(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の燃料供給部と、
該燃料供給部から供給された燃料を燃焼用空気を用いて燃焼させる燃焼器と、
所定の還元剤を前記燃焼器に供給する還元剤供給部と、
前記燃焼器から供給された燃焼排ガスを受け入れて当該燃焼排ガス中の窒素酸化物を還元触媒を用いて除去する触媒還元部とを備え、
前記燃焼器は、前記燃料を燃焼させる燃焼領域と、該燃焼領域で発生した窒素酸化物を前記還元剤で還元する還元領域と、前記燃料と燃焼用空気とを混合して前記燃焼領域に供給する予混合部とを備えることを特徴とする燃焼装置。
【請求項２】
前記燃料供給部は、天然ガスとアンモニアを燃料として前記燃焼器に供給することを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
【請求項３】
前記燃料供給部は、前記天然ガスと前記アンモニアとを燃焼用空気に対して量論比となるように前記燃焼器に供給することを特徴とする請求項２に記載の燃焼装置。
【請求項４】
前記還元剤供給部は、空気を含むアンモニアを前記還元剤として前記燃焼器に供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃焼装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃焼装置と、
該燃焼装置に前記燃焼用空気として圧縮空気を供給する圧縮機と、
前記燃焼装置から供給される燃焼排ガスによって回転駆動されるタービンと
を備えることを特徴とするガスタービン。
【請求項６】
請求項５に記載のガスタービンで発電機を駆動することを特徴とする発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼装置、ガスタービン及び発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、ディーゼルエンジン等の排ガスに含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）をアンモニアガスの存在下で触媒を用いて還元する技術が記載されている。この技術は、アンモニアガスの存在下で白金及びパラジウムを含む還元触媒を用いてＮＯｘ（窒素酸化物）を還元するものであり、エンジンから排気される排ガスに対して還元触媒の上流側に尿素水溶液を噴霧することにより、排気管内でアンモニアガスを直接生成するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１０−５１９０２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来技術では、排気管において還元触媒に比較的近い位置で尿素水溶液を噴霧するので、燃焼排ガスにアンモニアガスを混合させるための距離（混合距離）を十分に確保することができない。すなわち、還元触媒に接触させる前にアンモニアガスをＮＯｘに十分（均等）に混合することが困難であり、よって上記従来技術では部分的に還元剤が濃い領域や薄い領域が生じ、ＮＯｘが十分に低減できないという問題がある。また、還元触媒の負担を軽減するためには、燃焼器から排出される燃焼排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を極力低減することが望ましい。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、燃焼器から排出される燃焼排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を従来よりも低減させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、所定の燃料供給部と、該燃料供給部から供給された燃料を燃焼用空気を用いて燃焼させる燃焼器と、所定の還元剤を前記燃焼器に供給する還元剤供給部と、燃焼器から供給された燃焼排ガスを受け入れて当該燃焼排ガス中の窒素酸化物を還元触媒を用いて除去する触媒還元部とを備え、燃焼器は、燃料を燃焼させる燃焼領域と、該燃焼領域で発生した窒素酸化物を還元剤で還元する還元領域とを具備する、という手段を採用する。
【０００７】
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、燃料供給部は、天然ガスとアンモニアを燃料として燃焼器に供給する、という手段を採用する。
【０００８】
本発明では、燃焼装置に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、燃料供給部は、天然ガスとアンモニアとを燃焼用空気に対して量論比となるように燃焼器に供給する、という手段を採用する。
