JP2004101175A - 流体注入装置および注入方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、種々の燃料に対して効率よく適応できる燃焼装置の燃焼室に燃料流体を注入するための装置および方法を提供することを目的としている。
【解決手段】注入装置本体14と第１のスリーブ80とを備えそれらの間に第１の環状空間82が規定され、注入装置本体14は燃焼室100 に面した注入装置前面12と、主孔16と、注入装置前面12から主孔16まで延在している１以上の主ジェット20とを備えており、さらに注入装置前面12に開口している第１の複数の燃料ジェット32および第２の複数の燃料ジェット52と、第１の複数の燃料ジェット32に燃料を供給するように連結された第１の燃料入口34と、第２の複数の燃料ジェット52に燃料を供給するように連結された第２の燃料入口54とを備えている。
【選択図】　　　図２

Description

　本発明は、一般的に流体を注入する装置および方法に関し、特に、燃焼室中に燃料流体を注入する注入装置および関連する方法に関する。

　炭素ベースの化合物または炭素を含む流体の燃焼は運動または電気パワーを生成するために広く使用されている。１つの典型的な電気発生システムでは、ナチュラルガスのような炭素を含む燃料が酸化剤と混合されてガス発電機と呼ばれる燃焼装置中で燃焼される。その結果生じた燃焼されたガスは放出されてタービンを回転させるために使用され、そのタービンは発電機に機械的に連結されている。その後燃焼されたガスは再ヒータと呼ばれる１以上の付加的な燃焼装置に放出され、そこで燃焼されたガスは次の燃焼のために付加的な燃料および、または酸化剤と混合される。典型的にガス発電機で見られるよりも低い圧力を発生する再ヒータは再加熱されたガスを１以上のタービンに放出し、それらのタービンもまた発電機に機械的に連結されている。

　ガス発電機および再ヒータ中の燃焼は高い温度と圧力を生じる。幾つかの低エミッションシステムでは、純粋の酸素が酸化剤として使用され、典型的に空気中での燃焼の場合に生成される窒素酸化物（ＮＯ_x ）および硫黄酸化物（ＳＯ_x ）の生成を防止する。純粋の酸素による炭素を含む燃料ガスの燃焼は５０００度Ｆより高い燃焼温度を生成する。そのような高温条件は燃焼室中およびその周囲のタービンブレードや噴射ノズルのような部品に対する熱応力を増加させる。熱応力は故障の可能性を増加させ、そのような部品の有効寿命を減少させる。

　注入装置（すなわち燃料噴射ポンプ）はガス発電機中へ燃料および酸化剤の燃焼成分を注入するために、或いは再ヒータ中へ燃焼されたガス、燃料および、または酸化剤を注入するために使用される。注入装置はその位置が燃焼室に近接しているために燃焼室の非常に高い温度にさらされる。注入装置はそれを通過する予め加熱された燃焼成分の通過により加熱される可能性もある。過熱の結果生じる熱応力による注入装置の故障は動作コストを増加させ、装置の停止時間の可能性を増加させ、作業員の危険を増加し、装置に損傷を与える。

　１つの提案された注入装置の設計では、燃料が燃焼される前に燃料と冷却剤とを結合するためのミキサを備えている。例えば特許文献１には２個のミキサ30, 80を備えた注入装置10が記載されている。第１のミキサ30は酸化剤を燃料と混合し、第２のミキサ80は冷却水を予め混合されている燃料および酸化剤と混合する。それから、混合物は燃焼のために燃焼室12に表面121 を通って流れる。冷却水は燃料の燃焼の温度を減少させ、したがってシステム部品に与える熱応力を低下させる。このような設計による生じる危険の１つはフラッシュバック、すなわち、燃焼フレームが燃焼室から注入装置中へ伸び出ることである。フラッシュバックは混合物の“クエンチング距離”よりも小さい直径を有する注入装置の出力ではほとんどない。したがって、フラッシュバックは注入装置の寸法を制限することによって阻止されることができる。しかしながら、非常に多数の小さい注入装置が燃焼混合物の特定された流量率を維持するために必要になり好ましくない。注入装置の数の増加は装置の構造を複雑にする。小さい注入装置はまた典型的にスペース効率が劣っている。その理由は小さい注入装置は同じ流量率を得る大きい注入装置の少数のものよりも前面のスペースがより多く必要であるからである。前面のスペースは制限され、そのために注入装置により多くのスペースが割当てられるために他の部品を取付ける等の他の使用のために残されるスペースが少なくなる。小さい注入装置はまたそれらの寸法が小さいことにより構造がさらに複雑になる。例えば小さい通路および注入装置の出口は燃料や酸化剤や冷却剤中に存在する小さい粒子により塞がれる可能性がある。したがって反応材料は注入装置を通過する前に注意深く濾過されなければならない。さらに、典型的に再ヒータは液体に適合するように設計されてはいない。そのため冷却水は使用されることができない。

