特開 2023-80576 燃焼装置及び燃焼方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023080576

(43)【公開日】2023-06-09

(54)【発明の名称】燃焼装置及び燃焼方法

(51)【国際特許分類】

   F02C 3/20 20060101AFI20230602BHJP

   F02C 3/30 20060101ALI20230602BHJP

   F23R 3/30 20060101ALI20230602BHJP

   F23R 3/36 20060101ALI20230602BHJP

   F23R 3/34 20060101ALI20230602BHJP

   F23R 3/28 20060101ALI20230602BHJP

   F02C 7/22 20060101ALI20230602BHJP

【ＦＩ】

F02C3/20

F02C3/30 Z

F23R3/30

F23R3/36

F23R3/34

F23R3/28 D

F02C7/22 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021194000

(22)【出願日】2021-11-30

(71)【出願人】

【識別番号】000003687

【氏名又は名称】東京電力ホールディングス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100175824

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100140774

【弁理士】

【氏名又は名称】大浪 一徳

(74)【代理人】

【識別番号】100179833

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 将尚

(74)【代理人】

【識別番号】100114937

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 裕幸

(72)【発明者】

【氏名】梅沢 修一

(57)【要約】

【課題】アンモニアを燃料とし燃焼温度を高めて効率を向上すると共に、排出される窒素酸化物を低減することができる燃焼装置及び燃焼方法を提供する。
【解決手段】空気を吸入して圧縮し第１圧縮空気を生成する圧縮機と、前記第１圧縮空気により燃料を燃焼し燃焼ガスを発生させる燃焼器と、前記燃焼ガスの圧力に基づいて回転動力を出力する出力用タービンと、前記燃焼器においてアンモニアを燃料として供給し、前記アンモニアと前記第１圧縮空気とを混合して燃焼させ第１燃焼ガスを発生させる第１供給部と、前記燃焼器において前記第１燃焼ガスに第２圧縮空気を供給して燃焼させ第２燃焼ガスを発生させる第２供給部と、前記燃焼器において前記第２燃焼ガスに追加燃料を供給し、前記第２燃焼ガスに前記追加燃料を追加して燃焼させ第３燃焼ガスを発生させる第３供給部と、を備える燃焼装置である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

空気を吸入して圧縮し第１圧縮空気を生成する圧縮機と、
前記第１圧縮空気と燃料との混合気を燃焼し燃焼ガスを発生させる燃焼器と、
前記燃焼ガスの圧力に基づいて回転動力を出力する出力用タービンと、
前記燃焼器においてアンモニアを燃料として供給し、前記アンモニアを前記第１圧縮空気により燃焼させ第１燃焼ガスを発生させる第１供給部と、
前記燃焼器において前記第１燃焼ガスに第２圧縮空気を供給して燃焼させ第２燃焼ガスを発生させる第２供給部と、
前記燃焼器において前記第２燃焼ガスに追加燃料を供給し、前記第２燃焼ガスに前記追加燃料を追加して燃焼させ第３燃焼ガスを発生させる第３供給部と、を備える、
燃焼装置。

【請求項2】

前記出力用タービンにおける前記第３燃焼ガスの温度が低下する所定位置において、前記第３燃焼ガスに還元剤を供給し前記第３燃焼ガスを脱硝した第４燃焼ガスを発生させる第４供給部を備える、
請求項１に記載の燃焼装置。

【請求項3】

前記第１供給部は、前記アンモニアをリッチ燃焼した前記第１燃焼ガスを発生させる、
請求項２に記載の燃焼装置。

【請求項4】

前記第２供給部は、前記第１燃焼ガスをリーン燃焼した前記第２燃焼ガスを発生させる、
請求項３に記載の燃焼装置。

【請求項5】

前記第３供給部は、前記第２燃焼ガスに前記追加燃料を供給して燃焼することにより、前記第２燃焼ガスの第１燃焼温度に比して高い第２燃焼温度とする前記第３燃焼ガスを発生させる、
請求項２から４のうちいずれか１項に記載の燃焼装置。

【請求項6】

前記出力用タービンに冷却空気を供給する冷却流路と、を備え、
前記第４供給部は、前記冷却流路に前記還元剤を供給し、前記冷却空気と前記還元剤とを混合させた混合気を生成させ、前記冷却流路を介して前記出力用タービンに前記混合気を供給させる、
請求項２から５のうちいずれか１項に記載の燃焼装置。

【請求項7】

前記追加燃料は、前記アンモニア、水素、ＬＮＧのうち少なくとも１つを含み、
前記還元剤は、液体の状態で供給される前記アンモニアである、
請求項２から６のうちいずれか１項に記載の燃焼装置。

