JP2025032495A - ダクトバーナ、ガスタービンシステム、およびダクトバーナの燃焼方法 - Google Patents

Abstract

【課題】排ガスに含まれる窒素酸化物の量を低減できる。
【解決手段】ガスタービンから排出される排ガスが流通する排ガス流路に配置され、温度が５００度以下且つ酸素濃度が１４％以下の排ガスが流入するように構成されるダクトバーナは、排ガス流路に水素を含むガス燃料を噴出するノズルを備える。
【選択図】図２

Description

本開示は、ダクトバーナ、このダクトバーナを備えるガスタービンシステム、およびこのダクトバーナの燃焼方法に関する。

例えば、非特許文献１に開示されているように、ガスタービンと排熱回収ボイラとを備えたガスタービンコージェネレーションシステムにおいて、排熱回収ボイラでの熱回収量増大を図るため、ダクトバーナが排熱回収ボイラの上流側に設けられることがある。ダクトバーナは、ガスタービンから排出される排ガスに燃料を噴射し、この排ガスに含まれる酸素を利用して燃焼加熱を行う。

ＩＨＩ技報 ＶＯＬ．４９ Ｎｏ．２（２００９－６） Ｐ１０３－Ｐ１０７

排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の量は、可能な限り少ない方が望ましい。しかしながら、非特許文献１には、ダクトバーナによって排ガスに含まれるＮＯｘの量を低減する技術について開示も示唆もされていない。

本開示は、上述の課題に鑑みてなされたものであって、排ガスに含まれる窒素酸化物の量を低減可能なダクトバーナ、およびダクトバーナの燃焼方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本開示に係るダクトバーナは、ガスタービンから排出される排ガスが流通する排ガス流路に配置され、温度が５００度以下且つ酸素濃度が１４％以下の前記排ガスが流入するように構成されるダクトバーナであって、前記排ガス流路に水素を含むガス燃料を噴出するノズルを備える。

上記目的を達成するため、本開示に係るダクトバーナの燃焼方法は、ガスタービンから排出され、温度が５００度以下且つ酸素濃度が１４％以下である排ガスにガス燃料を噴出して火炎を形成するステップを備える。

本開示のダクトバーナおよびダクトバーナの燃焼方法によれば、排ガスに含まれる窒素酸化物の量を低減することができる。

幾つかの実施形態に係るダクトバーナを備えるガスタービンシステムの構成を概略的に示す図である。 第１実施形態に係るダクトバーナの構成を概略的に示す図である。 入口温度とＮＯｘ低減率との関係を示すグラフである。 排ガス循環ラインの変形例の構成を概略的に示す図である。 排ガス管の構成の一例を概略的に示す図である。 図５のＡ－Ａ線矢視方向における概略的な断面図である。 第２実施形態に係るダクトバーナの構成を概略的に示す図である。 第２実施形態に係るノズルの構成を概略的に示す図である。 入口温度とＮＯｘ低減率との関係を示すグラフである。 入口温度とＮＯｘ低減率との関係を示すグラフである。 ダクトバーナの燃焼方法のフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態によるダクトバーナ、およびダクトバーナの燃焼方法について、図面に基づいて説明する。かかる実施の形態は、本開示の一態様を示すものであり、この開示を限定するものではなく、本開示の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。

＜ガスタービン＞
図１は、幾つかの実施形態に係るダクトバーナ１を備えるガスタービンシステム１００の構成を概略的に示す図である。図１に示すように、ガスタービンシステム１００は、ガスタービン１１０と、ガスタービン１１０から排出される排ガスＧが流通する排ガス流路１２０と、排ガス流路１２０に配置される排熱回収ボイラ１３０と、幾つかの実施形態に係るダクトバーナ１と、を備える。

ガスタービン１１０は、圧縮機１１２と、燃焼器１１４と、タービン１１６と、を含む。圧縮機１１２は、外部から供給される空気Ａ１を圧縮し、圧縮空気Ａ２を生成する。燃焼器１１４は、圧縮機１１２によって生成された圧縮空気Ａ２に燃料Ａ３を噴射して燃焼させることで燃焼ガスＡ４を発生させる。燃料Ａ３は、特に限定されないが、水素ガスである。幾つかの実施形態では、燃料Ａ３は、例えばＬＰＧやＬＮＧのような炭化水素系ガスである。

