JP2019086188A - ボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】アンモニアを燃料として燃焼可能なボイラにおいて、窒素酸化物（ＮＯｘ）の増加を抑制する。【解決手段】アンモニアを燃料として燃焼可能な燃焼装置と、燃焼装置が取り付けられた火炉と、燃料が燃焼されて発生した燃焼ガスを案内する煙道とを備えるボイラであって、燃焼装置に燃料として供給されるアンモニアの一部を燃焼装置よりも下流位置にて火炉及び煙道の少なくとも一方に還元剤として供給する還元剤供給部を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ボイラに関するものである。

下記特許文献１には、アンモニアを含む燃料を燃焼させる複合エネルギーシステムが開示されている。この複合エネルギーシステムは、二酸化炭素の排出量を削減することを目的として、主燃料である天然ガスにアンモニアを添加して燃焼させるものである。

特開２０１６−０３２３９１号公報

ところで、アンモニアを燃料の一部として燃焼させた場合には燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の増加が懸念される。上記背景技術は、専ら二酸化炭素の排出量の削減を目的としており、窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減さることについて何ら解決策を提示するものではない。天然ガスのような炭素燃料とアンモニアのような窒素含有燃料とを一緒に燃焼させる場合には、実用性の観点から窒素酸化物（ＮＯｘ）の増加を抑制することが必要不可欠である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、アンモニアを燃料として燃焼可能なボイラにおいて、窒素酸化物（ＮＯｘ）の増加を抑制することを目的とするものである。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、アンモニアを燃料として燃焼可能な燃焼装置と、上記燃焼装置が取り付けられた火炉と、燃料が燃焼されて発生した燃焼ガスを案内する煙道とを備えるボイラであって、上記燃焼装置に燃料として供給される上記アンモニアの一部を上記燃焼装置よりも下流位置にて上記火炉及び上記煙道の少なくとも一方に還元剤として供給する還元剤供給部を備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記還元剤供給部が、上記火炉に対して高さ方向における複数箇所に対して個別に上記還元剤としての上記アンモニアを供給可能に接続されているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記還元剤供給部が、上記火炉と上記煙道との各々に対して個別に上記還元剤としての上記アンモニアを供給可能に接続されているという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記火炉及び上記煙道の少なくとも一方の内部温度を計測する温度計測部を備え、上記還元剤供給部が、上記温度計測部の計測結果に基づいて上記還元剤として供給される上記アンモニアの流量を設定するという構成を採用する。

第５の発明は、上記第１〜第４いずれかの発明において、上記煙道から排出される上記燃焼ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を計測する濃度計測部を備え、上記還元剤供給部が、上記濃度計測部の計測結果に基づいて上記還元剤として供給される上記アンモニアの流量を設定するという構成を採用する。

第６の発明は、上記第１〜第５いずれかの発明において、炭素燃料を燃焼可能な燃焼装置を備え、上記還元剤供給部が、上記炭素燃料の特性に基づいて上記還元剤として供給される上記アンモニアの流量を設定するという構成を採用する。

第７の発明は、上記第１〜第６いずれかの発明において、上記還元剤供給部が、上記火炉及び上記煙道の少なくとも一方の内部に配設されると共に上記還元剤として供給される上記アンモニアを噴射する噴射部を備えるという構成を採用する。

第８の発明は、上記第１〜第７いずれかの発明において、上記還元剤として供給される上記アンモニアの流量と上記燃料として供給される上記アンモニアの流量とを合わせたアンモニアの全体流量を、上記還元剤として供給される上記アンモニアの流量に合わせて調節する制御部を備えるという構成を採用する。

本発明によれば、燃料として燃焼装置に供給されるアンモニアの一部が還元剤として火炉及び煙道の少なくとも一方に供給される。このため、燃料として供給されたアンモニアが燃焼されることによって発生した窒素酸化物が還元剤として供給されたアンモニアによって還元される。よって、本発明によれば、アンモニアを燃料として燃焼可能なボイラにおいて、窒素酸化物（ＮＯｘ）の増加を抑制することが可能となる。