【０００９】
本発明では、燃焼装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、還元剤供給部は、空気を含むアンモニアを還元剤として燃焼器に供給する、という手段を採用する。
【００１０】
本発明では、燃焼装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段において、燃焼器は、燃料と燃焼用空気とを混合して燃焼領域に供給する予混合部を備える、という手段を採用する。
【００１１】
本発明では、ガスタービンに係る解決手段として、第１〜第５のいずれかの解決手段に係る燃焼装置と、該燃焼装置に燃焼用空気として圧縮空気を供給する圧縮機と、燃焼装置から供給される燃焼排ガスによって回転駆動されるタービンとを備える、という手段を採用する。
【００１２】
本発明では、発電装置に係る解決手段として、上記解決手段に係るガスタービンで発電機を駆動する、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃焼器が還元領域を備えるので燃焼器から排出される燃焼排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を従来よりも低減させることができる。
また、本発明によれば、燃焼器に還元剤を供給するので、従来のように燃焼器の後段に還元触媒を用いた触媒還元部を設ける場合に、還元剤と燃焼排ガスとの混合距離を従来よりも長くすることができるので、触媒還元部から排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）を従来よりも低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る発電装置の構成を示すブロック図である。
【図２】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窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を示す特性図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る燃焼装置及びガスタービンから排出される還元剤濃度を示す特性図である。
【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。
本実施形態に係る発電装置は、図１に示すようにガスタービン１、発電機２及び廃熱回収ボイラ３を具備する。
【００１６】
すなわち、この発電装置は、ガスタービン１を動力源として発電機２を駆動するものである。ガスタービン１は、周知のように燃料を燃焼させて得られた高圧排ガスによって回転動力を発生させる内燃機関である。発電機２は、ガスタービン１によって回転駆動されることによって所定仕様の交流電力（例えば三相交流電力）を発電する。また、廃熱回収ボイラ３は、ガスタービン１の排ガス（燃焼排ガス）の途中経路に設けられ、排ガスが有する排熱（廃熱）を利用して水蒸気を発生させる。
【００１７】
上記ガスタービン１についてさらに詳しく説明すると、ガスタービン１は、図１に示すように、圧縮機（コンプレッサー）１ａ、予混合部１ｂ、燃焼チャンバ１ｃ、タービン１ｄ、天然ガス供給部１ｅ（燃料供給部）、アンモニア供給部１ｆ（還元剤供給部）、混合器１ｇ及び還元触媒チャンバ１ｈを備えている。
【００１８】
なお、これら各構成要素のうち、予混合部１ｂ及び燃焼チャンバ１ｃは、本実施形態における燃焼器Ｃを構成している。また、これら各構成要素のうち、燃焼器Ｃ、天然ガス供給部１ｅ、アンモニア供給部１ｆ、混合器１ｇ及び還元触媒チャンバ１ｈは、本実施形態における燃焼装置（符号略）を構成している。さらに、上記各構成要素のうち、アンモニア供給部１ｆ及び還元触媒チャンバ１ｈは、本実施形態における触媒還元部を構成している。
【００１９】
圧縮機１ａは、回転軸がタービン１ｄの出力軸と軸結合した軸流式の回転式圧縮機であり、タービン１ｄ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圧縮し、当該圧縮によって得られた空気（圧縮空気）を予混合部１ｂに供給する。すなわち、圧縮機１ａは、燃焼器Ｃにおいて燃料の燃焼に供される一次燃焼用空気（圧縮空気）を生成して予混合部１ｂに供給する。なお、圧縮機１ａにおける空気の圧縮比は、燃焼器Ｃの仕様に応じて適宜設定される。
【００２０】
燃焼器Ｃは、燃焼チャンバ１ｃの前段に予混合部１ｂを備えるものである。この予混合部１ｂは、圧縮機１ａから供給された一次燃焼用空気を天然ガス供給部１ｅ及びアンモニア供給部１ｆから供給された燃料と混合させる機能部であり、当該混合によって得られた混合ガスを燃焼チャンバ１ｃに供給する。この燃焼器Ｃにおける燃料は天然ガス供給部１ｅから供給された天然ガス及びアンモニア供給部１ｆから供給された燃料用アンモニアであり、予混合部１ｂは、天然ガス及び燃料用アンモニアからなる燃料に対して量論比あるいは量論比近傍の割合で一次燃焼用空気を混合させて混合ガスを生成する。
