ガスタービンＮＯｘの乾式三元触媒還元法
【課題】三元触媒を使用することによって排出ガス中のＮＯｘを除去することができる発電システムを提供する。
【解決手段】本発電システムは、システムに供給される周囲空気の圧力を増大させるガス圧縮機と、燃料（１２）及び加圧空気の混合気を酸化させて膨脹高温排出ガスを発生させることができる燃焼器（６）と、高温ガスの力を使用するガスタービンエンジンと、燃焼器（６）に戻す排出ガス再循環（ＥＧＲ）（１６）流と、排出ガス流（３７）を処理してＮＯｘ成分のほぼ全てを除去する、ガスタービンエンジン出口の下流の三元触媒反応器（４０）と、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）（９）と、ＥＧＲ圧縮機（１）と、発電機（８）とを含む。
【解決手段】本発電システムは、システムに供給される周囲空気の圧力を増大させるガス圧縮機と、燃料（１２）及び加圧空気の混合気を酸化させて膨脹高温排出ガスを発生させることができる燃焼器（６）と、高温ガスの力を使用するガスタービンエンジンと、燃焼器（６）に戻す排出ガス再循環（ＥＧＲ）（１６）流と、排出ガス流（３７）を処理してＮＯｘ成分のほぼ全てを除去する、ガスタービンエンジン出口の下流の三元触媒反応器（４０）と、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）（９）と、ＥＧＲ圧縮機（１）と、発電機（８）とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電プラントからのガス排出量、特にガス作動流体に依存して発電を行うプラントの排出ガス流中に存在する窒素酸化物の低減及び／又は削減に関する。具体的には、本発明は、ガス作動流体を用いて加圧、燃焼及び膨脹させてガスタービンエンジンを駆動し、ガスタービンからの排出ガスの少なくとも一部を排出ガス再循環（「ＥＧＲ」）流として燃焼器に再循環するコンバインドサイクルガスタービン発電システムに関する。本発明は、排出ガスを三元触媒を用いて処理する方法であって、所定の汚染物質（特にＮＯｘ）を効果的に除去しながら、排出ガス流中の二酸化炭素、一酸化炭素その他の成分（これらも分離し、処理することができる）の量に悪影響を与えない方法に関する。本発明は、米国エネルギー省による契約第ＤＥ−ＦＣ２６−０５ＮＴ４２６４３号に基づく政府の支援の下になされた。米国政府は本発明に対して所定の権利を有する。
【背景技術】
【０００２】
正常運転中に、コンバインドサイクルガスタービン発電プラントは、燃焼プロセスの一部としてかなりの量の窒素酸化物（ＮＯｘ）及びＣＯ2を発生する。近年、排出量削減、特にＮＯｘの削減は、公衆及び米国環境保護庁（ＥＰＡ）のような行政当局の多大な関心を集めている。そのため、こうした不要排出物を低減及び／又は除去するため多大な資源が投入されている。炭化水素燃料、特に液体炭化水素燃料の燃焼では、燃焼器に供給される空気、さらには燃料自体に存在する窒素化合物（ピリジンなど）に起因する窒素酸化物は、大気中に放出する前に低減又は除去しなければならない汚染物質をなす。
【０００３】
ガスタービンエンジンは典型的にはいわゆる「開放ブレイトンサイクル」で作動し、空気を圧縮機に導入してガス圧力を高め、次いで炭化水素燃料（通例、天然ガス）と共に燃焼させて高温作動流体を発生させるが、その主な燃焼生成物は、二酸化炭素、水（蒸気）、分子状酸素及び窒素であり、一酸化炭素、窒素酸化物及び未燃炭化水素のような不要生成物を伴う。燃焼は通常、比較的「リーン」条件下、つまり燃焼温度を所定の実用限界値未満に維持するため（この値が高すぎると構造材料の費用及び耐久性に悪影響を与える）炭化水素燃料成分の完全燃焼に必要な酸素の化学量論量よりも過剰な酸素条件下で行われる。
【０００４】
燃焼器からの高温高圧作動流体はガスタービンに供給され、そこで膨脹してガス温度が下がる。大半の用途において、ガスタービンは圧縮機並びに電力発生用の発電機を駆動する。単純開放ブレイトンサイクルでは、作動流体はタービンから比較的高温で排出されるので、下流での排出或いは選択触媒還元（「ＳＣＲ」）によるＮＯｘ低減のような処理の前に、排熱回収ボイラ（「ＨＲＳＧ」）で蒸気を発生させるために使用することができる。排熱回収ボイラで発生させた蒸気は、大半の閉ランキンサイクル蒸気発電プラントでみられるような蒸気タービンを駆動してプラント全体の発電効率を高めるため、コンバインドサイクルプラントの一部として使用することができる。
【０００５】
開放ブレイトンサイクル及びコンバインドサイクルガスタービンシステムの大きな短所の一つは、排出ガスが各種の窒素酸化物（ＮＯｘ）及びかなりの量の二酸化炭素（ＣＯ2）と一酸化炭素（ＣＯ）を含んでいることであり、これらが環境に及ぼす悪影響の可能性について公衆の懸念が高まっている。そのため、ＮＯｘを分離かつ処理しなければならなくなる前に、ガスタービンシステムによるＮＯｘの生成量を低下させる様々な努力が従前なされてきた。例えば、予燃焼器からの排出ガス（酸素及び分子状窒素量が低い）を燃焼に利用できる一次酸素源としてを使用することによって公称ＮＯｘレベルを低下させることができる。例えば、米国特許第３７９２５８１号及び同第４１４７１４１号参照。Ｓｔｅｔｔｌｅｒの米国特許第３９６９８９２号にも同様に、バーナからの排出ガスの一部分を熱交換器を通して燃焼器へと再循環させ、排出ガス中の窒素酸化物を低減させるガスタービンシステムが開示されている。Ｌｏｃｋｗｏｏｄの米国特許第３９４９５４８号には、排出ガスの一部分を冷却し、圧縮機を通して再循環させる排出ガス再循環システムが記載されており、ここでも窒素酸化物の僅かな低減が期待される。
【０００６】
こうしたガスタービン排出ガス流中に存在するＮＯｘ成分の量を減少させる技術開発にもかかわらず、タービン排出ガス中の窒素酸化物、ＣＯ2その他の汚染物質の排出物を処理するための効率的で費用効果のある方法及び装置に対するニーズは、仮に従来の手段で排出レベルを僅かに低減できたとしても、依然として存在する。ガスタービンシステムにおける従前のＮＯｘ除去法は、通例、ＳＣＲ、選択非触媒還元、触媒分解又は吸収のいずれか１以上を含んでいる。
【０００７】
ＳＣＲ法は、アンモニアを用いたＮＯｘの選択還元に依存しており、基本的反応は次のように表される。
【０００８】
【化１】
ＳＣＲでは、燃焼時に生成した窒素酸化物を許容ＥＰＡレベルまで減少させることができる。しかし、かかる方法は、大気中に放出する前に追加の処理を要する他の窒素系化合物が生成する可能性があることを含め、幾つかの公知の短所がある。排出ガス流は、ＮＯｘを分子状窒素に転化するプロセス又は排出ガスからＮＯｘを物理的に分離するプロセスを用いて「スクラブ」することができる。しかし、かかる操作は、ガスタービンの全体低効率を低下させる傾向があるだけでなく、初期には排出ガス流から十分な量のＮＯｘを除去できない傾向がある。多くのＳＣＲシステムでは、制御された還元温度を維持するための加熱が必要とされ、硫酸アンモニウムを発生するおそれもある。
【０００９】
従来技術の選択非触媒還元法は、以下の通り、触媒を用いずにＮＯｘをアンモニアとの反応によって窒素及び水に転化する。
【００１０】
【化２】
残念ながら、非触媒系は、反応温度域が狭く、ガスタービンエンジン負荷の変動に伴ってプロセス温度が変化しかねないことによって制約を受ける傾向がある。さらに、この方法では、大きなモル体積のＮＨ3が必要とされるのに、僅か６０〜８０％のＮＯｘしか減少しない。
【００１１】
触媒分解系は、高価で複雑なことに加えて、触媒の有効性によっては僅か約７０％のＮＯｘしか除去されない傾向がある。典型的な分解反応を以下に示す。
【００１２】
【化３】
大半の吸収法は、活性炭化合物を用いてＳＯｘ及びＮＯｘを除去する。このプロセスは複雑であり、僅か約４０〜６０％のＮＯｘ除去能力しか有しておらず、高温固体の取扱いを要する。
【００１３】
このように、ガスタービンエンジンの排出ガス流中のＮＯｘを除去する既存の方法には、コスト面及び有効性の面でよく知られた短所がある。
【００１４】
