer uma das Modalidades 1 a 18, sendo que o método compreende um ou mais dentre: (a) fornecer energia ao aquecedor elétrico para aquecer a seção a montante até uma temperatura pelo menos igual a uma temperatura de ignição de uma mistura de um combustível e ar, (b) introduzir um fluxo de massa da mistura de ar e combustível na seção a montante aquecida, de modo a iniciar a seção a montante de combustão catalítica, e (c) manter ou aumentar o fluxo de massa da mistura de ar e combustível através da seção a montante, de modo a projetar a mistura de combustível e ar para dentro da seção de catalisador a jusante, aumentando assim a reação catalítica.

[00102] Em determinados aspectos desta modalidade, o fluxo de massa da mistura na inicialização está em uma faixa de 5 a 10 vezes menor que a taxa de fluxo de massa que ocorre em condições de funcionamento de motor.

[00103] Modalidade 22 O método, da Modalidade 21, sendo que a reação catalítica é iniciada na seção a montante antes do espalhamento a jusante para a matriz catalítica principal (a jusante).

[00104] Modalidade 23 O método, da Modalidade 22, que compreende adicionalmente manter o fluxo de massa aumentado durante um tempo suficiente para possibilitar que substancialmente toda a seção de catalisador a jusante seja aquecida até a temperatura catalítica ou mais alta da mistura de um combustível e ar, de modo que a mistura de combustível e ar, conforme

36 / 38 atravessa a mesma, sofra combustão por toda a seção de catalisador a jusante. De preferência, devido às proporções relativas entre a seção a montante e a seção de catalisador a jusante e a taxa de fluxo de massa da mistura, a maior parte da, se não substancialmente toda a, combustão ocorre na seção de catalisador a jusante.

[00105] Modalidade 24 O método, de qualquer uma das Modalidades 21 a 23, que compreende adicionalmente modular o fluxo de massa da mistura de ar e combustível para acomodar necessidades de carga do sistema de motor de turbina a gás recuperada.

[00106] Modalidade 25 O método, de qualquer uma das Modalidades 21 a 24, que compreende adicionalmente a desenergização do aquecedor elétrico, enquanto mantém a combustão ao menos na seção de catalisador a jusante.

[00107] Modalidade 26 O método, de qualquer uma das Modalidades 21 a 25, que compreende adicionalmente manter a combustão de uma maneira estável antes de a mistura de entrada ter atingido a temperatura de desligamento catalítica (modo piloto).

[00108] Modalidade 27 O método, de qualquer uma das Modalidades 21 a 26, sendo que a mistura de combustível e ar tem um valor de λ maior que 1, de preferência, em uma faixa de 2 a 5 durante a inicialização e/ou em uma faixa de 4 a 8 durante a operação estável, onde o valor de λ é uma razão entre a razão ar/combustível real e a razão ar/combustível estequiométrica.

[00109] Modalidade 28 O método, da Modalidade 27, que compreende adicionalmente modular o valor de λ da mistura de combustível e ar durante o curso de combustão. Em aspectos independentes, o método compreende modular o valor de λ para misturas mais ricas em combustíveis; em aspectos independentes, o método compreende modular o valor de λ para misturas mais pobres em combustíveis. Em alguns aspectos, o método compreende, alternativamente, aumentar e reduzir a riqueza do fluxo de massa,

37 / 38 opcionalmente em resposta a um mecanismo de controle que monitora o sistema.

