JP2020507031A - 希釈選択的触媒還元システムを備える、化石燃料を動力源とするエンジンのための排気ダクト - Google Patents

希釈選択的触媒還元システムを備える、化石燃料を動力源とするエンジンのための排気ダクト Download PDF

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Abstract

本発明は、排ガス通路(61)と、冷却流体通路(62)と、冷却流体(58)を高温排ガスと混合させるための混合デバイス(31)と、排ガス通路(61)内に配置された、窒素酸化物(NOx)を除去するための選択的触媒還元触媒(39)と、還元剤(36)を供給するための少なくとも第1の手段(34)と、を備える、化石燃料を動力源とするエンジン(26)のための排気ダクト(60)に関する。本発明は、エンジンの動作中に汚染物質の排出を減少させることを可能にする排気ダクトを規定するという目的に基づいている。目的は、混合デバイス(31)が、第1の壁部(51)及び反対側の第2の壁部(52)を有する混合チャンバ(50)を備え、第1の壁部及び第2の壁部が、排ガス通路内で選択的触媒還元触媒(39)の上流に配置され、排ガス通路の断面積(64)にわたって延在し、双方の壁部が、貫通孔(54)によって有孔とされ、第1の壁部の貫通孔が、混合チャンバを通って延在するパイプ(55)によって、第2の壁部の貫通孔とペアで接続され、パイプが、混合チャンバ内への少なくとも1つの孔(56)によって有孔とされ、冷却流体通路(62)が、混合チャンバ内に終端するという本発明によって達成される。

Description

本発明は、希釈選択的触媒還元システムを備える、化石燃料を動力源とするエンジンのための排気ダクトに関する。
排気ダクトは、排ガス通路と、冷却流体通路と、冷却流体を高温排ガスと混合させるための混合デバイスと、窒素酸化物(NOx)を除去するために排ガス通路内に配置された少なくとも1つの選択的触媒還元触媒(SCR触媒)と、還元剤を供給するための少なくとも第1の手段と、を備えている。
これに加えて、本発明は、このような排気ダクトのための混合デバイスと、発電所と、に関する。
本発明は、化石燃料を動力源とするエンジンの廃ガス浄化の分野、特に、単純サイクルガスタービンのための廃ガス浄化の分野と、ガスタービン、優先的には単純サイクルガスタービンを備える発電所と、に関する。化石燃料を動力源とするエンジンによって放出される排ガス中には、さまざまな有害物質が、化石燃料の燃焼に起因して含まれている。このような有害物質は、一酸化炭素(CO)及び窒素酸化物(NOx)を含む。これらの有害物質の放出量の規制は、強化されてきており、このため、煙道ガスをクリーンにするために最先端のシステムを改良することを必要とする。
単純サイクルガスタービンは、ピーク時の電力需要の間、発電のために使用される。これらのガスタービンは、比較的短い期間に、かつしばしば部分負荷で動作する。単純サイクルガスタービンを有する発電所は、ガスタービン及び蒸気タービンを備える複合サイクル発電所と比較して、1つのみの動力サイクルを有する。ガスタービンを有するほとんどの発電所は、処理することなく煙道ガスを大気中に出す。除去すべき化合物は、主に、窒素酸化物(NOx)及び一酸化炭素(CO)である。
双方の物質の除去のために、単純サイクルガスタービンの煙道ガスをクリーンにするための触媒プロセスを使用することが提案されてきた。触媒(触媒体)は、ほとんどのタービン排気温度(およそ600℃)よりも低い425℃までの温度に耐えることができる。単純サイクルガスタービンの排ガスからNOxを除去するための提案されたプロセスは、選択的触媒還元(SCR)として公知であり、煙道ガスが選択的触媒還元触媒体を通過する前に煙道ガス内に還元剤(アンモニアNH及び/又は尿素)を噴射することを含む。希釈システムが、廃ガススチームに低温外気を供給することによって触媒体にとって適切な温度まで煙道ガスを冷却するために提案されてきた。NOxを除去するためのこのような触媒プロセスは、希釈SCRと称される。単純サイクルガスタービンの排ガスからCOを除去するための提案されたプロセスは、触媒体を使用する。
