JP5331327B2

JP5331327B2 - 三重環状反転スワーラ

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Publication number: JP5331327B2
Application number: JP2007297457A
Authority: JP
Inventors: アーメッド・モスタファ・エルカディ; アンドレイ・トリスタン・エヴュレット
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-11-17
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2027-11-16
Also published as: EP1923637A3; EP1923637B1; JP2008128632A; EP1923637A2; US8099960B2; CN101182928A; US20080115501A1; CN103032900A; KR101450874B1; KR20080045060A; CN103032900B

Description

本発明の実施形態は、総括的には燃焼器に関し、より具体的には、低エミッション燃焼プロセスにおいて用いるための希薄予混合燃焼器の燃料−空気ミキサに関する。

歴史的に、燃料からのエネルギーの取り出しは、燃焼器内で拡散律速（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ）（非予混合とも呼ばれる）燃焼として実行されてきており、その場合には、反応物質が最初は分離されており、反応は燃料と酸化剤との間の界面でのみ起こり、界面では混合及び反応の両方が発生する。そのような装置の実施例には、それに限定されないが、幾つかの例を挙げると航空機用ガスタービンエンジン、並びに発電、舶用推進、ガス圧縮、コジェネレーション及び海上作業台船動力における用途用の航空転用ガスタービンが含まれる。そのような燃焼器を設計する際には、技術者は、燃焼器の全体寸法を維持又は減少させ、最大作動温度を上昇させかつ比エネルギー放出率を増大させる継続的要求だけでなく、規制汚染物質の形成及びこれらの環境内への排出（エミッション）を低減する絶え間なく拡大する要求にも挑戦している。関心のある主要な汚染物質の実例には、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃焼及び部分燃焼炭化水素、並びに二酸化炭素（ＣＯ_２）などの温室効果ガスが含まれる。燃焼が発生している間における流体力学的混合、局所化学量論的燃焼と関連するピーク温度、高温を有する領域内での滞留時間、及び酸素利用率への依存のために、流れ内の局所的組成変動を制御するのは困難であるので、拡散燃焼器は、所望の高性能レベルを維持しながら現在及び将来のエミッション要件を満たす能力には限界がある。

近年では、望ましくない汚染物質の排出レベルをさらに低減するために、希薄予混合燃焼器が用いられている。これらの燃焼器では、該燃焼器内でのあらゆる有意な化学反応の発生に先立って、適等な量の燃料及び酸化剤が燃料−空気ミキサの使用によって混合チャンバ又は領域内で十分に混合され、従って当技術分野で公知の拡散燃焼器及びその他の燃焼器の上述した困難性を制御するのを可能にする。従来型の予混合バーナの燃料−空気ミキサは、混合ダクトの上流端部にほぼ隣接して配置されて空気ストリーム（空気流）に旋回を与えるようになった内側及び外側反転スワーラの組を組み込んでいる。そのような装置内に燃料を噴射する様々な方法が知られており、それらの方法には、シュラウド内の燃料マニホルドと流体連通状態になった内部空洞を備えた中空ベーンを含むことができる内側及び／又は外側環状スワーラに第１の燃料を供給する段階、及び／又は第２の燃料プレナムと流れ連通状態になった中心体壁内の複数のオリフィスによる横ジェット流によって混合ダクト内に第２の燃料を噴射する段階が含まれる。そのような装置では、スワーラにより混合ダクト内に圧縮器からの高圧空気を強い剪断領域を形成するように噴射しかつ外側旋回ベーン通路及び／又は中心体オリフィスにより混合ダクト内に燃料を噴射して、混合ダクトの下流端部から燃焼器内に燃料／空気混合気を供給し、点火しかつ燃焼させる前に高圧空気及び燃料が混合されるようにする。

横ジェット流及び局所燃料噴射点並びに旋回を与える方法のために、従来型の燃料−空気ミキサ内の燃料濃度は、出口平面におけるミキサ壁の近くで最も高く、従って、特に、それに限定されないが、石炭又は他の材料のガス化プロセスにより得られる一酸化炭素及び水素の豊富なガスである、天然ガス、水素、及び合成燃料ガス（シンガスとしても知られている）を含む広範な燃料で適切に作動することが可能な燃焼器の必要性を考える時に、混合ダクトの出口での燃料濃度の局所変化の制御が抑制される。従って、火炎ゾーンに送給される燃料濃度プロフィールは、不要な空間的変動を含む可能性があり、従って汚染物質形成プロセスに対する予混合の最大効果を最小にすると共に燃焼ゾーンにおける全体火炎安定性に悪影響を与える可能性がある。
米国特許第５，３５１，４７７号米国特許第５，２５１，４４７号米国特許第５，１６５，２４１号米国特許第５，６８０，７６６号

従って、混合ダクト内での流れ剥離及び火炎保持の制御を維持しながら、その出口における燃料濃度の局所変化を制御する高い能力を有する、希薄予混合燃焼器で用いるための燃料−空気ミキサの必要性が存在する。この制御を高めることにより、装置の全体的圧力低下に実質的に影響を与えずに、短い長さを有する予混合装置の開発が可能になることになる。

