JP2019015179A - 燃焼装置およびガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘおよびＣＯ_２の発生を抑制することができる燃焼装置およびガスタービンを提供する。
【解決手段】実施形態の燃焼器２２Ａは、空気およびアンモニアが導入され、アンモニアを熱分解して燃焼させる燃焼器ライナ１１０と、燃焼器ライナ１１０の下流端に連結され、窒素化合物を主として含まないガス燃料および空気が導入される燃焼器ライナ１２０とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、燃焼装置およびガスタービンに関する。

コンバインドサイクル火力発電設備は、ガスタービンと、排熱回収ボイラにおいて発生する蒸気で駆動される蒸気タービンとを組み合わせて備えている。そして、この火力発電設備では、ガスタービンおよび蒸気タービンを発電機と連結し、各タービンを駆動することによって運動エネルギを電気エネルギに変換している。

ガスタービンは、一般的に、大気開放型であり、大気中の空気を圧縮する圧縮機、圧縮機により送り込まれた空気と燃料を燃焼させる燃焼器、燃焼器により生成された高温高圧の燃焼ガスにより駆動されるタービンを備える。そして、タービンを駆動した燃焼ガスは、排熱回収ボイラを経由して大気中に放出される。

ガスタービンから排出される燃焼ガスにおいて、大気汚染防止法上の観点から、ばい塵、ＮＯｘ、ＳＯｘの低減化技術の確立が推進されている。さらに、地球温暖化対策として大気温度上昇を抑えるために、化石燃料を燃焼した際に発生するＣＯ_２の発生量を削減することが社会的な義務となっている。

火力発電から放出されるＣＯ_２の排出量は、多大である。そのため、ＣＯ_２を排出する天然ガスや石炭等の化石燃料の代わりとして、近年、ＣＯ_２を発生しない水素が注目されている。

水素は、クリーンなエネルギであるが、常温常圧では低密度の気体である。そのため、水素を大量に貯蔵や輸送するためのエネルギキャリアの開発が課題となる。現在、極低温における液化水素の貯蔵や輸送、または水素を石油と結合させたメチルシクロヘキサンによる貯蔵や輸送の検討が進められている。しかしながら、水素社会の実現を目指す際、水素の特性は、安全性や経済性の観点からも障害となる。

一方、貯蔵や輸送が容易で、すでにインフラが整備されたアンモニアをエネルギキャリアとして利用することが提案されている。アンモニアは、安価であり、大量に流通している。また、アンモニアは、常温において液体として貯留することができる。また、アンモニアは、爆発に対する安全性にも優れている。さらに、アンモニアの燃焼においては、ＣＯ_２を発生しない。そのため、アンモニアは、クリーンな燃料である。

また、アンモニアの発熱量は、水素の発熱量よりも大きい。そのため、従来のガスタービンにおいて燃料としてアンモニアを使用することができれば、ＣＯ_２削減に有効である。しかしながら、現在、アンモニアを燃料としたガスタービンの開発が試みられている状況であるため、アンモニアを燃料として商用化されているガスタービンはない。

特許第５０２４４６０号公報

大気を汚染するばい煙には、ＮＯｘが含まれる。このＮＯｘは、人体に悪影響を与える。そのため、発電設備から排出されるＮＯｘの排出量は、大気汚染防止法によって規制されている。例えば、ガスタービン発電設備の場合、煙突から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度は、７０ｐｐｍ（Ｏ_２：１６％換算）以下に規制されている。

例えば、現状の天然ガスを燃料として使用するコンバインドサイクル発電設備では、高効率な発電を行うため、燃焼ガス温度が１６００℃級のガスタービンが採用されている。このガスタービンにおいては、燃焼器から発生するサーマルＮＯｘ（大気中の窒素分の酸化にて発生するＮＯｘ）濃度は、数十ｐｐｍに抑えられている。

さらに、ガスタービンの排気流路に、ＮＯｘを還元する脱硝触媒装置を設置することで、サーマルＮＯｘ濃度を１／１０程度に低減できる。

このように、天然ガスを燃料として使用するガスタービンでは、ＮＯｘ低減化技術は確立されている。

一方、前述したように、アンモニアの燃焼においては、ＣＯ_２は排出されないが、アンモニアの窒素成分が酸化し、以下の反応（式（１）および式（２））によりフューエルＮＯｘが生成される。
４ＮＨ_３ + ５Ｏ_２ → ４ＮＯ + ６Ｈ_２Ｏ …式（１）
４ＮＨ_３ + ７Ｏ_２ → ４ＮＯ_２ + ６Ｈ_２Ｏ …式（２）

アンモニアの燃焼における技術的課題は、燃焼によりフューエルＮＯｘが発生した場合においても、排出される燃焼ガスが環境基準を満たすことである。

しかしながら、燃焼ガス温度が１６００℃級の従来のガスタービンにおける燃料としてアンモニアを使用した場合、アンモニア中の窒素分の一部が高温燃焼状態で酸化反応し、ＮＯｘ濃度が数千ｐｐｍとなることが予測される。この高濃度のＮＯｘを脱硝触媒装置において還元するには、大規模な脱硝触媒装置などが必要となる。そのため、製品コストが増大し、経済性に劣る。

このように、従来のガスタービンにおいてアンモニアを燃料して使用することは、実用上困難である。

本発明が解決しようとする課題は、ＮＯｘおよびＣＯ_２の発生を抑制することができる燃焼装置およびガスタービンを提供することにある。

実施形態の燃焼装置は、空気およびアンモニアが導入され、アンモニアを熱分解して燃焼させる第１の燃焼器ライナと、前記第１の燃焼器ライナの下流端に連結され、窒素化合物を主として含まないガス燃料および空気が導入される第２の燃焼器ライナとを備える。

第１の実施の形態のガスタービンを備える火力発電設備を模式的に示した図である。 第１の実施の形態のガスタービンを模式的に示した図である。 アンモニアの熱分解および酸化の特性と温度の関係を示す図である。 第１の実施の形態における火力発電設備の発電出力とガスタービンの燃焼器に供給される燃料流量の関係を示した図である。 第２の実施の形態のガスタービンを模式的に示した図である。 還元剤をアンモニアとする無触媒選択還元法における、脱硝率と温度との関係を示した図である。 第３の実施の形態のガスタービンを備える火力発電設備を模式的に示した図である。 第３の実施の形態のガスタービンにおける静翼の冷却空気系統を模式的に示した図である。 図８のＡ−Ａ断面を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態のガスタービン２０Ａを備える火力発電設備１０を模式的に示した図である。なお、図１には、ガスタービン２０Ａと、排熱回収ボイラ３０において発生する蒸気で駆動される蒸気タービン４０とを組み合わせたコンバインドサイクルの火力発電設備１０を例示している。

図１に示すように、火力発電設備１０は、ガスタービン２０Ａ、排熱回収ボイラ３０、蒸気タービン４０、復水器５０、制御装置８０を備えている。また、火力発電設備１０は、例えば、ガスタービン２０Ａと蒸気タービン４０に一軸で連結された発電機６０を備える。

ガスタービン２０Ａは、圧縮機２１と、燃焼器２２Ａと、タービン２３とを備える。また、ガスタービン２０Ａは、圧縮機２１が吸引する空気を清浄する空気フィルタ２４を圧縮機２１の吸引系統に備えている。

また、燃焼器２２Ａは、アンモニアを燃焼器２２Ａに導入するアンモニア供給管２５と、ガス燃料を燃焼器２２Ａに導入するガス燃料供給管２６とを備えている。ここで、燃焼器２２Ａに供給されるアンモニアは気体である。

ガス燃料は、窒素化合物を主として含まない気体の燃料である。すなわち、ガス燃料としては、ガス燃料が燃焼することでフューエルＮＯｘを主として生成しない燃料が使用される。ガス燃料として、具体的には、例えば、天然ガスやメタンなどの炭化水素、水素が使用される。また、ガス燃料として、例えば、一酸化炭素および水素などを含む石炭ガス化ガス燃料を使用することもできる。

なお、窒素化合物を主として含まないガス燃料とは、燃料中の窒素化合物の体積比率が０．３％以下の気体燃料をいう。例えば、石炭ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物は、主にＮＨ_３である。

ここで、前述したように、ガスタービン発電設備の場合、煙突から排出される排ガス中のＮＯｘ濃度は、７０ｐｐｍ（Ｏ_２：１６％換算）以下に規制されている。ＮＯｘの排出濃度のさらなる低減が進められ、例えば、煙突から排出されるＮＯの濃度が１５ｐｐｍ（Ｏ_２：１６％換算）程度と仮定する。この場合、脱硝装置における脱硝効率を９０％とすると、ガスタービンの出口（脱硝装置の入口）におけるＮＯの濃度は、１５０ｐｐｍ（Ｏ_２：１６％換算）となる。

