(57)【要約】【課題】低エミッション燃焼のためのシステム及び方法を提供する。【解決手段】タービンシステム（１０）は、空気（２０）を加圧して加圧流（２２）を発生するための圧縮機（１２）と、加圧流の少なくとも一部分を受けかつ加圧流の少なくとも一部分を酸素と低酸素流（２８）とに分離するための空気分離ユニット（１８）と、低酸素流（２８）の少なくとも一部分、加圧流の一部分及び燃料を受けかつ燃焼させて高温排出ガス（３２）を発生するための燃焼器（１４）と、高温排出ガスを受けかつ膨張させて電気及び低温低ＮＯｘ排出ガス（３６）を発生するためのタービン（１６）とを含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の空気流（２０）を加圧して加圧流（２２）を発生するための圧縮機（１２）と、
第２の空気流（２４）を受けかつ第２の空気流（２４）を酸素（２６）と低酸素流（２８）とに分離するための空気分離ユニット（１８）と、
低酸素流（２８）の少なくとも一部分、加圧流（２２）の一部分及び燃料（３０）を受けかつ燃焼させて高温排出ガス（３２）を発生するための燃焼器（１４）と、
高温排出ガス（３２）を受けかつ膨張させて電気及び低温低ＮＯｘ排出ガス（３６）を発生するためのタービン（１６）と
を含むタービンシステム（１０）。
【請求項２】
低酸素流（２８）が約２０体積％未満の酸素を有する、請求項１記載のタービンシステム（１０）。
【請求項３】
低ＮＯｘ排出ガス（３６）が約３０ｐｐｍ未満のＮＯｘレベルを有する、請求項１記載のタービンシステム（１０）。
【請求項４】
低ＮＯｘ排出ガス（３６）が蒸気及び低温排出ガス（５０６）を発生するためのＨＲＳＧ（５０２）に導かれる、請求項１記載のタービンシステム（１０）。
【請求項５】
蒸気が、付加的電気を発生するためのボトミングサイクルに導かれる、請求項４記載のタービンシステム（１０）。
【請求項６】
低温排出ガス（５０６）が二酸化炭素捕捉システム（５１４）に導かれる第１の部分と、圧縮機（１２）に導かれて第１の空気流（２０）と共に加圧されるための第２の部分とに分割される、請求項５記載のタービンシステム。
【請求項７】
空気を酸素（２６）と低酸素流（２８）とに分離するための空気分離ユニット（１８）と、
空気（２０）及び低酸素流（２８）の少なくとも一部分を加圧して混合加圧流（５２）を発生するための圧縮機（１２）と、
混合加圧流（５２）の少なくとも一部分及び燃料（３０）を受けかつ燃焼させて高温排出ガス（３２）を発生するための燃焼器（１４）と、
高温排出ガス（３２）を受けかつ膨張させて電気及び低温低ＮＯｘ排出ガス（３６）を発生するためのタービン（１６）と
を含むタービンシステム（１０）。
【請求項８】
空気を酸素（２６）と低酸素流（２８）とに分離するための空気分離ユニット（１８）と、
酸素（２６）と炭素質供給原料（２０４）とを反応させて合成ガス（２０６）を生成するためのガス化装置（２０２）と、
合成ガス（２０６）を精製可燃性燃料（２１２）に変換するための合成ガス処理システム（２１０）と、
ガスタービンシステム（１０）と、
を含み、ガスタービンシステム（１０）が、
空気（２０）を加圧して加圧流（２２）を発生するための圧縮機（１２）と、
低酸素流（２８）の少なくとも一部分、加圧流（２２）の少なくとも一部分及び精製可燃性燃料（２１２）の少なくとも一部分を受けかつ燃焼させて高温排出ガス（３２）を発生するための燃焼器（１４）と、
高温排出ガス（３２）を受けかつ膨張させて電気及び低温低ＮＯｘ排出ガス（３６）を発生するためのタービン（１６）と
を含むガス化システム。
【請求項９】
圧縮機が、少なくとも第１段圧縮機セクション（５４）及び第２段圧縮機セクション（５６）を含む、請求項８記載のガス化システム。
【請求項１０】
中間冷却器（６０）をさらに含み、
低酸素流（２８）が、中間冷却器に導かれて第１段圧縮機セクション（５４）からの加圧流と混合して、第２段圧縮機セクション（５６）に導かれる混合流を生成する、請求項９記載のガス化システム。
【請求項１１】
低酸素流（２８）を生成する段階と、
加圧空気流（５８）を生成する段階と、
低酸素流の少なくとも一部分、加圧空気流の一部分及び燃料を燃焼させて高温排出ガス（３２）を生成する段階と、
高温排出ガスを膨張させて電気及び低ＮＯｘ排出ガスを発生する段階と
を含む、エミッションを低減する方法。
【請求項１２】
低ＮＯｘ排出ガスを利用して蒸気及び低温排出ガス（３６）を発生する段階をさらに含む、請求項１１記載のエミッションを低減する方法。
