JP2020041748A - 燃焼装置及びボイラ - Google Patents

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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、窒素酸化物の増加を抑制する。【解決手段】火炉に設置されると共にアンモニアを燃料として燃焼可能な燃焼装置4であって、燃料の噴射方向から見て中心部に配置されると共にアンモニアを噴射する内筒ノズル41と、燃料の噴射方向から見て内筒ノズル41を径方向外側から囲んで配置されると共に内筒ノズル41の周囲にアンモニアを噴射する外筒ノズル42とを備える。また、外筒ノズル42の内部に配置され、内筒ノズル41の周囲に噴射されるアンモニアの流れを旋回させる旋回器45を備える。【選択図】図2

Description

本発明は、燃焼装置及び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、火炉に設置されると共にアンモニアを燃料として燃焼可能な燃焼装置であって、上記燃料の噴射方向から見て中心部に配置されると共に上記アンモニアを噴射する内筒ノズルと、上記燃料の噴射方向から見て上記内筒ノズルを径方向外側から囲んで配置されると共に上記内筒ノズルの周囲に上記アンモニアを噴射する外筒ノズルと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、上記外筒ノズルの内部に配置され、上記内筒ノズルの周囲に噴射される上記アンモニアの流れを旋回させる旋回器を備え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、上記燃料の噴射方向から見て上記外筒ノズルの周囲に微粉炭を含む空気を噴射する微粉炭噴射ノズルを備えるという構成を採用する。
第4の発明は、上記第3の発明において、上記微粉炭噴射ノズルが、上記燃料の噴射方向から見て上記外筒ノズルを径方向外側から囲んで配置されると共に上記外筒ノズルの外壁面との間で上記微粉炭を含む空気を案内する一重管構造を有するという構成を採用する。
第5の発明は、上記第3の発明において、上記微粉炭噴射ノズルが、上記燃料の噴射方向から見て上記外筒ノズルを径方向外側から囲んで配置される内側管と、上記燃料の噴射方向から見て内側管を径方向外側から囲んで配置されると共に上記内側管との間で上記微粉炭を含む空気を案内する外側管とを有する二重管構造を有するという構成を採用する。
第6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を備えるボイラであって、上記燃焼装置として、上記第1〜第5いずれかの発明である燃焼装置を備えるという構成を採用する。
第7の発明は、上記第6の発明において、上記内筒ノズルに供給する上記アンモニアの流量を調節する第1流量調節部と、上記外筒ノズルに供給する上記アンモニアの流量を調節する第2流量調節部とを備えるという構成を採用する。
本発明によれば、内筒ノズルから噴射されたアンモニアが燃料の噴射方向から見て火炎の中央部にアンモニア濃度が高く酸素濃度が低い還元領域を形成する。一方で、外筒ノズルから内筒ノズルの周囲に噴射されたアンモニアが酸素と混合して燃焼されることによって生成された窒素酸化物は、火炎の外縁から中央に向けて還流する循環流に乗って還元領域に供給される。この結果、火炎の外縁で生成された窒素酸化物が内筒ノズルから噴射されたアンモニアによって形成された還元領域にて還元されて窒素ガス(N)となる。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1実施形態におけるボイラが備えるバーナの概略構成を模式的に示す断面図である。 本発明の第1実施形態のボイラが備えるバーナが形成する火炎を含む模式図である。 本発明の第2実施形態におけるボイラが備えるバーナの概略構成を模式的に示す断面図である。 本発明の第3施形態におけるボイラの要部構成を示す模式図である。
以下、図面を参照して、本発明に係る燃焼装置及びボイラの一実施形態について説明する。
(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。
ここで、アンモニア(NH)は、分子式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)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。
