JP2004519651A

JP2004519651A - 触媒燃焼システムにおける熱ＮＯｘ低減方法

Info

Publication number: JP2004519651A
Application number: JP2002572313A
Authority: JP
Inventors: ベタ，ラルフデラ; マルコエー．ベラスコ，; デイビッドケー．イー，; サレントジー．ニコラス，
Original assignee: カタリティカエナジーシステムズ，インコーポレイテッド
Priority date: 2000-10-27
Filing date: 2001-10-26
Publication date: 2004-07-02
Also published as: EP1334307A2; WO2002073090A2; EP1334307A4; WO2002073090A3

Abstract

主に、触媒（１３）入口温度を調節することによって、そのＨＣ波の制御を介して、均質燃焼（ＨＣ）ゾーンにおける燃焼滞留時間を短くすることにより、ガスタービン燃焼器のポスト触媒セクション（１４）における液体燃料または気体燃料の燃焼中での触媒燃焼システムでのＺｅｌｄｏｖｉｃｈ（熱）ＮＯ_ｘ生成を制御する方法および装置。この触媒への燃料／空気混合物の入口温度が低下するにつれて、このＨＣ波は、下流へと移動し、その点火遅延時間を長くし、高温での滞留時間を短くし、それにより、その熱ＮＯ_ｘ生成を減らす。点火遅延時間を長くすることによる、それを相殺するＣＯ生成の増加は、出力および低ＣＯを維持しつつ熱ＮＯ_ｘが少なくなるようにＨＣ波を能動的に位置付けることにより、制限できる。ＮＯ_ｘは、３ｐｐｍ未満、好ましくは、２ｐｐｍ未満の程度まで減らされるのに対して、ＣＯは、１００ｐｐｍ未満に維持される。

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は、触媒燃焼システム中のＮＯ_ｘを制御する方法および装置（デバイスおよびシステムの両方）に関し、さらに特定すると、特に、均質燃焼波の位置の制御を介して、燃焼滞留時間を短くすることにより、同時に同じ出力で低いＣＯを維持しつつ、燃焼器の触媒反応ゾーンから下流で生成されるＮＯ_ｘを制御する方法および装置に関する。
【０００２】
（背景）
ガスタービンは、種々の目的（中でも、原動力、気体圧縮および発電）に使用される。発電用のガスタービンの使用は、多くの要因（中でも、設計のモジュール性、大きさおよび重量に対する出力発生能力、携帯性、拡張性および効率性）か原因で、特に重要であり、重要性が増している。それに加えて、ガスタービンは、一般に、低イオウ炭化水素燃料（特に、天然ガス）を使用し、これより、低い酸化イオウ、すなわち、ＳＯ_ｘ汚染物質排出量が保証される。このことは、発電にガスタービンを使用するか使用できる都市部において、都市部の人口密度上昇が起こるにつれて増大している電力需要を補うために出力−グリッド供給を埋め合わせるのに魅力的であるので、特に重要である。
【０００３】
ガスタービンは、中程度の効率のタービン用の約１１００℃から最新の高効率エンジン用の１５００℃までの範囲で、高いタービン入口温度で作動する傾向がある。これらの温度をタービンの入口で達成するためには、その燃焼システムは、密封漏れ、またはガスタービン構造の一部を冷却するための空気の意図的添加が原因で、一定の空気を添加した結果として、ある程度高い温度（一般に、１２００〜１６００℃）を生じなければならない。これらの温度では、この燃焼システムは、ＮＯ_ｘを発生する。発生するＮＯ_ｘの量は、その温度が高くなるにつれて、増加する。しかしながら、さらに厳しい排ガス基準を満たすために、タービン操作条件は、発生するＮＯ_ｘの量が高くならないように、制御しなければならない。
【０００４】
典型的なガスタービンシステムは、燃焼器セクション（そこでは、燃料が注入されて燃焼され、その燃焼器のすぐ下流にあるドライブタービンに、ホットガスが供給される）の上流にある圧縮機を含み、これは、この燃焼器セクションに圧縮空気を給送する。図１は、このような従来のシステムを示し、これは、この燃焼器セクションで、触媒燃焼システムを使用する。図１は、ＤａｌｌａＢｅｔｔａらによる米国特許第５，１８３，４０１号、ＤａｌｌａＢｅｔｔａらによる米国特許第５，２３２，３５７号、ＤａｌｌａＢｅｔｔａらによる米国特許第５，２５０，４８９号、ＤａｌｌａＢｅｔｔａらによる米国特許第５，２８１，１２８号、およびＴｓｕｒｕｍｉらによる米国特許第５，４２５，６３２号で記述された型の従来のシステムを示している。これらの型のタービンは、その燃焼器セクションにて、一体化触媒燃焼システムを使用する。この燃焼セクションは、その燃焼器とドライブタービンとの間で、この装置システムを含むことに注目せよ。
【０００５】