【００２１】
燃焼チャンバ１ｃは、内部空間（燃焼空間）が燃焼領域Ｒ１と還元領域Ｒ２とを有する。燃焼領域Ｒ１は、予混合部１ｂから供給される混合ガスの流れ方向において上流側に位置する空間であり、予混合部１ｂから供給された混合ガスを燃焼させる。すなわち、この燃焼領域Ｒ１では、燃料が一次燃焼用空気によって燃焼することにより、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含むと共に高温かつ高圧の燃焼排ガスが発生する。
【００２２】
還元領域Ｒ２は、燃焼領域Ｒ１の下流側に隣接する空間であり、混合器１ｇを介してアンモニア供給部１ｆから供給される一次還元用アンモニアによって上記窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する。すなわち、この還元領域Ｒ２では、燃焼排ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）が窒素ガスと水（水蒸気）とに分解される。また、この還元領域Ｒ２には、一次還元用アンモニアに加えて二次燃焼用空気が混合器１ｇから供給される。よって、還元領域Ｒ２では、窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元反応に加えて、燃焼排ガス中に含まれる燃料の未燃分が燃焼する。
【００２３】
ここで、アンモニアは一般的に燃焼はするものの燃焼性が低い（燃焼し難い）物質として知られているが、燃焼領域Ｒ１では、燃料が量論比あるいは量論比近傍、かつ、燃料用アンモニアを天然ガスと混合させた状態で燃焼させるので、燃料用アンモニアを燃料として安定的に燃焼（酸化）させることができる。また、アンモニアは、窒素酸化物（ＮＯｘ）に対する還元性物質として周知である。還元領域Ｒ２では、一次還元用アンモニアを還元剤として用いることにより窒素酸化物（ＮＯｘ）を分解する。
【００２４】
タービン１ｄは、燃焼チャンバ１ｂから供給される燃焼排ガス（高温高圧排ガス）を駆動流体とする軸流式タービンである。このタービン１ｄの出力軸は、圧縮機１ａの回転軸及び発電機２の回転軸に軸結合している。このタービン１ｄは、燃焼排ガスによって回転動力を発生させる動力源であり、発電機２を駆動する。
【００２５】
ここで、上記燃焼排ガスは、タービン１ｄによって動力回収されることにより圧力及び温度が低下するが、未だ５００℃程度の排熱を備えており、廃熱回収ボイラ３に供給される。廃熱回収ボイラ３は、このような燃焼排ガスの排熱を熱源として利用することにより水蒸気を発生させ、また当該水蒸気の発生に寄与した燃焼排ガスを還元触媒チャンバ１ｈに供給する。
【００２６】
また、還元触媒チャンバ１ｈは、窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元を補助する還元触媒が充填されたチャンバであり、燃焼器Ｃから供給された燃焼排ガスを受け入れて当該燃焼排ガス中の窒素酸化物を還元触媒を用いて除去する。この還元触媒は、白金及びパラジウムを含む周知のものである。
【００２７】
廃熱回収ボイラ３と還元触媒チャンバ１ｈとを接続する燃焼排ガスの通過経路には、図示するように二次還元用アンモニアがアンモニア供給部１ｆから還元剤として供給される。還元触媒チャンバ１ｈ内では、二次還元用アンモニア及び還元触媒の作用によって燃焼排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）が還元処理される。すなわち、燃焼チャンバ１ｃ内の還元領域Ｒ２において還元処理されなかった窒素酸化物（残留窒素酸化物）は、還元触媒チャンバ１ｈにおいて最終的に還元処理される。
【００２８】
天然ガス供給部１ｅは、所定量の天然ガスを燃料として予混合部１ｂに供給する燃料供給部である。アンモニア供給部１ｆは、所定量の燃料用アンモニアを燃料として予混合部１ｂに供給すると共に、一次還元用アンモニアを還元剤として燃焼チャンバ１ｃ内の還元領域Ｒ２に供給し、また廃熱回収ボイラ３と還元触媒チャンバ１ｈとの間の燃焼排ガスの通過経路に二次還元用アンモニアを供給する。このような天然ガス供給部１ｅにおける天然ガスの流量並びにアンモニア供給部１ｆにおける燃料用アンモニア、一次還元用アンモニア及び二次還元用アンモニアの各流量は、図示しない制御装置によって適宜制御される。
【００２９】