現状のガスタービンから排出されるサーマルＮＯの濃度は、例えば、１０ｐｐｍ程度（Ｏ_２：１６％換算）である。そのため、窒素化合物としてＮＨ_３をガス燃料に含む場合、残りの１４０ｐｐｍ（Ｏ_２：１６％換算）に相当するＮＯは、燃料に含まれるＮＨ_３がすべてフューエルＮＯとして転換されたものである。

現状の１６００℃級のガスタービンでは、排ガスと、燃焼器全体に供給される空気と、燃焼器全体に供給される燃料との体積比率（排ガス：空気：燃料）は、１：０．９５８：０．０４２となる。この場合、燃料中のＮＨ_３の体積濃度は、０．３３％（（１４０／１００００／０．０４２）×１００）となる。

上記したように、ガス燃料において、燃料中の窒素化合物の体積比率を０．３％以下とすることで、燃料中の窒素化合物がすべてフューエルＮＯに転換されても、フューエルＮＯは、１４０ｐｐｍ（Ｏ_２：１６％換算）よりも低い濃度となる。

このようなことから、ガス燃料が窒素化合物を含む場合において、燃料中の窒素化合物の体積比率を０．３％以下とした。

アンモニア供給管２５には、流量調整弁２５ａ、遮断弁２５ｂ、流量計２５ｃが介在している。流量調整弁２５ａは、燃焼器２２Ａに供給するアンモニアの流量を調整する弁である。遮断弁２５ｂは、燃焼器２２Ａへのアンモニアの供給を遮断する弁である。流量計２５ｃは、燃焼器２２Ａに供給されるアンモニアの流量を検出する装置である。なお、アンモニアは、図示しない供給源からアンモニア供給管２５に供給される。

ガス燃料供給管２６には、流量調整弁２６ａ、遮断弁２６ｂ、流量計２６ｃが介在している。流量調整弁２６ａは、燃焼器２２Ａに供給するガス燃料の流量を調整する弁である。遮断弁２６ｂは、燃焼器２２Ａへのガス燃料の供給を遮断する弁である。流量計２６ｃは、燃焼器２２Ａに供給されるガス燃料の流量を検出する装置である。なお、ガス燃料は、図示しない供給源からガス燃料供給管２６に供給される。

燃焼器２２Ａは、アンモニアを導入することで生成した燃焼ガスの温度を検出する温度検出器２７を備える。なお、燃焼器２２Ａは、燃焼装置として機能し、温度検出器２７は、温度検出部として機能する。また、燃焼器２２Ａの構成については、後に詳しく説明する。

空気フィルタ２４において清浄された空気は、圧縮機２１に吸引され、圧縮される。圧縮された空気は、燃焼器２２Ａに供給され、アンモニアおよびガス燃料と燃焼する。

燃焼器２２Ａにおいて生成された燃焼ガスは、例えば、１６００℃前後の高温高圧のガスである。この燃焼ガスは、タービン２３に導入され、タービン２３を駆動する。タービン２３を駆動した燃焼ガスは、排熱回収ボイラ３０に導入される。なお、排熱回収ボイラ３０に導入される燃焼ガスの温度は、例えば、６００℃程度である。

排熱回収ボイラ３０は、入口側から燃焼ガスが流れる方向に向かって順に、過熱器３１、アンモニア噴出ノズル３２、脱硝触媒３３、蒸発器３４、節炭器３５を備える。

節炭器３５は、排熱回収ボイラ３０の出口側に設けられ、ボイラ給水を予熱する。すなわち、節炭器３５は、節炭器３５の内部を流れるボイラ給水に、燃焼ガスから得た熱量を与える熱交換器としての機能を備える。そして、節炭器３５で加熱されたボイラ給水は、蒸発器３４に導かれる。

蒸発器３４は、節炭器３５で加熱されたボイラ給水を加熱して蒸気を発生させる。すなわち、蒸発器３４は、蒸発器３４の内部を流れるボイラ給水に、燃焼ガスから得た熱量を与える熱交換器としての機能を備える。そして、蒸発器３４で発生した蒸気は、過熱器３１に導かれる。

過熱器３１は、蒸発器３４で発生した蒸気を飽和温度以上に過熱して過熱蒸気とする。すなわち、過熱器３１は、過熱器３１の内部を流れる、蒸発器３４で発生した蒸気に、燃焼ガスから得た熱量を与える熱交換器としての機能を備える。そして、過熱器３１において過熱蒸気となった蒸気は、蒸気タービン４０に導入される。

過熱器３１と蒸発器３４との間には、アンモニア噴出ノズル３２および脱硝触媒３３が設けられている。

アンモニア噴出ノズル３２は、例えば、過熱器３１を通過した燃焼ガスが流れる通路に設けられる。なお、アンモニア噴出ノズル３２は、この燃焼ガスが通過する通路断面に複数設けられてもよい。また、アンモニア噴出ノズル３２にアンモニアを導く配管３６には、流量調整弁３６ａ、遮断弁３６ｂ、流量計３６ｃが介在している。

流量調整弁３６ａは、アンモニア噴出ノズル３２に供給するアンモニアの流量を調整する弁である。遮断弁３６ｂは、アンモニア噴出ノズル３２へのアンモニアの供給を遮断する弁である。流量計３６ｃは、アンモニア噴出ノズル３２に供給されるアンモニアの流量を検出する装置である。なお、アンモニアは、図示しない供給源から配管３６に供給される。

アンモニア噴出ノズル３２は、過熱器３１を通過した燃焼ガス中にアンモニアを噴出する。そして、アンモニアを含む燃焼ガスは、脱硝触媒３３を通過する。この際、アンモニアは、還元剤として機能し、脱硝触媒３３において燃焼ガスに含まれるＮＯｘを選択接触還元法によって還元するときに利用される。

このように、アンモニア噴出ノズル３２および脱硝触媒３３は、選択接触還元法による脱硝装置を構成している。

脱硝触媒３３としては、例えば、主成分が二酸化チタンで、バナジウムやタングステンなどが添加された触媒が使用できる。この脱硝触媒３３は、燃焼ガスとの接触面積を増加させるために、例えば、ハニカム構造やポーラス体などの多孔質構造である。

ここで、還元剤としてアンモニアを使用した選択接触還元法によるＮＯｘの還元は、次の式（３）によって示される。なお、ここでは、燃焼ガス中のＮＯｘは、大部分がＮＯであると仮定し、式（３）の反応を示している。
４ＮＯ ＋ ４ＮＨ_３ + Ｏ_２ → ４Ｎ_２ ＋ ６Ｈ_２Ｏ …式（３）

このように、ＮＯは、アンモニア（ＮＨ_３）との反応により、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）と窒素（Ｎ_２）に分解される。この還元は、触媒の表面温度が３５０℃程度で高活性化が得られ、脱硝効率が高い。そこで、脱硝触媒３３は、温度が３００〜４００℃の燃焼ガスが流れる位置に配置される。なお、この温度範囲の中でも、脱硝触媒３３は、温度が３５０℃の燃焼ガスが流れる位置に配置されることが好ましい。

なお、排熱回収ボイラ３０を通過した燃焼ガスは、温度が１００℃程度となり、煙突７０から大気中に排出される。

また、排熱回収ボイラ３０の入口には、タービン２３から排出された燃焼ガスの一部を採取するためのサンプリングプローブ３７が設けられている。排熱回収ボイラ３０の入口の断面において、１または複数の位置における燃焼ガスがサンプリングプローブ３７によって採取される。

サンプリングプローブ３７は、例えば、ガス分析装置（図示しない）に連通している。このガス分析装置によって、ＮＯｘ濃度が検出される。ＮＯｘ濃度を検出する場合には、例えば、化学発光法を利用したガス分析装置などが使用される。なお、ガス分析装置は、特に限定されるものではなく、測定したい成分の濃度を検出できる装置であればよい。また、ガス分析装置では、ＮＯｘ以外にも、例えば、Ｏ_２、ＣＯ_２などの他の成分も分析することができる。

蒸気タービン４０は、過熱器３１から導入された過熱蒸気によって駆動される。そして、蒸気タービン４０およびガスタービン２０Ａのタービン２３と連結された発電機６０を駆動して、発電する。

蒸気タービン４０を駆動した蒸気は、復水器５０に流入する。復水器５０では、蒸気を凝縮させて水とする。そして、その水は、給水ポンプ５１によって加圧され、ボイラ給水として排熱回収ボイラ３０の節炭器３５に給水される。