図2は、バーナ4の概略構成を模式的に示す断面図である。バーナ4は、内筒ノズル41と、外筒ノズル42と、微粉炭噴射ノズル43とを備えており、全体として内筒ノズル41の軸心Lを中心とした略円筒状に形成されている。内筒ノズル41は、後端部がアンモニア供給部6と接続されており、先端部から火炉2の内部にアンモニアを噴射する。この内筒ノズル41は、バーナ4のアンモニアの噴射方向から見て、バーナ4の中心部に配置されている。
外筒ノズル42は、バーナ4のアンモニアの噴射方向(軸心Lに沿った方向)から見て、内筒ノズル41を径方向外側から囲うように内筒ノズル41と同軸配置されている。この外筒ノズル42は、後端部がアンモニア供給部6と接続されており、先端部から内筒ノズル41の周囲にアンモニアを噴射する。
微粉炭噴射ノズル43は、バーナ4のアンモニアの噴射方向から見て外筒ノズル42を径方向外側から囲むように、内筒ノズル41及び外筒ノズル42と同心円状に設けられている。この微粉炭噴射ノズル43は、後端部が微粉炭供給部7と接続されており、先端部から火炉2の内部に微粉炭を含む空気を噴射する。つまり、本実施形態において、微粉炭噴射ノズル43は、外筒ノズル42の外壁面との間で微粉炭を含む空気を案内する一重管構造とされている。
また、バーナ4は、内筒ノズル41、外筒ノズル42及び微粉炭噴射ノズル43を囲うように配設される二次空気供給部44と、外筒ノズル42の内部に配置されるアンモニア旋回器45(旋回器)と、二次空気供給部44の内部に配置される空気旋回器46とを備えている。 二次空気供給部44は、火炎に対して径方向外側から燃焼用の空気を供給する。
アンモニア旋回器45は、内筒ノズル41と外筒ノズル42との間に配置されており、軸心Lを中心とした周方向に配列された複数の翼部によって形成された翼列である。このアンモニア旋回器45は、内筒ノズル41と外筒ノズル42との間に流れるアンモニアの流れに軸心Lを中心とする旋回成分を付与する。この結果、外筒ノズル42から噴射されるアンモニアは、噴射方向から見て、軸心Lを中心として旋回するように噴射される。
空気旋回器46は、軸心Lを中心とした周方向に配列された複数の翼部によって形成された翼列である。この空気旋回器46は、二次空気供給部44の内部を流れる空気の流れに軸心Lを中心とする旋回成分を付与する。この結果、二次空気供給部44から火炉2に供給される空気は、アンモニアの噴射方向から見て、軸心Lを中心として旋回するように噴射される。
このようなバーナ4では、内筒ノズル41及び外筒ノズル42からアンモニアが噴射され、微粉炭噴射ノズル43から微粉炭が噴射され、さらに燃焼用の空気が供給されることによって、図3に示すように、バーナ4の前方に対して火炎Fが形成される。このように火炎Fが形成されると、火炎Fの外縁領域(内筒ノズル41の軸心Lの径方向外側の領域)には、アンモニアに含まれる窒素(N)と空気に含まれる酸素(O)とが活発に反応することによって多くの窒素酸化物が発生する窒素酸化物発生領域R1が形成される。また、火炎Fの中央領域には、内筒ノズル41から噴射されたアンモニアによってアンモニアが高濃度でかつ酸素が低濃度な還元領域R2が形成される。
図1に戻り、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、アンモニア供給制御装置6c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流量調節弁6b2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をバーナ4に案内する配管である。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流量を調節するバルブである。
アンモニア供給制御装置6cは、流量調節弁6b2を制御し、流量調節弁6b2の開度を調節する。アンモニア供給制御装置6cは、外部の指令等に基づいて、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流量を調節する。
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、例えば火炉2の内部が理論空気量よりも低い空気雰囲気に設定される。その後、アンモニア供給部6からバーナ4に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、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、バーナ4で生成した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。
