(57)【要約】      （修正有）【課題】ガス化複合発電システムで用いられる燃料ノズルを提供する。【解決手段】燃料ノズルチップは、周方向に離隔した第１の複数の燃料開口部と周方向に離隔した第２の複数の燃料開口部とを備える燃料管であって、燃焼器内に画成される混合域に燃料を導くように構成された燃料管と、燃料管に連結された空気カラー３４であって、混合域に空気を吐出するように構成された複数の周方向に離隔した空気開口部５８を備え、複数の空気開口部の各々は四角形の断面形状である、空気カラーとを備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器（１６）で用いられる燃料ノズルチップ（３０）であって、
周方向に離隔した第１の複数の燃料開口部（５２）と周方向に離隔した第２の複数の燃料開口部（５４）とを備える燃料管であって、燃焼器内に画成される混合域（３２）に燃料を導くように構成された燃料管、及び
該燃料管に連結された空気カラー（３４）であって、上記混合域に空気を吐出するように構成された複数の周方向に離隔した空気開口部（５８）を備え、複数の空気開口部の各々が四角形の断面形状をもつ空気カラー（３４）
を備える燃料ノズルチップ（３０）。
【請求項２】
第１及び第２の複数の燃料開口部（５２、５４）のうちの少なくとも１つが、燃料を、前記燃料ノズルチップの中心線（２１０）に対して傾いた吐出角度で前記混合域（３２）に吐出するように構成されている、請求項１記載の燃料ノズルチップ（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）が、空気を、前記燃料ノズルチップの中心線（２１０）に対して傾いた吐出角度で前記混合域（３２）に吐出するように構成されている、請求項１又は請求項２記載の燃料ノズルチップ（３０）。
【請求項４】
第１及び第２の複数の燃料開口部（５２、５４）並びに前記複数の空気開口部（５８）のうちの少なくとも１つが、前記混合域（３２）で０．４未満のスワール数を生じるのを促進するように配向される、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の燃料ノズルチップ（３０）。
【請求項５】
第１及び第２の複数の燃料開口部（５２、５４）が実質的に燃料ノズルチップの中心線（２１０）の周りで同心である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の燃料ノズルチップ（３０）。
【請求項６】
前記燃料管が、混合域（３２）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（３６）を取り囲む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の燃料ノズルチップ（３０）。
【請求項７】
第１及び第２の複数の燃料開口部（５２、５４）のうちの少なくとも１つが、約１０°〜３０°の吐出角度で燃料を吐出するように構成され、前記複数の空気開口部（５８）のうちの少なくとも１つが約１０°〜３０°の吐出角度で空気を吐出するように構成されている、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の燃料ノズルチップ（３０）。
【請求項８】
ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）システム（５０）で用いられるガスタービンエンジン（１０）であって、当該ガスタービンエンジンが、
燃焼器（１６）と、
燃料ノズルチップ（３０）と
を備えており、上記燃料ノズルチップ（３０）が、
周方向に離隔した第１の複数の燃料開口部（５２）と周方向に離隔した第２の複数の燃料開口部（５４）とを備える燃料管であって、燃焼器内に画成される混合域（３２）に燃料を導くように構成された燃料管と、
上記燃料管に連結された空気カラー（３４）であって、上記混合域に空気を吐出するように構成された複数の周方向に離隔した空気開口部（５８）を備え、複数の空気開口部の各々が四角形の断面形状をもつ空気カラー（３４）と
を備えている、ガスタービンエンジン（１０）。
【請求項９】
