JPS622650B2 - - Google Patents
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Description
本発明は、大量の残留ガスの大気中への分散の
安全性を高めるための方法に関する。変形とし
て、本発明はガスタービンの改良に関する。特
に、本発明は、ガスタービン燃焼器で別々の冷却
流として残留ガスを利用し、それによつてガスタ
ービンの全体の効率を増加させ、ガスが大気への
ガスの分散を容易にするように残留ガスを加熱す
ることに関する。
オイル及び、ガス処理施設、精油所及び他の工
業的な作業において、しばしば、ほとんど又は全
く価値のない大量の残留ガスが発生する。残留ガ
スは、例えば、天然ガス油井から天然ガスととも
に産出される二酸化炭素のように、自然に生じる
こともあり、又工業的な作業の副産物であること
もある。ガス源又はこれと同様なものとは無関係
にこれらの残留ガスを処分しなければならない。
しばしば、処分するための唯一の実際の方法は、
残留ガスを大気中に放出することである。
もちろん、大気中へのこのような放出であつて
もすべての環境の規則に従がわなければならな
い。例えば、一酸化炭素(CO)又は硫化水素
(H2S)のような残留ガスの放出は厳しく制限さ
れている。しかしながら、明らかな環境上の関心
事にに加えて、大量の残留ガスの放出は、たとえ
環境的に許容されているとしても、放出場所のす
ぐ近所に住む者にとつては危険である。放出され
る残留ガスの密度がまわりの空気よりも大きいな
らば、残留ガスは放出領域の地域にただよつてい
る軽い空気と入れ代るであろう。これは領域内に
住む者に窒息の危険性を引き起す。この1つの例
は大量のCO2の放出である。通常、二酸化炭素の
放出は、環境的に許容されている。しかしなが
ら、CO2が、空気より重いという事実によつて、
大量のCO2の放出は、放出領域に住む者にとつて
潜在的に危険である。
放出する前に残留ガスを加熱することによつて
上述した危険性を、減少させ、或は取り除くこと
ができる。ガスの温度を、ガスの密度がまわりの
空気の密度より小さくなるような温度まで上昇さ
せれば、ガスは、放出時に上昇し、放出地点の地
域にただよわないでまわりの空気中に分散する。
かくして、残留ガスを予め加熱することによつて
大量の残留ガスを安全に放出することができる。
不幸にして、処分問題に対する上述の解決策は
経済的に望ましいものではない。残留ガスの直接
加熱は大量のエネルギーを消費し、その結果、処
分コストが高い。従つて、大量の残留ガスを処分
するためのより経済的な方法が必要となる。
この問題を解決するために提案されている1つ
の方法は、残留ガスをガスタービンの排気流と混
合することである。ガスタービンは、例えば、電
気を発生させるような回転動力源を必要とする作
業について、工場でしばしば、使用される。ガス
タービンはオイル及びガス工業で広く使用されて
いる。精油所では、コンプレツサー及びポンプの
ための駆動ユニツトとしてガスタービンが使用さ
れ、オイル及びガス油井では、圧力の維持のため
にガスタービンが使用されている。代表的には、
工業的なガスタービンの排気ガスの温度は500〓
乃至1000〓の範囲内である。かくして、処分すべ
き残留ガスをガスタービンの排気流へ導入するこ
とによつて、処分問題を解決する一助とすること
ができる。この解決策はいくつかの利益をもたら
すが、入手しうるあらゆる残留ガスの処分には、
しばしば不適当である。
要約すれば、本発明は、工業上の作業或いは同
様なガス源から生じた大量の残留ガスをガスター
ビンで別個の冷却流として使用して残留ガスを加
熱し、これによつてこのようなガスが放出領域に
ただよう傾向を減少させることにより放出問題を
取扱う。これは、ガスタービンによつて安全に処
分できる残留ガスを著しく増加させ、さらに、そ
の結果、ガスタービンの全体の効率を高めること
ができる。
ガスタービン燃焼器は燃焼缶として知られてい
る1つ又はそれ以上の別々の燃焼室からなる。こ
れらの燃焼缶は典型的には2つの主な帯域、即ち
燃料を圧縮空気と混合して燃焼させる燃焼帯域
と、燃焼生成物の温度を、タービンに害を与えな
い温度まで下げるため、熱い燃焼生成物を追加の
圧縮空気と混合する希釈又は冷却帯域とを有す
る。典型的には、タービンのコンプレツサによつ
て供給される圧縮空気の約1/3乃至1/4だけを燃焼
に使用し、残りは、熱い燃焼生成物を冷却するた
めに使用する。
本発明によれば、熱い燃焼生成物を冷却するた
め、燃焼缶の希釈帯域で使用する空気を、圧縮残
留ガスで置き換える。かくして、タービンのコン
プレツサで圧縮しなければならない空気の量を減
少させる。しばしば、残留ガスは、燃焼器の燃焼
生成物の圧力と等しいか又はこれより大きい圧力
で入手しうる。この場合、残留ガスを燃焼器の希
釈帯域へ直接導入することができ、コンプレツサ
によつて供給しなければならない圧縮空気の量を
減少させることによつてガスタービンの全体の効
率を高めることができる。低圧の残留ガスしか入
手し得ない場合には、残留ガスを圧縮することに
よつて、必要とされる圧縮空気の量を減少させる
有益な効果を等しいか又はさらに高めることがで
きる。他のケースでは、追加の残留ガスを、処分
される総量を増加させるため、ガスタービンの排
気流に加えてもよい。
第1図は、高圧残留ガスを処分するための本発
明のガスタービン装置の使用を図表的に示す。第
2図は低圧の残留ガスを処分するための本発明を
示す。今、第1図、第2図を参照すると、本発明
のガスタービンは、実質的に、タービン10と、
空気コンプレツサ12と、変形燃焼器14とから
なる。ガスタービンは、回転動力源を必要とする
ものならなんでも良い負荷16を駆動するため
に、使用される。例えば、負荷16は発電機、ポ
ンプ、又はコンプレツサであつてもよい。タービ
ン10は、ギヤ、減速器、クラツチ、トランスミ
ツシヨン又はそれらと同様なもの(図示せず)を
含む駆動シヤフト18によつて負荷16に機械的
に連結されている。タービン10とコンプレツサ
12は、コンプレツサ駆動シヤフト20によつて
機械的に連結されている。駆動シヤフトと同様
に、コンプレツサ駆動シヤフト20は、追加の中
間動力伝達装置(図示せず)を含んでいてもよ
い。駆動シヤフト18とコンプレツサ駆動シヤフ
