JP2018162936A - 燃焼装置及びガスタービン - Google Patents

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Abstract

【課題】一次還元用アンモニア又は二次還元用アンモニアの供給量を適切に制御することができる。
【解決手段】窒素酸化物の還元剤として一次還元用アンモニアを燃焼器内に供給すると共に、前記燃焼器から排出される燃焼排ガスに対して二次還元用アンモニアを混合させることで当該燃焼排ガス中の窒素酸化物を還元するアンモニア供給部と、前記燃焼器から排出された後の、前記燃焼排ガスに含まれる残留窒素酸化物の濃度と残留アンモニアの濃度とに応じて、前記一次還元用アンモニアの供給量と前記燃焼排ガスへの前記二次還元用アンモニアの混合量との少なくともいずれかを制御する制御装置と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼装置及びガスタービンに関する。
下記特許文献１には、アンモニアを燃料として燃焼させる燃焼装置及びガスタービンが開示されている。この燃焼装置及びガスタービンは、燃焼器内の窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減することを目的として、燃焼器内の下流側に燃焼領域で発生した窒素酸化物を一次還元用アンモニアを用いて還元する還元領域を形成するものである。
また、上述の燃焼装置及びガスタービンでは、燃焼器から排出される燃焼排ガスの通過経路に、その燃焼排ガスに含まれる窒素酸化物の還元剤として二次還元用アンモニアが供給される。
特開２０１６−１９１５０７号公報
しかしながら、上述の特許文献１には、一次還元用アンモニア又は二次還元用アンモニアを用いることは記載されているものの、その供給量の具体的な制御方法については、何ら記載されていない。したがって、一次還元用アンモニア又は二次還元用アンモニアの供給量の適切な制御方法が望まれる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、一次還元用アンモニア又は二次還元用アンモニアの供給量を適切に制御可能な燃焼装置及びガスタービンを提供することである。
本発明の一態様は、窒素酸化物の還元剤として一次還元用アンモニアを燃焼器内に供給すると共に、前記燃焼器から排出される燃焼排ガスに対して二次還元用アンモニアを混合させることで当該燃焼排ガス中の窒素酸化物を還元するアンモニア供給部と、前記燃焼器から排出された後の、前記燃焼排ガスに含まれる残留窒素酸化物の濃度と残留アンモニアの濃度とに応じて、前記一次還元用アンモニアの供給量と前記燃焼排ガスへの前記二次還元用アンモニアの混合量との少なくともいずれかを制御する制御装置と、を備えることを特徴とする燃焼装置である。
本発明の一態様は、上述の燃焼装置であって、前記二次還元用アンモニアが混合した前記燃焼排ガスに含まれる窒素酸化物を、還元触媒を用いて除去する触媒還元部を更に備え、前記制御装置は、前記触媒還元部を通流した前記燃焼排ガスに含まれる、前記残留窒素酸化物の濃度と前記残留アンモニアの濃度と、に応じて前記二次還元用アンモニアの供給量を制御する。
本発明の一態様は、上述の燃焼装置であって、前記制御装置は、前記残留窒素酸化物の濃度が第１の規制値以下であって、且つ前記残留アンモニアの濃度が第２の規制値を超える場合には、前記燃焼排ガスへの二次還元用アンモニアの混合量を低減することを特徴とする。
本発明の一態様は、上述の燃焼装置であって、前記制御装置は、前記残留窒素酸化物の濃度が第１の規制値を超える場合であって、且つ前記残留アンモニアの濃度が第２の規制値以下である場合には、前記一次還元用アンモニアの供給量を変化させる。
本発明の一態様は、上述の燃焼装置であって、前記制御装置は、前記残留窒素酸化物の濃度が前記第１の規制値を超える場合であって、且つ前記残留アンモニアの濃度が前記第２の規制値以下である場合において、前記一次還元用アンモニアの供給量を変化させることができない場合には、前記二次還元用アンモニアの混合量を増加させる。
本発明の一態様は、上述の燃焼装置であって、前記制御装置は、前記残留窒素酸化物の濃度が第１の規制値を超える場合であって、且つ前記残留アンモニアの濃度が第２の規制値を超える場合には、前記燃焼装置あるいは前記触媒還元部に故障が発生していると判定する。
本発明の一態様は、上述の燃焼装置と、前記燃焼排ガスに含まれる残留窒素酸化物の濃度と残留アンモニアの濃度とを測定するガス分析器と、を備えることを特徴とするガスタービンである。
