JP5315491B1 - Next-generation carbon-free combustor, next-generation carbon-free engine and next-generation carbon-free power generation device using the same, and next-generation carbon-free combustor, next-generation carbon-free engine and next-generation carbon-free power generation device - Google Patents

Next-generation carbon-free combustor, next-generation carbon-free engine and next-generation carbon-free power generation device using the same, and next-generation carbon-free combustor, next-generation carbon-free engine and next-generation carbon-free power generation device Download PDF

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Abstract

【課題】次世代カーボンフリー燃焼器、次世代カーボンフリーエンジン及びこれを利用した次世代カーボンフリー発電装置並びに燃焼器に利用される尿素水を提供する。
【解決手段】水素リッチアンモニアと燃焼用空気とを燃焼させて高温燃焼ガスを生成する燃焼器13が設けられ、高温燃焼ガスを生成するカーボンフリー燃焼室38と、高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱されて尿素水からアンモニアをオンデマンドにて生成すると共にアンモニアの一部を水素と窒素に転化して水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成器70とアンモニアの残部と水素リッチガスとの混合ガスを水素リッチアンモニアとしてカーボンフリー燃焼室に供給する水素リッチアンモニア供給ライン25とを備え、次世代カーボンフリー発電装置10は発電機14を備え、尿素水を基に水素リッチアンモニアをオンデマンドで高効率に生成して地球温暖化防止に貢献する。
【選択図】図2
A next-generation carbon-free combustor, a next-generation carbon-free engine, a next-generation carbon-free power generation device using the same, and urea water used for the combustor are provided.
A combustor 13 for generating high-temperature combustion gas by burning hydrogen-rich ammonia and combustion air is provided, a carbon-free combustion chamber 38 for generating high-temperature combustion gas, and a thermal energy of the high-temperature combustion gas. A hydrogen-rich ammonia generator 70 that generates a hydrogen-rich gas by converting a part of the ammonia into hydrogen and nitrogen, and a hydrogen-rich gas And a hydrogen-rich ammonia supply line 25 for supplying the mixed gas as hydrogen-rich ammonia to the carbon-free combustion chamber. The next-generation carbon-free power generation apparatus 10 includes a generator 14 and supplies hydrogen-rich ammonia on demand based on urea water. To contribute to the prevention of global warming.
[Selection] Figure 2

Description

本発明はカ燃焼器、この燃焼器を利用したエンジン及びこれにより駆動される発電装置に関し、特に、地球環境に優しいカーボンフリー燃焼器、カーボンフリーエンジン及びカーボンフリー発電装置に関する。  The present invention relates to a mosquito combustor, an engine using the combustor, and a power generation device driven by the combustor, and more particularly to a carbon-free combustor, a carbon-free engine, and a carbon-free power generation device that are friendly to the global environment.

近年、化石燃料利用の拡大に伴う二酸化炭素(CO2)排出による地球温暖化が原因となって異常な海面上昇、異常気象による水害や山火事等の自然災害、生態系における甚大な被害が多発して地球規模で深刻となり、一刻も早い対策が急務となっている。その中で、酸素中で燃焼して窒素と水になり、温暖化ガスを排出しないアンモニアがカーボンフリー燃料として有望視され、アンモニア燃焼内燃機関やアンモニア燃焼ガスタービンが提案されている。  In recent years, due to global warming due to carbon dioxide (CO2) emissions due to the expansion of fossil fuel use, abnormal sea level rise, natural disasters such as floods and wildfires due to abnormal weather, and severe damage to ecosystems have occurred frequently. It is becoming urgent to take measures as soon as possible. Among them, ammonia that burns in oxygen to become nitrogen and water and does not emit greenhouse gases is considered promising as a carbon-free fuel, and ammonia burning internal combustion engines and ammonia burning gas turbines have been proposed.

特許文献1には、内燃機関の燃料タンクとしてアンモニアタンクを備え、アンモニアタンクから供給されたアンモニアを内燃機関の排ガスの熱エネルギーの存在下でアンモニア分解触媒で水素と窒素(部分的にはアンモニアが残留する)に分解し、さらに空気と混合して第1燃料とし、一方、スロットル弁の下流側に供給された第2燃料と混合して内燃機関で燃焼させるようにしたアンモニア燃焼内燃機関が提案されている。  In Patent Document 1, an ammonia tank is provided as a fuel tank for an internal combustion engine. Ammonia supplied from the ammonia tank is converted into hydrogen and nitrogen (partially ammonia by an ammonia decomposition catalyst in the presence of thermal energy of exhaust gas from the internal combustion engine). Proposed is an ammonia burning internal combustion engine that is mixed with air and used as the first fuel, and mixed with the second fuel supplied downstream of the throttle valve and burned in the internal combustion engine. Has been.

特許文献2には、内燃機関の補助燃料タンクとしてアンモニアタンクを備え、アンモニアタンクから供給されたアンモニアを内燃機関の排ガスの熱エネルギーの存在下でアンモニア分解触媒で水素と窒素に分解して補助燃料とし、一方、ガソリン等の炭化水素燃料と空気との混合比をリーン側に調整した主混合気と補助燃料とを混合して燃焼させることで燃費改善を図るようにした内燃機関が提案されている。  In Patent Document 2, an ammonia tank is provided as an auxiliary fuel tank for an internal combustion engine, and ammonia supplied from the ammonia tank is decomposed into hydrogen and nitrogen by an ammonia decomposition catalyst in the presence of thermal energy of exhaust gas from the internal combustion engine. On the other hand, there has been proposed an internal combustion engine in which fuel efficiency is improved by mixing and burning a main mixture and auxiliary fuel in which the mixing ratio of hydrocarbon fuel such as gasoline and air is adjusted to the lean side. Yes.

特許文献3には、エンジンの燃料タンクとしてアンモニアタンクを備え、アンモニアをエンジンの吸気管から燃焼室に供給し、一方、アンモニアの難燃性を改善することと目的として、燃焼室の排ガスの熱エネルギーの存在下でアンモニア分解反応器でアンモニアを水素と窒素とに分解し、分解して得た水素を副燃焼室に導入して難燃性のアンモニアの燃焼性を向上させるようにしたアンモニア燃焼エンジンが提案されている。  In Patent Document 3, an ammonia tank is provided as an engine fuel tank, and ammonia is supplied from the intake pipe of the engine to the combustion chamber. On the other hand, in order to improve the flame retardancy of ammonia, the heat of the exhaust gas in the combustion chamber is used. Ammonia combustion in which ammonia is decomposed into hydrogen and nitrogen in the ammonia decomposition reactor in the presence of energy, and hydrogen obtained by decomposition is introduced into the auxiliary combustion chamber to improve the combustibility of flame-retardant ammonia. An engine has been proposed.

特許文献4には、オンボードアンモニア供給装置を備えたアンモニア供給システムから供給されたアンモニアをゼロカーボン燃料として空気と混合し、エンジンシリンダーにて燃焼させるようにしたアンモニア燃焼内燃機関が提案されている。  Patent Document 4 proposes an ammonia burning internal combustion engine in which ammonia supplied from an ammonia supply system equipped with an on-board ammonia supply device is mixed with air as zero carbon fuel and burned in an engine cylinder. .

特許文献5及び6には、アンモニアとこのアンモニアの燃焼を促進するための助燃剤(ガソリン)とを燃料として使用し、これら燃料を吸気管に噴射して燃焼させるようにしたアンモニア燃焼内燃機関が提案されている。  Patent Documents 5 and 6 disclose an ammonia burning internal combustion engine in which ammonia and a combustion aid (gasoline) for promoting combustion of ammonia are used as fuels, and these fuels are injected into an intake pipe for combustion. Proposed.

特許文献7には、アンモニアタンクから供給されたアンモニアの一部を改質器で改質してアンモニア及び水素ガスを吸気管内に噴射してエンジンシリンダー内の混合気を点火して燃焼させるようにしたエンジンシステムが提案されている。  In Patent Document 7, a part of ammonia supplied from an ammonia tank is reformed by a reformer, ammonia and hydrogen gas are injected into an intake pipe, and an air-fuel mixture in an engine cylinder is ignited and burned. An engine system has been proposed.

特許文献8には、尿素水供給タンクから供給された尿素水を改質器でアンモニアを生成し、該アンモニアを基に水素を生成し、該アンモニアと水素との混合燃料を燃料用アンモニア供給管を介してエンジンの吸気管に供給し、エンジンシリンダー内では、インジェクタから噴射されたガソリンと共にアンモニア及び水素を燃焼させることで内燃機関の燃焼効率を向上させるようにしたエンジンシステムが提案されている。  In Patent Document 8, urea water supplied from a urea water supply tank is generated by a reformer, hydrogen is generated based on the ammonia, and a mixed fuel of the ammonia and hydrogen is used as a fuel ammonia supply pipe. An engine system is proposed in which combustion efficiency of an internal combustion engine is improved by burning ammonia and hydrogen together with gasoline injected from an injector in an engine cylinder.

特許文献9には、アンモニアタンクから供給されたアンモニアを燃料改質器で改質して水素を生成し、該アンモニアと水素とをセパレータで互いに分離してアンモニアをアンモニア蓄圧器に貯蔵し、分離された水素と窒素とを水素インジェクタを介して吸気管に噴射し、一方、アンモニアインジェクタを介してアンモニアを吸気管に噴射するようにしたエンジンシステムが提案されている。  In Patent Document 9, ammonia supplied from an ammonia tank is reformed by a fuel reformer to generate hydrogen, the ammonia and hydrogen are separated from each other by a separator, and the ammonia is stored in an ammonia pressure accumulator. There has been proposed an engine system in which hydrogen and nitrogen thus injected are injected into an intake pipe through a hydrogen injector, while ammonia is injected into an intake pipe through an ammonia injector.

特許文献10には、複数の温度範囲にて作動する複数のアンモニア転化部にアンモニアを供給して水素と窒素に分解し、アンモニアと窒素との混合ガスでエンジンを駆動するようにした水素発生装置とアンモニア燃焼エンジンが提案されている。  Patent Document 10 discloses a hydrogen generator in which ammonia is supplied to a plurality of ammonia conversion sections operating in a plurality of temperature ranges, decomposed into hydrogen and nitrogen, and the engine is driven by a mixed gas of ammonia and nitrogen. And ammonia burning engines have been proposed.

特許文献11には、液体アンモニアタンクから供給された液体アンモニアをアンモニアリサーバーに貯留してアンモニアインジェクターから吸気ポートに噴射し、一方、可燃物質を可燃物質インジェクターを介して燃焼室に噴射してこれら燃料と吸入空気との予混合気を燃焼させるようにしたアンモニア燃焼内燃機関が提案されている。  In Patent Document 11, liquid ammonia supplied from a liquid ammonia tank is stored in an ammonia reservoir and injected from an ammonia injector into an intake port, while a combustible substance is injected into a combustion chamber via a combustible substance injector. An ammonia burning internal combustion engine in which a premixed mixture of fuel and intake air is burned has been proposed.

特許文献12には、液体アンモニアタンクから供給された液体アンモニアを排ガスの熱エネルギーを利用した蒸発器でアンモニアに変換して、一旦、アンモニアタンクに貯留し、この貯留したアンモニアをアンモニアインジェクターから吸気ポートに噴射し、一方、非アンモニア燃料タンクから供給された非アンモニア燃料を非アンモニア燃料インジェクターを介して燃焼室に噴射してこれら燃料と吸入空気との混合気を燃焼させるようにしたアンモニア燃焼内燃機関が提案されている。  In Patent Document 12, liquid ammonia supplied from a liquid ammonia tank is converted into ammonia by an evaporator using the thermal energy of exhaust gas, and is temporarily stored in an ammonia tank, and the stored ammonia is taken from an ammonia injector to an intake port. On the other hand, the non-ammonia fuel supplied from the non-ammonia fuel tank is injected into the combustion chamber via the non-ammonia fuel injector to burn the air-fuel mixture of these fuel and intake air. Has been proposed.

特許文献13には、液体アンモニアタンクから供給された液体アンモニアを排ガスの熱エネルギーを利用した熱交換器を収納した反応容器でアンモニアに変換するとともにアンモニアの一部を水素と窒素に分解して、反応容器の第1ポートの水素と窒素との混合ガスを水素インジェクターから吸気ポートに噴射し、一方、反応容器の第2ポートのアンモニアをアンモニア燃料インジェクターを介して燃焼室に噴射してこれら燃料と吸入空気との混合気を燃焼させるようにしたアンモニア燃焼内燃機関が提案されている。  In Patent Document 13, liquid ammonia supplied from a liquid ammonia tank is converted into ammonia in a reaction vessel containing a heat exchanger using heat energy of exhaust gas, and part of the ammonia is decomposed into hydrogen and nitrogen. A mixed gas of hydrogen and nitrogen in the first port of the reaction vessel is injected from the hydrogen injector into the intake port, while ammonia in the second port of the reaction vessel is injected into the combustion chamber through the ammonia fuel injector and An ammonia burning internal combustion engine in which an air-fuel mixture with intake air is combusted has been proposed.

特許文献14には、液体アンモニアタンクから供給された液体アンモニアをアンモニア予熱器及びアンモニア加熱器で加熱した後、アンモニア分解装置で分解することで水素と窒素とに分解し、該水素を内燃機関に供給する一方、窒素を窒素駆動タービン経由して選択還元型触媒に供給するようにしたアンモニアを持続可能燃料および窒素酸化物浄化剤として利用するようにした方法及び装置が提案されている。  In Patent Document 14, liquid ammonia supplied from a liquid ammonia tank is heated by an ammonia preheater and an ammonia heater, and then decomposed by an ammonia decomposition device to be decomposed into hydrogen and nitrogen, and the hydrogen is supplied to an internal combustion engine. On the other hand, a method and an apparatus have been proposed in which ammonia is used as a sustainable fuel and a nitrogen oxide purifier, while supplying nitrogen to a selective catalytic reduction catalyst via a nitrogen-driven turbine.

