(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023152785
(43)【公開日】2023-10-17
(54)【発明の名称】アンモニア燃焼器の運転方法
(51)【国際特許分類】
F23R 3/28 20060101AFI20231005BHJP
F02C 3/22 20060101ALI20231005BHJP
F02C 7/22 20060101ALI20231005BHJP
F23R 3/10 20060101ALI20231005BHJP
F23J 7/00 20060101ALI20231005BHJP
【ＦＩ】
F23R3/28 F
F02C3/22
F02C7/22 B
F23R3/10
F23C99/00 317
【審査請求】未請求
【請求項の数】12
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023035350
(22)【出願日】2023-03-08
(31)【優先権主張番号】17/708,860
(32)【優先日】2022-03-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】390041542
【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
(74)【代理人】
【識別番号】100105588
【弁理士】
【氏名又は名称】小倉 博
(72)【発明者】
【氏名】セリム、ハテム エム．
(72)【発明者】
【氏名】スレイマン、バハ
(72)【発明者】
【氏名】サマック、マジェド
(72)【発明者】
【氏名】ヒューズ、マイケル ジョン
(72)【発明者】
【氏名】ハリディ、アブドゥルラフマン アブダラ
(72)【発明者】
【氏名】ダーウード、アラーエルディン エルサイード
【テーマコード（参考）】
3K065
【Ｆターム（参考）】
3K065TA01
3K065TB07
3K065TC08
3K065TD05
3K065TF09
(57)【要約】
【課題】 アンモニアによる燃焼器の運転方法を提供する。
【解決手段】アンモニア（ＮＨ３）を含む燃料（１００）及び酸化剤（１０２）の第１の部分をリッチ混合物として燃焼室（４２）の第１のゾーン（５６）に供給し、第１のゾーンで燃焼させ、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含有する燃焼ガス（３４）が生成される。酸化剤の第２の部分（１０４）を第２のゾーン（５８）に送達して、未燃焼アンモニアを第２のゾーン（５８）中でアンモニア中間体に分解し、窒素酸化物（ＮＯｘ）はアンモニア中間体と第２のゾーン（５８）で反応し、消費される。未燃焼アンモニアをアンモニア中間体に分解する結果として副生成物水素が生成される。酸化剤の第３の部分（１２２）を第３のゾーン（６０）に供給し、副生成物水素は第３のゾーン（６０）で燃焼される。酸化剤の第３の部分（１２２）は、第１の部分（１０２）及び第２の部分（１０４）よりも大きい。
【選択図】図３
【解決手段】アンモニア（ＮＨ３）を含む燃料（１００）及び酸化剤（１０２）の第１の部分をリッチ混合物として燃焼室（４２）の第１のゾーン（５６）に供給し、第１のゾーンで燃焼させ、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含有する燃焼ガス（３４）が生成される。酸化剤の第２の部分（１０４）を第２のゾーン（５８）に送達して、未燃焼アンモニアを第２のゾーン（５８）中でアンモニア中間体に分解し、窒素酸化物（ＮＯｘ）はアンモニア中間体と第２のゾーン（５８）で反応し、消費される。未燃焼アンモニアをアンモニア中間体に分解する結果として副生成物水素が生成される。酸化剤の第３の部分（１２２）を第３のゾーン（６０）に供給し、副生成物水素は第３のゾーン（６０）で燃焼される。酸化剤の第３の部分（１２２）は、第１の部分（１０２）及び第２の部分（１０４）よりも大きい。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ガスタービン（１０）の燃焼器（１７）を動作させる方法（５００，６００）であって、燃焼器（１７）は、燃焼室（４２）を画定する燃焼ライナ（４０）を備え、燃焼室（４２）は、直列流れ順序で第１のゾーン（５６）、第２のゾーン（５８）、及び第３のゾーン（６０）を含み、方法（５００，６００）は、
燃焼器（１７）の前方端部に配置される１つ以上の燃料ノズルを用いて、アンモニア（ＮＨ３）を含む燃料（１００）及び酸化剤（１０２）の第１の部分をリッチ混合物として燃焼室（４２）の第１のゾーン（５６）に供給するステップと、
燃料（１００）及び酸化剤（１０２）の第１の部分をリッチ混合物として第１のゾーン（５６）でリッチ混合物を燃焼させるステップであって、これにより、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含有する燃焼ガス（３４）が生成される、ステップと、
第２のゾーン（５８）内に酸化剤（１０４）の第２の部分を供給し、未燃焼アンモニアを第２のゾーン（５８）内のアンモニア中間体に分解するステップであって、これによって第２のゾーン（５８）内のアンモニア中間体と反応して窒素酸化物（ＮＯｘ）が消費され、それによって未燃焼アンモニアをアンモニア中間体に分解した結果として副生成物水素が生成される、ステップと、
酸化剤（１２２）の第３の部分を第３のゾーン（６０）内に送達するステップであって、酸化剤（１２２）の第３の部分が酸化剤（１０２）の第１の部分及び酸化剤（１０４）の第２の部分のそれぞれよりも大きい、ステップと、
酸化剤（１２２）の第３の部分で第３のゾーン（６０）内の副生成物水素を燃焼させるステップと、
を含む、方法（５００，６００）。
燃焼器（１７）の前方端部に配置される１つ以上の燃料ノズルを用いて、アンモニア（ＮＨ３）を含む燃料（１００）及び酸化剤（１０２）の第１の部分をリッチ混合物として燃焼室（４２）の第１のゾーン（５６）に供給するステップと、
燃料（１００）及び酸化剤（１０２）の第１の部分をリッチ混合物として第１のゾーン（５６）でリッチ混合物を燃焼させるステップであって、これにより、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含有する燃焼ガス（３４）が生成される、ステップと、
第２のゾーン（５８）内に酸化剤（１０４）の第２の部分を供給し、未燃焼アンモニアを第２のゾーン（５８）内のアンモニア中間体に分解するステップであって、これによって第２のゾーン（５８）内のアンモニア中間体と反応して窒素酸化物（ＮＯｘ）が消費され、それによって未燃焼アンモニアをアンモニア中間体に分解した結果として副生成物水素が生成される、ステップと、
酸化剤（１２２）の第３の部分を第３のゾーン（６０）内に送達するステップであって、酸化剤（１２２）の第３の部分が酸化剤（１０２）の第１の部分及び酸化剤（１０４）の第２の部分のそれぞれよりも大きい、ステップと、
酸化剤（１２２）の第３の部分で第３のゾーン（６０）内の副生成物水素を燃焼させるステップと、
を含む、方法（５００，６００）。
【請求項2】
第１のゾーン（５６）内のリッチ混合物の少なくとも一部の燃焼によって生成された窒素酸化物（ＮＯｘ）を含有する燃焼ガスが、第１のゾーン（５６）を通って第１期間にわたって搬送され、
燃焼ガス及び未燃焼アンモニアは第２の期間にわたって第２のゾーン（５８）を通って運ばれる一方、酸化剤（１０４）の第２の部分は第２のゾーン（５８）に送られ、第２のゾーン（５８）において未燃焼アンモニアがアンモニア中間体に分解にされ、
酸化剤（１２２）の第３の部分は第３のゾーン（６０）に供給される一方、燃焼ガス及び副生成物水素を第３のゾーン（６０）を通して第３の時間期間にわたって搬送され、
第２の時間期間は、第１の時間期間及び第３の時間期間よりも長い、請求項１に記載の方法（５００，６００）。
燃焼ガス及び未燃焼アンモニアは第２の期間にわたって第２のゾーン（５８）を通って運ばれる一方、酸化剤（１０４）の第２の部分は第２のゾーン（５８）に送られ、第２のゾーン（５８）において未燃焼アンモニアがアンモニア中間体に分解にされ、
酸化剤（１２２）の第３の部分は第３のゾーン（６０）に供給される一方、燃焼ガス及び副生成物水素を第３のゾーン（６０）を通して第３の時間期間にわたって搬送され、
第２の時間期間は、第１の時間期間及び第３の時間期間よりも長い、請求項１に記載の方法（５００，６００）。
【請求項3】
未燃焼アンモニアの分解により、第３のゾーン（６０）に入ると未燃焼アンモニアが完全に消費され、第３の部分の酸化剤（１２２）を供給することにより、第３のゾーン（６０）内の燃焼ガス（３４）の温度が熱ＮＯｘ形成温度未満に低下する、請求項１または２に記載の方法（５００，６００）。
【請求項4】
酸化剤（１０２）の第１の部分を送達することが、燃焼器（１７）に添加される全酸化剤の約７％～約１５％を送達することを含み、酸化剤（１０４）の第２の部分を送達することが、燃焼器（１７）に添加される全酸化剤の約７％～約１５％を送達することを含み、酸化剤（１２２）の第３の部分を送達することが、燃焼器（１７）に添加される全酸化剤の残りを送達することを含む、請求項１または２に記載の方法（５００，６００）。
【請求項5】
リッチ混合物が、約１．０５～約２の当量比を含む、請求項１または２に記載の方法（５００，６００）。
【請求項6】
酸化剤（１０２）の第１の部分を送達することが、酸素が付加された空気を送達することを含む、請求項１または２に記載の方法（５００，６００）。
【請求項7】
約６ミリ秒～約１２ミリ秒の滞留時間で燃焼ガス（３４）を第２のゾーン（５８）を通して搬送することを含む、請求項１または２に記載の方法（５００，６００）。
【請求項8】
燃料（１００）が、純粋なアンモニア、または水素と混合されたアンモニアを含む燃料混合物のいずれかである、請求項１または２に記載の方法（５００，６００）。
【請求項9】
酸化剤（１０４）の第２の部分の送達が、酸化剤（１０４）の第２の部分を、第２のゾーン（５８）内の少なくとも２つの酸化剤注入段（１０６）で送達することを含み、酸化剤の第３の部分の送達が、酸化剤の第３の部分を、第３のゾーン（６０）内の少なくとも２つの酸化剤注入段で送達することを含む、請求項１または２に記載の方法（５００，６００）。
【請求項10】
第２のゾーン（５８）内の少なくとも２つの酸化剤注入段（１０６）は、第１の酸化剤注入段（１１８）と、第１の酸化剤注入段（１１８）から軸方向に離間している第２の酸化剤注入段（１２０）とを含み、第１の酸化剤注入段（１１８）及び第２の酸化剤注入段（１２０）はそれぞれ、燃焼器（１７）に添加される全酸化剤の約３．５％～約７％を注入する、請求項８に記載の方法（５００，６００）。
