JP2018076985A - 火力発電プラント、ボイラ及びボイラの改造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アンモニア燃料の燃焼に伴う未燃アンモニアの排出の抑制やＮＯｘ濃度を低減することができる火力発電プラント、ボイラ又はボイラの改造方法を提供する。【解決手段】ボイラは、火炉と、少なくとも化石燃料を火炉内で燃焼させるためのバーナと、火炉内における燃焼ガスの流れ方向Ａにおいてバーナに対して下流側に設けられ、化石燃料を燃焼させるための追加空気を火炉に供給するように構成された追加空気供給部と、追加空気供給部に対して上記流れ方向Ａの上流側のアンモニア供給位置において、少なくともアンモニアを含むアンモニア燃料を火炉に供給するためのアンモニア燃料供給部と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、火力発電プラント、ボイラ及びボイラの改造方法の分野に関する。

従来、火力発電プラントにおいては、地球環境への影響を考慮して、二酸化炭素排出量を削減することが課題となっており、化石燃料の消費量削減や化石燃料に代わるエネルギー資源への転換が図られている。このような低炭素社会に向けた環境に優しい新たなエネルギー資源として、炭素を含有しないため燃焼時に二酸化炭素を生じることがないアンモニア及び水素が注目されている。この中でもアンモニアは、貯蔵や輸送技術が確立されているため、将来のエネルギーのキャリア媒体として有望とされており、将来産ガス国で天然ガスからアンモニアを製造して発生する二酸化炭素を、例えば、石油増進回収技術（ＥＯＲ）や二酸化炭素回収貯留技術（ＣＣＳ）で地中に貯留することができれば二酸化炭素を排出しないエネルギーとして注目される。

かかるアンモニアを用いた技術として、特許文献１には尿素を燃料とするカーボンフリーの水素リッチアンモニアの製造方法や次世代カーボンフリーボイラに関する技術が開示されている。具体的に、特許文献１に記載のボイラは、尿素水を供給する尿素水供給源、尿素水を加水分解してアンモニアを生成するとともにアンモニアの一部を水素と窒素とに転化して水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成リアクター、燃焼用空気と高温の水素リッチアンモニアとを燃焼させてボイラ本体で高圧蒸気を発生させる水素リッチアンモニア燃焼バーナ、及び、アンモニアの残部と水素リッチガスとの混合ガスを水素リッチアンモニア燃焼バーナに供給する水素リッチアンモニア供給ライン、等を用いて燃焼用空気と水素リッチアンモニアとを燃焼させる。そして、上記ボイラは、この燃焼で発生した熱により生成した高圧蒸気によって蒸気タービンを作動させて発電機を駆動する。
また、ボイラではないが、アンモニアを燃料とし、内燃機関の燃焼排ガスの熱エネルギーを回収して燃焼性を改善する技術が特許文献２に開示されている。また、特許文献３には、アンモニアや硫化水素を含むガスの処理方法として第１段燃焼部で高温燃焼させた際に発生するＮＯｘを後流に設置した窒素酸化物還元部にアンモニア含有ガスを一部導入して還元処理し、さらに第２段燃焼部で完全に燃焼処理する方法が開示されている。

特許第５３１５４９２号公報 特開平５−３３２１５２号公報 特許第３９２４１５０号公報

しかし、アンモニアは難燃性で燃焼速度が遅く、ボイラの燃料として使用する場合は未燃アンモニアが排出されたり排ガス中のＮＯｘ濃度が増加したりすることが知られている。
この点、特許文献１に記載のボイラは、火炉内に水素リッチアンモニアを供給するように構成されているが、水素リッチアンモニアが未転化分のアンモニアを含む可能性があり、その程度によっては必ずしも火炉出口における実際の未燃アンモニアやＮＯｘ排出量を好適に低減し切れないという問題がある。このため、燃焼時に二酸化炭素が発生せず、貯蔵や輸送技術が確立されているアンモニアの利点を享受しながら、アンモニア燃料の燃焼に伴う未燃アンモニアの排出の抑制やＮＯｘ濃度の低減を図ることができる火力発電プラント又はボイラの開発が望まれていた。

上記事情に鑑み、本発明における幾つかの実施形態では、上述した課題を解決することを目的とし、燃焼時に二酸化炭素が発生せず、貯蔵や輸送技術が確立されているアンモニアの利点を享受しながら、アンモニア燃料の燃焼に伴う未燃アンモニアの排出の抑制やＮＯｘ濃度の低減を図ることができる火力発電プラント、ボイラ又はボイラの改造方法を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係るボイラは、
火炉と、
少なくとも化石燃料を前記火炉内で燃焼させるためのバーナと、
前記火炉内における燃焼ガスの流れ方向において前記バーナに対して下流側に設けられ、前記化石燃料を燃焼させるための追加空気を前記火炉に供給するように構成された追加空気供給部と、
前記追加空気供給部に対して前記流れ方向の上流側のアンモニア供給位置において、少なくともアンモニアを含むアンモニア燃料を前記火炉に供給するためのアンモニア燃料供給部と、を備える。