特許文献15には、水素供給タンクから供給された水素と、アンモニア供給タンクから供給されたアンモニアとの混合ガスを燃料として作動させるようにした水素/アンモニア燃焼内燃機関が提案されている。  Patent Document 15 proposes a hydrogen / ammonia combustion internal combustion engine in which a mixed gas of hydrogen supplied from a hydrogen supply tank and ammonia supplied from an ammonia supply tank is operated as fuel.

特許文献16には、ガスタービンにパイロットノズルと予混合ノズルを配置したカーボンフリー燃焼器において、ガスタービンの始動時・始動直後には予混合ノズルに天然ガス等の化石燃料を供給し、ガスタービンの暖機運転時には予混合ノズルにアンモニアを供給するようにしたアンモニア燃焼ガスタービンが提案されている。  In Patent Document 16, in a carbon-free combustor in which a pilot nozzle and a premixing nozzle are arranged in a gas turbine, fossil fuel such as natural gas is supplied to the premixing nozzle at the start of the gas turbine and immediately after the start. An ammonia combustion gas turbine has been proposed in which ammonia is supplied to a premixing nozzle during warm-up operation.

米国特許第4480595号U.S. Pat. No. 4,480,595 米国特許第4750453号U.S. Pat. No. 4,750,453 特開平第05−332152号JP 05-332152 A 米国特許公開広報第2010/0019506号US Patent Publication No. 2010/0019506 特開平第2009−85168号JP 2009-85168 A 特開平第2009−85169号JP 2009-85169 A 特開平第2009−97422号JP 2009-97422 A 特開平第2009−97419号Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-97419 日本国特許第4853451号Japanese Patent No. 4854451 米国特許公開広報第2011/0008694号US Patent Publication No. 2011/0008694 米国特許公開広報第2011/0259290号US Patent Publication No. 2011/0259290 米国特許公開広報第2011/0264355号US Patent Publication No. 2011/0264355 米国特許公開広報第2010/0288249号US Patent Publication No. 2010/0288249 米国特許公開広報第2011/0011354号US Patent Publication No. 2011/0011354 米国特許第28025033号U.S. Pat. No. 2,802,053 特開平第2010−19195号JP 2010-19195 A

ところで、特許文献1及び2に開示されたアンモニア燃焼内燃機関では、補助燃料としてアンモニアを貯蔵したアンモニアタンクを利用している。アンモニアは有毒で、腐食性が強く、皮膚や粘膜及び眼に対する刺激性が高く、眼への接触により極めて重度の危険性がある。そのため、アンモニアタンクの容量をできるたけ小さくしてリスクをより少なくする必要がある。しかしながら、アンモニア燃焼内燃機関においてアンモニアのクリーンな排ガス清浄効果のメリットを享受するためには、アンモニアタンクの容量を根本的に小さくすることができなかった。  By the way, in the ammonia combustion internal combustion engine disclosed in Patent Documents 1 and 2, an ammonia tank storing ammonia as an auxiliary fuel is used. Ammonia is toxic, highly corrosive, highly irritating to the skin, mucous membranes and eyes, and is extremely dangerous due to contact with the eyes. Therefore, it is necessary to reduce the risk by reducing the capacity of the ammonia tank as much as possible. However, in order to enjoy the merit of the clean exhaust gas purification effect of ammonia in the ammonia burning internal combustion engine, the capacity of the ammonia tank cannot be reduced fundamentally.

特許文献3で開示されたアンモニア燃焼エンジンでは、エンジンの吸気管にアンモニアを主燃料として直接噴射する一方、アンモニアの難燃性を改善することを目的として、排気管の一部にアンモニア分解反応器を配置してその内部に熱交換パイプを設置し、エンジンの排気ガスの熱エネルギーを利用して熱交換パイプに充填されたアンモニア分解触媒を加熱してアンモニアガスを窒素と水素とに転化する構成を採用している。エンジンの吸気管に対して液体アンモニアは噴霧状に噴射されて吸入空気と混合される。アンモニアは気化熱が非常に大きいため、エンジンの吸気管に噴射された際に、吸入空気を冷却してしまい、十分な気化熱を受けないまま混合気となって燃焼室に流入する。したがって、アンモニアと吸入空気との均一な混合気が形成されないため、燃焼室内で不完全燃焼が生じやすい。このことはエンジンの始動時及び始動直後に顕著となり、アンモニアと吸入空気との混合気が不均一であると不完全燃焼が多く発生し、継続した燃焼が困難となって、有害な未燃焼成分が大気に放出される事態に発展するため、アンモニア燃焼エンジンの実用化が困難であった。  In the ammonia combustion engine disclosed in Patent Document 3, ammonia is directly injected into the intake pipe of the engine as a main fuel, while an ammonia decomposition reactor is provided in a part of the exhaust pipe for the purpose of improving the flame retardance of ammonia. The heat exchange pipe is installed in the inside, and the ammonia decomposition catalyst filled in the heat exchange pipe is heated using the thermal energy of the engine exhaust gas to convert the ammonia gas into nitrogen and hydrogen Is adopted. Liquid ammonia is sprayed into the intake pipe of the engine and mixed with intake air. Since ammonia has a very large heat of vaporization, when it is injected into the intake pipe of the engine, it cools the intake air and flows into the combustion chamber as a mixture without receiving sufficient heat of vaporization. Therefore, since a uniform mixture of ammonia and intake air is not formed, incomplete combustion tends to occur in the combustion chamber. This is noticeable at the start of the engine and immediately after the start. If the mixture of ammonia and intake air is not uniform, incomplete combustion often occurs, making continuous combustion difficult and harmful unburned components. It has been difficult to put an ammonia combustion engine into practical use.

特許文献4で開示された動力装置及びアンモニア燃焼内燃機関では、オンボード・アンモニア供給部が採用されていて、エネルギー密度の高いアンモニアを主燃料として燃焼させて動力出力を得るようにしている。この動力装置及びアンモニア燃焼内燃機関では、アンモニアのみが主燃料として採用されている。アンモニアは燃焼速度が遅く燃えにくい性質を有するため、エンジンが所定の負荷範囲、例えば、30〜100%の負荷範囲にあるときにのみ、アンモニアを燃料としてエンジンで燃焼させるようにしていた。そして、エンジン負荷が30%以下となった場合には、低負荷運転専用に、別途、設けたモータ及び発電機と蓄電装置からなる大容量の電気装置を作動させることで補助動力を得て車両の走行を維持させるようにしていた。しかしながら、市街地走行では、頻繁に低速走行運転が行われてエンジン負荷が30%以下となる頻度が高いため、電気装置の使用比率が高くなり、電力消費が増加し、その分、燃費が悪化していた。従って、アンモニア利用率が低下し、十分な環境対策を実行することができなかった。しかも、電気装置自体が必然的に高価で複雑な構造となり、動力装置が全体的に大型構造となって製造コストが上昇するため、広く普及させることが困難であった。  In the power unit and the ammonia combustion internal combustion engine disclosed in Patent Document 4, an on-board ammonia supply unit is employed, and ammonia having high energy density is burned as the main fuel to obtain a power output. In this power unit and ammonia combustion internal combustion engine, only ammonia is adopted as the main fuel. Since ammonia has a property that the combustion speed is low and it is difficult to burn, only when the engine is in a predetermined load range, for example, a load range of 30 to 100%, ammonia is burned in the engine as fuel. When the engine load becomes 30% or less, the vehicle is provided with auxiliary power by operating a large-capacity electric device composed of a separately provided motor, a generator and a power storage device exclusively for low load operation. I was trying to keep it running. However, when driving in urban areas, low-speed driving is frequently performed and the engine load is frequently reduced to 30% or less. Therefore, the usage ratio of the electric device is increased, the power consumption is increased, and the fuel consumption is deteriorated. It was. Therefore, the ammonia utilization rate decreased, and sufficient environmental measures could not be implemented. In addition, the electrical device itself inevitably has an expensive and complicated structure, and the power device has a large structure as a whole, resulting in an increase in manufacturing cost.

特許文献5〜7に開示されたアンモニア燃焼内燃機関では、特許文献1及び2に開示されたアンモニア燃焼内燃機関と同様な問題を抱えており、アンモニア燃焼内燃機関の耐久性の観点から実用化が困難であった。  The ammonia burning internal combustion engines disclosed in Patent Documents 5 to 7 have the same problems as the ammonia burning internal combustion engines disclosed in Patent Documents 1 and 2, and are practically used from the viewpoint of durability of the ammonia burning internal combustion engine. It was difficult.

特許文献8で開示されたエンジンシステムでは、アンモニア生成改質器において、エンジンの排ガスの熱エネルギーを利用して尿素水を分解してアンモニアを生成し、アンモニアの少なくとも一部を水素生成改質器で分解して水素を得てアンモニアと水素との混合ガスを吸気管に供給する構成を採用している。上述のように、ディーゼルトラック・バスや乗用車等の自動車が市街地で運行される際には、頻繁に低速走行が行われてエンジン出力が低い運転状態となる。そのため、市街地走行では、排気温度が連続して高温に維持されることが少なく、尿素水の分解に必要な熱エネルギーが不十分となり、尿素水からアンモニアを安定的に生成することが困難であった。そのことは特許文献3に開示された発明からも明白であり、アンモニア生成改質器の性能及び信頼性を実用化レベルにまで引き上げることは困難であった。このように、エンジンの排ガスの熱エネルギーのみを利用して尿素水からアンモニアを安定的に生成するためには解決しなければならない課題が多く、従って、エンジンシステムの実用化は極めて困難であった。  In the engine system disclosed in Patent Document 8, in an ammonia generation reformer, urea water is decomposed using thermal energy of engine exhaust gas to generate ammonia, and at least a part of the ammonia is generated as a hydrogen generation reformer. Is used to obtain hydrogen and supply a mixed gas of ammonia and hydrogen to the intake pipe. As described above, when automobiles such as diesel trucks, buses, and passenger cars are operated in urban areas, low-speed traveling is frequently performed and the engine output is low. Therefore, in urban driving, the exhaust temperature is rarely maintained at a high temperature continuously, the thermal energy required for the decomposition of urea water becomes insufficient, and it is difficult to stably generate ammonia from urea water. It was. This is obvious from the invention disclosed in Patent Document 3, and it has been difficult to raise the performance and reliability of the ammonia generation reformer to a practical level. As described above, there are many problems that must be solved in order to stably generate ammonia from urea water by using only the thermal energy of the exhaust gas of the engine, and therefore, practical application of the engine system has been extremely difficult. .

特許文献9〜14に開示されたアンモニア燃焼内燃機関では、特許文献1及び2に開示されたアンモニア燃焼内燃機関と同様な問題を抱えており、アンモニア燃焼内燃機関の耐久性という観点から実用化が困難であった。  The ammonia burning internal combustion engines disclosed in Patent Documents 9 to 14 have the same problems as the ammonia burning internal combustion engines disclosed in Patent Documents 1 and 2, and are practically used from the viewpoint of durability of the ammonia burning internal combustion engine. It was difficult.

特許文献15に開示されたアンモニア燃焼内燃機関では、アンモニアタンク及び水素タンクが採用されているが、これらは何れもタンク容量が必然的に大きくなり、取り扱いが困難であって危険性が高いものであった。このため、自動車等の車両にかような内燃機関を採用した場合には、車両の衝突時におけるタンクの安全対策が大きな課題となり、実用化が困難であった。  In the ammonia combustion internal combustion engine disclosed in Patent Document 15, an ammonia tank and a hydrogen tank are employed. However, both of these are inevitably large in tank capacity, difficult to handle, and high in danger. there were. For this reason, when such an internal combustion engine is employed in a vehicle such as an automobile, a safety measure for the tank in the event of a vehicle collision has become a major issue, making it difficult to put it to practical use.

特許文献16に開示されたガスタービンでは、カーボンフリー燃焼器の混合ノズルからアンモニアを燃焼室内に噴射するように構成されている。この構成では、カーボンフリー燃焼器から低温のアンモニアが噴射された際に、アンモニアの気化熱が大きいためにカーボンフリー燃焼器や供給空気が冷却されて十分な熱が混合気に与えられなくなり、アンモニアの気化が不十分となり、均一な混合気が生成されず、アンモニアを完全燃焼させることは困難であった。その対策として、ガスタービンの始動時及び始動直後にはアンモニアよりも燃焼性の高い燃料を供給していた。したがって、始動時及び始動直後にもアンモニアを完全燃焼させることが可能なガスタービンの実用化が困難であった。  The gas turbine disclosed in Patent Document 16 is configured to inject ammonia into a combustion chamber from a mixing nozzle of a carbon-free combustor. In this configuration, when low-temperature ammonia is injected from the carbon-free combustor, the heat of vaporization of ammonia is large, so the carbon-free combustor and the supply air are cooled and sufficient heat is not given to the mixture. As a result, vaporization of the gas became insufficient, a uniform air-fuel mixture was not generated, and it was difficult to completely burn ammonia. As a countermeasure, a fuel having higher combustibility than ammonia was supplied at the time of starting the gas turbine and immediately after the starting. Therefore, it has been difficult to put into practical use a gas turbine capable of completely burning ammonia at the time of starting and immediately after starting.

