JP5024460B2 - エンジン - Google Patents
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Description
本発明はエンジンに関する。
背景技術
ガスタービンエンジンやガソリンエンジンやディーゼルエンジン等のエンジンでは従来より燃料として主に天然ガスや化石燃料が用いられている(例えば特開平10−259736号公報参照)。しかしながらこれらの燃料を燃焼させると地球の温暖化を進行させるCO2が発生するという問題がある。また、これらの燃料はいずれは枯渇してしまうという問題もある。更にエンジンでは燃料を燃焼させればNOxが生成され、従ってエンジンを用いた場合には大気中へのNOxの排出を抑制することが必要となる。
発明の開示
本発明の目的は、燃料としてアンモニアを用いることによりCO2の発生しない燃焼を行わせ、しかもこのアンモニアによるNOxの還元作用により大気中に排出されるNOx量を大巾に低減することのできるエンジンを提供することにある。
本発明によれば、アンモニアを燃料とするエンジシであって、エンジンの排気通路内にアンモニアの存在下で排気ガス中に含まれるNOxを選択的に還元可能なNOx選択還元触媒を配置し、エンジンの燃焼室内にガス状アンモニアからなる燃料を供給するための燃料供給手段と、エンジンの吸気通路内に液状アンモニアを供給するためのアンモニア供給手段とを具備しており、アンモニア供給手段から吸気通路内に供給された液状アンモニアによって吸入空気を冷却すると共に、排気ガス中に含まれるNOxを排気通路内に排出される未燃のアンモニアによりNOx選択還元触媒において還元するようにしたエンジンが提供される。
【図面の簡単な説明】
図1は本発明による発電プラントの系統図、図2はガスタービンエンジンの一例を図解的に示す図、図3は発電プラントの別の実施例の系統図、図4は発電プラントの更に別の実施例の系統図、図5は発電プラントの更に別の実施例の系統図、図6は発電プラントの更に別の実施例の系統図、図7は発電プラントの更に別の実施例の系統図、図8は発電プラントの更に別の実施例およびその変形例の系統図、図9は発電プラントの更に別の実施例の系統図、図10は発電プラントの更に別の実施例およびその変形例の系統図、図11は発電プラントの更に別の実施例の系統図である。
【符号の説明】
【0005】
参照符号の一覧表
1…ガスタービンエンジン
2…燃焼器
3…タービン
4…コンプレッサ
5…発電機
6…減速機
7…ガス化装置
8,9,13,18…調量弁
10…NOx選択還元触媒
14…ガス状アンモニア生成装置
19…ガス圧上昇装置
発明を実施するための最良の形態
図1に本発明による発電プラントの系統図を示す。図1を参照すると、1はガスタービンエンジン、2はガスタービンエンジンの燃焼器、3はタービン、4はタービン3により駆動されるコンプレッサ、5は減速機6を介してガスタービンエンジン1により駆動される発電機、7は燃料のガス化装置、8および9は燃料の調量弁、10はタービン3の排気通路内、即ちガスタービンエンジン1の排気通路内に配置されたNOx選択還元触媒、11は電子制御装置を夫々示す。なお、図1に示される例ではNOx選択還元触媒10は排熱回収装置11内に配置されている。
NOx選択還元触媒10は例えばチタニアTiO2を担持したハニカム構造体からなり、このNOx選択還元触媒10はアンモニアの存在下で排気ガス中に含まれるNOxを選択的に還元可能である。一方、電子制御装置30には発電機5の出力を示す信号、発電機5の回転数を示す信号、コンプレッサ4の出口温度を示す信号、コンプレッサ4の入口温度を示す信号、コンプレッサ4の出口圧力を示す信号、タービン3の入口温度を示す信号、NOx選択還元触媒10を通過した排気ガス中のNOx濃度を示す信号、大気温を示す信号等、種々の入力信号が入力され、各調量弁8,9はこれら入力信号に基づいて電子制御装置30の出力信号により制御される。
図2に図1のガスタービンエンジン1の一例を図解的に示した一部断面側面図を示す。
