JPH0317403A - 低ＮＯ↓ｘの乾式炭化水素燃焼装置と方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は炭化水素燃料の燃焼プロセスに係り、より詳細
には、そのようなプロセスで燃焼生成物としてのＮＯｘ
　　を低下させるための方法論を含むＸ プロセスに係る。

炭化水素燃料の燃焼プロセスは定置発電用ガスタービン
システムで広く使用されている。地球大気の質に対する
関心が高まっている一環として、大気を汚染する燃焼副
産物を最小限に抑えることが要求されている。したがっ
て、定置発電用ガスタービンシステムの燃焼器で生成す
る窒素酸化物（ＮＯ１ＮＯ２、Ｎ２０など。ＮＯｘと総
称する）およびＣＯのレベルを低くすることが要求され
ている。このようなガスの放出は酸性雨その他の環境問
題を引起こす。ＮＯ　は、大気窒素との反応Ｘ （このような反応は「熱」および「即発」といわれる）
または燃料内含窒素（ＦＢＮ）との反応で生じ得る。充
分に確立された燃焼理論によると、「熱」メカニズムに
よって生成するＮＯｘ　　は、火Ｘ 炎の開始と伝播を担っているラジカルによって大気中の
窒素が固定される結果生成する。このメカニズムは次の
反応式で示される。

Ｎ２＋Ｏ−ＮＯ＋Ｎ Ｎ＋０２一ＮＯ＋Ｏ Ｎ＋ＯＨ■ＮＯ＋Ｈ 正味の反応速度は次の式で近似される。

１０ ｄ［ＮＯ］／ｄｔ−７．８ｘｌＯ　　［Ｎ２］［０１　
ｅｘｐ（−３８０００／Ｔ）単位は国際単位系（Ｓ．　
　Ｉ．　）である。指数項の活性化エネルギーが大きい
ため、ＮＯｘ　　の生成速Ｘ 度は約２　７　８　０”Ｆより低温ではあまり大きくな
い。

これが「熱」といわれるゆえんである。

ある種のラジカル種の濃度も、特に低い（大気圧程度の
）圧力では重要である。これらのラジカルは、１９８４
年、燃焼研究所（Ｔｈｅ　ＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＩｎｓ
ｔ１ｔｕｔｅ）の第２０回（国際）燃焼シンポジウム（
Ｔｖｅｎｔｌｅｔｈ　（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）
　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　Ｃｏｍｂｕｓｔｌｏｎ）
　、第３３７〜３４３頁にあるフレア（Ｓ．Ｍ．　Ｃｏ
ｒｒｅａ）らの「非平衡乱流拡散火炎の予知と測定（Ｐ
ｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
　ｏｆ’　ａ　ＮＯｘｎ−ｅｑｕ１１１ｂｒｌｕｓ　Ｔ
ｕｒｂｕｌｅｎｔ　Ｄ１ｒｆ’ｕｓｉｏｎ　Ｆｌａｍｅ
）　Ｊと題する論文で論じられているように超平衡濃度
で存在することができ、熱ＮＯ　　メカニズムを増進し
得Ｘ る。発電システム内の比較的高い圧力ではラジカルの消
費反応速度が大きくなるので、超平衡の程度が低くなり
、その結果過剰のラジカルは減少する。熱ＮＯｘ　　の
生成に関する詳細についてはたとＸ えば次の論文を参照されたい。１９８７年「燃焼および
火炎（Ｃｏｓｂ．　Ｐ１ａａ＋ｅ）　Ｊ第６９巻の第３
４７〜３６５頁にあるドレーク（Ｍ．Ｃ．　Ｄｒａｋｅ
）らの「乱流拡散火炎における超平衡と熱窒素酸化物の
生成（Ｓｕｐｅｒｅｑｕｉｌｌｂｒｉｕｓ＋　ａｎｄ　
Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｎｉｔｒｉｃ　Ｏｘ１ｄｅ　Ｐｏｒｉ
ａｔｌｏｎ　ｕｌｎ　Ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ　Ｄ１ｒｆ’
ｕｓ１ｏｎ　Ｆｌａｍｅｓ）Ｊ。１９８４年、米国ペン
シルベニア州ビッッパーグの燃焼研究所（Ｔｈｅ　Ｃｏ
ｍｂｕｓｔｉｏｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）で開催された
第２０回（国際）燃焼シンポジウム（Ｔｖｅｎｔｌｅｔ
ｈ　ＳｙＩＩｐｏｓｉｕｍ　（Ｉｎｔ．）　ｏｎ　Ｃｏ
ｍｂｕｓｔｉｏｎ）、第１９８３〜１９９０頁にある「
乱流非予混合合戊ガス火炎における熱的および燃料内包
窒素に基づく酸化窒素の形成（Ｎｉｔｒｉｃ　Ｏｘｉｄ
ｅ　ＦｏｒＩＩａｔｉｏｎ　ｆｒｏｔｘ　Ｔｈｅｒｍａ
ｌ　ａｎｄ　Ｆｕｅｌ−Ｂｏｕｎｄ　Ｎｉｔｒｏｇｅｎ
　Ｓｏｕｒｃｏｓ　１ｎａ　Ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ　ＮＯ
ｘｎ−Ｐｒｅｉｌｘｅｄ　Ｓｙｎｇａｓ　Ｆｌａｍｅ）
　Ｊ。

