JP2000509433A - ジメチルエーテル燃料及び乾式低ＮＯ▲下ｘ▼燃焼系における動力発生方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 燃焼室中で燃焼させるために酸素-含有ガスの存在下、燃焼タービン-燃焼室の乾式低ＮＯ_x燃焼室にジメチルエーテル-含有燃料を移送して煙道ガスを形成させ、次いで該煙道ガスをタービンに移送して動力を発生させる方法であって、該燃料は、ジメチルエーテル、少なくとも１種のアルコール並びに、場合により、水及びＣ₁〜Ｃ₆アルカン類からなる群から選択される成分の混合物を含む該方法。本発明の方法で使用する燃料組成物により、乾式低ＮＯ_x燃焼系の安全且つ高度に効率的な操作が可能となり、同時に、ＮＯ_x及び一酸化炭素排出量の発生を最小化することが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】 ジメチルエーテル燃料及び乾式低ＮＯ_x燃焼系における動力発生方法 発明の背景 発明の分野 本発明は、動力の発生に関する。より特定的には、本発明は、タービンの乾式 低ＮＯ_x燃焼系(dry low NO_x combustion system)においてジメチルエーテル燃料 組成物を使用する動力の発生に関する。 関連技術の詳細な説明 燃焼タービン-燃焼室(fired turbine-combustor)の燃焼室で炭化水素燃料を使 用するのは公知である。一般的に、空気及び燃料を燃焼チャンバに供給し、そこ で燃料を空気の存在下で燃焼させて、熱煙道ガスを生成させる。次いで、熱煙道 ガスをタービンに供給して、そこで冷却及び膨張して動力を生成させる。燃料組 成物の副生成物としては、典型的に、環境的に有害な毒素、例えば、窒素酸化物 及び二酸化窒素（集合的にはＮＯ_xと呼ばれる）、一酸化炭素、未燃焼炭化水素 類(例えば、大気中のオゾンの形成に寄与するメタン及び揮発性有機化合物)、及 び硫黄の酸化物(例えば、ＳＯ₂及びＳＯ₃)を含む他の酸化物が挙げられる。 多くの変数の中でも、特定の燃料組成、空気量、特定のタイプの燃焼系、及び 処理条件が、プロセスの全体効率に影響を与える。プロセスの全体効率の最大化 に加えて、燃料燃焼の副生成物として生成した環境的に有害な毒素量を最小化さ せる能力が非常に重要である。 燃料の燃焼においては、２つのＮＯ_x排出源がある。燃焼室の火炎中での大気 中の窒素の固定(熱によるＮＯ_xとして知られる)はＮＯ_xの主な源である。燃料中 に見られる窒素の転換(燃料-結合窒素として知られる)が、ＮＯ_x排出の第２の源 である。燃料-結合窒素から発生したＮＯ_x量は、燃料組成及び燃焼後の煙道ガス 処理を好適に選択することにより制御することができる。発生した熱によるＮＯ_x 量は、燃焼室火炎温度と燃料混合物が火炎温度にある時間量との指数関数であ る。各空気-燃料混合物は、燃焼室中で燃焼した空気-燃料混合物の空気対燃料比 (同 値比：equivalence ratio,φとして表現される)の関数である、特徴的な火炎温 度を有する。従って、発生した熱によるＮＯ_x量は特定の空気-燃料混合物の同値 比及び滞留時間をベースとする。同値比(φ)は、以下の比： φ＝(ｍ_f/ｍ_o)実測値(ｍ_f/ｍ_o)化学量論値 (式中、ｍ_oは酸化剤の質量であり、及びｍ_fは燃料の質量である)により定義され る。 ＮＯ_x生成速度は、火炎温度が化学量論量の、断熱的な火炎温度に等しい場合 、同値比1.0において最高である。化学量論的条件では、燃料及び酸素は完全に 消費される。一般的に、同値比が減少する(即ち、1.0未満であり、空気-燃料混 合物が燃料希薄(fuel lean)である)につれてＮＯ_x生成速度が減少する。同値比 が1.0未満であるとき、より多くの空気及び、従ってより多くの酸素が化学量論 量の燃焼で必要な分以上に利用可能であり、このため、より低い火炎温度となっ て、順に生成したＮＯ_x量も減少する。しかしながら、同値比が減少するにつれ て、空気-燃料混合物は非常に燃料-希薄となり、火炎が十分に燃焼しなかったり 、または不安定となって爆発してしまい得るだろう。同値比が1.0を超える場合 は、利用可能な酸素(燃料-濃厚混合物:fule-rich mixture)によって燃焼し得る 以上の量の燃料となる。