タービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジットおよび触媒化炭化水素燃料の燃焼方法
【課題】触媒管の形状や流体の条件に基づいて反応速度を制限する触媒コンジットを提供する。
【解決手段】 タービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット（管路）が、入口１８および出口２０、ならびに、内側面３４および外側面３６を有する管壁２４を備える触媒管を有する。一実施例においては、これらの触媒管は、管壁２４に近接して流れる流体の流れ特性を変化させるように、触媒管１４の長さの一部４０に沿って、ねじれ部を備える。酸化触媒４４は、管の少なくとも一部に配置される。
【解決手段】 タービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット（管路）が、入口１８および出口２０、ならびに、内側面３４および外側面３６を有する管壁２４を備える触媒管を有する。一実施例においては、これらの触媒管は、管壁２４に近接して流れる流体の流れ特性を変化させるように、触媒管１４の長さの一部４０に沿って、ねじれ部を備える。酸化触媒４４は、管の少なくとも一部に配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、汚染物質の排出、特にＮＯｘエミッションを最小限にする効率的な態様における炭化水素燃料の燃焼装置およびその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化水素燃料を燃焼することでエンジンから生じた排気ガスは、大気汚染の原因となる。排気ガスは、通常、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ2）、一酸化炭素および未燃焼の炭化水素を含む。窒素酸化物は、スモッグ、酸性雨、成層圏のオゾンの減少を引き起こす。エンジンが高温の場合、酸素と窒素が化合し、有害なＮＯとＮＯ2（周知のように「ＮＯｘ」として総称される）が生じる。酸素と反応した一般的な燃料は限界温度を超えて、ＮＯｘが生じる。
【０００３】
従って、ＮＯｘの生成を抑えることが求められている。ＮＯｘを制御する１つの方法は、燃料と空気を低温で反応させることができる触媒を用いることである。全てではなくても、ほとんどの燃料の場合、比較的低温で反応させることで、ＮＯｘの生成を阻害する。触媒を使用することで、大部分の燃焼プロセスを安定化するように、燃料の一部を予め反応させる。このような触媒プロセスは、触媒燃焼（ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）と呼ばれる。
【０００４】
触媒と燃料が反応した場合、熱が生じる。この熱は、燃焼温度が比較的低温となるように制御しなくてはならない。通常、燃焼される全燃料の一部のみが、触媒室で反応する。発熱の問題に関する１つの解決方法は、触媒と接触する流体の流れ、もしくは触媒が取り付けられ、または塗布された母材と接触する流体の流れに、冷却空気の流れを供給することである。このような方法は、一方のチャネルが触媒作用を受けた流体を含み、他方のチャネルが、触媒反応から熱を吸収・冷却する空気を含むことによる熱交換を利用する。これらの２つの流体の流れは、熱交換器から出るときに混合されてから、ＮＯｘの生成を抑えながら燃焼される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
触媒燃焼（あるいは触媒反応器）において、炭化水素燃料は、空燃等量比（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅ ｒａｔｉｏ）が１より大きい（つまり燃料が過剰）燃料および空気の混合気を形成するように、第１の空気流と混合され、この燃料／空気の流体混合気が酸化触媒と接触することによって部分的に酸化され、従って、水素、水および二酸化炭素を含む、部分的に酸化された生成物流に反応熱が生じる。このような反応は、純粋な触媒反応が起こるように設計され、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成が最小限となる。
【０００６】
反応熱の一部は、触媒が取り付けられた母材の壁を介して伝達され、背面の熱の対流や熱伝導を介して、第２の空気流や適宜な冷却流に除去される。部分的に酸化された生成物流は、反応熱によって初期段階よりも温度が上昇した第２の空気流と混合され、続いて下流の燃焼器で燃焼される。下流の燃焼器は、単一または複数の領域において、燃焼を促進させる付加的な燃料または空気の混合気を含むことができる。
【０００７】
燃料／空気混合気は、触媒酸化ステージに流入し、部分的に混合気を酸化する酸化触媒と接触して、熱が発生し、水素、炭素酸化物（主に一酸化炭素）および未反応の炭化水素燃料を含む、部分的に酸化された生成物流が生じる。「触媒酸化（ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｏｘｉｄａｔｉｖｅ）」とは、熱によってＮＯｘが許容量以上生成される温度より低く、熱による燃焼、もしくは炎を伴わない燃焼に必要な温度以下の温度において、急速に酸化もしくは酸化熱分解（ｏｘｄａｔｉｖｅ ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ）反応させることを意味する。「部分的な酸化」は、燃料を完全に二酸化炭素および水に転化し燃料に蓄積された化学エネルギを完全に解放するのに十分な酸素がないことを意味する。完全な酸化によって燃料のエネルギポテンシャルが改善されるので、触媒反応器におけるあらゆる改良が、有利となる。
【０００８】
一体型の触媒反応器（熱交換器）の設計における現実的な問題は、反応および化学的な熱の発散の速度と、近接する空気流と熱交換が行われる速度と、のバランスをとることである。適切にバランスが取れていない場合は、反応器の一部がオーバーヒートし、早期の故障または活性の損失となる。このような状況は、多くの場合、反応器システムの前側の端部で生じる。反応速度は、触媒面の触媒量を変更させることによって変化し得る。しかしながら、触媒が分解するにしたがって、システム性能に悪影響が生じるため、このような戦略は、概ね現実的ではない。形状や流体流の条件に基づいて反応速度を制限するように、機器を設計することがより好ましく、従って、触媒活性ではなく物質移動プロセスを制御する。本発明は、このような手法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、従来の触媒反応器の設計を改善することに関する。触媒管またはチャネルの断面および形状の変化によって、触媒管の中または周囲を通過する流体流の乱流を促進する。乱流レベルを変化させることで、熱および物質の移動速度を変化させ、近接する通路同士の間の触媒転化率やエネルギ交換率を変化させる。性能基準によって規定されるが、触媒反応または熱交換を局所的に促進もしくは抑制するかに従い、反応器の長さに沿って面積／形状を変化させることによって、設計を調整または最適化することができる。触媒反応器における断面の設計によって、触媒面を増加させること、または触媒に対する流体の滞留時間を変化させること、もしくはその両方によって、触媒化燃料の燃焼を改善する方法を可能とし、触媒化流体と他の流体との混合および渦流（ｓｗｉｒｌ）を促進する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、ハウジング１２および触媒管１４を備える触媒反応器１０の長手方向の断面図を示す。触媒反応器１０は、ガスタービンの燃焼システム（図示せず）に一体的に取り付けられる。この実施例においては、ハウジング１２は、入口１８および出口２０を備える。このハウジング１２は、このハウジング１２内に付加的な流体を導入する少なくとも１つの開口部２２を備える。ハウジング１２の壁２４と触媒管１４の外側面３６とによって、入口１８もしくは開口部２２から出口２０へと至る流路２８が形成される。入口１８は、ハウジング１２の壁２４に取り付けられた格子３０を備える。この格子３０は、触媒管１４および流路２８内に流体を導入することができるようにしつつ、ハウジング１２内の所定位置に触媒管１４を保持する。格子３０およびハウジング１２の壁２４は、金属またはこのような用途に適した他の材料から構成される。出口２０によって、流路２８内を流れる流体をハウジング１２から出すことができる。
【００１１】
触媒管１４は、熱伝導性材料からなり、その内部およびハウジング１２内に流体流が流されるように構成される。触媒管１４は、管入口２６、管出口３２、内側面３４および外側面３６を備える。この内側面３４によって、触媒管１４内の内部流路３８が画定される。管出口３２に隣接する触媒管１４の一部４０は、触媒管１４を出る流れの向きおよび流速を変化させるように、断面を変化させた領域を備える。
【００１２】
