JPH11514430A

JPH11514430A - 触媒による燃料の部分酸化を用いるガスタービンを備えた複合エネルギーシステム

Info

Publication number: JPH11514430A
Application number: JP9516145A
Authority: JP
Inventors: カリトベンツェフ、ボリス; リベス、ジャク
Original assignee: オクシパル
Priority date: 1995-10-20
Filing date: 1996-10-21
Publication date: 1999-12-07
Also published as: EA001417B1; US6189310B1; EP0856130A1; EA199800392A1; WO1997015786A1; BE1010251A4; BE1009707A6; AU7271096A

Abstract

(57)【要約】ガスタービンサイクルによってエネルギーを発生するためのガスタービン出力システムであって、排気ガス（１０９）を燃焼することによって熱エネルギーがより効率的に使用され、該排気ガス（１０９）の部分酸化が、触媒反応器（１０７）内に供給された空気および蒸気の化学量論的な量によって達成され、第１の酸化段階を形成し、ついでタービン（１０３）の下流側の出力タービン（１０４）またはそこからさらに下流においてさらなる酸化が起こる。該出力タービンは触媒反応器（１０７）から下流側に設けられる。触媒部分反応は、開始剤詳しくは水素の供給を用いてなされる。この方法は、注入機（１１３）によって反応器内に供給された水素が、触媒部分酸化を行うための過剰蒸気によって反応器、出力タービンまたは燃料をリフォームするためのリフォーム反応器からの流出の再生部によってもたらされる。

Description

【発明の詳細な説明】触媒による燃料の部分酸化を用いるガスタービンを備えた複合エネルギーシステム技術分野本発明は、特に機械的におよび／または熱の面から利用価値のある若干量のエネルギーを有するサイクルからの排出ガスを産出するガスタービンサイクルを使用して、機械的および／または電気的エネルギーを発生されるための少なくとも一つのガスタービンを有する熱エネルギーシステムに関する。発明の背景工業的適用のために提示されている従来からのガスタービンの使用は周知のことである。かくして、一つ（または複数）のガスタービンからなるサイクルが、発電所の既存の蒸気サイクルの上流に設置されると、特に燃費節約交換器を追加することにより、従来の発電所の総エネルギー効率は、蒸気サイクルを大きく変更することになるが０．４から０．４５になる。しかしこの技術は費用がかかることが明らかであり、燃料自体の値段が高いときしか妥当性がない。さらに、この技術では、蒸気サイクルの有効出力をかなり減少させる。そのため総出力獲得量がわずかになり、経済的理由から多くの場合需要を満たすものではない。もう一つの技術は、熱／力サイクルに関するものであり、このサイクルでは、ガスタービンは機械的エネルギーと、さまざまな形態に有効価値化された熱の排気ガスを産出する。従来型のガスタービンの場合、この技術は必要熱エネルギーが低温度であれば利用価値は明らかである。反対に、熱需要がより高い温度レベルであるとき、特にセメント工場、ガラス工場、製鋼所またはいくつかの炉の場合のように、歴然と高い温度に設定される場合、この技術は適用されない。上流でガスタービンサイクルを使用することが可能なこれらの装置にはすべて、燃焼空気を再加熱するために熱回収装置が設備されていて、この熱は変化の後はもはや回収することはできない。熱／力を組み合わせたシステムで働く従来のガスタービンサイクルは、空気圧縮機、空気を大量に取り入れる燃焼室および機械的出力を産出するタービンを有している。このタービンの上流で、排気ガスから由来する熱だけが回収可能である。さらにもう一つの技術は、特別な構想によるガスタービンと蒸気タービンとを組み合わせたサイクルに関するものである。これらの効率は現在０．５〜０．５３である。従来型の組み合わせシステムが実際に稼働していても、使用上の問題は存続している。いわゆる部分酸化式システムでは、燃焼は確かに完全に行われるが、段階的である。一部の酸化がまず、従来ガスタービンサイクルの燃焼室に代わる触媒反応器内で、化学量論量の空気、水蒸気で行われる。続いて、燃焼は、排気ガスの熱エネルギーを用いる前に、出力タービン内の上流で完全に行われる。部分酸化ガスタービンの原理はすでに以前に提案が出されている。しかし、原子力発電所の到来や、天然ガスの供給の可能性といった他の要素のために、これらの進歩は妨げられていた。さらに、これらの原理を完全に実施するのに不可欠な技術的要素が満たされていなかったことも、従来技術から明らかである。背景技術以下に挙げる資料を考察する。すなわち１９７１年６月２８日から７月２日までブカレストで開かれた第８回世界エネルギー会議（World Energy Conference in Bucharest）におけるジ・リベス（J.Ribesse）による“天然ガスの触媒部分酸化、エネルギー・熱システムでのその応用”、１９７１年７月および８月のガス・ベルメ・インターナチオナール（Gas Waerme International）第２０−７／６巻、１９７６年エントロピーにおける、ジ・リベス（J.Ribesse）、ア・ジョモット（A.Jaumotte）およびア・ドゥ・ジョワス（A.De Geoyse）による“燃料の部分的酸化反応器を備えた複合サイクル（Combined cycle with partial-fu el oxidation reactor）”、さらに、１９９０年１２月のヨーロッパジャーナル、３６巻、Ｎｏ．１、２７〜３２頁、ジ・リベス（J.Ribesse）の“等温部分酸化ガスタービン”。これらの刊行物から、部分酸化の原理は、化学量論条件で圧縮した空気および一定量の蒸気と共に、天然ガスのような燃焼からの触媒作用を加えた発熱反応を起こすことにあり、ガスタービンサイクルのために選択した、一定の反応ガス温度に達するよう行うものである。その結果、ＣＯ、Ｈ₂、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ、ＣＨ₄、Ｎ₂からなる、可燃性の反応ガスができた。保証される反応は以下の通りである。ＣＨ₄＋２Ｏ₂＋８Ｎ₂→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋８Ｈ₂(発熱性) ＣＨ₄＋１/２Ｏ₂＋２Ｈ₂→ＣＯ＋２Ｈ₂＋２Ｈ₂(発熱性) ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂（吸熱性）ベルギー特許第７６９１３３号明細書には、特別な要素、すなわち２段階の圧縮と水と蒸気を中間に注入して、出力タービン内に減圧した燃焼ガスを産出する部分酸化触媒反応器を用いた機械を記載している。この排気ガスは、そのエンタルピー寄与を受けて、熱の応用において消費されてもよい。使用する方法は、圧縮器およびタービンのような特殊な作りの機械を使用することを要求するが、その特殊な要素は記載されていない。ベルギー特許第１００３７６０号明細書は、部分酸化に対して特殊な方法で構想されたガスタービンシステムを記載している。この目的のために、本システムは、より圧力レベルの高い適切な圧縮器、触媒反応器および、タービンの羽の冷却空気による内部の漸進的な燃焼効果による等温膨張タービンを有している。この未来型システムは、より直接的に実現可能な全体において、ベルギー特許出願第０９５０８７９号および本件特許明細書に記載されているシステムを適用した後にしか実施することはできないであろう。前記特許においては、本発明のより特殊な手段もまた記載されていない。前記ベルギー特許第７６９１３３号明細書および第１００３７６０号明細書に簡単に記載されている各システムは、入手可能な市販ガスタービンへの切り替えができないという大きな欠点がある。そのため、目下のところ製造されていない、したがって特別に開発しなければならない機械を使用する必要があり、投資には非常な資金が必要である。