触媒材料を再生するためのシステム、方法、及び装置
【課題】燃焼システムの排気経路におけるＮＯ2生成を低減するのに使用され、ＮＯ2生成の低減を促進する触媒材料を再生するための熱回収蒸気発生機を提供する。
【解決手段】排気ガスの流れを生成する燃焼装置１０６の下流に流動連通して連結された蒸気発生機（ＨＲＳＧ）１１６は、ガスタービンエンジン１０６から排出された窒素酸化物（ＮＯx）を含む排気ガスを加熱するように構成された加熱装置、及び加熱装置の下流に連結された酸化触媒を含み、酸化触媒は、触媒材料の熱再生温度未満の第１の温度で、また、触媒材料が同時に再生されるように少なくとも熱再生温度にほぼ等しい第２の温度で、酸化触媒中に導かれた排気ガス中のＮＯxの量の低減を促進する。
【解決手段】排気ガスの流れを生成する燃焼装置１０６の下流に流動連通して連結された蒸気発生機（ＨＲＳＧ）１１６は、ガスタービンエンジン１０６から排出された窒素酸化物（ＮＯx）を含む排気ガスを加熱するように構成された加熱装置、及び加熱装置の下流に連結された酸化触媒を含み、酸化触媒は、触媒材料の熱再生温度未満の第１の温度で、また、触媒材料が同時に再生されるように少なくとも熱再生温度にほぼ等しい第２の温度で、酸化触媒中に導かれた排気ガス中のＮＯxの量の低減を促進する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載されている実施形態は、一般に、排気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生成を低減するのに使用され、ＮＯ2生成の低減を促進する触媒材料を再生するための熱回収蒸気発生機に関する。
【背景技術】
【０００２】
天然ガス及び液体燃料の燃焼中、限定されることはないが一酸化炭素（ＣＯ）、未燃焼炭化水素（ＵＨＣ）、及び窒素酸化物（ＮＯx）排出物のような汚染物質が形成され、及び／又は周囲の大気中に放出され得る。一般に、ＣＯ及びＵＨＣは低めの温度の燃焼条件及び／又は反応を完了させるには不充分な量の時間が利用可能なときの燃焼条件で生成し得る。対照的に、ＮＯxは一般に高めの温度の燃焼条件で生成する。少なくとも幾つかの公知の汚染物質排出源として、産業用のボイラー及び加熱炉、往復運動エンジン、ガスタービンエンジン、及び／又は蒸気発生機がある。
【０００３】
現代の空気品質規制では、発電プラントの排気物レベルの低減がますます厳格になり、一方増大した燃料効率も厳しく要求されている。厳格な排出制御基準を満たすために、ＮＯx排気物の生成を抑えることによりＮＯx排気を制御することが望ましい。窒素の酸化物としては、一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ2）があり、これは排気筒からの目に見える黄色プルームを生成することが知られており、「酸性雨」の出現の原因とされている。しかし、公知の燃焼制御では限られた排気制御しか得られず、高まった基準及び矛盾することの多いゴールを満たすには不充分であることが分かっており、そのため燃焼後の排気ガス処理システムのさらなる改良が望ましい。
【０００４】
排気筒排出物中のＮＯxを制御するのに使用される公知の１つの技術は選択的触媒還元（ＳＣＲ）である。ＳＣＲシステムにおいて、発電プラントからの排煙ガスは、炭化水素燃料の十分な燃焼を確保するために供給される高い割合酸素に起因して正味の酸化効果を有する。従って、排煙ガス中に存在するＮＯxは非常に苦労して窒素と水に還元され得る。ＳＣＲ素子を使用して無水のアンモニアを排煙ガスと混合し得、これらのガスは大気中に放出される前に適切な温度で適切な還元触媒上に通される。しかし、触媒上での反応速度は吸入ガス温度に依存し、排煙ガスが適切な温度に加熱されるまでＮＯx分解の速度は不充分である。従って、始動段階のような過渡的な段階の間、排煙ガスの温度が低過ぎるので、ＳＣＲ素子は一般にＮＯxを所望のレベルに還元しない。
【０００５】
ＮＯx除去のもう１つ別のアプローチは、下流の媒体による吸着と、その後のその下流の媒体からのＮＯxの除去である。例えば、ＮＯ2は比較的水溶性であり、そのため排煙ガス脱硫（ＦＧＤ）ユニットにおいて下流の水溶液を用いて吸着による除去が可能である。しかし、ＮＯはかかる溶液に対してＮＯ2及びその他のＮxＯy化合物より可溶性が低い。従って、発電システムで、酸化触媒を使って、ＮＯを、ＮＯ2及びＮ2Ｏ5のようなより可溶性のＮxＯy成分に酸化することができる。また、ＮＯ酸化は一般に低い温度で最も効果的である。しかし、二酸化イオウ（ＳＯx）及びその他の汚染物質は長い間に酸化触媒を汚し得、そのためＮＯ酸化収率が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６９００１５１号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１つの態様において、蒸気発生機は、排気ガスの流れを生成する燃焼装置の下流に流動連通して連結されている。蒸気発生機は、窒素酸化物（ＮＯx）を含む排気ガスを加熱するように構成された加熱装置と、加熱装置の下流に連結された酸化触媒とを含んでいる。酸化触媒は、触媒材料の熱再生温度未満の第１の温度で、及び、触媒材料が同時に再生されるように熱再生温度と少なくともほぼ等しい第２の温度で、酸化触媒中に導かれた排気ガス中のＮＯxの量の低減を促進する。
【０００８】
別の態様において、複合サイクル発電プラントは、空気中で燃料を燃焼させて軸動力及び窒素酸化物（ＮＯx）を含む排気ガスの流れを生成するように構成されたガスタービンエンジンと、ガスタービンエンジンに流動連通して連結された熱回収蒸気発生機（ＨＲＳＧ）とを含んでいる。ＨＲＳＧは、排気ガスを加熱するように構成された加熱装置と、加熱装置の下流に連結された酸化触媒とを含んでおり、この酸化触媒は、触媒材料の熱再生温度未満の第１の温度で、及び、触媒材料が同時に再生されるように熱再生温度と少なくともほぼ等しい第２の温度で、酸化触媒中に導かれた排気ガス中のＮＯxの量の低減を促進する。
【０００９】
もう１つ別の態様において、ガスタービンエンジンにより発生した排気ガスの流れの中の排出物を低減するための方法が提供され、この排気ガスの流れは窒素酸化物（ＮＯx）を含んでいる。この方法は、酸化触媒を第１の温度で機能させて、酸化触媒中に導かれた排気ガス中のＮＯxの量の低減を促進することを含んでおり、ここで第１の温度は触媒材料の熱再生温度未満である。また、この方法は、第１の温度で酸化触媒の効率を測定し、この酸化触媒の効率を閾値と比較し、この比較に基づいて加熱装置を選択的に始動させて、排気ガスの温度を第２の温度に上昇させて触媒材料の再生を促進することも含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、代表的な複合サイクル発電プラントの簡略化した説明図である。
【図２】図２は、図１に示した複合サイクル発電プラントと共に使用し得る代表的な熱回収蒸気発生機（ＨＲＳＧ）のブロック略図である。
【図３】図３は、図２に示したＨＲＳＧの簡略化したブロック図である。
【図４】図４は、図１に示した複合サイクル発電プラント内の排気ガス流中の全ＮＯxの百分率としてＮＯ2の量を図解したグラフである。
【図５】図５は、図１に示した複合サイクル発電プラント内の排気ガス流の温度を制御して連続発電中の酸化触媒の再生を促進する代表的な方法を図解するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は代表的な複合サイクル発電プラント１００の簡略化した説明図である。代表的な実施形態では、発電プラント１００は、空気を受け入れる空気取り入れ口１０４を有する圧縮機１０２を含んでいる。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に連結されている。圧縮機１０２は、空気取り入れ口１０４を介して受け入れた空気を圧縮し、この圧縮された空気を燃焼室１０８中に導き、そこで圧縮された空気が燃料と混合され、点火されて、第１の軸１１０を駆動する高温の燃焼ガスをガスタービンエンジン１０６に供給する。第１の軸１１０は第１の発電機１１２に連結されており、第１の発電機１１２に電気を発生させる。また、ガスタービンエンジン１０６は、例えば、限定されることはないが窒素酸化物（ＮＯx）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び未燃焼炭化水素を含む排気ガスを排気管１１４中に排出する。