単純サイクルガスタービンの排気ダクトが、提案された希釈SCRシステムを備えている場合、
− 高温煙道ガスと冷却ガスとの不十分な混合。
− 異なるガスタービン負荷での異なるNOx濃度分布。還元剤、アンモニア及び/又は尿素の噴射は、NOx濃度分布と対応させられる必要があり、これは、希釈SCRシステムを備えたガスタービンの排気ダクトではほとんど不可能である。
− 単純サイクルガスタービンの部分負荷動作でのガスタービン排気速度分布が、全負荷のガスタービン排気速度分布と非常に異なる。これは、触媒体での非常に不均一な速度分布につながる可能性がある。これは、触媒体にわたって変化する滞留時間をもたらし、NOx及び還元剤の不十分な転換(NHスリップと称される、転換されていないアンモニア及び/又は尿素が触媒体を出ていくこと)につながる可能性がある。
の問題のいくつかが生じる可能性がある。
本発明は、動作中に汚染物質の排出を減少させることを可能にする、化石燃料を動力源とするエンジン、優先的には単純サイクルガスタービンのための冒頭に記載されたタイプの排気ダクトと、当該排気ダクトによって含まれる混合デバイスと、ガスタービン及び排気ダクトを備える発電所と、を規定するという目的に基づいている。
目的は、冒頭に記載されたタイプの排気ダクトの場合に、混合デバイスが、第1の壁部及び反対側の第2の壁部を有する混合チャンバを備え、第1の壁部及び第2の壁部が、排ガス通路内で選択的触媒還元触媒の上流に配置され、排ガス通路の断面積にわたって延在し、双方の壁部が、貫通孔によって有孔とされ、第1の壁部の貫通孔が、混合チャンバを通って延在するパイプによって、第2の壁部の貫通孔とペアで接続され、パイプが、混合チャンバ内への少なくとも1つの孔によって有孔とされ、冷却流体通路が、混合チャンバ内に終端する、本発明により達成される。
冷却流体は、外気もしくは冷却ガス又は冷却空気/ガスとスチームもしくは蒸気もしくは液滴との混合物であってもよい。
混合チャンバの第1の壁部及び第2の壁部は、貫通孔によって有孔とされたプレートとして構築されてもよい。
従って、排ガス通路内に冷却流体を供給するために、本発明による混合チャンバを有する排気ダクトを備えることが提案される。本発明による混合チャンバは、排ガス通路の断面積にわたって煙道ガスの速度分布を均質にする、煙道ガスのための整流器のように作用する。これに加えて、混合チャンバは、冷却流体噴射器のように作用し、冷却流体(例えば外気)は、排ガス通路内に均質な方式で噴射され、混合チャンバからパイプ内に吸引される冷却流体の量がパイプ内の静圧に起因してパイプ内の煙道ガスの速度とともに増大するという利点を有する。これは、化石燃料を動力源とするエンジンの動作状態が変化することに起因して煙道ガスの速度分布が異なる場合に、混合スチームの冷却流体と煙道ガスとの割合をより一定に維持する。冷却流体と煙道ガスとのより一定の割合は、少なくとも1つの触媒体での最適化された状態に起因して汚染物質の排出を減少させる、少なくとも1つの触媒体での均質な温度及び速度分布をもたらす。混合チャンバは、排ガス通路内に噴射される冷却流体の量に関して自己調整式に働く。
本発明の有利な構成は、以下の説明及び従属請求項に記載され、それらの特徴は、個々に適用されても、互いに任意の組み合わせで適用されてもよい。
有利には、還元剤を供給するための第1の手段が、還元剤が冷却流体通路内に供給されるように構成されることが規定される。
冷却流体通路の冷却流体の速度分布が、異なるガスタービン負荷、そして排ガス通路内での廃ガス速度によって与えられる影響がより小さくなるので、還元剤と冷却流体とのより一定の割合が生じ、冷却流体及び還元剤が、ともに混合チャンバを介して煙道ガス内に噴射され、この結果、還元剤を排ガス通路内に直接噴射する最先端の技術の場合よりも還元剤と煙道ガスとの間の割合が一定となる。還元剤と煙道ガスとの間のより小さい変動割合(減少されたNHスリップ)に起因して、汚染物質の排出が減少される。
有利には、還元剤を供給するための第1の手段が、還元剤が冷却流体通路の冷却流体ファンの流体吸入部で噴射されるように構成されることがさらに規定される。
