(57)【要約】  本出願は、ガスタービン（１０）の燃焼ガス流（３５）と共に使用するための選択的触媒還元システム（１００）を提供する。選択的触媒還元システム（１００）は、フィンガーミキサー（１５０）と、フィンガーミキサー（１５０）の下流に配置されたいくつかの混合ボックス（２６０）と、焼き戻し空気システム（１４０）の下流に配置された触媒（１３０）と、を有する焼き戻し空気システム（１４０）を含むことができる。焼き戻し空気システム（１４０）は、燃焼ガス流（３５）が触媒（１３０）に到達する前に燃焼ガス流（３５）を冷却する。【選択図】図２
2020522637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼ガス流（３５）と共に使用するための選択的触媒還元システム（１００）であって、
フィンガーミキサー（１５０）と、前記フィンガーミキサー（１５０）の下流に配置された複数の混合ボックス（２６０）と、を含む焼き戻し空気システム（１４０）と、
前記焼き戻し空気システム（１４０）の下流に配置された触媒（１３０）と
を含み、
前記燃焼ガス流（３５）が前記触媒（１３０）に到達する前に、前記焼き戻し空気システム（１４０）が前記燃焼ガス流（３５）を冷却する、選択的触媒還元システム（１００）。
【請求項２】
前記焼き戻し空気システム（１４０）の前記フィンガーミキサー（１５０）は、前記燃焼ガス流（３５）に冷却空気流（１７５）を注入する、請求項１に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
【請求項３】
前記フィンガーミキサー（１５０）は、前記冷却空気流（１７５）のための空気供給部（１７０）を含む、請求項２に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
【請求項４】
前記フィンガーミキサー（１５０）は、前記空気供給部（１７０）と連通する入口空気ダクト（１６０）を含む、請求項３に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
【請求項５】
前記フィンガーミキサー（１５０）は複数のフィンガーダクト（１８０）を含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
【請求項６】
前記複数のフィンガーダクト（１８０）は、前記入口空気ダクト（１６０）と連通する入口（２２０）と、前記冷却空気流（１７５）を前記燃焼ガス流（３５）に注入するための出口（２３０）と、を含む、請求項５に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
【請求項７】
前記フィンガーミキサー（１５０）は、長さが徐々に短くなる複数のフィンガーダクト（１８０）を含む、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
【請求項８】
前記複数のフィンガーダクト（１８０）は、実質的な三角形の構成を含む、請求項７に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
【請求項９】
前記複数の混合ボックス（２６０）は複数の混合プレート（２５０）を含む、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
【請求項１０】
前記複数の混合プレート（２５０）は、複数の列および複数の行に配置される、請求項９に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
【請求項１１】
前記複数の混合ボックス（２６０）は複数の混合トンネル（２７０）を画定する、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
【請求項１２】
前記焼き戻し空気システム（１４０）は、選択的触媒還元システム入口部（１１０）の周りに配置される、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
【請求項１３】
前記選択的触媒還元システム入口部（１１０）は、前記燃焼ガス流（３５）を垂直方向に向けるように垂直な向き（１１５）を含む、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
【請求項１４】
前記触媒（１３０）は、選択的触媒還元システムディフューザ部（１２０）の周りに配置される、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
