JP2016217353A

JP2016217353A - ガスタービンエンジンの排気ダクトに排出量削減触媒を配置するためのシステム

Info

Publication number: JP2016217353A
Application number: JP2016096627A
Authority: JP
Inventors: ファ・ツァン; Hua Zhang; デイビッド・トレイハン; Trayhan David
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-05-21
Filing date: 2016-05-13
Publication date: 2016-12-22
Also published as: US20160341093A1; CN106168169A; EP3095972A1; EP3095972B1

Abstract

【課題】移行ダクトと、煙道ガス排気ダクトと、排気筒出口と、触媒とを含む排気システムを備えるガスタービン発電プラントを提供する。【解決手段】ガスタービン発電プラントの排気セクションは、ガスタービンエンジンからの排気ガスと流体連通する排気ダクトであって、排気ガスは、流れ方向に沿って排気ダクトを通って流れる排気ダクトと、排気ガスがプラットフォームを通過するように排気ダクトの流路にまで及ぶ触媒支持プラットフォームであって、プラットフォームは、触媒被覆面を有する開口部を含み、触媒支持プラットフォームは、流れ方向に垂直ではない前面を有する触媒支持プラットフォームとを含む。【選択図】図１ａ

Description

本発明は、移行ダクトと、煙道ガス排気ダクトと、排気筒出口と、触媒とを含む排気システムを備えるガスタービン発電プラントに関し、触媒は、排気流が排気ダクトで触媒に接触するように配置されている。

触媒は、ガスタービンエンジンの排気ガスから汚染物質を除去するために、排気ダクトに挿入されている。これらの触媒壁は排気ダクトにまで及び、ダクトを通る排気ガスの流れに垂直である。壁は、排気ガスが壁の開口部、チャネル、またはハニカム孔を通って流れる際にガスの速度に急激に上昇させる。急激な加速により、最大１５インチの大きな水（Ｈ₂Ｏ）の圧力損失を伴う。
大きな圧力損失は、望ましくない。圧力低下を最小化するために、排気ダクトの流路には、ダクトを通る流れ方向において大きな断面領域が与えられている。排気ダクトの断面を増加させることは、ダクトのコストおよび実装面積を増加させる。

米国特許出願第７，９７６，８００号

プラットフォームの表面が排気ダクトに傾斜されている、触媒支持プラットフォームの新規な配向が考えられている。触媒支持プラットフォーム、たとえば、壁に角度付けすることは、プラットフォームの露出表面積を増大させ、したがって排気ガスが通って流れる開口部の数の増加を可能にする。開口部の数が多いほど、触媒支持プラットフォームによる圧力低下は少なくなる。

ガスタービン発電プラントの排気セクションは、ガスタービンエンジンからの排気ガスと流体連通する排気ダクトであって、排気ガスは、流れ方向に沿って排気ダクトを通って流れる排気ダクトと、排気ガスがプラットフォームを通過するように排気ダクトの流路にまで及ぶ触媒支持プラットフォームであって、プラットフォームは、触媒被覆面を有する開口部を含み、触媒支持プラットフォームは、流れ方向に対して１０度より大きい角度で配置された部分を含む触媒支持プラットフォームとを含む。

触媒支持プラットフォームは、円錐軸が流れ方向に平行な略円錐形状とすることができ、円錐形状は、流れ方向に収束するＶ字状断面を有する。開口部は、流れ方向に対して１０〜９０度の範囲に配向する軸線を有することができる。円錐軸はまた、流れ方向に平行でなくてもよい。

さらに、触媒支持プラットフォームは、１０〜９０度の範囲の流れ方向に対する角度で平面に配向することができる。または、触媒支持プラットフォームは、各々が流れ方向に実質的に垂直な平面に昇水管と、流れ方向に実質的に平行な平面にトレッドとを含む段を含むことができる。

ガスタービン発電プラントの排気セクションは、移行ダクトと排気ダクトと、排気出口筒と、排気ダクトまたは排気出口筒内の多孔質触媒支持プラットフォームとを備え、触媒支持プラットフォームは、ガスタービンエンジンからの排気がプラットフォームを通って流れるように排気流路にわたって延び、触媒支持プラットフォームは、排気流が１０〜９０度の範囲の排気流の方向に対する角度で触媒に接触するように配置されている。

