JP2023114324A - 燃焼装置及び燃焼システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料としてのアンモニアの使用率を高めた燃焼装置及び燃焼システムを提供する。【解決手段】燃焼装置１００は、第一燃料としてのアンモニア又はアンモニアとは別の第二燃料を燃料として燃焼させる第一燃焼空間Ｓ１を形成する燃焼空間形成部１と、燃焼空間形成部１に燃料を供給する燃料供給部２と、燃料供給部２にアンモニアを供給するアンモニア供給部３と、燃料供給部に第二燃料を供給する第二燃料供給部４と、を備え、アンモニア供給部３は、アンモニアを加熱する熱交換部３０を有し、熱交換部３０で加熱されたアンモニアを燃料供給部２に供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼装置及び燃焼システムに関する。

特許文献１には、炭化水素質製品の海洋船舶による輸送中には輸送船上での火災と爆発の潜在的可能性があるため、輸送に際しては火災と爆発を防止するように予防措置を講じるべく、ＳＯＬＡＳ条約によりタンカーなどの船舶には不活性ガスシステムの搭載が要請されることが記載されている。また、ディーゼルエンジンからの排気を洗浄し、洗浄済みガスを不活性ガスとして使用される場合があることが記載されている。また、洗浄済みガスは安価な不活性ガス源であるが、洗浄システムは二酸化炭素、窒素酸化物、イオウ酸化物を除去するのに完全に効果的ではないことがあり、洗浄済みガス中の二酸化炭素は、タンクの腐食を導く可能性があることを指摘している。

特許文献２には、アンモニアを混焼できる石炭燃焼装置が記載されている。石炭燃焼装置は、筒状の炉本体と、筒状の炉本体１の端部に接続されたバーナとを備えている。バーナには、二重管構造の混合気流路体が備えられ、混合気流路体の中心部には、燃料としてのアンモニアを送るアンモニア流路が設けられている。アンモニア流路の外側には燃料としての微粉炭を送る微粉炭流路が設けられ、微粉炭流路には微粉炭と一次空気を微粉炭流路に搬送する微粉炭供給路が接続されている。炉本体の後流側には二段燃焼用の空気を供給する二段燃焼空気供給手段が設けられている。水素や他の炭化水素系の燃料に比べてアンモニアは着火しにくく、燃焼速度が遅いという問題があるところ、この石炭燃焼装置では、排出される窒素酸化物を抑制した状態で、石炭と共にアンモニアを燃料の一部として使用することができる。微粉炭及びアンモニアが燃料として使用される場合、アンモニアは、例えば、熱量比で２０％使用されることが記載されている。

非特許文献１には、酸素濃度が低いガスを不活性ガスとして製造する不活性ガス装置が記載されている。不活性ガス装置として、ボイラーの排気ガスを利用して不活性ガスを製造する装置や、独自に燃料を燃焼させて不活性ガスを製造することでよりクリーンな不活性ガスを製造する事ができる装置が記載されている。これら不活性ガス装置により製造される不活性ガスは、原油などの可燃性危険物を運ぶタンカーのカーゴタンク内の引火爆発を防止するために用いられることが例示されている。

特開２０１０－２６９７８８号公報 特開２０１８－９６６８０号公報

不活性ガス装置、株式会社カシワテック、［令和３年１月１８日検索］、インターネット＜https://kashiwa-tech.co.jp/inert-gas/＞

二酸化炭素をはじめとする温室効果ガスの排出量削減（いわゆる、カーボンニュートラル）を目的として、各種の燃焼装置において、化石燃料の使用量削減が望まれている。また、船舶用の不活性ガス発生装置としての利用の観点からも、二酸化炭素排出量の削減が望まれる。燃焼装置において化石燃料を代替する燃料の一例として、例えば特許文献２に記載のごとく、化石燃料とアンモニアとを混合して燃焼させる技術が知られている。しかし、従来技術にあっては、燃料としてのアンモニアの使用率（例えば、熱量比）を十分高めることができず、二酸化炭素排出量の削減が十分ではなかった。そのため、アンモニアの使用率の高い燃焼装置の提供が望まれる。

本発明は、かかる実状に鑑みて為されたものであって、その目的は、燃料としてのアンモニアの使用率を高めた燃焼装置及び燃焼システムを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る燃焼装置は、
第一燃料としてのアンモニア又は前記アンモニアとは別の第二燃料を燃料として燃焼させる第一燃焼空間を形成する燃焼空間形成部と、
前記燃焼空間形成部に前記燃料を供給する燃料供給部と、
前記燃料供給部に前記アンモニアを供給するアンモニア供給部と、
前記燃料供給部に前記第二燃料を供給する第二燃料供給部と、を備え、
前記アンモニア供給部は、
前記アンモニアを加熱する熱交換部を有し、
前記熱交換部で加熱された前記アンモニアを前記燃料供給部に供給する。

上記目的を達成するための本発明に係る燃焼システムは、
上述の燃焼装置と、
前記燃焼装置が装着され、第二燃焼空間を形成する燃焼容器と、を備え、
前記燃焼容器は、前記第二燃焼空間に前記燃焼空間形成部を収容している。

燃料としてのアンモニアの使用率を高めた燃焼装置及び燃焼システムを提供することができる。

第一実施形態の燃焼システムの構成の説明図である。 第一実施形態の変形例１の燃焼システムの構成の説明図である。 第一実施形態の変形例２の燃焼システムの構成の説明図である。 第二実施形態の燃焼システムの構成の説明図である。

