(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に合成ガス燃料および炭化水素燃料のうちの少なくとも１つを導入して該燃焼室内で希薄予混合燃焼を可能にするように構成された第１の燃料システムであって、
バーナ管及びバーナ中央本体の少なくとも一方に配置され、予混合炭化水素又は合成ガス作動モードのために、ノズル内に前記合成ガス燃料および前記炭化水素燃料のうちの少なくとも１つを導入するための第１の噴射オリフィスの組と、
複数のスウォズルベーン上に配置され、予混合炭化水素又は合成ガス作動モードのために、ノズル内に前記合成ガス燃料および前記炭化水素燃料のうちの少なくとも１つを導入するための第２の噴射オリフィスの組と、
前記バーナ管上に配置され、前記予混合合成ガス作動モードのために該ノズル内に前記合成ガス燃料を導入するための第３の噴射オリフィスの組と、
を備えた第１の燃料システムと、
前記燃焼室内に前記合成ガス燃料および炭化水素燃料のうちの少なくとも１つと希釈剤とを導入して、該燃焼室内で拡散燃焼を可能にするように構成された第２の燃料システムであって、ノズル先端の周囲に分布する複数の噴射オリフィスを含む拡散燃焼ノズル先端を備えた第２の燃料システムと、
を含む燃焼器ノズル。
【請求項２】
前記第１及び第２の燃料システムに結合された制御装置をさらに含み、
前記制御装置が、燃料ストリームの燃料タイプ又は燃料発熱量の少なくとも１つに基づいて燃焼モードを選択するように構成される、
請求項１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項３】
前記複数のスウォズルベーンが、流入空気に旋回運動を与え、かつその各々上に配置された第２の噴射オリフィスの組を通して前記合成ガス燃料及び炭化水素燃料のうちの少なくとも１つを導入するように構成された、請求項１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項４】
前記第１、第２および第３の噴射オリフィスの組に前記炭化水素及び合成ガス燃料のうちの少なくとも１つを供給する、それぞれの燃料プレナムを含む、請求項１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項５】
前記第１、第２および第３の噴射オリフィスの組のパターン及び形状が、ベーンセクタ区域のそれぞれのゾーン内への燃料ジェット貫入を実質的に最大にするように選択される、請求項１に記載の燃焼器ノズル。
【請求項６】
前記第２の燃料システムが、前記燃焼室内に前記合成ガス燃料、炭化水素燃料及び希釈剤を導入するように構成された内側、中間及び外側同心環状通路並びにオリフィスを含む、請求項２に記載の燃焼器ノズル。
【請求項７】
前記制御装置が、前記燃料ストリームの燃料発熱量に基づいて、前記内側、中間及び外側通路の各々内における前記合成ガス燃料、炭化水素燃料及び希釈剤の流れを制御するように構成される、請求項６に記載の燃焼器ノズル。
【請求項８】
前記内側、中間及び外側通路が、前記合成ガス燃料の燃料発熱量の所望の範囲に基づいて設計される、請求項６に記載の燃焼器ノズル。
【請求項９】
前記中間及び外側通路内における前記合成ガス燃料及び希釈剤の流れが、空気旋回に対して逆旋回して、混合を高めるのを可能にする、請求項６に記載の燃焼器ノズル。
【請求項１０】
前記内側、中間、及び外側のオリフィスが、０°〜７５°の接線方向噴射角及び０°〜７５°の半径方向噴射角を有する、請求項６に記載の燃焼器ノズル。
【請求項１１】
燃料フレキシブル燃焼システムであって、
該燃焼システム内に燃料ストリームを導入するように構成された燃焼器ノズルと、
前記燃料ストリームの燃料タイプに基づいて選択した燃焼モードにより、該燃料ストリーム及び空気を燃焼させるように構成された燃焼室と、
を含み、前記燃焼器ノズルが、
燃焼室内に合成ガス燃料および炭化水素燃料のうちの少なくとも１つを導入して該燃焼室内で希薄予混合燃焼を可能にするように構成された第１の燃料システムであって、
バーナ管及びバーナ中央本体の少なくとも一方に配置され、予混合炭化水素又は合成ガス作動モードのために、ノズル内に前記合成ガス燃料および前記炭化水素燃料のうちの少なくとも１つを導入するための第１の噴射オリフィスの組と、
複数のスウォズルベーン上に配置され、予混合炭化水素又は合成ガス作動モードのために、ノズル内に前記合成ガス燃料および前記炭化水素燃料のうちの少なくとも１つを導入するための第２の噴射オリフィスの組と、
前記バーナ管上に配置され、前記予混合合成ガス作動モードのために該ノズル内に前記合成ガス燃料を導入するための第３の噴射オリフィスの組と、
を備えた第１の燃料システムと、
前記燃焼室内に前記合成ガス燃料および炭化水素燃料のうちの少なくとも１つと、窒素と、二酸化炭素とを導入して、該燃焼室内で拡散燃焼を可能にするように構成された第２の燃料システムであって、ノズル先端の周囲に分布する複数の噴射オリフィスを含む拡散燃焼ノズル先端を備えた第２の燃料システムと、
を含む、
燃料フレキシブル燃焼システム。