還元剤及び冷却流体は、還元剤と冷却流体との均質な混合物をもたらす冷却流体ファンによって混合させられる。
還元剤を供給するための第1の手段が、尿素成分及び/又はアンモニア(NH3)成分を含む還元剤を供給するように構成されることが有利であるとも考えられる。
還元剤としてのアンモニア又は尿素の使用は、選択的触媒還元にとって十分に証明されている。
還元剤を供給するための第1の手段が、液体又は蒸気である還元剤を冷却流体内に噴霧するように構成された1つ以上の噴射ノズルを備えることが有利であるとも考えられる。
混合チャンバのパイプが、パイプを通って流れる排ガスの乱流を増大させるための少なくとも1つのタービュレータを内側に備えることが有利であるとも考えられる。
これは、還元剤を含む冷却流体と煙道ガスとの改善された混合をもたらし、煙道ガス中のNOxの除去を増大させる。タービュレータは、フィン又は止まり孔として構築することができる。パイプは、スロットル付きパイプとして内側で構築することができる。
第1の壁部及び第2の壁部における貫通孔の断面積の和が、排ガス通路の流入部と排ガス通路の下流出口との間の圧力降下を25mbar以下に維持するように構成され、優先的には和が、第1の壁部及び第2の壁部の表面積の25%であることが有利であるとも考えられる。
混合チャンバにおける第1の壁部での前方側と第2の壁部での逆側との間の圧力降下は、発電所のための単純サイクルガスタービンの排気ダクトについて排ガス通路の流入部と排ガス通路の下流出口との間の25mbar以下の圧力降下の条件を満たすために、例えば11mbarである。貫通孔の断面積の和が、発電所のための単純サイクルガスタービンの排気ダクトの寸法に対して第1の壁部及び第2の壁部の表面の25%である場合、混合チャンバは、例えば150のパイプを備えている。
第1の壁部及び第2の壁部を貫通する貫通孔の開口部が、第1の壁部及び第2の壁部の表面で均一に分配されることが有利であるとも考えられる。
これは、整流器として作用する混合チャンバの能力を改善する。
本発明のさらなる目的は、動作中に汚染物質の排出を減少させることを可能にする、ガスタービン、優先的には単純サイクルガスタービンと、排気ダクトと、を備える発電所を規定することである。
このために、発電所の排気ダクトは、請求項1から8のいずれかで規定されるように実現される。
本発明のさらなる目的は、動作中に汚染物質の排出を減少させることを可能にする、冷却流体を高温排ガスと混合させるための、化石燃料を動力源とするエンジンのための冒頭で記載されたタイプの排気ダクト用の混合デバイスを規定することである。
このために規定された混合デバイスは、冷却流体を高温排ガスと混合させるための排気ダクト用の混合チャンバであって、第1の壁部及び反対側の第2の壁部と、排気ダクトの冷却流体通路のための少なくとも1つの入口と、を備え、第1の壁部及び第2の壁部が、排気ダクトの排ガス通路内に配置されるように構成され、かつ排ガス通路の断面積にわたって延在するように構成され、第1の壁部及び第2の壁部双方が、貫通孔によって有孔とされ、第1の壁部の貫通孔が、混合チャンバを通って延在するパイプによって、第2の壁部の貫通孔とペアで接続され、パイプが、混合チャンバ内への少なくとも1つの孔によって有孔とされている、混合チャンバで実現される。
さらなる都合の良い構成及び利点は、図面の図を参照する本発明の例示的な実施形態の説明によって提供され、図面中において、同じ機能を有する構成要素は、同じ参照符号によって指定される。
従来技術のガスタービンの長手方向断面での概略図である。 単純サイクルガスタービンを有する発電所の概略図である。 希釈SCRシステムを有する提案された技術によるガスタービンのための排気ダクトの長手方向断面での概略図である。 本発明による混合チャンバの概略斜視図である。 本発明による混合チャンバのパイプの概略斜視図である。 本発明による排気ダクトの概略斜視図である。