ト20の双方は、タービン10によつて駆動され
る。
ガスタービン燃焼器は、設計と構成において広
範囲に変る。燃焼器の設計に関する詳細な情報に
ついては、ソーヤーのガスタービン技術ハンドブ
ツク、第2版(ガスタービン出版社1976年)参
照、特に、第1巻のP151―167、ハーバート ア
ール ハザードによる“燃焼器の設計”と題する
第7章を特に参照。ガスタービン燃焼器は、以後
燃焼缶と称する1つ又はそれ以上の別々の燃焼室
からなる。各燃焼室は燃料を燃焼させる主帯域
と、燃焼生成物を冷却する希釈帯域とからなる。
燃焼器はタービンおよびこれと関連する空気コン
プレツサと完全に独立していても良いし或は変形
として、タービンおよび空気コンプレツサと一体
であつてもよい。典型的には、ガスタービン燃焼
器はいくつかの燃焼缶からなり、燃焼缶は、ター
ビンと空気コンプレツサを連結している駆動シヤ
フトのまわりに環を形成するように配置されてい
る。
型式又は構成とは無関係に、すべての燃焼器は
同じ基本的な機能を果す。燃料を噴霧ノズルで燃
焼缶の主帯域へ噴射し、そこで燃料を、タービン
のコンプレツサによつて供給される圧縮空気と混
合して、点火する。次に、熱い燃焼生成物を燃焼
缶の2次希釈帯域で追加の圧縮空気と混合する。
この希釈の目的は、燃焼生成物をタービンで使用
するのに適当な温度に冷却すること、及び、燃焼
缶自身を冷却することである。通常、タービンコ
ンプレツサから供給される圧縮空気の約1/3乃至1/
4だ
けを燃焼用として使用する。圧縮空気の残りの2/
3乃至3/4は、希釈及び冷却用に使用する。
本発明によれば、希釈と冷却のために使用する
圧縮空気を加圧した残留ガスで置き換える。再び
第1図、第2図を参照すると、変形燃焼器14の
概要が示されている。上述したように、代表的に
は、変形燃焼器14は、コンプレツサ駆動シヤフ
ト20のまわりに環を形成するように配置されて
いるいくつかの個々の燃焼缶からなる。しかしな
がら、簡単にするために、変形燃焼器14はただ
1つの燃焼缶からなると想定する。点線は燃焼帯
域22と希釈帯域24の間の移行部を示す。
残留ガス源26(ブロツクで示す)は、多量の
残留ガスを生成するいかなるガス源であつてもよ
い。残留ガス源26における残留ガスの温度は、
代表的には、気温に等しいか、それ以下である。
今、第1図を参照すると、変形燃焼器14の中の
燃焼生成物の圧力と等しいか又は、それ以上の圧
力で残留ガスが得られるものと想定する。例え
ば、CO2は、天然ガス処理施設から非常に高い圧
力で残留ガスとして生成される。この場合、残留
ガスは残留ガス源26からパイプライン28を通
つて、変形燃焼器14の希釈帯域24へ直接流れ
る。パイプライン28は、追加の圧力及び/又は
流体調整装置(図示せず)を含む。他方仮りに、
残留ガスが低い圧力でしか得られないときは、残
留ガスは変形燃焼器14に入る前に、加圧されな
ければならない。第2図に示すように、この加圧
は2次コンプレツサ30によつて達成される。2
次コンプレツサ30をタービン10と独立に駆動
してもよい。変形として、第2図に示すように、
2次コンプレツサ30を2次コンプレツサ駆動シ
ヤフト32によつてコンプレツサ12に機械的に
連結してもよい。この場合、2次コンプレツサ3
0を駆動するための入力動力をタービン10によ
つて発生させ、コンプレツサ駆動シヤフト20、
コンプレツサ12および二次コンプレツサ駆動シ
ヤフト20によつて2次コンプレツサ30に伝達
する。2次コンプレツサ30を駆動する他の方法
は、当業者によつて容易に明らかであろう。残留
ガスは、パイプライン34によつて、残留ガス源
26から2次コンプレツサ30の入口へ送られ
る。圧縮後、残留ガスは、2次コンプレツサ30
から、追加の圧力及び/又は流体調整装置(図示
せず)を含むパイプライン36を介して変形燃焼
器14の希釈帯域24へ流れる。
第3図は、変形燃焼器14を設計する1つの方
法を示す。燃料は、燃料パイプライン38を通つ
て変形燃焼器14に入り、噴霧ノズル40によつ
て燃焼帯域22の中へ噴霧される。燃料は、空気
取入口54を通つてコンプレツサ12に入る。圧
縮された後、空気は、圧縮空気パイプライン42
によつて、燃焼帯域22へ送られる。圧縮空気
は、燃料パイプライン38をとり囲こむ渦巻き羽
根44を通つて燃焼帯域に入る。当業者によく知
られている渦巻き羽根の目的は、乱流パターンを
作り、燃料を圧縮空気とよく混合することにあ
る。この混合によつて完全燃焼を促進する。パイ
プライン28(第1図)又はパイプライン36
(第2図)によつて供給された加圧残留ガスは燃
焼帯域22をとり囲こむジヤケツト46を通つて
流れる。残留ガスは口48を通つて燃焼器の内部
へ入る。必要な口の数は流速、圧力及び温度のよ
うないくつかの要因によつて決まる。熱い燃焼生
成物と残留ガスは希釈帯域24で混合される。こ
の混合によつて、タービンを駆動するのに使用さ
れる作動流体が作られる。本発明により使用する
既存の燃焼器を変形し又は新しい燃焼器を設計す
る他の方法は、燃焼器を設計する当業者に容易に
明らかであろう。
燃焼と希釈の後、作動流体は変形燃焼器14か
ら出て、パイプライン50を介してタービン10
の入口へ流れる。流体がタービンで仕事をした
後、使用済みの作動流体は排出パイプ52を通し
て大気へ排出される。追加の残留ガスを、パイプ
ライン54によつて排出パイプへ加えてもよい。
本発明の方法を実施するにおいて、ガスタービ
ン燃焼器の希釈帯域で冷却用に通常使用される圧
縮空気を加圧残留ガスで置き換える。これによつ
て、タービンの空気コンプレツサで圧縮しなけれ
ばならない空気の量を相応に減少させることがで
きる。よくあることだが、残留ガスが高圧で得ら
れるならば、圧縮しなければならない空気の量の
減少によつて、タービンの全体の効果を高めるこ
とができる。希釈帯域24で使用するため、別の
冷却流として加圧残留ガスを受け入れるように、
ガスタービン燃焼器14を変形しなければならな
い。この冷却流は燃焼領域22で燃焼用に使用さ
れる加圧空気と分離しておかなければならない。
本発明による典型的なガスタービン燃焼器を変形
する1つの方法を第3図に示す。本発明を実施す
るのに使用するガスタービン燃焼器を変形する他
の方法は、当業者に容易に明らかであろう。
第1図に示すように、残留ガスが変形燃焼器1