本発明の第１実施形態におけるボイラの要部構成を示す模式図である。 本発明の第２実施形態におけるボイラの要部構成を示す模式図である。 本発明の第３実施形態におけるボイラの要部構成を示す模式図である。 本発明の第４実施形態におけるボイラの要部構成を示す模式図である。 本発明の第５実施形態におけるボイラの要部構成を示す模式図である。 本発明の第６実施形態におけるボイラの要部構成を示す模式図である。 本発明の第７実施形態におけるボイラの要部構成を示す模式図である。 本発明の第１実施形態におけるボイラのシミュレーション結果を示す棒グラフである。 本発明の第１実施形態におけるボイラのシミュレーション結果を示す棒グラフである。 微粉炭のみを燃料とするボイラにおける排ガスに含まれる一酸化窒素の量をシミュレーションした結果を示す棒グラフである。

以下、図面を参照して、本発明に係るボイラの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

（第１実施形態）
図１は、本第１実施形態のボイラ１の要部構成を示す模式図である。図１に示すように、ボイラ１は、火炉２と、煙道３と、バーナ４（燃焼装置）と、二段燃焼空気供給部５と、アンモニア供給部６と、微粉炭供給部７とを備えている。

火炉２は、垂直かつ筒状に設けられた炉壁によって構成され、アンモニアや微粉炭等の燃料を燃焼させて燃焼熱を発生させる炉体である。この火炉２では、燃料が燃焼することによって高温の燃焼ガスが発生する。また、火炉２の底部には、燃料の燃焼によって発生する灰分を外部に排出する排出口２ａが設けられている。

煙道３は、火炉２の上部と接続され、火炉２で発生した燃焼ガスを排ガスとして外部に案内する。このような煙道３は、火炉２の上部から水平に延出する水平煙道３ａと、水平煙道３ａの端部から下方に延出する後部煙道３ｂとを備えている。

なお、図１では省略しているが、ボイラ１は、火炉２の上部等に設置される過熱器を備えている。過熱器は、火炉２で発生した燃焼熱と水とを熱交換することによって水蒸気を生成する。また、図１では省略しているが、ボイラ１は、必要に応じて再熱器、節炭器、空気予熱器等を備える。

バーナ４は、火炉２の下部の壁部に配置されている。このバーナ４は、火炉２の周方向に複数設置されている。また、図１では省略しているが、バーナ４は、火炉２の高さ方向にも複数設置されている。これらのバーナ４は、火炉２の下部に二次元状かつ対向配置されており、燃料を噴射して燃焼させる。これらのバーナ４は、何れもアンモニア及び微粉炭を燃料として火炉２内に噴射可能な複合バーナである。なお、図１では省略しているが、火炉２にはバーナ４から噴射された燃料（アンモニア及び微粉炭）を着火させる着火装置が設けられている。また、図１では省略しているが、ボイラ１は、バーナ４に対して燃焼空気を供給する燃焼空気供給部を有している。各バーナ４から火炉２内に燃焼空気と共に噴射された燃料（アンモニア及び微粉炭）は、上述の着火装置の働きによって着火して燃焼する。

なお、ボイラ１に設置されるバーナ４は、全てが上述のような複合バーナである必要はない。例えば、石炭専焼のバーナやアンモニア専焼のバーナを備える構成を採用することもできる。ただし、本実施形態のボイラ１においては、少なくとも１つのバーナ４がアンモニアを燃料として燃焼可能とされており、火炉２の内部にてアンモニアと微粉炭との混焼が可能とされている。

ここで、アンモニアは、分子式（ＮＨ_３）によって示されるように水素（Ｈ）と窒素（Ｎ）との化合物であり、構成原子として炭素（Ｃ）を含まない。また、このアンモニア（低炭素燃料）は、難燃性の物質として知られるものの、メタン（ＣＨ_３）と同様に３つの水素原子を有する水素キャリア物質である。一方、微粉炭は、化石燃料である石炭を数マイクロメートル程度の大きさまで粉砕処理したものであり、ボイラ用の燃料として一般的に使用されている。すなわち、アンモニアは、微粉炭（炭素燃料）よりも炭素濃度が低い低炭素燃料である。

二段燃焼空気供給部５は、バーナ４の上方にて火炉２と接続されており、火炉２の内部に二段燃焼用の空気を供給する。このような二段燃焼空気供給部５によって二段燃焼用の空気を供給することで、バーナ４で燃焼された燃料の未燃分が二段燃焼空気によって燃焼され、ボイラ１の収熱性能を高めると共に、排ガスに含まれる燃料の未燃分を減少させることができる。