以上説明したように、本発明によれば、一次還元用アンモニア又は二次還元用アンモニアの供給量を適切に制御することができる。
本発明の一実施形態に係る燃焼装置及びガスタービンの全体構成示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る制御装置の動作のフロー図である。 本発明の一実施形態に係る第１の動作のフロー図である。 本発明の一実施形態に係る第２の動作のフロー図である。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本発明の一実施形態に係るガスタービンＡは、図１に示すように圧縮機１、燃焼器２、タービン３、還元触媒チャンバ４、天然ガス供給部５、アンモニア供給部６、混合器７、ガス分析器８及び制御装置９を備える。また、これら複数の構成要素のうち、燃焼器２、還元触媒チャンバ４、天然ガス供給部５、アンモニア供給部６、混合器７及び制御装置９は、本実施形態における燃焼装置（符号略）を構成している。このようなガスタービンＡは、発電機Ｇの駆動源であり、燃料である天然ガス及びアンモニアを燃焼させることにより回転動力を発生させる。なお、還元触媒チャンバ４は、本発明の触媒還元部の一例である。
圧縮機１は、外気から取り込んだ空気を所定圧まで圧縮して圧縮空気を生成する。この圧縮機１は、上記圧縮空気を燃焼器２に供給する。すなわち、圧縮機１は、燃焼器２において燃料の燃焼に供される一次燃焼用空気（圧縮空気）を生成して燃焼器２に供給する。
燃焼器２は、予混合部２ａ及び燃焼チャンバ２ｂを備える。
予混合部２ａは、燃焼チャンバ２ｂの前段に設けられている。この予混合部２ａは、圧縮機１から供給された一次燃焼用空気を天然ガス供給部５及びアンモニア供給部６から供給された燃料と混合させる機能部であり、当該混合によって得られた混合ガスを燃焼チャンバ２ｂに供給する。この燃焼器２における燃料は天然ガス供給部５から供給された天然ガス及びアンモニア供給部６から供給された燃料用アンモニアである。予混合部２ａは、天然ガス及び燃料用アンモニアからなる燃料と一次燃焼用空気とを混合させて混合ガスを生成する。
燃焼チャンバ２ｂは、内部空間（燃焼空間）が燃焼領域Ｒ１と還元領域Ｒ２とを有する。この燃焼領域Ｒ１では、燃料が一次燃焼用空気によって燃焼することにより、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含むと共に高温かつ高圧の燃焼排ガスが発生する。
還元領域Ｒ２は、燃焼領域Ｒ１に隣接する空間であり、混合器７を介してアンモニア供給部６から供給される一次還元用アンモニアによって上記窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する。すなわち、この還元領域Ｒ２では、燃焼排ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）が窒素ガスに還元される。また、この還元領域Ｒ２には、一次還元用アンモニアに加えて二次燃焼用空気が混合器７から供給される。よって、還元領域Ｒ２では、窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元反応に加えて、燃焼排ガス中に含まれる燃料の未燃分が燃焼する。
ここで、アンモニアは一般的に燃焼はするものの燃焼性が低い（燃焼し難い）物質として知られているが、燃焼領域Ｒ１では、燃料が量論比あるいは量論比近傍、かつ、燃料用アンモニアを天然ガスと混合させた状態で燃焼させるので、燃料用アンモニアを燃料として安定的に燃焼（酸化）させることができる。また、アンモニアは、窒素酸化物（ＮＯｘ）に対する還元性物質として周知である。還元領域Ｒ２では、一次還元用アンモニアを還元剤として用いることにより窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する。なお、本実施形態では、燃料アンモニアと天然ガスとを燃料として燃焼させる場合について説明するが、本発明、これに限定されない。すなわち、ガスタービンＡは、天然ガスを燃料として用いず、燃料用アンモニアのみを用いる、いわゆるアンモニア専焼であってもよい。
タービン３は、燃焼チャンバ２ｂから供給される燃焼排ガスを駆動ガスとして用いることにより回転動力を発生する。このタービン３は、図示するように圧縮機１及び発電機Ｇと軸結合しており、自らの回転動力によって圧縮機１及び発電機Ｇを回転駆動する。このようなタービン３は、動力回収した後の燃焼排ガスを還元触媒チャンバ４に向けて排気する。