図2を参照すると、ガスタービン1のケーシング50内には出力軸51が回転可能に支承されており、この出力軸51が減速機6を介して発電機5に連結されている。コンプレッサ4は、ケーシング50により支持されている複数の静翼52と出力軸51上に形成されている複数の動翼53とを有する多段コンプレッサからなり、吸入口54から吸入された吸入空気はコンプレッサ4により圧縮されて燃焼器2に送り込まれる。
燃焼器2は出力軸51周りに複数個配置されており、各燃焼器2は燃焼室55と、燃焼室55内に燃料を供給するための燃料供給装置56と、燃焼室55からタービン3に向けて延びる燃焼器尾筒57とにより構成される。コンプレッサ4から流出した一部の圧縮空気は図2において矢印Aで示されるように燃焼室55内に送り込まれ、燃料供給装置56から供給された燃料は燃焼室55内において燃焼せしめられる。燃焼室55内の燃焼ガスは燃焼器尾筒57内を通ってタービン3に送り込まれ、それによりタービン3に回転力が与えられる。
一方、タービン3の入口温度が過度に上昇しないようにコンプレッサ4から流出した一部の圧縮空気が図2において矢印Bで示されるように燃焼器尾筒57内に送り込まれる。燃焼室55ではほとんど100%に近い完全燃焼が行われているが、上述のように燃焼室尾筒57内には圧縮空気が供給されるのでタービン3に送り込まれる燃焼ガスは空気過剰となっている。タービン3は、ケーシング50により支持されている複数の静翼58と出力軸51上に形成されている複数の動翼59とを有する多段タービンからなり、タービン3から流出した燃焼ガスは排気ガスとなって排気口60から排出される。
さて、本発明では燃料としてアンモニアが用いられており、燃料供給装置56から燃焼室55内にガス状アンモニアが供給される。このガス状アンモニアは燃焼室55内で燃焼せしめられ、ガス状アンモニアの燃焼ガスによってタービン3に回転力が与えられる。アンモニアは燃焼するとN2とH2Oとなり、CO2は全く生成されない。従ってこのガスタービンエンジン1からはCO2が全く排出されないことになる。
このようにガス状アンモニアが燃焼せしめられるとCO2は生成されないがNOxは生成され、従ってガスタービンエンジン1から排出される排気ガス中にはNOxが含まれることになる。本発明ではこのNOxはガスタービンエンジン1の排気通路内に配置されたNOx選択還元触媒10(図1)において還元される。このとき、NOx選択還元触媒10においてNOxを還元するにはアンモニアが必要であり、以下このアンモニアの供給方法について説明する。
即ち、本発明による実施例ではガスタービンエンジン1の吸気通路内に液状アンモニアを供給するためのアンモニア供給装置が配置されており、このアンモニア供給装置から吸気通路内に液状アンモニアが供給される。図2に示される例ではこのアンモニア供給装置61は吸気ダクト62内に配置されており、このアンモニア供給装置61から吸入口54内に液状アンモニアが供給される。
アンモニアの沸点は−33.5℃であり、液状アンモニアが気化するときの気化潜熱はガソリンの4倍であって極めて大きい。従ってアンモニア供給装置61から吸入空気中に液状アンモニアが噴射されると液状アンモニアの気化潜熱により吸入空気が強力に冷却され、斯くしてタービン3の入口温度が大巾に低下せしめられることになる。
一方、タービン3の入口温度には耐久性の点から最大許容温度が存在し、この場合タービン3の入口温度をこの最大許容温度まで上昇させるとガスタービンエンジン1の出力は最大となる。ところで上述のように吸入空気が冷却されてタービン3の入口温度が低下せしめられると、このときにはタービン3の入口温度が最大許容温度となるまで燃料供給装置56からの供給燃料量を増大することが可能となる。燃料供給装置56からの供給燃料量を増大できるとタービン3の入口温度が最大許容温度になったときのガスタービンエンジン1の最大出力が増大し、従って吸入空気を冷却するとガスタービン1の最大出力を高めることができることになる。即ち、アンモニア供給装置61から吸入空気中に液状アンモニアを供給することによってガスタービンエンジン1の最大出力を高めることができることになる。
