WO2010082360A1 - エンジン - Google Patents

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春日俊相
渡辺厚
田中伸一郎
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トヨタ自動車株式会社
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    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present invention relates to an engine.
  • An object of the present invention is to perform combustion without generating CO 2 by using ammonia as a fuel, and to greatly reduce the amount of NO x discharged into the atmosphere by the reduction action of NO x by this ammonia. It is to provide an engine that can.
  • an engine of ammonia as a fuel is arranged selectively reducible the NO x selective reduction catalyst the NO x contained in the exhaust gas in the presence of ammonia in the exhaust passage of the engine
  • FIG. 1 is a system diagram of a power plant according to the present invention
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing an example of a gas turbine engine
  • FIG. 3 is a system diagram of another embodiment of the power plant
  • FIG. FIG. 5 is a system diagram of yet another embodiment of the power plant
  • FIG. 6 is a system diagram of yet another embodiment of the power plant
  • FIG. 7 is a system diagram of yet another embodiment of the power plant.
  • 8 is a system diagram of still another embodiment of the power plant and its modification
  • FIG. 9 is a system diagram of still another embodiment of the power plant
  • FIG. 10 is still another embodiment of the power plant and its modification.
  • FIG. 11 is a system diagram of still another embodiment of the power plant.
  • FIG. 1 shows a system diagram of a power plant according to the present invention.
  • 1 is a gas turbine engine
  • 2 is a combustor of the gas turbine engine
  • 3 is a turbine
  • 4 is a compressor driven by the turbine 3
  • 5 is driven by the gas turbine engine 1 via a speed reducer 6.
  • 7 is a fuel gasifier
  • 8 and 9 are fuel metering valves
  • 10 is a NO x selective reduction catalyst disposed in the exhaust passage of the turbine 3, that is, in the exhaust passage of the gas turbine engine 1
  • Reference numeral 11 denotes an electronic control device.
  • the NO x selective reduction catalyst 10 is disposed in the exhaust heat recovery device 11.
  • the NO x selective reduction catalyst 10 is made of, for example, a honeycomb structure supporting titania TiO 2 , and the NO x selective reduction catalyst 10 can selectively reduce NO x contained in the exhaust gas in the presence of ammonia.
  • the electronic control unit 30 has a signal indicating the output of the generator 5, a signal indicating the rotational speed of the generator 5, a signal indicating the outlet temperature of the compressor 4, a signal indicating the inlet temperature of the compressor 4, and an outlet pressure of the compressor 4.
  • FIG. 2 is a partial cross-sectional side view schematically showing an example of the gas turbine engine 1 of FIG.
  • an output shaft 51 is rotatably supported in the casing 50 of the gas turbine 1, and the output shaft 51 is connected to the generator 5 via the speed reducer 6.
  • the compressor 4 is a multistage compressor having a plurality of stationary blades 52 supported by a casing 50 and a plurality of moving blades 53 formed on an output shaft 51, and the intake air sucked from the suction port 54 is compressed by the compressor. Compressed by 4 and fed into the combustor 2.
  • a plurality of the combustors 2 are arranged around the output shaft 51, and each combustor 2 has a combustion chamber 55, a fuel supply device 56 for supplying fuel into the combustion chamber 55, and the combustion chamber 55 to the turbine 3. And a combustor tail cylinder 57 extending toward the front.
  • a part of the compressed air flowing out of the compressor 4 is sent into the combustion chamber 55 as indicated by an arrow A in FIG. 2, and the fuel supplied from the fuel supply device 56 is combusted in the combustion chamber 55.
  • Combustion gas in the combustion chamber 55 is sent into the turbine 3 through the combustor tail cylinder 57, whereby a rotational force is given to the turbine 3.
  • the turbine 3 is a multi-stage turbine having a plurality of stationary blades 58 supported by a casing 50 and a plurality of moving blades 59 formed on an output shaft 51.
  • the combustion gas flowing out of the turbine 3 is exhaust gas. And discharged from the exhaust port 60.
  • ammonia is used as the fuel, and gaseous ammonia is supplied from the fuel supply device 56 into the combustion chamber 55.
  • the gaseous ammonia is burned in the combustion chamber 55, and a rotational force is applied to the turbine 3 by the gaseous ammonia combustion gas.
  • ammonia burns, it becomes N 2 and H 2 O, and no CO 2 is produced. Therefore, no CO 2 is emitted from the gas turbine engine 1.
  • gaseous ammonia is burned in this way, CO 2 is not generated, but NO x is generated. Therefore, the exhaust gas discharged from the gas turbine engine 1 contains NO x . In the present invention, this NO x is reduced by the NO x selective reduction catalyst 10 (FIG.
  • an ammonia supply device for supplying liquid ammonia is arranged in the intake passage of the gas turbine engine 1, and the liquid ammonia is supplied into the intake passage from this ammonia supply device.
  • the ammonia supply device 61 is disposed in the intake duct 62, and liquid ammonia is supplied from the ammonia supply device 61 into the suction port 54.
  • the boiling point of ammonia is ⁇ 33.5 ° C., and the latent heat of vaporization when liquid ammonia is vaporized is four times that of gasoline, which is extremely large. Accordingly, when liquid ammonia is injected into the intake air from the ammonia supply device 61, the intake air is strongly cooled by the latent heat of vaporization of the liquid ammonia, and thus the inlet temperature of the turbine 3 is greatly reduced.