還元触媒チャンバ４は、内部に還元触媒が充填されており、燃焼排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元処理することにより窒素（Ｎ２）に還元する。
天然ガス供給部５は、所定量の天然ガスを燃料として予混合部２ａに供給する燃料供給部である。
アンモニア供給部６は、所定量の燃料用アンモニアを燃料として予混合部２ａに供給すると共に、一次還元用アンモニアを還元剤として燃焼チャンバ２ｂ内の還元領域Ｒ２に供給する。また、アンモニア供給部６は、二次還元用アンモニアを還元触媒チャンバ４の直前に供給する。すなわち、アンモニア供給部６は、窒素酸化物の還元剤として一次還元用アンモニアを燃焼器２内に供給すると共に、燃焼器２から排出される燃焼排ガスに対して二次還元用アンモニアを混合させることで当該燃焼排ガス中の窒素酸化物を還元する。このようなアンモニア供給部６における一次還元用アンモニア及び二次還元用アンモニアの各供給量は、制御装置９によって適宜制御される。
混合器７は、アンモニア供給部６から供給される一次還元用アンモニアと圧縮機１から供給される二次燃焼用空気を混合させて第２の混合ガスとし、当該第２の混合ガスを燃焼チャンバ２ｂに供給する気体混合器である。この混合器７は、一次還元用アンモニアと二次燃焼用空気との混合状態を良好なものにするため、第２の混合ガスの通過経路に撹拌機構（邪魔板あるいは撹拌翼等）が設けられている。
ガス分析器８は、還元触媒チャンバ４の下流側に設けられている。ガス分析器８は、燃焼器２から排出された後の燃焼排ガスに含まれる残留窒素酸化物の濃度と残留アンモニアの濃度とを測定する。具体的には、ガス分析器８は、還元触媒チャンバ４を通流した燃焼排ガスに含まれる、残留窒素酸化物の濃度と残留アンモニアの濃度とをそれぞれ測定する。この残留窒素酸化物の濃度とは、二次還元用アンモニア及び還元触媒により還元されなかった窒素酸化物の濃度であって、還元触媒チャンバ４の出口から排出される窒素酸化物の濃度である。残留アンモニアの濃度とは、還元触媒チャンバ４の出口から排出されるアンモニアの濃度であって、いわゆる、スリップアンモニア濃度である。
ガス分析器８は、測定した残留窒素酸化物の濃度と残留アンモニアの濃度とを制御装置９に出力する。
制御装置９は、アンモニア供給部６における一次還元用アンモニア及び二次還元用アンモニアの各供給量を制御する。例えば、制御装置９は、燃焼器２から排出された後の、燃焼排ガスに含まれる残留窒素酸化物の濃度と残留アンモニアの濃度とに応じて、一次還元用アンモニアの供給量と燃焼排ガスへの二次還元用アンモニアの混合量との少なくともいずれかを制御する。ここで、燃焼排ガスへの二次還元用アンモニアの混合量とは、アンモニア供給部６から還元触媒チャンバ４の直前に供給される二次還元用アンモニアの流量である。
次に、このように構成された燃焼装置及びガスタービンＡの動作について、詳しく説明する。本実施形態に係る燃焼装置及びガスタービンＡでは、圧縮機１で生成された圧縮空気（一次燃焼用空気）が燃焼器２の予混合部２ａにおいて燃料（天然ガス及び燃料用アンモニア）と量論比あるいは量論比の近傍で混合されて混合ガスが生成される。そして、この混合ガスは、予混合部２ａから燃焼チャンバ２ｂの燃焼領域Ｒ１に供給され、当該燃焼領域Ｒ１でバーナーによって着火されることにより燃焼する。
上記混合ガスは一次燃焼用空気と燃料（天然ガス及び燃料用アンモニア）とが混合されたものなので、燃焼領域Ｒ１では未燃分が殆ど発生することなく燃料が燃焼するが、若干の未燃分が残ることもあり得る。このような燃焼領域Ｒ１で発生する燃焼排ガスは、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含むと共に若干の燃料の未燃分をも含む高温高圧排ガスである。この燃焼排ガスの温度は例えば８００〜１５００℃であり、また燃焼排ガスの圧力は例えば８〜２０気圧程度である。
このような燃焼排ガスは、一次還元用アンモニア及び二次燃焼用空気が供給される還元領域Ｒ２において還元処理及び二段燃焼処理される。すなわち、燃焼排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）は、高温高圧雰囲気の中で一次還元用アンモニアによって還元処理されて窒素ガスとなり、また未燃分は二次燃焼用空気によって燃焼処理（酸化処理）される。したがって、燃焼器２から排気される燃焼排ガスは、燃焼領域Ｒ１直後よりも窒素酸化物（ＮＯｘ）及び燃料の未燃分濃度が低減された高温高圧排ガスであり、燃焼器２からタービン３に供給されて当該タービン３に動力を発生させる。
