(57)【要約】【課題】ガスタービン酸化窒素排出量を低減するシステム及び方法を提供する。【解決手段】本システム（３０）及び方法は、希釈剤で低質化させた空気を燃焼させて、第１の燃焼段生成物（４８）を発生させるように構成された第１の燃焼段（４４）を含む。第２の燃焼段（５０）は、濃縮酸素（３６）と組合せて第１の燃焼段生成物（４８）を燃焼させて、低質化空気だけでの又は燃焼多段化だけによる燃焼によって達成可能であるものよりも低い酸化窒素排出レベルを有する第２の燃焼段生成物を発生させるように構成される。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン燃焼システム（３０）であって、
希釈剤で低質化させた空気を燃焼させて、第１の燃焼段生成物を発生させるように構成された第１の燃焼段（４４）と、
濃縮酸素と組合せて第１の燃焼段生成物を燃焼させて、前記低質化空気だけでの又は燃焼多段化だけによる燃焼によって達成可能であるものよりも低い酸化窒素排出レベルを有する第２の燃焼段生成物を発生させるように構成された第２の燃焼段（５０）と
を備えるガスタービン燃焼システム（３０）。
【請求項２】
酸素濃縮ガスを発生させるように構成されかつ窒素濃縮ガスを発生させるようにさらに構成された部分的空気セパレータ（３４）をさらに含む、請求項１記載のガスタービン燃焼システム（３０）。
【請求項３】
前記窒素濃縮ガスで低質化させた空気を発生させるように構成された空気ミキサ（４０）をさらに含む、請求項２記載のガスタービン燃焼システム（３０）。
【請求項４】
前記希釈剤で低質化させた空気が、前記窒素濃縮ガスで低質化させた空気を含む、請求項３記載のガスタービン燃焼システム（３０）。
【請求項５】
前記濃縮酸素が、前記酸素濃縮ガスを含む、請求項２記載のガスタービン燃焼システム（３０）。
【請求項６】
第１の燃焼段（４４）が、前記低質化空気と組合せて所定の燃料を燃焼させて、第１の燃焼段生成物を発生させるようにさらに構成される、請求項１記載のガスタービン燃焼システム（３０）。
【請求項７】
第１及び第２の燃焼段（４４、５０）が、乾式低排出型燃焼器（４６）と統合される、請求項１記載のガスタービン燃焼システム（３０）。
【請求項８】
第１及び第２の燃焼段（４４、５０）が、乾式低酸化窒素燃焼器（４６）と統合される、請求項１記載のガスタービン燃焼システム（３０）。
【請求項９】
前記低酸化窒素レベルが、第２の燃焼段生成物の１０ｐｐｍよりも低い、請求項１記載のガスタービン燃焼システム（３０）。
【請求項１０】
第２の燃焼段生成物（５２）が、前記低質化空気だけでの又は燃焼多段化だけによる燃焼によって達成可能であるレベルに燃焼効率及び一酸化炭素排出量を維持した状態で、発生される、請求項１記載のガスタービン燃焼システム（３０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはガスタービン発電プラントに関し、より具体的には、燃焼効率又は一酸化炭素（ＣＯ）排出のいずれかに関連する不利な状態を招かずにガスタービン酸化窒素（ＮＯｘ）排出を低減するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
過去数十年において、ガスタービン発電プラントからの汚染物質排出（エミッション）が大きな関心事になってきた。これらの排出、特に酸化窒素を１けたに低下させるような厳しい規制が設定されてきた。最近では、これらのＮＯｘ排出量を低減するのに使用する解決策の１つは、選択的触媒反応器（ＳＣＲ）を使用している。選択的触媒反応器は、望ましくないことに、高価であり、大きな取付けスペースを有しかつアンモニアスリップに関する付加的な問題を提起する。
【０００３】
