(57)【要約】      （修正有）【課題】燃焼排気ガスの窒素酸化物を低減する。【解決手段】燃焼排気ガス流が導入される触媒床を有する選択触媒反応器（ＳＣＲ）アセンブリと、燃焼排気ガスをＳＣＲアセンブリに導入するための排気ガス導管と、燃焼排気ガスがＳＣＲアセンブリから出る前に冷却水を燃焼排気ガスに導入するための１以上のノズルと、燃焼排気ガスがＳＣＲアセンブリから出る前に１種以上の還元剤を燃焼排気ガスに導入して還元剤／排気ガス混合物を形成するための１以上の還元剤導管とを備える。触媒床を有するＳＣＲアセンブリ内に燃焼排気ガスを導入し、燃焼排気ガスがＳＣＲアセンブリから出る前に燃焼排気ガスに冷却水を導入し、燃焼排気ガスがＳＣＲアセンブリから出る前に燃焼排気ガスの温度を低下させ、燃焼排気ガスがＳＣＲアセンブリから出る前に燃焼排気ガスに１種以上の還元剤を導入して還元剤／排気ガス混合物を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼排気ガス流が導入される触媒床を有する選択触媒反応器アセンブリと、
燃焼排気ガスを前記選択触媒反応器アセンブリに導入するための排気ガス導管と、
燃焼排気ガスが前記選択触媒反応器アセンブリから出る前に、冷却水を燃焼排気ガスに導入するための１以上のノズルと、
還元剤／排気ガス混合物が形成されるよう、燃焼排気ガスが前記選択触媒反応器アセンブリから出る前に、１種以上の還元剤を燃焼排気ガスに導入するための１以上の還元剤導管とを備える、燃焼排気ガスの窒素酸化物を低減させるためのシステム。
【請求項２】
前記１以上のノズルが、排気ガス導管内で選択触媒反応器アセンブリの上流側にある、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記１以上のノズルを含み、冷却水を燃焼排気ガスに導入するよう第１アレイとして配置された複数のノズルをさらに備える、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記還元剤導管が、１種以上の還元剤を燃焼排気ガスに導入するよう第１ノズルアレイの下流側に第２アレイとして配置された複数のノズルを有する、請求項３記載のシステム。
【請求項５】
第１ノズルアレイ内の複数のノズル及び／又は第２ノズルアレイ内の複数のノズルが、排気ガス導管内にほぼ均等に分布する、請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記１以上のノズルが、排気ガス導管内で、還元剤／排気ガス混合物が触媒床に到達する前に、冷却水が部分的又は完全に蒸発するのに十分な距離だけ選択触媒反応器アセンブリより上流に位置する、請求項２記載のシステム。
【請求項７】
前記排気ガス導管が半径方向を有し、
前記１以上のノズルが、前記排気ガス導管内で、還元剤／排気ガス混合物が触媒床に到達する前に、前記排気ガス導管の半径方向に温度及び／又は還元剤がほぼ均一に分布した還元剤／排気ガス混合物を準備するのに十分な距離だけ前記選択触媒反応器アセンブリより上流に位置する、請求項２記載のシステム。
【請求項８】
触媒床を有する選択触媒反応器アセンブリ内に燃焼排気ガスを導入すること、
燃焼排気ガスが前記選択触媒反応器アセンブリから出る前に燃焼排気ガスに冷却水を導入すること、
燃焼排気ガスが前記選択触媒反応器アセンブリから出る前に燃焼排気ガスの温度を低下させること、及び
燃焼排気ガスが選択触媒反応器アセンブリから出る前に燃焼排気ガスに１種以上の還元剤を導入して還元剤／排気ガス混合物を形成することを含む、燃焼排気ガス流の窒素酸化物を低減させるための方法。
【請求項９】
前記冷却水及び１種以上の還元剤が、ほぼ同時に燃焼排気ガスに導入される、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記選択触媒反応器アセンブリの上流で燃焼排気ガス温度を監視すること、