そして、タービン３は、燃焼排ガスに基づいて発生した動力で互いに軸結合された発電機Ｇ及び圧縮機１を回転駆動する。この結果、発電機Ｇは電力を外部の負荷に出力する一方、圧縮機１は外気から取り込んだ空気を圧縮して燃焼器２に供給する。
タービン３により動力が回収された燃焼排ガスは、還元触媒チャンバ４に供給されて還元処理される。また、還元触媒チャンバ４の直前には、アンモニア供給部６から二次還元用アンモニアが供給されている。そのため、燃焼排ガスは、二次還元用アンモニアと混合された状態で還元触媒チャンバ４に供給される。そして、還元触媒チャンバ４は、燃焼排ガス中の窒素酸化物を還元用アンモニア及び還元触媒によって還元処理する。ここで、還元触媒チャンバ４に供給される燃焼排ガスには、未燃分の一次還元用アンモニアが含まてている場合がある。したがって、この場合には、還元触媒チャンバ４は、燃焼排ガス中の窒素酸化物を未燃分の一次還元用アンモニア、二次還元用アンモニア及び還元触媒によって還元処理することになる。
ガス分析器８は、還元用アンモニア及び還元触媒によって還元処理されなかった燃焼排ガス中の窒素酸化物の濃度（残留ＮＯｘ濃度）を測定して、制御装置９に出力する。また、ガス分析器８は、還元触媒チャンバ４から排気される燃焼排ガス中の残留アンモニアの濃度（残留ＮＨ３濃度）を測定して、制御装置９に出力する。
制御装置９は、ガス分析器８から出力された残留ＮＯｘ濃度と残留ＮＨ３濃度とがそれぞれ規制値以下になるように、アンモニア供給部６から供給される一次還元用アンモニアと二次還元用アンモニアとの各流量を制御する。
以下に、本発明の一実施形態に係る制御装置９の動作について、説明する。
ここで、本発明の一実施形態に係る制御装置９の特徴の一つは、１次還元用アンモニア量を増減させて、出口濃度の変化量を調べることである。これは、１次還元用アンモニア量を変化させた場合における、エンジン出口の排気ガス濃度は、運転条件（空気流量、圧力、燃料濃度など）や燃焼器の経年劣化によって様々に変化するためである。
例えば、燃焼器内の燃料濃度が低い場合、燃焼器内の温度が低下し、その結果アンモニアの未燃分が排出される可能性がある。この場合には、１次還元用アンモニア量を増加させ、燃焼器内の温度を上昇させることで、未燃分、すなわち脱硝装置出口のＮＨ３濃度を低下させることができる。
しかしながら、例えば、ガスタービンは、出力を一定として運転している場合に上記のように１次還元用アンモニア量を増加させると、燃焼器への天然ガスの供給量を低下させるため、燃焼温度は上昇しない。したがって、出力を一定として運転している場合には、１次還元アンモニアの供給量を低減させた方が未燃ＮＨ３濃度は低下する。
また、１次還元用アンモニアの供給量を増加しすぎると、局所のアンモニア濃度が高くなり、脱硝あるいは燃焼が、燃焼器の出口までに完結せず、結果として脱硝装置出口のＮＨ３濃度が規制値を超えてしまう可能性がある。したがって、この場合においても、１次還元用アンモニア量を低減する必要がある。
このように、１次還元用アンモニア量を増加させた方が良いのか、又は１次還元用アンモニア量を低減した方が良いのかは、運転条件や経年劣化等により変化する。したがって、制御装置９は、１次還元用アンモニア量を増減させて、出口濃度の変化量をモニタすることで、上述の運転条件や経年劣化等に影響されずに制御を行うことができる。
以下に、制御装置９の動作について、図２、図３及び図４をも参照して具体的に説明する。
図２に示すように、制御装置９は、ガス分析器８から出力された残留ＮＯｘ濃度が第１の規制値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。制御装置９は、ガス分析器８から出力された残留ＮＯｘ濃度が第１の規制値以下である場合には、第１の動作を実施する（ステップＳ１０２）。一方、制御装置９は、ガス分析器８から出力された残留ＮＯｘ濃度が第１の規制値を超える場合には、第２の動作を実施する（ステップＳ１０３）。
（第１の動作）
以下に、本発明の一実施形態に係る制御装置９の第１の動作について、図３を参照して具体的に説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る制御装置９における第１の動作のフロー図である。