　別の提案された酸素供給燃焼サイクルでは、ガス発電機は除去され、ガス燃焼コンポーネントがガスタービン燃焼装置中の最初の燃焼のために設けられている。再ヒータとも呼ばれるガスタービン燃焼装置は前述した通常のサイクルの再ヒータに類似しており、全ての入力はガス形態である。冷却は、スチームと２酸化炭素からなる再循環燃料ガスによる燃焼成分の希釈によって行われる。燃料ガスは燃焼装置中の酸素含有量を希釈し、それによって燃焼温度を低下させる。“酸素により発火された結合サイクル”として記載されている１つのそのようなサイクルについては非特許文献１に記載されている。このサイクルは有効であり、実効的に燃焼温度を低下させ、ガス発電機を除去してシステムを簡単にする。ガス発電機からの熱いガスを受取る特別のタービンを使用する必要はなく、ガスタービン燃焼装置は通常の再ヒータによる使用に対して設計されたタービンに放出することができる。しかしながら、ガスタービン燃焼装置は通常のガス発電機に対して設計された注入装置に適合しない。通常のガス発電機に対して設計された注入装置は不適切な流量率であり、燃焼室に再循環されたガスを与えることはできない。さらに、ガス発電機の注入装置はガス発電機で見られる高い動作圧力で動作するように設計されており、低圧のガスタービン燃焼装置または再ヒータで使用されるときには動作できず、或いは効率が悪い。ガスタービン燃焼装置は通常の再ヒータで行われているよりも低い、注入装置を横断する低い圧力降下を必要とするため、通常の再ヒータに対して設計された注入装置と両立するガスタービン燃焼装置は存在しない。
米国特許第６，２０６，６８４号明細書 Energy Conversion Management　33巻、No.5〜8 、467 〜475 頁、1992年

　さらに、種々の燃料の利用性および価格が変化するので、使用される燃料の形式を変更することが時によっては望ましい。しかしながら、異なった燃焼燃料は例えば加熱値のような特性が異なっているため、異なった燃料により効率のよいサービスを行うためには、通常の注入装置は燃料の変更に応じて調節または交換されなければならない。したがってシステム中で燃焼される燃料の形式の変更は注入装置のサービスを必要とし、それによってサービスを中断し、出力を減少させ、コストを増加させる。

　したがって燃焼装置の燃焼室に流体燃焼成分を注入するための装置および方法が必要とされている。その装置および方法は、熱応力、故障の可能性、および動作コストの減少のために注入装置の動作温度を制限するために再循環ガスの注入を行わなければならない。注入装置は燃焼装置と両立しなければならず、それは再ヒータを含み、ガス冷却剤を注入し、種々のタイプおよび加熱値野燃焼ガスの効率のよい注入および混合を行わなければならない。

　本発明は、炭素含有燃料および酸素を含むガスを燃焼装置の燃焼室に注入し、混合する注入装置および関連する方法を提供する。注入装置はその周辺付近に環状空間を有し、燃焼温度を制限するためにその環状空間を通ってスチームと２酸化炭素のリサイクルされた混合物が注入され、それによって燃焼室中およびその周囲に対する熱応力を減少させる。さらに、注入装置は異なったジェットを有し、それらは異なった燃焼燃料を別々に注入するために使用されることができる。したがって、同じ注入装置が異なった燃焼燃料を交互にそれぞれ適切な条件下で注入することを可能にする。注入装置は再ヒータを含むガス流体だけを注入する燃焼装置にも適合することができる。注入装置はガス発電機およびタービンから放出される燃焼したガスを再燃焼する再ヒータにおいて使用されることができる。その代わりに注入装置は発電サイクルで最初の燃焼装置である再ヒータにおいて使用されることができる。

　本発明の１特徴によれば、燃料流体を燃焼室に注入するための注入装置が提供される。その注入装置は、注入装置本体を具備し、燃焼室に面した注入装置前面を有する注入装置本体と、主孔と、注入装置前面から主孔へ延在する少なくとも１つの主ジェットとを備えている。第１の複数の燃料ジェットは注入装置前面から延在し、典型的に第１の燃料マニホルドによって第１の燃料入口に連結されている。同様に、第２の複数の燃料ジェットは注入装置前面から延在し、典型的に第２の燃料マニホルドによって第２の燃料入口に連結されている。燃料ジェットを通って燃料マニホルドから燃焼室に流れる流体が各主ジェットから流れる流体流と衝突するように、各燃料ジェットの中心軸は主ジェットの１つに関して収斂角度を規定されている。収斂角度は収斂が燃焼室中で行われるように約１０乃至４５度の範囲であることが好ましい。本発明の別の特徴によれば、各主ジェットの中心は他の主ジェットの中心から約１０ｃｍ（４インチ）以上の距離に位置しており、各主ジェットは約２．５４ｃｍ（１インチ）以上の直径を有している。