燃焼排気ガスが前記選択触媒反応器アセンブリから出る前に燃焼排気ガスの温度を低下させるために必要な冷却水の量を算出すること、及び
前記算出の後に、燃焼排気ガスに導入する冷却水の量を調節することを含む、請求項８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減に関し、特に選択触媒還元（ＳＣＲ）システムによる、単純サイクルガスタービンの排気ガスに含まれるＮＯｘの低減に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン燃焼器の動作において、使用燃料と、燃焼中の周囲窒素固定との両方に由来する窒素化合物が、燃焼器排気ガス（排ガスとも称する）中に存在するＮＯｘとなる。ＮＯｘ制御に関する規制が世界規模でますます厳しくなっており、燃焼タービンにおけるＮＯｘ排出量を最小限に抑えることが重要である。
【０００３】
ＮＯｘ排出量を低減させるための解決策の１つとして、ＳＣＲシステムがある。このシステムでは、排気ガス流が、窒素酸化物及び還元剤を選択的に吸収する触媒床を通過する前に、一般的にはアンモニア又は尿素である還元剤を排気ガス流に添加する。吸収された成分は触媒表面上で化学反応し、ここでの反応生成物は脱離する。アンモニアを用いたＮＯｘ還元で生じる反応は一般的に、以下の化学量論的反応式で表される。
【０００４】
４ＮＯ＋４ＮＨ3＋Ｏ2→４Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ
２ＮＯ2＋４ＮＨ3＋Ｏ2→３Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ
ＮＯ＋ＮＯ2＋２ＮＨ3→２Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ
ＳＣＲシステムにおいて、触媒の反応度は、触媒反応器に導入される排ガス温度に応じて決まる。ガスタービンの出口での排ガス温度は一般的に約１２００°Ｆであるが、ＳＣＲは通常、約６００°Ｆ〜約８５０°Ｆで効率的に動作するように設計されている。ガスタービン出口での排ガス温度が設計温度範囲から外れると、ＳＣＲ触媒変換効率が低下する。従って、ＮＯｘの変換率を維持するためには、より多量のアンモニア又は触媒が必要となり、結果的にコストが高くなる。
【０００５】
排気ガスをＳＣＲの動作温度範囲内まで冷却するために、次の２つの構造が一般的であった。かかる構造の１つ目は、排気導管内に熱交換器を使用して排ガスを冷却するもので、その代表的な一例が特許文献１に開示されている。熱交換器では、熱を抽出することによって排気ガス温度を反応範囲内まで低下させるとともに、この熱を利用して、ガスタービン内のいずれかの場所で利用する蒸気を発生させる。このタイプの構造は、ベース負荷動作用に用いる複合サイクルガスタービンには適用可能であるが、空間及びコストに関してより厳しい制約があるピーク負荷動作用に一般的に用いる単純サイクルガスタービンには、あまり好適ではない。
【０００６】
単純サイクルタービン及び複合サイクルタービンの両方に適用可能な別の構造として、排気ガスを周囲空気と混合することによって冷却するものがある。空気ファン及び注入開口を用いて、周囲空気が、排気ガス流によって生じる背圧に逆らって排気ガス導管内へ吹き込まれる。排気ガス温度を反応範囲内まで低下させるために必要な空気量は一般的に、排気ガスの体積の約４０〜５０％である。冷却材の量が多過ぎると、設置及び動作コストが増加するとともに、システム全体の圧力降下が大きくなるので、タービン効率が低下する。排気ガスと多量の空気との混合が不十分であると、触媒床全体の温度分布が不均一になる可能性がある。加えて、重大な動作変動をもたらす周囲条件及び排気ガス温度の変化に適応できるよう、空気流量を広範囲に調節する必要があろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４３５３２０７号明細書
