(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料改質器システムを組み込んだガスタービンを低起用する。【解決手段】ガスタービンシステム１０は、燃料ストリーム１８を受ける燃料入口と、第１の酸素含有ガス３２を導入する酸素入口と、燃料改質器システム１２とを備え、該燃料改質器システムが、燃料ストリームの第１の部分３０及び酸素含有ガスを予混合装置内で混合してガス状予混合物を形成する予混合域３４と、ガス状予混合物を受けシンガス４２を生成する触媒部分酸化域４０と、予混合域と触媒部分酸化域との間のディフューザと、シンガスを燃料ストリームの第２の部分に混合して燃料混合気４８を形成する希釈域とを含み、更に、圧縮機１４からの第２の酸素含有ガスを燃料混合気と混合する予混合器と、燃料混合気を燃焼する燃焼器２０とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンシステム（１０）において、
燃料ストリーム（１８）を受けるように構成された燃料入口と、
第１の酸素含有ガス（３２、１３０）を導入するように構成された酸素入口と、
燃料改質器システム（１２）と、
を備え、
前記燃料改質器システム（１２）が、
前記燃料ストリームの第１の部分（３０、１２１）及び前記酸素含有ガスを予混合装置（２００、３００、４０２）内で混合してガス状予混合物（１３８）を形成するよう構成された予混合域（３４、１１０）と、
前記予混合域の下流側に該予混合域と流体連通して配置され且つ前記ガス状予混合物を受けるように構成され、前記燃料及び酸素を反応させて前記ガス状予混合物からシンガス（４２、１２６）を生成するよう構成された触媒組成を含む触媒部分酸化域（４０、１１４、４２０）と、
前記予混合域の下流側に該予混合域と流体連通して配置され、前記予混合域と前記触媒部分酸化域との間に熱シールドを提供するように構成されたディフューザ（４０４）と、
前記触媒部分酸化域の下流側に該触媒部分酸化域と流体連通して配置され、前記シンガスを前記燃料ストリームの第２の部分（１２４）に混合して燃料混合気（４８、１３６）を形成するよう構成された希釈域（１１６）と、
を含み、
前記ガスタービンシステムが更に、
ガスタービン圧縮機（１４）からの第２の酸素含有ガス（１２８）を前記燃料混合気と混合するように構成されたガスタービン予混合器（１６）と、
前記燃料混合気を燃焼するよう構成されたガスタービン燃焼器（２０、５００）と、
を備える、
ガスタービンシステム（１０）。
【請求項２】
前記予混合域（３４）が、前記燃料ストリームの第１の部分（３０、１２１）に対してスワール運動をもたらすように構成された複数のスワーラベーン（３０６）を有する予混合装置（２０６、３００）を含む、
請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項３】
前記予混合域（３４）に蒸気（３６）を導入するように構成された蒸気入口を更に備える、
請求項１または２に記載のシステム（１０）。
【請求項４】
前記触媒部分酸化域（４０）の下流側に該触媒部分酸化域と流体連通して配置され、前記シンガス（４２）の冷却と前記燃料ストリーム（１８）の第１の部分（３０）の予熱とを同時に行うように構成された熱交換器（３８）を更に備える、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシステム（１０）。
【請求項５】
前記触媒部分酸化域（４０）の下流側に該触媒部分酸化域と流体連通して配置され、前記シンガス（４２）の水素含有量を高めるように構成された水性ガスシフト反応器（４４）を更に備える、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシステム（１０）。
【請求項６】
前記触媒部分酸化域（１１４）の酸素対炭素の比に応じて前記第１の酸素含有ガスの体積流量を制御する制御弁（１２２）を更に備える、
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシステム（１０）。
【請求項７】
前記燃料ストリーム（１８）の第１の部分（１２１）の体積流量を制御する制御弁（１２０）を更に備える、
請求項１乃至６のいずれか１項に記載のシステム（１０）。
【請求項８】
ガスタービンシステム（１０）を運転する方法であって、
燃料ストリーム（１８）の第１の部分（３０、１２１）を燃料改質器システム（１２）の予混合域（３４、１１０）に導入する段階と、
予混合装置（２０６、３００）内で前記第１の部分に第１の酸素含有ガス（３２、１３０）を導入し、前記第１の燃料部分及び前記第１の酸素含有ガスの予混合を促進してガス状予混合物（１３８）を形成する段階と、
触媒部分酸化によって、前記ガス状予混合物を反応させてシンガス（４２、１２６）を形成する段階と、
前記シンガスを前記燃料ストリームの第２の燃料部分（１２４）に導入し、燃料混合気（４８、１３６）を形成する段階と、
ガスタービン予混合器（１６）において前記燃料混合気を第２の酸素含有ガス（１３４）と混合する段階と、
ガスタービン燃焼器（２０、５００）において前記燃料混合気を燃焼させる段階と、
を含む方法。
【請求項９】
前記予混合域（３４）に蒸気（３６）を導入し、該蒸気を前記第１の部分（３０）と組み合わせる段階を更に含み、前記組み合わせが前記第１の酸素含有ガス（３２）と更に組み合わされる、