ガスタービン発電プラントの設計及び運転におけるもう一つの主要な関心事は、二酸化炭素及び一酸化炭素の分離と効率的除去である。上述の通り、コンバインドサイクル系では天然ガスと空気との主要燃焼生成物の一つとして大量のＣＯ2が通常発生する。ＣＯ2の除去には、最初に作動流体の窒素その他の気体成分からＣＯ2を分離（例えば、化学反応及び／又は物理的吸収によって）しておく必要がある。ＣＯ2隔離技術は周知であるが、ＮＯｘのような他の成分からＣＯ2を分離するのに多大なエネルギーが用いられるので、かかるＣＯ2分離が必要となる場合には発電システムの効率が低下する。ＣＯ2は、排出ガスをモノエタノールアミン（ＭＥＡ）のような吸収剤に直接接触させることによって捕捉できる。しかし、ＭＥＡ分離法は、プラントの全体的効率を大きく損ないかねない。最先端のアミン分離系は、排出ガス流中の他の化合物の存在及び煙道ガス中のＣＯ2濃度に応じて、高い運転及び資本費用を要するのが常である。
【００１５】
近年、排出ガス再循環（ＥＧＲ）が、ガスタービンエンジンからの排出ガスのＣＯ2濃度を高めて、煙道ガス中に存在するＣＯ2の単離を容易にするための有用な技術となっている。一方、ＥＧＲを用いる際には、低酸素環境中での不完全燃焼のために発生しかねない他の環境規制排出物（ＮＯｘを含む）の増加を防ぐため、プロセス条件を慎重に調和させる必要がある。燃焼器内に存在する酸素レベルが低いことから、４０％をかなり下回るＥＧＲレベルが通例推奨されている。さもないと、リッチ火炎中でのＣＯ2への不完全酸化のため、不都合なＣＯが生成してしまうおそれがある。同様に、付随する燃焼及びＥＧＲ条件に応じて、化学量論的及び「リーン」燃料燃焼のいずれにおいてもＣＯ2からＣＯへの又はＮＯ2からＮＯへの少なくとも部分的な解離が起こる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許第３７９２５８１号明細書
【特許文献２】米国特許第４１４７１４１号明細書
【特許文献３】米国特許第３９６９８９２号明細書
【特許文献４】米国特許第３９４９５４８号明細書
【特許文献５】米国特許第５３５３５８５号明細書
【特許文献６】米国特許第５８３２７１２号明細書
【特許文献７】米国特許第６２０２４００号明細書
【特許文献８】米国特許第６５９８４０２号明細書
【特許文献９】米国特許第６９１０３３５号明細書
【特許文献１０】米国特許第６９６８６７８号明細書
【特許文献１１】欧州特許出願公開第１４２９０００号明細書
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】Mitsubishi Heavy Industries Technical Review Vol. 42, No.3 (October 2005), "Latest Technology for Large-Capacity Gas Turbine"
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
現在では、下記するプロセス条件の下でＥＧＲを使用して幾つかの重要な利点を達成することができることが判明した。具体的には、排出ガス中のＮＯｘ量の減少は、より高いＥＧＲレベルで達成することができると同時に、ＣＯ2濃度を増加させかつ排出ガス流中に残存する酸素量を大幅に減少させる、すなわち４％又はそれ以下のレベルまで低下させることができる。さらにより重要なことには、排出ガス流は、下記するＥＧＲ条件の下で、より非常に経済的かつ効率的な方法で、すなわち乾式三元触媒を使用することによって処理してＮＯｘを除去することができることが発見された。
【００１９】
Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社による最新の研究では、現在では、注意深く制御したプロセス条件下で、高いＥＧＲレベルを使用して最大５０％までのＮＯｘの減少が実現可能であることを示している。例えば、望ましくない排出ガス成分（ＣＯ及びＮＯのような）の量を大幅に増加させずに、最大３５％までの及び最大４０％までのＥＧＲレベルを使用することができる。また、ガスタービン燃焼器は、高いＥＧＲ率を使用して、許容可能な（たとえ上昇であっても）ＣＯ2レベルを維持しながらかつここでもＣＯ又はＮＯの形成における如何なる大幅な増加もない状態で、高い燃料効率で作動させかつ依然としてＮＯｘ量を減少させることができることが判明した。
【００２０】
同様に重要なことには、本明細書に記載した制御プロセス条件下でのＥＧＲの使用は、最少４体積％又はそれ以下まで排出ガス中に残存する分子状酸素量を減少させる。つまり、ＥＧＲを使用する例示的な方法により、排出ガス中に残存する異常に低い閾値酸素量（ほぼ０％もの）が得られると同時に、ＮＯｘ濃度を減少させかつＣＯ2レベルを上昇させる。最初に、再循環中に存在する低い酸素量は、乾式三元触媒を使用してプラントから流出する最終排出ガス流中のＮＯｘを除去することを可能にした。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ＥＧＲプロセスを実行するのに必要な装置の例示的な主要部品を含む、ＥＧＲを使用した従来のプラント配置を示すブロック流れ図。
【図２】様々なＥＧＲ率レベル（２０、４０及び５０％）においてタービン排出ガス中の酸素量を如何なるＥＧＲもない従来のシステムのタービン排出ガスを表す０％と比較した状態で、燃焼器内の異なる火炎温度におけるタービン排出ガス中の酸素濃度を示す一群の曲線の形態のグラフ図。
【図３】排出ガス中の所望の低酸素レベル及びＮＯｘ成分の除去を達成するための例示的なステップを含む、本発明に係るＥＧＲ及び三元触媒処理を実行するのに使用される基本的ステップ及び装置を示すプロセス流れ図。
【図４】燃焼器への吸気給送に対する一部の修正を含む、図１に示す本発明の別の実施形態におけるプロセス流れ図。
【図５Ａ】ガス燃焼器を通して再循環される高温燃焼ガスの一部分を含む「高温」ＥＧＲ排出ガス流を使用して、最終的に処理しようとするＣＯ2、ＣＯ及びＮＯｘ量に対してのシステムの全体効率を向上させる、本発明の別の実施形態の特徴形状部を示すプロセス概略図。
【図５Ｂ】燃焼器通路に沿った燃焼ガスの温度との比較のために示した圧縮機吐出ガス温度「ＴＣＤ」と共に、燃焼器通路長さに対する燃焼器への入口空気の温度Ｔ3.0を示すグラフ図。
【図６】制御プロセス条件下で本発明に係る変動ＥＧＲ率を使用した結果として排出ガス中に残存する酸素量のグラフ図。
【図７】変動燃焼器火炎温度において異なるＥＧＲ率を使用して発生した予測ＣＯ2及びＮＯｘ相対量を比較するグラフ図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明に係る発電システムの例示的な実施形態は、以下の基本構成要素、すなわち、本システムに供給される周囲空気の圧力を増大させるガス圧縮機と、燃料（炭化水素又は合成ガスのような）及び圧縮周囲空気の混合気を燃焼させて高温排出ガス流を発生させることができる燃焼器と、膨脹高温排出ガスの力によって回転可能なタービン動翼を備えた、燃焼器の下流の従来のガスタービンエンジンと、燃焼器に供給される高百分率ＥＧＲ流と、４体積％未満の酸素を有する排出ガス流と接触しかつ大量のＮＯｘ成分（一般には約７０％）を除去する、ガスタービンエンジンの下流の三元触媒反応器と、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）と、ＨＲＳＧから流出する排出ガスの一部分の温度を低下させて冷却ＥＧＲ流を形成する冷却器（熱交換器）と、冷却ＥＧＲの圧力を増大させるＥＧＲ圧縮機と、ガスタービンエンジンに結合して電力を発生する発電機とを含む。三元触媒は、酸素含有量が約４％以下に維持されかつガス温度が許容可能レベルの触媒効率及び耐久性を保証するような、燃焼器の下流のあらゆる位置に配置することができる。
【００２３】
上記の例示的な発電システムでは、通常の燃焼器火炎温度よりも高い温度で高レベルのＥＧＲ（３５体積％を超える）を使用することにより、プラントから流出する排出ガス流中の公称ＣＯ2量が増加することが判明した。同様の方法において、通常の火炎温度よりも高い温度で４０％ＥＧＲを使用することにより、排出ガス中に１０％ＣＯ2レベルが得られる。
【００２４】
従って、高ＥＧＲ率を使用することは、幾つかの重要な利点を有する。ＮＯｘエミッションは、ＣＯ2量を増加させながら（それによって、従来の手段を使用してＣＯ2を隔離しかつ分離する困難さ及び費用が大幅に低減される）低減することができる。加えて、酸素量を４％よりも少なく減少させて、ガスタービン技術において今日まで知られていない方法、すなわちＮＯｘを減少及び／又は除去するために排出ガス流を乾式三元触媒と接触させることで、排出ガス流を処理可能にすることができる。