制御装置９は、ガス分析器８から出力された残留ＮＨ３濃度が第２の規制値以下であるか否かを判定する（ステップＳ２０１）。制御装置９は、ガス分析器８から出力された残留ＮＨ３濃度が第２の規制値を超える場合には、二次還元用アンモニアの供給量を低減可能であるか否かを判定する（ステップＳ２０２）。
ここで、アンモニア供給部６から供給可能な二次還元用アンモニアの流量の範囲（脱硝用供給範囲）は予め設定されている。したがって、制御装置９は、二次還元用アンモニアの流量を低減しても、その低減した二次還元用アンモニアの流量が脱硝用供給範囲内に収まると判定した場合には、二次還元用アンモニアの供給量を低減可能と判定する。一方、制御装置９は、二次還元用アンモニアの流量を低減することで、その低減した二次還元用アンモニアの流量が脱硝用供給範囲外になると判定した場合には、二次還元用アンモニアの供給量の低減が不可能であると判定する。
制御装置９は、ステップＳ２０１の処理において、ガス分析器８から出力された残留ＮＨ３濃度が第２の規制値以下であると判定した場合には、残留ＮＯｘ濃度及び残留ＮＨ３濃度が共に所定の規制値以下であるため、第１の動作を終了する。
制御装置９は、ステップＳ２０２の処理において、二次還元用アンモニアの供給量を低減可能であると判定した場合には、二次還元用アンモニアの供給量を低減させ、第１の動作を終了する（ステップＳ２０３）。
一方、制御装置９は、二次還元用アンモニアの供給量の低減が不可能であると判定した場合には、一次還元用アンモニアの供給量を増加可能であるか否かを判定する（ステップＳ２０４）。
ここで、アンモニア供給部６から供給できる一次還元用アンモニアの流量の範囲（還元用供給範囲）は予め設定されている。したがって、制御装置９は、一次還元用アンモニアの流量を増加しても、その増加した一次還元用アンモニアの流量が還元用供給範囲内に収まると判定した場合には、一次還元用アンモニアの供給量を増加可能と判定する。一方、制御装置９は、一次還元用アンモニアの流量を増加することで、その増加した一次還元用アンモニアの流量が還元用供給範囲外になると判定した場合には、一次還元用アンモニアの供給量の増加が不可能であると判定する。
制御装置９は、一次還元用アンモニアの供給量を増加可能であると判定した場合には、一次還元用アンモニアの供給量を増加させる（ステップＳ２０５）。一方、ステップＳ２０４において、制御装置９は、一次還元用アンモニアの供給量の増加が不可能であると判定した場合には、これまでの一次還元用アンモニアの供給量をステップS２０４処理前の値に戻す（ステップＳ２０７）。
制御装置９は、ステップＳ２０５の処理において一次還元用アンモニアの供給量を増加させた後、ガス分析器８から出力された残留ＮＨ３濃度の変化量が正、負、及び０（ゼロ）のいずれかであるかを判定する（ステップＳ２０６）。制御装置９は、ガス分析器８から出力された残留ＮＨ３濃度の変化量が０（ゼロ）である場合には、再度、ステップＳ２０４の処理を実行する。制御装置９は、ガス分析器８から出力された残留ＮＨ３濃度の変化量が負である場合には、第１の動作を終了する。ここで、残留ＮＨ３濃度の変化量が負となる場合とは、例えば、燃焼器２内の燃料の濃度が低い場合に、一次還元用アンモニアの供給量を増加させることで燃焼器２内の温度が上がり、未燃分のアンモニアが減る場合が考えられる。
一方、制御装置９は、ガス分析器８から出力された残留ＮＨ３濃度の変化量が正である場合には、一次還元用アンモニアの供給量を初期値に戻す（ステップＳ２０７）。ここで、初期値とは、ステップＳ２０４の処理前の一次還元用アンモニアの供給量である。
次に、制御装置９は、一次還元用アンモニアの供給量を低減可能であるか否かを判定する（ステップＳ２０８）。制御装置９は、一次還元用アンモニアの供給量を低減可能であると判定した場合には、一次還元用アンモニアの供給量を低減させる（ステップＳ２０９）。一方、制御装置９は、還元用アンモニアの供給量の低減が不可能であるかと判定した場合には、燃焼装置あるいは触媒還元部に故障が発生していると判定する（ステップＳ２１２）。
制御装置９は、ステップＳ２０９の処理において一次還元用アンモニアの供給量を低減させた後、ガス分析器８から出力された残留ＮＨ３濃度の変化量が正、負、及び０（ゼロ）のいずれかであるかを判定する（ステップＳ２１０）。制御装置９は、ガス分析器８から出力された残留ＮＨ３濃度の変化量が０（ゼロ）である場合には、再度、ステップＳ２０８の処理を実行する。制御装置９は、ガス分析器８から出力された残留ＮＨ３濃度の変化量が負である場合には、第１の動作を終了する。ここで、残留ＮＨ３濃度の変化量が負となる場合とは、例えば、１次還元用アンモニアの供給量が脱硝に必要な量をオーバーしている場合、１次還元用アンモニアの供給量を低減することで、残存ＮＨ３濃度が低下する場合が考えられる。