ベルギー特許第１００４７１４号明細書は、部分酸化ガスタービンサイクルの構造を記載している。このために、触媒作用を用いた酸化反応器を想定している。この反応器は、一般に“リフォーミング”と呼ばれる改質触媒、排気装置付加圧ポンプさらに、点火および停止温度維持システムを有している。５０〜６０バールの圧力の利用、およびガスタービン内で一定温度の減圧を得るための助燃物として冷却空気の利用のために現存のタービンを適用することが紹介されている。さらに前記ベルギー特許第１００４７１４号明細書は、簡潔にまた理論的に、後に記載する２、３の部分酸化の応用、すなわち、従来のガスタービンの改良型、および特殊構想による一定温度の減圧タービンを記載している。このように、一般に、特に使用上の問題が前記特許のそれぞれで存続している。発明の目的本発明は上述した欠点を解消し、技術の状況に関して上記で説明したことから発する問題に適切な解決策を与えることを目的としている。本発明によるシステムは、一つ（または複数）のガスタービンサイクルを有するすべてのエネルギーシステムに適用可能であることを目指しており、このサイクルに蒸気タービンサイクルまたは、ガスタービンサイクルの排出物の熱有効化を組み合わせるものである。このようにして、本発明は、普通リパワリング（repowering）と呼ばれる火力発電所の出力を増大することが第１の目的である。本発明はまた、上記で言及された応用の場合のにおけるこの技術の使用上の特別な面、とくにガスタービンサイクルがこのサイクルの排出ガスの熱エネルギー有効化を組み合わされて介在するエネルギーシステムに関するものである。この有効利用は、機械的エネルギーの補足産出（一つ（または複数）のガスタービン−蒸気タービンの組み合わせサイクル）、あるいは、コ・ジェネレーション、つまり電熱併合産出に行われる。これらさまざまなシステムは、包括的に、複合エネルギーシステムの名称で示される。さらに、本発明は、一つ（または複数）のガスタービンサイクルを含むすべての複合エネルギーシステムにおいて応用可能な、触媒による部分酸化を利用した補足技術手段を提示することも目標としている。発明の要旨本発明は、ガスタービンサイクルを利用してエネルギーを産出させるための少なくとも一つのガスタービンを有する複合エネルギーシステムからなる。このシステムでは、エネルギーの補足的変換を伴う熱エネルギーを若干量有する排出ガスが産出される。上記ガスタービンは部分酸化である。システムは空気圧縮器、高温で制御された温度の可燃性ガスの産生を伴う、反応Ｃ_nＨ_m＋ｎ／２Ｏ₂＋Ｎ₂→ｎＣＯ＋ｍ／２Ｈ₂＋Ｎ₂ を起こす触媒部分酸化反応器および衝動タービンを有する。本システムは、第１酸化段階を形成する前記反応器内に化学量論量で導入された空気および水蒸気による部分酸化の態様により優れており、この第１段階は、出力タービン内の追加酸化によりタービンの下流で補われ、またはそれ自体前記触媒反応器の下流に配置されているこの出力タービンの下流で補われる。本システムはまた、排出ガスの燃焼により産出する前記熱エネルギーの併合有効化によっても優れている。このようにして、本発明によるシステムは、第一段階では、航空学的タイプまたは一般工業タイプの市販ガスタービンを過剰空気を用いない燃焼法に適合させることができ、特定の機械にとってすぐに利用できる機械的出力の増加を伴う、サイクルの熱力学性能を改善する。電熱併合システムの第２サイクルおいてエネルギー回収を改善し、適合されたタービンは高温の可燃性ガスを供給する。本発明は、一方で、蒸気サイクルの従来の発電所の熱エネルギーサイクルの出力増大および性能、他方で、第２熱サイクルが１３００℃までのあらゆる温度で実現できる、したがって数多くの工業的熱製法に及ぶコジェネレーションの利用が可能な、熱／力サイクルのような実践に充てられる。本発明は、第２段階で、未来の等温ガスタービンを実現し使用することを可能にする。性能の改善により、非常に過剰の空気を利用することによる従来のサイクルのエネルギー低下を回避し、一つ（または複数）のガスタービンサイクルの熱力学特性をより良く有効化することになる。実際、温度がタービン翼列の応力と釣り合っている化学量論量の空気を用いた減圧タービンの入り口で同一の温度を得ることが可能である。部分酸化により得られる反応ガスは、燃焼ガスよりも比重の低い可燃性ガスであり、酸素も、ほとんどＮＯ_Xも含んでおらず（ここでＮＯ_X＝ａＮＯ＋ｂＮＯ₂ ）、この種の反応は合成ガスの製造において周知の応用である。既知のガスタービンシステムと比較して、かつ同じ衝動タービンに対して、出力タービンにより（によって発展した）伸ばされた機械エネルギーは本発明の場合ではより高く、空気の圧縮により吸収されたエネルギーは減少している。したがって有効エネルギーは両方に対して、２倍にまで顕著に増加している。下記の表１において、Ａは従来の場合を、Ｂは部分酸化の場合を示している。下流に設置した熱機関の性能を制限する原因となる非常に過剰の空気を必要とせず、反応が、ガスタービンの羽根を傷めない、求める温度レベルを実現するように、可燃物の触媒部分酸化の原理を確実に利用する本発明の特殊な技術の寄与について後に記述する。部分酸化を導入することにより、実際的なエネルギーシステムの性能を改善する。上記で言及した従来技術の欠点を解消することで、本発明は、エネルギーシステムにおける部分酸化作用を工業的に実施することを有効にかつ実際的にするものである。これは現存の蒸気サイクル火力発電所の出力（リパワリング）の増大を伴う場合である。これはまた、コジェネレーションに組み込まれた現存するガスタービンサイクルの適用を伴う場合でもある。これはまた、将来の等温膨張タービンに対する場合である。実際、とりわけ高温に対する資材の管理に関して大きく進歩したことにより、およそ０．６の効率に達し得ると予想される。本発明は部分酸化の原理を、一方で、請求の範囲第２０項および第２３項の措置で定義されているように、工業的空気誘導タービンが介在する現存システムにおいて、他方で、考案すべき特殊ガスタービンに役立てる。本発明により、０．６３までの非常に高い効率を有する複合サイクルの態様が可能である。このようにして、本発明は、部分酸化タービンを有効にかつ実際に実施できるシステムから成るものである。本発明に対応するより特殊な態様により、請求の範囲第２０項、第２３項にそれぞれ定義されている措置が予定されている。これらの措置はそれぞれ、燃料エネルギーを機械的または電気的エネルギーに変化するサイクルの熱力学的性能を改善するように、燃料航空型または工業型市販ガスタービンを過剰空気を必要としない燃焼法に適合させることができる。本発明はさらに、未来型ガスタービン、特に等温ガスタービンを構想し、実現し、利用することを可能にする。かくして前記方法は、部分酸化の利用を加えた革新的な技術要素を有している。本システムの他の有利な態様法、請求の範囲の他の項で定義されている。本発明の補足的な面によれば、触媒によるおよび無火炎の部分酸化は、また、二つの最初の問題に突き当たる。充分な放電開始温度に達すること、および炭素堆積の可能性である。本発明の範囲内において定義された、元となる特に請求の範囲第１項〜第２９項による措置の外に、特に請求の範囲第３０項、より詳しくは第３１項で定義されている措置は、上記した問題のうち少なくとも第１番目の問題を解決するためのものである。他の問題はその他の請求の範囲第３２項〜第３７項で定義されている措置により解決される。かくして、部分酸化反応器の入り口の方法流量中に、開始剤、有利には水素が適切な量存在していることは、これら二つの使用上の問題を解決する助けとなる。またこれによってシステム全体の調節および作業可能性にとって補助的な順応度を提供するものである。この水素は、外部源が現場でまたはシステムそのもので経済的に入手しやすければ、この外部源からもたらされる。この場合二つの選択肢がある。反応器の下流で採取されたガスの一部のリサイクル、あるいは部分酸化ガスタービンと、出力タービンの流出物との間接的な熱交換を行う、小型のいわゆる“リフォーミング（reforming）”反応器との組み合わせである。