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、次世代カーボンフリー燃焼器、次世代カーボンフリーエンジン及びこれを利用した次世代カーボンフリー発電装置並びに次世代カーボンフリー燃焼器、次世代カーボンフリーエンジン及びこれを利用した次世代カーボンフリー発電装置に利用される尿素水を提供することを目的とする。  The present invention has been made in view of such conventional problems, and is a next-generation carbon-free combustor, a next-generation carbon-free engine, a next-generation carbon-free power generation apparatus using the same, a next-generation carbon-free combustor, and a next-generation carbon-free combustor. An object of the present invention is to provide a urea solution used for a carbon-free engine and a next-generation carbon-free power generation device using the same.

上記目的を達成するために、請求項1に記載された発明によれば、次世代カーボンフリー燃焼器が、水素リッチアンモニアの原料として尿素水を供給する尿素水供給源に接続された燃焼部ケーシングと、前記燃焼部ケーシングに形成されていて前記高温水素リッチアンモニアと前記燃焼用空気とを燃焼させて前記高温燃焼ガスを生成する燃焼室と、前記高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として前記尿素水から高温アンモニアガスをオンデマンドにて生成すると共に前記高温アンモニアガスの一部を水素と窒素に転化して高温水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成器と、前記高温アンモニアガスの残部と前記高温水素リッチガスとの混合ガスを前記高温水素リッチアンモニアとして前記燃焼室に供給する水素リッチアンモニア供給ラインとを備え、前記水素リッチアンモニア生成器が、前記燃焼室に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される伝熱部材と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記尿素水を加水分解して前記高温アンモニアガスを生成する加水分解部と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記高温アンモニアガスの一部を前記高温水素リッチガスに転化するアンモニア分解部とを備えることを要旨とする。In order to achieve the above object, according to the invention described in claim 1, a combustion section casing in which a next-generation carbon-free combustor is connected to a urea water supply source for supplying urea water as a raw material for hydrogen-rich ammonia. A combustion chamber that is formed in the combustion section casing and that generates the high-temperature combustion gas by burning the high-temperature hydrogen-rich ammonia and the combustion air; and using a part of the thermal energy of the high-temperature combustion gas as a heat source A hydrogen-rich ammonia generator that generates high-temperature ammonia gas from the urea water on demand and converts a part of the high-temperature ammonia gas into hydrogen and nitrogen to generate a high-temperature hydrogen-rich gas; and the remainder of the high-temperature ammonia gas; A hydrogen rich ann that supplies a gas mixture with the high temperature hydrogen rich gas as the high temperature hydrogen rich ammonia to the combustion chamber And a near-supply line, the hydrogen-rich ammonia generator, the heat transfer member heated part of the heat energy of the combustion gases are located in the combustion chamber as a heat source, it is disposed in the heat transfer member A hydrolyzing unit that hydrolyzes the urea water in the presence of thermal energy of the combustion gas to generate the high-temperature ammonia gas, and is disposed in the heat transfer member and in the presence of thermal energy of the combustion gas. in the gist Rukoto a ammonia decomposition unit for converting a portion of the hot ammonia gas into the hot hydrogen-rich gas.

請求項に記載された発明によれば、請求項記載の構成に加えて、前記加水分解部が、前記伝熱部材に収納されていて複数の乱流発生通路を形成し、前記前記加水分解部における前記尿素水の滞留時間を延長する複数の固形状伝熱体を備えることを要旨とする。According to the invention described in claim 2 , in addition to the configuration of claim 1 , the hydrolysis unit is housed in the heat transfer member to form a plurality of turbulent flow generation passages, and the hydrolysis The gist is to provide a plurality of solid heat transfer bodies that extend the residence time of the urea water in the decomposition section.

請求項に記載された発明によれば、次世代カーボンフリーエンジンが、高温水素リッチアンモニアと燃焼用空気とを燃焼させて高温燃焼ガスを生成するカーボンフリー燃焼器と、前記水素リッチアンモニアの原料として尿素水を供給する尿素水供給源を備えた燃料供給システムと、前記高温燃焼ガスにより作動して出力軸から動力を得る熱機関とを備え、前記カーボンフリー燃焼器が、燃焼部ケーシングと、前記燃焼部ケーシングに形成されていて前記高温水素リッチアンモニアと前記燃焼用空気とを燃焼させて前記高温燃焼ガスを生成する燃焼室と、前記高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として前記尿素水から高温アンモニアガスをオンデマンドにて生成すると共に前記高温アンモニアガスの一部を水素と窒素に転化して高温水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成器と、前記高温アンモニアガスの残部と前記高温水素リッチガスとの混合ガスを前記高温水素リッチアンモニアとして前記燃焼室に供給する水素リッチアンモニア供給ラインとを備え、前 記水素リッチアンモニア生成器が、前記燃焼室に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される伝熱部材と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記尿素水を加水分解して前記高温アンモニアガスを生成する加水分解部と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記高温アンモニアガスの一部を前記高温水素リッチガスに転化するアンモニア分解部とを備えることを要旨とする。According to the invention described in claim 3 , a carbon-free combustor in which a next-generation carbon-free engine burns high-temperature hydrogen-rich ammonia and combustion air to generate high-temperature combustion gas, and the raw material for the hydrogen-rich ammonia As a fuel supply system provided with a urea water supply source for supplying urea water, and a heat engine that operates with the high-temperature combustion gas and obtains power from an output shaft, and the carbon-free combustor includes a combustion section casing, A combustion chamber formed in the combustion section casing for combusting the high-temperature hydrogen-rich ammonia and the combustion air to generate the high-temperature combustion gas; and a part of thermal energy of the high-temperature combustion gas as a heat source High-temperature ammonia gas is generated on demand from water, and part of the high-temperature ammonia gas is converted to hydrogen and nitrogen to produce high-temperature water. Comprising a hydrogen-rich ammonia generator for generating a rich gas, and the hot ammonia gas balance and the hot hydrogen-rich gas and a hydrogen-rich ammonia supply line for supplying the mixed gas into the combustion chamber as the hot hydrogen-rich ammonia in the previous SL A hydrogen-rich ammonia generator is disposed in the combustion chamber and is heated using a part of the heat energy of the combustion gas as a heat source, and is disposed in the heat transfer member and is heat energy of the combustion gas. A hydrolyzing unit that hydrolyzes the urea water in the presence of gas to generate the high-temperature ammonia gas; and a part of the high-temperature ammonia gas that is disposed in the heat transfer member and in the presence of thermal energy of the combustion gas the the gist Rukoto a ammonia decomposition unit for converting the high-temperature hydrogen-rich gas.

請求項に記載された発明によれば、請求項記載の構成に加えて、前記水素リッチアンモニア生成器に接続されたパージガス供給手段と、前記次世代カーボンフリーエンジンの停止時に前記パージガス供給手段からパージガスを前記水素リッチアンモニア生成器に供給して残留ガスを排出させる開閉弁とをさらに備えることを要旨とする。According to the invention described in claim 4 , in addition to the configuration of claim 3 , the purge gas supply means connected to the hydrogen-rich ammonia generator, and the purge gas supply means when the next-generation carbon-free engine is stopped And an on-off valve for supplying the purge gas to the hydrogen-rich ammonia generator and discharging the residual gas.

請求項に記載された発明によれば、請求項又は記載の構成に加えて、前記燃料供給システムが、前記水素リッチアンモニアの一部を一時的に貯蔵する補助燃料貯蔵タンクと、前記補助燃料貯蔵タンクの水素リッチアンモニアを前記燃焼室に供給するための開閉弁とを備えることを要旨とする。According to the invention described in claim 5 , in addition to the configuration of claim 3 or 4 , the fuel supply system includes an auxiliary fuel storage tank that temporarily stores a part of the hydrogen-rich ammonia; The gist of the present invention is to provide an on-off valve for supplying hydrogen-rich ammonia in the auxiliary fuel storage tank to the combustion chamber.

請求項に記載された発明によれば、請求項3〜5のいずれかの構成に加えて、前記燃料供給システムが、前記尿素水供給タンクとは独立して設けられた炭素質燃料タンクと、前記炭素質燃料タンクの炭素質燃料を前記燃焼室に供給する流量制御弁とを備えることを要旨とする。According to the invention described in claim 6 , in addition to the configuration of any one of claims 3 to 5 , the fuel supply system includes a carbonaceous fuel tank provided independently of the urea water supply tank; And a flow rate control valve for supplying carbonaceous fuel in the carbonaceous fuel tank to the combustion chamber.

請求項に記載された発明によれば、請求項3〜5のいずれかの構成に加えて、前記熱機関が、空気を圧縮して前記燃焼用空気を生成する圧縮器と、前記圧縮器に連結された出力軸と、前記出力軸に連結されていて、前記カーボンフリー燃焼器からの前記高温燃焼ガスにより作動するタービンとを備えることを要旨とする。According to the invention described in claim 7 , in addition to the structure of any one of claims 3 to 5 , the heat engine compresses air to generate the combustion air, and the compressor And an output shaft connected to the output shaft, and a turbine connected to the output shaft and operated by the high-temperature combustion gas from the carbon-free combustor.

請求項に記載された発明によれば、次世代カーボンフリー発電装置が、高温水素リッチアンモニアと燃焼用空気とを燃焼させて高温燃焼ガスを生成するカーボンフリー燃焼器と、前記水素リッチアンモニアの原料として尿素水を供給する尿素水供給源を備えた燃料供給システムと、前記高温燃焼ガスにより作動して出力軸から動力を得る熱機関と、前記熱機関の動力により発電する発電機と、を備え、前記カーボンフリー燃焼器が、前記熱機関に支持された燃焼部ケーシングと、前記燃焼部ケーシングに形成されていて前記高温水素リッチアンモニアと前記燃焼用空気とを燃焼させて前記高温燃焼ガスを生成する燃焼室と、前記高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として前記尿素水から高温アンモニアガスをオンデマンドにて生成すると共に前記高温アンモニアガスの一部を水素と窒素に転化して高温水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成器と、前記高温アンモニアガスの残部と前記高温水素リッチガスとの混合ガスを前記高温水素リッチアンモニアとして前記燃焼室に供給する水素リッチアンモニア供給ラインとを備え、前記水素リッチアンモニア生成器が、前記燃焼室に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される伝熱部材と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記尿素水を加水分解して前記高温アンモニアガスを生成する加水分解部と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記高温アンモニアガスの一部を前記高温水素リッチガスに転化するアンモニア分解部とを備えることを要旨とする。According to the invention described in claim 8 , the next-generation carbon-free power generation apparatus includes a carbon-free combustor that generates high-temperature combustion gas by burning high-temperature hydrogen-rich ammonia and combustion air, and the hydrogen-rich ammonia. A fuel supply system including a urea water supply source for supplying urea water as a raw material, a heat engine that operates by the high-temperature combustion gas and obtains power from an output shaft, and a generator that generates power by the power of the heat engine, And the carbon-free combustor is formed in the combustion part casing supported by the heat engine, and the high temperature hydrogen rich ammonia and the combustion air are formed in the combustion part casing to burn the high temperature combustion gas. A high temperature ammonia gas is generated on demand from the urea water using a combustion chamber to be generated and a part of the thermal energy of the high temperature combustion gas as a heat source. A hydrogen-rich ammonia generator that converts a part of the high-temperature ammonia gas into hydrogen and nitrogen to generate a high-temperature hydrogen-rich gas, and a mixed gas of the remainder of the high-temperature ammonia gas and the high-temperature hydrogen-rich gas is converted into the high-temperature hydrogen-rich ammonia. And a hydrogen-rich ammonia supply line that supplies the combustion chamber as a heat transfer member that is disposed in the combustion chamber and is heated by using a part of the thermal energy of the combustion gas as a heat source. And a hydrolyzing section that is disposed on the heat transfer member and hydrolyzes the urea water in the presence of thermal energy of the combustion gas to generate the high-temperature ammonia gas, and is disposed on the heat transfer member. An anion that converts a portion of the hot ammonia gas into the hot hydrogen-rich gas in the presence of thermal energy of the combustion gas. And a near-decomposing unit and gist of Rukoto.

請求項に記載された発明によれば、前記請求項1及び2記載の次世代カーボンフリー燃焼器、請求項3〜7のいずれかに記載の次世代カーボンフリーエンジン及び請求項10記載の次世代カーボンフリー発電装置に利用される尿素水であって、前記尿素水が、アルカリ金属の水酸化物,炭酸塩及び珪酸塩からなる群から選ばれる1種以上を主成分とするアルカリ触媒溶液と、尿素と、水からなることを要旨とする。According to the invention described in claim 9 , the next-generation carbon-free combustor according to claims 1 and 2 , the next-generation carbon-free engine according to any one of claims 3 to 7, and the following according to claim 10. Urea water used in a generation carbon-free power generation device, wherein the urea water is an alkali catalyst solution mainly composed of one or more selected from the group consisting of hydroxides, carbonates and silicates of alkali metals; It consists of urea and water.