１９８９年１月、エンジニアリング・システムズ●ラボ
ラトリー（ＥｎｇｉｎｅｅｒＩｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　
Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）の８９ＣＲＤＯＯ１にあるコレ
ア（Ｓ．Ｍ．　Ｃｏｒｒｅａ）の「稀薄予混合メタン火
炎におけるＮＯｘ　　形Ｘ 成（ＮＯｘ　Ｆｏｒ＋ｇａｔｌｏｎ　Ｉｎ　Ｌｅａｎ　
Ｐｒｅｓｉｘｅｄ　Ｍｅｔｈａｎｅ　ＦＸ １ａａ＋ｅｓ）Ｊ　ｏ 従来の（燃料と空気を予備混合しない）燃焼器では乱流
混合界面の高温のために熱ＮＯｘ　　が多くＸ なるので水または水蒸気を噴射してＮＯｘ　　を制御Ｘ している。このやり方では、噴射された水または水蒸気
が熱を吸収し、ピーク温度を（ＮＯ　　形成Ｘ の閾値以下まで）低下させることにより、ＮＯｘの放出
レベルを低くする。しかし、このような低い温度はＣＯ
消費反応を抑制するという望ましくない副次的効果を示
すので、ＣＯレベルが上昇し、燃焼器の寿命と効率が低
下する。それゆえ、水または水蒸気の噴射法は理想的で
はない。

即発ＮＯｘ　　の名前の由来は、（炭化水素火炎内Ｘ で）アルキルラジカル、たとえばＣＨ，ＣＨ２、ＣＨ３
によって大気中の窒素が固定されると極めて急速に形成
されるからである。これらのアルキルラジカルは炭化水
素の燃焼反応連鎖内で起こる。

窒素はシアン化物（ＨＣＮ，ＣＮ）種として固定され、
これはＮＨ１種となり、最後には酸素含有ラジカルによ
り酸化されてＮＯ　　になる。このメＸ カニズムは熱メカニズムのような高温を必要としないの
で、即発ＮＯ　　を水や水蒸気の噴射で制御Ｘ するのは困難である。ＦＢＮのＮＯｘ　　は、−燃料内
Ｘ 含窒素種がＮＨｉ種として抽出され、これが酸化されて
ＮＯｘ　　となるという意味で、上の即発Ｘ ＮＯｘ　　に非常１こよく似通っている。ＦＢＮは、た
Ｘ とえば石炭、また石炭から誘導されるいわゆる「汚れた
」ガスの中に含まれている。しかし、即発ＮＯｘ　　は
ＦＢＮほどの問題にはならない。典型Ｘ 的な応用の場合、ＦＢＮのＮＯｘ　　は５００ｐｐｍＸ 以上の程度になり得るが、ＦＢＮを含まない燃料を使用
する（従来の）燃焼器では熱ＮＯ　が１０Ｘ Ｏ〜３００ｐｐｍで、即発ＮＯ　　が１０〜３ＧＸ ｐｐｍである。汚れた（ＦＢＮ）燃料はＮＯ　　ＩＸ ００ｐｐｍ未満で、またきれいな燃料は１０ｐｐｍ未満
のＮＯｘ　　で燃焼させるのが望ましいであるＸ つＯ 発電装置の制約により、安定性、ターンダウン比（すな
わち、電力需要の低下に対応する電力変化）および効率
は現在の設備のものと同程度にするように定められてい
る。水や水蒸気の噴射を伴わないＮＯｘ　　制御技術は
「乾式」燃焼法といわれＸ ている。低ＮＯｘ　　の乾式燃焼技術では、（１）濃Ｘ 厚一稀薄段階燃焼法（元来熱およびＦＢＮのＮＯ　　制
御を目指したものであるが以下に述べるＸ 理由によりうまくいかない）と（　ｉｉ　）稀薄予備混
合燃焼法（熱ＮＯｘ　　制御を目的とする）のふたつＸ が提案されている。

