JP4920597B2 - 液体炭化水素燃料を調整する方法および装置 - Google Patents

Description

本出願は、2004年12月8日に出願された米国仮出願第60/634,221号の優先権を主張したものであり、その仮出願の全内容を引用して本出願の一部とする。

背景
燃焼装置からの低公害型排出は希薄した混合気燃料と空気と、および、予混合ガス状燃料と空気とを燃焼させることによって得られる。たとえば、通常、乾燥低窒素酸化物（Dry Low NOx(DLN)）技術を用いるガスタービンは希薄もしくは予混合条件下で天然ガスを燃焼する。それに反して、通常、液体燃料は燃料スプレーで燃焼装置に直接に注入される。これは、局所的において化学量論でいう燃料と空気との混合燃料を燃焼する拡散火炎をもたらして高公害排出を引起す。特定の条件下、液体燃料の燃焼はガス燃料の燃焼より好ましいが、このような液体燃料を拡散火炎で燃焼しながら高公害排出を避けることがさらに好ましい。

概要
気相燃料を空気と予混合し希薄条件下で燃焼させるように、燃焼装置の外部で液体燃料を調節することによって低公害排出を達成するための方法および装置はここで開示される。液体燃料は、燃焼器と燃料との間の計量方式の修正を必要としない天然ガスのために設定された燃焼器に用いられることができるように調整されることが好ましい。その実施態様の一つとして、液体燃料は任意の表面に影響を与えないように気化チェンバーにスプレーされる。気化用エネルギーは、窒素もしくは酸素欠乏空気のような熱い希釈剤の導入によって供給される。熱のロスを防止し、少なくとも液体燃料の揮発性成分の沸騰点以上に内部表面温度を保つために、別の熱はチェンバーの表面に通して加われる。希釈ガスは同時に得られた気相混合物の露点を制御するために役に立つ。気化を完全するために必要とする最低レベル以下に希釈流もしくは温度が下がる場合、気化プロセスを増補する追加の熱は、内部の熱によって供給される。

別の実施態様において、表面によって全てのスプレーが遮られるように、液体燃料はジオメトリ（geometry）を用いた熱い表面の上にスプレーされる。少なくとも液体燃料の揮発性成分の沸騰点以上に内部表面温度を保つために、熱は表面を通じて加えられる。表面に衝突した液体の液滴は、気化器内ではバルク液体もしくは液膜も形成せずに、瞬間に気化される。たとえば、窒素もしくは空気のような搬送ガスは、得られた気相混合物の露点を制御するために気化器を通過させられる。別の実施態様において、燃料ノズルは円筒型のチェンバーの（密封された）端部にマウントされている。このノズルは、全てのスプレーがシリンダーの表面に衝突するようにスプレーの角度を選べるように円環状（別の実施態様では円錐形のノズルを用いる）を形成する。スプレーが均等に壁に衝突するように下向きのスプレーの好ましい角度は垂直である。２つもしくは２つ以上のこのようなチェンバーは、高いキャパシティーに対応するために共通の連結管に接合されることができる。

詳細な説明
液体燃料を調整するための方法および装置の多様な実施態様は下記のように開示されている。これからの説明は、本発明の完全なる理解を提供するものである。以下に開示される特殊な実施態様は、本発明の技術的範囲を減縮するものではない。さらに、理解を容易にするために、特定の方法ステップが独立したステップのように記載されている。これらのステップは、特別な記載がなければ、そのパフォーマンスにおいてこれらのステップが必ず必要で、順番において欠かさないものであると理解してはならない。
2003年10月10日に出願された米国特許出願番号第10/682,408号で開示された、燃焼装置で使用するために酸素を減らした空気の流れとともに予め気化する液化したガスもしくは液体ガスを気化し、混合しそしてデリバリーするための方法および装置の全ての内容を引用して本特許明細書の一部とする。さらに、火炎の安定と制御とのシステムおよび方法を記載した、2004年1月12日に出願された第60/535,716号米国特許出願および2005年1月12日出願された第11/033,180号米国特許出願の全内容を引用して本特許明細書の一部とする。