この割合であると、火炎温度は断熱的火炎温度より低く なり、順にＮＯ_x形成が大きく減少する。 燃料-希薄混合物を調節し、且つ不安定な火炎の存在及び火炎が爆発する可能 性を避けるために、火炎-ゾーンの空気のごく一部をより低い充填量の燃料と混 合させる燃焼室が開発されてきた。これらの燃焼室系は、当業界では「乾式低Ｎ Ｏ_x:dry low ＮＯ_x」(以後、ＤＬＮと称する)系として公知であり、例えば、Genc ral Electric Company and Westinghouseにより製造されている。上述の操作性 の有利な点をユーザーに提供するのに加えて、ＤＬＮ系はＮＯ_x一酸化炭素及び 他の汚染物質の発生をも最小化する。 ＤＬＮ燃焼室は、火炎ゾーンの空気の画分が低充填量、又は、開始時の燃料と 混合される、段階的に組まれた燃焼室型として一般的に公知である。段階的に組 まれた燃焼室には２種類あり、それらは燃料-段階及び空気-段階である。その最 も簡潔な配置においては、燃料-段階燃焼室は、２つの火炎ゾーンを有し、その 各々は一定の画分の燃焼室気流(airflow)を受容する。燃料流は、各々の燃焼室 操 作モードで段階へ供給された燃料量が利用可能な空気量と釣り合うように、２つ のゾーンの間に分けられる。対照的に、空気-段階燃焼室は、ターンダウン(turn down)を増加させるために、火炎ゾーンから低い充填量の希釈ゾーンへ燃焼室の 気流画分を迂回させるためのメカニズムを使用する。これら２種類の段階的に組 まれた燃焼室は、単一系に統合させることができる。 ＤＬＮ系は典型的に、以下の４種類の別個のモード；第１、希薄-希薄(lean-l ean)、第２、及びプレ-ミックスで操作する。操作の「第１」モードでは、燃料 を系の第１段階の第１ノズルに供給する。このモードにおいて「拡散火炎(diffu sion flame)」と称される火炎は、第１段階にのみ存在する。このモードにおい ては、酸素が反応(上述の如く、化学量論量混合物)中で完全に消費されるように 、局所空気-燃料混合物が実質的に1:1割合であるように火炎が配置される傾向が ある。これは、火炎ゾーンにおける全体の空気対燃料比が燃料-希薄(φ＜1.0)で あり得ても実情はそうなるだろう。この操作モードは一般的に、予定した燃焼室 参照温度まで、低い-充填量から中間の充填量(例えば、天然ガス燃料を使用して 0％〜20％)まで、機械を点火、加速及び操作するのに使用される。このモードで 発生したＮＯ_x及び一酸化炭素排出量は、比較的高い。ＮＯ_x排出量は、火炎中の ピーク温度によって変動し、化学量論量混合物は、所与の燃焼条件で可能な最も 熱い火炎を生じるだろう。 「希薄-希薄」モードでは、燃料は第１及び第２のノズルに供給される。火炎 は、第１及び第２段階のいずれにも存在する。このモードの操作は、予定された ２つの燃焼参照温度の間で、中間の充填量(例えば、天然ガス燃料を使用して20 ％〜50％充填量)に対して通常使用される。従って、このモードもＮＯ_x排出量は かなり高い。 「第２」のモードでは、燃料は、第２のノズルにのみ供給され、火炎は、第２ 段階にのみ存在する。このモードの操作は、通常、「希薄-希薄」と「プレ-ミッ クス」モードの間の転移モードである。第２のモードは、第１のプレ-ミックス ゾーンとなる場所に任意の燃料が導入され得る前に第１段階の火炎を消すのに必 要である。 第４の操作モードは、「プレ-ミックス」モードとして公知である。即ち、燃 料は第１及び第２のノズルのいずれにも供給されるが、火炎は第２段階にのみ存 在 する。燃料のほんの約20％が第２のノズルに供給され、残余は燃焼前に「プレ- ミックス」するために空気と共に第１のノズルに供給される。第１段階は、燃料 及び空気を完全に混合し、次いで均一で希薄の、未燃焼空気-燃料混合物を第２ 段階に輸送するのに役立つ。適当に設計且つ操作すれば、火炎ゾーンに入る化学 量論量又は近-化学量論量の空気-燃料混合物の領域はないはずだから、火炎は断 熱的火炎温度よりも冷たく、同一同値比の空気-燃料混合物の存在下で燃焼する 拡散火炎よりも実質的に少ないＮＯ_xを生成するだろう。このモードでは、ＮＯ_x 排出量は最小で、動力発生は最大(例えば、天然ガス燃料を使用して50％〜100％ )であるため、プレ-ミックスモードは、通常、最も効率的な操作モードであると 考えられている。 