【特許文献２】米国特許第６６０９４８３号明細書
【特許文献３】米国特許第５５５５８４９号明細書
【特許文献４】米国特許第７０６９７１６号明細書
【特許文献５】米国特許第５５５５７１８号明細書
【特許文献６】米国特許第６７３７０３２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、燃焼器排気ガスをＳＣＲにおけるＮＯｘ低減に適した温度範囲に冷却するためのより効果的なシステムが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題を解決するために、本発明の例示的な実施形態において、燃焼排気ガスの窒素酸化物を低減させるシステムを開示する。このシステムは一般的に、燃焼排気ガス流が導入される触媒床と、排気ガスをＳＣＲアセンブリに注入するための排気ガス導管と、燃焼排気ガスが選択触媒反応器アセンブリから出る前に燃焼排気ガスに冷却水を導入するための１以上のノズルと、燃焼排気ガスが選択触媒反応器アセンブリから出る前に１種以上の還元剤を燃焼排気ガスに導入して還元剤／排気ガス混合物を形成するための１以上の還元剤導管とを備える。
【００１０】
本発明の他の実施形態において、排気ガス流の窒素酸化物を低減させる方法を開示する。この方法は、触媒床を有するＳＣＲアセンブリ内へ燃焼排気ガスを導入すること、燃焼排気ガスが選択触媒反応器アセンブリから出る前に燃焼排気ガスに冷却水を導入すること、燃焼排気ガスがＳＣＲアセンブリから出る前に燃焼排気ガスの温度を低下させること、及び燃焼排気ガスがＳＣＲアセンブリから出る前に燃焼排気ガスに１種以上の還元剤を導入して還元剤／排気ガス混合物を形成することを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明による、冷却水及び還元剤用に個別のノズルを備えるＮＯｘ低減システムの概略図である。
【図２】本発明による、複数の排気ガス導管区画を選択的に有するＮＯｘ低減システムと、ノズル位置決めの代替的実施形態を示す概略図である。
【図３】本発明による、複数の温度センサ及びＮＯｘセンサ及び制御装置を備えるＮＯｘ低減システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以上に要約したように、本発明の実施形態は、燃焼排気ガス内に存在するＮＯｘ量を低減するシステム及び方法を包含する。これらシステム及び方法は包括的に、冷却水を燃焼排気ガス内へ噴霧することによって、排気ガス流温度をＳＣＲアセンブリの動作温度範囲内まで低下させることを含む。ＮＯｘ排出を完全になくすことが好ましいが、ＮＯｘ排出量の低減はいずれも、本発明の範囲内にあると考えられる。本発明の実施形態は、動作温度が約６００°Ｆ〜約８５０°Ｆである中程度の高温ＳＣＲ（ＨＴＳＣＲ）を用いる単純サイクルガスタービンに好適である。
ＮＯｘ低減システム
図１に示す本発明の特定の実施形態は、ＳＣＲアセンブリ１６を含む。ＳＣＲアセンブリ１６は、燃焼排出ガス１２の流れが導入される触媒床（図示せず）と、燃焼排気ガス１２をＳＣＲアセンブリ１６に導入するための排気ガス導管１４と、燃焼排気ガス１２がＳＣＲアセンブリ１６から出る前に、冷却水を燃焼排気ガス１２に導入するために第１アレイ２２として配置された１以上のノズル又は複数のノズルと、燃焼排気ガス１２がＳＣＲアセンブリから出る前に、１種以上の還元剤を燃焼排気ガス１２に導入し、それによって還元剤／排気ガス混合物を形成するために第２アレイ２４として配置された１以上の還元剤導管又は複数の還元剤導管とを備える。燃焼排気ガスは、ＮＯｘ除去ガス１８としてＳＣＲアセンブリから出る。より特定された実施形態では、ノズル又は第１アレイ２２の複数のノズルは、排気ガス導管１４内でＳＣＲアセンブリ１６の上流側にある。別の実施形態によれば、１以上の還元剤導管又は第２アレイ２４の複数の還元剤導管は、排気ガス導管１４内でＳＣＲアセンブリ１６の上流側にある。より特定された実施形態では、還元剤導管又は第２アレイ２４の複数の還元剤導管は、排気ガス導管１４内で１以上のノズルの下流側にある。別の実施形態では、還元剤導管は、還元剤を燃焼排気ガス１２に導入するための１以上の注入パイプを有する。注入パイプは、全体又は一部分が還元剤透過性の材料で形成されてもよく、又は注入パイプは、還元剤を通過させるための複数の開口を有してもよい。
