(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービンの排ガス性能を高める方法を提供する。【解決手段】この方法は、排気ガス再循環システムによって排気ガス流１１８の一部をガスタービン１０２の圧縮機１０４に再循環させて、ガスタービン１０２の燃焼器１１０への高圧供給酸化剤流１０８中の酸素濃度を低下させるステップを含む。この方法は、更に、燃焼器１１０へと導かれる燃料流１１２又は圧縮機１０４へと導かれる低圧供給酸化剤流の少なくとも一方に希釈剤１３４を添加して、結果的に得られる排気ガス流１１８中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を低下させるとともに二酸化炭素の濃度を上昇させるステップを含む。【選択図】図１
2011127602.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン（１０２）の排ガス性能を高める方法であって、
排気ガス再循環システムによって排気ガス流（１１８）の一部を前記ガスタービン（１０２）の圧縮機（１０４）に再循環させて、前記ガスタービン（１０２）の燃焼器（１１０）への高圧供給酸化剤流（１０８）中の酸素濃度を低下させるステップと、
前記燃焼器（１１０）へと導かれる燃料流（１１２）又は前記圧縮機（１０４）へと導かれる低圧供給酸化剤流（１０６）の少なくとも一方に希釈剤（１３４）を添加して、結果的に得られる排気ガス流（１１８）中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を低下させるとともに二酸化炭素の濃度を上昇させるステップと、を含む方法。
【請求項２】
前記再循環ステップは、弁（１２８）を用いて排気ガス流（１１８）の流れを調整するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記希釈剤（１３４）を添加するステップは、前記再循環排気ガス流（１１８）又は前記低圧供給酸化剤流（１０６）又は前記燃料流（１１２）の前記少なくとも１つに希釈剤（１３４）を添加するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記希釈剤（１３４）を添加するステップは、燃料（１１２）に１：１の比で希釈剤（１３４）を添加するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
ガスタービン（１０２）の排ガス性能を高める方法であって、
排気ガス再循環システムによって排気ガス流（１１８）の一部を前記ガスタービン（１０２）の圧縮機（１０４）に再循環させて、前記ガスタービン（１０２）の燃焼器（１１０）への高圧供給酸化剤流（１０８）中の酸素濃度を低下させるステップと、
予混合室（１４８）へと導かれる燃料流（１１２）に希釈剤（１３４）を添加し、前記燃料‐希釈剤混合物を予混合燃焼器内で燃焼させて、結果的に得られる排気ガス流（１１８）中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を低下させるとともに二酸化炭素の濃度を上昇させるステップと、を含む方法。
【請求項６】
ガスタービン（１０２）の排ガス性能を高めるシステム（１００）であって、
排気ガス流（１１８）の一部を前記ガスタービン（１０２）の圧縮機（１０４）に再循環させて、前記ガスタービン（１０２）の燃焼器（１１０）への高圧供給酸化剤流（１０８）中の酸素濃度を低下させるように構成された排気ガス再循環システム（１２６）と、
前記燃焼器（１１０）へと導かれる燃料流（１１２）又は前記圧縮機（１０４）へと導かれる低圧供給酸化剤流の少なくとも一方に希釈剤（１３４）を添加して、結果的に得られる排気ガス流（１１８）中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を低下させるとともに二酸化炭素の濃度を上昇させるように構成された希釈剤添加システム（１３２）と、を含むシステム（１００）。
【請求項７】
ガスタービン（１０２）の排ガス性能を高めるシステム（１００）であって、
排気ガス流（１１８）の一部を前記ガスタービン（１０２）の圧縮機（１０４）に再循環させて、前記ガスタービン（１０２）の燃焼器（１１０）への高圧供給酸化剤流（１０８）中の酸素濃度を低下させるように構成された排気ガス再循環システム（１２６）と、
前記燃焼器（１１０）の予混合室（１４８）で燃料流（１１２）に希釈剤（１３４）を添加して、結果的に得られる排気ガス流（１１８）中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を低下させるとともに二酸化炭素の濃度を上昇させるように構成された希釈剤添加システム（１３２）と、を含むシステム（１００）。