アンモニア供給部６は、アンモニア供給源６ａと、燃料アンモニア供給部６ｂと、還元剤供給部６ｃと、アンモニア供給制御装置６ｄ（制御部）とを備えている。アンモニア供給源６ａは、アンモニアを貯蔵するタンク等からなる。なお、アンモニア供給源６ａは、必ずしもアンモニア供給部６の構成要素である必要はない。つまり、アンモニア供給部６は、外部に設置されたアンモニア供給源６ａからアンモニアを取り込むようにしても良い。

燃料アンモニア供給部６ｂは、アンモニア供給源６ａとバーナ４とを接続する燃料アンモニア供給配管６ｂ１と、燃料アンモニア供給配管６ｂ１の途中部位に設置される全体流量調節弁６ｂ２及び燃料アンモニア流量調節弁６ｂ３とを備えている。燃料アンモニア供給配管６ｂ１は、アンモニア供給源６ａから供給されたアンモニアのうち、バーナ４に燃料として供給される分（燃料アンモニア）を案内する配管である。全体流量調節弁６ｂ２は、アンモニア供給源６ａから燃料アンモニア供給配管６ｂ１に供給されるアンモニアの全体流量を調節するバルブである。なお、アンモニアの全体流量は、燃料アンモニアの流量に対して、還元剤供給部６ｃを介して還元剤として火炉２等に供給されるアンモニア（還元剤アンモニア）の流量を加えた流量となる。燃料アンモニア流量調節弁６ｂ３は、全体流量調節弁６ｂ２よりも下流側に配置されており、燃料アンモニアの流量を調節するバルブである。

還元剤供給部６ｃは、火炉２に接続された還元剤供給配管６ｃ１と、還元剤供給配管６ｃ１の途中部位に設置された還元剤流量調節弁６ｃ２とを備えている。還元剤供給配管６ｃ１は、全体流量調節弁６ｂ２と燃料アンモニア流量調節弁６ｂ３との間にて一端が燃料アンモニア供給配管６ｂ１と接続されている。つまり、還元剤供給配管６ｃ１は、燃料アンモニア供給部６ｂと火炉２とを接続しており、燃料アンモニア供給部６ｂから燃料アンモニアの一部を取り込んで、還元剤アンモニアとして火炉２に案内する。このような還元剤供給部６ｃは、バーナ４よりも燃焼ガスの下流位置（すなわち上方）に還元剤アンモニアを供給する。還元剤流量調節弁６ｃ２は、還元剤アンモニアの流量を調節するバルブである。

例えば、図１に示すように、火炉２及び煙道３の内部を、火炎が形成されるバーナ領域Ｒ１と、二段燃焼が行われる二段燃焼領域Ｒ２と、火炉２の上部及び水平煙道３ａの内部を含む上部領域Ｒ３と、後部煙道３ｂの内部を含む後部領域Ｒ４とに分ける。ここで、本実施形態においては、還元剤供給部６ｃは、バーナ領域Ｒ１に還元剤供給配管６ｃ１が接続され、バーナ領域Ｒ１に還元剤アンモニアを供給する。

アンモニア供給制御装置６ｄは、全体流量調節弁６ｂ２、燃料アンモニア流量調節弁６ｂ３及び還元剤流量調節弁６ｃ２を制御し、全体流量調節弁６ｂ２、燃料アンモニア流量調節弁６ｂ３及び還元剤流量調節弁６ｃ２の開度を調節する。アンモニア供給制御装置６ｄは、外部の指令等に基づいて、全体流量調節弁６ｂ２の開度を調節することによってアンモニア供給源６ａから取り込まれるアンモニアの全体流量を調節する。

