JP4660594B2 - 気体燃料の含有物を改質するための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、気体燃料の含有物を改質するための装置および方法に関するものである。

望ましくない燃焼生成物のレベルを低下させる、すなわち、エンジンからの排出物質を減少させるために、ガスタービンエンジンの燃焼温度を低下させることが知られている。温度が低下すると、ＮＯＸ（窒素酸化物）の生成が減少する。しかしながら、温度低下は大きすぎてはならない、さもなければ、このために一酸化炭素及び未燃炭化水素の生成が増大する結果になる。

ガスタービンエンジンの燃焼温度の低下が直面する問題は、燃焼フレームの損失すなわちフレームアウトである。換言すると、燃焼温度が低下すると、燃焼が不安定になることが多い。燃料と空気の燃焼混合物に燃料の濃厚なポケットが含まれている場合、こうしたポケットは温度が低下した場合に燃焼の持続に役立つことになる。しかしながら、排出物質のレベルは、燃焼混合物が低下した温度で完全かつ均一な混合物である場合ほど低くはならない。

ガスタービン用気体燃料を利用する場合、燃料に水素をドープするすなわち混入することによって、この問題に対処することは既知のところである。水素は火炎伝播速度が極めて速く、従って燃焼フレームを持続させる働きをする。用いられる水素は、燃料の化学的改質によって燃料自体から取り出すことが可能である。あるいはまた、ボンベ入り水素を用いることも可能である。燃料自体から水素を取り出すのは複雑なプロセスであり、従ってコストがかかる。ボンベ入り水素の場合、利用可能なスペースが限定される環境において多くのボンベが必要になる可能性がある。

本発明の第１の態様によれば、気体燃料供給源と、オキシダント供給源と、オキシダントを利用して、燃料の第１の部分を燃焼させ、それによって中間燃焼生成物を含む部分燃焼生成物を生じさせ、部分燃焼生成物と部分燃焼しなかった燃料の残りの部分が混合して、その結果改質された燃料が得られるようにする燃焼装置とを備えており、部分燃焼が所定の改質燃料を生じさせるのに必要な中間燃焼生成物をもたらすように制御されることを特徴とする気体燃料の含有物を改質するための装置が提供される。

燃料供給源は、気体燃料が流れる通路を備えており、オキシダント供給源は、通路の壁面を貫通する１つ以上の吸気供給路を備えており、燃焼装置は、通路に沿った燃料流の経路において実質的に通路内に配置されることが好ましい。

燃焼装置には、オキシダントと燃料の前記第１の部分を混合するためのバーナと、燃料の前記第１の部分の前記部分燃焼が生じるバーナ下流の燃焼室と、部分燃焼の点火を行う点火装置を備えることが好ましい。

燃焼室には、燃焼室の下流に消火孔を備えることが可能であり、部分燃焼しなかった前記燃料の残りの部分が、燃焼室の外部から消火孔を通って内部に流入し、燃焼室内の部分燃焼を消火して、前記部分燃焼生成物と混合する。

燃焼室には、部分燃焼しなかった前記燃料の残りの部分がそれを通って燃焼室の外部から内部に流入し、燃焼室の壁面を冷却することになる、しみ出し孔を備えることができる。

例えば後述する装置の場合、バーナは、前記吸気供給路と通じるオキシダントポートを含む上流プレートと、プレートの下流にあって、前記燃料の第１の部分がほぼ半径方向の内側に進み、渦運動を導入するように前記燃料の第１の部分を導くと共に前記プレートのポートからオキシダントを受け入れて前記燃料の第１の部分と混合する半径方向スワラと、半径方向スワラの下流にあって、スワラからの燃料及びオキシダントの渦流を受け入れる予燃焼室とを備える。

例えば後述する装置の場合、上流プレートは、燃料がその中心部分のまわりを／中を通るように形成されており、燃料はその中心部分にぶつかって、それを冷却した後、その中心部分のまわりを又は中を通過し、半径方向スワラの中心領域に到達するようにする。

例えば後述する装置には、部分燃焼しなかった燃料の前記残りの部分と前記部分燃焼生成物との混合を促進するための前記燃焼室へのシールド延長部を備えており、シールド延長部は、延長部と通路の壁面の間を通過する燃料によって冷却されるように、壁面から間隔をあけて配置されている。

