(57)【要約】【課題】発電プラントにおける排出物処理システム及び方法を提供する。【解決手段】選択的触媒還元のため燃焼タービンエンジンの排気ガス流に還元剤を注入する方法。本方法は、排気ダクト（４０２）を通じて排気ガス流を配向するステップと、配向された排気ガス流を受け取って、排気ダクト内に位置付けられた触媒により処理するステップと、液体状態の還元剤を用意するステップと、還元剤が液体状態に維持されるように還元剤を加圧及び加熱するステップと、注入時に還元剤が圧力差によってフラッシュ蒸発するように、加熱及び加圧された還元剤を排気ガス流内に注入するステップとを含むことができる。【選択図】      図１
2017044208.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
選択的触媒還元のため燃焼タービンエンジンの排気ガス流に還元剤を注入する方法であって、
排気ダクト（４０２）を通じて排気ガス流を配向するステップと、
配向された排気ガス流を受け取って、排気ダクト内に位置付けられた触媒により処理するステップと、
液体状態の還元剤を用意するステップと、
還元剤が液体状態に維持されるように還元剤を加圧及び加熱するステップと、
注入時に還元剤が圧力差によってフラッシュ蒸発するように、加熱及び加圧された還元剤を排気ガス流内に注入するステップと
を含む、方法。
【請求項２】
還元剤を加圧するためのポンプを用意するステップと、
還元剤を加熱するためのヒータ（４１８）を用意するステップと
を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
還元剤がアンモニアを含み、圧力差が、ｉ）注入の直前の加熱及び加圧された還元剤の圧力と、ｉｉ）還元剤が注入される排気ガス流の圧力との間の差を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
ポンプ及びヒータを通って還元剤を配向するための還元剤供給ラインを用意するステップを更に含み、ポンプは、還元剤供給ラインを通る還元剤の流れ方向に対してヒータの下流側に位置付けられる、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
還元剤を加圧し加熱するステップが、ポンプを用いて還元剤を加圧し、次いで、還元剤を液体状態に維持しながらヒータを用いて加圧された還元剤を加熱するステップを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
加圧された還元剤が、加圧還元剤の沸点未満の近い温度まで加熱される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
加熱及び加圧された還元剤を排気ガス流内に注入するために排気ダクト内に配置されたノズル（４１４）を用意するステップを更に含み、還元剤が水性アンモニアを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項８】
加熱及び加圧された還元剤が配向されるノズルとポンプとの間に還元剤供給ラインを用意するステップを更に含み、ヒータが、ポンプとノズルとの間に配置され、還元剤がポンプによって加圧された後に還元剤を加熱するよう構成される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
用意されたヒータが熱交換器を含み、熱交換器が、排気ガス流と加圧された還元剤との間で熱交換するような構成を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
加圧された還元剤を注入前に所定温度に維持するよう構成された制御ユニット（４２２）を用意するステップを更に含み、所定温度は、還元剤が液体状態のままとなり、混合特性に従って望ましい方式で注入されたときにフラッシュ蒸発するような温度と一致する、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
加圧及び加熱された還元剤を液体状態に維持するステップが、還元剤供給ラインを通る還元剤の流れを制御するバルブを用意するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
用意されたバルブが、制御ユニットと制御可能に接続されたソレノイドバルブを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
フラッシュ蒸発を介してサブミクロンサイズの液滴に還元剤を霧化するステップを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項１４】