一方、制御装置９は、ガス分析器８から出力された残留ＮＨ３濃度の変化量が正である場合には、一次還元用アンモニアの供給量を初期値に戻し（ステップＳ２１１）、燃焼装置あるいは触媒還元部に故障が発生していると判定する（ステップＳ２１２）。ここで、ステップＳ２１１における初期値とは、ステップＳ２０８の処理前の一次還元用アンモニアの供給量である。
（第２の動作）
次に、本発明の一実施形態に係る制御装置９の第２の動作について、図４を参照して具体的に説明する。図４は、本発明の一実施形態に係る制御装置９における第２の動作のフロー図である。
制御装置９は、ガス分析器８から出力された残留ＮＨ３濃度が第２の規制値以下であるか否かを判定する（ステップＳ３０１）。制御装置９は、ガス分析器８から出力された残留ＮＨ３濃度が第２の規制値以下である場合には、一次還元用アンモニアの供給量を増加可能であるか否かを判定する（ステップＳ３０２）。一方、制御装置９は、ガス分析器８から出力された残留ＮＨ３濃度が第２の規制値を超える場合には、燃焼装置あるいは触媒還元部に故障が発生していると判定する（ステップＳ３１２）。
制御装置９は、ステップＳ３０２の処理において、一次還元用アンモニアの供給量の増加が不可能であると判定した場合には、一次還元用アンモニアの供給量の増加量をステップＳ３０２の処理以前の値に戻す（ステップＳ３０５）。一方、制御装置９は、一次還元用アンモニアの流量を増加させても、その増加した一次還元用アンモニアの流量が脱硝用供給範囲内に収まると判定した場合には、一次還元用アンモニアの供給量を増加可能と判定する。
制御装置９は、ステップＳ３０２の処理において、一次還元用アンモニアの供給量の制御が可能であると判定した場合には、一次還元用アンモニアの供給量を増加させる（ステップＳ３０３）。
制御装置９は、ステップＳ３０３の処理において一次還元用アンモニアの供給量を増加させた後、ガス分析器８から出力された残留ＮＯｘ濃度の変化量が正、負、及び０（ゼロ）のいずれかであるかを判定する（ステップＳ３０４）。制御装置９は、ガス分析器８から出力された残留ＮＯｘ濃度の変化量が０（ゼロ）である場合には、再度、ステップＳ３０２の処理を実行する。制御装置９は、ガス分析器８から出力された残留ＮＯｘ濃度の変化量が負である場合には、第２の動作を終了する。ここで、ステップＳ３０４において残留ＮＯｘ濃度の変化量が負となる場合とは、例えば、燃焼器２で発生したＮＯｘを還元するのに必要なアンモニア量に対し、燃焼器２への投入量（一次還元用アンモニアの供給量）が不足していた場合に、１次還元用アンモニアの供給量を増やしたことで不足が解消された場合が考えられる。
一方、制御装置９は、ガス分析器８から出力された残留ＮＯｘ濃度の変化量が正である場合には、一次還元用アンモニアの供給量を初期値に戻す（ステップＳ３０５）。ステップＳ３０５の処理における初期値とは、ステップＳ３０２の処理前の一次還元用アンモニアの供給量である。
次に、制御装置９は、一次還元用アンモニアの供給量を低減可能であるか否かを判定する（ステップＳ３０６）。制御装置９は、一次還元用アンモニアの供給量を低減可能と判定した場合には、一次還元用アンモニアの供給量を低減する（ステップＳ３０７）。
一方、制御装置９は、一次還元用アンモニアの供給量の低減が不可能であると判定した場合には、ステップＳ３０８の処理に移行する。
制御装置９は、ステップＳ３０８の処理において、二次還元用アンモニアの供給量の増加が不可能であると判定した場合には、燃焼装置に故障が発生していると判定する（ステップＳ３１２）。一方、制御装置９は、ステップＳ３０８の処理において、二次還元用アンモニアの供給量の増加が可能であると判定した場合には、二次還元用アンモニアの供給量を増加させ（ステップＳ３０９）、第２の動作を終了する。
制御装置９は、ステップＳ３０７の処理において一次還元用アンモニアの供給量を低減させた後、ガス分析器８から出力された残留ＮＯｘ濃度の変化量が正、負、及び０（ゼロ）のいずれかであるかを判定する（ステップＳ３１０）。制御装置９は、ガス分析器８から出力された残留ＮＯｘ濃度の変化量が０（ゼロ）である場合には、再度、ステップＳ３０６の処理を実行する。制御装置９は、ガス分析器８から出力された残留ＮＯｘ濃度の変化量が負である場合には、第２の動作を終了する。ここで、ステップＳ３１０において残留ＮＯｘ濃度の変化量が負である場合とは、例えば、主なＮＯｘ排出源が、１次還元用アンモニアの燃焼に伴うＮＯｘ生成であった場合、１次還元アンモニアを低減することで、ＮＯｘ排出量が減る場合が考えられる。