図１で示すように、実例となる燃焼器セクションは、以下の部分を含む：ハウジング（この中に、プレバーナーが配置されている）；燃料源入口；触媒燃料噴射器およびミキサー；１個以上の触媒セクション；およびポスト触媒反応ゾーン。このプレバーナーは、全燃料の一部を燃焼して、この触媒に入る気体混合物の温度を上昇させ、そこでは、いくらかのＮＯ_ｘが形成される。このプレバーナーの下流で触媒の上流には、追加燃料が導入され、これは、噴射混合器によりプロセス空気と混合されて、燃料／空気混合物（Ｆ／Ａ混合物）を供給する。このＦ／Ａ混合物は、この触媒に導入され、この場所で、このＦ／Ａ混合物の一部は、その触媒で酸化されて、この温度をさらに上昇させる。この部分的に燃焼されたＦ／Ａ混合物は、次いで、このポスト触媒反応ゾーンに流れ、ここで、この触媒モジュールの出口末端の下流で、間隔を開けた距離で、自己点火が起こる。残りの未燃Ｆ／Ａ混合物は、いわゆる均質燃焼（ＨＣ）ゾーン（これは、このポスト触媒反応ゾーン内にある）で燃焼して、このプロセスガスを、このタービンを効率的に操作するのに必要な温度まで上昇させる。この触媒燃焼技術において、その燃料の一部だけが触媒モジュール内で燃焼し、燃料の相当部分は、このＨＣゾーンで、この触媒から下流で燃焼することに注目せよ。
【０００６】
各種のドライブタービンは、指定された入口温度を有し、これは、設計温度と呼ばれる。ガスタービンを高効率で正しく操作するには、このシステムまたはオペレータは、この燃焼器セクションの出口温度を制御して、その温度をドライブタービンの設計温度で保持しなければならない。これは、中程度の効率のガスタービン用の約１１００℃から最新の高効率エンジン用の１４００〜１６００℃までの範囲で、非常に高い温度であり得る。図１で示すように、これらの高い温度では、ＮＯ_ｘは、この燃焼器セクションの「ポスト触媒反応ゾーン」で形成される。このポスト触媒反応ゾーンで生成されるＮＯ_ｘのレベルは、典型的には、天然ガスおよび類似の燃料については、低いものの、依然として、ますます厳しくなっている排ガス要件を満たすために、このレベルをさらに減らすことが望まれている。
【０００７】
図２は、図１で示した型の触媒燃焼システムについて、このポスト触媒反応ゾーンにおける温度と生成するＮＯ_ｘの量との間の関係を示す。約１４５０℃より低い温度（これは、図では、領域Ａとして認められる）では、生成するＮＯ_ｘレベルは、１ｐｐｍ未満である。図２に見られるように、約１４５０℃より高い温度（領域Ｂの下の境界）において、ＮＯ_ｘレベルは急速に上昇し、１５５０℃では、５ｐｐｍが発生し、その温度より高い温度では、９〜１０ｐｐｍ以上の程度で、さらに高いレベルとなる。
【０００８】
高温でのＮＯ_ｘの形成は、動力学的に制御されたプロセスである。ＮＯ_ｘの一部（これは、「ＰｒｏｍｐｔＮＯ_ｘ」または「ＦｅｎｎｉｍｏｒｅＮＯ_ｘ」と呼ばれる）は、急速な反応が起こる燃焼器の領域で、形成される。形成されるＰｒｏｍｐｔＮＯ_ｘの量は、燃料／空気比および最終火炎温度に依存しているが、このＰｒｏｍｐｔＮＯ_ｘは、一旦、その火炎前面が燃料の殆どを消費したなら、形成されなくなる。ＮＯ_ｘの形成の第二経路は、「ＴｈｅｒｍａｌＮＯ_ｘ」または「Ｚｅｌｄｏｖｉｃｈ経路」と呼ばれ、ここでは、ＮＯ_ｘは、高温で連続的に形成され、量は、時間および温度だけに依存している。滞留時間が１０〜２０ｍｓ（ミリ秒）の範囲の典型的なガスタービンシステムでは、これらのプロンプトおよび熱経路は、大体、同じ量のＮＯ_ｘを発生する。
【０００９】
殆どの燃焼プロセスでは、この燃料の反応は、フレームホルダーで位置固定された火炎で起こる。このフレームホルダーは、この火炎を係留または安定化するために、物理的物体または空気力学的プロセスのいずれかであり得る。物理的要素には、ブラッフボディ、ｖ−ガッター、または気体流れを再循環して、この火炎を安定化するような他の機械的部品が挙げられる。空気力学的安定器には、スワラおよびベーンのような物理的要素、ならびに火炎を安定化する拡大流れ面積のような改良が挙げられる。火炎温度、温度プロフィール、この燃焼器の物理的寸法、および他のこのような特徴は、熱ＮＯ_ｘ形成を決定する。例えば、その設計者は、この燃焼器の体積および長さあるいは燃焼器設計が火炎を係留する場所を変えることなく、熱ＮＯ_ｘレベルを変えることはできない。
【００１０】
上記米国特許および他の参考文献で記述された技術を使用する触媒燃焼システムの場合、その燃料の一部だけが、この触媒内で燃焼され、この燃料の相当部分は、ポスト触媒均質燃焼（ＨＣ）ゾーンにおいて、この触媒の下流で燃焼される。図３は、この下流ＨＣゾーンを概略的に図示している。
【００１１】