ハウジング１２内の流路２８は、触媒管の外側面３６および壁２４によって形成される。流路２８は、開口部２２および出口２０と連通している。流路２８は、触媒管１４およびハウジング１２の壁２４の形状および間隔によって、その形態が変化する。流路２８によって、触媒管１４内を流れる流体と熱交換できるように、流体を流し、拡散することが可能となる。一実施例においては、流路２８は、入口開口部２２と流路出口４２との間に存在しており、流路２８を流れる流体が、触媒管１４内の流れと接触するのを回避する。なお、流路出口４２は、入口１８の格子３０と同様の格子が設けられているが、種々の入口および出口の設計が可能である。
【００１３】
管断面を変化させることによって、乱流および滞留時間、ならびに触媒管内の単位長さあたりの触媒と接する面積、が増大するように渦が生じ、燃料および空気からなる流体がさらに酸化される。従って、触媒管１４の単位長さあたりの触媒反応が増大する。さらに、渦が生じたことにより、流体が管から出るときに、乱流が生じる。一方の流体もしくは双方の流体が出口２０付近に誘導されるので、これにより、反応器１０の流路２８から出た流体と管から出た流体の出口２０での混合が促進される。
【００１４】
触媒４４は、触媒管１４の一部に付着される。一実施例においては、触媒４４は、触媒管１４を通る内部流路３８内のいずれに配置しても良い。燃料リッチな燃料／空気混合気は、触媒管１４によって形成される内部流路３８内に送られる前に、混合される。代替として、触媒管１４の非周期的に変化する部分によって生じる乱流によって、内部流路３８内で燃料および空気を混合することが可能である。他の実施例においては、触媒４４は、触媒管１４の外側面３６に配置され、または内部流路３８および外側面３６の双方の一部に、配置される。
【００１５】
燃料が、炭化水素または酸素処理した炭化水素であり、酸化剤が酸素または空気もしくはこれらの組み合わせである場合、触媒４４は、８族（ｇｒｏｕｐ VIII）の貴金属、卑金属、金属酸化物あるいはこれらの組み合わせを含む。ジルコニウム、バナジウム、クロム、マンガン、銅、プラチナ、パラジウム、ルテニウム、オスミウム、イリジウム、ロジウム、セリウム、ランタン、ランタン系列の他の元素、コバルト、ニッケルおよび鉄などの元素、ならびに、酸化クロム、酸化コバルトおよびアルミナもしくはこれらの混合物が、適している。触媒４４は、母材に直接適用されるか、もしくは他の実施例においては、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、イットリウム、他の耐火金属酸化物、もしくはこれらの組み合わせなどの材料からなるボンドコートもしくはウォッシュコートに適用することができる。
【００１６】
触媒管１４を形成する母材は、高温用材料から製造される。一実施例においては、高温用ニッケル合金が使用される。他の実施例においては、アルミニウム、クロムや他の合金材料と組み合わせた鉄、ニッケルやコバルトからなる合金を含む高温用金属合金が使用される。他の母材材料は、セラミック、金属酸化物、金属間化合物材料、カーバイド、窒化物を含む。金属製母材および耐火性金属は、背面の触媒を効果的に冷却できる高い熱伝導率を有するので、最も望ましい。
【００１７】
図１の実施例においては、触媒管１４の内側面３４の一部が、触媒４４でコーティングされる。この実施例においては、燃料／空気混合気からなる第１の流体が、入口２６から触媒管１４内に導入される。空気もしくは付加的な燃料／空気混合気からなる第２の流体は、開口部２２から触媒反応器１０内に導入され、第１の流体の温度を低下させるように触媒反応熱を吸収する。触媒管１４の断面４０を変化させることで、第１の流体の滞留時間が長くなるだけでなく、第１の流体がさらに反応するように作用する。
【００１８】
図２Ａ〜図２Ｅは、流体の流れを変化させる種々の手段を示す触媒反応器管１４の一部の斜視図である。図２Ａは、直線部４８およびリブ部５０を備える反応器管１４の一実施例を示す。直線部４８は、内部流路（図１の内部流路３８）を形成する壁５０からなる標準的円筒形の管部分である。リブ部５２は、最大外径Ｄおよび最小外径ｄを含む一連のリブ５４を形成する波形状の輪郭を有する。最大外径Ｄは、触媒管１４の直線部４８の直径に等しいか、あるいはそれより大きい。同様に、最小外径ｄは、触媒管１４の直線部４８の直径に等しいか、あるいはそれより小さい。これらのリブ部によって、図１の内部流路３８などの管の流路内部は拡張され収縮され、触媒管１４中を流れる流体流に影響を与える。触媒管１４の内側あるいは外側の一部は、触媒４４を含んでいても良い（図１）。
【００１９】
図２Ｂは、直線部４８および溝付部５６を備える反応器管１４の実施例を示す。直線部４８は、図１の内部流路３８などの内部流路を画定する壁５２を含む標準的円筒形の管の一部である。溝付部５６は、触媒管１４の断面を変化させる４つの内側リブ５８を含む。代替の実施例においては、設計に応じて内側リブの数は変化する。これらの内側リブ５８は、触媒管１４の中心軸に概ね平行に例示されているが、代替の実施例では、触媒管１４の内側にらせん状に巻かれていてもよい。触媒４４が触媒管１４の内側にある一実施例においては、触媒４４は、触媒管１４の内側面全体、あるいは直線部のみまたは溝付部のみ、もしくはこれら双方の部分、あるいはリブ部５８のみ、もしくはリブ部５８を除いた内側面、に配置することができる。
【００２０】
図２Ｃは、直線部４８および外側溝付部６０を備える反応器管１４の実施例を示す。直線部４８は、上述のように、図１の内部流路３８などの内部流路を画定する壁５２を含む標準的円筒形の管の一部である。溝付部６０は、触媒管１４の断面を変化させる３つの外側溝部つまりチャネル６２を備える。他の実施例においては、設計に応じて、チャネル数が変化する。これらのチャネル６２は、触媒管１４の中心軸に関してらせん状に巻かれるように例示されているが、代替の実施例においては、中心軸に概ね平行であっても良い。触媒４４が触媒管１４の外側に存在する一実施例においては、触媒４４は、触媒管１４の外側面全体、あるいは直線部４８のみまたは溝付部６０のみ、もしくはこれら双方の部分、あるいはチャネル６２のみ、もしくはチャネル６２を除いた外側面、に配置することができる。
【００２１】
図２Ｄは、直線部４８および外側のフィン部６４を備える反応器管１４の一実施例を示す。直線部４８は、図１の内部流路３８などの内部流路を形成する壁５２を備える標準的円筒形の管の一部である。フィン６６は、触媒管１４の外側面にある。フィン６６は、触媒管１４の中心軸に対して垂直に例示されている。他の実施例においては、フィン６６は、中心軸に対して平行であるか、または触媒管１４の周りにらせん状に形成される。フィン６６は、高さが一定であるが、他の実施例においては、フィン６６は、高さを変更することができる。さらに、これらのフィン６６は、フィンの一部を通して空気を流すことが可能な開口部（図示せず）を備えていても良い。触媒４４が触媒管１４の外側にある実施例においては、触媒４４は、触媒管１４の外側面全体、あるいは直線部４８のみまたはフィン部６４のみ、もしくはこれら双方の部分、あるいはフィン６６のみ、もしくはフィン６６を除いた外側面、に配置することができる。
【００２２】
図２Ｅは、直線部４８およびねじれ部６８を備える触媒管１４の一実施例を示す。直線部４８は、図１の内部流路３８などの内部流路を形成する壁５２を備える標準的円筒形の管の一部である。ねじれ部６８は、触媒管１４の一部が２種類のねじれ部からなる波状の輪郭を有し、触媒管１４の中心軸に関して、第１のねじれ部は時計回りであり、第２のねじれ部は反時計回りである。この結果、触媒管１４の拡大および収縮する壁５２は、触媒管１４の内側を通る、または外側に近接して流れる流体の流れに影響を与える。触媒管１４の内側または外側の一部に、触媒４４を備えても良い。
【００２３】
図３Ａ〜図３Ｃは、流体の流れを変化させる手段をさらに備える触媒管１４の断面図である。図３Ａは、図２Ｄの長手方向に高さが変化するフィン６６を備える触媒管１４の実施例を示す。図示されるように、フィン６６は、触媒管１４の長さに沿って高さが変化する。内部流路３８は、触媒管１４の長さに亘り均一である。触媒管１４に近接して流れる流体流は、寸法が減少していくフィン６６に妨げられる。触媒４４は、フィン６６に塗布することができる。この実施例が入口開口部２２に近接して使用される場合、触媒管１４に近接する流れは、触媒反応器に入ったときに、熱交換を最大にするように減速され、流体が触媒管１４を流れるに従って、熱交換率は減少する。フィン６６は単独で、もしくは上述の実施例と組み合わせて実施することができる。
【００２４】
図３Ｂは、ねじれ部６８の間隔が変化する領域を備える触媒管１４の一実施例を示す。この実施例は、図１および図２Ｅの実施例と類似するが、ねじれ部６８は、単位長さあたりのねじれ間隔が一定ではない。ねじれ間隔が増すことは、流体の流れを妨げることを促進し、触媒管中の熱交換率だけでなく、触媒管１４を通る流れ、または触媒管１６の外側面に近接して流れの流速も変化させる。
【００２５】
