水素援用による酸素燃料燃焼
【課題】燃焼排気ガス中の窒素酸化物ＮＯxおよび一酸化炭素ＣＯの排出量を確実に低下させるとともに、火炎安定性を維持するシステムを提供する。
【解決手段】システム５０は、燃焼器１４と、空気分離ユニット１２と、燃料流源５４と、凝縮器１６とを含む。燃焼器１４は、酸素入力ポート４２と、燃料流入力ポート４４と、二酸化炭素入力ポート４８と、排気出力ポート４６とを含む。空気分離ユニット１２は、燃焼器１４の酸素入力ポート４２を介して燃焼器１４と流体連通している。燃料流源５４は、燃料流入力ポート４４を介して燃焼器１４と流体連通しており、燃料源および水素源を含む。凝縮器１６は、排気出力ポート４６を介して燃焼器１４から排気を受け入れ、かつ二酸化炭素入力ポート４８を介して出力流を燃焼器１４に戻すように配置される。方法は、酸化剤が存在する状態で燃焼器内で燃料流を燃焼して、排気ガスを発生させるステップを含む。
【解決手段】システム５０は、燃焼器１４と、空気分離ユニット１２と、燃料流源５４と、凝縮器１６とを含む。燃焼器１４は、酸素入力ポート４２と、燃料流入力ポート４４と、二酸化炭素入力ポート４８と、排気出力ポート４６とを含む。空気分離ユニット１２は、燃焼器１４の酸素入力ポート４２を介して燃焼器１４と流体連通している。燃料流源５４は、燃料流入力ポート４４を介して燃焼器１４と流体連通しており、燃料源および水素源を含む。凝縮器１６は、排気出力ポート４６を介して燃焼器１４から排気を受け入れ、かつ二酸化炭素入力ポート４８を介して出力流を燃焼器１４に戻すように配置される。方法は、酸化剤が存在する状態で燃焼器内で燃料流を燃焼して、排気ガスを発生させるステップを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体として、酸素燃料燃焼のシステムおよび方法に関する。より具体的には、本発明は、補助として水素を利用する（hydrogen assisted）酸素燃料燃焼に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば発電システムにおいて、化石燃料の燃焼によって発生する排気流は、燃焼中の副産物として窒素酸化物（ＮＯx）および一酸化炭素（ＣＯ）を含む。化石燃料を利用する発電所からのＮＯxおよびＣＯの排出は、国内規制および国際規制によるペナルティが次第に課せられるようになっている。ＮＯxおよびＣＯを排出するためのコストの増加と相まって、排出の削減は経済的な発電のために重要である。
【０００３】
ＮＯx排出を削減する１つの方法は、選択的接触還元によってＮＯxを排気ガスから除去するというものである。ＮＯxを排気ガスから除去する必要なしに、ほぼゼロに近いＮＯxを達成する方法は、酸素燃料燃焼プロセスである。この方法では、空気を使用するのとは対照的に、純酸素（一般的に、二酸化炭素などの二次的ガスと組み合わせる）が酸化剤として使用され、それによってＮＯxの排出量が無視できる程度の燃焼ガスが得られる。酸素燃料プロセスでは、酸化剤中の酸素（Ｏ2）濃度を可能な限り低くした状態で燃焼炎を安定させることができれば、生成される排気ＣＯの排出を少なくすることができる。しかし、酸素燃料のＯ2濃度を特定のレベルよりも低減することは、火炎安定性の問題に結び付く場合がある。
【０００４】
したがって、ＮＯxおよびＣＯの排出量を確実に低下させるとともに、火炎安定性を維持する、発電のためのシステムおよび方法が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７，９０９，８９８号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
簡潔には、一実施形態では、方法が提供される。方法は、酸化剤が存在する状態で燃焼器内で燃料流を燃焼して、排気ガスを発生させるステップと、排気ガスを凝縮して、少なくとも９５体積％の二酸化炭素を含む出力流を得るステップと、出力流の少なくとも一部分を燃焼器へと送るステップとを含む。燃焼器に入る燃料流は主要燃料および水素を含む。酸化剤は、酸素および二酸化炭素を含み、窒素はほぼ含まない。
【０００７】
一実施形態では、システムが提供される。システムは、燃焼器と、空気分離ユニットと、燃料流源と、凝縮器とを含む。燃焼器は、酸素入力ポートと、燃料流入力ポートと、二酸化炭素入力ポートと、排気出力ポートとを含む。空気分離ユニットは、燃焼器の酸素入力ポートを介して燃焼器と流体連通している。燃料流源は、燃料流入力ポートを介して燃焼器と流体連通しており、燃料源および水素源を含む。凝縮器は、排気出力ポートを介して燃焼器から排気を受け入れ、二酸化炭素入力ポートを介して出力流を燃焼器に戻すように配置される。
【０００８】
一実施形態では、システムが提供される。システムは、燃焼器と、空気分離ユニットと、水素富化（hydrogen enrichment）ユニットと、タービンと、凝縮器とを含む。燃焼器は、酸素入力ポートと、燃料流入力ポートと、二酸化炭素入力ポートと、排気出力ポートとを含む。空気分離ユニットは、燃焼器の酸素入力ポートを介して燃焼器と流体連通している。水素富化ユニットは、燃料入力ポートを介して燃焼器と流体連通している。タービンは、排気出力ポートを介して燃焼器と連通している。凝縮器は、タービンから排気を受け入れ、二酸化炭素入力ポートを介して出力流を燃焼器に戻すように、タービンの下流側に配置される。
【０００９】
本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明を添付図面と併せ読むことにより、より十分に理解されるであろう。なお、図面全体を通して同様の符号は同様の部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態によるシステムを示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による水素富化システムの一例を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態によるシステムを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態によるシステムを示す図である。
【図５】本発明の一実施形態による、燃料の水素富化による一酸化炭素削減の成果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態は、水素富化燃料（hydrogen enriched fuel）を使用する酸素燃料燃焼を含む。
【００１２】
以下の明細書およびそれに続く請求項では、文脈において特段の指定がない限り、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は複数形を含む。
【００１３】
