CN102272428A - 发动机 - Google Patents

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Abstract

在将气态氨供给到燃气轮机发动机(1)的燃烧器(2)，通过使该气态氨燃烧来驱动涡轮(3)的燃气轮机发动机(1)的排气通路内配置NOX选择还原催化剂(10)。将氨供给到燃气轮机发动机(1)的进气通路内或NOX选择还原催化剂(10)上游的排气通路内的任意一方或双方，利用该氨将排气中所含的NOX在NOX选择还原催化剂(10)中还原。

Description

发动机
技术领域
本发明涉及发动机。
背景技术
在燃气轮机发动机、汽油发动机以及柴油发动机等发动机中，一直以来主要用天然气和化石燃料作为燃料(例如参照日本特开平10-259736号公报)。然而当燃烧这些燃料时存在产生加速地球变暖的CO2的问题。还存在早晚会使这些燃料枯竭的问题。此外如果在发动机中使燃料燃烧就会生成NOX，因此在使用了发动机的情况下就必须抑制向大气中排出NOX。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发动机，能够通过用氨作为燃料进行不产生CO2的燃烧，而且借助由该氨进行的NOX的还原作用从而大幅度地降低向大气中排出的NOX量。
根据本发明，提供一种发动机，该发动机以氨为燃料，其中，在发动机的排气通路内配置NOX选择还原催化剂，该NOX选择还原催化剂在氨存在的状态下能够将排气中所含的NOX选择性地还原，所述发动机包括用于将由气态氨构成的燃料供给到发动机的燃烧室内的燃料供给单元，将氨供给到发动机的进气通路内或NOX选择还原催化剂上游的排气通路内的任意一方或双方，利用该所供给的氨将排气中所含的NOX在NOX选择还原催化剂中还原。
附图说明
图1是本发明涉及的发电设备的系统图；图2是图解地表示燃气轮机发动机的一个例子的图；图3是发电设备的另一实施例的系统图；图4是发电设备的又一实施例的系统图；图5是发电设备的又一实施例的系统图；图6是发电设备的又一实施例的系统图；图7是发电设备的又一实施例的系统图；图8是发电设备的又一实施例及其变形例的系统图；图9是发电设备的又一实施例的系统图；图10是发电设备的又一实施例及其变形例的系统图；图11是发电设备的又一实施例的系统图。
具体实施方式
图1表示本发明涉及的发电设备的系统图。参照图1，1表示燃气轮机发动机，2表示燃气轮机发动机的燃烧器，3表示涡轮，4表示由涡轮3驱动的压缩机，5表示经由减速器6由燃气轮机发动机1驱动的发电机，7表示燃料的气化装置，8和9表示燃料的调量阀，10表示配置在涡轮3的排气通路内、即燃气轮机发动机1的排气通路内的NOX选择还原催化剂，11表示电子控制装置。另外，在图1表示的例子中NOX选择还原催化剂10被配置在排热回收装置11内。
NOX选择还原催化剂10例如由担载二氧化钛TiO2的蜂窝结构体构成，该NOX选择还原催化剂10在氨存在的状态下能够将排气中所含的NOX选择性地还原。另一方面，向电子控制装置30中输入：表示发电机5的输出的信号、表示发电机5的转速的信号、表示压缩机4的出口温度的信号、表示压缩机4的入口温度的信号、表示压缩机4的出口压力的信号、表示涡轮3的入口温度的信号、表示通过了NOX选择还原催化剂10的排气中的NOX浓度的信号、表示大气温度的信号等各种输入信号，各调量阀8、9基于上述输入信号通过电子控制装置30的输出信号被进行控制。
图2表示将图1的燃气轮机发动机1的一个例子进行图解地表示的局部侧剖视图。
