JP6866570B2

JP6866570B2 - 燃焼装置及びガスタービン

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Publication number: JP6866570B2
Application number: JP2016068006A
Authority: JP
Inventors: 慎太朗伊藤; 加藤　壮一郎; 壮一郎加藤; 司斎藤; 藤森　俊郎; 俊郎藤森
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2016-03-30
Filing date: 2016-03-30
Publication date: 2021-04-28
Anticipated expiration: 2036-03-30
Also published as: JP2017180266A

Description

本発明は、燃焼装置及びガスタービンに関する。

アンモニアは輸送、水素に比べて貯留コストが安く、燃焼させた際に二酸化炭素が発生しないという点において、ガスタービンの燃料として注目されている。一方、アンモニアは難燃性である為、燃焼効率が低く、また、アンモニアを燃焼させた場合に有害なＮＯｘが発生することが知られている。
特許文献１には、このようなアンモニアを燃料として使用した場合において、燃焼器内を領域分割することにより、燃焼器から排出される燃焼排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の量を従来よりも低減させる燃焼装置及びガスタービンが開示されている。

特開２０１５−９４４９６号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されている燃焼装置及びガスタービンは、難燃性のアンモニアを燃焼させることが出来るものの、燃焼性のさらなる向上を図る必要がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、アンモニアの燃焼性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、液体状態のアンモニアを燃焼室の燃焼熱によって熱分解し、当該熱分解によって生成した熱分解ガスを気体燃料として前記燃焼室に供給する、という手段を採用する。

本発明では、燃焼装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、燃焼器ライナの外側に触媒を設けた分解空間を形成し、当該分解空間内で前記アンモニアを熱分解する、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２の解決手段において、前記分解空間には複数のピンまたは／及びフィンが設けられ、前記触媒が前記ピンまたは／及び前記フィンの表面に塗布されている、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２または第３の解決手段において、前記燃焼器ライナに前記熱分解ガスが通過する開口を複数形成し、当該開口から前記熱分解ガスと燃焼用空気とを前記燃焼室に供給する、という手段を採用する。

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４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、液体状態のアンモニアを液体燃料として燃焼室に供給するのではなく、燃焼室の燃焼熱によって熱分解して熱分解ガスとして燃焼室に供給するので、液体状態のアンモニアを燃焼させる従来技術よりもアンモニアの燃焼性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係るガスタービンの全体構成を示す模式図である。本発明の一実施形態に係る側面分解部の第１変形例の横断面図（ａ）及び縦断面図（ｂ）である。本発明の一実施形態に係る側面分解部の第２変形例の横断面図（ａ）及び縦断面図（ｂ）である。本発明の一実施形態に係る側面分解部の第３変形例の横断面図（ａ）及び縦断面図（ｂ）である。本発明の一実施形態に係る側面分解部の第４変形例の模式図である。

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（コンプレッサー）１、アンモニア供給部２、燃焼器３及びタービン４を備える。なお、図示しないが、このガスタービンＡは、専用の制御装置（エンジン制御装置）によって動作が制御される。

このような構成要素のうち、アンモニア供給部２は、燃料タンク５、第１バルブ６、第２バルブ１１及び気化器１２を備えている。また、燃焼器３は、ケーシング７、ライナ８（燃焼器ライナ）、側面分解部９及び中央供給部１０等を備えている。なお、上記アンモニア供給部２及び燃焼器３は、本発明に係る燃焼装置を構成している。

圧縮機（コンプレッサー）１は、回転軸がタービン４の出力軸と軸結合した軸流式圧縮機であり、タービン４を動力源として回転することにより大気から取り込んだ空気を所定圧まで圧縮し、当該圧縮によって得られた空気（圧縮空気）を中央供給部１０に供給する。すなわち、圧縮機１は、圧縮空気を燃焼用空気ＰＡとして中央供給部１０に供給する。

また、圧縮機１で生成された圧縮空気は冷却用空気ＣＡとしても機能する。すなわち、冷却用空気ＣＡは、ケーシング７とライナ８との間つまりライナ８の外側を通過して中央供給部１０に供給されるのでライナ８の外側を冷却すると共に、ライナ８に複数形成された細孔を介してライナ８の内側に流れることによりライナ８の内側を冷却する。

アンモニア供給部２は、側面分解部９に液体状態のアンモニア（液体燃料）を供給する燃料供給部である。アンモニア供給部２の燃料タンク５は、加圧状態のアンモニア（液体燃料）を貯留する所定容量の燃料容器である。第１バルブ６は、燃料タンク５から供給されたアンモニア（液体燃料）の流量を調節して側面分解部９に供給する。また、第２バルブ１１は、燃料タンク５から供給されたアンモニア（液体燃料）の流量を調節して気化器１２に供給する。気化器１２は、アンモニア（液体燃料）を気化させることにより気体状態のアンモニア（気体燃料）を生成して中央供給部１０に供給する。なお、上記第１バルブ６及び第２バルブ１１は、上述したエンジン制御装置によって開閉動作が制御される。