4に使用するため十分に高い圧力で保られるなら
ば、残留ガスを変形燃焼器14の希釈帯域24に
直接送ることができる。他方、低い圧力の残留ガ
スしか利用できないときは、第2図に示すよう
に、変形燃焼器14で残留ガスを使用する前に残
留ガスを加圧するために、2次コンプレツサ30
を使用しなければならない。いずれの場合にも、
処分される全体の量を増加させるため、追加の残
留ガスを、ガスタービン排気流52に加えるのが
よい。
標準のガスタービンエンジンの操作特性(ケー
ス1)と本発明により変形されたガスタービンエ
ンジンの特性(ケース2)とを比較するためにコ
ンピユータによる検討を行つた。使用されたコン
ピユータープログラムの詳細はここでは示さな
い。しかしながら、プログラムは、当業者によく
知られている熱力学の一般法則に基づいている。
ここに示す結果はコンピユータの助けを貸り或は
貸りずしてかかる当業者によつて容易に再現する
ことができる。
両ケースにおいて、ガスタービンエンジンは、
公称5000馬力を有するものと想定された。燃料の
流量は2268トンモル/日(5000ポンドモル/日)
に設定した。燃料の圧力は800psiaと想定され、
燃料の温度は4.4℃(40〓)に設定された。使用
された燃料の組成は次のとうりである。
成 分 モル %
二酸化炭素 19.98
メタン 77.05
エタン 1.17
プロパン 0.26
N―ブタン 0.07
窒 素 1.47
100.00
燃焼に必要な空気量を決定するために、燃料ガ
スのあらゆる可燃性成分が完全に二酸化炭素
(CO2)か水(H2O)に変えられるものと想定し
た。この想定に基づいて、すべての可燃性物質を
完全に変成するための必要な酸素(O2)の量を決
めるために化学量平衝を使用した。計算によれ
ば、2268トンモル(5000ポンドモル)の上記燃料
ガスを完全に燃やすのに十分な酸素を供給するに
は1798524トンモル(39650ポンドモル)の空気が
必要である。
2.268トンモル(5000ポンドモル/日)の上記
ガスの完全燃焼によつて、ガスタービンエンジン
へ全部で8543.889kcal/時間(57690000BTU/時
間)の熱入力が供給される。かくして、ガスター
ビンエンジンを100%の熱効率で操作すれば出力
は、22668馬力になる。
典型的には、希釈と冷却のために、ガスタービ
ン燃焼器で使用される圧縮空気の量は、完全燃焼
に必要な量の2倍から3倍である。ケース1の場
合、希釈空気の量は、燃焼空気の量より21/2倍で
あつたと想定された。かくして、ケース1で使用
される圧縮空気は全部で、燃焼だけに必要とされ
る17.98524トンモル/日(39650ポンドモル/
日)の3.5倍即ち62.94834トンモル/日(138775
ポンドモル/日)であつた。この空気は、80psia
の操作圧力に圧縮される前は14psiaの圧力と32.2
℃(90〓)の温度で入手しうるものと想定され
た。さらに、空気は100%飽和されていると想定
された。ケース2では、残留ガスは二酸化炭素
(CO2)であると想定された。CO2は、53psiaの圧
力と−15℃(5〓)の温度で入手しうると想定さ
れ、さらに変形燃焼器で使用するために80.5psia
の圧力まで圧縮された。
CO2の組成は次の如くであると想定された。
成 分 モル %
二酸化炭素 98.74
メタン 0.89
エタン 0.09
プロパワ 0.10
N―ブタン 0.17水 0.01
100・00
上記した特性はしばしば天然ガス処理施設で残
留ガスとして発生するCO2流の典型的な特性であ
る。
完全燃焼を確保するため、ケース2では、50%
過剰の圧縮空気が使用されたと想定した。かくし
て、使用された圧縮空気の量は全部で26.97786ト
ン・モル/日(59.475ポンドモル/日)であつ
た。ケース1のように、この空気は100%飽和さ
れていると想定された。ケース1で使用された圧
縮空気の残りは1.8144トン・モル/日4000ポンド
モル/日のCO2で置き換えられた。
2つの装置の操作特性の比較は次の通りであ
る。
The present invention relates to a method for increasing the safety of dispersing large amounts of residual gas into the atmosphere. As a variant, the invention relates to improvements in gas turbines. In particular, the present invention utilizes residual gas as a separate cooling flow in a gas turbine combustor, thereby increasing the overall efficiency of the gas turbine, and the present invention utilizes residual gas as a separate cooling flow in a gas turbine combustor, thereby increasing the overall efficiency of the gas turbine, and in which the residual gas is Concerning heating gas. Oil and gas processing facilities, refineries and other industrial operations often generate large amounts of residual gas of little or no value. Residual gas may occur naturally, such as carbon dioxide produced with natural gas from natural gas wells, or it may be a by-product of industrial operations. These residual gases must be disposed of independently of the gas source or the like.