参照图2，在燃气轮机1的壳体50内输出轴51能够旋转地被支承，该输出轴51经由减速器6与发电机5连接。压缩机4由多级压缩机构成，该多级压缩机具有由壳体50支承的多个静叶片52、和形成在输出轴51上的多个动叶片53，从进入口54进入的吸入空气被压缩机4压缩而送入燃烧器2。
燃烧器2在输出轴51周围配置多个，各燃烧器2的构成包括：燃烧室55、用于将燃料供给到燃烧室55内的燃料供给装置56、以及从燃烧室55朝向涡轮3延伸的燃烧器尾筒57。从压缩机4流出的一部分压缩空气如图2中箭头A所示被送入到燃烧室55内，从燃料供给装置56供给的燃料在燃烧室55内燃烧。燃烧室55内的燃烧气体在燃烧器尾筒57内通过并被送入到涡轮3，由此将旋转力赋予涡轮3。
另一方面，将从压缩机4流出的一部分压缩空气如图2中箭头B所示送入到燃烧器尾筒57内，以使涡轮3的入口温度不过度上升。在燃烧室55中进行大致接近100％的完全燃烧，如上所述由于压缩空气被供给到燃烧室尾筒57内，因此被送入到涡轮3的燃烧气体成为空气过剩。涡轮3由多级涡轮构成，该多级涡轮具有：被壳体50支承的多个静叶片58和形成在输出轴51上的多个动叶片59，从涡轮3流出的燃烧气体成为排气而从排气口60被排出。
在本发明中使用氨作为燃料，将气态氨从燃料供给装置56供给到燃烧室55内。该气态氨在燃烧室55内燃烧，利用气态氨的燃烧气体将旋转力赋予涡轮3。氨燃烧后成为N2和H2O，完全不生成CO2。因此成为从该燃气轮机发动机1完全不排出CO2。
这样当气态氨燃烧时不生成CO2而是生成NOX，因此成为在从燃气轮机发动机1排出的排气中含有NOX。在本发明中该NOX在配置于燃气轮机发动机1的排气通路内的NOX选择还原催化剂10(图1)中被还原。此时，在NOX选择还原催化剂10中还原NOX时需要氨，下面对该氨的供给方法进行说明。
即，在本发明涉及的实施例中，在燃气轮机发动机1的进气通路内配置有用于供给液态氨的氨供给装置，将液态氨从该氨供给装置供给到进气通路内。在图2表示的例子中该氨供给装置61配置在进气管道62内，将液态氨从该氨供给装置61供给到进入口54内。
氨的沸点是-33.5℃，液态氨气化时的气化潜热极大是汽油的4倍。因此当液态氨从氨供给装置61被喷射到进入空气中时，进入空气借助液态氨的气化潜热被强有力地冷却，这样能够使涡轮3的入口温度大幅度地降低。
另一方面，涡轮3的入口温度根据耐久性的观点而存在最大允许温度，在这种情况下当使涡轮3的入口温度上升到该最大允许温度时，则燃气轮机发动机1的输出为最大。然而如上所述当进入空气被冷却使涡轮3的入口温度降低时，此时能够增大来自燃料供给装置56的供给燃料量直到涡轮3的入口温度成为最大允许温度为止。当增大来自燃料供给装置56的供给燃料量时，会增大涡轮3的入口温度达到最大允许温度时的燃气轮机发动机1的最大输出，因此成为当冷却进入空气时能够提高燃气轮机1的最大输出。即，通过将液态氨从氨供给装置61供给到进入空气中，由此能够提高燃气轮机发动机1的最大输出。
另一方面，当液态氨从氨供给装置61被供给到进入空气中时，则成为在从压缩机4流出的压缩空气中含有氨。如图2中箭头A所示，使被送入到燃烧室55内的压缩空气中所含的氨的一部分在燃烧室55内燃烧，其余的氨不燃烧而是以未燃烧的氨的形式被送入到涡轮3。另一方面，如图2中箭头B所示，在被送入到燃烧器尾筒57内的压缩空气中所含的氨也以未燃烧的氨的形式被送入到涡轮3。
送入到涡轮3的未燃烧的氨被排出到燃气轮机发动机1的排气通路内，然后该未燃烧的氨被送入到NOX选择还原催化剂10内。因此排气中所含的NOX借助被排出到排气通路内的未燃烧的氨而在NOX选择还原催化剂10中被还原。另外，当将液态氨流入到流入压缩机4的进入空气中时，该氨在压缩机4内与进入空气充分地混合，并且未燃烧的氨在涡轮3内充分地混合。因此流入到NOX选择还原催化剂10的排气中的未燃烧氨的浓度分布变均匀，于是提高基于NOX选择还原催化剂10的NOX的还原作用。