【請求項１２】
石炭から合成ガス燃料を生成するように構成されたガス化装置と、
前記ガス化装置から前記合成ガス燃料を受け、かつ燃焼システム内で前記合成ガス燃料及び空気を燃焼させて電気エネルギーを生成するように構成されたガスタービンと、
を含み、前記燃焼システムが、
予混合及び拡散燃焼モードにより、前記合成ガス燃料及び空気を燃焼させるように構成された燃焼室と、
燃焼器ノズルと、
を含み、前記燃焼器ノズルが、
燃焼室内に合成ガス燃料および炭化水素燃料のうちの少なくとも１つを導入して該燃焼室内で希薄予混合燃焼を可能にするように構成された第１の燃料システムであって、
バーナ管及びバーナ中央本体の少なくとも一方に配置され、予混合炭化水素又は合成ガス作動モードのために、ノズル内に前記合成ガス燃料および前記炭化水素燃料のうちの少なくとも１つを導入するための第１の噴射オリフィスの組と、
複数のスウォズルベーン上に配置され、予混合炭化水素又は合成ガス作動モードのために、ノズル内に前記合成ガス燃料および前記炭化水素燃料のうちの少なくとも１つを導入するための第２の噴射オリフィスの組と、
前記バーナ管上に配置され、前記予混合合成ガス作動モードのために該ノズル内に前記合成ガス燃料を導入するための第３の噴射オリフィスの組と、
を備えた第１の燃料システムと、
前記燃焼室内に前記合成ガス燃料および炭化水素燃料のうちの少なくとも１つと希釈剤とを導入して、該燃焼室内で拡散燃焼を可能にするように構成された第２の燃料システムであって、ノズル先端の周囲に分布する複数の噴射オリフィスを含む拡散燃焼ノズル先端を備えた第２の燃料システムと、
を備える、
統合石炭ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）システム。
【発明の詳細な説明】
【連邦政府後援の研究開発に関する陳述】
【０００１】
本発明は、米国エネルギー省によって授与された契約番号ＤＥ−ＦＣ２６−０３ＮＴ４１７７６に基づき米国政府の支援を得て為されたものである。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、総括的には燃焼システムに関し、より具体的には、燃料フレキシブル燃焼システム及びそれを作動させる方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
様々なタイプの燃焼器が知られており、複合サイクル発電プラントにおけるようなシステムにおいて使用されている。一般的に、そのようなシステム用の燃焼器は、ＮＯｘ及び一酸化炭素エミッションのようなエミッションを最少にするように設計されている。大半の天然ガス燃焼システムでは、燃焼器は、希薄予混合火炎を使用して作動される。これらのシステムでは、燃料は反応ゾーンの上流で空気と混合させて希薄状態で予混合火炎を形成するようにして、燃焼システムからのエミッションを低減する。そのような燃焼システムでは、作動可能範囲が非常に小さくなる欠点がある。さらに、ＮＯｘを低く保ちかつ火炎の希薄吹消えを避けながら、燃焼ダイナミックスを回避することが望ましい。設計は一般的に狭い燃料組成範囲に的が絞られており、このことにより、天然ガス用に設計されたシステムは、ガス化石炭又は合成ガス燃料を使用するように設計されたシステムとの間で互換性のないものになっている。
【０００４】
一部のその他のシステムは、拡散燃焼を採用し、反応ゾーン内の希釈剤を増量することによってエミッションを最少にしている。例えば、統合石炭ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）システムでは、希釈剤として蒸気又は窒素を使用して、燃焼を促進しかつ燃焼器からのエミッションを低減させることができる。一般的に、ＩＧＣＣシステムの場合には、燃焼器は、石炭ガス化燃料を使用して拡散モードで作動するように設計され、また天然ガスを拡散モードで使用するバックアップ燃焼モードを有することができる。しかしながら、低エミッションを維持しながら、変動発熱量を有する石炭ガス化燃料で作動させることができる燃焼器を設計することは、容易ではない。現在のＩＧＣＣ燃焼器は、拡散燃焼を採用しており、またガス化燃料原材料にその都度応じて設計される。その結果、エミッション要件を満たすために燃料フレキシビリティが限定された特定の燃焼システムが得られることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，４３８，９６１  Ｂ２号公報
【特許文献１】米国特許第６，７８６，０４７  Ｂ２号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】The University of Queensland; Division of Mechanical Engineering MECH4480, Computational Fluid Dynamics; "Major Project: Fluent Simulation of Turbulent Flow in a Coaxial Jet Combustor".
