JP5890602B2

JP5890602B2 - 希釈開口部を備えた空気吹き式シンガス燃料ノズル

Info

Publication number: JP5890602B2
Application number: JP2010104697A
Authority: JP
Inventors: マーク・アラン・ハドレー; ジョン・リピンスキ; ジェシー・エリス・バートン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-05-06
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2016-03-22
Anticipated expiration: 2030-04-30
Also published as: JP2010261704A; US8607570B2; CN101881453B; CH701014A2; DE102010016617A1; US20100281871A1; CH701014B1; DE102010016617B4; CN101881453A

Description

本発明は、総括的にはガス化複合発電（ＩＧＣＣ）システムに関し、より具体的には、ＩＧＣＣ発電システムで使用するための燃料ノズルに関する。

少なくとも幾つかの公知のガス化炉では、空気及び／又は酸素、水及び／又は蒸気、燃料、及び／又はスラグ添加剤を含む流体の混合物を、「シンガス」とも呼ばれる部分酸化ガスへと変換する。ガスタービンエンジンに送られる流体の混合の制御は、エンジン性能及び／又は排出に極めて重要であることがある。

例えば、混合が不適切及び／又は不十分であると、燃料ノズルチップの近傍及び／又はノズル内部に火炎が付着して、燃料ノズルチップ及び／又はノズルの温度が上昇することがある。また、混合が不適切及び／又は不十分であると、流れの中心に分離領域を形成したり形成しないことがあり、そのため渦（vortex）の崩壊の確率が増減してしまう。さらに、混合が不適切及び／又は不十分であると、燃焼器内に画成される再循環安定域が下流側にシフトして、火炎が離れて一酸化炭素排出の発生量が増大することがある。

米国特許第６８６６５０３号明細書

一実施形態では、燃焼器で使用するための燃料ノズルチップを組立てる方法を提供する。本方法は、燃料管を準備するステップと、燃料管に空気カラーを連結するステップとを含む。燃料管には、周方向に離隔した第１の複数の燃料開口部と周方向に離隔した第２の複数の燃料開口部が形成される。燃料管は、第１及び第２の複数の燃料開口部を通して混合域に燃料を吐出することができるように配向される。空気カラーには、周方向に離隔した複数の空気開口部が形成される。空気カラーは、複数の空気開口部を通して混合域に空気を吐出することができるように配向される。

別の実施形態では、燃焼器で使用するための燃料ノズルチップを提供する。本燃料ノズルチップは、燃料管と、燃料管に連結された空気カラーとを含む。燃料管は、周方向に離隔した第１の複数の燃料開口部と周方向に離隔した第２の複数の燃料開口部を含む。燃料管は、燃焼器内に画成される混合域に燃料を送るように構成される。空気カラーは、混合域に空気を吐出するように構成された周方向に離隔した複数の空気開口部を含む。

さらに別の実施形態では、ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）システム内で使用するためのガスタービンエンジンを提供する。本ガスタービンエンジンは、燃焼器と、燃料ノズルチップとを含み、燃料ノズルチップは、燃料管と、燃料管に連結された空気カラーとを含む。燃料管は、周方向に離隔した第１の複数の燃料開口部と周方向に離隔した第２の複数の燃料開口部を含む。燃料管は、燃焼器内に画成される混合域に燃料を送るように構成される。空気カラーは、混合域に空気を吐出するように構成された周方向に離隔した複数の空気開口部を含む。

例示的なガス化複合発電（ＩＧＣＣ）システムの概略図。図１に示すＩＧＣＣ発電システムで使用することができる例示的なガスタービンエンジンの概略図。図２に示すガスタービンエンジンで使用することができる例示的な燃料ノズルチップの斜視図。図３に示す燃料ノズルチップの内面図。図３に示す燃料ノズルチップの端面図。図３に示す燃料ノズルチップの断面図。