【００１２】
代表的な実施形態では、発電プラント１００はまた、ガスタービンエンジン１０６に流動連通して連結された熱回収蒸気発生機（ＨＲＳＧ）１１６も含んでいる。具体的には、ＨＲＳＧ１１６は排気管１１４を介してガスタービンエンジン１０６に連結されていて、ガスタービンエンジン１０６から排出された排気ガスをＨＲＳＧ１１６が受け入れるようになっている。代表的な実施形態では、ＨＲＳＧ１１６は１以上の熱交換器１１８及び排出物処理装置１２０を含んでいる。熱交換器１１８は排気ガスから熱を引き出し、この熱が蒸気を発生するために使用される。排出物処理装置１２０は排気ガスを処理し、この処理された排気ガスはその後排気筒１２２を介して大気中に放出される。
【００１３】
蒸気タービン１２４がＨＲＳＧ１１６に連結されていて、熱交換器１１８により発生した蒸気が蒸気タービン１２４中に導かれて第２の軸１２６の回転を駆動するのに使用されるようになっている。第２の軸１２６はまた第２の発電機１２８にも連結されており、第２の発電機１２８に電気を発生させる。使用済みの蒸気は次に、複数の管束１３２を含む凝縮器１３０中に導かれる。管束１３２を通って流れる冷却水が蒸気を冷却することで、蒸気が凝縮して水になる。この水は次に熱交換器１１８に戻される。
【００１４】
図２はＨＲＳＧ１１６のブロック略図である。代表的な実施形態では、ＨＲＳＧ１１６は、ガスタービンエンジン１０６（図１に示されている）から排出された排気ガスの流れを排気管１１４（図１に示されている）を介して受け入れる。さらに、代表的な実施形態では、熱交換器１１８は複数の過熱式熱交換器２０２、複数の再加熱型熱交換器２０４、及び複数の節約熱交換器２０６を含んでいる。ＨＲＳＧ１１６はまた高圧蒸発器２０８、中圧蒸発器２１０、及び低圧蒸発器２１２も含んでおり、これらは各々が排気ガス中に含まれる熱を利用して蒸気を生成する。各蒸発器２０８、２１０、及び２１２はそれぞれの圧力ドラムに連結されている。代表的な実施形態では、高圧蒸発器２０８は高圧ドラム２１４に連結され、中圧蒸発器２１０は中圧ドラム２１６に連結され、低圧蒸発器２１２は低圧ドラム２１８に連結されている。ＨＲＳＧ１１６はまた、排気ガス流中に熱を供給して蒸気生産出力を高める少なくとも１つのダクトバーナー２２０も含んでいる。従って、代表的な実施形態では、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の蒸気を発生する。また、代表的な実施形態では、各圧力ドラム２１４、２１６、及び２１８は加圧蒸気を異なる蒸気タービン（図には示してない）に送る。代わりの実施形態では、各圧力ドラム２１４、２１６、及び２１８は蒸気タービン１２４（図１に示されている）のような単一の蒸気タービンに加圧蒸気を導く。代表的な実施形態では、排出物処理装置１２０（図１に示されている）が熱交換器２０２、２０４、及び２０６、蒸発器２０８、２１０、及び２１２、並びにダクトバーナー２２０に連結されていて、排気ガスの流れの中に混入している汚染物質の量の低減を促進する。代わりの実施形態では、排出物処理装置１２０は熱交換器１１８の下流で排気ガスの流れの中に配置される。
【００１５】
図３はＨＲＳＧ１１６に対する簡略化したブロック図及び代表的な排出物プロフィールである。図３に示されているように、ＨＲＳＧ１１６は、排気ガスがガスタービンエンジン１０６から排気管１１４（図１に示されている）を介して排出された後排気ガスの温度を上げるダクトバーナー３０２を含んでいる。高圧蒸発器２０８がダクトバーナー３０２の下流に流動連通して連結され、同様に排気ガスの温度を上げる。例えば、一実施形態では、ダクトバーナー３０２及び高圧蒸発器２０８は約華氏１２００°（°Ｆ）の温度で排気ガスを受け入れる。この例において、ダクトバーナー３０２及び高圧蒸発器２０８は排気ガスを約１２００°Ｆを超える温度に加熱する。さらに、代表的な実施形態では、高圧熱交換器３０４は高圧蒸発器２０８の下流に流動連通して連結されていて、排気ガスを約４００°Ｆ〜約６５０°Ｆに冷却するのを促進する。
【００１６】
代表的な実施形態では、加熱装置３０６が高圧熱交換器３０４の下流に流動連通して連結されていて、排気ガスの温度を選択的に上昇させて、酸化触媒の再生を促進する。より具体的には、一実施形態では、加熱装置３０６は、排気ガスの温度を約７００°Ｆ〜約１２５０°Ｆに加熱して所望の時間枠内で酸化触媒の再生を可能にする第２のダクトバーナーである。例えば、排気ガスを約７００°Ｆ〜約１２５０°Ｆの温度に加熱すると、約２時間以内での酸化触媒の再生が容易になる。また、第２のダクトバーナー３０６は、排気ガスを約４００°Ｆ〜約６５０°Ｆの温度に加熱してＮＯ酸化を促進するように構成し得る。第２のダクトバーナーは、ガスタービンエンジン１０６（図１に示されている）及び／又はＨＲＳＧ１１６（図１−３に示されている）の過渡的作動の間低速度及び／又は低負荷の作動を容易にする任意の適切なダクトバーナーであり得る。例えば、一実施形態では、第２のダクトバーナーは、燃料源に連結された燃料入口を画定する実質的に円形のハウジングを含んでいる。第２のダクトバーナーはまた、燃料入口に流動連通して連結された複数の燃料回路、並びにハウジングから外へ延びて第２のダクトバーナーの下の排気ガス流の流れを容易にする上部及び底部フランジも含んでいる。上部及び底部フランジは各々が、第２のダクトバーナーにより所望の量の時間出される火炎に曝露される排気ガスの流れを促進する所望の速度で第２のダクトバーナーの上下の排気ガスの流れを高めるように配置されている。
【００１７】
代わりの実施形態では、加熱装置３０６は、高圧熱交換器３０４の下流に流動連通して連結されて排気ガスの温度を選択的に上昇させる蒸気に基づく加熱素子である。例えば、蒸気に基づく加熱素子は、パネルを形成するように配置された複数の超伝導伝熱管を含み得る。代表的な伝熱管としては、限定されることはないが単なる一例として、Ｎｅｗ Ｑｕ Ｅｎｅｒｇｙ Ｌｔｄ．，Ｈｏｎｇ Ｋｏｎｇ，Ｃｈｉｎａから市販されているＱｕ Ｔｕｂｅｓがある。また、蒸気源（図には示してない）が、蒸気から熱エネルギーを吸収する伝熱管を越えて蒸気を流す。ガスタービンエンジン１０６（図１に示されている）からの排気ガスは伝熱管を通って導かれ、そこで排気ガスは伝熱管から熱エネルギーの少なくとも一部分を吸収する。代表的な蒸気源としては、限定されることはないが、例として、蒸気タービン１２４（図１に示されている）、補足ボイラー（図には示してない）、圧力ドラム、例えば高圧ドラム２１４、中圧ドラム２１６、及び／又は低圧ドラム２１８（各々図２に示されている）、又はその他蒸気に基づく加熱素子に充分な熱エネルギーを有する蒸気を提供することができるあらゆる適切な蒸気源がある。
【００１８】
代表的な実施形態では、酸化触媒３０８は第２のダクトバーナー３０６の下流に流動連通して連結されて、排気ガス流内の酸化触媒３０８の位置における局部的な排気ガス温度で一酸化窒素（ＮＯ）がＮＯ2の平衡濃度に酸化されるのを促進する。また、酸化触媒３０８は局部的な排気ガス温度におけるＮＯの１以上のより高次のＮxＯyガスへの追加の酸化を促進する。より具体的には、酸化触媒３０８は、酸化触媒３０８により使用される触媒材料の熱再生温度未満の第１の温度でＮＯを酸化するように構成されている。ＮxＯyガス分子は酸化触媒３０８の下流で水性吸収又は反応によって除去される。例えば、ＮxＯyガス分子は水に可溶性であり、排気筒１２２内に備えられているか又は排出物処理装置１２２（図１に示されている）内に独立の構成要素として備えられた１以上の噴霧ノズル（図には示してない）のような水注入装置を用いて水を利用することによって排気ガス流から除去することができる。幾つかの実施形態では、排気ガス流中の水蒸気を凝縮させてＮxＯyガスを含む水の除去を容易にする水収集器が備えられている。或いは、ＮxＯyガスは、排気ガス流を水溶液に曝露して、ＮxＯyガスと溶液との化学反応により排気ガス流からのＮxＯyガスの除去が容易になるようにすることによって除去してもよい。また、水注入装置はＨＲＳＧ１１６内に、又はＨＲＳＧ１１６の下流に、例えば排煙ガス脱硫（ＦＧＤ）ユニット（図には示してない）内に位置していてもよい。酸化触媒３０８は約４００°Ｆ〜約６５０°ＦでＮxＯyガスの生産及び収率の増強された速度を促進する。しかし、ＮxＯyガスの生産中、酸化触媒は、ＳＯxのような排気ガス汚染物（これは高温で酸化触媒から追い出し得る）により汚されるために再生が必要となり得る。酸化触媒の再生に使用される温度の典型的な範囲は約７００°Ｆ〜約１２５０°Ｆである。再生中、ガスタービンエンジン１０６は、エネルギーを発生させるために、再生中除去すべき汚染物質を低い濃度で有する燃料のような第２の燃料を使用する。
