JP2018138496A - Fertilizer production apparatus, and fertilizer production method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒素化合物で構成される肥料を製造する肥料製造装置、および、肥料製造方法に関する。 The present invention relates to a fertilizer manufacturing apparatus that manufactures a fertilizer composed of a nitrogen compound, and a fertilizer manufacturing method.
近年、発電および熱供給を行うことができるコジェネレーションシステムが開発されている。例えば、特許文献1には、ディーゼルエンジン、発電機、排ガス熱利用装置、排ガス処理装置を備えたコジェネレーションシステムが記載されている。 In recent years, cogeneration systems capable of generating and supplying heat have been developed. For example, Patent Document 1 describes a cogeneration system including a diesel engine, a generator, an exhaust gas heat utilization device, and an exhaust gas treatment device.
上記ディーゼルエンジンは、軽油を燃焼させる。発電機は、ディーゼルエンジンによって駆動される。排ガス熱利用装置は、ディーゼルエンジンから排出された排ガスから熱を回収する。排ガス処理装置は、排ガス熱利用装置から排出された排ガスから窒素酸化物(NOx)を回収して窒素肥料を製造する。 The diesel engine burns light oil. The generator is driven by a diesel engine. The exhaust gas heat utilization device recovers heat from the exhaust gas discharged from the diesel engine. The exhaust gas treatment device collects nitrogen oxides (NOx) from the exhaust gas discharged from the exhaust gas heat utilization device to produce nitrogen fertilizer.
NOxは、大気汚染物質であるため排出量が規制されている。このため、軽油を燃焼させるディーゼルエンジンには、NOxをできる限り生成しないようにする機構が取り付けられている。したがって、上記特許文献1の技術において、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスに含まれるNOxの量は極めて少ない。 Since NOx is an air pollutant, its emission amount is regulated. For this reason, a mechanism for preventing NOx from being generated as much as possible is attached to a diesel engine that burns light oil. Therefore, in the technique of Patent Document 1, the amount of NOx contained in the exhaust gas discharged from the diesel engine is extremely small.
仮に、上記機構を取り外したとしても、軽油を燃焼させたことによって生じるNOxは、燃焼用の空気に含まれる窒素(N2)と酸素(O2)とが反応して生成される、所謂、サーマルNOxである。このため、排気ガス中のNOx含有率の増加には限界がある。したがって、窒素肥料の製造という観点からすると、窒素肥料の製造効率が低いという問題がある。 Even if the mechanism is removed, NOx generated by burning light oil is generated by the reaction of nitrogen (N 2 ) and oxygen (O 2 ) contained in combustion air, so-called Thermal NOx. For this reason, there is a limit in increasing the NOx content in the exhaust gas. Therefore, there is a problem that the production efficiency of nitrogen fertilizer is low from the viewpoint of production of nitrogen fertilizer.
本発明は、このような課題に鑑み、窒素肥料の製造効率を向上させることが可能な肥料製造装置、および、肥料製造方法を提供することを目的としている。 In view of such problems, an object of the present invention is to provide a fertilizer manufacturing apparatus and a fertilizer manufacturing method capable of improving the manufacturing efficiency of nitrogen fertilizer.
上記課題を解決するために、本発明に係る肥料製造装置は、少なくともアンモニアを燃焼させて燃焼排ガスを生成する燃焼部と、前記燃焼排ガスから窒素酸化物を回収して窒素肥料を製造する回収部と、を備える。 In order to solve the above-described problems, a fertilizer manufacturing apparatus according to the present invention includes a combustion unit that burns at least ammonia to generate combustion exhaust gas, and a recovery unit that recovers nitrogen oxides from the combustion exhaust gas to produce nitrogen fertilizer. And comprising.
また、前記燃焼部は、前記アンモニアと燃料とを混焼させてもよい。 The combustion unit may co-fire the ammonia and fuel.
また、前記燃料は、炭化水素、水素、廃プラスチック燃料、および、木質燃料のうち、いずれか1または複数であってもよい。 The fuel may be one or more of hydrocarbon, hydrogen, waste plastic fuel, and wood fuel.