　主孔は実質上窒素と硫黄を含まない酸化流体のソースに連結され、第１の燃料マニホルドが水素および１酸化炭素を含む第１の燃料ソースに連結され、第２の燃料マニホルドがメタンを含む第２の燃料ソースに連結されている。第１および第２の燃料マニホルドはそれぞれ環状空間を含み、それは１以上の主ジェットの周囲に延在する。別の実施形態では、第２の各燃料ジェットは第１の各燃料ジェットよりも小さい断面であってもよい。そのような燃料ジェットは燃料ジェットにより注入される燃料の特定の形式に対して必要な放出要求に応じて調整することを可能にする。

　有効な実施形態において、注入装置はまた内部空間を規定する第１のスリーブを有している。注入装置本体は内部空間に位置し、第１の環状空間は注入装置本体と第１のスリーブとの間に形成される。本発明の１特徴によれば、第１の環状空間は水素および２酸化炭素を含むリサイクルガスのソースに接続される。本発明の別の特徴によれば、注入装置はリサイクルガス入口と第２のスリーブとを備え、第２のスリーブは第１のスリーブとの間に第２の環状空間を規定している。第１のスリーブは第１の環状空間を第２の環状空間に連結して流体を流通させる少なくとも１つの第１のスリーブ孔を形成され、第２のスリーブは第２の環状空間をリサイクルガス入口に連結して流体を流通させる少なくとも１つの第２のスリーブ孔を形成されている。さらに、別の特徴においては、注入装置は第２のスリーブの周囲に延在する周辺通路を備え、この周辺通路は第２のスリーブ孔によってリサイクルガス入口からはいったガスを第２の環状空間に結合し、第２の環状空間中で第１の方向に流れ、第１のスリーブ孔を通って第１の環状空間に入り、第１の環状空間中で第１の方向と反対の第２の方向に流れるようにしている。本発明のさらに別の特徴によれば、注入装置本体は冷却剤室を備え、それは冷却剤流を受取り、循環させるように構成されている。

　本発明はまた燃料流体を燃焼室に注入して燃焼させる方法を提供する。実質的に窒素および硫黄を含まない酸素から構成されている少なくとも１つの酸化流体が燃焼室に注入される。酸化流体は中心間が約１０ｃｍ以上の距離に位置している約２．５４ｃｍ以上の直径を有するジェット流として注入される。第１の燃焼燃料と第２の燃焼燃料は交互に燃料ジェットにより燃焼室に注入され、酸化流体流と衝突する。燃料は環状空間を規定するマニホルドを通って注入されることができ、それは１以上の主ジェットの周囲を囲んで延在し、燃焼室中で収斂が行われるように酸化流体流に関して１０度乃至４５度の収斂角度で注入されることができる。この方法はまた酸素による燃料の燃焼を含んでいる。本発明の１特徴によれば、スチームと２酸化炭素とを含むリサイクルガスが燃焼室の内周で第１の環状空間を通って燃焼室に注入され、燃焼温度を例えば約４０００度Ｆに制限する。別の特徴によれば、冷却剤流体が注入装置本体中の少なくとも１つの冷却剤室を通って循環される。

　このように本発明は第１および第２の複数の燃料ジェットにより例えばガス発電機または再ヒータに注入する注入装置および注入方法を提供する。異なった燃料流体燃料ジェットを通って注入され、効率よく燃焼され、それによって注入装置の多能性を増加し、注入装置の交換または変更の必要性を減少させる。さらに、この注入装置および方法は注入装置の温度を制限し、部品の熱応力を減少させ、それによって故障の可能性を減少し動作コストを低減する。

　好ましい実施例が示されている添付図面を参照にして本発明を説明する。図面は実寸である必要はない。しかしながら、本発明は多くの異なった形態で実施されることができ、ここに示された実施例に限定されない。むしろ、これらの実施例はここで行われる開示が完全であり、当業者に本発明の技術的範囲を明らかにするために記載されたものである。同様の符号は全体を通して同様の素子を示している。

　図１には本願発明による注入装置10が示されており、それは燃焼室100 に流体を注入するために使用される。注入装置10は燃焼室100 の方向を向いている注入装置前面12を有する注入装置本体14を有している。注入装置本体14はまた複数のジェット20, 32, 52を含み、以下説明するように１以上の入口18, 34, 54に流体が接続されている。流体は入口18, 34, 54を通って注入装置本体14に入り、ジェット20, 32, 52を通って燃焼室中に注入される。第１のスリーブ80は中空円筒管として示されており、注入装置本体14を囲んでおり、燃焼室100 の一部を構成している。第１の環状空間82は注入装置本体14の外面と第１のスリーブ80の内面との間を規定している。第１の環状空間82に接続されたリサイクルガス入口84は環状空間82を通って第１の環状空間82の周囲内側および燃焼室100 にリサイクルガスを供給する。