一方、アンモニア供給装置61から吸入空気中に液状アンモニアが供給されるとコンプレッサ4から流出する圧縮空気中にはアンモニアが含まれることになる。図2において矢印Aで示されるように燃焼室55内に送り込まれた圧縮空気中に含まれるアンモニアの一部は燃焼室55内において燃焼せしめられ、残りのアンモニアは燃焼せしめられることなく未燃のアンモニアの形でタービン3に送り込まれる。一方、図2において矢印Bで示されるように燃焼器尾筒57内に送り込まれた圧縮空気中に含まれるアンモニアも未燃のアンモニアの形でタービン3に送り込まれる。
タービン3に送り込まれた未燃のアンモニアはガスタービンエンジン1の排気通路内に排出され、次いでこの未燃のアンモニアはNOx選択還元触媒10内に送り込まれる。従って排気ガス中に含まれるNOxは排気通路内に排出された未燃のアンモニアによりNOx選択還元触媒10において還元せしめられることになる。なお、液状アンモニアをコンプレッサ4に流入する吸入空気中に流入するとこのアンモニアはコンプレッサ4内で吸入空気と十分に混合され、また未燃のアンモニアはタービン3内で十分に混合される。従ってNOx選択還元触媒10に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの濃度分布は均一となり、斯くしてNOx選択還元触媒10によるNOxの還元作用が向上せしめられる。
このようにこの実施例ではアンモニア供給装置61から供給された液状アンモニアは吸入空気を冷却する作用とNOx選択還元触媒10においてNOxを還元する作用との二つの作用を行っていることになる。また、コンプレッサ4に流入する吸入空気中に液状アンモニアを供給することによってNOx選択還元触媒10に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの濃度分布を均一化することができ、斯くしてNOx選択還元触媒10によるNOxの還元作用を向上せしめることができる。
一方、再び図1に戻ると、例えば図示しないアンモニア貯蔵タンク内に貯蔵されている液状アンモニアが一方ではガス化装置7および調量弁8を介して燃焼器2に供給され、他方では調量弁9を介してコンプレッサ4に流入する吸気中、即ち吸入空気中に供給される。一方、タービン3から排出された排気ガスはNOx選択還元触媒10に送り込まれる。ガス化装置7は例えば電気加熱により液状アンモニアをガス状アンモニアに変換するエバポレータと、ガス状アンモニアを燃焼器2における供給圧まで昇圧するためのガスコンプレッサとを具備しており、図1に示されるようにガス化装置7から送り出されたガス状アンモニアは調量弁8を介して燃焼器2に供給される。
他の燃料と同様にアンモニアもガス化した方が燃焼しやすく、従って本発明では液状アンモニアをガス化して燃焼器2において燃焼させるようにしている。なお、この場合、本発明では燃焼器2の燃焼室55内に供給されるガス状アンモニアを生成するために使用される液状アンモニアおよびガスタービンエンジン1の吸気通路内に供給される液状アンモニアとして同一の液状アンモニアが使用されており、斯くして発電システムを簡素化することができる。
図1において燃焼器2に供給される燃料量、即ちガス状アンモニア量は調量弁8によって発電出力が要求発電出力となるように制御される。一方、ガスタービンエンジン1の吸気通路内に供給される液状アンモニアの量は調量弁9によって、未燃アンモニアの量が排気ガス中に含まれるNOxを予め定められている設定値以上、例えば予め定められている還元率以上還元することのできる量となるように制御される。この場合、液状アンモニアの供給量は、ガスタービンエンジン1の運転状態に応じて予め実験により求められている最適な供給量に設定されるか、或いはNOx濃度センサにより検出されたNOx選択還元触媒10からのNOx濃度が予め定められた濃度範囲となるようにフィードバック制御される。