図面に基づいて、本発明の実施形態に係る燃焼装置及び燃焼システムについて説明する。

（第一実施形態）
（概要の説明）
図１には、本実施形態に係る燃焼システム２００の構成の説明図を示している。

燃焼システム２００は、燃焼装置１００と、燃焼装置１００が装着される燃焼容器９とを備えている。

燃焼装置１００は、第一燃料としてのアンモニア又はアンモニアとは別の第二燃料を燃料として燃焼させる第一燃焼空間Ｓ１を形成する燃焼空間形成部１と、燃焼空間形成部１に燃料を供給する燃料供給部２と、燃料供給部２にアンモニアを供給するアンモニア供給部３と、燃料供給部２に第二燃料を供給する第二燃料供給部４と、を備えている。

アンモニア供給部３は、アンモニアを加熱する熱交換部３０を有し、熱交換部３０で加熱されたアンモニアを燃料供給部２に供給する。

燃焼装置１００が装着される燃焼容器９は、炉内空間Ｓを形成している。燃焼容器９は、炉内空間Ｓに燃焼装置１００の燃焼空間形成部１を収容している。

燃焼装置１００及びこれを備えた燃焼システム２００は、燃料としてのアンモニアの使用率を高めた燃焼を実現することができる。例えば、アンモニアと第二燃料との混合燃焼が可能であるのみならず、アンモニア単独での燃焼を行うことができる。

（各部の説明）
上述のごとく、燃焼装置１００は、燃焼空間形成部１と、燃焼空間形成部１に燃料及び酸素搬送ガスを供給する燃料供給部２と、アンモニア供給部３と、第二燃料供給部４と、に加えて、更に、燃料供給部２に酸素搬送ガスを供給する酸素搬送ガス供給部２０と、燃料供給部２に燃焼排ガスを供給する返送路５と、を備えている。燃焼装置１００は、第一燃料としてのアンモニア又はアンモニアとは別の第二燃料を燃料として燃焼させるバーナである。第二燃料の一例は化石燃料、例えば、Ａ重油（以下、単に重油と記載する）などの石油燃料や、天然ガスやプロパンガスなどの炭化水素ガス燃料である。以下では、第二燃料が重油である場合を例示して説明する。

燃焼システム２００は、この燃焼装置１００と、燃焼装置１００にアンモニアを供給するアンモニア供給システムシステム６と、燃焼装置１００に重油を供給する第二燃料供給システム７と、燃焼装置１００に酸素搬送ガスを供給する酸素搬送ガス供給システム８と、燃焼装置１００が装着される燃焼容器９と、各部の動作を制御する制御部Ｃと、を備えている。酸素搬送ガスは、燃焼用の酸素を搬送する気体（すなわち、酸素を含有する気体）であり、本実施形態では一例として空気である。以下では、酸素搬送ガスが空気である場合を例示して説明する。

制御部Ｃは、燃焼システム２００の動作を制御する、燃焼システム２００の中央制御機構となる機能部である。制御部Ｃは、燃焼システム２００の各部や各センサ類から、動作状況や検出状況に係る情報を受信し、また、各部に動作指令を送出してそれらの動作を制御する。

制御部Ｃは、ＣＰＵや当該ＣＰＵに燃焼システム２００の制御を実現させるプログラム（ソフトウェア）により、ハードウェア又はソフトウェア的に実現される。本実施形態では、制御部Ｃは、パーソナルコンピュータやＰＬＣなどのコンピュータ及びその記憶部に格納された制御ソフトウェアにより実現される。制御部Ｃは、ポートやバス、有線や無線のネットワーク（インターネット回線を含む）などで構成される通信路を介して燃焼システム２００の各部と通信可能に接続されている。なお、記憶部としては、いわゆるＵＳＢメモリなどのフラッシュメモリ、ハードディスク、ＳＳＤやＣＤＲＯＭなどの光学ディスクなど、コンピュータなどで使用可能な記憶装置又は記憶媒体が一般に利用可能である。

燃焼容器９は、燃焼装置１００による燃焼を行う空間（以下、炉内空間Ｓと称する）を形成する容器である。燃焼容器９は、一例として、有底筒状に形成される。図１では、燃焼容器９が、有底筒の底壁９１と筒状の筒壁部９０とを有し、底壁９１に燃焼装置１００が固定されている場合を示している。燃焼容器９は、燃焼排ガスの温度を計測する温度センサ９９を有してもよい。燃焼装置１００の燃焼空間形成部１は、底壁９１における燃焼容器９の筒内側に固定され、炉内空間Ｓに収容されている。底壁９１における燃焼空間形成部１が固定された側とは反対面側には、燃料供給部２が固定されている。以下の説明では、燃料供給部２から燃焼空間形成部１への燃料及び酸素搬送ガスの供給の流れ方向及びこれに沿う方向を、単に流れ方向と称する場合がある。また、燃料や酸素搬送ガスの流れの下流側を単に下流側、その流れの上流側を単に上流側と称する。すなわち、燃料供給部２から見て燃焼空間形成部１は下流側である。逆に、燃焼空間形成部１から見て燃料供給部２は上流側である。

燃焼容器９内の燃焼排ガスの温度は、重油単独での燃焼状態において、１２００℃から１５００℃に達することができる。燃焼容器９内の燃焼排ガスの温度は、重油とアンモニアとの混燃状態合において、８００℃前後に達することができる。燃焼容器９内の燃焼排ガスの温度は、アンモニア単独での燃焼状態において、６００℃から８００℃に達することができる。