本発明者らの知見によれば、追加空気供給部を備えた２段燃焼ボイラにおいて、追加空気供給部よりも上流側の位置にアンモニア燃料を投入すれば、火炉内の還元雰囲気においてアンモニア燃料の窒素分がＮ_２に還元され、アンモニア燃料の燃焼に伴う未燃アンモニアの排出を抑制しつつ、ＮＯｘ濃度の増加を抑制できることが明らかになった。
上記（１）の構成は本発明者らの上記知見を利用したものであり、追加空気供給部の上流側にアンモニア燃料を供給するようにしたので、炉内の還元雰囲気を利用してアンモニア燃料の窒素分をＮ_２に分解して、アンモニア燃料の燃焼に伴う未燃アンモニアの排出を抑制しつつＮＯｘ濃度の増加を抑制できる。これにより、燃焼時に二酸化炭素が発生せず、貯蔵や輸送技術が確立されているアンモニアの利点を享受しながら、アンモニア燃料の燃焼に伴う未燃アンモニアの排出を抑制しつつＮＯｘ濃度の低減を図ることができる。
なお、本明細書において、「アンモニア燃料」とは、アンモニアを含有する燃料をいい、アンモニアとともに他の成分（例えば水素、水分、窒素等）を含有していてもよい。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記火炉のうち前記アンモニア供給位置と前記追加空気供給部の設置位置との間の部位の容積Ｖ［ｍ^３］とし、前記火炉内の前記燃焼ガスの体積流量をＦ［ｍ^３／ｓｅｃ］としたとき、前記アンモニア供給位置はＶ／Ｆ≧１［ｓｅｃ］を満たすように設定されてもよい。
本発明者らの鋭意検討の結果、２段燃焼ボイラの炉内還元領域におけるアンモニア燃料の滞留時間を１ｓｅｃ以上確保することで、アンモニア燃料の窒素分の殆どをＮ_２に還元可能であることが明らかになった。
上記（２）の構成は、本発明者らの上記知見に基づき、追加空気供給部に対して十分に上流側（Ｖ／Ｆ≧１［ｓｅｃ］を満たす位置）にアンモニア供給位置を設定したので、炉内還元領域におけるアンモニア燃料の滞留時間を１ｓｅｃ以上確保可能となり、ＮＯｘ濃度をより効果的に低減することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
前記アンモニア燃料供給部は、前記アンモニア燃料を前記化石燃料とともに前記炉内に供給する前記バーナを含んでもよい。
上記（３）の構成によれば、アンモニア燃料供給部をバーナとは別に設ける必要がないため、簡素な構成にて、化石燃料とアンモニア燃料との混焼ボイラを実現することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の何れかの構成において、
前記ボイラは、
前記バーナに前記化石燃料を供給するための第１燃料供給ラインと、
前記第１燃料供給ラインに接続され、前記第１燃料供給ライン内の前記化石燃料に前記アンモニア燃料を混入させるための第２燃料供給ラインと、をさらに備えてもよい。
上記（４）の構成によれば、既存の化石燃料焚きボイラに対して第２燃料供給ラインを追加設置することで、上記（３）において上述した化石燃料とアンモニア燃料との混焼ボイラを容易に実現することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（３）又は（４）の構成において、
複数段の前記バーナが、それぞれ、前記流れ方向における異なる位置に設けられ、
前記アンモニア燃料供給部は、少なくとも、前記複数段の前記バーナのうち最上流側の前記バーナを含んでもよい。
上記（５）の構成によれば、追加空気供給部に対して十分に上流側にアンモニア供給位置を設定されることになり、炉内還元領域におけるアンモニア燃料の滞留時間を十分に確保可能となり、ＮＯｘ濃度をより効果的に低減することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかの構成において、
全燃料に対する前記アンモニア燃料のカロリー比が、１０％以上３０％以下であってもよい。
上記（６）の構成によれば、未燃アンモニアの排出の抑制とＮＯｘ濃度の低減とを両立することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかの構成において、
前記ボイラは、
前記アンモニア燃料供給位置への前記アンモニア燃料の到達前、前記アンモニア燃料の一部をＨ_２とＮ_２とに分解するためのアンモニア分解装置をさらに備えていてもよい。
上記（７）の構成によれば、２段燃焼ボイラの炉内還元領域におけるアンモニア燃料の滞留時間を十分に確保することが難しい場合であっても、アンモニア分解装置によりアンモニア燃料の一部を予めＨ_２とＮ_２とに分解することで、未燃アンモニアの排出の抑制とＮＯｘ濃度の低減を図ることができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（７）の構成において、
前記アンモニア分解装置は、
前記アンモニア燃料の一部を部分酸化条件下で燃焼させるための燃焼部と、
前記燃焼部において生成した燃焼熱を用いて、前記アンモニア燃料の一部をＨ_２とＮ_２とに分解するように構成された分解部と、を含んでもよい。
上記（８）の構成によれば、アンモニア燃料の分解に必要な熱源をボイラから得るのではなく、アンモニア燃料の燃焼により得ることができるので、既存のボイラに対してアンモニア分解装置を小規模な工事で追加設置することができる。また、アンモニア分解装置の燃焼部では、アンモニア燃料を部分酸化条件下で燃焼させるため、燃焼部におけるＮＯｘの発生を抑制できる。

