(57)【要約】【課題】直接燃焼式石炭燃焼システムを提供する。【解決手段】本石炭燃焼システム（１００）は、石炭水スラリーを受けるように構成された入力部を有し、また石炭水スラリーを圧縮機（１０６）からの吐出空気と混合して該石炭水スラリーをガス化しかつ合成ガスを生成する旋回チャンバ（１１４）を含む。本システムは、旋回チャンバの第２の端部に直接結合されたサイクロン分離器（１１６）と、該サイクロン分離器の出力部に結合された第２段燃焼入力部（１１２）とを含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭燃焼システム（１００）であって、
石炭水スラリーを受けるように構成された入力部を有し、前記石炭水スラリーを圧縮機（１０６）からの吐出空気と混合して該石炭水スラリーをガス化しかつ合成ガスを生成し、また前記合成ガスを放出するように構成された第２の端部を有する旋回チャンバ（１１４）と、
前記旋回チャンバ（１１４）の第２の端部に直接結合され、抽出ポート（１２０）を有しかつ前記合成ガス内の粒子状物質をその周辺部に集積させ、また濃厚ガス流（１１８）を出力する出力部（１１７）を有するサイクロン分離器（１１６）と、
前記サイクロン分離器（１１６）の出力部（１１７）に結合された第２段燃焼入力部（１１２）と
を備えるシステム。
【請求項２】
前記第２段燃焼入力部（１１２）に結合されたガスタービン（１０２）をさらに含む、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記濃厚ガス流（１１８）が、圧縮機からの吐出空気と混合されて希薄ガス流を生成する、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記希薄ガス流が、前記ガスタービン（１０２）の燃焼器（１０８）内で燃焼される、請求項３記載のシステム。
【請求項５】
圧縮機（１０６）をさらに含み、前記圧縮機が、前記燃焼器（１０８）、旋回チャンバ（１１４）及びサイクロン分離器（１１６）に結合される、請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記圧縮機（１０６）に結合された発電機（１０４）をさらに含む、請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記サイクロン分離器（１１６）が、前記第２段燃焼入力部（１１２）に直接結合される、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記サイクロン分離器が、
該サイクロン分離器の外壁よりも狭くなった分離器スロート領域（３０６）と、
前記分離器スロート領域の外側に配置された冷却抽出マニホルド（３０８）と、
前記冷却抽出マニホルド（３０８）に結合されかつ粒子状物質を除去するように構成された抽出パイプ（３１０）と
を備える請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記第２段燃焼入力部（１１２）が、前記分離器スロート領域（３０６）に結合された入口スロート部（３１２）を含む、請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記入口スロート部内における圧縮機吐出入口（３１４）をさらに含む、請求項９記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー生産に関し、具体的には、ガスタービンにおける直接燃焼式石炭燃焼に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス化コンバインドサイクル（ＩＧＣＣ）は、石炭をガス−合成ガス（シンガス）に変化させるクリーンな石炭技術である。この技術は次に、石炭ガスを燃焼させる前に該石炭ガスから不純物を除去する。それにより、二酸化硫黄、微粒子及び水銀の低排出(エミッション)が得られる。それによりまた、従来型の微粉炭に比べて効率の改善が得られる。既存のＩＧＣＣプラントは、石炭ガス化に加えて得られた合成ガスの浄化を実行して粒子状物質のガスタービンへの持越しを防ぐようために大きな資本の設備を必要とする。
【０００３】