制御装置８０は、例えば、火力発電設備１０の各装置や各機器から情報を取得して処理し、各装置や各機器の動作を制御する。この制御装置８０は、例えば、演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）やランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの記憶手段、出入力手段などを主に備えている。ＣＰＵでは、例えば、記憶手段に格納されたプログラムやデータなどを用いて各種の演算処理を実行する。

出入力手段は、外部機器から電気信号を入力したり、外部機器に電気信号を出力する。出入力手段は、例えば、流量調整弁２５ａ、２６ａ、３６ａ、遮断弁２５ｂ、２６ｂ、３６ｂ、流量計２５ｃ、２６ｃ、３６ｃ、温度検出器２７、ガス分析装置（図示しない）、圧縮機２１の入口案内翼の駆動角度検出装置（図示しない）、出力入力コントローラ、発電機６０などと各種信号の出入力が可能に接続されている。

制御装置８０は、例えば、圧縮機２１の入口案内翼の駆動角度検出装置からの出力信号に基づいて、圧縮機２１が吸引する空気流量を算出することができる。また、制御装置８０は、ガス分析装置からの出力信号に基づいて、排熱回収ボイラ３０の入口（タービン２３の出口）における燃焼ガスの各種成分の濃度に係る出力信号を検出することができる。

さらに、制御装置８０は、出力入力コントローラによって入力された火力発電設備１０における出力要求情報に基づいて、例えば、燃料としてのガス燃料やアンモニアの流量を調整する。また、制御装置８０は、温度検出器２７からの出力信号に基づいて、例えば、燃料としてのアンモニアの流量を調整する。また、制御装置８０は、発電機６０からの出力信号に基づいて、実際の発電出力を検出することができる。

なお、制御装置８０が実行する処理は、例えば、コンピュータ装置などで実現される。また、制御装置８０は制御部として機能する。

次に、ガスタービン２０Ａの燃焼器２２Ａの構成について、詳しく説明する。

図２は、第１の実施の形態のガスタービン２０Ａを模式的に示した図である。前述したように、ガスタービン２０Ａは、圧縮機２１と、燃焼器２２Ａと、タービン２３とを備える。

燃焼器２２Ａは、図２に示すように、燃焼器ケーシング１００と、燃焼器ケーシング１００内に２つの燃焼器ライナ１１０、１２０とを備える。燃焼器ケーシング１００は、燃焼器ライナ１１０、１２０の周囲を所定の空間１０１を有して包囲している。

なお、燃焼器ライナ１１０、１２０は、例えば、燃焼器ケーシング１００の周方向に複数設置されるが、図２では、一つの燃焼器ライナ１１０、１２０を示している。

この燃焼器ケーシング１００と燃焼器ライナ１１０、１２０との間の空間１０１には、図２に示すように、圧縮機２１によって圧縮された空気（圧縮空気）が、例えば、燃焼器ライナ１２０側から燃焼器ライナ１１０側に向かって流れる。

燃焼器ライナ１１０、１２０は、筒状形状を有している。燃焼器ライナ１１０は、上流側に位置し、燃焼器ライナ１２０は、燃焼器ライナ１１０の下流端に連結されている。すなわち、燃焼器ライナ１１０と燃焼器ライナ１２０は、燃焼ガスが流れる方向に直列に連結され、それぞれが連通している。なお、燃焼器ライナ１１０は、第１の燃焼器ライナとして機能し、燃焼器ライナ１２０は、第２の燃焼器ライナとして機能する。

燃焼器ライナ１１０の上流端には、アンモニア供給管２５が連結されている。また、燃焼器ライナ１１０の側壁には、燃焼器ライナ１１０の周囲の空間１０１を流れる圧縮空気を内部に取り込むための空気導入口１１１が形成されている。この空気導入口１１１は、例えば、燃焼器ライナ１１０の周方向に複数形成されている。

ここで、図２には、アンモニア供給管２５からアンモニアを燃焼器ライナ１１０に導入する一例を示したが、この構成に限られない。

例えば、燃焼器ケーシング１００と燃焼器ライナ１１０との間のアンモニア供給管２５に、圧縮空気を内部に導入するための空気導入口を形成してもよい。この空気導入口は、アンモニア供給管２５の周方向に複数形成されてもよい。このように空気導入口を備えることで、アンモニアと圧縮空気の予混合気が燃焼器ライナ１１０に導入される。

燃焼器ライナ１２０の上流側の側壁には、ガス燃料供給管２６が連結されている。燃焼器ケーシング１００と燃焼器ライナ１２０との間のガス燃料供給管２６には、例えば、圧縮空気を内部に導入するための空気導入口１２１が形成されている。この空気導入口１２１は、例えば、ガス燃料供給管２６の周方向に複数形成されている。

空気導入口１２１からガス燃料供給管２６内に導入された圧縮空気は、ガス燃料供給管２６を流れるガス燃料と混合して、燃焼器ライナ１２０に導入される。

なお、ここでは、ガス燃料供給管２６に空気導入口１２１を備え、ガス燃料と圧縮空気の予混合気を燃焼器ライナ１２０に導入する一例を示したが、この構成に限られない。例えば、ガス燃料供給管２６に空気導入口１２１を設けずに、ガス燃料供給管２６から燃焼器ライナ１２０にガス燃料を導入してもよい。

また、図２において、１本のガス燃料供給管２６を備えた構成を例示しているが、燃焼器ライナ１２０の周囲に複数本のガス燃料供給管２６を備えてもよい。複数本のガス燃料供給管２６を備えることで、燃焼器ライナ１２０内の混合燃焼状態をより均一にすることができる。

また、燃焼器ライナ１２０の側壁には、燃焼器ライナ１２０の周囲の空間１０１を流れる圧縮空気を内部に取り込むための空気導入口１２２が形成されている。この空気導入口１２２は、例えば、図２に示すように、燃焼器ライナ１２０とガス燃料供給管２６との連結部よりも下流側に形成される。この空気導入口１２２は、例えば、燃焼器ライナ１２０の周方向に複数形成されている。

なお、空気導入口１２２の位置は、特に限定されるものではなく、空気導入口１２２は、燃焼器ライナ１２０とガス燃料供給管２６との連結部よりも上流側に形成されてもよい。すなわち、空気導入口１２２は、ガス燃料供給管２６から導入されたガス燃料を燃焼器ライナ１２０内において完全燃焼させるのに最適な位置に設けられていればよい。

また、燃料としてアンモニアが導入される燃焼器ライナ１１０には、燃焼器ライナ１１０内の燃焼ガスの温度を検出する温度検出器２７が備えられている。温度検出器２７は、例えば、熱電対などで構成される。

ここで、燃焼器ライナ１１０には、アンモニア供給管２５からアンモニアが導入され、空気導入口１１１から圧縮空気が導入される。この燃焼器ライナ１１０では、アンモニアを熱分解して燃焼させる。すなわち、燃焼器ライナ１１０では、アンモニアを熱分解することで生成した水素（Ｈ_２）を燃焼させる。

なお、燃焼器ライナ１１０の空気導入口１１１からは、アンモニアの熱分解によって生成した水素を完全燃焼させるために必要な空気量を超える量の空気が導入される。すなわち、燃焼器ライナ１１０内は、全体として、いわゆる燃料リーンの状態である。

アンモニアの熱分解を促進するとともに、水素を効率よく燃焼させるために、燃焼器ライナ１１０内の燃焼場の温度、すなわち燃焼ガスの温度を８００〜１１００℃に維持している。アンモニアの熱分解によって生成された水素が燃焼することで、燃焼器ライナ１１０内の燃焼ガスの温度を上記した範囲に維持することができる。なお、燃焼器ライナ１１０内の燃焼ガスの温度は、ガスタービンにおける負荷によらず、上記した範囲に維持される。

燃焼器ライナ１１０内の燃焼ガスの温度を上記した範囲に維持するため、制御装置８０は、温度検出器２７からの出力信号に基づいて、アンモニア供給管２５の流量調整弁２５ａを制御している。

なお、温度検出器２７は、例えば、燃焼器ライナ１１０内においてアンモニアの熱分解および水素の燃焼が活発に行われている領域の温度を検出できるように設置されることが好ましい。

一方、燃焼器ライナ１２０には、燃焼器ライナ１１０からの燃焼ガス、ガス燃料供給管２６からガス燃料、および空気導入口１２２から圧縮空気が導入される。なお、燃焼器ライナ１１０からの燃焼ガスは、燃焼器ライナ１１０と燃焼器ライナ１２０との連結開口部から燃焼器ライナ１２０内に流入する。

