(57)【要約】  本開示の燃焼装置（Ｃ）は、燃料を燃焼用空気を用いて燃焼室（Ｎ）内で燃焼させる燃焼装置であって、燃焼室内の火炎（Ｋ）に向けて還元剤を噴射する還元剤噴射部（２ｅ）を備え、還元剤噴射部は、還元剤の気化熱または衝突噴流冷却を利用して自らを冷却する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を燃焼用空気を用いて燃焼室内で燃焼させる燃焼装置であって、
前記燃焼室内の火炎に向けて還元剤を噴射する還元剤噴射部を備え、
前記還元剤噴射部は、前記還元剤の気化熱または衝突噴流冷却を利用して自らを冷却する燃焼装置。
【請求項２】
前記還元剤噴射部は、先端が閉塞する内管と、外管とからなる二重管状のノズルを備え、前記内管の周面には複数の一次噴射孔が形成されており、前記複数の一次噴射孔から前記還元剤を噴射するときの前記還元剤の気化熱または衝突噴流冷却を利用して前記外管を冷却する請求項１に記載の燃焼装置。
【請求項３】
前記外管の先端には、前記燃焼室内に前記還元剤を噴射する二次噴射孔が形成される請求項２に記載の燃焼装置。
【請求項４】
前記内管において、前記複数の一次噴射孔は、前記燃焼室内における主流の下流側よりも上流側に多く配置されている請求項２または３に記載の燃焼装置。
【請求項５】
前記内管において、前記燃焼室内における主流の上流側に配置された一次噴射孔の合計開口面積が、前記主流の下流側に配置された一次噴射孔の合計開口面積よりも大きい請求項２または３に記載の燃焼装置。
【請求項６】
前記内管は、前記内管の軸線が前記外管の軸線より前記燃焼室内における主流の上流側に位置するように設けられる請求項２〜５のいずれか一項に記載の燃焼装置。
【請求項７】
前記還元剤はアンモニアである請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃焼装置。
【請求項８】
請求項１〜７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】
本開示は、燃焼装置及びガスタービンに関する。
本願は、２０１８年３月２８日に日本に出願された特願２０１８−０６２１６６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【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。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。また、この燃焼装置及びガスタービンには、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）をアンモニア（還元剤）を用いて還元する還元領域が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】日本国特開２０１６−１９１５０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、還元剤により還元領域を形成するためには、火炎の貧酸素領域に対して還元剤を供給する必要がある。このため、還元剤を火炎に対して噴射するための噴射部を火炎の近傍に備えることで、火炎の貧酸素領域へと直接還元剤を供給する手法が考えられている。しかしながら、このような噴射部は、高温の火炎の近傍に配置されるため、冷却の必要がある。【０００５】
本開示は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、還元剤噴射部を冷却可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一態様の燃焼装置は、燃料を燃焼用空気を用いて燃焼室内で燃焼させる燃焼装置であって、前記燃焼室内の火炎に向けて還元剤を噴射する還元剤噴射部を備え、前記還元剤噴射部は、前記還元剤の気化熱または衝突噴流冷却を利用して自らを冷却する。【０００７】
上記一態様の燃焼装置において、前記還元剤噴射部は、先端が閉塞する内管と、外管とからなる二重管状のノズルを備え、前記内管の周面には複数の一次噴射孔が形成されており、前記複数の一次噴射孔から前記還元剤を噴射するときの前記還元剤の気化熱または衝突噴流冷却を利用して前記外管を冷却する。【０００８】
上記一態様の燃焼装置において、前記外管の先端には、前記燃焼室内に前記還元剤を噴射する二次噴射孔が形成されていてもよい。【０００９】
上記一態様の燃焼装置において、前記内管において、前記複数の一次噴射孔は、前記燃焼室内における主流の下流側よりも上流側に多く配置されていてもよい。【００１０】
上記一態様の燃焼装置において、前記内管において、前記燃焼室内における主流の上流側に配置された一次噴射孔の合計開口面積が、前記主流の下流側に配置された一次噴射孔の合計開口面積よりも大きくてもよい。【００１１】
上記一態様の燃焼装置において、前記内管は、前記内管の軸線が前記外管の軸線より前記燃焼室内における主流の上流側に位置するように設けられていてもよい。【００１２】
上記一態様の燃焼装置において、前記還元剤はアンモニアであってもよい。【００１３】
また、本開示の一態様のガスタービンは、上記一態様の燃焼装置を備える。
【発明の効果】
【００１４】