燃焼空間形成部１は、筒状部１０と、筒状部１０に固定されたパイロットバーナ１９とを有する。

筒状部１０は、燃料を燃焼させる第一燃焼空間Ｓ１を炉内空間Ｓ内において区画する壁部材である。筒状部１０は、いわゆるバーナ―コーンである。筒状部１０の筒の内部空間が第一燃焼空間Ｓ１である。筒状部１０の第一燃焼空間Ｓ１には、燃料と空気とが燃料供給部２から供給される。筒状部１０は、筒の軸心方向、すなわち、流れ方向に沿う断面が円形である。筒状部１０は、流れ方向に沿う断面が上流側から下流側にかけて内径が増大していくラッパ状の形状としてよい。

パイロットバーナ１９は、燃焼装置１００の燃焼開始時に第一燃焼空間Ｓ１内で種火を点火して燃焼させる点火装置である。パイロットバーナ１９は、燃焼装置１００による燃焼を開始する際に、燃料供給部２から筒状部１０に供給された燃料を、その種火によって点火し、燃焼装置１００による燃焼開始を実現する。なお、パイロットバーナ１９による点火後、燃焼装置１００は、継続して筒状部１０に供給される燃料と空気とによって、パイロットバーナ１９による種火なしでも燃焼を継続可能である。

燃焼空間形成部１で生じた火炎は、燃焼容器９内、すなわち炉内空間Ｓ内で燃焼する。燃焼容器９内で生じた燃焼排ガスの一部は、後述するように、燃料供給部２に返送される。その他の燃焼排ガスは、燃焼容器９から排出された後、燃焼システム２００の系外に排出される。燃焼システム２００から排出された燃焼排ガスは、必要に応じて浄化されて船舶などの不活性ガスとして使用される。また、燃焼システム２００から排出された燃焼排ガスは、必要に応じて熱源として利用される。

燃料供給部２にはアンモニア供給部３と、重油を供給する第二燃料供給部４と、酸素搬送ガス供給部２０と、返送路５と、が接続されており、アンモニア、重油、空気及び燃焼排ガスが供給可能とされている。燃料供給部２は、これら供給されたアンモニア又は重油及び空気の混合ガスを燃焼空間形成部１に供給する。なお、アンモニア供給部３、第二燃料供給部４及び酸素搬送ガス供給部２０には、それぞれ、後述するアンモニア供給システムシステム６、第二燃料供給システム７及び酸素搬送ガス供給システム８からアンモニア、重油及び空気が供給される。

燃料供給部２は、アンモニア又は重油、空気、及び燃焼排ガスを混合して混合ガスを形成する混合機構を有する。図１では、混合機構が、酸素搬送ガス供給システム８から供給される空気の気流のエネルギーによって空気及び重油又はアンモニアを混合し、燃焼空間形成部１に混合ガスを送り込むエジェクタ機構である場合を例示して示している。

燃料供給部２は上述のエジェクタ機構として、吸引室２２と、吸引室２２に空気を吹き込むノズル部２１と、吸引室２２の下流側と、筒状部１０の上流側とを連通接続するディフューザ部２３とを有する。

吸引室２２は、空気と燃料等が合流する空間を形成する容器である。ノズル部２１は、空気が噴き出す先端側が絞られたノズル形状とされており、そのノズル先端が吸引室２２内に収容されている。ノズル部２１には酸素搬送ガス供給部２０が接続されており、加圧された空気が供給されるようになっている。

ディフューザ部２３は、本実施形態では、吸引室２２に形成された、吸引室２２内と筒状部１０の筒内とを連通する開口部であって、ノズル部２１の空気の噴射方向の下流側に配置されている。ディフューザ部２３の開口径は、ノズル部２１のノズル先端の開口径よりも大きくなっている。

燃料供給部２では、これらノズル部２１、吸引室２２及びディフューザ部２３と加圧された空気の空気流とにより、ベンチュリ効果を生じて、吸引室２２内の流体はディフューザ部２３を介して筒状部１０側へ誘引されながら分散混合されて混合ガス（気体状の混合ガス又は霧化された重油と空気などとの気液混相流）となる。また、この誘引により、吸引室２２内は陰圧となる。

吸引室２２には、上述のごとくノズル部２１に加えて、アンモニア供給部３と、重油を供給する第二燃料供給部４と、返送路５と、が接続されており、空気、アンモニア、重油、及び燃焼排ガスが供給可能とされている。吸引室２２及びディフューザ部２３では、ノズル部２１から吸引室２２内に吹き込まれた空気の気流のエネルギーによって、空気、アンモニア、重油、及び燃焼排ガスが混合される。本実施形態では、後述するように、吸引室２２には返送路５が直接接続されており、返送路５にアンモニア供給部３と第二燃料供給部４とが接続され、アンモニア及び重油は返送路５を介して吸引室２２に供給されるようになっている。

返送路５は、燃料供給部２に燃焼排ガスを供給する筒状の配管部材である。返送路５は、燃焼排ガスを吸引する吸引口である一端が燃焼容器９内に配置されて炉内空間Ｓと連通している。返送路５は、吸引口に対する他端が吸引室２２に接続されており、吸引室２２内の空間と連通している。返送路５の吸引口は、例えば、筒状部１０の下流側であって、筒状部１０に隣接する位置に配置されてよい。これにより、燃焼装置１００を小型化することができる。

上述のごとく、吸引室２２は陰圧であるから、燃焼容器９内との気圧差によって、返送路５は燃焼容器９内から燃焼排ガスを吸引し、吸引室２２に供給することができる。以下では、燃焼容器９内か吸引室２２に供給される燃焼排ガスを、単に返送ガスと称する場合がある。また、エジェクタ機構における、吸引室２２の陰圧により返送路５が吸引される効果を、吸引効果と称する場合がある。返送路５には、例えばスライド弁、バタフライ弁などの、弁の開度を調整して返送ガスの通流量を調整する流量調整弁５１（いわゆる、ダンパ）が設けられていてもよい。返送路５には、流量調整弁５１よりも上流側に、返送ガスの温度を計測する温度センサ５９を有してもよい。