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
水性ガスシフト反応によって前記シンガス（４２）の水素含有量を高める段階を更に含む、
請求項８または９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に、予混合触媒部分酸化に基づく燃料改質器システムに関し、より詳細には、燃料改質器システムを利用したガスタービンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料噴射及び混合は、ガスタービンエンジンにおいて効率が良く且つ清浄な燃焼を達成するために極めて重要である。ガス燃料の場合、燃焼域における空気、燃料、及び燃焼生成物間の最適な混合レベルを得ることが望ましい。
【０００３】
ガスタービンエンジンからの排気ガスは、有害規制排出物である窒素酸化物（ＮＯｘ）などの物質を含んでいる。従って、次第に厳しくなっているエミッション目標に対応しようとする目的で、部分予混合（ＰＰ）又は希薄予混合（ＬＰ）燃焼モードで作動するガスタービンに対する需要が高まっている。ＰＰ及びＬＰ燃焼は、燃焼効率を損なうことなくＮＯｘの有害なエミッションを低減する。
【０００４】
しかしながら、低エミッションガスタービンエンジンの開発において、燃焼ダイナミックスとしても知られる燃焼不安定性に一般的に遭遇する。圧力、放熱速度、及び他の流れの外乱の変動の形態の燃焼ダイナミックスは、希薄消焔、構造的振動、及びチャンバへの過剰な熱伝導などの問題を招き、結果としてシステムの障害につながる可能性がある。
【０００５】
燃料の一部を水素リッチシンガスに改質し、次いで、タービン燃焼室よりも前でシンガスを燃料に混合させることは、燃焼ダイナミックスを改善することによってガスタービンのターン能力を強化する解決策である。１つの方法は、リッチ触媒系を利用してガスタービン予混合の直前で燃料を改質し、これは更にガスタービン燃料スキッドに統合される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７，２７９，０１９  Ｂ２号公報
【特許文献２】米国特許第６，９２６，７４８  Ｂ２号公報
【特許文献３】米国特許第６，８６８，６７６  Ｂ１号公報
【特許文献４】米国特許第６，７５２，６２３  Ｂ２号公報
【特許文献５】米国特許第６，６７９，０６１  Ｂ２号公報
【特許文献６】米国特許第６，６５８，８５６  Ｂ２号公報
【特許文献７】米国特許第６，５７９，５１０  Ｂ２号公報
【特許文献８】米国特許第６，２３７，３４３  Ｂ１号公報
【特許文献９】米国特許第５，９８０，７８２  Ａ号公報
【特許文献１０】米国特許第５，９３５，４８９  Ａ号公報
【特許文献１１】米国特許第５，８８６，０５６  Ａ号公報
【特許文献１２】米国特許第５，６８７，５７２  Ａ号公報
【特許文献１３】米国特許第５，４９６，１７０  Ａ号公報
【特許文献１４】米国特許第５，３１８，４３６  Ａ号公報
【特許文献１５】米国特許第５，２０７，０５３  Ａ号公報
【特許文献１６】米国特許第４，７６７，５６９  Ａ号公報
【特許文献１７】米国特許第４，３９４，１３７  Ａ号公報
【特許文献１８】米国特許第４，０６０，３９７  Ａ号公報
【特許文献１９】米国特許第３，３９９，２４５号公報
【特許文献２０】米国特許出願公開第２００８／０２７１３７６  Ａ１号公報
【特許文献２１】米国特許出願公開第２００７／０２４９７３８  Ａ１号公報
【特許文献２２】米国特許出願公開第２００７／０１２４９９７  Ａ１号公報
【特許文献２３】米国特許出願公開第２００７／０１２２３３９  Ａ１号公報
【特許文献２４】米国特許出願公開第２００７／００３３９４５  Ａ１号公報
【特許文献２５】米国特許出願公開第２００７／００００１７６  Ａ１号公報
【特許文献２６】米国特許出願公開第２００４／０１８２００３  Ａ１号公報
【特許文献２７】米国特許出願公開第２００２／０１１０５２１  Ａ１号公報
【特許文献２８】欧州特許出願第１７５２７０９  Ａ２号公報
【特許文献２９】欧州特許出願第０３０３４３８号公報
【特許文献３０】国際特許出願第２００３／０７２４９０  Ａ１号公報
【特許文献３１】国際特許出願第１９９８／０８７７１  Ａ２号公報
【特許文献３２】国際特許出願第１９９７／０３７９２９  Ａ１号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】CARRONI et al., "CATHLEAN: Hybrid, Lean Premixed Burner for Gas Turbines", (August 2004), (pgs. 1665-1676) Vol. 24 Issues 11-12, Applied Thermal Engineering, Industrial Gas Turbine Techhologies
【非特許文献２】MAUGHAN et al., "Reducing Gas Turbine Emissions Through Hydrogen-Enhanced, Steam-Injected, Combustion" (January 1996), (8 pgs.), Vol. 118, Issues 1, 78, The American Society of Mechanical Engineers, J. Eng. Gas Turbines Power