本開示によれば、還元剤の気化熱または衝突噴流冷却により、還元剤噴射部の冷却が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本開示の一実施形態に係るガスタービンの全体構成を示すブロック図である。
【図２】本開示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。
【図３】本開示の一実施形態におけるアンモニア噴射ノズルの拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本開示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、燃焼器２、タービン３、還元触媒チャンバ４、タンク５、ポンプ６、及び燃料供給部８を備えている。また、これら複数の構成要素のうち、燃焼器２、タンク５、ポンプ６、及び燃料供給部８は、本実施形態における燃焼装置Ｃを構成している。ガスタービンＡは、発電機Ｇの駆動源であり、所定の燃料を燃焼させることにより回転動力を発生させる。
【００１７】
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。圧縮機１は、圧縮空気を主に燃焼用空気として燃焼器２に供給する。
【００１８】
燃焼器２は、圧縮機１から供給される圧縮空気を酸化剤として燃料を燃焼させることにより燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスをタービン３に供給する。燃焼器２は、図２に示すように、ケーシング２ａ、ライナ２ｂ、燃料ノズル２ｃ、整流器２ｄ及び複数のアンモニア噴射ノズル２ｅを備えている。なお、タンク５、ポンプ６及び複数のアンモニア噴射ノズル２ｅは、本開示の還元剤噴射部を構成している。
【００１９】
ケーシング２ａは、ライナ２ｂを収容する略円管状の容器である。ケーシング２ａの第１端には燃料ノズル２ｃ及び整流器２ｄが取り付けられており、ケーシング２ａの第２端には排気口Ｅが形成されている。ライナ２ｂは、ケーシング２ａに対して略同軸状に設けられた管状体である。ライナ２ｂの内部空間が燃焼室Ｎである。なお、図２に示すライナ２ｂの中心軸Ｌの方向は、燃焼室Ｎ内における主流の流れ方向（主流方向）である。また、ライナ２ｂには、その内周面に沿って冷却空気が供給されており、内周面の近傍に冷却空気層が形成されている。
【００２０】
燃料ノズル２ｃは、ケーシング２ａの第１端においてライナ２ｂの中心軸Ｌ上に設けられており、燃料を燃焼室Ｎ内に噴射する燃料噴射ノズルである。整流器２ｄは、ケーシング２ａの第１端において燃料ノズル２ｃの外周に円環状に設けられている。整流器２ｄは、燃焼室Ｎの第１端から排気口Ｅの方向に向けて燃焼用空気を供給すると共に、ライナ２ｂの中心軸Ｌの周りに燃焼用空気の旋回流を形成する。
【００２１】
複数のアンモニア噴射ノズル２ｅは、ケーシング２ａからライナ２ｂに挿入されている。複数のアンモニア噴射ノズル２ｅは、ライナ２ｂから突出して中心軸Ｌの周りつまり火炎Ｋの周りに所定角度毎に設けられている。アンモニア噴射ノズル２ｅは、同軸上に設けられる外管２ｇと内管２ｆとからなる二重円管状（二重管状）とされている。
【００２２】
内管２ｆは、外管２ｇの内部に収容され、先端が閉塞した有底円筒状とされている。また、内管２ｆの周面には、軸方向及び周方向に複数の微細な一次噴射孔が形成されている。複数の一次噴射孔は、内管２ｆの先端に向かうに連れて形成密度が高まるように形成されている。内管２ｆには、タンク５から液体アンモニアが供給される。
外管２ｇは、後端が縮径された円管形状とされる。外管２ｇの後端には二次噴射孔が形成されている。
【００２３】
アンモニア噴射ノズル２ｅの端部は、ライナ２ｂの周面から挿入され、ライナ２ｂ内の径方向の内側かつ火炎の形成方向の上流側に向けて延びる。すなわち、アンモニア噴射ノズル２ｅの端部は、ライナ２ｂの中心軸Ｌに対して傾斜して設けられている。また、アンモニア噴射ノズル２ｅは、ケーシング２ａに形成された開口及びライナ２ｂの周面に形成された開口よりライナ２ｂの内側に挿入されている。アンモニア噴射ノズル２ｅは、液体アンモニアを気化させ、ライナ２ｂの内面から気体アンモニア（還元剤）を火炎Ｋに向けて噴射する。
【００２４】
火炎Ｋは、燃焼室Ｎ中で酸素濃度が比較的低い領域である。さらに、火炎Ｋの中心部Ｋｃは、火炎Ｋにおいて酸素濃度が最も低い領域である。複数のアンモニア噴射ノズル２ｅは、図２に示すように、主流方向における火炎Ｋの中心部Ｋｃつまり酸素濃度が最も低い領域に向けて気体アンモニアを噴射する。なお、火炎Ｋの中心部Ｋｃは、図２に示すように、１点ではなく所定の広がりを持った領域である。
【００２５】
タービン３は、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。
タービン３は、図示するように圧縮機１及び発電機Ｇと軸結合している。タービン３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。タービン３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の内部には還元触媒が充填されており、還元触媒を用いて燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素（Ｎ２）に還元する。なお、還元触媒チャンバ４に気化アンモニアを供給する場合には、ポンプ６の下流側と還元触媒チャンバ４とを接続する分岐路を設け、この分岐路に気化器を設けてもよい。これにより、タンク５の液体アンモニアを気化器により気化させて、還元触媒チャンバ４に供給できる。  
