排出物を低減するための装置及び組立方法
【課題】燃焼システムの排気路でのＮＯ2生成を低減するのに用いられる装置を提供すること。
【解決手段】排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）（１１６）が、窒素酸化物（ＮＯx）を含む排気ガスの流れを放出するガスタービンエンジン（１０６）に結合される。ＨＲＳＧ（１１６）は、排気ガスを加熱するための蒸気ベースの加熱要素（３０６）と、少なくとも１つの蒸気ベースの加熱要素（３０６）から下流に結合され、少なくとも１つのＮＯx低減要素（３０６）内に運ばれる排気ガス中のＮＯxの量の低減を促進するように構成された、少なくとも１つのＮＯx低減要素（３１２）とを含む。
【解決手段】排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）（１１６）が、窒素酸化物（ＮＯx）を含む排気ガスの流れを放出するガスタービンエンジン（１０６）に結合される。ＨＲＳＧ（１１６）は、排気ガスを加熱するための蒸気ベースの加熱要素（３０６）と、少なくとも１つの蒸気ベースの加熱要素（３０６）から下流に結合され、少なくとも１つのＮＯx低減要素（３０６）内に運ばれる排気ガス中のＮＯxの量の低減を促進するように構成された、少なくとも１つのＮＯx低減要素（３１２）とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で説明される実施形態は、一般に、排出物処理システムに関し、より詳細には、燃焼システムの排気路でのＮＯ2生成を低減するのに用いられる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
天然ガス及び液体燃料の燃焼中に、限定はされないが一酸化炭素（ＣＯ）、未燃炭化水素（ＵＨＣ）、及び窒素酸化物（ＮＯx）排出物など、汚染物質が生成される、且つ／又は周囲大気中に排出される場合がある。一般に、ＣＯ及びＵＨＣは、より低い温度の燃焼状態中、及び／又は反応を完了するのに十分な時間がない燃焼状態中に生成される場合がある。対照的に、ＮＯxは、一般に、より高い温度の燃焼状態中に生成される。少なくとも幾つかの公知の汚染物質排出源は、産業用ボイラ及び炉、レシプロエンジン、ガスタービンエンジン、及び／又は蒸気発生器を含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７，５７８，２６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現代の大気保全規制は、発電プラントに対して低減された排出レベルを益々義務付けるとともに、高い燃料効率要件も要求する。厳しい排出制御基準に準拠するために、ＮＯx排出物の形成を抑制することによってＮＯx排出物を制御することが望ましい。窒素酸化物は、排気筒から目に見える黄色の噴煙を生じることが知られており、且つ「酸性雨」の生成の一因となると言われている、一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ2）とを含む。しかしながら、公知の燃焼制御は、排出物制御が限られたものにすぎない可能性があり、高い基準やしばしば対立する目標を満たすのに不適切なものになることがあり、その結果、燃焼後排気ガス処理システムのさらなる改善が望ましい。
【０００５】
排気筒排出物中のＮＯxを制御するのに用いられる１つの公知の技術は、選択的触媒還元（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）（ＳＣＲ）である。ＳＣＲシステムでは、発電プラントからの煙道ガスは、炭化水素燃料の適切な燃焼を保証するために提供される高い比率の酸素により、正味の酸化作用をしばしば有する。したがって、煙道ガス中に存在するＮＯxを窒素と水に還元することはできるが、非常に困難である。ＳＣＲ要素は、無水アンモニアを煙道ガスと混合するのに使用することができ、これらのガスは、適切な温度で適切な還元触媒の上を運ばれてから大気中に解放される。しかしながら、触媒上での反応速度は、入口ガス温度に依存し、したがってＮＯx破壊速度は煙道ガスが適切な温度に加熱されるまで不十分である。したがって、始動中のような過渡期の間、ＳＣＲ要素は、一般に、煙道ガス温度が低すぎるためＮＯxを所望のレベルまで低減しない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１つの態様において、ガスタービンエンジンと共に用いられる排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）を提供するための方法が提供される。方法は、ＨＲＳＧを提供するステップと、ＨＲＳＧ内に蒸気ベースの加熱要素を結合するステップと、蒸気ベースの加熱要素から下流に少なくとも１つの窒素酸化物（ＮＯx）低減要素を結合するステップとを含み、蒸気ベースの加熱要素は、所望のＮＯx低減のために不十分な排気温度でのガスタービンエンジンの動作中に動作して、少なくとも１つのＮＯx低減要素を通して送られる排気ガスの温度を上昇させて、少なくとも１つのＮＯx低減要素がガスタービンエンジンの動作中のＮＯx還元反応を促進することを可能にするように構成される。
【０００７】
別の態様において、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）が提供され、ＨＲＳＧは、窒素酸化物（ＮＯx）を含む排気ガスの流れを放出するガスタービンエンジンに結合される。ＨＲＳＧは、排気ガスを加熱するための蒸気ベースの加熱要素と、少なくとも１つの蒸気ベースの加熱要素から下流に結合され、少なくとも１つのＮＯx低減要素内に運ばれる排気ガス中のＮＯxの量の低減を促進するように構成された、少なくとも１つのＮＯx低減要素とを含む。
【０００８】
別の態様において、ガスタービンエンジンと、ガスタービンエンジンと流れ連通して結合された排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）とを含む、複合サイクルパワープラントが提供される。ガスタービンエンジンは、軸動力と窒素酸化物（ＮＯx）を含む排気ガスの流れとを生み出すために、空気中で燃料を燃焼させるように構成される。ＨＲＳＧは、排気ガスを加熱するための蒸気ベースの加熱要素と、蒸気ベースの加熱要素から下流に結合され、少なくとも１つのＮＯx低減要素内に運ばれる排気ガス中のＮＯxの量の低減を促進するように構成された、少なくとも１つのＮＯx低減要素とを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】例示的な複合サイクルパワープラントの簡易略図である。
【図２】図１に示される複合サイクルパワープラントと共に用いられてもよい例示的な排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）の概略ブロック図である。
【図３】図２に示されるＨＲＳＧの簡易ブロック図である。
【図４】図２及び図３に示されるＨＲＳＧと共に用いられてもよい例示的な蒸気ベースの加熱要素の斜視図である。
【図５】経時的な、また排気ガスがＮＯx低減要素に入る際の排気ガスの温度に基づく、図３に示されるＮＯx低減要素の効率を例示するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