【請求項１５】
燃焼ガス流（３５）を用いて選択的触媒還元システム（１００）を動作させる方法であって、
前記燃焼ガス流（３５）を前記選択的触媒還元システム（１００）内に流すステップと、
冷却空気流（１７５）を前記燃焼ガス流（３５）に注入するステップと、
前記燃焼ガス流（３５）と前記冷却空気流（１７５）とを複数の混合ボックス（２６０）内で混合するステップと、
前記混合された流れを触媒（１３０）と反応させるステップと、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願およびその結果の特許は、一般にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、ガスタービン選択的触媒還元システムにおける触媒の上流の高温燃焼ガスの温度を低下させるための焼き戻し空気システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの燃焼プロセスでは、窒素酸化物および他のタイプの規制された排出物が生成される。窒素酸化物排出物の全体レベルを低減するための１つの解決策は、選択的触媒還元システムの使用である。一般的に説明すると、選択的触媒還元システムは、窒素酸化物および還元剤を選択的に吸収するように、流れを触媒床に通す前に、燃焼ガス流に還元剤、通常アンモニアまたは尿素を添加する。吸収された成分は触媒表面上で化学反応を起こし、反応生成物が脱離される。具体的には、反応物は燃焼ガス流中の窒素酸化物と反応して水と窒素を生成する。他のタイプの触媒および他のタイプの還元剤を使用することができる。
【０００３】
選択的触媒還元システムの全体的な効率は、部分的には燃焼ガス流の温度に依存する場合がある。具体的には、選択的触媒還元システムの効率的な温度範囲は比較的狭い。そのため、高温の燃焼ガス流は、一般に、触媒に達する前に冷却されなければならない。さらに、ガス流は触媒に到達する前に実質的に均一な温度プロファイルを有するべきである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１５／３３０２７４号明細書
【発明の概要】
【０００５】
本出願および得られた特許は、燃焼ガス流と共に使用するための選択的触媒還元システムを提供する。選択的触媒還元システムは、フィンガーミキサーと、フィンガーミキサーの下流に配置されたいくつかの混合ボックスと、焼き戻し空気システムの下流に配置された触媒と、を有する焼き戻し空気システムを含むことができる。焼き戻し空気システムは、燃焼ガス流を冷却し、燃焼ガス流が触媒に到達する前に全体的な温度プロファイルを均一化する。
【０００６】
本出願および得られた特許は、燃焼ガス流により選択的触媒還元システムを動作させる方法をさらに提供する。本方法は、燃焼ガス流を選択的触媒還元システム内に流すステップと、冷却空気流を燃焼ガス流に注入するステップと、燃焼ガス流と冷却空気流とをいくつかの混合ボックス内で混合するステップと、混合された流れを触媒で反応させるステップと、を含むことができる。
【０００７】
本出願および得られた特許は、選択的触媒還元システムに入る燃焼ガス流と共に使用するための焼き戻し空気システムをさらに提供する。焼き戻し空気システムは、冷却空気流と、冷却空気流を燃焼ガス流に注入するためのフィンガーミキサーと、フィンガーミキサーの下流に配置され、冷却空気流と燃焼ガス流とを実質的に均一なプロファイルに混合するいくつかの混合ボックスと、を含むことができる。
【０００８】
本出願および得られる特許のこれらの特徴および改良ならびに他の特徴および改良は、以下の詳細な説明を、いくつかの図および添付の特許請求の範囲と併せて検討することにより、当業者にとって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】圧縮機、燃焼器、タービン、負荷、および選択的触媒還元システムを示すガスタービンエンジンの概略図である。
【図２】本明細書に記載することができる選択的触媒還元システムの斜視図である。
【図３】図２の選択的触媒還元システムのさらなる斜視図である。
【図４】図２の選択的触媒還元システムの正面図である。
【図５】図２の選択的触媒還元システムと共に使用することができるフィンガーミキサーの側面平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
