JP2019521269A

JP2019521269A - ガスタービン選択的触媒還元システムのための焼き戻し空気システム

Info

Publication number: JP2019521269A
Application number: JP2018560593A
Authority: JP
Inventors: タビク，アリ・ムスタファ; ブッシュマン，ジョン; チャルネツキ，ローレンス・ジョセフ; ヨハンソン，ラース−エリック
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2016-05-19
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2019-07-25
Also published as: KR20190009765A; WO2017200678A1; US20170335734A1; KR102334884B1; EP3458690A1

Abstract

本出願は、ガスタービン（１０）の燃焼ガス流（３５）と共に使用するための選択的触媒還元システム（１００）を提供する。選択的触媒還元システム（１００）は、フィンガーミキサー（１５０）およびいくつかのミキサープレート（２４５）を有する焼き戻し空気システム（１４０）と、焼き戻し空気システム（１４０）の下流に配置された触媒（１３０）と、を含むことができる。焼き戻し空気システム（１４０）は、燃焼ガス流（３５）が触媒（１３０）に到達する前に燃焼ガス流（３５）を冷却する。【選択図】図１

Description

本出願およびその結果の特許は、一般にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、ガスタービン選択的触媒還元システムで使用するための高温燃焼ガスの温度を低下させるための焼き戻し空気システムに関する。

ガスタービンエンジンの燃焼プロセスでは、窒素酸化物および他のタイプの規制された排出物が生成される。窒素酸化物排出物の全体レベルを低減するための１つの解決策は、選択的触媒還元システムの使用である。一般的に説明すると、選択的触媒還元システムは、窒素酸化物および還元剤を選択的に吸収するように、流れを触媒床に通す前に、燃焼ガス流に還元剤、通常アンモニアまたは尿素を添加する。吸収された成分は触媒表面上で化学反応を起こし、反応生成物が脱離される。具体的には、反応物は燃焼ガス流中の窒素酸化物と反応して水と窒素を生成する。他のタイプの触媒および他のタイプの還元剤を使用することができる。

選択的触媒還元システムの全体的な効率は、部分的には燃焼ガス流の温度に依存する場合がある。具体的には、選択的触媒還元システムの効率的な温度範囲は比較的狭い。そのため、高温の燃焼ガス流は、一般に、触媒に達する前に冷却されなければならない。さらに、ガス流は、触媒の上流の均一温度プロファイルに到達しなければならない。

国際公開第２０１５／０７０１５５号明細書

本出願および得られた特許は、ガスタービンの燃焼ガス流と共に使用するための選択的触媒還元システムを提供する。選択的触媒還元システムは、フィンガーミキサーおよび多数のミキサープレートを有する焼き戻し空気システムと、焼き戻し空気システムの下流に配置された触媒と、を含むことができる。焼き戻し空気システムは、燃焼ガス流を冷却し、燃焼ガス流が触媒に到達する前に温度プロファイルを均一化する。

本出願および得られた特許は、ガスタービンエンジンの燃焼ガス流により選択的触媒還元システムを動作させる方法をさらに提供する。本方法は、燃焼ガス流を選択的触媒還元システム内に流すステップと、冷却空気流を燃焼ガス流内に注入するステップと、燃焼ガス流と冷却空気流とをいくつかのミキサープレートで混合するステップと、混合された流れを触媒で反応させるステップと、を含むことができる。

本出願および得られた特許は、選択的触媒還元システムに入る燃焼ガス流と共に使用するための焼き戻し空気システムをさらに提供する。焼き戻し空気システムは、冷却空気流と、冷却空気流を燃焼ガス流に注入するためのフィンガーミキサーと、フィンガーミキサーの下流に配置され、冷却空気流と燃焼ガス流とを実質的に均一なプロファイルに混合するいくつかのミキサープレートと、を含むことができる。

本出願および得られた特許のこれらのおよび他の特徴もしくは改良は、いくつかの図面および添付の特許請求の範囲と併せて、以下の詳細な説明を検討することにより当業者には明らかになるであろう。