（９）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る火力発電プラントは、
上記（１）乃至（８）の何れかに記載のボイラと、前記ボイラで生成された蒸気により駆動される蒸気タービンと、を備える。
上記（９）の構成によれば、化石燃料とアンモニア燃料を用いたボイラを備えた火力発電プラントを実現することができる。また、上記（１）で述べたように、燃焼時に二酸化炭素が発生せず、貯蔵や輸送技術が確立されているアンモニアの利点を享受しながら、アンモニア燃料の燃焼に伴う未燃アンモニアの排出の抑制とＮＯｘ濃度の低減を図ることができる。

（１０）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係るボイラの改造方法は、
火炉と、化石燃料を前記火炉内で燃焼させるためのバーナと、前記化石燃料を燃焼させるための追加空気を前記火炉に供給するように構成された追加空気供給部と、を備えるボイラの改造方法であって、
前記ボイラの前記追加空気供給部に対して前記流れ方向の上流側において、前記アンモニア燃料を前記火炉に供給するためのアンモニア燃料供給系統を設置するステップ
を備えることを特徴とする。
上記（１０）の方法によれば、ボイラの追加空気供給部の上流側にアンモニア燃料を供給するためのアンモニア燃料供給系統を設置する改造工事により、炉内の還元雰囲気を利用してアンモニア燃料の窒素分をＮ_２に分解して、アンモニア燃料の燃焼に伴う未燃アンモニアの排出の抑制とＮＯｘ濃度の増加を抑制可能となる。これにより、燃焼時に二酸化炭素が発生せず、貯蔵や輸送技術が確立されているアンモニアの利点を享受しながら、アンモニア燃料の燃焼に伴う未燃アンモニアの排出の抑制とＮＯｘ濃度の低減を図ることができる。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（１０）に記載の方法において、前記バーナに前記化石燃料を供給するための第１燃料供給ラインをさらに備え、
前記アンモニア燃料供給系統を設置するステップでは、
前記第１燃料供給ライン内の前記化石燃料に前記アンモニア燃料を混入させるための第２燃料供給ラインを前記第１燃料供給ラインに接続してもよい。
上記（１１）の方法によれば、既存のボイラの構成要素を有効活用して改造工事を小規模にとどめることができ、未燃アンモニアの排出の抑制とＮＯｘ濃度の低減とをさらに確実に実現することができる。

本発明の幾つかの実施形態によれば、燃焼時に二酸化炭素が発生せず、貯蔵や輸送技術が確立されているアンモニアの利点を享受しながら、アンモニア燃料の燃焼に伴う未燃アンモニアの排出の抑制とＮＯｘ濃度の低減を図ることができる。

幾つかの実施形態に係る火力発電プラントの構成例を示す概略図である。 幾つかの実施形態に係るボイラの構成例を示す概略図である。 アンモニアの炉内滞留時間を説明するための概略図である。 アンモニア及び化石燃料を含む全燃料に対するアンモニアの混焼率と火炉出口におけるＮＯｘ増加量との関係を示す図である。 アンモニア及び空気比に対するアンモニアリーク率及びＮＯｘ転換率の関係を示す図である。 幾つかの実施形態におけるボイラの構成例を示す概略図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、本発明の幾つかの実施形態に係る火力発電プラントの構成例を示す概略図であり、図２は、本発明の幾つかの実施形態に係るボイラの構成例を示す概略図である。
図１に示すように、火力発電プラント１は、ボイラ２と、ボイラ２で発生した熱により加熱されて生成された蒸気によって駆動される蒸気タービン３と、蒸気タービン３により駆動されて発電する発電機４と、発電に寄与し仕事を終えた蒸気を液相に戻す復水器５と、復水器５で液化された水を循環させるポンプ６と、ボイラ２からの排気を排出する煙突８と、を備えている。

幾つかの実施形態において、火力発電プラント１は、ボイラ２にアンモニア燃料を供給するためのアンモニア燃料供給系統２４を備えている。なお、火力発電プラント１は、少なくとも化石燃料を燃焼させて発生した熱により蒸気タービン３を駆動して発電する構成と、ボイラ２にアンモニア燃料を供給するためのアンモニア燃料供給系統２４とを備えていればよく、上記構成以外にも必要に応じて種々の構成を備え得る。

蒸気タービン３は、ボイラ２からの高温ガスにより火炉伝熱管、節炭器及び過熱器等の熱交換器７を介して熱媒体としての水が加熱され、これにより得られた高圧蒸気（高圧ＳＴ）を利用して回転される高圧タービン３ａと、高圧タービン３ａを回転させた後の低圧蒸気（低圧ＳＴ）により回転されて駆動される低圧タービン３ｂと、を含む。
また、蒸気タービン３は、図１の例に限定されず、例えば、他のタンデムコンパウンド（くし形）やクロスコンパウンド（並列型）の構成を備えていてもよい。また、蒸気タービン３は、高圧、中圧、低圧の種々のタービンの組み合わせてなるユニットにより構成されていてもよい。この場合、高圧タービンを駆動した後の蒸気は、例えば、再熱器等の熱交換器によりボイラ２内で再度加熱された後に中圧タービンに供給されてもよい。

次に、幾つかの実施形態におけるボイラ２について詳しく説明する。
幾つかの実施形態において、ボイラ２は、化石燃料として図示しないミルにより石炭を粉砕して生成した微粉炭（石炭の微粉）を燃焼させるように構成された微粉炭焚きボイラであってもよい。幾つかの実施形態において、ボイラ２は、燃料として化石燃料に加えてアンモニア燃料を用い、該化石燃料とアンモニア燃料との混焼を行う混焼ボイラとして構成され得る。なお、化石燃料は微粉炭に限定されず、例えば、重油、軽油、液化天然ガス（ＬＮＧ）等、他の種類や他の形態の化石燃料であってもよい。