ここで図面を参照すると、いくつかの図面を通して同一の符号は同一の要素を示し、図１は、本明細書で使用することができるガスタービンエンジン１０の概略図を示す。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含むことができる。圧縮機１５は、流入する空気２０の流れを圧縮する。圧縮機１５は、圧縮された空気２０の流れを燃焼器２５に供給する。燃焼器２５は、圧縮された空気２０の流れを加圧された燃料３０の流れと混合し、その混合物に点火して、燃焼ガス流３５を生成する。燃焼器２５を１つのみ示しているが、ガスタービンエンジン１０は、円周方向アレイなどに配置された任意の数の燃焼器２５を含むことができる。燃焼ガス流３５は、次いでタービン４０に送られる。燃焼ガス流３５は、タービン４０を駆動して機械的仕事を発生する。タービン４０で発生した機械的仕事は、シャフト４５および発電機などの外部負荷５０を介して圧縮機１５を駆動する。
【００１１】
ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、様々な種類の合成ガス、液体燃料、および／または他の種類の燃料、ならびにこれらの混合物を使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、様々な構成を有することができ、他の種類の構成要素を使用してもよい。他の種類のガスタービンエンジンも、本明細書において使用することができる。複数のガスタービンエンジン、他の種類のタービン、および他の種類の発電機器もまた、共に本明細書で使用することができる。
【００１２】
ガスタービンエンジン１０はまた、選択的触媒還元システム５５を含むことができる。選択的触媒還元システム５５は、タービン４０の下流に配置することができ、ある長さのダクト６０などを介して燃焼ガス流３５と連通することができる。上述のように、選択的触媒還元システム５５は、燃焼ガス流３５と反応するようにその中に触媒６５を含むことができる。多くの異なる種類の選択的触媒還元システム５５および触媒６５を本明細書で使用することができる。
【００１３】
図２〜図４は、本明細書に記載することができる選択的触媒還元システム１００の一例の概略図を示す。選択的触媒還元システム１００は、ガスタービンエンジン１０などと共に使用することができる。選択的触媒還元システム１００は、入口部１１０を含むことができる。入口部１１０は、ダクト６０などを介してタービン４０からの燃焼ガス流３５と連通することができる。入口部１１０は、実質的に垂直な向き１１５を有することができる。垂直な向き１１５は、燃焼ガス流３５を実質的に垂直方向または上向きの方法に向けることができる。入口部１１０は、任意の適切なサイズ、形状、または構成を有してもよい。入口部１１０は、ディフューザ部１２０に通じてもよい。ディフューザ部１２０は、燃焼ガス流３５を、増加する静圧で断面積が流れの方向に徐々に増加するケーシングを通って導くことができる。ディフューザ部１２０は、任意の適切なサイズ、形状、または構成を有してもよい。触媒１３０は、ディフューザ部１２０の周りに配置することができる。触媒１３０は、従来の設計であってもよく、適切な担体および活性触媒成分から製造されてもよい。様々な種類の触媒１３０を本明細書で使用することができる。触媒１３０は、任意の適切なサイズ、形状、または構成を有してもよい。注入器（図示せず）は、燃焼ガス流３５に還元剤を注入するために触媒１３０の周りに配置されてもよい。他の構成要素および他の構成を、本明細書において使用してもよい。
【００１４】
選択的触媒還元システム１００はまた、焼き戻し空気システム１４０を含むことができる。焼き戻し空気システム１４０は、流入する燃焼ガス流３５と一列に並ぶように入口部１１０の周りに配置することができる。上述のように、焼き戻し空気システム１４０は、燃焼ガス流３５の温度を下げ、流れ３５が触媒１３０に到達する前に流れ分布プロファイルを実質的に均一にすることができる。
【００１５】
焼き戻し空気システム１４０は、フィンガーミキサー１５０を含むことができる。一般的に説明すると、フィンガーミキサー１５０は、燃焼ガス流３５内に突出するいくつかのフィンガー状要素を含むことができる。図５に示すように、フィンガーミキサー１５０は、入口空気ダクト１６０を含むことができる。入口空気ダクト１６０は、冷却空気流１７５を燃焼ガス流３５内に供給するために、空気供給部１７０または他の種類の空気移動装置と連通してもよい。空気供給部１７０は、従来の設計であってもよく、任意の適切なサイズ、形状、構成、または容量を有してもよい。
【００１６】