濃厚一稀薄段階燃焼法の場合、燃焼器は濃厚な第一のゾ
ーンと稀薄な第二のゾーンのふたつに区分けされている
（当量比Φは約１．３〜１．８であり、化学量論状態で
はΦ−１でΦ〉１だと濃厚、Φく１だと稀薄である）。

化学量論を外れた条件のため、各ゾーンの温度は非常に
低い（たとえば２　７　８　０＠Ｆ未満）のでＮＯｘ　
　が「熱」メカニズムＸ で形成されることはない。

しかし、従来技術の段階燃焼システムでは、濃厚ゾーン
の流出ガスと空気との混合の速度は限られており、化学
量論に近い高温の渦の形成を防ぐことができない。その
際の高温のため熱ＮＯ　がＸ 多量に生成する（これは約２　７　８　０’Ｆを越える
温度で誘発される）。このことは、経験により実験室と
本体（ＩＯＯＭＷ級）のいずれのガスタービン装置でも
知られている。しかし、濃厚燃焼器は、燃料内含窒素か
らのＮＯ　　の生成に利用され得るＸ 酸素の量が限られているため、ＦＢＮ含量が高い燃料に
適している。

稀薄予備混合燃焼器は燃料が窒素を含有していない場合
有用であり、（液体燃料の場合はあらかじめ気化させて
から）Φ一約０．７で予備混合した稀薄な燃料一空気流
が供給される。その後の温度は一定で極めて低い（たと
えば２　７　８　０”Ｆ未満）ので熱ＮＯｘ　　メカニ
ズムを活性化することができＸ ない。このような２つの燃焼器の化学速度論的な研究を
詳細に行なった結果、本発明者は、ＮＯｘのほとんどが
前記の「即発ＪＮＯ　　メカニズムにＸ よって生成していることを発見した（ＦＢＮが存在しな
いことを思い出されたい）。これは、現在の炭化水素を
燃料とする燃焼器で得ることができる最小のＮＯ　　の
下限となる。本発明の譲受人がＸ 開発中の最新型の燃焼器では、（ＮＯ　　の全生或Ｘ 量を最小限に抑えるきれいな天然ガスを使用して）ＮＯ
ｘ　　が３０〜４ｏｐｐｍという明白な壁に突当Ｘ たった。この壁を乗越えることはできるにはできるが、
その場合には必ず、Ｃｏが増大すると共に火炎の安定性
が許容できない程までに損われる。

また、このような（稀薄）燃焼器では、ＦＢＮｉｌが存
在する燃料を使用するとそのＦＢＮに由来するＮＯｘ　
　が許容できないほど多量に生成する。

こＸ のように、従来技術のシステムはいずれも利点と共に欠
点をもっている。

本発明では、濃厚燃焼器の流出ガスを冷却して稀薄な状
態に混合する間の発火を防ぐ。発火と保炎が起こるのは
、稀薄な混合ガスが形成されてから後である。ひとつの
態様では、空気の一部を濃厚条件下（たとえば全当量比
Φ−２．５〜３．０）の予備燃焼器内で燃焼させて、Ｃ
ＯとＨ２　（合成ガスといわれることがある）を含有し
さらに非常に少量のＣＨ　　（最初の燃料）、ＣＯ２お
よび４ Ｈ２０を含有する部分的に燃焼したガス流を生成させる
。次に、この高温のガス流を、たとえばタ一ビンに通し
て膨張させたり熱交換器を通過させたりして冷却する。

こうして冷却したガス流を、次に、発火゜させることな
く、空気流の残りの部分と混合する。その後、得られた
ガス流（たとえばΦ−０．５〜０．６）を燃焼させる。

濃厚および稀薄の燃焼サイクルにおける比較的低い温度
のためにＮＯｘ　　の生成は最小限に抑えらＸ れる。その温度は、熱ＮＯｘ　　の生成に関して確立Ｘ されている温度より低い温度である。また、稀薄サイク
ルにおけるＣＨが無視できる程度である傾向があるため
即発ＮＯｘ　　も最小限に抑えられる。

Ｘ また、濃厚燃焼器はＮＯｘ　　を生成させるには酸素Ｘ の量があまりにも少ないのでＦＢＮ由来ＮＯｘ　　がＸ 最小になる。

第１図の概略線図には、本発明の一具体例による代表的
な燃焼システムが描かれている。図示のシステムの場合
、主燃焼装置１０は、圧縮機１２、ガス混合機１４、お
よび一次燃焼器１６からなっており、この一次燃焼器１
６の燃焼生成物はタービン１８を駆動する。圧縮機１２
、混合機１４、燃焼器１６およびタービン１８からなる
システムは市販の本体機械であり、たとえば、１００メ
ガワット級の発電機を駆動するためのゼネラル・エレク
トリック社（Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｏ
ｍｐａｎｙ）製ＭＳ　７　０　０　０シリーズの機械で
もよい。第二の燃焼器２０はその人口で燃料の１００％
を受容するように連結されている。この燃料はメタン、
石炭、もしくは石炭から誘導されたガス、または液体の
炭化水素燃料が好ましい。燃焼器２０の出口はガス冷却
段階２２へ向かっている。この段階２２は燃焼器２０で
生成したガスを冷却するためにタービンまたは膨張ノズ
ルからなることができる。燃焼器２０の入口は圧縮機１
２からの空気のＸ％を受容する。この空気の残りの部分
１００−ｘ％は本体機１１０の混合機１４に向かう。