圧縮機、燃焼器、タービン、負荷、および選択的触媒還元システムを示すガスタービンエンジンの概略図である。本明細書に記載することができる選択的触媒還元システムの部分斜視図である。図２の選択的触媒還元システムと共に使用することができるフィンガーミキサーの側面平面図である。図２の選択的触媒還元システムと共に使用することができる三角形／楕円形ミキサーの部分斜視図である。

ここで図面を参照すると、いくつかの図面を通して同一の符号は同一の要素を示し、図１は、本明細書で使用することができるガスタービンエンジン１０の概略図を示す。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含むことができる。圧縮機１５は、流入する空気２０の流れを圧縮する。圧縮機１５は、圧縮された空気２０の流れを燃焼器２５に供給する。燃焼器２５は、圧縮された空気２０の流れを加圧された燃料３０の流れと混合し、その混合物に点火して、燃焼ガス流３５を生成する。燃焼器２５を１つのみ示しているが、ガスタービンエンジン１０は、円周方向アレイなどに配置された任意の数の燃焼器２５を含むことができる。燃焼ガス流３５は、次いでタービン４０に送られる。燃焼ガス流３５は、タービン４０を駆動して機械的仕事を発生する。タービン４０で発生した機械的仕事は、シャフト４５および発電機などの外部負荷５０を介して圧縮機１５を駆動する。

ガスタービンエンジン１０では、天然ガス、各種合成ガス、液体燃料、および／または他のタイプの燃料、ならびにこれらの配合物を使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成を有してもよく、かつ他のタイプの構成要素を使用してもよい。他のタイプのガスタービンエンジンもまた、本明細書で使用することができる。複数のガスタービンエンジン、他のタイプのタービン、および他のタイプの発電機器もまた、共に本明細書で使用することができる。

ガスタービンエンジン１０はまた、選択的触媒還元システム５５を含むことができる。選択的触媒還元システム５５は、タービン４０の下流に配置することができ、ある長さのダクト６０などを介して連通することができる。上述のように、選択的触媒還元システム５５は、燃焼ガス流３５と反応するようにその中に触媒６５を含むことができる。多くの異なるタイプの選択的触媒還元システム５５および触媒６５を本明細書で使用することができる。

図２は、本明細書に記載することができる選択的触媒還元システム１００の一例の概略図を示す。選択的触媒還元システム１００は、ガスタービンエンジン１０などと共に使用することができる。選択的触媒還元システム１００は、入口部１１０を含むことができる。入口部１１０は、ダクト６０などを介してタービン４０からの燃焼ガス流３５と連通することができる。入口部１１０は、任意の適切なサイズ、形状、または構成を有してもよい。入口部１１０は、ディフューザ部１２０に通じてもよい。ディフューザ部１２０は、燃焼ガス流３５を、増加した静圧で断面積が流れの方向に徐々に増加するケーシング通って導くことができる。ディフューザ部１２０は、任意の適切なサイズ、形状、または構成を有してもよい。触媒１３０は、ディフューザ部１２０の周りに配置することができる。触媒１３０は、従来の設計であってもよく、適切な担体および活性触媒成分から製造されてもよい。種々のタイプの触媒１３０を本明細書で使用することができる。触媒１３０は、任意の適切なサイズ、形状、または構成を有してもよい。注入器（図示せず）は、燃焼ガス流３５に還元剤を注入するために触媒１３０の周りに配置されてもよい。他の構成要素および他の構成を、本明細書で使用してもよい。

選択的触媒還元システム１００はまた、焼き戻し空気システム１４０を含むことができる。焼き戻し空気システム１４０は、流入する燃焼ガス流３５と一列に並ぶように入口部１１０の周りに配置することができる。焼き戻し空気システム１４０は、流れ３５が触媒１３０に到達する前に、燃焼ガス流３５の温度を低下させることができる。

焼き戻し空気システム１４０は、フィンガーミキサー１５０を含むことができる。一般的に説明すると、フィンガーミキサー１５０は、燃焼ガス流３５内に突出するいくつかのフィンガー状要素を含むことができる。図３に示すように、フィンガーミキサー１５０は、入口空気ダクト１６０を含むことができる。入口空気ダクト１６０は、冷却空気流１７５を提供するように、空気供給部１７０または他のタイプの空気移動装置と連通してもよい。空気供給部１７０は、従来の設計であってもよく、任意の適切なサイズ、形状、または容量を有してもよい。