当技術分野で公知の上記に要約した必要性及びその他の１つ又はそれ以上は、燃料−空気ミキサによって対処され、本燃料−空気ミキサは、壁によって形成された環状シュラウドと、環状シュラウドの上流端部部分に配置された第１のスワーラ及び該第１のスワーラの半径方向外向側に配置された第２のスワーラと、第１及び第２のスワーラを分離したハブと、環状シュラウドに沿って軸方向に延びる中心体と、環状シュラウドの上流端部部分において該環状シュラウドの周りで円周方向に配置された燃料シュラウドと、内側及び外側スワーラの下流に配置され、環状シュラウド壁に隣接して環状シュラウドの外側の領域からそれに流入する第２のガスストリームに独立した回転を与えるように構成された第３のスワーラとを含む。開示した本発明の実施形態はまた、上記に要約した燃料−空気ミキサを有する低エミッション燃焼器及びガスタービン燃焼器を含む。

開示した本発明の別の態様では、ガスタービンを開示しており、本ガスタービンは、圧縮器と、圧縮器と流れ連通状態になって燃料及び空気の予混合した混合気を燃焼させる燃焼器と、燃焼器の下流に設置されて該燃焼器から流出する高温ガスストリームを膨張させるタービンとを含む。そのようなガスタービンの燃焼器は、燃料−空気ミキサを有し、燃料−空気ミキサは、壁によって形成された環状シュラウドと、環状シュラウドの上流端部部分に配置された第１のスワーラ及び該第１のスワーラの半径方向外向側に配置された第２のスワーラと、第１及び第２のスワーラを分離したハブと、環状シュラウドに沿って軸方向に延びる中心体と、環状シュラウドの上流端部部分において該環状シュラウドの周りで円周方向に配置された燃料シュラウドと、内側及び外側スワーラの下流に配置され、環状シュラウド壁に隣接して環状シュラウドの外側の領域からそれに流入する第２のガスストリームに独立した回転を与えるように構成された第３のスワーラとを含む。

開示した本発明の別の態様では、気体液体化システムを開示しており、本気体液体化システムは、空気から酸素を分離するように構成された空気分離ユニットと、天然ガスを調製するようになったガス処理ユニットと、高温及び高圧で酸素を天然ガスと反応させて一酸化炭素及び水素ガスの豊富な合成ガスを生成するようになった燃焼器と、燃焼器と流れ連通状態になっていて前記合成ガスから仕事を取り出しかつ該合成ガスを急冷するようになったターボ膨張器とを含む。そのような気体液体化システムの燃焼器は、燃料−空気ミキサを含み、燃料−空気ミキサは、壁によって形成された環状シュラウドと、環状シュラウドの上流端部部分に配置された第１のスワーラ及び該第１のスワーラの半径方向外向側に配置された第２のスワーラと、第１及び第２のスワーラを分離したハブと、環状シュラウドに沿って軸方向に延びる中心体と、環状シュラウドの上流端部部分において該環状シュラウドの周りで円周方向に配置された燃料シュラウドと、内側及び外側スワーラの下流に配置され、環状シュラウド壁に隣接して環状シュラウドの外側の領域からそれに流入する第２のガスストリームに独立した回転を与えるように構成された第３のスワーラとを含む。

燃焼システム内で燃料及び酸化剤を予混合する方法もまた、開示した本発明の実施形態の技術的範囲内であり、そのような方法は、第１の酸化剤ストリームを燃料−空気ミキサの環状シュラウド内に取り込む段階と、第１のスワーラ内で第１の酸化剤ストリームの第１の部分を第１の方向に旋回させる段階と、第２のスワーラ内で第１の酸化剤ストリームの第２の部分を第１の方向とは反対である第２の方向に旋回させる段階と、燃料シュラウドから燃料−空気ミキサ内に燃料を噴射する段階と、環状シュラウド内に第２の気体ストリームを取り込む段階と、燃料シュラウド並びに第１及び第２のスワーラの軸方向位置の下流に配置された第３のスワーラ内で、環状シュラウド外側の領域から取り込まれた第２の気体ストリームを旋回させて、環状シュラウドの出口における該環状シュラウドの壁の近くの燃料濃度を制御するようにする段階とを含む。

上記の簡単な記述は、以下に続く本発明の詳細な説明をより良好に理解することができるようにするために、また当技術分野に対する本発明の貢献をより良好に理解することができるようにするために本発明の特徴を記載している。勿論、以下に記載し、また提出した特許請求の範囲の主題になることになる本発明の他の特徴も存在する。

この点に関して、本発明の幾つかの好ましい実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、本発明の適用において、以下の説明に記載し又は図面に示した構造の詳細及び構成部品の配置に限定されるものではないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態についても可能であり、また様々な方法で実用化しかつ実施することができる。また、本明細書で使用した専門語及び術語は、説明のためのものであって、限定と見なすべきではないことを理解されたい。

従って、開示事項が基にしている概念は、本発明の幾つかの目的を実行するような他の構造、方法及びシステムを設計するための基礎として容易に利用することができることは、当業者には分かるであろう。従って、本特許請求の範囲は、そのような構成が本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱しない限りにおいて、それら均等の構成を含むと見なすことが重要である。