例えば後述する装置には、燃焼装置の上流に配置されて、圧力脈動の上流の通過及び／または装置によって生じる燃焼騒音を減少させるボルテックスダイオードを備えている。

前記部分燃焼の制御には、中間燃焼生成物である一酸化炭素の生成を促進するための、部分燃焼におけるオキシダントと燃料との比率の制御が含まれるのが望ましい。

オキシダントは空気とすることができる。

気体燃料はメタンを含むことができる。

本発明は、前述の装置を燃料供給源に取り付けたガスタービンエンジンにまで及ぶ。

本発明の第２の態様によれば、オキシダントを利用して、気体燃料の第１の部分を部分燃焼させ、その結果中間燃焼生成物を含む部分燃焼生成物が生じるようにするステップと、部分燃焼生成物と部分燃焼しなかった燃料の残りの部分を混合し、その結果、改質燃料が得られるようにするステップが含まれており、部分燃焼が所定の改質燃料を生じさせるのに必要な中間燃焼生成物をもたらすように制御され、さらに、前記燃焼室の下流に消火孔を備え、部分燃焼しなかった前記燃料の残りの部分が、前記燃焼室の外部から前記消火孔を通って内部に流入し、前記燃焼室内の前記部分燃焼を消火して、前記部分燃焼生成物と混合するステップが含まれることを特徴とする気体燃料の含有物を改質するための方法が提供される。

次に、例証のため、添付の図面に関連して本発明の説明を行うことにする。

説明される装置は、ガスタービンエンジン用気体燃料であるメタンの供給材料に、中間燃焼生成物とりわけ一酸化炭素を含むその供給材料の一部の部分燃焼生成物を混入する。一酸化炭素の高火炎伝播速度は、ガスタービンエンジンによる混合された燃料の後続燃焼において燃焼フレームを持続する働きをする。さらに、一酸化炭素は、高流量と低流量の境界においてフレームを維持するのにとりわけ役立つ、すなわち、一酸化炭素は歪み抵抗が強い。これはガスタービンエンジン燃焼におけるフレームアウトの阻止にとって望ましい特性である。

図１〜４を参照すると、第１の装置には、高圧メタン燃料供給管２、吸気供給路３、バーナ１、炎筒１０、及び、点火装置９が含まれている。吸気供給路３によってバーナ１が機械的に支持される。代替案として、支柱を設けることも可能である。メタン燃料は供給管２に沿って矢印１４の方向に流れ、ガスタービンエンジンに供給される。バーナ１には、フロントプレート６、スワラ通路５ａ（図４参照）を含む半径方向スワラ５、及び、予燃焼室７が含まれている。

メタン燃料は、図１の左から流れ、吸気供給路３の間を通過する。燃料の一部がスワラ通路５ａに流入し、予燃焼室７に向かって半径方向の内側に進む。燃料の残りの部分は、引き続き供給管２に沿って流れ、炎筒１０に到達する。

空気が吸気供給路３に供給され、フロントプレート６の背面にあるポート４を介して送り込まれる。燃料及び空気は、予燃焼室７の壁面から離れた流れの中心に可燃混合気が形成されるように、予燃焼室７内の渦流によって混合される。

この混合気は炎筒１０に移動する。点火装置９によって初期燃焼の点火が行われる（フレーム８参照）。その後、燃焼は自己持続する。予燃焼室７の壁面から離れた予燃焼室７の中心における可燃混合気の形成によって、フレーム８によって生じる高温ガスが炎筒１０の壁面に接触せず、従って、それらに熱的損傷を加えないという保証が得られる。さらに、炎筒１０の壁面には、燃料の前記残りの部分（燃料の燃焼しなかった部分）が炎筒１０を通過して、フレーム８によって炎筒１０に対して放射された熱を除去することができるように、しみ出し孔１１が形成されている（矢印２１参照）。

