JP6255923B2 - Combustion device, gas turbine, and power generation device - Google Patents
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本発明は、燃焼装置、ガスタービン及び発電装置に関する。 The present invention relates to a combustion apparatus, a gas turbine, and a power generation apparatus.
燃焼におけるNOx低減技術には種々のものがあるが、大別すると燃焼器内でNOx低減を図るものと、燃焼器外でNOx低減を図るものとがある。前者の一例としては、燃料濃度を下げることによって燃焼温度の低減を図るもの、燃焼器内に水蒸気を噴射して燃焼温度の低減を図るもの、また触媒を用いるもの等がある。また、後者の一例としては、アンモニア触媒還元法、無触媒還元法、酸化還元法等がある。例えば下記特許文献1には、燃焼器内に水蒸気を噴射して燃焼温度の低減を図るガスタービン燃焼器が記載され、一方、下記特許文献2には、ディーゼルエンジン等の排ガスに含まれるNOx(窒素酸化物)をアンモニアガスの存在下で触媒を用いて還元する技術が記載されている。
There are various NOx reduction techniques in combustion, and broadly divided into two types: one that reduces NOx in the combustor and one that reduces NOx outside the combustor. As an example of the former, there are those that reduce the combustion temperature by lowering the fuel concentration, those that inject steam into the combustor to reduce the combustion temperature, and those that use a catalyst. Examples of the latter include an ammonia catalytic reduction method, a non-catalytic reduction method, and an oxidation reduction method. For example,
ところで、燃焼器外でNOxを低減する技術は、燃焼器以外にNOxを低減させる機器が必要となるので、燃焼装置のコスト高を招く虞がある。したがって、コスト面を重要視すると、燃焼器内でNOxを低減させることが好ましい。 By the way, since the technique which reduces NOx outside a combustor requires the apparatus which reduces NOx besides a combustor, there exists a possibility of causing the cost increase of a combustion apparatus. Therefore, considering the cost aspect, it is preferable to reduce NOx in the combustor.
しかしながら、燃焼器内でNOxを低減する技術においても、燃焼器内に水蒸気を噴射する技術は、燃焼器に水蒸気を供給する機器が必要なので、燃焼器外でNOxを低減する技術と同様に燃焼装置のコスト高を招く虞がある。また、燃料濃度を下げる技術は、コスト面で有利であるが、一般に火炎の保炎性能が低下するので、例えばエンジンのように燃焼装置を用いて動力を発生させる用途においては、動力の出力範囲が制限されるという問題がある。また、触媒を用いる技術では、触媒として白金やパラジウム等のレアメタルを用いるので、触媒が高価であり、また定期的な触媒交換が必要なのでメンテナンスが煩雑かつコスト高を招くという問題がある。 However, even in the technology for reducing NOx in the combustor, the technology for injecting water vapor into the combustor requires a device for supplying water vapor to the combustor, so combustion is performed in the same manner as the technology for reducing NOx outside the combustor. There is a risk of increasing the cost of the apparatus. In addition, the technology for reducing the fuel concentration is advantageous in terms of cost, but generally the flame holding performance of the flame is lowered. Therefore, in an application in which power is generated using a combustion device such as an engine, for example, the output range of the power There is a problem that is limited. Further, in the technology using a catalyst, since a rare metal such as platinum or palladium is used as a catalyst, there is a problem that the catalyst is expensive and maintenance is complicated and expensive because periodic catalyst replacement is necessary.
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも簡便なNOx低減技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a NOx reduction technique that is simpler than before.
上記目的を達成するために、本発明では、燃焼装置に係る第1の解決手段として、燃焼器で多段燃焼を行う燃焼装置であって、少なくとも最終段燃焼燃焼用の燃料としてアンモニアを前記燃焼器に供給するアンモニア供給装置と、該アンモニア供給装置がアンモニアを供給する段以外の段用に所定の燃料を前記燃焼器に供給する他燃料供給装置とを具備する、という手段を採用する。 In order to achieve the above object, according to the present invention, as a first solving means related to a combustion apparatus, a combustion apparatus that performs multistage combustion in a combustor, wherein at least ammonia is used as a fuel for final stage combustion combustion. And means for supplying an ammonia supply device to the combustion chamber and an other fuel supply device for supplying a predetermined fuel to the combustor for a stage other than the stage in which the ammonia supply apparatus supplies ammonia.
本発明では、燃焼装置に係る第2の解決手段として、上記第1の解決手段において、前記多段燃焼は2段燃焼であって、前記他燃料供給装置は、第1段燃焼用に所定の燃料を前記燃焼器に供給し、前記アンモニア供給装置は、アンモニアを第2段燃焼用の燃料として前記燃焼器に供給する、という手段を採用する。 In the present invention, as the second solving means relating to the combustion apparatus, in the first solving means, the multistage combustion is a two-stage combustion, and the other fuel supply apparatus is configured to use a predetermined fuel for the first-stage combustion. Is supplied to the combustor, and the ammonia supply device employs means for supplying ammonia to the combustor as fuel for second stage combustion.