請求項1記載の発明では、次世代カーボンフリー燃焼器が水素リッチアンモニア生成部を備えていて、燃焼室で発生した高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部を利用して、極めて安全で取り扱いの容易な尿素水から高温アンモニアガスを生成し、さらに、高温燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で高温アンモニアガスから高温水素リッチガスに転化することを可能にしている。このため、尿素水のアンモニアへの転換効率が高く、アンモニアの転換効率も高い。従って、高温水素リッチアンモニアの必要量を、常時、オンデマンドにて生成することが可能となる。即ち、カーボンフリー燃焼器の運転中に、カーボンフリー燃焼器の内部で尿素水から高温アンモニアガスを生成すると共に高温アンモニアガスの一部を高温水素リッチガスに転化してこれらの混合ガスを高温水素リッチアンモニアとしてカーボンフリー燃焼器内部に還流して燃焼させている。高温水素リッチアンモニアと燃焼用空気とは均一混合気を生成して完全燃焼を促進するため、未燃アンモニアがカーボンフリー燃焼器外部に漏洩することはなく、極めて安全性と信頼性が高い。その結果、温暖化ガスの排出源である化石燃料への依存度を大幅に削減して、地球温暖化防止に多大の貢献が可能となる。さらに、前記水素リッチアンモニア生成器が、前記燃焼室に配置されていて前記高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される伝熱部材を備え、前記伝熱部材に加水分解部とアンモニア分解部とが配置されている。この構成によれば、高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部を利用して尿素水から高効率でアンモニアを得るとともに水素リッチガスを得て、水素リッチアンモニアを効率的に生成することができる。従って、化石燃料への依存度を著しく低下させ、地球温暖化対策に多いに貢献可能となる。 In the first aspect of the invention, the next generation carbon-free combustor has a hydrogen-rich ammonia generator, and uses a part of the thermal energy of the high-temperature combustion gas generated in the combustion chamber to be extremely safe and easy to handle. This makes it possible to generate high-temperature ammonia gas from fresh urea water and to convert from high-temperature ammonia gas to high-temperature hydrogen-rich gas in the presence of thermal energy of high-temperature combustion gas. For this reason, the conversion efficiency of urea water to ammonia is high, and the conversion efficiency of ammonia is also high. Therefore, the required amount of high-temperature hydrogen-rich ammonia can be always generated on demand. That is, during operation of the carbon-free combustor, high-temperature ammonia gas is generated from urea water inside the carbon-free combustor, and part of the high-temperature ammonia gas is converted into high-temperature hydrogen-rich gas, and these mixed gases are converted to high-temperature hydrogen-rich gas. Ammonia is recirculated into the carbon-free combustor and burned. High-temperature hydrogen-rich ammonia and combustion air generate a uniform mixture and promote complete combustion, so that unburned ammonia does not leak outside the carbon-free combustor and is extremely safe and reliable. As a result, the degree of dependence on fossil fuel, which is a source of greenhouse gas emissions, can be greatly reduced, thereby making a great contribution to the prevention of global warming. The hydrogen-rich ammonia generator further includes a heat transfer member that is disposed in the combustion chamber and is heated by using a part of heat energy of the high-temperature combustion gas as a heat source, and the hydrolysis unit and ammonia are provided in the heat transfer member. A disassembling part is arranged. According to this configuration, it is possible to efficiently generate hydrogen-rich ammonia by obtaining ammonia with high efficiency from urea water using a part of the thermal energy of the high-temperature combustion gas, and efficiently producing hydrogen-rich ammonia. Therefore, the dependence on fossil fuel can be remarkably reduced, and it can contribute to many measures against global warming.

請求項記載の構成では、前記加水分解部が、前記伝熱部材に収納された複数の固形状伝熱体を備えているため、前記加水分解部に噴霧状に噴射された尿素水はガス状となって複数の固形状伝熱体に形成された複数の乱流発生通路を通過する。このため、ガス状尿素水の加水分解部における滞留時間が長くなって、効率的な加水分解が行われ、アンモニア転換効率が向上する。In the structure of Claim 2 , since the said hydrolysis part is equipped with the some solid heat exchanger accommodated in the said heat-transfer member, the urea water injected by spraying to the said hydrolysis part is gas And passes through a plurality of turbulent flow passages formed in a plurality of solid heat transfer bodies. For this reason, the residence time in the hydrolysis part of gaseous urea water becomes long, efficient hydrolysis is performed, and ammonia conversion efficiency improves.

請求項記載の構成では、次世代カーボンフリーエンジンが、カーボンフリー燃焼器を備える。カーボンフリー燃焼器が、燃焼室で発生した高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部を利用して、直接、尿素水からアンモニアを高効率で生成し、その一部から水素リッチガスを生成して水素リッチアンモニアを生成し、これを燃焼室に還流する構成となっている。従って、エンジンの軽負荷運転領域から高負荷運転領域を含む全運転領域において、水素リッチアンモニアで熱機関を作動させることが可能となる。次世代カーボンフリーエンジンは極めて簡単な構造で低コスト生産が可能であり、広く普及させることができる。したがって、温暖化ガスの排出源である化石燃料への依存度を大幅に低下させることができ、地球温暖化防止に多大の貢献が可能となる。さらに、前記水素リッチアンモニア生成器が、前記燃焼室に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される伝熱部材を備え、前記伝熱部材に加水分解部とアンモニア分解部とが配置されているため、前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記尿素水を容易に効率よく加水分解してアンモニアを得るとともに水素リッチガスの生成を可能とする。このように、従来必要とされた複雑な構造の改質器等を不要にして、燃焼室で生じた高温燃焼ガスの一部を利用して直接、尿素水からアンモニアと水素リッチガスとを生成してこれを水素リッチアンモニアとして燃焼室に供給する。したがって、少ない部品点数の構成部材により最大の効果を低コストで達成することが可能となる。 In the structure of Claim 3 , a next generation carbon free engine is provided with a carbon free combustor. A carbon-free combustor uses a part of the thermal energy of the high-temperature combustion gas generated in the combustion chamber to produce ammonia directly from urea water with high efficiency, and then produces a hydrogen-rich gas from that part to produce a hydrogen-rich gas. Ammonia is produced, and this is recirculated to the combustion chamber. Therefore, the heat engine can be operated with hydrogen-rich ammonia in the entire operation region including the light load operation region to the high load operation region of the engine. Next-generation carbon-free engines can be produced at a low cost with a very simple structure and can be widely used. Therefore, the dependence on fossil fuel, which is a greenhouse gas emission source, can be greatly reduced, and a great contribution can be made to the prevention of global warming. The hydrogen-rich ammonia generator further includes a heat transfer member that is disposed in the combustion chamber and is heated by using a part of the heat energy of the combustion gas as a heat source. Therefore, the urea water can be easily and efficiently hydrolyzed in the presence of the thermal energy of the combustion gas to obtain ammonia and to generate a hydrogen rich gas. In this way, ammonia and hydrogen-rich gas are generated directly from urea water using a part of the high-temperature combustion gas generated in the combustion chamber, eliminating the need for a reformer having a complicated structure that has been required in the past. This is supplied to the combustion chamber as hydrogen-rich ammonia. Therefore, it is possible to achieve the maximum effect at a low cost by the constituent members having a small number of parts.

請求項記載の構成では、次世代カーボンフリーエンジンの停止時にパージガス供給手段からパージガスを水素リッチアンモニア生成器に供給しているため、水素リッチアンモニア生成器には尿素の水蒸気、アンモニア及び水素等の残留ガスが残らない。特に、尿素の水蒸気は外部からの熱エネルギーが絶たれると凝縮して水素リッチアンモニア生成器の内部において結晶化し目詰まりの原因となり、次回のエンジン始動時にトラブルとなるため、これをパージガスの導入によって未然に防止している。In the configuration of claim 4, since the purge gas is supplied from the purge gas supply means to the hydrogen-rich ammonia generator when the next-generation carbon-free engine is stopped, the hydrogen-rich ammonia generator includes water vapor of urea, ammonia, hydrogen, etc. No residual gas remains. In particular, urea water vapor condenses when the heat energy from the outside is cut off and crystallizes inside the hydrogen-rich ammonia generator, causing clogging and causing trouble at the next engine start. Prevents it in advance.

請求項記載の構成では、補助燃料貯蔵タンクに一時的に水素リッチアンモニアを貯蔵し、エンジン始動時やエンジンの高負荷運転時に前記カーボンフリー燃焼器に水素リッチアンモニアを供給することが可能となる。この構成によれば、化石燃料への依存度を100%無くすことができ、地球温暖化防止に多大の貢献が可能となる。また、エンジンの高負荷運転時に水素リッチアンモニアの供給量を増大することが可能となるため、エンジンの小型高性能化も可能となる。In the configuration of claim 5 , hydrogen-rich ammonia is temporarily stored in the auxiliary fuel storage tank, and the hydrogen-rich ammonia can be supplied to the carbon-free combustor when the engine is started or during high-load operation of the engine. . According to this configuration, the degree of dependence on fossil fuel can be eliminated by 100%, and a great contribution can be made to prevention of global warming. In addition, since the supply amount of hydrogen-rich ammonia can be increased during high-load operation of the engine, it is possible to reduce the size and performance of the engine.

請求項記載の構成では、前記燃料供給システムにおいて、前記炭素質燃料タンクから炭素質燃料を前記燃焼室に供給することができるため、水素リッチアンモニアと炭素質燃料との併用が可能となり、利便性が向上する。In the configuration of claim 6 , in the fuel supply system, since carbonaceous fuel can be supplied from the carbonaceous fuel tank to the combustion chamber, it is possible to use hydrogen-rich ammonia and carbonaceous fuel in combination. Improves.

請求項記載の構成では、前記熱機関が、空気を圧縮して前記燃焼用空気を生成する圧縮器と、前記圧縮器に連結された出力軸と、前記出力軸に連結されていて、前記カーボンフリー燃焼器からの前記高温燃焼ガスにより作動するタービンとを備えているため、化石燃料への依存度を大幅に抑制した次世代カーボンフリーガスタービンが実現可能となる。In the configuration of claim 7 , the heat engine compresses air to generate the combustion air, an output shaft connected to the compressor, and connected to the output shaft, Since the turbine operated by the high-temperature combustion gas from the carbon-free combustor is provided, it is possible to realize a next-generation carbon-free gas turbine that greatly suppresses the dependence on fossil fuel.

請求項記載の構成では、次世代カーボンフリー発電装置が、カーボンフリー燃焼器で発生した高温燃焼ガスで作動する熱機関により駆動されて発電を行う。このため、温暖化ガスの排出源である化石燃料への依存度を大幅に低下させて発電させることができ、地球温暖化防止に多大の貢献が可能となる。また、水素リッチアンモニアの原料となる尿素は世界中、どこでも極めて低コストにて調達可能であるため、環境保全に貢献しながら低コストでの発電が可能となり、その経済効果は計り知れない。In the configuration of claim 8 , the next-generation carbon-free power generation device is driven by a heat engine that operates with high-temperature combustion gas generated in a carbon-free combustor to generate power. For this reason, the dependence on the fossil fuel which is the emission source of the greenhouse gas can be greatly reduced, and the power can be generated, which can greatly contribute to the prevention of global warming. In addition, urea, which is a raw material for hydrogen-rich ammonia, can be procured anywhere in the world at an extremely low cost. Therefore, it is possible to generate electricity at a low cost while contributing to environmental conservation, and its economic effect is immeasurable.

請求項に記載された発明によれば、尿素水が、アルカリ金属の水酸化物,炭酸塩及び珪酸塩からなる群から選ばれる1種以上を主成分とするアルカリ触媒が添加された水溶液であるため、加水分解部が、例えば、800℃以上の高温の燃焼ガスで加熱された際に、アルカリ触媒の存在下で尿素を効率よく加水分解してアンモニア生成効率が増大する。高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部により尿素水が加熱されると、アルカリ触媒の存在下で、▲1▼式のように、熱分解する。熱分解により生成したイソシアン酸(HNCO)は、水蒸気と反応して加水分解し▲2▼式のようにNHとCOに転化する。400℃以上の高温では、イソシアン酸がHOと反応し▲3▼式のようにNHとCOに加水分解される。なお、アンモニアの一部はアンモニア分解触媒の存在下で▲4▼式のように3HとNに転化され水素リッチアンモニアの一部となる。According to the invention described in claim 9 , the urea water is an aqueous solution to which an alkali catalyst mainly composed of one or more selected from the group consisting of alkali metal hydroxides, carbonates and silicates is added. For this reason, when the hydrolysis section is heated with, for example, a high-temperature combustion gas of 800 ° C. or higher, urea is efficiently hydrolyzed in the presence of an alkali catalyst to increase ammonia production efficiency. When urea water is heated by a part of the thermal energy of the high-temperature combustion gas, it is thermally decomposed in the presence of an alkali catalyst as shown in equation (1). Isocyanic acid (HNCO) produced by thermal decomposition reacts with water vapor to be hydrolyzed and converted into NH 3 and CO 2 as shown in the formula (2). At a high temperature of 400 ° C. or higher, isocyanic acid reacts with H 2 O and is hydrolyzed into NH 3 and CO 2 as shown in formula ( 3 ). A part of ammonia is converted into 3H 2 and N 2 in the presence of an ammonia decomposition catalyst as shown in the formula (4) to become a part of hydrogen-rich ammonia.

Figure 0005315491
水素リッチアンモニアは、燃焼室で生ずる高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として利用してオンデマンドで生成されるため、化石燃料に100%依存する必要はなく、環境保全に有効な対策となる。
Figure 0005315491
Hydrogen-rich ammonia is generated on demand using a part of the thermal energy of the high-temperature combustion gas generated in the combustion chamber as a heat source, so it is not necessary to rely on 100% fossil fuel, and is an effective measure for environmental conservation. Become.