吸気供給路３を介した空気の供給は、予燃焼室７で空気が混合される燃料の完全燃焼には不十分であるように調整される。換言すれば、予燃焼室７における空気／燃料混合気は、炎筒１０内で部分燃焼しか生じないように燃料が濃くなるように調整される。この部分燃焼によって、中間燃焼生成物とりわけ一酸化炭素が生成されることになる。空気の不十分な供給によって、燃料供給管２内の燃焼が制御不能にならないという保証が得られる。

炎筒１０内における燃焼は、炎筒１０の消火孔１３を通過する燃料の燃焼しなかった部分によって形成される希釈噴流１２によって消火される。消火は、燃焼しなかった燃料と一酸化炭素を含む部分燃焼生成物とを完全に混合するのにも役立つ。希釈噴流１２による迅速な消火によって、望ましくない中間燃焼生成物である炭素／煤の生成が最小限に抑えられる。（炭素は一酸化炭素に比べると形成に比較的長時間を要する）。高温部分燃焼生成物と燃焼しなかった燃料の混合によって、燃焼生成物が冷却され、過度の高温になるのが阻止される。

次に、結果生じる一酸化炭素の混入したメタン燃料がガスタービンエンジンに供給される。前述のように、一酸化炭素にはガスタービンエンジン内における燃焼を安定化させる効果がある。

ねらいは、炎筒１０内で部分燃焼する空気／燃料混合気によって、最大量の一酸化炭素を生じさせることにある。

図９Ａ、９Ｂ、及び、９Ｃのマップには、さまざまな当量比（ＥＱＲ）及び圧力に関する一酸化炭素生成（モル分率）が示されている。図９Ａのマップでは３００ケルビンのメタン燃料温度を想定しており、図９Ｂのマップでは、４００ケルビンの燃料温度を想定しており、図９Ｃのマップでは５００ケルビンの燃料温度を想定している。空気／燃料混合気の当量比（ＥＱＲ）は、混合気中における燃料と空気の比率をいわゆる化学量論的値で割ったものと定義される。この化学量論的値は、完全（部分と対立するものとして）燃焼を生じさせる燃料と空気の比率である。従って、燃料の濃厚な混合気は、ＥＱＲが１を超える。マップの圧力は燃料供給管２におけるメタン燃料の供給圧を表わしている。

ＥＱＲが約２〜３．５の空気／燃料混合気に、３００〜５００ケルビンの温度範囲にわたって一酸化炭素の生成を最大にする傾向があることは明らかである。

図５及び６を参照すると、バーナ１のフロントプレート６の円形中央部分１６の厚さが幾分薄く、そのまわりに環状ギャップ２３が形成されている点を除けば、第２の装置は第１の装置と同じである。中央部分１６は、支持リンク３１によってプレート６内に支持されている（図６参照）。燃料１５が中央部分１６の前面にぶつかって、それを冷却した後、環状ギャップ２３を通過し、予燃焼室７において空気と混合する。中央部分１６を包囲する環状ギャップに代わるものとして、中央部分１６の本体に穴を形成することが可能である。燃料は中央部分１６の前面にぶつかって、それを冷却した後、穴を通過して、予燃焼室７において空気と混合することになる。

図７を参照すると、延長炎筒１０にシールド１７が追加されている点を除けば、第３の装置は第１の装置と同じである。シールド１７は、それと燃料供給管２の間を通過する燃料によって冷却される。シールド１７は、希釈噴流１２の燃焼しなかった燃料と炎筒１０の部分燃焼生成物の完全な混合を確実にするのに十分な長さである。シールド１７によって、部分燃焼生成物の「高温スポット」が燃料供給管２の壁面に到達して、壁面を弱める／侵食する／燃焼することがないという保証が得られる。

図８を参照すると、例えば、同じ燃料マニホルド１９から伝わる同様の装置の擾乱を回避するため、圧力脈動の上流における通過及び／または装置によって生じる燃焼雑音を大幅に減少させることを目的として、バーナ１の上流にボルテックスダイオード１８が追加されているという点を除けば、第４の装置は第３の装置と同じである。

例えば上述の装置では、半径方向スワラによって、供給される気体燃料の一部と空気が混合され、部分燃焼のための燃料の濃厚な混合気が生じる。理解すべきは、この混合は半径方向スワラを利用して実施しなくてもよいという点である。例えば、混合は、軸方向スワラによってまたはスワラ以外の混合装置によって実施することが可能である。