【請求項11】
第３のゾーン（６０）内の少なくとも２つの酸化剤注入段（１２４）は、第１の酸化剤注入段（１２６）及び第２の酸化剤注入段（１２８）を含む、請求項８に記載の方法（５００，６００）。
【請求項12】
燃焼器（１７）であって、燃焼器（１７）は、入口（４１）と出口（４５）の間に延びる燃焼室（４２）を画定するライナ（４０）を備え、燃焼室（４２）は、直列流れ順序で第１のゾーン（５６）、第２のゾーン（５８）、及び第３のゾーン（６０）を含み、
燃焼器は、
アンモニア（ＮＨ３）を含む燃料（１００）と酸化剤（１０２）の第１の部分との混合物を第１のゾーン（５６）に噴射するように構成された少なくとも１つの燃料ノズルであって、酸化剤（１０２）の第１の部分が燃焼器（１７）に添加される全酸化剤の約７％～約１５％である、少なくとも１つの燃料ノズルと、
第２のゾーン（５８）内の少なくとも２つの酸化剤注入段（１０６，１１８，１２０）であって、少なくとも２つの酸化剤注入段（１０６，１１８，１２０）は、燃焼器（１７）に添加される全酸化剤の約７％～約１５％を含む酸化剤の第２の部分（１０４）を第２のゾーン（５８）内に注入するように構成される、少なくとも２つの酸化剤注入段（１０６，１１８，１２０）と、
第３のゾーン（６０）内の少なくとも２つの酸化剤注入段（１２４，１２６，１２８）であって、少なくとも２つの酸化剤注入段（１２４，１２６，１２８）は、燃焼器（１７）に添加される全酸化剤の約７０％～約９５％を含む酸化剤（１２２）の第３の部分を第３のゾーン（６０）内に注入するように構成される、少なくとも２つの酸化剤注入段（１２４，１２６，１２８）と、
を備える、燃焼器。
燃焼器は、
アンモニア（ＮＨ３）を含む燃料（１００）と酸化剤（１０２）の第１の部分との混合物を第１のゾーン（５６）に噴射するように構成された少なくとも１つの燃料ノズルであって、酸化剤（１０２）の第１の部分が燃焼器（１７）に添加される全酸化剤の約７％～約１５％である、少なくとも１つの燃料ノズルと、
第２のゾーン（５８）内の少なくとも２つの酸化剤注入段（１０６，１１８，１２０）であって、少なくとも２つの酸化剤注入段（１０６，１１８，１２０）は、燃焼器（１７）に添加される全酸化剤の約７％～約１５％を含む酸化剤の第２の部分（１０４）を第２のゾーン（５８）内に注入するように構成される、少なくとも２つの酸化剤注入段（１０６，１１８，１２０）と、
第３のゾーン（６０）内の少なくとも２つの酸化剤注入段（１２４，１２６，１２８）であって、少なくとも２つの酸化剤注入段（１２４，１２６，１２８）は、燃焼器（１７）に添加される全酸化剤の約７０％～約９５％を含む酸化剤（１２２）の第３の部分を第３のゾーン（６０）内に注入するように構成される、少なくとも２つの酸化剤注入段（１２４，１２６，１２８）と、
を備える、燃焼器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、一般に、代替燃料でガスタービン燃焼器を動作させることに関する。特に、本開示は、アンモニア（ＮＨ３）を含有する燃料混合物上でガスタービン燃焼器を動作させる方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ターボ機械は、エネルギー伝達目的のために様々な産業及び用途で利用されている。例えば、ガスタービンエンジンは、一般に、圧縮機セクションと、燃焼セクションと、タービンセクションと、排気セクションとを含む。圧縮機セクションは、ガスタービンエンジンに入る作動流体の圧力を徐々に増加させ、この圧縮された作動流体を燃焼セクションに供給する。圧縮された作動流体および燃料（例えば、従来のシステムのための天然ガス）は、燃焼セクション内で混合し、燃焼室内で燃焼して、高圧および高温の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、燃焼セクションからタービンセクションに流れ、そこで膨張して仕事を生成する。例えば、タービンセクション内の燃焼ガスの膨張は、例えば発電機に接続されたロータシャフトを回転させて電気を生成することができる。次いで、燃焼ガスは、排気セクションを介してガスタービンから出る。
【0003】
従来のガスタービンエンジンは、天然ガスと空気との混合気を燃焼室内で燃焼させて高圧及び高温の燃焼ガスを生成する１つ以上の燃焼器を含む。副産物として窒素酸化物（ＮＯｘ）および他の汚染物質が生成され、排気セクションによって排出される。ガスタービンからの低排出物に対する規制要件は、ますます厳しくなっており、世界中の環境機関は、現在、新しいガスタービンおよび既存のガスタービンの両方からのＮＯｘおよび他の汚染物質の排出量をさらに低くすることを要求している。
【0004】
燃焼器内のＮＯｘの生成を低減するために、天然ガスの代わりに（または天然ガスに加えて）代替燃料を使用することができる。しかしながら、多くの代替燃料は、従来の燃焼器運転方法での使用に適さない燃焼特性を有する。例えば、そのような特性は、遅すぎる／速すぎる火炎速度、熱すぎる／冷すぎる火炎温度、および／または望ましくない燃焼副生成物を含み得る。
【0005】
したがって、アンモニア（ＮＨ３）などの代替燃料の使用を可能にする燃焼器を動作させる改善された方法が望まれており、当技術分野で理解されるであろう。
【発明の概要】
【0006】
本開示による方法の態様および利点は、以下の説明に部分的に記載され、または説明から明らかになり、または本技術の実施を通じて習得され得る。
【0007】
一実施形態によれば、ガスタービンの燃焼器を動作させる方法が提供される。燃焼器は、燃焼室を画定する燃焼ライナを含む。燃焼室は、直列流れ順に第１のゾーン、第２のゾーン及び第３のゾーンを含む。この方法は、燃焼器の前方端部に配置される１つ以上の燃料ノズルを用いて、燃料及び酸化剤（オキシダント）の第１の部分をリッチ混合物（rich mixture）として燃焼室の第１のゾーンに供給することを含む。燃料は、アンモニア（ＮＨ３）を含む。方法は、リッチ混合物を第１のゾーンで燃焼させることをさらに含む。その結果、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む燃焼ガスが生成される。本方法は、酸化剤の第２の部分を第２のゾーンに送達して、未燃焼アンモニアを第２のゾーン内のアンモニア中間体に分解することをさらに含む。その結果、第２のゾーンにおいて、窒素酸化物（ＮＯｘ）がアンモニア中間体と反応して消費される。副生成物水素は、未燃焼アンモニアをアンモニア中間体（ammonia intermediates）に分解する結果として生成される。方法は、酸化剤の第３部分を第３のゾーンに送達することをさらに含む。副生成物水素は第３のゾーンで燃焼される。酸化剤の第３部分は、酸化剤の第１部分および酸化剤の第２部分よりも大きい。
【0008】
別の実施形態によれば、ガスタービンの燃焼器を動作させる方法が提供される。燃焼器は、燃焼室を画定する燃焼ライナを含む。燃焼室は、直列流れ順に第１のゾーン、第２のゾーン及び第３のゾーンを含む。この方法は、燃焼器の前方端部に配置される１つ以上の燃料ノズルを用いて、燃料及び酸化剤の第１部分をリッチ混合物として燃焼室の第１のゾーンに供給することを含む。燃料は、アンモニア（ＮＨ３）を含む。この方法は、リッチ混合物の少なくとも一部を第１のゾーンで燃焼させることをさらに含む。その結果、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含有する燃焼ガスが生成され、かつ第１の期間にわたって第１のゾーンを通って搬送される。本方法は、燃焼ガス及び未燃焼アンモニアを第２期間にわたって第２のゾーンを通して搬送する一方で、酸化剤の第２部分を第２のゾーン内に送達して、未燃焼アンモニアを第２のゾーン内のアンモニア中間体に分解する。その結果、燃焼ガス中の窒素酸化物は第２のゾーン内のアンモニア中間体と反応することによって消費される。本方法は、燃焼ガスを第３期間にわたって第３のゾーンを通して搬送しながら、酸化剤の第３部分を第３のゾーンに供給することをさらに含む。酸化剤の第３部分は、酸化剤の第１部分および酸化剤の第２部分よりも大きく、第２期間は第１期間および第３期間よりも長い。
【0009】
別の実施形態によれば、燃焼器が提供される。燃焼器は、入口と出口の間に延びる燃焼室を画定するライナを含む。燃焼室は、直列流れ順に第１のゾーン、第２のゾーン及び第３のゾーンを含む。燃焼器は、燃料と酸化剤の第１部分との混合物を第１のゾーンに噴射するように構成された少なくとも１つの燃料ノズルをさらに含む。燃料は、アンモニア（ＮＨ３）を含む。酸化剤の第１の部分は、燃焼器に添加される全酸化剤の約７％～約１５％である。燃焼器は、さらに、第２のゾーンに少なくとも２つの酸化剤噴射段を含む。第２のゾーン内の少なくとも２つの酸化剤注入段は、燃焼器に添加される全酸化剤の約７％～約１５％である酸化剤の第２部分を注入するように構成される。燃焼器はさらに、第３のゾーンに少なくとも２つの酸化剤噴射段を含む。第３のゾーン内の少なくとも２つの酸化剤注入段は、燃焼器に添加される全酸化剤の約７０％～約９５％を有する酸化剤の第３部分を注入するように構成される。
【0010】
本方法のこれら及び他の特徴、態様及び利点は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲を参照することにより、より良く理解されるであろう。本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、本技術の実施形態を示し、説明とともに、本技術の原理を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【0011】
当業者を対象とする、本システムおよび方法を作製および使用する最良の形態を含む、本方法の完全かつ有効な開示は、添付の図面を参照する本明細書に記載される。
【図1】本開示の実施形態によるターボ機械の概略図である。
【図2】本開示の実施形態による燃焼器の断面図である。
【図3】本開示の実施形態による燃焼器の概略図を示す。
【図4】本開示の実施形態によるアンモニア（ＮＨ３）燃焼機構経路の図を示す。
【図5】本開示の実施形態による燃焼器を動作させる方法のフローチャートを示す。
【図6】本開示の実施形態による燃焼器を動作させる方法のフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【0012】