本発明の第1実施例による、次世代カーボンフリー燃焼器を組み込んだ次世代カーボンフリーエンジンを利用した次世代カーボンフリー発電装置のブロック図を示す。1 shows a block diagram of a next-generation carbon-free power generation device using a next-generation carbon-free engine incorporating a next-generation carbon-free combustor according to a first embodiment of the present invention. 図1の次世代カーボンフリーエンジンの次世代カーボンフリー燃焼器の断面図を示す。FIG. 2 shows a cross-sectional view of a next-generation carbon-free combustor of the next-generation carbon-free engine in FIG. 1. 本発明の第2実施例による、次世代カーボンフリー燃焼器を組み込んだ次世代カーボンフリーエンジンのブロック図を示す。FIG. 3 shows a block diagram of a next generation carbon free engine incorporating a next generation carbon free combustor according to a second embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施例による次世代カーボンフリー燃焼器を組み込んだ次世代カーボンフリーエンジン100により駆動される次世代カーボンフリー発電装置について図面に基づき詳細に説明する。次世代カーボンフリー発電装置10において、次世代カーボンフリーエンジン100は、周囲空気を圧縮して圧縮空気を生成するコンプレッサー及び高温燃焼ガスを膨張させて動力を発生させるエキスパンダーとしての双方の機能を備えたコンプレッサー兼エキスパンダー11と、ガス案内路部材12を介してコンプレッサー兼エキスパンダー11に連結された次世代カーボンフリー(カーボンフリー)カーボンフリー燃焼器13と、コンプレッサー兼エキスパンダー11の出力軸132に駆動連結された発電機14とを備える。  Hereinafter, a next-generation carbon-free power generation apparatus driven by a next-generation carbon-free engine 100 incorporating a next-generation carbon-free combustor according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the next-generation carbon-free power generation apparatus 10, the next-generation carbon-free engine 100 has both functions as a compressor that generates compressed air by compressing ambient air and an expander that generates power by expanding high-temperature combustion gas. A compressor / expander 11, a next-generation carbon-free (carbon-free) carbon-free combustor 13 connected to the compressor / expander 11 via a gas guide path member 12, and an output shaft 132 of the compressor / expander 11 are drivingly connected. And a generator 14.

コンプレッサー兼エキスパンダー11は、エアーフィルターAFを介して吸入ポート126から吸入された周囲空気Aiをコンプレッサー機能により圧縮して圧縮空気CAを生成する。コンプレッサー兼エキスパンダー11の圧縮空気吐出ポート130は逆止弁CVa及び三方切替弁SVaを介して始動・加速用アキュムレータSAと主空気供給ラインCAmaに接続される。始動・加速用アキュムレータSAは始動・加速用開閉弁AVaを介して主空気供給ラインCAmaに接続される。三方切替弁SVaの流路は、次世代カーボンフリーエンジン100の低負荷時に切り替わって、圧縮空気CAの一部を始動・加速用アキュムレータSAに貯蔵する。次世代カーボンフリーエンジン100の始動・加速時には、始動・加速用開閉弁AVaが開弁して、圧縮空気CAを始動・加速用アキュムレータSAから主空気供給ラインCAmaに送出する。主空気供給ラインCAmaは三方切替弁SVbを介して次世代カーボンフリー燃焼器13の空気供給部50に接続される。さらに、コンプレッサー兼エキスパンダー11は、高温ガス導入ポート124と排気ポート128を有する。高温ガス導入ポート124は、ガス案内路部材12のガス案内路44aを介して次世代カーボンフリー燃焼器13に接続されている。コンプレッサー兼エキスパンダー11は、次世代カーボンフリー燃焼器13から供給された高温燃焼ガスHPGを膨脹して動力を発生させ、出力軸132を介して発電機14を駆動することにより発電出力を得る。図1において、コンプレッサー兼エキスパンダー11は模式的に図示されているもので、コンプレッサー兼エキスパンダー11は、本願発明者と同一発明者の特許出願第2011−290720号「回転式流体機械」又は平成24年5月○○日出願で本願発明者と同一発明者による特許出願第2011−○○○○○号「ロータリー熱機関及びロータリー熱機関駆動発電装置」に開示されたものと同一構造を有するため、詳細な説明を省略する。  The compressor / expander 11 compresses the ambient air Ai sucked from the suction port 126 via the air filter AF by a compressor function to generate compressed air CA. The compressed air discharge port 130 of the compressor / expander 11 is connected to the start-accelerator accumulator SA and the main air supply line CAma via a check valve CVa and a three-way switching valve SVa. The start / acceleration accumulator SA is connected to the main air supply line CAma via the start / acceleration on-off valve AVA. The flow path of the three-way switching valve SVa is switched when the next-generation carbon-free engine 100 is under a low load, and a part of the compressed air CA is stored in the start / accelerator accumulator SA. When starting and accelerating the next-generation carbon-free engine 100, the start / acceleration on-off valve AVa is opened, and the compressed air CA is sent from the start / acceleration accumulator SA to the main air supply line CAma. The main air supply line CAma is connected to the air supply unit 50 of the next-generation carbon-free combustor 13 via the three-way switching valve SVb. Further, the compressor / expander 11 has a hot gas introduction port 124 and an exhaust port 128. The hot gas introduction port 124 is connected to the next-generation carbon-free combustor 13 through the gas guide path 44 a of the gas guide path member 12. The compressor / expander 11 expands the high-temperature combustion gas HPG supplied from the next-generation carbon-free combustor 13 to generate power, and drives the generator 14 via the output shaft 132 to obtain a power generation output. In FIG. 1, the compressor / expander 11 is schematically illustrated, and the compressor / expander 11 is the same as the inventor of the present application, Japanese Patent Application No. 2011-290720 “Rotary Fluid Machine” or 2012. Since it has the same structure as that disclosed in Patent Application No. 2011-XXXXXX "Rotary Heat Engine and Rotary Heat Engine Driven Power Generation Device" by the same inventor as the inventor of this application on May XX Day, Detailed description is omitted.

次世代カーボンフリー燃焼器13は、尿素水供給タンクUWTを有する燃料供給システムFSSと、尿素水UWが供給される尿素水噴射ノズル15と、混合気生成部40と、空気供給部50と、燃料供給部60と、水素リッチアンモニア生成器70とを備える。尿素水噴射ノズル15は尿素水供給ポンプUWP及び流量制御弁FCVuを介して尿素水供給タンクUWTに接続される。尿素水供給タンクUWTには、水素リッチアンモニアの原料として55乃至95%濃度、好ましくは、75乃至90%濃度の尿素を含有する尿素水UWが貯蔵される。尿素水には、NaOH、KOH、NaCO、KCO、NaSiO及びKSiOからなる群から選ばれる1種以上を主成分とするアルカリ触媒が添加される。尿素の濃度が55%以下では、水分量が多すぎて水素リッチアンモニアの熱カロリーが少ないため、十分なトルク出力が得られない。尿素の濃度が95%以上では、尿素水の粘度が高くなりすぎて送出ラインの管抵抗が大きくなり、尿素水の送出が困難となるためである。尿素水噴射ノズル15は、次世代カーボンフリー燃焼器13の高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源とする、水素リッチアンモニア生成器70と連通していて、尿素水を加水分解してアンモニアを生成し、アンモニアの一部を水素と窒素に転化して水素リッチガスを生成する。アンモニアの残部と水素リッチガスは混合されて水素リッチアンモニア供給ライン25を介して水素リッチアンモニアHRAを送出する。水素リッチアンモニア供給ライン25は、三方切替弁SVcを介してコンプレッサーCMP及び逆止弁CVfを経由して補助燃料貯蔵タンクAFTに接続される。水素リッチアンモニア供給ライン25は、さらに、三方切替弁SVc及び水素リッチアンモニア供給ライン25aを介して次世代カーボンフリー燃焼器13の燃料供給部60に接続されている。三方切替弁SVcは、次世代カーボンフリーエンジン100の低負荷時に切り替わって、水素リッチアンモニアHRAの一部を補助燃料貯蔵タンクAFTに貯蔵される。次世代カーボンフリーエンジン100の始動時には、三方切替弁SVcは切り替わって、補助燃料貯蔵タンクAFTから開閉弁FCVfを介して燃料供給部60に水素リッチアンモニアHRAを送出する。次世代カーボンフリーエンジン100の高負荷時には、開閉弁FCVfがコントローラ19により開弁されて、補助燃料貯蔵タンクAFTから水素リッチアンモニアを追加的に燃料供給部60に供給する。このように、補助燃料貯蔵タンクAFTの水素リッチアンモニアHRAはエンジンの始動用並びに高負荷運転用に利用される。The next-generation carbon-free combustor 13 includes a fuel supply system FSS having a urea water supply tank UWT, a urea water injection nozzle 15 to which urea water UW is supplied, an air-fuel mixture generating unit 40, an air supply unit 50, a fuel A supply unit 60 and a hydrogen-rich ammonia generator 70 are provided. The urea water injection nozzle 15 is connected to the urea water supply tank UWT via the urea water supply pump UWP and the flow rate control valve FCVu. The urea water supply tank UWT stores urea water UW containing 55 to 95%, preferably 75 to 90%, urea as a raw material for hydrogen-rich ammonia. To the urea water is added an alkali catalyst mainly composed of one or more selected from the group consisting of NaOH, KOH, Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , Na 2 SiO 3 and K 2 SiO 3 . When the urea concentration is 55% or less, the amount of water is too much and the thermal calories of the hydrogen-rich ammonia are small, so that a sufficient torque output cannot be obtained. This is because when the urea concentration is 95% or more, the viscosity of the urea water becomes too high, the pipe resistance of the delivery line increases, and the delivery of the urea water becomes difficult. The urea water injection nozzle 15 communicates with a hydrogen-rich ammonia generator 70 that uses a part of thermal energy of the high-temperature combustion gas of the next-generation carbon-free combustor 13 as a heat source, and hydrolyzes urea water to generate ammonia. And part of the ammonia is converted to hydrogen and nitrogen to produce a hydrogen rich gas. The remaining ammonia and the hydrogen-rich gas are mixed to send out the hydrogen-rich ammonia HRA via the hydrogen-rich ammonia supply line 25. The hydrogen rich ammonia supply line 25 is connected to the auxiliary fuel storage tank AFT via the compressor CMP and the check valve CVf via the three-way switching valve SVc. The hydrogen rich ammonia supply line 25 is further connected to the fuel supply unit 60 of the next-generation carbon-free combustor 13 via a three-way switching valve SVc and a hydrogen rich ammonia supply line 25a. The three-way switching valve SVc is switched when the next-generation carbon-free engine 100 is under a low load, and a part of the hydrogen-rich ammonia HRA is stored in the auxiliary fuel storage tank AFT. When the next-generation carbon-free engine 100 is started, the three-way switching valve SVc is switched, and hydrogen-rich ammonia HRA is sent from the auxiliary fuel storage tank AFT to the fuel supply unit 60 via the on-off valve FCVf. When the next-generation carbon-free engine 100 is under a high load, the on-off valve FCVf is opened by the controller 19 and hydrogen rich ammonia is additionally supplied to the fuel supply unit 60 from the auxiliary fuel storage tank AFT. Thus, the hydrogen-rich ammonia HRA in the auxiliary fuel storage tank AFT is used for starting the engine and for high-load operation.

次世代カーボンフリーエンジン100の停止時に於ける尿素の結晶による水素リッチアンモニア生成器70の目詰まり抑制を目的として、水素リッチアンモニア生成器70の尿素水噴射ノズル15にはパージガス供給ラインCA2を介して三方切替弁SVbに接続されている。次世代カーボンフリーエンジン100の停止時において、三方切替弁SVbの流路が切り替わって圧縮空気CAをパージガスとして尿素水噴射ノズル15から水素リッチアンモニア生成器70に供給し、末反応尿素や残留アンモニア等の残留成分を水素リッチアンモニア生成器70から排出して混合気生成部40を介して次世代カーボンフリー燃焼器13に供給して燃焼させるようにしている。  In order to suppress clogging of the hydrogen-rich ammonia generator 70 due to urea crystals when the next-generation carbon-free engine 100 is stopped, the urea water injection nozzle 15 of the hydrogen-rich ammonia generator 70 is connected to the urea-water injection nozzle 15 via a purge gas supply line CA2. It is connected to the three-way switching valve SVb. When the next-generation carbon-free engine 100 is stopped, the flow path of the three-way switching valve SVb is switched, and compressed air CA is supplied as purge gas from the urea water injection nozzle 15 to the hydrogen-rich ammonia generator 70, and the end reaction urea, residual ammonia, etc. The residual components are discharged from the hydrogen-rich ammonia generator 70 and supplied to the next-generation carbon-free combustor 13 via the air-fuel mixture generator 40 for combustion.

図1において、次世代カーボンフリーエンジン100は、アキュムレータSAの圧力を検出して圧力信号を出力する圧力センサーS1と、次世代カーボンフリー燃焼器13の高温燃焼ガスHPGの圧力を検出して圧力信号を出力する圧力センサーS2と、次世代カーボンフリー燃焼器13の作動温度を検出して温度信号を出力する温度センサS3と、補助燃料貯蔵タンクAFTの圧力を検出して圧力信号を出力する圧力センサS4と、次世代カーボンフリーエンジン100のカレンダーデータ、設定入力データ等の入力パラメータを入力するための入力装置17と、コントローラ19とを備える。  In FIG. 1, the next-generation carbon-free engine 100 detects the pressure of the accumulator SA and outputs a pressure signal, and detects the pressure of the high-temperature combustion gas HPG of the next-generation carbon-free combustor 13 to detect the pressure signal. A pressure sensor S2 that outputs the temperature, a temperature sensor S3 that detects the operating temperature of the next-generation carbon-free combustor 13 and outputs a temperature signal, and a pressure sensor that detects the pressure of the auxiliary fuel storage tank AFT and outputs a pressure signal S4, an input device 17 for inputting input parameters such as calendar data and setting input data of the next-generation carbon-free engine 100, and a controller 19.