本発明では、燃焼装置に係る第3の解決手段として、上記第2の解決手段において、燃焼器は、内部空間の上流側が第1段燃焼用の領域(第1段燃焼領域)であり、下流側が第2段燃焼用の領域(第2段燃焼領域)である、という手段を採用する。 In the present invention, as a third solving means relating to the combustion apparatus, in the second solving means, the combustor is a first-stage combustion region (first-stage combustion region) on the upstream side of the internal space, and downstream of the combustor. A means is adopted in which the side is an area for second stage combustion (second stage combustion area).
本発明では、燃焼装置に係る第4の解決手段として、上記第3の解決手段において、内部空間には、アンモニア供給の前段とアンモニア供給段との間に絞り部が形成されている、という手段を採用する。 In the present invention, as a fourth solving means related to the combustion apparatus, in the third solving means, a means is provided in which the throttle portion is formed in the internal space between the ammonia supply stage and the ammonia supply stage. Is adopted.
本発明では、燃焼装置に係る第5の解決手段として、上記第1〜第4のいずれかの解決手段において、前記第1段燃焼用に燃料と空気とを予混合する予混合部を備える、という手段を採用する。 In the present invention, as a fifth solving means related to the combustion apparatus, in any one of the first to fourth solving means, a premixing unit that premixes fuel and air for the first stage combustion is provided. Adopt the means.
本発明では、ガスタービンに係る第1の解決手段として、上記第1〜第5のいずれかの解決手段に係る燃焼装置を備える、という手段を採用する。 In the present invention, as the first solving means related to the gas turbine, a means is provided which includes the combustion apparatus according to any one of the first to fifth solving means.
本発明では、ガスタービンに係る第2の解決手段として、第1段燃焼用の第1燃焼器と第2段燃焼用の第2燃焼器とを備える第1の解決手段に係る燃焼装置と、第1燃焼器の排ガスによって駆動される第1タービンと、第2燃焼器の排ガスによって駆動される第2タービンとを備え、第2燃焼器には第1タービンの排ガスが供給される、という手段を採用する。 In the present invention, as a second solving means related to the gas turbine, a combustion apparatus according to the first solving means comprising a first combustor for first stage combustion and a second combustor for second stage combustion; Means comprising a first turbine driven by the exhaust gas of the first combustor and a second turbine driven by the exhaust gas of the second combustor, wherein the exhaust gas of the first turbine is supplied to the second combustor. Is adopted.
本発明では、発電装置に係る解決手段として、第1または第2の解決手段に係るガスタービンで発電機を駆動する、という手段を採用する。 In the present invention, means for driving the generator with the gas turbine according to the first or second solution means is adopted as the solution means for the power generator.
本発明によれば、第1段燃焼で高温排ガスを発生させ、当該高温排ガスの熱を利用して第2段燃焼でアンモニアを燃焼させるだけでよいので、従来よりも簡便なNOx低減技術を提供することが可能である。 According to the present invention, it is only necessary to generate high-temperature exhaust gas in the first stage combustion, and to burn ammonia in the second stage combustion using the heat of the high-temperature exhaust gas. Is possible.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第1実施形態〕
最初に第1実施形態について説明する。第1実施形態に係る発電装置は、図1に示すようにガスタービン1と発電機2とを備えている。すなわち、この発電装置は、ガスタービン1の動力で発電機2を駆動させるタイプのものである。上記ガスタービン1は、周知のように燃料を燃焼させて得られた高圧排ガスによって回転動力を発生させる内燃機関であり、発電機2を駆動する。発電機2は、ガスタービン1によって駆動されることによって、所定の交流電力(例えば三相交流電力)を外部に出力する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[First Embodiment]
First, the first embodiment will be described. The power generator according to the first embodiment includes a