かかるボイラ２は、火炉２０と、少なくとも化石燃料を火炉２０内で燃焼させるためのバーナ２１と、化石燃料を燃焼させるための追加空気（２次空気）を火炉２０に供給するように構成された追加空気供給部２３と、を備える。ここで、追加空気供給部２３は、火炉２０内における燃焼ガスの流れ方向Ａ（図１参照）においてバーナ２１に対して下流側（図１及び図２においてバーナ２１の上方側）に設けられる。

また、ボイラ２は、少なくともアンモニアを含むアンモニア燃料を火炉２０内で燃焼させるためのバーナ２１に供給するためのアンモニア燃料供給部２５と、燃焼用の１次空気を供給する１次空気供給部２２とを含む。

火炉２０は、燃料と燃焼用空気とを反応させて燃焼させる筒状の中空体であり、例えば、円筒形状や四角柱状等、種々の形態をとり得る。幾つかの実施形態において、火炉２０は、炉壁部２０ａ及び炉底部２０ｂを含み、燃焼ガスの流れ方向Ａの下流側、即ち、当該火炉２０の上方側において煙道３８に連通している。

バーナ２１は、火炉２０外から火炉２０内に化石燃料（本実施形態では微粉炭、即ち、固体粉末燃料）と搬送用ガスとの混合気体及び燃焼用の１次空気を供給可能に構成されている。搬送用ガスは例えば空気である。
幾つかの実施形態において、ボイラ２は、バーナ２１に化石燃料を供給するための第１燃料供給ライン２８を備えている。即ち、図１に示す化石燃料供給部３３から第１燃料供給ライン２８を介してバーナ２１に微粉炭と搬送用ガスとの混合気体が供給され、バーナ２１にて１次空気と混合燃焼し、燃焼ガスが火炉２０内に噴出される。

この１次空気供給部２２は、火炉２０内に供給する空気量を任意に調節可能に構成される。こうして、１次空気供給部２２から供給される空気量を調節することにより、火炉２０内の下部領域、即ち、火炉２０内におけるバーナ２１の近傍に形成される燃焼領域３５に供給される酸素量（Ｏ_２の供給量）を規定範囲内に調節することができるようになっている。

幾つかの実施形態では、１次空気供給部２２から火炉２０内に供給される１次空気の量が、第１燃料供給ライン２８を介して供給される化石燃料を完全燃焼させるために必要な空気量（酸素量）未満となるように設定される。つまり、火炉２０内に形成される燃焼領域３５は低酸素燃焼領域となるため、この燃焼領域３５で燃焼した化石燃料は不完全燃焼の状態で下流側（図１における上方側）に移動する。このため、該燃焼領域３５の下流側に還元領域（還元雰囲気）３６が形成されるようになっている。

図２に例示するように、幾つかの実施形態では、複数段のバーナ２１が、それぞれ、火炉２０内における燃焼ガスの流れ方向Ａにおける異なる位置に設けられる。即ち、バーナ２１は、火炉２０の上下方向において下部（下方）から中部或いは上部（上方）にかけて複数段に亘って設けられていてもよい。この場合、複数段に亘って設けられたバーナ２１のうち、上下方向において最下部に位置するバーナ２１が、燃焼ガスの流れ方向Ａにおける最上流側バーナ（最下段バーナ）２１ａとなる。

追加空気供給部２３は、多段に設けられた複数のバーナ２１に対して、燃焼ガスの流れ方向Ａにおける下流側、即ち、火炉２０において上記複数のバーナ２１よりも上方に配設される。
この追加空気供給部２３から供給される２次空気は、アフターエアー（ＡＡ）又はオーバーファイヤーエア（ＯＦＡ）とも呼ばれ、１次空気供給部２２により供給される１次空気で燃焼しきれずに燃え残った化石燃料を完全燃焼させるために、追加的に酸素を供給するために供給される。
このように、ボイラ２は、１次空気を供給する１次空気供給部２２と、２次空気を供給する追加空気供給部２３とで段階的に火炉２０内に空気（酸素）を供給し、化石燃料を段階的（２段階）に燃焼させて完全燃焼させる構成となっている。このように、本実施形態のボイラ２は所謂２段燃焼ボイラとして構成される。

各空気供給部２２，２３は、送風機として各々が個別のブロワ（図示省略）等によって空気を供給してもよいし、同一のブロワ（図示省略）から分岐させて空気を供給する構成であってもよい。各々の空気供給流路には流量調整弁（図示省略）が設けられ、各流量調整弁は、個別に全閉から全開の状態までとり得るように開度制御可能となっている。なお、図２では１つの火炉２０にそれぞれ１次空気供給部２２、追加空気供給部２３、化石燃料供給部３３及びアンモニア燃料供給部２５が１つずつ設けられた様子を示しているが、これらの構成要素（２２，２３，３３，２５）の少なくとも何れか１つが火炉２０の周方向において何れの方向に設けられていてもよく、１つの火炉２０に対して複数或いは２方向以上に配置されていてもよい。