【請求項８】
発電時の排ガス性能を高めるシステム（２００）であって、
少なくとも２つのガスタービン（２０４、２０６）エンジンと、
第１及び第２のガスタービン燃焼器（２１２、２１６）における燃料流又は第１及び第２のガスタービン圧縮機吸気部（２２２、２３０）における低圧供給酸化剤流の少なくとも一方に希釈剤（２１０）を添加するように構成された希釈剤添加システム（２０８）と、
第１のガスタービン出口からの排気ガス流（２２０）の一部を第１のガスタービン圧縮機吸気部（２２２）に再循環させるとともに、前記第１のガスタービン（２０４）の前記排気ガス流（２２０）の一部を前記第２のガスタービン圧縮機吸気部（２３０）に循環させて、前記第１及び第２のガスタービン燃焼器（２１２、２１６）への高圧供給酸化剤流中の酸素濃度を低下させ、且つ、前記第１及び第２のガスタービン（２０４、２０６）の前記排気ガス流（２２０、２３８）中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を低下させるとともに二酸化炭素の濃度を上昇させるように構成された排気ガス再循環システム（２１８）と、を含むシステム（２００）。
【請求項９】
ガスタービンの排ガス性能を高める後付けシステムであって、
排気ガス流の一部を前記ガスタービンの圧縮機に再循環させて、前記ガスタービンの燃焼器への高圧供給酸化剤流中の酸素濃度を低下させるように構成された後付け可能な排気ガス再循環システムと、
前記燃焼器へと導かれる燃料流又は前記圧縮機へと導かれる低圧供給酸化剤流の少なくとも一方に希釈剤を添加して、結果的に得られる排気ガス流中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を低下させるとともに二酸化炭素の濃度を上昇させるように構成された後付け可能な希釈剤添加システムと、を含む後付けシステム。
【請求項１０】
ガスタービン（３０２）の排ガス性能を高めるシステム（３００）であって、
少なくとも２つの燃焼器（３０６、３０８）と、
排気ガス流（３１６）の一部を前記ガスタービン（３０２）の圧縮機（３１８）に再循環させて、前記ガスタービン（３０２）の前記少なくとも２つの燃焼器（３０６、３０８）のうち１つ以上の燃焼器への高圧供給酸化剤流中の酸素濃度を低下させるように構成された排気ガス再循環システム（３１２）と、
前記ガスタービン（３０２）の前記少なくとも２つの燃焼器（３０６、３０８）のうち１つ以上の燃焼器に希釈剤（３１４）を添加して、結果的に得られる排気ガス流（３１６）中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を低下させるとともに二酸化炭素の濃度を上昇させるように構成された希釈剤添加システム（３１０）と、を含むシステム（３００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して排出削減に関し、特にガスタービンエンジンにおける排出削減に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒素酸化物（ＮＯｘ）は、元来、燃焼機関の排気ガス流中にみられる主な汚染物質である。窒素酸化物によって生物に有害な酸性雨が生じることが知られている。ＮＯｘの排出を削減するにあたり、予混合燃焼、排気ガス再循環（ＥＧＲ）、拡散燃焼における水蒸気添加、再熱燃焼、及び選択触媒還元（ＳＣＲ）等、これらに限定されない数々の排出削減技術が用いられてきた。
【０００３】
例えば、予混合燃焼において、供給酸化剤流は燃料と混合された後、燃焼器に導入される。このような場合、燃料は燃焼用空気と均一に混合され、利用できる過剰空気が火炎温度を低温に保つ一助となる。低い火炎温度は、結果的にＮＯｘ生成量を減少させる。
【０００４】
排気ガス再循環（ＥＧＲ）では、排気ガス流の一部を供給酸化剤流中に戻して再循環させ、供給酸化剤流中の酸素濃度を効果的に低下させる。燃焼器内で過剰酸素が欠乏するとＮＯｘの生成量が減少する。再熱燃焼はＥＧＲと同様であるが、この場合、第１の燃焼器の燃焼生成物は、連続する第２の燃焼器内で再加熱又は再燃焼される。このように、第１の燃焼器の燃焼生成物を再加熱する第２の連続する燃焼器内における過剰酸素が欠乏することにより、ＮＯｘの生成が減少する。
【０００５】
また、拡散炎中に水蒸気を添加すると、拡散炎の温度が急激に低下する。水蒸気の添加によって火炎温度を所望の限界まで低下させ、これにより、ＮＯｘの生成量を減少させることができる。選択触媒還元（ＳＣＲ）では、例えばアンモニア等の還元剤を用いて、排気ガス流中の窒素酸化物を窒素元素に還元する。