ガスタービンを使用する動力発生に関しては、ＤＬＮ燃焼室系は、天然ガス( 非-メタン化合物の種々の量を含む、主としてメタン)を使用するように特別に設 計されている。液体石油ベースの留出物燃料を使用する場合には、そのような燃 焼室系は、ＮＯ_x及びＣＯ排出量を減少させるために追加の蒸気注入(steam inje ction)が必要となるだろう。ガスタービンを使用する動力発生に関しては、他の タイプの燃料、例えば、天然ガスから製造したメタノール若しくはジメチルエー テル、石炭または、ピーク動力使用に関して液体燃料として海洋輸送若しくは貯 蔵され得るバイオマスも提案されてきた。例えば、Bellらの米国特許第4,341,06 9号(1982年７月27日発行)は、少量のメタノール(1.8重量％〜6.1重量％)及び水( 0.6重量％〜2.8重量％)と混合したジメチルエーテルの使用を開示する。そのよ うな燃料は、ＮＯ_x排出量が厳格に規制されていなかった時代の燃焼室系で使用 するために配合されたものである。拡散火炎モードで操作する(天然ガス燃料用 に特に設計された)慣用のガスタービン燃焼室中でそのような燃料を使用すると 、従来の放縦なＮＯ_x排出量基準は満たし得たが、プレ-ミックスモードで操作す るＤＬＮ系でこれらの同様の燃料を使用すると、火炎フラッシュバックの危険性 が高く且つ爆発の危険性が高くなり得る。火炎フラッシュバック時、火炎ゾーン 中の空気-燃料混合物を通って火炎が伝播する速度は、第１の混合ゾーンでの所 与の場所での空気-燃料混合物の速度よりも速い。結果として、慣用の天然ガス 燃料を燃焼させるために設計されたＤＬＮ系は、それらの燃料用の最も効率的な モード、即ち、Bellらの特許中に開示されたような、ジメチルエーテル燃料を使 用するプレ- ミックスモードでは操作できないだろう。 従って、ＤＬＮ燃焼系の効率を改良(例えば、50％以下の充填量でプレ-ミック スモードで操作)し得るジメチルエーテルベースの燃料を提供することが望まし い。また、慣用の天然ガス燃料を燃焼させるために特別に設計されたＤＬＮ燃焼 室中で安全に使用し得る燃料を提供することも望ましい。 発明の概要 本発明の目的は、上記問題の１つ以上を克服することである。 従って、本発明は、ジメチルエーテル-含有燃料組成物を提供し、及び該組成 物を使用して動力を発生させる方法に関する。 本発明の燃料組成物は、ジメチルエーテル、少なくとも１種のアルコール、並 びに場合により、Ｃ₁〜Ｃ₆アルカン及び水から選択される１種以上のブレンドで ある。 本発明の方法では、本発明の燃料を、燃焼タービン-燃焼室(fired turbine-co mbustor)の乾式低ＮＯ_x燃焼室中で燃焼させるための酸素-含有ガスと混合させて 煙道ガスを発生させ、これを動力を発生させるためにタービンへ移送する。 本発明の他の目的及び有利な点は、図面及び付記請求項を結びつけて、以下の 詳細な説明を参照することにより当業者には明らかであろう。 図面の簡単な説明 図１は、従来法による、天然ガス燃料を燃焼するための典型的なＤＬＮ燃焼室 の操作モード及び対応するガスタービン充填量を示すグラフである。 図２は、従来法による、典型的なＤＬＮ燃焼室中の天然ガス燃料の燃焼により 生成したＮＯ_x及びＣＯ排出量を示すグラフである。 図３は、本発明による燃料及び天然ガス燃料に関する、種々の燃焼室出口温度 における典型的なＤＬＮ燃焼室中に知見されるピーク圧力変化を示すグラフであ る。 図４は、本発明の燃料の燃焼に関する典型的なＤＬＮ燃焼室の操作モード及び 対応する充填量を示すグラフである。 図５は、典型的なＤＬＮ燃焼室における本発明の燃料の燃焼により生成したＮ Ｏ_x及びＣＯ排出量を示すグラフである。 図６は、本発明により動力を発生させるために使用したＤＬＮ燃焼室を含むガ ス燃焼タービン-燃焼室(gas-fired turbine-combustor)プロセスを示す概略図で ある。 発明の詳細な説明 本発明の方法により、燃焼用の酸素-含有ガスの存在下、燃焼タービン-燃焼室 の乾式低ＮＯ_x燃焼室にジメチルエーテルベースの燃料を移送して煙道ガスを形 成させ、次いで燃焼タービン-燃焼室のタービンに該煙道ガスを移送することに より、動力を発生させる。該燃料は、ジメチルエーテル、アルコール、並びに場 合により水及びＣ₁〜Ｃ₆アルカン類の１種以上の混合物を含む。 