Method for operating fuel conversion device and liquid fuel adjusting device

本発明は概ねエネルギー変換装置の燃料供給装置に関する。 さらに具体的には、本発明は溶存酸素を除去する燃料脱酸素装置を含むとともに気化燃料を提供して燃焼を向上させる燃料供給装置に関する。

ガスタービンエンジンは通常航空機や発電の用途に使用されるエネルギー変換装置である。 ガスタービンエンジンは一般的にコンプレッサ、燃焼器、およびタービンを含む。 コンプレッサに入る酸化剤が圧縮されて燃焼器に向かって案内される。 燃料が高圧酸化剤と結合されて点火される。 燃焼器で発生する燃焼ガスがタービンを駆動する。

液体燃料を燃焼させるタービンエンジンは窒素酸化物（ＮＯ _X ）、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃焼炭化水素（ＵＨＣ）、およびその他の微粒子を含む可能性のある排出物質を生成する。 エンジンから排出されるこれらの成分のレベルを低減させることが望ましい。 リーン混合気をつくるように予め混合された天然ガスなどの気体状の燃料を用いると、有害な成分の排出が実質的に減少する。 また液体燃料の気化および予混合により有害な排出物質が減少する。

しかしながら、液体炭化水素燃料を気化させるように加熱することにより一般的に「コーキング」として知られる望ましくない不溶性物質の発生が結果として起こる可能性がある。 コーキングは燃料装置内部にコークス堆積物を生じさせ、流路を目詰まりさせて全体的なエンジン性能を低下させるおそれがある。 コークス堆積物の形成は前段階における酸化剤への露出に起因する燃料内の溶存酸素量に依存する。 燃料内に溶存する酸素量を減少させることによりコークスの発生率を減少させ、燃料がコークス沈殿物を形成することなく加熱されうる最大許容温度を増加させる。

さらに、気化燃料に追加の成分を加えることにより、排出物を減少させるように燃焼器内で燃焼されるリーン混合気を提供することができる。 触媒反応装置内で酸化剤を添加することにより燃焼処理を向上させる改質燃料が提供される。 したがって、好ましくないコークス堆積物を生じさせることなく液体燃料の気化を提供する燃焼の改善方法および設計を開発することが望ましい。

本発明による低排出強化触媒燃焼装置の一例が、液体燃料から溶存酸素を除去して望ましくない不溶性物質や副生成物を生成させることなく液体燃料を気化させる。

燃料転換装置の例は燃焼プロセスを最も効果的にするように燃料を調整するものであり、燃料脱酸素装置、伝熱装置、および触媒反応装置を含む。 燃料脱酸素装置は液体炭化水素燃料から溶存酸素を除去し、処理できないほど多量の不溶性物質の有害な影響や生成なしに燃料を気化させる。 その後気化燃料が酸化剤と混合されて触媒反応装置内で改質される。 結果として生じるさらに多くの酸化剤と混合された改質燃料により好ましくない副生成物の排出が減少した、低温燃焼が維持される。 液体燃料の気化により酸化剤と燃料との混合が向上して燃焼プロセスが向上し、その結果改善されたフレーム安定性と、より完全かつ効率的な燃焼を提供する。

したがって、本発明の燃料転換装置およびその方法が望ましくない副生成物をうみだすことなく液体燃料の気化を提供することにより燃焼を向上させる。

図１を参照すると本発明による一例のガスタービンエンジン１０を概略的に示し、燃焼プロセスを最も効果的にするように燃料を調整する燃料転換装置２６を含む。 図から認識できるように、図例のようなタービンエンジンについて述べているが、レシプロエンジン、蒸気エンジン、およびその他の公知のエネルギー変換装置といった、その他の燃焼プロセスおよび装置がまた本発明から利益を得られる。

ガスタービンエンジン１０は、吸入空気１４を圧縮するコンプレッサ１２と、燃料酸化剤混合物を発火させる燃焼器１８と、燃焼器１８内で作り出された排気ガス１５の流れに反応して回転するタービン１６と、を含む。