【非特許文献２】A. James Clark; University of Maryland; The Combustion Laboratory; "Non-premixed Co-Annular Swirl Burner"
【非特許文献３】A. James Clark; University of Maryland; The Combustion Laboratory; "Premix Co-Annular Swirl Burner"
【非特許文献４】A.L. Shihadeh, M.A. Toqan, J.M. Beer, P.F. Lewis, J.D. Teare, J.L. Jimenez, and L. Barta; "LOW NOx EMISSION FROM AERODYNAMICALLY STAGED OIL-AIR TURBULENT DIFFUSION FLAMES; ASME FACT-18", Combustion Modeling, Scaling and Air Toxins, 1994; (6 Pages).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、エミッションの低減を維持しながら多様な燃料で作動することになる燃焼システムに対する必要性が存在する。全発電プラント効率を維持しながらバックアップ燃料での低エミッション燃焼を可能にしかつ異なる発電プラント構成に適合可能である燃焼システムを提供することもまた有益と言える。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
簡潔に言えば、１つの実施形態によると、燃焼器ノズルを提供する。本燃焼器ノズルは、燃焼室内に合成ガス燃料を導入して該燃焼室内で希薄予混合燃焼を可能にするように構成された第1の燃料システムと、燃焼室内に合成ガス燃料、又は炭化水素燃料、又は希釈剤、又はそれらの組合せを導入して該燃焼室内で拡散燃焼を可能にするように構成された第２の燃料システムとを含む。
【０００９】
別の実施形態では、燃料フレキシブル燃焼システムを提供する。本燃料フレキシブル燃焼システムは、該燃焼システム内に燃料ストリームを導入するように構成された燃焼器ノズルと、燃料ストリームの燃料タイプに基づいて選択した燃焼モードにより該燃料ストリーム及び空気を燃焼させるように構成された燃焼室とを含む。燃焼器ノズルは、燃焼室内に炭化水素燃料、又は合成ガス燃料、又はそれらの組合せを導入して該燃焼室内で予混合燃焼モードを可能にするように構成された第1の燃料システムと、燃焼室内に合成ガス燃料、又は窒素、蒸気、二酸化炭素、又は炭化水素燃料、又はそれらの組合せを導入して該燃焼室内で拡散燃焼モードを可能にするように構成された第２の燃料システムとを含む。
【００１０】
さらに別の実施形態では、統合石炭ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）システムを提供する。本ＩＧＣＣシステムは、石炭から合成ガス燃料を生成するように構成されたガス化装置と、ガス化装置から合成ガス燃料を受けかつ燃焼システム内で該合成ガス燃料及び空気を燃焼させて電気エネルギーを生成するように構成されたガスタービンとを含む。燃焼システムは、予混合及び拡散作動モードのためにその中に合成ガスを導入するようになった第１及び第２の燃料システムを有する燃焼器ノズルと、予混合及び拡散燃焼モードにより合成ガス燃料及び空気を燃焼させるように構成された燃焼室とを含む。
【００１１】
さらに別の実施形態では、燃料フレキシブル燃焼システムを作動させる方法を提供する。本方法は、燃焼器ノズルを介して燃焼システム内に燃料ストリームを導入するステップと、低エミッション燃焼モードで炭化水素燃料ストリームを燃焼させまた第２の燃焼モードで合成ガス燃料を燃焼させるステップとを含む。本方法はまた、合成ガスの発熱量に基づいて第２の燃焼モードを切り換えるステップと、低エミッション燃焼モード、又は第２の燃焼モード、又はそれらの組合せにより燃料ストリーム及び空気を燃焼させるステップとを含む。
【００１２】
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様及び利点は、その全体を通して同じ参照符号が同様な部分を表している添付図面を参照して以下の詳細な説明を読む時に、一層よく理解されるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本技術の態様による燃料フレキシブル燃焼システムを有する統合石炭ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）システムの概略図。
【図２】本技術の態様による、図１のＩＧＣＣシステムで使用するガスタービンの概略図。
【図３】本技術の態様による、合成ガス燃料での予混合及び拡散作動能力を有する図２の燃焼器ノズルの例示的な構成の概略図。
【図４】本技術の態様による、スウォズル燃料噴射ポイントを有する図３の燃焼器ノズルの例示的な構成の概略図。
