JPS5916164B2 - 炭素質燃料を接続燃焼させる方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、天然ガスの如き気体燃料及び燃料油の如き液
体燃料を含む炭素質燃料の燃焼方法に関する。

本発明と同一の出願人によるウィリアム （Ｗｉｌｌｉａｍ）Ｃ，フエファール（ｐｆｅｆｆｅｒ
ｌｅ ）の米国特許第３９２８９６１号には、触媒支持
型熱燃焼法が開示されている。

この方法によれば、炭素質燃料は、固体酸化触媒の存在
Ｆに窒素酸化物の生成温度以下の温度−ｑ燃焼が行なわ
れるにもかかわらず、非常に効果的に及び熱（均一）燃
焼に特徴的な反応速度で燃焼させることができる。

通常触媒支持型熱燃焼における触媒の運転温度は約１７
００〜３２００’Ｆの範囲、例えばこの温度範囲の中域
温度である。

種々の種類の炭素質燃料を燃焼する場合、少くとも１段
の触媒を利用する段階及び少くとも１段の熱燃焼段階を
含む１段より多い段階で燃焼を行なうことが望ましいこ
とが見出されている。

即ち上記特許第３９２８９６１号には、触媒の存在下に
触媒支持型熱燃焼を行ない、続いて触媒段階からの部分
的に燃焼された流出物を熱燃焼する方法が記述されてい
る。

更に本発明と同一出願人による１９７４年１１月１２日
付けのウィリアムＣ，フェアアールの他の米国特許第３
８４６９７９号には・炭素質燃料を熱燃焼帯域で部分的
に燃焼し、続いて部分的に燃焼された燃料を含む流出物
を急冷し、次いでこの急冷された流出物を触媒と接触さ
せて熱燃焼帯域からの未然燃焼料のいくらか又はすべて
を酸化する方法が開示されている。

後述した特許第３８４６９７９号の実施例の１つでは、
ジーゼル燃料及びこの燃料の完全な燃焼に対して必要な
空気の化学量論量の１０％過剰量の圧縮空気を、熱燃焼
機に供給して約９０％酸化された燃料の流出物を生成せ
しめ、次いでこれを１５００下（８１５℃）の断熱火焔
温度を付与するのに十分過剰な空気で急冷する。

この特許の実施例で言及されている燃料は、ジーゼル燃
料、又は航空機ガスタービンエンジンに通常用いられる
種類のジェット燃料である。

２０気圧の圧力で作動するそのようなエンジンに対して
代表的な条件下においては、急冷された流出物は１５０
０°Ｆの断熱火焔温度を有すると言われる。

急冷された流出物の実際の温度は、熱燃焼機からの未酸
化燃料が少部分あるために、その断熱火焔温度より約１
００〜２００”Ｆ低く、即ち１３００’Ｆ（７００℃）
以上であろう。

この特許のこの実施例では、断熱火焔温度を２６００’
Ｆ（１４２５℃）に上昇させるために、十分な追加量の
燃料を流出物中へ噴霧し、次いで得られる混合物を触媒
段階に通過させ、完全に燃焼させる。

熱燃焼帯域の出口における温度は急冷前に３３００”Ｆ
（１８００℃）以上であり、触媒からの出口温度は２５
００”Ｆ（１３７０℃）であると言われる。

上述した燃焼方法はある種の燃料及び運転条件に対して
適当であるけれども、熱燃焼機に入る混合物中に与えら
れる燃料を用いて急冷操作を行なうことは困難になりが
ちである。

即ち急冷する空気と部分的に酸化された熱燃焼流出物と
の激しい混合は、酸化を停止することが必要である：こ
の混合は乱流を含み且つ急冷帯域中で望ましからぬ圧力
降下を伴ない、従ってこの燃焼−急冷操作は瞬間的な攪
乱の場合に依然持続が困難となる可能性がある。

更に、特許に開示されているように追加量の燃料を急冷
された流出物中へ噴霧するや否や、急冷された流出物が
特許の実施例に示されるよりも実質的に低くない限り、
早期発火及び更なる燃焼を再現性よく防止するのは実際
上困難であろう。

本発明の目的は、熱燃焼段階及び続く触媒の存在下にお
ける燃焼段階を利用する２段階燃焼法を行なう際のその
ような問題点を克服することである。

本発明と同一出願人によるウリリアムＣ・ フェアアー
ルの他の特許は、１９７５年１２月２９日付けの米国特
許願第６４４８７３号に記述されている。

この発明は触媒を利用する燃焼系を運転開始する問題を
探究している。

即づ開始時に燃料−空気混合物を熱燃焼帯域で燃焼させ
て熱源を得、この熱を未燃焼燃料の実質的な不存在下に
触媒に供給して触媒を物質移動律速の運転を持続する温
度まで加熱する。

この開始運転中に達成される触媒の温度は炭素質燃料及
び空気の混合物の発火に十分であろうし、そのような触
媒温度は触媒の存在下におけるそのような混合物の触媒
支持型熱燃焼を行なうための運転温度に近ずきうる。

前記特許願第６４４８７３号の発明の目的は、燃料−空
気混合物が冷たい状態の触媒中を通過する場合に触媒中
で起こりうる総体的に不完全な燃焼を避けることである
。

そのような不完全な燃焼からの流出物は、望ましからぬ
高量で未燃焼炭化水素及び一酸化炭素を伴なうために環
境大気を汚染する可能性がある。

特許願第６４４８７３号の発明に従う開始中に利用され
る熱燃焼帯域からの流出物は、未燃焼燃料が存在する限
り、触媒と接触させえない。

このことは、未燃焼燃料、即ち冷たい触媒上への吸着後
の燃料の燃焼による避けがたい触媒の損害の回避、或い
はそのような触媒上での燃焼がない場合触媒中から大気
中への避けがたい未燃焼燃料の放散の回避という２重の
利点を示す。

触媒が働いてそこを通過する混合物中の燃料を燃焼する
ことができる温度まで触媒を加熱するや否や、実質的に
すべての燃料−空気混合物を直接触媒に供給して定常状
態の運転を持続させ、開始のために用いた熱燃焼段階へ
の燃料供給を急速に停止する。