燃焼器ライナ１２０に導入されるガス燃料の流量は、例えば、火力発電設備１０における出力要求情報などに基づいて調整される。具体的には、制御装置８０は、例えば、出力入力コントローラによって入力された火力発電設備１０における出力要求情報に係る出力信号を検出すると、流量調整弁２６ａを制御して、その出力要求に応じたガス燃料を燃焼器ライナ１２０に導入する。

なお、出力要求によっては、燃焼器ライナ１２０内の燃焼ガスの温度は、例えば、１６００℃程度になることもある。

燃焼器ライナ１２０の空気導入口１２２からは、ガス燃料を完全燃焼させるために必要な空気量を超える量の空気が導入される。すなわち、燃焼器ライナ１２０内は、全体として、いわゆる燃料リーンの状態である。

ここで、燃焼器ライナ１１０内の燃焼ガスの温度を上記した温度範囲とする理由について説明する。

図３は、アンモニアの熱分解および酸化の特性と温度の関係を示す図である。なお、図３は、数値解析によって得られた結果である。

アンモニア、窒素および水素の関係は、次の式（４）で表される。
２ＮＨ_３ → Ｎ_２ + ３Ｈ_２ …式（４）

アンモニアは、熱を与えることで窒素と水素への分解が促進される。この熱分解は、高温であるほど、また低圧であるほど促進される。図３に示すように、アンモニアの熱分解は、温度が３５０℃から急速に促進され、温度が高くなるに伴って、残存アンモニア濃度は低下する。

このように熱を与えることで、アンモニアは、窒素と水素に分解される。すなわち、フューエルＮＯｘの発生源であるアンモニアは減少する。

一方、アンモニアは、大気中の酸素によって酸化され、主としてＮＯを生成する。このＮＯの濃度は、図３に示すように、温度が高くなるに伴って、急速に増加する。図３に示すように、温度が１１００℃を超えるとアンモニアの酸化が促進され、温度が２０００℃では、ＮＯの濃度は、１００００ｐｐｍ（１％）に達する。

すなわち、温度が１１００℃を超える高温の雰囲気に、アンモニアを噴出すると数千ｐｐｍのフューエルＮＯｘが生成される。

そこで、図３に示された結果から、８００〜１１００℃の温度場にアンモニアを噴出することで、アンモニアの熱分解が促進されるとともに、アンモニアの酸化が抑制されることがわかる。

すなわち、アンモニアを熱分解して水素を燃焼させることで、燃料としてのアンモニアによるフューエルＮＯｘの生成が抑制される。さらに、８００〜１１００℃の温度場にアンモニアを噴出することで、アンモニアが酸化することによるフューエルＮＯｘの生成が抑制される。

このようなことから、燃焼器ライナ１１０内の燃焼ガスの温度を８００〜１１００℃に維持している。

次に、ガスタービン２０Ａの燃焼器２２Ａの作用について、図１、図２、図４を参照して説明する。

図４は、第１の実施の形態における火力発電設備１０の発電出力とガスタービン２０Ａの燃焼器２２Ａに供給される燃料流量の関係を示した図である。

図４に示すように、ガスタービン２０Ａには、最低出力から定格出力まで幅広い運用が要求される。そのため、出力要求によって、燃焼器２２Ａへの投入熱量も大きく変化する。

前述したように、フューエルＮＯｘの生成を抑制するために、燃焼器ライナ１１０内の燃焼ガスの温度は所定の範囲に維持される。この燃焼器ライナ１１０内の燃焼ガスの温度範囲で調整可能な、最低出力（点Ａ）から所定の出力（点Ｂ）までは、燃料としてアンモニアのみを使用することで対応できる。すなわち、この出力範囲では、燃焼器ライナ１１０に供給されるアンモニアの流量を調整することで出力制御を行う。そのため、燃焼器ライナ１２０には、ガス燃料は供給されない。

なお、最低出力（点Ａ）時において、燃焼器ライナ１１０内の燃焼ガスの温度は、８００℃に維持されている。また、所定の出力（点Ｂ）時において、燃焼器ライナ１１０内の燃焼ガスの温度は、１１００℃に維持されている。

このアンモニアの流量を調整することで出力制御を行う場合、具体的には、制御装置８０は、例えば、出力入力コントローラによって入力された火力発電設備１０における出力要求情報に係る出力信号を検出すると、記憶手段に記憶された出力要求情報に係る出力信号とアンモニア流量とを対応付けるデータを参照する。

そして、制御装置８０は、出力要求情報に係る出力信号およびそのデータに基づいて、流量調整弁２５ａを制御して、その出力要求に応じた流量のアンモニアを燃焼器ライナ１１０に導入する。なお、この際、遮断弁２５ｂは、開いている。

さらに、制御装置８０は、記憶手段に記憶された出力要求情報に係る出力信号と燃焼器ライナ１１０内の燃焼ガス温度とを対応付けるデータを参照する。そして、制御装置８０は、温度検出器２７からの出力信号およびそのデータに基づいて、流量調整弁２５ａを制御して、燃焼器ライナ１１０に導入するアンモニアの流量を調整する。

例えば、温度検出器２７からの出力信号から検出した燃焼ガス温度が、記憶手段に記憶された出力要求に対応する燃焼ガス温度よりも高い場合には、制御装置８０は、流量調整弁２５ａを制御して、燃焼器ライナ１１０に導入するアンモニアの流量を小さくする。

この場合において、記憶手段に記憶された出力要求情報に係る出力信号に対応するアンモニア流量と、温度検出器２７からの出力信号から検出した燃焼ガス温度に基づいて調整されたアンモニア流量とが異なる場合には、燃焼ガス温度に基づくアンモニア流量の制御が適用される。

所定の出力（点Ｂ）よりも高い出力が要求される場合には、燃焼器ライナ１２０においてガス燃料を燃焼させる。すなわち、所定の出力（点Ｂ）を超え、定格出力（点Ｃ）までの範囲では、燃焼器ライナ１１０にアンモニアを供給するとともに、燃焼器ライナ１２０にガス燃料を供給する。この際、出力の調整は、燃焼器ライナ１２０に供給されるガス燃料の流量の調整によって行われる。なお、燃焼器ライナ１１０内の燃焼ガス温度は、１１００℃に維持される。

このガス燃料の流量を調整することで出力制御を行う場合、具体的には、制御装置８０は、例えば、出力入力コントローラによって入力された火力発電設備１０における出力要求情報に係る出力信号を検出すると、記憶手段に記憶された出力要求情報に係る出力信号と、ガス燃料流量およびアンモニア流量とを対応付けるデータを参照する。

そして、制御装置８０は、出力要求情報に係る出力信号およびそのデータに基づいて、流量調整弁２６ａを制御して、その出力要求に応じた流量のガス燃料を燃焼器ライナ１２０に導入する。なお、この際、遮断弁２６ｂは、開いている。

さらに、制御装置８０は、火力発電設備１０における出力要求情報に基づく要求出力と、発電機６０からの出力信号に基づく実際の発電出力を比較する。そして、制御装置８０は、その比較した結果に基づいて、流量調整弁２６ａを制御して、燃焼器ライナ１２０に導入するガス燃料の流量を調整する。

例えば、発電出力が、要求出力よりも低い場合には、制御装置８０は、流量調整弁２６ａを制御して、燃焼器ライナ１２０に導入するガス燃料の流量を大きくする。

また、ガス燃料の流量を調整することで出力制御を行うときにおいても、制御装置８０は、温度検出器２７からの出力信号に基づいて、燃焼器ライナ１１０内の燃焼ガス温度が１１００℃になるように、流量調整弁２５ａを制御して、燃焼器ライナ１１０に導入するアンモニアの流量を調整している。

上記したように、第１の実施の形態における燃焼器２２Ａは、アンモニアを熱分解して水素を燃焼させる燃焼器ライナ１１０と、ガス燃料を燃焼させる燃焼器ライナ１２０を備える。このように、燃焼器２２Ａの燃焼器ライナを直列に連結された２つの燃焼器ライナ１１０、１２０で構成することで、それぞれの燃焼器ライナにおける作用を区分することができる。

燃焼器ライナ１１０において、アンモニアを熱分解して水素を燃焼させることで、燃料としてのアンモニアによるフューエルＮＯｘの生成が抑制される。また、燃焼器ライナ１１０内の燃焼ガスの温度を前述した範囲に維持することで、水素が燃焼する際のサーマルＮＯｘの生成も抑制される。

また、アンモニアの流量を調整することによる出力制御と、ガス燃料の流量を調整することによる出力制御とを切り替える制御を行うことができる。アンモニアの流量を調整することによる出力制御において、燃焼器ライナ１１０内の燃焼ガス温度を８００〜１１００℃の範囲に維持することができる。ガス燃料の流量を調整することによる出力制御においては、燃焼器ライナ１１０内の燃焼ガス温度を１１００℃に維持しつつ、発電出力を調整することができる。