【０００６】
しかし、上述の排出削減技術を用いることにより、排気ガス流中のＮＯｘ濃度は約９ｐｐｍに低下する。クリーンな環境への関心が高まり、排出規制が厳しくなるにつれて、燃焼機関の排気ガス流中のＮＯｘ濃度を更に低下させることが強く望まれる。
【０００７】
更に、地球温暖化への関心が高まっている。燃焼機関からの二酸化炭素の排出は、地球温暖化の最大の原因であるとされている。炭素回収及び炭素貯留といった技術が、排気ガス流中の二酸化炭素濃度を効果的に低下させることが立証されている。炭素回収技術は、排気ガス流中の二酸化炭素濃度が高い状態で、より効率的且つ費用効果的に機能する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６８２３８２１Ｂ２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、上述の１つ以上の問題に対処し、炭素回収技術を効果的に用いることができる、改良された排出削減技術が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の実施形態に従って、ガスタービンの排ガス性能を高める方法を提供する。この方法は、排気ガス再循環システムによって排気ガス流の一部をガスタービンの圧縮機に再循環させて、ガスタービンの燃焼器への高圧供給酸化剤流中の酸素濃度を低下させるステップを含む。この方法は、更に、燃焼器へと導かれる燃料流又は圧縮機へと導かれる低圧供給酸化剤流の少なくとも一方に希釈剤を添加して、結果的に得られる排気ガス流中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を低下させるとともに二酸化炭素の濃度を上昇させるステップを含む。
【００１１】
本発明の別の実施形態に従って、ガスタービンの排ガス性能を高める方法を提供する。この方法は、排気ガス再循環システムによって排気ガス流の一部をガスタービンの圧縮機に再循環させて、ガスタービンの燃焼器への高圧供給酸化剤流中の酸素濃度を低下させるステップを含む。この方法は、更に、予混合室へと導かれる燃料流に希釈剤を添加し、この燃料‐希釈剤混合物を予混合燃焼器で燃焼させて、結果的に得られる排気ガス流中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を低下させるとともに二酸化炭素の濃度を上昇させるステップを含む。
【００１２】
本発明の別の実施形態に従って、ガスタービンの排ガス性能を高めるシステムを提供する。このシステムは、排気ガス流をガスタービンの圧縮機に再循環させて、ガスタービンの燃焼器への高圧供給酸化剤流中の酸素濃度を低下させるように構成された排気ガス再循環システムを含む。このシステムは、更に、燃焼器へと導かれる燃料流又は圧縮機へと導かれる低圧供給酸化剤流の少なくとも一方に希釈剤を添加して、結果的に得られる排気ガス流中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を低下させるとともに二酸化炭素の濃度を上昇させるように構成された希釈剤添加システムを含む。
【００１３】
本発明の別の実施形態に従って、ガスタービンの排ガス性能を高めるシステムを提供する。このシステムは、排気ガス流の一部をガスタービンの圧縮機に再循環させて、ガスタービンの燃焼器への高圧供給酸化剤流中の酸素濃度を低下させるように構成された排気ガス再循環システムを含む。このシステムは、更に、燃焼器内の予混合室へと導かれる燃料流に希釈剤を添加して、結果的に得られる排気ガス流中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を低下させるとともに二酸化炭素の濃度を上昇させるように構成された希釈剤添加システムを含む。
【００１４】
本発明の別の実施形態に従って、発電時の排ガス性能を高めるシステムを提供する。このシステムは、少なくとも２つのガスタービンエンジンを含む。このシステムは、更に、第１及び第２のガスタービン燃焼器吸気部における燃料流又は第１及び第２のガスタービン圧縮機吸気部における低圧供給酸化剤流の少なくとも一方に希釈剤を添加するように構成された希釈剤添加システムを含む。このシステムは、更に、第１のガスタービン出口からの排気ガス流の一部を第１のガスタービン圧縮機吸気部内へと再循環させるとともに、第１のガスタービンの排気ガス流の別の部分を第２のガスタービン圧縮機吸気部において循環させて、第１及び第２のガスタービン燃焼器への高圧供給酸化剤流中の酸素濃度を低下させることにより、第１及び第２のガスタービンの排気ガス流中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を低下させるとともに二酸化炭素の濃度を上昇させるように構成された排気ガス再循環システムを含む。