タービン１１６は、燃焼器１１４が発生させた燃焼ガスＡ４の通過によって回転駆動し、燃焼ガスＡ４が有する熱エネルギを回転エネルギに変換する。タービン１１６は、回転軸１１３を介して圧縮機１１２と接続されており、回転エネルギを圧縮機１１２に伝達する。圧縮機１１２は、タービン１１６の回転エネルギを使って駆動する。図１に例示する形態では、ガスタービンシステム１００は、回転軸１１３に接続されている発電機１４０をさらに備える。発電機１４０は、タービン１１６の回転エネルギを使って電力を生成する。

排ガス流路１２０は、筒形状を有するダクト１２２の内壁面１２４によって画定されている（図２参照）。排熱回収ボイラ１３０は、排ガスＧが有する熱エネルギを使って給水を加熱して蒸気を生成する。排熱回収ボイラ１３０を通過した排ガスＧの供給先は、特に限定されないが、例えば、排ガスＧからＣＯ２を吸収液に吸収するＣＯ２吸収塔である。

ダクトバーナ１は、排熱回収ボイラ１３０よりも排ガス流路１２０の上流側に配置される。ダクトバーナ１は、温度が５００度以下且つ酸素濃度が１４％以下の排ガスＧが流入するように構成される。幾つかの実施形態では、ダクトバーナ１は、排ガスＧの温度や排ガスＧの酸素濃度を調整するための調整装置（後述する伝熱管１０、噴霧装置１２、および排ガス循環ライン１４）をさらに含んでいる。幾つかの実施形態では、ダクトバーナ１は、温度が５００度以下且つ酸素濃度が１０％以下の排ガスＧが流入するように構成される。尚、幾つかの実施形態では、ガスタービンシステム１００は、排ガスＧの温度を５００度以下且つ酸素濃度を１４％以下に調整する排ガス調整装置を含む。この場合、ダクトバーナ１は、調整装置を含んでいなくてもよい。つまり、ダクトバーナ１は、排ガス流路１２０に配置されるだけで、温度が５００度以下且つ酸素濃度が１４％以下の排ガスＧが流入するようになっている。

以下、ノズル２よりも排ガス流路１２０の上流側を流通する排ガスＧを入口側排ガスＧ１（Ｇ）と記載し、ノズル２よりも排ガス流路１２０の下流側、且つ排熱回収ボイラ１３０よりも排ガス流路１２０の上流側を流通する排ガスＧを出口側排ガスＧ２（Ｇ）と記載し、排熱回収ボイラ１３０よりも排ガス流路１２０の下流側を流通する排ガスＧを排熱回収済みの排ガスＧ３（Ｇ）と記載する。一実施形態では、入口側排ガスＧ１は、ダクトバーナ１の入口、又はダクトバーナ１の入口のすぐ上流側を流通する排ガスＧである。ダクトバーナ１の入口は、例えば、排ガス流路１２０が延びる方向において、後述する燃料供給管４と互いに重なり合うように位置している。ダクトバーナ１の入口のすぐ上流側は、排ガス流路１２０のうち燃料供給管４と調整装置との間に位置している。

＜第１実施形態＞
（構成）
第１実施形態に係るダクトバーナ１の構成について説明する。図２は、第１実施形態に係るダクトバーナ１の構成を概略的に示す図である。図２に示すように、ダクトバーナ１は、排ガス流路１２０に水素を含むガス燃料Ｆを噴出するノズル２を含む。第１実施形態では、ダクトバーナ１は、燃料供給管４と、保炎器６と、をさらに含む。燃料供給管４は、筒形状を有しており、内部にガス燃料Ｆが流通している。燃料供給管４は、排ガス流路１２０を延在しており、１つ以上のノズル２が接続されている。保炎器６は、ノズル２の中心軸Ｏから離間する一対の板状部材８を有している。一対の板状部材８は、上下方向Ｄ１に沿って並べられている。一対の板状部材８のそれぞれには、貫通孔９が形成されている。