図３Ｃは、壁の厚みを変化させた領域を備える触媒管１４の実施例を示す。壁の厚みは、最小厚みｔから最大厚みＴまで変化する。例示されているように、触媒管１４は、内径が均一である。他の実施例においては、外径が均一で、内径が減少する。触媒４４は、触媒管１４の外側面もしくは内側面に適用することができる。
【００２６】
図４は、ハウジング１２の一部を除去した触媒反応器１０の斜視図である。触媒反応器１０は、ハウジング１２および触媒管１４を備える構造体である。図４に示される実施例においては、触媒反応器１０は、ハウジング１２内に、平行でかつ等長の円筒形状の触媒管１４が正方形状に束ねられて配置されるように概ね構成されている。触媒管１４は、出口２０に近接したねじれ部４０、直線部４８、および入口１８に近接したフィン部６４を備える。ハウジング１２は平行六面体として例示されているが、円筒、多角柱、トロイド状（ドーナツ型）、Ｌ字型、円錐形またはこれらの組み合わせなどのハウジングの他の形状でもよい。さらに、触媒管は、本発明の実施例のいずれであっても良く、直線部４８または本発明の実施例に記載されたフィン状の入口部は、必ずしも必要ではない。
【００２７】
２つの流れが混合する反応器の出口で流体の動的なひずみが生じることによって、混合を促進する渦の影響をシミュレートすることができる。触媒管内の反応流および対応する冷却空気流は、所定の管を中心に、同じ流れの向き（例えば、渦）に出る。代替としては、反応した燃料/空気混合気は、一方の出口を直線状に抜けるのに対して、冷却空気流は、燃料／空気混合気通路のいずれかの側を交互の方向に流れる構成であっても良い。なお、燃料／空気混合気と冷却空気流が、逆の構成であっても良い。
【００２８】
図４では、燃料／空気混合気からなる第１の流体が、入口１８もしくはその付近から触媒管１４に入る（矢印７０）。同時に、周囲の空気などの第２の流体が、入口開口部２２を通り、触媒管１４同士の間の流路に導入される（矢印７２）。図４においては、１つの入口開口部２２のみしか示されていないが、入口１８付近に複数の入口開口部を設けることが可能である。他の実施例においては、第２の流体は、第１の流体の組成と同様であり、燃料／空気混合気を含む。触媒管１４の内側面は、第１の流体と反応し発熱する触媒を備える。第２の流体は、冷却流として作用し、反応によって生じた熱を吸収する。触媒管１４の外側面付近の流れ７２は、フィン部６４のフィン６６の存在により、触媒反応器に入ったときに、減速する。このように、フィン６６は、第２の流体７２を反応器管１４の第１の流体の一部と接触させた状態を保つことによって、入口付近の熱交換率を調整するように作用する。この結果、触媒反応器１０に亘りより均一な温度勾配となり、従って、耐用年数が延びる。
【００２９】
流体７０，７２は、出口２０で触媒反応器１０から出る。触媒管１４のねじれ部分４０が存在することで、第１の流体は、攪拌された（ａｇｉｔａｔｅｄ）流れパターンで触媒管１４から出る（矢印７４）。第２の流体も、乱流として出口２０から出る（矢印７６）。２つの流体７４，７６は、出口２０から出る際に混合される。ねじれ部４０によって生じた流体流の攪拌は、部分的に反応し熱が生じた燃焼用の単一の第３の流体が生じるように、出口２０での第１の流体と第２の流体との混合を促進する。
【００３０】
図４に例示された実施例においては、ねじれ部４０を備える複数の触媒管１４は、円筒状で、かつ各々の管の中心線に同心状である。他の実施例においては、触媒管１４の他の断面形状が可能であり、触媒管１４の主要部分とねじれ部４０の双方に関して、楕円、多角形、もしくはこれらの組み合わせであっても良い。
【００３１】
図５Ａおよび図５Ｂは、触媒反応室１０Ａおよび触媒反応室１０Ｂの各々の実施例を示す。図５Ａは、触媒反応室１０Ａおよび燃焼室８０Ａを備えるタービンエンジン７８Ａの一部の断面図である。この実施例においては、触媒反応室は、断面図において台形である。触媒反応室１０Ａは、台形状の角柱または切頭円錐体でも良いハウジング１２Ａを備える。触媒反応室１０Ａは、触媒管（図示せず）を備え、断面図において２０Ａ付近で出口が狭まっている。反応室のハウジング１２Ａのこのような構成は、流体が触媒反応室１０Ａを出て燃焼室８０Ａに入る際に、所望の混合を促進するように、上記出口付近で流体の流れの変化を促進する。さらに、触媒管は、管の中を流れるもしくは周辺を流れる流体の流れ特性（ｐｒｏｐｅｒｔｙ）を変化させる本発明の手段を備えることができる。
【００３２】
図５Ｂは、触媒反応室１０Ｂおよび燃焼室８０Ｂを備えるタービンエンジン７８Ｂの一部の断面図を示す。この実施例においては、触媒反応室１０Ｂは、断面において矩形であり、多角柱または円筒でもよいハウジング１２Ｂを備える。この実施例においては、触媒反応室１０Ｂは、触媒管（図示せず）を備える。これらの触媒管は、中を流れるまたは周辺を流れる流体の流れ特性を変化させる本発明の手段を備え、これによって、触媒反応室１０Ｂの出口１４Ｂを出る流体の混合を促進する。
【００３３】
開示された実施例の触媒反応器（反応室）は、流体流の変動により化学反応速度および物質移動速度（ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｒａｔｅ）におけるばらつきを最小限にしつつ、通常の運転条件において、触媒反応を最大化するように設計される。触媒は、触媒面の形状に対応して重量基準でコーティングに適用される。コーティング領域が不十分であると、所望の反応室および燃焼器の設計に対して、流体から触媒面への総物質移動量（ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ）が不十分であることによって、触媒反応が不十分となる。必要とされるコーティング領域は、運転条件（例えば、反応物の温度、圧力、速度、組成など）および触媒の活性に相関し、化学工学的な周知な方法によって決定することができる。
【００３４】
触媒反応器の触媒管の流れ変化手段（ｆｌｕｉｄ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｍｅａｎｓ）の存在によって、流体流は、所望の制御状態に速度が落とされ、調整され、または分配されるので、触媒を備えるコーティング領域における滞留時間を延ばすことが可能となる。これによって、必要な触媒面積が減少し、小型かつ低コストの反応器となる。従って、反応器の設計は、反応および冷却の表面積と、反応器を流れる関連した流体の体積流量と、のバランスをとることができる。さらに、（触媒がコーティングされた）反応側の流体と冷却側の流体との混合を促進するので、流体の流れの変化は望ましい。２つの流体の混合を促進することで、主燃焼器に至る前に必要な混合距離が短縮され、さらに、混合時間も短縮され、これらは、特定の用途において、早期の点火を回避するのに重要である。反応器の後の混合領域における早期の点火によって、過剰な量のＮＯｘが生じ、機器が損傷する機会が増える。
【００３５】
本発明の触媒反応器は、触媒化炭化水素燃料の燃焼に用いられる。第１の流体が、触媒反応器の触媒管内を流れ、第２の流体が、触媒反応器のチャンバ内の流路において触媒管に近接して流れる。第１の流体および第２の流体の双方は、燃料／空気混合気、もしくは空気流から構成することができる。少なくとも一方の流体が、燃料／空気混合気からなり、触媒と接触する。他方の流体は、燃料／空気混合気、または他のガス、もしくは空気などの混合気でも良い。流れ変化手段は、第１の流体の流れを変化させ、触媒反応がおきるように、管の少なくとも一部に設けられる。触媒管を出た第１の流体の流れは、第２の流体と混合され、この混合体が燃焼する。触媒反応熱は、触媒と接触する流体から抽出され、他方の流体へと輸送させる。一実施例においては、第２の流体は、触媒反応器内に制御しながら導入される。追加の空気や燃料／空気混合気などの第３の流体が、所望の燃焼の等量の空燃比を得るように、反応器から出るときに、第１の流体と第２の流体との混合物に付加される場合もある。
【００３６】
図１において、触媒管１４の大部分に触媒を配置するように例示されているが、触媒反応器は、触媒を触媒管の一部にのみ配置するように設計することができる。このように、触媒反応器は、所望の長さを触媒で被覆された、所望の長さおよび形状の触媒管を有し、触媒管の一部に沿って流れ変化手段を備えるように設計することができる。例えば、触媒管は、触媒管の後側の２／３、または前側の２／３に触媒を備えても良く、流れ変化手段は、効果のある触媒管の後側の１／３に配置される。このような流れ変化手段は、触媒管の後側部分で触媒管の流体の流速を低下させ、触媒管から出たときにさらによく混合されるような乱流を形成する。
【００３７】
流れ変化手段を備える触媒管を用いることで、触媒反応器前方の形状を変更することにより、入口の壁の温度を低下させることが可能となる。触媒管における流れ変化手段は、熱輸送の有効表面積を増加させ、システムの温度を低下させるように、反応側の流体の初速を低下させる。しかしながら、流れ変化手段が流体流において極端な圧力損失となるので、触媒管の全長に亘り流れ変化手段を設けるのは好ましくない。一実施例においては、触媒管は、活性を維持しつつ圧力損失を最小限にするように、反応側を比較的高速で流れ、冷却空気側の表面積を比較的に小さくする形状に設計する。例えば、移行部は、反応器の入口または出口から約２０％であり、使用される形状的特徴部によっては、長さの５〜９０％の場合がある。
