JP2015525333A - 液体燃料の触媒燃焼を行うための触媒加熱器と反応器とに使用される燃料噴射システム - Google Patents

Abstract

本発明は、触媒反応器においてディーゼルおよびガソリンなどの液体燃料を利用して燃料からクリーンな熱を生成するためのシステムに関し、特に、触媒バーナー（３１０，３１３）用の燃料噴射装置に関する。システムは、触媒バーナー（３１０，３１３）を予熱するための予熱手段（３０８′，３０９，３１５；ＦＴ）と、触媒バーナー（３１０，３１３）に燃料を供給するための一次燃料供給手段（３０７）とを備える。予熱手段（３０８′，３０９，３１５；ＦＴ）と一次燃料供給手段（３０７）とは、チャネル（ＣＨ）を介して互いに接続される別々の区画（３１０，３１２）に設けられる。

Description

本発明は、触媒反応器においてディーゼルおよびガソリンなどの液体燃料を利用して燃料からクリーンな熱を生成するためのシステムに関する。

背景
従来の燃料を燃焼させる加熱器は、火炎燃焼を利用して熱を生成する。この燃焼過程に伴い、環境に有害な粒子（すす、灰）および化学排出物（ＣＯ、ＮＯｘ）の両方が生成される。

火炎燃焼システムを触媒酸化システムに置換えることによって、燃料に関連する排出をなくすとともに、（空気流を増加することにより）酸化プロセスの温度を低下させることによって燃焼過程の効率を高めることができる。触媒酸化の主要な特徴は、酸化プロセスが低い空燃比に制限されず、すべての炭化水素を完全に酸化させ、反応域においてＮＯｘの生成を阻害するようなレベルまでプロセスの温度を低くすることができることである。

ディーゼルまたはガソリンのような多成分液体燃料で動作する触媒加熱器の主な課題は、触媒に有害で、加熱器の寿命を減らし、最終使用者のサービスコストを増加させ得るすすを生成することなく、寒冷環境下で加熱器を始動させることである。

液体燃料用触媒燃焼器の始動に関連する課題を解決するため、天然ガスおよびプロパンなどの気体燃料が、触媒燃焼の実用的応用のために、産業上注目されている。たとえば、米国特許第６２２３５３７号に記載されたように、燃焼器には、天然ガスが使用されている。

発明の概要
触媒燃焼の概念は新しくないが、本発明は、触媒反応器においてすすの形成を防止しかつ触媒加熱器の始動時間を短縮するような、触媒加熱器においてディーゼル／ガソリン燃料を使用する新規な方法を提供する。

したがって、本発明の目的は、触媒燃焼器の始動と触媒燃焼器における液体燃料の使用とに関連する課題を解決することである。

したがって、本発明の発明者は、請求項１に記載の触媒反応器システムを考案した。
本発明の反応器は、顧客および法的要件を満たすためにクリーンな熱が必要とされる大型トラック、乗用車、船および住宅に使用される室内加熱器などの応用に限定されないがこれらに使用される小型触媒燃焼器システムである。

特に、デュアル反応チャンバという解決策が開発されている。この解決策において、始動時に触媒のすす汚染を防止するとともにシステムの冷間始動時に熱衝撃から触媒を保護するために、一次始動部は、触媒反応域から隔離され、具体的には、始動部または予熱部は、チャネルを介して反応部に接続される別体の区画に設けられている。

反応器システムは、反応器に設けられた一次および二次燃料ノズルをさらに備え、これらの燃料ノズルが共通の圧力で動作し、よって、システムは、始動時および通常作動時において広範囲に可変する燃料圧力で動作することができ、その結果、触媒加熱器の始動時と通常作動時の両方において最適な燃料流量にすることができる。

システムの部品を冷却するためおよび空気を加熱器の触媒反応域に輸送する前に空気を予熱するために、空気を反応器に供給する。これにより、触媒反応器内における燃料蒸発プロセスの熱安定化、および触媒表面における燃料蒸発による触媒の熱劣化の防止を可能にする。

