JP6906381B2 - Combustion equipment and gas turbine - Google Patents
Combustion equipment and gas turbine Download PDFInfo
- Publication number
- JP6906381B2 JP6906381B2 JP2017130452A JP2017130452A JP6906381B2 JP 6906381 B2 JP6906381 B2 JP 6906381B2 JP 2017130452 A JP2017130452 A JP 2017130452A JP 2017130452 A JP2017130452 A JP 2017130452A JP 6906381 B2 JP6906381 B2 JP 6906381B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ammonia
- combustor liner
- flow rate
- temperature
- gas
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Exhaust Gas After Treatment (AREA)
Description
本発明の実施形態は、燃焼装置およびガスタービンに関する。 Embodiments of the present invention relate to combustion equipment and gas turbines.
コンバインドサイクル火力発電設備は、ガスタービンと、排熱回収ボイラにおいて発生する蒸気で駆動される蒸気タービンとを組み合わせて備えている。そして、この火力発電設備では、ガスタービンおよび蒸気タービンを発電機と連結し、各タービンを駆動することによって運動エネルギを電気エネルギに変換している。 The combined cycle thermal power generation facility is provided with a combination of a gas turbine and a steam turbine driven by steam generated in an exhaust heat recovery steam generator. In this thermal power generation facility, a gas turbine and a steam turbine are connected to a generator, and each turbine is driven to convert kinetic energy into electric energy.
ガスタービンは、一般的に、大気開放型であり、大気中の空気を圧縮する圧縮機、圧縮機により送り込まれた空気と燃料を燃焼させる燃焼器、燃焼器により生成された高温高圧の燃焼ガスにより駆動されるタービンを備える。そして、タービンを駆動した燃焼ガスは、排熱回収ボイラを経由して大気中に放出される。 Gas turbines are generally open to the atmosphere, with compressors that compress the air in the atmosphere, combustors that burn the air and fuel sent by the compressors, and high-temperature, high-pressure combustion gas produced by the combustors. It is equipped with a turbine driven by. Then, the combustion gas that drives the turbine is released into the atmosphere via the exhaust heat recovery boiler.
ガスタービンから排出される燃焼ガスにおいて、大気汚染防止法上の観点から、ばい塵、NOx、SOxの低減化技術の確立が推進されている。さらに、地球温暖化対策として大気温度上昇を抑えるために、化石燃料を燃焼した際に発生するCO2の発生量を削減することが社会的な義務となっている。 Regarding the combustion gas discharged from the gas turbine, the establishment of technology for reducing dust, NOx, and SOx is being promoted from the viewpoint of the Air Pollution Control Act. Furthermore, as a measure against global warming, it is a social obligation to reduce the amount of CO 2 generated when burning fossil fuels in order to suppress the rise in atmospheric temperature.
火力発電から放出されるCO2の排出量は、多大である。そのため、CO2を排出する天然ガスや石炭等の化石燃料の代わりとして、近年、CO2を発生しない水素が注目されている。 The amount of CO 2 emitted from thermal power generation is enormous. Therefore, as an alternative to fossil fuels as natural gas and coal and the like for discharging the CO 2, in recent years, hydrogen does not generate CO 2 has attracted attention.
水素は、クリーンなエネルギであるが、常温常圧では低密度の気体である。そのため、水素を大量に貯蔵や輸送するためのエネルギキャリアの開発が課題となる。現在、極低温における液化水素の貯蔵や輸送、または水素を石油と結合させたメチルシクロヘキサンによる貯蔵や輸送の検討が進められている。しかしながら、水素社会の実現を目指す際、水素の特性は、安全性や経済性の観点からも障害となる。 Hydrogen is a clean energy, but it is a low-density gas at normal temperature and pressure. Therefore, the development of an energy carrier for storing and transporting a large amount of hydrogen becomes an issue. Currently, studies are underway on the storage and transportation of liquefied hydrogen at extremely low temperatures, or the storage and transportation of hydrogen in methylcyclohexane combined with petroleum. However, when aiming for the realization of a hydrogen-based society, the characteristics of hydrogen also become an obstacle from the viewpoint of safety and economy.
一方、貯蔵や輸送が容易で、すでにインフラが整備されたアンモニアをエネルギキャリアとして利用することが提案されている。アンモニアは、安価であり、大量に流通している。また、アンモニアは、常温において液体として貯留することができる。また、アンモニアは、爆発に対する安全性にも優れている。さらに、アンモニアの燃焼においては、CO2を発生しない。そのため、アンモニアは、クリーンな燃料である。 On the other hand, it has been proposed to use ammonia, which is easy to store and transport and has already developed infrastructure, as an energy carrier. Ammonia is inexpensive and is distributed in large quantities. In addition, ammonia can be stored as a liquid at room temperature. Ammonia is also excellent in safety against explosion. Furthermore, CO 2 is not generated in the combustion of ammonia. Therefore, ammonia is a clean fuel.
また、アンモニアの発熱量は、水素の発熱量よりも大きい。そのため、従来のガスタービンにおいて燃料としてアンモニアを使用することができれば、CO2削減に有効である。しかしながら、現在、アンモニアを燃料としたガスタービンの開発が試みられている状況であるため、アンモニアを燃料として商用化されているガスタービンはない。 Moreover, the calorific value of ammonia is larger than the calorific value of hydrogen. Therefore, if ammonia can be used as a fuel in a conventional gas turbine, it is effective in reducing CO 2. However, since the development of a gas turbine using ammonia as a fuel is currently being attempted, there is no gas turbine commercially available using ammonia as a fuel.
大気を汚染するばい煙には、NOxが含まれる。このNOxは、人体に悪影響を与える。そのため、発電設備から排出されるNOxの排出量は、大気汚染防止法によって規制されている。例えば、ガスタービン発電設備の場合、煙突から排出される排ガス中のNOx濃度は、70ppm(O2:16%換算)以下に規制されている。 Soot that pollutes the air contains NOx. This NOx adversely affects the human body. Therefore, the amount of NOx emitted from power generation facilities is regulated by the Air Pollution Control Act. For example, if the gas turbine power generation facility, NOx concentration in the exhaust gas discharged from the chimney, 70 ppm: is regulated in the following (O 2 16% conversion).
例えば、現状の天然ガスを燃料として使用するコンバインドサイクル発電設備では、高効率な発電を行うため、燃焼ガス温度が1600℃級のガスタービンが採用されている。このガスタービンにおいては、燃焼器から発生するサーマルNOx(大気中の窒素分の酸化にて発生するNOx)濃度は、数十ppmに抑えられている。 For example, in the current combined cycle power generation facility that uses natural gas as fuel, a gas turbine having a combustion gas temperature of 1600 ° C. is adopted in order to generate high-efficiency power generation. In this gas turbine, the concentration of thermal NOx (NOx generated by oxidation of nitrogen in the atmosphere) generated from the combustor is suppressed to several tens of ppm.
さらに、ガスタービンの排気流路に、NOxを還元する脱硝触媒装置を設置することで、サーマルNOx濃度を1/10程度に低減できる。 Further, by installing a denitration catalyst device that reduces NOx in the exhaust flow path of the gas turbine, the thermal NOx concentration can be reduced to about 1/10.
このように、天然ガスを燃料として使用するガスタービンでは、NOx低減化技術は確立されている。 As described above, NOx reduction technology has been established for gas turbines that use natural gas as fuel.
一方、前述したように、アンモニアの燃焼においては、CO2は排出されないが、アンモニアの窒素成分が酸化し、以下の反応(式(1)および式(2))によりフューエルNOxが生成される。
4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O …式(1)
4NH3 + 7O2 → 4NO2 + 6H2O …式(2)
On the other hand, as described above, in the combustion of ammonia, CO 2 is not emitted, but the nitrogen component of ammonia is oxidized, and fuel NOx is generated by the following reactions (formulas (1) and (2)).
4NH 3 + 5O 2 → 4NO + 6H 2 O… Equation (1)
4NH 3 + 7O 2 → 4NO 2 + 6H 2 O… Equation (2)
アンモニアの燃焼における技術的課題は、燃焼によりフューエルNOxが発生した場合においても、排出される燃焼ガスが環境基準を満たすことである。 A technical challenge in the combustion of ammonia is that the emitted combustion gas meets environmental standards even when fuel NOx is generated by combustion.
しかしながら、燃焼ガス温度が1600℃級の従来のガスタービンにおける燃料としてアンモニアを使用した場合、アンモニア中の窒素分の一部が高温燃焼状態で酸化反応し、NOx濃度が数千ppmとなることが予測される。この高濃度のNOxを脱硝触媒装置において還元するには、大規模な脱硝触媒装置などが必要となる。そのため、製品コストが増大し、経済性に劣る。 However, when ammonia is used as a fuel in a conventional gas turbine having a combustion gas temperature of 1600 ° C., a part of nitrogen in the ammonia undergoes an oxidation reaction in a high temperature combustion state, and the NOx concentration may reach several thousand ppm. is expected. In order to reduce this high concentration of NOx in the denitration catalyst device, a large-scale denitration catalyst device or the like is required. Therefore, the product cost increases and the economy is inferior.
このように、従来のガスタービンにおいてアンモニアを燃料して使用することは、実用上困難である。 As described above, it is practically difficult to use ammonia as fuel in a conventional gas turbine.
本発明が解決しようとする課題は、NOxおよびCO2の発生を抑制することができる燃焼装置およびガスタービンを提供することにある。 An object to be solved by the present invention is to provide a combustion device and a gas turbine capable of suppressing the generation of NOx and CO 2.
実施形態の燃焼装置は、空気およびアンモニアが導入され、アンモニアの熱分解によって生成した水素を燃焼させ、燃焼ガスの温度が800〜1100℃に維持される第1の燃焼器ライナと、前記第1の燃焼器ライナの下流端に連結され、窒素化合物を主として含まないガス燃料および空気が導入される第2の燃焼器ライナとを備える。 The combustion apparatus of the embodiment includes a first combustor liner in which air and ammonia are introduced, hydrogen generated by thermal decomposition of ammonia is burned, and the temperature of the combustion gas is maintained at 800 to 1100 ° C. It is connected to the downstream end of the combustor liner of the above and includes a second combustor liner into which gas fuel and air, which are mainly free of nitrogen compounds, are introduced.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
図1は、第1の実施の形態のガスタービン20Aを備える火力発電設備10を模式的に示した図である。なお、図1には、ガスタービン20Aと、排熱回収ボイラ30において発生する蒸気で駆動される蒸気タービン40とを組み合わせたコンバインドサイクルの火力発電設備10を例示している。
(First Embodiment)
FIG. 1 is a diagram schematically showing a thermal
図1に示すように、火力発電設備10は、ガスタービン20A、排熱回収ボイラ30、蒸気タービン40、復水器50、制御装置80を備えている。また、火力発電設備10は、例えば、ガスタービン20Aと蒸気タービン40に一軸で連結された発電機60を備える。
As shown in FIG. 1, the thermal
ガスタービン20Aは、圧縮機21と、燃焼器22Aと、タービン23とを備える。また、ガスタービン20Aは、圧縮機21が吸引する空気を清浄する空気フィルタ24を圧縮機21の吸引系統に備えている。
The
また、燃焼器22Aは、アンモニアを燃焼器22Aに導入するアンモニア供給管25と、ガス燃料を燃焼器22Aに導入するガス燃料供給管26とを備えている。ここで、燃焼器22Aに供給されるアンモニアは気体である。
Further, the
ガス燃料は、窒素化合物を主として含まない気体の燃料である。すなわち、ガス燃料としては、ガス燃料が燃焼することでフューエルNOxを主として生成しない燃料が使用される。ガス燃料として、具体的には、例えば、天然ガスやメタンなどの炭化水素、水素が使用される。また、ガス燃料として、例えば、一酸化炭素および水素などを含む石炭ガス化ガス燃料を使用することもできる。 The gas fuel is a gaseous fuel that mainly contains no nitrogen compound. That is, as the gas fuel, a fuel that does not mainly generate fuel NOx by burning the gas fuel is used. Specifically, as the gas fuel, for example, hydrocarbons such as natural gas and methane, and hydrogen are used. Further, as the gas fuel, for example, coal gasification gas fuel containing carbon monoxide, hydrogen and the like can be used.