燃焼システムの排気路でのＮＯ2生成を低減するのに用いられる方法及び装置の例示的な実施形態が本明細書で説明される。より具体的には、本明細書で説明される実施形態は、選択的触媒還元（ＳＣＲ）触媒を用いて、ガスタービンエンジンの始動、シャットダウン、及び低負荷動作の間のＮＯx変換の改善を促進する。本明細書で説明されるもののような排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）と共に用いられてもよい既存のＳＣＲ触媒は、典型的には、セラミック材料から形成され触媒材料で被覆されたハニカム構造である。ＮＯxの変換は、触媒の表面温度が約４００°Ｆよりも上のような十分に高温であるときに始まる。ガスタービンエンジンの始動中のＮＯx排出物は、ベース負荷動作の間よりも高い。したがって、ＳＣＲ触媒が十分な温度に達しなかったので、始動中のＳＣＲ触媒の変換効率はより低い。しばしば、ＳＣＲ触媒の温度に基づいてＮＯx還元をさらに強化するために、ガスタービンエンジンからの排気ガスの流路内にアンモニアが注入される。本発明の実施形態は、ＳＣＲ触媒の近くの超伝導伝熱管のパネルのような蒸気ベースの加熱要素により、触媒表面温度の上昇を促進する。触媒が所望の温度に達するように、ガスタービンエンジンからの排気ガスが、ＳＣＲ触媒に入る前に加熱要素によって加熱される。
【００１１】
図１は、例示的な複合サイクルパワープラント１００の簡易略図である。例示的な実施形態において、パワープラント１００は、空気を受け入れる空気取入口１０４を含んでいる圧縮機１０２を含む。圧縮機１０２は、１つ又は複数の燃焼チャンバ１０８を含むガスタービンエンジン１０６に結合される。圧縮機１０２は、空気取入口１０４を介して受け入れた空気を圧縮し、圧縮空気を燃焼チャンバ１０８内に運び、そこで圧縮空気は燃料と混合され点火されて、第１のシャフト１１０を駆動するための高温燃焼ガスをガスタービンエンジン１０６に供給する。第１のシャフト１１０は、第１の発電機１１２に結合され、第１の発電機１１２に電気を発生させる。そのうえ、ガスタービンエンジン１０６は、例えば、限定としてではなく窒素酸化物（ＮＯx）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び未燃炭化水素を含む排気ガスを、排気ダクト１１４内に放出する。
【００１２】
例示的な実施形態において、パワープラント１００はまた、ガスタービンエンジン１０６と流れ連通して結合される排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）１１６を含む。具体的には、ＨＲＳＧ１１６は、ＨＲＳＧ１１６がガスタービンエンジン１０６から放出された排気ガスを受け入れるように、排気ダクト１１４を介してガスタービンエンジン１０６に結合される。例示的な実施形態において、ＨＲＳＧ１１６は、１つ又は複数の熱交換器１１８と排出物処理装置１２０とを含む。熱交換器１１８は、排気ガスから熱を取り出し、この熱は、蒸気を発生させるのに用いられる。排出物処理装置１２０は、排気ガスを処理し、処理された排気ガスは、その後、排気筒１２２を介して大気に解放される。
【００１３】
蒸気タービン１２４は、熱交換器１１８によって発生した蒸気が第２のシャフト１２６の回転を駆動するのに用いられる蒸気タービン１２４内に運ばれるように、ＨＲＳＧ１１６に結合される。第２のシャフト１２６はまた、第２の発電機１２８に結合され、第２の発電機１２８に電気を発生させる。次いで、使用済み蒸気が複数の管巣１３２を含むコンデンサ１３０内に運ばれる。管巣１３２を通して運ばれた冷却水が蒸気を冷却し、これにより該蒸気が凝結して水になる。水は、次いで、熱交換器１１８に戻るように運ばれる。
【００１４】
図２は、ＨＲＳＧ１１６の概略ブロック図である。例示的な実施形態において、ＨＲＳＧ１１６は、ガスタービンエンジン１０６（図１に示される）から排気ダクト１１４（図１に示される）を介して放出された排気ガスの流れを受け入れる。そのうえ、例示的な実施形態において、熱交換器１１８は、複数のスーパーヒータ熱交換器２０２、複数のレヒータ熱交換器２０４、及び複数のエコノマイザ熱交換器２０６を含む。ＨＲＳＧ１１６はまた、排気ガス中に含まれる熱を用いて各々蒸気を生じる高圧蒸発器２０８、中圧蒸発器２１０、及び低圧蒸発器２１２を含む。各蒸発器２０８、２１０、及び２１２は、それぞれの圧力ドラムに結合される。例示的な実施形態において、高圧蒸発器２０８は高圧ドラム２１４に結合され、中圧蒸発器２１０は中圧ドラム２１６に結合され、低圧蒸発器２１２は低圧ドラム２１８に結合される。ＨＲＳＧ１１６はまた、蒸気生産高を高めるために排気ガスの流れ内に熱を供給する、少なくとも１つのダクトバーナ２２０を含む。したがって、例示的な実施形態において、ＨＲＳＧ１１６は、高圧ドラム２１４、中圧ドラム２１６、及び低圧ドラム２１８を用いて複数の異なる圧力で蒸気を発生させる。そのうえ、例示的な実施形態において、各圧力ドラム２１４、２１６、及び２１８は、加圧された蒸気を異なる蒸気タービン（図示せず）に送る。代替的な実施形態において、各圧力ドラム２１４、２１６、及び２１８は、加圧された蒸気を蒸気タービン１２４（図１に示される）のような単一の蒸気タービンに運ぶ。例示的な実施形態において、排出物処理装置１２０（図１に示される）は、排気ガスの流れ内に混入した汚染物質の量の低減を促進するために、熱交換器２０２、２０４、及び２０６、蒸発器２０８、２１０、及び２１２、並びにダクトバーナ２２０の間に結合される。代替的な実施形態において、排出物処理装置１２０は、熱交換器１１８から下流で排気ガスの流れ内に位置決めされる。
【００１５】
図３は、ＨＲＳＧ１１６の簡易ブロック図である。図３に示すように、ＨＲＳＧ１１６は、排気ガスがガスタービンエンジン１０６から排気ダクト１１４（図１に示される）を介して放出された後で排気ガスの温度を高める、ダクトバーナ３０２を含む。ダクトバーナ３０２から下流に高圧蒸発器２０８が流れ連通して結合され、同じく排気ガスの温度を上昇させる。例えば、一実施形態において、ダクトバーナ３０２と高圧蒸発器２０８は、華氏約７００度（°Ｆ）の温度で排気ガスを受け入れる。例において、排気ガスは、約１０％の二酸化窒素（ＮＯ2）を含む約９０パーツ・パー・ミリオン（ｐｐｍ）のＮＯxを含み、ダクトバーナ３０２と高圧蒸発器２０８は、排気ガスを約７００°Ｆよりも上の温度に加熱する。そのうえ、例示的な実施形態において、約４００°Ｆまでの排気ガスの冷却を促進するために、高圧蒸発器２０８から下流に高圧熱交換器３０４が流れ連通して結合される。
【００１６】
例示的な実施形態において、排気筒１２２に運ばれた排出物中の例えばＮＯx濃度の低減を促進するべく排気ガスの温度を選択的に増加させるために、高圧熱交換器３０４から下流に蒸気ベースの加熱要素３０６が流れ連通して結合される。より具体的には、一実施形態において、加熱要素３０６は、排気ガスを約５００°Ｆから約８００°Ｆまでの間の温度に加熱する。例示的な実施形態において、排気ガス・ストリーム中のＣＯ触媒３０８の場所における局所的排気温度での一酸化窒素（ＮＯ）から平衡濃度のＮＯ2までの酸化を促進するために、加熱要素３０６から下流に一酸化炭素（ＣＯ）触媒３０８が流れ連通して結合される。具体的には、ＣＯ触媒３０８は、ＳＣＲ触媒に依存するが約５０％未満のＮＯ2を含む約９０ｐｐｍのＮＯxを排気ガスが含むように、ＮＯを酸化する。
【００１７】
例示的な実施形態において、ＣＯ触媒３０８から下流に注入装置３１０が流れ連通して結合される。注入装置３１０は、排気ガス中のＮＯx濃度の低減を促進するために、排気ガスの流れ内に還元剤を注入する。そのうえ、例示的な実施形態において、注入装置３１０から下流にＮＯx低減要素３１２が流れ連通して結合される。ＮＯx低減要素３１２は、ＮＯx濃度の低減を促進するために、適切な還元触媒の上で還元剤を含む排気ガスを運ぶ。例えば、還元触媒は、１２０ｐｐｍのＮＨ3によって約８０％のＮＯ2のような主としてＮＯ2へのＮＯxの低減に適した環境を提供する。例えば、例示的な実施形態において、ＮＯx低減要素３１２は、排気ガスを還元触媒の上で約５００°Ｆから８００°Ｆまでの間の温度で運び、ＮＯx低減要素３１２は、ＮＯ2として約９０％のＮＯxと５ｐｐｍのＮＨ3とを含む約９ｐｐｍの濃度までＮＯxを低減する。
【００１８】