先行技術のシステムを示す図である。 先行技術の触媒反応器を概略的に示す図である。 新規の概念を概略的に示す図である。 新規の触媒反応器の実施形態を示す図である。

詳細な説明
本願において、以下の用語は、以下に述べる意味を有する。

「多成分燃料」は、様々な沸点と炭素鎖長と構造とを有する種々の炭化水素からなる混合物である、たとえばディーゼルおよびガソリンのような入手可能な市販燃料を指す。

熱分解を介してコークスを生成することなく燃料の軽質成分から燃料の重質成分を完全に蒸発させることが煩雑であるため、および低温で触媒が活性の間にすすが生成されるため、これらの一般的に入手可能な市販燃料の使用は、触媒燃焼システムにおいて制限されている。

図面を参照して、米国特許第６２２３５３７号に係る先行技術のシステムは、図１に開示されている。このシステムは、概して二重壁の缶状構成を有する燃焼器１０を含む。燃焼器１０は、燃焼器缶１１と、インナーライナー１２と、上流端１４とを含む。燃焼器缶１１は、インナーライナー１２を囲み、インナーライナー１２は、チャンバ１５を囲んでいる。燃焼器缶１１とインナーライナー１２とは、互いに接触せず、むしろ圧縮機部（図示せず）からの空気がチャンバ１５に入る前に流れるチャネル１６を画定する。図示の実施形態では、インナーライナー１２は、孔のあいたフランジ１３によって、燃焼器缶１１の内部に支持されている。インナーライナー１２は、燃料ノズル３２に支持されながら取付けられてもよく、好ましくは、熱膨張を可能にするために、燃料ノズル３２に余裕をもって支持されながら取付けられてもよい。

下流に順次行くと、燃焼器１０は、予混合管３０と、触媒入口４０と、触媒床４１とを含む。図示の実施形態では、インナーライナー１２の下流端が、触媒床４１の上流端とほぼ隣接している。触媒床４１をインナーライナー１２に同軸に整列させるために、触媒床４１の支持構造が、フランジ１３に係合される。触媒床４１は、通常タービン入口およびタービンホイール（図示せず）を含むタービン部（図示せず）内に開口している。代替の実施形態では、触媒床４１は、インナーライナー１２と同軸に整列しておらず、所定の用途に適するようにインナーライナー１２の軸線に対して傾斜している。

予熱器２０は、燃焼器が予熱モードで動作している際に空気を導入し、火炎を安定化するように働く１つまたは複数の空気旋回器２２に囲まれた少なくとも１つの予熱器燃料ノズル２１を利用する従来の構造を有する拡散火炎バーナーの一種である。本発明を実施する最良の形態では、単一の予熱燃料ノズルが使用され、単一の予熱燃料ノズルは、燃焼器の軸と平行に配置され、上流端１４から延在し、その出口が軸方向の空気旋回器によって囲まれている。液体燃料が使用される場合、少なくとも１つの予熱器の燃料ノズルは、好ましくは、圧力型または空気噴射型である。予熱器はまた、燃焼される空気と燃料を点火するための点火器２３を含む。代替の実施形態では、点火器２３の代わりに、スパークプラグ、グロープラグ、トーチまたは拡散火炎バーナーを点火するための他の手段が使用される。

燃焼器入口の温度が触媒調製物の関数である最小値を超えた場合のみ、触媒燃焼が可能である。この最小値は、典型的には約華氏７００°である。したがって、エンジンを始動するため、および適切な燃焼器入口温度を得るのに必要な速度までエンジンを加速するために、予熱器が必要とされる。ひとたびこの状態に達すると、予熱器は停止され得る。この時、別体の燃料供給システム３２が使用され、予混合管３０内に燃料を導入する。予混合管３０内において、（気体燃料ではなく液体を使用する場合に）燃料は、蒸発され、流入空気と混合される。次いで、得られた燃料−空気混合物は、触媒床４１に導入される。