ここで、本方法の実施形態を詳細に参照し、その１つまたは複数の例を図面に示す。各実施例は、技術の限定ではなく、説明のために提供される。実際に、特許請求される技術の範囲または趣旨から逸脱することなく、本技術において修正および変形を行うことができることは、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として図示または説明された特徴を別の実施形態と共に使用して、さらに別の実施形態を得ることができる。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内に入るような修正および変形を包含することが意図される。
【0013】
「例、事例、または実例として機能すること」という単語は、本明細書では「例示的」を意味するために使用される。本明細書で「例示的」と説明される任意の実装形態は、必ずしも他の実装形態よりも好ましいまたは有利であると解釈されるべきではない。加えて、特に特定されない限り、本明細書に記載される全ての実施形態は、例示的であると見なされるべきである。
【0014】
詳細な説明では、図面中の特徴を参照するために数字および文字の符号を使用する。図面および説明における同様または類似の符号は、本発明の同様または類似の部分を指すために使用されている。本明細書で使用する「第１」、「第２」、および「第３」という用語は、ある構成要素を別の構成要素と区別するために互換的に使用されることがあり、個々の構成要素の位置または重要性を示すことを意図するものではない。
【0015】
「流体」という用語は、気体または液体であり得る。「流体連通」という用語は、流体が指定された領域間を接続することができることを意味する。
【0016】
本明細書で使用される場合、「上流：upstream」（または「前方：forward」）および「下流：downstream」（または「後方：aft」）という用語は、流体経路内の流体の流れに対する相対的な方向を指す。例えば、「上流」は、流体が流れてくる方向を指し、「下流」は、流体が流れていく方向を指す。しかしながら、本明細書で使用される「上流」および「下流」という用語は、電気の流れを指すこともある。「半径方向に：radially」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線に実質的に垂直な相対方向を指し、「軸方向に：axially」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線に実質的に平行および／または同軸に整列した相対方向を指し、「円周方向に：circumferentially」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線の周りに延びる相対方向を指す。
【0017】
「約（ａｂｏｕｔ）」、「およそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」、「一般に（ｇｅｎｅｒａｌｌｙ）」、および「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」などの近似の用語は、指定された正確な値に限定されるべきではない。少なくともいくつかの事例では、近似表現は、値を測定するための機器の精度、または構成要素および／もしくはシステムを構築もしくは製造するための方法もしくは機械の精度に対応し得る。少なくともいくつかの事例では、近似表現は、値を測定するための機器の精度、または構成要素および／もしくはシステムを構築もしくは製造するための方法もしくは機械の精度に対応し得る。例えば、近似表現は、個々の値、値の範囲、および／または値の範囲を定義するエンドポイントのいずれかにおいて、１、２、４、５、１０、１５、または２０％マージン内にあることを指すことができる。角度または方向の文脈で使用される場合、そのような用語は、述べられた角度または方向よりも１０度以内に大きいまたは小さいことを含む。例えば、「略垂直」は、任意の方向、例えば時計回り又は反時計回りの垂直から１０度以内の方向を含む。
【0018】
「結合される：coupled」、「固定される：fixed」、「取り付けられる：attached to」などの用語は、本明細書で別段の指定がない限り、１つまたは複数の中間構成要素または特徴を介した直接的な結合、固定、または取り付け、ならびに間接的な結合、固定、または取り付けの両方を指す。本明細書で使用される場合、「含む：comprises」、「含んでいる：comprising」、「含有する：includes」、「含有している：including」、「有する：has」、「有している：having」という用語、またはそれらの任意の他の変形は、非排他的な包含をカバーすることが意図される。たとえば、特徴のリストを備えるプロセス、方法、物品、または装置は、必ずしもそれらの特徴のみに限定されるとは限らず、明示的にリストされない、またはそのようなプロセス、方法、物品、または装置に固有でない他の特徴を含み得る。さらに、そうでないと明示的に述べられていない限り、「または」は包括的なまたはを指し、排他的なまたはを指さない。例えば、条件Ａまたは条件Ｂは、以下のいずれかによって満たされる。 Ａは真（または存在する）であり、Ｂは偽（または存在しない）であり、Ａは偽（または存在しない）であり、Ｂは真（または存在する）であり、ＡおよびＢの両方は真（または存在する）である。
【0019】
ここで、ならびに本明細書および特許請求の範囲を通して、範囲の限定は組み合わされ、交換され、そのような範囲は識別され、文脈または文言が別段の指示をしない限り、その中に含まれるすべての部分範囲を含む。例えば、本明細書に開示される全ての範囲は端点を含み、端点は互いに独立して組み合わせ可能である。
【0020】
ここで図面を参照する。図１は、図示の実施形態ではガスタービン１０であるターボ機械の一実施形態の概略図を示す。本明細書では、産業用または陸上用のガスタービンが示され、説明されているが、本開示は、特許請求の範囲で別段の指定がない限り、陸上用および／または産業用のガスタービンに限定されない。例えば、本明細書に記載のスワラ組立体は、限定はしないが、蒸気タービン、航空機ガスタービン、又は船舶用ガスタービンを含む任意のタイプのターボ機械で使用することができる。
【0021】
図示のように、ガスタービン１０は、一般に、入口セクション１２と、入口セクション１２の下流に配置された圧縮機セクション１４と、複数の燃焼器１７とを含む。２）圧縮機セクション１４の下流に配置された燃焼器セクション１６、燃焼器セクション１６の下流に配置されたタービンセクション１８、及びタービンセクション１８の下流に配置された排気セクション２０内に配置されている。さらに、ガスタービン１０は、圧縮機セクション１４とタービンセクション１８の間に結合される１つ以上のシャフト２２を含むことができる。
【0022】
圧縮機セクション１４は、一般に、複数のロータディスク２４（そのうちの一方が示されている）と、各ロータディスク２４から半径方向外向きに延在し、それに接続された複数のロータブレード２６とを含むことができる。各ロータディスク２４は、圧縮機セクション１４を通って延在するシャフト２２の一部に結合されるか、またはその一部を形成することができる。
【0023】
タービンセクション１８は、一般に、複数のロータディスク２８（そのうちの一方が示されている）と、各ロータディスク２８から半径方向外向きに延在し、相互接続された複数のロータブレード３０とを含むことができる。各ロータディスク２８は、タービンセクション１８を通って延在するシャフト２２の一部に結合することができ、又は一部から結合することができる。タービンセクション１８は、シャフト２２の一部およびロータブレード３０を円周方向に取り囲む外側ケーシング３１をさらに含み、それによって、タービンセクション１８を通る高温ガス経路３２を少なくとも部分的に画定する。
【0024】
動作中、空気などの作動流体は、入口セクション１２を通って圧縮機セクション１４に流入し、そこで空気が徐々に圧縮され、したがって加圧空気２７を燃焼器セクション１６の燃焼器に供給する。加圧空気２７は、燃料と混合され、燃焼ガス３４を生成するために各燃焼器内で燃焼される。燃焼ガス３４は、高温ガス経路３２を通って燃焼器セクション１６からタービンセクション１８に流入し、エネルギー（運動及び／又は熱）が燃焼ガス３４からロータブレード３０に伝達され、シャフト２２を回転させる。次いで、機械的回転エネルギーを使用して、圧縮機セクション１４に動力を供給し、かつ／または電気を生成することができる。次いで、タービンセクション１８を出る燃焼ガス３４は、排気セクション２０を介してガスタービン１０から排気することができる。
【0025】
図２に示すように、燃焼器１７は、圧縮機吐出ケーシングと呼ぶことができる外側ケーシング３１によって少なくとも部分的に取り囲むことができる。外側ケーシング３１は、燃焼器１７の様々な構成要素を少なくとも部分的に取り囲む高圧プレナム３５を少なくとも部分的に画定することができる。高圧プレナム３５は、そこから圧縮空気２７を受け取るために、圧縮機１４（図１）と流体連通していてもよい。端部カバー３６は、外側ケーシング３１に結合されてもよい。特定の実施形態では、外側ケーシング３１及び端部カバー３６は、燃焼器１７のヘッドエンド容積又は部分３８を少なくとも部分的に規定することができる。
【0026】
特定の実施形態では、ヘッドエンド部分３８は、高圧プレナム３５および／または圧縮機１４と流体連通している。燃焼ライナ４０は、燃料-空気混合物を燃焼させるための燃焼室４２を画定することができ、かつ／または燃焼ガス３４をタービンセクション１８の入口に向かって方向付けるために、矢印４３によって示されるように燃焼器を通る高温ガス経路を少なくとも部分的に画定することができる。
【0027】
様々な実施形態では、燃焼器１７は、ヘッド端部３８に少なくとも１つの燃料ノズル６１を含む。図２に示されるように、燃料ノズル６１は、燃焼器１７の端部カバー３６の下流及び／又はそこから間隔を空けて、燃焼室４２の上流の外側ケーシング３１内に配置することができる。特定の実施形態では、燃料ノズル６１は、１以上の流体導管５０を介して燃料供給源４８と流体連通することができる。多くの実施形態では、流体導管５０は、一端で端部カバー３６に流体結合及び／又は接続することができる。
【0028】
図３は本開示の実施形態による燃焼器１７の概略図を示す。図示のように、燃焼器１７は、前方端部５２と後方端部５４の間の軸方向中心線５３に沿って延びる燃焼ライナ４０を含むことができる。燃焼ライナ４０は、前方端部５２の入口４１と後方端部５４の出口４５の間に延びる燃焼室４２を画定することができる。燃焼室４２の入口４１は、燃料１００と酸化剤または空気１０２の第１の部分との混合物を受け取ることができる（例えば、図２に示す少なくとも１つの燃料ノズル６１から）。例示的な実施形態では、後述するように、混合物中の燃料１００は、大部分がアンモニア（約９５％アンモニアなどであり、残りは水素および／または他の燃料である。）であってもよい。燃料１００と酸化剤１０２の第１の部分との混合物は、燃焼室４２内で点火して、燃焼ガス３４を生成することができる。次いで、燃焼ガス３４は、燃焼室４２を通って移動し、出口４５でタービンセクション１８内に排出することができる。