また、前記燃焼部は、前記アンモニアを、空気よりも酸素の含有率が高いガスで燃焼させてもよい。 The combustion unit may burn the ammonia with a gas having a higher oxygen content than air.
上記課題を解決するために、本発明に係る肥料製造方法は、少なくともアンモニアを燃焼させて燃焼排ガスを生成する工程と、前記燃焼排ガスから窒素酸化物を回収して窒素肥料を製造する工程と、を含む。 In order to solve the above problems, a method for producing a fertilizer according to the present invention includes a step of combusting at least ammonia to generate combustion exhaust gas, a step of recovering nitrogen oxide from the combustion exhaust gas, and producing nitrogen fertilizer, including.
本発明によれば、窒素肥料の製造効率を向上させることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to improve the production efficiency of nitrogen fertilizer.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The dimensions, materials, and other specific numerical values shown in the embodiments are merely examples for facilitating the understanding of the invention, and do not limit the present invention unless otherwise specified. In the present specification and drawings, elements having substantially the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted, and elements not directly related to the present invention are not illustrated. To do.
(肥料製造装置100)
図1は、本実施形態の肥料製造装置100を説明する図である。図1に示すように、肥料製造装置100は、アンモニア供給部110と、予混合器120と、燃焼部130と、ガスタービン140と、圧縮機150と、ボイラ160と、蒸気タービン170と、発電機180と、復水器190と、給水ポンプ192と、回収部200とを含んで構成される。なお、図1中、アンモニア、燃料、空気、排ガス、水の流れを実線の矢印で示す。
(Fertilizer manufacturing apparatus 100)
FIG. 1 is a diagram illustrating a
アンモニア供給部110は、予混合器120にアンモニアを供給する。アンモニア供給部110は、貯留部112と、気化器114と、圧送ポンプ116とを含んで構成される。貯留部112は、例えば、タンクで構成され、アンモニア(液体)を貯留する。気化器114には、貯留部112に貯留された液体のアンモニアが供給される。気化器114は、液体のアンモニアを加熱して気化させる。圧送ポンプ116は、気化器114によって気化されたアンモニアを予混合器120に供給する。
The ammonia supply unit 110 supplies ammonia to the
予混合器120は、圧送ポンプ116によって供給されたアンモニア(気体)と、燃料とを混合して、燃焼部130に供給する。燃料は、例えば、天然ガスである。
The
燃焼部130には、圧送ポンプ116によってアンモニアと燃料との予混合気が供給される。また、燃焼部130には、後述する圧縮機150によって酸素富化ガスが供給される。なお、酸素富化ガスは、空気よりも酸素の含有率が高いガスである。燃焼部130は、アンモニアおよび燃料を酸素富化ガスで混焼させて、燃焼排ガスを生成する。燃焼部130がアンモニアを燃焼させると、サーマルNOxのみならず、燃料由来の所謂フューエルNOxが生成される。したがって、燃焼部130がアンモニアを燃焼させることにより、軽油、天然ガス等の化石燃料を燃焼させる場合と比較して、燃焼排ガス中のNOx含有率を増加させることが可能となる。
A premixed mixture of ammonia and fuel is supplied to the
また、燃焼部130がアンモニアとともに燃料を混焼させることにより、アンモニアの燃焼効率(酸化効率)を向上させることができる。したがって、燃焼排ガス中のNOx含有率を増加させることが可能となる。
Moreover, the
また、燃焼部130がアンモニアを酸素富化ガスで燃焼させることにより、空気で燃焼させる場合と比較して、アンモニアの燃焼効率を向上させることができる。これにより、燃焼排ガス中のNOx含有率を増加させることが可能となる。
In addition, when the
ガスタービン140は、燃焼部130によって生成された燃焼排ガスによって回転軸142を回転させる。圧縮機150は、ガスタービン140の回転軸142に接続されており、回転軸142の回転によって酸素富化ガスを圧縮(昇圧)して燃焼部130に供給する。ボイラ160には、ガスタービン140を通過した燃焼排ガスが供給される。ボイラ160は、配管162を備え、配管162内を通過する水を燃焼排ガスで加熱して水蒸気を生成する。蒸気タービン170は、ボイラ160によって生成された水蒸気によって回転軸172を回転させる。発電機180は、回転軸142、172に接続されており、回転軸142、172の回転によって発電する。復水器190は、蒸気タービン170を通過した水蒸気を冷却して凝縮させる。給水ポンプ192は、復水器190によって凝縮された水を配管162に供給する。