本開示において、「水素を含むガス燃料Ｆ」には、水素と水素以外の燃料を含むもの（混焼）と、水素のみ（専焼）とがある。さらに、水素と水素以外の燃料を含むものでも、水素が主たる燃料（水素の体積割合が５０％以上）、水素以外の燃料が主たる燃料（水素の体積割合が５０％未満）に区分できる。「水素を含むガス燃料Ｆ」とは、これらの場合をすべて含む。

図２に示すように、第１実施形態では、ダクトバーナ１は、ノズル２よりも排ガス流路１２０の上流側に設けられる伝熱管１０をさらに含む。この伝熱管１０は、筒形状を有しており、内部に入口側排ガスＧ１よりも低温の冷媒Ｃが流通している。冷媒Ｃは、特に限定されないが、例えば、排熱回収ボイラ１３０に供給される給水から取水されてもよい。第１実施形態では、冷媒Ｃは上から下に向かって流通しているが、本開示はこの形態に限定されない。冷媒Ｃは下から上に向かって流通してもよいし、左から右に向かって流通してもよい。

図２に示すように、第１実施形態では、ダクトバーナ１は、ノズル２よりも排ガス流路１２０の上流側に設けられる噴霧装置１２をさらに含む。この噴霧装置１２は、入口側排ガスＧ１に水Ｗを噴霧する。第１実施形態では、噴霧装置１２は、伝熱管１０よりも排ガス流路１２０の上流側に位置しているが、本開示はこの形態に限定されない。噴霧装置１２は、伝熱管１０よりも排ガス流路１２０の下流側に位置してもよい。第１実施形態では、噴霧装置１２は、ダクト１２２の上部に設けられており、下方に水Ｗを噴霧しているが、本開示はこの形態に限定されない。噴霧装置１２は、上方、左方、または右方に水Ｗを噴霧してもよい。幾つかの実施形態では、噴霧装置１２は、水Ｗに代わり、蒸気を噴霧する。

第１実施形態では、伝熱管１０を流通する冷媒Ｃの流通方向および噴霧装置１２から噴霧する水Ｗの噴霧方向のそれぞれは、互いに共通して上から下に向かっているが、本開示はこの形態に限定されない。冷媒Ｃの流通方向および水Ｗの噴霧方向は、互いに逆方向であってもよい。

図２に示すように、第１実施形態では、ダクトバーナ１は、排熱回収ボイラ１３０よりも排ガス流路１２０の下流側の部分１２１からノズル２よりも排ガス流路１２０の上流側の部分１２３に排熱回収済みの排ガスＧ３の一部（以下、循環排ガスＧ３ａ（Ｇ）と記載する）を導く排ガス循環ライン１４をさらに含む。排ガス循環ライン１４の入口１５および出口１７のそれぞれは、ダクト１２２の内壁面１２４に形成されている。排ガス循環ライン１４には、循環排ガスＧ３ａをノズル２よりも排ガス流路１２０の上流側に送風するための送風機が設けられている。排ガス循環ライン１４の出口１７の位置は、特に限定されないが、例えば、入口側排ガスＧ１の流量や排ガス循環ライン１４の出口１７からダクトバーナ１までの排ガス流路１２０の体積に基づいて決定される。

図２に示すように、第１実施形態では、ダクトバーナ１は、ガス燃料Ｆの燃焼によって形成される火炎Ｘを横断するように設けられる接触管１８をさらに含む。接触管１８は、上下方向Ｄ１に沿って延びており、火炎Ｘが形成される領域を横断する。この領域は、ガス燃料Ｆの噴出圧などによって変化するが、予め推定可能である。

（作用・効果）
第１実施形態に係るダクトバーナ１の作用・効果について説明する。図３は、入口温度とＮＯｘ低減率との関係を示すグラフであって、横軸が入口温度を表し、縦軸がＮＯｘ低減率を表している。入口温度は、ダクトバーナ１に流入する入口側排ガスＧ１の温度である。ＮＯｘ低減率は、ダクトバーナ１に流入する入口側排ガスＧ１に含まれるＮＯｘの量とダクトバーナ１から流出した出口側排ガスＧ２に含まれるＮＯｘの量との差を、ダクトバーナ１に流入する入口側排ガスＧ１に含まれるＮＯｘの量で除算した値である。ＮＯｘ低減率が０％より大きいと、入口側排ガスＧ１に含まれるＮＯｘの量が低減していることを意味する。