本発明の燃料組成物は、慣用の天然ガス燃料用に設計されたＤＬＮ燃焼系のプ レ-ミックスモード操作時においても安全に使用することができる。プレ-ミック スモードでＤＬＮ燃焼室でこの燃料を使用すると、火炎フラッシュバックの危険 性及び爆発の危険性が大きく減少し、同時に、発生するＮＯ_x排出量を最小量と することができる。さらに、ＤＬＮ燃焼室で本発明の燃料を使用すると、35％程 度の低いガスタービン充填量で低いＮＯ_x/ＣＯ量でプレ-ミックスモードを安全 に操作することができる。 本発明の燃料は、ジメチルエーテル15重量％〜93重量％、少なくとも１種のア ルコール７重量％〜85重量％、並びに水及びＣ₁〜Ｃ₆アルカン類からなる群から 選択される少なくとも１種の成分0重量％〜50重量％を含み、及び好ましくはこ れらのものからなるか、本質的にこれらのものからなる。好ましくは、本発明の 燃料は、ジメチルエーテル50重量％〜93重量％、少なくとも１種のアルコール７ 重量％〜50重量％、並びに水及びＣ₁〜Ｃ₆アルカン類からなる群から選択される 少なくとも１種の成分０重量％〜30重量％を含む。より好ましくは、本発明の燃 料は、ジメチルエーテル70重量％〜93重量％、少なくとも１種のアルコール７重 量％〜30重量％、並びに水及びＣ₁〜Ｃ₆アルカン類からなる群から選択される少 なくとも１種の成分０重量％〜20重量％を含む。最も好ましくは、本発明の燃料 は、ジメチルエーテル80重量％〜93重量％、少なくとも１種のア ルコール７重量％〜20重量％、並びに水、メタン、プロパン及び液化石油ガスか らなる群から選択される成分０重量％〜10重量％を含む。 本発明の燃料中に水及び１種以上のアルコール類が存在すると、原料の合成ガ スのＤＭＥ-ベース燃料への転換に寄与することができる。水及びアルコール類 、例えば、メタノール、エタノール及びプロパノールは、転換時に形成し得且つ ＤＭＥ-ベース燃料の一部として残存する。しかしながら、ＤＭＥ-ベース燃料中 のアルコール類及び水の濃度は、本発明の燃料組成物を得るために容易に調節し 得るので、本発明の燃料の製造には高価なユニット操作は必要ない。Ｃ₁〜Ｃ₆ア ルカン類も、本発明の燃料組成に達するまで添加することができる。 本発明の方法において、圧縮機からの加圧空気を乾式低ＮＯ_x燃焼室中で気化 燃料と混合し、そこで空気の存在下で該燃料を燃焼させて、熱煙道ガスを生成さ せる。次いで、熱煙道ガスをタービン内で膨張させてエネルギーを生成させる。 プレ-ミックスモードで操作するＤＬＮ燃焼室での火炎フラッシュバックの発 生は、燃焼室のプレ-ミックスゾーンでの空気-燃料混合物の点火遅延時間(igint ion delay time)及び滞留時間に関連することが知見された。空気-燃料混合物の 点火遅延時間とは、スパークなどの適用から混合物の実際の点火までの時間であ る。この時間は非常に短時間であるが、単独及び／または互いに組み合わせた本 発明の燃料組成物の種々の構成成分は、所与の燃焼室操作条件に関して、空気- 燃料混合物の点火遅延時間がその滞留時間を超えるようにこの期間を増加させる ことが知見された。滞留時間は、燃焼室中の空気対燃料比、燃焼室外形、並びに 燃焼室の操作温度及び圧力に関連する。 さらに、点火遅延時間は、燃焼室に供給される燃料の特定の組成並びに燃焼室 操作条件(例えば、温度、圧力、動圧など)の関数である。所与の同値比、及び燃 焼室外形に関しては、火炎フラッシュバックは、どちらかというとより長い点火 遅延時間を有する異なる燃料よりもより短い点火遅延時間を有する燃料の燃焼時 に発生する。燃焼室操作条件における空気-燃料混合物の点火遅延時間がプレミ ックス区分でその滞留時間を超えれば、火炎フラッシュバックを最小とすること ができる。従って、本発明の他の好ましい態様では、乾式低ＮＯ_x燃焼室を有す る燃焼タービン-燃焼室中で動力を発生させる改良法を提供するものであり、該 方法では、燃料及び酸素-含有ガス混合物を燃焼室中で燃焼させ、該混合物は燃 焼室で滞留時間及び点火遅延時間を有し、該燃料は、(a)ジメチルエーテル、(b) アルコール並びに、場合により、(c)水及びＣ₁〜Ｃ₆アルカン類からなる群から 選択される少なくとも１種の成分の混合物を含み、(a)、(b)及び、存在する場合 には、(c)の個々の割合は、燃焼室の操作条件下で燃料-ガス混合物の点火遅延時 間がその滞留時間を超えるように選択される改良を有する。 