即ち触媒中での発火が達成された後、熱燃焼を止めるか
、或いは完全に異なる機能で役立ち、かつ単に燃料を蒸
発させる助けとなるような低量の燃料で熱的燃焼を行な
う。

導入空気の再生的予加熱が確立されるまで熱的予燃焼が
認めつる量で継続する短かい期間が中間に存在していて
もよい。

この期間は初期温度及び熱交換体に依存する。

上述した米国特許願第６４４８７３号の方法は触媒を用
いる燃焼系を運転開始するのにこの上なく有用であるけ
れど、本発明の目的は、燃焼系の運転を通して、或いは
予じめ決定した燃料必要範囲内での運転又は予じめ決定
した燃料−空気比を用いる運転の如きある運転条件下で
の持続燃焼中に、予備バーナーを用いるという、触媒存
在下の燃焼系で炭素質燃料を持続燃焼させることである
。

従って、予じめ決定した全燃料必要速度において炭素質
燃料を持続燃焼させる新規で改良された方法は、熱燃焼
帯域及びその下流に連続して混合帯域及び触媒帯域を含
む燃焼装置を利用する。

予じめ決定した全燃料必要速度の少くとも１つに対して
、実質的な燃料部分を熱燃焼帯域及び触媒帯域のそれぞ
れで燃焼する。

そのような燃料必要速度での運転中、燃料の実質的な部
分を熱燃焼帯域に供給し、一方同時に空気を熱燃焼帯域
に導入して供給された燃料を実質的に完全に燃焼させ、
加熱された流出物を生成せしめる。

次いで混合帯域の上流部分において加熱された流出物に
比較的冷たい空気を更なる量添加して冷却された混合物
を得、この混合物を混合帯域の下流部分を通過させなが
ら燃料必要速度に対して必要とする全量を補完する実質
的な追加量の燃料部分を添加し、燃料に富んだ空気混合
物を生成せしめる。

次いでこの混合物を触媒の存在下に燃焼して高熱的エネ
ルギーの流出物を形成させる。

加熱された熱燃焼流出物に添加される空気の更なる量は
、混合帯域中の冷却された混合物及び燃料に富んだ空気
混合物を約５００−、．１２００下（約２５０〜６５０
℃）の範囲の温度に維持し及び該追加量の燃料のそこで
の早期燃焼を防止するのに十分な量である。

更に得られる燃料−空気混合物は、触媒と接触するとき
触媒の運転温度が燃料に富んだ空気混合混合物の自然自
己発火温度よりも実質的に高く〜窒素酸化物の実質的な
生成に導く温度よりも低いというような断熱火焔温度を
有する。

本発明は添付する図面と関連して更に説明される二 第１図は本発明の方法に従って運転するための及び特に
ガス状の炭素質燃料を燃焼させるのに適当な２段階式燃
焼系の略図であり：及び 第２図は特に燃焼すべき燃料が燃料油の如き液体の炭素
質燃料である場合に本発明の方法を行なうための２段階
式燃焼系の略図である。

第１図には、計画された燃料必要速度ばかりでなく、実
質的に低い必要速度において、化学量論量の空気で燃焼
したとき少くとも約３３００下（約１８００℃）の断熱
火焔温度を有する炭素質燃料を持続燃焼させる方法を行
なうのに適当な装置の中心線に沿う長さ方向の断面図が
略図的に示されている。

第１図の装置で燃焼するのに適当なガス燃料は、例えば
炭化水素例えば低級アルカン、特に天然ガス中のメタン
、プロピレンを含有シていてもよいプロパン、又はブタ
ン、一酸化炭素、及び石炭ガスを含む。

燃焼装置は、装置の出口端を形成する一般に円錐台形の
外側・・ウジング部分１１を含む外部・・ウジング、部
分１１に隣接し且つ一般に内部熱燃焼帯域の長さ方向の
長さを限定する円筒ハウジング部分１３、部分１３に隣
接し且つその一番左側の長さ方向部分において混合帯域
の上流又は急冷部分を限定し、一方その右側で混合帯域
の残りの下流部分を限定する大直径の円筒・・ウジング
部分１５、部分１５に隣接し且つ触媒帯域を限定する更
なる円筒ハウジング部分１７、及び部分１７の下流端に
隣接し且つ希釈帯域を限定する内側に傾斜スるハウジン
グ部分１９を備えている。

入口２１は炭素質燃料の１次部分を燃焼装置へ供給する
ための外側ノ・ウジング部分１１を備えている。

燃料導入口２１は、１次燃料を熱燃焼帯域へ放出させる
ためのマニホールドの周囲に、ある間隔で開口を備えて
おり、導管２３を通してこの環状の１次燃料マニホール
ド２５に連結されている。

燃焼装置は外部・・ウジング内に内側ノ・ウジ／グも備
え、これは１次燃料を熱燃焼帯域内に保持するその左側
、即ち上流端において一般に円錐台形閉塞部２９を有す
る内側ハウジング部分２７を含む。

１次空気は、ハウジング部分２７の周囲に位置する第１
群の多量空気導入開口部３１を通して及びハウジング部
分２７の周囲の開口部３１間に存在する第２群の少量空
気導入開口部３３を通して、外側ハウジング部分１３及
び内側ハウジング部分２７から熱燃焼帯域に入る。

更なる１次空気開口部３５は熱燃焼帯、域の下流端付近
のハウジング部分２７の周囲に存在する。

円錐台形ノ・ウジング部分１１及び２９を通して発火機
３７が熱燃焼帯域の上流端中へ挿入されている。

所望により及び便宜的に、１次燃料は、熱燃焼帯域中へ
の導入前に、１次空気の１部又は全部と予混合すること
ができる。

即ち第１図の装置は、１個の又は複数の入口を通して１
次燃料及び空気を一緒に熱燃焼帯域へ供給せしめうるよ
うに改良することができる。

これを行なう場合、燃焼機からのバツクファイアを避け
るために通常の予備注意をしなければならない。

通常徐々に直径が増大する内側・・ウジング部分３９は
、部分２７と連結し且つ外側ノ・ウジング部分１５と同
心円的に混合帯域を取り囲む。

熱燃焼帯域からの流出物を冷却する空気は、内側・・ウ
ジング部分２７によって限定される熱燃焼帯域の丁度下
流に位置する内側ハウジング部分３９の周囲に分布した
１群の大きい開口部４１を通して、外側ハウジング部分
１５及び内側ハウジング部分３９間の空間から混合帯域
の上流部分に入る。