例証ため上述の装置では、ガスタービンエンジン燃料である純メタンに一酸化炭素が混入される。もちろん、装置の実際の商業用途では、混入されるガスタービンエンジン燃料は純メタンではなく、商業用のガスタービンエンジン燃料であるのが実情である。下記は３つの商業用ガスタービンエンジン燃料の例である：バイオガス、ＵＫ天然ガス、及び、精油所ガス。図１０の表には、これら３つの燃料の典型的な成分組成が示されている。表の量は、容量パーセントを単位とする。

例えば上述の装置では、気体燃料の一部を用いて、部分燃焼させ、さらに、部分燃焼しなかった残りの部分と混合して、最終燃料を生成する。部分燃焼は、中間燃焼生成物である一酸化炭素の生成を促進して、最終燃料に一酸化炭素が混入され、その結果、燃焼安定性が向上するように制御される。しかしながら、理解しておくべきは、部分燃焼は異なる中間燃焼生成物の生成を促進して、燃焼安定性を向上させるように制御することも可能であるという点である。これに関して云うまでもないが、部分燃焼の目的は、利用可能な化学結合価が十分に満たされない中間燃焼生成物を生成することにある。こうした生成物は、反応性が高く、従って、火炎伝播速度が速く、歪み抵抗が強い（一酸化炭素に関して既述のこれに関する言及を参照されたい）。さらに、こうした生成物は、燃焼しなかった燃料の分子の結合を弱めるかまたは「奪って」、これらの分子の反応性を高めることも可能である。最終混合燃料が部分燃焼のために高温である点にも留意すべきである。この温度上昇によって、燃料の反応性も高まる。

やはり云うまでもないが、本発明には、燃料と結合した窒素（ＦＢＮ）をＮ₂に還元することによって、燃料中に存在するＦＢＮの量を減少させる望ましい効果がある。気体燃料には通常ＦＢＮがほとんどないが、存在するＦＢＮの量を減少させるのは、燃料からの排出物を極度にまたは非常に少なくしようとする場合には有効である。

例えば上述の装置では、ガスタービンエンジンに供給するための気体燃料の質が改善される。理解すべきは、本発明を利用して、エンジン内部における燃料の燃焼率を高めることが必要である／望ましい往復動内燃機関に供給するための気体燃料の質を改善することが可能であるという点である。

本発明による第１の装置の概略図である。 図１の矢印Ｂに基づいて描かれた図である。 図１の矢印Ａに基づいて描かれた図である。 図１のラインＩＶ−ＩＶによる断面図である。 本発明による第２の装置の概略図である。 図５のラインＶＩ−ＶＩによる断面図である。 本発明による第３の装置の概略図である。 本発明による第４の装置の概略図である。 本発明による装置を使用した場合の一酸化炭素生成マップである。 図９Ａとは異なる本発明による装置を使用した場合の一酸化炭素生成マップである。 図９Ａとはさらに異なる本発明による装置を使用した場合の一酸化炭素生成マップである。 ４つのガスタービンエンジン用気体燃料の典型的な組成の表である。

符号の説明

１ バーナ
２ 燃料供給管
３ 吸気供給路
５ 半径方向スワラ
６ フロントプレート
７ 予燃焼室
９ 点火装置
１０ 炎筒
１２ 希釈噴流
１３ 消火孔
１６ フロントプレート中央部分
１７ シールド
１８ ボルテックスダイオード
２３ 環状ギャップ
３１ 支持リンク

Claims (13)