図3に発電プラントの別の実施例を示す。図3に示されるようにこの実施例ではNOx選択還元触媒10の上流にNOx選択還元触10へアンモニアを供給するためのアンモニア供給装置12が配置されており、液状アンモニアが調量弁13を介してこのアンモニア供給装置12からNOx選択還元触媒10に向けて噴射される。この実施例では排気ガス中に含まれるNOxはアンモニア供給装置12から供給された液状アンモニアによりNOx選択還元触媒10において還元される。
この実施例においても燃焼器2の燃焼室55内に供給されるガス状アンモニアを生成するために使用される液状アンモニアおよびアンモニア供給装置12から排気通路内に供給される液状アンモニアとして同一の液状アンモニアが使用されており、斯くして発電システムを簡素化することができる。
図4に発電プラントの更に別の実施例を示す。この実施例では液状アンモニアが一方では吸入空気中に供給され、他方ではアンモニア供給装置12からNOx選択還元触媒10に供給される。この実施例ではタービン3から流出する未燃のアンモニアの量が排気ガス中に含まれるNOxを予め定められている設定値以上、例えば予め定められている還元率以上還元するには不足しているときには不足分のアンモニアがアンモニア供給装置12からNOx選択還元触媒10に供給される。
図5に発電プラントの更に別の実施例を示す。この実施例ではガス化装置7から送り出されたガス状アンモニアが調量弁9を介して吸入空気中に供給され、このガス状アンモニアによって排気ガス中に含まれるNOxがNOx選択還元触媒10において還元される。この実施例では吸入空気に対する冷却作用は行われないが吸入空気中に供給されたガス状アンモニアはコンプレッサ4内およびタービン3内で十分に混合される。その結果、NOx選択還元触媒10に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの濃度分布は均一となり、斯くしてNOx選択還元触媒10によるNOxの還元作用が向上せしめられる。
図6に発電プラントの更に別の実施例を示す。この実施例ではガス化装置7から送り出されたガス状アンモニアが調量弁13を介してアンモニア供給装置12からNOx選択還元触媒10に供給され、このガス状アンモニアによって排気ガス中に含まれるNOxがNOx選択還元触媒10において還元される。NOxの還元作用はアンモニア供給装置12から供給されるアンモニアがガス状である場合の方が液状である場合に比べて良好となり、斯くしてこの実施例でもNOx選択還元触媒10によるNOxの還元作用が向上せしめられる。
図7に発電プラントの更に別の実施例を示す。この実施例ではガス化装置7から送り出されたガス状アンモニアが一方では調量弁9を介して吸入空気中に供給され、他方では調量弁13を介してアンモニア供給装置12からNOx選択還元触媒10に供給される。
図5から図7に示される実施例では燃焼器2の燃焼室55内に供給されるガス状アンモニアおよびガスタービンエンジン1の吸気通路又は排気通路に供給されるガス状アンモニアとして同一のガス状アンモニアが使用されており、斯くして発電プラントを簡素化することができる。なお、例えば図7に示される実施例において図4に示されるように液状アンモニアを吸入空気中に供給することもできる。
図8から図11はガス状アンモニアの生成および供給制御に関する種々の実施例を示している。なお、これら図8から図11には代表的な例として図4に示されるように液状燃料が吸気通路および排気通路に供給される場合が示されている。
図8(A)を参照するとこの実施例では、ガスタービンエンジン1の排気通路内に、排気ガス熱により液状アンモニアをガス状アンモニアに変換させるガス状アンモニア生成装置14が配置されており、生成されたガス状アンモニアはガスコンプレッサ15により昇圧された後に調量弁8を介して燃焼器2の燃焼室55内に供給される。図8(A)に示される実施例ではガス状アンモニア生成装置14はNOx選択還元触媒10下流の排気通路内に配置されている。このガス状アンモニア生成装置14は例えば排気ガス熱により液状アンモニアを気化させるエバポレータからなり、従ってこの実施例ではガス状アンモニア生成装置14が排熱回収装置を構成している。このようにこの実施例では排気ガス熱を有効に利用してガス状アンモニアが生成される。