図３の上部は、図１の一部の拡大概略図であり、これは、そのプレバーナーの下流に位置している触媒燃焼システム１２の主要部品を示している。この触媒燃焼システムは、触媒燃料噴射器１１、１個またはそれ以上の触媒セクション１３およびポスト触媒反応ゾーン１４（ここに、ＨＣ（均質燃焼）ゾーン１５が位置している）を含む。図３の下部は、これらの燃焼ガスが上記燃焼器セクションを貫流するにつれたそれらの温度プロフィールおよび燃料組成を図示している。温度プロフィール１７は、この燃料の一部が燃焼されるにつれて、その触媒ユニットを通しての気体温度上昇を示している。遅延（これは、点火遅延時間１６と呼ばれている）後、残りの燃料は、反応して、その全温度上昇を生じる。それに加えて、同じ経路に沿った燃料１８の濃度の対応した低下は、点線で示している。
【００１２】
図３の下部に示すように、この燃料の一部は、この触媒中にて、火炎なしで燃焼されて、この気体混合物の温度上昇を生じる。この触媒を出ていく混合物は、高温下にあり、空気中に残留している未燃燃料を含有する。この熱い燃料および空気混合物は、均質燃焼プロセスにて、自己点火し、ここで、残留している燃料は、ラジカル反応プロセスで反応して、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏの最終反応生成物を形成し、その温度は、進入している全ての燃料および空気の混合物の最終燃焼温度に上昇する。
【００１３】
この燃焼器では、ＣＯに伴う類似の問題があり、排出気体は、規制により、現在、約１００ｐｐｍ未満が要求されており、１０ｐｐｍ以下にするという運動もある。ＮＯ_ｘレベルを減らす際に、それを相殺するＣＯの上昇があり得、その結果、ＮＯ_ｘ限度を満たすために、ＣＯが基準を超えるという懸念がある。それゆえ、低いＮＯ_ｘおよび許容できるＣＯのウィンドウ見出すことは、効率的なエネルギー抽出に必要な高い領域Ｂ温度では、ますます困難となっている。
【００１４】
従って、必要なドライブ−タービン設計温度を達成するために領域Ｂで燃焼器出口温度を必要とするガスタービンについては、排ガス要件で、３ｐｐｍより低いＮＯ_ｘ排気レベルおよび５０〜１００ｐｐｍ程度またはそれ以下のＣＯが要求される場合、当該技術分野では、その燃焼プロセスおよび点火タイミングをうまく制御する必要があり、また、ガスタービンシステムの燃焼セクションで発生するＮＯ_ｘレベルが、約１０ｐｐｍより低いＣＯを維持しつつ、低いレベル（例えば、２ｐｐｍ）で維持され得ることを保証するために、改良された燃焼システム、装置およびコントロールが必要とされている。
【００１５】
（本発明）
（目的および利点を含めた要約）
本発明は、触媒燃焼システムにおけるＺｅｌｄｏｖｉｃｈ（熱）経路のＮＯ_ｘ生成を制御する方法および装置（デバイスおよびシステムの両方）を含み、さらに特定すると、特に、主に、その触媒入口温度を調節することによって、ＨＣ波の制御を介して、ＨＣゾーンでの燃焼滞留時間を短くすることにより、ガスタービンのポスト触媒セクションでの液体燃料または気体燃料の燃焼中に生成されるＮＯ_ｘの制御を含む。
【００１６】
本発明は、物理的または空気力学的火炎ホルダーを有する典型的な燃焼器おいて、その燃料および空気の混合物は、定位置で燃焼され、プロセス条件が変わるにつれて、著しく移動しないという知見から生じる。対照的に、さらに、予想外なことに、触媒燃焼器システムにおいて、温度上昇を生じるポスト触媒均質燃焼プロセスの位置は、その物理的プロセスまたは固定フレームホルダーには接続されておらず、むしろ、その触媒出口の気体の状態により、制御されることが見出された。従って、本発明の方法は、この触媒出口温度を制御する工程を包含し、これは、そのＨＣ波の位置を変え、次に、この火炎が熱ＮＯ_ｘを生成する時間（滞留時間）を制御する。この気体混合物がドライブタービンに入るとすぐに、仕事が引き出され、その気体温度は、著しく低下し、ＮＯ_ｘ形成が停止する。それゆえ、本発明によれば、高いポスト触媒反応温度での滞留時間を短くすることにより、ＣＯを５０〜１００ｐｐｍ未満の許容限界内、さらに、５〜１０ｐｐｍ未満に維持しつつ、ＮＯ_ｘを、３ｐｐｍ未満、好ましくは、２ｐｐｍ未満に減らすことができる。
【００１７】
この本発明の特徴は、図４で図示されており、これは、触媒燃焼器システム（これは、燃料噴射器を有する）、触媒およびポスト均質燃焼ゾーン（これは、ドライブタービンにホットガスを給送する）の一連の単純な概略図を示す。この一連の図は、図４Ａから始まって、この均質燃焼波の位置変化を概略的に図示しており、そのＨＣ波は、この触媒から下流に位置して示されている。このＨＣ波の実際の物理的位置は、図３で示すように、点火遅延時間ｔ_{ｉｇｎｉｔｉｏｎ}と気体速度との関数である。図４Ｂでは、この点火遅延は、非常に長くなるように調節され、その結果、その点火が起こって高温に達した後、この気体混合物が熱ＮＯ_ｘを形成するのに十分に熱い時間は、比較的に短く、ＮＯ_ｘの形成は、できるだけ少なくされる。図４Ａでは、この点火遅延は、中程度の値であり、また、図４Ｃでは、この点火遅延は、非常に短い。これらの後者の場合の各々では、Ｚｅｌｄｏｖｉｃｈ経路ＮＯ_ｘの形成は、その気体混合物が高いポスト燃焼温度である時間が漸進的に長くなることが原因で、次第に高くなる。