また、燃焼器ライナ１１０においてアンモニアを熱分解して水素を燃焼させることで、燃焼器ライナ１１０内における燃焼では、二酸化炭素は生成されない。燃焼器ライナ１２０において燃料として炭化水素を使用した場合には、二酸化炭素が生成される。しかしながら、本実施の形態の燃焼器２２Ａは、供給される燃料がすべて炭化水素である燃焼器に比べて、同じ発電出力において、二酸化炭素の排出量を大幅に低減することができる。

次に、排熱回収ボイラ３０内に設置された、アンモニア噴出ノズル３２および脱硝触媒３３を備える脱硝装置の作用について説明する。

前述したように、火力発電設備１０は、排熱回収ボイラ３０内に、アンモニア噴出ノズル３２、脱硝触媒３３を備える（図１参照）。

アンモニア噴出ノズル３２は、タービン２３から排出されて過熱器３１を通過した燃焼ガスにアンモニアを噴出する。そして、アンモニアを含む燃焼ガスが脱硝触媒３３と接触することで、アンモニアを還元剤とする前述した式（３）による脱硝作用が主に促進される。これによって、燃焼ガスに含まれるＮＯｘは、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）と窒素（Ｎ_２）に分解される。

このように、排熱回収ボイラ３０内にアンモニア噴出ノズル３２および脱硝触媒３３を備えることで、タービン２３から排出された燃焼ガス中のＮＯｘ濃度を低減することができる。

ここで、アンモニア噴出ノズル３２から噴出するアンモニアの流量は、例えば、次のように設定される。

制御装置８０は、排熱回収ボイラ３０の入口に設けられたサンプリングプローブ３７によって採取された燃焼ガスにおけるＮＯｘ濃度を、ガス分析装置の出力信号に基づいて算出する。また、制御装置８０は、圧縮機２１の入口案内翼の駆動角度検出装置からの出力信号に基づいて、圧縮機２１が吸引した空気流量を算出する。

さらに、制御装置８０は、流量計２５ｃの出力信号に基づいて、燃焼器ライナ１１０に導入されたアンモニアの流量を算出し、流量計２６ｃの出力信号に基づいて、燃焼器ライナ１２０に導入されたガス燃料の流量を算出する。

そして、制御装置８０は、算出した、空気流量、アンモニアの流量およびガス燃料の流量に基づいて、排熱回収ボイラ３０の入口における燃焼ガスの流量を算出する。そして、制御装置８０は、ＮＯｘ濃度、算出した燃焼ガスの流量に基づいて排熱回収ボイラ３０の入口における燃焼ガスに含まれるＮＯｘ量を算出する。

続いて、制御装置８０は、算出したＮＯｘ量に基づいて、そのＮＯｘ量と等モル量のアンモニアをアンモニア噴出ノズル３２から噴出するように、流量調整弁３６ａを制御する。なお、アンモニア噴出ノズル３２から噴出するアンモニアの流量の調整は、例えば、流量計３６ｃの出力信号に基づいて行われる。

なお、前述した式（３）の反応を行うためには、１モルのＮＯ（一酸化窒素）に対して１モルのアンモニアが必要である。そのため、ここでは、算出された燃焼ガスに含まれるＮＯｘ量と等モル量のアンモニアを噴出している。なお、ここでも式（３）を示したときと同様に、燃焼ガス中のＮＯｘは、大部分がＮＯであると仮定し、アンモニア噴出ノズル３２から噴出するアンモニアの流量を算出している。

これによって、脱硝処理後、燃焼ガス中に還元剤としてのアンモニアが残存することを防止できる。

このように、排熱回収ボイラ３０内に、アンモニア噴出ノズル３２、脱硝触媒３３を備えることで、高温燃焼場となる燃焼器ライナ１２０内で生成したＮＯｘを還元することができる。これによって、煙突７０から排出される燃焼ガス中のＮＯｘ濃度を低減できる。

（第２の実施の形態）
図５は、第２の実施の形態のガスタービン２０Ｂを模式的に示した図である。なお、以下の実施の形態において、第１の実施の形態の構成と同一の構成部分には、同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。

第２の実施の形態のガスタービン２０Ｂは、第１の実施の形態のガスタービン２０Ａと燃焼器の構成が異なる。そのため、ここでは、この異なる構成について主に説明する。

図５に示すように、ガスタービン２０Ｂは、圧縮機２１と、燃焼器２２Ｂと、タービン２３とを備える。

燃焼器２２Ｂは、図５に示すように、燃焼器ケーシング１００と、燃焼器ケーシング１００内に燃焼器ライナ１１０、１２０とを備える。また、燃焼器ライナ１１０は、上流側燃焼器ライナ１１０Ａと、下流側燃焼器ライナ１１０Ｂとを備える。すなわち、燃焼器２２Ｂは、上流側燃焼器ライナ１１０Ａ、下流側燃焼器ライナ１１０Ｂ、および燃焼器ライナ１２０の３つの燃焼器ライナを備える。

燃焼器ケーシング１００は、燃焼器ライナ１１０、１２０の周囲を所定の空間１０１を有して包囲している。

上流側燃焼器ライナ１１０Ａ、下流側燃焼器ライナ１１０Ｂ、および燃焼器ライナ１２０は、筒状形状を有している。上流側燃焼器ライナ１１０Ａは、最上流側に位置し、下流側燃焼器ライナ１１０Ｂは、上流側燃焼器ライナ１１０Ａの下流端に連結されている。また、燃焼器ライナ１２０は、最下流側に位置し、下流側燃焼器ライナ１１０Ｂの下流端に連結されている。

すなわち、上流側燃焼器ライナ１１０Ａ、下流側燃焼器ライナ１１０Ｂ、および燃焼器ライナ１２０は、燃焼ガスが流れる方向に直列に連結され、それぞれが連通している。なお、燃焼器ライナ１１０は、第１の燃焼器ライナとして機能し、燃焼器ライナ１２０は、第２の燃焼器ライナとして機能する。

上流側燃焼器ライナ１１０Ａの上流端には、アンモニア供給管２５が連結されている。また、上流側燃焼器ライナ１１０Ａの側壁には、上流側燃焼器ライナ１１０Ａの周囲の空間１０１を流れる圧縮空気を内部に取り込むための空気導入口１１２が形成されている。この空気導入口１１２は、例えば、上流側燃焼器ライナ１１０Ａの周方向に複数形成されている。

ここで、図５には、アンモニア供給管２５からアンモニアを上流側燃焼器ライナ１１０Ａに導入する一例を示したが、この構成に限られない。

例えば、燃焼器ケーシング１００と上流側燃焼器ライナ１１０Ａとの間のアンモニア供給管２５に、圧縮空気を内部に導入するための、空気導入口を形成してもよい。この空気導入口は、アンモニア供給管２５の周方向に複数形成されてもよい。このように空気導入口を備えることで、アンモニアと圧縮空気の予混合気が上流側燃焼器ライナ１１０Ａに導入される。

下流側燃焼器ライナ１１０Ｂの側壁には、下流側燃焼器ライナ１１０Ｂの周囲の空間１０１を流れる圧縮空気を内部に取り込むための空気導入口１１３が形成されている。この空気導入口１１３は、例えば、図５に示すように、下流側燃焼器ライナ１１０Ｂにおける上流端側に形成される。換言すると、空気導入口１１３は、例えば、上流側燃焼器ライナ１１０Ａと下流側燃焼器ライナ１１０Ｂとの連結部の直下流側における下流側燃焼器ライナ１１０Ｂの側壁に形成される。この空気導入口１１３は、例えば、下流側燃焼器ライナ１１０Ｂの周方向に複数形成されている。

燃焼器ライナ１２０の構成については、第１の実施の形態における構成と同じである。

なお、空気導入口１１２、１１３の位置は、特に限定されるものではない。すなわち、空気導入口１１２、１１３は、上流側燃焼器ライナ１１０Ａ、下流側燃焼器ライナ１１０Ｂ内におけるアンモニアの熱分解、この熱分解によって生成した水素を完全燃焼することができる位置に設けられていればよい。

また、下流側燃焼器ライナ１１０Ｂには、下流側燃焼器ライナ１１０Ｂ内の燃焼ガスの温度を検出する温度検出器２７が備えられている。

ここで、上流側燃焼器ライナ１１０Ａには、アンモニア供給管２５からアンモニアが導入され、空気導入口１１２から圧縮空気が導入される。

この空気導入口１１２から上流側燃焼器ライナ１１０Ａ内に導入される空気の流量は、上流側燃焼器ライナ１１０Ａ内に導入されるアンモニアが熱分解して生成する水素と理論混合気を形成する空気の流量よりも小さい。ここで、理論混合気とは、燃料と、この燃料を完全燃焼させるために理論上必要な最少の空気との混合気である。

