JP2017025840A

JP2017025840A - 燃焼システム

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Publication number: JP2017025840A
Application number: JP2015146916A
Authority: JP
Inventors: 好朗岩井; Yoshiro Iwai
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-07-17
Filing date: 2015-07-24
Publication date: 2017-02-02
Anticipated expiration: 2035-07-24
Also published as: JP6518539B2

Abstract

【課題】燃焼効率を向上させることができる燃焼システムを提供する。
【解決手段】本発明の燃焼システムは、アンモニアガスを燃料とする燃焼装置１と、アンモニアガスを窒素ガスと水素ガスとに分解する分解装置３と、分解装置３により分解生成された窒素ガス及び水素ガス分解生成ガスとアンモニアガスとを混合する分解生成ガス混合器８とを備えている。燃焼装置１は、その内部に分解生成ガス混合器８で混合された混合ガスを供給する供給手段１２を有する。混合ガス中の分解生成ガスの混合割合は５０％未満に設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンモニアガスを燃料とする燃焼装置を備えた燃焼システムに関する。

近年、地球温暖化防止などの環境保全の観点から、再生可能な燃料を用いたエンジンとして、アンモニアを燃料としたアンモニアエンジンが着目されている。しかし、このアンモニアエンジンでは、燃料であるアンモニアが難燃性であるため、アンモニアを燃え易くするための工夫が必要になる。このため、従来のアンモニアエンジンは、燃焼室に複数の点火プラグを配置し、これらの点火プラグによって複数の箇所で火花を発生させることによって、アンモニアを容易に燃焼させるようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１５９７０５号公報

しかしながら、この種のアンモニアエンジンシステムにあっては、燃焼室内に供給されたアンモニアの燃焼効率が依然として低いため、未だ実用化されていないのが現状である。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃焼効率を向上させることができる燃焼システムを提供することを目的とする。

本願発明者は、鋭意研究の結果、アンモニアガスから分解生成された窒素ガス及び水素ガスを含む分解生成ガスを、燃焼装置に供給するアンモニアガスのガス量よりも少ないガス量を当該アンモニアガスに混合することで、燃焼装置が効率的に燃焼することを見い出し、かかる知見に基づいて本発明を完成させた。

すなわち、本発明の燃焼システムは、アンモニアガスを燃料とする燃焼装置を備えた燃焼システムであって、アンモニアガスを窒素ガスと水素ガスとに分解する分解装置と、前記分解装置により分解生成された窒素ガス及び水素ガスを含む分解生成ガスと、アンモニアガスとを混合する分解生成ガス混合器と、を備え、前記燃焼装置は、その内部に、前記分解生成ガス混合器で混合された混合ガスを供給する供給手段を有し、前記混合ガス中の前記分解生成ガスの混合割合が５０％未満に設定されていることを特徴とする。

このように構成された燃焼システムによれば、分解装置により分解生成された窒素ガス及び水素ガスを含む分解生成ガスとアンモニアガスとを混合した混合ガスを燃焼装置に供給する際に、その混合ガス中の分解生成ガスの混合割合を５０％未満に設定することで、燃焼装置を効率的に燃焼させることができる。また、分解生成ガスのガス量を少なくすることができるので、分解生成ガスを生成する際に行われるアンモニアガスの分解に必要な消費電力コストおよびエネルギーコストを抑えることができる。

また、前記燃焼システムにおいて、前記混合割合が０．１〜２０％の範囲内に設定されているのが好ましい。この場合、分解生成ガスの混合量をさらに少なくすることができるので、アンモニアガスの分解に必要な消費電力コストおよびエネルギーコストをさらに抑えることができる。特に、使用可能な消費電力に制限がある移動式の燃焼システムに本発明を適用する場合に有効である。

また、前記燃焼システムにおいて、前記分解装置により分解生成された前記分解生成ガスを貯留する貯留タンクをさらに備え、前記分解生成ガス混合器は、前記貯留タンクに貯留されている前記分解生成ガスと、アンモニアガスとを混合するのが好ましい。
この場合、分解生成ガス混合器により分解生成ガスとアンモニアガスとを混合するときに、貯留タンクに貯留されている分解生成ガスが用いられるので、分解生成ガス混合器に分解生成ガスを不足することなく供給することができる。