【請求項8】

アンモニアを燃料とするガスタービンにより構成された燃焼装置における燃焼方法であって、
圧縮機において空気を吸入して圧縮し第１圧縮空気を生成する工程と、
燃焼器においてアンモニアを燃料として供給し、前記アンモニアを前記第１圧縮空気により燃焼させ第１燃焼ガスを発生させる工程と、
前記燃焼器において前記第１燃焼ガスに第２圧縮空気を供給し第２燃焼ガスを発生させる工程と、
前記燃焼器において前記第２燃焼ガスに追加燃料を供給し前記追加燃料を燃焼させた第３燃焼ガスを発生させる工程と、
前記第３燃焼ガスを出力用タービンに供給し、前記第３燃焼ガスの圧力に基づいて前記出力用タービンに回転動力を出力させる工程と、を備える、
燃焼方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アンモニアを燃料とする燃焼装置及び燃焼方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、火力発電所から排出される二酸化炭素を低減するために、アンモニアを燃料とする燃焼装置が注目されている。ガスタービンを有する燃焼装置にアンモニアを燃料として燃焼させた場合、燃焼温度の上昇に従って排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）が増加する。従来、排ガス中の窒素酸化物を低減する場合、大掛かりな排気脱硝装置が用いられていた。しかし、排気脱硝装置を用いる場合、装置が大型化し発電効率が低下する。

【0003】

例えば、特許文献１には、アンモニアを燃料とし、窒素酸化物の排出を低減するガスタービンが記載されている。特許文献１に記載されたガスタービンは、吸気を圧縮する圧縮機と、アンモニア燃料と圧縮空気との混合気を燃焼する燃焼器と、燃焼された燃焼ガスの圧力に基づいて回転動力を出力する出力用タービンと、燃焼ガスに対して還元剤を供給する供給装置とを備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－１５９２６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

燃焼温度を従来の１３００℃に比して高温の１６００℃に高め、プラント効率を高めるガスタービンを有する燃焼装置が研究されている。特許文献１には、具体的な燃料の噴霧方法及び燃焼温度を１６００℃とすることについて開示されていなかった。

【0006】

本発明は、アンモニアを燃料とし燃焼温度を高めて効率を向上すると共に、排出される窒素酸化物を低減することができる燃焼装置及び燃焼方法を提供すること目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様は、空気を吸入して圧縮し第１圧縮空気を生成する圧縮機と、前記第１圧縮空気と燃料との混合気を燃焼し燃焼ガスを発生させる燃焼器と、前記燃焼ガスの圧力に基づいて回転動力を出力する出力用タービンと、前記燃焼器においてアンモニアを燃料として供給し、前記アンモニアを前記第１圧縮空気により燃焼させ第１燃焼ガスを発生させる第１供給部と、前記燃焼器において前記第１燃焼ガスに第２圧縮空気を供給して燃焼させ第２燃焼ガスを発生させる第２供給部と、前記燃焼器において前記第２燃焼ガスに追加燃料を供給し、前記第２燃焼ガスに前記追加燃料を追加して燃焼させ第３燃焼ガスを発生させる第３供給部と、を備える燃焼装置である。

【0008】

本発明によれば、燃焼器においてアンモニアを燃焼した第１燃焼ガスに圧縮空気を供給して第２燃焼ガスを発生させることで、窒素酸化物を低減することができる。本発明によれば、第２燃焼ガスに追加燃料を供給して燃焼させ第３燃焼ガスを発生させることにより、窒素酸化物を第２燃焼ガスに比して低減することができる。

【0009】

また、本発明は、前記出力用タービンにおける前記第３燃焼ガスの温度が低下する所定位置において、前記第３燃焼ガスに還元剤を供給し前記第３燃焼ガスを脱硝した第４燃焼ガスを発生させ前記出力用タービンに供給する第４供給部を備えていてもよい。

【0010】

本発明によれば、第３燃焼ガスに還元剤を供給することにより、第３燃焼ガスを脱硝することができ、第３燃焼ガスに比して窒素酸化物が低減された第４燃焼ガスを生成することができる。

【0011】

また、本発明の前記第１供給部は、前記アンモニアをリッチ燃焼した前記第１燃焼ガスを発生させてもよい。

【0012】

本発明によれば、アンモニアをリッチ燃焼することで、生成される第１燃焼ガスの窒素酸化物を完全燃焼時に比して低減することができる。

【0013】

また、本発明の前記第２供給部は、前記第１燃焼ガスをリーン燃焼した前記第２燃焼ガスを発生させてもよい。

【0014】

本発明によれば、第１燃焼ガスをリーン燃焼することで、生成される第２燃焼ガスの窒素酸化物を完全燃焼時に比して低減することができる。

【0015】

また、本発明の前記第３供給部は、前記第２燃焼ガスに前記追加燃料を供給して燃焼することにより、前記第２燃焼ガスの第１燃焼温度に比して高い第２燃焼温度とする前記第３燃焼ガスを発生させてもよい。

【0016】

本発明によれば、第２燃焼ガスに追加燃料を供給して燃焼させることにより、燃焼装置が適用されたコンバインドサイクル発電システムの熱効率を向上すると共に、窒素酸化物を低減することができる。