【００２５】
本発明のさらに別の実施形態では、望ましくない可能性があるＮＯ及びＣＯのような不完全燃焼生成物は、燃焼ガスの一部分を燃焼チャンバ自体内に戻すように再循環させることによってそのボリュームをさらに減少させることができることが判明した。この「高温」ＥＧＲの実施形態は、燃焼チャンバから流出する排出ガス中に存在するＣＯ及び未燃炭化水素量を低下させるのに加えて、最終的には三元触媒を使用して処理するガス中の残留酸素量をさらに僅かに減少させる傾向がある。
【００２６】
図１は、ＥＧＲのプロセスを実行するために通常使用する例示的な装置を含む、ＥＧＲを使用した（しかし、三元触媒を備えていない）、一般的なプラント配置を示すブロック流れ図である。図１で示すように、燃料１２及び圧縮機５からの加圧空気流１１は、燃焼器６内で混合されかつ燃焼して、タービン７を駆動する主作動流体として働く高温排出ガス流を発生する。タービン７から流出する排出ガス（依然として比較的高温の）は、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）９及び排出ガス冷却ユニット１０を通って流れ、次に未燃炭化水素燃料、ＣＯ、ＣＯ2、ＮＯｘ、ＮＯ、分子状酸素及び窒素、並びにその他のごく僅かな汚染物質を含有する排出ガス再循環１６としてＥＧＲ圧縮機１に戻る。
【００２７】
ＥＧＲ圧縮機１は、排出ガス再循環１６の圧力を増大させ、次にこの加圧ＥＧＲを異なる圧縮機段からの排出ガスとして２つの部分に分離し、すなわちその１つは、圧縮機２に供給された後に燃焼器６に戻される流れ１７（約６０体積％）である。圧縮機２からの加圧ガス流の第２の部分は、タービン７用の作動流体（管路１９参照）の一部として働く。ＥＧＲ圧縮機１からの加圧流１８（約４０体積％）は、二酸化炭素分離器３に流入し、分離したＣＯ2は、図示するように符号１４で示す追加の処理のためにシステムから流出する。分離器３からの流れ１５中の非ＣＯ2成分は、タービン４を駆動する付加的作動流体として働き、このタービン４は、圧縮機５及び発電機８に作動結合して電力を発生させる。タービン４からの排出ガス（今や比較的ＣＯ2がない）は、管路１３を通してシステムから、公称上は煙突（排気筒）又は下流の環境汚染制御システムに排出される。
【００２８】
図２は、様々なＥＧＲ率レベル（２０、４０及び５０％）においてタービン排出ガス中の酸素量を如何なるＥＧＲもない従来のシステムのタービン排出ガスを表す０％と比較した状態で、燃焼器内の異なる火炎温度（「ガスタービン燃焼温度」として知られている場合もある）におけるタービン排出ガス中の酸素濃度のグラフ図である。図２で示すように、上記の例示的な実施形態におけるＥＧＲの使用は、排出ガス中の分子状酸素レベルを大幅に低下させると同時に、二酸化炭素量を増加させ、またＣＯ或いはＮＯｘ量を増加させることがない傾向になる。従って、より高いＥＧＲレベルでの排出ガス中の酸素含有量は、４％又はそれ以下（０％に近いのが好ましい）まで減少させて、乾式三元触媒を使用してＮＯｘ成分を除去することを可能にすることができる。
【００２９】
従って、図２は、様々なＥＧＲ率で排出ガス流中に残存する残留酸素量間での予測差を示している、つまり酸素レベルは、より高いＥＧＲ率で大幅に低下することを示している。図２に示すシステムの各々は、より高い燃焼器火炎温度で排出ガス中の酸素が減少する傾向にあるが、本発明に係るＥＧＲの使用により、ＥＧＲがない従来のタービン排出ガスと比較してより極めて低い酸素レベルが一貫して達成される。
【００３０】
図３は、排出ガス中の所望の低酸素レベルを達成するための装置及びステップを含む、ＥＧＲ及び三元触媒処理を実行するのに使用される基本プロセスステップ及び装置を示すプロセス流れ図である。三元触媒モジュールは、三元触媒の前方に酸素含有量を所望のレベルまで低下させる酸化触媒と、三元触媒の後方に炭化水素部分酸化生成物を所望の濃度まで低下させる酸化触媒とを含むことができる。図３は、周囲空気が、圧縮機３０に流入しかつより大幅に高い圧力（及び僅かに高い温度）で給送管路３４を通って燃焼器３６に流入することを示している。図１に関して上述したように、燃焼器３６は、炭化水素燃料成分を空気と混合させて、タービン３８用の主作動流体として働く高温排出ガス流３７を発生させる。図示するように、タービン３８は次に、ＥＧＲ圧縮機３３及び圧縮機３０を駆動する。「低温」ＥＧＲは、管路４５を介してＥＧＲ圧縮機に流入しかつより大幅に高い圧力で加圧再循環流として流出する。一方では、タービン３８からの排出ガス（その中に存在する４体積％未満の酸素を有する）は、管路３９を介してＮＯｘ成分を除去する三元触媒反応器４０を通って流れる。
【００３１】
ガスタービンの内部の異なる箇所における温度によって決まる特定の作動条件下では、別個の下流触媒反応器を利用するのではなくて、タービン自体の内部に三元触媒を配置するのが望ましい場合がある。さらに、異なる触媒を用いて、触媒が許容可能なレベルで機能する正確な作動方式に応じて燃焼器（ＨＲＳＧさえも含む）の下流のその他の位置でＮＯｘを除去することもできる。つまり、本発明に係る三元触媒は、その位置が燃焼器の下流であり、酸素レベルが触媒によりＮＯｘ汚染物質を効率的に除去するのが可能になるほど充分に低い状態に保たれ、またまたプロセス条件が触媒性能全体に悪影響を及ぼさない限り、このプロセスにおける様々な位置に配置することができる。
【００３２】
図３は、処理済み高温排出ガス流３９が排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）４１を通って流れることを示している。上述の通り、符号４３で示す再循環の大部分は次に、熱交換器４４を使用して冷却され、冷却ＥＧＲ流４５は、ＥＧＲ圧縮機３３に戻される。図３はまた、ＥＧＲ圧縮機３３の異なる段から取出した吐出管路４６、４７及び４８によって示すように、ＥＧＲ流の特定の部分を使用してタービン３８に対して補助流を促進しかつ供給する（それによって、必要な排出ガス酸素含有量を達成する目標と共にプラントの全体効率を高める）のに役立てるようにする利点を有することができることを示している。
【００３３】
図４は、燃焼器への吸気給送に対して修正を加えた、図３に示す本発明の別の実施形態（共通要素には同一の参照符号を使用している）についてのプロセス流れ図である。図４は、符号４９で示すＥＧＲ圧縮機排出ガスが、燃焼器に流入する前にリッチ又はリーン触媒反応器を通って流れることができることを示している。触媒反応器は、特定の再循環成分（ＮＯｘ以外の）を除去して燃焼混合気を改善しかつＣＯ2リッチ火炎に対して燃焼安定性を与える。「リッチ」触媒反応器は、例えば炭化水素燃料をよりリッチな水素及びＣＯ混合気に転化し、従って燃焼器の作動柔軟性を高めるリフォーマ（改質材）を含む。図４はまた、燃焼器への液体燃料給送は、非酸化環境内で事前気化させて、適切に用いた場合には燃焼を向上させることができることを示している。燃焼器への圧縮周囲空気給送はまた、図示するように、一部分７３が燃焼器に供給される前に触媒による予備的処理を行われるように分割することができる。
【００３４】
関連した図５Ａ及び図５Ｂは、ガス燃焼器自体を通して再循環される高温燃焼ガスの一部分を含む「高温」ＥＧＲ排出ガス流を使用して、最終的に処理及び／又は除去しなければならないＣＯ2、ＮＯｘその他の望ましくない排出ガス成分の量に対してシステムの効率全体を高めた本発明の別の実施形態についての特徴形状部を示している。
【００３５】
図５Ａは、「高温」ＥＧＲ、すなわち冷却されかつＥＧＲ圧縮機に送給される前のＥＧＲの一部分を、燃焼室の内部で加圧空気と混合させ、個別に燃焼させかつガスタービンエンジンに直接送ることができることを示すプロセス概略図である。炭化水素燃料（符号５１及び符号５２で示す）は、図示するように主圧縮機吐出（ＣＤ）空気と混合されかつパイロット５３を有することができ、その一部はポート５４及び５５を通して再循環させ（内側突出ベンチュリ構成により発生させたより低い静圧によってポートを通しての「引き出し」作用で）かつ主圧縮機吐出空気の一部分と混合される。このようにして、「高温」再循環のより多くの部分は、タービンに直接供給される。
【００３６】