【００１９】
さらにまた、代表的な実施形態では、ＨＲＳＧ１１６は酸化触媒３０８の下流に流動連通して連結された低圧熱交換器３１０を含んでいる。さらに、代表的な実施形態では、低圧熱交換器３１０は排気ガスを冷却して、水性吸収又は反応による排気ガス流からのＮxＯyガスの除去を促進する。幾つかの実施形態では、水注入装置を低圧熱交換器３１０内に配置して、排気ガス流からのＮxＯyガス分子の除去を促進し得る。
【００２０】
代表的な実施形態では、制御装置３１２が、例えばＨＲＳＧ１１６に連結されている。制御装置３１２は加熱素子３０６の起動及び／又は実行を制御する。例えば、複合サイクル発電プラント１００（図１に示されている）の始動中、制御装置３１２は加熱素子３０６を始動させ、排気ガスの流れを加熱して、排気ガスが排気筒１２２を介して大気中に放出される前にＮＯxが例えばＮＯ及びＮＯ2に還元されるのを促進する。プラント１００の始動は高温始動、温暖始動、又は低温始動のいずれでもよい。加熱素子３０６はガスタービン始動のパージ段階中に作動することができる。幾つかの実施形態では、制御装置３１２は、過渡的作動段階又は負荷又は低速度中、加熱素子３０６に、排気ガスの流れを加熱させて、ＮＯxが所望の排出物レベルに低減するのに充分な温度に排気ガスを加熱することによりＮＯxの増大した還元を促進する。
【００２１】
さらに、そして代表的な実施形態では、制御装置３１２は、酸化触媒３０８が排気ガス流内のＮＯxを酸化する効率を検出する１以上のセンサー（図には示してない）に連結される。例えば、正常な作動中、ガスタービンエンジン１０６は高いイオウ含量を有する燃料を使用し、酸化触媒３０８の入口における排気ガス流の温度は約４００°Ｆ〜約６５０°Ｆである。また、制御装置３１２は、酸化触媒３０８の入口及び／又は排気筒１２２の入口における排気ガス流中のＮＯxの濃度を表す信号を受領する。測定された濃度に基づいて、制御装置３１２は、酸化触媒３０８に使用される触媒材料が、少なくとも最低のレベルのＮＯx排出物還元を維持するために再生する必要があるときを決定し得る。制御装置３１２は、例えば測定されたＮＯx排出物低減を閾値と比較することによって、触媒材料が再生する必要があるときを決定し得る。閾値は、局地的な基準又は規制に基づくＮＯx排出物の下限値であり得る。或いは、制御装置３１２は、測定されたＮＯx排出物低減が閾値の所定の割合内のときに加熱装置３０６を始動させえるか、又は予測されたＮＯ排出物を基準にしたＮxＯy発生の変化に基づいて加熱装置３０６を始動させ得る。触媒材料の再生を容易にするために、制御装置３１２は、ガスタービンエンジン１０６に、高いイオウ含量の燃料の使用を停止させ、燃料に含まれる窒素が低いレベルで低いイオウ含量の燃料源に切り替えさせる。また、制御装置３１２は、熱源３０６に、排気ガス流の温度を約７００°Ｆ〜約１２５０°Ｆに上げさせる。触媒材料が実質的に下限値を超えるレベルに再生されたとき、制御装置３１２は加熱装置３０６を停止させ、ガスタービンエンジン１０６に、元の高いイオウ含量の燃料を使用させるように戻させる。
【００２２】
幾つかの実施形態では、用語「制御装置」は、一般に、コンピューター、システム、マイクロコントローラー、縮小命令セット回路（ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルロジック回路（ＰＬＣ）、及びその他本明細書に記載されている機能を実行することができるあらゆる回路又はプロセッサーを含めて任意のプログラム可能なシステムを指す。以上の例は単なる代表例であり、従っていかなる意味でも用語「制御装置」の定義及び／又は意味を制限するものではない。
【００２３】
代表的な発電システム環境と関連して本発明を記載しているが、本発明の実施形態は他の多数の汎用目的又は特殊目的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いずれかの態様の用途又は機能性の範囲に対していかなる限定も示差するものではない。さらに、発電システム環境は、代表的な作動環境において例証された構成要素のいずれか１つ又は組合せに関する何らかの依存性又は要件を有するものと解釈してはならない。
【００２４】
図４は、ガスタービンエンジン１０６（図１に示されている）のような代表的なガスタービンエンジンに対する排気ガス流中の全ＮＯxの平衡ＮＯ2百分率を図解するグラフ４００である。図４に示されているように、より低い排気ガス温度が平衡時のＮＯx中のＮＯ2のより高い割合を促進する。約６５０°Ｆの排気ガス温度では、ＮＯ2は全ＮＯxのほぼ８０％を構成する。しかし、約１１００°Ｆを超える排気ガス温度で、ＮＯ2は全ＮＯxのほぼ１０％を構成する。
【００２５】
図５は、ガスタービンエンジン１０６（図１に示されている）により発生した排気ガスの流れ中の排出物を低減するための代表的な方法を図解するフローチャート５００である。代表的な実施形態では、酸化触媒３０８（図３に示されている）を第１の温度で作動させて（５０２）、酸化触媒３０８中に導かれた排気ガス中のＮＯxの量の低減を促進する。ここで、第１の温度は触媒材料の熱再生温度未満である。さらに、制御装置３１２（図３に示されている）で、第１の温度における酸化触媒３０８の効率を測定する（５０４）。代表的な実施形態では、第１の温度は約４００°Ｆ〜約６５０°Ｆである。また、制御装置３１２で、ＮＯ酸化変換の量を測定して、再活性化の有効性及び触媒材料の再生に必要な時間を決定する。代表的な実施形態では、制御装置３１２で、酸化触媒３０８の効率を閾値と比較する（５０６）。或いは、制御装置３１２で、酸化触媒３０８の効率を閾値の所定の割合以内の値と比較する。この比較に基づいて、制御装置３１２が、加熱装置３０６（図３に示されている）を選択的に始動させて（５０８）、排気ガスの温度を第２の温度に上昇させて、触媒材料の再生を促進する。より具体的には、触媒材料の再生を促進するために、制御装置３１２は、ガスタービンエンジン１０６に、高いイオウ含有量の燃料の使用を停止させ、燃料に含まれる窒素のレベルが低い低いイオウ含有量の燃料源と切り替えさせる（５１０）。また、制御装置３１２は、熱源３０６に、排気ガス流の温度を約７００°Ｆ〜約１２５０°Ｆに上げさせる。触媒材料が下限値を実質的に超えるレベルに再生されたら、制御装置３１２が加熱装置３０６を停止させ（５１２）、ガスタービンエンジン１０６に、元の高いイオウ含有量の燃料を使用するように戻らせる（５１４）。
【００２６】
ＮＯx排出物のような排出物を低減するのに使用されるシステム、方法、及び装置の代表的な実施形態が本明細書に記載されている。本明細書に記載されている実施形態は、ダクトバーナーを使用することにより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して、排気筒を介する大気中への排出を防止するべくその後の吸着のために排気ガスのＮＯの濃度を低減する酸化触媒の能力を高める。上記実施形態はＮＯx低減と関連して記載されているが、処理後ガスタービン、ボイラー、及び往復運動エンジンに使用される排出物軽減触媒からイオウの酸化物（ＳＯx）のようなある種の汚染物質を除去するために同じアプローチにより他の触媒システムを再生することができるものと理解されたい。
【００２７】
システム、方法、及び装置の代表的な実施形態が上で詳細に記載されている。システム、方法、及び装置は本明細書に記載されている具体的な実施形態に限定されることはなく、むしろ、方法の実施及び／又はシステム及び／又は装置の構成要素は本明細書に記載されている他の実施及び／又は構成要素と独立に、そして別々に利用し得る。さらに、記載されている実施及び／又は構成要素はまた他のシステム、方法、及び／又は装置においても規定され得、又はそれらと組み合わせて使用し得、本明細書に記載されているシステム、方法、及び記憶媒体のみでの実施に限定されない。
【００２８】
