CN110226026B - 燃烧装置以及燃气轮机 - Google Patents

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Abstract

一种燃烧装置，该燃烧装置(C)在燃烧室(N)内使用燃烧用空气使燃料燃烧，具备向燃烧室内的火焰喷射还原剂的还原剂喷射装置。

Description

燃烧装置以及燃气轮机
技术领域
本发明涉及燃烧装置以及燃气轮机。
本申请基于2017年1月31日在日本申请的特愿2017-016232号主张优先权，在此引用其内容。
背景技术
在下述专利文献1中公开了将氨气作为燃料进行燃烧的燃烧装置以及燃气轮机。即，该燃烧装置以及燃气轮机通过在天然气体中预先混合氨气(燃料用氨气)并向燃烧器供给而得到驱动涡轮的燃烧废气，并且，将降低氮氧化物(NOX)作为目的，在燃烧器内的下游侧形成使用氨气还原燃烧区域中产生的氮氧化物(NOX)的还原区域。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-191507号公报
发明内容
发明所要解决的课题
可是，在上述专利文献1的技术中，通过使氨气在下游侧与在燃烧器内的上游侧产生的氮氧化物(NOX)混合而还原为氮气(N2)，但氨气作为还原剂未必能充分地发挥功能，存在由氨气进行的氮氧化物(NOX)的降低效率不良的情况。
本发明是鉴于上述情况进行的发明，其目的在于与以往相比提高由还原剂进行的氮氧化物(NOX)的降低效率。
用于解决课题的方法
为了实现上述目的，本发明的第一方案是在燃烧室内使用燃烧用空气使燃料燃烧的燃烧装置，具备向上述燃烧室内的火焰喷射还原剂的还原剂喷射装置。
本发明的第二方案在上述第一方案的燃烧装置中，上述还原剂喷射装置以向上述火焰中的氧气浓度低的区域喷射上述还原剂的方式构成。
本发明的第三方案在上述第一方案的燃烧装置中，上述还原剂喷射装置以向上述燃烧室内的主流方向中的上述火焰的中心部喷射上述还原剂的方式构成。
本发明的第四方案在上述第一～第三方案中的任一方案的燃烧装置中，上述还原剂喷射装置具备设置于上述火焰的周围的单一或多个喷射孔，并以从该喷射孔向火焰喷射上述还原剂的方式构成。
本发明的第五方案在上述第一～第四方案中的任一方案的燃烧装置中，上述燃烧室以上述燃烧用空气在其内部形成旋转流的方式构成，上述还原剂喷射装置以在与上述燃烧室内的主流方向垂直的面内向沿着上述旋转流的方向喷射上述还原剂的方式构成。
本发明的第六方案在上述第一～第五方案中的任一方案的燃烧装置中，上述还原剂是氨气。
另外，本发明的第七方案是具备上述第一～第六方案中的任一方案的燃烧装置的燃气轮机。
发明效果
根据本发明，由于向燃烧室内的火焰喷射还原剂，因此与以往相比能提高由氨气进行的氮氧化物(NOX)的降低效率。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的燃烧装置以及燃气轮机的整体结构的方框图。
图2A是表示本发明的一实施方式中的燃烧器的结构的纵剖视图。
图2B是表示本发明的一实施方式中的燃烧器的结构的横剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图，关于本发明的一实施方式进行说明。