また、燃料アンモニア流量調節弁６ｂ３と還元剤流量調節弁６ｃ２との開度によって、アンモニア供給源６ａから取り込まれるアンモニアの燃料アンモニアと還元剤アンモニアとへの配分が定まる。つまり、燃料アンモニア流量調節弁６ｂ３と還元剤流量調節弁６ｃ２とは、燃料アンモニアと還元剤アンモニアとの配分割合を調節する機構（配分調節機構６ｂ４）を構成している。アンモニア供給制御装置６ｄは、これらの燃料アンモニア流量調節弁６ｂ３と還元剤流量調節弁６ｃ２と含む配分調節機構６ｂ４を制御することによって、燃料アンモニアと還元剤アンモニアとの配分割合を調節する。

また、本実施形態においてアンモニア供給制御装置６ｄは、還元剤アンモニアの流量と燃料アンモニアの流量とを合わせたアンモニアの全体流量を、還元剤アンモニアの流量に合わせて調節する制御する。例えば、本実施形態においてアンモニア供給制御装置６ｄは、還元剤アンモニアの流量を増加する場合には、全体流量調節弁６ｂ２の開度を増加し、アンモニアの全体流量を還元剤アンモニアの流量の増加分と同一分増加する。また、本実施形態においてアンモニア供給制御装置６ｄは、還元剤アンモニアの流量を減少する場合には、全体流量調節弁６ｂ２の開度を減少し、アンモニアの全体流量を還元剤アンモニアの流量の減少分と同一分減少する。この結果、バーナ４に供給される燃料アンモニアの流量を常に一定とすることが可能となる。

微粉炭供給部７は、バーナ４と接続されており、石炭を粉砕して微粉炭とすると共に微粉炭をバーナ４に対して供給する。この微粉炭供給部７は、例えば石炭を数マイクロメートル程度の粒径まで粉砕して微粉炭とするミルと、ミルによって生成された微粉炭をバーナ４に供給する給炭機とを備えている。なお、微粉炭供給部７は、給炭機を備えずにミルから直接的に微粉炭をバーナ４に供給する構成とすることもできる。

このような本実施形態のボイラ１では、アンモニア供給部６からバーナ４に燃料アンモニアが供給され、微粉炭供給部７からバーナ４に微粉炭が供給され、燃料アンモニア及び微粉炭を燃料としてバーナ４で火炎が形成される。また、二段燃焼空気供給部５によって二段燃焼用の空気が火炉２の内部に供給されることによって、燃焼ガスに含まれる未燃の燃料が燃焼される。燃料が燃焼されることで生成された燃焼ガスは、火炉２の下部から上部に移動し、煙道３を通じて外部に案内される。また、本実施形態のボイラ１では、燃料アンモニアの一部がアンモニア供給部６の還元剤供給部６ｃによって還元剤アンモニアとして火炉２の内部に供給される。この結果、燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）が還元される。

以上のような本実施形態のボイラ１によれば、燃料アンモニアの一部が還元剤として火炉２に供給される。このため、燃料アンモニアが燃焼されることによって発生した窒素酸化物が還元剤アンモニアによって還元される。よって、本実施形態のボイラ１によれば、窒素酸化物（ＮＯｘ）の増加を抑制することができる。さらに、本実施形態のボイラ１によれば、還元剤を別途貯蔵する必要がなく、ボイラ１を小型化することが可能となる。

また、本実施形態のボイラ１においては、アンモニア供給制御装置６ｄが、還元剤アンモニアの流量と燃料アンモニアの流量とを合わせたアンモニアの全体流量を、還元剤アンモニアの流量に合わせて調節する制御する。このため、還元剤アンモニアの流量が変動した場合であっても、バーナ４に供給される燃料アンモニアの流量を常に一定とすることが可能となり、ボイラ１の収熱性能が変動することを防止することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本第２実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図２は、本第２実施形態のボイラ１Ａの要部構成を示す模式図である。この図に示すように、本実施形態のボイラ１Ａでは、還元剤供給配管６ｃ１の先端部が分岐し、火炉２の高さ方向の複数箇所に還元剤供給配管６ｃ１が接続されている。また、分岐した還元剤供給配管６ｃ１の先端部の各々に対して、アンモニア供給制御装置６ｄによって開閉される開閉弁６ｃ３が設けられている。

このような本実施形態のボイラ１Ａによれば、各々の開閉弁６ｃ３の開閉を調節することによって、還元剤アンモニアの火炉２に対する供給位置を高さ方向に変更することが可能となる。つまり、本実施形態において還元剤供給部６ｃは、火炉２に対して高さ方向における複数箇所に対して個別に還元剤アンモニアを供給可能に接続されている。