基本的な問題は、従来型の石炭燃焼ボイラと競合するのを困難にするＩＧＣＣプラントのコスト及び複雑さである。複合サイクルプラント内で石炭を直接燃焼させることができることにより、より高い複合サイクル（ＣＣ）効率による温室効果ガス（ＧＨＧ）エミッションが低減することになる。付随する問題は、ガスタービン内で石炭を直接燃焼させることにより、大きな速度での高温ガス通路の侵食又は付着物堆積及び性能低下が生じることである。
【０００４】
固体石炭燃料における灰分及び不燃物は、従来型のＩＧＣＣプラント内では後処理及び分離設備、並びにその温度を分離設備に対する許容レベルまで低下させる合成ガスとの熱交換を介して対処される。１つの方策は、多段燃焼及びガスタービンから分離したサイロ設備における微粒子分離を実行することであった。別の方策は、ガス化装置としてオフボード流動床燃焼器を用い、続いてオンボード希薄燃焼器を用いることであった。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１つの態様では、直接燃焼式石炭燃焼システムを提供する。この実施形態のシステムは、石炭水スラリーを受けるように構成された入力部を有する旋回チャンバを含む。旋回チャンバは、石炭水スラリーを圧縮機からの吐出空気と混合して該石炭水スラリーをガス化しかつ合成ガスを生成する。旋回チャンバはまた、合成ガスを放出するように構成された第２の端部を有する。この実施形態のシステムはまた、旋回チャンバの第２の端部に直接結合されたサイクロン分離器を含む。サイクロン分離器は、抽出ポートを有しかつ合成ガス内の粒子状物質を該サイクロン分離器の周辺部に集積させる。サイクロン分離器はまた、濃厚ガス流を出力する出力部を有する。本システムはまた、サイクロン分離器の出力部に結合された第２段燃焼入力部を含む。
【０００６】
本発明の別の態様では、ガス化コンバインドサイクルプラントを提供する。この実施形態の本プラントは、第２段燃焼入力部を有するガスタービンと旋回チャンバとを含む。この実施形態の旋回チャンバは、石炭水スラリーを受けるように構成された入力部を有し、石炭水スラリーを圧縮機からの吐出空気と混合して該石炭水スラリーをガス化しかつ合成ガスを生成する。旋回チャンバはまた、合成ガスを放出するように構成された第２の端部を有する。この実施形態の本プラントはまた、旋回チャンバの第２の端部に直接結合され、また抽出ポートを有しかつ合成ガス内の粒子状物質をその周辺部に集積させるサイクロン分離器を含む。サイクロン分離器はまた、第２段燃焼入力部に対して濃厚ガス流を出力する出力部を有する。
【０００７】
これらの及びその他の利点及び特徴は、図面と関連させてなした以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【０００８】
本発明は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の上記の及びその他の特徴及び利点は、添付図面と関連させてなした以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係るシステムの実施例を示す図。
【図２】本発明のオンボード実施形態の実施例を示す図。
【図３】本発明のオンボード実施形態における濃厚段及び希薄段間の連結部の詳細図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
この詳細な説明は、図面を参照しながら実施例によって、その利点及び特徴と共に本発明の実施形態を説明する。
【００１１】
ＩＧＣＣプラントにおいて、本発明の実施形態を利用して、微粒子の全てではないがその殆どを除去するシステム及び方法を構成した高温ガス通路の寿命を改善することができる。一実施形態では、本発明は、石炭ガス化装置、微粒子（灰分、スラグ）除去のためのサイクロン分離器、合成ガスを燃焼させる第２段燃焼段、及びガスタービンに内臓された高温ガス通路内への遷移（トランジション）部を含む。一実施形態では、第２段燃焼段は、従来型の産業用缶型燃焼器と同様の構造を備えることができる。一実施形態では、ガス化装置は、ガスタービンに近接近させて配置しかつ合成ガスを第２段に導く冷却ダクトを備えた分離サイロ型ユニットとするか、又は缶型燃焼器構造と一体形にするかのいずれかとすることができる。