なお、窒素化合物を主として含まないガス燃料とは、燃料中の窒素化合物の体積比率が0.3%以下の気体燃料をいう。例えば、石炭ガス化ガス燃料に含まれる窒素化合物は、主にNH3である。 The gas fuel mainly containing no nitrogen compound means a gas fuel in which the volume ratio of the nitrogen compound in the fuel is 0.3% or less. For example, nitrogen compounds contained in the coal gasification gas fuels are primarily NH 3.
ここで、前述したように、ガスタービン発電設備の場合、煙突から排出される排ガス中のNOx濃度は、70ppm(O2:16%換算)以下に規制されている。NOxの排出濃度のさらなる低減が進められ、例えば、煙突から排出されるNOの濃度が15ppm(O2:16%換算)程度と仮定する。この場合、脱硝装置における脱硝効率を90%とすると、ガスタービンの出口(脱硝装置の入口)におけるNOの濃度は、150ppm(O2:16%換算)となる。
Here, as described above, when the gas turbine power generation facility, NOx concentration in the exhaust gas discharged from the chimney, 70 ppm: is regulated in the following (O 2 16% conversion). A further reduction of the emission concentration of NOx is promoted, for example, the concentration of NO discharged from the chimney 15 ppm: Assume (O 2 16% conversion) degree. In this case, when the denitration efficiency in the
現状のガスタービンから排出されるサーマルNOの濃度は、例えば、10ppm程度(O2:16%換算)である。そのため、窒素化合物としてNH3をガス燃料に含む場合、残りの140ppm(O2:16%換算)に相当するNOは、燃料に含まれるNH3がすべてフューエルNOとして転換されたものである。 The concentration of thermal NO discharged from the current of the gas turbine, for example, about 10 ppm: an (O 2 16% conversion). Therefore, if the NH 3 as a nitrogen compound containing the gas fuel, the remaining 140 ppm: is NO equivalent to (O 2 16% conversion), in which NH 3 contained in the fuel is converted as fuel NO all.
現状の1600℃級のガスタービンでは、排ガスと、燃焼器全体に供給される空気と、燃焼器全体に供給される燃料との体積比率(排ガス:空気:燃料)は、1:0.958:0.042となる。この場合、燃料中のNH3の体積濃度は、0.33%((140/10000/0.042)×100)となる。 In the current 1600 ° C class gas turbine, the volume ratio (exhaust gas: air: fuel) of the exhaust gas, the air supplied to the entire combustor, and the fuel supplied to the entire combustor is 1: 0.958: It becomes 0.042. In this case, the volume concentration of NH 3 in the fuel is 0.33% ((140/10000 / 0.042) × 100).
上記したように、ガス燃料において、燃料中の窒素化合物の体積比率を0.3%以下とすることで、燃料中の窒素化合物がすべてフューエルNOに転換されても、フューエルNOは、140ppm(O2:16%換算)よりも低い濃度となる。 As described above, in the gas fuel, by setting the volume ratio of the nitrogen compounds in the fuel to 0.3% or less, even if all the nitrogen compounds in the fuel are converted to fuel NO, the fuel NO is 140 ppm (O). The concentration is lower than (2: 16% conversion).
このようなことから、ガス燃料が窒素化合物を含む場合において、燃料中の窒素化合物の体積比率を0.3%以下とした。 Therefore, when the gas fuel contains a nitrogen compound, the volume ratio of the nitrogen compound in the fuel is set to 0.3% or less.
アンモニア供給管25には、流量調整弁25a、遮断弁25b、流量計25cが介在している。流量調整弁25aは、燃焼器22Aに供給するアンモニアの流量を調整する弁である。遮断弁25bは、燃焼器22Aへのアンモニアの供給を遮断する弁である。流量計25cは、燃焼器22Aに供給されるアンモニアの流量を検出する装置である。なお、アンモニアは、図示しない供給源からアンモニア供給管25に供給される。
A flow
ガス燃料供給管26には、流量調整弁26a、遮断弁26b、流量計26cが介在している。流量調整弁26aは、燃焼器22Aに供給するガス燃料の流量を調整する弁である。遮断弁26bは、燃焼器22Aへのガス燃料の供給を遮断する弁である。流量計26cは、燃焼器22Aに供給されるガス燃料の流量を検出する装置である。なお、ガス燃料は、図示しない供給源からガス燃料供給管26に供給される。
A flow
燃焼器22Aは、アンモニアを導入することで生成した燃焼ガスの温度を検出する温度検出器27を備える。なお、燃焼器22Aは、燃焼装置として機能し、温度検出器27は、温度検出部として機能する。また、燃焼器22Aの構成については、後に詳しく説明する。
The
空気フィルタ24において清浄された空気は、圧縮機21に吸引され、圧縮される。圧縮された空気は、燃焼器22Aに供給され、アンモニアおよびガス燃料と燃焼する。
The air purified in the air filter 24 is sucked into the
燃焼器22Aにおいて生成された燃焼ガスは、例えば、1600℃前後の高温高圧のガスである。この燃焼ガスは、タービン23に導入され、タービン23を駆動する。タービン23を駆動した燃焼ガスは、排熱回収ボイラ30に導入される。なお、排熱回収ボイラ30に導入される燃焼ガスの温度は、例えば、600℃程度である。
The combustion gas generated in the
排熱回収ボイラ30は、入口側から燃焼ガスが流れる方向に向かって順に、過熱器31、アンモニア噴出ノズル32、脱硝触媒33、蒸発器34、節炭器35を備える。
The exhaust
節炭器35は、排熱回収ボイラ30の出口側に設けられ、ボイラ給水を予熱する。すなわち、節炭器35は、節炭器35の内部を流れるボイラ給水に、燃焼ガスから得た熱量を与える熱交換器としての機能を備える。そして、節炭器35で加熱されたボイラ給水は、蒸発器34に導かれる。
The
蒸発器34は、節炭器35で加熱されたボイラ給水を加熱して蒸気を発生させる。すなわち、蒸発器34は、蒸発器34の内部を流れるボイラ給水に、燃焼ガスから得た熱量を与える熱交換器としての機能を備える。そして、蒸発器34で発生した蒸気は、過熱器31に導かれる。
The evaporator 34 heats the boiler feed water heated by the
過熱器31は、蒸発器34で発生した蒸気を飽和温度以上に過熱して過熱蒸気とする。すなわち、過熱器31は、過熱器31の内部を流れる、蒸発器34で発生した蒸気に、燃焼ガスから得た熱量を与える熱交換器としての機能を備える。そして、過熱器31において過熱蒸気となった蒸気は、蒸気タービン40に導入される。
The superheater 31 superheats the steam generated in the
過熱器31と蒸発器34との間には、アンモニア噴出ノズル32および脱硝触媒33が設けられている。
An ammonia ejection nozzle 32 and a
アンモニア噴出ノズル32は、例えば、過熱器31を通過した燃焼ガスが流れる通路に設けられる。なお、アンモニア噴出ノズル32は、この燃焼ガスが通過する通路断面に複数設けられてもよい。また、アンモニア噴出ノズル32にアンモニアを導く配管36には、流量調整弁36a、遮断弁36b、流量計36cが介在している。 The ammonia ejection nozzle 32 is provided, for example, in a passage through which the combustion gas that has passed through the superheater 31 flows. A plurality of ammonia ejection nozzles 32 may be provided in the cross section of the passage through which the combustion gas passes. Further, a flow rate adjusting valve 36a, a shutoff valve 36b, and a flow meter 36c are interposed in a pipe 36 for guiding ammonia to the ammonia ejection nozzle 32.
流量調整弁36aは、アンモニア噴出ノズル32に供給するアンモニアの流量を調整する弁である。遮断弁36bは、アンモニア噴出ノズル32へのアンモニアの供給を遮断する弁である。流量計36cは、アンモニア噴出ノズル32に供給されるアンモニアの流量を検出する装置である。なお、アンモニアは、図示しない供給源から配管36に供給される。 The flow rate adjusting valve 36a is a valve that adjusts the flow rate of ammonia supplied to the ammonia ejection nozzle 32. The shutoff valve 36b is a valve that shuts off the supply of ammonia to the ammonia ejection nozzle 32. The flow meter 36c is a device that detects the flow rate of ammonia supplied to the ammonia ejection nozzle 32. Ammonia is supplied to the pipe 36 from a supply source (not shown).
アンモニア噴出ノズル32は、過熱器31を通過した燃焼ガス中にアンモニアを噴出する。そして、アンモニアを含む燃焼ガスは、脱硝触媒33を通過する。この際、アンモニアは、還元剤として機能し、脱硝触媒33において燃焼ガスに含まれるNOxを選択接触還元法によって還元するときに利用される。
The ammonia ejection nozzle 32 ejects ammonia into the combustion gas that has passed through the superheater 31. Then, the combustion gas containing ammonia passes through the
このように、アンモニア噴出ノズル32および脱硝触媒33は、選択接触還元法による脱硝装置を構成している。
As described above, the ammonia ejection nozzle 32 and the
脱硝触媒33としては、例えば、主成分が二酸化チタンで、バナジウムやタングステンなどが添加された触媒が使用できる。この脱硝触媒33は、燃焼ガスとの接触面積を増加させるために、例えば、ハニカム構造やポーラス体などの多孔質構造である。
As the
ここで、還元剤としてアンモニアを使用した選択接触還元法によるNOxの還元は、次の式(3)によって示される。なお、ここでは、燃焼ガス中のNOxは、大部分がNOであると仮定し、式(3)の反応を示している。
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O …式(3)
Here, the reduction of NOx by the selective catalytic reduction method using ammonia as a reducing agent is represented by the following formula (3). Here, it is assumed that most of the NOx in the combustion gas is NO, and the reaction of the formula (3) is shown.