燃焼タービンシステムからの排気ガス流のための処理システムであって、
排気ガス流を配向するための排気ダクト（４０２）と、
貫通して流れる排気ガス流を受けるため排気ダクト内に位置付けられた触媒と、
排気ガス流内に還元剤を注入するための噴射システム（４００）と
を備え、
噴射システムが、
還元剤を供給するための還元剤供給ラインと、
排気ダクト内に配置され、還元剤供給ラインの下流側端部に接続されるノズル（４１４）と、
還元剤を加圧するため還元剤供給ラインと結合されたポンプと、
還元剤を加熱するため還元剤供給ラインと結合されたヒータと、
ｉ）還元剤が還元剤供給ラインを通って移動している間液体状態のままであり、ｉｉ）注入の直前の還元剤と、還元剤が注入される排気ガス流との間の圧力差に起因して排気ガス流内への注入時に還元剤がフラッシュ蒸発するように、所定の温度及び圧力内で還元剤供給ラインにおける還元剤を維持するための流量コントローラ（４２０）と
を含む、システム。
【請求項１５】
流量コントローラが、
排気ガス流内への還元剤の注入速度を制御するため還元剤供給ラインに動作可能に接続されたバルブと、
関連して設定されるバルブ流れを制御するためバルブに制御可能に結合された制御ユニット（４２２）と
を含む、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
還元剤のフラッシュ蒸発が急速霧化を含み、制御ユニットが、還元剤の加圧及び加熱を制御するためポンプ及びヒータに制御可能に結合されて、所定の温度値及び圧力値を得るようにし、バルブがソレノイドバルブである、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
急速霧化された還元剤が、サブミクロンサイズの液滴を含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
排気ダクトが、熱回収蒸気発生器を含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
還元剤が水性アンモニアを含み、ヒータが、ポンプとノズルとの間に配置されて、還元剤がポンプによって加圧された後に還元剤を加熱するよう構成されている、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２０】
用意されたヒータが熱交換器を含み、熱交換器が、排気ガス流と加圧された還元剤との間で熱交換するような構成を含む、請求項１９に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、全体的に、燃焼システムの排気経路における排出物の処理に関し、より具体的には、発電プラントにおいて燃焼排気ガスから窒素酸化物（すなわち「ＮＯｘ」）のような汚染物質レベルをより効率的に低減する方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
行政機関は、発電プラントからの排出物規制を継続的に強めている。これらのより厳しい基準を満足するために、燃焼排気ガスの後処理がより大部分で依存する。理解されるように、かかる排出物からのＮＯｘの還元は、特に注目すべき懸案事項である。窒素化合物によるＮＯｘの選択的触媒還元（すなわち「ＳＣＲ」）が工業的応用において有効であることが確認されている。より具体的には、産業用ガスタービン、蒸気タービン、及び複合サイクルプラントなどの発電プラントは、ＳＣＲシステム又は排気ガスからＮＯｘを除去するシステムを含む排気システムを有することができる。このような場合、アンモニア又は尿素（すなわち「ＮＨ3」）などの還元剤は、排気ガス流がＳＣＲシステムを通って移動するときに該排気ガス流内に注入されて、排気ガスからＮＯｘを除去する。ＳＣＲシステムに関連する１つの課題は、アンモニアが反応することなくＳＣＲシステムを通過して、排気ガスと共に排気システムから流出する、いわゆる「アンモニアスリップ」である。このような問題を回避するために、還元剤と排気ガスが十分に良好に混合され、排気ガス内の還元剤の分配が排気経路全体にわたって実質的に均一することが重要である。
【０００３】