上記ガスタービン1は、圧縮機(コンプレッサー)1a、予混合部1b、燃焼チャンバ1c、タービン1d、天然ガス供給装置1e及びアンモニア供給装置1f(他燃料供給装置)を備えている。なお、これら各構成要素のうち、予混合部1b及び燃焼チャンバ1cは、本実施形態における燃焼器Cを構成し、また圧縮機1a、燃焼器C、天然ガス供給装置1e及びアンモニア供給装置1fは、本実施形態における燃焼装置(符号略)を構成している。
The
圧縮機1aは、回転軸がタービン1dの出力軸と軸結合した軸流式の回転式圧縮機であり、タービン1dによって回転駆動させることによって大気から取り込んだ空気を圧縮して予混合部1bに供給する。すなわち、圧縮機1aは、燃焼器Cにおいて燃料の燃焼に供される所定圧力の圧縮空気を生成して予混合部1bに供給する。なお、圧縮機1aにおける空気の圧縮比は、燃焼器Cの仕様に応じて適宜設定される。
The
燃焼器Cは、燃焼チャンバ1cの前段に予混合部1bを備えるものである。この予混合部1bは、圧縮機1aから供給された圧縮空気を天然ガス供給装置1eから供給された天然ガスと混合させる機能部であり、当該混合によって得られたリーン状態の予混合ガス(希薄予混合ガス)を燃焼チャンバ1cに供給する。この希薄予混合ガスは、空燃比(空気質量を燃料質量で割った無次元数)が理論空燃比(混合ガス中の酸素と燃料が過不足なく反応するときの空燃比)よりも大きな値、つまり燃料が酸素に対して薄い状態(リーン状態)である。
The combustor C includes a
燃焼チャンバ1cは、2段燃焼方式(追い炊き方式ともいう。)に対応したものであり、内部空間(燃焼空間)が第1段燃焼領域R1と第2段燃焼領域R2とを有する。第1段燃焼領域R1は、予混合部1bから供給される希薄予混合ガスの流れ方向において上流側に位置し、予混合部1bから供給された希薄予混合ガスを燃焼(第1段燃焼)させる。一方、第2段燃焼領域R2は、上記希薄予混合ガスの流れ方向において下流側に第1段燃焼領域R1と隣接しており、アンモニア供給装置1fから燃料として供給されるアンモニアを燃焼(第2段燃焼)させる。
The
すなわち、上記第1段燃焼領域R1では、希薄予混合ガス中の天然ガスが当該希薄予混合ガス中に含まれる酸素を酸化剤として燃焼(第1段燃焼)し、第2段燃焼領域R2では、第1段燃焼で生成された高温排ガス中の残存酸素を酸化剤としてアンモニアが燃焼(第2段燃焼)する。この第2段燃焼で生成された高温高圧排ガスは、燃焼チャンバ1cからタービン1dに供給される。
That is, in the first stage combustion region R1, the natural gas in the lean premixed gas burns using oxygen contained in the lean premixed gas as an oxidant (first stage combustion), and in the second stage combustion region R2. Then, ammonia burns (second stage combustion) using residual oxygen in the high-temperature exhaust gas generated in the first stage combustion as an oxidant. The high-temperature and high-pressure exhaust gas generated by the second stage combustion is supplied from the
ここで、アンモニアは一般的に燃焼はするものの燃焼性が低い(燃焼しにくい)物質として知られているが、上記第2段燃焼では、第1段燃焼で生成された高温排ガスによる高温雰囲気(例えば600℃以上)によってアンモニアを安定的に燃焼(酸化)させることができる。また、アンモニアは、還元作用を有する物質としても知られている。 Here, ammonia is generally known as a substance that burns but has low flammability (difficult to burn). However, in the second stage combustion, a high temperature atmosphere (high temperature exhaust gas generated in the first stage combustion ( For example, ammonia can be stably combusted (oxidized) by 600 ° C. or higher. Ammonia is also known as a substance having a reducing action.
タービン1dは、燃焼チャンバ1bから供給される高温高圧排ガスを駆動流体として回転する軸流式タービンである。このタービン1dの出力軸は、上述したように圧縮機1aの回転軸に軸結合し、また発電機2の回転軸にも軸結合している。このタービン1dは、高温高圧排ガスによって回転動力を発生させて発電機2を駆動する。上記高温高圧排ガスは、タービン1dによって動力回収されることにより、圧力及び温度が低下した排ガスとしてタービン1dから排出される。なお、このタービン1dから排出される排ガスは、必要に応じて排ガス処理された後に大気に放出される。
The
天然ガス供給装置1eは、所定流量の天然ガスを燃焼として予混合部1bに供給する装置である。アンモニア供給装置1fは、所定流量のアンモニアを燃焼として燃焼チャンバ1cに供給する装置である。このような天然ガス供給装置1eにおける天然ガスの流量及びアンモニア供給装置1fにおけるアンモニアの流量は、図示しない制御装置によって適宜制御される。
The natural
次に、このように構成された発電装置の動作、特にガスタービン1の動作について、図2をも参照して詳しく説明する。
Next, the operation of the power generation apparatus configured as described above, particularly the operation of the
本実施形態に係るガスタービン1では、圧縮機1aで生成された圧縮空気が燃焼器Cの予混合部1bにおいて天然ガスと混合されて希薄予混合ガスが生成される。そして、この希薄予混合ガスは、予混合部1bから燃焼チャンバ1cの第1段燃焼領域R1に供給され、当該第1段燃焼領域R1で着火させることにより第1段燃焼する。
In the
上記希薄予混合ガスは、リーン状態の予混合ガスとして予混合部1bで生成されてものなので、第1段燃焼によって得られる高温排ガスには残存酸素が含まれる。この残存酸素を含む高温排ガスは、第1段燃焼領域R1から隣接する第2段燃焼領域R2に速やかに供給され、アンモニアを燃料として第2段燃焼する。
Since the lean premixed gas is generated in the