4NO + 4NH 3 + O 2 → 4N 2 + 6H 2 O… Equation (3)
このように、NOは、アンモニア(NH3)との反応により、水蒸気(H2O)と窒素(N2)に分解される。この還元は、触媒の表面温度が350℃程度で高活性化が得られ、脱硝効率が高い。そこで、脱硝触媒33は、温度が300〜400℃の燃焼ガスが流れる位置に配置される。なお、この温度範囲の中でも、脱硝触媒33は、温度が350℃の燃焼ガスが流れる位置に配置されることが好ましい。
In this way, NO is decomposed into water vapor (H 2 O) and nitrogen (N 2 ) by the reaction with ammonia (NH 3). This reduction provides high activation when the surface temperature of the catalyst is about 350 ° C., and has high denitration efficiency. Therefore, the
なお、排熱回収ボイラ30を通過した燃焼ガスは、温度が100℃程度となり、煙突70から大気中に排出される。
The temperature of the combustion gas that has passed through the exhaust
また、排熱回収ボイラ30の入口には、タービン23から排出された燃焼ガスの一部を採取するためのサンプリングプローブ37が設けられている。排熱回収ボイラ30の入口の断面において、1または複数の位置における燃焼ガスがサンプリングプローブ37によって採取される。
Further, a
サンプリングプローブ37は、例えば、ガス分析装置(図示しない)に連通している。このガス分析装置によって、NOx濃度が検出される。NOx濃度を検出する場合には、例えば、化学発光法を利用したガス分析装置などが使用される。なお、ガス分析装置は、特に限定されるものではなく、測定したい成分の濃度を検出できる装置であればよい。また、ガス分析装置では、NOx以外にも、例えば、O2、CO2などの他の成分も分析することができる。
The
蒸気タービン40は、過熱器31から導入された過熱蒸気によって駆動される。そして、蒸気タービン40およびガスタービン20Aのタービン23と連結された発電機60を駆動して、発電する。
The
蒸気タービン40を駆動した蒸気は、復水器50に流入する。復水器50では、蒸気を凝縮させて水とする。そして、その水は、給水ポンプ51によって加圧され、ボイラ給水として排熱回収ボイラ30の節炭器35に給水される。
The steam that drives the
制御装置80は、例えば、火力発電設備10の各装置や各機器から情報を取得して処理し、各装置や各機器の動作を制御する。この制御装置80は、例えば、演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)やランダムアクセスメモリ(RAM)などの記憶手段、出入力手段などを主に備えている。CPUでは、例えば、記憶手段に格納されたプログラムやデータなどを用いて各種の演算処理を実行する。
The
出入力手段は、外部機器から電気信号を入力したり、外部機器に電気信号を出力する。出入力手段は、例えば、流量調整弁25a、26a、36a、遮断弁25b、26b、36b、流量計25c、26c、36c、温度検出器27、ガス分析装置(図示しない)、圧縮機21の入口案内翼の駆動角度検出装置(図示しない)、出力入力コントローラ、発電機60などと各種信号の出入力が可能に接続されている。
The input / output means inputs an electric signal from an external device or outputs an electric signal to the external device. Input / output means are, for example, flow
制御装置80は、例えば、圧縮機21の入口案内翼の駆動角度検出装置からの出力信号に基づいて、圧縮機21が吸引する空気流量を算出することができる。また、制御装置80は、ガス分析装置からの出力信号に基づいて、排熱回収ボイラ30の入口(タービン23の出口)における燃焼ガスの各種成分の濃度に係る出力信号を検出することができる。
The
さらに、制御装置80は、出力入力コントローラによって入力された火力発電設備10における出力要求情報に基づいて、例えば、燃料としてのガス燃料やアンモニアの流量を調整する。また、制御装置80は、温度検出器27からの出力信号に基づいて、例えば、燃料としてのアンモニアの流量を調整する。また、制御装置80は、発電機60からの出力信号に基づいて、実際の発電出力を検出することができる。
Further, the
なお、制御装置80が実行する処理は、例えば、コンピュータ装置などで実現される。また、制御装置80は制御部として機能する。
The process executed by the
次に、ガスタービン20Aの燃焼器22Aの構成について、詳しく説明する。
Next, the configuration of the
図2は、第1の実施の形態のガスタービン20Aを模式的に示した図である。前述したように、ガスタービン20Aは、圧縮機21と、燃焼器22Aと、タービン23とを備える。
FIG. 2 is a diagram schematically showing the
燃焼器22Aは、図2に示すように、燃焼器ケーシング100と、燃焼器ケーシング100内に2つの燃焼器ライナ110、120とを備える。燃焼器ケーシング100は、燃焼器ライナ110、120の周囲を所定の空間101を有して包囲している。
As shown in FIG. 2, the
なお、燃焼器ライナ110、120は、例えば、燃焼器ケーシング100の周方向に複数設置されるが、図2では、一つの燃焼器ライナ110、120を示している。
A plurality of
この燃焼器ケーシング100と燃焼器ライナ110、120との間の空間101には、図2に示すように、圧縮機21によって圧縮された空気(圧縮空気)が、例えば、燃焼器ライナ120側から燃焼器ライナ110側に向かって流れる。
As shown in FIG. 2, in the
燃焼器ライナ110、120は、筒状形状を有している。燃焼器ライナ110は、上流側に位置し、燃焼器ライナ120は、燃焼器ライナ110の下流端に連結されている。すなわち、燃焼器ライナ110と燃焼器ライナ120は、燃焼ガスが流れる方向に直列に連結され、それぞれが連通している。なお、燃焼器ライナ110は、第1の燃焼器ライナとして機能し、燃焼器ライナ120は、第2の燃焼器ライナとして機能する。
The
燃焼器ライナ110の上流端には、アンモニア供給管25が連結されている。また、燃焼器ライナ110の側壁には、燃焼器ライナ110の周囲の空間101を流れる圧縮空気を内部に取り込むための空気導入口111が形成されている。この空気導入口111は、例えば、燃焼器ライナ110の周方向に複数形成されている。
An
ここで、図2には、アンモニア供給管25からアンモニアを燃焼器ライナ110に導入する一例を示したが、この構成に限られない。
Here, FIG. 2 shows an example of introducing ammonia into the
例えば、燃焼器ケーシング100と燃焼器ライナ110との間のアンモニア供給管25に、圧縮空気を内部に導入するための空気導入口を形成してもよい。この空気導入口は、アンモニア供給管25の周方向に複数形成されてもよい。このように空気導入口を備えることで、アンモニアと圧縮空気の予混合気が燃焼器ライナ110に導入される。
For example, the
燃焼器ライナ120の上流側の側壁には、ガス燃料供給管26が連結されている。燃焼器ケーシング100と燃焼器ライナ120との間のガス燃料供給管26には、例えば、圧縮空気を内部に導入するための空気導入口121が形成されている。この空気導入口121は、例えば、ガス燃料供給管26の周方向に複数形成されている。
A gas
空気導入口121からガス燃料供給管26内に導入された圧縮空気は、ガス燃料供給管26を流れるガス燃料と混合して、燃焼器ライナ120に導入される。
The compressed air introduced into the gas
なお、ここでは、ガス燃料供給管26に空気導入口121を備え、ガス燃料と圧縮空気の予混合気を燃焼器ライナ120に導入する一例を示したが、この構成に限られない。例えば、ガス燃料供給管26に空気導入口121を設けずに、ガス燃料供給管26から燃焼器ライナ120にガス燃料を導入してもよい。
Here, an example is shown in which the gas
また、図2において、1本のガス燃料供給管26を備えた構成を例示しているが、燃焼器ライナ120の周囲に複数本のガス燃料供給管26を備えてもよい。複数本のガス燃料供給管26を備えることで、燃焼器ライナ120内の混合燃焼状態をより均一にすることができる。
Further, although FIG. 2 illustrates a configuration including one gas
また、燃焼器ライナ120の側壁には、燃焼器ライナ120の周囲の空間101を流れる圧縮空気を内部に取り込むための空気導入口122が形成されている。この空気導入口122は、例えば、図2に示すように、燃焼器ライナ120とガス燃料供給管26との連結部よりも下流側に形成される。この空気導入口122は、例えば、燃焼器ライナ120の周方向に複数形成されている。
Further, on the side wall of the
なお、空気導入口122の位置は、特に限定されるものではなく、空気導入口122は、燃焼器ライナ120とガス燃料供給管26との連結部よりも上流側に形成されてもよい。すなわち、空気導入口122は、ガス燃料供給管26から導入されたガス燃料を燃焼器ライナ120内において完全燃焼させるのに最適な位置に設けられていればよい。
The position of the
また、燃料としてアンモニアが導入される燃焼器ライナ110には、燃焼器ライナ110内の燃焼ガスの温度を検出する温度検出器27が備えられている。温度検出器27は、例えば、熱電対などで構成される。
Further, the
ここで、燃焼器ライナ110には、アンモニア供給管25からアンモニアが導入され、空気導入口111から圧縮空気が導入される。この燃焼器ライナ110では、アンモニアを熱分解して燃焼させる。すなわち、燃焼器ライナ110では、アンモニアを熱分解することで生成した水素(H2)を燃焼させる。
Here, ammonia is introduced into the
なお、燃焼器ライナ110の空気導入口111からは、アンモニアの熱分解によって生成した水素を完全燃焼させるために必要な空気量を超える量の空気が導入される。すなわち、燃焼器ライナ110内は、全体として、いわゆる燃料リーンの状態である。
An amount of air exceeding the amount of air required for complete combustion of hydrogen generated by the thermal decomposition of ammonia is introduced from the
アンモニアの熱分解を促進するとともに、水素を効率よく燃焼させるために、燃焼器ライナ110内の燃焼場の温度、すなわち燃焼ガスの温度を800〜1100℃に維持している。アンモニアの熱分解によって生成された水素が燃焼することで、燃焼器ライナ110内の燃焼ガスの温度を上記した範囲に維持することができる。なお、燃焼器ライナ110内の燃焼ガスの温度は、ガスタービンにおける負荷によらず、上記した範囲に維持される。
In order to promote the thermal decomposition of ammonia and efficiently burn hydrogen, the temperature of the combustion field in the
燃焼器ライナ110内の燃焼ガスの温度を上記した範囲に維持するため、制御装置80は、温度検出器27からの出力信号に基づいて、アンモニア供給管25の流量調整弁25aを制御している。
In order to maintain the temperature of the combustion gas in the
なお、温度検出器27は、例えば、燃焼器ライナ110内においてアンモニアの熱分解および水素の燃焼が活発に行われている領域の温度を検出できるように設置されることが好ましい。
The
一方、燃焼器ライナ120には、燃焼器ライナ110からの燃焼ガス、ガス燃料供給管26からガス燃料、および空気導入口122から圧縮空気が導入される。なお、燃焼器ライナ110からの燃焼ガスは、燃焼器ライナ110と燃焼器ライナ120との連結開口部から燃焼器ライナ120内に流入する。
On the other hand, the combustion gas from the
燃焼器ライナ120に導入されるガス燃料の流量は、例えば、火力発電設備10における出力要求情報などに基づいて調整される。具体的には、制御装置80は、例えば、出力入力コントローラによって入力された火力発電設備10における出力要求情報に係る出力信号を検出すると、流量調整弁26aを制御して、その出力要求に応じたガス燃料を燃焼器ライナ120に導入する。
The flow rate of the gas fuel introduced into the
なお、出力要求によっては、燃焼器ライナ120内の燃焼ガスの温度は、例えば、1600℃程度になることもある。
Depending on the output requirement, the temperature of the combustion gas in the
燃焼器ライナ120の空気導入口122からは、ガス燃料を完全燃焼させるために必要な空気量を超える量の空気が導入される。すなわち、燃焼器ライナ120内は、全体として、いわゆる燃料リーンの状態である。
From the
ここで、燃焼器ライナ110内の燃焼ガスの温度を上記した温度範囲とする理由について説明する。
Here, the reason why the temperature of the combustion gas in the
図3は、アンモニアの熱分解および酸化の特性と温度の関係を示す図である。なお、図3は、数値解析によって得られた結果である。 FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the thermal decomposition and oxidation characteristics of ammonia and the temperature. Note that FIG. 3 shows the results obtained by numerical analysis.
アンモニア、窒素および水素の関係は、次の式(4)で表される。
2NH3 → N2 + 3H2 …式(4)
The relationship between ammonia, nitrogen and hydrogen is expressed by the following equation (4).
2NH 3 → N 2 + 3H 2 … Equation (4)
アンモニアは、熱を与えることで窒素と水素への分解が促進される。この熱分解は、高温であるほど、また低圧であるほど促進される。図3に示すように、アンモニアの熱分解は、温度が350℃から急速に促進され、温度が高くなるに伴って、残存アンモニア濃度は低下する。 Ammonia is decomposed into nitrogen and hydrogen by applying heat. This thermal decomposition is promoted at higher temperatures and lower pressures. As shown in FIG. 3, the thermal decomposition of ammonia is rapidly accelerated from a temperature of 350 ° C., and the residual ammonia concentration decreases as the temperature increases.