また、前記燃焼システムにおいて、前記混合ガスと空気とを混合する空気混合器をさらに備え、前記供給手段は、前記燃焼装置の内部に、前記空気混合器で混合された空気混合ガスを供給するのが好ましい。
この場合、分解生成ガスとアンモニアガスとの混合ガスに燃焼し易い空気をさらに混合して生成された空気混合ガスが燃焼装置に供給されるので、燃焼装置をさらに効率的に燃焼させることができる。

本発明の燃焼システムによれば、燃焼効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る燃焼システムの構成を示す模式図である。上記燃焼システムのアンモニアエンジンを示す要部断面図である。上記燃焼システムの熱分解装置を示す断面図である。上記燃焼システムの第１混合器を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るアンモニアエンジンシステム（燃焼システム）の構成を示す模式図である。図１において、本実施形態のアンモニアエンジンシステムは、主にアンモニアガスを燃料とするアンモニアエンジン（燃焼装置）１を備えている。

図２は、アンモニアエンジン１を示す要部断面図である。図２において、アンモニアエンジン１は、内部に燃焼室１１ａを有するシリンダ１１と、燃料を燃焼室１１ａ内に供給する供給手段１２と、燃焼室１１ａ内に供給された燃料を点火させる点火装置１３と、燃焼室１１ａ内から燃焼後の排気ガスを排出する排出手段１４とを備えている。

シリンダ１１は、筒状のシリンダライナ１１ｂと、シリンダライナ１１ｂの上部開口を覆うシリンダヘッド１１ｃと、シリンダライナ１１ｂ内に往復動可能に設けられたピストン１１ｄとを有している。シリンダライナ１１ｂとシリンダヘッド１１ｃとピストン１１ｄとによって囲まれた空間が燃焼室１１ａとされている。シリンダヘッド１１ｃには、燃料を燃焼室１１ａ内に供給するための供給孔１１ｃ１、及び排気ガスを外部へ排出するための排出孔１１ｃ２が形成されている。

点火装置１３は、例えば点火プラグからなり、シリンダヘッド１１ｃの中心部において、その厚さ方向に貫通して固定されている。点火装置１３の下端部には、燃料を点火させる点火部１３ａが設けられている。

供給手段１２は、シリンダヘッド１１ｃの供給孔１１ｃ１を開閉する供給弁１２ａを備えており、図示しない駆動手段により供給弁１２ａを開放駆動することにより、供給孔１１ｃ１から燃焼室１１ａ内に燃料を供給するようになっている。
排出手段１４は、シリンダヘッド１１ｃの排出孔１１ｃ２を開閉する排出弁１４ａを備えており、図示しない駆動手段により排出弁１４ａを開放駆動することにより、燃焼室１１ａ内の燃焼後の排気ガスを排出孔１１ｃ２から排出するようになっている。

図１において、アンモニアエンジンシステムは、アンモニアガスを貯留する燃料タンク２と、燃料タンク２から取り出されたアンモニアガスとアンモニアエンジン１の排気ガスとの間で熱交換する熱交換器５とをさらに備えている。燃料タンク２と熱交換器５とは、燃料タンク２から延びる第１流路Ｌ１、および第１流路Ｌ１から分岐した第１分岐流路Ｌ２を介して接続されている。

熱交換器５は、筒状のケース５１と、ケース５１内に設けられた螺旋状の内管５２と、内管５２の一端が接続されてケース５１の長手方向一端部（図１の右端部）から外部に突出する導入管５３と、内管５２の他端が接続されてケース５１の長手方向他端部（図１の左端部）から外部に突出する排出管５４とを備えている。ケース５１の前記長手方向他端部側の端面には排気ガスが導入される導入口５１ａが形成され、ケース５１の前記長手方向一端部側の端面には排気ガスが排出される排出口５１ｂが形成されている。

第１流路Ｌ１には複数（ここでは２個）のレギュレータ６が設けられている。レギュレータ６は、燃料タンク２から排出されるアンモニアガスを低圧（例えば０．３ＭＰａ）に調整するものである。これにより、アンモニアガスは吸熱反応によって温度が低下するので、熱交換器５の導入管５３には、燃料タンク２から低温（０℃以下）のアンモニアガスが導入される。

