(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガス通路（２７，６１）と、冷却流体通路（２８，６２）と、冷却流体（４２）を高温排ガス（４１）と混合させるための混合デバイス（３１）と、窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去するために前記排ガス通路内に配置された少なくとも１つの選択的触媒還元触媒（３９）と、還元剤（３６）を供給するための少なくとも第１の手段（３４）と、を備える、化石燃料を動力源とするエンジン（２６）のための排気ダクト（１５，２４，６０）であって、
前記混合デバイス（３１）が、第１の壁部（５１）及び反対側の第２の壁部（５２）を有する混合チャンバ（５０）を備え、前記第１の壁部及び前記第２の壁部が、前記排ガス通路内で前記選択的触媒還元触媒（３９）の上流に配置され、前記排ガス通路の断面積（６４）にわたって延在し、前記第１の壁部及び前記第２の壁部が、貫通孔（５４）によって有孔とされ、前記第１の壁部の貫通孔が、前記混合チャンバ（５０）を通って延在するパイプ（５５）によって、前記第２の壁部（５２）の貫通孔（５４）とペアで接続され、前記パイプが、前記混合チャンバ内への少なくとも１つの孔（５６）によって有孔とされ、前記冷却流体通路（２８，６２）が、前記混合チャンバ内に終端しており、
前記第１の壁部を貫通する前記貫通孔（５４）の開口部（６７）及び前記第２の壁部を貫通する前記貫通孔（５４）の開口部（６７）が、前記第１の壁部及び前記第２の壁部の表面（６８）上で、両壁部の実質的に全領域にわたってかつ均一に分配されている、ことを特徴とする排気ダクト（１５，２４，６０）。
【請求項２】
還元剤（３６）を供給するための前記第１の手段（３４）が、還元剤が前記冷却流体通路（２８，６２）内に供給されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の排気ダクト（１５，２４，６０）。
【請求項３】
還元剤を供給するための前記第１の手段（３４）が、前記還元剤が前記冷却流体通路（２８，６２）の冷却流体ファン（３２）の流体吸入部（３３）で噴射されるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の排気ダクト（１５，２４，６０）。
【請求項４】
還元剤を供給するための前記第１の手段（３４）が、尿素成分及び／又はアンモニア成分を含む還元剤（３６）を供給するように構成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の排気ダクト（１５，２４，６０）。
【請求項５】
還元剤を供給するための前記第１の手段（３４）が、液体又は蒸気である前記還元剤を前記冷却流体（５８）内に噴霧するように構成された１つ以上の噴射ノズル（３５）を備えていることを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の排気ダクト（１５，２４，６０）。
【請求項６】
前記混合チャンバ（５０）の前記パイプ（５５）が、前記パイプを通って流れる前記高温排ガスの乱流を増大させるための少なくとも１つのタービュレータ（５７）を内側に備えていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の排気ダクト（１５，２４，６０）。
【請求項７】
前記第１の壁部（５１）及び前記第２の壁部（５２）における前記貫通孔（５４）の断面積（５９）の和が、前記排ガス通路の流入部（６６）と前記排ガス通路（２７，６１）の下流出口（６９）との間の圧力降下を２５ｍｂａｒ以下に維持するように構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の排気ダクト（１５，２４，６０）。
【請求項８】
