排出量低減装置及びその組立方法
【課題】燃焼システムの排気経路におけるＮＯ2形成を低減するのに使用する装置を提供する。
【解決手段】熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１１６は、空気中で燃料を燃焼させてシャフト動力及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む排出ガスの流れを生成するよう構成されたガスタービンエンジンに結合される。ＨＲＳＧ１１６は、排出ガスを加熱するための少なくとも１つのダクトバーナと、少なくとも１つのダクトバーナの下流に結合され、内部に配向される排出ガス中のＮＯｘ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還元装置とを含む。
【解決手段】熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１１６は、空気中で燃料を燃焼させてシャフト動力及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む排出ガスの流れを生成するよう構成されたガスタービンエンジンに結合される。ＨＲＳＧ１１６は、排出ガスを加熱するための少なくとも１つのダクトバーナと、少なくとも１つのダクトバーナの下流に結合され、内部に配向される排出ガス中のＮＯｘ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還元装置とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で記載される実施形態は、全体的に、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経路におけるＮＯ2形成を低減するのに使用する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
天然ガス及び液体燃料の燃焼中、特に限定されないが、一酸化炭素（ＣＯ）、非燃焼炭化水素（ＵＨＣ）、及び窒素酸化物（ＮＯｘ）排出物などの汚染物質が形成され及び／又は周辺の雰囲気に排出することができる。一般に、ＣＯ及びＵＨＣは、低温燃焼条件下及び／又は反応の完了には不十分な時間しか利用できない燃焼条件下で形成される場合がある。対照的に、ＮＯｘは、一般に、高温燃焼条件下で形成される。公知の汚染物質排出源として、産業用ボイラー及び加熱炉、レシプロエンジン、ガスタービンエンジン、及び／又は蒸気発生器が挙げられる。
【０００３】
最新の大気質規制は、発電プラントに対してますます低い排出レベルを要求すると同時に、燃料効率最低基準の向上も必要とされている。厳しい排出規制基準に適合するためには、ＮＯｘ排出物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。窒素酸化物には、一酸化窒素（ＮＯ）及び二酸化窒素（ＮＯ2）が含まれ、二酸化窒素は、排気スタックから可視の黄色プルームを生成することが知られており、酸性雨の生成の原因となるとされている。しかしながら、公知の燃焼制御は、限定的な排出制御しか提供することができず、基準の引き上げ及び相容れないことの多い目標を満たすには不十分であることが明らかになり、その結果、燃焼後の排出ガス処理システムの更なる改善が望ましいことになる。
【０００４】
スタック排出においてＮＯｘを制御する際に使用する１つの公知の技術は、選択的接触還元（ＳＣＲ）である。ＳＣＲシステムにおいて、発電プラントからの煙道ガスは、炭化水素燃料の十分な燃焼を確保するために提供される酸素が高比率であることに起因して、正味酸化作用をもたらすことが多い。従って、煙道ガス中に存在するＮＯｘを窒素と水に還元するには多大な困難が伴う。ＳＣＲ装置を用いて、無水アンモニアを煙道ガスと混合することができ、該ガスは、大気に放出される前に、好適な温度で好適な還元触媒を介して送られる。しかしながら、触媒による反応速度は入口ガス温度に依存し、このため、煙道ガスが好適な温度に加熱されるまではＮＯｘの分解速度は不十分である。従って、始動運転などの過渡段階の間、ＳＣＲ装置は、一般に、煙道ガス温度が低くなるような所望のレベルまでＮＯｘを還元しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７６５５２０３号明細書
【発明の概要】
【０００６】
１つの態様では、ガスタービンエンジンと共に使用するための熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）を提供する方法が与えられる。本方法は、ＨＲＳＧ内に少なくとも１つのダクトバーナを結合する段階と、少なくとも１つのダクトバーナの下流に少なくとも１つの窒素酸化物（ＮＯｘ）還元装置を結合する段階と、を含み、少なくとも１つのダクトバーナが、所望のＮＯｘ還元においてＮＯｘ触媒入口にて十分な排気温度で、始動、シャットダウン、及び低負荷運転を含むガスタービンエンジン運転を作動させて、少なくとも１つのＮＯｘ還元装置を通って送られる排出ガスの温度を上昇させ、該少なくとも１つのＮＯｘ還元装置がガスタービンエンジン運転中にＮＯｘ還元反応を促進するように構成されている。
【０００７】
別の態様では、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）が提供され、該ＨＲＳＧは、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む排出ガスの流れを吐出するガスタービンエンジンに結合される。ＨＲＳＧは、排出ガスを加熱するための少なくとも１つのダクトバーナと、少なくとも１つのダクトバーナの下流に結合され、且つ内部に配向される排出ガス中のＮＯｘ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還元装置とを含む。
【０００８】
別の態様では、ガスタービンエンジン及び該ガスタービンエンジンと流れ連通して結合された熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）とを含む、複合サイクル発電プラントが提供される。ガスタービンエンジンは、空気中で燃料を燃焼させてシャフト動力及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む排出ガスの流れを生成するよう構成される。ＨＲＳＧは、排出ガスを加熱するための少なくとも１つのダクトバーナと、少なくとも１つのダクトバーナの下流に結合され、内部に配向される排出ガス中のＮＯｘ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還元装置と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】例示的な複合サイクル発電プラントの簡易概略図。
【図２】図１に示す複合サイクル発電プラントと共に用いることができる例示的な熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）の概略ブロック図。
【図３】図２に示すＨＲＳＧにおける簡易ブロック図及び排出プロファイル。
【図４】図２及び３に示すＨＲＳＧと共に用いることができる例示的な第２のダクトバーナの側面図。
【図５】図１に示す複合サイクル発電プラントからの経時的なＮＯｘ排出物の排出曲線を示すグラフ。