ここで、アンモニア燃料供給部２５によるアンモニア燃料の供給位置（アンモニア供給位置２７）について説明する。
幾つかの実施形態では、図２に示すように、アンモニア燃料供給部２５からのアンモニア燃料は、追加空気供給部２３に対して上記燃焼ガスの流れ方向Ａの上流側に配設されたバーナ２１を介して火炉２０内に供給される。
図２に示す例示的な実施形態では、アンモニア燃料供給部２５は、火炉２０の上下方向において複数段に設けられたバーナ２１のうち最上流側、即ち、最下段のバーナ２１（最下段バーナ２１ａ）を介して、化石燃料とともにアンモニア燃料を火炉２０内に噴射するように構成される。このようにすれば、追加空気供給部２３に対して十分に上流側にアンモニア供給位置２７が設定されることになり、火炉２０内の還元領域３６におけるアンモニア燃料の滞留時間を十分に確保可能となり、未燃アンモニアの排出を抑制すると共にＮＯｘ濃度をより効果的に低減することができる。

他の実施形態では、複数段のバーナ２１のうち最上流側バーナ２１ａに加えて、最上流側バーナ２１ａ以外のバーナ２１も用いて、アンモニア燃料供給部２５からのアンモニア燃料がバーナ２１を介して火炉２０内に噴射されるようになっていてもよい。このようにアンモニア燃料供給部２５からのアンモニア燃料を少なくとも一つのバーナ２１を介して火炉２０内に供給する場合、ボイラ２は、第１燃料供給ライン２８に接続され、第１燃料供給ライン２８内の化石燃料にアンモニア燃料を混入させるための第２燃料供給ライン２９をさらに備えてもよい。この構成によれば、既存の化石燃料焚きボイラに対して第２燃料供給ライン２９を追加設置することで、上述した化石燃料とアンモニア燃料との混焼ボイラを容易に実現することができる。即ち、バーナ２１は、アンモニア燃料を化石燃料とともにバーナ２１に供給する構成であってもよい。この構成によれば、アンモニア燃料供給部をバーナ２１とは別に設ける必要がないため、簡素な構成にて、化石燃料とアンモニア燃料との混焼ボイラを実現することができる。

他の実施形態では、アンモニア燃料供給部２５は、最下段バーナ２１ａよりも下方に位置する火炉２０の炉壁部２０ａの下部に、或いは、火炉２０の炉底部２０ｂにアンモニア燃料とアンモニア燃焼用空気とを供給する専用のアンモニア用バーナをバーナ２１とは別に設けて構成してもよい。また、火炉２０の炉壁部２０ａの下部に、或いは、火炉２０の炉底部２０ｂにアンモニア燃料のみを供給するアンモニア用ポートを設け、このアンモニア用ポートから火炉２０内にアンモニア燃料を直接供給するように構成してもよい。この場合、追加空気供給部２３からの２次空気（ＡＡ）投入位置よりも上流側の還元領域３６でアンモニアが水素と窒素とに分解され、分解により生成された水素が２次空気投入位置以降で燃焼するように構成される。このような構成としても、追加空気供給部２３に対して十分に上流側にアンモニア供給位置２７が設定されることになり、火炉２０内の還元領域３６におけるアンモニア燃料の滞留時間を十分に確保可能となり、未燃アンモニア及びＮＯｘをより効果的に低減することができる。

幾つかの実施形態では、アンモニア供給位置２７は、火炉２０のうちアンモニア供給位置２７と追加空気供給部２３の設置位置との間の部位の容積Ｖ［ｍ^３］とし、火炉２０内の燃焼ガス３４の体積流量をＦ［ｍ^３／ｓｅｃ］としたとき、以下の数式（１）を満たすように設定される。
［数１］
Ｖ／Ｆ≧１［ｓｅｃ］ ・・・（１）

具体的には、図３に示すように、アンモニア供給位置２７に供給されたアンモニア燃料は、該アンモニア供給位置２７から体積流量Ｆ［ｍ^３／ｓｅｃ］で火炉２０内を流れ方向Ａに沿って下流側（図１，２における上方側）に移動する。
その際、上記移動の方向（燃焼ガスの流れ方向Ａ）に直交する火炉２０内部の断面積は、火力発電プラント１の定格出力やサイクル形態、発電効率等を考慮した種々の設計事情等により、火炉２０の流れ方向Ａにおいて一様の場合もあれば一様でない場合もあり得、流れ方向Ａに沿う距離ｘに応じて変化することもあり得る。このため、流れ方向Ａに直交する火炉２０内部の断面積を、例えば、流れ方向Ａに沿う距離ｘの関数Ｓ（ｘ）［ｍ^２］とすると、容積Ｖは以下の数式（２）のように表すことができる。
［数２］
Ｖ＝∫Ｓ（ｘ）ｄｘ ・・・（２）

このように、幾つかの実施形態によれば、追加空気供給部２３に対して十分に上流側（Ｖ／Ｆ≧１を満たす位置）にアンモニア供給位置２７を設定したので、火炉２０内の還元領域３６におけるアンモニア燃料の滞留時間を１ｓｅｃ以上確保することが可能となり、未燃アンモニアの排出を抑制すると共にＮＯｘをより効果的に低減することができる。