ガスタービン（１）と、排気ダクト（１５，６０）と、を備える発電所（２２）であって、前記排気ダクトが、請求項１から７のいずれか一項に記載の排気ダクトであることを特徴とする発電所。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、希釈選択的触媒還元システムを備える、化石燃料を動力源とするエンジンのための排気ダクトに関する。
【０００２】
排気ダクトは、排ガス通路と、冷却流体通路と、冷却流体を高温排ガスと混合させるための混合デバイスと、窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去するために排ガス通路内に配置された少なくとも１つの選択的触媒還元触媒（ＳＣＲ触媒）と、還元剤を供給するための少なくとも第１の手段と、を備えている。
【０００３】
これに加えて、本発明は、このような排気ダクトのための混合デバイスと、発電所と、に関する。
【背景技術】
【０００４】
本発明は、化石燃料を動力源とするエンジンの廃ガス浄化の分野、特に、単純サイクルガスタービンのための廃ガス浄化の分野と、ガスタービン、優先的には単純サイクルガスタービンを備える発電所と、に関する。化石燃料を動力源とするエンジンによって放出される排ガス中には、さまざまな有害物質が、化石燃料の燃焼に起因して含まれている。このような有害物質は、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む。これらの有害物質の放出量の規制は、強化されてきており、このため、煙道ガスをクリーンにするために最先端のシステムを改良することを必要とする。
【０００５】
単純サイクルガスタービンは、ピーク時の電力需要の間、発電のために使用される。これらのガスタービンは、比較的短い期間に、かつしばしば部分負荷で動作する。単純サイクルガスタービンを有する発電所は、ガスタービン及び蒸気タービンを備える複合サイクル発電所と比較して、１つのみの動力サイクルを有する。ガスタービンを有するほとんどの発電所は、処理することなく煙道ガスを大気中に出す。除去すべき化合物は、主に、窒素酸化物（ＮＯｘ）及び一酸化炭素（ＣＯ）である。
【０００６】
双方の物質の除去のために、単純サイクルガスタービンの煙道ガスをクリーンにするための触媒プロセスを使用することが提案されてきた。触媒（触媒体）は、ほとんどのタービン排気温度（およそ６００℃）よりも低い４２５℃までの温度に耐えることができる。単純サイクルガスタービンの排ガスからＮＯｘを除去するための提案されたプロセスは、選択的触媒還元（ＳＣＲ）として公知であり、煙道ガスが選択的触媒還元触媒体を通過する前に煙道ガス内に還元剤（アンモニアＮＨ３及び／又は尿素）を噴射することを含む。希釈システムが、廃ガススチームに低温外気を供給することによって触媒体にとって適切な温度まで煙道ガスを冷却するために提案されてきた。ＮＯｘを除去するためのこのような触媒プロセスは、希釈ＳＣＲと称される。単純サイクルガスタービンの排ガスからＣＯを除去するための提案されたプロセスは、触媒体を使用する。
【０００７】
単純サイクルガスタービンの排気ダクトが、提案された希釈ＳＣＲシステムを備えている場合、
−  高温煙道ガスと冷却ガスとの不十分な混合。
−  異なるガスタービン負荷での異なるＮＯｘ濃度分布。還元剤、アンモニア及び／又は尿素の噴射は、ＮＯｘ濃度分布と対応させられる必要があり、これは、希釈ＳＣＲシステムを備えたガスタービンの排気ダクトではほとんど不可能である。
−  単純サイクルガスタービンの部分負荷動作でのガスタービン排気速度分布が、全負荷のガスタービン排気速度分布と非常に異なる。これは、触媒体での非常に不均一な速度分布につながる可能性がある。これは、触媒体にわたって変化する滞留時間をもたらし、ＮＯｘ及び還元剤の不十分な転換（ＮＨ３スリップと称される、転換されていないアンモニア及び／又は尿素が触媒体を出ていくこと）につながる可能性がある。
