(57)【要約】【課題】  未燃のアンモニアの排出およびＮＯＸの排出を可及的に抑制することができる再熱型アンモニアガスタービンを提供する。【解決手段】  圧縮機１で圧縮された空気とともに燃料であるアンモニアを主燃焼器２に供給し、アンモニアを燃焼させて得る燃焼ガスによりガスタービン３を駆動するとともに、ガスタービン３の排ガスとともにアンモニアを再熱器４に供給し、アンモニアを燃焼させて得る燃焼ガスにより再熱ガスタービン５を駆動するように構成した再熱型アンモニアガスタービンＩであって、再熱器４は、上流側から順次配設された脱硝触媒４Ａおよび燃焼触媒４Ｂを有するともに、脱硝触媒４Ａには、排ガスとともに、主燃焼器２に供給する燃料であるアンモニアを分流させて供給するように構成した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機で圧縮された空気とともに燃料であるアンモニアを主燃焼器に供給し、アンモニアを燃焼させて得る燃焼ガスによりガスタービンを駆動するとともに、前記ガスタービンの排ガスとともにアンモニアを再熱器に供給し、アンモニアを燃焼させて得る燃焼ガスにより再熱ガスタービンを駆動するように構成した再熱型アンモニアガスタービンであって、
前記再熱器は、上流側から順次配設された脱硝触媒および燃焼触媒を有するともに、
前記脱硝触媒には、前記排ガスとともに、前記主燃焼器に供給する燃料であるアンモニアを分流させて供給するように構成したことを特徴とする再熱型アンモニアガスタービン。
【請求項２】
請求項１に記載する再熱型アンモニアガスタービンにおいて、
前記再熱器は、前記燃焼触媒の下流側に空間部を設けたものであることを特徴とする再熱型アンモニアガスタービン。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載する再熱型アンモニアガスタービンにおいて、
前記再熱器の入口温度は５００〜８００℃で、かつ前記再熱器の出口温度は１５００℃以下となるようにしたことを特徴とする再熱型アンモニアガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は再熱型アンモニアガスタービンに関し、特にアンモニアを燃料としてタービンを駆動する場合に適用して有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの燃料として化石燃料を用いると、地球温暖化の原因となる二酸化炭素（ＣＯ２）を発生する。そのため、水を、太陽エネルギーなどの自然エネルギーを用いて分解して得る水素（Ｈ２）を燃料に使用したガスタービンが検討されている。しかしながら、表１に示すように、水素ガスはエネルギー密度が低く、液化も、沸点が低く液化のために大量のエネルギーを消費するため効率的な輸送・貯蔵ができない。
【０００３】
そこで、Ｈ２をＮ２と反応させて、容易に液化できるアンモニア（ＮＨ３）に転換し、輸送・貯蔵を行うとともに、ガスタービンの燃料として使用する検討が行われている。
【０００４】
【表１】
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【０００５】
なお、ＮＨ３を燃料として機械的動力を得る装置を開示する公知文献として特許文献１がある。特許文献１に記載するエンジンは、排気通路内にＮＯＸ選択還元触媒を配置するとともに、排気通路内に燃料とは別にアンモニアを供給し、排気ガス中に含まれるＮＯＸを還元するようにしたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５０２４４６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、燃料としてのＮＨ３は燃焼性が悪く（表１の引火点参照）、またガスタービンから未燃のＮＨ３が排出されるばかりでなく、ＮＨ３を燃焼させると多量のＮＯＸを発生するおそれがある。
【０００８】
すなわち、各種のガスに関して、各温度における平衡組成を表２の条件で計算した結果を示す特性図である図３に明示するように、高温域でＮＯの平衡組成が高いことから、燃焼器内の高温域でＮＯを生成する可能性がある。ちなみに、特許文献１では、燃焼器で多量にＮＯＸを生成し、これを処理するために高価なＮＯＸ選択還元触媒が多量に必要になる。
【０００９】
【表２】
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【００１０】
本発明は、上記従来技術に鑑み、未燃のアンモニアの排出およびＮＯＸの排出を可及的に抑制することができる再熱型アンモニアガスタービンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成する本発明の第１の態様は、