【図６】ＳＣＲ入口温度に基づいたＮＯｘ分解量を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、例示的な複合サイクル発電プラントの簡易概略図である。例示的な実施形態では、発電プラント１００は、空気を受け取る吸気口１０４を有する圧縮機１０２を含む。圧縮機１０２は、１以上の燃焼室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、吸気口１０４を介して受け取った空気を加圧して、加圧空気を燃焼室１０８に送り、ここで加圧空気が燃料と混合されて点火され、ガスタービンエンジン１０６に高温燃焼ガスを供給し第１のシャフト１１０を駆動する。第１のシャフト１１０は、第１の発電機１１２に結合され、該第１の発電機１１２が電気を発生させる。さらに、ガスタービンエンジン１０６は、例えば特に限定されないが、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び非燃焼炭化水素を含む排出ガスを排気ダクト１１４に吐出する。
【００１１】
例示的な実施形態では、発電プラント１００はまた、ガスタービンエンジン１０６に流れ連通して結合される熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１１６を含む。具体的には、ＨＲＳＧ１１６は、排気ダクトを介してガスタービンエンジン１０６に結合され、ＨＲＳＧ１１６がガスタービンエンジン１０６から吐出された排出ガスを受け取るようにする。例示的な実施形態では、ＨＲＳＧ１１６は、１以上の熱交換器１１８及び排出物処理装置１２０を含む。熱交換器１１８は、排出ガスから熱を抽出し、この熱は蒸気を発生するのに使用される。排出物処理装置１２０は、排出ガスを処理し、続いて、処理された排出ガスが排気スタック１２２を介して大気に放出される。
【００１２】
蒸気タービン１２４は、熱交換器１１８により生成された蒸気が蒸気タービン１２４に送られて第２のシャフト１２６の回転を駆動するのに使用されるように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、該第２の発電機１２８が電気を生成するようにする。次いで、使用済み蒸気が複数の管束１３２を含む凝縮器１３０に送られる。管束１３２に送られる冷却水は、蒸気が凝縮されて水になるように蒸気を冷却する。次に、水は熱交換器１１８に戻される。
【００１３】
図２は、ＨＲＳＧ１１６の概略ブロック図である。例示的な実施形態では、ＨＲＳＧ１１６は、排気ダクト１１４（図１に示す）を介してガスタービンエンジン１０６から吐出される排出ガスの流れを受け取る。さらに、例示的な実施形態では、熱交換器１１８は、複数の過熱熱交換器２０２、複数の再熱熱交換器２０４、及び複数のエコノマイザ熱交換器２０６を含む。ＨＲＳＧ１１６はまた、高圧蒸発器２０８、中圧蒸発器２１０、及び低圧蒸発器２１２を含み、各々が排気ガス中に含まれる熱を用いて蒸気を生成する。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。例示的な実施形態では、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、蒸気生成出力を強化するために排出ガス流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。従って、例示的な実施形態では、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生成する。さらに、例示的な実施形態では、各圧力ドラム２１４、２１６、及び２１８は、加圧蒸気を様々な蒸気タービン（図示せず）に送る。代替の実施形態では、各圧力ドラム２１４、２１６、及び２１８は、蒸気タービン１２４（図１に示す）のような単一の蒸気タービンに加圧蒸気を送る。例示的な実施形態では、排出物処理装置１２０（図１に示す）は、排出ガスの流れに含まれる汚染物質の量の低減を促進するため、熱交換器２０２、２０４、２０６と、蒸発器２０８、２１０、２１２と、ダクトバーナ２２０の間で結合される。代替の実施形態では、排出物処理装置１２０は、熱交換器１１８の下流の排出ガス流中に位置付けられる。
【００１４】
図３に示すように、ＨＲＳＧ１１６は、排出ガスが排気ダクト１１４（図１に示す）を介してガスタービンエンジン１０６から吐出された後に排出ガスの温度を上昇させる第１のダクトバーナ３０２を含む。高圧蒸発器２０８は、第１のダクトバーナ３０２の下流に流れ連通して結合され、これもまた排出ガスの温度を上昇させる。例えば、一実施形態では、第１のダクトバーナ３０２及び高圧蒸発器２０８は、約７００°Ｆの温度で排出ガスを受け取る。実施例において、排出ガスは、約９０ｐｐｍのＮＯｘを含み、これには約１０％の二酸化窒素（ＮＯｘ）が含まれ、第１のダクトバーナ３０２及び高圧蒸発器２０８は、約７００°Ｆを超える温度まで排出ガスを加熱する。さらに、例示的な実施形態では、高圧熱交換器３０４を、高圧蒸発器２０８の下流に流れ連通して結合して、約４００°Ｆまで排出ガスの冷却を促進する。
【００１５】
例示的な実施形態では、第２のダクトバーナ３０６は、高圧熱交換器３０４の下流に流れ連通して結合されて排出ガスの温度を選択的に上昇させ、例えば、スタック１２２に送られる排出物中のＮＯｘ濃度の低減を促進する。より具体的には、一実施形態では、第２のダクトバーナ３０６は、約５００°Ｆ〜約８００°Ｆの温度まで排出ガスを加熱する。例示的な実施形態では、一酸化炭素触媒３０８は、第２のダクトバーナ３０６の下流に流れ連通して結合され、排出ガス流内のＣＯ触媒３０８の位置での局所排出温度でのＮＯ2の平衡濃度まで一酸化窒素（ＮＯ）の酸化を促進する。具体的には、ＣＯ触媒３０８は、排出ガスが約９９ｐｐｍのＮＯｘを含み、ＮＯｘに含まれるＮＯ2が約５０％未満となるように、ＮＯを酸化するが、ＳＣＲ触媒に依存する。
【００１６】
例示的な実施形態では、噴射装置３１０は、ＣＯ触媒３０８の下流に流れ連通して結合される。噴射装置３１０は、排出ガスの流れに還元剤を噴射して、排出ガス中のＮＯｘ濃度の低減を促進する。さらに、例示的な実施形態では、ＮＯｘ還元装置３１２は、噴射装置３１０の下流に流れ連通して結合される。ＮＯｘ還元装置３１２は、好適な還元触媒を介して還元剤を含む排出ガスを送り、ＮＯｘ濃度の低減を促進する。例えば、還元触媒は、１２０ｐｐｍのＮＨ3だけ約８０％のＮＯ2のような大部分のＮＯ2にまでＮＯｘの還元に好適な環境を提供する。例えば、例示的な実施形態では、ＮＯｘ還元装置３１２は、約５００°Ｆ〜８００°Ｆの温度で還元触媒を介して排出ガスを送り、ここでＮＯｘ還元装置３１２は、ＮＯ2として約８０％のＮＯｘと５ｐｐｍのＮＨ3とを含む、約９ｐｐｍの濃度までＮＯｘを還元する。
【００１７】
一実施形態では、噴射装置３１０は、ＣＯ触媒３０８の下流に流れ連通して結合されるアンモニア（ＮＨ3）噴射グリッドである。ＮＨ3噴射グリッド３１０は、排出ガスの流れにアンモニアを噴射し、排出ガス中のＮＯｘ濃度の低減を促進する。具体的には、ＮＨ3噴射グリッド３１０は、ガス状アンモニア混合物を排出ガスの流れに噴射して、アンモニアの濃度を約１２０ｐｐｍまで低減させる。代替の実施形態では、噴射装置３１０は、水素などの還元剤、又は炭化水素材料などの有機還元剤を排出ガスの流れに噴射する。
【００１８】
さらに、例示的な実施形態では、選択的接触還元（ＳＣＲ）装置のようなＮＯｘ還元装置３１２は、ＮＨ3噴射グリッド３１０の下流に流れ連通して結合される。ＮＯｘ還元装置３１２は、約５００°Ｆ〜８００°Ｆの温度で好適な還元触媒を介して排出ガスを送り、ＮＯｘ濃度の低減を促進する。一実施形態では、ＮＯｘ還元装置３１２は、炭化水素材料などの有機還元剤を用いてＮＯｘの濃度を低減する。例えば、一実施形態では、ＮＯｘ還元装置３１２は、１以上の触媒ゾーンに設けられた１以上の触媒を含む。有機還元剤を含む排出ガスは、各触媒ゾーンを通って送られ、対応する触媒と相互作用する。例示的な触媒は、特に限定されないが、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、すず、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などの促進金属を含む。代替の実施形態では、ＮＯｘ還元装置３１２は、Ｈ2のような水素系還元剤を用いる。通常、還元剤としてＨ2又は炭化水素を有するＮＯｘ還元装置３１２で使用される貴金属触媒は、還元剤としてアンモニアを有するＮＯｘ還元装置３１２と同じＮＯｘ除去効率を得るためにより低い温度を必要とする。しかしながら、Ｈ2又は炭化水素還元剤の使用により、アンモニアをＮＯｘに分解又は酸化の前、或いは両方の前に、最大温度を下げることが可能になる。従って、幾つかの実施形態では、貴金属触媒は、低温作動環境においてＨＲＳＧ１１６の排出に近接して位置付けられる。
