JP2019174051A - 燃焼装置及びガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器の貧酸素領域へ還元剤を確実に供給する。【解決手段】燃料を燃焼用空気を用いて燃焼室内で燃焼させる燃焼装置であって、燃焼室内の火炎のうち酸素濃度が低い領域に向けて所定の還元剤を噴射する還元剤噴射手段を備え、還元剤噴射手段は、噴射口の前記火炎に対する距離が還元剤の噴射量に応じて可変する。【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。すなわち、この燃焼装置及びガスタービンは、天然ガスにアンモニア（燃料用アンモニア）を予混合させて燃焼器に供給することによりタービンを駆動する燃焼排ガスを得ると共に、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（ＮＯｘ）を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。

特開２０１６−１９１５０７号公報

ところで、このような還元剤により還元領域を形成するためには、火炎の貧酸素領域に対して還元剤を供給する必要がある。しかしながら、特許文献１に記載された手法では、ライナの周面に形成された噴射孔より還元剤を供給するため、還元剤は、火炎の中心において発生する貧酸素領域に到達せずに、多くが火炎の外縁部で燃焼することで、窒素酸化物を発生させる。したがって、還元剤による還元効果を十分に発揮できない可能性がある。さらに、火炎に近づけることが可能な状態で還元剤の噴射手段を設置すると、還元剤の非供給時に、噴射手段が高温に曝された状態となる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、燃焼器の貧酸素領域へ還元剤を確実に供給すると共に、非供給時に噴射手段を保護することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、燃焼装置に係る第１の解決手段として、燃料を燃焼用空気を用いて燃焼室内で燃焼させる燃焼装置であって、前記燃焼室内の火炎のうち酸素濃度が低い領域に向けて所定の還元剤を噴射する還元剤噴射手段を備え、前記還元剤噴射手段は、噴射口の前記火炎に対する距離が前記還元剤の噴射量に応じて可変する、という手段を採用する。

本発明では、燃焼装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記還元剤噴射手段は、先端が前記噴射口である噴射ノズルと、該噴射ノズルを軸線方向に突出自在に支持する支持機構とを備える、という手段を採用する。

本発明では、燃焼装置に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記支持機構は、前記噴射ノズルに軸線方向に直交する姿勢で設けられる第１の板材と前記燃焼室のケーシングに前記第１の板材に対向して設けられる第２の板材と、前記第１の板材と前記第２の板材との間に設けられた弾性部材とを備える、という手段を採用する。

本発明では、燃焼装置に係る第４の解決手段として、上記第３の解決手段において、前記第２の板材は、前記噴射ノズルと同軸状かつ外周に設けられる筒状体の端部に機密に設けられると共に前記噴射ノズルが前記軸線方向に摺動自在に挿通する開口を備え、前記第１の板材は、前記噴射ノズルの後端部に機密に設けられると共に前記筒状体内に摺動自在に収容される、という手段を採用する。

本発明では、燃焼装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段において、前記還元剤噴射手段は、前記燃焼室内の主流方向に複数設けられ、前記噴射口の前記火炎に対する距離が前記主流方向の位置に応じて異なる、という手段を採用する。

本発明では、燃焼装置に係る第６の解決手段として、上記第１〜第５のいずれかの解決手段において、前記還元剤はアンモニアである、という手段を採用する。

また、本発明では、ガスタービンに係る解決手段として、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の燃焼装置を備える、という手段を採用する。

本発明によれば、還元剤噴射手段と火炎との距離を可変とすることにより、燃焼器の貧酸素領域へ還元剤を確実に供給することが可能である。

本発明の一実施形態に係るガスタービンの全体構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態における燃焼器の構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態におけるアンモニア噴射ノズル及び指示機構を示す断面図である。

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、タンク５、ポンプ６、気化器７及び燃料供給部８を備えている。また、これら複数の構成要素のうち、燃焼器２、タンク５、ポンプ６、気化器７及び燃料供給部８は、本実施形態における燃焼装置Ｃ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、所定の燃料を燃焼させることにより回転動力を発生させる。

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、上記圧縮空気を主に燃焼用空気として燃焼器２に供給する。

燃焼器２は、上記圧縮空気を酸化剤として燃料を燃焼させることにより燃焼ガスを発生させ、当該燃焼ガスをタービン３に供給する。燃焼器２は、図２に示すように、ケーシング２ａ、ライナ２ｂ、燃料ノズル２ｃ、整流器２ｄ及び複数のアンモニア噴射ノズル２ｅと、支持機構２ｆとを備えている。なお、上述したタンク５、ポンプ６及び気化器７並びに複数のアンモニア噴射ノズル２ｅは、本発明の還元剤噴射手段を構成している。

ケーシング２ａは、ライナ２ｂを収容する略円筒状の容器である。このケーシング２ａは、一端に燃料ノズル２ｃ及び整流器２ｄが取り付けられており、他端に排気口Ｅが形成されている。ライナ２ｂは、このようなケーシング２ａに対して略同軸状に設けられた筒状体であり、内部空間が燃焼室Ｎである。なお、図２に示すライナ２ｂの中心軸Ｌの方向は、燃焼室Ｎ内における主流の流れ方向（主流方向）である。また、ライナ２ｂには、内周面に沿って冷却空気が供給されており、内周面近傍に冷却空気層が形成されている。

燃料ノズル２ｃは、ケーシング２ａの一端においてライナ２ｂの中心軸Ｌ上に設けられており、燃料を燃焼室Ｎ内に噴射する燃料噴射ノズルである。整流器２ｄは、ケーシング２ａの一端において上記燃料ノズル２ｃの外周に円環状に設けられており、燃焼室Ｎの一端から排気口Ｅの方向に向けて燃焼用空気を供給すると共に、ライナ２ｂの中心軸Ｌの周りに燃焼用空気の旋回流Ｓを形成する。

複数のアンモニア噴射ノズル２ｅは、ケーシング２ａからライナ２ｂに挿入されたノズルであり、中心軸Ｌの周りつまり火炎Ｋの周りに所定角度毎に設けられている。アンモニア噴射ノズル２ｅは、後端部に鍔（後述する第１板部２ｈ）が設けられた円筒状とされ、先端に噴射口が形成されている。アンモニア噴射ノズル２ｅは、先端がライナ２ｂの周面から挿入され、ライナ２ｂ内の径方向内側に向けて設けられている。また、アンモニア噴射ノズル２ｅは、ケーシング２ａに形成された開口及びライナ２ｂの周面に形成された開口よりライナ２ｂ内部に挿入されており、支持機構２ｆにより端部が支持されている。これにより、アンモニア噴射ノズル２ｅは、ライナ２ｂの内壁面からの突出量が変化可能とされている。なお、アンモニア噴射ノズル２ｅは、突出量が最少の場合において、ライナ２ｂ二の内周面に沿って形成された冷却空気層よりも径方向内側に向けて突出した状態とされる。これらアンモニア噴射ノズル２ｅは、ライナ２ｂ内面から気体アンモニアを燃焼器２の中心に向けて噴射するノズルであり、支持機構２ｆによりノズル軸線方向に摺動自在とされている。

支持機構２ｆは、図３に示すように、バネ２ｇ（弾性部材）と、第１板部２ｈ（第１の板材）と、第２板部２ｉ（第２の板材）と、筒状体２ｊとを備え、第１板部２ｈと第２板部２ｉとの間にバネ２ｇが設けられている。バネ２ｇは、平行に配置された第１板部２ｈと第２板部２ｉとの間に設けられており、アンモニア噴射ノズル２ｅをケーシング２ａの径方向外側に向けて付勢している。このような支持機構２ｆは、アンモニアの噴射量の増加により、第１板部２ｈが径方向内側に向けて押圧されることで圧縮される。

第１板部２ｈは、アンモニア噴射ノズル２ｅの下流側端部（後端）に設けられ、該アンモニア噴射ノズル２ｅの径方向に向けて広がるように形成された鍔状の部材である。この第１板部２ｈは、アンモニア噴射ノズル２ｅの軸線に直交する姿勢で設けられており、アンモニア噴射ノズル２ｅに対して機密に取り付けられている。このような第１板部２ｈは、第２板部２ｉと対向して配置され、該第２板部２ｉとの距離が変更可能な状態とされる。

第２板部２ｉは、ケーシング２ａの外壁に対して固定された板状の部材である。また、第２板部２ｉには、アンモニア噴射ノズル２ｅが挿入される開口が形成されている。第２板部２ｉは、バネ２ｇと当接しており、バネ２ｇの座金として機能する。

筒状体２ｊは、気体アンモニアを供給する気化器７と接続されており、気体アンモニアを案内する流路を形成する。筒状体２ｊには、第１板部２ｈが摺動自在に収容され、下流側端部に第２板部２ｉが機密に取り付けられている。

火炎Ｋは、燃焼室Ｎ中で酸素濃度が比較的低い領域であるが、その中心部Ｋｃは、火炎Ｋにおいて酸素濃度が最も低い領域である。複数のアンモニア噴射ノズル２ｅは、図２に示すように、主流方向における火炎Ｋの中心部Ｋｃにおける酸素濃度が最も低い領域（貧酸素領域）に向けて気体アンモニアを噴射する。なお、火炎Ｋの中心部Ｋｃは、図２に示すように、１点ではなく所定の広がりを持った領域である。

タービン３は、上記燃焼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、燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素（Ｎ２）に還元する。

タンク５は、所定量の液体アンモニアを貯留する燃料タンクであり、液体アンモニアをポンプ６に供給する。ポンプ６は、タンク５から供給された液体アンモニアを所定圧に加圧して気化器７に供給する燃料ポンプである。

気化器７は、ポンプ６から供給された液体アンモニアを気化させることにより気体アンモニアを生成する。この気化器７は、気体アンモニアを還元剤として燃焼器２及び還元触媒チャンバ４の直前に供給する。なお、上述した還元触媒チャンバ４は、内部に収容した還元触媒と還元剤との協働によって窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元処理する。

次に、ガスタービンＡ及び燃焼装置Ｃの動作について、詳しく説明する。

このガスタービンＡ及び燃焼装置Ｃでは、ポンプ６が作動することによって液体アンモニアがタンク５から気化器７に供給され、気化器７で液体アンモニアが気化することによって気体アンモニアが生成される。そして、この気体アンモニアは、燃焼器２の各アンモニア噴射ノズル２ｅ及び還元触媒チャンバ４の直前に供給される。一方、燃料は、燃料供給部８から気化器７に供給され、燃料ノズル２ｃから燃焼室Ｎ内に噴射される。

一方、圧縮機１が作動することによって圧縮空気が燃焼用空気として燃焼器２の整流器２ｄに供給される。この燃焼用空気は、燃焼器２によってライナ２ｂの中心軸Ｌ周りに旋回する旋回流Ｓとしてライナ２ｂの中心軸Ｌの方向に噴射される。

上記燃焼用空気は、初期的には燃焼器２からライナ２ｂの中心軸Ｌの方向に向けて噴射されるが、旋回に起因する遠心力によって中心軸Ｌの直交方向つまり側方に位置するライナ２ｂの方に徐々に広がる。また、このような燃焼用空気の流れに引き連れることにより、燃料ノズル２ｃから噴射された燃料は、燃焼用空気と同様に中心軸Ｌの直交方向に徐々に広がる。そして、このように燃焼室Ｎ内で流れる燃料と燃焼用空気とが混合して火炎Ｋが燃焼室Ｎ内に形成される。

この火炎Ｋは、ライナ２ｂの中心軸Ｌを中心として形成されるが、上述した燃料及び燃焼用空気の流れの影響で、図２に示すように中心軸Ｌの方向における先端が中心軸Ｌから離れるに従って排気口Ｅ寄り（前方寄り）となる。アンモニア噴射ノズル２ｅは、このような火炎Ｋの中心部Ｋｃに発生する貧酸素領域に向けられているため、気体アンモニアを中心軸Ｌに直交する方向（側方）から火炎Ｋの中心部Ｋｃへと直接噴射する。

すなわち、本実施形態では、燃焼器２内で最も酸素濃度が低い火炎Ｋの中心に直接アンモニア噴射ノズル２ｅから気体アンモニアを噴射するので、火炎Ｋ内の火炎中心部Ｋｃ（貧酸素領域）に気体アンモニアを効率良く作用させることが可能であり、火炎Ｋの外縁部にて反応することを防止し、火炎Ｋの中心部Ｋｃ（貧酸素領域）に確実にアンモニアを供給し、気体アンモニアを効率良く作用させることが可能である。よって気体アンモニアによる窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減効率を従来よりも向上させることが可能である。

また、気体アンモニアの供給量が増加される際には、筒状体２ｊを通過する気体アンモニアの圧力により、第１板部２ｈがケーシング２ａへと押圧される。そして、支持機構２ｆが圧縮され、第１板部２ｈがケーシング２ａに近づく方向へと移動する。これにより、アンモニア噴射ノズル２ｅは、ライナ２ｂの径方向内側へと差し込まれ、噴射口が火炎Ｋの中心部Ｋｃとより近接した状態となる。気体アンモニアの供給量の増加に応じて、気体アンモニアによるアンモニア噴射ノズル２ｅの冷却効果は増大する。このため、気体アンモニアの供給量が増加した際に、アンモニア噴射ノズル２ｅの突出量を増加させ、火炎Ｋに近づけることが可能である。
また、気体アンモニアの供給量が少ない場合は、気体アンモニアによるアンモニア噴射ノズル２ｅの冷却効果が小さい。このような場合には、アンモニア噴射ノズル２ｅの突出量を小さくすることで、火炎Ｋからの距離を離し、アンモニア噴射ノズル２ｅが高温となることを防止できる。

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）上記実施形態では、ガスタービンＡを、例えばジェットエンジン等の燃焼装置や、ボイラとしてもよい。

（２）本発明において、アンモニア噴射ノズル２ｅを主流方向において複数設ける構成とすることも可能である。この場合、アンモニア噴射ノズル２ｅの突出量を主流方向における位置に応じて変更することで、中心部Ｋｃにより確実に気体アンモニアを供給することが可能である。例えば主流方向において下流に配置されるアンモニア噴射ノズル２ｅの突出量を、主流方向の上流に配置されるアンモニア噴射ノズル２ｅの突出量よりも増加させると、主流方向下流側のアンモニア噴射ノズル２ｅを、中心部Ｋｃにより近い位置に配置できる。

（３）上記実施形態では、支持機構２ｆの弾性部材としてバネ２ｇを備える構成としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、第１板部２ｈと第２板部２ｉとの間において作動油を供給・排出することによってアンモニア噴射ノズル２ｅを移動可能とするものとしてもよい。

１ 圧縮機
２ 燃焼器
２ａ ケーシング
２ｂ ライナ
２ｃ 燃料ノズル
２ｄ 整流器
２ｅ アンモニア噴射ノズル
２ｆ 支持機構
２ｇ バネ
２ｈ 第１板部
２ｉ 第２板部
２ｊ 筒状体
３ タービン
４ 還元触媒チャンバ
５ タンク
６ ポンプ
７ 気化器
８ 燃料供給部
Ａ ガスタービン
Ｃ 燃焼装置
Ｅ 排気口
Ｇ 発電機
Ｋ 火炎
Ｋｃ 中心部

Claims (7)

1. 燃料を燃焼用空気を用いて燃焼室内で燃焼させる燃焼装置であって、
   前記燃焼室内の火炎のうち酸素濃度が低い領域に向けて所定の還元剤を噴射する還元剤噴射手段を備え、
   前記還元剤噴射手段は、噴射口の前記火炎に対する距離が前記還元剤の噴射量に応じて可変することを特徴とする燃焼装置。
2. 前記還元剤噴射手段は、
   先端が前記噴射口である噴射ノズルと、
   該噴射ノズルを軸線方向に突出自在に支持する支持機構と
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
3. 前記支持機構は、
   前記噴射ノズルに軸線方向に直交する姿勢で設けられる第１の板材と、
   前記燃焼室のケーシングに前記第１の板材に対向して設けられる第２の板材と、
   前記第１の板材と前記第２の板材との間に設けられた弾性部材と
   を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃焼装置。
4. 前記第２の板材は、前記噴射ノズルと同軸状かつ外周に設けられる筒状体の端部に機密に設けられると共に前記噴射ノズルが前記軸線方向に摺動自在に挿通する開口を備え、
   前記第１の板材は、前記噴射ノズルの後端部に機密に設けられると共に前記筒状体内に摺動自在に収容されることを特徴とする請求項３に記載の燃焼装置。
5. 前記還元剤噴射手段は、前記燃焼室内の主流方向に複数設けられ、前記噴射口の前記火炎に対する距離が前記主流方向の位置に応じて異なることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の燃焼装置。
6. 前記還元剤はアンモニアであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃焼装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の燃焼装置を備えることを特徴とするガスタービン。

Images