【図５】本技術の態様による、スウォズル燃料噴射ポイントに燃料を供給するようになった個々の燃料プレナムを有する図４の燃焼器ノズルの例示的な構成の断面図。
【図６】本技術の態様による、炭化水素及び合成ガス燃料での予混合作動能力を有する図２の燃焼器ノズルの別の例示的な構成の概略図。
【図７】本技術の態様による、スウォズル及び中央本体燃料噴射ポイントを有する図６の燃焼器ノズルの例示的な構成の概略図。
【図８】本技術の態様による、スウォズル及び中央本体燃料噴射ポイントに燃料を供給するようになった個々の燃料プレナムを有する図７の燃焼器ノズルの例示的な構成の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に詳細に説明するように、本技術の実施形態は、エミッションを低減させながら多様な燃料で作動することになる燃料フレキシブル燃焼システムを構成するように機能する。具体的には、本技術は、例えば燃料原材料の所望の又は必要な体積流量に基づいて希薄予混合燃焼モード及び拡散燃焼モード間で切り換えることによって、天然ガス及び広範な合成ガス燃料で作動する燃焼器ノズルを使用している。次に図面に移りまた最初に図１を参照すると、統合石炭ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）システム１０を示している。本ＩＧＣＣシステム１０は、ガス化装置１２と該ガス化装置１２に結合されたガスタービン１４とを含む。さらに、ガスタービン１４は、ガス化装置１２からの燃料ストリームを燃焼させて電気エネルギーを生成するように構成された燃料フレキシブル燃焼システム１６を含む。加えて、本ＩＧＣＣシステム１０は、ガスタービン１４に結合されかつ該ガスタービン１４からの排気ガスの熱を利用することによって電気エネルギーを発生するように構成された蒸気タービン１８を含む。
【００１５】
作動中に、ガス化装置１２は、一般的に設備内の空気分離ユニット（図示せず）で生成された酸素２２と共に燃料原材料２０を受ける。この図示した実施形態では、燃料原材料２０は、石炭を含む。他の実施形態では、燃料原材料２０は、例えば石炭、バイオマス、廃棄物、オイルサンド、都市ごみ、コークス及び同様のもののようなあらゆる低価格燃料（ＬＶＦ）を含むことができる。燃料原材料２０及び酸素２２は、ガス化装置１２内で反応して、一酸化炭素（ＣＯ）及び水素（Ｈ２）が濃化された合成ガス（シンガス）２４を生成する。さらに、原材料鉱物類は、道床、埋立て補填材及びその他の用途で利用することができるスラグ生成物２６に転換される。
【００１６】
ガス化装置１２で生成された合成ガス２４は、ガス冷却及び浄化ユニット２８に導かれ、そこで、合成ガス２４は冷却されまた混入物質３０が除去されて、清浄合成ガス３２が生成される。この図示した実施形態では、混入物質３０として、例えば硫黄、水銀又は二酸化炭素が含まれる。さらに、清浄合成ガス３２は、ガスタービン１４内で燃焼されて電気エネルギーを生成する。この例示的な実施形態では、流入空気流３４は圧縮機３６によって加圧され、加圧空気は、燃焼システム１６に導かれて、ガス化装置１２からの合成ガス３２を燃焼させるようになる。さらに、燃焼システム１６からの燃焼ガスストリームは、タービン３８を通って膨張して、発電機４０を駆動して電気エネルギー発生させるようになり、この電気エネルギーは、更なる使用のために電力網４４に導くことができる。一部の実施形態では、燃料フレキシブル燃焼システム１６は、一般的にバックアップ作動モードとしての希薄予混合燃焼のために天然ガス４６を利用する。
【００１７】
この図示した実施形態では、ガスタービン１４からの排気ガス４８は、熱回収蒸気発生器５０に導かれ、水を沸騰させて蒸気タービン１８のための蒸気５２を発生させるように利用される。さらに、一部の実施形態では、蒸気タービンからの熱５４は、熱回収蒸気発生器５０に結合して、該熱回収蒸気発生器５０の効率を高めるようにすることができる。加えて、熱回収蒸気発生器５０からの蒸気５６の一部分は、ガス化装置１２に導入して、該ガス化装置１２からの発生合成ガス２４のＨ２対ＣＯの割合を制御するようにすることができる。蒸気タービン１８は、発電機５８を駆動して電気エネルギー４２を発生させるようになり、この電気エネルギー４２も同様に、更なる使用のために電力網４４に導かれる。
【００１８】
上記のＩＧＣＣシステム１０で使用する燃料フレキシブル燃焼システム１６は、希薄予混合又は拡散燃焼モードで作動させることができる。具体的には、燃焼システム１６は、例えば該燃焼システム１６内に天然ガス又は合成ガス燃料を導入するようになった個々の燃焼システムを有する燃焼器ノズルを含み、また燃焼モードは、燃料原材料２０の燃料タイプ及び燃料発熱量に基づいて選択される。燃焼システム１６内で使用する燃焼器ノズルについては、図２〜図８を参照して以下に詳細に説明する。
【００１９】
