CN110506152B - 燃烧装置以及燃气轮机 - Google Patents

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Abstract

该燃烧装置(C)具有使燃料用氨与燃烧用空气在燃烧室(N)内燃烧的燃烧器(3)，该燃烧器具备使燃料用氨混合到燃烧用空气中并向燃烧器内供给的冷却氨供给部(3g)。

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3月27日在日本申请的特愿2017-060444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并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中预先混合氨(燃料用氨气)并向燃烧器供给而得到驱动涡轮的燃烧尾气，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通过还原用氨还原在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：日本国特开2016-191507号公报
发明内容
发明所要解决的课题
可是，在上述背景技术中，用于燃烧的燃烧用空气由于与燃料用氨一起在燃烧室内燃烧，因此构成燃烧室的侧壁会变得高温。因此，会引起侧壁的热劣化，会存在由热劣化而引起燃烧器的寿命缩短的可能性。
本发明是鉴于上述情况而进行的，其目的在于抑制构成使燃料用氨燃烧的燃烧器的部件的温度上升，延长燃烧器的寿命。
用于解决课题的方法
为了实现上述目的，本发明的第一方案的燃烧装置具有使燃料用氨与燃烧用空气在燃烧室内燃烧的燃烧器，上述燃烧器具备使上述燃料用氨混合到上述燃烧用空气中并向上述燃烧器内供给的冷却氨供给部。
在本发明的上述第一方案的燃烧装置中，上述燃烧器具备形成上述燃烧室的侧壁，上述冷却氨供给部在上述燃烧用空气的流路中可以位于燃烧用空气供给源与上述侧壁之间。
在本发明的上述第一方案的燃烧装置中，上述冷却氨供给部可以设置于上述燃料用氨直接到达上述侧壁中的高温部的位置。
在本发明的上述第一方案的燃烧装置中，上述冷却氨供给部具备喷射上述燃料用氨的冷却喷嘴，上述冷却喷嘴可以以使上述燃料用氨混合到上述燃烧用空气中的方式构成。
在本发明的上述第一方案的燃烧装置中，上述冷却氨供给部具备喷射上述燃料用氨的多个冷却喷嘴，上述多个冷却喷嘴设置于上述燃烧用空气的流路，可以以使上述燃料用氨混合到上述燃烧用空气中的方式构成。
在本发明的上述第一方案的燃烧装置中，从上述冷却喷嘴喷射的上述燃料用氨可以是液态氨。
另外，本发明的第二方案的燃气轮机具备上述第一方案的燃烧装置。
发明效果
根据本发明，由于从冷却氨供给部供给的燃料用氨与燃烧用空气混合，在冷却了构成燃烧器的部件之后流入燃烧器中，因此能够抑制构成燃烧器的部件的温度上升，延长燃烧器的寿命。
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2是表示本发明的一实施方式的燃烧器的结构的剖视图。
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(燃烧用空气供给源)、涡轮2、燃烧器3、还原催化剂室4、容器5、泵6以及气化器7。另外，在这些多个构成要素中的燃烧器3、容器5、泵6以及气化器7包含于本实施方式中的燃烧装置C。这样的燃气轮机A是发电机G的驱动源，通过燃烧作为燃料的氨气而产生旋转动力。
压缩机1将从外部空气吸入的空气压缩至预定压力而产生压缩空气。本实施方式的压缩机1是轴流式压缩机。该压缩机1主要将上述压缩空气作为燃烧用空气向燃烧器3供给。燃烧器3将从气化器7另外供给的氨气作为燃料并燃烧。即，该燃烧器3通过将上述燃烧用空气作为氧化剂燃烧氨气而产生燃烧气体，向涡轮2供给该燃烧气体。