【請求項１３】
低温排出ガス（３６）の第１の部分を二酸化炭素除去システム（５１４）に導く段階と、
低温排出ガス（３６）の第２の部分を空気流と共に加圧しかつ混合して低酸素加圧流を生成する段階と
をさらに含む、請求項１２記載のエミッションを低減する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはガス化技術及び燃焼技術に関し、より具体的には低エミッション燃焼のための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）システムは、それらが、エミッションを低減した状態で石炭バイオマス、石油コークス、都市廃棄物及びその他の燃料供給原料などの豊富な燃料から電気を生成する可能性を提供するので、発電のための将来有望な技術である。ＩＧＣＣシステムは一般的に、空気分離ユニット（ＡＳＵ）、ガス化システム及びガスタービン複合サイクルシステムを含む。ＡＳＵでは、加圧高純度酸素ガスが生成されて、ガス化装置に送られる。ガス化装置内で、燃料供給原料が蒸気の存在下で酸素と反応して、一酸化炭素（ＣＯ）及び水素（Ｈ２）がリッチな合成ガスを生成する。水素を含有する合成ガスは、ガスタービン複合サイクルシステムの燃焼器内で燃焼する。最新の合成ガス燃焼器は、拡散バーナであり、熱的窒素酸化物（ＮＯｘ）の形成を低減するために希釈剤として通常は蒸気が使用される。合成ガスの燃焼において希釈剤として蒸気を使用することにより、達成できる最大タービン入口温度に対して制限を加え、従って最大効率を制限する。
【０００３】
発電用のＩＧＣＣシステムの商品化において今日直面している課題の一部には、微粉炭プラントなどの他の発電技術と比較して資本コストが高いことが含まれる。ＩＧＣＣシステムの全体的効率を改善するために、様々なサブシステムの幾つかの統合化スキームが探索されている。それらの幾つかには、合成ガスの清浄化にまた燃焼希釈剤として必要な蒸気をガスタービンシステムの熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）から供給すること、並びにガスタービンの圧縮機を使用してＡＳＵに必要な空気を加圧することが含まれる。
【特許文献１】米国特許第５４４１９９０号明細書
【特許文献２】米国特許第５４５９９９４号明細書
【特許文献３】米国特許第５８３２７１２号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００４／０２４４３８１号明細書
【特許文献５】国際特許出願第２００４／１０９０７５号パンフレット
【非特許文献１】C. WILKES, B. GERHOLD, NOx Reduction from a Gas Turbine Combustor Using Exhaust Gas Recirculation., Contributed by Gas Turbine Division of The American Society of Mechanical Engineers for presentation at the Joint Power Generation Conference, Phoenix, Arizona, September 28-October 2, 1980. Manuscript received at ASME Headquarters June 27, 1980, pp.1-10
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、全体的効率を向上させるためにＩＧＣＣシステムの様々なサブシステムの更なる統合化の必要性と、熱的ＮＯｘ形成を対応して増加させずにより高いタービン入口温度を可能にする燃焼方法の開発の必要性とが依然として存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
タービンシステムは、空気を加圧して加圧流を発生するための圧縮機と、加圧流の少なくとも一部分を受けかつ加圧流の少なくとも一部分を酸素と低酸素流とに分離するための空気分離ユニットと、低酸素流の少なくとも一部分、加圧流の一部分及び燃料を受けかつ燃焼させて高温排出ガスを発生するための燃焼器と、高温排出ガスを受けかつ膨張させて電気及び低温低ＮＯｘ排出ガスを発生するためのタービンとを含む。
【０００６】