例示的な従来の排気システムの図である。図１ａに係るガスタービンシステムの別の図である。本発明に係る排気システムの第１の実施形態の図である。図２ａに係るガスタービンシステムの別の図である。本発明に係る排気システムの第２の実施形態の図である。図３ａに係るガスタービンシステムの別の図である。本発明に係る排気システムの第３の実施形態の図である。図４ａに係るガスタービンシステムの別の図である。本発明に係る排気システムの第４の実施形態の図である。図５ａに係るガスタービンシステムの別の図である。本発明に係る排気システムの第５の実施形態の図である。図６ａに係るガスタービンシステムの別の図である。本発明に係る排気システムの第６の実施形態の図である。図７ａに係るガスタービンシステムの別の図である。本発明に係る排気システムの第７の実施形態の図である。図８ａに係るガスタービンシステムの別の図である。本発明に係る排気システムの第８の実施形態の図である。図９ａに係るガスタービンシステムの別の図である。本発明に係る排気システムの第９の実施形態の図である。

図１ａは、排気ガスの流れ１０３に直交して配向されたその排気ダクト１０２内のプラットフォーム１０１に含まれる触媒を有する従来のガスタービンシステム１００の図である。図１ａが示すように、高温高速でタービンシステム１００から流出する空気は、排気ガスがファン１０６によって供給される冷却空気と混合され得る、および／または送風機１０９によって導入されるＮＨ₃と高温煙道ガス１０８の混合物を有し得る移行段１０４を介して排気ダクト１０２に流入し、ＮＨ₃１０７および高温煙道ガス１０８は、必要に応じて、蒸発器／混合器１１１を通過する。ＮＨ₃１０７および高温煙道ガスを含み得る排気ガスは次いで、触媒１０１を通過するように付勢される。環境法によって必要とされる触媒は、ＮＯ_xを除去するためのものとすることができる。示されているように、触媒は、排気ダクト１０２を通るガスの流れ１０３に直交（垂直）である壁として従来通り配置されている。本明細書に示される従来の設計では、排気ガスの流れ１０３が急激に加速されて触媒壁を通過し、結果として好ましくない圧力の大きな低下につながり、ガスタービンの効率を損失させる。流れ１０３は、必要に応じて、ＣＯ触媒１１２のような追加の触媒を通過することができる。図１ａおよび図１ｂは、ガスタービンシステム１００の別の図を示している。

図２ａは、本発明に係る排気システムを有するガスタービンシステム２００の第１の実施形態の図である。第１の実施形態では、図１ａの壁状の触媒構造は、略Ｖ字形状の触媒２０１に代わりに置き換えられている。Ｖ字形状の触媒２０１は、Ｖの先端が排気ガスの流れ２０３の方向を向くように配向することができる。Ｖ字形状の触媒２０１は、Ｖ字形状の触媒のアームが排気ダクト上で従来の触媒と実質的に同じ位置または異なる位置にあり、Ｖ字形状はそこから外向きに突出するように配置されている。Ｖ字形状は、略楔状とすることができ、同一であってもよいし異なる長さでもよい２つの構造を備える。

この新規なシステムでは、従来の設計と比較して向上した触媒は、排気が通過する追加の断面領域を設ける。触媒２０１自体は、汚染物質、特にＮＯ_xを除去するための一連の孔を備えるハニカム設計とすることができる。排気流２０３は、新規な触媒構成に到達するように９０度以外の角度で触媒２０１に接触し、これによりエネルギー損失を軽減し、したがってシステムに対する圧力損失を軽減する。冷却流２０６は、触媒２０１が低下した温度で改良された機能を有することができるように、煙道ガス２０３と混合して２０３の温度を低下させることができる。混合煙道ガス２０３および冷却空気２０６は、流れ方向に相対的な角度で触媒２０１を通って流れる。このプロセスは、システムにさらなる滞留時間および断面領域を与え、アンモニアとＮＯｘの触媒反応を可能にする。一方、従来のシステムでは、小さい断面領域および低下／減少した滞留時間が、圧力の大きな低下およびそれに対応するガスタービンの効率の大きな低下をもたらす。図２ａおよび図２ｂは、ガスタービンシステム２００の図である。流れ２０３は、必要に応じて、本明細書に記載の非限定的な実施形態のいずれかに従って配置される従来の設計とすることができるＣＯ触媒２１２のような追加の触媒を通過することができる。