図1は、概略的に簡素化された表し方で、従来技術によるガスタービン1の断面図を示す。ガスタービン1の内部では、ガスタービン1は、ロータ3を有し、ロータ3は、回転軸2周りで回転可能となるように取り付けられ、シャフト4を有し、タービンロータとも称される。ロータ3に沿って、吸入ハウジング6と、コンプレッサ8と、バーナー11、バーナーのための燃料供給システム(図示せず)及び燃焼チャンバハウジング12を有するバーナー装置をそれぞれ備える1つ以上の燃焼チャンバ10を有する燃焼システム9と、タービン14と、排気ダクト15と、が連続して設けられている。燃焼チャンバ10は、例えば環状燃焼チャンバである。
図1に表された燃焼システム9は、例えば環状の高温ガスチャネルと連通する。高温ガスチャネルでは、複数のタービン段が連続して接続されてタービン14を構成している。各タービン段は、ブレードリングによって構成されている。作動媒体の流れ方向で見ると、高温チャネル内では、一列のロータブレード18が一列のガイドブレード17に続いている。この場合、ガイドブレード17は、ステータ19の内部ハウジングに固定される一方で、一列のロータブレード18は、例えばタービンディスクによりロータ3に取り付けられている。例えば、発電機(図示せず)が、ロータ3に連結されている。
ガスタービンの動作中に、空気が、吸入ハウジング6を通じて吸引され、コンプレッサ8によって圧縮される。コンプレッサ8のタービン側端部で提供された圧縮空気L”は、バーナープレナム7に沿って燃焼システム9へガイドされ、燃焼システム9では、バーナー装置の領域において、圧縮空気L”は、バーナー11内に送られ、バーナー11内において燃料と混合させられかつ/又はバーナー11の流出領域で燃料が濃くされる。燃料供給システムは、この場合、バーナーに燃料を供給する。混合物、すなわち圧縮空気及び燃料は、バーナー11から燃焼チャンバ10内に放出されて燃焼し、燃焼チャンバの燃焼チャンバハウジング12内の燃焼ゾーンにおいて作動ガスの高温流れを形成する。燃焼ゾーンから、作動ガスの流れは、ガイドブレード17及びロータブレード18を通り過ぎるように高温ガスチャネルに沿って流れる。ロータブレード18では、作動ガスの流れは、インパルス伝達方式で膨張し、このため、ロータブレード18が、ロータ3を駆動し、ロータ3が、ロータ3に連結された発電機(図示せず)を駆動する。
図2は、ガスタービン1と、ガスタービン1のタービン出口に連結された排気ダクト15と、発電機23と、を備える、従来技術による発電所22の概略図を示す。ガスタービン1は、動作中にロータ3を駆動し、ロータ3は、電力を生成するために発電機を駆動する。ガスタービン1の出口ポートを出る高温煙道ガスは、排気ダクト15を介して大気中に流れる。
図3は、希釈選択的触媒還元システム(希釈SCRシステム)を有する提案された技術によるガスタービン1のための排気ダクト24を長手方向断面で概略的に示す。化石燃料を動力源とするエンジン26であるガスタービン1は、タービン出口で排気ダクト24の流入部に連結される。排気ダクト24は、排ガス通路27を備え、排気ダクト24内では、冷却流体通路28が、冷却流体通路28のための入口30を介して排ガス通路27内に終端する。入口30は、混合デバイス31として作用する。冷却流体ファンの流体吸入部33を有する冷却流体ファン32が、冷却流体通路28の反対側の端部に配置されている。冷却流体通路28のための入口30の下流には、還元剤36を供給するための第1の手段34が、排ガス通路27内に還元剤36を噴霧するために噴射ノズル35を有して、排ガス通路内に配置されている。還元剤を供給するための第1の手段34は、貯蔵タンク37に流体接続されており、第1の手段34への還元剤36の流れは、分配及び流れ制御ユニット38によって制御される。還元剤を供給するための第1の手段34の下流には、(SCR触媒体とも称される)選択的触媒還元触媒39が配置され、下流にはCO触媒体40が続いており、触媒体は、排ガス通路27の断面積にわたって延在している。触媒体は、第1の手段34と、分配及び流れ制御ユニット38と、貯蔵タンク37と、流体ファン32を有する冷却流体通路28と、とともに、排ガス浄化装置44と、希釈選択的触媒還元システム45(希釈SCRシステム)と、を一緒に形成する。