混合器１ｇは、アンモニア供給部１ｆから供給される一次還元用アンモニアと圧縮機１ａから供給される二次燃焼用空気を混合させて第２の混合ガスとし、当該第２の混合ガスを燃焼チャンバ１ｃに供給する気体混合器である。この混合器１ｇは、一次還元用アンモニアと二次燃焼用空気との混合状態を良好なものにするため、第２の混合ガスの通過経路に撹拌機構（邪魔板あるいは撹拌翼等）が設けられている。
【００３０】
次に、このように構成された発電装置の動作、特に燃焼装置及びガスタービン１の動作について、図２及び図３をも参照して詳しく説明する。
【００３１】
本実施形態に係るガスタービン１では、圧縮機１ａで生成された圧縮空気（一次燃焼用空気）が燃焼器Ｃの予混合部１ｂにおいて燃料（天然ガス及び燃料用アンモニア）と量論比あるいは量論比の近傍で混合されて混合ガスが生成される。そして、この混合ガスは、予混合部１ｂから燃焼チャンバ１ｃの燃焼領域Ｒ１に供給され、当該燃焼領域Ｒ１でバーナーによって着火されることにより燃焼する。
【００３２】
上記混合ガスは一次燃焼用空気と燃料（天然ガス及び燃料用アンモニア）とが量論比あるいは量論比の近傍の割合を混合されたものなので、燃焼領域Ｒ１では未燃分が殆ど発生することなく燃料が燃焼するが、若干の未燃分が残ることもあり得る。このような燃焼領域Ｒ１で発生する燃焼排ガスは、窒素酸化物（ＮＯｘ）を含むと共に若干の燃料の未燃分をも含む高温高圧排ガスである。この燃焼排ガスの温度は例えば８００〜１５００℃であり、また燃焼排ガスの圧力は例えば２０気圧（約２ＭＰａ）程度である。
【００３３】
このような燃焼排ガスは、一次還元用アンモニア及び二次燃焼用空気が供給される還元領域Ｒ２において還元処理及び二段燃焼処理される。すなわち、燃焼排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）は、高温高圧雰囲気の中で一次還元用アンモニアによって還元処理されて窒素ガスと水蒸気（水）とに熱分解され、また未燃分は二次燃焼用空気によって燃焼処理（酸化処理）される。したがって、燃焼器Ｃから排気される燃焼排ガスは、窒素酸化物（ＮＯｘ）及び燃料の未燃分が殆ど除去された高温高圧排ガスである。
【００３４】
図２は、燃焼器Ｃの出口における燃焼排ガスの窒素酸化物濃度（ＮＯｘ濃度）を示す特性図である。この特性図において、横軸は燃焼器Ｃにおける天然ガス、燃料用アンモニア及び一次還元用アンモニアの総投入燃料熱量に対する燃料用アンモニア及び一次還元用アンモニアの熱量（アンモニア熱量）の割合であり、縦軸は窒素酸化物濃度（ＮＯｘ濃度）である。この特性図によれば、還元領域Ｒ２に供給する一次還元用アンモニアの流量を増やすことによって燃焼排ガスの窒素酸化物濃度（ＮＯｘ濃度）を大幅に低減することが可能である。
【００３５】
すなわち、本実施形態によれば、高温高圧環境下にある燃焼器Ｃに一次還元用アンモニアを供給することにより、燃焼排ガスにおけるＮＯｘ（窒素酸化物）の還元性能を向上させることが可能であり、以って燃焼器Ｃから排気される燃焼排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を大幅に低減することが可能である。
【００３６】
このような燃焼排ガス（高温高圧排ガス）は、タービン１ｄに供給されることにより熱エネルギーが運動エネルギーに変換され、発電機２を駆動する。すなわち、燃焼排ガス（高温高圧排ガス）が有する熱エネルギーは、タービン１ｄにおいて運動エネルギーとしてエネルギー回収される。そして、タービン１ｄでエネルギー回収された燃焼排ガス（高温高圧排ガス）は、未だ５００℃近い温度を有する高温高圧排ガスであり、タービン１ｄから廃熱回収ボイラ３に供給されて廃熱回収されて水蒸気を発生させる。
【００３７】
さらに、廃熱回収ボイラ３でエネルギー回収された燃焼排ガス（高温高圧排ガス）は、未だ３００°近い温度を有する高温排ガスであり、廃熱回収ボイラ３から還元触媒チャンバ１ｈに供給されて還元処理される。
【００３８】
一方、還元触媒チャンバ１ｈと廃熱回収ボイラ３とを接続する燃焼排ガスの流通経路にはアンモニア供給部１ｆから二次還元用アンモニアが供給されているので、燃焼排ガスは、二次還元用アンモニアと混合された状態で還元触媒チャンバ１ｈに供給される。そして、燃焼排ガス中の残留窒素酸化物（残留ＮＯｘ）を二次還元用アンモニア及び還元触媒によって還元処理する。
【００３９】
ここで、燃焼器Ｃから排気される燃焼排ガス中には、還元領域Ｒ２における窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元処理に寄与しなかった一次還元用アンモニア（残留アンモニア）が含まれる場合がある。すなわち、燃焼器Ｃの還元領域Ｒ２には二次燃焼用空気が供給されることによって燃料用アンモニアの未燃分が燃焼し、燃料用アンモニアの残留分は十分に低減されるが、還元領域Ｒ２に供給される一次還元用アンモニアの流量に依存して、燃焼器Ｃから排気される燃焼排ガス中に残留アンモニアが含まれる場合がある。
