JP2021032230A - 内燃機関システム - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の燃焼器の着火性及び燃焼性の低下を抑制することができる内燃機関システムを提供する。【解決手段】内燃機関システム１は、改質器３からの改質ガスを燃焼器１２へ供給する供給流路（ラインＬ２）に対して設けられ、改質ガスに含まれる水分を回収する回収部５を備えている。この場合、改質ガスは、燃焼器１２へ供給される前に、回収部５にて水分を回収される。従って、燃焼器１２には、予め水分が除去された状態の改質ガスが供給される。これにより、燃焼器１２での着火性及び燃焼性の低下を抑制することができる。また、内燃機関システム１は、回収部５に貯められたアンモニア水を気化させて、生成された気体を脱硝装置４へ供給する気化部５０を備えている。気化部５０は、アンモニア及び水を気化させた状態にて脱硝装置４へ供給することにより、アンモニア水に含まれるアンモニアを排気処理に用いることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関システムに関する。

従来の内燃機関システムとしては、例えば特許文献１に記載されている技術が知られている。特許文献１に記載の内燃機関システムは、アンモニアを燃料として燃焼器で燃焼させるガスタービン（内燃機関）と、排気を処理する排気処理部と、燃料を改質して水素ガスを含有する改質ガスを生成する改質部と、を備える。改質部は、生成した改質ガスを燃焼器に供給している。これにより、燃焼器は、アンモニアと改質ガスとを燃焼させている。燃焼器での燃焼によって発生した排ガスは、排気処理部にて処理がなされている。

特開２０１２−２５５４２０号公報

上記従来技術のような内燃機関システムでは、改質部が、一部の燃料を燃焼させることによって、水分が発生する場合がある。この場合、改質ガスが燃焼器に至るまでの間に温度が下がると、改質ガス中の水分が液化する可能性がある。水分が液化した状態にて改質ガスが燃焼器に供給された場合、燃焼器の着火性及び燃焼性が低下するという問題が生じる。

本発明の目的は、内燃機関の燃焼器の着火性及び燃焼性の低下を抑制することができる内燃機関システムを提供することである。

本発明の一態様に係る内燃機関システムは、アンモニアを燃料として燃焼器で燃焼させる内燃機関と、排気を処理する排気処理部と、燃料を改質して水素ガスを含有する改質ガスを生成する改質部と、改質部からの改質ガスを燃焼器へ供給する供給流路に対して設けられ、改質ガスに含まれる水分を回収する回収部と、回収部に貯められたアンモニア水を気化させて、生成された気体を排気処理部へ供給する気化部と、を備える。

このような内燃機関システムは、改質部からの改質ガスを燃焼器へ供給する供給流路に対して設けられ、改質ガスに含まれる水分を回収する回収部を備えている。この場合、改質ガスは、燃焼器へ供給される前に、回収部にて水分を回収される。従って、燃焼器には、予め水分が除去された状態の改質ガスが供給される。これにより、燃焼器での着火性及び燃焼性の低下を抑制することができる。また、内燃機関システムは、回収部に貯められたアンモニア水を気化させて、生成された気体を排気処理部へ供給する気化部を備えている。この場合、気化部は、アンモニア及び水を気化させた状態にて排気処理部へ供給することにより、アンモニア水に含まれるアンモニアを排気処理に用いることができる。このように、改質ガスから回収したアンモニア水を有効に利用することができる。

内燃機関システムにおいて、気化部は、燃焼器からの排ガスと、回収部からのアンモニア水を混合させることによって、アンモニア水を気化させてよい。この場合、燃焼器の排ガスの熱を有効に利用して、アンモニア水を気化させることができる。

内燃機関システムにおいて、排気処理部は、脱硝装置によって構成されてよい。これにより、排気処理部として、燃焼器の排ガスに含まれるＮОｘを処理するための既設の装置を用いて、アンモニア水の処理を行うことができる。

内燃機関システムは、供給流路において、改質部と回収部との間に設けられ、改質ガスを冷却する冷却部を更に備えてよい。この場合、冷却部が供給流路において改質ガスを冷却することで、水分が液化し易くなる。従って、回収部が、改質ガス中の水分を回収し易くなる。