[00110] Modalidade 29 Um método para a operação de um motor de turbina a gás de recuperação ou de qualquer uma das Modalidades 16 a 18, sendo que o método compreende ao menos uma das etapas de: (a) comprimir pelo menos o ar no compressor; (b) fornecer energia ao aquecedor elétrico para aquecer a seção a montante até uma temperatura pelo menos igual a uma temperatura de desligamento de uma mistura de um combustível e o ar; (c) introduzir um fluxo de massa da mistura do combustível e ar na seção a montante aquecida, de modo que a mistura de combustível e ar sofra combustão na seção a montante; (d) aumentar o fluxo de massa da mistura do combustível e ar, de modo que o fluxo de mistura de combustão aqueça a seção de catalisador a jusante acima de uma temperatura de ignição da seção de catalisador a jusante; (e) manter o fluxo de massa da mistura de combustível e ar através da seção a montante e da seção de catalisador a jusante de modo que a mistura de combustível e ar, à medida que ela atravessa a seção de catalisador a jusante, sofra combustão ali para formar gases de combustão aquecidos que saem da seção de catalisador a jusante; (f) direcionar ao menos uma porção dos gases de combustão aquecidos que saem da seção de catalisador a jusante e do combustor catalítico através da turbina para produzir potência mecânica, e usar a potência mecânica, em parte, para acionar o compressor; (g) direcionar alguns ou todos os gases de combustão aquecidos que atravessam a turbina até o recuperador; e (h) usar os gases de combustão aquecidos no recuperador para preaquecer a mistura do combustível e ar que é introduzida na seção a

38 / 38 montante aquecida acima da temperatura de desligamento do catalisador.

[00111] Modalidade 30 O método, da Modalidade 29, que compreende adicionalmente modular o fluxo de massa da mistura de combustível e ar introduzida na seção a montante. Em aspectos independentes, o método compreende aumentar o fluxo de massa; em aspectos independentes, o método compreende reduzir o fluxo de massa; em alguns aspectos, o método compreende, alternativamente, aumentar e reduzir o fluxo de massa, opcionalmente em resposta a um mecanismo de controle que monitora o sistema.

[00112] Modalidade 31 O método, da Modalidade 29 ou 30, sendo que a mistura de combustível e ar tem um valor de λ maior que 1, sendo que o método compreende adicionalmente modular o valor de λ da mistura de combustível e ar durante o curso de combustão.

[00113] Modalidade 32 O método, de qualquer uma das Modalidades 21 a 31, sendo que o método compreende adicionalmente a desenergização do aquecedor elétrico.

[00114] Modalidade 33 O sistema, de qualquer uma das Modalidades 1 a 18, sendo que a unidade simples pode ser de seção transversal redonda ou outros formatos em seção transversal, como oval, em elipse, em polígonos ou anular ou qualquer outro formato prismático para se adequar a restrições práticas de engenharia e aplicação.

[00115] Como os versados na técnica entenderão, diversas modificações e variações da presente invenção são possíveis à luz destes ensinamentos, e todas essas são aqui contempladas.

[00116] As revelações de cada patente, pedido de patente e publicação citadas ou descritas neste documento estão aqui incorporadas a título de referência, cada uma em sua totalidade, para todos os propósitos.

Claims (31)

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema caracterizado por compreender um motor de turbina a gás recuperada com um combustor catalítico, sendo que o combustor catalítico compreende: (a) uma seção a montante que compreende um aquecedor elétrico e (b) uma seção de catalisador a jusante, sendo que a seção a montante e a seção de catalisador a jusante são dispostas em posição adjacente e em comunicação fluida uma com a outra.

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a seção a montante compreender adicionalmente um catalisador a montante.

3. Sistema de acordo com a reivindicação 1 ou a reivindicação 2, caracterizado por a seção de catalisador a jusante compreender adicionalmente um catalisador a jusante.

4. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a seção a montante que compreende o aquecedor elétrico ser a única fonte de iniciação no combustor catalítico e nenhuma outra fonte ou nenhum outro sistema de ignição ser necessário.

5. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a seção a montante e a seção de catalisador a jusante serem integradas em uma única unidade.

6. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por uma dentre a seção a montante e a seção de catalisador a jusante, ou ambas, serem matrizes de microcanais de fluxo laminar.

7. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a seção a montante e a seção de catalisador a jusante conterem, cada uma, poros ou canais que possibilitam a passagem de um gás ou de uma mistura combustível através tanto da seção a montante quanto da seção de catalisador a jusante.

8. Sistema de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por os poros ou canais na seção a montante serem maiores que aqueles da seção de catalisador a jusante.

9. Sistema de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado por os poros ou canais na seção a montante e na seção de catalisador a jusante terem áreas superficiais associadas e a razão entre as áreas superficiais de poro ou canal da seção a montante e aquelas da seção de catalisador a jusante estar em uma faixa de 2 a 50%, de preferência, de 5 a 20%.

10. Sistema de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o catalisador a montante ser diferente do catalisador a jusante.

11. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por um dentre os catalisadores a montante ou a jusante, ou ambos, compreenderem independentemente um catalisador compreendendo Ag, Au, Cu, Co, Cr, Fe, Ir, Mo, Mn, Ni, Pd, Pt, Rh, Sc, Ti, V, W, Y, Zn, Zr ou uma combinação dos mesmos, seja sob forma metálica ou sob forma de óxido.

12. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o combustor catalítico compreender adicionalmente um ou mais dispositivos de mistura e/ou de retenção de chama posicionados a jusante da seção de catalisador a jusante.

13. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por compreender um dispositivo de vaporização e/ou um de mistura de combustível/ar posicionado a montante do combustor catalítico, posicionado para fornecer ou modular uma mistura de combustível / ar para o combustor catalítico.

14. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por compreender adicionalmente: (a) um compressor disposto para receber ar e comprimir o ar;

(b) um sistema de combustível operável para fornecer combustível ao compressor, de modo que uma mistura de ar comprimido e combustível possa ser/seja descarregada a partir do compressor; (c) uma turbina disposta para receber os gases de combustão, quando presentes, do combustor catalítico e para expandir os gases para produzir potência mecânica que, em parte, aciona o compressor; (d) um trocador de calor ou "recuperador" disposto para receber gases de escape da turbina e o ar ou a mistura descarregada(o) do compressor e provocar troca de calor entre os mesmos, de modo que o ar ou a mistura possa ser/seja preaquecida(o) antes de entrar no combustor catalítico.

15. Sistema de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por o compressor e a turbina serem mecanicamente acoplados por um eixo de acionamento e/ou onde o compressor for um compressor de um estágio, de dois estágios ou de múltiplos estágios.

16. Sistema de acordo com a reivindicação 14 ou 15, caracterizado por o compressor ser um compressor de dois estágios, com inter-resfriamento entre os estágios de compressor.

17. Gerador de potência terrestre, industrial, comercial, marinho ou aéreo caracterizado por compreender o sistema conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 16.

18. Veículo terrestre, marinho ou aéreo móvel caracterizado por compreender, como um meio de propulsão, o sistema conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 16.

19. Método para a operação do sistema de motor de turbina a gás recuperada conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 16, sendo o método caracterizado por compreender: (a) fornecer energia ao aquecedor elétrico para aquecer a seção a montante até uma temperatura pelo menos igual à temperatura de reação catalítica de uma mistura de uma mistura de combustível e ar,

(b) introduzir um fluxo de massa da mistura de ar e combustível na seção a montante aquecida, de modo a iniciar a combustão catalítica, e (c) manter ou aumentar o fluxo de massa da mistura de ar e combustível através do catalisador, de modo a fornecer uma mistura de combustão de combustível e ar à segunda seção, sendo que a mistura de combustão tem um calor associado.

20. Método de acordo com a reivindicação 19, caracterizado por compreender adicionalmente uma etapa para manter ou aumentar o fluxo de massa da mistura de ar e combustível através do catalisador aquecido, de modo que o calor associado à mistura de combustão de combustível e ar, em contato com a seção de catalisador a jusante, seja suficiente para elevar a temperatura de pelo menos uma porção da seção de catalisador a jusante até uma temperatura de ignição da mistura de um combustível e ar na seção de catalisador a jusante.