【0029】
いくつかの実施形態では、燃料１００は、１００％アンモニア（例えば、他の燃料と混合されない「純粋なアンモニア」。）であってもよい。そのような実施形態では、アンモニアの一部が水素および窒素に分解される。アンモニアの分解は、アンモニア分解反応器（外部のもの）に送ることによって行うことができる。例えば、分解反応器は、アンモニアから水素及び窒素を生成することができる。アンモニアを分解することはまた、火炎ゾーン熱（高温燃焼副生成物（hot combustion byproducts）およびアンモニア入口流（ammonia inlet stream）による熱交換）の一部を受け取ることによってガスタービン燃焼器内のアンモニアを熱的に解離（thermally dissociating）させることによって達成することができる。生成された水素は、燃料流全体の燃焼を安定させるために使用される。
【0030】
図示のように、燃焼室４２は、直列流れ順序（例えば、燃焼室４２を通る流れの方向に沿って、入口４１から出口４５に向かう流れの方向に軸方向中心線５３に沿ってなどである。）で第１のゾーン５６、第２のゾーン５８、及び第３のゾーン６０を含むことができる。第１のゾーン５６は、入口４１と第２のゾーン５８の間に延びることができ、第１のゾーン５６は、軸方向中心線５３に沿って第１の長さ６２を画定することができる。第２のゾーン５８は第１のゾーン５６と第３のゾーン６０の間に延びることができ、第２のゾーン５８は軸方向中心線５３に沿って第２の長さ６４を画定することができる。第３のゾーン６０は第２のゾーン５８と出口４５の間に延びることができ、第３のゾーン６０は軸方向中心線５３に沿って第３の長さ６６を画定することができる。例示的な実施形態において、図１０に示されるように、第２の長さ６４は第１の長さ６２及び第２の長さ６４より長くてもよい。特に、第２の長さ６４は第１の長さ６２より約２０％～約８０％長くてもよく、第１の長さ６２より約３０％～約７０％長くてもよく、第１の長さ６２より約４０％～約６０％長くてもよい。同様に、第２の長さ６４は、第３の長さ６６より約２０％～約８０％長く、例えば、第３の長さ６６より約３０％～約７０％長く、または第３の長さ６６より約４０％～約６０％長くてもよい。より長い第２の長さ６４は、有利には、ＮＯｘ還元及びアンモニア分解の増加を可能にし、これは、ガスタービン１０全体のよりクリーンでより効率的な運転をもたらす。他の実施形態では、第３の長さ６６は、第２の長さ６４より長くてもよく、例えば、第２の長さ６４より約１０％～約８０％長くてもよく、または第２の長さ６４より約２０％～約７０％長くてもよく、または第２の長さ６４より約３０％～約６０％長くてもよい。
【0031】
第１のゾーン５６は、燃料１００と酸化剤１０２の第１の部分との混合物が最初に点火される領域であるため、「火炎ゾーン」と呼ぶことができる。しかしながら、混合物中の燃料１００の全てが第１のゾーン５６で燃焼されるわけではないことに留意されたい。例えば、後述するように、燃料１００の一部のみが第１のゾーン５６内で点火し、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む燃焼ガスを生成し、未燃焼燃料１０１の一部を残す。燃焼ガス（ＮＯｘを含む）及び未燃燃料１０１は、一緒に第１のゾーン５６を通って第２のゾーン５８に移動する。
【0032】
特に、燃料１００と酸化剤１０２の第１の部分との混合物は、リッチ混合物として第１のゾーン５６（例えば、燃料ノズル６１によって。）に注入することができる。本明細書で使用される場合、「リッチ混合物」は１より大きい当量比（Φ）を有する燃料／空気または燃料／酸化剤混合物を指すことができ、「リーン混合物」は１より小さい当量比（Φ）を有する燃料／空気混合物を指すことができる。リッチ混合物は、完全燃焼を形成するのに不十分な酸化剤（例えば、空気）を有することがあり、リーン混合物は、過剰な酸化剤（例えば、空気）を有することがある。ここで、当量比（Φ：equivalence ratio）は、燃料対空気比（または実比率）と理論燃料対空気比（または理論比率）との比率として定義される。数学的に、当量比は以下のように計算することができる。
【数1】
【0033】
ここで、ｍは質量を表し、添え字ｓｔは化学量論的条件（stoichiometric conditions）を表す。
【0034】
第２のゾーン５８では、酸化剤の第２の部分を導入することによってＮＯｘの制御された枯渇（controlled depletion of NOx）を達成することができ、または空気１０４（例えば、全酸化剤の約５％～－１５％である。）を長い距離および期間（例えば、約６ｍｓ～約１２ｍｓである。）にわたって導入することができる。例えば、酸化剤１０４の第２の部分は、少なくとも２つの第２のゾーン酸化剤注入段（at least two zone-two oxidant injection stages）１０６において第２のゾーン５８に導入することができる。少なくとも２つの第２のゾーン酸化剤注入段１０６は、互いに軸方向に離間され得る。特定の実施形態では、少なくとも２つの第２のゾーン酸化剤注入段１０６を第２のゾーン５８に半径方向に注入することができる。例えば、これは、燃焼ライナ４０（図２参照）の複数のビアホール１０８であってもよく、その結果、空気は、燃焼ライナ４０と、燃焼ライナ４０から離間され、それを取り囲む流れスリーブ３９の間に画定された環状部（アニュラス）１０９から引き出される。これに代えて又はこれに加えて、１以上の空気ノズル１１０は、流れスリーブ３９、環状部１０９、及び燃焼ライナ４０を通って延在し、第２のゾーン５８と高圧プレナム３５の間の直接的な流体連通を提供することができる。図３は第２のゾーン酸化剤注入段１０６を示しているが、燃焼器は、任意の数のゾーン第２のゾーン酸化剤注入段１０６を含むことができ、特許請求の範囲に具体的に記載されない限り、任意の特定の数の第２のゾーン酸化剤注入段１０６に限定されるべきではない。
【0035】
様々な実施形態では、少なくとも２つの第２のゾーン酸化剤注入段１０６は、燃焼室４２の出口４５よりも燃焼室４２の入口４１の近く（例えば、軸方向により近い。）に配置することができる。例えば、少なくとも２つの第２のゾーン酸化剤注入段１０６は、（例えば、第３のゾーン６０よりも第１のゾーン５６に近い。）第２のゾーン５８の出口よりも第２のゾーン５８の入口の近くに配置することができる。少なくとも２つの第２のゾーン酸化剤注入段１０６は第１の酸化剤注入段（first oxidant injection stage）１１８及び第２の酸化剤注入段１２０を含むことができる。第１の酸化剤注入段１１８は第２のゾーン５８の入口に（またはその近傍に）配置することができ、第２の酸化剤注入段（second oxidant injection stage）１２０は燃焼ガス３４の流れに対して第１の酸化剤注入段１１８の下流に配置することができる。
【0036】
「クエンチングゾーン：quenching zone」または「希釈ゾーン：dilution zone」と呼ばれることがある第３のゾーン６０では、燃焼ガス３４は、酸化剤または空気１２２の第３の部分を導入することによってクエンチまたは希釈され、燃焼ガス３４の温度を低下させ、残りの燃料を完全に燃焼させ、それによってＮＯｘの形成を低減することができる。例えば、酸化剤１２２の第３の部分は、少なくとも２つの第３のゾーン酸化剤注入段１２４において第３のゾーン６０に導入することができる。少なくとも２つの第３のゾーン酸化剤注入段１２４は、互いに軸方向に離間することができる。特定の実施形態では、少なくとも２つの第３のゾーン酸化剤注入段（at least two zone-three oxidant injection stages）１２４を第２のゾーン５８に半径方向に注入することができる。図３は第３のゾーン酸化剤注入段１２４を示しているが、燃焼器は、任意の数の第３のゾーン酸化剤注入段１２４を含むことができ、特許請求の範囲に具体的に記載されない限り、任意の特定の数の第３のゾーン酸化剤注入段１２４に限定されるべきではない。
【0037】
様々な実施形態では、少なくとも２つの第３のゾーン酸化剤注入段１２４は、燃焼室４２の入口４１よりも燃焼室４２の出口４５の近くに配置することができる。特に、少なくとも２つの第３のゾーン酸化剤注入段１２４は、（例えば、燃焼室４２の出口４５よりも第２のゾーン５８に近い。）第３のゾーン６０の出口よりも第３のゾーン６０の入口の近くに配置することができる。少なくとも２つの第３のゾーン酸化剤注入段１２４は第１の酸化剤注入段（first oxidant injection stage）１２６及び第２の酸化剤注入段（second oxidant injection stage）１２８を含むことができる。第１の酸化剤注入段１２６は第３のゾーン６０の入口に（またはその近傍に）配置することができ、第２の酸化剤注入段１２８は燃焼ガス３４の流れに対して第１の酸化剤注入段１２６の下流に配置することができる。
【0038】
図３に示されるように、少なくとも２つの第２のゾーン酸化剤注入段１０６および少なくとも２つの第３のゾーン酸化剤注入段１２４のための空気または酸化剤は、酸化剤供給源または空気供給源１１６に流体結合される１つ以上の酸化剤ラインまたは空気ライン１１４（例えば、ホース、パイプ、または他の流体導管など）を介して供給され得る。１つ以上のバルブ１０５は、各噴射段に流体連通して配置することができる。１つ以上のバルブ１０５は、酸化剤が燃焼室４２に注入されるときを制御するために、開位置と閉位置の間で選択的に作動され得る。
【0039】
本明細書で使用される場合、「全空気」または「全酸化剤」は、特定の期間にわたって燃焼器１７の燃焼室４２に注入される空気または酸化剤の全てを意味する。例えば、全空気は、指定された期間にわたって（または特定の瞬間に）燃焼室４２に注入または導入される空気の全て（空気の１００％など）である。例えば、様々な量の空気が、期間（又は特定の時間）中に様々な位置で燃焼器１７の燃焼室４２内に噴射されてよく、総空気は、期間（又は特定の時間）中に燃焼器１７の燃焼室４２内に噴射された全ての空気の合計であってよい。
【0040】