燃焼器３は、気化器１２から供給されたアンモニア（気体燃料）または後述する側面分解部９から供給された混合ガス（気体燃料）を圧縮機１から供給された燃焼用空気ＰＡを用いて燃焼させる。また、この燃焼器３では、図示するようにライナ８の左側に中央供給部１０が設けられており、ライナ８によって形成された燃焼室Ｎ内に中央供給部１０から混合ガス（気体燃料）と燃焼用空気ＰＡとを供給することにより燃焼させる。したがって、この燃焼器３における燃焼ガスＣＧの流れ方向は左から右であり、左側が本実施形態における上流側、右側が下流側となる。

ケーシング７は、ライナ８、側面分解部９及び中央供給部１０を収容する容器であり、図示しない支持構造によってライナ８、側面分解部９及び中央供給部１０を図示する状態に支持する。ライナ８は、略中空円筒状の部材であり、内側が燃焼室Ｎを形成する。

側面分解部９は、上記燃焼ガスＣＧの流れ方向においてライナ８の上流側に設けられ、当該ライナ８と区画部材９ａからなる二重壁構造部であり、触媒９ｂを備えている。この側面分解部９の内部空間は、ライナ８の外周に形成されると共に燃焼室Ｎに隣接する円環状の空間（分解空間Ｂ）である。この分解空間Ｂでは、燃焼室Ｎで発生する燃焼熱によって加熱されたライナ８と熱交換することによって液体状態のアンモニアが気化し、また触媒９ｂの存在下で燃焼熱が作用することによって気体状態のアンモニアが熱分解する。

すなわち、この分解空間Ｂでは、図２に示すようにアンモニア供給部２から下流側に供給された液体状態のアンモニアが気化して気体状態となり、当該気体状態のアンモニアの一部が以下の反応式に示すように熱分解（吸熱反応）することにより、水素及び窒素が生成される。この水素と窒素とからなる熱分解ガス及び熱分解されなかったアンモニアの混合ガスは、気体燃料として側面分解部９（分解空間Ｂ）の上流側から中央供給部１０に向けて排出される。
２ＮＨ_３＋９２（ｋＪ／ｍｏｌ）＝Ｎ_２＋３Ｈ_２

また、側面分解部９におけるライナ８には、燃料開口９ｃがライナ８の周方向に所定間隔で複数形成されている。また、側面分解部９の区画部材９ａには、上記燃料開口９ｃに一致する部位に空気開口９ｄが形成されている。さらに、上記触媒９ｂは側面分解部９の下流側から燃料開口９ｃの間に充填されている。

すなわち、アンモニア供給部２から側面分解部９の下流側に供給された液体状態のアンモニアの一部は、ライナ８内の燃焼室Ｎで発生する燃焼熱によって加熱されたライナ８と熱交換することによって気化し、触媒９ｂを通過することによって熱分解し、混合ガス（気体燃料）となって上流側から中央供給部１０に供給される。また、側面分解部９で生成された混合ガス（気体燃料）の一部は、燃料開口９ｃを経由して燃焼室Ｎに供給される。さらに、この混合ガス（気体燃料）の一部と一緒に空気開口９ｄを経由して燃焼用空気ＰＡが燃焼室Ｎに供給される。そして、このように燃料開口９ｃから燃焼室Ｎに供給された混合ガス（気体燃料）は、空気開口９ｄから燃焼室Ｎに供給された燃焼用空気ＰＡを酸化剤として燃焼する。

中央供給部１０は、メインバルブ１０ａ、バーナ１０ｂ及び整流器１０ｃを備えている。メインバルブ１０ａは、側面分解部９からバーナ１０ｂに供給される混合ガス（気体燃料）及び気化器１２からバーナ１０ｂに供給されるアンモニア（気体燃料）の流量を調節する制御弁である。バーナ１０ｂは、メインバルブ１０ａから供給された混合ガス（気体燃料）及びアンモニア（気体燃料）を燃焼室Ｎ内に噴射する。整流器１０ｃは、圧縮機１から供給された燃焼用空気ＰＡを所望の流れ形態、例えば旋回流に整流して燃焼室Ｎに供給する。

