JP2008514898A - Catalyst transfer system - Google Patents

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Abstract

本発明は、燃焼反応システムの火炎帯中に直接、もしくは、供給空気、供給燃料、または、燃料/空気混合気中に直接、或いは、燃焼反応の高温排出ガス中に直接、或いは、これら3種類のいずれかの組合せ中に供給するための化学触媒前駆体を含むエアロゾルを発生させる触媒エアロゾル搬送システムを提供する。
本発明のシステムおよび組成物は、燃焼チャンバから放出される汚染物質を低減することができ、また、より効率的で、清浄な燃焼を確実に行わせることができる。本発明の燃焼システムおよび組成物は、ほとんどの用途において、燃料経済性を向上させることができる。
The present invention can be used directly in the flame zone of the combustion reaction system, directly in the feed air, feed fuel, or fuel / air mixture, or directly into the hot exhaust gas of the combustion reaction, or these three types. A catalyst aerosol delivery system is provided that generates an aerosol that includes a chemical catalyst precursor for delivery in any combination of the above.
The systems and compositions of the present invention can reduce pollutants released from the combustion chamber and can ensure more efficient and clean combustion. The combustion system and composition of the present invention can improve fuel economy in most applications.

Description

本発明は、燃焼反応システムの火炎帯中に直接、もしくは、供給空気、供給燃料、または、燃料/空気混合気中に直接、或いは、燃焼反応の高温排出ガス中に直接、或いは、これら3種類のいずれかの組合せ中に供給するための化学触媒前駆体を含むエアロゾルを発生させる触媒エアロゾル搬送システムを提供する。本発明のシステムおよび組成物は、燃焼チャンバから放出される汚染物質を低減することができ、また、より効率的で、清浄な燃焼を確実に行わせることができる。本発明の燃焼システムおよび組成物は、ほとんどの用途において、燃料経済性を向上させることができる。   The present invention can be used directly in the flame zone of the combustion reaction system, directly in the feed air, feed fuel, or fuel / air mixture, or directly into the hot exhaust gas of the combustion reaction, or these three A catalyst aerosol delivery system is provided that generates an aerosol comprising a chemical catalyst precursor for delivery in any combination of the above. The system and composition of the present invention can reduce pollutants released from the combustion chamber and can ensure more efficient and clean combustion. The combustion system and composition of the present invention can improve fuel economy in most applications.

触媒粒子を含むスパージングガス(sparging gases)を生成し、燃焼システムの火炎帯内に供給するための搬送システムは、当業界で知られている。   Delivery systems for generating sparging gases containing catalyst particles and supplying them into the flame zone of the combustion system are known in the art.

非特許文献1には、ディーゼルトラックおよび他の商用車両、または大型車両に対するEUおよび米国の排出ガス規制に適合することができる既存の技術が検討されている。これらの技術は、ディーゼル用酸化触媒、DeNOx触媒および窒素酸化物(NOx)吸収装置、選択的接触還元(SCR)およびディーゼル微粒子除去装置(DPF)、さらに、粒子状物質クランクケース排出規制のフィルタ技術を含む。   Non-Patent Document 1 discusses existing technologies that can meet EU and US emission regulations for diesel trucks and other commercial vehicles, or heavy vehicles. These technologies include diesel oxidation catalyst, DeNOx catalyst and nitrogen oxide (NOx) absorber, selective catalytic reduction (SCR) and diesel particulate removal device (DPF), and particulate matter crankcase emission control filter technology including.

触媒コンバータは、米国で1974年に初めて乗用車に導入され、現在では、世界中の5億台の自動車のうち2億7500万台以上に導入され、世界中で生産される全新車のほぼ90%が、触媒コンバータを備えている。しかし、ディーゼル駆動高馬力エンジンの排ガス規制技術は、まだ、これほどは、広く行き渡っていない。   Catalytic converters were first introduced to passenger cars in the United States in 1974 and are now installed in over 275 million of the 500 million cars worldwide, accounting for nearly 90% of all new cars produced worldwide Is provided with a catalytic converter. However, the exhaust emission control technology for diesel-powered high horsepower engines is not so widespread.

懸念される他の問題としては、ディーゼル燃料の硫黄分がある。硫黄は、触媒表面に強く吸着されるため、触媒性能に対し重大なマイナスの影響を及ぼす。したがって、触媒の表面積が縮小され、その結果、酸化触媒上に形成される二酸化窒素の量が減少する。このことは、一部のDPFおよびNOx吸収装置では、再生を行うのに二酸化窒素に依存していることから、問題を生じる。さらに、硫黄は、NOxに比べて化学NOxトラップとより強く反応するため、NOx吸蔵能力を低下させ、より強い、また頻繁な再生を必要とし、したがって、燃料消費量が増える。   Another issue of concern is the sulfur content of diesel fuel. Since sulfur is strongly adsorbed on the catalyst surface, it has a significant negative effect on the catalyst performance. Thus, the surface area of the catalyst is reduced, resulting in a reduction in the amount of nitrogen dioxide formed on the oxidation catalyst. This creates a problem because some DPF and NOx absorbers rely on nitrogen dioxide to perform regeneration. Further, sulfur reacts more strongly with chemical NOx traps than NOx, thus reducing NOx storage capacity and requiring stronger and more frequent regeneration, thus increasing fuel consumption.

ディーゼル用酸化触媒は、一酸化炭素と炭化水素を二酸化炭素と水に転換することに留意されたい。したがって、これらのシステムは、粒子状物質排出の量を減らすが、NOx排出に対してはほとんど効果を有しないことが判明している。   Note that diesel oxidation catalysts convert carbon monoxide and hydrocarbons to carbon dioxide and water. Thus, these systems have been found to reduce the amount of particulate matter emissions but have little effect on NOx emissions.

ディーゼル用酸化触媒は、さらに、NOx吸収装置、DeNOx触媒、DPFまたはSCRとともに使用され、二酸化窒素レベルを下げるか、または噴射された炭化水素、尿素、またはアンモニアのバイパスを浄化することもできる。   Diesel oxidation catalysts can also be used with NOx absorbers, DeNOx catalysts, DPF or SCR to reduce nitrogen dioxide levels or to purify injected hydrocarbon, urea or ammonia bypass.

従来の自動車用触媒コンバータは、本質的に、セラミックハニカムからなり、排気ガスはここを通る。触媒コンバータの内側は、白金またはパラジウム、ロジウム、およびセリウム触媒の微粒子層でコーティングされている。触媒の白金成分は、COをCO2に酸化し、UHCをCO2と蒸気に酸化し、ロジウムは、形成されるNOxのレベルを低減する。 Conventional automotive catalytic converters consist essentially of a ceramic honeycomb through which exhaust gases pass. The inside of the catalytic converter is coated with a fine particle layer of platinum or palladium, rhodium, and cerium catalyst. Platinum component of the catalyst to oxidize CO to CO 2, to oxidize the UHC to CO 2 and steam, rhodium, reducing the level of NOx formed.

触媒コンバータは、時間が経過し、使用が進むとともに劣化する。1984年以降、触媒コンバータは、ドイツのすべての車両に装着されてきた。この結果、微量の白金およびロジウムがアウトバーン上で検出されている。   Catalytic converters degrade over time and with use. Since 1984, catalytic converters have been installed in all German vehicles. As a result, trace amounts of platinum and rhodium are detected on the autobahn.

特許文献1には、触媒混合受容器が入口管、二次スプラッシュチャンバ、およびガス出口につながる空気入口を備える、スパージングガス触媒搬送システムが開示されている。ガスは、液体の底部近くに出口を備える管を介して受容器内の液体にスパージングされ、その結果得られるガス、液体からの蒸気、液体しぶき、および触媒の組み合わさったものは、燃焼帯に向けられる。しかし、この特許文献1の明細書によれば、重要なことに液体蒸気および液体触媒スプラッシュは、燃焼帯に運ばれず、また二次スプラッシュチャンバが必要であることが文献で開示されている。このチャンバは、システムの性能を低下させるので、受容器と燃焼帯との間の連絡管内にスプラッシュするか、またはそこで凝縮する液体触媒の効果を低減するために使用される。また、特許文献1には、このようなスプラッシュは、結果として触媒混合物の消費率が無制御になるため望ましくないと文献では指摘されている。このため、燃焼が予測不可能になり、および/または触媒消費率が高くなりすぎる。   Patent Document 1 discloses a sparging gas catalyst transport system in which a catalyst mixing receiver includes an inlet pipe, a secondary splash chamber, and an air inlet connected to a gas outlet. The gas is sparged into the liquid in the receiver through a tube with an outlet near the bottom of the liquid, and the resulting combination of gas, vapor from the liquid, liquid splash, and catalyst enters the combustion zone. Directed. However, according to the specification of Patent Document 1, it is important to note that the liquid vapor and the liquid catalyst splash are not carried to the combustion zone, and a secondary splash chamber is required in the literature. This chamber reduces the performance of the system and is therefore used to reduce the effectiveness of the liquid catalyst that splashes or condenses in the communication tube between the receiver and the combustion zone. Further, Patent Document 1 points out that such a splash is not desirable because it results in uncontrolled consumption of the catalyst mixture. This makes combustion unpredictable and / or the catalyst consumption rate too high.

また、特許文献2には、ガス入口に接続されたスパージング管を備え、ここから、ガス、通常は空気が液体の底部近くに出口を有する管を介して触媒混合物に泡立てられつつ通される触媒搬送システムも開示されている。この方法では、触媒粒子は、ガス流により液気界面で気泡がはじけることで、蒸発することなく流動化され、酸化火炎帯内に運び込まれるようにできる。次いで、触媒粒子は、ガス流により輸送管路を介して火炎帯内に運ばれる。   Further, Patent Document 2 includes a sparging pipe connected to a gas inlet, from which a gas, usually air, is passed while being bubbled into the catalyst mixture through a pipe having an outlet near the bottom of the liquid. A transport system is also disclosed. In this method, the catalyst particles can be fluidized without being evaporated and carried into the oxidation flame zone by bubbles being repelled at the liquid-gas interface by the gas flow. The catalyst particles are then carried into the flame zone by a gas stream through a transport line.

スパージングガスを使用して触媒または触媒前駆体を燃焼システムに導入することに関わる問題としては、触媒または触媒前駆体の一部が、ガス流と接触する表面に付着する可能性があることである。したがって、従来技術で使用される触媒前駆体の一部は、触媒溶液受容器から出たスパージングガスが燃焼チャンバに到達する前に流れ込む任意の供給管路の表面に付着する。これにより、システムの効率が下がり、高価な触媒物質を無駄にすることになる。   A problem with using a sparging gas to introduce a catalyst or catalyst precursor into a combustion system is that some of the catalyst or catalyst precursor can adhere to the surface in contact with the gas stream. . Thus, some of the catalyst precursor used in the prior art adheres to the surface of any supply line through which sparging gas exiting the catalyst solution receiver flows before reaching the combustion chamber. This reduces the efficiency of the system and wastes expensive catalyst material.