更なる空気は、・・ウジング部分３９の周囲の開口部４
１間に存在する１群の小さい開口部４３を通して導入さ
れる。

更にそれ以上の空気は、混合帯域のずっと下流の内側ノ
・ウジング部分３９の周囲に位置する１群の更なる開口
部４５を通してノ・ウジング部分３９を通過する。

開口部４１．４３゜４５を通して内側ハウジング部分３
９に入る冷却空気が・・ウジング３９によって限定され
る混合帯域の下流の触媒帯域で起こる燃焼用の２次燃焼
空気も供給することは理解されるであろう。

それより上流の開口部３５を通る空気の１部又は全部も
、マニホールド２５から導入される１次燃料の熱燃焼生
成物を冷却し且つ急冷するのに役立ちつる。

ガス状燃料の燃焼時に、開口部３１及び３３を実際に通
る空気の量は、燃料マニホールド２５付近及びその上流
付近で燃料に富む部分を燃焼させるような量であってよ
い。

その時不完全に燃焼された１次燃料は、開口部３５、更
に開口部４１及び４３から導入される更なる空気によっ
て実質的に完全に燃焼させられ、続いて前述の如く導入
される２次燃料の早期着火を避けるために開口部４１゜
４３及び４５から供給される空気と更に混合することに
よって即座に冷却（急冷）される。

２次燃料の入口４１は、便宜上装置の上流端に位置する
。

入口４７は外側ハウジング部分１５内で導管４９に連結
し、続いてこれは下流方向に向いて混合帯域の下流部分
の周囲の内側・・ウジング部分３Ｓを取り囲む環状の２
次燃料マニホールド５１に達する。

２状燃料は次の如く混合帯域へ導入される：適当な位置
の孔は、第１図に矢印で示すように、マニホールド５１
の周囲の各孔から燃料を下流及び内部方向に放出する。

・・ウジング部分１５及び３９間を左方向へ通る空気は
、孔４１り４３．４５方向へ及び熱燃焼帯域からの冷却
された又は急冷された流出物が通過する混合帯域の内部
中へ燃料を運搬する。

邪魔板５２は空気のほとんどが２次燃料を孔３１，３３
．３５方向へ通過させるのを妨げている。

ここに゛マニホールド５１から供給される燃料の混合帯
域における早期燃焼を防止する時間内に熱燃焼流出物を
冷却するのに十分な空気を供給する必要がある以外、混
合帯域の上流の混合部分又は急冷部分及び下流部分間に
明確な区別をする必要がないことは理解できるであろう
。

円筒内側ハウジング部分５３は、内側ハウジング部分３
９の下流端に連結され、且つ適当な構造で内側ハウジン
グ部分５３内に装填される円柱形の触媒５５を含有する
。

触媒５５は、好ましくは円筒ハウジング５３の軸方向に
のび且つガス流が通過する内部通路を有する・・ニカム
型の１本柱状の触媒１つ又はそれ以上である。

そのような触媒はそれ自体触媒活性のない耐火ジルコン
−ムライトの１本柱を担体として利用しうる。

この１本柱の内部流通路は、他の酸化物物質例えばセリ
アを含有せしめることにより高運転温度に対して安定化
しうる高表面積の焼成アルミナ層でコーティングされて
いる。

アルミナ層には、少量の触媒活性のある白金族金属、例
えば白金もしくはパラジウム又はその両方が担持されて
いる。

外側ハウジング１９の下流端に適合するように直径が減
少する最後の内側ハウジング部分６１は、内側ハウジン
グ部分５３の下流端に連結されている。

環状の端部員６３は、外側ハウジング部分１９及び内側
ハウジング部分６１の双方の下流端をその内表面で受け
とめている。

触媒５５からの流出物と混合するための希釈空気は内側
ハウジング部分６１の周囲に分布する１群の大きい開口
部６５を通して部分６１及び外側ハウジング部分１９間
の空間から内側ハウジング部分内の希釈帯域に入ってよ
く、また更なる希釈空気はハウジング部分６１の周囲の
開口６５間に存在する１群の小さい開口６７を通して希
釈帯域に入ってよい。

大直径の空気吸入ダクト６９は、便宜上燃焼装置の下流
端の外側に位置し及び１次燃焼空気、急冷及び２次燃焼
空気及び希釈空気を外側ハウジング部分１７及び内側・
・ウジング部分５３間の空間へ通過せしめる手段として
外側ハウジング部分１７０１つの側に連結されている。

この空間は、上流の軸方向において外側ノ・ウジング部
分１５及び内側ハウジング部分３９間の空間と連結しこ
れは順次上軸方向において外側ハウジング部分１３及び
内側・・ウジング部分２７間の空間とつながっている。

燃焼装置の下流方向において、空気吸入ダクト６９によ
って補なわれた外側ハウジング部分１７及び内側ハウジ
ング部分５３間の空間は・外側ハウジング部分１９及び
内側ノ・ウジング部分６１間の空間と連結している。

第１図の装置を利用する２段階燃焼系の運転の場合、ガ
ス状炭素質燃料の持続燃焼は、例えば運転開始又は待機
燃料必要速度及び平常の必要速度を含んでいてもよい予
じめ決定した全燃料必要速度で行なわれ、できうれば中
間的な速度及び更に高い最高速度でも行なわれる。

これらの種々の速度を達成するには、持続燃焼の安定性
を維持し且つ触媒温度の過度な変化を避けることに問題
があるかも知れない。

例えば、低必要速度の場合、触媒入口温度は、そのとき
又は続く運転中に触媒に到達する燃料及び空気の混合物
に対する信頼しうる発火温度よりも低い程度の温度まで
下降する傾向を有していることができる。