従来のＳＣＲシステムには、様々な形で効率性能を損ない、例えば、アンモニアスリップのような問題を招く可能性のある欠点がある。多くの場合、従来のシステムは、その設計に不必要な運用及び設備コストが発生する点で費用効果が高くない。あるタイプの従来システムでは、例えば、注入の前に水性又は無水ＮＨ3が蒸発する。このような場合、貯蔵された液体ＮＨ3が、ＨＲＳＧの配管の外部で蒸発し、次いで、ガスとして流路に注入される。これは、ＮＨ3のガスとしての注入により混合が促進されて、アンモニアスリップの問題が軽減されるために行われる。しかしながら、理解されるように、このプロセスには、過度に複雑な設備及び作動にかかるエネルギーを必要とし、運用コスト及び全体のシステム効率に悪影響を及ぼす可能性がある。他の従来のシステムは、排気流路において液体ＮＨ3を注入する。但し、このような場合、排気ガス中でのアンモニアの十分な混合が問題となる。ＮＨ3が液体として注入された後に蒸発させ、排気ダクト内で十分に分散させて所望のレベルの混合を得るようにするのに必要とされる時間は、結果としてダクト長さの増大を招く可能性があり、これは、システムのサイズに悪影響を与え、設備及び他のコストも追加となる。所要のダクト長さを低減するために、混合装置を用いて排気ガスと注入液体アンモニアの混合を改善することができるが、これはまた設備の追加を招き、通常は設置、稼働及び維持のコストが高い。
【０００４】
全体として、還元剤がＳＣＲシステムによって注入される方式は、燃焼排気ガスの後処理の技術分野において依然として改善すべき重要な領域である。還元剤の混合を促進又は改善すると同時にコスト効果のある注入を提供し、アンモニアスリップのような問題を軽減するシステム及び方法が商業的に求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８０１７０８４号明細書
【発明の概要】
【０００６】
従って、本出願は、選択的触媒還元のため燃焼タービンエンジンの排気ガス流に還元剤を注入する方法を記載している。本方法は、排気ダクトを通じて排気ガス流を配向するステップと、配向された排気ガス流を受け取って、排気ダクト内に位置付けられた触媒により処理するステップと、液体状態の還元剤を用意するステップと、還元剤が液体状態に維持されるように還元剤を加圧及び加熱するステップと、注入時に還元剤が圧力差によってフラッシュ蒸発するように、加熱及び加圧された還元剤を排気ガス流内に注入するステップとを含むことができる。
【０００７】
本出願は更に、燃焼タービンシステムからの排気ガス流のための処理システムを記載することができる。処理システムは、排気ガス流を配向するための排気ダクトと、貫通して流れる排気ガス流を受けるため排気ダクト内に位置付けられた触媒と、排気ガス流内に還元剤を注入するための噴射システムとを含むことができる。噴射システムは、記還元剤を供給するための還元剤供給ラインと、排気ダクト内に配置され、還元剤供給ラインの下流側端部に接続されるノズルと、還元剤を加圧するため還元剤供給ラインと結合されたポンプと、還元剤を加熱するため還元剤供給ラインと結合されたヒータと、ｉ）還元剤が還元剤供給ラインを通って移動している間液体状態のままであり、ｉｉ）注入の直前の還元剤と、還元剤が注入される排気ガス流との間の圧力差に起因して排気ガス流内への注入時に還元剤がフラッシュ蒸発するように、所定の温度及び圧力内で還元剤供給ラインにおける還元剤を維持するための流量コントローラとを含むことができる。
【０００８】
本出願のこれら及び他の特徴は、図面及び請求項を参照しながら以下の好ましい実施形態の詳細な説明を精査することによって明らかになるであろう。
【０００９】
本発明のこれら及び他の特徴要素は、添付図面を参照しながら本発明の例示的な実施形態に関する以下のより詳細な説明を精査することによってより完全に理解され認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】例示的なガスタービンシステムの概略図。
【図２】熱回収蒸気発生器を備えた複合サイクル発電プラントの例示的な簡易構成図。
【図３】本発明の実施形態を用いることができる熱回収蒸気発生器内の熱伝達設備の例示的な内部構成図。
【図４】本発明の例示的な実施形態による熱回収蒸気発生器内の噴射システムを示す概略図。
【図５】本発明の代替の実施形態による熱回収蒸気発生器内の噴射システムを示す概略図。
【図６】本発明の代替の実施形態による熱回収蒸気発生器内の噴射システムを示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の態様及び利点は、以下の説明において記載され、又は本説明から明らかになることができ、或いは、本発明を実施することによって理解することができる。ここで、その１つ又はそれ以上の実施例が添付図面に例示されている本発明の実施形態について詳細に説明する。以下の詳細な説明は、図面における特徴要素を指すために参照符号の表示を用いている。図面及び本明細書における同じ又は同様の参照符号は、本発明の実施形態の同じ又は同様の部品を指すのに用いることができる。理解されるように、各実施例は、本発明の限定ではなく説明の目的で提供される。実際に、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、修正形態及び変形形態を本発明において実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的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。使用した技術用語は、限定の用語としてではなく、説明の用語の性質のものであることが意図される点を理解されたい。