【００１５】
本発明の別の実施形態に従って、ガスタービンの排ガス性能を高める後付けシステムを提供する。この後付けシステムは、排気ガス流の一部をガスタービンの圧縮機に再循環させて、ガスタービンの燃焼器内への高圧供給酸化剤流中の酸素濃度を低下させるように構成された、後付け可能な排気ガス再循環システムを含む。このシステムは、更に、燃焼器へと導かれる燃料流又は圧縮機へと導かれる低圧供給酸化剤流の少なくとも一方に希釈剤を添加して、結果的に得られる排気ガス流中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を低下させるとともに二酸化炭素の濃度を上昇させるように構成された、後付け可能な希釈剤添加システムを含む。
【００１６】
本発明の別の実施形態に従って、ガスタービンの排ガス性能を高めるシステムを提供する。このシステムは、少なくとも２つの燃焼器を含む。このシステムは、更に、排気ガス流の一部をガスタービンの圧縮機に再循環させて、ガスタービンの少なくとも２つの燃焼器のうち１つ以上の燃焼器への高圧供給酸化剤中の酸素濃度を低下させるように構成された排気ガス再循環システムを含む。このシステムは、更に、ガスタービンの少なくとも２つの燃焼器のうち１つ以上の燃焼器に希釈剤を添加して、結果的に得られる排気ガス流中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を低下させるとともに二酸化炭素の濃度を上昇させるように構成された希釈剤添加システムを含む。
【００１７】
全図面を通して同様の部分を同様の符号で示した添付図面を参照しながら、以下の詳細な説明を読むことにより、本発明のこれら及びその他の特徴、態様、及び利点の理解が深まるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態による、ＥＧＲシステムと水蒸気又は水添加システムとを含むガスタービンエンジン用の例証的な排ガス性能向上システムのブロック図である。
【図２】燃料流と希釈剤流とを混合する混合器を含む、図１のガスタービンエンジン用の例証的な排ガス性能向上システムのブロック図である。
【図３】燃料‐希釈剤混合物を燃焼器の予混合室内に間接的に添加するための混合室を含む図１のガスタービンにおける燃焼器のブロック図である。
【図４】燃焼器の予混合室への燃料と希釈剤との直接添加を含む図１のガスタービンエンジンにおける燃焼器のブロック図である。
【図５】本発明の実施形態による複数のガスタービンエンジンの例証的な構成の概略図である。
【図６】希釈剤添加を含む図１のガスタービンにおける複数の燃焼器の例証的な構成の概略図である。
【図７】本発明の実施形態による、ガスタービンエンジンの排ガス性能を高める方法の例証的なステップを示す流れ図である。
【図８】本発明の実施形態による、ガスタービンエンジンの排ガス性能を高める方法の例証的なステップを示す、また別の流れ図である。
【図９】ＮＯｘ生成の減少率と排気ガス再循環の増加との関係を示す例証的なグラフである。
【図１０】ＮＯｘ生成の減少率と、水又は水蒸気と燃料との比の増大と、の関係を示す例証的なグラフである。
【図１１】ＮＯｘ濃度の低下と、排気ガス再循環率及び燃料に対する水蒸気又は水の比の増大との関係を示す例証的なグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に詳細に説明するように、本発明の実施形態は、ガスタービンの排気ガス流中における窒素酸化物（ＮＯｘ）排出を約３ｐｐｍ未満に削減するとともに二酸化炭素濃度を約１０％増加させる、排ガス性能を高めるシステムとガスタービンの運転方法とを提供する。本明細書で用いる「排ガス性能を高める」という表現は、ガスタービンの排気ガス流中のＮＯｘ濃度の低下を指す。「ＥＧＲ」という表現は、ガスタービンエンジンの排気ガス再循環を指す。このシステムは、それぞれ排気ガス流の一部をガスタービンの圧縮機入口に戻して再循環させるとともに、希釈剤をガスタービンの燃焼器内に添加するために、ＥＧＲシステムと希釈剤添加システムとを組み合わせたものを含む。
【００２０】