燃焼器１０はまた、予熱器燃料ノズル２１および空気旋回器２２の下流側のインナーライナー１２に、複数の一次空気オリフィス２５と複数の二次空気オリフィス３５とを含む。一次空気オリフィス２５は、予熱操作モードでの燃焼を向上させるために、予熱器２０に追加の空気を導入する。好ましい実施形態では、周方向に離間された６つの一次空気オリフィスがインナーライナー１２の周りに配置される。一次空気オリフィス２５を介して予熱器２０に入る空気は、比較的少ないＮＯｘおよびすすが生成されるように反応している燃料−空気の混合物を適切なレベルに希釈しながら、燃料−空気の混合物を予熱器燃料ノズル２１に向かって再循環させることによって、火炎をさらに安定化させる。

一次空気オリフィス２５の下流側にある複数の二次空気オリフィス３５は、反応温度をさらに低下させ、燃料−空気の混合物を充填する。温度の低下および充填された燃料−空気の混合物は、触媒の損傷を防止するおよび予熱運転時に触媒の磨耗を最小限にするのに十分であることが望ましい。好ましい実施形態では、周方向に離間した１２個の二次空気オリフィスがインナーライナー１２の周りに配置され、これらの二次空気オリフィスは、長い方の寸法がインナーライナー１２の軸と平行に配向された略長円形状を有している。

米国特許第６２２３５３７号において指摘されたように、触媒の損傷を防止することは重要である。しかしながら、図１に示された設計によると、すすが触媒入口４０におけるインナーライナー１２内に堆積され、触媒４１内にもある程度まで堆積されることは、事実上回避できない。したがって、本発明者らは、図２を参照して説明される本発明を考案した。

図２ａおよび図２ｂは、それぞれ先行技術の装置および本発明の装置の概略図を示している。

図２ａから見られるように、システムは、システムを予熱する初期火炎を提供するために使用される唯一の燃料ノズルと、ひとたび予熱火炎が停止されると燃料を供給する別体の燃料ノズルとを備えている。予熱ノズルは、触媒と一直線に配置されている。

図２ｂは、本発明のシステムの実施形態を概略的に示している。本発明のシステムは、触媒反応チャンバから分離された予熱チャンバ１１２を備え、特に予熱チャンバは、反応チャンバと熱的に接触するように配置されている。予熱時の高温ガスは、反応チャンバの入口として配置されたタービュレータ（turbulator）を介して反応チャンバに供給される。

この概略的に示された触媒反応器システムは、概して参照番号１００によって表記される。

触媒反応器システムは、好ましくは鋼製の反応器ハウジング１０３を備える。反応器ハウジングは、２つの主要な区画ＡおよびＢに分かれる。反応器区画Ａでは反応が行われ、（後述する）３つのサブ区画１１０，１１２，１１３に細分される。制御区画Ｂでは弁および他の制御装置を収容する。

反応区画Ａは、予熱チャンバ１１２と、混合反応器チャンバ１１０と、自身固有の構造的な構成によって独自の区画を形成する触媒１１３とを含む。触媒は、好ましくはハニカム型であり、金属またはセラミックであってもよい。

制御区画Ｂは、仕切壁ＰＷによって反応器区画Ａから隔離されている。制御区画は、少なくとも１つのオリフィス１０８を介して反応器区画と連通する。空気は、オリフィス１０８を通り、ノズル１０８′，１０８″を介して予熱チャンバ１１２に供給される。空気を供給するために、ファンまたは圧縮機１０２のような空気送達手段が設けられる。これらの空気送達手段は、パイプまたはチューブを介して反応器に接続された別体のユニットとすることができるが、制御区画に接続され、反応器ハウジングに適宜に直接取付けられる。

制御区画Ｂの内部には、弁が設けられている。一次燃料弁１０４は、混合反応器チャンバ１１０に燃料を供給するために設けられており、二次燃料弁１０５は、予熱チャンバ１１２に燃料を供給するために設けられている。両方の弁は、チューブまたはパイプを介して同一の燃料供給手段（図示せず）に接続されている。この燃料供給手段は、適切には、燃料タンクＦＴに接続されるポンプである。各燃料弁は、燃料を噴霧化し、それぞれのチャンバ内に霧化燃料を噴射するためのノズル１０７，１０９を各々備える。各チャンバに対し１つのみの燃料弁が示されているが、複数のノズルを提供することは、当然本発明の概念に含まれる。