一実施形態において、注入装置３１０は、ＣＯ触媒３０８から下流と流れ連通して結合されるアンモニア（ＮＨ3）注入格子である。ＮＨ3注入格子３１０は、排気ガス中のＮＯx濃度の低減を促進するために、排気ガスの流れ内にアンモニアを注入する。具体的には、ＮＨ3注入格子３１０は、アンモニア濃度が約１２０ｐｐｍまで低減するように、排気ガスの流れ内に気体のアンモニア混合物を注入する。代替的な実施形態において、注入装置３１０は、排気ガスの流れ内に水素のような還元剤又は炭化水素材料のような有機還元剤を注入する。
【００１９】
そのうえ、ＮＯx低減要素３１２は、ＮＯx濃度の低減を促進するために、排気ガスを適切な還元触媒の上で約５００°Ｆから８００°Ｆまでの間の温度で運ぶ。一実施形態において、ＮＯx低減要素３１２は、ＮＯx濃度を低減するために炭化水素材料のような有機還元剤を用いる。例えば、一実施形態において、ＮＯx低減要素３１２は、１つ又は複数の触媒区域に提供された１つ又は複数の触媒を含む。有機還元剤を含む排気ガスは、対応する触媒と相互作用するために各触媒区域を通して送られる。例示的な触媒は、ゼオライト材料、白金族金属のような触媒金属、ガリウム、及び／又は、銀、金、バナジウム、亜鉛、チタン、スズ、ビスマス、コバルト、モリブデン、タングステン、インジウム、及びこれらの混合物のような助触媒金属を含むがこれらのみに限定されない。代替的な実施形態において、ＮＯx低減要素３１２は、Ｈ2のような水素ベースの還元剤を用いる。典型的には、還元剤としてＨ2又は炭化水素を有するＮＯx低減要素３１２に用いられる貴金属触媒は、還元剤としてアンモニアを有するＮＯx低減要素３１２と同じＮＯx除去効率に対してより低い温度を要求する。しかしながら、Ｈ2又は炭化水素還元剤の使用は、アンモニアをＮＯxに分解する又は酸化する或いはこの両方の前に、より低い最高温度を可能にする。したがって、幾つかの実施形態において、貴金属触媒は、より低温の動作環境ではＨＲＳＧ１１６の排気部のより近くに配置される。
【００２０】
別の代替的な実施形態において、ＮＯx低減要素３１２は、乾式三元触媒のような三元触媒を用いる。例示的な三元触媒は、ジルコニウム又はセリウムの酸化物と、バリウム、カルシウム、及びストロンチウムのようなアルカリ土類金属の１つ又は複数の酸化物と共に、安定な酸化物のよく発達した表面によりベース上に分散される、１つ又は複数の白金族金属を含む。触媒ベースは、セラミックブロック又は鉄、クロム、及びアルミニウムからなる螺旋状に巻かれた金属箔のような担体上に、又は鉄ベース上の耐食材料上にコーティングされてもよい。白金族金属に加えて、ｄ−要素の１つ又は複数の酸化物を含有する三元触媒は、サイクルの間の酸素の変換可能な蓄積を通じて酸素利用可能性を維持することによって、並びに硫化水素及びアンモニアのような有毒ガスの発生を抑制することによって、白金族触媒の効率を増加させる傾向がある。三元触媒の上記の例は、例示の目的のためだけのものであり、ＮＯx低減要素３１２に用いられてもよい三元触媒のタイプを限定することを意図されるものではない。
【００２１】
そのうえ、例示的な実施形態において、ＨＲＳＧ１１６は、ＮＯx低減要素３１２から下流と流れ連通して結合された低圧熱交換器３１４を含む。そのうえ、例示的な実施形態において、低圧熱交換器３１４は、排気ガスを、約９ｐｐｍのＮＯxと５ｐｐｍのＮＨ3とを含む約１５０°Ｆの温度まで冷却する。
【００２２】
例示的な実施形態において、コントローラ３１６が、例えばＨＲＳＧ１１６に結合される。コントローラ３１６は、加熱要素３０６の活動化及び／又は性能を制御する。例えば、複合サイクルパワープラント１００（図１に示される）の始動中に、コントローラ３１６は、排気ガスが排気筒１２２を介して大気中に解放される前に、例えば、ＮＯ及びＮＯ２へのＮＯxの低減を促進するために、加熱要素３０６を活動化して排気ガスの流れを加熱する。プラント１００の始動は、ホットスタート、ウォームスタート、又はコールドスタートのいずれであってもよい。加熱要素３０６は、ガスタービン始動のパージ段階の間に動作することができる。幾つかの実施形態において、コントローラ３１６は、ＮＯxを所望の排出レベルまで低減するのに十分な温度まで排気ガスを加熱することによって、ＮＯxの増大された還元を促進するために、あらゆる動作上の過渡期又は負荷或いは低速の間に加熱要素３０６に排気ガスの流れを加熱させる。
【００２３】
図４は、ＨＲＳＧ１１６（図２及び図３に示される）と共に用いられてもよい例示的な蒸気ベースの加熱要素３０６の斜視図である。例示的な実施形態において、図４に示すように、加熱要素３０６は、パネル４０４を形成するように配置された複数の超伝導伝熱管４０２を含む。例示的な伝熱管は、Ｎｅｗ Ｑｕ Ｅｎｅｒｇｙ Ｌｔｄ．、Ｈｏｎｇ Ｋｏｎｇ、Ｃｈｉｎａから市販されているＱｕ Ｔｕｂｅｓを含むがこれのみに限定されない。そのうえ、例示的な実施形態において、蒸気源（図示せず）は、蒸気から熱エネルギーを吸収する伝熱管４０２を通して蒸気を運ぶ。ガスタービンエンジン１０２（図１に示される）からの排気ガスは、伝熱管４０２を通して運ばれ、そこで排気ガスは、伝熱管４０２から熱エネルギーの少なくとも一部を吸収する。例示的な蒸気源は、蒸気タービン１２４（図１に示される）、補助ボイラ（図示せず）、高圧ドラム２１４、中圧ドラム２１６、及び／又は低圧ドラム２１８（各々図２に示される）のような圧力ドラム、又は十分な熱エネルギーを有する蒸気を加熱要素３０６に提供することができるあらゆる他の適切な蒸気源を含むがこれらのみに限定されない。
【００２４】
図５は、経時的な、また排気ガスがＮＯx低減要素３１２に入る際の排気ガスの温度に基づく、ＮＯx低減要素３１２（図３に示される）の効率を例示するグラフ５００である。より具体的には、グラフ５００は、経時的な、特に、ガスタービンエンジン１０２（図１に示される）の始動期又はシャットダウン期の間及び低負荷状態での、それらがＮＯx低減要素３１２に入る際の排気ガスの温度を例示する排気ガス温度曲線５０２を含む。グラフ５００はまた、経時的な、特に、ガスタービンエンジン１０２の始動期の間のＮＯx低減要素３１２の効果曲線５０４を含む。図５に示すように、注入装置３１０（図３に示される）は、触媒表面温度が約４００°Ｆのような所定の温度に達するまで、排気ガスの流れ内への還元剤の注入を開始しない。十分な触媒表面温度に達するために、コントローラ３１６は、加熱要素３１６から上流の排気ガスの温度に基づいて加熱要素３０６（両方とも図３に示される）を選択的に活動化させる。加熱要素３０６が活動化されるときに、蒸気がヒートパイプ４０２（図４に示される）を通して運ばれ、ヒートパイプ４０２が蒸気から熱エネルギーの少なくとも一部を吸収する。排気ガスは、該排気ガスがＮＯx低減要素３１２内に運ばれる際にヒートパイプ４０２から熱エネルギーの少なくとも一部を吸収する。触媒の表面が所望の温度に達するときに、注入装置３１０は、曲線５０４を介して示されるようにＮＯx低減要素３１２の効率の増加を促進するために反応剤を注入し始める。
【００２５】
ＮＯx排出物のような排出物を低減するのに用いられる方法及び装置の例示的な実施形態が本明細書で説明される。本明細書で説明される実施形態は、排気筒を介して大気中に放出される排気ガスのＮＯx濃度を選択的触媒還元（ＳＣＲ）要素が低減する能力を強化するために、ダクトバーナを用いることによってガスタービンエンジンからの排気ガスの温度の上昇を促進する。そのうえ、ガスタービンエンジンの始動の間、シャットダウンの間、及びより低負荷状態において、通常のＨＲＳＧ動作方法は、結果としてＳＣＲ入口において低いＮＯx破壊効率をもつ排気ガス温度をもたらすであろう。したがって、本明細書で説明される実施形態は、要求されるＮＯx破壊効率を提供するためにＳＣＲの上流で熱交換器に熱エネルギーを導く。熱エネルギーの量は、プラント効率を最小にするように制御される。
【００２６】
システム、装置、及び組立方法の例示的な実施形態が上記で詳細に説明される。システム、装置、及び組立方法は、本明細書で説明される特定の実施形態に限定されないが、むしろ、方法の動作及び／又はシステム及び／又は装置の構成要素は、本明細書で説明される他の動作及び／又は構成要素とは独立して別々に用いられてもよい。さらに、説明された動作及び／又は構成要素はまた、他のシステム、方法、及び／又は装置において定義され又はこれらと組み合わせて用いられてもよく、本明細書で説明される場合のシステム、方法、及び記憶媒体での実施のみに限定されない。
