(57)【要約】  本発明の技術は、ガスタービンシステムを作動するためのシステム及び方法に関する。例示的なガスタービンシステムは、酸化剤システム、燃料システム、及び制御システムを含む。燃焼機は、酸化剤システムから酸化剤及び燃料システムから燃料を受け取って燃焼させ、排気ガスを生成するようになっている。酸素貯蔵成分を含む酸化触媒を含む触媒ユニットは、排気ガス内の酸素の濃度を低下させて低酸素含有製品ガスを形成するように構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤システムと、
燃料システムと、
制御システムと、
前記酸化剤システムから酸化剤及び前記燃料システムから燃料を受け取って燃焼させ、排気ガスを生成するようになった燃焼機と、
前記排気ガス内の酸素の濃度を低下させて低酸素含有製品ガスを形成するように構成された酸素貯蔵成分を含む酸化触媒を含む触媒ユニットと、
を含むことを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項２】
前記触媒は、
族８−１０からの元素と、
耐熱性酸化物と、
約０．１から約５．０の前記耐熱性酸化物に対する比率にあるランタノイド酸化物と、
を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項３】
族８−１０からの前記元素は、約０．１から約１００，０００の間の比率でプラチナ及びパラジウムの混合物を含むことを特徴とする請求項２に記載のガスタービンシステム。
【請求項４】
前記耐熱性酸化物は、アルミナ、シリカ、チタニア、又はジルコニア、又はこれらのいずれかの組合せを含むことを特徴とする請求項２に記載のガスタービンシステム。
【請求項５】
前記触媒は、ロジウムを含むことを特徴とする請求項２に記載のガスタービンシステム。
【請求項６】
前記触媒は、約５０％未満の比率でアルカリ酸化物、又はアルカリ土類金属酸化物、又はこれらのいずれかの混合物を含むことを特徴とする請求項２に記載のガスタービンシステム。
【請求項７】
前記触媒は、
約０．１と約１００，０００の間の比率でプラチナ及びパラジウムの混合物と、
ジルコニアと、
前記ジルコニアに対して約０．１から約５．０の間の比率にあるセリアと、
を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項８】
前記触媒は、
約０．１と約１００，０００の間の比率でプラチナ及びパラジウムの混合物と、
ジルコニアと、
前記ジルコニアに対して約０．１から約５．０の間の比率にあるセリアと、
ロジウムと、
を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項９】
前記触媒は、
約０．１と約１００，０００の間の比率でプラチナ及びパラジウムの混合物と、
ジルコニアと、
前記ジルコニアに対して約０．１から約５．０の間の比率にあるセリアと、
前記ジルコニア及びセリアの約５０％未満の比率で酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、又は酸化バリウム、又はこれらのいずれかの組合せと、
を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項１０】
前記触媒は、
約０．１と約１００，０００の間の比率でプラチナ及びパラジウムの混合物と、
ジルコニアと、
前記ジルコニアに対して約０．１から約５．０の間の比率にあるセリアと、
ロジウムと、
前記ジルコニア及びセリアの約５０％未満の比率で酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、又は酸化バリウム、又はこれらのいずれかの組合せと、
を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項１１】
前記制御システムと通信するセンサを含み、
前記センサは、前記排気ガス、前記低ＣＯ含有製品ガス、又は両方の少なくとも１つのパラメータを測定するようになっており、
前記制御システムは、前記センサによって測定された前記パラメータに少なくとも部分的に基づいて前記酸化剤、前記燃料、又は両方を調節するように構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項１２】
前記排気ガスを受け入れ、かつ該排気ガスの残留熱から蒸気を発生させるように構成された熱回収蒸気発生機（ＨＲＳＧ）を含むことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項１３】
前記ＨＲＳＧは、触媒床を含むことを特徴とする請求項１２に記載のガスタービンシステム。
【請求項１４】
前記触媒床は、約２００℃と６００℃の間の温度に達する前記ＨＲＳＧ内のゾーンに位置付けられることを特徴とする請求項１３に記載のガスタービンシステム。
【請求項１５】
各燃焼機のための酸化剤流量調節デバイスを含むことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項１６】
前記酸化剤流量調節デバイスは、流量制御バルブを含むことを特徴とする請求項１５に記載のガスタービンシステム。
【請求項１７】
複数の燃焼機の各々への前記酸化剤流れは、個々に調節されることを特徴とする請求項１６に記載のガスタービンシステム。
【請求項１８】
ガスタービンエンジンの膨張機部分の出口と該ガスタービンエンジンの圧縮機部分の入口との間の再循環ループを含むことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項１９】
前記再循環ループ内の第２の熱回収ユニットを含むことを特徴とする請求項１８に記載のガスタービンシステム。
【請求項２０】
前記再循環ループに設置されたセンサを含み、
前記センサは、前記低ＣＯ含有製品ガス内の成分を測定するように構成される、
ことを特徴とする請求項１８に記載のガスタービンシステム。
【請求項２１】
前記再循環ループ内のブースター送風機を含み、
前記ブースター送風機は、前記ＨＲＳＧの下流に配置される、
ことを特徴とする請求項１８に記載のガスタービンシステム。
【請求項２２】
前記生成物流れを冷却する前記ガスタービンエンジンの前記圧縮機部分の上流の前記再循環ループ内の熱交換器を含むことを特徴とする請求項１８に記載のガスタービンシステム。
【請求項２３】
ガス脱水ユニットを含むことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項２４】
前記製品ガスをリーン二酸化炭素流れとリッチ二酸化炭素流れとに分離するように構成された二酸化炭素分離ユニットを含むことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項２５】
前記触媒は、
前記族１０金属からの元素と、
耐熱性酸化物と、
約０．１から約５．０の前記耐熱性酸化物に対する比率にあるランタノイド酸化物と、
を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項２６】
前記族１０金属からの前記元素は、約０．１と約１００，０００の間の比率でプラチナ及びパラジウムの混合物を含むことを特徴とする請求項２５に記載のガスタービンシステム。
【請求項２７】
前記耐熱性酸化物は、アルミナ、シリカ、チタニア、又はジルコニア、又はこれらのいずれかの組合せを含むことを特徴とする請求項２５に記載のガスタービンシステム。
【請求項２８】
前記触媒は、ロジウムを含むことを特徴とする請求項２５に記載のガスタービンシステム。
【請求項２９】
前記触媒は、約５０％未満の比率でアルカリ酸化物、又はアルカリ土類金属酸化物、又はこれらのいずれかの混合物を含むことを特徴とする請求項２５に記載のガスタービンシステム。
【請求項３０】
排気ガスから熱エネルギを除去するように構成された熱交換器と、
前記排気ガス内のターゲットガスの濃度を低下させるように構成され、酸素貯蔵成分（ＯＳＣ）を含む触媒床と、
を含むことを特徴とする熱回収ユニット。
【請求項３１】
水ガスシフト触媒の作動に向けて選択された温度領域に位置する該水ガスシフト触媒を含む第２の触媒床を含むことを特徴とする請求項３０に記載の熱回収ユニット。
【請求項３２】
前記排気ガスがチューブの上を通過する時に水を蒸気に沸騰させるように構成された水循環チューブと、
金属触媒部位を保持する耐熱性酸化物支持体を含み、前記チューブの少なくとも一部分の上にある表面コーティングと、
を含む熱回収蒸気発生機を含むことを特徴とする請求項３０に記載の熱回収ユニット。
【請求項３３】
ガスタービン内で燃料を燃焼させる方法であって、
ガスタービン上の燃焼機に燃料を供給する段階と、
前記燃焼機に酸化剤を供給する段階と、
前記燃焼機内で前記燃料及び前記酸化剤を燃焼させて排気ガスを生成する段階と、
酸素貯蔵成分（ＯＳＣ）触媒を有する触媒を含む触媒床に前記排気ガスの少なくとも一部分を通過させて低酸素含有製品ガスを形成する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３４】
燃料リッチ条件下で前記ガスタービンを作動させて前記排気ガス内の酸素の量を低減する段階を含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
大部分の時間にわたって実質的に当量的な条件下で前記ガスタービンを作動させる段階と、
短期間のリッチ作動条件を散在させて酸素を使い尽くす段階と、
リーン作動条件の期間を散在させて前記ＯＳＣを再装荷する段階と、
を含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
熱回収ユニット内で前記排気ガスを冷却する段階と、
前記排気ガスを冷却して水を凝縮し、乾燥排気ガスを形成する段階と、
前記乾燥排気ガスを圧縮して希釈剤を形成する段階と、
を含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
前記希釈剤の第１の部分を前記燃料、前記酸化剤、及び前記排気ガスのうちの少なくとも１つと混合して前記燃焼機、排気ガス、又は両方を冷却する段階を含むことを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
熱回収蒸気発生機内で前記排気ガスを冷却して蒸気を生成する段階を含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３９】
熱回収ユニット内で前記排気ガスを冷却する段階と、
処理流体を加熱する段階と、
を含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項４０】
前記低酸素含有製品ガス内の酸素濃度、一酸化炭素濃度、水素濃度、未燃炭化水素濃度、窒素酸化物、又はこれらのいずれかの組合せを含むパラメータを測定する段階を含むことを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〔関連出願への相互参照〕
本出願は、「ガスタービン排気内の酸素の低減」という名称の２０１３年２月２１日出願の米国特許出願第６１／７６７，６９０号の優先権の利益を主張するものであり、その全体は、引用によって本明細書に組み込まれている。
【０００２】
本発明の開示は、一般的に低排出発電システムに関する。より具体的には、本発明の開示は、ガスタービンシステムからの排気ガス内の成分の組成を変えるためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
この節は、本発明の技術の例示的実施形態に関連付けることができる当業技術の様々な態様を導入することを意図している。この考察は、本発明の技術の特定の態様のより良い理解を容易にするフレームワークを提供するのを補助すると考えられる。従って、この節は、必ずしも従来技術の受容としてではなく、この観点から読むべきであることを理解しなければならない。
【０００４】
例えば、ガスタービンに統合された燃焼機内の燃料の燃焼は、排気ガスの温度をモニタすることによって制御することができる。全負荷では、典型的なガスタービンは、望ましい燃焼ガス又は排気ガス温度に達するように、いくつかの燃焼機に導入される燃料の量を調節する。従来の燃焼タービンは、入口ガイドベーンを使用して燃焼機に導入される酸化剤を制御する。部分負荷の下では、燃焼機に導入される酸化剤の量は減少し、導入される燃料の量は、ここでもまた制御されて望ましい排気ガス温度に達する。更に、部分負荷では、酸化剤の量を低減する機能が、酸化剤の流れを僅かに低減することのみ可能である入口ガイドベーンによって制限されるので、ガスタービンの効率は低下する。更に、酸化剤は、入口ガイドベーンがそれらの流れ制限位置にある時に一定のより低い流量に留まる。ガスタービンの効率は、次に、それがより低い電力生成時にある時に低下し、その理由は、その質量流れでその量の電力を作るためにはより低い膨脹機入口温度を必要とするからである。更に、既存の酸化剤入口制御デバイスは、精密流量制御を可能にしない場合があり、かつ酸化剤流れに対するいずれの制限によっても大きい圧力低下を招く場合がある。酸化剤制御に対するこれらの手法のいずれを用いても、部分負荷又は減圧作動でのリーン暴噴による潜在的な問題が存在する。
【０００５】
燃焼機に導入される酸化剤の量を制御することは、目的が排気ガスから二酸化炭素（ＣＯ2）を捕捉することである時に望ましいとすることができる。現在の二酸化炭素捕捉技術は、いくつかの理由のために高価である。１つの理由は、排気ガス内の二酸化炭素の低圧及び低濃度である。しかし、二酸化炭素濃度は、実質的に当量的な条件下で燃焼工程を作動させることによって約４％から１０％を超えるまで有意に増加させることができる。更に、排気ガスの一部分は、燃焼機内のガス及び排気ガスの温度を制御するために希釈剤として燃焼機に対して再利用することができる。同じく、排気ガス内のいずれの未使用酸素も、捕捉二酸化炭素内の汚染物質である場合があり、二酸化炭素の捕捉に利用することができる溶剤のタイプを制限する。
【０００６】