21. Método de acordo com a reivindicação 20, caracterizado por compreender adicionalmente uma etapa para manter o fluxo de massa aumentado durante um tempo suficiente para possibilitar que substancialmente toda a seção de catalisador a jusante seja aquecida até pelo menos a temperatura de combustão catalítica da mistura de um combustível e ar, de modo que a combustão catalítica estável seja mantida e possa ser aumentada.

22. Método de acordo com a reivindicação 21, caracterizado por compreender adicionalmente uma etapa para manter ou aumentar o fluxo de massa até que o recuperador seja aquecido até o ponto em que o ar ou a mistura de ar-combustível seja fornecida(o) ao combustor acima da temperatura de desligamento de núcleo do combustor.

23. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 19 a 22, caracterizado por compreender adicionalmente uma etapa para modular o fluxo de massa e a mistura de ar e combustível para acomodar necessidades de carga do sistema de motor de turbina a gás recuperada.

24. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 19 a 23, caracterizado por compreender adicionalmente uma etapa para desenergizar o aquecedor elétrico, ao mesmo tempo em que mantém combustão catalítica estável.

25. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 19 a 24, caracterizado por compreender adicionalmente uma etapa para manter a combustão estável antes de a mistura de entrada ter atingido a temperatura de desligamento catalítico.

26. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 19 a 25, caracterizado por a mistura de combustível e ar ter um valor de λ maior que 1, de preferência, em uma faixa de 1,5 a 8, sendo que o valor de λ é uma razão entre a razão ar/combustível real e a razão ar/combustível estequiométrica.

27. Método de acordo com a reivindicação 26, caracterizado por compreender adicionalmente modular o valor de λ da mistura de combustível e ar durante o curso de combustão.

28. Método para a operação de um motor de turbina a gás de recuperação, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 14 a 16, sendo o método caracterizado por compreender: (a) comprimir pelo menos o ar no compressor; (b) fornecer energia ao aquecedor elétrico para aquecer a seção a montante até uma temperatura pelo menos igual a uma temperatura de ignição de uma mistura de um combustível e o ar; (c) introduzir um fluxo de massa da mistura do combustível e ar na seção a montante aquecida, de modo que a mistura de combustível e ar sofra combustão na seção a montante; (d) aumentar o fluxo de massa da mistura do combustível e ar,

de modo que o fluxo de mistura de combustão aqueça a seção catalítica a jusante acima de uma temperatura de ignição da seção de catalisador a jusante; (e) manter o fluxo de massa da mistura de combustível e ar através da seção a montante e da seção de catalisador a jusante de modo que a mistura de combustível e ar, à medida que ela atravessa a seção de catalisador a jusante, sofra combustão ali para formar gases de combustão aquecidos que saem da seção de catalisador a jusante; (f) direcionar ao menos uma porção dos gases de combustão aquecidos que saem da seção de catalisador a jusante e do combustor catalítico através da turbina para produzir potência mecânica, e usar a potência mecânica, em parte, para acionar o compressor; (g) direcionar alguns ou todos os gases de combustão aquecidos que atravessam a turbina até o recuperador; e (h) usar os gases de combustão aquecidos no recuperador para preaquecer a mistura do combustível e ar que é introduzida na seção a montante aquecida.

29. Método de acordo com a reivindicação 28, caracterizado por compreender adicionalmente modular o fluxo de massa da mistura do combustível e ar introduzida na seção a montante.

30. Método de acordo com a reivindicação 28 ou 29, caracterizado por a mistura de combustível e ar ter um valor de λ maior que 1, sendo que o método compreende adicionalmente modular o valor de λ da mistura de combustível e ar durante o curso de combustão.

31. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 19 a 30, sendo o método caracterizado por compreender adicionalmente a desenergização do aquecedor elétrico.