JPS592767B2 - タンソシツネンリヨウ ノ サンカニヨリガスタ−ビン オ ウンテンスルホウホウ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、燃焼させる一定量の燃料から大きな出力を取
り出す条件下で空気と十分良く混合された炭素質燃料を
持続的に酸化させる方法に関する。

この方法が、大気汚染物質、とくに一酸化炭素、炭化水
素及び窒素酸化物の比較的少ない酸化流出物（作動ガス
）（ｅｆｆｌｕｅｎｔ）を与えることは極めて有利なこ
とである。

この方法はまた、約８１６〜」６４９℃（約１５．００
〜３０００°Ｆ）の有利な温度範囲において燃料の少く
とも一部の安定した燃焼を与える。

実質的にすべての燃焼が上記温度範囲にあることは好ま
しいことである。

本発明の酸化方法においては、燃料は、好ましくは触媒
燃焼区域において制御された気体速度及び空燃比の条件
下で部分的に燃焼して部分的に燃焼した作動ガスを得、
次いで上記の上流側燃焼区域から出てくる作動ガスをガ
スタービンに通しつつ、約８１６〜１６４９℃（約１５
００〜３０００下）の温度でガスを膨張させながらさら
に燃焼させる。

このタービンからの流出物は、単に一酸化炭素及び炭化
水素という汚染物質が少ないのみでなく、とくに燃焼の
大部分あるいはさらにすべて又は殆んどすべてが約８１
６〜１６４９℃（約１５００〜３０００下）の温度範囲
にある場合は、さらにガス中の窒素酸化物の量を最小に
することができる。

本発明は、望ましくない排気成分による大気汚染を比較
的少なくすることができ、かつガスタービン装置（ここ
で、ガスタービン装置は、タービン、触媒、コンプレッ
サ、燃料噴射器等を組合せたものであって、燃料の一部
分がタービンの膨張区域において燃焼するものをいう。

）の条件の変化に迅速に適合して燃料を酸化させる効率
の高いタービンの運転を与える。

このように本発明は、タービン中の最高温度をタービン
を効率よく運転できる約８１６〜１６４９℃（約１５０
０〜３０００’Ｆ）、好ましくは約９８２〜１５３８℃
（約■８００〜２８００’Ｆ）の範囲に維持することを
可能とし２つつ、タービンのガス膨張区域で得られる連
続的な再加熱効果によって熱効率が改善された効率の高
いタービン運転を与えるものである。

本発明方法においては、部分的に酸化された作動ガスの
酸化はタービン中でのガスの膨張の間に起こる。

従って、タービン中での気相反応によって発生しまた熱
はガスの膨張と同時に起こる熱損失により相殺されるた
めに、与えられた運転温度においてより多くの燃料を使
用することが可能である。

この方法によって、与えられた運転温度でタービンから
より大きな出力を得ることができる。

従来技術の方法においては、燃料空気混合物の量の増加
は結果としてタービンへ人いるガスの温度の上昇を生じ
させるので、そのような従来技術の方法では、許容され
る最大のガス温度を越えないためには、燃料の使用量は
より少ない量に制限される。

タービンのガス膨張区域において酸化が起こるため、タ
ービン翼の速度は、燃料の全酸化が触媒的に行なわれる
場合よりもあるいは触媒と接触させて酸化させ次いでガ
スを膨張させない別の酸化区域にお℃・て酸化させる場
合よりも本発明における場合の力が、燃料の量の変化に
、より迅速に応答する。

本発明によってもたらされる改良された結果は我々の社
会にとって非常に重要である、なぜならば燃料の効率的
な使用と大気汚染の低減が必要であり、時代が進むにつ
れてますます不可欠となるからである。

ガスタービンエンジンは、とくに航空機及び定置動力プ
ラントにおいて主原動機として広く使用されている。

同時に、自動車エンジンとして適するタービンエンジン
の開発に多くの努力が払われており、ある程度の成功を
収めている。

トラック及びバスのような大型車両を推進するためにガ
スタービンを採用することは差し迫っており、窺極的に
は、そのようなエンジンが乗用車のようなより小型の自
動車の原動機として使用されると言えよう。

これらの車両の原動機としてガスタービンを使用するこ
とはますます有利になっている。

なぜならばその運転を高い効率で行なうことができる約
８１６〜１６４９℃（約１．５００〜３０００Ｆ）程度
の温度でエンジンを運転するための技術が開発されたか
らである。

ガスタービンエンジンは、軽量、小型であって振動及び
保守の問題が比較的小ないことに加えて、また−酸化炭
素及び炭化水素含量が少ない排気ガスを放出するという
望ましい特性を有する。

その燃料は実質的に過剰の空気の存在下で完全な又は殆
んど完全な燃焼を与える温度で燃焼される。

従って、この酸化は比較的無害な二酸化炭素及び水の発
生を伴って起こる。

しかし、主として非常に高い温度の火炎を使用して燃料
を酸化する、ガスタービンエンジン及びスチームボイラ
のような他の方法は大気を窒素酸化物で汚染するという
点からは全く不利である。