図１に示す実施形態に、ガスタービンエンジン１０２における排ガス性能を高めるシステム１００を示す。ガスタービン１０２は、供給酸化剤流１０６を圧縮するとともに燃焼器１１０に高圧供給酸化剤流１０８を供給する圧縮機１０４を含む。燃焼器１１０は、高圧供給酸化剤流１０８を燃料流１１２と一緒に燃焼させる。一実施形態において、燃料流１１２は、液体燃料又は気体燃料を含む。液体燃料には、ディーゼル及び重油等、これらに限定されない種類の燃料が含まれる。気体燃料の非限定的な例には、天然ガス、合成ガス、及び水素が含まれる。ガスタービン１０２は、燃焼器１１０の燃焼排出物１１６から力学的仕事を取り出すタービン１１４を含む。燃焼排出物１１６は、タービン１１４の少なくとも１つのタービン段を通って流れた後、排気ガス流１１８としてガスタービン１０２から流出する。システム１００の例証的な動作において、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）１２０はガスタービン１０２の排気ガス流１１８から熱を抽出し、ＨＲＳＧ内へと導かれる水１２４から水蒸気１２２を生成する。排気ガス再循環（ＥＧＲ）システム１２６は、排気ガス流１１８の一部をガスタービン１０２の圧縮機１０４に再循環させ、ガスタービン１０２の燃焼器１１０内への高圧供給酸化剤流１０８中の酸素濃度を約５％低下させる。一実施形態において、ＥＧＲシステム１２６は、排気ガス流１１８の約５０％未満を再循環させる。特定の実施形態において、ＥＧＲシステム１２６は、排気ガス流１１８の流れを調整する弁１２８を含む。別の実施形態において、ＥＧＲシステム１２６は、排気ガス流１１８を冷却する冷却器１３０を含む。更に、排気ガス流１１８中に存在する水分は、冷却器１３０内において排気ガス流１１８の温度低下により復水される。本明細書で用いる「ＨＲＳＧ」という表現は、排気ガス流１１８から熱を回収して水蒸気１２２を発生させる排熱回収ボイラ１２０を指す。水蒸気１２２は、一般的に、更なる仕事を取り出すために蒸気タービン（図示せず）へと導かれる。
【００２１】
更に、希釈剤添加システム１３２が、燃焼器１１０への燃料流１１２又は燃焼器１１０へと導かれる高圧供給酸化剤流１０８の少なくとも一方に希釈剤１３４を添加して、排気ガス流１１８中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を低下させる。一実施形態において、排気ガス流１１８中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度は、約３ｐｐｍ未満低下する。特定の実施形態では、二酸化炭素の濃度が約１０％増加する。別の特定の実施形態において、希釈剤添加システム１３２は、希釈剤１３４を高圧供給酸化剤流１０８と混合する混合器１３６を含む。希釈剤１３４の非限定的な例には、水及び水蒸気が含まれる。
【００２２】
動作時、ＮＯｘの生成は、火炎温度に対して指数関数的に、且つ、燃焼器１１０における酸素の使用可能量に対して比例的に増加する。ＥＧＲシステム１２６は、排気ガス流１１８の一部を圧縮機１０４へと再循環させ、供給酸化剤流１０６中の酸素含有量を約５％低下させる。燃焼器１１０において燃料流１１２と高圧供給酸化剤流１０８とが燃焼することにより、排気ガス流１１８中の酸素含有量は激減する。排気ガス流１１８が供給酸化剤流１０６と混合されると、この混合物中の酸素含有量は、純粋な供給酸化剤流中の酸素含有量よりも低くなる。この酸素含有量の低下が、燃焼器１１０内でのＮＯｘの生成を、例えば約７０％〜約８０％低下させる一助となる。
【００２３】
更に、燃焼器１１０への希釈剤１３４の添加は、火炎温度を低下させる一助となる。希釈剤１３４は、高圧供給酸化剤流１０８及び燃料流１１２の燃焼中に発生する熱を吸収して、燃焼器１１０内の火炎温度を低下させる。こうして、火炎温度の低下によりＮＯｘの生成が阻害される。燃焼器１１０内への希釈剤１３４の添加は、ＮＯｘの生成を、例えば約６０％〜約７０％減少させる。
【００２４】
ＥＧＲの使用は、また、結果的に得られる排気ガス流中の二酸化炭素の濃度を増大させる。特定の実施形態において、排気ガス再循環は、二酸化炭素の濃度を約１０％増加させる。炭素回収及び貯留では、二酸化炭素が排気ガス流１１８から分離され、地層中又は海中深くに貯蔵されるか、或いは炭酸塩鉱物に変換される。炭素回収及び貯留技術の効果及び費用効果は、排気ガス流１１８中の二酸化炭素濃度が増大するほど高くなる。例証的な実施形態では、本明細書に示すように、ＨＲＳＧ１２０の出口からの排気ガス流１１８が炭素回収システム１３８を通ることで、排気ガス流１４０と一緒に大気中に排出される二酸化炭素の量が削減される。別の実施例では、再循環排気ガス流１４４を供給酸化剤流１０６と混合する、ＥＧＲ混合器１４２が設置される。
【００２５】