図３において、Ｐ１は酸素濃度が約５．５％であり、Ｐ２は約８％であり、Ｐ３は約１２．５％である。本発明者らの知見によれば、図３に示すように、温度が５００度以下であり、且つ酸素濃度が１４％以下である排ガスＧに水素を含むガス燃料Ｆを噴射して燃焼加熱を行うと、入口側排ガスＧ１に含まれるＮＯｘの量が低減することを見出した。第１実施形態によれば、ダクトバーナ１は、温度が５００度以下且つ酸素濃度が１４％以下である入口側排ガスＧ１が流入されるようになっている。このため、入口側排ガスＧ１に含まれるＮＯｘの量を低減可能なダクトバーナ１を提供することができる。

ところで、図３に示すように、ＮＯｘ低減率は、酸素濃度が低い方が高くなる傾向を有する。入口側排ガスＧ１の酸素濃度が１０％以下となるように排ガス流路１２０に配置されることで、入口側排ガスＧ１に含まれるＮＯｘの量をさらに低減可能なダクトバーナ１を提供することができる。

第１実施形態によれば、ダクトバーナ１は、ノズル２よりも排ガス流路１２０の上流側に位置する伝熱管１０および噴霧装置１２を含んでいる。このため、入口側排ガスＧ１は、伝熱管１０内を流通する冷媒Ｃと熱交換し、冷却される。同様に、入口側排ガスＧ１は、噴霧装置１２から噴霧される水Ｗによって冷却される。このため、ダクトバーナ１に流入する入口側排ガスＧ１の温度を調整し、５００度以下に下げることができる。

第１実施形態によれば、ダクトバーナ１は、排ガス循環ライン１４を含んでいる。このため、循環排ガスＧ３ａがノズル２よりも排ガス流路１２０の上流側に戻される。ダクトバーナ１は、入口側排ガスＧ１に含まれる酸素を消費して入口側排ガスＧ１の燃焼加熱を行うので、排熱回収済みの排ガスＧ３に含まれる酸素の量は少ない。このため、排熱回収済みの排ガスＧ３から取得する循環排ガスＧ３ａがノズル２よりも排ガス流路１２０の上流側に戻されることで、ダクトバーナ１に流入する入口側排ガスＧ１の酸素濃度を調整し、１４％以下に下げることができる。

第１実施形態によれば、ダクトバーナ１は、接触管１８を含んでいる。このため、火炎Ｘを接触管１８に接触させることで火炎温度を低減させ、ダクトバーナ１の燃焼加熱によるＮＯｘの発生を抑制することができる。

第１実施形態では、排ガス循環ライン１４の出口１７がダクト１２２の内壁面１２４に形成されていたが、排ガス循環ライン１４の出口１７は排ガス流路１２０の内側に位置していてもよい。図４は、排ガス循環ライン１４の変形例の構成を概略的に示す図である。

図４に例示するように、排ガス循環ライン１４は、排ガス流路１２０内に位置する排ガス管２０を含む。この排ガス管２０には、ダクト１２２の内壁面１２４よりもダクト１２２の径方向Ｄ２の内側に位置する排ガス循環ライン１４の出口１７が形成されている。排ガス管２０は、ダクト１２２の内壁面１２４からダクト１２２の径方向Ｄ２の内側（排ガス流路１２０の中心）に向かって延びている。ダクト１２２の径方向Ｄ２において、排ガス循環ライン１４の出口１７とダクトバーナ１とは互いに重複するように位置している。

図４に例示する形態によれば、排ガス循環ライン１４が排ガス管２０を含むことで、排ガス流路１２０内の任意の位置に排ガス循環ライン１４の出口１７を配置することができる。入口側排ガスＧ１は、ダクト１２２の径方向において、排ガス流路１２０のうちダクトバーナ１と重複する部分、およびダクトバーナ１に近い部分を流通する一部Ｇ１ａがダクトバーナ１によって燃焼加熱され、残りの一部Ｇ１ｂはダクトバーナ１によって燃焼加熱されない。このため、ダクト１２２の径方向Ｄ２において排ガス循環ライン１４の出口１７とダクトバーナ１とは互いに重複するように位置することで、入口側排ガスＧ１の残りの一部Ｇ１ｂの酸素濃度の低下が抑制され、入口側排ガスＧ１の一部Ｇ１ａの酸素濃度を効率的に１４％以下に下げることができる。