【００３８】
触媒反応器の触媒管の一部に流れ変化手段を配置することで、触媒が適用されたコンジット（管路）の内側での燃料／空気混合気の酸化される単位長さあたりの面積が増えることとなる。この結果、コンジットの内側、または触媒管の外側に近接した蛇行流路となり、燃料／空気混合気を酸化するための滞留時間が延びるようにコンジットまたはハウジング内に渦が生じる。コンジットの形状は、触媒管出口またはコンジット出口で、渦が生じ、混合をせん断するように設計することができる。代替としては、流れ変化手段は、入口付近または中央部などの触媒管の他の部分に設けても良く、反応器内の滞留時間を延ばし、かつ触媒管の長さに亘りより均一な温度勾配を形成するために流体流に乱流を生じさせる。従って、本発明の実施例を用いて、流速、流体の熱輸送および流体の混合を最適化するように設計された触媒管を備える触媒反応器を設計し、特定の寸法および形状の反応器を得ることができる。
【００３９】
この乱流パターンを用いて、生成物の流れと空気などの第２の流れを、触媒反応器を出るときに素早く混合し、燃料混合気が燃焼するように効率的に混合する。これにより、当分野の従来技術のレベルよりもエミッションが減少し、燃焼のための二次的な領域の寸法や燃焼器内に必要とされる複雑性が低減する。従って、滞留時間、すなわち流体が触媒管内に存在する時間、を延ばす流れ変化手段を、触媒管内に設けることで、単位長さあたりの反応が増大することとなる。このことによって、装置の規模を縮小し、燃焼室アッセンブリの複雑性が減少させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】触媒管内に挿入物を含む触媒反応器の第1の実施例の長手方向の断面図。
【図２Ａ】リブ部を有する反応器管の斜視図。
【図２Ｂ】内側に溝部を有する反応器管の斜視図。
【図２Ｃ】外側に溝部を有する反応器管の斜視図。
【図２Ｄ】外側にフィン部を有する反応器管の斜視図。
【図２Ｅ】ねじれ部を有する反応器管の斜視図。
【図３Ａ】外側のフィンが勾配を形成している反応器管の断面図。
【図３Ｂ】ねじれの間隔が変化している反応器管の断面図。
【図３Ｃ】壁の厚さが変化している反応器管の断面図。
【図４】ハウジングの一部を除去した触媒反応器の斜視図。
【図５Ａ】触媒反応器および燃焼室を備えるタービンエンジンの断面図。
【図５Ｂ】触媒反応器および燃焼室を備える第2のタービンエンジン断面図。
【符号の説明】
【００４１】
１０…触媒反応器
１２…ハウジング
１４…触媒管
２４…ハウジングの壁
３４…触媒管の内側面
３６…触媒管の外側面
４０…ねじれ部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、汚染物質の排出、特にＮＯｘエミッションを最小限にする効率的な態様における炭化水素燃料の燃焼装置およびその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化水素燃料を燃焼することでエンジンから生じた排気ガスは、大気汚染の原因となる。排気ガスは、通常、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ2）、一酸化炭素および未燃焼の炭化水素を含む。窒素酸化物は、スモッグ、酸性雨、成層圏のオゾンの減少を引き起こす。エンジンが高温の場合、酸素と窒素が化合し、有害なＮＯとＮＯ2（周知のように「ＮＯｘ」として総称される）が生じる。酸素と反応した一般的な燃料は限界温度を超えて、ＮＯｘが生じる。
【０００３】
従って、ＮＯｘの生成を抑えることが求められている。ＮＯｘを制御する１つの方法は、燃料と空気を低温で反応させることができる触媒を用いることである。全てではなくても、ほとんどの燃料の場合、比較的低温で反応させることで、ＮＯｘの生成を阻害する。触媒を使用することで、大部分の燃焼プロセスを安定化するように、燃料の一部を予め反応させる。このような触媒プロセスは、触媒燃焼（ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）と呼ばれる。
【０００４】
触媒と燃料が反応した場合、熱が生じる。この熱は、燃焼温度が比較的低温となるように制御しなくてはならない。通常、燃焼される全燃料の一部のみが、触媒室で反応する。発熱の問題に関する１つの解決方法は、触媒と接触する流体の流れ、もしくは触媒が取り付けられ、または塗布された母材と接触する流体の流れに、冷却空気の流れを供給することである。このような方法は、一方のチャネルが触媒作用を受けた流体を含み、他方のチャネルが、触媒反応から熱を吸収・冷却する空気を含むことによる熱交換を利用する。これらの２つの流体の流れは、熱交換器から出るときに混合されてから、ＮＯｘの生成を抑えながら燃焼される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
触媒燃焼（あるいは触媒反応器）において、炭化水素燃料は、空燃等量比（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅ ｒａｔｉｏ）が１より大きい（つまり燃料が過剰）燃料および空気の混合気を形成するように、第１の空気流と混合され、この燃料／空気の流体混合気が酸化触媒と接触することによって部分的に酸化され、従って、水素、水および二酸化炭素を含む、部分的に酸化された生成物流に反応熱が生じる。このような反応は、純粋な触媒反応が起こるように設計され、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成が最小限となる。
【０００６】
反応熱の一部は、触媒が取り付けられた母材の壁を介して伝達され、背面の熱の対流や熱伝導を介して、第２の空気流や適宜な冷却流に除去される。部分的に酸化された生成物流は、反応熱によって初期段階よりも温度が上昇した第２の空気流と混合され、続いて下流の燃焼器で燃焼される。下流の燃焼器は、単一または複数の領域において、燃焼を促進させる付加的な燃料または空気の混合気を含むことができる。
【０００７】
燃料／空気混合気は、触媒酸化ステージに流入し、部分的に混合気を酸化する酸化触媒と接触して、熱が発生し、水素、炭素酸化物（主に一酸化炭素）および未反応の炭化水素燃料を含む、部分的に酸化された生成物流が生じる。「触媒酸化（ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｏｘｉｄａｔｉｖｅ）」とは、熱によってＮＯｘが許容量以上生成される温度より低く、熱による燃焼、もしくは炎を伴わない燃焼に必要な温度以下の温度において、急速に酸化もしくは酸化熱分解（ｏｘｄａｔｉｖｅ ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ）反応させることを意味する。「部分的な酸化」は、燃料を完全に二酸化炭素および水に転化し燃料に蓄積された化学エネルギを完全に解放するのに十分な酸素がないことを意味する。完全な酸化によって燃料のエネルギポテンシャルが改善されるので、触媒反応器におけるあらゆる改良が、有利となる。
【０００８】
一体型の触媒反応器（熱交換器）の設計における現実的な問題は、反応および化学的な熱の発散の速度と、近接する空気流と熱交換が行われる速度と、のバランスをとることである。適切にバランスが取れていない場合は、反応器の一部がオーバーヒートし、早期の故障または活性の損失となる。このような状況は、多くの場合、反応器システムの前側の端部で生じる。反応速度は、触媒面の触媒量を変更させることによって変化し得る。しかしながら、触媒が分解するにしたがって、システム性能に悪影響が生じるため、このような戦略は、概ね現実的ではない。形状や流体流の条件に基づいて反応速度を制限するように、機器を設計することがより好ましく、従って、触媒活性ではなく物質移動プロセスを制御する。本発明は、このような手法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、従来の触媒反応器の設計を改善することに関する。触媒管またはチャネルの断面および形状の変化によって、触媒管の中または周囲を通過する流体流の乱流を促進する。乱流レベルを変化させることで、熱および物質の移動速度を変化させ、近接する通路同士の間の触媒転化率やエネルギ交換率を変化させる。性能基準によって規定されるが、触媒反応または熱交換を局所的に促進もしくは抑制するかに従い、反応器の長さに沿って面積／形状を変化させることによって、設計を調整または最適化することができる。触媒反応器における断面の設計によって、触媒面を増加させること、または触媒に対する流体の滞留時間を変化させること、もしくはその両方によって、触媒化燃料の燃焼を改善する方法を可能とし、触媒化流体と他の流体との混合および渦流（ｓｗｉｒｌ）を促進する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、ハウジング１２および触媒管１４を備える触媒反応器１０の長手方向の断面図を示す。触媒反応器１０は、ガスタービンの燃焼システム（図示せず）に一体的に取り付けられる。この実施例においては、ハウジング１２は、入口１８および出口２０を備える。このハウジング１２は、このハウジング１２内に付加的な流体を導入する少なくとも１つの開口部２２を備える。ハウジング１２の壁２４と触媒管１４の外側面３６とによって、入口１８もしくは開口部２２から出口２０へと至る流路２８が形成される。入口１８は、ハウジング１２の壁２４に取り付けられた格子３０を備える。この格子３０は、触媒管１４および流路２８内に流体を導入することができるようにしつつ、ハウジング１２内の所定位置に触媒管１４を保持する。格子３０およびハウジング１２の壁２４は、金属またはこのような用途に適した他の材料から構成される。出口２０によって、流路２８内を流れる流体をハウジング１２から出すことができる。