第1段燃焼によって発生する高温排ガスは残存酸素を含むと共にアンモニアを安定的に燃焼させるために必要十分な温度(例えば600℃以上)の高温ガスである。換言すると、第1段燃焼は、第2段燃焼においてアンモニアを安定的に燃焼させるために必要十分な温度が得られるように燃焼条件が設定される。これによって、一般的に燃焼はするものの難燃性の物質として知られるアンモニアを第2段燃焼領域R2において確実に燃焼させることができる。 The high-temperature exhaust gas generated by the first stage combustion is a high-temperature gas containing residual oxygen and having a necessary and sufficient temperature (for example, 600 ° C. or higher) to stably burn ammonia. In other words, in the first stage combustion, the combustion conditions are set so as to obtain a temperature necessary and sufficient for stably burning ammonia in the second stage combustion. In this way, although generally combusted, ammonia known as a flame retardant substance can be reliably combusted in the second stage combustion region R2.
そして、第2段燃焼によって発生する排ガスは、圧縮空気、第1段燃焼及び第2段燃焼によって得られたものなので、高温かつ高圧のガスであり、タービン1dを駆動するのに十分な運動エネルギーを有している。このような第2段燃焼によって得られた高温高圧排ガスは、燃焼チャンバ1cからタービン1dに駆動流体として供給されてタービン1dを駆動する。すなわち、タービン1dは、燃焼チャンバ1cから供給される高温高圧排ガスによって駆動されることによって、軸結合された発電機2を動力する。この結果、発電機2は電力を外部に出力する。
Since the exhaust gas generated by the second stage combustion is obtained by compressed air, the first stage combustion, and the second stage combustion, it is a high-temperature and high-pressure gas, and has sufficient kinetic energy to drive the
ここで、図2は、第1実施形態における燃焼装置のNOx低減効果を示す特性図(シミュレーション結果)である。すなわち、この特性図は、第2段燃焼における燃焼温度(2段目温度:横軸)とNOx低減率(縦軸)との関係を示すものである。縦軸のNOx低減率は、第2段燃焼後の高温高圧排ガスに含まれるNOx濃度から第1段燃焼後の高温排ガスに含まれるNOx濃度を差し引いた値(差分)をNOx濃度から第1段燃焼後の高温排ガスに含まれるNOx濃度で除算した値である。なお、このシミュレーション結果を得るために設定したシミュレーション条件(計算条件)は以下の通りである。 Here, FIG. 2 is a characteristic diagram (simulation result) showing the NOx reduction effect of the combustion apparatus in the first embodiment. That is, this characteristic diagram shows the relationship between the combustion temperature in the second stage combustion (second stage temperature: horizontal axis) and the NOx reduction rate (vertical axis). The NOx reduction rate on the vertical axis is obtained by subtracting the NOx concentration contained in the high-temperature exhaust gas after the first stage combustion from the NOx concentration contained in the high-temperature exhaust gas after the second stage combustion from the NOx concentration. It is a value divided by the NOx concentration contained in the high temperature exhaust gas after combustion. The simulation conditions (calculation conditions) set for obtaining this simulation result are as follows.
〔計算条件〕
(1)第1段燃焼の模擬排ガス(酸素濃度(dry):16.3%、NOx(16%O2換算):479ppm)
(2)滞留時間:10msec
(3)圧力:20気圧
(4)アンモニア(NH3)投入量:NOxに対して体積で2倍
(5)計算方法:模擬排ガスとNH3混合気を入口ガスとし、PSR(Perfectly Stirred Reactor)モデル計算。
(6)反応機構:「Naik, C. V., W. Pitz, et al. (2005) "Detailed Chemical Kinetic Modeling of Surrogate Fuels for Gasoline and Application to an HCCI Engine" SAE 2005-01-3741」をベースとした炭化水素と窒素酸化物の反応を対象とした構詳細素反応機構。
(7)反応器温度を定温とし、第2段燃焼の温度範囲を600℃〜1400℃とした。
〔Calculation condition〕
(1) First stage combustion simulated exhaust gas (oxygen concentration (dry): 16.3%, NOx (converted to 16% O 2 ): 479 ppm)
(2) Residence time: 10msec
(3) Pressure: 20 atmospheres (4) Ammonia (NH 3 ) input: Doubled by volume with respect to NOx (5) Calculation method: PSR (Perfectly Stirred Reactor) model with simulated exhaust gas and NH 3 gas mixture as inlet gas Calculation.