多くのシステムにおいて、酸化剤流量は、個別の酸化剤システムの作動を変更することによって低減することができる。例えば、独立酸化剤圧縮機を絞ってより遅い作動速度に戻し、それによって酸化剤流量を低減することができる。しかし、圧縮機作動速度の低下は、一般的に圧縮機の効率を低下させる。これに加えて、圧縮機を絞ることは、燃焼機に流入する酸化剤の圧力を低減する場合がある。対照的に、酸化剤がガスタービンの圧縮機部分によって提供される場合に、速度の低下は、発電中に制御可能である変数ではない。６０サイクル電力を生成するのに使用される大きいガスタービンは、一般的に３６００ｒｐｍで稼働する。同様に、５０サイクル電力を生成するために、ガスタービンは、多くの場合に３０００ｒｐｍで稼働する。従来のガスタービン燃焼機作動において、燃焼機内への酸化剤の流れは、過剰酸化剤が燃焼チャンバにおいてクーラントとして使用されて排気ガスの燃焼条件及び温度を制御するので、有意な制御を保証しない。いくつかの研究は、排気内の酸素及び一酸化炭素のような望ましくない燃焼副産物を最小にする意図でガスタービン内の燃焼工程を制御するための技術を決定するために行われている。
【０００７】
例えば、Ｍｉｔｔｒｉｃｋｅｒ他による国際特許出願公開第ＷＯ／２０１０／０４４９５８号明細書は、例えば、ガスタービンシステム内の燃焼生成物を制御する方法及びシステムを開示している。一実施形態は、実質的に酸素及びＣＯ2を含む酸素化流れを有し、次に、酸素化流れを燃焼燃料流れと混合し、それぞれ温度センサ及び酸素分析器によって検出される温度及び組成を有する燃焼生成物流れを発生させるように燃焼機内で燃焼させる燃焼制御システムを含む。センサからのデータを使用して、酸素化流れ及び燃焼燃料流れの流量及び組成を制御する。システムはまた、膨張機を有し、かつフィードバック配置で負荷及び負荷コントローラを有するガスタービンを含むことができる。
【０００８】
Ｍｉｔｔｒｉｃｋｅｒ他による国際特許出願公開第ＷＯ／２００９／１２０７７９号明細書は、低排出発電及び炭化水素回収のためのシステム及び方法を開示している。１つのシステムは、低排出発電を有する統合圧力維持及び混和性氾濫システムを含む。別のシステムは、高温ガス膨張機及び外部燃焼機を使用して低排出発電、炭素隔離、原油２次回収（ＥＯＲ）、又は二酸化炭素販売を提供する。別のシステムは、入口圧縮機内で空気を圧縮し、かつ膨張機内で高温二酸化炭素含有ガスを使用して発電するガス発電タービンを使用して低排出発電を提供する。
【０００９】
Ｗｉｃｈｍａｎによる米国特許出願公開第２０１２／００２３９５４号明細書は、発電プラント及び作動方法を開示している。発電プラント及び方法は、主空気圧縮機及びガスタービンアセンブリを含む。アセンブリは、圧縮された周囲ガスを再循環された低酸素含有ガス流及び燃料流れと混合して可燃性混合気を形成するためのタービン燃焼機を含む。可燃性混合気は、タービン燃焼機内で燃焼して再循環された低酸素含有流れを形成する。アセンブリは、再循環された低酸素含有ガス流をタービンからタービン燃焼機まで再循環させるための再循環ループを含む。アセンブリはまた、ガスタービンアセンブリを主空気圧縮機の入力に流体的に接続し、かつ再循環する低酸素含有ガス流の一部分をガスタービンアセンブリから主空気圧縮機の入力に送出する統合入口抽気熱導管を含む。
【００１０】
Ｐｏｐｏｖｉｃに付与された米国特許第８，２０５，４５５号明細書は、発電プラント及び作動方法を開示している。発電プラントは、圧縮酸素リッチガス流をガスタービンアセンブリに送出するように構成された主空気圧縮機及び酸化剤ユニットを含む。各ガスタービンアセンブリは、圧縮酸素リッチガス流を再循環されたガス流及び燃料流れと混合して可燃性混合気を燃焼させ、かつ再循環されたガス流を形成するためのタービン燃焼機を含む。アセンブリはまた、再循環されたガス流をタービンからタービン燃焼機まで再循環させるための再循環ループを含む。アセンブリは、再循環されたガス流の一部分をアセンブリから抽出し、かつこれをガス分離システムに送出するための再循環ガス流抽出経路を更に含む。ガス分離システムは、再循環されたガス流のその部分を窒素部分と二酸化炭素部分に分離する。
【００１１】
Ｗｅｉｌ他に付与された米国特許第５，３５５，６６８号明細書は、ガスタービンエンジンの触媒担持構成要素を開示している。触媒材料は、エンジンのガス流経路内の構成要素上に形成されて一酸化炭素及び未燃炭化水素の排出を低減する。触媒材料は、貴金属及び遷移金属酸化物から選択される。そのような材料が塗布されるガス流経路の部分は、燃焼機、タービン、及び排気システムを含むことができる。触媒コーティングは、基板構成要素と触媒コーティングの間に挿入された熱障壁コーティングシステムと共に塗布することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】国際特許出願公開第ＷＯ／２０１０／０４４９５８号明細書
【特許文献２】国際特許出願公開第ＷＯ／２００９／１２０７７９号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１２／００２３９５４号明細書
【特許文献４】米国特許第８，２０５，４５５号明細書
【特許文献５】米国特許第５，３５５，６６８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
排気ガス成分を制御しようとする過去の努力は、一酸化炭素、窒素酸化物、及び未燃炭化水素のような標準的汚染物質の含有量の低減に着目してきた。その前進の殆どは、排気内の一酸化炭素及びＮＯXを低減するように選択された触媒のような一部の触媒を用いたほぼ当量的な燃焼の使用によって達成されている。その結果、酸素のような排気内の様々な他のガスの濃度は、望ましい濃度よりも高い場合がある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の技術の例示的実施形態は、ガスタービンシステムを提供する。ガスタービンシステムは、酸化剤システム、燃料システム、及び制御システムを含む。燃焼機は、酸化剤システムから酸化剤及び燃料システムから燃料を受け取って燃焼させて排気ガスを生成するようになっている。酸素貯蔵成分を含む酸化触媒を含む触媒ユニットは、排気ガス内の酸素の濃度を低下させて低酸素含有製品ガスを形成するように構成される。
【００１５】
別の実施形態は、熱回収ユニットを提供する。熱回収ユニットは、排気ガスから熱エネルギを除去するように構成された熱交換器と、排気ガス内のターゲットガスの濃度を低下させるように構成された触媒床とを含む。触媒床は、酸素貯蔵成分（ＯＳＣ）を含む。
【００１６】
別の実施形態は、ガスタービン内で燃料を燃焼させる方法を提供する。本方法は、ガスタービン上の燃焼機に燃料を供給する段階と、燃焼機に酸化剤を供給する段階と、燃焼機内で燃料及び酸化剤を燃焼させて排気ガスを生成する段階とを含む。排気ガスの少なくとも一部分は、酸素貯蔵成分（ＯＳＣ）触媒を有する触媒を含む触媒床を通過して低酸素含有製品ガスを形成する。
【００１７】
本発明の技術の利点は、以下の詳細説明及び添付図面を参照してより良く理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ガスタービンを含むガスタービンシステムの概略図である。
【図２】ガスタービンエンジン１０２の燃焼機１１０への酸化剤流量及び／又は燃料流量を調節するのに使用することができるガスタービンシステム２００の概略図である。
【図３】膨張機排気部分からの排気流れに対する熱回収蒸気発生機（ＨＲＳＧ）を含むガスタービンシステムの概略図である。
【図４Ａ】０．７５〜１．２５の当量比（φ）変化として酸素と一酸化炭素の濃度の間の関係を示すシミュレーションのグラフィック描写の図である。
【図４Ｂ】０．９９９〜１．００１の当量比（φ）変化として酸素と一酸化炭素の濃度の間の関係を示すシミュレーションのグラフィック描写の図である。
【図５】実施形態に使用することができる当量比の分布を示す別のプロットの図である。
【図６】センサのアレイからの読取に基づいて燃焼機への燃料及び酸化剤レベルを調節する方法のブロック図である。
【図７】ガスタービンエンジン内で燃焼機への酸化剤及び燃料を制御するのに使用することができるプラント制御システムのブロック図である。
【図８】排気流れ内の選択された成分の濃度を低下させるための熱回収蒸気発生機（ＨＲＳＧ）内の２つの触媒床の使用を示す模擬ガスタービンシステムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下の詳細説明節において、本発明の技術の特定の実施形態を説明する。しかし、以下の説明が本発明の技術の特定の実施形態又は特定の使用に特定である限り、これは、例示的な目的だけのためであり、単に例示的実施形態の説明を提供するに過ぎないことを意図している。従って、この技術は、以下に説明する特定の実施形態に限定されることなく、むしろ特許請求の範囲の精神及び範囲に含まれる全ての代替物、修正物、及び均等物を含む。
【００２０】
最初に、参照しやすいように、この出願に使用するある一定の用語及びこの関連に使用される時のそれらの意味を説明する。以下に使用する用語が本明細書で定義されていない限り、それには、少なくとも１つの文献又は交付済み特許に反映されているような用語が与えられたとして、当業者が有する最も広い定義を与えるべきである。更に、本発明の技術は、同じか又は同様の目的に寄与する全ての均等物、同義語、新しい展開、及び用語又は技術は特許請求の範囲にあると考えられるので、以下に示す用語の使用によって限定されない。
【００２１】
「複合サイクル発電プラント」は、発電するのに蒸気及びガスタービンの両方を使用する。ガスタービンは、開放又は半開放ブレイトンサイクルで作動し、蒸気タービンは、ガスタービンからの熱によって給電されるランキンサイクルで作動する。これらの複合サイクルガス／蒸気発電プラントは、一般的に、ガス又は蒸気のみのプラントよりも高いエネルギ変換効率を有する。複合サイクルプラントの効率は、５０％〜６０％まで高くすることができる。より高い複合サイクル効率は、ガスタービンと蒸気タービンの組合せの相乗利用から生じる。典型的には、複合サイクル発電プラントは、ガスタービン排気からの熱を利用して水を沸騰させて蒸気を発生する。典型的な複合サイクルプラントにおけるボイラーは、熱回収蒸気発生機（ＨＲＳＧ）と呼ぶことができる。発生する蒸気を利用して、複合サイクルプラント内で蒸気タービンに動力を供給する。ガスタービン及び蒸気タービンを利用して、別々に独立した発生機に動力を供給することができ、又はこれに代えて、蒸気タービンは、ガスタービンと組み合わせて、共通駆動シャフトを通じて単一発生機を協働で駆動することができる。
【００２２】
希釈剤は、燃料及び酸化剤の燃焼から生じる燃焼機温度を低下させるのに主として使用されるガスである。希釈剤を使用してガスタービンに給送された酸化剤又は燃料（又は両方）の濃度を下げ、及び／又は燃焼生成物を希釈することができる。希釈剤は、過剰な窒素、ＣＯ2、燃焼排気、又はあらゆる数の他のガスとすることができる。実施形態において、希釈剤はまた、燃焼機及び／又はガスタービンの他の部品を冷却することができる。
【００２３】
本明細書に使用する時に、「圧縮機」は、作動流体の圧力を増大させるように設計されたあらゆるタイプの機器を含み、同様の又は異なるタイプの圧縮機器のいずれか１つのタイプ又は組合せを含む。圧縮機はまた、中でもモータのような圧縮機に関連付けられた補助機器及び駆動システムを含むことができる。圧縮機は、１つ又はそれよりも多くの圧縮段を例えば直列で利用することができる。例示的な圧縮機は、以下に限定されるものではないが、例えば往復及び回転圧縮機のような正の変位タイプ、及び例えば遠心及び軸流圧縮機のような動的タイプを含むことができる。例えば、圧縮機は、以下により詳細に説明するように、ガスタービンエンジン内の第１の段とすることができる。
【００２４】
「制御システム」は、典型的には、１組の共通処理結果を協働して達成する論理回路を使用する１つ又はそれよりも多くの物理システム構成要素を含む。ガスタービンエンジンの作動において、その目的は、特定の排気ガス組成及び温度を達成することとすることができる。制御システムは、外部擾乱、製造公差による物理的構成要素の中の変動、及び制御出力値に対する入力設定点値の変化の存在下で物理システム構成要素を確実に制御するように設計することができる。制御システムは、一般的に、少なくとも１つの測定デバイスを有し、デバイスは、処理変数の読みを提供し、処理変数は、コントローラに給送することができ、次に、コントローラは、制御信号をアクチュエータに提供することができ、次に、アクチュエータは、例えば、酸化剤流れに作用する最終制御要素を駆動する。制御システムは、特定の作動条件の範囲内で安定なままであり、振動を回避するように設計することができる。確実に設計された制御システムは、作動工程における異常な条件中でも、人の介入の必要性を有意に低減することができる。
【００２５】
「当量比」は、燃焼機に流入する燃料対酸素の質量比を比率が当量である時の燃料対酸素の質量比で割ったものを意味する。ＣＯ2及び水を形成する燃料及び酸素の完全燃焼は、１の当量比を有することになる。例えば、燃料よりも多くの酸素を有するリーン過ぎる混合気は、１未満の当量比を提供することになるが、例えば、酸素よりも多くの燃料を有するリッチ過ぎる混合気は、１よりも大きい当量比を提供することになる。
【００２６】
「ラムダ」は、燃焼機に流入する酸素対燃料の質量比を比率が当量である時の酸素対燃料の質量比で割ったものを意味する。ラムダ＝１／（当量比）
【００２７】
「燃料」は、酸化剤と共に燃焼してガスタービンに動力を供給することができるあらゆる数の炭化水素を含む。そのような炭化水素は、天然ガス、処理済天然ガス、ケロセン、ガソリン、又はあらゆる数の他の天然又は合成炭化水素を含むことができる。
【００２８】
「ガスタービン」エンジンは、ブレイトンサイクルで作動する。排気ガスを通気する場合に、これは開放ブレイトンサイクルと呼ばれるが、排気ガスの少なくとも一部分の再利用は、半開放ブレイトンサイクルを示している。半開放ブレイトンサイクルにおいて、少なくとも燃料及び酸化剤はシステムに追加されて内部燃焼をサポートし、燃焼生成物の一部分は、通気又は抽出される。閉鎖ブレイトンサイクルにおいて、排気の全ては再利用され、何も通気又は抽出されず、熱は、外部燃焼又は別の手段によってシステムに追加される。本明細書に使用する時に、タービンは、典型的には、圧縮機部分、いくつかの燃焼機、及びタービン膨張機部分を含む。圧縮機を使用して酸化剤を圧縮することができ、酸化剤は、燃料と混合され、燃焼機に送られる。次に、燃料及び酸化剤の混合気を統合して、高温燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、圧縮機に動力を供給すると同時に負荷に動力を供給するのに有用な作業をするために燃焼ガスからエネルギを抽出するタービン膨張機部分に送られる。本明細書で説明する実施形態において、酸化剤は、外部圧縮機によって圧縮機に提供することができ、外部圧縮機は、ガスタービンエンジンのシャフトに機械的に連結することができ、又は連結されない場合もある。更に、実施形態において、圧縮機部分を使用して、再利用された排気ガスのような希釈剤を圧縮することができ、希釈剤は、クーラントとして燃焼機に給送することができる。