火炉２の内部温度は、高さ方向に異なる。このため、還元剤アンモニアの火炉２に対する供給位置を高さ方向に変更可能とすることで、火炉２の温度が異なる領域に還元剤アンモニアを供給することが可能となる。例えば、排気される燃焼ガスをモニタリングし、この結果に応じて還元剤アンモニアを供給する高さ方向の位置を変更することができる。

なお、分岐した還元剤供給配管６ｃ１の先端部の各々に対して流量弁を設置し、火炉２の高さ方向の異なる複数の位置から火炉２の内部に還元剤アンモニアを供給する構成を採用することもできる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。なお、本第３実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図３は、本第３実施形態のボイラ１Ｂの要部構成を示す模式図である。この図に示すように、本実施形態のボイラ１Ｂでは、還元剤供給配管６ｃ１の先端部が分岐し、分岐された先端部の各々が、バーナ領域Ｒ１と、二段燃焼領域Ｒ２と、上部領域Ｒ３と、後部領域Ｒ４とに接続されている。また、分岐した還元剤供給配管６ｃ１の先端部の各々に対して、アンモニア供給制御装置６ｄによって開閉される開閉弁６ｃ４が設けられている。このような本実施形態のボイラ１Ｂによれば、各々の開閉弁６ｃ４の開閉を調節することによって、還元剤アンモニアの火炉２に対する供給領域を変更することが可能となる。つまり、本実施形態において還元剤供給部６ｃは、火炉２と煙道３に対して個別に還元剤アンモニアを供給可能に接続されている。

なお、分岐した還元剤供給配管６ｃ１の先端部の各々に対して流量弁を設置し、火炉２及び煙道３の異なる複数の領域に還元剤アンモニアを供給する構成を採用することもできる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。なお、本第４実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図４は、本第４実施形態のボイラ１Ｃの要部構成を示す模式図である。この図に示すように、本実施形態のボイラ１Ｃは、火炉２の上部の内部温度を計測する温度計測部９を備えている。この温度計測部９は、アンモニア供給制御装置６ｄと電気的に接続されており、アンモニア供給制御装置６ｄに向けて計測結果を出力する。

アンモニア供給制御装置６ｄは、温度計測部９の計測結果に基づいて、還元剤アンモニアの流量を設定する。供給した還元剤アンモニアの効果が高い温度域を予め実験やシミュレーションで取得してアンモニア供給制御装置６ｄに記憶させておき、上記温度域である場合にアンモニア供給制御装置６ｄの制御の下、還元剤アンモニアを火炉２に供給するようにしても良い。

このような本実施形態のボイラ１Ｃによれば、還元剤アンモニアを還元剤として効果的に作用させることができ、より少量の還元剤アンモニアで窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元することが可能となる。

なお、温度計測部９は、火炉２の内部に直接的に計測端子を挿入する構造である必要はない。例えば、火炉２の外部に非接触式の温度計測部を設置し、この非接触式の温度計測部によって火炉２の内部温度を計測するようにしても良い。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。なお、本第５実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図５は、本第５実施形態のボイラ１Ｄの要部構成を示す模式図である。この図に示すように、本実施形態のボイラ１Ｄは、煙道３から排出される燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を計測する濃度計測部１０を備えている。この濃度計測部１０は、アンモニア供給制御装置６ｄと電気的に接続されており、アンモニア供給制御装置６ｄに向けて計測結果を出力する。

アンモニア供給制御装置６ｄは、濃度計測部１０の計測結果に基づいて、還元剤アンモニアの流量を設定する。例えば、アンモニア供給制御装置６ｄは、濃度計測部１０の計測結果が適正範囲を上回っている場合には還元剤アンモニアの流量を増加し、濃度計測部１０の計測結果が適正範囲を下回っている場合には還元剤アンモニアの流量を減少する。

このような本実施形態のボイラ１Ｃによれば、少量の還元剤アンモニアによって窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元することが可能となる。