如图1所示，本实施方式的燃气轮机A具备压缩机1、燃烧器2、涡轮3、还原催化剂室4、容器5、泵6、气化器7以及燃料供给部8。另外，这些多个构成要素中的燃烧器2、容器5、泵6、气化器7以及燃料供给部8构成本实施方式中的燃烧装置C。即，燃气轮机A具备燃烧装置C。本实施方式的燃气轮机A是发电机G的驱动源，通过使预定的燃料燃烧而产生旋转动力。并且，本发明的燃气轮机也可以用于发电机的动力源以外。上述燃料只要是能在燃烧器2中使用的燃料即可，未特别限定。
压缩机1将从外部抽取的空气(外部空气)压缩至预定压力而生成压缩空气。该压缩机1主要将上述压缩空气作为燃烧用空气而向燃烧器2供给。燃烧器2通过将上述压缩空气作为氧化剂而燃烧燃料产生燃烧气体，向涡轮3中供给该燃烧气体。
涡轮3通过将上述燃烧气体作为驱动气体使用而产生旋转动力。
如图1所示，该涡轮3与压缩机1以及发电机G轴结合，通过自身的旋转动力驱动压缩机1以及发电机G。这样的涡轮3向还原催化剂室4排出动力回收之后的燃烧气体。还原催化剂室4在内部填充还原催化剂，将燃烧气体所含的氮氧化物(NOX)还原为氮(N2)。
容器5是储存预定量的液态氨的燃料容器，向泵6供给液态氨。泵6是将从容器5中供给的液态氨加压至预定压力并向气化器7供给的燃料泵。气化器7通过将由泵6供给的液态氨气化而产生氨气。
该气化器7将氨气作为还原剂向燃烧器2以及还原催化剂室4前供给。并且，上述还原催化剂室4通过被收纳于内部的还原催化剂与还原剂的协作对氮氧化物(NOx)进行还原处理。
在此，关于这样的多个构成要素中的作为在本实施方式的燃气轮机A以及燃烧装置C中最具特征的构成要素的燃烧器2，参照图2A、图2B说明详细内容。
如图2所示，燃烧器2具备壳体2a、内衬2b、燃料喷嘴2c、整流器2d以及多个喷射孔2e。并且，上述的容器5、泵6、气化器7以及多个喷射孔2e构成本发明的还原剂喷射装置。即，燃烧装置C具备还原剂喷射装置。
壳体2a是收纳内衬2b的大致圆筒状的容器。该壳体2a在其中心轴方向的一端安装燃料喷嘴2c以及整流器2d，在另一端形成排气口E。内衬2b是相对于这样的壳体2a大致同轴状地设置的筒状体，内部空间是燃烧室N。存在将燃烧室N称为燃烧器2的燃烧室的情况。并且，图2A、2B所示的内衬2b的中心轴L的方向(中心轴L延伸的方向)与燃烧室N内的主流(燃烧室N内的气体主流)的流动方向(主流方向)相同。图2A是燃烧器2的纵剖视图，该纵剖视图称为沿主流方向的剖视图。
燃料喷嘴2c是在壳体2a的一端设置在内衬2b的中心轴L上且向燃烧室N内喷射燃料的燃料喷射喷嘴。整流器2d在壳体2a的一端绕上述燃料喷嘴2c圆环状地设置，从燃烧室N的一端(主流方向中的上游侧端部)向排气口E供给燃烧用空气，并且如图2B所示绕内衬2b的中心轴L形成燃烧用空气的旋转流S。即，燃烧器2的燃烧室N以燃烧用空气在其内部形成旋转流S的方式构成。图2B是燃烧器2的横剖视图，该横剖视图称为沿主流方向的正交方向的剖视图。
多个喷射孔2e是从壳体2a至内衬2b所形成的圆形贯通孔，绕中心轴L及绕火焰K每隔预定角度设置。即，这些喷射孔2e是从内衬2b内面向火焰K喷射氨气的氨气喷射孔。换而言之，多个喷射孔2e设置于燃烧器2，在绕燃烧器2的中心轴的圆周方向上隔开间隔而配置。多个喷射孔2e以向燃烧器2的燃烧室N内喷射氨气的方式构成，换而言之，构成为向在燃烧器2的燃烧室N内形成有火焰的火焰形成区域喷射氨气。
火焰K是在燃烧室N中氧气浓度比较低的区域，但其中心部Kc是在火焰K中氧气浓度最低的区域。如图2A所示，多个喷射孔2e向主流方向的火焰K的中心部Kc即氧气浓度最低的区域喷射氨气。换而言之，多个喷射孔2e向上述火焰形成区域中的氧气浓度低的区域喷射氨气，再换而言之，向主流方向中的上述火焰形成区域的中心部喷射氨气。并且，如图2A所示，火焰K的中心部Kc并不是一点而是具有预定宽度的区域。