図２は、図１のＩＧＣＣシステム１０で使用するガスタービン１４の例示的な構成６０の概略図である。ガスタービン６０は、圧縮機６２及び該圧縮機６２と流れ連通状態になった燃料フレキシブル燃焼システム６４を含む。さらに、ガスタービン６０はまた、燃焼システム６４の下流に配置されたタービン６６を含む。作動中に、圧縮機６２は、流入空気流６８を加圧して、燃焼システム６４に導かれる加圧空気７０を発生させる。
【００２０】
この例示的な実施形態では、燃焼システム６４は、該燃焼システム６４内に燃料ストリームを導入するように構成された燃焼器ノズル７２を含む。具体的には、燃焼器ノズル７２は、第１の燃料システム７４と第２の燃料システム７６とを含む。さらに、燃焼システム６４は、第１及び第２の燃料システム７４及び７６からの燃料ストリームを燃焼させるようになった燃焼室７８を含む。この図示した実施形態では、第１の燃料システム７４は、燃焼室７８内に合成ガス燃料を導入して該燃焼室内で希薄予混合燃焼を可能にするように構成される。さらに、第２の燃料システム７６は、燃焼室内に合成ガス燃料、炭化水素燃料及び希釈剤を導入して燃焼室７８内での拡散燃焼を可能にするように構成される。一部の実施形態では、第１の燃料システム７４は、燃焼室７８内に炭化水素燃料を導入して希薄予混合燃焼を可能にするように使用される。一部の実施形態では、燃焼システム６４は、第１及び第２の燃料システム７４及び７６の同時作動により共燃焼させることができる。この例示的な実施形態では、制御装置８０が、第１及び第２の燃料システム７４及び７６に結合され、かつ燃料ストリームの燃料タイプ又は燃料発熱量の少なくとも１つに基づいて燃焼モードを選択するように構成される。燃焼システム６４で使用する第１及び第２の燃料システム７４及び７６については、後に図３〜図５において以下に詳細に説明する。
【００２１】
図３は、本技術の態様による、合成ガス燃料での予混合及び拡散作動能力を有する図２の燃焼器ノズルの例示的な構成９０の概略図である。この図示した実施形態では、燃焼器ノズル７２の周りには、バーナ管９２が配置される。希薄予混合作動モードのために炭化水素燃料又は合成ガス燃料を導入するようになった第１の燃料システム７４は、バーナ管９２上に配置された複数の噴射オリフィス９４を含む。加えて、第１の燃料システムは、複数のスウォズルベーン（図示せず）上に配置されて燃焼器ノズル７２内に炭化水素燃料又は合成ガス燃料を導入するようになった複数の噴射オリフィス９６を含む。作動中に、複数のスウォズルベーンは、流入空気に旋回運動を与えかつ合成ガス又は炭化水素での予混合モードのために燃焼器ノズル内に合成ガス燃料又は炭化水素燃料を導入するように構成される。スウォズルベーンについては、図４を参照して以下により詳細に説明する。
【００２２】
この実施形態では、燃焼器ノズル９０はまた、バーナ管９２上に配置されて予混合合成ガス作動モードのためにノズル７２内に合成ガス燃料を導入するようになった付加的なオリフィス９８の組を含む。付加的なオリフィス９８の組は、予混合合成ガス作動モードに必要な体積流量の合成ガス燃料を供給するために設けられることに注目されたい。ノズル７２内への合成ガス燃料の導入を可能にするために、オリフィス９８の複数のパターンが考えられる。オリフィスのパターン及び形状は、ベーンセクタ区域の各四分円内へのジェット貫入を最大にし、それによって燃料−空気均質性を増大させるように選択される。一部の実施形態では、オリフィス９８は、ベーンセクタ全体にわたって均等に間隔を置いて配置されかつベーンセクタの各半分内への質量流量をバランスせるような寸法にされる。
【００２３】
加えて、ノズル９０は、燃焼室７８内に合成ガス燃料及び／又は炭化水素燃料及び希釈剤を導入して、燃焼室７８内での合成ガス燃料の拡散燃焼を可能にするようになった第２の燃料システム７６を含む。この図示した実施形態では、第２の燃料システム７６は、燃焼室７８内に合成ガス燃料、炭化水素燃料及び希釈剤を導入するようになった内側、外側及び中間同心環状通路１０６、１０８及び１１０を形成した噴射オリフィス１００、１０２及び１０４を備えた拡散ノズル先端を含む。この実施形態では、希釈剤として、蒸気、窒素及び二酸化炭素を含む。しかしながら、希釈剤として、一部のその他の不活性ガスを使用することができる。燃焼器ノズル９０はまた、第１及び第２の燃料システム７４、７６に結合されて、燃料ストリームの燃料タイプ又は燃料発熱量に基づいて燃焼モードを選択するようになった制御装置８０（図２参照）を含む。さらに、制御装置は、合成ガス燃料の必要な体積流量に基づいて第２の燃料システム７６の噴射オリフィス１００、１０２及び１０４を通る流れを制御するように構成される。
【００２４】
図４は、本技術の態様による、スウォズル燃料噴射ポイントを有する図３の燃焼器ノズル９０の例示的な構成１２０の概略図である。燃焼器ノズル１２０は、流入空気に旋回運動を与えるように構成されたスウォズルベーン１２２を含む。さらに、スウォズルベーン１２２は、スウォズル燃料噴射ポイント１２４を通してノズル１２０内に炭化水素燃料及び合成ガス燃料を導入するように構成される。一般的に、スウォズルベーン１２２は、燃料−空気混合を最大にして、火炎保持及び低エミッションのような性能要件を満たすように設計される。図示した実施形態では、炭化水素燃料としては、天然ガスが含まれる。作動中に、スウォズルベーン１２２を通して導入された天然ガス又は合成ガスは、燃焼室７８（図２参照）の上流の位置において空気と混合されて、低エミッションを実現する希薄状態での予混合火炎を発生する。