さらに、記載した要約書の目的は、特許庁及び国民全体、特に特許又は法律用語或いは専門語に精通していない当技術分野の科学者、技術者及び専門家が本出願の技術的開示事項の性質及び本質を一瞥して速やかに判断することができるようにすることである。従って、要約書は、特許請求の範囲のみによって判定される本発明又は本出願を定めることを意図するものでもないし、またいずれにしても本発明の技術的範囲を限定することを意図するものでもない。

本発明のより完全な理解及び本発明の付随的利点の多くは、以下の詳細な説明を参照しながら添付の図面と関連して検討することにより一層良好に理解されるようになるので、容易に把握されるであろう。

図面では図全体にわたって同じ参照番号が同一又は対応する部品を示しており、次にこの図面を参照して、開示した幾つかの燃料−空気ミキサの実施形態を説明することにする。以下に続く説明では、ガスタービンで用いる開示した燃料−空気ミキサの例示的な実施形態を使用することにする。それにも拘わらず、この同一の燃料−空気ミキサは、主として燃料及び酸化剤の予混合によって燃焼が制御される他の用途においても用いることができることは、当業者には容易に分かるであろう。

図１は、作動中に高圧空気を低エミッション燃焼器１２に供給する圧縮器１４を有するガスタービン１０を示している。燃焼器１２内に噴射された燃料の空気（又は別の酸化剤）との燃焼の後に、高圧の高温燃焼ガスが、燃焼器１２から流出しかつタービン１６を通って膨張し、タービン１６は、シャフト１８を介して圧縮器１４を駆動する。当業者には分かるように、空気又は空気流に対する本明細書での説明はまた、それ限定されないが、純酸素を含むあらゆる他の酸化剤を意味する。１つの実施形態では、燃焼器１２は、カン型燃焼器を含む。別の実施形態では、燃焼器１２は、カン−アニュラ型燃焼器又は単にアニュラ型燃焼器を含む。用途に応じて、燃焼ガスは、推力を生成するためにノズル（図示せず）内でさらに膨張させることができ、或いはガスタービン１０は、外部負荷を駆動するために燃焼ガスから付加的エネルギーを抽出する付加的タービン（図示せず）を有することができる。図１に示すように、燃焼器１２は、燃焼区域を形成する燃焼器ハウジング２０を含む。加えて、以下にさらに説明しかつ図２〜図５に示すように、燃焼器１２は、燃焼区域内での燃焼に先立って、加圧空気及び燃料を混合するための燃料−空気ミキサを含む。

図２は、図１のガスタービン１０内で使用する低エミッション燃焼器２２の例示的な構成を示している。この図示した実施形態では、燃焼器２２は、単一の燃料−空気ミキサを有するカン型燃焼器を含むが、しかしながら当業者には、用途及び所望の出力に応じて複数のミキサもまた、所定の燃焼器カン内で使用することができることが分かるであろう。燃焼器２２は、燃焼器ケーシング２４と燃焼器ケーシング２４内に配置された燃焼器ライナ２６とを含む。燃焼器２２はまた、ドームプレート２８と、燃焼器壁の温度を低下させるように構成された熱シールド３０とを含む。さらに、燃焼器２２は、燃焼に先立って酸化剤及び燃料を予混合するための燃料−空気ミキサ３２を含む。図２は、単一の燃料−空気ミキサ３２を有するカン型燃焼器を示しているが、複数の燃料−空気ミキサ３２を有するカン型燃焼器もまた、開示した本発明の技術的範囲内にあることが、当業者には分かるであろう。１つの実施形態では、燃料−空気ミキサ３２は、水素のような燃料を使用する用途の場合には、燃焼器２２内に段階的な燃料導入を達成するように配列することができる。作動中に、燃料−空気ミキサ３２は、空気流３４を受け、空気流３４は、燃料プレナムから燃料−空気ミキサ３２内に導入された燃料と混合される。その後、空気−燃料混合気は、燃焼器２２内の火炎３６で燃焼される。図示するようにケーシング２４内にはまた、希釈又は冷却孔３８を設けることができる。

図３は、図１のガスタービン１０内で使用する低エミッション燃焼器４０の別の例示的な構成を示している。この図示した実施形態では、燃焼器４０は、単一の燃料−空気ミキサを有するアニュラ型燃焼器を含むが、しかしながら当業者には、用途及び所望の出力に応じて複数の円周方向に配置したミキサもまた、所定のアニュラ型燃焼器内で使用することができることが分かるであろう。図示するように、内側ケーシング４２及び外側ケーシング４４は、燃焼器４０内に燃焼区域を形成する。加えて、燃焼器４０は一般的に、内側及び外側燃焼器ライナ４６及び４８とドーム５０とを含む。さらに燃焼器４０は、内側及び外側燃焼器ライナ４６及び４８に隣接して配置された内側及び外側熱シールド５２及び５４と空気流５８を燃焼区域内に向けるためのディフューザセクション５６とを含む。燃焼器４０はまた、燃焼区域の上流に配置された燃料−空気ミキサ６０を含む。作動中に、燃料−空気ミキサ６０は、燃料パイプ６２及び６４を介して燃料プレナムから燃料を受ける。さらに、燃料パイプ６２及び６４からの燃料は、流入空気流５８と混合され、燃焼用の燃料−空気混合気は、火炎６６に送給される。