在此，氨气的最大贯通距离Ymax通过下式(1)赋予。即，最大贯通距离Ymax作为喷射孔2e的内径dj、氨气的喷射速度Uj、氨气的密度ρj、燃烧室N内的主流的流动速度Ug(主流速度)以及主流密度ρg、以及图2A所示的相对于与中心轴L的方向(主流方向)正交的方向(与主流方向垂直的面)的喷射方向的倾斜角θ(单位：°)的关系式(1)所赋予。
[数1]
Figure BDA0002144760930000051
上述内径dj以及流动速度Ug(主流速度)以这种最大贯通距离Ymax比从喷射孔2e的前端位置P(燃烧室N附近的位置)至火焰K的中心的距离大的方式设定。通过这样设定，能够使从喷射孔2e喷射的氨气准确地到达火焰K的中心(上述火焰形成区域的中心部)。
并且，如图2B的虚线箭头所示，并不是以将绕火焰K(中心轴L)的喷射孔2e的喷射方向朝向火焰K的中心(中心轴L)的方式设定，也可以向在垂直于燃烧室N内的主流方向的面内沿旋转流S的方向、即相对于正交于旋流S的旋转方向的方向为旋转方向的下游侧以角度φ倾斜的喷射方向喷射氨气。换而言之，在主流方向观察可以使喷射孔2e的喷射方向朝向旋转流S的旋转方向的下游侧。
其次，关于本实施方式的燃气轮机A以及燃烧装置C的时序性的动作(稳定动作)详细地说明。
在该燃气轮机A以及燃烧装置C中，通过泵6动作从容器5向气化器7供给液态氨，通过在气化器7中液态氨气化而生成氨气。并且，该氨气向燃烧器2的各喷射孔2e以及还原催化剂室4的跟前供给。另一方面，燃料从燃料供给部8向气化器7供给，从燃料喷嘴2c向燃烧室N内喷射。
另一方面，通过压缩机1动作，压缩空气作为燃烧用空气向燃烧器2的整流器2d供给。该燃烧用空气作为通过整流器2d绕内衬2b的中心轴L旋转的旋转流S向内衬2b的中心轴L的方向喷射。
上述燃烧用空气初期从整流器2d向内衬2b的中心轴L的方向喷射，但由于旋转引起的离心力而向中心轴L的正交方向外侧即位于侧方的内衬2b方向慢慢扩张。另外，通过被这样的燃烧用空气的流牵拉，从燃料喷嘴2c喷射的燃料与燃烧用空气相同地慢慢向中心轴L的正交方向外侧扩张。并且，如此在燃烧室N内流动的燃料与燃烧用空气混合而在燃烧室N内形成火焰K。
该火焰K将内衬2b的中心轴L作为中心而形成，但因上述的燃料以及燃烧用空气的流动影响，如图2A、2B所示，随着中心轴L方向中的前端(主流方向的下游侧的前端)从中心轴L离开而成为靠排气口(靠前方)。即，上述火焰形成区域是在包括燃烧器2的中心轴的剖面(图2A)中以向主流方向的上游侧突出的方式弯曲的区域。形成于燃烧器2的各喷射孔2e相对于这样的火焰K将氨气向与中心轴L相交的方向(侧方)喷射。
即，在本实施方式中，由于从多个各喷射孔2e向燃烧室N内氧气浓度最低的火焰K的中心喷射氨气，因此可向火焰K内生成的氮氧化物(NOX)高效地作用氨气，因此相比于现有技术可提高由氨气产生的氮氧化物(NOX)的降低效率。
另外，各喷射孔2e中的氨气的喷射速度由于以氨气到达火焰K的中心的方式设定，因此，氨气能容易地以未反应的状态向适于还原的火焰K的内部供给，作为该结果能够提高氮氧化物(NOX)的减低效率。
而且，在以角度φ向旋转方向的下游侧使绕火焰K(中心轴L)的喷射方向倾斜的情况下，相比于使喷射方向朝向与旋转方向正交的方向或旋转方向的上游侧倾斜的情况，能够提高氮氧化物(NOX)的降低效率。