本明細書に記載したシステム及び方法では、保炎問題を減少させながらリッチ火炎を生成することができる燃料−空気混合気を燃料ノズルから吐出することが可能になる。具体的には、本明細書に記載したシステム及び方法では、燃料ノズルから燃焼器混合域に弱スワール状態で燃料−空気混合気を吐出することが可能になる。

図１は、例示的なガス化複合発電（ＩＧＣＣ）システム５０の概略図を示している。この例示的な実施形態では、システム５０は、主空気圧縮機５１、空気分離ユニット５３、ガス化炉５６、浄化装置６２及びガスタービンエンジン１０を含む。この例示的な実施形態では、エンジン１０は、圧縮機１２、燃焼器１６及びタービン２０を含む。

運転時に、空気は主空気圧縮機５１を通って流れ、主空気圧縮機５１は、空気分離ユニット５３に加圧空気を吐出する。例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン圧縮機１２から追加の圧縮空気を空気分離ユニット５３に供給する。

空気分離ユニット５３は、加圧空気を酸素流Ｏ₂とプロセスガス流とも呼ばれるガス副生成物流ＮＰＧとに分離する。この例示的な実施形態では、空気分離ユニット５３は、酸素流Ｏ₂をガス化炉５６に送り、プロセスガス流ＮＰＧの少なくとも幾らかを圧縮機６０を介してガスタービンエンジン燃焼器１６に送り、またプロセスガス流ＮＰＧの少なくとも幾らかを大気に送る。この例示的な実施形態では、プロセスガス流ＮＰＧは、窒素を含む。例えば、一実施形態では、プロセスガス流ＮＰＧは、約９０％〜１００％の窒素を含む。プロセスガス流ＮＰＧはまた、それに限定されないが酸素及び／又はアルゴンのようなその他のガスを含むことができる。それに代えて、プロセスガス流は、窒素の代わりに（Ｈ₂Ｏ）蒸気を含み、その場合には、プロセスガス流は、約９０％〜１００％の（Ｈ₂Ｏ）蒸気を含む。

ガス化炉５６は、空気分離ユニット５３によって供給された酸素流Ｏ₂、水及び／又は蒸気、燃料の混合物、炭素質材料、及び／又はスラグ添加剤を「シンガス」とも呼ばれる部分酸化ガスに変換する。ガス化炉５６は、あらゆる燃料を使用することができるが、幾つかの実施形態では、ガス化炉５６は、石炭、石油コークス、残留オイル、オイル乳濁液、タールサンド及び／又はその他の同様な燃料を使用する。この例示的な実施形態では、ガス化炉５６は、浄化装置６２を介してガスタービンエンジン燃焼器１６にシンガスを送る。より具体的には、この例示的な実施形態では、ガス化炉５６は、二酸化炭素ＣＯ₂を含むシンガスを発生させ、また浄化装置６２は、シンガスから二酸化炭素ＣＯ₂を分離する。浄化装置６２でシンガスから分離された二酸化炭素ＣＯ₂は大気に放出してもよいし、ガス化炉５６で使用するため噴射ノズル７０に再循環してもよいし、地中貯留のため圧縮及び隔離してもよいし（図示せず）、及び／又は工業用ガスへと処理してもよい（図示せず）。

図２は、図１に示すシステム５０で使用することができるエンジン１０の概略図である。この例示的な実施形態では、エンジン１０は、直列軸流関係で配置された、圧縮機１２、燃焼器１６及びタービン２０を含む。圧縮機１２及びタービン２０は、シャフト２１を介して互いに連結される。別の実施形態では、エンジン１０は、第２のシャフトを介して互いに連結された高圧圧縮機及び高圧タービンを含む。