【発明の概要】
【０００８】
要約すると、１つの実施形態に従って、ガスタービンシステムが提供される。ガスタービンシステムは、燃料改質器システムを備え、該燃料改質器システムが、燃料ストリームを受けるように構成された燃料入口と、酸素含有ガスを導入するように構成された酸素入口と、燃料ストリーム及び酸素含有ガスを予混合装置内で混合してガス状予混合物を形成するよう構成され、該予混合装置が酸素入口の上流側に配置され且つ燃料ストリームを予調整するよう構成された流量調整装置を有する予混合域と、流量調整装置の下流側に当該流量調整装置と流体連通して配置され且つ予混合域においてガス状予混合物に対する熱シールドを提供するように構成されたディフューザと、ディフューザの下流側に該ディフューザと流体連通して配置され且つガス状予混合物を受けるように構成され、燃料及び酸素を反応させてシンガスを生成するよう構成された触媒組成を含む触媒部分酸化域と、反応域の下流側で該反応域と流体連通して配置され且つ燃料をシンガスに混合して水素リッチ燃料混合気を形成するよう構成された希釈域と、を含み、ガスタービンシステムが更に、ガスタービン圧縮機からの酸素含有ガスを水素リッチ燃料混合気と混合するよう構成されたガスタービン予混合器と、水素リッチ燃料混合気を燃焼するよう構成されたガスタービン燃焼器と、を備える。
【０００９】
別の実施形態において、ガスタービンシステムを運転する方法は、燃料ストリームの一部を燃料改質器システムの予混合域に導入する段階と、流量調整装置において酸素含有ガスを燃料ストリームに導入し、燃料ストリーム及び酸素の予混合を促進してガス状予混合物を形成する段階と、触媒部分酸化域において触媒組成物の存在下でガス状予混合物を反応させて、触媒部分酸化によってシンガスを形成する段階と、シンガスストリームを燃料ストリームに導入して水素リッチ燃料混合気を形成する段階と、ガスタービン予混合器において水素リッチ燃料混合気を酸素含有ガスと混合する段階と、ガスタービン燃焼器において水素リッチ燃料混合気を燃焼させる段階と、発電機と作動連通したガスタービンによって電気を生成する段階と、を含む方法。
【００１０】
更に別の実施形態において、改質器システムは、燃料ストリームを受けるように構成された燃料入口と、酸素含有ガスを導入するように構成された酸素入口と、燃料ストリームの第１の部分及び酸素含有ガスを予混合装置内で混合してガス状予混合物を形成するよう構成された予混合域と、予混合域の下流側に当該予混合域と流体連通して配置され且つガス状予混合物を受けるように構成され、燃料及び酸素を反応させてガス状予混合物からシンガスを生成するよう構成された触媒組成を含む触媒部分酸化域と、予混合域の下流側に当該予混合域と流体連通して配置され且つ予混合域と触媒部分酸化域との間で熱シールドを提供するように構成されたディフューザと、触媒部分酸化域の下流側に当該触媒部分酸化域と流体連通して配置され且つシンガスを燃料ストリームの第２の部分に混合して燃料混合気を形成するよう構成された希釈域とを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】予混合触媒部分酸化燃料改質器システムを有するガスタービンシステムの例示的な実施形態の概略図。
【図２】図１の予混合触媒部分酸化燃料改質器システムの概略図。
【図３】図１の燃料改質器システムの別の例示的な実施形態の概略図。
【図４】図３の燃料改質器システムからの予混合装置の例示的な実施形態の概略図。
【図５】複数の対向流スワールベーンを含む、図３の燃料改質器システムからの予混合装置の別の例示的な実施形態の断面図。
【図６】図５の予混合装置の例示的な実施形態の別の断面図。
【図７】触媒部分酸化域及び反応域を具体的に示す、図３の燃料改質器システムの断面図。
【図８】図１のガスタービンシステムのガスタービン燃焼器の例示的な実施形態の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ここで、例示的な実施形態であり、同様の要素には同じ参照符号が付けられた各図を参照する。
【００１３】
以下で詳細に説明するように、本開示の実施形態は、燃料改質器システムを組み込んだガスタービンシステム及びこれを提供する方法を提供する。ガスタービンシステムは、触媒部分酸化によって形成されるシンガスを利用する。シンガスは、水素濃度を高めるために天然ガス又は燃料の一部と空気を混合して反応させることにより生成される。次いで、シンガスは、天然ガス又は燃料と混合されて、ガスタービン燃焼器に送ることができる。天然ガス又は燃料への水素の導入は、希薄消焔ポイントの低下を可能にし、燃焼ダイナミックスを改善する。ガスタービンターンダウンは、燃料に水素を加えることによって、燃料に水素を加えていないシステムと比べて４０％を下回って低減することができる。
【００１４】
希薄消焔ポイントの低下により、電力需要が低いときにガスタービンへの流量を更にターンダウンすることが可能になり、これにより燃料の節約及びエミッション低減が可能になる。本明細書で使用される用語「希薄消焔ポイント」とは、燃焼器において燃焼が失われるポイントを意味する。燃料組成及び流れの外乱の変化は、十分に希薄な火炎の燃焼損失を生じる結果となる。本明細書で使用される用語「燃焼ダイナミックス」とは、ガスタービンの運転に影響を与える、空気圧力、温度、放熱、及び不安定な流れ振動の変動を意味する。燃焼損失限界の助けとするために、水素などの反応性の高い燃料成分でガスタービンシステムを運転するのが望ましい。更に、本明細書で開示される燃料改質器システムは、小型で複雑さが軽減されている。従って、既存のガスタービンシステムは、ガスタービンシステムの大きさにあまり影響を及ぼすことなく、低コストで発電機を含めるように容易に改造することができる。