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の部品を表している添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより、さらに良く理解されるようになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１には、圧縮機１２、燃焼器１４、タービン１６及び空気分離ユニット（ＡＳＵ）１８を含むタービンシステム１０を示している。本明細書で使用する場合、ＡＳＵという用語は、空気を取り入れ、かつ酸素流及び低酸素流並びに任意選択的に窒素ストリームを流出させることができるあらゆるシステム又はサブシステムを意味する。本明細書で使用する場合、酸素流という用語は、約８０体積％超の酸素からなるストリームを意味する一方で、低酸素流という用語は、約２０体積％未満の酸素からなるストリームを意味する。
【０００８】
空気２０は、圧縮機１２内で加圧されて加圧流２２を生成する。第２の空気流２４は、ＡＳＵ１８内に取り入れられて酸素（Ｏ２）ストリーム２６と低酸素流２８とを生成する。低酸素流２８の少なくとも一部分及び加圧流２２の少なくとも一部分は、燃焼器１４に導かれ、燃料３０と共に燃焼して高圧高温排出ガス３２を生成するようになる。高温排出ガス３２は、タービン１６に導かれて、膨張しかつ発電機３４を介して電気を発生しまた温度低下（低温）低ＮＯｘ排出ガス３６を発生するようになる。本明細書で使用する場合、低ＮＯｘ排出ガスという用語は、約１００万分の３０（約３０ｐｐｍ）、典型的には約２０ｐｐｍ、多くの場合には約１０ｐｐｍ未満のＮＯｘを有する排出ガスを意味する。事実、幾つか実施形態では、ＮＯｘレベルは、５ｐｐｍ及びそれ以下ほどにも低くすることができる。低酸素流２８は、燃焼器１４内の全体酸素含有率を希釈し、それによってピーク燃焼温度を低下させかつＮＯｘ生成を減少させる。低酸素流２８による希釈がない状態での空気２０は一般的に、約２１％の酸素含有率を有する。低酸素流２８の全て又は一部分を燃焼器内に加えた場合には、混合燃焼空気の酸素含有率は、約２１％よりも少なく、典型的には約１０％〜約２０％、多くの場合には１５％〜約１８％である。さらに、ＮＯｘ生成もまた、燃焼火炎内の酸素分圧の低下により減少させることができる。
【０００９】
本発明の別の実施形態５０では、図２に示すように、低酸素流２８は、圧縮機５１に導かれかつ空気２０と共に加圧されて混合加圧流５２を生成する。混合加圧流５２は、燃焼器１４に導かれ、燃料２０と共に燃焼して高圧高温排出ガス３２を生成するようになる。高温排出ガス３２は、タービン１６に導かれ、膨張しかつ発電機３４を介して電気を発生しまた低温低ＮＯｘ排出ガス３６を発生するようになる。本発明の一実施形態では、圧縮機５１は、第１段圧縮機セクション５４及び第２段圧縮機セクション５６を含む。一実施形態では、低酸素流２８は、第２段圧縮機セクション５６に導かれ、第１段圧縮機セクション５４からの加圧流５８と混合されるようになる。本発明のさらに別の実施形態では、オプショナル中間冷却器６０が、低酸素流２８及び加圧流５８とを受けかつ混合して混合ストリーム６２を生成し、この混合ストリームは、第２段圧縮機セクション５６に導かれ、加圧されて混合加圧流５２を生成するようになる。この実施形態は、例えばＧＥのＬＭＳ１００型のような幾つかの商用ガスタービンシステムが、改造用途を実施に望ましくかつ実用的なものにする多段圧縮機及び中間にある中間冷却器を現在利用しているので、特に魅力的である。
【００１０】
本発明のさらに別の実施形態１００では、図３に示すように、加圧流２２は、２つのストリーム、すなわち第１の部分１０２と第２の部分１０４とに分割される。加圧流２２の第１の部分１０２は、ＡＳＵ１８に導かれて酸素流２６及び低酸素流２８を生成する。第２の部分１０４はオプショナルミキサ１０６に導かれ、オプショナルミキサ１０６において、第２の部分１０４は低酸素流２８と混合されて混合流１０８を形成する。この混合流１０８は次に、燃焼器１４に導かれて燃料３０と共に燃焼されるようになる。（それに代えて、第２の部分１０４及び低酸素流２８は、燃焼器１４内に導かれる）。この実施形態では、このシステムは、ただ１つのみの圧縮サイクルを使用して燃焼器１４に導かれた空気とＡＳＵ１８に導かれた空気との両方を加圧し、それによって資本投資を節約し、運転及び保守費用を節約しかつシステム全体の設置面積を制限する利点がある。
【００１１】