図５Ｂは、燃焼器通路長さ、すなわち「端部カバーからの長さ」に対する燃焼器への入口（吸入）空気温度Ｔinletを示すグラフ図であり、温度Ｔinletは燃焼器の外側の環状空間内で測定される。圧縮機吐出口での温度「ＴＣＤ」は、燃焼器通路に沿った燃焼ガス温度との比較のために示している。ＴＣＤの値は、燃焼ガスとの混合の後に増大する。特に、燃焼器通路長さを減少させながら燃焼器吸入空気温度を上昇させることは、排出ガス中のＮＯｘ及びＣＯレベルを低下させる傾向になることが判明した。
【００３７】
図６は、制御プロセス条件下で本発明に係る変動ＥＧＲ率を使用した結果として排出ガス中に残存する酸素量のグラフ図である。図６が示すように、約４５体積％以上のＥＧＲレベルを使用する場合には、最終的排出ガス中の酸素レベルは、４％以下まで低下し、それによって三元触媒を使用して発生排出ガス流中のＮＯｘ成分を除去するのを可能にする。図６はまた、同程度の入口比湿条件下で、ＥＧＲ率が増大するにつれて約１２％の高さから最少約１％まで排出ガスの酸素含有量がどのように大幅に低下するかを示している。
【００３８】
図７は、変動燃焼器出口火炎温度において異なるＥＧＲ率を使用して発生した予測ＣＯ2及びＮＯｘ相対量を比較するグラフ図である。従って、この図は、出口火炎温度範囲についての予混合燃焼器ＮＯｘエミッションへのＥＧＲの一般的効果を示している。図７は、高いＥＧＲ率を使用することは実際に、処理しようとする排出ガス中に存在するＣＯ2の量を増加させて、従来の手段を使用してＣＯ2を分離しかつ除去するのをより容易にしかつより費用効果のあるものにする傾向があることを強調している。図７はまた、ＮＯｘ量は、燃焼器の火炎温度がより低くなるにつれて、僅かに減少した状態になることを示している。従って、本発明の１つの態様では、より高いプロセス効率は、発生するＮＯｘ量を増加させる傾向にない燃焼器火炎温度及びＥＧＲレベルにより得ることができる。従って、図７は、例示的なガスタービン燃焼システムにおける火炎温度及びＥＧＲ比へのＮＯｘ依存性を示す実施例である。実際のプロセス固有値は、使用する特定のガスタービンサイクル、燃料の種類、及び場合によってはさらに燃焼器設計応じて決まる。
【００３９】
本発明を実行する、すなわち排出ガス中の残留ＮＯｘを低減及び／又は除去するのに有用な乾式三元転化触媒は、自動車業界では周知であるが、従前は、主として単に触媒だけでは、酸素含有量が約４体積％を超えた場合にＮＯｘ成分を除去するのに有効でないという理由で、ガスタービン技術分野では使用されてこなかった（又は、出願人の知識として思いつくことさえなかった）。一般に言えば、三元触媒は、炭化水素及び一酸化炭素（ＨＣ及びＣＯ）の酸化反応並びにＮＯｘの還元反応を促進することができる。
【００４０】
本発明に有用な公知の三元触媒は一般に、Ｚｒ又はＣｅの酸化物並びにアルカリ土類金属Ｂａ、Ｃａ及びＳｒの１種以上の酸化物と共に、γ−Ａｌ2Ｏ3のような安定酸化物の良好に形成した表面を有するベース（支持体）上に分散させた１種以上の白金族金属を含む。触媒ベースは、セラミックブロック或いは鉄母材上に配置されたＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ又は耐食性金属の螺旋巻き金属フォイルのような担体上に被覆することができ、或いは触媒技術に精通した者に周知のその他の方法で被覆することができる。
【００４１】
白金族金属に加えて、ｄ−元素の１種以上の酸化物を含む三元触媒は、サイクル時における変換可能な酸素蓄積による酸素有効性を維持することによって、またＨ2Ｓ及びＮＨ3のような有害ガスの生成を抑制することによって白金族触媒の性能を高める傾向を有する。触媒技術に精通した者には知られているが、従前ガスタービンエンジンからの排出ガスを処理するために使用されていないその他の三元触媒成分（例えば、自動車業界において使用するために開発された多くの最新世代の白金系触媒）は、かかる触媒が最大約４体積％までのＮＯｘを除去することができるという条件で、本明細書に説明したプロセスを使用して発生排出ガスを処理するのに使用することができる。
【００４２】
現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲に含まれる様々な改良及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００４３】
１２ 燃料
１１ 加圧空気流
５ 圧縮機
６ 燃焼器
７ 駆動タービン
９ 排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）
１０ 排出ガス冷却ユニット
１ ＥＧＲ圧縮機
１６ 排出ガス再循環
１７ 流れ
２ 圧縮機
１８ 加圧流
３ 二酸化炭素分離器
１４ 処理
１５ 流れ
３ 分離器
４ 駆動タービン
５ 圧縮機
８ 発電機
１３ 管路
３０ 圧縮機
３４ 給送管路
３７ 排出ガス流
３８ タービン
３０ 圧縮機
４５ 管路
４０ 三元触媒反応器
３９ 管路
４３ リサイクルの大部分
４４ 熱交換器
４５ ＥＧＲ流
３３ ＥＧＲ圧縮機
４６、４７、４８ 吐出管路
４９ ＥＧＲ圧縮機排出ガス
７３ 一部分
５１、５２ 炭化水素燃料
５３ パイロット
５４、５５ ポート
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電プラントからのガス排出量、特にガス作動流体に依存して発電を行うプラントの排出ガス流中に存在する窒素酸化物の低減及び／又は削減に関する。具体的には、本発明は、ガス作動流体を用いて加圧、燃焼及び膨脹させてガスタービンエンジンを駆動し、ガスタービンからの排出ガスの少なくとも一部を排出ガス再循環（「ＥＧＲ」）流として燃焼器に再循環するコンバインドサイクルガスタービン発電システムに関する。本発明は、排出ガスを三元触媒を用いて処理する方法であって、所定の汚染物質（特にＮＯｘ）を効果的に除去しながら、排出ガス流中の二酸化炭素、一酸化炭素その他の成分（これらも分離し、処理することができる）の量に悪影響を与えない方法に関する。本発明は、米国エネルギー省による契約第ＤＥ−ＦＣ２６−０５ＮＴ４２６４３号に基づく政府の支援の下になされた。米国政府は本発明に対して所定の権利を有する。
【背景技術】
【０００２】
正常運転中に、コンバインドサイクルガスタービン発電プラントは、燃焼プロセスの一部としてかなりの量の窒素酸化物（ＮＯｘ）及びＣＯ2を発生する。近年、排出量削減、特にＮＯｘの削減は、公衆及び米国環境保護庁（ＥＰＡ）のような行政当局の多大な関心を集めている。そのため、こうした不要排出物を低減及び／又は除去するため多大な資源が投入されている。炭化水素燃料、特に液体炭化水素燃料の燃焼では、燃焼器に供給される空気、さらには燃料自体に存在する窒素化合物（ピリジンなど）に起因する窒素酸化物は、大気中に放出する前に低減又は除去しなければならない汚染物質をなす。
【０００３】
ガスタービンエンジンは典型的にはいわゆる「開放ブレイトンサイクル」で作動し、空気を圧縮機に導入してガス圧力を高め、次いで炭化水素燃料（通例、天然ガス）と共に燃焼させて高温作動流体を発生させるが、その主な燃焼生成物は、二酸化炭素、水（蒸気）、分子状酸素及び窒素であり、一酸化炭素、窒素酸化物及び未燃炭化水素のような不要生成物を伴う。燃焼は通常、比較的「リーン」条件下、つまり燃焼温度を所定の実用限界値未満に維持するため（この値が高すぎると構造材料の費用及び耐久性に悪影響を与える）炭化水素燃料成分の完全燃焼に必要な酸素の化学量論量よりも過剰な酸素条件下で行われる。
【０００４】
燃焼器からの高温高圧作動流体はガスタービンに供給され、そこで膨脹してガス温度が下がる。大半の用途において、ガスタービンは圧縮機並びに電力発生用の発電機を駆動する。単純開放ブレイトンサイクルでは、作動流体はタービンから比較的高温で排出されるので、下流での排出或いは選択触媒還元（「ＳＣＲ」）によるＮＯｘ低減のような処理の前に、排熱回収ボイラ（「ＨＲＳＧ」）で蒸気を発生させるために使用することができる。排熱回収ボイラで発生させた蒸気は、大半の閉ランキンサイクル蒸気発電プラントでみられるような蒸気タービンを駆動してプラント全体の発電効率を高めるため、コンバインドサイクルプラントの一部として使用することができる。
【０００５】