这样在该实施例中，从氨供给装置61供给的液态氨能够进行冷却进入空气的作用、和在NOX选择还原催化剂10中还原NOX的作用这两个作用。另外，通过将液态氨供给到流入压缩机4的进入空气中，由此能够将流入NOX选择还原催化剂10的排气中的未燃烧氨的浓度分布均匀化，于是提高基于NOX选择还原催化剂10的NOX的还原作用。
另一方面，再次返回到图1，例如贮藏在未图示的氨贮藏罐内的液态氨一方面(一部分)经由气化装置7和调量阀8被供给到燃烧器2，另一方面经由调量阀9供给到流入压缩机4的进气中即进入空气中。另一方面，从涡轮3排出的排气被送入到NOX选择还原催化剂10。气化装置7包括：例如通过电加热将液态氨变换为气态氨的汽化器、和用于将气态氨升压到燃烧器2中的供给压的气体压缩机，如图1所示从气化装置7送出的气态氨经由调量阀8被供给到燃烧器2。
与其他燃料同样氨也是气化后易燃烧，因此在本发明中是将液态氨气化以使其在燃烧器2中燃烧。另外，在这种情况下，在本发明中作为用于生成供给到燃烧器2的燃烧室55内的气态氨所使用的液态氨和供给到燃气轮机发动机1的进气通路内的液态氨是使用相同的液态氨，于是能够简化发电系统。
在图1中，供给到燃烧器2的燃料量即气态氨的量，通过调量阀8来控制，以使发电输出成为要求发电输出。另一方面，供给到燃气轮机发动机1的进气通路内的液态氨的量通过调量阀9来控制，以使未燃烧的氨的量成为能够将排气中所含的NOX还原预先确定的设定值以上，例如预先确定的还原率以上的量。在这种情况下，液态氨的供给量，被设定为根据燃气轮机发动机1的运行状态通过预先实验求出的最佳的供给量，或者被反馈控制以使由NOX浓度传感器检测出的来自NOX选择还原催化剂10的NOX浓度成为预先确定的浓度范围。
图3表示发电设备的另一实施例。如图3所示该实施例中在NOX选择还原催化剂10的上游配置用于向NOX选择还原催化剂10供给氨的氨供给装置12，液态氨经由调量阀13从该氨供给装置12朝向NOX选择还原催化剂10喷射。在该实施例中排气中所含的NOX借助从氨供给装置12供给的液态氨在NOX选择还原催化剂10中被还原。
在该实施例中作为用于生成供给到燃烧器2的燃烧室55内的气态氨所使用的液态氨和从氨供给装置12供给到排气通路内的液态氨是使用相同的液态氨，于是能够简化发电系统。
图4表示发电设备的又一实施例。在该实施例中液态氨一方面供给到进入空气中，另一方面从氨供给装置12供给到NOX选择还原催化剂10。在该实施例中在从涡轮3流出的未燃烧的氨的量不足以将排气中所含的NOX还原预先确定的设定值以上，例如预先确定的还原率以上时，不足部分的氨从氨供给装置12供给到NOX选择还原催化剂10。
图5表示发电设备的又一实施例。在该实施例中从气化装置7送出的气态氨经由调量阀9供给到进入空气中，借助该气态氨将排气中所含的NOX在NOX选择还原催化剂10中还原。在该实施例中虽然不进行对进入空气的冷却作用，但供给到进入空气中的气态氨在压缩机4内和涡轮3内被充分地混合。其结果，流入到NOX选择还原催化剂10的排气中的未燃烧氨的浓度分布变得均匀，于是提高基于NOX选择还原催化剂10的NOX的还原作用。
图6表示发电设备的又一实施例。在该实施例中从气化装置7送出的气态氨经由调量阀13从氨供给装置12供给到NOX选择还原催化剂10，借助该气态氨，排气中所含的NOX在NOX选择还原催化剂10中被还原。NOX的还原作用在从氨供给装置12供给的氨为气态的情况下好于液态的情况，于是即使该实施例也能提高基于NOX选择还原催化剂10的NOX的还原作用。