図2に示すように、次世代カーボンフリー燃焼器13は、ステンレス等の耐腐食性金属から製造されていて、エンジンハウジング18と発電機14との間において配置された円筒状燃焼部ケーシング36を備える。燃焼部ケーシング36は、出力軸132の外形よりも大きな内径の内周壁37aを有するインナースリーブ37を備える。燃焼部ケーシング36には、出力軸132の中心軸に対して垂直な平面領域において外周部から中心軸に向かってインナースリーブ37まで延びるように形成されたスパイラル燃焼室38と、スパイラル燃焼室38の上流側端部38aに配置されていて、圧縮空気CAと水素リッチアンモニアHRAとの混合気を生成する混合気生成部40と、混合気生成部40に隣接して配置されていて混合気を着火させるセラミックヒータ等から成る着火部42と、インナースリーブ37に隣接するようにスパイラル燃焼室38の後流側端部38cに形成されていて、高温燃焼ガスHPGをロータリー熱機関100に供給する高圧ガス噴出ポート44とを備える。  As shown in FIG. 2, the next-generation carbon-free combustor 13 is made of a corrosion-resistant metal such as stainless steel, and includes a cylindrical combustion part casing 36 disposed between the engine housing 18 and the generator 14. Prepare. The combustion part casing 36 includes an inner sleeve 37 having an inner peripheral wall 37 a having an inner diameter larger than the outer shape of the output shaft 132. The combustion section casing 36 includes a spiral combustion chamber 38 formed so as to extend from the outer periphery to the inner sleeve 37 in the plane region perpendicular to the center axis of the output shaft 132, and the spiral combustion chamber 38. Arranged at the upstream end 38a and generates an air-fuel mixture of compressed air CA and hydrogen-rich ammonia HRA, and is disposed adjacent to the air-fuel mixture generator 40 and ignites the air-fuel mixture. The high pressure gas that is formed at the flank end portion 38c of the spiral combustion chamber 38 so as to be adjacent to the inner sleeve 37 and the high temperature combustion gas HPG to the rotary heat engine 100 is formed. And an ejection port 44.

図2において、次世代カーボンフリー燃焼器13の混合気生成部40は、ステンレス等の耐腐食性金属から製造されていて圧縮空気流通路として機能する円筒状アウターチューブからなる空気供給部50と、燃料供給部60とを備える。燃料噴射ノズルとして機能する円筒状インナーチューブ52がステンレス等の耐腐食性金属から製造されていて、空気供給部50の内部においてこれと同心的に延びている。空気供給部50は、圧縮空気の高速旋回流を発生させながら、燃料と混合して混合気を生成する旋回流衝突部54とを備える。空気供給部50は、圧縮空気流通路として機能する環状圧縮空気噴流チャンバ55と、環状圧縮空気噴流チャンバ55内に圧縮空気CAを案内するための圧縮空気導入ポート56と、環状圧縮空気噴流チャンバ55の先端部に形成された円錐状の高速流発生部58とを備える。  In FIG. 2, the air-fuel mixture generating unit 40 of the next-generation carbon-free combustor 13 is manufactured from a corrosion-resistant metal such as stainless steel, and includes an air supply unit 50 including a cylindrical outer tube that functions as a compressed air flow path. And a fuel supply unit 60. A cylindrical inner tube 52 that functions as a fuel injection nozzle is manufactured from a corrosion-resistant metal such as stainless steel, and extends concentrically with the inside of the air supply unit 50. The air supply unit 50 includes a swirl flow collision unit 54 that mixes with fuel and generates an air-fuel mixture while generating a high-speed swirl flow of compressed air. The air supply unit 50 includes an annular compressed air jet chamber 55 that functions as a compressed air flow passage, a compressed air introduction port 56 for guiding the compressed air CA into the annular compressed air jet chamber 55, and an annular compressed air jet chamber 55. And a conical high-speed flow generating portion 58 formed at the tip portion.

円筒状インナーチューブ52の端部は、ステンレス等の耐腐食性金属から製造されていて、水素リッチアンモニアHRAが供給される燃料供給部60に接続される。円筒状インナーチューブ52の先端部は、環状圧縮空気噴流チャンバ55の高速流発生部58に隣接して配置されていて圧縮空気の旋回流を発生させる旋回流発生部59を形成する複数の旋回流発生ブレード62と、複数の旋回流発生ブレード62にそれぞれ隣接して円錐状高速流発生部58に開口する第1燃料噴射口64と旋回流衝突部54に開口する第2燃料噴射口65と、円筒状インナーチューブ52の中間部に配置されていて燃料に対して旋回流Vsを発生させる旋回流発生部材66とを備える。旋回流発生ブレード62により生じた圧縮空気CAの旋回流に対して第1燃料噴射口64から燃料が噴射されると、圧縮空気CAの旋回流との衝突によって圧縮空気CAと燃料とは均一に混合されて混合気AFMが生成される。スパイラル燃焼室38には、旋回流衝突部54から所定間隔で離れた位置に配置された乱流発生バッフル部材67が配置される。乱流発生バッフル部材67は燃焼ガス噴出開口部67aが形成された中央部を有する。高温燃焼ガスHPGの一部は乱流発生バッフル部材67の壁面に衝突して、旋回流衝突部54側に反転して反転流f1となり、旋回流衝突部54から噴出する混合気と接触混合して燃焼促進が行われる。  The end portion of the cylindrical inner tube 52 is manufactured from a corrosion-resistant metal such as stainless steel, and is connected to a fuel supply unit 60 to which hydrogen-rich ammonia HRA is supplied. The distal end portion of the cylindrical inner tube 52 is disposed adjacent to the high-speed flow generating portion 58 of the annular compressed air jet chamber 55 and forms a swirling flow generating portion 59 that generates a swirling flow of compressed air. A generating blade 62, a first fuel injection port 64 that opens to the conical high-speed flow generation unit 58 adjacent to each of the plurality of swirling flow generation blades 62, and a second fuel injection port 65 that opens to the swirling flow collision unit 54, And a swirl flow generating member 66 that is disposed at an intermediate portion of the cylindrical inner tube 52 and generates a swirl flow Vs for the fuel. When fuel is injected from the first fuel injection port 64 with respect to the swirling flow of the compressed air CA generated by the swirling flow generating blade 62, the compressed air CA and the fuel are made uniform by collision with the swirling flow of the compressed air CA. The mixture AFM is generated by mixing. A turbulent flow generation baffle member 67 is disposed in the spiral combustion chamber 38 at a position spaced apart from the swirling flow collision portion 54 at a predetermined interval. The turbulent flow generation baffle member 67 has a central portion in which a combustion gas ejection opening 67a is formed. A part of the high-temperature combustion gas HPG collides with the wall surface of the turbulent flow generation baffle member 67 and reverses to the swirl flow collision portion 54 side to become a reversal flow f1, which is in contact with the air-fuel mixture ejected from the swirl flow collision portion 54. Combustion is promoted.

図2において、水素リッチアンモニア生成器70は、円筒状燃焼部ケーシング36の径方向内側においてスパイラル燃焼室38の燃焼ゾーン38aに沿って配置されていて、スパイラル燃焼室38を通過する高温燃焼ガスHPGの熱エネルギーを受熱する、ステンレス等の耐腐食性金属からなる伝熱部材71と、乱流発生バッフル部材67に隣接した位置において円筒状燃焼部ケーシング36と伝熱部材71との間に形成されていて尿素水噴射ノズル15から噴射された尿素水の蒸気を発生する蒸発部72と、蒸発部72の下流側に配置されていて伝熱部材71から受熱した高温燃焼ガスの熱エネルギーを蓄熱して尿素水の蒸気に乱流を発生させながら通過させる市販の直径2.5mm〜8mmのステンレスボール又はセラミックボール等からなる複数の固形状伝熱体SBを内蔵し、伝熱体SBに伝達された高温燃焼ガスの熱エネルキーを利用して尿素水の蒸気を加水分解してアンモニアを発生させる加水分解部73と、加水分解部73の下流側に配置されていてアンモニアの一部を分解して窒素と水素に転化して水素リッチガスを生成するためのアンモニア分解触媒ACCを内蔵したアンモニア分解部74とを備える。アンモニア分解触媒としては、例えば、イタリア国SAES GETTERS社製アンモニア分解触媒ST909(ZrMnFe合金)、日揮触媒化成製のニッケル触媒N134, N135及びN135Lが使用される。蒸発部72と加水分解部73との間において、伝熱部材71に径方向外側に延びていて蒸発部72から加水分解部73に流入する尿素水の蒸気の流量を制限するオリフィス75a等からなる第1流量制限部材75が形成される。同様に、加水分解部73とアンモニア分解部74との間にはオリフィス76aを有する第2流量制限部材76が形成されていて、アンモニアの一部をアンモニア分解部74に流入させる。水素リッチアンモニア供給ラインに供給されるアンモニアと水素リッチガスの流量比を制御するために、流量制御弁(図示せず)をアンモニア供給ライン21aと水素リッチガス供給ライン23aにそれぞれ設置して予めコントローラ19にプログラムされた制御ソフトに従ってこれら流量制御弁の開度を変化させるようにしてしても良い。  In FIG. 2, the hydrogen-rich ammonia generator 70 is arranged along the combustion zone 38 a of the spiral combustion chamber 38 on the radial inner side of the cylindrical combustion section casing 36, and passes through the spiral combustion chamber 38. Formed between the cylindrical combustion part casing 36 and the heat transfer member 71 at a position adjacent to the turbulent flow generation baffle member 67 and the heat transfer member 71 made of a corrosion-resistant metal such as stainless steel. The heat generating unit 72 stores the heat energy of the high-temperature combustion gas received from the heat transfer member 71 and the evaporator 72 that generates urea water vapor injected from the urea water injection nozzle 15. Is it a commercially available stainless steel ball or ceramic ball with a diameter of 2.5 mm to 8 mm that passes through the urea water vapor while generating turbulent flow? A hydrolyzing unit 73 that incorporates a plurality of solid heat transfer bodies SB, and generates ammonia by hydrolyzing the vapor of urea water using the thermal energy of the high-temperature combustion gas transferred to the heat transfer body SB; An ammonia decomposing unit 74 which is disposed downstream of the hydrolysis unit 73 and incorporates an ammonia decomposing catalyst ACC for decomposing a part of ammonia and converting it into nitrogen and hydrogen to generate a hydrogen rich gas. As the ammonia decomposition catalyst, for example, ammonia decomposition catalyst ST909 (ZrMnFe alloy) manufactured by SAES GETTERS, Italy, and nickel catalysts N134, N135 and N135L manufactured by JGC Catalysts & Chemicals are used. Between the evaporation part 72 and the hydrolysis part 73, it comprises an orifice 75a or the like that extends radially outward from the heat transfer member 71 and restricts the flow rate of the urea water vapor flowing from the evaporation part 72 into the hydrolysis part 73. A first flow restriction member 75 is formed. Similarly, a second flow restriction member 76 having an orifice 76 a is formed between the hydrolysis portion 73 and the ammonia decomposition portion 74, and part of the ammonia flows into the ammonia decomposition portion 74. In order to control the flow ratio of ammonia and hydrogen rich gas supplied to the hydrogen rich ammonia supply line, flow control valves (not shown) are installed in the ammonia supply line 21a and the hydrogen rich gas supply line 23a, respectively. You may make it change the opening degree of these flow control valves according to the programmed control software.

次に、図1及び図2に示した次世代カーボンフリーエンジン100に組み込んだ次世代カーボンフリー燃焼器13の作動について説明する。  Next, the operation of the next-generation carbon-free combustor 13 incorporated in the next-generation carbon-free engine 100 shown in FIGS. 1 and 2 will be described.

次世代カーボンフリーエンジン100の始動時において、コントローラ19から空気供給指令信号CM1、CM2が出力される。この時、三方切替弁SVa、SVbが切り替わり、始動・加速用アキュムレータSAの圧縮空気CAが三方切替弁SVb及び主空気供給ラインCAmaを介して次世代カーボンフリー燃焼器13の空気供給部50に供給される。一方、コントローラ19から始動燃料供給指令信号CM3が出力される。この時、開閉弁FCVfが開弁されて補助燃料貯蔵タンクAFTから水素リッチアンモニアHRAが次世代カーボンフリー燃焼器13の燃料供給部60に供給される。図2において、圧縮空気CAと水素リッチアンモニアは混合気生成部40で混合気AFMとなり、着火指令信号CM4に応答して着火部42により着火されて高温燃焼ガスHPGが発生する。高温燃焼ガスHPGは高圧ガス吐出ポート44から吐出してガス案内路部材12のガス案内路44aを通過して次世代カーボンフリーエンジン100のコンプレッサー兼エキスパンダー11に供給され、次世代カーボンフリーエンジン100は高温燃焼ガスHPGを膨脹させて起動する。  When the next-generation carbon-free engine 100 is started, air supply command signals CM1 and CM2 are output from the controller 19. At this time, the three-way switching valves SVa and SVb are switched, and the compressed air CA of the start / acceleration accumulator SA is supplied to the air supply unit 50 of the next-generation carbon-free combustor 13 via the three-way switching valve SVb and the main air supply line CAma. Is done. On the other hand, the starting fuel supply command signal CM3 is output from the controller 19. At this time, the on-off valve FCVf is opened, and hydrogen-rich ammonia HRA is supplied from the auxiliary fuel storage tank AFT to the fuel supply unit 60 of the next-generation carbon-free combustor 13. In FIG. 2, compressed air CA and hydrogen-rich ammonia become an air-fuel mixture AFM in the air-fuel mixture generating unit 40, and are ignited by the ignition unit 42 in response to the ignition command signal CM4 to generate high-temperature combustion gas HPG. The high-temperature combustion gas HPG is discharged from the high-pressure gas discharge port 44, passes through the gas guide path 44 a of the gas guide path member 12, and is supplied to the compressor / expander 11 of the next-generation carbon-free engine 100. The hot combustion gas HPG is expanded and started.