【００１９】
さらに、例示的な実施形態では、ＨＲＳＧ１１６は、ＮＯｘ還元装置３１２の下流に流れ連通して結合される低圧熱交換器３１４を含む。さらに、例示的な実施形態では、低圧熱交換器３１４は、約９ｐｐｍのＮＯｘ及び５ｐｐｍのＮＨ3を含む、約１５０°Ｆの温度まで排出ガスを冷却する。
【００２０】
例示的な実施形態では、コントローラ３１６は、例えば、ＨＲＳＧ１１６に結合される。コントローラ３１６は、第２のダクトバーナ３０６の起動及び／又は性能を制御する。例えば、複合サイクル発電プラント１００（図１に示す）の始動中、コントローラ３１６は、第２のダクトバーナ３０６を起動して排出ガスの流れを加熱し、排出ガスがスタック１２２を介して大気に放出される前に、ＮＯｘを例えばＮＯとＮＯ2に還元することができる。プラント１００の始動は、高温始動、暖温始動、又は低温始動の何れかとすることができる。ダクトバーナ３０６は、ガスタービン始動のパージ段の間に作動することができる。幾つかの実施形態では、コントローラ３１６は、第２のダクトバーナ３０６に何らかの過渡運転段階又は負荷もしくは低速度の間に排出ガス流を加熱させ、所望の排出レベルまでのＮＯｘ還元に十分な温度まで排出ガスを加熱することによって、ＮＯｘの還元を増大させることができる。
【００２１】
幾つかの実施形態では、用語「コントローラ」とは、一般に、コンピュータ、システム、マイクロコントローラ、縮小命令セット回路（ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理回路（ＰＬＣ）、及び本明細書で説明される機能を実行できる他のあらゆる回路又はプロセッサを含む、あらゆるプログラマブルシステムを指す。上記の実施例は、単に例証に過ぎず、従って、用語「コントローラ」の定義及び／又は意味をどのようにも限定するものではない。
【００２２】
本発明は、例示的な発電システム環境に関して説明しているが、本発明の実施形態は、他の多くの汎用又は特定用途の発電システム環境又は構成で作動可能である。発電システム環境は、本発明の何れかの態様の用途又は機能の範囲に関してどのような限定を示唆するものではない。さらに、発電システム環境は、例示的な動作環境で例示された構成部品の何れか又はその組み合わせに関して依存関係又は必要条件として解釈すべきではない。
【００２３】
以下の表１は、排気流内の第１のダクトバーナ３０２の上流側３１８、高圧熱交換器３０４の下流側３２０、高圧蒸発器２０８の下流側３２２、ＣＯ触媒３０８の下流側３２４、噴射装置３１０の下流側３２６、ＮＯｘ還元装置３１２の下流側３２８、及び低圧熱交換器３１４の下流側３３０の位置におけるガスタービンエンジン１０６からの排出ガスの流れの例示的、典型的、非限定的な温度及び排出物濃度を与える。
【００２４】
【表１】
図４は、米国カリフォルニア州Ｆｏｓｔｅｒ市所在のＣｏｅｎ Ｃｏｍｐａｎｙ， Ｉｎｃ．，から入手可能な例示的な商用ダクトバーナの側面図であり、第２のダクトバーナ３０６として用いることができる。しかしながら、燃料パイプに結合されたＶ字形溝など、あらゆる好適なダクトバーナを第２のダクトバーナ３０６として用いることができる点は理解されたい。例示的な実施形態では、第２のダクトバーナ３０６は、ガスタービンエンジン１０６（図１に示す）及び／又はＨＲＳＧ１１６（図１から３に示す）の過渡作動中の低速度及び／又は低負荷運転に資する。さらに、例示的な実施形態では、第２のダクトバーナ３０６は、燃料源（図示せず）に結合される燃料入口４０４を定める実質的に円形のハウジング４０２を含む。第２のダクトバーナ３０６はまた、ハウジング４０２に結合される本体４０６を含む。例示的な実施形態では、本体４０６は、上側部分４０８及び下側部分４１０を含む。上側部分４０８は、上側フランジ４１２を含み、ハウジング４０２から上向きに延びて第２のダクトバーナ３０６の上に排出ガスの流れを送ることを可能にするガイドを形成する。さらに、上側部分４０８は、燃料入口４０４に流れ連通して結合された複数の燃料回路４１４を含む。同様に、下側部分４１０は、下側フランジ４１６を含み、第２のダクトバーナ３０６の下に排出ガスの流れを送る事を可能にするハウジング４０２の下流に延びる。さらに、下側部分４１０は、燃料入口４０４に流れ連通して結合された複数の燃料回路４１４を含む。上側フランジ４１２及び下側フランジ４１６は各々、所望の時間の間第２のダクトバーナ３０６によって放出される火炎に排出ガスの流れを曝すことを可能にする所望の速度で第２のダクトバーナ３０６の上又は下への排出ガスの流れを強化するよう位置付けられる。例示的な実施形態では、第２のダクトバーナ３０６はまた、複数の加圧空気出口４１８を含み、これら出口は、上側部分燃料回路４１４と下側部分燃料回路４１４との間に位置付けられる。燃料回路４１４及び加圧空気出口４１８は、排出ガスの流れを加熱するのに使用するための燃料回路４１４によって放出される燃料の燃焼に最適化された混合気を生成するような向きにされる。
【００２５】
図５は、排出ガスがＮＯｘ還元装置３１２に送られる前に第２のダクトバーナ３０６（両方とも図３に示される）を用いて排出ガスを加熱することなく、発電プラント１００（図１に示す）のような複合サイクル発電プラントからの経時的なＮＯｘ排出物の排出曲線５０２を示すグラフ５００である。グラフ５００はまた、グラフ５００はまた、上述のような第２のダクトバーナ３０６を用いたときに発電プラント１００からの経時的なＮＯｘ排出量の低下した排出曲線５０４を示す。図５に示すように、排出曲線５０２は、排出ガスが十分に高い温度になるまでのＮＯｘの高出力により、ＮＯｘ還元装置３１２が部分５０６において排出ガス中のＮＯｘ量を効果的に低減することができる。さらに、低下した排出曲線５０４により示される過渡始動時及びシャットダウン時の排出量は、常に要求される排気温度でＮＯｘ還元装置３１２を作動させることによって低減される。同様に、排出曲線５０２の部分５０８によって示されるように、低負荷（低エネルギー出力）での排出準拠作動が増大する。排出量は、あらゆる時点又はエンジン状態でも１年あたりの総トン数として調節される。加えて、時間５１０は、タービンエンジン１０６（図１に示す）が点火されて始動排出量をさらに低減する前に第２のダクトバーナ３０６を作動し始める可能性を示している。同様に、第２のダクトバーナ３０６は、シャットダウン中に使用して、必要なＳＣＲ入口温度を維持しＮＯｘ排出物を最小限にすることができる。
【００２６】
図６は、ＮＯｘ還元装置３１２（図３に示す）の入口温度に基づいたＮＯｘ分解（パーセンテージとして）６０２の量を示すグラフ６００である。ＮＯｘを分解するＮＯｘ還元装置３１２の能力は、排気温度と共に増大する。より具体的には、反応速度は、排気温度と共に増大する。低温では、ＮＯｘ分解は少なく、スタック１２２（図１に示す）から大量のアンモニアが放出される。第２のダクトバーナ３０６（図３に示す）は、排出ガスを所望の排気温度まで加熱し所要のＮＯｘ除去を達成するよう調節及び／又は制御される。排気ガスが加熱されると、第２のダクトバーナ３０６はターンダウンされる。このため、曲線６０２の第１の部分６０４は、排気温度が低すぎる場合には、ＮＯｘ還元装置３１２内の反応速度は、スタック１２２から放出されるアンモニアの量を効果的に低減するには低すぎることを示している。曲線６０２の第２の部分６０６は、上述の所望の温度範囲内では、排出ガスの温度は、上述のようなＮＯｘ量の低減のためにＮＯｘ還元装置３１２内で十分に高い反応速度を可能にすることを示している。さらに、曲線６０２の第３の部分６０８は、排気温度が過度に高温になると、ＮＯｘ還元装置３１２内でＮＯｘ還元作用及びＮＯｘ除去率に対してＮＨ3酸化における反応速度が増大し、スタック１２２から放出されるＮＯｘを増大させることを示している。