ガス燃料の部分酸化に介在する各反応は、異なるエネルギー作用により特徴づけられる異なる速度で展開する。その結果、温度パターンの制御が難しく、したがって、触媒物質中での鉛直温度分布を避けることが難しいため使用期間が明らかに減少する。この場合、触媒の細孔内部に炭素が堆積した場合いつもそうであるように、触媒はもろくなる。この余計な問題を解決するために、請求の範囲第３６項による措置が定義された。かくして、異なる活性を有する触媒を層状に重ねて使用することにより、温度パターンを制御し、反応が部分的に暴走する危険を予防する。特に“等温”タイプの未来型部分酸化タービンにおいては、空気を用いる、出力タービンの内部での、部分酸化反応器の流出物と空気、少なくともこのタービンの冷却空気との燃焼から起こる付随的な問題が予想される。前記付随的問題は、請求の範囲３８項に定義されたような措置により解決できる。かくして、この補足的酸化は、ガスタービンの翼配列に触媒合金を被覆またはコーティングすることにより工業的に行ってもよい。被覆またはコーティングは特に電気メッキまたはプラズマにより行ってもよい。空気圧縮器を有するガスタービンサイクル内で燃料の部分酸化を行うとき、空気は必要以上の大きさになる。過剰の圧縮空気は、圧縮器のために使用されたエネルギーの大部分を回収することにより、対応する対応するタービン内で減圧されてもよい。請求の範囲第４３項に定義されているように、前記対応するタービン内で減圧される前にこの過剰空気が予備加熱されれば、サイクルの性能を明らかに改善することが可能である。熱供給が、出力タービンの排出ガスの一部の燃焼の際の蒸気との間接交換により、または予備加熱すべき空気との燃料ガスの間接燃焼により効果的に行われることになる。本発明によるこの熱供給は、現場で入手可能な熱源から行われてもよい。かくして、一つ（または複数）のガスタービンによるサイクルの熱力学的特性をより良く有効化することからもたらされる性能の改善は、技術的に、触媒酸化反応器の入り口に水素を置くことにより、かつ異なるいくつかの触媒物質を使用することにより、根本的に実現可能となる。さらに、本発明の有利な態様において、必要があれば、好ましい方法である空気の予備加熱と共に反応器の下流のタービン翼配列に触媒コーティングを行う。本発明はまた、請求の範囲第３８項〜第４５項および記述で明確にされている利点おいて措置が定義されている方法にも関連する。この請求の範囲の項で定義されている措置は、数学的モデルを基礎にしたシステムの制御−命令の根底となっている。本発明の他の利点および特徴は、添付した図により例示されている実施態様と共に以下に記載する。図面の簡単な説明図１は基礎となるタービンの断面図である。図２は、空気誘導タービンを適用した本発明によるシステムの第１の態様を示したものである。図３は、排気装置付き加圧ポンプおよび好ましい反応器の一形態を示した図２を拡大した詳細図である。図４は、排気装置付き加圧ポンプの一種を示した図３に似た図である。図５および図６は、触媒反応器の異種のそれぞれを例示したもので、各々貴金属金網および触媒の細粒状固定床を有するものである。図７は、従来の工業的タービンの断面図である。図８は、本発明によるシステムの第２の好ましい態様によった工業的ガスタービンの好ましい適用法である。図９は、図８によるシステムの反応器の好ましい態様法を拡大して詳細に示した図である。図１０〜１２は、２種類の転換を伴うサイロ型燃焼器の転換法を例示したものである。図１３〜１５は、既存の周辺燃焼器の各転換法を例示したもので、それぞれ２種の転換を伴う。図１６は、本発明によるシステムの第３の態様における特殊な構想の部分酸化タービンの図１および図７に似た図である。図１７〜１９は、開始剤を連続して導入する３つの態様において、図１および２に似た本発明によるシステムの第１の実施態様の機能図である。図２０は、図８によるシステムの第２の実施態様の異種の簡略図である。発明の説明本発明による部分酸化を活用する基本概念は、好ましい実施態様として示されているそれぞれの適用に対して後に記述する。図１および図７は既存の市販ガスタービンを表している。図１はより詳しくは、出力タービンを取り付けた航空学的タービンの場合である。図２〜６は、、従来の火力発電所のリパワリングのためにも、熱／力コージェネレーションのためにも空気誘導タービンを部分酸化技術に適合させることについて後に記述している第１の適用の場合における本発明の特徴を明らかにするためのものである。図８〜１５のグループ図は、部分酸化技術を取り入れるための工業用タービンの転換を明らかにしており、転換は、本文献に記載されている本発明による第２の適用をこのように形成している組み合わせエネルギーシステムを改善するためのものである。図１６は、記載されている第３の適用を形成する、特殊構想のガスタービンにおける本発明による技術の導入を例示している。図１および図２、図７および図８ならびに図１６は、本発明の特徴を明らかにすることを目指している。図１および図２にあるように、一層式の圧縮器１０１（または図１６に例示されているようにそれぞれ２層式のもの）、非常に過剰の空気を伴う燃焼室１０２、衝動タービン１０３および出力タービン１０４、交流発電機５、不活性層１７１および活性層１７２からなる触媒反応器、フィルター８、蒸気サイクルの方へ、またはエンタルピーのもう一つの有効化の方へ送られる排気１０９が示されている。点火および停止温度維持システムもまた設けられている。前記反応は好ましくは、炭素の堆積がないように、無火炎で最小の蒸気流量で開始する。後に言及する各応用例は、活用上の構造的、機能的な技術基礎概念の大半を共有しており、本発明のさまざまな応用に対して若干の特殊な面の場合、特に触媒１７０、２７０、３７０、部分酸化反応器１０７、２０７、３０７、触媒反応器１０７、２０７、３０７の入り口の助燃物に関する可変性を伴うものである。この反応器の圧力がかなり低い場合、いずれにせよ混合器に役立つ、そうでなければ数学的モデルを基礎にしたシステムの制御−命令を使って可燃性ガスのより高い圧力を利用する、排気装置付圧力ポンプ１０６、２０６、３０６が設けられている。さらに、さらに、本発明によるさまざまな基礎原理を既存の装置に適合させて、たとえ既存の装置からでも高性能のシステムを形成する方法が提案されている。その結果、有利なことに、著しく節約ができ、工業現場または廃棄物による汚染を減少させる。後に記載する技術的基礎原理は、それ自体により、または複合エネルギーサイクル内で、または熱−力コジェネレーションの中でのそれらの活用により、本発明の範囲内で考慮されるべきである。部分酸化反応器１０７の中で使用される触媒手段は、有利には、高圧ガスタービン１０３から前記部分酸化反応器１０７に噴出される蒸気および空気またはガスにより燃料の部分酸化反応を確実に行うよう、多孔質担体１７３上に含浸された金属からなる。かくして、活性アルミナに対してニッケル、Ｎｉ／Ａｌ₂Ｏ、を、好ましくは３〜１５％の濃度の濃度で、酸化ジルコニウムに対して白金Ｐｔ／ＺｒＯ₂、０．１〜１％で好ましい組成を形成する（この組成では炭素堆積をあまり発生させない）、Ｐｄ／ＺｒＯ₂またはＰｔ−Ｒｈ／ＺｒＯ₂を使用する。交互に、前記触媒手段はまた、上記の金属、特にＰｔ、Ｐｔ−Ｒｈ、Ｐｔ−Ｚｒによりなる金属金網により構成されていてもよい。さらに、触媒１７２の活性多孔質担体および不活性層１７１は、有利には、図３で例示されているように内部溝１７４のある蜂の巣状の単一成型１７３、すなわち外部表面が滑らかなまたは筋の入った細粒状１７３、図６による単一または多角形管（多角形管が好ましい）である。部分酸化反応のための触媒担体は、６００〜１０００℃の温度範囲で熱衝撃に対して安定であり耐久性があるという特性でガスタービンに適用され、固体粒子を発生させず、わずかな仕込物を消滅させる。触媒担体は、アルミナまたは耐火性の金属、必要な場合はニッケル・クロムのような合金から成る。活性アルミナの場合、マグネシウムまたはケイ素のような他の金属酸化物の添加が行われてもよい。特別な応用では触媒の担体が、空洞の環状、または鋸歯状または穴があけられた円筒形であってもよい。