【0017】

また、本発明は、前記出力用タービンに冷却空気を供給する冷却流路を備え、前記第４供給部は、前記冷却流路に前記還元剤を供給し、前記冷却空気と前記還元剤とを混合させた混合気を生成させ、前記冷却流路を介して前記出力用タービンに前記混合気を供給させてもよい。

【0018】

本発明によれば、冷却用に設けられた冷却流路を用いて還元剤を供給することで、既存の燃焼装置を用いた設計を可能とすると共に、高温の第３燃焼ガスに還元剤を供給することで霧化装置を設けることなく還元剤を霧化させることができる。

【0019】

また、本発明の前記追加燃料は、前記アンモニア、水素、ＬＮＧのうち少なくとも１つを含み、前記還元剤は、液体の状態で供給される前記アンモニアであってもよい。

【0020】

本発明によれば、還元剤に燃料と同じアンモニアを用いることにより、装置構成を簡略化することができる。また、本発明によれば、追加燃料にアンモニアの他に水素やＬＮＧを用いることにより、燃料、アンモニアの供給状態に応じた運転を行うことができる。

【0021】

本発明の一態様は、アンモニアを燃料とするガスタービンにより構成された燃焼装置における燃焼方法であって、圧縮機において空気を吸入して圧縮し第１圧縮空気を生成する工程と、燃焼器においてアンモニアを燃料として供給し、前記アンモニアと前記第１圧縮空気とを混合した混合気を燃焼させ第１燃焼ガスを発生させる工程と、前記燃焼器において前記第１燃焼ガスに第２圧縮空気を供給し第２燃焼ガスを発生させる工程と、前記燃焼器において前記第２燃焼ガスに追加燃料を供給し前記追加燃料を燃焼させた第３燃焼ガスを発生させる工程と、前記第３燃焼ガスを出力用タービンに供給し、前記第３燃焼ガスの圧力に基づいて前記出力用タービンに回転動力を出力させる工程と、を備える燃焼方法である。

【0022】

本発明によれば、燃焼器においてアンモニアを燃焼した第１燃焼ガスに圧縮空気を供給して第２燃焼ガスを発生させることで、窒素酸化物を低減することができる。本発明によれば、第２燃焼ガスに追加燃料を供給して燃焼させ第３燃焼ガスを発生させることにより、窒素酸化物を第２燃焼ガスに比して低減することができる。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、アンモニアを燃料とし燃焼温度を高めて効率を向上すると共に、排出される窒素酸化物を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】燃焼装置の構成を概略的に示す図である。

【図2】当量比と窒素酸化物の濃度及び燃焼温度との関係を示す図である。

【図3】燃焼装置を用いたコンバインドサイクル発電システムの構成を示す図である。

【図4】第１燃焼温度と第２燃焼温度とを示す図である。

【図5】燃焼器における燃料の燃焼工程を示す図である。

【図6】燃焼方法の各工程を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態に係る燃焼装置及び燃焼方法について説明する。燃焼装置は、アンモニアを燃料として燃焼しガスタービンを回転させ、発電を行うものである。

【0026】

図１に示されるように、燃焼装置１は、流路Ｒの上流側に設けられた圧縮機２と、流路Ｒの途中に設けられた燃焼器３と、流路Ｒの下流側に設けられた出力用タービン４とを備えるガスタービンである。圧縮機２と出力用タービン４とは、シャフト５により連結されている。シャフト５は、回転自在に設置対象に支持されている。圧縮機２と出力用タービン４とは、シャフト５を介して連動して回転する。シャフト５には、発電機２０が接続されている。

【0027】

圧縮機２は、流路Ｒに設けられた空気吸入口Ｒ１から空気を吸入して所定圧まで圧縮し第１圧縮空気Ａ１を生成する。圧縮機２は、例えば、シャフト５の中心軸Ｌ回りに回転する回転翼２Ａの回転に基づいて空気吸入口Ｒ１から吸入した空気を圧縮流路Ｒ２において遠心力に基づいて圧縮し、第１圧縮空気Ａ１を下流側に設けられた燃焼器３に供給する。回転翼２Ａには、気流を発生させる複数のブレード（動翼２Ａ１）を有するブレード群が周方向に沿って設けられている。ブレード群は、中心軸Ｌ方向に沿って多段に設けられている。圧縮流路Ｒ２側において、各ブレード群の間にそれぞれ複数のブレード（静翼２Ａ２）を有する固定ブレード群が設けられている。

