JP2016130619A - 低燃焼性燃料燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】難燃性燃料の供給流速を炭化水素系燃料の燃焼速度に相当する流速と同レベルまで大きくなるように燃料の混合気の流速を速くした場合であっても、保炎を安定化させる技術を提供する。
【解決手段】スワールバーナ１０は、円筒状の筒状外装部１１と、その中心に配置された中心円柱部１２とを備える。筒状外装部１１の頂部１５は、リング状に開口しており、そのリング状部分にスワラ２０が取り付けられている。筒状外装部１１の下部の導入口１８から、アンモニアと空気の予混合気がスワールバーナ１０の内部に導入される。スワラ２０は、円筒状の中心筒状体と、その側面に斜めに取り付けられた複数の羽根とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、低燃焼性燃料燃焼装置に係り、例えば、メタン等の炭化水素系燃料と比較して燃焼性が低いアンモニア等の低燃焼性燃料を燃焼させる低燃焼性燃料燃焼装置に関する。

近年、再生可能エネルギーの大量導入・利用の際のエネルギー貯蔵・輸送用の媒体として、水素キャリアへの期待が高まっている。水素キャリアとしては、例えば、有機溶媒に水素を着脱して用いる有機ハイドライト（メチルシクロヘキサンなど）や、窒素と水素から合成し直接燃焼して用いるアンモニアがある。特に、アンモニアは炭素元素を含まないため、水素キャリアのみならず、直接燃焼させて利用するための燃料としての利用にも期待が高まっている。アンモニアは燃焼しても主に水と窒素しか発生しないことから、二酸化炭素排出量の削減効果が大きく、効果的な利用技術の開発が望まれている。

アンモニアは、難燃性燃料であって、一般の燃料より着火しにくく燃焼速度も遅いという特性がある。例えば、メタンやプロパンと言った広く用いられている炭化水素系燃料では、アンモニアと比較して層流燃焼速度（以下、単に「燃焼速度」とも言う。）が７倍程度大きい。このような燃焼速度が速い燃料に対しては、旋回流バーナを用いることによって安定燃焼を実現する技術が知られている。例えば、燃焼用空気をスワラによって旋回させ火炎を安定させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、一方、難燃性燃料の一種であるアンモニアの場合には、例えば、水素のパイロット火炎を用いて保炎させながら燃焼を安定させる技術が知られている。また、例えば、アンモニアをガスタービンの燃料に用いた場合に、燃焼性悪化運転領域においてアンモニアの代わりに化石燃料を燃焼させる技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。また、アンモニアを燃料とした内燃機関として、アンモニアの一部を改質器で水素に変換して、その水素とアンモニアとを混合した燃料をシリンダ内に噴射し燃焼させる技術もある（例えば、特許文献３参照。）。

特開２０１４−６２６７９号公報 特開２０１０−１９１９５号公報 特開２００９−９７４２１号公報

ところで、上述の様にアンモニアの様な難燃性燃料に用いる場合に、燃焼速度が低すぎて火炎を保炎することが難しいという課題がある。その結果、これまでアンモニア等を燃料としたガスタービン発電の実用化は行われていなかった。上述の様に、アンモニアを水素キャリアとして利用することが期待される状況となり、発電用燃料として利用するための様々な技術が提案されるようになっている。しかし、特許文献２に開示の技術のように、現在提案されている技術や実証実験等がなされている技術は、主に炭化水素系燃料と混合させることでその混合気の供給速度を所定に保ち安定した燃焼を実現しようとするものである。しかしながら、実質的にアンモニア等の難燃性の燃料のみで十分な燃焼を得る技術について、特にバーナを用いるような燃焼装置に適用するのは困難であると考えられており、新たな技術が必要とされていた。水素によるパイロット火炎を用いる技術においても、保炎性能の向上は十分でなく、そのままでは実用化が難しく別の技術が必要とされていた。