  • the maximum allowable temperature exists from the viewpoint of durability in the inlet temperature of the turbine 3. In this case, when the inlet temperature of the turbine 3 is increased to the maximum allowable temperature, the output of the gas turbine engine 1 becomes maximum.
  • the amount of fuel supplied from the fuel supply device 56 may be increased until the inlet temperature of the turbine 3 reaches the maximum allowable temperature. It becomes possible. If the amount of fuel supplied from the fuel supply device 56 can be increased, the maximum output of the gas turbine engine 1 when the inlet temperature of the turbine 3 reaches the maximum allowable temperature increases. Therefore, when the intake air is cooled, the maximum output of the gas turbine 1 is increased. Can be increased. That is, the maximum output of the gas turbine engine 1 can be increased by supplying liquid ammonia from the ammonia supply device 61 into the intake air.
  • ammonia contained in the compressed air sent into the combustion chamber 55 is burned in the combustion chamber 55, and the remaining ammonia is not burned and is not burned. It is fed into the turbine 3 in the form of ammonia.
  • ammonia contained in the compressed air sent into the combustor tail cylinder 57 is also sent into the turbine 3 in the form of unburned ammonia.
  • the unburned ammonia sent to the turbine 3 is discharged into the exhaust passage of the gas turbine engine 1, and then this unburned ammonia is sent into the NO x selective reduction catalyst 10. Therefore, NO x contained in the exhaust gas is reduced in the NO x selective reduction catalyst 10 by the unburned ammonia discharged into the exhaust passage.
  • liquid ammonia flows into the intake air flowing into the compressor 4, the ammonia is sufficiently mixed with the intake air in the compressor 4, and unburned ammonia is sufficiently mixed in the turbine 3. Therefore, the concentration distribution of unburned ammonia in the exhaust gas flowing into the NO x selective reduction catalyst 10 becomes uniform, and thus the NO x reduction action by the NO x selective reduction catalyst 10 is improved.
  • liquid ammonia supplied from the ammonia supply device 61 in this embodiment will be doing two action with effect of reducing the NO x in the action and the NO x selective reduction catalyst 10 to cool the intake air .
  • the concentration distribution of unburned ammonia in the exhaust gas flowing into the NO x selective reduction catalyst 10 can be made uniform, and thus NO x.
  • the reduction action of NO x by the selective reduction catalyst 10 can be improved.
  • liquid ammonia stored in an ammonia storage tank (not shown) is supplied to the combustor 2 through the gasifier 7 and the metering valve 8 on the one hand, and the metering valve on the other hand.
  • the gasifier 7 includes, for example, an evaporator that converts liquid ammonia into gaseous ammonia by electric heating, and a gas compressor that boosts the gaseous ammonia to the supply pressure in the combustor 2, as shown in FIG.
  • the gaseous ammonia sent out from the gasifier 7 is supplied to the combustor 2 through the metering valve 8.
  • ammonia is more easily combusted if it is gasified. Therefore, in the present invention, liquid ammonia is gasified and combusted in the combustor 2.
  • the present invention is the same as the liquid ammonia used for generating gaseous ammonia supplied into the combustion chamber 55 of the combustor 2 and the liquid ammonia supplied into the intake passage of the gas turbine engine 1.
  • the liquid ammonia is used, and thus the power generation system can be simplified.
  • the amount of fuel supplied to the combustor 2, that is, the amount of gaseous ammonia is controlled by the metering valve 8 so that the power generation output becomes the required power generation output.
  • the amount of liquid ammonia supplied into the intake passage of the gas turbine engine 1 is adjusted by a metering valve 9 so that the amount of unburned ammonia is equal to or greater than a predetermined set value of NO x contained in the exhaust gas.
  • the amount is controlled such that the amount can be reduced more than a predetermined reduction rate.
  • the supply amount of the liquid ammonia is set to an optimal supply amount obtained in advance by experiments according to the operating state of the gas turbine engine 1, or the NO x selective reduction detected by the NO x concentration sensor. Feedback control is performed so that the NO x concentration from the catalyst 10 falls within a predetermined concentration range.
  • FIG. 3 shows another embodiment of the power plant. It is ammonia supply device 12 is arranged to supply ammonia to the NO x selective reduction catalyst 10 upstream of the NO x selective reduction catalyst 10 in this embodiment as shown in FIG. 3, the liquid ammonia metering valve 13 And injected from the ammonia supply device 12 toward the NO x selective reduction catalyst 10.
  • FIG. 4 shows still another embodiment of the power plant.
  • liquid ammonia is supplied to the intake air on the one hand, and supplied to the NO x selective reduction catalyst 10 from the ammonia supply device 12 on the other hand.
  • FIG. 5 shows still another embodiment of the power plant.
  • gaseous ammonia sent out from the gasifier 7 is supplied into the intake air through the metering valve 9, and NO x contained in the exhaust gas is converted into NO x selective reduction catalyst 10 by this gaseous ammonia. Is reduced.
  • the cooling action for the intake air is not performed, but the gaseous ammonia supplied into the intake air is sufficiently mixed in the compressor 4 and the turbine 3.
  • FIG. 6 shows still another embodiment of the power plant.