一方２次燃料の早期発火は最高燃料供給速度において起
こりがちである。

一般に全燃料供給物の大部分は、触媒を適当に上昇した
最小運転温度に維持するために、最低燃料供給速度で熱
燃焼帯域に供給される。

事実、装置は有利には混合帯域に供給される２次燃料を
全く用いないアイドルモードで運転でき、一方最高のパ
ワーは有利には熱燃焼帯域中で燃料を燃焼させずにいく
らかの燃料を用いて維持できる。

しかしながら、多くの環境において、供給する燃料の全
量の約２０〜７０％を熱燃焼帯域に供給し、そこで実質
的に完全に燃焼させることが好適であることが判明した
。

次いで系中の燃料を補充する、即ち２次燃料を含有する
（２次燃料に富んだ）燃料−空気混合物を与えるために
混合帯域中へ導入される付加又は２次燃料の早期発火及
び早期燃焼を避けるべく、得られる流出物中の熱燃焼生
成物を冷却する。

これを行なった時、熱燃焼帯域からの冷却された混合称
及び２次燃料で生成せしめた燃料に富んだ空気混合物を
、混合帯域中において約５００，１２００下（約２５０
〜６５０℃）、好ましくは約７００〜１Ｏ００下（約３
７５〜５５０℃）の範囲の温度に維持する。

すべてのそのような運転条件の場合、内側／”％ウジン
グ部分２７内に熱燃焼帯域及びその下流に連続して一般
に内側ハウジング部３９内に混合帯域及び内側ハウジン
グ部分５３内に触媒を含む燃焼装置が与えられる。

特に燃焼装置からの流出物でガスタービンを駆動する場
合、触媒流出物を空気と混合して希釈し、駆動ガスがタ
ービン翼を過度な温度にしないことを保証するためには
、更なる内側ハウジング部分６１が有用である。

燃料を混合帯域ばかりでなく、実質的な量で熱燃焼帯域
に供給してそこで燃焼させ且つ加熱された流出物を生成
せしめる場合、下記の方法で、ある運転条件を維持する
。

そのような運転中、燃料の１部分、好ましくは燃焼を行
なう燃料必要速度に必要とされる燃料の全量の約２０〜
約７０％が入口２１に供給される。

燃料は例えばプロピレンを含有する市販のプロパンであ
ってよい。

燃料は入口２１から導管２３を通り、マニホールド２５
から熱燃焼帯域へ導入される。

同時に開口部３１−３３及び３５を通して空気を熱燃焼
帯域に供給し、その供給された燃料部分をそこで実質的
に完全に燃焼させる。

燃料及び空気供給速度は、好ましくは供給される空気が
供給される燃料の完全燃焼に必要な化学量論量の約１２
５〜約１８５ｑ６に維持テキるように調節される。

熱燃焼帯域内で安定に燃焼させるためには、燃料及び空
気の混合中空気−燃料比が化学量論比により近い場所に
おいて実際に燃焼が起こり、続いてその直後に燃焼生成
物を含むガス物質のより完全な混合によって燃焼帯域内
で燃焼が起こりうる。

燃焼の安定性は、遅く動くガスの支配域がそのような燃
焼を支える支配域を離れる加熱された反応生成物によっ
て連続的に着火されるそのような混合物に特徴的なより
遅い速度で酸化反応を伝播せしめつるように燃焼ガスを
再循環させることにより、（空気圧力に対する燃料導入
速度及び圧縮空気高圧部から燃焼機の内部へ至る開口部
の配列に依存して）、化学量論比よりも実質的に薄い又
は濃い空気−燃料比に対して、高めることができる。

これは例えば燃料又は空気が殆んど又は全熱燃焼室に入
らない円錐台閉塞端２９に隣る域中で起こりうる。

熱燃焼帯域からの完全に燃焼した流出物はハウジング部
分３９内の空間の上流端に隣る急冷帯域に入るので、熱
燃焼帯域からの加熱された流出物と混合するために更な
る量の空気を開口部４１．４３及び４５から導入する。

添加空気によって冷却された得られる混合物は、混合帯
域を通って外側ハウジング部分３７の下流端に入る。

燃料必要速度に対して必要とされる全量を効果的に補完
する追加量の燃料は、混合帯域の下流部分を通過する冷
却された混合物に添加されて燃料に富む燃料−空気混合
物を与える。

この２次燃料は、導管４７、導管４９及びマニホールド
５１を通して供給され、内側・・ウジング３９の外表面
に隣る域中に供給される２次空気のいくらかと混合され
る。

しかしながら、開口部４１．４３及び４５を通して添加
される２次空気の全量は、燃料に富んだ空気混合物を望
ましい温度範囲内に維持するのに十分であり、熱燃焼帯
域からの流出物と混合したときその冷却又は急冷作用に
よって混合帯域中に添加される追加量の燃料の早期燃焼
又は早期発火を防止するのに十分である。

得られる燃料及び空気の燃料に富む均質混合物は触媒５
５に入る。

触媒５５と接触したとき触媒支持型熱燃焼が起こるため
には、触媒に入る燃料に富んだ空気混合物は、触媒との
接触時に触媒の作用温度がそのような燃料−空気混合物
の自然自己発火温度よりも実質的に高く且つ窒素酸化物
を実質的に生成させる温度よりも低いような断熱火焔温
度を有している。

触媒との初期接触時に断熱火焔温度を決定する燃料に富
んだ空気混合物の組成及び温度は、順次入口空気温度及
び小程度であるが入口燃料温度によって、全燃料供給物
のいくらかを１次燃料人口２１へ分配させる結果として
の熱燃焼帯域での燃焼により生成した加熱された燃焼生
成物によって、並びに開口部３１．３３及び３５を通っ
て熱燃焼帯域に入る１次燃焼空気の量及び開口部４１９
４３及び４５を通って混合帯域に入る急冷２次燃焼空気
の量によって、及び勿論人口４７に供給される２次燃料
によって決定されることが理解されるであろう。