の問題のいくつかが生じる可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、動作中に汚染物質の排出を減少させることを可能にする、化石燃料を動力源とするエンジン、優先的には単純サイクルガスタービンのための冒頭に記載されたタイプの排気ダクトと、当該排気ダクトによって含まれる混合デバイスと、ガスタービン及び排気ダクトを備える発電所と、を規定するという目的に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
目的は、冒頭に記載されたタイプの排気ダクトの場合に、混合デバイスが、第１の壁部及び反対側の第２の壁部を有する混合チャンバを備え、第１の壁部及び第２の壁部が、排ガス通路内で選択的触媒還元触媒の上流に配置され、排ガス通路の断面積にわたって延在し、双方の壁部が、貫通孔によって有孔とされ、第１の壁部の貫通孔が、混合チャンバを通って延在するパイプによって、第２の壁部の貫通孔とペアで接続され、パイプが、混合チャンバ内への少なくとも１つの孔によって有孔とされ、冷却流体通路が、混合チャンバ内に終端する、本発明により達成される。
【００１０】
冷却流体は、外気もしくは冷却ガス又は冷却空気／ガスとスチームもしくは蒸気もしくは液滴との混合物であってもよい。
【００１１】
混合チャンバの第１の壁部及び第２の壁部は、貫通孔によって有孔とされたプレートとして構築されてもよい。
【００１２】
従って、排ガス通路内に冷却流体を供給するために、本発明による混合チャンバを有する排気ダクトを備えることが提案される。本発明による混合チャンバは、排ガス通路の断面積にわたって煙道ガスの速度分布を均質にする、煙道ガスのための整流器のように作用する。これに加えて、混合チャンバは、冷却流体噴射器のように作用し、冷却流体（例えば外気）は、排ガス通路内に均質な方式で噴射され、混合チャンバからパイプ内に吸引される冷却流体の量がパイプ内の静圧に起因してパイプ内の煙道ガスの速度とともに増大するという利点を有する。これは、化石燃料を動力源とするエンジンの動作状態が変化することに起因して煙道ガスの速度分布が異なる場合に、混合スチームの冷却流体と煙道ガスとの割合をより一定に維持する。冷却流体と煙道ガスとのより一定の割合は、少なくとも１つの触媒体での最適化された状態に起因して汚染物質の排出を減少させる、少なくとも１つの触媒体での均質な温度及び速度分布をもたらす。混合チャンバは、排ガス通路内に噴射される冷却流体の量に関して自己調整式に働く。
【００１３】
本発明の有利な構成は、以下の説明及び従属請求項に記載され、それらの特徴は、個々に適用されても、互いに任意の組み合わせで適用されてもよい。
【００１４】
有利には、還元剤を供給するための第１の手段が、還元剤が冷却流体通路内に供給されるように構成されることが規定される。
【００１５】
冷却流体通路の冷却流体の速度分布が、異なるガスタービン負荷、そして排ガス通路内での廃ガス速度によって与えられる影響がより小さくなるので、還元剤と冷却流体とのより一定の割合が生じ、冷却流体及び還元剤が、ともに混合チャンバを介して煙道ガス内に噴射され、この結果、還元剤を排ガス通路内に直接噴射する最先端の技術の場合よりも還元剤と煙道ガスとの間の割合が一定となる。還元剤と煙道ガスとの間のより小さい変動割合（減少されたＮＨ３スリップ）に起因して、汚染物質の排出が減少される。
【００１６】
有利には、還元剤を供給するための第１の手段が、還元剤が冷却流体通路の冷却流体ファンの流体吸入部で噴射されるように構成されることがさらに規定される。
【００１７】
還元剤及び冷却流体は、還元剤と冷却流体との均質な混合物をもたらす冷却流体ファンによって混合させられる。
【００１８】
還元剤を供給するための第１の手段が、尿素成分及び／又はアンモニア（ＮＨ３）成分を含む還元剤を供給するように構成されることが有利であるとも考えられる。
【００１９】
還元剤としてのアンモニア又は尿素の使用は、選択的触媒還元にとって十分に証明されている。
【００２０】
還元剤を供給するための第１の手段が、液体又は蒸気である還元剤を冷却流体内に噴霧するように構成された１つ以上の噴射ノズルを備えることが有利であるとも考えられる。