図２は、燃料流１１２と希釈剤流１３４とを最適な比で混合する混合器１４６を含む、図１のガスタービンエンジン１０２における排ガス性能を高めるシステム１００のブロック図である。希釈剤と燃料の比は、燃焼器１１０内の希薄吹消えを防ぐために、約５．１未満とする。燃焼器１１０内の希薄吹消えは、燃焼器１１０への希釈剤添加が少しでも過剰に行われると、供給酸化剤流中の酸素含有量が低下すること、又は熱吸収によって火炎温度が低下することによって生じ得る。ガスタービンの例証的な動作において、排気ガス再循環により、供給酸化剤流中の酸素の使用可能量が例えば約５％〜約１０％低下し、ＮＯｘ生成が例えば約７０％〜約８０％減少する。更に、燃料流１１２への希釈剤１３４の添加により、燃焼器１１０内の火炎温度が低下し、更に燃焼器１１０におけるＮＯｘ生成が例えば約８０％〜９０％低下する。本発明の一実施形態によると、燃料流１１２に対する希釈剤１３４の添加比は、約１：１である。特定の実施形態では、図１のシステム１００においてＥＧＲシステム１２６と希釈剤１３４の添加とを組み合わせて用いることにより、排気ガス流１１８中のＮＯｘ濃度が例えば約３ｐｐｍ未満に低減される。
【００２６】
図３は、燃料‐希釈剤混合物を燃焼器１１０の予混合室１４８に間接的に添加するための混合器１４６を含む、図１のガスタービン１０２における燃焼器１１０のブロック図である。本発明の一実施形態によると、希釈剤１３４を燃焼器１１０の予混合室１４８において添加する、希釈剤添加システム１３２が設置される。供給酸化剤流１０８と燃料流１１２との希薄混合物は、予混合室１４８において形成された後、燃焼される。希薄混合物は、燃料流１１２に対して約２：１を超える比の非常に高濃度の供給酸化剤１０８を含む。更に、一実施例において、希釈剤１３４は、希釈剤‐燃料混合器１４６において燃料流１１２に添加され、その後、予混合室１４８で供給酸化剤流１０８と予混合される。本発明の特定の実施形態によると、図２で説明したように、希釈剤‐燃料比は大抵、約１に維持される。希釈剤‐燃料混合器１４６は、希釈剤１３４と燃料流１１２とを約１の比で混合する。
【００２７】
図４は、燃焼器１１０の予混合室１４８に燃料１１２と希釈剤１３４とを直接添加する希釈剤添加システム１３２を含む、図１のガスタービン１０２における燃焼器１１０のブロック図である。本発明の実施形態によると、燃焼器１１０の予混合室１４８において希釈剤１３４を添加する、希釈剤添加システム１３２が設置される。更に、燃料流１１２が燃料噴射器１５０を介して予混合室１４８に添加される。供給酸化剤流１０８と燃料流１１２とは、予混合室１４８で希釈剤１３４と混合され、その後、この混合物が予混合室１４８で燃焼する。
【００２８】
図５に示す本発明の別の実施形態において、多重ガスタービン発電システム２０２の排ガス性能を高めるシステム２００を示す。多重ガスタービン発電システム２０２は、発電用に少なくとも２つのガスタービン２０４、２０６を含む。排ガス性能を高めるシステム２００は、希釈剤流２１０を第１のガスタービン燃焼器２１２内に添加するように構成された第１の希釈剤添加システム２０８と、希釈剤流２１０を第２のガスタービン燃焼器２１６内に添加する第２の希釈剤添加システム２１４とを含む。システム２００は、更に、排気ガス再循環システム２１８を含み、第１のガスタービン排気ガス流２２０の約５０％未満を第１のガスタービン吸気部２２２に再循環させ、更に残りの第１のガスタービン排気ガス流２２０を第２のガスタービン２０６に循環させる。特定の実施形態において、システム２００のＥＧＲシステム２１８はバイパス弁２２４を含み、これにより、第１のガスタービン２０４の残りの排気ガス流２２６の一部を第２のガスタービン２０６の排気部２２８へと迂回させ、第２のガスタービン吸気部２３０における排気ガス２２６の添加と、第２のガスタービンの供給酸化剤流２３２とを併せて制御する。別の特定の実施形態において、ＥＧＲシステム２１８は、排気ガス流２２０の流れを調整する弁２３４を含む。また別の実施形態において、ＥＧＲシステム２１８は、排気ガス流２２０を冷却する冷却器２３６を含む。多重ガスタービン発電システム２０２の例証的な動作において、第１のガスタービン燃焼器２１２及び第２のガスタービン燃焼器２１６への希釈剤流２１０の添加により、第１及び第２のガスタービン２０４及び２０６の排気ガス流２２０及び２３８中のＮＯｘの濃度が、例えば約６０％〜約７０％低下する。更に、第１のガスタービン吸気部２２２への第１のガスタービン排気ガス流２２０の再循環と第２のガスタービン吸気部２３０への第１のガスタービン２０４の残りの排気ガス流２２６の循環とにより、第１及び第２のガスタービン２０４及び２０６の排気ガス流２２０及び２３８中のＮＯｘ濃度が、例えば約８０％〜約９０％低下する。特定の実施形態において、システム２００は、排気ガス流２０４及び２０６中のＮＯｘの濃度を、例えば約３ｐｐｍ〜約１ｐｐｍ未満に低下させる。
【００２９】