  • gaseous ammonia delivered from the gasifier 7 is supplied from the ammonia supply device 12 to the NO x selective reduction catalyst 10 via the metering valve 13, and the NO contained in the exhaust gas by this gaseous ammonia. x is reduced in the NO x selective reduction catalyst 10.
  • FIG. 7 shows still another embodiment of the power plant.
  • gaseous ammonia sent out from the gasifier 7 is supplied to the intake air on the one hand via the metering valve 9, and on the other hand, NO x selective reduction from the ammonia supplier 12 via the metering valve 13.
  • the catalyst 10 is supplied. In the embodiment shown in FIGS.
  • liquid ammonia can be supplied into the intake air as shown in FIG. 8 to 11 show various embodiments relating to generation and supply control of gaseous ammonia. 8 to 11 show a case where liquid fuel is supplied to the intake passage and the exhaust passage as shown in FIG. 4 as a representative example. Referring to FIG.
  • a gaseous ammonia generator 14 for converting liquid ammonia into gaseous ammonia by exhaust gas heat is disposed in the exhaust passage of the gas turbine engine 1 and is generated.
  • the gaseous ammonia is pressurized by the gas compressor 15 and then supplied into the combustion chamber 55 of the combustor 2 through the metering valve 8.
  • the gaseous ammonia generator 14 is arranged in the exhaust passage downstream of the NO x selective reduction catalyst 10.
  • the gaseous ammonia generator 14 is composed of, for example, an evaporator that vaporizes liquid ammonia by exhaust gas heat. Therefore, in this embodiment, the gaseous ammonia generator 14 constitutes an exhaust heat recovery device.
  • gaseous ammonia is generated by effectively using the exhaust gas heat.
  • a gaseous ammonia storage tank 16 is provided to store the gaseous ammonia generated by the gaseous ammonia generator 14, and when the engine is started, the gaseous ammonia is stored.
  • Gaseous ammonia stored in the ammonia storage tank 16 is pressurized by the gas compressor 15 and supplied into the combustion chamber 55 of the combustor 2. That is, the inside of the gaseous ammonia storage tank 16 is connected to a gaseous ammonia flow passage from the gaseous ammonia generator 14 to the gas compressor 15 through an on-off valve that is opened during operation of the gas turbine engine 1, for example.
  • the gaseous ammonia generated in the gaseous ammonia generator 14 is stored in the gaseous ammonia storage tank 16.
  • the on-off valve is closed, so that gaseous ammonia continues to be stored in the gaseous ammonia storage tank 16.
  • the on-off valve is opened again.
  • the gaseous ammonia generating device 14 has not yet started to generate gaseous ammonia.
  • the gaseous ammonia in the gaseous ammonia storage tank 16 is boosted by the gas compressor 15 and the combustion chamber of the combustor 2. 55 is supplied.
  • FIG. 9 shows still another embodiment of the power plant.
  • the gaseous ammonia generated by the gaseous ammonia generator 14 is sent to the collector 17.
  • liquid ammonia is fed into at least one of the stationary blade 58 or the moving blade 59 of the turbine 3 through the metering valve 18, and changes from a liquid state to a gaseous state by cooling the stationary blade 58 or the moving blade 59.
  • the ammonia is fed into the collector 17.
  • the gaseous ammonia in the collector 17 is pressurized by the gas compressor 15 and supplied into the combustion chamber 55 of the combustor 2.
  • gaseous ammonia is generated by effectively using the heat of the stationary blade 58 or the moving blade 59 of the turbine 3.
  • the stationary blade 58 and the moving blade 59 are cooled, the stationary blade 58 can not only improve the durability of the moving blade 59 but also increase the maximum allowable temperature of the inlet temperature of the turbine 3.
  • the maximum output of the gas turbine engine 1 can be increased.
  • FIG. 10A shows still another embodiment of the power plant.
  • a gas pressure increasing device 19 for increasing the pressure of gaseous ammonia by exhaust gas heat is disposed in the exhaust passage of the gas turbine engine 1, and the gaseous ammonia increased in pressure by the gas pressure increasing device 19. Is supplied to the combustion chamber 55 of the combustor 2 through the metering valve 8.
  • an evaporator 20 is disposed in the exhaust passage downstream of the gas pressure increasing device 19, and liquid ammonia is converted into gaseous ammonia in the evaporator 20.
  • the pressure of the gaseous ammonia is raised in the gas pressure raising device 19.
  • both the gas pressure increasing device 19 and the evaporator 20 constitute an exhaust heat recovery device.
  • the pressurized gaseous ammonia is stored in the gaseous ammonia storage tank 16, and the pressurized gas stored in the gaseous ammonia storage tank 16 is stored when the engine is started.
  • Ammonia is supplied into the combustion chamber 55 of the combustor 2.
  • the gas pressure increasing device 19 is disposed upstream of the NO x selective reduction catalyst 10 in order to use higher-temperature exhaust gas heat.
  • FIG. 11 shows still another embodiment of the power plant.
  • the gaseous ammonia outlet pressure of the gas pressure raising device 19 can be controlled, and the gaseous ammonia amount supplied to the combustion chamber 55 of the combustor 2 is controlled by controlling the outlet pressure.
  • valve 21 shown in FIG. 11 is an emergency shut-off valve that is closed in an emergency, and is normally fully open.