【００２７】
本明細書で説明されるもののようなコントローラは、少なくとも１つのプロセッサ又は処理装置とシステムメモリとを含む。コントローラは、典型的に、少なくとも幾つかの形態のコンピュータ可読媒体を有する。単なる例として、限定ではなく、コンピュータ可読媒体は、コンピュータ記憶媒体及び通信媒体を含む。コンピュータ記憶媒体は、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール、又は他のデータのような情報を記憶するためのあらゆる方法又は技術で実装される揮発性及び不揮発性の、取り外し式及び非取り外し式媒体を含む。通信媒体は、典型的には、搬送波又は他の輸送機構など変調データ信号内のコンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール、又は他のデータを実施するものであり、あらゆる情報配信媒体を含む。当業者は、信号内で情報を符号化するように１つ又は複数のその特性の組が設定または変更された変調データ信号を熟知している。上記のいずれかの組合せもまた、コンピュータ可読媒体の範囲内に含まれる。
【００２８】
本明細書で例示され説明された本発明の実施形態における実行の順序又は動作の性能は、他に規定されない限り、不可欠のものではない。すなわち、動作は、他に規定されない限りあらゆる順序で行われてもよく、本発明の実施形態は、付加的な又は本明細書で開示されたものよりも少ない動作を含んでもよい。例えば、特定の動作を別の動作の前、別の動作と同時、又は別の動作の後で実行する又は行うことは本発明の態様の範囲内であることが企図されている。
【００２９】
本発明の態様の要素又はその実施形態を紹介するとき、「ひとつの（ａ、ａｎ）」、「該（ｔｈｅ）」、及び「前記（ｓａｉｄ）」は、１つ又は複数の要素が存在することを意味するように意図される。「備える」、「含む」、及び「有する」という用語は、包括的なものとなり、また挙げられた要素以外の付加的な要素が存在してもよいことを意味するように意図される。
【００３０】
本書は、最良の形態を含めて、例を使用し、本発明を開示し、またあらゆるデバイス又はシステムを作製すること及び用いること並びにあらゆる組み入れられた方法を行うことを含めて当業者が本発明を実施することを可能にしている。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定められ、当業者に想起される他の例を含んでもよい。こうした他の例は、それらが請求項の文字通りの言葉とは異ならない構造要素を有する場合に、又はそれらが請求項の文字通りの言葉とわずかしか異ならない等価な構造要素を含む場合に、請求項の範囲内にあることが意図されている。
【符号の説明】
【００３１】
１００ 複合サイクルパワープラント
１０２ 圧縮機
１０４ 空気取入口
１０６ ガスタービンエンジン
１０８ 燃焼チャンバ
１１０ 第１のシャフト
１１２ 第１の発電機
１１４ 排気ダクト
１１６ 排熱回収ボイラ
１１８ 熱交換器
１２０ 排出物処理装置
１２２ 排気筒
１２４ 蒸気タービン
１２６ 第２のシャフト
１２８ 第２の発電機
１３０ コンデンサ
１３２ 管巣
２０２ スーパーヒータ熱交換器
２０４ レヒータ熱交換器
２０６ エコノマイザ熱交換器
２０８ 高圧蒸発器
２１０ 中圧蒸発器
２１２ 低圧蒸発器
２１４ 高圧ドラム
２１６ 中圧ドラム
２１８ 低圧ドラム
２２０ ダクトバーナ
３０２ ダクトバーナ
３０４ 高圧熱交換器
３０６ 蒸気ベースの加熱要素
３０８ ＣＯ触媒
３１０ 注入装置
３１２ ＮＯx低減要素
３１４ 低圧熱交換器
３１６ コントローラ
４０２ 伝熱管
４０４ パネル
５００ グラフ
５０２ 排気ガス温度曲線
５０４ 効果曲線
【技術分野】
【０００１】
本明細書で説明される実施形態は、一般に、排出物処理システムに関し、より詳細には、燃焼システムの排気路でのＮＯ2生成を低減するのに用いられる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
天然ガス及び液体燃料の燃焼中に、限定はされないが一酸化炭素（ＣＯ）、未燃炭化水素（ＵＨＣ）、及び窒素酸化物（ＮＯx）排出物など、汚染物質が生成される、且つ／又は周囲大気中に排出される場合がある。一般に、ＣＯ及びＵＨＣは、より低い温度の燃焼状態中、及び／又は反応を完了するのに十分な時間がない燃焼状態中に生成される場合がある。対照的に、ＮＯxは、一般に、より高い温度の燃焼状態中に生成される。少なくとも幾つかの公知の汚染物質排出源は、産業用ボイラ及び炉、レシプロエンジン、ガスタービンエンジン、及び／又は蒸気発生器を含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７，５７８，２６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現代の大気保全規制は、発電プラントに対して低減された排出レベルを益々義務付けるとともに、高い燃料効率要件も要求する。厳しい排出制御基準に準拠するために、ＮＯx排出物の形成を抑制することによってＮＯx排出物を制御することが望ましい。窒素酸化物は、排気筒から目に見える黄色の噴煙を生じることが知られており、且つ「酸性雨」の生成の一因となると言われている、一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ2）とを含む。しかしながら、公知の燃焼制御は、排出物制御が限られたものにすぎない可能性があり、高い基準やしばしば対立する目標を満たすのに不適切なものになることがあり、その結果、燃焼後排気ガス処理システムのさらなる改善が望ましい。
【０００５】
排気筒排出物中のＮＯxを制御するのに用いられる１つの公知の技術は、選択的触媒還元（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）（ＳＣＲ）である。ＳＣＲシステムでは、発電プラントからの煙道ガスは、炭化水素燃料の適切な燃焼を保証するために提供される高い比率の酸素により、正味の酸化作用をしばしば有する。したがって、煙道ガス中に存在するＮＯxを窒素と水に還元することはできるが、非常に困難である。ＳＣＲ要素は、無水アンモニアを煙道ガスと混合するのに使用することができ、これらのガスは、適切な温度で適切な還元触媒の上を運ばれてから大気中に解放される。しかしながら、触媒上での反応速度は、入口ガス温度に依存し、したがってＮＯx破壊速度は煙道ガスが適切な温度に加熱されるまで不十分である。したがって、始動中のような過渡期の間、ＳＣＲ要素は、一般に、煙道ガス温度が低すぎるためＮＯxを所望のレベルまで低減しない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１つの態様において、ガスタービンエンジンと共に用いられる排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）を提供するための方法が提供される。方法は、ＨＲＳＧを提供するステップと、ＨＲＳＧ内に蒸気ベースの加熱要素を結合するステップと、蒸気ベースの加熱要素から下流に少なくとも１つの窒素酸化物（ＮＯx）低減要素を結合するステップとを含み、蒸気ベースの加熱要素は、所望のＮＯx低減のために不十分な排気温度でのガスタービンエンジンの動作中に動作して、少なくとも１つのＮＯx低減要素を通して送られる排気ガスの温度を上昇させて、少なくとも１つのＮＯx低減要素がガスタービンエンジンの動作中のＮＯx還元反応を促進することを可能にするように構成される。
【０００７】