ガスタービン用途における酸素燃料燃焼は、ＮＯx排出ゼロの燃焼のための主要な手段の１つである。酸素燃料燃焼は、二酸化炭素（ＣＯ2）の捕捉および隔離を可能にするものであり、酸素汚染を伴わないＣＯ2を必要とする用途にとって魅力的な技術である。酸素燃料プロセスを手段として作動するガスタービンでは、燃焼排気の主成分が主としてＣＯ2および水（Ｈ2Ｏ）を含むため、ＣＯ２分離ユニットは不要である。Ｈ2Ｏを凝縮するか、または排気流を熱回収蒸気発生（ＨＲＳＧ）プロセスに使用することによって、ＣＯ2の高濃度流が生成され、かつＣＯ2隔離または他のＣＯ2用途に使用されてもよい。
【００１４】
一般に、システム１０は主に、図１に示されるように、空気分離ユニット（ＡＳＵ）１２と、燃焼器１４と、冷却システム１６とを含む。ＡＳＵ １２は、酸素を空気から分離して、酸素供給を酸化剤として燃焼器１４に提供する。ＡＳＵの代わりに、酸素を提供する他の技術を使用できることが当業者には理解される。燃焼器１４は、燃焼器１４へと送られる酸素が存在する状態で、燃料流をＣＯ2と別個に、またはＣＯ2と混合した後に燃やすように構成される。燃料は炭化水素燃料であってもよい。燃料の非限定例としては、重炭化水素、天然ガス、メタン、およびエタノールが挙げられる。ＡＳＵ １２からの窒素は、リザーバ管理ユニット１８に貯蔵されるか、かつ／または、例えばガス田から天然ガスを回収するなど、他の用途に使用されてもよい。燃焼生成物は、通常、主にＣＯ2、Ｈ2Ｏ、および微量のＣＯおよびＯ2排出を含む。冷却システム１６はＨ2Ｏを凝縮し、その結果、９５％のＣＯ2組成を上回る排気ガスが得られる。一実施形態では、図１の酸素燃料燃焼プロセスの効率は、ＡＳＵ １２によって送達されるＯ2に応じて決まる。ＡＳＵ １２からの酸素に対する要求が高まっていることにより、ＡＳＵ １２システムが比較的高価なためにプロセスコストが増加することがある。したがって、比較的少量の酸素を使用して酸素燃料燃焼を安定させる方法を決定することが関心事となるであろう。
【００１５】
一実施形態では、排気Ｏ2の削減は、酸素をほぼ含まない高含量ＣＯ2流を必要とする用途にとって望ましい。本明細書で使用するとき、「高含量ＣＯ2流」は、約９０体積％を超えるＣＯ2を有する流れとして定義される。別の実施形態では、高含量ＣＯ2流は約９５体積％を超えるＣＯ2を含有する。さらなる実施形態では、高含量ＣＯ2流は約９９体積％を超えるＣＯ2を含有する。
【００１６】
「ほぼ酸素を含まない」流れは、約１体積％未満の酸素を含有する流れとして定義される。本発明者らによる平衡計算および実験研究に基づいて、酸化剤中のＯ2濃度が低い状態で燃焼炎が安定すると、排気Ｏ2およびＣＯの低排出量が生じ得る。より低い酸素濃度を維持する１つの方法は、酸素およびＣＯ2の混合物を酸化剤として使用することによるものである。しかし、ＣＯ2濃度を増加させ、酸化剤中のＯ2を特定のレベルよりも低下させることで、火炎安定性は低減されることがある。
【００１７】
メタン（ＣＨ4）を燃料として使用する燃焼に関して本発明者らが行った過去の平衡計算および試験により、ＣＨ4・空気燃焼の火炎温度に一致させるため、酸素燃料燃焼においてＯ2が少なくとも約３０体積％の酸化剤レベルが望ましいことが示されている。
【００１８】
酸化剤の酸素をほぼすべて使用して燃料流を燃やすことによって、排気ガス中の酸素含量を大幅に削減することができる。したがって、化学量論的な燃料対酸素比（Φ＝１）付近で、即ちわずかに濃い燃料を用いて燃焼プロセスを操作することで、排気中のＯ2が最小限に抑えられて、下流プロセスのためにＣＯ2を高濃度にすることが可能になる。一実施形態では、ＣＯ2排気流中の酸素レベルが１０ｐｐｍ未満であることが望ましい。一般的に高含量のＣＯ2流を指定する用途の一例は、ＣＯ2流の注入が油回収率の向上に結び付く、劣化油回収ウェルからの油回収である。
【００１９】
高いＣＯ2排気ガスの一部分はまた、ＡＳＵ １２から分離されたＯ2と混合するため、燃焼器１４に再循環させてもよい。燃焼によるＣＯ排出を最小限に維持することは、高燃焼効率を維持する助けとなる。
【００２０】
ＡＳＵによって供給される酸素中に存在する窒素は極低濃度なので、酸素燃料を使用した燃焼におけるＮＯx生成は最小限であることが予期される。本発明者らが実施した実験によって、酸化剤中の窒素が約４％以下のとき、生成されるＮＯxは約５ｐｐｍ以下であることが示された。一実施形態では、燃焼に使用される酸化剤は窒素をほぼ含まない。本明細書で使用するとき、「ほぼ含まない」という用語は、酸化剤中の窒素が、空気分離ユニットによって達成できるような低量であることを意味する。一実施形態では、酸化剤中に存在する窒素は酸化剤の約１体積％未満である。
【００２１】
「安定火炎」という概念は当該分野において一般に知られている。本発明の文脈では、安定火炎とは、約２７００°Ｆ（１４８２℃）〜３７００°Ｆ（２０３８℃）の範囲内の温度で、燃焼器の動作中の酸素含量が酸化剤の約２０〜３０体積％の範囲のとき、酸化剤の不足によって消滅しないものである。
【００２２】
本出願では、本発明者らは、酸化剤中のＯ2濃度が低い状態で火炎安定性を改善することを可能にするものとして、酸素燃料燃焼における燃料の水素富化を使用することを開示する。本明細書で使用するとき、「水素富化」という用語は、主要燃料と比較して燃料流中の水素量を増加させることを意味する。例えば、主要燃料がメタン（ＣＨ4）の場合、燃料流の水素富化には多量の水素を含むことが必要となる。燃料流中に存在する水素は、水素分子の形態であってもよく、または燃料混合物の一部として存在してもよい。一実施形態では、水素は主要燃料の成分として存在する。主要燃料流は、様々な方法を使用して供給または生成される水素を用いて富化されてもよい。一実施形態では、水素は主要燃料とは別個に貯蔵され、燃料流を燃焼する前にある比で主要燃料と混合される。水素を生成するためのいくつかの方法が存在し、その例としては特に、水蒸気改質、水電解、熱部分酸化、およびプラズマ改質を含むことが当業者には理解される。一実施形態では、燃料流を富化するための水素は、接触部分酸化（ＣＰＯ）を使用することによって提供される。
【００２３】
蒸気、空気、および天然ガス（ＮＧ）を利用する接触部分酸化プロセスの一例が図２に示される。このプロセスでは、主要燃料２２流の一部は蒸気２４と混合され、空気２６と反応して水素２８を生成する。部分酸化反応は、一般的に約１８００°Ｆ（９８２．２℃）の温度以下で、空気／蒸気と燃料の混合物を部分燃焼するものである。部分酸化反応は、触媒が存在する状態実施されてもされなくてもよい。任意の触媒を関与させることなく部分酸化が実施される場合、水素２８を作り出す酸化プロセスは熱部分酸化（ＴＰＯ）と呼ばれる。レニウム・セリウム、レニウム・アルミナ、またはレニウム・ルテニウムを含む貴金属／合金などの触媒の使用は、水素２８生成の体積％を向上させるとともに、水素２８生成に必要な反応温度を低減させることが見出されている。この水素２８は、燃料流５８としてシステム１０に供給する前に主要燃料２２と混合される。したがって、上記に詳述したＣＰＯプロセスの例は、主要燃料の一部分を利用して、主要燃料２２の富化に使用されるＨ2を作り出す。一実施形態では、ＣＰＯプロセスからの出力流（図示なし）は、微量の体積％の主要燃料を含有することがある。Ｈ2の発生および主要燃料の水素富化に適用可能な様々なＣＰＯシステムが当業者には理解される。