アンモニア供給部３は、加熱したアンモニアガスを燃料供給部２に供給する機構である。アンモニア供給部３は、アンモニア供給システムシステム６から供給されたアンモニアを燃焼容器９内で熱交換して加熱する熱交換部３０と、熱交換部３０で加熱されたアンモニアを燃料供給部２に供給するアンモニア配管３１とを有する。

熱交換部３０は、熱交換器などを有する部材である。熱交換部３０は、例えば、内部にアンモニアを通流可能な金属管をコイル状に巻きあげた熱交換器を有してよい。熱交換部３０は、例えば燃焼空間形成部１で生じた燃焼排ガスの流れの下流側に配置されて、燃焼排ガスと熱交換、すなわち、燃焼排ガスの熱を取り込んでアンモニアを加熱する。熱交換部３０は、例えば、燃焼空間形成部１の下流側の直後に配置されて、燃焼空間形成部１から炉内空間Ｓに噴き出す火炎に直接晒されてよい。このような配置とすることで、熱交換部３０がアンモニアを効率的に加熱することができる。熱交換部３０は、燃焼空間形成部１から炉内空間Ｓに噴き出す火炎に直接晒されない位置に配置され、燃焼排ガスと熱交換してもよい。このようにすれば、熱交換部３０の寿命が延びる場合がある。

上述のごとく、本実施形態では、返送路５にアンモニア供給部３が接続されており、返送路５を介してアンモニアを燃料供給部２に供給する。図１では、一例として、返送路５における、吸引室２２と流量調整弁５１との間に、アンモニア配管３１のアンモニア供給口３２が接続され、アンモニア配管３１から返送路５にアンモニアが供給される場合を示している。また、図１では、アンモニア配管３１におけるアンモニア供給口３２と熱交換部３０との間に、アンモニアの温度を計測する温度センサ３９が設けられている場合を例示している。

アンモニア供給部３は、熱交換部３０によりアンモニアを高温に加熱することで、燃焼空間形成部１でのアンモニアの燃焼を容易とし、また、アンモニア単独での燃焼を可能としている。熱交換部３０では、アンモニアは、４００℃から８００℃に加熱する。アンモニアは、好ましくは５００℃以上に加熱する。アンモニアが５００℃以上に加熱されると、アンモニア単独での燃焼時の燃焼安定性が向上する。

第二燃料供給部４は、加熱した重油を燃料供給部２に供給する機構である。第二燃料供給部４は、第二燃料供給システム７から供給された重油を燃焼排ガスで加熱して燃料供給部２に供給する。

上述のごとく、本実施形態では、返送路５に第二燃料供給部４が接続されており、返送路５を介して重油を燃料供給部２に供給する。図１では、一例として、返送路５における、吸引室２２とアンモニア供給口３２との間に、第二燃料供給部４としての重油供給口４１が接続され、第二燃料供給部４から返送路５に重油が供給される場合を示している。

第二燃料供給部４は返送路５に重油を供給することで、燃焼排ガスとしての返送ガスと重油とで熱交換させて重油を加熱することができる。重油は加熱されることにより、粘度が低下して霧化されやすくなり、また、気化して燃料供給部２での空気などとの混合性が向上する。これにより、燃料供給部２での燃焼空間形成部１への重油の供給が安定し、また、燃焼空間形成部１での重油の燃焼が安定する。

以下では、燃焼システム２００の動作を説明する。燃焼システム２００の動作は、本実施形態では制御部Ｃの制御により実現される。以下の説明における、各部の動作は、特に断りのない限り制御部Ｃの動作指令に基づいて行われるものとし、制御部Ｃの動作指令の説明は適宜省略する。

燃焼システム２００では、燃焼装置１００の燃焼開始する際、まず、パイロットバーナ１９で種火を点火しつつ、燃料供給部２からの燃料供給と空気の供給とを開始する。パイロットバーナ１９における種火の点火には、イグナイタを用いることができる。なお、パイロットバーナ１９で着火する種火の燃料には重油や可燃性ガスを用いてよい。本実施形態ではパイロットバーナ１９が重油を燃料として種火を燃焼する場合を示している。燃料供給部２は、燃焼装置１００の燃焼開始時及び燃焼開始直後は、燃焼空間形成部１への燃料として、重油のみを供給するとよい。

本実施形態において、重油の供給は、制御部Ｃの動作指令に基づいて、第二燃料供給システム７から第二燃料供給部４へ重油が供給されることにより行われる。すなわち、制御部Ｃは、重油を用いて燃焼装置１００の燃焼を開始する。制御部Ｃは、例えば、第二燃料供給システム７の、重油タンクとしての第二燃料タンク７０と第二燃料供給部４とに接続された重油の供給配管７１に設けられた流量センサ７３の出力信号に基づいて、供給配管７１に設けられたポンプ７２の出力を調節し、第二燃料タンク７０から第二燃料供給部４に供給される重油の供給量を調整する。なお、ポンプ７２としては、タービンポンプやダイアフラムポンプなどを採用可能である。ポンプ７２の出力は、回転数やピストン回数の調整で行ってよい。タービンポンプの場合は、下流側に弁体を併設し、タービンの回転数を一定としつつ、弁開度で出力を調整してもよい。