ガスタービンや工業炉等の燃焼器を設計・運用する上で、着火・保炎範囲を拡大させ、安定した火炎を保持することは、非常に重要な技術であって、実用化に於いて必須の条件とも言える。しかしながら、燃焼速度が遅く、難燃性である燃料において、所望の混合気供給速度を実現しつつ保炎を行うことは非常に困難である。上述の様に、これまでの技術では水素を用いたパイロット火炎を用いる等の方法で安定化がなされてきた。しかし、十分な熱量を取り出すには燃料供給量、すなわち混合気の流速が極端に遅すぎて、実質的にアンモニア単体を燃料とする燃焼装置としては、実用性の観点から大きな改善が可能となる新たな技術が必要とされていた。

本発明は、以上のような状況に鑑みなされたものであって、上記課題を解決する技術を提供することにある。

本発明の難燃性燃料燃焼装置は、難燃性燃料と酸化剤との混合気を燃焼室内に供給し、燃焼させるバーナと、前記燃焼室内で前記混合気を旋回させるスワラと、を備える。
また、前記スワラは、前記混合気を前記燃焼室内へ噴出してもよい。
また、前記スワラは、前記酸化剤を前記燃焼室内へ供給し、前記難燃性燃料と前記酸化剤は、前記燃焼室内で前記混合気として生成してもよい。
また、前記スワラのスワール数は、噴出した前記混合気に逆流が生じる値に設定されてもよい。
また、前記難燃性燃料はアンモニアまたはアンモニア化合物、またはそれらを主原料とする燃料であってもよい。
また、前記スワラから噴出される前記混合気の流速は、３５ｃｍ／ｓ以上であってもよい。

本発明によれば、難燃性燃料の供給速度を炭化水素系燃料の燃焼速度と同レベルまで大きくなるように燃料の混合気の流速を速くした場合であっても、保炎を安定化させる技術を提供できる。

実施形態に係る、スワールバーナの概略構成を示す図である。 実施形態に係る、スワラの斜視図である。 実施形態に係る、検証実験に用いたスワラの仕様を示すテーブルである。 実施形態に係る、検証実験のためのスワールバーナと取り付けたライナーを示す図である。 実施形態に係る、水素のパイロット保炎を用いる比較実験用のノズルバーの図である。 実施形態に係る、噴射ガス供給システムの概略構成を示すブロック図である。 実施形態に係る、検証実験における混合気の初期総流量範囲を示すテーブルである。 実施形態に係る、旋回流火炎の例を示す図である。 実施形態に係る、旋回流火炎の例を示す図である。 実施形態に係る、検証実験から得られた可燃範囲マップを示すグラフである。

本実施の形態（以下、単に実施形態という）を、図面を参照して説明する。本実施形態では、難燃性燃料の１つであるアンモニアの旋回流燃焼の実験を行い、炭化水素系燃料と同レベルの燃焼速度を実現しつつ安定した保炎を実現する技術について説明する。

上述の様に、旋回流燃焼は炭化水素系燃料のガスタービン燃焼などで既に用いられている技術であるが、難燃性燃料であるアンモニアは、そもそも炭化水素系燃料と比較して燃焼速度が非常に小さいことから、単独の物質で燃焼させることは想定されていなかった。特に、ガスタービンでは、燃料と空気の予混合気（以下、単に「予混合気」という。）が一定以上の流量（流速）で供給される必要がある。この場合、難燃性燃料であるアンモニアを用いた場合では、必要とされる熱量を取り出すために十分な流量を供給すると、即ち、混合気の流速が速くなると、混合気流速に対して燃焼速度が追いつかなくて保炎ができず火炎の吹き飛びを起こす。