なお、本実施形態のボイラ１Ｄに対して、上記第４実施形態の温度計測部９をさらに設置しても良い。これによって、より少量の還元剤アンモニアによって窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元することが可能となる。ただし、火炉２の温度が適切でない状態で不必要に還元剤アンモニアの流量が増えないように、温度計測部９の計測結果が適切な温度範囲を示している場合に、濃度計測部１０の計測結果に基づいて還元剤アンモニアの流量を微調整するようにすることが好ましい。

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について説明する。なお、本第６実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図６は、本第６実施形態のボイラ１Ｅの要部構成を示す模式図である。この図に示すように、本実施形態のボイラ１Ｅは、微粉炭供給部７に対して、微粉炭の水分量（炭素燃料の特性）を計測するための、水分量計測器１１が取り付けられている。この水分量計測器１１は、アンモニア供給制御装置６ｄと電気的に接続されており、アンモニア供給制御装置６ｄに向けて計測結果を出力する。

例えば、アンモニア供給制御装置６ｄは、微粉炭の単位体積あたりの水分量と、このような微粉炭を燃焼させた場合に発生すると想定される窒素酸化物（ＮＯｘ）の量との関係を示すテールを予め記憶している。アンモニア供給制御装置６ｄは、水分量計測器１１から計測結果が入力されると、上記テーブルを参照して、還元剤アンモニアの流量を設定する。

このような本実施形態のボイラ１Ｅによれば、産地等によって微粉炭の特性が変更となった場合であっても、適切な流量の還元剤アンモニアを火炉２に対して供給することが可能となる。

なお、本実施形態においては、水分量計測器１１によって、微粉炭の特性を計測する構成について説明した。例えば、微粉炭の組成（特性）は産地によって異なる。このため、産地と還元剤アンモニアの流量とが関係づけられたテーブルを予めアンモニア供給制御装置６ｄに記憶させておき、アンモニア供給制御装置６ｄに微粉炭の産地を入力することで、適切な還元剤アンモニアの流量を設定する構成を採用することも可能である。

（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態について説明する。なお、本第７実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図７は、本第７実施形態のボイラ１Ｆの要部構成を示す模式図である。この図に示すように、本実施形態のボイラ１Ｆは、還元剤供給部６ｃが、火炉２の内部に配設されると共に還元剤アンモニアを火炉２の内部に噴射するノズルヘッダ１２（噴射部）を備えている。このようなノズルヘッダ１２は、端部が還元剤供給配管６ｃ１に接続され、長手方向に複数のノズルが形成された直管である。このようなノズルヘッダ１２は、還元剤供給配管６ｃ１から供給された還元剤アンモニアを複数のノズルから分散して噴射する。

このような本実施形態のボイラ１Ｆによれば、少量の還元剤アンモニアであっても、還元剤アンモニアを火炉２の中心部に確実に到達させることができ、より確実に窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元することが可能となる。

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、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、微粉炭とアンモニアとを燃料として混焼させるボイラについて説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、天然ガスとアンモニアを燃料として混焼させる構成、重油や軽油とアンモニアを燃料として混焼させる構成、あるいは、アンモニアのみを燃料として燃焼させる構成等を採用することが可能である。

また、例えば、燃料アンモニア供給配管６ｂ１及び還元剤供給配管６ｃ１の両方あるいはいずれかに逆止弁を設けるようにしても良い。

（シミュレーション）
次に、上記第１実施形態のボイラ１についてシミュレーションを行った結果について、図８〜図１０を参照して説明する。

まず、バーナ領域Ｒ１を、燃料と燃焼空気とが混合される混合領域と、火炎が存在する火炎領域と、燃焼ガスが火炎に向けて還流する循環領域と、火炎の背後の火炎背後領域とに分けたモデルを作成した。当モデルを用いて、微粉炭と共にアンモニアを、混合領域に投入した場合と、火炎に送る燃焼空気に投入した場合と、火炎に直接投入した場合と、二段燃焼領域Ｒ２に投入した場合とにおける排ガスに含まれる一酸化窒素の量についてシミュレーションした。なお、比較例として、燃料にアンモニアを用いずに微粉炭のみを用いた条件についても、同様にシミュレーションを行った。