一実施形態では、本システムは、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）及び蒸気タービンを備えた従来型の複合サイクルプラント内に統合されることになる。第１段からのガス流の僅かな割合部分をサイクロン分離器内で抽出して、粒子状物質を取り除くことができる。この流からの熱は、蒸気ループとの間の熱交換を介して複合サイクルで利用することができる。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態に係るシステム１００の実施例を示している。一実施形態では、システム１００は、ガスタービン１０２を含む。ガスタービン１０２は、圧縮機１０６に結合された発電機１０４を含むことができる。圧縮機１０６は、燃焼室１０８に結合することができる。
【００１３】
燃焼タービンとも呼ばれるガスタービン１０２は、燃焼ガス流からエネルギーを抽出する回転エンジンである。ガスタービン１０２は、それらの間に燃焼室１０８を設けた状態で下流タービン１１０に結合された上流圧縮機１０６を有する。エネルギーが、燃焼室１０８内でガス流に付加され、この燃焼室１０８内では、圧縮機１０６からの空気が燃料と混合されかつ点火される。燃焼により、ガス流の温度、速度及び体積が増大する。ガス流は、タービン１１０のブレード（図示せず）上に導かれ、タービン１１０を回転させかつ圧縮機１０６に動力供給する。
【００１４】
一実施形態では、燃焼室１０８は、第２段燃焼入力部１１２を含むことができる。この第２段燃焼入力部１１２は、本明細書ではガスタービン１０２の「缶型構造物」の一部と呼ぶことができる。
【００１５】
システム１００はまた、旋回チャンバ１１４を含むことができる。旋回チャンバ１１４は、濃厚サイクロンサイロバーナとして実施することができる。旋回チャンバ１１４は、その第１の端部において入力燃料１１５を受けることができる。入力燃料１１５は、石炭水スラリーとすることができかつ蒸気を含むことができる。一実施形態では、石炭水スラリー（入力燃料１１５）は、旋回チャンバ１１４内で圧縮機１０６からの吐出空気と混合することができる。このように作動する時、旋回チャンバ１１４は、空気ブローガス化装置として作用する。旋回チャンバ１１４内で行なわれるガス化（燃焼）により、合成ガスが生成され、このガス化は、本発明の「濃厚段」の一部とすることができる。一実施形態では、旋回チャンバ１１４は、不活性（Ｎ2）担体と共に可燃生成物として主にＣＯ及びＨ2を有する空気ブローガス化装置として作用しかつ合成ガスを生成する。
【００１６】
合成ガスによる旋回流は、旋回チャンバ１１４の第２の端部に直接結合されたサイクロン分離器１１６に流入する。サイクロン分離器１１６において、旋回合成ガスのサイクロン流（矢印１２２で示すような）は、粒子状物質の幾らか又は実質的に全てをサイクロン分離器１１６の周辺部に向けて遠心分離させかつ該周辺部に集積させて抽出ポート１２０を通して抽出するようにする。
【００１７】
濃厚段（これは旋回チャンバ１１４及びサイクロン分離器１１６の両方を含む）は、サイロ構造物におけるオフボードとするか又はオンボードとしてかつガスタービンの缶型構造物と一体形にするかのいずれかとすることができる。オンボード実施形態では、高温ガス流の全体積及び表面積を減少させることができる。サイクロン分離器１１６の出力は、濃厚ガス流１１８と呼ぶことにする。
【００１８】
一実施形態では、付加的燃焼空気が、濃厚段からの濃厚ガス流１１８と混合されて、燃焼器１０８で燃焼させる希薄ガス流を生成する。燃焼器１０８内における燃焼は、本明細書では「希薄段」と呼ぶことができる。図１に示すようにシステムを作動させる利点には、それに限定されないが、直接石炭燃焼式ガスタービンの高温ガス通路における粒子充満を減少させること、従来型のＩＧＣＣに比べて資本コストを低下させること、ガス化及び分離処理における少ない熱損失により燃料効率を一層良好にすること、少ない配管及び圧力損失により効率を一層良好にすること、並びにあらゆる既存の技術よりも全体的に良好な効率で石炭を利用するのを可能にすることを含むことができる。
【００１９】