図2より明らかなように、次世代カーボンフリーエンジン100の始動時において、スパイラル燃焼ゾーン38aを通過する高温燃焼ガスHPGは水素リッチアンモニア生成器70を加熱する。燃焼部ケーシング36が水素リッチアンモニア生成器70の作動可能温度に相当する、所定温度、例えば、800℃に達したときに、即ち、温度センサS3から出力された温度信号がコントローラ19に記憶された所定温度と一致した時に、コントローラ19から尿素水供給開始指令信号CM5、CM6が出力される。  As is clear from FIG. 2, when the next-generation carbon-free engine 100 is started, the high-temperature combustion gas HPG that passes through the spiral combustion zone 38 a heats the hydrogen-rich ammonia generator 70. When the combustion section casing 36 reaches a predetermined temperature corresponding to the operable temperature of the hydrogen-rich ammonia generator 70, for example, 800 ° C., that is, the temperature signal output from the temperature sensor S3 is stored in the controller 19. When it coincides with the predetermined temperature, the controller 19 outputs urea water supply start command signals CM5 and CM6.

尿素水供給開始指令信号CM5、CM6に応答して、尿素水供給ポンプUWPが起動されると同時に流量制御弁FCVuが開弁する。この時、尿素水供給タンクUWTから尿素水UWが尿素水噴射ノズル15に供給されて蒸発部72に噴霧状に噴射される。噴霧状の尿素水は蒸発部72の壁部に衝突して効率的に蒸発する。尿素水の蒸気は第1流量制限部材75のオリフィス75aを経て加水分解部73に流入し、加熱された複数の伝熱体HTBの表面に順次、接触してアルカリ触媒の存在下で効率的に加水分解が行われ、アンモニアが生成される。アンモニアの一部は第2流量制限部材76のオフィフィス76aを介してアンモニア分解部74に流入してアンモニア分解触媒ACCと接触して水素と窒素からなる水素リッチガスHRGを生成する。アンモニアの残部はアンモニアアウトレット21から取り出されて水素リッチアンモニア供給ライン21aを流通し、一方、水素リッチガスHRGは水素リッチガス供給ライン23aを流通し、これら2つの燃料成分は接合ポイントでMxpで混合されて水素リッチアンモニアHRAとなり、水素リッチアンモニアHRAは水素リッチアンモニア供給ライン25を経て送出され、三方切替弁SVcの開度がコントローラ19の流量制御指令信号CM4に応答して制御されることにより、水素リッチアンモニアHRAの流量が制御されて燃料供給部60に供給される。  In response to the urea water supply start command signals CM5 and CM6, the urea water supply pump UWP is started and the flow rate control valve FCVu is opened at the same time. At this time, the urea water UW is supplied from the urea water supply tank UWT to the urea water injection nozzle 15 and is sprayed to the evaporation unit 72 in a spray form. The sprayed urea water collides with the wall portion of the evaporation portion 72 and efficiently evaporates. The urea water vapor flows into the hydrolysis section 73 through the orifice 75a of the first flow restricting member 75, contacts the surfaces of the plurality of heated heat transfer bodies HTB sequentially, and efficiently in the presence of the alkali catalyst. Hydrolysis takes place and ammonia is produced. Part of the ammonia flows into the ammonia decomposition part 74 via the office 76a of the second flow restricting member 76, contacts the ammonia decomposition catalyst ACC, and generates a hydrogen rich gas HRG composed of hydrogen and nitrogen. The remaining ammonia is taken out from the ammonia outlet 21 and flows through the hydrogen-rich ammonia supply line 21a, while the hydrogen-rich gas HRG flows through the hydrogen-rich gas supply line 23a, and these two fuel components are mixed at Mxp at the junction point. The hydrogen-rich ammonia HRA is sent out via the hydrogen-rich ammonia supply line 25, and the opening degree of the three-way switching valve SVc is controlled in response to the flow control command signal CM4 of the controller 19, so that the hydrogen-rich ammonia HRA is supplied. The flow rate of the ammonia HRA is controlled and supplied to the fuel supply unit 60.

次世代カーボンフリーエンジン100の運転完了(停止)時には、コントローラ19からのエンジン停止指令信号CM6が出力される。すると、尿素水供給ポンプUWPがオフとなり、流量制御弁FCVuが閉弁し、次世代カーボンフリー燃焼器13への尿素水の供給が遮断される。この時、コントローラ19から所定のパージ期間(例えば、15秒間)、パージ指令信号が出力され、流量制御弁CV2,CV4,CV5及CV6が開弁される。流量制御弁CV6が開弁されると、圧縮空気が尿素水噴射ノズル15を介して水素リッチアンモニア生成器70にパージガスとして導入される。このため、水素リッチアンモニア生成器70の未反応尿素や残留ガスがパージされて、水素リッチアンモニア供給ライン25及び流量制御弁CV2を介して混合気生成部40に供給される。この時、ポンプP1を駆動するとともに流量制御弁CV1及び流量制御弁CV2を開弁して水素リッチアンモニアHRAを混合気生成部40に供給しれ、圧縮空気と水素リッチアンモニアHRAとの混合気とパージガスとが混合され、着火されて燃焼する。  When the operation of the next-generation carbon-free engine 100 is completed (stopped), an engine stop command signal CM6 from the controller 19 is output. Then, the urea water supply pump UWP is turned off, the flow control valve FCVu is closed, and the urea water supply to the next-generation carbon-free combustor 13 is shut off. At this time, a purge command signal is output from the controller 19 for a predetermined purge period (for example, 15 seconds), and the flow control valves CV2, CV4, CV5 and CV6 are opened. When the flow rate control valve CV6 is opened, compressed air is introduced into the hydrogen rich ammonia generator 70 through the urea water injection nozzle 15 as a purge gas. For this reason, unreacted urea and residual gas of the hydrogen rich ammonia generator 70 are purged and supplied to the air-fuel mixture generating unit 40 via the hydrogen rich ammonia supply line 25 and the flow rate control valve CV2. At this time, the pump P1 is driven and the flow rate control valve CV1 and the flow rate control valve CV2 are opened to supply the hydrogen rich ammonia HRA to the mixture generation unit 40, and the mixture of the compressed air and the hydrogen rich ammonia HRA and the purge gas Are mixed, ignited and burned.

図3は本発明の次世代カーボンフリー燃焼器13を組み込んだ次世代カーボンフリーエンジン100Aにより駆動される次世代カーボンフリー発電装置10Aのブロック図を示し、図1及び図2に示した実施例の次世代カーボンフリー燃焼器13と同一又は類似の構成部品については同一の符号を用いて説明する。図3に示した次世代カーボンフリーエンジン100Aと図1に示した次世代カーボンフリーエンジン100とは、図3に示した次世代カーボンフリーエンジン100Aはコンプレッサー兼エキスパンダー11に代えてガスタービンエンジンを備え、さらに、図1に示した次世代カーボンフリーエンジン100における始動・加速用アキュムレータSAと補助燃料貯蔵タンクAFTの代わりに、図3に示した次世代カーボンフリーエンジン100Aでは燃料供給システムFSSAがデュアル燃料システムを採用している点において異なる。したがって、上記の相違点に基づいて、以下に説明する。  FIG. 3 shows a block diagram of a next-generation carbon-free power generation apparatus 10A driven by a next-generation carbon-free engine 100A incorporating the next-generation carbon-free combustor 13 of the present invention, and shows the embodiment shown in FIGS. The same or similar components as those of the next-generation carbon-free combustor 13 will be described using the same reference numerals. The next generation carbon free engine 100A shown in FIG. 3 and the next generation carbon free engine 100 shown in FIG. 1 are different from the next generation carbon free engine 100A shown in FIG. Further, instead of the start / accelerator accumulator SA and the auxiliary fuel storage tank AFT in the next generation carbon free engine 100 shown in FIG. 1, the fuel supply system FSSA in the next generation carbon free engine 100A shown in FIG. It differs in that the system is adopted. Therefore, it demonstrates below based on said difference.

図3において、ガスタービンエンジン100Aは、周囲空気Aiを圧縮して圧縮空気CAを生成する圧縮器200と、次世代カーボンフリー燃焼器13と、次世代カーボンフリー燃焼器13から供給された高温燃焼ガスHPGによって作動するタービン(エキスパンダー)400と、圧縮器200とタービン400との連結された出力軸132とを備え、圧縮器200は出力軸132を介してタービン400で発生した動力により駆動される。  In FIG. 3, a gas turbine engine 100A includes a compressor 200 that compresses ambient air Ai to generate compressed air CA, a next-generation carbon-free combustor 13, and a high-temperature combustion supplied from the next-generation carbon-free combustor 13. A turbine (expander) 400 operated by gas HPG and an output shaft 132 connected to the compressor 200 and the turbine 400 are provided. The compressor 200 is driven by the power generated in the turbine 400 via the output shaft 132. .

図3において、デュアル燃料システムFFSAは尿素水供給タンクUWTと、炭素室燃料タンク600と、燃料ポンプ602とを備える。炭素室燃料タンク600の燃料としては、天然ガス、重油又は灯油等の化石燃料や廃食用油等のバイオオマス燃料等炭素質燃料BFが貯蔵される。図1に示した第1実施例の次世代カーボンフリーエンジン100と同様に、尿素水供給タンクUWTから尿素水が尿素水供給ポンプUWP及び流量制御弁FCVUを介して送出され、尿素水は次世代カーボンフリー燃焼器13の尿素水噴射ノズル15から水素リッチアンモニア生成器70に導入されてアンモニアと水素リッチガスが生成され、アンモニアと水素リッチガスからなる水素リッチアンモニアが水素リッチアンモニア供給ライン25を介して取り出される。水素リッチアンモニア供給ライン25と燃料ポンプ602との間にはサーボモータ制御の三方切替弁604が配置され、三方切替弁604はコントローラ19からの燃料配分比制御指令信号に応じて水素リッチアンモニアHRAと炭素質燃料BFとの配分比が定められる。  In FIG. 3, the dual fuel system FFSA includes a urea water supply tank UWT, a carbon chamber fuel tank 600, and a fuel pump 602. As the fuel in the carbon chamber fuel tank 600, fossil fuels such as natural gas, heavy oil or kerosene, and carbonaceous fuels BF such as biomass fuel such as waste cooking oil are stored. Similar to the next-generation carbon-free engine 100 of the first embodiment shown in FIG. 1, urea water is sent from the urea water supply tank UWT via the urea water supply pump UWP and the flow rate control valve FCVU, and the urea water is Ammonia and hydrogen rich gas are generated from the urea water injection nozzle 15 of the carbon-free combustor 13 into the hydrogen rich ammonia generator 70, and hydrogen rich ammonia composed of ammonia and hydrogen rich gas is taken out through the hydrogen rich ammonia supply line 25. It is. A servo motor-controlled three-way switching valve 604 is disposed between the hydrogen-rich ammonia supply line 25 and the fuel pump 602. The three-way switching valve 604 is connected to the hydrogen-rich ammonia HRA according to a fuel distribution ratio control command signal from the controller 19. The distribution ratio with the carbonaceous fuel BF is determined.

以上、本発明の各実施例を図面に基づいて説明したが、これ等はあくまでも一実施形態を示すものであり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することが出来る。  As mentioned above, although each Example of this invention was described based on drawing, these show only one embodiment to the last, and this invention is the aspect which added the various change and improvement based on the knowledge of those skilled in the art. Can be implemented.

例えば、第1実施例の次世代カーボンフリーエンジンのカーボンフリー燃焼器において、加水分解部及びアンモニア分解部を伝熱部材内に収納したものとして示したが、伝熱部材を円弧状のステンレスパイプにより形成して、その中に加水分解部とアンモニア分解部とを収納しても良い。また、水素リッチアンモニア生成器は燃焼室と同一平面に配置されたものとして示したが、燃焼部ケーシングを変形して、燃焼室の背面側に水素リッチアンモニア生成器を配置するように形成しても良い。また、燃焼室はスパイラル燃焼室からなるものとして説明したが、トロイダル形状に変更しても良い。  For example, in the carbon-free combustor of the next-generation carbon-free engine of the first embodiment, the hydrolysis part and the ammonia decomposition part are shown as being housed in the heat transfer member. It may be formed and a hydrolysis part and an ammonia decomposition part may be accommodated therein. Although the hydrogen rich ammonia generator is shown as being disposed in the same plane as the combustion chamber, the combustion casing is modified so that the hydrogen rich ammonia generator is disposed on the back side of the combustion chamber. Also good. Although the combustion chamber has been described as a spiral combustion chamber, it may be changed to a toroidal shape.

第1実施例の次世代カーボンフリーエンジンにおいて、燃料供給システムは補助燃料貯蔵タンクを備えたものとして示したが、第2実施例の次世代カーボンフリーエンジンのように補助燃料貯蔵タンクの代わりに第2燃料貯蔵タンクを配置して第2燃料貯蔵タンクから供給された炭素質燃料と水素リッチアンモニアとを併用で燃焼させるように変形しても良い。これら燃料の配分比は燃料価格その他の条件に応じて自由に定めても良い。  In the next-generation carbon-free engine of the first embodiment, the fuel supply system is shown as having an auxiliary fuel storage tank. However, as in the next-generation carbon-free engine of the second embodiment, the fuel supply system is replaced with an auxiliary fuel storage tank. Two fuel storage tanks may be disposed and the carbonaceous fuel supplied from the second fuel storage tank and hydrogen-rich ammonia may be modified to burn together. These fuel distribution ratios may be freely determined according to the fuel price and other conditions.