運転時に、圧縮機１２は、空気を加圧し、加圧空気は、燃焼器１６に送られる。燃焼器１６は、圧縮機１２からの加圧空気、空気分離ユニット５３（図１に示す）からの加圧プロセスガス及びガス化炉５６（図１に示す）からのシンガスを混合して混合気を生成し、この混合気を燃焼させて、タービン２０に向かって導かれる燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、排気ノズル２４を通して吐出され、この排気ノズル２４において、ガスは、エンジン１０から流出する。この例示的な実施形態では、エンジン１０による出力は、配電網（図示せず）に電力を供給する発電機６４（図２に示す）を駆動する。

より具体的には、この例示的な実施形態では、エンジン１０はまた、少なくとも１つの燃料ノズル（図２には図示せず）を含み、燃料ノズルは、加圧空気、加圧プロセスガス及びシンガスを燃焼器１６内に形成された燃焼器混合域３２（図３に示す）に送る。燃焼器１６は、燃焼器混合域３２内で加圧空気、加圧プロセスガス及びシンガスを燃焼させて、燃焼ガスを発生する。この例示的な実施形態では、プロセスガス流の使用により、エンジン１０からの排出を制御することが可能になり、より具体的には、燃焼温度を低下させかつエンジン１０内で発生する窒素酸化物排出レベルを減少させることが可能になる。

図３〜図６は、燃焼器１６（図２に示す）で使用することができる例示的な燃料ノズルチップ３０を示している。より具体的には、図３は、燃料ノズルチップ３０の斜視図を示しており、図４は、燃料ノズルチップ３０の内面図を示しており、図５は、燃料ノズルチップ３０の端面図を示しており、また図６は、燃料ノズルチップ３０の断面図を示している。

この例示的な実施形態では、燃料ノズルチップ３０は、関連する燃料ノズル（図示せず）の下流側端部４４に配置される。さらに、この例示的な実施形態では、燃料ノズルチップ３０は、空気カラー３４、パイロット燃料管３６及び一次燃料管４０を含む。より具体的には、この例示的な実施形態では、一次燃料管４０は、パイロット燃料管３６の半径方向外側に位置しかつ該パイロット燃料管３６の周りで円周方向に延在する。この例示的な実施形態では、空気カラー３４は、燃料管面４２に下流側端部４４で連結される。

空気カラー３４には、燃料管面４２に隣接して第１の外径１１２が形成される。この例示的な実施形態では、第１の外径１１２は、一次燃料管４０の外径２００と略同一の寸法である。この例示的な実施形態では、空気カラー３４にはまた、第１の外径１１２の下流に該第１の外径１１２よりも小さい第２の外径１２２が形成される。そのようなものとして、第２の外径１２２は、空気カラー３４が燃焼器混合域３２に近接して軸方向に摺動するのを促進する。

一次燃料管４０の燃料管面４２は、少なくとも周方向に離隔した第１の複数の一次燃料開口部５２を含む。この例示的な実施形態では、燃料管面４２はまた、周方向に離隔した第２の複数の一次燃料開口部５４を含んでいて、一次燃料管４０が燃焼器混合域３２に大量の流体を吐出するのを促進する。この例示的な実施形態では、一次燃料開口部５２及び５４は、略円形である。それに代えて、開口部５２及び／又は５４は、一次燃料管４０が本明細書に記載したように機能するのを促進するあらゆる断面形状で形成することができる。この例示的な実施形態では、一次燃料開口部５２及び５４は、燃料ノズルチップ３０の中心線２１０の周りで略同心にかつ円周方向に離隔している。より具体的には、この例示的な実施形態では、一次燃料開口部５２は、中心線２１０から外側に第１の半径方向距離２５２で離隔し、また一次燃料開口部５４は、中心線２１０から外側に第２の半径方向距離２５４で離隔している。この例示的な実施形態では、第１の半径方向距離２５２は、第２の半径方向距離２５４よりも小さい。