【００２１】
混合チャンバのパイプが、パイプを通って流れる排ガスの乱流を増大させるための少なくとも１つのタービュレータを内側に備えることが有利であるとも考えられる。
【００２２】
これは、還元剤を含む冷却流体と煙道ガスとの改善された混合をもたらし、煙道ガス中のＮＯｘの除去を増大させる。タービュレータは、フィン又は止まり孔として構築することができる。パイプは、スロットル付きパイプとして内側で構築することができる。
【００２３】
第１の壁部及び第２の壁部における貫通孔の断面積の和が、排ガス通路の流入部と排ガス通路の下流出口との間の圧力降下を２５ｍｂａｒ以下に維持するように構成され、優先的には和が、第１の壁部及び第２の壁部の表面積の２５％であることが有利であるとも考えられる。
【００２４】
混合チャンバにおける第１の壁部での前方側と第２の壁部での逆側との間の圧力降下は、発電所のための単純サイクルガスタービンの排気ダクトについて排ガス通路の流入部と排ガス通路の下流出口との間の２５ｍｂａｒ以下の圧力降下の条件を満たすために、例えば１１ｍｂａｒである。貫通孔の断面積の和が、発電所のための単純サイクルガスタービンの排気ダクトの寸法に対して第１の壁部及び第２の壁部の表面の２５％である場合、混合チャンバは、例えば１５０のパイプを備えている。
【００２５】
第１の壁部及び第２の壁部を貫通する貫通孔の開口部が、第１の壁部及び第２の壁部の表面で均一に分配されることが有利であるとも考えられる。
【００２６】
これは、整流器として作用する混合チャンバの能力を改善する。
【００２７】
本発明のさらなる目的は、動作中に汚染物質の排出を減少させることを可能にする、ガスタービン、優先的には単純サイクルガスタービンと、排気ダクトと、を備える発電所を規定することである。
【００２８】
このために、発電所の排気ダクトは、請求項１から８のいずれかで規定されるように実現される。
【００２９】
本発明のさらなる目的は、動作中に汚染物質の排出を減少させることを可能にする、冷却流体を高温排ガスと混合させるための、化石燃料を動力源とするエンジンのための冒頭で記載されたタイプの排気ダクト用の混合デバイスを規定することである。
【００３０】
このために規定された混合デバイスは、冷却流体を高温排ガスと混合させるための排気ダクト用の混合チャンバであって、第１の壁部及び反対側の第２の壁部と、排気ダクトの冷却流体通路のための少なくとも１つの入口と、を備え、第１の壁部及び第２の壁部が、排気ダクトの排ガス通路内に配置されるように構成され、かつ排ガス通路の断面積にわたって延在するように構成され、第１の壁部及び第２の壁部双方が、貫通孔によって有孔とされ、第１の壁部の貫通孔が、混合チャンバを通って延在するパイプによって、第２の壁部の貫通孔とペアで接続され、パイプが、混合チャンバ内への少なくとも１つの孔によって有孔とされている、混合チャンバで実現される。
【００３１】
さらなる都合の良い構成及び利点は、図面の図を参照する本発明の例示的な実施形態の説明によって提供され、図面中において、同じ機能を有する構成要素は、同じ参照符号によって指定される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】従来技術のガスタービンの長手方向断面での概略図である。
【図２】単純サイクルガスタービンを有する発電所の概略図である。
【図３】希釈ＳＣＲシステムを有する提案された技術によるガスタービンのための排気ダクトの長手方向断面での概略図である。
【図４】本発明による混合チャンバの概略斜視図である。
【図５】本発明による混合チャンバのパイプの概略斜視図である。