1. 気体燃料の含有物を改質するための装置であって、気体燃料供給源（２）と、オキシダント供給源（３）と、オキシダントを利用して、前記燃料の第１の部分を燃焼させ、それによって中間燃焼生成物を含む部分燃焼生成物を生じさせ、前記部分燃焼生成物と部分燃焼しなかった前記燃料の残りの部分が混合して、その結果改質された燃料が得られるようにする燃焼装置（１、９、１０）とを備えており、前記部分燃焼が所定の改質燃料を生じさせるのに必要な前記中間燃焼生成物をもたらすように制御される装置において、
   前記気体燃料供給源（２）は前記気体燃料が流れる通路（２）を備え、前記オキシダント供給源（３）は、前記通路（２）の壁面を貫通する１つ以上の吸気供給路（３）を備え、前記燃焼装置（１、９、１０）は、前記通路（２）に沿った燃料流の経路において実質的に前記通路（２）内に配置されており、
   前記燃焼装置（１、９、１０）は、オキシダントと前記燃料の前記第１の部分を混合するためのバーナ（１）と、前記燃料の前記第１の部分の前記部分燃焼が生じる前記バーナ（１）の下流の燃焼室（１０）と、前記部分燃焼の点火を行う点火装置（９）とを備え、
   前記燃焼室（１０）が、前記燃焼室（１０）の下流に消火孔（１３）を備え、部分燃焼しなかった前記燃料の残りの部分が、前記燃焼室（１０）の外部から前記消火孔（１３）を通って内部に流入し、前記燃焼室（１０）内の前記部分燃焼を消火して、前記部分燃焼生成物と混合するようにしてなることを特徴とする装置。
2. 前記燃焼室（１０）は、しみ出し孔（１１）を備え、部分燃焼しなかった前記燃料の残りの部分が前記しみ出し孔を通って前記燃焼室（１０）の外部から内部に流入し、前記燃焼室（１０）の壁面を冷却することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記バーナ（１）は、前記吸気供給路（３）と通じるオキシダントポート（４）を有する上流プレート（６）と、前記プレート（６）の下流にあって、前記燃料の第１の部分がほぼ半径方向の内側に進み、渦運動を導入するように前記燃料の第１の部分を導くと共に前記プレート（６）のポート（４）からオキシダントを受け入れて前記燃料の第１の部分と混合する半径方向スワラ（５）と、前記半径方向スワラ（５）の下流にあって、前記スワラ（５）からの燃料及びオキシダントの渦流を受け入れる予燃焼室（７）とを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 前記上流プレート（６）は、燃料がその中心部分（１６）のまわりを又は中を通るように形成されており、燃料は前記中心部分（１６）にぶつかって、それを冷却した後、前記中心部分（１６）のまわりを又は中を通過し、前記半径方向スワラ（５）の中心領域に到達するようにすることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. さらに、部分燃焼しなかった燃料の前記残りの部分と前記部分燃焼生成物との混合を促進するための前記燃焼室（１０）へのシールド延長部（１７）を備え、前記シールド延長部（１７）は、前記シールド延長部（１７）と前記通路（２）の壁面の間を通過する燃料によって冷却されるように、前記壁面から間隔をあけて配置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の装置。
6. さらに、前記燃焼装置（１、９、１０）の上流に配置されて、圧力脈動の上流の通過及び／または前記装置（１、９、１０）によって生じる燃焼騒音を減少させるボルテックスダイオード（１８）を備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記部分燃焼の制御は、中間燃焼生成物である一酸化炭素の生成を促進するための、前記部分燃焼におけるオキシダントと燃料との比率の制御を含むことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記オキシダントが空気であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記気体燃料がガスタービンエンジン用燃料であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記気体燃料にメタンが含まれることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記気体燃料が往復動内燃機関用燃料であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の装置。
12. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の装置が燃料供給源に取り付けられたことを特徴とするガスタービンエンジン。
13. 気体燃料の含有物を改質するための方法であって、オキシダントを利用して、前記気体燃料の第１の部分を燃焼室において部分燃焼させ、その結果、中間燃焼生成物を含む部分燃焼生成物が生じるようにするステップと、前記部分燃焼生成物と部分燃焼しなかった前記燃料の残りの部分を混合し、その結果、改質燃料が得られるようにするステップが含まれており、前記部分燃焼が所定の改質燃料を生じさせるのに必要な前記中間燃焼生成物をもたらすように制御され、さらに、前記燃焼室の下流に消火孔を備え、部分燃焼しなかった前記燃料の残りの部分が、前記燃焼室の外部から前記消火孔を通って内部に流入し、前記燃焼室内の前記部分燃焼を消火して、前記部分燃焼生成物と混合するステップが含まれることを特徴とする方法。

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