また、図8(A)に示される実施例ではガス状アンモニア生成装置14により生成されたガス状アンモニアを貯留しておくためにガス状アンモニア貯留タンク16が設けられており、エンジン始動時にはガス状アンモニア貯留タンク16内に貯留されているガス状アンモニアがガスコンプレッサ15により昇圧されて燃焼器2の燃焼室55内に供給される。
即ち、ガス状アンモニア貯留タンク16内は例えばガスタービンエンジン1の運転中に開弁せしめられる開閉弁を介してガス状アンモニア生成装置14からガスコンプレッサ15に向かうガス状アンモニアの流通路に連結されており、従ってガスタービン1の運転中はガス状アンモニア生成装置14において生成されたガス状アンモニアがガス状アンモニア貯留タンク16内に貯留される。次いでガスタービンエンジン1の運転が停止されると開閉弁が閉弁せしめられるためにガス状アンモニアはガス状アンモニア貯留タンク16内に貯留され続ける。次いでガスタービンエンジン1の運転が再開されると開閉弁が再び開弁せしめられる。このときガス状アンモニア生成装置14ではまだガス状アンモニアの生成作用が開始されておらず、このときガス状アンモニア貯留タンク16内のガス状アンモニアがガスコンプレッサ15により昇圧されて燃焼器2の燃焼室55に供給される。
図8(B)に示す変形例では、より高温の排気ガス熱を利用するためにガス状アンモニア生成装置14がNOx選択還元触媒10の上流に配置されている。
図9に発電プラントの更に別の実施例を示す。この実施例ではガス状アンモニア生成装置14により生成されたガス状アンモニアが集合器17に送り込まれる。一方、液状アンモニアが調量弁18を介してタービン3の静翼58内又は動翼59内の少くとも一方に送り込まれ、静翼58又は動翼59を冷却することによって液状からガス状に変化したアンモニアが集合器17内に送り込まれる。集合器17内のガス状アンモニアはガスコンプレッサ15により昇圧されて燃焼器2の燃焼室55内に供給される。
この実施例ではタービン3の静翼58又は動翼59の熱を有効に利用してガス状アンモニアが生成される。また、この実施例では静翼58や動翼59が冷却されるので静翼58が動翼59の耐久性を向上できるばかりでなく、タービン3の入口温の最大許容温度を高めることができるのでガスタービンエンジン1の最大出力を高めることができる。
図10(A)に発電プラントの更に別の実施例を示す。この実施例ではガスタービンエンジン1の排気通路内に、排気ガス熱によりガス状アンモニアの圧力を上昇させるガス圧上昇装置19が配置されており、このガス圧上昇装置19により昇圧されたガス状アンモニアが調量弁8を介して燃焼器2の燃焼室55に供給される。図10に示される実施例ではガス圧上昇装置19下流の排気通路内にエバポレータ20が配置されており、液状アンモニアはエバポレータ20においてガス状アンモニアに変換せしめられる。次いでこのガス状アンモニアの圧力がガス圧上昇装置19において上昇せしめられる。この実施例ではガス圧上昇装置19とエバポレータ20のいずれもが排熱回収装置を構成している。
このようにこの実施例ではガス圧上昇装置19によってガス状アンモニアの圧力が上昇せしめられるので図8や図9に示されるようなガスコンプレッサ15を設ける必要がなくなる。また、ガス状アンモニアの圧力が上昇せしめられるのでガス状アンモニア貯留タンク16内には昇圧されたガス状アンモニアが貯留され、エンジン始動時にはガス状アンモニア貯留タンク16内に貯留されている昇圧されたガス状アンモニアが燃焼器2の燃焼室55内に供給される。
図10(B)に示す変形例では、より高温の排気ガス熱を利用するためにガス圧上昇装置19がNOx選択還元触媒10の上流に配置されている。
図11に発電プラントの更に別の実施例を示す。この実施例ではガス圧上昇装置19のガス状アンモニアの出口圧力が制御可能であり、この出口圧力を制御することによって燃焼器2の燃焼室55に供給されるガス状アンモニア量が制御される。従ってこの実施例では図8から図10に示されるような調量弁8を設ける必要がなくなる。なお、図11に示される弁21は緊急時に閉弁せしめられる緊急遮断弁であって通常は全開している。