次に、本実施形態に係るガスタービンＡ、特にアンモニア供給部２及び燃焼器３から構成された燃焼装置の動作について詳しく説明する。

このガスタービンＡは、アンモニア供給部２から燃焼器３に供給された混合ガス（気体燃料）を燃焼用空気ＰＡを用いて燃焼させることにより燃焼ガスＣＧを発生させ、当該燃焼ガスＣＧを駆動流体としてタービン４に供給することによって回転動力を発生させる。また、このガスタービンＡは、タービン４によって圧縮機１が回転駆動されることによって圧縮空気を生成し、当該圧縮空気を燃焼用空気ＰＡとして燃焼器３に供給する。このようなガスタービンＡの動作は、エンジン制御装置によって制御されている。

ここで、エンジン制御装置は、ガスタービンＡの起動時つまり燃焼室Ｎから分解空間Ｂに十分な燃焼熱が伝達されない状態では、第２バルブ１１を開状態かつ第１バルブ６を閉状態とすることにより、気化器１２から出力される気体状態のアンモニア（気体燃料）を燃料として燃焼器３に専ら供給させる。そして、エンジン制御装置は、燃焼室Ｎから分解空間Ｂに十分な燃焼熱が伝達される定常運転時には、第１バルブ６を閉状態から開状態にすることにより、側面分解部９から出力される混合ガス（気体燃料）を燃料として燃焼器３に供給させる。

すなわち、アンモニア供給部２は、ガスタービンＡの起動時において、燃料タンク５から供給された加圧状態のアンモニア（液体燃料）を第２バルブ１１で流量調節して気化器１２に供給し、アンモニア（気体燃料）として中央供給部１０に供給する。そして、アンモニア供給部２は、ガスタービンＡの定常運転時には、上記気化器１２を経由したアンモニア（気体燃料）の中央供給部１０への供給に加えて、燃料タンク５から供給された加圧状態のアンモニア（液体燃料）を第１バルブ６で流量調節して側面分解部９に供給することにより混合ガス（気体燃料）を中央供給部１０に供給する。

なお、定常運転時における燃料タンク５から気化器１２へのアンモニア（液体燃料）の供給量と燃料タンク５から側面分解部９へのアンモニア（液体燃料）の供給量との比率は、第１バルブ６及び第２バルブ１１の開口度によって適宜設定される。つまり、第１バルブ６の開口度と第２バルブ１１の開口度とを適宜設定することにより、気化器１２から燃焼器３に出力されるアンモニア（気体燃料）の流量と側面分解部９から燃焼器３に出力される混合ガス（気体燃料）の流量との関係を調節（可変）することが可能である。

燃焼器３に供給されたアンモニア（気体燃料）及び混合ガス（気体燃料）は、メインバルブ１０ａを経由することにより最終的に流量調節されてバーナ１０ｂに供給される。そして、アンモニア（気体燃料）及び混合ガス（気体燃料）は、バーナ１０ｂから燃焼室Ｎ内に供給され、整流器１０ｃを介して燃焼器内に供給された燃焼用空気ＰＡを酸化剤として燃焼する。

一方、側面分解部９に供給されたアンモニア（液体燃料）は、分解空間Ｂを下流側から上流側に流れる間に、隣接する燃焼室Ｎの燃焼熱が作用することによって気化して気体状態のアンモニア（気体燃料）となり、さらに触媒９ｂの存在下で燃焼熱が作用することによって熱分解されてアンモニア、水素及び窒素の混合ガス（気体燃料）となる。そして、このような混合ガス（気体燃料）は、側面分解部９からメインバルブ１０ａ及びバーナ１０ｂを経て燃焼室Ｎ内に供給され、整流器１０ｃを介して燃焼器内に供給された燃焼用空気ＰＡを酸化剤として燃焼する。

触媒９ｂは、気体状態のアンモニアを水素及び窒素に熱分解する熱分解反応を促進する働きを有するものである。触媒９ｂとしては、気体状態のアンモニアを水素と窒素に分解する触媒であれば何れの触媒でもよく、例えばＮｉ／Ａｌ_２Ｏ_３及びＲｕ／Ｐｒ_６Ｏ_１１等が挙げられる。

ここで、アンモニアは、比較的液化し易い化合物であり、常温（２０℃）では０．８５７ＭＰａ（８．４６気圧）で液化するので、液体状態のアンモニア（液体燃料）として市場に流通している。一方、液体アンモニアの蒸発潜熱は、１３７２ｋＪ/ｋｇであり、一般的な燃料として知られる炭化水素よりも蒸発潜熱が大幅に高い。例えば、メタンの蒸発潜熱は５１０ｋＪ/ｋｇであり、プロパンの蒸発潜熱は４２６ｋＪ/ｋｇである。したがって、アンモニア（液体燃料）を液体状態のまま燃焼器３で燃焼させる場合、蒸発潜熱の高さが原因で十分に蒸発させることができず、燃焼性が低下する可能性がある。