【００２７】
本明細書では、ＮＯｘ排出物のような排出量低減で使用する方法及び装置の例示的な実施形態を説明している。本明細書で記載される実施形態は、ダクトバーナを用いて、排気スタックを介して大気に放出される排出ガスのＮＯｘ濃度を低減する選択的接触還元（ＳＣＲ）装置の能力を強化することによって、ガスタービンエンジンからの排出ガスの温度を高めることを可能にする。
【００２８】
システム、装置、及び組立方法の例示的な実施形態を上記で詳細に説明された。本システム、装置、及び組立方法は、本明細書で記載される特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、システム及び／又は装置の方法及び／又は構成要素の作動は、本明細書で記載した他の作動及び／又は構成要素とは独立して別個に利用することができる。さらに、記載した動作及び／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、或いは、これらと組み合わせて用いることができ、本明細書で記載されるシステム、方法、及び記憶媒体のみを用いて実施することに限定されるものではない。
【００２９】
本明細書で記載される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ユニット及びシステムメモリを含む。コントローラは通常、コンピュータ可読媒体の少なくとも一部の形態を有する。限定ではなく例証として、コンピュータ可読媒体は、コンピュータストレージ媒体及び通信媒体を含む。コンピュータストレージ媒体は、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格納する何らかの方法又は技術において実装される揮発性及び不揮発性、リムーバル及び非リムーバル媒体を含む。通信媒体は通常、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、又は他のデータを搬送波又は他の搬送機構などの変調データ信号内に具現化し、あらゆる情報提供媒体を含む。当業者は、情報を信号内にエンコードするようにして設定又は変更された特性の１又はそれ以上を有する変調データ信号に精通している。上述のあらゆる組み合わせもまた、コンピュータ可読媒体の範囲内に含まれる。
【００３０】
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動作の実行又は実施の順序は、別途指定されていない限り必須ではない。すなわち、本明細書で説明される動作は、別途指定されていない限り、どの順序で実施されてもよく、本発明の実施形態は、本明細書で開示されたものよりも追加された又より少ない動作を含むことができる。例えば、特定の動作を別の動作の前に、同時に、又は後で実行又は実施することは、本発明の態様の範囲内にあることも企図される。
【００３１】
本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が１以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。
【００３２】
本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
【符号の説明】
【００３３】
３０８ 一酸化炭素 触媒
３１０ 噴射装置
３１２ ＮＯｘ還元装置
３１４ 低圧熱交換器
３１６ コントローラ
３１８ 第１のダクトバーナの上流側の排気流点
３２０ 高圧熱交換器の下流側の排気流点
３２２ 高圧蒸発器の下流側の排気流点
３２４ ＣＯ触媒の下流側の排気流点
３２６ 噴射装置の下流側の排気流点
３２８ ＮＯｘ還元装置の下流側の排気流点
３３０ 低圧熱交換器の下流側の排気流点
４０２ ハウジング
４０４ 燃料入口
４０６ 本体
４０８ 上側部分
４１０ 下側部分
４１２ 上側フランジ
４１４ 燃料回路
４１６ 下側フランジ
４１８ 加圧空気出口
５００ グラフ
５０２ 排出曲線
５０４ 低下した排出曲線
５０６ ＮＯｘ還元装置を活性するのに十分な温度
５０８ 増大した排出準拠作動の部分
５１０ 第２のダクトバーナ始動時間
【技術分野】
【０００１】
本明細書で記載される実施形態は、全体的に、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経路におけるＮＯ2形成を低減するのに使用する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
天然ガス及び液体燃料の燃焼中、特に限定されないが、一酸化炭素（ＣＯ）、非燃焼炭化水素（ＵＨＣ）、及び窒素酸化物（ＮＯｘ）排出物などの汚染物質が形成され及び／又は周辺の雰囲気に排出することができる。一般に、ＣＯ及びＵＨＣは、低温燃焼条件下及び／又は反応の完了には不十分な時間しか利用できない燃焼条件下で形成される場合がある。対照的に、ＮＯｘは、一般に、高温燃焼条件下で形成される。公知の汚染物質排出源として、産業用ボイラー及び加熱炉、レシプロエンジン、ガスタービンエンジン、及び／又は蒸気発生器が挙げられる。
【０００３】
最新の大気質規制は、発電プラントに対してますます低い排出レベルを要求すると同時に、燃料効率最低基準の向上も必要とされている。厳しい排出規制基準に適合するためには、ＮＯｘ排出物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。窒素酸化物には、一酸化窒素（ＮＯ）及び二酸化窒素（ＮＯ2）が含まれ、二酸化窒素は、排気スタックから可視の黄色プルームを生成することが知られており、酸性雨の生成の原因となるとされている。しかしながら、公知の燃焼制御は、限定的な排出制御しか提供することができず、基準の引き上げ及び相容れないことの多い目標を満たすには不十分であることが明らかになり、その結果、燃焼後の排出ガス処理システムの更なる改善が望ましいことになる。
【０００４】
スタック排出においてＮＯｘを制御する際に使用する１つの公知の技術は、選択的接触還元（ＳＣＲ）である。ＳＣＲシステムにおいて、発電プラントからの煙道ガスは、炭化水素燃料の十分な燃焼を確保するために提供される酸素が高比率であることに起因して、正味酸化作用をもたらすことが多い。従って、煙道ガス中に存在するＮＯｘを窒素と水に還元するには多大な困難が伴う。ＳＣＲ装置を用いて、無水アンモニアを煙道ガスと混合することができ、該ガスは、大気に放出される前に、好適な温度で好適な還元触媒を介して送られる。しかしながら、触媒による反応速度は入口ガス温度に依存し、このため、煙道ガスが好適な温度に加熱されるまではＮＯｘの分解速度は不十分である。従って、始動運転などの過渡段階の間、ＳＣＲ装置は、一般に、煙道ガス温度が低くなるような所望のレベルまでＮＯｘを還元しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７６５５２０３号明細書
【発明の概要】
【０００６】
１つの態様では、ガスタービンエンジンと共に使用するための熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）を提供する方法が与えられる。本方法は、ＨＲＳＧ内に少なくとも１つのダクトバーナを結合する段階と、少なくとも１つのダクトバーナの下流に少なくとも１つの窒素酸化物（ＮＯｘ）還元装置を結合する段階と、を含み、少なくとも１つのダクトバーナが、所望のＮＯｘ還元においてＮＯｘ触媒入口にて十分な排気温度で、始動、シャットダウン、及び低負荷運転を含むガスタービンエンジン運転を作動させて、少なくとも１つのＮＯｘ還元装置を通って送られる排出ガスの温度を上昇させ、該少なくとも１つのＮＯｘ還元装置がガスタービンエンジン運転中にＮＯｘ還元反応を促進するように構成されている。
【０００７】