【００２４】
酸素燃料燃焼プロセスにおける燃料流の水素富化は、主要燃料と反応する酸化剤中の酸素含量を低減させると同時に、酸素燃料燃焼における希薄吹き消え（lean blow off）（ＬＢＯ）マージンを改善（低減）する。燃料流中の水素含量が増加することで、酸素燃料燃焼プロセスにおける燃料供給の反応性が向上する。水素富化はさらに、酸素燃料燃焼の火炎温度を下げるのに役立つことがある。具体的には、水素富化は、別の方法では特に低い火炎温度で一酸化炭素（ＣＯ）を発生させる酸素分子を消費することによって、より低温でより少ない一酸化炭素を生成する。したがって、燃料流の水素富化は、排気ガス中の酸素および一酸化炭素含量を下げ、それによって、水を凝縮した後に「より清浄な」二酸化炭素排気流を提供してもよい。
【００２５】
上述したように、燃料流の水素富化は、ＣＯおよびＮＯxなどの排出汚染物質の望ましくない増加を伴うことなく、酸素燃料燃焼の温度を低下させるのに役立つ。一実施形態では、水素富化燃料流およびＣＯ2＋Ｏ2酸化剤流を使用する酸素燃料燃焼の火炎温度は、約３０００°Ｆ（１６５０℃）未満である。一実施形態では、火炎温度は約２９００°Ｆ（１６００℃）未満である。さらなる実施形態では、火炎温度は約２８００°Ｆ（１５４０℃）未満である。
【００２６】
空気燃焼と比較して、酸素燃料燃焼における一般的な燃料対酸化剤比は高くてもよい。しかし、燃料流に水素を添加することは、酸素燃料燃焼における使用可能な燃料対酸化剤比を下げるのに役立つことが見出されている。一実施形態では、酸素燃料燃焼は化学量論的な燃料対酸化剤比で行われる。本発明の一実施形態では、燃料流の燃焼は約０．９以下の当量比で行われる。本明細書で使用するとき、「当量比」は、化学量論的な燃料／酸化剤体積比に対する燃焼の燃料／酸化剤体積比として定義される。一実施形態では、酸素燃料燃焼は、約０．７以下の当量比で水素富化燃料流に対して行われる。一実施形態では、酸化剤中に存在する酸素量は、酸化剤全体に対して約２５体積％未満である。
【００２７】
一実施形態では、主要燃料に加える水素量は燃料流の少なくとも約５体積％である。一実施形態では、水素富化は燃料流の少なくとも約１０体積％である。一実施形態では、燃料流の水素富化は燃料流の約１５体積％である。
【００２８】
一実施形態では、図３および図４に示されるようなシステム５０が提供される。システム５０は、酸素出力を提供するＡＳＵ １２と、酸素入力ポート４２を通して酸素を受け入れ、燃料流入力ポート４４を通して燃料流５８を受け入れるように構成された燃焼器１４と、排気ガス６２を発生させる安定火炎（図示なし）を維持するように、主要燃料および水素を含む燃料流５８を燃焼器１４に供給する、燃焼器１４の上流側にある水素富化ユニット５４とを含む。ＡＳＵの代わりに、酸素を提供する他の技術を使用できることが当業者には理解される。
【００２９】
冷却システム１６は、燃焼器１４によって生成された排気ガス６２を受け入れることによって、燃焼器１４に流体結合することができる。一実施形態では、冷却システム１６は、燃焼器１４の下流側にあるタービン６４を通して燃焼器１４に流体結合される。タービン６４は、排気出力ポート４６を通して燃焼器１４から出力流（排気ガス）６２を受け入れ、排気ガス６２と関連付けられたエネルギーの少なくとも一部を使用して電気を発生させて、使い切った排気流６６を放出する。タービン６４からの排気流６６は、例えば水分凝縮システムまたはＨＲＳＧなどの冷却システム１６に通されて、排気流６６からの水を凝縮し、二酸化炭素流７０を作り出してもよい。二酸化炭素流７０は、ＣＯ2捕捉システム７２で部分的にまたは完全に捕捉され、貯蔵されてもよい。アミンＣＯ2ユニットはＣＯ2捕捉システムの非限定例である。別の実施形態では、二酸化炭素流７０は、例えば油回収システム７４など、高含量の二酸化炭素を使用する用途へと送られてもよい。
【００３０】
一実施形態では、二酸化炭素流７０の少なくとも一部は、二酸化炭素入力ポート４８を通して燃焼器１４へと再び送られる。二酸化炭素流は、ＣＯ2圧縮機７６内で任意に圧縮されて、燃焼器１４中の酸素と混合されてもよい。
【００３１】
通常、燃焼器への反応物流の圧力を最小限に維持するため、圧縮酸素を燃焼器１４へと送って燃料流５８と混合することが望ましい。圧縮酸素は様々なやり方で得られてもよい。圧縮機は、空気および／または酸素を含むガス流を圧縮するのに使用されてもよい。例えば、図３では、空気はＡＳＵ １２に通され、分離された酸素は、燃焼器１４へと送られる前に、ＡＳＵの下流側に載置された酸素圧縮機７８を通して圧縮される。別の実施形態では、図３に示されるように、空気は、ＡＳＵ １２に供給される前に、ＡＳＵの上流側に載置された空気圧縮機８０中で圧縮される（本明細書で使用されるＡＳＵは、通常、圧縮空気から圧縮酸素を分離できるものである）。あるいは、酸素圧縮機７８（例えば、図３を参照）は、図４に示されるシステムの下流側に追加されてもよい。
【００３２】
本明細書で使用するとき、「上流側」および「下流側」という用語は内容物のフローを示す。例えば、「ＡＳＵの上流側にある圧縮機」は、動作中に圧縮機の内容物がＡＳＵ「へと」移動することを指し、「ＡＳＵの下流側にある圧縮機」は、動作中に圧縮機の内容物がＡＳＵ「から」移動することを指す。「上流側」および「下流側」という用語は、この例では圧縮機およびＡＳＵなど、示される部品間が流体連通していることを示すが、本明細書中で具体的に言及しない限り、間に介在部品を何ら有することなく部品が直接流体連通していることに何ら限定するものではない。
【００３３】
いくつかの実施形態では、ガスタービンを含む発電所においてエネルギーを発生させる方法が提供される。方法は、ＡＳＵ １２（図４）を作動させて空気から酸素を分離するステップと、燃料を燃焼器１４に送るステップと、空気圧縮機８０および／または酸素圧縮機７８（図３）を使用することによって圧縮酸素を燃焼器１４に提供するステップと、酸化剤が存在する状態で燃焼器１４内で燃料流５８を燃焼するステップとを含む。このようにして、二酸化炭素および水を含む排気ガス６２が発生する。燃焼器１４の排気ガス６２は、例えば、タービン６４を作動させるのに使用されて、電気を発生させてもよい。タービン６４の排気流６６は、水凝縮システム１６に通されて、排気流６６から水を分離し、高含量二酸化炭素流７０を生成してもよい。高含量二酸化炭素流７０は、酸素が存在することが望ましくないような状況における安全上の考慮のため、酸素をほぼ含まない。上述したように、二酸化炭素流７０は、貯蔵され、他の用途へと送られ、かつ／または圧縮され、例えば圧縮酸素と組み合わせて、燃焼器１４へと戻されてもよい。