圧縮機で圧縮された空気とともに燃料であるアンモニアを主燃焼器に供給し、アンモニアを燃焼させて得る燃焼ガスによりガスタービンを駆動するとともに、前記ガスタービンの排ガスとともにアンモニアを再熱器に供給し、アンモニアを燃焼させて得る燃焼ガスにより再熱ガスタービンを駆動するように構成した再熱型アンモニアガスタービンであって、
前記再熱器は、上流側から順次配設された脱硝触媒および燃焼触媒を有するとともに、
前記脱硝触媒には、前記排ガスとともに、前記主燃焼器に供給する燃料であるアンモニアを分流させて供給するように構成したことを特徴とする再熱型アンモニアガスタービンにある。
【００１２】
本態様によれば、主燃焼器から排出されるＮＯＸと再熱器に供給される燃料のＮＨ３とを反応させてＮ２に転換する。また、燃焼触媒では、ＮＯｘが生成する局所的高温域を発生することなく、主燃焼器から排出される未反応のＮＨ３とＯ２および再熱器に供給される燃料のＮＨ３とを反応させて、ＮＨ３をＮ２とＨ２Ｏに転換することができる。
【００１３】
本発明の第２の態様は、
第１の態様に記載する再熱型アンモニアガスタービンにおいて、
前記再熱器は、前記燃焼触媒の下流側に空間部を設けたものであることを特徴とする再熱型アンモニアガスタービンにある。
【００１４】
本態様によれば、燃焼触媒でＮＨ３の一部を燃焼し、燃焼触媒出口のガス温度を気相燃焼が可能な温度に上昇させ、燃焼触媒出口の空間部で残りのＮＨ３を気相燃焼することができる。このように、気相燃焼を行なわせることにより、空間部出口でＮＨ３の完全燃焼を達成させながら、触媒の温度を、例えば１５００℃程度の高温にすることなく、より低温で使用できるので、触媒の劣化を抑制することができる。ちなみに、触媒は高温になるほどシンタリング等の劣化が促進される。
【００１５】
本発明の第３の態様は、
第１または第２の態様に記載する再熱型アンモニアガスタービンにおいて、
前記再熱器の入口温度は５００〜８００℃で、かつ前記再熱器の出口温度は１５００℃以下となるようにしたことを特徴とする再熱型アンモニアガスタービンにある。
【００１６】
本態様によれば、再熱器の入口温度を５００〜８００℃にすることで、脱硝触媒において脱硝反応が好適に促進され、かつ、脱硝触媒後流の燃焼触媒において触媒燃焼が好適に促進されるとともに、再熱器の出口温度を１５００℃以下にすることでＮＯＸ生成反応が好適に抑制され、さらにガスタービンの効率も向上させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ＮＨ３を燃料とするガスタービンの排ガスを、脱硝触媒と燃焼触媒とを有する再熱器に燃料であるＮＨ３とともに供給しているので、主燃焼器から排出されるＮＯＸと再熱器に供給される燃料のＮＨ３とが反応してＮ２に転換される。この結果、ＮＯＸとＮＨ３とを除去することができる。また、燃焼触媒で、主燃焼器から排出される未反応のＮＨ３とＯ２および再熱器に供給される燃料のＮＨ３とを反応させて、Ｎ２とＨ２Ｏに転換することができ、かかる燃焼触媒の下で所定の反応を行い、高温となった排ガスは再熱ガスタービンに供給されて機械動力に転換される。さらに、再熱器では触媒燃焼または触媒燃焼と気相燃焼の組み合わせにより局所的高温域が発生せず、ＮＯＸ生成反応が抑制される。なお、再熱型にすることにより、タービン入口温度を著しく上昇させることなく、高い燃料／空気比で燃焼できるので、燃焼温度の低減によりＮＯｘの生成を抑制するとともに、燃焼用空気量を減少させて圧縮機の動力を減少することもでき、結果として高効率化も可能になる。
【００１８】
ここで、再熱ガスタービンから排出される排ガスは、相当程度の熱エネルギーを有するので、この排ガスを、さらに排熱ボイラに供給して熱回収を行うこともできる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係る再熱型アンモニアガスタービンを示すブロック図である。
【図２】本発明の他の実施の形態に係る再熱型アンモニアガスタービンを示すブロック図である。
【図３】各種のガスに関して、各温度における平衡組成を計算した結果を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態に係る再熱型アンモニアガスタービンを示すブロック図である。同図に示すように、本形態に係る再熱型アンモニアガスタービンＩは、圧縮機１で圧縮された空気とともに燃料であるアンモニア（ＮＨ３）を主燃焼器２に供給し、前記空気中の酸素（Ｏ２）で前記ＮＨ３を燃焼させて得る燃焼ガスによりガスタービン３を駆動するとともに、ガスタービン３の排ガスとともにＮＨ３を再熱器４に供給し、前記排ガス中のＯ２で前記ＮＨ３および前記排ガス中の未燃ＮＨ３を燃焼させて得る燃焼ガスにより再熱ガスタービン５を駆動するように構成してある。
【００２２】
