JP6835751B2 - アンモニアの燃焼のための方法および装置 - Google Patents

Description

アンモニアはエネルギー蓄積材として使用され得る。アンモニアは、後の燃焼のために合成されかつ貯蔵され得る。ガスタービン中でのアンモニア燃焼により、化学的に蓄積されたエネルギーが機械エネルギー中に放出され得る。しかしながら、アンモニアの燃焼により、窒素酸化物ＮＯｘが生成し、これは排出目標に到達するためには、排気ガスから除去されるべきである。

したがって、本発明は、特許請求の範囲に記載された装置および方法を提供する。このような装置および方法は、アンモニア燃焼中の窒素酸化物ＮＯｘの排出を低減または排除する。

図１は、熱交換器で水を加熱して第２タービンを蒸気で駆動するアンモニアの燃焼システムを示す。 図２は、第２燃焼室からの排気ガスを第２タービンに直接作用させるアンモニアの燃焼システムを示す。 図３は、熱交換器が第２燃焼室に組み込まれたアンモニアの燃焼システムを示す。 図４は、再循環ライン２０が設けられて、第２燃焼室からの排出ガスの一部を再循環し、ミキサーで吸気酸素含有ガスと混合するアンモニアの燃焼システムを示す。

本発明の上記および更なる対象、特徴および利点は、添付の図面と関連して、非限定的な例としてのみ与えられるその特定の実施形態の以下の説明からより明らかになるであろう。図１〜４は、本発明の各実施形態を図式的に示す。

図１に示す本発明のある実施形態では、アンモニアの燃焼は、空気または他の酸素含有ガスを圧縮し、これを比較的高圧かつ高温の第１燃焼室２に通過させる圧縮機１を含む。アンモニア３と水素４との第１混合物を、第１燃焼室２に入れて、そこで燃焼させて熱および排気ガス流を発生させる。例えば、第１燃焼室２内の操作圧力は１０〜３０バールの範囲にあり、典型的な操作圧力は１２〜２５バールの範囲にある。第１燃焼室からの排気ガス１０２の出口温度は、１４００〜２１００Ｋ、典型的には１５００〜１８００Ｋの範囲内であってもよい。

第１燃焼室２に供給される水素に対するアンモニアの比率の制御は、現場ガス分析センサ７と連結されたマスフローコントローラ５および６を介してコントローラ１８によって達成される。ガス混合物は、燃焼時に最大の出力を発揮するように最適化されている。しかしながら、高い燃焼温度およびアンモニア燃料の高い窒素含有量のために、燃焼室２からの排気ガス流１０２は、高レベルの窒素酸化物ＮＯｘを有するであろう。

排気ガス１０２は、第１タービン８に供給され、そこで仕事量はシャフトに移されるかまたは機械的出力を供給することに類似する。第１タービン８を出る排気ガスは熱いものであり、比較的低圧かつ比較的低温領域で作動する第２燃焼室１３に送られる。例えば、第２燃焼室１３内の操作圧力は、１〜１０バールの範囲内にあってよく、典型的な操作圧力は１〜５バールの範囲内にある。第２燃焼室からの排気ガスの出口温度は、３００〜１３００Ｋ、典型的には７５０〜８８０Ｋの範囲にあってもよい。

この第２燃焼室に入る前に、窒素酸化物ＮＯｘを含む排気ガスを現場ガス分析センサ９で測定する。

アンモニア３、水素４および空気の第２混合物が、高められた当量比で、典型的には１．０〜１．２で、すなわち供給された水素と反応してＮ_２とＨ_２Ｏのみを生成するのに必要な量を超える過剰のアンモニアが第２燃焼室１３中に注入される。混合物が燃焼される。高められた比率は、燃焼によってかなりの割合のＮＨ_２ ⁻イオンが生じ、これが窒素酸化物ＮＯｘと結合してＮ_２とＨ_２Ｏを生成し、それによって排気ガス流１０２からＮＯｘを除去することを保証する。

第２混合物中のアンモニアの水素に対する正確な当量比は、コントローラ１８により、マスフローコントローラ１０、１１および任意でエアマスフローコントローラ１９を現場ガス分析センサ１２と共に使用して設定され、第２燃焼室１３に供給される第２ガス混合物中の、アンモニアの水素に対する比、さらに任意で空気などの酸素含有ガスの割合を制御する。要求される当量比は、ガスセンサ９による入力ＮＯｘ比率の測定によって、および現場ガスセンサ１４で測定された出力ＮＯｘ排出量の測定によって決定される。コントローラ１８は、センサ１２、９、１４からデータを受信し、マスフローデバイス１１、１２および任意で１９に適切なコマンドを送る。コントローラ１８は、センサ７およびマスフローデバイス５、６に関連するコントローラと同じコントローラであってよく、または別個のコントローラであってもよい。

熱交換器１５を使用して、廃熱を除去し、第２燃焼室からの排出ガスからエネルギーを回収し得る。図示された例では、このことは、熱交換器１５の熱を回収し、これを用いて蒸気タービン１６を駆動することによって達成されるが、適宜、廃熱からエネルギーを回収するための他の機構が設けられてもよい。