ＤＬＮ燃焼室の操作時、特定の処理条件は、火炎フラッシュバックを統合的に 最小化するのに寄与する。一つの特定の処理条件は、動圧活性(dynamic prcssur e activity)である。動圧活性とは、燃焼室チャンバ内にくまなく知見される圧 力勾配(pressure gradients)をいう。動圧レベルが高いと、空気-燃料プレ-ミッ クスゾーン中の火炎フラッシュバックの確率が増加する。典型的に、動圧レベル が約４psi〜約５psiを超えると、プレ-ミックスモード操作は危険で且つ望まし くない。 各操作モードに付随する充填量範囲は、プレ-ミックスモードが典型的に50％ 〜100％の充填量に関して使用されることを示す。天然ガス燃料の燃焼に関して 図１に示されているように、燃焼参照温度は、タービン充填量がプレミックスモ ードから第２のモードから希薄-希薄モードから第１のモードヘ減少するにつれ て、段々に低下する。図２は、50％以下の充填量で操作する他の操作モードと比 較して、天然ガス燃料の燃焼に関するＮＯ_x排出量は、プレ-ミックスモード操作 時はかなり低いことを示す。 特定のＤＬＮ燃焼室に関しては、図３は、燃焼室出口温度(以後、"ＣＥＴ"と 称する)対天然ガス燃料(ＮＧ燃料)及び本発明の燃料(ＩＮＶ.燃料)に関する動圧 レベルのプロットを示す。2150°Ｆ以下の燃焼室出口温度(ＣＥＴ)での天然ガス 燃料の燃焼は、本発明の燃料の燃焼時に経験されるものよりも、かなり多くの動 圧レベル(ピーク圧力変化として測定)となる。特に、2065°Ｆの燃焼室出口温度 (ＣＥＴ)での天然ガス燃料の燃焼に関する動圧レベルは約4.3psiであるが、本発 明の燃料の燃焼に関する動圧レベルはたったの約１psiである。 2020°Ｆの燃焼室出口温度(ＣＥＴ)でさえも、本発明の燃料の燃焼時に得られ る"プレミックスモード"動圧レベルは、危険と考えられる４psi〜５psiレベルよ りもかなり下である。従って、本発明の燃料は、天然ガスに関して設定された50 ％のタービン充填量限界よりも十分に低い2020°Ｆ付近の温度におけるプレ-ミ ックスモードでＤＬＮ燃焼室を操作可能であるという点で、従来よりもかなり改 良 されている。本発明の燃料を使用すると、40％以下の充填量でＤＬＮ燃焼室のプ レミックスモード操作が可能になり、より低い充填量での燃焼室操作がより効率 的になるため、このことは、従来の燃料よりもかなり好都合である。そのように 低い充填量で燃焼室を操作する能力は、より広範囲の充填量ターンダウン(turnd own)に関してＮＯ_x排出量を減少させることができる。 ＤＬＮ燃焼室において本発明の燃料の燃焼により達成される改良は、図４及び 図５に示されるプロットと図１及び図２に示されるプロットとを各々比較するこ とにより明らかである。図４は、燃料スプリット対充填量のプロットであり、さ らに、本発明の燃料の燃焼時の特定のＤＬＮ燃焼室操作モードについて記載する 。図４と、図１に示されている天然ガス燃料に関する同様のプロットとを対照す ると、本発明の燃料を燃焼するＤＬＮ燃焼室は、天然ガス燃料を燃焼するものよ りもかなり低いタービン充填量でのプレ-ミックスモードで操作することができ ることが明らかである。 プレ-ミックスモードにおいて本発明の燃料の燃焼により達成される低い排出 量は、種々の充填量及びＤＬＮ燃焼室操作モードにおける本発明の燃料の燃焼に より発生した一酸化炭素及びＮＯ.排出量のプロットである、図５にグラフで示 されている。従って、燃焼室のプレ-ミックスモード操作条件下での本発明の燃 料の燃焼により、煙道ガス中酸素レベル15容積％でのＮＯ_xは20ppmvd(100万乾燥 容積ベース当たりの部)以下及び／または約40％以上のタービン充填量での一酸 化炭素20ppmvd以下を有する煙道ガスとなる。従って、本発明の別の好ましい態 様は、乾式低ＮＯ_x燃焼室を有する燃焼タービン-燃焼室で動力を発生させる改良 法を提供するものであり、該方法では、燃料及び酸素-含有ガスの混合物を中の 燃料を燃焼させるための燃焼室を通過させて煙道ガスを生成させ、該燃料は、(a )ジメチルエーテル、(b)アルコール並びに、場合により、(c)水及びＣ₁〜Ｃ₆ア ルカン類からなる群から選択される少なくとも１種の成分の混合物を含み、(a) 、(b)及び、存在する場合には、(c)の個々の割合は、燃焼室の操作条件下で生成 する煙道ガスがＮＯ_x20ppmvd以下及び／または一酸化炭素20pmvd以下を有するよ うに選択される。 