エアロゾルは、気体中に固体または液体粒子が分散した微細分散物として定義される。本発明で使用されるエアロゾル搬送システムは、原子吸光分光法で使用されているように希釈溶液を火炎内に噴霧する際に使用される方法と同様の方法で機能する。エアロゾルを微粒子噴霧として発生するプロセスは、噴霧または霧化と呼ぶことができる。エアロゾルは、液体を吸い上げるか、または汲み上げ、乱流の下でガス、通常は空気と混合し、1つまたは複数の小さなオリフィスを通して排出することにより発生させられる。空気の使用量は、ガス流量および液体流量を含む、さまざまなパラメータに依存する。エアロゾルは、さらに、1つまたは複数の小さなオリフィスを通して高圧下で液体のみを放出することにより発生させることもできる。超音波デバイスも、微細分散エアロゾルを発生させるために使用することができる。本発明の文脈では、霧化および噴霧という用語は、エアロゾルの供給を示すものとして交換可能に使用することができ、このエアロゾルは、予燃焼帯および/または燃焼帯内に、および/または後燃焼帯に送られる触媒物質の微細噴霧からなる。エアロゾル搬送システムは、当業界で知られている。しかし、現在まで、このタイプのシステムは、触媒物質を燃焼帯に供給するのには使用されていない。   An aerosol is defined as a fine dispersion in which solid or liquid particles are dispersed in a gas. The aerosol delivery system used in the present invention functions in a manner similar to that used when spraying a dilute solution into a flame as used in atomic absorption spectroscopy. The process of generating an aerosol as a fine particle spray can be referred to as spraying or atomization. Aerosols are generated by sucking or pumping liquids, mixing with gas, usually air, under turbulent flow, and exhausting through one or more small orifices. The amount of air used depends on various parameters, including gas flow and liquid flow. Aerosols can also be generated by releasing only liquid under high pressure through one or more small orifices. Ultrasonic devices can also be used to generate finely dispersed aerosols. In the context of the present invention, the terms atomization and atomization can be used interchangeably to indicate the supply of aerosol, which aerosol is in the pre-combustion zone and / or in the combustion zone and / or after-combustion. It consists of a fine spray of catalytic material sent to the strip. Aerosol delivery systems are known in the art. To date, however, this type of system has not been used to deliver catalytic material to the combustion zone.

本発明によるエアロゾルの生成は、化学的に不活性なガスを液体中に通して気泡を生じさせるプロセスを伴うスパージングの原理から区別されるべきである。本発明の場合、エアロゾルは、微細ノズルに通して排出する直前に、圧力下で溶液中に触媒を含む液体とガスとの乱流混合により形成される。この方法による混合および噴霧は、微量レベルで触媒を含むエアロゾルの定常状態および連続供給を行う。   The generation of aerosols according to the present invention should be distinguished from the principle of sparging, which involves the process of passing a chemically inert gas through the liquid to produce bubbles. In the case of the present invention, the aerosol is formed by turbulent mixing of a liquid containing a catalyst in a solution and a gas under pressure immediately before being discharged through a fine nozzle. Mixing and spraying in this manner provides a steady state and continuous supply of aerosol containing catalyst at trace levels.

国際公開第02/083281号パンフレットInternational Publication No. 02/082831 Pamphlet 米国特許第6,776,606号明細書US Pat. No. 6,776,606 Business Briefing: "Global Truck and Commercial Vehicle Technology"; London' World Marketing Research Centre; 2000; p.97-102; EU Directive 1999/99 ECBusiness Briefing: "Global Truck and Commercial Vehicle Technology"; London 'World Marketing Research Centre; 2000; p.97-102; EU Directive 1999/99 EC

本発明の目的は、従来技術によるシステムの特性のさまざまな欠点を解消するか、または改善することである。したがって、吸気または燃焼帯の1つまたは複数に、または燃焼システムの高温排気ガス中に直接、導入することができるエアロゾル搬送システムを提供することは本発明の目的である。   The object of the present invention is to eliminate or improve various drawbacks of the characteristics of systems according to the prior art. Accordingly, it is an object of the present invention to provide an aerosol delivery system that can be introduced into one or more of the intake or combustion zones, or directly into the hot exhaust gas of the combustion system.

本発明の他の目的は、従来技術のシステムに比べて、燃焼システムから出るCO、NOx、UHC、および硫黄酸化物の排出物の低減を著しく改善するエアロゾル搬送システムを提供することである。   It is another object of the present invention to provide an aerosol delivery system that significantly improves the reduction of CO, NOx, UHC, and sulfur oxide emissions from the combustion system as compared to prior art systems.

本発明の他の目的は、低NOxバーナーを採用する燃焼システム内で生じる腐食を低減し、それにより、従来技術のシステムに比べて、そのような燃焼システムの寿命を延ばすエアロゾル搬送システムを提供することである。   Another object of the present invention is to provide an aerosol delivery system that reduces the corrosion that occurs in combustion systems that employ low NOx burners, thereby extending the life of such combustion systems compared to prior art systems. That is.

本発明の他の目的は、従来技術のシステムに比べて、燃焼システムの燃焼効率を高めるエアロゾル搬送システムを提供することである。したがって、燃焼システムの火炎温度を維持し、過剰な空気レベルを下げて燃焼システムの熱効率を改善することは本発明の目的である。   Another object of the present invention is to provide an aerosol delivery system that enhances the combustion efficiency of the combustion system as compared to prior art systems. Accordingly, it is an object of the present invention to maintain the flame temperature of the combustion system and reduce excess air levels to improve the thermal efficiency of the combustion system.

また、本発明のエアロゾル搬送システムは、燃焼システムの内側に堆積する炭素およびチャーの量を減らすことが望ましいことである。   It is also desirable for the aerosol delivery system of the present invention to reduce the amount of carbon and char deposited inside the combustion system.

さらに、本発明のエアロゾル搬送システムは、従来技術のシステムに比べて、燃焼システムに関連する騒音および振動を低減することも望ましい。   Furthermore, it is also desirable for the aerosol delivery system of the present invention to reduce noise and vibration associated with combustion systems as compared to prior art systems.

本発明の他の目的は、一定期間稼働していたコンバータなど、非効率になったコンバータを復活させるために使用できるエアロゾル搬送システムを提供することである。   Another object of the present invention is to provide an aerosol delivery system that can be used to revive inefficient converters, such as converters that have been operating for a period of time.

本発明の他の目的は、触媒が燃焼システム内に保持されるエアロゾル搬送システムを提供することである。   Another object of the present invention is to provide an aerosol delivery system in which the catalyst is retained within the combustion system.

本発明の他の目的は、石炭中に存在する水銀、および他の可燃物質ならびに高温ガス流と相互作用し、排気ガス中に排出されるのを妨げるか、または排出される量を低減するエアロゾル搬送システムを提供することである。   Another object of the present invention is an aerosol that interacts with mercury present in coal and other combustible materials and hot gas streams to prevent or reduce the amount discharged into the exhaust gas. It is to provide a transport system.

出願人は、驚いたことに、これらの問題および他の問題は、エアロゾル搬送システムを使用することにより触媒または触媒前駆体を直接、燃焼部位の中に、およびその周辺に送ることにより解消することができることを見いだした。そこで、本発明は、上記の目的の一部または全部を達成する。   Applicant has surprisingly solved these and other problems by sending the catalyst or catalyst precursor directly into and around the combustion site by using an aerosol delivery system. I found out that I can do it. Therefore, the present invention achieves some or all of the above objects.

本発明の一態様によれば、燃焼装置とともに使用するエアロゾル搬送システムが提供され、このシステムは、
ガスの発生源をチャンバに供給するための第1の入口と、
溶媒中に1つまたは複数の無機金属塩を含む触媒溶液をチャンバに供給するための第2の入口と、
チャンバからエアロゾルの形態で流体を放出するための霧化ノズルを備えるチャンバを備え、
第1の入口および第2の入口、ならびに霧化ノズルは、チャンバ内のガスおよび流体が混合され一緒になって、ノズルを通して放出されたときにエアロゾルを形成するように配列され、ノズルは、予燃焼帯、燃焼帯、および後燃焼帯のうちの1つまたは複数と流体で連絡している。
According to one aspect of the invention, an aerosol delivery system for use with a combustion device is provided, the system comprising:
A first inlet for supplying a source of gas to the chamber;
A second inlet for supplying a catalyst solution comprising one or more inorganic metal salts in a solvent to the chamber;
Comprising a chamber with an atomizing nozzle for discharging fluid in the form of an aerosol from the chamber;
The first and second inlets and the atomization nozzle are arranged so that the gas and fluid in the chamber are mixed and combined to form an aerosol when released through the nozzle, the nozzle being pre- In fluid communication with one or more of the combustion zone, the combustion zone, and the post-combustion zone.

一実施形態では、ノズルは、燃焼帯内に存在する。他の実施形態では、ノズルは、燃焼に先立って空気と燃料が混合される予燃焼領域内に存在する。他の実施形態では、ノズルは、燃料のみがある予燃焼領域内に置くことができ、および/またはノズルは、空気のみがある予燃焼領域内に置くことができ、つまり2つの成分が混合される前に置くことができる。他の実施形態では、ノズルは、後燃焼領域に置くことができる。こうして、ノズルは、排気領域内の燃焼生成物にエアロゾルを供給する。ノズルは、流体混合物をエアロゾルの形態で排出させることができる1つまたは複数の噴口を備える。ノズルから出るエアロゾル放出物の形状は、ノズルの噴口のサイズ、個数、および配列により異なる。したがって、エアロゾル形状は、必要に応じて作ることができる。円錐形エアロゾルが得られるため、ノズルには実質的に円錐の形状が好ましい。   In one embodiment, the nozzle is in the combustion zone. In other embodiments, the nozzle is in a pre-combustion region where air and fuel are mixed prior to combustion. In other embodiments, the nozzle can be placed in a pre-combustion region with only fuel and / or the nozzle can be placed in a pre-combustion region with only air, ie the two components are mixed. Can be put before. In other embodiments, the nozzle can be placed in the post-combustion region. Thus, the nozzle supplies aerosol to the combustion products in the exhaust region. The nozzle comprises one or more nozzles that can discharge the fluid mixture in the form of an aerosol. The shape of the aerosol emissions exiting the nozzle depends on the size, number and arrangement of nozzle nozzles. Therefore, the aerosol shape can be made as needed. A substantially conical shape is preferred for the nozzle because a conical aerosol is obtained.

他の実施形態では、複数のノズルが存在できる。そのため、ノズルは、上記の領域のうちの1つまたは複数にエアロゾルを独立に供給することができる。触媒溶液は、それぞれの場合において同じであることも、異なることもある。ノズル形状および噴口の配列は、複数のノズルが存在するそれぞれの場合において同じものとすることも、異なるものとすることもできる。   In other embodiments, there can be multiple nozzles. As such, the nozzle can independently supply aerosol to one or more of the above regions. The catalyst solution may be the same or different in each case. The nozzle shape and nozzle array may be the same or different in each case where there are a plurality of nozzles.

本発明の一実施形態では、ガスおよび触媒溶液のチャンバへの供給は、連続的であり、エアロゾルは、ノズルから連続的に噴霧することができる。あるいは、ガスまたは溶液のチャンバへの供給を中断して、エアロゾルがノズルから間欠的に噴霧されるようにもできる。   In one embodiment of the invention, the supply of gas and catalyst solution to the chamber is continuous and the aerosol can be continuously sprayed from the nozzle. Alternatively, the supply of gas or solution to the chamber can be interrupted so that the aerosol is sprayed intermittently from the nozzle.