開放ブレイトンサイクル及びコンバインドサイクルガスタービンシステムの大きな短所の一つは、排出ガスが各種の窒素酸化物（ＮＯｘ）及びかなりの量の二酸化炭素（ＣＯ2）と一酸化炭素（ＣＯ）を含んでいることであり、これらが環境に及ぼす悪影響の可能性について公衆の懸念が高まっている。そのため、ＮＯｘを分離かつ処理しなければならなくなる前に、ガスタービンシステムによるＮＯｘの生成量を低下させる様々な努力が従前なされてきた。例えば、予燃焼器からの排出ガス（酸素及び分子状窒素量が低い）を燃焼に利用できる一次酸素源としてを使用することによって公称ＮＯｘレベルを低下させることができる。例えば、米国特許第３７９２５８１号及び同第４１４７１４１号参照。Ｓｔｅｔｔｌｅｒの米国特許第３９６９８９２号にも同様に、バーナからの排出ガスの一部分を熱交換器を通して燃焼器へと再循環させ、排出ガス中の窒素酸化物を低減させるガスタービンシステムが開示されている。Ｌｏｃｋｗｏｏｄの米国特許第３９４９５４８号には、排出ガスの一部分を冷却し、圧縮機を通して再循環させる排出ガス再循環システムが記載されており、ここでも窒素酸化物の僅かな低減が期待される。
【０００６】
こうしたガスタービン排出ガス流中に存在するＮＯｘ成分の量を減少させる技術開発にもかかわらず、タービン排出ガス中の窒素酸化物、ＣＯ2その他の汚染物質の排出物を処理するための効率的で費用効果のある方法及び装置に対するニーズは、仮に従来の手段で排出レベルを僅かに低減できたとしても、依然として存在する。ガスタービンシステムにおける従前のＮＯｘ除去法は、通例、ＳＣＲ、選択非触媒還元、触媒分解又は吸収のいずれか１以上を含んでいる。
【０００７】
ＳＣＲ法は、アンモニアを用いたＮＯｘの選択還元に依存しており、基本的反応は次のように表される。
【０００８】
【化１】
ＳＣＲでは、燃焼時に生成した窒素酸化物を許容ＥＰＡレベルまで減少させることができる。しかし、かかる方法は、大気中に放出する前に追加の処理を要する他の窒素系化合物が生成する可能性があることを含め、幾つかの公知の短所がある。排出ガス流は、ＮＯｘを分子状窒素に転化するプロセス又は排出ガスからＮＯｘを物理的に分離するプロセスを用いて「スクラブ」することができる。しかし、かかる操作は、ガスタービンの全体低効率を低下させる傾向があるだけでなく、初期には排出ガス流から十分な量のＮＯｘを除去できない傾向がある。多くのＳＣＲシステムでは、制御された還元温度を維持するための加熱が必要とされ、硫酸アンモニウムを発生するおそれもある。
【０００９】
従来技術の選択非触媒還元法は、以下の通り、触媒を用いずにＮＯｘをアンモニアとの反応によって窒素及び水に転化する。
【００１０】
【化２】
残念ながら、非触媒系は、反応温度域が狭く、ガスタービンエンジン負荷の変動に伴ってプロセス温度が変化しかねないことによって制約を受ける傾向がある。さらに、この方法では、大きなモル体積のＮＨ3が必要とされるのに、僅か６０〜８０％のＮＯｘしか減少しない。
【００１１】
触媒分解系は、高価で複雑なことに加えて、触媒の有効性によっては僅か約７０％のＮＯｘしか除去されない傾向がある。典型的な分解反応を以下に示す。
【００１２】
【化３】
大半の吸収法は、活性炭化合物を用いてＳＯｘ及びＮＯｘを除去する。このプロセスは複雑であり、僅か約４０〜６０％のＮＯｘ除去能力しか有しておらず、高温固体の取扱いを要する。
【００１３】
このように、ガスタービンエンジンの排出ガス流中のＮＯｘを除去する既存の方法には、コスト面及び有効性の面でよく知られた短所がある。
【００１４】
ガスタービン発電プラントの設計及び運転におけるもう一つの主要な関心事は、二酸化炭素及び一酸化炭素の分離と効率的除去である。上述の通り、コンバインドサイクル系では天然ガスと空気との主要燃焼生成物の一つとして大量のＣＯ2が通常発生する。ＣＯ2の除去には、最初に作動流体の窒素その他の気体成分からＣＯ2を分離（例えば、化学反応及び／又は物理的吸収によって）しておく必要がある。ＣＯ2隔離技術は周知であるが、ＮＯｘのような他の成分からＣＯ2を分離するのに多大なエネルギーが用いられるので、かかるＣＯ2分離が必要となる場合には発電システムの効率が低下する。ＣＯ2は、排出ガスをモノエタノールアミン（ＭＥＡ）のような吸収剤に直接接触させることによって捕捉できる。しかし、ＭＥＡ分離法は、プラントの全体的効率を大きく損ないかねない。最先端のアミン分離系は、排出ガス流中の他の化合物の存在及び煙道ガス中のＣＯ2濃度に応じて、高い運転及び資本費用を要するのが常である。
【００１５】
近年、排出ガス再循環（ＥＧＲ）が、ガスタービンエンジンからの排出ガスのＣＯ2濃度を高めて、煙道ガス中に存在するＣＯ2の単離を容易にするための有用な技術となっている。一方、ＥＧＲを用いる際には、低酸素環境中での不完全燃焼のために発生しかねない他の環境規制排出物（ＮＯｘを含む）の増加を防ぐため、プロセス条件を慎重に調和させる必要がある。燃焼器内に存在する酸素レベルが低いことから、４０％をかなり下回るＥＧＲレベルが通例推奨されている。さもないと、リッチ火炎中でのＣＯ2への不完全酸化のため、不都合なＣＯが生成してしまうおそれがある。同様に、付随する燃焼及びＥＧＲ条件に応じて、化学量論的及び「リーン」燃料燃焼のいずれにおいてもＣＯ2からＣＯへの又はＮＯ2からＮＯへの少なくとも部分的な解離が起こる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許第３７９２５８１号明細書
【特許文献２】米国特許第４１４７１４１号明細書
【特許文献３】米国特許第３９６９８９２号明細書
【特許文献４】米国特許第３９４９５４８号明細書
【特許文献５】米国特許第５３５３５８５号明細書
【特許文献６】米国特許第５８３２７１２号明細書
【特許文献７】米国特許第６２０２４００号明細書
【特許文献８】米国特許第６５９８４０２号明細書
【特許文献９】米国特許第６９１０３３５号明細書
【特許文献１０】米国特許第６９６８６７８号明細書
【特許文献１１】欧州特許出願公開第１４２９０００号明細書
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】Mitsubishi Heavy Industries Technical Review Vol. 42, No.3 (October 2005), "Latest Technology for Large-Capacity Gas Turbine"
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
現在では、下記するプロセス条件の下でＥＧＲを使用して幾つかの重要な利点を達成することができることが判明した。具体的には、排出ガス中のＮＯｘ量の減少は、より高いＥＧＲレベルで達成することができると同時に、ＣＯ2濃度を増加させかつ排出ガス流中に残存する酸素量を大幅に減少させる、すなわち４％又はそれ以下のレベルまで低下させることができる。さらにより重要なことには、排出ガス流は、下記するＥＧＲ条件の下で、より非常に経済的かつ効率的な方法で、すなわち乾式三元触媒を使用することによって処理してＮＯｘを除去することができることが発見された。
【００１９】
Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社による最新の研究では、現在では、注意深く制御したプロセス条件下で、高いＥＧＲレベルを使用して最大５０％までのＮＯｘの減少が実現可能であることを示している。例えば、望ましくない排出ガス成分（ＣＯ及びＮＯのような）の量を大幅に増加させずに、最大３５％までの及び最大４０％までのＥＧＲレベルを使用することができる。また、ガスタービン燃焼器は、高いＥＧＲ率を使用して、許容可能な（たとえ上昇であっても）ＣＯ2レベルを維持しながらかつここでもＣＯ又はＮＯの形成における如何なる大幅な増加もない状態で、高い燃料効率で作動させかつ依然としてＮＯｘ量を減少させることができることが判明した。
【００２０】
同様に重要なことには、本明細書に記載した制御プロセス条件下でのＥＧＲの使用は、最少４体積％又はそれ以下まで排出ガス中に残存する分子状酸素量を減少させる。つまり、ＥＧＲを使用する例示的な方法により、排出ガス中に残存する異常に低い閾値酸素量（ほぼ０％もの）が得られると同時に、ＮＯｘ濃度を減少させかつＣＯ2レベルを上昇させる。最初に、再循環中に存在する低い酸素量は、乾式三元触媒を使用してプラントから流出する最終排出ガス流中のＮＯｘを除去することを可能にした。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ＥＧＲプロセスを実行するのに必要な装置の例示的な主要部品を含む、ＥＧＲを使用した従来のプラント配置を示すブロック流れ図。