  • the outlet pressure of the gas pressure raising device 19 can be controlled by various methods. For example, a return passage for returning gaseous ammonia from the outlet of the gas pressure increasing device 19 into the vaporizer 20 is provided, and when the outlet pressure becomes higher than the target pressure, the gaseous state returned from the outlet of the gas pressure increasing device 19 to the vaporizer. When the return amount of ammonia is increased and the outlet pressure becomes lower than the target pressure, the outlet pressure can be controlled to the target pressure by decreasing the return amount of gaseous ammonia.
  • a reciprocating engine such as a gasoline engine or a diesel engine.

Abstract

ガスタービンエンジン（１）の燃焼器（２）にガス状アンモニアが供給され、このガス状アンモニアを燃焼させることによってタービン（３）が駆動されるガスタービンエンジン（１）の排気通路内にはNOx選択還元触媒（10）が配置される。ガスタービンエンジン（１）の吸気通路内又はNOx選択還元触媒（10）上流の排気通路内のいずれか一方又は双方にアンモニアが供給され、このアンモニアによって排気ガス中に含まれるNOxがNOx選択還元触媒（10）において還元される。

Description

エンジン
　本発明はエンジンに関する。
　ガスタービンエンジンやガソリンエンジンやディーゼルエンジン等のエンジンでは従来より燃料として主に天然ガスや化石燃料が用いられている（例えば特開平１０−２５９７３６号公報参照）。しかしながらこれらの燃料を燃焼させると地球の温暖化を進行させるＣＯ２が発生するという問題がある。また、これらの燃料はいずれは枯渇してしまうという問題もある。更にエンジンでは燃料を燃焼させればＮＯｘが生成され、従ってエンジンを用いた場合には大気中へのＮＯｘの排出を抑制することが必要となる。
　本発明の目的は、燃料としてアンモニアを用いることによりＣＯ２の発生しない燃焼を行わせ、しかもこのアンモニアによるＮＯｘの還元作用により大気中に排出されるＮＯｘ量を大巾に低減することのできるエンジンを提供することにある。
　本発明によれば、アンモニアを燃料とするエンジンであって、エンジンの排気通路内にアンモニアの存在下で排気ガス中に含まれるＮＯｘを選択的に還元可能なＮＯｘ選択還元触媒を配置し、エンジンの燃焼室内にガス状アンモニアからなる燃料を供給するための燃料供給手段を具備しており、エンジンの吸気通路内又はＮＯｘ選択還元触媒上流の排気通路内のいずれか一方又は双方にアンモニアを供給してこの供給されたアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯｘをＮＯｘ選択還元触媒において還元するようにしたエンジンが提供される。
　図１は本発明による発電プラントの系統図、図２はガスタービンエンジンの一例を図解的に示す図、図３は発電プラントの別の実施例の系統図、図４は発電プラントの更に別の実施例の系統図、図５は発電プラントの更に別の実施例の系統図、図６は発電プラントの更に別の実施例の系統図、図７は発電プラントの更に別の実施例の系統図、図８は発電プラントの更に別の実施例およびその変形例の系統図、図９は発電プラントの更に別の実施例の系統図、図１０は発電プラントの更に別の実施例およびその変形例の系統図、図１１は発電プラントの更に別の実施例の系統図である。
参照符号の一覧表
１…ガスタービンエンジン
２…燃焼器
３…タービン
４…コンプレッサ
５…発電機
６…減速機
７…ガス化装置
８，９，１３，１８…調量弁
１０…ＮＯｘ選択還元触媒
１４…ガス状アンモニア生成装置
１９…ガス圧上昇装置
　図１に本発明による発電プラントの系統図を示す。図１を参照すると、１はガスタービンエンジン、２はガスタービンエンジンの燃焼器、３はタービン、４はタービン３により駆動されるコンプレッサ、５は減速機６を介してガスタービンエンジン１により駆動される発電機、７は燃料のガス化装置、８および９は燃料の調量弁、１０はタービン３の排気通路内、即ちガスタービンエンジン１の排気通路内に配置されたＮＯｘ選択還元触媒、１１は電子制御装置を夫々示す。なお、図１に示される例ではＮＯｘ選択還元触媒１０は排熱回収装置１１内に配置されている。