このように熱を与えることで、アンモニアは、窒素と水素に分解される。すなわち、フューエルNOxの発生源であるアンモニアは減少する。 By applying heat in this way, ammonia is decomposed into nitrogen and hydrogen. That is, ammonia, which is a source of fuel NOx, is reduced.
一方、アンモニアは、大気中の酸素によって酸化され、主としてNOを生成する。このNOの濃度は、図3に示すように、温度が高くなるに伴って、急速に増加する。図3に示すように、温度が1100℃を超えるとアンモニアの酸化が促進され、温度が2000℃では、NOの濃度は、10000ppm(1%)に達する。 On the other hand, ammonia is oxidized by oxygen in the atmosphere and mainly produces NO. As shown in FIG. 3, the concentration of this NO increases rapidly as the temperature rises. As shown in FIG. 3, when the temperature exceeds 1100 ° C, the oxidation of ammonia is promoted, and when the temperature is 2000 ° C, the concentration of NO reaches 10000 ppm (1%).
すなわち、温度が1100℃を超える高温の雰囲気に、アンモニアを噴出すると数千ppmのフューエルNOxが生成される。 That is, when ammonia is ejected in a high temperature atmosphere having a temperature exceeding 1100 ° C., several thousand ppm of fuel NOx is generated.
そこで、図3に示された結果から、800〜1100℃の温度場にアンモニアを噴出することで、アンモニアの熱分解が促進されるとともに、アンモニアの酸化が抑制されることがわかる。 Therefore, from the results shown in FIG. 3, it can be seen that by ejecting ammonia into a temperature field of 800 to 1100 ° C., the thermal decomposition of ammonia is promoted and the oxidation of ammonia is suppressed.
すなわち、アンモニアを熱分解して水素を燃焼させることで、燃料としてのアンモニアによるフューエルNOxの生成が抑制される。さらに、800〜1100℃の温度場にアンモニアを噴出することで、アンモニアが酸化することによるフューエルNOxの生成が抑制される。 That is, by thermally decomposing ammonia and burning hydrogen, the production of fuel NOx by ammonia as a fuel is suppressed. Further, by ejecting ammonia into a temperature field of 800 to 1100 ° C., the formation of fuel NOx due to the oxidation of ammonia is suppressed.
このようなことから、燃焼器ライナ110内の燃焼ガスの温度を800〜1100℃に維持している。
For this reason, the temperature of the combustion gas in the
次に、ガスタービン20Aの燃焼器22Aの作用について、図1、図2、図4を参照して説明する。
Next, the operation of the
図4は、第1の実施の形態における火力発電設備10の発電出力とガスタービン20Aの燃焼器22Aに供給される燃料流量の関係を示した図である。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the power generation output of the thermal
図4に示すように、ガスタービン20Aには、最低出力から定格出力まで幅広い運用が要求される。そのため、出力要求によって、燃焼器22Aへの投入熱量も大きく変化する。
As shown in FIG. 4, the
前述したように、フューエルNOxの生成を抑制するために、燃焼器ライナ110内の燃焼ガスの温度は所定の範囲に維持される。この燃焼器ライナ110内の燃焼ガスの温度範囲で調整可能な、最低出力(点A)から所定の出力(点B)までは、燃料としてアンモニアのみを使用することで対応できる。すなわち、この出力範囲では、燃焼器ライナ110に供給されるアンモニアの流量を調整することで出力制御を行う。そのため、燃焼器ライナ120には、ガス燃料は供給されない。
As described above, the temperature of the combustion gas in the
なお、最低出力(点A)時において、燃焼器ライナ110内の燃焼ガスの温度は、800℃に維持されている。また、所定の出力(点B)時において、燃焼器ライナ110内の燃焼ガスの温度は、1100℃に維持されている。
At the minimum output (point A), the temperature of the combustion gas in the
このアンモニアの流量を調整することで出力制御を行う場合、具体的には、制御装置80は、例えば、出力入力コントローラによって入力された火力発電設備10における出力要求情報に係る出力信号を検出すると、記憶手段に記憶された出力要求情報に係る出力信号とアンモニア流量とを対応付けるデータを参照する。
When the output is controlled by adjusting the flow rate of the ammonia, specifically, when the
そして、制御装置80は、出力要求情報に係る出力信号およびそのデータに基づいて、流量調整弁25aを制御して、その出力要求に応じた流量のアンモニアを燃焼器ライナ110に導入する。なお、この際、遮断弁25bは、開いている。
Then, the
さらに、制御装置80は、記憶手段に記憶された出力要求情報に係る出力信号と燃焼器ライナ110内の燃焼ガス温度とを対応付けるデータを参照する。そして、制御装置80は、温度検出器27からの出力信号およびそのデータに基づいて、流量調整弁25aを制御して、燃焼器ライナ110に導入するアンモニアの流量を調整する。
Further, the
例えば、温度検出器27からの出力信号から検出した燃焼ガス温度が、記憶手段に記憶された出力要求に対応する燃焼ガス温度よりも高い場合には、制御装置80は、流量調整弁25aを制御して、燃焼器ライナ110に導入するアンモニアの流量を小さくする。
For example, when the combustion gas temperature detected from the output signal from the
この場合において、記憶手段に記憶された出力要求情報に係る出力信号に対応するアンモニア流量と、温度検出器27からの出力信号から検出した燃焼ガス温度に基づいて調整されたアンモニア流量とが異なる場合には、燃焼ガス温度に基づくアンモニア流量の制御が適用される。
In this case, when the ammonia flow rate corresponding to the output signal related to the output request information stored in the storage means and the ammonia flow rate adjusted based on the combustion gas temperature detected from the output signal from the
所定の出力(点B)よりも高い出力が要求される場合には、燃焼器ライナ120においてガス燃料を燃焼させる。すなわち、所定の出力(点B)を超え、定格出力(点C)までの範囲では、燃焼器ライナ110にアンモニアを供給するとともに、燃焼器ライナ120にガス燃料を供給する。この際、出力の調整は、燃焼器ライナ120に供給されるガス燃料の流量の調整によって行われる。なお、燃焼器ライナ110内の燃焼ガス温度は、1100℃に維持される。
When an output higher than a predetermined output (point B) is required, the gas fuel is burned in the
このガス燃料の流量を調整することで出力制御を行う場合、具体的には、制御装置80は、例えば、出力入力コントローラによって入力された火力発電設備10における出力要求情報に係る出力信号を検出すると、記憶手段に記憶された出力要求情報に係る出力信号と、ガス燃料流量およびアンモニア流量とを対応付けるデータを参照する。
When the output is controlled by adjusting the flow rate of the gas fuel, specifically, when the
そして、制御装置80は、出力要求情報に係る出力信号およびそのデータに基づいて、流量調整弁26aを制御して、その出力要求に応じた流量のガス燃料を燃焼器ライナ120に導入する。なお、この際、遮断弁26bは、開いている。
Then, the
さらに、制御装置80は、火力発電設備10における出力要求情報に基づく要求出力と、発電機60からの出力信号に基づく実際の発電出力を比較する。そして、制御装置80は、その比較した結果に基づいて、流量調整弁26aを制御して、燃焼器ライナ120に導入するガス燃料の流量を調整する。
Further, the
例えば、発電出力が、要求出力よりも低い場合には、制御装置80は、流量調整弁26aを制御して、燃焼器ライナ120に導入するガス燃料の流量を大きくする。
For example, when the power generation output is lower than the required output, the
また、ガス燃料の流量を調整することで出力制御を行うときにおいても、制御装置80は、温度検出器27からの出力信号に基づいて、燃焼器ライナ110内の燃焼ガス温度が1100℃になるように、流量調整弁25aを制御して、燃焼器ライナ110に導入するアンモニアの流量を調整している。
Further, even when the output is controlled by adjusting the flow rate of the gas fuel, the
上記したように、第1の実施の形態における燃焼器22Aは、アンモニアを熱分解して水素を燃焼させる燃焼器ライナ110と、ガス燃料を燃焼させる燃焼器ライナ120を備える。このように、燃焼器22Aの燃焼器ライナを直列に連結された2つの燃焼器ライナ110、120で構成することで、それぞれの燃焼器ライナにおける作用を区分することができる。
As described above, the
燃焼器ライナ110において、アンモニアを熱分解して水素を燃焼させることで、燃料としてのアンモニアによるフューエルNOxの生成が抑制される。また、燃焼器ライナ110内の燃焼ガスの温度を前述した範囲に維持することで、水素が燃焼する際のサーマルNOxの生成も抑制される。
In the
また、アンモニアの流量を調整することによる出力制御と、ガス燃料の流量を調整することによる出力制御とを切り替える制御を行うことができる。アンモニアの流量を調整することによる出力制御において、燃焼器ライナ110内の燃焼ガス温度を800〜1100℃の範囲に維持することができる。ガス燃料の流量を調整することによる出力制御においては、燃焼器ライナ110内の燃焼ガス温度を1100℃に維持しつつ、発電出力を調整することができる。
Further, it is possible to perform control for switching between output control by adjusting the flow rate of ammonia and output control by adjusting the flow rate of gas fuel. In the output control by adjusting the flow rate of ammonia, the temperature of the combustion gas in the
また、燃焼器ライナ110においてアンモニアを熱分解して水素を燃焼させることで、燃焼器ライナ110内における燃焼では、二酸化炭素は生成されない。燃焼器ライナ120において燃料として炭化水素を使用した場合には、二酸化炭素が生成される。しかしながら、本実施の形態の燃焼器22Aは、供給される燃料がすべて炭化水素である燃焼器に比べて、同じ発電出力において、二酸化炭素の排出量を大幅に低減することができる。
Further, by thermally decomposing ammonia in the
次に、排熱回収ボイラ30内に設置された、アンモニア噴出ノズル32および脱硝触媒33を備える脱硝装置の作用について説明する。
Next, the operation of the denitration device provided with the ammonia ejection nozzle 32 and the
前述したように、火力発電設備10は、排熱回収ボイラ30内に、アンモニア噴出ノズル32、脱硝触媒33を備える(図1参照)。
As described above, the thermal
アンモニア噴出ノズル32は、タービン23から排出されて過熱器31を通過した燃焼ガスにアンモニアを噴出する。そして、アンモニアを含む燃焼ガスが脱硝触媒33と接触することで、アンモニアを還元剤とする前述した式(3)による脱硝作用が主に促進される。これによって、燃焼ガスに含まれるNOxは、水蒸気(H2O)と窒素(N2)に分解される。
The ammonia ejection nozzle 32 ejects ammonia into the combustion gas discharged from the
このように、排熱回収ボイラ30内にアンモニア噴出ノズル32および脱硝触媒33を備えることで、タービン23から排出された燃焼ガス中のNOx濃度を低減することができる。
By providing the ammonia ejection nozzle 32 and the
ここで、アンモニア噴出ノズル32から噴出するアンモニアの流量は、例えば、次のように設定される。 Here, the flow rate of ammonia ejected from the ammonia ejection nozzle 32 is set as follows, for example.