图7表示发电设备的又一实施例。在该实施例中从气化装置7送出的气态氨一方面经由调量阀9供给到进入空气中，另一方面经由调量阀13从氨供给装置12供给到NOX选择还原催化剂10。
在图5至图7表示的实施例中，作为供给到燃烧器2的燃烧室55内的气态氨和供给到燃气轮机发动机1的进气通路或排气通路的气态氨是使用相同的气态氨，于是能够简化发电设备。另外，例如在图7表示的实施例中也能够如图4表示的那样将液态氨供给到进入空气中。
图8至图11表示与气态氨的生成以及供给控制相关的各种实施例。另外，该图8至图11作为代表的例子如图4所示表示液态燃料供给到进气通路和排气通路的情况。
参照图8(A)，在该实施例中，在燃气轮机发动机1的排气通路内配置有气态氨生成装置14，该气态氨生成装置14利用排气热将液态氨变换为气态氨，所生成的气态氨被气体压缩机15升压后经由调量阀8被供给到燃烧器2的燃烧室55内。在图8(A)表示的实施例中，气态氨生成装置14配置在NOX选择还原催化剂10下游的排气通路内。该气态氨生成装置14例如由利用排气热使液态氨气化的汽化器构成，因此在该实施例中气态氨生成装置14构成排热回收装置。这样在该实施例中能够有效地利用排气热生成气态氨。
另外，在图8(A)表示的实施例中，为了预先贮存由气态氨生成装置14生成的气态氨而设置有气态氨贮存罐16，在发动机起动时贮存在气态氨贮存罐16内的气态氨被气体压缩机15升压并供给到燃烧器2的燃烧室55内。
即，气态氨贮存罐16内例如经由在燃气轮机发动机1的运行中被开阀的开闭阀与从气态氨生成装置14朝向气体压缩机15的气态氨的流通路连接，因此燃气轮机1的运行中在气态氨生成装置14中生成的气态氨被贮存在气态氨贮存罐16内。接下来当燃气轮机发动机1的运行停止时，由于开闭阀关闭，因此气态氨继续贮存在气态氨贮存罐16内。然后，当燃气轮机发动机1的运行再次开始时，开闭阀再次开阀。此时在气态氨生成装置14中气态氨的生成作用尚未开始，此时气态氨贮存罐16内的气态氨被气体压缩机15升压而供给到燃烧器2的燃烧室55。
在图8(B)表示的变形例中，为了利用更高温的排气热而在NOX选择还原催化剂10的上游配置有气态氨生成装置14。
图9表示发电设备的又一实施例。在该实施例中由气态氨生成装置14生成的气态氨被送入到集合器17。另一方面，液态氨经由调量阀18被送入到涡轮3的静叶片58内或动叶片59内的至少一方，将通过冷却静叶片58或动叶片59而从液态变化为气态的氨送入到集合器17内。集合器17内的气态氨被气体压缩机15升压而供给到燃烧器2的燃烧室55内。
在该实施例中有效地利用涡轮3的静叶片58或动叶片59的热生成气态氨。另外，在该实施例中由于静叶片58和/或动叶片59被冷却，因此不仅能够提高静叶片58、动叶片59的耐久性，而且能够提高涡轮3的入口温度的最大允许温度，因此能够提高燃气轮机发动机1的最大输出。
图10(A)表示发电设备的又一实施例。在该实施例中在燃气轮机发动机1的排气通路内配置利用排气热使气态氨的压力上升的气压上升装置19，被该气压上升装置19升压的气态氨经由调量阀8供给到燃烧器2的燃烧室55。在图10表示的实施例中，在气压上升装置19下游的排气通路内配置汽化器20，液态氨在汽化器20中变换为气态氨。接着该气态氨的压力在气压上升装置19中上升。在该实施例中气压上升装置19和汽化器20的任意一个都构成排热回收装置。
这样在该实施例中由于通过气压上升装置19使气态氨的压力上升，因此无需设置如图8和图9所示的气体压缩机15。另外，由于气态氨的压力上升因此在气态氨贮存罐16内贮存被升压的气态氨，在发动机起动时，贮存在气态氨贮存罐16内的升压后的气态氨被供给到燃烧器2的燃烧室55内。