　ＮＯｘ選択還元触媒１０は例えばチタニアＴｉＯ２を担持したハニカム構造体からなり、このＮＯｘ選択還元触媒１０はアンモニアの存在下で排気ガス中に含まれるＮＯｘを選択的に還元可能である。一方、電子制御装置３０には発電機５の出力を示す信号、発電機５の回転数を示す信号、コンプレッサ４の出口温度を示す信号、コンプレッサ４の入口温度を示す信号、コンプレッサ４の出口圧力を示す信号、タービン３の入口温度を示す信号、ＮＯｘ選択還元触媒１０を通過した排気ガス中のＮＯｘ濃度を示す信号、大気温を示す信号等、種々の入力信号が入力され、各調量弁８，９はこれら入力信号に基づいて電子制御装置３０の出力信号により制御される。
　図２に図１のガスタービンエンジン１の一例を図解的に示した一部断面側面図を示す。
　図２を参照すると、ガスタービン１のケーシング５０内には出力軸５１が回転可能に支承されており、この出力軸５１が減速機６を介して発電機５に連結されている。コンプレッサ４は、ケーシング５０により支持されている複数の静翼５２と出力軸５１上に形成されている複数の動翼５３とを有する多段コンプレッサからなり、吸入口５４から吸入された吸入空気はコンプレッサ４により圧縮されて燃焼器２に送り込まれる。
　燃焼器２は出力軸５１周りに複数個配置されており、各燃焼器２は燃焼室５５と、燃焼室５５内に燃料を供給するための燃料供給装置５６と、燃焼室５５からタービン３に向けて延びる燃焼器尾筒５７とにより構成される。コンプレッサ４から流出した一部の圧縮空気は図２において矢印Ａで示されるように燃焼室５５内に送り込まれ、燃料供給装置５６から供給された燃料は燃焼室５５内において燃焼せしめられる。燃焼室５５内の燃焼ガスは燃焼器尾筒５７内を通ってタービン３に送り込まれ、それによりタービン３に回転力が与えられる。
　一方、タービン３の入口温度が過度に上昇しないようにコンプレッサ４から流出した一部の圧縮空気が図２において矢印Ｂで示されるように燃焼器尾筒５７内に送り込まれる。燃焼室５５ではほとんど１００％に近い完全燃焼が行われているが、上述のように燃焼室尾筒５７内には圧縮空気が供給されるのでタービン３に送り込まれる燃焼ガスは空気過剰となっている。タービン３は、ケーシング５０により支持されている複数の静翼５８と出力軸５１上に形成されている複数の動翼５９とを有する多段タービンからなり、タービン３から流出した燃焼ガスは排気ガスとなって排気口６０から排出される。
　さて、本発明では燃料としてアンモニアが用いられており、燃料供給装置５６から燃焼室５５内にガス状アンモニアが供給される。このガス状アンモニアは燃焼室５５内で燃焼せしめられ、ガス状アンモニアの燃焼ガスによってタービン３に回転力が与えられる。アンモニアは燃焼するとＮ２とＨ２Ｏとなり、ＣＯ２は全く生成されない。従ってこのガスタービンエンジン１からはＣＯ２が全く排出されないことになる。
　このようにガス状アンモニアが燃焼せしめられるとＣＯ２は生成されないがＮＯｘは生成され、従ってガスタービンエンジン１から排出される排気ガス中にはＮＯｘが含まれることになる。本発明ではこのＮＯｘはガスタービンエンジン１の排気通路内に配置されたＮＯｘ選択還元触媒１０（図１）において還元される。このとき、ＮＯｘ選択還元触媒１０においてＮＯｘを還元するにはアンモニアが必要であり、以下このアンモニアの供給方法について説明する。
　即ち、本発明による実施例ではガスタービンエンジン１の吸気通路内に液状アンモニアを供給するためのアンモニア供給装置が配置されており、このアンモニア供給装置から吸気通路内に液状アンモニアが供給される。図２に示される例ではこのアンモニア供給装置６１は吸気ダクト６２内に配置されており、このアンモニア供給装置６１から吸入口５４内に液状アンモニアが供給される。
　アンモニアの沸点は−３３．５℃であり、液状アンモニアが気化するときの気化潜熱はガソリンの４倍であって極めて大きい。従ってアンモニア供給装置６１から吸入空気中に液状アンモニアが噴射されると液状アンモニアの気化潜熱により吸入空気が強力に冷却され、斯くしてタービン３の入口温度が大巾に低下せしめられることになる。
　一方、タービン３の入口温度には耐久性の点から最大許容温度が存在し、この場合タービン３の入口温度をこの最大許容温度まで上昇させるとガスタービンエンジン１の出力は最大となる。ところで上述のように吸入空気が冷却されてタービン３の入口温度が低下せしめられると、このときにはタービン３の入口温度が最大許容温度となるまで燃料供給装置５６からの供給燃料量を増大することが可能となる。燃料供給装置５６からの供給燃料量を増大できるとタービン３の入口温度が最大許容温度になったときのガスタービンエンジン１の最大出力が増大し、従って吸入空気を冷却するとガスタービン１の最大出力を高めることができることになる。即ち、アンモニア供給装置６１から吸入空気中に液状アンモニアを供給することによってガスタービンエンジン１の最大出力を高めることができることになる。
　一方、アンモニア供給装置６１から吸入空気中に液状アンモニアが供給されるとコンプレッサ４から流出する圧縮空気中にはアンモニアが含まれることになる。図２において矢印Ａで示されるように燃焼室５５内に送り込まれた圧縮空気中に含まれるアンモニアの一部は燃焼室５５内において燃焼せしめられ、残りのアンモニアは燃焼せしめられることなく未燃のアンモニアの形でタービン３に送り込まれる。一方、図２において矢印Ｂで示されるように燃焼器尾筒５７内に送り込まれた圧縮空気中に含まれるアンモニアも未燃のアンモニアの形でタービン３に送り込まれる。