フィンガーミキサー１５０の入口空気ダクト１６０は、いくつかのフィンガーダクト１８０と連通してもよい。この例では、第１のフィンガーダクト１９０、第２のフィンガーダクト２００、および第３のフィンガーダクト２１０が示されているが、任意の数のフィンガーダクト１８０を本明細書で使用することができる。フィンガーダクト１８０は、長方形または正方形の断面形状などを有する管状要素の形態であってもよい。フィンガーダクト１８０は、互いに隣接して配置されてもよい。フィンガーダクト１８０は、第１のフィンガーダクト１９０が最も長く、徐々に短くなる長さを有し、したがって、次のフィンガーダクト１８０と比較して、燃焼ガス流３５の流れの中にさらに浸透することができる。図示するように、フィンガーダクト１８０の組み立てられたアレイは、実質的に三角形の構成などを有してもよい。フィンガーダクト１８０の各々は、入口空気ダクト１６０と連通する入口２２０と、冷却空気流１７５を注入するように燃焼ガス流３５の周りに配置された出口２３０と、を有する。複数の出口２３０もまた、フィンガーダクト１８０の各々の長さに沿って使用されてもよい。フィンガーダクト１８０は、任意の適切なサイズ、形状、または構成を有することができる。他の構成要素および他の構成を、本明細書において使用してもよい。
【００１７】
焼き戻し空気システム１４０はまた、混合部２４０を含むことができる。混合部２４０は、フィンガーミキサー１５０の下流に配置されてもよい。混合部２４０は、いくつかの混合プレート２５０を含むことができる。混合プレート２５０は、いくつかの混合ボックス２６０を形成するように、（上から見て）垂直方向および水平方向にいくつかの列および行に延在することができる。混合プレート２５０および混合ボックス２６０は、任意の適切なサイズ、形状、または構成を有することができる。本明細書では、任意の数の混合プレート２５０および混合ボックス２６０を使用することができる。混合ボックス２６０は、それを通る複数の混合トンネル２７０を画定することができる。混合トンネル２７０は、任意の適切なサイズ、形状、または構成を有することができる。混合トンネル２７０は、燃焼ガス流３５と冷却空気流１７５とをその中で均一に混合することができる。本明細書では、ガス流をそらせて混合させる任意の形状を使用することができる。他の構成要素および他の構成も本出願で用いることができる。
【００１８】
使用時には、タービン４０からの高温の燃焼ガス流３５が、ダクト６０を介して選択的触媒還元システム１００の入口部１１０に入り、垂直な向き１１５が与えられると上方に向く。高温の燃焼ガス流３５は、フィンガーミキサー１５０のフィンガーダクト１８０を通ってその周りを通過し、一方、空気供給部１７０および入口ダクト１６０からの冷却空気流１７５は、フィンガーダクト１８０の出口２３０を通って燃焼ガス流３５内に注入される。したがって、燃焼ガス流３５および冷却空気流１７５は、全体の流れの温度を低下させるように混合を開始する。このような混合は、燃焼ガス流３５および冷却空気流１７５が、混合部２４０の混合ボックス２６０の混合トンネル２７０を通って流れるにつれてさらに促進される。さらに、混合ボックス２６０は、流れの全体的な温度分布プロファイルを実質的に均一にする。冷却され混合された流れ３５は、その後に、ディフューザ部１２０を通り、触媒１３０の周りを通ってそれと反応することができる。
【００１９】
したがって、焼き戻し空気システム１４０を有する選択的触媒還元システム１００は、タービン４０からの燃焼ガス流３５を触媒１３０の効率的な使用のための適切な温度範囲内に冷却する。具体的には、フィンガーミキサー１５０が適切な量の冷却空気流１７５を注入し、その間に混合ボックス２６０およびそれを通る混合トンネル２７０が流れを安定させ、触媒１３０への全体的な流れ分布を改善する。焼き戻し空気システム１４０はまた、均一な流れプロファイルを有する流れを冷却することを必要とする、選択的触媒還元システム以外のプロセスにおいても使用することができる。
【００２０】
以上が、あくまでも本出願および得られる特許のうちの特定の実施形態に関するにすぎないことは、明らかである。当業者であれば、以下の特許請求の範囲およびその均等物によって定められる本発明の一般的な趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書において数多くの変更および修正を行うことが可能である。
【００２１】
本発明の様々な態様および実施形態は、以下の項によって定義される。
【００２２】
１．燃焼ガス流と共に使用するための選択的触媒還元システムであって、
フィンガーミキサーとフィンガーミキサーの下流に配置された複数の混合ボックスとを含む焼き戻し空気システムと、
焼き戻し空気システムの下流に配置された触媒と