【００１３】
本発明の実施形態は、さまざまな供給源からのＮＯｘ排出量を低減させるために有用であるが、図１の実施形態は、ガスタービンでの使用に特に好適である。従って、図１の実施形態の排気ガス導管１４は、燃焼ガスタービン（図示せず）から燃焼排気ガス１２を受け取る。本発明は、これに制限されることはないが、単純サイクル燃焼ガスタービンでの使用に特に好適である。
【００１４】
図１に示すように、本発明の一実施形態は、冷却水を冷却水スキッド５０から燃焼排気ガス１２に導入するために第１アレイ２２として配置された複数のノズルをさらに有する。特定の実施形態では、還元剤導管を１以上のノズル又は第１アレイ２２に接続してもよい。より特定された実施形態では、還元剤及び冷却水は、ほぼ同時に燃焼排気ガス１２に導入される。別の実施形態では、図１に示すように、還元剤導管又は複数の還元剤導管は、還元剤を還元剤スキッド４０から燃焼排気ガス１２に導入するために第２アレイ２４として配置された複数のノズルも有する。第２アレイ２４は、第１アレイ２２の下流側に位置してもよい。より特殊な実施形態では、第１アレイ２２及び第２アレイ２２の各々が、排気ガス導管１４の横断面全体に及ぶ。
【００１５】
燃焼排気ガス１２は、排気ガス導管１４を通ってＳＣＲアセンブリ１６へ移動する。排気ガス導管１４は、様々な寸法及び形状の区画を複数、選択的に有してもよい。当業者であれば、これらに制限されないが、排気ガス、冷却水及び還元剤の量、排気ガス流の温度及び速度、コスト及び空間的制約を含めたファクタに基づいて、特定のＮＯｘ低減システムに適する排気ガス導管１４を設計することができる。図２に示す特定の実施形態によれば、還元剤及び冷却水は、１以上のノズル又は複数のノズルを有する１以上の複合アレイ２６を使用して、燃焼排気ガス１２への導入前に混合器２８において混ぜ合わされてもよい。第１アレイ２２及び／又は第２アレイ２４及び／又は複合アレイ２６は、排気ガス導管１４の任意の適当な部分内に配置されても、排気ガス導管１４の横断面全体に及ぶように異なった平面上に配置されてもよい。当業者であれば、これらに制限されないが、冷却水及び排気ガス流の速度、選択ＳＣＲアセンブリの動作有効温度範囲及び排気ガス導管１４の寸法を含めたファクタに基づいて、アレイ（複数可）の設置場所を適宜決定することができる。
【００１６】
一実施形態では、図２に示すように、排気ガス導管１４は、第１直径の入口区域１４ａと、第１直径より大きい第２直径の最終区域１４ｃと、入口区域１４ａを最終区域１４ｃに接続する漸増直径の移行区域１４ｂとを有する。図２は、第１アレイ２２又は第２アレイ２４又は複合アレイ２６を配置できる場所の複数の代替実施形態を示す。特定の実施形態では、アレイ２２、２４又は２６のいずれも、排気ガス導管１４の移行区域１４ｂの全高に及ぶように角度αをなして移行区域１４ｂ内に設置してよい。アレイにより、移行区域１４ｂ内での燃焼排気ガス１２の減速がスムーズになり、それによって触媒床の上流側の流れ分布がより均一になると考えられているが、その効果はこれらに限られない。分布をより均一にすること、及び燃焼排気ガス１２が触媒床に入る前に混合及び冷却を行うための距離を余分にとっておくことにより、触媒寿命が長くなる。別の実施形態では、排気ガス導管１４の横断面全体に及ぼすために必要なノズルの数を最小限に抑えるために、アレイ２２、２４又は２６のいずれかを入口区域１４ａ内に設置してもよい。アレイを排気ガス導管１４内のさらに上流に配置することにより、触媒床に到達する前に冷却水及び／又は還元剤の混合及び蒸発を行うための距離が増加するか、短い排気ガス導管１４でも混合、冷却及び蒸発を行うのに十分な距離を備えることができる。