混合帯域の下流端から触媒に入る燃料に富んだ混合物は
、触媒５５の存在下に燃焼され、内側ハウジング部分６
１内の希釈帯域に入る。

そこで更なる空気を開口部６５及び６７から導入し望ま
しい温度の最終流出物を得る。

この流出物は、例えばパワーを発生するガスタービンの
駆動に、或いは熱交換装置へ送入する、即ち燃料人口２
１及び４７へ供給される燃料の持続燃焼によって発生す
るエネルギーを利用するのに適当である。

便宜的な配列では、希釈帯域からの流出物は、先ず環状
員６３上に位置していてもよいターボ給機ニアコンプレ
ッサー（図示してない）を駆動する。

大気空気は、圧縮空気を空気吸入ダクト６９へ供給する
ように連結されたコンプレッサーを通過する。

ターボ給機のタービン側から流出物は、上述した如く、
高温燃焼流出物を利用するためのパワータービン又は熱
交換機のような装置へ送入してもよい。

空気供給開口部３１．３３，３５，４１゜４３．４５．
６５及び６７の大きさ及び分布が１１次空気、急冷及び
２次燃焼空気、及び希釈空気の望ましい供給及び分配速
度を得るために、圧縮空気吸入時の圧力に依存して燃焼
装置を設計することにより決定されるということは理解
されよう。

触媒からの熱移動などによって燃焼装置から熱を除去す
るための手段は図面の装置に設置されない。

従って、高温で燃焼しがちの高エネルギー燃料でさえ、
炭素質燃料の持続燃焼は、燃焼下の混合物の断熱火焔温
度に近い温度、一般にそのような断熱火焔温度の５０〜
３００Ｔ以内の温度において、本質的な断熱条件下に行
なわれる。

特に高エネルギー燃料の場合、触媒に入る燃料に富んだ
空気混合物が窒素酸化物生成温度以下の断熱火焔温度を
有するように調節することは重要である。

通常触媒の運転温度は３３００下より十分低い、約１７
００〜３２００下（約９２５〜１７５０℃）の範囲の、
好ましくは約２０００〜３０００下（約１１００，１６
５０℃）の温度に維持すべきである。

本明細書に用いる如き燃料−空気混合物に対する１゛自
然自己発火温度１とは、触媒に入る燃料−空気混合物の
発火の遅れが燃焼をうける混合物の触媒燃焼帯域におけ
る滞管時間に比べて無視できる温度を置床する。

本発明は燃焼装置へ供給される燃料でない成分として特
に空気を用いて記述してきたけれども、酸素が燃焼を支
える必要な要素であることは十分理解されよう。

所望するならば、非燃料成分の酸素含量を変化させるこ
とができ、また非燃料成分に関しＣ本明細書で用いる如
き“空気゛とは燃焼反応に利用できる酸素を含むガス又
はその組合せガス（先立つ燃焼の生成物を含有してもし
なくてもよい）を含む。

しかしながら、急冷流体として供給される空気は、混合
帯域を通る冷却された混合物の期待する温度の達成を容
易にするために有利には最低の利用できる温度、普通大
気空気を供給する圧縮機又はブロワ−の吐出温度である
ことが観察されよう。

第１図と関連して記述した如き装置中で行ないつる本発
明の方法は、それぞれ熱燃焼帯域に及び混合帯域を経て
触媒帯域に供給される１次及び２次燃料を種々の燃料必
要条件下に適当に分配することによって種々の炭素質燃
料を効果的に燃焼する場合、特に便利で有効であること
が発見された。

運転条件の変化は１次及び２次燃料供給速度の割合又は
比を変えることによって補償することができる。

更に燃料それ自体の変化も、エネルギ製造の速度又は効
率に、或いは窒素酸化物及び他の汚染物の生成の回避に
望ましからぬ影響を与えずに補償することができる。

即ち、例えばガス燃料中に含まれうるプロピレン又は水
素の割合の変化も、供給される１次及び２次燃料間の全
燃料供給速度の分配に対する予じめ決定した最適の計画
を各燃料組成物用に作り上げて置けば補償することがで
きる。

熱燃焼帯域に及び触媒帯域に供給される燃料の割合を決
定する場仏一般に信頼できる効果的な全体の運転と矛循
しないように触媒帯域で燃料の多（を燃焼するために、
熱燃焼帯域への燃料の供給速度をＩｌＭすることが望ま
しい。

熱燃焼は、局所的な区域において、燃料及び空気の化学
量論的混合物の断熱火焔温度に近づく傾向のある温度で
起こりうる。

特別な燃料’４合、そのような熱燃焼温度は１燃焼空気
中の大気窒素の固定によって窒素酸化物の実質的な生成
が始まる温度を越える。

しかしながら熱燃焼帯域で燃焼される燃料の全量を制限
することにより、及び１次燃料及び空気及び更なる空気
で冷却する前の熱燃焼生成物の該帯域での滞留時間を制
限することにより、触媒段階の上流での窒素酸化物の生
成が最小に抑えられる。

更に、比較停多量の付加的２次又は急冷空気を用いて及
び触媒段階で製造される燃焼生成物（汚染物を実質的に
含まないことができる）を用いて熱燃焼帯域からの流出
物を希釈すれば、殆んど又はすべての環境へ放出しても
許容しうるような低割合でしか窒素酸化物を有さない最
終生成物となる。

第２図には、液体燃料の持続燃焼を行なう本発明の方法
を行なう装置が長さ方向の軸断面に基づく略図で示され
る。

適当な液体炭素質燃料の例は、ガソリン、芳香族炭化水
素、例えばベンゼン、トルエン、エチルベンゼン及びユ
シレン：及ヒナフサ、ジーゼル燃称ジェット燃料、他の
中間蒸留燃料、水素化処理した重油などがあり：更にア
ルコール例えばメタノール、エタノール及びイソプロパ
ツール、エーテル例エバジエチルエーテル、及ヒ芳香族
エーテル例えばエチルフェニルエーテルも利用できる。