涡轮2通过作为驱动气体使用上述燃烧气体而产生旋转动力。
如图所示，该涡轮2与压缩机1以及发电机G轴结合，通过自身的旋转动力旋转驱动压缩机1以及发电机G。这样的涡轮2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向内部填充还原催化剂，通过还原处理包含于燃烧气体中的氮氧化物(NOX)而还原为氮气(N2)。
容器5具备预定量的容积，是储存液态氨的燃料容器，向泵6供给液态氨。泵6是将从容器5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能通过将从泵6供给的液态氨气化而生成氨气。
该气化器7将氨气作为燃料(燃料用氨气)向燃烧器3供给。
尤其气化器7能相对于后述的冷却氨供给部3g作为氨气供给燃料用氨气。另外，气化器7能相对于后述的主燃烧嘴3c作为氨气而供给燃料用氨气。另外，该气化器7将氨气作为还原剂(还原用氨气)向还原催化剂室的跟前(即，燃烧排气的流动路径中的燃烧器3与还原催化剂室4之间的位置)供给。并且，上述还原催化剂室4通过收纳于内部的还原催化剂与还原用氨气的协动而还原处理氮氧化物(NOX)。
并且，气化器7也能够不使液体氨气化地向冷却氨供给部3g供给液态氨。
在此，在这样的多个构成要素中，关于在本实施方式的燃气轮机A以及燃烧装置C中作为最有特征的构成要素的燃烧器3，参照图2进行说明。
如图2所示，燃烧器3具备壳体3a、内衬3b、主燃烧嘴3c、压缩空气导入部3e、导入流路3f(流路)、冷却氨供给部3g以及涡旋3i。主燃烧嘴3c具备燃烧嘴3d1以及整流器3d2。并且，上述气化器7连接于燃烧嘴3d1以及冷却氨供给部3g。本实施方式的燃烧器3在后述的燃烧室N内燃烧燃料用氨气和燃烧用空气。
壳体3a是收纳内衬3b的大致圆筒状的容器。在壳体3a的一端(中心轴方向的一端)安装燃烧嘴3d1以及整流器3d2，在壳体3a的另一端形成涡旋3i。内衬3b是设置于壳体3a的内部、将主燃烧嘴3c与涡旋3i连接且相对于壳体3a大致同轴状地设置的筒状体。在壳体3a与内衬3b之间设置间隙。
涡旋3i(或者过渡片)是将内衬3b的出口(中心轴方向中与主燃烧嘴3c相反侧的端部)与涡轮2的入口连接、使在内部流动的燃烧气体的流动方向偏转的部件。由内衬3b以及涡旋3i形成的内部空间是燃烧室N。燃烧室N由侧壁H形成，换而言之，侧壁H形成内衬3b以及涡旋3i。并且，侧壁H可以构成内衬3b中的至少一部分、或涡旋3i中的至少一部分。图2中的燃烧室N内表示的箭头方向是燃烧室N内的燃烧气体的流动方向。
燃烧用空气在壳体3a与内衬3b的间隙中向主燃烧嘴3c流动。内衬3b通过燃烧用空气(混合气体)流经内衬3b的外侧表面上而进行对流冷却(由热传递产生的冷却)。另外，内衬3b通过流经设置于内衬3b上的多个冷却孔(未图示)的空气在内衬3b的内侧表面上流动，通过使用形成于燃烧室N内部(内衬3b的内侧表面上)的气体薄膜的薄膜冷却等也能进行冷却。另外，燃烧室N具备向燃烧室N的内部贯通的多个喷射冷却孔(未图示)的冷却结构。并且，上述冷却孔、喷射冷却孔并不是本发明所必须的要素，可以不设置于本实施方式的燃烧器3。
燃烧嘴3d1是在壳体3a的一端设置于内衬3b的中心轴上且向燃烧室N内喷射燃料的喷嘴。整流器3d2圆环状地设置于上述燃烧嘴3d1的外周，从燃烧室N的一端向内部供给燃烧用空气。
压缩空气导入部3e设置于壳体3a的壁面，连接于导入流路3f的一端(第一端、燃烧用空气的流动方向中的下游侧的端部)。导入流路3f的另一端(第二端、燃烧用空气的流动方向中的上游侧端部)连接于压缩机1。因此，压缩机1以及壳体3a通过导入流路3f连通，导入流路3f可向壳体3a内供给被压缩机1压缩的燃烧用空气。