本実施形態において、空気の供給は、制御部Ｃの動作指令に基づいて、酸素搬送ガス供給システム８から酸素搬送ガス供給部２０へ空気が供給されることにより行われる。制御部Ｃは、例えば、酸素搬送ガス供給システム８のファンやブロアなどの送風機８０と酸素搬送ガス供給部２０とに接続された送風管８１に設けられた流量センサ８３又は圧力センサ８４の出力信号に基づいて、送風管８１に設けられた風量調整弁８２の弁の開度又は送風機８０の出力を調節し、送風機８０から酸素搬送ガス供給部２０に供給される空気の供給量を調整する。なお、風量調整弁８２は、例えばバタフライ弁などの開度調整弁（ダンパ）である。

燃料供給部２への空気の供給が開始されると、燃料供給部２のエジェクタ機構の吸引効果によって返送路５を介して燃焼容器９内が吸引され、返送ガスの返送が開始される。重油単独での燃焼状態において、好ましい返送ガスの流量は、燃料供給部２へ供給される空気の流量を１とした場合、０．０５以上１．０以下である。

燃焼空間形成部１による燃焼の継続に伴って、燃焼容器９内の燃焼排ガスの温度が徐々に上昇する。燃焼排ガスの温度上昇に伴って返送ガスの温度が上昇していくと、返送ガスによって返送路５内で重油が加熱される。燃焼排ガスの温度が所定値（例えば、８００℃以上）に達すると、燃料供給部２での重油の霧化や気化が良好な状態となり、燃焼空間形成部１での燃焼火炎が安定した状態に達する。

燃焼装置１００で燃焼が開始してから燃焼排ガスの温度が所定温度以上（例えば、８００度以上）に達すると、制御部Ｃは、アンモニア供給部３による、燃料供給部２へのアンモニアの供給を開始する。すなわち、制御部Ｃは、燃焼排ガスの温度が所定温度以上に達すると、燃焼装置１００でのアンモニアの燃焼を開始し、燃焼装置１００をアンモニアと重油との混燃状態に切り替える。制御部Ｃは、例えば、燃焼容器９に設けられた温度センサ９９又は返送路５に設けられた温度センサ５９の出力信号に基づいて燃焼排ガスの温度が所定温度以上になったことを検知し、アンモニア供給部３による、燃料供給部２へのアンモニアの供給を開始することができる。燃料供給部２へ供給されたアンモニアは、燃焼空間形成部１に供給されて燃焼する。

本実施形態において、アンモニアの供給は、制御部Ｃの動作指令に基づいて、アンモニア供給システムシステム６からアンモニア供給部３へアンモニアが供給されることにより行われる。制御部Ｃは、例えば、アンモニアボンベ６０とアンモニア供給部３とに接続されたアンモニアの供給配管６１に設けられた流量センサ６３の出力信号に基づいて、アンモニアの供給配管６１に設けられた流量調整弁６２の弁の開度を調節して、アンモニアボンベ６０からアンモニア供給部３に供給されるアンモニアの供給量を調整する。なお、流量調整弁６２は、例えばダイアフラム弁、ニードル弁などの、弁の開度を調整して通流量を調整することができる開度調整弁である。

制御部Ｃは、燃焼排ガスの温度又はアンモニア配管３１を通流するアンモニアの温度に基づいて、空気、重油及びアンモニアの供給量を適切な比率に調整する。制御部Ｃは、必要に応じ、又は、作業者やあらかじめ定められた運転プログラムに基づいて、燃焼空間形成部１での燃焼を、アンモニア単独での燃焼に切り替える。

例えば、制御部Ｃは、燃焼装置１００で燃焼が開始してから燃焼排ガスの温度が所定温度以上に達すると、重油の供給を継続しながらアンモニアの供給を開始して燃焼装置１００を重油とアンモニアとの混燃状態とする。その後、重油の供給量を減らしながらアンモニアの供給量を増加させて、徐々に熱量比におけるアンモニアの比率を高めていく。この際、制御部Ｃは、温度センサ９９又は温度センサ５９により燃焼排ガスの温度が所定温度よりも低下しないように（例えば、６００℃以下にならないように）監視しながら（保ちながら）熱量比におけるアンモニアの比率を高めていく。また、温度センサ３９によりアンモニアの温度が所定温度よりも低下しないように（例えば、４００℃以下にならないように）監視しながら（保ちながら）熱量比におけるアンモニアの比率を高めていき、アンモニア単独での燃焼状態に移行させる。制御部Ｃは、温度センサ９９又は温度センサ５９で燃焼排ガスの温度が所定温度よりも低下したことを検知した場合や、温度センサ３９によりアンモニアの温度が所定温度よりも低下したことを検知した場合は、熱量比におけるアンモニアの比率の増大を停止し、また、熱量比におけるアンモニアの比率を一時的に低下させてよい。これにより、燃焼排ガスの温度やアンモニアの温度の更なる低下を防止し、所定温度以上に温度を回復することができる。

制御部Ｃは、燃焼装置１００がアンモニア単独での燃焼状態に移行した後も、必要に応じて温度センサ３９，５９，９９の何れか一つ以上の温度の監視を継続し、燃料供給部２へのアンモニアの供給量、空気の供給量又は重油の供給量を調整してよい。例えば、燃焼排ガスの温度が極端に低下したり、アンモニアの温度が所定値以下に低下したりした場合は、再び重油の供給を開始して、重油とアンモニアの混燃状態としてもよい。また、制御部Ｃは、燃焼装置１００や燃焼システム２００の用途によっては、アンモニアと重油との混燃状態を継続してもよい。