【0028】

燃焼器３は、圧縮機２と出力用タービン４との間を連結する連結部ＲＡの途中に設けられている。燃焼器３は、燃料に第１圧縮空気Ａ１を供給し火炎を拡散させて燃焼する拡散燃焼により燃焼ガスを発生させる。燃焼器３は、燃料を液体の状態で供給し拡散燃焼させてもよいし、燃料を気化させた状態で供給し拡散燃焼させてもよい。燃焼器３は、燃料と空気を予め混合した混合気を供給し予混合燃焼させてもよい。燃焼器３は、例えば、円筒状のチャンバー空間が形成された燃焼流路Ｒ３において燃料と第１圧縮空気Ａ１との混合気を拡散燃焼し燃焼ガスを発生させる。燃焼流路Ｒ３の上流側には、第１圧縮空気Ａ１が流入する。燃焼流路Ｒ３の上流側には、例えば、燃料を噴射する第１供給口３Ａが設けられている。第１供給口３Ａには、燃焼器３においてアンモニアを燃料として供給する第１供給部１０が第１燃料供給路１０Ａを介して接続されている。

【0029】

第１供給部１０は、燃焼流路Ｒ３の上流側においてアンモニアを第１圧縮空気Ａ１により燃焼させ、第１燃焼ガスを発生させる。第１供給部１０は、第１供給口３Ａから液体のアンモニアを霧状にして噴射する。第１供給部１０は、燃焼流路Ｒ３内にアンモニアガスのスワール流を発生させアンモニアを急速燃焼させる。第１供給部１０は、後述のようにアンモニアをリッチ燃焼させるため、当量比１に比して多い当量比となる供給量によりアンモニアを供給し、窒素酸化物ＮＯｘが低減された第１燃焼ガスＢ１を発生させる。第１供給部１０は、第１燃焼ガスが不完全燃焼のガスとなるようにアンモニアを過剰に供給する。

【0030】

燃焼流路Ｒ３において第１供給口３Ａの下流側には、空気を噴射する第２供給口３Ｂが設けられている。第２供給口３Ｂには、空気を圧縮した第２圧縮空気Ａ２を供給する第２供給部１１が第１空気供給路１１Ａを介して接続されている。第２供給部１１は、例えば、第２供給口３Ｂから第２圧縮空気Ａ２を燃焼流路Ｒ３内に供給する。

【0031】

第２供給部１１は、燃焼流路Ｒ３において第１燃焼ガスＢ１に第２圧縮空気Ａ２を供給し、第２燃焼ガスＢ２を発生させる。第２供給部１１は、第１燃焼ガスＢ１の温度及び流量に基づいて第２圧縮空気Ａ２の供給量を調整する。第２供給部１１は、後述のように第１燃焼ガスＢ１をリーン燃焼し、窒素酸化物ＮＯｘが低減された第２燃焼ガスＢ２を発生させる。第２供給部１１は、第２燃焼ガスＢ２を第１燃焼温度（例えば、１３００℃程度）で燃焼させる。第２供給部１１は、別体に設けられた圧縮機により燃焼流路Ｒ３に第２圧縮空気Ａ２を供給するものであってもよいし、連結部ＲＡの途中から第１圧縮空気Ａ１を用いて圧力及び流量を調整した第２圧縮空気Ａ２を生成し、燃焼流路Ｒ３に第２圧縮空気Ａ２を供給するものであってもよい。燃焼流路Ｒ３において第２供給口３Ｂの下流側には、燃料を噴射する第３供給口３Ｃが設けられている。第３供給口３Ｃには、燃焼器３においてアンモニアを追加燃料として供給する第３供給部１２が第２燃料供給路１２Ａを介して接続されている。

【0032】

第３供給部１２は、燃焼流路Ｒ３の途中において第２燃焼ガスＢ２に追加燃料Ｋ１を追加して供給する。追加燃料Ｋ１は、例えば、液体の状態のアンモニアである。追加燃料Ｋ１は、アンモニアと空気が予混合された燃料を含むガスであってもよい。第３供給部１２は、燃焼流路Ｒ３において第２燃焼ガスＢ２にアンモニアを追加して燃焼させた第３燃焼ガスＢ３を発生させる。第３供給部１２は、第２燃焼ガスＢ２にアンモニアを供給して燃焼することにより、第２燃焼ガスＢ２の第１燃焼温度に比して高い第２燃焼温度（例えば、１６００℃程度）とすることができる。

【0033】

これにより、アンモニア燃焼を適用可能なガスタービンエンジンの種類が拡大する。例えば、１３００℃級のＬＮＧ・ＧＴＣＣの燃焼効率は４９％であるのに対し、１６００℃級のＬＮＧ・ＧＴＣＣの燃焼効率は５５％である。燃焼効率の向上に伴い、燃料費を１０％程度低減可能となる。第３供給部１２は、追加燃料Ｋ１としてアンモニアの他、水素、ＬＮＧのうち少なくとも１つを供給してもよい。

【0034】

燃焼装置１によれば、追加燃料Ｋ１に燃料と同じアンモニアを用いることにより、装置構成を簡略化することができる。また、燃焼装置１によれば、アンモニアの他に水素やＬＮＧを用いることにより、燃料、追加燃料Ｋ１の供給状態に応じた運転を行うことができる。燃焼流路Ｒ３の下流側には、第３燃焼ガスＢ３が流通する排気流路Ｒ４が設けられている。排気流路Ｒ４内には、出力用タービン４が設けられている。