【００１１】
触媒管１４は、熱伝導性材料からなり、その内部およびハウジング１２内に流体流が流されるように構成される。触媒管１４は、管入口２６、管出口３２、内側面３４および外側面３６を備える。この内側面３４によって、触媒管１４内の内部流路３８が画定される。管出口３２に隣接する触媒管１４の一部４０は、触媒管１４を出る流れの向きおよび流速を変化させるように、断面を変化させた領域を備える。
【００１２】
ハウジング１２内の流路２８は、触媒管の外側面３６および壁２４によって形成される。流路２８は、開口部２２および出口２０と連通している。流路２８は、触媒管１４およびハウジング１２の壁２４の形状および間隔によって、その形態が変化する。流路２８によって、触媒管１４内を流れる流体と熱交換できるように、流体を流し、拡散することが可能となる。一実施例においては、流路２８は、入口開口部２２と流路出口４２との間に存在しており、流路２８を流れる流体が、触媒管１４内の流れと接触するのを回避する。なお、流路出口４２は、入口１８の格子３０と同様の格子が設けられているが、種々の入口および出口の設計が可能である。
【００１３】
管断面を変化させることによって、乱流および滞留時間、ならびに触媒管内の単位長さあたりの触媒と接する面積、が増大するように渦が生じ、燃料および空気からなる流体がさらに酸化される。従って、触媒管１４の単位長さあたりの触媒反応が増大する。さらに、渦が生じたことにより、流体が管から出るときに、乱流が生じる。一方の流体もしくは双方の流体が出口２０付近に誘導されるので、これにより、反応器１０の流路２８から出た流体と管から出た流体の出口２０での混合が促進される。
【００１４】
触媒４４は、触媒管１４の一部に付着される。一実施例においては、触媒４４は、触媒管１４を通る内部流路３８内のいずれに配置しても良い。燃料リッチな燃料／空気混合気は、触媒管１４によって形成される内部流路３８内に送られる前に、混合される。代替として、触媒管１４の非周期的に変化する部分によって生じる乱流によって、内部流路３８内で燃料および空気を混合することが可能である。他の実施例においては、触媒４４は、触媒管１４の外側面３６に配置され、または内部流路３８および外側面３６の双方の一部に、配置される。
【００１５】
燃料が、炭化水素または酸素処理した炭化水素であり、酸化剤が酸素または空気もしくはこれらの組み合わせである場合、触媒４４は、８族（ｇｒｏｕｐ VIII）の貴金属、卑金属、金属酸化物あるいはこれらの組み合わせを含む。ジルコニウム、バナジウム、クロム、マンガン、銅、プラチナ、パラジウム、ルテニウム、オスミウム、イリジウム、ロジウム、セリウム、ランタン、ランタン系列の他の元素、コバルト、ニッケルおよび鉄などの元素、ならびに、酸化クロム、酸化コバルトおよびアルミナもしくはこれらの混合物が、適している。触媒４４は、母材に直接適用されるか、もしくは他の実施例においては、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、イットリウム、他の耐火金属酸化物、もしくはこれらの組み合わせなどの材料からなるボンドコートもしくはウォッシュコートに適用することができる。
【００１６】
触媒管１４を形成する母材は、高温用材料から製造される。一実施例においては、高温用ニッケル合金が使用される。他の実施例においては、アルミニウム、クロムや他の合金材料と組み合わせた鉄、ニッケルやコバルトからなる合金を含む高温用金属合金が使用される。他の母材材料は、セラミック、金属酸化物、金属間化合物材料、カーバイド、窒化物を含む。金属製母材および耐火性金属は、背面の触媒を効果的に冷却できる高い熱伝導率を有するので、最も望ましい。
【００１７】
図１の実施例においては、触媒管１４の内側面３４の一部が、触媒４４でコーティングされる。この実施例においては、燃料／空気混合気からなる第１の流体が、入口２６から触媒管１４内に導入される。空気もしくは付加的な燃料／空気混合気からなる第２の流体は、開口部２２から触媒反応器１０内に導入され、第１の流体の温度を低下させるように触媒反応熱を吸収する。触媒管１４の断面４０を変化させることで、第１の流体の滞留時間が長くなるだけでなく、第１の流体がさらに反応するように作用する。
【００１８】
図２Ａ〜図２Ｅは、流体の流れを変化させる種々の手段を示す触媒反応器管１４の一部の斜視図である。図２Ａは、直線部４８およびリブ部５０を備える反応器管１４の一実施例を示す。直線部４８は、内部流路（図１の内部流路３８）を形成する壁５０からなる標準的円筒形の管部分である。リブ部５２は、最大外径Ｄおよび最小外径ｄを含む一連のリブ５４を形成する波形状の輪郭を有する。最大外径Ｄは、触媒管１４の直線部４８の直径に等しいか、あるいはそれより大きい。同様に、最小外径ｄは、触媒管１４の直線部４８の直径に等しいか、あるいはそれより小さい。これらのリブ部によって、図１の内部流路３８などの管の流路内部は拡張され収縮され、触媒管１４中を流れる流体流に影響を与える。触媒管１４の内側あるいは外側の一部は、触媒４４を含んでいても良い（図１）。
【００１９】
図２Ｂは、直線部４８および溝付部５６を備える反応器管１４の実施例を示す。直線部４８は、図１の内部流路３８などの内部流路を画定する壁５２を含む標準的円筒形の管の一部である。溝付部５６は、触媒管１４の断面を変化させる４つの内側リブ５８を含む。代替の実施例においては、設計に応じて内側リブの数は変化する。これらの内側リブ５８は、触媒管１４の中心軸に概ね平行に例示されているが、代替の実施例では、触媒管１４の内側にらせん状に巻かれていてもよい。触媒４４が触媒管１４の内側にある一実施例においては、触媒４４は、触媒管１４の内側面全体、あるいは直線部のみまたは溝付部のみ、もしくはこれら双方の部分、あるいはリブ部５８のみ、もしくはリブ部５８を除いた内側面、に配置することができる。
【００２０】
図２Ｃは、直線部４８および外側溝付部６０を備える反応器管１４の実施例を示す。直線部４８は、上述のように、図１の内部流路３８などの内部流路を画定する壁５２を含む標準的円筒形の管の一部である。溝付部６０は、触媒管１４の断面を変化させる３つの外側溝部つまりチャネル６２を備える。他の実施例においては、設計に応じて、チャネル数が変化する。これらのチャネル６２は、触媒管１４の中心軸に関してらせん状に巻かれるように例示されているが、代替の実施例においては、中心軸に概ね平行であっても良い。触媒４４が触媒管１４の外側に存在する一実施例においては、触媒４４は、触媒管１４の外側面全体、あるいは直線部４８のみまたは溝付部６０のみ、もしくはこれら双方の部分、あるいはチャネル６２のみ、もしくはチャネル６２を除いた外側面、に配置することができる。
【００２１】
図２Ｄは、直線部４８および外側のフィン部６４を備える反応器管１４の一実施例を示す。直線部４８は、図１の内部流路３８などの内部流路を形成する壁５２を備える標準的円筒形の管の一部である。フィン６６は、触媒管１４の外側面にある。フィン６６は、触媒管１４の中心軸に対して垂直に例示されている。他の実施例においては、フィン６６は、中心軸に対して平行であるか、または触媒管１４の周りにらせん状に形成される。フィン６６は、高さが一定であるが、他の実施例においては、フィン６６は、高さを変更することができる。さらに、これらのフィン６６は、フィンの一部を通して空気を流すことが可能な開口部（図示せず）を備えていても良い。触媒４４が触媒管１４の外側にある実施例においては、触媒４４は、触媒管１４の外側面全体、あるいは直線部４８のみまたはフィン部６４のみ、もしくはこれら双方の部分、あるいはフィン６６のみ、もしくはフィン６６を除いた外側面、に配置することができる。
【００２２】