ガスタ・−ビンの排気は、例えば往復ピストン内燃機関
からの排気よりも大きな百分率で窒素酸化物を含有して
いないけれども、ガスタービンから出る排気ガスの量が
大きいためにガスタービンから放出される窒素酸化物に
よる全大気汚染はよりひどくなる可能性がある。

本発明は、一連の燃料酸化区域を使用し、タービンのガ
ス膨張区域において少くとも酸化の一部を行なうことに
よりガスタービンを運転する方法を改良するものである
。

この膨張はタービンのノズル中あるいは回転タービン翼
車又はインペラ上の回転羽根又は動翼中で起ってもよい
。

酸化はこれらのタイプの膨張区域の両方においておこっ
てもよい。

いずれにせよ、連続的再加熱効果はタービン内で起こり
、そしてこの方法は、その燃焼中に望ましくない量の窒
素酸化物を生成せずかつ過度の高温を発生させずに燃料
の効率の高い使用を提供する。

本発明に従う燃料空気混合物の燃焼は、ガス状混合物の
酸化によりタービンの上流で比較的少量の触媒と接触さ
せつつ約８１６〜１６４９℃（約１５００〜３０００”
Ｆ）、好ましくは約９８２〜１５３８℃（約１８００〜
２８００下）の範囲の温度で行ない燃料を部分的に酸化
させることが有利である。

この部分的に酸化された作動ガスは、触媒の出口とター
ビンの入口の間で燃料の一部が酸化される条件でさらに
酸化させであるいは酸化させずに、タービンのガス膨張
区域へ導入し、部分的に酸化された作動ガスを膨張させ
ながらさらに酸化させる。

この後者の酸化は残存している酸化可能な燃料成分を二
酸化炭素と水に転換する。

このタービンのガス膨張区域における酸化によってター
ビンに与えられる熱量の付加分は、ガス膨張の結果とし
てタービンにおこる温度降下に反対する作用を行なう。

このようにタービンは、連続的再加熱と称してもよい条
件の下で運転される。

タービンの運転効率及び仕事の出力はそれにより既知の
再加熱原理に従って高められる。

同時に、この再加熱効果は、複数のタービン段及び別の
再加熱装置を使用することを必要とせずに、得ることが
できる。

本発明はこのように、単一インペラ翼車又は単一段を有
するタービンにおいてさえ利益を与える。

しかし、本発明はまた、酸化が複数のタービン翼車又は
段のガス膨張区域において完了する場合においても使用
することができる。

部分酸化が触媒手段によりタービンの上流で行なわれる
本発明の好ましい形態において、燃料の完全な酸化に要
求されるよりも少ない量の触媒が触媒酸化区域において
使用される。

従って、酸化の一部は下流のタービンのガス膨張区域に
おいて行なわれる。

タービンのガス膨張区域におけるこの酸化は、タービン
の膨張区域外で酸化がおこる場合と異なり、酸化と同時
にタービンを駆動するので、本発明のガスタービン装置
は運転の変化により迅速に対応し、しかもこの下流のガ
ス膨張区域において行なわれる酸化もまた約１６４９℃
（３０００下）を越えない温度で行なわれるので、ター
ビンから排出される気体は比較的少量の窒素酸化物を有
するにすぎない。

その結果、本発明の運転は自動車を推進するために使用
するタービンにおいて極めて有利であることができる。

タービン膨張区域内でのガスの膨張による温度低下効果
はタービン中で普通に起こるものであるが、本発明にお
いてはこれがタービンのガス膨張区域内での燃料の燃焼
によって相殺される。

このように、タービン製造業者が指定した最高安全温度
において作動するタービンについて、本発明の方法では
、従来の運転と比較してタービン中で過度の温度上昇を
生じさせることなく、より多くの燃料を燃焼させること
ができる。

より多量の燃料の燃焼はタービンの出力をさらに増加さ
せる。

本発明のタービンエンジンからの出力は種々の方法で使
用することができる。

例えば、このエンジンはとくに自動車用その他の車両用
の又は発電機用の原動機として使用することができる。

本発明の燃焼運転中に使用される条件のために、この酸
化は極めて効率がよく、さらに、タービンからの排気ガ
スは一酸化炭素及び炭化水素含量が少ないばかりでなく
大気中に放出される窒素酸化物の量を最小にすることが
できる。

このように本発明は、最小の大気汚染でもって効率のよ
い燃料の燃焼及び動力の回収を与える。

タービンのガス膨張区域の上流の位置における空気及び
、所望の場合、その他の蒸気状物質中の燃料の部分燃焼
においては約８１６〜１６４９℃（約１５００〜３００
０”Ｆ）の温度における触媒を使用するのが好ましいけ
れども、部分的に燃焼した作動ガスの温度がタービンの
運転許容湿度を越えない限り、この燃焼は他の方法によ
って行なってもよい。

