JP6772868B2 - 燃焼装置及びガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、燃焼装置及びガスタービンに関する。

下記特許文献１には、アンモニアを燃料として燃焼させる燃焼装置及びガスタービンが開示されている。すなわち、この燃焼装置及びガスタービンは、天然ガスにアンモニア（燃料用アンモニア）を予混合させて燃焼器に供給することによりタービンを駆動する燃焼排ガスを得ると共に、窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減することを目的として、燃焼器内の下流側に燃焼領域で発生した窒素酸化物（ＮＯｘ）をアンモニアを用いて還元する還元領域を形成するものである。

特開２０１６−１９１５０７号公報

ところで、上記背景技術では、燃焼器内の上流側で発生した窒素酸化物（ＮＯｘ）に下流側でアンモニアを混合させることで窒素（Ｎ_２）に還元させるが、アンモニアが還元剤として必ずしも十分に機能せず、アンモニアによる窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減効率が良好ではないという問題点がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、還元剤による窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減効率を従来よりも向上させることを目的とするものである。

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、燃料用アンモニアを燃焼用空気を用いて燃焼室内で燃焼させる燃焼装置であって、前記燃焼室内の火炎に向けて所定の還元剤を噴射する還元剤噴射手段を備える
、という手段を採用する。

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、前記還元剤噴射手段は、前記火炎のうち酸素濃度が低い領域に前記還元剤を噴射する、という手段を採用する。

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１の解決手段において、前記還元剤噴射手段は、前記燃焼室内における主流方向における前記火炎の中心部に向けて前記還元剤を噴射する、という手段を採用する。

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１〜第３のいずれかの解決手段において、前記還元剤噴射手段は、前記火炎の周りに設けられた単一あるいは複数の噴射孔を備え、当該噴射孔から火炎に向けて前記還元剤を噴射する、という手段を採用する。

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、前記燃焼用空気が前記燃焼室内で旋回流を形成する場合、前記還元剤噴射手段は、前記燃焼室内の主流方向に垂直な面内において前記旋回流に沿う方向に前記還元剤を噴射する、という手段を採用する。

本発明では、燃焼装置に係る第６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おいて、前記還元剤はアンモニアである、という手段を採用する。

また、本発明では、ガスタービンに係る解決手段として、上記第１〜第６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。

本発明によれば、燃焼室中で酸素濃度が比較的低い火炎に向けて還元剤を噴射するので、アンモニアによる窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減効率を従来よりも向上させることが可能である。

本発明の一実施形態に係る燃焼装置及びガスタービンの全体構成示すブロック図である。 本発明の一実施形態における燃焼器の構成を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係るガスタービンＡは、図１に示すように圧縮機１、燃焼器２、タービン３、還元触媒チャンバ４、タンク５、ポンプ６、気化器７及び燃料供給部８を備えている。また、これら複数の構成要素のうち、燃焼器２、タンク５、ポンプ６、気化器７及び燃料供給部８は、本実施形態における燃焼装置Ｃを構成している。このようなガスタービンＡは、発電機Ｇの駆動源であり、所定の燃料を燃焼させることにより回転動力を発生させる。

圧縮機１は、外気から取り込んだ空気を所定圧まで圧縮して圧縮空気を生成する。この圧縮機１は、上記圧縮空気を主に燃焼用空気として燃焼器に供給する。燃焼器２は、上記圧縮空気を酸化剤として燃料を燃焼させることにより燃焼ガスを発生させ、当該燃焼ガスをタービン３に供給する。

タービン３は、上記燃焼ガスを駆動ガスとして用いることにより回転動力を発生する。このタービン３は、図示するように圧縮機１及び発電機Ｇと軸結合しており、自らの回転動力によって圧縮機１及び発電機Ｇを回転駆動する。このようなタービン３は、動力回収した後の燃焼ガスを還元触媒チャンバ４に向けて排気する。還元触媒チャンバ４は、内部に還元触媒が充填されており、燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素（Ｎ_２）に還元する。

タンク５は、所定量の液体アンモニアを貯留する燃料タンクであり、液体アンモニアをポンプ６に供給する。ポンプ６は、タンク５から供給された液体アンモニアを所定圧に加圧して気化器７に供給する燃料ポンプである。気化器７は、ポンプ６から供給された液体アンモニアを気化させることにより気体アンモニアを生成する。

この気化器７は、気体アンモニアを還元剤として燃焼器２及び還元触媒チャンバ４の直前に供給する。なお、上述した還元触媒チャンバ４は、内部に収容した還元触媒と還元剤との協働によって窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元処理する。

ここで、このような複数の構成要素のうち、本実施形態に係るガスタービンＡ及び燃焼装置Ｃにおいて最も特徴的な構成要素である燃焼器２について、図２を参照して詳細を説明する。

燃焼器２は、図２（ａ）に示すようにケーシング２ａ、ライナ２ｂ、燃料ノズル２ｃ、整流器２ｄ及び複数の噴射孔２ｅを備えている。なお、上述したタンク５、ポンプ６及び気化器７並びに複数の噴射孔２ｅは、本発明の還元剤噴射手段を構成している。