　燃焼室100 で行われる燃焼は燃料と酸素の燃焼である。燃料は例えば、メタン、エタン、プロパン、または炭化水素混合物のような炭素を含むガスであり、天然油またはバイオマス燃料から導出されることもできる。２つの有効な燃料はメタンおよび合成ガスすなわちsyngasであり、それは水素と１酸化炭素とを含んでいる。炭素を含む燃料は液体、気体或いはそれらの相の組合わせであってもよい。酸素は酸化流体で供給される。本発明の有効な１実施例では、炭素を含む燃料と酸素は実質上窒素および硫黄を含まない気体として供給される。この明細書の記載において、“実質上窒素および硫黄を含まない”とは窒素および硫黄を組合わせて重量で０．１％より少ない、好ましくは０．０１％より少ない含有量であることを意味する。酸素は技術的に知られている任意の方法で大気中の空気から分離されることができ、微量のアルゴンのようなガスを含んでいてもよい。

　燃焼室100 における燃料と酸素との燃焼は燃焼ガスを発生し、温度とガス容積を増加させ、それに対応して圧力を増加させる。燃焼したガスはタービンのようなパワー取出し装置へ放出され、有効なエネルギが使用または貯蔵のために発生される。例えばタービンは発電機に結合されてそれを回転させて電力を発生する。

　図２に示されるように、酸化流体は主入口18を通って注入装置本体の主孔16に供給される。酸化流体は主孔16から注入装置前面12を通過し、複数の主ジェット20により燃焼室100 に流れる。例示された実施例では６個の主ジェット20が示されているが、任意の数のジェット20が設けられることができる。主ジェット20の直径は、主ジェット20を通る酸化流体の予め定められた流量率が燃焼室100 中の圧力よりも予め定められた圧力だけ高い圧力で酸化流体を主入口18に供給することにより達成される。有効な１実施例において、各主ジェット20は注入装置前面で１インチ以上の直径を有し、各主ジェット20の中心は他の主ジェット20の中心から約４インチ以上の間隔である。酸化流体は主ジェット20から放射されたストリームとして燃焼室100 に流入し、それは図示された実施例においは注入装置本体14の主孔16を通って長手方向に延在する中心軸にほぼ平行に方向付けされている。

　第１の燃料は第１の燃料入口34に入り、第１の燃料供給管38を通って第１の燃料マニホルド30へ流れる。第１の燃料マニホルド30は注入装置本体14により規定された内部空間であり、燃料供給管38に連結され、したがって第１の燃料入口34および第１の燃料ジェット32に接続されている。示された実施例の第１の燃料マニホルド30は、図２および４に示されているように主ジェット18を囲んで延在する環状室42と主ジェット18に対して中心に位置する中心室40との両者を有している。中心室40と環状室42とはトンネル（図示せず）によって連結され、それは主ジェット18に対してほぼ垂直である。第１の燃料マニホルド30、燃料供給管38、および第１の燃料入口34と、第１の燃料入口34に燃料源を接続する構造、形状には多くの別の形態が存在することを認識すべきである。

　第１の燃料は第１の燃料ジェット32から燃焼室100 に放出される。図示の実施例では、２４個の第１の燃料ジェットが設けられ、４個は主ジェット20のそれぞれの周囲に間隔を有して位置されているが、任意の数の第１の燃料ジェット32が設けられることができる。第１の燃料ジェット32のそれぞれは、第１の燃料ジェット32のそれぞれの中心軸が燃焼室100 中で各主ジェット20の中心軸に収斂して第１の燃料ジェット32から放出された燃料が各主ジェット20から放出されて流れる酸化流体流に衝突するように構成されている。

　第１の燃料と同様に、第２の燃料は第２の燃料入口54から入り、第２の燃料供給管（図示せず）を通って第２の燃料マニホルド50へ流れる。第２の燃料マニホルド50は注入装置本体14により規定された内部空間であり、第２の燃料供給管に連結され、したがって第２の燃料入口54および第２の燃料ジェット52に接続されている。図４に示されているように実施例の第２の燃料マニホルド50は主ジェット20の１つを囲んでそれぞれ延在する６個の環状室を有している。環状室はトンネル（図示せず）によって相互に連結され、それは主ジェット20に対してほぼ垂直に延在している。図示された実施例では、２４個の第２の燃料ジェットが設けられ、４個は主ジェット20のそれぞれの周囲に間隔を有して位置されている。第２の燃料ジェット52のそれぞれは第２の燃料ジェット52のそれぞれの中心軸が燃焼室100 中の各主ジェット20の中心軸に収斂して第２の燃料ジェット52から放出された燃料が各主ジェット20から放出されて流れる酸化流体流に衝突するように構成されている。

　各燃料ジェット32, 52と主ジェット20との間の収斂角度は燃料が酸化流体と混合される量および燃焼を生じさせるために燃料と酸化流体が十分に混合される燃焼室100 中の位置に影響を与える。各燃料ジェット32, 52と主ジェット20との間の距離もまた燃料と酸化流体の混合に影響する。燃料と酸化流体の混合および燃焼が注入装置前面12に近い位置で生じた場合には、注入装置前面12と注入装置10は燃焼によって発生された熱にさらされ、付加的な冷却が必要になる。本発明の有効な１実施例では、第１および第２の燃料ジェット32, 52のそれぞれは主ジェット20の１つに対して約１０度乃至４５度の収斂角度を有している。別の実施例では、燃料ジェットは燃料ジェット32, 52から放出される燃料が注入装置前面12の約２インチ以内の位置にある領域で各主ジェット20からの酸化流体流に衝突するように構成されている。したがって、燃料ジェット32, 52から放出される燃料は酸化流体と混合されて燃料の均一な燃焼が容易に可能になる。しかしながら、燃料はジェット20, 32, 52に近接した位置で混合および燃焼されないで燃焼は注入装置10中で発生する。