従って、燃料は噴霧して空気との混合物とし燃焼区域に
おいて部分的に燃焼してもよいが、このタイプの運転に
おいては少くとも局所的にガスの温度が上昇しすぎて、
例えば少くとも約１８１６℃（約３３００’Ｆ）になる
可能性があり、もしこの条件が余り長く続＜荻望ましく
ない程大量の窒素酸化物が生じる可能性がある。

この高温燃焼期間の長さは、部分的に燃焼した作動ガス
を急冷することにより、たとえば混合ガスがタービン膨
張区域へ達する前に燃焼プロセスが実質的に完了するの
を避けつつより温度の低い空気又はその他のガスと混合
することにより、短縮することができる。

更に有利なことには、タービン膨張区域の上流において
過度の高温は避けられ、そのような方法において、たと
え全部又は殆んど全部ではなくても大部分の燃焼は約８
１６〜１６４９℃（約１５００〜３０００下）好ましく
は約９８２〜１５３８℃（約１８００〜２８００ｙ）の
温度で完了する。

このタイプの運転により燃焼プロセスのかなりの部分を
タービンのガス膨張区域で行なうことを確保することは
より容易であり、汚染性の窒素酸化物の過度の生成をよ
りたやすく回避することができる。

そのような温度制御は、燃料が燃焼区域へ入いる前に燃
料を空気と完全に予備混合し、最初の燃焼区域における
混合物の接触又は滞留時間を制限し燃焼温度が上昇しす
ぎないよう、例えば約１６４９℃（約３０００”Ｆ″）
、好ましくは約１５３８℃（約２８００″Ｆ）を越えな
いようにすることによって行なうことができる。

この燃焼は触媒を用いずに火炎の存在下で行なうことが
できるが、しかしこの燃焼は完全に又は殆んど完全に触
媒を用いる手段によって、好ましくは少くともその大部
分あるいは全体を火炎を生成させずに行なうことが好ま
しい。

この触媒酸化区域へのガス状供給原料は燃料、空気及び
、所望の場合は、その他の蒸気状物質の十分よく混合さ
れた混合物であり、これらの成分は、燃料の二酸化炭素
と水への完全な酸化を基準として、混合物が少くとも約
８７１ ”Ｃ（約１６００″Ｆ）、好ましくは少くとも
約９８２℃（約１８００’Ｐ）の酸化触媒の条件下での
理論断熱火炎温度を有するような量で存在している。

タービン膨張区域の上流での酸化は完全又は殆んど完全
に断熱的な条件下において工業的規模の実施方法で行な
うことができる。

このように、酸化区域から大気中への少量の熱損失にも
かかわらず、その条件はこの酸化区域において完全又は
殆んど完全に断熱的であることができる。

なぜならば間接熱交換による酸化区域の意図的冷却は、
たとえあったとしても、ごく少なくすることができるか
らである。

空気、燃料を混合した空気、酸素を加えた空気などのタ
ービン装置に導入する気体は燃焼区域の壁を冷却するの
に使用することができ、燃焼区域自体でのこの燃焼の断
熱性はその程度において少なくすることができる。

好ましくは、作動ガスをタービンへ送る最初の触媒酸化
区域及び、所望の場合は、それに続く触媒酸化区域は拡
散支配であり、大部分の、しばしばすべて又は殆んどす
べての触媒は約８１６〜１６４９℃（約１５００〜３０
’ＯＯ”Ｆ）の温度にある。

温度制御を達成するため、タービンの上流の酸化区域へ
供給される混合物中の燃料、自由窒素、自由酸素及びそ
の他の成分の量及びこの区域での反応の条件は、この区
域が所望の温度範囲にあるように制御される。

従って、酸化区域において所望の温度を維持するために
は、よりエネルギーの高い燃料は、よりエネルギーの低
い燃料の場合よりも多量の空気及び多分その他のガスと
混合することができる。

タービンの上流の酸化区域へ供給されるガス状混合物の
自由酸素含量は燃料を完全に酸化して二酸化炭素及び水
とするのに必要な量のしばしば少くとも１．１倍、又は
少くとも１．５倍、好ましくは少くとも２倍である。

タービンのガス膨張区域における酸化区域につづく触媒
酸化区域の温度は約８１６℃（約１５００″Ｆ）よりも
低く、たとえば約５３８℃（約１０００”Ｆ）程度、又
は最低約６４９℃（約１２００″Ｆ）であることができ
るが、しかしこの温度は少くとも約８１６℃（約１５０
０℃）から約１５３８℃（約２８００′Ｆ）又は１６４
９℃（３０００下）であることが好ましい。

後に続く触媒酸化区域はその酸化系からの気体状流出物
中の炭化水素及び一酸化炭素の量をさらに減少するのに
役立つことができる。

さらに、本発明方法の好ましい形態に従うと、タービン
の上流位置にある触媒酸化区域中のガス状混合物は酸化
条件において可燃範囲にあるか又は可燃範囲の希薄側に
ある。