内燃機関システムは、回収部からアンモニア水を気化部へ供給するポンプを更に備えてよい。この場合、回収部の配置によらずに、ポンプがアンモニア水を気化部へ供給することができる。また、アンモニア水を気化部へ供給するタイミングが制御し易くなる。

本発明によれば、内燃機関の燃焼器の着火性及び燃焼性の低下を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る内燃機関システムを示す概略構成図である。 変形例に係る内燃機関システムを示す概略構成図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、同一または同等の要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関システムを示す概略構成図である。図１に示すように、内燃機関システム１は、燃料供給部２と、改質器３（改質部）と、ガスタービン１０（内燃機関）と、脱硝装置４（排気処理部）と、回収部５と、燃料供給用圧縮機６と、空気供給用圧縮機７と、コントローラ２０と、を備える。

燃料供給部２は、燃料供給用圧縮機６を介して、ガスタービン１０及び改質器３に燃料を供給する。燃料とは、組成の構成元素として水素を含む原料である。本実施形態では、燃料としてアンモニア（ＮＨ_３）を採用する。燃料供給部２は、液体状態でアンモニアを貯蔵するタンク２ａと、当該液体状態のアンモニアを気化してアンモニアガスとする気化器２ｂと、を備える。燃料供給部２は、ラインＬ１を介して、ガスタービン１０の燃焼器１２へアンモニアガスを供給する。また、燃料供給部２は、ラインＬ１から分岐点Ｐ１にて分岐するラインＬ２を介して改質器３へアンモニアガスを供給する。当該ラインＬ２は、分岐点Ｐ１よりも下流側の合流点Ｐ２にてラインＬ１と合流する。なお、分岐点Ｐ１と改質器３との間にはラインＬ２に流量制御弁３１が設けられ、分岐点Ｐ１と合流点Ｐ２との間にはラインＬ１に流量制御弁３２が設けられる。

改質器３は、アンモニアガスを改質して、水素ガスを含有した改質ガスを生成する。改質器３は、アンモニアガスを水素に分解する改質触媒を有している。改質触媒は、アンモニアガスを水素に分解する機能に加え、アンモニアガスを燃焼させる機能も有してよい。改質触媒としては、例えばパラジウム、ロジウムまたは白金等が用いられる。改質器３にて生成された改質ガスは、ラインＬ２を流れて、合流点Ｐ２にてラインＬ１と合流して、ガスタービン１０の燃焼器１２へ供給される。

具体的に、改質器３では、改質触媒によりアンモニアが酸化されて燃焼熱が発生する。下記式のように、一部のアンモニアと酸素とが化学反応することで、アンモニアが着火して燃焼する燃焼反応が起こり、燃焼熱が発生する（発熱反応）。
ＮＨ_３＋３／４Ｏ_２→１／２Ｎ_２＋３／２Ｈ_２Ｏ＋Ｑ

そして、改質触媒によりアンモニアが改質されて改質ガスが生成される。具体的には、下記式のように、燃焼熱によってアンモニアが水素と窒素とに分解される改質反応が起こり、水素がリッチな状態の改質ガスが生成される（吸熱反応）。
ＮＨ_３→３／２Ｈ_２＋１／２Ｎ_２−Ｑ

ガスタービン１０は、燃料を燃焼させることによって駆動力を発生する装置である。ガスタービン１０は、タービン用圧縮機１１、燃焼器１２、及びタービン１３を有する。タービン用圧縮機１１は、空気を圧縮する機器である。タービン用圧縮機１１は、回転することによってラインＬ３を介して空気を吸引する。また、タービン用圧縮機１１は、吸引した空気を圧縮し、ラインＬ４を介して燃焼器１２へ供給する。なお、ラインＬ４には流量制御弁３３が設けられている。燃焼器１２は、燃料を燃焼させることにより、燃焼ガスを生成する。燃焼器１２は、ラインＬ５を介して燃焼ガスをタービン１３へ供給する。タービン１３は、ラインＬ７を介して脱硝装置４へ排ガスを供給する。タービン１３は、燃焼器１２からの燃料ガスによって駆動する。タービン１３は、発生させた回転駆動力を軸部１４を介してタービン用圧縮機１１へ伝達する。また、タービン１３は、回転駆動力を発電機１６へ伝達して、当該発電機１６にて発電を行う。