【００３４】
最初に、燃焼器１４内の火炎は通常、酸素を用いて安定化され、二酸化炭素が添加物として酸素に緩やかに導入される。ＣＯ2流量が依然として比較的低いままで、水素富化が燃料流へと徐々に導入される。このようにして、燃焼器１４供給物中のＣＯ2濃度は約７０体積％未満で維持されてもよい。酸化剤中のＣＯ2レベルは徐々に増加され、火炎を消滅させることができるレベルで調節される。それに応じて、燃料流の水素富化はその特定のＣＯ2レベルで火炎を安定させるように調節される。したがって、ＣＯ2流量は存在する酸化剤の体積の７０％を上回るレベルまで増加され、それに応じて水素富化は連続的に動作する水素富化レベルに達するまで増加される。
【００３５】
「動作水素富化レベル（operating hydrogen enrichment level）」は、燃焼器１４中で求められる火炎温度によって決まる。求められる火炎温度における酸化剤中の酸素比率によって、燃焼器１４へと再循環するＣＯ2体積流量が決まる。燃料流に水素富化を適用することによって、約７０体積％を超える二酸化炭素レベルで安定火炎が維持されてもよい。換言すれば、火炎は、酸化剤の約３０体積％未満の酸素レベルで燃焼器１４内で安定化されてもよい。
【実施例】
【００３６】
以下の例は、特定の実施形態による方法、材料、および結果を例証するものであり、そのため、請求項を限定するものとして解釈すべきではない。すべての構成要素は、特段の指定がない限り、一般的な化学製品供給業者から市販で入手可能である。
【００３７】
火炎安定性に対するＨ2富化の影響、および希薄吹き消え（ＬＢＯ）火炎温度の改善について、約３００ｐｓｉａ（２１．１ｋｇｆ／ｃｍ2）の圧力および８５０°Ｆ（４５４．４℃）の温度に耐え得る直径８インチ（２０．３ｃｍ）の試験装置を使用して評価した。燃料および空気は、燃焼器への吸気に先立ってチューブバンドル内で予混合し、火炎は火炎安定化装置プレートを使用して固定した。長さ５インチ（１２．７ｃｍ）、直径２インチ（５．１ｃｍ）の燃焼器を火炎安定化装置の下流側に配置した。燃焼器冷却に使用される予熱空気も利用して、チューブバンドルの外側の燃料／空気混合物を予熱した。燃焼用空気はベンチュリを使用して計量し、天然ガスはコリオリ型質量流量計を使用して計量した。水素は、水素流を正確に制御するため、熱式質量流量計／コントローラを用いて計量した。空気流量は約０．０５ポンド／秒（２２．６８ｇ／秒）であった。吸気条件は、１７８〜１８５ｐｓｉａ（１２．５〜１３．０ｋｇｆ／ｃｍ2）および５５０〜６６０°Ｆ（２８７．８〜３１５．６℃）で比較的一定に保った。水素は５％の増分で５％から２５％まで天然ガスに添加した。燃焼生成物を、火炎安定化装置の４．２インチ（１０．７ｃｍ）下流側に配置した水冷ガスサンプリングプローブを使用して、ほぼ等速の条件でサンプリングした。次に、サンプルの流れを冷却し、乾燥させ、ＣＯ2、Ｏ2、未燃炭化水素（ＵＨＣ）、およびＣＯの測定のため、ガスサンプリングシステムに送った。
【００３８】
図５は、本発明の一実施形態による、より低い火炎温度と関連付けられた希薄吹き消え状態における水素富化による火炎温度および一酸化炭素削減の成果を示す。５％、１０％、および１５％などの様々な水素富化レベルに関して、火炎温度およびＣＯ排出の低下をグラフに示す。
【００３９】
具体的には、Ｈ2富化がない状態（１００％天然ガス）では、安定火炎は２６２０°Ｆ（１４３７．８℃）を超える火炎温度でのみ得られる。１５％の水素富化を添加すると、安定火炎のための最低火炎温度は約２５００°Ｆ（１３７１．１℃）まで低下する。この例では、１５％のＨ2富化で、安定火炎状態において１２０°Ｆ（６６．７℃）の改善が得られる。それに加えて、Ｈ2富化の導入により、低温で非常に低い（平衡）ＣＯレベルが得られる。
【００４０】
本発明の特定の特徴のみを本明細書に例証し記載してきたが、多数の修正および変更が当業者には想起されるであろう。したがって、添付の請求項は、本発明の真の趣旨内にあるものとして、かかる修正および変更をすべて包含するものとすることを理解されたい。
【符号の説明】
【００４１】
１０ システム
１２ ＡＳＵ
１４ 燃焼器
１６ 冷却システム
１８ リザーバ管理ユニット
２２ 主要燃料流
２４ 蒸気
２６ 空気
２８ 水素
４２ 酸素入力ポート
４４ 蒸気入力ポート
４６ 排気出力ポート
４８ ＣＯ2入力ポート
５０ システム
５８ 燃料流
６２ 排気ガス
６４ タービン
６６ 使い切った排気流
７０ 二酸化炭素流
７２ ＣＯ2捕捉システム
７４ 油回収システム
７６ ＣＯ2圧縮機
７８ 酸素圧縮機
８０ 空気圧縮機
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体として、酸素燃料燃焼のシステムおよび方法に関する。より具体的には、本発明は、補助として水素を利用する（hydrogen assisted）酸素燃料燃焼に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば発電システムにおいて、化石燃料の燃焼によって発生する排気流は、燃焼中の副産物として窒素酸化物（ＮＯx）および一酸化炭素（ＣＯ）を含む。化石燃料を利用する発電所からのＮＯxおよびＣＯの排出は、国内規制および国際規制によるペナルティが次第に課せられるようになっている。ＮＯxおよびＣＯを排出するためのコストの増加と相まって、排出の削減は経済的な発電のために重要である。
【０００３】
ＮＯx排出を削減する１つの方法は、選択的接触還元によってＮＯxを排気ガスから除去するというものである。ＮＯxを排気ガスから除去する必要なしに、ほぼゼロに近いＮＯxを達成する方法は、酸素燃料燃焼プロセスである。この方法では、空気を使用するのとは対照的に、純酸素（一般的に、二酸化炭素などの二次的ガスと組み合わせる）が酸化剤として使用され、それによってＮＯxの排出量が無視できる程度の燃焼ガスが得られる。酸素燃料プロセスでは、酸化剤中の酸素（Ｏ2）濃度を可能な限り低くした状態で燃焼炎を安定させることができれば、生成される排気ＣＯの排出を少なくすることができる。しかし、酸素燃料のＯ2濃度を特定のレベルよりも低減することは、火炎安定性の問題に結び付く場合がある。
【０００４】
したがって、ＮＯxおよびＣＯの排出量を確実に低下させるとともに、火炎安定性を維持する、発電のためのシステムおよび方法が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７，９０９，８９８号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