【００１５】
ここで図１を参照すると、ガスタービンシステム１０の例示的な実施形態を示すブロック図が示される。ガスタービンシステム１０は、水素をガスタービンの燃料にドープするための燃料改質器システム１２を含む。圧縮機１４は、燃料改質器システム１２及びガスタービン予混合器１６の両方と流体連通している。圧縮機１４は、燃料改質器システム１２及び予混合器１６の両方に空気を供給するように構成されている。燃料ストリーム１８はまた、燃料改質器システム１２と流体連通している。以下で詳細に説明するように、燃料及び空気は、燃料改質器システム１２において組み合わされて反応し、シンガスを形成し、次いで、燃料と更に組み合わされてガスタービン予混合器１６に送ることができる。シンガス及び燃料は、圧縮機１４からの空気と更に混合され、予混合燃料全体が燃焼器２０に送給される。予混合燃料は、燃焼器２０で燃焼され、ガスタービン２２において膨張される。この燃焼及び膨張によってタービンが駆動されてエネルギーが電気に転換され、これが電力網に送られて電力を供給することができ、又は貯蔵して後で使用することができる。
【００１６】
図２は更に、図１の燃料改質器システム１２の例示的な実施形態を示している。燃料スリップストリーム３０は、主燃料ストリーム１８から分割されてガスタービン圧縮機１４からの酸素含有ガス３２のスリップストリームと組み合わされ、燃料改質器システム１２の予混合域３４に送られる。本明細書で使用される用語「酸素含有ガス」とは、一般に、燃料と混合して水素リッチ燃料混合気を形成するのに好適なものを指すのに使用される。例示的な酸素含有ガスは、限定ではないが、空気、純酸素（Ｏ２）、酸素リッチ空気、酸素及び蒸気含有燃焼排気、及び同様のものを含むことができる。任意選択の実施形態において、燃料スリップストリーム３０は、蒸気３６と組み合わされ、予混合域３４で酸素含有ガススリップストリーム３２と組み合わされる前に、燃料スリップストリーム３０を予熱するよう構成された熱交換器３８を通して送給される。次いで、予熱された燃料スリップストリーム３０は、任意選択の蒸気３６と共に予混合域３４において酸素含有ガス３２と予混合することができる。別の実施形態では、蒸気は、図２に示すような別個の供給ストリームではなく、燃料スリップストリーム３０又は酸素含有ガススリップストリーム３２の成分とすることができる。
【００１７】
燃料及び酸素含有ガスが混合されてガス状予混合物を形成し、直ぐに触媒部分酸化反応器４０に送給される。ガス状予混合物は、触媒部分酸化反応を受けてシンガス４２が形成される。シンガス４２は、燃料ストリーム１８で希釈されて水素リッチ燃料混合気を形成するときに冷却することができ、又は蒸気で冷却することができる。任意選択の熱交換器３８が燃料改質器システム１２内に存在する場合には、シンガス４２は、熱交換器を通過することによって約２５０℃から約４５０℃まで、詳細には約３２５℃から約３７５℃の温度にまで冷却することができる。シンガス４２の冷却は、任意選択の水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応器４４が燃料改質器システム１２内に存在する場合に特に有利である。ＷＧＳ反応器４４は、触媒部分酸化反応器４０の下流側、この事例では熱交換器３８の下流側に配置することができる。ＷＧＳ反応器４４は、シンガス中で蒸気を一酸化炭素と反応させてより多くの水素を形成することによって、水素濃度を更に高めるように構成することができる。次いで、水素リッチシンガス４６は燃料ストリーム１８と再結合され、燃料混合気４８を形成することができ、これをガスタービンシステム１０の燃焼器２０に送給することができる。
【００１８】
図３は、図１の燃料改質器システム１２の別の例示的な実施形態を示す別のブロック図である。燃料改質器システム１２は、予混合域１１０、選択触媒部分酸化（ＳＣＰＯ）域１１２、ＣＰＯ域１１４、及び希釈域１１６を含む。ガスタービンシステムに入る前に加圧することができる燃料ストリーム１８は、前処理域１１８において予調整することができる。種々の実施形態において、燃料は、水又は蒸気と予混合することができ、予熱することができ、前処理域内に配置された燃料スワーラ、流れエハンサ、乱流発生器又は同様のものを用いて予調整することができ、燃料中の硫黄などの不純物レベルを低減するために濾過することができ、及び前処理域１１８内の他の同様の予調整手段を用いることができる。燃料バイパス弁１２０を燃料ストリーム源１８と燃料前処理域１１８との間を流体連通させて配置することができる。燃料バイパス弁１２０は、燃料ストリームの所望の部分１２１をシステムにおける水素含有量の生成で使用されることになるシンガス発生器の前処理域及び予混合域に送るよう構成することができる。燃料ストリームの残りの部分１２４は、燃料バイパス弁１２０を経由して希釈域１１６に配向することができ、ここで燃料ストリームの残りの部分１２４は、ＣＰＯ域１１４で生成されたシンガス１２６と再結合することができる。
【００１９】