図３ａは、本発明に係る第２の実施形態を示す図である。本実施形態では、図２ａのＶ字形状は、排気ガスの流れ３０３の方向を向くように配向された円錐形状の触媒３０１に置き換えられている。図２ａの実施形態のＶ字形状を備える略平坦部の代わりに、図３ａは、図２ａのＶ字形状の触媒と同じ機能を実行する排気ダクト３０２内に配置された円錐形状を示している。円錐体は、排気ダクトの縁部の周囲にあり、排気ガスの流れ３０３の方向に狭くなる。代替となる実施形態では、触媒は、中空錐体構造として構成することができる。触媒構造の周囲の形状は、対応する排気ダクト３０２の形状によって決定される。円錐体は、その中心軸が排気ガスの流れ３０３と並ぶように配向することができる。あるいは円錐体は、排気ガスの流れ方向に対してゼロよりも大きい角度で配向された中心軸を有するように配向することができる。円錐体の一端部を画定する円形状（または矩形状）の縁部は、円錐体が配置されるセクション内に同心円状に配置してもよいし、排気セクションおよびそこを通過するガスの流れに対してオフセットまたは角度付けされてもよい。図３ａおよび図３ｂは、ガスタービンシステム３００の図である。流れ３０３は、必要に応じて、本明細書に記載の非限定的な実施形態のいずれかに従って配置される従来の設計とすることができるＣＯ触媒３１２のような追加の触媒を通過することができる。

図４ａは、本発明に係る第３の実施形態を示す図である。本実施形態では、排気ガスの流れに対して垂直に配向された従来の平坦な壁は、角度付けされた触媒壁４０１に置き換えられている。触媒は、排気ダクトに固定されて排気筒に向かって後方に延び、ここでそのさらに下流の端部はまた、実質的に排気ダクトに接触し、システムを出る前に触媒構造４０１を通過する排気ガスを必要とするように構成されている。角度付けされた壁の実施形態は、排気ダクト４０２内の代わりに、または排気ダクト４０２内に加えて出口筒内に配置することができる。図４ａおよび図４ｂは、ガスタービンシステム４００の図である。流れ４０３は、必要に応じて、本明細書に記載の非限定的な実施形態のいずれかに従って配置される従来の設計とすることができるＣＯ触媒４１２のような追加の触媒を通過することができる。

図５ａは、本発明に係る第４の実施形態を示す図である。本実施形態では、角度付けされた触媒は、実質的に階段形状の構成５０１として構成するように修正されている。かかる実施形態は、階段形状が、排気ガスの流れ５０３に直交するセグメントと、排気ガスの流れ５０３に平行な他のセグメントとから構成されるように配向することができる。別の構成では、階段形状の触媒５０１は、排気ガスの流れ５０３の方向に垂直でも平行でもないセグメントから構成されている。セグメントは、すべて同じ長さであってもよいし、セグメントは、長さが変化してもよい。セグメントは、すべてが互いに対して同じ角度の対で配向してもよいし、セグメントは、様々な角度で配向してもよい。具体的に選択される角度は、利用される特定の排気ダクト５０２の構造に依存する。図５ａおよび図５ｂは、ガスタービンシステム５００の図である。流れ５０３は、必要に応じて、本明細書に記載の非限定的な実施形態のいずれかに従って配置される従来の設計とすることができるＣＯ触媒５１２のような追加の触媒を通過することができる。

図６ａは、本発明に係る第５の実施形態を示す図である。図６ａは、図２ａのＶ字形状を反転する。本実施形態では、触媒の楔６０１は、排気ガスの流れ６０３と反対側の方向を向いている。この構成では、排気ガスは、触媒を通過する前に外側に分割され、付勢される。ここでＶ字形状は、その楔内の気流を囲む図２ａのＶ字形状とは異なり、触媒を通過する前に排気流６０３を分割するという利点をもたらす。両方の構成は、追加の滞留時間および表面領域が排気流にもたらされるという点で、従来の設計に勝る利点をもたらす。図６ａおよび図６ｂは、ガスタービンシステム６００の図である。流れ６０３は、必要に応じて、本明細書に記載の非限定的な実施形態のいずれかに従って配置される従来の設計とすることができるＣＯ触媒６１２のような追加の触媒を通過することができる。

図７ａは、本発明に係る第６の実施形態を示す図である。図７ａは、図３ａの円錐形状を反転する。本実施形態では、触媒の円錐体７０１は、排気ガスの流れ７０３と反対側の方向を向いている。この構成では、排気ガスは、触媒を通過する前に外側に分割され、付勢される。ここで円錐形状は、その円錐体内の気流を囲む図３ａの円錐形状とは異なり、触媒を通過する前に排気流を分割するという利点をもたらす。両方の構成は、追加の時間および表面領域が排気流にもたらされるという点で、従来の設計に勝る利点をもたらす。図７ａおよび図７ｂは、ガスタービンシステム７００の図である。流れ７０３は、必要に応じて、本明細書に記載の非限定的な実施形態のいずれかに従って配置される従来の設計とすることができるＣＯ触媒７１２のような追加の触媒を通過することができる。