図４は、本技術の態様による燃料−空気ミキサ７２を有する別の例示的な低エミッションアニュラ型燃焼器７０の部分断面図を示している。当業者には分かるように、アニュラ型燃焼器７０は、ガスタービンエンジン１０で用いるのに適したタイプの連続燃焼式燃焼装置であり、その中に燃焼チャンバ７６を形成した中空本体７４を含む。中空本体７４は、形状がほぼ環状であり、外側ライナ４８と、内側ライナ４６と、ドーム端部又はドーム５０とを含む。図示するように、中空本体７４のドーム端部５０は、燃料−空気ミキサ７２に接続されて、得られた混合気の燃焼によって生じる汚染物質の形成を最少にした状態で燃料−空気ミキサ７２から燃焼チャンバ７６内への燃料−空気混合気の連続的な導入を可能にする。本明細書に記載した修正以外に、燃料−空気ミキサ７２は一般に、本発明の出願人と同一出願人の米国特許第５，３５１，４７７号、第５，２５１，４４７号及び第５，１６５，２４１号におけるミキサの形態を取ることになり、これら米国特許の内容は、参考文献としてその全体を本明細書に組み入れている。

図示するように、燃料−空気ミキサ７２は、内側スワーラ８０と外側スワーラ８２とを含む。内側及び外側スワーラ８０及び８２は、反転しているのが好ましい。当業者には分かるように、内側スワーラ８０又は外側スワーラ８２がそれらを通って流れる空気をどちらの方向に回転させるかは、一方のスワーラの回転の方向が他方の回転の方向と反対である限り問題ではない。ハブ８４は、内側及び外側スワーラ８０及び８２を互いに分離して、内側及び外側スワーラ８０及び８２が、同軸環状となりかつそれらに流入する空気を別個に回転させることを可能にする。内側及び外側スワーラ８０及び８２は、軸方向であるのが好ましいが、これらは、半径方向或いは軸方向及び半径方向の幾分かの組合せとすることができる。当業者には公知なように、内側及び外側スワーラ８０及び８２は、燃焼器の軸方向軸線Ａに対して約４０°〜約６０°変化する角度で配置されたベーンを有する。加えて、内側スワーラ８０を通って流れる空気の質量の外側スワーラ８２を通って流れる空気の質量に対する比率は、設計によって調節することができ、好ましくはほぼ３分の１に等しくすることができる。

燃料−空気ミキサ７２はさらに、燃料吸入口８８を有しかつその上流端部において該ミキサを円周方向に囲む燃料シュラウド８６と、燃料シュラウド８６の下流に配置された環状シュラウド９０とを含む。燃料シュラウド８６は、外側スワーラ８２のベーンと流れ連通状態とすることができ、外側スワーラ８２から噴射される燃料は、従来から知られているような適切な燃料供給及び制御機構によって調量することができる。従って、外側スワーラ８２のベーンは、燃料シュラウド８６に接続された内部空洞と燃料を燃料シュラウド８６から環状シュラウド９０内に噴射する燃料通路とを有する中空デザインのものであるのが好ましい。同様に従来から知られているように、図には示していないが、燃料通路は、内側スワーラ８０のベーンと流れ連通状態で設けることができる。

図示していないが、環状シュラウド９０を形成する壁は、該環状シュラウド９０の外側からの加圧空気と流れ連通状態になった１つ又はそれ以上の空気通路を含み、空気が環状シュラウド９０の内側を流れて該環状シュラウド９０の内側表面に沿って位置した空気及び燃料の境界層を活性化させるのを可能にすることができることは、当業者には分かるであろう。これらの空気流通路は、燃料が燃料−空気ミキサ７２内に噴射される方法又は燃料及び空気が燃料−空気ミキサ７２内で混合される方法に関係なく実施することができる。これは、そのような空気通路によって供給される空気が、環状シュラウド９０内での内側環状面に沿って境界層を活性化させるのにゆうこうであり、かつ環状シュラウド９０内の空気の前進速度を増大させることになるからである。さらに、空気はまた、境界層内のあらゆる燃料の濃度を希釈し、従って境界層内の火炎速度を低下させる効果を有することになり、その全ては、環状シュラウド９０内のフラッシュバックの可能性を低下させることになる。

図４にさらに示すように、燃料−空気ミキサ７２内には、中心体９４が設けられ、中心体９４は、真っ直ぐな円筒形セクションの形態とすることができ、或いは好ましくはその上流端部からその下流端部までほぼ一様に収束する形態とすることができる。中心体９４は、燃料−空気ミキサ７２の下流端部９６の前で終端するような寸法にされるのが好ましい。１つの実施形態では、中心体９４は、該中心体９４に隣接して燃焼チャンバ７６内に比較的高い軸方向速度の空気を流入させるための該中心体９４の先端を通る通路を含むことができるのが好ましく、この特定の実施形態では、局所的燃料／空気比を減少させて中心体先端の下流に火炎を押し出すのを助けることが可能になる。