第２図の２段階燃焼機は吸入端において一般に円錐台形
の内側・・ウジング部分７３から離れて配置されている
一般に円錐形の外側ノ・ウジング部分７１を含む。

これらの部分１１及び７３の内部端において、左端は閉
塞され且つ右端は通常の設計のスワール・インジェクタ
ー（Ｓｗｉｒｅ １ｎｊｅｃｔｏｒ）７５を有する、
１次燃料を供給するための円筒構造体Ｔ４が支えられて
いる。

１次燃料、例えば魔２燃料油は、構造体７４の内部に、
次いでそこからノズルＴ８に供給する燃料供給導管ＴＩ
を通してスワール・インジェクターの翼に導入すること
ができる。

円筒構造体４１の内部には、円筒構造体７４中の転向箇
所（ｒａｄｉａｌ ｐｏｒｔｅ ） ７９から１次燃料
の射出を助ける空気も供給される。

燃焼装置の上流閉塞端は、燃焼装置の内部を見るために
ハウジング部分１１及びＴ３の壁内に一列に並んで形成
されている透明窓（図示してない）、並びに燃焼機の内
部の上流端から燃料−空気混合物の試料を取り出すため
に試料採取手段（図示してない）を含んでいてよい。

外側ハウジング部分７１及び内側ハウジング部分７３は
、その最外端、即ち下流端において、それぞれ円筒形の
外側及び内側ハウジング部分８１及び８３に結合する。

このハウジング部分８１及び８３は、上流の熱燃焼帯域
を限定し、及びその連続した軸方向の下流において混合
帯域の上流又は急冷部分を限定する。

この場合この混合帯域は部分８１より直径の大きい外側
・・ウジング部分８５及び内側ハウジング部分８３の長
さ方向に連結する内側ハウジング部分８７によって更に
下流で限定されている。

２次液体燃料の注入手段は、ハウジング部分８５及び８
７によって限定される混合帯域の下流部分の円周上に配
列された空気を補助的に用いるいくつかのインジェクタ
ーによって与えられる。

これらのインジェクターは、その１つを概略的に図示し
であるが、通常の形をしており、２次燃料供給導管８９
により供給される注入ノズル８８、外側ハウジング部分
８５中を通るノズル８８を含む。

このノズル端は内側ハウジング部分８７の壁を通って内
部混合帯域中へのびている。

２次燃料の注入を助ける空気は、ノズル８Ｂを取り囲む
ノ・ウジフグ９１中に入いる圧縮空気導管９０から供給
される。

補助空気はノズル８８の端部な取り囲む環状の空間を通
って・・ウジング部分８７の内部に入り、ノズルを離れ
る燃料小滴と高速で混合される〇 外側ハウジング部分８５は、いくらか直径が増大する下
流端部分９３を有する円筒形として下流方向にのびてい
る。

徐々に直径が増大し、触媒帯域へ変わる混合帯域の長さ
を限定する内側・・ウジング９５．は、内側ノ１ウジン
グ部分８Ｔの下流端に連結し且つ外側ノ・ウジング部分
の延長部分９３と共に一定の断面積のトロイダル空間（
ｔｏｒｒｏｉｄｅｌＳｐａｃｅ ）を形成する。

内側ノ・ウジング部分９５の下流端は、中央の開口した
固定板又はｉ９７で終る。

軸方向に延びるガスの流通路を備えた触媒９９は、下流
側の環９７の内部部分に設置される。

外側ハウジング部分及び内側ハウジング部分間の空間に
空気を均一に分布させるたゆには、外側ハウジング部分
９３より直径の大きい更なる円筒形のハウジング部分１
０１を、混合帯域の変移部分を限定する内側ハウジング
９５の装置の外側の囲りに配置する。

ハウジング部分１０１は、環形の側板１０３によって上
流端が及び環９Ｔによって下流端が閉塞されている。

１次空気及び急冷２次空気は、ハウジング１０１の側面
に入り込む空気吸入ダクト１０４を通してブロワ又は圧
縮機（図示してない）から導入される。

この導入された空気は、最も外側のハウジング部分１０
１及びハウジング部分９３間の空間、次いでハウジング
部分１０１及び環９７の左側の内側ハウジング部分９５
間の空間１続いて外側ノ・ウジング部分９３及び内側・
・ウジング部分９５間の空間を順次装置の上流方向へ環
状形で分布する。

第２図の装置の運転において、ｌ状液体燃料、例えば第
２番燃料油は導管１７及びノズル７８を通して供給され
、渦流インジェクタ（Ｓｗｉｒｌｉｎｊｅｃｔｅｒ）７
５に入る。

すぐ上に記述した如く、装置の下流から入る空気は、外
側・・ウジング部分８５及び混合帯域を取り囲んでいる
内側ハウジング部分８１間の空間を通り１次いで外側ハ
ウジング部分８１及び混合帯域の上流端及び１次燃焼帯
域を経る内側ハウジング部分８３間の空間を通り、装置
の上流端において外側ノ１ウジング部分７１及び内側・
・ウジング部分７３間の空間に入る。

いくらかの補助的１次空気又は渦流空気は、部分９７を
通り、１次燃料と一緒に渦流インジェクタに入り、燃料
を熱燃焼帯域中へ分散させる。

円筒形構造体７４及び液体燃料インジェクタ７８及び１
次補助空気部分７９を存する渦流インジェクタＴ５の配
列は、適当な液体燃料の注入を達成するために燃焼技術
者にとって公知の種々の方法で改変することができる。

即ち高圧の１次注入補助空気は高圧ノズル（図示してな
い）を通して微分散された燃料微粒子を注入するために
部分７９に代替する別の導管で供給してもよく、或いは
液体燃料は別の圧縮空気源からの高速プラス） （ｂｌ
ａｓｔ）にさらされている分散表面上にフィルムとして
供給し、得られる１次燃料の微粒子を燃焼機の内部の上
流部分に注入してもよい。