The
回収部200は、燃焼排ガスからNOx(窒素酸化物)を回収して肥料を製造する。回収部200は、前処理部210と、吸着部220とを含んで構成される。前処理部210は、例えば、酸化触媒が担持された担体を含んで構成され、燃焼排ガスに含まれるNOxのうち、一酸化窒素(NO)を酸化して二酸化窒素(NO2)を生成する。また、前処理部210は、燃焼排ガスから水分を除去する。さらに、前処理部210は、燃焼排ガスからNOx以外のガス(例えば、二酸化炭素(CO2))を除去する。
The
吸着部220は、前処理部210によって処理が為された燃焼排ガスを吸着材に吸着させる。ここで、吸着材は、例えば、スラグ、活性炭である。NO2が吸着された吸着材は、そのまま肥料として利用できる。例えば、このようにして製造された、NO2が吸着された吸着材を、農地、栽培ハウス、植物工場等に運搬し、そのまま施肥することが可能となる。
The
(肥料製造方法)
続いて、上記肥料製造装置100を用いた肥料製造方法について説明する。図2は、肥料製造方法の処理の流れを説明するフローチャートである。
(Fertilizer manufacturing method)
Then, the fertilizer manufacturing method using the said
(ステップS110:予混合気生成工程)
アンモニア供給部110がアンモニアを予混合器120に供給し、不図示の供給部が燃料を予混合器120に供給する。そして、予混合器120は、アンモニアと燃料の予混合気を生成する。
(Step S110: Premixed gas generation step)
The ammonia supply unit 110 supplies ammonia to the
(ステップS120:燃焼排ガス生成工程)
燃焼部130は、ステップS110で生成された予混合気を燃焼させて燃焼排ガスを生成する。
(Step S120: Combustion exhaust gas generation process)
The
(ステップS130:肥料製造工程)
回収部200は、ステップS120で生成された燃焼排ガスからNOxを回収して肥料を製造する。
(Step S130: Fertilizer manufacturing process)
The
以上説明したように、本実施形態の肥料製造装置100は、アンモニアを燃焼させて燃焼排ガスを生成するため、サーマルNOxのみならず、フューエルNOxを生成することができる。これにより、化石燃料を燃焼させた結果生じる燃焼排ガスと比較して、NOxの含有率を増加させることが可能となる。したがって、相対的にNOxの含有率が高い燃焼排ガスから窒素肥料を製造することができ、窒素肥料の製造効率を向上させることが可能となる。
As explained above, since the
また、アンモニアは水素キャリアエネルギーとして注目されている(例えば、http://ieei.or.jp/2015/03/expl150317/)。アンモニアは、炭素原子を有さないため、燃料として用いた場合に、二酸化炭素(温室効果ガス)を排出してしまう事態を回避することができる。したがって、本実施形態の肥料製造装置100では、アンモニアを燃料として用いることにより、二酸化炭素の排出量を低減(または、ゼロに)しつつ、発電することができ、さらに、窒素肥料を製造することが可能となる。
Ammonia is attracting attention as hydrogen carrier energy (for example, http://ieei.or.jp/2015/03/expl150317/). Since ammonia does not have carbon atoms, it is possible to avoid a situation where carbon dioxide (greenhouse gas) is discharged when used as fuel. Therefore, in the
また、肥料製造装置100は、フューエルNOxから窒素肥料を製造するため、フューエルNOxが燃焼排ガスとして外部に排出されてしまう事態を回避することができる。このため、燃焼排ガスからNOxを低減する脱硝装置を搭載した従来のシステムと比較して、脱硝装置を省略することが可能となる。
Moreover, since the
(シミュレーション)
汎用化学反応解析ソフト(CHEMKIN−II)を用いて、下記比較例1〜比較例3、実施例1〜実施例4に示す条件で生成されるNOの濃度を算出した。図3は、シミュレーション条件およびシミュレーション結果を説明する図である。なお、燃料および酸化剤以外の条件(圧力、当量比、計算領域等)は、比較例1〜比較例3、実施例1〜実施例4においてすべて同一とした。
(simulation)
Using general-purpose chemical reaction analysis software (CHEMKIN-II), the concentration of NO produced under the conditions shown in Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 4 below was calculated. FIG. 3 is a diagram for explaining simulation conditions and simulation results. The conditions (pressure, equivalent ratio, calculation region, etc.) other than the fuel and the oxidant were all the same in Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 4.