本発明のさらに別の実施形態２００では、図４に示すように、酸素流２６はガス化装置２０２に導かれ、このガス化装置２０２において、酸素流２６は、炭素質供給原料２０４と反応して合成ガス２０６を生成する。酸素流２８の一部分２０８は、分離し、例えば部分２０８を捕捉し、保存し又は輸送するなどのように他の方法で利用することができる。合成ガス２０６は次に、合成ガス処理システム２１０に導かれて合成ガス２０６を精製可燃性燃料２１２に変換するようにする。精製可燃性燃料２１２は、燃焼器１４内に導かれて、混合流１０８と共に燃焼するようにされる。この実施形態は、低ＮＯｘ解決法を既存のガス化システムに適用できるようにするという利点をもたらす。大部分のガス化システムは、システムの標準的な構成要素としてＡＳＵを含むので、システム統合化が単純なものとなる。
【００１２】
本発明のさらに別の実施形態３００では、圧縮機１２は、図５に示すように、第１段圧縮機３０２及び第２段圧縮機３０４を含む。空気３０５は、第１段圧縮機３０２に導かれて加圧ストリーム３０６を生成するようになり、この加圧ストリーム３０６はＡＳＵ１８に導かれる。第２段圧縮機３０４は、空気２０を受けかつ加圧ストリーム２２を発生し、この加圧ストリーム２２は、ミキサ１０６に導かれて低酸素流２８と混合されるようになる。
【００１３】
本発明のさらに別の実施形態４００では、図６に示すように、低酸素流２８は、第２段圧縮機３０４に導かれかつ空気２０と共に加圧されて、混合加圧流４０２を生成する。混合加圧流４０２は、燃焼器１４に導かれ、精製可燃性燃料２１２と共に燃焼して高圧高温排出ガス３２を生成するようになる。高温排出ガス３２は、タービン１６に導かれ、膨張しかつ発電機３４を介して電気を発生しまた低温低ＮＯｘ排出ガス３６を発生するようになる。本発明のさらに別の実施形態では、オプショナル中間冷却器３１０は、低酸素流２８及び加圧ストリーム３０６の少なくとも一部分を受けかつ混合して混合ストリーム３１２を生成し、この混合ストリーム３１２は、第２段圧縮機セクション３０４に導かれ、加圧されて混合加圧流４０２を生成するようになる。
【００１４】
本発明のさらに別の実施形態５００では、図７に示すように、図１に関連して説明した実施形態はさらに、排出ガス再循環（ＥＧＲ）回路を含むように修正されている。タービン１６によって生成された低ＮＯｘ排出ガス３６は、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）５０２に導かれて、蒸気５０４及び低温排出ガス５０６を発生するようになる。蒸気５０４は一般的に、蒸気タービンボトミングサイクル（図示せず）に導かれて付加的な電気を発生するようになる。低温排出ガス５０６は、流れ分割装置５０８に導かれて、低温排出ガス５０６を少なくとも第１の部分５１０及び第２の部分５１２に分割されるようになる。一実施形態では、第１の部分５１０は、二酸化炭素捕捉システム５１４に導かれて蒸気内に含有する二酸化炭素を除去しかつ分離されるようになる。一実施形態では、第１の部分５１０は、低温排出ガス５０６の約５０％〜約８０％である。
【００１５】
低温排出ガス５０６の第２の部分５１２は、一般的にポンプ５１６を介して例えば凝縮器のような水分除去装置５１８に導かれて、あらゆる過剰な水分を除去しかつ低酸素低水分ストリーム５２０を生成する。一実施形態では、第２の部分５１２は、低温排出ガス５０６の約２０％〜約５０％である。低酸素低水分ストリーム５２０は、圧縮機１２内に導かれ、空気２０と共に加圧されて低酸素加圧流５２２を生成するようになる。燃焼器１４内部でのＮＯｘ形成は、燃焼器１４が低酸素含有率の低酸素加圧流５２２と低酸素流２８との複数ストリームを受けるので、従来技術のシステムと比較して著しく減少する。ＮＯｘ形成は、空気中での燃焼と比較して燃焼火炎内の酸素分圧が低くまた火炎の温度がより低いので、減少する。さらに、本システムでは、低温排出ガス５０６の第１の部分５１０がより低い体積流量とより高い二酸化炭素含有率とを有して、より小さな全体システム設置面積で二酸化炭素の捕捉及び分離をさらに一層効率的なものにするので、二酸化炭素の捕捉が非常に容易になる。一実施形態６００では、図８に示すように、低水分ストリーム５２０は、低酸素流２８と共に熱交換器６０２内に導かれて、それらの間で熱交換して、圧縮機１２内に流入する前に低水分ストリーム５２０の温度が低下しかつ燃焼器１４内に流入する前に低酸素流２８の温度が上昇するようにされる。
【００１６】