図６は、動力を発生させる際に使用するための、一般的に10で示される、乾式 低ＮＯ_x燃焼室系を概略的に示す。空気は、ライン12からコンプレッサー14 を介して供給され、そこで空気が加圧される。加圧空気は、ライン16を通ってコ ンプレッサー14をでる。この空気は次いで、バルブ18を通って、一般的に20で示 される燃焼室に供給される。液体燃料はポンプ22により燃料源(示されていない) から気化器24へ汲み上げられ、そこで液体燃料が気化される。次いで、気化燃料 は供給ライン26を通って燃焼室20に供給される。燃焼室20に供給される気化燃料 量は、バルブ28、30及び32により制御される。バルブ28は燃焼室20への燃料の全 流を制御し、バルブ30は燃焼室20の第１のゾーン36へ第１のノズル34を通って供 給される燃料量を制御し、及びバルブ32は燃焼室20の第２のゾーン40へ第２のノ ズル38を通って供給される燃料量を制御する。気化燃料は燃焼室20で圧縮空気と 混合され、燃焼されて熱煙道ガスを生成する。ＤＬＮ燃焼系10のプレ-ミックス モード操作時、燃焼室20に供給される燃料の約20％が第２の燃料ノズル38を通っ て燃焼室20に導入され、残余は第１の燃料ノズル34を介して供給される。プレ- ミックスモードでは、圧縮空気の一部は、燃焼前に第１のゾーン36内で気化燃料 とプレ-ミックスされる。プレ-ミックスモード、及び図６に示されているように 、火炎42は、第２のゾーン40にのみ存在する。 熱煙道ガスは、燃焼室排気ゾーン44を通って、次に排気ライン46を通って燃焼 室20を出る。この煙道ガスは、ライン16及びバルブ52を通ってコンプレッサー14 から導かれる空気バイパスライン50からの加圧空気とミキサー48で混合され得る 。次いで、煙道ガスはタービン56にライン54を通って供給され、そこで近大気圧 まで膨張し、それにより機械的動力を生成する。ライン58を通ってタービン56に 出る膨張し且つ冷却した煙道ガスは、排気スタック60を通って排出される。図６ に示されているように、タービン56により発生した機械的動力を使用して、シャ フト62によりコンプレッサー14に動力を供給することができる。 燃料構成成分と点火遅延時間との関係 以下詳細に記載するのは、ＤＬＮ燃焼室の安全な操作のために好適な点火遅延 時間を有する燃料組成物を決定するために使用した方法(及びそれにより得られ た結果)である。一般的に、本発明の燃料は、ＤＬＮ燃焼系の安全且つ効率的な 操作を可能にする点火遅延時間を有する。 種々の燃料組成物の点火遅延時間を決定するための実験を、ディーゼルエンジ ンでの燃料の自動点火をシミュレーションするために設計した、一定容積の燃焼 装置(以後、"ＣＶＣＡ"と称する)で実施した。次いで、これらの実験からの測定 値を使用して、プレ-ミックスモードで操作する工業用サイズのＤＬＮ燃焼室で 使用するのに好適な燃料組成を決定した。 ＣＶＣＡは、燃料注入器、圧力トランスデューサー、及び温度センサーを備え たステンレススチール製の容器である。使用した特定のＣＶＣＡの燃焼チャンバ は、直径5.4cmで長さ16.2cmであった。チャンバ外形、寸法、及び注入系は、好 適な空気対燃料比を保証するのに適合していた。 どんな液体燃料をも注入する前に、空気及びメタンなどのガスをＣＶＣＡの燃 焼チャンバ内で混合した。確実に完全混合するためにチャンバ内の壁に対して接 線方向にガスをチャンバ内に導入した。燃料を、シングルショット注入により空 気的に駆動された、ピストン-イン-バレルポンプにより高圧チューブを通して注 入器内に輸送した。ＤＭＥ-メタノール、ＤＭＥ-水、及びＤＭＥ-プロパンブレ ンドなどの燃料を、注入器ユニットへの輸送時に沸騰及びキャビテーション(空 隙形成)を防ぐために加圧下(例えば、210psi)で輸送した。各液体燃料を燃焼チ ャンバ内に注入し、次いで空気-燃料混合物が最初の空気温度よりも冷たかった ので、空気-燃料混合物を形成するために燃料を蒸発させて空気と迅速に混合さ せた。 注入及び燃焼データ並びに温度及び圧力を、Keithlcy Metrabyte 1801HC高性 能カードを備えた90メガヘルツ(ＭＨｚ)Pentium(登録商標)−ベースのコンピュ ーターを利用して測定した。