Often the only real way to dispose of
This is to release residual gas into the atmosphere. Of course, even such releases into the atmosphere must comply with all environmental regulations. For example, the release of residual gases such as carbon monoxide (CO) or hydrogen sulfide ( H2S ) is severely limited. However, in addition to the obvious environmental concerns, the release of large amounts of residual gas, even if environmentally acceptable, is dangerous to those living in the immediate vicinity of the release site. If the density of the emitted residual gas is greater than the surrounding air, the residual gas will displace the lighter air floating in the area of the emitted area. This poses a choking hazard to those living within the area. One example of this is the release of large amounts of CO2 . Typically, the release of carbon dioxide is environmentally acceptable. However, due to the fact that CO 2 is heavier than air,
The release of large amounts of CO 2 is potentially dangerous to those living in the area of release. By heating the residual gas before releasing it, the above-mentioned risks can be reduced or eliminated. If the temperature of the gas is raised to such a temperature that the density of the gas is less than the density of the surrounding air, the gas will rise upon release and will disperse into the surrounding air rather than drifting into the area of the release point.
Thus, large amounts of residual gas can be safely released by preheating the residual gas. Unfortunately, the above solutions to the disposal problem are not economically desirable. Direct heating of residual gas consumes large amounts of energy and results in high disposal costs. Therefore, a more economical method of disposing of large amounts of residual gas is needed. One method that has been proposed to solve this problem is to mix the residual gas with the gas turbine exhaust stream. Gas turbines are often used in factories for operations requiring a rotating power source, such as generating electricity, for example. Gas turbines are widely used in the oil and gas industry. In oil refineries, gas turbines are used as drive units for compressors and pumps, and in oil and gas wells, gas turbines are used to maintain pressure. Typically,
The temperature of the exhaust gas of an industrial gas turbine is 500〓
It is within the range of 1000〓. Thus, introducing the residual gas to be disposed of into the exhaust stream of the gas turbine can help solve the disposal problem. Although this solution offers several benefits, disposal of any available residual gas is
Often inappropriate. In summary, the present invention uses large amounts of residual gas originating from industrial operations or similar gas sources as a separate cooling stream in a gas turbine to heat the residual gas, thereby Addresses the emission problem by reducing the tendency for particles to drift into the emission area. This significantly increases the residual gas that can be safely disposed of by the gas turbine, which in turn can increase the overall efficiency of the gas turbine. A gas turbine combustor consists of one or more separate combustion chambers known as combustion cans. These combustion cans typically have two main zones: a combustion zone where the fuel is mixed with compressed air and combusted, and a hot combustion zone to reduce the temperature of the combustion products to a temperature that does not harm the turbine. and a dilution or cooling zone in which the product is mixed with additional compressed air. Typically, only about 1/3 to 1/4 of the compressed air supplied by the turbine's compressor is used for combustion, with the remainder used to cool the hot combustion products. According to the invention, compressed residual gas replaces the air used in the dilution zone of the combustion can to cool the hot combustion products. Thus, reducing the amount of air that must be compressed by the turbine's compressor. Often, the residual gas is available at a pressure equal to or greater than the pressure of the combustion products of the combustor. In this case, residual gas can be introduced directly into the dilution zone of the combustor, increasing the overall efficiency of the gas turbine by reducing the amount of compressed air that has to be supplied by the compressor. . If only low pressure residual gas is available, compressing the residual gas can equal or even increase the beneficial effect of reducing the amount of compressed air required. In other cases, additional residual gas may be added to the gas turbine exhaust stream to increase the total amount disposed of. FIG. 1 diagrammatically shows the use of a gas turbine arrangement according to the invention for disposing of high pressure residual gas. FIG. 2 illustrates the invention for disposing of low pressure residual gas. Referring now to FIGS. 1 and 2, the gas turbine of the present invention consists essentially of a turbine 10 and
It consists of an air compressor 12 and a modified combustor 14. A gas turbine is used to drive the load 16, which can be anything that requires a source of rotary power. For example, load 16 may be a generator, pump, or compressor. Turbine 10 is mechanically coupled to load 16 by a drive shaft 18 including gears, reducers, clutches, transmissions, or the like (not shown). Turbine 10 and compressor 12 are mechanically coupled by a compressor drive shaft 20. Like the drive shaft, compressor drive shaft 20 may include additional intermediate power transmissions (not shown). Both drive shaft 18 and compressor drive shaft 20 are driven by turbine 10. Gas turbine combustors vary widely in design and configuration. For detailed information on combustor design, see Sawyer's Gas Turbine Technology Handbook, 2nd Edition (Gas Turbine Publishers 1976), especially Volume 1, pages 151-167, "Combustor Design" by Herbert Earl Hazzard. See especially Chapter 7 entitled ”. A gas turbine combustor consists of one or more separate combustion chambers, hereinafter referred to as combustion cans. Each combustion chamber consists of a main zone in which the fuel is combusted and a dilution zone in which the combustion products are cooled.
The combustor may be completely independent of the turbine and associated air compressor, or alternatively may be integral with the turbine and air compressor. Typically, a gas turbine combustor consists of several combustion cans arranged in a ring around a drive shaft connecting the turbine and air compressor. Regardless of type or configuration, all combustors perform the same basic function. Fuel is injected by a spray nozzle into the main zone of the combustion can, where it mixes with compressed air supplied by the compressor of the turbine and ignites. The hot combustion products are then mixed with additional compressed air in the secondary dilution zone of the combustion can.