炭化水素燃料のような液体燃料を調整するための方法および装置の幾つかの実施態様において、その液体は任意の表面にも衝突しないようにチェンバーにスプレーされる。気化のためのエネルギーは、窒素もしくは酸素欠乏空気のような熱い希釈剤の導入によって提供される。熱のロスを防止し、少なくとも液体燃料の揮発性成分の沸騰点以上に内部表面温度を保つために、別の熱はチェンバーの表面に通して加われる。希釈ガスは同時に得られた気相混合物の露点を制御するために役に立つ。気化を完全するために必要とする最低レベル以下に希釈流もしくは温度が下がる場合、気化プロセスを増補する追加の熱は、内部の熱によって供給される。本発明の１つ用途は、ガスタービンのような燃焼装置に導入するために、灯油および暖房用灯油のような液体燃料の気化である。燃料を予め気化するこのような方法は、予混合されたモードでガスタービンでの操作をスムースにさせることができ、その結果として極めて低公害排出を達成することができる。

図１は、本発明の１つ実施態様にある燃料調整器１００を示している。この燃料調整器１００は円筒型気化チェンバー１１０を含んでなる。液体燃料は、チェンバー１１０の側壁１１２のマウントされているノズル１２０を通じてチェンバー１１０にスプレーされる。いくつかの実施態様においてノズル１２０は圧力噴霧スプレーノズルである。また、別の実施態様において、ノズル１２０は二流体ノズル（two-fluid nozzles）を用いることができ、この場合では、希釈（もしくは搬送）ガスがこのような二流体ノズルを通ってチェンバー１１０に入ることができる。別の実施態様において、ノズルは、円筒型チェンバーの軸と平行になるようにチェンバーの一端と接続される連結管にマウントされる。

いくつかの実施態様において、チェンバー１１０の側壁および／また端壁は熱せられている。側壁および／また端壁は電熱テープもしくは外部加熱（ＭＩケーブル）（図１にしめされなかった）によって加熱される。上述のように、チェンバー１１０の側壁および／また端壁を加熱するのは、熱のロスを防止し、少なくとも液体燃料の揮発性成分の沸騰点以上に内部表面温度を保つのに役に立つ。

図１の実施態様において、各列のノズル１２０は複数の連結管１３０の中の１つと接続され、シリンダーの周りに間隔をあげて設けているリングに取り付けられる。希釈ガスは、チェンバー１１０の端壁１６０と多孔板１６０との間のスペースによって形成されたプレナム１５０と流体連通状態にある注入口１４０を通って供給される。希釈ガスは多孔板１６０を通ってチェンバー１１０の内部に入ってくる。希釈ガスは、たとえば、窒素、蒸気、メタンガス、酸素欠乏空気もしくは燃焼装置からの排気のような外気に比べ酸素が少ないガスであることが好ましい。希釈ガスは、ノズル１２０を通ってチェンバー１１０に入る液体燃料の気化のために必要の熱を供給できるように、少なくとも該液体の沸点までに熱されることが好ましい。上述した希釈ガスは同時に気相混合物の露点を低く抑えるようにも役に立つ。露点温度を低く抑えることは、たとえば下流にある燃焼装置と気化器との間に接続したラインにおいて、最初の気化のために要求された温度より低い温度を維持することができるので、好ましい。また、不活性なガスの使用は、調整器１００および調整器とサプレスコーキング（suppressing coking）のような燃料器との接続ラインでの化学反応を制限することに役に立つ。気化された燃料はチェンバーから１つもしくは１以上の出口１７０から燃焼装置に移送されるために排出される。

別の実施態様において、希釈ガスは、チェンバー１１０の側壁に配置され、たとえば、ノズル１２０の間もしくはチェンバー１１０の端壁の１つに配置されるノズルを通ってチェンバー１１０に導入される。希釈ガスがチェンバー１１０に導入される場所および方法によって、この希釈ガスは、コーフロー処理（co-flow arrangement）で、逆流処理で、および／または、たとえば、チェンバー１１０内で旋回流を発生させるために多様な角度から導入されることができる。