ケース５１の導入口５１ａは、アンモニアエンジン１の排出孔１１ｃ２に連通しており、この排出孔１１ｃ２から排気される高温（約４００℃）の排気ガスは、導入口５１ａからケース５１内に導入されて排出口５１ｂから外部に排出される。その際、熱交換器５のケース５１内を排気ガスが通過するときに、その高温の排気ガスと内管５２に導入された低温のアンモニアガスとの間で熱交換が行われる。すなわち、高温の排気ガスは、低温のアンモニアガスによって冷却され、低温のアンモニアガスは、高温の排気ガスによって所定温度（約２０℃）まで予備加熱される。

図１において、アンモニアエンジンシステムは、熱交換器５によって予備加熱されたアンモニアガスを加熱して分解する熱分解装置（分解装置）３と、分解生成された水素ガス及び窒素ガスを含む分解生成ガスを貯留する貯留タンク４とをさらに備えている。

図３は、熱分解装置３を示す断面図である。図３において、熱分解装置３は、アンモニアガス（ＮＨ_３）を加熱して、下記式（１）に示すように、窒素ガス（Ｎ_２）と水素ガス（Ｈ_２）とに吸熱分解反応するものである。
２ＮＨ_３→Ｎ_２＋３Ｈ_２・・・（１）
この熱分解装置３は、内部が密閉されたケース３１と、このケース３１に固定された外側金属管３２と、外側金属管３２に固定された内側金属管３３と、内側金属管３３の内部に配設されたヒータ３４とを備えている。なお、本実施形態では、分解装置として熱分解装置を用いているが、触媒分解や電気分解などの他の方法によりアンモニアを分解する分解装置を用いてもよい。

外側金属管３２は、ケース３１の内部に配置されている。外側金属管３２の軸方向両端部は、ケース３１の両側壁３１ａ，３１ｂを貫通して各側壁３１ａ，３１ｂに固定されている。外側金属管３２の軸方向両端には、これらの開口をそれぞれ閉塞する蓋部材３６，３７が取り付けられており、外側金属管３２の内部は密閉状態とされている。

内側金属管３３は、外側金属管３２の内部において軸線方向に沿って配置されている。内側金属管３３の軸方向両端部は、前記蓋部材３６，３７をそれぞれ貫通して各蓋部材３６，３７に固定されている。外側金属管３２と内側金属管３３との間には密閉された断熱空間Ｓが形成されている。
内側金属管３３の軸方向一端部（図３の右端部）には、導入口３３ａが形成されており、熱交換器５で熱交換されたアンモニアガスが導入口３３ａから導入されるようになっている（図１参照）。

また、内側金属管３３の軸方向他端部（図３の左端部）には、径方向外側に延びる排出管３８が接続されており、内側金属管３３内に導入されたアンモニアガスから分解生成された分解生成ガスが排出管３８から排出されるようになっている。排出管３８は貯留タンク４に接続されており（図１参照）、排出管３８から排出された分解生成ガスは貯留タンク４に一時的に貯留される。

ヒータ３４は、例えば通電により発熱するニクロム線等の電熱線からなり、内側金属管３３の内部において、その内周面に沿って螺旋状に配置されている。このヒータ３４により、内側金属管３３内に導入されたアンモニアガスを所定温度（４００〜９００℃）まで加熱するようになっている。なお、ヒータ３４は、電熱線以外に、熱光線、プラズマ熱、熱風、赤外線、電磁波等のその他の熱源を利用してもよい。

図１において、アンモニアエンジンシステムは、第１コントロールバルブ７Ａ、第２コントロールバルブ７Ｂ、第１混合器８、第２混合器９、及び吸気部１０をさらに備えている。第１混合器８（分解生成ガス混合器）は、燃料タンク２から取り出されたアンモニアガスと、貯留タンク４から取り出された分解生成ガスとを混合して第１混合ガス（混合ガス）を生成するものである。なお、第１混合器８は、アンモニアエンジン１の大きさ及び燃料使用量に応じて複数個備えていてもよい。

第１混合器８には、燃料タンク２側の第１流路Ｌ１から分岐した第２分岐流路Ｌ３が接続されている。第２分岐流路Ｌ３の途中には第１コントロールバルブ７Ａが設けられている。第１コントロールバルブ７Ａは、第２分岐流路Ｌ３から第１混合器８に導入されるアンモニアガスのガス量を調整するものである。具体的には、第１コントロールバルブ７Ａは、第１混合器８で生成される第１混合ガス中のアンモニアガスの混合割合が５０％以上（より好ましくは８０％〜９９．９％）となるように、導入するアンモニアガスのガス量を調整する。