　タービン３に送り込まれた未燃のアンモニアはガスタービンエンジン１の排気通路内に排出され、次いでこの未燃のアンモニアはＮＯｘ選択還元触媒１０内に送り込まれる。従って排気ガス中に含まれるＮＯｘは排気通路内に排出された未燃のアンモニアによりＮＯｘ選択還元触媒１０において還元せしめられることになる。なお、液状アンモニアをコンプレッサ４に流入する吸入空気中に流入するとこのアンモニアはコンプレッサ４内で吸入空気と十分に混合され、また未燃のアンモニアはタービン３内で十分に混合される。従ってＮＯｘ選択還元触媒１０に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの濃度分布は均一となり、斯くしてＮＯｘ選択還元触媒１０によるＮＯｘの還元作用が向上せしめられる。
　このようにこの実施例ではアンモニア供給装置６１から供給された液状アンモニアは吸入空気を冷却する作用とＮＯｘ選択還元触媒１０においてＮＯｘを還元する作用との二つの作用を行っていることになる。また、コンプレッサ４に流入する吸入空気中に液状アンモニアを供給することによってＮＯｘ選択還元触媒１０に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの濃度分布を均一化することができ、斯くしてＮＯｘ選択還元触媒１０によるＮＯｘの還元作用を向上せしめることができる。
　一方、再び図１に戻ると、例えば図示しないアンモニア貯蔵タンク内に貯蔵されている液状アンモニアが一方ではガス化装置７および調量弁８を介して燃焼器２に供給され、他方では調量弁９を介してコンプレッサ４に流入する吸気中、即ち吸入空気中に供給される。一方、タービン３から排出された排気ガスはＮＯｘ選択還元触媒１０に送り込まれる。ガス化装置７は例えば電気加熱により液状アンモニアをガス状アンモニアに変換するエバポレータと、ガス状アンモニアを燃焼器２における供給圧まで昇圧するためのガスコンプレッサとを具備しており、図１に示されるようにガス化装置７から送り出されたガス状アンモニアは調量弁８を介して燃焼器２に供給される。
　他の燃料と同様にアンモニアもガス化した方が燃焼しやすく、従って本発明では液状アンモニアをガス化して燃焼器２において燃焼させるようにしている。なお、この場合、本発明では燃焼器２の燃焼室５５内に供給されるガス状アンモニアを生成するために使用される液状アンモニアおよびガスタービンエンジン１の吸気通路内に供給される液状アンモニアとして同一の液状アンモニアが使用されており、斯くして発電システムを簡素化することができる。
　図１において燃焼器２に供給される燃料量、即ちガス状アンモニア量は調量弁８によって発電出力が要求発電出力となるように制御される。一方、ガスタービンエンジン１の吸気通路内に供給される液状アンモニアの量は調量弁９によって、未燃アンモニアの量が排気ガス中に含まれるＮＯｘを予め定められている設定値以上、例えば予め定められている還元率以上還元することのできる量となるように制御される。この場合、液状アンモニアの供給量は、ガスタービンエンジン１の運転状態に応じて予め実験により求められている最適な供給量に設定されるか、或いはＮＯｘ濃度センサにより検出されたＮＯｘ選択還元触媒１０からのＮＯｘ濃度が予め定められた濃度範囲となるようにフィードバック制御される。
　図３に発電プラントの別の実施例を示す。図３に示されるようにこの実施例ではＮＯｘ選択還元触媒１０の上流にＮＯｘ選択還元触１０へアンモニアを供給するためのアンモニア供給装置１２が配置されており、液状アンモニアが調量弁１３を介してこのアンモニア供給装置１２からＮＯｘ選択還元触媒１０に向けて噴射される。この実施例では排気ガス中に含まれるＮＯｘはアンモニア供給装置１２から供給された液状アンモニアによりＮＯｘ選択還元触媒１０において還元される。
　この実施例においても燃焼器２の燃焼室５５内に供給されるガス状アンモニアを生成するために使用される液状アンモニアおよびアンモニア供給装置１２から排気通路内に供給される液状アンモニアとして同一の液状アンモニアが使用されており、斯くして発電システムを簡素化することができる。
　図４に発電プラントの更に別の実施例を示す。この実施例では液状アンモニアが一方では吸入空気中に供給され、他方ではアンモニア供給装置１２からＮＯｘ選択還元触媒１０に供給される。この実施例ではタービン３から流出する未燃のアンモニアの量が排気ガス中に含まれるＮＯｘを予め定められている設定値以上、例えば予め定められている還元率以上還元するには不足しているときには不足分のアンモニアがアンモニア供給装置１２からＮＯｘ選択還元触媒１０に供給される。
　図５に発電プラントの更に別の実施例を示す。この実施例ではガス化装置７から送り出されたガス状アンモニアが調量弁９を介して吸入空気中に供給され、このガス状アンモニアによって排気ガス中に含まれるＮＯｘがＮＯｘ選択還元触媒１０において還元される。この実施例では吸入空気に対する冷却作用は行われないが吸入空気中に供給されたガス状アンモニアはコンプレッサ４内およびタービン３内で十分に混合される。その結果、ＮＯｘ選択還元触媒１０に流入する排気ガス中の未燃アンモニアの濃度分布は均一となり、斯くしてＮＯｘ選択還元触媒１０によるＮＯｘの還元作用が向上せしめられる。