ケーシング２ａは、ライナ２ｂを収容する略円筒状の容器である。このケーシング２ａは、一端に燃料ノズル２ｃ及び整流器２ｄが取り付けられており、他端に排気口Ｅが形成されている。ライナ２ｂは、このようなケーシング２ａに対して略同軸状に設けられた筒状体であり、内部空間が燃焼室Ｎである。なお、図２に示すライナ２ｂの中心軸Ｌの方向は、燃焼室Ｎ内における主流の流れ方向（主流方向）である。

燃料ノズル２ｃは、ケーシング２ａの一端においてライナ２ｂの中心軸Ｌ上に設けられており、燃料を燃焼室Ｎ内に噴射する燃料噴射ノズルである。整流器２ｄは、ケーシング２ａの一端において上記燃料ノズル２ｃの外周に円環状に設けられており、燃焼室Ｎの一端から排気口Ｅの方向に向けて燃焼用空気を供給すると共に、図２（ｂ）に示すようにライナ２ｂの中心軸Ｌの周りに燃焼用空気の旋回流Ｓを形成する。

複数の噴射孔２ｅは、ケーシング２ａからライナ２ｂに亘って形成された円形貫通孔であり、中心軸Ｌの周りつまり火炎Ｋの周りに所定角度毎に設けられている。すなわち、これら噴射孔２ｅは、ライナ２ｂ内面から気体アンモニアを火炎Ｋに向けて噴射するアンモニア噴射孔である。

火炎Ｋは、燃焼室Ｎ中で酸素濃度が比較的低い領域であるが、その中心部Ｋｃは、火炎Ｋにおいて酸素濃度が最も低い領域である。複数の噴射孔２ｅは、図２（ａ）に示すように、主流方向における火炎Ｋの中心部Ｋｃつまり酸素濃度が最も低い領域に向けて気体アンモニアを噴射する。なお、火炎Ｋの中心部Ｋｃは、図２（ａ）に示すように、１点ではなく所定の広がりを持った領域である。

ここで、気体アンモニアの最大貫通距離Ｙmaxは、下式（１）によって与えられる。すなわち、最大貫通距離Ｙ_ｍａｘは、噴射孔２ｅの内径ｄ_ｊ、気体アンモニアの噴射速度Ｕ_ｊ、気体アンモニアの密度ρ_ｊ、燃焼室Ｎ内における主流の流れ速度Ｕ_ｇ（主流速度）及び主流の密度ρ_ｇ、また図２（ａ）に示すように中心軸Ｌの方向（主流方向）に直交する方向に対する噴射方向の傾斜角θ（単位：°）の関係式（１）として与えられる。

上記内径ｄ_ｊ及び流れ速度Ｕ_ｇ（主流速度）は、このような最大貫通距離Ｙ_ｍａｘが噴射孔２ｅの先端位置Ｐから火炎Ｋの中心までの距離よりも大きくなるように設定される。なお、図２（ｂ）の破線矢印で示すように、火炎Ｋ（中心軸Ｌ）の周りにおける噴射方向を火炎Ｋの中心とするのではなく、旋回流Ｓに沿う方向、つまり旋回流Ｓの旋回方向に直交する方向に対して旋回方向の下流側に角度φだけ傾斜させた噴射方向に気体アンモニアを噴射しても良い。

次に、本実施形態に係るガスタービンＡ及び燃焼装置Ｃの時系列的な動作（定常動作）について詳しく説明する。

このガスタービンＡ及び燃焼装置Ｃでは、ポンプ６が作動することによって液体アンモニアがタンク５から気化器７に供給され、気化器７で液体アンモニアが気化することによって気体アンモニアが生成される。そして、この気体アンモニアは、燃焼器２の各噴射孔２ｅ及び還元触媒チャンバ４の直前に供給される。一方、燃料は、燃料供給部８から気化器７に供給され、燃料ノズル２ｃから燃焼室Ｎ内に噴射される。

一方、圧縮機１が作動することによって圧縮空気が燃焼用空気として燃焼器２の整流器２ｄに供給される。この燃焼用空気は、燃焼器２によってライナ２ｂの中心軸Ｌ周りに旋回する旋回流Ｓとしてライナ２ｂの中心軸Ｌの方向に噴射される。

上記燃焼用空気は、初期的には燃焼器２からライナ２ｂの中心軸Ｌの方向に向けて噴射されるが、旋回に起因する遠心力によって中心軸Ｌの直交方向つまり側方に位置するライナ２ｂの方に徐々に広がる。また、このような燃焼用空気の流れに引き連れることにより、燃料ノズル２ｃから噴射された燃料は、燃焼用空気と同様に中心軸Ｌの直交方向に徐々に広がる。そして、このように燃焼室Ｎ内で流れる燃料と燃焼用空気とが混合して火炎Ｋが燃焼室Ｎ内に形成される。

この火炎Ｋは、ライナ２ｂの中心軸Ｌを中心として形成されるが、上述した燃料及び燃焼用空気の流れの影響で、図２に示すように中心軸Ｌの方向における先端が中心軸Ｌから離れるに従って排気口Ｅ寄り（前方寄り）となる。各噴射孔２ｅは、このような火炎Ｋに対して気体アンモニアを中心軸Ｌに直交する方向（側方）から噴射する。