　第１および第２の燃料ジェット32, 52の配置は図３に示されている。各主ジェット20に対して単一の第１および第２の燃料ジェット32, 52を使用する場合を含めて任意の数の第１および第２の燃料ジェット32, 52が設けられることが可能であることが認識されるであろう。第１および第２の燃料ジェット32, 52は主ジェット20を中心に対称的に配置されることが好ましいが、非対称的な配置もまた可能である。また、示された燃料ジェット32, 52は円形断面を有しているが、他の形状もまた可能である。例えば、第１および第２の燃料ジェット32, 52の一方または両方は、主ジェット20の全てまたは一部を囲んでその周囲に延在するスロットを規定する単一のジェットであってもよい。さらに図３は第１の燃料ジェット32と第２の燃料ジェット52との断面寸法の相違を示している。任意の寸法の燃料ジェット32, 52が使用できるが、燃料ジェット32, 52の寸法は燃料の加熱値、動作圧力、燃料ジェット32, 52の数を考慮に入れて選択することが好ましい。例えば、燃料ジェット32, 52の直径は所望の燃焼に対する燃料の必要な質量流量率および酸化流体との適切な混合のために燃焼100 中への燃料の必要なモーメントにしたがって計算されることができる。異なった燃料の必要な質量流量率は燃料の加熱値にしたがって変化させることができる。もっとも、酸化流体と各燃料との適切な混合を確実にするために類似するモーメントを有する異なった燃料を注入することが好ましい。したがって、異なった寸法の燃料ジェット32, 52は異なった燃料の使用を可能にし、一方で同じレートの熱発生および同じ燃料モーメントを維持する。例えば、図３に示された実施例では、第１の燃料ジェット32は第２の燃料ジェット52の約３倍の直径を有する。すなわち、第１の燃料ジェット32が第２の燃料の加熱値の約１／３の加熱値を有する第１の燃料に対して使用され、２つの燃料が等しい密度を有し、類似したモーメントで注入されれば２つの燃料によって発生される熱の量は類似したものとなるであろう。

　注入装置10とジェット20, 32, 52の相対的な寸法もまた図３に示されている。１実施例では、注入装置10の直径は約１２．５インチであり、燃料ジェット20, 32, 52の直径は約０．１インチである。主ジェット20は注入装置前面12で直径が約１インチであり、各主ジェット20の中心は他の主ジェット20の中心から約４インチ以上の距離である。

　本発明の有効な１実施例では、第２の燃料ジェット52は約９０％がメタンである自然ガスを注入するために使用される。第１の燃料ジェット32は１酸化炭素、水素、および２酸化炭素からなる合成ガスを注入するために使用される。合成ガスは石油コークス(petcoke) のガス化のためにスチームと酸素を使用して発生されることができ、それは重量で約９０％の固体カーボンと水蒸気および灰分である。第１の燃料と第２の燃料とは同時に注入されることができるが、本発明の好ましい１実施例では一時に第１と第２のガスの一方だけが注入される。すなわち、燃焼に使用される燃料ガスは注入装置10を変更することなく変更され、利用可能性、価格、効率等の他の基準にしたがって選択されることができる。さらに、注入装置10の多能性を改善するために付加的なジェットが設けられることができることを理解すべきである。例えば、注入装置10は対応する燃料マニホルドと入口とを有する第３のセットの燃料ジェットを含むことができ、したがって、第３の燃料ソースを独立に燃焼室100 に供給することができる。第１と第２の複数の燃料ジェット32および52と、任意の追加の燃料ジェットのそれぞれの構成は特定の条件下で特定のタイプのガスの注入に対して調整されることができる。例えば、第１の燃料ジェット32の数および寸法、第１の燃料ジェット32と主ジェット20との間の間隔および角度は第１の燃料ジェット32を通る特定の燃料、例えば水素と１酸化炭素を含む合成ガスの注入に対して特別に調整されることができる。同様に第２の燃料ジェット52および追加の燃料ジェットのセットはメタンまたは自然ガスのような他の燃料に対して構成されることができる。