図８は、シミュレーションの結果を示す棒グラフである。なお、図８において、（ａ）が比較例の結果を示している。また、（ｂ）がアンモニアを混合領域に投入した場合の結果を示し、（ｃ）がアンモニアを燃焼空気に投入した場合の結果を示し、（ｄ）がアンモニアを火炎に直接的に投入した場合の結果を示し、（ｅ）がアンモニアを二段燃焼領域Ｒ２に投入した場合の結果を示している。なお、図８では、比較例の結果を基準とし、他の結果は比較例との相対値として示している。

図８に示すように、上記実施形態のボイラ１の結果は、（ａ）と比較して大きく上昇していない。特に、アンモニアを火炎に対して直接的に投入した場合には、一酸化窒素の排出量が（ａ）と同程度に抑制されている。したがって、バーナ領域Ｒ１あるいは二段燃焼領域Ｒ２にアンモニアを投入する場合には、火炎に対して直接的にアンモニアを投入することが好ましいことが分かった。これに加えて、上記実施形態のボイラ１では、アンモニアを燃料として燃焼させているにも関わらず、微粉炭のみを燃料として燃焼させるボイラと、一酸化窒素の排出量が同程度となったことから、窒素成分の窒素酸化物への転換率が低いことが分かった。

次に、図８の結果を受けて、微粉炭と共に燃料としてのアンモニアを火炎に対して直接投入した場合と、火炎に微粉炭と共に燃料としてのアンモニアを投入しさらに還元剤としてのアンモニアを上部領域Ｒ３に投入した場合と、火炎に微粉炭と共に燃料としてのアンモニアを投入しさらに還元剤としてのアンモニアを上部領域Ｒ３及び後部領域Ｒ４に投入した場合と、火炎に微粉炭と共に燃料としてのアンモニアを投入しさらに還元剤としてのアンモニアを後部領域Ｒ４に投入した場合とにおける排ガスに含まれる一酸化窒素の量についてシミュレーションした。なお、同様に、比較例として、燃料にアンモニアを用いずに微粉炭のみを用い、さらにアンモニアを投入しない条件についても、同様にシミュレーションを行った。

図９は、シミュレーションの結果を示す棒グラフである。なお、図９において、（ａ）が比較例の結果を示している。また、（ｂ）が微粉炭と共に燃料としてのアンモニアを火炎に対して直接投入した場合の結果を示し、（ｃ）が火炎に微粉炭と共に燃料としてのアンモニアを投入しさらに還元剤としてのアンモニアを上部領域Ｒ３に投入した場合の結果を示し、（ｄ）が火炎に微粉炭と共に燃料としてのアンモニアを投入しさらに還元剤としてのアンモニアを上部領域Ｒ３及び後部領域Ｒ４に投入した場合の結果を示し、（ｅ）が火炎に微粉炭と共に燃料としてのアンモニアを投入しさらに還元剤としてのアンモニアを後部領域Ｒ４に投入した場合の結果を示している。なお、図９では、比較例の結果を基準とし、他の結果は比較例との相対値として示している。

図９に示すように、上記実施形態のボイラ１の結果は、（ａ）と比較して大きく上昇していない。特に、火炎に微粉炭と共に燃料としてのアンモニアを投入しさらに還元剤としてのアンモニアを上部領域Ｒ３に投入した場合、及び、火炎に微粉炭と共に燃料としてのアンモニアを投入しさらに還元剤としてのアンモニアを上部領域Ｒ３及び後部領域Ｒ４に投入した場合には、一酸化窒素の排出量が（ａ）よりも抑制されている。したがって、還元剤アンモニアを、上部領域Ｒ３、あるいは、上部領域Ｒ３及び後部領域Ｒ４に供給することが好ましいことが分かった。これらの結果は、二段燃焼によって発生した一酸化窒素が還元剤アンモニアによって還元されたことを示していると考えられ、二段燃焼領域Ｒ２より下流側に還元剤アンモニアを供給することによって、より窒素酸化物（ＮＯｘ）の抑制することが可能となると考えられる。