10…次世代カーボンフリー発電装置;11…コンプレッサー兼エキスパンダー;12…ガス案内路部材;13…次世代カーボンフリー燃焼器;14…発電機;UWT…尿素水供給タンク;SVa〜SVc…三方切替弁;15…尿素水噴射ノズル;SA…始動・加速用アキュムレータ;AFT…補助燃料貯蔵タンク;17…入力装置;19…コントローラ;36…燃焼部ケーシング;38…スパイラル燃焼室;40…混合気生成部;42…着火部;44…高圧ガス噴出ポート;50…空気供給部;52…円筒状インナーチューブ;54…旋回流衝突部;70…水素リッチアンモニア生成器;200…空気圧縮器;400…タービン;600…炭素質燃料タンク;604…三方切替弁DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Next generation carbon free power generation apparatus; 11 ... Compressor and expander; 12 ... Gas guide passage member; 13 ... Next generation carbon free combustor; 14 ... Generator; UWT ... Urea water supply tank; SVa-SVc ... Three-way switching valve 15 ... Urea water injection nozzle; SA ... Start-up / accelerator; AFT ... Auxiliary fuel storage tank; 17 ... Input device; 19 ... Controller; 36 ... Combustion casing; 38 ... Spiral combustion chamber; 42 ... ignition part; 44 ... high pressure gas ejection port; 50 ... air supply part; 52 ... cylindrical inner tube; 54 ... swirl flow collision part; 70 ... hydrogen rich ammonia generator; 200 ... air compressor; 600 ... carbonaceous fuel tank; 604 ... three-way switching valve

Claims (9)

水素リッチアンモニアの原料として尿素水を供給する尿素水供給源に接続された燃焼部ケーシングと、前記燃焼部ケーシングに形成されていて前記高温水素リッチアンモニアと前記燃焼用空気とを燃焼させて前記高温燃焼ガスを生成する燃焼室と、前記高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として前記尿素水から高温アンモニアガスをオンデマンドにて生成すると共に前記高温アンモニアガスの一部を水素と窒素に転化して高温水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成器と、前記高温アンモニアガスの残部と前記高温水素リッチガスとの混合ガスを前記高温水素リッチアンモニアとして前記燃焼室に供給する水素リッチアンモニア供給ラインとを備え
前記水素リッチアンモニア生成器が、前記燃焼室に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される伝熱部材と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記尿素水を加水分解して前記高温アンモニアガスを生成する加水分解部と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記高温アンモニアガスの一部を前記高温水素リッチガスに転化するアンモニア分解部とを備えることを特徴とする次世代カーボンフリー燃焼器。
A combustion section casing connected to a urea water supply source that supplies urea water as a raw material for hydrogen-rich ammonia, and the high-temperature hydrogen-rich ammonia and the combustion air that are formed in the combustion section casing to burn the high temperature A combustion chamber for generating combustion gas, and a part of the thermal energy of the high-temperature combustion gas is used as a heat source to generate high-temperature ammonia gas from the urea water on demand, and a part of the high-temperature ammonia gas is converted to hydrogen and nitrogen. A hydrogen-rich ammonia generator that generates a high-temperature hydrogen-rich gas; and a hydrogen-rich ammonia supply line that supplies a mixed gas of the remainder of the high-temperature ammonia gas and the high-temperature hydrogen-rich gas as the high-temperature hydrogen-rich ammonia to the combustion chamber. Prepared ,
The hydrogen-rich ammonia generator is disposed in the combustion chamber and is heated by using a part of the thermal energy of the combustion gas as a heat source, and is disposed in the heat transfer member and heat of the combustion gas. A hydrolyzing unit that hydrolyzes the urea water in the presence of energy to generate the high-temperature ammonia gas; and one of the high-temperature ammonia gas that is disposed in the heat transfer member and in the presence of the thermal energy of the combustion gas. Next Generation carbon free combustor, wherein Rukoto a ammonia decomposition unit for converting the high-temperature hydrogen-rich gas a part.
前記加水分解部が、前記伝熱部材に収納されていて複数の乱流発生通路を形成し、前記前記加水分解部における前記尿素水の滞留時間を延長する複数の固形状伝熱体を備えることを特徴とする請求項記載の次世代カーボンフリー燃焼器。The hydrolysis section includes a plurality of solid heat transfer bodies that are housed in the heat transfer member to form a plurality of turbulent flow generation passages and extend the residence time of the urea water in the hydrolysis section. The next-generation carbon-free combustor according to claim 1 . 高温水素リッチアンモニアと燃焼用空気とを燃焼させて高温燃焼ガスを生成するカーボンフリー燃焼器と、前記水素リッチアンモニアの原料として尿素水を供給する尿素水供給源を備えた燃料供給システムと、前記高温燃焼ガスにより作動して出力軸から動力を得る熱機関とを備え、前記カーボンフリー燃焼器が、燃焼部ケーシングと、前記燃焼部ケーシングに形成されていて前記高温水素リッチアンモニアと前記燃焼用空気とを燃焼させて前記高温燃焼ガスを生成する燃焼室と、前記高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として前記尿素水から高温アンモニアガスをオンデマンドにて生成すると共に前記高温アンモニアガスの一部を水素と窒素に転化して高温水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成器と、前記高温アンモニアガスの残部と前記高温水素リッチガスとの混合ガスを前記高温水素リッチアンモニアとして前記燃焼室に供給する水素リッチアンモニア供給ラインとを備え
前記水素リッチアンモニア生成器が、前記燃焼室に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される伝熱部材と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記尿素水を加水分解して前記高温アンモニアガスを 生成する加水分解部と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記高温アンモニアガスの一部を前記高温水素リッチガスに転化するアンモニア分解部とを備えることを特徴とする次世代カーボンフリーエンジン。
A carbon-free combustor that generates high-temperature combustion gas by burning high-temperature hydrogen-rich ammonia and combustion air; a fuel supply system that includes a urea water supply source that supplies urea water as a raw material for the hydrogen-rich ammonia; and A heat engine that operates with high-temperature combustion gas and obtains power from an output shaft, and the carbon-free combustor is formed in the combustion part casing, the combustion part casing, and the high-temperature hydrogen-rich ammonia and the combustion air. A combustion chamber for generating the high-temperature combustion gas to generate a high-temperature ammonia gas from the urea water on demand using a part of the thermal energy of the high-temperature combustion gas as a heat source, and one of the high-temperature ammonia gas A hydrogen-rich ammonia generator for converting the part into hydrogen and nitrogen to produce a high-temperature hydrogen-rich gas, and the high-temperature ammonia The remainder of Agasu a mixed gas of the hot hydrogen-rich gas and a hydrogen-rich ammonia supply line for supplying to the combustion chamber as the hot hydrogen-rich ammonia,
The hydrogen-rich ammonia generator is disposed in the combustion chamber and is heated by using a part of the thermal energy of the combustion gas as a heat source, and is disposed in the heat transfer member and heat of the combustion gas. A hydrolyzing unit that hydrolyzes the urea water in the presence of energy to generate the high-temperature ammonia gas; and one of the high-temperature ammonia gas that is disposed in the heat transfer member and in the presence of the thermal energy of the combustion gas. Next-generation carbon free engine, wherein Rukoto a ammonia decomposition unit for converting the high-temperature hydrogen-rich gas a part.
前記水素リッチアンモニア生成器に接続されたパージガス供給手段と、前記次世代カーボンフリーエンジンの停止時に前記パージガス供給手段からパージガスを前記水素リッチアンモニア生成器に供給して残留ガスを排出させる開閉弁とをさらに備えることを特徴とする請求項記載の次世代カーボンフリーエンジン。A purge gas supply means connected to the hydrogen-rich ammonia generator; and an on-off valve for supplying a purge gas from the purge gas supply means to the hydrogen-rich ammonia generator and discharging residual gas when the next-generation carbon-free engine is stopped. The next-generation carbon-free engine according to claim 3, further comprising: 前記燃料供給システムが、前記水素リッチアンモニアの一部を一時的に貯蔵する補助燃料貯蔵タンクと、前記補助燃料貯蔵タンクの水素リッチアンモニアを前記燃焼室に供給するための開閉弁とを備えることを特徴とする請求項又は記載の次世代カーボンフリーエンジン。The fuel supply system includes an auxiliary fuel storage tank that temporarily stores a part of the hydrogen-rich ammonia, and an on-off valve for supplying hydrogen-rich ammonia of the auxiliary fuel storage tank to the combustion chamber. The next-generation carbon-free engine according to claim 3 or 4, characterized in that: 前記燃料供給システムが、前記尿素水供給タンクとは独立して設けられた炭素質燃料タンクと、前記炭素質燃料タンクの炭素質燃料を前記燃焼室に供給する流量制御弁とを備えることを特徴とする請求項〜5のいずれかに記載の次世代カーボンフリーエンジン。The fuel supply system includes a carbonaceous fuel tank provided independently of the urea water supply tank, and a flow rate control valve for supplying the carbonaceous fuel of the carbonaceous fuel tank to the combustion chamber. The next-generation carbon-free engine according to any one of claims 3 to 5. 前記熱機関が、
空気を圧縮して前記燃焼用空気を生成する圧縮器と、
前記圧縮器に連結された出力軸と、
前記出力軸に連結されていて、前記カーボンフリー燃焼器からの前記高温燃焼ガスにより作動するタービンとを備えることを特徴とする請求項3〜6のいずれかに記載の次世代カーボンフリーエンジン。
The heat engine is
A compressor that compresses air to produce the combustion air;
An output shaft coupled to the compressor;
The next-generation carbon-free engine according to claim 3, further comprising a turbine connected to the output shaft and operated by the high-temperature combustion gas from the carbon-free combustor.
高温水素リッチアンモニアと燃焼用空気とを燃焼させて高温燃焼ガスを生成するカーボンフリー燃焼器と、前記水素リッチアンモニアの原料として尿素水を供給する尿素水供給源を備えた燃料供給システムと、前記高温燃焼ガスにより作動して出力軸から動力を得る熱機関と、前記熱機関の動力により発電する発電機と、を備え、
前記カーボンフリー燃焼器が、前記熱機関に支持された燃焼部ケーシングと、前記燃焼部ケーシングに形成されていて前記高温水素リッチアンモニアと前記燃焼用空気とを燃焼させて前記高温燃焼ガスを生成する燃焼室と、前記高温燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として前記尿素水から高温アンモニアガスをオンデマンドにて生成すると共に前記高温アンモニアガスの一部を水素と窒素に転化して高温水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成器と、前記高温アンモニアガスの残部と前記高温水素リッチガスとの混合ガスを前記高温水素リッチアンモニアとして前記燃焼室に供給する水素リッチアンモニア供給ラインとを備え
前記水素リッチアンモニア生成器が、前記燃焼室に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される伝熱部材と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記尿素水を加水分解して前記高温アンモニアガスを生成する加水分解部と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記高温アンモニアガスの一部を前記高温水素リッチガスに転化するアンモニア分解部とを備えることを特徴とする次世代カーボンフリー発電装置。
A carbon-free combustor that generates high-temperature combustion gas by burning high-temperature hydrogen-rich ammonia and combustion air; a fuel supply system that includes a urea water supply source that supplies urea water as a raw material for the hydrogen-rich ammonia; and A heat engine that operates with high-temperature combustion gas and obtains power from an output shaft, and a generator that generates electric power using the power of the heat engine,
The carbon-free combustor generates the high-temperature combustion gas by burning the combustion part casing supported by the heat engine and the combustion part casing to burn the high-temperature hydrogen-rich ammonia and the combustion air. A high-temperature hydrogen-rich gas by generating a high-temperature ammonia gas from the urea water on demand using a part of the thermal energy of the high-temperature combustion gas as a heat source and converting a part of the high-temperature ammonia gas into hydrogen and nitrogen A hydrogen-rich ammonia generator that produces a hydrogen rich ammonia supply line that supplies a mixed gas of the remainder of the high-temperature ammonia gas and the high-temperature hydrogen-rich gas as the high-temperature hydrogen-rich ammonia to the combustion chamber ,
The hydrogen-rich ammonia generator is disposed in the combustion chamber and is heated by using a part of the thermal energy of the combustion gas as a heat source, and is disposed in the heat transfer member and heat of the combustion gas. A hydrolyzing unit that hydrolyzes the urea water in the presence of energy to generate the high-temperature ammonia gas; and one of the high-temperature ammonia gas that is disposed in the heat transfer member and in the presence of the thermal energy of the combustion gas. Next generation carbon free power generator according to claim Rukoto a ammonia decomposition unit for converting the high-temperature hydrogen-rich gas a part.
請求項1及び2記載の次世代カーボンフリー燃焼器、請求項3〜7記載の次世代カーボンフリーエンジン及び請求項記載の次世代カーボンフリー発電装置に利用される尿素水であって、前記尿素水が、アルカリ金属の水酸化物,炭酸塩及び珪酸塩からなる群から選ばれる1種以上を主成分とするアルカリ触媒溶液と、尿素と、水からなることを特徴とする尿素水。A urea water used in the next-generation carbon-free combustor according to claims 1 and 2, the next-generation carbon-free engine according to claims 3 to 7, and the next-generation carbon-free power generation device according to claim 8 , wherein the urea water A urea water characterized in that the water comprises an alkali catalyst solution mainly comprising at least one selected from the group consisting of alkali metal hydroxides, carbonates and silicates, urea, and water.
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