【００１８】
この触媒出口温度は、この燃焼器システムの操作条件を変えることにより、変えることができる。例えば、本発明の制御局面の第一実施形態では、プレバーナー（図１で図示）に給送される燃料の量は、少なくされ、従って、その触媒モジュールに入る温度は、低くなり、この触媒の出口における温度もまた、低下する。この触媒出口での低い温度により、この均質燃焼波は、その触媒から下流へとさらに遠くに移動してタービンに近づき、それにより、形成される熱ＮＯ_ｘのレベルが低下する。同様に、このプレバーナーに入る燃料を増やすと、その触媒出口温度が高まり、この均質燃焼波を上流に移動し、形成される熱ＮＯ_ｘの量が増える。他の制御実施形態は、本願の詳細な説明の節にて、以下で記述する。
【００１９】
この熱ＮＯ_ｘ排出量を減らすための本発明によるＨＣ波の位置制御は、本明細書中に記載される部分下流燃焼技術を使用する触媒燃焼システムの予想外で非常に独特の局面である。
【００２０】
本発明は、図面を参照して説明される。
【００２１】
（本発明を実行する最良の形態を含めた詳細な説明）
以下の詳細な説明は、本発明の原理の限定ではなく、例として、本発明を説明している。この説明により、明らかに、当業者は、本発明を構成して使用することが可能となり、これは、本発明のいくつかの実施形態、適用、バリエーション、代替例および用途（本発明を実施するための最良の形態であると現在考えられているものを含めて）を記述する。
【００２２】
このことに関して、本発明は、いくつかの図および表で説明するが、その多くの部品、相互関係、プロセス工程およびそれらの組合せが１枚の特許形式の図面または表では十分に説明できない程に相当に複雑である。明瞭かつ簡潔にするために、これらの図面のいくつかは、概略図であるか、開示されている本発明の特定の特徴、局面もしくは原理のためにはその図において必須ではない部分または工程を省略している。それゆえ、１つの特徴の最良の形態は、１つの図面で図示され得、また、他の特徴の最良の形態は、他の図面で呼び出される。本発明の方法局面は、１つまたはそれ以上の実施例または試運転を参照して記述され、これらは、本発明の原理の下での多くのバリエーションおよび操作パラメータの代表的なものにすぎない。
【００２３】
図５は、米国特許第５，５１２，２５０号で示された型の触媒モジュール１３を示し、これは、２つのステージを連続して有し、管状試験リグ７０で設置される。外気７２は、一端で導入され、ホット排気ガスは、出口７４において、試験リグを観察ティー７６の１本のレッグからと出ていく。熱電対７８は、空気電熱器８０からすぐ下流の空気の温度を測定した。触媒モジュール１３の上流および下流の両方の気体温度を測定するために、それぞれ、この触媒モジュールの上流および下流には、熱電対８２ａおよび８２ｂが設置された。この触媒モジュールから下流で様々な距離で間隔を開けて、さらなる熱電対８４が位置付けられ、その触媒セクションの下流の均質燃焼ゾーンで、その気体の温度を進行的に測定した。それに加えて、この触媒から下流に３３ｃｍ（Ｐ１）および５３ｃｍ（Ｐ２）の位置で、この気体流れの組成を測定するために、この反応器には、２個の水冷式気体サンプリングプローブＰ１およびＰ２が設置された。プレバーナー８６には、燃料が供給され、燃料／空気の完全な混合を保証する一連の静止ミキサー９０のすぐ上流では、触媒燃料８８が導入された。
【００２４】
その試験手順は、以下のとおりであった：
１．空気流れを７９００ＳＬＰＭ（１分間あたりの標準リットル）に設定し、その圧力を２０９ｐｓｉｇに設定する。
【００２５】
２．空気温度を約４５０℃に設定する。
【００２６】
３．１４００℃のポスト触媒反応ゾーン温度に必要な燃料流れを高める。
【００２７】
４．種々の燃焼器出口温度を網羅するために、また、その均質燃焼波をポスト触媒反応ゾーンの種々の位置に移動させるために、その触媒入口温度および燃料流れを変える。
【００２８】
５．安定な操作が得られる各地点にて、その操作条件を一定に保ち、ＮＯ_ｘ（ＮＯ＋ＮＯ_２）、Ｏ_２およびＣＯ_２の濃度を測定する。
【００２９】
６．次いで、以下の等式（１）を適用することにより、このＮＯ_ｘ濃度を、１５％のＯ_２濃度に対して補正するが、この場合、「ｐｐｍ（試験）」は、ＮＯ_ｘの測定値であり、「Ｏ_２」は、その測定条件でのＯ_２の濃度であり、そして「ｐｐｍ（１５％Ｏ_２）」は、１５％Ｏ_２に補正されたＮＯ_ｘ濃度である。
【００３０】
７．ＮＯ_ｘ（ｐｐｍ（１５％Ｏ_２））＝ＮＯ_ｘ（ｐｐｍ（試験条件））×（２０．９−１５）／（２０．９−Ｏ_２）、等式１。その結果を、ＮＯ_ｘの排出量（ｐｐｍ）をその燃料の事実上完全な燃料後の滞留時間の関数として、図６に示す。