別の態様では、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）が提供され、該ＨＲＳＧは、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む排出ガスの流れを吐出するガスタービンエンジンに結合される。ＨＲＳＧは、排出ガスを加熱するための少なくとも１つのダクトバーナと、少なくとも１つのダクトバーナの下流に結合され、且つ内部に配向される排出ガス中のＮＯｘ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還元装置とを含む。
【０００８】
別の態様では、ガスタービンエンジン及び該ガスタービンエンジンと流れ連通して結合された熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）とを含む、複合サイクル発電プラントが提供される。ガスタービンエンジンは、空気中で燃料を燃焼させてシャフト動力及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む排出ガスの流れを生成するよう構成される。ＨＲＳＧは、排出ガスを加熱するための少なくとも１つのダクトバーナと、少なくとも１つのダクトバーナの下流に結合され、内部に配向される排出ガス中のＮＯｘ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還元装置と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】例示的な複合サイクル発電プラントの簡易概略図。
【図２】図１に示す複合サイクル発電プラントと共に用いることができる例示的な熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）の概略ブロック図。
【図３】図２に示すＨＲＳＧにおける簡易ブロック図及び排出プロファイル。
【図４】図２及び３に示すＨＲＳＧと共に用いることができる例示的な第２のダクトバーナの側面図。
【図５】図１に示す複合サイクル発電プラントからの経時的なＮＯｘ排出物の排出曲線を示すグラフ。
【図６】ＳＣＲ入口温度に基づいたＮＯｘ分解量を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、例示的な複合サイクル発電プラントの簡易概略図である。例示的な実施形態では、発電プラント１００は、空気を受け取る吸気口１０４を有する圧縮機１０２を含む。圧縮機１０２は、１以上の燃焼室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、吸気口１０４を介して受け取った空気を加圧して、加圧空気を燃焼室１０８に送り、ここで加圧空気が燃料と混合されて点火され、ガスタービンエンジン１０６に高温燃焼ガスを供給し第１のシャフト１１０を駆動する。第１のシャフト１１０は、第１の発電機１１２に結合され、該第１の発電機１１２が電気を発生させる。さらに、ガスタービンエンジン１０６は、例えば特に限定されないが、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び非燃焼炭化水素を含む排出ガスを排気ダクト１１４に吐出する。
【００１１】
例示的な実施形態では、発電プラント１００はまた、ガスタービンエンジン１０６に流れ連通して結合される熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１１６を含む。具体的には、ＨＲＳＧ１１６は、排気ダクトを介してガスタービンエンジン１０６に結合され、ＨＲＳＧ１１６がガスタービンエンジン１０６から吐出された排出ガスを受け取るようにする。例示的な実施形態では、ＨＲＳＧ１１６は、１以上の熱交換器１１８及び排出物処理装置１２０を含む。熱交換器１１８は、排出ガスから熱を抽出し、この熱は蒸気を発生するのに使用される。排出物処理装置１２０は、排出ガスを処理し、続いて、処理された排出ガスが排気スタック１２２を介して大気に放出される。
【００１２】
蒸気タービン１２４は、熱交換器１１８により生成された蒸気が蒸気タービン１２４に送られて第２のシャフト１２６の回転を駆動するのに使用されるように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、該第２の発電機１２８が電気を生成するようにする。次いで、使用済み蒸気が複数の管束１３２を含む凝縮器１３０に送られる。管束１３２に送られる冷却水は、蒸気が凝縮されて水になるように蒸気を冷却する。次に、水は熱交換器１１８に戻される。
【００１３】
図２は、ＨＲＳＧ１１６の概略ブロック図である。例示的な実施形態では、ＨＲＳＧ１１６は、排気ダクト１１４（図１に示す）を介してガスタービンエンジン１０６から吐出される排出ガスの流れを受け取る。さらに、例示的な実施形態では、熱交換器１１８は、複数の過熱熱交換器２０２、複数の再熱熱交換器２０４、及び複数のエコノマイザ熱交換器２０６を含む。ＨＲＳＧ１１６はまた、高圧蒸発器２０８、中圧蒸発器２１０、及び低圧蒸発器２１２を含み、各々が排気ガス中に含まれる熱を用いて蒸気を生成する。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。例示的な実施形態では、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、蒸気生成出力を強化するために排出ガス流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。従って、例示的な実施形態では、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生成する。さらに、例示的な実施形態では、各圧力ドラム２１４、２１６、及び２１８は、加圧蒸気を様々な蒸気タービン（図示せず）に送る。代替の実施形態では、各圧力ドラム２１４、２１６、及び２１８は、蒸気タービン１２４（図１に示す）のような単一の蒸気タービンに加圧蒸気を送る。例示的な実施形態では、排出物処理装置１２０（図１に示す）は、排出ガスの流れに含まれる汚染物質の量の低減を促進するため、熱交換器２０２、２０４、２０６と、蒸発器２０８、２１０、２１２と、ダクトバーナ２２０の間で結合される。代替の実施形態では、排出物処理装置１２０は、熱交換器１１８の下流の排出ガス流中に位置付けられる。
【００１４】
図３に示すように、ＨＲＳＧ１１６は、排出ガスが排気ダクト１１４（図１に示す）を介してガスタービンエンジン１０６から吐出された後に排出ガスの温度を上昇させる第１のダクトバーナ３０２を含む。高圧蒸発器２０８は、第１のダクトバーナ３０２の下流に流れ連通して結合され、これもまた排出ガスの温度を上昇させる。例えば、一実施形態では、第１のダクトバーナ３０２及び高圧蒸発器２０８は、約７００°Ｆの温度で排出ガスを受け取る。実施例において、排出ガスは、約９０ｐｐｍのＮＯｘを含み、これには約１０％の二酸化窒素（ＮＯｘ）が含まれ、第１のダクトバーナ３０２及び高圧蒸発器２０８は、約７００°Ｆを超える温度まで排出ガスを加熱する。さらに、例示的な実施形態では、高圧熱交換器３０４を、高圧蒸発器２０８の下流に流れ連通して結合して、約４００°Ｆまで排出ガスの冷却を促進する。
【００１５】
例示的な実施形態では、第２のダクトバーナ３０６は、高圧熱交換器３０４の下流に流れ連通して結合されて排出ガスの温度を選択的に上昇させ、例えば、スタック１２２に送られる排出物中のＮＯｘ濃度の低減を促進する。より具体的には、一実施形態では、第２のダクトバーナ３０６は、約５００°Ｆ〜約８００°Ｆの温度まで排出ガスを加熱する。例示的な実施形態では、一酸化炭素触媒３０８は、第２のダクトバーナ３０６の下流に流れ連通して結合され、排出ガス流内のＣＯ触媒３０８の位置での局所排出温度でのＮＯ2の平衡濃度まで一酸化窒素（ＮＯ）の酸化を促進する。具体的には、ＣＯ触媒３０８は、排出ガスが約９９ｐｐｍのＮＯｘを含み、ＮＯｘに含まれるＮＯ2が約５０％未満となるように、ＮＯを酸化するが、ＳＣＲ触媒に依存する。
【００１６】