【００１７】
第１アレイ２２及び／又は第２アレイ２４及び／又は複合アレイ２６は、任意の適当数のノズルを有してもよく、また任意で適宜配置されてもよい。触媒床全体を十分に利用するために、燃焼排気ガス１２は、排気ガス導管１４の半径方向に均一な温度及び還元剤分布を有する。排気ガス導管１４の半径方向は、図１に示す燃焼排気ガス１２の流れに対する垂直である。均一性を高めるために、本発明の特定の実施形態では、第１アレイ２２及び／又は第２アレイ２４の複数のノズルは、排気ガス導管１４内にほぼ均等に分布している。本明細書で使用する「ほぼ均等に分布する」ことは、ノズルが第１アレイ２２及び／又は第２アレイ２４の一方又は両方の軸に沿って互いにほぼ等距離にあることを意味する。
【００１８】
特定の実施形態では、第１アレイ２２及び／又は第２アレイ２４及び／又は複合アレイ２６は、約１〜約５００ノズル、約１０〜約３００ノズル、又は約５０〜約２００ノズルを有してもよい。より特殊な実施形態では、複数のノズルは、冷却水及び／又は還元剤を、平均直径が約０．１ｍｍ未満である粒子として燃焼排気ガス１２に導入することができる圧力噴霧ノズルである。冷却水粒子が細かいほど、燃焼排気ガス１２内での冷却及び高速蒸発が促進されると考えられるが、その効果はこれに限られない。当業者であれば、これらに限られることなく、ＮＯｘ低減システム全体での圧力低下、流線形状、及び排気ガス導管の寸法を含めたファクタに基づいて、ノズルの選択又は設計を適宜行うことができる。
【００１９】
図３に示す別の実施形態では、還元剤スキッド４０は、還元剤タンク４２、還元剤を還元剤タンクから汲み出すための冷却剤ポンプ、冷却剤の流量を制御するための冷却剤弁４６、及び冷却剤を部分的又は全体的に蒸発させるための蒸発室４８の少なくとも１つを有する。ＮＯｘ除去排気ガス１８の少なくとも一部分は、還元剤の加熱を助けるために蒸発室４８に再循環されてもよい。図３に示すさらに別の実施形態では、冷却水スキッド５０は、冷却水供給源５２、冷却水を冷却水供給源から汲み出すための水ポンプ５４、冷却水の流量を制御するための水弁５６、冷却水内の汚染物質又はミネラルのレベルを低下させるためのフィルタ５８、及び冷却水を加熱するための加熱器６０（又は熱交換器）の少なくとも１つを有する。
【００２０】
「冷却水」という用語は、ここでは液状の水及び蒸気を含むものとして用いられている。「還元剤」という用語は、ここでは、これらに制限されないが、二酸化窒素及び二酸化硫黄を還元するための薬剤を含む、ガスタービン排気ガス流に含まれる汚染物質を減少させるためにＳＣＲアセンブリにおいて使用される任意の還元剤を意味するものとして用いられている。特定の実施形態によれば、還元剤として、アンモニア、尿素又はその組み合わせがある。還元剤は、蒸気又は液体の状態で保管及び／又は燃焼排気ガス１２内に導入されてもよい。
【００２１】
一実施形態では、加熱器又は熱交換器を用いて、冷却水が燃焼排気ガス１２に導入される前に、冷却水の温度を少なくとも約６０°Ｆに上昇させてもよい。別の実施形態では、冷却水を、燃焼排気ガス１２に導入する前に、少なくとも約２５０°Ｆに加熱される。冷却水の加熱により、排気ガス導管１４内の水及び／又は還元剤液滴の蒸発が加速する。より特殊な実施形態では、第１アレイ２２、第２アレイ２４又は複合アレイ２６の上流での燃焼排気ガス１２の流れを流線形になり易くするために、加熱器を直接的に排気ガス導管１４内に設置してもよい。別の実施形態では、冷却水を、燃焼排気ガス１２に導入する前に、少なくとも約５０ｐｓｉに加圧してもよい。さらに別の実施形態では、冷却水及び還元剤を、同一ポンプを用いて燃焼排気ガス１２に導入する。
【００２２】