ガス圧上昇装置19の出口圧力は種々の方法でもって制御することができる。例えばガス圧上昇装置19の出口からベーパライザ20内にガス状アンモニアを返戻させる返戻通路を設け、出口圧力が目標圧力よりも高くなったときにはガス圧上昇装置19の出口からベーパライザに返戻されるガス状アンモニアの返戻量を増大させ、出口圧力が目標圧力よりも低くなったときにはガス状アンモニアの返戻量を減少させることによって出口圧力を目標圧力に制御することができる。
なお、これまで本発明をガスタービンエンジンに適用した場合について説明してきたが、本発明はガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の往復動式エンジンにも適用することができる。
Claims (12)
- アンモニアを燃料とするエンジンであって、エンジンの排気通路内にアンモニアの存在下で排気ガス中に含まれるNOxを選択的に還元可能なNOx選択還元触媒を配置し、エンジンの燃焼室内にガス状アンモニアからなる燃料を供給するための燃料供給手段と、エンジンの吸気通路内に液状アンモニアを供給するためのアンモニア供給手段とを具備しており、該アンモニア供給手段から吸気通路内に供給された液状アンモニアによって吸入空気を冷却すると共に、排気ガス中に含まれるNOxを排気通路内に排出される未燃のアンモニアによりNOx選択還元触媒において還元するようにしたエンジン。
- 排気ガス中に含まれるNOxをNOx選択還元触媒において還元するために上記排気通路内に液状アンモニアが供給される請求項1に記載のエンジン。
- 上記燃焼室内に供給されるガス状アンモニアを生成するために使用される液状アンモニアおよび上記吸気通路内および排気通路内に供給される液状アンモニアとして同一の液状アンモニアが使用されている請求項2に記載のエンジン。
- 排気ガス中に含まれるNOxをNOx選択還元触媒において還元するために上記排気通路内にガス状アンモニアが供給される請求項1に記載のエンジン。
- 上記燃焼室内に供給されるガス状アンモニアおよび上記排気通路に供給されるガス状アンモニアとして同一のガス状アンモニアが使用されている請求項4に記載のエンジン。
- エンジンの排気通路内に、排気ガス熱により液状アンモニアをガス状アンモニアに変換させるガス状アンモニア生成装置が配置されており、生成されたガス状アンモニアが上記燃焼室内に供給される請求項1に記載のエンジン。
- 上記ガス状アンモニア生成装置により生成されたガス状アンモニアを貯留しておくためにガス状アンモニア貯留タンクを具備しており、エンジン始動時には該ガス状アンモニア貯留タンク内に貯留されているガス状アンモニアが上記燃焼室に供給される請求項6に記載のエンジン。
- エンジンの排気通路内に、排気ガス熱によりガス状アンモニアの圧力を上昇させるガス圧上昇装置が配置されており、昇圧されたガス状アンモニアが上記燃焼室内に供給される請求項1に記載のエンジン。
- 上記ガス圧上昇装置により昇圧されたガス状アンモニアを貯留しておくためのガス状アンモニア貯留タンクを具備しており、エンジン始動時には該ガス状アンモニア貯留タンク内に貯留されている昇圧されたガス状アンモニアが上記燃焼室内に供給される請求項8に記載のエンジン。
- 上記ガス圧上昇装置のガス状アンモニアの出口圧力を制御可能であり、該出口圧力を制御することによって上記燃焼室に供給されるガス状アンモニア量が制御される請求項8に記載のエンジン。
- エンジンがコンプレッサとタービンからなるガスタービンエンジンからなり、タービンの排気通路内にNOx選択還元触媒が配置され、ガスタービンエンジンの燃焼器の燃焼室内にガス状アンモニアからなる燃料が供給される請求項1に記載のエンジン。
- 上記タービンの静翼内又は動翼内の少くとも一方に液状アンモニアを送り込み、静翼又は動翼を冷却することによって液状からガス状に変化したアンモニアを上記燃焼室内に供給するようにした請求項11に記載のエンジン。
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