また、第１混合器８には、貯留タンク４から延びる第２流路Ｌ４が接続されている。第２流路Ｌ４の途中には第２コントロールバルブ７Ｂが設けられている。第２コントロールバルブ７Ｂは、第２流路Ｌ４から第１混合器８に導入される分解生成ガスのガス量を調整するものである。具体的には、第１コントロールバルブ７Ａは、第１混合器８で生成される第１混合ガス中の分解生成ガスの混合割合が５０％未満（より好ましくは０．１％〜２０％）となるように、導入する分解生成ガスのガス量を調整する。

図４は、第１混合器８を示す断面図である。図４において、第１混合器８は、中空の円筒部材からなる本体部８１と、本体部８１の内部の後側に取り付けられた円柱状の第１混合ノズル８２と、本体部８２の前側に取り付けられた円柱状の第２混合ノズル８３とを有している。本体部８１の後端面には、第１混合ノズル８２にアンモニアガスを導入するための第１導入管８４が突設されている。また、本体部８１の外周の後端部は、第１混合ノズル８２に分解生成ガスを導入するための第２導入管８５が、径方向外側に突出して取り付けられている。

第１混合ノズル８２には、第１導入管８４に連通する第１導入路８２ａと、第２導入管８５に連通する第２導入路８２ｂと、第１導入路８２ａと第２導入路８２ｂとを連通する複数の連通路８２ｃとが形成されている。第１導入路８２ａは、第１混合ノズル８２の軸心部に沿って前後方向に貫通して形成されている。第２導入路８２ｂは、第１混合ノズル８２の後部側において径方向に延びて形成されている。

連通路８２ｃは、第１導入路８２ａの径方向外側において前後方向に延びて形成されており、連通路８２ｃの後端は第２導入路８２ｂに連通され、連通路８２ｃの前端は第１導入路８２ａに連通されている。これにより、第１導入管８４から第１導入路８２ａに導入されたアンモニアガスは、第２導入管８５から第２導入路８２ｂ及び連通路８２ｃを介して第１導入路８２ａに導入された分解生成ガスと混合される。そして、その混合されたガスは、第１導入路８２ａの前端に形成された噴霧口８２ｄから本体部８１の内部空間に噴霧される。

第２混合ノズル８３は、第１混合ノズル８２から噴霧されたガスの一部と他部とを混合するものであり、アンモニアガスと分解生成ガスとの混合をより確実に行うものである。第２混合ノズル８３には、第１混合ノズル８２と同様に、本体部８１の内部空間にそれぞれ連通する第１導入路８３ａおよび第２導入路８３ｂと、第１導入路８３ａと第２導入路８３ｂとを連通する複数の連通路８３ｃとが形成されている。

第２混合ノズル８３の前端部は、本体部８１の外部に突出するように取り付けられている。これにより、第１混合ノズル８２から本体部８１の内部空間に噴霧されたガスは、第２混合ノズル８３の第１導入路８３ａ及び第２導入路８３ｂにそれぞれ導入される。

そして、第１導入路８３ａに導入されたガスと、第２導入路８３ｂから連通路８３ｃを介して第１導入路８３ａに導入されたガスとが混合されることで、アンモニアガスと分解生成ガスとが適切に混合された第１混合ガスとなる第１混合ガスは、第１導入路８２ａの前端に形成された噴霧口８３ｄから外部に噴霧される。

なお、第１混合器８は、上記のノズル方式以外に、プロペラ式、振動式、流動式、フィン式などの他の混合方式であってもよい。また、本実施形態の第１混合器８では、第１導入管８４からアンモニアガスを導入し、第２導入管８５から分解生成ガスを導入しているが、第１導入管８４から分解生成ガスを導入し、第２導入管８５からアンモニアガスを導入するようにしてもよい。

図１において、第２混合ノズル８３から噴霧された第１混合ガスは、第３流路Ｌ５を介して第２混合器９に導入される。第２混合器９（空気混合器）は、第１混合器８により混合された第１混合ガスと、吸気部１０から吸気された空気とを混合して第２混合ガス（空気混合ガス）を生成するものである。吸気部１０には、空気の吸気口１０ａと排気口１０ｂとが形成されており、吸気部１０の内部にはエアフィルタ１０ｃが取り付けられている。