図８ａは、本発明に係る第７の実施形態を示す図である。図８ａには、図２ａおよび図６ａのＶ字形状に追加された階段形状の構成を有する触媒８０１が設けられている。図２ａおよび図６ａのＶ字形状に適用された図５ａに示す階段形状を利用することはさらに、触媒８０１を通ってさらに排気ガスを通過させること、および圧力低下の影響を低減することを支援する追加の表面領域をもたらす。図８ａおよび図８ｂは、ガスタービンシステム８００の図である。流れ８０３は、必要に応じて、本明細書に記載の非限定的な実施形態のいずれかに従って配置される従来の設計とすることができるＣＯ触媒８１２のような追加の触媒を通過することができる。

図９ａは、本発明に係る第８の実施形態を示す図である。図９ａには、図３ａおよび図７ａの円錐形状に追加された階段形状の構成を有する触媒９０１が設けられている。図３ａおよび図７ａの円錐形状に適用された図５ａに示す階段形状を利用することはさらに、触媒９０１を通ってさらに排気ガスを通過させること、および圧力低下の影響を低減することを支援する追加の表面領域をもたらす。図９ａおよび図９ｂは、ガスタービンシステム９００の図である。流れ９０３は、必要に応じて、本明細書に記載の非限定的な実施形態のいずれかに従って配置される従来の設計とすることができるＣＯ触媒９１２のような追加の触媒を通過することができる。

図１０は、本発明に係る第９の実施形態を示す図である。図１０は、排気ダクト１００２ではなく筒１０１０に設けられた触媒１００１の代替の構成を示す。図２ａ〜９ａに関連して説明され示される触媒のための代替の構成のいずれかが、筒１０１０または排気ダクト１００２に設置されるように構成および配置することができる。触媒をさらに下流、すなわち筒内に移動させて排気ダクトを通過させることは、ガスに妨害なしに冷却および減速させるためのより多くの時間を提供する。追加の時間は、従来の設計に関連する圧力損失を減少させるのに役立つ。

煙道および／または排気ガスと触媒構造の相互作用の遅延は、より遅い速度で煙道および／または排気ガスに触媒を通過させ、触媒はＮＯ_xまたは他の汚染物質を除去することができる。より遅い速度は、従来利用可能でない複数の触媒構造設計のいずれかを使用して達成され、触媒の前面は、排気および／または煙道ガスの流れ方向に意図的に位置ずれされる。代替の構成および配置は、汚染物質、すなわち、ＮＯ_xの低減のために十分に大きい断面領域を効果的に形成する。

追加の表面領域は、排気ガス中の汚染物質により良好に触媒作用を及ぼすように機能するので、したがって汚染物質を除去すると同時に、従来のシステムに関連する圧力低下を大幅に減少させるためのより効率的かつ効果的なシステムである。実験によって、代替の設計は圧力低下を７０％以上減少させることが見出された。これに対応して、ガスタービンモデルによれば、本明細書に記載の代替の構成はまた、関連するガスタービンの電力出力の少なくとも５ＭＷ（メガワット）の増加につながり得る。さらに、排気ダクトのサイズを大きくする必要性を最小化することによって、コストが最大２０％減少した。

本出願の目的のために、「煙道ガス」および「排気ガス」は交換可能に使用され、ガスタービン発電プラントに関連する排気および／または煙道ガスの流れの経路で機能する触媒構造を説明する際に、本発明が有利な効果を有することを意味する。

本発明を、最も実用的で好適な実施形態であると現在考えられるものに関連して説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されず、反対に、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲内に含まれる様々な改変および等価な配置に及ぶことが意図されていることが理解されるべきである。

１００ガスタービンシステム
１０１プラットフォーム、触媒
１０２排気ダクト
１０３排気流、排気ガス、流れ方向
１０４移行段
１０６ファン
１０７ＮＨ₃
１０８高温煙道ガス
１０９送風機
１１１蒸発器／混合器
１１２ＣＯ触媒
２００ガスタービンシステム
２０１触媒
２０３排気流、煙道ガス、排気ガスの流れ
２０６冷却流、冷却空気
２１２ＣＯ触媒
３００ガスタービンシステム
３０１触媒
３０２排気ダクト
３０３排気ガスの流れ
３１２ＣＯ触媒
４００ガスタービンシステム
４０１触媒壁、触媒構造
４０２排気ダクト
４０３流れ
４１２ＣＯ触媒
５００ガスタービンシステム
５０１階段形状の触媒
５０２排気ダクト
５０３流れ
５１２ＣＯ触媒
６００ガスタービンシステム
６０１触媒の楔
６０３排気流
６１２ＣＯ触媒
７００ガスタービンシステム
７０１触媒の円錐体
７０３流れ
７１２ＣＯ触媒
８００ガスタービンシステム
８０１触媒
８０３流れ
８１２ＣＯ触媒
９００ガスタービンシステム
９０１触媒
９０３流れ
９１２ＣＯ触媒
１００１触媒
１００２排気ダクト
１０１０筒