同様に、圧縮機１４からの空気１２８は、圧縮機１４、燃料改質器システム１２、及びガスタービン予混合器１６と流体連通して配置された空気バイパス弁１２２によって配向することができる。空気の一部１３０は、燃料と混合するために予混合域１１０に送ることができる。より詳細に説明するように、空気１３０は、予混合域１１０の回りに配置された空気噴射オリフィス１３２を介して予混合域１１０に送給することができる。任意選択的に、システムは更に、空気バイパス弁１２２と空気噴射オリフィス１３２との間にあり且つこれらと流体連通したブースタ圧縮機１４０を含むことができる。ブースタ圧縮機１４０は、予混合域１１０に流入する空気ストリーム１３０の圧力を上昇させ、予混合域内の燃料及び空気の混合ダイナミックスを更に向上させるように構成される。燃料改質器システム１２により利用可能でない圧縮機空気の残りの部分１３４は、バイパス弁１２２を経由してガスタービン予混合器１６に分岐され、ここで空気１３４は、燃料混合気１３６と予混合された後、ガスタービンシステム１０の燃焼器２０に送給される。
【００２０】
予混合域１１０に送給される燃料部分は、圧縮機１４からの空気１３０と混合することが許容される。ガス状予混合物１３８は、ＣＰＯ域内の選択的触媒部分酸化触媒の上に送給される。触媒は、空気及び燃料を水素と一酸化炭素に転換するよう構成される。空気及び燃料は、ＣＰＯ域１１４において反応して水素と一酸化炭素を含むシンガス１２６のガス状混合気を生成することが許容される。１つの実施形態では、シンガス１２６は、水素、一酸化炭素、窒素、及び水を含む。ＣＰＯ域１１４は、燃料及び空気の特定の比率からシンガスを形成するのに好適な何らかの滞留時間を有することができる。１つの実施形態では、ＣＰＯ域１１４は、約５００ミリ秒（ｍｓ）未満、特に約２００ｍｓ未満の滞留時間を有することができる。用語「滞留時間」とは、ＣＰＯ域において燃料及び空気が反応している時間期間を指す。１つの実施形態では、空気及び燃料は、予混合域１１０においてリッチな割合で混合することができる。本明細書で使用される用語「リッチな割合」は、燃料中の炭素原子の数に対する空気中の酸素原子の数の理論混合比が約０．６から約１．６であるものを指す。
【００２１】
ＣＰＯ域１１４の後、シンガス１２６は希釈域１１６に進み、ここでシンガス１２６は、燃料残部ストリーム１２４と結合することができる。シンガス１２６内の水素は追加燃料で希釈することができ、温かい水素リッチ燃料混合気１３６はガスタービン予混合器１６に送給することができ、ここで水素リッチ燃料は更に酸素と混合されてガスタービンシステムの燃焼器に噴射される。
【００２２】
上述のように、本明細書で説明される燃料改質器システム１２は、小型で低コストのシステムである。１つの実施形態では、システム１２は、標準的な９０ノズルガスタービン機械における単ノズル燃焼器と同等の大きさを有することができる。特定の実施形態では、シンガス生成システム１２は、ガスタービン燃焼器２０の範囲の約０．１から約０．９に相当する範囲を有することができる。本明細書で説明されるシンガス生成システムの小型サイズは、既存のガスタービンシステムへの改造に好適となる。改造システムにより、ガスタービンへの既存の燃料供給が改善される。従って、燃料改質器システム１２は、ガスタービンシステム１０の燃焼ダイナミックスを改善するだけでなく、全体として新規のガスタービンシステムを購入することに伴う資本コストを支出する必要もない。改造システムの別の利点は、ガスタービン運転を妨げることなくサービスすることができることである。例えば、改造燃料改質器システムは、オフラインで取り外してサービスする（触媒を交換する）ことができ、燃料供給は当該システムを迂回できるようにされ、これによりガスタービン運転の中断が回避される。
【００２３】
図４は、ガスタービンにおける燃料改質器システムの予混合域で利用することができる予混合装置の例示的な実施形態２００の概略図である。図示の実施形態では、予混合装置２００は、燃料ストリームを予混合装置２００に導入するように構成された燃料入口２０２を含む。加えて、予混合装置２００は、ここに酸素を導入するように構成された空気入口２０４を含む。更に、予混合装置２０６は、ここに酸素を導入する前に燃料ストリームを予調整するのに利用される。この実施形態で分かるように、流量調整装置は、燃料改質器システムの前処理域を含み、該システム自体の予混合域内に配置される。予混合装置２０６は、燃料ストリームのスワール運動をもたらすように構成された複数のスワーラベーンを含むことができる。代替として又はこれに加えて、予混合装置２０６は、燃料ストリームを所望の速度に加速するよう構成されたノズルを含むことができる。他の実施形態では、燃料ストリームを予調整するための種々のタイプの他の流量調整装置も想定することができる。
【００２４】
運転中、燃料ストリームは、予混合装置２０６の複数のスワーラベーンを介して予調整される。更に、酸素は、空気入口２０４を介して燃料ストリームの噴射方向に対して実質的に横断方向で導入することができる。空気は、複数のスワーラベーンの下流側に配置された複数の孔又は噴射オリフィスを通じて、複数のスワーラベーンの各々に配置された複数の孔を通じて、及び／又は予混合装置２００の中央本体又は壁を通じて、ロケーション２０４で噴射することができる。空気を導入するための複数の孔の前後での圧力低下は、約５％未満とすることができる。１つの実施形態では、空気は、流れ方向に直角な成分を有する角度で噴射することができる。更に、噴射孔はまた、予混合装置２００の中央本体の軸線の回りにスワールを導入することができる。予調整された燃料ストリーム及び空気が予混合域２１０で混合されてガス状予混合物を形成し、これが出口２１２を通って触媒部分酸化のためにＣＰＯ域に更に配向される。図示の実施形態では、予混合領域２１０は、再循環域を最小にすることによって、点火源の存在下での保炎を抑制するように設計される。