例えば、図２に示すように、第２燃焼室１３からの排出ガスは、機械的な回転として廃棄エネルギーを回収するために第２タービン２２に送られてもよい。

図３は、本発明の別の実施形態を示す。この実施形態では、第２燃焼室２４には熱交換器が組み込まれる。これは助燃式熱回収蒸気発生器に類似し得る。熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）は、ガスタービンまたは大型往復動エンジンなどの発電プラントの原動機から排出される「廃」熱を回収し、したがって総合エネルギー効率を改善するように設計された熱交換器である。助燃（または「ダクト」）燃焼は、酸素源として高温ガスタービン排気ガスを使用し、必要に応じてより多くの蒸気を発生させるために追加のエネルギーを供給する。これはシステムの出力と柔軟性を向上させる経済的に魅力的な方法である。助燃は、より低い資本コストで過剰の電気出力を供給することができ、ピーキングに適している。バーナーは、通常、ＨＲＳＧにつながる排気ガス流に位置するが、必ずしもそうではない。必要に応じて過剰の酸素（または空気）が追加され得る。周囲温度が高い場合、小さなダクトバーナーは、ガスタービンの排気エネルギーを補って、蒸気タービンへの設計された絞り流量を維持できる。

図４に示す本発明の更なる実施形態では、再循環ライン２０が設けられて、第２燃焼室１３からの排出ガスの一部を第１燃焼室２中に戻して再循環し得る。再循環された排出ガスは、例えばミキサー２６で吸気酸素含有ガスと混合することによって、入力ガス流と組み合わされ得る。これには、排気ガス中の未燃焼ＮＨ_３がリサイクルされ、燃焼されるという利点がある。その割合は、第２燃焼室からの排気ガス中の未燃焼ＮＨ_３の割合、および系からの排出ガス中のＮＨ_３の許容可能な割合に応じて、例えば０％〜８０％の間で変化し得る。

したがって本発明は、以下の利点のうち１つ以上を提供することを目的とする：
（１） − 窒素酸化物ＮＯｘ分が排出ガスから低減または除去される；
（２） − すべてのアンモニアおよび水素がエネルギー、窒素および水に変換されるため、システムの総合効率が最大になる；
（３） − 第１および第２燃焼室２、１３、２４が、タービン８、１６、２２とは異なる位置に配置されて、様々な可能なレイアウトを環境上の制約に適合させることができる；
（４） − 排出ガス中のＮＨ_３含有量が最小になる。

上記の利点に寄与し得るそれぞれの技術的特徴は以下の通りである。
（１）第２燃焼室１３、２４の使用により、適切な当量比で燃焼させることができ、ＮＨ_２ ⁻イオンの形成が可能である。Ｎ_２およびＨ_２Ｏを形成する排出ガス中のＮＯｘと、その後に組み合わせて、排出ガスのアンモニア含有量を減少させる。
（２）第２燃焼室中に入力前のタービン８からの排気ガス１０２中のＮＯｘ含有量の測定９、第１燃焼室中へのＮＨ_３／Ｈ_２ガスマスフローの制御および第２室の出力でのＮＯｘ排出量の測定１４により、排気ガスおよび排出ガスのＮＯｘ含有量に応じて当量比を正確に設定することができる。これは、第１燃焼室での燃焼条件が排気ガス１０２のＮＯｘ含有量を決定することになるため必要である。これらの条件は、動的にかつシステムごとに変更することができる。
（３）エネルギー損失を最小限に抑えるための熱交換器１５、２４の使用は、第２燃焼室１３、２４における第２燃焼と関連している。
（４）第２燃焼室から第１燃焼室へ排出ガスを戻して再循環させることにより、ＮＨ_３排出量を最小限に抑える。

したがって本発明は、添付の特許請求の範囲に規定されるアンモニアを燃焼するための方法およびシステムを提供する。

第１燃焼室２での燃焼によるエネルギーは、第１タービン８の作動により回収され、第１燃焼室での燃焼により放出されたエネルギーを機械エネルギーに変換し得る。

第２燃焼室１３での燃焼によるエネルギーは、第２タービン１６、２２の作動により回収され、第２燃焼室での燃焼により放出されたエネルギーを機械エネルギーに変換し得る。第２タービン２２の作動は、第２燃焼室１３からの排気ガスをタービン２２に直接作用させることによって、または熱交換器１５で水を加熱して第２タービン１６を蒸気で駆動することによって行われ得る。

第２燃焼室２４には、第２燃焼室からの排気ガスから熱を回収するための熱交換器が組み込まれていてもよい。熱交換器は、熱を回収するために蒸気を加熱する役割を果たし得る。

第２燃焼室からの排出ガスの一部は、排気ガス中に残っているアンモニアを燃焼させるために、第１燃焼室中に再循環され得る。

本出願は、限定された数の特定の実施形態を参照して記載されているが、多くの改変および変形が当業者には明らかであろう。

Claims (14)