　図１および２に示されるように、第２のスリーブ90は第１のスリーブ80を囲んで配置され、２つのスリーブ80，90間に第２の環状空間94を規定している。第２の環状空間94は周囲通路86に接続され、この周囲通路86は第２のスリーブ90の周囲に延在して希釈ガス入口84に接続されている。希釈ガス入口84は希釈ガスのソース（図示せず）に連結されている。したがって、希釈ガスは希釈ガス入口84に入り、周囲通路86を通り、第２のスリーブ孔を通って第２の環状空間94に流れる。希釈ガスは第２の環状空間94を通ってジェット20, 32, 52の酸化流体および燃料の方向とはほぼ反対の方向に流れる。第２の環状空間94から希釈ガスは第２の環状空間94および第１の環状空間82に接続されている複数の第１のスリーブ孔88を通って流れる。第１の環状空間82において、希釈ガスはその流れる方向を反転して燃焼室100 の方向に流れ、そこで燃焼ガスと混合されて燃焼ガスの一部となる。希釈ガスは燃焼ガスを希釈して燃焼温度を適度にする。液体の希釈剤も使用可能であるが、ガス希釈剤が好ましい。種々の希釈ガスず使用可能であり、有用な１実施例では燃焼室100 からの燃焼ガスが膨張されたタービンからのリサイクルガスが含まれている。リサイクルガスはスチームと２酸化炭素から構成されている。リサイクルガスにより行われる冷却の程度は燃焼温度、燃焼室100 に流れるガスの流量率、リサイクルガスの温度、およびリサイクルガスの組成に依存している。燃焼室100 の温度は少なくとも約４０００度Ｆに減少されることが好ましく、最も好ましいのは約２０００度Ｆである。

　注入装置10はまた冷却体室（図示せず）を通って流れる水のような冷却流体によって冷却されてもよい。冷却体室は注入装置本体10によって規定された内部ギャップであり、それは冷却体入口72および冷却体出口74に連結されている。冷却流体は冷却剤入口72にポンプではいいそれ、冷却剤出口74から放出される。種々の形態の冷却体室が既知の技術により使用されることができる。

　本発明の有効な１実施例において、注入装置10は燃焼室100 にガスを注入するために使用され、それはガスと適合する。例えば、注入装置10は発電プラント中でガスを燃焼するために使用される再ヒータ中に炭素含有ガス、酸素ガスおよびスチームと２酸化炭素の混合物を注入するために使用される。再ヒータはここで参考文献とされる米国特許出願中に記載されているガス発電機およびタービンから放出される燃焼ガスを再燃焼することができる。その代わりに再ヒータは例えば図５に示されているパワー発生サイクルにおける最初の燃焼装置であってもよい。

　図５に示されているパワー発生サイクルは再ヒータ140 を含み、それは燃焼のために酸素および例えば合成ガスのような炭素含有ガスを受取る。酸素は空気分離装置110 中で発生され、それは空気から窒素の少なくともほとんどを除去して、窒素と硫黄を実質上含まない酸素を放出する。窒素は当業者に知られているように超低温プロセスを使用して除去されることができる。その場合に、そのプロセスから得られた超低温窒素は売却され、或いはパワー発生サイクルの次の冷却プロセスで使用されることができる。他の実施例では酸化流体は空気分離装置110 以外の供給源、例えば貯蔵タンク、配送パイプライン、或いはその他の当業者に知られている酸素発生装置から供給されることができる。

　図５に示されている実施形態では、合成ガスは合成ガス発生装置120 によって発生される。合成ガス発生装置120 は単なる例示として示されており、合成ガスは技術的に知られている他のプロセスによって得られることができる。さらに、合成ガス以外の他の燃焼ガスが使用されてもよい。例えば、燃焼ガスはメタン、エタン、プロパンまたは炭化水素混合物で構成され、天然油またはバイオマス燃料から得られてもよい。

　酸化流体はコンプレッサ112, 114によって圧縮され、再ヒータ140 および合成ガス発生装置120 に供給される。合成ガス発生装置120 は水および石油コークス源122, 124から水および石油コークスを受取る気化装置126 を含んでいる。石油コークスは気化装置126 中で気化されて排気ガスを形成し、その排気ガスは技術的に知られているように合成ガスを含んでいる。合成ガスは水素、１酸化炭素および２酸化炭素を含み、この実施例では特に約５０％の１酸化炭素、３４．２％の水素、および１５．８％の２酸化炭素を含んでいる。合成ガスは高温の熱再生装置128 および低温の熱再生装置130 を通り、それら両者は以下説明するように熱再生スチーム発生装置150 に結合されている。

　合成ガスはその後、再ヒータ140 に放出される。合成ガスは注入装置10を通って再ヒータ140 に酸素および希釈剤と共に入る。希釈剤はスチームおよび２酸化炭素を含むリサイクルガスである。希釈剤は再ヒータ140 中の酸素を希釈して再ヒータ140 中の温度を制限する。生成ガスは再ヒータ140 の燃焼室100 中で燃焼され、燃焼されたガスまたは燃焼生成物を形成し、それは１次タービン142 に放出される。燃焼生成物は１次タービン142 中で膨張され、エネルギが発生されて機械的または水力学的に１次タービン142 に結合されている発電機146 を回転させる。１次タービン142 からの燃焼生成物は熱再生スチーム発生装置150 に放出され、そこで燃焼生成物は冷却される。熱再生スチーム発生装置150 は１次タービン142 から放出された燃焼生成物の熱エネルギを使用することにより熱交換機として動作し、高温の熱再生装置128 からの中間排気ガスを加熱する。この中間排気ガスは第１のタービン160 に放出される。中間排気ガスは第１のタービン160 から熱再生スチーム発生装置150 に放出され、そこで再加熱されて第２のタービン162 に供給され、それから第３のタービン164 に供給される。中間排気ガスはタービン160, 162, 164 において膨張され、中間排気ガスの温度および圧力は減少する。タービン160, 162, 164 の動作圧力はその結果減少して、それにより第２のタービン162 は第１のタービン160 より低く、第３のタービン164 よりも高い圧力で動作する。タービン160, 162, 164 は発電機166 に結合され、この発電機166 はタービン160, 162, 164 によって回転され、電力を発生する。続いて中間排気ガスはコンデンサ168 およびポンプ170 に放出され、それは凝縮された排気ガスを合成ガス発生装置120 に戻す。