燃焼器２０は、ゼネラル・エレクトリック社（Ｇｅｎｅ
ｒａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｏｍｐａｎｙ）製のモデ
ノレＬＭ５００として知られる市販のガスタービン発電
機の燃焼器と類似の構造のものでよい。しかし、ＬＭ５
００は燃焼器２０に供給される燃料と空気を圧縮するた
めの燃料圧縮機と空気圧縮機を含んでいる。これに対し
、この具体例の機械１０の場合、空気は圧縮機１２によ
り圧縮され、燃料は圧縮されて燃焼器２０の入口に供給
されるので、空気圧縮機は含まれない。冷却段階２２は
モデルＬＭ５００ガス発電機内のタービンのようなター
ビンを含んでいてもよい。しかし、上で指摘したように
ガス冷却段階としてタービンが必須というわけではない
。

燃料は１００％が燃焼器２０に供給され、この燃焼器で
、圧縮機１２を介して供給された比較的少ない量の空気
との濃厚燃焼混合物中の燃料を燃焼させる。燃焼器２０
に供給される空気の量は、たとえば、圧縮機１２から混
合機１４に供給される空気の１０％でもよい。燃焼生成
物は比較的高温のまま冷却段階２２へ送られる。その温
度は熱ＮＯｘ　　が生成する約２７８０″Ｆより低い。

濃厚燃Ｘ 焼であるため燃焼器２０内での燃焼プロセスに利用され
得る酸素は少なく、かつ、燃焼器の温度は熱ＮＯ　　が
発生する閾値温度を越えることはない。

Ｘ 燃焼プロセスの比較的濃厚ム特性により、この燃焼プロ
セスではＯ，ＯＨ，その他の酸化性ラジカルの発生量が
少なく即発ＮＯ　　が最小になる。まＸ た、濃厚燃焼プロセスではリホーミング化学が優勢であ
る。すなわち、ＣＨガス生成物の発生が回避される傾向
があり、代わりに、主としてＣＯとＨ２からなるガス生
成物が生ずる。このＣＯとＨ２混合ガスは普通合成ガス
といわれている。ＦＢＮ種が存在していたらそれはＮ２
　（分子状窒素）に変換される。

燃焼器２０の燃焼効率は通常約７５％と思われるので、
合或ガス生成物中の燃料の約２５％は未燃焼のままであ
る。燃焼器２０は比較的濃厚であるため約２．５〜３の
当量比（ＥＲ）で作動する。

もちろん、この当量比は燃焼器２０の入口と出口の間で
変化する。出口でのＥＲは上記範囲であり、入口では濃
厚な安定限界内で上記よりも低い。この燃焼器２０はよ
り複雑なシステムの例示であり、そのような複雑なシス
テムの段階的燃焼器には、Φが約２の濃厚な一次ゾーン
の生成物に添加される燃料がより多く供給され得る。こ
の添加される燃料は「リホーミング」化学を増進する。

熱ＮＯｘ　　発生の閾値より温度が低いため燃焼器２０
Ｘ の出力側で熱ＮＯｘ　　はほとんど無視できる。このＸ 燃焼器によるプロセスではＣＯとＨ２および燃料変換が
最大になる。

冷却段階２２はタービンまたは熱交換器のいずれでもよ
く、燃焼器２０で生成した高温の合成ガスを冷却すると
共に、所定の実施条件に合わせて出力または熱を送り出
す。このようなタービンまたは熱交換器の出力は、合成
ガスをこのシステム１０内の混合機１４へ送出する前に
その合成ガスを発火点以下の温度まで冷却するようなも
のである。このステップは非常に重要である。

本発明の原理によると、酸化性分子種の欠如と低い温度
のために濃厚燃焼器２０で生成する合成ガス中のＮＯｘ
　　の総量は無視できる。ＦＢＮ分子Ｘ 種はＮ２に変換される。しかし、合成ガスが混合機１４
へ移される際に重要なことは、混合機１４内での乱流混
合工程中の温度が熱ＮＯｘ　　発生の閾Ｘ 値より低く保たれるような充分に低い温度まで合成ガス
が冷却されていることである。段階２２′で冷却しない
と、燃焼器２０で生成した高温の合成ガスは混合機１４
内で空気と混合されたときに混合機１４内で発火して燃
え出し、大量の熱ＮＯｘが発生する。燃焼器２０の合成
ガス生成物中にはＣＨ成分がほとんどないためシステム
１０内に即発ＮＯ　　はほとんど存在しない。

