JP6772924B2 - 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）を還元用アンモニアにより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、燃焼に用いられる燃焼用空気は、燃料用アンモニアとともに燃焼室内で燃焼するため、燃焼室を構成する側壁は、高温となる。このため、側壁の熱劣化を招き、熱劣化に起因して燃焼器の寿命が短くなる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、燃料用アンモニアを燃焼する燃焼器を構成する部材の温度上昇を抑制し、燃焼器の寿命を長くす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、燃料用アンモニアと燃焼用空気を燃焼器の燃焼室内で燃焼させる燃焼装置であって、上記燃焼器は、上記燃料用アンモニアを上記燃焼用空気に混合して上記燃焼器内に供給する冷却アンモニア供給部を備える、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、上記燃焼器は、上記燃焼室を形成する側壁を備え、上記冷却アンモニア供給部は、上記燃焼用空気の流路において燃焼用空気供給源と上記側壁との間に位置する、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又は第２の解決手段において、上記冷却アンモニア供給部は、上記燃料用アンモニアを噴射する冷却ノズルを備え、上記冷却ノズルは、上記燃料用アンモニアを上記燃焼用空気に混合する、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又は第２の解決手段において、上記冷却アンモニア供給部は、上記燃料用アンモニアを噴射する複数の冷却ノズルを備え、上記複数の冷却ノズルは、上記燃焼用空気の流路に設けられ、上記燃料用アンモニアを上記燃焼用空気に混合する、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３又は第４の解決手段において、上記冷却ノズルから噴射される上記燃料用アンモニアは、液体アンモニアである、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２から第５のいずれか一項の解決手段において、上記冷却アンモニア供給部は、上記側壁における高温部に上記燃料用アンモニアが直接到達する位置に設けられている、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、冷却アンモニア供給部から供給された燃料用アンモニアが燃焼用空気と混合し、燃焼器を構成する部材を冷却した後に燃焼器に流入するので、燃焼器を構成する部材の温度上昇を抑制し、燃焼器の寿命を長くすることができる。

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（燃焼用空気供給源）、タービン２、燃焼器３、還元触媒チャンバ４、タンク５、ポンプ６、及び気化器７を備えている。また、これら複数の構成要素のうち、燃焼器３、タンク５、ポンプ６、及び気化器７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、燃料であるアンモニアを燃焼す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３は、気化器７から別途供給された気体アンモニアを燃料として燃焼させる。すなわち、この燃焼器３は、上記燃焼用空気を酸化剤として気体アンモニアを燃焼す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２に供給する。

タービン２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２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２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）を還元処理することにより窒素（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とが可能である。

この気化器７は、アンモニアを燃料（燃料用アンモニア）として燃焼器３に供給する。特に、気化器７は、後述する冷却アンモニア供給部３ｇに対し、燃料用アンモニアを気体アンモニアとして供給することが可能である。また、気化器７は、後述する主バーナ３ｃに対し、燃料用アンモニアを気体アンモニアとして供給することが可能である。また、この気化器７は、気体アンモニアを還元剤（還元用アンモニア）として燃焼器３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用アンモニアとの協働によって窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元処理する。
なお、また、気化器７は、液体アンモニアを気化させずに、液体アンモニアを冷却アンモニア供給部３ｇに供給することもできる。

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３について、図２を参照して詳細を説明する。

燃焼器３は、図２に示すようにケーシング３ａ、ライナ３ｂ、主バーナ３ｃ、圧縮空気導入部３ｅ、導入流路３ｆ（流路）、冷却アンモニア供給部３ｇ、及びスクロール３ｉを備えている。主バーナ３ｃは、バーナ３ｄ１及び整流器３ｄ２を備えている。なお、上述した気化器７は、バーナ３ｄ１及び冷却アンモニア供給部３ｇに接続されている。

ケーシング３ａは、ライナ３ｂを収容する略円筒状の容器である。ケーシング３ａの一端にはバーナ３ｄ１及び整流器３ｄ２が取り付けられており、ケーシング３ａの他端にはスクロール３ｉが形成されている。ライナ３ｂは、ケーシング３ａの内部に設けられており、主バーナ３ｃとスクロール３ｉとを接続するとともにケーシング３ａに対して略同軸状に設けられた筒状体である。

スクロール３i（或いはトランジションピース）は、ライナ３ｂの出口とタービン２の入口とを接続し、内部を流れる燃焼ガスの流動方向を偏向する部材である。ライナ３ｂ及びスクロール３ｉで形成された内部空間は、燃焼室Ｎである。燃焼室Ｎは、側壁Ｈによって形成されており、換言すると、側壁Ｈは、ライナ３ｂ及びスクロール３ｉを形成している。図２における矢印の方向は、燃焼室Ｎ内における燃焼ガスの流れ方向である。

ライナ３ｄは、燃焼用空気がライナ３ｄの外側表面上を流れることによって対流冷却される。また、ライナ３ｄは、ライナ３ｄに設けられた複数の冷却孔を通過した空気が通過することにより、燃焼室Ｎの内部に形成されるフィルム冷却等によっても冷却される。また、燃焼室Ｎは、燃焼室Ｎの内部に向かけて貫通した複数のエフュージョン冷却孔といった冷却構造を有する。