この例示的な実施形態では、一次燃料開口部５２及び５４は、燃焼器混合域３２に流体（図示せず）を吐出する。より具体的には、この例示的な実施形態では、一次燃料開口部５２及び５４は、燃焼器混合域３２に空気吹き式ガス化炉シンガスのような一次燃料（図示せず）を吐出する。より具体的には、一次燃料開口部５２及び５４は、中心線２１０に対して斜めに配向した所定の吐出角度θ₁で一次燃料を吐出する。この例示的な実施形態では、吐出角度θ₁は、約１０°〜約３０°である。一実施形態では、少なくとも１つの燃料開口部５４の吐出角度θ₁は、少なくとも１つの燃料開口部５２の吐出角度θ₁とは異なる。

パイロット燃料管面４６は、複数のパイロット燃料開口部４８を含む。この例示的な実施形態では、パイロット燃料開口部４８は、略円形である。それに代えて、パイロット燃料開口部４８は、パイロット燃料管３６が本明細書に記載したように機能するのを促進するあらゆる断面形状で形成することができる。この例示的な実施形態では、パイロット燃料開口部４８は、燃焼器混合域３２に流体を吐出する。より具体的には、この例示的な実施形態では、パイロット燃料開口部４８は、燃焼器混合域３２にパイロット燃料（図示せず）又は始動燃料を吐出する。より具体的には、パイロット燃料開口部４８は、中心線２１０に対して斜めに配向した所定の吐出角度（図示せず）でパイロット燃料を吐出する。

空気カラー３４は、周方向に離隔した複数の空気開口部５８を含む。この例示的な実施形態では、燃料管面４２内の開口部よりはむしろ空気カラー３４内の開口部を通して空気を吐出することにより、一次燃料開口部５２及び／又は５４を通して大量の一次燃料を吐出することが可能になる。この例示的な実施形態では、空気開口部５８は、略円形である。それに代えて、空気開口部５８は、該空気開口部５８が本明細書に記載したように機能するのを促進するあらゆる断面形状で形成することができる。この例示的な実施形態では、空気開口部５８は、中心線２１０の周りで略円周方向に離隔している。より具体的には、この例示的な実施形態では、空気開口部５８は、
中心線２１０から外側に半径方向距離２５８で離隔している。この例示的な実施形態では、半径方向距離２５８は、半径方向距離２５２及び２５４よりも大きい。

この例示的な実施形態では、空気開口部５８は、燃焼器混合域３２に流体を吐出する。より具体的には、この例示的な実施形態では、空気開口部５８は、燃焼器混合域３２に空気を吐出する。より具体的には、空気開口部５８は、中心線２１０に対して斜めに配向した所定の吐出角度θ₂で空気を吐出する。この例示的な実施形態では、吐出角度θ₂は、約１０°〜約３０°である。空気カラー３４の厚さ１５８は、吐出角度θ₂で空気を吐出すると同時に、空気開口部５８で円周方向に隣接して分離壁６８を形成するのを促進する。この例示的な実施形態では、吐出角度θ₁及び吐出角度θ₂は、略等しい。それに代えて、吐出角度θ₁及びθ₂は、本明細書に記載したような燃料−空気混合気を促進するあらゆる角度とすることができる。