すなわち、空気導入口１１２からは、例えば、アンモニアが熱分解して生成した水素を完全燃焼させるために必要な最少の空気量よりも少ない量の空気が導入される。そのため、上流側燃焼器ライナ１１０Ａ内は、全体として、いわゆる燃料リッチの状態となる。

上流側燃焼器ライナ１１０Ａでは、アンモニアを熱分解して燃焼させる。すなわち、上流側燃焼器ライナ１１０Ａでは、アンモニアを熱分解することで生成した水素を燃焼させる。

なお、アンモニア供給管２５から導入されたアンモニアの全部が、上流側燃焼器ライナ１１０Ａ内で熱分解されない。そのため、一部のアンモニアは、アンモニアの状態のまま、下流側燃焼器ライナ１１０Ｂに流入する。また、上流側燃焼器ライナ１１０Ａ内は、燃料リッチの状態であるため、熱分解によって生成された水素の一部が、上流側燃焼器ライナ１１０Ａ内で完全燃焼せずに、下流側燃焼器ライナ１１０Ｂに流入することもある。

下流側燃焼器ライナ１１０Ｂには、上流側燃焼器ライナ１１０Ａからの燃焼ガス、アンモニア、空気導入口１１３から圧縮空気が導入される。

ここで、燃焼器ライナ１１０、すなわち上流側燃焼器ライナ１１０Ａおよび下流側燃焼器ライナ１１０Ｂには、全体として、アンモニア供給管２５から導入されたアンモニアの熱分解によって生成した水素を完全燃焼させるために必要な空気量を超える量の空気が導入される。なお、ここでは、このアンモニアの熱分解によって生成した水素を完全燃焼させるために必要な空気量を超える空気量を過剰空気量と呼ぶ。

そのため、この過剰空気量から、上流側燃焼器ライナ１１０Ａに導入された空気量を差し引いた分の空気量が、空気導入口１１３から下流側燃焼器ライナ１１０Ｂ内に導入される。なお、下流側燃焼器ライナ１１０Ｂには、下流側燃焼器ライナ１１０Ｂ内において熱分解によって生成する水素を完全燃焼させるために必要な空気量を超える量の空気が導入される。

下流側燃焼器ライナ１１０Ｂでは、上流側燃焼器ライナ１１０Ａと同様に、アンモニアを熱分解して燃焼させる。すなわち、下流側燃焼器ライナ１１０Ｂでは、アンモニアを熱分解することで生成した水素を燃焼させる。

さらに、下流側燃焼器ライナ１１０Ｂでは、アンモニアを還元剤とする無触媒選択還元法によって、上流側燃焼器ライナ１１０Ａで生成したＮＯｘを還元する。なお、還元剤のアンモニアは、上流側燃焼器ライナ１１０Ａで熱分解されずに、下流側燃焼器ライナ１１０Ｂに流入したアンモニアである。

アンモニアの熱分解の促進、水素の燃焼促進、下流側燃焼器ライナ１１０ＢにおけるＮＯｘの還元を図るために、上流側燃焼器ライナ１１０Ａ内および下流側燃焼器ライナ１１０Ｂ内（燃焼器ライナ１１０内）の燃焼場の温度、すなわち燃焼ガスの温度を８００〜１１００℃に維持している。

アンモニアの熱分解によって生成された水素が燃焼することで、燃焼器ライナ１１０内の燃焼ガスの温度を上記した範囲に維持することができる。なお、燃焼器ライナ１１０内の燃焼ガスの温度は、ガスタービンにおける負荷によらず、上記した範囲に維持される。

燃焼器ライナ１１０内の燃焼ガスの温度を上記した範囲に維持するため、制御装置８０は、温度検出器２７からの出力信号に基づいて、アンモニア供給管２５の流量調整弁２５ａを制御している。

一方、燃焼器ライナ１２０には、下流側燃焼器ライナ１１０Ｂからの燃焼ガス、ガス燃料供給管２６からガス燃料、および空気導入口１２２から圧縮空気が導入される。燃焼器ライナ１２０に導入されるガス燃料の流量や空気量などについては、第１の実施の形態で説明したとおりである。

ここで、燃焼器ライナ１１０内の燃焼ガスの温度を上記した温度範囲とする理由について説明する。

なお、アンモニアの熱分解の促進、およびアンモニアの酸化抑制の観点から、上記した温度範囲とすることは、第１の実施の形態で説明したとおりである。

ここでは、アンモニアを還元剤とするＮＯｘの無触媒選択還元の観点から、上記した温度範囲とすることが好ましいことについて説明する。

図６は、還元剤をアンモニアとする無触媒選択還元法における、脱硝率と温度との関係を示した図である。なお、図６には、比較のため、還元剤をアンモニアとする選択接触還元法におけるこれらの関係も示している。

選択接触還元法では還元触媒が使用され、無触媒選択還元法では還元触媒が使用されない。無触媒選択還元法では、燃焼ガス中にアンモニアを噴射して、上記した式（３）の還元を行う。

図６に示すように、無触媒選択還元法では、８００〜１１００℃の温度範囲で脱硝率が高い。これに対して、選択接触還元法では、３５０℃を中心に脱硝率が高い。

このように、無触媒選択還元法の観点からも、８００〜１１００℃の温度範囲が好ましいことがわかる。

このようなことから、燃焼器ライナ１１０内の燃焼ガスの温度を８００〜１１００℃に維持している。

なお、ガスタービン２０Ｂの燃焼器２２Ｂの作用については、第１の実施の形態における燃焼器２２Ａの作用と同様である。

上記したように、第２の実施の形態の燃焼器２２Ｂでは、燃焼器ライナ１１０を上流側燃焼器ライナ１１０Ａおよび下流側燃焼器ライナ１１０Ｂで構成している。そして、下流側燃焼器ライナ１１０Ｂにおいて、無触媒選択還元法によってＮＯｘを還元する。

第２の実施の形態の燃焼器２２Ｂでは、第１の実施の形態の燃焼器２２Ａにおける作用効果と同様の作用効果を得ることができる。

すなわち、燃焼器ライナ１１０において、アンモニアを熱分解して水素を燃焼させることで、燃料としてのアンモニアによるフューエルＮＯｘの生成が抑制される。また、燃焼器ライナ１１０内の燃焼ガスの温度を前述した範囲に維持することで、水素が燃焼する際のサーマルＮＯｘの生成も抑制される。燃焼器ライナ１１０においてアンモニアを熱分解して水素を燃焼させることで、燃焼器ライナ１１０内における燃焼では、二酸化炭素は生成されない。

さらに、第２の実施の形態の燃焼器２２Ｂでは、下流側燃焼器ライナ１１０Ｂにおいて、無触媒選択還元法によって、上流側燃焼器ライナ１１０Ａ内で生成されたＮＯｘを還元することができる。

（第３の実施の形態）
図７は、第３の実施の形態のガスタービン２０Ｃを備える火力発電設備１１を模式的に示した図である。図８は、第３の実施の形態のガスタービン２０Ｃにおける静翼の冷却空気系統を模式的に示した図である。図９は、図８のＡ−Ａ断面を示す図である。

第３の実施の形態のガスタービン２０Ｃは、第１の実施の形態のガスタービン２０Ａとでは、燃焼器から排出された燃焼ガスに対する脱硝方法が異なる。そのため、ここでは、この異なる構成について主に説明する。

なお、ガスタービン２０Ｃに使用される燃焼器２２Ｃは、第１の実施の形態における燃焼器２２Ａであっても、第２の実施の形態における燃焼器２２Ｂであってもよい。

第３の実施の形態のガスタービン２０Ｃでは、冷却空気を静翼１３０、１３１、１３２に導入するための冷却空気系統に、アンモニアを供給するアンモニア供給系統が連結されている。また、ガスタービン２０Ｃには、第１および第２の実施の形態で備えられた、アンモニア噴出ノズル３２、配管３６、流量調整弁３６ａ、遮断弁３６ｂ、流量計３６ｃは、備えられていない。

また、ガスタービン２０Ｃは、圧縮機２１の吐出部における圧縮空気の温度を検出する温度検出器１７０を備えている。さらに、ガスタービン２０Ｃは、タービン２３の出口における燃焼ガスの温度を検出する温度検出器１７１を備えている。

図７および図８に示すように、ガスタービン２０Ｃは、タービン２３の静翼１３０、１３１、１３２、１３３を冷却するための冷却空気を静翼１３０、１３１、１３２、１３３に導入するための冷却空気系統を備えている。