カードにより、シグナルゲインを50:1程度の高さで 330キロヘルツ(ｋＨＺ)までのサンプル速度とした。５ｍｍ直径の磁気近接セン サー(magnetic proximity sensor)をニードルリフトを検出するために注入器の 頭部に取り付けた。 第１セットの注入試験を２種類の燃料サンプル、一方は、純粋なＤＭＥ(即ち 、100重量％ ＤＭＥ)で他方はＤＭＥと水及びメタノールとのブレンドを含むも の、を使用して実施した。第２セットの点火遅延試験は、４種類の燃料サンプル 、ＤＭＥ及び水ブレンド、ＤＭＥ及びメタノールブレンド、ＤＭＥ及びプロパン ブレンド、並びに純粋なペンタンを各々使用して実施した。全ての測定は、約0. 4又は約1.0の空気対燃料比で実施した。第１セットの燃料サンプルから得られた 測定値を、 以下の表Ｉに示す。 表 Ｉ‐ 点火遅延時間(ｍｓ) 第２セットの燃料サンプルから得られた測定値を、以下の表IIに示す。 表 II ‐ 点火遅延時間^* （ｍｓ） ^* 全ての測定は、同値比0.4で実施した。 純粋なＤＭＥをプレミックスした空気-メタンガスを充填した燃焼チャンバ内 に注入した場合でも、点火遅延時間測定を実施した。これらの試験からの測定値 を、以下の表IIIに示す。 表 III ‐ 点火遅延時間 表Ｉの点火遅延時間測定の結果は、ＤＭＥ-メタノール-水ブレンドが純粋なＤ ＭＥよりも顕著に長い点火遅延時間を有していたことを示している。この結果は 、ＤＭＥブレンド燃料中のメタノール含量が増加すると、点火遅延時間も増加す ることも示す。表IIに示された結果は、水及びプロパンは、ＤＭＥの点火遅延時 間を増加させるのに等しく有効であることを示している。表IIIに示されている ように、ＤＭＥブレンド燃料中のメタン含量が増加すると、点火遅延時間も増加 する。 実施例 以下の実施例は、ＤＬＮ燃焼系における純粋なＤＭＥ燃料の燃焼は火炎フラッ シュバックを引き起こすが、本発明の燃料の燃焼は火炎フラッシュバックを起こ さないことを示す。以下の第１の実施例試験の実施は、本発明のＤＭＥブレンド 燃料を使用する工業用サイズのＤＬＮ燃焼室で実施した。第２の実施例試験の実 施は、純粋なＤＭＥ燃料及びＤＭＥブレンド燃料を使用するラボスケールでのＤ ＬＮ燃焼系で実施した。実施例１ 水2.9重量％、メタノール14.2重量％、及びジメチルエーテル82.9重量％から なる液体燃料混合物を、連続して操作する２つの漸進チャンバ(progressive cha mber)タービンポンプにより気化器/過熱器ユニットに汲み上げた。第１のポンプ (移送ポンプとして知られる)は、燃料を約40〜60psigから約300psigに加圧した 。第２のポンプ(ブースターポンプとして知られる)は、圧力を550psigに増加さ せ、約450psigで操作する気化器に液体燃料を汲み上げ、そこで液体燃料を気化 した。 圧縮空気を１秒当たり約44ポンド(lbs/秒)〜約54lbs/秒の速度でＤＬＮ燃焼室 に供給した。圧縮空気温度は、約565°Ｆ〜710°Ｆを変動した。ＤＬＮ燃焼室内 の圧力は、約120psia〜約180psiaを変動した。350°Ｆより高い温度の気化燃料 を、空気流速度の約1.0重量％〜約4.6重量％の速度でＤＬＮ燃焼室に注入した。 燃焼試験結果は、天然ガス及び慣用の留出物燃料用に設計されたＤＬＮ燃焼室 は、プレミックスモードで全くフラッシュバックの問題なく供給された燃料をう まく燃焼させ、且つ天然ガス燃料を目的とする低い排出量条件(例えば、タービ ン排気ガス中15％酸素レベルでＮＯ_x 15ppmvd)を満たした。 上述の如く、工業用燃焼室操作条件下での燃料のフラッシュバック特性及び全 体のタービン系操作性は、典型的に燃焼室動圧活性により影響を受ける。このと き、比較的低い充填量においてさえも、動圧活性は、４psigよりも十分低いまま であり、従って全くフラッシュバックは起こらなかった。 実施例２ ラボスケールでの燃焼室試験を、２種類の燃料(一方は純粋なジメチルエーテ ルであり、他方はメタノール15重量％、水３重量％及びジメチルエーテル82重量 ％からなるジメチルエーテルブレンド)に関するフラッシュバック問題を比較す るために「プレ-ミックス」モード操作におけるＤＬＮ系で実施した。重要な操 作条件については、表IVに示す。