本明細書で使用する場合、「滞留時間」は、粒子（または粒子群：group of particles）が燃焼室４２（または第１のゾーン／第２のゾーン／第３のゾーンなどの燃焼室４２の特定の部分）内に存在する期間を指す場合がある。燃焼室４２内の粒子は燃焼室４２の入口４１から出口４５まで移動するので、「滞留時間」は、粒子が燃焼室４２（または第１のゾーン／第２のゾーン／第３のゾーンなどの燃焼室の特定の部分）を移動するのに要する期間であってもよい。
【0041】
図４は、本開示の例示的な態様による、アンモニア（ＮＨ３）燃焼機構経路の図４００を示す。換言すれば、図４００は、存在する酸化剤（すなわち、空気）の量に応じて、アンモニア（ＮＨ３）が燃焼プロセスにおいてどのように分解するかを示す。燃焼プロセス中のアンモニア（ＮＨ３）の還元（reduction）は、酸化剤の量に依存し得る。例えば、アンモニア（ＮＨ３）の還元は、酸化剤が不十分な燃焼環境（例えば、１より大きい当量比を有するリッチ混合物中で）にある場合、実線の矢印４０２に従うことができ、アンモニア（ＮＨ３）の還元は、酸化剤が豊富な燃焼環境（例えば、１未満の当量比を有する希薄混合物中で）にある場合、破線の矢印４０４に従うことができる。
【0042】
特に、以下の矢印４０４によって示されるように、多量の酸化剤を有する燃焼環境では、アンモニア（ＮＨ３）はＮＯｘに還元され得る。対照的に、以下の矢印４０２によって示されるように、不十分な酸化剤（すなわち、リッチ混合物である。）を有する燃焼環境では、アンモニア（ＮＨ３）はＮＯｘの消費を介して二原子窒素（Ｎ２）に還元され得る。再び図３を簡単に参照すると、アンモニア（ＮＨ３）を燃料として第１のゾーン５６に注入して、安定した火炎を生成することができる。特に、燃焼室の第１のゾーン５６内のアンモニアは、意図的かつ有利には、リッチな混合条件下で、例えば、安定した火炎を維持しながら最少量のアンモニアを燃焼させるのに十分にリッチな条件下で燃焼させることができる。このように、第１のゾーン５６を出るアンモニアの一部は未燃焼であり、第２のゾーン５８に入る。
【0043】
第２のゾーン５８において、未燃焼アンモニアは、矢印４０２に従ってアンモニアを分解させることができる少量の酸化剤（例えば、酸化剤１０４の第２の部分）に導入することができる。これは、副生成物である水素を同時に生成しながら、第２のゾーン５８におけるＮＯｘの消費を有利に促進する。
【0044】
全てのアンモニアが消費されると開始することができる第３のゾーン６０では、矢印４０４に従って反応が起こるリスクが有利にはないように、豊富な酸化剤又は空気を添加して反応をクエンチし、温度を制御し、残留燃料（通常、第２のゾーン５８に豊富なアンモニアを燃焼させる副産物として形成される水素）を燃焼させることができる。さらに、第３のゾーン６０内の温度生成物は、空気の豊富さのために低下するので、水素燃焼中のＮＯｘ形成は、熱ＮＯｘ形成温度未満の温度で燃焼が起こるので、著しく最小化される。
【0045】
例示的な実施形態では、アンモニアは第３のゾーン６０に入ると完全に消費され得る。さらに、酸化剤１２２の第３の部分は第３のゾーン６０内の燃焼ガスの温度を熱ＮＯｘ形成温度未満に低下させることができる。換言すれば、第２のゾーン５８の出口または第３のゾーン６０の入口において、全てのアンモニアは、酸化によって、または水素への分解によって消費される。例えば、第１のゾーン５６では、燃料／空気混合気がまずリッチに燃焼し、安定した火炎を有する。燃料／空気混合物は、可能な限りリッチに燃焼されるが、火炎安定性を超えてリッチになりすぎないことによって制限される。第２のゾーン５８では、少量の酸化剤または空気が段階的に導入され、消費されるＮＯｘの存在下でアンモニアを分解する。アンモニアが酸化によって、またはアンモニアを水素に分解することによって完全に消費されると、大量の空気が第３のゾーン６０に導入され、これはまた、残りの水素を燃焼させながら、熱ＮＯｘ形成を下回る全混合物を得るのに役立つ。
【0046】
図５を参照すると、本主題の態様による、ガスタービンの燃焼器を動作させる方法５００の一実施形態のフロー図が示されている。一般に、方法５００は、本明細書では、ガスタービン１０、燃焼器１７、及び図１から図３を参照して上述した燃焼室４２を参照して説明される。しかしながら、開示された方法５００は、一般に、任意の適切なターボ機械と共に利用することができ、及び／又は任意の他の適切なシステム構成を有するシステムに関連して利用することができることが、当業者には理解されよう。加えて、図５は例示および説明の目的で特定の順序で実行されるステップを示しているが、本明細書で説明する方法は、特許請求の範囲で別段の指定がない限り、いかなる特定の順序または構成にも限定されない。本明細書で提供される開示を使用する当業者は、本明細書で開示される方法の様々なステップが、本開示の範囲から逸脱することなく、様々な方法で省略、再配置、組み合わせ、および／または適合され得ることを理解するであろう。
【0047】
方法５００による燃焼器１７は、燃焼室４２を画定する燃焼ライナ４０を含むことができる。燃焼室４２は、一連の流れの順序で第１のゾーン５６、第２のゾーン５８、及び第３のゾーン６０を含むことができる。方法５００は、燃焼器１７の前方端部５２に配置された１つ以上の燃料ノズル６１を用いて、燃料１００及び酸化剤１０２の第１の部分をリッチ混合物として燃焼室４２の第１のゾーン５６に送給する第１のステップ５０２を含む。
【0048】
例示的な実施形態では、燃料１００は、アンモニア（ＮＨ３）を含むことができる。特に、燃料１００は、水素と混合されたアンモニア（ＮＨ３）を含む燃料混合物であってもよい。様々な実施形態では、燃料混合物は、ほとんどが少量の水素と混合されたアンモニア（ＮＨ３）であってもよい。例えば、燃料混合物は、体積で約８０％～約９９％のアンモニア（ＮＨ３）、または例えば、体積で約９０％～約９９％のアンモニア（ＮＨ３）、または例えば、体積で約９３％～約９８％のアンモニア（ＮＨ３）、または例えば、体積で約９５％のアンモニア（ＮＨ３）を含有することができる。混合物の残りは水素であってもよい。例えば、燃料混合物は、約１％～約２０％の水素、または例えば約１％～約１０％の水素、または例えば約３％～約８％の水素、または例えば約５％の水素を含むことができる。アンモニア（ＮＨ３）は従来の燃料源（天然ガスなど）と比較して低い火炎速度を有し、水素は従来の燃料源と比較して非常に高い火炎速度を有するので、少量の水素をアンモニア（ＮＨ３）と混合することにより、火炎速度を有利に増加させることができ、これにより、潜在的な保炎問題を引き起こすことなくアンモニア（ＮＨ３）をガスタービン燃焼器内で使用することが可能になる。
【0049】
例示的な実装形態では、燃料１００と酸化剤１０２の第１部分とのリッチ混合物は、約１．０５と約２の間、または約１．１と約１．９の間など、または約１．２と約１．８の間など、または約１．３と約１．７の間など、または約１．３５と約１．６５の間など、または約１．４と約１．６の間など、または約１．４５と約１．５５の間など、または約１．５などの当量比を有し得る。
【0050】
さらに、様々な実施態様では、酸化剤１０２の第１の部分は、酸素で富化（enrich：付加）された空気であってもよい。例えば、酸化剤１０２の第１の部分は、通常大気中にあるよりも多量の酸素を含む空気（これは、通常、体積で約２１％の酸素、体積で約７８％の窒素、および体積で約１％の他のガスを含有する。）であってもよい。このように、酸化剤１０２の第１の部分は、空気中の酸素の体積パーセントが２１％より大きくなるように酸素が富化された空気であってもよい。特に、酸化剤１０２の第１の部分は、酸素の体積パーセントが約２１％～約３０％、または例えば約２２％～３０％、または例えば約２６％～約２９％、または例えば約２７％であるように、酸素で空気を富化することができる。残りの空気は窒素を含むことができる。
【0051】
方法５００は、リッチ混合物を第１のゾーン５６で燃焼させるステップ５０４をさらに含むことができる。その結果、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む燃焼ガス３４が第１のゾーン５６内で生成される。特に、リッチ混合物から生じる燃焼ガス３４は、燃焼したアンモニア（ＮＨ３）からの窒素酸化物（ＮＯｘ）を含み、第１のゾーン５６内の酸化剤の欠如に起因して未燃焼燃料１０１またはアンモニア（ＮＨ３）を含み、その結果、第１のゾーン５６を出る（または第２のゾーン５８に入る）燃焼ガス３４は、未燃焼燃料１０１（すなわち、未燃焼アンモニア）を依然として含む。
【0052】
図５に示すように、方法５００は、酸化剤または空気の第２の部分を第２のゾーン５８に供給して、未燃焼アンモニア（ＮＨ３）を第２のゾーン５８内のアンモニア中間体に分解するステップ５０６をさらに含むことができる。その結果、第２のゾーン５８において、窒素酸化物（ＮＯｘ）はアンモニア中間体と反応することによって消費され得る。中間体は、反応物から形成され、さらに反応して、化学反応の直接観察される生成物を与える分子実体である。別の言い方をすれば、中間体は、最終反応生成物を最終的に生成するために、先行ステップで生成され、後続ステップで消費される、多ステップ反応機構内の過渡種である。図４に示すように、不十分な酸化剤を有する燃焼反応におけるアンモニア（ＮＨ３）の中間体は、ＮＨ２、ＮＮＨ、ＮＨ、Ｎ２ＯおよびＮである。第２のゾーン５８を通って移動する燃焼ガス３４および未燃焼アンモニア（ＮＨ３）は、意図的にかつ有利には不十分な量の酸化剤と混合され、それによって、未燃焼アンモニア（ＮＨ３）を図４に示す実線の矢印４０２の経路に従わせ、その結果、ＮＯｘがアンモニア中間体によって消費されることを理解されたい。
【0053】
方法５００は、ステップ５０８において、酸化剤または空気１２２の第３の部分を第３のゾーン６０に供給することをさらに含むことができる。図３に示すように、酸化剤１０２の第１の部分は、燃料ノズル６１によって第１のゾーン５６に注入することができ、酸化剤１０４の第２の部分は、少なくとも２つの第２のゾーン酸化剤注入段１０６によって第２のゾーン５８に注入することができ、酸化剤１２２の第３の部分は、少なくとも２つの第３のゾーン酸化剤注入段１２４によって第３のゾーン６０に注入することができる。例示的な実施形態では、方法５００は、酸化剤の第３の部分を用いて第３のゾーン内の副生成物水素（byproduct hydrogen）を燃焼させるステップ５１０をさらに含むことができる。
【0054】