エアロゾルは、さらに、空気を使用せずに発生させることもできる。触媒前駆体溶液を、高圧に曝し、非常に細かいノズルから排出させると、エアロゾルとして出てくる。そのため、上記の出願の他の実施形態では、エアロゾルがガス、例えば空気を、触媒の溶液と組み合わせて使用して生成されるものとして説明される場合、このような生成システムは、ガス無使用高圧システムで置き換えることができ、圧縮ガスの供給を必要としない。圧力がかかっている触媒の溶液をノズルに単に供給するだけで十分である。この実施形態には、工業用バーナー、ボイラーおよびSIおよびディーゼルエンジンなどの、ガスと溶液とを混合することによりエアロゾルが生成される場合のすべてにおいて用途がある(つまり、直火炎(open flame)および閉鎖火炎(closed flame)の両方のシステム)。   Aerosols can also be generated without the use of air. When the catalyst precursor solution is exposed to high pressure and discharged from a very fine nozzle, it emerges as an aerosol. Thus, in other embodiments of the above application, such a generation system is gas-free high pressure when the aerosol is described as being generated using a gas, such as air, in combination with a solution of the catalyst. It can be replaced by a system and does not require a supply of compressed gas. It is sufficient to simply supply a solution of the catalyst under pressure to the nozzle. This embodiment has application in all cases where aerosols are produced by mixing gas and solution, such as industrial burners, boilers and SI and diesel engines (ie open flame and Both systems of closed flame).

燃焼は、直火炎または閉鎖火炎用途において行うことができる。直火炎用途としては、石炭、ガス、および石油を燃料とするボイラーおよび加熱炉がある。閉鎖火炎用途としては、ガソリンおよびディーゼル用の内燃機関がある。本発明の一実施形態では、エアロゾルは、触媒コンバータを装着した車両において使用される。   Combustion can take place in direct flame or closed flame applications. Direct flame applications include boilers and furnaces powered by coal, gas, and petroleum. Closed flame applications include gasoline and diesel internal combustion engines. In one embodiment of the invention, the aerosol is used in a vehicle equipped with a catalytic converter.

本明細書で使用されているように、燃焼帯は、燃料の酸化が発生する領域、およびその領域を直に囲む領域、例えば燃焼チャンバを意味し、含む。   As used herein, a combustion zone refers to and includes a region where fuel oxidation occurs and a region directly surrounding that region, such as a combustion chamber.

触媒溶液中の1つまたは複数の金属塩は、消費される燃料の燃焼、または燃焼生成物(排気)の、無害なまたは清浄な生成物への酸化または還元のための触媒である。触媒は、単純化合物、二成分化合物、複合金属塩、または有機金属化合物とすることができる。   The one or more metal salts in the catalyst solution are catalysts for the combustion of the consumed fuel or the oxidation or reduction of the combustion products (exhaust) to harmless or clean products. The catalyst can be a simple compound, a binary compound, a complex metal salt, or an organometallic compound.

好ましくは、本発明の触媒溶液は、白金、パラジウム、ロジウム、レニウム、ルテニウム、オスミウム、セリウム、イリジウム、インジウム、マグネシウム、アルミニウム、チタン、銅、亜鉛、リチウム、カリウム、ナトリウム、鉄、モリブデン、マンガン、金、または銀の1つまたは複数の無機塩または有機金属化合物を含む。好ましくは、本発明の溶液は、第VIII族元素(つまり、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt)、マグネシウム、またはアルミニウムの1つまたは複数の化合物を含む、より好ましくは、この化合物は、白金、ロジウム、レニウム、マグネシウム、またはアルミニウムの化合物である。化合物が1つだけ使用される場合、溶液は、白金またはロジウム塩を含まなければならない。   Preferably, the catalyst solution of the present invention comprises platinum, palladium, rhodium, rhenium, ruthenium, osmium, cerium, iridium, indium, magnesium, aluminum, titanium, copper, zinc, lithium, potassium, sodium, iron, molybdenum, manganese, Contains one or more inorganic salts or organometallic compounds of gold or silver. Preferably, the solution of the present invention comprises one or more compounds of Group VIII elements (ie Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt), magnesium, or aluminum. Preferably, the compound is a platinum, rhodium, rhenium, magnesium, or aluminum compound. If only one compound is used, the solution must contain a platinum or rhodium salt.

一実施形態では、この化合物は、0.1から2.0mg/mlまでの濃度で溶液中に存在する。より好ましくは、この濃度は、0.2から1.0mg/mlまでの範囲である。化合物のモル重量は、200から2000までとすることができ、より好ましくは、200から750までの範囲内である。   In one embodiment, the compound is present in the solution at a concentration from 0.1 to 2.0 mg / ml. More preferably, this concentration ranges from 0.2 to 1.0 mg / ml. The molar weight of the compound can be from 200 to 2000, more preferably in the range from 200 to 750.

無機金属塩は、H2PtCl6、RhCl3、HReO4、MgCl2、およびAlCl3として存在する。このような無機金属塩から水中に形成される錯体イオンは、[PtCl62-、[Rh(H2O)63+、および[ReO4-を含む。 Inorganic metal salts exist as H 2 PtCl 6 , RhCl 3 , HReO 4 , MgCl 2 , and AlCl 3 . Complex ions formed in water from such inorganic metal salts include [PtCl 6 ] 2− , [Rh (H 2 O) 6 ] 3+ , and [ReO 4 ] .

本発明の好ましい一実施形態では、触媒前駆体溶液濃縮液は、金属は白金、ロジウム、レニウム、またはアルミニウムから選択される1つまたは複数の金属塩を含む。触媒前駆体溶液濃縮液中にH2PtCl6.6H2Oとして存在する白金の濃度は、0.2から1.0mg/mlまでの範囲内であり、より好ましくは0.5から0.7mg/mlまでの範囲内であり、特に好ましくは0.6mg/mlの濃度である。触媒前駆体溶液濃縮液中にRhCl3として存在するロジウムの濃度は、好ましくは0.04から1.2mg/mlまでの範囲内であり、より好ましくは0.06から0.09mg/mlまでの範囲内であり、特に好ましくは0.07mg/mlの濃度である。触媒前駆体溶液濃縮液中にHReO4として存在するレニウムの濃度は、好ましくは0.05から1.5mg/mlまでの範囲内であり、より好ましくは0.08から1.2mg/mlまでの範囲内であり、特に好ましくは1.0mg/mlの濃度である。触媒前駆体溶液濃縮液中にAlCl3として存在するアルミニウムの濃度は、好ましくは0.05から1.0mg/mlまでの範囲内であり、より好ましくは0.07mg/mlの濃度である。 In a preferred embodiment of the present invention, the catalyst precursor solution concentrate comprises one or more metal salts wherein the metal is selected from platinum, rhodium, rhenium, or aluminum. In the catalyst precursor solution concentrate, H 2 PtCl 6 . The concentration of platinum present as 6H 2 O is in the range of 0.2 to 1.0 mg / ml, more preferably in the range of 0.5 to 0.7 mg / ml, particularly preferably 0. A concentration of 6 mg / ml. The concentration of rhodium present as RhCl 3 in the catalyst precursor solution concentrate is preferably in the range of 0.04 to 1.2 mg / ml, more preferably 0.06 to 0.09 mg / ml. Within the range, the concentration is particularly preferably 0.07 mg / ml. The concentration of rhenium present as HReO 4 in the catalyst precursor solution concentrate is preferably in the range of 0.05 to 1.5 mg / ml, more preferably 0.08 to 1.2 mg / ml. Within the range, the concentration is particularly preferably 1.0 mg / ml. The concentration of aluminum present as AlCl 3 in the catalyst precursor solution concentrate is preferably in the range of 0.05 to 1.0 mg / ml, more preferably 0.07 mg / ml.

本発明の他の好ましい一実施形態では、本発明の溶液中のアルミニウムは、0.05から1.0mg/mlまでの範囲の濃度、より好ましくは0.07mg/mlの濃度のMgCl2などのマグネシウムにより置き換えられる。 In another preferred embodiment of the present invention, the aluminum in the solution of the present invention has a concentration in the range of 0.05 to 1.0 mg / ml, more preferably MgCl 2 at a concentration of 0.07 mg / ml, etc. Replaced by magnesium.

本発明のさらに他の好ましい一実施形態では、アルミニウムの一部のみをマグネシウムで置き換え、触媒前駆体溶液が、アルミニウムとマグネシウムの両方を含むようにする。   In yet another preferred embodiment of the present invention, only a portion of the aluminum is replaced with magnesium so that the catalyst precursor solution contains both aluminum and magnesium.

本発明のさらに他の好ましい一実施形態では、白金とロジウムの両方が、触媒溶液中に存在する場合、白金とロジウムとの比は、約8.6:1であり、白金とアルミニウムとの比は、約8.6:1であり、白金とレニウムとの比は、約6:1であり、アルミニウムが、マグネシウムにより置き換えられる場合、白金とマグネシウムとの比は、約8.6:1である。   In yet another preferred embodiment of the invention, when both platinum and rhodium are present in the catalyst solution, the ratio of platinum to rhodium is about 8.6: 1 and the ratio of platinum to aluminum is Is about 8.6: 1, the ratio of platinum to rhenium is about 6: 1, and when aluminum is replaced by magnesium, the ratio of platinum to magnesium is about 8.6: 1. is there.

しかし、本発明の成分の比は、これらの範囲よりも高い場合も低い場合もある。したがって、白金とレニウムとの比は、好ましくは30:1から1:1までの範囲内、より好ましくは15:1から2:1までの範囲内である。白金とアルミニウムまたはマグネシウムとの比は、好ましくは30:1から1:1までの範囲内、より好ましくは15:1から2:1までの範囲内である。白金とロジウムとの比は、好ましくは30:1から4:1までの範囲内、より好ましくは15:1から4:1までの範囲内である。   However, the ratio of the components of the present invention may be higher or lower than these ranges. Accordingly, the ratio of platinum to rhenium is preferably in the range of 30: 1 to 1: 1, more preferably in the range of 15: 1 to 2: 1. The ratio of platinum to aluminum or magnesium is preferably in the range of 30: 1 to 1: 1, more preferably in the range of 15: 1 to 2: 1. The ratio of platinum to rhodium is preferably in the range of 30: 1 to 4: 1, more preferably in the range of 15: 1 to 4: 1.

本発明の他の好ましい一実施形態では、触媒前駆体溶液は、白金のみとロジウム、レニウム、マグネシウム、またはアルミニウムのうちの他の1つの無機金属塩を含む。   In another preferred embodiment of the present invention, the catalyst precursor solution comprises platinum alone and one other inorganic metal salt of rhodium, rhenium, magnesium, or aluminum.

溶媒は、1つまたは複数の金属塩(触媒)を溶解することができ、安定したエアロゾルを形成することができる溶媒とすることができる。理想的には、溶媒は、通常温度および圧力において著しい蒸気圧を持つが、溶媒は、あまり揮発性が高すぎてはならず、さもないと、触媒が供給管路内に早い段階で堆積され、および/またはたちまち消費されてしまうこともある。最も効果的な溶媒は、通常温度および圧力で沸点が80℃から140℃の範囲内であるものである。溶媒は、好ましくは水である。アルコール(メタノールまたはエタノールなど)または炭化水素溶媒も、溶媒として使用することができる。溶媒は、さらに、好適な溶媒の混合液であってもよい。水は、多くの無機金属塩を溶解する能力および安定したエアロゾルを形成する能力を有するため、好ましい溶媒である。   The solvent can be one that can dissolve one or more metal salts (catalysts) and can form a stable aerosol. Ideally, the solvent has a significant vapor pressure at normal temperature and pressure, but the solvent should not be too volatile, otherwise the catalyst will be deposited early in the feed line. And / or may be consumed quickly. The most effective solvents are those with boiling points in the range of 80 ° C to 140 ° C at normal temperature and pressure. The solvent is preferably water. Alcohols (such as methanol or ethanol) or hydrocarbon solvents can also be used as solvents. The solvent may further be a suitable solvent mixture. Water is a preferred solvent because it has the ability to dissolve many inorganic metal salts and to form stable aerosols.