簡潔には、一実施形態では、方法が提供される。方法は、酸化剤が存在する状態で燃焼器内で燃料流を燃焼して、排気ガスを発生させるステップと、排気ガスを凝縮して、少なくとも９５体積％の二酸化炭素を含む出力流を得るステップと、出力流の少なくとも一部分を燃焼器へと送るステップとを含む。燃焼器に入る燃料流は主要燃料および水素を含む。酸化剤は、酸素および二酸化炭素を含み、窒素はほぼ含まない。
【０００７】
一実施形態では、システムが提供される。システムは、燃焼器と、空気分離ユニットと、燃料流源と、凝縮器とを含む。燃焼器は、酸素入力ポートと、燃料流入力ポートと、二酸化炭素入力ポートと、排気出力ポートとを含む。空気分離ユニットは、燃焼器の酸素入力ポートを介して燃焼器と流体連通している。燃料流源は、燃料流入力ポートを介して燃焼器と流体連通しており、燃料源および水素源を含む。凝縮器は、排気出力ポートを介して燃焼器から排気を受け入れ、二酸化炭素入力ポートを介して出力流を燃焼器に戻すように配置される。
【０００８】
一実施形態では、システムが提供される。システムは、燃焼器と、空気分離ユニットと、水素富化（hydrogen enrichment）ユニットと、タービンと、凝縮器とを含む。燃焼器は、酸素入力ポートと、燃料流入力ポートと、二酸化炭素入力ポートと、排気出力ポートとを含む。空気分離ユニットは、燃焼器の酸素入力ポートを介して燃焼器と流体連通している。水素富化ユニットは、燃料入力ポートを介して燃焼器と流体連通している。タービンは、排気出力ポートを介して燃焼器と連通している。凝縮器は、タービンから排気を受け入れ、二酸化炭素入力ポートを介して出力流を燃焼器に戻すように、タービンの下流側に配置される。
【０００９】
本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明を添付図面と併せ読むことにより、より十分に理解されるであろう。なお、図面全体を通して同様の符号は同様の部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態によるシステムを示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による水素富化システムの一例を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態によるシステムを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態によるシステムを示す図である。
【図５】本発明の一実施形態による、燃料の水素富化による一酸化炭素削減の成果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態は、水素富化燃料（hydrogen enriched fuel）を使用する酸素燃料燃焼を含む。
【００１２】
以下の明細書およびそれに続く請求項では、文脈において特段の指定がない限り、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は複数形を含む。
【００１３】
ガスタービン用途における酸素燃料燃焼は、ＮＯx排出ゼロの燃焼のための主要な手段の１つである。酸素燃料燃焼は、二酸化炭素（ＣＯ2）の捕捉および隔離を可能にするものであり、酸素汚染を伴わないＣＯ2を必要とする用途にとって魅力的な技術である。酸素燃料プロセスを手段として作動するガスタービンでは、燃焼排気の主成分が主としてＣＯ2および水（Ｈ2Ｏ）を含むため、ＣＯ２分離ユニットは不要である。Ｈ2Ｏを凝縮するか、または排気流を熱回収蒸気発生（ＨＲＳＧ）プロセスに使用することによって、ＣＯ2の高濃度流が生成され、かつＣＯ2隔離または他のＣＯ2用途に使用されてもよい。
【００１４】
一般に、システム１０は主に、図１に示されるように、空気分離ユニット（ＡＳＵ）１２と、燃焼器１４と、冷却システム１６とを含む。ＡＳＵ １２は、酸素を空気から分離して、酸素供給を酸化剤として燃焼器１４に提供する。ＡＳＵの代わりに、酸素を提供する他の技術を使用できることが当業者には理解される。燃焼器１４は、燃焼器１４へと送られる酸素が存在する状態で、燃料流をＣＯ2と別個に、またはＣＯ2と混合した後に燃やすように構成される。燃料は炭化水素燃料であってもよい。燃料の非限定例としては、重炭化水素、天然ガス、メタン、およびエタノールが挙げられる。ＡＳＵ １２からの窒素は、リザーバ管理ユニット１８に貯蔵されるか、かつ／または、例えばガス田から天然ガスを回収するなど、他の用途に使用されてもよい。燃焼生成物は、通常、主にＣＯ2、Ｈ2Ｏ、および微量のＣＯおよびＯ2排出を含む。冷却システム１６はＨ2Ｏを凝縮し、その結果、９５％のＣＯ2組成を上回る排気ガスが得られる。一実施形態では、図１の酸素燃料燃焼プロセスの効率は、ＡＳＵ １２によって送達されるＯ2に応じて決まる。ＡＳＵ １２からの酸素に対する要求が高まっていることにより、ＡＳＵ １２システムが比較的高価なためにプロセスコストが増加することがある。したがって、比較的少量の酸素を使用して酸素燃料燃焼を安定させる方法を決定することが関心事となるであろう。
【００１５】
一実施形態では、排気Ｏ2の削減は、酸素をほぼ含まない高含量ＣＯ2流を必要とする用途にとって望ましい。本明細書で使用するとき、「高含量ＣＯ2流」は、約９０体積％を超えるＣＯ2を有する流れとして定義される。別の実施形態では、高含量ＣＯ2流は約９５体積％を超えるＣＯ2を含有する。さらなる実施形態では、高含量ＣＯ2流は約９９体積％を超えるＣＯ2を含有する。
【００１６】
「ほぼ酸素を含まない」流れは、約１体積％未満の酸素を含有する流れとして定義される。本発明者らによる平衡計算および実験研究に基づいて、酸化剤中のＯ2濃度が低い状態で燃焼炎が安定すると、排気Ｏ2およびＣＯの低排出量が生じ得る。より低い酸素濃度を維持する１つの方法は、酸素およびＣＯ2の混合物を酸化剤として使用することによるものである。しかし、ＣＯ2濃度を増加させ、酸化剤中のＯ2を特定のレベルよりも低下させることで、火炎安定性は低減されることがある。
【００１７】
メタン（ＣＨ4）を燃料として使用する燃焼に関して本発明者らが行った過去の平衡計算および試験により、ＣＨ4・空気燃焼の火炎温度に一致させるため、酸素燃料燃焼においてＯ2が少なくとも約３０体積％の酸化剤レベルが望ましいことが示されている。
【００１８】
酸化剤の酸素をほぼすべて使用して燃料流を燃やすことによって、排気ガス中の酸素含量を大幅に削減することができる。したがって、化学量論的な燃料対酸素比（Φ＝１）付近で、即ちわずかに濃い燃料を用いて燃焼プロセスを操作することで、排気中のＯ2が最小限に抑えられて、下流プロセスのためにＣＯ2を高濃度にすることが可能になる。一実施形態では、ＣＯ2排気流中の酸素レベルが１０ｐｐｍ未満であることが望ましい。一般的に高含量のＣＯ2流を指定する用途の一例は、ＣＯ2流の注入が油回収率の向上に結び付く、劣化油回収ウェルからの油回収である。