図６は、排ガス性能を高めるシステム３００を含む、図１のガスタービン１０２における複数の燃焼器の例証的な構成の概略図である。図６のガスタービン３０２は、多重燃焼器燃焼システム３０４を含む。多重燃焼器燃焼システム４０４は更に、少なくとも２つの燃焼器３０６、３０８を含む。ガスタービン３０２の排ガス性能を高めるシステム３００は、希釈剤添加システム３１０と排気ガス再循環システム３１２とを含む。希釈剤添加システム３１０は、多重燃焼器燃焼システム３０４の少なくとも１つの燃焼器３０６に希釈剤３１４を添加する。ガスタービン１０２の例証的な動作において、排気ガス再循環システム３１２は、排気ガス流３１６の約５０％未満をガスタービン３０２の吸気部３１８内に再循環させる。更に、ガスタービン３０２の多重燃焼器燃焼システム３０４への希釈剤３１４の添加により、排気ガス流３１６中のＮＯｘ濃度が、例えば約８０％〜約９０％低下する。
【００３０】
燃焼器３０６におけるＮＯｘの生成は、燃焼器３０６内の火炎温度に対して指数関数的に増加する。燃焼器３０６への希釈剤３１４の添加により、燃焼器３０６の火炎温度が低下し、ＮＯｘの生成が例えば約６０％〜約７０％減少する。希薄吹消えは、供給酸化剤流３２０中の酸素含有量の減少によって生じる。排気ガス流３１６の再循環により、供給酸化剤流３２０中の酸素含有量が約５％低下する。更に、燃焼器３０６内の火炎温度及び酸素含有量の低下により、燃焼器３０６の燃焼効率が低下し、これによってガスタービン３０２の出力が低下する。適正な出力を生じ、また、ＮＯｘ排出を低減するために、希釈剤噴射システム３１０で多重燃焼器燃焼システム３０４の少なくとも１つの燃焼器３０６に希釈剤３１４を添加して、ＮＯｘを例えば約８０％〜約９０％減少させる一方で、例証的な多重燃焼器燃焼システム４０４のその他の燃焼器３０８、３２２、３２４で、希釈剤３１４の影響を受けることなく燃料流３２６と供給酸化剤流３２０との混合物を燃焼させる。
【００３１】
図７は、ガスタービンエンジンの排ガス性能を高める方法４００の例証的なステップを示す流れ図である。この方法４００は、ステップ４０２において、排気ガス再循環システムによって排気ガス流の一部をガスタービンの圧縮機に再循環させるステップを含む。本発明の特定の実施形態において、再循環ステップは、弁を用いて排気ガス流の流れを調整するステップを含む。本発明の別の実施形態において、再循環ステップは、排気ガス流を冷却器で冷却するステップを含む。次に、ステップ４０４において、ガスタービンの燃焼器への高圧供給酸化剤流中の酸素濃度を低下させる。最後に、ステップ４０６において、燃焼器へと導かれる燃料流又は圧縮機へと導かれる低圧供給酸化剤流の少なくとも一方に希釈剤を添加する。本発明の特定の実施形態において、希釈剤添加ステップは、再循環排気ガス流又は低圧供給酸化剤流又は燃料流の少なくとも１つに希釈剤を添加するステップを含む。本発明の別の実施形態において、希釈剤添加ステップは、希釈剤を燃料に１：１の比で添加するステップを含む。一実施例において、この方法は、排気ガス流中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を約３ｐｐｍ未満に低下させる。別の実施例では、二酸化炭素の濃度を約１０％増加させる。
【００３２】
図８は、ガスタービンエンジンの排ガス性能を高める別の例証的な方法の、例証的なステップを示す流れ図である。この方法５００は、ステップ５０２において排気ガス再循環システムによって排気ガス流の一部をガスタービンの圧縮機に再循環させるステップを含む。次に、ステップ５０４において、ガスタービンの燃焼器へと導かれる高圧供給酸化剤流中の酸素濃度を低下させる。本発明の特定の実施形態において、再循環ステップは、弁を用いて排気ガス流の流れを調整するステップを含む。本発明の別の実施形態において、再循環ステップは、排気ガス流を冷却器内で冷却するステップを含む。最後に、ステップ５０６において、予混合室へと導かれる燃料流に希釈剤を添加し、燃料‐希釈剤混合物を予混合燃焼器内で燃焼させる。本発明の特定の実施形態において、希釈剤添加ステップは、予混合燃焼器の吸気部で希釈剤を添加するステップを含む。特定の実施形態において、排気ガス流中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度が約３ｐｐｍ未満に低減される。別の特定の実施形態において、二酸化炭素の濃度が約１０％高くなる。
【実施例１】
【００３３】
以下の例は、あくまでも一例であって、特許を受けようとする発明の技術的範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
【００３４】
図９は、ＮＯｘ生成の減少率と排気ガス再循環率の増加との関係を示すグラフ６００である。ｘ軸６０２は、排気ガス再循環率の増加を表す。ｙ軸６０４は、ＮＯｘ生成の減少率を表す。曲線６０６は、排気ガス再循環の変化に対するＮＯｘ生成の変化を表す。曲線６０６で示すように、排気ガス再循環率は、ＮＯｘ生成率の減少に伴って増大する。例えば、ＮＯｘ生成は、約５０％の排気ガス再循環率において、約８０％減少する。同様に、更に低い約１０％の排気ガス再循環率において、約２５％のＮＯｘ削減となる。このように、排気ガスの再循環を増大させることにより、ガスタービンエンジンのＮＯｘ生成が減少する。
