(57)【要約】【課題】燃焼室とタービン入口との間に設けられた部材において、温度差に起因する熱変形や割れ等の破損を抑制する。【解決手段】燃料用アンモニアと燃焼用空気を燃焼室内で燃焼させる燃焼装置であって、燃焼室Ｎを形成する燃焼器ライナ３ａと、燃焼器ライナ３ａの一端に取り付けられたバーナ３ｃと、燃焼ガスＤの流動方向において燃焼器ライナ３ａよりも下流側に設けられ、燃焼ガスＤの流動方向を偏向する偏向部材３ｇと、バーナ３ｃと偏向部材３ｇの出口との間に設けられ、燃料用アンモニアを燃焼室Ｎの内部に供給する単一又は複数のアンモニア噴射孔３ｂと、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料用アンモニアと燃焼用空気を燃焼室内で燃焼させる燃焼装置であって、
前記燃焼室を形成する燃焼器ライナと、
前記燃焼器ライナの一端に取り付けられたバーナと、
燃焼ガスの流動方向において前記燃焼器ライナよりも下流側に設けられ、前記燃焼ガスの前記流動方向を偏向する偏向部材と、
前記バーナと前記偏向部材の出口との間に設けられ、前記燃料用アンモニアを前記燃焼室の内部に供給する単一又は複数のアンモニア噴射孔と、
を備える、燃焼装置。
【請求項２】
前記アンモニア噴射孔が前記燃焼器ライナの側壁に設けられている、請求項１に記載の燃焼装置。
【請求項３】
前記アンモニア噴射孔は、前記燃焼室の中心軸周りに非対称となるように前記燃焼器ライナの側壁に設けられている、請求項１に記載の燃焼装置。
【請求項４】
前記偏向部材において平均温度よりも高温となる高温部を予め特定し、前記アンモニア噴射孔から供給される前記燃料用アンモニアによって前記高温部の温度が低くなるように、前記アンモニア噴射孔の配置が調整されている、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃焼装置。
【請求項５】
前記偏向部材において平均温度よりも高温となる高温部を予め特定し、前記アンモニア噴射孔から供給される前記燃料用アンモニアによって前記高温部の温度が低くなるように、前記アンモニア噴射孔から供給される前記燃料用アンモニアの供給量が調整されている、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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼装置及びガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
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、還元用アンモニアを用いて還元する還元領域を形成するものである。
【０００３】
燃焼器の下流には、トランジションピース（或いはスクロール）と呼ばれ、燃焼器とタービン入口を接続し、燃焼ガスの流動方向を偏向する偏向部材を有する。この偏向部材は、燃焼器の断面形状に応じた入口部と、タービンの入口形状の一部に応じた出口部と、入口部から出口部に向けて偏向部材の断面形状が徐々に変形している屈曲部とを有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１９１５０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したような偏向部材において燃焼ガスが流動する際に、例えば、偏向部材の屈曲部に燃焼ガスが衝突することにより、又は、偏向部材の出口部付近において燃焼ガスが高速で流れることにより、偏向部材と燃焼ガスの熱交換が促進される。このとき、偏向部材においては、燃焼ガスの流動や衝突に起因して高温になる高温部と、温度が比較的低い低温部とが形成され易く、温度差に起因する熱変形や割れ等の破損が起こり得るという問題点がある。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、燃焼室とタービン入口との間に設けられた偏向部材において、温度差に起因する熱変形や割れ等の破損を抑制することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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室内で燃焼させる燃焼装置であって、上記燃焼室を形成する燃焼器ライナと、上記燃焼器ライナの一端に取り付けられたバーナと、燃焼ガスの流動方向において上記燃焼器ライナよりも下流側に設けられ、上記燃焼ガスの上記流動方向を偏向する偏向部材と、上記バーナと上記偏向部材の出口との間に設けられ、上記燃料用アンモニアを上記燃焼室の内部に供給する単一又は複数のアンモニア噴射孔と、を備える、という手段を採用する。
【０００８】
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、上記アンモニア噴射孔が上記燃焼器ライナの側壁に設けられている、という手段を採用する。
【０００９】
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、上記アンモニア噴射孔は、上記燃焼室の中心軸周りに非対称となるように上記燃焼器ライナの側壁に設けられている、という手段を採用する。
【００１０】
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から第３のいずれかの解決手段において、上記偏向部材において平均温度よりも高温となる高温部を予め特定し、上記アンモニア噴射孔から供給される上記燃料用アンモニアによって上記高温部の温度が低くなるように、上記アンモニア噴射孔の配置が調整されている、という手段を採用する。
【００１１】
