JP4799413B2 - 燃焼方法と燃焼方法を実行する装置 - Google Patents
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Description
この出願は、下記の米国仮出願第60/508,405号(2003年10月3日出願)及び米国仮出願第60/585,958号(2004年7月6日出願)の利益を請求するものである。
発明の分野
本発明は、様々な用途に対して高温ガスを作り出す目標をもって、空気との混合物中の燃料を燃焼する燃焼装置及び方法に関する。より詳細には、本発明は再循環流を伴う燃焼器を用いる燃焼装置及び方法に関する。更に本発明は、燃料及び空気の混合物を点火し燃焼する装置及び方法に関する。このタイプの燃焼器は、ガス・タービン・エンジン、ジェット及びロケットのエンジン、ボイラー等の熱的プラント、熱交換プラント、化学反応器、並びに、その類に用いられる、希薄及び超希薄燃料と空気との混合物を燃焼するために使用され得る。また本発明の装置及び方法は、そうした反応が所望される場合には、燃焼よりも燃料改質をより好む条件下で動作され得る。
(以下の説明或は関連技術は、以下に詳述された説明に提供された特定の用語の定義を参照して読むべきである。)
典型的な燃焼器において、燃焼空気及び燃料(それは予め混合されていてもよいし或はされていなくともよい)はインレット開口を介して燃焼空間に導入され、そこで燃焼プロセスが生ずる。再循環流が存在し得て、その中で燃焼ガスが主燃焼流と再結合する前に燃焼器内で再循環される。高速で高温の大量再循環流を導入することは、熱的な運動エネルギーを主燃焼流に注入し、よって希薄及び極めて希薄の燃料/空気の混合物の安定した燃焼を可能として、他の種々の長所に混じった有害な排気を低下している。
炎 連鎖酸化反応が始動する細い区画
燃焼器 燃料酸化の連鎖反応
点火(或は、 連鎖酸化反応の初期段階
「点火すべき」用
法の目的としての
ファイアリング)
炎無し 酸化の発生の現象
燃焼 主流の体積全体にわたっての均一な反応
反応器 化学的反応成就のための装置
a)燃料の熱分解、例えば、CH4→C+2H2
b)燃料の部分的酸化、例えば、2CH4+O2→2CO+4H2
(メタンは最も基本的な例として付与され、対応する、異なる反応が他の燃料によって生ずることを伴う。)これら反応は、特に、温度が触媒無しで先行技術に係る燃焼器における温度よりも低い場合に生ずる。加えて、以下の事柄が観測された(例えば)
c)燃料改質、C+CO2→CO+CO(酸化-還元)
d)燃料燃焼、C+O2→CO2(酸化)
e)燃料改質、H2+CO2→H2O+CO(酸化-還元)
f)燃料燃焼、2CO+O2→2CO2(酸化)
f)燃料燃焼、H2+O2→H2O(酸化)
g)燃料改質、C+H2O→H2+CO(酸化-還元)
-渦巻き層はその渦巻き内において径方向に実質的に混合されず、その渦巻きにおいて高温ガス分子の分配プロファイルを保持することを可能とし、それに、再循環流渦巻きの周辺に移動する主要なCO、CO2、並びに、H2Oの「高温」分子を伴い、そして、COがそこで燃焼させられ、そして、燃料改質及び解離生成物、二次的CO、H2、並びに、酸素の「低温」分子が、渦巻きの周辺から中心まで移動し、そこでそれらが渦巻き内部での酸化反応に関与する。この分離は力の遠心力場における慣性拡散の結果として生ずる。その結果、再循環渦巻き流と流体の入来主流との間のインターフェース或は交差は最高温度となる可能性があり、その渦巻きは各種層の任意の混合無しに燃焼剤供給を常に有する。
-渦巻き内部のその周辺層への速度は流体から成る入来主流の速度より高く、その理由は、熱ノズル効果、そして、再循環流の非常に低い乱流度(それは自然流を確保すべく配列された円形面であり、且つ、その面に沿っての乱されない流れを確保すべく形成された円形面を提供することによって達成される)のためである。
-境界層及び周辺層の存在は、燃料燃焼を約2ミリ秒或はそれ以下の内に完了させる。
-改質反応は2COを形成すべくCO2及びCの反応を含む渦巻き周辺層に沿って生ずる。この層がインレット区分で主流と再結合する時までに、1つの「高温」及び1つの「低温」CO分子として初期的に形成されるが、それは、他の要因がある中で、高温チェンバー壁との接触によって温められる。高温COのこの周辺渦巻き流は、燃料として役立ち、以下に更に記載されるように、インレットで入来する燃料及び空気の混合物と適切に混合される際に極端に有益である。