该原因推测为：使氨气的喷射方向朝向旋转方向的下游侧倾斜的情况由于例如燃烧用空气或燃烧气体与氨气的相对速度比使朝向方向朝向正交于旋转方向的方向或旋转方向的上游侧倾斜的情况小，因此能抑制未到达火焰K的内部而与燃烧用空气或燃烧气体混合，氨气容易到达火焰K的内部，作为该结果能够提高由氨气产生的氮氧化物(NOX)的降低效率。
以上，参照附图关于本发明的一实施方式进行了说明，但本发明并未限于上述实施方式。上述实施方式中所表示的各构成部件的各个形状、组合等是一例，在未脱离本发明的宗旨的范围内基于设计要求等，可进行结构的追加、省略、置换以及其他变更。例如考虑如下的变形例。
(1)上述实施方式是涉及将本发明适用于燃气轮机A的燃烧装置C的情况的内容，但本发明并未限于此。本申请发明的燃烧装置也可适用于燃气轮机A以外的多种装置，例如内衬相对于中心轴L倾斜、或如锅炉那样主流弯曲的情况。
(2)在上述实施方式中，作为还原剂使用氨气，但本发明并未限于此。也可以使用氨气以外的还原剂。
(3)在上述实施方式中，设置多个喷射孔2e，但本发明并未限于此。即，喷射孔2e的个数可以是单个(一个)。
(4)将内衬2b的中心轴L的方向中的氨气的喷射位置设置为一处，但本发明并未限于此。为了提高氮氧化物(NOX)的降低效率，可以从内衬2b的中心轴L的方向中的多处位置喷射氨气。该情况下，由于能够在比中心轴L的方向(主流方向)中的火焰K更大的区域中作用氨气，因此能期待氮氧化物(NOX)的降低效率的进一步提高。
(5)在上述实施方式中，将多个喷射孔2e作为圆形贯通孔。即，使喷射孔2e的截面形状为圆形，但本发明并未限于此。可以使喷射孔2e的截面形状为圆形以外的形状、如长轴方向沿中心轴L的方向(主流方向)的长圆形或椭圆形。在采用这样的长圆形或椭圆形的情况下，能降低相对于旋转流的投影面积，能降低未到达火焰K的内部就与旋转流混合并向排出口E排出的氨气的量，因此能期待氮氧化物(NOX)的降低效率的进一步提高。
符号说明
A—燃气轮机，C—燃烧装置，E—排气口，K—火焰，N—燃烧室，S—旋转流，1—压缩机，2—燃烧器，2a—壳体，2b—内衬，2c—燃料喷嘴，2d—整流器，2e—喷射孔，3—涡轮，4—还原催化剂室，5—容器，6—泵，7—气化器，8—燃料供给部。

Claims (7)

1.一种燃烧装置，其在燃烧室内使用燃烧用空气使燃料燃烧，该燃烧装置的特征在于，
具备向上述燃烧室内的火焰喷射还原剂的还原剂喷射装置，
上述燃烧室以上述燃烧用空气在其内部形成旋转流的方式构成，
上述还原剂喷射装置被构成为，在与上述燃烧室内的主流方向垂直的面内朝向旋转流的旋转方向的下游侧倾斜地喷射上述还原剂。
2.根据权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于，
上述还原剂喷射装置以向上述火焰中的氧气浓度低的区域喷射上述还原剂的方式构成。
3.根据权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于，
上述还原剂喷射装置以向上述燃烧室内的主流方向中的上述火焰的中心部喷射上述还原剂的方式构成。
4.根据权利要求1～3任一项所述的燃烧装置，其特征在于，
上述还原剂喷射装置具备设置于上述火焰的周围的单一或多个喷射孔，并以从该喷射孔向火焰喷射上述还原剂的方式构成。
5.根据权利要求1～3任一项所述的燃烧装置，其特征在于，
上述还原剂是氨气。
6.根据权利要求4所述的燃烧装置，其特征在于，
上述还原剂是氨气。
7.一种燃气轮机，其特征在于，
具备权利要求1～6任一项所述的燃烧装置。
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