　図６に発電プラントの更に別の実施例を示す。この実施例ではガス化装置７から送り出されたガス状アンモニアが調量弁１３を介してアンモニア供給装置１２からＮＯｘ選択還元触媒１０に供給され、このガス状アンモニアによって排気ガス中に含まれるＮＯｘがＮＯｘ選択還元触媒１０において還元される。ＮＯｘの還元作用はアンモニア供給装置１２から供給されるアンモニアがガス状である場合の方が液状である場合に比べて良好となり、斯くしてこの実施例でもＮＯｘ選択還元触媒１０によるＮＯｘの還元作用が向上せしめられる。
　図７に発電プラントの更に別の実施例を示す。この実施例ではガス化装置７から送り出されたガス状アンモニアが一方では調量弁９を介して吸入空気中に供給され、他方では調量弁１３を介してアンモニア供給装置１２からＮＯｘ選択還元触媒１０に供給される。
　図５から図７に示される実施例では燃焼器２の燃焼室５５内に供給されるガス状アンモニアおよびガスタービンエンジン１の吸気通路又は排気通路に供給されるガス状アンモニアとして同一のガス状アンモニアが使用されており、斯くして発電プラントを簡素化することができる。なお、例えば図７に示される実施例において図４に示されるように液状アンモニアを吸入空気中に供給することもできる。
　図８から図１１はガス状アンモニアの生成および供給制御に関する種々の実施例を示している。なお、これら図８から図１１には代表的な例として図４に示されるように液状燃料が吸気通路および排気通路に供給される場合が示されている。
　図８（Ａ）を参照するとこの実施例では、ガスタービンエンジン１の排気通路内に、排気ガス熱により液状アンモニアをガス状アンモニアに変換させるガス状アンモニア生成装置１４が配置されており、生成されたガス状アンモニアはガスコンプレッサ１５により昇圧された後に調量弁８を介して燃焼器２の燃焼室５５内に供給される。図８（Ａ）に示される実施例ではガス状アンモニア生成装置１４はＮＯｘ選択還元触媒１０下流の排気通路内に配置されている。このガス状アンモニア生成装置１４は例えば排気ガス熱により液状アンモニアを気化させるエバポレータからなり、従ってこの実施例ではガス状アンモニア生成装置１４が排熱回収装置を構成している。このようにこの実施例では排気ガス熱を有効に利用してガス状アンモニアが生成される。
　また、図８（Ａ）に示される実施例ではガス状アンモニア生成装置１４により生成されたガス状アンモニアを貯留しておくためにガス状アンモニア貯留タンク１６が設けられており、エンジン始動時にはガス状アンモニア貯留タンク１６内に貯留されているガス状アンモニアがガスコンプレッサ１５により昇圧されて燃焼器２の燃焼室５５内に供給される。
　即ち、ガス状アンモニア貯留タンク１６内は例えばガスタービンエンジン１の運転中に開弁せしめられる開閉弁を介してガス状アンモニア生成装置１４からガスコンプレッサ１５に向かうガス状アンモニアの流通路に連結されており、従ってガスタービン１の運転中はガス状アンモニア生成装置１４において生成されたガス状アンモニアがガス状アンモニア貯留タンク１６内に貯留される。次いでガスタービンエンジン１の運転が停止されると開閉弁が閉弁せしめられるためにガス状アンモニアはガス状アンモニア貯留タンク１６内に貯留され続ける。次いでガスタービンエンジン１の運転が再開されると開閉弁が再び開弁せしめられる。このときガス状アンモニア生成装置１４ではまだガス状アンモニアの生成作用が開始されておらず、このときガス状アンモニア貯留タンク１６内のガス状アンモニアがガスコンプレッサ１５により昇圧されて燃焼器２の燃焼室５５に供給される。
　図８（Ｂ）に示す変形例では、より高温の排気ガス熱を利用するためにガス状アンモニア生成装置１４がＮＯｘ選択還元触媒１０の上流に配置されている。
　図９に発電プラントの更に別の実施例を示す。この実施例ではガス状アンモニア生成装置１４により生成されたガス状アンモニアが集合器１７に送り込まれる。一方、液状アンモニアが調量弁１８を介してタービン３の静翼５８内又は動翼５９内の少くとも一方に送り込まれ、静翼５８又は動翼５９を冷却することによって液状からガス状に変化したアンモニアが集合器１７内に送り込まれる。集合器１７内のガス状アンモニアはガスコンプレッサ１５により昇圧されて燃焼器２の燃焼室５５内に供給される。
　この実施例ではタービン３の静翼５８又は動翼５９の熱を有効に利用してガス状アンモニアが生成される。また、この実施例では静翼５８や動翼５９が冷却されるので静翼５８が動翼５９の耐久性を向上できるばかりでなく、タービン３の入口温の最大許容温度を高めることができるのでガスタービンエンジン１の最大出力を高めることができる。
　図１０（Ａ）に発電プラントの更に別の実施例を示す。この実施例ではガスタービンエンジン１の排気通路内に、排気ガス熱によりガス状アンモニアの圧力を上昇させるガス圧上昇装置１９が配置されており、このガス圧上昇装置１９により昇圧されたガス状アンモニアが調量弁８を介して燃焼器２の燃焼室５５に供給される。図１０に示される実施例ではガス圧上昇装置１９下流の排気通路内にエバポレータ２０が配置されており、液状アンモニアはエバポレータ２０においてガス状アンモニアに変換せしめられる。次いでこのガス状アンモニアの圧力がガス圧上昇装置１９において上昇せしめられる。この実施例ではガス圧上昇装置１９とエバポレータ２０のいずれもが排熱回収装置を構成している。