１次空気は内側ハウジング部分８３の周囲に位置する＝
連の開口部１０５を通して熱燃焼帯域に入る。

次いで熱燃焼帯域からの流出物を更なる量の空気によっ
て冷却し又は急冷する。

この場合この空気は急冷空気及び２次燃焼空気として役
立ち、ハウジング部分８３の周囲に位置する第１群の空
気導入開口部１０７を通り、開口部１０７間でそのいく
らか下流に位置する第２群の同様の空気導入開口部１０
９を通って流入する。

得られる冷却された混合物を混合帯域に沿って下流方向
へ通過させる。

混合帯域では冷却された混合物に液体燃料の追加量を添
加し、延長ノ・ウジング部分９５内において混合帯域の
変移部分と称せられるその下流端で燃料に富んだ空気混
合物を生成せしめる。

次いで混合物は触媒帯域での燃焼のために触媒９９に入
る。

２次燃料供給物を含むこの液体燃料の追加部分はインジ
ェクタ・ノズル８Ｂを通りいくつかの導入導管８９から
混合帯域に入り、一方いくらかの注入を補助する空気は
各ノズル８８を取り巻く・・ウジング９１を通って圧縮
空気導管９０から添加される。

第２図の２段階燃焼機の運転は第１図のそれと一般的一
同じである。

吸入空気は、例えばプロセスの加熱に空気を供給するた
めに燃焼機を用いる場合、比較的低圧で供給することが
できる。

そのような用途の場合では、圧縮機を必ずしも必要とせ
ず、低圧のプロワ（図示してない）から空気を供給して
もよい。

触媒９９からの最終流出物は、熱交換器へ導入でき、或
いは処理すべき固体又は流体に直接吹きつけても、それ
と直接混合してもよい。

２次燃料が適当な構造及び調整をした通常の空気補助２
次燃料インジェクタを通してノ・ウジング部分８７の周
囲に位置する導管８９から非常に良く微分散されたミス
トとして注入されることを保証することは非常に望まし
い。

即ちノ・ウジング部分８７及び９５内の長い混合帯域及
び変移部分を通過した後、燃料は実質的に完全に分散さ
れ、蒸発し、且つ熱燃焼帯域からの加熱されたガス物質
及びそれと混合するために供給された空気と混合される
。

この結果混合帯域からの燃料に富んだ空気混合物は、触
媒と接触するとき燃料及び非燃料成分の均質混合物を形
成する。

所望により、最終流出物には第１図の配列の場合と同様
に希釈空気を添加してもよい：希釈空気を供給する手段
は第２図に示してない。

第１図に示す装置の運転例は、空気圧及び燃料必要量の
範囲に関し第１表に表示されている。

空気は表示した温度に予じめ加熱して１，３５〜２．１
気圧の表示圧力で供給した。

実験番号３又は４のような代表的な場合、内側ハウジン
グを取り囲む高圧部と触媒の下流の燃焼機内部との間で
約ｌｐｓｉｇの圧力降下が起こった。

使用燃料はプロピレン約ＩＯ％を含有する市販のプロパ
ンであった。

これらの実験において、熱燃焼帯域への１次空気流、急
冷及び混合帯域への２次空気、及び触媒流出物への希釈
空気の相対割合についてはルーチン的に測定しなかった
。

しかしながら、代表的な場合、相対的な流速は凡そ１次
空気１５％、２次空気３５％及び希釈空気５０％であっ
た。

これは熱燃焼帯域における燃焼空気が化学量論量より凡
そ＋過剰、即ち１次空気が化学量論量の凡そ１６７チで
あることに相当する。

混合帯域を通って触媒に至る２次燃料を含有する冷却さ
れた混合物は約８５０Ｔ〜約１１５０下の範囲の温度を
有した。

触媒出口の温度は、触媒のすぐ下流の熱電対によって表
示されるが、この熱電対からの高輻射熱損失のために、
表示温度は誤解を招くほど低くなった。

実際の触媒運転温度は、触媒の出口付近で測定した温度
により２００〜４００下高い、即ち約１８００〜約２３
００下の範囲であると推定された。

実験番号３〜６において、ガスは触媒の存在下に２次燃
料を燃焼することによって加熱された後に燃焼装置を離
へ次いで希釈空気を触媒からの流出物に添加することに
よって約８００〜１２００下の範囲の温度に冷却した。

これらの実験からの出口ガスは、第１表に示すように望
ましからぬ汚染物を著るしく低濃度でしか含有しなかっ
た。

ここに実験番号ｌはすべての燃焼を熱燃焼帯域で行ない
、実験番号７はすべての燃焼を触媒帯域で行ない、一方
他の実験例は熱燃焼帯域中で約３０〜約７０％を燃焼さ
せる本発明の運転例を示していることを注意する。

第２表に関し、第２図に示した装置の運転を、３３０．
０００〜１，０００，０００以上ＢｔＵ／時の速度に相
当する燃料必要量の範囲で例示する。

凡そ一定の燃料必要量で行なった実験番号１０．１１及
び１３は、１次燃料の２次燃料に対する割合の変化、即
ち燃料の約２０〜３０％を熱燃焼帯域へ供給することに
よるそのような変化の影響を示す。

この種の装置に対しては、１次燃料の割合が特に実験番
号１０．１１及び１３かられかるようにむしろ厳密にＮ
Ｏｘの生成に影響することが明らかである。

実験番号１２は１次燃料の流れが同一であるという点で
実験番号１１と対比できる：これらの実験は全燃料必要
量に依存する２次燃料の、流出物中のＣＯの限界に対す
る最小割合を示す示唆する。

その理由は、燃料効率が低触媒運転温度において著るし
く低下するからである。

これらの実験の流出物中の炭化水素の割合は、測定の誤
差範囲以下程度に低かった。

第２表に示すように、１次帯域における熱燃焼の、及び
混合帯域から触媒帯域へ流れる冷却された及び燃料に富
んだ混合物の温度は、触媒に入る後者の混合物の断熱火
焔温度（“Ａ、Ｆ、温度′″）と同様に計算した。

ここに、７９０〜１０３０’Ｆで変化する冷却された又
は急冷された混合物の温度は２次燃料の導入前に測定さ
れ、且つ触媒に実際に達する混合物は主に２次燃料の注
入を補助する空気を添加することに起因して実質的にそ
れより低いことを指摘することができる。