例示的な実装形態では、酸化剤１２２の第３の部分は、酸化剤１０２の第１の部分および酸化剤１０４の第２の部分のそれぞれより大きくてもよい。例えば、酸化剤１２２の第３の部分は、燃焼室４２に注入される全酸化剤に対する酸化剤１０２の第１の部分及び酸化剤１０４の第２の部分の合計よりも大きくてもよい（又は等しくてもよい）。このように、全酸化剤の大部分（例えば、いくつかの実装形態では５０％超、または６０％超、または他の実装形態では７０％超、または特定の実装形態では８０％超などである。）を第３のゾーン６０に注入することができる。様々な実施形態では、ステップ５０２で酸化剤の第１の部分を送達することは、燃焼器に添加される全酸化剤の約７％～約１５％を送達すること（例えば、約８％～約１４％、または約９％～約１３％である。）をさらに含むことができる。加えて、ステップ５０６において酸化剤の第２の部分を送達することは、燃焼器に添加される全酸化剤の約７％～約１５％を送達すること（例えば、約８％～約１４％、または約９％～約１３％である。）を含むことができる。最後に、ステップ５０８で酸化剤の第３の部分を送達することは、添加される全酸化剤の残りを第３のゾーンに送達することを含むことができる。
【0055】
多くの実装形態では、酸化剤１０２の第１の部分は、燃料１００（例えば、燃料ノズル６１内である。）と混合され、燃料ノズル６１によって燃焼室４２の入口４１に噴射され得る。いくつかの実装形態では、酸化剤１０２の第１の部分は、燃焼器１７の燃焼室４２に加えられる全酸化剤の約７％～約１５％であってもよい。他の実施態様では、酸化剤１０２の第１の部分は、燃焼器１７の燃焼室４２に加えられる全酸化剤の約９％～約１３％であってもよい。特定の実施態様では、酸化剤１０２の第１の部分は、燃焼器１７の燃焼室４２に添加される全酸化剤の約１０％～約１２％であってもよい。特定の実施態様では、酸化剤１０２の第１の部分は、燃焼器１７の燃焼室４２に加えられる全酸化剤の約１１％であってもよい。
【0056】
多くの実施態様では、酸化剤１０４の第２の部分は、少なくとも２つの第２のゾーン酸化剤注入段１０６を介して燃焼室４２の第２のゾーン５８に注入することができる。このように、第２のゾーン酸化剤注入段１０６の数に応じて、以下の範囲を分割してもよい。いくつかの実施態様では、酸化剤１０４の第２の部分は、燃焼器１７の燃焼室４２に添加される全酸化剤の約７％～約１５％であってもよい。例えば、そのような実施形態では、酸化剤注入段１１８は、全酸化剤の約３％～約７％を燃焼室４２に注入することができ、第２の酸化剤注入段１２０は、全酸化剤の約３％～約７％を燃焼室４２に注入することができる。他の実施態様では、酸化剤１０４の第２の部分は、燃焼器１７の燃焼室４２に添加される全酸化剤の約９％～約１３％であってもよい。例えば、そのような実施形態では、酸化剤注入段１１８は、全酸化剤の約４．５％～約６．５％を燃焼室４２に注入することができ、酸化剤注入段１２０は、全酸化剤の約４．５％～約６．５％を燃焼室４２に注入することができる。特定の実施態様では、酸化剤１０４の第２の部分は、燃焼器１７の燃焼室４２に添加される全酸化剤の約１１％であってもよい。例えば、そのような実施形態では、酸化剤注入段１１８は、全酸化剤の約５％を燃焼室４２に注入することができ、酸化剤注入段１２０は、全酸化剤の約６％を燃焼室４２に注入することができる。すなわち、第２の酸化剤注入段１２０は、第１の酸化剤注入段１１８よりも全酸化剤のわずかに多い（例えば、１％または２％多い）酸化剤を注入することができる。
【0057】
多くの実施態様では、酸化剤１２２の第３の部分は、少なくとも２つの第３のゾーン酸化剤注入段１２４を介して燃焼室４２の第３のゾーン６０に注入することができる。このように、第３のゾーン酸化剤注入段１２４の数に応じて、以下の範囲を分割してもよい。例示的な実施態様では、合計酸化剤の残りは、少なくとも２つの第３のゾーン酸化剤注入段１２４によって第３のゾーンに注入することができる。例えば、全空気の２０％が燃料ノズル及び第２のゾーン酸化剤注入段１０６によって燃焼室４２に噴射される場合、全空気の８０％が第３のゾーン酸化剤注入段１２４によって燃焼室４２に噴射され得る。
【0058】
いくつかの実施態様では、酸化剤１２２の第３の部分は、燃焼器１７の燃焼室４２に添加される全酸化剤の約７０％～約９５％であってもよい。例えば、そのような実施形態では、酸化剤注入段１２６は、全酸化剤の約４５％～約６０％を燃焼室４２に注入することができ、酸化剤注入段１２８は、全酸化剤の約２５％～約３５％を燃焼室４２に注入することができる。他の実施態様では、酸化剤１２２の第３の部分は、燃焼器１７の燃焼室４２に添加される全酸化剤の約７０％～約９０％であってもよい。例えば、そのような実施形態では、酸化剤注入段１２６は、全酸化剤の約４５％～約５５％を燃焼室４２に注入することができ、酸化剤注入段１２８は、全酸化剤の約２５％～約３５％を燃焼室４２に注入することができる。特定の実施態様では、酸化剤１２２の第３の部分は、燃焼器１７の燃焼室４２に添加される全酸化剤の約７８％であってもよい。例えば、そのような実施形態では、酸化剤注入段１２６は、全酸化剤の約５０％を燃焼室４２に注入することができ、酸化剤注入段１２８は、全酸化剤の約２８％を燃焼室４２に注入することができる。すなわち、第１の酸化剤注入段１２６は第２の酸化剤注入段１２８よりも多くの（例えば、約２５％多い。）全酸化剤を注入することができる。
【0059】
酸化剤１０２の第１の部分、酸化剤１０４の第２の部分、及び酸化剤１２２の第３の部分の上記に開示された範囲は、その他の範囲及びパーセンテージと比較した場合に、燃焼室４２を出る燃焼ガス中のＮＯｘの量を減少させることが証明されている。例えば、燃焼室４２を通って移動するアンモニア（燃料）は、有利には、不十分な酸素が第１のゾーン５６及び第２のゾーン５８を通って供給されることがあり、これは、ＮＯｘの消費を有利に促進し、それによって、ガスタービン１０の全体的な排出を低減する。
【0060】
多くの実施形態において、第２のゾーン５８は第１のゾーン５６及び第３のゾーン６０よりも長くてもよい。例えば、第２のゾーン５８は第１のゾーン５６及び第３のゾーン６０の両方よりも軸方向に長くてもよく、その結果、燃焼室４２を通って移動する燃焼ガス３４は第２のゾーン５８で最も多くの時間を費やす。いくつかの実施形態において、第２のゾーン５８の軸方向長さは燃焼室４２の全軸方向長さの２５％より大きく（または３０％より大きく、または４０％より大きく、または５０％より大きく、または６０％より大きくてもよく、第２のゾーン５８の軸方向長さは第１のゾーン５６の軸方向長さと第３のゾーン６０の軸方向長さの合計より大きい。いくつかの実装形態では、方法５００は、約６ミリ秒～約１２ミリ秒、または約７ミリ秒～約１１ミリ秒など、または約８ミリ秒～約１０ミリ秒などの滞留時間で第２のゾーン５８を通して燃焼ガス３４を搬送することをさらに含むことができる。このように、燃焼ガス３４、未燃焼アンモニア、及び第１のゾーン５６から生成されたＮＯｘは、不十分な酸化剤で長期間にわたって第２のゾーン５８を通って一緒に移動することができ、これは、ＮＯｘの消費を有利に促進し、それによって排出を低減する。
【0061】
いくつかの実施形態において、第２のゾーン５８の長さ寸法は第３のゾーン６０の長さ寸法と等しくてもよい。特定の実施形態において、第２のゾーン５８は、第３のゾーン６０よりもわずかに長くてもよい。例示的な実施形態において、第３のゾーン６０は第２のゾーン５８よりも長くてもよく、例えば約２０％～約６０％長くてもよい。
【0062】
図６を参照すると、本主題の態様による、ガスタービンの燃焼器を動作させる方法６００の一実施形態のフロー図が示されている。一般に、方法６００は、本明細書では、ガスタービン１０、燃焼器１７、及び図１から図３を参照して上述した燃焼室４２を参照して説明される。しかしながら、開示された方法６００は、一般に、任意の適切なターボ機械と共に利用することができ、及び／又は任意の他の適切なシステム構成を有するシステムに関連して利用することができることが、当業者には理解されよう。加えて、図６は例示および説明の目的で特定の順序で実行されるステップを示しているが、本明細書で説明する方法は、特許請求の範囲で別段の指定がない限り、いかなる特定の順序または構成にも限定されない。本明細書で提供される開示を使用する当業者は、本明細書で開示される方法の様々なステップが、本開示の範囲から逸脱することなく、様々な方法で省略、再配置、組み合わせ、および／または適合され得ることを理解するであろう。
【0063】
方法６００による燃焼器１７は、燃焼室４２を画定する燃焼ライナ４０を含むことができる。燃焼室４２は、一連の流れの順序で第１のゾーン５６、第２のゾーン５８、及び第３のゾーン６０を含むことができる。方法５００は、燃焼器の前方端部５２に配置される１つ以上の燃料ノズル６１を用いて、燃料１００及び酸化剤１０２の第１の部分をリッチ混合物として燃焼室４２の第１のゾーン５６に送給する第１のステップ６０２を含むことができる。上述のように、燃料はアンモニア（ＮＨ３）を含むことができる。
【0064】
さらに、方法６００は、リッチ混合物の少なくとも一部を第１のゾーン５６で燃焼させるステップ６０４をさらに含むことができる。ステップ６０４の結果、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含む燃焼ガス３４が生成され、第１の期間にわたって第１のゾーン５６を通って搬送される。方法６００は、燃焼ガス３４及び未燃焼アンモニアを第２の期間にわたって第２のゾーン５８を通して搬送し、一方、（例えば、同時に）酸化剤１０４の第２の部分を第２のゾーン５８内に送達して、未燃焼アンモニア（ＮＨ３）を第２のゾーン５８内でアンモニア中間体に分解するステップ６０６を更に含むことができる。ステップ６０６の結果、第２のゾーン５８において、燃焼ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）がアンモニア中間体と反応することによって消費される。さらに、未燃焼アンモニアをアンモニア中間体に分解する結果、副生成物水素が第２のゾーン５８において生成され得る。特に、未燃焼アンモニアの分解は、燃焼ガスが第３のゾーン６０に入る際に未燃焼アンモニアが完全に消費され、燃焼ガスおよび副生水素のみが第３のゾーン６０に入るような結果をもたらす可能性を高める。
【0065】