反応器１０７、２０７、３０７は実用化に適用され、特に航空学型の、工業型のまたはそれぞれに特殊な構想によるガスタービンに適合される。助燃物を供給する空気誘導タービンの下流では、反応器は図２に例示されているように水平の円筒形である。前記反応器１０７は図３で、二つの層の積み重ね１７１、１７２の形で表されており、その中で下流層の１７２だけが触媒を有している。反応器はまたサイロ型の垂直の円筒形であってもよく、図５に例示されているように反応性のガスの流出方向Ｆに直角に交差する一連の触媒金属金網１７６を有していてもよい。円筒形の金属製のカバーは断熱材で覆われるか、または再加熱すべき進入流が循環している二重カバーによって熱から保護されている。ベルギー特許第１００４７１４号明細書に記載された反応器は、また、特に上記で定義されたような特殊な触媒が充填されているとき、本発明の枠内で使用されることが可能である。さらに、不活性層２７１および特殊触媒２７２を通過する反応性ガスが放射状に流出する装置もまた、図８〜１２で例示されているような本発明の一部を成す。触媒床２０７、２７１、２７２を介した圧力の損失が最小であることが重大である場合は、これらの装置２０６が好ましい。図８に例示されている反応器２０７には上記された特殊触媒が充填されている。反応器３０７のこの形態もまた、図６に例示されている、特に２層式３１１、３１２の圧縮器３１０を有する特殊な機械に応用される。蜂の巣状１７３の単一成型触媒１７０を有する軸方向に水平の円筒形が、図２および図３で例示されているような火力発電所のリパワリングの場合に好ましい。金属金網１７６または細粒状の触媒１８０を有するサイロ型は、既存の工業用ガスタービンサイクルを適用する場合に好ましい。これらの形態は例示されていない。この場合大幅な過剰空気で作動する既存の燃焼室２０２の構造が使用されており、これらの構造は無火炎酸化に適合されているからである。排気装置付圧力ポンプ混合器１０６の軸方向に対称な形態は、図３に例示されている。排気装置付圧力ポンプ１０６、環状の入り口および出口コレクターに王冠状に固定された円筒形カバーの中に収まっている幾本かの排気コーンから造られていてもよい。部分酸化反応器１０７内に導入される助燃物は、図２の火力発電所の追いノッチの場合にターボジェットの流出物によりなる。部分酸化を、図８による既存の工業用ガスタービンに、または図１６による製造に適用する場合、助燃物は有利には、空気圧縮器２０１、また３１０の流出物からなる。図３はシステムの図である。ターボジェットは、非常に過剰の圧縮空気でガスの燃焼および減圧を行う反応器のための助燃物を供給する。燃焼室１０２のバーナーこのガスに適合したものである。形態が決定されている排気装置付圧力ポンプ１０６は、助燃物の圧力に対して混合物の圧力を高めるためにこの場所に供給される可燃性ガスの圧力を利用する。部分酸化反応器１０７は触媒と、上記で特定した中から選ばれた担体とを有している。炭素の残部またはコークスおよび触媒の粉塵のためのフィルター８は、容易に取り外しができるように配置されている。この応用のための特別なガスタービンサイクル全体を補うための市販出力ガスタービン１０４は、交流発電機５または機械装置に連動し、排出装置１０９に可燃性ガスを供給する。このエントロピーは次に火力発電所で有効利用される。火力発電所のボイラーは、出力タービン１０４の排出ガス１０９の燃焼により実現可能な温度のために、費用のかかる変更を行うべきではない。後により詳細に説明を行い、図１に照らして、本発明の特徴を明確にする。ターボ反応器は、空気圧縮器１０１、燃焼室１０２のバッテリーからなり、燃焼室内では、燃料が圧縮器１０１からの非常に過剰の空気で、システムと相入れる温度に達するように燃焼され、高圧衝動タービン１０３は、圧縮器１０１により吸収され機械的エネルギーを供給し、これら二つの機械は共通の同シャフト上で連動している。高圧タービン１０３から吹き出される高温ガス、例えば６５０℃、残圧（pres sion residuelle）３〜５バールで使用できる。図１に例示されているような既存の従来型システムにおいては、反応ガスは次に出力タービン１０４内で減圧され、低圧かつ４００〜５００℃の温度でここを出す。この出力タービン１０４は機械装置または電気装置５に連動している。有効出力は、ガスの全減圧により供給される全出力のおよそ３分の１しかなく、３分の２は圧縮器１０１に導かれるためのものである。排出ガス１０９は、燃焼に利用される非常に過剰の空気を考慮して１３〜１６％の酸素を含んでおり、かつＮＯ_Xのような有毒ガスを大量に含んでいる。従来のガスタービンの単位当たり出力はかなり制限されている。この比出力は、入手可能有効機械エネルギーとサイクル内に運ばれたガスの量との比率により表される。本発明は、一般に２倍に達する比出力の大幅な増加により、また反応器の出口でＮＯ_Xの排出をほぼゼロにまで減少させる強力な削減により、従来のシステムの性能を著しく改善するものである。さらに、蒸気火力発電所出力増加の枠内で、関係する当地の熱サイクルを適合させることもまた変更させることも必要なく、今までにないほどの性能を得ることができる。現在、図２および図３を参照して、記載されたターボグループに適合した本発明は、特殊形態の排気装置付圧力ポンプセット１０６の使用も含めており、この排気装置付圧力ポンプには、たとえば天然ガスのような３０〜５０バールの高圧燃料、および高圧蒸気が供給される。これら静力学的機械は、過剰酸素を含む高圧タービン１０３からのガスを吸い上げる。これらは、燃料および蒸気からなる酸化性ガスを均質に混合し、のちに部分的な発熱酸化反応を実現する。これら機械は、助燃物の圧力に比べて混合物の圧力の増加により、これらの２種の流体物から圧力エネルギーを回収することができる。本発明による排気装置付圧力ポンプ１１６、１２６の特別な形態は、図３および図４に示されている。これは、燃料および高圧蒸気を、円形の内部導管に導く配送管１１３を有している。内部導管は、流体物を、一部欠けた形をしたトーラス形の覆い付き注入機内に配給する。注入機はだんだんと太さを増しかつ縮小された断面１１９を有しており、この縮小断面の時点で流体物の速度は音速に近づく。ついで断面１１９は下流に向かって徐々に増大する。この装置のおかげで、高圧流体物の潜在的エネルギーの回収率は最大限に伸ばされる。排気装置付圧力ポンプ１２６はまた、図４に従って、半球形の中央部品１２７により実現されてもよく、中央部品１２７には、わずかに広がった形の円錐形頸部１２８につながり、さらに逆円錐形１２９につながっており、外側部分は末広円錐台の形態になっている。本発明はまた、火力発電所のリパワリングにおいて、ガスの動力学的エネルギーを有効化する他のあらゆる形態の排気装置付圧力ポンプをも包括している。排気装置付圧力ポンプ１０６から出る高速で噴射された混合ガスは、次に、有利には、蜂の巣形の特別な触媒塊で成る触媒床１０７を通過する。特殊触媒は粉塵も遊離炭素も出さず、その特別な形態により、低い圧力損失で流出を可能にする。これは燃料の部分酸化反応を安定させるために用いられるもので、反応では７００〜１０００℃、たとえば９００℃に制御された温度の可燃性ガスを発生する。多量の蒸気が煤煙の形成を避けるために注入される。触媒物質の特別な形態は図３の参照番号１７１および１７２により示されている。本発明が提案する触媒１７０は、１〜５ｍｍの正方形断面を有する溝（管）から構成される要素をの平置により成るもので、各要素の長さは１００〜３００ｍｍである。これらの要素は、熱による衝撃に耐久性があり、上記されたように構成されている触媒が含浸されている、薄い仕切りのある硬質担体から成る。触媒の担体は高比表面積を呈する。担体は、特にＮｉに対して活性アルミナ３〜１５重量％、特に白金に対して酸化ジルコニウム０．１〜１重量％をベースにしている。触媒反応器の前記活性でない混合部分１７１は、含浸されていない前記担体１７１で構成されており、前記部分１７１は、反応性ガスを均質に分配し、排気装置付圧力ポンプ１０６の内部で発熱反応が開始するのを防ぐのに役立つ。