第２表の実験に対しては、望ましい空気流を得るために
大気圧以上で十分に動作するプロワがら空気を導入した
。

良好な運転はブロワの圧力及び燃焼機の内部の圧力間の
圧力降下が約１〜４％のときに達成された。

触媒運転温度は、いくらかの避けがたい熱損失のために
計算された断熱火焔温度よりいくらか低く、この場合に
も触媒出口付近の温度の読みよりもかなり高く、且つ約
１９５０〜２２５０下の範囲内に入ると信じられる。

報告した実施例のデータを得る場合、運転中に触媒を肉
眼で観察すると、触媒が赤橙色から黄白色に変った。

これは一般に１８００〜２３００”Ｆの限界内における
運転温度の推定値を支持する。

第２図の装置の運転に関して上述したように、熱燃焼帯
域に供給される１次空気並びに混合帯域の上流部分にお
いて加熱された１次燃焼流出物へ冷却及び２次空気とし
て添加される空気は、約大気圧で、また釣人気温で供給
される。

第２表に報告した一連の実験において、持続燃焼を行な
う予じめ決めた全燃料必要速度は、１６．３４〜４８．
１８ポンド／時の全燃料供給物の運転範囲を包含する。

ここに、この範囲はＢｔｕ／時単位で対応するエネルギ
ー評価範囲を与え、約３の燃料のターン−ダウン（ｔｕ
ｒｎ −ｄｏｗｎ ）運転比に相当する。

この燃焼装置のそのような運転は、持続燃焼を行なう予
じめ決定した全速度の各々に対して必要とされる全燃料
量の約２０〜約３０係を１次燃料として熱燃焼帯域に供
給することによって有利に行なえた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法に従って運転するための及び特に
ガス状の炭素質燃料を燃焼させるのに適当な２段階式燃
焼系の略図であり：第２図は特に燃焼すべき燃料が燃料
油の如き液体の炭素質燃料である場合に本発明の方法を
行なうための２段階式燃焼系の略図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱燃焼帯域及びその下流に連続して混合帯域及び触
   媒帯域を含む燃焼装置を用いることにより炭素質燃料を
   予じめ決定した全燃料必要速度で持続燃焼させ、その際
   いくつかの該全燃料必要速度の少くとも１つに対して該
   燃料の実質的な部分を該熱燃焼帯域及び該触媒帯域のそ
   れぞれにおいて燃焼させる方法であって、 該１つの燃料必要速度での運転中燃料の実質的な部分を
   該熱燃焼帯域に供給し、一方同時に空気を該熱燃焼帯域
   に供給しそれに供給された燃料を実質的に完全にその中
   で燃焼させ且つ加熱された流出物を生成せしめ； 該混合帯域の上流部分中において該加熱された流出物に
   更なる量の比較的冷い空気を導入して冷却された混合物
   を調整し； 該混合帯域の下流部分中を通る該冷却された混合物に、
   該１つの燃料必要速度に対して必要とされる全量を補完
   する該燃料の実質的な追加部分を添加して燃料に富んだ
   空気混合物を調製し；該燃料に富んだ空気混合物を触媒
   の存在下に燃焼サセて高熱的エネルギーの流出物を生成
   せシメ；但し 該更なる量の空気力ζ該混合帯域中において該冷却され
   に混合物及び該燃料に冨んだ空気混合物を約５００〜ｌ
   ２００”Ｆの範囲の温度に維持し且つ該追加量の燃料
   のそこでの早期燃焼を防止するのに十分であり；及び 該生成する燃料−空気混合物が、該触媒と接触する場合
   該触媒の運転温度が実質的に該燃料−空気混合物の自然
   自己発火温度以上であるが、実質的に窒素酸化物を生成
   せしめる温度以下であるように〜断熱火焔温度を有する
   、 該炭素質燃料を持続燃焼さぜる方法。 ２ 該炭素質燃料が化学量論量の空気で燃焼するとき少
   く二も約３３００”Ｆの断熱火焔温度を有する特許請求
   の範囲第１項記載の方法。 ３ 該炭素質燃料の持続燃焼を本質的な断熱条件下に行
   なう特許請求の範囲第２項記載の方法。 ４ 触媒の運転温度が約１７００〜３２００下である特
   許請求の範囲第３項記載の方法。 ５ 該触媒の運転温度が約２０００〜３０００”Ｆであ
   る特許請求の範囲第３項記載の方法。 ６ 供給される燃料を実質的に完全に燃焼させるために
   該熱燃焼帯域に供給される空気の量が、供給される該燃
   料の完全な燃焼に必要とされる化学量論量の約１２５〜
   約１８５チに維持される特許請求の範囲第１項記載の方
   法。 ７ 該触媒の運転温度が約１７００〜３２００下である
   特許請求の範囲第６項記載の方法。 ８ 熱燃焼帯域に供給され且つ混合帯域で添加される該
   炭素質燃料が液体燃料である特許請求の範囲第１項記載
   の方法。 ９ 該混合帯域からの該燃料に富んだ空気混合物が触媒
   と接触するとき均質混合物の形をもつ特許請求の範囲第
   ８項記載の方法。 １０ 該燃焼を行なう燃料必要速度に必要とされる全燃
   料量の約２０チ〜約７０チを該熱燃焼帯域に供給する特
   許請求の範囲第１項記載の方法。 １１ 該混合帯域中に添加される更なる量の空気が鳥
   該冷却された混合物及び該燃料に富んだ空気混合物を約
   ７００〜１０００下の温度に維持するのに十分である特
   許請求の範囲第１項記載の方法。 １２ 該熱燃焼帯域に供給される空気及び混合帯域の上
   流部分中において該加熱された流出物に添加される空気
   が凡そ常温及び常圧で供給され、及び該持続燃焼を行う
   予じめ決定された全燃料必要速度のそれぞれに対し１必
   要とされる燃料の全量の約２０〜約３０％が該熱燃焼帯
   域に供給される特許請求の範囲第１項記載の方法。