【００３１】
図６の異なる曲線について示された滞留時間は、以下に由来する時間である：１）この燃料の殆どが燃焼されて、その温度が、ほぼ最大のポスト触媒反応ゾーン温度まで上昇した時点、および２）ＮＯ_ｘレベルを測定するために気体試料を取り出す時点。この試験は、この均質燃焼波位置を決定することにより、次いで、その試験リグにある空気を加熱する空気電熱器への出力を変えて触媒への燃料／空気混合物の入口温度を変えることによってこの燃焼波の位置を移動させることにより、実行された。その触媒入口の気体温度が変わるにつれて、この触媒に対する全燃料は、一定のポスト触媒反応ゾーン温度を維持するために、変えられた。この燃料／空気混合物の入口温度（この触媒へのＦ／Ａ温度）が低下するにつれて、その均質燃焼波は、下流に移動し、高温での滞留時間を短くする。この燃料／空気混合物の入口温度（この触媒へのＦ／Ａ温度）が上昇するにつれて、その均質燃焼波は、触媒モジュールの方に移動し、高温での滞留時間を長くする。研究した全温度範囲にわたって、この滞留時間を低い値に制限すると、そのＮＯ_ｘが著しく低下する。例えば、１５４０℃で、このＮＯ_ｘは、４．６ｐｐｍから約３ｐｐｍへと３５％低下する。より低い温度では、このＮＯ_ｘレベルが低くなるが、短い滞留時間で操作すると、ＮＯ_ｘのレベルがさらに低くなる。
【００３２】
ガスタービンでは、その均質燃焼波の位置を制御できる方法は、その触媒燃焼システムの設計に依存している。その触媒入口温度は、フレームバーナーで制御される場合、このフレームバーナーへの燃料流れを変えることにより、制御可能である。例えば、本発明の燃料分配割り当て実施形態では、所定タービン出力レベル（この場合、そのドライブタービンの入口温度は、一定に保持される）で形成されるＮＯ_ｘのレベルを減らすために、そのプレバーナーに給送される燃料の割合が減らされ、その触媒燃料噴射器に給送される燃料の割合は、増やされて、このガスタービンに給送される全燃料は、一定に保たれる。それゆえ、本発明のこの比例的な燃料流れ制御局面により、その全出力は、一定であり得、さらに、このプレバーナーに給送される燃料が減らされたので、この触媒の入口および出口温度は、低下され、この均質燃焼波は、下流へと移動されて、高温での滞留時間を短くし、ＮＯ_ｘレベルを減らす。
【００３３】
触媒入口温度を制御する他の適切な方法は、他の燃焼器設計および他の燃焼方法に関して、当業者に明らかとなる。あるいは、その触媒入口温度を一定に保って触媒に対する燃料を変えると、また、この均質燃焼波が移動する。これはまた、このポスト触媒反応ゾーンの温度を変えるのに対して、その温度変化は、ある燃焼プロセスに対して、許容範囲内であり得る。
【００３４】
ＮＯ_ｘを制御するために高温での滞留時間の制御用に設計されたかそれを利用するシステムに役立つように使用できる本発明のシステムおよび方法のさらなる実施形態には、以下が挙げられる：
・図７で示すように、１個またはそれ以上の火炎センサ９２は、燃焼器セクション１２のポスト触媒反応ゾーン１４にある触媒モジュールの下流で設置でき、これらは、この均質燃焼波に感受性である。触媒燃焼システムを使用するガスタービンの制御に関連して、センサ（特に、光学センサ）の位置および用途に関するそれ以上の詳細については、本発明者らの同時係属中の出願である米国特許出願０９／９４２，９７６号（これは、２００１年８月２９日に出願され、発明の名称はＣＯＮＴＲＯＬＳＴＲＡＴＥＧＹＦＯＲＦＬＥＸＩＢＬＥＣＡＴＡＬＹＴＩＣＣＯＭＢＵＳＴＩＯＮＳＹＳＴＥＭであり、その開示は、本明細書中で参考として援用されている）を参照せよ。代表的なセンサには、炭化水素および他の燃料のラジカル反応過程で起こるラジカル反応の少なくとも一部から発生する放射線に感受性の種々の型の紫外線センサが挙げられる。このようなＵＶセンサ（例えば、９２ａ）は、このＨＣ波が触媒モジュールに侵入する場合のように、適性温度を超えないように保護するために、この触媒の出口末端を「調べる」ように配向できる。センサに好ましい位置は、図７の右側に示されているように、このタービンへの出口に隣接した下流であり、この場合、センサ９２ｂは、所望位置にあるとき、この均質燃焼波に晒されるように位置付けられる。このセンサまたはこのような一連のセンサ（これらは、この燃焼ゾーンの長手方向軸に対して平行に配置される）の信号は、次いで、ＮＯ_ｘの形成を予め設定したレベル（例えば、３ｐｐｍ未満、好ましくは、約２ｐｐｍ未満、最も好ましくは、約１ｐｐｍ未満）に制限するために、例えば、本発明の方法に従って触媒に入るＦ／Ａ混合物を制御して均質燃焼プロセスを特定の所定の所望位置で保持することにより、その燃焼プロセスを制御する（特に、その触媒入口温度を制御する）ように使用できる。
【００３５】