図１にもう一度戻ってみると、いくかの実施態様においては、オプションとなるスプールセクション１８０はチェンバー１１０の付随されている。そのスプールセクション１８０の長さは、燃料液滴の完全なる気化が十分になるように気化滞留時間を延長するように選択されうる。スプールセクション１８０は、そこに複数の発熱体１１９（図１には、２つ同心円状の発熱体１１９が開示されている）を有し配置されることが好ましい。発熱体１１９は、好ましくはスプールセクション１８０の長さまでに伸ばされ、電気バヨネットヒーター（electrical bayonet heaters）、熱交換チューブ（heat
exchange tubes）もしくは別タイプの発熱体でありうる。いくつかの実施態様において、各発熱体１１９の温度は独立に制御されている。

スプールセクション１８０は、さらに１つもしくは、チェンバー１１０のと同じく、１以上の排出口１８２を含み、それを通って気化された液体がスプールセクション１８０から排出される。排水管１８６は、気化されなかった液体を調節器１００から取り除くために、スプールセクション１８０の末端キャップ１８４を通って設けられている。

いくかの実施態様において、スプールセクション１８０は、（図１に示されていない）微粒子収集装置を含むことができる。この微粒子収集装置は、調整器１００から残りの微粒子もしくは液滴の排出を制御する。用いられうる微粒子収集装置には、ミスト分離器、サイクロンおよび濾材が含まれる。

いくつかの実施態様において、（図１に示されていない）予熱装置は、チェンバー１１０に導入される前の液体を予熱するために用いられる。これによって、チェンバー１１０の中で液体を気化させるために必要とする熱の総量を下げることができる。予熱は、さらに、ノズル１２０によって発生したスプレーの質を改良することができ、液体の粘度を下げることができる。

ノズル１２０の数、チェンバー１１０およびスプールセクション180の長さが希望する操作条件（たとえば、必要とされる燃料の量、調整される液体燃料のタイプ等）に適合させることができることを理解すべきである。このように、図１に開示されたデザインは、多様な操作条件に応じて簡単に拡張することができる。

上記図１に関連した実施態様において、液体燃料は任意の内壁とも衝突していない。図２および図３で開示された別の実施態様では、液体燃料は、気化チェンバーの内壁に衝突する。このような実施態様において、気化のエネルギーは気化チェンバーの壁を通して転送された熱によって供給される。このような方法における燃料調整器の操作の本質的なデザイン特徴は、液体を気化するために必要の熱を壁から転送する際に熱転送率にマッチするものである。それは、液体流量および壁から可能な熱流量が気化に用いられる表面積をマッチングさせることによって達成される。要求される熱が気化の異なるセクションにおいて異なるから、加える熱は、各ステージのための独立した温度制御によって行う。

図２は本発明の第二実施態様の単一ノズル気化器２００の概略図である。液体燃料は、底部フランジ２２０にマウントされるノズルを通って気化器２００内にスプレーされる。気化のために必要とされる熱の一部を供給するために予め加熱されることが好ましく、窒素もしくは空気のような搬送ガスは底部フランジ２２０にあるポート２３０を通って導入される。図１の実施態様のように、搬送ガスの使用は、１）気化チェンバーから蒸気の排出、および、２）蒸気の露点温度の低下という２つの目的に役に立つ。露点温度を低く抑えることは、たとえば下流にある燃焼装置と気化器との間に接続したラインにおいて、最初の気化のために要求された温度より低い温度を維持することができるので好ましい。また、不活性なガスの使用は、気化器、サプレスコーキング（suppressing coking）のような搬送ラインでの化学反応を制限することに役に立つ。搬送ガスは、各気化器モジュールにおいて、気化器の本体で、軸方向に渦を作り出すために接線方向において導入されうるが、これらの方法には限定しない。気化器２００において、搬送ガスは２つのポート２３０で接線方向から渦のコーフロー（co-flow）を作り出すように導入される。

ノズル２１０からのスプレーは気化器２００の円筒型の内部表面に衝突し、表面からおよび熱い搬送ガスからの熱によって気化される。この実施態様では、表面２４０は、電熱テープ２５０およびバンドヒーター（band heater）２６０のコンビネーションによって加熱される。別の実施態様において、入熱は、（スチームもしくは熱い燃料生成物のような）熱い液体もしくはガスと熱交換することによって供給されうる。