別の態様において、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）が提供され、ＨＲＳＧは、窒素酸化物（ＮＯx）を含む排気ガスの流れを放出するガスタービンエンジンに結合される。ＨＲＳＧは、排気ガスを加熱するための蒸気ベースの加熱要素と、少なくとも１つの蒸気ベースの加熱要素から下流に結合され、少なくとも１つのＮＯx低減要素内に運ばれる排気ガス中のＮＯxの量の低減を促進するように構成された、少なくとも１つのＮＯx低減要素とを含む。
【０００８】
別の態様において、ガスタービンエンジンと、ガスタービンエンジンと流れ連通して結合された排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）とを含む、複合サイクルパワープラントが提供される。ガスタービンエンジンは、軸動力と窒素酸化物（ＮＯx）を含む排気ガスの流れとを生み出すために、空気中で燃料を燃焼させるように構成される。ＨＲＳＧは、排気ガスを加熱するための蒸気ベースの加熱要素と、蒸気ベースの加熱要素から下流に結合され、少なくとも１つのＮＯx低減要素内に運ばれる排気ガス中のＮＯxの量の低減を促進するように構成された、少なくとも１つのＮＯx低減要素とを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】例示的な複合サイクルパワープラントの簡易略図である。
【図２】図１に示される複合サイクルパワープラントと共に用いられてもよい例示的な排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）の概略ブロック図である。
【図３】図２に示されるＨＲＳＧの簡易ブロック図である。
【図４】図２及び図３に示されるＨＲＳＧと共に用いられてもよい例示的な蒸気ベースの加熱要素の斜視図である。
【図５】経時的な、また排気ガスがＮＯx低減要素に入る際の排気ガスの温度に基づく、図３に示されるＮＯx低減要素の効率を例示するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
燃焼システムの排気路でのＮＯ2生成を低減するのに用いられる方法及び装置の例示的な実施形態が本明細書で説明される。より具体的には、本明細書で説明される実施形態は、選択的触媒還元（ＳＣＲ）触媒を用いて、ガスタービンエンジンの始動、シャットダウン、及び低負荷動作の間のＮＯx変換の改善を促進する。本明細書で説明されるもののような排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）と共に用いられてもよい既存のＳＣＲ触媒は、典型的には、セラミック材料から形成され触媒材料で被覆されたハニカム構造である。ＮＯxの変換は、触媒の表面温度が約４００°Ｆよりも上のような十分に高温であるときに始まる。ガスタービンエンジンの始動中のＮＯx排出物は、ベース負荷動作の間よりも高い。したがって、ＳＣＲ触媒が十分な温度に達しなかったので、始動中のＳＣＲ触媒の変換効率はより低い。しばしば、ＳＣＲ触媒の温度に基づいてＮＯx還元をさらに強化するために、ガスタービンエンジンからの排気ガスの流路内にアンモニアが注入される。本発明の実施形態は、ＳＣＲ触媒の近くの超伝導伝熱管のパネルのような蒸気ベースの加熱要素により、触媒表面温度の上昇を促進する。触媒が所望の温度に達するように、ガスタービンエンジンからの排気ガスが、ＳＣＲ触媒に入る前に加熱要素によって加熱される。
【００１１】
図１は、例示的な複合サイクルパワープラント１００の簡易略図である。例示的な実施形態において、パワープラント１００は、空気を受け入れる空気取入口１０４を含んでいる圧縮機１０２を含む。圧縮機１０２は、１つ又は複数の燃焼チャンバ１０８を含むガスタービンエンジン１０６に結合される。圧縮機１０２は、空気取入口１０４を介して受け入れた空気を圧縮し、圧縮空気を燃焼チャンバ１０８内に運び、そこで圧縮空気は燃料と混合され点火されて、第１のシャフト１１０を駆動するための高温燃焼ガスをガスタービンエンジン１０６に供給する。第１のシャフト１１０は、第１の発電機１１２に結合され、第１の発電機１１２に電気を発生させる。そのうえ、ガスタービンエンジン１０６は、例えば、限定としてではなく窒素酸化物（ＮＯx）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び未燃炭化水素を含む排気ガスを、排気ダクト１１４内に放出する。
【００１２】
例示的な実施形態において、パワープラント１００はまた、ガスタービンエンジン１０６と流れ連通して結合される排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）１１６を含む。具体的には、ＨＲＳＧ１１６は、ＨＲＳＧ１１６がガスタービンエンジン１０６から放出された排気ガスを受け入れるように、排気ダクト１１４を介してガスタービンエンジン１０６に結合される。例示的な実施形態において、ＨＲＳＧ１１６は、１つ又は複数の熱交換器１１８と排出物処理装置１２０とを含む。熱交換器１１８は、排気ガスから熱を取り出し、この熱は、蒸気を発生させるのに用いられる。排出物処理装置１２０は、排気ガスを処理し、処理された排気ガスは、その後、排気筒１２２を介して大気に解放される。
【００１３】
蒸気タービン１２４は、熱交換器１１８によって発生した蒸気が第２のシャフト１２６の回転を駆動するのに用いられる蒸気タービン１２４内に運ばれるように、ＨＲＳＧ１１６に結合される。第２のシャフト１２６はまた、第２の発電機１２８に結合され、第２の発電機１２８に電気を発生させる。次いで、使用済み蒸気が複数の管巣１３２を含むコンデンサ１３０内に運ばれる。管巣１３２を通して運ばれた冷却水が蒸気を冷却し、これにより該蒸気が凝結して水になる。水は、次いで、熱交換器１１８に戻るように運ばれる。
【００１４】
図２は、ＨＲＳＧ１１６の概略ブロック図である。例示的な実施形態において、ＨＲＳＧ１１６は、ガスタービンエンジン１０６（図１に示される）から排気ダクト１１４（図１に示される）を介して放出された排気ガスの流れを受け入れる。そのうえ、例示的な実施形態において、熱交換器１１８は、複数のスーパーヒータ熱交換器２０２、複数のレヒータ熱交換器２０４、及び複数のエコノマイザ熱交換器２０６を含む。ＨＲＳＧ１１６はまた、排気ガス中に含まれる熱を用いて各々蒸気を生じる高圧蒸発器２０８、中圧蒸発器２１０、及び低圧蒸発器２１２を含む。各蒸発器２０８、２１０、及び２１２は、それぞれの圧力ドラムに結合される。例示的な実施形態において、高圧蒸発器２０８は高圧ドラム２１４に結合され、中圧蒸発器２１０は中圧ドラム２１６に結合され、低圧蒸発器２１２は低圧ドラム２１８に結合される。ＨＲＳＧ１１６はまた、蒸気生産高を高めるために排気ガスの流れ内に熱を供給する、少なくとも１つのダクトバーナ２２０を含む。したがって、例示的な実施形態において、ＨＲＳＧ１１６は、高圧ドラム２１４、中圧ドラム２１６、及び低圧ドラム２１８を用いて複数の異なる圧力で蒸気を発生させる。そのうえ、例示的な実施形態において、各圧力ドラム２１４、２１６、及び２１８は、加圧された蒸気を異なる蒸気タービン（図示せず）に送る。代替的な実施形態において、各圧力ドラム２１４、２１６、及び２１８は、加圧された蒸気を蒸気タービン１２４（図１に示される）のような単一の蒸気タービンに運ぶ。例示的な実施形態において、排出物処理装置１２０（図１に示される）は、排気ガスの流れ内に混入した汚染物質の量の低減を促進するために、熱交換器２０２、２０４、及び２０６、蒸発器２０８、２１０、及び２１２、並びにダクトバーナ２２０の間に結合される。代替的な実施形態において、排出物処理装置１２０は、熱交換器１１８から下流で排気ガスの流れ内に位置決めされる。
【００１５】