第２混合器９には、空気を導入するための第１導入口９１が形成されており、この第１導入口９１は吸気部１０の排気口１０ｂに接続されている。また、第２混合器９には、第１混合器８により混合された第１混合ガスを導入するための第２導入口９２が形成されている。これにより、第２導入口９２から導入された第１混合ガスは、第１導入口９１から導入された空気と混合される。その際、第１導入口９１から導入される空気の供給量は、空燃比が約５％となるように設定されている。

第２混合器９には、その内部で混合して生成された第２混合ガスを排出する排出口９３が形成されている。排出口９３は、アンモニアエンジン１の供給孔１１ｃ１に連通しており、排出口９３から排出された第２混合ガスは、アンモニアエンジン１の供給手段１２により供給孔１１ｃ１から燃焼室１１ａ内に供給される（図２参照）。

以上、本実施形態のアンモニアエンジンシステムによれば、熱分解装置３により分解生成された窒素ガス及び水素ガスを含む分解生成ガスとアンモニアガスとを混合した混合ガスをアンモニアエンジン１に供給する際に、その混合ガス中の分解生成ガスの混合割合を５０％未満に設定することで、アンモニアエンジン１を効率的に燃焼させることができる。また、分解生成ガスのガス量を少なくすることができるので、分解生成ガスを生成する際に行われるアンモニアガスの加熱分解に必要な消費電力コストを抑えることができる。

また、前記混合割合を０．１〜２０％の範囲内に設定した場合には、分解生成ガスの混合量をさらに少なくすることができるので、アンモニアガスの加熱分解に必要な消費電力コストをさらに抑えることができる。特に、使用可能な消費電力に制限がある移動式の燃焼システムに本発明を適用する場合に有効である。

また、第１混合器８により分解生成ガスとアンモニアガスとを混合するときに、貯留タンク４に貯留されている分解生成ガスが用いられるので、第１混合器８に分解生成ガスを不足することなく供給することができる。
また、第２混合器９により、第１混合器８で混合された混合ガスに、燃焼し易い空気をさらに混合し、その空気混合ガスがアンモニアエンジン１に供給されるので、アンモニアエンジン１をさらに効率的に燃焼させることができる。

上述の実施形態はすべて例示であって制限的なものではない。本発明の権利範囲は特許請求の範囲によって規定され、そこに記載された構成と均等の範囲内のすべての変更は本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば、上述の実施形態では、第２混合器９で混合して生成された第２混合ガスをアンモニアエンジン１に供給しているが、第１混合器８で混合して生成された第１混合ガスをアンモニアエンジン１に直接供給しても良い。また、燃焼装置としてアンモニアエンジンを用いているが、アンモニアガスを燃料とするガスバーナーを適用してもよい。

１アンモニアエンジン（燃焼装置）
３熱分解装置（分解装置）
４貯留タンク
８第１混合器（分解生成ガス混合器）
９第２混合器（空気混合器）
１２供給手段

Claims

アンモニアガスを燃料とする燃焼装置を備えた燃焼システムであって、
アンモニアガスを窒素ガスと水素ガスとに分解する分解装置と、
前記分解装置により分解生成された窒素ガス及び水素ガスを含む分解生成ガスと、アンモニアガスとを混合する分解生成ガス混合器と、を備え、
前記燃焼装置は、その内部に、前記分解生成ガス混合器で混合された混合ガスを供給する供給手段を有し、
前記混合ガス中の前記分解生成ガスの混合割合が５０％未満に設定されている、ことを特徴とする燃焼システム。
前記混合割合が０．１〜２０％の範囲内に設定されている、請求項１に記載の燃焼システム。
前記分解装置により分解生成された前記分解生成ガスを貯留する貯留タンクをさらに備え、
前記分解生成ガス混合器は、前記貯留タンクに貯留されている前記分解生成ガスと、アンモニアガスとを混合する、請求項１又は２に記載の燃焼システム。
前記混合ガスと空気とを混合する空気混合器をさらに備え、
前記供給手段は、前記燃焼装置の内部に、前記空気混合器で混合された空気混合ガスを供給する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃焼システム。