本発明に従って、他の形態の触媒反応器および他の触媒物質もまた、好ましい実施態様として後に示されているように用意されている。図５に例示されている触媒要素は、上記されたような白金、ロジウムを含む白金およびＰｔ−Ｚｒ合金、パラジウムにより構成されている。図６では、部分酸化触媒の細粒１８０が充填された拡大円筒形反応器１８１を例示している。細粒１７０は円筒形１７７をしており、空洞円筒形１７８または縦筋のある円筒形１７９である。好ましい触媒は、活性物質として活性アルミナ上のニッケル、酸化ジルコニウム上の白金またはパラジウムを伴った耐火性または金属製の担体１７５でつくられている。本発明はまた、火力発電所のリパワリングの場合に、組み合わせ可能な触媒反応器の形態にある他のあらゆる様態法も包括するものである。触媒反応器１０７の出ると、ガスは、偶発的にもたらされる可能性のある粒子を捕らえるための高温フィルター８、および／または紛れ込んだ活性成分を回収する活性物質の無い担体の薄い層１８７を通過する。続いてガスは、発電機または機械装置に連動した出力タービン１０４を通過する。出力タービンは周知の機械である。本発明の範囲内はで、本発明の好ましい利用方法において、タービンの羽による冷却システムを排除できるように、適度の温度で機械を作動させることを予定している。しかし、若干の条件においては、冷却回路を準備し、この場合これに空気の代わりに蒸気を注入する必要があるだろう。出力タービン１０４の出口で１０９で、低圧で温度５５０〜６００℃の、矢印Ｅ方向に噴射されるガスは可燃性ガスであり、従来蒸気式火力発電所のボイラー、または工業的熱設備、さらにまたはセメント工業、ガラス工業、製鋼業における任意の温度で作動する工業的ボイラーまたは炉のような一連の従来型熱装置に供給を行うことが可能である。表２は、本発明に従って部分酸化に適合させた、かつ正味出力２５０MWe の蒸気火力発電所のリパワリングに応用した空気誘導ガスタービンの性能を、参考までに、示したものである。一般的に熱回収装置を有する熱システムを変更する必要はない。その結果有利には適合のための費用はかなり抑えられる。さらに機能はいつでも可逆性があるので、以前の状態に戻すことも可能である。本発明による方法は、特に表の数字で例示されている実施態様に対して、技術的にも経済的にも特に優れた利点がある。その結果、実際、タービンの比出力は上述したように２倍以上になる。さらに、発電所の出力において大きな、すなわち２２％以上の成果が得られる。この値は、１０％に過ぎない従来のガスタービンの値に対して明らかにされるべきものである。さらに、転換費用も非常に低く、ＮＯ_Xの生成もほとんどない。元来空気誘導式のガスタービンは、本発明の場合ではいかなる変更もされることはない。第２の適用は従来の工業用ガスタービンの転換に関するものである。ターボジェットに関して触れた工業的応用の枠内において、あらゆる従来型ガスタービンを本発明による部分酸化に転換することが可能である。しかしこの適合には、図１０および図１２に例示したように、元のガスタービンに変更が加えなければならない。工業用ガスタービンは、図１０および図１３に例示されているように空気圧縮器２０１、一つまたは複数の燃焼室２０２を含む一連の装置からなっており、これら装置のそれぞれでは燃料が非常に過剰の空気で燃焼され、膨張タービン２０３は、空気圧縮器２０１および、交流発電機のような変換発電機５により吸収された機械エネルギーを供給する。本発明による部分酸化の実施は３つの大きな変更と、後に記載する性能を改善を必要とする。第１の変更はガスタービンに取り付けられている燃焼室２０２を、図８および図９に例示されているような部分酸化反応器２０７に取り替えることである。この反応器２０７は、たとえば天然ガスのような高圧燃料および蒸気が供給されている一つまたは複数の排気装置付圧力ポンプ２０６を有している。触媒反応器２０７は補助的な形態を備えており、充分な堅さがあって圧力損失が少ないように蜂の巣状になった特殊な触媒２７０を有している。本発明の特定の態様によれば、反応器２０７内に設けられた前記排気装置付圧力ポンプ２０６は、図８および９に示されているように放射状であり、加圧下の燃料および蒸気が供給される、トロイド状の覆い（vioile）付き注入機からなっている。排気装置付圧力ポンプ２０６は、音速に近い流出速度を確立する頸部２１２を有している。排気装置付圧力ポンプ２０６の断面は、圧力エネルギーを回収するように、流れの方向Ｆに沿って拡大している。もう一つの形態の排気装置付圧力ポンプは、放射状になった素子からなるバッテリーを有している。触媒反応器２０７は蜂の巣状である触媒の構成要素を組み立てたものからできており、この構成要素は、たとえば差し渡し１〜５ｍｍの大きさを有する長方形の溝（管）から構成されている。したがって触媒反応器２０７はガスタービンを取り囲む環状の形態をしている。触媒構成要素は、図９に例示されているように、２７１と２７２の二つの部分に分割されている。２７２の構成要素は、好ましくは５〜１５％の活性アルミおよびニッケル、または上記された他の活性物質によりなる触媒物質で含浸されている。反対に、構成要素２７１は触媒物質によって含浸されていない。この構成要素は、触媒表面に混合ガスを一様に分配し、また排気装置付圧力ポンプ２０６内での発熱反応が起こるのを防ぐためのものである。部分酸化反応器のその他の形態は燃焼室２０２のオリジナルな形態に従って使用されてもよい。実施例１：図１０に例示されている形態を、本発明により図１１および図１２に例示されているサイロ形に代える。この場合、好ましくは、図１１に例示されているように格子により維持されている蜂の巣形の触媒を含む、二つの逆円錐形の反応器２２７を使用してもよい。これらの反応器２１７はまた、図９の、周辺排気装置付圧力ポンプ２１６、および加圧下のガスが供給されるトロイド状の注入機２１５を有している。もう一つの垂直反応器の形態は図１２に示されており、周辺圧縮空気サプライ、混合エジェクタ２２６、および第２リフォーミングとして化学で使用されるような部分酸化触媒層２７２を含む。この場合、火炎２３０は放出機２２６の出口で起こる。実施例２：図１３に例示されているガスタービンの回りに斜めに置かれた円筒形燃焼器のバッテリー。燃焼器は、図１３〜１５による触媒部分酸化反応器２３７により代えられ、これは周辺圧縮空気サプライを含む。排気装置付圧力ポンプ２３６は、図１４による蜂の巣状の、あるいは図１５に例示されているようなバラのリフォーミング触媒２７４による触媒塊に無火炎混合物を供給する。触媒２７２を出ると、ガスは、偶発的に放出された粒子を捕らえるための高温フィルター２３８を通過する。図８による反応器２０７の正確な寸法決定は、部分酸化に転換されるべきガスタービンの特徴により決定する。限定された温度で発生した反応ガスは膨張タービン２０３を通過し、最初の状態に比べて大幅に増加した機械エネルギーを発生させる。従来型のガスタービンの空気圧縮器は、部分酸化方法の機能の確実性をはかるために高すぎる空気質量を供給する。そういうわけで、用意した第２の変更により、本発明は図８に例示されているような補足的な膨張タービン２１４を使用する。これは圧縮器２０１により過剰に発生した空気の流路を変え、こうして圧縮器により過剰に消費された機械エネルギーを回収する。膨張空気は熱の実用化のために助燃物として利用してもよい。ガスタービンの羽の冷却は一般に、空気圧縮器２０１に由来する、羽の中を循環する空気により行われる。そのため、本発明を適用する場合に用意されている第３の変更は、冷却空気をより少ない量の蒸気に代えることである。これはこの冷却空気を節約し、タービン内の可燃性ガスにより引き起こされる内部燃焼を避けることができる。この燃焼は従来の機械では予測されていない。さらに、タービンから取り出される出力は、増加したガス体積を考慮すると顕著に増加しており、ガスの比重は明らかに低くおよそ２０％であり、基本的なパラメーター、特に圧力および温度はほぼ同一に留まっている。さらに、追加出力を吸収するために、機械的変換器または交流発電機の出力を増加する必要があるだろう。