【0035】

出力用タービン４は、燃焼ガスの圧力に基づいて回転動力を出力する。出力用タービン４は、例えば、第３燃焼ガスが排気流路Ｒ４を通過する際の運動エネルギーに基づいてシャフト５の中心軸Ｌ回りに回転自在な回転翼４Ａを回転させる。出力用タービン４は、例えば、回転翼４Ａの回転に基づいてシャフト５を介して回転動力を出力する。シャフト５には、例えば、発電機２０が接続されている。シャフト５に伝達された回転動力は、発電機２０に入力され、電力を生成させる。

【0036】

回転翼４Ａには、気流を回転動力に変換させる複数のブレード（動翼４Ａ１）を有するブレード群が周方向に沿って設けられている。ブレード群は、中心軸Ｌ方向に沿って多段に設けられている。排気流路Ｒ４側において、各ブレード群の間にそれぞれ複数のブレード（静翼４Ａ２）を有する固定ブレード群が設けられている。

【0037】

静翼４Ａ２には、出力用タービン４を冷却するための圧縮空気ＡＣを供給する冷却流路３０が接続されている。冷却流路３０は、圧縮機２の中間段における任意の圧縮機段数から抽気された圧縮空気を出力用タービン４に供給するように構成されている。圧縮空気ＡＣは、例えば、圧縮機２の回転翼２Ａに設けられた静翼２Ａ２における所定段数の位置から抽気された圧縮空気である。冷却流路３０の上流側は、例えば、低圧の圧縮空気を抽気する場合、圧縮機２の上流側から数えて低い所定段数の低圧側の静翼２Ａ２に接続されている。この場合、冷却流路３０の下流側は、例えば、出力用タービン４の上流側から数えて高い所定段数の低圧側の静翼４Ａ２に接続されている。

【0038】

冷却流路３０の上流側は、例えば、高圧の圧縮空気を抽気する場合、圧縮機２の上流側から数えて高い所定段数の高圧側の静翼２Ａ２に接続されている。この場合、冷却流路３０の下流側は、例えば、出力用タービン４の上流側から数えて低い所定段数の高圧側の静翼４Ａ２に接続されている。冷却流路３０の下流側は、排気流路Ｒ４の上流側、即ち、出力用タービン４の上流側から第３燃焼ガスＢ３の温度が低下する所定位置に接続されている。出力用タービン４の静翼４Ａ２には、冷却流路３０の下流側に設けられた圧縮空気ＡＣの供給口３０Ａが接続されている。供給口３０Ａは、出力用タービン４の動翼４Ａ１に設けられていてもよい。この場合、冷却流路３０は、出力用タービン４の回転翼４Ａ及び圧縮機２の回転翼２Ａの内部に配置されていてもよい。

【0039】

冷却流路３０の途中には、排気流路Ｒ４において還元剤Ｋ２を供給する第４供給部１３が還元剤供給路１３Ａを介して接続されている。冷却流路３０と還元剤供給路１３Ａとの接続部には、還元剤Ｋ２を噴射する第４供給口４Ｂが設けられている。還元剤Ｋ２は、例えば、第４供給口４Ｂから液体の状態において冷却流路３０に供給される。還元剤Ｋ２は、冷却流路３０の途中において霧化し、圧縮空気と混合した混合気ＭＡとなって１段目の動翼４Ａ１より下流側の所定位置において供給口３０Ａから噴射される。

【0040】

第４供給部１３は、還元剤供給路１３Ａ及び冷却流路３０を介して供給口３０Ａから燃焼流路Ｒ３内を流通する第３燃焼ガスＢ３に還元剤Ｋ２を供給し、後述のように第３燃焼ガスＢ３を脱硝した第４燃焼ガスＢ４を発生させる。第４供給部１３は、例えば、還元剤Ｋ２としてアンモニアを供給する。

【0041】

燃焼装置１によれば、還元剤Ｋ２に燃料と同じアンモニアを用いることにより、装置構成を簡略化することができる。また、燃焼装置１によれば、アンモニアの他に水素やＬＮＧを用いることにより、燃料、還元剤Ｋ２の供給状態に応じた運転を行うことができる。第４供給部１３は、例えば、第３燃焼ガスＢ３内の窒素酸化物の濃度がＮＯｘセンサ（不図示）により検出された場合、検出結果に基づいて還元剤Ｋ２の供給量を調整する。

【0042】

冷却流路３０には、排気流路Ｒ４において空気を圧縮した第３圧縮空気を供給する第５供給部１４が第２空気供給路１４Ａを介して接続されていてもよい。第５供給部１４は、冷却流路３０とは別体に設けられ、冷却用の第３圧縮空気を供給するように構成されている。冷却流路３０と第２空気供給路１４Ａとは、第５供給口４Ｃを介して接続されている。第５供給口４Ｃは、第２空気供給路１４Ａを流通する第３圧縮空気を冷却流路３０内に噴射する。