冷却氨供给部3g设置于邻接于压缩空气导入部3e的位置且设置于导入流路3f。即，本实施方式的冷却氨供给部3g设置于压缩空气导入部3e的上游侧，将燃料用氨混合于燃烧用空气中并向燃烧器3内供给。冷却氨供给部3g具备从导入流路3f的外部向导入流路3f的内部突出且向导入流路3f的内部露出的冷却喷嘴3h。在图2所示的示例中表示在导入流路3f内设置两个冷却喷嘴3h的结构，但冷却喷嘴3h的个数既可以是1个，也可以是3个以上。冷却喷嘴3h将燃料用氨气混合于燃烧用空气中。
另外，冷却氨供给部3g可以具有多个。冷却喷嘴3h可向导入流路3f内喷射从气化器7供给的燃料用氨气。冷却氨供给部3g在燃烧用空气的流动方向上相比于侧壁H位于上游侧(上游部)。换而言之，冷却氨供给部3g在燃烧用空气的流路上位于压缩机1(燃烧用空气供给源)与侧壁H之间。
因此，冷却氨供给部3g在流经导入流路3g内的燃烧用空气中混合燃料用氨气，可向形成燃烧室N的侧壁H(内衬3b以及涡旋3i)供给混合的燃烧用空气以及燃料用氨的混合气体。在本实施方式中，由冷却氨供给部3g供给的燃料用氨气在由燃烧器3燃烧之前与燃烧用空气混合。
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，液态氨从容器5中向气化器7供给，通过液态氨在气化器7中气化而生成氨气。并且，该氨气中的一部分氨气作为燃烧用氨(燃料用氨气)向燃烧嘴3d1以及冷却氨供给部3g供给，剩余的氨气作为还原用氨气向还原催化剂室4的跟前供给。
向燃烧嘴3d1供给的燃烧用氨在燃烧室N内、即内衬3b与涡旋3i的内部从燃烧嘴3d1沿内衬3b的中心轴喷射。
燃烧用氨在燃烧室N内燃烧，尤其作为构成燃烧室N的侧壁H的内衬3b以及涡旋3i的温度上升。
另一方面，向冷却氨供给部3g供给的氨气从冷却喷嘴3h向导入流路3f的内部喷射。被喷射的氨气与被压缩机1压缩的燃烧用空气混合。在导入流路3f内混合的氨气以及燃烧用空气的混合气体从压缩空气导入部3e向壳体3a的内部(壳体3a与内衬3b的间隙)供给，在向燃烧室N内导入的过程中，冷却燃烧室N的侧壁H。混合气体从设置于内衬3b与涡旋3i的冷却孔以及主燃烧嘴3c向燃烧室N的内部供给并燃烧。
根据本实施方式，燃烧用空气与氨气的混合气体使用于由沿燃烧室N的侧壁H的外侧表面向设置于主燃烧嘴3c、内衬3b以及涡旋3i的冷却孔流动而产生的对流冷却、由混合气体的一部分通过冷却孔向侧壁H的内部流通而产生的喷射冷却、由在侧壁H的内侧表面上形成薄膜状的气体流而产生的薄膜冷却。通过这些冷却作用，燃烧室N的侧壁H被冷却。即，不仅仅将燃料用氨气使用于燃烧中，还通过作为冷却用氨气使用燃料用氨气的一部分，提高燃烧室N的侧壁H的冷却效率，因此能够延长燃烧室N的侧壁H的寿命。
关于由氨气以及燃烧用空气的混合气体产生的冷却更具体地说明。
已知氨气相比于空气比热大。例如，相对于500℃中的空气的比热为Cp＝1.1kJ/(K·kg)，氨气的比热为Cp＝3.0kJ/(K·kg)。因此，相比于仅用燃烧用空气冷却燃烧室N的侧壁H的情况，氨气与燃烧用空气的混合气体具备伴随冷却的温度上升小的特性。因此，由氨气与燃烧用空气的混合气体产生的燃烧室N的侧壁H的冷却效率进一步提高。
另外，相比于被压缩机1压缩的燃烧用空气(压缩空气)的温度，氨气的温度低。因此，若在燃烧用空气中混合氨气，则相比于燃烧用空气的温度，混合气体的温度变低。其结果，相比于仅用燃烧用空气冷却燃烧室N的侧壁H的情况，通过使用混合气体对燃烧室N的侧壁H的冷却效率提高。
例如，在将大气温度设定为15℃、燃烧用空气的压力为12气压的情况下，燃烧用空气的温度为390℃左右，但氨气的饱和温度例如在20气压中为100℃以下。因此，通过在燃烧用空气中混合氨气，能可靠地提高燃烧室N的侧壁H的冷却效率。
另外，由于氨气具有难以回火的优点，因此能够安全地使燃烧器3运转。