そこで、本実施形態では、スワラを用いて旋回流燃焼による保炎を行い、炭化水素系燃料のガスタービン燃焼と同レベルの燃焼特性を実現した。以下、具体的に説明する。

図１は、本実施形態に係るスワールバーナ１０の概略構成を示す断面図である。また、図２はスワールバーナ１０に取り付けられるスワラ２０の斜視図である。

図示のように、スワールバーナ１０は、ステンレス（ＳＵＳ３０４）製でリング形状となっている。即ち、スワールバーナ１０の内部は、リング状流通路１７が上下方向に形成されている。具体的には、スワールバーナ１０は、円筒状の筒状外装部１１と、その中心に配置された中心円柱部１２とを備える。筒状外装部１１の底面部１３は塞がっている。筒状外装部１１の頂部１５は、リング状に開口しており、そのリング状部分にスワラ２０が取り付けられている。バーナ出口は外径３４．４ｍｍ、内径１３ｍｍとなっている。

筒状外装部１１の下部（底面部１３の近傍）には、所定数の導入口１８が形成されている。ここでは、２つの円形の導入口１８が対向する位置に形成されている。この導入口１８から、アンモニアと空気の予混合気がスワールバーナ１０の内部、即ちリング状流通路１７に導入される。リング状流通路１７にはステンレスウールが封入されている。このリング状流通路１７のステンレスウールが、予混合気の流れを均一化し、バーナ出口であるスワラ２０から図示上方に向けて噴射される。

スワラ２０は、ステンレス（ＳＵＳ３０４）製で、図２に示す様に、円筒状の中心筒状体２１と、中心筒状体２１の側面に斜めに取り付けられた複数の羽根２２とを備える。図３に検証実験に用いた３種類（Ｔｙｐｅ１〜３）のスワラ２０の仕様を示す。

３種類のスワラ２０は、羽根角度、羽根枚数が異なり、その結果、スワラ２０のスワール数Ｓが異なる。スワール数Ｓは、次の式（１）によって求められる。
スワール数Ｓの値が大きいほど旋回の影響が大きく、０．６以上とすれば旋回流の効果が現れるとされている。

Ｔｙｐｅ１のスワラ２０は、羽根角度４５度、羽根数１２枚、スワール数０．７３６である。Ｔｙｐｅ２のスワラ２０は、羽根角度６０度、羽根数１２枚、スワール数１．２７である。Ｔｙｐｅ３のスワラ２０は、羽根角度６０度、羽根数８枚、スワール数１．２７である。

図４は、本実施形態の検証実験に用いたライナー４０及びそれに取り付けられたスワールバーナ１０の概略構成を示す図である。図示のように、ライナー４０は、正方形断面の燃焼室４３が台座部４１に取り付けられている。台座部４１の下側には、スワールバーナ１０が取り付けられ、スワールバーナ１０から燃焼室４３に予混合器が噴射される。燃焼室４３の内部では、噴射された予混合気が旋回流（破線Ｆ）となり逆流するような流れを示し、その内部において、アンモニア火炎、すなわち燃焼が安定化する。

台座部４１と、支柱４２と、及び燃焼室の天井板４４はステンレス（ＳＵＳ３０４）製で形成されている。台座部４１の上側には支柱部４２が配置され、支柱部４２の間には厚さ２ｍｍの石英ガラスの窓部４３が取り付けられている。燃焼室の天井板４４の中央には、円形孔４６が形成されている。円形孔４６の形状は、バーナ出口（スワラ２０の外形）と同じ直径３４．４ｍｍである。

図５は、スワラ２０を用いた旋回流燃焼の結果を比較するため使用した、ノズルバーナの概略図である。ノズルバーナのバーナ出口は外径１４ｍｍの円形である。バーナ出口の外側のスリット部より水素が噴射され、パイロット火炎として拡散火炎を形成される。これによって、アンモニア火炎が安定化される。また実験時にはバーナ上に内径５５．２ｍｍの円筒形石英ガラス管が配置され、周囲流の影響が適切に排除されている。

図６は本実施形態に係る噴射ガス供給システム１の概略構成を示す図である。噴射ガス供給システム１は、スワールバーナ１０に予混合気を供給するシステムである。噴射ガス供給システム１は、酸化剤である空気を供給するエアコンプレッサ５０と、難燃性燃料であるアンモニアを供給するアンモニアボンベ６０と、を備える。