本明細書に記載されているもののような制御装置は、少なくとも１つのプロセッサー又は処理装置とシステムメモリーを含んでいる。制御装置は通例少なくともある形態のコンピューターで読み取り可能な媒体を含む。限定ではなく一例として、コンピューターで読み取り可能な媒体はコンピューター記憶媒体と通信媒体を含む。コンピューター記憶媒体は、コンピューターで読み取り可能な命令、データ構造、プログラムモジュール、又はその他のデータのような情報の記憶のための何らかの方法又は技術で実行される揮発性及び不揮発性、取り外し可能及び取り外しできない媒体を含む。通信媒体は通例、搬送波又はその他の搬送機構のようなモジュレートされたデータ信号内にコンピューターで読み取り可能な命令、データ構造、プログラムモジュール、又はその他のデータを具体化し、あらゆる情報配送媒体を含む。当業者はモジュレートされたデータ信号に精通しており、この信号はその特性セットの１以上を有するか又はその信号内に情報をコード化するように変化されている。以上のいずれかの組合せもコンピューターで読み取り可能な媒体の範囲内に含まれる。
【００２９】
本明細書に例示し説明した本発明の実施形態における作業の遂行又は実行の順序は、特に明記しない限り必須ではない。すなわち、作業は特に明記しない限り任意の順序で実行し得、本発明の実施形態は本明細書に開示したものに追加の、又はそれより少ない作業を含み得る。例えば、特定の作業を別の作業の前に、又はそれと同時に、又はその後に履行又は実行することは本発明の態様の範囲内であると考えられる。
【００３０】
本発明の態様又はその実施形態の要素を導入する際、単数形はその要素が１以上あることを意味している。用語「からなる」、「含む」及び「有する」は包括的であって、記載した要素以外の追加の要素があり得ることを意味している。
【００３１】
本明細書では、最良の態様を含めて本発明を開示するために、また、当業者が本発明を実施する、例えばあらゆる装置又はシステムを作成し使用し、また組み込まれているあらゆる方法を実行することができるように、例を使用している。本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲に定義されており、当業者には自明の他の例を含み得る。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、又は特許請求の範囲の文言と実質的に異ならない等価な構造要素を含む場合、特許請求の範囲内に入るものである。
【符号の説明】
【００３２】
１００ 複合サイクル発電プラント
１０２ 圧縮機
１０４ 空気取り入れ口
１０６ ガスタービンエンジン
１０８ 燃焼室
１１０ 第１の軸
１１２ 第１の発電機
１１４ 排気管
１１６ 熱回収蒸気発生機
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の軸
１２８ 第２の発電機
１３０ 凝縮器
１３２ 管束
２０２ 過熱式熱交換器
２０４ 再加熱型熱交換器
２０６ 節約熱交換器
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 ダクトバーナー
３０２ ダクトバーナー
３０４ 高圧熱交換器
３０６ 加熱装置
３０８ 酸化触媒
３１０ 低圧熱交換器
３１２ 制御装置
４００ グラフ
５００ フローチャート
５０２ 第１の温度で酸化触媒を作用させる
５０４ 酸化触媒の効率を測定する
５０６ 効率を閾値と比較する
５０８ 加熱装置を始動させて触媒材料の再生を開始する
５１０ 第１の燃料から第２の燃料に切り替える
５１２ 触媒材料が実質的に再生されたときに加熱装置を停止する
５１４ 第１の燃料の使用に戻す
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載されている実施形態は、一般に、排気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生成を低減するのに使用され、ＮＯ2生成の低減を促進する触媒材料を再生するための熱回収蒸気発生機に関する。
【背景技術】
【０００２】
天然ガス及び液体燃料の燃焼中、限定されることはないが一酸化炭素（ＣＯ）、未燃焼炭化水素（ＵＨＣ）、及び窒素酸化物（ＮＯx）排出物のような汚染物質が形成され、及び／又は周囲の大気中に放出され得る。一般に、ＣＯ及びＵＨＣは低めの温度の燃焼条件及び／又は反応を完了させるには不充分な量の時間が利用可能なときの燃焼条件で生成し得る。対照的に、ＮＯxは一般に高めの温度の燃焼条件で生成する。少なくとも幾つかの公知の汚染物質排出源として、産業用のボイラー及び加熱炉、往復運動エンジン、ガスタービンエンジン、及び／又は蒸気発生機がある。
【０００３】
現代の空気品質規制では、発電プラントの排気物レベルの低減がますます厳格になり、一方増大した燃料効率も厳しく要求されている。厳格な排出制御基準を満たすために、ＮＯx排気物の生成を抑えることによりＮＯx排気を制御することが望ましい。窒素の酸化物としては、一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ2）があり、これは排気筒からの目に見える黄色プルームを生成することが知られており、「酸性雨」の出現の原因とされている。しかし、公知の燃焼制御では限られた排気制御しか得られず、高まった基準及び矛盾することの多いゴールを満たすには不充分であることが分かっており、そのため燃焼後の排気ガス処理システムのさらなる改良が望ましい。
【０００４】
排気筒排出物中のＮＯxを制御するのに使用される公知の１つの技術は選択的触媒還元（ＳＣＲ）である。ＳＣＲシステムにおいて、発電プラントからの排煙ガスは、炭化水素燃料の十分な燃焼を確保するために供給される高い割合酸素に起因して正味の酸化効果を有する。従って、排煙ガス中に存在するＮＯxは非常に苦労して窒素と水に還元され得る。ＳＣＲ素子を使用して無水のアンモニアを排煙ガスと混合し得、これらのガスは大気中に放出される前に適切な温度で適切な還元触媒上に通される。しかし、触媒上での反応速度は吸入ガス温度に依存し、排煙ガスが適切な温度に加熱されるまでＮＯx分解の速度は不充分である。従って、始動段階のような過渡的な段階の間、排煙ガスの温度が低過ぎるので、ＳＣＲ素子は一般にＮＯxを所望のレベルに還元しない。
【０００５】
ＮＯx除去のもう１つ別のアプローチは、下流の媒体による吸着と、その後のその下流の媒体からのＮＯxの除去である。例えば、ＮＯ2は比較的水溶性であり、そのため排煙ガス脱硫（ＦＧＤ）ユニットにおいて下流の水溶液を用いて吸着による除去が可能である。しかし、ＮＯはかかる溶液に対してＮＯ2及びその他のＮxＯy化合物より可溶性が低い。従って、発電システムで、酸化触媒を使って、ＮＯを、ＮＯ2及びＮ2Ｏ5のようなより可溶性のＮxＯy成分に酸化することができる。また、ＮＯ酸化は一般に低い温度で最も効果的である。しかし、二酸化イオウ（ＳＯx）及びその他の汚染物質は長い間に酸化触媒を汚し得、そのためＮＯ酸化収率が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６９００１５１号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１つの態様において、蒸気発生機は、排気ガスの流れを生成する燃焼装置の下流に流動連通して連結されている。蒸気発生機は、窒素酸化物（ＮＯx）を含む排気ガスを加熱するように構成された加熱装置と、加熱装置の下流に連結された酸化触媒とを含んでいる。酸化触媒は、触媒材料の熱再生温度未満の第１の温度で、及び、触媒材料が同時に再生されるように熱再生温度と少なくともほぼ等しい第２の温度で、酸化触媒中に導かれた排気ガス中のＮＯxの量の低減を促進する。
【０００８】
別の態様において、複合サイクル発電プラントは、空気中で燃料を燃焼させて軸動力及び窒素酸化物（ＮＯx）を含む排気ガスの流れを生成するように構成されたガスタービンエンジンと、ガスタービンエンジンに流動連通して連結された熱回収蒸気発生機（ＨＲＳＧ）とを含んでいる。ＨＲＳＧは、排気ガスを加熱するように構成された加熱装置と、加熱装置の下流に連結された酸化触媒とを含んでおり、この酸化触媒は、触媒材料の熱再生温度未満の第１の温度で、及び、触媒材料が同時に再生されるように熱再生温度と少なくともほぼ等しい第２の温度で、酸化触媒中に導かれた排気ガス中のＮＯxの量の低減を促進する。