従って、例えば燃料濃厚側から燃料稀薄側へ移すときの
この混合物の燃焼又はデトネーションを避けるために、
燃料が最初に可燃範囲にある点と触媒入口との間でのガ
スの条件において燃料含有ガスの速度はその最大火炎伝
播速度以上に維持する。

さらに詳しくいえば、燃焼されるべき燃料は触媒と接触
する前に空気と混合されるのであるが、このとき燃料が
ガスタービン装置へ導入される位置においてはこの燃料
の濃度は完全に又は殆んど完全に１００％であり、次い
で燃料は空気と混合されて特定の濃度に稀釈される。

従って、濃度が遷移する区域であってこの混合物が可燃
性である区域が存在する。

この遷移区域における燃焼を避けるために、燃料空気混
合物の速度はこの領域において火炎伝播速度より大きく
なければならない。

従って、この可燃範囲の燃料稀薄側における燃料空気混
合物は、混合物が触媒に到達する前又は到達した時点に
おいて少くとも幾つかの点で最大火炎伝播速度以上であ
る。

そのような速度は、燃料濃厚小滴が完全に。空気と混合
する前に触媒からこの燃料濃厚小滴への逆火の際に起こ
るかも知れない実質的に１６４９’Ｃ（３０００″Ｆ）
以上の燃焼温度の発生を抑止するであろう。

このガス状混合物は、最初の触媒表面への入口でのこの
最大火炎伝播速度以上であることが好ましい。

この燃焼はタービン上流の触媒区域においてしばしば無
炎である。

タービンのガス膨張区域における引続く燃焼は火炎の存
在下又は非存在下で行なうことができるが、とくにター
ビンのガス膨張区域中の燃焼区域において触媒の下流で
の発炎は好ましくないものではない。

その理由は本発明方法においては燃焼温度が約８１６〜
１６４９℃（約１５００〜３０００’Ｆ）の間に維持さ
れるように燃焼が制御されているからである。

この燃焼温度の制御は燃料の量に対する空気の過剰量を
制御することによって容易に行なうことができる。

タービンのガス膨張区域中に火炎が序在するときは、タ
ービンに流入する作動ガス中に未燃焼の燃料がかなり多
いので、ガスタービン装置はかそれによって運転の変化
により応答しやすくすることができるので好ましいこと
である。

酸化に供する原料の組成を制御しているにもかかわらず
、供給混合物及び酸化流出物が触媒と接触し、あるいは
触媒と接触しないときは酸化のために使用する温度に維
持される時間は重要であることがあり、窒素酸化物の生
成が望ましくない程度まで増加するほど長くならないこ
とが好ましい。

一般に、全触媒及び熱酸化区域中でのガスの滞留時間は
約０．１秒以下、好ましくは約０．０５秒以下であり、
好ましくない量の窒素酸化物を生成することなく燃料の
本質的に完全な燃焼を与えるのに十分であることが好ま
しい。

このように、本発明方法は酸化系から、１００００００
容量部当り約１０容量部（ｐ ｐｍｖ ）以下の炭化水
素、約３００ｐｐｍｖ以下の一酸化炭素及び約１５ｐｐ
ｍｖ以下の窒素酸化物、好ましくは約４ｐｐｍＶ以下の
窒素酸化物を有するガス状流出物を与えることができる
。

本発明に従う典型的な運転において、蒸気状燃料は自由
又は分子状酸素及び自由又は分子状窒素と接触させて酸
化させる。

酸素及び窒素は多くの場合空気によって供給されるが、
この混合物はより濃縮された形の酸素の付加により濃縮
し又は追加量の窒素又は他の完全に又は殆んど完全に不
活性なガスを用いて稀釈することができる。

この混合物の非燃料成分は、本明細書において一般的に
空気と称することにする。

しばしば、最初の酸化区域へ供給される燃料空気混合物
は少くとも約１０容量係あるいは少くとも約１５係の自
由酸素を有する。

本発明で使用する燃料は炭素を含有するので炭素質と称
する。

これらの燃料は少なくとも本発明に従って酸化される場
合、完全に又は殆んど完全に蒸気の状態にあり、化学量
論的量の空気で酸化する場合中なくとも約１８１６℃（
約３３００”Ｆ）の断熱火炎温度を示すような十分に高
いエネルギーを有する。

この燃料は周囲条件において気体状又は液体であっても
よい。

例としてメタン、エタン、プロパン及び他の低分子量炭
化水素；ナフサ、ケロシン及び他の通常液状の炭化水素
；並びに一酸化炭素、１〜４炭素原子のアルカノールと
くにメタノール、及び他の結合酸素を含有する物質があ
る。

燃料には酸化において本質的に不活性である成分、例え
ば窒素が混じっていても差支えない。

この燃料は比較的エネルギー含量が高く、本発明で使用
する酸化のための供給原料流の調製を許す性質のもので
ある。

燃料が通常ガスでない場合は、燃焼区域に到達する前に
蒸発させるのが好ましく、供給原料の燃料、空気及び他
の成分は、触媒に望ましくない効果を及ぼし又は窒素酸
化物の生成を増加させる可能性のある局所的な過度の温
度上昇を避けるために、良く混合する。