a≧1.4b
d≦2.2b
2r+b≧c≧r+b
ここで、
rは円形面の半径(図6を参照のこと);
aは燃焼空間のインレット及び出口の間の距離;
bはインレット断面高さ;
cは半径r方向での燃焼空間の最大寸法;
dは出口断面高さである。
x=a1−b1[exp(−kt)] (1)
ここで、
xは燃焼生成物における現行のCOレベル(モル);
a1は初期COレベル(モル);
kは反応の運動定数(2.15モル/秒);
b1は温度係数;
tは燃焼時間(秒)である。
x=a2−b2[exp(−kt)]+Deff[exp(−mt2)] (2)
ここで、
x、a2、b2、k、並びに、tはx、a1、b1、k、並びに、tと同一意味合い;
Deffは実効的拡散係数(モル/cm2*s);
mは非二値衝突の係数(cm-1*s-1)。
内径 100mm
流量 0.06kg/秒
圧力 1.2kg/cm2
T出口 650から1260℃
・燃焼器は特別な始動燃料混合物構成無しで安定した点火を確保した。
・燃焼器は任意の予備暖気運動無しに安定した低温始動を確保した。
・燃焼器内部の金属は約500始動サイクル後に何等サインを示さなかった。
・0.7から0.17までの当量比を伴う燃焼条件の全範囲にわたる安定した燃焼。
・0.7から0.17までの当量比を伴う全試験期間中における排気内に可視的な粒子物質が何等観測されなかった。
メタン 15〜22%絶対
窒素 10〜30%
二酸化炭素 20〜25%
水(蒸気) 40%まで
他のガス 7%まで
この試験結果は天然ガス燃料に対する先に示されたものと同一である。
**60sl/mは、690cm3燃焼器に対する燃料の好適な消費である。
Claims (16)
- 燃焼器(10)であって、
反応器(16)と、
流体から成る主流を前記反応器(16)に入れるインレット(18)と、
加熱された流体を前記反応器(16)から排出する出口(20)と、を備え、
前記反応器(16)が前記インレット(18)及び前記出口(20)の間に位置決めされ、当該反応器が、主流領域であり、該主流領域を通じて前記主流の大部分が主流経路に沿って通過することから成る主流領域と、再循環領域であり、該再循環領域を通じて前記主流のより少ない部分が通過することから成る再循環領域とを含み、
前記再循環領域が略連続的な方式で一方向に湾曲し、そして、前記出口(20)近辺の出発点(22)から前記インレット(18)近辺の復帰点まで走る内部面(21)を有する壁によって部分的に画成されており、前記内部面(21)が前記主流経路における流体の一部を前記出発点(22)で方向転換するように前記主流経路に対して形作られて位置決めされて、前記反応器(16)の動作中、前記再循環領域において再循環渦巻き流を形成し、そして、
前記内部面(21)が、前記再循環渦巻き流の周辺に沿った限界層のほぼ乱されない移動を生ずるように不連続性の欠如によって更に形成され、
前記インレットを通る流体流の移動方向(O−O)と、前記インレットでの前記壁の一部すなわち前記インレットでの再循環渦巻き流の方向との間の角度αが85°と175°の間の角度であり、
前記インレットを通る流体流の移動方向(O−O)と、前記出発点(22)での前記壁(12)に対する接平面(T−T)との間の角度βが15°と100°の間の角度であり、
前記燃焼器の寸法が以下の比率:
a≧1.4b
d≦2.2b
2r+b≧c≧r+b
ここで、
rは前記内部面(21)の半径;
aは前記燃焼器の燃焼空間の前記インレットと前記出口との間の距離;
bは前記インレットの断面高さ;
cは半径r方向での前記燃焼器の燃焼空間の最大寸法;
dは前記出口の断面高さ、
を満たすことを特徴とする燃焼器。 - 前記再循環領域の体積が、前記反応器(16)が燃焼チェンバーとして機能する動作モード中、前記主流領域の体積以上である、請求項1に記載の燃焼器。
- 前記再循環領域の体積が、前記反応器(16)が改質器として機能する動作モード中、前記主流領域の2倍の体積以上である、請求項1に記載の燃焼器。
- 前記角度β、前記反応器(16)の長さ、前記インレット(18)及び前記出口(20)の高さは、前記再循環領域に入る流体の体積が、前記反応器(16)が燃焼チェンバーとして機能する動作モード中、前記出口(20)で排出される流体と比較して7パーセント以上であるようになっている、請求項1に記載の燃焼器。