中心体９４はさらに、好ましくは内側スワーラ８０の直ぐ下流に配置された複数のオリフィスを含むことができ、このオリフィスからもまた、燃料−空気ミキサ７２内に燃料を噴射することができる。燃料−空気ミキサ７２内に気体及び液体燃料が噴射されることになる場合には、気体燃料は、旋回ベーン通路を通して噴射されることになるのが好ましく、また液体燃料は、中心体９４内に配置したオリフィスを通して噴射されることになることが分かるであろう。従って、燃料タイプの変更は、中心体９４内に配置したオリフィスを通して噴射される燃料の量を増加させながらそれに対応してベーンを通して噴射する燃料の量を減少させることによって、むしろ速やかにかつ簡単に実施することができることが分かるであろう。

図４にさらに例示するように、燃料シュラウド８６と環状シュラウド９０との間に、燃料−空気ミキサ７２は、半径方向スワーラ９２を含む。前に説明したように、内側又は外側スワーラ８０及び８２のいずれかに導入された燃料は、環状シュラウド９０の表面に向かって集積し、従って環状シュラウド９０の下流端部９６に高濃度の燃料を有する領域を形成する傾向を有する。環状シュラウド９０の出口近くの高い燃料濃度は、環状シュラウド９０内へのフラッシュバックの可能性を増大させるだけでなく、燃焼チャンバ７６内で形成されるＮＯｘの量を増加させる。半径方向スワーラ９２の有利な特徴の１つは、半径方向スワーラ９２を通って導入される空気が、環状シュラウド９０の表面近くでの燃料空気混合を強化し、それによって環状シュラウド９０の出口における高い燃料濃度を有する領域を減少及び／又は排除し、従って燃焼チャンバ７６内で形成されるＮＯｘの全体量を減少させることである。図５は、半径方向スワーラ９２の斜視図を示している。

図５に示すように、半径方向スワーラ９２は、外側表面１０２上に配置された複数のベーン１００を有する、その上流端部に配置された第１のリング９８を含む。各ベーン１００は、各ベーン１００の各第１の端部部分１０４が、第１のリング９８の外端縁部１０７に隣接して位置した各ベーン１０２の第２の端部部分１０６の半径方向内側に設置された状態で、外側表面１０２上で燃料−空気ミキサ７２の軸方向軸線Ａの周りで円周方向に延びるように配置される。図示するように、第１のリング９８はまた、該第１のリング９８の内端縁部から軸方向に延びる環状リップ１０８を含む。半径方向スワーラ９２の別の構成部品は、第１のリング９８から離れて軸方向に配置されて半径方向及び軸方向の両方向に沿って延びるギャップをそれらの間に形成した第２のリング１１０である。図示するように、第２のリング１１０の第１の表面１１２は、半径方向内向きに延びて、複数のベーン１００が配置された半径方向に延びるギャップ１１６を形成する。第２のリング１１０の第２の表面１１４は、第１のリング９８の環状リップ１０８との間で軸方向に延びるギャップ１１８を形成するように軸方向に延びる。第２のリング１１０はまた、スリーブ１２０を含み、このスリーブ１２０の内側には、燃料−空気ミキサ７２を組立てている時に燃料−空気ミキサ７２の環状シュラウド９０が配置される。

内側及び外側スワーラ８０及び８２の位置に対する燃料−空気ミキサ７２に沿った半径方向スワーラ９２の軸方向位置並びに／或いは半径方向スワーラ９２から出る空気流の半径方向回転の程度は、特に環状シュラウド９２の壁に隣接した領域内の燃料−空気ミキサ７２の下流端部９６における燃料−空気混合気の所望の混合レベルに基づいて決定することができる。加えて、半径方向スワーラ９２の幾何学形状及び寸法は、それに限定されないが、燃料圧力、燃料温度、流入空気温度及び燃料噴射速度などの因子を含む所望の予混合効率及び作動条件に基づいて選択／最適化することができる。燃料の実施例には、天然ガス、高水素ガス、水素、バイオガス、一酸化炭素及び合成ガスが含まれる。しかしながら、様々な他の燃料もまた使用することができる。

上述の燃料−空気ミキサ７２は、統合型ガス化複合サイルルすなわちＩＧＣＣで使用するのに特に適しており、このＩＧＣＣは、石炭などの固体燃料のガス化によって得た燃料の燃焼によって駆動されるガスタービンを有すると同時に、ガスタービンからの排出ガスを水／蒸気と熱交換して蒸気タービンを駆動する過熱蒸気を生成するサイクルである。ＩＧＣＣプラントのガス化部分は、ガス化装置内で石炭を酸素と組合せて気体燃料、すなわち主に水素及び一酸化炭素、又は合成ガスを生成することによって精炭ガスを生産する。次にガス清浄化プロセスにより合成ガスを清浄化し、この合成ガスは、続いて電気を生成するためにガスタービンの燃焼器で用いられる。ＩＧＣＣプラントは一般的に、より高い出力と共により高い効率及びより低いエミッションを有する。より高い出力は、空気分離ユニットすなわちＡＳＵから得た窒素をガスタービンの燃焼器内に導入し、それによってガスタービンを通る質量流量を増加させ、かつ燃焼に用いる空気の減少によって全体的な燃焼温度及び酸素濃度を低下させた時に、達成される。開示した本発明の実施形態による燃料−空気ミキサ７２は、ＩＧＣＣプラントで使用するのに適している。具体的には、燃料−空気ミキサ７２は、ガスタービン燃焼器内で使用することができ、窒素は、合成ガスを燃焼させる時に半径方向スワーラ９２内に導入し、従って壁近くでの高い燃料濃度を減少させかつ燃料空気混合特性を強化するのを助けることができる。この半径方向スワーラはまた、高水素の燃焼時に窒素がシュラウドを通って流れかつ該シュラウド内で水素及び空気と混合することができるように使用して、この場合にも燃料−空気ミキサの出口における局所的高当量比領域を回避することができる。