【００２５】
一部の実施形態では、複数の噴射オリフィス９６を通しての炭化水素燃料又は合成ガス燃料の噴射は、各スウォズルベーン１２２の側面毎に１つの位置において行われる。さらに、複数の噴射オリフィス９６を通しての炭化水素燃料又は合成ガス燃料の噴射は、スワーラベーン毎に１つ又はそれ以上の噴射ポイントにおいて行われる。噴射ポイントは、異なる半径方向位置においてベーンの一側面又は両側面上に設置することができ、また異なる直径を有することができる。この例示的な実施形態では、噴射ポイントは、ベーンの両側面上に設置される。一部のその他の実施形態では、噴射ポイントは、後縁に設置することができる。噴射オリフィス９４及び９６を通してのそのような燃料噴射は、各ベーンセクタの各四分円内への燃料ジェットの貫入を増強し、それによって燃焼器ノズル１２０内での混合を可能にする利点がある。スウォズルベーン１２２上の噴射ポイント９６並びにバーナ管９２上の噴射ポイント９４及び９８は、個々の燃料供給システムに結合され、それによってシステム内における燃焼ダイナミックスの制御を可能にすることに注目されたい。
【００２６】
当業者には分かるように、燃焼システム６４は、石炭ガス化合成ガス燃料の供給が中断されるか又は別の発電プラントでの使用が必要とされる場合には、天然ガスでの予混合形態で燃焼される。それに代えて、燃焼システム６４は、燃料が第１又は第２の燃料システム７４又は７６を通してノズル１２０内に導入される場合には、合成ガス燃料での予混合又は拡散モードで燃焼される。一部の実施形態では、燃焼システムは、第２の燃料システム７６内の天然ガスで始動させることができる。
【００２７】
この例示的な実施形態では、拡散ノズル先端は、スウォズルベーン１２２の設計に基づいて性能を最大にするように設計される。具体的には、ノズル１２０の先端ジオメトリは、スウォズルベーン１２２によって発生される空気流パターンに合せて最適化することができる。さらに、噴射オリフィス１００、１０２及び１０４は、低エミッション性能に合せて広範な合成ガス燃料及びそれらに伴う希釈剤を取り扱うように設計される。噴射オリフィス１００、１０２及び１０４を通る合成ガス燃料、炭化水素燃料及び希釈剤の流れは、合成ガス燃料の所望の体積流量に基づいて制御することができることに注目されたい。例えば、この図示した実施形態では、第１の通路１０６は、燃焼器の燃焼室７８内に蒸気を導入するように構成される。さらに、第１の通路１０６の周りに配置された第２の通路１０８は、合成ガス燃料を導入するように構成され、また第１及び第２の通路１０６及び１０８の周りに配置された第３の通路１１０は、燃焼システムの燃焼室内に窒素を導入するように構成される。当業者には分かるように、第１、第２及び第３の通路１０６、１０８及び１１０での複数の作動モードは、合成ガス燃料の燃料発熱量に基づいて考えることができる。
【００２８】
第１、第２及び第３の通路１０６、１０８及び１１０は、酸素増強ガス化装置又は従来型のガス化装置と共に燃焼器ノズル１２０を使用することができるように設計される。当業者には分かるように、従来型のガス化装置では、ガス化装置からの蒸気は、燃焼を可能にする希釈剤として利用することができる。しかしながら、酸素増強ガス化装置では、空気分離ユニットからの窒素を全プラント効率を高めるための付加的な希釈剤として使用することができる。
【００２９】
本実施形態では、第１、第２及び第３の通路１０６、１０８及び１１０は、石炭ガス化装置で生成された燃料の発熱量の所望の範囲に基づいて設計される。この実施形態では、合成ガス燃料の燃料発熱量は、約３１０ＢＴＵ／ｓｃｆよりも小さい。１つの実施形態では、合成ガス燃料の燃料発熱量は、約１００ＢＴＵ／ｓｃｆ〜約２３０ＢＴＵ／ｓｃｆである。例えば、合成ガス燃料を流すための通路は、大きな体積流量を必要とする低発熱量燃料を導入するのに対処するように設計することができる。同様に、希釈剤を流すための通路は、所望の性能レベルを満たすために比較的大きな希釈剤流量を必要とする一層高い発熱量燃料に従って設計することができる。
【００３０】
例示的な実施形態では、第１、第２及び第３の通路１０６、１０８及び１１０は、約０°〜約７５°の接線方向噴射角と、約０°〜約７５°の半径方向噴射角とを有する。１つの実施形態では、第２及び第３の通路１０８及び１１０は、約４０°の接線方向噴射角を有し、また第１及び第２の通路１０６及び１０８は、約４５°の半径方向噴射角を有する。さらに、１つの実施形態では、第２及び第３の通路１０８及び１１０内の合成ガス燃料及び窒素の流れは、ベーン１２２によって発生した空気旋回に対して逆旋回させて、混合の強化、火炎長さの減少、エミッションの低減及び火炎前面パターン要素の増大を可能にする。さらに、上記したように、制御装置８０（図２参照）は、合成ガス燃料の燃料発熱量に基づいて、通路１０６、１０８及び１１０内の合成ガス燃料、炭化水素燃料、蒸気並びに窒素及びＣＯ２の流れを制御するように第１、第２及び第３の通路１０６、１０８及び１１０に結合することができる。上記したように、個々の燃料プレナムは、予混合及び拡散作動モードの間に合成ガス又は炭化水素燃料を供給するように、第１及び第２の燃料システム７４及び７６に結合することができる。
