JP5062333B2 - エンジン - Google Patents

Description

本発明はエンジンに関する。

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ＣＯ_２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ＮＯ_Ｘ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ＮＯ_Ｘの排出を抑制することが必要となる。

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ＣＯ_２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ＮＯ_Ｘの還元作用により大気中に排出されるＮＯ_Ｘ量を大巾に低減しつつアンモニアの気化潜熱を利用した吸入空気の冷却作用により出力が向上せしめられ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ＮＯ_Ｘを選択的に還元可能なＮＯ_Ｘ選択還元触媒を配置し、エンジンの燃焼室内に液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ＮＯ_Ｘを排気通路内に排出される未燃のアンモニアによりＮＯ_Ｘ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１は本発明による発電プラントの系統図、図２は図１の一部の種々の変形例を示す図、図３はガスタービンエンジンの一例を図解的に示す図、図４は発電プラントの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である。

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
７，８，１３，１５，１６，１７…調量弁
９…ＮＯ_Ｘ選択還元触媒

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および８は燃料の調量弁、９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ＮＯ_Ｘ選択還元触媒、１０は電子制御装置を夫々示す。
ＮＯ_Ｘ選択還元触媒９は例えばチタニアＴｉＯ_２を担持したハニカム構造体からなり、このＮＯ_Ｘ選択還元触媒９はアンモニアの存在下で排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘを選択的に還元可能である。一方、電子制御装置１０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の入り口温度を示す信号、コンプレッサ４の出口圧力を示す信号、タービン３の入り口温度を示す信号、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒９を通過した排気ガス中のＮＯ_Ｘ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７，８はこれら入力信号に基づいて電子制御装置１０の出力信号により制御される。
図３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３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３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３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内に液状アンモニアが供給される。この液状アンモニアは燃焼室５５内で燃焼せしめられ、液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れる。アンモニアは燃焼するとＮ_２とＨ_２Ｏとなり、ＣＯ_２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ＣＯ_２が全く排出されないことになる。
このように液状アンモニアが燃焼せしめられるとＣＯ_２は生成されないがＮＯ_Ｘ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ＮＯ_Ｘが含まれることになる。本発明ではこのＮＯ_Ｘはガスタービンエンジン１の排気通路内に配置されたＮＯ_Ｘ選択還元触媒９（図１）において還元される。このとき、ＮＯ_Ｘ選択還元触媒９においてＮＯ_Ｘ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、本発明によれば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３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３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３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ＮＯ_Ｘ選択還元触媒９内に送り込まれる。従って排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘは排気通路内に排出された未燃のアンモニアによりＮＯ_Ｘ選択還元触媒９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ＮＯ_Ｘ選択還元触媒９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ＮＯ_Ｘ選択還元触媒９によるＮＯ_Ｘの還元作用が向上せしめられる。
このように本発明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ＮＯ_Ｘ選択還元触媒９においてＮＯ_Ｘ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ＮＯ_Ｘ選択還元触媒９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ＮＯ_Ｘ選択還元触媒９によるＮＯ_Ｘ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留タンク内に貯留されている液状アンモニアが一方では調量弁７を介して燃焼器２に供給され、他方では調量弁８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ＮＯ_Ｘ選択還元触媒９に送り込まれる。図１に示されるように本発明では燃焼器２に供給される燃料および吸入空気中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、即ち液状アンモニア量は調量弁７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８によって、未燃アンモニアの量が排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘ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ＮＯ_Ｘ濃度センサにより検出されたＮＯ_Ｘ選択還元触媒９からのＮＯ_Ｘ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２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は図１に示される発電プラントの種々の形態を示している。図２（Ａ）に示す例では排気ガス熱を回収するための熱交換器からなる排熱回収装置１１がＮＯ_Ｘ選択還元触媒９上流の排気通路内に配置されており、図２（Ｂ）に示す例ではこの排熱回収装置１１がＮＯ_Ｘ選択還元触媒９下流の排気通路内に配置されている。また、図２（Ｃ）に示される例ではＮＯ_Ｘ選択還元触媒９が排熱回収装置１１内に配置されている。なお、以下に示す実施例では代表的な例として図２（Ｃ）に示される排熱回収装置１１を用いた場合が示されている。
図４（Ａ）に発電プラントの別の実施例を示す。図４（Ａ）に示されるようにこの実施例では液状アンモニアが調量弁１３を介してコンプレッサ４の中段を流れる吸気通路内に供給される。即ち、この実施例ではコンプレッサ４に流入する吸入空気内に加え、例えばコンプレッサ４の中段に位置する静翼５２の表面上からコンプレッサ４の中段を流れる吸入空気内にも液状アンモニアが供給される。
図４（Ｂ）はコンプレッサ４内における吸入空気温の変化を示している。なお、図４（Ｂ）の実線はＱ_１で示されるようにコンプレッサ４に流入する吸入空気中に液状アンモニアを供給した場合を示しており、図４（Ｂ）の破線は同じ量の液状アンモニアをＱ_１で示されるようにコンプレッサ４に流入する吸入空気中と、Ｑ_２で示されるようにコンプレッサ４の中段を流れる吸入空気中とに二つに分けて供給した場合を示している。図４（Ｂ）からわかるようにコンプレッサ４内では吸入空気温はコンプレッサ出口に向けて増大するので破線で示されるように液状アンモニアを分割して供給した方が、一回の供給当りの吸入空気温の低下量は少くても実線で示される場合に比べてコンプレッサ出口における吸入空気温は低下する。
従って図４（Ａ）に示されるように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と、コンプレッサ４の中段を流れる吸入空気中に二つに分けて供給することによりコンプレッサ４から流出する吸入空気の温度を低下させることができ、斯くしてガスタービンエンジン１の最高出力を更に高めることができる。なお、コンプレッサ４から流出する吸入空気の温度は、液状アンモニアの供給箇所をコンプレッサ４の中段一ヶ所ではなく、更に増大することによって更に低下させることができる。
図５に発電プラントの更に別の実施例を示す。図５に示されるようにこの実施例では排熱回収装置１１内にＮＯ_Ｘ選択還元触媒９へアンモニアを供給するための補助供給装置１４が配置されており、液状アンモニアが調量弁１５を介してこの補助供給装置１４からＮＯ_Ｘ選択還元触媒９に向けて噴射される。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ＮＯ_Ｘ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補助供給装置１４からＮＯ_Ｘ選択還元触媒９に供給される。
図６に発電プラントの更に別の実施例を示す。この実施例では液状アンモニアが調量弁１６を介してタービン３の静翼５８（図３）に供給され、静翼５８の表面上に液体アンモニアが流出せしめられる。その結果、静翼５８が液状アンモニアの気化潜熱により冷却され、斯くして静翼５８の耐久性を向上できるばかりでなく、タービン３の入口温度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。また、静翼５８から流出した液状アンモニアはＮＯ_Ｘ選択還元触媒９においてＮＯ_Ｘの還元のために使用される。
図７に発電プラントの更に別の実施例を示す。この実施例では液状アンモニアが調量弁１７を介してタービン３の動翼５９（図３）に供給され、動翼５９の表面上に液体アンモニアが流出せしめられる。その結果、動翼５９が液状アンモニアの気化潜熱により冷却され、斯くして動翼５９の耐久性を向上できるばかりでなく、タービン３の入口温度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。また、動翼５９から流出した液状アンモニアはＮＯ_Ｘ選択還元触媒９においてＮＯ_Ｘの還元のために使用される。
なお、無論のことタービン３の静翼５８と動翼５８の双方から液状アンモニアを流出させることができる。即ち、液体アンモニアはタービンの静翼５８又は動翼５９の少くとも一方から流出せしめられる。
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 (7)