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から第４のいずれかの解決手段において、上記偏向部材において平均温度よりも高温となる高温部を予め特定し、上記アンモニア噴射孔から供給される上記燃料用アンモニアによって上記高温部の温度が低くなるように、上記アンモニア噴射孔から供給される上記燃料用アンモニアの供給量が調整されている、という手段を採用する。
【００１２】
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５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。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、アンモニア噴射孔から燃料用アンモニアが燃焼器ライナ内に供給され、燃料用アンモニアが燃焼する燃焼場が形成され、比較的温度が低いアンモニア燃焼ガスが発生する。アンモニア燃焼ガスは、偏向部材内において高温となり易い部位に衝突又は流動し、偏向部材における温度差に起因する熱変形や割れ等の破損を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】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。
【図２】本発明の一実施形態における燃焼器の構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態における燃焼器の構成を示す図であって、図２におけるＡ−Ａ線に沿う図であり、燃焼室を説明する断面図である。
【図４】本発明の一実施形態における燃焼器の構成を示す図であって、図２におけるＢ−Ｂ線に沿う図であり、偏向部材を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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、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。
【００１６】
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、バーナ３Ｃに供給された天然ガスとアンモニアが燃焼した火炎Ｋを生成し、気化器７から供給された気体アンモニアを燃料として燃焼する。すなわち、この燃焼器３は、上記圧縮空気を酸化剤として天然ガスと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。
【００１７】
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（Ｎ２）に還元する。
【００１８】
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。
【００１９】
この気化器７は、後述する燃焼器ライナ３ａの側壁３ｆに設けられたアンモニア噴射孔３ｂに接続されており、アンモニアを気体アンモニア（燃料用アンモニア）として燃焼器３に供給する。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。
【００２０】
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〜図４を参照して詳細を説明する。
【００２１】
燃焼器３は、図２に示すように燃焼器ライナ３ａ、バーナ３ｃ、整流器３ｄ、及び偏向部材３ｇを備えている。
バーナ３ｃ及び整流器３ｄは、燃焼器ライナ３ａの一端（第１端）に取り付けられている。偏向部材３ｇは、燃焼器ライナ３ａの他端（第２端）に形成されている。燃焼器ライナ３ａは、筒状体であり、燃焼器ライナ３ａの内部空間は、燃焼室Ｎである。なお、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Ｄの流動方向である。
【００２２】
バーナ３ｃは、燃焼器ライナ３ａの一端において燃焼器ライナ３ａの中心軸上に設けられており、燃焼室Ｎ内に天然ガス火炎Ｋを噴射する燃料噴射ノズルである。整流器３ｄは、燃焼器ライナ３ａの一端において上記バーナ３ｃの外周に円環状に設けられており、バーナ３ｃから偏向部材３ｇに向けた方向に燃焼用空気を供給する。
【００２３】
燃焼器ライナ３ａの側壁３ｆにはアンモニア噴射孔３ｂが設けられており、アンモニア噴射孔３ｂは気化器７に接続されている。アンモニア噴射孔３ｂは、気化器７から気体アンモニアを燃焼器ライナ３ａ内に供給することが可能である。
【００２４】
偏向部材３ｇは、燃焼ガスＤの流動方向において燃焼器ライナ３ａよりも下流側に設けられている。偏向部材３ｇの一端（入口部、第１端）は、燃焼器ライナ３ａに対応する断面形状を有しており、燃焼器ライナ３ａに接続されている。偏向部材３ｇの他端（出口部３ｊ、第２端）は、タービン２の入口の一部に対応する断面形状を有しており、タービン２の入口に接続されている。
【００２５】
更に、偏向部材３ｇは、偏向部材３ｇの一端から他端に向けて偏向部材３ｇの形状が徐々に変形している屈曲部３ｈを有している。偏向部材３ｇは、偏向部材３ｇ内にアンモニア燃焼ガス及び燃焼ガスＤを流動させて、アンモニア燃焼ガス及び燃焼ガスＤの流動方向をタービン２の入口に向かうように偏向する。また、偏向部材３ｇの出口部３ｊにおいては、偏向部材３ｇは、アンモニア燃焼ガス及び燃焼ガスＤを高速で流動させる。
【００２６】
上述した構成を有する燃焼器３を設計するにあたり、偏向部材３ｇにおいて平均温度よりも高温となる高温部を予め特定しておくことが好ましい。偏向部材３ｇにおいて平均温度よりも高温となる高温部を特定した場合、アンモニア噴射孔３ｂから供給される燃料用アンモニアによって高温部の温度が低くなるように、アンモニア噴射孔３ｂの配置が調整されていることが好ましい。或いは、アンモニア噴射孔３ｂから供給される燃料用アンモニアによって高温部の温度が低くなるように、アンモニア噴射孔３ｂから供給される燃料用アンモニアの供給量が調整されていることが好ましい。