・上記紫外線型センサと類似した様式で使用でき所定位置で位置付けられ得る第二形式のセンサは、イオンセンサであり、その信号は、このセンサの近くの領域におけるイオン化気体分子の濃度の何らかの関数である。このようなセンサは、典型的には、一対の電気的に荷電したプレートまたは電極間でのイオン電流を測定する。このようなセンサ、または適切に設置されたセンサのアレイは、このポスト触媒反応ゾーンにおいて、この均質燃焼波の位置をモニターするように位置付けることができる。
【００３６】
・その気体温度が均質燃焼波の位置では実質的に上昇するので、気体温度（それゆえ、この均質燃焼波の位置）を測定するために、ポスト触媒反応ゾーンには、熱電対を位置付けることができる。あるいは、熱電対は、この燃焼ゾーンの壁温度（典型的には、金属壁）を測定するために、位置付けることができる。この金属壁は、そのホットガスと熱移動関係にあるので、この均質燃焼波の位置での気体の温度上昇は、この金属壁温度の対応した温度上昇として、反映される。
【００３７】
・このシステムの全操作パラメータがよく理解されていて重要なシステムパラメータが測定できる場合、この燃焼器の実験モデルは、このＨＣ波の位置を計算するのに使用できる。この計算値は、次いで、制御システムアルゴリズムにおいて、このＨＣ波の位置を制御するのに使用される。これは、「モデルベースの制御戦略」の一例である。
【００３８】
・この燃焼波が燃焼器出口または（タービン入口）の非常に近くに移動するにつれて、そのタービン排気ガス中のＣＯレベルは、このＨＣ波における反応時間が非常に短くて燃焼器バーンアウトゾーン内でのＣＯの完全な反応（ＣＯ_２への酸化）が得られないという事実が原因で、上昇し得る。このドライブタービンに入り、そしてまたタービン排気管から出ていくＣＯの濃度は、図８で示すとおりであり、これは、選択したセットのタービンおよび触媒燃焼器操作条件に対して、誘導される。この曲線における「膝状屈折部」は、約１０ｐｐｍのＣＯ、１３ｍｓの滞留時間である。これより滞留時間が短いと、そのＣＯは急速に上昇するのに対して、長い滞留時間では、この曲線で示されるように、ＣＯの出力を１０ｐｐｍ未満まで減少できる。しかしながら、滞留時間が短いということは、このＨＣ波が触媒ユニットにさらに近づくことを意味し、それに対応して、このポスト触媒反応ゾーンにおいて、高温で、滞留時間が長くなって、より多くのＮＯ_ｘが生成される点で、この曲線は、そのＮＯ_ｘ曲線と反対になる。それゆえ、本発明は、この非常に困難な低ＮＯ_ｘ／低ＣＯ／高出力の標的ウィンドウを得るために、これらの操作パラメータが制御装置で調節される原理を提供する。そのＣＯの濃度が、図８の曲線上であり、約１００ｐｐｍ未満であり、好ましくは、図８の曲線の膝状屈曲部の近傍で１０ｐｐｍ未満、最も好ましくは、５ｐｐｍ未満となるように、このガスタービンを制御しても、依然として、このＨＣ波は、ＮＯ_ｘ生成が少ない所望位置で維持可能となる（滞留時間を短くし、点火遅延を長くする）。それゆえ、このＨＣ波の位置を制御するには、このＣＯレベルのＣＯセンサでのモニタリングが使用できる。図７で示したセンサ９２ｂは、ＣＯブレークスルーセンサであり得、その読み取り値は、モニターされ、例えば、このＨＣ波の位置を制御するＦ／Ａ調整用に、この制御装置にフィードバックされる。あるいは、このＣＯセンサは、このタービン排気管（図１を参照）内のＣＯを測定でき、そのＣＯレベルセンサ信号は、このＨＣ波の位置制御のために、制御装置への入力として、使用できる。代表的な１制御戦略は、このＨＣ波がポスト触媒反応ゾーン出口に近づくかそこからさらに離れて移動するように、この燃焼器の操作条件を定期的に変えることであり、また、このタービン排気管内のＣＯレベルをモニターすることである。このようにして、５または１０ｐｐｍの範囲のＣＯレベルに対応する最適な操作条件が決定でき、このタービンは、次いで、前述の同時係属中の出願番号第０９／９４２，９７６号（これは、２００１年８月２９日に出願され、その内容は、本明細書中で参考として援用されている）で記述されているように、操作ライン制御戦略を使用して、この操作条件で制御できる。
【００３９】
・同様に、このＨＣゾーンにある１個またはそれ以上のＮＯ_ｘセンサは、図７について上で記述した位置で、使用できる。そのセンサの出力は、この均質燃焼波の位置を調節する上記パラメータを制御することにより、このホットタービン入口気体を規定のＮＯ_ｘレベルに制御するのに使用される。
【００４０】
この均質燃焼波の実際の位置は、以下のシステムパラメータまたは操作パラメータを変えることにより、制御できる：
ａ．この触媒入口温度を変えること；
ｂ．この触媒を迂回する空気の割合を変えて、それにより、触媒を通る燃料／空気の比を変えること。その全タービン空気流および全タービン燃料流が変わらないので、そのタービン入口温度および負荷操作点は、同じままである；