【００２５】
予混合装置２００において、燃料ストリームの温度は、約１００°Ｆ（３８℃）から約１、３００°Ｆ（７０４℃）までとすることができ、空気の温度は、約５００°Ｆ（２６０℃）から約１、４００°Ｆ（７６０℃）までとすることができる。更に、流量調整装置２０６の有効範囲に対する空気入口２０４の有効範囲の比率は、約０．１から約０．５である。予混合装置２０６は、燃料ストリームを予混合領域に導入するように構成することができる。本明細書で使用される用語「空気入口の有効範囲」とは、入口を通る空気の体積流量を空気の平均速度で除算したものを意味するものとする。
【００２６】
図５は、予混合装置３０の別の例示的な実施形態の概略図である。図５は、予混合装置の代替の設計を表している。図示のように、予混合装置３００は、燃料ストリーム３０４を予混合装置３００に導入するための燃料入口３０２を含む。更に、予混合装置３００は、燃料ストリーム３０４にスワール運動を提供するための複数のスワーラベーン３０６を含むことができる。加えて、予混合装置３００は、複数のスワーラベーン３０６に隣接して配置された複数の対向流スワールベーン３０８を含む。スワールベーン３０６及び対向スワールベーン３０８の運動方向は、それぞれ参照符号３１０及び３１２で表される。この例示的な実施形態において、燃料ストリーム３０４は、スワーラベーン３０６の上流側の入口３０２から流れる。更に、スワーラベーン３０６上に配置された複数の孔３１６を通じて酸素３１４が導入される
複数の孔３１６についての全有効範囲は、予混合装置３００の設計におけるスワーラベーン３０６の有効範囲の約１／２である。更に、スワーラベーン３０６の数は、約４から約１５とすることができる。同様に、対向流スワーラベーン３０８の数は、約４から約１５とすることができる。加えて、スワーラベーン３０６及び３０８の各々の転向角度は、約２０度から約５０度とすることができる。１つの実施形態では、対向流スワーラベーン３０８の転向角度は、スワーラベーン３０６の転向角度よりも相対的に大きい。前述のように、燃料ストリーム３０４は、スワーラベーン３０６及び３０８を通って予調整され、酸素３１４は、予調整された燃料ストリームと予混合されて、ガス状予混合物を形成し、これがＣＰＯ及びＣＰＯ域（図１を参照）に配向される。
【００２７】
図６は、図５の予混合装置３００の別の断面図の概略図である。この例示的な実施形態では、燃料ストリーム３０４が導入され、スワーラベーン３０６を介して予調整される。更に、予混合装置３００はまた、複数のスワーラベーン３０６に隣接して配置された対向流スワールベーン３０８を含む。図示のように、酸素３１４が予混合装置３００の壁３２０を通ってスワーラベーン３０６に導入される。酸素３１４は、予調整された燃料ストリーム３０４と混合されてガス状予混合物を形成し、次にこれがＣＰＯ触媒３５０上に送給され、触媒反応によりシンガスに転換される。混合領域は、直線状又は収束状の何れかとすることができる。更に、酸素３１４はまた、流れ剥離を防ぐために空力的先端を備えた中央本体を通って導入することができる。幾つかの実施形態では、予混合装置３００の形状及び設計は、ＣＰＯ触媒に対する熱シールドとして機能するのに効果的とすることができる。熱シールドとして、予混合装置の円錐形状は、燃焼が上流から予混合域に進むのを防ぐために、予混合域におけるガス状予混合物の速度を高速に維持するのを助けることができる。
【００２８】
上述の予混合装置設計は、有利には、ＣＰＯ域の触媒に到達するまえに、反応物質（燃料及び酸素）のより均一な混合をもたらす。これにより、ガス状予混合物を高温にまで予熱することが可能になり、よって、ＣＰＯ域のＣＰＯ反応器の効率が改善される。１つの実施形態では、ガス状予混合物は、約３００℃から約５００℃、具体的には約３５０℃から約４５０℃、より具体的には約３７５℃から約４２５℃（例えば、約４００℃）の温度まで予熱することができる。幾つかの実施形態では、ガスタービン圧縮機からの高温の酸素含有ガススリップストリームは、予混合域において燃料及び酸素混合気を加熱するのに十分である。別の実施形態では、燃料スリップストリームは、例えば、熱交換器（図２に示すような）を用いて予熱することができる。
【００２９】
ここで、図７を参照すると、燃料改質器システム４００の別の概略図が示されている。図７は、触媒域４１０と流体連通した、上述の予混合装置の実施例４０２である。この実施形態において、ディフューザ４０４が、予混合装置の下流側で且つ触媒域４１０の上流側に配置されている。ディフューザ４０４は、触媒からガス状予混合物をシールドするように構成される。ディフューザ４０４は更に、予混合装置４０２から出るガス状予混合物の速度を触媒域４１０におけるよりも高速に維持するよう構成される。従って、触媒域４１０からの火炎は、上流側の予混合装置に移動することができない。
【００３０】