制御部Ｃは、返送路５からの返送ガスの供給量を必要に応じて調整してよい。このような調整制御によって、燃焼装置１００のターンダウン比を大きくすることができる。例えば、アンモニア単独での燃焼状態においては、流量調整弁５１を閉じて、返送ガスの供給を停止してもよい。返送ガスの供給停止により、アンモニア単独での燃焼状態におけるターンダウン比を大きくすることができる。

なお、本実施形態においては、重油供給口４１とアンモニア供給口３２とが返送路５に接続されているため、アンモニアの供給が開始されると、返送ガスの返送量が自然に低下して、燃焼空間形成部１に供給される混合ガスの酸素濃度が上昇してアンモニアの燃焼に適した状態に自動調整される。なお、アンモニアの供給が開始されると返送ガスの返送量が自然に低下するのは、燃料供給部２のエジェクタ機構における吸引効果によって返送路５から吸引される流体中におけるアンモニアの比率が相対的に高まり、返送ガスの比率がこれに伴って低下するためである。すなわち、重油供給口４１とアンモニア供給口３２とが返送路５に接続されることにより、燃焼装置１００のターンダウン比、すなわち燃焼システム２００のターンダウン比を大きくすることができる。

（第一実施形態の変形例１）
上記第一実施形態においては、燃焼システム２００のターンダウン比を大きくしたり、燃焼容器９内での燃焼状態を改善したり、燃焼排ガス中の酸素濃度を低下させたりするために、酸素搬送ガス供給部２０へ供給される酸素搬送ガスとしての空気とは別に、燃焼容器９が炉内空間Ｓへ第二酸素搬送ガスとしての二次空気を供給してもよい。

図２には、燃焼容器９内、すなわち、炉内空間Ｓのうち、第一燃焼空間Ｓ１の外部空間である第二燃焼空間Ｓ２に二次空気が供給される場合の燃焼システム２００の構成の説明図を示している。

この変形例では、燃焼容器９が、燃焼容器９内に二次空気を導入する二次空気供給口９５と、燃焼容器９内に設けられ、二次空気供給口９５が接続された二次空気供給容器９６とを有する場合を示している。二次空気供給口９５は、例えば筒壁部９０を貫通する貫通孔として形成される。二次空気供給容器９６は、二次空気供給口９５から二次空気を供給される。

二次空気供給容器９６は、例えば燃焼空間形成部１の筒状部１０を収容する筒状の二次空気ノズル部９７を有してよい。二次空気供給容器９６は、二次空気ノズル部９７により、燃焼空間形成部１の下流側に位置する二次空気ノズル部９７の開口部であって、二次空気ノズル部９７の筒壁と二次空気ノズル部９７との隙間から燃焼容器９内に二次空気を供給してよい。二次空気は、例えば、送風管８１から分岐させた第二送風管８５を介して二次空気供給口９５に供給されてよい。第二送風管８５には流量センサ８６や第二風量調整弁８７が設けられて良く、制御部Ｃは、流量センサ８６の出力信号に基づいて第二風量調整弁８７の弁の開度を調整して二次空気の供給量を調整してよい。

燃焼容器９内への二次空気の供給を可能とすることにより、燃焼システム２００のターンダウン比を大きくすること、燃焼容器９内での燃焼状態を改善すること又は燃焼排ガス中の酸素濃度を低下さること、が実現できる場合がある。

（第一実施形態の変形例２）
上記第一実施形態においては、燃焼システム２００のターンダウン比を大きくしたり、燃焼容器９内での燃焼状態を改善したり、燃焼排ガス中の酸素濃度を低下さるために、燃焼容器９が、炉内空間Ｓに対して、酸素搬送ガス供給部２０へ供給されるアンモニアとは別に、二次燃料としてアンモニアを供給してもよい。

図３には、上記変形例１の燃焼システム２００に対して、更に、二次燃料としてアンモニアを炉内空間Ｓ内に供給可能とした場合の構成の説明図を示している。この変形例２では、供給配管６１から分岐させた第二供給配管６４を第二送風管８５における流量センサ８６及び第二風量調整弁８７の下流側に接続している。燃焼容器９は、二次空気供給口９５及び二次空気供給容器９６を介して炉内空間Ｓ内にアンモニアを供給することができる。

第二供給配管６４には流量センサ６６や第二流量調整弁６５が設けられて良い。制御部Ｃは、流量センサ６６の出力信号に基づいて第二流量調整弁６５の弁の開度を調整し、二次空気供給容器９６に供給されるアンモニアの供給量を調整することができる。なお、第二流量調整弁６５は、例えばダイアフラム弁、ニードル弁などの開度調整弁である。

燃焼容器９内に二次燃料としてアンモニアを供給可能とすることにより、燃焼システム２００のターンダウン比を大きくすること、燃焼容器９内での燃焼状態を改善すること、又は燃焼排ガス中の酸素濃度を低下さること、が実現できる場合がある。

（第二実施形態）
上記第一実施形態では、第二燃料が重油である場合を例示して説明した。第二実施形態では、第二燃料が重油に代えてプロパンガスであり、また、図４に示すように、第二燃料供給部４及び第二燃料供給システム７がプロパンガスの供給に適した構成とされており、更に、燃焼装置１００が第一実施形態で示した返送路５（図１など参照）を有しない点で第一実施形態と異なり、その他は同様である。以下では、第一実施形態との相違点を中心に説明する。