【図２】様々なＥＧＲ率レベル（２０、４０及び５０％）においてタービン排出ガス中の酸素量を如何なるＥＧＲもない従来のシステムのタービン排出ガスを表す０％と比較した状態で、燃焼器内の異なる火炎温度におけるタービン排出ガス中の酸素濃度を示す一群の曲線の形態のグラフ図。
【図３】排出ガス中の所望の低酸素レベル及びＮＯｘ成分の除去を達成するための例示的なステップを含む、本発明に係るＥＧＲ及び三元触媒処理を実行するのに使用される基本的ステップ及び装置を示すプロセス流れ図。
【図４】燃焼器への吸気給送に対する一部の修正を含む、図１に示す本発明の別の実施形態におけるプロセス流れ図。
【図５Ａ】ガス燃焼器を通して再循環される高温燃焼ガスの一部分を含む「高温」ＥＧＲ排出ガス流を使用して、最終的に処理しようとするＣＯ2、ＣＯ及びＮＯｘ量に対してのシステムの全体効率を向上させる、本発明の別の実施形態の特徴形状部を示すプロセス概略図。
【図５Ｂ】燃焼器通路に沿った燃焼ガスの温度との比較のために示した圧縮機吐出ガス温度「ＴＣＤ」と共に、燃焼器通路長さに対する燃焼器への入口空気の温度Ｔ3.0を示すグラフ図。
【図６】制御プロセス条件下で本発明に係る変動ＥＧＲ率を使用した結果として排出ガス中に残存する酸素量のグラフ図。
【図７】変動燃焼器火炎温度において異なるＥＧＲ率を使用して発生した予測ＣＯ2及びＮＯｘ相対量を比較するグラフ図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明に係る発電システムの例示的な実施形態は、以下の基本構成要素、すなわち、本システムに供給される周囲空気の圧力を増大させるガス圧縮機と、燃料（炭化水素又は合成ガスのような）及び圧縮周囲空気の混合気を燃焼させて高温排出ガス流を発生させることができる燃焼器と、膨脹高温排出ガスの力によって回転可能なタービン動翼を備えた、燃焼器の下流の従来のガスタービンエンジンと、燃焼器に供給される高百分率ＥＧＲ流と、４体積％未満の酸素を有する排出ガス流と接触しかつ大量のＮＯｘ成分（一般には約７０％）を除去する、ガスタービンエンジンの下流の三元触媒反応器と、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）と、ＨＲＳＧから流出する排出ガスの一部分の温度を低下させて冷却ＥＧＲ流を形成する冷却器（熱交換器）と、冷却ＥＧＲの圧力を増大させるＥＧＲ圧縮機と、ガスタービンエンジンに結合して電力を発生する発電機とを含む。三元触媒は、酸素含有量が約４％以下に維持されかつガス温度が許容可能レベルの触媒効率及び耐久性を保証するような、燃焼器の下流のあらゆる位置に配置することができる。
【００２３】
上記の例示的な発電システムでは、通常の燃焼器火炎温度よりも高い温度で高レベルのＥＧＲ（３５体積％を超える）を使用することにより、プラントから流出する排出ガス流中の公称ＣＯ2量が増加することが判明した。同様の方法において、通常の火炎温度よりも高い温度で４０％ＥＧＲを使用することにより、排出ガス中に１０％ＣＯ2レベルが得られる。
【００２４】
従って、高ＥＧＲ率を使用することは、幾つかの重要な利点を有する。ＮＯｘエミッションは、ＣＯ2量を増加させながら（それによって、従来の手段を使用してＣＯ2を隔離しかつ分離する困難さ及び費用が大幅に低減される）低減することができる。加えて、酸素量を４％よりも少なく減少させて、ガスタービン技術において今日まで知られていない方法、すなわちＮＯｘを減少及び／又は除去するために排出ガス流を乾式三元触媒と接触させることで、排出ガス流を処理可能にすることができる。
【００２５】
本発明のさらに別の実施形態では、望ましくない可能性があるＮＯ及びＣＯのような不完全燃焼生成物は、燃焼ガスの一部分を燃焼チャンバ自体内に戻すように再循環させることによってそのボリュームをさらに減少させることができることが判明した。この「高温」ＥＧＲの実施形態は、燃焼チャンバから流出する排出ガス中に存在するＣＯ及び未燃炭化水素量を低下させるのに加えて、最終的には三元触媒を使用して処理するガス中の残留酸素量をさらに僅かに減少させる傾向がある。
【００２６】
図１は、ＥＧＲのプロセスを実行するために通常使用する例示的な装置を含む、ＥＧＲを使用した（しかし、三元触媒を備えていない）、一般的なプラント配置を示すブロック流れ図である。図１で示すように、燃料１２及び圧縮機５からの加圧空気流１１は、燃焼器６内で混合されかつ燃焼して、タービン７を駆動する主作動流体として働く高温排出ガス流を発生する。タービン７から流出する排出ガス（依然として比較的高温の）は、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）９及び排出ガス冷却ユニット１０を通って流れ、次に未燃炭化水素燃料、ＣＯ、ＣＯ2、ＮＯｘ、ＮＯ、分子状酸素及び窒素、並びにその他のごく僅かな汚染物質を含有する排出ガス再循環１６としてＥＧＲ圧縮機１に戻る。
【００２７】
ＥＧＲ圧縮機１は、排出ガス再循環１６の圧力を増大させ、次にこの加圧ＥＧＲを異なる圧縮機段からの排出ガスとして２つの部分に分離し、すなわちその１つは、圧縮機２に供給された後に燃焼器６に戻される流れ１７（約６０体積％）である。圧縮機２からの加圧ガス流の第２の部分は、タービン７用の作動流体（管路１９参照）の一部として働く。ＥＧＲ圧縮機１からの加圧流１８（約４０体積％）は、二酸化炭素分離器３に流入し、分離したＣＯ2は、図示するように符号１４で示す追加の処理のためにシステムから流出する。分離器３からの流れ１５中の非ＣＯ2成分は、タービン４を駆動する付加的作動流体として働き、このタービン４は、圧縮機５及び発電機８に作動結合して電力を発生させる。タービン４からの排出ガス（今や比較的ＣＯ2がない）は、管路１３を通してシステムから、公称上は煙突（排気筒）又は下流の環境汚染制御システムに排出される。
【００２８】
図２は、様々なＥＧＲ率レベル（２０、４０及び５０％）においてタービン排出ガス中の酸素量を如何なるＥＧＲもない従来のシステムのタービン排出ガスを表す０％と比較した状態で、燃焼器内の異なる火炎温度（「ガスタービン燃焼温度」として知られている場合もある）におけるタービン排出ガス中の酸素濃度のグラフ図である。図２で示すように、上記の例示的な実施形態におけるＥＧＲの使用は、排出ガス中の分子状酸素レベルを大幅に低下させると同時に、二酸化炭素量を増加させ、またＣＯ或いはＮＯｘ量を増加させることがない傾向になる。従って、より高いＥＧＲレベルでの排出ガス中の酸素含有量は、４％又はそれ以下（０％に近いのが好ましい）まで減少させて、乾式三元触媒を使用してＮＯｘ成分を除去することを可能にすることができる。
【００２９】
従って、図２は、様々なＥＧＲ率で排出ガス流中に残存する残留酸素量間での予測差を示している、つまり酸素レベルは、より高いＥＧＲ率で大幅に低下することを示している。図２に示すシステムの各々は、より高い燃焼器火炎温度で排出ガス中の酸素が減少する傾向にあるが、本発明に係るＥＧＲの使用により、ＥＧＲがない従来のタービン排出ガスと比較してより極めて低い酸素レベルが一貫して達成される。
【００３０】
図３は、排出ガス中の所望の低酸素レベルを達成するための装置及びステップを含む、ＥＧＲ及び三元触媒処理を実行するのに使用される基本プロセスステップ及び装置を示すプロセス流れ図である。三元触媒モジュールは、三元触媒の前方に酸素含有量を所望のレベルまで低下させる酸化触媒と、三元触媒の後方に炭化水素部分酸化生成物を所望の濃度まで低下させる酸化触媒とを含むことができる。図３は、周囲空気が、圧縮機３０に流入しかつより大幅に高い圧力（及び僅かに高い温度）で給送管路３４を通って燃焼器３６に流入することを示している。図１に関して上述したように、燃焼器３６は、炭化水素燃料成分を空気と混合させて、タービン３８用の主作動流体として働く高温排出ガス流３７を発生させる。図示するように、タービン３８は次に、ＥＧＲ圧縮機３３及び圧縮機３０を駆動する。「低温」ＥＧＲは、管路４５を介してＥＧＲ圧縮機に流入しかつより大幅に高い圧力で加圧再循環流として流出する。一方では、タービン３８からの排出ガス（その中に存在する４体積％未満の酸素を有する）は、管路３９を介してＮＯｘ成分を除去する三元触媒反応器４０を通って流れる。