【００１２】
加えて、本発明並びに構成サブシステム及び要素を記述するために特定の用語が選択されている。可能な限り、これらの用語は、技術分野において一般的な専門用語に基づいて選ばれている。更に、このような用語は様々な解釈を生じることが多いことは理解されるであろう。例えば、単一の構成要素として本明細書で参照されるものが、他の箇所では複数の構成要素からなるものとして参照される場合があり、又は、複数の構成要素として本明細書で参照されるものが、他の箇所では単一の構成要素として本明細書で参照され場合がある。本発明の範囲を把握する際に、使用される特定の専門用語にのみ留意するのではなく、本明細書及び関連状況に加えて、用語が複数の図に関係する様態並びに当然ながら添付の請求項における専門用語の厳密な使用を含む、参照され記載されている構成要素の構造、構成、機能、及び／又は使用に対しても留意すべきである。更に、以下に示す実施例は、ガスタービン又は複合サイクルシステムの特定のタイプに関連して提示されているが、本発明の技術はまた、関連の技術分野の当業者には理解されるように、タービンエンジンの他のタイプにも適用することができる。
【００１３】
背景として、ここで図面を参照すると、図１は、吸入セクション１１２、吸入セクション１１２から下流側で結合された圧縮機セクション１１４、圧縮機セクション１１４から下流側で結合された燃焼器セクション１１６と、燃焼器セクション１１６下流側で結合されたタービンセクション１１８とを含む、例示的なガスタービンシステム１１０の概略図である。システム１１０の後方端部において、排気セクション１２０は、タービンセクション１１８に動作可能に結合することができる。タービンセクション１１８は、圧縮機セクション１１４に、及び、限定ではないが、発電機又は機械的駆動用途などの負荷１２２に回転可能に結合することができる。例示的な作動の間、吸入セクション１１２は、圧縮機セクション１１４に向けて空気を送る。圧縮機セクション１１４は、入口空気を圧縮して高圧高温にする。圧縮空気は、燃焼セクション１１６に向けて吐出され、ここで燃料と混合し点火されて、燃焼ガスを発生し、この燃焼ガスは、タービンセクション１１８に流れてそこで回転を引き起こし、その結果、圧縮機セクション１１４及び負荷１２２を駆動する。排気ガスは、タービンセクション１１８から出て、排気セクション１２０を流れる。排気ガスは、環境大気に放出することができ、又は以下で検討するように、熱回収蒸気発生器に送給されて、これから、蒸気タービンを駆動する蒸気を生成するのに使用される熱が回収される。
【００１４】
天然ガス及び液体燃料の燃焼中、限定ではないが、一酸化炭素（すなわち「ＣＯ」）、未燃炭化水素（すなわち「ＵＨＣ」）、及び窒素酸化物（すなわち「ＮＯｘ」）排出物などの汚染物質が形成されて、大気中に放出される可能性がある。理解されるように、ＣＯ及びＵＨＣは、一般に、低温の燃焼条件及び／又は反応を完了するのに不十分な時間の条件の際に形成される。対照的に、ＮＯｘは一般に、高温下で形成される。少なくとも一部の公知の汚染物質排出源は、限定ではないが、工業用ボイラー及び炉、大型の事業用ボイラー及び炉、レシプロエンジン、ガスタービンエンジン、蒸気発生器、及び他の燃焼システムなどの装置を含む。
【００１５】
最近の大気質規制は、発電プラントの排出物レベルの低減を継続的に要求しているが、同時に、燃料効率最低要件（ｆｕｅｌ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ）も継続的に増大している。排出基準が厳しいことに起因して、ＮＯｘ排出物の形成を抑制することによりこれを制御することが望ましい。理解されるように、窒素酸化物には、ＮＯ及びＮＯ2が挙げられ、ＮＯ2は、排気スタックからの可視黄色プルームを生成し、更に「酸性雨」をもたらす汚染物質である。燃焼規制単独では、これらの相反することの多い性能目標を満たすのに不十分であることが明らかになっている。
【００１６】