フィンガーミキサー１５０の入口空気ダクト１６０は、いくつかのフィンガーダクト１８０と連通してもよい。この例では、第１のフィンガーダクト１９０、第２のフィンガーダクト２００、および第３のフィンガーダクト２１０が示されているが、任意の数のフィンガーダクト１８０を本明細書で使用することができる。フィンガーダクト１８０は、長方形または正方形の断面形状などを有する管状要素の形態であってもよい。フィンガーダクト１８０は、互いに隣接して配置されてもよい。フィンガーダクト１８０は、第１のフィンガーダクト１９０が最も長く、徐々に短くなる長さを有し、したがって、次のフィンガーダクト１８０と比較して、燃焼ガス流３５の流れの中にさらに浸透することができる。図示するように、フィンガーダクト１８０のアセンブリアレイは、実質的に三角形の構成などを有してもよい。フィンガーダクト１８０の各々は、入口空気ダクト１６０と連通する入口２２０と、冷却空気流１７５を注入するように燃焼ガス流３５の周りに配置された出口２３０と、を有する。複数の出口２３０もまた、フィンガーダクト１８０の各々の長さに沿って使用されてもよい。フィンガーダクト１８０は、任意の適切なサイズ、形状、または構成を有することができる。他の構成要素および他の構成を、本明細書で使用してもよい。

焼き戻し空気システム１４０はまた、三角楕円形ミキサー２４０を含むことができる。三角楕円形ミキサー２４０は、フィンガーミキサー１５０の下流に配置することができる。三角楕円形ミキサー２４０は、いくつかのミキサープレート２４５を含むことができる。ミキサープレート２４５は、開いた、実質的に三角形または楕円形状の構成２５０を有することができる。具体的には、ミキサープレート２４５の各々は、開いた頂端部２７０と開いた底端部２８０とを有する一対の三角形の側部プレート２６０を含むことができる。あるいは、側端部２６０は、三角形の頂部プレート２７０および三角形の底部プレート２８０で開いていてもよい。本明細書では、他の代替例を使用してもよい。ミキサープレート２４５は、任意の適切なサイズ、形状、または構成を有することができる。任意の数のミキサープレート２４５を本明細書で使用することができる。ミキサープレート２４５は、任意の適切な数の行および列を用いて任意の適切な高さに積み重ねることができる。ガス流を逸らせる任意の形状を本明細書で使用することができる。本明細書では、他の構成要素および構成が使用されてもよい。

使用時には、タービン４０からの高温の燃焼ガス流３５が、ダクト６０を介して選択的触媒還元システム１００の入口部１１０に入る。高温の燃焼ガス流３５は、フィンガーミキサー１５０のフィンガーダクト１８０を通ってその周りを通過し、一方、空気供給部１７０および入口ダクト１６０からの冷却空気流１７５は、フィンガーダクト１８０の出口２３０を通って燃焼ガス流３５内に注入される。したがって、燃焼ガス流３５および冷却空気流１７５は、全体の流れの温度を低下させるように混合する。このような混合は、燃焼ガス流３５および冷却空気流１７５が三角楕円形ミキサー２４０のミキサープレート２４５を通って流れるにつれて、さらに促進される。さらに、三角楕円形ミキサー２４０はまた、流れの温度プロファイルを均一化する。ここで冷却された燃焼ガス流３５は、ディフューザ部１２０および触媒１３０を通過して、それと反応することができる。

したがって、焼き戻し空気システム１４０を有する選択的触媒還元システム１００は、タービン４０からの燃焼ガス流３５を触媒１３０の効率的な使用のための適切な温度範囲内に冷却する。具体的には、フィンガーミキサー１５０が適切な量の冷却空気流１７５を注入し、三角楕円形ミキサー２４０が流れを安定化させ、触媒１３０への全体の流れ分布を改善する。焼き戻し空気システム１４０はまた、均一な流れプロファイルを有する流れを冷却することを必要とする、選択的触媒還元システム以外のプロセスにおいても使用することができる。