1. 第１燃焼室は、制御された比率のアンモニアおよび水素ならびに酸素含有ガスを受け取り、アンモニアおよび水素を燃焼させることで燃焼生成物の中でも特に窒素酸化物を生成し、第２燃焼室は、さらに制御された比率の更なるアンモニアおよび水素ならびに更なる酸素含有ガスに加えて窒素酸化物を受け取り、その結果、窒素酸化物が燃焼し、窒素および水になる、アンモニアの燃焼方法であって、
   − 第１燃焼室の燃焼生成物の窒素酸化物含有量を測定すること、および
   − 第１燃焼室の燃焼生成物の測定された窒素酸化物含有量に従ってアンモニアおよび水素ならびに酸素含有ガスの比率を、アンモニアおよび水素ならびに酸素含有ガスが、供給された水素と反応して窒素および水のみを生成するのに必要な量を超える過剰のアンモニアと共に第２燃焼室（１３）中に注入されるように制御すること
   をさらに含み、
   第２燃焼室からの排気ガスの一部が、排気ガス中に残っているアンモニアを燃焼させるために、第１燃焼室中に再循環されることを特徴とする、前記燃焼方法。
2. 第１燃焼室（２）での燃焼によるエネルギーを第１タービン（８）の作動によって回収し、第１燃焼室での燃焼により放出されたエネルギーを機械エネルギーに変換する、請求項１記載のアンモニアの燃焼方法。
3. 第２燃焼室（１３）での燃焼によるエネルギーを第２タービン（１６、２２）の作動によって回収し、第２燃焼室での燃焼により放出されたエネルギーを機械エネルギーに変換する、請求項１記載のアンモニアの燃焼方法。
4. 第２燃焼室（１３）からの排気ガスを第２タービン（２２）に直接作用させることによって第２タービン（２２）を作動させる、請求項３記載のアンモニアの燃焼方法。
5. 第２燃焼室（１３）での燃焼によるエネルギーで熱交換器（１５）中の水を加熱して、蒸気により第２タービン（１６）を駆動させることによって第２タービン（２２）を作動する、請求項３記載のアンモニアの燃焼方法。
6. 熱が第２燃焼室（２４）から、組み込まれた熱交換器によって回収される、請求項１または２記載のアンモニアの燃焼方法。
7. 制御された比率のアンモニア（３）および水素（４）ならびに酸素含有ガスを受け取るように連結された第１燃焼室（２）と、さらに制御された比率の更なるアンモニアおよび水素ならびに更なる酸素含有ガスに加えて第１燃焼室からの排気ガス（１０２）を受け取るように連結された第２燃焼室（１３）と、を含む、アンモニア燃焼用システムであって、
   − 第１燃焼室の燃焼生成物の窒素酸化物含量を測定するためのガス分析センサ（９）
   − コントローラ（１８）およびマスフローコントローラ（１９、１０、１１、１２）、ここでコントローラ（１８）は、第１燃焼室の燃焼生成物の窒素酸化物の比率を示すガス分析センサ（９）からの測定値を受け取り、したがって、第１燃焼室の燃焼生成物の測定された窒素酸化物含有量に従ってアンモニアおよび水素ならびに酸素含有ガスの比率を制御して、アンモニアおよび水素ならびに酸素含有ガスが、供給された水素と反応して窒素および水のみを生成するのに必要な量を超える過剰のアンモニアと共に第２燃焼室（１３）中に注入されるように、マスフローコントローラ（１９、１０、１１、１２）を制御すること
   をさらに含み、
   第２燃焼室からの排気ガスの一部が、排気ガス中に残っているアンモニアを燃焼させるために、第１燃焼室中に再循環されることを特徴とする、前記システム。
8. 第１燃焼室からの排気ガス（１０２）を受け取り、機械的出力を生成しかつ排気ガスを第２燃焼室（１３）に供給するように連結された第１タービン（８）をさらに含む、請求項７記載のシステム。
9. 第２燃焼室からの排出ガスを受け取るように連結された第２タービン（２２）をさらに含む、請求項７または８記載のシステム。
10. 第２燃焼室（１３）からの排気ガスを第２タービン（２２）に直接作用させることによって第２タービン（２２）を作動させる、請求項９記載のアンモニアの燃焼システム。
11. 第２燃焼室からの排出ガスを受け取るように連結された熱交換器（１５）をさらに含み、それによって水を加熱して蒸気を生成し、第２タービン（１６）を駆動することをさらに含む、請求項７または８記載のシステム。
12. 熱交換器が第２燃焼室に組み込まれた、請求項１１記載のシステム。
13. 第２燃焼室（１３）からの排気ガスの一部を第１燃焼室（２）に戻して再循環するように構成された再循環ライン（２０）を含む、請求項７から１２までのいずれか１項記載のアンモニア燃焼用システム。
14. 再循環された排出ガスの一部と吸気酸素含有ガスとを混合するように再循環ラインがミキサー（２６）に連結された、請求項１３記載のアンモニア燃焼用システム。

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