なお、タービン２３において、各静翼１３０、１３１、１３２、１３３の下流に各動翼１４０、１４１、１４２、１４３が配置されている。そして、例えば、静翼１３０と動翼１４０とによって初段（第１段）のタービン段落を構成している。ここでは、４段のタービン段落を備えたタービン２３を例示している。

ここでは、図９に示す静翼１３０の断面を参照して静翼構造を説明する。なお、他の静翼１３１、１３２、１３３の構造も、図９に示す静翼１３０の構造と同じである。

静翼１３０は、図９に示すように内部に中空部１３５を有している。また、静翼１３０の翼有効部には、スリットや孔などの噴出孔１３６が形成されている。

この噴出孔１３６は、中空部１３５と静翼１３０の外部とを連通する孔である。噴出孔１３６は、複数形成されている。噴出孔１３６から冷却空気を、例えば、静翼１３０の表面に沿うように噴出することで、高温の燃焼ガスから翼表面を保護する。

各静翼１３０、１３１、１３２、１３３には、冷却空気系統を構成する抽気管１５０、１５１、１５２、１５３を通り、圧縮機２１から抽気された空気が導入される。なお、冷却空気は、例えば、静翼１３０、１３１、１３２、１３３を支持する外周壁に形成された貫通孔（図示しない）を介して静翼１３０、１３１、１３２、１３３内に導入される。

ここで、タービン段落によって、冷却空気を噴出する流れ場（タービン内の通路）の圧力が異なる。そのため、図８に示すように、各タービン段落に対応して冷却空気系統は、それぞれ独立して設けられている。そして、圧縮機２１から抽気された各タービン段落に適した圧力の冷却空気は、各冷却空気系統から静翼１３０、１３１、１３２、１３３内に導入される。

導入される冷却空気の圧力は、初段の静翼１３０が最も高く、第４段の静翼１３３が最も低い。例えば、初段の静翼１３０には、圧縮機２１の吐出部から抽気した最も高圧の圧縮空気が供給される。

このように、各タービン段落の静翼１３０、１３１、１３２、１３３に導入される冷却空気の圧力に応じて、抽気する圧縮機２１の段落を変えている。これによって、圧縮機２１の動力損失が抑制される。なお、各静翼１３０、１３１、１３２、１３３に導入される冷却空気の圧力は、冷却空気が噴出される流れ場の圧力よりも高い。

図８に示すように、例えば、各冷却空気系統の抽気管１５０、１５１、１５２には、アンモニアを供給するアンモニア供給系統の配管１６０、１６１、１６２が連結されている。

配管１６０、１６１、１６２には、流量調整弁１６０ａ、１６１ａ、１６２ａ、遮断弁１６０ｂ、１６１ｂ、１６２ｂ、流量計１６０ｃ、１６１ｃ、１６２ｃが介在している。なお、アンモニアは、図示しない供給源から配管１６０、１６１、１６２に供給される。

流量調整弁１６０ａ、１６１ａ、１６２ａは、抽気管１５０、１５１、１５２に供給するアンモニアの流量を調整する弁である。遮断弁１６０ｂ、１６１ｂ、１６２ｂは、抽気管１５０、１５１、１５２へのアンモニアの供給を遮断する弁である。流量計１６０ｃ、１６１ｃ、１６２ｃは、抽気管１５０、１５１、１５２に供給されるアンモニアの流量を検出する装置である。

なお、図８では示していないが、最終段の抽気管１５３にも、アンモニア供給系統の配管を連結してもよい。この場合においても、配管には、流量調整弁、遮断弁、流量計が介在する。

抽気管１５０、１５１、１５２に導入されたアンモニアは、冷却空気とともに静翼１３０、１３１、１３２の中空部１３５に流入する。そして、アンモニアと冷却空気との混合気は、静翼１３０、１３１、１３２を内部から冷却する。さらに、その混合気は、静翼１３０、１３１、１３２の噴出孔１３６から、タービン２３内を流れる燃焼ガス中に噴出される。

ここで、燃焼ガス中にアンモニアを噴出するための系統は、アンモニア噴出部として機能する。なお、ここでは、アンモニア供給系統、アンモニアが導入される抽気管、アンモニアが導入される静翼、アンモニアが導入される静翼の噴出孔１３６が、アンモニア噴出部として機能する。

ここでは、アンモニアを燃焼ガス中に噴出することで、前述した無触媒選択還元法における脱硝を図っている。そこで、脱硝率を上げるため、前述したように、アンモニアは、８００〜１１００℃の温度の燃焼ガス中に噴出することが好ましい。なお、８００〜１１００℃の温度は、第１の温度として機能する。

そこで、アンモニアが冷却空気とともに供給される静翼は、燃焼ガスの温度が上記範囲となるタービン段落の静翼である。すなわち、燃焼ガスの温度が上記範囲となるタービン段落の静翼に冷却空気を供給する抽気管にアンモニアが導入される。

ここで、制御装置８０における出入力手段は、例えば、流量調整弁２５ａ、２６ａ、１６０ａ、１６１ａ、１６２ａ、遮断弁２５ｂ、２６ｂ、１６０ｂ、１６１ｂ、１６２ｂ、流量計２５ｃ、２６ｃ、１６０ｃ、１６１ｃ、１６２ｃ、温度検出器２７、１７０、１７１、ガス分析装置（図示しない）、圧縮機２１の入口案内翼の駆動角度検出装置（図示しない）、出力入力コントローラ、発電機６０などと各種信号の出入力が可能に接続されている。

ここで、燃焼ガスの温度が８００〜１１００℃となるタービン段落は、例えば、次のように特定される。

制御装置８０は、圧縮機２１の入口案内翼の駆動角度検出装置からの出力信号に基づいて、圧縮機２１が吸引した空気流量を算出する。また、制御装置８０は、温度検出器１７０からの出力信号に基づいて、圧縮機２１の吐出部における圧縮空気の温度を検出する。

さらに、制御装置８０は、流量計２５ｃの出力信号に基づいて燃焼器ライナ１１０に導入されたアンモニアの流量、および流量計２６ｃの出力信号に基づいて、燃焼器ライナ１２０に導入されたガス燃料の流量を算出する。また、制御装置８０は、温度検出器１７１からの出力信号に基づいて、タービン２３の出口における燃焼ガスの温度を検出する。

制御装置８０は、算出した空気流量、圧縮機２１の吐出部における圧縮空気の温度、アンモニアの流量、ガス燃料の流量に基づいて、タービン２３の入口における燃焼ガスの温度を算出する。

続いて、制御装置８０は、算出したタービン２３の入口における燃焼ガスの温度、および検出されたタービン２３の出口における燃焼ガスの温度に基づいて、タービン２３内の各タービン段落における燃焼ガスの温度分布を算出する。なお、この燃焼ガスの温度分布は、ガスタービンの運転状態によっても変化する。

そして、制御装置８０は、算出した燃焼ガスの温度分布から、燃焼ガスの温度が８００〜１１００℃となるタービン段落を特定する。

制御装置８０は、特定したタービン段落にアンモニアを供給する配管に設けられた流量調整弁、遮断弁を開く。その際、制御装置８０は、流量調整弁を制御して、抽気管に導入されるアンモニアを所定の流量に調整する。

例えば、制御装置８０は、初段のタービン段落において、燃焼ガスが上記した温度範囲となると判定した場合、制御装置８０は、遮断弁１６０ｂを開き、流量調整弁１６０ａを制御する。

この際、抽気管１５０に導入されるアンモニアの流量は、第１の実施の形態で説明したアンモニア噴出ノズル３２から噴出するアンモニアの流量を設定するときと同じ方法で算出される。

すなわち、制御装置８０は、排熱回収ボイラ３０の入口における燃焼ガスに含まれるＮＯｘ量を算出する。そして、制御装置８０は、算出したＮＯｘ量と等モル量のアンモニアを抽気管１５０に導入するように、流量調整弁１６０ａを制御する。なお、抽気管１５０に導入するアンモニアの流量の調整は、例えば、流量計１６０ｃの出力信号に基づいて行われる。

ここで、燃焼器２２Ｃから排出された燃焼ガスの作用について説明する。

なお、ここでは、燃焼ガスの温度が８００〜１１００℃となるタービン段落が、初段のタービン段落である場合について説明する。

燃焼器２２Ｃから排出された燃焼ガスは、タービン２３内に導かれる。タービン２３内に導かれた燃焼ガスは、タービン２３を駆動する。

この際、燃焼ガスの温度が８００〜１１００℃となるタービン段落の静翼１３０の中空部１３５に、冷却空気とともにアンモニアが導入される。冷却空気とアンモニアは、静翼１３０の噴出孔１３６から、タービン内を流れる燃焼ガス中に噴出される。