本発明のガスタービンエンジン１０は、脱酸素装置２０、伝熱装置２２、および触媒反応装置２４を含む燃料転換装置２６を備える。 炭化水素燃料は、輸送中や貯蔵中に酸化剤にさらされるため通常溶存酸素を含む。 燃料内の溶存酸素は高温で燃料内の他の成分と結合する。 結果として生じる相互作用により、一般に「コークス」と呼ばれる有害な不溶性物質が発生する。 これらの相互作用により蓄積される不溶性物質が燃料転換装置２６や燃焼器１８の内壁に堆積して望ましくない性能低下を引き起こす。

炭化水素燃料から溶存酸素を除去することにより、発生する不溶性物質の量が減少するとともに、不溶性物質が著しく生成し始める温度が上昇する。 脱酸素装置２０は燃料に著しく干渉することなく燃料から溶存酸素を除去する。

多くの燃焼プロセスにおいて、燃料酸化剤混合物はエンジン効率や排気にとって重要な成分である。 理論混合気に含まれるよりも高い割合の燃料を含む混合物はリッチ混合気として知られ、化学量論的燃焼温度に比べて相対的に低い燃焼温度で点火され持続できる。 理論混合気に含まれるよりも高い割合の酸化剤を含む混合物はリーン混合気として知られ、化学量論的燃焼温度に比べて低い温度で運転する。 窒素酸化物の発生をより低レベルに抑えるため、および、高温燃焼の持続に必要な熱管理装置や構造を省くために、ある種の応用例では、より低い温度で燃焼器を運転することが望ましい。 しかしながら、過度に低温度での燃焼は、一酸化炭素や未燃焼の炭化水素、あるいはその他の様々な有害物質といった、好ましくない基準の副生成物を有する排気を発生させる。 程よく低い温度で運転するリーン混合気は高レベルのＮＯ _Xや、ＣＯ、ＵＨＣ（未燃焼炭化水素）を発生しない。 しかしながら、現在こうしたリーン混合気は気体状態の燃料のみ実用性があり、一般的な液体炭化水素燃料の利用には実用性がない。

本発明の燃料転換装置２６は、燃料源２５より供給される液体炭化水素燃料から溶存酸素を除去し、処理できないほど多量の不溶性物質のはっきりと認められるほどの有害な影響や生成なしに燃料を気化させる。 その後気化燃料がプレミキサ２９内で酸化剤２１と混合されてリッチ混合気を生成し触媒反応装置２４内で改質される。 この触媒反応装置は矢印２３で模式的に示すように耐久性を確保するために冷却される必要がある。 結果として生じる気化燃料は触媒反応装置２４内のＮＯ _Xの発生を減少させる低温維持された反応を提供する。 液体燃料の気化による酸化剤と燃料との混合の向上により燃焼プロセスが改善され、その結果、触媒反応装置２４内の反応が向上する。 その後、燃料転換装置２６内で処理された転換燃料が、ポストミキサ２８内で適切量の酸化剤１９と混合されてリーン混合気となり、ＮＯ _X 、ＣＯ、およびＵＨＣ（未燃焼炭化水素）を微量に抑えて燃焼器内で安定して反応する。 酸化剤１９は部分的もしくは全体的に冷却流２３により供給される。