　このようにこの実施例ではガス圧上昇装置１９によってガス状アンモニアの圧力が上昇せしめられるので図８や図９に示されるようなガスコンプレッサ１５を設ける必要がなくなる。また、ガス状アンモニアの圧力が上昇せしめられるのでガス状アンモニア貯留タンク１６内には昇圧されたガス状アンモニアが貯留され、エンジン始動時にはガス状アンモニア貯留タンク１６内に貯留されている昇圧されたガス状アンモニアが燃焼器２の燃焼室５５内に供給される。
　図１０（Ｂ）に示す変形例では、より高温の排気ガス熱を利用するためにガス圧上昇装置１９がＮＯｘ選択還元触媒１０の上流に配置されている。
　図１１に発電プラントの更に別の実施例を示す。この実施例ではガス圧上昇装置１９のガス状アンモニアの出口圧力が制御可能であり、この出口圧力を制御することによって燃焼器２の燃焼室５５に供給されるガス状アンモニア量が制御される。従ってこの実施例では図８から図１０に示されるような調量弁８を設ける必要がなくなる。なお、図１１に示される弁２１は緊急時に閉弁せしめられる緊急遮断弁であって通常は全開している。
　ガス圧上昇装置１９の出口圧力は種々の方法でもって制御することができる。例えばガス圧上昇装置１９の出口からベーパライザ２０内にガス状アンモニアを返戻させる返戻通路を設け、出口圧力が目標圧力よりも高くなったときにはガス圧上昇装置１９の出口からベーパライザに返戻されるガス状アンモニアの返戻量を増大させ、出口圧力が目標圧力よりも低くなったときにはガス状アンモニアの返戻量を減少させることによって出口圧力を目標圧力に制御することができる。
　なお、これまで本発明をガスタービンエンジンに適用した場合について説明してきたが、本発明はガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の往復動式エンジンにも適用することができる。

Claims (12)

  1. アンモニアを燃料とするエンジンであって、エンジンの排気通路内にアンモニアの存在下で排気ガス中に含まれるＮＯｘを選択的に還元可能なＮＯｘ選択還元触媒を配置し、エンジンの燃焼室内にガス状アンモニアからなる燃料を供給するための燃料供給手段を具備しており、エンジンの吸気通路内又はＮＯｘ選択還元触媒上流の排気通路内のいずれか一方又は双方にアンモニアを供給してこの供給されたアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯｘをＮＯｘ選択還元触媒において還元するようにしたエンジン。
  2. 上記吸気通路内又は上記排気通路内に供給されるアンモニアが液状アンモニアからなる請求項１に記載のエンジン。
  3. 上記燃焼室内に供給されるガス状アンモニアを生成するために使用される液状アンモニアおよび上記吸気通路内又は排気通路内に供給される液状アンモニアとして同一の液状アンモニアが使用されている請求項２に記載のエンジン。
  4. 上記吸気通路内又は上記排気通路内に供給されるアンモニアがガス状アンモニアからなる請求項１に記載のエンジン。
  5. 上記燃焼室内に供給されるガス状アンモニアおよび上記吸気通路又は排気通路に供給されるガス状アンモニアとして同一のガス状アンモニアが使用されている請求項４に記載のエンジン。
  6. エンジンの排気通路内に、排気ガス熱により液状アンモニアをガス状アンモニアに変換させるガス状アンモニア生成装置が配置されており、生成されたガス状アンモニアが上記燃焼室内に供給される請求項１に記載のエンジン。
  7. 上記ガス状アンモニア生成装置により生成されたガス状アンモニアを貯留しておくためにガス状アンモニア貯留タンクを具備しており、エンジン始動時には該ガス状アンモニア貯留タンク内に貯留されているガス状アンモニアが上記燃焼室に供給される請求項６に記載のエンジン。
  8. エンジンの排気通路内に、排気ガス熱によりガス状アンモニアの圧力を上昇させるガス圧上昇装置が配置されており、昇圧されたガス状アンモニアが上記燃焼室内に供給される請求項１に記載のエンジン。
  9. 上記ガス圧上昇装置により昇圧されたガス状アンモニアを貯留しておくためのガス状アンモニア貯留タンクを具備しており、エンジン始動時には該ガス状アンモニア貯留タンク内に貯留されている昇圧されたガス状アンモニアが上記燃焼室内に供給される請求項８に記載のエンジン。
  10. 上記ガス圧上昇装置のガス状アンモニアの出口圧力を制御可能であり、該出口圧力を制御することによって上記燃焼室に供給されるガス状アンモニア量が制御される請求項８に記載のエンジン。
  11. エンジンがコンプレッサとタービンからなるガスタービンエンジンからなり、タービンの排気通路内にＮＯｘ選択還元触媒が配置され、ガスタービンエンジンの燃焼器の燃焼室内にガス状アンモニアからなる燃料が供給される請求項１に記載のエンジン。
  12. 上記タービンの静翼内又は動翼内の少くとも一方に液状アンモニアを送り込み、静翼又は動翼を冷却することによって液状からガス状に変化したアンモニアを上記燃焼室内に供給するようにした請求項１１に記載のエンジン。
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