【００３１】
図５は、本技術の態様による、スウォズル燃料噴射ポイント及びバーナ管燃料噴射ポイントに燃料を供給するようになった個々の燃料プレナムを有する図４の燃焼器ノズル１２０の例示的な構成１３０の断面図である。前記したように、燃焼器ノズル１３０は、バーナ管９２上に配置されてノズル１３０に合成ガス又は炭化水素燃料を導入するようになった第１のオリフィス９４の組を含む。さらに、燃焼器ノズル１３０は、スウォズルベーン１２２（図４参照）上に配置されてノズル１３０内に合成ガス又は炭化水素燃料を導入するようになった第２のオリフィス９６の組を含む。加えて、燃焼器ノズル１３０は、バーナ管９２上に配置されて、ノズル１３０内に合成ガス燃料を導入して予混合作動モードに必要な合成ガス燃料の付加的な体積流量に対処するようになった第３のオリフィス９８の組を含む。
【００３２】
この図示した実施形態では、燃焼器ノズル１３０は、バーナ管９２上に配置された第１のオリフィス９４の組に炭化水素燃料又は合成ガス燃料を供給するように構成された第１の燃料プレナム１３２と、スウォズルベーン１２２上に配置された第２のオリフィス９６の組に炭化水素燃料又は合成ガス燃料を供給するように構成された第２の燃料プレナム１３４とを含む。加えて、燃焼器ノズル１３０は、バーナ管９２上に配置された第３のオリフィス９８の組に炭化水素燃料又は合成ガス燃料を供給するように構成された第３の燃料プレナム１３６を含む。第１、第２及び第３の燃料プレナム１３２、１３４及び１３６は、制御装置８０（図２参照）に結合して、燃焼器ノズル１３０内への燃料の供給を制御するようにすることができる。この例示的な実施形態では、炭化水素燃料での予混合作動モードは、第１及び第２のオリフィス９４及び９６の組を使用して、ノズル１３０内に炭化水素燃料を導入するようにする。さらに、合成ガス燃料での予混合作動モードの場合には、第３のオリフィス９８の組を利用して、ノズル１３０内に合成ガス燃料を導入するようにする。
【００３３】
一部の実施形態では、燃焼器ノズル１３０は、予混合作動モードにおいて独立型構成として作動する。この例示的な実施形態では、合成ガス作動モードは、燃料の発熱量に基づいて制御される。例えば、第１及び第２のオリフィス９４及び９６の組は、常に使用状態にあることになるが、第３のオリフィス９８の組は、燃料の発熱量に基づいて使用されることになる。上記したように、燃焼器ノズル１３０は、予混合炭化水素及び合成ガス作動モードで作動すると共に、合成ガスでの拡散作動モードで作動することができる。それに代えて、燃焼器ノズル１３０は、図６を参照して以下に説明するように合成ガスでの拡散作動モードがない状態で作動させることができる。
【００３４】
図６は、本技術の態様による、炭化水素及び合成ガス燃料での予混合作動能力を有する図２の燃焼器ノズル７２の別の例示的な構成１４０の概略図である。図示するように、燃焼器ノズル１４０は、予混合作動モードのために燃焼器ノズル１４０内に炭化水素又は合成ガス燃料を導入するようになった第１、第２及び第３のオリフィス９４、９６及び９８の組を含む。加えて、ノズル先端は、着火状態時に拡散モードのために炭化水素燃料を導入するようになったオリフィス１４２の組を含む。
【００３５】
図７は、本技術の態様による、スウォズル及び中央本体燃料噴射ポイントを有する図６の燃焼器ノズル１４０の例示的な構成１５０の概略図である。この例示的な実施形態では、燃焼器ノズル１５０は、スウォズル燃料噴射ポイント９６を含む。加えて、ノズル１５０は、中央本体上に配置されて予混合作動モードのためにノズル１５０内に炭化水素又は合成ガス燃料を導入するようになった第１のオリフィス１５２の組を含む。加えて、本ノズルは、合成ガス燃料を導入して予混合合成ガス作動モードの間に必要なあらゆる付加的な体積流量に対処するようになった第２のオリフィス１５４の組を含む。この場合も同様に、第１及び第２のオリフィス１５２及び１５４の組は、図８を参照して以下に説明するように、個々の燃料プレナムに結合することができる。この作動モードは、燃料の発熱量に応じてより多くの又はより少ない噴射ポイントを燃料噴射のために使用することができるので、より大きな作動フレキシビリティをもたらす利点がある。さらに、多数の噴射ポイントは、広範な合成ガス燃料において起こる大きな流量変動に対処することによって、燃焼器の一層大きな燃料フレキシビリティを可能にする。
【００３６】