触媒域４１０は、ＣＰＯ域４２０と更に流体連通している。ＣＰＯ域４２０の下流側には、希釈域（図示せず）を配置することができる。予混合域４２０からのガス状予混合物は、触媒域４１０に配置された触媒上に送給することができる。触媒は、空気及び燃料を水素及び一酸化炭素に転換するよう構成することができる。触媒域４１０は、管状のＣＰＯ域４２０の軸線と同軸方向に配列することができる。ＣＰＯ域４２０は、好適な触媒担体材料のハニカム構造を含むことができ、この上に触媒がコーティングされ、或いは、構造体自体が触媒を含むことができる。例えば、ＣＰＯ域は、触媒コーティングセラミックハニカムモノリス、又は触媒コーティング金属ハニカム、或いは、セラミックハニカムモノリス含有触媒を含むことができる。ＣＰＯ域のハニカム構造は、触媒コーティング壁によって分離された複数の通路を含むことができ、ハニカム構造に限定されない。ガス状予混合物は、これらの通路を通り、すなわち触媒上を通過し、これによりシンガスへの転換の反応を開始することができる。触媒は、選択的部分酸化を促進するあらゆる好適な材料とすることができる。触媒の実施例には、限定ではないが、プラチナ、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、酸化クロム、酸化コバルト、セシウム、ニッケル、鉄、アルミナ、又はこれらの組み合わせ、並びに部分酸化を促進するのに好適な他の同様の触媒を含むことができる。
【００３１】
ＣＰＯ域４２０は、所望の濃度の水素を燃料から生成するのに必要な滞留時間を提供するよう構成される。ガス状予混合物が触媒域４１０の触媒系を通過し、予混合物が熱的に及び／又は触媒反応的に転換される。ガス状予混合物の炭化水素燃料は、ＣＰＯ域４２０中に触媒の存在下で空気によって部分酸化され、水素、一酸化炭素、水、二酸化炭素、及び未燃炭化水素燃料を含む反応生成物を生成する。ＣＰＯ域４２０は、形成されたシンガスが希釈域で冷却され希釈されるまで、部分酸化反応が継続する追加の時間を与える。触媒域４１０において触媒上で、及び更にＣＰＯ域４２０において生じる一次反応は、以下の反応１から３で示される。
【００３２】
ＣＨ４  ＋  １／２Ｏ２  ＝  ＣＯ  ＋  ２Ｈ２；      （１）
ＣＨ４  ＋  ２Ｏ２  ＝  ＣＯ２  ＋  ２Ｈ２Ｏ      （２）
この反応は、天然ガスの主成分であるメタノール（ＣＨ４）を用いて示されている。他の実施形態では、他のタイプの燃料を燃料改質器システムにおいて利用することができるが、これは、シンガスが生成されているガスタービンシステムに依存することになる。燃料の他の実施例は、限定ではないが、天然ガス、エタノール、メタノール、エタノール、エタン、液化石油ガス（ＬＰＧ）、例えば軽質ナフサ、フルレンジナフサ又は重質ナフサなどの通常はバージンナフサ又は分解ナフサであるナフサ類、ブタン、プロパン、ディーゼル燃料、灯油、航空燃料、石炭由来燃料、バイオ燃料、軽油、原油、含酸素炭化水素原料、精油所排出ガス、付随ガス、これらの組み合わせ、及び同様のものを含むことができる。この場合も同様に、ＣＰＯ反応から生じるシンガスは、通常、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、及び蒸気を含む。１つの実施形態では、シンガスはまた、少量の窒素（Ｎ２）を含むことができる。幾つかの実施形態では、シンガスは更に、未反応燃料を含むことができる。開示されたシステムで使用される酸化剤は、例えば、空気、酸素リッチ空気、又は低酸素空気、及び同様のものなどの酸素を含有するあらゆる好適なガスを含むことができる。
【００３３】
シンガスに対する反応は更に、上述のように蒸気が燃料及び酸素に添加されたときの従来の蒸気改質を含むことができる。このような場合には、天然ガスは、以下で述べる反応（４）及び（５）の後に水素に転換される。
ＣＨ４  ＋  Ｈ２Ｏ  UＣＯ  ＋  ３  Ｈ２      （４）
ＣＯ  ＋  Ｈ２Ｏ  UＣＯ２  ＋  Ｈ２      （５）
燃料改質器システムにおける実質的に予混合された反応物質の燃焼及び転換によって、平衡近傍の組成物を達成し且つＣＰＯ域内での固体炭素の形成を無視できる、小型のＣＰＯ域４２０がもたらされる。次に、ＣＰＯ域４２０で形成されたシンガスは、下流側の希釈域（図３に示す）に移動することができる。希釈域は、反応後シンガスを冷却し、シンガスをガスタービン燃料で希釈するように構成される。希釈域において形成された水素リッチ燃料混合気は、燃料混合気の全乾燥容積をベースとして、約２５乾燥容量パーセント（ｖｏｌ％）から４５ｖｏｌ％の水素濃度を有することができる。上述のように、より高い水素濃度が望ましい場合、有利には、ＷＧＳ反応器を利用して、ＣＰＯ域の後のシンガスの水素含有量を引き上げることができる。
【００３４】
ここで図３を再度参照すると、水素リッチ燃料混合気は、燃料改質器システム１２からガスタービン予混合器１６に下流側に送給される。水素リッチ燃料混合気は、希薄消焔ポイントを低下させること、並びにガスタービンの燃焼ダイナミックスを制御することを助けることができる。燃料改質器システムは、水素リッチ燃料混合気を提供し、該混合気は、希薄消焔又は燃焼ダイナミックスがなく、ガスタービンシステムの燃焼において持続的な希薄予混合又は部分予混合火炎を達成する手段を提供することができる。従って、燃料シンガス混合気は、残りの燃料と共にガスタービンの予混合器に送給される。図８は、例示的なガスタービン燃焼器５００の概略断面図である。燃焼器５００は、燃焼器ハウジング５０２と、該ハウジング５０２内に配置された燃焼器ライナ５０４とを含む。運転中、燃料改質器システムからの水素リッチ混合気を含むことができる燃料ストリーム５０６は、燃焼器に導入され、予混合装置（これまでの各図の何れかにおいて図示されたようなもの）を介して圧縮機からより多くの酸素５０８と予混合することができる。予混合装置は、ハウジング５０２内のガスタービン予混合領域５１０内に配置することができる。図示の実施形態において、燃料ストリーム５０６は、予混合器を通じて予調整される。燃料及び酸素は、燃焼室５１２において高温及び高圧で燃焼される。燃焼ガスは、圧縮機５００の収束する形状によって加圧されてタービン（図示せず）に移動し、ここで加圧ガスの膨張によるエネルギーを用いてタービンを駆動する。
【００３５】
タービンは、ガスタービンから電気を生成するように構成された発電機に接続することができる。特定の実施形態において、比較的低度の予混合を伴った燃料ノズルなどのパイロット火炎を利用して、始動中に火炎を開始し、燃焼室５１２内の安定燃焼を確保することができる。シンガスが存在するときの十分に予混合された燃料及び酸素の燃焼は、ＮＯｘ発生の低減、火炎安定性の改善、及び燃料効率の向上をもたらすことができる点に留意されたい。
【００３６】
本明細書で開示される範囲は、包括的且つ組み合わせることが可能である（例えば、「最大で約２５重量パーセント（ｗｔ％）まで、又はより具体的には、約５ｗｔ％から約２０ｗｔ％」の範囲は、「約５ｗｔ％から約２５ｗｔ％」の範囲の端点と中間値全てを含む、など）。「組み合わせ」とは、配合物、混合物、合金、反応生成物、及び同様のものを含む。更に、本明細書における用語「第１の」、「第２の」などは、どのような順序、数量、又は重要度を意味するものではなく、むしろ、１つの要素を別の要素と区別するために用いており、本明細書において数詞のない表現は、数量の限定を意味するものではなく、むしろ参照する要素の少なくとも１つが存在することを意味する。数量に関して使用する「約」という修飾語は、記載の数値を包含しており、前後関係によって決まる意味を有する（例えば、特定の数量の測定値に付随するある程度の誤差を含む）。本明細書で使用する場合の「数詞のない表現」の用語は、その用語が意味するものの単数及び複数の両方を含むことを意図しており、従って当該用語が意味するものの１つ又はそれ以上を含む（例えば、「冷却剤」は、１つ又はそれ以上の冷却剤を含む）。本明細書全体を通じて、「１つの実施形態」、「別の実施形態」、「ある実施形態」、及びその他などへの言及は、実施形態に関して記載された特定の要素（例えば、特徴、構造、及び／又は特性）が、本明細書で記載される少なくとも１つの実施形態に含まれており、他の実施形態に存在する場合もあり、存在しない場合もあることを意味する。加えて、記載された要素は、種々の実施形態においてあらゆる好適な様態で組み合わせることができる点を理解されたい。
【００３７】
好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を行うことができ且つ本発明の要素を均等物で置き換えることができる点は理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの改良を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実行するために企図される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は請求項の範囲に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。
【符号の説明】
【００３８】
１０  ガスタービンシステム
１２  燃料改質器システム
１４  圧縮機
１６  予混合器
１８  燃料ストリーム
２０  燃焼器
２２  ガスタービン
２４  電力網
３０  燃料スリップストリーム
３２  酸素含有ガス
３４  予混合域
３６  蒸気
３８  熱交換器
４０  ＣＰＯ域（反応器）
４２  シンガス
４４  ＷＧＳ反応器
４６  水素リッチシンガス
４８  燃料混合気
１１０  予混合域
１１２  ＳＣＰＯ域
１１４  ＣＰＯ域
１１６  希釈域
１１８  前処理域
１２０  燃料バイパス弁
１２１  所望の燃料部分
１２２  空気バイパス弁
１２４  燃料残部
１２６  シンガス
１２８  圧縮機空気
１３０  空気部分
１３２  噴射オリフィス
１３４  空気残部
１３６  燃料混合気
１３８  ガス状予混合物
１４０  ブースト圧縮機
２００  予混合装置
２０２  燃料入口
２０４  空気入口
２０６  予混合装置
２０８  空気噴射ロケーション
２１０  予混合領域
２１２  出口
３００  予混合装置
３０２  燃料入口
３０４  燃料ストリーム
３０６  スワーラベーン
３０８  対向流スワーラベーン
３１０  運動方向
３１２  運動方向
３１４  酸素
３１６  複数の孔
３２０  壁
３５０  ＣＰＯ触媒
４００  燃料改質器システム
４０２  予混合装置
４０４  ディフューザ
４１０  触媒域
４２０  ＣＰＯ域
５００  ガスタービン燃焼器
５０２  燃焼器ハウジング
５０４  燃焼器ライナ
５０６  燃料ストリーム
５０８  酸素
５１０  予混合領域
５１２  燃焼室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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