典型的なＩＧＣＣガスタービン燃焼器では、水素及び窒素は、同時に内側スワーラ８０及び外側スワーラ８２内の燃料噴射ポートを通して導入される。開示した実施形態の幾つかでは、水素を窒素と混合しかつ燃料ポートを通してその混合気を導入することに代えて、水素含有炭素清浄合成ガスを燃料ポートに供給しかつ窒素を半径方向スワーラによって噴射するか又は流入空気と共に供給するかのかのいずれかし、従って酸素の全体的な利用を減少させるように空気を減少させ、それによって従来のレベルと比較して７０％ほどもＮＯｘレベルを低下させる。本発明の実施形態の１つでは、燃焼器の出口におけるＮＯｘレベルは、３〜５ｐｐｍ又はそれより低い。そのような性能の向上は、空気を減少させることにより、燃料−空気ミキサ７２の環状シュラウド９０内での耐フラッシュバック性及び耐火炎保持性を強化した状態で達成される。いずれにせよ、上記に要約した利点はＩＧＣＣプラントにおいては明らかであるが、開示した燃料−空気ミキサが、発電ガスタービンの現在の燃焼器を改造するために使用することができることは、当業者には分かるであろう。

上述の燃料−空気ミキサはまた、システムの燃焼器内での反応に先だって酸素及び天然ガスを予混合するのを強化するために、気体液体化システムで使用することができる。一般的に、気体液体化システムは、空気分離ユニット、ガス処理ユニット及び燃焼器を含む。作動中に、空気分離ユニットは、空気から酸素を分離し、またガス処理ユニットは、燃焼器内での変換のための天然ガスを調製する。空気分離ユニットからの酸素及びガス処理ユニットからの天然ガスは、燃焼器に導かれ、燃焼器において、天然ガス及び酸素が、高温及び高圧で反応して合成ガスを生成する。この実施形態では、燃料−空気ミキサは、燃焼器に連結されて、燃焼器内での反応に先立って酸素及び天然ガスを予混合するのを可能にする。さらに、燃料−空気ミキサの半径方向スワーラ９２は、流入天然ガスを同伴するのを可能にして、滞留時間を最小にしながら合成ガス生産収率を最大化するように高い燃料対酸素当量比（例えば約３．５から最大約４及びそれ以上）での天然ガス及び酸素の混合を可能にする。一部の実施形態では、酸素又は燃料に蒸気を加えて、プロセス効率を高めることができる。

次いで合成ガスは、急冷しかつフィッシャー・トロプシュ処理ユニットに導入し、このフィッシャー・トロプシュ処理ユニットにおいて触媒作用によって水素ガス及び一酸化炭素を長鎖液体炭化水素に再結合させる。最後に、液体炭化水素は、クラッキングユニット内において製品に分留変換される。半径方向スワーラを有する燃料−空気ミキサは、天然ガス及び酸素の速やかな予混合並びに実質的に気体液体化システム内の短い滞留時間を生じさせる利点がある。

以上に説明した本方法の様々な態様は、ガスタービン及び炉などの加熱装置で使用する燃焼器のような様々な用途において実用性を有する。さらに、本明細書に記載した方法は、燃焼に先立って燃料及び空気の予混合を強化し、それによって実質的にガスタービンシステムのエミッションを低減しかつ効率を高める。予混合法は、それに限定されないが、天然ガス、炭化水素、一酸化炭素、水素、バイオガス及び合成ガスを含む高い及び低い容積発熱量のガス状化石燃料のような様々な燃料に使用することができる。従って、既に説明したように、燃料−空気ミキサは、統合型ガス化複合サイクル（ＩＧＣＣ）の燃料フレキシブル燃焼器において、汚染物質の排出を低減するために使用することができる。一部の実施形態では、燃料−空気ミキサは、航空転用及び重作業機械用の航空機エンジン水素燃焼器及び他のガスタービン燃焼器で使用される。さらに、燃料−空気ミキサは、特に二酸化炭素フリーサイクル及び排出ガス再循環に有用なものとなる、酸素−燃料などのストリームの部分的混合を可能にするために利用することができる。

従って、上述の付加的半径方向スワーラに基づいた予混合法は、燃焼器内の予混合及び火炎安定性を高めるのを可能にする。さらに、本方法は、エミッション、特にそのような燃焼器からのＮＯｘエミッションの低減を可能にし、それによって環境に優しい状態でガスタービンの運転を行う。一部の実施形態では、本方法は、燃焼器、より具体的には水素燃焼器における圧力低下を最小にするのを可能にする。加えて、付加的半径方向スワーラによって達成された予混合の強化により、燃焼器のターンダウンの強化、耐フラッシュバック性の強化及びフレームアウト・マージンの増大を可能にする。