比較例1は、燃料をメタンのみ(メタン専焼)とし、酸化剤を空気とした。比較例2は、燃料をメタンのみとし、酸化剤を、酸素40%、窒素60%の酸素富化ガスとした。比較例3は、燃料をメタンのみとし、酸化剤を酸素のみ(酸素100%)とした。
In Comparative Example 1, the fuel was only methane (methane combustion only) and the oxidant was air. In Comparative Example 2, the fuel was only methane, and the oxidant was oxygen enriched gas of 40% oxygen and 60% nitrogen. In Comparative Example 3, the fuel was only methane and the oxidant was oxygen only (
一方、実施例1は、燃料をアンモニアのみ(アンモニア専焼)とし、酸化剤を空気とした。実施例2は、燃料を、アンモニア50%とメタン50%の混合燃料とし、酸化剤を空気とした。実施例3は、燃料をアンモニアのみとし、酸化剤を、酸素40%、窒素60%の酸素富化ガスとした。実施例4は、燃料をアンモニアのみとし、酸化剤を酸素のみ(酸素100%)とした。
On the other hand, in Example 1, the fuel was only ammonia (ammonia only) and the oxidant was air. In Example 2, the fuel was a mixed fuel of 50% ammonia and 50% methane, and the oxidant was air. In Example 3, the fuel was only ammonia, and the oxidant was oxygen enriched gas of 40% oxygen and 60% nitrogen. In Example 4, the fuel was only ammonia and the oxidant was oxygen only (
その結果、比較例3では、NOが生成されない(NO濃度がゼロである)。また、実施例1と比較例1とを比較すると、実施例1では、比較例1の24.3倍のNOが生成されることが分かった。また、実施例2と比較例1とを比較すると、実施例2では、比較例1の49.2倍のNOが生成されることが確認された。さらに、実施例3と比較例1とを比較すると、実施例3では、比較例1の109倍のNOが生成されることが分かった。また、実施例3と比較例2とを比較すると、実施例3では、比較例2の2.15倍のNOが生成されることが確認された。さらに、実施例4と比較例1とを比較すると、実施例4では、比較例1の287倍のNOが生成されることが分かった。 As a result, in Comparative Example 3, NO is not generated (NO concentration is zero). Moreover, when Example 1 was compared with Comparative Example 1, it was found that Example 1 produced 24.3 times as much NO as Comparative Example 1. Moreover, when Example 2 was compared with Comparative Example 1, it was confirmed that Example 2 produced 49.2 times as much NO as Comparative Example 1. Furthermore, when Example 3 was compared with Comparative Example 1, it was found that Example 3 produced 109 times as much NO as Comparative Example 1. Moreover, when Example 3 was compared with Comparative Example 2, it was confirmed that Example 3 produced 2.15 times as much NO as Comparative Example 2. Furthermore, when Example 4 was compared with Comparative Example 1, it was found that Example 4 produced 287 times more NO than Comparative Example 1.
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Understood.