(6) Reaction mechanism: Carbonization based on “Naik, CV, W. Pitz, et al. (2005)“ Detailed Chemical Kinetic Modeling of Surrogate Fuels for Gasoline and Application to an HCCI Engine ”SAE 2005-01-3741” A detailed reaction mechanism for the reaction between hydrogen and nitrogen oxides.
(7) The reactor temperature was constant, and the temperature range of the second stage combustion was 600 ° C to 1400 ° C.
この図2に示すように、アンモニアは、第2段燃焼における燃料して機能するだけではなく、第1段燃焼によって発生する高温排ガス中のNOx(窒素酸化物)を低減させる機能を有する。すなわち、図2の特性図によれば、第2段燃焼における燃焼温度(2段目温度)が比較的低い場合には、NOx低減率は、正の値つまり第1段燃焼で発生する高温排ガスのNOx量よりも高い値となるが、2段目温度が比較的高い場合、つまり1300℃強より高い場合には、不の値つまり第1段燃焼で発生する高温排ガスのNOx量よりも低い値となる。例えば、2段目温度が1400℃の場合、30%を超えるNOx低減率を得ることができる。 As shown in FIG. 2, ammonia not only functions as a fuel in the second stage combustion, but also has a function of reducing NOx (nitrogen oxide) in the high-temperature exhaust gas generated by the first stage combustion. That is, according to the characteristic diagram of FIG. 2, when the combustion temperature (second stage temperature) in the second stage combustion is relatively low, the NOx reduction rate is a positive value, that is, the high temperature exhaust gas generated in the first stage combustion. However, when the second stage temperature is relatively high, that is, when it is higher than 1300 ° C., it is lower than the non-value, that is, the NOx quantity of the high-temperature exhaust gas generated in the first stage combustion. Value. For example, when the second stage temperature is 1400 ° C., a NOx reduction rate exceeding 30% can be obtained.
この特性図に従えば、第2段燃焼における燃焼温度が1300℃強より高くなるようにアンモニアの流量を設定することにより、第1段燃焼で発生する高温排ガスのNOx量を低減させることができる。すなわち、第1段燃焼によって得られる高温排ガスの温度が十分に高いので、またアンモニアの流量を調節することにより、第2段燃焼における燃焼温度を1300℃強より高くすることが十分に可能であり、よって第1段燃焼で発生する高温排ガスのNOx量を十分に低減させることができる。 According to this characteristic diagram, the NOx amount of the high-temperature exhaust gas generated in the first stage combustion can be reduced by setting the flow rate of ammonia so that the combustion temperature in the second stage combustion becomes higher than 1300 ° C. . That is, the temperature of the high-temperature exhaust gas obtained by the first stage combustion is sufficiently high, and it is sufficiently possible to raise the combustion temperature in the second stage combustion to more than 1300 ° C. by adjusting the flow rate of ammonia. Therefore, the NOx amount of the high temperature exhaust gas generated in the first stage combustion can be sufficiently reduced.
例えば、第1実施形態では第2段燃焼における燃焼温度が1350℃となるようにアンモニア供給装置1fから燃焼チャンバ1cの第2段燃焼領域R2に供給するアンモニアの流量を設定することにより、約−10%のNOx低減率を得る。したがって、本第1実施形態によれば、アンモニアをガスタービン1の燃焼器C内で燃焼させるだけでよいので、極めて簡便にNOxを低減することができる。なお、このようなアンモニアの燃焼によるNOx低減効果は、アンモニアが本来的に有する還元作用に起因するものである。
For example, in the first embodiment, by setting the flow rate of ammonia supplied from the
なお、本発明は上記第1実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
(1)上記第1実施形態では、燃焼チャンバ1c内に第1段燃焼領域R1と第2段燃焼領域R2とを有する設けるようにを有する燃焼器Cを採用したが、本発明はこれに限定されない。第1段燃焼領域R1用の燃焼チャンバ(第1燃焼チャンバ)と第2段燃焼領域R2用の燃焼チャンバ(第1燃焼チャンバ)とを個別に備える燃焼器を採用してもよい。
In addition, this invention is not limited to the said 1st Embodiment, For example, the following modifications can be considered.