再熱器４は、上流側から順次配設された脱硝触媒４Ａおよび燃焼触媒４Ｂを有する。主燃焼器２および再熱器４の脱硝触媒４Ａには、燃料であるＮＨ３が、流量調整弁６Ａ，６Ｂで流量を調整されてそれぞれ供給される。かくして、脱硝触媒４Ａには、ガスタービン３の排ガスとともに、主燃焼器２に供給する燃料であるＮＨ３を分流させて供給するように構成してある。なお、図示していないが、排ガスと燃料のＮＨ３を混合して脱硝触媒４Ａに供給するために、脱硝触媒４Ａの上流に空間部または混合器などの混合手段が配設される。
【００２３】
本形態における脱硝触媒４Ａ、燃焼触媒４Ｂとしては、既知の触媒の適用が可能（アクチノイドを除く遷移元素のうち少なくとも１種の元素を含む触媒（原子番号２１〜２９、３９〜４７、５７〜７９））である。また、再熱器４の入口温度は、脱硝反応および触媒燃焼が促進され、ＮＯＸ生成反応が抑制され、かつガスタービン３の効率が向上する５００〜８００℃が好ましい。さらに、再熱器４の出口温度は、Ｎ２とＨ２Ｏの生成反応が促進され、ＮＯＸ生成反応が抑制され、かつ再熱ガスタービン５の効率が向上する１５００℃以下が好ましい。
【００２４】
なお、再熱器を有しない、特許文献１の場合等においては、効率を上げるためには燃焼温度を高温にする必要があるが、この場合には高温雰囲気で多量のＮＯＸが発生する。これに対し、本形態のように再熱器４を有する場合には燃焼温度が比較的低温域にあっても所望の効率を得ることができる。したがって、その分ＮＯＸの発生量も抑制することができる。
【００２５】
上述の如き再熱型アンモニアガスタービンＩにおける主燃焼器２では、燃料のＮＨ３からＮＯＸが生成され、その処理が必要になるが、再熱器４として脱硝触媒４Ａおよび燃焼触媒４Ｂからなる触媒反応装置を配置するとともに、燃料のＮＨ３を主燃焼器２と再熱器４に分割供給している。この結果、燃焼触媒４Ｂの上流側に配設した脱硝触媒４Ａでは、主燃焼器２から排出される排気ガス中のＮＯＸと、再熱器４に供給される燃料のＮＨ３とを反応させてＮ２に転換し、ＮＯＸとＮＨ３とを除去することができる。
【００２６】
その後、燃焼触媒４Ｂで、主燃焼器２から排出される未反応のＮＨ３とＯ２および再熱器４に供給される燃料のＮＨ３とを反応させて、Ｎ２とＨ２Ｏに転換する。
【００２７】
すなわち、主燃焼器２、脱硝触媒４Ａ、燃焼触媒４Ｂでは、それぞれ以下の反応式で示される反応が生起される。
【００２８】
主燃焼器２での反応式：ＮＨ３＋(5/4)・Ｏ２→ＮＯ＋(3/2)・Ｈ２Ｏ  
脱硝触媒４Ａでの反応式：ＮＯ＋ＮＨ３＋(1/4)・Ｏ２→Ｎ２＋(3/2)・Ｈ２Ｏ
燃焼触媒４Ｂでの反応式：ＮＨ３＋(3/4)・Ｏ２→(1/2)・Ｎ２＋(3/2)・Ｈ２Ｏ
【００２９】
図２は、本発明の他の実施の形態に係る再熱型アンモニアガスタービンを示すブロック図である。同図に示すように、本形態に係る再熱型アンモニアガスタービンIIは、図１に示す再熱型アンモニアガスタービンＩに対し、再熱器１４の構成が異なる。本形態における再熱器１４は、上流側から順に脱硝触媒１４Ａ、燃焼触媒１４Ｂに続き、空間部１４Ｃが形成されている。その他の構成は、図１に示す再熱型アンモニアガスタービンＩと同構成である。したがって、本形態でも再熱型アンモニアガスタービンＩと同様の作用・効果を得ることができるが、本形態によれば、さらに、燃焼触媒１４ＢでＮＨ３の一部を燃焼し、燃焼触媒出口のガス温度を気相燃焼が可能な温度に上昇させ、燃焼触媒出口の空間部１４Ｃで残りのＮＨ３を気相燃焼することができる。かかる気相燃焼を行なわせることにより、空間部出口でＮＨ３の完全燃焼を達成させながら、触媒の温度を、例えば１５００℃程度の高温にすることなく、より低温で使用できる。したがって、触媒の劣化を抑制することができる。ちなみに、触媒は高温になるほどシンタリング等の劣化が促進される。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明はタービン動力を利用すると同時に、ＮＯＸ排出およびＣＯ２排出を抑制する必要がある、例えば発電等の産業分野に有効に適用し得る。
【符号の説明】
【００３１】
Ｉ、II          再熱型アンモニアガスタービン
１              圧縮機
２              主燃焼器
３              ガスタービン
４              再熱器
４Ａ            脱硝触媒
４Ｂ            燃焼触媒
５              再熱ガスタービン
１４              再熱器
１４Ａ            脱硝触媒
１４Ｂ            燃焼触媒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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