エアコンプレッサ５０から空気を供給する経路には、エアコンプレッサ５０側から、圧力調整弁５１、流量計５２、ニードルバルブ５３が設けられている。アンモニアボンベ６０からアンモニアを供給する経路には、圧力調整弁６１、流量計６２、ニードルバルブ６３が設けられている。各ニードルバルブ５３、６３より下流側で、空気供給経路とアンモニア供給経路とが合流し、スワールバーナ１０に接続される。この構成によって、予めアンモニアと空気の流量が適正に制御される。

つづいて、上記の構成による検証実験の結果について説明する。検証実験では、まずアンモニアと空気の当量比をφ＝１．０とし、図７に示す初期総流量を測定条件に応じて１０Ｌ／ｍｉｎ刻みで調整した。その状態から空気流量のみを変化させて、消炎時のアンモニアと空気の各流量を記録した。なお、スワラ２０のタイプによって初期総流量の範囲が異なっているが、これは実験に伴いアンモニアボンベ６０の一次圧が低下し、最大供給流量が低下したためである。

本実験では、各条件においてデジタルビデオカメラ（ＳＡＮＹＯ、ＸＡＣＴＩ ＨＤ１０１０）およびデジタルカメラ（Ｎｉｋｏｎ、Ｄ３００ｓ）を用いて燃焼室内部で生じる火炎の動画・画像の撮影を行った。

図８及び図９は本実験で得られた火炎画像の例を示す。図８の旋回流火炎は、石英ガラスの窓部４３の高さが１００ｍｍ、スワラ２０がＴＹＰＥ２、流量２．５Ｌ／ｓｅｃ、当量比φ=１．０の条件のものである。図９の旋回流火炎は、石英ガラスの窓部４３の高さが２００ｍｍ、スワラ２０がＴＹＰＥ１、流量２．５Ｌ／ｓｅｃ、当量比φ=１．０の条件のものである。

これらの画像から旋回流による火炎の安定化が行われていることがわかる。また実験では燃焼室４３上部に内側に巻き込むような火炎の渦が確認できた。ここで、図８と図９の火炎画像を比較すると、スワラ２０の羽根角度により火炎の発生位置・形状が異なっている。これはスワラ２０の羽根角度の違いに起因していると考えられる。スワラ２０の羽根角度が小さいほど、バーナ出口（スワラ２０）から噴射される予混合気の速度は水平方向に対して垂直上向き方向の成分が大きくなる。その結果、そのことによる流れの違いが火炎に影響を及ぼしているためと考えられる。

図１０は、本実験により得られたアンモニア旋回流火炎の可燃範囲マップを示す。ここでは、実験で得られた総流量をバーナ出口断面積で除した出口平均流速の値を縦軸、当量比を横軸にとり、図５のノズルバーナにおける可燃範囲との比較を行った。

スワールバーナ１０での可燃範囲はノズルバーナと比較して流量、当量比ともに広く、旋回流がアンモニア火炎の安定性に大きく貢献していることがわかる。このときの総流量はＴＹＰＥ２のスワラ２０で、最大５．６Ｌ／ｓｅｃであり、ノズルバーナの場合と比較してバーナ出口断面積あたり約５０倍以上の流量となった。これは、メタンの一般的な燃焼速度に対応する値（０．３５ｍ／ｓ）より大きいものである。また、スワールバーナ１０の可燃当量比範囲は最大で０．６１〜１．２４であった。

スワラ２０の種類によって可燃当量比範囲が異なっているが、上述したように、流れの垂直および水平方向の速度成分が異なる。すなわち、スワール数Ｓが異なることによる影響と考えられる。また、スワール数Ｓが小さく、旋回流の効果が６０度のものより小さいとされる４５度のスワラが広い当量比範囲で火炎を保持している。