Ｘ 燃焼器１６と２０はさらに複雑な燃焼システムを包含す
るものと理解されたい。たとえば、燃焼器１６の場合の
一次燃焼器（入口側）および従来からの慣習に応じた下
流での空気添加を含むシステム、また燃焼器２０の場合
の下流における燃料添加を含むシステムがある。燃焼器
２０内に予備燃焼器（プレバーナー）が含まれている場
合、冷却段階２２に、混合に利用できる通常約４％の圧
力降下を増大する圧力低下用ノズルを設けてもよい。予
備混合して稀薄な主燃焼器条件を形成するために必要な
空気は、そのようなノズル（図示してない）内部にジェ
ットとして噴出される。ノズルを使用すると、ノズルの
内部で冷却と予備混合が両方とも起こり得るので一体化
を達成することができる。この場合、そのようなノズル
を混合機１４と組合せてそのノズル内で混合を行なわせ
ることになろう。他の場合には、熱ＮＯｘ　　発生の閾
Ｘ 値温度２　７　８　０”Ｆより低い温度に冷却された合
威ガスと、圧縮機温度（たとえば６００丁）の空気ガス
とが混合機１４内で混合される。

合成ガスと空気流のほとんどとを混合すると、燃焼器１
６の人口側で約０．５、出口側で約Ｏ．３の当量比Φを
有する稀薄な予備混合流が生成する。混合機１４または
ノズル（図には示してない）の混合工程は充分に低い温
度で行なって、希釈の間火炎と熱ＮＯｘ　　が発生する
ことのないようにすＸ る。

混合機１４において、燃焼器２０で生成した合成ガスに
添加されるのは圧縮機１２からの空気のみであるので、
混合機ｌ４に存在しうる炭化水素の量はかなり少なく無
視できる程である。したがって、燃焼器１６内で発生す
る即発ＮＯ　　は極めＸ て少ない。燃料と空気の混合機ならびに圧力および温度
に関する個々の操作上のポイントは、所定の実施条件に
対するさまざまな要因の分析と実験的変化によって選択
することができる。特に、燃焼器１６と２０の化学量論
は、タービン１８で最大の動力が得られるように最適化
される。このタービンに連結されて駆動される発電機そ
の他の利用手段は図に示してない。

冷却段階２２から出る合戊ガス中の炭化水素とＦＢＮ由
来ＮＯ　　の生成が最小限に抑えられていＸ るため、また、閾値より低い温度を保つことによって熱
ＮＯｘ　　の生成が最小限に抑えられているたＸ め、燃焼器２０に供給される燃料は、石炭ガス、液体燃
料、その他の燃料内含窒素が比較的多い燃料であっても
よい。第１図に関して上に説明したプロセスを使用する
と、燃焼器２０で使用される燃料が窒素を豊富に含んで
いるという事実が、冷却段階２２の出口で合成ガス中に
得られる生成物に影響することはない。ＦＢＮ分子種中
の窒素はＮ２に変換される。

たとえば、燃焼器２０には、毎秒約０．５ボンドのメタ
ンを毎秒２．５ボンドの空気と共に供給することができ
る。上述のような燃焼器２０は全体としての当量比が約
３である。冷却段階２２から出る合成ガスは、大体、毎
秒１ポンドの流速の一酸化炭素（Ｇ　Ｏ）と水素（Ｈ２
）からなり、残りはほとんどＮ２　（窒素）である。こ
れを、混合機１４に供給される毎秒約１５ポンドの空気
と一緒にする。希釈と冷却用の空気を毎秒約７．５ボン
ドで燃焼器１６に供給してその下流の出口での当量比Φ
が約０．３となるようにする。このプロセスではＮＯ　
レベルがおよそ５ｐｐｍとなる。

Ｘ 燃焼器２０と１６には、従来の燃焼器の場合に従って、
入口においてさまざまな投入量で、かつ下流において適
当な投入量で、燃料と空気が供給される。下流で投入さ
れるものとして使用されるのは、燃焼器１６が空気、燃
焼器２０が燃料である。