理解されるように、大型発電所で広く使用されているＮＯｘ制御技術の１つは、選択的触媒還元（すなわち、「ＳＣＲ」）である。このような発電所からの燃焼排ガスは、炭化水素燃料の十分な燃焼を確保するため、提供される酸素の割合が高いことに起因して有効酸化作用を有する。このため、排気ガス中に存在する窒素酸化物は、困難な状況でようやく窒素と水に還元することができる。この課題に対処する１つの方法は、選択的触媒還元によるものである。このプロセスを用いると、発電所の燃焼排気ガスは、無水又は水性アンモニアと混合され、次いで、所定の温度で好適な還元触媒を通過させた後、大気に放出される。アンモニアは、燃焼排気ガス流の固有の部分ではなく、むしろ、還元反応を助ける特定の目的で触媒元素の上流側で排気ガス流内に注入される。
【００１７】
図２は、複合サイクル発電プラント２００の例示的な簡易図を示す。理解されるように、複合サイクル発電プラント２００は、ガスタービン２０１を含むことができる。ガスタービン２０１内では、空気２１０は、圧縮機２２０の吸気口２１５にて受けられ、燃焼器２３０における燃料２２５との混合のため圧縮空気を用意して、高温ガスをタービン２３５に供給し、発電機２４０に連結されたシャフトを駆動して、電気出力２４５を生成する。排気ガス２５０は、排気ダクト２５５に排出され、熱回収蒸気発生器２６０を通り、スタック２６５を通じて大気に出ていく。ＨＲＳＧ２６０は、排気ガス２５０から熱を抽出するよう構成された熱交換器２６２、並びに排出物制御のための排出物処理設備２６４を含む。排気ガス２５０から抽出された熱は、蒸気２８０を生成するのに使用される。蒸気２８０は、蒸気タービン２８２に供給されて、発電機２９２のシャフト２９０を駆動して電気を生成する。次いで、蒸気２８０は、凝縮器２８２に送られ、ここで管束を通過する冷却水２８６が蒸気を水２８８に凝縮する。次に、水２８８がＨＲＳＧに戻されて、閉サイクルが完了する。作動中のＨＲＳＧは、多くの異なる構成で異なる圧力及び温度の蒸気を生成するため、複数の熱交換器及び蒸発器、蒸気システム及び水システムを含むことができる。同様に、排出物処理設備は、ＨＲＳＧ内に異なる方式で異なる汚染物質に対処するよう適合することができる複数の処理要素を含むことができる。
【００１８】
図３は、例示的なＨＲＳＧ３００内の熱伝達設備の内部構成を示す。図示のように、ＨＲＳＧ３００は、燃焼タービンエンジンから排気出力又はガス３０４を受け取るための導管又はダクト３０２を含むことができる。例えば、ＨＲＳＧは、高圧ドラム３０５、中圧ドラム３１０及び低圧ドラム３１５において３つの圧力の蒸気を生成するように適合することができるが、他の構成も実施可能である。次いで、ＨＲＳＧ３００によって生成された蒸気は、高圧蒸気タービン、中圧蒸気タービン、及び低圧蒸気タービン（タービンは図示せず）に供給することができる。ＨＲＳＧ３００は、複数の過熱熱交換器３２０、再熱熱交換器３２５、及びエコノマイザ熱交換器３３０を含むことができる。例示的な事例では、ＨＲＳＧはまた、関連の高圧ドラム３０５、中圧ドラム３１０、及び低圧ドラム３１５に対する蒸気を生成するように適合された、高圧蒸発器３４０、中圧蒸発器３４５、及び低圧蒸発器３５０を含むことができる。ＨＲＳＧ３００はまた、蒸気生成量を増大させるため排気ガス３０４に熱を供給するダクトバーナー３６０を含むことができる。上述の熱交換器及び蒸発器の各々は、排気ガスの熱を除去して温度を低下させるが、ダクトバーナーは、加熱して温度を上昇させる。以下でより詳細に検討するように、排出物処理設備は、熱交換器、蒸発器、及びバーナーの間の排気ガス流３０４内に配置され、有利には、排気スタック３７０からのＮＯｘ生成及び排出を低減するため酸化触媒を配置することができる。理解されるように、ガスタービン及び他の燃焼システムと共に用いるＨＲＳＧは、特定の用途に好適な蒸発器及び熱交換器の別の数及び構成を含むことができる。
【００１９】
図４は、本発明の例示的な実施形態による噴射システム４００を示す。理解されるように、噴射システム４００は、アンモニアなどの還元剤を排気ダクトに注入するのに用いることができる。噴射システム４００は、例えば、図２に関連して説明したように、ＨＲＳＧを有する複合サイクル発電プラントにおいてガスタービンからの排気ガスのような、燃焼タービンエンジンによって生成される排気ガスを処理するための後処理システムを提供することができる。理解されるように、本発明はまた、ＨＲＳＧを含まないガスタービンシステムの排気ダクト内で用いることができる。本明細書で提供されるように、噴射システム４００の利点は、ＮＯｘ転化の増大、従って、発電プラントからのＮＯｘ排出物の低減を含む。理解されるように、本明細書で記載される噴射システムの効率の向上に起因して、利点は更に、触媒容積の低減を含み、これにより運用コストを下げることができる。加えて、効率の改善によって、注入されるアンモニアの量及びＳＣＲ触媒の表面積の両方の低減をもたらすことができる。この低減は、排気ガス流における圧力の低下を縮小することができ、その結果、所与の燃料消費レベルでのガスタービンからの出力増大がもたらされる。