【００１９】
高いＣＯ2排気ガスの一部分はまた、ＡＳＵ １２から分離されたＯ2と混合するため、燃焼器１４に再循環させてもよい。燃焼によるＣＯ排出を最小限に維持することは、高燃焼効率を維持する助けとなる。
【００２０】
ＡＳＵによって供給される酸素中に存在する窒素は極低濃度なので、酸素燃料を使用した燃焼におけるＮＯx生成は最小限であることが予期される。本発明者らが実施した実験によって、酸化剤中の窒素が約４％以下のとき、生成されるＮＯxは約５ｐｐｍ以下であることが示された。一実施形態では、燃焼に使用される酸化剤は窒素をほぼ含まない。本明細書で使用するとき、「ほぼ含まない」という用語は、酸化剤中の窒素が、空気分離ユニットによって達成できるような低量であることを意味する。一実施形態では、酸化剤中に存在する窒素は酸化剤の約１体積％未満である。
【００２１】
「安定火炎」という概念は当該分野において一般に知られている。本発明の文脈では、安定火炎とは、約２７００°Ｆ（１４８２℃）〜３７００°Ｆ（２０３８℃）の範囲内の温度で、燃焼器の動作中の酸素含量が酸化剤の約２０〜３０体積％の範囲のとき、酸化剤の不足によって消滅しないものである。
【００２２】
本出願では、本発明者らは、酸化剤中のＯ2濃度が低い状態で火炎安定性を改善することを可能にするものとして、酸素燃料燃焼における燃料の水素富化を使用することを開示する。本明細書で使用するとき、「水素富化」という用語は、主要燃料と比較して燃料流中の水素量を増加させることを意味する。例えば、主要燃料がメタン（ＣＨ4）の場合、燃料流の水素富化には多量の水素を含むことが必要となる。燃料流中に存在する水素は、水素分子の形態であってもよく、または燃料混合物の一部として存在してもよい。一実施形態では、水素は主要燃料の成分として存在する。主要燃料流は、様々な方法を使用して供給または生成される水素を用いて富化されてもよい。一実施形態では、水素は主要燃料とは別個に貯蔵され、燃料流を燃焼する前にある比で主要燃料と混合される。水素を生成するためのいくつかの方法が存在し、その例としては特に、水蒸気改質、水電解、熱部分酸化、およびプラズマ改質を含むことが当業者には理解される。一実施形態では、燃料流を富化するための水素は、接触部分酸化（ＣＰＯ）を使用することによって提供される。
【００２３】
蒸気、空気、および天然ガス（ＮＧ）を利用する接触部分酸化プロセスの一例が図２に示される。このプロセスでは、主要燃料２２流の一部は蒸気２４と混合され、空気２６と反応して水素２８を生成する。部分酸化反応は、一般的に約１８００°Ｆ（９８２．２℃）の温度以下で、空気／蒸気と燃料の混合物を部分燃焼するものである。部分酸化反応は、触媒が存在する状態実施されてもされなくてもよい。任意の触媒を関与させることなく部分酸化が実施される場合、水素２８を作り出す酸化プロセスは熱部分酸化（ＴＰＯ）と呼ばれる。レニウム・セリウム、レニウム・アルミナ、またはレニウム・ルテニウムを含む貴金属／合金などの触媒の使用は、水素２８生成の体積％を向上させるとともに、水素２８生成に必要な反応温度を低減させることが見出されている。この水素２８は、燃料流５８としてシステム１０に供給する前に主要燃料２２と混合される。したがって、上記に詳述したＣＰＯプロセスの例は、主要燃料の一部分を利用して、主要燃料２２の富化に使用されるＨ2を作り出す。一実施形態では、ＣＰＯプロセスからの出力流（図示なし）は、微量の体積％の主要燃料を含有することがある。Ｈ2の発生および主要燃料の水素富化に適用可能な様々なＣＰＯシステムが当業者には理解される。
【００２４】
酸素燃料燃焼プロセスにおける燃料流の水素富化は、主要燃料と反応する酸化剤中の酸素含量を低減させると同時に、酸素燃料燃焼における希薄吹き消え（lean blow off）（ＬＢＯ）マージンを改善（低減）する。燃料流中の水素含量が増加することで、酸素燃料燃焼プロセスにおける燃料供給の反応性が向上する。水素富化はさらに、酸素燃料燃焼の火炎温度を下げるのに役立つことがある。具体的には、水素富化は、別の方法では特に低い火炎温度で一酸化炭素（ＣＯ）を発生させる酸素分子を消費することによって、より低温でより少ない一酸化炭素を生成する。したがって、燃料流の水素富化は、排気ガス中の酸素および一酸化炭素含量を下げ、それによって、水を凝縮した後に「より清浄な」二酸化炭素排気流を提供してもよい。
【００２５】
上述したように、燃料流の水素富化は、ＣＯおよびＮＯxなどの排出汚染物質の望ましくない増加を伴うことなく、酸素燃料燃焼の温度を低下させるのに役立つ。一実施形態では、水素富化燃料流およびＣＯ2＋Ｏ2酸化剤流を使用する酸素燃料燃焼の火炎温度は、約３０００°Ｆ（１６５０℃）未満である。一実施形態では、火炎温度は約２９００°Ｆ（１６００℃）未満である。さらなる実施形態では、火炎温度は約２８００°Ｆ（１５４０℃）未満である。
【００２６】
空気燃焼と比較して、酸素燃料燃焼における一般的な燃料対酸化剤比は高くてもよい。しかし、燃料流に水素を添加することは、酸素燃料燃焼における使用可能な燃料対酸化剤比を下げるのに役立つことが見出されている。一実施形態では、酸素燃料燃焼は化学量論的な燃料対酸化剤比で行われる。本発明の一実施形態では、燃料流の燃焼は約０．９以下の当量比で行われる。本明細書で使用するとき、「当量比」は、化学量論的な燃料／酸化剤体積比に対する燃焼の燃料／酸化剤体積比として定義される。一実施形態では、酸素燃料燃焼は、約０．７以下の当量比で水素富化燃料流に対して行われる。一実施形態では、酸化剤中に存在する酸素量は、酸化剤全体に対して約２５体積％未満である。
【００２７】
一実施形態では、主要燃料に加える水素量は燃料流の少なくとも約５体積％である。一実施形態では、水素富化は燃料流の少なくとも約１０体積％である。一実施形態では、燃料流の水素富化は燃料流の約１５体積％である。
【００２８】
一実施形態では、図３および図４に示されるようなシステム５０が提供される。システム５０は、酸素出力を提供するＡＳＵ １２と、酸素入力ポート４２を通して酸素を受け入れ、燃料流入力ポート４４を通して燃料流５８を受け入れるように構成された燃焼器１４と、排気ガス６２を発生させる安定火炎（図示なし）を維持するように、主要燃料および水素を含む燃料流５８を燃焼器１４に供給する、燃焼器１４の上流側にある水素富化ユニット５４とを含む。ＡＳＵの代わりに、酸素を提供する他の技術を使用できることが当業者には理解される。
【００２９】