ここで、本実施形態のバーナ4では、内筒ノズル41から噴射されたアンモニアが燃料の噴射方向から見て火炎Fの中央部にアンモニア濃度が高く酸素濃度が低い還元領域R2を形成する。一方で、外筒ノズル42から内筒ノズル41の周囲に噴射されたアンモニアが酸素と混合して燃焼されることによって生成された窒素酸化物は、火炎の相対的に高圧の外縁から相対的に負圧の中央に向けて還流する循環流に乗って還元領域R2に供給される。この結果、火炎Fの外縁で生成された窒素酸化物が内筒ノズル41から噴射されたアンモニアによって形成された還元領域R2にて還元されて窒素ガス(N)となる。よって、本実施形態のバーナ4によれば、窒素酸化物の増加を抑制することが可能となる。
また、本実施形態におけるバーナ4は、外筒ノズル42の内部に配置され、内筒ノズル41の周囲に噴射されるアンモニアの流れを旋回させるアンモニア旋回器45を備えている。アンモニアを旋回させずに外筒ノズル42から噴射した場合には、噴射されたアンモニアの温度が火炉2の内部温度と比較して低いことから、アンモニアの密度が高く、噴射されたアンモニアが重量によって下側に偏ることが確認されている。これに対して、アンモニアを旋回させて外筒ノズル42から噴射することによって、旋回による遠心力によってアンモニアが軸心Lを中心とする径方向に均等に配分することができる。このため、火炎Fの周囲においてアンモニア濃度に偏りができることを防止し、局所的に大量の窒素酸化物が発生することを防止することができる。この結果、還元領域R2に還流されない窒素酸化物の量を減少させ、結果として窒素酸化物の増加をより確実に抑制することが可能となる。
また、本実施形態におけるバーナ4は、バーナ4のアンモニアの噴射方向から見て外筒ノズル42の周囲に微粉炭を含む空気を噴射する微粉炭噴射ノズル43を備えている。このため、本実施形態におけるバーナ4は、アンモニアに加えて微粉炭を燃料として燃焼ガスを生成することも可能となっている。
また、微粉炭噴射ノズル43は、外筒ノズル42の外壁面との間で微粉炭を含む空気を案内する一重管構造とされている。このため、微粉炭噴射ノズル43を二重管構造とする場合と比較して、バーナ4を小型化することが可能となる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態におけるボイラが備えるバーナ4Aについて、図4を参照して説明する。なお、本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、本実施形態のボイラが備えるバーナ4Aの概略構成を模式的に示す断面図である。この図に示すように、本実施形態においてバーナ4Aの微粉炭噴射ノズル43は、内側管43aと、外側管43bとを備えている。内側管43aは、バーナ4Aのアンモニアの噴射方向から見て外筒ノズル42を径方向外側から囲んで配置され、外筒ノズル42と同軸配置されている。外側管43bは、バーナ4Aのアンモニアの噴射方向から見て内側管43aを径方向外側から囲んで配置されると共に内側管43aと同軸配置されている。この外側管43bは、内側管43aとの間で微粉炭を含む空気を案内する。つまり、本実施形態において微粉炭噴射ノズル43は、内側管43aと外側管43bとを有する二重管構造とされている。
このような本実施形態におけるバーナ4においては、例えば予め内筒ノズル41及び外筒ノズル42と別体として微粉炭噴射ノズル43をユニット化することができ、バーナ4Aの組み立てやメンテナンスにおける作業を容易化することができる。また、微粉炭噴射ノズル43の形状や噴射方向を、内筒ノズル41や外筒ノズル42に依存することなく設定することができるため、微粉炭の噴射角度等を任意に設定可能となる。
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態におけるボイラ1Aについて、図5を参照して説明する。なお、本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、本実施形態のボイラ1Aの要部構成を示す模式図である。図5に示すように、ボイラ1Aにおいて、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の内筒ノズル41とを接続する第1配管6b3と、第1配管6b3の途中部位に設置される第1流量調節弁6b4(第1流量調節部)とを備えている。また、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の外筒ノズル42とを接続する第2配管6b5と、第2配管6b5の途中部位に設置される第2流量調節弁6b6(第2流量調節部)とを備えている。