図５は、排ガス管２０の構成の一例を概略的に示す図であって、排ガス流路１２０の下流側から視た図である。図６は、図５のＡ－Ａ線矢視方向における概略的な断面図である。図５および図６に例示するように、排ガス管２０は、ヘッダ部２２と、突出部２４と、を含む。

ヘッダ部２２は、左右方向Ｄ３に沿って延びている。突出部２４は、ヘッダ部２２から排ガス流路１２０の下流側に向かって突出する。突出部２４は、ノズル２の外周側を囲っている。突出部２４には、排ガス循環ライン１４の出口１７として排ガス流路１２０の下流側に向かって開口する開口２６が形成されている。突出部２４の先端２８（排ガス流路１２０の下流側の一端）は、ノズル２の噴出孔よりも排ガス流路１２０の上流側に位置している。

図５に例示する形態によれば、排ガス循環ライン１４の出口１７がノズル２の噴出孔付近に位置するので、循環排ガスＧ３ａをガス燃料Ｆに速やかに混合させることができる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態に係るダクトバーナ１について説明する。第２実施形態に係るダクトバーナ１は、ガス燃料Ｆが炭化水素系ガスを含み、且つノズル２が主孔４０および副孔４２をさらに含む点で第１実施形態と異なる。第２実施形態において、第１実施形態の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

（構成）
図７は、第２実施形態に係るダクトバーナ１の構成を概略的に示す図である。ダクトバーナ１は、排ガス流路１２０に炭化水素系ガスを含むガス燃料Ｆｃを噴出するノズル２を備える。ガス燃料Ｆｃは、例えば、ＬＰＧやＬＮＧである。

図８は、第２実施形態に係るノズル２の構成を概略的に示す図である。図８に示すように、第２実施形態では、ノズル２は、ガス燃料Ｆｃを噴出するように構成される主孔４０と、主孔４０よりも小径である副孔４２とを含む。副孔４２は、ガス燃料Ｆｃを主孔４０よりもノズル２の中心軸Ｏ側とは反対側に傾斜させて噴出するように構成される。副孔４２は、板状部材８の排ガス流路１２０の下流側の保炎面８ａに沿って噴出するように構成される。

主孔４０および副孔４２の具体的な構成の一例について説明する。主孔４０および副孔４２のそれぞれは直線状に延びている。主孔４０の噴出方向に延びる仮想の第１直線Ｌ１およびノズル２の中心軸Ｏによって形成される角度を主孔噴出角度θ１とする。副孔４２の噴出方向に延びる仮想の第２直線Ｌ２およびノズル２の中心軸Ｏによって形成される角度を副孔噴出角度θ２とする。主孔噴出角度θ１は、２０度以上４０度未満である。副孔噴出角度θ２は、４０度以上５０度未満である。

（作用・効果）
第２実施形態に係るダクトバーナ１の作用・効果について説明する。図９は、入口温度とＮＯｘ低減率との関係を示すグラフであって、横軸が入口温度を表し、縦軸がＮＯｘ低減率を表している。図９において、Ｐ４は酸素濃度が約１２％である。

本発明者らの知見によれば、図９に示すように、温度が５００度以下であり、且つ酸素濃度が１４％以下である排ガスＧに炭化水素系ガスを含むガス燃料Ｆｃを噴射して燃焼加熱を行うと、入口側排ガスＧ１に含まれるＮＯｘの量が低減することを見出した。しかしながら、炭化水素系ガスは水素と比較して燃焼速度が小さく、着火性や燃焼性に劣っている。このため、上記のような条件の入口側排ガスＧ１では、ダクトバーナ１の燃焼が安定しない虞がある。

第２実施形態によれば、主孔４０は副孔４２よりもノズル２の中心軸Ｏに傾斜させてガス燃料Ｆｃを噴出することになるので、長炎化による緩慢燃焼を促進させることができる、このため、ダクトバーナ１の燃焼を安定させることができる。よって、炭化水素系ガスを含むガス燃料Ｆｃを適用する場合であっても、入口側排ガスＧ１に含まれるＮＯｘの量を低減可能なダクトバーナ１を提供することができる。