本発明のさらに別の実施形態７００では、図９に示すように、図５に関連して説明した実施形態は、排出ガス再循環（ＥＧＲ）回路を含むようにさらに修正されている。低酸素低水分ストリーム５２０は、圧縮機１２内に導かれ、空気２０と共に加圧されて低酸素加圧流５２２を生成するようになる。図１０は、約２９００°Ｆの一定火炎温度に維持した燃焼器の入口における酸素レベルに対してプロットしたＮＯｘ低減（１５体積％酸素に補正した）を示す、特定の実験において実証されたグラフである。データから分かるように、燃焼空気内の酸素含有率が２１体積％〜１４体積％の基準で変化した時に、ＮＯｘの大幅な減少が生じている。これらの実験から実証されるように、２１％の酸素含有率のベースラインレベルと比較して、１４％の酸素含有率レベルで約８０パーセントのＮＯｘ低減が測定されている。
【００１７】
図１１は、３つの異なる火炎温度、すなわち約２６００°Ｆ、約２８００°Ｆ及び約３０００°Ｆの場合の燃焼器入口における酸素レベルに対してプロットしたｐｐｍで表したＮＯｘレベル（１５体積％酸素に補正した）を示す、特定の実験において実証された別にグラフである。データから分かるように、燃焼空気内の酸素含有率が２１体積％〜１６体積％及びそれ以下の基準で変化した時に、ＮＯｘレベルの大幅な減少が生じている。図示するように、３つの火炎温度すべての場合に、酸素の１６体積％におけるＮＯｘレベルは、約１０ｐｐｍ未満、また１つのケースでは５ｐｐｍ未満で、ベースラインからのＮＯｘレベルの大幅な減少が得られる。
【００１８】
本明細書では本発明の特定の特徴のみについて図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更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。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態の概略図。
【図２】本発明の別の実施形態の概略図。
【図３】本発明のさらに別の実施形態の概略図。
【図４】本発明のさらに別の実施形態の概略図。
【図５】本発明のさらに別の実施形態の概略図。
【図６】本発明のさらに別の実施形態の概略図。
【図７】本発明のさらに別の実施形態の概略図。
【図８】本発明のさらに別の実施形態の概略図。
【図９】本発明のさらに別の実施形態の概略図。
【図１０】燃焼器入口における酸素含有率レベルを変化させた場合のＮＯｘデータを示すグラフ。
【図１１】燃焼器入口におけるかつ様々な燃焼器火炎温度における酸素含有率レベルを変化させた場合のＮＯｘデータを示すグラフ。
【符号の説明】
【００２０】
１０  タービンシステム
１２  圧縮機
１４  燃焼器
１６  タービン
１８  空気分離ユニット（ＡＳＵ）
２０  空気
２２  加圧流
２４  第２の空気流
２６  酸素流
２８  低酸素流
３０  燃料
３２  高温排出ガス
３４  発電機
３６  低温低ＮＯｘ排出ガス
５０  本発明の別の実施形態
５１  圧縮機
５２  混合加圧流
５４  第１段圧縮機セクション
５６  第２段圧縮機セクション
５８  加圧流
６０  中間冷却器
６２  混合ストリーム
１００  本発明のさらに別の実施形態
１０２  第１の部分
１０４  第２の部分
１０６  ミキサ
１０８  混合流
２００  本発明のさらに別の実施形態
２０２  ガス化装置
２０４  炭素質供給原料
２０６  合成ガス
２０８  一部分
２１０  合成ガス処理システム
２１２  精製可燃性燃料
３００  本発明のさらに別の実施形態
３０２  第１段圧縮機
３０６  第２段圧縮機
３０６  加圧ストリーム
４００  本発明のさらに別の実施形態
４０２  混合加圧流
５００  本発明のさらに別の実施形態
５０２  熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）
５０４  蒸気
５０６  低温排出ガス
５０８  流れ分割装置
５１０  第１の部分
５１２  第２の部分
５１４  二酸化炭素捕捉システム
５１６  ポンプ
５１８  水分除去装置
５２０  低水分ストリーム
５２２  低酸素加圧ストリーム
６００  一実施形態
６０２  熱交換器
７００  本発明のさらに別の実施形態
【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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