- 前記角度β、前記反応器(16)の長さ、前記インレット(18)及び前記出口(20)の高さは、前記再循環領域に入る流体の体積が、前記反応器(16)が改質器として機能する動作モード中、前記出口(20)で排出される流体と比較して10パーセント以上であるようになっている、請求項1に記載の燃焼器。
- 前記限界層内の流体が0.2未満の乱流度を有する、請求項1に記載の燃焼器。
- 前記角度βは、前記限界層内の流体が0.03と0.025の間の乱流度を有するように、約65°になっている、請求項1に記載の燃焼器。
- 前記角度βは、前記限界層内の流体が約0.008の乱流度を有するように、約45°になっている、請求項1に記載の燃焼器。
- 前記復帰点での前記再循環流の方向が、前記復帰点での前記主流経路の方向に対して85°及び175°の間の角度である、請求項1に記載の燃焼器。
- 前記インレット(18)及び前記出口(20)の前記高さ及び断面面積は、前記インレット(18)近辺であるが前記限界層の外側である区画における前記再循環渦巻き流の速度の、前記主流領域に入る前記主流の速度に対する比が、前記反応器(16)が燃焼器チェンバーとして機能する動作モード中、1.4:1以上の範囲内であるようになっている、請求項1に記載の燃焼器。
- 前記インレット(18)と前記出口(20)の前記高さ及び断面面積は、前記インレット(18)近辺であるが前記限界層の外側である区画における前記再循環渦巻き流の速度の、前記主流領域に入る前記主流の速度に対する比が、前記反応器(16)が改質器として機能する動作モード中、2:1以上の範囲内であるようになっている、請求項1に記載の燃焼器。
- 前記再循環領域の体積及び前記角度βは、前記限界層が、前記出口(20)での前記加熱流体が約1100℃の温度を有する際、約1mmの深さを有するようになっている、請求項1に記載の燃焼器。
- 前記再循環領域の体積及び前記角度βは、前記限界層が、前記出口(20)での前記加熱流体が約800℃の温度を有する際、約2mmの深さを有するようになっている、請求項1に記載の燃焼器。
- 前記再循環領域の体積及び前記角度βは、前記限界層が、前記出口(20)での前記加熱流体が380℃から420℃の範囲内の温度を有する際、前記再循環渦巻き流において再循環している流体の中心コアの径よりも大きな深さを有するようになっている、請求項1に記載の燃焼器。
- 請求項1に記載の前記燃焼器(10)内で燃料に反応を起こさせる方法であって、前記燃焼器(10)が、反応器(16)と、流体から成る主流を前記反応器(16)に入れるインレット(18)と、加熱された流体を前記反応器(16)から排出する出口(20)と、を備え、前記反応器(16)が、前記インレット(18)及び前記出口(20)の間に位置決めされて、主流領域及び再循環領域を含み、
前記主流の大部分を前記主流領域に沿った経路内に進ませる段階と、
前記主流のより少ない部分を前記再循環領域を通じて経路内に進ませて、前記再循環領域における流体の一部を前記インレット(18)近辺の区画に戻す再循環渦巻き流を形成する段階と、
再循環流体から成る限界層を、ほぼ乱流無しに、前記再循環領域の内部面(21)に沿って流させる段階と、
前記再循環渦巻き流すなわち周辺流の前記周辺部分を前記インレット(18)近辺の区画内における前記主流と交差させる段階であり、前記周辺流が前記主流よりも高い速度を有し、前記周辺流が、前記交差の区画に続いて、前記主流と略同一方向に移動していくことから成る段階と、
前記周辺流及び前記主流をほぼ機械的混合によってではなく拡散によって混合する段階と、
それによって、前記主流及び前記周辺流の間にインターフェース層を形成して、前記周辺流における流体から前記インターフェース層を通じて前記主流領域の流体内へ熱エネルギーをほぼ転送する段階と、
前記主流内の流体を、相当な乱流を生じさせること無しに、前記周辺渦巻き流内の流体と混合する段階と、
熱ノズルを前記主流領域内に設定して維持させる段階と、
燃焼及び燃料改質の双方を前記インターフェース層内で生じさせ、前記燃焼器の動作中、燃焼及び改質の組み合わせを維持する段階と、
の諸段階を含む方法。 - 前記反応器が燃焼チェンバーとして機能する前記動作モードを、前記インレット(18)の断面面積を低減することによって、前記反応器(16)が改質器として機能する動作モードに変更する段階を更に含む、請求項15に記載の方法。
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