【０００９】
もう１つ別の態様において、ガスタービンエンジンにより発生した排気ガスの流れの中の排出物を低減するための方法が提供され、この排気ガスの流れは窒素酸化物（ＮＯx）を含んでいる。この方法は、酸化触媒を第１の温度で機能させて、酸化触媒中に導かれた排気ガス中のＮＯxの量の低減を促進することを含んでおり、ここで第１の温度は触媒材料の熱再生温度未満である。また、この方法は、第１の温度で酸化触媒の効率を測定し、この酸化触媒の効率を閾値と比較し、この比較に基づいて加熱装置を選択的に始動させて、排気ガスの温度を第２の温度に上昇させて触媒材料の再生を促進することも含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、代表的な複合サイクル発電プラントの簡略化した説明図である。
【図２】図２は、図１に示した複合サイクル発電プラントと共に使用し得る代表的な熱回収蒸気発生機（ＨＲＳＧ）のブロック略図である。
【図３】図３は、図２に示したＨＲＳＧの簡略化したブロック図である。
【図４】図４は、図１に示した複合サイクル発電プラント内の排気ガス流中の全ＮＯxの百分率としてＮＯ2の量を図解したグラフである。
【図５】図５は、図１に示した複合サイクル発電プラント内の排気ガス流の温度を制御して連続発電中の酸化触媒の再生を促進する代表的な方法を図解するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は代表的な複合サイクル発電プラント１００の簡略化した説明図である。代表的な実施形態では、発電プラント１００は、空気を受け入れる空気取り入れ口１０４を有する圧縮機１０２を含んでいる。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に連結されている。圧縮機１０２は、空気取り入れ口１０４を介して受け入れた空気を圧縮し、この圧縮された空気を燃焼室１０８中に導き、そこで圧縮された空気が燃料と混合され、点火されて、第１の軸１１０を駆動する高温の燃焼ガスをガスタービンエンジン１０６に供給する。第１の軸１１０は第１の発電機１１２に連結されており、第１の発電機１１２に電気を発生させる。また、ガスタービンエンジン１０６は、例えば、限定されることはないが窒素酸化物（ＮＯx）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び未燃焼炭化水素を含む排気ガスを排気管１１４中に排出する。
【００１２】
代表的な実施形態では、発電プラント１００はまた、ガスタービンエンジン１０６に流動連通して連結された熱回収蒸気発生機（ＨＲＳＧ）１１６も含んでいる。具体的には、ＨＲＳＧ１１６は排気管１１４を介してガスタービンエンジン１０６に連結されていて、ガスタービンエンジン１０６から排出された排気ガスをＨＲＳＧ１１６が受け入れるようになっている。代表的な実施形態では、ＨＲＳＧ１１６は１以上の熱交換器１１８及び排出物処理装置１２０を含んでいる。熱交換器１１８は排気ガスから熱を引き出し、この熱が蒸気を発生するために使用される。排出物処理装置１２０は排気ガスを処理し、この処理された排気ガスはその後排気筒１２２を介して大気中に放出される。
【００１３】
蒸気タービン１２４がＨＲＳＧ１１６に連結されていて、熱交換器１１８により発生した蒸気が蒸気タービン１２４中に導かれて第２の軸１２６の回転を駆動するのに使用されるようになっている。第２の軸１２６はまた第２の発電機１２８にも連結されており、第２の発電機１２８に電気を発生させる。使用済みの蒸気は次に、複数の管束１３２を含む凝縮器１３０中に導かれる。管束１３２を通って流れる冷却水が蒸気を冷却することで、蒸気が凝縮して水になる。この水は次に熱交換器１１８に戻される。
【００１４】
図２はＨＲＳＧ１１６のブロック略図である。代表的な実施形態では、ＨＲＳＧ１１６は、ガスタービンエンジン１０６（図１に示されている）から排出された排気ガスの流れを排気管１１４（図１に示されている）を介して受け入れる。さらに、代表的な実施形態では、熱交換器１１８は複数の過熱式熱交換器２０２、複数の再加熱型熱交換器２０４、及び複数の節約熱交換器２０６を含んでいる。ＨＲＳＧ１１６はまた高圧蒸発器２０８、中圧蒸発器２１０、及び低圧蒸発器２１２も含んでおり、これらは各々が排気ガス中に含まれる熱を利用して蒸気を生成する。各蒸発器２０８、２１０、及び２１２はそれぞれの圧力ドラムに連結されている。代表的な実施形態では、高圧蒸発器２０８は高圧ドラム２１４に連結され、中圧蒸発器２１０は中圧ドラム２１６に連結され、低圧蒸発器２１２は低圧ドラム２１８に連結されている。ＨＲＳＧ１１６はまた、排気ガス流中に熱を供給して蒸気生産出力を高める少なくとも１つのダクトバーナー２２０も含んでいる。従って、代表的な実施形態では、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の蒸気を発生する。また、代表的な実施形態では、各圧力ドラム２１４、２１６、及び２１８は加圧蒸気を異なる蒸気タービン（図には示してない）に送る。代わりの実施形態では、各圧力ドラム２１４、２１６、及び２１８は蒸気タービン１２４（図１に示されている）のような単一の蒸気タービンに加圧蒸気を導く。代表的な実施形態では、排出物処理装置１２０（図１に示されている）が熱交換器２０２、２０４、及び２０６、蒸発器２０８、２１０、及び２１２、並びにダクトバーナー２２０に連結されていて、排気ガスの流れの中に混入している汚染物質の量の低減を促進する。代わりの実施形態では、排出物処理装置１２０は熱交換器１１８の下流で排気ガスの流れの中に配置される。
【００１５】
図３はＨＲＳＧ１１６に対する簡略化したブロック図及び代表的な排出物プロフィールである。図３に示されているように、ＨＲＳＧ１１６は、排気ガスがガスタービンエンジン１０６から排気管１１４（図１に示されている）を介して排出された後排気ガスの温度を上げるダクトバーナー３０２を含んでいる。高圧蒸発器２０８がダクトバーナー３０２の下流に流動連通して連結され、同様に排気ガスの温度を上げる。例えば、一実施形態では、ダクトバーナー３０２及び高圧蒸発器２０８は約華氏１２００°（°Ｆ）の温度で排気ガスを受け入れる。この例において、ダクトバーナー３０２及び高圧蒸発器２０８は排気ガスを約１２００°Ｆを超える温度に加熱する。さらに、代表的な実施形態では、高圧熱交換器３０４は高圧蒸発器２０８の下流に流動連通して連結されていて、排気ガスを約４００°Ｆ〜約６５０°Ｆに冷却するのを促進する。
【００１６】
代表的な実施形態では、加熱装置３０６が高圧熱交換器３０４の下流に流動連通して連結されていて、排気ガスの温度を選択的に上昇させて、酸化触媒の再生を促進する。より具体的には、一実施形態では、加熱装置３０６は、排気ガスの温度を約７００°Ｆ〜約１２５０°Ｆに加熱して所望の時間枠内で酸化触媒の再生を可能にする第２のダクトバーナーである。例えば、排気ガスを約７００°Ｆ〜約１２５０°Ｆの温度に加熱すると、約２時間以内での酸化触媒の再生が容易になる。また、第２のダクトバーナー３０６は、排気ガスを約４００°Ｆ〜約６５０°Ｆの温度に加熱してＮＯ酸化を促進するように構成し得る。第２のダクトバーナーは、ガスタービンエンジン１０６（図１に示されている）及び／又はＨＲＳＧ１１６（図１−３に示されている）の過渡的作動の間低速度及び／又は低負荷の作動を容易にする任意の適切なダクトバーナーであり得る。例えば、一実施形態では、第２のダクトバーナーは、燃料源に連結された燃料入口を画定する実質的に円形のハウジングを含んでいる。第２のダクトバーナーはまた、燃料入口に流動連通して連結された複数の燃料回路、並びにハウジングから外へ延びて第２のダクトバーナーの下の排気ガス流の流れを容易にする上部及び底部フランジも含んでいる。上部及び底部フランジは各々が、第２のダクトバーナーにより所望の量の時間出される火炎に曝露される排気ガスの流れを促進する所望の速度で第２のダクトバーナーの上下の排気ガスの流れを高めるように配置されている。
【００１７】