運転時に、パイロット燃料管３６は、エンジン１０の始動及びアイドル運転の間に燃焼器混合域３２に対してパイロット燃料又は始動燃料を吐出する。この例示的な実施形態では、始動燃料は、天然ガスである。付加的動力が必要な場合には、パイロット燃料管３６は燃焼器混合域３２に対してパイロット燃料を吐出するのを中止し、一次燃料管４０及び空気カラー３４が、燃焼器混合域３２に対してそれぞれ一次燃料及び空気を吐出する。一次燃料開口部５２及び５４は、吐出角度θ₁で燃料を吐出し、また空気開口部５８は、吐出角度θ₂で空気を吐出する。より具体的には、一次燃料開口部５２及び５４並びに空気開口部５８からの一次燃料及び空気をスワールさせかつ混合することにより、燃焼器混合域３２に０．４の転換点（tipping point）未満のスワール数の発生を促進する。この例示的な実施形態では、燃料−空気混合気のスワール数は約０．４未満である。より具体的には、この例示的な実施形態では、吐出燃料のスワール数は約０．４未満であり、吐出空気のスワール数は約０．４未満である。本出願で使用する場合のスワール数は、軸方向スラストに対する角運動量の軸方向流束として定義される。弱スワールは、燃料及び空気を半径方向に穏やかに拡大させ、従って渦崩壊の発生可能性を減少させる。言い換えると、弱スワールは、該スワールの中心線近くにおける再循環域の生成可能性を減少させる。さらに、弱スワールは、下流側端部４４から燃焼器１６に向かって燃料及び空気を軸方向に穏やかに拡大させるのを促進する。その結果、火炎は、強力なスワールが発生可能になるさらに下流での付着が可能になる。燃料ノズルチップ３０のさらに下流に火炎を付着させることにより、該燃料ノズルチップ３０の作動温度を低下させることが可能になる。さらに、各空気開口部５８の円形形状は、リッチ火炎が形成されるのを可能にして、保炎の発生可能性を減少させるようにする。

本明細書に記載したシステム及び方法では、保炎問題を減少させながらリッチ火炎を生成することができる燃料−空気混合気を吐出することが可能になる。具体的には、燃料ノズルチップのパイロット燃料開口部、一次燃料複数開口部及び空気開口部により、混合域に弱スワール状態で燃料及び空気の混合気を吐出することが可能になる。この例示的な実施形態では、空気吹き式シンガス燃料ノズルは、精製装置又は石炭ガス化プラントにおいて使用される。本明細書に記載したシステム及び方法は、実例として開示を示しているものであって、限定として開示を示しているものではない。本明細書の説明は、現在それを実施する最良の形態であると思われるものを含む開示を当業者が製作しかつ使用するのを可能にし、またその開示の幾つかの実施形態、改造形態、変更形態、代替形態及び使用法について記述していることが分かるであろう。

以上、円形希釈空気開口部を備えた空気吹き式シンガス燃料ノズル及び該燃料ノズルを組立てる方法の例示的な実施形態について詳細に説明している。本方法及びシステムは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ本方法及びシステムの構成要素は、本明細書に記載したその他の構成要素とは独立してかつ別個に利用することができる。例えば、本明細書に記載した方法及びシステムは、その他の産業上の及び／又は消費者向けの用途を有することができ、本明細書に記載したような精製装置又は石炭ガス化プラントでの実施に限定されるものではない。むしろ、本発明は、多くのその他の産業に関して実施しかつ利用することができる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には分かるであろう。

１０ガスタービンエンジン
１２圧縮機
１６ガスタービンエンジン燃焼器
２０タービン
２１シャフト
２４排気ノズル
３０燃料ノズルチップ
３２燃焼器混合域
３４空気カラー
３６パイロット燃料管
４２燃料管面
４４下流側端部
４６パイロット燃料管面
４８パイロット燃料開口部
５０発電システム
５１主空気圧縮機
５２一次燃料開口部
５３空気分離ユニット
５４一次燃料開口部
５６ガス化炉
５８空気開口部
６０圧縮機
６２浄化装置
６４発電機
６８分離壁
７０噴射ノズル
１１２第１の外径
１２２第２の外径
１５８厚さ
２００外径
２１０中心線
２５２第１の半径方向距離
２５４第２の半径方向距離
２５８半径方向距離