上記は、本出願および得られる特許の特定の実施形態のみに関するものであることは明らかである。当業者であれば、以下の特許請求の範囲およびその均等物により定義される本発明の一般的な趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書において多くの変更および修正を行うことができる。
［実施態様１］
ガスタービン（４０）の燃焼ガス流（３５）と共に使用するための選択的触媒還元システム（１００）であって、フィンガーミキサー（１５０）と複数のミキサープレート（２４５）とを含む焼き戻し空気システム（１４０）と、前記焼き戻し空気システム（１４０）の下流に配置された触媒（１３０）と、を含み、前記燃焼ガス流（３５）が前記触媒（１３０）に到達する前に、前記焼き戻し空気システム（１４０）が前記燃焼ガス流（３５）を冷却する、選択的触媒還元システム（１００）。
［実施態様２］
前記焼き戻し空気システム（１４０）の前記フィンガーミキサー（１５０）は、前記燃焼ガス流（３５）に冷却空気流（１７５）を注入する、実施態様１に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
［実施態様３］
前記フィンガーミキサー（１５０）は、前記冷却空気流（１７５）のための空気供給部（１７０）を含む、実施態様２に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
［実施態様４］
前記フィンガーミキサー（１５０）は、前記空気供給部（１７０）と連通する入口空気ダクト（１６０）を含む、実施態様３に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
［実施態様５］
前記フィンガーミキサー（１５０）は、複数のフィンガーダクト（１８０）を含む、実施態様４に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
［実施態様６］
前記複数のフィンガーダクト（１８０）は、前記入口空気ダクト（１６０）と連通する入口（２２０）と、前記冷却空気流（１７５）を前記燃焼ガス流（３５）に注入するための出口（２３０）と、を含む、実施態様５に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
［実施態様７］
前記フィンガーミキサー（１５０）は、長さが徐々に短縮された複数のフィンガーダクト（１８０）を含む、実施態様１に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
［実施態様８］
前記複数のフィンガーダクト（１８０）は、実質的な三角形の構成を含む、実施態様７に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
［実施態様９］
前記複数のミキサープレート（２４５）は、一対の三角形の側部プレート（２６０）を含む、実施態様１に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
［実施態様１０］
前記複数のミキサープレート（２４５）は、三角形の頂部プレート（２７０）および三角形の底部プレート（２８０）を含む、実施態様１に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
［実施態様１１］
前記複数のミキサープレート（２４５）は、複数の列および複数の行に配置される、実施態様１に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
［実施態様１２］
前記複数のミキサープレート（２４５）は、三角形および／または楕円形の構成を含む、実施態様１に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
［実施態様１３］
前記焼き戻し空気システム（１４０）は、入口部（１１０）の周りに配置される、実施態様１に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
［実施態様１４］
前記触媒（１３０）は、ディフューザ部（１２０）の周りに配置される、実施態様１３に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
［実施態様１５］
ガスタービンエンジン（１０）の燃焼ガス流（３５）を用いて選択的触媒還元システム（１００）を動作させる方法であって、前記燃焼ガス流（３５）を前記選択的触媒還元システム（１００）内に流すステップと、冷却空気流（１７５）を前記燃焼ガス流（３５）内に注入するステップと、前記燃焼ガス流（３５）と前記冷却空気流（１７５）とを複数のミキサープレート（２４５）で混合するステップと、前記混合された流れを触媒（１３０）と反応させるステップと、を含む方法。
［実施態様１６］
選択的触媒還元システム（１００）に入る燃焼ガス流（３５）と共に使用するための焼き戻し空気システム（１４０）であって、冷却空気流（１７５）と、前記冷却空気流（１７５）を前記燃焼ガス流（３５）内に注入するためのフィンガーミキサー（１５０）と、前記フィンガーミキサー（１５０）の下流に配置され、前記冷却空気流（１７５）と前記燃焼ガス流（３５）とを実質的に均一なプロファイルに混合するための複数のミキサープレート（２４５）と、を含む焼き戻し空気システム（１４０）。
［実施態様１７］
前記フィンガーミキサー（１５０）は、前記冷却空気流（１７５）のための空気供給部（１７０）を含む、実施態様１６に記載の焼き戻し空気システム（１４０）。
［実施態様１８］
前記フィンガーミキサー（１５０）は、長さが徐々に短縮された複数のフィンガーダクト（１８０）を含む、実施態様１６に記載の焼き戻し空気システム（１４０）。
［実施態様１９］
前記複数のミキサープレート（２４５）は、一対の三角形の側部プレート（２６０）または三角形の頂部プレート（２７０）と三角形の底部プレート（２８０）を含む、実施態様１６に記載の焼き戻し空気システム（１４０）。
［実施態様２０］
前記複数のミキサープレート（２４５）は、三角形および／または楕円形の構成を含む、実施態様１６に記載の焼き戻し空気システム（１４０）。