【００３１】
ガスタービンの内部の異なる箇所における温度によって決まる特定の作動条件下では、別個の下流触媒反応器を利用するのではなくて、タービン自体の内部に三元触媒を配置するのが望ましい場合がある。さらに、異なる触媒を用いて、触媒が許容可能なレベルで機能する正確な作動方式に応じて燃焼器（ＨＲＳＧさえも含む）の下流のその他の位置でＮＯｘを除去することもできる。つまり、本発明に係る三元触媒は、その位置が燃焼器の下流であり、酸素レベルが触媒によりＮＯｘ汚染物質を効率的に除去するのが可能になるほど充分に低い状態に保たれ、またまたプロセス条件が触媒性能全体に悪影響を及ぼさない限り、このプロセスにおける様々な位置に配置することができる。
【００３２】
図３は、処理済み高温排出ガス流３９が排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）４１を通って流れることを示している。上述の通り、符号４３で示す再循環の大部分は次に、熱交換器４４を使用して冷却され、冷却ＥＧＲ流４５は、ＥＧＲ圧縮機３３に戻される。図３はまた、ＥＧＲ圧縮機３３の異なる段から取出した吐出管路４６、４７及び４８によって示すように、ＥＧＲ流の特定の部分を使用してタービン３８に対して補助流を促進しかつ供給する（それによって、必要な排出ガス酸素含有量を達成する目標と共にプラントの全体効率を高める）のに役立てるようにする利点を有することができることを示している。
【００３３】
図４は、燃焼器への吸気給送に対して修正を加えた、図３に示す本発明の別の実施形態（共通要素には同一の参照符号を使用している）についてのプロセス流れ図である。図４は、符号４９で示すＥＧＲ圧縮機排出ガスが、燃焼器に流入する前にリッチ又はリーン触媒反応器を通って流れることができることを示している。触媒反応器は、特定の再循環成分（ＮＯｘ以外の）を除去して燃焼混合気を改善しかつＣＯ2リッチ火炎に対して燃焼安定性を与える。「リッチ」触媒反応器は、例えば炭化水素燃料をよりリッチな水素及びＣＯ混合気に転化し、従って燃焼器の作動柔軟性を高めるリフォーマ（改質材）を含む。図４はまた、燃焼器への液体燃料給送は、非酸化環境内で事前気化させて、適切に用いた場合には燃焼を向上させることができることを示している。燃焼器への圧縮周囲空気給送はまた、図示するように、一部分７３が燃焼器に供給される前に触媒による予備的処理を行われるように分割することができる。
【００３４】
関連した図５Ａ及び図５Ｂは、ガス燃焼器自体を通して再循環される高温燃焼ガスの一部分を含む「高温」ＥＧＲ排出ガス流を使用して、最終的に処理及び／又は除去しなければならないＣＯ2、ＮＯｘその他の望ましくない排出ガス成分の量に対してシステムの効率全体を高めた本発明の別の実施形態についての特徴形状部を示している。
【００３５】
図５Ａは、「高温」ＥＧＲ、すなわち冷却されかつＥＧＲ圧縮機に送給される前のＥＧＲの一部分を、燃焼室の内部で加圧空気と混合させ、個別に燃焼させかつガスタービンエンジンに直接送ることができることを示すプロセス概略図である。炭化水素燃料（符号５１及び符号５２で示す）は、図示するように主圧縮機吐出（ＣＤ）空気と混合されかつパイロット５３を有することができ、その一部はポート５４及び５５を通して再循環させ（内側突出ベンチュリ構成により発生させたより低い静圧によってポートを通しての「引き出し」作用で）かつ主圧縮機吐出空気の一部分と混合される。このようにして、「高温」再循環のより多くの部分は、タービンに直接供給される。
【００３６】
図５Ｂは、燃焼器通路長さ、すなわち「端部カバーからの長さ」に対する燃焼器への入口（吸入）空気温度Ｔinletを示すグラフ図であり、温度Ｔinletは燃焼器の外側の環状空間内で測定される。圧縮機吐出口での温度「ＴＣＤ」は、燃焼器通路に沿った燃焼ガス温度との比較のために示している。ＴＣＤの値は、燃焼ガスとの混合の後に増大する。特に、燃焼器通路長さを減少させながら燃焼器吸入空気温度を上昇させることは、排出ガス中のＮＯｘ及びＣＯレベルを低下させる傾向になることが判明した。
【００３７】
図６は、制御プロセス条件下で本発明に係る変動ＥＧＲ率を使用した結果として排出ガス中に残存する酸素量のグラフ図である。図６が示すように、約４５体積％以上のＥＧＲレベルを使用する場合には、最終的排出ガス中の酸素レベルは、４％以下まで低下し、それによって三元触媒を使用して発生排出ガス流中のＮＯｘ成分を除去するのを可能にする。図６はまた、同程度の入口比湿条件下で、ＥＧＲ率が増大するにつれて約１２％の高さから最少約１％まで排出ガスの酸素含有量がどのように大幅に低下するかを示している。
【００３８】
図７は、変動燃焼器出口火炎温度において異なるＥＧＲ率を使用して発生した予測ＣＯ2及びＮＯｘ相対量を比較するグラフ図である。従って、この図は、出口火炎温度範囲についての予混合燃焼器ＮＯｘエミッションへのＥＧＲの一般的効果を示している。図７は、高いＥＧＲ率を使用することは実際に、処理しようとする排出ガス中に存在するＣＯ2の量を増加させて、従来の手段を使用してＣＯ2を分離しかつ除去するのをより容易にしかつより費用効果のあるものにする傾向があることを強調している。図７はまた、ＮＯｘ量は、燃焼器の火炎温度がより低くなるにつれて、僅かに減少した状態になることを示している。従って、本発明の１つの態様では、より高いプロセス効率は、発生するＮＯｘ量を増加させる傾向にない燃焼器火炎温度及びＥＧＲレベルにより得ることができる。従って、図７は、例示的なガスタービン燃焼システムにおける火炎温度及びＥＧＲ比へのＮＯｘ依存性を示す実施例である。実際のプロセス固有値は、使用する特定のガスタービンサイクル、燃料の種類、及び場合によってはさらに燃焼器設計応じて決まる。
【００３９】
本発明を実行する、すなわち排出ガス中の残留ＮＯｘを低減及び／又は除去するのに有用な乾式三元転化触媒は、自動車業界では周知であるが、従前は、主として単に触媒だけでは、酸素含有量が約４体積％を超えた場合にＮＯｘ成分を除去するのに有効でないという理由で、ガスタービン技術分野では使用されてこなかった（又は、出願人の知識として思いつくことさえなかった）。一般に言えば、三元触媒は、炭化水素及び一酸化炭素（ＨＣ及びＣＯ）の酸化反応並びにＮＯｘの還元反応を促進することができる。
【００４０】
本発明に有用な公知の三元触媒は一般に、Ｚｒ又はＣｅの酸化物並びにアルカリ土類金属Ｂａ、Ｃａ及びＳｒの１種以上の酸化物と共に、γ−Ａｌ2Ｏ3のような安定酸化物の良好に形成した表面を有するベース（支持体）上に分散させた１種以上の白金族金属を含む。触媒ベースは、セラミックブロック或いは鉄母材上に配置されたＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ又は耐食性金属の螺旋巻き金属フォイルのような担体上に被覆することができ、或いは触媒技術に精通した者に周知のその他の方法で被覆することができる。
【００４１】
白金族金属に加えて、ｄ−元素の１種以上の酸化物を含む三元触媒は、サイクル時における変換可能な酸素蓄積による酸素有効性を維持することによって、またＨ2Ｓ及びＮＨ3のような有害ガスの生成を抑制することによって白金族触媒の性能を高める傾向を有する。触媒技術に精通した者には知られているが、従前ガスタービンエンジンからの排出ガスを処理するために使用されていないその他の三元触媒成分（例えば、自動車業界において使用するために開発された多くの最新世代の白金系触媒）は、かかる触媒が最大約４体積％までのＮＯｘを除去することができるという条件で、本明細書に説明したプロセスを使用して発生排出ガスを処理するのに使用することができる。
【００４２】
現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲に含まれる様々な改良及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００４３】
１２ 燃料
１１ 加圧空気流
５ 圧縮機
６ 燃焼器
７ 駆動タービン
９ 排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）
１０ 排出ガス冷却ユニット
１ ＥＧＲ圧縮機
１６ 排出ガス再循環
１７ 流れ