代わりの実施形態では、加熱装置３０６は、高圧熱交換器３０４の下流に流動連通して連結されて排気ガスの温度を選択的に上昇させる蒸気に基づく加熱素子である。例えば、蒸気に基づく加熱素子は、パネルを形成するように配置された複数の超伝導伝熱管を含み得る。代表的な伝熱管としては、限定されることはないが単なる一例として、Ｎｅｗ Ｑｕ Ｅｎｅｒｇｙ Ｌｔｄ．，Ｈｏｎｇ Ｋｏｎｇ，Ｃｈｉｎａから市販されているＱｕ Ｔｕｂｅｓがある。また、蒸気源（図には示してない）が、蒸気から熱エネルギーを吸収する伝熱管を越えて蒸気を流す。ガスタービンエンジン１０６（図１に示されている）からの排気ガスは伝熱管を通って導かれ、そこで排気ガスは伝熱管から熱エネルギーの少なくとも一部分を吸収する。代表的な蒸気源としては、限定されることはないが、例として、蒸気タービン１２４（図１に示されている）、補足ボイラー（図には示してない）、圧力ドラム、例えば高圧ドラム２１４、中圧ドラム２１６、及び／又は低圧ドラム２１８（各々図２に示されている）、又はその他蒸気に基づく加熱素子に充分な熱エネルギーを有する蒸気を提供することができるあらゆる適切な蒸気源がある。
【００１８】
代表的な実施形態では、酸化触媒３０８は第２のダクトバーナー３０６の下流に流動連通して連結されて、排気ガス流内の酸化触媒３０８の位置における局部的な排気ガス温度で一酸化窒素（ＮＯ）がＮＯ2の平衡濃度に酸化されるのを促進する。また、酸化触媒３０８は局部的な排気ガス温度におけるＮＯの１以上のより高次のＮxＯyガスへの追加の酸化を促進する。より具体的には、酸化触媒３０８は、酸化触媒３０８により使用される触媒材料の熱再生温度未満の第１の温度でＮＯを酸化するように構成されている。ＮxＯyガス分子は酸化触媒３０８の下流で水性吸収又は反応によって除去される。例えば、ＮxＯyガス分子は水に可溶性であり、排気筒１２２内に備えられているか又は排出物処理装置１２２（図１に示されている）内に独立の構成要素として備えられた１以上の噴霧ノズル（図には示してない）のような水注入装置を用いて水を利用することによって排気ガス流から除去することができる。幾つかの実施形態では、排気ガス流中の水蒸気を凝縮させてＮxＯyガスを含む水の除去を容易にする水収集器が備えられている。或いは、ＮxＯyガスは、排気ガス流を水溶液に曝露して、ＮxＯyガスと溶液との化学反応により排気ガス流からのＮxＯyガスの除去が容易になるようにすることによって除去してもよい。また、水注入装置はＨＲＳＧ１１６内に、又はＨＲＳＧ１１６の下流に、例えば排煙ガス脱硫（ＦＧＤ）ユニット（図には示してない）内に位置していてもよい。酸化触媒３０８は約４００°Ｆ〜約６５０°ＦでＮxＯyガスの生産及び収率の増強された速度を促進する。しかし、ＮxＯyガスの生産中、酸化触媒は、ＳＯxのような排気ガス汚染物（これは高温で酸化触媒から追い出し得る）により汚されるために再生が必要となり得る。酸化触媒の再生に使用される温度の典型的な範囲は約７００°Ｆ〜約１２５０°Ｆである。再生中、ガスタービンエンジン１０６は、エネルギーを発生させるために、再生中除去すべき汚染物質を低い濃度で有する燃料のような第２の燃料を使用する。
【００１９】
さらにまた、代表的な実施形態では、ＨＲＳＧ１１６は酸化触媒３０８の下流に流動連通して連結された低圧熱交換器３１０を含んでいる。さらに、代表的な実施形態では、低圧熱交換器３１０は排気ガスを冷却して、水性吸収又は反応による排気ガス流からのＮxＯyガスの除去を促進する。幾つかの実施形態では、水注入装置を低圧熱交換器３１０内に配置して、排気ガス流からのＮxＯyガス分子の除去を促進し得る。
【００２０】
代表的な実施形態では、制御装置３１２が、例えばＨＲＳＧ１１６に連結されている。制御装置３１２は加熱素子３０６の起動及び／又は実行を制御する。例えば、複合サイクル発電プラント１００（図１に示されている）の始動中、制御装置３１２は加熱素子３０６を始動させ、排気ガスの流れを加熱して、排気ガスが排気筒１２２を介して大気中に放出される前にＮＯxが例えばＮＯ及びＮＯ2に還元されるのを促進する。プラント１００の始動は高温始動、温暖始動、又は低温始動のいずれでもよい。加熱素子３０６はガスタービン始動のパージ段階中に作動することができる。幾つかの実施形態では、制御装置３１２は、過渡的作動段階又は負荷又は低速度中、加熱素子３０６に、排気ガスの流れを加熱させて、ＮＯxが所望の排出物レベルに低減するのに充分な温度に排気ガスを加熱することによりＮＯxの増大した還元を促進する。
【００２１】
さらに、そして代表的な実施形態では、制御装置３１２は、酸化触媒３０８が排気ガス流内のＮＯxを酸化する効率を検出する１以上のセンサー（図には示してない）に連結される。例えば、正常な作動中、ガスタービンエンジン１０６は高いイオウ含量を有する燃料を使用し、酸化触媒３０８の入口における排気ガス流の温度は約４００°Ｆ〜約６５０°Ｆである。また、制御装置３１２は、酸化触媒３０８の入口及び／又は排気筒１２２の入口における排気ガス流中のＮＯxの濃度を表す信号を受領する。測定された濃度に基づいて、制御装置３１２は、酸化触媒３０８に使用される触媒材料が、少なくとも最低のレベルのＮＯx排出物還元を維持するために再生する必要があるときを決定し得る。制御装置３１２は、例えば測定されたＮＯx排出物低減を閾値と比較することによって、触媒材料が再生する必要があるときを決定し得る。閾値は、局地的な基準又は規制に基づくＮＯx排出物の下限値であり得る。或いは、制御装置３１２は、測定されたＮＯx排出物低減が閾値の所定の割合内のときに加熱装置３０６を始動させえるか、又は予測されたＮＯ排出物を基準にしたＮxＯy発生の変化に基づいて加熱装置３０６を始動させ得る。触媒材料の再生を容易にするために、制御装置３１２は、ガスタービンエンジン１０６に、高いイオウ含量の燃料の使用を停止させ、燃料に含まれる窒素が低いレベルで低いイオウ含量の燃料源に切り替えさせる。また、制御装置３１２は、熱源３０６に、排気ガス流の温度を約７００°Ｆ〜約１２５０°Ｆに上げさせる。触媒材料が実質的に下限値を超えるレベルに再生されたとき、制御装置３１２は加熱装置３０６を停止させ、ガスタービンエンジン１０６に、元の高いイオウ含量の燃料を使用させるように戻させる。
【００２２】
幾つかの実施形態では、用語「制御装置」は、一般に、コンピューター、システム、マイクロコントローラー、縮小命令セット回路（ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルロジック回路（ＰＬＣ）、及びその他本明細書に記載されている機能を実行することができるあらゆる回路又はプロセッサーを含めて任意のプログラム可能なシステムを指す。以上の例は単なる代表例であり、従っていかなる意味でも用語「制御装置」の定義及び／又は意味を制限するものではない。
【００２３】
代表的な発電システム環境と関連して本発明を記載しているが、本発明の実施形態は他の多数の汎用目的又は特殊目的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いずれかの態様の用途又は機能性の範囲に対していかなる限定も示差するものではない。さらに、発電システム環境は、代表的な作動環境において例証された構成要素のいずれか１つ又は組合せに関する何らかの依存性又は要件を有するものと解釈してはならない。
【００２４】
図４は、ガスタービンエンジン１０６（図１に示されている）のような代表的なガスタービンエンジンに対する排気ガス流中の全ＮＯxの平衡ＮＯ2百分率を図解するグラフ４００である。図４に示されているように、より低い排気ガス温度が平衡時のＮＯx中のＮＯ2のより高い割合を促進する。約６５０°Ｆの排気ガス温度では、ＮＯ2は全ＮＯxのほぼ８０％を構成する。しかし、約１１００°Ｆを超える排気ガス温度で、ＮＯ2は全ＮＯxのほぼ１０％を構成する。
【００２５】