この例示した実施形態では、燃料及び空気の良好な混合により、良好なターンダウンを可能にし、また約０．２もの低い当量比を有する天然ガス及び空気混合気での運転を可能にする。加えて、フレームアウト・マージンは、既存のシステムと比較して著しく改善される。さらに、前に記載したように、このシステムは、様々な燃料で使用することができ、従って高い燃料フレキシビリティをもたらす。例えば、本システムは、例えば燃料として天然ガス又はＨ_２のいずれかを使用することができる。そのようなシステムの燃料フレキシビリティは、異なる燃料を必要とする異なる燃料ポートを備えたハードウェアの変更又は複雑なアーキテクチャの必要性を排除する。上述のように、記載した燃料−空気ミキサは、様々な燃料で使用することができ、従ってシステムの燃料フレキシビリティをもたらす。その上、上述の方法は、既存のカン型又はカン−アニュラ型燃焼器で使用して、エミッション並びに該燃焼器内のあらゆるダイナミック振動及び変調を低減することができる。さらに、この例示した装置は、既存の燃焼器内のパイロットとして使用することができる。

燃焼システム内で燃料及び酸化剤を予混合する方法もまた、開示した本発明の実施形態の技術的範囲内であり、そのような方法は、第１の酸化剤ストリームを燃料−空気ミキサの環状シュラウド内に取り込む段階と、第１のスワーラ内で第１の酸化剤ストリームの第１の部分を第１の方向に旋回させる段階と、第２のスワーラ内で第１の酸化剤ストリームの第２の部分を第１の方向とは反対である第２の方向に旋回させる段階と、燃料シュラウドから燃料−空気ミキサ内に燃料を噴射する段階と、環状シュラウド内に第２の気体ストリームを取り込む段階と、燃料シュラウド並びに第１及び第２のスワーラの軸方向位置の下流に配置された第３のスワーラ内で、環状シュラウド外側の領域から取り込まれた第２の気体ストリームを旋回させて、環状シュラウドの出口における該環状シュラウドの壁の近くの燃料濃度を制御するようにする段階とを含む。第１の酸化剤ストリームを取り込む段階において、そのような酸化剤は、約１０％酸素の容積含有量を有する空気又は酸化剤を含むことができる。加えて、燃料は、合成ガス及び酸化剤を含むことができ、酸素−燃料燃焼器で用いるための高純度酸素又は燃料は、合成ガスを含むことができ、第２の気体ストリームは、窒素のストリームである。

上記の説明に関して、サイズ、形態機能並びに作動、組立及び用途の状態における変更を含む本発明の部品についての最適な寸法関係は、当業者には容易に明らかかつ自明であると考えられ、従って、図面に示しかつ明細書に説明したものと均等な全ての関係は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ包含されることになるように意図していることを理解されたい。加えて、本発明は、現在実用的でありかつ本発明の幾つかの例示的な実施形態であると考えられるものに関して具体的にかつ詳細に図面に示しかつ上記に十分に説明してきたが、本明細書に記載した原理及び概念から逸脱せずにそれら実施形態の多くの変更を行うことができることは、当業者には明らかであろう。従って、本発明の適切な技術的範囲は、全てのそのような変更及び均等物を包含するように特許請求の範囲を最も広く解釈することによってのみ決定されるべきである。

本技術の態様による燃料−空気ミキサを備えた燃焼器を有する、ガスタービンの概略図。本技術の態様による図１のガスタービン内で使用する低エミッションカン型燃焼器の例示的な構成の概略図。本技術の態様による図１のガスタービン内で使用する低エミッションアニュラ型燃焼器の別の例示的な構成の概略図。本技術の態様による燃料−空気ミキサを有する別の例示的な低エミッションアニュラ型燃焼器の部分断面図。図４の燃料−空気ミキサの半径方向スワーラの斜視図。

符号の説明

１０ガスタービン
１２燃焼器
１４圧縮機
１６タービン
１８シャフト
２０ハウジング
２２燃焼器の例示的な構成
２４燃焼器ケーシング
２６燃焼器ライナ
２８ドームプレート
３０熱シールド
３２予混合装置
３４空気流
３６火炎
３８冷却孔
４０燃焼器
４２内側ケーシング
４４外側ケーシング
４６燃焼器ライナ
４８燃焼器ライナ
５０プレート
５２熱シールド
５４熱シールド
５６ディフューザセクション
５８空気流
６０予混合装置
６２燃料パイプ
６４燃料パイプ
６６火炎
７０低エミッションアニュラ型燃焼器
７２燃料−空気ミキサ
７４中空本体
７６燃焼チャンバ
７８旋回カップ
８０内側スワーラ
８２外側スワーラ
８４ハブ
８６燃料シュラウド
９０環状シュラウド
９２半径方向スワーラ
９４中心体
９６環状シュラウドの下流端部
９８半径方向スワーラの第１のリング
１００半径方向スワーラの複数のベーン
１０２半径方向スワーラの第１のリングの外側表面
１０４複数のベーンの第１の端部部分
１０６複数のベーンの第２の端部部分
１０７半径方向スワーラの第１のリングの外端縁部
１０８環状リップ
１１０第２のリング
１１２第２のリングの第１の表面
１１４第２のリングの第２の表面
１１６半径方向に延びるギャップ
１１８軸方向に延びるギャップ
１２０スリーブ