The purpose of this dilution is to cool the combustion products to a temperature suitable for use in the turbine, and to cool the combustion can itself. Usually, about 1/3 to 1/3 of the compressed air supplied from the turbine compressor
Only 4 is used for combustion. remaining 2/ of compressed air
3 to 3/4 will be used for dilution and cooling. According to the invention, the compressed air used for dilution and cooling is replaced by pressurized residual gas. Referring again to FIGS. 1 and 2, a modified combustor 14 is schematically shown. As mentioned above, the modified combustor 14 typically consists of a number of individual combustion cans arranged to form a ring around the compressor drive shaft 20. However, for simplicity, it is assumed that the modified combustor 14 consists of only one combustion can. The dotted line indicates the transition between combustion zone 22 and dilution zone 24. Residual gas source 26 (shown as a block) may be any gas source that produces a significant amount of residual gas. The temperature of the residual gas in the residual gas source 26 is
Typically, it is equal to or less than the temperature.
Referring now to FIG. 1, it is assumed that the residual gas is available at a pressure equal to or greater than the pressure of the combustion products in the modified combustor 14. For example, CO2 is produced as a residual gas at very high pressures from natural gas processing facilities. In this case, the residual gas flows directly from the residual gas source 26 through the pipeline 28 to the dilution zone 24 of the modified combustor 14 . Pipeline 28 includes additional pressure and/or fluid regulation devices (not shown). On the other hand, suppose
If the residual gas is only available at low pressure, it must be pressurized before entering the modified combustor 14. This pressurization is accomplished by a secondary compressor 30, as shown in FIG. 2
The secondary compressor 30 may be driven independently of the turbine 10. As a modification, as shown in Figure 2,
Secondary compressor 30 may be mechanically coupled to compressor 12 by a secondary compressor drive shaft 32. In this case, the secondary compressor 3
0 is generated by the turbine 10, and the compressor drive shaft 20,
It is transmitted to the secondary compressor 30 by the compressor 12 and the secondary compressor drive shaft 20. Other methods of driving secondary compressor 30 will be readily apparent to those skilled in the art. Residual gas is conveyed by pipeline 34 from residual gas source 26 to the inlet of secondary compressor 30 . After compression, the residual gas is transferred to the secondary compressor 30
from there to the dilution zone 24 of the modified combustor 14 via a pipeline 36 that includes additional pressure and/or fluid regulation devices (not shown). FIG. 3 shows one way to design the modified combustor 14. Fuel enters modified combustor 14 through fuel pipeline 38 and is atomized into combustion zone 22 by atomization nozzle 40 . Fuel enters compressor 12 through air intake 54 . After being compressed, the air is transferred to compressed air pipeline 42
to the combustion zone 22. Compressed air enters the combustion zone through swirl vanes 44 surrounding fuel pipeline 38. The purpose of the swirl vane, which is well known to those skilled in the art, is to create a turbulent flow pattern to better mix the fuel with the compressed air. This mixing promotes complete combustion. Pipeline 28 (Figure 1) or pipeline 36
The pressurized residual gas supplied by (FIG. 2) flows through a jacket 46 surrounding the combustion zone 22. Residual gas enters the interior of the combustor through port 48. The number of ports required depends on several factors such as flow rate, pressure and temperature. The hot combustion products and residual gases are mixed in dilution zone 24. This mixing creates the working fluid used to drive the turbine. Other ways to modify existing combustors or design new combustors for use with the present invention will be readily apparent to those skilled in the art of designing combustors. After combustion and dilution, the working fluid exits the modified combustor 14 and passes through the pipeline 50 to the turbine 10.
flows to the entrance of After the fluid has done work in the turbine, the used working fluid is exhausted to the atmosphere through exhaust pipe 52. Additional residual gas may be added to the exhaust pipe by pipeline 54. In carrying out the method of the invention, the compressed air normally used for cooling in the dilution zone of a gas turbine combustor is replaced by pressurized residual gas. This allows a corresponding reduction in the amount of air that has to be compressed in the air compressor of the turbine. If the residual gas is available at high pressure, as is often the case, the overall effectiveness of the turbine can be increased by reducing the amount of air that must be compressed. to accept pressurized residual gas as another cooling stream for use in dilution zone 24;
The gas turbine combustor 14 must be modified. This cooling flow must be separate from the pressurized air used for combustion in the combustion zone 22.
One method of modifying a typical gas turbine combustor according to the present invention is shown in FIG. Other ways to modify the gas turbine combustor used to practice the present invention will be readily apparent to those skilled in the art. As shown in Figure 1, the residual gas is
The residual gas can be passed directly to the dilution zone 24 of the modified combustor 14 if the pressure is kept high enough for use in the combustor 14. On the other hand, when only low pressure residual gas is available, a secondary compressor 30 is used to pressurize the residual gas before its use in the modified combustor 14, as shown in FIG.
must be used. In either case,
Additional residual gas may be added to the gas turbine exhaust stream 52 to increase the total amount disposed of. A computer study was conducted to compare the operating characteristics of a standard gas turbine engine (Case 1) and the characteristics of a gas turbine engine modified according to the present invention (Case 2). Details of the computer program used are not given here. However, the program is based on general laws of thermodynamics that are well known to those skilled in the art.