【００２９】
「熱回収蒸気発生機」又はＨＲＳＧは、高温のガス流れから熱を回収する熱交換器又はボイラーである。ＨＲＳＧは、処理中に使用されるか又は蒸気タービンを駆動するのに使用することができる蒸気を発生させる。ＨＲＳＧに対する共通用途は、複合サイクル発電プラントにあり、そこで、ガスタービンからの高温の排気はＨＲＳＧに給送され、次に、蒸気タービンを駆動する蒸気を発生させる。この組合せは、ガスタービン又は蒸気タービンのいずれか単独よりも電気をより効率的に生成する。本明細書に使用する時に、ＨＲＳＧは、ＨＲＳＧ単独に加えて又は単独の代わりに、あらゆる数の熱回収ユニットを含むことができる。
【００３０】
「炭化水素」は、主として水素と炭素元素を含む有機化合物であるが、窒素、硫黄、酸素、金属、又はあらゆる数の他の元素も少量存在する場合がある。本明細書に使用する時に、炭化水素は、一般的に、ＣＨ4、Ｃ2Ｈ2、Ｃ2Ｈ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ8異性体、Ｃ4Ｈ10異性体、及びベンゼンなどのような生天然ガス中に見出される化合物を意味する。
【００３１】
「酸化剤」は、ガスタービンエンジンの燃焼機に流入して燃料を燃焼させることができるガス混合気である。本明細書に使用する時に、酸化剤は、ＣＯ2、Ｎ2、空気、及び燃焼排気などを含む希釈剤としてあらゆる数の他のガスと混合された酸素とすることができる。
【００３２】
「センサ」は、物理量の絶対値又はその変化を検出、決定、モニタ、記録、又はそうでなければ感知することができるあらゆるデバイスを意味する。本明細書に説明するようなセンサを使用して温度、圧力、Ｏ2濃度、ＣＯ濃度、ＣＯ2濃度、流量、音響データ、振動データ、化学濃度、バルブ位置、又はいずれかの他の物理データを含む物理量を測定することができる。
【００３３】
「ラムダセンサ」は、燃焼工程又は燃焼工程の生成物の当量比又はラムダ値の絶対値又はその変化を検出、決定、モニタ、記録、又はそうでなければ感知することができるあらゆるデバイスを意味する。
【００３４】
「圧力」は、体積の壁に対してガスによって単位面積当たりに作用する力である。圧力は、１平方インチ当たりポンド（ｐｓｉ）として示すことができる。「大気圧」は、空気の局所圧力を意味する。「絶対圧力」（ｐｓｉａ）は、大気圧（標準条件下で１４．７ｐｓｉａ）とゲージ圧力（ｐｓｉｇ）の合計を意味する。「ゲージ圧力」（ｐｓｉｇ）は、ゲージによって測定された圧力を意味し、その圧力は、局所大気圧を超えた圧力のみを示している（すなわち、０ｐｓｉｇのゲージ圧力は、１４．７ｐｓｉａの絶対圧力に対応する）。用語「蒸気圧」は、通常の熱力学的意味を有する。与えられた圧力での閉鎖システムにおける純粋成分に対して、成分蒸気圧は、本質的にシステムにおける全圧力に等しい。
【００３５】
物質の量又は全量、又はその特定の特性に関連して使用する時の「実質的」は、材料又は特性を提供するように意図された効果を与えるのに十分である量を意味する。許容偏差の正確な程度は、一部の場合に特定の状況に依存する場合がある。
【００３６】
概観
本明細書に説明する実施形態は、半閉ループ作動においてガスタービンエンジンからの排気流れ内の酸素含有量を低減するためのシステム及び方法を提供する。酸素貯蔵成分（ＯＳＣ）を含む触媒床は、ガスタービン排気流れ内の酸素の量を約１０００ｐｐｍ、５００ｐｐｍ、２００ｐｐｍ、１００ｐｐｍ、５０ｐｐｍ、２０ｐｐｍ、又は１０ｐｐｍ未満まで低減するために閉ループラムダ制御と組み合わせて使用することができる。作動上偏位運動が、一時的に排気流れ内により高い酸素含有量を引き起こす場合に、触媒のＯＳＣは、排気流れ内の酸素含有量を安定化させる余分な酸素を貯蔵することができる。他の作動上偏位運動が、一時的に例えば排気流れ内により低い酸素含有量、例えば、還元環境を引き起こす場合に、触媒のＯＳＣは、予め貯蔵した酸素を放出し、この場合も、排気流れ内の酸素含有量を安定化させることができる。このようにして、ＯＳＣは、たとえ正常な制御システム変動がガスタービン燃焼機の瞬時空気／燃料比の変化を引き起こしても、ラムダ制御システムがより安定なラムダ設定値を維持することを可能にする。触媒は、分離又は圧縮工程の上流の熱回収蒸気発生機（ＨＲＳＧ）内で又は高圧縮パージ流れ内で床に位置することができる。
【００３７】
非閉ループ作動において、ガスタービンエンジンは、一般的に、リーン条件下で、例えば、燃料よりも多くの酸化剤又はλ＝（空気／燃料）actual／（空気／燃料）stoich＞１を使用して作動する。これはまた、約１．０未満の当量比（φ）でガスタービンエンジンを作動すると説明することができる。リーン作動は、クーラントガスとして酸化剤を使用し、材料限界よりも低い温度を維持し、燃料の完全酸化を保証する。しかし、得られる排気ガスは、高酸素含有量を有し、排気ガスが原油２次回収のような炭化水素と直接に接触する用途には不向きの場合がある。
【００３８】
酸素を下げるために、ガスタービンエンジンは、排気内の還元剤を増加させる条件下で作動させることができる。還元剤は、主としてＣＯから構成されるが、水素ガス及び未燃燃料を含む場合がある。主要還元剤としてＣＯに依存すると、少なくとも約２つのＣＯ：ＣＯ2の比率は、酸素の全てを低減するために当量によって決定される。従って、燃焼機は、僅かにリッチ、すなわち、約１未満の当量比に実施して、約２よりも大きいＣＯ：ＣＯ2比率を得る必要がある。その結果、ＵＬＥＴシステムにおいて捕捉されていないＣＯの形態の何らかの化学エネルギが存在し、システムは、より高い加熱速度で稼働する。
【００３９】
このエネルギを捕捉するために、ガスタービンエンジンは、１．０の当量比の近くで作動させることができる。しかし、１．０におけるガスタービンエンジンの空気対燃料比の維持は、制御限界、燃焼の非効率性、燃焼機の差、及び化学平衡の影響による作動変動が、排気内に望ましいものよりも高い酸素レベルまでの過渡的偏位をもたらす場合があるので困難である。実際に、流出ガス流れ内の残留酸化剤及び還元剤の濃度は、これらの材料を低減するために使用するあらゆる触媒床の前に、酸素に対して約１０００−５０００ｐｐｍ、及びＣＯに対して約２０００−１００００ｐｐｍ、並びに水素に対して約１０００−５０００ｐｐｍの範囲にあると予想される。
【００４０】
本明細書に説明する実施形態において、式１ａ及び１ｂに示す反応により、還元剤としてＣＯ又は水素を使用して１０ｐｐｍのレベルまでＯ2の残留量を低減することができる触媒床が使用される。
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触媒床は、例えば、貴金属を含む酸化触媒及び例えばセリアを含むＯＳＣを含有する。
【００４１】
本発明の様々な実施形態はまた、ガスタービンエンジン内の燃焼中に発生する一酸化炭素を消費するためのシステム及び方法を提供する。これは、例えば、熱回収蒸気発生機（ＨＲＳＧ）に位置する触媒床において水ガスシフト反応によって実施される。水ガスシフト反応は、一酸化炭素と生成物として二酸化炭素及び水素を形成する水蒸気との間の化学反応である。水ガスシフト反応は、ガスタービンからの排気内に存在する比較的大量の水蒸気を与える主反応である。一部の実施形態において、当量的排気再循環（ＳＥＧＲ）ガスタービンなどにおいて、排気は、再循環された低酸素含有ガス流れであり、これは、少なくとも燃焼機内でクーラントガスとして使用される。典型的には、１０体積パーセントよりも多い（＞１００ｋｐｐｍｖ（百万分の１体積））の水蒸気含有量は、再循環された低酸素含有ガス流れ内に存在するが、酸素、一酸化炭素及び水素は、１０００〜５０００ｐｐｍｖ程度ものである。その結果、水ガスシフト反応は、残留一酸化炭素に同様の量の水蒸気を加えたものを消費し、競合酸化反応よりも高い変換効率で二酸化炭素及び水素を発生させることができる。得られる低ＣＯ含有製品ガスは、僅か１又は２ｐｐｍＣＯを含むことができる。
【００４２】
センサは、燃焼条件を調節し、排気ガス内のＣＯ、酸素又は他の汚染物質の量を制御するために排気ガス、製品ガス、又は両方に置くことができる。例えば、センサは、膨張機排気上のリング、触媒床への入口、触媒床からの出口、又はそのあらゆる組合せで位置することができる。センサは、中でもラムダセンサ、酸素センサ、一酸化炭素センサ、及び温度センサを含むことができる。更に、異なるタイプのセンサの組合せを使用して、更に別の情報を提供することができる。
【００４３】
一部の実施形態において、複数のセンサを使用して、ガスタービン上の個々の燃焼機内の条件を調節することができる。センサは、特定の燃焼機に対して１対１の関係を有することはできないが、特定の燃焼機の影響を受ける場合がある。様々なセンサの反応は、例えば、旋回図表に基づく場合がある加法減法アルゴリズムを使用して、特定の燃焼機に再度関連付けることができる。旋回図表は、膨張機における排気流のパターンをその時点で排気流の一因となっている場合がある燃焼機に関連付ける。
【００４４】
個々に制御された燃焼機の使用は、ガスタービンエンジンの燃焼効率を増大させ、例えば、燃焼を１対１の当量比により近づけることができる。そのような効率の改善は、排気内のＯ2、未燃炭化水素、及び一酸化炭素を低下させることができる。低濃度の酸素は、酸素触媒の効率を悪くする場合があるが、ＯＳＣは、反応中に使用すべき酸素を捕捉することができる。更に、排気内の大量の水蒸気は、水ガスシフト反応中のＣＯの高い変換率を維持することができる。
【００４５】
図１は、ガスタービンエンジン１０２を含むガスタービンシステム１００の概略図である。ガスタービンエンジン１０２は、単一シャフト１０８上に圧縮機１０４及びタービン膨張機１０６を有することができる。ガスタービンエンジン１０２は、一般的にシャフトの間の機械的リンク又は変速機と共に複数のシャフトを使用することができるので、単一シャフト配置に限定されない。様々な実施形態において、ガスタービンエンジン１０２はまた、例えば、ライン１１２を通じて膨張機に高温の排気ガスを給送するいくつかの燃焼機１１０を有する。例えば、ガスタービン１０２は、ガスタービン１０２のサイズに応じて２、４、６、１４、１８、又は更に多くの燃焼機１１０を有することができる。
【００４６】
燃焼機１１０を使用して、燃料源１１４によって供給される燃料を燃焼させる。酸化剤は、様々な供給源から燃焼機１１０の各々に供給することができる。例えば、実施形態において、外部圧縮機のような外部酸化剤源１１６は、酸化剤を燃焼機１１０に供給することができる。実施形態において、酸化剤又は再利用された排気ガス１１８、又はそれらの混合気は、圧縮機１０４において圧縮機され、次に、燃焼機１１０に供給することができる。外部酸化剤源１１６を提供する時のような他の実施形態において、圧縮機１０４を使用して、再利用された排気ガスのみを圧縮することができ、再利用された排気ガスは、酸化剤を冷却及び希釈するために燃焼機１１０に給送することができる。
【００４７】
燃焼機１１０からの排気ガスは、タービン膨張機１０６において膨張して機械的エネルギを発生させる。機械的エネルギは、シャフト１０８を通じて圧縮機１０４に動力を供給することができる。更に、機械的エネルギの一部分は、例えば、機械出力１２０としてガスタービンから得て、電気を発生させるか又は酸化剤圧縮機に動力を供給することができる。膨張した排気ガス１２２は、通気されて熱回収のために使用され、圧縮機１０４において再利用され、又はこれらのいずれかの組合せに使用することができる。一部の実施形態において、排気ガス１２２は、酸化触媒及び酸化貯蔵触媒（ＯＳＣ）、又は水ガスシフト触媒、又は両方を含む１つ又はそれよりも多くの触媒床を通って流れる。
【００４８】
一部の実施形態において、酸化剤を燃焼機１１０に対して測定して燃料対酸化剤の当量比を制御する。例えば、燃料１１４及び酸化剤１１６源を調節することによって互いに全ての燃焼機１１０、又は各個々の燃焼機１１０に対して測定を行うことができる。当量的燃焼は、例えば、１の当量比で非当量的燃焼よりも高温になることは当業者には明らかであろう。従って、過剰な酸化剤又は再利用排気ガスのような追加した不燃性ガスのいずれかを追加してエンジンを冷却し、燃焼機１１０又はタービン膨張機１０６の外部熱からの損傷を防止することができる。
【００４９】
再利用された排気ガス１２２の使用は、排気が酸素不足であるということで更に別の利点を提供し、原油２次回収に対してより良い材料になる。個々の燃焼機１１０を調節することで、燃焼機１１０の間の差を保証し、ガスタービン１０２の全体の効率を改善することができる。
【００５０】
燃焼機の制御
図２は、ガスタービンエンジン１０２の燃焼機１１０への酸化剤流量及び／又は燃料流量を調節するのに使用することができるガスタービンシステム２００の概略図である。参照したユニットは、一般的に図１に関して説明したようなものである。システム２００は、例えば、酸化剤１１６の圧力、流量、又は組成を調節することによって燃焼機１１０に提供される酸化剤１１６の量を調節することができる。同様に、システム２００は、燃料１１４の圧力、流量、又は組成を調節することによって燃焼機１１０に提供される燃料１１４の量を調節することができる。一部の実施形態において、各個々の燃焼機１１０への酸化剤流量は、各燃焼機１１０においてバルブ、旋回翼、又は混合部分のような酸化剤流量調節デバイス２０２によって調節することができる。アクチュエータ２０４を使用して、酸化剤流量調節デバイス２０２を調節することができる。同様に、各個々の燃焼機１１０への燃料流１１４を調節することができる。
【００５１】