図３は、ＨＲＳＧ１１６の簡易ブロック図である。図３に示すように、ＨＲＳＧ１１６は、排気ガスがガスタービンエンジン１０６から排気ダクト１１４（図１に示される）を介して放出された後で排気ガスの温度を高める、ダクトバーナ３０２を含む。ダクトバーナ３０２から下流に高圧蒸発器２０８が流れ連通して結合され、同じく排気ガスの温度を上昇させる。例えば、一実施形態において、ダクトバーナ３０２と高圧蒸発器２０８は、華氏約７００度（°Ｆ）の温度で排気ガスを受け入れる。例において、排気ガスは、約１０％の二酸化窒素（ＮＯ2）を含む約９０パーツ・パー・ミリオン（ｐｐｍ）のＮＯxを含み、ダクトバーナ３０２と高圧蒸発器２０８は、排気ガスを約７００°Ｆよりも上の温度に加熱する。そのうえ、例示的な実施形態において、約４００°Ｆまでの排気ガスの冷却を促進するために、高圧蒸発器２０８から下流に高圧熱交換器３０４が流れ連通して結合される。
【００１６】
例示的な実施形態において、排気筒１２２に運ばれた排出物中の例えばＮＯx濃度の低減を促進するべく排気ガスの温度を選択的に増加させるために、高圧熱交換器３０４から下流に蒸気ベースの加熱要素３０６が流れ連通して結合される。より具体的には、一実施形態において、加熱要素３０６は、排気ガスを約５００°Ｆから約８００°Ｆまでの間の温度に加熱する。例示的な実施形態において、排気ガス・ストリーム中のＣＯ触媒３０８の場所における局所的排気温度での一酸化窒素（ＮＯ）から平衡濃度のＮＯ2までの酸化を促進するために、加熱要素３０６から下流に一酸化炭素（ＣＯ）触媒３０８が流れ連通して結合される。具体的には、ＣＯ触媒３０８は、ＳＣＲ触媒に依存するが約５０％未満のＮＯ2を含む約９０ｐｐｍのＮＯxを排気ガスが含むように、ＮＯを酸化する。
【００１７】
例示的な実施形態において、ＣＯ触媒３０８から下流に注入装置３１０が流れ連通して結合される。注入装置３１０は、排気ガス中のＮＯx濃度の低減を促進するために、排気ガスの流れ内に還元剤を注入する。そのうえ、例示的な実施形態において、注入装置３１０から下流にＮＯx低減要素３１２が流れ連通して結合される。ＮＯx低減要素３１２は、ＮＯx濃度の低減を促進するために、適切な還元触媒の上で還元剤を含む排気ガスを運ぶ。例えば、還元触媒は、１２０ｐｐｍのＮＨ3によって約８０％のＮＯ2のような主としてＮＯ2へのＮＯxの低減に適した環境を提供する。例えば、例示的な実施形態において、ＮＯx低減要素３１２は、排気ガスを還元触媒の上で約５００°Ｆから８００°Ｆまでの間の温度で運び、ＮＯx低減要素３１２は、ＮＯ2として約９０％のＮＯxと５ｐｐｍのＮＨ3とを含む約９ｐｐｍの濃度までＮＯxを低減する。
【００１８】
一実施形態において、注入装置３１０は、ＣＯ触媒３０８から下流と流れ連通して結合されるアンモニア（ＮＨ3）注入格子である。ＮＨ3注入格子３１０は、排気ガス中のＮＯx濃度の低減を促進するために、排気ガスの流れ内にアンモニアを注入する。具体的には、ＮＨ3注入格子３１０は、アンモニア濃度が約１２０ｐｐｍまで低減するように、排気ガスの流れ内に気体のアンモニア混合物を注入する。代替的な実施形態において、注入装置３１０は、排気ガスの流れ内に水素のような還元剤又は炭化水素材料のような有機還元剤を注入する。
【００１９】
そのうえ、ＮＯx低減要素３１２は、ＮＯx濃度の低減を促進するために、排気ガスを適切な還元触媒の上で約５００°Ｆから８００°Ｆまでの間の温度で運ぶ。一実施形態において、ＮＯx低減要素３１２は、ＮＯx濃度を低減するために炭化水素材料のような有機還元剤を用いる。例えば、一実施形態において、ＮＯx低減要素３１２は、１つ又は複数の触媒区域に提供された１つ又は複数の触媒を含む。有機還元剤を含む排気ガスは、対応する触媒と相互作用するために各触媒区域を通して送られる。例示的な触媒は、ゼオライト材料、白金族金属のような触媒金属、ガリウム、及び／又は、銀、金、バナジウム、亜鉛、チタン、スズ、ビスマス、コバルト、モリブデン、タングステン、インジウム、及びこれらの混合物のような助触媒金属を含むがこれらのみに限定されない。代替的な実施形態において、ＮＯx低減要素３１２は、Ｈ2のような水素ベースの還元剤を用いる。典型的には、還元剤としてＨ2又は炭化水素を有するＮＯx低減要素３１２に用いられる貴金属触媒は、還元剤としてアンモニアを有するＮＯx低減要素３１２と同じＮＯx除去効率に対してより低い温度を要求する。しかしながら、Ｈ2又は炭化水素還元剤の使用は、アンモニアをＮＯxに分解する又は酸化する或いはこの両方の前に、より低い最高温度を可能にする。したがって、幾つかの実施形態において、貴金属触媒は、より低温の動作環境ではＨＲＳＧ１１６の排気部のより近くに配置される。
【００２０】
別の代替的な実施形態において、ＮＯx低減要素３１２は、乾式三元触媒のような三元触媒を用いる。例示的な三元触媒は、ジルコニウム又はセリウムの酸化物と、バリウム、カルシウム、及びストロンチウムのようなアルカリ土類金属の１つ又は複数の酸化物と共に、安定な酸化物のよく発達した表面によりベース上に分散される、１つ又は複数の白金族金属を含む。触媒ベースは、セラミックブロック又は鉄、クロム、及びアルミニウムからなる螺旋状に巻かれた金属箔のような担体上に、又は鉄ベース上の耐食材料上にコーティングされてもよい。白金族金属に加えて、ｄ−要素の１つ又は複数の酸化物を含有する三元触媒は、サイクルの間の酸素の変換可能な蓄積を通じて酸素利用可能性を維持することによって、並びに硫化水素及びアンモニアのような有毒ガスの発生を抑制することによって、白金族触媒の効率を増加させる傾向がある。三元触媒の上記の例は、例示の目的のためだけのものであり、ＮＯx低減要素３１２に用いられてもよい三元触媒のタイプを限定することを意図されるものではない。
【００２１】
そのうえ、例示的な実施形態において、ＨＲＳＧ１１６は、ＮＯx低減要素３１２から下流と流れ連通して結合された低圧熱交換器３１４を含む。そのうえ、例示的な実施形態において、低圧熱交換器３１４は、排気ガスを、約９ｐｐｍのＮＯxと５ｐｐｍのＮＨ3とを含む約１５０°Ｆの温度まで冷却する。
【００２２】
例示的な実施形態において、コントローラ３１６が、例えばＨＲＳＧ１１６に結合される。コントローラ３１６は、加熱要素３０６の活動化及び／又は性能を制御する。例えば、複合サイクルパワープラント１００（図１に示される）の始動中に、コントローラ３１６は、排気ガスが排気筒１２２を介して大気中に解放される前に、例えば、ＮＯ及びＮＯ２へのＮＯxの低減を促進するために、加熱要素３０６を活動化して排気ガスの流れを加熱する。プラント１００の始動は、ホットスタート、ウォームスタート、又はコールドスタートのいずれであってもよい。加熱要素３０６は、ガスタービン始動のパージ段階の間に動作することができる。幾つかの実施形態において、コントローラ３１６は、ＮＯxを所望の排出レベルまで低減するのに十分な温度まで排気ガスを加熱することによって、ＮＯxの増大された還元を促進するために、あらゆる動作上の過渡期又は負荷或いは低速の間に加熱要素３０６に排気ガスの流れを加熱させる。
【００２３】
図４は、ＨＲＳＧ１１６（図２及び図３に示される）と共に用いられてもよい例示的な蒸気ベースの加熱要素３０６の斜視図である。例示的な実施形態において、図４に示すように、加熱要素３０６は、パネル４０４を形成するように配置された複数の超伝導伝熱管４０２を含む。例示的な伝熱管は、Ｎｅｗ Ｑｕ Ｅｎｅｒｇｙ Ｌｔｄ．、Ｈｏｎｇ Ｋｏｎｇ、Ｃｈｉｎａから市販されているＱｕ Ｔｕｂｅｓを含むがこれのみに限定されない。そのうえ、例示的な実施形態において、蒸気源（図示せず）は、蒸気から熱エネルギーを吸収する伝熱管４０２を通して蒸気を運ぶ。ガスタービンエンジン１０２（図１に示される）からの排気ガスは、伝熱管４０２を通して運ばれ、そこで排気ガスは、伝熱管４０２から熱エネルギーの少なくとも一部を吸収する。例示的な蒸気源は、蒸気タービン１２４（図１に示される）、補助ボイラ（図示せず）、高圧ドラム２１４、中圧ドラム２１６、及び／又は低圧ドラム２１８（各々図２に示される）のような圧力ドラム、又は十分な熱エネルギーを有する蒸気を加熱要素３０６に提供することができるあらゆる他の適切な蒸気源を含むがこれらのみに限定されない。
【００２４】