Claims

燃料−空気ミキサ（７２）であって、当該燃料−空気ミキサが、
壁によって形成される円形断面を有する環状シュラウド（９０）であって、軸方向に延びる軸方向軸線、半径方向に延びる半径方向軸線並びに上流及び下流端部部分を有する環状シュラウド（９０）と、
前記環状シュラウドの上流に配置された第１のスワーラ（８０）と、
前記環状シュラウドの上流で、前記第１のスワーラの半径方向外側に配置された第２のスワーラ（８２）と、
前記第１のスワーラと第２のスワーラとを隔てるハブ（８４）であって、燃料−空気ミキサ（７２）の上流から該環状シュラウドに流入する第１のガス流の第１及び第２の部分を、それぞれ前記第１及び第２のスワーラによって独立して回転させるように構成されたハブ（８４）と、
前記環状シュラウドの軸方向軸線に沿って延びる中心体（９４）と、
前記環状シュラウドの上流で、前記第２のスワーラの半径方向外側に配置された燃料シュラウド（８６）であって、燃料を前記環状シュラウド内に噴射して前記第１のガス流の第１及び第２の部分と混合させるように構成された燃料シュラウド（８６）と、
前記第１及び第２のスワーラ（８０，８２）の下流側に、前記環状シュラウド（９０）に隣接して配置された第３のスワーラ（９２）であって、前記環状シュラウドの壁に隣接して軸方向及び半径方向のギャップを有していて、前記環状シュラウドの壁の外側の領域から、前記環状シュラウドの壁に隣接する領域で該環状シュラウドに流入する第２のガス流を独立して回転させるように構成された第３のスワーラ（９２）と
を含む燃料−空気ミキサ（７２）。
前記第１のスワーラ（８０）がベーンを含んでいて、前記燃料シュラウド（８６）が、前記第１のスワーラ（８０）のベーンと流れ連通している、請求項１記載の燃料−空気ミキサ（７２）。
前記第２のスワーラ（８２）がベーンを含んでいて、前記燃料シュラウド（８６）が、前記第２のスワーラ（８２）のベーンと流れ連通している、請求項１又は請求項２記載の燃料−空気ミキサ（７２）。
前記第１のスワーラ（８０）と第２のスワーラ（８２）が互いに反転式である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の燃料−空気ミキサ（７２）。
前記燃料シュラウド（８６）から前記環状シュラウド（９０）内に噴射される燃料が合成ガスであり、前記第２のガス流が、前記第１のガス流中の酸素の量を低下させて前記環状シュラウド（９０）の下流に位置する燃焼領域内で生成するＮＯｘの量を制御する窒素ガス流である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の燃料−空気ミキサ（７２）。
前記第２のガス流が空気流であり、前記第２のガス流の独立した回転が、前記環状シュラウド（９０）の壁に隣接する領域内の該環状シュラウド（９０）の出口における局所燃料濃度を低下させるように構成される、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の燃料−空気ミキサ（７２）。
前記第３のスワーラ（９２）が、
第１のリング（９８）であって、その外側表面（１０２）に配置された複数のベーン（１００）及び第１のリングの内端縁部から軸方向に延びる環状リップ（１０８）を有する第１のリング（９８）と、
前記第１のリングから軸方向に離れて配置されて、前記第１のリングとの間に、該第１のリングの外側表面に配置された複数のベーン（１００）を含むギャップを形成する第２のリング（１１０）であって、該第２のリング（１１０）が、半径方向内向きに延びて前記ギャップの第１の部分（１１６）を形成する第１の表面（１１２）と軸方向に延びて前記ギャップの第２の部分（１１８）を形成する第２の表面（１１４）とを含んでいるとともに、当該燃料−空気ミキサの環状シュラウド（９０）を受けるように構成されたスリーブ（１２０）を含んでいる第２のリング（１１０）と
を含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の燃料−空気ミキサ（７２）。
請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の燃料−空気ミキサ（７）を備えるガスタービン燃焼器（１２）。
圧縮器（１４）と、
請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の燃料−空気ミキサ（７）が上流に配置された燃焼器（１２）であって、前記圧縮器と流れ連通して燃料及び空気の予混合した混合気を燃焼させるように構成された燃焼器（１２）と、
前記燃焼器の下流に設置され、該燃焼器から流出するガス流を膨張させるように構成されたタービン（１６）と
を備えるガスタービン（１０）。
空気から酸素を分離するように構成された空気分離ユニットと、
天然ガスを調製するためのガス処理ユニットと、
高温及び高圧で前記酸素を前記天然ガスと反応させて一酸化炭素及び水素ガスの豊富な合成ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼器と流れ連通しており、前記合成ガスから仕事を取り出しかつ該合成ガスを急冷するターボ膨張器と、
前記燃焼器の上流に配置された請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の燃料−空気ミキサであって、該燃焼器内での反応に先立って前記酸素及び天然ガスの予混合を可能にする燃料−空気ミキサと
を備える気体液体化システム。