以上，参照附图关于本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限于上述实施方式。在上述实施方式中表示的各构成部件的各个形状、组合等是一例，在没有从本发明的宗旨脱离的范围内基于设计要求等可有多种变更。例如，考虑如以下的变形例。
(1)上述实施方式涉及将本发明适用于燃气轮机A的燃烧装置C的情况，但本发明并不限于此。本发明的燃烧装置可适用于燃气轮机A以外的多种装置、如锅炉、焚烧设备。在这些锅炉、焚烧设备中，在使用压缩燃烧用空气的压缩机的情况下，可以使用轴流式压缩机以外的结构(离心式压缩机、往复式压缩机)。
(2)在上述实施方式中，关于向冷却氨供给部3g供给氨气的情况进行了说明，但也可以向冷却氨供给部3g供给液态氨。该情况下，从冷却氨供给部3g供给的液态氨被混合于导入流路3f内的燃烧用空气中，通过液态氨蒸发时的气化热而进一步冷却燃烧用空气。因此，相比于在燃烧用空气中混合氨气的情况，能够更加有效地冷却构成燃烧器3的燃烧室N的侧壁H。
(3)冷却氨供给部3g可以设置于氨气直接到达侧壁H中的高温部的位置。例如，可以以从冷却氨供给部3g(冷却喷嘴3h)供给的氨(气体或液态氨)直接接触于侧壁H的高温部的方式配置冷却氨供给部3g。并且，侧壁H的高温部可通过使用了燃烧器3的燃烧实验等预先确定。
(4)为了回火的对策，可以在设置冷却氨供给部3g的导入流路3f的附近设置回火检测用温度计。
(5)在上述实施方式中，作为还原剂使用氨(还原用氨)，但本发明并不限于此。也可以使用氨(还原用氨)以外的还原剂。
(6)在上述实施方式中，冷却氨供给部3g具备从导入流路3g的外部向导入流路3f的内部突出的形状，但本发明并不限于此。可以采用在导入流路3f的壁面(内面)设置多个冷却喷嘴3h的形状。
(7)在上述实施方式中，作为向主燃烧嘴3c供给的燃料使用燃料用氨，但本发明并不限于此。作为向主燃烧嘴3c供给的燃料也可以使用氨以外的燃料(天然气等)。
符号说明
A—燃气轮机，C—燃烧装置，H—侧壁，N—燃烧室，1—压缩机(燃烧用空气供给源)，2—涡轮，3—燃烧器，3a—壳体，3b—内衬，3c—主燃烧嘴，3d1—燃烧嘴，3d2—整流器，3e—压缩空气导入部，3f—导入流路，3g—冷却氨供给部，3h—冷却喷嘴，3i—涡旋，4—还原催化剂室，5—容器，6—泵，7—气化器。

Claims (7)

1.一种燃烧装置，其具有使燃料用氨与燃烧用空气在燃烧室内燃烧的燃烧器，该燃烧装置的特征在于，
上述燃烧器具备使上述燃料用氨混合到上述燃烧用空气中并向上述燃烧器内供给的冷却氨供给部，
上述燃烧器具备形成上述燃烧室的侧壁，
上述冷却氨供给部在上述燃烧用空气的流路中位于燃烧用空气供给源与上述侧壁之间。
2.根据权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于，
上述冷却氨供给部设置于上述燃料用氨直接到达上述侧壁中的高温部的位置。
3.根据权利要求1或2所述的燃烧装置，其特征在于，
上述冷却氨供给部具备喷射上述燃料用氨的冷却喷嘴，
上述冷却喷嘴以使上述燃料用氨混合到上述燃烧用空气中的方式构成。
4.根据权利要求1或2所述的燃烧装置，其特征在于，
上述冷却氨供给部具备喷射上述燃料用氨的多个冷却喷嘴，
上述多个冷却喷嘴设置于上述燃料用空气的流路，以使上述燃料用氨混合到上述燃料用空气中的方式构成。
5.根据权利要求3所述的燃烧装置，其特征在于，
从上述冷却喷嘴喷射的上述燃料用氨是液态氨。
6.根据权利要求4所述的燃烧装置，其特征在于，
从上述冷却喷嘴喷射的上述燃料用氨是液态氨。
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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