例示的な実装形態では、方法６００は、さらに、第３の期間にわたって第３のゾーン６０を通して燃焼ガス３４を（例えば、同時に）搬送しながら、酸化剤１２２の第３の部分を第３のゾーン６０に供給するステップ６０８を含むことができる。例示的な実施形態では、方法６００は、酸化剤の第３の部分を用いて第３のゾーン内の副生成物水素を燃焼させるステップ６１０をさらに含むことができる。例えば、第３のゾーンに入ると、燃焼ガス中に残された燃料は、未燃焼アンモニアを第２のゾーン内のアンモニア中間体に分解した結果として生成された副生成物水素のみであり得る。すべてのアンモニアが消費されると開始することができる第３のゾーン６０では、多量の酸化剤または空気を加えて、残りの副生成物水素を燃焼させることができる。さらに、第３のゾーン６０内の温度は、空気の豊富さに起因して低下するので（ＮＯｘ形成温度未満の温度で燃焼が起こるので）、水素燃焼中のＮＯｘ形成は、著しく最小化される。例示的な実施形態では、全てのアンモニアが第２のゾーン５８で消費され、その結果、第３のゾーンに入る唯一の生成物は、燃焼生成物３４及び任意の残りの燃料（主に第２のゾーン５８でアンモニアを分解する副産物として生成される水素である）である。別の言い方をすれば、第２のゾーン５８内でアンモニアを分解することの副産物として生成された水素は、燃焼ガス３４と共に第３のゾーン６０内に搬送することができ、その間に酸化剤１２２の第３の部分を第３のゾーン６０内に注入することができ、それによって第３のゾーン６０内の残りの水素を燃焼させるための酸化剤を提供する。さらに、酸化剤１２２の第３の部分は、有利には、残りの水素の燃焼の結果として熱によるＮＯｘが生成されないように第３のゾーン６０内の燃焼ガス３４の温度を低下させるのに十分な大きさとすることができる。燃焼ガス３４が第３のゾーン６０に到達すると、アンモニア（ＮＨ３）の全てが消費され、残りの燃料（主に水素）のみが第３のゾーンに残され、燃焼ガス３４が第３のゾーン６０に残される。換言すれば、燃焼ガス３４が第３のゾーン６０に入る時までに、全てのアンモニア（ＮＨ３）が消費され（例えば、第２のゾーン５８でＮＯｘと反応させることによって。）、残りの燃料（主に水素及び／又はその他の未消費燃料）が第３のゾーン６０で消費される。
【0066】
多くの実装形態では、酸化剤の第３の部分は、酸化剤の第１の部分および酸化剤の第２の部分よりも大きくてもよい（および／または酸化剤の第１の部分および酸化剤の第２の部分の合計よりも大きくてもよい）。加えて、第２の期間は、第１の期間及び第３の期間よりも大きくてもよい（すなわち、より長くてよい）。
【0067】
本明細書は、最良の形態を含む例を用いて本発明を開示し、また、任意のデバイスまたはシステムを作製および使用すること、ならびに任意の組み込まれた方法を実施することを含めて、当業者が本発明を実施することを可能にする。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含み得る。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を含む場合、またはそれらが特許請求の範囲の文言と実質的に異ならない等価な構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることが意図される。
【0068】
本発明のさらなる態様は、以下の条項の主題によって提供される。
[実施形態１]
ガスタービンの燃焼器を動作させる方法であって、前記燃焼器は、燃焼室を画定する燃焼ライナを備え、前記燃焼室は、直列流れ順序で第１のゾーン、第２のゾーン、および第３のゾーンを含む。前記方法は、前記燃焼器の前方端部に配置される１つまたは複数の燃料ノズルを用いて、燃料および酸化剤の第１部分をリッチ混合物として前記燃焼室の前記第１のゾーンに送達するステップを含む。前記燃料は、アンモニア（ＮＨ３）を含む。前記第１のゾーンにおいて前記リッチ混合物を燃焼させ、それによって、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含有する燃焼ガスが生成されるステップを前記方法は含む。前記第２のゾーンにおいて未燃焼アンモニアを分解してアンモニア中間体にするために、前記第２のゾーンに酸化剤の第２部分を送達するステップであって、それによって、前記窒素酸化物（ＮＯｘ）は、前記第２のゾーンにおいて前記アンモニア中間体と反応することによって消費される、ステップを前記方法は含む。前記窒素酸化物（ＮＯｘ）は、前記第２のゾーンにおいて前記アンモニア中間体と反応することによって消費される。副生成物水素は、未燃焼アンモニアをアンモニア中間体に分解する。酸化剤の第３部分を第３のゾーンに送達するステップであって、酸化剤の第３部分は、酸化剤の第１部分および酸化剤の第２部分のそれぞれよりも大きい、送達するステップを前記方法は含む。酸化剤の第３部分を用いて第３のゾーン内の副生成物水素を燃焼させる。
[実施形態２]
未燃焼アンモニアの分解は、未燃焼アンモニアが第３のゾーンに入ると完全に消費されることをもたらし、酸化剤の第３部分を送達することは、熱ＮＯｘ形成温度未満に第３のゾーン内の燃焼ガスの温度を低下させる、実施形態１の方法。
[実施形態３]
酸化剤の前記第１の部分を送達することは、前記燃焼器に添加される全酸化剤の約７％～約１５％を送達することを含み、酸化剤の前記第２の部分を送達することは、前記燃焼器に添加される全酸化剤の約７％～約１５％を送達することを含み、酸化剤の前記第３の部分を送達することは、前記燃焼器に添加される全酸化剤の残りを送達することを含む、前記の実施形態のうちの１つ以上に記載の方法。
[実施形態４]
リッチ混合物が約１．０５～約２の当量比を含む、前記の実施形態のうちの１つ以上に記載の方法。
[実施形態５]
酸化剤の前記第１の部分を送達することが、酸素で富化された空気を送達することを含む、前記の実施形態のうちの１つ以上に記載の方法。
[実施形態６]
約６ミリ秒～約１２ミリ秒の滞留時間で第２のゾーンを通して燃焼ガスを搬送することをさらに含む、前記の実施形態の１つ以上に記載の方法。
[実施形態７]
燃料が、純粋なアンモニア、または水素と混合されたアンモニアを含む燃料混合物のいずれかである、前記の実施形態の１つまたは複数に記載の方法。
[実施形態８]
酸化剤の前記第２の部分を送達することが、前記第２のゾーン内の少なくとも２つの酸化剤注入段で酸化剤の前記第２の部分を送達することを含み、酸化剤の前記第３の部分を送達することが、前記第３のゾーン内の少なくとも２つの酸化剤注入段で酸化剤の前記第３の部分を送達することを含む、前記の実施形態のうちの１つ以上に記載の方法。
[実施形態９]
第２のゾーン内の少なくとも２つの酸化剤注入段は、前記第１酸化剤注入段から軸方向に離間している第１酸化剤注入段及び第２酸化剤注入段を含み、前記第１酸化剤注入段及び前記第２酸化剤注入段は、それぞれ、前記燃焼器に添加される全酸化剤の約３．５％～約７％を含む、前記の実施形態のうちの１つ以上に記載の方法。
[実施形態１０]
第３のゾーンにおける少なくとも２つの酸化剤注入段が第１酸化剤注入段および第２酸化剤注入段を含む、前記の実施形態のうちの１つまたは複数に記載の方法。
[実施形態１１]
ガスタービンの燃焼器を動作させる方法が提供される。前記燃焼器は、燃焼室を画定する燃焼ライナを備え、前記燃焼室は、直列流れ順序で第１のゾーン、第２のゾーン、及び第３のゾーンを含む。前記方法は、前記燃焼器の前方端部に配置される１つ以上の燃料ノズルを用いて、燃料及び酸化剤の第１部分をリッチ混合物として前記燃焼室の前記第１のゾーンに供給するステップであって、前記燃料は、アンモニア（ＮＨ３）を含む、ステップと、前記第１のゾーンにおいて前記リッチ混合物の少なくとも一部を燃焼させ、それにより、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含有する燃焼ガスが生成され、前記第１のゾーンを通って第１時間期間にわたって搬送される、ステップと、前記第２のゾーンに酸化剤の第２部分を供給しながら、前記第２時間期間にわたって前記燃焼ガス及び未燃焼アンモニアを前記第２のゾーンを通って搬送し、前記第２のゾーンにおいて前記未燃焼アンモニアをアンモニア中間体に分解するステップと、を含み、前記方法は、前記第１のゾーンは、これにより、燃焼ガス中の窒素酸化物が第２のゾーン内のアンモニア中間体と反応することによって消費され、それにより、未燃焼アンモニアがアンモニア中間体に分解された結果として副生成物水素が生成され、燃焼ガス及び副生成物水素を第３のゾーンを通して第３時間にわたって搬送しながら第３のゾーン内に酸化剤の第３部分を送達し、酸化剤の第３部分は酸化剤の第１部分及び酸化剤の第２部分のそれぞれよりも大きく、第２時間は第１時間及び第３時間よりも大きい。
[実施形態１２]
前記の実施形態のうちの１つ以上に記載の方法であって、未燃焼アンモニアの分解は、未燃焼アンモニアが第３のゾーンに入ると完全に消費されることをもたらし、酸化剤の第３部分を送達することは、熱ＮＯｘ形成温度未満に第３のゾーン内の燃焼ガスの温度を低下させる、方法。
[実施形態１３]
酸化剤の前記第１の部分を送達することは、前記燃焼器に添加される全酸化剤の約７％～約１５％を送達することを含み、酸化剤の前記第２の部分を送達することは、前記燃焼器に添加される全酸化剤の約７％～約１５％を送達することを含み、酸化剤の前記第３の部分を送達することは、前記燃焼器に添加される全酸化剤の残りを送達することを含む、前記の実施形態のうちの１つ以上に記載の方法。
[実施形態１４]
リッチ混合物が約１．０５～約２の当量比を含む、前記の実施形態のうちの１つ以上に記載の方法。
[実施形態１５]
酸化剤の前記第１の部分を送達することが、酸素で富化された空気を送達することを含む、前記の実施形態のうちの１つ以上に記載の方法。
[実施形態１６]
約６ミリ秒～約１２ミリ秒の滞留時間で第２のゾーンを通して燃焼ガスを搬送することをさらに含む、前記の実施形態の１つ以上に記載の方法。
[実施形態１７]
燃料が、純粋なアンモニア、または水素と混合されたアンモニアを含む燃料混合物のいずれかである、前記の実施形態の１つまたは複数に記載の方法。
[実施形態１８]
酸化剤の前記第２の部分を送達することが、前記第２のゾーン内の少なくとも２つの酸化剤注入段で酸化剤の前記第２の部分を送達することを含み、酸化剤の前記第３の部分を送達することが、前記第３のゾーン内の少なくとも２つの酸化剤注入段で酸化剤の前記第３の部分を送達することを含む、前記の実施形態のうちの１つ以上に記載の方法。
[実施形態１９]
第２のゾーン内の少なくとも２つの酸化剤注入段は、前記第１酸化剤注入段から軸方向に離間している第１酸化剤注入段及び第２酸化剤注入段を含み、前記第１酸化剤注入段及び前記第２酸化剤注入段は、それぞれ、前記燃焼器に添加される全酸化剤の約３．５％～約７％を含む、前記の実施形態のうちの１つ以上に記載の方法。
[実施形態２０]