(1) In the first embodiment, the combustor C having the first stage combustion region R1 and the second stage combustion region R2 is provided in the
(2)また、上記第1実施形態における燃焼チャンバ1cへのアンモニアの供給形態として、例えば図3(a)及び図3(b)に示すものが考えられる。図3(a)に示す形態は、希薄予混合ガスの流れ方向(図面の右方法)における略中間部位にアンモニア噴射用のノズルNを燃焼チャンバ1cの中心に向けると共に下流側に傾けて複数設けることにより、第2段燃焼領域R2に向けてアンモニアを噴射するものである。
(2) Moreover, as a supply form of ammonia to the
図3(b)に示す形態は、上記図3(a)の形態において、第1段燃焼領域R1と第2段燃焼領域R2との間に、絞り部S、つまり流路面積が局所的に狭く設定された部位を設けた燃焼チャンバ1gを備えるものである。この形態によれば、第1段燃焼で発生した高温排ガスの流速を図3(a)の形態よりも速くすることができるので、第2段燃焼領域R2における高温排ガスとアンモニア(燃料)との混合をより促進することができる。
The configuration shown in FIG. 3 (b) is the same as the configuration shown in FIG. 3 (a), in which the throttle portion S, that is, the flow path area is locally between the first stage combustion region R1 and the second stage combustion region R2. A
(3)上記第1実施形態では、予混合部1bで希薄予混合ガスを生成したが、本発明はこれに限定されない。予混合部1bにおいて燃料が酸素に対して濃い状態(リッチ状態)の予混合ガス(燃料過濃予混合ガス)を生成してもよい。ただし、この場合には第2段燃焼用の酸素を確保するために、図4(a)に示すようにアンモニアに希釈空気を混合して各ノズルNから第2段燃焼領域R2に噴射する必要がある。なお、この場合には、アンモニアと希釈空気とを個別に設けた専用ノズルで第2段燃焼領域R2に噴射してもよい。
(3) In the first embodiment, the lean premixed gas is generated in the
また、燃料過濃予混合ガスをターンフロー型の燃焼器用に供給する場合には、図4(b)に示すように、外側チャンバT1内に設けられる内側チャンバT2の周面に開口Hを形成すると共に当該開口Hの周りに仕切り板Pを設け、この仕切り板Pに各ノズルNの先端を開口させると共に各ノズルNにアンモニアを供給する。このような構成を採用することにより、濃密な空気ではなく希釈空気をアンモニアと共に各ノズルN及び各開口Hを介して第2段燃焼領域R2に噴射させることができる。 Further, when supplying the fuel rich premixed gas for the turn flow type combustor, an opening H is formed on the peripheral surface of the inner chamber T2 provided in the outer chamber T1, as shown in FIG. 4B. At the same time, a partition plate P is provided around the opening H, the tip of each nozzle N is opened in the partition plate P, and ammonia is supplied to each nozzle N. By adopting such a configuration, it is possible to inject diluted air, not dense air, together with ammonia into the second stage combustion region R2 through each nozzle N and each opening H.
〔第2実施形態〕
次に、第2実施形態について、図5及び図6を参照して説明する。なお、これら図面において、第1実施形態の構成要素と同一の構成要素には同一符合を付している。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS. In these drawings, the same reference numerals are given to the same components as those of the first embodiment.
第2実施形態に係る発電装置は、図5に示すようにガスタービン1A、発電機2、廃熱回収ボイラ3(第2燃焼器)、アンモニア供給装置1f、第2タービン4及び第2発電機5を備えている。また、上記ガスタービン1Aは、圧縮機(コンプレッサー)1a、予混合部1b、燃焼チャンバ1h、タービン1d(第1タービン)及び天然ガス供給装置1eを備えている。第2実施形態では予混合部1b及び燃焼チャンバ1hによって燃焼器C1(第1燃焼器)が構成されている。さらに、本実施形態では、燃焼器C1(第1燃焼器)、天然ガス供給装置1e、廃熱回収ボイラ3及びアンモニア供給装置1fによって燃焼装置が構成されている。
As shown in FIG. 5, the power generator according to the second embodiment includes a gas turbine 1A, a
すなわち、第2実施形態に係る発電装置は、ガスタービン1Aの動力で発電機2を駆動すると共に第2動力装置の動力で第2発電機5を駆動する。発電機2は、ガスタービン1Aによって駆動されることによって所定の交流電力(例えば三相交流電力)を外部に出力し、第2発電機5は第2動力装置によって駆動されることによって所定の交流電力(例えば三相交流電力)を外部に出力する。
That is, the power generator according to the second embodiment drives the
燃焼チャンバ1hは、単一の燃焼空間を有するものであり、予混合部1bから供給された希薄予混合ガスに着火して燃焼させ、当該燃焼によって発生した高温高圧排ガスをタービン1dに供給する。すなわち、燃焼器C1は、燃焼空間が1つの単室型燃焼器である。タービン1dは、燃焼チャンバ1hから供給された高温高圧排ガスを駆動流体として取り込むことにより発電機2を駆動すると共に、圧力及び温度が低下した排ガスを廃熱回収ボイラ3に排出する。
The