【0043】

第５供給部１４は、第２空気供給路１４Ａ及び冷却流路３０を介して出力用タービン４に冷却用の第３圧縮空気Ａ３を供給し、出力用タービン４を冷却する。第３圧縮空気Ａ３を供給する。第２空気供給路１４Ａには、第４供給部１３の還元剤供給路１３Ａが接続されていてもよい。第５供給部１４は、必要に応じて設けられるものであり、無くてもよい。また、冷却流路３０は、第５供給部１４から供給される第３圧縮空気Ａ３のみ流通するものであってもよい。

【0044】

第４供給部１３は、第２空気供給路１４Ａを介して冷却流路３０内に液体の状態の還元剤Ｋ２（アンモニア）を供給する。これにより、既存の燃焼装置に設けられた冷却流路３０内にアンモニアを供給するように変更することで、既存の燃焼装置を用いた設計が可能である。

【0045】

冷却流路３０には、圧縮機２から抽気された圧縮空気及び第５供給部１４から供給された第３圧縮空気が高い流速において流通している。そのため、冷却流路３０に第４供給部１３からアンモニアを液体の状態で供給した場合でも、冷却流路３０内においてアンモニアがすぐに気化する。従って、第４供給部１３には、アンモニアを霧化する霧化装置を設ける必要が無い。第４供給部１３は、第３圧縮空気Ａ３及び／又は圧縮空気を含む冷却空気の圧力までアンモニアを加圧して排気流路Ｒ４に供給すればよく、構成が簡略化されると共に、燃焼装置１を稼働させるための電力を低減することができる。このとき、アンモニアの気化熱により、出力用タービン４を冷却することもできる。

【0046】

第４燃焼ガスＢ４は、排気流路Ｒ４を流通する際に出力用タービン４を回転させる。出力用タービン４は、シャフト５を介して回転動力を出力し、発電機２０を駆動する。第４燃焼ガスＢ４は、排気流路Ｒ４の下流側に設けられた排気口Ｒ５から排出される。

【0047】

次に、燃焼装置１におけるアンモニアを燃料とする燃焼方法の原理について説明する。

【0048】

図２に示されるように、アンモニアを燃焼した場合の窒素酸化物の排出量は、燃焼時の酸素量に基づいて変動する。アンモニアと空気との理論混合比においてアンモニアは完全燃焼する。図示するように、アンモニアを燃焼した場合、当量比が１の時、燃焼温度が最も高くなると共に、窒素酸化物の量が増加することが知られている。当量比とは、完全燃焼時の燃料と空気との理論混合比を基準とした燃料比率である。当量比が１に比して低い状態で燃料を燃焼させることをリーン燃焼と呼ぶ。当量比が１に比して高い状態で燃料を燃焼させることをリッチ燃焼と呼ぶ。

【0049】

図示するように、燃料をリーン燃焼した場合、或いはリッチ燃焼させた場合において、当量比が１において燃料を燃焼させた場合に比して窒素酸化物が低減する。従来、窒素酸化物を低減する燃料の燃焼方法として、理論混合比の燃料供給量に比して多くの燃料を供給する状態でリッチ燃焼させた後、空気を急速に混合してリーン燃焼させるリッチ・リーン（２段）燃焼が知られている。アンモニアを燃料として燃焼する場合、２段燃焼を行っても１３００～１４００℃の温度領域が窒素酸化物を抑制する限界であるとも言われている。

【0050】

図３に示されるように、燃焼装置１は、下流側に第３燃焼ガスＢ３の廃熱を利用した廃熱回収システム５０を設け、コンバインドサイクル発電システム１００を構成することができる。廃熱回収システム５０は、例えば、第３燃焼ガスＢ３が供給されるボイラ５１と、ボイラ５１により生成される蒸気Ｓに駆動される蒸気タービン６０とを備える。ボイラ５１は、第３燃焼ガスＢ３の廃熱を利用し、内部に設けられた配管５２内の水を沸騰させ、蒸気Ｓを生成する。配管５２内において生成された蒸気Ｓは、蒸気配管５３を介して蒸気タービン６０の蒸気流路６０Ｒの上流側に供給される。蒸気Ｓは、蒸気流路６０Ｒを通過する際に、蒸気タービン６０を回転させる。

【0051】

蒸気タービン６０は、回転動力を出力し、回転に連動して廃熱回収用発電機６５を駆動する。廃熱回収用発電機６５は、発電機２０であってもよい。蒸気流路６０Ｒを通過した蒸気Ｓは、蒸気排気管６６を介して蒸気流路６０Ｒの下流側から排出される。排出された蒸気Ｓは、復水器６７において冷却され、水に戻される。復水器６７において生成された水は、送水管６８を介してボイラ５１に供給される。