燃焼器が提供される。前記燃焼器は、入口と出口の間に延びる燃焼室を画定するライナを備え、前記燃焼室が、直列流れ順序で第１のゾーン、第２のゾーン、および第３のゾーンを含む。前記燃焼器は、前記第１のゾーンにおいて燃料と酸化剤の第１部分との混合物を噴射するように構成された少なくとも１つの燃料ノズルを含む。前記燃料がアンモニア（ＮＨ３）を含み、前記酸化剤の前記第１部分が、前記燃焼器に添加される全酸化剤の約７％～約１５％である。前記燃焼器は、前記第２のゾーンにおける少なくとも２つの酸化剤噴射段であって、前記第２のゾーンにおける前記少なくとも２つの酸化剤噴射段が、前記燃焼器に添加される前記全酸化剤の約７％～約１５％を含む酸化剤の第２部分を噴射するように構成されている、少なくとも２つの酸化剤噴射段を含む。前記燃焼器は、前記第３のゾーンにおける少なくとも２つの酸化剤噴射段を含み、前記ライナは、直列流れ順序で、前記第１のゾーン、前記第２のゾーン、および前記第３のゾーン燃焼器に添加される全酸化剤の約７０％～約９５％を含む酸化剤の第３部分を噴射するように構成される。
[実施形態１]
ガスタービンの燃焼器を動作させる方法であって、前記燃焼器は、燃焼室を画定する燃焼ライナを備え、前記燃焼室は、直列流れ順序で第１のゾーン、第２のゾーン、および第３のゾーンを含む。前記方法は、前記燃焼器の前方端部に配置される１つまたは複数の燃料ノズルを用いて、燃料および酸化剤の第１部分をリッチ混合物として前記燃焼室の前記第１のゾーンに送達するステップを含む。前記燃料は、アンモニア（ＮＨ３）を含む。前記第１のゾーンにおいて前記リッチ混合物を燃焼させ、それによって、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含有する燃焼ガスが生成されるステップを前記方法は含む。前記第２のゾーンにおいて未燃焼アンモニアを分解してアンモニア中間体にするために、前記第２のゾーンに酸化剤の第２部分を送達するステップであって、それによって、前記窒素酸化物（ＮＯｘ）は、前記第２のゾーンにおいて前記アンモニア中間体と反応することによって消費される、ステップを前記方法は含む。前記窒素酸化物（ＮＯｘ）は、前記第２のゾーンにおいて前記アンモニア中間体と反応することによって消費される。副生成物水素は、未燃焼アンモニアをアンモニア中間体に分解する。酸化剤の第３部分を第３のゾーンに送達するステップであって、酸化剤の第３部分は、酸化剤の第１部分および酸化剤の第２部分のそれぞれよりも大きい、送達するステップを前記方法は含む。酸化剤の第３部分を用いて第３のゾーン内の副生成物水素を燃焼させる。
[実施形態２]
未燃焼アンモニアの分解は、未燃焼アンモニアが第３のゾーンに入ると完全に消費されることをもたらし、酸化剤の第３部分を送達することは、熱ＮＯｘ形成温度未満に第３のゾーン内の燃焼ガスの温度を低下させる、実施形態１の方法。
[実施形態３]
酸化剤の前記第１の部分を送達することは、前記燃焼器に添加される全酸化剤の約７％～約１５％を送達することを含み、酸化剤の前記第２の部分を送達することは、前記燃焼器に添加される全酸化剤の約７％～約１５％を送達することを含み、酸化剤の前記第３の部分を送達することは、前記燃焼器に添加される全酸化剤の残りを送達することを含む、前記の実施形態のうちの１つ以上に記載の方法。
[実施形態４]
リッチ混合物が約１．０５～約２の当量比を含む、前記の実施形態のうちの１つ以上に記載の方法。
[実施形態５]
酸化剤の前記第１の部分を送達することが、酸素で富化された空気を送達することを含む、前記の実施形態のうちの１つ以上に記載の方法。
[実施形態６]
約６ミリ秒～約１２ミリ秒の滞留時間で第２のゾーンを通して燃焼ガスを搬送することをさらに含む、前記の実施形態の１つ以上に記載の方法。
[実施形態７]
燃料が、純粋なアンモニア、または水素と混合されたアンモニアを含む燃料混合物のいずれかである、前記の実施形態の１つまたは複数に記載の方法。
[実施形態８]
酸化剤の前記第２の部分を送達することが、前記第２のゾーン内の少なくとも２つの酸化剤注入段で酸化剤の前記第２の部分を送達することを含み、酸化剤の前記第３の部分を送達することが、前記第３のゾーン内の少なくとも２つの酸化剤注入段で酸化剤の前記第３の部分を送達することを含む、前記の実施形態のうちの１つ以上に記載の方法。
[実施形態９]
第２のゾーン内の少なくとも２つの酸化剤注入段は、前記第１酸化剤注入段から軸方向に離間している第１酸化剤注入段及び第２酸化剤注入段を含み、前記第１酸化剤注入段及び前記第２酸化剤注入段は、それぞれ、前記燃焼器に添加される全酸化剤の約３．５％～約７％を含む、前記の実施形態のうちの１つ以上に記載の方法。
[実施形態１０]
第３のゾーンにおける少なくとも２つの酸化剤注入段が第１酸化剤注入段および第２酸化剤注入段を含む、前記の実施形態のうちの１つまたは複数に記載の方法。
[実施形態１１]
ガスタービンの燃焼器を動作させる方法が提供される。前記燃焼器は、燃焼室を画定する燃焼ライナを備え、前記燃焼室は、直列流れ順序で第１のゾーン、第２のゾーン、及び第３のゾーンを含む。前記方法は、前記燃焼器の前方端部に配置される１つ以上の燃料ノズルを用いて、燃料及び酸化剤の第１部分をリッチ混合物として前記燃焼室の前記第１のゾーンに供給するステップであって、前記燃料は、アンモニア（ＮＨ３）を含む、ステップと、前記第１のゾーンにおいて前記リッチ混合物の少なくとも一部を燃焼させ、それにより、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含有する燃焼ガスが生成され、前記第１のゾーンを通って第１時間期間にわたって搬送される、ステップと、前記第２のゾーンに酸化剤の第２部分を供給しながら、前記第２時間期間にわたって前記燃焼ガス及び未燃焼アンモニアを前記第２のゾーンを通って搬送し、前記第２のゾーンにおいて前記未燃焼アンモニアをアンモニア中間体に分解するステップと、を含み、前記方法は、前記第１のゾーンは、これにより、燃焼ガス中の窒素酸化物が第２のゾーン内のアンモニア中間体と反応することによって消費され、それにより、未燃焼アンモニアがアンモニア中間体に分解された結果として副生成物水素が生成され、燃焼ガス及び副生成物水素を第３のゾーンを通して第３時間にわたって搬送しながら第３のゾーン内に酸化剤の第３部分を送達し、酸化剤の第３部分は酸化剤の第１部分及び酸化剤の第２部分のそれぞれよりも大きく、第２時間は第１時間及び第３時間よりも大きい。
[実施形態１２]
前記の実施形態のうちの１つ以上に記載の方法であって、未燃焼アンモニアの分解は、未燃焼アンモニアが第３のゾーンに入ると完全に消費されることをもたらし、酸化剤の第３部分を送達することは、熱ＮＯｘ形成温度未満に第３のゾーン内の燃焼ガスの温度を低下させる、方法。
[実施形態１３]
酸化剤の前記第１の部分を送達することは、前記燃焼器に添加される全酸化剤の約７％～約１５％を送達することを含み、酸化剤の前記第２の部分を送達することは、前記燃焼器に添加される全酸化剤の約７％～約１５％を送達することを含み、酸化剤の前記第３の部分を送達することは、前記燃焼器に添加される全酸化剤の残りを送達することを含む、前記の実施形態のうちの１つ以上に記載の方法。
[実施形態１４]
リッチ混合物が約１．０５～約２の当量比を含む、前記の実施形態のうちの１つ以上に記載の方法。
[実施形態１５]
酸化剤の前記第１の部分を送達することが、酸素で富化された空気を送達することを含む、前記の実施形態のうちの１つ以上に記載の方法。
[実施形態１６]
約６ミリ秒～約１２ミリ秒の滞留時間で第２のゾーンを通して燃焼ガスを搬送することをさらに含む、前記の実施形態の１つ以上に記載の方法。
[実施形態１７]
燃料が、純粋なアンモニア、または水素と混合されたアンモニアを含む燃料混合物のいずれかである、前記の実施形態の１つまたは複数に記載の方法。
[実施形態１８]
酸化剤の前記第２の部分を送達することが、前記第２のゾーン内の少なくとも２つの酸化剤注入段で酸化剤の前記第２の部分を送達することを含み、酸化剤の前記第３の部分を送達することが、前記第３のゾーン内の少なくとも２つの酸化剤注入段で酸化剤の前記第３の部分を送達することを含む、前記の実施形態のうちの１つ以上に記載の方法。
[実施形態１９]
第２のゾーン内の少なくとも２つの酸化剤注入段は、前記第１酸化剤注入段から軸方向に離間している第１酸化剤注入段及び第２酸化剤注入段を含み、前記第１酸化剤注入段及び前記第２酸化剤注入段は、それぞれ、前記燃焼器に添加される全酸化剤の約３．５％～約７％を含む、前記の実施形態のうちの１つ以上に記載の方法。
[実施形態２０]
燃焼器が提供される。前記燃焼器は、入口と出口の間に延びる燃焼室を画定するライナを備え、前記燃焼室が、直列流れ順序で第１のゾーン、第２のゾーン、および第３のゾーンを含む。前記燃焼器は、前記第１のゾーンにおいて燃料と酸化剤の第１部分との混合物を噴射するように構成された少なくとも１つの燃料ノズルを含む。前記燃料がアンモニア（ＮＨ３）を含み、前記酸化剤の前記第１部分が、前記燃焼器に添加される全酸化剤の約７％～約１５％である。前記燃焼器は、前記第２のゾーンにおける少なくとも２つの酸化剤噴射段であって、前記第２のゾーンにおける前記少なくとも２つの酸化剤噴射段が、前記燃焼器に添加される前記全酸化剤の約７％～約１５％を含む酸化剤の第２部分を噴射するように構成されている、少なくとも２つの酸化剤噴射段を含む。前記燃焼器は、前記第３のゾーンにおける少なくとも２つの酸化剤噴射段を含み、前記ライナは、直列流れ順序で、前記第１のゾーン、前記第２のゾーン、および前記第３のゾーン燃焼器に添加される全酸化剤の約７０％～約９５％を含む酸化剤の第３部分を噴射するように構成される。
【符号の説明】
【0069】
１０：ガスタービン １２：入口セクション １４：圧縮機セクション １６：燃焼器セクション １７：燃焼器 １８：タービンセクション ２０：排気セクション ２２：シャフト ２４：ロータディスク ２６：ロータブレード ２７：加圧空気 ２８：ロータディスク ３０：ロータブレード ３１：外側ケーシング ３２：高温ガス経路 ３４：燃焼ガス ３５：高圧プレナム ３６：端部カバー ３８：ヘッドエンド容積（部分） ３９：流れスリーブ ４０：燃焼ライナ ４１：入口 ４２：燃焼室 ４５：出口 ４８：燃料供給源 ５０：流体導管 ５２：前方端部 ５３：軸方向中心線 ５４：後方端部 ５６：第１のゾーン ５８：第２のゾーン ６０：第３のゾーン ６１：燃料ノズル ６２：第１の長さ ６４：第２の長さ ６６：第３の長さ １００：燃料 １０１：未燃焼燃料 １０２：空気 １０４：酸化剤 １０５：バルブ １０６：第２のゾーン酸化剤注入段 １０９：環状部 １１０：空気ノズル １１４：酸化剤ライン １１６：酸化剤 １１８：第１の酸化剤注入段 １２０：第２の酸化剤注入段 １２２：酸化剤 １２４：第３のゾーン酸化剤注入段 １２６：第１の酸化剤注入段 １２８：第２の酸化剤注入段
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【外国語明細書】