ＮＯｘ低減システムに流入する燃焼排気ガス１２の温度は、ガスタービンの動作状態次第で変化する。図３に示す一実施形態では、システムは、ＳＣＲアセンブリ１６の出口の近く又はその下流側でＮＯｘ除去排気ガス１８の温度を監視するために１以上の温度センサ３４をさらに有してもよい。システムはまた、ＳＣＲアセンブリ１６の近く又はその下流側でＮＯｘ除去排気ガス１８のＮＯｘレベルを監視するために１以上のＮＯｘセンサ３６をさらに有してもよい。さらに特定された実施形態では、制御装置３２を用いて、ＮＯｘ除去排気ガス１８の温度及び／又はＮＯｘレベルを受信して、検出した温度及び／又はＮＯｘレベルに応じて冷却水及び／又は還元剤の流量を調節してもよい。別の実施形態では、温度センサ３４及び／又はＮＯｘセンサ３６を排気ガス導管１４の入口の近くに設置してもよい。さらに別の実施形態では、温度センサ３４及び／又はＮＯｘセンサ３６をＳＣＲアセンブリ１６の入口の上流側又はその近傍に設置してもよい。その場合、制御装置により、燃焼排気ガス１２について検出されたＮＯｘレベルに対応するために必要な還元剤の化学量論的レベルに基づいて、還元剤の流量が制御される。燃焼排気ガス１２に導入中の冷却水及び還元剤の流量を調節するための追加信号を発生するために、さらにＳＣＲアセンブリ内に温度センサ３４及び／又はＮＯｘセンサ３６設置してもよい。
【００２３】
燃焼排気ガス１２内のＮＯｘレベルの触媒還元効率は、触媒床上で反応する還元剤／排気ガス混合物の温度分布及び還元剤分布の両方によって決まる。一実施形態では、システムは、還元剤分布及び温度分布をより均一にするために、排気ガス導管１４内で燃焼排気ガス１２を還元剤及び冷却水と混合する手段をさらに有する。燃焼排気ガス１２を還元剤及び冷却水と混合するのに好適な手段は、当業者には既知である。そのような混合手段として例えば、これらに制限されないが、１以上のノズルの上流側又は下流側に設置された旋回翼又は羽根、縮小流体通路、静止ミキサ、乱流発生グリッド及び穿孔スクリーンが含まれる。
【００２４】
液状の水の比熱値は、空気の約４倍であり、蒸気の比熱値は、空気の約２倍である。従って、燃焼排気ガス１２の温度を低下させるために必要な水の量は、温度を等量だけ低下させるために必要な空気量に比べて少ない。さらに、液体の水が蒸気に変化するとき、蒸発の熱消費が、燃焼排気ガス１２をさらに冷却する。このため、特定の実施形態では、１以上のノズルは、排気ガス導管１４内で、還元剤／排気ガス混合物が触媒床に入る前に、冷却水が部分的又は完全に蒸発するのに十分なだけＳＣＲアセンブリ１６より上流に位置してもよい。例えば、一実施形態では、１以上のノズル及びＳＣＲアセンブリ１６間の距離は、約３フィート以上、約１０フィート以下である。特定の実施形態では、冷却水は、排気ガス導管１４に入る前に、ノズル内で完全に蒸発する。他の実施形態では、冷却水が排気ガス導管１４に入る前に冷却水が蒸発することを防止するために、ノズルを断熱してもよい。上述したように、当業者であれば、これらに制限されないが、冷却温度、排気ガス導管の長さ、及びノズル及びＳＣＲアセンブリ間の距離を含めたファクタに基づいて、１以上のノズルの最適位置を決定することができる。
【００２５】
本明細書では、冷却水及び／又は還元剤を、排気ガスがＳＣＲアセンブリから出る前の任意の時点で排気ガス内に導入してもよいと考えているが、当業者であれば、一般的に冷却水及び／又は還元剤は、触媒床に入る前に排気ガス内に導入されるべきであることが理解できよう。特定の実施形態では、１以上のノズルは、排気ガス導管１４内で、還元剤／排気ガス混合物がＳＣＲアセンブリ１６及び／又は触媒床に入る前に、排気ガス導管１４の半径方向に温度及び／又は冷却剤がほぼ均一に分布した還元剤／排気ガス混合物を準備するのに十分なだけＳＣＲアセンブリ１６から上流側に配置されてもよい。
【００２６】
さらに別の実施形態では、当業者には既知である他の冷却方法を組み合わせることによって、燃焼排気ガス１２の温度を低下させてもよい。例えば、一実施形態では、最初に燃焼排気ガス１２を空気で冷却し、次に上述の実施形態で開示のように冷却水で冷却することによって、燃焼排気ガス１２の温度を低下させてもよい。