【0052】

コンバインドサイクル発電システム１００によれば、第３燃焼ガスの廃熱を回収するため、燃焼装置１単体による発電効率に比して高い熱効率により発電することができる。コンバインドサイクル発電システム１００の熱効率は、１３００℃程度で稼働させた場合、４９％程度であるのに比して、１６００℃程度で稼働させた場合、５５％程度に向上する。

【0053】

図４に示されるように、アンモニアを燃焼した場合の燃焼温度は、１３００℃程度である。アンモニアを燃焼した後、追加燃料を追加して燃焼した場合の燃焼温度は、１６００℃程度である。追加燃料として水素又はＬＮＧを用いた場合にも同様に、燃焼ガスの燃焼温度を高めることができる。

【0054】

図５に示されるように、燃焼装置１に設けられた燃焼器３は、第１圧縮空気Ａ１と第１供給口３Ａから供給したアンモニアＦとを混合して１回目の燃焼により第１燃焼ガスＢ１を発生させる。第１燃焼ガスＢ１は、例えば、当量比を１．４から１．８の範囲としたリッチ燃焼により生成される。第１燃焼ガスＢ１は、リッチ燃焼により窒素酸化物が完全燃焼時に比して低減されている（図２参照）。燃焼器３は、第１燃焼ガスＢ１と第２供給口３Ｂから供給した第２圧縮空気Ａ２と急速に混合して２回目の燃焼により、第２燃焼ガスＢ２を発生させる。

【0055】

第２燃焼ガスＢ２は、例えば、当量比を０．２から０．５の範囲としたリーン燃焼により生成される。第２燃焼ガスＢ２は、リーン燃焼により窒素酸化物が完全燃焼時に比して低減されている（図２参照）。このとき、第２燃焼ガスＢ２の第１燃焼温度は、１３００℃程度である。その後、燃焼器３は、第２燃焼ガスＢ２と第３供給口３Ｃから供給した追加燃料Ｋ１とを混合して３回目の燃焼により第３燃焼ガスＢ３を発生させる。第３燃焼ガスＢ３は、追加燃料Ｋ１が燃焼することにより、第２燃焼ガスＢ２の第１燃焼温度に比して高い第２燃焼温度において燃焼する。第２燃焼温度は、コンバインドサイクル発電システム１００の熱効率を向上可能な１６００℃程度である。

【0056】

第３燃焼ガスＢ３に含まれる窒素酸化物の濃度が基準以上である場合、燃焼装置１は、排気流路Ｒ４の途中の所定位置に設けられた第４供給口４Ｂから供給した還元剤Ｋ２により生成された混合気ＭＡと第３燃焼ガスＢ３とを混合して出力用タービン４における燃焼により第４燃焼ガスＢ４を発生させる。第４供給口４Ｂは、例えば、圧縮機２の所定段数から抽気された圧縮空気ＡＣが流通する冷却流路３０に接続されている。冷却流路３０は、低圧の圧縮空気ＡＣ又は高圧の圧縮空気ＡＣを出力用タービン４に供給する。

【0057】

第４供給口４Ｂの出口は、上流側に向かって還元剤Ｋ２を吐出するノズル４Ｂ１が設けられている。ノズル４Ｂ１からは、液体の還元剤Ｋ２が供給される。ノズル４Ｂ１から噴射された還元剤Ｋ２は、冷却流路３０内を流通する圧縮空気ＡＣにより冷却流路の途中で霧化する。静翼４Ａ２に設けられた圧縮空気ＡＣの供給口３０Ａからは、霧化された還元剤Ｋ２と圧縮空気ＡＣとの混合気ＭＡがタービン内に供給される。

【0058】

圧縮空気ＡＣは、還元剤Ｋ２の気化熱により温度が低下し、冷却効果を高めることができる。還元剤Ｋ２は、液体の状態で供給されるため、空気と予混合された還元剤Ｋ２を供給する場合に比して第４供給部１３の供給過程における電力を低減することができる。

【0059】

第４供給口４Ｂは、第５供給口４Ｃが接続された第２空気供給路１４Ａの途中に接続されていてもよい。この場合、ノズル４Ｂ１は、第２空気供給路１４Ａの上流側に向かって還元剤Ｋ２を吐出するように設けられる。ノズル４Ｂ１から噴射された還元剤Ｋ２は、第２空気供給路１４Ａ内を流通する第３圧縮空気Ａ３により第２空気供給路１４Ａの途中で霧化し、混合気となる。混合気は、冷却流路３０に供給され、圧縮空気ＡＣと合流し、供給口３０Ａから出力用タービン４内に供給される。