第２図においては、市販の独立型燃焼機を２個使用する
二番目の具体例を使って本発明を実施する。圧縮機２０
０によってメタンなどのような炭化水素燃料全体が約２
０気圧の圧力まで圧縮され、圧縮された燃料は合体型燃
焼器一混合機２０２に送られる。全体で必要な空気のう
ちの一部Ｘ％は圧縮機２０４から供給される。圧縮機２
０４によって圧縮された空気が燃焼器２０２に供給され
る。

燃焼器２０２は、入口側が濃厚限界付近で作動し、下流
で化学量論に必要な燃料を追加するようになっている。

たとえばＸは、全体で必要な空気の１０％でもよい。燃
焼器２０２では燃料空気混合ガスが燃焼し、燃焼した燃
焼生成物はタービン２０６に送られる。このタービン２
０６の目的は第１図の冷却段階２２と同様であり、高温
の燃焼ガスを冷却して一酸化炭素（Ｃｏ）および水素（
Ｈ２）からなる冷却された合成ガスを生成させる。こう
して冷却された合成ガスは混合機２０ｇの入口に向かう
。必要な残りの空気は圧縮機２１０に入れられる。たと
えば、空気の１０％を圧縮機２０４に入れる場合、全体
を燃焼させるのに必要な空気の９０％は圧縮機２１０に
入る。混合機２０８に供給される空気は、圧縮機２１０
によって約１０気圧の圧力に加圧される。混合機２０ｇ
では、圧縮機２１０からの空気がタービン２０６からの
冷却された合成ガスと混合される。混合した冷却ガス生
成物は燃焼器２１２に入り、この燃焼器の高温ガス生成
物は発電機（図示してない）を駆動するタービン２１４
に排出される。

このプロセスを確かめるためのひとつの試算例において
は、毎秒０．５ボンドのメタンを燃料として庄縮機２０
０に供給する。これは室温（６０″Ｆ）、大気圧で供給
する。これに０．３％アンモニア（ＮＨ３）を添加する
。このアンモニアは石炭から誘導された気体燃料中の燃
料内含窒素を表わしている。燃料圧縮機２００の効率は
約０．９と仮定する。圧縮機２００の出力は温度が約６
７７″Ｆである。

室温、大気圧で供給される毎秒２．８６ポンドの空気を
圧縮機２０４で圧縮する。圧縮機２０４の出力は約８４
２下であり、圧縮機２００と２０４のどちらも出力側の
圧力は２０気圧である。燃焼器２０２では燃料と空気が
混合されて燃焼される。その際、入口側ではΦが約２．
０で、出口では３．０である。濃厚燃焼器２０２の出力
の温度は約２　５　２　０’Ｆである。燃焼器２０２か
らの生成物中のＮＯ　　はｉｐｐｍ未満と計算され、こ
の値Ｘ は当量比が小さくなると大きくなる。また、ＮＨｉ、Ｈ
ＣＮも約７５０！）Ｉ）ｍ存在すると思われる。燃焼器
２０２からのガス生成物はタービン２０６に向かう。こ
のタービンはおよそ２対１の圧力比で作動し、燃焼器の
ガス生成物を冷却する機能を果たし、その結果冷却され
た合成ガスがライン２０７上に生成する。

燃焼器２０２では濃厚な燃料空気混合物が燃焼されるが
、この混合物には燃焼器の下流領域で燃料が追加して添
加される。この結果、初期生成物は下流で添加される燃
料によって還元されることになる。このプロセスは「リ
ホーミング」化学といわれる。すなわち、ライン２０７
上の合成ガスの生成物は主としてＣＯとＨ２であり燃料
と燃焼生成物ではないのである。燃焼器２０２内の温度
は比較的低く、しかもＯやＯＲなどのような酸化性のラ
ジカル種がないので、ライン２０７上でのＮＯｘ　　の
放出は低い。これは研究室での実験と速Ｘ 度論的検討により証明されている。ライン２０７上のタ
ービン２０６の出力圧力は約１０．５気圧であり、温度
は約２１３６″Ｆである。燃焼器２０２の入口側の当量
比が高くなり過ぎると、燃焼器内の火炎が不安定になり
得る。また、ガス、燃料および空気の組合せが濃厚にな
り過ぎるために煤が過大に発生し得る。さらに、Φが低
くなるとＮＯ　　が過大に生成し得る。このため、燃焼
器２Ｘ ０２の人口側ではΦを２〜２．５の範囲にしておき、下
流でさらに多くの燃料を添加するのが好ましいのである
。