【００２０】
例示的な実施形態によれば、噴射システム４００は、導管又は排気ダクト４０２に位置付けることができる。例えば、排気ダクト４０２は、ガスタービンエンジンの排気出力を受けるように構成されたＨＲＳＧの排気導管として機能することができる。流れ方向において、排気ガス４０４は、最初に前段酸化触媒４０６を通過することができる。理解されるように、前段酸化触媒は、未燃炭化水素を処理して、ＮＯをＮＯ2に転化することができる。これは、ＮＯ2がＮＨ3とより容易に反応するという理由で行うことができる。前段酸化触媒４０６から下流側には、ＳＣＲ触媒４０８を配置することができる。ＳＣＲ触媒は、例えば、プラチナ、バナジウム、又はゼオライトとすることができるが、他のタイプもまた実施可能である。理解されるように、ＳＣＲ触媒は、ＮＨ3とＮＯｘの反応を促進して、窒素と水を形成し、これにより排気流中のＮＯｘを低減する。代替の実施形態によれば、加水分解触媒４０９を含めることができる。図示するように、加水分解触媒４０９は、ＳＣＲ触媒４０８の上流側に配置することができる。加水分解触媒４０９は、尿素と水の反応を促進して、アンモニアと二酸化炭素（すなわち、「ＣＯ2」）を形成し、これによりＳＣＲ触媒４０８に入る前に排気ガス流中のアンモニアの可用性を確保するのに役立つことができる。別の代替形態によれば、酸化触媒４１０は、ＳＣＲ触媒４０８の下流側に配置することができる。理解されるように、酸化触媒４１０は、ＳＣＲ触媒において反応しない過剰アンモニアの分解を促進する。換言すると、酸化触媒４１０は、過剰アンモニアの酸化を促進し、これによりＳＣＲシステムからアンモニアの放出を制限する。
【００２１】
図示するように、噴射システム４００は更に、排気ダクト４０２通る流れに注入するためのＮＨ3を送給する供給ライン４１２を含むことができる。供給ライン４１２は、局所貯蔵タンク又は他の供給源に接続することができる。例示的な実施形態によれば、供給ライン４１２におけるＮＨ3は、水性ＮＨ3溶液である。水性ＮＨ3溶液は、例えば、水に対して２５％〜４０％のＮＨ3とすることができる。特定の好ましい実施形態によれば、水性ＮＨ3溶液は、水に対して約３３％のＮＨ3であり、水性ＮＨ3のこの溶液は、最も低い凝固点を有し、従って、季節的に低温の間に凝固する可能性が最も少ない。無水ＮＨ3の使用もまた実施可能である。
【００２２】
図示するように、供給ライン４１２は、ダクト４０２内に配置されたノズル４１４に液体の水性ＮＨ3溶液の供給量を配向して、移動している排気ガス４０４に注入しこれと混合するよう構成することができる。図のように、ノズル４１４は、複数の出口ポートを含むことができる。均一な適用及び混合を促進するために、ノズル４１４の出口ポートは、ダクト４０２の断面の周りでアレイ状に離間して配置することができる。ノズル４１４は、ＳＣＲ触媒４０８、加水分解触媒４０９（存在する場合）、及び酸化触媒４１０（存在する場合）の上流側に配置することができる。ノズル４１４は、前段酸化触媒４０６（存在する場合）の下流側に配置することができる。
【００２３】
本発明の別の態様によれば、噴射システム４００は、加圧器４１５、ヒータ４１８、及び／又は流量コントローラ４２０を含むことができる。これらの構成要素は、図示のように、供給ライン４１２に沿って直列に接続することができる。加圧器４１５は、供給ライン４１２を通って移動する水性ＮＨ3の供給を加圧するよう構成された従来の高圧ポンプを含むことができる。他の構成も実施可能であるが、ヒータ４１８は、加圧器４１６の下流側で供給ライン４１２上に位置付けることができる。ヒータ４１８は、あらゆるタイプの従来のヒータ又は熱源を含むことができ、供給ライン４１２を通って移動する加圧された水性ＮＨ3の温度を上昇させるよう構成することができる。加圧された水性ＮＨ3が加熱される温度は、加圧状態に起因して液体のままとなる温度である。ヒータ４１８の下流側で、流量コントローラ４２０は、ノズル４１４への水性ＮＨ3溶液の流れ、及び結果としてそこから放出される量を制御することができる。流量コントローラ４２０は、例えば、ソレノイドバルブのようなバルブを含むことができ、排気ダクト４０２内で放出するためノズル４１４に流れる液体の水性ＮＨ3溶液の量を可変的に制御することができる。代替の実施形態によれば、加圧器４１６及び流量コントローラ４２０の機能は、可変速ポンプの使用により一体化することができる。このような場合、ヒータ４１８は、可変速ポンプの下流側に位置付けることができるが、他の構成もまた実施可能である。従来のシステム及び方法に従って、加圧器４１６、ヒータ４１８、及び流量コントローラ４２０の動作を制御するために、制御ユニット４２２を設けることができる。制御ユニット４２２は、複合サイクル発電プラントに関連するエンジン動作データ及び情報を受け取り、排気ダクト４０２に放出される水性ＮＨ3のタイミング及び品質の決定を助けることができる。