例示的な実施形態では、噴射装置３１０は、ＣＯ触媒３０８の下流に流れ連通して結合される。噴射装置３１０は、排出ガスの流れに還元剤を噴射して、排出ガス中のＮＯｘ濃度の低減を促進する。さらに、例示的な実施形態では、ＮＯｘ還元装置３１２は、噴射装置３１０の下流に流れ連通して結合される。ＮＯｘ還元装置３１２は、好適な還元触媒を介して還元剤を含む排出ガスを送り、ＮＯｘ濃度の低減を促進する。例えば、還元触媒は、１２０ｐｐｍのＮＨ3だけ約８０％のＮＯ2のような大部分のＮＯ2にまでＮＯｘの還元に好適な環境を提供する。例えば、例示的な実施形態では、ＮＯｘ還元装置３１２は、約５００°Ｆ〜８００°Ｆの温度で還元触媒を介して排出ガスを送り、ここでＮＯｘ還元装置３１２は、ＮＯ2として約８０％のＮＯｘと５ｐｐｍのＮＨ3とを含む、約９ｐｐｍの濃度までＮＯｘを還元する。
【００１７】
一実施形態では、噴射装置３１０は、ＣＯ触媒３０８の下流に流れ連通して結合されるアンモニア（ＮＨ3）噴射グリッドである。ＮＨ3噴射グリッド３１０は、排出ガスの流れにアンモニアを噴射し、排出ガス中のＮＯｘ濃度の低減を促進する。具体的には、ＮＨ3噴射グリッド３１０は、ガス状アンモニア混合物を排出ガスの流れに噴射して、アンモニアの濃度を約１２０ｐｐｍまで低減させる。代替の実施形態では、噴射装置３１０は、水素などの還元剤、又は炭化水素材料などの有機還元剤を排出ガスの流れに噴射する。
【００１８】
さらに、例示的な実施形態では、選択的接触還元（ＳＣＲ）装置のようなＮＯｘ還元装置３１２は、ＮＨ3噴射グリッド３１０の下流に流れ連通して結合される。ＮＯｘ還元装置３１２は、約５００°Ｆ〜８００°Ｆの温度で好適な還元触媒を介して排出ガスを送り、ＮＯｘ濃度の低減を促進する。一実施形態では、ＮＯｘ還元装置３１２は、炭化水素材料などの有機還元剤を用いてＮＯｘの濃度を低減する。例えば、一実施形態では、ＮＯｘ還元装置３１２は、１以上の触媒ゾーンに設けられた１以上の触媒を含む。有機還元剤を含む排出ガスは、各触媒ゾーンを通って送られ、対応する触媒と相互作用する。例示的な触媒は、特に限定されないが、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、すず、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などの促進金属を含む。代替の実施形態では、ＮＯｘ還元装置３１２は、Ｈ2のような水素系還元剤を用いる。通常、還元剤としてＨ2又は炭化水素を有するＮＯｘ還元装置３１２で使用される貴金属触媒は、還元剤としてアンモニアを有するＮＯｘ還元装置３１２と同じＮＯｘ除去効率を得るためにより低い温度を必要とする。しかしながら、Ｈ2又は炭化水素還元剤の使用により、アンモニアをＮＯｘに分解又は酸化の前、或いは両方の前に、最大温度を下げることが可能になる。従って、幾つかの実施形態では、貴金属触媒は、低温作動環境においてＨＲＳＧ１１６の排出に近接して位置付けられる。
【００１９】
さらに、例示的な実施形態では、ＨＲＳＧ１１６は、ＮＯｘ還元装置３１２の下流に流れ連通して結合される低圧熱交換器３１４を含む。さらに、例示的な実施形態では、低圧熱交換器３１４は、約９ｐｐｍのＮＯｘ及び５ｐｐｍのＮＨ3を含む、約１５０°Ｆの温度まで排出ガスを冷却する。
【００２０】
例示的な実施形態では、コントローラ３１６は、例えば、ＨＲＳＧ１１６に結合される。コントローラ３１６は、第２のダクトバーナ３０６の起動及び／又は性能を制御する。例えば、複合サイクル発電プラント１００（図１に示す）の始動中、コントローラ３１６は、第２のダクトバーナ３０６を起動して排出ガスの流れを加熱し、排出ガスがスタック１２２を介して大気に放出される前に、ＮＯｘを例えばＮＯとＮＯ2に還元することができる。プラント１００の始動は、高温始動、暖温始動、又は低温始動の何れかとすることができる。ダクトバーナ３０６は、ガスタービン始動のパージ段の間に作動することができる。幾つかの実施形態では、コントローラ３１６は、第２のダクトバーナ３０６に何らかの過渡運転段階又は負荷もしくは低速度の間に排出ガス流を加熱させ、所望の排出レベルまでのＮＯｘ還元に十分な温度まで排出ガスを加熱することによって、ＮＯｘの還元を増大させることができる。
【００２１】
幾つかの実施形態では、用語「コントローラ」とは、一般に、コンピュータ、システム、マイクロコントローラ、縮小命令セット回路（ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理回路（ＰＬＣ）、及び本明細書で説明される機能を実行できる他のあらゆる回路又はプロセッサを含む、あらゆるプログラマブルシステムを指す。上記の実施例は、単に例証に過ぎず、従って、用語「コントローラ」の定義及び／又は意味をどのようにも限定するものではない。
【００２２】
本発明は、例示的な発電システム環境に関して説明しているが、本発明の実施形態は、他の多くの汎用又は特定用途の発電システム環境又は構成で作動可能である。発電システム環境は、本発明の何れかの態様の用途又は機能の範囲に関してどのような限定を示唆するものではない。さらに、発電システム環境は、例示的な動作環境で例示された構成部品の何れか又はその組み合わせに関して依存関係又は必要条件として解釈すべきではない。
【００２３】
以下の表１は、排気流内の第１のダクトバーナ３０２の上流側３１８、高圧熱交換器３０４の下流側３２０、高圧蒸発器２０８の下流側３２２、ＣＯ触媒３０８の下流側３２４、噴射装置３１０の下流側３２６、ＮＯｘ還元装置３１２の下流側３２８、及び低圧熱交換器３１４の下流側３３０の位置におけるガスタービンエンジン１０６からの排出ガスの流れの例示的、典型的、非限定的な温度及び排出物濃度を与える。
【００２４】
【表１】
図４は、米国カリフォルニア州Ｆｏｓｔｅｒ市所在のＣｏｅｎ Ｃｏｍｐａｎｙ， Ｉｎｃ．，から入手可能な例示的な商用ダクトバーナの側面図であり、第２のダクトバーナ３０６として用いることができる。しかしながら、燃料パイプに結合されたＶ字形溝など、あらゆる好適なダクトバーナを第２のダクトバーナ３０６として用いることができる点は理解されたい。例示的な実施形態では、第２のダクトバーナ３０６は、ガスタービンエンジン１０６（図１に示す）及び／又はＨＲＳＧ１１６（図１から３に示す）の過渡作動中の低速度及び／又は低負荷運転に資する。さらに、例示的な実施形態では、第２のダクトバーナ３０６は、燃料源（図示せず）に結合される燃料入口４０４を定める実質的に円形のハウジング４０２を含む。第２のダクトバーナ３０６はまた、ハウジング４０２に結合される本体４０６を含む。例示的な実施形態では、本体４０６は、上側部分４０８及び下側部分４１０を含む。上側部分４０８は、上側フランジ４１２を含み、ハウジング４０２から上向きに延びて第２のダクトバーナ３０６の上に排出ガスの流れを送ることを可能にするガイドを形成する。さらに、上側部分４０８は、燃料入口４０４に流れ連通して結合された複数の燃料回路４１４を含む。同様に、下側部分４１０は、下側フランジ４１６を含み、第２のダクトバーナ３０６の下に排出ガスの流れを送る事を可能にするハウジング４０２の下流に延びる。さらに、下側部分４１０は、燃料入口４０４に流れ連通して結合された複数の燃料回路４１４を含む。上側フランジ４１２及び下側フランジ４１６は各々、所望の時間の間第２のダクトバーナ３０６によって放出される火炎に排出ガスの流れを曝すことを可能にする所望の速度で第２のダクトバーナ３０６の上又は下への排出ガスの流れを強化するよう位置付けられる。例示的な実施形態では、第２のダクトバーナ３０６はまた、複数の加圧空気出口４１８を含み、これら出口は、上側部分燃料回路４１４と下側部分燃料回路４１４との間に位置付けられる。燃料回路４１４及び加圧空気出口４１８は、排出ガスの流れを加熱するのに使用するための燃料回路４１４によって放出される燃料の燃焼に最適化された混合気を生成するような向きにされる。
【００２５】