圧縮機２１０は残りの空気を受容する。この空気は、こ
の例の場合、室温大気圧で２５．７４ポンド／秒の速度
で圧縮機２１０に入れられる。圧縮機２１０は０．９の
効率で作動する。圧縮機２１０の出力圧力は約６００″
Ｆの温度で１０気圧である。この空気は混合機２０８内
で冷却合成ガスと混合されて稀薄燃焼器２１２に入れら
れる。この稀薄燃焼器２１２は入口側のΦが約０．６で
、出口のΦが約０．３である。燃焼器２１２の出口での
燃焼生成物は約１８６０下であり、ＮＯｘ　　がＸ 約５８ｐｐｍで、ＣＯがｉｐｐｍ未満である。この燃料
はＦＢＮ　（０．３％）を含有していることを思い出さ
れたい。タービン２１４は推定効率０．９で作動し、出
力側の温度は１気圧で約１００５下である。燃焼器２１
２で生成したＮＯｘ　　が５８Ｘ ｐｐｍでＣＯがｉｐｐｍ未満という結果は、圧縮機２０
０に入れられた３％のアンモニアを含む汚れた燃料の燃
焼であることを考えると素晴らしい成績である。通常は
、このような汚れた燃料だと数百ｐｐｍのＮＯｘ　　が
発生する。もちろん、燃料、Ｘ 空気および汚れた燃料のｌタ染物（たとえばＦＢＮなど
）の割合が変わると、いろいろな段階でいろいろな温度
の値が得られるであろう。圧縮機２０４に１０％の空気
を入れ、圧縮機２１０に９０％の空気を入れると、ひと
つの実施態様として最適と思われる。その場合、タービ
ン２１４は発電機その他の利用手段を作動させるのに使
用される。

夕−ビン２０６により、燃焼器の出力ガスが膨張し、合
成ガスの温度は、混合機２０８内で早期の発火を起こさ
ないで混合を達成することができる程度の温度まで低下
する。タービン２０６の出口側圧力は燃焼器２１２の作
動圧力より約５％（１０気圧に対して１０．５気圧）だ
け高いので、ライン２０７からの合成ガスと圧縮機２１
０からの空気を混合して全体としての稀薄な状態とする
のが容易になる。上で燃料対空気の割合、圧縮機および
タービンの効率、ならびに概略の温度に関して挙げた数
字は、さまざまな作動ポイント、放出および全体として
の熱効率の計算に基づくものである。指摘した通り、こ
れらの計算にはいろいろな仮定が含まれている。

燃料と空気の総流量は現在の発電機本体内の燃焼缶の場
合に合わせてある。第２図の具体例のサイクル効率を計
算してみるとこのサイクル効率は３０．７％であり、圧
縮機２１０１混合機２０８および燃焼器２１２からなり
計算上同じ程度の精度をもつ基本的な機械のサイクル効
率、すなわち３０．５％に匹敵する。サイクル効率が多
少改良されている原因の一部は、燃焼器２０２が燃焼器
２１２の１０気圧という作動圧力と比較して２０気圧で
作動するので、指定した圧力比をもつプレイトン（Ｂｒ
ａｙｔｏｎ）サイクルの直接の改良によるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のひとつの具体例による燃焼サイクル
の概略線図である。 第２図は、 本発明の別の具体例による燃焼サイ クルの概略線図である。