低質化空気での燃焼は、ＮＯｘ動力学機構に影響を与え、火炎構造を変化させかつピーク火炎温度を低下させることによって、ＮＯｘ排出量を低減する実証された方法である。燃焼多段化もまた、例えば軸方向多段化、遅れリーン及び連続燃焼システム（再熱）を含む用途におけるＮＯｘ排出量の低減を示してきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７５１３１００号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃焼効率又はＣＯ排出に関する不利な状態を招かずに、公知の方法を使用して達成可能である限界値以下にＮＯｘ排出量をさらに低減するシステム及び方法を提供することは、望ましいと言える。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
簡潔に言うと、一実施形態によると、ガスタービン燃焼システムは、希釈剤で低質化させた空気を燃焼させて、第１の燃焼段生成物を発生させるように構成された第１の燃焼段と、濃縮酸素と組合せて第１の燃焼段生成物を燃焼させて、低質化空気だけでの又は燃焼多段化だけによる燃焼によって達成可能であるものよりも低い酸化窒素排出レベルを有する第２の燃焼段生成物を発生させるように構成された第２の燃焼段とを含む。
【０００７】
別の実施形態によると、ガスタービン酸化窒素排出量を低減する方法は、希釈剤で空気を低質化させるステップと、低質化空気をガスタービンの第１の燃焼段に導入しかつ該第１の燃焼段により第１の燃焼段燃焼生成物を発生させるステップと、第１の段による燃焼の生成物を第２の段において酸素で濃縮するステップと、濃縮酸素ガスと組合せて第１の段による燃焼の生成物を燃焼させて、低質化空気だけでの又は燃焼多段化だけによる燃焼によって達成可能であるものよりも低い酸化窒素排出レベルを有する第２の燃焼段生成物を発生させるステップとを含む。
【０００８】
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様な部品を表している添付図面を参照しながら以下の詳細な記述を読むことにより、一層良好に理解されるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態による、部分的空気分離を備えた低排出型単純ガスタービンを示す簡略ブロック図。
【図２】一実施形態による、一体形ガス化複合サイクルを使用した低排出型単純ガスタービンを示す簡略ブロック図。
【図３】一実施形態による、ＤＬＥ燃焼器システムを利用したＮＯｘ排出量の低減を示すグラフ図。
【図４】一実施形態による、ＤＬＮ燃焼器システムを利用したＮＯｘ排出量の低減を示すグラフ図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
上記の図面の図は、幾つかの代替的な実施形態を表しているが、以下の説明において述べるように本発明のその他の実施形態もまた考えられる。全てのケースにおいて、本開示は、本発明の例示した実施形態を限定としてではなく説明として提示している。当業者には、多くのその他の変更形態及び実施形態を案出することができるが、それらもまた、本発明の原理の技術的範囲及び技術思想の範囲内に属する。
【００１１】
本明細書では、産業環境内で使用するガスタービンエンジンの関連で本方法及び装置を説明しているが、本明細書に説明した本方法及び装置は、それに限定されないが、航空機内に据付けたタービンを含むその他の燃焼タービンシステム用途に有用性を見出すことができる。さらに、本明細書に記載した原理及び教示は、それに限定されないが、天然ガス、ガソリン、ケロシン、ディーゼル燃料及びジェット燃料のような各種の可燃性燃料を使用するガスタービンエンジンに適用可能である。
【００１２】
図１は、一実施形態による、部分的空気分離を備えた低排出型単純ガスタービンシステム１０を示す簡略ブロック図である。ガスタービンシステム１０は、空気圧縮機１８によって酸素濃縮ガス流１４及び窒素濃縮ガス流１６内に供給された加圧空気を分離するように作動する部分的空気セパレータ１２を使用している。入力空気は、空気圧縮機１８によって加圧され、かつ加圧空気は、部分的空気セパレータ１２に供給される。