バーナ３ｄ１は、ケーシング３ａの一端においてライナ３ｂの中心軸上に設けられており、燃焼室Ｎ内に燃料を噴射するノズルである。整流器３ｄ２は、上記バーナ３ｄ１の外周に円環状に設けられており、燃焼室Ｎの一端から内部に向けて燃焼用空気を供給する。

圧縮空気導入部３ｅは、ケーシング３ａの壁面に設けられており、導入流路３ｆの一端（第１端）に接続されている。導入流路３ｆの他端（第２端）は、圧縮機１に接続されている。このため、圧縮機１及びケーシング３ａは、導入流路３ｆを介して連通しており、導入流路３ｆは、圧縮機１によって圧縮された燃焼用空気をケーシング３ａ内に供給することが可能である。

冷却アンモニア供給部３ｇは、圧縮空気導入部３ｅに隣接する位置に設けられ、かつ、導入流路３ｆに設けられている。冷却アンモニア供給部３ｇは、導入流路３ｆの外部から導入流路３ｆの内部に向けて突出しており、導入流路３ｆの内部に露出する冷却ノズル３ｈを備えている。図２に示す例では、導入流路３ｆ内に冷却ノズル３ｈが２つ設けられた構造が示されているが、冷却ノズル３ｈの個数は、１個でもよいし、３個以上でもよい。また、冷却アンモニア供給部３ｇが複数存在してもよい。冷却ノズル３ｈは、気化器７から供給される燃料用アンモニアを導入流路３ｆ内に噴射することが可能である。冷却アンモニア供給部３ｇは、燃焼用空気の流動方向において、側壁Ｈよりも上流側（上流部）に位置する。換言すると、冷却アンモニア供給部３ｇは、燃焼用空気の流路において圧縮機１（燃焼用空気供給源）と側壁Ｈとの間に位置する。

このため、冷却アンモニア供給部３ｇは、導入流路３ｆ内を流動する燃焼用空気に燃料用アンモニアを混合し、混合された燃焼用空気及び燃料用アンモニアの混合気体を、燃焼室Ｎを形成する側壁Ｈ（ライナ３ｂ及びスクロール３ｉ）に向けて供給することが可能である。本実施形態においては、冷却アンモニア供給部３ｇによって供給される燃料用アンモニアは、燃焼器３によって燃焼する前に、燃焼用空気と混合される。

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のうち、一部の気体アンモニアは燃焼用アンモニアとしてバーナ３ｄ１及び冷却アンモニア供給部３ｇに供給され、残りは還元用アンモニアとして還元触媒チャンバ４の直前に供給される。

バーナ３ｄ１に供給された燃焼用アンモニアは、燃焼室Ｎ内、つまり、ライナ３ｂとスクロール３ｉの内部においてバーナ３ｄ１からライナ３ｂの中心軸の方向に噴射される。燃焼用アンモニアは、燃焼室Ｎ内で燃焼し、特に、燃焼室Ｎを構成する側壁Ｈであるライナ３ｂ及びスクロール３ｉの温度が上昇する。

一方、冷却アンモニア供給部３ｇに供給された気体アンモニアは、冷却ノズル３ｈから導入流路３ｆの内部に向けて噴射される。噴射された気体アンモニアは、圧縮機１によって圧縮された燃焼用空気と混合する。導入流路３ｆ内で混合された気体アンモニア及び燃焼用空気の混合気体は、圧縮空気導入部３ｅからケーシング３ａの内部に供給され、燃焼室Ｎ内に導入される過程で、燃焼室Ｎの側壁Ｈを冷却する。混合気体は、ライナ３ｂとスクロール３ｉに設けられた冷却孔および主バーナ３ｃから燃焼室Ｎの内部に供給され、燃焼する。

本実施形態によれば、燃焼用空気とアンモニアの混合気体は、燃焼室Ｎの側壁Ｈの外側表面に沿って主バーナ３ｃや、ライナ３ｂおよびスクロール３iに設けられた冷却孔に向かって流れることによる対流冷却、混合気体の一部が冷却孔を通じて側壁Ｈの内部に流通することによるエフュージョン冷却、側壁Ｈの内側表面にフィルム状の流れを形成することによるフィルム冷却に使用される。これらの冷却作用により燃焼室Ｎの側壁Ｈは冷却される。即ち、燃料用アンモニアを燃焼に用いるだけでなく、燃料用アンモニアの一部を冷却用アンモニアとして用いることによって、燃焼室Ｎの側壁Ｈの冷却効率が向上するため、燃焼室Ｎの側壁Ｈの寿命を長くすることができる。

気体アンモニア及び燃焼用空気の混合気体による冷却についてより具体的に説明する。
アンモニアは、空気よりも比熱が大きいことが知られている。例えば、５００℃における空気の比熱がＣｐ＝１．１ｋＪ／（Ｋ・ｋｇ）であるのに対し、アンモニアの比熱はＣｐ＝３．０ｋＪ／（Ｋ・ｋｇ）である。このため、燃焼用空気のみで燃焼室Ｎの側壁Ｈを冷却する場合よりも、アンモニアと燃焼用空気の混合気体は冷却に伴う温度上昇が小さいという特性を有する。このため、アンモニアと燃焼用空気の混合気体による燃焼室Ｎの側壁Ｈの冷却効率はより向上する。