【図６】本発明による排気ダクトの概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１は、概略的に簡素化された表し方で、従来技術によるガスタービン１の断面図を示す。ガスタービン１の内部では、ガスタービン１は、ロータ３を有し、ロータ３は、回転軸２周りで回転可能となるように取り付けられ、シャフト４を有し、タービンロータとも称される。ロータ３に沿って、吸入ハウジング６と、コンプレッサ８と、バーナー１１、バーナーのための燃料供給システム（図示せず）及び燃焼チャンバハウジング１２を有するバーナー装置をそれぞれ備える１つ以上の燃焼チャンバ１０を有する燃焼システム９と、タービン１４と、排気ダクト１５と、が連続して設けられている。燃焼チャンバ１０は、例えば環状燃焼チャンバである。
【００３４】
図１に表された燃焼システム９は、例えば環状の高温ガスチャネルと連通する。高温ガスチャネルでは、複数のタービン段が連続して接続されてタービン１４を構成している。各タービン段は、ブレードリングによって構成されている。作動媒体の流れ方向で見ると、高温チャネル内では、一列のロータブレード１８が一列のガイドブレード１７に続いている。この場合、ガイドブレード１７は、ステータ１９の内部ハウジングに固定される一方で、一列のロータブレード１８は、例えばタービンディスクによりロータ３に取り付けられている。例えば、発電機（図示せず）が、ロータ３に連結されている。
【００３５】
ガスタービンの動作中に、空気が、吸入ハウジング６を通じて吸引され、コンプレッサ８によって圧縮される。コンプレッサ８のタービン側端部で提供された圧縮空気Ｌ”は、バーナープレナム７に沿って燃焼システム９へガイドされ、燃焼システム９では、バーナー装置の領域において、圧縮空気Ｌ”は、バーナー１１内に送られ、バーナー１１内において燃料と混合させられかつ／又はバーナー１１の流出領域で燃料が濃くされる。燃料供給システムは、この場合、バーナーに燃料を供給する。混合物、すなわち圧縮空気及び燃料は、バーナー１１から燃焼チャンバ１０内に放出されて燃焼し、燃焼チャンバの燃焼チャンバハウジング１２内の燃焼ゾーンにおいて作動ガスの高温流れを形成する。燃焼ゾーンから、作動ガスの流れは、ガイドブレード１７及びロータブレード１８を通り過ぎるように高温ガスチャネルに沿って流れる。ロータブレード１８では、作動ガスの流れは、インパルス伝達方式で膨張し、このため、ロータブレード１８が、ロータ３を駆動し、ロータ３が、ロータ３に連結された発電機（図示せず）を駆動する。
【００３６】
図２は、ガスタービン１と、ガスタービン１のタービン出口に連結された排気ダクト１５と、発電機２３と、を備える、従来技術による発電所２２の概略図を示す。ガスタービン１は、動作中にロータ３を駆動し、ロータ３は、電力を生成するために発電機を駆動する。ガスタービン１の出口ポートを出る高温煙道ガスは、排気ダクト１５を介して大気中に流れる。
【００３７】
図３は、希釈選択的触媒還元システム（希釈ＳＣＲシステム）を有する提案された技術によるガスタービン１のための排気ダクト２４を長手方向断面で概略的に示す。化石燃料を動力源とするエンジン２６であるガスタービン１は、タービン出口で排気ダクト２４の流入部に連結される。排気ダクト２４は、排ガス通路２７を備え、排気ダクト２４内では、冷却流体通路２８が、冷却流体通路２８のための入口３０を介して排ガス通路２７内に終端する。入口３０は、混合デバイス３１として作用する。冷却流体ファンの流体吸入部３３を有する冷却流体ファン３２が、冷却流体通路２８の反対側の端部に配置されている。冷却流体通路２８のための入口３０の下流には、還元剤３６を供給するための第１の手段３４が、排ガス通路２７内に還元剤３６を噴霧するために噴射ノズル３５を有して、排ガス通路内に配置されている。還元剤を供給するための第１の手段３４は、貯蔵タンク３７に流体接続されており、第１の手段３４への還元剤３６の流れは、分配及び流れ制御ユニット３８によって制御される。還元剤を供給するための第１の手段３４の下流には、（ＳＣＲ触媒体とも称される）選択的触媒還元触媒３９が配置され、下流にはＣＯ触媒体４０が続いており、触媒体は、排ガス通路２７の断面積にわたって延在している。触媒体は、第１の手段３４と、分配及び流れ制御ユニット３８と、貯蔵タンク３７と、流体ファン３２を有する冷却流体通路２８と、とともに、排ガス浄化装置４４と、希釈選択的触媒還元システム４５（希釈ＳＣＲシステム）と、を一緒に形成する。