冷却システム１６は、燃焼器１４によって生成された排気ガス６２を受け入れることによって、燃焼器１４に流体結合することができる。一実施形態では、冷却システム１６は、燃焼器１４の下流側にあるタービン６４を通して燃焼器１４に流体結合される。タービン６４は、排気出力ポート４６を通して燃焼器１４から出力流（排気ガス）６２を受け入れ、排気ガス６２と関連付けられたエネルギーの少なくとも一部を使用して電気を発生させて、使い切った排気流６６を放出する。タービン６４からの排気流６６は、例えば水分凝縮システムまたはＨＲＳＧなどの冷却システム１６に通されて、排気流６６からの水を凝縮し、二酸化炭素流７０を作り出してもよい。二酸化炭素流７０は、ＣＯ2捕捉システム７２で部分的にまたは完全に捕捉され、貯蔵されてもよい。アミンＣＯ2ユニットはＣＯ2捕捉システムの非限定例である。別の実施形態では、二酸化炭素流７０は、例えば油回収システム７４など、高含量の二酸化炭素を使用する用途へと送られてもよい。
【００３０】
一実施形態では、二酸化炭素流７０の少なくとも一部は、二酸化炭素入力ポート４８を通して燃焼器１４へと再び送られる。二酸化炭素流は、ＣＯ2圧縮機７６内で任意に圧縮されて、燃焼器１４中の酸素と混合されてもよい。
【００３１】
通常、燃焼器への反応物流の圧力を最小限に維持するため、圧縮酸素を燃焼器１４へと送って燃料流５８と混合することが望ましい。圧縮酸素は様々なやり方で得られてもよい。圧縮機は、空気および／または酸素を含むガス流を圧縮するのに使用されてもよい。例えば、図３では、空気はＡＳＵ １２に通され、分離された酸素は、燃焼器１４へと送られる前に、ＡＳＵの下流側に載置された酸素圧縮機７８を通して圧縮される。別の実施形態では、図３に示されるように、空気は、ＡＳＵ １２に供給される前に、ＡＳＵの上流側に載置された空気圧縮機８０中で圧縮される（本明細書で使用されるＡＳＵは、通常、圧縮空気から圧縮酸素を分離できるものである）。あるいは、酸素圧縮機７８（例えば、図３を参照）は、図４に示されるシステムの下流側に追加されてもよい。
【００３２】
本明細書で使用するとき、「上流側」および「下流側」という用語は内容物のフローを示す。例えば、「ＡＳＵの上流側にある圧縮機」は、動作中に圧縮機の内容物がＡＳＵ「へと」移動することを指し、「ＡＳＵの下流側にある圧縮機」は、動作中に圧縮機の内容物がＡＳＵ「から」移動することを指す。「上流側」および「下流側」という用語は、この例では圧縮機およびＡＳＵなど、示される部品間が流体連通していることを示すが、本明細書中で具体的に言及しない限り、間に介在部品を何ら有することなく部品が直接流体連通していることに何ら限定するものではない。
【００３３】
いくつかの実施形態では、ガスタービンを含む発電所においてエネルギーを発生させる方法が提供される。方法は、ＡＳＵ １２（図４）を作動させて空気から酸素を分離するステップと、燃料を燃焼器１４に送るステップと、空気圧縮機８０および／または酸素圧縮機７８（図３）を使用することによって圧縮酸素を燃焼器１４に提供するステップと、酸化剤が存在する状態で燃焼器１４内で燃料流５８を燃焼するステップとを含む。このようにして、二酸化炭素および水を含む排気ガス６２が発生する。燃焼器１４の排気ガス６２は、例えば、タービン６４を作動させるのに使用されて、電気を発生させてもよい。タービン６４の排気流６６は、水凝縮システム１６に通されて、排気流６６から水を分離し、高含量二酸化炭素流７０を生成してもよい。高含量二酸化炭素流７０は、酸素が存在することが望ましくないような状況における安全上の考慮のため、酸素をほぼ含まない。上述したように、二酸化炭素流７０は、貯蔵され、他の用途へと送られ、かつ／または圧縮され、例えば圧縮酸素と組み合わせて、燃焼器１４へと戻されてもよい。
【００３４】
最初に、燃焼器１４内の火炎は通常、酸素を用いて安定化され、二酸化炭素が添加物として酸素に緩やかに導入される。ＣＯ2流量が依然として比較的低いままで、水素富化が燃料流へと徐々に導入される。このようにして、燃焼器１４供給物中のＣＯ2濃度は約７０体積％未満で維持されてもよい。酸化剤中のＣＯ2レベルは徐々に増加され、火炎を消滅させることができるレベルで調節される。それに応じて、燃料流の水素富化はその特定のＣＯ2レベルで火炎を安定させるように調節される。したがって、ＣＯ2流量は存在する酸化剤の体積の７０％を上回るレベルまで増加され、それに応じて水素富化は連続的に動作する水素富化レベルに達するまで増加される。
【００３５】
「動作水素富化レベル（operating hydrogen enrichment level）」は、燃焼器１４中で求められる火炎温度によって決まる。求められる火炎温度における酸化剤中の酸素比率によって、燃焼器１４へと再循環するＣＯ2体積流量が決まる。燃料流に水素富化を適用することによって、約７０体積％を超える二酸化炭素レベルで安定火炎が維持されてもよい。換言すれば、火炎は、酸化剤の約３０体積％未満の酸素レベルで燃焼器１４内で安定化されてもよい。
【実施例】
【００３６】
以下の例は、特定の実施形態による方法、材料、および結果を例証するものであり、そのため、請求項を限定するものとして解釈すべきではない。すべての構成要素は、特段の指定がない限り、一般的な化学製品供給業者から市販で入手可能である。
【００３７】
火炎安定性に対するＨ2富化の影響、および希薄吹き消え（ＬＢＯ）火炎温度の改善について、約３００ｐｓｉａ（２１．１ｋｇｆ／ｃｍ2）の圧力および８５０°Ｆ（４５４．４℃）の温度に耐え得る直径８インチ（２０．３ｃｍ）の試験装置を使用して評価した。燃料および空気は、燃焼器への吸気に先立ってチューブバンドル内で予混合し、火炎は火炎安定化装置プレートを使用して固定した。長さ５インチ（１２．７ｃｍ）、直径２インチ（５．１ｃｍ）の燃焼器を火炎安定化装置の下流側に配置した。燃焼器冷却に使用される予熱空気も利用して、チューブバンドルの外側の燃料／空気混合物を予熱した。燃焼用空気はベンチュリを使用して計量し、天然ガスはコリオリ型質量流量計を使用して計量した。水素は、水素流を正確に制御するため、熱式質量流量計／コントローラを用いて計量した。空気流量は約０．０５ポンド／秒（２２．６８ｇ／秒）であった。吸気条件は、１７８〜１８５ｐｓｉａ（１２．５〜１３．０ｋｇｆ／ｃｍ2）および５５０〜６６０°Ｆ（２８７．８〜３１５．６℃）で比較的一定に保った。水素は５％の増分で５％から２５％まで天然ガスに添加した。燃焼生成物を、火炎安定化装置の４．２インチ（１０．７ｃｍ）下流側に配置した水冷ガスサンプリングプローブを使用して、ほぼ等速の条件でサンプリングした。次に、サンプルの流れを冷却し、乾燥させ、ＣＯ2、Ｏ2、未燃炭化水素（ＵＨＣ）、およびＣＯの測定のため、ガスサンプリングシステムに送った。
【００３８】
図５は、本発明の一実施形態による、より低い火炎温度と関連付けられた希薄吹き消え状態における水素富化による火炎温度および一酸化炭素削減の成果を示す。５％、１０％、および１５％などの様々な水素富化レベルに関して、火炎温度およびＣＯ排出の低下をグラフに示す。
【００３９】
具体的には、Ｈ2富化がない状態（１００％天然ガス）では、安定火炎は２６２０°Ｆ（１４３７．８℃）を超える火炎温度でのみ得られる。１５％の水素富化を添加すると、安定火炎のための最低火炎温度は約２５００°Ｆ（１３７１．１℃）まで低下する。この例では、１５％のＨ2富化で、安定火炎状態において１２０°Ｆ（６６．７℃）の改善が得られる。それに加えて、Ｈ2富化の導入により、低温で非常に低い（平衡）ＣＯレベルが得られる。