図３は、複数の単独ノズル気化ユニット２００を有する燃料調整システム３００の概略図である。噴霧気化の体積比に対する最適表面積を維持するために、付加的なキャパシティーは共通の連結器３１０の上に複数の気化器の「足」をグループ化することによって得られる。この場合では、連結器３１０の本体も同様に電熱テープ３５０によって加熱される。破裂可能なディスク３７０は安全のために連結器３１０の１つの末端にマウントされる。蒸気は連結器３１０のもう１つの末端から排出される。

ここまで、いくつの燃料調節装置は検討されてきた。本発明の数多く別の改良および変化は、上記開示によって示唆されうる。したがって、添付する特許請求の範囲において、本発明がここで特に開示した内容と異なる方法でも実施できることは理解されるべきである。

本発明および本発明にある多くの付随特徴および長所に対する理解は、好ましい態様の添付図面を参照しながら下記詳細な説明を参照することによってより深まる。なお、図面にある参照番号は詳細な説明のと全く同じ要素を示している。
図１は、本発明の第一実施態様による燃料気化器の概略図である。 図２は、本発明の第二実施態様の単独ノズル気化器の概略図である。 図３は、本発明の第三実施態様の、共通の連結管に接続した複数の図２の気化器の概略図である。

Claims (27)

1. １つの側壁および１つの端壁を含む円筒型気化チェンバーと、
   該チェンバーの内部に液体燃料を放射状にスプレーすることができるように設計され、液体燃料供給源と流体連通状態にある複数のノズルと、
   該チェンバーに希釈ガスを導入するように設定される希釈ガスポートであって、熱せられる希釈ガス供給源と流体連通状態に、チェンバーと流体連通状態にある少なくとも１つの希釈ガスポートと、
   該チェンバーと流体連通状態にある、気化された液体燃料を該チェンバーから排出する経路を提供する少なくとも１つの排出ポートとを含む燃料調整ユニットであって、
   加熱された希釈ガスが液体燃料の気化に必要な熱の少なくとも一部を供給することと、希釈ガスと気化された液体燃料との混合物が希釈ガスが存在しない場合の液体燃料の露点温度より低い露点温度を有することとを特徴とする燃料調整ユニット。
2. 前記少なくとも１つの希釈ガスポートが、前記チェンバーに設置される多孔板を形成する複数の希釈ガスポート含むことと、該多孔板、前記端壁および前記側壁の一部が、該複数の希釈ガスポートと流体連通状態にあり熱い希釈ガスを供給するプレナムを形成することとを特徴とする請求項１に記載の燃料調整ユニット。
3. 前記チェンバーの拡張部分を形成するように前記端壁の反対の側壁の一部に付着される、前記チェンバーの側壁部分によって気化されなかった任意の液体燃料を気化させる追加の熱を供給する発熱体を有するスプールセクションであって、該スプールセクションで気化した燃料が燃料調整ユニットから排出することができるように少なくとも１つの排出ポートを有するスプールセクションをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料調整ユニット。
4. 前記スプールセクションに複数発熱体が配置されること特徴とする請求項３に記載の燃料調整ユニット。
5. 前記それぞれの複数発熱体が独立した温度制御装置を有することを特徴とする請求項４に記載のユニット。
6. 前記発熱体の長さが前記スプールセクションの長さと同じであることを特徴とする請求項３に記載の燃料調整ユニット。
7. 前記チェンバーの側壁もしくは前記チェンバーの端壁の少なくとも一部が熱せられることを特徴とする請求項１に記載の燃料調整ユニット。
8. 前記希釈ガスは不活性であることを特徴とする請求項１に記載の燃料調整ユニット。
9. チェンバーのどの壁にも衝突させないように該チェンバーの側壁にマウントされ該チェンバーと流体連通状態にある複数のノズルに通させ、円筒型気化チェンバーに液体燃料をスプレーさせるステップと、
   該チェンバーと流体連通状態にある少なくとも１つの希釈ガスポートに通させ該気化チェンバーに熱せられた希釈ガスを供給するステップと、
   該チェンバーと流体連通状態にある少なくとも１つの排出ポートから、希釈ガスが存在しない場合の液体燃料の露点温度より低い露点温度を有する調整され気化された燃料ガスを受け取るステップと、
   を含む燃料を調整する方法。