溶媒は、さらに、例えば、エチレングリコールなどの不凍液を含むことができる。他の添加剤も必要に応じて含めることができる。   The solvent can further include an antifreeze such as, for example, ethylene glycol. Other additives can be included as needed.

他の態様では、本発明は、燃料を触媒により燃焼する方法を提供し、この方法は、
a)チャンバへの触媒の溶液の供給および圧縮ガスの供給を行い、チャンバは、予燃焼帯、燃焼帯、および後燃焼帯のうちの1つまたは複数と流体で連絡するノズルを備える工程と、
b)溶液とガスをチャンバ内で混合する工程と、
c)溶液とガスの混合物をノズルに強制的に通し、エアロゾルを燃料燃焼装置の予燃焼帯、燃焼帯、または後燃焼帯内に形成する工程とを含む。
In another aspect, the present invention provides a method for catalytically combusting fuel, the method comprising:
a) providing a catalyst solution and a compressed gas to the chamber, the chamber comprising a nozzle in fluid communication with one or more of the pre-combustion zone, the combustion zone, and the post-combustion zone;
b) mixing the solution and gas in the chamber;
c) forcing the mixture of solution and gas through the nozzle and forming an aerosol in the pre-combustion zone, combustion zone, or post-combustion zone of the fuel combustion device.

本発明のエアロゾルおよび燃料は、同時に、または別々に、燃料噴射ディーゼルまたはガソリンエンジンの燃焼帯内に導入することができる。   The aerosol and fuel of the present invention can be introduced simultaneously or separately into the combustion zone of a fuel-injected diesel or gasoline engine.

本発明の一実施形態では、エアロゾルは、キャブレターから空気とともにエンジンの燃焼帯内に導入することができる。無機金属塩が燃焼システムに導入される地点と必要な使用地点(つまり、燃焼帯)との間の距離を最小にするために、エアロゾルは、キャブレターに入る直前に火花点火エンジンの空気流内に導入され、揮発燃料と混合され、混合物はエンジン内に入る。ディーゼルエンジンの場合、エアロゾルは、エアフィルタを通過した後に空気流内に導入される。   In one embodiment of the invention, the aerosol can be introduced into the combustion zone of the engine along with air from the carburetor. In order to minimize the distance between the point where the inorganic metal salt is introduced into the combustion system and the required point of use (ie, the combustion zone), the aerosol is placed in the spark ignition engine's air stream just prior to entering the carburetor. Introduced and mixed with volatile fuel, the mixture enters the engine. In the case of a diesel engine, the aerosol is introduced into the air stream after passing through the air filter.

燃焼には、火炎内、およびその周囲にラジカルが存在する必要があり、本発明のシステムが燃焼プロセスに導入する白金および/またはロジウムなどの触媒物質は、プロセスを著しく改善する。これは、発生するラジカル量を増やし、それにより、通常必要とされる過剰な酸素の量を減らし、したがって燃料節約することにより達成される。これは、排出も改善する。   Combustion requires the presence of radicals in and around the flame, and catalytic materials such as platinum and / or rhodium introduced by the system of the present invention into the combustion process significantly improve the process. This is accomplished by increasing the amount of radicals generated, thereby reducing the amount of excess oxygen normally required and thus saving fuel. This also improves emissions.

一実施形態では、本発明は、1つまたは複数の無機金属塩を含むエアロゾルを燃焼システムを出る燃焼システムの最終高温排気ガス流内に導入することにより燃焼システムの有害な排出物、特にNOxを低減する方法を提供する。これらのシステムは、燃焼帯内、燃焼帯の前、または燃焼帯の直後に排出量削減システムを採用しても、また採用しなくてもよい。好ましくは、本発明のエアロゾルは、内燃機関(ディーゼル、ガソリン、バイオディーゼル、および代替え燃料などを使用する)、または発電所もしくはプロセスステーションボイラー、バーナー、および乾燥機の高温排気ガス流内に導入される。   In one embodiment, the invention introduces combustion system harmful emissions, particularly NOx, by introducing an aerosol comprising one or more inorganic metal salts into the final hot exhaust gas stream of the combustion system exiting the combustion system. Provide a way to reduce. These systems may or may not employ emission reduction systems within the combustion zone, before the combustion zone, or immediately after the combustion zone. Preferably, the aerosol of the present invention is introduced into the hot exhaust gas stream of an internal combustion engine (using diesel, gasoline, biodiesel, and alternative fuels, etc.), or power plant or process station boilers, burners, and dryers. The

石炭は、本発明の燃焼技術の恩恵を受ける燃料の1つである。本発明の主要な用途の1つは、したがって、石炭燃焼で使用されるさまざまなNOx削減技術の応用である。特に、このプロセスは、灰などの中の炭素を減らすためにさまざまなNOx削減デバイスおよび手順を採用する加熱炉およびボイラー内の石炭燃焼に応用することができる。   Coal is one fuel that can benefit from the combustion technology of the present invention. One of the major applications of the present invention is therefore the application of various NOx reduction technologies used in coal combustion. In particular, this process can be applied to coal combustion in furnaces and boilers that employ various NOx reduction devices and procedures to reduce carbon in ash and the like.

燃焼プロセスにおけるNOx形成の2つの主要機序は、熱NOxおよび燃料NOxである。前者は、燃料が内在的に窒素を含まない場合(例えば、天然ガス)である場合に支配的であり、後者は、燃料が石炭または重油などである場合に支配的である。燃焼改良技術は、燃焼プロセスの初期段階でのNOx形成を制限することを目的としている。本発明のプロセスは、これらの方法と親和性があり、適用可能である。   The two main mechanisms of NOx formation in the combustion process are thermal NOx and fuel NOx. The former is dominant when the fuel does not inherently contain nitrogen (eg, natural gas), and the latter is dominant when the fuel is coal or heavy oil. Combustion improvement techniques aim to limit NOx formation in the early stages of the combustion process. The process of the present invention is compatible with and applicable to these methods.

好ましくは、本発明のエアロゾルは、燃焼システムの高温排気ガス流内に、直接的にまたは間接的に、アンモニアまたは尿素とともに、また必要に応じて、必要な反応温度を得るために添加された炭化水素および空気とともに、導入される。本発明のエアロゾルは、NOx、CO、および炭素低減のためアンモニア/尿素/炭化水素/空気システムを採用する燃焼システムの高温排気ガス流内に、または他の適切な部位に、特に、SNCR(選択的非接触還元)戦略を採用して排出物を削減する石炭動力および類似の油または固体燃料動力プラントに、同時に、または別々に導入することができる。   Preferably, the aerosol of the invention is added to the hot exhaust gas stream of the combustion system, either directly or indirectly, with ammonia or urea, and optionally added to obtain the required reaction temperature. Introduced with hydrogen and air. The aerosol of the present invention can be used in a hot exhaust gas stream of a combustion system that employs an ammonia / urea / hydrocarbon / air system for NOx, CO, and carbon reduction, or other suitable site, particularly SNCR (selection Can be introduced simultaneously or separately into coal power and similar oil or solid fuel power plants that employ a non-contact reduction strategy.

NOxを削減するエアステージング法では、燃焼用空気は複数の段階に分けられ、一次燃焼帯は、総燃料過剰理論空燃比で動作し、残りの空気は、下流に噴射される。本発明のプロセスをこの方法に応用するには、両方の段階において適当な地点に触媒を噴射する必要がある。低NOxバーナーは、燃焼を遅らせ、酸素の利用度を減らし、ピーク火炎温度を下げるような方法でバーナー内部の空気流と燃料流とを分割することによりステージング効果をもたらすように設計されている。これらのファクタすべてがNOxの削減に役立つ。本発明のプロセスをこの方法に適用するには、それに加えてまだ形成されるNOxを削減するラジカル反応を増強し、それにより、その効率およびNOx削減の全体的効率、さらには全体として燃焼プロセスの効率を改善することができるようにエアロゾル触媒をすべての地点に導入することを伴う。   In the air staging method for reducing NOx, combustion air is divided into a plurality of stages, the primary combustion zone operates at the total fuel excess theoretical air-fuel ratio, and the remaining air is injected downstream. In order to apply the process of the invention to this method, it is necessary to inject the catalyst at the appropriate point in both stages. Low NOx burners are designed to provide a staging effect by splitting the air flow and fuel flow inside the burner in such a way as to retard combustion, reduce oxygen utilization, and lower the peak flame temperature. All of these factors help reduce NOx. In order to apply the process of the present invention to this method, in addition, it enhances the radical reaction which reduces the NOx still formed, thereby improving its efficiency and the overall efficiency of NOx reduction, as well as the overall combustion process. It involves introducing an aerosol catalyst at all points so that the efficiency can be improved.

NOxレベルは、希釈剤を燃焼チャンバに導入する、燃焼排ガス循環の技術により低減することもできる。本発明のプロセスをこの方法に適用することは、エアロゾル触媒を導入し、希釈剤とよく混合することを伴う。NOxを下げる他の方法は、過剰空気レベルを下げることによる方法である。これにより、NOxは削減されるが、不安定な燃焼、バーンアウトの減少、スラギング、ファウリング、および腐食などの望ましくない問題が生じる。しかし、本発明のエアロゾル触媒を使用すると、燃料プロセスを正常に進行させることができるため、これらの問題を最小限に抑えられる。これは、火炎内に発生する余分なラジカルによるものである。   NOx levels can also be reduced by flue gas circulation techniques that introduce diluent into the combustion chamber. Applying the process of the present invention to this method involves introducing an aerosol catalyst and mixing well with the diluent. Another way to reduce NOx is by reducing excess air levels. This reduces NOx but creates undesirable problems such as unstable combustion, reduced burnout, slagging, fouling, and corrosion. However, when the aerosol catalyst of the present invention is used, the fuel process can proceed normally, and these problems can be minimized. This is due to excess radicals generated in the flame.

後燃焼NOx制御技術も多数ある。これらは、一般に、排ガス処理と呼ばれ、(a)選択的接触還元(SCR)、(b)選択的非接触還元(SNCR)、および(c)非選択的接触還元(NSCR)に分類できる。   There are also many post-combustion NOx control technologies. These are generally referred to as exhaust gas treatments and can be classified as (a) selective catalytic reduction (SCR), (b) selective non-catalytic reduction (SNCR), and (c) non-selective catalytic reduction (NSCR).

方法(b)は、アンモニアガスまたはアンモニア水または尿素水を燃焼排ガス中に噴射することを用いる。発生するラジカル反応は、本質的に、NOxを酸素と窒素に転換するが、この反応は、制限された反応条件においてしか発生しない。本発明の他の態様によるエアロゾル触媒を燃焼排ガス中に導入すると(エアロゾル触媒が燃焼領域または予燃焼領域に導入されるのと同じ方法で)、これらの反応を高め、稼働温度範囲を拡大する。本発明のプロセスにより、触媒は、アンモニアガスまたはアンモニア水または尿素水中に、またはアンモニアガスまたはアンモニア水または尿素水とともに噴射され、および/または他の塩も、燃焼排ガス中に必要に応じて加えられる。   The method (b) uses injection of ammonia gas, ammonia water, or urea water into the combustion exhaust gas. The radical reaction that occurs essentially converts NOx to oxygen and nitrogen, but this reaction only occurs under limited reaction conditions. When an aerosol catalyst according to another aspect of the present invention is introduced into the flue gas (in the same way that the aerosol catalyst is introduced into the combustion zone or pre-combustion zone), these reactions are enhanced and the operating temperature range is expanded. According to the process of the present invention, the catalyst is injected into ammonia gas or ammonia water or urea water, or together with ammonia gas or ammonia water or urea water, and / or other salts are added to the flue gas as needed. .