動作中に、ガスタービン1によって生じた排ガス41は、排気ダクト24の排ガス通路27内に流れ、冷却流体通路28からの冷却流体42と混合させられ、第1の手段34の噴射ノズル35によって還元剤36を噴霧される。還元剤36に起因して、排ガスのNOx成分のいくらかは、選択的触媒還元触媒39によってHO及びNに還元される。燃料ガスのCO成分のいくらかは、CO触媒体40によって除去され、浄化された燃料ガス43は、排ガスダクト27の下流出口で排気ダクトを出ていく。
図4は、本発明による排気ダクトのための混合チャンバ50を概略的に示す。冷却流体を排ガスと混合させるための混合チャンバ50は、排ガス通路の断面積にわたって延在するように構成された、第1の壁部51及び反対側の第2の壁部52と、混合チャンバ50内に終端する冷却流体通路のための少なくとも1つの入口53と、を備え、第1の壁部51及び第2の壁部52は、双方が貫通孔54によって有孔とされている。より詳細に図5によって示されるように、第1の壁部51の貫通孔54は、混合チャンバ50を通って延在するパイプ55によって、第2の壁部52の貫通孔54とペアで接続され、パイプ55は、混合チャンバ50内への少なくとも1つ又は2つ以上の孔56によって有孔とされている。第1の壁部51及び第2の壁部52における貫通孔54の断面積59の和は、排ガス通路の流入部(図6の位置66)と、排ガス通路の下流出口(図6の位置69)と、の間の圧力降下を25mbar以下に維持するように構成される。貫通孔54の開口部67は、第1の壁部51及び第2の壁部52の表面68上で均一に分配される。表面68は、排ガス通路の断面積(図6の位置64)と同じサイズを有する。
図5は、より詳細に図4によって示される混合チャンバ50のパイプ55を概略的に示す。パイプ55は、混合チャンバ50を通って延在し、第1の壁部51の貫通孔54を第2の壁部52の貫通孔54と接続する。パイプ55は、混合チャンバ50内に開く1つ又は2つ以上の孔56によって有孔とされている。パイプ55は、パイプを通って流れる排ガスの乱流を増大させるためのタービュレータ57を内側に備え、冷却流体58は、パイプ内の流れによって生じさせられる静圧に起因してパイプ55内に吸引される。
図6は、本発明による排気ダクト60を概略的に示し、排気ダクト60は、排ガス通路61と、冷却流体通路62と、図4によって示されるように排ガス通路61のセクション63として構築された混合チャンバ50と、を有し、混合チャンバ50は、排ガス通路61内で選択的触媒還元触媒65の上流に配置されかつ排ガス通路61の断面積64にわたって延在する、第1の壁部51及び反対側の第2の壁部52を備えている。排ガス通路の流入部66で排ガス通路61に入った煙道ガスは、混合チャンバ50のパイプ内で、冷却流体通路62からの冷却流体及び還元剤と混合させられ、途中で触媒体65を通過して、排ガス通路61の下流出口69へ通過する。
1 ガスタービン、15,24,60 排気ダクト、22 発電所、26 エンジン、27,61 排ガス通路、28,62 冷却流体通路、31 混合デバイス、32 冷却流体ファン、33 流体吸入部、34 第1の手段、35 噴射ノズル、36 還元剤、39 選択的触媒還元触媒、41 高温排ガス、42 冷却流体、50 混合チャンバ、51 第1の壁部、52 第2の壁部、53 入口、54 貫通孔、55 パイプ、56 孔、57 タービュレータ、58 冷却流体、59 断面積、64 断面積、66 流入部、67 開口部、68 表面、69 下流出口、NOx 窒素酸化物

Claims (10)

  1. 排ガス通路(27,61)と、冷却流体通路(28,62)と、冷却流体(42)を高温排ガス(41)と混合させるための混合デバイス(31)と、窒素酸化物(NOx)を除去するために前記排ガス通路内に配置された少なくとも1つの選択的触媒還元触媒(39)と、還元剤(36)を供給するための少なくとも第1の手段(34)と、を備える、
    化石燃料を動力源とするエンジン(26)のための排気ダクト(15,24,60)であって、