【００３８】
動作中に、ガスタービン１によって生じた排ガス４１は、排気ダクト２４の排ガス通路２７内に流れ、冷却流体通路２８からの冷却流体４２と混合させられ、第１の手段３４の噴射ノズル３５によって還元剤３６を噴霧される。還元剤３６に起因して、排ガスのＮＯｘ成分のいくらかは、選択的触媒還元触媒３９によってＨ２Ｏ及びＮ２に還元される。燃料ガスのＣＯ成分のいくらかは、ＣＯ触媒体４０によって除去され、浄化された燃料ガス４３は、排ガスダクト２７の下流出口で排気ダクトを出ていく。
【００３９】
図４は、本発明による排気ダクトのための混合チャンバ５０を概略的に示す。冷却流体を排ガスと混合させるための混合チャンバ５０は、排ガス通路の断面積にわたって延在するように構成された、第１の壁部５１及び反対側の第２の壁部５２と、混合チャンバ５０内に終端する冷却流体通路のための少なくとも１つの入口５３と、を備え、第１の壁部５１及び第２の壁部５２は、双方が貫通孔５４によって有孔とされている。より詳細に図５によって示されるように、第１の壁部５１の貫通孔５４は、混合チャンバ５０を通って延在するパイプ５５によって、第２の壁部５２の貫通孔５４とペアで接続され、パイプ５５は、混合チャンバ５０内への少なくとも１つ又は２つ以上の孔５６によって有孔とされている。第１の壁部５１及び第２の壁部５２における貫通孔５４の断面積５９の和は、排ガス通路の流入部（図６の位置６６）と、排ガス通路の下流出口（図６の位置６９）と、の間の圧力降下を２５ｍｂａｒ以下に維持するように構成される。貫通孔５４の開口部６７は、第１の壁部５１及び第２の壁部５２の表面６８上で均一に分配される。表面６８は、排ガス通路の断面積（図６の位置６４）と同じサイズを有する。
【００４０】
図５は、より詳細に図４によって示される混合チャンバ５０のパイプ５５を概略的に示す。パイプ５５は、混合チャンバ５０を通って延在し、第１の壁部５１の貫通孔５４を第２の壁部５２の貫通孔５４と接続する。パイプ５５は、混合チャンバ５０内に開く１つ又は２つ以上の孔５６によって有孔とされている。パイプ５５は、パイプを通って流れる排ガスの乱流を増大させるためのタービュレータ５７を内側に備え、冷却流体５８は、パイプ内の流れによって生じさせられる静圧に起因してパイプ５５内に吸引される。
【００４１】
図６は、本発明による排気ダクト６０を概略的に示し、排気ダクト６０は、排ガス通路６１と、冷却流体通路６２と、図４によって示されるように排ガス通路６１のセクション６３として構築された混合チャンバ５０と、を有し、混合チャンバ５０は、排ガス通路６１内で選択的触媒還元触媒６５の上流に配置されかつ排ガス通路６１の断面積６４にわたって延在する、第１の壁部５１及び反対側の第２の壁部５２を備えている。排ガス通路の流入部６６で排ガス通路６１に入った煙道ガスは、混合チャンバ５０のパイプ内で、冷却流体通路６２からの冷却流体及び還元剤と混合させられ、途中で触媒体６５を通過して、排ガス通路６１の下流出口６９へ通過する。
【符号の説明】
【００４２】
１  ガスタービン、１５，２４，６０  排気ダクト、２２  発電所、２６  エンジン、２７，６１  排ガス通路、２８，６２  冷却流体通路、３１  混合デバイス、３２  冷却流体ファン、３３  流体吸入部、３４  第１の手段、３５  噴射ノズル、３６  還元剤、３９  選択的触媒還元触媒、４１  高温排ガス、４２  冷却流体、５０  混合チャンバ、５１  第１の壁部、５２  第２の壁部、５３  入口、５４  貫通孔、５５  パイプ、５６  孔、５７  タービュレータ、５８  冷却流体、５９  断面積、６４  断面積、６６  流入部、６７  開口部、６８  表面、６９  下流出口、ＮＯｘ  窒素酸化物
【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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