Claims

燃焼器（１６）で使用するための燃料ノズルチップ（３０）であって、
周方向に離隔した第１の複数の燃料開口部（５２）と周方向に離隔した第２の複数の燃料開口部（５４）とを備える燃料管であって、燃焼器内に画成される混合域（３２）に燃料を送るように構成された燃料管（４０）と、
上記燃料管（４０）に連結された空気カラー（３４）であって、前記混合域（３２）の直ぐ上流の領域を囲い該混合域に空気を吐出するように構成された周方向に離隔した複数の略円形の空気開口部（５８）を含む空気カラー（３４）と
を備え、
前記空気開口部（５８）は、前記空気カラー（３４）の上流側端部の外側表面から該空気カラー（３４）の内側表面まで延び、
該空気開口部（５８）は、前記燃料管（４０）の下流側端面（４２）の下流にあり且つ該下流側端面（４２）から離間し、
前記空気カラー（３４）は、前記燃料管（４０）の前記下流側端面（４２）に連結される
ことを特徴とする、燃料ノズルチップ（３０）。
第１及び第２の複数の燃料開口部（５２、５４）の少なくとも１つが、該燃料ノズルチップの中心線（２１０）に対して斜めに配向された吐出角度で前記混合域（３２）に燃料を吐出するように構成される、請求項１記載の燃料ノズルチップ（３０）。
前記複数の空気開口部（５８）の少なくとも１つが、該燃料ノズルチップの中心線（２１０）に対して斜めに配向された吐出角度で前記混合域（３２）に空気を吐出するように構成される、請求項１又は請求項２記載の燃料ノズルチップ（３０）。
第１及び第２の複数の燃料開口部（５２、５４）並びに複数の空気開口部の少なくとも１つが、前記混合域（３２）に０．４未満のスワール数を発生するのを促進するように配向される、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の燃料ノズルチップ（３０）。
第１及び第２の複数の燃料開口部（５２、５４）が、該燃料ノズルチップの中心線（２１０）の周りで略同心である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の燃料ノズルチップ（３０）。
前記燃料管が、前記混合域（３２）にパイロット燃料を送るように構成されたパイロット燃料管（３６）を囲む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の燃料ノズルチップ（３０）。
第１及び第２の複数の燃料開口部（５２、５４）の少なくとも１つが約１０°〜３０°の吐出角度で燃料を送るように構成され、前記複数の空気開口部の少なくとも１つが約１０°〜３０°の吐出角度で空気を送るように構成される、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の燃料ノズルチップ（３０）。
ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）システム（５０）内で使用するためのガスタービンエンジン（１０）であって、当該ガスタービンエンジン（１０）が、
燃焼器（１６）と、
燃料ノズルチップ（３０）と
を備えており、上記燃料ノズルチップ（３０）が、
周方向に離隔した第１の複数の燃料開口部（５２）と周方向に離隔した第２の複数の燃料開口部（５４）とを備える燃料管であって、燃焼器内に画成される混合域（３２）に燃料を送るように構成された燃料管（４０）と、
上記燃料管（４０）に連結された空気カラー（３４）であって、前記混合域（３２）の直ぐ上流の領域を囲い該混合域に空気を吐出するように構成された周方向に離隔した複数の略円形の空気開口部（５８）を含む空気カラー（３４）と
を備え、
前記空気開口部（５８）は、前記空気カラー（３４）の上流側端部の外側表面から該空気カラー（３４）の内側表面まで延び、
該空気開口部（５８）は、前記燃料管（４０）の下流側端面（４２）の下流にあり且つ該下流側端面（４２）から離間し、
前記空気カラー（３４）は、前記燃料管（４０）の前記下流側端面（４２）に連結される
ことを特徴とする、ガスタービンエンジン（１０）。
第１及び第２の複数の燃料開口部（５２、５４）の少なくとも１つが、前記燃料ノズルチップ（３０）の中心線（２１０）に対して斜めに配向された吐出角度で前記混合域（３２）に燃料を吐出するように構成される、請求項８記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記複数の空気開口部（５８）の少なくとも１つが、前記燃料ノズルチップ（３０）の中心線（２１０）に対して斜めに配向された吐出角度で前記混合域（３２）に空気を吐出するように構成される、請求項８又は請求項９記載のガスタービンエンジン（１０）。