好ましくは、アンモニア供給位置２７は、火炉２０内に供給されたアンモニアが還元領域３６を通過する時間（還元領域３６における滞留時間）を示すＶ／Ｆが２ｓｅｃ以上となるような位置とするのがよい。

図４は、本発明者らの鋭意研究により得られた図であり、全燃料に対するアンモニアの混焼率（カロリー比）と、化石燃料の専燃時を基準とした火炉２０の出口におけるＮＯｘの増加量との関係を示すグラフである。同図から明らかなように、火炉２０出口におけるＮＯｘ増加量は、全燃料に対するアンモニアのカロリー比に概ね比例して直線的（線形的）に増加する。

このグラフに基づき、全燃料に対するアンモニア燃料のカロリー比は、ＮＯｘの増加を抑制しながら、アンモニア燃料の使用によるメリットを享受し得るような範囲内に任意に設定可能である。全燃料に対するアンモニア燃料のカロリー比は、例えば、１％以上８０％以下としてもよいし、５％以上４０％以下としてもよいし、１０％以上３０％以下としてもよい。幾つかの実施形態では、全燃料に対するアンモニア燃料のカロリー比を、１０％以上３０％以下とすることにより、未反応アンモニアの排出の抑制とＮＯｘ濃度の低減とを両立することができる。

また、図５は、本発明者らの鋭意研究により得られた図であり、１［ｍｏｌ］のアンモニアを燃焼させるために供給する空気量（酸素量）を理論空気量に対し０．６から１．０の間で変化させた場合において、当該供給する空気量と火炉２０の出口でのアンモニア（未燃アンモニア）リーク率、及び、ＮＯｘへの転換率（ＮＯｘ転換率）との関係を示したグラフである。

同図からわかるように、空気比を０．６〜１．０の間で増加させていくと、火炉２０の出口におけるアンモニアリーク率は第１次空気比の増加に伴い低下し、逆に、火炉２０の出口におけるＮＯｘ転換率は増加する。同図から得られる知見を踏まえ、アンモニアリーク低減とＮＯｘ低減とを両立する観点から、第１次空気比は、０．７以上０．９以下、好ましくは０．７５以上０．８５以下に設定することが好ましい。

このように、幾つかの実施形態によれば、化石燃料とアンモニア燃料とを用いたボイラ２を備えた火力発電プラント１を実現することができる。また、上述したように、燃焼時に二酸化炭素が発生せず、貯蔵や輸送技術が確立されているアンモニアの利点を享受しながら、アンモニア燃料の燃焼に伴う未燃アンモニアの排出の抑制やＮＯｘ濃度の低減を図ることができる。

なお、上記構成のボイラ２は、図２に一点鎖線で示すアンモニア燃料供給系統２４を既存の火力発電プラントに追加的に設置する改造工事により、容易に実現することができる。
即ち、幾つかの実施形態において、火炉２０と、化石燃料を火炉２０内で燃焼させるためのバーナ２１と、化石燃料を燃焼させるための追加空気を火炉２０に供給するように構成された追加空気供給部２３と、を備える既存のボイラを改造することで、上記構成のボイラ２を得てもよい。この改造工事では、ボイラ２の追加空気供給部２３に対して流れ方向Ａの上流側においてアンモニア燃料を火炉２０に供給するためのアンモニア燃料供給系統２４を設置する。こうして、既存の火力発電プラントのボイラ２を容易に改造することができる。このようなボイラの改造方法によれば、ボイラ２の追加空気供給部２３の上流側にアンモニア燃料を供給するためのアンモニア燃料供給系統２４を設置する改造工事により、火炉２０内の還元雰囲気を利用してアンモニア燃料の窒素分をＮ_２に分解して、アンモニア燃料の燃焼に伴うＮＯｘ濃度の増加を抑制可能となる。これにより、燃焼時に二酸化炭素が発生せず、貯蔵や輸送技術が確立されているアンモニアの利点を享受しながら、アンモニア燃料の燃焼に伴う未燃アンモニアの排出の抑制とＮＯｘ濃度の低減を図ることができる。

また、ボイラの上記改造工事に際して、アンモニア燃料供給部２５を設置するとともに、化石燃料を供給する第１燃料供給ライン２８内の化石燃料にアンモニア燃料を混入させるための第２燃料供給ライン２９を第１燃料供給ライン２８に接続してもよい。このようにすれば、既存のボイラの構成要素を有効活用して改造工事を小規模にとどめることができ、未燃アンモニアの排出の抑制とＮＯｘ濃度の低減とをさらに確実に実現することができる。
他の実施形態では、ボイラの上記改造工事に際して、アンモニア燃料供給部２５を設置するとともに、該アンモニア燃料供給部２５から供給されるアンモニア燃料を火炉２０内に直接供給するラインを設置してもよい。

以上説明したように、上記実施形態の構成は本発明者らの知見を利用したものであり、追加空気供給部２３の上流側にアンモニア燃料を供給するようにしたので、火炉２０内の還元雰囲気を利用してアンモニア燃料の窒素分をＮ_２に分解して、アンモニア燃料の燃焼に伴うＮＯｘ濃度の増加を抑制できる。また、典型的なボイラでは、火炉２０内の燃焼温度は、例えば、１５００〜１６００℃程度と非常に高温であるため、触媒等を設けなくとも、アンモニアから窒素及び水素への分解反応が円滑に進むようになっている。このため、火炉２０内の還元雰囲気を利用してアンモニア燃料を効果的に分解させて、高価な触媒等を用いることなく、未燃アンモニアの排出の抑制とＮＯｘ濃度の増加を抑制できる。
これにより、燃焼時に二酸化炭素が発生せず、貯蔵や輸送技術が確立されているアンモニアの利点を享受しながら、未燃アンモニア燃料の排出の抑制とＮＯｘ濃度の低減とを図ることができる。