制御装置80は、排熱回収ボイラ30の入口に設けられたサンプリングプローブ37によって採取された燃焼ガスにおけるNOx濃度を、ガス分析装置の出力信号に基づいて算出する。また、制御装置80は、圧縮機21の入口案内翼の駆動角度検出装置からの出力信号に基づいて、圧縮機21が吸引した空気流量を算出する。
The
さらに、制御装置80は、流量計25cの出力信号に基づいて、燃焼器ライナ110に導入されたアンモニアの流量を算出し、流量計26cの出力信号に基づいて、燃焼器ライナ120に導入されたガス燃料の流量を算出する。
Further, the
そして、制御装置80は、算出した、空気流量、アンモニアの流量およびガス燃料の流量に基づいて、排熱回収ボイラ30の入口における燃焼ガスの流量を算出する。そして、制御装置80は、NOx濃度、算出した燃焼ガスの流量に基づいて排熱回収ボイラ30の入口における燃焼ガスに含まれるNOx量を算出する。
Then, the
続いて、制御装置80は、算出したNOx量に基づいて、そのNOx量と等モル量のアンモニアをアンモニア噴出ノズル32から噴出するように、流量調整弁36aを制御する。なお、アンモニア噴出ノズル32から噴出するアンモニアの流量の調整は、例えば、流量計36cの出力信号に基づいて行われる。
Subsequently, the
なお、前述した式(3)の反応を行うためには、1モルのNO(一酸化窒素)に対して1モルのアンモニアが必要である。そのため、ここでは、算出された燃焼ガスに含まれるNOx量と等モル量のアンモニアを噴出している。なお、ここでも式(3)を示したときと同様に、燃焼ガス中のNOxは、大部分がNOであると仮定し、アンモニア噴出ノズル32から噴出するアンモニアの流量を算出している。 In addition, in order to carry out the reaction of the above-mentioned formula (3), 1 mol of ammonia is required for 1 mol of NO (nitric oxide). Therefore, here, an amount of ammonia equal to the amount of NOx contained in the calculated combustion gas is ejected. Also here, as in the case of the equation (3), it is assumed that most of the NOx in the combustion gas is NO, and the flow rate of ammonia ejected from the ammonia ejection nozzle 32 is calculated.
これによって、脱硝処理後、燃焼ガス中に還元剤としてのアンモニアが残存することを防止できる。 This makes it possible to prevent ammonia as a reducing agent from remaining in the combustion gas after the denitration treatment.
このように、排熱回収ボイラ30内に、アンモニア噴出ノズル32、脱硝触媒33を備えることで、高温燃焼場となる燃焼器ライナ120内で生成したNOxを還元することができる。これによって、煙突70から排出される燃焼ガス中のNOx濃度を低減できる。
By providing the ammonia ejection nozzle 32 and the
(第2の実施の形態)
図5は、第2の実施の形態のガスタービン20Bを模式的に示した図である。なお、以下の実施の形態において、第1の実施の形態の構成と同一の構成部分には、同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a diagram schematically showing the
第2の実施の形態のガスタービン20Bは、第1の実施の形態のガスタービン20Aと燃焼器の構成が異なる。そのため、ここでは、この異なる構成について主に説明する。
The
図5に示すように、ガスタービン20Bは、圧縮機21と、燃焼器22Bと、タービン23とを備える。
As shown in FIG. 5, the
燃焼器22Bは、図5に示すように、燃焼器ケーシング100と、燃焼器ケーシング100内に燃焼器ライナ110、120とを備える。また、燃焼器ライナ110は、上流側燃焼器ライナ110Aと、下流側燃焼器ライナ110Bとを備える。すなわち、燃焼器22Bは、上流側燃焼器ライナ110A、下流側燃焼器ライナ110B、および燃焼器ライナ120の3つの燃焼器ライナを備える。
As shown in FIG. 5, the
燃焼器ケーシング100は、燃焼器ライナ110、120の周囲を所定の空間101を有して包囲している。
The
上流側燃焼器ライナ110A、下流側燃焼器ライナ110B、および燃焼器ライナ120は、筒状形状を有している。上流側燃焼器ライナ110Aは、最上流側に位置し、下流側燃焼器ライナ110Bは、上流側燃焼器ライナ110Aの下流端に連結されている。また、燃焼器ライナ120は、最下流側に位置し、下流側燃焼器ライナ110Bの下流端に連結されている。
The
すなわち、上流側燃焼器ライナ110A、下流側燃焼器ライナ110B、および燃焼器ライナ120は、燃焼ガスが流れる方向に直列に連結され、それぞれが連通している。なお、燃焼器ライナ110は、第1の燃焼器ライナとして機能し、燃焼器ライナ120は、第2の燃焼器ライナとして機能する。
That is, the
上流側燃焼器ライナ110Aの上流端には、アンモニア供給管25が連結されている。また、上流側燃焼器ライナ110Aの側壁には、上流側燃焼器ライナ110Aの周囲の空間101を流れる圧縮空気を内部に取り込むための空気導入口112が形成されている。この空気導入口112は、例えば、上流側燃焼器ライナ110Aの周方向に複数形成されている。
An
ここで、図5には、アンモニア供給管25からアンモニアを上流側燃焼器ライナ110Aに導入する一例を示したが、この構成に限られない。
Here, FIG. 5 shows an example of introducing ammonia from the
例えば、燃焼器ケーシング100と上流側燃焼器ライナ110Aとの間のアンモニア供給管25に、圧縮空気を内部に導入するための、空気導入口を形成してもよい。この空気導入口は、アンモニア供給管25の周方向に複数形成されてもよい。このように空気導入口を備えることで、アンモニアと圧縮空気の予混合気が上流側燃焼器ライナ110Aに導入される。
For example, an air introduction port for introducing compressed air may be formed in the
下流側燃焼器ライナ110Bの側壁には、下流側燃焼器ライナ110Bの周囲の空間101を流れる圧縮空気を内部に取り込むための空気導入口113が形成されている。この空気導入口113は、例えば、図5に示すように、下流側燃焼器ライナ110Bにおける上流端側に形成される。換言すると、空気導入口113は、例えば、上流側燃焼器ライナ110Aと下流側燃焼器ライナ110Bとの連結部の直下流側における下流側燃焼器ライナ110Bの側壁に形成される。この空気導入口113は、例えば、下流側燃焼器ライナ110Bの周方向に複数形成されている。
An
燃焼器ライナ120の構成については、第1の実施の形態における構成と同じである。
The configuration of the
なお、空気導入口112、113の位置は、特に限定されるものではない。すなわち、空気導入口112、113は、上流側燃焼器ライナ110A、下流側燃焼器ライナ110B内におけるアンモニアの熱分解、この熱分解によって生成した水素を完全燃焼することができる位置に設けられていればよい。
The positions of the
また、下流側燃焼器ライナ110Bには、下流側燃焼器ライナ110B内の燃焼ガスの温度を検出する温度検出器27が備えられている。
Further, the
ここで、上流側燃焼器ライナ110Aには、アンモニア供給管25からアンモニアが導入され、空気導入口112から圧縮空気が導入される。
Here, ammonia is introduced into the
この空気導入口112から上流側燃焼器ライナ110A内に導入される空気の流量は、上流側燃焼器ライナ110A内に導入されるアンモニアが熱分解して生成する水素と理論混合気を形成する空気の流量よりも小さい。ここで、理論混合気とは、燃料と、この燃料を完全燃焼させるために理論上必要な最少の空気との混合気である。
The flow rate of air introduced into the
すなわち、空気導入口112からは、例えば、アンモニアが熱分解して生成した水素を完全燃焼させるために必要な最少の空気量よりも少ない量の空気が導入される。そのため、上流側燃焼器ライナ110A内は、全体として、いわゆる燃料リッチの状態となる。
That is, for example, an amount of air smaller than the minimum amount of air required for complete combustion of hydrogen generated by thermal decomposition of ammonia is introduced from the
上流側燃焼器ライナ110Aでは、アンモニアを熱分解して燃焼させる。すなわち、上流側燃焼器ライナ110Aでは、アンモニアを熱分解することで生成した水素を燃焼させる。
In the
なお、アンモニア供給管25から導入されたアンモニアの全部が、上流側燃焼器ライナ110A内で熱分解されない。そのため、一部のアンモニアは、アンモニアの状態のまま、下流側燃焼器ライナ110Bに流入する。また、上流側燃焼器ライナ110A内は、燃料リッチの状態であるため、熱分解によって生成された水素の一部が、上流側燃焼器ライナ110A内で完全燃焼せずに、下流側燃焼器ライナ110Bに流入することもある。
All of the ammonia introduced from the
下流側燃焼器ライナ110Bには、上流側燃焼器ライナ110Aからの燃焼ガス、アンモニア、空気導入口113から圧縮空気が導入される。
Combustion gas from the
ここで、燃焼器ライナ110、すなわち上流側燃焼器ライナ110Aおよび下流側燃焼器ライナ110Bには、全体として、アンモニア供給管25から導入されたアンモニアの熱分解によって生成した水素を完全燃焼させるために必要な空気量を超える量の空気が導入される。なお、ここでは、このアンモニアの熱分解によって生成した水素を完全燃焼させるために必要な空気量を超える空気量を過剰空気量と呼ぶ。
Here, in order for the
そのため、この過剰空気量から、上流側燃焼器ライナ110Aに導入された空気量を差し引いた分の空気量が、空気導入口113から下流側燃焼器ライナ110B内に導入される。なお、下流側燃焼器ライナ110Bには、下流側燃焼器ライナ110B内において熱分解によって生成する水素を完全燃焼させるために必要な空気量を超える量の空気が導入される。
Therefore, the amount of air obtained by subtracting the amount of air introduced into the
下流側燃焼器ライナ110Bでは、上流側燃焼器ライナ110Aと同様に、アンモニアを熱分解して燃焼させる。すなわち、下流側燃焼器ライナ110Bでは、アンモニアを熱分解することで生成した水素を燃焼させる。
In the
さらに、下流側燃焼器ライナ110Bでは、アンモニアを還元剤とする無触媒選択還元法によって、上流側燃焼器ライナ110Aで生成したNOxを還元する。なお、還元剤のアンモニアは、上流側燃焼器ライナ110Aで熱分解されずに、下流側燃焼器ライナ110Bに流入したアンモニアである。
Further, the
アンモニアの熱分解の促進、水素の燃焼促進、下流側燃焼器ライナ110BにおけるNOxの還元を図るために、上流側燃焼器ライナ110A内および下流側燃焼器ライナ110B内(燃焼器ライナ110内)の燃焼場の温度、すなわち燃焼ガスの温度を800〜1100℃に維持している。
In the
アンモニアの熱分解によって生成された水素が燃焼することで、燃焼器ライナ110内の燃焼ガスの温度を上記した範囲に維持することができる。なお、燃焼器ライナ110内の燃焼ガスの温度は、ガスタービンにおける負荷によらず、上記した範囲に維持される。
By burning the hydrogen produced by the thermal decomposition of ammonia, the temperature of the combustion gas in the
燃焼器ライナ110内の燃焼ガスの温度を上記した範囲に維持するため、制御装置80は、温度検出器27からの出力信号に基づいて、アンモニア供給管25の流量調整弁25aを制御している。
In order to maintain the temperature of the combustion gas in the
一方、燃焼器ライナ120には、下流側燃焼器ライナ110Bからの燃焼ガス、ガス燃料供給管26からガス燃料、および空気導入口122から圧縮空気が導入される。燃焼器ライナ120に導入されるガス燃料の流量や空気量などについては、第1の実施の形態で説明したとおりである。
On the other hand, the combustion gas from the
ここで、燃焼器ライナ110内の燃焼ガスの温度を上記した温度範囲とする理由について説明する。
Here, the reason why the temperature of the combustion gas in the
なお、アンモニアの熱分解の促進、およびアンモニアの酸化抑制の観点から、上記した温度範囲とすることは、第1の実施の形態で説明したとおりである。 From the viewpoint of promoting the thermal decomposition of ammonia and suppressing the oxidation of ammonia, the above-mentioned temperature range is as described in the first embodiment.
ここでは、アンモニアを還元剤とするNOxの無触媒選択還元の観点から、上記した温度範囲とすることが好ましいことについて説明する。 Here, it will be described that the above temperature range is preferable from the viewpoint of non-catalytic selective reduction of NOx using ammonia as a reducing agent.