【００２４】
加圧され加熱された水性ＮＨ3のノズル４１４を通じた排気ガス４０４内への放出は、出口ポートからの放出に応じて水性ＮＨ3が急速に蒸発に転じるよう、すなわち、フラッシュ蒸発するように制御することができる。理解されるように、この急速蒸発は、注入直前に供給ライン４１２において維持されている圧力と、排気ダクト４０２内の圧力レベルとの間の圧力の急落に起因する。より具体的には、水性ＮＨ3は、放出の前に供給ライン４１２内で加圧され過熱されることによってフラッシュ蒸発する。理解されるように、水性ＮＨ3の沸点は、圧力の増大に伴って上昇する。噴射システム４００の例示的な作動によれば、供給ライン４１２における水性ＮＨ3は、約５０〜１００ｐｓｉの範囲まで加圧することができる。対照的に、ダクト４０２内の排気ガス４０４は、典型的には、大気圧（約１４．６ｐｓｉ）前後である。理解されるように、このような高圧では、水性ＮＨ3は、沸騰することなく遙かに高い温度まで加熱することができる。従って、水性ＮＨ3の加圧後、ヒータ４１８によって、高圧で水性ＮＨ3の沸点未満の近い温度として選択された高温レベルまで加熱することができる。加えて、例示的な実施形態によれば、アンモニア還元剤は、還元剤供給ラインを通って移動している間液体状態のままであるよう加熱及び加圧され、次いで、過熱状態にあること、並びに注入直前の還元剤と該還元剤が注入される排気ガス流との間の圧力差によって、排気ガス流内に注入されたときにフラッシュ蒸発する。従って、加圧の理由から、ＮＨ3は、蒸発又は供給ライン４１２において二相流となることなく加熱することができる。理解されるように、供給ライン４１２における二相流は、注入量が過剰制御されるという悪影響の理由から望ましくない可能性がある。水性ＮＨ3のフラッシュによって、ＮＨ3及び水が迅速に蒸発され、従って、ダクト４０２の断面にわたって排気ガスと効率的且つ均一に混合されるようにすることができる。
【００２５】
理解されるように、フラッシュ蒸発は、液体状態のままである還元剤の何れかの部分を霧化することができ、その結果、排気ダクトに注入される供給還元剤の実質的に全ての効率的な混合をもたらす。すなわち、加圧及び加熱された水性ＮＨ3溶液がノズル４１４を通じて排気ガス４０４内に放出されると、排気ダクト４０２内に維持されている圧力が通常は低圧であることに起因して、液体ＮＨ3の圧力が急激に低下する。上述のように、還元剤が加熱される高温において、圧力急落によって、水性ＮＨ3は、ほとんど瞬間的に沸騰する圧力に達するようになる。液体状態のままである還元剤の何れかの部分は、このフラッシュ蒸発により、サブミクロンサイズの液滴にまで細分化又は霧化される。急激な膨張及び結果として生じるサブミクロンサイズの水性ＮＨ3液滴は、排気ガスと水性ＮＨ3の極めて効果的な混合を可能にする。加えて、小さなサイズのアンモニア液滴は、急速蒸発をもたらすことができ、これはまた、排気ガス流との均一な混合を促進する。例示的な実施形態によれば、ノズル４１４の出口ポートは、フラッシュ蒸発が引き起こされる圧力急落がノズル４１４にわたって達成されるようなサイズにされ構成される。
【００２６】
加えて、理解されるように、水性ＮＨ3は、フラッシュ蒸発中に熱の損失がほとんどなく、比較的高温で霧化又は蒸発ＮＨ3が維持される。水性ＮＨ3の温度が飽和蒸気圧より高いので、水性ＮＨ3は、水性ＮＨ3よりも遙かに低い温度である排気ガス４０４内に注入されたときでも凝縮に耐えることができる。更に、水性ＮＨ3の温度が上昇すると、水性ＮＨ3の加水分解がより効率的になり、ＮＯｘの選択的触媒還元に必要なアンモニアの形成が改善される。これにより、加水分解触媒に必要な容積を低減することができる。また、本システムの機能を考慮すると、尿素の加水分解から結果として生じるＮＨ3は、高温であり、排気ガス４０４中で排気ガスと十分に混合され、アンモニアとＮＯｘのより効果的で完全な反応をもたらす。理解されるように、このことは、ＮＯｘ転化効率を増大させ、且つＳＣＲ触媒を通過した後に反応せずに残るアンモニアの量を低減し、これによりアンモニアスリップ及び酸化触媒の容積サイズ要件を軽減することができる。更に、アンモニアがより良好に利用されるので、許容可能なレベルのＮＯｘ転化を達成するために消費すべき必要な水性ＮＨ3を少なくすることができる。従って、本発明は、アンモニア−ＳＣＲ後処理システムにおけるＮＯｘ転化効率を改善する。本明細書で記載されるように、達成される効率は、システム作動をよりコスト効果のあるものにすることができる。