次に、図６を参照し、幾つかの実施形態に係るボイラ２は、アンモニア燃料供給位置２７へのアンモニア燃料の到達前に、アンモニア燃料におけるアンモニアの一部をＨ_２とＮ_２とに分解するためのアンモニア分解装置３０をさらに備えていてもよい。

具体的に、幾つかの実施形態に係るボイラ２は、アンモニア燃料の一部を部分酸化条件下で燃焼させるための燃焼部３１と、燃焼部３１において生成した燃焼熱を用いて、アンモニア燃料のアンモニアの一部をＨ_２とＮ_２とに分解するように構成された分解部３２と、を含む。このような構成とすることにより、アンモニア燃料供給部２５から供給されるアンモニア燃料は、ボイラ２等からの排熱を用いることなく、燃焼部３１で生じた自己の燃焼熱により、窒素及び水素に分解されることとなる。即ち、幾つかの実施形態では、アンモニア燃料の分解に必要な熱源をボイラ２から得るのではなく、アンモニア燃料の燃焼により得ることができるので、既存のボイラに対してアンモニア分解装置３０を小規模な工事で追加設置することができる。また、アンモニア分解装置３０の燃焼部３１では、アンモニア燃料を部分酸化条件下で燃焼させるため、燃焼部３１におけるＮＯｘの発生を抑制できる。

分解部３２は、アンモニア供給位置２７へのアンモニアの到達前に、以下の化学式（３）に示すように、アンモニア燃料を窒素（Ｎ_２）と水素（Ｈ_２）とに分解し、分解された窒素と水素とを第１燃料供給ラインに供給するように構成される。
［化１］
２ＮＨ_３→Ｎ_２＋３Ｈ_２・・・（３）

この分解部３２には、例えば、アンモニア分解触媒を適用してもよい。アンモニア分解触媒としては、例えば、シリカや酸化ランタンなどの無機質担体にニッケルやコバルトを含浸担持法等により担持した触媒を使用し、加熱下でアンモニアを接触させ、水素と窒素に分解する方法を用いることができる。また、アルミナ、シリカ、酸化マグネシウムなどの無機質担体に、含浸担持法等により白金族（ルテニウム）を担持した触媒を使用し、加熱下でアンモニアを接触させ、水素と窒素に分解する方法等、種々の触媒及び方法を適用し得る。また、塩基性炭酸マグネシウムを含む酸化マグネシウム担体と該担体に担持されたルテニウムを含有するアンモニア分解触媒等を用いてもよい。

さらに、幾つかの実施形態で例示するボイラ２は、図６に一点鎖線で示すアンモニア燃料供給系統２４を既存の火力発電プラントに追加的に設置する改造工事により、容易に実現することができる。
即ち、幾つかの実施形態において、火炉２０と、化石燃料を火炉２０内で燃焼させるためのバーナ２１と、化石燃料を燃焼させるための追加空気を火炉２０に供給するように構成された追加空気供給部２３と、を備えるボイラ２の改造方法は、ボイラ２の追加空気供給部２３に対して流れ方向Ａの上流側において、アンモニア燃料を火炉２０に供給するためのアンモニア燃料供給系統２４を設置することにより、既存の火力発電プラントのボイラ２を容易に改造することができる。
上記アンモニア燃料供給系統２４を設置するステップでは、アンモニア燃料供給部２５を設置することと、アンモニア燃焼用空気供給部２６を設置することと、アンモニア分解装置３０を設置することと、を含んでもよい。
また、上記アンモニア分解装置３０を設置するステップは、燃焼部３１を設置することと、分解部３２を設置することとを含んでもよい。
ここで、アンモニア燃焼用空気供給部２６は、アンモニア分解装置３０の燃焼部３１でアンモニアを燃焼するための空気（酸素）を供給できればよく、図６に示す例に限定されない。即ち、幾つかの実施形態では、例えば、上述した１次空気供給部２２からの抽気をアンモニア分解装置３０の燃焼部３１に供給するように構成してもよいし、追加空気供給部２３からの抽気を燃焼部３１に供給するように構成してもよい。また、煙道３８からの排ガスを再びバーナ２１に供給する排気再循環（ＧＲ）流路を設け、このＧＲ流路からの抽気を燃焼部３１に供給するように構成してもよい。