　燃焼生成物は熱再生スチーム発生装置150 中で冷却される。燃焼生成物の第１の部分は熱再生スチーム発生装置150 からコンプレッサ144 にリサイクルされ、コンプレッサ144 は燃焼生成物を圧縮して燃焼生成物を希釈剤として再ヒータ140 に供給する。ブリード線148 はコンプレッサ144 を１次タービン142 に接続している。コンプレッサ144 は１次タービン142 を発電機146 に機械的に結合されているシャフトによって駆動される。図示されていないが、単一の駆動シャフトが全てのタービン142, 160, 162, 164によって駆動され、同じシャフトがコンプレッサ144 も駆動している。図５の実施例において、希釈剤はほぼ６７％のスチームと３３％の２酸化炭素からなるが実際の割合は変化させることができる。

　燃焼生成物の第２の部分は高圧コンプレッサ172 に供給され、そこで燃焼生成物中の２酸化炭素は圧縮されて液化される。２酸化炭素はその後２酸化炭素出口174 から放出され、水は水出口176 から放出される。２酸化炭素と水は発電サイクルの他の部分で使用するためにリサイクルされてもよい。

　以上の説明および関連した図面の説明から本発明の多くの変形および実施形態が当業者には想定されるであろう。したがって、本発明は開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、そのような変形および実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の技術的範囲に含まれることを意図するものである。ここで特定の用語が使用されているが、それらは一般的な意味で、記述に使用されており、本発明の技術的範囲を限定することを意図しているものではない。

本発明による注入装置の部分的に切取られた斜視図。 図１の注入装置の別の部分的に切取られた斜視図。 図１の注入装置の正面図。 図３の注入装置の線４−４に沿って切断した部分的断面図。 本発明による注入装置に適合するパワーは信号サイクルの概略説明図。

Claims (31)