図８は、本技術の態様による、スウォズル及び中央本体燃料噴射ポイントに燃料を供給するようになった個々の燃料プレナムを有する図７の燃焼器ノズル１５０の例示的な構成１６０の断面図である。図示するように、燃焼器ノズル１６０は、予混合作動モードの間に該ノズル１６０内に炭化水素又は合成ガス燃料を導入するようになった第１、第２及び第３のオリフィス９４、９６及び９８の組を含む。加えて、ノズル１６０は、中央本体上に配置されて、予混合作動モードのために該ノズル１６０内に炭化水素又は合成ガス燃料を導入するようになったオリフィス１５２及び１５４を含む。前記したように、第１、第２及び第３のオリフィスの組は、燃料を供給するようになった燃料プレナム１３２、１３４及び１３６に結合される。この例示的な実施形態では、ノズル１６０はまた、それぞれオリフィス１５２及び１５４に炭化水素又は合成ガス燃料を供給するように構成された燃料プレナム１６２及び１６４を含む。この場合も同様に、燃料プレナム１６２及び１６４の各々は、制御装置８０（図２参照）に結合して、オリフィス１５２及び１５４への燃料の供給を制御するようにすることができる。
【００３７】
上記に説明した方法の様々な態様は、ＩＧＣＣシステム内で使用する燃焼システムのような異なる用途における有用性を有する。上述したように、本燃料フレキシブル燃焼システムは、エミッションを低減させながら多様な燃料で作動する。さらに、本燃焼システムは、全発電プラント効率を維持しながらバックアップ燃料での低エミッション燃焼を可能にしかつ異なる発電プラント構成に適合可能である。具体的には、本技術は、燃料原材料の所望の体積流量に基づいて希薄予混合燃焼モード及び拡散燃焼モード間で切り換えることによって、天然ガス及び広範な合成ガス燃料で作動する燃焼器ノズルを使用する。
【００３８】
予混合燃焼モードは、エミッション要件を満たすのに希釈剤を必要とせずに燃料システムを作動させ、それによって該燃料システムの燃料消費量を減少させるのを可能にする利点がある。さらに、予混合燃焼モードは、酸素増強ガス化装置のための空気分離ユニットの副生成物及び蒸気タービンからの蒸気が、化学製品製造、後処理、複合サイクル発電などのようなその他のプラント行程において一層効率的に利用されるのを可能にする。従って、本燃焼システムは、エミッションの低減を維持しながら燃料フレキシビリティを大幅に高め、かつ全発電プラント効率を維持しながら異なる発電プラント構成で作動させることができる。
【００３９】
本明細書では、本発明の一部の特徴のみを例示しかつ説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更形態が想起されるであろう。従って、特許請求の範囲は、全てのそのような修正及び変更形態を本発明の技術思想の範囲内に属するものとして保護することを意図していることを理解されたい。
【符号の説明】
【００４０】
１０  統合石炭ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）システム
１２  ガス化装置
１４  ガスタービン
１６  燃料フレキシブル燃焼システム
１８  蒸気タービン
２０  燃料原材料
２２  酸素
２４  合成ガス
２６  スラグ生成物
２８  ガス冷却及び浄化ユニット
３０  混入物質
３２  浄化合成ガス
３４  流入空気
３６  圧縮機
３８  タービン
４０  発電機
４２  電気エネルギー
４４  電力網
４６  天然ガス
４８  排気ガス
５０  熱回収蒸気発生器
５２  蒸気タービンのための蒸気
５４  蒸気タービンからの熱
５６  熱回収蒸気発生器からの蒸気
５８  発電機
６０  ガスタービン
６２  圧縮機
６４  燃料フレキシブル燃焼システム
６６  タービン
６８  流入空気
７０  加圧空気
７２  燃焼器ノズル
７４  第１の燃料システム
７６  第２の燃料システム
７８  燃焼室
８０  制御装置
９０  燃焼器ノズル
９２  バーナ管
９４  バーナ管上の噴射オリフィス、
９６  スウォズルベーン上の噴射オリフィス
１００  噴射オリフィス
１０２  噴射オリフィス
１０４  噴射オリフィス
１０６  内側同心環状通路
１０８  外側同心環状通路
１１０  中間同心環状通路
１２０  燃焼器ノズル
１２２  スウォズルベーン
１２４  スウォズル燃料噴射ポイント
１３０  燃焼器ノズル
１３２  第１の燃料プレナム
１３４  第２の燃料プレナム
１３６  第３の燃料プレナム
１４０  燃焼器ノズル
１４２  ノズル先端上のオリフィスの組
１５０  燃焼器ノズル
１５２  第１のオリフィスの組
１５４  第２のオリフィスの組
１６０  燃焼器ノズル
１６２  燃料プレナム
１６４  燃料プレナム
【図１】
0005406720.tif 000002
【図２】
0005406720.tif 000003
【図３】
0005406720.tif 000004
【図４】
0005406720.tif 000005
【図５】
0005406720.tif 000006
【図６】
0005406720.tif 000007
【図７】
0005406720.tif 000008
【図８】
0005406720.tif 000009