脱硝装置４は、排気を処理する装置である。脱硝装置４は、排ガスに含まれるＮＯｘを浄化して、冷却した後、大気に放出する。脱硝装置４としては従来公知のＳＣＲ（選択的触媒還元）装置を使用することができる。この際に用いられる還元剤としては、アンモニアをそのまま使用することができる。脱硝装置４は、タンク２ａからラインＬ１０を介して供給されたアンモニアを還元剤として用いてよい。なお、ラインＬ１０から供給されるアンモニアは、図示されないヒーターなどによって加熱されてアンモニアガスの状態で脱硝装置４に供給される。

回収部５は、改質器３からの改質ガスを燃焼器１２へ供給する供給流路に対して設けられ、改質ガスに含まれる水分を回収するタンクである。本実施形態では、回収部５は、改質器３と合流点Ｐ２との間のラインＬ２に設けられる。ただし、回収部５は、合流点Ｐ２と燃焼器１２との間のラインＬ１に設けられてもよい。回収部５は、分岐点Ｐ４から分岐したラインＬ１１を介して水分を回収する。ラインＬ１１には、流量制御弁３４が設けられている。ラインＬ２を流通する改質ガスは、流通中に冷える。これにより、改質ガスにふくまれていた水分が、液化してラインＬ２の底部に溜まる。ラインＬ１１は、ラインＬ２中に溜まった水を落下させて回収部５へ供給する。改質ガスにはアンモニアが含まれているため、回収部５に回収された水には、アンモニアが含まれている。従って、回収部５で回収された水のことを「アンモニア水」と称する。

回収部５には、アンモニア水を脱硝装置４へ供給するアンモニア水供給ラインＬ１２が設けられている。アンモニア水供給ラインＬ１２は、回収部５の底部から延びており、ラインＬ７の合流点Ｐ５にて合流する。この合流点Ｐ５は、気化部５０として機能する。気化部５０は、回収部５に貯められたアンモニア水を気化させて、生成された気体を脱硝装置４へ供給する。気化部５０は、燃焼器１２からの高温の排ガスと、回収部５からのアンモニア水を混合させることによって、アンモニア水を気化させる。このとき、アンモニア水の水分は水蒸気となり、アンモニアはアンモニアガスとなる。これにより、排ガス、水蒸気、及びアンモニアガスが、ラインＬ７を介して脱硝装置４に供給される。アンモニアガスは、脱硝剤として脱硝装置４にて用いられる。

なお、気化部５０は、例えばノズルなどによってアンモニア水をラインＬ７の管内空間へ噴霧してもよい。この場合、アンモニア水が霧状となるため、高温の排ガスとの接触面積が広がり、気化しやすくなる。

アンモニア水供給ラインＬ１２には、回収部５からアンモニア水を気化部５０へ供給するポンプ３５が設けられている。ポンプ３５は、回収部５と気化部５０との位置関係によらず、アンモニア水を気化部５０へ圧送することができる。

燃料供給用圧縮機６は、燃料を圧縮して圧力を高めることで、ガスタービン１０の燃焼器１２及び改質器３へ燃料を供給する。燃料供給用圧縮機６は、ラインＬ１のうち、燃料供給部２の気化器２ｂと分岐点Ｐ１との間に設けられている。燃料供給用圧縮機６は、圧縮した燃料をラインＬ１を介して燃焼器１２へ供給する。燃料供給用圧縮機６は、燃料をラインＬ２を介して改質器３へ供給する。

空気供給用圧縮機７は、空気を圧縮して圧力を高めることで、改質器３へ空気を供給する。空気供給用圧縮機７は、ラインＬ２の改質器３よりも上流側の合流点Ｐ３にて合流するラインＬ６に設けられている。空気供給用圧縮機７は、ラインＬ６を介して空気を吸引すると共に合流点Ｐ３及びラインＬ２を介して改質器３へ空気を供給する。

コントローラ２０は、内燃機関システム１全体を制御する制御部である。コントローラ２０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及び入出力インターフェース等により構成されている。コントローラ２０は、燃料供給用圧縮機６、空気供給用圧縮機７、ポンプ３５、及び流量制御弁３１、３２、３３、３４に電気的に接続されており、これらに対して制御信号を送信する。