図５は、経時的な、また排気ガスがＮＯx低減要素３１２に入る際の排気ガスの温度に基づく、ＮＯx低減要素３１２（図３に示される）の効率を例示するグラフ５００である。より具体的には、グラフ５００は、経時的な、特に、ガスタービンエンジン１０２（図１に示される）の始動期又はシャットダウン期の間及び低負荷状態での、それらがＮＯx低減要素３１２に入る際の排気ガスの温度を例示する排気ガス温度曲線５０２を含む。グラフ５００はまた、経時的な、特に、ガスタービンエンジン１０２の始動期の間のＮＯx低減要素３１２の効果曲線５０４を含む。図５に示すように、注入装置３１０（図３に示される）は、触媒表面温度が約４００°Ｆのような所定の温度に達するまで、排気ガスの流れ内への還元剤の注入を開始しない。十分な触媒表面温度に達するために、コントローラ３１６は、加熱要素３１６から上流の排気ガスの温度に基づいて加熱要素３０６（両方とも図３に示される）を選択的に活動化させる。加熱要素３０６が活動化されるときに、蒸気がヒートパイプ４０２（図４に示される）を通して運ばれ、ヒートパイプ４０２が蒸気から熱エネルギーの少なくとも一部を吸収する。排気ガスは、該排気ガスがＮＯx低減要素３１２内に運ばれる際にヒートパイプ４０２から熱エネルギーの少なくとも一部を吸収する。触媒の表面が所望の温度に達するときに、注入装置３１０は、曲線５０４を介して示されるようにＮＯx低減要素３１２の効率の増加を促進するために反応剤を注入し始める。
【００２５】
ＮＯx排出物のような排出物を低減するのに用いられる方法及び装置の例示的な実施形態が本明細書で説明される。本明細書で説明される実施形態は、排気筒を介して大気中に放出される排気ガスのＮＯx濃度を選択的触媒還元（ＳＣＲ）要素が低減する能力を強化するために、ダクトバーナを用いることによってガスタービンエンジンからの排気ガスの温度の上昇を促進する。そのうえ、ガスタービンエンジンの始動の間、シャットダウンの間、及びより低負荷状態において、通常のＨＲＳＧ動作方法は、結果としてＳＣＲ入口において低いＮＯx破壊効率をもつ排気ガス温度をもたらすであろう。したがって、本明細書で説明される実施形態は、要求されるＮＯx破壊効率を提供するためにＳＣＲの上流で熱交換器に熱エネルギーを導く。熱エネルギーの量は、プラント効率を最小にするように制御される。
【００２６】
システム、装置、及び組立方法の例示的な実施形態が上記で詳細に説明される。システム、装置、及び組立方法は、本明細書で説明される特定の実施形態に限定されないが、むしろ、方法の動作及び／又はシステム及び／又は装置の構成要素は、本明細書で説明される他の動作及び／又は構成要素とは独立して別々に用いられてもよい。さらに、説明された動作及び／又は構成要素はまた、他のシステム、方法、及び／又は装置において定義され又はこれらと組み合わせて用いられてもよく、本明細書で説明される場合のシステム、方法、及び記憶媒体での実施のみに限定されない。
【００２７】
本明細書で説明されるもののようなコントローラは、少なくとも１つのプロセッサ又は処理装置とシステムメモリとを含む。コントローラは、典型的に、少なくとも幾つかの形態のコンピュータ可読媒体を有する。単なる例として、限定ではなく、コンピュータ可読媒体は、コンピュータ記憶媒体及び通信媒体を含む。コンピュータ記憶媒体は、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール、又は他のデータのような情報を記憶するためのあらゆる方法又は技術で実装される揮発性及び不揮発性の、取り外し式及び非取り外し式媒体を含む。通信媒体は、典型的には、搬送波又は他の輸送機構など変調データ信号内のコンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール、又は他のデータを実施するものであり、あらゆる情報配信媒体を含む。当業者は、信号内で情報を符号化するように１つ又は複数のその特性の組が設定または変更された変調データ信号を熟知している。上記のいずれかの組合せもまた、コンピュータ可読媒体の範囲内に含まれる。
【００２８】
本明細書で例示され説明された本発明の実施形態における実行の順序又は動作の性能は、他に規定されない限り、不可欠のものではない。すなわち、動作は、他に規定されない限りあらゆる順序で行われてもよく、本発明の実施形態は、付加的な又は本明細書で開示されたものよりも少ない動作を含んでもよい。例えば、特定の動作を別の動作の前、別の動作と同時、又は別の動作の後で実行する又は行うことは本発明の態様の範囲内であることが企図されている。
【００２９】
本発明の態様の要素又はその実施形態を紹介するとき、「ひとつの（ａ、ａｎ）」、「該（ｔｈｅ）」、及び「前記（ｓａｉｄ）」は、１つ又は複数の要素が存在することを意味するように意図される。「備える」、「含む」、及び「有する」という用語は、包括的なものとなり、また挙げられた要素以外の付加的な要素が存在してもよいことを意味するように意図される。
【００３０】
本書は、最良の形態を含めて、例を使用し、本発明を開示し、またあらゆるデバイス又はシステムを作製すること及び用いること並びにあらゆる組み入れられた方法を行うことを含めて当業者が本発明を実施することを可能にしている。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定められ、当業者に想起される他の例を含んでもよい。こうした他の例は、それらが請求項の文字通りの言葉とは異ならない構造要素を有する場合に、又はそれらが請求項の文字通りの言葉とわずかしか異ならない等価な構造要素を含む場合に、請求項の範囲内にあることが意図されている。
【符号の説明】
【００３１】
１００ 複合サイクルパワープラント
１０２ 圧縮機
１０４ 空気取入口
１０６ ガスタービンエンジン
１０８ 燃焼チャンバ
１１０ 第１のシャフト
１１２ 第１の発電機
１１４ 排気ダクト
１１６ 排熱回収ボイラ
１１８ 熱交換器
１２０ 排出物処理装置
１２２ 排気筒
１２４ 蒸気タービン
１２６ 第２のシャフト
１２８ 第２の発電機
１３０ コンデンサ
１３２ 管巣
２０２ スーパーヒータ熱交換器
２０４ レヒータ熱交換器
２０６ エコノマイザ熱交換器
２０８ 高圧蒸発器
２１０ 中圧蒸発器
２１２ 低圧蒸発器
２１４ 高圧ドラム
２１６ 中圧ドラム
２１８ 低圧ドラム
２２０ ダクトバーナ
３０２ ダクトバーナ
３０４ 高圧熱交換器
３０６ 蒸気ベースの加熱要素
３０８ ＣＯ触媒
３１０ 注入装置
３１２ ＮＯx低減要素
３１４ 低圧熱交換器
３１６ コントローラ
４０２ 伝熱管
４０４ パネル
５００ グラフ
５０２ 排気ガス温度曲線
５０４ 効果曲線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素酸化物（ＮＯx）を含む排気ガスの流れを放出するガスタービンエンジン（１０６）に結合された排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）（１１６）であって、
排気ガスを加熱するための蒸気ベースの加熱要素（３０６）と、
前記少なくとも１つの蒸気ベースの加熱要素（３０６）から下流に結合され、前記少なくとも１つのＮＯx低減要素（３１２）内に運ばれる排気ガス中のＮＯxの量の低減を促進するように構成された、少なくとも１つのＮＯx低減要素（３１２）と
を備えるＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項２】
前記蒸気ベースの加熱要素（３０６）が、前記蒸気ベースの加熱要素（３０６）から上流の排気ガスの温度に基づいて選択的に活動化されるように構成されている、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項３】
前記蒸気ベースの加熱要素（３０６）が、所望のＮＯx低減のためにＮＯx触媒入口で不十分な排気温度をもつ始動期、シャットダウン期、及び負荷状態のいずれかの間に排気ガスを加熱するように構成されている、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項４】