    前記混合デバイス(31)が、第1の壁部(51)及び反対側の第2の壁部(52)を有する混合チャンバ(50)を備え、前記第1の壁部及び前記第2の壁部が、前記排ガス通路内で前記選択的触媒還元触媒(39)の上流に配置され、前記排ガス通路の断面積(64)にわたって延在し、双方の壁部が、貫通孔(54)によって有孔とされ、前記第1の壁部の貫通孔が、前記混合チャンバ(50)を通って延在するパイプ(55)によって、前記第2の壁部(52)の貫通孔(54)とペアで接続され、前記パイプが、前記混合チャンバ内への少なくとも1つの孔(56)によって有孔とされ、前記冷却流体通路(28,62)が、前記混合チャンバ内に終端することを特徴とする排気ダクト(15,24,60)。
  2. 還元剤(36)を供給するための前記第1の手段(34)が、還元剤が前記冷却流体通路(28,62)内に供給されるように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の排気ダクト(15,24,60)。
  3. 還元剤を供給するための前記第1の手段(34)が、前記還元剤が前記冷却流体通路(28,62)の冷却流体ファン(32)の流体吸入部(33)で噴射されるように構成されていることを特徴とする請求項2に記載の排気ダクト。
  4. 還元剤を供給するための前記第1の手段(34)が、尿素成分及び/又はアンモニア成分を含む還元剤(36)を供給するように構成されていることを特徴とする請求項2又は3に記載の排気ダクト。
  5. 還元剤を供給するための前記第1の手段(34)が、液体又は蒸気である前記還元剤を前記冷却流体(58)内に噴霧するように構成された1つ以上の噴射ノズル(35)を備えていることを特徴とする請求項2から4のいずれか一項に記載の排気ダクト。
  6. 前記混合チャンバ(50)の前記パイプ(55)が、前記パイプを通って流れる前記高温排ガスの乱流を増大させるための少なくとも1つのタービュレータ(57)を内側に備えていることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の排気ダクト。
  7. 前記第1の壁部(51)及び前記第2の壁部(52)における前記貫通孔(54)の断面積(59)の和が、前記排ガス通路の流入部(66)と前記排ガス通路(27,61)の下流出口(69)との間の圧力降下を25mbar以下に維持するように構成され、優先的には前記和が、前記第1の壁部及び前記第2の壁部の表面(68)積の25%であることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の排気ダクト。
  8. 前記第1の壁部及び前記第2の壁部を貫通する前記貫通孔(54)の開口部(67)が、前記第1の壁部及び前記第2の壁部の表面(68)上で均一に分配されていることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の排気ダクト。
  9. ガスタービン(1)、優先的には単純サイクルガスタービンと、排気ダクト(15,60)と、を備える発電所(22)であって、前記排気ダクトが、請求項1から8のいずれか一項に記載の排気ダクトに従って構築されていることを特徴とする発電所。
  10. 冷却流体(58)を高温排ガスと混合させるための、化石燃料を動力源とするエンジンの排気ダクト(15,60)用の混合チャンバ(50)であって、
    第1の壁部(51)及び反対側の第2の壁部(52)と、前記排気ダクト(60)の冷却流体通路(62)のための少なくとも1つの入口(53)と、を備え、
    前記第1の壁部(51)及び前記第2の壁部(52)が、前記排気ダクトの排ガス通路(61)内に配置されるように構成され、かつ前記排ガス通路の断面積(64)にわたって延在するように構成され、前記第1の壁部及び前記第2の壁部双方が、貫通孔(54)によって有孔とされ、前記第1の壁部の貫通孔が、前記混合チャンバ(50)を通って延在するパイプ(55)によって、前記第2の壁部の貫通孔とペアで接続され、前記パイプが、前記混合チャンバ内への少なくとも1つの孔(56)によって有孔とされていることを特徴とする混合チャンバ。
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