第２実施形態では、ガスタービン１１０の燃料Ａ３が水素ガスであったが、ＬＰＧのような炭化水素系ガスであってもよい。図１０は、入口温度とＮＯｘ低減率との関係を示すグラフであって、横軸が入口温度を表し、縦軸がＮＯｘ低減率を表している。図１０において、Ｐ５は酸素濃度が約８．５％であり、Ｐ６は約１３％である。本発明者らの知見によれば、図１０に示すように、燃料Ａ３が炭化水素系ガスであっても、温度が５００度以下であり、且つ酸素濃度が１４％以下である排ガスＧに炭化水素系ガスを含むガス燃料Ｆｃを噴射して燃焼加熱を行うと、入口側排ガスＧ１に含まれるＮＯｘの量が低減することを見出した。このため、ガスタービン１１０の燃料Ａ３が炭化水素系ガスであり、且つ炭化水素系ガスを含むガス燃料Ｆｃを適用する場合であっても、入口側排ガスＧ１に含まれるＮＯｘの量を低減可能なダクトバーナ１を提供することができる。

＜ダクトバーナの燃焼方法＞
第１実施形態に係るダクトバーナ１を用いたダクトバーナ１の燃焼方法について説明する。図１１は、ダクトバーナ１の燃焼方法のフローチャートである。図１１に示すように、ダクトバーナ１の燃焼方法は、ガスタービン１１０から排出され、温度が５００度以下且つ酸素濃度が１４％以下である排ガスＧにガス燃料Ｆを噴出して火炎Ｘを形成する燃焼加熱ステップＳ１を備える。このような方法によれば、排ガスＧに含まれるＮＯｘの量を低減することができる。尚、上述したダクトバーナ１の燃焼方法は、第２実施形態に係るダクトバーナ１を用いて実行されてもよい。

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

［１］本開示に係るダクトバーナ（１）は、
ガスタービン（１１０）から排出される排ガス（Ｇ）が流通する排ガス流路（１２０）に配置され、温度が５００度以下且つ酸素濃度が１４％以下の前記排ガスが流入するように構成されるダクトバーナであって、
前記排ガス流路に水素を含むガス燃料（Ｆ）を噴出するノズル（２）を備える。

本発明者らの知見によれば、温度が５００度以下であり、且つ酸素濃度が１４％以下である排ガスに水素を含むガス燃料を噴射して燃焼加熱を行うと、排ガスに含まれる窒素酸化物の量が低減することを見出した。このため、上記［１］に記載の構成によれば、排ガスに含まれる窒素酸化物の量を低減可能なダクトバーナを提供することができる。

［２］幾つかの実施形態では、上記［１］に記載の構成において、
前記ノズルよりも前記排ガス流路の上流側に設けられ、前記排ガスよりも低温の冷媒（Ｃ）が流通する伝熱管（１０）をさらに備える。

上記［２］に記載の構成によれば、排ガスがガス燃料によって燃焼加熱される前に排ガスの温度を５００度以下に下げることができる。

［３］幾つかの実施形態では、上記［１］又は［２］に記載の構成において、
前記ノズルよりも前記排ガス流路の上流側に設けられ、前記排ガスに水（Ｗ）または蒸気を噴霧する噴霧装置（１２）をさらに備える。

上記［３］に記載の構成によれば、排ガスがガス燃料によって燃焼加熱される前に排ガスの温度を５００度以下に下げることができる。

［４］幾つかの実施形態では、上記［１］から［３］の何れか１つに記載の構成において、
前記ノズルよりも前記排ガス流路の下流側には、前記排ガスを用いて蒸気を生成する排熱回収ボイラ（１３０）が設けられており、
前記排熱回収ボイラよりも前記排ガス流路の下流側から前記ノズルよりも前記排ガス流路の上流側に前記排ガスの一部（Ｇ３ａ）を導く排ガス循環ライン（１４）をさらに備える。

上記［４］に記載の構成によれば、排ガスがガス燃料によって燃焼加熱される前に排ガスに含まれる酸素濃度を１４％以下に下げることができる。

［５］幾つかの実施形態では、上記［４］に記載の構成において、
前記排ガス循環ラインは、前記排ガスが流通する排ガス流路内に位置し、前記排ガス循環ラインの出口（１７）が形成される排ガス管（２０）を含む。