図５は、ガスタービンエンジン１０６（図１に示されている）により発生した排気ガスの流れ中の排出物を低減するための代表的な方法を図解するフローチャート５００である。代表的な実施形態では、酸化触媒３０８（図３に示されている）を第１の温度で作動させて（５０２）、酸化触媒３０８中に導かれた排気ガス中のＮＯxの量の低減を促進する。ここで、第１の温度は触媒材料の熱再生温度未満である。さらに、制御装置３１２（図３に示されている）で、第１の温度における酸化触媒３０８の効率を測定する（５０４）。代表的な実施形態では、第１の温度は約４００°Ｆ〜約６５０°Ｆである。また、制御装置３１２で、ＮＯ酸化変換の量を測定して、再活性化の有効性及び触媒材料の再生に必要な時間を決定する。代表的な実施形態では、制御装置３１２で、酸化触媒３０８の効率を閾値と比較する（５０６）。或いは、制御装置３１２で、酸化触媒３０８の効率を閾値の所定の割合以内の値と比較する。この比較に基づいて、制御装置３１２が、加熱装置３０６（図３に示されている）を選択的に始動させて（５０８）、排気ガスの温度を第２の温度に上昇させて、触媒材料の再生を促進する。より具体的には、触媒材料の再生を促進するために、制御装置３１２は、ガスタービンエンジン１０６に、高いイオウ含有量の燃料の使用を停止させ、燃料に含まれる窒素のレベルが低い低いイオウ含有量の燃料源と切り替えさせる（５１０）。また、制御装置３１２は、熱源３０６に、排気ガス流の温度を約７００°Ｆ〜約１２５０°Ｆに上げさせる。触媒材料が下限値を実質的に超えるレベルに再生されたら、制御装置３１２が加熱装置３０６を停止させ（５１２）、ガスタービンエンジン１０６に、元の高いイオウ含有量の燃料を使用するように戻らせる（５１４）。
【００２６】
ＮＯx排出物のような排出物を低減するのに使用されるシステム、方法、及び装置の代表的な実施形態が本明細書に記載されている。本明細書に記載されている実施形態は、ダクトバーナーを使用することにより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して、排気筒を介する大気中への排出を防止するべくその後の吸着のために排気ガスのＮＯの濃度を低減する酸化触媒の能力を高める。上記実施形態はＮＯx低減と関連して記載されているが、処理後ガスタービン、ボイラー、及び往復運動エンジンに使用される排出物軽減触媒からイオウの酸化物（ＳＯx）のようなある種の汚染物質を除去するために同じアプローチにより他の触媒システムを再生することができるものと理解されたい。
【００２７】
システム、方法、及び装置の代表的な実施形態が上で詳細に記載されている。システム、方法、及び装置は本明細書に記載されている具体的な実施形態に限定されることはなく、むしろ、方法の実施及び／又はシステム及び／又は装置の構成要素は本明細書に記載されている他の実施及び／又は構成要素と独立に、そして別々に利用し得る。さらに、記載されている実施及び／又は構成要素はまた他のシステム、方法、及び／又は装置においても規定され得、又はそれらと組み合わせて使用し得、本明細書に記載されているシステム、方法、及び記憶媒体のみでの実施に限定されない。
【００２８】
本明細書に記載されているもののような制御装置は、少なくとも１つのプロセッサー又は処理装置とシステムメモリーを含んでいる。制御装置は通例少なくともある形態のコンピューターで読み取り可能な媒体を含む。限定ではなく一例として、コンピューターで読み取り可能な媒体はコンピューター記憶媒体と通信媒体を含む。コンピューター記憶媒体は、コンピューターで読み取り可能な命令、データ構造、プログラムモジュール、又はその他のデータのような情報の記憶のための何らかの方法又は技術で実行される揮発性及び不揮発性、取り外し可能及び取り外しできない媒体を含む。通信媒体は通例、搬送波又はその他の搬送機構のようなモジュレートされたデータ信号内にコンピューターで読み取り可能な命令、データ構造、プログラムモジュール、又はその他のデータを具体化し、あらゆる情報配送媒体を含む。当業者はモジュレートされたデータ信号に精通しており、この信号はその特性セットの１以上を有するか又はその信号内に情報をコード化するように変化されている。以上のいずれかの組合せもコンピューターで読み取り可能な媒体の範囲内に含まれる。
【００２９】
本明細書に例示し説明した本発明の実施形態における作業の遂行又は実行の順序は、特に明記しない限り必須ではない。すなわち、作業は特に明記しない限り任意の順序で実行し得、本発明の実施形態は本明細書に開示したものに追加の、又はそれより少ない作業を含み得る。例えば、特定の作業を別の作業の前に、又はそれと同時に、又はその後に履行又は実行することは本発明の態様の範囲内であると考えられる。
【００３０】
本発明の態様又はその実施形態の要素を導入する際、単数形はその要素が１以上あることを意味している。用語「からなる」、「含む」及び「有する」は包括的であって、記載した要素以外の追加の要素があり得ることを意味している。
【００３１】
本明細書では、最良の態様を含めて本発明を開示するために、また、当業者が本発明を実施する、例えばあらゆる装置又はシステムを作成し使用し、また組み込まれているあらゆる方法を実行することができるように、例を使用している。本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲に定義されており、当業者には自明の他の例を含み得る。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、又は特許請求の範囲の文言と実質的に異ならない等価な構造要素を含む場合、特許請求の範囲内に入るものである。
【符号の説明】
【００３２】
１００ 複合サイクル発電プラント
１０２ 圧縮機
１０４ 空気取り入れ口
１０６ ガスタービンエンジン
１０８ 燃焼室
１１０ 第１の軸
１１２ 第１の発電機
１１４ 排気管
１１６ 熱回収蒸気発生機
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の軸
１２８ 第２の発電機
１３０ 凝縮器
１３２ 管束
２０２ 過熱式熱交換器
２０４ 再加熱型熱交換器
２０６ 節約熱交換器
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 ダクトバーナー
３０２ ダクトバーナー
３０４ 高圧熱交換器
３０６ 加熱装置
３０８ 酸化触媒
３１０ 低圧熱交換器
３１２ 制御装置
４００ グラフ
５００ フローチャート
５０２ 第１の温度で酸化触媒を作用させる
５０４ 酸化触媒の効率を測定する
５０６ 効率を閾値と比較する
５０８ 加熱装置を始動させて触媒材料の再生を開始する
５１０ 第１の燃料から第２の燃料に切り替える
５１２ 触媒材料が実質的に再生されたときに加熱装置を停止する
５１４ 第１の燃料の使用に戻す
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスの流れを生成する燃焼装置（１０６）の下流に流動連通して連結された蒸気発生機（１１６）であって、当該蒸気発生機（１１６）が、
窒素酸化物（ＮＯx）を含む排気ガスを加熱するように構成された加熱装置（３０６）と
、
加熱装置（３０６）の下流に連結された酸化触媒（３０８）と
を備えており、酸化触媒（３０８）が、触媒材料の熱再生温度未満の第１の温度で、また触媒材料が同時に再生されるように少なくとも熱再生温度とほぼ等しい第２の温度で、酸化触媒（３０８）中に導かれた排気ガス中のＮＯxの量の低減を促進する、蒸気発生機（１１６）。
【請求項２】
加熱装置（３０６）が、排気ガス中のＮＯxの量を低減する酸化触媒（３０８）の効率に基づいて選択的に始動するように構成されている、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項３】
さらに、加熱装置（３０６）に連通して連結された制御装置（３１２）を含んでおり、制御装置（３１２）が、酸化触媒（３０８）の効率を表す信号を受領し、その信号に基づいて加熱装置（３０６）を始動させるように構成されている、請求項２記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項４】
制御装置（３１２）が、さらに、酸化触媒（３０８）の効率を閾値と比較し、酸化触媒（３０８）の効率が閾値未満であるとき加熱装置（３０６）を始動させるように構成されている、請求項３記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項５】
制御装置（３１２）が、さらに、酸化触媒（３０８）の効率を閾値と比較し、酸化触媒（３０８）の効率が閾値の所定の割合内であるとき加熱装置（３０６）を始動させるように構成されている、請求項３記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項６】
加熱装置（３０６）がダクトバーナーからなる、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項７】