すなわち、本実施形態では、燃焼器Ｎ内で最も酸素濃度が低い火炎Ｋの中心に向けて複数の各噴射孔２ｅから気体アンモニアを噴射するので、火炎Ｋ内に生成される窒素酸化物（ＮＯｘ）に気体アンモニアを効率良く作用させることが可能であり、よって気体アンモニアによる窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減効率を従来よりも向上させることが可能である。

また、各噴射孔２ｅにおける気体アンモニアの噴射速度は、気体アンモニアが火炎Ｋの中心に到達するように設定されるので、これによって気体アンモニアが未反応のまま還元に適した火炎Ｋの内部に供給され、この結果として窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減効率を向上させることができる。

さらには、火炎Ｋ（中心軸Ｌ）の周りにおける噴射方向を旋回方向の下流側に角度φだけ傾斜させた場合には、噴射方向を旋回方向に直交する方向あるいは旋回方向の上流側に傾斜させた場合よりも窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減効率を向上させることができる。

この原因は、気体アンモニアの噴射方向を旋回方向の下流側に傾斜させた方が、例えば燃焼用空気あるいは燃焼ガスと気体アンモニアとの相対速度が噴射方向を旋回方向に直交する方向あるいは旋回方向の上流側に傾斜させた場合よりも小さくなるので、火炎Ｋの内部に到達せずに燃焼用空気あるいは燃焼ガスとの混合が抑制され、火炎Ｋの内部に気体アンモニアが到達し易くなり、この結果として気体アンモニアによる窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減効率を向上させることができるためであると推測される。

なお、本発明は上記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）上記実施形態は、本発明をガスタービンＡの燃焼装置Ｃに適用した場合に関するものであるが、本発明はこれに限定されない。本願発明に係る燃焼装置は、ガスタービンＡ以外の種々の装置、例えばライナが中心軸Ｌに対して傾斜したり、あるいはボイラのように主流が曲がっている場合にも適用可能である。

（２）上記実施形態では、還元剤として気体アンモニアを用いたが、本発明はこれに限定されない。気体アンモニア以外の還元剤を用いても良い。

（３）上記実施形態では、噴射孔２ｅを複数設けたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、噴射孔２ｅの個数は単一（１個）でもよい。

（４）ライナ２ｂの中心軸Ｌの方向における気体アンモニアの噴射位置を１か所に設定したが、本発明はこれに限定されない。窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減効率を向上させるために、ライナ２ｂの中心軸Ｌの方向における複数箇所から気体アンモニアを噴射しても良い。この場合、中心軸Ｌの方向（主流方向）における火炎Ｋのより広い領域に気体アンモニアを作用させることができるので、窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減効率のさらなる向上が期待される。

（５）上記実施形態では、複数の噴射孔２ｅを円形貫通孔とした。すなわち、噴射孔２ｅの断面形状を円形としたが、本発明はこれに限定されない。噴射孔２ｅの断面形状を円形以外の形状、例えば長軸方向が中心軸Ｌの方向（主流方向）に沿う長円形あるいは楕円形としても良い。このような長円形あるいは楕円形を採用した場合、旋回流に対する投影面積が低減され、火炎Ｋの内部に到達せずに旋回流と混合し、排気口Ｅに排出される気体アンモニアの量を低減することができるので、窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減効率のさらなる向上が期待される。

Ａ ガスタービン
Ｃ 燃焼装置
Ｅ 排気口
Ｋ 火炎
Ｎ 燃焼室
Ｓ 旋回流
１ 圧縮機
２ 燃焼器
２ａ ケーシング
２ｂ ライナ
２ｃ 燃料ノズル
２ｄ 整流器
２ｅ 噴射孔
３ タービン
４ 還元触媒チャンバ
５ タンク
６ ポンプ
７ 気化器
８ 燃料供給部

Claims (6)

1. 燃料を燃焼用空気を用いて燃焼室内で燃焼させる燃焼装置であって、
   前記燃焼室内の火炎に向けて所定の還元剤を噴射する還元剤噴射手段を備え、
   前記燃焼用空気が前記燃焼室内で旋回流を形成する場合、
   前記還元剤噴射手段は、前記燃焼室内の主流方向に垂直な面内において前記旋回流に沿う方向に前記還元剤を噴射することを特徴とする燃焼装置。
2. 前記還元剤噴射手段は、前記火炎のうち酸素濃度が低い領域に前記還元剤を噴射することを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
3. 前記還元剤噴射手段は、前記燃焼室内における主流方向における前記火炎の中心部に向けて前記還元剤を噴射することを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
4. 前記還元剤噴射手段は、前記火炎の周りに設けられた単一あるいは複数の噴射孔を備え、当該噴射孔から前記火炎に向けて前記還元剤を噴射することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃焼装置。
5. 前記還元剤はアンモニアであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃焼装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃焼装置を備えることを特徴とするガスタービン。

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