本発明の方法により燃焼排ガスに供給される触媒は、さらに、SCR触媒の効率を維持し、SCR触媒の寿命を延ばすために使用することもできるが、ただし、それらが白金ベースであるかまたは他の認められている触媒物質を含んでいる場合である。触媒グリッドシステムに入るガス流中の白金およびロジウム均一系触媒は、触媒作用が触媒上で発生するのを助け、白金ベースまたは他の何らかの触媒に付着し、そこに留まる白金およびロジウムは、二酸化炭素ガスへの酸化に触媒採用により加わることによりSCR触媒への炭素およびチャーの堆積を防ぐことを助ける。   The catalysts supplied to the flue gas by the method of the present invention can also be used to maintain the efficiency of the SCR catalyst and extend the life of the SCR catalyst, provided that they are platinum based or otherwise This is the case where the catalyst material is recognized. The platinum and rhodium homogeneous catalyst in the gas stream entering the catalyst grid system helps the catalysis to occur on the catalyst and adheres to the platinum base or some other catalyst, and the platinum and rhodium staying there is carbon dioxide. Joining the oxidation to gas by employing a catalyst helps to prevent carbon and char deposition on the SCR catalyst.

一実施例は、SCR、SNCR、またはNSCR技術を使用してNOxを削減する燃焼器に関する。一部のNOxがそのまま残り、プラントから出て最終スタックを通じて大気中へ出ることが可能であり、またよくあることである。最終スタックNOxを削減するために使用される技術では、アンモニアまたは尿素の最終スタック噴射を使用する。温度が十分に高くない場合、好適な炭化水素ガスを燃焼させる、口火も、出口ガスを温度範囲内にし、それにより、アンモニアまたは尿素をNOxと反応させるために使用される。霧状触媒は、ラジカル反応領域に入るのに先立って口火内に噴射することができる。これにより、白金およびロジウム触媒種が形成され、また、温度範囲も下がり、ラジカル反応は、より効率的になり、口火に必要なガスの量も削減され、燃料節約につながる。   One example relates to a combustor that uses SCR, SNCR, or NSCR technology to reduce NOx. Some NOx remains intact and can leave the plant and enter the atmosphere through the final stack, and is common. The technique used to reduce the final stack NOx uses a final stack injection of ammonia or urea. If the temperature is not high enough, an open flame that burns a suitable hydrocarbon gas is also used to bring the outlet gas into the temperature range, thereby reacting ammonia or urea with NOx. The atomized catalyst can be injected into the spark prior to entering the radical reaction zone. This forms platinum and rhodium catalyst species, reduces the temperature range, makes the radical reaction more efficient, reduces the amount of gas needed for the ignition, and leads to fuel savings.

本発明のプロセスには、多数の応用例がある。生成されるエアロゾルまたは噴霧は、燃料と混合する空気流中に噴射され、燃焼帯に入る。この概念は、化学およびラジカル機序を伴うすべての高温反応に拡大することができる。そのため、本発明は、さらに、エアロゾル触媒を、気相ラジカル反応が発生することが知られている、または想定されるすべての状況に導入するという概念も含み、プロセスの応用は、燃焼を伴うものに限定されず、ラジカルを伴う高温化学反応、特に石油精製産業における均一系および不均一系触媒を伴うものも含むことができる。石油精製産業およびいくつかの関係する産業では、高温で白金触媒を使用する。これは、時間の経過とともに、また使用が進むにつれ劣化するため、浄化または交換されなければならない。本発明は、このような触媒の寿命を延ばし、効率を高める潜在力を有する。   The process of the present invention has many applications. The generated aerosol or spray is injected into an air stream that mixes with the fuel and enters the combustion zone. This concept can be extended to all high temperature reactions involving chemical and radical mechanisms. As such, the present invention further includes the concept of introducing an aerosol catalyst into all situations where a gas phase radical reaction is known or assumed to occur and the application of the process involves combustion. It can also include high temperature chemical reactions involving radicals, especially those involving homogeneous and heterogeneous catalysts in the petroleum refining industry. The oil refining industry and some related industries use platinum catalysts at high temperatures. This must be cleaned or replaced as it degrades over time and as usage progresses. The present invention has the potential to extend the life of such catalysts and increase efficiency.

本明細書で説明されているような本発明の技術は、さらに、本発明の触媒燃焼プロセスが性能および生産量を高め、さらにメンテナンスを削減するため、石油精製産業でも応用される。この分野における特定の問題の1つに、熱エネルギーを例えば石油蒸留プラントに供給する炉内の望ましくない煤堆積があり、煤は定期的に取り除かなければならない。本発明は、このような問題を解決する方法も提供する。   The technology of the present invention as described herein is further applied in the petroleum refining industry because the catalytic combustion process of the present invention enhances performance and production, and further reduces maintenance. One particular problem in this area is undesirable soot deposits in furnaces that supply thermal energy to, for example, petroleum distillation plants, and soot must be removed periodically. The present invention also provides a method for solving such problems.

本発明のプロセスは、さらに、CO浄化とともに煤およびチャー燃焼にも使用することができる。これらのプロセスはすべて、ラジカル反応がこれらのプロセスのそれぞれに関与するので、触媒エアロゾルの噴射により増強することができる。応用例には、接触分解装置、改質器および他の精製プロセス、および流動床燃焼プロセスがある。   The process of the present invention can also be used for soot and char combustion along with CO purification. All of these processes can be enhanced by catalytic aerosol injection since radical reactions are involved in each of these processes. Applications include catalytic crackers, reformers and other refining processes, and fluidized bed combustion processes.

本発明の他の実施形態では、エアロゾルの噴霧は、周期律表の第II族の元素の化合物に基づく1つまたは複数の添加剤を使用して硫黄捕獲を行うために使用される。排気および燃焼排ガスから硫黄の酸化物を除去するために使用されるさまざまな化学物質および手順がある。貴金属触媒とこれらの化学物質との同時噴射は、またはガス温度が低すぎて元素金属を生成できない場合には上流での噴射は、硫黄除去効率を改善し、関わる反応の低い温度限界を拡大すると考えられている。   In other embodiments of the present invention, aerosol sprays are used to perform sulfur capture using one or more additives based on compounds of Group II elements of the Periodic Table. There are a variety of chemicals and procedures used to remove sulfur oxides from exhaust and flue gas. Simultaneous injection of precious metal catalyst and these chemicals, or if the gas temperature is too low to produce elemental metal, will improve the sulfur removal efficiency and expand the low temperature limit of the reaction involved. It is considered.

このプロセスでは、さらに、微量の水銀を同様の方法で捕捉できる。現在、燃焼中に石炭から水銀を除去する技術は、望ましいが、未実証であるか、または完全に実証されてはいない。水銀は、貴金属を含む場合を除きほとんどの金属(鉄を除く)とアマルガムを容易に形成し、石炭燃焼ボイラー内に、それらに関連する条件の下で形成された白金およびロジウムコーティング面に付着すると考えられている。現在テスト中の水銀除去技術のうち、どの技術も、アマルガムを形成する水銀の特性を使用していない。   This process can also capture traces of mercury in a similar manner. Currently, techniques for removing mercury from coal during combustion are desirable, but have not been or have not been fully demonstrated. Mercury easily forms amalgam with most metals (except iron) except when it contains precious metals, and adheres to the platinum and rhodium coating surfaces formed under conditions associated with them in coal-fired boilers. It is considered. None of the mercury removal technologies currently being tested uses the properties of mercury to form amalgam.

一実施形態では、本発明で使用される溶液から誘導される金属(触媒)は、燃焼チャンバ内に保持されるか、または排気ガスが通る表面に付着するか、または触媒コンバータのハニカム構造内にトラップされる。これは、付着した金属(触媒)がさらに不均一系触媒反応に関わる、したがって連続反応が発生する連続的再生触媒表面をもたらすので有利である。   In one embodiment, the metal (catalyst) derived from the solution used in the present invention is either retained in the combustion chamber, attached to the surface through which the exhaust gas passes, or in the honeycomb structure of the catalytic converter. Be trapped. This is advantageous because the deposited metal (catalyst) is further involved in heterogeneous catalysis, thus providing a continuously regenerated catalyst surface where a continuous reaction occurs.

本発明の他の態様では、燃料を前処理する方法が提供され、この方法は、
a)チャンバへの触媒の溶液の供給および圧縮ガスの供給を行い、チャンバは、予燃焼帯、燃焼帯、および後燃焼帯のうちの1つまたは複数と流体で連絡するノズルを備える工程と、
b)チャンバ内で溶液とガスとを混合し、溶液とガスとの混合物を強制的にノズルに通してエアロゾルを形成し、燃焼に先立って燃料を前処理するためにエアロゾルを固体燃料に加える工程とを含む。
In another aspect of the invention, a method for pretreating fuel is provided, the method comprising:
a) providing a catalyst solution and a compressed gas to the chamber, the chamber comprising a nozzle in fluid communication with one or more of the pre-combustion zone, the combustion zone, and the post-combustion zone;
b) mixing the solution and gas in the chamber, forcing the mixture of solution and gas through a nozzle to form an aerosol, and adding the aerosol to the solid fuel to pre-treat the fuel prior to combustion Including.

燃料は、好ましくは固体燃料である。   The fuel is preferably a solid fuel.

本発明のいくつかの実施形態は、ボイラー、発電所もしくはプロセスステーションボイラー、バーナーおよび乾燥機、加熱炉、タービンエンジン、往復機関、焼却炉エンジン、直火炎、火花点火エンジン、天然ガスエンジン、ガソリンエンジン、ロータリーエンジン、ディーゼル、ガソリン、バイオディーゼル、またはガソリンエンジンおよび他の代替え燃料などを使用する内燃機関、または燃料が酸化されるシステムなどの直火炎または閉鎖火炎用途のいずれかでエアロゾル触媒組成物および搬送システムを使用することを含むことができる。通常、燃料の酸化は、空気または酸素過剰媒体中での燃焼を伴う。酸化には、燃焼条件の下で酸素を遊離させる他の酸素発生源を供給することが影響を及ぼすことができる。   Some embodiments of the invention include boilers, power plant or process station boilers, burners and dryers, furnaces, turbine engines, reciprocating engines, incinerator engines, direct flames, spark ignition engines, natural gas engines, gasoline engines Aerosol catalyst compositions in either direct flame or closed flame applications, such as rotary engines, diesel, gasoline, biodiesel, or internal combustion engines using gasoline engines and other alternative fuels, or systems in which the fuel is oxidized It may include using a transport system. Usually, fuel oxidation involves combustion in air or oxygen-rich media. Oxidation can be influenced by providing other oxygen generating sources that liberate oxygen under combustion conditions.

本発明のエアロゾル搬送システムは、中に入れられる溶液の影響を受けない硬質容器を備える。容器は、エアロゾルの所望の使用に適している物質から作ることができる。本発明の好ましい一実施形態では、エアロゾルの容器は、セラミック、金属、またはプラスチック、またはそれらの組合せから作られる。   The aerosol delivery system of the present invention includes a rigid container that is not affected by the solution contained therein. The container can be made from a material that is suitable for the desired use of the aerosol. In one preferred embodiment of the invention, the aerosol container is made from ceramic, metal, or plastic, or a combination thereof.