図２Ｅは、直線部４８およびねじれ部６８を備える触媒管１４の一実施例を示す。直線部４８は、図１の内部流路３８などの内部流路を形成する壁５２を備える標準的円筒形の管の一部である。ねじれ部６８は、触媒管１４の一部が２種類のねじれ部からなる波状の輪郭を有し、触媒管１４の中心軸に関して、第１のねじれ部は時計回りであり、第２のねじれ部は反時計回りである。この結果、触媒管１４の拡大および収縮する壁５２は、触媒管１４の内側を通る、または外側に近接して流れる流体の流れに影響を与える。触媒管１４の内側または外側の一部に、触媒４４を備えても良い。
【００２３】
図３Ａ〜図３Ｃは、流体の流れを変化させる手段をさらに備える触媒管１４の断面図である。図３Ａは、図２Ｄの長手方向に高さが変化するフィン６６を備える触媒管１４の実施例を示す。図示されるように、フィン６６は、触媒管１４の長さに沿って高さが変化する。内部流路３８は、触媒管１４の長さに亘り均一である。触媒管１４に近接して流れる流体流は、寸法が減少していくフィン６６に妨げられる。触媒４４は、フィン６６に塗布することができる。この実施例が入口開口部２２に近接して使用される場合、触媒管１４に近接する流れは、触媒反応器に入ったときに、熱交換を最大にするように減速され、流体が触媒管１４を流れるに従って、熱交換率は減少する。フィン６６は単独で、もしくは上述の実施例と組み合わせて実施することができる。
【００２４】
図３Ｂは、ねじれ部６８の間隔が変化する領域を備える触媒管１４の一実施例を示す。この実施例は、図１および図２Ｅの実施例と類似するが、ねじれ部６８は、単位長さあたりのねじれ間隔が一定ではない。ねじれ間隔が増すことは、流体の流れを妨げることを促進し、触媒管中の熱交換率だけでなく、触媒管１４を通る流れ、または触媒管１６の外側面に近接して流れの流速も変化させる。
【００２５】
図３Ｃは、壁の厚みを変化させた領域を備える触媒管１４の実施例を示す。壁の厚みは、最小厚みｔから最大厚みＴまで変化する。例示されているように、触媒管１４は、内径が均一である。他の実施例においては、外径が均一で、内径が減少する。触媒４４は、触媒管１４の外側面もしくは内側面に適用することができる。
【００２６】
図４は、ハウジング１２の一部を除去した触媒反応器１０の斜視図である。触媒反応器１０は、ハウジング１２および触媒管１４を備える構造体である。図４に示される実施例においては、触媒反応器１０は、ハウジング１２内に、平行でかつ等長の円筒形状の触媒管１４が正方形状に束ねられて配置されるように概ね構成されている。触媒管１４は、出口２０に近接したねじれ部４０、直線部４８、および入口１８に近接したフィン部６４を備える。ハウジング１２は平行六面体として例示されているが、円筒、多角柱、トロイド状（ドーナツ型）、Ｌ字型、円錐形またはこれらの組み合わせなどのハウジングの他の形状でもよい。さらに、触媒管は、本発明の実施例のいずれであっても良く、直線部４８または本発明の実施例に記載されたフィン状の入口部は、必ずしも必要ではない。
【００２７】
２つの流れが混合する反応器の出口で流体の動的なひずみが生じることによって、混合を促進する渦の影響をシミュレートすることができる。触媒管内の反応流および対応する冷却空気流は、所定の管を中心に、同じ流れの向き（例えば、渦）に出る。代替としては、反応した燃料/空気混合気は、一方の出口を直線状に抜けるのに対して、冷却空気流は、燃料／空気混合気通路のいずれかの側を交互の方向に流れる構成であっても良い。なお、燃料／空気混合気と冷却空気流が、逆の構成であっても良い。
【００２８】
図４では、燃料／空気混合気からなる第１の流体が、入口１８もしくはその付近から触媒管１４に入る（矢印７０）。同時に、周囲の空気などの第２の流体が、入口開口部２２を通り、触媒管１４同士の間の流路に導入される（矢印７２）。図４においては、１つの入口開口部２２のみしか示されていないが、入口１８付近に複数の入口開口部を設けることが可能である。他の実施例においては、第２の流体は、第１の流体の組成と同様であり、燃料／空気混合気を含む。触媒管１４の内側面は、第１の流体と反応し発熱する触媒を備える。第２の流体は、冷却流として作用し、反応によって生じた熱を吸収する。触媒管１４の外側面付近の流れ７２は、フィン部６４のフィン６６の存在により、触媒反応器に入ったときに、減速する。このように、フィン６６は、第２の流体７２を反応器管１４の第１の流体の一部と接触させた状態を保つことによって、入口付近の熱交換率を調整するように作用する。この結果、触媒反応器１０に亘りより均一な温度勾配となり、従って、耐用年数が延びる。
【００２９】
流体７０，７２は、出口２０で触媒反応器１０から出る。触媒管１４のねじれ部分４０が存在することで、第１の流体は、攪拌された（ａｇｉｔａｔｅｄ）流れパターンで触媒管１４から出る（矢印７４）。第２の流体も、乱流として出口２０から出る（矢印７６）。２つの流体７４，７６は、出口２０から出る際に混合される。ねじれ部４０によって生じた流体流の攪拌は、部分的に反応し熱が生じた燃焼用の単一の第３の流体が生じるように、出口２０での第１の流体と第２の流体との混合を促進する。
【００３０】
図４に例示された実施例においては、ねじれ部４０を備える複数の触媒管１４は、円筒状で、かつ各々の管の中心線に同心状である。他の実施例においては、触媒管１４の他の断面形状が可能であり、触媒管１４の主要部分とねじれ部４０の双方に関して、楕円、多角形、もしくはこれらの組み合わせであっても良い。
【００３１】
図５Ａおよび図５Ｂは、触媒反応室１０Ａおよび触媒反応室１０Ｂの各々の実施例を示す。図５Ａは、触媒反応室１０Ａおよび燃焼室８０Ａを備えるタービンエンジン７８Ａの一部の断面図である。この実施例においては、触媒反応室は、断面図において台形である。触媒反応室１０Ａは、台形状の角柱または切頭円錐体でも良いハウジング１２Ａを備える。触媒反応室１０Ａは、触媒管（図示せず）を備え、断面図において２０Ａ付近で出口が狭まっている。反応室のハウジング１２Ａのこのような構成は、流体が触媒反応室１０Ａを出て燃焼室８０Ａに入る際に、所望の混合を促進するように、上記出口付近で流体の流れの変化を促進する。さらに、触媒管は、管の中を流れるもしくは周辺を流れる流体の流れ特性（ｐｒｏｐｅｒｔｙ）を変化させる本発明の手段を備えることができる。
【００３２】
図５Ｂは、触媒反応室１０Ｂおよび燃焼室８０Ｂを備えるタービンエンジン７８Ｂの一部の断面図を示す。この実施例においては、触媒反応室１０Ｂは、断面において矩形であり、多角柱または円筒でもよいハウジング１２Ｂを備える。この実施例においては、触媒反応室１０Ｂは、触媒管（図示せず）を備える。これらの触媒管は、中を流れるまたは周辺を流れる流体の流れ特性を変化させる本発明の手段を備え、これによって、触媒反応室１０Ｂの出口１４Ｂを出る流体の混合を促進する。
【００３３】
開示された実施例の触媒反応器（反応室）は、流体流の変動により化学反応速度および物質移動速度（ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｒａｔｅ）におけるばらつきを最小限にしつつ、通常の運転条件において、触媒反応を最大化するように設計される。触媒は、触媒面の形状に対応して重量基準でコーティングに適用される。コーティング領域が不十分であると、所望の反応室および燃焼器の設計に対して、流体から触媒面への総物質移動量（ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ）が不十分であることによって、触媒反応が不十分となる。必要とされるコーティング領域は、運転条件（例えば、反応物の温度、圧力、速度、組成など）および触媒の活性に相関し、化学工学的な周知な方法によって決定することができる。
【００３４】
触媒反応器の触媒管の流れ変化手段（ｆｌｕｉｄ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｍｅａｎｓ）の存在によって、流体流は、所望の制御状態に速度が落とされ、調整され、または分配されるので、触媒を備えるコーティング領域における滞留時間を延ばすことが可能となる。これによって、必要な触媒面積が減少し、小型かつ低コストの反応器となる。従って、反応器の設計は、反応および冷却の表面積と、反応器を流れる関連した流体の体積流量と、のバランスをとることができる。さらに、（触媒がコーティングされた）反応側の流体と冷却側の流体との混合を促進するので、流体の流れの変化は望ましい。２つの流体の混合を促進することで、主燃焼器に至る前に必要な混合距離が短縮され、さらに、混合時間も短縮され、これらは、特定の用途において、早期の点火を回避するのに重要である。反応器の後の混合領域における早期の点火によって、過剰な量のＮＯｘが生じ、機器が損傷する機会が増える。
【００３５】