1. 　燃料流体を燃焼室に注入するための注入装置において、
   　注入装置本体および第１のスリーブを具備し、この注入装置本体と第１のスリーブとの間に第１の環状空間が形成されており、
   　前記注入装置本体は燃焼室に面した注入装置前面と、主孔と、前記注入装置前面から主孔まで延在している１以上の主ジェットとを具備し、
   　さらに、前記注入装置本体は注入装置前面に開口している第１の複数の燃料ジェットおよび第２の複数の燃料ジェットと、第１の複数の燃料ジェットに燃料を供給するように連結された第１の燃料入口と、第２の複数の燃料ジェットに燃料を供給するように連結された第２の燃料入口とを具備している注入装置。
2. 　第１の環状空間はスチームと２酸化炭素を含むリサイクルガスのソースに連結されている請求項１記載の注入装置。
3. 　さらに、リサイクルガス入口と第２のスリーブとを備え、第２のスリーブの内面と第１のスリーブと外面との間に第２の環状空間を形成しており、第１のスリーブは第１の環状空間を第２の環状空間に流体が通るように連結する少なくとも１つの第１のスリーブ孔を有し、第２のスリーブは第２の環状空間をリサイクルガス入口に連結する少なくとも１つの第２のスリーブ孔を有している請求項１記載の注入装置。
4. 　さらに、第２のスリーブの周囲に延在する周辺通路を備え、この周辺通路はリサイクルガス入口を第２の環状空間に連結して、ガスがリサイクルガス入口に入り、第２の環状空間中を第１の方向に流れて第１の環状空間に入り、第１の環状空間中で第１の方向と反対の第２の方向に流れるように構成されている請求項３記載の注入装置。
5. 　主孔が実質的に窒素および硫黄のない酸化流体のソースに連結されている請求項１記載の注入装置。
6. 　第１の燃料入口は第１の燃料ソースに連結されている請求項１記載の注入装置。
7. 　第１の燃料ソースは水素および１酸化炭素の合成ガスを含んでいる請求項６記載の注入装置。
8. 　注入装置本体はさらに、第１の複数の燃料ジェットに連結されている請求項１記載の注入装置。
9. 　第１の燃料マニホルドは少なくとも１つの主ジェットの周囲に延在する環状燃料空間と、この環状燃料空間に連結されている中央室とを備えている請求項８記載の注入装置。
10. 　第１の複数の燃料ジェットのそれぞれの中心軸は、注入装置本体から第１の複数の燃料ジェットのそれぞれを通って燃焼室中に流れる流体が燃焼室中の各主ジェットから流れる流体流に衝突するように少なくとも１つの主ジェットの中心軸に関して約１０度乃至４５度の角度を有している請求項１記載の注入装置。
11. 　注入装置本体は、注入装置本体を冷却するための冷却流体を受取って循環させるように構成された少なくとも１つの冷却体室を具備している請求項１記載の注入装置。
12. 　各主ジェットの中心は他の主ジェットの中心から少なくとも１０ｃｍ（約４インチ）以上の間隔で配置されている請求項１記載の注入装置。
13. 　各主ジェットは、注入装置前面において約２．５４ｃｍ（１インチ）以上の直径を有している請求項１記載の注入装置。
14. 　第２の複数の燃料ジェットのそれぞれは、第１の複数の燃料ジェットのそれぞれよりも小さい断面を有している請求項１記載の注入装置。
15. 　注入装置本体はさらに、第２の複数の燃料ジェットに連結された第２の燃料マニホルドを備えている請求項１記載の注入装置。
16. 　第２の燃料マニホルドは少なくとも１つの主ジェットの周囲に延在する少なくとも１つの環状空間を形成している請求項１５記載の注入装置。
17. 　第２の燃料ジェットは第２の燃料ソースに連結されている請求項１記載の注入装置。
18. 　第２の燃料ソースはメタンを含んでいる請求項１７記載の注入装置。
19. 　第２の複数の燃料ジェットのそれぞれの中心軸は、注入装置本体から第２の複数の燃料ジェットのそれぞれを通って燃焼室中に流れる流体が燃焼室中の各主ジェットから流れる流体流に衝突するように少なくとも１つの主ジェットの中心軸に関して約１０度乃至４５度の角度を有している請求項１記載の注入装置。
20. 　主孔が酸素ガスのソースに連結され、前記第１および第２の燃料入口の少なくとも１つがガス燃料ソースに流体が通るように連結され、第１の環状空間がスチームおよび気体２酸化炭素を含むリサイクルガスソースに連結されている請求項１記載の注入装置。
21. 　燃料流体を燃焼室に注入して燃焼させる方法において、
    　実質的に窒素および硫黄を含まない酸素から構成されている少なくとも１つの酸化流体を燃焼室に注入し、
    　第１の複数の燃料ジェットを使用する第１の燃料流体の燃焼室への注入と、第２の複数の燃料ジェットを使用する第２の燃料流体の燃焼室への注入とを交互に行って第１および第２の燃料流体を燃焼室中において酸化流体流に衝突させ、
    　酸化流体により燃料流体を燃焼させる方法。
22. 　第１の複数の位置からの第１の燃焼燃料が各酸化流体流に衝突するように第１の燃料ジェットからの第１の燃焼燃料を各酸化流体流に対して注入し、第２の複数の位置からの第２の燃焼燃料が各酸化流体流に衝突するように第２の燃料ジェットからの第２の燃焼燃料を各酸化流体流にに対して注入する請求項２１記載の方法。
23. 　さらに、スチームと２酸化炭素とを含むリサイクルガスを燃焼室の内周の環状空間を通って燃焼室に注入する請求項２１記載の方法。
24. 　第１の燃焼燃料の注入は、水素と１酸化炭素の合成ガスの注入を含んでおり、第２の燃焼燃料の注入は、メタンの注入を含んでいる請求項２１記載の方法。
25. 　第１および第２の燃焼燃料の注入は、類似しない質量レートで第１および第２の燃焼燃料を注入する請求項２１記載の方法。
26. 　第１の燃焼燃料の注入においては、主ジェットの少なくとも１つの周囲に延在する環状空間を含むマニホルドを通って第１の燃焼燃料を注入する請求項２１記載の注入方法。
27. 　第１の燃焼燃料が燃焼室中で各酸化流体流と衝突するように第１の燃焼燃料は酸化流体流の中心軸に関して約１０度乃至４５度の角度で燃焼室に注入され、第２の燃焼燃料が燃焼室中で酸化流体流と衝突するに第２の燃焼燃料は酸化流体流の中心軸に関して約１０度乃至４５度のー角度で燃焼室に注入される請求項２１記載の注入方法。
28. 　さらに、注入装置本体中で少なくとも１つの冷却体室を通って冷却流体を循環させるステップを含んでいる請求項２１記載の注入方法。
29. 　少なくとも１つの酸化剤流の注入は、他の酸化剤流の中心から少なくとも１０ｃｍ以上の位置にある複数の酸化剤流の注入を含んでいる請求項２１記載の注入方法。
30. 　少なくとも１つの酸化剤流の注入は、約２．５４ｃｍ以上の直径を有する酸化剤流の注入を含んでいる請求項２１記載の注入方法。
31. 　約４０００度Ｆに燃焼温度を制限するためにスチームおよび２酸化炭素を含んでいるリサイクルガスを燃焼室に注入する請求項２１記載の注入方法。

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