前記蒸気ベースの加熱要素（３０６）が、少なくとも１つの超伝導伝熱管（４０２）を備える、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項５】
前記蒸気ベースの加熱要素（３０６）が、蒸気タービン（１２４）に結合され、排気ガスを加熱するのに用いられる蒸気タービン（１２４）から蒸気を受け入れるように構成されている、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項６】
前記蒸気ベースの加熱要素（３０６）に結合された蒸気源をさらに備え、前記蒸気源が、前記蒸気ベースの加熱要素（３０６）から上流の排気ガスの温度に基づいて選択的に活動化されるように構成されている、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項７】
前記蒸気ベースの加熱要素（３０６）に結合された少なくとも１つの熱交換器をさらに備え、前記少なくとも１つの熱交換器が、排気ガスから熱を取り出す、取り出された熱を用いて蒸気を発生させる、及び排気ガスを加熱するのに用いられる前記蒸気ベースの加熱要素（３０６）に蒸気を運ぶように構成されている、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項８】
前記蒸気ベースの加熱要素（３０６）に結合されたボイラをさらに備え、前記ボイラが、蒸気を発生させる、及び排気ガスを加熱するのに用いられる前記蒸気ベースの加熱要素（３０６）に蒸気を運ぶように構成されている、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項９】
前記排気ガスの流れがまた、一酸化炭素（ＣＯ）を含み、前記ＨＲＳＧ（１１６）が、前記蒸気ベースの加熱要素（３０６）から下流、注入装置（３１０）から上流に結合された酸化触媒要素（３０８）をさらに備える、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項１０】
軸動力と窒素酸化物（ＮＯx）を含む排気ガスの流れとを生み出すために空気中の燃料を燃焼させるように構成されたガスタービンエンジン（１０６）と、
前記ガスタービンエンジン（１０６）と流れ連通して結合された排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）（１１６）と、
を備え、前記ＨＲＳＧ（１１６）が、
排気ガスを加熱するための蒸気ベースの加熱要素（３０６）と、
前記蒸気ベースの加熱要素（３０６）から下流に結合され、前記少なくとも１つのＮＯx低減要素（３１２）内に運ばれる排気ガス中のＮＯxの量の低減を促進するように構成された、少なくとも１つのＮＯx低減要素（３１２）と
を備える複合サイクルパワープラント。
【請求項１】
窒素酸化物（ＮＯx）を含む排気ガスの流れを放出するガスタービンエンジン（１０６）に結合された排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）（１１６）であって、
排気ガスを加熱するための蒸気ベースの加熱要素（３０６）と、
前記少なくとも１つの蒸気ベースの加熱要素（３０６）から下流に結合され、前記少なくとも１つのＮＯx低減要素（３１２）内に運ばれる排気ガス中のＮＯxの量の低減を促進するように構成された、少なくとも１つのＮＯx低減要素（３１２）と
を備えるＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項２】
前記蒸気ベースの加熱要素（３０６）が、前記蒸気ベースの加熱要素（３０６）から上流の排気ガスの温度に基づいて選択的に活動化されるように構成されている、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項３】
前記蒸気ベースの加熱要素（３０６）が、所望のＮＯx低減のためにＮＯx触媒入口で不十分な排気温度をもつ始動期、シャットダウン期、及び負荷状態のいずれかの間に排気ガスを加熱するように構成されている、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項４】
前記蒸気ベースの加熱要素（３０６）が、少なくとも１つの超伝導伝熱管（４０２）を備える、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項５】
前記蒸気ベースの加熱要素（３０６）が、蒸気タービン（１２４）に結合され、排気ガスを加熱するのに用いられる蒸気タービン（１２４）から蒸気を受け入れるように構成されている、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項６】
前記蒸気ベースの加熱要素（３０６）に結合された蒸気源をさらに備え、前記蒸気源が、前記蒸気ベースの加熱要素（３０６）から上流の排気ガスの温度に基づいて選択的に活動化されるように構成されている、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項７】
前記蒸気ベースの加熱要素（３０６）に結合された少なくとも１つの熱交換器をさらに備え、前記少なくとも１つの熱交換器が、排気ガスから熱を取り出す、取り出された熱を用いて蒸気を発生させる、及び排気ガスを加熱するのに用いられる前記蒸気ベースの加熱要素（３０６）に蒸気を運ぶように構成されている、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項８】
前記蒸気ベースの加熱要素（３０６）に結合されたボイラをさらに備え、前記ボイラが、蒸気を発生させる、及び排気ガスを加熱するのに用いられる前記蒸気ベースの加熱要素（３０６）に蒸気を運ぶように構成されている、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項９】
前記排気ガスの流れがまた、一酸化炭素（ＣＯ）を含み、前記ＨＲＳＧ（１１６）が、前記蒸気ベースの加熱要素（３０６）から下流、注入装置（３１０）から上流に結合された酸化触媒要素（３０８）をさらに備える、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項１０】
軸動力と窒素酸化物（ＮＯx）を含む排気ガスの流れとを生み出すために空気中の燃料を燃焼させるように構成されたガスタービンエンジン（１０６）と、
前記ガスタービンエンジン（１０６）と流れ連通して結合された排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）（１１６）と、
を備え、前記ＨＲＳＧ（１１６）が、
排気ガスを加熱するための蒸気ベースの加熱要素（３０６）と、
前記蒸気ベースの加熱要素（３０６）から下流に結合され、前記少なくとも１つのＮＯx低減要素（３１２）内に運ばれる排気ガス中のＮＯxの量の低減を促進するように構成された、少なくとも１つのＮＯx低減要素（３１２）と
を備える複合サイクルパワープラント。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−９７７３９（Ｐ２０１２−９７７３９Ａ）
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３４４７２（Ｐ２０１１−２３４４７２）
【出願日】平成２３年１０月２６日（２０１１．１０．２６）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２６日（２０１１．１０．２６）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
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