【００４０】
図３は、燃焼器Ｃの出口における燃焼排ガス中のアンモニア濃度を示す特性図である。この特性図において、横軸は図２と同様に総投入燃料熱量に対するアンモニア熱量の割合であり、縦軸はアンモニア濃度である。この特性図によれば、還元領域Ｒ２に供給する一次還元用アンモニアの流量を増やすことによって燃焼排ガス中のアンモニア濃度が上昇し、また燃焼領域Ｒ１における燃焼用アンモニアの比率を高めることによってもアンモニア濃度が上昇することが分かる。
【００４１】
すなわち、燃焼排ガス中の残留窒素酸化物（残留ＮＯｘ）は、燃焼器Ｃの還元領域Ｒ２において既に残留アンモニアと混合された状態で廃熱回収ボイラ３を経由して還元触媒チャンバ１ｈに供給される。したがって、還元触媒チャンバ１ｈと廃熱回収ボイラ３とを接続する燃焼排ガスの流通経路に供給すべき二次還元用アンモニアの流量は削減される。
【００４２】
また、残留窒素酸化物（残留ＮＯｘ）の残留アンモニアとの混合距離は、燃焼器Ｃから還元触媒チャンバ１ｈまでとなり、上記流通経路に供給される二次還元用アンモニアよりも長い。また、燃焼器Ｃから廃熱回収ボイラ３に供給される燃焼排ガスは、タービン１ｄを経由するので残留窒素酸化物（残留ＮＯｘ）と残留アンモニア（一次還元用アンモニア）とが十分に混合される。
【００４３】
したがって、本実施形態によれば、燃焼器Ｃが還元領域を備えるので、つまり燃焼器Ｃに一次還元用アンモニアを供給するので、燃焼器Ｃからタービン１ｄに排出される燃焼排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を従来よりも低減させることができる。
また、本実施形態によれば、一次還元用アンモニアを燃焼器Ｃに供給するので、燃焼排ガスと一次還元用アンモニアとの混合距離を従来よりも長くすることが可能であり、よって還元触媒チャンバ１ｈから大気中に放出される燃焼排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を従来よりも低減することができる。
また、タービン１ｄ及び廃熱回収ボイラ３は、燃焼器Ｃから還元触媒チャンバ１ｈに供給される燃焼排ガス及び一次還元用アンモニアに対して混合器として機能するので、燃焼排ガス及び一次還元用アンモニアが良好に混合される。これによって、還元触媒チャンバ１ｈから大気中に排気される未反応アンモニアの量を十分に低減することができる。
【００４４】
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、燃料を天然ガスと燃料用アンモニアの混合ガスとしたが、本発明はこれに限定されない。燃料として他の単一燃料（天然ガス）や複合燃料を用いてもよい。
【００４５】
（２）また、上記実施形態では、燃焼チャンバ１ｃ内に燃焼領域Ｒ１と還元領域Ｒ２とを形成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、燃焼領域（第１燃焼領域）と還元領域との間に第２燃焼領域を形成し、第１燃焼領域において天然ガスを燃焼させ、第２燃焼領域において燃料用アンモニアを燃焼させてもよい。この場合には第１燃焼領域で発生した高温環境下で難燃性の燃料用アンモニアを燃焼させるので、燃料用アンモニアの燃焼性を向上させて未燃分の削減を図ることができる。
【００４６】
（３）上記実施形態では、還元剤として一次還元用アンモニア及び二次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。アンモニアに変えて他の還元剤、例えば尿素等を用いてもよい。
【００４７】
（４）上記実施形態では、廃熱回収ボイラ３を設けて廃熱回収を行ったが、本発明はこれに限定されない。必要に応じて廃熱回収ボイラ３を削除して、タービン１ｄと還元触媒チャンバ１ｈとを直結させてもよい。
【００４８】
（５）上記実施形態では、燃焼器Ｃに予混合部１ｂを設けたが、本発明はこれに限定されない。二次燃焼用空気と一次還元用アンモニアを別々に燃焼器に供給する構成を採用してもよい。上記実施形態では、混合器１ｇに撹拌機構を設けたが、この撹拌機構は圧力損失を発生させるというデメリットがあるので、削除してもよい。
【符号の説明】
【００４９】
Ｃ  燃焼器
１  ガスタービン
１ａ  圧縮機
１ｂ  予混合部
１ｃ  燃焼チャンバ
１ｄ  タービン
１ｅ  天然ガス供給部（燃料供給部）
１ｆ  アンモニア供給部（還元剤供給部）
１ｇ  混合器
１ｈ  還元触媒チャンバ（触媒還元部）
２  発電機
Ｒ１  燃焼領域
Ｒ２  還元領域
３  廃熱回収ボイラ
【図１】
0006520309.tif 000002
【図２】
0006520309.tif 000003
【図３】
0006520309.tif 000004