いくつかのセンサ２０６は、ガスタービンエンジン１０２の膨張機の排気部分２０８に置くことができ、例えば、５、１０、１５、２０、２５、３０又はそれよりも多くのセンサ２０６は、膨張機の排気部分２０８の周りのリングに置くことができる。このいくつかのセンサ２０６は、ガスタービン１０２のサイズ、燃焼機１１０の数、又は両方によって決定することができる。センサ２０６は、酸素センサ、一酸化炭素センサ、温度センサ、及び水素センサなどを含むことができる。酸素センサの例は、ラムダ及び／又は広帯域のジルコニア−酸素センサ、チタニアセンサ、ガルバニ、赤外線、又はこれらのいずれかの組合せを含むことができる。温度センサの例は、熱電対、抵抗温度デバイス、赤外線センサ、又はこれらのいずれかの組合せを含むことができる。一酸化炭素センサの例は、錫酸バリウム及び／又は二酸化チタンのような酸化物ベースのフィルムセンサを含むことができる。例えば、一酸化炭素センサは、プラチナ活性化二酸化チタン、及びランタン安定化二酸化チタンなどを含むことができる。センサ２０６の選択は、測定がシステムのリアルタイム制御に必要であるので、反応時間によって制御することができる。センサ２０６はまた、異なるタイプのセンサ２０６の組合せを含むことができる。センサ２０６は、信号２１０を送って制御システム２１２に戻し、制御システム２１２を使用して、燃焼機１１０の各々又は全てに対して燃料及び酸化剤調節決定することができる。いくつかの物理学的測定を実施することができ、例えば、センサ２０６を使用して温度、圧力、ＣＯ濃度、Ｏ2濃度、及び振動などを測定することができる。更に、複数のセンサ２０６を使用して、これらのパラメータの組合せを測定することができる。
【００５２】
制御システム２１２は、分散制御システム（ＤＣＳ）、プログラマブル論理コントローラ（ＰＬＣ）、直接デジタルコントローラ（ＤＤＣ）、又はいずれかの他の適切な制御システムのようなより大きいシステムの一部とすることができる。更に、制御システム２１２は、自動でパラメータを調節することができ、又は手動で調節を行うオペレータにガスタービン１０２に関する情報を提供することができる。制御システム２１２は、以下で図７に対して更に説明する。
【００５３】
図２に示すガスタービンシステム２００及び他の図に示す同様のガスタービンシステムは、本発明の技術の様々な実施形態を説明するのを補助するように簡素化されていることは理解されるであろう。従って、本発明の技術の実施形態において、酸化剤システム１１６及び燃料システム１１４の両方、並びにガスタービンシステム自体は、図示していないが多数のデバイスを含むことができる。そのようなデバイスは、オリフィス流量計、質量流量計、超音波流量計、及びベンチュリ流量計などのような流量計を含むことができる。他のデバイスは、ラインを開放及び閉鎖するピストンモータバルブ（ＰＭＶ）及びダイヤフラムモータバルブ（ＤＭＶ）及び球形バルブなどのようなモータバルブのようなバルブを含んで流量を調節することができる。更に、圧縮機、タンク、熱交換器、及びセンサは、図示のユニットに加えて実施形態に利用することができる。
【００５４】
図２に示す実施形態において、圧縮機１０４を使用して、再利用された排気流れのような流れ２１４を圧縮することができる。圧縮後に、圧縮流れ２１６は、燃焼機１１０の混合部分の中に注入することができる。流れ２１４は、圧縮流れ２１６が、酸化剤を圧縮機１１０に提供することができるので、純粋再利用流れに限定されない。膨張機排気部分２０８からの排気流れ２１８を使用して、以下で図７に対して更に説明するように再利用流れを提供することができる。
【００５５】
触媒及び触媒床
排気流れ２１８は、例えば、排気膨張機部分２０８に取りつけられ、ＨＲＳＧに又はガスタービンシステム２００の他の位置に位置付けられた１つ又はそれよりも多くの触媒床２２０を通過することができる。触媒床２２０は、あらゆる数の触媒成分を含むことができる。例えば、触媒床は、酸化触媒又は水ガスシフト触媒を含むことができる。複数の触媒床は、連続的に使用することができる。一般的に、酸化及び／又は還元触媒床は、本明細書で説明するように高温区域、例えば、排気膨張機部分２０８に、排気膨張機２０８の後の個別の触媒床２２０に、又は熱回収蒸気発生機（ＨＲＳＧ）の初期段階に位置することができる。水ガスシフト触媒床は、ＨＲＳＧの端部などの方向に排気流のより低温領域に位置することができる。触媒床２２０からの製品ガス２２２は、実質的に二酸化炭素、窒素、アルゴン、水素、及び水蒸気を含む低酸素含有ガスとすることができる。少量の酸素は、依然として存在する場合があるが、約１０ｐｐｍｖ未満、例えば、５ｐｐｍｖ、２ｐｐｍｖ、又は１ｐｐｍｖとすることができる。
【００５６】
触媒床２２０は、酸化触媒に限定されることなく、化学化合物を低減することができる他の触媒も含むことができることに注意することができる。例えば、触媒床２２０は、触媒コンバータを含むことができ、そこで、酸化触媒は、ＣＯ及び未燃炭化水素をＣＯ2及びＨ2Ｏに酸化し、還元触媒は、窒素酸化物（ＮＯX）をＮ2、ＣＯ2、及びＨ2Ｏに変換する。酸化触媒は、耐熱性酸化物上に支持された例えばプラチナ、パラジウム、金、又は他の金属とすることができる。耐熱性酸化物は、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、又はこれらの混合物を含むことができる。還元触媒は、例えば、ロジウム又は他の金属を含むことができる。実施形態において使用することができる追加の金属は、本明細書では「触媒Ａ−Ｄ」として示されている。
【００５７】
触媒Ａ
酸化触媒は、本明細書では触媒Ａと呼ばれる好ましい酸素除去触媒を得るように酸化セリウム（ＣｅＯ2）又はセリアの使用による従来の酸化触媒の修正とすることができる。セリアは、多くの場合に、自動車用途に対して三元触媒に使用される。三元触媒を使用して排気流れ内の窒素酸化物、一酸化炭素、及び未燃炭化水素の濃度を低下させる。自動車エンジンにおいて、エンジンは、燃料に対するＯ2の超過（リーン作動）又は酸素に対する還元剤の超過（リッチ作動）のいずれかを生じるリッチ及びリーンモードの燃焼を定期的に循環させる。三元触媒におけるセリアの役割は、ＯＳＣとして作用して、十分な酸素がリッチ作動中の反応に対して存在することを保証することである。当量的排気再循環ガスタービン内で、システムから生成されて抽出された不活性ガスがその意図する目的に対して十分に低い酸素含有量を有するように、常に排気流れの酸素含有量を低く維持することが好ましい。例えば、制御システムヒステリシス、センサ精度及び反復性、バルブ作動及び信号ノイズによる正常な制御変動は、生成物の酸素含有量が常に最大許容値よりも低いことを保証するために、例えば、当量比又はラムダ値の最適設定値から離れた変化を必要とする場合がある。ＯＳＣの使用は、これらの不可避の制御システム変動の影響が、過渡リッチ及びリーン作動期間中にＯＳＣから酸素の貯蔵及び放出により低減され、かつ場合によって排除されるので、最適値に近いか又は最適値でも設定値の選択を可能にする。
【００５８】
ガスタービンエンジン１０２における排気ガスの再利用作動において、セリアは、以前の金属触媒と共に使用することができる。しかし、これは、排気流れ内の酸素含有量を再利用ガス中約１０ｐｐｍ未満に保つために使用されると考えられる。セリアは、ＣＯ酸化触媒の近くに置かれ、酸素をＣＯによって還元することを可能にすることになる。例えば、工程の乱れ又はルーチン制御変動により酸素が増加する場合に、セリアは過剰酸素を吸収することになる。貯蔵酸素は、排気内の酸素濃度を低く保つリッチ作動条件下で減少すると考えられる。更に、セリアは、ＣＯの酸化を補助するようにリッチ作動条件下で貯蔵酸素を放出することにより、触媒出口においてラムダを約１に維持することができる。
【００５９】
触媒Ａ中の酸化触媒は、例えば、中でもプラチナ又はプラチナ（Ｐｔ）及びパラジウム（Ｐｄ）の混合物を含む例えば周期律表の族８−１０からの元素を含むことができる。ＰｔとＰｄの混合物は、約０．１よりも大きく、又は約１〜約１００，０００のＰｔ：Ｐｄの比率を使用することができる。族１０の金属は、アルミナ、シリカ、チタニア、及びジルコニア又はこれらの混合物のような耐熱性酸化物支持体で支持することができる。ＯＳＣは、約０．１、０．５、１．０、２．０、５．０、又はそれよりも大きい比率でセリア及びジルコニアを含むことができる。セリアに加えて、ＯＳＣはまた、ランタン、プラセオジム、ネオジム、及びサマリウムなどのようなランタノイド元素の他の酸化物を含むことができる。更に、他の金属は、中でも例えばニッケル、セリウム、鉄、マンガン、及び銅を含む様々な実施形態に使用することができる。
【００６０】
ガスタービンが長時間にわたってリッチ条件下で作動している場合に、炭素堆積物は、触媒の表面上に蓄積される可能性があり、炭素堆積物は、触媒を不活性化する場合がある。一部の実施形態において、一定のリッチ条件下で作動するのに適切な修正された新しい触媒を使用することができ、その触媒は、触媒からの炭素堆積物を酸化するように排気ガス中に含有される燃焼水及びＣＯ２を利用する触媒機能を含有する。
【００６１】
触媒Ｂ
ガスタービンエンジン１０２が、例えば、閉ループラムダ制御なしに長時間にわたってリッチ条件下で作動する場合に、異なる触媒を使用して酸素放出を低減することができる。リッチ作動条件下で、従来の酸化触媒は、それぞれ式２及び３に示す反応に説明するように燃料のＣＯ又は熱分解の不均化によって触媒表面上に形成することができる炭素又は炭素堆積物による抑制を受けやすい。
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式２及び３における不要な副反応の反応生成物である炭素は、触媒表面を覆って触媒を不活性化する可能性がある。
【００６２】
触媒Ｂは、一定のリッチ条件下の作動に好ましい酸素除去触媒組成を提供する。酸素の持続的酸素不足の場合に、触媒Ｂは、排気ガス中に含有される燃焼水及びＣＯ2を利用して、それぞれ式４及び５に示す反応によりＣをＣＯに酸化する。
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【００６３】
触媒Ｂは、式４及び５に示す反応によりＣを酸化する機能性を含むが、式１に示す反応により依然としてＯ2をＣＯで還元する。例えば、触媒Ｂは、触媒Ａについて説明する組成物と、炭化水素改質、並びにＣＯ酸化に対して活性な追加の成分とを含むことができる。改質成分は、触媒Ａについて説明する支持体のうちの１つ又はこれらの混合物上に支持されたロジウム（Ｒｈ）を含むことができる。ロジウムは、セリア−ジルコニア混合酸化物又は固溶体で支持することができる。
【００６４】
触媒Ｃ
炭素及び炭素堆積物による不活性化に対する上記触媒の抵抗は、触媒表面をより塩基性にすることによって高めることができる。触媒Ｃは、例えば、他の組成物の中でもＰｔ及びＰｄの活性部位を保持するアルミナ及びセリア支持混合物を有する触媒Ａについて説明する組成物を含む。支持体は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）又は酸化バリウム（ＢａＯ）のようなアルカリ又はアルカリ土類金属酸化物の追加によって修正することができる。アルカリ酸化物又はアルカリ土類酸化物である支持体の留分は、約５０重量％未満、３０重量％未満、又は１０重量％未満とすることができる。
【００６５】
触媒Ｄ
触媒Ｄは、例えば、他の組成物の中でもＲｈ、Ｐｔ、及びＰｄの活性部位を保持するアルミナ及びセリア支持混合物を有する触媒Ｂについて説明する組成物を含む。支持体は、ＭｇＯ又はＢａＯのようなアルカリ又はアルカリ土類金属酸化物の追加によって修正することができる。アルカリ酸化物又はアルカリ土類酸化物である支持体の留分は、約５０重量％未満、３０重量％未満、又は１０重量％未満とすることができる。
【００６６】
一部の実施形態において、酸化反応に加えて水ガスシフト（ＷＧＳ）反応を使用して、試薬ＣＯ及びＨ2ＯをＣＯ2及びＨ2に変換することができる。あらゆる数のＷＧＳ触媒をこの反応に対して使用することができる。これらの触媒は、ＷＳＧ触媒が最も活性なＨＲＳＧの温度領域に位置する触媒床に置くことができる。アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、又はこれらの混合物のような耐熱性酸化物で支持される例えば鉄−クロミウム酸化物触媒は、約３００℃〜約４５０℃の温度範囲にある領域に使用することができる。更に、耐熱性酸化物で支持された銅−亜鉛触媒は、約１８０℃〜約２７０℃の温度範囲にある領域に使用することができる。例えば、プラチナ−レニウム触媒、又は銅又はレニウムを有するルテニウムの触媒組合せを含むいくつかの他のＷＧＳ触媒を使用することができる。
【００６７】
触媒金属を支持する耐熱性酸化物は、最小逆圧を有する排気ガスの流れを可能にするように設計されたハニカムセラミック構造によって所定位置に保持することができる。ＨＲＳＧにおいて、触媒金属を保持する耐熱性酸化物は、反応温度を制御するように構成された熱交換チューブで支持されたセラミックで支持することができる。
【００６８】
センサ２０６は、膨張機排気部分２０８に限定されることなく、膨張機排気部分２０８の代わりに又はこれに加えてあらゆる数の他の位置にある場合がある。例えば、センサ２０６は、膨張機排気部分２０８の周りに複数のリングに配置することができる。更に、センサ２０６は、例えば、１つのリングに酸素分析器及び別のリングに温度センサを有するセンサ２０６のタイプによって複数のリングに分離することができる。センサ２２４はまた、触媒床２２０から製品ガス流れ２２２に位置することができる。
【００６９】
実施形態において、ガスタービンエンジン１０２を使用して、多数の用途に対して電力、ＣＯ2、熱エネルギ、又はこれらのいずれかの組合せを提供することができる。例えば、触媒床２２０からの製品ガス２２２は、極低脱水システム、グリコールシステム、又は燃焼システムのような脱水ユニットで処理して、例えば、約−１０℃未満、約−３０℃未満、約−５０℃未満、又はそれよりも低い露点を有する低露点ガスを形成することができる。更に、製品ガス２２２は、二酸化炭素分離ユニットで処理して、リーン二酸化炭素流れ及びリッチ二酸化炭素流れを発生させることができる。二酸化炭素分離ユニットは、固体吸収円柱、極低温分離システム、液体吸収システム、又は化学的吸着システムを含むことができる。
【００７０】
リーン二酸化炭素流れ又はリッチ二酸化炭素流れのいずれも、炭化水素回収を強化するための地下リザーバの中に注入することができる。リッチ二酸化炭素流れは、炭素隔離の中にも注入することができるが、リーン二酸化炭素流れは、市販するガス生成物としても提供することができる。リーン二酸化炭素流れは、脱水ユニットで処理され、販売する前に露点を下げることができる。リーン二酸化炭素流れの販売を望まない場合に、流れは、膨張機を通過して、流れを通気する前に機械的エネルギを回収することができる。