ＮＯｘ低減方法
本発明はまた、燃焼排気ガス１２内の窒素酸化物を低減させる方法も包含する。本方法は包括的に、触媒床を有するＳＣＲアセンブリ１６内へ燃焼排気ガス１２を導入すること、燃焼排気ガス１２がＳＣＲアセンブリ１６から出る前に燃焼排気ガスに冷却水を導入すること、燃焼排気ガス１２がＳＣＲアセンブリから出る前に燃焼排気ガスの温度を低下させること、及び還元剤／排気ガス混合物が形成されるよう、燃焼排気ガスがＳＣＲアセンブリから出る前に、燃焼排気ガス内へ１種以上の還元剤を導入することを含む。他に特記しない限り、本発明による方法の実施形態に挙げられているステップの全てについて、列記されている順番で実施する必要があるわけではない。
【００２７】
特定の実施形態では、冷却水及び還元剤を、ＳＣＲアセンブリ１６の上流側で燃焼排気ガス１２に導入してもよい。より特定された実施形態では、冷却水及び還元剤を、ほぼ同時に燃焼排気ガス１２に導入してもよい。さらに特定された実施形態では、冷却水及び還元剤を燃焼排気ガス１２に導入するために、同一のノズルを用いても、複数のノズルを用いてもよい。別の実施形態では、還元剤を燃焼排気ガス１２に導入する場所より上流で、冷却水を燃焼排気ガス１２に導入してもよい。さらに別の実施形態では、還元剤は、燃焼排気ガス１２に導入される前に、部分的又は完全に蒸発してもよい。蒸発は、外部加熱によって、又はＳＣＲアセンブリ１６から出るＮＯｘ除去排気ガス１８を部分的又は全体的に再循環させることによって行われてもよい。
【００２８】
本発明の特定の実施形態の１つによれば、本方法は、ＳＣＲアセンブリ１６の上流又は下流で燃焼排気ガス１２の温度を監視すること、及び燃焼排気ガス１２内への冷却水の導入を制御することをさらに含む。より特定された実施形態では、本方法は、燃焼排気ガス１２がＳＣＲアセンブリ１６から出る前に、燃焼排気ガス１２の温度を低下させるために必要な冷却水の量を算出すること、及びその後に燃焼排気ガス１２に導入する冷却水の流量及び／又は量を調節することをさらに含む。別の実施形態では、本方法は、ＳＣＲアセンブリ１６の動作温度範囲内の所定温度を選択すること、ＳＣＲアセンブリ１６の入口又はその付近で還元剤／排気ガス混合物の実際の温度を監視すること、及びその後に所定のＳＣＲ温度と還元剤／排気ガス混合物の実際の温度との差から、還元剤／排気ガス混合物の温度を所定のＳＣＲ温度に低下させるために必要な冷却水の流量を算出すること、及びその後に燃焼排気ガス１２に導入される冷却水の流量を調節することを含む。さらに特定された実施形態では、本方法は、所定のＳＣＲ温度と還元剤／排気ガス混合物の実際の温度との差に応じて、燃焼排気ガス１２に導入する冷却水の温度を調節することを含む。またさらに特定された実施形態では、本方法は、ＳＣＲアセンブリ１６内の燃焼排気ガス１２の温度を監視することを含む。
【００２９】
別の実施形態では、本方法は、ＳＣＲアセンブリ１６の上流又は下流で燃焼排気ガス１２のＮＯｘレベルを監視すること、及び燃焼排気ガス１２内への還元剤の導入を制御することをさらに含む。より特定された実施形態では、本方法は、燃焼排気ガス１２がＳＣＲアセンブリ１６から出る前に、燃焼排気ガス１２のＮＯｘレベルを低下させるために必要な還元剤の量を算出すること、及びその後に燃焼排気ガス１２に導入する冷却水の流量及び／又は量を調節することをさらに含む。より特定された実施形態では、本方法は、ＳＣＲアセンブリ１６内のＮＯｘレベルを監視することを含む。
【００３０】
上述したように、冷却水が燃焼排気ガス１２内で蒸発すると、燃焼排気ガス１２の温度を低下させるために必要な冷却水が、蒸発した分量と同じだけ少なくなると考えられるが、その効果はこれに限られない。従って、一実施形態では、本方法は、還元剤／排気ガス混合物がＳＣＲアセンブリ１６又は触媒床に入る前に、冷却水が部分的又は完全に蒸発するように、冷却水をＳＣＲアセンブリより十分に上流で１以上のノズルを介して燃焼排気ガス１２に導入することを含む。