同様の燃焼条件に関し、純粋なジメチルエー テルでの実験はひどいフラッシュバック問題(燃料/空気プレミックスチャンバ内 の火炎の存在により示される)を示したものの、ジメチルエーテルブレンド燃料 で実施した実験では、そのようなフラッシュバック問題は全く示さなかった。 表 IV ‐ ラボスケールのＤＬＮ燃焼室試験 （プレミックスモード） 燃 料 純粋ＤＭＥ ＤＭＥブレンド燃料 圧力(Ａｔｍ) 5.2 5.2 ＤＭＥ流(gal/分） 1.7-1.8 1.7-1.8 空気流(lb/分) 3.1 3.1 空気温度(°Ｆ) 740-750 740-750 ＤＭＥ蒸気温度(°Ｆ) 300-310 300-310 フラッシュバック 発生した 発生しない 当業者には本発明の範囲内での変形が明らかであろうが、上記説明は、本発明 を明確に理解するためだけに提供されたものであり、不必要に限定されるべきで はない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウドヴィック，カール・エイ アメリカ合衆国イリノイ州60435，ジョリ ート，バンクビュー・レイン 3526 (72)発明者 ブハタッチャリヤ，アラカナンダ アメリカ合衆国イリノイ州60187，ホイー トン，ヒラム・コート 2230 (72)発明者 グラダッシ，マイケル・ジェイ アメリカ合衆国イリノイ州60563，ネイパ ーヴィル，フォーレスト・ヴュー・コート 1033

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．(a)ジメチルエーテル15重量％〜93重量％： (b)少なくとも１種のアルコール７重量％〜85重量％、並びに (c)水及びＣ₁〜Ｃ₆アルカン類からなる群から選択される少なくとも１種の成分 ０重量％〜50重量％ の混合物を含む燃料組成物。 ２．前記アルコールが、メタノール、エタノール、及びプロパノールからなる 群から選択され、及び前記成分(c)が、水、メタン、プロパン、及び液化石油ガ スからなる群から選択される、請求項１に記載の燃料組成物。 ３．前記ジメチルエーテル80重量％〜93重量％、メタノール７重量％〜20重量 ％、並びに水、メタン、プロパン及び液化石油ガスからなる群から選択される成 分０重量％〜10重量％を含む、請求項１に記載の燃料組成物。 ４．(i)請求項１に記載の燃料組成物を、燃焼用の酸素-含有ガスの存在下で燃 焼タービン-燃焼室の乾式低ＮＯ_x燃焼室に移送して煙道ガスを形成させ；次いで (ii)前記煙道ガスを前記燃焼タービン-燃焼室のタービンに移送して動力を発生 させる； 段階を含む、動力を発生させる方法。 ５．前記乾式低ＮＯ_x燃焼室をプレ-ミックスモードで操作する、請求項４に記 載の方法。 ６．前記酸素-含有ガスが空気である、請求項４に記載の方法。 ７．前記酸素-含有ガスの一部を前記煙道ガスと共に、前記燃焼タービン-燃焼 室の圧縮器から前記タービンに直接移送する、請求項４に記載の方法 ８．前記燃料及び前記酸素-含有ガスの混合物を前記燃焼室中での前記燃料の 燃焼のために燃焼室内を通過させ、前記混合物は前記燃焼室内で滞留時間を有し 、前記燃料-ガス混合物は点火遅延時間により特徴付けられ、燃料組成物成分(a) 、(b)及び、存在する場合には、(c)の個々の割合は、燃焼室の操作条件下で前記 燃料-ガス混合物の点火遅延時間がその滞留時間を超えるように選択される、請 求項４に記載の方法。 ９．前記燃料及び前記酸素-含有ガスの混合物を前記燃焼室内の前記燃料の燃 焼用に前記燃焼室内を通過させて前記煙道ガスを生成させ、該燃焼室はプレミッ クスモードで操作し、燃焼組成物成分(a)、(b)及び、存在する場合には、(c)の 個々の割合は、該燃焼室のプレ-ミックスモード操作条件下で生成する煙道ガス が酸素レベル15％でＮＯ_x濃度20ppmvd以下を有するように選択される、請求項４ に記載の方法。 １０．前記燃料及び前記酸素-含有ガスの混合物を前記燃焼室内の前記燃料の 燃焼用に前記燃焼室内を通過させて前記煙道ガスを生成させ、該燃焼室はプレ- ミックスモードで操作し、燃料組成物成分(a)、(b)及び、存在する場合には、(c )の個々の割合は、該燃焼室のプレ-ミックスモード操作条件下で生成する煙道ガ スが一酸化炭素濃度20ppmvd以下を有するように選択される、請求項４に記載の 方法。