既存の工業的タービンに対する本発明によるこれらの変換をすべて合わせると、空気膨張タービンから回収される出力およびタービン出力の増加を考慮して、全体で正味２倍以上の出力につながる。表２は、本発明により、電力２５０ＭＷの蒸気火力発電所の“リパワリング” に適合された従来型の工業ガスタービンの性能を示している。本発明による工業ガスタービンの転換方法は、蒸気およびエネルギー・熱サイクルの火力発電所への適応の場合かなり有利であり、４０〜５０％の出力増大がある。しかしこの適応には元のガスタービンに変更を行う必要がある。同じく、表３によると、タービンの比出力は著しく増加し２倍以上にも達しており、これにより製造コストは明らかに減少する。圧縮すべき全空気量は、周知の進歩したタービンでは化学量論率の３倍であったのが、これではこの化学量論率に近くなっている。表３は、このようなガス・蒸気組合わせサイクルタービン、およびガス・空気・蒸気３重サイクルタービンの性能を表している。第３の適用は、図１６による、特殊構想の部分酸化ガスタービンに関するものである。本発明による特殊ガスタービンは、一段または２段３１１、３２２の空気圧縮器３１０から成り、２段の場合、反応水注入３１５による中間冷却を含む。先の第２の適用において既に記載した、特殊構想の触媒部分酸化反応器３０７が準備されている。反応器３０７において、高圧空気は部分酸化により燃料および高圧で注入された蒸気と反応する。反応ガスは高圧反応器を出て、制御された温度でタービン３０３の中で減圧される。反応器３０７を出たガスタービンは可燃物であり、ＣＯ、Ｈ₂濃度が高い。１０００℃以上の温度でタービン３０３が機能する場合、固定子羽根３１３および回転子羽根３１４を冷却必要がある。本発明によるこの冷却は、従来の方法で、各羽根の間に空気の内部注入を行うことによりこれら羽根の温度を適度に保つ。タービン３０３の内部に戻されたこの冷却空気は反応器３０７から由来するガスと反応し、反応器の漸進的な燃焼に関与する。したがって、ガスの膨張は、タービン３０３の選択された機能上のパラメーター、特に温度、圧力、反応に加えられた蒸気の量による等温法に従う。タービン３０３により戻されたガスは完全に燃焼されて、かなりの高温で使用できる。これにより、後のそのエネルギー潜在力の有効化が容易になる。これらパラメーターを最適に選択すると、システムの圧力を４０〜６０バールの高い圧力にすることになる。冷却空気は空気圧縮器３１０から由来し、回転子羽根３１４に至る内部導管３４０、３６０が、かつ固定子羽根３１３に至る外部導管３８０が要求する圧力にされる。本発明は、最も技術が進んでいるガスタービンのこれまでの性能を大幅に改善するものであり、すなわち、機械的エネルギーの直接転換収率が今まで０．３５〜０．３８の範囲であったのが０．４０〜０．４５に、組合わせサイクルの転換収率が今まで０．５０〜０．５５であったのが０．６２〜０．６５になることが可能である。さらに表３から、機能条件、特にタービンの入り口温度条件は明らかにそれほど厳しいものではないことが分かる。可燃性ガスの部分酸化が組み込まれたシステムは複雑であり、管理に関して、実際に使用されている組合わせシステムよりも複雑でさえある。これらのシステムは、触媒床では、量の観点からも熱レベルでの観点からも、機械的出力および熱における負荷がさまざまに変化するにもかかわらず、触媒床を腐食しうる温度範囲が狭いことが特徴である。手順およびソフトウェア（progiciels）Belsim（有効化、パラメトリックな特定化、シミュレーション、最適化、最適操作）は，アプリケーションであり、このコンピューター技術全体は本発明の枠内で部分酸化に適用される。図１７および図２０は、本システムの使用手段のすべてを図式で例示したものであり、基礎となる基本概念は、ガスタービンサイクルに応用された部分酸化技術の使用における、すなわち上述されたような本発明の使用における実験段階から導き出されたものである。触媒反応の開始は本来気まぐれな段階である。実際、触媒床の頂部の触媒、および反応性ガスの組成にかかわっている。さらに一度創出されると、開始前線は縦に移動しうるので必ずしも一定しない。若干の操作条件に対して、かつ過度的な状態の間、炭素の堆積が観察され、容認しがたい程に圧力の損失を招く。若干の触媒では、この現象は触媒床全体にわたって発生する。ついに水素を使用することになる前に、炭素を堆積させないために必要な水蒸気の量は多すぎる状態になっていて、システム全体を最もよい性能にすることができない。実際、例えば垂直離陸の飛行機のためのように、ガスタービンに蒸気を注入することはその出力を上昇させることが知られているが、この追加出力は低い燃料熱力収率でしか得られない。この出力はモル数の増加を伴うが、気体燃料と水蒸気の間のリフォーミング反応は吸熱性である。したがって、炭素に対する酸素のモル比は追加熱量の要求を満たすために上昇しなければならないが、これは部分酸化によるモル数の増加を一部妨げる。以下の式Ｒ１＝Ｏ₂／Ｃ、Ｒ２＝Ｈ₂Ｏ／Ｃ、Ｒ３＝Ｈ₂／Ｃにより定義されるモル比は、本発明の枠内で、それぞれ０．５５＜Ｒ１＜０．７５、０．８＜Ｒ２＜１．４、０．０３＜Ｒ３＜０．１５により典型的に制限される。比率Ｒ１は、助燃物として濃縮空気または酸素を使用する場合、上述された限界を下回る範囲になる。排気タービンまたは部分酸化反応器から出たガスの一部をリサイクルすることにより、上述の条件を得ることができ、燃料の流量は予め水蒸気に混合されている。水蒸気は主力タービンの可燃性流出物と間接的な交換により生成されるか、または工業現場の蒸気網からもたらされる。交替法は、燃料の一部を採取し、水蒸気または水蒸気の一部に混合して、Ｒ２比率が炭素堆積の危険を取り除くのに充分な高さにするものである。これはこの場合では改質または第１の“リフォーミング”として知られている操作であり、本発明により、部分酸化ガスタービンサイクルに組み合わせられるものである。このリフォーミング反応器の操作条件は、その流出物が必要な量の水蒸気および水素を含んでいることを条件とする。この吸熱反応器への熱量の供給はサイクルの内部それ自体で化学的回収により、または工業現場から由来する外部供給により行われる。実験室の試験で、反応ガスの質は、反応性ガスに水素を添加することにより著しく改善される。これは反応器の出口でのＨ₂／ＣＯ比率が１〜２という、２の理論値にかなり近づいて改善されるためである。これら同じ試験でまた、水素を添加することで、触媒塊の内部の温度の開きを水素を用いないときよりも著しく減少させるため、温度管理を厳重に行うことが可能になることが証明された。基礎となる本発明の補足的な第２の目的は実験に由来するものである。著しく際立ったホットスポットが無い最適パターンは、異なる触媒からなる層を用いることにより達成することができた。若干の場合においては、同じ活性物質を用いたが異なる濃度で用いた。一つ（または複数）のガスタービンのサイクルの内部で、このタイプの技術的解決を取り入れることは以前には検討されたことはなく、システム全体の安定した機能には好ましいことは明らかで、すなわちほとんど不可欠であることが明らかである。基礎となる本発明の補足的な第３の目的は、ガスタービン翼配列の最も近代的な製造技術の分析を基に行われたものである。基礎となる本発明の補足的な第４の目的は、複雑なエネルギーシステムから切り離してまたはこれに組み入れて検討されるガスタービンサイクルの最適化計算に起因するものである。この目的は、これまでのエネルギーシステムの分析方法の力を借りて明らかにされた。その結果の解決策は、基礎となる技術と組み合わせてはまだ適用されていない。追加の４つの目的は、上述された好ましい典型的な３適用方法のそれぞれに応用できることはもちろんである。本出願の範囲は、メタノール、アンモニアのような化学生成物の合成ガスの調製ラインに組み込まれた上記されたタイプのエネルギーシステムにも及ぶことももちろんである。この場合上述の比率は、特に、求められる化学生成物に影響される。本発明はまた、石炭のガス化生成物、プロパン・ブタン（ＣＰＬ）または製油所に配置されているようなその他のガスから補給される一つ（または複数）のガスタービンのサイクルにも有効であることは明らかである。部分酸化は、これが単に空気とだけでなく、酸素に富んだ空気または酸素と共に操作される時さらに適用可能である。図１７〜２０で、参照Ａにより示される矢印は、矢印Ｆで示した流れの方向に従ってシステム内に入る空気を示すものである。参照Ｇにより示される矢印は燃焼室１０２へのガスの取り入れを示し、参照Ｈは構成要素１０７、・・・、３０７への特に配送管１１３を仲介にしたガスの取り入れ、Ｊは図１７および図１８で分かるようにＧ＋Ｈの全体を表す。Ｓは、特に図１９で示されているように水蒸気取り入れとＨ₂水素の取り入れを表している。Ｋはタービン２４３からの流出物である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＵ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＰ，ＫＲ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＶＮ

Claims

【特許請求の範囲】１．ガスタービンサイクルを使用してエネルギーを産出するための少なくとも一つのガスタービンを含むエネルギーシステムであり、このシステム中でサイクルからの排出ガス１０９，２０９，３０９が、残留熱力と協力してかなりの熱エネルギーを有して生成され、サイクルの中では当該ガスタービンは部分酸化を行い、当該ガスタービンが触媒酸化反応器１０７，２０７，３０７の空気圧縮器１０１，２０１，３１０からなり、当該触媒酸化反応器１０７，・・・を動作することによって、衝動タービン１０３，２０３，３０３の高温かつ制御された可燃性ガスの生成を伴う以下の反応Ｃ_nＨ_m＋ｎ／２Ｏ₂＋Ｎ₂→ｎＣＯ＋ｍ／２Ｈ₂＋Ｎ₂ を実現するエネルギーシステムであって、前記熱エネルギーの有効化が排出ガス１０９，・・・の燃焼によりもたらされるにのみならず、燃料の部分酸化が、化学量論量で導入された空気、および前記触媒反応器１０７，・・・内の水蒸気により、第１酸化段階を形成するように行われ、この段階が次に、出力タービン１０４，２０４，３０４内の追加酸化により、前記タービン１０３，・・・の下流またはそれ自体触媒反応器の下流に配置されているこの出力タービンの下流で補われることを特徴とするエネルギーシステム。２．前記有効化がガスタービンおよび蒸気タービン組合わせサイクルを介して、機械的エネルギーの補助生成により行われることを特徴とする請求の範囲第１項記載のシステム。３．前記有効化は、特に熱力コジェネレーションにより行われることを特徴とする請求の範囲第１項によるシステム。４．前記触媒１０７が担体１７５を備えていることを特徴とする請求の範囲第１項、第２項、第３項または第４項によるシステム。５．前記触媒担体１７５は蜂の巣状１７３をしていることを特徴とする請求の範囲第４項記載のシステム。６．前記触媒１０７，・・・は、酸化ジルコニウム上の白金から成る活性物質を含み、前記部分酸化反応器１０７，・・・に隣接する、高圧ガスタービン１０３，・・・から排出される蒸気および空気またはガスとの燃料の部分酸化反応を確実に行うことを特徴とする請求の範囲第４項または第５項記載のシステム。７．活性物質は、活性アルミナ上のニッケルにより代えられることを特徴とする請求の範囲第６項記載のシステム。８．活性物質は、連続要素を有する金網状のロジウムを含む白金により代えられることを特徴とする、請求の範囲第６項記載のシステム。９．担体物質は耐火性金属からなることを特徴とする請求の範囲第４項または第５項記載のシステム。 10．耐火性金属は、ニッケル・クロムタイプの合金からなることを特徴とする請求の範囲第９項によるシステム。 11．前記触媒担体は、他の金属酸化物が添加された物質からなることを特徴とする請求の範囲第７項、第８項、第９項または第１０項記載のシステム。 12．前記担体は、Ｐｔ−ＺｒＯ２上に担持された活性成分を伴う無機高分子を主成分としていること特徴とする、請求の範囲第７項または第８項記載のシステム。 13．１または２以上の触媒１７１，１７２，・・・および前記触媒担体から形成される触媒全体はほぼ円筒形であり、蜂の巣状をしていることを特徴とする請求の範囲第１２項記載のシステム。 14．触媒反応器１０７，・・・は少なくとも２つの触媒層１７１，１７２；２７１，２７２；・・・を有していることを特徴とする請求の範囲第１項、第２項または第３項記載のシステム。 15．前記触媒層はガスの流出方向Ｆに従って連続して配置され、上流側の層１７１は不活性および下流側の層１７２は活性であり、この層内で反応が行われることを特徴とする請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、第５項、第６項、第７項、第８項、第９項、第１０項、第１１項、第１２項、第１３項または第１４項記載のシステム。 16．触媒反応器１０７，・・・は触媒７の下流に配置されたフィルター８を有することを特徴とする請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、第５項、第６項、第７項、第８項、第９項、第１０項、第１１項、第１２項、第１３項、第１４項または第１５項記載のシステム。 17．前記フィルター８は取り外し可能であることを特徴とする請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、第５項、第６項、第７項、第８項、第９項、第１０項、第１１項、第１２項、第１３項、第１４項、第１５項または第１６項記載のシステム。 18．排気装置付混合圧力ポンプ１０６，２０６，３０６を有し、必要があれば、前記固定床不活性層内にガス供給機を伴っており、もう一方の層は部分酸化触媒から成ることを特徴とする特徴とする請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、第５項、第６項、第７項、第８項、第９項、第１０項、第１１項、第１２項、第１３項、第１４項、第１５項、第１６項または第１７項記載のシステム。 19．排気装置付混合圧力ポンプ１０６，・・・は２重円錐形であることを特徴とする請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、第５項、第６項、第７項、第８項、第９項、第１０項、第１１項、第１２項、第１３項、第１４項、第１５項、第１６項、第１７項または第１８項記載のシステム。 20．前記部分酸化反応器１０７は、部分酸化に適合した航空学型ガスタービンに組み込まれていることを特徴とする請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、第５項、第６項、第７項、第８項、第９項、第１０項、第１１項、第１２項、第１３項、第１４項、第１５項、第１６項、第１７項、第１８項または第１９項記載のシステム。 21．前記触媒反応器はほぼ円筒形であり、好ましくは白金による金属網を有して水平に配置されていることを特徴とする請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、第５項、第６項、第７項、第８項、第９項、第１０項、第１１項、第１２項、第１３項、第１４項、第１５項、第１６項、第１７項、第１８項、第１９項または第２０項記載のシステム。 22．前記触媒反応器はほぼ円筒形であり、水平に配置されていること、かつ反応器は、バラで格子により維持されている部分酸化触媒を含む拡大された断面を有することを特徴とする請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、第５項、第６項、第７項、第８項、第９項、第１０項、第１１項、第１２項、第１３項、第１４項、第１５項、第１６項、第１７項、第１８項または第１９項記載のシステム。 23．部分酸化触媒２０７は工業用ガスタービンに適用されており、システムにおいて反応器２０７はガスタービンを取り巻いて配置されたほぼ環状円錐形であることを特徴とする特徴とする請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、第５項、第６項、第７項、第８項、第９項、第１０項、第１１項、第１２項、第１３項、第１４項、第１５項、第１６項または第１７項記載のシステム。 