ｃ．例えば、このプレバーナーの上流にある圧縮機排出空気のオーバーボードブリードにより、プレバーナーへの空気を調節することであって、これは、この触媒中の混合物の燃料／空気比を高め、この均質燃焼波の位置を変える；
ｄ．その点火遅延時間を引き起こす成分を添加または除去することにより、この燃料混合物の組成を変えること。例えば、長鎖の炭化水素または水素なら、この点火遅延時間が短くなる。
【００４１】
ｅ．全質量流量を高めて、それにより、気体速度および他の操作条件を変え、それにより、この均質燃焼波の位置を変えるために、この圧縮機の入口または燃焼器に水を加えること；および
ｆ．このプレバーナーと触媒モジュールとの間で燃料分布を釣り合わせること。
【００４２】
（産業上利用性）
本発明の方法および装置は、ガスタービン用の触媒燃焼システムに対してだけでなく、種々の他の種類の動力システムおよびホットガス生成システム（例えば、蒸気およびプロセス加熱用の産業用ボイラー）で使用される燃焼器に対して、広い産業上利用性があることが明らかである。
【００４３】
本発明の方法および装置下にて、出力を犠牲にすることなく、ＣＯを適切な限度内で維持しつつ、ＮＯ_ｘを減らすことは、環境上、有益であり、高温燃焼プロセスにより生成されるＮＯ_ｘを著しく改善する可能性を提供し、それにより、本発明に、広い産業上利用性を与える。
【００４４】
当業者は、本発明の精神から逸脱することなく、本発明の範囲内で、種々の改良を行うことができることが理解できるはずである。従って、本発明は、必要なら、本明細書を考慮して、従来技術が許容する程度に広く、添付の特許請求の範囲により規定されることが望まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、典型的な従来技術のガスタービンの概略図であり、これは、主要部品を示し、その燃焼器セクションにおいて、一体化触媒燃焼システムを使用する。
【図２】
図２は、触媒燃焼システムにおいて、温度に対する生成したＮＯ_ｘのグラフであり、これは、低温低ＮＯ_ｘ領域Ａ、および約１４５０℃より高い温度で領域Ｂで生成されるＮＯ_ｘの急速な増加を示す。
【図３】
図３は、触媒燃焼システムの概略図であり、これは、その触媒から下流に位置しているポスト触媒均質燃焼ゾーン（ＨＣゾーン）（ここでは、その燃料の残留部分が燃焼される）を示す。
【図４】
図４は、触媒燃焼システムの複数概略図であり、これらは、本発明に従う均質燃焼波（ＨＣ波）の位置の変化を示し、図４Ａは、一般的な位置を示し、図４Ｂは、長い点火遅延がＨＣ波をタービンへの出口に向かってさらに下流へと移動させることを示し、そして図４Ｃは、この点火遅延を短くすると、このＨＣ波が触媒モジュールの方へと移動することを示す。
【図５】
図５は、その試験リグの部分断面概略図である。
【図６】
図６は、図５の試験リグを使用した試験結果のグラフであり、これは、このＨＣゾーンにおいて燃料が事実上完全に燃焼した後の滞留時間の関数としてのＮＯ_ｘ排気を示す。
【図７】
図７は、その触媒モジュールの下流の燃焼器の一部の概略図であり、これは、このポスト触媒反応ゾーンにおける紫外線センサの代表的な位置を示す。
【図８】
図８は、ポスト触媒反応ゾーンにおける、滞留時間に対するＣＯ濃度プロフィール（ｐｐｍＣＯ）のグラフである。

Claims

燃焼器において燃料／空気混合物を燃焼する方法であって、該燃焼器は、触媒ユニットを含む触媒燃焼システムを有し、ここで、該燃料の一部は、該触媒ユニットの下流にある均質燃焼波（ＨＣ波）で燃焼され、該ＨＣ波は、ポスト触媒反応ゾーンに位置しており、該燃焼は、ホット燃焼ガスを発生し、該燃焼ガスから、エネルギーが抽出され、改良点が、以下：
ａ）該ポスト触媒反応ゾーンにおける該ＨＣ波の位置を制御して、該ホットガスがそこからのエネルギー抽出前に該ポスト触媒反応ゾーンで保持される時間を短くし、該ポスト触媒反応ゾーンで生成されるＮＯ_ｘを減らす工程、
を包含する、方法。
前記ＮＯ_ｘが、ＣＯを約１００ｐｐｍより低い範囲で維持しつつ、約１４５０℃より高い範囲の温度を有するホット燃焼ガス中で、約３ｐｐｍより少ない量まで減らされる、請求項１に記載のＮＯ_ｘ減少燃焼方法。
前記燃焼器が、ガスタービンシステムの一部であり、該ガスタービンシステムが、該燃焼器の上流に圧縮機を含み、該燃焼器に圧縮空気を供給する、請求項２に記載のＮＯ_ｘ減少燃焼方法。
前記制御工程が、前記燃料／空気混合物および前記ホット燃焼ガスの少なくとも１つの少なくとも１状態をモニターする工程を包含する、請求項１に記載のＮＯ_ｘ減少燃焼方法。
前記状態をモニターする工程が、燃料量、燃料供給速度、燃料／空気温度、気体温度、ＮＯ_ｘおよびＣＯの少なくとも１つを感知する工程を包含する、請求項４に記載のＮＯ_ｘ減少燃焼方法。
前記ＮＯ_ｘおよびＣＯが、モニターされ、そしてＣＯを所定範囲で維持しつつ、ＮＯ_ｘを減少するように、前記ＨＣ波の位置が制御される、請求項５に記載のＮＯ_ｘ減少燃焼方法。