【００４０】
本発明の特定の特徴のみを本明細書に例証し記載してきたが、多数の修正および変更が当業者には想起されるであろう。したがって、添付の請求項は、本発明の真の趣旨内にあるものとして、かかる修正および変更をすべて包含するものとすることを理解されたい。
【符号の説明】
【００４１】
１０ システム
１２ ＡＳＵ
１４ 燃焼器
１６ 冷却システム
１８ リザーバ管理ユニット
２２ 主要燃料流
２４ 蒸気
２６ 空気
２８ 水素
４２ 酸素入力ポート
４４ 蒸気入力ポート
４６ 排気出力ポート
４８ ＣＯ2入力ポート
５０ システム
５８ 燃料流
６２ 排気ガス
６４ タービン
６６ 使い切った排気流
７０ 二酸化炭素流
７２ ＣＯ2捕捉システム
７４ 油回収システム
７６ ＣＯ2圧縮機
７８ 酸素圧縮機
８０ 空気圧縮機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素を実質的に含まず酸素および二酸化炭素を含む酸化剤が存在する状態で、燃焼器（１４）内で主要燃料および水素を含む燃料流（２２）を燃焼させ、排気ガス（６２）を発生させるステップと、
前記排気ガス（６２）を凝縮して、少なくとも９５体積％の二酸化炭素を含む出力流を得るステップと、
前記出力流の少なくとも一部分を前記燃焼器へと送るステップと
を含む、方法。
【請求項２】
前記排気ガス（６２）が酸素を実質的に含まない、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記燃料流（２２）中の水素量が前記燃料流の少なくとも約５体積％である、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記燃焼するステップが燃料および酸化剤の化学量論比以下で行われる、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記燃焼するステップが約０．９以下の当量比で行われる、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記燃焼するステップが約１６５０℃（３０００°Ｆ）未満の火炎温度で前記燃料流を燃焼することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記酸化剤中に存在する酸素量が酸化剤全体に対して約２５体積％未満である、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記出力流の少なくとも一部分を油高次回収システム（７４）へと送るステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記燃焼器（１４）へと送る前に前記出力流の前記少なくとも一部分を圧縮するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
酸素入力ポート（４２）、燃料流入力ポート（４４）、二酸化炭素入力ポート（４８）、および排気出力ポート（４６）を備える燃焼器（１４）と、
前記酸素入力ポート（４２）を介して前記燃焼器（１４）と流体連通している空気分離ユニット（１２）と、
前記燃焼器（１４）と流体連通しており、燃料源および水素源を備える燃料流（５８）源と、
前記排気出力ポート（４６）を介して前記燃焼器から排気を受け入れ、かつ前記二酸化炭素入力ポート（４８）を介して出力流を前記燃焼器（１４）に戻すように配置された凝縮器（１６）と
を備える、システム（５０）。
【請求項１】
窒素を実質的に含まず酸素および二酸化炭素を含む酸化剤が存在する状態で、燃焼器（１４）内で主要燃料および水素を含む燃料流（２２）を燃焼させ、排気ガス（６２）を発生させるステップと、
前記排気ガス（６２）を凝縮して、少なくとも９５体積％の二酸化炭素を含む出力流を得るステップと、
前記出力流の少なくとも一部分を前記燃焼器へと送るステップと
を含む、方法。
【請求項２】
前記排気ガス（６２）が酸素を実質的に含まない、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記燃料流（２２）中の水素量が前記燃料流の少なくとも約５体積％である、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記燃焼するステップが燃料および酸化剤の化学量論比以下で行われる、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記燃焼するステップが約０．９以下の当量比で行われる、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記燃焼するステップが約１６５０℃（３０００°Ｆ）未満の火炎温度で前記燃料流を燃焼することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記酸化剤中に存在する酸素量が酸化剤全体に対して約２５体積％未満である、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記出力流の少なくとも一部分を油高次回収システム（７４）へと送るステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記燃焼器（１４）へと送る前に前記出力流の前記少なくとも一部分を圧縮するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
酸素入力ポート（４２）、燃料流入力ポート（４４）、二酸化炭素入力ポート（４８）、および排気出力ポート（４６）を備える燃焼器（１４）と、
前記酸素入力ポート（４２）を介して前記燃焼器（１４）と流体連通している空気分離ユニット（１２）と、
前記燃焼器（１４）と流体連通しており、燃料源および水素源を備える燃料流（５８）源と、
前記排気出力ポート（４６）を介して前記燃焼器から排気を受け入れ、かつ前記二酸化炭素入力ポート（４８）を介して出力流を前記燃焼器（１４）に戻すように配置された凝縮器（１６）と
を備える、システム（５０）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−１１３５８０（Ｐ２０１３−１１３５８０Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２６０４４１（Ｐ２０１２−２６０４４１）
【出願日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
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