このように、図６に例示する実施形態によれば、追加空気供給部２３の上流側にアンモニア燃料を供給するようにしたので、火炉２０内の還元雰囲気３６を利用してアンモニア燃料の窒素分をＮ_２に分解して、アンモニア燃料の燃焼に伴うＮＯｘ濃度の増加を抑制できる。これにより、燃焼時に二酸化炭素が発生せず、貯蔵や輸送技術が確立されているアンモニアの利点を享受しながら、アンモニア燃料の燃焼に伴う未燃アンモニアの排出を抑制すると共にＮＯｘ濃度の低減を図ることができる。
また、追加空気供給部２３に対して十分に上流側にアンモニア供給位置２７が設定されることになり、火炉２０内の還元領域３６におけるアンモニア燃料の滞留時間を十分に確保可能となり、未燃アンモニアの排出を抑制すると共にＮＯｘ濃度をより効果的に低減することができる。
さらに、２段燃焼ボイラにおいて火炉２０内の還元領域３６におけるアンモニア燃料の滞留時間を十分に確保することが難しい場合であっても、アンモニア分解装置３０によりアンモニア燃料の一部を予めＨ_２とＮ_２とに分解することで、未燃アンモニアの排出の抑制とＮＯｘ濃度の低減とを図ることができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変更を加えた形態や、これらの形態を組み合わせた形態も含む。

１ 火力発電プラント
２ ボイラ
３ 蒸気タービン
３ａ 高圧タービン（蒸気タービン）
３ｂ 低圧タービン（蒸気タービン）
４ 発電機
５ 復水器
６ ポンプ
７ 熱交換器
８ 煙突
２０ 火炉
２０ａ 炉壁部
２０ｂ 炉底部
２１ バーナ
２１ａ 最上流側バーナ（最下段バーナ）
２２ １次空気供給部（１次空気）
２３ 追加空気供給部（２次空気／ＡＡ）
２４ アンモニア燃料供給系統
２５ アンモニア燃料供給部
２６ アンモニア燃焼用空気供給部
２７ アンモニア供給位置
２８ 第１燃料供給ライン
２９ 第２燃料供給ライン
３０ アンモニア分解装置
３１ 燃焼部
３２ 分解部
３３ 化石燃料供給部
３５ 燃焼領域（低酸素燃焼領域）
３６ 還元領域（還元雰囲気）
３８ 煙道
Ａ 燃焼ガスの流れ方向

Claims (11)

1. 火炉と、
   少なくとも化石燃料を前記火炉内で燃焼させるためのバーナと、
   前記火炉内における燃焼ガスの流れ方向において前記バーナに対して下流側に設けられ、前記化石燃料を燃焼させるための追加空気を前記火炉に供給するように構成された追加空気供給部と、
   前記追加空気供給部に対して前記流れ方向の上流側のアンモニア供給位置において、少なくともアンモニアを含むアンモニア燃料を前記火炉に供給するためのアンモニア燃料供給部と、を備える
   ことを特徴とするボイラ。
2. 前記火炉のうち前記アンモニア供給位置と前記追加空気供給部の設置位置との間の部位の容積Ｖ［ｍ^３］とし、前記火炉内の前記燃焼ガスの体積流量をＦ［ｍ^３／ｓｅｃ］としたとき、前記アンモニア供給位置はＶ／Ｆ≧１［ｓｅｃ］を満たすように設定された
   ことを特徴とする請求項１に記載のボイラ。
3. 前記アンモニア燃料供給部は、前記アンモニア燃料を前記化石燃料とともに前記炉内に供給する前記バーナを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のボイラ。
4. 前記バーナに前記化石燃料を供給するための第１燃料供給ラインと、
   前記第１燃料供給ラインに接続され、前記第１燃料供給ライン内の前記化石燃料に前記アンモニア燃料を混入させるための第２燃料供給ラインと、をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のボイラ。
5. 複数段の前記バーナが、それぞれ、前記流れ方向における異なる位置に設けられ、
   前記アンモニア燃料供給部は、少なくとも、前記複数段の前記バーナのうち最上流側の前記バーナを含むことを特徴とする請求項３又は４に記載のボイラ。
6. 全燃料に対する前記アンモニア燃料のカロリー比が、１０％以上３０％以下であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のボイラ。
7. 前記アンモニア燃料供給部への前記アンモニア燃料の到達前、前記アンモニア燃料の窒素分の一部をＮ_２に分解するためのアンモニア分解装置をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のボイラ。
8. 前記アンモニア分解装置は、
   前記アンモニア燃料の一部を部分酸化条件下で燃焼させるための燃焼部と、
   前記燃焼部において生成した燃焼熱を用いて、前記アンモニア燃料のアンモニアの一部をＨ_２とＮ_２とに分解するように構成された分解部と、
   を含むことを特徴とする請求項７に記載のボイラ。
9. 請求項１乃至８の何れか一項に記載のボイラと、
   前記ボイラで生成された蒸気により駆動される蒸気タービンと、
   を備えることを特徴とする火力発電プラント。
10. 火炉と、化石燃料を前記火炉内で燃焼させるためのバーナと、前記化石燃料を燃焼させるための追加空気を前記火炉に供給するように構成された追加空気供給部と、を備えるボイラの改造方法であって、
    前記ボイラの前記追加空気供給部に対して前記火炉内における流れ方向の上流側において、前記アンモニア燃料を前記火炉に供給するためのアンモニア燃料供給系統を設置するステップを備えることを特徴とするボイラの改造方法。
11. 前記ボイラは、前記バーナに前記化石燃料を供給するための第１燃料供給ラインをさらに備え、
    前記アンモニア燃料供給系統を設置するステップでは、
    前記第１燃料供給ライン内の前記化石燃料に前記アンモニア燃料を混入させるための第２燃料供給ラインを前記第１燃料供給ラインに接続する
    ことを特徴とする請求項１０に記載のボイラの改造方法。

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