【００７１】
排気内のＣＯ及び未燃炭化水素の量を最小にすることが望ましいが、触媒は、製品ガス２２２中の酸素の量を下げるように選択することができる。これは、排気流れ内の残留酸素によるターゲット炭化水素の酸化が低減することになるので、原油２次回収において製品ガス２２２の有用性を増大させることができる。
【００７２】
排気のエネルギ回収及び再利用
図３は、膨張機排気部分２０８からの排気流れ２１８に対してＨＲＳＧ３０２を含むガスタービンシステム３００の概略図である。ＨＲＳＧ３０２は、中でも流れ過熱デバイス、流れ上昇デバイス、給水加熱デバイス、又は吸熱反応デバイスのようないくつかの熱回収ユニットを含むことができる。従って、本明細書で言及するあらゆるＨＲＳＧ３０２は、いずれかの他のタイプの熱回収ユニットと置換することができる。同様に付番された品目は、図１及び２に関して上述したようなものである。排気流れ２１８内の排気ガスは、以下に限定されるものではないが、未燃燃料、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、窒素、窒素酸化物、アルゴン、水、蒸気、又はこれらのいずれかの組合せを含むことができる。排気流れ２１８は、約４３０℃から約７２５℃に及ぶ温度及び約１０１ｋＰａ〜約１１０ｋＰａの圧力を有することができる。
【００７３】
概略図に示す実施形態において、燃焼により発生する熱を使用して入口水流れ３０４を沸騰させて、過熱することができる蒸気流れ３０６を発生させることができる。蒸気流れ３０６は、蒸気タービンから機械出力を発生させるために、又は公共施設に蒸気を提供するために、又は両方のために例えばランキンサイクルにおいて使用することができる。蒸気タービンからの機械出力を使用して、電気を発生させ、圧縮機を作動させなどにすることができる。本明細書で注目されるように、ガスタービンシステム３００は、あらゆるタイプの熱回収ユニット（ＨＲＵ）を使用することができるので、ＨＲＳＧ３０２に限定されない。例えば、熱は、熱交換器に回収され、温水又は他の加熱した流体を提供することができる。更に、有機作動流体（ＯＲＣ）に基づくランキンサイクルを使用して、それを機械的エネルギに変換することによって熱エネルギを回収することができる。
【００７４】
実施形態において、１つ又はそれよりも多くの触媒床３０８は、本明細書に説明するように、ＨＲＳＧ３０２に位置することができる。ＨＲＳＧ３０２内の触媒床３０８の部分は、触媒に対して望ましい反応温度によって決定することができる。例えば、ＯＳＣを有する酸化触媒のようなより高温で作動する触媒は、排気流れ２１８がＨＲＳＧ３０２に流入した直後の時点でＨＲＳＧ３０２に位置することができる。同様に、水ガスシフト触媒のようなより低温で作動する触媒は、例えば、製品ガス３１０がＨＲＳＧ３０２を離れる直前にかつＨＲＳＧ３０２の後の時点に位置することができる。
【００７５】
次に、冷却した排気流れ又は製品ガス３１０は、流れ２１４に対して再利用ガスを提供するなどの他の目的のために使用することができる。様々な他のセンサをシステムに加えて触媒反応をモニタし、かつ制御することができる。例えば、センサ３１２は、製品ガス３１０に置いて触媒反応の効率を決定することができる。これらのセンサ３１２は、膨張機排気部分２０８上のセンサ２０６に加えて使用して反応剤の存在を決定し、燃料及び酸化剤レベルを制御することができる。
【００７６】
燃焼機への当量比の制御
本明細書に説明する触媒及びＯＳＣ組合せは、当量比を制御するための必要性を低下させることができ、そのような制御は、製品ガス３１０中の酸素及び他の汚染物質の濃度を低減するのに有用である場合がある。上述のガスタービンシステムを使用して、個々に、群として、又は両方のいずれかで燃焼機１１０において燃焼工程を制御することができる。制御の目的は、燃料及び酸素の当量比の均衡を保つことを可能にすることができる。これを実施して、排気流れ内のＣＯ濃度によって表される未燃又は部分的に燃焼した炭化水素を最小にし、排気流れ内の消費されない酸素を最小にすることができる。当量比は、図４Ａ及び４Ｂに関して更に説明する。
【００７７】
図４Ａ及び４Ｂは、それぞれ０．７５〜１．２５及び０．９９９〜１．００１の当量比（φ）４０４変化として酸素及び一酸化炭素のモル分率４０２の間の平衡関係を示すシミュレーションのグラフィック描写である。最高の効率は、当量比が約１．０である時に達成することができる。当量比の関数としての酸素濃度は、線４０６として示されており、当量比の関数としての一酸化炭素濃度は、線４０８として示されている。当量比（φ）４０４は、（モル％燃料／モル％酸素）実／（モル％燃料／モル％酸素）当量に等しい。モル％燃料は、Ｆ燃料／（Ｆ酸素＋Ｆ燃料）に等しく、式中、Ｆ燃料は、燃料のモル流量に等しく、Ｆ酸素は、酸素のモル流量に等しい。
【００７８】
モル％酸素は、Ｆ酸素／（Ｆ酸素＋Ｆ燃料）に等しく、式中、Ｆ酸素は、酸素のモル流量に等しく、Ｆ燃料は、燃料のモル流量に等しい。酸素のモル濃度は、酸素混合気中の酸素対希釈剤の割合に依存し、Ｆ酸素／（Ｆ酸素＋Ｆ希釈剤）として計算することができる。本明細書に使用する時に、酸化剤の流量は、Ｆ酸化剤=（Ｆ酸素＋Ｆ希釈剤）として計算することができる。
【００７９】
当量比（φ）４０４が１よりも小さいか又は１よりも大きいと、排気ガス内の酸素及び二酸化炭素のモル分率又は濃度は変化する。例えば、当量比（φ）４０４が１よりも小さいと、酸素のモル分率は、約１の当量比（φ）４０４で約１ｐｐｍ（すなわち、約１．０×１０-6の酸素モル分率）から約０．９９９の当量比（φ）４０４で約１００ｐｐｍ（すなわち、約１．０×１０-4の酸素モル分率）に急速に増加する。同様に、当量比（φ）４０４が１よりも大きいと、一酸化炭素の濃度は、約０．９９９５の当量比（φ）４０４で約１ｐｐｍ（すなわち、約１．０×１０-6の一酸化炭素モル分率）から約１．００１の当量比（φ）４０４で約１００ｐｐｍ（すなわち、約１．０×１０-4の一酸化炭素モル分率）よりも高く急速に増加する。
【００８０】
少なくとも部分的に、センサ２０６（図２)又は３１２（図３）のようなセンサから得られるデータに基づいて、燃焼機１１０への酸化剤１１６の量及び／又は燃料１１４の量を調節し、望ましい組成を有する排気流れ２１８を発生させることができる。例えば、膨張機排気部分２０８又は冷却した排気流れ３１０における排気ガス内の酸素及び一酸化炭素濃度のモニタは、燃料１１４の燃焼がガスタービンエンジン１０２における当量比（φ）４０４の所定範囲に実施されるように、個々に又は全体としてのいずれかで燃焼機１１０に導入された酸化剤１６及び燃料１１４の量の調節を制御することを可能にする。
【００８１】
これを使用して、約３モル％未満、約２．５モル％未満、約２モル％未満、約１．５モル％未満、約１モル％未満、又は約０．５モル％未満の酸素及び一酸化炭素の複合濃度を有する排気流れ２１８を発生させることができる。更に、排気流れ２１８は、約４，０００ｐｐｍ未満、約２，０００ｐｐｍ未満、約１，０００ｐｐｍ未満、約５００ｐｐｍ未満、約２５０ｐｐｍ未満、又は約１００ｐｐｍ未満の複合酸素及び一酸化炭素を有することができる。一部の実施形態において、燃料１１４及び酸化剤１１６を調節して僅かにリッチな混合気を形成し、Ｏ2の代償としてＣＯの形成を高め、排気内の残留酸素の量を低減する。残りの酸素は、排気流れ内のＣＯによって減少させることができ、１０ｐｐｍ又はそれ未満の酸素含有量を有する製品ガスをもたらす。例えば、作動上偏位運動により過剰酸素が存在する場合に、ＯＳＣを使用して酸素の少なくとも一部を吸収することができる。この実施形態において、吸収された酸素は、混合気が僅かにリッチな状態に戻ると過剰ＣＯによって減少する。
【００８２】
燃焼機１１０における当量比（φ）４０４に対する望ましいか又は所定範囲を計算又は入力し、燃料１１４の燃焼を行って、望ましい量の酸素及び／又は一酸化炭素を含有する混合排気流れ４１８を発生させることができる。例えば、燃焼機１１０における当量比（φ）は、約０．８５から約１．１５の所定範囲に維持して、約０．５モル％、約０．８モル％、又は約１モル％の低濃度から約１．５モル％、約１．８モル％、約２モル％、又は約２．２モル％の高濃度に及ぶ複合酸素及び一酸化炭素濃度を有する排気流れ２１８を発生させることができる。別の例において、燃焼機１１０における当量比（φ）４０４は、約０．８５から約１．１５の範囲に維持して、２モル％未満、約１．９モル％未満、約１．７モル％未満、約１．４モル％未満、約１．２モル％未満、又は約１モル％未満の複合酸素及び一酸化炭素濃度を有する排気流れ２１８を発生させることができる。更に別の例において、燃焼機１１０における当量比（φ）は、約０．９６から約１．０４の範囲に維持され、約４，０００ｐｐｍ未満、約３，０００ｐｐｍ未満、約２，０００ｐｐｍ未満、約１，０００ｐｐｍ未満、約５００ｐｐｍ未満、約２５０ｐｐｍ未満、又は約１００ｐｐｍ未満の複合酸素及び一酸化炭素濃度を有する排気流れ２１８を発生させることができる。
【００８３】
図５は、実施形態に使用することができる当量比の分布を示す別のプロットである。図５において、ｘ軸５０２は当量比を表すが、ｙ軸５０４は、空間及び／又は時間的変動により特定の当量比によって発生する組成を有する排気流れの特定のモル分率組成を表している。プロット５００は、リッチ作動レジーム５０６、当量的作動レジーム５０８、及びリーン作動レジーム５１０を示している。各作動レジーム５０６、５０８、及び５１０に対して示す分布は、酸素及び不完全燃焼生成物の両方を含む排気ガスをもたらす燃焼機における変動を反映する。本明細書に説明する触媒は、両材料を還元することができる。
【００８４】
全ての燃焼機を制御して実質的に当量的な混合気を形成し、例えば、当量的作動レジーム５０８の標準偏差が約１になる場合に、燃料酸素混合気の当量は、ディザー処理することができる。この実施形態において、燃焼機への燃料、空気、又は両方の流量は、燃焼機が短期間中リーンに作動させてＯ２を有する触媒のＯＳＣを「装荷する」ように、当量的ポイントの周りで調節することができる。触媒床の下流のＯ２／ラムダセンサは、ＯＳＣを完全に装荷する時にＯ２を感知し、燃料又は空気又は両方の流量を当量的状態に戻すように命令する。このモードの作動は、ガスタービンからのあらゆるＣＯとの反応に十分なＯ２がＯＳＣに存在することを保証することになる。
【００８５】
燃焼機１１０が個々に制御される実施形態において、燃焼機１１０は、同じ設定値又は更には同じ範囲にある必要はないことに注意されたい。様々な実施形態において、異なるか又はバイアスされた設定値は、燃焼機１１０の各々に使用され、構成、性能、又は作動の差に対処することができる。これは、異なる燃焼機１１０の異なる作動特性が排気流れ２１８を許容できないレベルの酸素又は一酸化炭素で汚染させる状況を回避することができる。同様に、個々の燃焼機１１０の中での１００％未満の燃焼効率と当量比の差との組合せは、与えられたグローバル当量比４０４で図４Ａ及び４Ｂに示すレベルよりも大きいＣＯ４０８及び酸素４０６レベルの両方をもたらすことができることに注意されたい。
【００８６】
従って、本発明の技術の実施形態において、ガスタービン１０２を作動させるための２つの方法を使用する。第１の方法において、セット全体の燃焼機１１０は、単一エンティティとして、例えば、始動中に及び速度又は出力変化のようなグローバル設定値の調節に応答して作動する。第２の方法において、個々の燃焼機１１０は、個別にバイアスされ、例えば、摩耗、製造などの差を補償することができる。
【００８７】
セット全体の燃焼機１１０を作動するための１つの方法は、最初に、すなわち、始動時に、１よりも大きい当量比（φ）４０４で酸化剤１１６に燃料１１４及び酸素を導入する段階を含むことができる。例えば、始動時の当量比（φ）４０４は、約１．０００１、約１．０００５、約１．００１、約１．０５、又は約１．１の低い当量比から約１．１、約１．２、約１．３、約１．４、又は約１．５の高い当量比に及ぶ場合がある。別の例において、当量比（φ）４０４は、約１．０００１から約１．１、約１．０００５から約１．０１、約１．０００７から約１．００５、又は約１．０１から約１．１に及ぶ場合がある。グローバル調節に対して、排気流れ２１８内の酸素及び／又は一酸化炭素の濃度は、センサ２０６、２２４、又は３１２を通じて決定又は推定することができる。排気流れ２１８内の膨張排気ガスは、最初に、高濃度の一酸化炭素（例えば、約１，０００ｐｐｍよりも高いか又は約１０，０００ｐｐｍよりも高い）及び低濃度の酸素（例えば、約１０ｐｐｍ未満又は約１ｐｐｍ未満）を有することができる。
【００８８】
セット全体の燃焼機１１０を作動させるための別の方法は、最初に、すなわち、始動時に、１未満の当量比（φ）４０４で酸化剤１１６に燃料１１４及び酸素を導入する段階を含むことができる。例えば、始動時の当量比（φ）４０４は、約０．５、約０．６、約０．７、約０．８、又は約０．９の低い当量比から約０．９５、約０．９８、約０．９９、約０．９９９の高い当量比に及ぶ場合がある。別の例において、当量比（φ）４０４は、約０．９から約０．９９９、約０．９５から約０．９９、約０．９６から約０．９９、又は約０．９７から約０．９９に及ぶ可能性がある。排気流れ２１８内の膨張排気ガスは、最初に、高濃度の酸素（例えば、約１，０００ｐｐｍよりも高いか又は約１０，０００ｐｐｍよりも高い）及び低濃度の一酸化炭素（例えば、約１０ｐｐｍ未満又は、更に約１ｐｐｍ未満）を有することができる。
【００８９】