混合反応器チャンバ１１０内において適切な混合を提供するために、予熱チャンバ１１２から（図示のみの）タービュレータ１１４にガス混合物を伝送するためのチャンネルＣＨが設けられている。タービュレータとしては、乱気流を生成する気体流の急激な偏向を形成するための開口、穴またはオリフィス、若しくは複数の開口／穴／オリフィスであり得る。

図３は、本発明の特定の好ましい実施形態を示している。示された触媒燃焼器は、概して参照番号３００によって表記される。この触媒燃焼器は、図２ｂに概略的に示された燃焼器と同一の全般的な構成を有し、類似する特徴が、図２ｂと同様に、同一の符号の前に「３０」を付して表記される。しかしながら、本発明の特定の好ましい実施形態は、装置の動作を向上させるいくつかの特定詳細構成を有する。

動作時に必要な温度を達成するために必要とされる触媒燃焼器の予熱を提供するために、図示のように、仕切部材３１１ａが、触媒反応チャンバ３１０の外周のまわりの少なくとも一部に配置される。なお、仕切部材は、触媒反応チャンバの外周の全てに延在することもできる。仕切部材の一端は、仕切壁ＰＷに取付けられ、反対側の他端には、予熱区画３１２において生成された高温ガスが反応チャンバの外側表面に沿って流れ、反応チャンバを加熱するように、好ましくは環状スリット３１６が形成される。

特定の実施形態において、実質的に円形の断面を有する（点線で示された）専用火炎管ＦＴが、予熱チャンバ３１２に設けられている。この専用火炎管は、霧化ノズル３０９を囲むように、仕切壁ＰＷに取付けられる。厳密に必要ではないが、この火炎管は、好ましくは円形の断面を有する。火炎管ＦＴの大きさおよび形状は、火炎管の開口部における火炎が燃焼器に対し最適化されるようにされる。火炎管の最適化は、当業者にとって創造的な作業を必要とせず、構成に関する試験事項であろう。

本発明に係る反応器システムの動作について、図３に示された実施形態を参照して説明する。

図３に示された実施形態の場合、燃焼器は、排出を最小にしかつ性能を最適化するために設計された始動、予熱および通常動作を含むいくつかの動作のために、最適化されている。

システムは、（図３に概略的に示された）空気ファン３０２によってシステムに空気を吹き込むことによって始動する。空気３０３は、オリフィス３０８を通って燃焼器に入る。空気は、制御区画Ｂに入り、次いでノズル３０８′を介して仕切壁ＰＷ′を通って全体反応器系を通過し、触媒３１３の端部で反応器から出る。点火は、概略的に３０４で示された二次燃料弁を開くことによって達成される。よって、燃料が霧化され、燃料ノズル３０９によって反応器に供給される。その後、点火電極３１５が通電され、霧化された燃料／空気混合物において火花を形成する。

点火されると、空気ファンは、予熱工程で使用される火炎燃焼用の最適条件を提供するように調整される。火炎燃焼によって生成された暖かいガスは、火炎シールド３１１の周りの予熱チャンバ３１２を通過し、タービュレータ３１４を通って、触媒３１３を通過する前に、触媒混合触媒反応器チャンバ３１０に入る。

図示の実施形態において、タービュレータ３１４は、管状の反応チャンバ３１０の周囲に配置された複数の楕円形オリフィス３１４’からなる。

空気と燃料との均一な混合を達成するために、空気は、旋回器によってタービュレータ３１４から反応チャンバ内に送達される。旋回器は、反応チャンバ３１０内の燃料ノズル３０７の周りに周状に配置された偏向素子３１４″を備える。

燃焼ガスをシステムの内部全体にわたって通過させることによって、燃焼からの熱を反応器システムに迅速に伝達することができるとともに、予熱過程の開始時に形成されたすすが、予熱チャンバ３１２内の遠位壁３１１ｂに集まり、予熱過程が動作温度に達すると燃焼されるため、予熱過程の開始時に形成されたすすが触媒に達することを防止することもできる。