加熱装置（３０６）が蒸気に基づく加熱素子からなる、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項８】
加熱装置（３０６）が、第１の温度が約４００°Ｆ〜約６５０°Ｆになるまで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９】
加熱装置（３０６）が、第２の温度が約７００°Ｆ〜１２５０°Ｆになるまで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１０】
空気中で燃料を燃焼させて、軸動力及び窒素酸化物（ＮＯx）を含む排気ガスの流れを生成するように構成されたガスタービンエンジン（１０６）と、
ガスタービンエンジン（１０６）に流動連通して連結された熱回収蒸気発生機（ＨＲＳＧ）（１１６）と
を含んでなり、ＨＲＳＧ（１１６）が、排気ガスを加熱するように構成された加熱装置（３０６）、及び、加熱装置（３０６）の下流に連結された酸化触媒（３０８）を含み、酸化触媒（３０８）が、触媒材料の熱再生温度未満の第１の温度で、また、触媒材料が同時に再生されるように少なくとも熱再生温度にほぼ等しい第２の温度で、酸化触媒（３０８）中に導かれた排気ガス中のＮＯxの量の低減を促進する、複合サイクル発電プラント（１００）。
【請求項１１】
さらに、加熱装置（３０６）に連通して連結された制御装置（３１２）を含んでおり、制御装置（３１２）が、酸化触媒（３０８）の効率を表す信号を受領し、その信号に基づいて加熱装置（３０６）を選択的に始動させるように構成されている、請求項１０記載の複合サイクル発電プラント（１００）。
【請求項１２】
制御装置（３１２）が、さらに、酸化触媒（３０８）の効率を閾値と比較し、酸化触媒（３０８）の効率が閾値未満であるとき加熱装置（３０６）を始動させるように構成されている、請求項１１記載の複合サイクル発電プラント（１００）。
【請求項１３】
制御装置（３１２）が、さらに、酸化触媒（３０８）の効率を閾値と比較し、酸化触媒（３０８）の効率が閾値の所定の割合内であるとき加熱装置（３０６）を始動させるように構成されている、請求項１１記載の複合サイクル発電プラント（１００）。
【請求項１４】
制御装置（３１２）が、さらに、ガスタービンエンジン（１０６）の第１の燃料の燃焼を停止させ、酸化触媒（３０８）の効率が閾値未満であるとき第２の燃料の燃焼を開始させるように構成されており、第２の燃料が、第１の燃料より低いレベルの、酸化触媒（３０８）から除去すべき汚染物質を含有する、請求項１１記載の複合サイクル発電プラント（１００）。
【請求項１５】
加熱装置（３０６）がダクトバーナー及び蒸気に基づく加熱素子の１つからなる、請求項１０記載の複合サイクル発電プラント（１００）。
【請求項１】
排気ガスの流れを生成する燃焼装置（１０６）の下流に流動連通して連結された蒸気発生機（１１６）であって、当該蒸気発生機（１１６）が、
窒素酸化物（ＮＯx）を含む排気ガスを加熱するように構成された加熱装置（３０６）と
、
加熱装置（３０６）の下流に連結された酸化触媒（３０８）と
を備えており、酸化触媒（３０８）が、触媒材料の熱再生温度未満の第１の温度で、また触媒材料が同時に再生されるように少なくとも熱再生温度とほぼ等しい第２の温度で、酸化触媒（３０８）中に導かれた排気ガス中のＮＯxの量の低減を促進する、蒸気発生機（１１６）。
【請求項２】
加熱装置（３０６）が、排気ガス中のＮＯxの量を低減する酸化触媒（３０８）の効率に基づいて選択的に始動するように構成されている、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項３】
さらに、加熱装置（３０６）に連通して連結された制御装置（３１２）を含んでおり、制御装置（３１２）が、酸化触媒（３０８）の効率を表す信号を受領し、その信号に基づいて加熱装置（３０６）を始動させるように構成されている、請求項２記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項４】
制御装置（３１２）が、さらに、酸化触媒（３０８）の効率を閾値と比較し、酸化触媒（３０８）の効率が閾値未満であるとき加熱装置（３０６）を始動させるように構成されている、請求項３記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項５】
制御装置（３１２）が、さらに、酸化触媒（３０８）の効率を閾値と比較し、酸化触媒（３０８）の効率が閾値の所定の割合内であるとき加熱装置（３０６）を始動させるように構成されている、請求項３記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項６】
加熱装置（３０６）がダクトバーナーからなる、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項７】
加熱装置（３０６）が蒸気に基づく加熱素子からなる、請求項１記載のＨＲＳＧ（１１６）。
【請求項８】
加熱装置（３０６）が、第１の温度が約４００°Ｆ〜約６５０°Ｆになるまで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９】
加熱装置（３０６）が、第２の温度が約７００°Ｆ〜１２５０°Ｆになるまで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１０】
空気中で燃料を燃焼させて、軸動力及び窒素酸化物（ＮＯx）を含む排気ガスの流れを生成するように構成されたガスタービンエンジン（１０６）と、
ガスタービンエンジン（１０６）に流動連通して連結された熱回収蒸気発生機（ＨＲＳＧ）（１１６）と
を含んでなり、ＨＲＳＧ（１１６）が、排気ガスを加熱するように構成された加熱装置（３０６）、及び、加熱装置（３０６）の下流に連結された酸化触媒（３０８）を含み、酸化触媒（３０８）が、触媒材料の熱再生温度未満の第１の温度で、また、触媒材料が同時に再生されるように少なくとも熱再生温度にほぼ等しい第２の温度で、酸化触媒（３０８）中に導かれた排気ガス中のＮＯxの量の低減を促進する、複合サイクル発電プラント（１００）。
【請求項１１】
さらに、加熱装置（３０６）に連通して連結された制御装置（３１２）を含んでおり、制御装置（３１２）が、酸化触媒（３０８）の効率を表す信号を受領し、その信号に基づいて加熱装置（３０６）を選択的に始動させるように構成されている、請求項１０記載の複合サイクル発電プラント（１００）。
【請求項１２】
制御装置（３１２）が、さらに、酸化触媒（３０８）の効率を閾値と比較し、酸化触媒（３０８）の効率が閾値未満であるとき加熱装置（３０６）を始動させるように構成されている、請求項１１記載の複合サイクル発電プラント（１００）。
【請求項１３】
制御装置（３１２）が、さらに、酸化触媒（３０８）の効率を閾値と比較し、酸化触媒（３０８）の効率が閾値の所定の割合内であるとき加熱装置（３０６）を始動させるように構成されている、請求項１１記載の複合サイクル発電プラント（１００）。
【請求項１４】
制御装置（３１２）が、さらに、ガスタービンエンジン（１０６）の第１の燃料の燃焼を停止させ、酸化触媒（３０８）の効率が閾値未満であるとき第２の燃料の燃焼を開始させるように構成されており、第２の燃料が、第１の燃料より低いレベルの、酸化触媒（３０８）から除去すべき汚染物質を含有する、請求項１１記載の複合サイクル発電プラント（１００）。
【請求項１５】
加熱装置（３０６）がダクトバーナー及び蒸気に基づく加熱素子の１つからなる、請求項１０記載の複合サイクル発電プラント（１００）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−９７７３５（Ｐ２０１２−９７７３５Ａ）
【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２０１１−２３２３５６（Ｐ２０１１−２３２３５６）
【出願日】平成２３年１０月２４日（２０１１．１０．２４）
【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２４日（２０１１．１０．２４）
【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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