例えば、排気ガス内の酸素の濃度が、約１ｐｐｍ未満から約１００ｐｐｍよりも高く、約１，０００ｐｐｍ、約１モル％、約２モル％、約３モル％、又は約４モル％に増加する時に、オペレータ、制御システム２１２、又は両方は、１未満の当量比（φ）４０４に到達していると警告される場合がある。１つ又はそれよりも多くの実施形態において、酸化剤１１６及び燃料１１４による酸素の量は、一定に又は実質的に一定に維持され、１よりも僅かに小さい、例えば、約０．９９の当量比（φ）４０４を有する燃焼工程を提供することができる。酸化剤１１６による酸素の量は減少する可能性があり及び／又は燃料１１４の量は増加し、次に、一定の又は実質的に一定の量に維持され、所定範囲に含まれる当量比（φ）４０４を有する燃焼工程を提供することができる。例えば、排気流れ４１８内の酸素の濃度が、約１ｐｐｍ未満から約１，０００ｐｐｍ、約０．５モル％、約２モル％、又は約４モル％に増加する時に、酸化剤１１６により導入された酸素の量は、排気ガス内の酸素の増加が最初に検出される時の酸化剤１１６により導入された酸素の量に対して、約０．０１％、約０．０２％、約０．０３％、又は約０．０４％の低い量から、約１％、約２％、約３％、又は約５％の高い量に及ぶ量によって減少する可能性がある。別の例において、排気流れ２１８内の酸素の濃度が、約１ｐｐｐｍ未満から約１，０００ｐｐｍ又はそれよりも高く増加する時に、酸化剤１１６により導入される酸素の量は、排気ガス内の酸素の増加が検出される時の酸化剤１１６により導入された酸素の量に対して約０．０１％から約２％、約０．００３％から約１％、又は約０．０５％から約０．５％だけ減少する可能性がある。更に別の実施形態において、酸素の濃度が、約１ｐｐｐｍ未満から約１，０００ｐｐｍ又はそれよりも高くに増加する時に、燃料１１４の量は、排気ガス内の酸素の増加が最初に検出される時に導入された燃料１１４の量に対して約０．０１％、約０．０２％、約０．０３％、又は約０．０４％の低い量から、約１％、約２％、約３％、又は約５％の高い量に及ぶ量だけ増加する可能性がある。
【００９０】
ガスタービンシステム１０２の作動中に、当量比（φ）４０４は、ガスタービンシステム１０２の１つ又はそれよりも多くの変化が起こる時に排気流れ２１８の当量比（φ）４０４を変更又は変えることができる周期的時間間隔で、ランダムに、又は非周期的時間間隔で、又はこれらのいずれかの組合せで継続的にセンサ２０６、２２４、又は３１２によりモニタすることができる。例えば、当量比（φ）４０４を変更又は変える可能性があるガスタービンシステム１０に起こる場合がある変化は、燃料の組成の変化、酸化剤の組成の変化、例えば、炭素形成による触媒の分解、又はその組合せを含む可能性がある。従って、例えば、酸素及び／又は一酸化炭素の濃度をモニタすることができ、酸化剤１１６及び／又は燃料１１４の量に対する調節を行い、排気流れ２１８、製品ガス３１０、又は両方の中の酸素及び／又は一酸化炭素の量を制御することができる。
【００９１】
少なくとも１つの実施形態において、当量比（φ）４０４の減少は、区分的段階、非区分的段階、連続方式、又はこれらのいずれかの組合せに実施することができる。例えば、酸化剤１１６及び／又は燃料１１４の量は、当量比（φ）４０４が酸化剤１１６及び／又は燃料１１４に対する１調節当たり一定の又は実質的に一定の量、例えば、約０．００１、約０．０１、又は約０．０５変化するように調節することができる。別の例において、酸化剤１１６及び／又は燃料１１４の量は、当量比（φ）４０４が連続的に変化するように連続的に変更することができる。好ましくは、酸化剤１１６及び／又は燃料１１４の量は変更され、燃焼は、実質的に一貫した組成の排気ガスを生成するのに十分な期間にわたって実施され、その時点で、酸化剤１１６及び／又は燃料１１４の量を調節し、約０．００００１、約０．０００１、又は約０．０００５の低い量から、約０．００１、約０．０１、又は約０．０５の高い量に及ぶ量まで当量比（φ）４０４を変えることができる。排気流れ２１８が酸素の実質的に一貫した濃度に達した後に、酸化剤１１６及び／又は燃料１１４は、当量比（φ）４０４が変化するようにこの場合も同様に調節することができる。排気流れ４１８内の酸素及び／又は一酸化炭素の量をモニタすることができ、酸化剤１１６及び／又は燃料１１４の量は、排気流れ２１８が、例えば、約２モル％未満、又は約１．５モル％未満、又は約１モル％未満の酸素及び一酸化炭素の複合濃度を有するまで繰返し調節することができる。
【００９２】
燃焼機１１０は、排気流れ２１８が２モル％未満、１モル％未満、０．５モル％未満、又は約０．１モル％未満の複合酸素及び一酸化炭素濃度を有するように継続的に作動させることができる。別の例において、燃焼を燃焼機１１０内で行う間の時間にわたって、排気流れ４１８は、ガスタービンエンジン１０２を作動する間の時間の約５０％、５５％，６０％、６５％、７０％、７５％，８０％、８５％、９０％、又は約９５％にわたって２モル％未満又は約１モル％未満の複合酸素及び一酸化炭素濃度を有することができる。換言すると、燃焼を燃焼機１１０内で燃焼を行う大部分の時間にわたって、排気流れ４１８は、約２モル％未満、約１モル％未満、約０．５モル％未満、又は約０．１モル％未満の複合酸素及び一酸化炭素濃度を有することができる。
【００９３】
ガスタービンエンジン１０２の全体制御が設定された状態で、個々の燃焼機１１０に必要なバイアスを決定することができる。例えば、各個々の燃焼機１１０に対する酸化剤流量調節デバイス２０２は、制御システム２１２によって調節され、望ましい設定値又はその近くにセンサ２０６、２２４、又は３１２の測定値を維持することができる。いくつかの計算値は、各センサ２０６又は３１２の測定値から決定することができる。これらは、例えば、燃焼機１１０における酸化剤流量調節デバイス２０２の全てに対して同様の調節を行うのに使用することができる平均値を含むことができる。
【００９４】
これに加えて、例えば、２つ又はそれよりも多くのセンサ２０６、２２４、又は３１２の測定値の差に基づいて計算された様々な差の値を使用して、燃焼機１１０のうちの１つ又はそれよりも多くの上の酸化剤流量調節デバイス２０２に対してバイアス調節を行い、センサ２０６、２２４、又は３１２の測定値の間の差を最小にすることができる。制御システム２１２はまた、例えば、一度に燃焼機１１０の全てに対して酸化剤流量を変えるように圧縮機入口ガイドベーン（ＩＧＶ）又は速度制御をそのように調節することにより、酸化剤システム１１６を直接に調節することができる。更に、制御システム２１２は、例えば、ガスタービン１０２に対して選択された速度に応じて、全ての燃焼機１１０に対する燃料１１４に対して同様の調節を行うことができる。酸化剤に関して、燃焼機１１０の各々への給油は、個々にバイアスして燃焼の当量比を制御することができる。これは、図７に関して更に説明する。
【００９５】
提案された触媒の調製と共に、ガスタービンは、様々な実施形態において異なる手法を使用して制御することができる。燃焼の当量は、流出ガス内の酸素濃度を測定する触媒コンバータの下流のラムダセンサによって制御される。一部の実施形態において、ラムダセンサは、ガスタービン燃焼を切り換えてラムダが１よりも小さい時にリーンになり、ＯＳＣ内の全ての酸素は枯渇している。反対に、ラムダセンサは、ガスタービン燃焼を切り換えてラムダが１よりも大きい時にリッチになり、ＯＳＣは酸素で補充されている。閉ループラムダ制御のこの作動において、触媒出口における平均ラムダ値は、常に実質的に排気から酸素を除去するように１に等しい。
【００９６】
しかし、大きいフレームのガスタービンは、複数の缶燃焼機を有するが、全ての缶は、中心燃料バルブで共通燃料マニホルドに接続することができるが、各缶に対する酸化剤／希釈剤流量の差と共に燃料流量の小さい差が存在する。従って、当量的条件下で作動するように設計されたガスタービン内で、実当量は、図５に示すような分布に従うことができる。ガスタービンが当量的条件下で作動させている時に、リーンないくつかの缶及びリッチないくつかの缶が存在することになる。リーン缶は、ＯＳＣを補充することができる過剰Ｏ２を発生させることになるが、リッチ缶は、触媒にわたって酸化するＣＯを発生させることになる。しかし、均衡により、ラムダセンサはゼロＯ２を感知することになる。リッチ及びリーン条件は、以下に示すような分布におけるシフトによって引き起こされ、ラムダセンサがそれぞれ１よりも高い又は１よりも低いものを読むようにする。いずれの場合にも、燃料は、上述したように調節され、ガスタービンを当量的条件に戻すことができる。
【００９７】
図６は、センサのアレイからの読取に基づいて燃焼機１１０への燃料及び酸化剤レベルを調節する方法６００のブロック図である。ガスタービンエンジン１０２は、方法６００が始まる前に開始されており、燃焼機１１０の全ては、本質的に同じ混合気又は前の作動点を使用していると仮定することができる。本方法は、酸化剤に対する設定値が入力され、酸化剤が燃焼機に提供される時に、ブロック６０２で始まる。ブロック６０４において実質的に同時方式で、設定値は燃料に対して入力され、燃料は燃焼機に提供される。ブロック６０６において、燃焼工程は、提供された燃料及び酸化剤を消費する。
【００９８】
ブロック６０８において、排気ガスは、例えば、ＯＳＣを有する酸化触媒、水ガスシフト触媒、又は両方を含む１つ又はそれよりも多くの触媒床を通過する。ブロック６１０において、読取は、センサから得られる。読取は、Ｈ2Ｏ、Ｏ2、ＣＯ2、Ｈ2、及び他のガス成分の濃度を決定することにより、触媒工程の効率を示すことができる。これらを使用して、燃焼機へのグローバル調節を決定することができる。更に、排気膨張機リングに沿った個々のセンサを使用して、個々の燃焼機から濃度の合計及び差を決定することができる。合計及び差を組み合わせて、排気内の高酸素又は高一酸化炭素条件の一因となっている燃焼機を識別するのを補助することができる。これはまた、旋回図表によって実施することができ、旋回図表を使用して、各燃焼機が特定の位置で排気組成を作る相対寄与を決定する。ブロック６１２において、これらの燃焼機への燃料及び酸化剤の調節は、計算してあらゆるグローバル調節に追加することができる。次に、処理フローは、新しい設定値によってブロック６０２及び６０４に戻り、方法６００は繰り返される。
【００９９】
制御システム
図７は、ガスタービンエンジン内で燃焼機への酸化剤及び燃料を制御するのに使用することができるプラント制御システム７００のブロック図である。上述したように、制御システム７００は、ＤＣＳ、ＰＬＣ、ＤＤＣ、又はいずれかの他の適切な制御デバイスとすることができる。更に、センサ、バルブ、アクチュエータ、及び他の制御を含むあらゆるコントローラ、制御デバイス、又はモニタシステムは、ＩＥＣ６１１５８に従ってＦＩＥＬＤＢＵＳシステムのようなリアルタイム分配制御ネットワークの一部とすることができる。プラント制御システム７００は、個々に又は全体として燃焼機への燃料及び酸化剤を調節するのに使用する制御システムをホストすることができる。
【０１００】
制御システム７００は、プロセッサ７０２を有することができ、プロセッサ７０２は、単一コアプロセッサ、多重コアプロセッサ、又はプラント制御システム７００を通じてシステムに位置する一連の個々のプロセッサとすることができる。プロセッサ７０２は、バス７０４の上のプラント制御システム７００において分散プロセッサを含む他のシステムと通信することができる。バス７０４は、「イーサーネット」バス、ＦＩＥＬＤＢＵＳ、又は制御システム販売業者からの専用バスを含むいくつかの他のバスとすることができる。貯蔵システム７０６は、バス７０４に結合することができ、ハードドライブ、光学式ドライブ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）ドライブ、及びＲＡＭ及び読出専用メモリ（ＲＯＭ）を含むメモリのような持続性のコンピュータ可読媒体のあらゆる組合せを含むことができる。貯蔵システム７０６は、プラントに対して作動システム７０８を提供するのに使用するコード、並びに例えば上述の第１又は第２の方法に基づくタービン制御システム７１０を実施するコードを格納することができる。
【０１０１】
人間機械インタフェース７１２は、例えば、ディスプレイ７１４、キーボード７１６、及び１つ又はそれよりも多くの制御ステーションに位置するポインティングデバイス７１８を通じてプラント制御システム７００へのオペレータアクセスを提供することができる。ネットワークインタフェース７２０は、法人向けのローカルエリアネットワーク又は広域エリアネットワークのようなネットワーク７２２へのアクセスを提供することができる。
【０１０２】
プラントインタフェース７２４は、第１のガスタービンシステムに対して測定及び制御システムを提供することができる。例えば、プラントインタフェース７２４は、図２及び３に関して説明するセンサ２０６、２２４、及び３１２のようないくつかのセンサ７２６を読み取ることができる。プラントインタフェース７２４はまた、例えば、ガスタービン上の燃焼機に対して燃料を調節するのに使用する燃料流量制御器７２８を含むいくつかの制御器に対して調節を行うことができる。他の制御器は、ガスタービン上の燃焼機の各々に対する酸化剤流量調節デバイス上のアクチュエータ、酸化剤流量調節バルブ上のアクチュエータ、又は両方を調節するのに使用する酸化剤流量制御器７３０を含む。プラントインタフェース７２４はまた、ガスタービンによって提供される機械的エネルギから動力を発生させるのに使用する発生機のような他のプラントシステム７３２を制御することができる。追加のプラントシステム７３２はまた、酸化剤をガスタービンに供給するのに使用する圧縮機システムを含むことができる。
【０１０３】
プラント制御システム７００は、単一プラントインタフェース７２４に限定されない。より多くのタービンを追加する場合に、追加のプラントインタフェース７３４を追加し、これらのタービンを制御することができる。更に、機能性の分配は、図７に示すものに限定されない。異なる配置を使用することができ、例えば、１つのプラントインタフェースシステムは、いくつかのタービンを作動させることができるが、別のプラントインタフェースシステムは、圧縮機システムを作動させることができ、更に別のプラントインタフェースは、発電システムを作動させることができる。
【０１０４】
模擬結果
図８は、排気流れ内の選択された成分の濃度を低下させるように熱回収蒸気発生機（ＨＲＳＧ）における酸化触媒床の使用を示す模擬ガスタービンシステム８００の概略図である。図面に円に示す参照番号は、表１において示した流れ名称に対応する。表１の値は、シミュレーションで発生する条件及び濃度に対する結果である。シミュレーションは、ＡｓｐｅｃｔＴｅｃｈからの「ＨＹＳＹＳ処理モデリング」システムを使用して実施された。
【０１０５】
シミュレーション目的のために、空気８０２を酸化剤として使用したが、あらゆる数の他の酸化剤配合物を使用することができる。空気８０２は、空気８０２の温度の有意な増加を引き起こす主空気圧縮機８０４に給送された。主空気圧縮機８０４は、段と段の間で冷却することができる１つ又はそれよりも多くの圧縮機段を含むことができる。次に、圧縮空気は、燃焼機８１２の中に注入された。
【０１０６】