The results presented herein can be easily reproduced by one of ordinary skill in the art with or without the aid of a computer. In both cases, the gas turbine engine
It was assumed to have a nominal horsepower of 5000 horsepower. Fuel flow rate is 2268 tmol/day (5000 lbmol/day)
It was set to Fuel pressure is assumed to be 800 psia,
The fuel temperature was set at 4.4°C (40〓). The composition of the fuel used was as follows. Component Mol% Carbon dioxide 19.98 Methane 77.05 Ethane 1.17 Propane 0.26 N-butane 0.07 Nitrogen 1.47 100.00 To determine the amount of air required for combustion, it is necessary to determine whether all combustible components of the fuel gas are completely carbon dioxide (CO 2 ) or not. It was assumed that it could be converted to water (H 2 O). Based on this assumption, stoichiometric equilibrium was used to determine the amount of oxygen (O 2 ) required to completely transform all combustible materials. Calculations show that 1,798,524 tonmoles (39,650 lbmoles) of air are required to provide enough oxygen to completely burn 2,268 tonmoles (5000 lbmoles) of the above fuel gas. Complete combustion of 2.268 tonmoles (5000 lbmol/day) of the above gas provides a total heat input of 8543.889 kcal/hour (57690000 BTU/hour) to the gas turbine engine. Thus, if the gas turbine engine were operated at 100% thermal efficiency, the output would be 22,668 horsepower. Typically, for dilution and cooling, the amount of compressed air used in a gas turbine combustor is two to three times the amount needed for complete combustion. For case 1, the amount of dilution air was assumed to be 21/2 times the amount of combustion air. Thus, the total compressed air used in Case 1 is 17.98524 tmol/day (39650 lbmol/day) required for combustion alone.
day) or 62.94834 tmol/day (138775
(pound mole/day). This air is 80 psia
Before being compressed to an operating pressure of 14 psia and 32.2
It was assumed that it could be obtained at a temperature of 90°C (90°C). Additionally, the air was assumed to be 100% saturated. In case 2, the residual gas was assumed to be carbon dioxide (CO 2 ). It is assumed that CO 2 is available at a pressure of 53 psia and a temperature of -15°C (5〓), and an additional 80.5 psia for use in a modified combustor.
compressed to a pressure of The composition of CO 2 was assumed to be as follows. Component Mol % Carbon Dioxide 98.74 Methane 0.89 Ethane 0.09 Propower 0.10 N-Butane 0.17 Water 0.01 100.00 The above characteristics are typical of the CO 2 stream often generated as residual gas in natural gas processing facilities. To ensure complete combustion, in case 2, 50%
It was assumed that excess compressed air was used. Thus, the total amount of compressed air used was 26.97786 tmol/day (59.475 lbmol/day). As in case 1, this air was assumed to be 100% saturated. The remainder of the compressed air used in Case 1 was replaced with 1.8144 tmol/day of 4000 lbmol/day of CO2 . A comparison of the operating characteristics of the two devices is as follows.
【表】
両ケースでは、コンプレツサ及び膨張器の効率
を夫々80%及び85%であると想定した。各ケース
についてタービン出口温度は、排気流のエンタル
ピーと複合吸気流(圧縮空気、CO2及び燃料)の
エンタルピーとを比較して決められた。出口温度
は、上記エンタルピーの差が燃料の流量×燃料の
正味熱量にちようど等しくなるまで変えられる。
上記例では、18.144トンモル/日(40000ポン
ドモル/日)の圧縮CO2を、35.97トンモル/日
(79300ポンドモル/日)の圧縮空気に代つて使用
した。タービン入口温度の差によつて明らかなよ
うに、多量の空気を使用するよりも、少量のCO2
でより良い冷却を行なうことができる。
ケース2では、タービンを通る総流量はケース
1の総流量より少ない17.8265トンモル/日
(39300ポンドモル/日)である。流量の減少は得
られたタービン馬力の減少についてケース1から
ケース2への基本的な原因である。しかしなが
ら、さらに重要なのは、得られた全馬力がケース
1からケース2へ減少したとしても、仕事に利用
できる正味馬力はケース1よりもケース2の方が
相当に大きい。これは、圧縮に必要とされる馬力
の量の可成りの減少のためである。さらに、ケー
ス2における全体の熱効率は、ケース1よりもよ
い。
ケース2では、CO2は53psiaで入手しうると想
定され、さらに80.5psiaまで圧縮された。この圧
縮には315馬力を必要とした。CO2が80.5psia以
上の圧力で入手し得たとするならば、この315馬
力は必要でなく、その結果利用できる正味馬力と
熱効率はさらに増加する。逆に、CO2が低圧でし
か入手し得ないならば、315以上の馬力が圧縮の
ために必要になる。これは馬力と熱効率の増加分
の一部又は全部を打ち消すことになる。
大量のCO2を処分することの主な利益に加え
て、CO2を希釈に使用するときには、少い流量で
等しいかより大きな正味馬力を発生させることが
できるという本発明の利益が加えられる。流量が
ガスタービンの設計において制限要素の1つであ
るから、小さいタービンを特定の仕事に使用しう
る。
ケース1およびケース2の分散能力の比較は次
のとうりである。この比較のため、両ケースにつ
いて4.536トンモル/日(10000ポンドモル/日)
の排気ガス流量を想定した。[Table] In both cases, the efficiency of the compressor and expander was assumed to be 80% and 85%, respectively. For each case, the turbine exit temperature was determined by comparing the enthalpy of the exhaust stream and the enthalpy of the combined intake stream (compressed air, CO 2 and fuel). The outlet temperature is varied until the enthalpy difference is exactly equal to the fuel flow rate multiplied by the net heat value of the fuel. In the example above, 18.144 tonmoles/day (40,000 lbmoles/day) of compressed CO 2 was used in place of 35.97 tonmoles/day (79,300 lbmoles/day) of compressed air. As evidenced by the difference in turbine inlet temperatures, it is better to use less CO 2 than to use more air.
can provide better cooling. In case 2, the total flow rate through the turbine is 17.8265 tmol/day (39300 lbmol/day), which is less than the total flow rate in case 1. The reduction in flow rate is the fundamental reason for the reduction in obtained turbine horsepower from Case 1 to Case 2. More importantly, however, even though the total horsepower available decreases from Case 1 to Case 2, the net horsepower available for work is significantly greater in Case 2 than in Case 1. This is due to a significant reduction in the amount of horsepower required for compression. Furthermore, the overall thermal efficiency in case 2 is better than case 1. In case 2, CO2 was assumed to be available at 53 psia and was further compressed to 80.5 psia. This compression required 315 horsepower. If CO2 were available at pressures above 80.5 psia, this 315 horsepower would not be needed, resulting in a further increase in available net horsepower and thermal efficiency. Conversely, if CO 2 is only available at low pressure, more than 315 horsepower will be required for compression. This will negate some or all of the increases in horsepower and thermal efficiency. In addition to the main benefit of disposing of large amounts of CO2 , the benefit of the present invention is that equal or greater net horsepower can be generated at lower flow rates when CO2 is used for dilution. Since flow rate is one of the limiting factors in gas turbine design, smaller turbines can be used for specific tasks. A comparison of the dispersion ability of Case 1 and Case 2 is as follows. For this comparison, 4.536 tmol/day (10000 lbmol/day) for both cases.