図6は、還元剤をアンモニアとする無触媒選択還元法における、脱硝率と温度との関係を示した図である。なお、図6には、比較のため、還元剤をアンモニアとする選択接触還元法におけるこれらの関係も示している。 FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the denitration rate and the temperature in the non-catalytic selective reduction method using ammonia as the reducing agent. Note that FIG. 6 also shows these relationships in the selective catalytic reduction method using ammonia as the reducing agent for comparison.
選択接触還元法では還元触媒が使用され、無触媒選択還元法では還元触媒が使用されない。無触媒選択還元法では、燃焼ガス中にアンモニアを噴射して、上記した式(3)の還元を行う。 A reduction catalyst is used in the selective catalytic reduction method, and no reduction catalyst is used in the non-catalyst selective reduction method. In the catalyst-free selective reduction method, ammonia is injected into the combustion gas to reduce the above formula (3).
図6に示すように、無触媒選択還元法では、800〜1100℃の温度範囲で脱硝率が高い。これに対して、選択接触還元法では、350℃を中心に脱硝率が高い。 As shown in FIG. 6, in the catalyst-free selective reduction method, the denitration rate is high in the temperature range of 800 to 1100 ° C. On the other hand, in the selective catalytic reduction method, the denitration rate is high mainly at 350 ° C.
このように、無触媒選択還元法の観点からも、800〜1100℃の温度範囲が好ましいことがわかる。 As described above, it can be seen that the temperature range of 800 to 1100 ° C. is preferable from the viewpoint of the catalytically selective reduction method.
このようなことから、燃焼器ライナ110内の燃焼ガスの温度を800〜1100℃に維持している。
For this reason, the temperature of the combustion gas in the
なお、ガスタービン20Bの燃焼器22Bの作用については、第1の実施の形態における燃焼器22Aの作用と同様である。
The operation of the combustor 22B of the
上記したように、第2の実施の形態の燃焼器22Bでは、燃焼器ライナ110を上流側燃焼器ライナ110Aおよび下流側燃焼器ライナ110Bで構成している。そして、下流側燃焼器ライナ110Bにおいて、無触媒選択還元法によってNOxを還元する。
As described above, in the combustor 22B of the second embodiment, the
第2の実施の形態の燃焼器22Bでは、第1の実施の形態の燃焼器22Aにおける作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
In the combustor 22B of the second embodiment, the same effect as that of the
すなわち、燃焼器ライナ110において、アンモニアを熱分解して水素を燃焼させることで、燃料としてのアンモニアによるフューエルNOxの生成が抑制される。また、燃焼器ライナ110内の燃焼ガスの温度を前述した範囲に維持することで、水素が燃焼する際のサーマルNOxの生成も抑制される。燃焼器ライナ110においてアンモニアを熱分解して水素を燃焼させることで、燃焼器ライナ110内における燃焼では、二酸化炭素は生成されない。
That is, in the
さらに、第2の実施の形態の燃焼器22Bでは、下流側燃焼器ライナ110Bにおいて、無触媒選択還元法によって、上流側燃焼器ライナ110A内で生成されたNOxを還元することができる。
Further, in the combustor 22B of the second embodiment, in the
(第3の実施の形態)
図7は、第3の実施の形態のガスタービン20Cを備える火力発電設備11を模式的に示した図である。図8は、第3の実施の形態のガスタービン20Cにおける静翼の冷却空気系統を模式的に示した図である。図9は、図8のA−A断面を示す図である。
(Third Embodiment)
FIG. 7 is a diagram schematically showing a thermal
第3の実施の形態のガスタービン20Cは、第1の実施の形態のガスタービン20Aとでは、燃焼器から排出された燃焼ガスに対する脱硝方法が異なる。そのため、ここでは、この異なる構成について主に説明する。
The gas turbine 20C of the third embodiment is different from the
なお、ガスタービン20Cに使用される燃焼器22Cは、第1の実施の形態における燃焼器22Aであっても、第2の実施の形態における燃焼器22Bであってもよい。
The
第3の実施の形態のガスタービン20Cでは、冷却空気を静翼130、131、132に導入するための冷却空気系統に、アンモニアを供給するアンモニア供給系統が連結されている。また、ガスタービン20Cには、第1および第2の実施の形態で備えられた、アンモニア噴出ノズル32、配管36、流量調整弁36a、遮断弁36b、流量計36cは、備えられていない。
In the gas turbine 20C of the third embodiment, the ammonia supply system for supplying ammonia is connected to the cooling air system for introducing the cooling air into the
また、ガスタービン20Cは、圧縮機21の吐出部における圧縮空気の温度を検出する温度検出器170を備えている。さらに、ガスタービン20Cは、タービン23の出口における燃焼ガスの温度を検出する温度検出器171を備えている。
Further, the gas turbine 20C includes a
図7および図8に示すように、ガスタービン20Cは、タービン23の静翼130、131、132、133を冷却するための冷却空気を静翼130、131、132、133に導入するための冷却空気系統を備えている。
As shown in FIGS. 7 and 8, the gas turbine 20C is cooled to introduce cooling air for cooling the
なお、タービン23において、各静翼130、131、132、133の下流に各動翼140、141、142、143が配置されている。そして、例えば、静翼130と動翼140とによって初段(第1段)のタービン段落を構成している。ここでは、4段のタービン段落を備えたタービン23を例示している。
In the
ここでは、図9に示す静翼130の断面を参照して静翼構造を説明する。なお、他の静翼131、132、133の構造も、図9に示す静翼130の構造と同じである。
Here, the stationary blade structure will be described with reference to the cross section of the
静翼130は、図9に示すように内部に中空部135を有している。また、静翼130の翼有効部には、スリットや孔などの噴出孔136が形成されている。
As shown in FIG. 9, the
この噴出孔136は、中空部135と静翼130の外部とを連通する孔である。噴出孔136は、複数形成されている。噴出孔136から冷却空気を、例えば、静翼130の表面に沿うように噴出することで、高温の燃焼ガスから翼表面を保護する。
The
各静翼130、131、132、133には、冷却空気系統を構成する抽気管150、151、152、153を通り、圧縮機21から抽気された空気が導入される。なお、冷却空気は、例えば、静翼130、131、132、133を支持する外周壁に形成された貫通孔(図示しない)を介して静翼130、131、132、133内に導入される。
Air extracted from the
ここで、タービン段落によって、冷却空気を噴出する流れ場(タービン内の通路)の圧力が異なる。そのため、図8に示すように、各タービン段落に対応して冷却空気系統は、それぞれ独立して設けられている。そして、圧縮機21から抽気された各タービン段落に適した圧力の冷却空気は、各冷却空気系統から静翼130、131、132、133内に導入される。
Here, the pressure of the flow field (passage in the turbine) for ejecting the cooling air differs depending on the turbine paragraph. Therefore, as shown in FIG. 8, the cooling air system is provided independently corresponding to each turbine paragraph. Then, cooling air having a pressure suitable for each turbine paragraph extracted from the
導入される冷却空気の圧力は、初段の静翼130が最も高く、第4段の静翼133が最も低い。例えば、初段の静翼130には、圧縮機21の吐出部から抽気した最も高圧の圧縮空気が供給される。
The pressure of the cooling air introduced is highest in the first-stage
このように、各タービン段落の静翼130、131、132、133に導入される冷却空気の圧力に応じて、抽気する圧縮機21の段落を変えている。これによって、圧縮機21の動力損失が抑制される。なお、各静翼130、131、132、133に導入される冷却空気の圧力は、冷却空気が噴出される流れ場の圧力よりも高い。
In this way, the paragraph of the
図8に示すように、例えば、各冷却空気系統の抽気管150、151、152には、アンモニアを供給するアンモニア供給系統の配管160、161、162が連結されている。
As shown in FIG. 8, for example, the
配管160、161、162には、流量調整弁160a、161a、162a、遮断弁160b、161b、162b、流量計160c、161c、162cが介在している。なお、アンモニアは、図示しない供給源から配管160、161、162に供給される。
流量調整弁160a、161a、162aは、抽気管150、151、152に供給するアンモニアの流量を調整する弁である。遮断弁160b、161b、162bは、抽気管150、151、152へのアンモニアの供給を遮断する弁である。流量計160c、161c、162cは、抽気管150、151、152に供給されるアンモニアの流量を検出する装置である。
The flow
なお、図8では示していないが、最終段の抽気管153にも、アンモニア供給系統の配管を連結してもよい。この場合においても、配管には、流量調整弁、遮断弁、流量計が介在する。
Although not shown in FIG. 8, the piping of the ammonia supply system may be connected to the bleeding
抽気管150、151、152に導入されたアンモニアは、冷却空気とともに静翼130、131、132の中空部135に流入する。そして、アンモニアと冷却空気との混合気は、静翼130、131、132を内部から冷却する。さらに、その混合気は、静翼130、131、132の噴出孔136から、タービン23内を流れる燃焼ガス中に噴出される。
Ammonia introduced into the bleeding
ここで、燃焼ガス中にアンモニアを噴出するための系統は、アンモニア噴出部として機能する。なお、ここでは、アンモニア供給系統、アンモニアが導入される抽気管、アンモニアが導入される静翼、アンモニアが導入される静翼の噴出孔136が、アンモニア噴出部として機能する。
Here, the system for ejecting ammonia into the combustion gas functions as an ammonia ejection unit. Here, the ammonia supply system, the air extraction pipe into which ammonia is introduced, the stationary blade into which ammonia is introduced, and the
ここでは、アンモニアを燃焼ガス中に噴出することで、前述した無触媒選択還元法における脱硝を図っている。そこで、脱硝率を上げるため、前述したように、アンモニアは、800〜1100℃の温度の燃焼ガス中に噴出することが好ましい。なお、800〜1100℃の温度は、第1の温度として機能する。 Here, by ejecting ammonia into the combustion gas, denitration in the above-mentioned non-catalytic selective reduction method is attempted. Therefore, in order to increase the denitration rate, as described above, it is preferable that ammonia is ejected into the combustion gas having a temperature of 800 to 1100 ° C. The temperature of 800 to 1100 ° C. functions as the first temperature.
そこで、アンモニアが冷却空気とともに供給される静翼は、燃焼ガスの温度が上記範囲となるタービン段落の静翼である。すなわち、燃焼ガスの温度が上記範囲となるタービン段落の静翼に冷却空気を供給する抽気管にアンモニアが導入される。 Therefore, the stationary blade to which ammonia is supplied together with the cooling air is a stationary blade of the turbine paragraph in which the temperature of the combustion gas is in the above range. That is, ammonia is introduced into the bleeding pipe that supplies cooling air to the vanes of the turbine paragraph where the temperature of the combustion gas is in the above range.
ここで、制御装置80における出入力手段は、例えば、流量調整弁25a、26a、160a、161a、162a、遮断弁25b、26b、160b、161b、162b、流量計25c、26c、160c、161c、162c、温度検出器27、170、171、ガス分析装置(図示しない)、圧縮機21の入口案内翼の駆動角度検出装置(図示しない)、出力入力コントローラ、発電機60などと各種信号の出入力が可能に接続されている。
Here, the input / output means in the
ここで、燃焼ガスの温度が800〜1100℃となるタービン段落は、例えば、次のように特定される。 Here, the turbine paragraph in which the temperature of the combustion gas is 800 to 1100 ° C. is specified, for example, as follows.