廃熱回収ボイラ3は、燃焼器と熱交換器との機能を併せ持つものである。すなわち、この廃熱回収ボイラ3は、タービン1dから供給された排ガスの存在下で燃料であるアンモニアを燃焼させることによって熱を発生させ、当該熱によって外部から供給された水を加熱することにより高温高圧の水蒸気を発生させる。廃熱回収ボイラ3は、この高温高圧水蒸気を第2タービン4に駆動流体として供給する一方、排ガスを排ガス処理した後に大気に放出(排気)する。
The waste heat recovery boiler 3 has both functions of a combustor and a heat exchanger. That is, the waste heat recovery boiler 3 generates heat by burning ammonia, which is a fuel, in the presence of exhaust gas supplied from the
ここで、タービン1dから廃熱回収ボイラ3に供給される排ガスは、タービン1dによって動力回収されることにより燃焼チャンバ1hからタービン1dに供給される高温高圧排ガスよりも低温であるが、廃熱回収ボイラ3でアンモニアを安定的に燃焼させるのに十分な温度(例えば600℃以上)を有している。換言すると、燃焼チャンバ1hにおける燃焼は、廃熱回収ボイラ3においてアンモニアを安定的に燃焼させるために必要十分な温度が得られるように燃焼条件が設定される。
Here, the exhaust gas supplied from the
アンモニア供給装置1fは、このような蒸気発生器3に対してアンモニアを燃料として供給する。第2タービン4は、軸流式の蒸気タービンであり、蒸気発生器3から供給された高温高圧水蒸気を駆動流体として取り込むことにより第2発電機5を駆動すると共に、圧力及び温度が低下した排ガスを外部に排出する。
The
第1実施形態に係る発電装置は、2段燃焼方式の燃焼器Cを採用することによりガスタービン1内で第1段燃焼及び第2段燃焼を行うが、第2実施形態に係る発電装置では、ガスタービン1Aの燃焼チャンバ1hで第1段燃焼を行い、ガスタービン1Aとは別に設けた蒸気発生器3で第2段燃焼を行う。すなわち、第2実施形態に係る発電装置では、ガスタービン1Aで天然ガスを燃焼(第1段燃焼)させることによってタービン1dで動力を発生させ、さらに蒸気発生器3でアンモニアを燃焼(第2段燃焼)させることによって第2タービン4で動力を発生させる。
The power generator according to the first embodiment performs the first-stage combustion and the second-stage combustion in the
このような第2実施形態に係る発電装置によれば、燃焼チャンバ1hで得られた高温高圧排ガスの温度がタービン1dによって低下するものの、廃熱回収ボイラ3に供給するアンモニアの流量を調節することにより廃熱回収ボイラ3における燃焼温度を1300℃強に設定することが十分に可能であり、よってガスタービン1Aで得られる排ガスのNOxを低減させることができる。
According to such a power generator according to the second embodiment, although the temperature of the high-temperature high-pressure exhaust gas obtained in the
なお、本発明は、上記第1、第2実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
(1)上記第1実施形態では2段燃焼方式の燃焼器Cを採用し、第2実施形態では2段燃焼方式の燃焼器C1(第1燃焼器)と廃熱回収ボイラ3(第2燃焼器)とのよって2段燃焼を実現するように構成したが、本発明は、このような2段燃焼に限定されない。燃焼器を2段以上の多段燃焼を行うように構成し、少なくとも最終段燃焼用にアンモニアを燃料として供給し、当該アンモニアを供給する段以外の段用に天然ガス等の所定の燃料を供給してもよい。
In addition, this invention is not limited to the said 1st, 2nd embodiment, For example, the following modifications can be considered.
(1) In the first embodiment, the two-stage combustion type combustor C is adopted, and in the second embodiment, the two-stage combustion type combustor C1 (first combustor) and the waste heat recovery boiler 3 (second combustion). However, the present invention is not limited to such two-stage combustion. The combustor is configured to perform two or more stages of multi-stage combustion. At least ammonia is supplied as fuel for the final stage combustion, and a predetermined fuel such as natural gas is supplied to a stage other than the stage supplying the ammonia. May be.
例えば3段燃焼を採用する場合には、第1段燃焼において天然ガスを燃焼させ、第2段燃焼及び第3段燃焼においてアンモニアを燃焼させること、あるいは第1段燃焼及び第2段燃焼において天然ガスを燃焼させ、最終段燃焼である第3段燃焼においてアンモニアを燃焼させることが考えられる。 For example, when three-stage combustion is adopted, natural gas is burned in the first stage combustion, ammonia is burned in the second stage combustion and the third stage combustion, or natural gas is burned in the first stage combustion and the second stage combustion. It is conceivable that gas is burned and ammonia is burned in the third stage combustion which is the final stage combustion.