第１及び第２の複数の燃料開口部（５２、５４）のうちの少なくとも１つが、燃料を、前記燃料ノズルチップ（３０）の中心線（１２０）に対して傾いた吐出角度で前記混合域（３２）に吐出するように構成されている、請求項８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（５２、５４）のうちの少なくとも１つが、空気を、前記燃料ノズルチップ（３０）の中心線（２１０）に対して傾いた吐出角度で前記混合域（３２）に吐出するように構成されている、請求項８又は請求項９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】
本発明は広義にはガス化複合発電（ＩＧＣＣ）システムに関し、具体的には、ＩＧＣＣ発電システムで用いられる燃料ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも幾つかの公知のガス化炉では、空気及び／又は酸素、水及び／又は蒸気、燃料、及び／又はスラグ添加剤を含む流体の混合物を、「シンガス」とも呼ばれる部分酸化ガスへと変換する。ガスタービンエンジンに送られる流体の混合の制御は、エンジン性能及び／又は排出に極めて重要であることがある。
【０００３】
例えば、混合が不適切及び／又は不十分であると、燃料ノズルチップの近傍及び／又はノズル内部に火炎が付着して、燃料ノズルチップ及び／又はノズルの温度が上昇することがある。また、混合が不適切及び／又は不十分であると、流れの中心に分離領域を形成したり形成しないことがあり、そのため渦（vortex）の崩壊の確率が増減してしまう。さらに、混合が不適切及び／又は不十分であると、燃焼器内に画成される再循環安定域が下流側にシフトして、火炎が離れて一酸化炭素排出の発生量が増大することがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５２４０４１０号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態では、燃焼器で用いられる燃料ノズルチップを組立てる方法を提供する。本方法は、燃料管を用意する段階と、燃料管に空気カラーを連結する段階とを含む。燃料管は、周方向に離隔した第１の複数の燃料開口部と周方向に離隔した第２の複数の燃料開口部と共に形成される。燃料管は、燃料を第１及び第２の複数の燃料開口部を通して混合域に吐出できるように配向される。空気カラーは、複数の周方向に離隔した空気開口部とともに形成される。複数の空気開口部の各々は四角形の断面形状である。空気カラーは、空気を複数の空気開口部を通して混合域に吐出できるように配向される。
【０００６】
別の実施形態では、燃焼器で用いられる燃料ノズルチップを提供する。燃料ノズルチップは、燃料管と該燃料管に連結された空気カラーとを備える。燃料管は、周方向に離隔した第１の複数の燃料開口部と周方向に離隔した第２の複数の燃料開口部とを備える。燃料管は、燃焼器内に画成された混合域に燃料を送るように構成される。空気カラーは、混合域に空気を吐出するように構成された複数の周方向に離隔した空気開口部を備える。複数の空気開口部の各々は四角形の断面形状である。
【０００７】
さらに別の実施形態では、ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）システム用のガスタービンエンジンを提供する。ガスタービンエンジンは、燃焼器と燃料ノズルチップとを備え、燃料ノズルチップは、燃料管と該燃料管に連結された空気カラーとを備える。燃料管は、周方向に離隔した第１の複数の燃料開口部と周方向に離隔した第２の複数の燃料開口部とを備える。燃料管は、燃焼器内に画成された混合域に燃料を送るように構成される。空気カラーは、混合域に空気を吐出するように構成された複数の周方向に離隔した空気開口部を備える。複数の空気開口部の各々は四角形の断面形状である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】典型的なガス化複合発電（ＩＧＣＣ）システムの概略図である。
【図２】図１に示すＩＧＣＣ発電システムで用いることのできる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で用いることのできる典型的な燃料ノズルチップの斜視図である。
【図４】図３に示す燃料ノズルチップの内部構造図である。
【図５】図３に示す燃料ノズルチップの端面図である。
【図６】図３に示す燃料ノズルチップの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本願発明のシステム及び方法は、、保炎の問題を軽減しつつリッチ火炎を発生させることができる燃料ノズルからの燃料空気混合気の吐出を促進する。具体的には、本願発明のシステム及び方法は、燃料ノズルからの燃焼器混合域への弱い旋回での燃料空気混合気の吐出を促進する。