【００１３】
窒素濃縮ガス流１６は、加圧されかつ次に空気圧縮機１８からの加圧空気と混合されて、空気ミキサ１９によって低質化空気を発生させる。希釈剤で低質化させた得られた空気２０は、第１の燃焼段２２に送られ、第１の燃焼段２２において、空気２０は、燃焼しかつ第１の段の燃焼の生成物を生成する。酸素濃縮ガス流１４は、加圧されかつ第２の燃焼段２４において第１の段の燃焼の生成物と共に混合される。しかしながら、本発明は、そのように限定されるものではなく、丁度２つの燃焼器段を越えた付加的な燃焼器段を本明細書に説明した原理により使用して、所望のＮＯｘ排出レベルを達成するか又はその他の所望の結果を達成することができる。
【００１４】
本発明者達は、上記したように空気低質化及び燃焼多段化を組合せることにより、空気低質化だけ又は燃焼多段化だけのいずれかによるのでは達成することができない非常に低い限界値にＮＯｘ排出量が低減されることを見出した。より具体的には、この構造により、乾式低排出（ＤＬＥ）燃焼器又は乾式低ＮＯｘ（ＤＬＮ）燃焼器のいずれかを使用することができるガスタービンシステムに適用した場合に、燃焼効率又はＣＯ排出量に関連する不利な状態を招かずＮＯｘ排出量を非常に低い限界値に低減するような信頼性がある方法が得られることが判明した。
【００１５】
図３は、本明細書に説明した原理を利用してＤＬＥ燃焼器システムコンセプトを利用したＮＯｘ排出量の低減を示すグラフ図である。
【００１６】
図４は、本明細書に説明した原理を利用してＤＬＮ燃焼器システムコンセプトを利用したＮＯｘ排出量の低減を示すグラフ図である。
【００１７】
酸素濃縮ガスはこれまで従来型の燃焼多段化プロセスのいかなる段内にも噴射されることはなかったことに、注目されたい。それは、燃焼プロセスの音響及び不安定エネルギー放出の組合せに通常関連するダイナミックスと呼ばれる圧力振動がない状態に維持しながら、安定した作動、許容可能なＮＯｘ排出量及びＣＯ排出量を達成するような燃焼条件を注意深く管理する必要性があることに起因している可能性がある。
【００１８】
ＤＬＮ燃焼器は、始動から全負荷にわたるガスタービン運転を可能にする複数独立制御燃料噴射ポイント又は燃料ノズルを１以上の並列同一燃焼器内に必要とすることが特に多い。さらに、ＤＬＮ燃焼システムは、燃料流量、燃料通路流れ面積、及び燃料ノズルの前後におけるガスタービンサイクル圧力の関数である燃料噴射装置圧力比の比較的狭い範囲にわたって良好に機能することが多い。燃料ノズル通路面積の適当な選択及び幾つかの燃料ノズルグループに対する燃料流量の調整が、それらの圧力比限界値を管理するために必要となる。正確な燃料ノズル通路面積は、名目上は一定と見なされる実際の燃料性状に基づいている。
【００１９】
本発明者達は、実験を通して、低質化空気（Ｎ2及びＣＯ2のような希釈剤と混合させて全体の酸素濃度を低下させた空気）で燃料を燃焼させることのガスタービン性能及び汚染物質排出量に対する効果を、特に、希釈剤で低質化させた空気を燃焼させて第１の燃焼段生成物を発生させる第１の燃焼段並びに濃縮酸素と組合せて第１の燃焼段生成物を燃焼させて、低質化空気だけでの又は燃焼多段化だけによる燃焼によって達成可能であるものよりも低い酸化窒素排出レベルを有する第２のつまりその後の燃焼段生成物を発生させるように構成された１以上の付加的燃焼段を組合せたガスタービン燃焼システムにおいて発見しただけである。
【００２０】
この実験により得られた、ＮＯｘ排出量を成功裏に低下させる１つのシステム及び方法を、図１に示しており、この図１では、空気流が部分的空気分離ユニットに流入し、部分的空気分離ユニットは、Ｎ2濃縮流（低質化させた空気）及び窒素濃縮流を含む２つの出口流を生成する。この実験により得られた、ＮＯｘ排出量を成功裏に低下させる別のシステム及び方法を、図２に示しており、以下でさらに詳細に説明する。このシステム及び方法は、空気分離ユニットが所定の位置に設けられかつ空気分離ユニット（ＡＳＵ）からのＮ2が燃焼空気と混合されて低質化燃焼空気を形成するようになったＩＧＣＣ発電プラントで有用である。