制御装置80は、圧縮機21の入口案内翼の駆動角度検出装置からの出力信号に基づいて、圧縮機21が吸引した空気流量を算出する。また、制御装置80は、温度検出器170からの出力信号に基づいて、圧縮機21の吐出部における圧縮空気の温度を検出する。
The
さらに、制御装置80は、流量計25cの出力信号に基づいて燃焼器ライナ110に導入されたアンモニアの流量、および流量計26cの出力信号に基づいて、燃焼器ライナ120に導入されたガス燃料の流量を算出する。また、制御装置80は、温度検出器171からの出力信号に基づいて、タービン23の出口における燃焼ガスの温度を検出する。
Further, the
制御装置80は、算出した空気流量、圧縮機21の吐出部における圧縮空気の温度、アンモニアの流量、ガス燃料の流量に基づいて、タービン23の入口における燃焼ガスの温度を算出する。
The
続いて、制御装置80は、算出したタービン23の入口における燃焼ガスの温度、および検出されたタービン23の出口における燃焼ガスの温度に基づいて、タービン23内の各タービン段落における燃焼ガスの温度分布を算出する。なお、この燃焼ガスの温度分布は、ガスタービンの運転状態によっても変化する。
Subsequently, the
そして、制御装置80は、算出した燃焼ガスの温度分布から、燃焼ガスの温度が800〜1100℃となるタービン段落を特定する。
Then, the
制御装置80は、特定したタービン段落にアンモニアを供給する配管に設けられた流量調整弁、遮断弁を開く。その際、制御装置80は、流量調整弁を制御して、抽気管に導入されるアンモニアを所定の流量に調整する。
The
例えば、制御装置80は、初段のタービン段落において、燃焼ガスが上記した温度範囲となると判定した場合、制御装置80は、遮断弁160bを開き、流量調整弁160aを制御する。
For example, when the
この際、抽気管150に導入されるアンモニアの流量は、第1の実施の形態で説明したアンモニア噴出ノズル32から噴出するアンモニアの流量を設定するときと同じ方法で算出される。
At this time, the flow rate of ammonia introduced into the bleeding
すなわち、制御装置80は、排熱回収ボイラ30の入口における燃焼ガスに含まれるNOx量を算出する。そして、制御装置80は、算出したNOx量と等モル量のアンモニアを抽気管150に導入するように、流量調整弁160aを制御する。なお、抽気管150に導入するアンモニアの流量の調整は、例えば、流量計160cの出力信号に基づいて行われる。
That is, the
ここで、燃焼器22Cから排出された燃焼ガスの作用について説明する。
Here, the action of the combustion gas discharged from the
なお、ここでは、燃焼ガスの温度が800〜1100℃となるタービン段落が、初段のタービン段落である場合について説明する。 Here, a case where the turbine paragraph in which the temperature of the combustion gas is 800 to 1100 ° C. is the first stage turbine paragraph will be described.
燃焼器22Cから排出された燃焼ガスは、タービン23内に導かれる。タービン23内に導かれた燃焼ガスは、タービン23を駆動する。
The combustion gas discharged from the
この際、燃焼ガスの温度が800〜1100℃となるタービン段落の静翼130の中空部135に、冷却空気とともにアンモニアが導入される。冷却空気とアンモニアは、静翼130の噴出孔136から、タービン内を流れる燃焼ガス中に噴出される。
At this time, ammonia is introduced together with the cooling air into the
このように、ガスタービン20Cでは、無触媒選択還元法において脱硝率が高い温度範囲の燃焼ガス中にアンモニアを噴出することができる。これによって、燃焼ガスに含まれるNOxを窒素と水に還元することができる。 As described above, in the gas turbine 20C, ammonia can be ejected into the combustion gas in the temperature range where the denitration rate is high in the catalytically selective reduction method. As a result, NOx contained in the combustion gas can be reduced to nitrogen and water.
ここで、図6に示すように、無触媒選択還元法における脱硝率は、高くても60%程度である。そのため、タービン23から排出される燃焼ガスはNOxを含む。また、タービン23からは、燃焼ガスとともに、還元に寄与できなかったアンモニアも排出される。
Here, as shown in FIG. 6, the denitration rate in the catalyst-free selective reduction method is about 60% at the highest. Therefore, the combustion gas discharged from the
タービン23から排出された燃焼ガスおよびアンモニアは、排気通路としても機能する排熱回収ボイラ30に流入する。排熱回収ボイラ30に流入した燃焼ガスおよびアンモニアは、過熱器31で熱交換され温度が低下する。前述したように、脱硝触媒33は、温度が300〜400℃の燃焼ガスが流れる位置に配置される。この温度は、選択接触還元法による脱硝が促進される温度である。なお、300〜400℃の温度は、第2の温度として機能する。
The combustion gas and ammonia discharged from the
これによって、アンモニアを含む燃焼ガスが脱硝触媒33と接触することで、アンモニアを還元剤とする前述した式(3)による脱硝作用が主として促進される。これによって、残存するアンモニアおよびNOxは、水蒸気と窒素に分解される。
As a result, when the combustion gas containing ammonia comes into contact with the
そして、排熱回収ボイラ30から排出された燃焼ガスは、煙突70から大気中に排出される。
Then, the combustion gas discharged from the exhaust
上記したように、第3の実施の形態のガスタービン20Cを備える火力発電設備11では、タービン23における所定のタービン段落で、アンモニアを還元剤とする無触媒選択還元法による脱硝、および排熱回収ボイラ30内においてアンモニアを還元剤とする選択接触還元法による脱硝を行うことができる。
As described above, in the thermal
このように、タービン23内における脱硝処理において一部のNOxを還元することができる。これによって、排熱回収ボイラ30における、脱硝触媒33を用いた脱硝処理の負荷を低減することができる。そのため、すべての脱硝を脱硝触媒33を用いた選択接触還元法で行うよりも、脱硝触媒33の接触面積を少なくすることができる。これによって、製品コストの削減、製品の小型化を図ることができる。
In this way, a part of NOx can be reduced in the denitration treatment in the
また、第3の実施の形態のガスタービン20Cの燃焼器22Cとして、第1の実施の形態の燃焼器22Aまたは第2の実施の形態の燃焼器22Bを備えている。そのため、燃焼器22Cにおける作用効果は、燃焼器22A、燃焼器22Bのそれぞれの作用効果と同じである。
Further, as the
なお、第3の実施の形態のガスタービン20Cにおいて、静翼130、131、132の噴出孔136から冷却空気とともにアンモニアを噴出する一例を示したが、この構成に限られない。
In the gas turbine 20C of the third embodiment, an example is shown in which ammonia is ejected together with the cooling air from the ejection holes 136 of the
例えば、ガスタービンでは、中空の動翼140、141、142、143内にも冷却空気を導入し、噴出孔から冷却空気を噴出している。そのため、動翼140、141、142、143に導入する冷却空気にアンモニアを導入してもよい。なお、この場合においても、燃焼ガスの温度が800〜1100℃となるタービン段落の動翼にアンモニアが導入される。
For example, in a gas turbine, cooling air is also introduced into the
また、例えば、静翼130、131、132、133を支持する外周壁に、アンモニアを噴出する噴出孔を形成してもよい。この場合、例えば、静翼間を流れる燃焼ガス中にアンモニアが噴出される。
Further, for example, an ejection hole for ejecting ammonia may be formed on the outer peripheral wall supporting the
なお、上記した実施の形態では、ガスタービンと蒸気タービンと組み合わせたコンバインドサイクルの火力発電設備を例示して説明したが、この構成に限られない。 In the above-described embodiment, a combined cycle thermal power generation facility in which a gas turbine and a steam turbine are combined has been described as an example, but the present invention is not limited to this configuration.
例えば、ガスタービンと選択接触還元法を用いた脱硝装置を備えた火力発電設備であってもよい。この場合、脱硝装置は、ガスタービンの排気通路に備えられてもよい。なお、脱硝装置における脱硝触媒は、300〜400℃の温度の燃焼ガスと接触する領域に設置されることが好ましい。 For example, it may be a thermal power generation facility provided with a gas turbine and a denitration device using a selective contact reduction method. In this case, the denitration device may be provided in the exhaust passage of the gas turbine. The denitration catalyst in the denitration device is preferably installed in a region where it comes into contact with the combustion gas having a temperature of 300 to 400 ° C.
以上説明した実施形態によれば、NOxおよびCO2の発生を抑制することが可能となる。 According to the embodiment described above, it is possible to suppress the generation of NOx and CO 2.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
10、11…火力発電設備、20A、20B、20C…ガスタービン、21…圧縮機、22A、22B、22C…燃焼器、23…タービン、24…空気フィルタ、25…アンモニア供給管、25a、26a、36a、160a…流量調整弁、25b、26b、36b、160b…遮断弁、25c、26c、36c、160c…流量計、26…ガス燃料供給管、27、170、171…温度検出器、30…排熱回収ボイラ、31…過熱器、32…アンモニア噴出ノズル、33…脱硝触媒、34…蒸発器、35…節炭器、36、160…配管、37…サンプリングプローブ、40…蒸気タービン、50…復水器、51…給水ポンプ、60…発電機、70…煙突、80…制御装置、100…燃焼器ケーシング、101…空間、110、120…燃焼器ライナ、110A…上流側燃焼器ライナ、110B…下流側燃焼器ライナ、111、112、113、121、122…空気導入口、130、131、132、133…静翼、135…中空部、136…噴出孔、140、141、142、143…動翼、150、151、152、153…抽気管。 10, 11 ... Thermal power generation equipment, 20A, 20B, 20C ... Gas turbine, 21 ... Compressor, 22A, 22B, 22C ... Combustor, 23 ... Turbine, 24 ... Air filter, 25 ... Ammonia supply pipe, 25a, 26a, 36a, 160a ... Flow control valve, 25b, 26b, 36b, 160b ... Shutoff valve, 25c, 26c, 36c, 160c ... Flow meter, 26 ... Gas fuel supply pipe, 27, 170, 171 ... Temperature detector, 30 ... Exhaust Heat recovery boiler, 31 ... Superheater, 32 ... Ammonia ejection nozzle, 33 ... Denitration catalyst, 34 ... Evaporator, 35 ... Combustor, 36, 160 ... Piping, 37 ... Sampling probe, 40 ... Steam turbine, 50 ... Restoration Water device, 51 ... water pump, 60 ... generator, 70 ... chimney, 80 ... control device, 100 ... combustor casing, 101 ... space, 110, 120 ... combustor liner, 110A ... upstream combustor liner, 110B ... Downstream combustor liner, 111, 112, 113, 121, 122 ... Air inlet, 130, 131, 132, 133 ... Static blade, 135 ... Hollow part, 136 ... Ejection hole, 140, 141, 142, 143 ... Dynamic Wings, 150, 151, 152, 153 ... Extraction tube.
Claims (8)
前記第1の燃焼器ライナの下流端に連結され、窒素化合物を主として含まないガス燃料および空気が導入される第2の燃焼器ライナと
を具備することを特徴とする燃焼装置。 A first combustor liner, in which air and ammonia are introduced and the hydrogen produced by the thermal decomposition of ammonia is burned to maintain the temperature of the combustion gas at 800-1100 ° C.
A combustion apparatus including a second combustor liner connected to a downstream end of the first combustor liner and into which gas fuel and air, which are mainly free of nitrogen compounds, are introduced.
前記第1の燃焼器ライナ内に導入されるアンモニアの流量を調整する流量調整弁と、
前記温度検出部からの出力信号に基づいて、前記流量調整弁を制御する制御部と
をさらに備えることを特徴とする請求項1記載の燃焼装置。 A temperature detection unit that detects the temperature inside the first combustor liner, and
A flow rate adjusting valve that adjusts the flow rate of ammonia introduced into the first combustor liner, and
The combustion apparatus according to claim 1, further comprising a control unit that controls the flow rate adjusting valve based on an output signal from the temperature detection unit.