【００３１】
特定の実施形態によれば、冷却水及び／又は１種以上の還元剤が、排気ガス導管１４の半径方向において温度及び／又は還元剤分布がほぼ均一である還元剤／排気ガス混合物を準備するのに十分なだけＳＣＲアセンブリ１６より上流で燃焼排気ガス１２内に導入される。より特定された実施形態では、本方法は、ＳＣＲアセンブリ１６又は触媒床より上流で燃焼排気ガス１２を１種以上の還元剤及び冷却水と混合することを含む。
【００３２】
さらに別の実施形態では、本方法は、冷却水を燃焼排気ガス１２に導入する前に、冷却水を少なくとも約６０°Ｆに加熱すること、及び／又は冷却水を少なくとも約５０ｐｓｉに加圧することをさらに含む。本方法は、冷却水を燃焼排気ガス１２内に導入する前に、冷却水を濾過することをさらに含む。
【００３３】
次に、実施例を用いて本発明をさらに説明するが、これは本発明の範囲を限定するものと決してみなされるべきではない。むしろ、これを読むことにより、本発明の本質及び／又は添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、当業者に連想可能な多様なその他の実施形態、変更及びその均等な構成を用いることが可能であることを自明のものとして理解されたい。
【実施例】
【００３４】
コンピュータ流体力学モデリングに基づく計算により、流量が約１０００ｌｂ／ｓの燃焼排気ガスを１２００°Ｆから８５０°Ｆに冷却するためには、約４５０ｌｂ／ｓの冷却空気（約５０°Ｆ）が必要であることがわかった。冷却空気は、全体の正味流量を約４５％だけ増加させ、これにより、排気ガス導管内で約２０水柱インチの圧力低下が生じた。この背圧に逆らって動作する空気ファンは、約２ＭＷの電力を消費した。
【００３５】
冷却水（約５９°Ｆかつ約１００ｐｓｉ）を使用すると、同じ流量の燃焼排気ガスを約１２００°Ｆから約８５０°Ｆに冷却するためには、約５５ｌｂ／ｓの水が必要であった。流量の減少により、わずかに約７水柱インチの圧力低下が生じた。空気の代わりに水を使用する場合、冷却剤を燃焼排気ガス内へ汲み上げて注入するために必要な電力は約５０分の１であった。噴霧ノズルを用いて高圧冷却水を注入することで生じる加圧によって、飛沫同伴が生じ、その結果、ガスタービン背圧がさらに減少するという効果が生じると思われる。使用電力及び背圧の低下は、ガスタービンシステム全体の効率改善と相関関係にある。冷却水の使用はまた、触媒床に到達する前に還元剤が解離する危険性を減らすのに役立つ。正味流量の大幅な減少により、最小限の構造変化で既存システムに本発明を適用することができる。加えて、高流量空気ファンを低流量水ポンプに置き換えることにより、作業コストが減少するとともに、システムの信頼性が向上するであろう。その他の利点、特徴及び実施形態は、当業者には明らかであろう。
【００３６】
以上、特定の実施形態に関連して説明してきたが、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、多様な改変形態の実施が可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１２  燃焼排気ガス
１４  排気ガス導管
１６  選択触媒還元アセンブリ
１８  脱ＮＯｘガス
２２  ノズルの第１アレイ
２４  ノズルの第２アレイ
２６  ノズルの複合アレイ
２８  混合器
３２  制御装置
３４  温度センサ
３６  ＮＯｘセンサ
４０  還元剤スキッド
４２  還元剤タンク
４４  還元剤ポンプ
４６  還元剤弁
４８  蒸発室
５０  冷却水スキッド
５２  冷却水供給源
５４  水ポンプ
５６  水弁
５８  フィルタ
６０  加熱器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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