【００２１】
図２は、一実施形態による、一体形ガス化複合サイクルを使用した低排出型単純ガスタービンシステム３０を示す簡略ブロック図である。空気が圧縮機３２に流入し、圧縮機３２において、空気は加圧されかつ空気分離ユニット３４に送られる。空気分離ユニット３４は、酸素濃縮ガス流３６及び窒素濃縮ガス流３８を含む２つのガス流を発生させる。窒素濃縮ガス流３８は、空気ミキサ４０によって加圧空気と混合されて、低質化空気混合気４２を発生させる。低質化空気４２は、燃焼器４６の第１の段４４に送られ、第１の段４４において、低質化空気４２は、合成ガス燃料５４と組合せて燃焼されて第１の段の燃焼生成物４８を発生させる。これらの第１の段の燃焼生成物４８は、第２の燃焼器段５０に送られ、第２の燃焼器段５０において、第１の段の燃焼生成物４８は、合成ガス燃料５４及び濃縮酸素３６と混合されかつ燃焼されて、非常に低いＮＯｘ排出燃焼生成物５２を生じる。本明細書に記載した原理及び教示は、それに限定されないが天然ガス、ガソリン、ケロシン、ディーゼル燃料及びジェット燃料のような各種の可燃性燃料を使用するガスタービンエンジンに適用可能である。
【００２２】
説明を要約すると、ガスタービンシステムは、希釈剤で低質化させた空気を燃焼させて、第１の燃焼段生成物を発生させるように構成された第１の燃焼器段と、濃縮酸素と組合せて（混合して）第１の燃焼段生成物を燃焼させて、空気低質化又は燃焼多段化技術だけを使用して達成可能であるものよりも大幅に低い酸化窒素排出量を有する第２の燃焼段生成物を発生させるように構成された第２の燃焼器段とを含む。これらのＮＯｘ排出量の低減は、燃焼効率又はＣＯ排出量における不利な状態なしに得られる。
【００２３】
本明細書に説明した実施形態は、選択的触媒反応器を使用する必要性を排除し、或いはそれとは別に従来型の燃焼器で達成可能であるものよりも低いＮＯｘ排出量を生じさせる燃焼器を使用することにより選択的触媒反応器の寸法及びコストを減少させることができる利点を有する。さらに、酸素濃度のような別の制御パラメータを加えることによって、本明細書に説明した実施形態により燃焼ダイナミックスを減少させることができる。
本明細書に説明した実施形態はさらに、アドオンエミッションシステム制御装置を必要とせずに、ＮＯｘ排出量の低減を達成するコスト効果のある技術を提供する。
【００２４】
本発明者達は、本明細書に説明した実施形態が、燃焼器への蒸気／水噴射を使用した又は高い予混合効率を有する乾式低ＮＯｘ燃焼システムを利用したシステム及び方法よりも
ＮＯｘ排出量を低減するのに一層効果的であることを見出した。
【００２５】
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形が想起されるであろう。従って、提出した特許請求の範囲は、全てのそのような修正及び変形を本発明の技術思想の範囲内に属するものとして保護しようとしていることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２６】
１０  低排出型単純ガスタービンシステム
１２  部分的空気セパレータ
１４  酸素濃縮ガス流
１６  窒素濃縮ガス流
１８  空気圧縮機
１９  空気ミキサ
２０  空気ミキサ出力空気
２２  第１の燃焼段
２４  第２の燃焼段
３０  低排出型単純ガスタービンシステム
３２  空気圧縮機
３４  空気分離ユニット
３６  酸素濃縮ガス流
３８  窒素濃縮ガス流
４０  空気ミキサ
４２  低質化空気混合気
４４  第１の燃焼段
４６  燃焼器
４８  第１の燃焼段からの出力生成物
５０  第２の燃焼段
５２  第２の燃焼段からの燃焼生成物
５４  合成ガス燃料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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