しかし、燃料はタービン膨張区域の上流の酸化区域にお
いて触媒と接触させる場合、全体的に又は部分的に液相
であってもよい。

高温の触媒は燃料を蒸発させる役目を行ない、次いで生
成した燃料空気混合物は触媒と接触し、本発明に従って
酸化される。

そのような方法は残油又は非蒸留鉱油のような比較的高
い沸点の燃料の使用さえ可能とする。

一般に、燃料は燃料濃厚条件で、すなわちたとえあった
としても少量の酸素と混合した条件下で、いずれにせよ
貯蔵条件下で可燃混合物を与えるには不充分な酸素と混
合した条件下で貯蔵する。

燃料と空気を混合し、そしてしばしば火炎を維持しない
条件下で予熱することが好ましい。

タービンの上流の燃焼区域において触媒との接触前は、
最初燃料濃厚側すなわち可燃範囲以下にあるガス状混合
物であって可燃範囲内に又は可燃範囲を通過するガス状
混合物の速度を十分に大きくしてこの混合物が触媒の最
初の表面に到達する前の幾つかの点で火炎伝播速度以上
であることを確保することにより、燃料空気混合物の発
火を避けることが好ましい。

たとえ燃料が少なく酸化温度においてさえ可燃範囲の燃
料稀薄側にある燃料空気混合物について触媒酸化を行う
ように本発明方法を実施するとしても、この燃料空気混
合物はある点で可燃範囲を通過する。

最大火炎伝播速度以上の適当なガス速度は一般に約３フ
イート／秒以上であり、一方、ガス空間速度は、例えば
全燃焼区域容積邑す毎時１００万〜１０００万容量又は
それ以上（標準温度及び圧力）の範囲にあることができ
る。

触媒の容積は、活性触媒及びそれよりも活性の小さい支
持体を包含し触媒内のすべての空隙、あるいはガス通路
を含む見かけの容積全体である。

ある特定の運転を行なわせるには、一般に燃料空気可燃
範囲及び最大速度を規定する必要がある。

これらの要因は、当業者が理解しているように、種々の
運転条件、例えば存在する空気及び燃料の量、使用する
燃料のタイプ、温度及び圧力によって支配される。

さらに、本発明方法をガスタービンエンジンに使用する
場合、エンジン始動の間に、触媒が最適運転温度にない
期間がある。

同様に、エンジンの運転中に運転上又はその他の問題の
ために時によると触媒温度が最適有効水準よりも低下す
ることがある。

この触媒がその最適水準よりも低い場合このプロセスを
持続するために別の火炎燃焼を導入してもよい。

本発明の好ましい方法においてはタービンの上流の触媒
区域は燃料の一部のみの酸化を行なうべきであるから、
この酸化区域における触媒の容積は酸化条件で燃料のす
べてを二酸化炭素と水に完全に酸化するのに必要な全量
の一部であり、この量の触媒は少くとも燃焼を安定させ
るのに十分な量である。

従って、この酸化区域における触媒の容積は燃料の完全
な燃焼に必要な量の約０．５倍以下、好ましくは約０．
２５倍以下であってもよい。

この量は燃焼の完全な燃焼に必要な量の約０．０２倍又
は０，０１倍又はそれ以下の少量であることができる。

タービン膨張区域の上流の酸化区域における燃焼はこの
区域へはいる燃料の約６０重量係までを酸化することが
好ましい。

この量は、二酸化炭素と水への理論転換量を基準にして
約７５重量係に上ってもよい。

タービンのガス膨張区域でおこる酸化の量は、二酸化炭
素及び水への転換を基準として、タービンの上流にある
酸化区域へはいる燃料の全熱量のしばしば少くとも約１
０パーセント、好ましくは少くとも約２５％である。

これは燃料の熱量の約６０係又はそれ以上に上ってもよ
い。

本発明に従ってタービンのガス膨張区域内で燃焼をおこ
させるためには、上流の酸化区域の出口とタービンのガ
ス膨張区域の上流との間にある空間でのガスの滞留時間
を考慮する。

そのようなすべての中間の空間において、中間的燃焼が
おこりうるのであって、この燃焼が起こる量だけ、ター
ビンのガス膨張区域中での燃焼がより少なくなる。

そのような中間での転換は望ましいことがありうる。

なぜならばそれは生成する酸化作動ガスの温度をタービ
ンの運転がより効率的でありうるタービンの最大設計温
度により近づけ又はほぼ同じとするのに役立つことがで
きるからである。

いずれにせよ上流の酸化区域の出口とタービンのガス膨
張区域の入口の間のガス滞留時間は最小であることがで
き、タービンのガス膨張区域で少くともかなりの量の燃
焼がおこるようなものである。