【００２６】
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アンモニア噴射ノズル２ｅに供給する。
【００２７】
次に、ガスタービンＡ及び燃焼装置Ｃの動作について、詳しく説明する。
【００２８】
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からアンモニア噴射ノズル２ｅに供給される。液体アンモニアは、アンモニア噴射ノズル２ｅの内管２ｆの一次噴射孔を通って外管２ｇへと噴射される際に、減圧されて気化する。気化した気体アンモニアは、外管２ｇの後端の二次噴射孔よりライナ２ｂ内へと噴射される。
燃料は、燃料供給部８から燃料ノズル２ｃに供給され、燃料ノズル２ｃから燃焼室Ｎ内に噴射される。
【００２９】
また、圧縮機１が作動することによって圧縮空気が燃焼用空気として燃焼器２の整流器２ｄに供給される。燃焼用空気は、整流器２ｄによってライナ２ｂの中心軸Ｌ周りに旋回する旋回流としてライナ２ｂの中心軸Ｌの方向に噴射される。
【００３０】
燃焼用空気は、初期的には整流器２ｄからライナ２ｂの中心軸Ｌの方向に向けて噴射され、旋回に起因する遠心力によって中心軸Ｌの直交方向つまり側方に位置するライナ２ｂの方に徐々に広がる。また、このような燃焼用空気の流れに引き連れることにより、燃料ノズル２ｃから噴射された燃料は、燃焼用空気と同様に中心軸Ｌの直交方向に徐々に広がる。そして、燃焼室Ｎ内で流れる燃料と燃焼用空気とが混合して火炎Ｋが燃焼室Ｎ内に形成される。
【００３１】
火炎Ｋは、ライナ２ｂの中心軸Ｌを中心として形成されるが、上述した燃料及び燃焼用空気の流れの影響で、図２に示すように中心軸Ｌの方向における先端が中心軸Ｌから離れるに従って排気口Ｅ寄り（前方寄り）となる。アンモニア噴射ノズル２ｅは、火炎Ｋの中心部Ｋｃに発生する貧酸素領域に向けられているため、気体アンモニアを中心軸Ｌに直交する方向（側方）から火炎Ｋの中心部Ｋｃへと直接噴射する。
【００３２】
本実施形態によれば、アンモニア噴射ノズル２ｅ内において、液体アンモニアを減圧することによりにより気体アンモニアへと変化させる。したがって、アンモニア噴射ノズル２ｅは、アンモニアの気化熱によりアンモニア噴射ノズル２ｅ自身を冷却することが可能である。
【００３３】
また、本実施形態によれば、アンモニア噴射ノズル２ｅの内管２ｆから外管２ｇへと液体アンモニアを噴射することで気化させている。これにより、外管２ｇをアンモニアの気化熱により効果的に冷却することが可能である。
【００３４】
なお、本開示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、燃焼装置ＣがガスタービンＡに適用されるが、本開示はこれに限定されず、例えばジェットエンジン等の燃焼装置や、ボイラとして用いられてもよい。
【００３５】
（２）複数のアンモニア噴射ノズル２ｅをライナ２ｂにおける主流方向に沿って設けてもよい。例えば、アンモニア噴射ノズル２ｅは、主流方向の上流側（すなわち、火炎Ｋの近傍）に面する領域に形成された一次噴射孔の開口面積の合計が、主流方向の下流側に面する領域に形成された一次噴射孔の開口面積の合計よりも大きくなるよう形成されてもよい。これにより、アンモニア噴射ノズル２ｅのうち、火炎に面する領域をより多く冷却することができる。
【００３６】
（３）アンモニア噴射ノズル２ｅの内管２ｆは、外管２ｇに対して主流方向の上流側に偏心して設けられていてもよい。これにより、主流方向の上流側の一次噴射孔からの液体アンモニアの噴射量を下流側の一次噴射孔からの液体アンモニアの噴射量よりも多くすることができる。したがって、この場合も、アンモニア噴射ノズル２ｅのうち、火炎に面する領域をより多く冷却することができる。
【００３７】
（４）また、上記実施形態においては、アンモニア噴射ノズル２ｅに対して液体アンモニアを供給したが、本開示はこれに限定されない。アンモニア噴射ノズル２ｅに気体アンモニアが供給され、衝突噴流冷却によりアンモニア噴射ノズル２ｅが冷却されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本開示は、燃料を燃焼用空気を用いて燃焼室内で燃焼させる燃焼装置及びそれを備えるガスタービンに適用することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１  圧縮機
２  燃焼器
２ａ  ケーシング
２ｂ  ライナ
２ｃ  燃料ノズル
２ｄ  整流器
２ｅ  アンモニア噴射ノズル
２ｆ  内管
２ｇ  外管
３  タービン
４  還元触媒チャンバ
５  タンク
６  ポンプ
８  燃料供給部
Ａ  ガスタービン
Ｃ  燃焼装置
Ｅ  排気口
Ｇ  発電機
Ｋ  火炎
Ｋｃ  中心部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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