本発明の触媒反応器は、触媒化炭化水素燃料の燃焼に用いられる。第１の流体が、触媒反応器の触媒管内を流れ、第２の流体が、触媒反応器のチャンバ内の流路において触媒管に近接して流れる。第１の流体および第２の流体の双方は、燃料／空気混合気、もしくは空気流から構成することができる。少なくとも一方の流体が、燃料／空気混合気からなり、触媒と接触する。他方の流体は、燃料／空気混合気、または他のガス、もしくは空気などの混合気でも良い。流れ変化手段は、第１の流体の流れを変化させ、触媒反応がおきるように、管の少なくとも一部に設けられる。触媒管を出た第１の流体の流れは、第２の流体と混合され、この混合体が燃焼する。触媒反応熱は、触媒と接触する流体から抽出され、他方の流体へと輸送させる。一実施例においては、第２の流体は、触媒反応器内に制御しながら導入される。追加の空気や燃料／空気混合気などの第３の流体が、所望の燃焼の等量の空燃比を得るように、反応器から出るときに、第１の流体と第２の流体との混合物に付加される場合もある。
【００３６】
図１において、触媒管１４の大部分に触媒を配置するように例示されているが、触媒反応器は、触媒を触媒管の一部にのみ配置するように設計することができる。このように、触媒反応器は、所望の長さを触媒で被覆された、所望の長さおよび形状の触媒管を有し、触媒管の一部に沿って流れ変化手段を備えるように設計することができる。例えば、触媒管は、触媒管の後側の２／３、または前側の２／３に触媒を備えても良く、流れ変化手段は、効果のある触媒管の後側の１／３に配置される。このような流れ変化手段は、触媒管の後側部分で触媒管の流体の流速を低下させ、触媒管から出たときにさらによく混合されるような乱流を形成する。
【００３７】
流れ変化手段を備える触媒管を用いることで、触媒反応器前方の形状を変更することにより、入口の壁の温度を低下させることが可能となる。触媒管における流れ変化手段は、熱輸送の有効表面積を増加させ、システムの温度を低下させるように、反応側の流体の初速を低下させる。しかしながら、流れ変化手段が流体流において極端な圧力損失となるので、触媒管の全長に亘り流れ変化手段を設けるのは好ましくない。一実施例においては、触媒管は、活性を維持しつつ圧力損失を最小限にするように、反応側を比較的高速で流れ、冷却空気側の表面積を比較的に小さくする形状に設計する。例えば、移行部は、反応器の入口または出口から約２０％であり、使用される形状的特徴部によっては、長さの５〜９０％の場合がある。
【００３８】
触媒反応器の触媒管の一部に流れ変化手段を配置することで、触媒が適用されたコンジット（管路）の内側での燃料／空気混合気の酸化される単位長さあたりの面積が増えることとなる。この結果、コンジットの内側、または触媒管の外側に近接した蛇行流路となり、燃料／空気混合気を酸化するための滞留時間が延びるようにコンジットまたはハウジング内に渦が生じる。コンジットの形状は、触媒管出口またはコンジット出口で、渦が生じ、混合をせん断するように設計することができる。代替としては、流れ変化手段は、入口付近または中央部などの触媒管の他の部分に設けても良く、反応器内の滞留時間を延ばし、かつ触媒管の長さに亘りより均一な温度勾配を形成するために流体流に乱流を生じさせる。従って、本発明の実施例を用いて、流速、流体の熱輸送および流体の混合を最適化するように設計された触媒管を備える触媒反応器を設計し、特定の寸法および形状の反応器を得ることができる。
【００３９】
この乱流パターンを用いて、生成物の流れと空気などの第２の流れを、触媒反応器を出るときに素早く混合し、燃料混合気が燃焼するように効率的に混合する。これにより、当分野の従来技術のレベルよりもエミッションが減少し、燃焼のための二次的な領域の寸法や燃焼器内に必要とされる複雑性が低減する。従って、滞留時間、すなわち流体が触媒管内に存在する時間、を延ばす流れ変化手段を、触媒管内に設けることで、単位長さあたりの反応が増大することとなる。このことによって、装置の規模を縮小し、燃焼室アッセンブリの複雑性が減少させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】触媒管内に挿入物を含む触媒反応器の第1の実施例の長手方向の断面図。
【図２Ａ】リブ部を有する反応器管の斜視図。
【図２Ｂ】内側に溝部を有する反応器管の斜視図。
【図２Ｃ】外側に溝部を有する反応器管の斜視図。
【図２Ｄ】外側にフィン部を有する反応器管の斜視図。
【図２Ｅ】ねじれ部を有する反応器管の斜視図。
【図３Ａ】外側のフィンが勾配を形成している反応器管の断面図。
【図３Ｂ】ねじれの間隔が変化している反応器管の断面図。
【図３Ｃ】壁の厚さが変化している反応器管の断面図。
【図４】ハウジングの一部を除去した触媒反応器の斜視図。
【図５Ａ】触媒反応器および燃焼室を備えるタービンエンジンの断面図。
【図５Ｂ】触媒反応器および燃焼室を備える第2のタービンエンジン断面図。
【符号の説明】
【００４１】
１０…触媒反応器
１２…ハウジング
１４…触媒管
２４…ハウジングの壁
３４…触媒管の内側面
３６…触媒管の外側面
４０…ねじれ部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口および出口と、ならびに内側面および外側面を有する管壁と、を備える管を備えるとともに、上記管が、上記管壁に近接して流れる流体の流れ特性を変化させるように、上記管の長さの少なくとも一部で、管断面が変化し、
上記管の少なくとも一部に配置された酸化触媒を備える、
ことを特徴とするタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項２】
上記管断面の変化によって、上記流体が上記管から出たときの乱流を促進するように、上記管内の上記流体の速度を変えることを特徴とする請求項１に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項３】
非周期的な管断面の変化によって、上記管壁を介して熱輸送が増大するように上記管壁のいずれかの側面の上記流体の流れを妨げることを特徴とする請求項１に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項４】
上記管断面の変化が、上記管壁の波状の輪郭を形成する一連のリブからなることを特徴とする請求項１に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項５】
上記管壁が、らせん状の溝部を有するとともに、上記管断面の変化が、上記管壁を含むらせん状の溝部の間隔の変化からなることを特徴とする請求項１に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項６】
上記管断面の変化が、上記管の中心軸に関して、上記管壁の厚みの変化からなることを特徴とする請求項５に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項７】
上記管断面の変化が、一連のフィンからなることを特徴とする請求項１に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項８】
上記管断面の変化が、波状の輪郭を形成するように、上記管のねじれ部からなることを特徴とする請求項１に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項９】
上記ねじれ部が、単位長さあたりのねじれの間隔が一定でないことを特徴とする請求項８に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項１０】
上記ねじれ部が、２つのねじれ部を備えるとともに、一方のねじれ部が、上記管の中心軸に関して時計回りであり、他方のねじれ部が、上記管の中心軸に関して反時計回りであることを特徴とする請求項８に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項１１】
上記管断面の変化が、上記管の少なくとも後側の約１／３の範囲に存在することを特徴とする請求項１に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項１２】
入口および出口を備え、内部チャンバを画定するハウジングと、
このハウジングの上記内部チャンバ内に配置された複数の管と、を備え、各々の管が、
入口および出口、ならびに内側面および外側面を有する壁と、上記管の少なくとも一部に配置された酸化触媒と、を備えるとともに、
上記管が、上記管壁に近接して流れる流体の流れ特性を変化させる手段を備え、
上記管の内部が、第１の流路を形成し、上記管の外側面および上記内部チャンバが、出口ポートを備える第２の流路を形成するとともに、
上記複数の管の上記出口および上記出口ポートが、上記複数の管の上記出口から出た第１の流体が上記ハウジングの上記出口ポートから出た第２の流体と混合されるように近接配置される、
ことを特徴とする触媒反応器。
【請求項１３】
上記酸化触媒が、上記複数の管の上記外側面に配置されることを特徴とする請求項１２に記載の触媒反応器。
【請求項１４】
上記酸化触媒が、上記複数の管の上記内側面に配置されることを特徴とする請求項１２に記載の触媒反応器。
【請求項１５】
上記流れ特性を変化させる手段が、上記管壁の厚みの変化による上記管断面の変化を備えることを特徴とする請求項１２に記載の触媒反応器。
【請求項１６】
上記流れ特性を変化させる手段が、らせん状に溝を有する管壁を備えることを特徴とする請求項１２に記載の触媒反応器。