なお、図１０は、バーナ部における空気量の分配条件を３回変更して、微粉炭のみを燃料とするボイラに対して、還元剤としてアンモニアを供給した場合のシミュレーション結果を示す棒グラフである。図１０において、（ａ２）が（ａ１）に対して還元剤としてアンモニアを供給した結果を示し、（ｂ２）が（ｂ１）に対して還元剤としてアンモニアを供給した結果を示し、（ｃ２）が（ｃ１）に対して還元剤としてアンモニアを供給した結果を示している。これらの結果から、微粉炭のみを燃料とするボイラでは、還元剤としてアンモニアを投入すると、排ガスに含まれる一酸化窒素は４分の１程度に減少していることが分かる。図９の（ｃ）及び（ｄ）で示す結果が、図９（ａ）の結果と比較して値が４分の１程度になっていることから分かるように、アンモニアと微粉炭とを混焼させる上記実施形態のボイラは、還元剤アンモニアを投入することによって、微粉炭のみを燃料とするボイラに還元剤としてアンモニアを投入した場合と同程度にまで一酸化窒素の排出量を減少させられることが分かった。

１……ボイラ
１Ａ……ボイラ
１Ｂ……ボイラ
１Ｃ……ボイラ
１Ｄ……ボイラ
１Ｅ……ボイラ
１Ｆ……ボイラ
２……火炉
２ａ……排出口
３……煙道
３ａ……水平煙道
３ｂ……後部煙道
４……バーナ
５……二段燃焼空気供給部
６……アンモニア供給部
６ａ……アンモニア供給源
６ｂ……燃料アンモニア供給部
６ｂ１……燃料アンモニア供給配管
６ｂ２……全体流量調節弁
６ｂ３……燃料アンモニア流量調節弁
６ｂ４……配分調節機構
６ｃ……還元剤供給部
６ｃ１……還元剤供給配管
６ｃ２……還元剤流量調節弁
６ｃ３……開閉弁
６ｃ４……開閉弁
６ｄ……アンモニア供給制御装置
７……微粉炭供給部
９……温度計測部
１０……濃度計測部
１１……水分量計測器
１２……ノズルヘッダ
Ｒ１……バーナ領域
Ｒ２……二段燃焼領域
Ｒ３……上部領域
Ｒ４……後部領域

Claims (8)

1. アンモニアを燃料として燃焼可能な燃焼装置と、前記燃焼装置が取り付けられた火炉と、燃料が燃焼されて発生した燃焼ガスを案内する煙道とを備えるボイラであって、
   前記燃焼装置に燃料として供給される前記アンモニアの一部を前記燃焼装置よりも下流位置にて前記火炉及び前記煙道の少なくとも一方に還元剤として供給する還元剤供給部を備えることを特徴とするボイラ。
2. 前記還元剤供給部は、前記火炉に対して高さ方向における複数箇所に対して個別に前記還元剤としての前記アンモニアを供給可能に接続されていることを特徴とする請求項１記載のボイラ。
3. 前記還元剤供給部は、前記火炉と前記煙道との各々に対して個別に前記還元剤としての前記アンモニアを供給可能に接続されていることを特徴とする請求項１または２記載のボイラ。
4. 前記火炉及び前記煙道の少なくとも一方の内部温度を計測する温度計測部を備え、
   前記還元剤供給部は、前記温度計測部の計測結果に基づいて前記還元剤として供給される前記アンモニアの流量を設定する
   ことを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載のボイラ。
5. 前記煙道から排出される前記燃焼ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を計測する濃度計測部を備え、
   前記還元剤供給部は、前記濃度計測部の計測結果に基づいて前記還元剤として供給される前記アンモニアの流量を設定する
   ことを特徴とする請求項１〜４いずれか一項に記載のボイラ。
6. 炭素燃料を燃焼可能な燃焼装置を備え、
   前記還元剤供給部は、前記炭素燃料の特性に基づいて前記還元剤として供給される前記アンモニアの流量を設定する
   ことを特徴とする請求項１〜５いずれか一項に記載のボイラ。
7. 前記還元剤供給部は、前記火炉及び前記煙道の少なくとも一方の内部に配設されると共に前記還元剤として供給される前記アンモニアを噴射する噴射部を備えることを特徴とする請求項１〜６いずれか一項に記載のボイラ。
8. 前記還元剤として供給される前記アンモニアの流量と前記燃料として供給される前記アンモニアの流量とを合わせたアンモニアの全体流量を、前記還元剤として供給される前記アンモニアの流量に合わせて調節する制御部を備える請求項１〜７いずれか一項に記載のボイラ。

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