本実施形態では、アンモニア配管３１のアンモニア供給口３２は吸引室２２に直接接続されており、アンモニア供給部３から吸引室２２にアンモニアが直接供給される。

また、第二燃料供給部４としての気体燃料供給口４５が、吸引室２２に接続され、第二燃料供給部４から吸引室２２にプロパンガスが直接供給される。なお、気体燃料供給口４５を酸素搬送ガス供給部２０に接続し、空気と共にプロパンガスが吸引室２２に供給されるようにしてもよい。

プロパンガスの供給は、制御部Ｃの動作指令に基づいて、第二燃料供給システム７から第二燃料供給部４へプロパンガスが供給されることにより行われる。制御部Ｃは、例えば、第二燃料供給システム７の、プロパンガスボンベとしての第二燃料ボンベ７９と第二燃料供給部４とに接続されたプロパンガスの供給配管７１に設けられた流量センサ７３の出力信号に基づいて、供給配管７１に設けられた流量調整弁７４の弁の開度を制御し、第二燃料ボンベ７９から第二燃料供給部４に供給されるプロパンガスの供給量を調整する。なお、流量調整弁７４は、ダイアフラム弁、ニードル弁などの開度調整弁である。

パイロットバーナ１９は、プロパンガスを燃料として種火を燃焼してよい。

本実施形態では、プロパンガス単独での燃焼状態、プロパンガスとアンモニアの混燃状態、及びアンモニア単独での燃焼状態が可能である。

なお、プロパンガスに代えて天然ガスを第二燃料として用いてもよい。

第二実施形態の燃焼システム２００によれば、返送ガスが燃焼空間形成部１に供給されないため、燃焼装置１００のターンダウン比を大きくしやすい。

以上で説明した燃焼装置１００及びこれを含む燃焼システム２００は、例えば現在の船舶の燃料として広く用いられており、例えば船舶中において容易に調達可能な重油や、船舶などの燃料として今後重油を代替していく可能性のある低炭素燃料であるプロパンガスや天然ガスなどの炭化水素ガス、更には、二酸化炭素を排出しない次世代燃料として期待されるアンモニアを燃料として燃焼可能であり、特に船舶に搭載される用途に適している。燃焼装置１００及びこれを含む燃焼システム２００は、一般的な熱源、例えばボイラー用としての用途はもちろん、船舶に搭載される不活性ガス製造装置としても、二酸化炭素の発生量が少なく、優れている。

以上のようにして、燃料としてのアンモニアの使用率を高めた燃焼装置及び燃焼システムを提供することができる。

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、燃焼装置１００で燃焼が開始してから燃焼排ガスの温度が所定温度以上に達すると、制御部Ｃがアンモニア供給部３による、燃料供給部２へのアンモニアの供給を開始する場合を説明した。また、制御部Ｃは、例えば、燃焼容器９に設けられた温度センサ９９又は返送路５に設けられた温度センサ５９の出力信号に基づいて燃焼排ガスの温度が所定温度以上になったことを検知し、アンモニア供給部３による、燃料供給部２へのアンモニアの供給を開始することができることを説明した。

しかしながら、制御部Ｃは、燃焼排ガスの温度に基づいて燃料供給部２へのアンモニアの供給を開始する態様に代えて、燃焼空間形成部１の火炎の状態に基づいて燃料供給部２へのアンモニアの供給を開始する態様とすることもできる。この場合、燃焼装置１００は、燃焼空間形成部１の火炎の状態を検知するフレームセンサを備えてよく、当該フレームセンサが検知した火炎の状態に基づいて、燃料供給部２へのアンモニアの供給を開始してよい。フレームセンサとしては、火炎の放出する光（例えば紫外線や可視光）に基づいて火炎の状態を判定するセンサや、火炎の導電性に基づいて火炎の状態を判定するセンサを用いてよい。すなわち、制御部Ｃは、燃焼装置１００で燃焼が開始してから火炎が所定の燃焼状態に達すると、アンモニア供給部３による燃料供給部２へのアンモニアの供給を開始するようにすることもできる。

（２）上記実施形態では、制御部Ｃは、燃焼装置１００がアンモニア単独での燃焼状態に移行した後も、必要に応じて温度センサ３９，５９，９９の何れか一つ以上の温度の監視を継続し、燃料供給部２へのアンモニアの供給量、空気の供給量又は重油の供給量を調整してよいことを説明した。
した。

しかしながら、制御部Ｃは、温度センサ３９，５９，９９の何れか一つ以上の温度の監視に代えて、燃焼空間形成部１の火炎の状態に基づいて燃料供給部２へのアンモニアの供給量、空気の供給量又は重油の供給量を調整してよい。この場合、燃焼装置１００は、燃焼空間形成部１の火炎の状態を検知するフレームセンサを備えてよく、当該フレームセンサが検知した火炎の状態に基づいて、燃料供給部２へのアンモニアの供給量、空気の供給量又は重油の供給量を調整してよい。フレームセンサとしては、上述のものと同様のものを用いてよい。