バーナ出口から噴射された予混合気は燃焼室上部で渦を形成するが、その強さは流れのスワール数Ｓに大きく影響を受けると考えられる。ここで生じた渦は再循環領域を形成し、気体の滞留時間を増加させることで火炎の安定化に寄与している。スワール数Ｓが大きいほど再循環流は強いと考えられるが、使用する燃料および装置に応じて、燃焼に有利なスワール数Ｓは異なることが考えられる。そのため、アンモニアをスワールバーナ１０およびライナー４０にて燃焼した場合、適切であると考えられるスワール数Ｓに近いＴＹＰＥ１のスワラ２０が最も広い当量比範囲で火炎を保持している。

以上、本実施形態を纏めると次の通りである。
（１）アンモニアと空気の混合気の流量を大幅に増量することができる。即ち、メタン等の炭化水素を用いた場合の流量と同レベルの流量を実現できる。したがって、一般的に要求される燃焼量、すなわち発生熱量を実現できる。また、メタン等と同レベルの流量を実現できるようになるため、既存の技術の適用が容易になる。特に、アンモニアのように難燃性の燃料を燃焼させることを想定すると、専用の装置・部品が要求されてしまうと、例えば発電装置等に用いるバーナの実用化が難しくなる虞がある。しかし、本実施形態の技術によると、炭化水素系燃料の燃焼と同様の混合気流速範囲とすることができるので、実際の設備の導入が容易となる。

（２）アンモニアと空気の可燃当量比の範囲を広くすることができる。すわなち、燃焼の制御可能な範囲を拡大することが出来る。制御可能な範囲が狭いと、燃焼状態のモニタリングに高度なものが求められたり、燃料供給においてアンモニアや空気の供給量の変動に弱くなる。その場合、安定運用には高度な装置・技術が必要となり、全体のコストを押し上げる要因となりかねない。しかし、本実施形態の技術によると、燃料供給の変動に対して頑健性を向上させることができる。

以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。例えば、難燃性燃料として純粋なアンモニアに限らず、アンモニア化合物や他の難燃性燃料が用いられてもよい。また、それらを主原料としつつ炭素系化合物等の他の物質が混合されてもよい。また、スワラ２０は混合気を燃焼室４３内部に噴射したが、混合自体は燃焼室４３内部であってもよい。例えば、スワラ２０自体は空気を噴射し、その近傍からアンモニアが噴出され、空気とアンモニアが燃焼室４３内で混合し、その後混合気が旋回する構成であってもよい。また、図１０に示した可燃範囲マップに関しても、各種条件が変更されることで、例えば出口平均流速の値が更に大きくなる余地があることは、当業者にとって理解されるところである。

１ 噴射ガス供給システム
１０ スワールバーナ
１１ 筒状外装部
１２ 中心円柱部
１３ 底面部
１５ 頂部
１７ リング状流通路
１８ 導入口
２０ スワラ
２１ 中心筒状体
２２ 羽根
４０ ライナー
５０ エアコンプレッサ
６０ アンモニアボンベ

Claims (6)

1. 難燃性燃料と酸化剤との混合気を燃焼室内に供給し、燃焼させるバーナと、
   前記燃焼室内で前記混合気を旋回させるスワラと、
   を備えることを特徴とする難燃性燃料燃焼装置。
2. 前記スワラは、前記混合気を前記燃焼室内へ噴出することを特徴とする請求項１に記載の難燃性燃料燃焼装置。
3. 前記スワラは、前記酸化剤を前記燃焼室内へ供給し、前記難燃性燃料と前記酸化剤は前記燃焼室内で前記混合気として生成されることを特徴とする請求項１に記載の難燃性燃料燃焼装置。
4. 前記スワラのスワール数は、噴出した前記混合気に逆流が生じる値に設定されていることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の難燃性燃料燃焼装置。
5. 前記難燃性燃料はアンモニアまたはアンモニア化合物、またはそれらを主原料とする燃料であることを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の難燃性燃料燃焼装置。
6. 前記スワラから噴出される前記混合気の流速は、３５ｃｍ／ｓ以上であることを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載の難燃性燃料燃焼装置。