(2)上記第1、第2実施形態では、本願発明に係る燃焼装置をガスタービン1,1A(内燃機関)に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。本願発明に係る燃焼装置をガスタービン1,1A以外の内燃機関に適用してもよい。
(2) In the first and second embodiments, the case where the combustion apparatus according to the present invention is applied to the
(3)上記第1、第2実施形態では、第1段燃焼用の燃料として天然ガスを用いたが、本発明はこれに限定されない。天然ガス以外の燃料を採用してもよい。 (3) In the first and second embodiments, natural gas is used as the fuel for the first stage combustion, but the present invention is not limited to this. A fuel other than natural gas may be employed.
(4)上記第1、第2実施形態では、第2段燃焼の燃焼温度をアンモニアの供給量を調整することによってNOxを低減し得る温度に設定したが、本発明はこれに限定されない。天然ガスの流量を調節することにより第1段燃焼の燃焼温度を調節して第2段燃焼の燃焼温度をアンモニアの供給量を調整することによってNOxを低減し得る温度に設定してもよい。 (4) In the first and second embodiments, the combustion temperature of the second stage combustion is set to a temperature at which NOx can be reduced by adjusting the supply amount of ammonia, but the present invention is not limited to this. The combustion temperature of the first stage combustion may be adjusted by adjusting the flow rate of the natural gas, and the combustion temperature of the second stage combustion may be set to a temperature at which NOx can be reduced by adjusting the supply amount of ammonia.
(5)上記第1、第2実施形態では、圧縮機1aとして軸流式の回転式圧縮機を用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば遠心式の回転式圧縮機を用いてもよい。
(5) In the first and second embodiments, an axial-flow rotary compressor is used as the
1,1A ガスタービン、1a 圧縮機、1b 予混合部、1c,1g,1h 燃焼チャンバ、1d タービン(第1タービン)、1e 天然ガス供給装置(他燃料供給装置)、1f アンモニア供給装置、2 発電機、3 廃熱回収ボイラ(第2燃焼器)、4 第2タービン、5 第2発電機、C 燃焼器、C1 燃焼器(第1燃焼器)、R1 第1段燃焼領域、R2 第2段燃焼領域 1, 1A gas turbine, 1a compressor, 1b premixing section, 1c, 1g, 1h combustion chamber, 1d turbine (first turbine), 1e natural gas supply device (other fuel supply device), 1f ammonia supply device, 2 power generation Machine, 3 waste heat recovery boiler (second combustor), 4 second turbine, 5 second generator, C combustor, C1 combustor (first combustor), R1 first stage combustion region, R2 second stage Combustion area
Claims (8)
少なくとも最終段燃焼燃焼用の燃料としてアンモニアを前記燃焼器に供給するアンモニア供給装置と、
該アンモニア供給装置がアンモニアを供給する段より前の段用に所定の燃料を前記燃焼器に供給する他燃料供給装置と、
を具備し、
前記燃料は、理論空燃比よりも酸素が多い状態で燃焼される
ことを特徴とする燃焼装置。 A combustion device that performs multistage combustion in a combustor,
An ammonia supply device for supplying ammonia to the combustor as a fuel for at least the final stage combustion combustion;
Another fuel supply device for supplying a predetermined fuel to the combustor for a stage before the stage in which the ammonia supply apparatus supplies ammonia ;
Equipped with,
A combustion apparatus characterized in that the fuel is burned in a state where oxygen is larger than a stoichiometric air-fuel ratio .
前記他燃料供給装置は、第1段燃焼用に所定の燃料を前記燃焼器に供給し、
前記アンモニア供給装置は、アンモニアを第2段燃焼用の燃料として前記燃焼器に供給することを特徴とする請求項1記載の燃焼装置。 The multistage combustion is a two-stage combustion,
The other fuel supply device supplies a predetermined fuel to the combustor for the first stage combustion,
The combustion apparatus according to claim 1, wherein the ammonia supply apparatus supplies ammonia to the combustor as a fuel for second stage combustion.
前記第1燃焼器の排ガスによって駆動される第1タービンと、
前記第2燃焼器の廃熱によって駆動される第2タービンとを備え、
前記第2燃焼器には前記第1タービンの排ガスが供給されることを特徴とするガスタービン。 The combustion apparatus according to claim 2, comprising a first combustor for the first stage combustion and a second combustor for the second stage combustion;
A first turbine driven by the exhaust gas of the first combustor;
A second turbine driven by waste heat of the second combustor,
The gas turbine, wherein the second combustor is supplied with exhaust gas from the first turbine.
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