図２を参照すると、ガスタービンエンジン１０および燃料転換装置２６の別の実施例が示されており、ある量の燃料が燃料転換装置２６を迂回するバイパスライン２７を通流し、ポストミキサ２８もしくは燃焼器１８に直接注入される。 図から認識できるように、燃料調整による実質的な改善は燃料転換装置を通流する一部の燃料のみに提供される。 燃料転換装置２６における各々のコンポーネントは、圧力降下を生じ、あるいは他の燃料流のパラメータに影響することがある。 燃料転換装置２６を通流する燃料量とバイパス２７を通して迂回される燃料量とを調整することにより、燃料流の特性を調節する手段を提供して燃焼を向上させる。 例えば燃焼器１８に液体燃料を添加することによりフレーム安定性を向上させることができる。 さらにバイパス２７がライン２９を通してポストミキサ２８へと燃料を供給し、そしてライン３１を通して燃焼器へと直接供給するように示されている。 所望の燃料流の特性を提供するように一方もしくは両方のラインが利用されて所望の燃焼性能を達成する。 さらに、燃料源２５からの液体燃料がライン３３を通して触媒反応装置２４へと直接注入されうる。 したがって、液体燃料の一部が装置２６内のコンポーネント２０，２２，２９，２４のうちのいずれかもしくはすべてを迂回するように送られることが可能となり所望の燃焼性能と燃焼器１８に入る燃料の調整が行われる。

図３を参照すると、符号３０で示すように燃料転換装置２６がまず液体炭化水素燃料２５の流れの中から多量の溶存酸素を除去することにより作動する。 脱酸素装置２０内で溶存酸素が除去される。 所定量の溶存酸素が燃料から除去されることにより、燃料気化による処理できないほど多量のコークスやその他の不溶性物質などの多量の望ましくない物質が生成しない。 ある応用例では、溶存酸素がたった０．１ｐｐｍしか含まれないように酸素を除去する必要がある。 他の応用例ではより高い酸素濃度で十分に作動しうる。

図４を参照すると、脱酸素装置２０が酸素透過膜６０を含むとともに、その一面にわたって液体燃料が流れる。 透過膜６０を横切る酸素分圧差が液体燃料から溶存酸素６８を汲み出す。 酸素は透過膜６０を通して移動して脱酸素装置から排出される。 透過膜６０は多孔性バッキング６４を覆うように形成された透過層６２を備えてなる。

透過膜６０は多孔性基板６６に沿って支持される。 減圧源７０が透過膜６０を横切る酸素分圧差を生み出して溶存酸素６８が燃料２５から継続的に追い出される。 その後溶存酸素が基板の外もしくは溶存酸素を利用する他の装置へと排出される。 透過膜の実施例が示されているが、燃料から酸素を除去するその他周知の機構が本発明の範囲に含まれ、すなわち、かなりの量のコーキングを生じさせることなく液体燃料の気化を可能にするその他の方法が本発明の範囲に含まれることを理解されたい。

図３を参照すると、脱酸素装置２０からの液体燃料が伝熱装置２２内へと流れ、符号３２で示すように気化される。 ここで燃料は実質的に溶存酸素がない状態であるため、燃料の加熱すなわち気化によって好ましくない量の不溶性物質が生成されない。 ここで気化された燃料は、符号３４で示すように、酸化剤と混合されて改質を促進する。 改質生成物は通常、Ｈ ₂ 、ＣＯ、Ｈ ₂ Ｏ、ＣＯ ₂を含む。 燃焼処理を促進するその他の酸化剤、元素あるいは成分もまた気化燃料と結合されるとともに、これらは本発明の範囲に含まれる。

その後、符号３６で示すように気化燃料が触媒反応装置２４内で改質される。 触媒反応装置２４は燃焼の準備に際して燃料内に望ましい反応を生じさせる材料を含む。 その後、符号３８で示すように触媒反応装置２４から放出された改質生成物を追加の酸化剤と混合することができる。 符号４０で示すように混合燃料と酸化剤とが燃焼用の燃焼器１８内に注入される。

本発明の燃料安定化ユニットをもつエンジン装置の一例の概略図。

本発明の燃料安定化ユニットをもつエンジン装置の別の例の概略図。

本発明の燃焼用の燃料を準備する方法のブロック図。

本発明の透過膜の一例の概略断面図。

符号の説明

１０…ガスタービンエンジン ２０…脱酸素装置 ２２…伝熱装置 ２４…触媒反応装置 ２５…燃料源 ２６…燃料転換装置 ２９…プレミキサ