【００３５】
図１０は、ＮＯｘ生成の減少率と、水又は水蒸気と燃料との比の増大と、の関係を示すグラフ７００である。ｘ軸７０２は希釈剤‐燃料比を表す。ｙ軸７０４はＮＯｘ生成の減少率を表す。曲線７０６は、希釈剤‐燃料比の増大に伴うＮＯｘ生成の変化を表す。特定の実施形態において、希釈剤には水又は水蒸気が含まれる。曲線７０６で示すように、希釈剤‐燃料比の増大はＮＯｘ生成の減少率を増加させる。例えば、約１：１の希釈剤‐燃料比では、ＮＯｘ生成が約７０％減少する。このように、希釈剤‐燃料比の増大は、ガスタービンエンジンにおけるＮＯｘ生成を減少させる。
【００３６】
図１１は、ＮＯｘ生成の減少と、排気ガス再循環率及び燃料に対する水蒸気又は水の比の増大と、の関係を示すグラフ８００である。ｘ軸８０２は、排気ガス再循環率及び燃料に対する水蒸気又は水の比を変化させた様々な運転条件を表す。ｙ軸８０４は、ＮＯｘ生成率を表す。棒８０６は予混合燃焼によるＮＯｘ生成を表し、棒８０８は拡散燃焼におけるＮＯｘ生成を表す。第１の運転条件８１０は、０％のＥＧＲを含み、水蒸気又は水と燃料との比は１：１である。この図に示すように、ＮＯｘ生成は、運転条件８１０において、予混合燃焼で約２０％、拡散燃焼で約６０％となる。第２の運転条件８１２において、ＥＧＲは約２５％であり、希釈剤添加は皆無である。ＮＯｘ生成は、運転条件８１２において、予混合燃焼で約１６％、拡散燃焼で約５０％となる。同様に、第３の運転条件８１４において、ＥＧＲは約４０％であり、希釈剤添加は皆無である。ＮＯｘ生成は、第３の運転条件８１４において、予混合燃焼で約５％、拡散燃焼で約２４％となる。第４の運転条件８１６は、２５％のＥＧＲを含み、燃料に対する水蒸気又は水の比は１：１に維持される。図示のように、ＮＯｘ生成は、運転条件８１６において、予混合燃焼で約４％、拡散燃焼で約２０％である。第５の運転条件８１８において、ＥＧＲは約４０％であり、燃料に対する水蒸気又は水の比は約１：１に維持される。ＮＯｘ生成は、運転条件８１８において、予混合燃焼で約２％、拡散燃焼で約９％である。このように、ＥＧＲと、燃料流への希釈剤添加とを組み合わせることにより、ガスタービン内でＥＧＲのみ又は希釈剤添加のみを用いたＮＯｘ削減に比べて、ＮＯｘ生成を全体的に更に大幅に減少させることができる。
【００３７】
このように、上述したガスタービンの排ガス性能を高めるシステム及び方法の様々な実施形態は、排気ガス流中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を約３ｐｐｍ未満低下させ、二酸化炭素の濃度を約１０％増加させる手法を提供する。また、この技術により、炭素回収技術を経済的に利用することができる。更に、このシステム及び方法により、既存のガスタービンベースの発電システム用の、ＮＯｘ生成を約３ｐｐｍ未満に減少させる後付けシステムが得られる。これによって、著しく環境を汚染する発電システムのＮＯｘ生成を経済的に制御し、ひいては厳しい環境規制を満たすことができる。
【００３８】
当然ながら、上述のこうした全ての目的又は利点が、必ずしもいずれの特定の実施形態によっても達成されるわけではないことを理解されたい。このため、例えば、本明細書に教示する１つの利点又は１群の利点を、本明細書に教示又は示唆するその他の目的又は利点を達成することなく達成又は最適化するように、本明細書に記載のシステム及び技術を実施又は実現してもよいことが、当業者には明らかであろう。
【００３９】
更に、異なる複数の実施形態の様々な特徴は互換性を有することが当業者には明らかであろう。例えば、水蒸気、水、又は一実施形態に関して説明した例えば窒素等その他の希釈剤等の希釈剤を、本発明の別の実施形態に関して説明したＥＧＲ冷却器と一緒に使用してもよい。同様に、当業者は本開示の原則に従って、説明した様々な特徴と各特徴のその他の周知の等価物とを併用及び適合し、更なるシステム及び技術を構成できる。
【００４０】
ここでは、本発明の一部の態様のみを説明したが、当業者には多くの修正及び改変が想到可能である。したがって、そのような修正及び改変も全て、本発明の技術的範囲に含まれることから、添付の特許請求の範囲に含まれることを理解されたい。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【外国語明細書】
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