【００２７】
例えば、燃料用アンモニアが高温部に衝突するように又は高温部に沿って流動するように、アンモニア噴射孔３ｂの配置又はアンモニア噴射孔３ｂから供給される燃料用アンモニアの供給量が調整されていることが好ましい。高温部の温度を下げる燃料用アンモニアは、燃料用アンモニアの燃焼ガスでもよいし、未燃の燃料用アンモニアでもよい。
【００２８】
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。
【００２９】
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器ライナ３ａ内に燃焼用アンモニアとして供給され、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。
【００３０】
バーナ３ｃは、整流器３ｄによって旋回する燃焼用空気に対し、天然ガスとアンモニアを噴射し、火炎Ｋを形成する。火炎Ｋの燃焼ガスＤは、燃焼室Ｎ内を流動する。このとき、燃焼器ライナ３ａの中心軸の周りに燃焼ガスＤの旋回流が発生する。
【００３１】
図３に示すように、アンモニア噴射孔３ｂに対向する内壁面に向けて、アンモニア噴射孔３ｂから気体アンモニアが噴射される。燃焼室Ｎ内において気体アンモニアが燃焼ガスＤ内の残存酸素と燃焼し、燃焼室Ｎ内にアンモニア燃焼場３ｉが形成され、アンモニア燃焼ガスが生成される。アンモニア燃焼場３ｉは、高温の燃焼ガスＤを押し退けるように形成される。
【００３２】
アンモニアは炭化水素燃料に比べ、カロリーが低いという性質を有する。このため、アンモニア燃焼場３ｉから生成されるアンモニア燃焼ガスは、燃焼ガスＤよりも比較的低温となる。アンモニアの燃焼温度は低いため、アンモニア噴射孔３ｂから気体アンモニアを噴射した後の燃焼器３の断面においては、気体アンモニアにより押し退けられた燃焼ガスＤ（炭化水素燃焼ガス）の高温部と、アンモニア燃焼ガスの低温部とが存在する偏った温度分布となる。
【００３３】
燃焼ガスＤの旋回流が発生するため、アンモニア燃焼場３ｉの位置は旋回流の流れに応じて変化する。また、燃焼室Ｎ内において、アンモニア燃焼場３ｉも下流に行くに従い旋回していく。図３に示すようにアンモニア噴射孔３ｂから燃焼室Ｎに向けて気体アンモニアが噴射されるので、バーナ３ｃで形成された比較的均一な燃焼ガスＤの流れを押し退けながら気体アンモニアは燃焼する。
【００３４】
高温の燃焼ガスＤ及び低温のアンモニア燃焼ガスは、旋回流となってアンモニア燃焼場３ｉから偏向部材３ｇに向けて流動する。このとき、図４に示すように、偏向部材３ｇ内においては、アンモニア燃焼ガスが流動する低温領域Ｌと、高温の燃焼ガスＤが流動する高温領域Ｈとが生じる。特に、偏向部材３ｇの屈曲部３ｈにおいて、燃焼ガスの衝突に起因して高温となり易い部分に低温領域Ｌが形成される。また、偏向部材３ｇの出口部３ｊにおいて、燃焼ガスの高速流動に起因して高温となり易い部分に低温領域Ｌが形成される。
【００３５】
本発明の実施形態によれば、従来において燃焼室とタービン入口との間に設けられた部材において高温となり易い部分に、例えば、偏向部材３ｇ内にて高温となり易い部分に、低温のアンモニア燃焼ガスが流動する低温領域Ｌが形成されるので、高温部と低温部との温度差に起因する偏向部材３ｇにおける熱変形や割れ等の破損を抑制することができる。
【００３６】
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。
【００３７】
（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、側壁３ｆに設けられたアンモニア噴射孔３ｂの個数は１つであるが、アンモニア噴射孔３ｂの個数は複数であってもよい。この場合、複数のアンモニア噴射孔３ｂは、燃焼器ライナ３ａの中心軸周りに非対称となるように燃焼器ライナ３ａの側壁３ｆに設けられていることが好ましい。このように複数のアンモニア噴射孔３ｂを配置することで、アンモニア噴射孔３ｂから噴射した気体アンモニアは、燃焼器３の断面において不均一な燃焼場を形成する。これにより、従来の偏向部材において高温となり易い部分に、比較的温度が低いアンモニア燃焼ガスを衝突させることができる。あるいは、高温となり易い部分に沿うように、アンモニア燃焼ガスを流動させることができる。偏向部材３ｇにおける温度差に起因する熱変形や割れ等の破損を抑制することができる。
（３）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。
（４）上記実施形態では、バーナ３Ｃが燃焼室Ｎ内に供給する燃料は、天然ガスとアンモニアであったが、本発明は、火炎温度の高い燃料と低い燃料の組み合わせであれば、燃料を限定しない。
（５）アンモニア燃焼場３ｉは、未燃のアンモニアガスが供給された供給領域であってもよい。この場合、未燃のアンモニアガスは、脱硝装置でＮＯｘとともに脱硝処理されるため、ガスタービンＡから漏洩することはない。
【符号の説明】
【００３８】
Ａ  ガスタービン
Ｃ  燃焼装置
Ｄ  燃焼ガス
Ｈ  高温領域
Ｋ  天然ガス火炎
Ｌ  低温領域
Ｎ  燃焼室
１  圧縮機
２  タービン
３  燃焼器
３ａ  燃焼器ライナ
３ｂ  アンモニア噴射孔
３ｃ  バーナ
３ｄ  整流器
３ｅ  アンモニアガス
３ｆ  側壁
３ｇ  偏向部材
３ｈ  屈曲部
３ｉ  アンモニア燃焼場
３ｊ  出口部
４  還元触媒チャンバ
５  タンク
６  ポンプ
７  気化器
【図１】
2018162724.tif 000003
【図２】
2018162724.tif 000004
【図３】
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【図４】
2018162724.tif 000006