１０ガスタービンエンジン
１５圧縮機
２０空気
２５燃焼器
３０燃料
３５燃焼ガス流
４０タービン
４５シャフト
５０外部負荷
５５選択的触媒還元システム
６０ダクト
６５触媒
１００選択的触媒還元システム
１１０入口部
１２０ディフューザ部
１３０触媒
１４０焼き戻し空気システム
１５０フィンガーミキサー
１６０入口空気ダクト
１７０空気供給部
１７５冷却空気流
１８０フィンガーダクト
１９０第１のフィンガーダクト
２００第２のフィンガーダクト
２１０第３のフィンガーダクト
２２０入口
２３０出口
２４０三角楕円形ミキサー
２４５ミキサープレート
２５０実質的に三角形または楕円形状の構成
２６０側部プレート／側端部
２７０頂部プレート／頂端部
２８０底部プレート／底端部

Claims

ガスタービン（４０）の燃焼ガス流（３５）と共に使用するための選択的触媒還元システム（１００）であって、フィンガーミキサー（１５０）と複数のミキサープレート（２４５）とを含む焼き戻し空気システム（１４０）と、前記焼き戻し空気システム（１４０）の下流に配置された触媒（１３０）と、を含み、前記燃焼ガス流（３５）が前記触媒（１３０）に到達する前に、前記焼き戻し空気システム（１４０）が前記燃焼ガス流（３５）を冷却する、選択的触媒還元システム（１００）。
前記焼き戻し空気システム（１４０）の前記フィンガーミキサー（１５０）は、前記燃焼ガス流（３５）に冷却空気流（１７５）を注入する、請求項１に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
前記フィンガーミキサー（１５０）は、前記冷却空気流（１７５）のためのファン（１７０）を含む、請求項２に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
前記フィンガーミキサー（１５０）は、前記ファン（１７０）と連通する入口空気ダクト（１６０）を含む、請求項３に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
前記フィンガーミキサー（１５０）は、複数のフィンガーダクト（１８０）を含む、請求項４に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
前記複数のフィンガーダクト（１８０）は、前記入口空気ダクト（１６０）と連通する入口（２２０）と、前記冷却空気流（１７５）を前記燃焼ガス流（３５）に注入するための出口（２３０）と、を含む、請求項５に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
前記フィンガーミキサー（１５０）は、長さが徐々に短縮された複数のフィンガーダクト（１８０）を含む、請求項１に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
前記複数のフィンガーダクト（１８０）は、実質的な三角形の構成を含む、請求項７に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
前記複数のミキサープレート（２４５）は、一対の三角形の側部プレート（２６０）を含む、請求項１に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
前記複数のミキサープレート（２４５）は、三角形の頂部プレート（２７０）および底端部（２８０）を含む、請求項９に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
前記複数のミキサープレート（２４５）は、複数の列および複数の行に配置される、請求項１に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
前記複数のミキサープレート（２４５）は、三角形および／または楕円形の構成を含む、請求項１に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
前記焼き戻し空気システム（１４０）は、入口部（１１０）の周りに配置される、請求項１に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
前記触媒（１３０）は、ディフューザ部（１２０）の周りに配置される、請求項１３に記載の選択的触媒還元システム（１００）。
ガスタービンエンジン（１０）の燃焼ガス流（３５）を用いて選択的触媒還元システム（１００）を動作させる方法であって、前記燃焼ガス流（３５）を前記選択的触媒還元システム（１００）内に流すステップと、冷却空気流（１７５）を前記燃焼ガス流（３５）内に注入するステップと、前記燃焼ガス流（３５）と前記冷却空気流（１７５）とを複数のミキサープレート（２４５）で混合するステップと、前記混合された流れを触媒（１３０）と反応させるステップと、を含む方法。