図２は、本発明によるシステムの一実施形態を示している。この実施形態のシステムは、濃厚段１４０が希薄段１５０に直接結合されているいわゆる「オンボード」実施形態である。具体的には、この実施形態では、旋回チャンバ１１４は、サイクロン分離器１１６に直接結合される。サイクロン分離器１１６の出口端部１１７は、第２段燃焼段入力部１１２の一部分内に配置される。当然のことながら、抽出ポート１２０（図１）は、粒子状物質がサイクロン分離器から除去されかつ第２段燃焼段入力部１１２内に流れないように、配置することができる。
【００２０】
この実施形態では、サイクロン分離器１１６の出口端部１１７から流出する濃厚ガス流１１８は、第２段燃焼段入力部１１２内に直接流入する。そこから、濃厚ガス流１１８は、燃焼室内に移動し、燃焼室内において、濃厚ガス流１１８は、付加的燃焼空気と混合されて希薄ガス流を生成し、この希薄ガス流が、燃焼器１０８内で最終的に燃焼される。
【００２１】
図３は、いわゆるオンボード実施形態における濃厚段及び希薄段間の連結部の詳細図を示している。入力燃料１１５（一般的には、石炭水スラリーの形態の）は、旋回チャンバ１１４内で圧縮機吐出空気及び蒸気と混合される。このようにして、旋回チャンバ１１４は、空気ブローガス化装置として作用する。旋回チャンバ１１４は、サイクロン分離器１１６に直接結合される。サイクロン分離器１１６は、上部ダンプ領域３０２及び下部ダンプ領域３０４を含むことができる。旋回チャンバ１１４の出力は、上部ダンプ領域３０２においてサイクロン分離器１１６に流入する。上部ダンプ領域３０２内において、濃厚な部分酸化及び水シフト反応が安定化して、石炭＋酸素をＣＯ＋Ｈ2に転換させる。
【００２２】
下部ダンプ領域３０４は、分離器スロート領域３０６を含み、分離器スロート領域３０６は、サイクロン分離器１１６の外壁よりも狭い。遠心分離による粒子状物質は、サイクロン分離器の壁に沿ってスロート領域３０６の外側に集積する傾向にある。下部ダンプ領域３０４の底部において、蒸気冷却抽出マニホルド３０８及び抽出パイプ３１０が、濃厚生成物の僅かな部分を除去し、この僅かな部分が、遠心分離による粒子状物質（固体物質）の大部分を含む。
【００２３】
第２段燃焼入力部１１２の入口スロート部３１２は、分離器スロート領域３０６から直接濃厚混合物を受ける。一実施形態では、付加的圧縮機吐出空気が、例えば圧縮機吐出空気入口３１４によって分離器スロート領域３０６及び入口スロート部３１２の周りの領域内の濃厚混合物に対して噴射される。従って、分離器スロート領域３０６及び入口スロート部３１２の周りの領域は、サイクロン分離器１１６から導出する高速ベンチュリセクションとして機能する。一実施形態では、混合率を高くして、化学量論的条件になる可能性を制限する。一実施形態では、次に希薄流が第２段燃焼入力部１１２の上部部分３１６内に流入すると、希薄反応が、第２の安定火炎として完了する。
【００２４】
一実施形態では、第２段燃焼入力部１１２はまた、空気を供給してＮＯｘ反応を終了させる１以上の消炎／希釈空気入力３１８を含むことができる。一実施形態では、燃焼ガス３２０は、第２段燃焼入力部１１２から流出し、粒子状物質が大部分なくなった状態で従来型のトランジションピースを通してタービン（図示せず）内に流入する。
【００２５】
限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきでなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２６】
１００  システム
１０２  ガスタービン
１０４  発電機
１０６  圧縮機
１０８  燃焼室
１１０  下流タービン
１１２  燃焼入力部
１１４  旋回チャンバ
１１５  入力燃料
１１６  サイクロン分離器
１１７  出口端部
１１８  ガス流
１２０  抽出ポート
１２２  濃厚サイクロン流
３０２  上部ダンプ領域
３０４  下部ダンプ領域
３０６  スロート領域
３０８  抽出マニホルド
３１０  抽出パイプ
３１２  入口スロート部
３１４  圧縮機吐出空気入口
３１６  上部部分
３１８  空気入力
３２０  燃焼ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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