なお、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

本発明は、燃焼装置及び燃焼システムに適用できる。

１ ：燃焼空間形成部
１０ ：筒状部
１００ ：燃焼装置
１９ ：パイロットバーナ
２ ：燃料供給部
２０ ：酸素搬送ガス供給部
２００ ：燃焼システム
２１ ：ノズル部
２２ ：吸引室
２３ ：ディフューザ部
３ ：アンモニア供給部
３０ ：熱交換部
３１ ：アンモニア配管
３２ ：アンモニア供給口
３９ ：温度センサ
４ ：第二燃料供給部
４１ ：重油供給口
４５ ：気体燃料供給口
５ ：返送路
５１ ：流量調整弁
５９ ：温度センサ
６ ：アンモニア供給システム
６０ ：アンモニアボンベ
６１ ：供給配管
６２ ：流量調整弁
６３ ：流量センサ
６４ ：第二供給配管
６５ ：第二流量調整弁
６６ ：流量センサ
７ ：第二燃料供給システム
７０ ：第二燃料タンク
７１ ：供給配管
７２ ：燃料ポンプ
７３ ：流量センサ
７４ ：流量調整弁
７９ ：第二燃料ボンベ
８ ：酸素搬送ガス供給システム
８０ ：送風機
８１ ：送風管
８２ ：風量調整弁
８３ ：流量センサ
８４ ：圧力センサ
８５ ：第二送風管（第二酸素搬送ガス路）
８６ ：流量センサ
８７ ：第二風量調整弁
９ ：燃焼容器
９０ ：筒壁部
９１ ：底壁
９５ ：二次空気供給口
９６ ：二次空気供給容器
９７ ：二次空気ノズル部
９９ ：温度センサ
Ｃ ：制御部
Ｓ ：炉内空間
Ｓ１ ：第一燃焼空間
Ｓ２ ：第二燃焼空間

Claims (16)

1. 第一燃料としてのアンモニア又は前記アンモニアとは別の第二燃料を燃料として燃焼させる第一燃焼空間を形成する燃焼空間形成部と、
   前記燃焼空間形成部に前記燃料を供給する燃料供給部と、
   前記燃料供給部に前記アンモニアを供給するアンモニア供給部と、
   前記燃料供給部に前記第二燃料を供給する第二燃料供給部と、を備え、
   前記アンモニア供給部は、
   前記アンモニアを加熱する熱交換部を有し、
   前記熱交換部で加熱された前記アンモニアを前記燃料供給部に供給する燃焼装置。
2. 前記燃料供給部は
   酸素搬送ガスを供給されており、
   前記アンモニア又は前記第二燃料及び前記酸素搬送ガスを混合して混合ガスを形成する混合機構を有し、
   前記混合ガスを前記燃焼空間形成部に供給する請求項１に記載の燃焼装置。
3. 前記混合機構は、前記酸素搬送ガスの気流のエネルギーによって前記酸素搬送ガス及び前記第二燃料又は前記アンモニアを混合し、前記燃焼空間形成部に前記混合ガスを送り込むエジェクタ機構である請求項２に記載の燃焼装置。
4. エジェクタ機構は、
   前記アンモニア供給部から前記アンモニアが供給される吸引室と、
   前記酸素搬送ガスを前記吸引室に吹き込むノズル部と、
   前記吸引室の下流側に連通接続されたディフューザ部と、を有する請求項３に記載の燃焼装置。
5. 前記燃料供給部に前記燃焼空間形成部で生じた燃焼排ガスを供給する返送路を更に備え、
   前記返送路は、前記吸引室に連通接続されている請求項４に記載の燃焼装置。
6. 前記第二燃料供給部は、前記返送路を介して前記第二燃料を前記燃料供給部に供給する請求項５に記載の燃焼装置。
7. 前記アンモニア供給部は、前記返送路を介して前記アンモニアを前記燃料供給部に供給する請求項５又は６に記載の燃焼装置。
8. 前記返送路は、前記燃焼排ガスの通流量を調節する流量調整弁を有する請求項５から７の何れか一項に記載の燃焼装置。
9. 前記第二燃料供給部は、前記酸素搬送ガスと共に前記第二燃料を前記ノズル部を介して前記吸引室に供給する請求項４から８の何れか一項に記載の燃焼装置。
10. 前記燃料供給部に前記酸素搬送ガスを供給する酸素搬送ガス供給部を更に備えた請求項２から９の何れか一項に記載の燃焼装置。
11. 前記熱交換部は、前記燃焼空間形成部で生じた燃焼排ガスの流れの下流側に配置され、前記燃焼排ガスと前記アンモニアとの熱交換を行う請求項１から１０の何れか一項に記載の燃焼装置。
12. 請求項１から１１の何れか一項に記載の燃焼装置と、
    前記燃焼装置が装着され、炉内空間を形成する燃焼容器と、を備え、
    前記燃焼容器は、前記炉内空間に前記燃焼空間形成部を収容している燃焼システム。
13. 前記燃焼容器は、前記炉内空間内であって、前記第一燃焼空間の外部空間に第二酸素搬送ガスを供給する請求項１２に記載の燃焼システム。
14. 前記燃焼容器は、前記炉内空間内であって、前記第一燃焼空間の外部空間に、第二燃料としてのアンモニアを供給する請求項１２又は１３に記載の燃焼システム。
15. 制御部を更に備え、
    前記制御部は、燃焼容器で生じる燃焼排ガスの温度、又は、前記熱交換部で加熱された前記アンモニアの温度、又は火炎の状態に基づいて、前記燃料供給部への前記アンモニアへの供給量と、前記燃料供給部への前記第二燃料の供給量との比率を調整する請求項１２から１４の何れか一項に記載の燃焼システム。
16. 前記制御部は、
    前記燃焼装置を前記第二燃料で燃焼開始させ、
    前記燃焼排ガスの温度が所定温度以上に達すると、前記燃焼装置を前記アンモニアと前記第二燃料との混燃状態に切り替え、その後、前記アンモニア単独での燃焼状態に移行させ、
    前記混燃状態から前記アンモニア単独での燃焼状態へ切り替える際は、前記熱交換部で加熱された前記アンモニアの温度を所定値以上に保ちながら、前記混燃状態における前記アンモニアの比率を高めていって、前記アンモニア単独での燃焼状態に移行させる請求項１５に記載の燃焼システム。

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