この滞留時間は、上流の酸化区域の後方でおこる全燃焼
の少くとも主要部分、すべてが又は殆んどすべてがター
ビン膨張区域内でおこる程小さくてもよい。

本発明の方法からの流出物は酸化されていない燃料、炭
化水素質の酸化生成物及び一酸化炭素を完全に含んでい
ないものではないかも知れないが、しかしその流出物は
これらのん染物質及び窒素酸化物が少量であろう。

もし必要ならあるいはもし望ましいなら、タービンから
の気体状流出物をさらに、例えば触媒酸化若しくは熱酸
化又は触媒還元若しくは熱還元又は両者により流出物中
の燃焼しうる汚染物質の量を減少させることができる。

本発明の触媒燃焼反応は、タービンの上流にある触媒の
温度が燃焼区域を通過する空気燃料混合物中の燃料の酸
化を確立するのに十分な温度であるかぎり、過度のガス
速度又は可焼範囲以上の稀薄ガス混合物の生成による火
炎の消失又は炎吹消えを心配することなく、極めて大量
の空気又は他のガスを燃焼区域へ通過させることができ
るという点で、さらに利点を有している。

タービンの運転において、空気と燃料の容量比はしばし
ば約２０：１以上であり、タービンによっては空気と燃
料の比が約１００ ： １又は２００：１又はそれ以上
に設計される。

このガス膨張区域は一般に、ガスが少くとも約１＝２の
倍率で膨張するような、すなわち膨張比が少くとも約１
：２であるようなものである。

本発明に従って行なわれる運転にしばしばみられる別の
特徴は、空気及び燃料が最初の燃焼区域へはいる前に空
気及び燃料を加熱することである６タービン運転の場合
におけるそのような予熱は、再生タービンの場合少くと
も約２０４℃（約４００″Ｆ）、好ましくは少くとも約
５３８℃（約１００００下）であってもよい。

本発明に従って使用することができる固体触媒は種々の
形状及び組成を有することができ、分子状酸素の存在下
で燃料を酸化するのに当業界で使用され又は一般に知ら
れているタイプの触媒であることができる。

この触媒は種々のサイズ及び形状の比較的小さな、固体
粒子であることができ、しばしば最大次元が約２．５４
ｃＩｎ（約１インチ）以下のサイズであることができる
。

複数のそのような粒子は、燃焼区域において１個又は複
数個の触媒物質又は床を形成するように一所に配列され
る。

この触媒は比較的大きな形状をもち、その中にガス流路
をもつ骨格構造を有することが好ましい。

一体型又は蜂の巣型触媒はこの好ましい形状の例である
。

例えば、米国特許第３５６５８３０号参照。

触媒は一般に所望の酸化反応の促進に対して触媒的に活
性な１種又は２種以上の金属成分を有する。

本発明において使用される触媒はかなり高い温度で運転
されることに鑑み、燃料の酸化を適切に促進するのに比
較的不活性であるか又は活性が不充分であると普通考え
られている材料が適当でありうる。

この触媒金属は、元素状態にあることもでき、また化合
物の状態、例えば酸化物の状態にあることもできる。

この触媒金属化合物は触媒的に活性が小さい支持体によ
りあるいは完全に又は殆んど完全に不活性な支持体によ
り担持される。

支持体はセラミックの性質をもっていても差支えない。

これらの触媒において、より触媒的に活性な金属成分は
しばしばその触媒の小量成分であり、その支持体は大き
な割合を占める成分である。

触媒的に活性な金属はしばしば元素の周期律表の重金属
の族、すなわち第１Ｂ族、第１１Ｂ族又は第Ｖ族乃至第
Ｖ族又は希土類又はランタニドの金属である。

これらの金属の触媒的に活性な形が使用される。

与えられた金属、例えばアルミニウムの酸化物は当業界
で知られているようにその物理的状態、水和度及び他の
要因に依存してより活性が大きく又はより活性が小さい
ことができる。

しかしながら、一般的というと、第Ｖ族及び第■族の金
属の触媒成分、例えばシリカ、アルミナ、ジルコニア及
びその混合物は、触媒形状の第Ｖ族の金属、とくに白金
族金属、例えば白金、パラジウム及びロジウム又は第１
Ｂ族、第１１Ｂ族、第Ｖ族、第Ｖ族、第Ｖ族、第Ｖ族の
鉄族及び希土類の金属、例えばＣｕ ｔｃｒ 、Ｎｉ
ｔｃｏ ｔＶ ｔＦｅｔＣｅ等よりも活性が小さい。

幾つかの好適な形状では、使用される触媒は、第１Ｂ族
、第１１８族及び第Ｖ族乃至第Ｖ族又は希土類からの１
種又は２種以上の金属及び第Ｖ族及び第■族からの金属
の１種又は２種以上のより触媒的に活性の小さな成分の
両方から成り立っていることができ、これらの組合では
さらに活性が小さいか又は完全に又は殆んど完全に不活
性な担体の上に支持されていてもいなくてもよいが、し
かし支持されていることが好ましい。