一方、制御装置９は、ガス分析器８から出力された残留ＮＯｘ濃度の変化量が正である場合には、一次還元用アンモニアの供給量を初期値に戻し（ステップＳ３１１）、燃焼装置あるいは触媒還元部に故障が発生していると判定する（ステップＳ３１２）。なお、ステップＳ３１１の処理における初期値とは、ステップＳ３０６の処理前の一次還元用アンモニアの供給量である。
上述したように、本実施形態の制御装置９は、燃焼器２から排出された後の、燃焼排ガスに含まれる残留ＮＯｘ濃度と残留ＮＨ３濃度とに応じて、一次還元用アンモニアの供給量と燃焼排ガスへの二次還元用アンモニアの混合量との少なくともいずれかを制御する。これにより、制御装置９は、残留ＮＨ３濃度と残留ＮＨ３濃度とが共に所定の規制値以下となるように、一次還元用アンモニア又は二次還元用アンモニアの供給量を適切に制御することができる。
より具体的には、制御装置９は、残留ＮＯｘ濃度が第１の規制値以下であって、且つ残留ＮＨ３濃度が第２の規制値を超える場合には、まず一次還元用アンモニアではなく、燃焼排ガスへの二次還元用アンモニアの混合量を低減する。これにより、制御装置９は、二次還元用アンモニアの供給量を最小限に抑えることで、動力に寄与しないアンモニアを減らし、エネルギー損失を最小限にすることが可能となる。
ただし、制御装置９は、二次還元用アンモニアの低減で残留ＮＨ３濃度が第２の規制以下にならない場合においてのみ、一次還元用アンモニア流量を変化させる。
また、制御装置９は、残留ＮＯｘ濃度が第１の規制値を超える場合であって、且つ残留ＮＨ３濃度が第２の規制値以下である場合には、まず、二次還元用アンモニアの混合量を増加させるのではなく、一次還元用アンモニアの供給量を変化させる。これにより、制御装置９は、二次還元用アンモニアの供給量を最小限に抑えることで、動力に寄与しないアンモニアを減らし、エネルギー損失を最小限にすることが可能となる。
ただし、制御装置９は、残留ＮＯｘ濃度が第１の規制値を超える場合であって、且つ残留ＮＨ３濃度が第２の規制値以下である場合において、一次還元用アンモニアの供給量を変更できない、あるいは変更により第２の規制値以下にできない場合には、二次還元用アンモニアの混合量、すなわち二次還元用アンモニアの供給量を変化させる。
このように、制御装置９は、二次還元用アンモニアの供給量を最小限に抑えつつ排ガスの規制（第１および第２の規制値）を尊守するため一次および二次還元用アンモニアの供給量を変更する。
制御装置９は、残留ＮＯｘ濃度が第１の規制値を超える場合であって、且つ残留ＮＨ３濃度が第２の規制値を超える場合には、燃焼装置あるいは触媒還元部に故障が発生していると判定する。なお、制御装置９は、燃焼装置あるいは触媒還元部に故障が発生していると判定した場合には、燃焼装置あるいは触媒還元部に故障が発生している旨を報知してもよい。この報知は、音声でもよいし、表示でもよいし、音声及び表示の組み合わせでもよい。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態の燃焼装置は、燃焼器２の燃料として燃料用アンモニアを用いたが、燃料として天然ガスのみとし、燃料用アンモニアを用いなくてもよい。
（２）上記実施形態の燃焼装置は、１次還元用アンモニアを用いるが、１次還元用アンモニアをなくして、燃料用アンモニアを１次還元用アンモニアとして用いてもよい。
（３）上記実施形態の燃焼装置は、燃料用アンモニアと１次還元用アンモニアとの比率を任意の比率に固定し、１次還元用アンモニアの流量変更と同時に燃料用アンモニア流量を変更する制御を行ってもよい。
（４）上記実施形態の燃焼装置は、燃料として天然ガスではなく、例えば、灯油でも良いし、そもそもアンモニア専焼でもよい。
（５）上記実施形態は、本発明をガスタービンＡの燃焼装置に適用した場合に関するものであるが、本発明はこれに限定されない。本願発明に係る燃焼装置は、ガスタービンＡ以外の種々の装置、例えばボイラや焼却設備に適用可能である。
（６）上記実施形態の第１の動作において、ステップＳ２０４及びステップＳ２０５の処理と、ステップＳ２０８及びステップＳ２０９の処理と、を入れ替えてもよい。すなわち、上記実施形態の第１の動作では、制御装置９は、１次還元アンモニアを増加させて変化量を確認した後、増加では規制をクリアできない場合には、１次還元アンモニアを低減させているが、１次還元アンモニアを低減させて変化量を確認した後、低減では規制をクリアできない場合に、１次還元アンモニアを増加させてもよい。