【0060】

第５供給部１４は、設けられていない場合もある。また、第５供給部１４から供給される第３圧縮空気Ａ３のみ流通する場合もある。従って、還元剤Ｋ２は、第４供給部１３により冷却流路３０に供給され、冷却用に抽気された圧縮空気ＡＣ及び／又は第５供給部１４により供給される第３圧縮空気Ａ３を含む冷却空気と混合されて混合気となり、冷却流路３０を介して出力用タービン４に供給される。即ち、還元剤Ｋ２は、抽気された圧縮空気、抽気された圧縮空気及び第３圧縮空気Ａ３、第３圧縮空気Ａ３のいずれかと混合されて混合気ＭＡとなる。出力用タービン４に供給された混合気ＭＡは、第３燃焼ガスＢ３と混合して出力用タービン４において燃焼し、第４燃焼ガスＢ４を発生させる。

【0061】

式（１）に示されるように、第３燃焼ガスＢ３にアンモニアを還元剤Ｋ２として供給し、第４燃焼ガスＢ４を発生させることにより、脱硝効果を奏することができる。
2NO₂+4NH₃+O₂→3N₂+6H₂O （１）
第４燃焼ガスＢ４は、還元剤Ｋ２が燃焼することにより、第３燃焼ガスＢ３に比して窒素酸化物が低減される（式（１））。燃焼装置１は、還元剤Ｋ２が燃焼することにより、第３燃焼ガスＢ３に対する脱硝効果を奏することができる。

【0062】

次に、燃焼装置１において実行される燃焼方法の各工程について説明する。

【0063】

図６に示されるように、燃焼装置１において実行される燃焼方法は、以下の各工程を備える。圧縮機２において空気を吸入して圧縮し第１圧縮空気Ａ１を生成する（ステップＳ１００）。燃焼器においてアンモニアＦを燃料として供給し、アンモニアＦを第１圧縮空気Ａ１により燃焼させ第１燃焼ガスＢ１を発生させる（ステップＳ１０２）。このとき、第１燃焼ガスＢ１は、リッチ燃焼により生成され、完全燃焼時に比して窒素酸化物を低減することができる。第１燃焼ガスＢ１は、不完全燃焼のガスである場合も含む。燃焼器３において第１燃焼ガスＢ１に第２圧縮空気Ａ２を供給し第２燃焼ガスＢ２を発生させる（ステップＳ１０４）。このとき、第２燃焼ガスはリーン燃焼により生成され、完全燃焼時に比して窒素酸化物を低減することができる。

【0064】

燃焼器３において第２燃焼ガスＢ２に追加燃料Ｋ１を供給し追加燃料Ｋ１を燃焼させた第３燃焼ガスＢ３を発生させる（ステップＳ１０６）。このとき、第２燃焼ガスが追加燃料Ｋ１により追い炊きされて第３燃焼ガスが生成され、燃焼温度を第１燃焼温度に比して高い第２燃焼温度に向上することができる。追加燃料Ｋ１は、液体のアンモニアであってもよいし、アンモニアと空気が予混合されたガスであってもよい。第３燃焼ガスＢ３を出力用タービン４に供給し、第３燃焼ガスＢ３の圧力に基づいて出力用タービン４に回転動力を出力させる（ステップＳ１０８）。出力用タービン４の所定位置において、第３燃焼ガスＢ３に還元剤Ｋ２を供給し、脱硝した第４燃焼ガスＢ４を発生させる（ステップＳ１１０）。

【0065】

上述したように燃焼装置１によれば、燃料であるアンモニアＦをリッチ燃焼及びリーン燃焼することにより窒素酸化物を低減することができる。燃焼装置１によれば、アンモニアをリッチ燃焼及びリーン燃焼した後に、追加燃料Ｋ１を燃焼し第３燃焼ガスＢ３を発生させることにより、燃焼温度を高めてコンバインドサイクル発電システム１００を構成した際の熱効率を向上することができる。燃焼装置１によれば、アンモニアをリッチ燃焼及びリーン燃焼し、第３燃焼ガスＢ３を発生させた際、窒素酸化物の濃度が基準以上である場合、還元剤Ｋ２を供給して燃焼することにより、窒素酸化物を低減することができる。

【0066】

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同様に、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ものである。例えば、燃焼装置１は、燃焼器３に蒸気を噴射して更に脱硝効果を向上させてもよい。

【符号の説明】

【0067】

１ 燃焼装置
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ 出力用タービン
１０ 第１供給部
１１ 第２供給部
１２ 第３供給部
１３ 第４供給部
１４ 第５供給部
３０ 冷却流路
Ａ１ 第１圧縮空気
Ａ２ 第２圧縮空気
Ａ３ 第３圧縮空気
ＡＣ 圧縮空気
Ｂ１ 第１燃焼ガス
Ｂ２ 第２燃焼ガス
Ｂ３ 第３燃焼ガス
Ｂ４ 第４燃焼ガス
Ｆ アンモニア
Ｋ１ 追加燃料
Ｋ２ 還元剤
ＭＡ 混合気
Ｒ 流路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】