【００１０】
図１は、典型的なガス化複合発電（ＩＧＣＣ）システム５０の概略図である。例示的な実施形態では、システム５０は、主空気圧縮機５１、空気分離ユニット５３、ガス化炉５６、浄化装置６２及びガスタービンエンジン１０を備える。例示的な実施形態では、エンジン１０は、圧縮機１２、燃焼器１６及びタービン２０を備える。
【００１１】
作動中、空気が主空気圧縮機５１を流れて、圧縮空気を吐出して、空気分離ユニット５３に送られる。例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン圧縮機１２から追加の圧縮空気を空気分離ユニット５３に供給する。
【００１２】
空気分離ユニット５３で、圧縮空気を酸素流Ｏ2とガス副生物流ＮＰＧ（プロセスガス流とも呼ばれる）とに分離される。例示的な実施形態では、空気分離ユニット５３は酸素流Ｏ2をガス化炉５６に送り、プロセスガス流ＮＰＧの少なくとも一部を圧縮機６０を介してガスタービンエンジン燃焼器１６に送り、プロセスガス流ＮＰＧの少なくとも一部を大気に放出する。例示的な実施形態では、プロセスガス流ＮＰＧは窒素を含む。例えば、一実施形態では、プロセスガス流ＮＰＧは約９５％〜１００％の窒素を含む。プロセスガス流ＮＰＧは、他のガス（例えば特に限定されないが、酸素及び／又はアルゴン）を含んでいてもよい。或いは、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）蒸気を含む。
【００１３】
ガス化炉５６は、空気分離ユニット５３から供給された酸素流Ｏ2と、水及び／又は蒸気、燃料、炭素質材料及び／又はスラグ添加剤の混合物を、「シンガス」とも呼ばれる部分酸化ガスへと変換する。ガス化炉５６ではどのような燃料を使用してもよいが、ある実施形態では、ガス化炉５６で、石炭、石油コークス、残油、オイルエマルジョン、タールサンド及び／又は他の同様の燃料が用いられる。例示的な実施形態では、ガス化炉５６はシンガスを、浄化装置６２を介してガスタービンエンジン燃焼器１６に送る。具体的には、例示的な実施形態では、ガス化炉５６は、二酸化炭素ＣＯ2を含有するシンガスを発生させ、浄化装置６２でシンガスから二酸化炭素ＣＯ2を分離する。浄化装置６２でシンガスから分離された二酸化炭素ＣＯ2は大気に放出してもよいし、ガス化炉５６で使用するため噴射ノズル７０に再循環してもよいし、地中貯留のため圧縮及び隔離してもよいし（図示せず）、及び／又は工業用ガスへと処理してもよい（図示せず）。
【００１４】
図２は、図１に示すシステム５０で用いることのできるエンジン１０の概略図である。例示的な実施形態では、エンジン１０は、一連の軸流関係に配置された圧縮機１２と燃焼器１６とタービン２０を備える。圧縮機１２とタービン２０はシャフト２１を介して互いに連結されている。別の実施形態では、エンジン１０は、第２のシャフトを介して互いに連結された高圧圧縮機と高圧タービンを備える。
【００１５】
作動中、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）からの圧縮プロセスガスと、ガス化炉５６（図１）からのシンガスとを混合して混合物を生成させ、これを燃焼して燃焼ガスを発生させ、タービン２０へと送る。燃焼ガスは排気ノズル２４から排出され、エンジン１０を出る。例示的な実施形態では、エンジン１０の出力で発電機６４（図２）を駆動して、電力網（図示せず）に電力を供給する。
【００１６】
具体的には、例示的な実施形態では、エンジン１０は１以上の燃料ノズル（図示せず）も備えており、圧縮空気、圧縮プロセスガス及びシンガスを燃焼器１６内に画成された燃焼器混合域３２（図３）へと導く。燃焼器１６は、圧縮空気、圧縮プロセスガス及びシンガスを燃焼器混合域３２で燃焼させて、燃焼ガスを発生させる。例示的な実施形態では、プロセスガス流の使用によってエンジン１０からの排出量の制御を促し、具体的には、エンジン１０の燃焼温度及び亜酸化窒素排出レベルの低減を促進する。
【００１７】
図３〜図６に、燃焼器１６（図２）で用いることのできる典型的な燃料ノズルチップ３０を示す。具体的には、図３は燃料ノズルチップ３０の斜視図を示し、図４は燃料ノズルチップ３０の内部構造図を示し、図５は燃料ノズルチップ３０の端面図を示し、図６は燃料ノズルチップ３０の断面図を示す。
【００１８】
典型的な実施形態では、燃料ノズルチップ３０は、燃料ノズル（図示せず）の下流端４４に位置する。また、例示的な実施形態では、燃料ノズルチップ３０は、空気カラー３４、パイロット燃料管３６及び主燃料管４０を備える。具体的には、例示的な実施形態では、主燃料管４０はパイロット燃料管３６の半径方向外側にあって、パイロット燃料管３６の周囲に延在する。例示的な実施形態では、空気カラー３４は燃料管面４２に下流端４４で連結される。
【００１９】
空気カラー３４は、燃料管面４２の近傍では第１の外径１１２で形成される。例示的な実施形態では、第１の外径１１２は主燃料管４０の外径２００と略同じサイズである。例示的な実施形態では、空気カラー３４は、第１の外径１１２の下流では、第１の外径１１２よりも小さい第２の外径１２２で形成される。こうして、第２の外径１２２で、空気カラー３４を燃焼器混合域３２の近傍へと軸方向にスライドさせることができる。
【００２０】
主燃料管４０の燃料管面４２は、少なくとも周方向に離隔した第１の複数の主燃料開口部５２を備える。例示的な実施形態では、主燃料管４０からさらに多量の流体を燃焼器混合域３２に吐出できるように、燃料管面４２は周方向に離隔した第２の複数の主燃料開口部５４も備えている。例示的な実施形態では、主燃料開口部５２及び５４は実質的に円形である。或いは、開口部５２及び／又は５４は、主燃料管４０が本明細書に記載の通り機能できるような任意の断面形状に形成し得る。例示的な実施形態では、主燃料開口部５２及び５４は、燃料ノズルチップ３０の中心線２１０を中心として実質的に同心で周方向に離隔している。具体的には、例示的な実施形態では、主燃料開口部５２は中心線２１０から外側に第１の半径方向距離２５２離隔し、主燃料開口部５４は中心線２１０から外側に第２の半径方向距離２５４離隔している。例示的な実施形態では、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。
【００２１】
例示的な実施形態では、主燃料開口部５２及び５４は流体（図示せず）を燃焼器混合域３２に吐出する。具体的には、例示的な実施形態では、主燃料開口部５２及び５４は主燃料（図示せず）（例えば空気吹きガス化炉シンガス）を燃焼器混合域３２に吐出する。具体的には、主燃料開口部５２及び５４は、主燃料を、中心線２１０に対して斜めに配向した所定の吐出角度θ1で吐出する。例示的な実施形態では、吐出角度θ1は約１０°〜約３０°である。一実施形態では、１以上の燃料開口部５４の吐出角度θ1は、１以上の燃料開口部５２の吐出角度θ1とは異なる。
【００２２】
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を備える。例示的な実施形態では、パイロット燃料開口部４８は実質的に円形である。或いは、パイロット燃料開口部４８は、パイロット燃料管３６が本明細書に記載の通り機能できるような任意の断面形状に形成し得る。例示的な実施形態では、パイロット燃料開口部４８は流体を燃焼器混合域３２に吐出する。具体的には、例示的な実施形態では、パイロット燃料開口部４８はパイロット燃料（図示せず）又は起動燃料を燃焼器混合域３２に吐出する。具体的には、パイロット燃料開口部４８はパイロット燃料を中心線２１０に対して斜めに配向した所定の吐出角度（図示せず）で吐出する。
【００２３】
空気カラー３４は、複数の周方向に離隔した空気開口部５８を備える。例示的な実施形態では、燃料管面４２の開口部ではなく空気カラー３４の開口部を通して空気を吐出することによって、主燃料開口部５２及び／又は５４から吐出できる主燃料の量を増やすことができる。例示的な実施形態では、空気開口部５８は各々四角形の断面形状で形成される。或いは、空気開口部５８は、空気開口部５８が本明細書に記載の通り機能できるような任意の断面形状に形成し得る。例示的な実施形態では、各空気開口部５８の四角形の断面形状は、空気カラー３４と主燃料管３６との境界に段差をほとんど或いは全く作らずに、空気カラー３４を主燃料管３６に連結するのに役立つ。具体的には、例示的な実施形態では、空気カラー３４は各空気開口部５８の３辺を画成し、燃料管３６が各空気開口部５８の１辺を画成する。空気カラー３４と主燃料管３６との境界に規定される段差を低減又は解消することによって、燃料空気混合気で規定される燃焼器１６内の循環域が縮小される。例示的な実施形態では、空気開口部５８は中心線２１０を中心として実質的に周方向に離隔している。具体的には、例示的な実施形態では、空気開口部５８は、中心線２１０から外側に半径方向距離２５８で離隔している。例示的な実施形態では、半径方向距離２５８は、半径方向距離２５２及び２５４よりも大きい。
【００２４】
例示的な実施形態では、空気開口部５８は流体を燃焼器混合域３２に吐出する。具体的には、例示的な実施形態では、空気開口部５８は空気を燃焼器混合域３２に吐出する。具体的には、空気開口部５８は空気を中心線２１０に対して斜めに配向した所定の吐出角度θ2で吐出する。例示的な実施形態では、吐出角度θ2は約１０°〜約３０°である。空気カラー３４の厚さ１５８は、空気を吐出角度θ2で吐出することができるとともに、空気開口部５８間に周方向に隣接した分離部６８を画成する。例示的な実施形態では、吐出角度θ1と吐出角度θ2は略等しい。或いは、吐出角度θ1及びθ2は、本明細書に記載した燃料空気混合を可能にする任意の角度にしてもよい。
【００２５】
作動中、エンジン１０の起動及びアイドル作動に際して、パイロット燃料管３６はパイロット燃料又は起動燃料を燃焼器混合域３２に吐出する。例示的な実施形態では、起動燃料は天然ガスである。追加の出力が要求される場合、パイロット燃料管３６は燃焼器混合域３２へのパイロット燃料の吐出を止め、主燃料管４０及び空気カラー３４からそれぞれ主燃料及び空気を燃焼器混合域３２に吐出する。主燃料開口部５２及び５４は燃料を吐出角度θ1で吐出し、空気開口部５８は空気を吐出角度θ2で吐出する。具体的には、主燃料開口部５２及び５４と空気開口部５８から吐出される主燃料及び空気の旋回及び混合は、燃焼器混合域３２で０．４の転換点（tipping point）未満のスワール数を生じるのを促進する。例示的な実施形態では、燃料空気混合気のスワール数は約０．４未満である。具体的には、例示的な実施形態では、吐出燃料のスワール数は約０．４未満であり、吐出空気のスワール数は約０．４未満である。スワール数とは、本願では、軸推力に対する角運動量の軸方向流束として定義される。弱いスワールは、燃料及び空気が半径方向に穏やかに広がるのを促進して、渦が崩壊する確率を減らす。換言すれば、弱いスワールは、旋回の中心線近傍での再循環領域の発生確率を低減する。さらに、弱いスワールは、燃料及び空気が下流端４４から軸方向に燃焼器１６に向けて穏やかに広がるのを促進する。その結果、強いスワールで可能な位置よりもさらに下流に火炎が位置するようになる。燃料ノズルチップ３０からさらに下流に火炎を保持することによって、燃料ノズルチップ３０の作動温度を下げるのが容易になる。さらに、各空気開口部５８の四角形の形状は、円形の開口部よりも多量の空気を空気カラー３４から吐出することができ、混合気の希薄（リーン）化が容易となり、排出量を減らすことができる。
【００２６】
本願発明の方法及びシステムは、保炎の問題を軽減しつつリッチ火炎を発生させることができる燃料空気混合気の吐出を促進する。具体的には、燃料ノズルチップにおけるパイロット燃料開口部、複数の主燃料開口部及び空気開口部の配向によって、燃料と空気の混合気を弱い旋回で混合域に吐出するのを促進する。例示的な実施形態では、空気吹きシンガス燃料ノズルは精油所又は石炭ガス化プラントで使用される。本明細書に記載した方法及びシステムは例示にすぎず、限定的なものではない。本明細書の記載から、当業者が本発明を実施することができることは明らかであり、現時点で最良の実施形態と思料されるものを含めて、複数の実施形態、応用、変形、代替及び使用について記載されている。
【００２７】
以上、希釈用空気開口部が四角形である空気吹きシンガス燃料ノズル及びその組立て方法の例示的な実施形態について詳細に説明してきた。本発明の方法及びシステムは、本明細書に記載した特定の実施形態には限定されるものではなく、本方法及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は独立及び別個に使用し得る。例えば、本明細書に記載した方法及びシステムは、他の工業用及び／又は民生用の用途を有することもあり、本明細書に記載した精油所又は石炭ガス化プラントでの実施に限定されない。本発明は、他の多くの産業に関して実施及び利用できる。
【００２８】
様々な実施形態で本発明を説明してきたが、特許請求の範囲に記載された技術的思想及び技術的範囲内で変更を加えて本発明を実施できることは当業者には自明である。
【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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