前記制御工程が、触媒出口気体温度を調節して、前記ＨＣ波中の前記燃料を点火する遅延時間を制御する工程を包含する、請求項１に記載のＮＯ_ｘ減少燃焼方法。
前記触媒出口気体温度が、該触媒に入る前記燃料／空気混合物の温度を制御することにより、調節される、請求項７に記載のＮＯ_ｘ減少燃焼方法。
前記燃焼器が、前記触媒ユニットの上流にプレバーナーを含み、そして前記燃料／空気混合物および出口ガスの少なくとも１つの温度が、以下：
ａ）前記触媒をエアバイパスする割合を調節すること；
ｂ）供給される該燃料を該触媒と該プレバーナーとの間で比例配分させることにより、該燃焼器に供給される該燃料を調節すること；
ｃ）該プレバーナーへの空気入力を調節すること；
ｄ）前記点火遅延時間に影響を与える成分を導入することにより、該燃料の組成を変えること；および
ｅ）該燃焼器中および該燃焼器の上流の少なくとも１箇所に水を添加することの少なくとも１つにより制御される、請求項８に記載のＮＯ_ｘ減少燃焼方法。
前記ホット燃焼ガスの温度が、エネルギー抽出のために所定範囲で維持され、そして前記プレバーナーに供給される燃料が、ＣＯを該ホットガス中で約５０ｐｐｍより低い所定範囲内で維持しつつＮＯ_ｘを減らす位置に前記ＨＣ波を移動させるように制御される、請求項９に記載のＮＯ_ｘ減少燃焼方法。
前記制御工程が、一定範囲の操作パラメータ下にて前記燃焼器を操作する実験モデルを開発する工程、該パラメータが変化するにつれての前記ポスト触媒反応ゾーンにおける前記ＨＣ波の位置を計算する工程、および該ＨＣ波の位置を選択的に位置合わせするようにシステム操作制御装置を設定する工程を包含する、請求項３に記載のＮＯ_ｘ減少燃焼方法。
燃焼器中で燃料／空気混合物を燃焼している間に発生するＮＯ_ｘを制御する装置であって、該燃焼器は、その内側に配置された触媒燃焼システムおよび該触媒燃焼システムの触媒から下流に伸長しているポスト触媒燃焼ゾーンを有し、そして該燃料の一部は、該ポスト触媒燃焼ゾーンにある均質燃焼波（ＨＣ波）で燃焼され、該燃焼は、ホット燃焼ガスを発生し、該燃焼ガスから、エネルギーが抽出され、改良点が、以下：
ａ）少なくとも１個のセンサであって、該センサは、該ポスト触媒燃焼ゾーンに付随して取り付けられ、該ＨＣ波、ＮＯ_ｘ、温度およびＣＯの少なくとも１つに応答する信号を出力する、センサ；および
ｂ）コントローラーであって、該コントローラーは、該信号を受信し処理して、該ＨＣ波の位置を制御し、該ホットガス中のＣＯのレベルを所定範囲内で維持しつつ、該ポスト触媒燃焼ゾーンで生成されるＮＯ_ｘを減らす、コントローラー、
を包含する、装置。
前記燃焼器が、ガスタービンシステムの一部であり、該ガスタービンシステムが、該燃焼器の上流に圧縮機を含み、該燃焼器に圧縮空気を供給し、そして前記ＮＯ_ｘが、ＣＯを約１００ｐｐｍより低い範囲で維持しつつ、約１４５０℃より高い範囲の温度を有するホット燃焼ガス中で、約３ｐｐｍより少ない量まで減らされる、請求項１２に記載のＮＯ_ｘ制御装置。
前記コントローラーが、前記触媒入口燃料／空気混合物の温度を調節して前記ＨＣ波の位置を制御する、請求項１２に記載のＮＯ_ｘ制御装置。
前記センサが、前記ポスト触媒反応ゾーンの少なくとも一部に沿ったアレイで配置されて、該ゾーンで感知された値のプロフィールを提供する、請求項１２に記載のＮＯ_ｘ制御装置。
前記触媒の上流で前記燃焼器に関連して配置された少なくとも１個のセンサを含む、請求項１２に記載のＮＯ_ｘ制御装置。
前記少なくとも１個のセンサが、火炎センサ、ＵＶセンサ、イオンセンサ、ＣＯセンサおよび温度センサの少なくとも１種から選択される、請求項１２に記載のＮＯ_ｘ制御装置。
少なくとも１個のセンサが、前記触媒の下流端を調べるように配向されている、請求項１７に記載のＮＯ_ｘ制御装置。
前記コントローラーが、以下：
ａ）前記触媒を迂回する空気の割合を調節すること；
ｂ）該燃焼器中で、供給される該燃料を該触媒と触媒の上流のプレバーナーとの間で比例配分させること；
ｃ）該プレバーナーへの空気入力を調節すること；
ｄ）前記点火遅延時間に選択的に影響を与える成分を有する燃料を、該燃焼器に供給すること；および
ｅ）該燃焼器中および該燃焼器の上流から選択される少なくとも１箇所に水を添加することにより、前記ＨＣ波の位置合わせを行う、請求項１４に記載のＮＯ_ｘ制御装置。
前記コントローラーが、一定範囲の操作パラメータ下で前記燃焼器の操作の実験モデルから誘導された制御アルゴリズムを含み、該アルゴリズムが、該パラメータの変化に関連する、前記ポスト触媒反応ゾーンにおける前記ＨＣ波の計算位置を含み、そして該コントローラーが、選択したホット燃焼ガス出力温度、ＮＯ_ｘ上限およびＣＯ上限の少なくとも１つに応答して、該ＨＣ波の位置を選択的に位置合わせするように、システム操作コントロールを設定する、請求項１３に記載のＮＯ_ｘ制御装置。