24．タービンに適合される前記反応器の形態は、排気装置付圧力ポンプ２重円錐形混合機のサイロの頂部に配置されたサイロ形であり、サイロ自体が円筒形の中に触媒を有してなる請求の範囲第２３項記載のシステム。 25．部分酸化触媒層の上に乗ったバーナーを含む垂直円筒形サイロ２２７を特徴とする請求の範囲第２４項記載のシステム。 26．前記部分酸化反応器３０７は、高圧力に付される作動条件付きで、特殊構想ガスタービンに適合されていることを特徴とする請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、第５項、第６項、第７項、第８項、第９項、第１０項、第１１項、第１２項、第１３項、第１４項、第１５項、第１６項、第１７項、第１８項または第１９項記載のシステム。 27．排気装置付圧力ポンプ混合機全体は放射状をしており、環状可燃性ガス注入機を有していることを特徴とする請求の範囲第２６項記載のシステム。 28．排気装置付圧力ポンプ１１６の縦断面は頸部１１９の高さで丸みのある形をしていることを特徴とする請求の範囲第２７項記載のシステム。 29．前記排気装置付圧力ポンプは、ほぼ放射状をの環状形のベンチュリ管型の全体からなり、前記トーラス形注入機１５による供給を伴うことを特徴とする請求の範囲第１８項、第１９項、第２０項、第２１項、第２２項、第２３項、第２４項、第２５項、第２６項または第２７項記載のシステム。 30．反応開始剤は、前記触媒酸化反応器１０７，２０７，３０７の入り口に設けられてなることを特徴とする請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、第５項、第６項、第７項、第８項、第９項、第１０項、第１１項、第１２項、第１３項、第１４項、第１５項、第１６項、第１７項、第１８項、第１９項、第２０項、第２１項、第２２項、第２３項、第２４項、第２５項、第２６項、第２７項、第２８項または第２９項記載のシステム。 31．前記開始剤は一定量の水素によりなることを特徴とする請求の範囲第３０項記載のシステム。 32．水素は、以下の式Ｒ１＝Ｏ₂／Ｃ、Ｒ２＝Ｈ₂Ｏ／Ｃ、Ｒ３＝Ｈ₂／Ｃ、により決定されるモル比の３重項により準備され、該式において、モル比のそれぞれは所定の値を有し、それぞれ０．５５〜０．７５、０．８〜１．４、０．０３〜０．１５であることを特徴とする請求の範囲第３１項記載のシステム。 33．前記反応器１０７，・・・の出口における、式Ｈ₂／ＣＯにより決定されたモル比は、好ましくはほぼ２に近い１．５〜２であることを特徴とする請求の範囲第３０項または第３１項記載のシステム。 34．水素は、前記反応器１０７，・・・の下流で採取されたガスの一部のリサイクルによりシステムそれ自体から得られ、燃料の流量は予め水蒸気と混合されていることを特徴とする請求の範囲第３０項、第３１項、第３２項または第３３項記載のシステム。 35．水素は、前記部分酸化ガスタービンと、出力タービン１０４，・・・の流出物１０９，・・・と間接的に熱を交換する小型サイズ転換反応器１０７，・・・との組み合わせから得られることを特徴とする請求の範囲第３０項、第３１項、第３２項または第３３項記載のシステム。 36．異なる触媒塊は、異なる性質および／または活性の積み重ね層によって組み立てられていることを特徴とする請求の範囲第３０項、第３１項、第３２項、第３３項、第３４項または第３５項記載のシステム。 37．前記触媒層は異なる濃度の同じ活性物質を含んでいることを特徴とする請求の範囲第３項記載のシステム。 38．反応器下流のガスタービン翼配列上に、触媒被覆が設けられなることを特徴とする請求の範囲第３０項、第３１項、第３２項、第３３項、第３４項、第第３５項、第３６項または第３７項記載のシステム。 39．排気装置付圧力ポンプ１０３および１または複数のの高圧可燃性ガスと上流のタービン１０３ら出るガスおよび蒸気とで供給される触媒１７０を有し、出力タービン１０４に供給される可燃性ガスを生成する高温で出力タービンを出たガスは第２次熱応用において燃焼に付されるためのものであって、高圧タービン１０３の出口に配置された部分酸化反応器の使用を特徴とする請求の範囲第１項〜第３８項記載の部分酸化方式の航空学型ガスタービン、特に請求の範囲第２０項記載のシステムへの適合方法。 40．反応器が排気装置付圧力ポンプ２０６および、加圧下の燃料および蒸気と圧縮器２０１を出た空気とが供給される触媒２７０を有す請求の範囲第３９項により、燃焼機の代わりに部分酸化反応器２０７の使用を特徴とする、あらゆる型の工業用ガスタービンの部分酸化方法への適合方法。 41．水素を注入機１１３，・・・から導入することを特徴とする請求の範囲第３０項、第３１項、第３２項、第３３項、第３４項、第３５項、第３６項または第３７項に従属する場合の請求の範囲第３９項または第４０項記載の方法。 42．反応器１０７，・・・を出た反応器のガスが空気圧縮器および変換電動機の駆動に必要なエネルギーを供給する膨張タービンに補給を行い、出力タービンを出たガスが高温で使用することが可能であり、当該ガスが第２次熱応用で燃焼され、過剰圧縮空気の膨張タービンが元の空気圧縮器により使用され、羽根の冷却が空気の代わりに蒸気で行われることを特徴とする請求の範囲第３９項記載の方法。 43．圧縮器２０１に由来する過剰圧縮空気は対応する膨張タービン２０３内で減圧されて、使用された圧縮エネルギーのかなりの部分が回収され、前記過剰がタービン２４３での膨張前に予備加熱されることを特徴とする請求の範囲第４２項記載の方法。 44．前記予備加熱のための熱供給は、出力タービン２０４の排出ガス２０９の一部の燃焼に由来する蒸気内で間接交換により得られることを特徴とする請求の範囲第４３項記載の方法。 45．予備加熱は、４００〜５００℃、好ましくは２４０〜４７０℃、さらに好ましくは４５０℃前後の温度範囲で行われることを特徴とする請求の範囲第４２項または第４３項記載の方法。 46．３０〜６０バールの高圧空気を産出して、反応水の注入による中間冷却を伴う１段または２段空気圧縮器１０１，・・・、空気、蒸気、燃料が供給され、非常に高温で可燃性ガスを生成する部分酸化反応器、反応ガスの膨張タービンの使用によって特徴づけられ、該タービンの羽根が反応ガスの助燃物としても使用された空気により後に冷却され、該反応ガスが膨張の間漸進的に燃焼され、該膨張が等温になり、羽根の冷却空気は内部配送管から採取されたおよび圧縮器１０１，・・・から出たものであり、排出１０９，・・・からのガスは、したがって可燃性成分がほとんどなく、かつ熱応用に使用可能な極めて高い温度である、請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、第５項、第６項、第７項、第８項、第９項、第１０項、第１１項、第１２項、第１３項、第１４項、第１５項、第１６項、第１７項、第１８項、第１９項、第２０項、第２１項、第２２項、第２３項、第２４項、第２５項、第２６項、第２７項、第２８項、第２９項、第３０項、第３１項、第３２項、第３３項、第３４項、第３５項または第３６項記載のシステム内で使用すべき特殊構想の部分酸化ガスタービン。 47．特に、あらゆる状態のさまざまな流体を永続的に制御できる、反応器の厳格な（数学的）モデルに基づき、常に部分酸化反応の熱力学的特性に適合した方法で、リアルタイムの圧力、温度というパラメーターを考慮した、空気、燃料、水、蒸気のさまざまな流出物の調節方法の使用を特徴とする請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、第５項、第６項、第７項、第８項、第９項、第１０項、第１１項、第１２項、第１３項、第１４項、第１５項、第１６項、第１７項、第１８項、第１９項、第２０項、第２１項、第２２項、第２３項、第２４項、第２５項、第２６項、第２７項、第２８項、第２９項、第３０項、第３１項、第３２項、第３３項、第３４項、第３５項または第３６項記載のシステム。