を含み、
燃焼ガス流が触媒に到達する前に、焼き戻し空気システムが燃焼ガス流を冷却する、選択的触媒還元システム。
【００２３】
２．焼き戻し空気システムのフィンガーミキサーは、燃焼ガス流に冷却空気流を注入する、第１項に記載の選択的触媒還元システム。
【００２４】
３．フィンガーミキサーは、冷却空気流のための空気供給部を含む、第２項に記載の選択的触媒還元システム。
【００２５】
４．フィンガーミキサーは、空気供給部と連通する入口空気ダクトを含む、第３項に記載の選択的触媒還元システム。
【００２６】
５．フィンガーミキサーは、複数のフィンガーダクトを含む、第４項に記載の選択的触媒還元システム。
【００２７】
６．複数のフィンガーダクトは、入口空気ダクトと連通する入口と、冷却空気流を燃焼ガス流に注入するための出口と、を含む、第５項に記載の選択的触媒還元システム。
【００２８】
７．フィンガーミキサーは、長さが徐々に短縮された複数のフィンガーダクトを含む、第１項に記載の選択的触媒還元システム。
【００２９】
８．複数のフィンガーダクトは、実質的な三角形の構成を含む、第７項に記載の選択的触媒還元システム。
【００３０】
９．複数の混合ボックスは複数の混合プレートを含む、第１項に記載の選択的触媒還元システム。
【００３１】
１０．複数の混合プレートは、複数の列および複数の行に配置される、第９項に記載の選択的触媒還元システム。
【００３２】
１１．複数の混合ボックスは複数の混合トンネルを画定する、第１項に記載の選択的触媒還元システム。
【００３３】
１２．焼き戻し空気システムは、選択的触媒還元システム入口部の周りに配置される、第１項に記載の選択的触媒還元システム。
【００３４】
１３．入口部は、燃焼ガス流を垂直方向に向けるように垂直な向きを含む、第１２項に記載の選択的触媒還元システム。
【００３５】
１４．触媒は、選択的触媒還元システムディフューザ部の周りに配置される、第１項に記載の選択的触媒還元システム。
【００３６】
１５．燃焼ガス流を用いて選択的触媒還元システムを動作させる方法であって、
燃焼ガス流を選択的触媒還元システム内に流すステップと、
冷却空気流を燃焼ガス流に注入するステップと、
燃焼ガス流と冷却空気流とを複数の混合ボックス内で混合するステップと、
混合された流れを触媒と反応させるステップと、
を含む方法。
【００３７】
１６．選択的触媒還元システムに入る燃焼ガス流と共に使用するための焼き戻し空気システムであって、
冷却空気流と、
冷却空気流を燃焼ガス流内に注入するためのフィンガーミキサーと、
フィンガーミキサーの下流に配置され、冷却空気流と燃焼ガス流とを実質的に均一なプロファイルに混合するための複数の混合ボックスと
を含む焼き戻し空気システム。
【００３８】
１７．フィンガーミキサーは、冷却空気流のための空気供給部を含む、第１６項に記載の焼き戻し空気システム。
【００３９】
１８．フィンガーミキサーは、長さが徐々に短縮された複数のフィンガーダクトを含む、第１６項に記載の焼き戻し空気システム。
【００４０】
１９．複数の混合ボックスは複数の混合プレートを含む、第１６項に記載の選択的触媒還元システム。
【００４１】
２０．複数の混合ボックスは複数の混合トンネルを画定する、第１６項に記載の選択的触媒還元システム。
【符号の説明】
【００４２】
１０  ガスタービンエンジン
１５  圧縮機
２０  空気
２５  燃焼器
３０  燃料
３５  燃焼ガス流
４０  タービン
４５  シャフト
５０  外部負荷
５５  選択的触媒還元システム
６０  ダクト
６５  触媒
１００  選択的触媒還元システム
１１０  入口部
１１５  垂直な向き
１２０  ディフューザ部
１３０  触媒
１４０  焼き戻し空気システム
１５０  フィンガーミキサー
１６０  入口空気ダクト
１７０  空気供給部
１７５  冷却空気流
１８０  フィンガーダクト
１９０  第１のフィンガーダクト
２００  第２のフィンガーダクト
２１０  第３のフィンガーダクト
２２０  入口
２３０  出口
２４０  混合部
２５０  混合プレート
２６０  混合ボックス
２７０  混合トンネル
【図１】
2020522637.tif 000003
【図２】
2020522637.tif 000004
【図３】
2020522637.tif 000005
【図４】
2020522637.tif 000006
【図５】
2020522637.tif 000007
【国際調査報告】
2020522637.tif 000008
2020522637.tif 000009
2020522637.tif 000010