図５は、排出ガスがＮＯｘ還元装置３１２に送られる前に第２のダクトバーナ３０６（両方とも図３に示される）を用いて排出ガスを加熱することなく、発電プラント１００（図１に示す）のような複合サイクル発電プラントからの経時的なＮＯｘ排出物の排出曲線５０２を示すグラフ５００である。グラフ５００はまた、グラフ５００はまた、上述のような第２のダクトバーナ３０６を用いたときに発電プラント１００からの経時的なＮＯｘ排出量の低下した排出曲線５０４を示す。図５に示すように、排出曲線５０２は、排出ガスが十分に高い温度になるまでのＮＯｘの高出力により、ＮＯｘ還元装置３１２が部分５０６において排出ガス中のＮＯｘ量を効果的に低減することができる。さらに、低下した排出曲線５０４により示される過渡始動時及びシャットダウン時の排出量は、常に要求される排気温度でＮＯｘ還元装置３１２を作動させることによって低減される。同様に、排出曲線５０２の部分５０８によって示されるように、低負荷（低エネルギー出力）での排出準拠作動が増大する。排出量は、あらゆる時点又はエンジン状態でも１年あたりの総トン数として調節される。加えて、時間５１０は、タービンエンジン１０６（図１に示す）が点火されて始動排出量をさらに低減する前に第２のダクトバーナ３０６を作動し始める可能性を示している。同様に、第２のダクトバーナ３０６は、シャットダウン中に使用して、必要なＳＣＲ入口温度を維持しＮＯｘ排出物を最小限にすることができる。
【００２６】
図６は、ＮＯｘ還元装置３１２（図３に示す）の入口温度に基づいたＮＯｘ分解（パーセンテージとして）６０２の量を示すグラフ６００である。ＮＯｘを分解するＮＯｘ還元装置３１２の能力は、排気温度と共に増大する。より具体的には、反応速度は、排気温度と共に増大する。低温では、ＮＯｘ分解は少なく、スタック１２２（図１に示す）から大量のアンモニアが放出される。第２のダクトバーナ３０６（図３に示す）は、排出ガスを所望の排気温度まで加熱し所要のＮＯｘ除去を達成するよう調節及び／又は制御される。排気ガスが加熱されると、第２のダクトバーナ３０６はターンダウンされる。このため、曲線６０２の第１の部分６０４は、排気温度が低すぎる場合には、ＮＯｘ還元装置３１２内の反応速度は、スタック１２２から放出されるアンモニアの量を効果的に低減するには低すぎることを示している。曲線６０２の第２の部分６０６は、上述の所望の温度範囲内では、排出ガスの温度は、上述のようなＮＯｘ量の低減のためにＮＯｘ還元装置３１２内で十分に高い反応速度を可能にすることを示している。さらに、曲線６０２の第３の部分６０８は、排気温度が過度に高温になると、ＮＯｘ還元装置３１２内でＮＯｘ還元作用及びＮＯｘ除去率に対してＮＨ3酸化における反応速度が増大し、スタック１２２から放出されるＮＯｘを増大させることを示している。
【００２７】
本明細書では、ＮＯｘ排出物のような排出量低減で使用する方法及び装置の例示的な実施形態を説明している。本明細書で記載される実施形態は、ダクトバーナを用いて、排気スタックを介して大気に放出される排出ガスのＮＯｘ濃度を低減する選択的接触還元（ＳＣＲ）装置の能力を強化することによって、ガスタービンエンジンからの排出ガスの温度を高めることを可能にする。
【００２８】
システム、装置、及び組立方法の例示的な実施形態を上記で詳細に説明された。本システム、装置、及び組立方法は、本明細書で記載される特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、システム及び／又は装置の方法及び／又は構成要素の作動は、本明細書で記載した他の作動及び／又は構成要素とは独立して別個に利用することができる。さらに、記載した動作及び／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、或いは、これらと組み合わせて用いることができ、本明細書で記載されるシステム、方法、及び記憶媒体のみを用いて実施することに限定されるものではない。
【００２９】
本明細書で記載される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ユニット及びシステムメモリを含む。コントローラは通常、コンピュータ可読媒体の少なくとも一部の形態を有する。限定ではなく例証として、コンピュータ可読媒体は、コンピュータストレージ媒体及び通信媒体を含む。コンピュータストレージ媒体は、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格納する何らかの方法又は技術において実装される揮発性及び不揮発性、リムーバル及び非リムーバル媒体を含む。通信媒体は通常、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、又は他のデータを搬送波又は他の搬送機構などの変調データ信号内に具現化し、あらゆる情報提供媒体を含む。当業者は、情報を信号内にエンコードするようにして設定又は変更された特性の１又はそれ以上を有する変調データ信号に精通している。上述のあらゆる組み合わせもまた、コンピュータ可読媒体の範囲内に含まれる。
【００３０】
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動作の実行又は実施の順序は、別途指定されていない限り必須ではない。すなわち、本明細書で説明される動作は、別途指定されていない限り、どの順序で実施されてもよく、本発明の実施形態は、本明細書で開示されたものよりも追加された又より少ない動作を含むことができる。例えば、特定の動作を別の動作の前に、同時に、又は後で実行又は実施することは、本発明の態様の範囲内にあることも企図される。
【００３１】
本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が１以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。
【００３２】
本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
【符号の説明】
【００３３】
３０８ 一酸化炭素 触媒
３１０ 噴射装置
３１２ ＮＯｘ還元装置
３１４ 低圧熱交換器
３１６ コントローラ
３１８ 第１のダクトバーナの上流側の排気流点
３２０ 高圧熱交換器の下流側の排気流点
３２２ 高圧蒸発器の下流側の排気流点
３２４ ＣＯ触媒の下流側の排気流点
３２６ 噴射装置の下流側の排気流点
３２８ ＮＯｘ還元装置の下流側の排気流点
３３０ 低圧熱交換器の下流側の排気流点
４０２ ハウジング
４０４ 燃料入口
４０６ 本体
４０８ 上側部分
４１０ 下側部分
４１２ 上側フランジ
４１４ 燃料回路
４１６ 下側フランジ
４１８ 加圧空気出口
５００ グラフ
５０２ 排出曲線
５０４ 低下した排出曲線
５０６ ＮＯｘ還元装置を活性するのに十分な温度
５０８ 増大した排出準拠作動の部分
５１０ 第２のダクトバーナ始動時間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む排出ガスの流れを吐出するガスタービンエンジン（１０６）に結合された熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（１１６）であって、
前記排出ガスを加熱するための少なくとも１つのダクトバーナ（３０６）と、
前記少なくとも１つのダクトバーナ（３０６）の下流に結合され、内部に配向される前記排出ガス中のＮＯｘ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還元装置（３１２）と
を備える、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（１１６）。
【請求項２】
前記少なくとも１つのダクトバーナ（３０６）が、該少なくとも１つのダクトバーナ（３０６）の上流側の排気ガスの温度に基づいて選択的に作動されるよう構成されている、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項３】