これに対して、本実施形態に係る燃焼装置及びガスタービンＡでは、アンモニア（液体燃料）を燃焼室Ｎの燃焼熱を利用して気化及び熱分解することによって、アンモニア、水素及び窒素の混合ガス（気体燃料）に変換して燃焼器３に供給するので、アンモニアの燃焼性を従来よりも向上させることができる。

すなわち、本実施形態に係る燃焼装置及びガスタービンＡでは、側面分解部９を設け、気体状態のアンモニアを燃焼室Ｎに供給する前に燃焼熱を利用して気化及び熱分解して混合ガス（気体燃料）とするので、アンモニアの燃焼性を従来よりも向上させることができる。

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）上記実施形態では、触媒９ｂと燃焼熱とによってアンモニアを気化及び熱分解したが、本発明はこれに限定されない。触媒９ｂを省略し、分解空間Ｂに伝熱する燃焼室Ｎの燃焼熱のみによってアンモニアを気化及び熱分解させてもよい。

（２）上記実施形態では、アンモニア供給部２から分解空間Ｂに供給されたアンモニアの一部を気化及び熱分解させたが、本発明はこれに限定されない。分解空間Ｂにおけるアンモニアの滞留時間や触媒性能あるいは／及び燃焼熱の熱量を調節することによりアンモニア供給部２から分解空間Ｂに供給されたアンモニアの全部を気化及び熱分解させてもよい。

（３）上記実施形態では、固体状態の触媒９ｂを分解空間Ｂに充填したが、本発明はこれに限定されない。図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、上記分解空間Ｂ内に、側面分解部９のライナ８と区画部材９ａを結ぶように、複数の支柱（ピン）９ｅを所定間隔で設置し、各ピン９ｅの表面に触媒９ｂを塗布しても良い。つまり、本変形例においては、塗布型の触媒９ｂが用いられる。このような構成を採用することによって、気体状態のアンモニアが支柱９ｅと衝突することによって、気体状態のアンモニアの熱分解が効率良く行われる。

（４）また、上記支柱（ピン）９ｅの代わりに、図３（ａ）、（ｂ）や図４（ａ）、（ｂ）に示すように、分解空間Ｂ内にライナ８と区画部材９ａを結ぶように、複数のフィン９ｆを所定の間隔を空けて設置させてもよい。つまり、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、アンモニアの通過方向とフィン９ｆの長手方向が一致するように、または図４（ａ）、（ｂ）に示すように、アンモニアの通過方向とフィン９ｆの長手方向が交差（垂直）になるようにフィン９ｆを設置する。各フィン９ｆの表面に触媒９ｂが塗布される。このようなフィン９ｆを採用することにより、アンモニアがフィン９ｆに衝突することによって、気体状態のアンモニアを効率良く熱分解することができる。

（５）上記実施形態では、側面分解部９内の分解空間Ｂをライナ８の外周に形成された単純な円環状の空間としたが、本発明はこれに限定されない。図５に示すように、分解空間Ｂに代えて、例えば、ライナ８の外周に螺旋状に形成された分解空間Ｂａを採用してもよい。このような分解空間Ｂａでは、アンモニアの通過経路長が分解空間Ｂよりも長くなり、アンモニアの熱分解が促進される。

（６）上記実施形態では、側面分解部９の触媒９ｂよりも上流側に燃料開口９ｃが設けられているが、本発明はこれに限定されない。触媒９ｂよりも下流側に燃料開口９ｃを設けてもよい。燃料開口９ｃから燃焼室Ｎにアンモニア（気体燃料）を供給し、バーナ１０ｂから燃焼室Ｎ内に噴射されたアンモニア（気体燃料）が燃焼して発生した窒素酸化物に対して還元剤として作用する。すなわち、側面分解部９から燃焼室Ｎ内に噴射されたアンモニア（気体燃料）は、燃焼室Ｎ内における窒素酸化物の濃度を低減させる。

１圧縮機
２アンモニア供給部
３燃焼器
４タービン
５燃料タンク
６第１バルブ
７ケーシング
８ライナ（燃焼器ライナ）
９側面分解部
９ａ区画部材
９ｂ触媒
１０中央供給部
１１第２バルブ
１２気化器
Ｂ分解空間
Ｎ燃焼室

Claims

燃焼器ライナの外側に螺旋状に形成されると共に液体状態のアンモニアを加熱する分解空間を形成し、当該分解空間において前記アンモニアを燃焼室の燃焼熱によって熱分解し、当該熱分解によって生成した熱分解ガスを気体燃料として前記燃焼室に供給することを特徴とする燃焼装置。
前記分解空間には複数のピンまたは／及びフィンが設けられ、
触媒が前記ピンまたは／及び前記フィンの表面に塗布されていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
前記燃焼器ライナに前記熱分解ガスが通過する開口を複数形成し、当該開口から前記熱分解ガスと燃焼用空気とを前記燃焼室に供給することを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼装置。