エアロゾル搬送システムの圧縮ガスは、例えば、空気、蒸気、窒素、アルゴン、ヘリウム、一酸化炭素、二酸化炭素、およびそれらの組合せから選択されたプラスまたはマイナスにイオン化したガスまたは中性のガスなどのエアロゾルの所望の使用に適しているガスとすることができる。好ましくは、圧縮ガスは空気である。ある種の状況下では、圧縮ガスは、空気および追加の酸素成分またはアンモニアガスを含む。   The compressed gas of the aerosol delivery system is an aerosol such as a positively or negatively ionized or neutral gas selected from, for example, air, steam, nitrogen, argon, helium, carbon monoxide, carbon dioxide, and combinations thereof The gas can be suitable for the desired use. Preferably, the compressed gas is air. Under certain circumstances, the compressed gas includes air and an additional oxygen component or ammonia gas.

エアロゾル搬送システムのガスを、30から90psiまでの範囲内の圧力に曝すのが好ましい。より好ましくは、約50から70psiまでの範囲内の圧力が必要である。   Preferably, the aerosol delivery system gas is exposed to a pressure in the range of 30 to 90 psi. More preferably, a pressure in the range of about 50 to 70 psi is required.

エアロゾル搬送システムの溶液は、圧力に曝される。好ましくは、溶液を、約20から70psiまでの範囲内の圧力に曝す。より好ましくは、溶液は、約30から50psiまでの範囲内の圧力に曝す。   The solution in the aerosol delivery system is exposed to pressure. Preferably, the solution is exposed to a pressure in the range of about 20 to 70 psi. More preferably, the solution is exposed to a pressure in the range of about 30 to 50 psi.

エアロゾルを発生する方法はさまざまなものがある。エアロゾルを発生するシステムは、原理上、触媒エアロゾルを発生するために使用することができ、選択は、触媒エアロゾルの目的の用途に依存する。   There are various ways to generate aerosols. A system that generates an aerosol can in principle be used to generate a catalyst aerosol, the choice depending on the intended application of the catalyst aerosol.

本発明のエアロゾル搬送システムで使用される触媒前駆体溶液のpHは、コロイドまたは微細析出物のその後の形成とともに生じる劣化または分解を妨げるようなpHでなければならず、好ましく5未満である。より好ましくは、触媒前駆体溶液のpHは、4から1までの範囲内であり、さらにより好ましくは3.0から1.4までの範囲内であり、特に好ましくは1.6から2.2までの範囲内である。   The pH of the catalyst precursor solution used in the aerosol delivery system of the present invention must be such that it prevents degradation or degradation that occurs with subsequent formation of colloids or fine precipitates, and is preferably less than 5. More preferably, the pH of the catalyst precursor solution is in the range of 4 to 1, even more preferably in the range of 3.0 to 1.4, particularly preferably 1.6 to 2.2. Within the range.

好ましい一実施形態では、本発明は、火炎中に、または排気ガス中に、複数の触媒を発生させ、その前駆体を直接に、または入口空気を使用して、火炎または排気ガス中に導入している。これにより、酸素原子濃度およびフリーラジカル発生が高まり、燃焼率が向上し、そのため、滞留時間における効率が向上する。   In a preferred embodiment, the present invention generates a plurality of catalysts in a flame or exhaust gas and introduces the precursors directly or using inlet air into the flame or exhaust gas. ing. This increases the oxygen atom concentration and free radical generation and improves the combustion rate, thereby improving the efficiency in residence time.

無機金属塩および有機金属化合物のうちのいくつかは、高温の火炎内で、または高温排気ガス中で元素形態に分解し、酸素と触媒反応させる従来の燃焼元素および燃焼プロセス中に中間物質として形成される分子およびラジカルを生成すると考えられている。本発明では、白金、パラジウム、ロジウム、レニウム、ルテニウム、オスミウム、セリウム、イリジウム、インジウム、マグネシウム、アルミニウム、チタン、銅、亜鉛、リチウム、カリウム、ナトリウム、鉄、モリブデン、マンガン、金、または銀のうちの少なくとも1つの元素形態は、火炎中にまたは高温排気ガス内に、ppmからppbの領域内のあるレベルで存在する。好ましくは、白金およびロジウムは、火炎中または高温排気ガス内にppmからppbの領域内のあるレベルで存在する。燃焼システム内または高温排気ガス中に導入されたエアロゾル中の無機金属塩または有機金属化合物の濃度は、それぞれの燃焼システムのサイズおよび特性に依存する。   Some of the inorganic metal salts and organometallic compounds decompose into elemental forms in hot flames or in hot exhaust gases and form as intermediates during conventional combustion elements and combustion processes that catalyze reaction with oxygen It is believed to produce molecules and radicals. In the present invention, platinum, palladium, rhodium, rhenium, ruthenium, osmium, cerium, iridium, indium, magnesium, aluminum, titanium, copper, zinc, lithium, potassium, sodium, iron, molybdenum, manganese, gold, or silver At least one elemental form is present in the flame or in the hot exhaust gas at a level in the region of ppm to ppb. Preferably, platinum and rhodium are present at a level in the range of ppm to ppb in the flame or in the hot exhaust gas. The concentration of inorganic metal salt or organometallic compound in the aerosol introduced into the combustion system or into the hot exhaust gas depends on the size and characteristics of the respective combustion system.

本発明のエアロゾル搬送システムは、燃焼システムの熱出力およびサイズに依存するppmからppbまでのレベルの量の無機金属塩または有機金属化合物を含む。好ましくは、1つまたは複数の無機金属塩は、1から1000ppbまでの範囲内の濃度で溶液中に存在する。より好ましくは、1つまたは複数の無機金属塩は、50から100ppbまでの範囲内の濃度で溶液中に存在する。触媒として作用するにはごく低いレベルの無機金属塩が必要であることが都合よく判明している。これにより、ppbからppmまでのレベルのこれらの触媒前駆体を、石炭またはガス動力工業用ボイラーまたは火花点火およびディーゼルエンジンの燃焼チャンバなどの燃焼チャンバ内に運ぶことができる。したがって、本発明のエアロゾルは、効果的に、無機金属塩または有機金属化合物を、燃焼が行われる領域内に入れる。   The aerosol delivery system of the present invention comprises an amount of an inorganic metal salt or organometallic compound in a level from ppm to ppb depending on the heat output and size of the combustion system. Preferably, the one or more inorganic metal salts are present in the solution at a concentration in the range of 1 to 1000 ppb. More preferably, the one or more inorganic metal salts are present in the solution at a concentration in the range of 50 to 100 ppb. It has been found that very low levels of inorganic metal salts are necessary to act as a catalyst. This allows these catalyst precursors at levels from ppb to ppm to be carried into combustion chambers such as coal or gas powered industrial boilers or spark ignition and combustion chambers of diesel engines. Thus, the aerosol of the present invention effectively places an inorganic metal salt or organometallic compound in the region where combustion takes place.

本発明のエアロゾルの形態の希釈された触媒前駆体溶液の投与量は、所望の使用に依存する。しかし、投与量は、好ましくは1時間当たり0.1から1USガロン(0.3785リットルから3.785リットル)までの範囲内である。より好ましくは、投与量は、1時間当たり0.5USガロン(1.8925リットル)である。希釈の程度は、燃料が消費される、またはボイラーにより熱エネルギーが供給される速度に依存する。   The dosage of the diluted catalyst precursor solution in the form of an aerosol of the present invention depends on the desired use. However, the dosage is preferably in the range of 0.1 to 1 US gallon (0.3785 liters to 3.785 liters) per hour. More preferably, the dosage is 0.5 US gallons (1.8925 liters) per hour. The degree of dilution depends on the rate at which fuel is consumed or heat energy is supplied by the boiler.

本発明の他の実施形態では、エアロゾルは、ディーゼル燃料、ガソリン、ナンバー2燃料油、バンカー油、原油から精製された燃料油、圧縮天然ガス、液化天然ガス、ガソホール、炭化水素、コーンオイル、植物油、鉱物油、石炭、石炭ガス、アスファルト蒸気、酸化可能蒸気、木材、紙、わら、生物燃料、可燃性廃棄物、およびそれらの組合せなどの燃料を使用する燃焼チャンバに関して使用される。   In other embodiments of the invention, the aerosol is diesel fuel, gasoline, number 2 fuel oil, bunker oil, fuel oil refined from crude oil, compressed natural gas, liquefied natural gas, gasohol, hydrocarbons, corn oil, vegetable oil Used for combustion chambers using fuels such as mineral oil, coal, coal gas, asphalt steam, oxidizable steam, wood, paper, straw, biofuel, combustible waste, and combinations thereof.

本発明のエアロゾルに関して使用するのに好適な燃焼システムの運転温度は、好ましくは500から2000℃までの範囲内であり、好ましくは900から1600℃までの範囲内であり、より好ましくは1000から1500℃までの範囲内である。   The operating temperature of the combustion system suitable for use with the aerosols of the present invention is preferably in the range of 500 to 2000 ° C, preferably in the range of 900 to 1600 ° C, more preferably 1000 to 1500. Within the range up to ° C.

さらに他の態様を参照すると、本発明は、ディーゼルまたはガソリンエンジンとともに使用する小型エアロゾル搬送システムを実現する。エアロゾル搬送システムの寸法は、エアロゾルの目的の使用に依存する。システムは、例えば、石炭燃料プラントに関係する高温を受けることのないように構成できるので、微細エアロゾルを生成するために超音波発生器(上記を参照)を採用する小型システムを使用することができる。   Referring to yet another aspect, the present invention provides a small aerosol delivery system for use with a diesel or gasoline engine. The size of the aerosol delivery system depends on the intended use of the aerosol. The system can be configured, for example, to avoid the high temperatures associated with coal fuel plants, so a small system that employs an ultrasonic generator (see above) can be used to generate a fine aerosol. .

好ましくは、本発明の小型エアロゾル搬送システムの幅は、目的とする使用に応じて10cmから2mまでの間とすることができる。   Preferably, the width of the small aerosol delivery system of the present invention can be between 10 cm and 2 m depending on the intended use.

本発明の他の利点は、本発明のエアロゾル供給デバイスおよび方法が適用されるエンジンの振動により、触媒前駆体溶液の完全な混合が可能になることである。   Another advantage of the present invention is that the engine vibration to which the aerosol delivery device and method of the present invention is applied allows for complete mixing of the catalyst precursor solution.

本発明の他の利点は、触媒塩または有機金属化合物、例えば、白金およびロジウムの元素形態は、炉の内部に付着し、また触媒エアロゾルの成分から導かれた炉内部に付着している他の化合物に付着し、したがって、触媒活性は、触媒混合物がシステム内に噴霧される期間を超えて持続する。   Another advantage of the present invention is that the elemental forms of catalyst salts or organometallic compounds, such as platinum and rhodium, adhere to the interior of the furnace and other interiors derived from the components of the catalyst aerosol. Adhering to the compound, the catalytic activity therefore persists beyond the time period during which the catalyst mixture is sprayed into the system.