このように、ガスタービン２０Ｃでは、無触媒選択還元法において脱硝率が高い温度範囲の燃焼ガス中にアンモニアを噴出することができる。これによって、燃焼ガスに含まれるＮＯｘを窒素と水に還元することができる。

ここで、図６に示すように、無触媒選択還元法における脱硝率は、高くても６０％程度である。そのため、タービン２３から排出される燃焼ガスはＮＯｘを含む。また、タービン２３からは、燃焼ガスとともに、還元に寄与できなかったアンモニアも排出される。

タービン２３から排出された燃焼ガスおよびアンモニアは、排気通路としても機能する排熱回収ボイラ３０に流入する。排熱回収ボイラ３０に流入した燃焼ガスおよびアンモニアは、過熱器３１で熱交換され温度が低下する。前述したように、脱硝触媒３３は、温度が３００〜４００℃の燃焼ガスが流れる位置に配置される。この温度は、選択接触還元法による脱硝が促進される温度である。なお、３００〜４００℃の温度は、第２の温度として機能する。

これによって、アンモニアを含む燃焼ガスが脱硝触媒３３と接触することで、アンモニアを還元剤とする前述した式（３）による脱硝作用が主として促進される。これによって、残存するアンモニアおよびＮＯｘは、水蒸気と窒素に分解される。

そして、排熱回収ボイラ３０から排出された燃焼ガスは、煙突７０から大気中に排出される。

上記したように、第３の実施の形態のガスタービン２０Ｃを備える火力発電設備１１では、タービン２３における所定のタービン段落で、アンモニアを還元剤とする無触媒選択還元法による脱硝、および排熱回収ボイラ３０内においてアンモニアを還元剤とする選択接触還元法による脱硝を行うことができる。

このように、タービン２３内における脱硝処理において一部のＮＯｘを還元することができる。これによって、排熱回収ボイラ３０における、脱硝触媒３３を用いた脱硝処理の負荷を低減することができる。そのため、すべての脱硝を脱硝触媒３３を用いた選択接触還元法で行うよりも、脱硝触媒３３の接触面積を少なくすることができる。これによって、製品コストの削減、製品の小型化を図ることができる。

また、第３の実施の形態のガスタービン２０Ｃの燃焼器２２Ｃとして、第１の実施の形態の燃焼器２２Ａまたは第２の実施の形態の燃焼器２２Ｂを備えている。そのため、燃焼器２２Ｃにおける作用効果は、燃焼器２２Ａ、燃焼器２２Ｂのそれぞれの作用効果と同じである。

なお、第３の実施の形態のガスタービン２０Ｃにおいて、静翼１３０、１３１、１３２の噴出孔１３６から冷却空気とともにアンモニアを噴出する一例を示したが、この構成に限られない。

例えば、ガスタービンでは、中空の動翼１４０、１４１、１４２、１４３内にも冷却空気を導入し、噴出孔から冷却空気を噴出している。そのため、動翼１４０、１４１、１４２、１４３に導入する冷却空気にアンモニアを導入してもよい。なお、この場合においても、燃焼ガスの温度が８００〜１１００℃となるタービン段落の動翼にアンモニアが導入される。

また、例えば、静翼１３０、１３１、１３２、１３３を支持する外周壁に、アンモニアを噴出する噴出孔を形成してもよい。この場合、例えば、静翼間を流れる燃焼ガス中にアンモニアが噴出される。

なお、上記した実施の形態では、ガスタービンと蒸気タービンと組み合わせたコンバインドサイクルの火力発電設備を例示して説明したが、この構成に限られない。

例えば、ガスタービンと選択接触還元法を用いた脱硝装置を備えた火力発電設備であってもよい。この場合、脱硝装置は、ガスタービンの排気通路に備えられてもよい。なお、脱硝装置における脱硝触媒は、３００〜４００℃の温度の燃焼ガスと接触する領域に設置されることが好ましい。

以上説明した実施形態によれば、ＮＯｘおよびＣＯ_２の発生を抑制することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０、１１…火力発電設備、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ…ガスタービン、２１…圧縮機、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ…燃焼器、２３…タービン、２４…空気フィルタ、２５…アンモニア供給管、２５ａ、２６ａ、３６ａ、１６０ａ…流量調整弁、２５ｂ、２６ｂ、３６ｂ、１６０ｂ…遮断弁、２５ｃ、２６ｃ、３６ｃ、１６０ｃ…流量計、２６…ガス燃料供給管、２７、１７０、１７１…温度検出器、３０…排熱回収ボイラ、３１…過熱器、３２…アンモニア噴出ノズル、３３…脱硝触媒、３４…蒸発器、３５…節炭器、３６、１６０…配管、３７…サンプリングプローブ、４０…蒸気タービン、５０…復水器、５１…給水ポンプ、６０…発電機、７０…煙突、８０…制御装置、１００…燃焼器ケーシング、１０１…空間、１１０、１２０…燃焼器ライナ、１１０Ａ…上流側燃焼器ライナ、１１０Ｂ…下流側燃焼器ライナ、１１１、１１２、１１３、１２１、１２２…空気導入口、１３０、１３１、１３２、１３３…静翼、１３５…中空部、１３６…噴出孔、１４０、１４１、１４２、１４３…動翼、１５０、１５１、１５２、１５３…抽気管。

Claims (8)

1. 空気およびアンモニアが導入され、アンモニアを熱分解して燃焼させる第１の燃焼器ライナと、
   前記第１の燃焼器ライナの下流端に連結され、窒素化合物を主として含まないガス燃料および空気が導入される第２の燃焼器ライナと
   を具備することを特徴とする燃焼装置。
2. 前記第１の燃焼器ライナ内の温度を検出する温度検出部と、
   前記第１の燃焼器ライナ内に導入されるアンモニアの流量を調整する流量調整弁と、
   前記温度検出部からの出力信号に基づいて、前記流量調整弁を制御する制御部と
   をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
3. 前記第１の燃焼器ライナが、
   上流側燃焼器ライナと、
   前記上流側燃焼器ライナの下流端に連結された下流側燃焼器ライナと
   を備え、
   前記上流側燃焼器ライナ内に、空気およびアンモニアが導入され、
   前記下流側燃焼器ライナ内に、空気が導入されることを特徴とする請求項１記載の燃焼装置。
4. 前記下流側燃焼器ライナ内の温度を検出する温度検出部と、
   前記上流側燃焼器ライナ内に導入されるアンモニアの流量を調整する流量調整弁と、
   前記温度検出部からの出力信号に基づいて、前記流量調整弁を制御する制御部と
   をさらに備えることを特徴とする請求項３記載の燃焼装置。
5. 前記上流側燃焼器ライナ内に導入される空気の流量が、前記上流側燃焼器ライナ内に導入されるアンモニアが熱分解して生成する水素と理論混合気を形成する空気の流量よりも小さいことを特徴とする請求項３または４記載の燃焼装置。
6. 空気およびアンモニアが導入され、アンモニアを熱分解して燃焼させる第１の燃焼器ライナと、
   前記第１の燃焼器ライナの下流端に連結され、窒素化合物を主として含まないガス燃料および空気が導入される第２の燃焼器ライナと、
   前記第２の燃焼器ライナから排出された燃焼ガスが導入されるタービンと、
   燃焼ガスの温度が第１の温度となる前記タービンのタービン段落に、アンモニアを噴出するアンモニア噴出部と、
   前記タービンを通過した燃焼ガスの温度が第２の温度となる排気通路に配置される脱硝触媒と
   を具備することを特徴とするガスタービン。
7. 前記アンモニア噴出部において、アンモニアを噴出する噴出孔が、静翼に形成されていることを特徴とする請求項６記載のガスタービン。
8. 前記第１の燃焼器ライナおよび前記第２の燃焼器ライナに空気を供給する圧縮機と、
   前記圧縮機の入口から吸引される空気流量を検出する空気流量検出部と、
   前記圧縮機の出口における空気温度を検出する空気温度検出部と、
   前記第１の燃焼器ライナに導入されるアンモニアの流量を検出するアンモニア流量検出部と、
   前記第２の燃焼器ライナに導入される前記ガス燃料の流量を検出するガス燃料流量検出部と、
   前記タービンの出口における燃焼ガスの温度を検出する出口ガス温度検出部と、
   前記空気流量検出部、前記空気温度検出部、前記アンモニア流量検出部、前記ガス燃料流量検出部、前記出口ガス温度検出部からの出力信号に基づいて、アンモニアを噴出する前記タービン段落を決定して、前記アンモニア噴出部を制御する制御部と
   をさらに具備することを特徴とする請求項６または７記載のガスタービン。

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