２ 圧縮機
１８ 加圧流
３ 二酸化炭素分離器
１４ 処理
１５ 流れ
３ 分離器
４ 駆動タービン
５ 圧縮機
８ 発電機
１３ 管路
３０ 圧縮機
３４ 給送管路
３７ 排出ガス流
３８ タービン
３０ 圧縮機
４５ 管路
４０ 三元触媒反応器
３９ 管路
４３ リサイクルの大部分
４４ 熱交換器
４５ ＥＧＲ流
３３ ＥＧＲ圧縮機
４６、４７、４８ 吐出管路
４９ ＥＧＲ圧縮機排出ガス
７３ 一部分
５１、５２ 炭化水素燃料
５３ パイロット
５４、５５ ポート
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲空気用の入口と周囲空気の圧力を増加させる手段と圧縮周囲空気用の出口とを有するガス圧縮機、
上記ガス圧縮機の下流の燃焼器（６）であって、圧縮周囲空気用の入口と燃料（１２）用の入口とを有し、燃料（１２）と圧縮周囲空気との混合気を燃焼させて燃焼器出口から高温排出ガスを発生させることができる燃焼器（６）、
燃焼器（６）の下流のガスタービンエンジンであって、燃焼器（６）の出口に結合した入口と、膨脹高温排出ガスの力で回転可能なタービン動翼と、部分使用済み排出ガス用の出口とを有するガスタービンエンジン、
ガスタービンエンジンの下流の三元触媒反応器（４０）であって、部分使用済み排出ガスを受け取って接触する入口を有しかつ排出ガス中に存在するＮＯｘ成分を実質的に全部除去できる三元触媒反応器（４０）、及び
ガスタービンエンジンと結合して電力を発生する発電機（８）
の組合せを備える発電システム。
【請求項２】
三元触媒反応器（４０）の下流の排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）（９）をさらに備える、請求項１記載の発電システム。
【請求項３】
排出ガスの温度を低下させて燃焼器（６）に再循環される冷却排出ガス再循環（１６）（ＥＧＲ）流を形成するための冷却手段をさらに含む、請求項１記載の発電システム。
【請求項４】
冷却ＥＧＲ流（４５）用の入口及び燃焼器（６）に結合した出口を有しかつ冷却ＥＧＲ流（４５）の圧力を増大させることができる、ＨＲＳＧ（９）の下流のＥＧＲ圧縮機（１）をさらに含む、請求項３記載の発電システム。
【請求項５】
燃焼器（６）にフィードバックする前に、排出ガスの選択部分の温度を低下させて冷却ＥＧＲ流（４５）を形成しかつＥＧＲ中に存在する水分（蒸気）の除去を可能にすることができる、ＨＲＳＧの下流の熱交換器（４４）をさらに含む、請求項３記載の発電システム。
【請求項６】
ＥＧＲのボリュームが、約３５体積％以上に維持される、請求項３記載の発電システム。
【請求項７】
三元触媒反応器（４０）内の触媒と接触させる前に排出ガス中に存在する酸素量が、約４体積％又はそれ以下である、請求項１記載の発電システム。
【請求項８】
燃焼器（６）によって燃焼器（６）のチャンバに発生させた高温排出ガスの一部分を再循環させて、ガスの一部分を空気圧縮機からの加圧空気と混合した後における酸化率を増大させる手段をさらに含む、請求項１記載の発電システム。
【請求項９】
三元触媒反応器（４０）が、安定酸化物の表面を有するベース支持体上に分散させた１種以上の白金族金属を含む触媒を使用する、請求項１記載の発電システム。
【請求項１０】
三元触媒で処理するのに先立って最初に排出ガス中に存在する酸素量を減少させることによって三元触媒を使用してガスタービンエンジンの排出ガス中に存在するＮＯｘ成分を処理する方法であって、
ガス圧縮機に供給される周囲空気の圧力を増大させるステップと、
加圧空気及び燃料（１２）を燃焼器（６）に供給するステップと、
圧縮周囲空気及び燃料（１２）を燃焼させて、約４体積％未満の酸素を有する高温排出ガス流（３７）を発生させるステップと、
ガス燃焼器（６）の下流に配置されかつ発電用の発電機（８）に結合したガスタービンエンジンに対して高温排出ガスを供給するステップと、
ガスタービン発電機からの部分使用済み排出ガスを、ガスタービンエンジンの下流に配置されかつ排出ガス中に存在するＮＯｘ成分を実質的に全部除去できる三元触媒に接触させるステップと
を含んでなる方法。
【請求項１】
周囲空気用の入口と周囲空気の圧力を増加させる手段と圧縮周囲空気用の出口とを有するガス圧縮機、
上記ガス圧縮機の下流の燃焼器（６）であって、圧縮周囲空気用の入口と燃料（１２）用の入口とを有し、燃料（１２）と圧縮周囲空気との混合気を燃焼させて燃焼器出口から高温排出ガスを発生させることができる燃焼器（６）、
燃焼器（６）の下流のガスタービンエンジンであって、燃焼器（６）の出口に結合した入口と、膨脹高温排出ガスの力で回転可能なタービン動翼と、部分使用済み排出ガス用の出口とを有するガスタービンエンジン、
ガスタービンエンジンの下流の三元触媒反応器（４０）であって、部分使用済み排出ガスを受け取って接触する入口を有しかつ排出ガス中に存在するＮＯｘ成分を実質的に全部除去できる三元触媒反応器（４０）、及び
ガスタービンエンジンと結合して電力を発生する発電機（８）
の組合せを備える発電システム。
【請求項２】
三元触媒反応器（４０）の下流の排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）（９）をさらに備える、請求項１記載の発電システム。
【請求項３】
排出ガスの温度を低下させて燃焼器（６）に再循環される冷却排出ガス再循環（１６）（ＥＧＲ）流を形成するための冷却手段をさらに含む、請求項１記載の発電システム。
【請求項４】
冷却ＥＧＲ流（４５）用の入口及び燃焼器（６）に結合した出口を有しかつ冷却ＥＧＲ流（４５）の圧力を増大させることができる、ＨＲＳＧ（９）の下流のＥＧＲ圧縮機（１）をさらに含む、請求項３記載の発電システム。
【請求項５】
燃焼器（６）にフィードバックする前に、排出ガスの選択部分の温度を低下させて冷却ＥＧＲ流（４５）を形成しかつＥＧＲ中に存在する水分（蒸気）の除去を可能にすることができる、ＨＲＳＧの下流の熱交換器（４４）をさらに含む、請求項３記載の発電システム。
【請求項６】
ＥＧＲのボリュームが、約３５体積％以上に維持される、請求項３記載の発電システム。
【請求項７】
三元触媒反応器（４０）内の触媒と接触させる前に排出ガス中に存在する酸素量が、約４体積％又はそれ以下である、請求項１記載の発電システム。
【請求項８】
燃焼器（６）によって燃焼器（６）のチャンバに発生させた高温排出ガスの一部分を再循環させて、ガスの一部分を空気圧縮機からの加圧空気と混合した後における酸化率を増大させる手段をさらに含む、請求項１記載の発電システム。
【請求項９】
三元触媒反応器（４０）が、安定酸化物の表面を有するベース支持体上に分散させた１種以上の白金族金属を含む触媒を使用する、請求項１記載の発電システム。
【請求項１０】
三元触媒で処理するのに先立って最初に排出ガス中に存在する酸素量を減少させることによって三元触媒を使用してガスタービンエンジンの排出ガス中に存在するＮＯｘ成分を処理する方法であって、
ガス圧縮機に供給される周囲空気の圧力を増大させるステップと、
加圧空気及び燃料（１２）を燃焼器（６）に供給するステップと、
圧縮周囲空気及び燃料（１２）を燃焼させて、約４体積％未満の酸素を有する高温排出ガス流（３７）を発生させるステップと、
ガス燃焼器（６）の下流に配置されかつ発電用の発電機（８）に結合したガスタービンエンジンに対して高温排出ガスを供給するステップと、
ガスタービン発電機からの部分使用済み排出ガスを、ガスタービンエンジンの下流に配置されかつ排出ガス中に存在するＮＯｘ成分を実質的に全部除去できる三元触媒に接触させるステップと
を含んでなる方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−２７６０５３（Ｐ２００９−２７６０５３Ａ）
【公開日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００９−５８８６５（Ｐ２００９−５８８６５）
【出願日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５８８６５（Ｐ２００９−５８８６５）
【出願日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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