The exhaust gas flow rate was assumed to be
【表】
上記の比較では、大気中の適当な分散を確保す
るために少なくとも204℃(400〓)の煙突温度が
必要であつたと思われた。ケース1では排気流
は、燃焼過程で生じた1.583トンモル/日
(3490lbモル/日)のCO2を含む。さらに、37.8
℃(100〓)の温度で64.411トンモル/日
(142000ポンドモル/日)のCO2を排気流に加え
ることによつて、排気流の最終的な温度は208.3
℃(407〓)になる。かくして、45.360トンモ
ル/日(100000ポンドモル/日)の流量を有する
標準のガスタービンによつて分散されるCO2の総
量は、65.994トンモル/日(145490ポンドモル/
日)である。
ケース2では、排気流は19.768トンモル/日
(43580ポンドモル/日)のCO2を含み、CO2の大
部分は希釈の目的で加えられた。さらに、37.8℃
(100〓)の83.008トンモル/日(183000ポンドモ
ル/日)のCO2を排気流に加えることによつて、
排気の温度は213.9℃(417〓)になる。本発明に
よつて変形し、45.36トンモル/日(100000ポン
ドモル/日)の流量を有するガスタービンエンジ
ンによつて分散されるCO2の総量は、102.777ト
ンモル/日(226580ポンドモル/日)である。
本発明の方法と装置及びこの方法を適用するた
めに考慮された最善の態様を説明した。
以上の説明は例図示のためだけのものであり、
他の装置及び明らかな変形を、特許請求の範囲で
特定した本発明の観点から逸脱することなく採用
しうることを理解すべきである。例えば、燃焼空
気が残留ガスと別々に保たれている限り、いかな
る設計の燃焼器をも、使用することができる。
又、CO2以外の残留ガスを使用してもよい。[Table] In the above comparison, it appeared that a stack temperature of at least 204°C (400°C) was required to ensure proper dispersion in the atmosphere. In Case 1, the exhaust stream contains 1.583 tmol/day (3490 lbmol/day) of CO2 produced during the combustion process. Furthermore, 37.8
By adding 64.411 tmol/day (142000 lbmol/day) of CO2 to the exhaust stream at a temperature of 100°C, the final temperature of the exhaust stream is 208.3
It becomes ℃ (407〓). Thus, the total amount of CO2 dispersed by a standard gas turbine with a flow rate of 45.360 tmol/day (100000 lbmol/day) is 65.994 tmol/day (145490 lbmol/day).
day). In Case 2, the exhaust stream contained 19.768 tmol/day (43580 lbmol/day) of CO2 , with most of the CO2 being added for dilution purposes. Furthermore, 37.8℃
By adding (100〓) of 83.008 tmol/day (183000 lbmol/day) of CO 2 to the exhaust stream,
The exhaust temperature will be 213.9℃ (417〓). The total amount of CO2 dispersed by a gas turbine engine modified according to the invention and having a flow rate of 45.36 tmol/day (100000 lbmol/day) is 102.777 tmol/day (226580 lbmol/day). The method and apparatus of the present invention and the best mode contemplated for applying the method have been described. The above description is for illustrative purposes only.
It is to be understood that other arrangements and obvious modifications may be employed without departing from the scope of the invention as specified in the claims. For example, any combustor design can be used as long as the combustion air is kept separate from the residual gases.
Also, residual gases other than CO 2 may be used.
第1図は、本発明のガスタービン装置のフロー
図である。第2図は、低圧残留ガスを圧縮するた
め2次コンプレツサの使用を示す本発明のガスタ
ービン装置の変形したフロー図である。第3図
は、本発明によつて変形された典型的なガスター
ビン燃焼缶の横断側面図である。
10……タービン、12……空気コンプレツ
サ、14……変形燃焼器、16……駆動負荷、1
8……駆動シヤフト、20……コンプレツサ駆動
シヤフト、22……燃焼帯域、24……希釈帯
域、26……残留ガス源、28……パイプライ
ン、30……2次コンプレツサ。
FIG. 1 is a flow diagram of a gas turbine apparatus of the present invention. FIG. 2 is a modified flow diagram of the gas turbine system of the present invention showing the use of a secondary compressor to compress low pressure residual gas. FIG. 3 is a cross-sectional side view of a typical gas turbine combustion can modified in accordance with the present invention. 10... Turbine, 12... Air compressor, 14... Modified combustor, 16... Drive load, 1
8... Drive shaft, 20... Compressor drive shaft, 22... Combustion zone, 24... Dilution zone, 26... Residual gas source, 28... Pipeline, 30... Secondary compressor.