1. 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ＮＯ_Ｘを選択的に還元可能なＮＯ_Ｘ選択還元触媒を配置し、エンジンの燃焼室内に液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ＮＯ_Ｘを排気通路内に排出される未燃のアンモニアによりＮＯ_Ｘ選択還元触媒において還元するようにしたエンジン。
2. 上記未燃のアンモニアの量が排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘを予め定められている設定値以上還元することのできる量となるように吸気通路内に供給される液状アンモニアの量が制御される請求項１に記載のエンジン。
3. ＮＯ_Ｘ選択還元触媒にアンモニアを供給するための補助供給手段を具備しており、上記未燃のアンモニアの量が排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘを予め定められている設定値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を該補助供給手段からＮＯ_Ｘ選択還元触媒に供給するようにした請求項１に記載のエンジン。
4. 上記補助供給手段から供給されるアンモニアが液状アンモニアである請求項３に記載のエンジン。
5. 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ＮＯ_Ｘ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上記燃料供給手段から液状アンモニアからなる燃料が供給され、コンプレッサの吸気通路内に上記アンモニア供給手段から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。
6. 上記コンプレッサが多段コンプレッサからなり、多段コンプレッサに流入する吸入空気内に加え、コンプレッサ中段を流れる吸入空気内にも液状アンモニアが供給される請求項５に記載のエンジン。
7. 上記タービンの静翼又は動翼の少くとも一方から液状アンモニアを流出させるようにした請求項５に記載のエンジン。

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