例えば、上記実施形態において、燃焼部130に供給される燃料として天然ガスを例に挙げて説明した。しかし、燃料は、アンモニアよりも燃焼性が高い物質、または、アンモニアの燃焼を促進する物質であればよい。燃料は、例えば、炭化水素(メタン、エタン、プロパン、ブタン、バイオディーゼル燃料等)、水素、廃プラスチック燃料、および、木質燃料(木質チップ、木質ペレット等)のうち、いずれか一方または両方である。
For example, in the above-described embodiment, natural gas has been described as an example of the fuel supplied to the
また、上記実施形態において、燃焼部130は、アンモニアを燃焼させる酸化剤として酸素富化ガスを例に挙げて説明した。しかし、酸化剤は、少なくとも酸素を含むガスであればよく、例えば、空気でもよい。
In the above-described embodiment, the
また、上記実施形態において、肥料製造装置100が予混合器120を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、予混合器120は必須の構成ではない。例えば、アンモニアと、燃料とが燃焼部130に別々に供給されてもよい。
Moreover, in the said embodiment, the structure which the
また、上記実施形態において、燃焼部130で生成された燃焼排ガスで発電する構成を例に挙げて説明した。しかし、燃焼部130は、少なくともアンモニアを燃焼させて燃焼排ガスを生成することができれば構成に限定はない。例えば、燃焼部を、工業用の燃焼炉で構成してもよい。
Moreover, in the said embodiment, the structure which produces electric power with the combustion exhaust gas produced | generated in the
また、上記実施形態において、吸着部220が、吸着材にNO2を吸着させたものをそのまま肥料として利用する構成を例に挙げて説明した。しかし、圧力スイング吸着法(PSA法)、アルカリ吸収法等を利用してNO2を濃縮してもよいし、硝酸を製造してもよい。例えば、吸着材としてゼオライトを採用する。そして、ゼオライトを収容した吸着塔に燃焼排ガスを供給し、ゼオライトに接触させて、NO2をゼオライトに吸着させる。その後、吸着塔を真空ポンプで吸引して減圧し、NO2をゼオライトから脱着させる。こうして脱着されたNO2を冷却し、液化させて濃縮してもよい。また、吸着材としてアルカリ吸収液(アミン吸収液)を採用する。そして、アルカリ吸収液を収容した吸収塔に燃焼排ガスを供給し、アルカリ吸収液に接触させて、NO2をアルカリ吸収液に吸収させる。その後、NO2を吸収したアルカリ吸収液を再生塔に供給し、再生塔においてアルカリ吸収液を加熱することで、NO2をアルカリ吸収液から気化させる。こうして気化されたNO2を冷却し液化させて濃縮してもよい。そして液化したNO2を水に溶解させて硝酸(窒素肥料)とし、希釈して施肥してもよい。また、液化したNO2を硝酸塩(例えば、硝酸アンモニウム、硝酸ナトリウム、硝酸カルシウム等の窒素肥料)に加工して施肥してもよい。また、吸着材としてゼオライトを採用する。そして、ゼオライトを収容した吸着塔に燃焼排ガスを供給し、ゼオライトに接触させて、NO2をゼオライトに吸着させる。その後、吸着塔に水を供給し、ゼオライトを洗浄し、水にNO2を溶解させて硝酸を製造する。こうして製造された硝酸(窒素肥料)をそのまま施肥してもよいし、硝酸を硝酸塩(例えば、硝酸アンモニウム、硝酸ナトリウム、硝酸カルシウム等の窒素肥料)に加工して施肥してもよい。
In the above embodiment, the
本発明は、窒素化合物で構成される肥料を製造する肥料製造装置、および、肥料製造方法に利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICATION This invention can be utilized for the fertilizer manufacturing apparatus which manufactures the fertilizer comprised with a nitrogen compound, and the fertilizer manufacturing method.
100 肥料製造装置
130 燃焼部
200 回収部
100
Claims (5)
前記燃焼排ガスから窒素酸化物を回収して窒素肥料を製造する回収部と、
を備える肥料製造装置。 A combustion section that burns at least ammonia to generate combustion exhaust gas;
A recovery unit for recovering nitrogen oxides from the combustion exhaust gas to produce nitrogen fertilizer;
A fertilizer manufacturing device comprising:
前記燃焼排ガスから窒素酸化物を回収して窒素肥料を製造する工程と、
を含む肥料製造方法。 A process of burning at least ammonia to produce combustion exhaust gas;
Recovering nitrogen oxides from the combustion exhaust gas to produce nitrogen fertilizer;
Fertilizer manufacturing method including.
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Citations (3)
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