【００２７】
図５及び６は、本発明の特定の別の態様による、噴射システム５００、６００の代替の実施形態を示す。図５の噴射システム５００に関して例示されるように、ヒータ４１８は、ガスタービンの排気ガスを熱源として使用するよう構成されたものを含む。これは、従来の熱交換器及び同様のものにより達成することができる。図示の例示的な実施形態によれば、供給ライン４１２は、排気ダクト４０２のセクションを通って延びるように構成することができる。理解されるように、供給ライン４１２における還元剤と、燃焼排気ガスとの間の他の熱交換構成もまた実施可能である。別の構成によれば、図６に示されるように、ヒータ４１８は、噴射システム６００に対して加圧器及び流量コントローラの下流側に位置付けられ、その機能は、可変速ポンプ４２６を使用することにより一体化されている。この実施例において、ヒータ４１８は、流れダクト４０２内の排気ガス４０４から熱を吸収するよう構成されたノズル４１４の直ぐ上流側にある供給ライン４１２のセクションにおいて構成することができる。理解されるように、この構成は、噴射システムを更に簡素化するために用いることができる。
【００２８】
理解されるように、特定の実施形態によれば、本発明は、システムの効率化及びコスト節減を可能にすると同時に、効果的なＮＯｘ転化を促進することができる。上記で検討したように、液体又は蒸気としてアンモニアを注入する従来のシステムは、一定の利点と同時に固有の欠点を有している。例えば、液体としてアンモニアを注入すると、液体の扱い及び送給に関連した効率により蒸気よりも優れた利点がある。具体的には、液体アンモニアは、遙かに高密度である理由から、遙かにコスト効率良く噴射装置に送給することができ、他方、同じ質量流量での蒸気の送給は、遙かに大きな容積を必要とし、従って、設備コストがより高くなる。しかしながら、アンモニアが液体として排気ガス流に注入されると、ＳＣＲプロセスで効率的に使用できるようにする前に、蒸発のために最初に十分に熱を吸収しなければならない。理解されるように、この排気ダクト内でのアンモニア液体の蒸発は時間がかかり、必然的にダクト長さを増大させ、機器コストを有意に増大させる。特別な混合設備を用いて、蒸発を速めることができるが、かかる設備はまた、著しいコスト増になる。上記で定められたように、本出願の特定の態様によれば、液体及び蒸発の両方に関連する効率の悪化は、ダクトの外部での液体アンモニアに気化熱を加えるが、加圧により液体として維持し、これにより注入のため過熱アンモニア液体を生成することにより対処することができる。過熱液体アンモニアは、ダクト内に注入されたときに部分的又は完全な蒸発をほぼ瞬間的に起こるように、十分な温度まで加熱することができる。この手法を用いると、理解されるように、液体アンモニアに関連する送給効率を実現しながら、排気ダクト内で蒸気アンモニアに関連する混合効率を利用することができる。
【００２９】
当業者であれば理解されるように、幾つかの例示的な実施形態に関して上述された多くの様々な特徴及び構成は、本発明の他の実施可能な実施形態を形成するよう更に選択的に適用することができる。簡潔にするため、及び当業者の能力を考慮して、各々の可能な繰り返しは本明細書で詳細には述べていないが、添付の複数の請求項によって包含される全ての組合せ及び可能な実施形態は、本出願の一部をなすものとする。加えて、本発明の複数の例示的な実施形態の上記の説明から、当業者であれば改善、変更、及び修正が理解されるであろう。当該技術分野の範囲内にあるこのような改善、変更、及び修正はまた、添付の請求項によって保護されるものとする。更に、上記のことは、本出願の好ましい実施形態にのみに関連しているが、添付の請求項及びその均等物によって定められる本出願の精神及び範囲から逸脱することなく、当業者によって多くの変更及び修正を本明細書において行うことができる点を理解されたい。
【符号の説明】
【００３０】
４０２  排気ダクト
４０４  排気ガス
４１２  供給ライン
４１４  ノズル
４１８  ヒータ
４２０  流量コントローラ
【図１】
2017044208.tif 000003
【図２】
2017044208.tif 000004
【図３】
2017044208.tif 000005
【図４】
2017044208.tif 000006
【図５】
2017044208.tif 000007
【図６】
2017044208.tif 000008
【外国語明細書】
2017044208000001.pdf