ダクトバーナは、排ガス流路を流通する排ガスの一部を燃焼加熱する。上記［５］に記載の構成によれば、排ガス流路内の任意の位置に排ガス循環ラインの出口を配置することで、ダクトバーナの燃焼加熱の対象である排ガスの一部に含まれる酸素濃度を効率的に１４％以下に下げることができる。

［６］幾つかの実施形態では、上記［５］に記載の構成において、
前記排ガス管は、ヘッダ部（２２）と、前記ヘッダ部から突出し前記ノズルの外周側を囲う突出部（２４）と、を含み、
前記突出部には、前記排ガス循環ラインの前記出口として前記排ガス流路の下流側に向かって開口する開口（２６）が形成されている。

上記［６］に記載の構成によれば、排熱回収ボイラを通過した排ガスをガス燃料に速やかに混合させることができる。

［７］幾つかの実施形態では、上記［１］から［６］の何れか１つに記載の構成において、
前記ガス燃料の燃焼によって形成される火炎（Ｘ）を横断するように設けられる接触管（１８）をさらに備える。

上記［７］に記載の構成によれば、火炎を接触管に接触させることで火炎温度を低減させ、ダクトバーナの燃焼加熱によるＮＯｘの発生を抑制することができる。

［８］幾つかの実施形態では、上記［１］から［７］の何れか１つに記載の構成において、
前記排ガスは、酸素濃度が１０％以下である。

上記［８］に記載の構成によれば、排ガスに含まれる窒素酸化物の量をさらに低減可能なダクトバーナを提供することができる。

［９］本開示に係るダクトバーナ（１）は、
ガスタービン（１１０）から排出される温度が５００度以下且つ酸素濃度が１４％以下である排ガス（Ｇ）が流通する排ガス流路（１２０）に配置されるダクトバーナであって、
前記排ガス流路に炭化水素系ガスを含むガス燃料（Ｆｃ）を噴出するノズル（２）を備え、
前記ノズルは、
前記ガス燃料を噴出するように構成される主孔（４０）と
前記主孔よりも小径であり、前記ガス燃料を前記主孔よりも前記ノズルの中心軸（Ｏ）側とは反対側に傾斜させて噴出するように構成される副孔（４２）と、を含む。

本発明者らの知見によれば、温度が５００度以下であり、且つ酸素濃度が１４％以下である排ガスに炭化水素系ガスを含むガス燃料を噴射して燃焼加熱を行うと、排ガスに含まれる窒素酸化物の量が低減することを見出した。しかしながら、炭化水素系ガスは水素と比較して燃焼速度が小さく、着火性や燃焼性に劣っている。このため、上記のような条件の排ガスでは、ダクトバーナの燃焼が安定しない虞がある。

上記［９］に記載の構成によれば、主孔は副孔よりもノズルの中心軸に傾斜させてガス燃料を噴出することになるので、長炎化による緩慢燃焼を促進させることができる、このため、ダクトバーナの燃焼を安定させることができる。よって、炭化水素系ガスを含むガス燃料を適用する場合であっても、排ガスに含まれる窒素酸化物の量を低減可能なダクトバーナを提供することができる。

［１０］本開示に係るガスタービンシステム（１００）は、
水素ガスを燃料として適用するガスタービン（１１０）と、
上記［１］から［９］の何れか１つに記載のダクトバーナ（１）と、を備える。

上記［１０］に記載の構成によれば、排ガスに含まれる窒素酸化物の量を低減可能なダクトバーナを備えるガスタービンシステムを提供することができる。

［１１］本開示に係るダクトバーナの燃焼方法は、
ガスタービン（１１０）から排出され、温度が５００度以下且つ酸素濃度が１４％以下である排ガス（Ｇ）にガス燃料（Ｆ）を噴出して火炎（Ｘ）を形成するステップ（Ｓ１）を備える。