また、本実施形態においてアンモニア供給制御装置6cは、第1流量調節弁6b4を制御して第1流量調節弁6b4の開度を調節する。また、アンモニア供給制御装置6cは、第2流量調節弁6b6を制御して第2流量調節弁6b6の開度を調節する。このようにアンモニア供給制御装置6cによって制御される第1流量調節弁6b4によって、内筒ノズル41に供給されるアンモニアの流量が調節される。また、アンモニア供給制御装置6cによって制御される第2流量調節弁6b6によって外筒ノズル42に供給されるアンモニアの流量が調節される。
このような本実施形態のボイラ1Aによれば、内筒ノズル41から噴射されるアンモニアの流量と、外筒ノズル42から噴射されるアンモニア(内筒ノズル41の周囲に噴射されるアンモニア)の流量とを個別に調節することができる。このため、例えば還元領域R2のアンモニア濃度が窒素酸化物の減少に最適化されるように、外筒ノズル42から噴射されるアンモニアの流量を変化させることなく、内筒ノズル41から噴射されるアンモニアの流量を調節することができる。
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。つまり、本発明は、アンモニアを燃料として燃焼可能なボイラ及びバーナに適用することが可能である。
また、上記実施形態においては、アンモニア旋回器45を備える構成を採用した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、アンモニア旋回器45を備えない構成を採用することも可能である。
1……ボイラ
1A……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
4A……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……流量調節弁
6b3……第1配管
6b4……第1流量調節弁(第1流量調節部)
6b5……第2配管
6b6……第2流量調節弁(第2流量調節部)
6c……アンモニア供給制御装置
7……微粉炭供給部
41……内筒ノズル
42……外筒ノズル
43……微粉炭噴射ノズル
43a……内側管
43b……外側管
44……二次空気供給部
45……アンモニア旋回器(旋回器)
46……空気旋回器
F……火炎
L……軸心
R1……窒素酸化物発生領域
R2……還元領域

Claims (7)

  1. 火炉に設置されると共にアンモニアを燃料として燃焼可能な燃焼装置であって、
    前記燃料の噴射方向から見て中心部に配置されると共に前記アンモニアを噴射する内筒ノズルと、
    前記燃料の噴射方向から見て前記内筒ノズルを径方向外側から囲んで配置されると共に前記内筒ノズルの周囲に前記アンモニアを噴射する外筒ノズルと
    を備えることを特徴とする燃焼装置。
  2. 前記外筒ノズルの内部に配置され、前記内筒ノズルの周囲に噴射される前記アンモニアの流れを旋回させる旋回器を備えることを特徴とする請求項1記載の燃焼装置。
  3. 前記燃料の噴射方向から見て前記外筒ノズルの周囲に微粉炭を含む空気を噴射する微粉炭噴射ノズルを備えることを特徴とする請求項1または2記載の燃焼装置。
  4. 前記微粉炭噴射ノズルは、前記燃料の噴射方向から見て前記外筒ノズルを径方向外側から囲んで配置されると共に前記外筒ノズルの外壁面との間で前記微粉炭を含む空気を案内する一重管構造を有することを特徴とする請求項3記載の燃焼装置。
  5. 前記微粉炭噴射ノズルは、前記燃料の噴射方向から見て前記外筒ノズルを径方向外側から囲んで配置される内側管と、前記燃料の噴射方向から見て内側管を径方向外側から囲んで配置されると共に前記内側管との間で前記微粉炭を含む空気を案内する外側管とを有する二重管構造を有することを特徴とする請求項3記載の燃焼装置。
  6. 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を備えるボイラであって、
    前記燃焼装置として、請求項1〜5いずれか一項に記載の燃焼装置を備えることを特徴とするボイラ。
  7. 前記内筒ノズルに供給する前記アンモニアの流量を調節する第1流量調節部と、前記外筒ノズルに供給する前記アンモニアの流量を調節する第2流量調節部とを備えることを特徴とする請求項6記載のボイラ。
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