Claims

ガスタービンエンジン（１００）からの排気ガス（１０３）と流体連通する排気ダクト（１０２）であって、前記排気ガス（１０３）は、流れ方向（１０３）に沿って前記排気ダクト（１０２）を通って流れる排気ダクト（１０２）と、
前記排気ガス（１０３）がプラットフォーム（１０１）を通過するように前記排気ダクト（１０２）の流路にまで及ぶ触媒支持プラットフォーム（１０１）であって、前記プラットフォーム（１０１）は、触媒被覆面を有する開口部を含み、前記触媒支持プラットフォーム（１０１）は、少なくとも部分的に前記流れ方向（１０３）に垂直ではない前面を有する触媒支持プラットフォーム（１０１）とを含む、ガスタービン発電プラント（１００）の排気セクション。
前記触媒支持プラットフォーム（３０１）が、円錐軸が前記流れ方向（３０３）に平行な略円錐形状である請求項１に記載のガスタービン発電プラント（３００）の排気セクション。
前記円錐形状（３０１）が、前記流れ方向（３０３）に収束するＶ字状断面を有する請求項２に記載のガスタービン発電プラント（３００）の排気セクション。
複数の前記開口部が、前記流れ方向（１０３）に対して１０〜９０度の範囲に配向する軸線を有する請求項１に記載のガスタービン発電プラント（１００）の排気セクション。
前記触媒支持プラットフォーム（４０１）が、１０〜９０度の範囲の前記流れ方向（４０３）に対する角度で平面に配向する請求項１に記載のガスタービン発電プラント（４００）の排気セクション。
前記触媒支持プラットフォーム（５０１）が、段を含む請求項１に記載のガスタービン発電プラント（５００）の排気セクション。
各段が、前記流れ方向（５０３）に実質的に垂直な平面に昇水管と、前記流れ方向（５０３）に実質的に平行な平面にトレッドとを含む請求項６に記載のガスタービン発電プラント（５００）の排気セクション。
前記触媒被覆面が、酸化または還元剤コーティングを含む請求項１に記載のガスタービン発電プラント（１００）の排気セクション。
移行ダクト（１０４）と、
排気ダクト（１０２）と、
排気出口筒（１１０）と、
前記排気ダクト（１０２）または排気出口筒（１１０）内の多孔質触媒支持プラットフォーム（１０１）とを備え、前記触媒支持プラットフォーム（１０１）は、ガスタービンエンジン（１００）からの排気がプラットフォーム（１０１）を通って流れるように排気流（１０３）路にわたって延び、前記触媒支持プラットフォーム（１０１）は、排気流（１０３）が１０〜９０度の範囲の排気流（１０３）の方向に対する角度で前記プラットフォーム（１０１）で触媒被覆開口部を通過するように配置されている、ガスタービン発電プラント（１００）の排気セクション。
前記触媒支持プラットフォーム（３０１）が、円錐軸が前記流れ方向（３０３）に平行な略円錐形状である請求項９に記載のガスタービン発電プラント（３００）の排気セクション。
前記円錐形状（２０１）が、前記流れ方向（２０３）に収束するＶ字状断面を有する請求項１０に記載のガスタービン発電プラント（２００）の排気セクション。
複数の前記開口部が、前記流れ方向（１０３）に対して１０〜９０度の範囲に配向する軸線を有する請求項９に記載のガスタービン発電プラント（１００）の排気セクション。
前記触媒支持プラットフォーム（４０１）が、１０〜９０度の範囲の前記流れ方向（４０３）に対する角度で平面に配向する請求項９に記載のガスタービン発電プラント（４００）の排気セクション。
前記触媒支持プラットフォーム（５０１）が、段を含む請求項９に記載のガスタービン発電プラント（５００）の排気セクション。
各段が、前記流れ方向（５０３）に実質的に垂直な平面に昇水管と、前記流れ方向（５０３）に実質的に平行な平面にトレッドとを含む請求項１４に記載のガスタービン発電プラント（５００）の排気セクション。
前記触媒被覆面が、酸化または還元剤コーティングを含む請求項９に記載のガスタービン発電プラント（１００）の排気セクション。
ガスタービンエンジンの排気ダクトに排出量削減触媒を配置するためのシステム