コントローラ２０は、ポンプ３５を制御することで、回収部５のアンモニア水を気化部５０へ供給するタイミング、及びアンモニア水の供給量を調整することができる。コントローラ２０がアンモニア水の供給を開始するタイミングは特に限定されない。例えば、コントローラ２０は、タービン１３からの排ガスの温度をセンサ等で検出し、アンモニア水を気化することができる程度の温度まで上昇したタイミングで、ポンプ３５を起動させてよい。または、コントローラ２０は、排ガスのＮＯｘの濃度を検出し、濃度が閾値を超えたタイミングでポンプ３５を起動させてよい。あるいは、コントローラ２０は、タービン１３の回転数が所定の閾値を超えたら、排ガスが高温になったと見なして、ポンプ３５を起動させてよい。コントローラ２０は、排ガスの温度が低下したり、排ガスのＮＯｘ濃度が所定の閾値まで低下したときに、ポンプ３５を停止してよい。また、コントローラ２０は、回収部５のアンモニア水の水位が所定の位置まで低下したら、ポンプ３５を低下させてよい。また、コントローラ２０は、アンモニア水の水位が高くなりすぎたら、流量制御弁３４を制御して、回収部５で回収するアンモニア水の量を調整してよい。

次に、内燃機関システム１の動作について詳細に説明する。

内燃機関システム１の起動が開始したら、コントローラ２０は、燃料供給用圧縮機６及び空気供給用圧縮機７の運転を開始する。コントローラ２０は、ガスタービン１０の燃焼器１２及び改質器３の両方にアンモニアガスが供給されるように、流量制御弁３１、３２を制御する。

これにより、改質器３での改質反応が開始される。また、燃焼器１２には、流量制御弁３２からのアンモニアガス、及び改質器３からの水素ガス及びアンモニアガスが供給される。従って、燃焼器１２での燃焼が開始されて、タービン１３の回転、及びタービン用圧縮機１１による空気の圧縮が開始される。また、ラインＬ２では、改質ガスに含まれる水分が液化することによって、ラインＬ１１を介して回収部５で回収される。これにより、回収部５のアンモニア水の水位が上昇する。

内燃機関システム１の起動から時間が経過すると、改質器３及び燃焼器１２での反応が進行してゆくため、各機器に対するアンモニアガス及び空気の流量が徐々に増えてゆく。燃焼器１２での反応が十分に進むと、タービン１３から排気される排ガスが高温となる。また、排ガスのＮＯｘの濃度も高くなる。コントローラ２０は、所定のタイミングでポンプ３５を起動する。これにより、ポンプ３５は、回収部５のアンモニア水を気化部５０へ供給する。これにより、気化部５０では、排ガスの熱でアンモニア水が気化することによって、水蒸気とアンモニアが排ガスに混合された状態で、脱硝装置４に供給される。

次に、本実施形態に係る内燃機関システム１の作用・効果について説明する。

本実施形態に係る内燃機関システム１は、改質器３からの改質ガスを燃焼器１２へ供給する供給流路（ラインＬ２）に対して設けられ、改質ガスに含まれる水分を回収する回収部５を備えている。この場合、改質ガスは、燃焼器１２へ供給される前に、回収部５にて水分を回収される。従って、燃焼器１２には、予め水分が除去された状態の改質ガスが供給される。これにより、燃焼器１２での着火性及び燃焼性の低下を抑制することができる。また、内燃機関システム１は、回収部５に貯められたアンモニア水を気化させて、生成された気体を脱硝装置４へ供給する気化部５０を備えている。この場合、気化部５０は、アンモニア及び水を気化させた状態にて脱硝装置４へ供給することにより、アンモニア水に含まれるアンモニアを排気処理に用いることができる。このように、改質ガスから回収したアンモニア水を有効に利用することができる。

例えば、回収部５で回収したアンモニア水を廃棄するとなると、産業廃棄物として廃棄しなくてはならないため、コストが増加する。これに対し、回収したアンモニア水を脱硝装置４で用いれば、アンモニアガスを脱硝剤として利用できる。この場合、アンモニア水を用いる分だけ、タンク２ａからラインＬ１０を介して供給するアンモニアの量を減少させることができる。また、アンモニア水を液体のまま脱硝装置４に供給すると装置の劣化の可能性があるが、気化部５０がアンモニア水を気化するため、当該劣化を抑制することができる。