エアロゾル搬送システムは、都合よく、燃焼機関に関連する騒音および振動を低減することができる。例えば、白金の存在は、ディーゼルエンジン内で火炎を低い温度で燃焼させると考えられ、したがって、ピストンがその行程の終わりに達する前に消えない。ディーゼルエンジンの特徴は、「ガラガラ音」であり、高調波とよく呼ばれる。これは、一部は断熱膨張で温度降下が生じるため膨張するガスのエネルギーがある点を超えて減少した場合に、また火炎が消えた場合に発生する。これが生じると、ピストンは、そのまま、行程のほぼ1/4だけ進む。この時点でのピストンの移動は、押す動作から引く動作に変化し、ガラガラ音を発生する。本発明のエアロゾル搬送システムが取り付けられると、高調波は、かなり低減され、エンジンは、相当静かに、また滑らかになる。通常の状況では、燃焼が開始されると、その結果生じる膨張により、シリンダーが押し下げられる。本発明の白金含有エアロゾルシステムは、酸素原子を発生することに関与し、そのため、火炎および膨張は長く続くと考えられる。さらに、白金は、高速燃焼を助長し、それにより、火炎を持続し、発生する出力レベルを高めることに寄与すると考えられる。   Aerosol delivery systems can advantageously reduce the noise and vibration associated with combustion engines. For example, the presence of platinum is believed to cause the flame to burn at low temperatures in a diesel engine and therefore does not disappear before the piston reaches the end of its stroke. A characteristic of a diesel engine is “rattle noise”, often referred to as harmonics. This occurs when the energy of the expanding gas decreases beyond a certain point due to a temperature drop due in part to adiabatic expansion and when the flame is extinguished. When this happens, the piston will continue to travel approximately 1/4 of the stroke. The movement of the piston at this point changes from a pushing operation to a pulling operation, and generates a rattling sound. When the aerosol delivery system of the present invention is installed, the harmonics are significantly reduced and the engine is much quieter and smoother. Under normal circumstances, when combustion begins, the resulting expansion causes the cylinder to be pushed down. The platinum-containing aerosol system of the present invention is responsible for generating oxygen atoms, so that the flame and expansion will last long. Furthermore, platinum is believed to contribute to high speed combustion, thereby sustaining the flame and increasing the power level generated.

COおよびNOx排出量を最小に抑えて火花点火エンジンを運転するための最適な条件は、幾分対立したものとなる。燃焼チャンバ内の温度が高ければ高いほど、形成されるCOの量は少なくなり、したがって、エンジンを可能な限り高温で運転することによりCO排出量を最小に抑える。しかし、NOxの形成については逆のことが言え、排出量を最小にするためには、燃焼チャンバ内の温度は可能な限り低くなければならない。現在、エンジンは、温度の関数としてのCOおよびNOx形成のプロットの交差点に近くなるように、触媒コンバータの効率に関してチューニングされている。   The optimum conditions for operating a spark ignition engine with minimal CO and NOx emissions are somewhat in conflict. The higher the temperature in the combustion chamber, the less CO will be formed, thus minimizing CO emissions by operating the engine as hot as possible. However, the opposite is true for NOx formation, in order to minimize emissions, the temperature in the combustion chamber must be as low as possible. Currently, the engine is tuned for catalytic converter efficiency to be close to the intersection of plots of CO and NOx formation as a function of temperature.

本発明のエアロゾル搬送システムの固有の利点としては、燃焼チャンバからの排気ガス中のCO、NOx、および未燃焼炭化水素レベルを最小限に抑えるために燃焼温度が上記交差点温度を中心とする範囲に収まるように設計しなくてもよいようになっているということが挙げられる。したがって、低い温度の方式では、形成されるNOxの量は少なく、この量は、燃焼チャンバ内のロジウムの存在によりさらに低減される。他の結果および利点は、触媒コンバータに対する作業負荷は、これでかなり減らされ、したがって、その効率および寿命は、延びるという点である。   An inherent advantage of the aerosol delivery system of the present invention is that the combustion temperature is in the range centered on the intersection temperature to minimize CO, NOx, and unburned hydrocarbon levels in the exhaust gas from the combustion chamber. It is mentioned that it is not necessary to design to fit. Thus, in the low temperature regime, the amount of NOx formed is small and this amount is further reduced by the presence of rhodium in the combustion chamber. Another result and advantage is that the work load on the catalytic converter is now significantly reduced, thus increasing its efficiency and lifetime.

本発明の触媒濃縮液中にレニウムを含めることは、エンジンの動作を滑らかにし、静かにすることに寄与すると考えられ、したがって、その役割は、滑らかな火炎燃焼を助長するもの、および火炎に対する滑らかな最前部となるものと考えられる。   Inclusion of rhenium in the catalyst concentrate of the present invention is believed to contribute to smooth and quiet operation of the engine, and therefore its role is to facilitate smooth flame combustion and smooth against flame. It is considered to be the forefront.

出願人は、驚くべきことに本発明のエアロゾル搬送システムが、燃料の燃焼特性を改善し、したがって、燃焼システム内に堆積した炭素を減らすことを発見した。さらに、触媒の量は、後から、またはその後、低減することができる。いくつかの状況では、本発明のエアロゾル搬送システムは、明るい青色火炎を発生し、これは、特に効率のよい燃料燃焼を示す。この技術の利点は、燃焼システムがきれいな内部、きれいなフライアッシュ、および触媒の小さいが定常の噴射を有し、触媒腐食または毒作用が生じないという点である。したがって、本発明は、燃焼システムの寿命を延ばすことができる。   Applicants have surprisingly discovered that the aerosol delivery system of the present invention improves the combustion characteristics of the fuel and thus reduces the carbon deposited in the combustion system. Furthermore, the amount of catalyst can be reduced later or thereafter. In some situations, the aerosol delivery system of the present invention produces a bright blue flame, which indicates particularly efficient fuel combustion. The advantage of this technique is that the combustion system has a clean interior, a clean fly ash, and a small but steady injection of catalyst and no catalytic corrosion or poisoning. Thus, the present invention can extend the life of the combustion system.

本発明は、いくつかの図により例示される。   The present invention is illustrated by several figures.

図1では、空気1の供給は、送風機2に送られ、さらに混合装置3に送られ、そこで、燃料源4からの燃料と合わされる。空気を補うために、または空気の代わりに、酸素を使用することもできる。空気と燃料の混合物5は、燃焼チャンバ6に供給され、そこで燃焼が行われる。燃焼生成物7、つまり、排気ガスは、次いで、燃焼チャンバを出て、熱交換機9を備える排気領域8を通過する。   In FIG. 1, the supply of air 1 is sent to a blower 2 and further to a mixing device 3 where it is combined with fuel from a fuel source 4. Oxygen can also be used to supplement the air or instead of air. The air / fuel mixture 5 is fed to a combustion chamber 6 where combustion takes place. The combustion product 7, ie the exhaust gas, then leaves the combustion chamber and passes through an exhaust region 8 with a heat exchanger 9.

参照文字aからiは、本発明のエアロゾル搬送システムの配置に好適な噴射部位を示す。そのため、触媒溶液を含むエアロゾル噴霧は、文字aからiで示される部位のどれかに供給することができる。複数のこのような部位は、装置内に存在することができる。複数の部位が存在する場合、供給される触媒溶液は、同じ用途における他のエアロゾル供給部位と同じでも、異なっていてもよい。好ましい部位は、a、c、およびdの1つまたは複数であり、これは燃焼を改善し、燃料消費量を減らすからである。NOxレベルを下げるために、後燃焼帯内のエアロゾル供給部位が好ましい。そのため、g、h、またはiでの供給が好ましい。噴射は、さらに、これらの領域にアンモニアまたは尿素(図には示されていない)を添加して、または添加せずに、行うこともできる。   Reference characters a to i indicate injection sites suitable for the arrangement of the aerosol delivery system of the present invention. Therefore, the aerosol spray containing the catalyst solution can be supplied to any of the parts indicated by letters a to i. A plurality of such sites can be present in the device. When multiple sites are present, the catalyst solution supplied may be the same as or different from other aerosol supply sites in the same application. Preferred sites are one or more of a, c, and d because it improves combustion and reduces fuel consumption. In order to lower the NOx level, an aerosol supply site in the post-combustion zone is preferred. Therefore, supply by g, h, or i is preferable. The injection can also be performed with or without the addition of ammonia or urea (not shown in the figure) to these areas.

図2は、接線方向の入口管10で触媒溶液をエアロゾル供給ヘッド12内の渦流室11内に供給する単純な噴射装置を示している。圧縮ガスは、管13により渦流室11に供給される。霧化ノズル14は、微細エアロゾルミスト16を与えるようにサイズが決められ、配列されているオリフィス15を備える。図に示されている実施例では、霧化ノズル14は、一般に、円錐形状であり、円錐形状エアロゾルミスト16が得られる。ガスと触媒溶液をよく混合することは、渦流室11内のガス管13と管10の位置決めのため、ノズル14内のオリフィス15を通って排出するのに先立って渦流室11内で行われる。   FIG. 2 shows a simple injection device for supplying the catalyst solution into the vortex chamber 11 in the aerosol supply head 12 with a tangential inlet tube 10. The compressed gas is supplied to the vortex chamber 11 through the pipe 13. The atomizing nozzle 14 includes orifices 15 that are sized and arranged to provide a fine aerosol mist 16. In the embodiment shown in the figure, the atomizing nozzle 14 is generally conical and a conical aerosol mist 16 is obtained. The gas and catalyst solution are mixed well in the vortex chamber 11 prior to discharge through the orifice 15 in the nozzle 14 for positioning of the gas tube 13 and tube 10 in the vortex chamber 11.

図3は、図2のエアロゾル供給デバイスの簡素化上面図を示している。噴口15は、霧化ノズル14の周りに規則正しいパターンを描くように配置されていることがわかる。オリフィスのパターンは、所望の霧化された噴霧の形状により決まる。図3は、円錐状霧化ノズル14を示しており、これにより、エアロゾル15の円錐状噴霧が得られ、燃料消費を減らし、NOxレベルを改善することに関して最も有利な効果が生じる。   FIG. 3 shows a simplified top view of the aerosol delivery device of FIG. It can be seen that the nozzle holes 15 are arranged so as to draw a regular pattern around the atomizing nozzle 14. The orifice pattern depends on the shape of the desired atomized spray. FIG. 3 shows a conical atomization nozzle 14 which results in a conical spray of aerosol 15 with the most advantageous effects in terms of reducing fuel consumption and improving NOx levels.

図4は、水冷霧化器17を示しており、これは、炉壁18を通り、炉の内側絶縁セラミックれんが張り19を通る。霧化器17は、金属で作られており、霧化器17の本体内の流路22を通る冷却水21の供給源を備えることにより形成されるウォータージャケット20を備える。触媒溶液23は、流路24を介して渦流室25に供給される。圧縮ガス26、この場合は空気は、流路27により渦流室25に供給される。触媒溶液および空気は、渦流室25内で混合し、霧化ノズル28を通り、エアロゾル29の噴霧円錐を形成する。   FIG. 4 shows a water-cooled atomizer 17 which passes through the furnace wall 18 and through the inner insulating ceramic brick tension 19 of the furnace. The atomizer 17 is made of metal and includes a water jacket 20 formed by providing a supply source of the cooling water 21 that passes through the flow path 22 in the main body of the atomizer 17. The catalyst solution 23 is supplied to the vortex chamber 25 through the flow path 24. The compressed gas 26, in this case air, is supplied to the vortex chamber 25 by the flow path 27. The catalyst solution and air mix in the vortex chamber 25 and pass through the atomization nozzle 28 to form an aerosol 29 spray cone.

以下の実施例は、本発明の有効性を実証するものである。   The following examples demonstrate the effectiveness of the present invention.