触媒混合チャンバ３１０内の温度が所望の温度に到達したとき、二次燃料弁３０４が閉められ、空気が通常触媒動作モードに調整される。主燃料弁３０５が開放され、霧化燃料が燃料ノズル３０７によって主混合チャンバ３１０に噴射される。

予熱過程において生成された熱は、反応器壁から、流入する空気に伝達される。これによって、燃料を予熱された空気と混合することにり燃料を気化させることができ、空気／燃料の混合物を触媒３１３に運ぶことできる。

気化した空気−燃料の混合物が触媒３１３に接触すると、触媒燃焼過程が開始し、触媒から熱を直接生成する。触媒３１３で生成された熱は、動作中に混合チャンバ３１０内の熱を維持するのに使用され、主には外部の応用に提供される。

触媒燃焼を高い空燃比で行うことにより、加熱器からの窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）および他の炭化水素の排出を排除することができるとともに、加熱器の効率を高めることができ、自動車とその他の可動式および固定式の応用との両方に使用されるクリーンな加熱器の設計を可能にする。

Claims (8)

1. 触媒バーナー（３１０，３１３）と液体燃料の触媒燃焼を行うための反応器とを含む触媒加熱器に使用されるシステム用の燃料噴射システムであって、
   前記触媒バーナー（３１０，３１３）を予熱するように構成された予熱手段（３０８′，３０９，３１５；ＦＴ）と、
   前記触媒バーナー（３１０，３１３）に燃料を供給するように構成された一次燃料供給手段（３０７）とを含み、
   前記予熱手段（３０８′，３０９，３１５；ＦＴ）と前記一次燃料供給手段（３０７）とは、別々の区画（３１０，３１２）に設けられ、前記区画は、チャンネル（ＣＨ）を介して互いに接続され、
   前記一次燃料供給手段（３０７）は、触媒反応器チャンバ（３１０）内に配置され、
   前記予熱手段（３０８′，３０９，３１５；ＦＴ）は、前記反応器チャンバ（３１０）と隣接するとともに前記反応器チャンバ（３１０）と熱伝達接触するように配置された予熱区画（３１２）内に配置され、
   前記チャネル（ＣＨ）は、前記予熱手段（３０８′，３０９，３１５；ＦＴ）が配置されている前記予熱区画（３１２）の一端の反対側の端部にある入口と、前記一次燃料供給手段（３０７）に近い前記一端にあって、前記触媒反応チャンバ（３１０）内に開口する出口とを備えることを特徴とする、システム。
2. 前記前記予熱手段（３０８′，３０９，３１５；ＦＴ）は、燃料霧化ノズル（３０９）を有する予熱バーナーと、前記予熱バーナーに燃料を供給するための二次燃料供給手段と含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記予熱バーナーの周囲に配置された火炎管（ＦＴ）をさらに備える、請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記一次燃料供給手段（３０７）は、燃料霧化ノズルを含む、請求項２または３に記載のシステム。
5. 前記反応チャンバ（３１０）は、前記霧化ノズル（３０７）の近傍に配置された複数のオリフィス（３１４′）をさらに備え、
   前記反応チャンバ（３１０）は、好ましくは円形断面を有し、
   前記開口（３１４′）は、好ましくは周方向に配置されている、請求項１から４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記隣接する別々の区画を接続する前記チャネルは、前記反応チャンバ（３１０）の外周に配置された仕切壁（ＰＷ）に取付けられ、前記反応チャンバと実質的に平行するように延長し、前記仕切壁（ＰＷ）と反対側にある一端に開口（３１６）を形成するような長さを有する仕切部材（３１１ｂ）によって形成される、請求項５に記載のシステム。
7. 前記システムは、前記仕切壁（ＰＷ）に設けられた空気入口（３０８；３０８′）をさらに含み、前記入口は、前記予熱区画（３１２）内に開口する、請求項１から６のいずれか１項に記載のシステム。
8. 前記システムは、前記反応チャンバ（３１０）内において、その遠位端に設けられた触媒床（３１３）を含む、請求項１から７のいずれか１項に記載のシステム。

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