前記少なくとも１つのダクトバーナ（３０６）が、約５００°Ｆを超える温度まで前記排出ガスを加熱するよう構成される、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項４】
前記少なくとも１つのダクトバーナ（３０６）が、始動段階、シャットダウン段階、及び所望のＮＯｘ還元に対するＮＯｘ触媒入口にて不十分な排出温度の負荷状態の何れかの間に前記排出ガスを加熱するよう構成される、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項５】
前記ダクトバーナ（３０６）が複数の燃料回路（４１４）を含む、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項６】
前記少なくとも１つのダクトバーナ（３０６）の下流に且つ前記少なくとも１つのＮＯｘ還元装置（３１２）の上流に結合される噴射装置（３１０）をさらに備え、前記噴射装置（３１０）が、ＮＯｘ還元反応を促進するため前記排出ガス中に還元剤を噴射するよう構成される、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項７】
前記排出ガスの流れがまた一酸化炭素（ＣＯ）を含み、前記ＨＲＳＧ（１１６）がさらに、前記少なくとも１つのダクトバーナ（３０６）の下流に且つ前記噴射装置（３１０）の上流に結合されるＣＯ酸化触媒装置（３０８）を含む、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項８】
前記少なくとも１つのダクトバーナ（３０６）の上流に結合される第１の熱交換器（３０４）と、
前記第１の熱交換器（３０４）の上流に結合される少なくとも１つの第２のダクトバーナ（３０２）と
をさらに備える、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項９】
前記少なくとも１つのＮＯｘ還元装置（３１２）の下流に結合される第２の熱交換器（３１４）をさらに備える、請求項８記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項１０】
複合サイクル発電プラントであって、
空気中で燃料を燃焼させてシャフト動力及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む排出ガスの流れを生成するよう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熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（１１６）と、
を備え、前記ＨＲＳＧ（１１６）が、
前記排出ガスを加熱するための少なくとも１つのダクトバーナ（３０６）と、
前記少なくとも１つのダクトバーナ（３０６）の下流に結合され、内部に配向される前記排出ガス中のＮＯｘ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還元装置（３１２）と
を含む、複合サイクル発電プラント。
【請求項１】
窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む排出ガスの流れを吐出するガスタービンエンジン（１０６）に結合された熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（１１６）であって、
前記排出ガスを加熱するための少なくとも１つのダクトバーナ（３０６）と、
前記少なくとも１つのダクトバーナ（３０６）の下流に結合され、内部に配向される前記排出ガス中のＮＯｘ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還元装置（３１２）と
を備える、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（１１６）。
【請求項２】
前記少なくとも１つのダクトバーナ（３０６）が、該少なくとも１つのダクトバーナ（３０６）の上流側の排気ガスの温度に基づいて選択的に作動されるよう構成されている、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項３】
前記少なくとも１つのダクトバーナ（３０６）が、約５００°Ｆを超える温度まで前記排出ガスを加熱するよう構成される、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項４】
前記少なくとも１つのダクトバーナ（３０６）が、始動段階、シャットダウン段階、及び所望のＮＯｘ還元に対するＮＯｘ触媒入口にて不十分な排出温度の負荷状態の何れかの間に前記排出ガスを加熱するよう構成される、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項５】
前記ダクトバーナ（３０６）が複数の燃料回路（４１４）を含む、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項６】
前記少なくとも１つのダクトバーナ（３０６）の下流に且つ前記少なくとも１つのＮＯｘ還元装置（３１２）の上流に結合される噴射装置（３１０）をさらに備え、前記噴射装置（３１０）が、ＮＯｘ還元反応を促進するため前記排出ガス中に還元剤を噴射するよう構成される、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項７】
前記排出ガスの流れがまた一酸化炭素（ＣＯ）を含み、前記ＨＲＳＧ（１１６）がさらに、前記少なくとも１つのダクトバーナ（３０６）の下流に且つ前記噴射装置（３１０）の上流に結合されるＣＯ酸化触媒装置（３０８）を含む、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項８】
前記少なくとも１つのダクトバーナ（３０６）の上流に結合される第１の熱交換器（３０４）と、
前記第１の熱交換器（３０４）の上流に結合される少なくとも１つの第２のダクトバーナ（３０２）と
をさらに備える、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項９】
前記少なくとも１つのＮＯｘ還元装置（３１２）の下流に結合される第２の熱交換器（３１４）をさらに備える、請求項８記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項１０】
複合サイクル発電プラントであって、
空気中で燃料を燃焼させてシャフト動力及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む排出ガスの流れを生成するよう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熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（１１６）と、
を備え、前記ＨＲＳＧ（１１６）が、
前記排出ガスを加熱するための少なくとも１つのダクトバーナ（３０６）と、
前記少なくとも１つのダクトバーナ（３０６）の下流に結合され、内部に配向される前記排出ガス中のＮＯｘ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還元装置（３１２）と
を含む、複合サイクル発電プラント。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−９７７３８（Ｐ２０１２−９７７３８Ａ）
【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２０１１−２３４４７１（Ｐ２０１１−２３４４７１）
【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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