処理して硫黄化合物のような不純物を除去することができる燃料ガス８１４は、燃焼機８１２の中に注入された。燃料ガス８１４は、注入前に圧縮することができる。空気８０２及び燃料８０４は、シミュレーションにおいて燃焼機８１２の中に直接に注入されたが、いくつかの他の構成が可能であることは理解することができる。例えば、空気８０２及び燃料８１４は、燃焼機８１２の中に注入する前に混合することができる。
【０１０７】
燃焼機８１２からの排気ガスは、排気ガスの膨張によって回転される膨張機タービン８１６に流入した。膨張機タービン８１６から、排気ガスは、熱回収蒸気発生機（ＨＲＳＧ）８１８に流れた。ＨＲＳＧ８１８において、水流れ８２０を沸騰されて排気ガスを冷却する蒸気流れ８２２を形成する。
【０１０８】
（表１Ａ）
表１Ａ：ＨＲＳＧにおける触媒床のシミュレーション結果
2016514226.tif 000009
【０１０９】
（表１Ｂ）
表１Ｂ：ＨＲＳＧにおける触媒床のシミュレーション結果
2016514226.tif 000010
【０１１０】
酸化触媒床８２４は、表１に示すように、温度が依然として非常に高く、例えば、約４６８℃であった点においてＨＲＳＧ８１８に位置した。表１のシミュレーション結果は、酸化触媒床８２４を通過した排気が、約１３８７ｐｐｍｖから約６４１ｐｐｍｖに低下したＣＯの実質的な変化を有したことを示している。ＯＳＣの存在は、酸素を反応のために貯蔵することができるので、変換効率を高めることができる。
【０１１１】
水ガスシフト（ＷＳＧ）触媒床８２６は、ＨＲＳＧ８１８におけるより冷たい点、例えば、１４４℃に位置することができる。しかし、このシミュレーションにおいて、ＷＳＧ触媒を使用しなかったので、変化は見られなかった。
【０１１２】
ＨＲＳＧ８１８からの製品ガスは、圧力を引き上げるために圧縮機８３０に流れ、再利用流れを形成した。圧縮機８３０から、再利用流れは、凝縮ＨＲＳＧ８３２を通って流れた。凝縮ＨＲＳＧ８３２において、水８３４の流れは、再利用流れに対して加熱され、温水又は蒸気を含む出口流れ８３６を形成する。出口流れ８３６は、加熱及び公共施設のような他のプラント目的のために使用することができ、又はＨＲＳＧ８１８への水流れ８２０として使用することができる。再利用流れの冷却は、水８３８を再利用流れ内の水蒸気から凝縮させた。水８３８は、廃棄することができ、又は工程のために水源として使用して又は生成物として移出することができる。
【０１１３】
凝縮ＨＲＳＧ８３２から、再利用流れは、シャフト８４２を通じて膨張機タービン８１６によって提供される機械的エネルギにより動力を供給する圧縮タービン８４０に給送された。シャフトは、シミュレーションにおいて直接接続を提供するように示すが、個別のユニット、複数のシャフトなどを含む他の構成を使用することができる。更に、シャフト８４２は、電力を提供する発電機まで延びることができる。次に、圧縮再利用流れは、燃焼機８１２の中に再注入されて冷却された。
【０１１４】
シミュレーションにおいて、支流流れは、燃焼機８１２から除去され、処理パージとして機能した。支流流れは、個別の酸化触媒床８４４を通って流れ、酸化触媒床８４４は、シミュレーション結果において、ＣＯ含有量の例えば３ｐｐｍｖ〜２ｐｐｍｖの僅かな減少、水素レベルの例えば２４５３から１０７９ｐｐｍへの大幅な減少、酸素レベルの例えば７８５から９７ｐｐｍへの大幅な減少、及び水濃度の例えば５．８３から５．９７％への僅かな増加を引き起こした。次に、パージ８４６を使用して、廃熱回収ユニット（例えば、ＨＲＳＧと類似の機能の熱交換器）において追加の蒸気を発生させるか又は熱を処理するのに使用され、圧縮され、グリコール又は類似の脱水ユニットにおいて脱水され、及び／又はＣＯ２リッチとＣＯ２リーン流れに分離することができる。パージ８４６又はＣＯ２リッチ又はＣＯ２リーン流れは、実質的に、強化炭化水素回収、ＣＯ２隔離、又は両方の目的のために地下リザーバの中に注入することができる。燃料８１４の一部分は、触媒床に分岐することができることに注意することができる。
【０１１５】
実施形態
この技術の実施形態は、以下の付番した項目に示す方法及びシステムのあらゆる組合せを含むことができる。これは、あらゆる数の変形を以上の記述から想定することができるので、全ての可能な実施形態の完全なリストとして考えないものとする。
１．酸化剤システムと、燃料システムと、制御システムと、酸化剤システムから酸化剤及び燃料システムから燃料を受け取って燃焼させ、排気ガスを生成するようになった燃焼機と、排気ガス内の酸素の濃度を低下させて低酸素含有製品ガスを形成するように構成された酸素貯蔵成分を含む酸化触媒を含む触媒ユニットとを含むガスタービンシステム。
２．触媒が、族８−１０からの元素と、耐熱性酸化物と、約０．１から約５．０の耐熱性酸化物に対する比率にあるランタノイド酸化物とを含む項目１のガスタービンシステム。
３．族８−１０からの元素が、約０．１から約１００，０００の間の比率でプラチナ及びパラジウムの混合物を含む項目２のガスタービンシステム。
４．耐熱性酸化物が、アルミナ、シリカ、チタニア、又はジルコニア、又はこれらのいずれかの組合せを含む項目２又は項目３のガスタービンシステム。
５．触媒が、ロジウムを含む項目２、項目３、又は項目４のガスタービンシステム。
６．触媒が、約５０％未満の比率でアルカリ酸化物、又はアルカリ土類金属酸化物、又はこれらのいずれかの混合物を含む項目２から項目４のいずれか１項のガスタービンシステム。
７．触媒が、約０．１と約１００，０００の間の比率でプラチナ及びパラジウムの混合物と、ジルコニアと、ジルコニアに対して約０．１から約５．０の間の比率にあるセリアとを含む項目１から項目６のいずれか１項のガスタービンシステム。
８．触媒が、約０．１と約１００，０００の間の比率でプラチナ及びパラジウムの混合物と、ジルコニアと、ジルコニアに対して約０．１から約５．０の間の比率にあるセリアと、ロジウムとを含む項目１から項目７のいずれか１項のガスタービンシステム。
９．触媒が、約０．１と約１００，０００の間の比率でプラチナ及びパラジウムの混合物と、ジルコニアと、ジルコニアに対して約０．１から約５．０の間の比率にあるセリアと、ジルコニア及びセリアの約５０％未満の比率で酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、又は酸化バリウム、又はこれらのいずれかの組合せとを含む項目１から項目８のいずれか１項のガスタービンシステム。
１０．触媒が、約０．１と約１００，０００の間の比率でプラチナ及びパラジウムの混合物と、ジルコニアと、ジルコニアに対して約０．１から約５．０の間の比率にあるセリアと、ロジウムと、ジルコニア及びセリアの約５０％未満の比率で酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、又は酸化バリウム、又はこれらのいずれかの組合せとを含む項目１から項目９のいずれか１項のガスタービンシステム。
１１．制御システムと通信するセンサを含み、センサが、排気ガス、低ＣＯ含有製品ガス、又は両方の少なくとも１つのパラメータを測定するようになっており、制御システムが、センサによって測定されたパラメータに少なくとも部分的に基づいて酸化剤、燃料、又は両方を調節するように構成される項目１から項目１０のいずれか１項のガスタービンシステム。
１２．排気ガスを受け入れ、かつ排気ガスの残留熱から蒸気を発生させるように構成された熱回収蒸気発生機（ＨＲＳＧ）を含む項目１から項目１１のいずれか１項のガスタービンシステム。
１３．ＨＲＳＧが、触媒床を含む項目１２のガスタービンシステム。
１４．触媒床が、約２００℃と６００℃の間の温度に達するＨＲＳＧ内のゾーンに位置付けられる項目１３のガスタービンシステム。
１５．各燃焼機のための酸化剤流量調節デバイスを含む項目１から項目１４のいずれか１項のガスタービンシステム。
１６．酸化剤流量調節デバイスが、流量制御バルブを含む項目１５のガスタービンシステム。
１７．複数の燃焼機の各々への酸化剤流れが、個々に調節される項目１６のガスタービンシステム。
１８．ガスタービンエンジンの膨張機部分の出口とガスタービンエンジンの圧縮機部分の入口との間の再循環ループを含む項目１から項目１７のいずれか１項のガスタービンシステム。
１９．再循環ループ内の第２の熱回収ユニットを含む項目１８のガスタービンシステム。
２０．再循環ループに設置されたセンサを含み、センサが、低ＣＯ含有製品ガス内の成分を測定するように構成される項目１８又は項目１９のガスタービンシステム。
２１．再循環ループ内のブースター送風機を含み、ブースター送風機が、ＨＲＳＧの下流に配置される項目１８、項目１９，又は項目２０のガスタービンシステム。
２２．生成物流れを冷却するガスタービンエンジンの圧縮機部分の上流の再循環ループ内の熱交換器を含む項目１８から項目２１のいずれか１項のガスタービンシステム。
２３．ガス脱水ユニットを含む項目１から項目２２のいずれか１項のガスタービンシステム。
２４．製品ガスをリーン二酸化炭素流れとリッチ二酸化炭素流れとに分離するように構成された二酸化炭素分離ユニットを含む項目１から項目２３のいずれか１項のガスタービンシステム。
２５．触媒が、族１０金属からの元素と、耐熱性酸化物と、約０．１から約５．０の耐熱性酸化物に対する比率にあるランタノイド酸化物とを含む項目１から項目２４のいずれか１項のガスタービンシステム。
２６．族１０金属からの元素が、約０．１と約１００，０００の間の比率でプラチナ及びパラジウムの混合物を含む項目２５のガスタービンシステム。
２７．耐熱性酸化物が、アルミナ、シリカ、チタニア、又はジルコニア、又はこれらのいずれかの組合せを含む項目２５のガスタービンシステム。
２８．触媒が、ロジウムを含む項目２５のガスタービンシステム。
２９．触媒が、約５０％未満の比率でアルカリ酸化物、又はアルカリ土類金属酸化物、又はこれらのいずれかの混合物を含む項目２５のガスタービンシステム。
３０．排気ガスから熱エネルギを除去するように構成された熱交換器と、排気ガス内のターゲットガスの濃度を低下させるように構成され、酸素貯蔵成分（ＯＳＣ）を含む触媒床とを含む熱回収ユニット。
３１．水ガスシフト触媒の作動に向けて選択された温度領域に位置する水ガスシフト触媒を含む第２の触媒床を含む項目３０の熱回収ユニット。
３２．排気ガスがチューブの上を通過する時に水を蒸気に沸騰させるように構成された水循環チューブと、金属触媒部位を保持する耐熱性酸化物支持体を含み、チューブの少なくとも一部分の上にある表面コーティングとを含む熱回収蒸気発生機を含む項目３０又は項目３１の熱回収ユニット。
３３．ガスタービン上の燃焼機に燃料を供給する段階と、燃焼機に酸化剤を供給する段階と、燃焼機内で燃料及び酸化剤を燃焼させて排気ガスを生成する段階と、酸素貯蔵成分（ＯＳＣ）触媒を有する触媒を含む触媒床に排気ガスの少なくとも一部分を通過させて低酸素含有製品ガスを形成する段階とを含むガスタービン内で燃料を燃焼させる方法。
３４．燃料リッチ条件下でガスタービンを作動させて排気ガス内の酸素の量を低減する段階を含む項目３３の方法。
３５．大部分の時間にわたって実質的に当量的な条件下でガスタービンを作動させる段階と、短期間のリッチ作動条件を散在させて酸素を使い尽くす段階と、リーン作動条件の期間を散在させてＯＳＣを再装荷する段階とを含む項目３３又は項目３４の方法。
３６．熱回収ユニット内で排気ガスを冷却する段階と、排気ガスを冷却して水を凝縮し、乾燥排気ガスを形成する段階と、乾燥排気ガスを圧縮して希釈剤を形成する段階とを含む項目３３、項目３４，又は項目３５の方法。
３７．希釈剤の第１の部分を燃料、酸化剤、及び排気ガスのうちの少なくとも１つと混合して燃焼機、排気ガス、又は両方を冷却する段階を含む項目３３から項目３６のいずれか１項の方法。
３８．ガスタービンから希釈剤の第２の部分を抽出する段階と、一酸化炭素、水素、及び未燃炭化水素を二酸化炭素及び水蒸気に酸化して低酸素含有製品ガスを生成するように構成された酸化触媒ユニットに希釈剤の第２の部分を送出する段階とを含む項目３３から項目３７のいずれか１項の方法。
３９．酸化流れを圧縮する段階と、酸化流れの一部分を酸化剤として燃焼機に供給する段階とを含む項目３３から項目３８のいずれか１項の方法。
４０．燃料流れを圧縮する段階と、燃料流れの一部分を燃料として燃焼機に供給する段階とを含む項目３３から項目３９のいずれか１項の方法。
４１．希釈剤の第１の部分を燃焼機に送出する前に希釈剤を圧縮する段階と、希釈剤の第２の部分を抽出する段階とを含む項目３８の方法。
４２．燃料の第２の部分を脱酸素燃料として酸化触媒ユニットに供給する段階を含む項目３７の方法。
４３．酸化剤の第２の部分を酸化性物質として触媒ユニットに供給する段階を含む項目３５の方法。
４４．本質的に周囲の空気を酸化剤として供給する段階を含む項目３６の方法。
４５．排気ガスのパラメータを測定する段階と、燃料流量、酸化剤流量、又は両方を調節してパラメータをターゲット設定値範囲内に調節する段階とを含む項目３３から項目４４のいずれか１項の方法。
４６．低酸素含有製品ガスのパラメータを測定する段階と、燃料流量、酸化剤流量、又は両方を調節してパラメータをターゲット設定値範囲内に調節する段階とを含む項目３３から項目４５のいずれか１項の方法。
４７．排気ガス、低ＣＯ含有製品ガス、又は両方内の酸素濃度、一酸化炭素濃度、水素濃度、未燃炭化水素濃度、窒素酸化物、又はこれらのいずれかの組合せを含むパラメータを測定する段階を含む項目３３から項目４５のいずれか１項の方法。
４８．パラメータから当量比を決定する段階を含む項目４５の方法。
４９．燃料対酸化剤の比率を調節して実質的に当量の混合物を形成する段階を含む項目３３から項目４８のいずれか１項の方法。
５０．燃料対酸化剤の比率を調節して一酸化炭素（ＣＯ）の約１００百万分の一（ｐｐｍ）とＣＯの約５０００ｐｐｍの間を含む排気ガスを得る段階を含む項目３３から項目４９のいずれか１項の方法。
５１．排気ガスを用いて膨脹機タービンを駆動する段階と、機械的出力を発生させる段階とを含む項目３３から項目５０のいずれか１項の方法。
５２．一酸化炭素、水素、及び未燃炭化水素を二酸化炭素及び水蒸気に酸化するように構成された酸化触媒床に排気ガスを通過させる段階を含む項目３３から項目５１のいずれか１項の方法。
５３．低酸素含有製品ガスの少なくとも一部分を地下リザーバ内に注入する段階を含む項目３３から項目５２のいずれか１項の方法。
５４．低酸素含有製品ガスのその部分を地下リザーバ内に注入する前に圧縮機を用いて低酸素含有製品ガスを圧縮する段階を含む項目５３の方法。
５５．ガス脱水ユニット内で低酸素含有製品ガスの少なくとも一部分を処理する段階を含む項目３５の方法。