また、圧縮機１によって圧縮された燃焼用空気（圧縮空気）の温度よりも、気体アンモニアの温度は低い。このため、燃焼用空気に気体アンモニアが混合されると、燃焼用空気の温度よりも混合気体の温度が低くなる。この結果、燃焼用空気のみで燃焼室Ｎの側壁Ｈを冷却する場合よりも、混合気体を用いることによって燃焼室Ｎの側壁Ｈに対する冷却効率は向上する。

例えば、大気温度を１５℃、燃焼用空気の圧力を１２気圧とした場合、燃焼用空気の温度は３９０℃程度になるが、アンモニアガスの飽和温度は例えば２０気圧において１００℃以下である。したがって、燃焼用空気にアンモニアを混合することにより、燃焼室Ｎの側壁Ｈの冷却効率を確実に向上させることが可能である。

また、アンモニアは逆火しにくいという利点を有するため、燃焼器３を安全に稼働することができる。

以上、図面を参照しながら本発明の実施形態及び変形例について説明したが、本発明は上記実施形態及び変形例に限定されない。上述した実施形態及び変形例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。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、ボイラや焼却設備に適用可能である。
（２）上記実施形態では、気体アンモニアを冷却アンモニア供給部３ｇに供給する場合について説明したが、液体アンモニアを冷却アンモニア供給部３ｇに供給してもよい。この場合、液体アンモニアが燃焼用空気に混合され、液体アンモニアが蒸発する際の気化熱によって燃焼用空気がさらに冷却される。したがって、燃焼用空気に気体アンモニアを混合させる場合よりも、燃焼器３を構成する燃焼室Ｎの側壁Ｈを効果的に冷却することができる。
（３）冷却アンモニア供給部３ｇは、側壁Ｈにおける高温部にアンモニアが直接到達する位置に設けられてもよい。
（４）逆火対策のため、冷却アンモニア供給部３ｇが設けられている導入流路３ｆの近くに逆火検知用温度計を設けてもよい。
（５）上記実施形態では、還元剤としてアンモニア（還元用アンモニア）を用いたが、本発明はこれに限定されない。アンモニア（還元用アンモニア）以外の還元剤を用いてもよい。
（６）上記実施形態では、冷却アンモニア供給部３ｇは、導入流路３ｆの外部から導入流路３ｆの内部に向けて突出した形状を有するが、本発明はこれに限定されない。導入流路３ｆの壁面に複数の冷却ノズル３ｈを設けた形状が採用されてもよい。
（７）上記実施形態では、主バーナ３ｃに供給される燃料として燃料用アンモニアを用いたが、本発明はこれに限定されない。主バーナ３ｃに供給される燃料としてアンモニア以外の燃料を用いてもよい。

Ａ ガスタービン
Ｃ 燃焼装置
Ｈ 側壁
Ｎ 燃焼室
１ 圧縮機（燃焼用空気供給源）
２ タービン
３ 燃焼器
３ａ ケーシング
３ｂ ライナ
３ｃ 主バーナ
３ｄ１ バーナ
３ｄ２ 整流器
３ｅ 圧縮空気導入部
３ｆ 導入流路
３ｇ 冷却アンモニア供給部
３ｈ 冷却ノズル
３ｉ スクロール
４ 還元触媒チャンバ
５ タンク
６ ポンプ
７ 気化器

Claims (6)

1. 燃料用アンモニアと燃焼用空気を燃焼器の燃焼室内で燃焼させる燃焼装置であって、
   前記燃焼器は、前記燃料用アンモニアを前記燃焼用空気に混合して前記燃焼器内に供給する冷却アンモニア供給部を備え、
   前記燃焼器は、前記燃焼室を形成する側壁を備え、
   前記冷却アンモニア供給部は、前記燃焼用空気の流路において燃焼用空気供給源と前記側壁との間に位置する燃焼装置。
2. 前記冷却アンモニア供給部は、前記燃料用アンモニアを噴射する冷却ノズルを備え、
   前記冷却ノズルは、前記燃料用アンモニアを前記燃焼用空気に混合する、請求項１に記載の燃焼装置。
3. 前記冷却アンモニア供給部は、前記燃料用アンモニアを噴射する複数の冷却ノズルを備え、
   前記複数の冷却ノズルは、前記燃焼用空気の流路に設けられ、前記燃料用アンモニアを前記燃焼用空気に混合する、請求項１に記載の燃焼装置。
4. 前記冷却ノズルから噴射される前記燃料用アンモニアは、液体アンモニアである、請求項２又は請求項３に記載の燃焼装置。
5. 前記冷却アンモニア供給部は、前記側壁における高温部に前記燃料用アンモニアが直接到達する位置に設けられている、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃焼装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃焼装置を備える、ガスタービン。

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