10. 希釈ガスが前記チェンバーに設置される多孔板のように形成される複数の希釈ガスポートを通って気化チェンバーに供給されることと、該多孔板、少なくとも１つのチェンバーの端壁およびチェンバーの側壁の一部が、複数の希釈ガスポートと流体連通状態にあり熱い希釈ガスを供給するプレナムを形成することとを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記チェンバーが、希釈ガスによって供給された熱によって気化されなかった任意の液体燃料を気化するように該チェンバーに配置される少なくとも１つの発熱体を有することを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 前記少なくとも１つの発熱体が複数発熱体を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記それぞれの複数発熱体が独立した温度制御装置を有することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記チェンバーの少なくとも一部分を熱するステップをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
15. 前記希釈ガスは不活性であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
16. １つの側壁および１つの端壁を含む気化チェンバーと、
    該側壁に配置された発熱体と、
    すべてのスプレーが側壁の内部表面に衝突するようなスプレー角度を有するスプレーを作り出すように設計され液体燃料源と流体連通状態にある、端壁にマウントされた少なくとも１つの燃料ノズルと、
    希釈ガス供給源と流体連通状態にあり、気化チェンバーと流体連通状態にある少なくとも１つの希釈ガスポートと、を含む燃料調整ユニットであって、
    該発熱体が、側壁に衝突される液体燃料スプレーを瞬時に気化させるのに十分な温度を与えるように側壁の部分を熱するように設計されることと、該希釈ガスと気化された液体燃料との混合物が、該希釈ガスが存在しない場合の液体燃料の露点温度より低い露点温度を有することとを特徴とする燃料調整ユニット。
17. 前記側壁が円筒型であることと、前記スプレーが円錐噴霧であることとを特徴とする請求項１６に記載の燃料調整ユニット。
18. スプレーが衝突する気化チェンバーの部分とは別の気化チェンバーの部分の温度を、希釈ガスと気化された液体燃料とからなる混合物の露点温度以上の温度に保持するように設定される少なくとも１つの追加発熱体をさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の燃料調整ユニット。
19. 温度を周辺温度以上にそして液体燃料の沸点以下に維持するように液体燃料を熱せるように設定される、前記ノズルと前記液体燃料スプレーとの間に設置される予熱器をさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の燃料調整ユニット。
20. 該希釈ガスは不活性であることを特徴とする請求項１６に記載の燃料調整ユニット。
21. 連結管と
    複数の請求項１６に記載された燃料調整ユニットとを含む燃料調整システムであって、当該各燃料調整ユニットが、該連結管に希釈ガスと気化された液体燃料との混合物を供給するように該連結管に接続されることを特徴とする燃料調整システム。
22. 液体燃料スプレーを瞬時に気化させるように気化チェンバーの外側に配置される発熱体で十分に熱せられる気化チェンバーの表面にスプレーを衝突させるようにある角度のスプレーを作り出すようにノズルから気化チェンバーに液体燃料を供給するステップと、
    希釈ガスが存在しない場合の気化された液体燃料の露点温度より低い露点温度を有する、気化された液体燃料と希釈ガスとの混合物を形成するように、気化チェンバーに希釈ガスを供給するステップと、
    を含む液体燃料を調整する方法。
23. 温度を周辺温度以上にそして液体燃料の沸点以下に維持するように液体燃料を予熱するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 前記気化チェンバーの側壁が円筒型であることと、前記スプレーが円錐噴霧であることとを特徴とする請求項２２に記載の方法。
25. 前記スプレーが衝突した部分とは別の気化チェンバーの第二部分を少なくとも液体燃料の揮発性成分の沸点以上の温度に加熱するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
26. 前記希釈ガスは不活性であることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
27. 渦のコーフロー（co-flow）を引き起こすようにスプレー方向と接線方向になるように前記希釈ガスが供給されることを特徴とする請求項２２に記載の方法。

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