上流側燃焼器ライナと、
前記上流側燃焼器ライナの下流端に連結された下流側燃焼器ライナと
を備え、
前記上流側燃焼器ライナにおいて、空気およびアンモニアが導入され、アンモニアの熱分解によって生成した水素を燃焼させ、
前記下流側燃焼器ライナにおいて、空気が導入され、アンモニアの熱分解によって生成した水素を燃焼させるとともに、無触媒選択還元によってNOxを還元することを特徴とする請求項1記載の燃焼装置。 The first combustor liner
With the upstream combustor liner,
A downstream combustor liner connected to the downstream end of the upstream combustor liner is provided.
In the upstream combustor liner, air and ammonia are introduced to burn hydrogen generated by the thermal decomposition of ammonia.
In the downstream combustor liner, air is introduced, Rutoto is burned hydrogen produced by the thermal decomposition of ammonia monitor of claim 1, wherein the reducing NOx by non-catalytic selective reduction combustion Device.
前記上流側燃焼器ライナ内に導入されるアンモニアの流量を調整する流量調整弁と、
前記温度検出部からの出力信号に基づいて、前記流量調整弁を制御する制御部と
をさらに備えることを特徴とする請求項3記載の燃焼装置。 A temperature detection unit that detects the temperature inside the downstream combustor liner, and
A flow rate adjusting valve that adjusts the flow rate of ammonia introduced into the upstream combustor liner,
The combustion apparatus according to claim 3, further comprising a control unit that controls the flow rate adjusting valve based on an output signal from the temperature detection unit.
前記第1の燃焼器ライナの下流端に連結され、窒素化合物を主として含まないガス燃料および空気が導入される第2の燃焼器ライナと、
前記第2の燃焼器ライナから排出された燃焼ガスが導入されるタービンと、
燃焼ガスの温度が第1の温度となる前記タービンのタービン段落に、アンモニアを噴出するアンモニア噴出部と、
前記タービンを通過した燃焼ガスの温度が第2の温度となる排気通路に配置される脱硝触媒と
を具備することを特徴とするガスタービン。 A first combustor liner, in which air and ammonia are introduced and the hydrogen produced by the thermal decomposition of ammonia is burned to maintain the temperature of the combustion gas at 800-1100 ° C.
A second combustor liner, which is connected to the downstream end of the first combustor liner and into which gas fuel and air mainly containing no nitrogen compound are introduced.
A turbine into which the combustion gas discharged from the second combustor liner is introduced, and
In the turbine paragraph of the turbine where the temperature of the combustion gas is the first temperature, an ammonia ejection part that ejects ammonia and an ammonia ejection part
A gas turbine comprising a denitration catalyst arranged in an exhaust passage in which the temperature of the combustion gas passing through the turbine becomes a second temperature.
前記圧縮機の入口から吸引される空気流量を検出する空気流量検出部と、
前記圧縮機の出口における空気温度を検出する空気温度検出部と、
前記第1の燃焼器ライナに導入されるアンモニアの流量を検出するアンモニア流量検出部と、
前記第2の燃焼器ライナに導入される前記ガス燃料の流量を検出するガス燃料流量検出
部と、
前記タービンの出口における燃焼ガスの温度を検出する出口ガス温度検出部と、
前記空気流量検出部、前記空気温度検出部、前記アンモニア流量検出部、前記ガス燃料流量検出部、前記出口ガス温度検出部からの出力信号に基づいて、アンモニアを噴出する前記タービン段落を決定して、前記アンモニア噴出部を制御する制御部と
をさらに具備することを特徴とする請求項6または7記載のガスタービン。 A compressor that supplies air to the first combustor liner and the second combustor liner, and
An air flow rate detection unit that detects the air flow rate sucked from the inlet of the compressor, and
An air temperature detector that detects the air temperature at the outlet of the compressor,
An ammonia flow rate detector that detects the flow rate of ammonia introduced into the first combustor liner, and
A gas fuel flow rate detector for detecting the flow rate of the gas fuel introduced into the second combustor liner, and a gas fuel flow rate detector.
An outlet gas temperature detector that detects the temperature of the combustion gas at the outlet of the turbine, and
Based on the output signals from the air flow rate detection unit, the air temperature detection unit, the ammonia flow rate detection unit, the gas fuel flow rate detection unit, and the outlet gas temperature detection unit, the turbine paragraph for ejecting ammonia is determined. The gas turbine according to claim 6 or 7, further comprising a control unit for controlling the ammonia ejection unit.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017130452A JP6906381B2 (en) | 2017-07-03 | 2017-07-03 | Combustion equipment and gas turbine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017130452A JP6906381B2 (en) | 2017-07-03 | 2017-07-03 | Combustion equipment and gas turbine |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2019015179A JP2019015179A (en) | 2019-01-31 |
| JP6906381B2 true JP6906381B2 (en) | 2021-07-21 |
Family
ID=65357576
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2017130452A Active JP6906381B2 (en) | 2017-07-03 | 2017-07-03 | Combustion equipment and gas turbine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6906381B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US12553394B2 (en) | 2022-03-25 | 2026-02-17 | Ihi Corporation | Gas turbine combustor having a first combustion zone receiving multiple fuels and a second combustion zone receiving a fuel not containing nitrogen atoms |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7076930B2 (en) * | 2020-07-09 | 2022-05-30 | 中外炉工業株式会社 | Ammonia fuel combustion device |
| TWI838681B (en) * | 2021-02-15 | 2024-04-11 | 日商三菱重工業股份有限公司 | Gas turbine equipment and gas turbine control method |
| WO2022176347A1 (en) * | 2021-02-19 | 2022-08-25 | 株式会社Ihi | Combustion device and boiler |
| US11859535B2 (en) | 2021-03-09 | 2024-01-02 | Rtx Corporation | Fuel-cooled engine component(s) |
| JP7307441B2 (en) * | 2021-03-23 | 2023-07-12 | トヨタ自動車株式会社 | combustor |
| US11920524B2 (en) | 2021-04-15 | 2024-03-05 | Rtx Corporation | Multi-fuel, fuel injection system for a turbine engine |
| JP7602978B2 (en) * | 2021-07-13 | 2024-12-19 | 三菱重工業株式会社 | Gas turbine facility and method for suppressing ammonia emissions from gas turbine facility |
| JP2023080576A (en) * | 2021-11-30 | 2023-06-09 | 東京電力ホールディングス株式会社 | Combustion device and combustion method |
| US12222106B2 (en) * | 2022-03-30 | 2025-02-11 | Ge Infrastructure Technology Llc | Ammonia fired combustor operating method |
| CN115614778B (en) * | 2022-11-04 | 2023-08-15 | 北京理工大学 | Ammonia-hydrogen mixed combustion chamber and ammonia-hydrogen mixed combustion method |
| US20250067436A1 (en) * | 2023-08-25 | 2025-02-27 | Ge Infrastructure Technology Llc | Ammonia combustor |
Family Cites Families (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2098720B (en) * | 1979-01-12 | 1983-04-27 | Gen Electric | Stationary gas turbine combustor arrangements |
| JPH0443726Y2 (en) * | 1985-07-23 | 1992-10-15 | ||
| JPH0275821A (en) * | 1988-09-08 | 1990-03-15 | Toshiba Corp | Gas-turbine burner |
| JP3077939B2 (en) * | 1990-10-23 | 2000-08-21 | ロールス−ロイス・ピーエルシー | Gas turbine combustion chamber and method of operating the same |
| US20080307794A1 (en) * | 2007-06-15 | 2008-12-18 | Robert Kurt Graupner | Guanidine based fuel system and method of operating a combustion system |
| JP5115372B2 (en) * | 2008-07-11 | 2013-01-09 | トヨタ自動車株式会社 | Operation control device for gas turbine |
| CN102272428B (en) * | 2009-01-14 | 2014-06-11 | 丰田自动车株式会社 | Engine |
| US8943826B2 (en) * | 2009-01-14 | 2015-02-03 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Engine |
| JP6255923B2 (en) * | 2013-11-11 | 2018-01-10 | 株式会社Ihi | Combustion device, gas turbine, and power generation device |
| JP2015190466A (en) * | 2014-03-31 | 2015-11-02 | 株式会社Ihi | Combustion device, gas turbine and power generation device |
| US10006330B2 (en) * | 2014-10-28 | 2018-06-26 | General Electric Company | System and method for emissions control in gas turbine systems |
| JP6520309B2 (en) * | 2015-03-31 | 2019-05-29 | 株式会社Ihi | Combustion device, gas turbine and power generation device |
| US10054314B2 (en) * | 2015-12-17 | 2018-08-21 | General Electric Company | Slotted injector for axial fuel staging |
| JP6805924B2 (en) * | 2017-03-27 | 2020-12-23 | 株式会社Ihi | Combustion equipment and gas turbine engine system |
-
2017
- 2017-07-03 JP JP2017130452A patent/JP6906381B2/en active Active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US12553394B2 (en) | 2022-03-25 | 2026-02-17 | Ihi Corporation | Gas turbine combustor having a first combustion zone receiving multiple fuels and a second combustion zone receiving a fuel not containing nitrogen atoms |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2019015179A (en) | 2019-01-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6906381B2 (en) | Combustion equipment and gas turbine | |
| Evulet et al. | On the performance and operability of GE’s dry low NOx combustors utilizing exhaust gas recirculation for postcombustion carbon capture | |
| JP6275483B2 (en) | System and method for controlling fuel combustion | |
| JP6220586B2 (en) | Gas turbine equipment | |
| JP5314938B2 (en) | Power generation system and method with exhaust gas recirculation | |
| JP6169840B2 (en) | Method for separating CO2 from N2 and O2 in a turbine engine system | |
| EP2959128B1 (en) | Gas turbine with fuel composition control | |
| CN104350008B (en) | Process method for reducing nitrogen oxide tail gas concentration of nitric acid plant during shutdown and/or start-up and nitric acid plant suitable for the method | |
| JP2009276053A (en) | Dry type three-way catalytic reduction method for gas turbine nox | |
| JP6153163B2 (en) | Reheat type ammonia gas turbine | |
| US11174770B2 (en) | Power generating systems and methods for reducing startup NOx emissions in fossile fueled power generation system | |
| JP5215185B2 (en) | Method for producing synthesis gas using oxygen-containing gas produced by at least one gas turbine | |
| CN107223193A (en) | Waste gas system for generating equipment | |
| CN102537915A (en) | Apparatus for reducing emissions and method of assembly | |
| CN101541412B (en) | Natural Gas Production with Electric Power Cogeneration Using Pneumatic Lasers | |
| US11041422B2 (en) | Systems and methods for warming a catalyst in a combined cycle system | |
| JP6357701B1 (en) | Combustion state judgment system | |
| US12263442B2 (en) | Systems and methods for carbon capture | |
| US8869502B2 (en) | Fuel reformer system for a turbomachine system | |
| US20120204573A1 (en) | System and method for producing a hydrogen enriched fuel | |
| CN116839025A (en) | Staged ammonia fuel combustion device and combustion method | |
| KR102585185B1 (en) | Thermal power plant denitrification facility urea vaporizer clogging early detection system | |
| KR20220086288A (en) | Combined cycle power plant for reducing air pollutants and Method of reducing air pollutants in combined cycle power plant | |
| JPH0392510A (en) | Power plant | |
| WO2025037354A2 (en) | A power producing apparatus comprising a system for reducing nitrogen oxides in the flue gas and a method for reducing nitrogen oxides in the flue gas of a power producing apparatus |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20171201 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20171201 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20200203 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20200930 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20201020 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20201203 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20210406 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20210510 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20210601 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20210629 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6906381 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |