JP2019510953A - アンモニアの燃焼方法および装置 - Google Patents

Abstract

アンモニアの燃焼方法であって、第１の燃焼室（２）に、制御された割合のアンモニア（４）および水素（５）を収容するとともに、酸素含有ガスを収容する方法。アンモニアおよび水素の燃焼により、他の燃焼生成物（２２）の中でＮＨ_２ ⁻イオンが生成される。第２の燃焼室（３）に、第１の燃焼室から排出される燃焼生成物（２２）と、制御された割合のさらなるアンモニア（４）およびさらなる水素（５）を収容し、燃焼によって他の燃焼生成物（２４）の中で窒素酸化物が生成される。第３の燃焼室（１４）に、窒素酸化物と、さらなる制御された割合のさらなるアンモニアおよびさらなる水素と、さらなる酸素含有ガスとを収容し、それによって、窒素酸化物を燃焼させて窒素および水を得る。

Description

アンモニアは、エネルギー貯蔵材料としての使用が可能である。アンモニアを合成して貯蔵しておき、後に燃焼させることができる。ガスタービンでアンモニアを燃焼させることで、化学的に貯蔵されたエネルギーを放出させて機械的エネルギーとすることができる。しかし、排出目標に達するためには、アンモニアの燃焼によって生成される窒素酸化物ＮＯ_ｘを排出ガスから除去しなければならない。

本発明は、窒素酸化物ＮＯ_ｘの排出を低減または排除する、アンモニアの燃焼システムおよび方法を提供する。

したがって本発明は、付属の特許請求の範囲に記載された装置および方法を提供する。

本発明の上記のおよびさらなる目的、特徴および利点は、添付の図面と関連して、その特定の実施形態の以下の説明からより明らかとなるが、以下の説明は非限定的な例としてのみ与えられるものである。

図１に、本発明の実施形態を概略的に示す。 図２に、本発明の実施形態を概略的に示す。 図３に、本発明の実施形態を概略的に示す。 図４に、本発明の実施形態を概略的に示す。

図１に示す本発明の特定の一実施形態では、アンモニア燃焼システムは圧縮機１を備え、この圧縮機１によって空気または他の酸素含有ガスが圧縮され、これが比較的高圧かつ高温の第１の燃焼室２に送られる。アンモニア４と水素５との第１の混合物が第１の燃焼室２に加えられ、ここで燃焼が行われて、熱および排出ガス流２２が生成される。例えば、第１の燃焼室２内の運転圧力は８〜３０バールの範囲にあってよく、典型的な運転圧力は１２〜２５バールの範囲にあってもよい。

第１の燃焼室から排出される排出ガス２２の出口温度は、１４００〜２１００Ｋの範囲にあってよく、典型的には１５００〜１８００Ｋの範囲にあってもよい。

第１の燃焼室２に供給される水素に対するアンモニアの比の制御は、制御部１８０によってマスフローコントローラ８および１１を介して行われる。

アンモニアは、当量比を高めて供給され、例えば１．０〜１．２の範囲の当量比で供給される。当量比を高めるため、第１の燃焼室２から排出される排出ガス２２は、かなりの割合のＮＨ_２ ⁻イオンを含む。

第１の燃焼室から排出される排出ガス２２は、追加のアンモニア４および水素５とともに第２の燃焼室３に供給される。

第２の燃焼室３に供給される水素に対するアンモニアの比の制御は、制御部１８０によってマスフローコントローラ９および１２を介して行われる。排出ガス流２４がタービン６に供給されることでシャフトの回転などの機械的出力が生じるため、燃焼時に最大出力が提供されるようにガス混合物の最適化が行われる。

例えば、第２の燃焼室３内の運転圧力は１０〜３０バールの範囲にあってよく、典型的な運転圧力は１２〜２５バールの範囲にあってもよい。第２の燃焼室３から排出される排出ガス２４の出口温度は、１４００〜２１００Ｋの範囲にあってよく、典型的には１５００〜１８００Ｋの範囲にあってもよい。サイクル効率を維持するために、燃焼は比較的一定の圧力で行うことができ、例えば燃焼圧力降下は５％未満であってもよく、そのため、燃焼室全体での圧力降下はわずかである。

しかし、燃焼温度が高く、またアンモニア燃料の窒素含有量が高いため、第２の燃焼室３から排出される排出ガス流２４は、高水準の窒素酸化物ＮＯ_ｘを有することになる。

第１のタービン６から出る排出ガス２６は高温であり、これは、比較的低圧かつ比較的低温の領域で運転が行われる第３の燃焼室１４へと送られる。例えば、第３の燃焼室１４内の運転圧力は、１〜１０バールの範囲にあってよく、典型的な運転圧力は１〜５バールの範囲にあってもよい。第３の燃焼室から排出される排出ガスの出口温度は、３００〜１３００Ｋの範囲にあってよく、典型的には７５０〜８８０Ｋの範囲にあってもよい。

この第３の燃焼室に入る前に、第２の燃焼室３およびタービン６から排出された窒素酸化物ＮＯ_ｘ含有排出ガス２６を、現場ガス分析センサ１３で測定することができる。

アンモニア４と水素５との第３の混合物に今回は空気２０が加わって、これが第３の燃焼室１４に注入される。この第３の燃焼室１４ではアンモニアの当量比が高められており、この当量比は典型的には１．０〜１．２であり、すなわち、アンモニアは、供給された水素と酸素を反応させてＮ_２およびＨ_２Ｏのみを生成させるのに必要な量に対して過剰の量で存在する。この混合物を燃焼させる。当量比を高めることで、燃焼によってＮＨ_２ ⁻イオンがかなりの割合で生成され、これが排出ガス２６中の窒素酸化物ＮＯ_ｘと化合してＮ_２およびＨ_２Ｏが生成され、これによって、排出流２６からＮＯ_ｘが除去されるとともに、第３の燃焼室１４から窒素酸化物ＮＯ_ｘの濃度が低い排気流２８が生じることが保証される。

第３の燃焼室１４に供給されるアンモニア４と水素５との正確な燃料比は、制御部１８０によって、マスフロー装置１７、１８と、マスフローセンサ１５、１６と、任意に空気または他の酸素含有ガス用のマスフローコントローラ１９とを現場ガス分析センサ２１と併用して設定され、そうすることで、第３の燃焼室１４に供給されるガス混合物におけるアンモニアと水素との比が制御されるとともに、必要に応じて、第３の燃焼室１４に供給されるガス混合物における空気などの酸素含有ガスの割合も制御される。

必要な当量比は、ガスセンサ１３でＮＯ_ｘの投入割合を測定し、現場ガスセンサ２１でＮＯ_ｘの排出量を測定することによって求められる。制御部１８０は、センサ１３、２１からデータを受け取って、適切な指令をマスフロー装置１７、１８および任意に１９に出す。制御部１８０は、マスフロー装置８、９、１１、１２に関連する制御部と同一の制御部であってもよいし、別個の制御部であってもよい。

必要に応じて、図示した実施形態では、熱交換器３０を使用することにより、廃熱を除去して、第３の燃焼室から排出される排出ガス２８からエネルギーを回収することができる。

図示した例では、熱交換器３０で熱を回収し、これを用いて蒸気タービン３２を駆動することによって、エネルギー回収を達成することができるが、必要に応じて廃熱からエネルギーを回収するための他の機構が設けられてもよい。

本発明の別の実施形態では、図２に示すように、第１の燃焼室２から排出される排出ガス２２を第２のタービン３４に通して、廃棄エネルギーを機械的な回転として回収することができる。

図３は、本発明の別の実施形態を示す。この実施形態では、第３の燃焼室１４は、一体型の熱交換器を備える。これは、補助的な燃焼を伴う熱回収蒸気発生器と同様であってもよい。これを使用して蒸気タービン３２を駆動することができるが、必要に応じて廃熱からエネルギーを回収するための他の機構が設けられてもよい。

熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）とは、ガスタービンや大型の往復動機関などの発電所の原動機から排出される「廃」熱を回収して全体のエネルギー効率を向上できるように設計された熱交換器をいう。補助的な（または「ダクト」）燃焼では酸素源として高温ガスタービン排出ガスが使用され、それによって、必要に応じてより多くの蒸気を発生させるための追加のエネルギーが提供される。これは、システムの出力および柔軟性を高める経済的に魅力的な方法である。補助的な燃焼によって比較的低い資本コストで追加の電気出力を提供することができ、またこの補助的な燃焼はピーキングに適している。常にではないが通常は、ＨＲＳＧに至る排出ガス流中にバーナーが配置される。必要に応じて、追加の酸素（または空気）を加えることができる。周囲温度が高い場合には、小型のダクトバーナーによってガスタービン排出エネルギーを補うことで、蒸気タービンに向かう設計された絞り流を維持することができる。

図４に示す本発明のさらなる実施形態では、第３の燃焼室１４から排出される排出ガスの一部を第１の燃焼室２に戻して再循環させるために、再循環導管４０が設けられてもよい。再循環させた排出ガスと、例えば取り込んだ酸素含有ガスとを混合機３６で混合することによって、投入済みのガス流と合することができる。これには、排出ガス中の未燃焼ＮＨ_３が再循環されて燃焼されるという利点がある。排出ガスの割合は様々であってよく、第３の燃焼室から排出される排出ガス中の未燃焼ＮＨ_３の割合や、システムから排出される排出ガス中の許容可能なＮＨ_３の割合に応じて、例えば０％〜８０％であってよい。

したがって、本発明は、以下の利点のうちの１つまたは複数を提供することを目的とする：
（１）窒素酸化物ＮＯ_ｘ含有量が、排出ガスから低減または排除される。
（２）アンモニアと水素がすべてエネルギー、窒素および水に転化されるため、システム全体の効率が最大化される。
（３）３つの各燃焼室におけるガス混合物、温度および圧力を、これら各燃焼室にそれぞれ割り当てられた機能に従って最適化することができ、それによってシステム全体の良好な効率が得られる。
（４）燃焼室２、３、１４をタービン６、３２、３４とは異なる場所に配置することができ、それによって、実施可能な様々なレイアウトを環境上の制約に適合させることができる。
（５）排出ガス中のＮＨ_３含有量が、最小限に抑えられる。

上記の利点に寄与し得るそれぞれの技術的特徴は、以下の通りである。

３つの燃焼室２、３、１４を使用することにより、適切な当量比での燃焼が可能となり、これによって、第１の燃焼室２でＮＨ_２ ⁻イオンを生成させ、第２の燃焼室３で効率的な発電を行い、そして第３の燃焼室でＮＯ_ｘを効果的に除去することができる。次いで、排出ガス中でＮＨ_２ ⁻イオンとＮＯ_ｘとを合することによってＮ_２およびＨ_２Ｏが形成され、これによって排出ガスのアンモニア含有量が低減される。

第３の燃焼室に投入する前のタービン６から排出される排出ガス２６中のＮＯ_ｘ含有量の測定部１３により、各燃焼室へのＮＨ_３／Ｈ_２ガスの質量流量を制御し、かつ第３の燃焼室からの排出時のＮＯ_ｘ排出ガスの測定部２１により、各排出ガス２６、２８のＮＯ_ｘ含有量に応じて当量比を正確に設定することができる。

このことは、第１および第２の燃焼室２、３の燃焼条件によって排出ガス２６のＮＯ_ｘ含有量が決まるために必要となる。これらの条件は、動的基準およびシステムごとに変化し得る。

熱交換器３０を使用することによって、第３の燃焼室１４における第３の燃焼に伴うエネルギー損失が最小限に抑えられる。

第３の燃焼室１４から第１の燃焼室２への排出ガスの再循環は、ＮＨ_３の排出を最小限に抑える役割を果たす。

したがって、本発明は、アンモニアの燃焼方法であって、第１の燃焼室に、制御された割合のアンモニアおよび水素を収容するとともに、空気などの酸素含有ガスを収容し、ここで、アンモニアおよび水素の燃焼を行うことにより、他の燃焼生成物の中でＮＨ_２ ⁻イオンが生成される方法を提供する。第２の燃焼室に、このＮＨ_２ ⁻イオンと他の燃焼生成物とを、さらなる制御された割合のさらなるアンモニアおよびさらなる水素とともに収容し、そして他の燃焼生成物の中で窒素酸化物が生成される。第３の燃焼室に、第２の燃焼室の燃焼生成物を収容し、ここで、燃焼生成物には、窒素酸化物と、さらなる制御された割合のさらなるアンモニアおよびさらなる水素と、空気などのさらなる酸素含有ガスとが含まれ、それによって、窒素酸化物を燃焼させて窒素および水を得る。

第１の燃焼室２での燃焼により生じるエネルギーをタービン３４の運転によって回収することで、第１の燃焼室での燃焼により放出されるエネルギーを機械的エネルギーに変換することができる。

第２の燃焼室３での燃焼により生じるエネルギーをタービン６の運転によって回収することで、第２の燃焼室での燃焼により放出されるエネルギーを機械的エネルギーに変換することができる。

第３の燃焼室１４での燃焼により生じるエネルギーをタービン３２の運転によって回収することで、第３の燃焼室１４での燃焼により放出されるエネルギーを機械的エネルギーに変換することができる。タービン３２の運転は、第３の燃焼室１４から排出される排出ガスがタービン３２に直接作用することによって行われることも可能であるし、熱交換器３０で水を加熱して蒸気により第３のタービン３２を駆動することによって行われることも可能である。

第３の燃焼室１４には、第３の燃焼室から排出される排出ガスから熱を回収するための熱交換器を組み込むことができる。この熱交換器は、蒸気を加熱してエネルギーを回収する役割を果たすことができる。

排出ガス２８中に残るアンモニアを燃焼させるために、第３の燃焼室１４から排出される排出ガスの一部を第１の燃焼室２に再循環させることができる。

限られた数の特定の実施形態を参照して本出願を説明したが、当業者には、付属の特許請求の範囲の中での多くの修正形態および変更形態が明らかであろう。

Claims (14)

1. アンモニアの燃焼方法であって、
   第１の燃焼室（２）に、制御された割合のアンモニア（４）および水素（５）と酸素含有ガスとを収容し、アンモニアおよび水素の燃焼を行うことにより、他の燃焼生成物（２２）の中でＮＨ_２ ⁻イオンが生成され、
   第２の燃焼室（３）に、前記第１の燃焼室から排出される燃焼生成物（２２）と、制御された割合のさらなるアンモニア（４）およびさらなる水素（５）とを収容し、前記第２の燃焼室での燃焼によって、他の燃焼生成物（２４）の中で窒素酸化物が生成され、
   第３の燃焼室（１４）に、前記第２の燃焼室の燃焼生成物（２４）を収容し、該燃焼生成物（２４）には、窒素酸化物と、さらなる制御された割合のさらなるアンモニアおよびさらなる水素と、さらなる酸素含有ガスとが含まれ、それによって、窒素酸化物を燃焼させて窒素および水を得る、アンモニアの燃焼方法。
2. 前記第２の燃焼室（３）での燃焼により生じるエネルギーを、該第２の燃焼室から排出される排出ガス（２４）による第１のタービン（６）の運転によって回収することで、前記第２の燃焼室での燃焼により放出されるエネルギーを機械的エネルギーに変換する、請求項１記載のアンモニアの燃焼方法。
3. 前記第１の燃焼室（２）での燃焼により生じるエネルギーを、該第１の燃焼室（２）から排出される排出ガス（２２）による第２のタービン（３４）の運転により回収することで、前記第１の燃焼室での燃焼により放出されるエネルギーを機械的エネルギーに変換する、請求項２記載のアンモニアの燃焼方法。
4. 前記第３の燃焼室（１４）での燃焼により生じるエネルギーを、第３のタービン（３２）の運転により回収することで、前記第３の燃焼室での燃焼により放出されるエネルギーを機械的エネルギーに変換する、請求項１から３までのいずれか１項記載のアンモニアの燃焼方法。
5. 前記第３のタービン（３２）の運転を、熱交換器（３０）で水を加熱して蒸気により該第３のタービン（３２）を駆動することによって行う、請求項４記載のアンモニアの燃焼方法。
6. 一体型の熱交換器によって前記第３の燃焼室（１４）から熱を回収する、請求項１から５までのいずれか１項記載のアンモニアの燃焼方法。
7. 前記第３の燃焼室から排出される排出ガスの一部を前記第１の燃焼室（２）に再循環（４０）させて、前記排出ガス中に残るアンモニアを燃焼させる、請求項１から６までのいずれか１項記載のアンモニアの燃焼方法。
8. アンモニアの燃焼システムであって、
   制御された割合のアンモニア（４）および水素（５）と酸素含有ガスとを収容できるように接続された第１の燃焼室（２）と、
   前記第１の燃焼室から排出される排出ガス（２２）と、さらなる制御された割合のさらなるアンモニアおよびさらなる水素とを収容できるように接続された第２の燃焼室（３）と、
   前記第２の燃焼室から排出される排出ガス（２６）と、さらなる制御された割合のさらなるアンモニアおよびさらなる水素と、さらなる酸素含有ガスとを収容できるように接続された第３の燃焼室（１４）と、
   を備えるシステム。
9. 前記システムは、第１のタービン（６）をさらに備え、該第１のタービン（６）は、前記第２の燃焼室から排出される排出ガス（２４）を収容でき、機械的出力を生成でき、かつ前記排出ガスを前記第３の燃焼室（１４）に供給できるように接続されている、請求項８記載のシステム。
10. 前記システムは、第２のタービン（３４）をさらに備え、該第２のタービン（３４）は、前記第１の燃焼室（２）から排出される排出ガス（２２）を収容でき、かつ前記排出ガスを前記第２の燃焼室（３）に供給できるように接続されている、請求項８または９記載のシステム。
11. 前記システムは、熱交換器（３０）に接続された第３のタービン（３２）をさらに備え、前記熱交換器（３０）は、前記第３の燃焼室（１４）から排出される排出ガス（２８）を収容できるように接続されており、前記熱交換器（３０）によって水を加熱して蒸気を発生させることで前記第３のタービン（３２）を駆動させる、請求項１０記載のシステム。
12. 前記熱交換器が前記第３の燃焼室に組み込まれている、請求項１１記載のシステム。
13. 前記第３の燃焼室（１４）から排出される排出ガス（２８）の一部を前記第１の燃焼室（２）に戻して再循環させることができるように配置された再循環導管（４０）をさらに備える、請求項８から１２までのいずれか１項記載のアンモニアの燃焼システム。
14. 前記再循環導管が混合機（３６）に接続されており、それによって、再循環させたある割合の排出ガスと、取り込んだ酸素含有ガスとを混合させる、請求項１３記載のアンモニアの燃焼システム。

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