（７）上記実施形態の第２の動作において、ステップＳ３０２及びステップＳ３０３の処理と、ステップＳ３０６及びステップＳ３０７の処理と、を入れ替えてもよい。すなわち、上記実施形態の第２の動作では、制御装置９は、１次還元アンモニアを増加させて変化量を確認した後、増加では規制をクリアできない場合には、１次還元アンモニアを低減させていますが、１次還元アンモニアを低減させて変化量を確認した後、低減では規制をクリアできない場合に、１次還元アンモニアを増加させてもよい。
（８）上記実施形態では、ガス分析器８は、還元触媒チャンバ４の下流側にのみ設けられているが、これに限定されない。例えば、還元触媒チャンバ４の上流にも、すなわち、還元触媒チャンバ４の直前にもガス分析器８を設けてもよい。
なお、制御装置９は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及び電気的に相互接続された各部と各種信号の送受信を行うインターフェイス回路等から構成されている。このＣＰＵは、上記ＲＯＭに記憶された各種演算制御プログラムに基づいて各種の演算処理を行うと共に各部と通信を行うことにより、一次還元用アンモニアの供給量と前記燃焼排ガスへの前記二次還元用アンモニアの混合量との少なくともいずれかを制御する。
Ａ ガスタービン
１ 圧縮機
２ 燃焼器
３ タービン
４ 還元触媒チャンバ
５ 天然ガス供給部
６ アンモニア供給部
７ 混合器
８ ガス分析器
９ 制御装置

Claims (7)

  1. 窒素酸化物の還元剤として一次還元用アンモニアを燃焼器内に供給すると共に、前記燃焼器から排出される燃焼排ガスに対して二次還元用アンモニアを混合させることで当該燃焼排ガスに含まれる窒素酸化物を還元するアンモニア供給部と、
    前記燃焼器から排出された後の、前記燃焼排ガスに含まれる残留窒素酸化物の濃度と残留アンモニアの濃度とに応じて、前記一次還元用アンモニアの供給量と前記燃焼排ガスへの前記二次還元用アンモニアの混合量との少なくともいずれかを制御する制御装置と、
    を備えることを特徴とする燃焼装置。
  2. 前記二次還元用アンモニアが混合した前記燃焼排ガスに含まれる窒素酸化物を、還元触媒を用いて除去する触媒還元部を更に備え、
    前記制御装置は、前記触媒還元部を通流した前記燃焼排ガスに含まれる、前記残留窒素酸化物の濃度と前記残留アンモニアの濃度と、に応じて前記二次還元用アンモニアの供給量を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
  3. 前記制御装置は、前記残留窒素酸化物の濃度が第１の規制値以下であって、且つ前記残留アンモニアの濃度が第２の規制値を超える場合には、前記燃焼排ガスへの二次還元用アンモニアの混合量を低減することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃焼装置。
  4. 前記制御装置は、前記残留窒素酸化物の濃度が第１の規制値を超える場合であって、且つ前記残留アンモニアの濃度が第２の規制値以下である場合には、前記一次還元用アンモニアの供給量を変化させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃焼装置。
  5. 前記制御装置は、前記残留窒素酸化物の濃度が前記第１の規制値を超える場合であって、且つ前記残留アンモニアの濃度が前記第２の規制値以下である場合において、前記一次還元用アンモニアの供給量を変化させることができない場合には、前記二次還元用アンモニアの混合量を増加させることを特徴とする請求項４に記載の燃焼装置。
  6. 前記制御装置は、前記残留窒素酸化物の濃度が第１の規制値を超える場合であって、且つ前記残留アンモニアの濃度が第２の規制値を超える場合には、前記燃焼装置あるいは前記触媒還元部に故障が発生していると判定することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃焼装置。
  7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃焼装置と、
    前記燃焼排ガスに含まれる残留窒素酸化物の濃度と残留アンモニアの濃度とを測定するガス分析器と、
    を備えることを特徴とするガスタービン。
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