５６．二酸化炭素分離ユニット内で低酸素含有製品ガスの少なくとも１つの少なくとも一部分を処理してリーン二酸化炭素流れ及びリッチ二酸化炭素流れを生成する段階を含む項目３５の方法。
５７．リーン二酸化炭素流れの少なくとも一部分を地下リザーバ内に注入する段階を含む項目５６の方法。
５８．リッチ二酸化炭素流れの少なくとも一部分を地下リザーバ内に注入する段階を含む項目５６の方法。
５９．リッチ二酸化炭素流れの少なくとも一部分を炭素隔離ユニットに供給する段階を含む項目５６の方法。
６０．リーン二酸化炭素流れを地下リザーバ内に注入する前にリーン二酸化炭素流れの少なくとも一部分を圧縮する段階を含む項目５７の方法。
６１．炭化水素回収の強化のために、リッチ二酸化炭素流れを地下リザーバに送出する前にリッチ二酸化炭素流れの少なくとも一部分を少なくとも１つのリッチ製品圧縮機に対して更に圧縮する段階を含む項目５８の方法。
６２．リッチ二酸化炭素流れを炭素隔離ユニットに供給する前にリッチ二酸化炭素流れの少なくとも一部分を圧縮する段階を含む項目５９の方法。
６３．ガス脱水ユニット内でリーン二酸化炭素流れの少なくとも一部分を処理する段階を含む項目５６の方法。
６４．ガス脱水ユニット内でリッチ二酸化炭素流れの少なくとも一部分を処理する段階を含む項目５６の方法。
６５．熱回収蒸気発生機内で排気ガスを冷却して蒸気を生成する段階を含む項目３３から項目６４のいずれか１項の方法。
６６．蒸気を用いて蒸気タービンを駆動する段階と、機械的出力を発生させる段階とを含む項目６５の方法。
６７．蒸気を用いて処理流体を加熱する段階を含む項目６５の方法。
６８．熱回収ユニット内で排気ガスを冷却する段階と、処理流体を加熱する段階とを含む項目３３から項目６７のいずれか１項の方法。
６９．低酸素含有製品ガス内の酸素濃度、一酸化炭素濃度、水素濃度、未燃炭化水素濃度、窒素酸化物、又はこれらのいずれかの組合せを含むパラメータを測定する段階を含む項目３５の方法。
７０．脱酸素燃料の流量を調節してパラメータをターゲット範囲に到達させる段階を含む項目６９の方法。
７１．酸化剤の流量を調節してパラメータをターゲット範囲に到達させる段階を含む項目６９の方法。
【０１１６】
本発明の技術は、様々な修正及び代替形態を受けやすい場合があるが、上述の例示的な実施形態は、単に一例として示したものである。しかし、この技術は、本明細書に説明した特定の実施形態に限定されるように意図していないことを再度理解すべきである。実際に、本発明の技術は、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲に該当する全ての代替物、修正物、及び均等物を含む。
【符号の説明】
【０１１７】
１００  ガスタービンシステム
１０２  ガスタービンエンジン
１０４  圧縮機
１０６  膨張機
１１２  ライン
【図１】
2016514226.tif 000011
【図２】
2016514226.tif 000012
【図３】
2016514226.tif 000013
【図４Ａ】
2016514226.tif 000014
【図４Ｂ】
2016514226.tif 000015
【図５】
2016514226.tif 000016
【図６】
2016514226.tif 000017
【図７】
2016514226.tif 000018
【図８】
2016514226.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成27年8月10日(2015.8.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンシステムであって、
酸化剤システムと、
燃料システムと、
制御システムと、
前記酸化剤システムから酸化剤及び前記燃料システムから燃料を受け取って燃焼させ、排気ガスを生成するようになった燃焼機と、
前記排気ガス内の酸素の濃度を低下させて低酸素含有製品ガスを形成するように構成された酸素貯蔵成分を含む酸化触媒を含む触媒ユニットと、を含み、
前記ガスタービンシステムは、大部分の時間にわたって実質的に当量的な条件下で作動するように構成されている、ことを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項２】
前記触媒は、
族８−１０からの元素と、
耐熱性酸化物と、
約０．１から約５．０の前記耐熱性酸化物に対する比率にあるランタノイド酸化物と、
を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項３】
族８−１０からの前記元素は、約０．１から約１００，０００の間の比率でプラチナ及びパラジウムの混合物を含むことを特徴とする請求項２に記載のガスタービンシステム。
【請求項４】
前記耐熱性酸化物は、アルミナ、シリカ、チタニア、又はジルコニア、又はこれらのいずれかの組合せを含むことを特徴とする請求項２に記載のガスタービンシステム。
【請求項５】
前記触媒は、ロジウムを含むことを特徴とする請求項２に記載のガスタービンシステム。
【請求項６】
前記触媒は、約５０％未満の比率でアルカリ酸化物、又はアルカリ土類金属酸化物、又はこれらのいずれかの混合物を含むことを特徴とする請求項２に記載のガスタービンシステム。
【請求項７】
前記触媒は、
約０．１と約１００，０００の間の比率でプラチナ及びパラジウムの混合物と、
ジルコニアと、
前記ジルコニアに対して約０．１から約５．０の間の比率にあるセリアと、
を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項８】
前記触媒は、
約０．１と約１００，０００の間の比率でプラチナ及びパラジウムの混合物と、
ジルコニアと、
前記ジルコニアに対して約０．１から約５．０の間の比率にあるセリアと、
ロジウムと、
を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項９】
前記触媒は、
約０．１と約１００，０００の間の比率でプラチナ及びパラジウムの混合物と、
ジルコニアと、
前記ジルコニアに対して約０．１から約５．０の間の比率にあるセリアと、
前記ジルコニア及びセリアの約５０％未満の比率で酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、又は酸化バリウム、又はこれらのいずれかの組合せと、
を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項１０】
前記触媒は、
約０．１と約１００，０００の間の比率でプラチナ及びパラジウムの混合物と、
ジルコニアと、
前記ジルコニアに対して約０．１から約５．０の間の比率にあるセリアと、
ロジウムと、
前記ジルコニア及びセリアの約５０％未満の比率で酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、又は酸化バリウム、又はこれらのいずれかの組合せと、
を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項１１】
前記制御システムと通信するセンサを含み、
前記センサは、前記排気ガス、前記低ＣＯ含有製品ガス、又は両方の少なくとも１つのパラメータを測定するようになっており、
前記制御システムは、前記センサによって測定された前記パラメータに少なくとも部分的に基づいて前記酸化剤、前記燃料、又は両方を調節するように構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項１２】
前記排気ガスを受け入れ、かつ該排気ガスの残留熱から蒸気を発生させるように構成された熱回収蒸気発生機（ＨＲＳＧ）を含むことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項１３】
前記ＨＲＳＧは、触媒床を含むことを特徴とする請求項１２に記載のガスタービンシステム。
【請求項１４】
前記触媒床は、約２００℃と６００℃の間の温度に達する前記ＨＲＳＧ内のゾーンに位置付けられることを特徴とする請求項１３に記載のガスタービンシステム。
【請求項１５】
各燃焼機のための酸化剤流量調節デバイスを含むことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項１６】
前記酸化剤流量調節デバイスは、流量制御バルブを含むことを特徴とする請求項１５に記載のガスタービンシステム。
【請求項１７】
複数の燃焼機の各々への前記酸化剤流れは、個々に調節されることを特徴とする請求項１６に記載のガスタービンシステム。
【請求項１８】
ガスタービンエンジンの膨張機部分の出口と該ガスタービンエンジンの圧縮機部分の入口との間の再循環ループを含むことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項１９】
前記再循環ループ内の第２の熱回収ユニットを含むことを特徴とする請求項１８に記載のガスタービンシステム。
【請求項２０】
前記再循環ループに設置されたセンサを含み、
前記センサは、前記低ＣＯ含有製品ガス内の成分を測定するように構成される、
ことを特徴とする請求項１８に記載のガスタービンシステム。
【請求項２１】
前記再循環ループ内のブースター送風機を含み、
前記ブースター送風機は、前記ＨＲＳＧの下流に配置される、
ことを特徴とする請求項１８に記載のガスタービンシステム。
【請求項２２】
前記生成物流れを冷却する前記ガスタービンエンジンの前記圧縮機部分の上流の前記再循環ループ内の熱交換器を含むことを特徴とする請求項１８に記載のガスタービンシステム。
【請求項２３】
ガス脱水ユニットを含むことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項２４】
前記製品ガスをリーン二酸化炭素流れとリッチ二酸化炭素流れとに分離するように構成された二酸化炭素分離ユニットを含むことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項２５】
前記触媒は、
前記族１０金属からの元素と、
耐熱性酸化物と、
約０．１から約５．０の前記耐熱性酸化物に対する比率にあるランタノイド酸化物と、
を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンシステム。
【請求項２６】
前記族１０金属からの前記元素は、約０．１と約１００，０００の間の比率でプラチナ及びパラジウムの混合物を含むことを特徴とする請求項２５に記載のガスタービンシステム。
【請求項２７】
前記耐熱性酸化物は、アルミナ、シリカ、チタニア、又はジルコニア、又はこれらのいずれかの組合せを含むことを特徴とする請求項２５に記載のガスタービンシステム。
【請求項２８】
前記触媒は、ロジウムを含むことを特徴とする請求項２５に記載のガスタービンシステム。
【請求項２９】
前記触媒は、約５０％未満の比率でアルカリ酸化物、又はアルカリ土類金属酸化物、又はこれらのいずれかの混合物を含むことを特徴とする請求項２５に記載のガスタービンシステム。
【請求項３０】
ガスタービンシステムのための熱回収ユニットであって、
ガスタービンから受けた排気ガスから熱エネルギを除去するように構成された熱交換器と、
前記排気ガス内のターゲットガスの濃度を低下させるように構成され、酸素貯蔵成分（ＯＳＣ）を含む触媒床と、
を含むことを特徴とする熱回収ユニット。
【請求項３１】
水ガスシフト触媒の作動に向けて選択された温度領域に位置する該水ガスシフト触媒を含む第２の触媒床を含むことを特徴とする請求項３０に記載の熱回収ユニット。
【請求項３２】
前記排気ガスがチューブの上を通過する時に水を蒸気に沸騰させるように構成された水循環チューブと、
金属触媒部位を保持する耐熱性酸化物支持体を含み、前記チューブの少なくとも一部分の上にある表面コーティングと、
を含む熱回収蒸気発生機を含むことを特徴とする請求項３０に記載の熱回収ユニット。
【請求項３３】
ガスタービン内で燃料を燃焼させる方法であって、
ガスタービン上の燃焼機に燃料を供給する段階と、
前記燃焼機に酸化剤を供給する段階と、
前記燃焼機内で前記燃料及び前記酸化剤を燃焼させて排気ガスを生成する段階であって、前記ガスタービンを大部分の時間にわたって実質的に当量的な条件下で作動することを含む段階と、
酸素貯蔵成分（ＯＳＣ）触媒を有する触媒を含む触媒床に前記排気ガスの少なくとも一部分を通過させて低酸素含有製品ガスを形成する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３４】
燃料リッチ条件下で前記ガスタービンを作動させて前記排気ガス内の酸素の量を低減する段階を含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
短期間のリッチ作動条件を散在させて酸素を使い尽くす段階と、
リーン作動条件の期間を散在させて前記ＯＳＣを再装荷する段階と、
を含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
熱回収ユニット内で前記排気ガスを冷却する段階と、
前記排気ガスを冷却して水を凝縮し、乾燥排気ガスを形成する段階と、
前記乾燥排気ガスを圧縮して希釈剤を形成する段階と、
を含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
前記希釈剤の第１の部分を前記燃料、前記酸化剤、及び前記排気ガスのうちの少なくとも１つと混合して前記燃焼機、排気ガス、又は両方を冷却する段階を含むことを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
熱回収蒸気発生機内で前記排気ガスを冷却して蒸気を生成する段階を含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３９】
熱回収ユニット内で前記排気ガスを冷却する段階と、
処理流体を加熱する段階と、
を含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項４０】
前記低酸素含有製品ガス内の酸素濃度、一酸化炭素濃度、水素濃度、未燃炭化水素濃度、窒素酸化物、又はこれらのいずれかの組合せを含むパラメータを測定する段階を含むことを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【国際調査報告】
2016514226.tif 000020
2016514226.tif 000021