例えば、そのような触媒は蜂の巣状のα−アルミナ又は
菫青石支持体上に担持された活性形状の白金１係及び活
性形状のアルミナ１０係を含有していることができる。

白金は少量のクロム及びセリウムの酸化物で置換えるこ
とができる。

触媒は［７ばしば１グラム当り少くとも約１０平方メー
トル、好ましくは少くとも約５０平方メートルの、表面
中の孔の面積を含む表面積を有する。

触媒は、この触媒を通過するガスの圧力降下が約１ ｏ
ｐ Ｓ ｉ以下又は約３ｐｓｉ以下であるように燃焼区
域に配列することが好ましい。

酸化触媒の一体型骨格構造支持体のタイプはガスの流れ
の一般的方向に支持体中をのびる複数の流通路又は流路
を有することにより特徴付けることができる。

この流通路は触媒構造の中をまっすぐに通過している必
要はなく転換器（ｄｉｖｅｒｔｅｒ）又はスポイラを含
有していてもよい。

この骨格構造支持体は、高温例えば約１６４９℃（約３
０００′Ｆ）又はそれ以上の高温でその形状及び強度を
維持することができる実質的に化学的に不活性で、堅い
固体材料から構成されていることが好ましい。

この支持体は低膨張係数、良好な耐熱衝撃性及び低熱伝
導率をもつことができる。

しばしば、骨格支持体は多孔性であるがその表面は比較
的非多孔性であってもよく、表面が触媒被覆をよりよく
保持するために、とくにもし支持体が比較的非多孔性で
ある場合その表面を粗くすることが望ましいことがある
。

この支持体は性質が金属又はセラミック又はそれらの組
合せであることができる。

一体型本体又は骨格構造を通る流通路は所望Ｃ見かけの
表面を有するかぎり任意の形状又はサイズであることが
できるが、ガス混合物の比較的自由な通路を許容するの
に十分な大きさであるべきである。

流通路は平行であってもよく、又一般に平行であり、支
持体の中を一方の側から他方の側へのびており、そのよ
うな流通路は好ましくは薄い壁により互いに分離されて
いる。

この流通路はまた多方向性であってもよく、その上一本
又は２本以上の流通路と連通していてもよい。

この流通路の入口開口部は酸化されるべきガスと最初に
接触させる支持体の完全に又は殆んど完全に全面又は断
面を横切って分布していることができる。

本発明を具体化する方法を表わす略図的に単純化した部
分断面図を参照しつつ、本発明の好ましい形態をさらに
説明する。

添付図面において、タービン１０は、タービン型ニアコ
ンプレッサ１２及びガス出力タービン翼車１４を備えた
回転出力軸１１を有する。

しばしばタービンは同じ軸上に複数のそのような翼車あ
るいは段を有する。

軸１１はタービン翼車１４により軸に与えられる出力を
使用するため任意の適当な出力伝達装置に連結すること
ができる。

タービン１０は、例えば、高い圧縮比を有してもよいし
又は比較的低い圧縮比を有してもよい。

そのようなタービンの構造、運転及び制御は当業界にお
いて公知であり、それらの詳細は本発明を説明するのに
不必要であるから説明を省略する。

炭化水素燃料、例えばプロパン又は直留石油ナフサは、
管１５及びパルプ１６によりタービン系にはいる。

パルプ１６はタービン装置へ送られる燃料の量を制御す
る。

燃料はパルプ１６をへて管２１を通り、コンプレッサを
出た空気の中へ噴霧される。

その結果できる蒸気化された燃料と空気の混合物は、燃
料小滴の表面での燃料濃厚状態から燃料小滴の表面から
はなれた広い体積を占める燃料空気混合相中の燃料希薄
状態へと場所的に変化しているから、混合物中に可燃ガ
スが必然的に存在する。

従って、デトネーション防止を確保するため火炎伝播速
度以上のガス速度が使用される。

空気と燃料のガス状混合物は混合羽根２２及び熱交換器
２５をへて定置触媒燃焼器３０へはいる。

触媒燃焼器３０の出口は通常のガス膨張ノズル３１及び
タービン翼車１４に連通しており、触媒からの作動ガス
を直接膨張ノズル３１へ放出する。

そのようなノズルの構造の詳細シま周知であるから示さ
れていない。

燃料空気混合物は、燃焼器触媒の中を顕著な圧力降下な
しに流れる。

燃焼器３０の上流には、点火器３６と点火器３６に隣接
するガス通路３５へ通じる燃料導入管３８が配置されて
いる。

管３８によるこの燃料の噴射はパルプ３７により制御さ
れる。

熱電対４０を触媒燃焼器３０の入口に配置し、この熱電
対によってこの場所における燃焼器の温度を検出する。

触媒燃焼器３０から流出する作動ガスはノズル及び出力
タービン翼車１４への過程でさらに酸化され、出力ター
ビン翼車１４において軸１１へ回転力を与える駆動流体
として働く。

タービン翼車１４からのガスは、熱交換器２５において
空気燃料混合物と間接熱交換された後、排気管２４によ
って排出される。

添付図面の方法において、点火器３６は作動させること
ができ、エンジン始動の間において燃料は管３８を通っ
て通路３５へはいり、触媒燃焼器３０の温度が点火器３
６を停止したときに触媒が燃料の酸化を開始するほど十
分高くなるまで、有炎燃焼される。