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. （１）実質的にＣＯとＨ＿２を含むＮＯ＿ｘが無視でき
   るような高温の燃焼ガス生成物が生成するように１より
   充分大きい当量比（ＥＲ）で炭化水素燃料を濃厚燃焼さ
   せるための第一の燃料燃焼手段と、 前記燃焼ガス生成物を発火と熱ＮＯ＿ｘの生成とが起こ
   る温度より低い温度まで冷却するための冷却手段と、 冷却された燃焼ガス生成物をＮＯ＿ｘとＣＯの生成が最
   小になるように１より充分小さいＥＲで燃焼させるため
   の第二の燃料燃焼手段と からなる低ＮＯ＿ｘの乾式炭化水素燃焼装置。
2. （２）前記冷却手段が前記高温燃焼ガス生成物によって
   作動するように連結されたタービン手段を含む、請求項
   １記載の装置。
3. （３）前記冷却手段が前記高温ガス生成物に感応してこ
   の高温生成物から熱を奪うための熱交換手段を含む、請
   求項１記載の装置。
4. （４）前記高温ガス生成物を受容するように連結されて
   いてこの生成物の急速な膨張を生起せしめることにより
   該生成物を断熱冷却するためのノズルを含んでいる、請
   求項３記載の装置。
5. （５）前記第一の燃料燃焼手段がＸ％の空気を含む前記
   燃料を燃焼させるための第一の燃料燃焼器を含んでおり
   、前記第二の燃焼手段がＹ％の空気を含む前記高温ガス
   生成物を燃焼させるための第二の燃料燃焼器を含んでい
   る（ただし、Ｘ＋Ｙ＝１００であり、Ｘは実質的にＹよ
   り小さい）、請求項１記載の装置。
6. （６）第一の手段の出口のＥＲ値が約２．０〜３．０の
   範囲であり、第二の手段の出口のＥＲ値が約０．３〜０
   ．４である、請求項１記載の装置。
7. （７）さらに、前記第二の燃焼手段に連結されていて前
   記燃焼された冷却ガス生成物の受容に応じて仕事をする
   ための利用手段を含んでいる、請求項１記載の装置。
8. （８）さらに、所与の量の空気を圧縮するための空気圧
   縮機と、前記所与の量の空気の一部を前記第一の燃焼手
   段に供給すると共に前記所与の量の空気の残部を前記第
   二の燃焼手段に供給するための手段とを含んでおり、前
   記所与の量の空気が前記第一および第二の手段により燃
   焼される燃料の所与の量に相当して全体のＥＲを０．３
   〜０．４とするような量である、請求項１記載の装置。
9. （９）さらに、前記の冷却されたガス生成物を燃焼させ
   る前に、この冷却ガス生成物を前記空気の残部と混合す
   るためのガス混合手段を含んでいる、請求項８記載の装
   置。
10. （１０）さらに、第一の部分の空気を圧縮するための第
    一の圧縮機と、前記燃料を圧縮するための第二の圧縮機
    と、圧縮された燃料を圧縮された第一部分の空気と共に
    燃焼させるための前記第一の手段と、前記第一の部分よ
    り多い量の第二の部分の空気を圧縮するための第三の圧
    縮機と、冷却されたガス生成物を前記第二の手段により
    燃焼させる前にこのガス生成物を前記第二の空気部分と
    混合するための混合手段とを含んでいる、請求項１記載
    の装置。
11. （１１）第一の圧縮機が前記第一部分の空気を約２０気
    圧の圧力まで圧縮し、第二の圧縮機が前記第二部分の空
    気を約１０気圧の圧力まで圧縮する、請求項１０記載の
    装置。
12. （１２）炭化水素燃料を空気で濃厚燃焼させて燃焼生成
    物を生成させるための予備燃焼器と、前記予備燃焼器の
    高温燃焼生成物を発火が起こり熱ＮＯ＿ｘ生成物が形成
    される温度より低い温度まで冷却するための冷却手段と
    、 冷却された燃焼生成物を空気と混合して前記冷却生成物
    と空気の稀薄混合物を形成するための混合手段と、 前記稀薄混合物を燃焼させるための燃焼器手段からなる
    低ＮＯ＿ｘの乾式炭化水素燃料燃焼装置。
13. （１３）さらに、前記予備燃焼器内および前記燃焼器手
    段内で燃焼させる前に少なくとも前記空気を圧縮するた
    めの圧縮機手段を含んでいる、請求項１２記載の装置。
14. （１４）さらに、前記空気を圧縮するための圧縮機手段
    と、圧縮された空気の一部を前記予備燃焼器に供給する
    と共に前記圧縮空気の残部を前記燃焼器手段に供給する
    ための手段とを含んでいる、請求項１２記載の装置。
15. （１５）さらに、前記予備燃焼器に供給される燃料と空
    気を圧縮するための第一の圧縮機手段と、空気を圧縮す
    ると共にこの圧縮空気を前記混合手段に供給するための
    第二の圧縮機手段とを含んでいる、請求項１２記載の装
    置。
16. （１６）前記冷却手段が前記高温燃焼生成物を受容する
    ためのタービンを含んでいる、請求項１２記載の装置。
17. （１７）さらに、流入する前記燃焼した稀薄混合物に感
    応するタービンを含んでいる、請求項１２記載の装置。
18. （１８）炭化水素燃料を低ＮＯ＿ｘで乾式燃焼させるた
    めの方法であって、 燃料を空気で濃厚燃焼させて高温の燃焼ガス生成物を生
    成させ、 高温の燃焼ガス生成物を発火が起こり熱ＮＯ＿ｘ生成物
    が形成される温度より低い温度まで冷却し、冷却された
    高温ガス生成物を空気と混合して前記生成物と空気の稀
    薄混合物を形成し、 この混合物を燃焼させる ことからなる方法。
19. （１９）さらに、燃料の濃厚燃焼の前、かつ前記混合の
    前に、空気を圧縮する工程を含んでいる、請求項１８記
    載の方法。
20. （２０）さらに、前記濃厚燃焼の前に燃料を圧縮する工
    程を含んでいる、請求項１９記載の方法。
21. （２１）前記濃厚燃焼の前に空気の第一部分を圧縮し、
    前記混合の前に空気の第二部分を圧縮することを含んで
    おり、第一の部分は第二の部分より高い圧力に圧縮され
    、第一および第二の部分は全体に必要とされる空気の１
    ００％に当たる、請求項２０記載の方法。