上記［１１］に記載の方法によれば、排ガスに含まれる窒素酸化物の量を低減することができる。

１ ダクトバーナ
２ ノズル
４ 燃料供給管
６ 保炎器
８ 板状部材
８ａ 保炎面
９ 貫通孔
１０ 伝熱管
１２ 噴霧装置
１４ 排ガス循環ライン
１５ 排ガス循環ラインの入口
１７ 排ガス循環ラインの出口
１８ 接触管
２０ 排ガス管
２２ ヘッダ部
２４ 突出部
２６ 突出部の開口
２８ 突出部の先端
４０ 主孔
４２ 副孔
１００ ガスタービンシステム
１１０ ガスタービン
１１２ 圧縮機
１１３ 回転軸
１１４ 燃焼器
１１６ タービン
１２０ 排ガス流路
１２１ 排熱回収ボイラよりも排ガス流路の下流側の部分
１２２ ダクト
１２３ ノズルよりも排ガス流路の上流側の部分
１２４ ダクトの内壁面
１３０ 排熱回収ボイラ
１４０ 発電機
Ａ１ 空気
Ａ２ 圧縮空気
Ａ３ 燃料
Ａ４ 燃焼ガス
Ｃ 冷媒
Ｄ１ 上下方向
Ｄ２ 径方向
Ｄ３ 左右方向
Ｆ ガス燃料（水素）
Ｆｃ ガス燃料（炭化水素系ガス）
Ｇ 排ガス
Ｇ１ 入口側排ガス
Ｇ２ 出口側排ガス
Ｇ３ 排熱回収済みの排ガス
Ｇ３ａ 循環排ガス
Ｌ１ 第１直線
Ｌ２ 第２直線
Ｏ 中心軸
Ｓ１ 燃焼加熱ステップ
Ｗ 水
Ｘ 火炎

Claims (11)

1. ガスタービンから排出される排ガスが流通する排ガス流路に配置され、温度が５００度以下且つ酸素濃度が１４％以下の前記排ガスが流入するように構成されるダクトバーナであって、
   前記排ガス流路に水素を含むガス燃料を噴出するノズルを備える、
   ダクトバーナ。
2. 前記ノズルよりも前記排ガス流路の上流側に設けられ、前記排ガスよりも低温の冷媒が流通する伝熱管をさらに備える、
   請求項１に記載のダクトバーナ。
3. 前記ノズルよりも前記排ガス流路の上流側に設けられ、前記排ガスに水または蒸気を噴霧する噴霧装置をさらに備える、
   請求項１又は２に記載のダクトバーナ。
4. 前記ノズルよりも前記排ガス流路の下流側には、前記排ガスを用いて蒸気を生成する排熱回収ボイラが設けられており、
   前記排熱回収ボイラよりも前記排ガス流路の下流側から前記ノズルよりも前記排ガス流路の上流側に前記排ガスの一部を導く排ガス循環ラインをさらに備える、
   請求項１又は２に記載のダクトバーナ。
5. 前記排ガス循環ラインは、前記排ガス流路内に位置し、前記排ガス循環ラインの出口が形成される排ガス管を含む、
   請求項４に記載のダクトバーナ。
6. 前記排ガス管は、ヘッダ部と、前記ヘッダ部から突出し前記ノズルの外周側を囲う突出部と、を含み、
   前記突出部には、前記排ガス循環ラインの前記出口として前記排ガス流路の下流側に向かって開口する開口が形成されている、
   請求項５に記載のダクトバーナ。
7. 前記ガス燃料の燃焼によって形成される火炎を横断するように設けられる接触管をさらに備える、
   請求項１又は２に記載のダクトバーナ。
8. 前記排ガスは、酸素濃度が１０％以下である、
   請求項１又は２に記載のダクトバーナ。
9. ガスタービンから排出される温度が５００度以下且つ酸素濃度が１４％以下である排ガスが流通する排ガス流路に配置されるダクトバーナであって、
   前記排ガス流路に炭化水素系ガスを含むガス燃料を噴出するノズルを備え、
   前記ノズルは、
   前記ガス燃料を噴出するように構成される主孔と
   前記主孔よりも小径であり、前記ガス燃料を前記主孔よりも前記ノズルの中心軸側とは反対側に傾斜させて噴出するように構成される副孔と、を含む、
   ダクトバーナ。
10. 水素ガスを燃料として適用するガスタービンと、
    請求項１又は２に記載のダクトバーナと、を備える、
    ガスタービンシステム。
11. ガスタービンから排出され、温度が５００度以下且つ酸素濃度が１４％以下である排ガスにガス燃料を噴出して火炎を形成するステップを備える、
    ダクトバーナの燃焼方法。
    
    

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