(57)【要約】      （修正有）【課題】燃焼器とともに用いるための燃料ノズル先端を提供する。【解決手段】燃料ノズル先端は、第１の複数の周方向に離間に配置された燃料開口部と第２の複数の周方向に離間に配置された燃料開口部とを備える燃料管であって、燃焼器内に画定される混合ゾーン３２内に燃料を送るように構成される燃料管と、燃料管に結合された空気カラー３４であって、混合ゾーン内に空気を放出するように構成された複数の周方向に離間に配置された空気開口部５８を備え、複数の空気開口部のうちの少なくとも１つは、混合ゾーン内で０．６よりも大きいスワール数が生じることを促進するように配向される空気カラー３４と、を備える燃料ノズル先端。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器（１６）とともに用いるための燃料ノズル先端（３０）であって、第１の複数の周方向に離間に配置された燃料開口部（５２）と第２の複数の周方向に離間に配置された燃料開口部（５４）とを備える燃料管であって、燃焼器内に画定される混合ゾーン（３２）内に燃料を送るように構成される燃料管と、前記燃料管に結合された空気カラー（３４）であって、前記混合ゾーン内に空気を放出するように構成された複数の周方向に離間に配置された空気開口部（５８）を備え、前記複数の空気開口部のうちの少なくとも１つは、前記混合ゾーン内で０．６よりも大きいスワール数が生じることを促進するように配向される空気カラー（３４）と、を備える燃料ノズル先端（３０）。
【請求項２】
前記第１および第２の複数の燃料開口部（５２、５４）の少なくとも一方は、前記混合ゾーン（３２）内に燃料を、前記燃料ノズル先端の中央線（２１０）に対して斜めに配向される放出角度で放出するように構成される請求項１に記載の燃料ノズル先端（３０）。
【請求項３】
前記複数の空気開口部のうちの少なくとも１つ（５８）は、前記混合ゾーン（３２）内に空気を、前記燃料ノズル先端の中央線（２１０）に対して斜めに配向される放出角度で放出するように構成される請求項１に記載の燃料ノズル先端（３０）。
【請求項４】
前記第１および第２の複数の燃料開口部（５２、５４）の少なくとも一方は、前記混合ゾーン（３２）内で０．４よりも小さいスワール数が生じることを促進するように配向される請求項１に記載の燃料ノズル先端（３０）。
【請求項５】
前記第１および第２の複数の燃料開口部（５２、５４）は実質的に燃料ノズル先端の中央線（２１０）の周りで同心である請求項１に記載の燃料ノズル先端（３０）。
【請求項６】
前記燃料管は、前記混合ゾーン（３２）内にパイロット燃料を送るように構成されたパイロット燃料管（２１０）を取り囲む請求項１に記載の燃料ノズル先端（３０）。
【請求項７】
前記第１および第２の複数の燃料開口部（５２、５４）の少なくとも一方は、約１０°〜３０°の間の放出角度で燃料を送るように構成され、前記複数の空気開口部（５８）のうちの少なくとも１つは、約４０°〜５０°の間の放出角度で空気を送るように構成される請求項１に記載の燃料ノズル先端（３０）。
【請求項８】
ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）パワー発生システム（５０）で用いるためのガス・タービン・エンジン（１０）であって、燃焼器（１６）と、燃料ノズル先端（３０）と、を備え、前記燃料ノズル先端（３０）は、第１の複数の周方向に離間に配置された燃料開口部（５２）と第２の複数の周方向に離間に配置された燃料開口部（５４）とを備える燃料管であって、燃焼器内に画定される混合ゾーン（３２）内に燃料を送るように構成された燃料管と、前記燃料管に結合された空気カラー（３４）であって、前記混合ゾーン内に空気を放出するように構成された複数の周方向に離間に配置された空気開口部（５８）を備え、前記複数の空気開口部のうちの少なくとも１つは、前記混合ゾーン内で０．６よりも大きいスワール数が生じることを促進するように配向される空気カラー（３４）と、を備える、ガス・タービン・エンジン（１０）。
【請求項９】
前記第１および第２の複数の燃料開口部（５２、５４）の少なくとも一方は、前記混合ゾーン（３２）内に燃料を、前記燃料ノズル先端（３０）の中央線（２１０）に対して斜めに配向される放出角度で放出するように構成される請求項８に記載のガス・タービン・エンジン（１０）。
【請求項１０】
前記複数の空気開口部（５８）のうちの少なくとも１つは、前記混合ゾーン（３２）内に空気を、前記燃料ノズル先端（３０）の中央線（２１０）に対して斜めに配向される放出角度で放出するように構成される請求項８に記載のガス・タービン・エンジン（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載した実施形態は一般的に、ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）パワー発生システムに関し、より詳細には、ＩＧＣＣパワー発生システムとともに用いるための燃料ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも一部の既知のガス化装置では、空気および／または酸素、液体水および／または蒸気、燃料、および／またはスラグ添加剤を含む流体の混合物を、「シンガス」と言われることが多い部分的に酸化されたガスに変換している。ガス・タービン・エンジンに送出される流体の混合を制御することは、エンジンの性能および／または排出にとって重大な場合がある。
【０００３】
たとえば、混合が不適切および／または不十分であると、燃料ノズル先端に隣接しておよび／またはノズル内に火炎が取り付く場合があり、その結果、燃料ノズル先端および／またはノズルの温度が上がる場合がある。また、混合が不適切および／または不十分であると、流れの中心に分離ゾーンが形成される場合もされない場合もあり、その結果、渦崩壊の確率が増加または減少する。さらに、混合が不適切および／または不十分であると、燃焼器内に画定される再循環安定ゾーンが下流側にシフトする場合があり、その結果、火炎が分離されて一酸化炭素排出の発生が増大する場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５，２４０，４１０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）パワー発生システムとともに用いるための燃料ノズルを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態においては、燃焼器とともに用いるための燃料ノズル先端を組み立てる方法が提供される。本方法は、燃料管を用意することと、燃料管に空気カラーを結合することとを含む。燃料管は、第１の複数の周方向に離間に配置された燃料開口部と第２の複数の周方向に離間に配置された燃料開口部とを用いて形成される。燃料管は、燃料が第１および第２の複数の燃料開口部を通して混合ゾーン内に放出され得るように配向される。空気カラーは、複数の周方向に離間に配置された空気開口部とともに形成される。複数の空気開口部のうちの少なくとも１つは、混合ゾーン内で０．６よりも大きいスワール数が生じることを促進するように配向される。空気カラーは、空気が複数の空気開口部を通して混合ゾーン内に放出され得るように配向される。
【０００７】
別の実施形態においては、燃焼器とともに用いるための燃料ノズル先端が提供される。燃料ノズル先端は、燃料管と燃料管に結合された空気カラーとを備える。燃料管は、第１の複数の周方向に離間に配置された燃料開口部と第２の複数の周方向に離間に配置された燃料開口部とを備える。燃料管は、燃焼器内に画定された混合ゾーン内に燃料を送るように構成される。空気カラーは、混合ゾーン内に空気を放出するように構成された複数の周方向に離間に配置された空気開口部を備える。複数の空気開口部のうちの少なくとも１つは、混合ゾーン内で０．６よりも大きいスワール数が生じることを促進するように配向される。
【０００８】
さらに別の実施形態においては、ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）パワー発生システムで用いるためのガス・タービン・エンジンが提供される。ガス・タービン・エンジンは、燃焼器と燃料ノズル先端とを備え、燃料ノズル先端は、燃料管と燃料管に結合された空気カラーとを備える。燃料管は、第１の複数の周方向に離間に配置された燃料開口部と第２の複数の周方向に離間に配置された燃料開口部とを備える。燃料管は、燃焼器内に画定された混合ゾーン内に燃料を送るように構成される。空気カラーは、混合ゾーン内に空気を放出するように構成された複数の周方向に離間に配置された空気開口部を備える。複数の空気開口部のうちの少なくとも１つは、混合ゾーン内で０．６よりも大きいスワール数が生じることを促進するように配向される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】典型的なガス化複合発電（ＩＧＣＣ）パワー発生システムの概略図である。
【図２】図１に示すＩＧＣＣパワー発生システムとともに用いても良い典型的なガス・タービン・エンジンの概略図である。
【図３】図２に示すガス・タービン・エンジンとともに用いても良い典型的な燃料ノズル先端の斜視図である。
【図４】図３に示す燃料ノズル先端の内部図である。
【図５】図３に示す燃料ノズル先端の端面図である。
【図６】図３に示す燃料ノズル先端の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本明細書に記載したシステムおよび方法によって、燃料ノズルから、燃料に対する第１のスワール数と空気に対する第２のスワール数とを可能にする燃料空気混合気を放出することが促進される。スワール数は、本出願で用いる場合、軸推力に対する角運動量の軸方向流れとして定義される。
【００１１】
図１は、典型的なガス化複合発電（ＩＧＣＣ）パワー発生システム５０の概略図である。代表的な実施形態においては、システム５０は、主空気圧縮機５２、空気分離ユニット５３、ガス化装置５６、清浄化装置６２、およびガス・タービン・エンジン１０を備える。代表的な実施形態においては、エンジン１０は、圧縮機１２、燃焼器１６、およびタービン２０を備える。
【００１２】
動作中、空気が主空気圧縮機５２を通って流れ、主空気圧縮機５２から圧縮空気が空気分離ユニット５３に放出される。代表的な実施形態においては、付加的な圧縮空気がガス・タービン・エンジン圧縮機１２から空気分離ユニット５３に供給される。
【００１３】
空気分離ユニット５３によって、圧縮空気は酸素流れＯ２とガス副生成物流れＮＰＧ（プロセス・ガス流とも言われる）とに分離される。代表的な実施形態においては、空気分離ユニット５３によって、酸素流れＯ２がガス化装置５６に送られ、少なくとも一部のプロセス・ガス流ＮＰＧがガス・タービン・エンジン燃焼器１６に圧縮機６０を介して送られ、少なくとも一部のプロセス・ガス流ＮＰＧが大気に送られる。代表的な実施形態においては、プロセス・ガス流ＮＰＧは窒素を含んでいる。たとえば、一実施形態においては、プロセス・ガス流ＮＰＧは約９５％〜１００％の窒素を含んでいる。プロセス・ガス流ＮＰＧはまた、他のガスたとえば（これらに限定されないが）酸素および／またはアルゴンを含んでいても良い。あるいは、プロセス・ガス流は、窒素の代わりに（Ｈ２Ｏ）蒸気を含んでおり、プロセス・ガス流は、約９０％〜１００％の（Ｈ２Ｏ）蒸気を含んでいる。
【００１４】
ガス化装置５６は、空気分離ユニット５３から供給された酸素流れＯ２と、液体水および／または蒸気と、燃料、炭質物質、および／またはスラグ添加剤の混合物とを、「シンガス」と言われることが多い部分的に酸化されたガスに変換する。ガス化装置５６は任意の燃料を用いても良いが、一部の実施形態においては、ガス化装置５６は、石炭、石油コークス、残留油、油乳剤、タール・サンド、および／または他の同様の燃料を用いる。代表的な実施形態においては、ガス化装置５６からシンガスがガス・タービン・エンジン燃焼器１６に、清浄化装置６２を介して送られる。より具体的には、代表的な実施形態においては、ガス化装置５６は、二酸化炭素ＣＯ２を含むシンガスを発生させ、清浄化装置６２は、シンガスから二酸化炭素ＣＯ２を分離する。清浄化装置６２によってシンガスから分離された二酸化炭素ＣＯ２は、大気に逃がしても良いし、噴射ノズル７０に再循環してガス化装置５６による使用を図っても良いし、圧縮および隔離して地質貯留（ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ  ｓｔｏｒａｇｅ）を図っても良いし（図示せず）、および／または工業用途のガス用に処理しても良い（図示せず）。
【００１５】
図２は、図１に示すシステム５０とともに用いても良いエンジン１０の概略図である。代表的な実施形態においては、エンジン１０は、圧縮機１２、燃焼器１６、およびタービン２０を備え、これらは順次的な軸方向流れの関係で配置されている。圧縮機１２とタービン２０とはシャフト２２を介して互いに結合されている。代替的な実施形態においては、エンジン１０は、高圧圧縮機と高圧タービンとを備え、これらは第２のシャフトを介して互いに結合されている。
【００１６】
動作中に、圧縮機１２は空気を圧縮し、圧縮空気は燃焼器１６に送られる。燃焼器１６は、圧縮機１２からの圧縮空気と、空気分離ユニット５３（図１に示す）からの圧縮されたプロセス・ガスと、ガス化装置５６（図１に示す）からのシンガスとを混合して、混合物を生成する。混合物は燃焼して燃焼ガスを生成し、燃焼ガスはタービン２０に向けて送られる。燃焼ガスは排気ノズル２４を通して排出され、ガスはエンジン１０を出る。代表的な実施形態においては、エンジン１０から出力されたパワーによって発電機６４（図１に示す）が駆動され、電力網（図示せず）に電力が供給される。
【００１７】
より具体的には、代表的な実施形態において、エンジン１０は少なくとも１つの燃料ノズル（図２に示さず）も備える。燃料ノズルによって、圧縮空気、圧縮されたプロセス・ガス、およびシンガスが、燃焼器１６内に画定された燃焼器混合ゾーン３２（図３に示す）に送られる。燃焼器１６では、圧縮空気、圧縮されたプロセス・ガス、およびシンガスが燃焼器混合ゾーン３２内で燃焼して、燃焼ガスが生成される。代表的な実施形態においては、プロセス・ガス流を用いることによってエンジン１０からの排出の制御が容易になり、より具体的には、燃焼温度とエンジン１０内で発生する亜酸化窒素排出レベルとを低減することが容易になる。
【００１８】
図３〜６に、燃焼器１６（図２に示す）内で用いても良い典型的な燃料ノズル先端３０を例示する。より具体的には、図３に燃料ノズル先端３０の斜視図を例示し、図４に燃料ノズル先端３０の内部図を例示し、図５に燃料ノズル先端３０の端面図を例示し、図６に燃料ノズル先端３０の断面図を例示する。
【００１９】
典型的な実施形態においては、燃料ノズル先端３０は、関連する燃料ノズル（図示せず）の下流端４４に位置する。また、代表的な実施形態においては、燃料ノズル先端３０は、空気カラー３４、パイロット燃料管３６、および主燃料管４０を備えている。より具体的には、代表的な実施形態においては、主燃料管４０は、パイロット燃料管３６の半径方向外側にあり、パイロット燃料管３６の周りに周方向に延びている。代表的な実施形態においては、空気カラー３４は下流端４４において燃料管面４２に結合されている。
【００２０】
空気カラー３４は、燃料管面４２に隣接する第１の外径１１２を伴って形成される。代表的な実施形態においては、第１の外径１１２は主燃料管４０の外径２００とほぼ同じサイズである。代表的な実施形態においては、空気カラー３４はまた、第１の外径１１２の下流において、第１の外径１１２よりも小さい第２の外径１２２を伴って形成される。こうして第２の外径１２２によって、空気カラー３４は、燃焼器混合ゾーン３２に隣接して軸方向にスライドすることができる。
【００２１】
主燃料管４０の燃料管面４２は、少なくとも第１の複数の周方向に離間に配置された主燃料開口部５２を備えている。代表的な実施形態においては、燃料管面４２は第２の複数の周方向に離間に配置された主燃料開口部５４も備えていて、主燃料管４０から、より大量の流体を燃焼器混合ゾーン３２内に放出できるようになっている。代表的な実施形態においては、主燃料開口部５２および５４は実質的に円形である。あるいは、開口部５２および／または５４を、主燃料管４０が本明細書で説明したように機能できる任意の断面形状を伴って形成しても良い。代表的な実施形態においては、主燃料開口部５２および５４は、実質的に同心円状に、また燃料ノズル先端３０の中央線２１０の周りに周方向に、離間に配置されている。より具体的には、代表的な実施形態においては、主燃料開口部５２は、中央線２１０から外側に第１の半径方向距離２５２において離間に配置され、主燃料開口部５４は、中央線２１０から外側に第２の半径方向距離２５４において離間に配置されている。代表的な実施形態においては、第１の半径方向距離２５２は第２の半径方向距離２５４よりも短い。
【００２２】
代表的な実施形態においては、主燃料開口部５２および５４から流体（図示せず）が燃焼器混合ゾーン３２内に放出される。より具体的には、代表的な実施形態において、主燃料開口部５２および５４から主燃料（図示せず）（たとえば空気吹き込み（ａｉｒｂｌｏｗｎ）ガス化装置シンガス）が燃焼器混合ゾーン３２内に放出される。より具体的には、主燃料開口部５２および５４からから主燃料が、中央線２１０に対して斜めに配向される所定の放出角度θ１で放出される。代表的な実施形態においては、放出角度θ１は約１０°〜約３０°の間である。一実施形態においては、少なくとも１つの燃料開口部５４の放出角度θ１は、少なくとも１つの燃料開口部５２の放出角度θ１とは異なっている。
【００２３】
パイロット燃料管面４６は、複数のパイロット燃料開口部４８を備えている。代表的な実施形態においては、パイロット燃料開口部４８は実質的に円形である。あるいは、パイロット燃料開口部４８を、パイロット燃料管３６が本明細書で説明したように機能できる任意の断面形状を伴って形成しても良い。代表的な実施形態においては、パイロット燃料開口部４８から流体が燃焼器混合ゾーン３２内に放出される。より具体的には、代表的な実施形態においては、パイロット燃料開口部４８からパイロット燃料（図示せず）または始動燃料が、燃焼器混合ゾーン３２内に放出される。より具体的には、パイロット燃料開口部４８からパイロット燃料が、中央線２１０に対して斜めに配向される所定の放出角度（図示せず）で放出される。
【００２４】
空気カラー（ａｉｒ  ｃｏｌｌａｒ）３４は、複数の周方向に離間に配置された空気開口部５８を備えている。代表的な実施形態においては、空気を、燃料管面４２における開口部ではなく空気カラー３４における開口部を通して放出することによって、より大量の主燃料を主燃料開口部５２および／または５４を通して放出することができる。代表的な実施形態においては、空気開口部５８は実質的に円形である。あるいは、空気開口部５８を、空気開口部５８が本明細書で説明したように機能できる任意の断面形状を伴って形成しても良い。代表的な実施形態においては、空気開口部５８は中央線２１０の周りに実質的に周方向に離間に配置されている。より具体的には、代表的な実施形態においては、空気開口部５８は、中央線２１０から外側に半径方向の距離２５８において離間に配置されている。代表的な実施形態においては、半径方向の距離２５８は、半径方向の距離２５２および２５４よりも大きい。
【００２５】
代表的な実施形態においては、空気開口部５８から流体が燃焼器混合ゾーン３２内に放出される。より具体的には、代表的な実施形態においては、空気開口部５８から空気が燃焼器混合ゾーン３２内に放出される。より具体的には、空気開口部５８から空気が、中央線２１０に対して斜めに配向される所定の放出角度θ２で放出される。代表的な実施形態においては、放出角度θ２は約４０°〜約５０°の間である。空気カラー３４の厚さ１５８によって、空気を放出角度θ２で放出することができる一方で、空気開口部５８同士の間で周方向に隣接する離隔距離６８が規定される。代表的な実施形態においては、放出角度θ１と放出角度θ２とは、ほぼ等しい。あるいは、放出角度θ１およびθ２を、本明細書で説明したように燃料空気混合気を可能にする任意の角度にしても良い。
【００２６】
動作中、パイロット燃料管３６からパイロット燃料または始動燃料が燃焼器混合ゾーン３２に、エンジン１０の始動およびアイドル動作の間に放出される。代表的な実施形態においては、始動燃料は天然ガスである。付加的なパワーが要求される場合、パイロット燃料管３６は燃焼器混合ゾーン３２へのパイロット燃料の放出を中止して、主燃料管４０および空気カラー３４から主燃料および空気をそれぞれ燃焼器混合ゾーン３２に放出する。主燃料開口部５２および５４から燃料が放出角度θ１で放出され、空気開口部５８から空気が放出角度θ２で放出される。より具体的には、主燃料開口部５２および５４と空気開口部５８とから放出される主燃料および空気を旋回および混合することによって、燃焼器混合ゾーン３２内で転換点未満のスワール数が生じることが促進される。代表的な実施形態においては、放出燃料のスワール数は約０．４よりも小さく、放出空気のスワール数は約０．６よりも大きい。放出空気の旋回が比較的高いことによって、下流に渦崩壊を形成することが促進される。また、放出空気の旋回が比較的高いことによって、燃料ノズルの燃料柔軟性も高まる。また、各空気開口部５８が円形形状であることによって、リッチ火炎を、保炎の確率が小さくなるように形成することができる。
【００２７】
本明細書に記載した方法およびシステムによって、放出燃料に対する第１のスワール数と放出空気に対する第２のスワール数とを伴う燃料空気混合気を放出することが促進される。代表的な実施形態においては、空気吹き込みシンガス燃料ノズルを、精製所または石炭ガス化プラントにおいて用いる。本明細書に記載した方法およびシステムが例示する開示は、一例としてであり、限定としてではない。本記載によって明らかに、当業者が開示内容を作製および使用することが可能であるとともに、複数の実施形態、適応、変形、代替物、および開示内容の使用が開示されており、開示内容には、現時点で開示内容を実施するベスト・モードであると考えられるものが含まれている。
【００２８】
円形の希釈空気開口部を伴う空気吹き込みシンガス燃料ノズルおよびその組み立て方法の代表的な実施形態について、上記で詳細に説明している。本方法およびシステムは、本明細書に記載した特定の実施形態には限定されず、むしろ本方法およびシステムの構成要素は、本明細書に記載した他の構成要素と独立および別個に用いても良い。たとえば、本明細書に記載した方法およびシステムには、他の工業用および／または民生用の応用例があっても良く、本明細書で説明したような精製所または石炭ガス化プラントとともに実行することに限定されない。むしろ本発明を、他の多くの産業と関連して実施および利用することができる。
【００２９】
本発明を種々の特定の実施形態に関して説明してきたが、当業者であれば分かるように、本発明は請求項の趣旨および範囲内の変更を用いて実施することができる。
【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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