在图10(B)表示变形例中，为了利用更高温的排气热而在NOX选择还原催化剂10的上游配置有气压上升装置19。
图11表示发电设备的又一实施例。在该实施例中能够控制气压上升装置19的气态氨的出口压力，通过控制该出口压力来控制供给到燃烧器2的燃烧室55的气态氨的量。因此在该实施例中无需设置如图8至图10所示的调量阀8。另外，图11表示的阀21是紧急时进行闭阀的紧急切断阀，在通常情况下处于全开。
气压上升装置19的出口压力可以采用各种方法进行控制。例如设置使气态氨从气压上升装置19的出口返回到汽化器20内的返回通路，在出口压力变为高于目标压力时，增大从气压上升装置19的出口返回到汽化器的气态氨的返回量，而在出口压力变为低于目标压力时，通过减少气态氨的返回量，由此能够将出口压力控制为目标压力。
另外，如上所述虽然说明了将本发明适用于燃气轮机发动机的情况，然而本发明也能够适用于汽油发动机和柴油发动机等往复式发动机。

Claims (12)

1.一种发动机，以氨为燃料，其中，在发动机的排气通路内配置NOX选择还原催化剂，该NOX选择还原催化剂在氨存在的状态下能够将排气中所含的NOX选择性地还原，所述发动机包括用于将由气态氨构成的燃料供给到发动机的燃烧室内的燃料供给单元，将氨供给到发动机的进气通路内和NOX选择还原催化剂上游的排气通路内的任意一方或双方，利用该所供给的氨将排气中所含的NOX在NOX选择还原催化剂中还原。
2.根据权利要求1所述的发动机，其中，被供给到所述进气通路内或所述排气通路内的氨由液态氨构成。
3.根据权利要求2所述的发动机，其中，作为用于生成供给到所述燃烧室内的气态氨而使用的液态氨和供给到所述进气通路内或排气通路内的液态氨，使用了相同的液态氨。
4.根据权利要求1所述的发动机，其中，被供给到所述进气通路内或所述排气通路内的氨由气态氨构成。
5.根据权利要求4所述的发动机，其中，作为被供给到所述燃烧室内的气态氨和被供给到所述进气通路或排气通路的气态氨，使用了相同的气态氨。
6.根据权利要求1所述的发动机，其中，在发动机的排气通路内配置有利用排气热使液态氨变换为气态氨的气态氨生成装置，所生成的气态氨被供给到所述燃烧室内。
7.根据权利要求6所述的发动机，其中，包括气态氨贮存罐，该气态氨贮存罐用于预先贮存由所述气态氨生成装置生成的气态氨，在发动机起动时贮存在该气态氨贮存罐内的气态氨被供给到所述燃烧室。
8.根据权利要求1所述的发动机，其中，在发动机的排气通路内配置有利用排气热使气态氨的压力上升的气压上升装置，升压了的气态氨被供给到所述燃烧室内。
9.根据权利要求8所述的发动机，其中，包括气态氨贮存罐，该气态氨贮存罐用于预先贮存通过所述气压上升装置升压了的气态氨，在发动机起动时贮存在该气态氨贮存罐内的升压了的气态氨被供给到所述燃烧室内。
10.根据权利要求8所述的发动机，其中，能够控制所述气压上升装置的气态氨的出口压力，通过控制该出口压力来控制供给到所述燃烧室的气态氨量。
11.根据权利要求1所述的发动机，其中，发动机由燃气轮机发动机构成，该燃气轮机发动机包括压缩机和涡轮，在涡轮的排气通路内配置有NOX选择还原催化剂，由气态氨构成的燃料被供给到燃气轮机发动机的燃烧器的燃烧室内。
12.根据权利要求11所述的发动机，其中，将液态氨送入到所述涡轮的静叶片内和动叶片内的至少一方，将通过冷却静叶片或动叶片而从液态变化为气态的氨供给到所述燃烧室内。
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