【請求項１７】
上記流れ特性を変化させる手段が、上記管の全長の１／２より短い範囲に存在することを特徴とする請求項１２に記載の触媒反応器。
【請求項１８】
上記管壁の外側面に配置された一連のフィンを備えるとともに、
上記流れ特性を変化させる手段が、上記一連のフィン勾配の変化からなることを特徴とする請求項１２に記載の触媒反応器。
【請求項１９】
第１の流体および第２の流体を供給するとともに、これらの流体の少なくとも一方が、炭化水素燃料と空気流の混合物からなり、
触媒反応器の１つまたは複数の触媒管内に第１の流体を流し、
触媒反応器のチャンバ内に上記触媒管に近接して第２の流体を流し、
上記流体の一方の流れを変化させるように、上記管の少なくとも一部に、断面の変化を与え、
上記反応管を出る上記第１の流体の流れと上記第２の流体を混合し、
上記第１の流体および上記第２の流体の混合物を燃焼させる、
ことを特徴とする触媒化炭化水素燃料の燃焼方法。
【請求項２０】
上記第１および第２の流体の一方の触媒反応熱の一部を抽出し、
この熱を、上記第１の流体または第２の流体の他方に輸送する、
ことを特徴とする請求項１９に記載の触媒化炭化水素燃料の燃焼方法。
【請求項２１】
上記第１および第２の流体の混合物に第３の流体を加えることを特徴とする請求項１９に記載の触媒化炭化水素燃料の燃焼方法。
【請求項２２】
上記第２の流体を上記触媒反応器に制御しながら導入することを特徴とする請求項１９に記載の触媒化炭化水素燃料の燃焼方法。
【請求項２３】
上記管断面の変化が、上記触媒反応器の出口に近接して存在することを特徴とする請求項１９に記載の触媒化炭化水素燃料の燃焼方法。
【請求項１】
入口および出口と、ならびに内側面および外側面を有する管壁と、を備える管を備えるとともに、上記管が、上記管壁に近接して流れる流体の流れ特性を変化させるように、上記管の長さの少なくとも一部で、管断面が変化し、
上記管の少なくとも一部に配置された酸化触媒を備える、
ことを特徴とするタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項２】
上記管断面の変化によって、上記流体が上記管から出たときの乱流を促進するように、上記管内の上記流体の速度を変えることを特徴とする請求項１に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項３】
非周期的な管断面の変化によって、上記管壁を介して熱輸送が増大するように上記管壁のいずれかの側面の上記流体の流れを妨げることを特徴とする請求項１に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項４】
上記管断面の変化が、上記管壁の波状の輪郭を形成する一連のリブからなることを特徴とする請求項１に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項５】
上記管壁が、らせん状の溝部を有するとともに、上記管断面の変化が、上記管壁を含むらせん状の溝部の間隔の変化からなることを特徴とする請求項１に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項６】
上記管断面の変化が、上記管の中心軸に関して、上記管壁の厚みの変化からなることを特徴とする請求項５に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項７】
上記管断面の変化が、一連のフィンからなることを特徴とする請求項１に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項８】
上記管断面の変化が、波状の輪郭を形成するように、上記管のねじれ部からなることを特徴とする請求項１に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項９】
上記ねじれ部が、単位長さあたりのねじれの間隔が一定でないことを特徴とする請求項８に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項１０】
上記ねじれ部が、２つのねじれ部を備えるとともに、一方のねじれ部が、上記管の中心軸に関して時計回りであり、他方のねじれ部が、上記管の中心軸に関して反時計回りであることを特徴とする請求項８に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項１１】
上記管断面の変化が、上記管の少なくとも後側の約１／３の範囲に存在することを特徴とする請求項１に記載のタービン燃焼器の触媒反応器の触媒コンジット。
【請求項１２】
入口および出口を備え、内部チャンバを画定するハウジングと、
このハウジングの上記内部チャンバ内に配置された複数の管と、を備え、各々の管が、
入口および出口、ならびに内側面および外側面を有する壁と、上記管の少なくとも一部に配置された酸化触媒と、を備えるとともに、
上記管が、上記管壁に近接して流れる流体の流れ特性を変化させる手段を備え、
上記管の内部が、第１の流路を形成し、上記管の外側面および上記内部チャンバが、出口ポートを備える第２の流路を形成するとともに、
上記複数の管の上記出口および上記出口ポートが、上記複数の管の上記出口から出た第１の流体が上記ハウジングの上記出口ポートから出た第２の流体と混合されるように近接配置される、
ことを特徴とする触媒反応器。
【請求項１３】
上記酸化触媒が、上記複数の管の上記外側面に配置されることを特徴とする請求項１２に記載の触媒反応器。
【請求項１４】
上記酸化触媒が、上記複数の管の上記内側面に配置されることを特徴とする請求項１２に記載の触媒反応器。
【請求項１５】
上記流れ特性を変化させる手段が、上記管壁の厚みの変化による上記管断面の変化を備えることを特徴とする請求項１２に記載の触媒反応器。
【請求項１６】
上記流れ特性を変化させる手段が、らせん状に溝を有する管壁を備えることを特徴とする請求項１２に記載の触媒反応器。
【請求項１７】
上記流れ特性を変化させる手段が、上記管の全長の１／２より短い範囲に存在することを特徴とする請求項１２に記載の触媒反応器。
【請求項１８】
上記管壁の外側面に配置された一連のフィンを備えるとともに、
上記流れ特性を変化させる手段が、上記一連のフィン勾配の変化からなることを特徴とする請求項１２に記載の触媒反応器。
【請求項１９】
第１の流体および第２の流体を供給するとともに、これらの流体の少なくとも一方が、炭化水素燃料と空気流の混合物からなり、
触媒反応器の１つまたは複数の触媒管内に第１の流体を流し、
触媒反応器のチャンバ内に上記触媒管に近接して第２の流体を流し、
上記流体の一方の流れを変化させるように、上記管の少なくとも一部に、断面の変化を与え、
上記反応管を出る上記第１の流体の流れと上記第２の流体を混合し、
上記第１の流体および上記第２の流体の混合物を燃焼させる、
ことを特徴とする触媒化炭化水素燃料の燃焼方法。
【請求項２０】
上記第１および第２の流体の一方の触媒反応熱の一部を抽出し、
この熱を、上記第１の流体または第２の流体の他方に輸送する、
ことを特徴とする請求項１９に記載の触媒化炭化水素燃料の燃焼方法。
【請求項２１】
上記第１および第２の流体の混合物に第３の流体を加えることを特徴とする請求項１９に記載の触媒化炭化水素燃料の燃焼方法。
【請求項２２】
上記第２の流体を上記触媒反応器に制御しながら導入することを特徴とする請求項１９に記載の触媒化炭化水素燃料の燃焼方法。
【請求項２３】
上記管断面の変化が、上記触媒反応器の出口に近接して存在することを特徴とする請求項１９に記載の触媒化炭化水素燃料の燃焼方法。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図２Ｅ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図２Ｅ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【公開番号】特開２００７−２７８６９０（Ｐ２００７−２７８６９０Ａ）
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１０２２９９（Ｐ２００７−１０２２９９）
【出願日】平成１９年４月１０日（２００７．４．１０）
【出願人】（５９０００５４４９）ユナイテッド テクノロジーズ コーポレイション (581)
【氏名又は名称原語表記】ＵＮＩＴＥＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月１０日（２００７．４．１０）
【出願人】（５９０００５４４９）ユナイテッド テクノロジーズ コーポレイション (581)
【氏名又は名称原語表記】ＵＮＩＴＥＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
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