Claims (1)
大量の残留ガスが放出領域にただよう傾向を減少
させることによつて、大量の残留ガスの大気中へ
の分散の安全性を高めるための方法であつて、前
記ガス源がガスタービンエンジンの近くに位置決
めされ、該ガスタービンエンジンが燃焼帯域と希
釈帯域と吸入口と排出口とをもつ燃焼器を有して
いる方法において、 前記大量の残留ガスをガスタービン燃焼器の希
釈帯域へ冷却流として導入し、残留ガスを加熱し
て残留ガスの密度を減少させる工程と、 加熱された残留ガスをガスタービンに通す工程
と、 加熱された残留ガスを、これから熱を実質的に
取除くことなく大気中に放出し、これによつてガ
スが放出位置にただよう傾向を減少させる工程
と、 を有することを特徴とする方法。 2 更に、残留ガスを、ガスタービン燃焼器の希
釈帯域へ導入する前に、前記残留ガスを圧縮する
工程を有することを特徴とする特許請求の範囲第
1項記載の方法。 3 更に、追加の残留ガスを、ガスタービンエン
ジンの排気流へ導入する工程を有することを特徴
とする特許請求の範囲第1項記載の方法。 4 残留ガスが大気中に放出されるときに残留ガ
スの密度が残留ガスの放出される大気の密度より
も小さくなるような温度に残留ガスが加熱される
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の方
法。 5 大気中に放出される残留ガスの温度は少なく
とも約400〓(204℃)であることを特徴とする特
許請求の範囲第4項記載の方法。 6 更に、追加の残留ガスをガスタービンエンジ
ンの排気流へ導入して追加の残留ガスを加熱する
工程を有することを特徴とする特許請求の範囲第
5項記載の方法。 7 工業上の作業或いは同様なガス源から生じた
大量の二酸化炭素ガスがこれらの放出位置にただ
よう傾向を減少させることによつて、大量の二酸
化炭素ガスの大気中への分散の安全性を高めるた
めの方法であつて、前記二酸化炭素のガス源が燃
焼器をもつガスタービンの近くに位置決めされ、
前記燃焼器は、燃料を圧縮された空気と混合して
燃焼させ、燃焼生成物を形成する燃焼帯域と、燃
焼生成物をタービンで使用するのに適当な温度ま
で冷却する希釈帯域とを有する方法において、 前記大量の二酸化炭素を燃焼器の希釈帯域へ冷
却流として導入し、これによつて熱を燃焼生成物
から二酸化炭素に移す工程と、 加熱された二酸化炭素と燃焼生成物とをガスタ
ービンに通し、これによつてエネルギーをタービ
ンに移す工程と、 加熱された二酸化炭素と燃焼生成物とを、二酸
化炭素から熱を実質的に取除くことなく大気中に
排出し、これによつて大気中に排出される位置に
二酸化炭素がただよう傾向を減少させて加熱され
た二酸化炭素の分散の安全性を高める工程と、 を有することを特徴とする方法。 8 更に、二酸化炭素を燃焼器の希釈帯域へ導入
する前に二酸化炭素を圧縮する工程を有すること
を特徴とする特許請求の範囲第7項記載の方法。 9 更に、追加の二酸化炭素をガスタービンエン
ジンの排出流に導入して追加の二酸化炭素を加熱
する工程を有することを特徴とする特許請求の範
囲第7項記載の方法。 10 二酸化炭素が放出されるときに二酸化炭素
の密度が二酸化炭素の放出される大気の密度より
も小さくなるような温度まで二酸化炭素を加熱す
ることを特徴とする特許請求の範囲第7項記載の
方法。 11 大気中に放出される二酸化炭素の温度は少
なくとも約400〓(204℃)であることを特徴とす
る特許請求の範囲第10項記載の方法。Claims: 1. Safety of the dispersion of large amounts of residual gas into the atmosphere by reducing the tendency for large amounts of residual gas originating from industrial operations or similar gas sources to drift into the discharge area. , wherein the gas source is located near a gas turbine engine, the gas turbine engine having a combustor having a combustion zone, a dilution zone, an inlet, and an outlet. , introducing the bulk residual gas as a cooling stream into a dilution zone of a gas turbine combustor and heating the residual gas to reduce the density of the residual gas; passing the heated residual gas through a gas turbine; venting the heated residual gas to the atmosphere without substantially removing heat therefrom, thereby reducing the tendency of the gas to drift to the discharge location. 2. The method of claim 1 further comprising the step of compressing the residual gas before introducing the residual gas into a dilution zone of the gas turbine combustor. 3. The method of claim 1 further comprising the step of introducing additional residual gas into the exhaust stream of the gas turbine engine. 4. Claim No. 4 characterized in that the residual gas is heated to a temperature such that when the residual gas is released into the atmosphere, the density of the residual gas is smaller than the density of the atmosphere into which the residual gas is released. The method described in Section 1. 5. The method of claim 4, wherein the temperature of the residual gas released into the atmosphere is at least about 400°C (204°C). 6. The method of claim 5 further comprising the step of introducing additional residual gas into the exhaust stream of the gas turbine engine to heat the additional residual gas. 7. Increasing the safety of the dispersion of large quantities of carbon dioxide gas into the atmosphere by reducing the tendency for large quantities of carbon dioxide gas originating from industrial operations or similar gas sources to drift to these points of release; , wherein the gas source of carbon dioxide is positioned near a gas turbine having a combustor;
The combustor has a combustion zone for mixing and combusting fuel with compressed air to form combustion products, and a dilution zone for cooling the combustion products to a temperature suitable for use in a turbine. introducing the bulk carbon dioxide as a cooling stream into a dilution zone of a combustor, thereby transferring heat from the combustion products to the carbon dioxide; and transferring the heated carbon dioxide and combustion products to a gas turbine. passing the heated carbon dioxide and combustion products into the atmosphere without substantially removing heat from the carbon dioxide, thereby transferring energy to the turbine. and increasing the safety of the dispersion of the heated carbon dioxide by reducing the tendency of the carbon dioxide to drift to the location where it is discharged. 8. The method of claim 7 further comprising the step of compressing the carbon dioxide before introducing it into the dilution zone of the combustor. 9. The method of claim 7 further comprising the step of introducing additional carbon dioxide into the exhaust stream of the gas turbine engine to heat the additional carbon dioxide. 10. The method according to claim 7, characterized in that the carbon dioxide is heated to a temperature such that when the carbon dioxide is released, the density of the carbon dioxide becomes smaller than the density of the atmosphere from which the carbon dioxide is released. Method. 11. The method of claim 10, wherein the temperature of the carbon dioxide released into the atmosphere is at least about 400°C (204°C).
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