内燃機関システム１において、気化部５０は、燃焼器１２からの排ガスと、回収部５からのアンモニア水を混合させることによって、アンモニア水を気化させる。この場合、燃焼器１２の排ガスの熱を有効に利用して、アンモニア水を気化させることができる。

内燃機関システム１において、排気処理部は、脱硝装置４によって構成されている。これにより、排気処理部として、燃焼器１２の排ガスに含まれるＮОｘを処理するための既設の装置を用いて、アンモニア水の処理を行うことができる。

内燃機関システム１は、回収部５からアンモニア水を気化部５０へ供給するポンプ３５を更に備える。この場合、回収部５の配置によらずに、ポンプ３５がアンモニア水を気化部５０へ供給することができる。また、アンモニア水を気化部５０へ供給するタイミングが制御し易くなる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

例えば、図２に示すような内燃機関システム１００を採用してもよい。内燃機関システム１００は、供給流路であるラインＬ２において、改質器３と回収部５との間に設けられ、改質ガスを冷却する冷却部４０を更に備える。

冷却部４０は、ラインＬ２において、改質器３と分岐点Ｐ４との間に設けられる。冷却部４０は、ラインＬ２を流れる改質ガスと、冷却水との間で熱交換を行う熱交換器によって構成されている。ただし、冷却部４０の構成は特に限定されず、冷却風をラインＬ２に吹き付けることで冷却するような構造でもよい。このように、冷却部４０が供給流路において改質ガスを冷却することで、水分が液化し易くなる。従って、回収部５が、改質ガス中の水分を回収し易くなる。

上述の実施形態では、内燃機関としてガスタービン１０が例示されていたが、例えば、エンジンなど、他の内燃機関が採用されてもよい。

上述の実施形態では、排気処理部の処理対象となる排気は、燃焼器１２からの排ガスだけであったが、必ずしも当該排ガスだけが対象でなくともよい。例えば、アンモニア水をヒーターで加熱するとともに、酸化触媒でアンモニアを燃焼させてもよく、この場合に発生する排気を排気処理部で処理してもよい。

上述の実施形態では、アンモニア水は、タービン１３の下流のラインＬ７に供給されていたが、アンモニア水は燃焼器１２より下流側であればよく、ラインＬ５に供給されてもよい。ただし、アンモニア水をタービン１３より上流に供給すると、タービン１３に供給されるガスの温度が下がって出力が低下してしまう。従って、アンモニア水はタービン１３より下流へ供給されることが好ましい。

上述の実施形態では、アンモニア水供給ラインＬ１２にポンプ３５が設けられていたが、当該ポンプ３５は省略されてもよい。例えば、回収部５を気化部５０よりも高い位置に配置しておいて、バルブの開閉によって重力でアンモニア水を気化部５０へ流し込んでもよい。また、ラインＬ１１に設けられた流量制御弁３４は省略されてもよい。

１，１００…内燃機関システム、３…改質器（改質部）、４…脱硝装置（排気処理部）、５…回収部、１０…ガスタービン（内燃機関）、３５…ポンプ、４０…冷却部、５０…気化部、Ｌ２，Ｌ１…供給流路。

Claims (5)

1. アンモニアを燃料として燃焼器で燃焼させる内燃機関と、
   排気を処理する排気処理部と、
   前記燃料を改質して水素ガスを含有する改質ガスを生成する改質部と、
   前記改質部からの前記改質ガスを前記燃焼器へ供給する供給流路に対して設けられ、前記改質ガスに含まれる水分を回収する回収部と、
   前記回収部に貯められたアンモニア水を気化させて、生成された気体を前記排気処理部へ供給する気化部と、を備える内燃機関システム。
2. 前記気化部は、前記燃焼器からの排ガスと、前記回収部からの前記アンモニア水を混合させることによって、前記アンモニア水を気化させる、請求項１に記載の内燃機関システム。
3. 前記排気処理部は、脱硝装置によって構成される、請求項１又は２に記載の内燃機関システム。
4. 前記供給流路において、前記改質部と前記回収部との間に設けられ、前記改質ガスを冷却する冷却部を更に備える、請求項１〜３の何れか一項に記載の内燃機関システム。
5. 前記回収部から前記アンモニア水を前記気化部へ供給するポンプを更に備える、請求項１〜４の何れか一項に記載の内燃機関システム。

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