この時間パルプ１６は閉じることができる。

触媒の作動が確立した時、点火器３６は停止させること
ができ、管３８による燃料はパルプ３７を閉じることに
より止める。

タービンを始動させ触媒燃焼器３０を作動温度にする間
、燃料と空気の混合物は点火器３６に隣接して存在する
条件で可燃範囲にあり、この点火器と接触するガスの速
度は火炎伝播速度を起えないような速度である。

従って、この期間点火器３６の近傍には火炎があり、そ
れによって発生した熱は触媒燃焼器３０の温度を、点火
器３６を作動させないときに触媒燃焼器３０が燃料の酸
化をおこさせるのに有効であるほど十分に高くする働き
をする。

有炎燃焼から触媒中での無炎燃焼又は酸化へ移行するた
めには、管３８による燃焼区域の中への補助燃料の供給
を停止し、火炎を消すことができる。

パルプ１６が開かれ、ついで管２１をへて空気流へはい
る燃料は本発明に従う酸化を確立するように働く。

触媒燃焼器３０中のガスの速度はこの触媒の入口におい
て最大火炎伝播速度以上である。

本発明方法において、プロパンの完全な又は殆んど完全
な完全な酸化を、約８１６〜１６４９℃（約Ｊ５００〜
３０００”Ｆ″）の範囲の温度で触媒燃焼器３０と接触
させて燃焼を開始し燃料を部分的に酸化することによっ
て行なうことができる。

例えば、４：１の圧縮比、１０３８℃（１９００″Ｆ）
の最大運転温度及び約０．９１ｋｇ／分（約２ポンド／
分）の最大空気流量を有する小型タービン用として、触
媒は、断面積１平方センチメートル当９１５．５本（１
平方インチ当り１００本）の流通路及び断面の約７０％
の開口空間を有する蜂の一１〃 巣構造の形状であって外径３−８１ ｃＩｎ（ｉ ２
）、長さ１１．４３σ（４↓“）を有するものである
ととができる。

触媒の入口直前で燃料空気混合物が５９３℃（１１００
下）である場合、触媒はこの燃料の約５０〜６０％を燃
焼させ、この触媒から出る作動ガスは約９８２℃（約１
８００″Ｆ）の温度を有する。

触媒と接触させた後、この作動ガス中に未だ燃焼しない
で残っている燃料は、ノズル及び翼膨張区域が約１０．
２センチメートル（約４インチ）のガス流路の長さを有
するタービンの膨張区域において熱燃焼によりさらに酸
化される。

タービンからのこれらの排気ガスは、ガス中に汚染物質
が存在する場合、例えば外径７．６ｃｒｎ（３“）長さ
５．１ｃｒｎ（２”）の、１平方センチメートル当り３
１本（１平方インチ当り２００本）の流通路及び６８係
の開口部面積を有する別の蜂の巣状触媒に通し、ガス中
に残っている汚染物質を酸化し、それによって最小量の
炭化水素、−酸化炭素及び窒素酸化物を含有するにすぎ
ない流出ガスを得る。

本運転は、同量の燃料がタービン膨張区域へ達する前に
完全に燃焼したときに最大運転温度が約１０９３℃（約
２０００″Ｆ）であるタービン運転とタービンの性能に
おいて同等である。

【図面の簡単な説明】

添付図面は本発明方法を具体化するガスタービン装置の
部分断面略図である。 １０・・・・・・ガスタービン。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 化学量論的量の空気で燃焼させた時に少くとも約１
   ８１６℃（約３３０（１）の断熱火炎温度を有する炭素
   質燃料を酸化することによってガスタービンを運転する
   方法であって、蒸気状の該燃料と空気を含有する十分良
   く混合された混合物を約８１６〜１６４９℃（約１５０
   ０〜３００ ｏ１Ｆ２の温度で固体酸化触媒と接触させ
   つつ酸化させ、該混合物は可燃範囲内の燃料希薄側にあ
   るか又は燃料希薄側可燃範囲外にあり、燃焼前に、使用
   する燃料空気混合物は触媒入口での条件下において少く
   とも約８７１℃（約１６００′Ｆ）の理論断熱火炎温度
   を有し、触媒の入口に至る幾つかの点で該混合物の速度
   は混合物の条件で該混合物の最大火炎伝播速度を越えて
   おり、該混合物中の自由酸素対燃料の容量比は該燃料の
   完全燃焼に必要な化学量論的量の少くとも約１．１倍で
   あり、該触媒酸化は該燃料の一部を酸化する働きをし、
   そして該触媒酸化区域からの部分的に酸化したガスをガ
   スタービンの膨張区域へ通しガスを膨張させながら該ガ
   スを約８１６〜１６４９℃（約１５００〜３０００’Ｆ
   ）の温度で酸化することを特徴とする前記方法。