ボイラー(毎時3300万BTU定格のJohnston 800馬力)は、蒸気を発生する効率が低下し、これを相殺するために、供給されるガスの量が増やされた。ボイラーを調べ、空気供給に不具合があるため、燃焼が不完全になり、炉内に炭素が堆積したことがわかった。ボイラーのこの空気搬送システムを修理し、本発明のエアロゾル搬送システムを取り付けた。その後の測定により、本発明のエアロゾルの装着後、騒音レベルは107デシベルから97デシベルに減少したことがわかった。ボイラーを、最大負荷に近い状態で1ヶ月間運転し、本発明のエアロゾル搬送システムとともに動作させた。1ヶ月後、炉の内部は、かなりきれいであり、燃料節約は、約4%であることがわかった。さらに測定したところ、NOxレベルは、6.5週間後に26.8%、149ppmから109ppmに減少したことがわかった。13週間エアロゾル搬送システムとともに動作させた後、NOxレベルは、全体として33%だけ減少し100ppmとなり、全体の燃料節約は、約4%であることがわかった。   Boilers (Johnston 800 hp rated 33 million BTU per hour) were less efficient at generating steam and the amount of gas supplied was increased to offset this. The boiler was inspected and found that combustion was incomplete and carbon was deposited in the furnace due to a faulty air supply. This boiler air delivery system was repaired and fitted with the aerosol delivery system of the present invention. Subsequent measurements showed that the noise level decreased from 107 dB to 97 dB after the aerosol of the present invention was installed. The boiler was operated for one month near the maximum load and operated with the aerosol delivery system of the present invention. After one month, the interior of the furnace was quite clean and the fuel savings were found to be about 4%. Further measurements showed that NOx levels decreased from 26.8%, 149 ppm to 109 ppm after 6.5 weeks. After operating with an aerosol delivery system for 13 weeks, the NOx level was reduced by 33% overall to 100 ppm and the overall fuel savings was found to be about 4%.

他のボイラー(毎時3300万BTU定格のJohnston 800馬力)を、約25%負荷で運転した。ベースラインのNOxレベルおよび酸素過剰割合を決定した後、本発明のエアロゾル搬送システムを取り付け、3週間動作させた。その結果、ボイラーは、45%だけ過剰酸素を減少させて25%負荷で維持することができ、したがって、燃料削減は約4%であることがわかった。このボイラーのNOxレベルは、35%削減され、136ppmから87ppmになった。火炎は、会社のボイラーエンジニアにより、純粋な水素火炎に最も近いと見えた最も青い火炎であると説明された。   Another boiler (Johnston 800 hp rated 33 million BTU per hour) was operated at about 25% load. After determining baseline NOx levels and oxygen excess, the aerosol delivery system of the present invention was installed and operated for 3 weeks. As a result, the boiler was found to be able to reduce excess oxygen by 45% and maintain it at 25% load, and thus fuel reduction was about 4%. The boiler's NOx level was reduced by 35% from 136 ppm to 87 ppm. The flame was described by the company's boiler engineer as the bluest flame that appeared to be the closest to a pure hydrogen flame.

本発明の一態様による直火炎用途を示す略図である。1 is a schematic diagram illustrating a direct flame application according to an aspect of the present invention. 本発明によるエアロゾル搬送システムの側面図である。1 is a side view of an aerosol delivery system according to the present invention. FIG. 図2のエアロゾル搬送システムの上面図である。FIG. 3 is a top view of the aerosol delivery system of FIG. 2. 本発明の他の実施形態による他のエアロゾル搬送システムの側面図である。6 is a side view of another aerosol delivery system according to another embodiment of the present invention. FIG.

Claims (18)

燃焼装置とともに使用するエアロゾル搬送システムであって、
ガスの発生源をチャンバに供給するための第1の入口と、
溶媒中に1つまたは複数の無機金属塩を含む触媒溶液を前記チャンバに供給するための第2の入口と、
前記チャンバからエアロゾルの形態で流体を放出するための霧化ノズルを備えるチャンバを備え、
前記第1の入口および前記第2の入口ならびに霧化ノズルは、前記チャンバ内のガスおよび流体が混合され一緒になって、前記ノズルを通して放出されるときにエアロゾルを形成するように配列され、前記ノズルは、予燃焼帯、燃焼帯、および後燃焼帯のうちの1つまたは複数と流体で連絡していることを特徴とするエアロゾル搬送システム。
An aerosol delivery system for use with a combustion device,
A first inlet for supplying a source of gas to the chamber;
A second inlet for supplying the chamber with a catalyst solution comprising one or more inorganic metal salts in a solvent;
Comprising a chamber comprising an atomizing nozzle for releasing fluid in the form of an aerosol from the chamber;
The first inlet and the second inlet and the atomizing nozzle are arranged to mix and gas and fluid in the chamber together to form an aerosol when discharged through the nozzle; An aerosol delivery system, wherein the nozzle is in fluid communication with one or more of a pre-combustion zone, a combustion zone, and a post-combustion zone.
前記ノズルは、前記燃焼帯内に存在することを特徴とする請求項1に記載のエアロゾル搬送システム。   The aerosol delivery system according to claim 1, wherein the nozzle is present in the combustion zone. 前記ノズルは、燃焼に先立って空気と燃料が混合される予燃焼領域内に存在することを特徴とする請求項1または2に記載のエアロゾル搬送システム。   The aerosol transport system according to claim 1, wherein the nozzle is present in a pre-combustion region where air and fuel are mixed prior to combustion. 前記ノズルは、2つの成分が混合されるより前の、燃料のみが存在する予燃焼領域内、および/または、空気のみが存在する予燃焼領域内に置かれることを特徴とする請求項1または2に記載のエアロゾル搬送システム。   2. The nozzle according to claim 1, wherein the nozzle is placed in a pre-combustion region in which only fuel exists and / or in a pre-combustion region in which only air exists before the two components are mixed. 2. The aerosol delivery system according to 2. 前記ノズルは、燃焼領域の後に置かれることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のエアロゾル搬送システム。   The aerosol delivery system according to claim 1, wherein the nozzle is placed after the combustion region. 前記ノズルは、円錐形状であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のエアロゾル搬送システム。   The aerosol transport system according to claim 1, wherein the nozzle has a conical shape. 複数のノズルが存在できることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のエアロゾル搬送システム。   The aerosol transport system according to claim 1, wherein a plurality of nozzles can exist. ガスおよび触媒溶液の前記チャンバへの供給は、連続的であり、したがってエアロゾルは、前記ノズルから連続的に噴霧されることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のエアロゾル搬送システム。   8. An aerosol delivery system according to any one of claims 1 to 7, wherein the supply of gas and catalyst solution to the chamber is continuous, so that aerosol is continuously sprayed from the nozzle. 本発明の触媒溶液は、白金、パラジウム、ロジウム、レニウム、ルテニウム、オスミウム、セリウム、イリジウム、インジウム、マグネシウム、アルミニウム、チタン、銅、亜鉛、リチウム、カリウム、ナトリウム、鉄、モリブデン、マンガン、金、または銀から選択された金属を含む1つまたは複数の化合物を含むことを特徴とする先行するいずれかの請求項に記載のエアロゾル搬送システム。   The catalyst solution of the present invention is platinum, palladium, rhodium, rhenium, ruthenium, osmium, cerium, iridium, indium, magnesium, aluminum, titanium, copper, zinc, lithium, potassium, sodium, iron, molybdenum, manganese, gold, or 12. An aerosol delivery system according to any preceding claim, comprising one or more compounds comprising a metal selected from silver. 前記化合物は、0.1から2.0mg/mlまでの濃度で溶液中に存在することを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載のエアロゾル搬送システム。   10. The aerosol delivery system according to any one of claims 1 to 9, wherein the compound is present in the solution at a concentration of 0.1 to 2.0 mg / ml. 燃料を触媒により燃焼する方法であって、
a)チャンバへの触媒の溶液の供給および圧縮ガスの供給を行い、前記チャンバは、予燃焼帯、燃焼帯、および後燃焼帯のうちの1つまたは複数と流体で連絡するノズルを備える工程、
b)前記溶液と前記ガスを前記チャンバ内で混合する工程、
c)溶液とガスの前記混合物を前記ノズルに強制的に通し、エアロゾルを燃料燃焼装置の前記予燃焼帯、燃焼帯、または後燃焼帯内で形成する工程、を含むことを特徴とする方法。
A method of burning fuel with a catalyst,
a) providing a catalyst solution and a compressed gas to the chamber, the chamber comprising a nozzle in fluid communication with one or more of the pre-combustion zone, the combustion zone, and the post-combustion zone;
b) mixing the solution and the gas in the chamber;
c) forcing the mixture of solution and gas through the nozzle to form an aerosol in the pre-combustion zone, combustion zone, or post-combustion zone of a fuel combustion device.
前記エアロゾルおよび前記燃料を、燃料噴射ディーゼルまたはガソリンエンジンの燃焼帯内に同時にまたは別々に導入することができることを特徴とする請求項11に記載の燃料を触媒により燃焼する方法。   The method of claim 11, wherein the aerosol and the fuel can be introduced simultaneously or separately into a combustion zone of a fuel-injected diesel or gasoline engine. 前記エアロゾルを、燃焼システムの高温排気ガス流中に導入することを特徴とする請求項11または12に記載の燃料を触媒により燃焼する方法。   13. A method according to claim 11 or 12, wherein the aerosol is introduced into a hot exhaust gas stream of a combustion system. 前記圧縮ガスは、空気、蒸気、窒素、アルゴン、ヘリウム、一酸化炭素、二酸化炭素、およびそれらの組合せから選択されることを特徴とする請求項11〜13のいずれかに記載の燃料を触媒により燃焼する方法。   The fuel according to any one of claims 11 to 13, wherein the compressed gas is selected from air, steam, nitrogen, argon, helium, carbon monoxide, carbon dioxide, and combinations thereof. How to burn. 前記ガスを、30から90psiまでの範囲内の圧力下に置くことを特徴とする請求項11〜14のいずれかに記載の燃料を触媒により燃焼する方法。   15. A method of combusting fuel with a catalyst according to any of claims 11 to 14, wherein the gas is placed under a pressure in the range of 30 to 90 psi. 前記溶液を、20から70psiまでの範囲内の圧力下に置くことを特徴とする請求項11〜15のいずれかに記載の燃料を触媒により燃焼する方法。   16. A method for combusting a fuel according to any of claims 11 to 15, wherein the solution is placed under a pressure in the range of 20 to 70 psi. 燃料を前処理する方法であって、
a)チャンバへの触媒の溶液の供給および圧縮ガスの供給を行い、前記チャンバは、予燃焼帯、燃焼帯、および後燃焼帯のうちの1つまたは複数と流体で連絡するノズルを備える工程、
b)前記チャンバ内で前記溶液と前記ガスとを混合し、溶液とガスとの前記混合物を強制的に前記ノズルに通してエアロゾルを形成し、燃焼に先立って前記燃料を前処理するために前記エアロゾルを固体燃料に加える工程、を含むことを特徴とする方法。
A method for pre-processing fuel,
a) providing a catalyst solution and a compressed gas to the chamber, the chamber comprising a nozzle in fluid communication with one or more of the pre-combustion zone, the combustion zone, and the post-combustion zone;
b) mixing the solution and the gas in the chamber, forcing the mixture of solution and gas through the nozzle to form an aerosol and pre-treating the fuel prior to combustion; Adding an aerosol to the solid fuel.
前記燃料は、固体燃料であることを特徴とする請求項17に記載の方法。   The method of claim 17, wherein the fuel is a solid fuel.
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